JP5446374B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳからなる光電変換素子を形成した固体撮像素子と、その製造方法に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を用いた撮像装置が、普及してきている。

固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。

また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで対象物の色情報を得ることを可能としたカラーセンサーも普及している。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的である。

固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、感度は低下する。

このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率（面積）を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。とは言え、固体撮像素子の微細化がさらに進むと、微細化したマイクロレンズを正確な位置精度で正常な形状を保って形成することは一層難しくなるので、充分な効果を得られないこともある。

一方、シリコン基板に設けられる光電変換素子の受光部が、トランジスタや配線領域を避けて配置されることにより、特に微細化した光電変換素子を多く並べる場合に、受光部領域の開口率を大きくすることは困難である。これを改良するため、トランジスタや配線層を形成するシリコン基板の片面に対して、その裏面側に光電変換素子を設けて、裏面を受光部とする裏面照射型固体撮像素子と呼称される技術も提案されている（特許文献１参照）。

光電変換素子は入射した光を電気信号に変換するが、光が所定の光電変換素子に入射せず、異なった光電変換素子（例えば、隣接した光電変換素子）に入射した場合、得られる画像にノイズが生じる。特に、カラーフィルタを配設したカラーセンサの場合、カラーフィルタを通過した光が異なる色に対応する光電変換素子に入射すると、得られる画像に混色の問題が生じる。このような誤入射による問題は、隣接する光電変換素子との境界部や斜め方向から光電変換素子に入射する光に発生しやすい。そのため、入射する光が、所望する光電変換素子とは異なった光電変換素子に入射するのを防止するため、遮光壁を固体撮像素子の側端部や個々のカラーフィルタ間に設ける技術が提案されている。

前記裏面照射型固体撮像素子においても、上述の事情は同様であるが、裏面照射型固体撮像素子の場合は、光電変換素子から見て受光部と反対側に設けた配線層が光電変換素子間の隙間を通して入射した光を反射して、固体撮像素子内部で散乱光もしくは迷光となることにより、不適切な光電変換素子に受光してしまうという現象も加わるので、ノイズや混色の問題は一層大きな影響を与える。

特開２００５−２５９８２８号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたもので、その課題とするところは、裏面照射型の固体撮像素子において、光電変換素子間の隙間を通して入射し配線層で反射する光が光電変換素子に受光されることを防ぎ、ノイズや混色の問題を生じさせない固体撮像素子とその製造方法を提案することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明による固体撮像素子は、
薄膜板状のシリコン層と、前記シリコン層の片方の面側に設けられた配線層と、前記シリコン層の前記配線層と反対側の面に受光部を面して形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子の受光部表面上に該受光部と同形に設けた高屈折率透明層と、前記高屈折率透明層を覆って平坦面を形成する平坦化透明層と、前記平坦化透明層の上面に前記光電変換素子受光部の各々に対応して設けられたカラーフィルタと、を有しており、
前記高屈折率透明層は、前記光電変換素子上に形成したシリコン酸化層を選択的にエッチングして、受光部表面上に該受光部と同形に窓を開けるように形成された凹部に、酸化チタンを含む屈折率１．８以上の材料を埋めて形成されてなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明による固体撮像素子は、
請求項１に記載の固体撮像素子において、前記カラーフィルタの上面に前記光電変換素子受光部の各々に対応して、マイクロレンズが設けられたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、
前記高屈折率透明層を形成する手段が、前記光電変換素子受光部上のシリコン層を酸化する工程と、
該受光部上の酸化されたシリコン層を選択的にエッチングして凹部を作る工程と、
前記高屈折率透明層を形成する材料を前記エッチングされた凹部に埋める工程と、
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明の固体撮像素子によれば、裏面照射型の固体撮像素子において、
光電変換素子間の隙間を通して入射し配線層で反射する光が、光電変換素子受光部上の前記高屈折率透明層により、光電変換素子に受光されることを防ぐので、ノイズや混色の問題を生じさせない固体撮像素子を提供できる。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、前記高屈折率透明層を形成する手段が、前記薄膜板状のシリコン層の酸化された片面を選択的にエッチングして得られる凹部に基づいて形状と位置を定めることになるので、微細な加工を高精度で行うことができ、前記高屈折率透明層の平面配置の位置精度も高さの均一性も良好に得られるので、後工程で形成されるカラーフィルタやマイクロレンズとの位置関係を高精度に制御でき、固体撮像素子の全体高さも良好に制御できる。このため、高品質の固体撮像素子を製造することができる。

本発明の固体撮像素子の一例を説明するための断面模式図である。 従来の固体撮像素子の一例を説明するための断面模式図である。 本発明の固体撮像素子の他の一例を説明するための断面模式図である。 従来の固体撮像素子の他の一例を説明するための断面模式図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法の一例を説明するための断面模式図である。

以下、図面に従って、発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の断面模式図は、いずれも固体撮像素子の一部分を拡大して示したものであり、適宜図面上左右に連なる形態であることは言うまでもない。図１は、本発明の固体撮像素子の一例を説明するための断面模式図であって、シリコン基板からなる薄膜板状のシリコン層１０の片方の面側に絶縁層９０を配して配線層２０を設ける。配線層２０は、通常、アルミニウム等の金属からなる多層配線構造を有し、後述の光電変換素子からの電気信号を伝送処理する。前記シリコン層１０の前記配線層２０と反対側の面に受光部を面して形成された複数の光電変換素子３０と、前記光電変換素子３０の受光部表面上に該受光部と同形に設けた高屈折率透明層４１と、各光電変換素子の受光部配列の隙間部分に前記高屈折率透明層４１と隣接して配置されるシリコン酸化層１５と、前記高屈折率透明層４１とシリコン酸化層１５とを覆って平坦面を形成する平坦化透明層５０と、前記平坦化透明層５０の上面に前記光電変換素子受光部の各々に対応して設けられたカラーフィルタ６１、６２、６３と、を有する。カラーフィルタ６１、６２、６３は、隣り合う異なる色の画素の連なりを表している。

また、図３は、本発明の固体撮像素子の他の一例を説明するための断面模式図であって、図１に示したカラーフィルタ６１、６２、６３の各画素の上面にマイクロレンズ７０をそれぞれに設け、従って、前記光電変換素子受光部の各々に対応してマイクロレンズ７０を設けた例であるが、図では、簡単のために、一部のマイクロレンズ７０を表記した。矢印表記の入射光８１、８２も部分的にしか表記していないが、図１、図３、及び後述の図２、図４にあっても、撮像対象となる画像からの光が、カラーフィルタの上面全体に注ぐことを表す。図３、図４ではマイクロレンズ７０により、入射光８１が集束しつつ光電変換素子３０の受光面に達することを示す。一方、入射光８２は、カラーフィルタ画素の間隙近傍に入射し、図３、図４では、マイクロレンズ７０に入射後に迷光８３となる状況を模式的に示す。後に説明する通り、図１、図３に示す本発明の例の方が、図２、図４に示す従来の例よりも、入射光８２、またはその迷光８３が入射光８１の通るカラーフィルタ画素６２とは異なるカラーフィルタ画素６３を通り、配線層２０の入射光側の面で反射される割合が少ない。

図２は、従来の裏面照射型の固体撮像素子の一例を説明するための断面模式図であり、図４は、従来の裏面照射型の固体撮像素子の他の一例を説明するための断面模式図である。図２、図４では、本発明の特徴とするシリコン酸化層と高屈折率透明層が無い。そのため、図２に示すように、斜め方向から入射しカラーフィルタ６３を通過した入射光８２は、光電変換素子３０間の隙間を通過し、配線層２０で反射し、隣接する他の色のカラーフィルタ６２に対応する光電変換素子に入射し、ノイズや混色を生じさせていた。また、図４においては、カラーフィルタ上にマイクロレンズを設けた固体撮像素子において、固体撮像素子を構成する各要素間の屈折率の差により、固体撮像素子に入射した光の一部が各要素間の境界で反射するなどして生じた迷光８３が光電変換素子間の隙間を通過し、配線層２０で反射し、光電変換素子に入射して、ノイズや混色の原因となる例を示している。

上記の従来例とは異なり、本発明においては、図１および図３に示すとおり、光電変換素子３０の受光部表面上に高屈折率透明層４１を設け、隣り合う光電変換素子の受光部表面上に設けた高屈折率透明層との間隙部分には、低屈折率透明層としてのシリコン酸化層１５を設ける。かかる構造にすると、高屈折率透明層に入った光が高屈折率透明層から低屈折率透明層に進入しようとする際に、光は屈折率の異なる層の境界で反射し、低屈折率層に進入することはない。そのため、高屈折率透明層４１はいわゆる光の導波路としての役割を有することになる。このように、各光電変換素子とそれに対応するカラーフィルタ画素との間に光の導波路に相当する領域が高屈折率透明層として形成されるため、前記領域の外部への光の出入りを制限することができ、前記散乱光や迷光が隣接する光電変換素子の受光部に達することを防ぐので、ノイズや混色を防止できる。

例えば、図１に示すように、カラーフィルタ６３を通過した入射光８２は、シリコン酸化層１５と高屈折率透明層４１の無い従来であれば、図１中の破線矢印に示すように直進し、光電変換素子間の隙間を通過して配線層２０に達していたが、本発明においては、入射光８２は図１中の実線矢印に示すように、高屈折率透明層４１とシリコン酸化層１５との境界で進路が変えられ、光電変換素子間の隙間を通過することが無くなり、配線層２０に到達しなくなる。

また、図３に示すように、固体撮像素子に入射した光のうち、迷光８３となった光は、シリコン酸化層１５と高屈折率透明層４１の無い従来であれば、図３中の破線矢印に示すように直進し、光電変換素子間の隙間を通過して配線層２０に達していたが、本発明においては、迷光８３は図３中の実線矢印に示すように、高屈折率透明層４１とシリコン酸化層１５との境界で進路が変えられ、光電変換素子間の隙間を通過することが無くなり、配線層２０に到達しなくなる。

なお、上述した説明において、迷光８３はマイクロレンズ７０とカラーフィルタ６３とにより生じた場合の例で表しているが、迷光の発生部位はこれに限定されるものではなく、マイクロレンズと光電変換素子間の各要素部で生じることもある。

前記高屈折率透明層４１としては、一般の光導波路形成材料が使用でき、酸化チタンを含む屈折率１．８以上の材料が適しており、特に、ルチル型酸化チタン微粒子の分散液をアクリル系樹脂やエポキシ系樹脂に含有させた材料が好ましい。また、前記低屈折率透明層としてのシリコン酸化層１５は、一般に、屈折率が１．５程度以下である。

前記高屈折率透明層４１を形成する手段について、図面に従って説明する。
図５は、本発明の固体撮像素子の製造方法の一例を、高屈折率透明層４１を形成する手段を中心に、説明するための断面模式図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の工程順に示す。図５（ａ）以下に示すシリコン層１１は、図１〜図４のシリコン層１０と同じものであるが、光電変換素子３０の形成領域としてのシリコン層領域を他の加工されるシリコン層領域と区別して表す。配線層２０を形成する面（シリコン基板の表（オモテ）面側）の反対面（シリコン基板の裏面側）に受光部を向けて、かつ、素材のシリコン基板内部にあって配線層２０に近い側に、通常の半導体のウェハプロセスにより、光電変換素子３０を配列させて設ける。また、シリコン基板の光電変換素子３０を形成した面とは反対面側に絶縁層９０を配し、絶縁層９０内に前記配線層２０を成膜工程およびフォトリソグラフィー工程により、形成する。前記配線層２０を多層配線層とする場合に、層間の絶縁層と導通部分を構成に含むが、通常の手法で行われるものであって、図面での詳細説明は省略する。その後、シリコン基板の裏面から、グラインダーを用いてシリコンを一定量研磨する。研磨除去領域のシリコン層１３を除いた、光電変換素子３０の配列された受光部より上のシリコン層は、前記研磨の前後いずれかの時期に酸化することにより、シリコン酸化層１５としておく（図５（ａ））。

シリコン酸化層１５を形成するためのシリコン酸化の方法としては、通常の酸素熱酸化法を用いることができるが、高濃度のオゾンを用いて処理温度を低温化する方法等も開発されており、限定されない。シリコン酸化層１５の厚さは、０．３〜５μｍが適当であって、薄すぎると前記高屈折率透明層を形成した場合の導波路としての効果が不充分となり、前記散乱光や迷光が隣接する光電変換素子の受光部に達することを防ぐ効果が小さくなる。また、厚すぎると工程の処理全てにおいて負荷を増大させる上に、固体撮像素子の最前面から光電変換素子までの光路長を長くすることになり、センサーとしての特性を劣化させる原因となる。

次に、シリコン酸化層１５を選択的にエッチングし、所定のパターンに形成した図を、図５（ｂ）に示す。シリコン酸化層を所定のパターンに形成するにあたっては、一般的なシリコン酸化層のエッチング技術が挙げられる。すなわち、シリコン酸化層上にフォトリソグラフィー法などにより所定の形状の耐エッチング層を形成し、耐エッチング層より露出したシリコン酸化層をエッチング除去し、しかる後に耐エッチング層を除去する。ここで、耐エッチング層は、受光部表面上に該受光部と同形に窓を開けるように形成しておく。受光部の大きさは固体撮像素子の設計仕様により決められ、通常は１〜数μｍであるが、高精細化の技術が進展し、直径１μｍ以下のサイズも可能となり、最小で０．１μｍレベルまで考慮する必要がある。また、耐エッチング層としては、エッチング時に自身もエッチングされる材料としてもかまわない。その場合、耐エッチング層とシリコン酸化層とのエッチング速度（エッチングレート）を適宜選択することで、耐エッチング層より露出したシリコン酸化層がエッチングされると同時に耐エッチング層の除去も終了し、耐エッチング層の形状がシリコン酸化層に転写することも可能である。

上記のエッチングは、硫酸系、塩酸系、フッ酸系、の薬液を使用するウェットエッチング、又は、フッ素系やその他ハロゲン系のガスを使用するドライエッチングのいずれの方法でも可能である。エッチング用マスキング材料とのエッチング速度比やエッチング時のアンダーカットの少なさ等により、具体的な手段を選択するが、ドライエッチングを用いる方が、一般に、微細パターンの形成に適している。シリコン酸化層１５より、前記光電変換素子３０の受光部が窓明けされる領域が、最終的にドライエッチングにより除去される領域となり、残されたシリコン酸化層１５は、隣り合う光電変換素子３０の受光部表面上に設けた高屈折率透明層との間隙部分に位置する低屈折率透明層としてのシリコン酸化層となる。

次に、シリコン酸化層１５を選択的にエッチングして形成された光電変換素子３０の受光部表面上の凹部に高屈折率透明層４１を埋めて形成し、さらに、前記高屈折率透明層４１とエッチングされなかったシリコン酸化層１５とを平坦化透明層５０により覆って平坦面を形成するまでの工程を、図５（ｃ）に示す。

前記高屈折率透明層４１として、前述の酸化チタン微粒子の分散液を樹脂に含有させた材料を準備する。これを前記受光部表面上の凹部に埋める手段としては、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、ロールコート法、スピンコート法、を初めとする各種印刷法や塗布法を利用することができる。上記材料の適量が凹部を略埋めるまで、複数回の印刷または塗布を繰り返しても良い。また、塗布材料の特性に合わせて、乾燥、硬化を適宜行うことができる。また前記高屈折率透明層４１の材料として感光性の樹脂を用い、受光面上に樹脂を塗布した後、パターン露光、現像を行うフォトリソグラフィー法を用いても構わない。凹部を埋めた後、上記の高屈折率透明層４１とシリコン酸化層１５との有効領域全体を覆うように、平坦化透明層５０を塗布、形成する。平坦化透明層５０は、カラーフィルタ６１、６２、６３を形成する下地面の平坦化を行うために設けられるので、塗布前の前記高屈折率透明層４１とシリコン酸化層１５との有効領域全体の平坦性に応じて、充分な平坦性が得られるように平坦化透明層５０の材料特性と厚さを与えることが必要である。透明な樹脂を塗布して、平坦化透明層５０を形成する際、透明樹脂の粘度にもよるが、１回の塗布では充分な厚さが得られない場合、複数回に分けて透明樹脂を塗布して積層することにより、形成できる。

前記平坦化透明層５０を形成した後に、固体撮像素子として完成させるまでの製造方法を以下に説明する。

カラーフィルタ６１、６２、６３は、着色感光性樹脂を所定の色に応じて選択し、下層の光電変換素子３０と位置合わせしてパターン露光、現像を行い、残存した着色感光性樹脂膜を各色層とするフォトリソグラフィー法を繰り返すことにより、形成する。

マイクロレンズ７０を設ける場合は、フォトリソグラフィー法で、光電変換素子３０およびカラーフィルタ６１、６２、６３の各画素に対応する位置に樹脂パターンを形成した後に、熱リフロー法で溶融樹脂の表面張力を利用してレンズ形状とすることができる。

以上、本発明の固体撮像素子によれば、裏面照射型の固体撮像素子において、各光電変換素子とそれに対応するカラーフィルタ画素との間に光の導波路に相当する領域が高屈折率透明層として形成されることとなり、前記領域の外部への光の出入りを制限することができ、撮像素子に入射した光が散乱光や迷光となり、この散乱光や迷光が隣接する光電変換素子の受光部に達することを防ぐので、ノイズや混色を防止できる。特に光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）では、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）とは異なり、隣に別の光電変換素子の存在しない辺付近からの入射光の進入が生じ易い傾向があるが、各光電変換素子とそれに対応するカラーフィルタ画素との間に光の導波路に相当する領域を設けて、前記領域外からの光を受光しないという本発明の構造は、特に大きな効果が得られる。

また、本発明の裏面照射型とは異なる一般の固体撮像素子においても、各光電変換素子とそれに対応するカラーフィルタ画素との間に光の導波路に相当する領域を高屈折率透明層として設けて、前記領域外からの光を受光しないという本発明の構造の考え方を適用すれば、本発明におけるような配線層表面の反射光が原因ではない散乱光や迷光であっても、それらを防ぐ手段となりうることは、容易に考えられる。

１０・・・シリコン層
１１・・・シリコン層（光電変換素子形成領域）
１３・・・シリコン層（研磨除去領域）
１５・・・シリコン酸化層（ドライエッチング加工領域）
２０・・・配線層
３０・・・光電変換素子
４１・・・高屈折率透明層
５０・・・平坦化透明層
６１、６２、６３・・・カラーフィルタ
７０・・・マイクロレンズ
８１、８２・・・入射光
８３・・・迷光
９０・・・絶縁層

Claims (3)

1. 薄膜板状のシリコン層と、前記シリコン層の片方の面側に設けられた配線層と、前記シリコン層の前記配線層と反対側の面に受光部を面して形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子の受光部表面上に該受光部と同形に設けた高屈折率透明層と、前記高屈折率透明層を覆って平坦面を形成する平坦化透明層と、前記平坦化透明層の上面に前記光電変換素子受光部の各々に対応して設けられたカラーフィルタと、を有しており、
   前記高屈折率透明層は、前記光電変換素子上に形成したシリコン酸化層を選択的にエッチングして、受光部表面上に該受光部と同形に窓を開けるように形成された凹部に、酸化チタンを含む屈折率１．８以上の材料を埋めて形成されてなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記カラーフィルタの上面に前記光電変換素子受光部の各々に対応して、マイクロレンズが設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、
   前記高屈折率透明層を形成する手段が、前記光電変換素子受光部上のシリコン層を酸化する工程と、
   該受光部上の酸化されたシリコン層を選択的にエッチングして凹部を作る工程と、
   前記高屈折率透明層を形成する材料を前記エッチングされた凹部に埋める工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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