JP6103947B2

JP6103947B2 - 固体撮像装置及びその製造方法

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Publication number: JP6103947B2
Application number: JP2013005697A
Authority: JP
Inventors: 政樹栗原; 大輔下山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: US20140191349A1; JP2014138071A; CN103928479B; CN103928479A; US9305965B2

Description

本発明は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像装置（固体撮像素子）及びその製造方法に関する。

固体撮像装置には、受光部への集光効率を高めるための技術、特に入射角度が急峻な光をより効率よく集光させる技術が望まれている。例えば、近年、受光部の周囲に相当する領域に中空部を形成し、中空部界面の反射を利用して、受光部への集光効率を高める構造を有する固体撮像装置が提案されている（例えば、下記の特許文献１の図２３参照）。

具体的に、下記の特許文献１には、図２３に、各受光部の上方に当該各受光部に対応して設けられた各カラーフィルタ層の間に、上述した中空部を形成する技術が開示されている。より詳細に、下記の特許文献１の図２３には、いわゆる原色系のカラーフィルタ層であるＲＧＢのカラーフィルタ層が示されており、Ｒ及びＢのカラーフィルタ層の周囲を囲むように中空部が形成されている。

特開２０１０−４０１８号公報

しかしながら、上述した特許文献１の手法では、固体撮像装置の製造時における洗浄工程や固体撮像装置に対する熱衝撃試験等で、カラーフィルタ層（具体的には、Ｒ及びＢのカラーフィルタ層）の剥がれが発生する恐れがあるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、各カラーフィルタ層の間に中空部を備える固体撮像装置において、各カラーフィルタ層の剥がれの防止を実現する固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板の上面に複数の受光部が設けられた固体撮像装置であって、前記半導体基板の上方に形成され、前記複数の受光部における各受光部に対応した複数のカラーフィルタ層と、前記複数のカラーフィルタ層における各カラーフィルタ層の間に形成された中空部とを含み、前記各カラーフィルタ層は、平面視において、隣接するカラーフィルタ層のうちの少なくとも１つのカラーフィルタ層と接する角部領域の第１の部分と、前記中空部によって隣接するカラーフィルタ層と接しない第２の部分を有する。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の上面に複数の受光部が設けられた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板の上方に、前記複数の受光部における各受光部に対応した複数のカラーフィルタ層を形成する工程と、前記複数のカラーフィルタ層における各カラーフィルタ層の間に、中空部を形成する工程とを含み、前記各カラーフィルタ層は、平面視において、隣接するカラーフィルタ層のうちの少なくとも１つのカラーフィルタ層と接する角部領域の第１の部分と、前記中空部によって隣接するカラーフィルタ層と接しない第２の部分を有する。

本発明によれば、各カラーフィルタ層の間に中空部を備える固体撮像装置において、各カラーフィルタ層の剥がれを防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層の上面図である。図１に示す領域Ａの拡大図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の製造方法の一例を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層の上面図である。本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層の上面図である。本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層の上面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層５〜７の上面図である。ここで、図１には、一例として９画素分が示されており、各画素ごとに、第１のカラーフィルタ層５、第２のカラーフィルタ層６及び第３のカラーフィルタ層７のうちのいずれかのカラーフィルタ層が設けられている。例えば第１のカラーフィルタ層５は緑色（Ｇ）のフィルタ層であり、例えば第２のカラーフィルタ層６は赤色（Ｒ）のフィルタ層であり、例えば第３のカラーフィルタ層７は青色（Ｂ）のフィルタ層である。即ち、図１に示す例では、カラーフィルタ層の配列として、いわゆるベイヤー配列の例を示しているが、本実施形態においては、図１に示す態様に限定されるものではなく、他のカラーフィルタ層の配列であってもよい。

図１に示すように、複数のカラーフィルタ層５〜７における各カラーフィルタ層の間には、中空部（エアーギャップ）９が形成されている。この際、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。より詳細に、図１に示す例では、各カラーフィルタ層５〜７は、その角部領域が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されている。また、中空部９の幅は、各画素ごとに設けられる受光部への集光効率を高めるという観点から鑑みると、０．１μｍ以下であることが望ましい。

図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。
図２（ａ）は、左下に位置する第３のカラーフィルタ層７がその右方向に隣接する第１のカラーフィルタ層５と接触している長さ（境界線の長さ）Ｘが、中空部９の幅の１／２の長さＹよりも長い場合を示している。
また、図２（ｂ）は、左下に位置する第３のカラーフィルタ層７がその右方向に隣接する第１のカラーフィルタ層５と接触している長さ（境界線の長さ）Ｘが、中空部９の幅の１／２の長さＹと等しい場合を示している。この場合、図２（ｂ）に示すように、第３のカラーフィルタ層７等は、点接触することになる。
即ち、左下に位置する第３のカラーフィルタ層７をその角部領域において他のカラーフィルタ層と接して形成するためには、その右方向等に隣接するカラーフィルタ層と接触している長さ（境界線の長さ）Ｘを、中空部の幅の１／２の長さＹ以上とする必要がある。これを一般化すると、各カラーフィルタ層５〜７がその上下左右の少なくとも一方向に隣接するカラーフィルタ層と接触している長さ（境界線の長さ（長さＸ））は、中空部９の幅の１／２の長さ以上（長さＹ以上）となる条件を満たす必要がある。本実施形態では、この条件を満たす各カラーフィルタ層５〜７を形成する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の製造方法の一例を示す模式図である。ここで、本実施形態においては、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示す固体撮像装置の断面は、図１に示すＩ〜Ｉ'の断面に相当する。

まず、図３（Ａ）について説明する。
始めに、半導体基板ＳＢの表面（上面）に、例えば２次元行列状に複数の受光部１を形成する。ここで、半導体基板ＳＢは、例えばシリコン基板であり、受光部１は、例えば光電変換素子（フォトダイオード）である。
次いで、半導体基板ＳＢの上面上に、多層配線構造ＭＩを形成する。この多層配線構造ＭＩは、例えば、半導体基板ＳＢの上面上に、第１の層間絶縁層３ａ、第１の配線層２ａ、第２の層間絶縁層３ｂ、第２の配線層２ｂ、第３の層間絶縁層３ｃ、第３の配線層２ｃ、及び、第４の層間絶縁層３ｄを順次形成することで作製される。また、図３（Ａ）に示す例では、第４の層間絶縁層３ｄの上面は平坦化されているが、平坦化されていなくてもよい。ここで、第１の層間絶縁層３ａ〜第４の層間絶縁層３ｄをまとめて「層間絶縁層３」とし、第１の配線層２ａ〜第３の配線層２ｃをまとめて「配線層２」とする。また、配線層２は、いわゆるダマシン法（下地の層間絶縁層３に溝を形成し、当該溝に配線層２となる金属層を埋め込む方法）によって形成されても、いわゆるエッチング法（下地の層間絶縁層３上に金属層を形成した後、当該金属層をエッチングによりパターン形成する手法）によって形成されてもよい。また、層間絶縁層３は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物或いはシリコン酸窒化物の無機材料で形成されている。本実施形態においては、層間絶縁層３は、シリコン酸化物で形成されているものとする。
次いで、多層配線構造ＭＩ上に、第１の平坦化層４を形成する。この第１の平坦化層４は、例えばアクリル樹脂系の有機材料で形成されている。
次いで、第１の平坦化層４の上面上に、フォトリソグラフィー法を用いて、複数のカラーフィルタ層である、第１のカラーフィルタ層５、第２のカラーフィルタ層６、及び、第３のカラーフィルタ層７を形成する。ここで、各カラーフィルタ層５〜７は、各受光部１の上方に各受光部１に対応して設けられており、例えばアクリル樹脂系の有機材料で形成されている。また、図３（Ａ）に示す例では、各カラーフィルタ層５〜７は、略同じ膜厚で形成されているが、異なる膜厚で形成されていてもよい。

続いて、図３（Ｂ）に示すように、各カラーフィルタ層５〜７の上面上に、各カラーフィルタ層５〜７の境界部分を開口するフォトレジスト８を形成する。このフォトレジスト８の開口幅は、０．１μｍ以下である。このフォトレジスト８は、図１に示す上面図においては、各カラーフィルタ層５〜７の形成領域上に形成され、中空部９の形成領域上には形成されない（即ち開口部となる）。したがって、図１に示す領域Ｂには、フォトレジスト８が形成される（即ち開口部は存在しない）。

続いて、図３（Ｃ）に示すように、フォトレジスト８をマスクとしたエッチングにより、当該マスクで覆われていない部分における、各カラーフィルタ層５〜７及び第１の平坦化層４を除去する。即ち、各カラーフィルタ層５〜７の境界部分等を除去する。これにより、各カラーフィルタ層５〜７の間に中空部（エアーギャップ）９が形成される。ここで、中空部９の幅は、０．１μｍ以下である。また、図１に示す領域Ｂ等には、フォトレジスト８が形成されているため、中空部９は形成されない。

続いて、図３（Ｄ）に示すように、アッシングによりフォトレジスト８を除去する。

続いて、図３（Ｅ）に示すように、まず、各カラーフィルタ層５〜７の上面を含む全面に、第２の平坦化層１０を形成する。この第２の平坦化層１０は、中空部９の開口領域を封止する封止層として機能するものである。また、第２の平坦化層１０は、例えばアクリル樹脂系の有機材料で形成されている。
次いで、各カラーフィルタ層５〜７の上方であって第２の平坦化層１０の上面上に、各受光部１に対応したマイクロレンズ１１を形成する。このマイクロレンズ１１は、例えばアクリル樹脂系の有機材料で形成されている。
なお、図３に示す例では、第２の平坦化層１０を設けるようにしているが、本実施形態においてはこの態様に限定されるものではなく、例えば、１０及び１１に示す構成をマイクロレンズとして一体的に形成するようにしてもよい。

以上の図３（Ａ）〜図３（Ｅ）の工程を経ることにより、各受光部１を有する画素が例えば２次元行列状に複数配設された固体撮像装置（固体撮像素子）１００が作製される。

第１の実施形態では、図１に示すように、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。
かかる構成によれば、各カラーフィルタ層５〜７はその周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されているため、固体撮像装置の製造時における洗浄工程や固体撮像装置に対する熱衝撃試験等においても、各カラーフィルタ層５〜７の剥がれを防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層５〜７の上面図である。なお、図４において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。図４に示す第２の実施形態に係る固体撮像装置は、図１に示す第１の実施形態に係る固体撮像装置と中空部９の形成領域が異なっている。

図４に示すように、複数のカラーフィルタ層５〜７における各カラーフィルタ層の間には、中空部９が形成されている。この際、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。また、中空部９の幅は、各画素ごとに設けられる受光部への集光効率を高めるという観点から鑑みると、０．１μｍ以下であることが望ましい。

第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例は、図３に示すものと同様である。この際、本実施形態においては、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示す固体撮像装置の断面は、図４に示すII〜II'の断面に相当する。
図３に示す固体撮像装置の製造方法を本実施形態に適用する場合、図３（Ｂ）に示すフォトレジスト８の形成工程では、図４に示す各カラーフィルタ層５〜７の形成領域上にフォトレジスト８が形成され、中空部９の形成領域上にはフォトレジスト８は形成されない（即ち開口部となる）。

第２の実施形態においても、図４に示すように、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。
かかる構成によれば、各カラーフィルタ層５〜７はその周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されているため、固体撮像装置の製造時における洗浄工程や固体撮像装置に対する熱衝撃試験等においても、各カラーフィルタ層５〜７の剥がれを防止することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層５〜７の上面図である。なお、図５において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。図５に示す第３の実施形態に係る固体撮像装置は、図１及び図４に示す第１及び第２の実施形態に係る固体撮像装置と中空部９の形成領域が異なっている。

図５に示すように、複数のカラーフィルタ層５〜７における各カラーフィルタ層の間には、中空部９が形成されている。この際、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。また、中空部９の幅は、各画素ごとに設けられる受光部への集光効率を高めるという観点から鑑みると、０．１μｍ以下であることが望ましい。

第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例は、図３に示すものと同様である。この際、本実施形態においては、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示す固体撮像装置の断面は、図５に示すIII〜III'の断面に相当する。
図３に示す固体撮像装置の製造方法を本実施形態に適用する場合、図３（Ｂ）に示すフォトレジスト８の形成工程では、図５に示す各カラーフィルタ層５〜７の形成領域上にフォトレジスト８が形成され、中空部９の形成領域上にはフォトレジスト８は形成されない（即ち開口部となる）。

第３の実施形態においても、図５に示すように、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。
かかる構成によれば、各カラーフィルタ層５〜７はその周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されているため、固体撮像装置の製造時における洗浄工程や固体撮像装置に対する熱衝撃試験等においても、各カラーフィルタ層５〜７の剥がれを防止することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置（固体撮像素子）の一構成である各カラーフィルタ層５〜７の上面図である。なお、図６において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。図６に示す第４の実施形態に係る固体撮像装置は、図１、図４及び図５に示す第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置と中空部９の形成領域が異なっている。

図６に示すように、複数のカラーフィルタ層５〜７における各カラーフィルタ層の間には、中空部９が形成されている。この際、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。また、中空部９の幅は、各画素ごとに設けられる受光部への集光効率を高めるという観点から鑑みると、０．１μｍ以下であることが望ましい。

第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例は、図３に示すものと同様である。この際、本実施形態においては、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示す固体撮像装置の断面は、図６に示すIV〜IV'の断面に相当する。
図３に示す固体撮像装置の製造方法を本実施形態に適用する場合、図３（Ｂ）に示すフォトレジスト８の形成工程では、図６に示す各カラーフィルタ層５〜７の形成領域上にフォトレジスト８が形成され、中空部９の形成領域上にはフォトレジスト８は形成されない（即ち開口部となる）。

第４の実施形態においても、図６に示すように、各カラーフィルタ層５〜７は、その周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されており、その周囲の全周は中空部９で囲まれていない。
かかる構成によれば、各カラーフィルタ層５〜７はその周囲の一部が隣接するカラーフィルタ層と接して形成されているため、固体撮像装置の製造時における洗浄工程や固体撮像装置に対する熱衝撃試験等においても、各カラーフィルタ層５〜７の剥がれを防止することができる。

（その他の実施形態）
また、例えば、図３に示す固体撮像装置（固体撮像素子）１００において、多層配線構造ＭＩ（層間絶縁層３）と第１の平坦化層４との間であって各受光部１の上方領域に、各受光部１に対応したインナーレンズ（層内レンズ）を設けるようにしてもよい。一例として、例えばシリコン窒化物からなる上に凸のインナーレンズを設ける。このように、インナーレンズを設けることにより、当該インナーレンズとマイクロレンズ１１とを組み合わせることで、各受光部１への集光効率を向上させることができる。

さらに、例えば、図３に示す固体撮像装置（固体撮像素子）１００において、層間絶縁層３に、各受光部１に対応した導波路（光導波路）を各受光部１の上方に設けるようにしてもよい。この導波路は、一例として、例えばシリコン窒化物で形成される。このように、導波路を設けることにより、各受光部１への集光効率を向上させることができる。

なお、上述した本発明の各実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

５第１のカラーフィルタ層、６第２のカラーフィルタ層、７第３のカラーフィルタ層、９中空部（エアーギャップ）

Claims

半導体基板の上面に複数の受光部が設けられた固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上方に形成され、前記複数の受光部における各受光部に対応した複数のカラーフィルタ層と、
前記複数のカラーフィルタ層における各カラーフィルタ層の間に形成された中空部と
を含み、
前記各カラーフィルタ層は、平面視において、隣接するカラーフィルタ層のうちの少なくとも１つのカラーフィルタ層と接する角部領域の第１の部分と、前記中空部によって隣接するカラーフィルタ層と接しない第２の部分を有することを特徴とする固体撮像装置。
前記中空部の幅は、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記各カラーフィルタ層がその上下左右の少なくとも一方向に隣接するカラーフィルタ層と接触している長さは、前記中空部の幅の１／２の長さ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記中空部の開口領域を封止する封止層を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記複数のカラーフィルタ層における各カラーフィルタ層の上方に形成され、前記複数の受光部における各受光部に対応したマイクロレンズを更に含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
半導体基板の上面に複数の受光部が設けられた固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上方に、前記複数の受光部における各受光部に対応した複数のカラーフィルタ層を形成する工程と、
前記複数のカラーフィルタ層における各カラーフィルタ層の間に、中空部を形成する工程と
を含み、
前記各カラーフィルタ層は、平面視において、隣接するカラーフィルタ層のうちの少なくとも１つのカラーフィルタ層と接する角部領域の第１の部分と、前記中空部によって隣接するカラーフィルタ層と接しない第２の部分を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。