JP6310312B2 - 光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関する。
光電変換素子のフォトダイオードが配置される画素アレイ部に、光が入射する領域と遮光された領域とを設けた光電変換素子がある。遮光された領域はオプティカルブラック領域（ＯＢ）とも呼ばれ、イメージセンサの基準となる信号を発生するための領域として使用される。遮光された領域の表面に凸凹を形成したものがある。特許文献１では、配線のためのパッド部分を開口するためにイメージセンサの表面をエッチングするとき、同時に遮光された領域の上方の領域をエッチングして凸凹な表面を形成することが開示されている。
特許文献１では、遮光された領域の表面はマイクロレンズと同じ材料で形成されているので、エッチングにより表面に凸凹を形成する上で、好適なエッチング条件が見いだせなかった。そのためにマイクロレンズ部分にレジストマスクを用意する等の工程が増え、エッチング工程が長くなった。本発明は、光電変換素子の上の層の表面での光の反射の影響を低減する光電変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の光電変換素子の製造方法は、光電変換部および周辺回路部を有する部材の上に、前記光電変換部と前記周辺回路部の少なくとも一部とを覆うように第１層を形成する工程と、前記第１層の上に、前記光電変換部および前記周辺回路部を覆うように、有機物および前記有機物中に分散した粒子を含む膜を形成する工程と、前記膜のうち前記光電変換部の上方に位置する部分を少なくとも除去することによって、前記膜から第２層を形成する工程と、ドライエッチングにより前記第２層の表面を粗面化する工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明の光電変換素子は、光電変換部および周辺回路部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記光電変換部と前記周辺回路部の少なくとも一部との上に設けられた第１層と、 前記第１層の上に設けられており、有機物および前記有機物に分散した粒子を含み、表面粗さがＲＭＳ５０ｎｍ以上である第２層と、を備え、前記第１層は、前記周辺回路部に設けられた電極パッドの上方に位置する部分に開口を有し、前記第２層は、前記電極パッドの上方に位置する部分と前記光電変換部の上方に位置する部分とに開口を有することを特徴とする。
前記半導体基板の前記光電変換部と前記周辺回路部の少なくとも一部との上に設けられた第１層と、 前記第１層の上に設けられており、有機物および前記有機物に分散した粒子を含み、表面粗さがＲＭＳ５０ｎｍ以上である第２層と、を備え、前記第１層は、前記周辺回路部に設けられた電極パッドの上方に位置する部分に開口を有し、前記第２層は、前記電極パッドの上方に位置する部分と前記光電変換部の上方に位置する部分とに開口を有することを特徴とする。
本発明によれば、光電変換部の上の層の表面での光の反射の影響を低減する光電変換素子及びその製造方法を提供することができる。
［実施例１］
本実施例の光電変換素子を図１により説明する。光電変換素子１００は、光電変換部が配置された光電変換領域１０１、反射防止領域１０２、電極パッドが配置された電極パッド領域１０３を有している。光電変換部は、光を電気信号に変換する。反射防止領域１０２は、光電変換領域１０１と電極パッド領域１０３以外の領域に設けられている。反射防止領域１０２は後述する反射防止層で覆われている。例えば光電変換部の一部の遮光された領域や、光電変換部から信号を読み出すための駆動や読み出した信号の処理等を行う周辺回路部などが配置された領域は反射防止領域１０２である。本実施例の光電変換領域１０１は、例えば図１（ｂ）に示すような、複数の光電変換部１０４が一次元に配置されたＡＦセンサーやイメージセンサなどである。
本実施例の光電変換素子を図１により説明する。光電変換素子１００は、光電変換部が配置された光電変換領域１０１、反射防止領域１０２、電極パッドが配置された電極パッド領域１０３を有している。光電変換部は、光を電気信号に変換する。反射防止領域１０２は、光電変換領域１０１と電極パッド領域１０３以外の領域に設けられている。反射防止領域１０２は後述する反射防止層で覆われている。例えば光電変換部の一部の遮光された領域や、光電変換部から信号を読み出すための駆動や読み出した信号の処理等を行う周辺回路部などが配置された領域は反射防止領域１０２である。本実施例の光電変換領域１０１は、例えば図１（ｂ）に示すような、複数の光電変換部１０４が一次元に配置されたＡＦセンサーやイメージセンサなどである。
次に、本実施例の光電変換素子を備える光電変換装置について図２により説明する。図２では、図１（ａ）のＡ−Ａ’の線に対応した光電変換素子１００の一部の断面を示す。光電変換部３０１や周辺回路（不図示）などが形成された半導体基板３００に層間絶縁膜３０２、配線３０３などが形成された部材が示されている。説明の便宜上、この部材を図２に示すように、３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ分ける。領域Ａは、半導体基板３００にフォトダイオードなどの光電変換部３０１が複数形成されており、光が入射される開口を有する領域である。領域Ｂは、光電変換部３０１の一部が遮光されたオプティカルブラック部（ＯＢ部）や、光電変換部３０１から信号を読み出すための駆動、読み出した信号の処理等を行う周辺回路部などが形成されている領域である。領域Ｃは、層間絶縁膜３０２の表面に電極パッド３０４が配置されている領域である。領域Ａは、図１（ａ）の光電変換領域１０１に対応し、領域Ｂは図１（ａ）の反射防止領域１０２に対応し、領域Ｃは図１（ａ）の電極パッド領域１０３に対応している。
層間絶縁膜３０２の表面に、パッシベーション層３０５が設けられている。パッシベーション層３０５の上には平坦化層３１１を介して反射防止層３０９が設けられている。反射防止層３０９は、樹脂などの有機物およびこの有機物に分散した粒子を含む層である。反射防止層３０９の表面は粗面３１０である。反射防止層３０９の表面粗さはＲＭＳ５０ｎｍ以上である。反射防止層３０９は光電変換素子１００の表面層を成しうるが、反射防止層３０９の上にさらにカラーフィルタ層やマイクロレンズ層、平坦化層などを有していてもよい。
図２に示すように、光電変換素子１００はパッケージに収容されることで光電変換装置１０００として用いられる。パッケージの種類としては、本例のように凹部（キャビティ）を有する基体４１０と凹部を塞ぐ蓋体４２０を有する中空パッケージを用いることができる。中空パッケージでは基体４１０の凹部に光電変換素子１００が搭載されて光電変換素子１００と蓋体４２０との間には中空部４３０が形成される。光電変換素子１００の表面が中空部４３０に面することになる。本例では、反射防止層３０９の粗面３１０が中空部４３０に面している。このほか、光電変換素子１００を透明樹脂でモールドしたパッケージなどを用いることもできる。光電変換装置１０００は、さらに回路基板に搭載されたり、取り扱いやすくするための保持部材に搭載されたりして使用され、カメラなどの撮像システムを構成する。
反射防止層３０９は、光電変換部３０１と電極パッド３０４との上の部分に開口部を有する。電極パッド３０４は、光電変換素子１００の内部の回路に接続されている。電極パッド３０４は、光電変換素子１００をパッケージに実装したときに、パッケージの端子との間をワイヤボンディングにより接続するためなどに使用される。反射防止層３０９は、分散された粒子を含む有機材料で形成されており、表面が粗面処理されている。例えば、焦点検出用の光電変換素子においては、光電変換素子の表面や内部の界面で反射した光が、光電変換素子のパッケージに設けられた蓋体４２０等で反射して再び光電変換部３０１に入射することがあった。反射光が入射するとノイズとなって焦点の誤計測が発生した。反射防止層３０９は、入射光の吸収及び／又は散乱による遮光と、光電変換素子１００内部の界面で反射した光を吸収、散乱させることにより、反射を低減し、反射光による誤動作を低減する機能を有する。
本実施例の光電変換素子１００の製造方法について図３により説明する。まず、光電変換部３０１や周辺回路（不図示）などが形成された半導体基板３００の上に層間絶縁膜３０２、配線３０３などが形成された部材を準備する。層間絶縁膜３０２の表面に、パッシベーション層３０５を形成し、その後、電極パッド３０４が配置される領域に形成されたパッシベーション層３０５を選択的にエッチングし、電極パッド３０４の上部が露出するように開口３０６を形成する。
次に図３（ｂ）に示すように、光電変換部３０１が複数配置されている領域Ａの上部の開口３０８および領域Ｃの電極パッド３０４の上部の開口３０６以外の領域に分散層３０７を形成する。分散層３０７は、樹脂などの有機物およびこの有機物に分散した粒子を含む層である。分散層３０７においては、有機物が分散媒、粒子が分散質である。分散質としての粒子は顔料が好ましい。粒子を含有する分散層３０７の形成は、粒子が分散された感光性の液体有機材料をパッシベーション層３０５に塗布する。その後、乾燥処理などを経て有機材料の塗膜である有機材料膜を形成する。この有機材料膜をパターン露光し、現像処理することにより、フォトリソグラフィ技術によりパターニングして形成する。このパターニングでは、有機材料膜の電極パッド３０４の上に位置する部分を除去することで、開口３０６を形成する。また、有機材料膜の光電変換部３０１の上に位置する部分を除去することで、開口３０８を形成する。以上のようにして光電変換部３０１上の開口３０８および電極パッド３０４上の開口３０６以外の部分に分散層３０７を形成する。分散層３０７は上述した液体有機材料が硬化した有機物と、この有機物に分散した粒子を含む。
有機材料には例えばアクリル系樹脂を使用できる。また、顔料には、有機顔料でも無機顔料でも使用できる。有色の材料、特に青色や黒色の顔料が反射光を吸収するのに有利である。分散層３０７において分散している粒子は、顔料に限らず、シリカ、チタニア又はアルミナなどでもよい。次に、図３（ｃ）に示すように、ドライエッチングを行い、パターニングされた、粒子を含有する分散層３０７の上部表面の粗面化処理を行う。エッチング条件は以下とした。
・圧力：１５ ｍＴｏｒｒ
・高周波電力：５００ Ｗ
・エッチングガス：ＣＦ４／Ｏ２＝１００／１０ ｓｃｃｍ
・時間：６０ｓｅｃ
エッチング条件は、圧力が１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内、高周波電力が１００〜１０００Ｗの範囲内、エッチングガスとしてＣＦ４及びＯ２を、流量をそれぞれ０〜５００ｓｃｃｍ及び１〜５００ｓｃｃｍの範囲内で用いればよい。
・圧力：１５ ｍＴｏｒｒ
・高周波電力：５００ Ｗ
・エッチングガス：ＣＦ４／Ｏ２＝１００／１０ ｓｃｃｍ
・時間：６０ｓｅｃ
エッチング条件は、圧力が１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内、高周波電力が１００〜１０００Ｗの範囲内、エッチングガスとしてＣＦ４及びＯ２を、流量をそれぞれ０〜５００ｓｃｃｍ及び１〜５００ｓｃｃｍの範囲内で用いればよい。
光電変換部３０１上の開口３０８および該電極パッド上の開口３０６の領域は、それぞれパッシベーション層３０５及び電極パッド３０４によりエッチングが阻止される。しかし、図３（ｄ）に示すように、粒子を含有する有機物からなる分散層３０７の上部表面は粗面化されて凸凹な粗面３１０が形成される。これにより、粗面３１０を有する反射防止層３０９が形成される。ＳＩＩナノテクノロジー（株）社製の原子間力顕微鏡Ｌ−ｔｒａｃｅＩＩにて粗面化された反射防止層３０９の表面粗さを測定したところＲＭＳ（二乗平均平方根）で６０．７ｎｍであった。なお、粗面化処理前の分散層３０７の表面粗さは４３．５ｎｍであった。上記のようにして、粒子と有機物による粗面化された粗面３１０を表面の一部に有する光電変換素子を作製した。界面での光の反射を低減するのに適した反射防止層３０９の凸凹な粗面３１０の表面粗さはＲＭＳで５０ｎｍ以上がよい。ＲＭＳで５０ｎｍ未満の表面粗さを有する分散層３０７に対してこのような粗面化処理を行うことが有用である。このような表面粗さを実現するために有機材料に含有させる粒子の粒径はメジアン径で３０〜１００ｎｍがよい。粒子を含んだ有機材料を使うことにより、エッチング選択比を高めることができ、凸凹を形成しやすい。例えば、ドライエッチングでは、エッチング選択比の違いによって粒子に比べて有機物がエッチングされやすい。そのため、分散した粒子が分散層３０７の表面に露出する。粒子の持つ形状によって凸凹が強調されることで、反射防止に十分な凸凹が得られる。そのため、反射防止層３０９の粗面３１０は、粒子と有機物との双方が露出した状態で構成されている形態が望ましいと云える。
本実施例では反射防止層３０９を形成するための材料に粒子を分散して含有する有機材料を用いることによりエッチングによる粗面化処理の工程を短縮し、反射防止効果を向上させた。本実施例では光電変換素子の最上面に粗面を形成したが、粗面は平坦化層や透明材料で覆われていてもよい。顔料を含む有機材料には、カラーフィルタに使用する材料を使うことができる。この場合、カラーフィルタを形成するときに、反射防止層を形成する領域にもカラーフィルタと同じ材質の層を形成し、反射防止層とする領域の表面を選択的にエッチングして粗面化して反射防止層を形成してもよい。この場合、反射防止層の上にマイクロレンズや透明層を配置してもよい。
［実施例２］
次に、実施例２について図４により説明する。図４は、図１のＡ−Ａ’の線に対応した光電変換素子１００の一部の断面を示す。実施例１と同じ構成には同じ参照番号を付し、重複する説明は省略する。実施例１と同じく、図４（ａ）に示すように、フォトダイオード３０１や周辺回路（不図示）などが形成された半導体基板３００に層間絶縁膜３０２、配線３０３などが形成された部材を準備する。次に、部材にパッシベーション層３０５を形成し、その後、開口３０６を形成する。
次に、実施例２について図４により説明する。図４は、図１のＡ−Ａ’の線に対応した光電変換素子１００の一部の断面を示す。実施例１と同じ構成には同じ参照番号を付し、重複する説明は省略する。実施例１と同じく、図４（ａ）に示すように、フォトダイオード３０１や周辺回路（不図示）などが形成された半導体基板３００に層間絶縁膜３０２、配線３０３などが形成された部材を準備する。次に、部材にパッシベーション層３０５を形成し、その後、開口３０６を形成する。
次に図４（ｂ）に示すように、パッシベーション層３０５の上部に平坦化層３１１を形成する。本実施例の平坦化層３１１は、アクリル系の樹脂を用い、スピンコートにて塗布後、ベークして形成した。この時点で平坦化層３１１の表面粗さはＲＭＳで１３．５ｎｍであった。
次に図４（ｃ）に示すように、光電変換部３０１が配置されている領域Ａの上部の開口３０８と領域Ｃの電極パッド３０４の上部の開口３０６以外の領域に顔料などの粒子を含む分散層３０７を形成した。具体的には、実施例１と同様に有機材料を塗布、露光、現像を行いパターニングし、光電変換部上の開口３０８および電極パッド上の開口３０６以外の部分に分散層３０７を形成した。
次に図４（ｄ）に示すように、ドライエッチングを行った。顔料を含有する分散層３０７の表面の粗面化処理がエッチングにより行われる。粗面化処理と同時に、分散層３０７をマスクとして、該開口３０８、３０９の底部に露出している下地の平坦化層３１１をエッチングにより除去した。なおエッチング条件は以下とした。
・圧力：１５ ｍＴｏｒｒ
・高周波電力：５００ Ｗ
・エッチングガス：Ｏ２／Ｎ２／Ａｒ＝８０／２０／１００ ｓｃｃｍ
・時間：６０ｓｅｃ
エッチング条件は、圧力が１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内、高周波電力が１００〜１０００Ｗの範囲内、エッチングガスとしてＯ２、Ｎ２及びＡｒを、流量をそれぞれ０〜１００ｓｃｃｍ、１〜５０ｓｃｃｍ及び１〜２００ｓｃｃｍの範囲内であればよい。
・圧力：１５ ｍＴｏｒｒ
・高周波電力：５００ Ｗ
・エッチングガス：Ｏ２／Ｎ２／Ａｒ＝８０／２０／１００ ｓｃｃｍ
・時間：６０ｓｅｃ
エッチング条件は、圧力が１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内、高周波電力が１００〜１０００Ｗの範囲内、エッチングガスとしてＯ２、Ｎ２及びＡｒを、流量をそれぞれ０〜１００ｓｃｃｍ、１〜５０ｓｃｃｍ及び１〜２００ｓｃｃｍの範囲内であればよい。
図４の（ｅ）に示すように、粗面化処理後の顔料を含有する有機材料の上部表面は粗面化されて粗面３１０が形成される。ＳＩＩナノテクノロジー（株）社製の原子間力顕微鏡Ｌ−ｔｒａｃｅＩＩにて粗面化された分散層３０７の表面粗さを測定したところＲＭＳで６５．２ｎｍとなった。上記のようにして、顔料を含んだ有機材料による粗面化された表面を一部に有する光電変換素子を作製した。
本実施例でエッチングに使用したガス種は実施例１と異なる。本実施例では平坦化層が形成されている。顔料を含有する有機材料の表面の粗面化処理と同時に、電極パッド上の平坦化層をエッチング除去する場合、電極パッド上に平坦化層が残らないように十分オーバーエッチングを行う必要がある。実施例１のようにＣＦ系のガスが混合していると電極パッドあるいは光電変換部上のパッシベーション層がエッチングされてしまう可能性を抑制するためである。
本実施例では反射防止層に光を吸収する粒子を含有する有機材料を用い、更に、分散層の上部表面をエッチングにより粗面化処理を行い、該上部表面に微小な凸凹を形成することにより反射防止効果を向上させた。さらに、本実施例ではパッシベーション層上に平坦化層を配置している。パッシベーション層下部の配線層等により段差が大きい場合は、平坦化層がないと顔料を含有する有機材料をスピン塗布する際、ストリエーションが発生する可能性がある。そのために反射防止の効果にムラが発生し反射防止効果を低減させる可能性がある。また、パッシベーション層と顔料を含有する有機材料との密着性が低い場合、膜剥れを発生させる可能性がある。パッシベーション層上に平坦化層を配置することにより上記懸念は抑制できる。
更に、平坦化層をエッチング除去する際、粒子を含有する有機材料は平坦化層に対してエッチングの選択比が高いため、エッチングが容易である。
３００：光電変換素子、３０１：フォトダイオード、３０２：層間絶縁膜、３０３：配線、３０４：電極パッド、３０５：パッシベーション層、３０６：開口、３０７：分散層、３０８：開口、３０９：反射防止層、３１０：粗面
Claims (19)
- 光電変換部および周辺回路部を有する部材の上に、前記光電変換部と前記周辺回路部の少なくとも一部とを覆うように第１層を形成する工程と、
前記第１層の上に、前記光電変換部および前記周辺回路部を覆うように、有機物および前記有機物中に分散した粒子を含む膜を形成する工程と、
前記膜のうち前記光電変換部の上方に位置する部分を少なくとも除去することによって、前記膜から第２層を形成する工程と、
前記第２層を形成した後に、前記第１層をエッチング阻止層としたドライエッチングにより前記第２層の表面を粗面化する工程と、を含むことを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 前記ドライエッチングにより前記第２層の表面に前記粒子を露出させることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記膜をパターニングすることにより、前記第２層を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記膜は感光性を有しており、前記膜の露光および現像によって前記膜をパターニングすることを特徴とする請求項３に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記粒子が分散した有機材料を塗布することにより、前記膜を形成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記ドライエッチングは、１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内の圧力、１００〜１０００Ｗの範囲内の高周波電力で、エッチングガスとして流量が０〜５００ｓｃｃｍのＣＦ４及び流量が１〜５００ｓｃｃｍのＯ２を使用して行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記ドライエッチングでは、前記第２層をマスクとして前記第２層の下地をパターニングすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記ドライエッチングは、１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内の圧力、１００〜１０００Ｗの範囲内の高周波電力で、エッチングガスとして流量が０〜１００ｓｃｃｍのＯ２、流量が１〜５０ｓｃｃｍのＮ２及び流量が１〜２００ｓｃｃｍのＡｒを使用して行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記粒子は、顔料であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記粒子の粒径はメジアン径で３０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記有機物のエッチング選択性と前記粒子のエッチング選択性とは異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記膜を形成する前に、前記第１層の上に、前記光電変換部および前記周辺回路部を覆うように第３層を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記ドライエッチングによって、前記第３層のうち前記光電変換部の上方に位置する部分を少なくとも除去することを特徴とする請求項１２に記載の光電変換素子の製造方法。
- 光電変換部および周辺回路部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記光電変換部と前記周辺回路部の少なくとも一部との上に設けられた第１層と、
前記第１層の上に設けられており、有機物および前記有機物に分散した粒子を含み、表面粗さがＲＭＳ５０ｎｍ以上である第２層と、を備え、
前記第１層は、前記周辺回路部に設けられた電極パッドの上方に位置する部分に開口を有し、
前記第２層は、前記電極パッドの上方に位置する部分と前記光電変換部の上方に位置する部分とに開口を有することを特徴とする光電変換素子。 - 前記第２層が前記光電変換素子の表面を構成することを特徴とする請求項１４に記載の光電変換素子。
- 前記粒子は、顔料であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の光電変換素子。
- 前記粒子の粒径はメジアン径で３０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 前記第１層と前記第２層との間に、前記光電変換部および前記周辺回路部を覆う第３層を更に備えることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 前記第３層は、前記電極パッドの上方に位置する部分と前記光電変換部の上方に位置する部分とに開口を有することを特徴とする請求項１８に記載の光電変換素子。
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