JPH05347393A - カラー用固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板の主表面における層構造における
層数を低減する。また製造工数を低減する。 【構成】 半導体基板と、この半導体基板の主表面に形
成された複数の光電変換素子と、これら各光電変換素子
を露呈させて前記半導体基板表面に形成された遮光膜
と、各光電変換素子のそれぞれを被って形成される所定
の色のカラーフィルタが多層に形成されているカラー用
固体撮像素子において、前記所定の色のうちｇ線の透過
率の低い色のカラーフィルタを最下層に設けるととも
に、この最下層のカラーフィルタはこのカラーフィルタ
を被う必要のない光電変換素子上に相当する領域に孔が
設けられている以外に半導体基板の主表面のほぼ全面に
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラー用固体撮像素子
に係り、特に、その光電変換素子のそれぞれを被って形
成される所定の色のカラーフィルタが多層に形成されて
いるカラー用の固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】カラー用固体撮像素子は、まず、半導体
基板の主表面に複数のフォトダイオードがマトリックス
状に形成され、これら各フォトダイオードが形成された
半導体表面に、各フォトダイオードを露呈させてたとえ
ばアルミニュウムからなる遮光膜がほぼ全面に形成され
ている。

【０００３】この遮光膜は、フォトダイオードの形成領
域以外の半導体領域に光照射がなされていわゆるスミア
現象が発生するのを防止するために形成されている。

【０００４】そして、この遮光膜の上層には、各フォト
ダイオードのそれぞれを被って形成される所定の色のカ
ラーフィルタが多層に形成されている。すなわち、たと
えばカラーフィルタとしては、イエロ、シアン、マゼン
タがあり、それぞれが層を異ならしめて形成されてい
る。

【０００５】しかし、このようなカラーフィルタの形成
はいわゆるフォトリソグラフィ技術によって行ない、ｇ
線（波長４３６ｎｍ；青色光）による選択露光を照射し
た際に、このｇ線がアルミニュウムからなる前記遮光膜
に乱反射（ハレーション）され、その上層に形成されて
いるフォトレジスト膜（カラーフィルタ形成の際のマス
クとなる）を所定のパターンで残存させることが困難と
なり、したがって所定のパターンを有するカラーフィル
タが得られないことが指摘されていた。

【０００６】そこで、従来では、遮光膜とカラーフィル
タとの層間にいわゆるハレーション防止層というものを
特別に形成し、ｇ線を前記遮光膜にまで到らせないで前
記ハレーション防止層で吸収してしまうものが知られる
ようになった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成されたカラー用固体撮像素子は、その製造が完
了した段階では該ハレーション防止層はなんら寄与する
ことはなくそのまま残存された状態になる。

【０００８】このため、半導体基板の主表面における層
構造における層数が増加し、たとえば、該層構造の上面
にマイクロレンズを形成するような場合において、この
マイクロレンズを介した光像のフォトダイオードへの集
光度を向上させることが困難になるという問題を引き起
こしていた。

【０００９】また、製造が完了した段階でなんら寄与す
ることのないハレーション防止層は形成する必要がなけ
れば、製造工数の低減からも、それを特に形成せずして
同様の効果を得ることが要望されていた。

【００１０】それ故、本発明はこのような事情に基づい
てなされたものであり、その目的とするところのもの
は、半導体基板の主表面における層構造における層数を
低減できるカラー用固体撮像素子を提供することにあ
る。

【００１１】また、本発明の他の目的は、製造工数を低
減できるカラー用固体撮像素子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基本的には、半導体基板と、この
半導体基板の主表面に形成された複数の光電変換素子
と、これら各光電変換素子を露呈させて前記半導体基板
表面に形成された遮光膜と、各光電変換素子のそれぞれ
を被って形成される所定の色のカラーフィルタが多層に
形成されているカラー用固体撮像素子において、前記所
定の色のうちｇ線の透過率の低い色のカラーフィルタを
最下層に設けるとともに、この最下層のカラーフィルタ
はこのカラーフィルタを被う必要のない光電変換素子上
に相当する領域に孔が設けられている以外に半導体基板
の主表面のほぼ全面に形成されていることを特徴とする
ものである。

【００１３】

【作用】このように構成されたカラー用固体撮像素子
は、ｇ線の透過率の低い色のカラーフィルタを最下層に
設けることによって、従来において形成していたハレー
ション防止層の機能をも持たせるようにしたものであ
る。

【００１４】すなわち、最下層に設けられた前記カラー
フィルタは、このカラーフィルタを被う必要のない光電
変換素子上に相当する領域に孔が設けられている以外に
半導体基板の主表面のほぼ全面に形成されていることか
ら、遮光膜をも被った状態で形成されることになる。

【００１５】したがって、その後においてフォトリソグ
ラフィ技術を用いて他のカラーフィルタを形成する際
に、露光用のｇ線は前記最下層のカラーフィルタに吸収
され遮光膜に到ることを防止できることになる。

【００１６】このため、遮光膜によって反射されたｇ線
が、その上層に形成されているフォトレジスト膜（他の
カラーフィルタ形成の際のマスクとなる）をその感光設
定領域外の領域に到って感光してしまうということはな
くなる。

【００１７】このように、本発明は、特定のカラーフィ
ルタをハレーション防止層と同様の機能を有するように
用いているため、従来用いられていたハレーション防止
層を特に形成する必要がなくなる。

【００１８】したがって、半導体基板の主表面における
層構造における層数を低減でき、また、製造工数を低減
できる。

【００１９】

【実施例】図２は、本発明による固体撮像素子の一実施
例を示す概略構成図である。

【００２０】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード２１がマトリックス状に
配列されて形成されている。

【００２１】また、列（縦）方向に配列されたフォトダ
イオード２１の群毎に該列（縦）方向に沿って形成され
た垂直シフトレジスタ２２があり、これら各垂直シフト
レジスタ２２はＣＣＤ素子から構成されている。

【００２２】これら垂直レジスタ２２は、それぞれ列
（縦）方向に配列された各フォトダイオード２１にて発
生した電荷を読出すとともに列（縦）方向に沿って前記
光像投影領域外に転送させるものとなっている。

【００２３】なお、各フォトダイオード２１から垂直シ
フトレジスタ２２への電荷読出しは、図示しない電荷読
出しゲートによりなされるようになっている。

【００２４】さらに、各垂直シフトレジスタ２２からそ
れぞれ転送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ２４
に出力され、この水平シフトレジスタ２４によって水平
方向に転送されるようになっている。この水平シフトレ
ジスタ２４は、前記各垂直シフトレジスタ２２と同様に
ＣＣＤ素子により構成されている。

【００２５】水平シフトレジスタ２４からの出力は、出
力回路２５に入力され、この出力回路２５において例え
ば電圧に変換され、外部に取り出されるようになってい
る。

【００２６】そして、このように各素子が形成された半
導体基板の主表面には、各フォトダイオード２１が形成
されている領域において開口が形成されることにより、
各フォトダイオード２１のみを露呈させる遮光膜（図示
せず）がたとえばアルミニュウム層によって形成されて
いる。この遮光膜は上述したように、フォトダイオード
２１の形成領域以外の半導体領域に光照射がなされてい
わゆるスミア現象が発生するのを防止するために形成さ
れている。

【００２７】図１は、図２のI−I線における断面を示す
断面図である。

【００２８】同図において、まず、Ｐ型半導体基板３１
がある。このＰ型半導体基板３１の主表面側は、光像投
影領域となっており、この光像投影領域側の前記Ｐ型半
導体基板面３１には、複数のＮ型拡散層３２が散在的に
（平面的に観た場合、マトリックス状に）形成されてい
る。

【００２９】これらＮ型拡散層３２は、それぞれ、Ｐ型
半導体基板３１との間にＰＮ接合面を形成し、前記フォ
トダイオード２１を構成するようになっている。

【００３０】また、図中、Ｎ型拡散層３２に隣接して、
図面の表面から裏面に走行する濃度の小さいＮ型拡散層
３３が形成されている。このＮ型拡散層３３は、ＣＣＤ
素子の電荷転送路を構成するものであり、いわゆるスミ
ア電流の発生を防止するためにＰ型半導体基板３１面に
形成されたＰウェル層３４面に形成されている。

【００３１】前記Ｎ型拡散層３３の上面には透明の半導
体酸化膜３５を介してたとえばポリシリコン層からなる
転送電極３６（ＣＣＤ素子の）が形成されている。この
転送電極３６は、一つのフォトダイオード２１に対して
たとえば図面表側に形成される図示しない他の転送電極
とともに２相駆動電極構造を構成するようになってい
る。

【００３２】このうち、転送電極３６は、フォトダイオ
ードを構成するＮ型拡散層３２の領域にまで延在され、
電荷読出電極を兼ねているようになっている。すなわ
ち、転送電極３６に電圧が印加されるとＰウェル層３４
の表面にＮ型拡散層３２とＮ型拡散層３３を接続させる
Ｎチャンネル層が形成されることになり、フォトダイオ
ード側の電荷がＣＣＤ素子側に読みだされるようにな
る。

【００３３】そして、転送電極３６が形成された半導体
酸化膜３５面には、前記転送電極３６をも覆って半導体
酸化膜３５Ａが形成され、この半導体酸化膜３５Ａ面に
は、フォトダイオード２１の上方領域を除いてたとえば
アルミニュウからなる遮光膜３７が形成されている。こ
れにより、この遮光膜３７からは半導体酸化膜３５Ａ、
３５を通してフォトダイオード２１が露呈されるように
なっている。

【００３４】さらに、遮光膜３７が形成された半導体酸
化膜３５Ａ面には、前記遮光膜３７をも覆って有機性透
明保護膜３５Ｂが形成されている。この有機性透明保護
膜３５Ｂは、前記半導体酸化膜３５Ａの表面の段差を緩
和するために設けられたものであり、しかも、この有機
性透明保護膜３５Ｂには、たとえばイエロー、あるいは
黒からなる染料が含まれ、この染料は加熱をすることに
よって飛散するいわゆる昇華性を有するものとなってい
る。この染料の機能については後述する。

【００３５】そして、この有機性透明保護膜３５Ｂの上
面には、半導体酸化膜３５Ｃが形成され、この半導体酸
化膜３５Ｃの上面にはイエローからなるカラーフィルタ
３８が形成されている。このカラーフィルタ３８は、た
とえば図３に示すように、半導体基板３１の主表面のほ
ぼ全域にわたって形成され、必要とされるフォトダイオ
ード２１における部分の孔、およびボンディングバッド
４が形成される部分における孔が形成されている。

【００３６】ここで、前記カラーフィルタ（イエロー）
３８は、フォトリソグラフィ技術によって形成される
が、そのマスクとなるフォトレジストを選択露光する際
は、その露光であるｇ線は前記有機性透明保護膜（上述
のように染料が含有されている）３５Ｂに吸収され、遮
光膜３７に到ることはなくなる。したがって、遮光膜３
７におけるｇ線の反射によって前記フォトレジストを不
必要な領域に及んで露光してしまうことはなく、したが
って、前記カラーフィルタ（イエロー）３８は所定のパ
ターンで形成されることになる。なお、前記カラーフィ
ルタ（イエロー）３８の形成後においては、加熱（約１
８０℃）を施して染料を飛散させるようにしている。

【００３７】このようにして形成された前記カラーフィ
ルタ（イエロー）３８の上面にはその孔をも含んで、半
導体酸化膜３５Ｄが形成されている。そして、図示して
いないが、この半導体酸化膜３５の上面には該半導体酸
化膜３５の段差を除去するために有機性透明保護膜が形
成されている。

【００３８】そして、該有機性透明保護膜の上面には、
シアンからなるカラーフィルタ３９が形成されている。
さらに、図示していないが、半導体酸化膜３５Ｅを介し
てマゼンタからなるカラーフィルタが形成され、さら
に、その上面に半導体酸化膜３５Ｅが形成されている。

【００３９】ここで、イエロー、シアン、マゼンタから
なる各カラーフィルムの平面的位置関係を図４を用いて
説明する。

【００４０】同図において、互に隣接する４個のフォト
ダイオード２１がある場合、一層目（最下層）に形成さ
れるカラーフィルタ（イエロー）３８は、図中左上およ
び左下のフォトダイオード２１のみを露呈させるための
孔３８Ａ、３８Ｂが形成されている。

【００４１】そして、二層目に形成されるカラーフィル
タ（シアン）３９が図中左下および右上のフォトダイオ
ード２１上を被うように形成されている。これにより、
図中左下のフォトダイオード２１にはシアンのカラーフ
ィルタが被われ、図中右上のフォトダイオード２１には
グリーン（イエロー＋シアン）のカラーフィルタが被わ
れることになる。

【００４２】さらに、三層目に形成されるカラーフィル
タ（マゼンタ）４２が図中左上のフォトダイオード２１
を被うように形成されている。

【００４３】そして、図に示すように、このような各カ
ラーフィルタを埋設する半導体酸化膜３５Ｅの上面に
は、各フォトダイオード２１毎にそれぞれの上方にマイ
クロレンズ４０が形成されている。

【００４４】このマイクロレンズ４０は、たとえばゼラ
チン等を図示のように形成した後、マイクロレンズ４０
を覆って透明膜のトップコート膜４１を形成し、図示の
ように曲率をもたせて形成されたものとなっている。

【００４５】または、このマイクロレンズ４０は有機樹
脂などを熱軟化して、図示のように曲率をもたせて形成
されたものとなっている。この場合、トップコート膜４
１は形成しない場合が多い。

【００４６】上述した実施例による固体撮像素子によれ
ば、ｇ線の透過率のカラーフィルタ（イエロー）３８を
最下層に設けることによって、従来において形成してい
たハレーション防止層の機能をも持たせるようにしたも
のである。

【００４７】すなわち、最下層に設けられた前記カラー
フィルタ（イエロー）３８は、このカラーフィルタ３８
を被う必要のないフォトダイオード２１上に相当する領
域に孔が設けられている以外に半導体基板の主表面のほ
ぼ全面に形成されていることから、遮光膜３７をも被っ
た状態で形成されることになる。

【００４８】したがって、その後においてフォトリソグ
ラフィ技術を用いて他のカラーフィルタを形成する際
に、露光用のｇ線は前記最下層のイエロフィルタに吸収
され遮光膜３７に到ることを防止できることになる。

【００４９】このため、遮光膜３７によって反射された
ｇ線が、その上層に形成されているフォトレジスト膜
（他のカラーフィルタ形成の際のマスクとなる）をその
感光設定領域外の領域に到って感光してしまうというこ
とはなくなる。

【００５０】このように、本実施例は、イエローからな
るカラーフィルタをハレーション防止層と同様の機能を
有するように用いているため、従来用いられていたハレ
ーション防止層を特に形成する必要がなくなる。

【００５１】したがって、半導体基板の主表面における
層構造における層数を低減でき、また、製造工数を低減
できる。

【００５２】上述した実施例では、最下層に設けかつｇ
線の透過率の低い色のカラーフィルタとしてイエロフィ
ルタを用いたものであるが、これに限定されることはな
く、たとえばグリーンフィルタであっても同様の効果が
得られることから、このグリーンフィルタであってもよ
いことはいうまでもない。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によるカラー用固体撮像素子によれば、半導体基
板の主表面における層構造における層数を低減できるよ
うになる。また製造工数を低減できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による固体撮像素子の一実施例を示す
断面図で、図２のI−I線における断面図を示している。

【図２】 本発明による固体撮像素子の一実施例を示す
概略構成図である。

【図３】 本発明による固体撮像素子の最下層に設けら
れるカラーフィルタの形成領域の一実施例を示す平面図
である。

【図４】 本発明による固体撮像素子に用いられる各種
カラーフィルタのそれぞれの形成領域の関係の一実施例
を示す平面図である。

【符号の説明】

２１ フォトダイオード ３１ 半導体基板 ３７ 遮光膜 ３８ カラーフィルタ（イエロー） ３９ カラーフィルタ（シアン） ４２ カラーフィルタ（マゼンタ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 章也 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所茂原工場内 (72)発明者 金坂 和美 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 渡辺 芳久 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 中野 寿夫 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、この半導体基板の主表面
   に形成された複数の光電変換素子と、これら各光電変換
   素子を露呈させて前記半導体基板表面に形成された遮光
   膜と、各光電変換素子のそれぞれを被って形成される所
   定の色のカラーフィルタが多層に形成されているカラー
   用固体撮像素子において、前記所定の色のうちｇ線の透
   過率の低い色のカラーフィルタを最下層に設けるととも
   に、この最下層のカラーフィルタはこのカラーフィルタ
   を被う必要のない光電変換素子上に相当する領域に孔が
   設けられている以外に半導体基板の主表面のほぼ全面に
   形成されていることを特徴とするカラー用固体撮像素
   子。