JP2008210904A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スミア特性がより改善された固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板１１上に複数の光電変換素子１３がマトリクス状に配置され、光電変換素子１３により変換された電荷信号を転送する転送レジスタ１４などの転送路と、転送路に対向する配置の転送電極１６と、転送電極１６を覆って光電変換素子１３を囲むように形成された金属遮光膜１８とを有した固体撮像装置において、金属遮光膜１８の側壁部に光吸収膜たる第一のブラックフィルタ層２５が形成され、金属遮光膜１８の上方に前記光電変換素子を囲むように第二のブラックフィルタ層２６が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置とその製造方法に関し、特に光電変換素子とそれにより変換され蓄積された電荷信号を転送するための転送路と転送電極と遮光膜とを有する固体撮像装置とその製造方法に関するものである。

従来の固体撮像装置に、入射光を３原色に分離するプリズム等の光学部品と、各色毎の光電変換素子、転送路、転送電極、遮光膜、及びマイクロレンズを備えた、ＣＣＤ型の３板式固体撮像装置がある（例えば特許文献１参照）。

一般的な固体撮像装置では、半導体基板に複数の光電変換素子がマトリクス状に配置され、光電変換素子間を分離するように転送路（垂直転送レジスタ、水平転送レジスタ）が配置され、転送路上に絶縁膜を介して転送電極が形成される。この転送電極は、光電変換素子を囲むように、また一部が重なり合う積層構造として形成される。

図８は固体撮像装置の１画素分の断面図である。半導体基板１１に埋め込まれる形で、光電変換素子１３と転送レジスタ（垂直転送レジスタ）１４とが形成されている。半導体基板１１上には、転送レジスタ１４上にゲート絶縁膜１５を介して多結晶シリコン膜等からなる転送電極１６が選択的に形成され、転送電極１６を覆うように第一の層間絶縁膜１７を介してタングステン等の金属膜からなる金属遮光膜１８が選択的に形成され、金属遮光膜１８と配線部（図示省略）とを分離する第二の層間絶縁膜１９が形成され、ボンディングパット部（図示省略）上を除く半導体基板１１の全面に表面保護膜（図示せず）が形成されている。

さらに、半導体基板１１の表面を平坦化する第一の透明膜２１が形成され、第一の透明膜２１上であって上述の金属遮光膜１８の上方に、光電変換素子１３領域外に入射する光を遮光して金属遮光膜１８からの乱反射を防止するための光吸収膜２２が選択的に形成され、光吸収膜２２の段差を解消する第二の透明膜２３が形成され、第二の透明膜２３上であって上述の光電変換素子１３の上方に、光電変換素子１３に光を効率よく入射させるためのマイクロレンズ２４が透明膜より形成されている。

近年、画素サイズの微細化に伴って、光学的特性の一つであるスミア特性が満足されにくくなったため、様々な改善が提案されている。
たとえば特許文献２には、転送電極の側壁に金属遮光膜を厚く形成することにより、斜め入射光が金属遮光膜を透過して光電変換素子領域外へ入り込むのを防止することが開示されている。

特許文献３には、転送電極を覆う金属遮光膜の周囲を絶縁膜で覆い、更に側壁部に前記絶縁膜よりも屈折率の大きな絶縁膜を形成することにより、斜め入射光の光路を変化させて遮光膜に導き、転送レジスタに漏れ込むのを防止することが開示されている。

特許文献４には、転送電極の側壁部に第１の絶縁膜を介し第１遮光膜を形成し、それらを覆うように第２遮光膜と第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上に第３の遮光膜を形成することにより、斜め入射光が電荷転送部へ漏れ込むのを防止することが開示されている。

特許文献５には、転送電極を取り囲むように絶縁膜と金属遮光膜を形成し、異方性エッチングを施すことにより、転送電極の側壁の金属遮光膜を底面に近づくほど厚くして、遮光性を高め、光電変換領域外へ光が漏れ込むのを防止することが開示されている。
特許第３１２８８５１号公報 特開平５−１６７０５２公報 特開平１０−５６１６４公報 特許第３５８６５１７号公報 特開２００５−３４７３７４公報

上記した特許文献２〜５は全て、転送電極の側壁部に絶縁膜や金属遮光膜を厚く形成することにより、斜め光に対する遮光性を強化して、スミア特性悪化の一因である転送レジスタへの迷光を防止することに注力している。しかし金属遮光膜や無機の絶縁膜は、所望の膜厚が得られれば遮光性は高くなるものの、表面からの反射は改善されないので、スミア特性の大きな改善効果は期待できない。

図９に、先に図８を用いて説明した固体撮像装置での斜め光の光路を簡略に示す。斜め光は、光電変換素子１３領域の周辺部に入射した後、半導体基板１１、ゲート絶縁膜１５、金属遮光膜１８、転送電極１６などの金属膜での乱反射を繰り返し、一部の漏れ光は転送レジスタ１４に入射する。その結果、光電変換素子１３以外で変換された光電子が転送レジスタ１４に加算され、スミア特性が悪化することとなる。

本発明は、上記問題に鑑み、スミア特性がより改善された固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に複数の光電変換素子がマトリクス状に配置され、前記光電変換素子により変換された電荷信号を転送する転送路と、前記転送路に対向する配置の転送電極と、前記転送電極を覆って前記光電変換素子を囲むように形成された遮光膜とを有した固体撮像装置において、前記遮光膜の側壁部に第一の光吸収膜が形成され、前記遮光膜の上方に前記光電変換素子を囲むように第二の光吸収膜が形成されたことを特徴とする。

光電変換素子ごとのレンズは、第二の光吸収膜の上方に縁部が位置するように形成されることを特徴とする。第二の光吸収膜の幅は、遮光膜の幅と同等か或いはより狭いことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、複数の光電変換素子をマトリクス状に配置した固体撮像装置を製造する方法であって、半導体基板上に前記光電変換素子と前記光電変換素子により変換された電荷信号を転送する転送路とを形成する工程と、前記転送路に対向する配置の転送電極を形成する工程と、前記転送電極を覆う遮光膜を前記光電変換素子を囲むように形成する工程と、前記遮光膜の側方に第一の光吸収膜を形成する工程と、前記遮光膜の上方に前記光電変換素子を囲むように第二の光吸収膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、光電変換素子を囲むように形成された遮光膜の側壁部に第一の光吸収膜が形成されるので、光電変換素子の周辺部に入射しようとする斜め光が吸収され、散乱光の発生が抑制されることとなり、転送路に漏れ込む散乱光を抑制することが可能となり、スミア特性を改善することができ、更に感度バラツキも軽減できる。

また遮光膜の上方に光電変換素子を囲むように第二の光吸収膜が形成されるので、有効光電変換素子領域の周辺部へ真上から入射しようとする入射光が吸収され、散乱光の発生が抑制されることとなり、転送路に漏れ込む散乱光を抑制することが可能となり、スミア特性を改善することができ、更に感度バラツキも軽減でき、有効光電変換素子領域の周辺部において発生するフレアも抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の断面図、図１（ｂ）は同固体撮像装置の複数画素分の上面図である。

図１（ａ）に示すように、半導体基板１１に埋め込まれる形で、半導体ウエル層１２と、光電変換素子１３と、転送レジスタ（垂直転送レジスタ）１４と、図示されない水平転送レジスタとが形成されている。光電変換素子１３は、図１（ｂ）から理解されるようにマトリックス状に配置されており、転送レジスタ１４は光電変換素子１３間を分離するようにストライプ状に配置されている。

半導体基板１１の転送レジスタ１４上には、ゲート絶縁膜１５を介して転送電極（垂直転送電極）１６が選択的に形成されており、転送電極１６を覆うように第一の層間絶縁膜１７を介して金属遮光膜１８が選択的に形成されている。これら転送電極１６および金属遮光膜１８は、光電変換素子１３に対応する開口部を持つように、光電変換素子１３を囲んで格子状に形成されている。そして、金属遮光膜１８と配線部（図示省略）とを分離する第二の層間絶縁膜１９が形成され、ボンディングパット部（図示省略）上を除く半導体基板１１の全面に表面保護膜（図示省略）が形成されている。

さらに、金属遮光膜１８の側壁部、すなわち第二の層間絶縁膜１９（実際には表面保護膜）の側面に第一のブラックフィルタ層２５が形成され、第二の層間絶縁膜１９および第一のブラックフィルタ層２５を覆って基板表面の段差を解消する第一の透明膜２１が形成され、第一の透明膜２１上であって金属遮光膜１８の上方に第二のブラックフィルタ層２６が選択的に形成されている。つまり、第一のブラックフィルタ層２５は、金属遮光膜１８によって形成される開口部内に筒状に形成されており、第二のブラックフィルタ層２６は、金属遮光膜１８と同様に、光電変換素子１３に対応する開口部を持つように、光電変換素子１３を囲んで格子状に形成されている。

さらに、第二のブラックフィルタ層２６による段差を解消する第二の透明膜２３が形成され、第二の透明膜２３上であって光電変換素子１３の上方に、光電変換素子１３に光を効率よく入射させるためのマイクロレンズ２４が透明膜より形成されている。

上記の固体撮像装置の製造方法を図２〜図５を参照して説明する。
図２に示すように、まず、第一の伝導型（例えばＮ型）の半導体基板（シリコン基板）１１の表面に第二の伝導型（Ｐ型）の半導体ウエル層１２を形成し、Ｐ型半導体ウエル層１２の表面にＮ型半導体領域を複数に形成する。

この際のＰ型半導体ウエル層１２及びＮ型半導体領域は、フォトリソグラフィ工程、イオン注入工程及び熱拡散工程を繰り返すことにより形成する。複数のＮ型半導体領域は、平面視で、マトリクス状に配列された光電変換素子１３と、光電変換素子１３間にストライプ状に位置する転送レジスタ１４および水平転送レジスタ（図示省略）となるように形成する。

次に、Ｐ型半導体ウエル層１２，光電変換素子１３，転送レジスタ１４を含めた基板表面にゲート絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）１５を形成する。
次に、ゲート絶縁膜１５上に多結晶シリコン膜等からなる転送電極１６を、光電変換素子１３と光電変換素子１３との境界領域に位置するように、つまり転送レジスタ１４に対向するように形成し、転送電極１６の表面を被覆する第一の層間絶縁膜１７を形成し、第一の層間絶縁膜１７の表面を被覆する金属遮光膜１８を形成する。

この際の第一の層間絶縁膜１７は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコンオキシ窒化膜（ＳｉＯＮ）等の無機材料膜であってよく、周知のスパッタ法、プラズマ雰囲気中でのＣＶＤ法等で形成することができる。金属遮光膜１８はタングステン等からなる膜であってよく、光電変換素子１３領域を除く全面に形成する。ここではゲート絶縁膜１５に沿った折曲部１８ａも形成している。

次に、金属遮光膜１８及びゲート絶縁膜１５の表面を被覆する第二の層間絶縁膜１９を形成し、アルミ合金等からなる配線（図示省略）のパターンを選択的に形成し、その配線を保護するための表面保護膜（図示省略）を形成し、電極取り出し用のボンディングパット（図示せず）を形成する。

この際の第二の層間絶縁膜１９は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコンオキシ窒化膜（ＳｉＯＮ）等の無機材料膜であってよく、周知のスパッタ法、プラズマ雰囲気中でのＣＶＤ法等で形成することができる。表面保護膜としては、第二の層間絶縁膜１９と同じ無機材料膜、たとえばＳｉＯＮ膜を形成する。

次に、金属遮光膜１８の側壁部に、カーボン粒子を含んだ第一のブラックフィルタ層２５を形成する。そのために、表面保護膜上にＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）膜を蒸気塗布し、引き続いて感光性を有するカーボン含有ブラックレジストを塗布し、このレジストを所定のフォトマスクを用いて露光し、現像処理を施す。ＨＭＤＳ膜は、第一のブラックフィルタ層２５と表面保護膜との密着性を向上させるために介在させる。

この際に、先に表面保護膜が形成された段階では、光電変換素子１３と金属遮光膜１８とが接する領域には平坦化処理がなされていないため、光電変換素子１３部分と金属遮光膜１８上の表面保護膜の上面部分との段差は５００ｎｍから１０００ｎｍとなる。ここにカーボン含有ブラックレジストを塗布するので、図示したように、塗布されたレジスト２５´は、金属遮光膜１８（実際には表面保護膜）で囲まれた開口部（窪み）に、中央部が薄く、周辺部が厚くなるように溜まる。

このレジスト２５´を図３に示すようにパターニングする。形成される第一のブラックフィルタ層２５は、その側面および底面で金属遮光膜１８（実際には表面保護膜）の側壁および折曲部に接するものとなり、上端部は傾斜する。

次に、図４に示すように、第一のブラックフィルタ層２５で囲まれた開口部を埋めて基板表面を平坦化する第一の平坦化層２１を形成する。そのために、アクリル系の熱硬化型透明樹脂を塗布し、ホットプレートにより硬化させる（ベーク）、という処理を複数回繰り返した後、例えばドライエッチ法でエッチバックする。この第一の平坦化層２１は、感度向上を目的として、光電変換素子１３から後段で形成するマイクロレンズ２４表面までの距離を短くするために形成するものであり、金属遮光膜１８上部分が可能な限り薄くするようにエッチングを施す。

次に、第一の平坦化層２１上であって金属遮光膜１８上に対応する部分に、カーボン粒子を含んだ第二のブラックフィルタ層２６を形成する。そのために、表面保護膜上にＨＭＤＳ膜を蒸気塗布し、引き続いて感光性を有するネガ型のカーボン含有ブラックレジストを塗布し、このレジストを、有効光電変換素子領域外を残すフォトマスクを用いて露光し、現像処理を施す。ＨＭＤＳ膜は、第一の平坦化層２１と第二のブラックフィルタ層２６との密着性を向上させる目的で介在させる。第二のブラックフィルタ層２６の幅は、金属遮光膜１８の幅と同等とするか、あるいはより狭くする。

次に、図５に示すように、第二のブラックフルタ層２６により発生した段差を解消して基板表面を平坦化する第二の平坦化層２３を形成する。そのために、アクリル系の熱硬化型透明樹脂を塗布し、ベークする、という処理を複数回繰り返した後、例えばドライエッチ法でエッチバックする。

その後に、第二の平坦化層２３上であって光電変換素子１３の上方に、上向きに凸のマイクロレンズ２４を、その縁部が第二のブラックフィルタ層２６の上方に位置するように形成する。そのために、フェノール系樹脂を主成分とする感光性ポジ型透明レジストを塗布し、露光及び現像する。第二の平坦化層２３はマイクロレンズ２４の寸法バラツキを少なくする役目を担う。

なお上述のように、第二のブラックフィルタ層２６の形成にはネガ型レジストを用い、マイクロレンズ２４の形成にはポジ型レジストを用いることとし、マイクロレンズ２４の形成に用いるフォトマスクを第二のブラックフィルタ層２６の形成にも兼用するのが都合よい。このことにより、図示されるように、第二のブラックフィルタ層２６の端部が傾斜することとなる。また、フォトマスク費用を削減し、固体撮像装置の製造コストを低減することができる。

上記の固体撮像装置における入射光の光路を図５に示している。金属遮光膜１８の側壁部に、カーボン粒子を含んだ第一のブラックフィルタ層２５を形成しているため、光電変換素子１３領域の周辺に入射しようとする斜め光が吸収され、散乱光の発生が抑制される。よって、転送レジスタ部１４に漏れ込む散乱光を抑制することが可能となり、スミア特性が改善され、更に感度バラツキも軽減される。

また金属遮光膜１８の上面等の上方に、カーボン粒子を含んだ第二のブラックフィルタ層２６を形成しているため、図示したように有効光電変換素子領域の周辺部へ画素真上から入射しようとする入射光が吸収され、散乱光の発生が抑制される。よって、転送レジスタ部１４に漏れ込む散乱光を抑制することが可能となり、スミア特性が改善され、感度バラツキも軽減され、有効光電変換素子領域の周辺部において発生するフレアをも抑制される。

つまり、第一のブラックフィルタ層２５および第二のブラックフィルタ層２６は、スミア特性、フレア特性を改善するばかりでなく、感度バラツキを低減する効果もある。
なお、カーボン粒子を含んだ第一および第二のブラックフィルタ層２５，２６は、染料型、顔料粒子を主成分とする顔料型のものに比べて、薄膜で高い光吸収性が得られる特徴がある。また第一のブラックフィルタ層２５は、その側面および底面（段差部を含む）で表面保護膜に接するように形成しているので、接触面積が大きく、密着力が大きい。これら第一および第二のブラックフィルタ層２５，２６は同一材料、つまり同じネガ型のカーボン含有ブラックレジストを用いるのが都合よいが、同一材料でなくともよく、感光性は少なくとも一方、この場合は第二のブラックフィルタ層２６が有していればよい。

図６は固体撮像装置の概略全体構成を示す平面図である。上面の中央部に有効画素領域（有効光電変換素子領域）３１が設けられ、周縁部に電気的接続のためのボンディングパッド３２が複数個形成されている。図示していないが、上述したように第二のブラックフィルタ層（２６）を形成する際（図４参照）に有効画素領域外を残すフォトマスクを用いたため、第二のブラックフィルタ層（２６）は有効画素領域３１の周辺部（有効画素領域３１の周囲に設けるダミー領域及び電荷蓄積部等）にも形成されている。このことも、フレア対策に寄与する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の断面図である。
この固体撮像装置が、第１の実施形態に係る固体撮像装置と相違するのは、光感度の向上を目指して、金属遮光膜１８の幅を狭めることにより開口面積を増加させている点である。つまりこの金属遮光膜１８には、第１の実施形態で説明したゲート絶縁膜１５に沿った折曲部１８ａは形成していない。

この固体撮像装置も、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様に製造することができる。また図中に入射光の光路を示したように、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様に、第一のブラックフィルタ層２５，第二のブラックフィルタ層２６によって、光電変換素子１３領域の周辺に入射しようとする斜め光等を吸収し、散乱光の発生を抑制し、スミア特性、フレア特性の改善、感度バラツキを低減することができる。

以上、本発明の実施形態に係る固体撮像装置とその製造方法について説明したが、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態で実施することができる。

たとえば、第一の平坦化層２１，第二の平坦化層２３の形成に熱硬化型樹脂を用いるとして説明したが、感光性透明膜を塗布し、露光および現像処理により平坦化する方法、あるいは熱フロー処理により平坦化する方法、あるいはこれらの方法を併用して平坦性を向上させる方法等でもよい。

また、ＣＣＤ型での３板式固体撮像装置について説明したが、これに限定されるものではなく、必要に応じて更に原色カラーフィルタ層、補色カラーフィルタ層が形成される、単板式固体撮像装置や、ＭＯＳ型等の増幅型固体撮像装置や、他の固体撮像装置に本発明を適用することも可能である。

本発明は、固体撮像装置の感度バラツキ、スミア特性、フレア特性、感度を改善することができるので、小型の固体撮像装置の製造に特に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の（ａ）一画素分の断面図および（ｂ）複数画素分の上面図 図１の固体撮像装置を製造する一部工程を示す断面図 図１の固体撮像装置を製造する他の一部工程を示す断面図 図１の固体撮像装置を製造するさらに他の一部工程を示す断面図 図１の固体撮像装置を製造するさらに他の一部工程を示す断面図 図１の固体撮像装置の概略全体構成を示す平面図 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の一画素分の断面図 従来の固体撮像装置の一画素分の断面図 図８の固体撮像装置における入射光の光路を示す断面図

符号の説明

１１ 半導体基板
１３ 光電変換素子
１４ 転送レジスタ
１５ ゲート絶縁膜
１６ 転送電極
１８ 金属遮光膜
２０ 第一のブラックフィルタ層
２１ 第一の透明平坦化膜
２２ 第二のブラックフィルタ層
２３ 第二の透明平坦化膜
２４ マイクロレンズ

Claims (4)

1. 半導体基板上に複数の光電変換素子がマトリクス状に配置され、前記光電変換素子により変換された電荷信号を転送する転送路と、前記転送路に対向する配置の転送電極と、前記転送電極を覆って前記光電変換素子を囲むように形成された遮光膜とを有した固体撮像装置において、
   前記遮光膜の側壁部に第一の光吸収膜が形成され、前記遮光膜の上方に前記光電変換素子を囲むように第二の光吸収膜が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 光電変換素子ごとのレンズが、第二の光吸収膜の上方に縁部が位置するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 第二の光吸収膜の幅は、遮光膜の幅と同等か或いはより狭いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 複数の光電変換素子をマトリクス状に配置した固体撮像装置を製造する方法であって、
   半導体基板上に前記光電変換素子と前記光電変換素子により変換された電荷信号を転送する転送路とを形成する工程と、
   前記転送路に対向する配置の転送電極を形成する工程と、
   前記転送電極を覆う遮光膜を前記光電変換素子を囲むように形成する工程と、
   前記遮光膜の側方に第一の光吸収膜を形成する工程と、
   前記遮光膜の上方に前記光電変換素子を囲むように第二の光吸収膜を形成する工程と
   を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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