JP2007287871A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタ層表面の凹凸に起因して発生する混色を防止することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１０は、基板１１上に、複数配列された光電変換部３０と、光電変換部３０で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部４０と、光電変換部３０のそれぞれの上部に選択的に配置されたカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒからなるカラーフィルタ層５０とを有し、カラーフィルタ層５０の下側面に、各色に対応するカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒ同士の厚さを変えることによって段差５０ｓが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上にカラーフィルタ層が形成された固体撮像素子及びその固体撮像素子の製造方法に関する。

図４に示すように、基板２にフォトダイオード３ａを有する光電変換部３と電荷転送電極４が配列され、光電変換部の上部にカラーフィルタ層５ａ，５ｂ，５ｃが形成された固体撮像素子１が知られている。

ところで、固体撮像素子１において、カラーフィルタ層５ａ，５ｂ，５ｃの厚みが各色それぞれの所望の分光特性設計上で異なる場合がある。すると、図４に示すように、カラーフィルタ層同士の間で段差５ｓが生じ、カラーフィルタ層の光が入射する側の上面に凹凸が形成される。

固体撮像素子１の表面に形成されたオンチップのマイクロレンズ６に斜めに光が入射すると、光の入射角度によっては入射した光がカラーフィルタ層の凹凸部分を透過した際に、透過したカラーフィルタ層に対応する光電変換部３に受光されず、隣接する画素の光電変換部３に受光されてしまう。これにより、画素の混色が発生してしまう場合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、カラーフィルタ層表面の凹凸に起因して発生する混色を防止することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、基板上に、複数配列された光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部と、前記光電変換部のそれぞれの上部に選択的に配置されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを有する固体撮像素子であって、前記カラーフィルタ層の下側面に、各色に対応するカラーフィルタ同士の厚さを変えることによって段差が設けられていることを特徴とする固体撮像素子によって達成される。

また、本発明の上記目的は、基板上に、複数配列された光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部と、前記光電変換部のそれぞれの上部に選択的に配置されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記カラーフィルタ層の下側面に、各色に対応するカラーフィルタ同士の厚さを変えることによって段差が設けることで、前記カラーフィルタの表面を平坦にすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。

本発明において、光電変換部及び電荷転送部とを覆うように下側平坦化層が形成され、下側平坦化層の上面に、カラーフィルタ層の厚さを規定する透明膜が形成されていることが好ましい。

また、カラーフィルタ層が、厚さの異なる複数のカラーフィルタから構成され、カラーフィルタのうち最も厚さの厚いカラーフィルタの下側を除く、残りのカラーフィルタの下側にのみに透明膜が形成されており、複数のカラーフィルタの上面の高さが等しくなる厚さで透明膜が形成されていることが好ましい。

上記透明膜が感光性アクリル樹脂であることが好ましい。

本発明にかかる固体撮像素子は、下側面にカラーフィルタ同士の段差を設けることで、分光特性設計上でカラーフィルタの厚さが異なる場合に上側面に段差が生じることを防止することができる。すると、固体撮像素子の表面から斜めに光が入射しても、入射した光が下方へ透過するほど集光されているため、カラーフィルタの上側面に比べて下側面の段差では入射光が干渉されにくくなる。このため、入射光が段差を透過しつつ、本来受光されるべき光電変換部に受光されずに隣接する画素の光電変換部に受光されること回避でき、混色が発生することを防止することができる。

本発明によれば、カラーフィルタ層表面の凹凸に起因して発生する混色を防止することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明に係る固体撮像素子の平面図である。図２は、図１の固体撮像素子のＡ−Ａ線を矢印方向の状態を示す断面図である。
本実施形態の固体撮像素子１０は、シリコン基板１１を有し、シリコン基板１１の表面にはｐ領域とｎ領域とからなり、ｐｎ接合が構成されたｐウェル層が形成されている。これらがｐ領域とｎ領域とが、光電変換部３０として機能するフォトダイオード３０ａを構成している。図１に示すように、シリコン基板１１の平面視において、複数の光電変換部３０が、所定のパターンで配列されている。

フォトダイオード３０ａに隣接して、フォトダイオード３０ａに蓄積した電荷を取り出して転送する電荷読み出し領域が形成され、電荷読み出し領域が電荷転送部４０を構成している。

電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル（図示しない）を有している。電荷転送チャネルの上層に電荷転送電極１３が形成されている。電荷転送電極１３は、電荷読み出し領域とともに電荷転送部４０を構成する。

シリコン基板１１表面において、電荷転送電極１３の下側面との境界部にはゲート酸化膜１２が形成されている。ゲート酸化膜１２は、ボトム酸化膜１２ａと窒化シリコン膜１２ｂと酸化シリコン膜１２ｃとの３層からなる多層構造膜（いわゆる、ＯＮＯ膜）によって構成されている。なお、ゲート酸化膜１２は、シリコン基板１１の表面全域に形成されていてもよい。

本実施形態において、電荷転送電極１３は、２つの電極を単一の層に構成した、いわゆる単層電極構造を有している。これら一対の電極同士の間には酸化シリコン膜などからなる電極間絶縁膜が形成されている。

電荷転送電極１３の上層には酸化シリコン膜とプラズマ窒化シリコン膜との２層膜などで構成された絶縁膜１５が形成されている。また、絶縁膜１５の上層には、窒化シリコン膜などからなる反射防止膜１７が形成されている。

反射防止膜１７の上層には、タングステン膜からなる遮光膜１６が形成されている。遮光膜１６において、フォトダイオード３０の上部に対応する位置には、エッチングなどによって開口１６ａが形成されている。

遮光膜１６の上層には、ＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）からなる平坦化膜７２と、Ｐ−ＳｉＮからなる絶縁膜（いわゆる、パッシベーション膜）７３と、透明樹脂等からなる下側平坦化膜７４とが形成されている。本実施形態において、平坦化膜７２と、絶縁膜７３と、下側平坦化膜７４とが下側平坦化層として機能する。

下側平坦化膜７４の上層には、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂが形成されている。カラーフィルタ５０Ｇは緑の波長の光を吸収（又は透過する）フィルタであり、本実施形態においては、カラーフィルタ５０Ｂは青の波長の光を吸収するフィルタである。また、図示しないが、固体撮像素子１０には、赤の波長の光を吸収するフィルタ（カラーフィルタ５０Ｒとする。）が形成されている。これらカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒは、光電変換部３０のそれぞれの上部に選択的に配置されている。本実施形態では、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒがカラーフィルタ層５０を構成する。
なお、カラーフィルタ層５０には、図示しないフィルタ分離領域が形成されていてもよい。

本実施形態の固体撮像素子１０は、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒが所望の分光特性に応じて厚さがそれぞれ異なるように設けられている。本実施形態では、カラーフィルタ５０Ｇの厚さを最も厚くし、次に、カラーフィルタ５０Ｂの厚さを厚くし、カラーフィルタ５０Ｒの厚さを最も薄くするように構成している。しかし、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒの厚さは、本実施形態の構成には限定されず、それぞれのカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒの厚さを任意に設定することができる。

カラーフィルタ層５０は、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのそれぞれの上側面の位置を全て等しくするように形成している。一方で、カラーフィルタの下側面は、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのそれぞれの厚さが異なるため、隣接するカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒ同士の間に段差５０ｓが形成される。

下側平坦化層の上面には、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのそれぞれの厚さを規定するため透明膜７５が形成されている。カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのうち厚く形成するものの下方には透明膜７５を形成しない一方で、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのうち薄く形成するものの下方には透明膜７５をその分だけ厚く形成することで、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒの上面の高さを等しく揃えることができる。本実施形態においては、厚さの異なる３つのＲＧＢのカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒのうち、最も厚さの厚いカラーフィルタ５０Ｇの下側を除く、残りのカラーフィルタ５０Ｂ，５０Ｒの下側にのみに、それぞれ所定の厚さで透明膜７５が形成されている。

なお、透明膜７５としては、例えば、感光性アクリル樹脂を使用することができる。

また、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ上には、絶縁性の透明樹脂等からなる上側平坦化膜６１が形成されている。そして、上側平坦化膜６１の上側表面には、マイクロレンズ６０が形成されている。

固体撮像素子１０は、フォトダイオード３０ａで発生した信号電荷が一旦蓄積され、シリコン基板１１内の電荷転送チャネルによって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力されるように構成されている。

次に、本実施形態の固体撮像素子のカラーフィルタ層の製造手順を説明する。図３は、カラーフィルタ層の製造手順を説明する模式的な図である。
最初に、図３（ａ）に示すように、下側平坦化層を構成する絶縁膜７３や下側平坦化膜７４を形成する。下側平坦化膜７４の表面はＣＭＰなどの平坦化処理が施されている。次に、図３（ｂ）に示すように、下側平坦化膜７４の上面に感光性アクリル樹脂などからなる第１の透明膜７５ａを均一の厚さで塗布する。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１の透明膜７５ａの、Ｇのカラーフィルタ５０Ｇを形成する領域について、フォトレジスト等のマスクを介してエッチングを行うことで第１の透明膜７５ａを除去する。そして、第１の透明膜７５ａを除去した領域に所定の厚さでカラーフィルタ５０Ｇを形成する。ここで、第１の透明膜７５ａの厚さを、カラーフィルタ５０Ｇとカラーフィルタ５０Ｂとの下側面同士の段差に相当する厚さとなるように形成するとともに、カラーフィルタ５０Ｇとカラーフィルタ５０Ｂとの上側面の高さが一致するように形成する。

その後、第１の透明膜７５ａ上に第２の透明膜７５ｂを塗布する。このとき、図３（ｄ）に示すように、第２の透明膜７５ｂを、Ｂのカラーフィルタ５０Ｂを形成する領域を除く領域に、フォトレジストなどのマスクを介して均一の厚さで塗布する。ここで、第２の透明膜７５ｂの厚さを、カラーフィルタ５０Ｂとカラーフィルタ５０Ｒとの下側面同士の段差に相当する厚さとなるように形成するとともに、カラーフィルタ５０Ｇ及びカラーフィルタ５０Ｂとカラーフィルタ５０Ｒとの上側面の高さが一致するように形成する。

図３（ｅ）に示すように、第２の透明膜７５ｂが形成されていない領域に、カラーフィルタ５０Ｂを形成する。最後に、図３（ｆ）に示すように、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂが形成されていない領域であって、第２の透明膜７５ｂ上にカラーフィルタ５０Ｒを形成する。こうすることで、それぞれのカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒの厚さが異なるとともに、上側面の高さが等しいカラーフィルタ層を設けることができる。

なお、カラーフィルタ層を形成する手順は上記実施形態に限定されない。
例えば、最初に、下側平坦化層に所定の厚さの透明膜を全面に形成し、カラーフィルタ５０Ｇを設ける領域に所定の深さの第１の溝部を形成し、また、カラーフィルタ５０Ｂを設ける領域に、第１の溝部よりも深さの浅い第２の溝部を形成する。その後、第１の溝部にカラーフィルタ５０Ｇを形成し、第２の溝部にカラーフィルタ５０Ｂを形成し、第１の溝部及び第２の溝部を除く領域に、カラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂと上側面の高さが等しくなるようにカラーフィルタ５０Ｒを形成してもよい。

固体撮像素子１０は、下側面にカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒ同士の段差５０ｓを設けることで、分光特性設計上でカラーフィルタ５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒの厚さが異なる場合に上側面に段差が生じることを防止することができる。すると、固体撮像素子１０の表面から斜めに光が入射しても、入射した光が下方へ透過するほど集光されているため、カラーフィルタ層５０の上側面に比べて下側面の段差５０ｓでは入射光が干渉されにくくなる。このため、入射光が段差を透過しつつ、本来受光されるべき光電変換部３０に受光されずに隣接する画素の光電変換部３０に受光されること回避でき、混色が発生することを防止することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。

本発明に係る固体撮像素子の平面図である。 図１の固体撮像素子のＡ−Ａ線を矢印方向の状態を示す断面図である。 カラーフィルタ層の製造手順を説明する模式的な図である。 従来の固体撮像素子の構成を説明する図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ シリコン基板（基板）
１３ 電荷転送電極
３０ 光電変換部
３０ａ フォトダイオード
５０ カラーフィルタ層
５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒ カラーフィルタ
６０ マイクロレンズ
７５ 透明膜

Claims (7)

1. 基板上に、複数配列された光電変換部と、
   前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部と、
   前記光電変換部のそれぞれの上部に選択的に配置されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを有する固体撮像素子であって、
   前記カラーフィルタ層の下側面に、各色に対応するカラーフィルタ同士の厚さを変えることによって段差が設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記光電変換部及び前記電荷転送部とを覆うように下側平坦化層が形成され、前記下側平坦化層の上面に、前記カラーフィルタ層の厚さを規定する透明膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記カラーフィルタ層が、厚さの異なる複数のカラーフィルタから構成され、前記カラーフィルタのうち最も厚さの厚いカラーフィルタの下側を除く、残りのカラーフィルタの下側にのみに前記透明膜が形成されており、前記複数のカラーフィルタの上面の高さが等しくなる厚さで前記透明膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記透明膜が感光性アクリル樹脂であることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像素子。
5. 基板上に、複数配列された光電変換部と、
   前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部と、
   前記光電変換部のそれぞれの上部に選択的に配置されたカラーフィルタからなるカラーフィルタ層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記カラーフィルタ層の下側面に、各色に対応するカラーフィルタ同士の厚さを変えることによって段差が設けることで、前記カラーフィルタの表面を平坦にすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. 前記光電変換部及び前記電荷転送部とを覆うように下側平坦化層を形成し、前記下側平坦化層の上面に、前記カラーフィルタ層の厚さを規定する透明膜を形成することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 前記カラーフィルタ層が厚さの異なる複数のカラーフィルタで構成され、前記カラーフィルタのうち最も厚さの厚いカラーフィルタの下側を除く、残りのカラーフィルタの下側にのみに前記透明膜を形成するとき、前記複数のカラーフィルタの上面の高さが等しくなる厚さで前記透明膜を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の固体撮像素子の製造方法。
   

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