JP2004253630A

JP2004253630A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2004253630A
Application number: JP2003042658A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Shiobara; 隆一塩原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを防止し、集光率の向上を図ること。
【解決手段】複数の画素に対応して複数の光電変換素子を形成した基板１上に、層間絶縁膜４と、前記複数の光電変換素子それぞれに光を入射する複数の開口部５を有した遮光膜６と、前記遮光膜６を覆い且つ前記開口部５を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜７と、シリコン窒化膜８と、カラーフィルタ１０と、平坦化膜１１と、マイクロレンズ１２と、をこの順序で積層したものである。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、隣接画素への光の漏れ込みを防止できるようにした固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＭＯＳセンサ或いはＣＣＤセンサのような２次元的に画素が配列されたエリア形センサでは、小型化及び高解像度化を図るために、画素の微細化が図られている。これに伴い、各画素の集光率の低下、隣接する画素への光漏れの影響が大きくなる傾向にある。
【０００３】
従来の固体撮像装置では、各画素を構成するフォトダイオードの上に開口部を設け、それ以外を遮光する構造を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１８９４４０号公報（第１−３頁、図１−４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＭＯＳセンサでは、画素の微細化に伴い、信号配線を効率よく行うために、配線層を多層構造とし、その間に層間絶縁膜を配してあり、配線層を遮光膜と兼用し、層間絶縁膜におけるフォトダイオードの上に相当する位置に開口部を形成し、それ以外のところには遮光膜を形成してある。従って、画素が微細化しかつ多層構造となるほど、光を通過させるところが狭くて縦に長い構造となり、光が通りにくく、集光しにくい。
【０００６】
また、従来のＣＭＯＳプロセスの場合、最上部の配線層（トップメタルと言われる）に上記開口部を設けるためメタルの有無で凸凹が形成され、さらにその表面に腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成しているためにシリコン窒化膜の表面は凸凹になっている。さらに、その凸凹のあるシリコン窒化膜の表面にアクリル樹脂などによる平坦化層を形成した後、カラーフィルタを載せ、該フィルタ上にマイクロレンズを配した構造となっている。
【０００７】
ところが、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は屈折率が２．０とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の屈折率１．６に比して高い。このため、フォトダイオードに入射する光線が凸凹のある部分、特に凸凹の肩から谷にかけての部分で異常屈折して意図しない方向に拡散してしまう問題があった。これは、凸凹の肩から谷にかけての部分では垂直方向にはシリコン窒化膜の厚みが厚くなるので、この垂直膜における異常な屈折（反射も含む）が原因であった。
【０００８】
また，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は半導体回路の腐食防止用保護を目的に形成するのであるが，表面の凸凹が大きい場合特に凸凹の肩から谷にかけての部分の厚さを確保するために全ての表面をある一定以上の厚さのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を覆う必要がある。このために透過率の低いシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を厚くする事で入射光線の光量が下がってしまう問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを防止し、集光率の向上を図ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、複数の画素に対応して複数の光電変換素子を配設した基板上に、層間絶縁膜と、前記複数の光電変換素子に光を導く複数の開口部を有した遮光膜と、前記遮光膜を覆い且つ前記開口部を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜と、シリコン窒化膜と、カラーフィルタと、平坦化膜と、マイクロレンズと、をこの順序で積層したことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のこのような構成によれば、シリコン酸化膜で遮光膜を覆い且つその開口部を充填すると共に該シリコン酸化膜の表面を平坦化する構成としたので、遮光膜形成に起因して生成される凸凹がシリコン酸化膜によって平坦化され、その平坦化面に形成される腐食防止用のシリコン窒化膜も平坦化される。また，平坦化された表面を覆う事でシリコン酸化膜の厚さも薄くする事が可能である。
【００１２】
その結果、従来の異常屈折の原因となっていたシリコン窒化膜の凸凹が無くなり、異常屈折（反射を含む）が無くなり、隣接画素への光の漏れ込みを防止するとともに透過する光量を確保することができる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像装置において、さらに、前記シリコン窒化膜と前記カラーフィルタとの間に、平坦化膜を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のこのような構成によれば、前述の発明と同様な効果を得ることができると共に、シリコン窒化膜とカラーフィルタとの間にアクリル樹脂等の平坦化膜を形成した後カラーフィルタを接合するので、シリコン窒化膜とカラーフィルタとの接合性を良好とすることができる。
【００１５】
また、本発明において、前記層間絶縁膜は、前記酸化膜と同じ光屈折率を有するシリコン酸化膜であることが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、層間絶縁膜をシリコン酸化膜で形成することにより、層間絶縁膜とその上に形成される酸化膜層とが同一の屈折率を有することになり、マイクロレンズを通して入射される光は異常な屈折や反射を受けることが少なくなり、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを少なくして、効率的に光を光電変換素子に到達させることができる。
【００１７】
さらに、本発明において、前記層間絶縁膜は、多層構造であることを特徴とするものである。
【００１８】
このような構成によれば、多層構造となるほど、開口部を通して光を通過させるところが狭くて縦に長い構造となるが、屈折や反射の少ない光路が形成されているために、光を効率的に光電変換素子に集光させることができる。
【００１９】
さらに、本発明において、前記開口部の面積は，フォトダイオードの面積よりも広いことを特徴とするものである。
【００２０】
このような構成によれば、開口部の面積をフォトダイオードの面積よりも広くすることにより、斜め方向の光をも捕捉可能となり集光効率が改善できる。また、マイクロレンズをより大きくして集光する場合に、遮光部分によって光が蹴られるのを防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の固体撮像装置を示す断面図である。図１は２次元状に配列された複数の画素のうちの１つの画素に相当する部分の断面図となっている。
【００２２】
図１において、Ｐ形シリコンの基板１のウェル内に、画素に対応する光電変換素子としてのフォトダイオード２と、光電変換で生じた電荷を検出するためのＭＯＳトランジスタ３とが互いに隣接するように形状されている。
【００２３】
基板１上には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で形成される層間絶縁膜４と、前記フォトダイオード２に光を入射する開口部５を有した遮光膜６と、前記遮光膜６を覆い且つ前記開口部５を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜７と、腐食防止のためのパッシベーション膜としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ又はＳｉ３Ｎ４）８と、例えばアクリル樹脂で形成される平坦化膜９と、カラーフィルタ１０と、平坦化膜９と同様にアクリル樹脂などで形成される平坦化膜１１と、フォトダイオード２の受光面に集光するためのマイクロレンズ１２と、をこの順序で積層している。
【００２４】
遮光膜６の下端面とＭＯＳトランジスタ３のウェル表面の間には開孔が形成され、その開孔に埋め込んだタングステンなどのコンタクト１３にて遮光膜６とＭＯＳトランジスタ３とが電気的に接続されている。なお、遮光膜６は配線層を兼用している。
【００２５】
層間絶縁膜４は、基板１に形成されたフォトダイオード２の受光面及びＭＯＳトランジスタ３を覆うように例えばシリコン酸化膜にて形成されている。
【００２６】
遮光膜６は、フォトダイオード２以外の領域に入射する光を遮蔽する膜であり、ＭＯＳトランジスタ３をほぼ被覆し、且つ、フォトダイオード２に対応する部分に開口部５を有している。遮光膜６は、例えばアルミなどの金属膜で形成されていて所謂メタル層を形成しており、配線層と兼用して用いられる。遮光膜６上には、酸化膜７が形成されている。
【００２７】
酸化膜７は、例えばシリコン酸化膜にて形成されていて、遮光膜６を覆い、且つ遮光膜６の形成されていない開口部５を充填するもので、その表面がほぼ平坦化される。前記層間絶縁膜４と前記酸化膜７を同じ屈折率のシリコン酸化膜で形成することにより、入射する光の屈折を少なくしてフォトダイオード２への集光性を上げることができる。
【００２８】
表面が平坦化された酸化膜７上には、パッシベーション層としてのシリコン窒化膜８が平坦に形成されている。パッシベーション層は腐食等を防ぐための絶縁層である。これまでは、シリコン窒化膜８は、図５の例に示すように最上部の配線層を兼ねる遮光膜６の上に形成され、遮光膜６の開口部分の凸凹に応じて凸凹に形成されていたが，凸凹ゆえに特に凹の側面８ａの厚さを確保するためにも、気相成長法による成長を確保するために膜厚を厚くしていた。
【００２９】
本実施形態では、酸化膜７で予め開口部を充填し平坦化しているために、その上に形成されるシリコン窒化膜８を薄くすることが可能になった。なお、シリコン窒化膜８は光の透過率が７０％程度であり、光量確保の点から出来るだけ薄くすることが好ましい。
【００３０】
そして、シリコン窒化膜８の上には平坦化膜９を介してカラーフィルタ１０が配置される。フィルタ１０はＲ，Ｇ，Ｂ色光のいずれかを透過する。フィルタ１０には平坦化膜１１を介してマイクロレンズ１２が形成されており、マイクロレンズ１２によって、入射光は、フィルタ１０及び開口部５を通してフォトダイオード２に集光するようになっている。
【００３１】
平坦化膜９，１１は、下地の凸凹を改善して平坦化することが本来の目的である。さらに、カラーフィルタ１０やマイクロレンズ１２を直接金属化合物の上に形成すると、所謂乗りが悪いために密着性を良くするために実装する目的もある。平坦化膜９，１１のそれぞれの厚さは、１．４μｍとしてある。平坦化膜９，１１を薄くするためには，アクリルなどの樹脂を均一に薄く乗せる装置を用いて行う。
【００３２】
各物質の屈折率は、シリコンＳｉが４．０、シリコン酸化膜ＳｉＯ２が１．６、シリコン窒化膜ＳｉＮ（又はＳｉ３Ｎ４）が２．０、平坦化膜が約１．６、カラーフィルタが約１．７、平坦化膜が約１．６、マイクロレンスが約１．６である。なお、シリコン窒化膜８が平坦に形成されることで、カラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を無くした構成とすることが可能である。
【００３３】
図２は本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示すものである。密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図１の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成としたものである。それ以外の構成は図１と同様であるので説明を省略する。図２では，密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図１の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成とすることで，マイクロレンズからセンサ面までの層の厚さを薄くする事が可能である。この結果マイクロレンズを通して光を集めるための集光路が確保しやすくなり，結果集光率を高める事を可能としたものである。
【００３４】
以上述べた第１，第２の実施形態の構成によれば、酸化膜７で遮光膜６を覆い且つその開口部５を充填すると共に該酸化膜７の表面を平坦化する構成としたので、開口部の存在に起因した凸凹が酸化膜７によって平坦化され、その平坦化面に形成される腐食防止用のシリコン窒化膜８も平坦化される。
【００３５】
その結果、これまでの異常屈折の原因となっていたシリコン窒化膜の凸凹が無くなり、異常屈折（反射を含む）が無くなり、隣接画素への光の漏れ込みを防止することができる。また，開口部の存在に起因した凸凹が酸化膜７によって平坦化されたことで，腐食等を防ぐための絶縁層であるシリコン窒化膜８を薄くすることが可能になり，シリコン窒化膜８で減衰される光の透過量を確保することができる。
【００３６】
さらに、層間絶縁膜４と酸化膜７をシリコン酸化膜で形成することにより、層間絶縁膜４とその上に形成される酸化膜層７とが同一の屈折率を有することになり、マイクロレンズ１２を通して入射される光は異常な屈折や反射を受けることが少なくなり、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを少なくして、効率的に光を光電変換素子であるフォトダイオード２へ到達させることができる。
【００３７】
図３は本発明の第３の実施形態の固体撮像装置を示す断面図である。本実施形態は、遮光膜としての機能も有する配線層、及び層間絶縁膜を多層構造とした実施形態である。
【００３８】
図３の構造では、図１の構成に加えて、基板１と遮光膜６との間に、遮光膜としての機能も有する配線層１４，１５を配し、層間絶縁膜として層間絶縁膜４の上に、層間絶縁膜１６，１７を配した多層構造としている。また、配線層１４の下端面と基板１上のＭＯＳトランジスタとの間はコンタクト１８で接続され、配線層１５の下端面と配線層１４の上端面との間はコンタクト１９で接続されている。遮光膜６を最上層の配線層とすると、配線層１４，１５とでメタル３層構造となっている。
【００３９】
この第３の実施形態の場合にも、遮光膜６より上層の、酸化膜７、シリコン窒化膜８、平坦化膜９、カラーフィルタ１０、平坦化膜１１、マイクロレンズ１２は図１の実施形態と同様の構成である。また、第２の実施形態と同様に、密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図３の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成としてもよい。
【００４０】
図３の構成で、層間絶縁膜４，１６，１７、酸化膜７の遮光膜開口部分及び酸化膜７の遮光膜被覆部分、遮光膜６、並びにシリコン窒化膜８の各膜厚は、例えば、層間絶縁膜４，１６，１７の各膜厚ａ，ｂ，ｃがそれぞれ８００，１５００，１５００ｎｍであり、酸化膜７の遮光膜開口部分の膜厚ｄが１３００ｎｍ、酸化膜７の遮光膜被覆部分の膜厚ｆが５００ｎｍ、遮光膜６の膜厚ｅが８００ｎｍ、シリコン窒化膜８の膜厚ｇが２００ｎｍである。
【００４１】
次に、各画素を構成するフォトダイオード２と開口部５との位置関係について説明する。
固体撮像装置の各フォトダイオード２の上には通常開口部５を用意し、それ以外の領域を遮光する構造となっている。開口部の平面形状としては、円形、正方形、長方形、正多角形（６角形，８角形，１２角形など）があるが、８角形は４５°の角度の部分ができるので、半導体製造用のフォトマスクが製作し易い。図４に遮光膜６に形成される８角形の開口部５の平面図を示している。
【００４２】
そして、集光効率を改善するには、
第１に、開口部５の中心がフォトダイオード２の中心の上に来るようにすることにより、マイクロレンズも含めた集光効率が改善できる。
【００４３】
第２に、開口部５の面積をフォトダイオード２の面積よりも広くすることにより、斜め方向の光をも捕捉可能となり集光効率が改善できる。また、マイクロレンズをより大きくして集光する場合に、遮光部分によって光が蹴られるのを防止できる。
【００４４】
図５は現在使用されている固体撮像装置の構成を示している。
図５の構成は、最上部の配線層６に設けた開口部５のためメタルの有無で凸凹が形成され、さらにその表面に腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）８を形成している。このために、シリコン窒化膜８の表面は凸凹になっている。さらに、その凸凹のあるシリコン窒化膜８の表面にアクリル樹脂などによる平坦化膜９を形成した後、カラーフィルタ１０を載せ、該フィルタ１０上に平坦化膜１１を介してマイクロレンズ１２を配した構造となっている。最上部の配線層６より下の層は、層間絶縁膜４，１６，１７及びその間の配線層１４，１５が多層に構成されており、図３の多層構造と同様である。
【００４５】
シリコン窒化膜８は、図５に示すように最上部の配線層を兼ねる遮光膜６上に形成されており、遮光膜６の開口部分の凸凹に応じて凸凹に形成されている。凸凹ゆえに特に凹の側面８ａの厚さを確保するためにも、気相成長法による成長を確保するために膜厚が全体的に厚くなっている。
【００４６】
一方、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は屈折率が２．０とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の屈折率１．６に比して高い。このため、フォトダイオード２に入射する光線が凸凹のある部分、特に凸凹の肩から谷にかけての部分で異常屈折して意図しない方向に拡散してしまい、隣接画素へ侵入するものがある。このように隣接画素への漏れが生ずるのは、凸凹の肩から谷にかけての部分、すなわち、凹の側面８ａつまり垂直部分でもシリコン窒化膜８の厚みが厚くなるので、この垂直膜８ａにおいて図示矢印の光線に示すように異常な屈折（反射も含む）を生ずることに起因している。実験によると、入射してきた光の量を１００％とすると、１００％の光に対して１０％位の光が隣接画素へ漏れてしまう。従って、隣接画素への光漏れを防ぐことは集光効率を上げるのに大きく寄与するものである。
【００４７】
また腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合に凸凹が多いと気相成長法による成長を確保するために膜厚が全体的に厚くしなければならないが，このために透過率の低いシリコン窒化膜（ＳｉＮ）によって透過する光量が低くなってしまう。この凸凹を平坦化することでシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を薄くする事で集光効率を上げるのに大きく寄与するものである。
【００４８】
尚、本発明は、ＣＭＯＳセンサに限らずＣＣＤセンサにおいても適用することができる。
【００４９】
以上述べたように本発明によれば、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを防止し、集光率の向上を図ることが可能となる。
【００５０】
本発明は、以上述べた実施形態に限るものではなく、本発明の要旨を変えない範囲で各実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図４】遮光膜に形成される開口部の一例を示す平面図。
【図５】固体撮像装置の問題点を説明する断面図。
【符号の説明】
１…基板、２…フォトダイオード（光電変換素子）、３…ＭＯＳトランジスタ、４，１６，１７…層間絶縁膜、５…開口部、６…遮光膜（配線層）、７…酸化膜（シリコン酸化膜）、８…シリコン窒化膜（パッシベーション膜）、９，１１…平坦化膜、１０…カラーフィルタ、１２…マイクロレンズ、１４，１５…配線層

Claims

複数の画素に対応して複数の光電変換素子を形成した基板上に、層間絶縁膜と、前記複数の光電変換素子それぞれに光を入射する複数の開口部を有した遮光膜と、前記遮光膜を覆い且つ前記開口部を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜と、シリコン窒化膜と、カラーフィルタと、平坦化膜と、マイクロレンズと、をこの順序で積層したことを特徴とする固体撮像装置。
さらに、前記シリコン窒化膜と前記カラーフィルタとの間に、平坦化膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記層間絶縁膜は、前記酸化膜と同じ光屈折率を有するシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
前記層間絶縁膜は、多層構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記開口部の面積は，フォトダイオードの面積よりも広いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。