JPH0645569A

JPH0645569A - 固体撮像装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0645569A
Application number: JP5121255A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Sano; 義和佐野; Hiroshi Okamoto; 博岡本
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1993-05-24
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】斜め入射光や内部反射光によるフレア光をな
くし、偽信号の発生を防止する。【構成】転送チャンネル４４上に遮光膜５４が形成さ
れる。半導体基板４１上には、転送ゲート電極５１や遮
光膜５４によって約２〜４μｍの段差が形成されてい
る。この表面段差を平坦化するために下地平坦化層５５
が形成されており、その上に第１の遮光層５６、第１の
透明膜５７、第２の遮光層５８、第２の透明膜５９、第
３の遮光層６０、第３の透明膜６１、その上にマイクロ
レンズ６２が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の遮光層を有する
固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像装置をカラー化して用い
るために、ガラス板上にカラーフィルタ層を形成したも
のを固体撮像素子に接着するフィルタ接着方式がある。
しかし工程が複雑化し、素子の微細化が進むにつれて固
体撮像素子が形成された半導体基板の上に直接カラーフ
ィルタ層を形成するいわゆるオンチップカラーフィルタ
方式を用いることが主流となってきた。さらに小型の固
体撮像装置にあっては、カラーフィルタ層の上にマイク
ロレンズを形成し、入射光を受光部に集光して受光感度
を向上させている。

【０００３】以下に従来の固体撮像装置について説明す
る。図２３は従来の固体撮像装置の要部断面図であり、
カラーフィルタ接着方式の例を示している。

【０００４】固体撮像素子が形成された半導体基板１の
表面は凹凸が激しいのでまずその表面を下地平坦化層４
により平坦にし、さらに透明膜６を形成する。この後、
カラーフィルタ接着層１２を用いてカラーフィルタ１３
を接着している。遮光層１４はカラーフィルタ１３のガ
ラス基板面に形成された光吸収層または光反射層で、フ
ォトダイオード２へ入射する迷光（以下フレア光と称す
る）を防止するために垂直ＣＣＤ１０を被覆するように
配置されている。ビデオカメラの光学系を通過した入射
光８はカラーフィルタ１３を通りフォトダイオード２に
到達し、光エネルギーが電気信号に変換される。

【０００５】図２４および図２５は従来の他の固体撮像
装置の要部断面図であり、オンチップフィルタ方式の例
を示している。

【０００６】一般にオンチップフィルタ方式では図２４
に示すように、固体撮像素子が形成された半導体基板１
の上に下地平坦化層４と遮光層５と透明膜６を設け、さ
らに集光レンズ（オンチップレンズと称する）１１が形
成されている。このようにしてオンチップレンズ１１で
集光された入射光８は効率よくフォトダイオード２に導
かれるのであるが、内部反射光９であるフレア光が偽信
号としてフォトダイオード２に入り込まない様に遮光層
５が透明膜６の中に形成されている。

【０００７】図２５に示す従来の固体撮像装置では遮光
層５の厚みが図２４に示す従来の固体撮像装置に比べて
厚くなっているが、この厚さを制御することによってフ
レア光をより完全に防止しようとするものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、以下のような課題を有しており充分なフ
レア光防止ができなかった。

【０００９】図２３に示すフィルタ接着方式の固体撮像
装置では、入射光８のうち斜めに入射した光線は遮光膜
３で反射され、さらにカラーフィルタ１３の表面や透明
膜６の内部で反射を繰り返し、内部反射光９が本来入射
すべきでないフォトダイオード２に到達し、偽信号発生
の原因となる。

【００１０】また図２４に示すオンチップフィルタ方式
の固体撮像装置では、入射光８が斜め方向から入った場
合、遮光層５が薄い単層構造のためフレア光を充分吸収
遮断できず、遮光膜３等で内部反射を繰り返して本来入
射すべきでないフォトダイオード２に到達し偽信号発生
の原因となる。

【００１１】また図２５に示すオンチップフィルタ方式
の固体撮像装置では、光吸収層である遮光層５の厚みを
増しており入射光８のうち斜めに入り込む光は遮断吸収
することができるが、オンチップレンズ１１を通過した
入射光８のうちレンズの周辺を通過する光は厚い遮光層
５に遮られて本来フォトダイオード２に到達すべき光ま
で吸収され、感度が低下する。また遮光層５を光による
リソグラフィで形成する場合、ネガ型の自然タンパク材
料が主として使用されている。しかしこの場合、遮光層
５の膜厚が厚くなると十分解像がなされず、遮光層５の
膜残りが発生しやすくなる。この結果、フォトダイオー
ド２の周辺を部分的に覆うこととなり、フォトダイオー
ド２での感度が低下する。さらには遮光層５の膜厚が厚
い場合、露光後の現像工程での材料の溶解が生じ、画像
にしみが発生することがある。

【００１２】本発明は上記の従来の課題を解決するもの
で、斜め入射光や内部反射光によるフレア光を防止し、
偽信号の発生をなくした画像特性に優れた固体撮像装置
およびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子が形成された
半導体基板の上の前記固体撮像素子のフォトダイオード
以外の領域に遮光膜が形成されており、前記遮光膜上に
平坦化層が形成されており、前記平坦化層上に２層以上
の遮光層が形成されている。

【００１４】また本発明の固体撮像装置の製造方法は、
半導体基板にフォトダイオードと垂直ＣＣＤとをマトリ
ックス状に形成する工程と、前記垂直ＣＣＤ上の前記半
導体基板上に絶縁膜を介して転送ゲート電極を形成する
工程と、前記転送ゲート電極上に遮光膜を形成する工程
と、前記半導体基板表面を平坦化する下地平坦化層を形
成する工程と、前記転送ゲート電極上の前記下地平坦化
層上に第１の遮光層を形成する工程と、前記第１の遮光
層上に第１の透明膜を形成し、平坦化する工程と、前記
第１の透明膜上に第２の遮光層を形成する工程と、前記
第２の遮光層上に第２の透明膜を形成し、平坦化する工
程とを備えている。

【００１５】また、半導体基板にフォトダイオードと垂
直ＣＣＤとをマトリックス状に形成する工程と、前記垂
直ＣＣＤ上の前記半導体基板上に絶縁膜を介して転送ゲ
ート電極を形成する工程と、前記転送ゲート電極上に遮
光膜を形成する工程と、前記半導体基板表面を平坦化す
る下地平坦化層を形成する工程と、前記転送ゲート電極
上の前記下地平坦化層上に第１の遮光層を形成する工程
と、前記第１の遮光層上に第１の透明膜を形成し、平坦
化する工程と、前記第１の透明膜上に第２の遮光層を形
成する工程と、前記第２の遮光層上に第２の透明膜を形
成し、平坦化する工程と、前記第２の透明膜上に第３の
遮光層を形成する工程と、前記第３の遮光層上に第３の
透明膜を形成し、平坦化する工程と、前記第３の透明膜
上にマイクロレンズを形成する工程とを備えている。

【００１６】

【作用】この構成によって、固体撮像装置に光が斜め入
射する場合に起こり易いフレア光や、入射光のうち遮光
用メタル層等により内部で反射するフレア光を効率よく
遮断吸収することができる。またオンチップレンズを備
えた固体撮像装置に適用した場合にも、集光量を減ずる
ことなく、遮光層の膜厚を厚くすることによる現像しみ
も発生せず良好な画面を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例における固体
撮像装置の要部断面図でオンチップフィルタ方式の例を
示す。

【００１９】以下、図１を用いて製作したＣＣＤ（char
ge coupled device）型の固体撮像装置の断面図につい
て説明する。

【００２０】まず、Ｎ型半導体基板４１は面方位（１０
０）であり、不純物濃度約１０¹⁴ｃｍ^-3である。Ｎ型半
導体基板４１に第１のＰ型拡散層４２が形成されてい
る。第１のＰ型拡散層４２の深さは約５μｍである。ま
た、第１のＰ型拡散層４２の不純物濃度は約１０¹⁵ｃｍ
^-3である。第１のＰ型拡散層４２はフォトダイオード４
３で不要な電荷を排出するのに設けられている。すなわ
ち、フォトダイオード４３はＮ型半導体基板４１にＮ型
拡散層として形成されている。フォトダイオード４３で
は外部から入射した光によって、電荷（フォトキャリ
ア）が形成され、内部に一時的に蓄積される。その電荷
が多量に発生しフォトダイオード４３に蓄積できる電荷
量より多くなると、フォトダイオード４３から他の領域
へと流入される。このような電荷は、Ｎ型拡散層で形成
された転送チャンネル４４に入ると、ブルーミングを発
生させる原因となる。このような、ブルーミングの発生
は第１のＰ型拡散層４２を形成することで防止できる。
第１のＰ型拡散層４２は零ボルトに固定されている。こ
のためそれらの領域内に形成されるポテンシャル分布
は、フォトダイオード４３で発生した電荷が第１のＰ型
拡散層４２を通りＮ型半導体基板４１に排出される。第
１のＰ型拡散層４２の不純物濃度を上記の値に設定する
と、この固体撮像装置が動作する時に、フォトダイオー
ド４３を容易に空乏化させることができ、光電変換信号
量を増加させることができる。第１のＰ型拡散層４２の
深さは、フォトダイオード４３の深さとその両者間の耐
圧によって決定される。フォトダイオード４３の深さ
は、可視光領域の光が入射した時、十分な光電変換効率
を得るためには約２μｍ必要である。

【００２１】第１のＰ型拡散層４２にはフォトダイオー
ド４３であるＮ型拡散層が形成されている。フォトダイ
オード４３に光が入射すると、フォトダイオード４３の
空乏層内に電子とホールのエレクトロンペアが発生す
る。電子は隣接する転送チャンネル４４をへて信号電荷
となる。ホールは第１のＰ型拡散層４２を通ってＮ型半
導体基板４１の外部に取り出される。このようにして、
フォトダイオード４３は入射光を信号電荷に変換してい
る。フォトダイオード４３の表面には第２のＰ型拡散層
４５が形成されている。

【００２２】ここで、第２のＰ型拡散層４５を形成する
理由は、Ｎ型拡散層のフォトダイオード４３が半導体基
板４１とゲート絶縁膜４８との界面と接して形成されて
いると、界面に存在する界面準位の影響で電流の発生が
起こり、素子の特性劣化を生じる。空乏層がシリコンと
絶縁膜界面にまで到達することがないように比較的濃度
の高い第２のＰ型拡散層４５を形成する。この第２のＰ
型拡散層４５には１０ ¹⁷ｃｍ^-3を越える不純物濃度のボ
ロンが必要になる。これだけの不純物濃度を通常のイオ
ン注入法によって導入しようとすると、イオン注入によ
って、半導体基板４１表面に注入欠陥が発生し、リーク
電流の原因となる。この結果、暗電流の発生を防ごうと
しているにもかかわらず、十分な改善効果がえられな
い。このようなイオン注入による注入欠陥の発生を防止
するために水素アニールを行う方法がある。しかし、水
素アニールにより半導体基板４１中に導入された水素原
子は、半導体基板４１に熱や光が加わると水素原子がシ
リコン基板と酸化膜界面から抜け出すため、効果がなく
なり安定性が悪い。そのためこれを用いて製作された素
子の長時間放置後の信頼性に問題が生じる。

【００２３】また、第１のＰ型拡散層４２内には第３の
Ｐ型拡散層４７が形成されている。第３のＰ型拡散層４
７はＮ型半導体基板４１中で発生する信号のうち雑音と
なる電荷が転送チャンネル４４へ拡散するのを防止する
作用がある。ここで、第３のＰ型拡散層４７の拡散深さ
は約１μｍである。また、第３のＰ型拡散層４７の不純
物濃度は１０¹⁶ｃｍ^-3である。第３のＰ型拡散層４７は
Ｎ型拡散層からなる転送チャンネル４４を囲むのに用い
る。一般にこのような構造をＨｉ−Ｃ構造と呼ぶ。第３
のＰ型拡散層４７の拡散深さを熱処理により深くする
と、横方向への拡散が同時に進行する。このため、第３
のＰ型拡散層４７はフォトダイオード４３のＮ型拡散層
にまで進入する。フォトダイオード４３に第３のＰ型拡
散層４７が進入すると、光電変換出力が低下してしま
う。転送チャンネル４４はフォトダイオード４３で形成
された信号電荷を所定の領域に転送するための転送領域
である。

【００２４】ここで、転送チャンネル４４の拡散深さは
約０.５μｍである。また転送チャンネル４４の不純物
濃度は１０¹⁶〜１０¹⁷ｃｍ^-3である。

【００２５】上記Ｈｉ−Ｃ構造を実現するためには、第
３のＰ型拡散層４７のほうを転送チャンネル４４よりも
広くしておくことが必要である。

【００２６】フォトダイオード４３で発生した信号電荷
を、転送チャンネル４４へ読み出す際、フォトダイオー
ド４３のポテンシャルより転送チャンネル４４のポテン
シャルを低くする。また、転送チャンネル４４に運ばれ
た信号電荷がフォトダイオード４３に逆流したり、ある
いは転送チャンネル４４に信号電荷が存在している場合
に、フォトダイオード４３で形成された信号電荷が転送
チャンネル４４へと流れ込まないようにする必要があ
る。このため、読み出し時のポテンシャル制御を行う第
４のＰ型拡散層４８がフォトダイオード４３と転送チャ
ンネル４４との間に形成されている。フォトダイオード
４３から転送チャンネル４４に信号電荷が転送される場
合は、第４のＰ型拡散層４８内のポテンシャルをフォト
ダイオード４３のポテンシャルより低く、かつ転送チャ
ンネル４４のポテンシャルと同じか少し高くなるように
制御されている。転送チャンネル４４に信号電荷が蓄積
されると、その信号電荷がフォトダイオード４３に逆流
しないように第４のＰ型拡散層４８のポテンシャルはフ
ォトダイオード４３のポテンシャルより高く、かつ転送
チャンネル４４のポテンシャルより高くなるように制御
される。

【００２７】ここで、第４のＰ型拡散層４８の拡散層深
さは約１μｍである。また第４のＰ型拡散層４８のシリ
コン基板４１表面での表面濃度は１０¹⁶〜１０¹⁷ｃｍ^-3
である。固体撮像装置を動作させる駆動パルスの電圧零
ボルトまたは１５Ｖの時に、転送チャンネル４４からフ
ォトダイオード４３に電荷が逆流するのを防止するか、
あるいはフォトダイオード４３から電荷が転送チャンネ
ル４４に流入させることが必要である。このためそれぞ
れの状態で最適なポテンシャル分布をもたせ得るしきい
値電圧となるように第４のＰ型拡散層４８の拡散層深さ
や不純物濃度を設定する。第４のＰ型拡散層４８の幅は
約１μｍ以下にするのが良い。もし、第４のＰ型拡散層
４８の幅が１μｍより大きい場合には、トランジスタの
ｇｍ特性が悪くなる。ｇｍ特性が悪くなると、フォトダ
イオード４３に蓄積された信号電荷を完全に読み出すこ
とが不可能となる。逆に第４のＰ型拡散層４８の幅が約
１μｍより小さい場合には、ショートチャネル効果が発
生する。ショートチャネル効果によって、パンチスルー
が生じ易くなり、結果的にはフォトダイオード４３の光
電変換出力値は小さくなってしまう。

【００２８】固体撮像装置はフォトダイオード４３と転
送チャンネル４４が一対となり、それがマトリックス状
に形成されている。この対と隣合う対との間を電気的に
分離するために第５のＰ型拡散層４９が形成されてい
る。第５のＰ型拡散層４９はイオン注入により形成され
る。ここで、第５のＰ型拡散層４９の深さは約１μｍで
ある。また、第５のＰ型拡散層４９の表面濃度は１０¹⁷
〜１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００２９】第５のＰ型拡散層４９の表面濃度は、隣接
したフォトダイオード４３に蓄積された信号電荷が流れ
込まないようにするのに上記範囲に設定することが必要
である。表面濃度が１０¹⁷ｃｍ^-3より少ない場合には、
隣接したフォトダイオード４３の信号電荷が流れ込む。
また、表面濃度が１０¹⁸ｃｍ^-3より多い場合には隣接し
た転送チャンネル４４にナローチャネル効果が生じる。
ナローチャネル効果が生じると転送チャンネル４４の転
送容量が低下する。このため、固体撮像装置のダイナミ
ックレンジが小さくなり、転送効率が劣化してしまう。

【００３０】第５のＰ型拡散層４９の幅は約１μｍ以下
にするのがよい。もし、第５のＰ型拡散層４９の幅が１
μｍより大きい場合には，転送チャンネル４４の転送領
域が減少してしまう。すなわちフォトダイオード４３に
蓄積された信号電荷を完全に読み出すことが不可能とな
る。逆に第５のＰ型拡散層４９の幅が１μｍより小さい
場合にはショートチャネル効果が発生する。ショートチ
ャネル効果によって隣接したフォトダイオード４３と転
送チャンネル４４との間にパンチスルーが生じ易くな
る。結果的には、隣接したフォトダイオード４３の情報
を読み出し、解像度が低下する。さらにフォトダイオー
ド４３の出力が低下してしまう。

【００３１】Ｎ型半導体基板４１上にはシリコン酸化膜
によってゲート絶縁膜５０が成長されている。ゲート絶
縁膜５０はパイロ酸化法で形成される。ゲート絶縁膜５
０の膜厚は約５０ｎｍ以上である。ゲート絶縁膜５０の
膜厚はフリンジング効果を利用して転送効率を上げるた
めには５０ｎｍ以上にしておくことが望ましい。

【００３２】転送ゲート電極５１は減圧ＣＶＤ法を用い
て成長したポリシリコンをパターンニングして形成され
る。転送ゲート電極５１のシート抵抗は数１０Ωであ
る。また転送ゲート電極５１の膜厚は約５００ｎｍであ
る。転送ゲート電極５１はフォトダイオード４３で形成
された信号電荷を転送チャンネル４４に読み出し、転送
するための駆動パルスを印加する電極として使用され
る。こうのように転送ゲート電極５１はできる限り低抵
抗であることが望ましい。ただし、低抵抗化の目的でリ
ンドープ量を増加すると転送ゲート電極５１の表面を酸
化して形成する層間膜５２の耐圧が劣化するので、リン
ドープ量は前記の値とすることが適当である。転送ゲー
ト電極５１の表面にはポリシリコン酸化膜からなる層間
膜５２が成長されている。

【００３３】層間膜５２はパイロ酸化法により転送ゲー
ト電極５１の表面を酸化して成長されている。層間膜５
２の膜厚は約２００ｎｍである。層間膜５２は、層間膜
の耐圧を確保するために形成されている。また、転送ゲ
ート電極５１を形成する時のエッチングで生じたポリシ
リコン膜のエッチング残りによって、駆動電圧を印加し
た際、ポリシリコン膜のエッチング残りを通してリーク
が生じる。層間膜５２の形成時にこのようなポリシリコ
ンエッチング残りを焼き切ることでリークを防ぐことが
できる。転送ゲート電極５１に印加される４相の駆動パ
ルスは−７Ｖと０Ｖと＋１５Ｖのレベルを変化するの
で、層間膜５２は最大電圧差２２Ｖ以上の耐圧をもつ。

【００３４】層間膜５２の表面には層間膜５３がシリコ
ン酸化膜により形成されている。層間膜５３の膜厚は約
１００ｎｍである。層間膜５３はＣＶＤ法によって形成
される。層間膜５３は層間膜５２を形成するポリシリコ
ン酸化膜にピンホール等が存在し局部的に耐圧が弱くな
ることを防止するために形成される。

【００３５】転送チャンネル４４に光が入射してスミア
成分となることを避けるためにアルミニウム膜等の金属
蒸着膜でなる遮光膜５４が形成される。以上のように転
送チャンネル４４の半導体基板４１上には、転送ゲート
電極５１や遮光膜５４によって約２〜４μｍの段差が形
成されている。この表面段差を平坦化するために下地平
坦化層５５が形成されており、その上に第１の遮光層５
６が形成されている。下地平坦化層５５には膜厚３〜５
μｍ程度のアクリルの透明樹脂が用いられている。この
下地平坦化層５５の上層に形成された第１の遮光層５６
もまたアクリル樹脂を主体とした層を用いる場合がある
ので、第１の遮光層５６を加工する際に下地平坦化層５
５が変形しないように、下地平坦化層５５を形成後、２
００℃程度の温度でベーキングして下地平坦化層５５を
焼き固めてある。下地平坦化層５５は上層の遮光層を精
度よく形成する上で十分に平坦化されていることが必要
で、下地平坦化層５５形成後の表面に形成された凹凸の
凹部の底面と凸部の頂面との差は０.１μｍ以下に形成
されている。この差が０.１μｍ以上であると上層に形
成される遮光層のパターンが場所によって遮光すべき領
域の分布にむらが生じる。この結果、最終的に製作され
た固体撮像装置の解像度に場所によるばらつきが生じ
る。第１の遮光層５６にはゼラチン、カゼインやアクリ
ル樹脂に黒色を染色して用いる。このように第１の遮光
層５６には有機膜を用い、通常のフォトリソグラフィに
よって形成できるネガ型の感応性有機膜である。ゼラチ
ンやカゼインはフォトリソグラフィにおいてｇ線で露光
されるが、その解像度は低い。このため素子の微細化に
つれてパターンの微細化が図れず、解像度が低いことか
ら所望の領域以外の領域にまでその影響を与える。本実
施例ではアクリル樹脂を用いる。アクリル樹脂は光に感
光しない透明な樹脂である。しかし、アクリルの共重合
体にジアゾ化合物を添加し、さらに染色が可能なように
染色基をもたせるためにジメチルアミノエチルメタクリ
レート（ＤＭＡＥＭＡ）を添加させる。これによって染
色することができ、さらにはフォトリソグラフィでのｉ
線に感度をもつネガ型の材料となる。このため素子の微
細化に伴うパターンの微細化が図れ、その解像度の向上
が望める。また、ゼラチンやカゼインを黒色に染色する
場合には、クロム酸を主成分とする材料が用いられるた
め汚染等の環境への悪影響が生じるが、アクリル樹脂の
場合にはそのような材料を使用することがないので、人
体への悪影響がなく安全である。

【００３６】次に第１の遮光層５６はフォトダイオード
４３に入射する光を遮光しないように形成されている。
第１の遮光層５６の膜厚は本実施例では０.３μｍ〜０.
５μｍで用いている。ただし膜厚は０.８μｍ以上にす
ることはできない。なぜならこのアクリル樹脂はネガ型
であるので、現像中に樹脂が現像液を吸ういわゆる膨潤
と呼ばれるパターンの膨らみが生じる。これは現像後の
リンスによって取り除かれ収縮するが、膜厚が０.８μ
ｍ以上になると収縮の際にパターンにむらが生じてしま
う。さらにネガ型特有の現像時にパターンのすそにスカ
ムと呼ばれるすそ引きが形成される。このようなスカム
は本来遮光すべきでない領域に形成されることになる。
以上のように膨潤やスカムによって、製作された固体撮
像装置の感度にばらつきが生じ、画像にしみが生じる。
これを防止するためにはその膜厚を０.８μｍ以下で用
いることが必要である。また、第１の遮光層５６の断面
幅は、遮光膜５４を覆いさらにオンチップレンズによる
集光経路を遮らないような寸法にすることが必要で、こ
こでは２μｍにしている。

【００３７】この上に透明膜５７が形成され、その透明
膜５７の上に第２の遮光層５８および透明膜５９を挟ん
で第３の遮光層６０が形成されている。透明膜５７、５
９にはアクリルの透明樹脂を焼き固めて用いる。その膜
厚は０.５〜２μｍで用い基板表面を平坦化している。
第２、３の遮光層５８、６０は上記で説明した第１の遮
光層５６と同じ材料、膜厚を用いる。第２の遮光層５８
および第３の遮光層６０の断面幅についてはオンチップ
レンズの集光経路を遮らないように上になる程断面幅を
小さくしておく。さらに第３の遮光層６０の上を含んで
透明膜５７と同じ材料、同じ膜厚の透明膜６１で覆って
平坦化する。その上にオンチップレンズ６２を形成す
る。

【００３８】以上の構成によりフォトダイオード４３に
対して垂直方向からオンチップレンズ６２に入射した光
６３は、マイクロレンズ６２、透明膜５７、５９、６１
と下地平坦化層５５を透過してフォトダイオード４３に
入射する。このような光６３はフォトダイオード４３ま
で直接達するのに対して、半導体基板４１表面に対して
鋭角の斜め方向からマイクロレンズ６２に入射する光６
４、６５の一部はフォトダイオード４３に達しないもの
がある。斜め方向から入射する光６４、６５はレンズや
透明膜で屈折するが、その光６４、６５の光路は転送ゲ
ート電極５１の方へ進行する。そこで転送ゲート電極５
１上に形成された遮光膜５４に到達し、反射される。反
射した光は再度下地平坦化層５５や透明膜５７、５９、
６１中を透過し、透明膜６１とマイクロレンズ６２との
境界で反射されて、隣のフォトダイオード４３に入射す
る、いわゆるフレア光となる。本実施例のようにマイク
ロレンズ６２からフォトダイオード４３に直接的に入射
する光６３の光路以外に遮光層５６、５８、６０を形成
することによってこのような反射してきた光を遮光、吸
収することができるので、フレア光を発生することがな
い。

【００３９】図２は本発明の第２の実施例における固体
撮像装置の要部断面図である。半導体基板７１内に形成
される各々の拡散層および半導体基板７１上の転送ゲー
ト電極７２上に遮光膜を形成している部分は同じであ
る。第１の実施例との違いは、第１の遮光層７３の上に
透明膜を介さずに第２の遮光層７４および第３の遮光層
７５を直接形成している点である。この場合第２の遮光
層７４以上の遮光層の断面幅についてはオンチップレン
ズ７６の集光経路を遮らないように上層になる程断面幅
を小さく形成する。この時それぞれの遮光層７３、７
４、７５の材料や膜厚は第１の実施例と同じでよい。た
だし、３つの遮光層７３、７４、７５が多層構造になっ
ているので、それによる段差は１.５〜６μｍ程度と大
きくなるので、オンチップレンズ７６を設ける前に基板
表面を平坦化するための透明膜７７の膜厚はそれに応じ
て２.５〜７μｍ程度にする必要がある。第２の実施例
では、第１の実施例に比べて工程は少なくて済むが、第
２、３の遮光層７４、７５を形成する際に、下地の段差
が大きくなり形成された遮光層パターンの精度が悪くな
るため、特に微細化された場合には、効果が薄い。

【００４０】以上のように第１、２の実施例ではオンチ
ップレンズ６２、７６を通過する光路に沿って３つの遮
光層を設けているので、例えフォトダイオード４３に入
らず内部で散乱された光があっても、隣のフォトダイオ
ード４３に侵入するフレア光がないため、感度にむらが
生じ、その結果画像ににじみが生じるようなことがな
い。

【００４１】ここで、第１、２の実施例の遮光層を３層
にして用いているのは、その遮光能力によって決まって
いる。上記したように遮光層の膜厚はその形成プロセス
による制限から最大０.８μｍ程度までしか使用できな
い。このようなアクリル樹脂を用いた１層の遮光層で
は、膜厚０.８μｍで入射光の強度に対して６０％の光
しか遮ることができない。このため本実施例のごとく３
層の遮光層を用いると、３層の遮光膜を透過してくる光
は入射光の６.４％程度にまで減少させることができ
る。このように遮光層を何層にして用いるかは要求され
る特性との比較によって決まる。

【００４２】遮光層の配置について、図３を用いて説明
する。図面には固体撮像装置の１つの画素に相当する部
分の断面図を示す。被写体から発した光はアパーチャー
を通してマイクロレンズ８０に入射する。マイクロレン
ズ８０には基板に垂直な方向から入射する光や、基板に
垂直な方向に対して任意の角度をもって入射する光があ
る。この任意の角度はアパーチャーから入射して来る光
の光路で決まる。垂直方向から入射する光はマイクロレ
ンズ８０を通りフォトダイオード８１の表面に焦点が結
像点Ａを形成する。このためにはフォトダイオード８１
の表面からマイクロレンズ８０までの距離か、マイクロ
レンズ８０の曲率を変えることで実現される。一方、垂
直方向から任意の角度傾斜した方向から入射する光は、
垂直方向から入射する光による結像点Ａより離れて形成
される。これら全ての光を考慮すると、図に示すように
フォトダイオードの幅はこれらの光によって結像する結
像点の領域をカバーするようにしてある。すなわち光は
マイクロレンズ８０の両端からフォトダイオードの両端
までを結んだ線分ＣＤとＥＦとで挟まれた領域を必ず通
過する。このため遮光層はこの線分に沿って、その外側
に配置されることが必要である。ここでこの線分は、フ
ォトダイオード８１の幅をｒ、マイクロレンズ８０の幅
をＲ、フォトダイオード８１の表面からマイクロレンズ
８０の底面までの距離をＬとすると、フォトダイオード
８１の中心を原点として線分ＥＦは次式で示される。

【００４３】Ｙ＝〔Ｌ（２Ｘ−ｒ）〕／（Ｒ−ｒ）これより第１の遮光層８２の上部のフォトダイオード側
の端部Ｇまでの高さをｄ₁、端部Ｇから第２の遮光層８
３の上部のフォトダイオード側の端部Ｈまでの高さをｄ
₂、端部Ｈから第３の遮光層８４の上部のフォトダイオ
ード側の端部Ｉまでの高さをｄ₃、特定のマイクロレン
ズ８０の中心点からその隣合うマイクロレンズ８０の中
心点までの距離をＰとすると、端部Ｇ，Ｈ，Ｉの基板上
の位置は原点よりそれぞれ、〔ｄ₁（Ｒ−ｒ）＋ｒＬ〕
／２Ｌ、〔（ｄ₁＋ｄ₂）（Ｒ−ｒ）＋ｒＬ〕／２Ｌ、
〔（ｄ₁＋ｄ₂＋ｄ₃）（Ｒ−ｒ）＋ｒＬ〕／２Ｌで示さ
れる。この時、それぞれの遮光層の幅Ｗは、同様の式か
らその差をとると、第１の遮光層８２の幅は〔ｄ₁（Ｒ
−ｒ）＋Ｌ（Ｐ−Ｒ）〕／Ｌ、第２の遮光層８３の幅は
〔（ｄ₁＋ｄ₂）（Ｒ−ｒ）＋Ｌ（Ｐ−Ｒ）〕／Ｌ、第３
の遮光層８４の幅は〔（ｄ₁＋ｄ₂＋ｄ₃）（Ｒ−ｒ）＋
Ｌ（Ｐ−Ｒ）〕／Ｌとすることが理想的である。ただ
し、この場合には図面に示したように、１つのマイクロ
レンズ８０とそれと隣合うマイクロレンズ８０との距離
がＲである。すなわちマイクロレンズ８０の端部と隣の
マイクロレンズ８０の端部とが接した構造になっている
必要がある。

【００４４】図４は本発明の第３の実施例における固体
撮像装置の要部断面図でフィルタ接着方式の例を示して
いる。ただし説明では遮光膜が形成された後の構成を説
明する。半導体基板９０にはフォトダイオード９１と垂
直ＣＣＤ部９２とが形成されている。半導体基板９０上
には転送ゲート電極９３に、さらにその上には遮光膜９
４が形成されている。このような半導体基板９０上の表
面段差を平坦化するために下地平坦化層９５が形成され
ており、その上に第１の遮光層９６がフォトダイオード
９１に入射する光を遮光しないように形成されている。
この第１の遮光層９６の断面幅は遮光膜９４を覆う程度
とし、第１の遮光層９６の厚みは現像後にしみが発生し
ない０.８μｍ以下が望ましい。第１の遮光層９６の上
に透明膜９７を形成し、その上に第２の遮光層９８がフ
ォトダイオード９１に入射する光を遮光しないようにし
て形成されている。この場合カラーフィルタ９９を通過
する主光線はカラーフィルタ９９に対してほぼ垂直であ
るため、第２の遮光層９８以上の遮光層の断面幅は第１
の遮光層９６と同程度かやや小さい程度でよい。また第
２の遮光層９８の厚さも現像後にしみが発生しない０.
８μｍ以下が望ましい。このように形成された第２の遮
光層９８を含んで透明膜１００を形成し、その上にフィ
ルタ接着層１０１を用いてカラーフィルタ９９を接着し
ている。カラーフィルタ９９はガラス基板に形成されて
いる。また、ガラス基板にはクロム膜によって遮光膜１
０２が形成されている。このガラス基板と半導体基板９
０とは両者に設けられたアライメントマークによって位
置合わせしフィルタ接着層１０１を介して接着する。こ
のような方式をフィルタガラス接着方式と呼ぶ。この方
式では第１、２の実施例とは異なり、フォトダイオード
９１に入射される光はほぼ基板面に垂直に入射するた
め、光の遮光層の幅をその位置によって変える必要がな
い。このような固体撮像装置においても、斜め方向から
入射する光１０８がある。このような光は転送ゲート電
極９３上の遮光膜９４で反射され、下地平坦化層９５、
透明膜９７、１００やフィルタ接着層１０１を透過し、
カラーフィルタ９９の上面で反射する。この反射した光
１０８は隣のフォトダイオード９１に入射する。本実施
例では遮光膜９４で反射した光やガラス基板表面で反射
した光が遮光層９６、９８、１０２で遮光、吸収される
ため、フレア光が生じない。

【００４５】次に本発明の一実施例における固体撮像装
置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【００４６】図５〜１６は同製造方法を説明する工程断
面図である。まず図５に示すように、固体撮像素子が形
成された半導体基板１１０にフォトダイオード１１１と
垂直ＣＣＤ１１２とを形成する。その後、垂直ＣＣＤ１
１２上には転送ゲート電極１１３が形成されている。転
送ゲート電極１１３上に垂直ＣＣＤ１１２光が入射する
のを防止する遮光膜１１４を垂直ＣＣＤ１１２を覆うよ
うに形成する。

【００４７】次に図６に示すように、半導体基板１１０
の表面に透明な合成樹脂例えば可視光領域に充分な透過
率を持つアクリル樹脂等を粘度に応じた回転数を設定し
た回転塗布法により塗布し、表面の凹凸を平坦化するた
めの下地平坦化層１１５を形成する。

【００４８】次に図７に示すように、下地平坦化層１１
５の上に第１の遮光層１１６の材料を回転塗布により塗
布する。第１の遮光層１１６の材料としては、光吸収の
色素を含有した自然蛋白例えばゼラチンやカゼイン等ま
たは光吸収の色素を含有したアクリル樹脂等が用いられ
る。また色素を含有した材料を用いる代わりに、染色性
を持たせた自然蛋白や合成樹脂を回転塗布し、その後光
吸収色（多くの場合黒色）に染色し、さらに色抜けしな
いようにタンニン酸と吐酒石を用いて定着してもよい。

【００４９】次に図８に示すように、遮光膜１１４の上
に第１の遮光層１１６を残す。この工程では、例えばク
ロム酸やジアゾ、アジドなどで感光性を持たせた樹脂材
料を用いる場合は、紫外光や遠紫外光によるリソグラフ
ィで照射した部分を樹脂架橋させ、未照射部分を現像液
とリンスで洗い流し、第１の遮光層１１６を形成する。
また感光性を有しない樹脂材料を用いる場合は、感光性
レジストを第１の遮光層１１６となる材料の上に回転塗
布し、この感光性レジストを紫外線等で所望のパターン
になるよう露光し、現像した後レジストパターンのない
部分をドライエッチングかウェットエッチングする。そ
の後残っているレジストを灰化除去して所定のパターン
を有する第１の遮光層１１６を形成する。

【００５０】次に図９に示すように、平坦化のためにア
クリル樹脂等を用いて全面に透明膜１１７を形成する。
次に図１０に示すように、第１の遮光層１１６の形成に
用いた材料を回転塗布する。

【００５１】次に図１１に示すように、図８と同じ工程
により所定のパターンを有する第２の遮光層１１８を形
成する。この第２の遮光層１１８の断面幅は、オンチッ
プレンズを形成する場合には、オンチップレンズのフォ
トダイオード１１１への集光を遮断しないように第１の
遮光層１１６の断面幅より小さくしておく。なおオンチ
ップレンズを形成しない場合には、第１の遮光層１１６
と第２の遮光層１１８の断面幅は同じであってもよい。

【００５２】次に図１２に示すように、透明膜１１９を
全面に塗布する。次に図１３に示すように、図１０と同
じ工程により透明膜１１９の上に第１の遮光層１１６の
形成に用いた材料を回転塗布する。

【００５３】次に図１４に示すように、図１１と同じ工
程により所定のパターンを有する第３の遮光層１２０を
形成する。次に全面に透明膜１２１を塗布する。以上の
工程で塗布した透明膜１１７、１１９、１２１は光学的
には一体である。なおオンチップレンズを必要としない
場合、図１５の工程で終了するものとカラーフィルタを
接着するものとがある。またオンチップレンズを形成す
る場合は図１５の工程を終了後、図１６に示すようにオ
ンチップレンズ１２２をフォトダイオード１１１の真上
に形成する。

【００５４】次に第１、第２、第３の遮光層の間に透明
膜を挟まない場合の製造方法について、図面を参照しな
がら説明する。

【００５５】図１７〜２２は同製造方法を説明するため
の工程断面図である。なお図１７に到る工程は図５〜８
までの工程と同一であるため説明を省略する。次に図１
８に示すように、第２の遮光層１１８を形成するための
材料として図７と同様の材料を使用し、それを回転塗布
する。次に図１９に示すように、図８と同様の工程によ
り第２の遮光層１１８を形成する。第２の遮光層１１８
の断面幅はオンチップレンズからフォトダイオード１１
１への光の集光を妨害しないように第１の遮光層１１６
の断面幅より小さくする。同様にして図２０に示すよう
に、第２の遮光層１１８より断面幅の小さい第３の遮光
層１２０を形成する。次に図２１に示すように、透明膜
１２３で表面を平坦化する。次に図２２に示すように、
透明膜１２４を回転塗布により形成した後、オンチップ
レンズ１２２をフォトダイオード１１１に一致させて形
成する。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明は、半導体基板の上
に形成された固体撮像素子のフォトダイオード以外の領
域に２層以上の遮光層を層間に透明膜を挟んでまたは挟
まずに形成することにより、固体撮像装置へ光が斜入射
することによって生じるフレア光や入射光のうち遮光用
メタル層等により内部で反射するフレア光を効率よく遮
断吸収し、また遮光層１層当たりの膜厚を薄くできるの
で現像後のしみの発生がなく、良好な画面を得ることが
できる優れた固体撮像装置を実現することができる。ま
た半導体基板側から順に各遮光層の断面幅を小さくする
ことにより、オンチップマイクロレンズを形成した際に
もオンチップレンズから感光部への集光を妨害しない固
体撮像装置を実現できる。

【００５７】また本発明は、カラーフィルタを直接固体
撮像基板上に形成するオンチップフィルタ方式、予めガ
ラス基板上に形成したカラーフィルタを接着するフィル
タ接着方式およびフィルタを装着しない方式のいずれの
固体撮像装置に適用しても優れた効果が得られるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
要部断面図

【図２】本発明の第２の実施例における固体撮像装置の
要部断面図

【図３】遮光層の配置を説明する図

【図４】本発明の第３の実施例における固体撮像装置の
要部断面図

【図５】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実施
例である工程断面図

【図６】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実施
例である工程断面図

【図７】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実施
例である工程断面図

【図８】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実施
例である工程断面図

【図９】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実施
例である工程断面図

【図１０】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１１】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１２】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１３】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１４】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１５】本発明の固体撮像装置の製造方法の第１の実
施例である工程断面図

【図１６】オンチップレンズを形成する工程を説明する
断面図

【図１７】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図１８】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図１９】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図２０】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図２１】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図２２】本発明の固体撮像装置の製造方法の第２の実
施例である工程断面図

【図２３】従来の固体撮像装置の要部断面図

【図２４】従来の他の固体撮像装置の要部断面図

【図２５】従来の他の固体撮像装置の要部断面図

【符号の説明】

４１半導体基板４３フォトダイオード５５下地平坦化層５６第１の遮光層５７透明膜５８第２の遮光層５９，６１透明膜６０第３の遮光層６２マイクロレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体撮像素子が形成された半導体基板の上
の前記固体撮像素子のフォトダイオード以外の領域に遮
光膜が形成されており、前記遮光膜上に平坦化層が形成
されており、前記平坦化層上に２層以上の遮光層が形成
されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記遮光層の層間に透明膜が形成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記遮光層が２層以上積層された上に透明
膜が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。
【請求項４】前記遮光層の断面幅が半導体基板側から順
に狭くなっていることを特徴とする請求項１記載の固体
撮像装置。
【請求項５】最上層の前記透明膜上に前記固体撮像素子
のフォトダイオードの位置に合わせてマイクロレンズが
形成されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮
像装置。
【請求項６】前記遮光層の断面幅Ｗは、前記フォトダイ
オードの幅をｒ、マイクロレンズの幅をＲ、フォトダイ
オードの表面からマイクロレンズの底面までの距離を
Ｌ、フォトダイオードから前記遮光層の高さをｄ、前記
フォトダイオードの中心点から前記フォトダイオードの
隣のフォトダイオードの中心点迄の距離をＰとすると、Ｗ＝〔ｄ（Ｒ−ｒ）＋Ｌ（Ｐ−Ｒ）〕／Ｌで示されることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装
置。
【請求項７】前記遮光層にネガ型の感光性特性をもち、
かつ染色されるアクリル樹脂を用いたことを特徴とする
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記遮光層の膜厚が０.３〜０.８μｍであ
ることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】前記遮光層がアクリルの共重合体にジアゾ
化合物とジメチルアミノエチルメタクリレート（ＤＭＡ
ＥＭＡ）を添加させたものであることを特徴とする請求
項７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】半導体基板にフォトダイオードと垂直Ｃ
ＣＤとをマトリックス状に形成する工程と、前記垂直Ｃ
ＣＤ上の前記半導体基板上に絶縁膜を介して転送ゲート
電極を形成する工程と、前記転送ゲート電極上に遮光膜
を形成する工程と、前記半導体基板表面を平坦化する下
地平坦化層を形成する工程と、前記転送ゲート電極上の
前記下地平坦化層上に第１の遮光層を形成する工程と、
前記第１の遮光層上に第１の透明膜を形成し、平坦化す
る工程と、前記第１の透明膜上に第２の遮光層を形成す
る工程と、前記第２の遮光層上に第２の透明膜を形成
し、平坦化する工程とを備えたことを特徴とする固体撮
像装置の製造方法。
【請求項１１】半導体基板にフォトダイオードと垂直Ｃ
ＣＤとをマトリックス状に形成する工程と、前記垂直Ｃ
ＣＤ上の前記半導体基板上に絶縁膜を介して転送ゲート
電極を形成する工程と、前記転送ゲート電極上に遮光膜
を形成する工程と、前記半導体基板表面を平坦化する下
地平坦化層を形成する工程と、前記転送ゲート電極上の
前記下地平坦化層上に第１の遮光層を形成する工程と、
前記第１の遮光層上に第１の透明膜を形成し、平坦化す
る工程と、前記第１の透明膜上に第２の遮光層を形成す
る工程と、前記第２の遮光層上に第２の透明膜を形成
し、平坦化する工程と、前記第２の透明膜上に第３の遮
光層を形成する工程と、前記第３の遮光層上に第３の透
明膜を形成し、平坦化する工程と、前記第３の透明膜上
にマイクロレンズを形成する工程とを備えたことを特徴
とする固体撮像装置の製造方法。