(57)【要約】  【課題】  メタル反射壁で反射した光を受光部へ導き受光量を増加させ、反射光の電荷転送路への漏れを抑えることにより、感度の向上およびスミア成分の低減が可能な固体撮像装置を提供する。  【解決手段】  複数の受光部３を配置した半導体基板４と、ＰＳゲート１と、ＰＰゲート２と、ＰＰゲート上に設けられ受光部に入射光が入るように開口を設けた遮光膜７と、入射光を隣接画素に進入することを防止する遮光膜上に形成されたメタル反射壁１２と、入射光が受光部に入るように開口を覆うように配置された層内レンズ９と、層内レンズ上方に設けられたフィルタ１１と、メタル反射壁とフィルタ上方に設けられたトップレンズ１４とを有する。【選択図】  図２
2006196553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に配置され入射光を信号電荷に変換する複数の受光部と、
前記受光部に隣接し、前記受光部により変換された信号電荷を転送するための転送部と、
前記転送部上に形成され、パルス電圧を印加することにより前記信号電荷を前記転送部に沿って転送させる転送電極と、
それぞれの受光部に対して、受光部上に開口を有し、前記開口以外の前記基板平面および前記転送電極を覆う遮光膜と、
前記開口および前記遮光膜上に形成された透光性のある第１の平坦化層と、
前記第１の平坦化層上に開口を覆うように形成され、入射光を受光部へ導くための層内レンズと、
前記第１の平坦化層および前記層内レンズ上に形成された透光性のある第２の平坦化層と、
前記第２の平坦化層上に形成されたフィルタと、
前記受光部間を仕切り、前記基板に垂直に形成されたメタル反射壁と、
前記フィルタおよび前記メタル反射壁を覆う透光性のある第３の平坦化層と、
前記第３の平坦化層上に形成されたトップレンズとを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記メタル反射壁は、前記転送電極上の遮光膜から少なくとも前記フィルタの上端に亘って延在する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記メタル反射壁は、前記信号電荷が転送される方向と垂直である方向および平行である方向に形成され、前記メタル反射壁に囲まれた領域に１つの受光部を備える請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記メタル反射壁は、前記信号電荷を転送する方向と垂直である方向にのみ形成された請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記トップレンズは、レンチキュラー形状であり、前記転送電極が信号電荷を転送する方向と垂直で、前記基板に平行である方向に形成された請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混色防止、高感度、低スミアを有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置（例えばＣＣＤ）はビデオカメラに加えデジタルカメラ、携帯電話、監視用および車載用など、その用途に広がりを見せている。用途が拡大するにつれ、装置の小型化の要望はさらに強くなり、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）の小型化にも波及している。ＣＣＤの小型化は、表面的な２次元での面積縮小と、それに伴う拡散層の２次元方向および深さ方向の縮小が主であった。それに対し、基板から上の高さ方向の縮小化は、２次元方向およびそれに伴う拡散層の縮小化に比べると殆どなされてこなかった。
【０００３】
２次元方向の面積縮小に伴う感度低下やスミア悪化に関しては、マイクロレンズ搭載等の技術により、面積縮小前と同等レベルの特性が得られている。一方、高さ方向の縮小化については、マイクロレンズにより集光を最適化しても隣接する画素からの迷光は画素の縮小に伴い悪化する傾向にある。迷光は混色を発生させ、画像としては色ムラやフリッカとして現われる。この問題点の解決ための固体撮像装置が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
図８は、上記問題を解決するための従来の固体撮像装置の一構成を示す平面図である。固体撮像装置は、第１層目ポリシリコンゲート（ＰＳゲート）１と、第２層目ポリシリコンゲート（ＰＰゲート）２と、受光部３と、マス型メタル薄膜層２３を有している。ＰＰゲート２は、図８を見やすくするため、破線を用いて示す。また、それ以外の要素および領域については、図示を省略している。
【０００５】
図９は、図８の固体撮像装置のＡ−Ａ’（水平ＣＣＤ方向）断面を示す断面図である。半導体基板４は複数の受光部３を有している。半導体基板４上には、ゲート絶縁膜５が形成され、ゲート絶縁膜５上にＰＰゲート２が形成されている。ゲート絶縁膜５およびＰＰゲート２上に層間絶縁膜６が形成され、層間絶縁膜６上に受光部３上に開口を有する遮光膜７が形成されている。ＰＰゲート２上の遮光膜７にマス型メタル薄膜層２３が形成され、残りの遮光膜７上にパッシベーション膜２１が形成されている。パッシベーション膜２１上にマス型メタル薄膜層２３が形成され、マス型メタル薄膜層２３の上端より低い位置までカラーフィルタ２２が形成され、カラーフィルタ２２上にトップレンズ１４が形成されている。
【０００６】
図１０は、図８の固体撮像装置のＢ−Ｂ’（垂直ＣＣＤ方向）断面を示す断面図である。図１０には、ＰＳゲート１上に層間絶縁膜６を介してＰＰゲート２が示されている点が異なり、それ以外は図９と同様であるため説明は省略する。
【０００７】
このような構造の固体撮像装置では、マス型メタル薄膜層で各画素が分離されていることにより、隣接画素上のトップレンズ１４に入射した光は直下の画素へ導かれるため隣接画素への迷光は発生し難い。従って、混色を防止することが可能である。また、このマス型メタル構造ではメタル薄膜層で光が反射するため、光の集光率が向上するという効果も期待できる。
【特許文献１】特開平１０−１６３４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の固体撮像装置では、マス型メタル薄膜層で反射した光が、全て受光部に集光され信号電荷として用いられるのではなく、一部の反射光は、信号電荷を転送する電荷転送路へ漏れ、スミア成分となる。
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明は、メタル反射壁（マス型メタル薄膜層）で反射した光を受光部へ導き受光量を増加させ、反射光の電荷転送路への漏れを抑えることにより、感度の向上およびスミア成分の低減が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内に配置され入射光を信号電荷に変換する複数の受光部と、受光部に隣接し、受光部により変換された信号電荷を転送するための転送部と、転送部上に形成され、パルス電圧を印加することにより信号電荷を転送部に沿って転送させる転送電極と、それぞれの受光部に対して、受光部上に開口を有し、開口以外の基板平面および転送電極を覆う遮光膜と、開口および遮光膜上に形成された透光性のある第１の平坦化層と、第１の平坦化層上に開口を覆うように形成され、入射光を受光部へ導くための層内レンズと、第１の平坦化層および層内レンズ上に形成された透光性のある第２の平坦化層と、第２の平坦化層上に形成されたフィルタと、受光部間を仕切り、基板に垂直に形成されたメタル反射壁と、フィルタおよびメタル反射壁を覆う透光性のある第３の平坦化層と、第３の平坦化層上に形成されたトップレンズとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、メタル反射壁で反射した光を受光部へ導き受光量を増加させ、反射光の電荷転送路への漏れを抑えることにより、感度の向上およびスミア成分の低減が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板内に配置され入射光を信号電荷に変換する複数の受光部と、受光部に隣接し、受光部により変換された信号電荷を転送するための転送部と、転送部上に形成され、パルス電圧を印加することにより信号電荷を転送部に沿って転送させる転送電極と、それぞれの受光部に対して、受光部上に開口を有し、開口以外の基板平面および転送電極を覆う遮光膜と、開口および遮光膜上に形成された透光性のある第１の平坦化層と、第１の平坦化層上に開口を覆うように形成され、入射光を受光部へ導くための層内レンズと、第１の平坦化層および層内レンズ上に形成された透光性のある第２の平坦化層と、第２の平坦化層上に形成されたフィルタと、受光部間を仕切り、基板に垂直に形成されたメタル反射壁と、フィルタおよびメタル反射壁を覆う透光性のある第３の平坦化層と、第３の平坦化層上に形成されたトップレンズとを備えたことを特徴とする。この構成により、メタル反射壁が空気と触れない構成となり、メタル反射壁およびメタル反射壁に接続する遮光膜の腐食を防ぐことができる。
【００１３】
また、メタル反射壁は、転送電極上の遮光膜から少なくともフィルタの上端に亘って延在する構成にすることもできる。この構成により、混色を防ぐことができる。
【００１４】
また、メタル反射壁は、信号電荷が転送される方向と垂直である方向および平行である方向に形成され、メタル反射壁に囲まれた領域に１つの受光部を備える構成にすることもできる。この構成により、メタル反射壁で反射された光も受光部へ導くことが可能であり、入射光の受光量を増加させることができる。
【００１５】
また、メタル反射壁は、信号電荷を転送する方向と垂直である方向にのみ形成された構成にすることもできる。この構成によっても、混色、感度の低下が生じることを防ぐことができる。また、設計の自由度を上げることができる。
【００１６】
また、トップレンズは、レンチキュラー形状であり、転送電極が信号電荷を転送する方向と垂直で、基板に平行である方向に形成された構成にすることができる。この構成により、チップの縮小化にもかかわらず、水平ＣＣＤ方向のシュリンク率を考慮しないで済むような設計の自由度を向上させることができる。
【００１７】
以下、本発明の好適な実施の形態ついて、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の一構成例を示す平面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置は、受光した光を信号電荷に変換する受光部３と、信号電荷を転送する転送部（図示せず）の信号電荷を転送させる第１層目ポリシリコンゲート（ＰＳゲート）１および第２層目ポリシリコンゲート（ＰＰゲート）２と、入射した光が効率良く受光部３に集光させるための層内レンズ９と、入射した光が漏れないための仕切りであるメタル反射壁１２を有している。メタル反射壁１２で囲まれた受光部３により、画像の１画素が形成されている。
【００１９】
図２は、図１の固体撮像装置のＡ−Ａ’（水平ＣＣＤ方向）断面を示す断面図である。半導体基板４は、複数の受光部３を有しており、半導体基板４上にゲート絶縁膜５が形成され、ゲート絶縁膜５上にＰＰゲート２が形成されている。ゲート絶縁膜５およびＰＰゲート２を覆って層間絶縁膜６が形成され、遮光膜７は層間絶縁膜６上に受光部３の一部のみに開口を有するように形成されている。遮光膜７上に透光性がある第１の平坦化層８が形成されている。
【００２０】
第１の平坦化層８上に、受光部３を覆うように入射光を受光部へ導くための層内レンズ９が形成され、第１の平坦化層８および層内レンズ９上に、透光性がある第２の平坦化層１０が形成されている。フィルタ１１は、各受光部３に対して、例えば各画素に対して赤、緑、青の光を透過させるカラーフィルタのいずれかで構成されており、第２の平坦化層１０上に、フィルタ１１の上端がメタル反射壁１２の上端より同等か、または低くなるように形成されている。フィルタ１１およびメタル反射壁１２上に、第３の平坦化層１３が形成されている。各画素に対して１枚の割合で、第３の平坦化層１３上にトップレンズ１４が形成されている。
【００２１】
図３は、図１の固体撮像装置のＢ−Ｂ’（垂直ＣＣＤ方向）断面を示す断面図である。図３は、ＰＳゲート１が示されている以外は図２と同様である。ＰＳゲート１は、ゲート絶縁膜５上に形成され、その上に層間絶縁膜６を介してＰＰゲート２が形成されている。
【００２２】
次に、メタル反射壁１２の高さが各画素に形成されているフィルタ１１のうち最も膜厚の厚いフィルタの上部と同等である場合について説明する。実際の固体撮像装置では、フィルタ１１（例えば、カラーフィルタ）の膜厚は各画素または、各色により異なる。逆に全画素または全色でフィルタ膜厚を同一にすると、様々な色の再現性が困難になる。本発明では、各画素または各色でフィルタの膜厚は、メタル反射壁１２の上端までの制限はあるが自由に選択でき、色再現性の設計に自由度が生まれる。また、膜厚の比較的薄い画素または色のフィルタ上には第３の平坦化層１３が存在するため、トップレンズ１４が形成される時には平坦化がなされている。なお、第３の平坦化層はフィルタの上部にあるように説明したが、その一部分はフィルタの下にあっても特性上の劣化はない。従って、システムの要求に応じた幅広い色再現性を持つ固体撮像装置が実現可能となる。
【００２３】
本実施の形態に係る固体撮像装置において、入射光から信号電荷が発生する過程では、入射光は、トップレンズ１４により集光され、フィルタ１１を特定の色（波長）の光のみが透過する。透過光は、層内レンズ９によりさらに集光され受光部３で信号電荷に変換され、ＰＳゲート１を経て、画像信号へと変換される。また、トップレンズ１４からメタル反射壁１２へ至った入射光も、メタル反射壁１２で反射され、層内レンズ９を経て受光部３へ至る。
【００２４】
このように、層内レンズ９を設けることにより、メタル反射壁１２で反射した光を有効に受光部３へ導けるため、転送部へ進入する光を抑えることができ、スミア成分を抑えることができる。
【００２５】
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、半導体基板４にイオン注入等で所望の不純物拡散層を形成した後、熱酸化やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりゲート絶縁膜５を堆積する。このゲート絶縁膜５は、酸化膜単層でも酸化膜とチッ化膜等２層以上の積層膜でも良い。
【００２６】
その後、図４（ｂ）に示すように、ＰＳゲート１をＣＶＤ法により堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等によりパターンを形成する。この後、層間絶縁膜６を熱酸化やＣＶＤ法により堆積し、ＰＰゲート２をＣＶＤ法により堆積させ、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等によりパターンを形成する。そして、これらゲートを熱酸化やＣＶＤ法により、層間絶縁膜６で覆い、受光部３上に開口を設けるように遮光膜７を形成する。
【００２７】
その後、図４（ｃ）に示すように、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho-Silicate-Glass）等のリフロー膜を堆積し、リフローするかまたはＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）等で第１の平坦化層８を形成する。この後、受光部３上にＰＳｉＮ等の膜を堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス等で層内レンズ９を形成する。この後、ＢＰＳＧ等のリフロー膜を堆積させリフローするかまたはＣＭＰ等で第２の平坦化層１０を形成する。次に、各画素に境界部に０．５μｍ程度の深さの溝をフォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスにより形成する。
【００２８】
その後、図４（ｄ）に示すように、スパッタ法かＣＶＤ法によりアルミニウム等のメタル層を前記溝に埋めこみメタル反射壁１２を形成し、第２の平坦化層１０上に堆積したメタル層をエッチバックやＣＭＰ等により除去する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスによりメタル反射壁１２以外の第２の平坦化層１０を所望の深さだけエッチングする。次に(カラー)フィルタ１１をカラーレジスト塗布や染色法により形成する。この場合、各画素または各色によりその膜厚が異なるが、最も膜厚が厚くなる画素または色の厚みの上限をメタル反射壁１２の上端と同等にする。
【００２９】
最後に、図４（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、透明樹脂等で、フィルタ１１およびメタル反射壁１２の上端を覆うように第３の平坦化層１３を形成する。または、第３の平坦化層１３の一部をフィルタ１１の下層に形成しても良い。また、第３の平坦化層１３については、透明樹脂の単層構造でもよいが、透明樹脂とＣＶＤ法等による絶縁膜との多層構造としても構わない。最後に、トップレンズ１４をレジスト熱リフロー転写や熱溶融性樹脂により形成する。
【００３０】
以上のような構造の固体撮像装置では、メタル反射壁の上端と下端の範囲内に層内レンズ９を設け、反射した入射光が受光部に集光するように設計すれば感度の向上およびスミアの改善が可能である。
【００３１】
また、メタル反射壁１２で各画素が分離されていることにより、隣接画素上のトップレンズに入射した光は直下の画素へ集光されるため隣接画素への迷光は発生し難い。従って、混色を防止することが可能である。
【００３２】
また、従来の固体撮像装置では、隣接画素との仕切りを強化するため、マス型メタル層がフィルタ上面または、トップレンズ層下面よりも上部に突出しており、外気等に接触しており、その結果、マス型メタル薄膜層の変質や腐食の恐れがある。さらに、マス型メタル薄膜層の下部は、遮光膜上層部に接続されているため、マス型メタル薄膜層のみならず、遮光膜の変質や腐食の恐れもあり、画像への影響が懸念される。これに対して、本実施の形態の固体撮像装置では、メタル反射壁１２の上端がトップレンズ１４の下端よりも下に位置する、すなわち、メタル反射壁１２が保護膜の役割をする第３平坦化層に覆われているため、外気等に接触することがなく変質や腐食等の恐れが無いという効果を有する。
【００３３】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の一構成例を示す平面図である。図５のＰＳゲート１と、ＰＰゲート２と、受光部３と、メタル反射壁１６の構成は、図１の構成とメタル反射壁１２が水平ＣＣＤ方向（図５の左右方向）に形成され、垂直ＣＣＤ方向（図５の上下方向）には形成されていないメタル反射壁１６に変更された点を除けば同一である。
【００３４】
図６は、図５の固体撮像装置のＡ−Ａ’（水平ＣＣＤ方向）断面を示す断面図である。
図６に係る固体撮像装置の断面の構成は、実施の形態１に係る固体撮像装置の図２に示す断面の構成とメタル反射壁１２が除去された点を除けば同様である。
【００３５】
図５に係る固体撮像装置のＢ−Ｂ’（垂直ＣＣＤ方向）断面は、図３に示す実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図と同様であり、説明を省略する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の固体撮像装置は、メタル反射壁１６で反射した光も有効に受光部３へ導くことができ、ＰＳゲート１へ進入する光を抑えることができ、スミア成分を抑えることができる。
【００３７】
さらに、メタル反射壁１６はＰＳゲート１およびＰＰゲート２の重なっている領域の水平ＣＣＤ方向に形成されている。従って、メタル反射壁１６で反射した光は、垂直ＣＣＤ方向へは入射せず、その殆どが信号電荷として受光部３に蓄積できる。また、水平ＣＣＤ方向の受光部間の距離は垂直ＣＣＤ方向の受光部間の距離と比較して大きいため、原理的に混色は生じにくい。さらに、トップレンズ１４で集光された光が水平ＣＣＤ方向において受光部３上の遮光開口部中央に集光されるように層内レンズ９を設計すれば、さらに感度が向上する。
【００３８】
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る固体撮像装置の平面構成は、ＰＳゲート１、ＰＰゲート２、受光部３およびメタル反射壁１６については、図５に示した実施の形態２と同様である。
【００３９】
図７は、本実施の形態における固体撮像装置について、図５の固体撮像装置のＡ−Ａ’（水平ＣＣＤ方向）断面における構造を示す断面図である。図７に示す固体撮像装置の断面の構成は、実施の形態２に係る固体撮像装置の図６に示す断面の構成とは、トップレンズ１４がレンチキュレー型レンズ１５（かまぼこ型レンズ）に変更された点を除けば同様である。
【００４０】
本実施の形態における固体撮像装置の図５に示すＢ−Ｂ’（垂直ＣＣＤ方向）断面における構造は、図３に示す実施の形態１に係る固体撮像装置の断面と同様であり、説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法については、実施の形態１とメタル反射壁１２を作成しない点およびトップレンズ１４をレンチキュラーレンズ１５に変更した点以外は、同様であり、トップレンズ１４をレンチキュラー型レンズ１５にする場合は、レジストパターンを変更するのみで実現可能である。
【００４２】
なお、層内レンズ９をレンチキュレー型レンズにしても良い。
【００４３】
以上のように、本実施の形態の固体撮像装置は、メタル反射壁１６で反射した光も有効に受光部３へ導くことができ、ＰＳゲート１へ進入する光を抑えることができ、スミア成分を抑えることができる。
【００４４】
さらに、レンチキュラー型レンズ１５は、円形レンズに比べ水平ＣＣＤ方向への集光のみを考えればよいので、チップの縮小化を行っても、水平ＣＣＤ方向のシュリンク率を考慮せずに済み、設計の自由度が向上し、水平ＣＣＤ方向により一層集光することができる。また、水平ＣＣＤ方向の受光部間の距離は、垂直ＣＣＤ方向の受光部間の距離と比較して大きく、また層内レンズ９を水平方向に最適に集光できる形状にすることにより、光は隣接画素に進入する事なく、メタル反射壁１６で反射した光は隣接画素、あるいは転送部へは入射せず、その殆どが信号電荷として受光部３に蓄積できる。従って、本実施の形態の固体撮像装置は、混色、スミア成分の低減することができる。
【００４５】
なお、本発明の実施の形態１〜３に係る固体撮像装置は、あくまでも一例であり、本発明はこれらの例にのみ限定されるわけではない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の固体撮像装置は、感度の向上およびスミア成分の低減することができ、光学機器の分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像装置の平面図
【図２】実施の形態１に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ方向の断面図
【図３】実施の形態１に係る固体撮像装置の水平ＣＣＤ方向の断面図
【図４】実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図
【図５】実施の形態２に係る固体撮像装置の平面図
【図６】実施の形態２に係る固体撮像装置の水平ＣＣＤ方向の断面図
【図７】実施の形態３に係る固体撮像装置の平面図
【図８】従来の固体撮像装置の平面図
【図９】従来の固体撮像装置の水平ＣＣＤ方向の断面図
【図１０】従来の固体撮像装置の垂直ＣＣＤ方向の断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  第１層目ポリシリコンゲート（ＰＳゲート）
２  第２層目ポリシリコンゲート（ＰＰゲート）
３  受光部
４  半導体基板
５  ゲート絶縁膜
６  層間絶縁膜
７  遮光膜
８  第１の平坦化層
９  層内レンズ
１０  第２の平坦化層
１１  フィルタ
１２、１６  メタル反射壁
１３  第３の平坦化層
１４  トップレンズ
１５  レンチキュラー型レンズ
２１  パッシベーション膜
２２  カラーフィルタ
２３  マス型メタル薄膜層
【図１】
2006196553.tif 000003
【図２】
2006196553.tif 000004
【図３】
2006196553.tif 000005
【図４】
2006196553.tif 000006
【図５】
2006196553.tif 000007
【図６】
2006196553.tif 000008
【図７】
2006196553.tif 000009
【図８】
2006196553.tif 000010
【図９】
2006196553.tif 000011
【図１０】
2006196553.tif 000012