(57)【要約】【課題】受光部およびカラーフィルタ部に対して所望の角度で光を入射させることができる固体撮像装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置は、受光部を有する半導体基板、分光部、第１の反射層、透明な支持層、および第２の反射層、を具備する。前記分光部は、前記半導体基板の第１面上において前記受光部上に設けられ、所定の波長帯域の光を透過させる。前記第１の反射層は、前記分光部上に設けられた湾曲部を有する。前記支持層は、前記第１の反射層の前記湾曲部の表面上に設けられる。前記第２の反射層は、前記支持層上に設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部を有する半導体基板と、
この半導体基板の第１面上において前記受光部上に設けられ、所定の波長帯域の光を透過させる分光部と、
この分光部上に湾曲部が設けられた第１の反射層と、
この第１の反射層の前記湾曲部の表面上に設けられた透明な支持層と、
前記分光部の透過波長に一致した波長の光に対する前記湾曲部の焦点位置に配置されるように、前記支持層上に設けられた第２の反射層と、
前記第１の反射層の表面上に、前記第２の反射層を囲うように設けられた平坦化層と、
この平坦化層の表面のうち、前記受光部の上方の領域に設けられた凸状部と、
を具備し、
前記支持層は、前記平坦化層と同一の透明樹脂層の一部であり、
前記第１の反射層および前記第２の反射層は、前記平坦化層より高い屈折率を有する材料からなる固体撮像装置。
【請求項２】
受光部を有する半導体基板と、
この半導体基板の第１面上において前記受光部上に設けられ、所定の波長帯域の光を透過させる分光部と、
この分光部上に湾曲部が設けられた第１の反射層と、
この第１の反射層の前記湾曲部の表面上に設けられた透明な支持層と、
この支持層上に設けられた第２の反射層と、
を具備する固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の反射層および前記第２の反射層は、前記支持層より高い屈折率を有する材料からなる請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の反射層は、前記分光部の透過波長に一致した波長の光に対する前記湾曲部の焦点に一致する位置に設けられる請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の反射層の表面上には、前記第２の反射層を囲うように平坦化層が設けられており、
前記支持層は、この平坦化層と同一の透明樹脂層であり、
この平坦化層の表面のうち、前記受光部の上方の領域は、凸状である請求項２乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置は、受光部、カラーフィルタ部、およびマイクロレンズが積層された画素を複数有し、複数の画素が格子状に配列されたものである。
【０００３】
このような従来の固体撮像装置に対して斜め方向から光が入射されると、受光部に対して斜め方向に光が進行するため、画素感度が低下し、また、混色を発生させる。
【０００４】
また、カラーフィルタ部として、例えば干渉型フィルタまたはプリズムを用いた場合、このようなカラーフィルタ部の分光特性は、カラーフィルタ部への光の入射角度に依存するため、固体撮像装置に対して斜め方向から光が入射され、この結果所望の角度以外の入射角度でカラーフィルタ部に光が入射されると、所望の波長とは異なる波長の光を透過させてしまい、分光特性が劣化する。
【０００５】
このように、従来の固体撮像装置において、画素感度の劣化を抑制するとともに混色の発生を抑制し、かつカラーフィルタ部による分光特性の劣化を抑制するためには、受光部およびカラーフィルタ部に対して所望の角度で（例えば垂直に）光を入射させることが必要である。しかし、固体撮像装置が有する複数の画素には様々な角度で光が入射されるため、全ての画素において、受光部およびカラーフィルタ部に対して所望の角度で光を入射させることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１１９４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、受光部およびカラーフィルタ部に対して所望の角度で光を入射させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る固体撮像装置は、受光部を有する半導体基板、分光部、第１の反射層、透明な支持層、および第２の反射層、を具備する。前記分光部は、前記半導体基板の第１面上において前記受光部上に設けられ、所定の波長帯域の光を透過させる。前記第１の反射層は、前記分光部上に設けられた湾曲部を有する。前記支持層は、前記第１の反射層の前記湾曲部の表面上に設けられる。前記第２の反射層は、前記支持層上に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す平面図である。
【図２】図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置の部分断面図である。
【００１０】
本実施形態に係る金属配線の形成方法を説明するための、図１に相当する断面図である。
【図３】実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。
【図４】実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。
【図５】実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。
【図６】実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。
【図７】実施形態に係る固体撮像装置に入射される光が進行する様子を説明するための図であって、同図（ａ）は、垂直光が進行する様子を説明するための図であり、同図（ｂ）は、斜め光が進行する様子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す平面図である。図１に示すように、実施形態に係る固体撮像装置１０は、複数の画素が格子状に配列されたものである。複数の画素は、青色光を受光する青色画素１１Ｂ、緑色光を受光する緑色画素１１Ｇ、および赤色光を受光する赤色画素１１Ｒ、のいずれかからなる。このような複数の画素１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒは、ベイヤー配列されるように設けられている。
【００１３】
図２は、図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置の部分断面図である。図２に示すように、実施形態に係る固体撮像装置１０は、半導体基板１３の第１の面である裏面上に分光層としてのカラーフィルタ層１２等を有するとともに、半導体基板１３の第２の面である表面上に絶縁膜１４を介して配線層１５を有する、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置である。なお、配線層１５は、後述する受光部１６において生じた電荷を読み出すためのゲートトランジスタ等（図示せず）に接続される配線１５ａを含む複数の配線層が、層間絶縁膜１５ｂによって互いに絶縁されたものである。
【００１４】
この固体撮像装置１０において、半導体基板１３には、複数の受光部１６が設けられている。各々の受光部１６は、例えば、半導体基板１３に不純物を注入することによって形成されたフォトダイオード層である。このような複数の受光部１６は、図１に示す画素毎にそれぞれ設けられている。従って、複数の受光部１６は、複数の画素１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの配列に応じて、格子状に配列形成されている。
【００１５】
このような複数の受光部１６を有する半導体基板１３の裏面上には、第１の平坦化層１７が設けられている。第１の平坦化層１７は、例えば、少なくとも可視光を透過させることができる透明樹脂層からなり、半導体基板１３の裏面の凹凸を吸収し、表面が平坦になるように設けられている。
【００１６】
この第１の平坦化層１７の表面上には、分光層としてカラーフィルタ層１２が形成されている。分光層としてのカラーフィルタ層１２は、互いに異なる透過波長帯域を有する複数種の分光部を有する。複数種の分光部は、例えば青色カラーフィルタ部１２Ｂ、緑色カラーフィルタ部１２Ｇ、および赤色カラーフィルタ部１２Ｒ、である。
【００１７】
カラーフィルタ部１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒのそれぞれは、例えばパターニング可能な透明樹脂に所定の顔料または染料等を混入させ、透過帯域、および透過帯域外の光の吸収率、を制御することによって形成される。
【００１８】
このような複数のカラーフィルタ部１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒのそれぞれは、上述したように、複数の画素１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒのいずれかに含まれている。従って、カラーフィルタ層１２において、上述の複数のカラーフィルタ部１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒは、格子状に配列されるとともに、ベイヤー配列されている。
【００１９】
なお、分光部は、干渉型フィルタまたはプリズムのように、分光特性が分光部への入射角度に依存して変化するものであってもよい。また分光部は、特定波長を透過あるいは吸収・反射するフィルタが周期的に配列されているパターンであれば赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、青色カラーフィルタからなるベイヤー配列でなくてもよい。
【００２０】
カラーフィルタ層１２の表面上には、湾曲部Ｃを複数有する第１の反射層１８が設けられている。各々の湾曲部Ｃは、半導体基板１３の第１の面である裏面に対して平行な断面（以下、水平断面と称する。）において略円形（図１）となっており、半導体基板１３の裏面に対して垂直な断面（以下、垂直断面と称する。）において凹状（図２）となっている。このような複数の湾曲部Ｃは、湾曲部Ｃの各々が受光部１６の上方に配置されるように、画素毎にそれぞれ設けられている。従って、複数の湾曲部Ｃは、複数の画素１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの配列に応じて、格子状に配列形成されている。
【００２１】
このような第１の反射層１８は、固体撮像装置１０に入射される光の角度によらず、湾曲部Ｃの表面に到達する光を、湾曲部Ｃの表面の曲率によって規定される焦点に最終的に到達するように反射するものであり、メタルまたは後述する第２の平坦化層２１より屈折率が高い材料により構成される。なお、例えば第１の反射層１８が銅（Ｃｕ）からなる場合には、図示するように湾曲部Ｃの表面にコーティング層１９が設けられていてもよいし、アルミニウム（Ａｌ）からなる場合には、コーティング層が設けられなくてもよい。
【００２２】
第１の反射層１８の上方には、複数の第２の反射層２０が設けられている。各々の第２の反射層２０は、水平断面において略四角形（図１）の平板状のものであり、第２の反射層２０の各々が、第１の反射層１８の湾曲部Ｃの上方に配置されるように、画素毎にそれぞれ設けられている。従って、複数の第２の反射層２０は、複数の画素１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの配列に応じて、格子状に配列形成されている。
【００２３】
このような第２の反射層２０は、湾曲部Ｃ表面において反射された光を、第２の反射層２０によって規定される方向に向かってさらに反射するものであり、メタルまたは後述する第２の平坦化層２１より屈折率が高い材料により構成される。
【００２４】
本実施形態において、第２の反射層２０は平板状のものであり、第２の反射層２０において反射される光は、第２の反射層２０の裏面の角度（第２の反射層２０の裏面と半導体基板１３の第１の面である裏面とのなす角）によって規定される方向に向かって反射される。さらに、本実施形態において、第２の反射層２０は、この裏面と半導体基板１３の裏面とが平行になるように設けられている。第２の反射層２０をこのように設けた場合、第２の反射層２０において反射された光は、半導体基板１３の裏面に対して垂直な方向に進行し、カラーフィルタ層１２の表面および受光部１６の表面に対して垂直に入射する。
【００２５】
カラーフィルタ層１２が干渉型フィルタまたはプリズムのように入射角度に依存して分光特性が変化するものによって構成される場合、第２の反射層２０の角度を調節することにより、カラーフィルタ層１２に対して所望の角度で光を入射させることもできる。
【００２６】
また、第２の反射層２０の位置を、この層２０が含まれる画素中のカラーフィルタ部の透過波長に応じて調節することにより、画素の分光特性を向上させることもできる。例えば第２の反射層２０を含む画素が緑色画素１１Ｇである場合、第２の反射層２０を、第１の反射層１８の湾曲部Ｃの緑色波長の光の焦点に一致した位置に設けることにより、より分光特性を向上させることができる。
【００２７】
なお、第２の反射層２０は、必ずしも平板状である必要はなく、第１の反射層１８の湾曲部Ｃにおいて反射された光を、所望の方向に反射することができるものであればよい。
【００２８】
第１の反射層１８の表面上には、第２の反射層２０を囲うように、少なくとも可視光を透過させることができる透明樹脂層からなる第２の平坦化層２１が設けられている。
【００２９】
第２の平坦化層２１の表面のうち、受光部１６の上方に対応する位置には凸状の凸状部２１ａが形成されている。凸状部２１ａは、固体撮像装置１０に入射される光を集光すると同時に、例えば第２の平坦化層２１に入射される光が第２の平坦化層２１の内部において干渉し、干渉縞を形成することを抑制する。なお、凸状部２１ａは、必ずしも形成される必要はない。
【００３０】
このような平坦化層２１のうち、第１の反射層１８の湾曲部Ｃの表面上と第２の反射層２０との間の部分は、第２の反射層２０を所望の位置に所望の角度で配置するために第２の反射層２０を下方から支持する支持層２１ｂとなっている。
【００３１】
次に、以上に説明した実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法について図３〜図６を参照して説明する。図３〜図６はそれぞれ、実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。なお、実施形態に係る固体撮像装置１０の製造方法において、半導体基板１３の裏面に配線層１５を形成し、また、半導体基板１３の表面上にカラーフィルタ層１２を形成するまでの工程については一般的な製造方法でよく、以下の説明においては省略する。
【００３２】
図３に示すように、複数の受光部１６を有する半導体基板１３の第２の面である表面上に絶縁膜１４を介して配線層１５を形成するとともに、半導体基板１３の第１の面である裏面上に第１の平坦化層１７を介してカラーフィルタ層１２を形成し、カラーフィルタ層１２の表面上に、第１の反射層１８を形成する。第１の反射層１８は、Ｃｕ、Ａｌ等のメタル、または後述する第２の平坦化層２１と屈折率が異なる材料、により形成される。
【００３３】
次に、図４に示すように、第１の反射層１８の表面に、画素毎に湾曲部Ｃを形成する。複数の湾曲部Ｃは、場所によって光の透過率が異なるグレーティングマスクを用いてパターニングにより形成してもよいし、インプリント法を用いて形成してもよい。なお、この工程の後、必要に応じて湾曲部Ｃの表面にコーティング層１９を設けてもよい。
【００３４】
次に、図５に示すように、少なくとも湾曲部Ｃを埋めるように、第２の平坦化層２１の一部である支持層２１ｂを形成し、この支持層２１ｂの表面上に、板状の第２の反射層２０を形成する。第２の反射層２０についても、Ｃｕ、Ａｌ等のメタル、または第２の平坦化層２１と屈折率が異なる材料、により形成される。
【００３５】
次に、図６に示すように、第２の反射層２０を支持する支持層２１ｂ上に、第２の反射層２０を覆うように支持層２１ｂと同一の透明樹脂層を積層し、第２の平坦化層２１を形成する。さらに、必要に応じて、第２の平坦化層２１の表面の一部を凸状に加工し、複数の凸状部２１ａを形成する。
【００３６】
このようにして、図１および図２に示す固体撮像装置１０を製造することができる。
【００３７】
図７は、実施形態に係る固体撮像装置１０に入射される光が進行する様子を説明するための図であって、同図（ａ）は、垂直光が進行する様子を説明するための図であり、同図（ｂ）は、斜め光が進行する様子を説明するための図である。
【００３８】
図７（ａ）に示すように、第２の平坦化層２１に垂直方向から光Ｌａが入射されると、その光Ｌａは第２の平坦化層２１中を垂直方向に進行し、第１の反射層１８の湾曲部Ｃに到達する。
【００３９】
湾曲部Ｃに到達した光Ｌａは、この表面において反射され、湾曲部Ｃの曲率で規定される湾曲部Ｃの焦点に向かって進行し、湾曲部Ｃの上方に配置された第２の反射層２０の裏面に到達する。
【００４０】
第２の反射層２０に到達した光Ｌａは、この裏面において反射され、第２の反射層２０の裏面の角度によって規定される方向に向かって進行し、カラーフィルタ層１２を透過して受光層１６に到達する。第２の反射層２０の裏面が、例えばカラーフィルタ層１２の表面および受光部１６の表面に対して平行である場合、第２の反射層２０の裏面において反射される光Ｌａは、カラーフィルタ層１２に対して垂直方向に進行してこの層１２を垂直に透過し、受光部１６に対して垂直方向に進行し、受光部１６において受光される。
【００４１】
このように、第１の反射層１８および第２の反射層２０は、第２の平坦化層２１の表面に垂直方向から入射された光Ｌａを、カラーフィルタ層１２および受光部１６の表面に対して所定の角度（例えば垂直）で入射させる。
【００４２】
次に、図７（ｂ）に示すように、第２の平坦化層２１に斜め方向から光Ｌｂが入射されると、その光Ｌｂは第２の平坦化層２１中を斜め方向に進行し、第１の反射層１８の湾曲部Ｃに到達する。光Ｌｂは、光ａの湾曲部Ｃへの入射角度と異なる角度で湾曲部Ｃに到達する。
【００４３】
湾曲部Ｃに到達した光Ｌｂは、この表面において反射され、最終的に湾曲部Ｃの焦点に集光されるように進行し、第２の反射層２０の裏面に到達する。すなわち、湾曲部Ｃは、固体撮像装置１０に入射される光の入射角度に関わらず、常に湾曲部Ｃの曲率で規定される焦点に光を集光するように、光を反射する。
【００４４】
第２の反射層２０に到達した光Ｌｂは、この裏面において反射され、第２の反射層２０の裏面の角度によって規定される方向に向かって進行し、カラーフィルタ層１２を透過して受光層１６に到達する。第２の反射層２０の裏面が、例えばカラーフィルタ層１２の表面および受光部１６の表面に対して平行である場合、第２の反射層２０の裏面において反射される光Ｌｂは、カラーフィルタ層１２に対して垂直方向に進行してこの層１２を垂直に透過し、受光部１６に対して垂直方向に進行し、受光部１６において受光される。
【００４５】
このように、第１の反射層１８および第２の反射層２０は、第２の平坦化層２１に斜め方向から入射された光Ｌｂであっても、第２の平坦化層２１に垂直方向から光Ｌａが入射された場合と同様に、カラーフィルタ層１２および受光部１６に対して所定の角度（例えば垂直）で入射させる。
【００４６】
このように、本実施形態にかかる固体撮像装置１０によれば、第１の反射層１８の湾曲部Ｃが、湾曲部Ｃの表面に到達した光を、湾曲部Ｃの曲率によって規定される焦点に到達するように反射する。そして、第２の反射層２０が、第１の反射層１８において反射された光を、第２の反射層２０の角度によって規定される方向に向かって反射する。したがって、固体撮像装置１０に入射される光の角度に関わらず、カラーフィルタ層１２および受光部１６に対して所定の角度（例えば垂直）で光を入射させることができる。
【００４７】
また、従来の固体撮像装置においては、受光部の位置を、光を集光するマイクロレンズの直下から所定距離だけずらすように設計する、いわゆるスケーリングを行っていたいが、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、固体撮像装置１０に入射される光の角度に関わらず、カラーフィルタ層１２および受光部１６に対して所定の角度（例えば垂直）で光を入射させることができるため、スケーリングを行う必要もない。
【００４８】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４９】
例えば、上述の実施形態は裏面照射型の固体撮像装置１０であったが、本発明は、半導体基板の第１面である表面上に、配線層を介してカラーフィルタ層が設けられた、いわゆる表面照射型の固体撮像装置においても、同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・固体撮像装置
１１Ｂ・・・青色画素
１１Ｇ・・・緑色画素
１１Ｒ・・・赤色画素
１２・・・カラーフィルタ層
１２Ｂ・・・青色カラーフィルタ部
１２Ｇ・・・緑色カラーフィルタ部
１２Ｒ・・・赤色カラーフィルタ部
１３・・・半導体基板
１４・・・絶縁膜
１５・・・配線層
１５ａ・・・配線
１５ｂ・・・層間絶縁膜
１６・・・受光部
１７・・・第１の平坦化層
１８・・・第１の反射層
１９・・・コーティング層
２０・・・第２の反射層
２１・・・第２の平坦化層
２１ａ・・・凸状部
２１ｂ・・・支持層
【図１】
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【図２】
2015176988.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015176988.tif 000008
【図７】
2015176988.tif 000009