(57)【要約】【課題】フォトダイオードへの集光率を向上し、かつ隣接するカラーフィルタからの混色を防止し、よって感度を向上させると共に精細な画像が得られる固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に形成された光電変換素子と前記光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素が、複数配列された固体撮像装置であって、前記カラーフィルタ層のそれぞれの膜厚は周辺部よりも中央部が厚く形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光電変換素子と前記光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素が、複数配列された固体撮像装置であって、前記カラーフィルタ層のそれぞれの膜厚は周辺部よりも中央部が厚いことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記カラーフィルタ層は、前記画素よりも狭い寸法で形成された第１のカラーフィルタ層と、前記画素と同じ寸法で形成した第２のカラーフィルタ層を積層して形成され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】
前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層は同一材料にて形成することを特徴とする請求項１および２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは色素濃度が異なることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換素子と前記カラーフィルタ層との間に第1の透明膜を有し、前記カラーフィルタ層は、前記第１の透明膜よりも屈折率が大きいことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記カラーフィルタ層の上に第２の透明膜を有し、前記第２の透明膜は、前記カラーフィルタ層よりも屈折率が小さい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】
前記第２の透明膜上にマイクロレンズを有し、前記マイクロレンズは、前記第２の透明膜よりも大きな屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２の透明膜上にマイクロレンズを有し、前記マイクロレンズは、前記カラーフィルタよりも大きな屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板上に形成された光電変換素子と前記光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素が、複数配列された固体撮像装置の製造方法であって、
前記カラーフィルタ層は、前記画素よりも狭い寸法で第１のカラーフィルタ層を形成する工程と、
前記第１のカラーフィルタ層の上に前記画素と同じ寸法で第２のカラーフィルタ層を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層は、同一のマスクで異なる露光を行うことで形成することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオンチップカラーフィルタを有する固体撮像装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型をはじめとする固体撮像装置では、小型化、高画素化が進んでいる。しかし、  従来のオンチップカラーフィルタを有する固体撮像装置は受光センサ部であるフォトダイオードの受光面積を縮小させる結果、固体撮像装置の主要特性である光電変換特性（光感度）を低下させる一因となりつつある。
【０００３】
例えば、デジタルスチルカメラに搭載される固体撮像装置の光学サイズの主流は１／３インチ型から１／４インチ型が主流となり、更には１／６インチ型以降の検討もなされている。又、画素数も２００万画素から５００万画素の範囲まで広がりつつあり、更には５００万画素以上の検討もなされている。こうした受光面積の縮小化、及び高画素化においても、固体撮像装置の主要特性である、光感度、及び隣接画素との混色、ライン濃淡などの特性を低下させることのない技術の確立が必要となってきている。
【０００４】
図５は特許文献１等に開示された固体撮像装置の画素部分の断面図である。この固体撮像装置は、第一導電型、例えばＮ型シリコン半導体からなる半導体基板１に第二導電型となるＰ型の第一の半導体ウエル領域２が形成され、この第一のＰ型半導体ウエル領域２にマトリックス配列の各受光センサ部３を構成するための、Ｎ型半導体領域が形成される。
更に、ゲート絶縁膜４を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極５が形成される。転送電極５上を被覆する層間絶縁膜６を介して受光センサ部３の開口を除く他部全面に、例えばＡＬ、Ｗなどによる遮光膜７が形成され、その後表面保護膜８で覆われる。
【０００５】
更に、第１の透明平坦化膜９、カラーフィルタ層１０Ｇ、１０Ｂ、第２の透明平坦化膜１１を順次形成し、この平坦化膜１１上に各受光センサ部３への入射光を集光する、オンチップマイクロレンズ１２が形成される。
第１の透明平坦化膜９は、安定したカラーフィルタ層を形成するため、下地の段差をなくすための膜である。第２の透明平坦化膜１１は、精度よくオンチップマイクロレンズ１２を形成するために、下地のカラーフィルタ層１０上を平坦にするための膜である。
【０００６】
カラーフィルタ層１０としては、補色のイエロー、シアン、マゼンタ、グリーン（単独、またはイエローとシアンを重ねて形成）からなるカラーフィルタ、または原色のレッド、グリーン、ブルーから成るカラーフィルタ等で構成される。
従来カラーフィルタ層は、例えば、染色法、或いは染料、顔料を含有したフォトレジスト膜を選択露光、現像処理を施し目的のフィルタを形成するカラーレジスト法で形成される。
【０００７】
特許文献１に開示された改善例によれば、微細化により、特に斜め光からの光感度低下、隣接画素による混色防止の対策として、半導体基板表面から第２の透明平坦化膜１１までの距離を短くすることが必須であり、その手段としてシアンとイエローを重ね合わせて形成するためカラーフィルタ層の中で最も厚膜となる可能性の高い、補色グリーンフィルタの薄膜化を提案している。
【０００８】
その一実施例として、カラーフィルタの製造方法において、一色目のカラーフィルタ成分で感光材成分を含まないカラーフィルタ被膜を選択エッチングして形成するので、例えば補色カラーフィルタを製造するときは、グリーンフィルタ成分をこの一色目の方法で形成すれば、グリーンフィルタ成分を他の色のフィルタ成分と同じように薄い膜厚で形成でき、従って、カラーフィルタ層の薄膜化が図られる。
【特許文献１】特開２００１−２４９２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の固体撮像装置では画素サイズの縮小に対し、半導体基板から第２の透明平坦化膜１１までの距離を短くする工夫が提案され、受光センサ部３の垂直に入射する光に対してはある程度の効果が期待されている。しかしながら、斜め光に対してはカラーフィルタ層１０の形状による要因が大きく、構造上斜め方向から入射した光は隣接するカラーフィルタ層を透過し受光センサ部３に入射することにより混色をもたらし、必要とする分光特性が得られない。さらに、光の入射角度により混色の度合いが変わり、ライン濃淡、感度バラツキ等の課題を解決するには至っていない。
【００１０】
上記課題に鑑み本発明は、カラーフィルタ層の形状を改善することにより、隣接するカラーフィルタ層からの混色、ライン濃淡、感度バラツキを低減させ、微細化を可能にする固体撮像装置及びその製造方法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】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に形成された光電変換素子と前記光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素が、複数配列された固体撮像装置であって、前記カラーフィルタ層のそれぞれの膜厚は周辺部よりも中央部が厚いことを特徴とする。これにより、斜め光に対し隣接するカラーフィルタ層からの影響を受けにくく、混色防止、ライン濃淡の改善、感度バラツキの低減が可能である。
なお、前記カラーフィルタ層は、画素部よりも狭い寸法で形成された第１のカラーフィルタ層と、画素部と同じ寸法で形成した第２のカラーフィルタ層を積層して形成されるものであって良い。
また、第１のカラーフィルタ層と第２のカラーフィルタ層は同一材料にて形成することで均一なレンズ構造とすることができる。
【００１２】
また、第１のカラーフィルタと第２のカラーフィルタとは色素濃度が異なることを特徴とする。色素濃度を調整することで斜め入射光と垂直入射光の分光特性をそろえることができ色むらを防止することができる。
また、さらに光電変換素子とカラーフィルタ層との間に第1の透明膜を有し、前記カラーフィルタ層は、第１の透明膜よりも屈折率が大きいことを特徴とする。
また、さらにカラーフィルタ層の上に第２の透明膜を有し、前記第２の透明膜は、前記カラーフィルタ層よりも屈折率が小さいことを特徴とする。
また、さらに第２の透明膜上にマイクロレンズを有し、前記マイクロレンズは、前記第２の透明膜よりも大きな屈折率を有することを特徴とする。
上記構成によれば、さらにレンズの集光効果を高め、集光効率を高めることが可能である。
【００１３】
さらに、前記固体撮像装置は、前記カラーフィルタ上に、第２の透明平坦化膜１１を介して上に凸状のマイクロレンズを備える構成としてもよい。
上記構成によれば、カラーフィルタ層のレンズ効果に加えて、その上にマイクロレンズを備えることで、より集光率を向上させ、感度を向上させることができる。
【００１４】
ここで、マイクロレンズの屈折率については、カラーフィルタ層がマイクロレンズよりも大きい構成とすることが好ましい。
この構成によれば、２層のマイクロレンズによって段階的に効率よく集光することができ、感度の向上が期待できる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に形成された光電変換素子と前記光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層とを有する画素が、複数配列された固体撮像装置の製造方法であって、カラーフィルタ層は、画素部よりも狭い寸法で第１のカラーフィルタ層を形成する工程と、第１のカラーフィルタ層の上に画素部と同じ寸法で第２のカラーフィルタ層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
さらに、同一マスクにてアンダー露光領域で露光することにより画素サイズよりも小さな第１のカラーフィルタ層を形成し、その後第２のカラーフィルタ層を適正またはオーバー露光領域で露光することによりマスク１枚にて積層カラーフィルタ層を形成することも可能である。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、カラーフィルタ層の中心部が周辺部よりも厚膜に形成することにより、斜め光に対し隣接するカラーフィルタ層からの影響を受けにくく、混色防止、ライン濃淡の改善、感度バラツキの低減が可能である。
また、各カラーフィルタ層を２回に分けて形成する積層構造とすることにより中心部より周辺部が薄膜化し、上に凸のレンズ形状を実現することができる。
【００１７】
また、中央部と周辺部に色の濃淡をつけることにより、斜め光と正面光との分光を一致させることができ、色ムラを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜固体撮像装置の構成＞
図１は、本発明の一実施例に係る固体撮像装置の断面の構成を示す図である。同図では光電変換素子一つ分の断面を示している。
この固体撮像装置は、第一伝導型（例えばＮ型）の半導体基板１に第二伝導型（Ｐ型）の第一半導体ウエル２が形成され、この第一半導体ウエル２にマトリックス配列の各受光センサ部３を構成するための、Ｎ型半導体領域が形成されている。
【００１９】
さらに、ゲート絶縁膜４を介して多結晶シリコンからなる転送電極５、６、前記転送電極上を被覆する層間絶縁膜６を介して受光センサ部３の開口を除く他部全面に、ＡＬ等からなる遮光膜７が形成され、さらにＳｉＯＮ膜等からなる表面保護膜８が形成される。
前記転送電極と受光センサ３との間には凹凸ができている。その後形成するカラーフィルタ層１０を精度よく形成するためにフェノール系樹脂等を主成分とする感光性透明膜を用い、周知の塗布、露光、現像工程により第１の透明平坦化膜９を形成する。
【００２０】
その後、画素サイズよりも小さな設計により作成されたマスクを用い、塗布、露光、現像を行い、画素サイズよりも小さな第１のカラーフィルタ層１３Ｇを作成し、連続して第１のカラーフィルタ層１３Ｇ形成時よりも薄膜となる塗布条件にて同一カラーフィルタ材料を塗布後、画素サイズと同じ寸法にて設計されたマスクを用い、第２のカラーフィルタ層１４Ｇを形成することにより、積層構造の上に凸のレンズ形状をしたカラーフィルタ層が得られる。
【００２１】
さらに、その後形成するオンチップマイクロレンズ１２を精度よく形成するためにアクリル系透明樹脂を主成分とする透明膜を複数回塗布、ベーク後、エッチバックにより第２の透明平坦化膜１１を形成後、前記オンチップマイクロレンズ１２を塗布、露光、現像工程を経て形成する。
上記カラーフィルタ層は、上に凸のレンズ形状を有しているため、例えば、遮光膜７に向かう斜め入射光を集めることができ、受光サンサ部３の受光面への集効率を向上させ、感度を向上させることができる。さらに、隣接受光センサ上にある他のカラーフィルタ層の影響を受けないため、斜め入射光に対し混色を防止し、ライン濃淡、色ムラを低減できる。
【００２２】
＜固体撮像装置の製造工程＞
図１に示した固体撮像装置の製造方法について、図２〜図４、及び図１を用いて説明する。図２、図１は固体撮像装置の断面を、主な製造工程の順に示す図である。
【００２３】
図２はＮ型半導体基板１上に表面保護膜８までが形成された断面図である。同図に示す断面に至る製造工程を次の（１）〜（４）に説明する。
（１）  Ｎ型半導体基板１上のＰウエル層２、Ｎ型拡散層（受光センサ部３）は、一般にフォトリソ工程、イオン注入工程、熱拡散工程を繰り返して形成される。
（２）その後、ゲート絶縁膜４形成後、導電性多結晶シリコンからなる転送電極５、Ｗ等からなる遮光膜７が形成される。
（３）その後、例えば熱フロー処理によりＢＰＳＧ膜（ホウ素−リンケイ酸ガラス）からなる表面保護膜８が形成される。
（４）さらに、アルミ等からなる配線（図外）を形成後、例えばＳｉＯＮ膜および電極取り出し用のボンディングパット（図外）が形成される。
【００２４】
図３は、さらに緑色用第２のカラーフィルタ層１４Ｇ形成後までの断面図を示す。同図に示す断面に至る製造工程を次の（５）〜（８）に説明する。
（５）表面保護膜上に、例えばフェノール系樹脂を主成分とする感光性透明樹脂を塗布し、露光、現像処理を施し受光センサ３上の窪みを埋める。
（６）その後、例えばアクリル系熱硬化型透明樹脂の薄膜を塗布、熱硬化するか、またはＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）膜の蒸気塗布後、緑色光用第１のカラーフィルタ層１３Ｇを形成するためのレジストを塗布する。このレジストには、染料あるいは顔料が、例えば緑色系波長の光を選択的に透過するように調合されている。
（７）次いで、塗布されたカラーレジストを、受光センサ３上の緑色用カラーフィルタ層を形成する領域よりも小さな部分に残るように設計されたフォトマスクを用い、露光、現像を行う。例えば、緑色用カラーフィルタ層を形成する領域が２μｍ角の正方画素の場合、第１のカラーフィルタ層１３Ｇは１．５μｍ程に仕上がるように形成する。
（８）連続して、前記同一カラーフィルタ材料を、前記第１のカラーフィルタ塗布時よりも薄く塗布し、受光センサ部３と同じサイズ（２μｍ角）に設計されたフォトマスクを用い、露光、現像を施し第２のカラーフィルタ層１４Ｇを形成することにより、上に凸レンズ状で、かつ中央部が周辺部よりも濃い分光特性を併せ持った緑色用カラーフィルタ層を形成する。
【００２５】
図４は、前記緑色カラーフィルタ形成後から、エッチバック前の平坦化膜が形成された断面図を示す。同図に示す断面に至る製造工程を次の（９）〜（１０）に説明する。
（９）緑色用カラーフィルタ層形成後、同様の方法で赤色用カラーフィルタ層、青色用カラーフィルタ層をそれぞれの定められた位置に形成する。
（１０）各カラーフィルタ層の上に、例えばアクリル系樹脂を主成分とする熱硬化性透明樹脂を複数回塗布、熱硬化を繰り返しカラーフィルタ形成後の表面を平坦化させる。
【００２６】
図１は、さらに、エッチバック後の平坦化膜形成からマイクロレンズ形成までの断面図を示す。同図に示す断面に至る製造工程を次の（１１）〜（１２）に説明する。
（１１）感度向上を目的として、受光面から各カラーフィルタ層上の表面までの距離を短くするために、周知のエッチバック法により前記熱硬化性透明樹脂を可能な限り薄くエッチングを施す。
（１２）その後、受光センサ３上にフェノール系樹脂を主成分とする感光性透明樹脂を塗布、露光、現像工程を経て上に凸状のオンチップマイクロレンズ１２を形成する。
前記オンチップマイクロレンズ１２は紫外線照射により透過率を高めている。なお、マイクロレンズのポストベーク温度は、カラーフィルタ層の分光特性の劣化を防ぐため、処理温度は２００度以下にする必要がある。また、第１の透明平坦化膜９の屈折率はカラーフィルタ層の屈折率よりも低く、第２の透明平坦化膜１１の屈折率は、前記カラーフィルタ層よりも低く、オンチップマイクロレンズ１２の屈折率は前記第２の透明平坦化膜１１よりも高くする必要がある。
【００２７】
上記工程により、図１に示した固体撮像装置を製造することができる。
以上説明してきたように、本発明の実施の形態における固体撮像装置によれば、カラーフィルタ層を第１のカラーフィルタ層と第２のカラーフィルタ層と２回に分けて形成するため、簡単に上凸レンズ形状のカラーフィルタ層が形成できる。その結果、斜め光による隣接カラーフィルタからの混色が防止でき、固体撮像装置として精細な画像を得ることができる。
【００２８】
また、カラーフィルタ層が上凸レンズ形状をし、かつ屈折率が第１の平坦化膜よりも高いことから、入射光を効率良く受光センサ部３に集光することができ、その結果、感度を向上させることができる。
さらに、カラーフィルタ層周辺部での膜厚を薄膜化できることから、受光センサ部３上に精度良くカラーフィルタ層を形成できるため、各画素毎の色ムラがなくなり、その結果、固体撮像装置として、ライン濃淡、色シェーディング、が改善される。
【００２９】
また、カラーフィルタ層中心部に比べ、周辺部での分光が淡くなることから、従来構造に比べ、カラーフィルタ層周辺部からの透過光が増加し、その結果、固体撮像装置として、感度の向上が期待できる。
また、カラーフルタ膜上に形成する第２の透明平坦化膜１１の屈折率は、上凸レンズ形状のカラーフィルタ層よりも低いため、前記カラーフィルタへの集光が効果的となり、感度の向上が期待できる。
【００３０】
さらに、第２の透明平坦化膜１１上に形成するオンチップマイクロレンズ１２の屈折率は、前記第２の平坦化膜よりも高いため、マイクロレンズに入射する光を効率良く受光センサ部に集光することができ、その結果、感度の向上ができる。
なお、前記カラーフィルタ層の下に形成する透明平坦化膜を形成する手段としては、透明膜を塗布後、露光、現像を行い下地表面の凹を埋め込む方法、また、透明膜を複数回塗布後周知のエッチバックにより平坦化する方法、透明膜を塗布後、熱フロー処理により平坦化する方法、さらに、前記処理方法を複合してより平坦性を向上させる方法がある。
【００３１】
前記カラーフィルタ層を２回に分けて形成する方法としては、第１のカラーフィルタ層を塗布後、画素サイズよりも小さなパターンで構成されるマスクを用い露光を行い、その後現像処理をして第１のカラーフィルタ層を形成後、前記同種類の材料を用いカラーフィルタ層を、前記第１のカラーフィルタ層と同じかそれよりも薄く塗布後、画素サイズと同等のマスクを用い露光を行い、その後現像処理を施し第２のカラーフィルタ層を形成することにより必要とする分光を備えたカラーフィルタ層を得る。
【００３２】
また、第２のカラーフィルタ層を形成する場合、第１のカラーフィルタ層よりも色素濃度を変えてして形成する構成としてもよい。例えば、第１のカラーフィルタ層よりも色素濃度を薄くして形成して良い。
このような製造方法によれば、上記の構成、作用および効果を有する固体撮像装置を製造することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態における固体撮像装置及び製造方法について説明したが、この発明は、本実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
例えば、カラーフィルタ層の例として、色調が優先される固体撮像装置に用いられる原色方式について説明したが、解像度、感度が優先される固体撮像装置に用いられる補色方式としても良い。補色方式の場合には、カラーフィルタ層として、マゼンタ光用カラーフィルタ層、緑色光用カラーフィルタ層、黄色光用カラーフィルタ層、シアン光用カラーフィルタ層が周知の色配列におけるそれぞれの定められた位置に形成される。
【００３４】
また、カラーレジスト層を形成する材料としては、染料を含有したカラーレジスト、顔料を含有したカラーレジスト等あるが、いずれの選択も可能である。
また、第１の透明平坦化膜９の形成には感光性透明樹脂による、周知のフォトリソグラフィ技術について説明したが、熱硬化性樹脂材料を複数回塗布、熱硬化を繰り返し、周知のエッチバック法による形成方法もある。
【００３５】
また、第１の平坦化膜形成後、カラーレジスト材料との密着性を強化する目的で採用したアクリル系樹脂を主成分とする熱硬化型透明樹脂、またはＨＭＤＳ膜は密着強度が保証されれば、省略が可能である。
また、上記実施例においてはＣＣＤ型の固体撮像装置として説明したが、これに限定されるものではなくＭＯＳ型等、他の固体撮像装置であっても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に形成された転送電極と、光電変換素子上に形成されるカラーフィルタ層、さらにカラーフィルタ層上に形成されるマイクロレンズを有する固体撮像装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例に係る固体撮像装置の画素部の断面を示す図である。
【図２】図１に続く、本発明の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】図２に続く、本発明の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】図３に続く、本発明の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】従来技術における固体撮像装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  Ｎ型半導体基板
２  Ｐ型の第一半導体ウエル
３  受光センサ部（フォトダイオード）
４  ゲート絶縁膜
５  転送電極
６  層間絶縁膜
７  遮光膜
８  表面保護膜
９  第１の平坦化膜
１０  カラーフィルタ層
１１  第２の平坦化膜
１２  マイクロレンズ
１３Ｇ  緑色用第１のカラーフィルタ層
１４Ｇ  緑色用第２のカラーフィルタ層
【図１】
2005159200.tif 000003
【図２】
2005159200.tif 000004
【図３】
2005159200.tif 000005
【図４】
2005159200.tif 000006
【図５】
2005159200.tif 000007