(57)【要約】【課題】受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供すること。【解決手段】撮像用照射光１０を受ける側の半導体基板１の表面近傍に設けた光電変換素子からなる複数の受光素子２上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子を囲むように配線層３を有し、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層４１が凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層５１を有する固体撮像素子において、絶縁層と平坦化層との屈折率を近似させたことを特徴とする。【選択図】図１
2012019072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像用照射光を受ける側の半導体基板の表面近傍に設けた光電変換素子からなる複数の受光素子上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子を囲むように配線層を有し、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層が凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層を有する固体撮像素子において、絶縁層と平坦化層との屈折率を近似させたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記絶縁層の屈折率より前記平坦化層の屈折率が０〜０．０２以内の範囲で等しいかまたは大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記絶縁層がシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記絶縁層がシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子を形成した固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長領域の光を選択的に透過する各種のカラーフィルタを設けることで対象物の色情報を得ることを可能としたカラーセンサーも普及している。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的である。
【０００５】
固体撮像素子の一般的構造を図２の模式断面図に示す。半導体基板１として一般にシリコンウェハーを用い、ウェハー表面への一般的な半導体プロセス、および配線パターン形成プロセスを繰り返すことにより、多数のチップをウェハー平面に配置した固体撮像素子群が形成される。図２は一つのチップの部分拡大断面を示したものであって、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子からなる受光素子２を、半導体基板１の撮像用照射光１０を受ける側の表面近傍に規則的な配列状態で設けており、受光素子２上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子２を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層３のパターンを有する。低い位置の受光素子２と、図示されない層間絶縁層を挟んで通常は多層からなる突起形状の配線層３と、を被覆する絶縁層４が、凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層５を有する。
【０００６】
多くの場合、上記固体撮像素子をカラーセンサーとして使用するために、前記平坦化層５の上に、着色層６を受光素子に一対一対応させた着色画素パターンとして形成し、着色層保護のための保護層７を設ける。また、必要に応じて、撮像のための光の取り込み効率を高め、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズ（図示せず）を形成する。
【０００７】
前記平坦化層５は、特許文献１に提案されている平滑化層のように、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることに加えて、塗布時の表面凹凸に追随し易い傾向が少ない樹脂を塗布して、塗布後の表面の平坦化を得る。具体的には、アクリル系の透明樹脂の材料特性を調整することによって、平坦性と表面凹凸充填性に優れた平坦化層を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−７０７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、受光素子２上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子２を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層３のパターンを有し、低い位置の受光素子２と、多層からなる突起形状の配線層３と、を被覆する絶縁層４が凹部を構成し、凹部に対応して凸部状に被覆および充填するように形成される層が平坦化層５である。この構造で、凹部を構成する絶縁層４の屈折率と凸部を含む形状に形成される平坦化層５の屈折率とは一般に一致しないので、撮像用照射光１０を受ける側の絶縁層４と平坦化層５との境界面は一定のレンズ効果を生じる。例えば、屈折率ｎが１．４５のシリコン酸化膜からなり凹部を構成する絶縁層４に対して、屈折率ｎが１．５５のアクリル系の透明樹脂からなり凸部を構成する平坦化層５は、撮像用照射光１０を受ける受光素子２に向けた凸レンズとして機能する。
【００１０】
固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなると、平面視で受光素子２の近傍に配線層３の金属パターンの端部が接近する。撮像時の外部からの入射光が、上記のレンズ効果により、種々の位置で屈折することによって、金属パターンの端部にかかり、端部での光の反射が加わるようになると、受光素子２の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化し、感度の面内分布が不均一になる。
【００１１】
さらに、前記配線層が多層に形成され、その相互間の位置合わせにずれが生じると、感度の分布に非対称な歪みも生じてしまう。なお、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズを撮像経路に設けた場合は、外部光をマイクロレンズにより画素単位で集光できるので、上記感度の画素面内分布の影響を比較的小さくすることができる。とは言え、マイクロレンズを用いない簡便な固体撮像素子の感度分布に影響を与える現象であるばかりでなく、固体撮像素子の基本性能上の問題でもあり、撮像装置の性能設計に一定の制約を与えることになる。
【００１２】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、撮像用照射光を受ける側の半導体基板の表面近傍に設けた光電変換素子からなる複数の受光素子上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子を囲むように配線層を有し、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層が凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層を有する固体撮像素子において、絶縁層と平坦化層との屈折率を近似させたことを特徴とする固体撮像素子である。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、前記絶縁層の屈折率より前記平坦化層の屈折率が０〜０．０２以内の範囲で等しいかまたは大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子である。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、前記絶縁層がシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子である。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、前記絶縁層がシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層と、絶縁層が構成する凹部を被覆および充填して平坦面を構成する平坦化層と、の屈折率を近似させることによって、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の固体撮像素子の構成例を説明するための断面模式図である。
【図２】従来の固体撮像素子の構成例を説明するための断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態について、以下、図面に従って説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の構成例を説明するための断面模式図である。半導体基板１として一般にシリコンウェハーを用い、ウェハー表面への一般的な半導体プロセス、および配線パターン形成プロセスを繰り返すことにより、多数のチップをウェハー平面に配置した固体撮像素子群が形成されることは、従来と同様である。ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子からなる受光素子２を、半導体基板１の撮像用照射光１０を受ける側の表面近傍に規則的な配列状態で設けており、受光素子２上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子２を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層３のパターンを有する。低い位置の受光素子２と、図示されない層間絶縁層を挟んで通常は多層からなる突起形状の配線層３と、を被覆する絶縁層４１が、凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層５１を有することも従来と同様である。
【００２０】
前記絶縁層４１は、電気的絶縁性に加えて、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることが望ましく、半導体基板１として使用するシリコンの酸化膜や窒化膜を、減圧ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等の通常のプロセスにより形成することができる。
【００２１】
前記平坦化層５１は、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることに加えて、塗布時の表面凹凸に追随し易い傾向が少ない樹脂を塗布して、塗布後の表面の平坦化を得る。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって、平坦性と表面凹凸充填性に優れた平坦化層を実現することができる。
【００２２】
従来と同様に、上記固体撮像素子をカラーセンサーとして使用するために、前記平坦化層５１の上に、着色層６を受光素子に一対一対応させた着色画素パターンとして形成し、着色層保護のための保護層７を設けることができる。また、必要に応じて、撮像のための光の取り込み効率を高め、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズ（図示せず）を形成することができる。
【００２３】
前記着色層６に形成する着色画素パターンとしては、例えば、緑色の顔料分散樹脂である感光性ネガ型レジストを塗布し、プレベイク、選択的露光、現像、熱処理の各工程を経て、緑色パターンを形成し、以下、同様の手段を繰り返して、青色パターン、赤色パターンを順次隣接位置に形成し、有効エリア内を埋め尽くすように周期的に配置した３色の着色画素パターンを得ることができる。
【００２４】
前記絶縁層４１と前記平坦化層５１との境界面が通常はレンズ効果を生じて、境界面での撮像用照射光の屈折により、照射光の光路の一部が金属パターンの端部にかかり、端部での光の反射が加わって、受光素子２の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化し、感度の面内分布が不均一になる。本発明は、上記の現象を防ぐために、前記絶縁層４１と前記平坦化層５１との屈折率を近似させて、点線で示す両者の境界面を、光学的な意味では、事実上消滅させることを特徴とする。
【００２５】
受光素子２の直上で凹部を構成する絶縁層４１と、該凹部を充填して凸部を構成する平坦化層５１との関係を一般化すれば、後者の屈折率が前者より大きい場合には、受光素子への撮像用照射光の入射に対して、凸レンズの効果を有し、逆の場合には凹レンズの効果を有する。凹レンズの効果を有する場合は、照射光は拡がり、配線層３の金属パターンの端部にかかり易くなることは明らかであり、好ましくない。また、凸レンズの効果を有する場合であっても、固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなると、光の屈折の程度により、金属パターンの端部での好ましくない反射を引き起こす。
【００２６】
上述の事情により、本発明において、前記絶縁層４１と前記平坦化層５１との屈折率を近似させる場合の詳細をさらに規定すると、前記絶縁層の屈折率より前記平坦化層の屈折率が０〜０．０２以内の範囲で等しいかまたは大きいことを特徴とすることがより好ましい。平坦化層５１が、受光素子への撮像用照射光の入射に対して、凹レンズの効果を全く有しないので、照射光は拡がらないこと、および、明瞭な凸レンズ効果も有しないこと、により、固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなっても、金属パターンの端部での好ましくない反射を引き起こすことがない。その結果、受光素子２の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化するという現象を回避でき、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することができる。
【００２７】
前記絶縁層４１は、前述のように、半導体基板１として使用するシリコンの酸化膜や窒化膜を、減圧ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等の通常のプロセスにより形成することができる。シリコン酸化膜は、屈折率１．４５程度の膜を得ることができる。シリコン窒化膜は、基板温度等の成膜条件により、膜中の窒素とシリコンとの比が変化し、屈折率１．７５〜２．０程度の範囲で光学特性の異なる膜が得られる。
【００２８】
前記平坦化層５１として、前述のように、屈折率が１．５５のアクリル系の透明樹脂をベースとして用いる場合、上述の絶縁層４１の屈折率に応じて、樹脂ベースの屈折率を増減させることが必要である。例えば、シリコン酸化膜を絶縁層４１とした場合には、平坦化層の屈折率を、０．０８〜０．１減少させる。平坦化層５１の屈折率を絶縁層４１の屈折率１．４５と一致させることが最も望ましいが、元の１．５５から０．０９減少させて１．４６とすることも次に好ましい。
【００２９】
上述の例のように、元の樹脂の屈折率を減少させる方法としては、フッ素を添加する手法が可能である。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって得られる透明性、密着性、耐薬品性、および塗布時の表面凹凸に追随しないで、平坦性と表面凹凸充填性に優れた塗布特性を維持したまま、フッ素の有する低屈折率特性を加えるように調整することができる。
【００３０】
また、シリコン窒化膜を絶縁層４１として、絶縁層の屈折率１．７５の場合、平坦化層５１の屈折率を１．７５〜１．７７に調整することが適当である。前例と同様に、屈折率が１．５５のアクリル系の透明樹脂をベースとして用いる場合、平坦化層５１の屈折率を０．２増加させて絶縁層４１の屈折率１．７５と一致させることが最も望ましいが、元の１．５５から０．２１増加させて１．７６とすることも次に好ましい。
【００３１】
上述の例のように、元の樹脂の屈折率を増加させる方法としては、光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスを添加する手法が可能である。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって得られる透明性、密着性、耐薬品性、および塗布時の表面凹凸に追随しないで、平坦性と表面凹凸充填性に優れた塗布特性を維持したまま、光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスの有する高屈折率特性を加えるように調整することができる。
【００３２】
前記光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスとしては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化亜鉛、等の種々の金属酸化物を微粒子化して使用することが可能であるが、元の樹脂への添加適性は詳細な条件に依存するので、最適化する必要がある。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・半導体基板
２・・・受光素子
３・・・配線層
４、４１・・・絶縁層
５、５１・・・平坦化層
６・・・着色層
７・・・保護層
１０・・撮像用照射光
【図１】
2012019072.tif 000003
【図２】
2012019072.tif 000004