(57)【要約】【課題】カラーフィルタ間の隔壁部を透過する光成分による色解像度の低下を防止する。【解決手段】固体撮像装置は、複数の受光部が２次元状に形成された半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層と、複数の受光部のそれぞれの上方であって、配線層の上に複数のカラーフィルタが形成されたカラーフィルタ層とを有する。さらに、複数のカラーフィルタの間であって、カラーフィルタ層に形成されたカラーフィルタ隔壁と、複数のカラーフィルタのそれぞれの上方であって、カラーフィルタ層の上に複数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ層とを有する。さらに、複数のマイクロレンズの間であって、マイクロレンズ層に形成されたマイクロレンズ隔壁とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部が２次元状に形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された配線層と、
前記複数の受光部のそれぞれの上方であって、前記配線層の上に複数のカラーフィルタが形成されたカラーフィルタ層と、
前記複数のカラーフィルタの間であって、前記カラーフィルタ層に形成されたカラーフィルタ隔壁と、
前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上方であって、前記カラーフィルタ層の上に複数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ層と、
前記複数のマイクロレンズの間であって、前記マイクロレンズ層に形成されたマイクロレンズ隔壁とを備えた固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数のマイクロレンズは互いに分離して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数のマイクロレンズは互いに接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記カラーフィルタは、前記カラーフィルタに対応する前記マイクロレンズと接していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記カラーフィルタ層と前記マイクロレンズ層の間には、平坦化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記カラーフィルタ層において、前記カラーフィルタ隔壁によって分離された前記カラーフィルタの上面の幅は、前記マイクロレンズ層において、前記マイクロレンズ隔壁によって分離されたマイクロレンズの底面の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記マイクロレンズ隔壁が等間隔に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記マイクロレンズ隔壁が非等間隔に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板に複数の受光部を２次元状に形成する工程と、
前記半導体基板の上に配線層を形成する工程と、
前記複数の受光部のそれぞれの上方であって、前記配線層の上に形成された複数のカラーフィルタと、前記複数のカラーフィルタの間に形成されたカラーフィルタ隔壁とからなるカラーフィルタ層を形成する工程と、
前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上方であって、前記カラーフィルタ層の上に形成された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの間に形成されたマイクロレンズ隔壁とからなるマイクロレンズ層を形成する工程とを備えた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、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、隔壁を備えたカラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズの構造と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カラーフィルタを斜めに横切る光線が隣接する画素の受光部に入射して混色が発生するという課題が存在する。
【０００３】
特許文献１には、図６に示すような従来の固体撮像装置が開示されている。すなわち、受光部６０１の上に平坦化層６０２が形成され、さらに、受光部６０１の上方に、有機ケイ素材料層６０３によって分割されたフィルタ６０４〜６０７を有する固体撮像装置が開示されている。
【０００４】
特許文献１の固体撮像装置では、上記構成により、カラーフィルタ間にカラーフィルタよりも低屈折率の隔壁を設けて、カラーフィルタ部分に光導波路の効果を持たせることにより、混色を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２８２４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術においては、カラーフィルタ間の隔壁が光透過性の高い有機珪素材料からなるので、隔壁上面から入射光成分がカラーフィルタを通ることなく受光部に入射する。これによって、色解像度の低下が顕在化するという課題が存在する。
【０００７】
特に、画素寸法の微細化により、更なるカラーフィルタ間の隔壁サイズの縮小が困難になっており、画素サイズに対する隔壁部分の占める割合が増加するため、上記色解像度の低下はますます大きくなってきている。
【０００８】
上記の課題に鑑みて、本発明は、カラーフィルタ間の隔壁部を透過する光成分による色解像度の低下を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光部が２次元状に形成された半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層と、複数の受光部のそれぞれの上方であって、配線層の上に複数のカラーフィルタが形成されたカラーフィルタ層とを有する。さらに、複数のカラーフィルタの間であって、カラーフィルタ層に形成されたカラーフィルタ隔壁と、複数のカラーフィルタのそれぞれの上方であって、カラーフィルタ層の上に複数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズ層とを有する。さらに、複数のマイクロレンズの間であって、マイクロレンズ層に形成されたマイクロレンズ隔壁とを有する。
【００１０】
カラーフィルタ間の隔壁部を透過する光成分による色解像度の低下を防止することができる。
【００１１】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に複数の受光部を２次元状に形成する工程と、半導体基板の上に配線層を形成する工程とを有する。さらに、複数の受光部のそれぞれの上方であって、配線層の上に形成された複数のカラーフィルタと、前記複数のカラーフィルタの間に形成されたカラーフィルタ隔壁とからなるカラーフィルタ層を形成する工程を有する。さらに、複数のカラーフィルタのそれぞれの上方であって、カラーフィルタ層の上に形成された複数のマイクロレンズと、複数のマイクロレンズの間に形成されたマイクロレンズ隔壁とからなるマイクロレンズ層を形成する工程を有する。
【００１２】
カラーフィルタ間の隔壁部を透過する光成分による色解像度の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、固体撮像装置において、カラーフィルタ間の隔壁部を透過する光成分による色解像度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示した断面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｂ）は、実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示した断面図である。
【図４】図４(ａ)は、実施の形態２に係る固体撮像装置の断面図であり、図４（ｂ）は、実施の形態３に係る固体撮像装置の断面図である。
【図５】図５（ａ）は、実施の形態１に係る固体撮像装置のマイクロレンズ隔壁の上面を示す平面図であり、図５（ｂ）は、実施の形態４に係る固体撮像装置のマイクロレンズ隔壁の形状を示す平面図である。
【図６】図６は、従来の固体撮像装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
隔壁を有するカラーフィルタの上部に隔壁を有するマイクロレンズを設けることにより、カラーフィルタの中央付近への集光性を高め、カラーフィルタ隔壁部の光透過成分を抑制し、混色を防ぐ。これにより、色解像度を向上する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の断面図である。
【００１７】
複数の受光部１０２が２次元的に配列された半導体基板１０１上に、配線層１０３が形成されている。半導体基板１０１はシリコンからなり、受光部１０２はフォトダイオードによって形成されている。受光部１０２は行列状に形成されていても良く、また、ハニカム状に形成されていても良い。配線層１０３は、絶縁膜であるシリコン酸化膜の上部に、銅からなる配線が埋め込まれた、いわゆるダマシン配線である。
【００１８】
さらに、複数の受光部１０２のそれぞれに上方であって、配線層１０３の上に複数のカラーフィルタ１０４を有する。本実施の形態においては、カラーフィルタ１０４は、赤、緑、青の光を透過する３種類のフィルタをベイヤ配列したものである。
【００１９】
さらに、複数のカラーフィルタ１０４の間に、カラーフィルタ１０４を分離するためのカラーフィルタ隔壁１０５が形成されている。本実施の形態では、カラーフィルタ１０４は完全に分離されているが、カラーフィルタ隔壁１０５の上部において、カラーフィルタ１０４同士が接触していても構わない。カラーフィルタ隔壁１０５の材料は、有機珪素材料あるいはプラズマＴＥＯＳ膜とし、高さは５００ｎｍ〜８００ｎｍで、幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００２０】
この複数のカラーフィルタ１０４とカラーフィルタ隔壁１０５とを合わせてカラーフィルタ層とする。
【００２１】
さらに、複数のカラーフィルタ１０４のそれぞれの上方であって、カラーフィルタ層の上に複数のマイクロレンズ１０６が形成されている。マイクロレンズ１０６の材料は、アクリル系樹脂であり、屈折率はｎ＝１．５〜１．７程度である。
【００２２】
さらに、複数のマイクロレンズ１０６の間に、マイクロレンズ隔壁１０７を備えている。本実施の形態では、マイクロレンズ１０６はマイクロレンズ隔壁１０７によって完全に分離されてはおらず、マイクロレンズ隔壁１０７の上方においてつながっている。マイクロレンズ隔壁１０７はマイクロレンズ１０６よりも低い屈折率、例えば、ｎ＝１．３〜１．４５の材料で形成される。マイクロレンズ隔壁の材料は、有機系アクリル材料あるいは有機珪素材料である。マイクロレンズ隔壁１０７の底面領域は、カラーフィルタ１０４の上面領域に包含される構成が望ましい。上記構成とすることで、マイクロレンズ１０６を透過した光をより確実にカラーフィルタ１０４へ導くことができる。
【００２３】
この複数のマイクロレンズ１０６とマイクロレンズ隔壁１０７とを合わせてマイクロレンズ層とする。
【００２４】
さらに、具体的には、本実施の形態の複数のマイクロレンズ１０６は互いに接して形成されている。すなわち、マイクロレンズ１０６の下領域はマイクロレンズ隔壁１０７によって分離されるが、上領域は隣接するマイクロレンズ１０６が接して形成される構成とする。
【００２５】
上面で隣接するマイクロレンズ１０６を接して形成することにより、マイクロレンズ１０６による受光面を広く取ることができるため、集光効率を高めることができる。同時に、マイクロレンズ１０６の下領域にはマイクロレンズ隔壁１０７を備えることにより、マイクロレンズ１０６を透過した光をカラーフィルタ１０４へ導き、混色防止・色解像度向上を実現できる。
【００２６】
これにより、マイクロレンズ隔壁１０７による混色防止、色解像度向上の効果を備えながら、マイクロレンズ１０６による集光効率を高め、感度向上を実現できる。
【００２７】
さらに、具体的には、カラーフィルタ１０４とマイクロレンズ１０６の間には、平坦化膜１０７ａが形成されている。本実施の形態では、平坦化膜１０７ａはマイクロレンズ隔壁１０７と同じ材料で形成している。本実施の形態のように平坦化膜１０７ａをマイクロレンズ隔壁１０７と共通化すると、マイクロレンズ隔壁１０７を形成するためのエッチング工程において、一種類の層の加工によって行うことができる。そのため、マイクロレンズ隔壁の出来映えの制御が容易であり、ばらつきを抑えることができる。
【００２８】
図示していないが、マイクロレンズ隔壁１０７とカラーフィルタ層の間に平坦化膜を形成することも可能である。この場合においても、カラーフィルタ１０４およびカラーフィルタ隔壁１０５からなるカラーフィルタ層の上面を平坦化できるため、マイクロレンズ隔壁１０７を精度良く形成でいる効果がある。
【００２９】
以上のような構成をした本実施の形態の固体撮像装置は、マイクロレンズ１０６とマイクロレンズ隔壁１０７の屈折率の差により、マイクロレンズ層は光導波路の効果を有する。すなわち、マイクロレンズ層へ入射した光成分は、屈折率の低いマイクロレンズ隔壁１０７から屈折率の高いマイクロレンズ１０６へ集められるように集光させる効果を有する。マイクロレンズ層を透過した光はカラーフィルタ１０４のの中央へ集光され、確実にカラーフィルタを透過するように導かれる。
【００３０】
これにより、カラーフィルタによって色分離されずに、カラーフィルタ隔壁部の光透過する成分を抑制し、混色を防止する。
【００３１】
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説明する。
【００３２】
図２（ａ）〜図２（ｃ）、図３（ａ）、図３（ｂ）は、本実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に複数の受光部１０２を形成し、半導体基板１０１上に配線層１０３を形成する。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、カラーフィルタ隔壁形成層２０１（例えば、ＴＥＯＳ膜）を例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて堆積する。カラーフィルタ隔壁形成層２０１の膜厚は５００ｎｍ〜８００ｎｍとする。
【００３５】
次に、図２（ｃ）に示すように、カラーフィルタ隔壁を形成するためのレジストパターンを形成した後に、カラーフィルタ隔壁形成層２０１をエッチングし、カラーフィルタ隔壁１０５を形成する。カラーフィルタ隔壁１０５の高さは５００ｎｍ〜８００ｎｍ、カラーフィルタ隔壁上面の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍとする。
【００３６】
次に、図３（ａ）に示すように、カラーフィルタ隔壁１０５によって区画された領域に赤、緑、青の光を透過する３種類のカラーフィルタ１０４を充填する。続いて、マイクロレンズ隔壁形成層２０２を例えばスピンコート法にて堆積する。マイクロレンズ隔壁形成層２０２の膜厚は、３００ｎｍ〜８００ｎｍとする。
【００３７】
次に、図３（ｂ）に示すように、マイクロレンズ隔壁を形成するためのレジストパターンを形成した後に、マイクロレンズ隔壁形成層２０２をエッチングし、マイクロレンズ隔壁１０７を形成する。マイクロレンズ隔壁１０７の高さは３００ｎｍ〜８００ｎｍ、マイクロレンズ隔壁上面の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍとする。また、マイクロレンズ隔壁１０７底面の領域は、カラーフィルタ１０４の上面の領域に包含されるように形成することが望ましい。すなわち、カラーフィルタ１０４の上面の幅は、マイクロレンズ１０６の底面の幅よりも大きいことが好ましい。
【００３８】
次に、マイクロレンズ隔壁１０７にて区画された領域にマイクロレンズの材料を充填し、マイクロレンズ１０６を形成する。このとき、マイクロレンズ材料に対して、レンズ形状のレジストをエッチバンクにて転写してもよく、また、形成領域ごとに個片化したマイクロレンズ材料を熱フローしてもよい。これにより、図１に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図４(ａ)は、本実施の形態に係る固体撮像装置の断面図である。実施の形態１と共通する点においての記載は省略し、本実施の形態の特徴を説明する。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、本実施の形態の固体撮像装置は、複数のマイクロレンズ４０６は互いに分離して形成されている。マイクロレンズ４０６の分離はマイクロレンズ隔壁４０７によって実施される。
【００４１】
本実施の形態の固体撮像装置は、それぞれのマイクロレンズ４０６間をマイクロレンズ４０６より屈折率の低いマイクロレンズ隔壁４０７で完全に分離している。これにより、実施の形態１のように、上部で接続されたマイクロレンズ１０６よりもマイクロレンズ４０６の形状を制御しやすくなり、感度を向上させることができる。
【００４２】
（実施の形態３）
図４（ｂ）は、本実施の形態に係る固体撮像装置の断面図である。実施の形態１と共通する点においての記載は省略し、本実施の形態の特徴を説明する。
【００４３】
本実施の形態の固体撮像装置は、カラーフィルタ１０４と、カラーフィルタ１０４に対応するマイクロレンズ４１６が接している。
【００４４】
カラーフィルタ１０４とマイクロレンズ４１６とが接している構成とする。すなわち、マイクロレンズ隔壁４１７は、カラーフィルタ１０４上には開口４１７ａを有する。これにより、図１に示されるマイクロレンズ隔壁１０７とカラーフィルタ１０４との界面や、受光部１０２の上方に位置するマイクロレンズ隔壁１０７とマイクロレンズ１０６との界面を削減できる。各層の界面では、光反射による光損失や、多重反射成分による光強度の低下が発生するため、図４（ｂ）に示すように、マイクロレンズ４１６とカラーフィルタ１０４とを、マイクロレンズ隔壁４１７を介することなく接触させることで、界面を減らすことができる。これにより、界面で発生する光の反射によるロスを防ぐことができるため、高感度化を実現できる。
【００４５】
（実施の形態４）
図５（ａ）は、実施の形態１に係る固体撮像装置のマイクロレンズ隔壁の上面を示す平面図であり、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズ隔壁の上面を示す平面図である。
【００４６】
図５（ａ）に示すように、実施の形態１の固体撮像装置は、マイクロレンズ隔壁１０７を等間隔に形成されている。マイクロレンズ隔壁１０７を等間隔に形成することにより、単一の繰り返しパターンとなる。このため、マイクロレンズ隔壁１０７を形成するための、リソグラフィ技術によるレジストパターンの出来映えのばらつきを非常に小さく抑えることが可能となる。これにより、画素ごとのマイクロレンズ隔壁１０７の出来映えのばらつきを抑えることができる。
【００４７】
図５（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１の固体撮像装置に対して、マイクロレンズ隔壁１０７を非等間隔に形成されていることを特徴とする。
【００４８】
図５（ａ）に示す実施の形態１では、上下左右に隣接する４つの画素の間にマイクロレンズ隔壁１０７の交点があるレイアウトとなる。マイクロレンズ１０６を充填する領域の角は丸みが発生しており、交点の部分はマイクロレンズ隔壁１０７部が広い領域となる。これに対し、図５（ｂ）に示すように、本実施の形態は、マイクロレンズ隔壁１０７を非等間隔に形成することにより、４つの画素の間にマイクロレンズ隔壁１０７の交点ができることを避けたレイアウトを実現できる。これにより、マイクロレンズ隔壁１０７部が広くなる領域を削減することができるため、マイクロレンズ隔壁１０７中を透過する光を抑制でき、混色抑制を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、医療用カメラ、監視用カメラなど、固体撮像装置を用いた電子機器に用いると、混色を防ぎ、色解像度向上の効果があり、有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１    半導体基板
１０２    受光部
１０３    配線層
１０４    カラーフィルタ
１０５    カラーフィルタ隔壁
１０６，４０６，４１６    マイクロレンズ
１０７，４０７，４１７    マイクロレンズ隔壁
１０７ａ    平坦化膜
２０１    カラーフィルタ隔壁形成層
２０２    マイクロレンズ隔壁形成層
４１７ａ    開口
６０１    受光部
６０２    平坦化層
６０３    有機ケイ素材料層
６０４〜６０７    フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013251292.tif 000007
【図６】
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