(57)【要約】【課題】受光画素領域の各画素への入射光量の均一性を高めながら集光率も向上でき、かつ黒基準信号を生成するオプティカルブラックを構成する遮光画素領域への不正入射光を有効に防止することを目的とする。【解決手段】遮光画素領域１と受光画素領域３の間に境界画素領域２を設けることによって、受光画素領域３における保護膜３１の膜厚を一定にすることができるために遮光画素領域１に対して最も近傍に配置される受光画素領域３の画素特性を他の受光画素領域３の各画素特性と同一な特性に合わせることが出来ると共に、黒基準となるオプティカルブラック領域を形成する遮光画素領域１の光電変換素子４への不正入射光を有効に防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に光電変換素子が形成され、受光画素領域と境界画素領域と遮光画素領域とを備えた半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、
前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された第１の層内レンズと、
前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された第１の入射光制限膜と、
前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された遮光膜とを備え、
前記境界画素領域は、受光画素領域と前記遮光画素領域の間に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上にさらに第２の層内レンズを備え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】
前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上にさらに第２の入射光制限膜を備えることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記配線層と前記第１の入射光制限膜及び第２の入射光制限膜は同一の材料であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上にカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上にマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
外部と接続するためのコンタクトパッドをさらに備え、前記遮光膜と前記コンタクトパッドは同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の層内レンズの底面は前記遮光膜の上面よりも低いことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
受光画素領域と境界画素領域と遮光画素領域とを備えた半導体基板に光電変換素子を形成する工程と、
前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に配線層を形成する工程と、
前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上に入射光制限膜を形成する工程と、
前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上に遮光膜を形成する工程と、
前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上に層内レンズを形成する工程とからなることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記配線層の形成工程と前記入射光制限膜の形成工程とを同時に行うことを特徴とする請求項９に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、光電変換素子を用いて撮像する固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、二次元に配列した受光画素領域の光電変換素子で得られた撮像信号の輝度を調整するため、光電変換素子への光を遮る遮光膜を備えた遮光画素領域を設け、その遮光画素領域からの信号を輝度の基準信号として使用している。この基準信号は黒基準を提供するものであり、この受光しないで黒基準信号を生成する遮光画素領域は、オプティカルブラックと呼ばれている。
【０００３】
このオプティカルブラックを構成する遮光画素領域の光電変換素子は、受光画素領域の光電変換素子と全く同一の特性を持つことが望ましいため、受光画素領域と遮光画素領域は可能な限り接近させて配置される。
【０００４】
また、固体撮像装置においても、更なる小型化等の要求の為に画素領域の微細化も進展し、その結果、光電変換素子の面積の減少による感度低下が生じている。この感度低下に対して、光電変換素子上に設けられた保護膜が平坦化された面上にマイクロレンズを形成し、光電変換素子に集光して感度の低下を抑制する技術が知られているが、更なる集光を図る為にマイクロレンズと光電変換素子との間に、隣接する層と異なる屈折率を有する膜から構成される層内レンズを設ける構造も提案されている。
【０００５】
以下、従来のマイクロレンズと凸型層内レンズを有する固体撮像装置の構成について図７を参照して簡単に説明する。図７は従来のマイクロレンズと凸型層内レンズを有する固体撮像装置を示す断面図である。
【０００６】
図７において、１は遮光画素領域、３は受光画素領域、４は光電変換素子、１０４は第一メタル配線層、１０５は第二メタル配線層、１０６は第三メタル配線層、１０７は保護膜、１０８は層内レンズ、１０９は平坦化膜、１１０はカラーフィルタ層、１１１はマイクロレンズである。従来の固体撮像装置は、図７に示すように、遮光画素領域１と受光画素領域３から構成され、それぞれ、マイクロレンズ１１１,層内レンズ１０８,光電変換素子及び複数層のメタル配線層を備え、遮光画素領域１の層内レンズ１０８直下には、保護膜１０７を介して遮光膜として第三メタル配線層１０６を形成している。このように層内レンズ１０８を設けることにより、光電変換素子までの距離を短縮することができ、感度低下をもたらすことなく集光効率を高めることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１３０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図７に示すような受光画素領域３と遮光画素領域１を隣合わせに配置した構造では、遮光画素領域１の遮光膜である第三のメタル配線１０６の膜厚により生じた段差は平坦化されていないために、段差に隣接して配置された受光画素に設けられる層内レンズ１０８は、この段差から十分に離れた受光画素に設けられる層内レンズ１０８に対して、段差による保護膜１０７の膜厚変動が生じるために、層内レンズ１０８と保護膜１０７を合わせた高さが変動したり、層内レンズ１０８が傾斜したりして、結果的にこの画素の集光率や光学特性が変動し、光電変換素子４への入射光量が変動する。また、第三メタル配線層１０６の段差部の側面によって反射された入射光が遮光画素領域１に隣接した受光画素領域３へ入射され、不正な反射光を受光することによる感度の変動も加わり、遮光画素領域３に隣接した受光画素からの撮像信号は特性変動を生じる。その結果、受光画素領域３の全画素に渡って均一な撮像特性を得られない装置となる。
【０００８】
また、微細化が進められたＣＭＯＳイメージセンサの場合、画素間を接続する配線は多層配線を用いることが多く、層内レンズと光電変換素子の距離は大きくなり、遮光画素に隣接して配置された受光画素に入射した光は、一部が配線膜による回折や反射によって迷光となり、隣接した遮光画素に入射することで、遮光画素によって生成される黒基準信号には不正な光を受けて生成された信号を含むことになる。特に、長波長光の場合、入射深度が大きいため、遮光画素へ到達する割合が多くなる。
【０００９】
そこで本発明は、受光画素領域の各画素への入射光量の均一性を高めながら集光率も向上でき、かつ黒基準信号を生成するオプティカルブラックを構成する遮光画素領域への不正入射光を有効に防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、主面に光電変換素子が形成され、受光画素領域と境界画素領域と遮光画素領域とを備えた半導体基板と、前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された第１の層内レンズと、前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された第１の入射光制限膜と、前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上に形成された遮光膜とを備え、前記境界画素領域は、受光画素領域と前記遮光画素領域の間に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上にさらに第２の層内レンズを備えることを特徴とする。
また、前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上にさらに第２の入射光制限膜を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記配線層と前記第１の入射光制限膜及び第２の入射光制限膜は同一の材料であることを特徴とする。
また、前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上にカラーフィルタを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上にマイクロレンズを備えることを特徴とする。
また、外部と接続するためのコンタクトパッドをさらに備え、前記遮光膜と前記コンタクトパッドは同一の材料で形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第１の層内レンズの底面は前記遮光膜の上面よりも低いことを特徴とする。
さらに、受光画素領域と境界画素領域と遮光画素領域とを備えた半導体基板に光電変換素子を形成する工程と、前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に配線層を形成する工程と、前記境界画素領域における前記層間絶縁膜上に入射光制限膜を形成する工程と、前記遮光画素領域における前記層間絶縁膜上に遮光膜を形成する工程と、前記受光画素領域における前記層間絶縁膜上に層内レンズを形成する工程とからなることを特徴とする。
【００１５】
また、前記配線層の形成工程と前記入射光制限膜の形成工程とを同時に行うことを特徴とする。
以上により、受光画素領域の各画素への入射光量の均一性を高めながら集光率も向上でき、かつ黒基準信号を生成するオプティカルブラックを構成する遮光画素領域への不正入射光を防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像装置によれば、遮光画素領域と受光画素領域の間に境界画素領域を設けることによって、受光画素領域における保護膜の膜厚を一定にすることができるために遮光画素領域に対して最も近傍に配置される受光画素の画素特性を他の受光画素の各画素特性と同一な特性に合わせることが出来ると共に、黒基準となるオプティカルブラック領域を形成する遮光画素領域の光電変換素子への不正入射光を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本実施形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。
【００１８】
まず、図１，図２を用いて、本発明の固体撮像装置の構成について説明する。
図１は、本発明の固体撮像装置の構成を示す断面図であって、撮像画素を有する固体撮像装置の一部を示しており、１は遮光画素領域、２は境界画素領域、３は受光画素領域、４は入射光を電荷信号に変換する光電変換素子、１１は第一層間絶縁膜、１２は第二層間絶縁膜、１３は第三層間絶縁膜、１４は第四層間絶縁膜、２１は電荷信号を画像信号として伝達する第一メタル配線層、２２は電荷信号を画像信号として伝達する第二メタル配線層、２３は電荷信号を画像信号として伝達する第三メタル配線層、２４は入射光制限膜、２５は遮光膜、３１は保護膜、３２は層内レンズ，３３は第一平坦化膜、３４はカラーフィルタ膜、３５は第二平坦化膜、３６はマイクロレンズである。
【００１９】
図１に示すように、遮光画素領域１の光電変換素子４への入射光を遮光するために遮光膜２５が第一層間絶縁膜１１、第二層間絶縁膜１２、第三層間絶縁膜１３及び第四層間絶縁膜１４を介して設けられており、第三メタル配線層２３の一部が入射光制限膜２４として設けられている。境界画素領域２には遮光膜２５が形成されておらず、保護膜３１上に層内レンズ３２が設置されてその下部には入射光を減衰させる入射光制限膜２４が設けられている。受光画素領域３には光電変換素子４まで十分な入射光が到達できるように第一層間絶縁膜１１、第二層間絶縁膜１２、第三層間絶縁膜１３、第四層間絶縁膜１４及び保護膜２５を介して層内レンズ３２が設けられている。
【００２０】
ここで、遮光画素領域１の遮光膜２５にはＡｌを主体とした金属膜が用いられ、第一メタル配線層２１、第二メタル配線層２２、第三メタル配線層２３の配線膜及び入射光制限膜２４にはＣｕを主体とした金属膜が用いられている。また、遮光膜２５はここでは図示していないが、外部との接続をするために使用されるＡｌを主体としたコンタクトパッド膜と同一の金属膜で形成することもでき、同時に形成される。
【００２１】
一般にＣｕ膜は大面積で形成された場合、ディッシングと呼ばれる現象で形成領域の中心部では周辺に対して薄膜化するが、遮光画素領域１及び境界画素領域２に、入射光を減衰させる目的で配置されている入射光制限膜２４は、境界画素領域２に設定される画素数が１乃至２列のみである為、ディッシングによる薄膜化は殆どなく、十分な入射光を減衰させる効果がある。一方、大きな領域を必要とする遮光画素領域１において生じるディッシングは、上部に遮光膜２５が存在するため問題は無い。本実施形態では遮光画素領域１に渡って入射光制限膜２４を配置しているが一部隙間を形成することも可能で、また、全くメタル配線層による入射光制限膜２４を遮光画素領域１に設けない構成も可能である。
【００２２】
また、図２は本発明の固体撮像装置の構成を示す平面図で、遮光膜２５と層内レンズ３２の構成がわかるようにした平面であり、遮光画素領域１と受光画素領域３の間に設けられた境界画素領域２を示している。遮光画素領域１には遮光膜２５が配置されており、受光画素領域３と境界画素領域２には層内レンズ３２が設けられている。この実施形態では、境界画素領域２は１画素分を設けているが、２画素以上の画素列を設けることも可能である。遮光画素領域１及び境界画素領域２に入射光を減衰させる目的で配置されている入射光制限膜２４は、受光画素領域３の層内レンズ３２の端部まで配置させておくことで、遮光画素領域１に対する不正入射光の防止には十分効果がある。また、入射光を減衰させる目的で配置されている入射光制限膜２４は、Ｃｕ膜にて大面積で形成された場合はディッシングと呼ばれる現象で形成領域の中心部では周辺に対して薄膜化するが、境界画素領域２に設定される画素数は１乃至２列のみである為、ディッシングによる薄膜化は殆どなく十分な入射光を減衰させる効果がある。一方、大きな領域を必要とする遮光画素領域１において生じるディッシングは、上部に遮光膜２５が存在するため問題は無い。
【００２３】
次に、上述した本発明による固体撮像装置の製造方法について、図３〜図６を用いて説明する。
図３は本発明の固体撮像装置の製造方法における素子領域形成工程を説明する工程断面図、図４は本発明の固体撮像装置の製造方法における遮光膜形成工程を説明する工程断面図、図５は本発明の固体撮像装置の製造方法における層内レンズ形成工程を説明する工程断面図、図６は本発明の固体撮像装置の製造方法におけるカラーフィルタ層形成工程を説明する工程断面図で、図１と対応する部分には同一符号を付す。
【００２４】
まず、図３に示すように、基板上の遮光画素領域１、境界画素領域２及び受光画素領域３に各画素の光電変換素子４が同一に形成され、その上に各画素からの信号電荷を取り出す目的でＣｕ膜を使ったダマシン工法により第一メタル配線層２１、第二メタル配線層２２及び第三メタル配線層２３が第一層間絶縁膜１１、第二層間絶縁膜１２及び第三層間絶縁膜１３を介して形成される。ここで、第三メタル配線層２３は受光画素領域３では配線層として形成され、遮光画素領域１及び境界画素領域２では各画素を覆う領域に渡って入射光制限膜２４として形成される。
【００２５】
次に、図４に示すように、第三メタル配線層２３及び入射光制限膜２４の上面に第四層間絶縁膜１４を形成した後に、Ａｌ膜を使用して遮光膜２５を遮光画素領域１を覆う領域に形成すると同時に、外部とのコンタクトパッド電極も形成する。その後、保護膜３１を遮光膜２５よりも薄い膜厚として形成することにより、受光画素領域１と境界画素領域２の保護膜３１の上面を遮光膜２５の上面より低い位置とし、入射光の集光特性を高くする。
【００２６】
そして、図５に示すように、保護膜３１上に層内レンズ３２を境界画素領域２及び受光画素領域３の各画素に対して形成する。その後、第一平坦化膜３３を形成し、遮光膜２５と層内レンズ３２の段差等を平坦化する。
【００２７】
そして、図６に示すようにカラーフィルタ層３４を形成し、その平坦化のために第二平坦化膜３５を形成する。カラーフィルタとしては、ＲＧＢの原色フィルタでも、シアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの補色フィルタでも、もしくは、カラーフィルタを備えていなくてもよい。カラーフィルタ層３４を備えていない場合は、第二平坦化層３５も備える必要はなく、マイクロレンズ３５を第一平坦化層３３上に形成することができ、固体撮像素子をさらに薄くすることが可能である。
【００２８】
最後に、第二平坦化膜３５上にマイクロレンズ３６を形成し、図１に示す本発明の固体撮像装置を得る。
以上のように本発明の固体撮像装置では、遮光画素領域と受光画素領域の間に境界画素領域を設けることによって、遮光画素領域上に形成された遮光膜端部のみに保護膜の厚み差による傾斜が形成されるため、受光画素領域上では保護膜の膜厚が全面的に一定となり、その上に形成する層内レンズと光電変換素子との距離は一定に保たれる。その結果、各画素の層内レンズの集光特性は全受光画素領域に渡って均一となり、受光画素領域の光電変換素子に対して集光効率の向上を図りながら集光特性の均一化が実現できる。また、遮光画素領域と受光画素領域の間に境界画素領域を設けることによって、黒基準信号を生成するオプティカルブラックを構成する遮光画素領域への不正入射光を有効に防止することができる。
【００２９】
なお、以上の説明では、本発明の固体撮像装置としてＭＯＳ型イメージセンサを前提としているが、受光面上に配線層を持たないＣＣＤイメージセンサにも同様に適用することができる。
また、上述のような可視光による固体撮像装置に限らず、例えば赤外線等の不可視光による固体撮像装置に対しても、同様に適用することができる。
【００３０】
また、上記実施形態は層間絶縁膜およびメタル配線層をそれぞれ３層ずつとしたが、２層ずつとしてもよく、それにより、固体撮像素子の薄型化がさらに可能となる。また、層間絶縁膜およびメタル配線層をそれぞれ４層以上として、集光のための受光画素とマイクロレンズとの距離を広げても構わない。
【００３１】
さらに、各メタル配線層をダマシン工法によるＣｕ膜としたが、エッチング法によるＡｌ膜で形成してもよい。これにより、入射光制限膜がＡｌで形成されるため、Ｃｕよりも遮光性を高くすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、受光画素領域の各画素への入射光量の均一性を高めながら集光率も向上でき、かつ黒基準信号を生成するオプティカルブラックを構成する遮光画素領域への不正入射光を防止することができ、光電変換素子を用いて撮像する固体撮像装置及びその製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の固体撮像装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の固体撮像装置の構成を示す平面図
【図３】本発明の固体撮像装置の製造方法における素子領域形成工程を説明する工程断面図
【図４】本発明の固体撮像装置の製造方法における遮光膜形成工程を説明する工程断面図
【図５】本発明の固体撮像装置の製造方法における層内レンズ形成工程を説明する工程断面図
【図６】本発明の固体撮像装置の製造方法におけるカラーフィルタ層形成工程を説明する工程断面図
【図７】マイクロレンズと凸型層内レンズを有する固体撮像装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３４】
１      遮光画素領域
２      境界画素領域
３      受光画素領域
４      光電変換素子
１１    第一層間絶縁膜
１２    第二層間絶縁膜
１３    第三層間絶縁膜
１４    第四層間絶縁膜
２１    第一メタル配線層
２２    第二メタル配線層
２３    第三メタル配線層
２４    入射光制限膜
２５    遮光膜
３１    保護膜
３２    層内レンズ
３３    第一平坦化膜
３４    カラーフィルタ膜
３５    第二平坦化膜
３６    マイクロレンズ
１０４  第一メタル配線層
１０５  第二メタル配線層
１０６  第三メタル配線層
１０７  保護膜
１０８  層内レンズ
１０９  平坦化膜
１１０  カラーフィルタ層
１１１  マイクロレンズ
【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】
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【図６】
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【図７】
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