JP2006032771A

JP2006032771A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006032771A
Application number: JP2004211514A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tanabe; 昇田辺; Masayuki Masuyama; 雅之桝山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】中間層での光の減衰が少なく、集光率が高く高感度で、光の入射方向による感度差が小さく、感度ムラやシェーディングが生じにくい固体撮像装置を実現する。
【解決手段】カラーフィルタ層２０８，２０９を光シールド層２０７の開口部に埋め込み、光シールド層２０７の開口部と上面にカラーフィルタ層２０８，２０９を直接形成する構造にすることにより、従来例のような平坦化膜を不要にすることによって、光の減衰を小さくすることができ、また光電変換蓄積部２０２とマイクロレンズ２１０との距離が近くなるので、斜め入射光が光電変換蓄積部２０２へ入射しやすくなり、集光率が上がり、感度が向上する。さらに光が正面から入射する場合と、斜めから入射する場合との感度差が小さくなることにより、感度ムラやシェーディングが低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部を備えた固体撮像装置に関するものである。

図３は従来の固体撮像装置の一例を示す平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。

図３に示した固体撮像装置は、半導体基板１０１上に、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部１０２と、光電変換蓄積部１０２から信号電荷を読み出す読み出し回路部１０３からなる単位画素１０４を一定の間隔をあけて、マトリクス状に複数配列して感光領域１０５が構成されている。そして感光領域１０５の周辺に、読み出し回路部１０３を駆動する駆動部１０６が配置されている。

この固体撮像装置の感光領域の断面構造は、図４に示すように、半導体基板２０１上部に、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部２０２が配置され、光電変換蓄積部２０２の上に層間絶縁膜２０６、層間絶縁膜２０６の上に開口を持つ光シールド層２０７、光シールド層２０７の開口部およびその上に平坦化膜２１１、平坦化膜２１１の上に分光の異なる複数のカラーフィルタ層２０８，２０９、カラーフィルタ層２０８，２０９の上にマイクロレンズ２１０がそれぞれ形成されている。

そして、光電変換蓄積部２０２の信号電荷を読み出すために、電荷読み出し部２０３，電荷読み出し電極２０４、およびメタル配線２０５からなる読み出し回路部が形成されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２７３３４２号公報

しかしながら、前記従来の固体撮像装置の断面構造では、光電変換蓄積部２０２の表面とマイクロレンズ２１０の下面との距離が遠いため、マイクロレンズ２１０の上方より入射される光が光電変換蓄積部へ到達するまでの光の減衰量が多くなり、また、斜め入射光が光電変換蓄積部に当たりにくい、すなわち集光率が低いことにより、固体撮像装置の感度が低くなる。さらに、光が正面から入射する場合と斜めの方向から入射する場合とで感度に差が生じやすく、感度ムラやシェーディングが生じやすい。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高感度で、集光率が高く、感度ムラやシェーディングが生じにくく、かつ構造が簡素な固体撮像装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、前記カラーフィルタ層の下面の一部または全部を、前記光シールド層の上面より下に設けたことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、前記カラーフィルタ層の下面の一部または全部を、前記光シールド層の下面より下に設けたことを特徴とする。

また、前記カラーフィルタ層を、複数の分光特性の中から選ばれるいずれかの特性を有するものとし、かつ前記カラーフィルタ層の下面の高さを、前記分光特性に対応して異なるように設定したことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、前記カラーフィルタ層の下面の全部を、前記光シールド層の下面と同一面にあるように設けたことを特徴とする。

また、前記カラーフィルタ層の上面の高さは、全て同一であることを特徴とする。

また、前記カラーフィルタ層は、前記光シールド層の前記開口部に埋め込まれていることを特徴とする。

すなわち、本発明の固体撮像装置の前記構成によって、カラーフィルタ層を光シールド層の開口部に埋め込み、平坦化膜を無くすことにより、あるいは、カラーフィルタ層を光シールド層の開口部および層間絶縁膜の上部の凹部に埋め込み、平坦化膜を無くし層間絶縁膜を薄くすることにより、光電変換蓄積部の表面とマイクロレンズの下面との距離が近くなるため、光の減衰を少なくし、かつ集光率を高くすることができるので、固体撮像装置の感度を向上させることができるとともに、感度ムラやシェーディングを生じさせ難くすることができる。

本発明の固体撮像装置によれば、光シールド層の開口部および上面、または層間絶縁膜の上部の凹部および光シールド層の開口部および上面に、カラーフィルタ層が直接形成されるため、すなわち光シールド層の開口部、または層間絶縁膜の上部の凹部および光シールド層の開口部にカラーフィルタ層が埋め込まれるので、光シールド層とカラーフィルタ層との間に、従来のような平坦化膜が存在しない構造となり、層間絶縁膜の厚さが薄くなる。したがって、平坦化膜中を通過することによる光の減衰が起こらず、また層間絶縁膜中を通過する光の減衰も少なくなるため、固体撮像装置の感度が向上する。

また、光電変換蓄積部の表面とマイクロレンズとの距離が、平坦化膜の厚さ分、または平坦化膜の厚さと層間絶縁膜の上部の凹部の厚さを合わせた厚さ分だけ短くなるので、マイクロレンズの上方より斜めに入射される光が光電変換蓄積部へ当たり易く、すなわち集光率が高くなるため、固体撮像装置の感度が向上する。

また、固体撮像装置に対して光が正面から入射する場合と斜めから入射する場合との感度差が小さくなることにより、感度ムラやシェーディングを低減することができる。

また、平坦化膜層を形成する必要がないため、構造が簡素になり、材料と工程数を削減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１である固体撮像装置の断面状態を示す模式図であって、図中、図４と同一の要素には同一の符号を付した。なお、実施の形態１としての固体撮像装置における光電変換蓄積部，読み出し回路部，駆動部の配置などの基本的な構成は、図３に示した固体撮像装置と同様な構成である。

図１に示すように、実施の形態１では、半導体基板２０１上部に、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部２０２が配置され、光電変換蓄積部２０２の上に層間絶縁膜２０６、層間絶縁膜２０６の上に開口を持つ光シールド層２０７、光シールド層２０７の開口部および上面に分光の異なる複数のカラーフィルタ層２０８，２０９、カラーフィルタ層２０８，２０９の上にマイクロレンズ２１０がそれぞれ形成されている。

そして、光電変換蓄積部２０２の信号電荷を読み出すために電荷読み出し部２０３，電荷読み出し電極２０４、およびメタル配線２０５からなる読み出し回路部が形成されている。

このように構成された固体撮像装置では、光シールド層２０７の開口部および上面に直接カラーフィルタ層２０８，２０９が形成されており、すなわち、光シールド層２０７の開口部にカラーフィルタ層２０８，２０９が埋め込まれているので、光シールド層２０７とカラーフィルタ層２０８，２０９との間に、平坦化膜２１１が存在する従来の固体撮像装置（図４）のように、平坦化膜中を通過することによる光の減衰が起こらないので、高感度な固体撮像装置を実現できる。

また、光電変換蓄積部２０２の表面とマイクロレンズ２１０との距離が、光シールド層２０７とカラーフィルタ層２０８，２０９との間に、平坦化膜２１１が存在する従来の固体撮像装置（図４）より近いので、マイクロレンズ２１０の上方より斜めに入射される光が光電変換蓄積部２０２へ入射しやすく、すなわち集光率が高くなるため、固体撮像装置の感度が向上する。

そして、固体撮像装置に対して光が正面から入射する場合と、斜めから入射する場合との感度差が小さくなることにより、感度ムラやシェーディングを低減することができる。

なお、実施の形態１では、カラーフィルタ層２０８，２０９の下面と光シールド層２０７の下面とを同一面としたが、カラーフィルタ層２０８，２０９の下面が光シールド層２０７の下面よりも上で、かつ光シールド層２０７の上面より下にあるようにしてもよい。その場合、マイクロレンズ２１０の焦点距離を変えずにカラーフィルタ層２０８，２０９の膜厚を変更することができる。

また、異なる分光特性に対応するカラーフィルタ層２０８（例えば赤）とカラーフィルタ層２０９（例えば緑）とで下面の高さが異なるようにしてもよい。その場合、カラーフィルタの諸特性、例えば分光特性等の調整をその厚さで調整することが可能となる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２である固体撮像装置の断面状態を示す模式図であって、図中、図１，図４と同一の要素には同一の符号が付されている。なお、実施の形態２としての固体撮像装置における光電変換蓄積部，読み出し回路部，駆動部の配置などの基本的な構成は、図３に示した固体撮像装置と同様な構成である。

図２に示したように、実施の形態２では、半導体基板２０１上部に、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部２０２が配置され、光電変換蓄積部２０２の上に層間絶縁膜２０６、層間絶縁膜２０６の上に開口を持つ光シールド層２０７、層間絶縁膜２０６の上部に光シールド層２０７の開口部と同等の大きさに形成された凹部、層間絶縁膜２０６の上部の凹部および光シールド層２０７の開口部と上面に分光の異なる複数のカラーフィルタ層２０８，２０９、カラーフィルタ層２０８，２０９の上にマイクロレンズ２１０がそれぞれ形成されている。

このように構成された固体撮像装置では、層間絶縁膜２０６の上部の凹部および光シールド層２０７の開口部と上面にカラーフィルタ層２０８，２０９が直接形成されており、すなわち層間絶縁膜２０６の上部の凹部および光シールド層２０７の開口部にカラーフィルタ層２０８，２０９が埋め込まれているため、実施の形態１の固体撮像装置に比べ、層間絶縁膜２０６が上部の凹部の分だけ薄くなっているので、層間絶縁膜中を通過する光の減衰が少なくなる。

したがって、平坦化膜が無い分と層間絶縁膜が薄くなった分の効果が相俟って、光の減衰がより少なくなり、従来の固体撮像装置より高感度な固体撮像装置を実現できる。さらに光電変換蓄積部２０２の表面とマイクロレンズ２１０との距離が、実施の形態１の固体撮像装置よりも、層間絶縁膜２０６の上部の凹部に埋め込まれたカラーフィルタ層の厚さ分だけさらに近いので、マイクロレンズ２１０の上方より斜めに入射される光が、光電変換蓄積部２０２へより入射しやすく、すなわち集光率がより高くなるため、固体撮像装置の感度がさらに向上する。

そして、固体撮像装置に対して光が正面から入射する場合と、斜めから入射する場合との感度差がさらに小さくなることにより、感度ムラやシェーディングをさらに低減することができる。

なお、実施の形態２では、カラーフィルタ層２０８とカラーフィルタ層２０９の下面の高さが異なるとしたが、カラーフィルタ層２０８とカラーフィルタ層２０９の下面の高さは同一でもよい。その場合、層間絶縁膜２０６の上部に凹部を形成する方法が簡素化される。

本発明は、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部を備えた固体撮像装置に適用され、特に光の減衰を少なくし、高集光率，高感度であって、感度ムラやシェーディングの発生を少なくすることが要求される固体撮像装置に実施して有効である。

本発明の実施の形態１である固体撮像装置の断面状態を示す模式図本発明の実施の形態２である固体撮像装置の断面状態を示す模式図従来の固体撮像装置の一例を示す平面図図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図

符号の説明

２０１半導体基板
２０２光電変換蓄積部
２０３電荷読み出し部
２０４電荷読み出し電極
２０５メタル配線
２０６層間絶縁膜
２０７光シールド層（メタル遮光膜）
２０８カラーフィルタ層（赤）
２０９カラーフィルタ層（緑）
２１０マイクロレンズ

Claims

入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、
前記カラーフィルタ層の下面の一部または全部を、前記光シールド層の上面より下に設けたことを特徴とする固体撮像装置。
入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、
前記カラーフィルタ層の下面の一部または全部を、前記光シールド層の下面より下に設けたことを特徴とする固体撮像装置。
前記カラーフィルタ層を、複数の分光特性の中から選ばれるいずれかの特性を有するものとし、かつ前記カラーフィルタ層の下面の高さを、前記分光特性に対応して異なるように設定したことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換蓄積部と該光電変換蓄積部の上方に開口部を持つ光シールド層と前記開口部と同等または前記開口部よりも大きいカラーフィルタ層と前記光電変換蓄積部の信号電荷を読み出す読み出し回路部とからなる単位画素をマトリクス状に複数配列した感光領域と、該感光領域の周辺に配置されて前記単位画素を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置において、
前記カラーフィルタ層の下面の全部を、前記光シールド層の下面と同一面にあるように設けたことを特徴とする固体撮像装置。
前記カラーフィルタ層の上面の高さは、全て同一であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の固体撮像装置。
前記カラーフィルタ層は、前記光シールド層の前記開口部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の固体撮像装置。