JP2016029704A - 光電変換装置、およびそれを用いた撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 カラーフィルタ層の剥がれを低減する。【解決手段】 光電変換装置は、光電変換素子を含む第１の領域と、第２の領域とを有し、平面視において、第２の領域のみに配置された第１の遮光膜と、第１の遮光膜と重なるように第１の領域と第２の領域に渡って設けられる第２の遮光膜を有する。また、第１の遮光膜と第２の遮光膜の上に位置するカラーフィルタ層を備え、このカラーフィルタ層は、第１の遮光膜による段差を覆うように設けられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、光電変換装置、およびそれを用いた撮像システムに関する。

光電変換装置において、受光領域と被遮光領域とを備える光電変換装置が知られている。特許文献１では、受光画素領域と、被遮光領域である無効画素領域、およびオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）と、を備えた光電変換装置が開示されている。特許文献１では、受光画素領域と無効画素領域の配線層数と、ＯＢ領域の配線層数との間に生じる段差を小さくするため、配線層を階段状に設ける構成が開示されている。

特開２０１０−２６７６７５号公報

特許文献１のように、段差が小さくなっても、凹凸のある表面の上にカラーフィルタ層を形成する際には、カラーフィルタ層となる材料層を形成した際に、その材料層が局所的に厚くなりうる。材料層の局所的に厚い部分は、次に行われる露光工程において、露光不足となり、出来上がったカラーフィルタ層の剥離を生じさせてしまう可能性がある。

本発明は、カラーフィルタ層の剥離の抑制を目的とする。

本発明にかかる光電変換装置は、光電変換素子を含む第１の領域と、前記第１の領域とは異なる第２の領域とを有する光電変換装置であって、平面視において、前記第２の領域のみに配置されている第１の遮光膜と、平面視において、前記第１の遮光膜と重なるように前記第１の領域および前記第２の領域に配置されている第２の遮光膜と、前記第１の領域と前記第２の領域に渡って設けられ、前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜の上に位置する複数色のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層と、を備え、前記カラーフィルタ層は、前記第１の遮光膜による段差を覆うように、平面視において前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜が重なる領域から、前記第２の遮光膜が設けられている領域であって前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜が重ならない領域まで延在する第１の色のカラーフィルタを有し、前記第１の色のカラーフィルタは、前記第１の領域であって前記第２の遮光膜の上部である第１の位置における第１の厚みｄ１と、前記第２の領域であって前記第２の遮光膜の上部である第２の位置における第２の厚みｄ２と、前記第１の位置と前記第２の位置の間の第３の位置における第３の厚みｄ３を有し、前記第１の厚みｄ１と前記第２の厚みｄ２と前記第３の厚みｄ３は、ｄ３＞ｄ１、且つｄ３＞ｄ２の関係を満たすことを特徴とする光電変換装置。

本発明によって、カラーフィルタ層の剥離の抑制が可能となる。

本発明に係る光電変換装置を説明するための図である。 第１の実施形態に係る光電変換装置を説明するための断面模式図と平面模式図である。 第１の実施形態に係る光電変換装置を説明するための平面模式図である。 第２の実施形態に係る光電変換装置を説明するための断面模式図である。 第３の実施形態に係る光電変換装置を説明するための平面模式図である。 第４の実施形態に係る光電変換装置を説明するための平面模式図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１を用いて説明する。なお、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。

図１に、光電変換装置１の平面レイアウト図を示す。図１に示す光電変換装置１は、受光画素領域１０と、被遮光画素領域２０と、周辺回路領域３０を含む。被遮光画素領域２０は、受光画素領域１０の外側に設けられた領域である。受光画素領域１０および被遮光画素領域２０には、複数の画素が２次元アレイ状に配列されている。周辺回路領域３０は、受光画素領域１０の動作の制御や受光画素領域１０から読み出された信号の処理を行う領域であり、例えば、増幅回路、水平走査回路、および垂直走査回路を含む。被遮光画素領域２０と周辺回路領域３０は、半導体基板の表面に対して垂直な方向から見た場合に、遮光膜によって覆われている。一方、受光画素領域１０は、半導体基板の表面に対して垂直な方向から見た場合（平面視した場合）に、遮光膜が設けられていないか、画素毎に開口されている遮光膜が設けられており、光が半導体領域に到達する。被遮光画素領域２０に配された画素の少なくとも一部はオプティカルブラック画素（ＯＢ画素）であり、ＯＢ画素にて得られた信号はノイズ信号として利用される。

図２（ａ）は、図１に示した平面レイアウト図におけるＡ−Ａ´部分の断面を示す図である。図２（ａ）に示すように、受光画素領域１０と被遮光画素領域２０には、行方向および列方向に並んだ複数の光電変換素子１１２が、半導体基板（以下、単に基板ともいう）１１３に設けられている。複数の光電変換素子１１２は、半導体基板１１３の表面に沿って配列している。図面の簡単化のため、半導体基板１１３に設けられたＭＯＳトランジスタの図示は省略してある。

なお、本発明の以下の説明において、１つの画素領域とは、受光画素領域１０および被遮光画素領域２０の各々の領域を構成する最小単位を指している。即ち、１つの画素領域とは半導体基板１１３に配された光電変換素子１１２、および他の不図示のゲート電極や電荷検出領域などを含んだ、繰り返し配されている最小単位の構成を指す。

半導体基板１１３の上方には、複数の絶縁膜１１０、第１の配線層１１１、第２の配線層１０９、第３の配線層１０８、および第４の配線層１０７が設けられている。図面の簡単化のため、配線層と半導体基板との間、ゲート電極と配線層との間、および配線層同士の間を接続する金属プラグの図示は省略してある。複数の絶縁膜１１０は、例えばシリコン酸化膜を含む。第１の配線層１１１、第２の配線層１０９、第３の配線層１０８、および第４の配線層１０７は、例えばアルミニウムまたは銅を主成分とする金属、もしくは導電性を有する金属間化合物で形成されている。好ましくは、これらの導電性材料の上下に窒化チタンなどのバリア膜が設けられる。第４の配線層１０７は、下地膜１０６によって覆われ、下地膜１０６の上には、カラーフィルタ層１１４が形成される。下地膜１０６は、例えば、有機材料からなり、カラーフィルタ層１１４の密着性を高めるための膜である。下地膜１０６は、第４の配線層１０７の形状を踏襲する上面を有する、コンフォーマルな膜である。カラーフィルタ層１１４は、主に所定の波長の光を透過するように各画素に対して配された所定のカラーフィルタを複数含んで構成される。例えば、カラーフィルタ層１１４は、複数色のカラーフィルタ１０３、１０４、１０５を含み、フォトレジストで形成されている。カラーフィルタ層１１４の上には、平坦化層１０２が設けられている。平坦化層１０２は、例えば、シリコン酸化膜、あるいは樹脂などの有機材料で形成されている。平坦化層１０２の上には、マイクロレンズ層１０１が設けられている。マイクロレンズ層１０１は、複数のマイクロレンズを含んで構成される。本実施形態では、１つの画素に対して１つのマイクロレンズが対応して配置されている。マイクロレンズ層１０１は、例えば、アクリル樹脂やポリスチレン樹脂などの有機材料、あるいはシリコン酸化膜などの無機材料によって形成されている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）と対応した部分の第３の配線層１０８、および第４の配線層１０７を平面視したときの模式図である。本実施形態では、受光画素領域１０に設けられている第３の配線層１０８は、複数の画素に対応した複数の開口を有する。他方、被遮光画素領域２０に設けられている第３の配線層１０８は、開口を有していない。このため、被遮光画素領域２０に設けられている第３の配線層１０８は遮光膜として機能しうる。また、被遮光画素領域２０には、開口のない第４の配線層１０７が設けられており、第４の配線層１０７は遮光膜として機能しうる。すなわち、第４の配線層１０７は第１の遮光膜、第３の配線層１０８の一部は第２の遮光膜を構成し、第１の遮光膜と第２の遮光膜は被遮光画素領域２０に設けられている。また、第２の遮光膜は、第４の配線層１０７の一つ下の配線層である第３の配線層１０８を構成する要素となる。

ここで、図２（ａ）、および図２（ｂ）を用いて、複数の配線層の配置について説明する。まず、受光画素領域１０の上には、第１の配線層１１１、第２の配線層１０９、および第３配線層１０８が配されている。これに対して、被遮光画素領域２０の上には、第１の配線層１１１、第２の配線層１０９、および第３配線層１０８に加え、第４の配線層１０７が配されている。そして、受光画素領域１０の上には、第４の配線層１０７が配されていない。つまり、光電変換装置１には、第４の配線層１０７が設けられている領域５０と、第４の配線層１０７が設けられていない領域６０が存在する。領域５０、および領域６０の境界は、第４の配線層１０７の端部の位置であり、本実施形態では、領域５０、および領域６０の境界に第４の配線層１０７の側面が位置する。ここで、被遮光画素領域２０は領域５０、および領域６０を含み、受光画素領域１０は領域６０を含む。

図２（ａ）、および図２（ｂ）において、第４の配線層１０７は、その厚みｄ４を有し、領域５０と領域６０の境界は、その厚みｄ４分の段差を有する。このような構成において、本実施形態では、カラーフィルタ層１１４の第１の色のカラーフィルタ１１５が、領域５０と領域６０の間の段差を覆うように設けられている。また、平面視において、第１の色のカラーフィルタ１１５は、第２の遮光膜と第１の遮光膜が重なる領域から、第２の遮光膜が設けられている領域であって、第１の遮光膜と第２の遮光膜が重ならない領域まで延在している。第１の色のカラーフィルタ１１５は、領域６０であって第２の遮光膜の上部である任意の位置Ｐ１における厚みｄ１、領域５０であって第１の遮光膜の上部である任意の位置Ｐ２における厚みｄ２を有する。また、第１の色のカラーフィルタ１１５は、位置Ｐ１と位置Ｐ２の間の位置Ｐ３における厚みｄ３を有する。つまり、第１の色のカラーフィルタ１１５は、厚みｄ１を有する部分４１、厚みｄ２を有する部分４２、および厚みｄ３を有する部分４３を有する。ここで、厚みｄ１からｄ３は、ｄ３＞ｄ１、且つｄ３＞ｄ２の関係を満たす。このような第１の色のカラーフィルタ１１５を有することで、段差が存在する表面の上に、複数色のカラーフィルタを形成する場合に、カラーフィルタの剥離を低減することが可能となる。

ここで、カラーフィルタの剥離について、説明する。例えば、第１の色のカラーフィルタ１１５をネガレジストで形成する際には、カラーフィルタとなる感光性の材料層を形成した後、任意のパターンを露光し、現像することで形成される。ここで、材料層は、位置Ｐ１から位置Ｐ３の段差を覆い、位置Ｐ２まで形成されている。この材料層に対して、露光を行うと、材料層のうち部分４３となる部分における露光量が不足する可能性がある。一方、材料層のうち部分４１、４２となる部分は、十分に露光される。このようにして形成された第１の色のカラーフィルタ１１５の部分４１、４２は、下地との間に十分な密着性を有する。よって、部分４３を部分４１、４２で挟むことで、剥離の発生の可能性を低減することが出来る。また、本実施形態のカラーフィルタ層１１４をポジレジストで形成する場合には、位置Ｐ３にて材料層を除去するようにパターニングした際に、位置Ｐ３にて十分な露光量が得られず材料層が残ってしまう可能性がある。本実施形態のように、部分４３はパターニングせずに部分４１と部分４２まで設けることで、パターニング不良を低減することが出来る。

ここで、各構成の厚みや幅の一例を示す。第４の配線層１０７の厚みｄ４は、０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。ここでは、厚みｄ４は０．７μｍとする。下地膜１０６は、例えば０．１μｍ以上０．３μｍ以下程度の厚みである。第１の色のカラーフィルタ１１５の幅は２０μｍ以上４０μｍであり、厚みｄ１は０．７μｍ、厚みｄ２は０．６μｍ、および厚みｄ３は０．７μｍ以上１．５μｍ以下となる。ここで、受光画素領域１０のカラーフィルタ層１１４の上面と、領域５０のカラーフィルタ層１１４の上面の差である長さｄ５は、厚みｄ４よりも小さく（ｄ４＞ｄ５）、０．６μｍである。なお、カラーフィルタ層１１４は、十分な分光特性を得るために、受光画素領域１０における部分の厚みｄ１が、被遮光画素領域２０における部分の厚みｄ２と等しいか、それよりも厚いこと（ｄ１≧ｄ２）が望ましい。ここで、本実施形態における厚みとは、基本的には、半導体基板１１３の表面に垂直な方向における部材の長さであり、その部材の上面と下面の距離である。幅とは、半導体基板１１３の表面に平行な方向における部材の長さであり、その部材の上面と下面に沿った長さである。

次に、カラーフィルタ層について、説明する。図３（ａ）は、光電変換装置１に設けられたカラーフィルタ層１１４を示す平面模式図である。図３（ａ）では、領域５０は、光電変換装置の一辺に沿って帯状（長辺と短辺を有する）に配置されている。カラーフィルタ層１１４は、領域５０と領域６０に渡って、形成されている。カラーフィルタ層１１４は、複数色のカラーフィルタを含み、それらは図３（ａ）において規則的なパターンとして配列している。ここで、カラーフィルタ層１１４は、第１の色のカラーフィルタからなる部分４０を有する。この部分４０について図３（ｂ）を用いて説明する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域７０を拡大した平面模式図である。図３（ｂ）のＡ−Ａ’線は、例えば、図１のＡ−Ａ’線に対応する。第１の色のカラーフィルタ１１５からなる部分４０が領域５０と領域６０の間の段差を覆うように配置されている。部分４０が設けられていない箇所には、複数色のカラーフィルタ１０３、１０４、１０５が、例えばベイヤー配列で配置されている。本実施形態では、第１の色のカラーフィルタ１１５は、緑のカラーフィルタ１０３と同じ材料で、同じタイミングで形成される。平面視した時に、部分４３は、その外縁が直線で構成される帯状の形状を有しており、部分４１、４２はその外縁が凹凸のある形状を有している。このような形態であっても、部分４３は部分４１、４２によって挟まれているため、カラーフィルタ層１１４の剥がれを低減することが可能となる。なお、カラーフィルタ層１１４は、光電変換装置１の全面に形成されているように示しているが、この形態に限定されず、一部が除去されていてもよい。

なお、カラーフィルタ層１１４は、図２（ａ）に示すように領域５０の上にも複数の色のカラーフィルタ１０３、１０４、１０５を形成している。このような形態によって、第４の配線層１０７の上面に光が入射した場合にも、その反射を低減することが出来るため、望まぬ光（迷光）を低減することが可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態の光電変換装置を、図４を用いて説明する。本実施形態の構成や製造プロセスにおいて、第１の実施形態と同様な事項については、説明を省略する。

図４は、図２（ａ）と対応した光電変換装置の断面模式図である。本実施形態の光電変換装置は、第１の実施形態に比べて、パッシベーション膜（以下ＰＶ膜ともいう）１１６を有する。ＰＶ膜１１６は、第４の配線層１０７と下地膜１０６の間に設けられている。下地膜１０６は、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、あるいはこれらの積層膜などから構成される。積層膜の一例としては、下層から順に、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜を積層する構成が挙げられる。このＰＶ膜１１６を設けることによって、領域５０と領域６０の境界の段差を、第１の実施形態における段差に比べて低減することが出来るため、部分４０の幅を狭くすることが可能となる。

また、本実施形態の光電変換装置は、第３の配線層１０８が、第４の配線層１０７と重なる部分においても開口を有していないことが異なる。このような構成によって、第１の実施形態に比べて、被遮光画素領域２０への光の混入を低減することが出来る。

（第３の実施形態）
本実施形態では、カラーフィルタ層１１４の別の形態を説明する。本実施形態の構成や製造プロセスにおいて、第１の実施形態、および第２の実施形態と同様な事項については、説明を省略する。

図５（ａ）は、光電変換装置１に設けられたカラーフィルタ層１１４を示す平面模式図である。図５（ａ）は、図３（ａ）と対応する。本実施形態では、領域５０が光電変換装置１の四辺に沿って設けられており、枠状の形状を有している。つまり、第４の配線層が光電変換装置１の四辺に沿って設けられている。ここで、カラーフィルタ層１１４の部分４０は、光電変換装置１の一辺だけでなく四辺に沿って設けられており、枠状の形状を有している。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の領域７０を拡大した平面模式図である。図５（ｂ）において、カラーフィルタ層１１４の厚みｄ３を有する部分４３も光電変換装置の辺に沿って設けられ、枠状の形状を有する。そして、平面したときの角の部分においても、部分４３は部分４１、４２の間に位置する。このように、領域５０の形状に沿うように、カラーフィルタ層１１４の部分４１、４２、４３の形状を設定することが望ましい。例えば、領域５０が枠形状の場合には、部分４１、４２、４３は枠形状を有することが望ましい。このような構成においても、カラーフィルタ層１１４の剥がれを低減することが可能となる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、カラーフィルタ層１１４の別の形態を説明する。本実施形態の構成や製造プロセスにおいて、第１〜第３の実施形態と同様な事項については、説明を省略する。

図６（ａ）は、光電変換装置１に設けられたカラーフィルタ層１１４を示す平面模式図である。図６（ａ）は、図３（ａ）、あるいは図５（ａ）と対応する図面である。本実施形態では、領域５０が光電変換装置１の四辺に沿って設けられており、枠状の形状を有している。つまり、第４の配線層が光電変換装置１の四辺に沿って設けられている。ここで、カラーフィルタ層１１４の部分４０は、領域５０に沿って設けられておらず、領域５０の枠の角部にだけ配置されている。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の領域９０を拡大した平面模式図である。図６（ｂ）において、カラーフィルタ層１１４の厚みｄ３を有する部分４３は、段差が形成する角部において幅が広くなる。具体的には、部分４３は、領域５０の一辺に光電変換装置の辺に沿って設けられており、ここでは幅ｄ６を有する。そして、部分４３は、角部において幅ｄ６よりも大きな幅ｄ７を有する。特に、カラーフィルタ層１１４を形成する際に、平面視した時に、角部に形成されるカラーフィルタ層１１４の材料層は厚みが増す場合が多い。よって、部分平面したときの角の部分においても、部分４３は部分４１、４２の間に位置するような第１の色のカラーフィルタ１１５を形成することが望ましい。このような構成においても、カラーフィルタ層１１４の剥がれを低減することが可能となる。また、本実施形態の構成と第３の実施形態の形状と組み合わせてもよい。その場合には、角部の部分４０の幅を大きくし、部分４１、４２の幅も大きくするとより好ましい。

以上のように、第１〜第４の実施形態のカラーフィルタ層１１４によれば、カラーフィルタ層の剥離が抑制され、良好な光電変換装置を提供することが可能となる。

以下、上記の各実施形態に係る光電変換装置の応用例として、該光電変換装置が組み込まれた撮像システムについて例示的に説明する。撮像システムの概念には、撮影を主目的とするカメラなどの装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る光電変換装置と、該光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

第１〜第４の実施形態においては、段差の原因を第４の配線層１０７としたが、端部を有する絶縁膜であってもよく、段差が生じる部分であれば何でもよい。第１〜第４の実施形態においては、段差を構成する部材の端部が被遮光画素領域２０に位置する場合について説明したが、受光画素領域１０や周辺回路領域３０に位置してもよい。つまり、領域６０（第１の領域）は少なくとも一部の受光画素領域１０を含み、領域５０（第２の領域）はそれ以外の領域を含む。その他、第１〜第４の実施形態は、適宜変更、組み合わせが可能である。

１１３ 半導体基板
１０７ 第４の配線層
１１４ カラーフィルタ層
１１５ 第１のカラーフィルタ
４０、４１、４２、４３ 部分
１０ 受光画素領域
２０ 非遮光画素領域

Claims (11)

1. 光電変換素子を含む第１の領域と、前記第１の領域とは異なる第２の領域とを有する光電変換装置であって、
   平面視において、前記第２の領域のみに配置されている第１の遮光膜と、
   平面視において、前記第１の遮光膜と重なるように前記第１の領域および前記第２の領域に配置されている第２の遮光膜と、
   前記第１の領域と前記第２の領域に渡って設けられ、前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜の上に位置する複数色のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層と、を備え、
   前記カラーフィルタ層は、前記第１の遮光膜による段差を覆うように、平面視において前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜が重なる領域から、前記第２の遮光膜が設けられている領域であって前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜が重ならない領域まで延在する第１の色のカラーフィルタを有し、
   前記第１の色のカラーフィルタは、前記第１の領域であって前記第２の遮光膜の上部である第１の位置における第１の厚みｄ１と、前記第２の領域であって前記第２の遮光膜の上部である第２の位置における第２の厚みｄ２と、前記第１の位置と前記第２の位置の間の第３の位置における第３の厚みｄ３を有し、
   前記第１の厚みｄ１と前記第２の厚みｄ２と前記第３の厚みｄ３は、ｄ３＞ｄ１、且つｄ３＞ｄ２の関係を満たすことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第１の厚みｄ１と前記第２の厚みｄ２は、ｄ１≧ｄ２の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１の遮光膜は、第４の厚みｄ４を有し、
   前記第１の色のカラーフィルタは、前記第３の位置における上面と前記第２の位置における上面との間の長さｄ５を有し、
   前記第４の厚みｄ４と前記長さｄ５は、ｄ４＞ｄ５の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記第１の遮光膜と前記カラーフィルタ層との間に、前記第１の遮光膜の形状を踏襲する上面を有する下地膜が設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 平面視において、前記第１の色のカラーフィルタは、枠形状を有し、前記第１の領域を囲むように配されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第２の遮光膜は、前記第１の遮光膜の下に設けられている配線層を構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜が配置されている領域は、光電変換素子を有するオプティカルブラック画素を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記カラーフィルタ層は、前記第１の色とは別の第２の色のカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記カラーフィルタ層は、樹脂によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記カラーフィルタ層は、感光性の材料層によって形成されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理部と、
    を備えたことを特徴とする撮像システム。

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