JP2996958B2 - 半導体光電素子に対して、合焦及びカラーフィルタリングする構造およびその構造の製造方法 - Google Patents
半導体光電素子に対して、合焦及びカラーフィルタリングする構造およびその構造の製造方法Info
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Description
に、CMOS(Complementary MOS:相補的MOS)光
電素子などの半導体光電素子に使用される合焦およびカ
ラーフィルタ構造と、その製造方法に関する。
ピュータ)カメラは、撮影した画像をフィルムを使用せ
ずに直接ディジタル形式に生成し、即座にコンピュータ
処理を可能にするディジタル撮像装置である。通常、デ
ィジタルカメラは、CMOS光検出ダイオードなどの光
電素子のアレイを有する。光電素子アレイは入射光をア
ナログ電気信号に変換し、アナログ電気信号はさらにデ
ィジタルデータに変換される。CMOS光検出ダイオー
ドは、一般的に半導体基板上に形成される。CMOS光
検出ダイオード上には、合焦およびカラーフィルタ構造
が形成されて、入射光を対応の光検出ダイオードに合焦
させるとともに、光検出ダイオードでの検出前に、入射
光の成分をレッド(R)、グリーン(G)、ブルー
(B)の三原色にフィルタリングする。
素子の合焦/カラーフィルタ構造を示す。
半導体基板10上に形成される。まず、パシベーション
層12を半導体基板10上に形成し、次に複数のカラー
フィルタ層14をパシベーション層12上に形成する。
各カラーフィルタ層14は、レッドフィルタ領域(不図
示)、グリーンフィルタ領域(不図示)、およびブルー
フィルタ領域(不図示)から成り、各々の領域はそのカ
ラーフィルタリング特性に応じた、例えばアクリル系の
材料から形成される。これらカラーフィルタ層14を覆
って、平滑層16を堆積する。
層14の形成領域(以下、フィルタ領域と称する)を覆
う部分の平滑層16と、フィルタ領域以外(以下、非フ
ィルタ領域と称する)を覆う部分の平滑層16とでは膜
厚が異なり、その結果、フィルタ領域と非フィルタ領域
の境界で、符号18で示すようなスロープが生じる。ス
ロープ18は、後述するように合焦/カラーフィルタ構
造に生じる欠点の原因となる。
ンズ19のアレイを下層のカラーフィルタ層に対応する
ように平滑層16上に形成して、CMOS光電素子が完
成する。各マイクロレンズ19は、各カラーフィルタ層
14に揃えて形成され、各レンズへの入射光をカラーフ
ィルタを通して半導体基板上10上の対応する光検出ダ
イオード(不図示)へと集束させる。マイクロレンズ1
9、平滑層16、およびカラーフィルタ層14とで、C
MOS光電素子の合焦およびカラーフィルタ構造を構成
する。
点は、マイクロレンズ19の一部がスロープ18上に位
置するため、これらのマイクロレンズ19の光学軸がわ
ずかに傾き、対応の光検出ダイオードから逸れ、焦点が
ずれてしまう。さらに、スロープ18上のマイクロレン
ズ19は、他のマイクロレンズ19よりわずかに低位置
にあるため、撮影した像の焦点が合わず、画像ぼけの原
因となる。また、スロープ18上のマイクロレンズ19
自体が傾いているため、側方からの散乱光がマイクロレ
ンズ19に入射しやすく、不必要な光を受光することに
よって撮影画像の画質が低下する。
子のための改善された、合焦およびカラーフィルタリン
グを行う構造と、その製造方法を提供することにある。
果を達成するために、傾きが生じないように平滑層を平
坦で均一な層として形成し、その上に設けられるマイク
ロレンズを全て傾きのない正位置に形成することができ
る。
およびカラーフィルタリングを行う構造は、半導体基板
上に形成したパシベーション層と、前記パシベーション
層の所定の領域に形成したカラーフィルタ層のアレイ
と、前記パシベーション層上で前記カラーフィルタ層の
アレイの周囲に形成した少なくともひとつのダミーパタ
ーン層と、前記カラーフィルタ層およびダミーパターン
層全体を覆って形成した平滑層と、前記平滑層上に、各
々が下層の各カラーフィルタに揃うように形成したマイ
クロレンズのアレイと、を含む。
成される光電素子に対して、合焦及びカラーフィルタリ
ングを行う構造の製造方法であって、 (1)前記半導体基板上にパシベーション層を形成する
工程と、 (2)前記パシベーション層上の所定のフィルタ領域
に、カラーフィルタ層のアレイを形成する工程と、 (3)前記パシベーション層上で、前記カラーフィルタ
層のアレイ以外の所定の非フィルタ領域に、ダミーパタ
ーン層を形成する工程と、 (4)前記カラーフィルタ層およびダミーパターン層全
体を覆う平滑層を形成する工程と、 (5)前記平滑層上に、各々が下層の各カラーフィルタ
に対応するマイクロレンズのアレイを形成する工程とを
含む方法を提供する。また、本発明の更に別の態様で
は、半導体基板上に形成される光電素子の合焦およびカ
ラーフィルタ構造の製造方法であって、 (1)前記半導体基板上にパシベーション層を形成する
工程と、 (2)前記パシベーション層の所定のフィルタ領域にカ
ラーフィルタ層のアレイを形成する工程と、 (3)前記パシベーション層上で、前記カラーフィルタ
層のアレイ以外の所定の非フィルタ領域に、前記カラー
フィルタ層の厚さとほぼ等しい厚さを有するダミーパタ
ーン層を形成する工程と、 (4)前記カラーフィルタ層およびダミーパターン層全
体を覆って平滑層を形成する工程と、 (5)前記平滑層上に、各々が下層の各カラーフィルタ
に対応して凸型マイクロレンズのアレイを形成する工程
と、を含む方法を提供する。
に説明によってより明確にされるものである。
善された合焦およびカラーフィルタ構造の特徴は、カラ
ーフィルタ層のアレイを形成したフィルタ領域以外の部
分、すなわち非フィルタ領域に、ダミーパターン層を形
成した点にある。非フィルタ領域にダミーパターンを形
成することによって、次の工程で、十分に均一で平坦な
傾斜のない平滑層を形成することが可能になる。さら
に、引き続いて形成されるマイクロレンズをすべて傾き
のない正位置に形成することができる。これによって従
来の合焦/カラーフィルタ構造の欠点、すなわち焦点ず
れや画像ぼけが解決される。
をそれぞれ参照して、本発明の好適な2つの実施形態を
詳細に説明する。
明の第1実施形態に係る半導体素子(たとえばCMOS光電
素子)用の合焦およびカラーフィルタ構造の断面図であ
り、製造プロセスの各工程を示す図である。
半導体基板20上に形成される。半導体基板20にはあ
らかじめセンサ領域が設けられ、光検出ダイオードが形
成されているが、これら光検出ダイオードの構成とその
形成方法は周知であり、本発明の主旨および範囲外であ
るので、ここでの説明は省略する。半導体基板20上
に、好ましくは酸化ケイ素または窒化ケイ素でパシベー
ション層(半導体表面に成長形成される被膜層)22を
形成する。
タ層24のアレイをパシベーション層22上に形成す
る。各カラーフィルタ層24は、互いに隣接して形成さ
れるレッドフィルタ領域24a、グリーンフィルタ領域
24b、およびブルーフィルタ領域24c(以下、必要
に応じて一括してRGB領域と称する)から成る。各フ
ィルタ領域は、それぞれのカラーフィルタリング特性に
応じたアクリル系の材料で形成される。カラーフィルタ
層24のRGBフィルタ領域は、電気分解、染色、着色
などの周知の方法で形成できる。
2上の、カラーフィルタアレイ24以外の部分(非フィ
ルタ領域と称する)に、ダミーパターン層26を形成す
る。ダミーパターン層26の厚さは、カラーフィルタ層
24の厚さとほぼ等しい。本実施形態では、ダミーパタ
ーン層26は、カラーフィルタ層24の囲りに一体形成
された層であり、好ましくは、カラーフィルタ層と同一
の材料、たとえばブルーフィルタ領域24cの形成に用
いられるアクリル系材料で形成する。ダミーパターン層
26の形成方法も、ブルーフィルタ領域24cの形成と
同様に、周知の電気分解、染色、または着色方法で形成
できる。ブルーフィルタ材料を使用することによって、
他の材料に比べダミーパターン層26の分光を最小限に
押さえることができる。
タ層24およびダミーパターン層26上に、ウエファ表
面全体を覆うように平滑層28をたとえばアクリル系材
料で形成する。図2Cから明らかなように、ダミーパタ
ーン層26を設けることによって、従来技術とは異な
り、傾斜のない均一で平坦な平滑層28を形成すること
ができる。
上にマイクロレンズ29のアレイを形成して、CMOS
光電素子が完成する。各マイクロレンズ29は、下層の
カラーフィルタ層の各々に対応して、対応するカラーフ
ィルタ層の真上に形成される。各マイクロレンズ29は
凸レンズであり、各レンズへの入射光を半導体基板20
上の対応する光検出ダイオード(不図示)に合焦させ
る。マイクロレンズ29は、たとえば周知のフォトリソ
グラフおよび硬化プロセスで形成できる。このCMOS
光電素子において、マイクロレンズ29、カラーフィル
タ層24、平滑層28、およびダミーパターン層26と
で、CMOS光電素子の、合焦およびカラーフィルタリ
ングを行う構造を構成する。
の第2実施形態に係る半導体素子(たとえばCMOS光電素
子)用の、合焦およびカラーフィルタリングを行う構造
の断面図であり、製造プロセスの各工程を示す図であ
る。
半導体基板30上に形成される。第1実施形態と同様
に、半導体基板30にはあらかじめセンサ領域が設けら
れ、周知の方法で周知の光検出ダイオードが形成されて
いる。半導体基板30上に、好ましくは酸化ケイ素また
は窒化ケイ素でパシベーション層32を形成する。
タ層34のアレイをパシベーション層32上に形成す
る。各カラーフィルタ層34は、互いに隣接して形成さ
れるレッドフィルタ領域34a、グリーンフィルタ領域
34b、およびブルーフィルタ領域34c(以下、必要
に応じて一括してRGB領域と称する)から成る。各フ
ィルタ領域は、それぞれのカラーフィルタリング特性に
応じたアクリル系の材料で形成される。カラーフィルタ
層34のRGBフィルタ領域は、電気分解、染色、着色
などの周知の方法で形成できる。
タアレイ34以外の非フィルタ領域に、カラーフィルタ
層34とほぼ等しい膜厚のダミーパターン層36を形成
するが、本実施形態では第1実施形態と異なり、ダミー
パターン層36を、複数のブロックに分けて形成する。
ダミーパターン層36の各ブロックの幅および高さは、
カラーフィルタ層34の幅および高さとほぼ等しい。こ
れらのブロックは、好ましくは、カラーフィルタ層と同
一の材料、たとえばブルーフィルタ領域34cの形成に
用いられるアクリル系材料で形成する。ダミーパターン
層36の形成方法も、ブルーフィルタ領域34cの形成
と同様に、周知の電気分解、染色、または着色方法で形
成できる。ブルーフィルタ材料を使用することによっ
て、他の材料に比べダミーパターン層36の分光を最小
限に押さえることができる。
タ層34およびダミーパターン層36上に、ウエファ表
面全体を覆うように平滑層38をたとえばアクリル系材
料で形成する。図3Cから明らかなように、ダミーパタ
ーン層36を設けることによって、傾斜のない均一で平
坦な平滑層38を形成することができる。
上にマイクロレンズ39のアレイを形成して、CMOS
光電素子を完成する。各マイクロレンズ39は、下層の
カラーフィルタ層の各々に対応して、対応するカラーフ
ィルタ層の真上に形成される。各マイクロレンズ39は
凸レンズであり、各レンズへの入射光を半導体基板30
上の対応する光検出ダイオード(不図示)に合焦させ
る。マイクロレンズ39は、たとえば周知のフォトリソ
グラフおよび硬化プロセスで形成できる。このCMOS
光電素子において、マイクロレンズ39、カラーフィル
タ層34、平滑層38、およびダミーパターン層36と
で、CMOS光電素子の合焦およびカラーフィルタ構造
を構成する。
ラーフィルタリングを行う構造は、従来の技術に比べ、
以下の効果を有する。 (1) カラーフィルタ層の周りの非フィルタ領域にダ
ミーパターン層を形成することによって、次工程で形成
する平滑層を、傾斜のない、ほぼ均一の高さの平坦層と
して形成することができる。さらに、引き続いて形成す
るマイクロレンズをすべて傾きのない正位置に形成する
ことができる。 (2) ダミーパターン層をカラーフィルタ層のブルー
フィルタ領域と同一の材料で形成するので、この層での
光の分散を最小限に押さえ、周囲の散乱光による悪影響
を低減し、撮影像の画質を向上することができる。 (3) 本発明は、カラーフィルタ層上にマイクロレン
ズのアレイを必要とするあらゆる種類のCMOS光電素
子に適用することができる。 (4) 以上、本発明を好適な実施形態に基づき説明し
たが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものでは
なく、本発明の主旨と範囲内で多様な変形、変更が可能
であることは言うまでもない。本発明はこれらの変形、
変更も含むものとする。
フィルタ構造の製造方法を説明するための断面図であ
り、図1Aはカラーフィルタ層を覆う平滑層の形成工程
を示し、図1Bは、平滑層上のマイクロレンズの形成工
程を示す図である。
子の合焦およびカラーフィルタ構造の製造方法を説明す
るための断面図である。
子の合焦およびカラーフィルタ構造の製造方法を説明す
るための断面図である。
Claims (33)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成される光電素子に対
して、合焦及びカラーフィルタリングを行う構造の製造
方法であって、(1) 前記半導体基板上にパシベーシ
ョン層を形成する工程と、(2) 前記パシベーション
層上の所定のフィルタ領域に、カラーフィルタ層のアレ
イを形成する工程と、(3) 前記パシベーション層上
で、前記カラーフィルタ層のアレイ以外の所定の非フィ
ルタ領域に、ダミーパターン層を形成する工程と、
(4) 前記カラーフィルタ層およびダミーパターン層
全体を覆う平滑層を形成する工程と、(5) 前記平滑
層上に、各々が下層の各カラーフィルタに対応するマイ
クロレンズのアレイを形成する工程とを含む方法。 - 【請求項2】 前記パシベーション層は酸化ケイ素で形
成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記パシベーション層は窒化ケイ素で形
成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記カラーフィルタ層は、レッド、グリ
ーン、ブルーのフィルタリング特性を有するアクリル樹
脂で形成されることを特徴とする、請求項1に記載の方
法。 - 【請求項5】 前記平滑層は、アクリル系材料で形成さ
れることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記カラーフィルタ層の各々は、前記パ
シベーション層上に形成されるレッドフィルタ領域と、
前記パシベーション層上で、前記レッドフィルタ領域に
隣接して形成されるグリーンフィルタ領域と、前記パシ
ベーション層上で、前記レッドフィルタ領域およびグリ
ーンフィルタ領域に隣接して形成されるブルーフィルタ
領域と、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方
法。 - 【請求項7】 前記ダミーパターン層は、ブルーフィル
タリング特性を有するアクリル系材料から形成され、こ
のアクリル系材料は各カラーフィルタ層のブルーフィル
タ領域の形成にも使用されることを特徴とする、請求項
6に記載の方法。 - 【請求項8】 前記ダミーパターン層は、アクリル系材
料から形成されることを特徴とする、請求項1に記載の
方法。 - 【請求項9】 前記ダミーパターン層は、前記パシベー
ション層上の各カラーフィルタ層とほぼ等しい厚さを有
することを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項10】 前記ダミーパターン層は、複数の個別
ブロックに形成されることを特徴とする、請求項1に記
載の方法。 - 【請求項11】 前記ダミーパターン層の各ブロックの
大きさは、前記各カラーフィルタ層の大きさとほぼ等し
いことを特徴とする、請求項10に記載の方法。 - 【請求項12】 前記マイクロレンズの各々は、凸レン
ズであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項13】 半導体基板上に形成される光電素子の
合焦およびカラーフィルタ構造の製造方法であって、
(1) 前記半導体基板上にパシベーション層を形成す
る工程と、(2) 前記パシベーション層の所定のフィ
ルタ領域にカラーフィルタ層のアレイを形成する工程
と、(3) 前記パシベーション層上で、前記カラーフ
ィルタ層のアレイ以外の所定の非フィルタ領域に、前記
カラーフィルタ層の厚さとほぼ等しい厚さを有するダミ
ーパターン層を形成する工程と、(4) 前記カラーフ
ィルタ層およびダミーパターン層全体を覆って平滑層を
形成する工程と、(5) 前記平滑層上に、各々が下層
の各カラーフィルタに対応して凸型マイクロレンズのア
レイを形成する工程と、を含む方法。 - 【請求項14】 前記パシベーション層は酸化ケイ素で
形成されることを特徴とする、請求項13に記載の方
法。 - 【請求項15】 前記パシベーション層は窒化ケイ素で
形成されることを特徴とする、請求項13に記載の方
法。 - 【請求項16】 前記カラーフィルタ層は、レッド、グ
リーン、ブルーのフィルタリング特性を有するアクリル
樹脂で形成されることを特徴とする、請求項13に記載
の方法。 - 【請求項17】 前記平滑層は、アクリル系材料で形成
されることを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 【請求項18】 前記カラーフィルタ層の各々は、前記
パシベーション層上に形成されるレッドフィルタ領域
と、前記パシベーション層上で、前記レッドフィルタ領
域に隣接して形成されるグリーンフィルタ領域と、前記
パシベーション層上で、前記レッドフィルタ領域および
グリーンフィルタ領域に隣接して形成されるブルーフィ
ルタ領域と、を含むことを特徴とする、請求項13に記
載の方法。 - 【請求項19】 前記ダミーパターン層は、ブルーフィ
ルタリング特性を有するアクリル系材料から形成され、
このアクリル系材料は各カラーフィルタ層のブルーフィ
ルタ領域の形成にも使用されることを特徴とする、請求
項18に記載の方法。 - 【請求項20】 前記ダミーパターン層は、アクリル系
材料から形成されることを特徴とする、請求項13に記
載の方法。 - 【請求項21】 前記ダミーパターン層は、複数の個別
ブロックに形成されることを特徴とする、請求項13に
記載の方法。 - 【請求項22】 前記ダミーパターン層の各ブロックの
大きさは、前記各カラーフィルタ層の大きさとほぼ等し
いことを特徴とする、請求項21に記載の方法。 - 【請求項23】 半導体基板上に形成される光電素子上
で用いるために、合焦及びカラーフィルタリングを行う
構造であって、前記半導体基板上に形成されたパシベー
ション層と、 前記パシベーション層の所定のフィルタ領域に形成され
たカラーフィルタ層のアレイと、 前記パシベーション層上で、前記カラーフィルタ層のア
レイ以外の所定の非フィルタ領域に形成されたダミーパ
ターン層と、 前記カラーフィルタ層およびダミーパターン層全体を覆
って形成される平滑層と、 前記平滑層上に、各々が下層の各カラーフィルタに揃え
て形成されたマイクロレンズのアレイと、を含む構造。 - 【請求項24】 前記パシベーション層は酸化ケイ素で
形成されることを特徴とする、請求項23に記載の構
造。 - 【請求項25】 前記パシベーション層は窒化ケイ素で
形成されることを特徴とする、請求項23に記載の構
造。 - 【請求項26】 前記カラーフィルタ層は、レッド、グ
リーン、ブルーのフィルタリング特性を有するアクリル
樹脂で形成されることを特徴とする、請求項23に記載
の構造。 - 【請求項27】 前記平滑層は、アクリル系材料で形成
されることを特徴とする、請求項23に記載の構造。 - 【請求項28】 前記カラーフィルタ層の各々は、前記
パシベーション層上に形成されるレッドフィルタ領域
と、前記パシベーション層上で、前記レッドフィルタ領
域に隣接して形成されるグリーンフィルタ領域と、前記
パシベーション層上で、前記レッドフィルタ領域および
グリーンフィルタ領域に隣接して形成されるブルーフィ
ルタ領域と、を含むことを特徴とする、請求項23に記
載の構造。 - 【請求項29】 前記ダミーパターン層は、ブルーフィ
ルタリング特性を有するアクリル系材料から形成され、
このアクリル系材料は各カラーフィルタ層のブルーフィ
ルタ領域の形成にも使用されることを特徴とする、請求
項28に記載の構造。 - 【請求項30】 前記ダミーパターン層は、アクリル系
材料から形成されることを特徴とする、請求項23に記
載の構造。 - 【請求項31】 前記ダミーパターン層の厚さは、前記
パシベーション層上の各カラーフィルタ層の厚さとほぼ
等しいことを特徴とする、請求項23に記載の構造。 - 【請求項32】 前記ダミーパターン層は、複数の個別
ブロックに形成されることを特徴とする、請求項23に
記載の方法。 - 【請求項33】 前記ダミーパターン層の各ブロックの
大きさは、前記各カラーフィルタ層の大きさとほぼ等し
いことを特徴とする、請求項32に記載の方法。
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