JPH10209416A

JPH10209416A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH10209416A
Application number: JP9010506A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kuroiwa; 淳黒岩
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】黒レベルが正確に規定された固体撮像装置を
提供する。【解決手段】少なくともオプティカルブラック領域８
の全域にわたり黒染色フィルタ層２９ａと、オプティカ
ルブラック領域８および画素領域７の全ての受光部２上
にオンチップマイクロレンズ３０を形成する。【効果】オプティカルブラック領域８の入射光は受光
部２に収束し、転送電極２４への入射は低減する。した
がって、転送電極２４部分での不所望の光電変換が効果
的に防止され、黒レベルが正確に規定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関
し、さらに詳しくは、撮像部の黒レベルを規定するオプ
ティカルブラック領域を有する固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄ
Ｄｅｖｉｃｅ）をはじめとする固体撮像装置は、ビデ
オカメラやカメラ一体型ビデオテープレコーダ等に用い
られるエリアセンサと、ファクシミリやバーコードリー
ダ等に用いられるラインセンサとに大別される。いずれ
も情報化社会における電子の目として必要不可欠のデバ
イスとなっており、忠実な光電変換性能等、高性能化の
要請が強い。

【０００３】従来のインターライン転送方式ＣＣＤ固体
撮像装置の一例を、図４〜図６を参照して説明する。こ
れらのうち、図４は固体撮像装置の概略平面図、図５は
画素領域の受光部の概略断面図、そして図６はオプティ
カルブラック領域の受光部の概略断面図である。

【０００４】図４に示すように、従来のインターライン
転送方式ＣＣＤ固体撮像装置１は、撮像部４、水平転送
レジスタ部５および出力回路６とにより大略構成されて
いる。これらのうち、撮像部４は単一画素を形成する複
数の受光部２が２次元的にマトリクス状に配列されると
ともに、各受光部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジ
スタ部３が配設されている。同じくＣＣＤ構造の水平転
送レジスタ部５は、撮像部４の一側に配設され、その出
力側に出力回路６が接続されている。撮像部４は、入射
光を実際に光電変換する画素領域７と、黒レベルを規定
するためのオプティカルブラック領域８とを有し、この
オプティカルブラック領域８全域上と画素領域７の垂直
転送レジスタ部３上および水平転送レジスタ５上には、
斜線で示すようにＡｌ遮光膜９が形成されている。ま
た、画素領域７内の受光部２上には、破線円で示すオン
チップマイクロレンズ３０が選択的に形成されている。

【０００５】図４の画素領域７のＡ−Ａ概略断面図を図
５に示す。第一導電形、例えばｎ形のシリコン基板１１
上の第二導電形すなわちｐ形のウェル領域１２内には、
ｎ形の不純物拡散領域１３すなわち信号電荷蓄積層と、
垂直転送レジスタ部３を構成するｎ形転送チャネル領域
１４およびｐ形チャネルストップ領域１５が形成されて
いる。またこのｎ形の不純物拡散領域１３の上にはｐ形
の正電荷蓄積領域１６が、ｎ形転送チャネル領域１４の
下には第２のｐ形ウェル領域１７がそれぞれ形成されて
いる。ここで、ｎ形の不純物拡散領域１３およびｐ形の
ウェル領域１２とが形成するｐｎ接合による光電変換素
子により、受光部２が構成される。

【０００６】垂直転送レジスタ部３を構成するｎ形転送
チャネル領域１４、ｐ形チャネルストップ領域１５およ
び読み出しゲート部１８上には、例えばＳｉＯ₂膜２
０、Ｓｉ₃Ｎ₄膜２１およびＳｉＯ₂膜２２の３層積層
構造のゲート絶縁膜２３と、多結晶シリコンからなる転
送電極２４が形成されている。そしてｎ形転送チャネル
領域１４、ゲート絶縁膜２３および転送電極２４によ
り、垂直転送レジスタ部３が構成される。

【０００７】転送電極２４および正電荷蓄積領域１６を
含む全面には、例えばＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌ
ｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）からなる層間絶縁膜２５が形
成され、転送電極２４上にはこの層間絶縁膜２５を介し
てＡｌ遮光膜９が選択的に形成されている。符号９ａは
受光部２から垂直転送レジスタ部３に斜め入射する光を
阻止するＡｌ遮光膜の張り出し部である。

【０００８】Ａｌ遮光膜９を含む全面には、例えばプラ
ズマＣＶＤによるＳｉ₃Ｎ₄からなる保護膜２７、平坦
化膜２８、カラーフィルタ層２９、および受光部２上に
選択的にオンチップマイクロレンズ３０が形成される。
符号２９ａは隣り合うオンチップマイクロレンズ３０間
に選択的に形成された黒染色フィルタ層である。

【０００９】一方オプティカルブラック領域８において
はオンチップマイクロレンズ３０は形成されず、Ａｌ遮
光膜９は垂直転送レジスタ部３および受光部２を含む全
面にわたり形成される。しかしながら、オプティカルブ
ラック領域８に例えば数百ルクスを超える大強度の光が
入射した場合には充分に遮光しきれずに、一部の光が受
光部２や転送電極２４の下に迄透過し、この部分で光電
変換を起こして黒レベルの基準がずれ、画質が低下す
る。

【００１０】そこでオプティカルブラック領域８のＡｌ
遮光膜９の厚さを受光部２のＡｌ遮光膜９の厚さより厚
く形成し、遮光性を高める方法がある。しかしながらこ
の方法では、Ａｌ遮光膜９中の水素拡散により界面準位
を低減させる効果が異なってくる。この結果オプティカ
ルブラック領域８のダークレベルが受光部２のダークレ
ベルより低くなり、両者間のダークレベル差が発生して
画質が低下する別の問題が発生する。さらに、オプティ
カルブラック領域８と画素領域７の境界で、受光部２か
らオンチップマイクロレンズ３０迄の高さが急峻に変わ
るので、いわゆる額縁むらの問題が発生する。

【００１１】このためＡｌ遮光膜９の厚さは一定のまま
とし、オプティカルブラック領域８に黒染色フィルタ層
２９ａを全面に形成する構造が提案された。これを図６
を参照して説明する。図６は図４のオプティカルブラッ
ク領域８のＢ−Ｂ概略断面図である。基本的な構成は画
素領域７のＡ−Ａ概略断面図である図５と同様である。
相違点は、Ａｌ遮光膜９および黒染色フィルタ層２９ａ
が垂直転送レジスタ部３および受光部２を含む全面にわ
たり形成されている点であり、これによりＡｌ遮光膜９
による段差を発生させることなしに遮光性を向上してい
る。特に近年のＣＣＤ固体撮像装置においては、オプテ
ィカルブラック領域８の受光部２には、ｎ形の不純物拡
散領域１３およびｐ型のウェル領域１２とによるｐｎ接
合を形成しない方向であり、この部分での光電変換は発
生しない。しかしながら、図６の構造においても、やは
り入射光の一部は黒染色フィルタ層２９ａおよびＡｌ遮
光膜９を透過し、転送電極２４部分に入射し、ここで光
電変換を起こし電子を発生させる不都合を生じる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した技術
的背景のもとに提案するものであり、オプティカルブラ
ック領域における光電変換を防止し、黒レベルが正確に
規定された固体撮像装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置は
上述の課題を解決するために提案するものであり、複数
の受光部が２次元的に配列された撮像部と、この撮像部
の１部に形成された画素領域と、この撮像部の他の１部
に形成され、撮像部の黒レベルを規定するオプティカル
ブラック領域を有する固体撮像装置において、少なくと
もこのオプティカルブラック領域の略全域に渡り形成さ
れた黒染色フィルタ層と、画素領域およびオプティカル
ブラック領域内の複数の受光部上に選択的に形成された
複数のオンチップマイクロレンズとを具備することを特
徴とする。黒染色フィルタ層の厚さは、１μｍ以上１０
μｍ以下であることが望ましい。

【００１４】従来の固体撮像装置のオプティカルブラッ
ク領域においては形成されることのなかったオンチップ
マイクロレンズを、オプティカルブラック領域の受光部
上にも形成することにより、入射光は受光部に収束し、
転送電極部分には入射されない。したがって、転送電極
部分を含むオプティカルブラック領域における光電変換
は大幅に低減される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的形態例につ
き、添付図面を参照して説明する。実施の形態例１本実施の形態例は、インターライン転送方式のＣＣＤ固
体撮像装置に本発明を適用した例であり、これを図１〜
図３を参照して説明する。これらのうち、図１は固体撮
像装置の概略平面図、図２は画素領域の受光部の概略断
面図、そして図３はオプティカルブラック領域の受光部
の概略断面図である。なお従来例の固体撮像装置の説明
に供した図面における構成要素と同様の構成要素には、
同一の参照符号を付すものとする。

【００１６】図１に示すように、本発明のインターライ
ン転送方式ＣＣＤ固体撮像装置１は、基本的な構成は従
来の固体撮像装置と同様である。すなわち、撮像部４、
水平転送レジスタ部５および出力回路６とにより固体撮
像装置が大略構成されている。これらのうち、撮像部４
は単一画素を構成する複数の受光部２が２次元的にマト
リクス状に配列されるとともに、各受光部列の一側にＣ
ＣＤ構造の垂直転送レジスタ部３が配設されている。同
じくＣＣＤ構造の水平転送レジスタ部５は、撮像部４の
一側に配設され、その出力側に出力回路６が接続されて
いる。撮像部４は、入射光を実際に光電変換する画素領
域７と、黒レベルを規定するためのオプティカルブラッ
ク領域８とを有し、このオプティカルブラック領域８と
垂直転送レジスタ部３には、斜線で示すようにＡｌ遮光
膜９が形成されている。また、画素領域７およびオプテ
ィカルブラック領域８内の全ての受光部２上には、破線
円で示すオンチップマイクロレンズ３０が選択的に形成
されている。

【００１７】図１の画素領域７の受光部２のＡ−Ａ概略
断面図を図２に示す。この部分の構成は従来の固体撮像
装置と変わるところはない。すなわち、第一導電形、例
えばｎ形のシリコン基板１１上の第二導電形すなわちｐ
形のウェル領域１２内には、ｎ形の不純物拡散領域１３
すなわち信号電荷蓄積層と、垂直転送レジスタ部３を構
成するｎ形転送チャネル領域１４およびｐ形チャネルス
トップ領域１５が形成されている。またこのｎ形の不純
物拡散領域１３の上にはｐ形の正電荷蓄積領域１６が、
ｎ形転送チャネル領域１４の下には第２のｐ形ウェル領
域１７がそれぞれ形成されている。ここで、ｎ形の不純
物拡散領域１３およびｐ形のウェル領域１２とが形成す
るｐｎ接合による光電変換素子により、受光部２が構成
される。

【００１８】垂直転送レジスタ部３を構成するｎ形転送
チャネル領域１４、ｐ形チャネルストップ領域１５およ
び読み出しゲート部１８上には、例えばＳｉＯ₂膜２
０、Ｓｉ₃Ｎ₄膜２１およびＳｉＯ₂膜２２の３層積層
構造のゲート絶縁膜２３と、多結晶シリコンからなる転
送電極２４が形成されている。そしてｎ形転送チャネル
領域１４、ゲート絶縁膜２３および転送電極２４によ
り、垂直転送レジスタ部３が構成される。

【００１９】転送電極２４および正電荷蓄積領域１６を
含む全面には、例えばＰＳＧからなる層間絶縁膜２５が
形成され、転送電極２４上にはこの層間絶縁膜２５を介
してＡｌ遮光膜９が選択的に形成されている。符号９ａ
は受光部２から垂直転送レジスタ部３に斜め入射する光
を阻止するＡｌ遮光膜の張り出し部である。Ａｌ遮光膜
９を含む全面には、例えばプラズマＣＶＤによるＳｉ₃
Ｎ₄からなる保護膜２７、ＳｉＯ₂等からなる平坦化膜
２８、カラーフィルタ層２９、および受光部２上に選択
的にオンチップマイクロレンズ３０が形成される。符号
２９ａは隣り合うオンチップマイクロレンズ３０間に選
択的に形成された黒染色フィルタ層である。

【００２０】他方のオプティカルブラック領域８の受光
部２におけるＢ−Ｂ断面図を図３に示す。基本的構成は
画素領域７の受光部２におけるＡ−Ａ断面図と同様であ
るが、相違点としてＡｌ遮光膜９および黒染色フィルタ
層２９ａが垂直転送レジスタ部３および受光部２を含む
全面にわたり形成されている点、および本発明の特徴と
するオンチップマイクロレンズ３０が受光部２に臨んで
形成されている点である。また図３では受光部２にｎ形
の不純物拡散領域１３およびｐ型のウェル領域１２との
ｐｎ接合による光電変換素子が形成されているが、オプ
ティカルブラック領域８においてはあえてこのｐｎ接合
を形成しなくてもよい。かかる構成によれば、オプティ
カルブラック領域８においても入射光が受光部２に収束
し、転送電極２４への入射は抑制される。したがってこ
の部分での光電変換は効果的に防止される。また、オプ
ティカルブラック領域８の受光部２にｐｎ接合を形成し
なければ、この部分に収束する入射光による光電変換も
原理的に発生せず、黒レベルがさらに明確に規定され
る。

【００２１】つぎに図１〜図３に示す本発明の固体撮像
装置の製造方法を示す。図２および図３に示す概略断面
図のうち、平坦化膜２８の形成工程までは従来の工程と
同様に形成してよい。つぎにこの平坦化膜２８上に被染
色膜およびフォトレジスト膜を形成する。被染色膜はカ
ゼイン（乳性タンパク）を主体としたもので、１〜１０
μｍの厚さに塗布する。本実施の形態例では一例として
４μｍとした。オプティカルブラック領域８、受光部２
の垂直転送レジスタ部３（のオンチップマイクロレンズ
形成予定領域のエリア）、および水平転送レジスタ部５
以外の領域にレジストパターンが形成されるようにフォ
トレジストを露光・現像し、このレジストパターンをマ
スクとして被染色膜をエッチングする。この後レジスト
パターンを剥離すると、オプティカルブラック領域８の
全域、受光部２の垂直転送レジスタ部３（のオンチップ
マイクロレンズ形成予定領域のエリア）、および水平転
送レジスタ部５に被染色膜のパターンが選択的に形成さ
れる。

【００２２】パターニングされた被染色膜の黒染色は、
クロム含有の含金属染料を使用する。この染色により、
黒染色フィルタ層２９ａがオプティカルブラック領域８
の全域、受光部２の垂直転送レジスタ部３（のオンチッ
プマイクロレンズ形成予定領域のエリア）、および水平
転送レジスタ部５に選択的に形成される（図２および図
３参照）。

【００２３】黒染色フィルタ層２９ａの可視光領域の光
透過率は、被染色膜の膜厚が１μｍで約２５％、１０μ
ｍの場合で約１％に低減することができる。本実施形態
例の４μｍの場合は５％の透過率であった。すなわち、
黒染色フィルタ層２９ａの厚さが１μｍ未満では遮光効
果が充分に現れず、１０μｍ超では遮光効果がほぼ飽和
する一方、黒染色フィルタ層２９ａによる段差が発生し
て、後のカラーフィルタ層２９およびオンチップマイク
ロレンズ３０の工程に不都合となる。したがって、黒染
色フィルタ層２９ａの厚さは１μｍ以上１０μｍ以下が
望ましい。

【００２４】この後、再度被染色膜の塗布およびパター
ニング工程、カラー染色工程を反復して、画素領域７の
受光部２上に選択的にカラーフィルタ層２９を形成す
る。カラーフィルタ層２９の厚さは黒染色フィルタ層２
９ａの厚さと同一とすることが段差の発生を避け、オン
チップマイクロレンズ３０の形成を容易にする観点から
望ましい。

【００２５】この後の工程、すなわちオンチップマイク
ロレンズ３０の形成工程は常法に準じて、すなわち有機
高分子材料のパターニング工程およびそのリフロー工程
により形成することができる。ただし、本実施の形態例
においては画素領域７およびオプティカルブラック領域
８のすべての受光部上にオンチップマイクロレンズ３０
を形成する。本実施の形態例によれば、特段の工程増を
伴うことなく、黒レベルが明確に規定された固体撮像装
置を提供することができる。

【００２６】実施の形態例２本実施の形態例は、前実施の形態例１の変形例である。
図１〜図３に示したインターライン方式ＣＣＤ固体撮像
装置の基本的構造は前実施の形態例１と同様であり、重
複する説明は省略する。本実施の形態例においては、黒
染色フィルタ層２９ａの形成方法として、予め黒色の染
料あるいは顔料を含有したカラーレジストを平坦化膜２
８上に塗布する。このカラーレジスト層をレジストパタ
ーンをマスクとしてエッチングし、オプティカルブラッ
ク領域８の全域、受光部２の垂直転送レジスタ部３（の
オンチップマイクロレンズ形成予定領域のエリア）、お
よび水平転送レジスタ部５に選択的に残し、黒染色フィ
ルタ層２９ａとする。この後のカラーフィルタ層２９、
およびオンチップマイクロレンズ３０の形成工程は前実
施の形態例１に準じてよい。本実施の形態例において
も、黒染色フィルタ層２９ａの厚さは１〜１０μｍが望
ましい。また黒染色フィルタ層２９ａとカラーフィルタ
層２９の厚さは同一とすることが望ましい。本実施の形
態例によれば、実施の形態例１の効果に加え、染色工程
を１工程省略でき、固体撮像装置製造工程のスループッ
ト向上に寄与する。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の固体撮像装置によれば、オプティカルブラック領域に
おける遮光性を高め、この部分での不所望の光電変換を
低減し、黒レベルを正確に規定することができる。した
がって、忠実な光電変換性能を有する高性能な固体撮像
装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置の概略平面図である。

【図２】本発明の固体撮像装置の画素領域の受光部の概
略断面図である。

【図３】本発明の固体撮像装置のオプティカルブラック
領域の受光部の概略断面図である。

【図４】従来の固体撮像装置の概略平面図である。

【図５】従来の固体撮像装置の画素領域の受光部の概略
断面図である。

【図６】従来の固体撮像装置のオプティカルブラック領
域の受光部の概略断面図である。

【符号の説明】

１…固体撮像装置、２…受光部、３…垂直転送レジスタ
部、４…撮像部、５…水平転送レジスタ部、６…出力回
路、７…画素領域、８…オプティカルブラック領域、９
…Ａｌ遮光膜、９ａ…Ａｌ遮光膜の張り出し部１１…シリコン基板、１２…ｐ形ウェル領域、１３…ｎ
形不純物拡散領域、１４…ｎ形転送チャネル領域、１５
…ｐ形チャネルストップ領域、１６…正電荷蓄積領域、
１７…第２のｐ形ウェル領域、１８…読み出しゲート
部、２０，２２…ＳｉＯ₂膜、２１…Ｓｉ₃Ｎ₄膜、２
３…ゲート絶縁膜、２４…転送電極、２５…層間絶縁
膜、２７…保護膜、２８…平坦化膜、２９…カラーフィ
ルタ層、２９ａ…黒染色フィルタ層、３０…オンチップ
マイクロレンズ、３０ａ…オンチップマイクロレンズ形
成後の材料層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の受光部が２次元的に配列された撮
像部と、前記撮像部の１部に形成された画素領域と、前記撮像部の他の１部に形成され、前記撮像部の黒レベ
ルを規定するオプティカルブラック領域を有する固体撮
像装置において、少なくとも前記オプティカルブラック領域の略全域に渡
り形成された黒染色フィルタ層と、前記画素領域および前記オプティカルブラック領域内の
複数の受光部上に選択的に形成された複数のオンチップ
マイクロレンズとを具備することを特徴とする固体撮像
装置。
【請求項２】前記黒染色フィルタ層の厚さは、１μｍ
以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載
の固体撮像装置。