JPS605558A - カラ−固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、カラー固体撮像素子に関し、さらに詳述すれ
ば１色フィルターを備えたカラー固体撮像素子の製造方
法に関するものである。

〔発明の背景〕

最近、工業用あるいは家庭用のＶＴＲの普及に伴なって
、小型、軽量で使い易いテレビカメラの需要が高まって
きている。そこで、半導体集積回路（一般にＩＣ又はＬ
ＳＩと称している。）ヲ使用した固体テレビカメラが注
目されている。この固体テレビカメラは、従来の撮仰管
の面板および蓄積電荷を電気信号として取り出す手段が
ＩＯ基板に設けられ、独立した固体撮像素子１こなって
いる。これは電子ビームを使用しないため、安定性がよ
く、消費電力が少なく、取り扱いが簡便であるなどの点
で撮像管より優れており、次代のテレビカメラとして期
待されている。

〔発明の目的〕

本発明は光に基づく雑音が少なく、且解像度の高い鮮明
な色フィルターを具備したカラー固体撮像素子を製造す
る方法を提供する。

〔発明の概要〕

本発明の要点は、少なくとも受光領域とこの領域で発生
するキャリアをＩＬ電気信号してＪ収り出すためのスイ
ッチング素子を有する半導体基板上に少なくともこのス
イッチング素子の出力端領域に対応させて黒色フィルタ
ーに代表される光吸収層を配し、この上部に色フィルタ
ーを設ける工程を有するものである。

〔発明の実施例〕

第１図は１本発明により製造されたカラー固体ｍ像素子
を用いたパッケージの概略構成図である。

所定のピン脚を持ったパッケージ枠３に、垂直走査回路
領域２１．水平走査回路領域２２．そして。

マトリックス状のレイアラ）Ｋ有した受光素子領域２３
を有した半導体２がはめこまれ、さらに。

上記基体上に所定のパターンを有したカラーフィルター
１が形成されてなる。図では、カラーフィルターと半導
体基体とが別個に形成されて、のち組合わされるが妬く
描れているが、実際は半導体基体上に一体化さイ１てカ
ラーフィルターが形成される。このことは後述の説明で
明らかとなろう。

撮像レンズ（図示せず）から入った光線は、カラーフィ
ルター１により色分離され、次いで、マトリックス状に
配置した光ダイオードを含む絵素（画素ともいう）によ
り信号は贅」気信号に変換される０基体に内蔵さｎた水
平（Ｈ）と垂直（Ｖ）の走査回路により、各絵素の信号
が読み出される。

この半導体基体２は、パッケージ３に組込んで収納され
ている。

この固体撮像素子は、被写体、すなわち、空間的に検出
された光情報を１次々と時系列化して電気信号に変換す
るもので、一般に、光電変換機能（受光部とも別称）と
走査機能とを備えた回路構成を設けて形成されている。

具体的ｆこは、これらの機能を満たすために、感光素子
（受光領域とも別称）とスイッチング素子とから成る多
数の小さな領域が絵素に対応させてマ）　ＩＪソックス
状配列されている。

この様に、固体撮像素子は絵素が個々に分離されている
ので、クロックパルスによる読み出し信号が各々どの絵
素に対応しているかを容易に判断できる。そこで、固体
撮像素子では、これら個々の絵素に対応させて色フィル
ターを配置させることが可能となる。

この様な固体撮像素子は前述の様に光電変換機能と走査
機能とを備えていなければならないが。

これを実現させる方式として、ＸＹ（座標）指定撮像方
式と、信号転送撮像方式との２種類の方式に大別される
。普通１図に示すように上部に水平走査回路（Ｈ）、左
隅にインターレーススイッチを備えた垂直走査回路（Ｖ
）が設けられる。前者はＭＯＳ）ランシスターを適宜レ
イアウトさせて形成し、また後者はＣ０Ｄｉこよるレイ
アラ）Ｖ形成させて行なうことが出来る。両方とも同様
の効果および特性を示し差違は現わむず良好な画像が得
られた。勿論、ＭＯＳトランジスターとｏｏＤとを互い
に折衷させて組合せを行なった方式も同様の効果が得ら
れた。

一般に光電変換機能は、上述の様に８ｉ基板内に形成さ
れた光電変換素子のＰＮ接合によって行なうのが普通で
ある。ＭＯＳ）ランジスタラスイッチ素子とし、この一
方の不純物領域を受光領域とした固体撮像素子の例を説
明する。

第２図は１本発明に使用したカラー固体撮像装置の回路
構成の概略図である。この撮像装置は４８４ｘ３８４ｇ
子で全体が構成さイ１ている。中央は垂直スイッチ１１
を含んだ光ダイオード（ＰＤ）１２アレイであり緑（Ｇ
）用素子を市松状に並べ、その間に赤（Ｒ）、青（Ｈ）
用素子を配列し１．２本の垂直信号出力線５ｖ（ａ）　
１３−５ｖ（ｎｎ）１４に接続されている。周辺は水平
および垂直スイッチ（１５，１１）の選択を行う走査回
路であり、上部に水平走査回路１６．左隅は１組のイン
ターレーススイッチを備えた垂直走査回路１７である。

スイッチ１８．１９はフィールド切換えパルスＦ、　、
　Ｆ２により交互に導通ずる。

この装置の動作を次に説明する。上記垂直走査回路１７
は１５．７３ＫＨｚの周期で垂直走査パルスを出力する
。フィールドパルスは６０Ｈｚで切り換わり、パルスＦ
１による第１フイールドでは垂直列選択線（Ｌｖ□、Ｌ
ｖ□）、（ＬＶ３．Ｌｖ４）。

・・・に、パルスＦ２による第２フイールドでは１列ず
れて（ＬＶ２　・Ｌｖａ　）　、（”ｖ４．Ｌｖｓ　）
、−’こ走査パルス順次送り出される。一方、水平走査
回路１６は３８４個の画素数に応じて決まる７、１６Ｍ
Ｈｚの周期で水平走査パルスを出力する。水平垂直２つ
の走査パルス列により、第１フイールドでは（（４８３
，３８４）（４８４，３８４））の順に、第２フイール
ドでは（２，１）、（３゜１））、（（４８２，３８４
）（４８３，３８４））の順に各画素の選択が行われる
０第２フイールドでは最初と最後の列の選択が行なわれ
ないため。

次の第１フイールドの選択の際、この分が加算されて信
号量が不均一になるが最初および最後の列は垂直帰線期
間に収められるので支障ない。

次に、この装置の撮像上基本となる重要な特性を述べて
みる。

（１）線用光ダイオードは赤および青用光ダイオードの
２倍配列されており、輝度信号の主成分となる緑信号を
常時得ることができる。また、光ダイオードは前述のよ
うに互いに入り組んだ市松状に配列されており、ダイオ
ードの集積度が向上する。これらの結果、限られた画素
数で高い解像度が得られる。

（１１）緑、赤および青用信号を異なる２つの出力線よ
り取出すため混色がない、すなわち色分離特性が良い。

（ｉｉｏ　１個の素子で緑、赤、青の３原色信号を同時
をこ取出すことができ、信号処理が簡単となる。

（ｉＶｌ　２列を同時に選択するインターレース走査方
式であり、いずれのフィールドにおいても全光ダイオー
ドの信号が読出されるため、残像が発生しない。

第３図は本例の主要部平面図である。１２４゜１２５．
１２６，１２７は半導体基体に配列された不純物拡散領
域である。この不純物拡散領域の一端に、不純物拡散領
域に発生するキヤＩＪアを外部に導出するためのスイッ
チング素子領域が設けられている。１３１〜１３６はこ
のスイッチング領域に電気的に接続され、且垂直走査回
路に接続されるアルミニウム配線である０このアルミニ
ウム配線が所々幅が広くなっているのは、許し得る範囲
でアルミニウムで半導体基体を覆い、不必要な光が半導
体基体に入射しない様にするに有利なためである。

１４１〜１４６は本発明に係わる黒色フィルターである
。たとえば黒色フィルター１４２は絶縁膜１５０をはさ
んで隣り合うアルミニウム配線１３３および１３４の隣
接間隙部分１３０を跨座し、且前記スイッチング素子領
域の少なくとも出力端の一部および垂直、水平走査回路
部分（図示せず）をおおって設けられている。このアル
ミニウム等の金属配線は一般に図示した如くストライプ
状に形成されている。抵抗を小さくする為には広帯のは
うが望ましいが、一般に受光面積の割合を減少させ、集
積度の低下を招いたり、寄生容量も増加し、かえって画
質を損うので、１〜６μｍ程度が望ましい。

このストライプ状の金属電極は一般に上記スイッチング
素子の出力端領域を覆って形成されている。

第４図は９本発明のカラー固体撮像素子の受光部の概略
断面図、第３図のｘ−ｘ’の部分断面図である。

半導体基板としてＮ型シリコン基板４１を用い。

こ（７）Ｎ研シリコン基板４１内に不純物拡散等によっ
てＰ導電型領域４２がウェル状に形成される。

なお１図ではウェル全体を示していない。そしてこのＰ
導電型領域４２内に第１．第２．第３の受光領域が配列
される０それらは、たとえば黄色用の受光領域、緑色用
の受光領域、シアン用の受光領域に対応する。勿論、赤
色、青色、緑色の三原色用の受光領域としても良い０ 第３図１２４はたとえば黄色用の受光領域で第４図４３
に対応する。また１２５はたとえば緑色用の受光領域で
第４図４４に対応する。受光領域４３および４４の周縁
に、上記受光領域をドレイン領域として共用し、ソース
領域４５との間に多結晶８１ゲート電極４６を備えたＭ
ＯＳトランジスタがスイッチング素子として形成されて
いる０上記受光領域４３．４４およびＰ導電型領域４２
上に酸化膜１０５が形成されている。前述の如く非受光
領域又は上記スイッチング素子の一部面上にＡＪ配線が
形成されており、上記酸化膜１０５およびＡ７１配線は
シラン膜（８ｉ０２）からなる絶縁保護膜１０７によっ
て覆われて構成されてなる。

この様に、受光領域４３のｎ＋拡散層は、光ダイオード
用のｎ＋層として、上記ｎ型基板４１上に形成したＰ型
導電層内に集積化されている。このｎ＋−Ｐ−ｎ構造に
より分光感度が増し、ブルーミングなどの画像不良原因
の発生が解消さイ１でいる。

本発明のカラー固体倣像装置は光吸収層が前記半導体基
体上に次の如く配置される点に特徴がある。

（１）受光領域を含む半導体集積回路が形成された半導
体基体上に光吸収層が配され１．この上部に所望の色フ
ィルターが配される。

（２）光吸収層は少なくとも第１の感光領域と隣り合う
第２の感光領域の間隙を覆うことが肝要である。

更に次の如き構成とすることに実用上火きな利点がある
。前述の光吸収層は光不要部分に光を通さないので、シ
リコン基板内で不必要なフォトキャリアの発生を防止す
る。特に前述のスイッチング素子の出力端領域督こおけ
る不必要なフォトキャリアの発生は雑音として出力に含
まれることとなり、特性への影響が極めて大きい。従っ
て、光吸収層は、第１の感光領域と隣り合う第２の感光
領域の間隙を覆い、且前記スイッチング素子の出力端領
域に対応させて仁の領域上に設けるのが良い。

従って第３図に例示した如く小面積の光吸収層として配
置することで一応の目的を達し得る。

たとえば第５図（１））にＢＩＶとして示した如くスト
ライプ状に光吸収層を設けることも可能である。

しかし、第３図に例示した光吸収層の配列は第５図（ａ
）にＢＪとして示した如き配列である。才た、設計に対
応して種々変形した光吸収層の配置があることはいうま
でもない。

一般に光吸収層としてはゼラチン等の有機材料を用いる
のが一般的である。この場合、光吸収層はたとえば幅３
〜６μｍ、長さは約６〜７ｍｍと極めて細いストライブ
状１こ設けることとなる。この様な光吸収層はゼラチン
の収縮性をこよりストライプが破損しやすい欠点がある
。従って、第５図（ａ）の如く、小面積に分断した形状
に光吸収層を配することによって上記の欠点をなくすこ
とができる０ 実施例 所定の受光領域および所定の回路構成に形成された半導
体集積回路を有する半導体基体を準備する。この受光領
域および半導体集積回路部は通常の半導体装置の製造方
法に従がえば良い。

第４図に示すごとく半導体基体には、Ｓｉ基板４１に設
けられたウェル４２内に、受光素子としての受光領域４
３が形成され、さらに、上記基体および上記受光領域４
３および４４上に酸化膜１０５が形成され、非受光領域
（受光領域４３および４４以外のＳｉ基板に該当する）
上に厚さ１μ１幅３μ他のＡＥ配線との間隔が４μ程度
の形状を持った２本のＡＪＩ配線層４３３および４３４
が形成され、上記酸化膜１０５およびＡｊｌ配線層４３
３および４３４上にパッシベーション膜トシてのシラン
膜（Ｓｉｎ２）からなる絶縁保護膜１０７が形成されて
なる。

この半導体基体上に、ゼラチンを回転塗布法で塗布する
。ここで硬化剤としては重クロム酸アンモニウム（ＮＨ
４０ｒ２０７、一般にＡＤＯと略称）の５％、４０℃の
温水溶液が用いらイする。このゼラチン塗布層の厚さは
約１μとする。次に、Ｏｒマスクを使用して紫外線露光
を行ない上記ゼラチン層を重合硬化させ、現像処理する
ことにより染色可能なゼラチンパターン４４２を形成す
る。ゼラチン層は幅は３μｍないし６μｍ程度、長さは
約１３〜１４μｍである。次に、赤色、黄色、および青
色の各染料を混合して得られる黒色染色液を約７０゛Ｃ
に加熱し、この中へ上記素子を浸漬することにより、ゼ
ラチン層を黒色に染色する。上記赤色染料としては、ダ
イアシト１１（商品名）の２係水溶液、上記黄色染料と
しては、カヤノールイエロー（商品名）の０．７％水溶
液、そして。

上記青色染料としては、メチルブルー（商品名）の２係
水溶液を用いる。

本発明では黒色染料を、一般に有彩色の色染料を混合さ
せて形成させたが、赤、黄、青に限らず赤、緑、青でも
よく、また３色に限らず２色の染料の混合であっても、
組合せることにより透過（り率が大幅に低下するような
ものであわばよい。

また、順次各色染料毎に染めていってもよい。なお、ス
ミノール・ミリング・ブラック（商品名）の１％水溶液
などのように固有の黒色染料であってもよいことは云う
までもない。

次いで、上記フィルター４４２および絶縁保護膜１０７
上にポリグリシジメタクリレート（略称ＰＧＭＡ）から
なる混色防止保護膜１１２を形成し、上記受光領域４３
又は４４に対応した領域に所定のパターンで厚さ１μｍ
のゼラチンからなる色フィルターｌＱ９４−形成する。

この色フイルタ−１０９は、ゼラチンζこ感光性を付与
した感光液を回転塗布法などで均一に塗布し、乾燥させ
、感ブＣ膜を形成した後、マスク露光法で所定の受光領
域４３および４４０部分たけ光硬化させ、現像し、該受
光領域部分以外の感光膜を除去する。所定の分光特性を
有する染料で、該受光領域を含む所定部分を染色し、黄
色フィルター１．０９ｉ形成する。その後、透明な混色
防止保護ａ！、！（中間層とも別称）　１１３％被覆す
る。この色フィルターの材料として、上述のゼラチンの
他に、ポリビニールアルコールあるいはグリユーなども
差違なく使用できる。勿論、上記光吸収層の材料として
も、ポリビニールアルコールアルイハグリューなども使
用できることは言うまでもない。

次いで再び混色防止保護層を上記黄色フィルター１０９
の厚さ程度に塗布し、固化後、緑色の受光領域４４に対
応した上記混色防止保護層上に所定のパターンのゼラチ
ンからなるシアン色のカラーフィルター１１０を形成し
１次いで再正、保護層１１４を上記シアン色フィルター
１１０の厚さ程度に塗布し固化させる。必要ならば、上
記保護層１１４上に反射防止膜を形成し受光効率を上昇
せしめることも可能である。

この実施例では、第１色目に黄色、第２色目にシアン色
フィルターを配置せしめたが、この順序は必ずしもこの
実施例に限定されないことはいう才でもない。なお１本
実施例において補色系の３原色としてアの、残るマゼン
ダ色は、上記黄色およびシアン色フィルターを重ね合わ
せて形成さイまた緑色のカラー信号を、電気回路的に反
転させて形成される。色フィルターの数が少なくて済む
のでこの方が経済的に有利である。勿論１本発明は初め
から補色系の黄色、マゼンダ、シアンの３色が揃ったも
のも、あるいは、光の３原色についても全く同様に良好
なカラー固体撮像素子が葡られた０ この様に、黒色フィルターにより、複数のカラーフィル
ターｆＮ光時の回折およびＡｊｌ配線からの反射光の影
響を受けることなく、正確にパターンを形成することが
でき、電気的特性の良好な撮像素子を提供できた。

上述のように写真蝕刻の際の露光は、マスクパターンを
介して行なわれる。一方、所定の色フィルターと基板と
の間には、普通一定の間隔がある。

しかし、この色フィルターと基板の間に黒色フィルター
が形成されであるので、露光時の光は１％に問題の多か
ったこの間隔の間隙を通して回折し。

表 凹凸ある基板居て不規則に反射しても、黒色フィルター
によって吸収されてしまうのでホトマスク背面ホトレジ
スト層の不要な領域までも感光させることかなくなり、
正確なパターン形成が行なえる。この様に、”かぶり現
象”の大きな装置となっていたＡ／配線４３３および４
３４部分、すなわち、ＡＪ配線が最も普通に形成されて
いる色フィルター周辺部分が上記黒色フィルター４４２
によって蓋われて遮蔽されているため１回折し基板面か
ら反射してきてもホトマスクの不要部分を露光すること
がなくなりとくに周縁形状が明瞭な正確なパターンの色
フィルターを形成することかできるようになったもので
ある。

上記黒色フィルターは受光領域以外の垂直走査回路（Ｖ
）および水平走査回路（工（）などに必要に応じて設け
ても良く、光検知部以外の光不畳部分に光を通さないの
で、Ｓｉ基緻内で不必扱な正孔−電子対を発生すること
がなくなる。そのため。

リーク電流の発生が無くなり、良質な画像を提供し、ま
た回路構成素子の動作が劣化するのを防止することがで
きた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のカラー固体撮像素ゴの実装形態を説明
する図、第２図（オカラ−固体撮像素子に用いた回路構
成の概略図、第３図は本カラー固体撮像素子の主要部の
平面図、第４図はその要部断面図、第５図は光吸収層の
平面配置を説明する図である。 １０１・・・８４基板、１０２・・・受光領域、１０５
酸化膜、１０６・・・ＡＩ配線、１０７・・・絶縁保護
膜、１０８・・・光吸収層、１０９・・・色フイルタ−
。 １１２・・・混色防止保護膜、１・・・カラーフィルタ
ー配列、２・・・半導体基板、３・・・パッケージ。 し 範／図 ヘ　（ つｙ 第」頁の続き ０発　明　者　橋本通晰 国分寺市東恋ケ窪−丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　金子忠勇 国分寺市東恋ケ窪−丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　泉章也 茂原市早野３３００番地株式会社日 立製作所茂原工場内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体上に光電変換素子を設ける工程と。 上記光電変換素子上に絶縁層を設ける工程と、上記絶縁
   層上に第１の色フィルタを設ける工程と。 上記第１の色フィルタ上に混色防止膜を介して第２の色
   フィルタを設ける工程とを有することを特徴とするカラ
   ー固体撮像素子の製造方法。