JP2008021699A - 固体撮像装置、その製造方法およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】ライン濃淡特性の良い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１内にマトリクス状に形成された複数の受光部２と、転送電極３と、第１平坦化膜４と、第２平坦化膜８と、マイクロレンズ９と、複数の受光部２のそれぞれの上に配置されたＧのカラーフィルタ５、Ｂのカラーフィルタ６およびＲのカラーフィルタ７とを備え、Ｇのカラーフィルタ５は、Ｇのカラーフィルタ５の略中心部分に透過波長の異なるＢのカラーフィルタ６’又はＲのカラーフィルタ７’を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光部上に形成されたカラーフィルタを有するカラー固体撮像装置、その製造方法およびそのカラー固体撮像装置を有するカメラに関する。

近年、固体撮像装置のチップサイズの小型化や画素数の増大とあいまって、デジタルカメラ、デジタルムービーカメラおよびカメラ付き携帯電話機等の小型化、高性能化が進んでいる。

また、これらの固体撮像装置としてカラーフィルタを備えたカラー固体撮像装置も知られている。従来のカラー固体撮像装置は、例えば、レッド（Ｒ）、ブルー（Ｂ）およびグリーン（Ｇ）の組み合わせからなる原色カラーフィルタ、又はシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）およびグリーン（Ｇ）の組み合わせからなる補色カラーフィルタを、固体撮像素子のマトリクス配列された受光素子の受光面に、一つの受光素子に一色が対応するように所定のパターンで積層した構成を有する。このように、受光素子の受光面に積層されたカラーフィルタは、一般に「オンチップフィルタ」と称されている。

カラー固体撮像装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。このカラー固体撮像装置は、図９に示すように、一つの画素部１１を夫々複数の異なる分光感度の信号電荷を蓄積する複数の区画に面分割した構造を有する。すなわち、一つの画素部１１をＲの分光感度を持つ小画素、Ｇの分光感度を持つ小画素、及びＢの分光感度を持つ小画素に分割し、画素部１１の側方に形成された転送路（図外）により小画素の各々から読み出された信号電荷を転送する構造を有する。このカラー固体撮像装置によれば、異なる分光感度を持つ小画素の間隔を狭めることができるので、偽信号や偽色の発生を抑え、色再現性の優れた画像データを得ることができる。
特開２００４−１７２２７８号公報

ところで、カラー固体撮像装置では、一般的に分光特性の異なるＧｒおよびＧｂのフィルタが設けられたカラーフィルタが用いられるため、ライン濃淡が悪くなるという問題がある。

このとき、特許文献１に記載の固体撮像装置では、さらに、一つの画素部が複数の区画に面分割され、画素部の側方に転送路が形成されているため、相対的に受光面の面積が減少するという問題もある。また、その製造方法が複雑になるという問題もある。また、隣の画素からの混色が起こりやすくなるという問題もある。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、ライン濃淡特性の良い固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内にマトリクス状に形成された複数の受光部と、前記複数の受光部の上に配置されたカラーフィルタ層とを備え、所定の前記受光部の上の前記カラーフィルタ層では、透過波長の異なるカラーフィルタが２次元状に配置されることを特徴とする。つまり、半導体基板と、前記半導体基板にマトリクス状に形成された受光素子と、前記受光素子の上に形成され、３色以上のカラーフィルタから構成されるカラーフィルタ層とを有する固体撮像装置であって、前記カラーフィルタ層において、１つの受光素子上に複数のカラーフィルタが２次元状に配置されていることを特徴とする。

これによって、カラーフィルタは透過波長の異なる部分を有する。よって、Ｇのカラーフィルタの一部にＢのカラーフィルタもしくはＲのカラーフィルタを形成し、これをＧｒおよびＧｂのカラーフィルタとして用いることができるので、ＧｒとＧｂとで分光特性が異なるのを防ぐことができる。その結果、ライン濃淡特性の良いカラー固体撮像装置を実現できる。

また、本発明は、上記固体撮像装置を製造する方法であって、半導体基板内に複数の受光部を形成する受光部形成工程と、前記複数の受光部の上にカラーフィルタを形成し、前記カラーフィルタに孔を開ける孔開け工程と、前記孔に前記孔が開けられたカラーフィルタとは異なる透過波長のカラーフィルタを埋め込む埋め込み工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法とすることもできる。つまり、半導体基板に受光素子をマトリクス状に形成する工程と、前記受光素子の上層に、少なくとも第１〜第３の色のカラーフィルタを順次形成する工程とを含み、前記第１〜第３の色のカラーフィルタを形成する工程の少なくともいずれか一工程において、当該工程で形成するカラーフィルタと同色のカラーフィルタを、当該カラーフィルタとは異なる２色のカラーフィルタのいずれかの中央部に形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法とすることもできる。

これによって、ライン濃淡特性の良いカラー固体撮像装置を製造できる。

また、本発明は、上記固体撮像装置を備えたことを特徴とするカメラとすることもできる。

これによって、ライン濃淡特性の良いカメラを実現できる。

本発明の固体撮像装置によれば、Ｇの光にＢもしくはＲの光を足すので、ＧｒとＧｂの分光特性を同一にすることができる。その結果、ライン濃淡を抑え、画像の質を向上させることができる。また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、このような効果を有する固体撮像装置を製造することができる。また、本発明のカメラによれば、このような効果を有する固体撮像装置を有するので、ライン濃淡を抑え、画像の質を向上させることが可能なカメラを実現できる。

以下、本発明の実施の形態に係るカラー固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。

まず、本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の構成について説明する。ここでは、原色カラーフィルタがグリーン市松模様のベイヤ配列であるカラー固体撮像装置について説明する。

図１は、本実施の形態に係る原色カラーフィルタの色配置の一例を示す平面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る原色カラーフィルタでは、Ｇのカラーフィルタ５のほぼ中央部にＢのカラーフィルタ６’、もしくはＲのカラーフィルタ７’が配置される。

図２（ａ）は本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）であり、図２（ｂ）は同カラー固体撮像装置の断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るカラー固体撮像装置では、半導体基板１内にウエル領域１ａが形成され、そのウエル領域１ａ内に１つのフォトダイオード（受光素子）で形成される受光部２がマトリクス状に複数形成されている。半導体基板１上には、各受光部２の間に位置するように、転送電極３が形成されている。半導体基板１および転送電極３上には、転送電極３により生じた凹部を埋めるように、透光性を有する第１平坦化膜４が形成されている。第１平坦化膜４上には、各受光部２の上方に位置するように、緑色光の波長域に透過波長域を有するＧのカラーフィルタ５、青色光の波長域に透過波長域を有するＢのカラーフィルタ６、６’、および赤色光の波長域に透過波長域を有するＲのカラーフィルタ７、７’がそれぞれ形成されており、そのカラーフィルタ上には、例えば透明アクリル樹脂からなる第２平坦化膜８が形成されている。そして、第２平坦化膜８の上には、各受光部２の上方に位置するようにそれぞれに位置合わせして、入射光を各受光部２に集光させるためのマイクロレンズ９が形成されている。

ここで、各Ｇのカラーフィルタ５では、その略中心部分（Ｇのカラーフィルタ５を通過した光を受光する受光部２の略中心部分の上方）にＢのカラーフィルタ６’もしくはＲのカラーフィルタ７’が配置され、その周辺部分（Ｇのカラーフィルタ５を通過した光を受光する受光部２の周辺部分の上方）にＧのカラーフィルタが配置されており、透過波長の異なるカラーフィルタ、つまり異なる色のカラーフィルタが２次元状に配置されている。

以上のように、本実施の形態のカラー固体撮像装置によれば、各Ｇのカラーフィルタ５は透過波長の異なるＢのカラーフィルタ６’もしくはＲのカラーフィルタ７’が形成された部分を有する。よって、Ｇの光にＢもしくはＲの光を足すので、ＧｒとＧｂとで分光特性が異なるのを防ぐことができる。その結果、ライン濃淡特性の良いカラー固体撮像装置を実現できる。

次に、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）および図８（ａ）は本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）であり、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）および図８（ｂ）は同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。

まず、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、公知の手法により、半導体基板１内に複数の受光部２を形成し、半導体基板１上に転送電極３を形成した後、半導体基板１および転送電極３上にアクリル樹脂をスピンコートにより全面塗布する。その後、アクリル樹脂を加熱乾燥させることにより、第１平坦化膜４を形成する。そして、例えば、緑色に着色されたポジ型フォトレジスト５ａを第１平坦化膜４の表面に均一な厚みになるように塗布する。

次に、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、マスク１５を用いて、ポジ型フォトレジスト５ａに光を照射する。マスク１５において開口部が形成されたパターンが無い部分の直下のポジ型フォトレジスト５ａは、開口部を透過した光によって露光される。一方、マスク１５においてパターンがある部分の直下のポジ型フォトレジスト５ａは、パターンによって光が遮られるため、露光されない。したがって、光照射の後、現像工程を経ると、マスク１５のパターンに相当する箇所にのみポジ型フォトレジスト５ａが残存することになり、第１平坦化膜４の表面にＧのカラーフィルタ５が形成される。このとき、マスク１５には、半導体基板１にマトリクス状に形成された複数の受光部２に対して、行方向に１つおきに、列方向にも１つおきに、各Ｇのカラーフィルタ５が配置されるように、複数の開口部が形成されている。すなわち、受光面上に市松模様の複数のＧのカラーフィルタ５が形成されるように複数の開口部が形成されている。また、マスク１５には、各Ｇのカラーフィルタ５の中央部分に孔が開けられるように、各Ｇのカラーフィルタ５の中央部分を露光するための開口部が複数形成されている。なお、カラーフィルタ５の中央部分の孔の形状は問わない。例えば、孔は円形形状では無く、多角形形状であってもよい。

次に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、Ｇのカラーフィルタ５および第１平坦化膜４の全体を覆うように、青色に着色されたポジ型フォトレジスト６ａをスピンコートにより塗布する。

次に、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、マスク１６を用いて、ポジ型フォトレジスト６ａに光を照射する。マスク１６において開口部が形成されたパターンが無い部分の直下のポジ型フォトレジスト６ａは、開口部を透過した光によって露光される。一方、マスク１６においてパターンがある部分の直下のポジ型フォトレジスト６ａは、パターンによって光が遮られるため、露光されない。したがって、光照射の後、現像工程を経ると、マスク１６のパターンに相当する箇所にのみポジ型フォトレジスト６ａが残存することになり、第１平坦化膜４の表面にＢのカラーフィルタ６、６’が形成される。このとき、マスク１６には、マスク１６の図６（ａ）で示す部分において、Ｇのカラーフィルタ５の上方に位置にするように開口部が形成され、マスク１６の図６（ｂ）で示す部分において、全領域にわたって開口部が形成されている。

次に、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、Ｇのカラーフィルタ５およびＢのカラーフィルタ６、６’の全体を覆うように、赤色に着色されたポジ型フォトレジスト７ａをスピンコートにより塗布する。

次に、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、マスク１７を用いて、ポジ型フォトレジスト７ａに光を照射する。マスク１７において開口部が形成されたパターンが無い部分の直下のポジ型フォトレジスト７ａは、開口部を透過した光によって露光される。一方、マスク１７においてパターンがある部分の直下のポジ型フォトレジスト７ａは、パターンによって光が遮られるため、露光されない。したがって、光照射の後、現像工程を経ると、マスク１７のパターンに相当する箇所にのみポジ型フォトレジスト７ａが残存することになり、第１平坦化膜４の表面にＲのカラーフィルタ７、７’が形成される。このとき、マスク１７には、図８（ａ）で示す部分において、全領域にわたって開口部が形成され、図８（ｂ）で示す部分において、Ｇのカラーフィルタ５の上方に位置にするように開口部が形成されている。

最後に、Ｇのカラーフィルタ５、Ｂのカラーフィルタ６、６’、およびＲのカラーフィルタ７、７’からなるカラーフィルタ層の上に、アクリル樹脂をスピンコートにより塗布し、加熱乾燥させることにより、第２平坦化膜８を形成する。その後、第２平坦化膜８の表面にマイクロレンズ９を形成する。これにより、図２（ａ）、（ｂ）に示したカラー固体撮像装置が完成する。

以上のように、本実施の形態のカラー固体撮像装置の製造方法によれば、ライン濃淡特性の良いカラー固体撮像装置を実現できる。

以上、本発明の固体撮像装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、Ｇ、Ｂ、Ｒの順にカラーフィルタを形成する例を示したが、カラーフィルタを形成する順番はこれに限定されず、任意の順序で良い。また、ポジ型フォトレジストを用いるとしたが、ネガ型フォトレジストを用いてもよい。この場合には、光を透過させる領域と遮る領域とが逆になるように、マスク１５、１６、１７のパターンを変更すれば良い。また、上記実施の形態ではフォトリソグラフィーにてカラーフィルタを形成したが、エッチングによりカラーフィルタを形成してもよい。この場合には、Ｇのカラーフィルタ５にエッチングにより孔を開けて、その孔に他のＢやＲのカラーフィルタを流し込んでＲのカラーフィルタ７’およびＢのカラーフィルタ６’が形成される。

また、上記実施の形態において、カラーフィルタとして、原色フィルタ（赤、緑、青の３色）を用いたが、補色フィルタ（イエロ、シアン、マゼンタ、緑の４色）を用いてもよい。その他、様々なフィルタが有効であるのは言うまでもない。

また、上記実施の形態において、カラー固体撮像装置はＣＣＤイメージセンサにより構成されるとしたが、ＣＭＯＳイメージセンサにより構成されても同様の効果が得られるのは言うまでもない。

また、上記実施の形態において、カラーフィルタとしてベイヤ配列のカラーフィルタを用いた。しかし、隣り合う受光部２の上に透過波長の異なるカラーフィルタが配置され、隣り合う受光部２の上のカラーフィルタが２次元状に連続しない配列のカラーフィルタであればこれに限られない。

また、上記実施の形態に係るカラー固体撮像装置をデジタルスチルカメラ、デジタルムービーカメラに用いてもよい。この場合には、ライン濃淡およびフリッカの少ないカメラを実現することができる。

本発明は、カラー固体撮像装置、その製造方法およびカメラに利用できる。

本発明の実施の形態に係る原色カラーフィルタの色配置の一例を示す平面図である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 （ａ）本実施の形態に係るカラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のａ−ａ’線における断面図）である。（ｂ）同カラー固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図（図１のｂ−ｂ’線における断面図）である。 特許文献１に記載の従来のカラー固体撮像装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
１ａ ウエル領域
２ 受光部
３ 転送電極
４ 第１平坦化膜
５ Ｇのカラーフィルタ
５ａ、６ａ、７ａ ポジ型フォトレジスト
６、６’ Ｂのカラーフィルタ
７、７’ Ｒのカラーフィルタ
８ 第２平坦化膜
９ マイクロレンズ
１１ 画素部
１５、１６、１７ マスク

Claims (7)

1. 半導体基板内にマトリクス状に形成された複数の受光部と、
   前記複数の受光部の上に配置されたカラーフィルタ層とを備え、
   所定の前記受光部の上の前記カラーフィルタ層では、透過波長の異なるカラーフィルタが２次元状に配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記所定の受光部の上のカラーフィルタ層では、第１透過波長のカラーフィルタおよび第２透過波長のカラーフィルタが２次元状に配置され、
   前記所定の受光部の隣に位置する前記受光部の上の前記カラーフィルタ層では、第３透過波長のカラーフィルタが配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記所定の受光部の上のカラーフィルタ層では、前記所定の受光部の略中心部分の上方に前記第１透過波長のカラーフィルタが配置され、前記所定の受光部の略中心部分の周辺部分の上方に前記第２透過波長のカラーフィルタが配置される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１透過波長は、赤色光又は青色光の波長であり、
   前記第２透過波長は、緑色光の波長である
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置を製造する方法であって、
   半導体基板内に複数の受光部を形成する受光部形成工程と、
   前記複数の受光部の上にカラーフィルタを形成し、前記カラーフィルタに孔を開ける孔開け工程と、
   前記孔に前記孔が開けられたカラーフィルタとは異なる透過波長のカラーフィルタを埋め込む埋め込み工程とを含む
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
6. 前記カラーフィルタの形成、前記カラーフィルタの孔開け、および前記カラーフィルタの埋め込みは、フォトリソグラフィーにより行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
   ことを特徴とするカメラ。

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