JP2015002340A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素領域の周辺部における混色や感度の低下を抑制して、画素領域内の感度ムラの低減を実現する。
【解決手段】複数の光電変換素子１１を有する画素領域を備えた固体撮像装置において、複数の光電変換素子１１が形成された半導体基板１０と、半導体基板１０の上方に設けられ、複数の光電変換素子１１における各光電変換素子に対応した複数の被空隙形成層（１２〜１５）と、前記複数の被空隙形成層における各被空隙形成層の間に設けられた空隙１８とを有し、画素領域の周辺部Ｂにおける空隙１８は、画素領域の中央部Ａにおける空隙１８よりも、大きな幅である。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の受光素子を有する画素領域を備えた固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来の固体撮像装置は、当該固体撮像装置に斜め方向から光が入射すると、本来入射されるべき画素の光電変換素子（受光素子）に光が入射せず、迷光となって隣接画素の光電変換素子に入射して光電変換される場合があった。そのため、隣接画素間で光学的なクロストークが生じ、固体撮像装置の撮像特性が悪化する場合があった。この撮像特性の悪化を緩和するために、例えば、下記の特許文献１のように、各受光素子の上方に当該各受光素子に対応して設けられた各カラーフィルタ層の間に、隙間（空隙）を形成する技術がある。

特開２００６−２９５１２５号公報

特許文献１に記載の技術は、上述したように、各カラーフィルタ層間に隙間（空隙）を形成することにより撮像特性の悪化を緩和するものである。しかしながら、広角度からの光が入射するような固体撮像装置においては、特許文献１に記載の構成であっても、有効画素領域の周辺部において混色や感度の低下が生じるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、画素領域内の感度ムラの低減を実現する固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、複数の受光素子を有する画素領域を備えた固体撮像装置であって、前記複数の受光素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、前記複数の受光素子における各受光素子に対応した複数の被空隙形成層と、前記複数の被空隙形成層における各被空隙形成層の間に設けられた空隙と、を有し、前記画素領域の周辺部における前記空隙は、前記画素領域の中央部における前記空隙よりも、大きな幅である。
また、本発明は、上述した固体撮像装置の製造方法を含む。

本発明によれば、画素領域内の感度ムラの低減を実現することが可能となる。

本発明の実施形態を示し、レンズからの入射光を受光する固体撮像装置（固体撮像素子）の様子を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の上面図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置において、ある画素に光が入射した際の光路の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置において、ある画素に光が入射した際の光路の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、被空隙形成層に空隙を形成する際に用いるマスク（レチクル）の一例を示す上面図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、被空隙形成層に空隙を形成する際に用いるマスク（レチクル）の一例を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）を説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明を行う。

図１は、本発明の実施形態を示し、レンズからの入射光を受光する固体撮像装置の様子を示す模式図である。
例えばカメラのレンズ３から入射した光は、固体撮像装置１に照射される。この際、固体撮像装置１における画素領域（ここでは、有効画素領域）の中央部（図１のＡ）には、主光線３Ａを含む光が入射する。また、固体撮像装置１における有効画素領域の中央部に対してその周辺領域に位置する、固体撮像装置１における有効画素領域の周辺部（図１のＢ）には、主光線３Ｂを含む光が入射する。

ここで、レンズ３の射出瞳の径（図１の場合、レンズ３と同等）が大きい若しくは射出瞳と固体撮像装置１との距離が近い場合には、固体撮像装置１における有効画素領域の周辺部（図１のＢ）に、入射角度の大きい光が入射される。例えば、ＡＰＳ−Ｃサイズの固体撮像装置１と、焦点距離１８ｍｍ、Ｆ３．５のレンズ３を使用して撮像を行う場合を考える。この場合、レンズ３を透過した主光線３Ｂは、固体撮像装置１における有効画素領域の周辺部（図１のＢ）に、入射角度３０°以上で入射する。また、固体撮像装置１における有効画素領域の周辺部（図１のＢ）に、レンズ３から入射した光には、図１から明らかなように、主光線３Ｂの入射角度よりも大きい入射角度の光も含まれている。

図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の上面図である。
図２に示すように、固体撮像装置１には、光電変換素子（受光素子）を有する、有効画素領域２が形成されている。例えば、有効画素領域２は、各光電変換素子を有する画素が、例えば２次元行列状に複数配設されて形成されている。この図２には、固体撮像装置１における有効画素領域２の中央部Ａと、固体撮像装置１における有効画素領域２の周辺部Ｂが示されている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図３において、図３（ａ）は、図２に示すＸ−Ｘ'断面のうち、有効画素領域２の中央部Ａの概略断面図であり、図３（ｂ）は、図２に示すＸ−Ｘ'断面のうち、有効画素領域２の周辺部Ｂの概略断面図である。

図３に示す本実施形態に係る固体撮像装置１は、半導体基板１０においてゲート電極８が形成された一方の面（裏面）とは反対側の他方の面（表面）から光電変換素子１１に光が入射する、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置である。

ここで、図３（ａ）を用いて、本実施形態に係る固体撮像装置１の構造を説明する。

半導体基板１０は、Ｎ型若しくはＰ型の導電性を有する半導体、例えばシリコンで形成されている。

光電変換素子１１は、電荷蓄積領域として機能し、各画素に形成され、半導体基板１０とＰＮ接合を形成する、半導体基板１０と反対導電型の半導体領域である。

素子分離９は、各光電変換素子１１間を電気的に分離するためのものであり、例えば、ＬＯＣＯＳ分離やＳＴＩ分離等の絶縁膜分離や、光電変換素子１１と反対導電型の半導体領域によるＰＮ接合分離（拡散分離）を用いることができる。

ゲート電極８は、画素を構成するトランジスタのゲート電極であり、例えばポリシリコンで形成されている。より具体的に、ゲート電極８は、対応して形成された光電変換素子１１で生成された電荷を転送するための転送トランジスタのゲート電極である。

層間絶縁層３０は、ゲート電極８と配線層３１、若しくは、異なる配線層３１同士を電気的に分離するためのものであり、例えばシリコン酸化物で形成されている。

配線層３１は、図３に示す例では、３層の多層配線層として設けられている。この配線層３１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などを主成分とする材料で形成されている。

支持基板３２は、半導体基板１０の光電変換素子１１が形成された一方の面とは反対側の他方の面の側にカラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等を形成するための支持基板である。この支持基板３２は、層間絶縁層３０に接して設けられている。なお、支持基板３２と層間絶縁層３０との間には、接着剤などが設けられていてもよい。

保護層１２は、半導体基板１０における層間絶縁層３０と接する面（一方の面）とは反対側の他方の面に接して設けられている。この保護層１２は、例えばシリコン窒化物で形成されている。なお、この保護層１２と半導体基板１０との間に、例えばシリコン酸化物やシリコン酸窒化物からなる反射防止層を設けることもできる。

第１の平坦化層１３は、保護層１２上に形成され、例えばカラーフィルタ層１４ａ，１４ｂの下地層として機能するものである。この第１の平坦化層１３は、その上面が平坦化処理により平坦化されている。本実施形態においては、この第１の平坦化層１３は、１層の有機絶縁物からなる層で構成されているものとするが、例えば無機絶縁物からなる層や複数の層で構成することも可能である。

第１のカラーフィルタ層１４ａは、第１の平坦化層１３上に形成され、例えば赤色（Ｒ）の色素を含む樹脂で形成されている。
第２のカラーフィルタ層１４ｂは、第１の平坦化層１３上に形成され、例えば緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂で形成されている。
ここで、本実施形態においては、カラーフィルタ層の配列として、例えば、いわゆるベイヤー配列を適用することが可能である。この場合、例えば、図２に示すＸ−Ｘ'断面における画素行と上下に隣接する画素行では、例えば緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂で形成されている第２のカラーフィルタ層１４ｂにおける画素と、例えば青色（Ｂ）の色素を含む樹脂で形成されている第３のカラーフィルタ層（図３では不図示）における画素とが交互に配置される形態を採る。
なお、本例では、第１のカラーフィルタ層１４ａを赤色（Ｒ）のフィルター層、第２のカラーフィルタ層１４ｂを緑色（Ｇ）のフィルター層とする例を示したが、逆であってもよい。即ち、第１のカラーフィルタ層１４ａを緑色（Ｇ）のフィルター層、第２のカラーフィルタ層１４ｂを赤色（Ｒ）のフィルター層としてもよい。

第２の平坦化層１５は、各カラーフィルタ層上に形成され、例えばマイクロレンズ１７の下地層として機能するものである。この第２の平坦化層１５は、その上面がＣＭＰ法などの平坦化処理により平坦化されていてもよい。本実施形態においては、この第２の平坦化層１５は、樹脂で形成されているものとするが、例えばシリコン酸化物などの無機絶縁物で形成することも可能である。各カラーフィルタ層（１４ａ，１４ｂ等）は、例えば異なる厚み（膜厚）で形成されている。このような場合であっても、各カラーフィルタ層の上面に、上面が平坦化された第２の平坦化層１５を設けることによって、各カラーフィルタ層の異なる膜厚により生じる段差を低減（解消）することができる。

空隙１８は、被空隙形成層（本実施形態では、保護層１２、第１の平坦化層１３、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等、及び、第２の平坦化層１５）における、複数の光電変換素子１１のうち少なくとも２つの光電変換素子間の上方領域に、形成される。例えば、空隙１８によって、一体であった被空隙形成層が複数の被空隙形成層に分離される。この空隙１８は、空気が充填、若しくは真空状態となっている。この空隙１８を設けることにより、この空隙１８の界面での光の反射を利用して、光電変換素子１１への集光効率を高めることができる。本実施形態では、図３（ｂ）に示す有効画素領域の周辺部（図１及び図２のＢ）における空隙１８は、図３（ａ）に示す有効画素領域の中央部（図１及び図２のＡ）における空隙１８よりも、大きな幅で形成されている。これは、図１を用いて説明したように、有効画素領域の周辺部Ｂでは、有効画素領域の中央部Ａよりも入射角度の大きな光が入射するため、幅の大きな空隙１８を形成して（換言すれば被空隙形成層の形成幅を小さくして）、入射角度の大きな光が入射した場合でも、空隙１８の界面での反射を行えるようにするためである。

封止層（キャップ層）１６は、空隙１８を封止するための層である。具体的に、図３に示す例では、封止層１６は、空隙１８上及び第２の平坦化層１５上に形成されている。本実施形態においては、封止層１６は、シリコン酸化物で形成されているものとするが、例えばシリコン窒化物や有機絶縁体物などで形成することも可能である。

マイクロレンズ１７は、封止層１６上に、各光電変換素子１１に対応して形成されている。このマイクロレンズ１７は、無機系或いは有機系の透明の材料で形成されている。

固体撮像装置１の有効画素領域２に入射した光は、マイクロレンズ１７によって集光され、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等によって色分離された後、第１の平坦化層１３及び保護層１２を通過して、半導体基板１０に形成された光電変換素子１１に入射する。光電変換素子１１は、入射した光を電荷に変換する光電変換処理を行う。

上述したように、ある光電変換素子１１とその隣接する光電変換素子１１との間には、例えば光を全反射させるための空気層である空隙１８が設けられている。
本実施形態では、図３（ｂ）に示す有効画素領域の周辺部（図１及び図２のＢ）における空隙１８は、図３（ａ）に示す有効画素領域の中央部（図１及び図２のＡ）における空隙１８よりも、大きな幅で形成されている。例えば、１．４３ｕｍの画素サイズの固体撮像装置１において、図３（ｂ）に示す空隙１８の幅は０．４ｕｍ、図３（ａ）に示す空隙１８の幅は０．１ｕｍで形成される。

図４及び図５は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置において、ある画素に光が入射した際の光路の一例を示す模式図である。ここで、図４及び図５は、図３に示す固体撮像装置１の構成のうち、半導体基板１０よりも下層の構成及び素子分離９を省略して図示している。また、図４（ａ）及び図５（ａ）は、図３（ａ）に示す有効画素領域の中央部Ａに設けるべき構成であり、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、図３（ｂ）に示す有効画素領域の周辺部Ｂに設けるべき構成である。

まず、図４の説明を行う。
図４は、入射角度の大きな斜めからの入射光Ｌ１が、固体撮像装置１のある画素（図４に示す例では左から２番目の画素）に入射する場合を示している。
図４（ａ）に示す固体撮像装置１では、当該ある画素の第１のカラーフィルタ層１４ａで色分離された光が、当該第１のカラーフィルタ層１４ａの下を抜けて、当該ある画素の光電変換素子１１ｂではなく、隣の画素の光電変換素子１１ａに入射する。この場合、光電変換素子１１ｂの感度が低下するとともに、光電変換素子１１ａに混色が発生する。
これに対して、図４（ｂ）に示す固体撮像装置１では、空隙１８が大きな幅で形成されているため（換言すれば被空隙形成層の幅が小さく形成されているため）、入射光Ｌ１が、空隙１８の下方で反射して当該ある画素の光電変換素子１１ｂに入射する。この場合、光電変換素子１１ｂの感度の低下や光電変換素子１１ａへの混色が防止できる。
以上のように、入射角度の大きな斜めからの入射光Ｌ１に対しては、図４（ｂ）に示す空隙１８の幅が大きい（広い）方が、感度や混色といった特性において有利に働く。
例えば、１．４３ｕｍの画素サイズの固体撮像装置１において、入射角度が４０°の光が入射すると、空隙１８の幅が０．４ｕｍの場合は、空隙１８の幅が０．１ｕｍの場合と比べて、感度が約１５％高くなる。

次いで、図５の説明を行う。
図５は、入射角度の小さい（略０°）の入射光Ｌ２が、固体撮像装置１のある画素（図５に示す例では左から２番目の画素）に入射する場合を示している。
図５（ａ）に示す固体撮像装置１は、空隙１８が小さな幅で形成されているため（換言すれば被空隙形成層の幅が大きく形成されているため）、入射光Ｌ２の空隙１８での反射を最小限に抑えることができる。この場合、光電変換素子１１ｂの感度が低下を最小限に抑えることができる。
これに対して、図５（ｂ）に示す固体撮像装置１は、空隙１８が大きな幅で形成されているため（換言すれば被空隙形成層の幅が小さく形成されているため）、図５（ａ）に示す固体撮像装置１と比較して、入射光Ｌ２の空隙１８での反射の割合が大きくなる。この場合、光電変換素子１１ｂの感度の低下が顕著になる。
以上のように、入射角度の小さい真上からの入射光Ｌ２に対しては、図５（ａ）に示す空隙１８の幅が小さい（狭い）方が、感度の特性において有利に働く。
例えば、１．４３ｕｍの画素サイズの固体撮像装置１において、真上から光が入射すると、空隙１８の幅が０．１ｕｍの場合は、空隙１８の幅が０．４ｕｍの場合と比べて、感度が約３％高くなる。

図１を用いて説明したように、有効画素領域の周辺部Ｂに入射する光は、多くが入射角度の大きな光となっている。一方、有効画素領域の中央部Ａに入射する光は、多くが入射角度をもたない光（入射角度が略０°）となっている。

図４及び図５を用いて説明したように、入射角度の大きな光に対しては空隙１８の幅が大きい（広い）方が感度特性的に有利であり、一方、入射角度の小さな光に対しては空隙１８の幅が小さい（狭い）方が感度特性的に有利である。

そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１では、有効画素領域の全体において空隙１８を同一の幅にするのではなく、有効画素領域の周辺部Ｂにおける空隙１８の幅を、有効画素領域の中央部Ａにおける空隙１８の幅より大きく（広く）形成している。これにより、有効画素領域の中央部Ａにおける感度を維持しつつ、有効画素領域の周辺部Ｂにおける混色や感度の低下を抑制することができ、有効画素領域内の感度ムラの低減を実現することができる。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の製造方法について説明する。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、被空隙形成層の間に空隙を形成する際に用いるマスク（レチクル）の一例を示す上面図である。この図６に示すマスク４は、各画素の光電変換素子１１に相当する部分が遮光され、空隙１８が形成される部分に相当する格子状の開口部が中央部から周辺部（外周部）に向かうのにしたがって少しずつ広がるように設計されている。即ち、図６に示すマスク４では、有効画素領域の周辺部Ｂに相当する部分４Ｂの開口部の幅は、有効画素領域の中央部Ａに相当する部分４Ａの開口部の幅よりも、大きく（広く）なっている。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す断面図である。ここで、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す固体撮像装置の断面は、図２に示すＸ〜Ｘ'の断面に相当する。また、図７は、図３に示す固体撮像装置１の構成のうち、半導体基板１０よりも下層の構成及び素子分離９を省略して図示している。

まず、図７（ａ）の工程について説明を行う。
まず、周知の製造方法により、例えばシリコンからなる半導体基板１０の一方の面に、各画素に、光電変換素子１１を形成する。
その後、図３に示すように、素子分離９を形成し、半導体基板１０の一方の面側に、ゲート電極８、層間絶縁層３０及び配線層３１を形成した後、支持基板３２を貼り付けて反転させる。
次いで、半導体基板１０における層間絶縁層３０と接する面（一方の面）とは反対側の他方の面上に、例えばシリコン窒化物からなる保護層１２を形成する。この保護層１２は、例えば反射防止層としても機能する。
次いで、保護層１２上に、例えば１層の有機絶縁物からなる第１の平坦化層１３を形成する。なお、第１の平坦化層１３は、その上面が平坦化処理により平坦化されていてもよい。ここで、本実施形態では、第１の平坦化層１３は、１層の有機絶縁物からなる層で構成されているものとするが、例えば無機絶縁物からなる層や複数の層で構成することも可能である。この第１の平坦化層１３は、例えばカラーフィルタ層１４ａ，１４ｂの下地層としても機能する。
次いで、第１の平坦化層１３上であって赤色の画素となる所定の光電変換素子１１の上方に、赤色（Ｒ）の色素を含む樹脂からなる第１のカラーフィルタ層１４ａを形成する。具体的には、第１の平坦化層１３上に第１のカラーフィルタ層１４ａを構成する赤色（Ｒ）の色素を含む樹脂を全面に形成し、露光工程により赤色の画素の形成領域以外の当該樹脂をパターニングして除去し、赤色の画素の形成領域に第１のカラーフィルタ層１４ａを形成する。
次いで、第１の平坦化層１３上であって緑色の画素となる所定の光電変換素子１１の上方に、緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂からなる第２のカラーフィルタ層１４ｂを形成する。具体的には、第１の平坦化層１３上に第２のカラーフィルタ層１４ｂを構成する緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂を全面に形成し、露光工程により緑色の画素の形成領域以外の当該樹脂をパターニングして除去し、緑色の画素の形成領域に第２のカラーフィルタ層１４ｂを形成する。
その後、不図示であるが、第１のカラーフィルタ層１４ａ及び第２のカラーフィルタ層１４ｂと同様の製法により、第１の平坦化層１３上であって青色の画素となる所定の光電変換素子１１の上方に、青色（Ｂ）の色素を含む樹脂からなる第３のカラーフィルタ層を形成する。
次いで、各カラーフィルタ層上に、例えば樹脂からなり、上面が平坦化処理により平坦化された第２の平坦化層１５を形成する。ここで、本実施形態では、第２の平坦化層１５は、樹脂からなる層で構成されているものとするが、例えばシリコン酸化物などの無機絶縁物からなる層で構成することも可能である。
次いで、第２の平坦化層１５上にフォトレジストを塗布した後、図６に示すマスク（レチクル）４を用いて露光・現像を行って、各カラーフィルタ層の境界部分（各画素の境界部分）の上方領域に開口部１９を有するフォトレジストパターン２０を形成する。図６に示すマスク４を用いることにより、フォトレジストパターン２０の開口部１９は、有効画素領域２の中央部Ａよりも有効画素領域２の周辺部Ｂの方が、その幅が大きくなった（広がった）構造となる。詳細には、フォトレジストパターン２０の開口部１９は、図６に示すマスク４を用いた露光・現像により形成されるため、その開口部１９の幅は、有効画素領域２の中央部Ａから有効画素領域２の周辺部Ｂに向かうのにしたがって徐々に大きくなる。

続いて、図７（ｂ）の工程では、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングにより、当該フォトレジストパターン２０で覆われていない部分における、被空隙形成層（第２の平坦化層１５、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等、第１の平坦化層１３及び保護層１２）を除去する。即ち、各カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等の境界部分を除去する。これにより、各カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等の間に空隙１８が形成される。詳細には、空隙１８は、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングにより形成されるため、その空隙１８の幅は、有効画素領域２の中央部Ａから有効画素領域２の周辺部Ｂに向かうのにしたがって徐々に大きくなる。
なお、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングでは、被エッチング層が有機材料の場合には例えばＯ₃（オゾン）系ガスを用いたエッチングを行い、被エッチング層が無機材料の場合には例えばＣＦ系ガスを用いたエッチングを行う。図７に示す例の場合、被空隙形成層には、有機材料の層と無機材料の層とが混在しているため、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングでは、材料が切り替わるごとに、エッチングを途中で切り替えることになる。
また、図７（ｂ）に示す例では、保護層１２までエッチングを行っているが、保護性能向上のため、第１の平坦化層１３までをエッチングにより除去し、保護層１２はエッチングにより除去せずに残す形態であってもよい。即ち、空隙１８の下端が保護層１２の上面に位置してもよい。
その後、フォトレジストパターン２０を除去する。

空隙１８を形成し且つフォトレジストパターン２０を除去した後、続いて、図７（ｃ）の工程では、まず、空隙１８を封止するための封止層（キャップ層）１６を形成する。具体的に、図７（ｃ）に示す例では、封止層１６は、空隙１８上及び第２の平坦化層１５上に形成されている。この際、封止層１６は、空隙１８を埋め込まないように、空隙１８の幅よりも厚く成膜する必要がある。本実施形態においては、封止層１６は、シリコン酸化物で形成されているものとするが、例えばシリコン窒化物や有機絶縁体物などで形成することも可能である。
次いで、封止層１６上に、各光電変換素子１１に対応したマイクロレンズ１７を形成する。このマイクロレンズ１７は、無機系或いは有機系の透明の材料で形成されている。このマイクロレンズ１７は、樹脂をパターニングした後に加熱しリフローで形成してもよいし、マスク形状のレジストパターンを用いて転写エッチングにより形成してもよい。

以上の図７（ａ）〜図７（ｃ）の各工程を経ることにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置が作製される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明を行う。

以下に、本実施形態に係る固体撮像装置１の製造方法について説明する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、被空隙形成層に空隙を形成する際に用いるマスク（レチクル）の一例を示す上面図である。この図８に示すマスク５は、各画素の光電変換素子１１に相当する部分が開口され、空隙１８が形成される部分に相当する格子状の遮光部が中央部から周辺部（外周部）に向かうのにしたがって少しずつ広がるように設計されている。即ち、図８に示すマスク５では、有効画素領域の周辺部Ｂに相当する部分５Ｂの遮光部の幅は、有効画素領域の中央部Ａに相当する部分５Ａの遮光部の幅よりも、大きく（広く）なっている。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す断面図である。ここで、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す固体撮像装置の断面は、図２に示すＸ〜Ｘ'の断面に相当する。また、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示す固体撮像装置は、図３に示す固体撮像装置１の構成のうち、半導体基板１０よりも下層の構成及び素子分離９を含むものであるが、説明を簡単にするため、これらの構成を省略して図示している。

まず、図９（ａ）の工程について説明を行う。
まず、周知の製造方法により、例えばシリコンからなる半導体基板１０の一方の面に、各画素に、光電変換素子１１を形成する。
次いで、半導体基板１０における前記一方の面とは反対側の他方の面上に、例えばシリコン窒化物からなる保護層１２を形成する。この保護層１２は、例えば反射防止層としても機能する。
次いで、保護層１２上に、例えば１層の有機絶縁物からなり、上面が平坦化処理により平坦化された第１の平坦化層１３を形成する。ここで、本実施形態では、第１の平坦化層１３は、１層の有機絶縁物からなる層で構成されているものとするが、例えば無機絶縁物からなる層や複数の層で構成することも可能である。
次いで、第１の平坦化層１３上に、例えばシリコン酸化物からなる分離用層２１ａを形成する。ここで、本実施形態では、分離用層２１ａは、シリコン酸化物からなる層で構成されているものとするが、例えばシリコン窒化物などの無機物からなる層で構成することも可能である。
次いで、分離用層２１ａ上にフォトレジストを塗布した後、図８に示すマスク（レチクル）５を用いて露光・現像を行って、各光電変換素子１１の上方領域に開口部１９を有するフォトレジストパターン２０を形成する（画素の境界部分にフォトレジストパターン２０を形成する）。図８に示すマスク５を用いることにより、フォトレジストパターン２０は、有効画素領域２の中央部Ａよりも有効画素領域２の周辺部Ｂの方が、その幅が大きくなった（広がった）構造となる。詳細には、フォトレジストパターン２０は、図８に示すマスク５を用いた露光・現像により形成されるため、そのフォトレジストパターン２０の幅は、有効画素領域２の中央部Ａから有効画素領域２の周辺部Ｂに向かうのにしたがって徐々に大きくなる。

続いて、図９（ｂ）の工程では、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングにより、当該フォトレジストパターン２０で覆われていない部分における分離用層２１ａを除去する。これにより、各光電変換素子１１の間の上方領域に分離層２１が形成される。本実施形態においては、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングにより分離層２１を形成しているため、分離層２１は、有効画素領域２の中央部Ａよりも有効画素領域２の周辺部Ｂの方が、その幅が大きくなった（広がった）構造となる。詳細には、分離層２１は、フォトレジストパターン２０をマスクとしたドライエッチングにより形成されるため、その分離層２１の幅は、有効画素領域２の中央部Ａから有効画素領域２の周辺部Ｂに向かうのにしたがって徐々に大きくなる。
その後、フォトレジストパターン２０を除去する。

続いて、図９（ｃ）の工程では、まず、第１の平坦化層１３上であって赤色の画素となる所定の光電変換素子１１の上方に、赤色（Ｒ）の色素を含む樹脂からなる第１のカラーフィルタ層１４ａを分離層２１と接するように形成する。具体的には、第１の平坦化層１３上に第１のカラーフィルタ層１４ａを構成する赤色（Ｒ）の色素を含む樹脂を全面に形成し、露光工程により赤色の画素の形成領域以外の当該樹脂をパターニングして除去し、赤色の画素の形成領域に第１のカラーフィルタ層１４ａを形成する。
次いで、第１の平坦化層１３上であって緑色の画素となる所定の光電変換素子（受光素子）１１の上方に、緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂からなる第２のカラーフィルタ層１４ｂを分離層２１と接するように形成する。具体的には、第１の平坦化層１３上に第２のカラーフィルタ層１４ｂを構成する緑色（Ｇ）の色素を含む樹脂を全面に形成し、露光工程により緑色の画素の形成領域以外の当該樹脂をパターニングして除去し、緑色の画素の形成領域に第２のカラーフィルタ層１４ｂを形成する。
その後、不図示であるが、第１のカラーフィルタ層１４ａ及び第２のカラーフィルタ層１４ｂと同様の製法により、第１の平坦化層１３上であって青色の画素となる所定の光電変換素子１１の上方に、青色（Ｂ）の色素を含む樹脂からなる第３のカラーフィルタ層を分離層２１と接するように形成する。
次いで、各カラーフィルタ層上に、例えば有機絶縁体物等からなる封止用層１６ａを形成する。この際、封止用層１６ａには、例えばマスク５を使用して、格子状の溝を形成しておく。即ち、封止用層１６ａは、分離層２１の上面の全部又は一部を露出するように形成されている。

封止用層１６ａを形成した後、続いて、図９（ｄ）の工程では、まず、封止用層１６ａ等をマスクとしたウェットエッチングにより、分離層２１を除去して、各カラーフィルタ層の間に空隙１８を形成する。詳細には、空隙１８は、分離層２１を除去することにより形成されるため、その空隙１８の幅は、有効画素領域２の中央部Ａから有効画素領域２の周辺部Ｂに向かうのにしたがって徐々に大きくなる。
なお、本工程におけるウェットエッチングには、例えばリン酸やフッ酸などが使われる。空隙１８を形成した後、次いで、封止用層１６ａに対して熱をかけて軟化させ、空隙１８の開口領域でオーバーハングさせる（図９（ｃ）及び図９（ｄ）の例では隣接する封止用層１６ａ同士をつなげる）ことにより、空隙１８を封止する封止層（キャップ層）１６を形成する。

続いて、図９（ｅ）の工程では、封止層（キャップ層）１６上に、各光電変換素子１１に対応したマイクロレンズ１７を形成する。このマイクロレンズ１７は、無機系或いは有機系の透明の材料で形成されている。

以上の図９（ａ）〜図９（ｅ）の各工程を経ることにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置が作製される。なお、本実施形態においては、カラーフィルタ層が被空隙形成層に相当する。

なお、図９には、図示していないが、封止層１６上に平坦化層を形成してもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明を行う。
上述した第１及び第２の実施形態に係る固体撮像装置は、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置であったが、本発明においては、この形態に限定されるものではない。例えば、いわゆる表面照射型の固体撮像装置も、本発明に適用可能である。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図１０は、図２に示すＸ−Ｘ'断面の概略断面図である。また、図１０において、図３に示す構成と同様の構成については、同じ符号を付している。

図１０に示す固体撮像装置１では、例えばシリコンからなる半導体基板１０の表面に、光電変換素子１１及び素子分離９が形成されている。そして、半導体基板１０の表面上に、層間絶縁層３０及びゲート電極８が形成されている。また、層間絶縁層３０の内部には、多層（図１０に示す例では３層）の配線層３１が形成されている。そして、層間絶縁層３０上には、被空隙形成層として、保護層１２、第１の平坦化層１３、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等、及び、第２の平坦化層１５が設けられている。また、被空隙形成層における画素の境界部分には、空隙１８が形成されている。そして、第２の平坦化層１５上には、空隙１８を封止するための封止層１６が形成され、当該封止層１６上に、各光電変換素子１１に対応してマイクロレンズ１７が形成されている。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明を行う。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図１１は、図２に示すＸ−Ｘ'断面の概略断面図である。なお、図１１は、図３に示す固体撮像装置１の構成のうち、半導体基板１０よりも下層の構成及び素子分離９を省略して図示している。また、図１１に示す例では、空隙１８を形成する際のエッチングを行った場合であっても、保護層１２及び第１の平坦化層１３における画素の境界部分が除去されない例を示している。

図１１（ａ）に示す固体撮像装置は、空隙１８の上部の先端が尖った形状を有している点が、上述した第１の実施形態等に係る固体撮像装置と異なっている。この空隙１８の上部の先端が尖った形状は、例えば、空隙１８を形成する際のエッチングの条件や、封止層１６の膜厚等を制御することにより、形成することができる。

図１１（ｂ）に示す固体撮像装置は、空隙１８がテーパー状の形状を有している点が、上述した第１の実施形態等に係る固体撮像装置と異なっている。この空隙１８がテーパー状の形状は、例えば、空隙１８を形成する際のエッチングの条件や、フォトレジストパターンの形状を制御することにより、形成することができる。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す固体撮像装置は、どちらも、入射光に対する各画素の実効面積（開口部）を大きくとれるので、より入射光を集光して感度を向上させることが可能となる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明を行う。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図１２は、図２に示すＸ−Ｘ'断面の概略断面図である。なお、図１２は、図３に示す固体撮像装置１の構成のうち、半導体基板１０よりも下層の構成及び素子分離９を省略して図示している。また、図１２に示す例では、空隙１８を形成する際のエッチングを行った場合であっても、保護層１２及び第１の平坦化層１３における画素の境界部分が除去されない例を示している。

本実施形態に係る固体撮像装置は、空隙１８の形成位置が、上述した第１の実施形態等に係る固体撮像装置と異なっている。

具体的に、空隙１８は、画素の境界部分から第１のカラーフィルタ層１４ａまでの距離Ｇ１と、当該画素の境界部分から第２のカラーフィルタ層１４ｂまでの距離Ｇ２とが異なるように形成されている。

光が入射するとき、画素の開口部がスリットとなって回折光が発生する。さらに、カラーフィルタ層の下面で回折した光が隣の画素に入射することで混色が発生する。回折光は、画素の開口部が狭いほど広がりやすい。

また、回折光は、波長による依存性があり、長波長の光ほど広がりやすい性質を持つ。例えば、図１２に示す固体撮像装置において、第１のカラーフィルタ層１４ａが赤色（Ｒ）、第２のカラーフィルタ層１４ｂが緑色だとする。第２のカラーフィルタ層１４ａは、第２のカラーフィルタ層１４ｂに比べて、波長が長いために回折光が広がりやすい。図１２において、上述したように、画素の境界部分から第１のカラーフィルタ層１４ａまでの距離をＧ１とし、画素の境界部分から第２のカラーフィルタ層１４ｂまでの距離をＧ２とする。距離Ｇ1よりも距離Ｇ２が大きくなるような位置に空隙１８を形成することによって、第１のカラーフィルタ層１４ａの開口部の径が第２のカラーフィルタ層１４ｂの開口部の径より大きくなる。第１のカラーフィルタ層１４ａの開口部の径が大きくなることにより、回折光を狭めることができるので、隣接画素への光の漏れ込みを軽減することができる。

本実施形態では、第１のカラーフィルタ層１４ａを赤色（Ｒ）、第２のカラーフィルタ層１４ｂを緑色（Ｇ）としたが、本発明においてはこの形態に限定されるものではない。第１のカラーフィルタ層１４ａと第２のカラーフィルタ層１４ｂの色が異なれば、青色（Ｂ）、マゼンダ色（Ｍ）、黄色（Ｙ）などの他の色であってもよい。

また、本実施形態では、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等や、マイクロレンズ１７を形成した固体撮像装置となっているが、カラーフィルタ層１４ａ，１４ｂ等や、マイクロレンズ１７を形成しない固体撮像装置であっても、光電変換素子を有する固体撮像装置であれば、感度ムラの低減や有効画素領域の周辺部における感度の低下を抑制できるといった効果が得られる。

（その他の実施形態）
上述した本発明の各実施形態に係る固体撮像装置では、平坦化層を形成する例について説明を行ったが、この平坦化層は、必要に応じて、適宜、省略することが可能である。また、上述した本発明の各実施形態に係る固体撮像装置は、表面に光が照射される場合にも適用可能である。

なお、上述した本発明の各実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、各実施形態の構成は、適宜組み合わせ、変更が可能である。

８ ゲート電極、９ 素子分離、１０ 半導体基板、１１ 光電変換素子（受光素子）、１２ 保護層、１３ 第１の平坦化層、１４ａ 第１のカラーフィルタ層、１４ｂ 第２のカラーフィルタ層、１５ 第２の平坦化層、１６ 封止層（キャップ層）、１７ マイクロレンズ、１８ 空隙、３０ 層間絶縁層、３１ 配線層、３２ 支持基板

Claims (6)

1. 複数の受光素子を有する画素領域を備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の受光素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の上方に設けられ、前記複数の受光素子における各受光素子に対応した複数の被空隙形成層と、
   前記複数の被空隙形成層における各被空隙形成層の間に設けられた空隙と、
   を有し、
   前記画素領域の周辺部における前記空隙は、前記画素領域の中央部における前記空隙よりも、大きな幅であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素領域の中央部における前記被空隙形成層は、前記画素領域の周辺部における前記被空隙形成層よりも、大きな幅であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記空隙の幅は、前記画素領域の中央部から前記画素領域の周辺部に向かうのにしたがって徐々に大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記被空隙形成層は、カラーフィルタ層を含む複数の層からなるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記被空隙形成層は、カラーフィルタ層からなるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 複数の受光素子を有する画素領域を備えた固体撮像装置の製造方法であって、
   半導体基板に前記複数の受光素子を形成する工程と、
   前記半導体基板の上方に、前記複数の受光素子における各受光素子に対応して、間に空隙を有する複数の被空隙形成層を形成する工程と、
   を有し、
   前記画素領域の周辺部における前記空隙を、前記画素領域の中央部における前記空隙よりも、大きな幅で形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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