固體攝像元件的製作方法

2023-05-19 00:09:26

專利名稱：固體攝像元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用於數位相機等的固體攝像元件。
背景技術：
MOS傳感器及電荷耦合元件(CCD)等的固體攝像元件裝載於數位相機或移動電 話等中，從對更高鮮豔的攝像功能和更小尺寸的需求的提高出發，人們要求元件進而像素 (單元)的縮小化。圖19是模式表示第1類型的以往MOS傳感器像素部截面的附圖。在Si基板101 表面上形成光電變換區域(光電二極體)102，介由層間絕緣膜103形成布線層104。另外， 在層間絕緣膜103上為了對每個像素入射不同的色的光，形成有濾色器105，並且在濾色器 105上具有片上透鏡106，該片上透鏡106使入射光在上述光電二極體102上進行聚光，由 塑料構成。為了適應上述要求，雖然像素(單元)本身的縮小化是必須的，但是與之相伴， 聚光效率下降。該課題起因於，在單元尺寸變小時，從片上透鏡106入射面到實際上作為受 光部的光電變換區域(光電二極體)102的距離變得比片上透鏡106的焦點距離更長，在單 元尺寸較小的情況下，無法延長該焦點距離，也就是說無法在光電二極體102上進行聚光。為了應對這樣的課題，改進上述第1類型，在能夠由片上透鏡聚光的距離內配置 了下述區域(下面稱為光波導區域)的第2類型的以往技術已為眾所周知，上述區域將用 低折射率區域覆蓋後的高折射率區域形成到光電二極體上面旁邊，具有光波導功能(參見 專利文獻1)。在圖20中模式表示該第2類型的以往技術。該第2類型的以往技術雖然以 圖19所示的第1類型以往技術的結構為原型，但是在濾色器105之下，且光電二極體102 上的層間絕緣膜103內具有由比層間絕緣膜(典型的是SiO2) 103更高的折射率材料(例 如SiN)構成的光波導區域301。由於形成為這樣的結構，因而入射到光波導區域301的光 被限制在光波導區域301內，能夠在光波導區域301內向光電二極體102進行波導。也就 是說，減低因短焦點距離的片上透鏡106導致的聚光損失。另外，還公示出通過對斜向入射 光使片上透鏡縮小而在光波導區域上進行聚光的技術。除了如上專利文獻1的技術之外，作為上述第2類型的以往技術，還提出了各種的 技術(參見專利文獻2 4)。在專利文獻2中，公示出一種在電荷耦合元件上形成光波導區域的技術。在專利文獻3中，公示出一種與將光波導區域形成為2層構造，在每個層中填入高 折射材料的光波導路的形成過程有關的技術。在專利文獻4中，公示出一種通過朝向入射面使光波導區域成為錐形，來提高開 口率並且提高對斜向入射光的聚光效率的技術。先行技術文獻專利文獻1 日本特開2006-261247號公報專利文獻2 日本專利第觀6擬80號公報專利文獻3 日本特開2007-173258號公報
專利文獻4 日本特開2007-194606號公報

發明內容
發明要解決的課題但是，上述第1類型就不用說了，即便使用第2以往技術，對斜向入射光的聚光效 率也較低。其原因之一，可舉出因入射于波導路內的光的角度增加導致的波導路內的聚光 損失或者發生混色這樣的情況。這是由於下面的緣故。也就是說，在將光波導區域的折射 率設為nl，將其周圍媒質的折射率設為n2，並將前往波導區域的入射光和法線方向的角度 設為θ時，全反射條件以θ < C0s-1O^Ail)來賦予。但是，若θ增大則不能滿足上式，產 生波導路內的聚光損失或者混色之類的問題。本發明是鑑於上述課題而做出的，其目的為提供一種固體攝像元件，在斜向入射 時，減低因入射于波導路內的光的角度增加導致的聚光損失及混色增加，在靈敏度提高的 方面具備有效的結構。解決課題的手段為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，具備基板；多個單位像 素，配置於上述基板上；布線層，形成於上述多個單位像素上；光波導區域，形成於上述單 位像素中包含的光電變換區域上，並且穿透上述布線層；以及聚光元件，形成於上述光波導 區域上；上述聚光元件是具有有效折射率分布的折射率分布型微透鏡。採用這樣的結構，在 各像素的光波導區域上通過設置折射率分布型透鏡，就可以抑制向光波導區域入射的光的 角度增加，能夠解決以往的課題。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述聚光元件具有 第一區域，具備使入射光偏轉的功能；第二區域，具備使入射光偏轉及聚光的功能。採用這 樣的結構，可以減低向光波導區域入射的光的傳播損失。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，具備使上述入射光偏 轉的功能的第一區域是向上述聚光元件入射的光的波長以上，且上述光波導區域的開口寬 度以下的寬度的區域。採用這樣的結構，可以抑制向光波導區域的開口入射的光的漏洩，進 一步減低傳播損失。 再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述聚光元件具備有 效折射率分布，該有效折射率分布以和入射光的波長相同程度或者比其更短的線寬所分割 的由同心圓結構的光透過膜上產生。採用這樣的結構，可以按每單位像素輕易地使有效折 射率分布最優化，設計的自由度增大。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述光波導區域由具 有不同的光(波長)吸收特性的多個種類構成。由於形成為這樣的結構，因而使去除在以 往技術中需要的和光波導區域獨立的濾色器層獲得成功，在靈敏度提高的方面是有效的。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，構成上述光波導區域 的高折射率媒質由金屬氧化物形成，在該折射率媒質中，還分散著由和上述金屬氧化物中 包含的金屬不同的材料形成的粒子直徑為5nm IOOnm的粒子。由於形成為這樣的結構， 因而可以實現具有由下述等離子體激元吸收和金屬的等離子體激元吸收或金屬氧化物的 電子遷移吸收而產生的優良的色分離特性的光波導區域，上述等離子體激元吸收是因包含
5小粒子直徑的金屬在內的粒子表面等離子體激元和可見光之間的耦合導致的。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述光波導區域包 括第1種類的光波導區域，包含金、銅、鉻及鐵鉻氧化物中的至少1個來作為上述第1金屬 含有粒子；第2種類的光波導區域，包含鈷鈦氧化物、鎳鈦氧化物及鈷鋅氧化物中的至少1 個來作為上述第1金屬含有粒子；以及第3種類的光波導區域，包含鈷鋁氧化物及鈷鉻氧化 物中的至少1個來作為上述第1金屬含有粒子。由於形成為這樣的結構，因而若分別使用 上述第1種類的分散粒子、上述第2種類的分散粒子及上述第3種類的分散粒子，則分別可 以主要實現紅色區域、綠色區域及藍色區域的透過過濾器。另外，可以通過上述第1、2、3種 類的分散粒子進行混合，且選擇其比例，來實現任意區域的色特性。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述聚光元件在光電 變換區域的每個上具有不同的多種分光功能，在上述聚光元件中分散著包含金屬的第2金 屬含有粒子。由於形成為這樣的結構，因而使去除在以往技術中需要的和光波導區域獨立 的濾色器層獲得成功，在靈敏度提高方面是有效的。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述聚光元件是從折 射率為1.4以上的該固體攝像元件進行受光的可見光使紅外光透過50%以上的媒質，且在 上述媒質中包含粒子直徑為5nm 50nm的上述第2金屬含有粒子。由於形成為這樣的結 構，因而可以實現具有由下述等離子體激元吸收和金屬的等離子體激元吸收或金屬氧化物 的電子遷移吸收而產生的優良的色分離特性的光波導區域，上述等離子體激元吸收是因包 含小粒子直徑的金屬在內的粒子表面等離子體激元和可見光之間的耦合導致的。再者，為了解決上述課題，本發明的固體攝像元件其特徵為，上述聚光元件包括 第1種類的聚光元件，包含金、銅、鉻及鐵鉻氧化物中的至少1個來作為上述第2金屬含有 粒子；第2種類的聚光元件，包含鈷鈦氧化物、鎳鈦氧化物及鈷鋅氧化物中的至少1個來作 為上述第2金屬含有粒子；以及第3種類的聚光元件，包含鈷鋁氧化物及鈷鉻氧化物中的至 少1個來作為上述第2金屬含有粒子。由於形成為這樣的結構，因而若分別使用上述第1 種類的分散粒子、上述第2種類的分散粒子及上述第3種類的分散粒子，則分別可以主要實 現紅色區域、綠色區域及藍色區域的透過過濾器。另外，可以通過上述第1、2、3種類的分散 粒子進行混合，且選擇其比例，來實現任意區域的色特性。發明效果如同上面那樣，根據本發明，可以實現固體攝像元件，在斜向入射時，減低因向光 波導區域入射的光的角度增加導致的聚光損失及混色增加，在靈敏度提高方面具備有效的 結構。


圖1是表示實施方式1所涉及的固體攝像元件結構的附圖。圖2(a)及(b)分別是表示以往和實施方式1所涉及的固體攝像元件聚光狀況的 附圖。圖3是表示以往和實施方式1所涉及的固體攝像元件聚光特性的附圖。圖4(a) (d)是表示實施方式1所涉及的固體攝像元件製造過程的附圖。圖5(a) (f)是表示實施方式1所涉及的固體攝像元件製造過程(繼續部分)的附圖。圖6是表示實施方式2所涉及的固體攝像元件結構的附圖。圖7(a)及(b)是表示實施方式2所涉及的聚光元件結構和折射率分布的附圖。圖8(a) (f)是表示實施方式2所涉及的聚光元件的形成折射率分布的基本結 構的附圖。圖9是表示實施方式2所涉及的聚光元件折射率分布的離散化的附圖。圖10(a) (f)是表示實施方式1、2所涉及的固體攝像元件聚光狀況的附圖。圖11是表示實施方式1、2所涉及的固體攝像元件聚光特性的附圖。圖12是表示實施方式3所涉及的固體攝像元件結構的附圖。圖13是表示實施方式3、4所涉及的固體攝像元件分光特性的附圖。圖14是表示實施方式3、4所涉及的固體攝像元件聚光特性的附圖。圖15(a) (f)是表示實施方式3所涉及的固體攝像元件製造過程的附圖。圖16 (a) (d)是表示實施方式3所涉及的固體攝像元件製造過程(繼續部分) 的附圖。圖17是表示實施方式4所涉及的固體攝像元件結構的附圖。圖18(a) (f)是表示實施方式4所涉及的固體攝像元件製造過程的附圖。圖19是表示以往普通的像素基本結構一例的附圖。圖20是表示以往的光波導路結構例的附圖。
具體實施例方式下面，對於本發明的實施方式，一邊參照附圖一邊進行具體說明。還有，雖然對於 本發明，將使用下面的實施方式及附圖進行說明，但是其目的為示例，本發明並不限定為它 們。例如，聚光元件(折射率分布型微透鏡)雖然是具備有效折射率分布的聚光元件，該有 效折射率分布是以和入射波長相同程度或比其更短的線寬所分割的由同心圓結構的光透 過膜產生的，但也可以是菲涅耳透鏡。(實施方式1)首先，說明本發明第1實施方式(實施方式1)所涉及的固體攝像元件。圖1是本實施方式1所涉及的固體攝像元件(也稱為「單位像素」。)51的截面 圖。構成固體攝像元件51的各像素的口(矩形)尺寸例如是1.75 μ m方形，該固體攝像元 件51由聚光元件(折射率分布型微透鏡)501、濾色器2、層間絕緣膜3、布線層4、光電變換 區域(Si光電二極體)5及Si基板6形成，在各光電變換區域5上的層間絕緣膜3內，形成 穿透布線層4的光波導區域(光波導路)401。這裡，光波導區域401採用作為光透過膜的 SiN(n = 2. 0(n為折射率，下面相同。))來形成，聚光元件501是將作為光透過膜的SiO2Oi =1.45)雕刻成同心圓形狀的結構，周圍的媒質是空氣(n = 1.00)。另外，SW2的膜厚例 如是1. 2 μ m。也就是說，聚光元件501是具備有效折射率分布的折射率分布型微透鏡，該有 效折射率分布是以和入射光的波長相同程度或者比其更短的線寬所分割的由同心圓結構 的光透過膜產生的。這裡，所謂的折射率分布型微透鏡指的是，具有按照距透鏡光軸的距離 進行變化的折射率的微透鏡。圖2(a)及(b)用來分別表示以往技術所涉及的固體攝像元件及本實施方式1所涉及的固體攝像元件的光傳播模擬結果。這裡，表示出入射角度為0度(左圖)和45度 (右圖)的光傳播方向。採用以往技術中的固體攝像元件(圖2(a))，以入射角度45度所 入射的光斜向入射到光波導區域(圖2(a)的右圖)，與之相對，採用本實施方式中的固體攝 像元件(圖幻(b))，以入射角度45度所入射的光大致直行並且入射到光波導區域上(圖 2(b)的右圖)。也就是說，如圖2(a)所示，對於以往的片上透鏡裝載固體攝像元件而言，在 入射角度增加時，向光波導區域入射的光的角度也增加。因此，產生光波導區域內的傳播損 失。針對於此，如圖2(b)所示，採用本發明所涉及的固體攝像元件51，即便在入射角度增加 時，仍可以減低向光波導區域401入射的角度，減低傳播損失。圖3用來表示本實施方式1所涉及的固體攝像元件51的聚光效率。另外，以往結 構的聚光效率也作為比較進行表示。這裡，所謂的聚光效率指的是，將入射到光電變換區域 上的光量除以單位像素內所入射的光量後的值。圖3的橫軸表示入射光的角度θ (度)，縱 軸表示聚光效率。由圖3得知，採用本實施方式1所涉及的固體攝像元件51，在入射角度 0 45度的全部區域上，表示比以往結構更高的聚光效率，在45度入射時和以往結構進行 比較，聚光效率大幅提高為約1.6倍。還有，聚光元件501的焦點距離被設定在光波導區域 內的中心附近。因此，可以盡力抑制向波導路區域入射的光的角度，獲得高的聚光效率。圖4(a) (d)及圖5(a) (f)分別是表示本實施方式1所涉及的光波導區域 401及聚光元件501的製作過程的附圖。還有，在圖5(a) (f)中，只圖示出本實施方式1 所涉及的固體攝像元件501的上層部(從濾色器2往上的層)。首先，利用通常的半導體工藝，在Si基板6上形成光電變換區域5、層間絕緣膜3 及布線層4(在上述圖4中未圖示其詳細情況)。另外，將它們簡稱為半導體集成電路8。接下來，如圖4(a)所示，在各單位像素的光電變換區域5上及光波導區域401形 成區域上，通過幹蝕刻來形成開口 701。隨後，使用CVD裝置，來形成光波導路媒質SiN膜 (圖4 (b))。在把開口 701用光波導路媒質完全填充之後，通過表面研磨將表面層去除，如圖 4(c)那樣光波導區域401完成。隨後，利用通常的半導體工藝，來形成濾色器2(圖4(d))。接著，為了形成聚光元件501，首先使用CVD裝置，在濾色器2上形成SW2膜12， 在其上塗敷抗蝕劑(光透過膜)13(圖5(a))。隨後，通過光曝光14，進行圖案形成(圖 5(b))。SiO2膜和抗蝕劑的厚度分別是1.2μπι和0. 5μπι。在顯影之後，進行蝕刻15，在 像素表面形成同心圓結構(圖5(c))。在去除抗蝕劑之後，填入底部抗反射塗層(Bottom Anti-ReflectiveCoating) (BARC)材料16，進行平坦化(圖5(d))。在塗敷抗蝕劑之後，再 次通過光曝光14，進行圖案形成(圖5(e))。蝕刻之後，通過去掉抗蝕劑和BARC材料，就可 以形成聚光元件501(圖5(f))。還有，在上面本實施方式1所涉及的聚光元件501的製造過程中，因為是同心圓的 線寬為0. 1 μ m左右的微細結構，所以在光刻過程Photolithography)中使用了相位掩模。 因此，能夠高準確度地控制抗蝕劑的圖案形成的寬度(間距)。如上，採用本實施方式的固體攝像元件，由於在各像素的光波導區域上設置折射 率分布型透鏡，因而能抑制向光波導區域入射的光的角度增加，其結果為，減低聚光損失及 混色的增加，實現在靈敏度提高方面具備有效結構的固體攝像元件。(實施方式2)下面，說明本發明第2實施方式(實施方式2)所涉及的固體攝像元件。
圖6是本實施方式2所涉及的固體攝像元件(也稱為「單位像素」。)52的截面圖。 構成固體攝像元件52的各像素的□尺寸例如是1. 75 μ m方形，該固體攝像元件52由聚光 元件(折射率分布型微透鏡)502、濾色器2、層間絕緣膜3、布線層4、光電變換區域(Si光電 二極體)5及Si基板6形成，在各光電變換區域5上的層間絕緣膜3內，形成穿透布線層4 的光波導區域(光波導路)401。這裡，光波導區域401採用作為光透過膜的SiN(n = 2. 0) 來形成，聚光元件502是將作為光透過膜的SiO2 (n= 1.4 雕刻成同心圓形狀的構造，周圍 的媒質是空氣(η = 1.00)。另外，SiO2的膜厚例如是1.2 μ m。也就是說，聚光元件502是 具備有效折射率分布的折射率分布型微透鏡，該有效折射率分布是以和入射光的波長相同 程度或者比其更短的線寬所分割的由同心圓結構的光透過膜產生的。圖7 (a)及(b)分別是本實施方式2所涉及的固體攝像元件52上所形成的聚光元 件502的截面圖和表示折射率分布的附圖。如同從圖7(a)所示的波面判明的那樣，本實施 方式2所涉及的聚光元件502由第一區域50 和第二區域502b形成(圖7 (b))，該第一區 域50 具備使入射光偏轉的功能，該第二區域502b具備使入射光偏轉及聚光的功能。如 圖7 (b)所示，第一區域50 是向聚光元件502入射的光的波長以上，且光波導區域401的 開口寬度以下的寬度的區域。這裡，聚光元件502的折射率分布η(r)可以用下面的公式來 定義。也就是說，第一區域50 的折射率分布n(r)可以用下面的公式來定義。
權利要求
1.一種固體攝像元件，其特徵為，具備 基板；多個單位像素，配置於上述基板上； 布線層，形成於上述多個單位像素上；光波導區域，形成於上述單位像素中包含的光電變換區域上，並且穿透上述布線層；以及聚光元件，形成於上述光波導區域上；上述聚光元件是具有有效折射率分布的折射率 分布型微透鏡。
2.如權利要求1所述的固體攝像元件，其特徵為， 上述聚光元件具有第一區域，具備使入射光偏轉的功能；以及 第二區域，具備使入射光偏轉及聚光的功能。
3.如權利要求2所述的固體攝像元件，其特徵為，具備使上述入射光偏轉的功能的第一區域是，在向上述聚光元件入射的光的波長以上 且在上述光波導區域的開口寬度以下的寬度的區域。
4.如權利要求1 3中任一項所述的固體攝像元件，其特徵為，上述聚光元件具備有效折射率分布，該有效折射率分布在以和入射光的波長相同程度 或者比其更短的線寬所分割的同心圓結構的光透過膜上產生。
5.如權利要求1 4中任一項所述的固體攝像元件，其特徵為， 上述光波導區域由具有不同的光吸收特性的多個種類構成。
6.如權利要求5所述的固體攝像元件，其特徵為，構成上述光波導區域的高折射率媒質由金屬氧化物形成，在該折射率媒質中，還分散 著作為第1金屬含有粒子的粒子直徑為5nm IOOnm的粒子，該第1金屬含有粒子含有與 上述金屬氧化物中包含的金屬不同的金屬。
7.如權利要求6所述的固體攝像元件，其特徵為， 上述光波導區域包括第1種類的光波導區域，包含金、銅、鉻及鐵鉻氧化物中的至少1個來作為上述第1金 屬含有粒子；第2種類的光波導區域，包含鈷鈦氧化物、鎳鈦鋅氧化物及鈷鋅氧化物中的至少1個來 作為上述第1金屬含有粒子；以及第3種類的光波導區域，包含鈷鋁氧化物及鈷鉻氧化物中的至少1個來作為上述第1 金屬含有粒子。
8.如權利要求1 4中任一項所述的固體攝像元件，其特徵為，上述聚光元件在每個光電變換區域中具有不同的多種分光功能，在上述聚光元件中分 散著包含金屬的第2金屬含有粒子。
9.如權利要求8所述的固體攝像元件，其特徵為，上述聚光元件是從折射率為1.4以上的該固體攝像元件進行受光的可見光使紅外光 透過50%以上的媒質，且在上述媒質中包含粒子直徑為5nm 50nm的上述第2金屬含有粒子。
10.如權利要求9所述的固體攝像元件，其特徵為， 上述聚光元件包括第1種類的聚光元件，包含金、銅、鉻及鐵鉻氧化物中的至少1個來作為上述第2金屬 含有粒子；第2種類的聚光元件，包含鈷鈦氧化物、鎳鈦鋅氧化物及鈷鋅氧化物中的至少1個來作 為上述第2金屬含有粒子；以及第3種類的聚光元件，包含鈷鋁氧化物及鈷鉻氧化物中的至少1個來作為上述第2金 屬含有粒子。
全文摘要
一種固體攝像元件，在斜向入射時，減低因向波導路內入射的光的角度增加導致的聚光損失及混色增加，在靈敏度提高方面具備有效的結構，其特徵為，具備Si基板(6)；多個單位像素，配置於Si基板(6)上；布線層(4)，形成於多個單位像素上；光波導區域(401)，形成於單位像素中包含的光電變換區域上，並且穿透布線層(4)；以及聚光元件(501)，形成於光波導區域(401)上；聚光元件(501)是具有有效折射率分布的折射率分布型微透鏡。
文檔編號G02B5/20GK102105985SQ20098012751
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月16日 優先權日2008年7月16日
發明者歲清公明, 廣瀨裕, 齋藤繁, 田中圭介, 石井基範 申請人:松下電器產業株式會社