JP2006019588A - Solid-state imaging apparatus and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging apparatus for correcting a chromatic aberration of every chromatic signal of a color filter, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The solid-state imaging apparatus has a color filter over each photosensor as a light receiving part, and a boundary shape of a medium having a difference refraction factor over the photo sensor differs for every pixel. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、カラーフィルターの色信号ごとに色収差の補正を行う固体撮像装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device that corrects chromatic aberration for each color signal of a color filter and a manufacturing method thereof.

固体撮像素子としては、単板式のカラーCCD固体撮像素子やカラーCMOS型固体撮像素子などが広く知られている。図11に単板式のカラーCCD固体撮像素子の従来構造の概略断面の一例を示す。この単板式のカラーCCD固体撮像素子101は、例えばシリコン半導体基板102の撮像領域に画素となる受光部103がマトリックス状に配列される共に、各受光部列に対応して垂直転送レジスタ7が形成され、さらに撮像領域上に酸化シリコン層110、窒化シリコン層111を介して色フィルター112及びオンチップマイクロレンズ(以下、マイクロレンズという)113を形成して構成される。垂直転送レジスタ107は、基板102表面に形成した転送チャネル領域104上にゲート絶縁膜105を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極106を形成して構成される。基板102の表面上には、層間絶縁膜108を介して受光部103以外の垂直転送レジスタ107を含む領域に例えばアルミニウム(Al)またはタングステン(W)等による遮光膜9が形成され、更に酸化シリコン層110、窒化シリコン層111が形成される。そして窒化シリコン層111上に、各色フィルター成分からなる色フィルター112が形成され、この色フィルター112上に各受光部103に対応したマイクロレンズ113が形成される。   As the solid-state imaging device, a single-plate color CCD solid-state imaging device, a color CMOS solid-state imaging device, and the like are widely known. FIG. 11 shows an example of a schematic cross section of a conventional structure of a single-plate color CCD solid-state imaging device. In this single-plate color CCD solid-state imaging device 101, for example, the light receiving portions 103 serving as pixels are arranged in a matrix in the imaging region of the silicon semiconductor substrate 102, and the vertical transfer register 7 is formed corresponding to each light receiving portion row. Further, a color filter 112 and an on-chip microlens (hereinafter referred to as a microlens) 113 are formed on the imaging region via a silicon oxide layer 110 and a silicon nitride layer 111. The vertical transfer register 107 is configured by forming a transfer electrode 106 made of, for example, polycrystalline silicon through a gate insulating film 105 on a transfer channel region 104 formed on the surface of the substrate 102. On the surface of the substrate 102, a light shielding film 9 made of, for example, aluminum (Al) or tungsten (W) is formed in a region including the vertical transfer register 107 other than the light receiving portion 103 via an interlayer insulating film 108, and further silicon oxide A layer 110 and a silicon nitride layer 111 are formed. A color filter 112 made of each color filter component is formed on the silicon nitride layer 111, and a microlens 113 corresponding to each light receiving unit 103 is formed on the color filter 112.

単板式のカラー固体撮像素子の場合、色フィルター112はオンチップで形成しており、種類としては大きく分けて、原色系と補色系がある。原色系は色再現性が良く、補色系は色フィルターの透過率が高く感度に有利である。原色系フィルター及び補色系フィルターは、それぞれ目的に応じて使い分けられている。例えば原色系フィルター112には、図示しないが各赤(R)フィルター成分112R,緑(G)フィルター成分112G及び青(B)フィルター成分112Bを有している。更に、フィルター112の色配列にも様々なものがあり、代表的なものとしては、原色系フィルター配列では、GストライプRB線順次、G市松RB線順次(ベイヤ配列)、RGB縦ストライプ等がある。一方、補色系フィルター配列では、Ye・Cy・Mg・G色差線順次、Ye・G・Cy縦ストライプ、W・Ye・Cy縦ストライプ、等がある。いずれの色配列を採用しても、最終的にR/G/Bに色分離する為には、最低でも3色が必要で、一般的には1色1画素にて構成している。   In the case of a single-plate color solid-state imaging device, the color filter 112 is formed on-chip, and the types are roughly classified into a primary color system and a complementary color system. The primary color system has good color reproducibility, and the complementary color system has a high transmittance of the color filter and is advantageous for sensitivity. The primary color filter and the complementary color filter are properly used according to the purpose. For example, the primary color filter 112 has a red (R) filter component 112R, a green (G) filter component 112G, and a blue (B) filter component 112B (not shown). Further, there are various color arrangements of the filter 112. Typical examples of the primary color filter arrangement include G stripe RB line sequential, G checkered RB line sequential (Bayer arrangement), RGB vertical stripe, and the like. . On the other hand, the complementary color filter arrangement includes Ye / Cy / Mg / G color difference line sequential, Ye / G / Cy vertical stripes, W / Ye / Cy vertical stripes, and the like. Regardless of which color arrangement is adopted, in order to finally perform color separation into R / G / B, at least three colors are required, and generally one pixel is constituted by one color.

図12は、固体撮像装置の青色、緑色、赤色それぞれの代表的な波長領域におけるフォトセンサ上方各層の媒質の平均屈折率を示す。各媒質の屈折率は、光の波長によって変化しており、カラーフィルターを除き、波長が長くなるにつれて屈折率が下がる。ここで、固体撮像装置は、通常、青色(B)、緑色(G)、赤色(R)などの画素の色の波長の長さによらず同一構造に形成される。そのため光の波長による屈折率差の影響により、図13aに示すように、撮像領域の中央では、RGBの色信号LR,LG,LBの違いによってフォトセンサへの集光深さ位置が、色信号LR、LG,LBの順に変化して、いわゆる色収差が発生する。さらに、このとき固体撮像装置の周辺の画素を考えると、図13bに示すようにRGBの色信号LR,LG,LBの違いによってフォトセンサ上方の横方向において、集光位置のズレによって赤色信号LR、LG、LBの順に遮光膜によりけられる。このような色信号ごとに集光ズレが生じると撮像領域の中心から周辺に向けて感度低下し、いわゆるシェーディングが色信号ごとに異なるため、撮像領域の周辺において青色、緑色、赤色の各信号のバランス(ホワイトバランス)が崩れ、色が変化してしまう。   FIG. 12 shows the average refractive index of the medium in each layer above the photosensor in the representative wavelength regions of blue, green, and red of the solid-state imaging device. The refractive index of each medium varies depending on the wavelength of light, and the refractive index decreases as the wavelength increases, except for the color filter. Here, the solid-state imaging device is usually formed in the same structure regardless of the wavelength length of the pixel colors such as blue (B), green (G), and red (R). Therefore, due to the influence of the difference in refractive index due to the wavelength of light, as shown in FIG. 13A, at the center of the imaging region, the light collection depth position on the photosensor is different depending on the difference between the RGB color signals LR, LG, LB. It changes in the order of LR, LG, LB, and so-called chromatic aberration occurs. Further, considering the pixels around the solid-state imaging device at this time, as shown in FIG. 13b, the red signal LR is caused by the deviation of the condensing position in the lateral direction above the photosensor due to the difference between the RGB color signals LR, LG, LB. , LG, and LB in this order. If such a color shift occurs for each color signal, the sensitivity decreases from the center to the periphery of the imaging area, and so-called shading differs for each color signal, so each of the blue, green, and red signals around the imaging area. The balance (white balance) is lost and the color changes.

一方、本発明の先行技術として、特許文献1には、マイクロレンズを透過する際の入射光の屈折が光の波長によって異なり、赤、緑、青の各色光の焦点位置がずれて各色毎の感度のバラツキ、色バランスのバラツキを改善するために、各色のフィルターの膜厚を違えて各色光の焦点位置を揃えるように構成した固体撮像素子が提案されている。
特開2002−94037号公報
On the other hand, as a prior art of the present invention, Patent Document 1 discloses that the refraction of incident light when passing through a microlens differs depending on the wavelength of light, and the focal position of each color light of red, green, and blue is shifted for each color. In order to improve sensitivity variations and color balance variations, a solid-state imaging device has been proposed which is configured to have different color filter thicknesses so that the focal positions of the respective color lights are aligned.
JP 2002-94037 A

ところで、近年、画素サイズの微細化により、フォトセンサの表面積がますます縮小してきており、上述のような集光の横方向の位置ズレの影響が大きくなっている。そのため、光の屈折率の波長依存による各色信号ごとの集光位置がずれる、いわゆる色収差の発生しない構造が望まれている。   By the way, in recent years, the surface area of the photosensor has been further reduced due to the miniaturization of the pixel size, and the influence of the lateral misalignment of the light collection as described above has increased. Therefore, there is a demand for a structure that does not cause so-called chromatic aberration, in which the condensing position of each color signal is shifted due to the wavelength dependence of the refractive index of light.

本発明は、上述の点に鑑み、カラーフィルターの色信号ごとに色収差の補正を行う固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。   In view of the above, the present invention provides a solid-state imaging device that corrects chromatic aberration for each color signal of a color filter and a manufacturing method thereof.

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、各色信号に合わせて、フォトセンサ上方の屈折率差のある媒質の境界面形状が各画素ごとに異なることを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the boundary surface shape of a medium having a refractive index difference above each photosensor is in accordance with each color signal. It is different for each pixel.

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成することを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小の画素に応じて凸形状と凹形状の組み合わせ、あるいは、凸形状と凹形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium, A medium boundary shape of a pixel having a large refractive index difference in a wavelength range corresponding to the color of each pixel is formed in a convex shape, and a medium boundary shape of a pixel having a small refractive index difference is formed in a concave shape. In this configuration, the medium boundary shape includes a combination of a convex shape and a concave shape, or a combination of a convex shape, a concave shape, and a flat shape according to a pixel having a difference in refractive index.

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、媒質境界形状は凸形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素程凸形状の曲率が大きくなることを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小に応じて全て凸形状とした組み合わせ、あるいは、凸形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium, The medium boundary shape is a convex shape, and the curvature of the convex shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases. In this configuration, the medium boundary shape includes a combination of all convex shapes according to the difference in refractive index, or a combination of a convex shape and a flat shape.

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凹形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凸形状に形成することを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小の画素に応じて凸形状と凹形状の組み合わせ、あるいは、凸形状と凹形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and when the refractive index of the medium formed above the photosensor is higher medium> lower medium, A medium boundary shape of a pixel having a large refractive index difference in a wavelength range corresponding to the color of the pixel is formed in a concave shape, and a medium boundary shape of a pixel having a small refractive index difference is formed in a convex shape. In this configuration, the medium boundary shape includes a combination of a convex shape and a concave shape, or a combination of a convex shape, a concave shape, and a flat shape according to a pixel having a difference in refractive index.

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、媒質境界形状は凹形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素ほど凹形状の曲率が大きくなることを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小に応じて全て凹形状とした組み合わせ、あるいは、凹形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and when the refractive index of the medium formed above the photosensor is higher medium> lower medium, The boundary shape is a concave shape, and the curvature of the concave shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases. In this configuration, the medium boundary shape includes a combination of all concave shapes according to the difference in refractive index, or a combination of a concave shape and a flat shape.

本発明の固体撮像装置の製造方法は、各受光部のフォトセンサ上方の下側媒質層である複数の色フィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、前記色フィルターのうち上面が平坦な第1の色フィルター成分を形成する工程と、前記第1の色フィルター成分を含む全面に該第1の色フィルター成分以外の部分の上面が凹形状となるように、第2の色フィルター材料膜を形成する工程と、前記第2の色フィルター材料膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして上面が凹形状の第2の色フィルター成分を形成する工程と、第3の色フィルター材料膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして第3の色フィルターを形成する工程と、前記第3の色フィルター成分の上面を熱リフロー処理して凸形状に形成する工程と、前記各色フィルター上に上側媒質層であるマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とする。   A manufacturing method of a solid-state imaging device according to the present invention is a manufacturing method of a solid-state imaging device including a color filter composed of a plurality of color filter components, which is a lower medium layer above a photosensor of each light receiving unit. A step of forming a first color filter component having a flat upper surface, and a second surface so that the upper surface of a portion other than the first color filter component has a concave shape on the entire surface including the first color filter component. Forming the second color filter material film, patterning the second color filter material film by a photolithography method to form a second color filter component having a concave upper surface, and a third color filter material Forming a film and patterning it by a photolithography method to form a third color filter; and heat reflowing the upper surface of the third color filter component Forming a shape, characterized by having a step of forming the micro lenses is the upper medium layer on each color filter.

本発明の固体撮像装置の製造方法は、各受光部のフォトセンサ上方に複数のフィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、前記下側媒質層上の第1の画素となる部分に凸状部を形成する工程と、前記下側媒質層の第2の画素となる部分に開口を有するレジスト層を形成する工程と、前記開口を介して等方性エッチングし、下側媒質層に凹状部を形成する工程と、前記レジスト層を除去した後、前記下側媒質層より屈折率が大きい上側媒質層を積層する工程と、前記上側媒質層上に各色フィルター成分及びマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とする。   The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is a method for manufacturing a solid-state imaging device including a color filter including a plurality of filter components above a photosensor of each light receiving unit, and includes a first pixel on the lower medium layer. Forming a convex portion in a portion to be, forming a resist layer having an opening in a portion to be the second pixel of the lower medium layer, performing isotropic etching through the opening, A step of forming a concave portion in the side medium layer, a step of laminating an upper medium layer having a refractive index larger than that of the lower medium layer after removing the resist layer, and each color filter component and a micro on the upper medium layer. It has the process of forming a lens, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の固体撮像装置では、各色信号に合わせて、フォトセンサ上方の屈折率差のある媒質の境界面形状を各画素ごとに異ならせることにより、各色の入射光のフォトセンサへの集光位置を揃えることができる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the condensing position of incident light of each color on the photosensor is made different for each pixel by changing the shape of the boundary surface of the medium having a refractive index difference above the photosensor in accordance with each color signal. Can be aligned.

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状を凸形状に形成することにより、凸レンズ効果で入射光の集光位置が上方にシフトされる。また、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成することにより凹レンズ効果で入射光の集光位置が下方へシフトされる。したがって、各色の入射光の各フォトセンサへの集光位置を揃えることができる。   In the solid-state imaging device of the present invention, when the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium, the medium boundary shape of the pixel having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel By forming a convex shape, the condensing position of incident light is shifted upward by the convex lens effect. Further, by forming the medium boundary shape of the pixel having a small refractive index difference into a concave shape, the condensing position of incident light is shifted downward by the concave lens effect. Therefore, the condensing position of the incident light of each color on each photosensor can be made uniform.

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素ほど、凸形状の曲率を大きくすることにより、曲率の違う凸レンズ効果によって、各色の入射光の集光位置が制御されて、各色の入射光のフォトセンサへの集光位置を揃えることができる。   In the solid-state imaging device of the present invention, when the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium, a pixel having a larger refractive index difference in a wavelength range corresponding to the color of each pixel has a convex shape. By increasing the curvature, the condensing position of incident light of each color is controlled by the convex lens effect having different curvatures, and the condensing position of incident light of each color on the photosensor can be made uniform.

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状を凹形状に形成することにより、凸レンズ効果で入射光の集光位置が浅くなる方にシフトされる。屈折率差が小さい画素の媒質境界形状を凸形状に形成することにより、凹レンズ効果で入射光の集光位置が深くなる方にシフトされる。したがって、各色の入射光のフォトセンサへの集光位置を揃えることができる。   In the solid-state imaging device of the present invention, when the refractive index of the medium formed above the photosensor is upper medium> lower medium, the medium boundary shape of the pixel having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel is obtained. By forming the concave shape, the condensing position of the incident light is shifted to be shallower by the convex lens effect. By forming the medium boundary shape of the pixel having a small refractive index difference into a convex shape, the condensing position of the incident light is shifted deeper by the concave lens effect. Therefore, the condensing position of the incident light of each color on the photosensor can be made uniform.

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素ほど凹形状の曲率を大きくすることにより、曲率の違う凸レンズ効果によって、各色の入射光のフォトセンサへの集光位置を揃えることができる。   In the solid-state imaging device of the present invention, when the refractive index of the medium formed above the photosensor is upper medium> lower medium, the curvature of the concave shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases. By increasing the value, the condensing position of incident light of each color on the photosensor can be made uniform by the convex lens effect having different curvatures.

本発明の固体撮像装置の製造方法では、下側媒質層である色フィルターの形状を色信号ごとに凹凸状に形成し、上側媒質層であるマイクロレンズを形成することで、マイクロレンズと色フィルター間の境界面に選択的に凹凸レンズを形成することができる。   In the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the shape of the color filter that is the lower medium layer is formed in an uneven shape for each color signal, and the microlens that is the upper medium layer is formed. A concave-convex lens can be selectively formed on the boundary surface between them.

本発明の固体撮像装置の製造方法では、上側媒質層と下側媒質層の間の境界面に選択的に凹凸レンズを形成することができる。   In the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the concave / convex lens can be selectively formed on the boundary surface between the upper medium layer and the lower medium layer.

本発明の固体撮像装置によれば、屈折率差のある媒質の境界面の形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, the chromatic aberration of the incident light from the on-chip microlens can be removed by changing the shape of the boundary surface of the medium having a refractive index difference for each pixel, and to the photosensor. It is possible to eliminate the deviation of the light collecting position. As a result, there is no condensing shift in the peripheral pixels, and there is no difference in shading for each color signal, so that no white balance shift occurs, and color change around the chip can be eliminated.

本発明の固体撮像装置によれば、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成するので、屈折率差のある媒質の境界面の凹凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, when the refractive index of the medium formed above the photosensor is the upper medium <the lower medium, the pixel medium having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel. Since the boundary shape is formed in a convex shape and the medium boundary shape of the pixel having a small refractive index difference is formed in a concave shape, the irregular shape on the boundary surface of the medium having a refractive index difference is changed for each pixel. The chromatic aberration of the incident light from the chip microlens can be removed, and the deviation of the light collection position on the photosensor can be eliminated. As a result, there is no condensing shift in the peripheral pixels, and there is no difference in shading for each color signal, so that no white balance shift occurs, and color change around the chip can be eliminated.

本発明の固体撮像装置によれば、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、媒質境界形状は凸形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素程凸形状の曲率が大きくなるので、屈折率差のある媒質の境界面の凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, the solid-state imaging device includes a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the refractive index of the medium formed above the photosensor has an upper medium <lower medium. In this case, the medium boundary shape is a convex shape, and the curvature of the convex shape increases as the refractive index difference increases in the wavelength range corresponding to the color of each pixel. By changing for each pixel, the chromatic aberration of the incident light from the on-chip microlens can be removed, and the deviation of the condensing position on the photosensor can be eliminated. As a result, there is no condensing shift in the peripheral pixels, and there is no difference in shading for each color signal, so that no white balance shift occurs, and color change around the chip can be eliminated.

本発明の固体撮像装置によれば、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凹形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凸形状に形成するので、屈折率差のある媒質の境界面の凹凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, the solid-state imaging device includes a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the refractive index of the medium formed above the photosensor is such that the upper medium> the lower medium. The medium boundary shape of a pixel having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel is formed in a concave shape, and the medium boundary shape of a pixel having a small refractive index difference is formed in a convex shape. By changing the concavo-convex shape of the boundary surface of a certain medium for each pixel, the chromatic aberration of the incident light from the on-chip microlens can be removed, and the deviation of the condensing position on the photosensor can be eliminated. As a result, there is no condensing shift in the peripheral pixels, and there is no difference in shading for each color signal, so that no white balance shift occurs, and color change around the chip can be eliminated.

本発明の固体撮像装置によれば、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、媒質境界形状は凹形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素ほど凹形状の曲率が大きくなるので、屈折率差のある媒質の境界面の凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, the solid-state imaging device includes a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit, and the refractive index of the medium formed above the photosensor is such that the upper medium> the lower medium. The boundary shape of the medium is a concave shape, and the curvature of the concave shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases. By changing for each pixel, the chromatic aberration of the incident light from the on-chip microlens can be removed, and the deviation of the condensing position on the photosensor can be eliminated. As a result, there is no condensing shift in the peripheral pixels, and there is no difference in shading for each color signal, so that no white balance shift occurs, and color change around the chip can be eliminated.

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、下側媒質層である色フィルターの形状を凹凸状に形成して、上側媒質層であるマイクロレンズを形成するので、マイクロレンズと色フィルター間の境界面に色信号に応じて凹凸レンズを形成することができる。したがって、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しない固体撮像装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the shape of the color filter that is the lower medium layer is formed in an uneven shape to form the microlens that is the upper medium layer. An uneven lens can be formed on the boundary surface according to the color signal. Therefore, it is possible to manufacture a solid-state imaging device in which no white balance deviation occurs due to the difference in shading for each color signal.

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、上側媒質層と下側媒質層の間の境界面に各画素に応じて凹凸状のレンズを形成することができる。したがって、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しない固体撮像装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, an uneven lens can be formed on the boundary surface between the upper medium layer and the lower medium layer according to each pixel. Therefore, it is possible to manufacture a solid-state imaging device in which no white balance deviation occurs due to the difference in shading for each color signal.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る固体撮像素子に適用される単板式のカラーCCD固体撮像素子の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るCCD固体撮像素子1は、半導体基板、例えばシリコン半導体基板(例えば半導体基板上にエピタキシャル層を成長させた所謂エピタキシャル基板)2の撮像領域にマトリックス状に配列されるように画素となる複数の受光部3が形成されると共に、各受光部3列に対応して垂直転送レジスタ7が形成され、さらに撮像領域上に酸化シリコン層10、窒化シリコン層11を介して色フィルター12及びその上にアレイ状に配列したオンチップマイクロレンズ13を形成して構成される。この各マイクロレンズ13は、有効撮像領域に入射される光が各受光部に集光される位置に配列形成される。
FIG. 1 shows an embodiment of a single-plate color CCD solid-state image sensor applied to a solid-state image sensor according to the present invention.
The CCD solid-state imaging device 1 according to the present embodiment includes pixels arranged in a matrix in an imaging region of a semiconductor substrate, for example, a silicon semiconductor substrate (for example, a so-called epitaxial substrate obtained by growing an epitaxial layer on a semiconductor substrate) 2. Are formed, and vertical transfer registers 7 are formed corresponding to the three rows of the light receiving portions, and the color filter 12 is formed on the imaging region via the silicon oxide layer 10 and the silicon nitride layer 11. On-chip microlenses 13 arranged in an array are formed thereon. Each of the microlenses 13 is formed in an array at a position where light incident on the effective imaging region is condensed on each light receiving unit.

垂直転送レジスタ7は、基板表面に形成した転送チャネル領域4上にゲート絶縁膜5を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極6を形成して構成される。基板表面上には、層間絶縁膜8、受光部3に開口9Aを有した遮光膜9が形成され、さらに例えば酸化シリコン層10、窒化シリコン層11等が形成される。色フィルター12としては、本例では赤色フィルター成分12R、緑色フィルター成分12G及び青色フィルター成分12Bからなる原色系色フィルターが形成される。このような固体撮像素子1においては、有効撮像領域15の周辺における斜め光によるシェーディング特性を改善するために、有効撮像領域15の中心から周辺へ行くに従って、マイクロレンズ13、色フィルター成分12R、12G、12Bの中心を受光部3の中心より有効撮像領域中心側にずらす、いわゆる出射瞳補正がなされる。   The vertical transfer register 7 is configured by forming a transfer electrode 6 made of, for example, polycrystalline silicon via a gate insulating film 5 on a transfer channel region 4 formed on the substrate surface. On the substrate surface, an interlayer insulating film 8, a light shielding film 9 having an opening 9A in the light receiving portion 3, and a silicon oxide layer 10, a silicon nitride layer 11, and the like are further formed. As the color filter 12, a primary color filter composed of a red filter component 12R, a green filter component 12G, and a blue filter component 12B is formed in this example. In such a solid-state imaging device 1, in order to improve shading characteristics due to oblique light around the effective imaging region 15, the microlens 13 and the color filter components 12 </ b> R and 12 </ b> G are moved from the center of the effective imaging region 15 toward the periphery. , 12B is shifted from the center of the light receiving unit 3 toward the center of the effective imaging region, so-called exit pupil correction is performed.

ここで、受光部3の上層を構成する各媒質の屈折率について説明する。各媒質の屈折率の関係は、マイクロレンズ<カラーフィルター、カラーフィルター<窒化シリコン、窒化シリコン>酸化シリコンとなり、青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差は図2に示すとおりとなる。
図2に示すように、各RGBの波長において、固体撮像装置を構成するマイクロレンズとカラーフィルター間、またカラーフィルターと窒化シリコン間、さらに窒化シリコンと酸化シリコン間の媒質の違いにより屈折率差を生じている。
本例では、マイクロレンズとカラーフィルター間の屈折率差は、青色(B)波長400〜515nmのとき屈折率差−0.02、緑色(G)波長490〜590nmのとき屈折率差−0.06、赤色(R)波長570〜650nmのとき屈折率差−0.18である。
次に、カラーフィルターと窒化シリコン層間の屈折率差は、青色(B)波長400〜515nmのとき屈折率差−0.44、緑色(G)波長490〜590nmのとき屈折率差−0.37、赤色(R)波長570〜650nmのとき屈折率差−0.24である。
次に、窒化シリコン層と酸化シリコン層間の屈折率差は、青色(B)波長400〜515nmのとき屈折率差0.61、緑色(G)波長490〜590nmのとき屈折率差0.57、赤色(R)波長570〜650nmのとき屈折率差0.55である。
Here, the refractive index of each medium constituting the upper layer of the light receiving unit 3 will be described. The refractive index relationship of each medium is microlens <color filter, color filter <silicon nitride, silicon nitride> silicon oxide, and the refractive index difference in each wavelength region of blue, green, and red is as shown in FIG. .
As shown in FIG. 2, at each RGB wavelength, the refractive index difference is caused by the difference in medium between the microlens and color filter constituting the solid-state imaging device, between the color filter and silicon nitride, and between silicon nitride and silicon oxide. Has occurred.
In this example, the refractive index difference between the microlens and the color filter is as follows: refractive index difference −0.02 when the blue (B) wavelength is 400 to 515 nm, and refractive index difference −0. When the red (R) wavelength is 570 to 650 nm, the refractive index difference is −0.18.
Next, the refractive index difference between the color filter and the silicon nitride layer is such that the refractive index difference is −0.44 when the blue (B) wavelength is 400 to 515 nm, and the refractive index difference is −0.37 when the green (G) wavelength is 490 to 590 nm. When the red (R) wavelength is 570 to 650 nm, the refractive index difference is −0.24.
Next, the refractive index difference between the silicon nitride layer and the silicon oxide layer is such that the refractive index difference is 0.61 when the blue (B) wavelength is 400 to 515 nm, and the refractive index difference is 0.57 when the green (G) wavelength is 490 to 590 nm. When the red (R) wavelength is 570 to 650 nm, the refractive index difference is 0.55.

先ず、第1の媒質境界例について、マイクロレンズとカラーフィルターの境界面について説明する。媒質間の屈折率の関係は、マイクロレンズ<カラーフィルターとなる。青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差及びその大小関係は、それぞれ、0.02(青色)<0.06(緑色)<0.18(赤色)となっている。ここで、このマイクロレンズ13とカラーフィルター12の境界面を図3に示すような平面で考えた場合、マイクロレンズを通ってきた青色、緑色、赤色の各光LB,LG,LRは、それぞれの波長での屈折率差により赤色、緑色、青色の順に焦点位置が上方にずれてしまう。   First, a boundary surface between a microlens and a color filter will be described for a first medium boundary example. The relationship between the refractive indexes of the media is microlens <color filter. The refractive index difference and its magnitude relationship in the blue, green, and red wavelength regions are 0.02 (blue) <0.06 (green) <0.18 (red), respectively. Here, when the boundary surface between the microlens 13 and the color filter 12 is considered as a plane as shown in FIG. 3, the blue, green, and red lights LB, LG, and LR that have passed through the microlens are respectively The focal position shifts upward in the order of red, green, and blue due to the difference in refractive index with wavelength.

そこで図4は、本発明に係る固体撮像装置の第1の実施の形態を示す構成図である。本例は、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合である。本実施の形態においては、マイクロレンズ<カラーフィルターの関係の屈折率となるとき、マイクロレンズ13[13R,13G,13B]とカラ―フィルター12[12R,12G,12B]間の境界面の形状を、各色の画素に応じて異ならす。3色の中で中間の屈折率差を有する緑色の画素については、境界面の形状を平らな形状とする。この緑色画素のマイクロレンズ13Gと緑色カラーフィルター成分12G間ではレンズ効果は生じない。この緑色画素の平らな境界面形状を基準にして、3色の中の屈折率差の小さい青色の画素については境界面の形状を凹型形状にし、3色の中の屈折率差の大きい赤色の画素については境界面の形状を凸型形状にして、それぞれにレンズ効果を持たせるようになす。青色画素のマイクロレンズ13Bと青色カラーフィルター成分12B間では凹型状レンズ21が形成され、赤色画素のマイクロレンズ13Rと赤色カラーフィルター成分12R間では凸型状レンズ22が形成される。   Therefore, FIG. 4 is a configuration diagram showing the first embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. In this example, the refractive index of the medium formed above the photosensor is such that the upper medium <the lower medium. In the present embodiment, when the refractive index satisfies the relationship of microlens <color filter, the shape of the boundary surface between the microlens 13 [13R, 13G, 13B] and the color filter 12 [12R, 12G, 12B] is set. Depending on the pixel of each color. For a green pixel having an intermediate refractive index difference among the three colors, the shape of the boundary surface is made flat. No lens effect occurs between the green pixel micro lens 13G and the green color filter component 12G. With reference to the flat boundary surface shape of the green pixel, for the blue pixel having a small refractive index difference among the three colors, the boundary surface shape is made concave, and the red color having the large refractive index difference among the three colors is changed. For the pixels, the shape of the boundary surface is made convex so that each has a lens effect. A concave lens 21 is formed between the blue lens microlens 13B and the blue color filter component 12B, and a convex lens 22 is formed between the red pixel microlens 13R and the red color filter component 12R.

第1実施形態に係る固体撮像装置によれば、マイクロレンズとカラーフィルター間の境界面の形状を変えて、レンズ効果を持たせることで各色の入射光の焦点位置のズレを無くすことができる。
すなわち、本例のように、屈折率がマイクロレンズ<カラーフィルターの媒質境界例のような関係を持つ媒質境界では、境界面の凹形状レンズ21を通過した青色の光LBは焦点位置が下方にずれ、境界面の凸形状レンズ22を通過した赤色の光LRは焦点位置が上方にずれる。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、境界面で形成されるレンズ曲率を調整することにより各色信号ごとに焦点位置の調整をすることができる。これによって、青色の光LB及び赤色の光LRの焦点位置は、緑色の光LGの焦点位置に揃えられる。
According to the solid-state imaging device according to the first embodiment, it is possible to eliminate the shift of the focal position of incident light of each color by changing the shape of the boundary surface between the microlens and the color filter to have a lens effect.
That is, as in this example, at the medium boundary where the refractive index is such that the microlens is smaller than the medium boundary example of the color filter, the blue light LB that has passed through the concave lens 21 on the boundary surface has a focal position downward. The focal point of the red light LR that has shifted and passed through the convex lens 22 on the boundary surface is shifted upward. At this time, the focal position can be adjusted for each color signal by adjusting the lens curvature formed at the boundary surface according to the refractive index difference between the media. Thereby, the focal positions of the blue light LB and the red light LR are aligned with the focal position of the green light LG.

図5は、本発明に係る固体撮像装置の第2の実施形態を示す構成図である。フォトセンサ3の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、本例では、各媒質の屈折率の関係が、マイクロレンズ<カラーフィルターのときを示す。各RGB色信号ごとにマイクロレンズ13とカラーフィルター12間の境界面の形状を全て凸型形状とする。すなわち、各赤、緑及び青色に対応する上記境界面にそれぞれ凸形状レンズ24,25及び26が形成される。各境界面の凸型形状(凸形状レンズ24,25,26)の曲率は、青色<緑色<赤色の順に大きくなる。すなわち、本例では、赤色信号が入射する凸型形状の曲率が大きくなりレンズとしての効果が大きいため、焦点位置が上方にずれる。他の緑色、青色信号についても、マイクロレンズの内側の凸型形状の曲率を変えることで、焦点位置を調整する。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、各境界面のレンズ曲率を調整することにより各色信号ごとに焦点位置の調整をすることができ、焦点位置のずれを無くすことができる。
このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号毎のフォトセンサ3への集光位置のずれを無くすことができる。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. In the case where the refractive index of the medium formed above the photosensor 3 is the upper medium <the lower medium, in this example, the relationship between the refractive indices of the respective media is when the microlens <the color filter. The shape of the boundary surface between the microlens 13 and the color filter 12 is all convex for each RGB color signal. That is, convex lenses 24, 25 and 26 are formed on the boundary surfaces corresponding to red, green and blue, respectively. The curvature of the convex shape (convex lens 24, 25, 26) of each boundary surface increases in the order of blue <green <red. That is, in this example, since the curvature of the convex shape on which the red signal is incident is increased and the effect as a lens is great, the focal position is shifted upward. For other green and blue signals, the focal position is adjusted by changing the curvature of the convex shape inside the microlens. At this time, the focal position can be adjusted for each color signal by adjusting the lens curvature of each boundary surface according to the refractive index difference between the media, and the deviation of the focal position can be eliminated.
In this way, by correcting the chromatic aberration due to the wavelength dependence of the refractive index of each medium boundary for each pixel, it is possible to eliminate the deviation of the condensing position on the photosensor 3 for each color signal.

次に、図1に示す第2の媒質境界例として、窒化シリコン層と酸化シリコン層の境界面について説明する。媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン>酸化シリコンとなっている。青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差及び大小関係は、それぞれ0.61(青色)>0.57(緑色)>0.55(赤色)となっている。ここで、この窒化シリコン層11と酸化シリコン層10の境界面を図6に示すような平面で考えた場合、窒化シリコン層11を通ってきた青色、緑色、赤色の光LB,LG,LRは、それぞれの波長の屈折率差により青色、緑色、赤色の順に焦点位置が下方にずれていく。   Next, a boundary surface between a silicon nitride layer and a silicon oxide layer will be described as a second medium boundary example shown in FIG. The relationship of the refractive index between the media is silicon nitride> silicon oxide. The refractive index difference and the magnitude relationship in the blue, green, and red wavelength regions are 0.61 (blue)> 0.57 (green)> 0.55 (red), respectively. Here, when the boundary surface between the silicon nitride layer 11 and the silicon oxide layer 10 is considered as a plane as shown in FIG. 6, the blue, green, and red lights LB, LG, and LR that have passed through the silicon nitride layer 11 are The focal position shifts downward in the order of blue, green, and red due to the difference in refractive index of each wavelength.

図7は、本発明に係る固体撮像装置の第3の実施形態を示す構成図である。フォトセンサ3の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、本例では、媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン>酸化シリコンである。
3色の中で屈折率差の大きい青色の画素については、窒化シリコン層11の酸化シリコン層10の境界面との形状を凸型形状にして、3色の中で屈折率差の小さい赤色画素については、窒化シリコン層11の酸化シリコン層10の境界面との形状を凹型形状することにより、それぞれがレンズ効果を持ち、焦点位置のズレを無くすことができる。ここで、緑色画素は、図4と同様に、窒化シリコン層11と酸化シリコン層10との境界面の形状を平ら形状とする。屈折率が上側媒質>下側媒質の関係にあるとき、赤色画素の上記境界面に形成される凹型形状は、レンズ効果として見たときには凸形状レンズ27に相当し、青色画素の上記境界に形成される凸型形状は、レンズ効果として見たときには凸形状レンズ28に相当する。
FIG. 7 is a configuration diagram showing a third embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. When the refractive index of the medium formed above the photosensor 3 is upper medium> lower medium, in this example, the relationship of the refractive index between the media is silicon nitride> silicon oxide.
For the blue pixel having a large refractive index difference among the three colors, the shape of the silicon nitride layer 11 and the boundary surface of the silicon oxide layer 10 is a convex shape, and the red pixel having a small refractive index difference among the three colors. With respect to, by making the shape of the silicon nitride layer 11 and the boundary surface of the silicon oxide layer 10 concave, each has a lens effect and can eliminate the deviation of the focal position. Here, in the green pixel, the shape of the boundary surface between the silicon nitride layer 11 and the silicon oxide layer 10 is made flat as in FIG. When the refractive index is in the relationship of upper medium> lower medium, the concave shape formed on the boundary surface of the red pixel corresponds to the convex lens 27 when viewed as a lens effect, and is formed on the boundary of the blue pixel. The convex shape is equivalent to the convex lens 28 when viewed as a lens effect.

第3の実施形態に係る固体撮像装置によれば、屈折率が窒化シリコン>酸化シリコンの関係を持った媒質境界では、窒化シリコン層11と酸化シリコン層10の境界面の凸形状レンズ28を通過した青色の光LBは焦点位置が下方にずれ、また、凹形状レンズ27を通過した赤色の光LRは焦点位置が上方にずれる。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、レンズ曲率を調整することにより焦点位置の調整をすることができる。これによって、青色の光LB及び赤色の光LRの焦点位置は、緑色の焦点位置に揃えられる。このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号ごとのフォトセンサ3への集光位置のずれを無くすことができる。   According to the solid-state imaging device according to the third embodiment, the medium passes the convex lens 28 at the boundary surface between the silicon nitride layer 11 and the silicon oxide layer 10 at the medium boundary where the refractive index has a relationship of silicon nitride> silicon oxide. The focus position of the blue light LB is shifted downward, and the focus position of the red light LR that has passed through the concave lens 27 is shifted upward. At this time, the focal position can be adjusted by adjusting the lens curvature according to the refractive index difference between the media. As a result, the focal positions of the blue light LB and the red light LR are aligned with the green focal position. In this way, by correcting the chromatic aberration due to the wavelength dependence of the refractive index of each medium boundary for each pixel, it is possible to eliminate the shift of the light collection position on the photosensor 3 for each color signal.

図8は、本発明に係る固体撮像装置の第4の実施の形態を示す構成図である。フォトセンサ3の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、本例では、媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン>酸化シリコンである。
第4の実施形態に係る固体撮像装置は、赤、緑及び青の各色画素に対応する窒化シリコン層11と酸化シリコン層10の境界面の形状を全て凹型形状(レンズ効果として見たとき凸形状レンズ29,30,31)とし、その凹型形状(凸形状レンズ29,30,31)の曲率を青色<緑色<赤色の順に大きくなるようにする。窒化シリコン層11と酸化シリコン層10の境界面の凹型形状の曲率が、大きいほどレンズとしての効果が大きくなり、焦点位置が上方にずれる。この場合、境界面の凹型形状は、図7で説明したようにレンズ効果として見たときに凸形状レンズに相当し、赤色画素に対応する凸形状レンズ29、緑色画素に対応する凸形状レンズ30、青色画素に対応する凸形状レンズ31の順にその曲率が大きくなる。したがって、各色の光LR,LG及びLBの焦点位置のずれを無くすことができる。このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号毎のフォトセンサ3への集光位置のずれを無くすことができる。
FIG. 8 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention. When the refractive index of the medium formed above the photosensor 3 is upper medium> lower medium, in this example, the relationship of the refractive index between the media is silicon nitride> silicon oxide.
In the solid-state imaging device according to the fourth embodiment, the shape of the boundary surface between the silicon nitride layer 11 and the silicon oxide layer 10 corresponding to each color pixel of red, green, and blue is all concave (convex when viewed as a lens effect) Lenses 29, 30, 31), and the curvature of the concave shape (convex lenses 29, 30, 31) is made to increase in the order of blue <green <red. The larger the concave curvature of the boundary surface between the silicon nitride layer 11 and the silicon oxide layer 10, the greater the effect as a lens, and the focal position shifts upward. In this case, the concave shape of the boundary surface corresponds to a convex lens when viewed as a lens effect as described with reference to FIG. 7, and includes a convex lens 29 corresponding to a red pixel and a convex lens 30 corresponding to a green pixel. The curvature increases in the order of the convex lens 31 corresponding to the blue pixel. Therefore, it is possible to eliminate the shift of the focal position of the light beams LR, LG and LB of each color. In this way, by correcting the chromatic aberration due to the wavelength dependence of the refractive index of each medium boundary for each pixel, it is possible to eliminate the deviation of the condensing position on the photosensor 3 for each color signal.

上述の実施の形態では、屈折率差のある媒質の境界面形状として、赤、緑及び青の各色画素に対応して、凹型形状と凸型形状と平坦形状の組み合わせ例、全て凹型形状のみの組み合わせ例、全て凸型形状のみの組み合わせ例について説明したが、その他、図示せざるも凹型形状と凸型形状の組み合わせ例、凹型形状と平坦形状の組み合わせ例、凸型形状と平坦形状の組み合わせ例についても構成することができ、同様の作用効果を奏する。   In the above-described embodiment, as a boundary surface shape of a medium having a refractive index difference, a combination of a concave shape, a convex shape, and a flat shape corresponding to each color pixel of red, green, and blue, all of which are only concave shapes. The example of combination and the example of combination only of convex shape were explained, but other examples of combination of concave shape and convex shape, example of combination of concave shape and flat shape, example of combination of convex shape and flat shape Can also be configured, and have the same effect.

図9は、図4に示す第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す工程図である。
である。
まず、図9(a)に示すように、撮像領域において各受光部のフォトセンサ3、垂直転送レジスタ7、遮光膜9、酸化シリコン層10、窒化シリコン層11を形成した後、窒化シリコン上の緑色画素に対応した部分に表面が平坦な緑色フィルター成分12Gを形成する。このとき、緑色フィルター成分12Gの膜厚は、後に形成する青色フィルター成分12Bよりも厚い膜厚に設定されている。ここで、各色フィルター成分は有機材料、例えば感光性樹脂に色素を含有した材料膜で形成することができる。緑色フィルター成分12Gは、緑色素を有したフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ法を用いて所定パターンに露光、現像して形成する。露光後、紫外線照射しながら、加熱を行って硬化する。
FIG. 9 is a process diagram showing the embodiment of the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIG.
It is.
First, as shown in FIG. 9A, after the photosensor 3, the vertical transfer register 7, the light shielding film 9, the silicon oxide layer 10, and the silicon nitride layer 11 of each light receiving unit are formed in the imaging region, A green filter component 12G having a flat surface is formed in a portion corresponding to the green pixel. At this time, the thickness of the green filter component 12G is set to be thicker than the blue filter component 12B to be formed later. Here, each color filter component can be formed of an organic material, for example, a material film containing a pigment in a photosensitive resin. The green filter component 12G is formed by applying a photoresist film having a green pigment, and exposing and developing a predetermined pattern using a photolithography method. After exposure, it is cured by heating while irradiating with ultraviolet rays.

次に図9(b)に示すように、緑色フィルター成分12Gを含む窒化シリコン層11上の全面に、青色素を含有したフォトレジスト膜を塗布する。このとき、フォトレジスタ膜を緑色フィルター成分12Gの膜厚より薄く塗布することによって、緑色フィルター成分12G以外の部分で表面が凹面となるようにフォトレジスト膜が成膜される。   Next, as shown in FIG. 9B, a photoresist film containing a blue dye is applied to the entire surface of the silicon nitride layer 11 containing the green filter component 12G. At this time, by applying the photoresist film to be thinner than the film thickness of the green filter component 12G, the photoresist film is formed so that the surface is concave in a portion other than the green filter component 12G.

次に、図9(c)に示すように、次いで、青色が画素に対応した部分の青色素含有のフォトレジスト膜が残るように、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより表面が凹形状の青色フィルター成分12Bを形成する。この後、同様にして青色フィルター成分12Bの硬化処理を行う。   Next, as shown in FIG. 9C, the surface is concaved by patterning using a photolithography method so that the blue dye-containing photoresist film corresponding to the pixel remains in blue. A blue filter component 12B is formed. Thereafter, the blue filter component 12B is cured in the same manner.

次に、図9(d)に示すように、赤色素を含有するフォトレジスト膜を全面に塗布し、同様にフォトリソグラフィ法を用いてパターニングして赤色画素に対応する部分に赤色フィルター成分12Rを形成する。このとき、赤色フィルター成分12Rのパターンは、隣接するフィルター成分12G,12Bのパターンと重ならないよう小さめのパターンとする。この硬化前の赤色フィルター成分12Rは表面が凹形状を呈している。   Next, as shown in FIG. 9 (d), a photoresist film containing a red pigment is applied to the entire surface, and similarly, patterning is performed using a photolithography method to apply a red filter component 12R to a portion corresponding to a red pixel. Form. At this time, the pattern of the red filter component 12R is a small pattern so as not to overlap with the pattern of the adjacent filter components 12G and 12B. The surface of the red filter component 12R before curing has a concave shape.

次に、図9(e)に示すように、赤色フィルター成分12Rに対して、熱リフロー処理を行うことにより、表面凸型形状の赤色フィルター成分12Rのパターンが形成される。   Next, as shown in FIG. 9 (e), the red filter component 12R is subjected to a thermal reflow process to form a surface convex red filter component 12R pattern.

ここで、凸型の形状は、赤色フィルター12Rのパターニング時のパターンサイズ及び熱リフローの温度、時間によって調整される。こうして、所望の構造を得ることができる。 Here, the convex shape is adjusted by the pattern size at the time of patterning of the red filter 12R, the temperature and time of thermal reflow. Thus, a desired structure can be obtained.

この後、各色フィルター成分12R,12G,12B上にマイクロレンズ13を形成する。これにより、マイクロレンズ13と各色フィルター成分12R,12G,12Bとの境界面を凸形形状、平坦形状、凹形形状とした目的の固体撮像装置を得る。   Thereafter, microlenses 13 are formed on the color filter components 12R, 12G, and 12B. As a result, a target solid-state imaging device in which the boundary surface between the microlens 13 and the color filter components 12R, 12G, and 12B has a convex shape, a flat shape, and a concave shape is obtained.

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、画素ごとに色フィルターの上面の形状を変えて、さらに色フィルター上にマイクロレンズを形成するため、マイクロレンズと色フィルター間の境界面形状を図4に示すように変えることができ、マイクロレンズとカラーフィルター間の各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正し、色信号ごとのフォトセンサ3への集光位置のずれを無くすことができる固体撮像装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present embodiment, the shape of the upper surface of the color filter is changed for each pixel, and the microlens is formed on the color filter. The shape can be changed as shown in FIG. 4, and the chromatic aberration due to the wavelength dependence of the refractive index of each medium boundary between the microlens and the color filter is corrected for each pixel, and the condensing position on the photosensor 3 for each color signal It is possible to manufacture a solid-state imaging device that can eliminate the deviation.

図10は、図7に示した第3の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の他の実施の形態を示す工程図である。
まず、図10(a)に示すように、各画素のフォトセンサ3、垂直転送レジスタ、遮光膜9、酸化シリコン層10を形成した後、酸化シリコン層10上の凸型形状を形成する青色画素に対応する部分に選択的にフォトレジストパターンをフォトリソグラフィの手法にて形成し、熱リフローにて表面凸型のレジストパターンを形成する。
FIG. 10 is a process diagram showing another embodiment of the method of manufacturing the solid-state imaging device according to the third embodiment shown in FIG.
First, as shown in FIG. 10A, after forming the photosensor 3, the vertical transfer register, the light shielding film 9, and the silicon oxide layer 10 of each pixel, a blue pixel that forms a convex shape on the silicon oxide layer 10 is formed. A photoresist pattern is selectively formed on the portion corresponding to the above by a photolithography technique, and a convex surface resist pattern is formed by thermal reflow.

続いて、図10(b)に示すように、レジストと酸化シリコンの選択比が1となる条件にて異方性エッチングを行い、レジストパターン40を酸化シリコン層10に転写する。これにより、表面を凸型形状10Bとした酸化シリコン層10が形成される。このとき、酸化シリコン層10が薄くなるので、ここでエッチングされる膜厚分をあらかじめ必要な膜厚に追加して成膜しておく。凸型の形状は、レンズ形状を形成するためのレジスト膜厚、熱リフロー温度などにより調整される。   Subsequently, as shown in FIG. 10B, anisotropic etching is performed under the condition that the selection ratio of resist to silicon oxide is 1, and the resist pattern 40 is transferred to the silicon oxide layer 10. Thereby, the silicon oxide layer 10 whose surface has a convex shape 10B is formed. At this time, since the silicon oxide layer 10 becomes thin, the film thickness to be etched here is added in advance to a necessary film thickness. The convex shape is adjusted by the resist film thickness for forming the lens shape, the thermal reflow temperature, and the like.

次いで、図10(c)に示すように、凹型形状を形成する赤色画素に対応する部分に窓41が開くようフォトレジストパターン42を形成する。   Next, as shown in FIG. 10C, a photoresist pattern 42 is formed so that the window 41 opens in a portion corresponding to the red pixel forming the concave shape.

この後、図10(d)に示すように、レジストパターン42をマスクとして、酸化シリコン層10に等方エッチングにてエッチングを行い、赤色画素に対応する部分の酸化シリコン層10に、凹型形状10Rを形成する。凹型形状10Rは、等方性エッチングに異方性を加えるなどして条件を変更することにより調整される。   Thereafter, as shown in FIG. 10D, the silicon oxide layer 10 is etched by isotropic etching using the resist pattern 42 as a mask, and the concave shape 10R is formed on the silicon oxide layer 10 corresponding to the red pixel. Form. The concave shape 10R is adjusted by changing the conditions such as adding anisotropy to the isotropic etching.

次に図10(e)に示すように、マスクレジスト42を剥離する。これにより、青色画素に対応する部分が表面凸型形状10B、緑色画素に対応する部分が表面平坦形状、赤色画素に対応する部分が表面凹型形状の酸化シリコン層10が形成される。   Next, as shown in FIG. 10E, the mask resist 42 is peeled off. As a result, the silicon oxide layer 10 having a surface convex shape 10B corresponding to the blue pixel, a surface flat shape corresponding to the green pixel, and a surface concave shape corresponding to the red pixel is formed.

次に図10(f)に示すように、酸化シリコン層10上に屈折率の異なる窒化シリコン層11を形成する。これにより、酸化シリコン層10と窒化シリコン層11の間に、各色信号ごとのレンズを形成することができる。屈折率差の大きい青色の画素については、窒化シリコン層11の酸化シリコン層10の境界面との形状を凸型形状にし、3色の中で屈折率差の小さい赤色画素については、窒化シリコン層11の酸化シリコン層10の境界面との形状を凹型形状にして、それぞれにレンズ効果を持たせ、緑色画素については、窒化シリコン層11の酸化シリコン層10の境界面を平ら形状として、焦点位置のズレを無くした目的の固体撮像装置を得る。   Next, as shown in FIG. 10F, a silicon nitride layer 11 having a different refractive index is formed on the silicon oxide layer 10. Thereby, a lens for each color signal can be formed between the silicon oxide layer 10 and the silicon nitride layer 11. For a blue pixel having a large refractive index difference, the shape of the silicon nitride layer 11 and the boundary surface of the silicon oxide layer 10 is a convex shape, and for a red pixel having a small refractive index difference among the three colors, a silicon nitride layer is used. The shape of the boundary between the silicon oxide layer 10 and the silicon oxide layer 10 is made concave to give a lens effect to each of the green pixels. A target solid-state imaging device that eliminates the deviation is obtained.

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、酸化シリコン層10と窒化シリコン層11の境界面上に各色信号ごとのレンズを形成するため、このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正し、色信号ごとのフォトセンサ3への集光位置のずれを無くすことができる固体撮像装置を製造することができる。   According to the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the lens for each color signal is formed on the boundary surface between the silicon oxide layer 10 and the silicon nitride layer 11, and thus the refractive index of each medium boundary is formed in this way. Thus, it is possible to manufacture a solid-state imaging device capable of correcting the chromatic aberration due to the wavelength dependence for each pixel and eliminating the shift of the condensing position on the photosensor 3 for each color signal.

本実施形態の固体撮像装置及びその製造方法では、RGBの3色カラーフィルターを用いて説明したが、4色以上の色フィルター、補色のフィルターを有する場合にも適用することができる。   The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment have been described using the RGB three-color filter. However, the present invention can also be applied to a case where four or more color filters and complementary color filters are provided.

本実施の形態に係る固体撮像装置としては、フレームトランスファ方式、あるいはインターライントランスファ方式、フレームインターライントランスファ方式のいずれにも適用することができる。   The solid-state imaging device according to this embodiment can be applied to any of a frame transfer method, an interline transfer method, and a frame interline transfer method.

本実施の形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、CCD固体撮像装置を用いて説明したが、CMOS型固体撮像装置にも適用することができる。   Although the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment have been described using the CCD solid-state imaging device, it can also be applied to a CMOS solid-state imaging device.

本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す断面構成図である。1 is a cross-sectional configuration diagram showing an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. 図1の各媒質の屈折率差を示す図である。It is a figure which shows the refractive index difference of each medium of FIG. 従来の固体撮像装置の要部を示す構成図である。It is a block diagram which shows the principal part of the conventional solid-state imaging device. 本発明に係る固体撮像装置の第1の実施の形態を示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. 本発明に係る固体撮像装置の第2の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the solid-state imaging device which concerns on this invention. 従来の固体撮像装置の要部を示す構成図である。It is a block diagram which shows the principal part of the conventional solid-state imaging device. 本発明に係る第3の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment based on this invention. 本発明に係る第4の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 4th Embodiment based on this invention. a〜e 図4の本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。a to e are process diagrams illustrating a method of manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment in FIG. 4. a〜f 図7の本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。FIGS. 8A to 8F are process diagrams illustrating a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment in FIGS. 従来の固体撮像装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional solid-state imaging device. 図11の各媒質の屈折率を示す図である。It is a figure which shows the refractive index of each medium of FIG. a 従来の撮像領域の中央の要部を示す断面図である。 b 従来の撮像領域の周辺の要部を示す断面図である。a It is sectional drawing which shows the principal part of the center of the conventional imaging region. b is a cross-sectional view showing a main part around a conventional imaging region.

符号の説明Explanation of symbols

1・・固体撮像装置、2・・シリコン基板、3・・フォトセンサ、4・・チャネル領域、5・・ゲート絶縁膜、6・・転送電極、7・・垂直転送レジスタ、8・・層間絶縁膜、9・・遮光膜、10・・酸化シリコン層、11・・窒化シリコン層、12[12R,12G,12B]・・カラーフィルター、13・・マイクロレンズ、21・・凹形状レンズ、22、24、25、26、27、28、29、30、31、・・凸型状レンズ、40、42・・レジストパターン、41・・窓、101・・固体撮像装置、102・・シリコン基板、103・・フォトセンサ、104・・チャネル領域、105・・ゲート絶縁膜、106・・転送電極、107・・垂直転送レジスタ、108・・層間絶縁膜、109・・遮光膜、110・・酸化シリコン層、111・・窒化シリコン層、112・・カラーフィルター、113・・マイクロレンズ   1 .... Solid-state imaging device 2 .... Silicon substrate 3 .... Photo sensor 4 .... Channel region 5 .... Gate insulation film 6 .... Transfer electrode 7 .... Vertical transfer register 8 .... Interlayer insulation Film 9 .. light shielding film 10.. Silicon oxide layer 11 silicon nitride layer 12 [12R, 12G, 12B] color filter 13 micro lens 21 concave lens 22 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31,... Convex lens, 40, 42 .. resist pattern, 41... Window, 101... Solid state imaging device, 102. ..Photosensor, 104 ..Channel region, 105 ..Gate insulating film, 106 ..Transfer electrode, 107 ..Vertical transfer register, 108 ..Interlayer insulating film, 109 ..Light-shielding film, 110. 111 ... silicon nitride layer, 112 ... color filter, 113 ... microlenses

Claims (7)

受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
各色信号に合わせて、フォトセンサ上方の屈折率差のある媒質の境界面形状が各画素ごとに異なる
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit,
A solid-state imaging device, wherein a boundary surface shape of a medium having a refractive index difference above a photosensor is different for each pixel in accordance with each color signal.
受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、
各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、
前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成する
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit,
When the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium,
The medium boundary shape of the pixel having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel is formed in a convex shape,
A solid-state imaging device, wherein a medium boundary shape of a pixel having a small refractive index difference is formed in a concave shape.
受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質<下側媒質の場合、
媒質境界形状は凸形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素程凸形状の曲率が大きくなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit,
When the refractive index of the medium formed above the photosensor is an upper medium <lower medium,
A solid-state imaging device, wherein the medium boundary shape is a convex shape, and the curvature of the convex shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases.
受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、
各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凹形状に形成し、
前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凸形状に形成する
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit,
When the refractive index of the medium formed above the photosensor is higher medium> lower medium,
The medium boundary shape of the pixel having a large refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel is formed in a concave shape,
A solid-state imaging device, wherein a medium boundary shape of a pixel having a small refractive index difference is formed in a convex shape.
受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質>下側媒質の場合、
媒質境界形状は凹形状であり、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素ほど凹形状の曲率が大きくなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
A solid-state imaging device including a color filter above each photosensor serving as a light receiving unit,
When the refractive index of the medium formed above the photosensor is higher medium> lower medium,
A solid-state imaging device characterized in that the medium boundary shape is a concave shape, and the curvature of the concave shape increases as the refractive index difference in the wavelength range corresponding to the color of each pixel increases.
各受光部のフォトセンサ上方の下側媒質層である複数の色フィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、
前記色フィルターのうち上面が平坦な第1の色フィルター成分を形成する工程と、
前記第1の色フィルター成分を含む全面に該第1の色フィルター成分以外の部分の上面が凹形状となるように、第2の色フィルター材料膜を形成する工程と、
前記第2の色フィルター材料膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして上面が凹形状の第2の色フィルター成分を形成する工程と、
第3の色フィルター材料膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして第3の色フィルターを形成する工程と、
前記第3の色フィルター成分の上面を熱リフロー処理して凸形状に形成する工程と、
前記各色フィルター上に上側媒質層であるマイクロレンズを形成する工程を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
A method for manufacturing a solid-state imaging device including a color filter composed of a plurality of color filter components, which is a lower medium layer above a photosensor of each light receiving unit,
Forming a first color filter component having a flat upper surface among the color filters;
Forming a second color filter material film on the entire surface including the first color filter component so that the upper surface of the portion other than the first color filter component has a concave shape;
Patterning the second color filter material film by a photolithography method to form a second color filter component having a concave upper surface;
Forming a third color filter material film and patterning by a photolithography method to form a third color filter;
Forming a convex shape by heat reflowing the upper surface of the third color filter component;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming a microlens as an upper medium layer on each color filter.
各受光部のフォトセンサ上方に複数のフィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、
前記下側媒質層上の第1の画素となる部分に凸状部を形成する工程と、
前記下側媒質層の第2の画素となる部分に開口を有するレジスト層を形成する工程と、
前記開口を介して等方性エッチングし、下側媒質層に凹状部を形成する工程と、
前記レジスト層を除去した後、前記下側媒質層より屈折率が大きい上側媒質層を積層する工程と、
前記上側媒質層上に各色フィルター成分及びマイクロレンズを形成する工程を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
A method of manufacturing a solid-state imaging device including a color filter including a plurality of filter components above a photosensor of each light receiving unit,
Forming a convex portion in a portion to be the first pixel on the lower medium layer;
Forming a resist layer having an opening in a portion to be the second pixel of the lower medium layer;
Performing isotropic etching through the opening to form a concave portion in the lower medium layer;
Laminating an upper medium layer having a refractive index larger than that of the lower medium layer after removing the resist layer;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming each color filter component and a microlens on the upper medium layer.
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