JP2006049825A - Solid state imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子への集光効率が高く、スミアや混色(クロストーク)が少なく、且つ信頼性の高い固体撮像素子とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device with high light collection efficiency to a photoelectric conversion device, less smear and color mixing (crosstalk), and high reliability, and a method for manufacturing the same.
近年、固体撮像素子は、デジタルカメラや写真機能付き携帯電話などに、広く使用されている。これらの機器の小型化、高機能化に伴って、それに用いられる固体撮像素子にも、多画素化、感度向上が求められている。これを実現するため、光電変換素子の上方にオンチップマイクロレンズや集光レンズを設けることにより、集光効率の向上を図った固体撮像素子が提案されている。 In recent years, solid-state imaging devices have been widely used in digital cameras, mobile phones with photo functions, and the like. Along with the downsizing and higher functionality of these devices, the solid-state imaging device used for them is also required to have more pixels and improve sensitivity. In order to realize this, a solid-state imaging device has been proposed in which an on-chip microlens or a condensing lens is provided above the photoelectric conversion element to improve condensing efficiency.
このオンチップマイクロレンズや集光レンズといった2つのレンズを有する従来の固体撮像素子の具体的な構造について、図9および図10を参照しながら説明する。図9および図10は、従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。 A specific structure of a conventional solid-state imaging device having two lenses such as an on-chip microlens and a condenser lens will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9 and 10 are cross-sectional views showing the structure of a conventional solid-state imaging device.
図9において、半導体基板105の表層部には、受光部である光電変換素子107と電荷転送部106とが設けられている。電荷転送部106の上には、転送電極104と、転送電極104の上を覆う遮光膜103とが設けられ、光電変換素子107の上には、第1の集光部である集光レンズ108が設けられている。そして、遮光膜103および集光レンズ108の上は、平坦化層102によって覆われ、さらに、平坦化層102の上において集光レンズ108の上方に位置する部分には、第2の集光部であるオンチップマイクロレンズ101が設けられている。この構造では、オンチップマイクロレンズ101の屈折率をn1、平坦化層102の屈折率をn2、集光レンズの屈折率をn3とすると、n1≒n2<n3である。
In FIG. 9, a
また、図10において、半導体基板105の表層部には、受光部である光電変換素子107と電荷転送部106とが設けられている。電荷転送部106の上には、転送電極104と、転送電極104の上を覆う遮光膜103とが設けられている。光電変換素子107と遮光膜103の上は第1の平坦化層109によって覆われ、第1の平坦化層109の上において光電変換素子107の上方に位置する部分には、第1の集光部である集光レンズ108が設けられている。そして、第1の平坦化層109および集光レンズ108の上には、第2の平坦化層102が設けられ、第2の平坦化層102の上には第2の集光部であるオンチップマイクロレンズ101が設けられている。この構造では、オンチップマイクロレンズ101の屈折率をn1、第2の平坦化層102の屈折率をn2、集光レンズ108の屈折率をn3、第1の平坦化層109の屈折率をn4とすると、n1≒n2<n3≒n4である。
In FIG. 10, a
また、集光効率の向上を図った固体撮像素子として、集光レンズに変わる集光機能を有する固体撮像素子が提案されている。このような固体撮像素子の具体的な構造について、図11を参照しながら説明する。図11は、従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。 In addition, as a solid-state image pickup device that improves the light collection efficiency, a solid-state image pickup device having a condensing function instead of a condensing lens has been proposed. A specific structure of such a solid-state imaging device will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solid-state imaging device.
図11において、シリコン基板202の表層部には、受光部である光電変換素子203と、光電変換素子203の一端に隣接する読み出しゲート204と、読み出しゲート204に隣接する電荷転送部205と、光電変換素子203の他端に隣接するチャネルストップ206とが設けられている。シリコン基板202の上は絶縁膜207によって覆われており、電荷転送部205の上には、絶縁膜207を挟んで転送電極208が設けられている。絶縁膜207および転送電極208の上は層間絶縁膜209によって覆われ、層間絶縁膜209の上において転送電極208の上方に位置する部分は、遮光膜210で覆われている。遮光膜210の上には平坦化層212が設けられている。
In FIG. 11, the surface layer portion of the
光電変換素子203の上は、平坦化層212および遮光膜210を除去して形成された開口部211が設けられている。開口部211の内部には、底面および側面を覆う第1の透明膜214と、第1の透明膜214の内側を覆う第2の透明膜215と、第2の透明膜215の内部を覆う第3の透明膜216とが設けられている。平坦化層212および第1の透明膜214〜第3の透明膜216の上には、パッシベーション膜217およびカラーフィルター層218が順に設けられ、カラーフィルター層218の上にはオンチップマイクロレンズ219が設けられている。この構造では、第1の透明膜214の屈折率をn1、第2の透明膜215の屈折率をn2、第3の透明膜216の屈折率をn3、平坦化層212の屈折率をn4とすると、n1>n2>n3>n4である。
このようにして得られる従来の固体撮像素子のうち図9で示した固体撮像素子では、集光レンズ108が光電変換素子107の直上にあるため、集光レンズ108からオンチップマイクロレンズ101までの距離が大きくなることにより、図9に点線で示したように、斜め入射光が光電変換素子107に集光しない場合がある。このため、集光効率が下がり、得られる画像が暗くなるだけでなく、斜め入射光が遮光膜103の内部に進入し、転送電極104で光電変換され、スミア成分となって画質が劣化してしまう。
Among the conventional solid-state imaging devices obtained in this way, in the solid-state imaging device shown in FIG. 9, since the
また、図10で示した固体撮像素子では、集光レンズ101で屈折された斜め入射光が、図10に点線で示したように、光電変換素子107に集光しない場合がある。そのような入射光が遮光膜103上で反射してその一部が隣の光電変換素子107に入ると、混色(クロストーク)の原因となり、画質が劣化してしまう。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 10, the oblique incident light refracted by the
また、図11で示した固体撮像素子では、孔部211の内部に、第1の透明膜214、第2の透明膜215および第3の透明膜216を順次形成する際に、孔部211上部のガスの入り口の断面積が徐々に小さくなっていくことから、孔部211内部に原料ガスが入りにくくなりボイド(間隙)が発生する。このボイドの内部は真空又は空気であるために、ボイドが原因となって散乱光が発生し、感度が低下してしまう。更に、第1の透明膜214〜第3の透明膜216は光導波路が異なる材料で形成された積層膜からなるため、線膨張係数の違いや、成膜時に発生する内部応力等により、固体撮像素子に大きな応力が発生し、リ−ク電流の増加やクラックが入る等の課題があり、また積層膜を形成する工程数が増加することによって、製造時の歩留まりが低下してしまう。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 11, when the first
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、光電変換素子への集光効率が高く、スミア成分や隣接する光電変換素子間の混色(クロストーク)が少なく、かつ信頼性の高い固体撮像素子と、その製造方法の提供を目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and has high light collection efficiency to a photoelectric conversion element, less smear components and less color mixture (crosstalk) between adjacent photoelectric conversion elements, and highly reliable solid-state imaging. An object is to provide an element and a manufacturing method thereof.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、少なくとも前記絶縁膜を介して前記光電変換素子の上方に設けられた光導波路と、前記光導波路の側方を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜と、前記光導波路の上に設けられた集光レンズとを備え、前記光導波路および前記集光レンズの屈折率は前記層間絶縁膜より高く、且つ、前記光導波路は、前記光電変換素子から前記集光レンズへ向かう方向に断面積(半導体基板に対して平行な面の面積)が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements provided in a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and at least above the photoelectric conversion element via the insulating film. An optical waveguide provided; an interlayer insulating film covering a side of the optical waveguide; a transfer electrode and a light shielding film provided in the interlayer insulating film and insulated from each other by the interlayer insulating film; A refractive index of the optical waveguide and the condenser lens is higher than that of the interlayer insulating film, and the optical waveguide is in a direction from the photoelectric conversion element toward the condenser lens. It has a taper shape in which a cross-sectional area (area of a plane parallel to the semiconductor substrate) is increased.
これにより、基板に対して垂直の入射光で入射した光が集光レンズで屈折されて光電変換素子に集光されると共に、基板に対して傾いた角度で入射した光(斜め入射光)も、光導波路の側面で全反射して光電変換素子に集光される。このように、従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができるので、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色(クロストーク)を防止することができる。 As a result, the light incident on the substrate with the incident light perpendicular to the substrate is refracted by the condenser lens and condensed on the photoelectric conversion element, and the light incident on the substrate at an angle (oblique incident light) is also obtained. Then, the light is totally reflected on the side surface of the optical waveguide and condensed on the photoelectric conversion element. As described above, since it is possible to collect even oblique incident light that could not be collected in the configuration without the conventional optical waveguide, the light collection efficiency is improved and the oblique incident light is not easily incident on the transfer electrode or the like. Therefore, it is possible to reduce smear components, and it is difficult for incident light to propagate to adjacent pixels, so that color mixing (crosstalk) can be prevented.
前記集光レンズは、前記光導波路と同一材料からなり、前記光導波路と一体であることが好ましく、この場合には、製造時の工程数を少なくし、歩留まりを向上することができるとともに、集光レンズと光導波路の間の界面が存在しないので、両者の間での光の屈折や反射がなく、集光レンズに入射した光を漏れなく光導波路に伝搬させることができる。 The condensing lens is preferably made of the same material as that of the optical waveguide and is preferably integrated with the optical waveguide. In this case, the number of manufacturing steps can be reduced, the yield can be improved, and the concentration can be improved. Since there is no interface between the optical lens and the optical waveguide, there is no refraction or reflection of light between them, and light incident on the condenser lens can be propagated to the optical waveguide without leakage.
前記光導波路の側面は前記半導体基板に対して60°以上90°未満の角度を有することが好ましく、この場合には、製造時に層間絶縁膜に孔部を形成して光導波路の材質を埋め込む際に、原料ガスが孔部内に進入しやすくなりため、ボイドの発生が防止される。したがって、入射光がボイドによって散乱されるのを防止することができる。 The side surface of the optical waveguide preferably has an angle of 60 ° or more and less than 90 ° with respect to the semiconductor substrate. In this case, when the hole is formed in the interlayer insulating film during manufacturing and the material of the optical waveguide is embedded In addition, since the source gas easily enters the hole, generation of voids is prevented. Therefore, it is possible to prevent the incident light from being scattered by the void.
また、前記光導波路の高さは、前記集光レンズの直径よりも大きいことが好ましい。これは、集光レンズの直径よりも光導波路の高さが低い場合、斜め入射光に対して、光導波路の効果が少なくなる為であり、逆に光導波路の高さが前記集光レンズの直径よりも大きい場合は、光導波路によって斜め入射光を効果的に光電変換素子に集光させる事ができ、より光導波路の効果が大きくなるためである。 The height of the optical waveguide is preferably larger than the diameter of the condenser lens. This is because when the height of the optical waveguide is lower than the diameter of the condenser lens, the effect of the optical waveguide is reduced with respect to obliquely incident light. When the diameter is larger than the diameter, obliquely incident light can be effectively condensed on the photoelectric conversion element by the optical waveguide, and the effect of the optical waveguide is further increased.
前記光導波路の側面は、前記半導体基板に対して70°以上80°以下の角度を有することがより好ましい。この場合には、製造時に層間絶縁膜に孔部を形成して光導波路の材質を埋め込む際に、半導体基板に対する角度が90°よりも80°の方が、原料ガスが孔部内により進入しやすくなるため、ボイドの発生がより確実に防止される。また、半導体基板に対する角度が60°よりも70°の方が、斜め入射光の、光導波路と層間絶縁膜との界面での全反射を効率よく行うことが出来る。 More preferably, the side surface of the optical waveguide has an angle of 70 ° to 80 ° with respect to the semiconductor substrate. In this case, when the hole is formed in the interlayer insulating film at the time of manufacturing and the material of the optical waveguide is embedded, the source gas is more likely to enter the hole when the angle with respect to the semiconductor substrate is 80 ° rather than 90 °. Therefore, the generation of voids can be prevented more reliably. Further, when the angle with respect to the semiconductor substrate is 70 ° rather than 60 °, the total reflection of the obliquely incident light at the interface between the optical waveguide and the interlayer insulating film can be performed efficiently.
前記光導波路および前記集光レンズは、2.0以上の屈折率を有し、酸化チタン(屈折率2.2〜2.5)、酸化タンタル(屈折率2.0〜2.3)、酸化ニオブ(屈折率2.0〜2.3)、酸化タングステン(屈折率2.2)、酸化ジルコニウム(屈折率2.05)、酸化亜鉛(屈折率2.0)、酸化インジウム(屈折率2.0)、酸化ハフニウム(屈折率2.0〜2.1)のうちの少なくとも1つからなり、前記層間絶縁膜は、1.5以下の屈折率を有し、酸化シリコンを主成分とする材質からなることが好ましい。この様に、屈折率の高い材料を光導波路および集光レンズに用い、屈折率の低い材料を層間絶縁膜に用いることにより、光導波路と層間絶縁膜の屈折率の差を大きくとり、界面で全反射する光の量を増加させ、光電変換素子に効率よく集光することができる。
また、屈折率が2.0以上の透明絶縁膜の材料として、従来は窒化シリコン(屈折率2.0)が光導波路の材料として用いられているが、これを光導波路に用いた場合は、成膜時に大きな内部応力が発生するため、結晶欠陥に由来して出力画像に発生する白傷の原因となることが多い。ここに、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムを用いることにより、窒化シリコンと比較して内部応力を小さくすることが出来るため、白傷の発生を防止することが出来る。
さらに、光導波路および集光レンズに用いるいずれの材料も酸化物であり、これらの材料は水素の透過性に優れている。そのため、暗電流低減処理として固体撮像素子の製造工程において行われる、水素雰囲気中での熱処理を有効に進めることが出来る。
The optical waveguide and the condensing lens have a refractive index of 2.0 or more, titanium oxide (refractive index 2.2 to 2.5), tantalum oxide (refractive index 2.0 to 2.3), oxidized Niobium (refractive index 2.0-2.3), tungsten oxide (refractive index 2.2), zirconium oxide (refractive index 2.05), zinc oxide (refractive index 2.0), indium oxide (refractive index 2. 0), hafnium oxide (refractive index 2.0 to 2.1), and the interlayer insulating film has a refractive index of 1.5 or less and is composed mainly of silicon oxide. Preferably it consists of. In this way, by using a material with a high refractive index for the optical waveguide and the condensing lens, and using a material with a low refractive index for the interlayer insulating film, the difference in refractive index between the optical waveguide and the interlayer insulating film can be greatly increased. The amount of light totally reflected can be increased and light can be efficiently collected on the photoelectric conversion element.
In addition, as a material of a transparent insulating film having a refractive index of 2.0 or more, silicon nitride (refractive index of 2.0) is conventionally used as a material for an optical waveguide. When this is used for an optical waveguide, Since a large internal stress is generated during film formation, it often causes white scratches in the output image due to crystal defects. By using titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, and hafnium oxide, the internal stress can be reduced compared to silicon nitride. Generation can be prevented.
Furthermore, any material used for the optical waveguide and the condensing lens is an oxide, and these materials are excellent in hydrogen permeability. Therefore, the heat treatment in a hydrogen atmosphere, which is performed in the manufacturing process of the solid-state imaging device as the dark current reduction process, can be effectively advanced.
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜をさらに備え、前記光導波路は前記絶縁膜と前記エッチングストッパー膜とを介して前記光電変換素子の上方に設けられていてもよい。 An etching stopper film provided on the insulating film may be further provided, and the optical waveguide may be provided above the photoelectric conversion element via the insulating film and the etching stopper film.
前記エッチングストッパー膜は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなることが好ましい。この場合には、光導波路を形成するために層間絶縁膜に孔部を形成するドライエッチングを行う時に、フッ素系のガスを用いるため、層間絶縁膜である酸化シリコンを主成分とする材料との選択比を大きく取ることができ、エッチングを効率よく止めることができる。これにより、光導波路と光電変換素子の間隔を所望の値に制御することができ、バラツキを少なくすることができる。更に、屈折率2.0以上の酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムからなる光導波路と、屈折率1.5の酸化シリコンを主成分とする絶縁膜の間に、その中間の屈折率1.7の酸化アルミニウムか、あるいは屈折率1.9の窒化アルミニウムを挟むことにより、屈折率を段階的に変化させることができ、光導波路から絶縁膜に入る光が、その界面で反射して、最終的に光電変換素子に入る光の量を低減するのを抑えることができ、集光効率を高くする効果を併せ持つことができる。
また、前記エッチングストッパー膜は、絶縁膜としての機能を併せ持つこともできる。この場合、絶縁膜兼エッチングストッパー膜は、絶縁性の高い酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムから成ることが好ましい。この構成により、光導波路を形成するために層間絶縁膜に孔部を形成するドライエッチングを行う時に、フッ素系のガスを用いるため、層間絶縁膜である酸化シリコンを主成分とする材料との選択比を大きく取ることができ、エッチングを効率よく止めることができる。更に、屈折率2.0以上の光導波路と光電変換素子の間に、屈折率1.5の酸化シリコンを主成分とする絶縁膜のかわりに、より屈折率の大きい酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムを絶縁膜兼エッチングストッパー膜として挟むことにより、光導波路との屈折率の差を小さくすることができるため、光導波路から光電変換素子に入る光の基板上での反射を、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜を用いた場合よりも抑えることができ、集光効率を高くすることができる。
The etching stopper film is preferably made of aluminum oxide or aluminum nitride. In this case, when dry etching for forming a hole in the interlayer insulating film to form an optical waveguide is performed, a fluorine-based gas is used, so that the silicon oxide that is the interlayer insulating film as a main component is used. The selection ratio can be increased, and etching can be stopped efficiently. Thereby, the space | interval of an optical waveguide and a photoelectric conversion element can be controlled to a desired value, and variation can be decreased. Further, an optical waveguide made of titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, hafnium oxide having a refractive index of 2.0 or more, and silicon oxide having a refractive index of 1.5 as main components. By sandwiching an intermediate aluminum oxide having a refractive index of 1.7 or an aluminum nitride having a refractive index of 1.9, the refractive index can be changed stepwise to insulate from the optical waveguide. It is possible to suppress the light entering the film from being reflected at the interface and finally reducing the amount of light entering the photoelectric conversion element, and to have the effect of increasing the light collection efficiency.
The etching stopper film can also have a function as an insulating film. In this case, the insulating film / etching stopper film is preferably made of highly insulating aluminum oxide or aluminum nitride. With this configuration, when dry etching is performed to form a hole in an interlayer insulating film to form an optical waveguide, a fluorine-based gas is used, so that a material mainly composed of silicon oxide that is an interlayer insulating film is selected. The ratio can be increased and etching can be stopped efficiently. Further, instead of an insulating film mainly composed of silicon oxide having a refractive index of 1.5, an aluminum oxide or aluminum nitride having a higher refractive index is insulated between the optical waveguide having a refractive index of 2.0 or more and the photoelectric conversion element. Since the difference in refractive index from the optical waveguide can be reduced by sandwiching it as a film and etching stopper film, reflection of light entering the photoelectric conversion element from the optical waveguide on the substrate is mainly composed of silicon oxide. This can be suppressed as compared with the case where an insulating film is used, and the light collection efficiency can be increased.
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜のうち前記光電変換素子の上方に位置する部分に、上に向かって口径が大きくなるテーパー形状を有する孔部を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後に、前記孔部の内部から前記孔部の上にかけて、屈折率が前記層間絶縁膜より高い材質からなる光導波路および集光レンズを形成する工程(b)とを備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements provided in a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and an interlayer insulation provided above the insulating film. In a method of manufacturing a solid-state imaging device including a film, a transfer electrode and a light shielding film provided in the interlayer insulating film and insulated from each other by the interlayer insulating film, the interlayer insulating film is disposed above the photoelectric conversion element. A step (a) of forming a hole having a tapered shape whose diameter increases toward the upper part in the located portion, and after the step (a), the refraction is performed from the inside of the hole to the top of the hole. And (b) forming an optical waveguide and a condensing lens made of a material having a higher rate than the interlayer insulating film.
この方法により製造された固体撮像素子では、基板に対して垂直の入射光で入射した光は、集光レンズで屈折されて光電変換素子に集光されると共に、基板に対して傾いた角度で入射した光(斜め入射光)も、光導波路の側面で全反射して光電変換素子に集光される。このように、従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができるので、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色(クロストーク)を防止することができる。 In the solid-state imaging device manufactured by this method, light incident as incident light perpendicular to the substrate is refracted by the condenser lens and condensed on the photoelectric conversion element, and at an angle inclined with respect to the substrate. The incident light (obliquely incident light) is also totally reflected by the side surface of the optical waveguide and collected on the photoelectric conversion element. As described above, since it is possible to collect even oblique incident light that could not be collected in the configuration without the conventional optical waveguide, the light collection efficiency is improved and the oblique incident light is not easily incident on the transfer electrode or the like. Therefore, it is possible to reduce smear components, and it is difficult for incident light to propagate to adjacent pixels, so that color mixing (crosstalk) can be prevented.
本発明の固体撮像素子によれば、光導波路を設けることにより、集光レンズに到達した光を効率よく光電変換素子へ集光するとともに、スミア成分を低減することができ、混色(クロストーク)も防止することができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, by providing the optical waveguide, the light that has reached the condenser lens can be efficiently condensed on the photoelectric conversion element, and the smear component can be reduced. Can also be prevented.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
(実施例1)
以下に、実施例1のCCD(Charged Coupled Device)固体撮像素子について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施例1に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
(Embodiment 1)
Example 1
Hereinafter, a CCD (Charged Coupled Device) solid-state imaging device of Example 1 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示す固体撮像素子では、シリコン基板11の表面部に、光電変換素子12と、光電変換素子12の両側方に配置する電荷転送部13と、光電変換素子12と2つの電荷転送部13のうちの一方との間に介在する読み出しゲート14と、光電変換素子12と他方の電荷転送部13との間に介在するチャネルストップ15とが設けられている。シリコン基板11の上には、酸化シリコンからなる絶縁膜16が設けられている。
In the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1, the
電荷転送部13の上には、絶縁膜16を挟んで、ポリシリコンから成る転送電極18が設けられ、転送電極18の上方はタングステンから成る遮光膜19によって覆われている。転送電極18の上には、屈折率が1.45の酸化シリコンからなる層間絶縁膜20が設けられ、この層間絶縁膜20は、転送電極18と遮光膜19との間に介在することにより転送電極18と遮光膜19とを互いに絶縁し、また、隣り合う転送電極18の間に介在することにより転送電極18同士を互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、絶縁膜16を挟んで、上方に向かって断面積が大きくなる順テーパー形状を持った、屈折率が2.50の酸化チタンから成る光導波路21が設けられている。光導波路21の側面は、層間絶縁膜20に接している。光導波路21の上には、光導波路21と同じ酸化チタンからなる集光レンズ22が光導波路21と一体化して設けられている。集光レンズ22と層間絶縁膜20との上には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化層23と、屈折率1.55の透明高分子樹脂からなるカラーフィルター24とが順次積層され、その上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップマイクロレンズ25が設けられている。
On the other hand, an
本実施形態の固体撮像素子において、基板に対して垂直の入射角でオンチップマイクロレンズ25に入射した光は、図1に実線の矢印で示すように、集光レンズ22で更に屈折されて、光電変換素子に集光される。一方、基板に対する垂直方向から大きく傾いた角度で入射する光(斜め入射光)も、光導波路21と層間絶縁膜20との境界で全反射して、光電変換素子12に集光される。このように、図9および図10に示すような従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができる。これにより、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極18等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色(クロストーク)を防止することができる。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the light incident on the on-
(比較例1)
図2は、本発明の比較例1に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図2に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていない点を除いて図1に示す固体撮像素子と同一構造を有しており、かつ同じ材質で形成されている。比較例1の固体撮像素子は、実施例1の固体撮像素子と光の集光効率を比較するために作成したものであって、従来の素子ではない。なお、集光効率の比較は、両者の固体撮像素子に、基板に対する垂直方向および斜め方向から光を照射し、光電変換素子に入射する光の効率を測定することにより行った。
(Comparative Example 1)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the solid-state imaging device according to Comparative Example 1 of the present invention. The solid-state imaging device shown in FIG. 2 has the same structure as that of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 except that no optical waveguide is provided, and is made of the same material. The solid-state imaging device of Comparative Example 1 was created to compare the light collection efficiency with the solid-state imaging device of Example 1, and is not a conventional device. In addition, the comparison of the light collection efficiency was performed by irradiating both solid-state image sensors with light from the perpendicular direction and the oblique direction with respect to the substrate, and measuring the efficiency of light incident on the photoelectric conversion elements.
その結果、図1に示す光導波路を有する固体撮像素子では、表1に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は88、20°傾いた角度の入射光では78、30°傾いた角度の入射光では65であった。これに対して、図2に示す光導波路を持たない固体撮像素子では、垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は76、20°傾いた角度からの入射光では35、30°傾いた角度からの入射光では12であり、入射角が大きくなると、集光効率が大きく低下した。この結果から、光導波路21の有無によって斜め入射光の効率が大きく異なり、本実施形態の固体撮像素子では高い集光効率を得ることができることがわかる。
As a result, in the solid-state imaging device having the optical waveguide shown in FIG. 1, as shown in Table 1, assuming that the efficiency of the light incident perpendicularly to the substrate is 100, the incident light is inclined at an angle of 10 ° from the vertical direction. The efficiency was 78 for incident light at an angle of 88 ° and 20 °, and 65 for incident light at an angle of 30 °. On the other hand, in the solid-state imaging device having no optical waveguide shown in FIG. 2, assuming that the efficiency of vertically incident light is 100, the efficiency of incident light inclined by 10 ° from the vertical direction is inclined by 76 ° and 20 °. Incident light from an angle of 35 is 35, and incident light from an angle of 30 ° is 12. Increasing the incident angle greatly reduces the light collection efficiency. From this result, it can be seen that the efficiency of obliquely incident light varies greatly depending on the presence or absence of the
(実施例2)
図3は、本発明の実施例2に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図3に示す構造では、集光レンズ22の上に平坦化層23、カラーフィルター24およびオンチップマイクロレンズ25(以上、図1に示す)を設けていない。こうすることにより、固体撮像素子の高さ方向のサイズをより小さくすることができるため、集光レンズ22に入射した光を、光導波路21を通して、光電変換素子12に、効率よく導くことができる。よって、斜め入射光の集光効率を、より高くすることができる。実施例2の固体撮像素子における集光効率を測定したところ、表1に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は92、20°傾いた角度の入射光では84、30°傾いた角度の入射光では77であった。このように、実施例2の固体撮像素子では、集光レンズ22の上に平坦化層23、カラーフィルター24およびオンチップマイクロレンズ25を形成する実施例1の固体撮像素子と比較して、更に斜め入射光の集光効率を高くすることができた。
(Example 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the structure of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In the structure shown in FIG. 3, the
なお、実施例2の撮像素子は、白黒撮像用の固体撮像素子として用いることができる。また、実施例2の撮像素子はカラー画像用に用いるためには、撮像素子の上方の光入射側、例えばカバーガラスを設ける領域に、色分離のためのカラーフィルターを別途形成すればよい。そして、撮像素子のエリアごとに色分離するなどの方法を行いて画像処理で合成すれば、カラーの画像を取り出すことができる。 Note that the image sensor of Example 2 can be used as a solid-state image sensor for monochrome imaging. In addition, in order to use the image pickup device of Embodiment 2 for color images, a color filter for color separation may be separately formed on the light incident side above the image pickup device, for example, in a region where a cover glass is provided. Then, if a method such as color separation is performed for each area of the image sensor and combined by image processing, a color image can be extracted.
(実施の形態2)
(実施例3)
以下に、実施例3のCCD(Charged Coupled Device)固体撮像素子について、図4を参照しながら説明する。図4は、本発明の実施例3に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
(Embodiment 2)
(Example 3)
Hereinafter, a CCD (Charged Coupled Device) solid-state imaging device of Example 3 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the structure of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
図4に示す固体撮像素子では、シリコン基板11の表面部に、光電変換素子12と、光電変換素子12の両側方に配置する電荷転送部13と、光電変換素子12と2つの電荷転送部13のうちの一方との間に介在する読み出しゲート14と、光電変換素子12と他方の電荷転送部13との間に介在するチャネルストップ15とが設けられている。シリコン基板11の上には、酸化シリコンからなる絶縁膜16が設けられている。また、絶縁膜16の上には、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜17が設けられている。
In the solid-state imaging device illustrated in FIG. 4, the
電荷転送部13の上には、絶縁膜16とエッチングストッパー膜17とを挟んで、ポリシリコンからなる転送電極18が設けられ、転送電極18の上方はタングステンからなる遮光膜19によって覆われている。エッチングストッパー膜17および転送電極18の上には、屈折率が1.45の酸化シリコンからなる層間絶縁膜20が設けられ、この層間絶縁膜20は、転送電極18と遮光膜19との間に介在することにより転送電極18と遮光膜19とを互いに絶縁し、また、隣り合う転送電極18の間に介在することにより転送電極18同士を互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、絶縁膜16とエッチングストッパー膜17とを挟んで、上方に向かって断面積が大きくなる順テーパー形状を持った、屈折率が2.50の酸化チタンから成る光導波路21が設けられている。光導波路21の側面は、層間絶縁膜20に接している。光導波路21の上には、光導波路21と同じ酸化チタンからなる集光レンズ22が光導波路21と一体化して設けられている。集光レンズ22と層間絶縁膜20との上には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化層23と、屈折率1.55の透明高分子樹脂からなるカラーフィルター24とが順次積層され、その上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップマイクロレンズ25が設けられている。
On the other hand, on the
本実施形態の固体撮像素子において、基板に対して垂直の入射角でオンチップマイクロレンズ25に入射した光は、図4に実線の矢印で示すように、集光レンズ22で更に屈折されて、光電変換素子に集光される。一方、基板に対する垂直方向から大きく傾いた角度で入射する光(斜め入射光)も、光導波路21と層間絶縁膜20との境界で全反射して、光電変換素子12に集光される。このように、図9および図10に示すような従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができる。これにより、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極18等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色(クロストーク)を防止することができる。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the light incident on the on-
(比較例2)
図5は、本発明の比較例2に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図5に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていない点を除いて図4に示す固体撮像素子と同一構造を有しており、かつ同じ材質で形成されている。比較例2の固体撮像素子は、実施例3の固体撮像素子と光の集光効率を比較するために作成したものであって、従来の素子ではない。この比較は、両者の固体撮像素子に、基板に対する垂直方向および斜め方向から光りを照射し、光電変換素子に入射する光の効率を測定することにより行った。
(Comparative Example 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a solid-state imaging device according to Comparative Example 2 of the present invention. The solid-state imaging device shown in FIG. 5 has the same structure as that of the solid-state imaging device shown in FIG. 4 except that no optical waveguide is provided, and is formed of the same material. The solid-state image sensor of Comparative Example 2 was created to compare the light collection efficiency with the solid-state image sensor of Example 3, and is not a conventional element. This comparison was performed by irradiating both solid-state image sensors with light from a direction perpendicular to the substrate and an oblique direction, and measuring the efficiency of light incident on the photoelectric conversion elements.
その結果、図4に示す光導波路を有する固体撮像素子では、表2に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は93、20°傾いた角度の入射光では81、30°傾いた角度の入射光では70であった。これに対して、図5に示す光導波路を持たない固体撮像素子では、垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は85、20°傾いた角度からの入射光では41、30°傾いた角度からの入射光では16であり、入射角が大きくなると、集光効率が大きく低下した。この結果から、光導波路21の有無によって斜め入射光の効率が大きく異なり、本実施形態の固体撮像素子では高い集光効率を得ることができることがわかる。
As a result, in the solid-state imaging device having the optical waveguide shown in FIG. 4, as shown in Table 2, assuming that the efficiency of light perpendicularly incident on the substrate is 100, the incident light is inclined at an angle of 10 ° from the vertical direction. The efficiency was 93 for incident light at an angle of 93, 20 °, and 70 for incident light at an angle of 30 °. On the other hand, in the solid-state imaging device having no optical waveguide shown in FIG. 5, assuming that the efficiency of vertically incident light is 100, the efficiency of incident light inclined at 10 ° from the vertical direction is inclined by 85 ° and 20 °. The incident light from a certain angle is 41, and the incident light from an angle inclined by 30 ° is 16. The light collection efficiency is greatly reduced when the incident angle is increased. From this result, it can be seen that the efficiency of obliquely incident light varies greatly depending on the presence or absence of the
(実施例4)
図6は、本発明の実施例4に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図6に示す構造では、集光レンズ22の上に平坦化層23、カラーフィルター24およびオンチップマイクロレンズ25(以上、図1に示す)を設けていない。こうすることにより、実施例2と同様に、固体撮像素子の高さ方向のサイズをより小さくすることができるため、集光レンズ22に入射した光を、光導波路21を通して、光電変換素子12に、効率よく導くことができる。これにより、斜め入射光の集光効率を、より高くすることができる。実施例4の固体撮像素子における集光効率を測定したところ、表2に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を100とすると、垂直方向から10°傾いた角度の入射光の効率は97、20°傾いた角度の入射光では90、30°傾いた角度の入射光では83であった。このように、実施例4の固体撮像素子では、集光レンズ22の上に平坦化層23、カラーフィルター24およびオンチップマイクロレンズ25を形成する実施例3の固体撮像素子と比較して、更に斜め入射光の集光効率を高くすることができた。
Example 4
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention. In the structure shown in FIG. 6, the
また、実施例4の固体撮像装置では、実施例1のエッチングストッパーのない固体撮像素子と比較して、斜め入射光の集光効率を高くすることができた。これは、実施例4の固体撮像装置では、屈折率2.0以上の光導波路21と、屈折率1.5の絶縁膜16の間に、その中間の屈折率1.7の酸化アルミニウムか、あるいは屈折率1.9の窒化アルミニウムからなるエッチングストッパー層17を挟むことにより、屈折率を段階的に変化させることができるためである。これにより、光導波路21から絶縁膜16に入る光が、その界面で反射して、最終的に光電変換素子に入る光の量を低減するのを抑えることができる。よって、集光効率をさらに高めることができるのである。
Further, in the solid-state imaging device of Example 4, compared with the solid-state imaging device having no etching stopper of Example 1, the light collection efficiency of oblique incident light could be increased. This is because, in the solid-state imaging device of Example 4, between the
(実施の形態3)
以下に、実施例3で説明した固体撮像素子の製造方法について、図7を参照しながら説明する。図7(a)〜(f)は、実施例3の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板11の表層部に、光電変換素子12、電荷転送部13、読み出しゲート14およびチャネルストップ15を形成した後の工程から説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a method for manufacturing the solid-state imaging device described in the third embodiment will be described with reference to FIG. 7A to 7F are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the solid-state imaging device of the third embodiment. Here, the process after the
本実施形態の固体撮像素子の製造方法では、まず、図7(a)に示す工程で、シリコン基板11の上に、熱酸化処理により膜厚20nmの酸化シリコンからなる絶縁膜16を形成し、絶縁膜16の上に、CVD法またはスパッタリング法によって膜厚40nmの酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜17を形成する。次に、CVD法およびパターニングによって、エッチングストッパー膜17の上に、ポリシリコンからなる転送電極18と、転送電極18の上方を覆い、タングステンからなる遮光膜19と、遮光膜19の上を覆い、また、転送電極18と遮光膜19との間にも介在する、BPSG(ボロンリンシリケートガラス)等の酸化シリコンを主成分とする材質からなる層間絶縁膜20とを順次形成する。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present embodiment, first, in the step shown in FIG. 7A, the insulating
次に、図7(b)に示す工程で、層間絶縁膜20の上に、光電変換素子12の上方を開口するレジスト(図示せず)を形成し、等方性のドライエッチングまたはウエットエッチングを行うことにより、層間絶縁膜20のうち光電変換素子12の上方に位置する部分を除去して、孔部26を形成する。その後、レジスト(図示せず)を除去する。なお、この孔部26は、光電変換素子の上に位置する直径1.0μmの底面部と、層間絶縁膜20の開口部である直径2.0μmの上部と、2.0μmの高さとを有する順テーパー形状を有している。また、孔部26において、側面に段差はなく、側面の基板に対するテーパー角度は76°である。
Next, in the step shown in FIG. 7B, a resist (not shown) that opens above the
次に、図7(c)に示す工程で、CVD法により、孔部26を埋め、層間絶縁膜20の上を覆う酸化チタン膜21aを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 7C, a
次に、図7(d)に示す工程で、酸化チタン膜21aの上全体に、上面が平坦になるようにレジスト(図示せず)を塗布し、酸化チタン膜21aとレジストとのエッチングレートが同じになる条件でドライエッチングを行う(レジスト全面エッチバック法)か、またはCMP法を行うことにより、酸化チタン膜21aの上面をグローバル平坦化した後、酸化チタン膜21aの上における光電変換素子12の上方に位置する領域に、集光レンズ22(図7(e)に示す)と同じ形状のレジスト27をパターニングおよびリフローにより形成する。
Next, in the step shown in FIG. 7D, a resist (not shown) is applied on the entire surface of the
その後、図7(e)に示す工程で、レジスト27をマスクとして再度エッチバックを行って酸化チタン膜21aのうち露出する部分を除去していくことにより、酸化チタン膜21aの上面にレジストの形状を転写して、集光レンズ22を形成する。その後、図7(f)に示す工程で、通常の撮像素子の製造工程通りに平坦化層23、カラーフィルター24、オンチップマイクロレンズ25を形成して、一連の製造工程が終了となる。
Thereafter, in the step shown in FIG. 7E, etching back is performed again using the resist 27 as a mask to remove the exposed portion of the
以上に述べた一連の製造方法によれば、実施の形態1で述べたように、光電変換素子から集光レンズに向かう方向に断面積が大きくなる順テーパー形状を有し、ボイドのない光導波路を有する固体撮像素子を、容易に作製することができる。 According to the series of manufacturing methods described above, as described in the first embodiment, the optical waveguide has a forward taper shape in which the cross-sectional area increases in the direction from the photoelectric conversion element toward the condenser lens, and has no voids. It is possible to easily produce a solid-state imaging device having
特に、図7(b)に示す工程で、孔部26を形成するときに、エッチングガスとして例えばCF4を用いた等方性のドライエッチング処理を行うことにより、より容易に、孔部26の形状を上部の断面積が大きい順テーパー形状とすることができる。孔部26を形成するときのエッチングのエッチングガスの種類、流量およびガス圧やバイアス電圧を制御することにより、テーパー角度を制御することができる。更に、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜17を設けることにより、孔部26のエッチング時に、より確実にエッチングを止めることができ、光導波路21と光電変換素子12との間の距離を等間隔かつ要求される間隔に保つことができる。これにより、素子の特性のバラツキを低減することができる。
In particular, when forming the
なお、孔部26内に光導波路21を形成する方法として、CVD法、特に基板表面で反応が進行する熱CVD法を用いることにより、孔部26のカバレージが格段に向上する。また、孔部26の側面の基板に対する角度が60°以上90°未満であり、より望ましくは70°以上80°以下であることにより、原料ガスの孔部26への進入を容易とし、光導波路21内部におけるボイド(間隙)の発生を防止することができる。ここで、テーパー角が60°以下になると、入射光が光導波路と層間絶縁膜の界面で全反射せず、一部が層間絶縁膜に透過するため、光電変換素子に集光する光の量が低下する。また、テーパー角が90°になると、光導波路を形成する孔部のアスペクト比が大きくなった場合に、それだけ孔部の奥に原料のガスが入り込みにくくなり、ボイドが発生する可能性が大きくなる。実際に、エッチング条件を調整することにより、底面部である光電変換素子の上に位置する部分が直径1.0μm、上部である層間絶縁膜20の開口部も直径1.0μm、高さが2.0μmの、テーパー角度が90°の孔部を形成し、この孔部内に光導波路を形成したところ、光導波路の内部に、スリット状の、幅最大100nm、高さ700nmのボイド(間隙)が発生した。このような光導波路では、入射光がボイドの位置で散乱し、光電変換素子に集光する効率が、ボイドが発生しない場合と比較して40%に低下した。
As a method of forming the
また、上述の説明では、エッチングストッパー膜17を酸化アルミニウムで形成したが、窒化アルミニウムを用いても、同様の効果が得られる。
In the above description, the
また、上述の説明では、酸化シリコンからなる絶縁膜16の上に、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜17を形成した。しかしながら、エッチングストッパー膜17は充分に絶縁性を有しているので、酸化シリコンからなる絶縁膜16を形成せずに、図8に示すように、光電変換素子12の上に、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜17を直接形成してもよい。この場合には、エッチングストッパー膜17が絶縁膜16の効果をも併せ持つため、同様の効果が得られる。
In the above description, the
また、上述の説明では、光導波路21および集光レンズ22の材質として、屈折率が2.5の酸化チタンを用いたが、本発明の光導波路21および集光レンズ22はこの材料に限定されることなく、屈折率が2.0以上の材料であり、光導波路21の方が層間絶縁膜20よりも屈折率の大きい材料であればよく、光導波路21および集光レンズ22として、例えば、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどを用いても、同様の効果が得られる。但し、集光レンズと光導波路の間での光の反射などによる集光効率の低下を防ぐため、または、製造時の工程数を少なくし、歩留まりを向上するために、両者は同一の材料で構成されることが望ましい。
In the above description, titanium oxide having a refractive index of 2.5 is used as the material of the
なお、屈折率が2.0以上の透明絶縁膜の材料であり、半導体材料として用いられている窒化シリコン(屈折率2.0)を用いてプラズマCVD法により光導波路を形成すると、得られた撮像素子による出力画像には、白傷が発生し、画質が劣化した。これは、窒化シリコンの成膜時に、大きな内部圧縮応力が発生し、これが原因でフォトダイオードに結晶欠陥を引き起こしたためである。それに対し、上述した、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムを光導波路として用いると、窒化シリコンと比較して、内部応力を小さくすることができるため、白傷の発生を防止することができる。 It was obtained by forming an optical waveguide by plasma CVD using silicon nitride (refractive index of 2.0), which is a material of a transparent insulating film having a refractive index of 2.0 or more and used as a semiconductor material. In the output image from the image sensor, white scratches occurred and the image quality deteriorated. This is because a large internal compressive stress was generated during the film formation of silicon nitride, which caused crystal defects in the photodiode. On the other hand, when the above-mentioned titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, and hafnium oxide are used as an optical waveguide, the internal stress can be reduced compared to silicon nitride. Therefore, the occurrence of white scratches can be prevented.
また、上述の説明では、集光レンズ22の上方に位置する平坦化層23、カラーフィルター24およびオンチップマイクロレンズ25として、全て透明高分子樹脂からなる材料を用いたが、本発明では、これらはこの材料に限定されることなく、同一の効果を持つ材料、例えば、平坦化層23にはBPSG(ボロンリンシリケートガラス)等の酸化シリコンを主成分とする材料、カラーフィルター24には同様の効果を持つ酸化物の薄膜、オンチップマイクロレンズ25には集光レンズと同じ高屈折率の材料、例えば、酸化チタン、酸化タンタル以外では、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどを用いても、同様の効果が得られる。
Further, in the above description, materials made of a transparent polymer resin are used as the
本発明の固体撮像素子は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラや写真機能付き携帯電話などに用いる、高解像度の撮像素子として有用である。また、デジタルスキャナーや、医療用・工業用イメージセンサなどの、画像取得装置に用いる素子にも応用できる。 The solid-state imaging device of the present invention is useful as a high-resolution imaging device used for a digital video camera, a digital still camera, a mobile phone with a photographic function, and the like. It can also be applied to elements used in image acquisition devices such as digital scanners and medical / industrial image sensors.
11 シリコン基板
12 光電変換素子
13 電荷転送部
14 読み出しゲート
15 チャネルストップ
16 絶縁膜
17 エッチングストッパー膜
18 転送電極
19 遮光膜
20 層間絶縁膜
21 光導波路
21a 酸化チタン膜
22 集光レンズ
23 平坦化層
24 カラーフィルター
25 オンチップマイクロレンズ
26 孔部
27 レジスト
101 オンチップマイクロレンズ
102 第2の平坦化層
103 遮光膜
104 転送電極
105 半導体基板
106 電荷転送部
107 光電変換素子
108 集光レンズ
109 第1の平坦化層
202 シリコン基板
203 光電変換素子
204 読み出しゲート
205 電荷転送部
206 チャネルストップ
207 絶縁膜
208 転送電極
209 層間絶縁膜
210 遮光膜
211 開口部
212 平坦化層
214 第1の透明膜
215 第2の透明膜
216 第3の透明膜
217 パッシベーション膜
218 カラーフィルター層
219 オンチップマイクロレンズ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、
少なくとも前記絶縁膜を介して前記光電変換素子の上方に設けられた光導波路と、
前記光導波路の側方を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜と、
前記光導波路の上に設けられた集光レンズとを備え、
前記光導波路および前記集光レンズの屈折率は前記層間絶縁膜より高く、且つ、前記光導波路は、前記光電変換素子から前記集光レンズへ向かう方向に断面積が大きくなるテーパー形状を有し、
前記集光レンズは、前記光導波路と同一材料からなり、前記光導波路と一体であることを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion elements provided in a semiconductor substrate;
An insulating film provided on the semiconductor substrate;
An optical waveguide provided above the photoelectric conversion element via at least the insulating film;
An interlayer insulating film covering the side of the optical waveguide;
A transfer electrode and a light shielding film provided in the interlayer insulating film and insulated from each other by the interlayer insulating film;
A condenser lens provided on the optical waveguide;
The refractive index of the optical waveguide and the condensing lens is higher than that of the interlayer insulating film, and the optical waveguide has a tapered shape whose cross-sectional area increases in the direction from the photoelectric conversion element to the condensing lens,
The condensing lens is made of the same material as the optical waveguide and is integral with the optical waveguide.
前記光導波路の高さは、前記集光レンズの直径よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a height of the optical waveguide is larger than a diameter of the condenser lens.
前記光導波路の側面は前記半導体基板に対して60°以上90°未満の角度を有することを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The solid-state imaging device, wherein a side surface of the optical waveguide has an angle of 60 ° or more and less than 90 ° with respect to the semiconductor substrate.
前記光導波路の側面は、前記半導体基板に対して70°以上80°以下の角度を有することを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3,
The solid-state imaging device, wherein a side surface of the optical waveguide has an angle of 70 ° to 80 ° with respect to the semiconductor substrate.
前記光導波路および前記集光レンズは、2.0以上の屈折率を有し、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムのうちの少なくとも1つからなり、
前記層間絶縁膜は、1.5以下の屈折率を有し、酸化シリコンを主成分とする材質からなることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The optical waveguide and the condenser lens have a refractive index of 2.0 or more, and at least one of titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, and hafnium oxide. Consists of
The solid-state imaging device, wherein the interlayer insulating film is made of a material having a refractive index of 1.5 or less and having silicon oxide as a main component.
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜をさらに備え、
前記光導波路は前記絶縁膜と前記エッチングストッパー膜とを介して前記光電変換素子の上方に設けられていることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
An etching stopper film provided on the insulating film;
The solid-state imaging device, wherein the optical waveguide is provided above the photoelectric conversion element via the insulating film and the etching stopper film.
前記半導体基板上の絶縁膜が、エッチングストッパー膜としての機能を併せ持つことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The solid-state imaging device, wherein the insulating film on the semiconductor substrate also has a function as an etching stopper film.
前記エッチングストッパー膜は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 6 or 7,
The solid-state imaging device, wherein the etching stopper film is made of aluminum oxide or aluminum nitride.
前記層間絶縁膜のうち前記光電変換素子の上方に位置する部分に、上に向かって口径が大きくなるテーパー形状を有する孔部を形成する工程(a)と、
前記工程(a)の後に、前記孔部の内部から前記孔部の上にかけて、屈折率が前記層間絶縁膜より高い材質からなる光導波路および集光レンズを形成する工程(b)とを備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 A plurality of photoelectric conversion elements provided in a semiconductor substrate, an insulating film provided on the semiconductor substrate, an interlayer insulating film provided above the insulating film, and provided in the interlayer insulating film In a method for manufacturing a solid-state imaging device comprising a transfer electrode and a light shielding film insulated from each other by the interlayer insulating film,
A step (a) of forming a hole having a tapered shape whose diameter increases upward in a portion of the interlayer insulating film located above the photoelectric conversion element;
After the step (a), a step (b) of forming an optical waveguide and a condensing lens made of a material having a refractive index higher than that of the interlayer insulating film from the inside of the hole to the top of the hole. A method for manufacturing a solid-state imaging device.
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