JP2006049825A - Solid state imaging device and its manufacturing method - Google Patents

Solid state imaging device and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2006049825A
JP2006049825A JP2005141891A JP2005141891A JP2006049825A JP 2006049825 A JP2006049825 A JP 2006049825A JP 2005141891 A JP2005141891 A JP 2005141891A JP 2005141891 A JP2005141891 A JP 2005141891A JP 2006049825 A JP2006049825 A JP 2006049825A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid
insulating film
imaging device
state imaging
optical waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005141891A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Tomosawa
淳 友澤
Akiyuki Fujii
映志 藤井
Hideo Torii
秀雄 鳥井
Akiko Murata
晶子 村田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2005141891A priority Critical patent/JP2006049825A/en
Publication of JP2006049825A publication Critical patent/JP2006049825A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629Reflectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To raise the condensing efficiency of obliquely incident lights, reduce the smear components and suppress the crosstalk. <P>SOLUTION: The solid state imaging device 12 comprises an optical guide 21 tapered to increase its cross section upward on a photoelectric converter element 12 through an insulation film 16 and an etching stopper film 17 laid on the element 12, and a condensing lens 22 having a structure integrated with the optical guide 21 having a higher refractive index than a layer insulation film 20. The lens 22 is made of the same material as that of the optical wave guide 21. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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 photoelectric conversion element 107 and a charge transfer unit 106 which are light receiving units are provided on the surface layer of the semiconductor substrate 105. A transfer electrode 104 and a light shielding film 103 covering the transfer electrode 104 are provided on the charge transfer unit 106, and a condensing lens 108, which is a first condensing unit, is provided on the photoelectric conversion element 107. Is provided. The light shielding film 103 and the condensing lens 108 are covered with the flattening layer 102, and the second condensing unit is disposed on the flattening layer 102 above the condensing lens 108. An on-chip microlens 101 is provided. In this structure, assuming that the refractive index of the on-chip microlens 101 is n1, the refractive index of the planarizing layer 102 is n2, and the refractive index of the condenser lens is n3, n1≈n2 <n3.

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 photoelectric conversion element 107 and a charge transfer unit 106 which are light receiving units are provided on the surface layer of the semiconductor substrate 105. A transfer electrode 104 and a light shielding film 103 covering the transfer electrode 104 are provided on the charge transfer unit 106. The photoelectric conversion element 107 and the light-shielding film 103 are covered with the first planarization layer 109, and the first light condensing portion is located above the photoelectric conversion element 107 on the first planarization layer 109. A condensing lens 108 is provided. A second flattening layer 102 is provided on the first flattening layer 109 and the condensing lens 108, and the second condensing portion is turned on on the second flattening layer 102. A chip microlens 101 is provided. In this structure, the refractive index of the on-chip microlens 101 is n1, the refractive index of the second planarizing layer 102 is n2, the refractive index of the condenser lens 108 is n3, and the refractive index of the first planarizing layer 109 is n4. Then, n1≈n2 <n3≈n4.

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 silicon substrate 202 includes a photoelectric conversion element 203 which is a light receiving portion, a read gate 204 adjacent to one end of the photoelectric conversion element 203, a charge transfer portion 205 adjacent to the read gate 204, A channel stop 206 adjacent to the other end of the conversion element 203 is provided. The silicon substrate 202 is covered with an insulating film 207, and a transfer electrode 208 is provided on the charge transfer unit 205 with the insulating film 207 interposed therebetween. The insulating film 207 and the transfer electrode 208 are covered with an interlayer insulating film 209, and a portion of the interlayer insulating film 209 located above the transfer electrode 208 is covered with a light shielding film 210. A planarization layer 212 is provided on the light shielding film 210.

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。
特許第2956132号公報 特開平11−121725公報
An opening 211 formed by removing the planarization layer 212 and the light shielding film 210 is provided on the photoelectric conversion element 203. Inside the opening 211, there are a first transparent film 214 that covers the bottom and side surfaces, a second transparent film 215 that covers the inside of the first transparent film 214, and a second film that covers the inside of the second transparent film 215. 3 transparent films 216 are provided. A passivation film 217 and a color filter layer 218 are sequentially provided on the planarization layer 212 and the first transparent film 214 to the third transparent film 216, and an on-chip microlens 219 is provided on the color filter layer 218. Is provided. In this structure, the refractive index of the first transparent film 214 is n1, the refractive index of the second transparent film 215 is n2, the refractive index of the third transparent film 216 is n3, and the refractive index of the planarizing layer 212 is n4. Then, n1>n2>n3> n4.
Japanese Patent No. 2956132 JP-A-11-121725

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 condenser lens 108 is directly above the photoelectric conversion element 107, the condenser lens 108 to the on-chip microlens 101. As the distance increases, obliquely incident light may not be collected on the photoelectric conversion element 107 as indicated by a dotted line in FIG. For this reason, the light collection efficiency is lowered, and not only the obtained image becomes dark, but also the oblique incident light enters the light shielding film 103 and is photoelectrically converted by the transfer electrode 104 to become a smear component and the image quality is deteriorated. End up.

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 condenser lens 101 may not be condensed on the photoelectric conversion element 107 as indicated by a dotted line in FIG. 10. When such incident light is reflected on the light-shielding film 103 and a part thereof enters the adjacent photoelectric conversion element 107, color mixing (crosstalk) is caused and image quality is deteriorated.

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 transparent film 214, the second transparent film 215, and the third transparent film 216 are sequentially formed in the hole 211, the upper part of the hole 211 Since the cross-sectional area of the gas inlet gradually decreases, the raw material gas does not easily enter the inside of the hole 211 and a void (gap) is generated. Since the inside of the void is vacuum or air, scattered light is generated due to the void and the sensitivity is lowered. Furthermore, since the first transparent film 214 to the third transparent film 216 are made of laminated films formed of different materials for the optical waveguide, solid-state imaging is caused by differences in linear expansion coefficient, internal stress generated during film formation, and the like. A large stress is generated in the device, and there are problems such as increase of a leak current and cracks, and an increase in the number of steps for forming a laminated film results in a decrease in manufacturing yield.

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 photoelectric conversion element 12, the charge transfer unit 13 disposed on both sides of the photoelectric conversion element 12, the photoelectric conversion element 12, and the two charge transfer units 13 are formed on the surface of the silicon substrate 11. A read gate 14 interposed between one of them and a channel stop 15 interposed between the photoelectric conversion element 12 and the other charge transfer unit 13 are provided. An insulating film 16 made of silicon oxide is provided on the silicon substrate 11.

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 transfer electrode 18 made of polysilicon is provided on the charge transfer portion 13 with an insulating film 16 interposed therebetween, and the transfer electrode 18 is covered with a light shielding film 19 made of tungsten. An interlayer insulating film 20 made of silicon oxide having a refractive index of 1.45 is provided on the transfer electrode 18, and this interlayer insulating film 20 is transferred between the transfer electrode 18 and the light shielding film 19. The electrodes 18 and the light shielding film 19 are insulated from each other, and the transfer electrodes 18 are insulated from each other by being interposed between the adjacent transfer electrodes 18.

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 optical waveguide 21 made of titanium oxide having a refractive index of 2.50 having a forward taper shape with a sectional area increasing upward is provided on the photoelectric conversion element 12 with the insulating film 16 interposed therebetween. It has been. The side surface of the optical waveguide 21 is in contact with the interlayer insulating film 20. On the optical waveguide 21, a condenser lens 22 made of the same titanium oxide as the optical waveguide 21 is provided integrally with the optical waveguide 21. On the condenser lens 22 and the interlayer insulating film 20, a planarizing layer 23 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.50 and a color filter 24 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.55 are provided. On-chip microlenses 25 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.60 are sequentially stacked.

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-chip microlens 25 at an incident angle perpendicular to the substrate is further refracted by the condenser lens 22 as indicated by the solid line arrow in FIG. It is condensed on the photoelectric conversion element. On the other hand, light (obliquely incident light) incident at an angle greatly inclined from the vertical direction with respect to the substrate is also totally reflected at the boundary between the optical waveguide 21 and the interlayer insulating film 20 and collected on the photoelectric conversion element 12. In this way, it is possible to condense even the oblique incident light that could not be collected in the configuration having no conventional optical waveguide as shown in FIGS. This improves the light collection efficiency and makes it difficult for obliquely incident light to enter the transfer electrode 18 and the like, thereby reducing smear components and preventing the incident light from propagating to the adjacent pixels. ) Can be prevented.

(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 optical waveguide 21, and the solid-state imaging device of the present embodiment can obtain high light collection efficiency.

Figure 2006049825
Figure 2006049825

(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 planarizing layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 (shown in FIG. 1) are not provided on the condenser lens 22. By doing so, the size in the height direction of the solid-state imaging device can be further reduced, so that light incident on the condenser lens 22 can be efficiently guided to the photoelectric conversion device 12 through the optical waveguide 21. . Therefore, the condensing efficiency of obliquely incident light can be further increased. When the light collection efficiency in the solid-state imaging device of Example 2 was measured, as shown in Table 1, assuming that the efficiency of light incident perpendicularly to the substrate is 100, incident light inclined at an angle of 10 ° from the vertical direction The efficiency of the incident light was 84 for incident light inclined at an angle of 92, 20 °, and 77 for incident light inclined at an angle of 30 °. As described above, in the solid-state imaging device of the second embodiment, as compared with the solid-state imaging device of the first embodiment in which the planarizing layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 are formed on the condenser lens 22, The collection efficiency of obliquely incident light could be increased.

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 photoelectric conversion element 12, the charge transfer unit 13 disposed on both sides of the photoelectric conversion element 12, the photoelectric conversion element 12, and the two charge transfer units 13 are formed on the surface of the silicon substrate 11. A read gate 14 interposed between one of them and a channel stop 15 interposed between the photoelectric conversion element 12 and the other charge transfer unit 13 are provided. An insulating film 16 made of silicon oxide is provided on the silicon substrate 11. Further, an etching stopper film 17 made of aluminum oxide is provided on the insulating film 16.

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 transfer electrode 18 made of polysilicon is provided on the charge transfer portion 13 with the insulating film 16 and the etching stopper film 17 interposed therebetween, and the transfer electrode 18 is covered with a light shielding film 19 made of tungsten. . An interlayer insulating film 20 made of silicon oxide having a refractive index of 1.45 is provided on the etching stopper film 17 and the transfer electrode 18, and the interlayer insulating film 20 is interposed between the transfer electrode 18 and the light shielding film 19. By interposing, the transfer electrode 18 and the light shielding film 19 are insulated from each other, and by interposing between the adjacent transfer electrodes 18, the transfer electrodes 18 are insulated from each other.

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 photoelectric conversion element 12, a titanium oxide having a refractive index of 2.50 having a forward taper shape in which the cross-sectional area increases upward with the insulating film 16 and the etching stopper film 17 interposed therebetween. An optical waveguide 21 is provided. The side surface of the optical waveguide 21 is in contact with the interlayer insulating film 20. On the optical waveguide 21, a condenser lens 22 made of the same titanium oxide as the optical waveguide 21 is provided integrally with the optical waveguide 21. On the condenser lens 22 and the interlayer insulating film 20, a planarizing layer 23 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.50 and a color filter 24 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.55 are provided. On-chip microlenses 25 made of a transparent polymer resin having a refractive index of 1.60 are sequentially stacked.

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-chip microlens 25 at an incident angle perpendicular to the substrate is further refracted by the condenser lens 22 as indicated by the solid line arrow in FIG. It is condensed on the photoelectric conversion element. On the other hand, light (obliquely incident light) incident at an angle greatly inclined from the vertical direction with respect to the substrate is also totally reflected at the boundary between the optical waveguide 21 and the interlayer insulating film 20 and collected on the photoelectric conversion element 12. In this way, it is possible to condense even the oblique incident light that could not be collected in the configuration having no conventional optical waveguide as shown in FIGS. This improves the light collection efficiency and makes it difficult for obliquely incident light to enter the transfer electrode 18 and the like, thereby reducing smear components and preventing the incident light from propagating to the adjacent pixels. ) Can be prevented.

(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 optical waveguide 21, and the solid-state imaging device of the present embodiment can obtain high light collection efficiency.

Figure 2006049825
Figure 2006049825

(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 flattening layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 (shown above in FIG. 1) are not provided on the condenser lens 22. By doing so, similarly to the second embodiment, the size of the solid-state imaging device can be further reduced in size, so that the light incident on the condenser lens 22 passes through the optical waveguide 21 to the photoelectric conversion device 12. , Can guide efficiently. Thereby, the condensing efficiency of obliquely incident light can be made higher. As shown in Table 2, when the light collection efficiency in the solid-state imaging device of Example 4 was measured, assuming that the efficiency of the light incident perpendicularly to the substrate is 100, the incident light inclined at an angle of 10 ° from the vertical direction The efficiency was 97 for incident light at an angle of 97 and 20 °, and 83 for incident light at an angle of 30 °. Thus, in the solid-state imaging device of the fourth embodiment, compared with the solid-state imaging device of the third embodiment in which the planarizing layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 are formed on the condenser lens 22, The collection efficiency of obliquely incident light could be increased.

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 optical waveguide 21 having a refractive index of 2.0 or more and the insulating film 16 having a refractive index of 1.5, aluminum oxide having a refractive index of 1.7 between them, Alternatively, the refractive index can be changed stepwise by sandwiching the etching stopper layer 17 made of aluminum nitride having a refractive index of 1.9. Thereby, it can suppress that the light which enters into the insulating film 16 from the optical waveguide 21 reflects in the interface, and reduces the quantity of the light which finally enters into a photoelectric conversion element. Therefore, the light collection efficiency can be further increased.

(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 photoelectric conversion element 12, the charge transfer unit 13, the readout gate 14 and the channel stop 15 are formed in the surface layer portion of the silicon substrate 11 will be described.

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 film 16 made of silicon oxide having a thickness of 20 nm is formed on the silicon substrate 11 by thermal oxidation treatment. An etching stopper film 17 made of aluminum oxide having a thickness of 40 nm is formed on the insulating film 16 by CVD or sputtering. Next, by the CVD method and patterning, the transfer electrode 18 made of polysilicon, the upper part of the transfer electrode 18 are covered on the etching stopper film 17, the light-shielding film 19 made of tungsten, and the light-shielding film 19 are covered. In addition, an interlayer insulating film 20 made of a material mainly composed of silicon oxide such as BPSG (boron phosphorus silicate glass), which is also interposed between the transfer electrode 18 and the light shielding film 19, is sequentially formed.

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 photoelectric conversion element 12 is formed on the interlayer insulating film 20, and isotropic dry etching or wet etching is performed. By performing, the part located above the photoelectric conversion element 12 among the interlayer insulation films 20 is removed, and the hole part 26 is formed. Thereafter, the resist (not shown) is removed. The hole portion 26 has a bottom surface portion having a diameter of 1.0 μm located above the photoelectric conversion element, an upper portion having a diameter of 2.0 μm that is an opening of the interlayer insulating film 20, and a height of 2.0 μm. It has a forward taper shape. Moreover, in the hole part 26, there is no level | step difference in a side surface, and the taper angle with respect to the board | substrate of a side surface is 76 degrees.

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 titanium oxide film 21a is formed by filling the hole 26 and covering the interlayer insulating film 20 by the CVD method.

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 titanium oxide film 21a so that the upper surface is flat, and the etching rate between the titanium oxide film 21a and the resist is increased. By performing dry etching under the same conditions (resist entire surface etch back method) or by performing CMP method, the upper surface of the titanium oxide film 21a is globally planarized, and then the photoelectric conversion element 12 on the titanium oxide film 21a. A resist 27 having the same shape as the condensing lens 22 (shown in FIG. 7E) is formed by patterning and reflowing in a region located above the region.

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 titanium oxide film 21a, whereby the resist shape is formed on the upper surface of the titanium oxide film 21a. Is transferred to form the condenser lens 22. Thereafter, in the process shown in FIG. 7F, the planarization layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 are formed in accordance with a normal imaging element manufacturing process, and the series of manufacturing processes is completed.

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 hole 26 in the step shown in FIG. 7B, an isotropic dry etching process using, for example, CF 4 as an etching gas is performed, so that the hole 26 can be more easily formed. The shape can be a forward tapered shape with a large cross-sectional area at the top. The taper angle can be controlled by controlling the type, flow rate, gas pressure, and bias voltage of the etching gas for forming the hole 26. Further, by providing the etching stopper film 17 made of aluminum oxide, the etching can be stopped more reliably when the hole 26 is etched, and the distance between the optical waveguide 21 and the photoelectric conversion element 12 is required at equal intervals. Can be kept at intervals. Thereby, the variation in the characteristic of an element can be reduced.

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 optical waveguide 21 in the hole 26, the CVD method, particularly the thermal CVD method in which the reaction proceeds on the substrate surface, is used, and the coverage of the hole 26 is remarkably improved. Further, the angle of the side surface of the hole portion 26 with respect to the substrate is 60 ° or more and less than 90 °, and more preferably 70 ° or more and 80 ° or less, thereby facilitating the entry of the source gas into the hole portion 26 and the optical waveguide. It is possible to prevent the generation of voids (gap) in the interior of the 21. Here, when the taper angle is 60 ° or less, the incident light is not totally reflected at the interface between the optical waveguide and the interlayer insulating film, and part of the light is transmitted to the interlayer insulating film. Decreases. Further, when the taper angle is 90 °, when the aspect ratio of the hole forming the optical waveguide is increased, the raw material gas is less likely to enter the depth of the hole, and the possibility of generating voids increases. . Actually, by adjusting the etching conditions, the portion located above the photoelectric conversion element as the bottom surface portion has a diameter of 1.0 μm, and the opening portion of the interlayer insulating film 20 as the upper portion also has a diameter of 1.0 μm and a height of 2 μm. When a hole portion having a taper angle of 90 ° is formed with a thickness of 0.0 μm and an optical waveguide is formed in the hole portion, a slit-like void having a maximum width of 100 nm and a height of 700 nm is formed inside the optical waveguide. Occurred. In such an optical waveguide, incident light is scattered at the position of the void, and the efficiency of condensing on the photoelectric conversion element is reduced to 40% as compared with the case where no void is generated.

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 etching stopper film 17 is formed of aluminum oxide, but the same effect can be obtained even if aluminum nitride is used.

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 etching stopper film 17 made of aluminum oxide is formed on the insulating film 16 made of silicon oxide. However, since the etching stopper film 17 has sufficient insulation, the insulating film 16 made of silicon oxide is not formed, and the aluminum oxide or nitride is formed on the photoelectric conversion element 12 as shown in FIG. An etching stopper film 17 made of aluminum may be directly formed. In this case, since the etching stopper film 17 also has the effect of the insulating film 16, the same effect can be obtained.

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 optical waveguide 21 and the condensing lens 22. However, the optical waveguide 21 and the condensing lens 22 of the present invention are limited to this material. The optical waveguide 21 and the condensing lens 22 may be made of a material having a refractive index of 2.0 or more and a material having a refractive index larger than that of the interlayer insulating film 20. Similar effects can be obtained by using tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, indium oxide, hafnium oxide, or the like. However, in order to prevent reduction in light collection efficiency due to light reflection between the light collecting lens and the light guide, or to reduce the number of manufacturing steps and improve yield, both are made of the same material. Desirably configured.

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 planarizing layer 23, the color filter 24, and the on-chip microlens 25 located above the condenser lens 22, but in the present invention, these are used. Is not limited to this material, but a material having the same effect, for example, a material mainly composed of silicon oxide such as BPSG (boron phosphorus silicate glass) for the planarizing layer 23, and a similar material for the color filter 24. An effective oxide thin film, on-chip microlens 25 is made of a material having the same high refractive index as that of the condenser lens. For example, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, and indium oxide other than titanium oxide and tantalum oxide. Even if hafnium oxide or the like is used, the same effect can be obtained.

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.

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。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on the comparative example 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Example 2 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の比較例2に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on the comparative example 2 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Example 4 of this invention. (a)〜(f)は、本発明の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。(A)-(f) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the solid-state image sensor of this invention. 本発明の実施の形態3に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional solid-state image sensor. 従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional solid-state image sensor. 従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional solid-state image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 11 Silicon substrate 12 Photoelectric conversion element 13 Charge transfer part 14 Read gate 15 Channel stop 16 Insulating film 17 Etching stopper film 18 Transfer electrode 19 Light shielding film 20 Interlayer insulating film 21 Optical waveguide 21a Titanium oxide film 22 Condensing lens 23 Flattening layer 24 Color filter 25 On-chip microlens 26 Hole 27 Resist 101 On-chip microlens 102 Second planarizing layer 103 Light-shielding film 104 Transfer electrode 105 Semiconductor substrate 106 Charge transfer unit 107 Photoelectric conversion element 108 Condensing lens 109 First flattening Formation layer 202 Silicon substrate 203 Photoelectric conversion element 204 Read gate 205 Charge transfer unit 206 Channel stop 207 Insulating film 208 Transfer electrode 209 Interlayer insulating film 210 Light shielding film 211 Opening 212 Flattening layer 214 First transparent film 215 Second transparent film 216 Third transparent film 217 Passivation film 218 Color filter layer 219 On-chip microlens

Claims (9)

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.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項3に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項1に記載の固体撮像素子において、
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.
請求項6および7に記載の固体撮像素子において、
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.
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.
JP2005141891A 2004-07-08 2005-05-13 Solid state imaging device and its manufacturing method Pending JP2006049825A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005141891A JP2006049825A (en) 2004-07-08 2005-05-13 Solid state imaging device and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004202038 2004-07-08
JP2005141891A JP2006049825A (en) 2004-07-08 2005-05-13 Solid state imaging device and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006049825A true JP2006049825A (en) 2006-02-16

Family

ID=36027979

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005141891A Pending JP2006049825A (en) 2004-07-08 2005-05-13 Solid state imaging device and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006049825A (en)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008068766A (en) * 2006-09-14 2008-03-27 Denso Corp Vehicular display apparatus
JP2009176952A (en) * 2008-01-24 2009-08-06 Sony Corp Solid-state imaging device
EP2375448A2 (en) 2010-04-06 2011-10-12 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging system
WO2012070165A1 (en) * 2010-11-22 2012-05-31 パナソニック株式会社 Solid-state imaging device and method for fabricating same
JP2012108327A (en) * 2010-11-17 2012-06-07 Sharp Corp Lens and method for manufacturing the same, solid-state image sensor and method for manufacturing the same, and electronic information equipment
US8222705B2 (en) 2009-05-29 2012-07-17 Sony Corporation Solid-state image pickup device, method of manufacturing the same and electronic apparatus
JP2013004685A (en) * 2011-06-15 2013-01-07 Canon Inc Manufacturing method of solid-state imaging device
US8648435B2 (en) 2009-03-24 2014-02-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Solid-state imaging device and method for manufacturing same
CN104051953A (en) * 2013-03-12 2014-09-17 台湾积体电路制造股份有限公司 Light Coupling Device and Methods of Forming Same
US9293493B2 (en) 2011-02-09 2016-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus and image sensing system
JP2017069553A (en) * 2015-09-30 2017-04-06 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera
US10261248B2 (en) 2013-03-12 2019-04-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Package structure and methods of forming same
CN111244122A (en) * 2020-01-21 2020-06-05 上海奕瑞光电子科技股份有限公司 Radiation image detector
EP3855498A1 (en) * 2020-01-21 2021-07-28 Iray Technology Company Limited Radiation image detector
US11156884B2 (en) 2018-02-27 2021-10-26 Seiko Epson Corporation Light transmissive-type liquid crystal display device, method of manufacturing light transmissive-type liquid crystal display device, and electronic apparatus
US11398512B2 (en) * 2019-12-19 2022-07-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Photo-sensing device and manufacturing method thereof

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008068766A (en) * 2006-09-14 2008-03-27 Denso Corp Vehicular display apparatus
JP4720694B2 (en) * 2006-09-14 2011-07-13 株式会社デンソー Vehicle display device
JP2009176952A (en) * 2008-01-24 2009-08-06 Sony Corp Solid-state imaging device
US8866251B2 (en) 2008-01-24 2014-10-21 Sony Corporation Solid-state imaging element having optical waveguide with insulating layer
US8648435B2 (en) 2009-03-24 2014-02-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Solid-state imaging device and method for manufacturing same
US8222705B2 (en) 2009-05-29 2012-07-17 Sony Corporation Solid-state image pickup device, method of manufacturing the same and electronic apparatus
US8546262B2 (en) 2009-05-29 2013-10-01 Sony Corporation Solid-state image pickup device, method of manufacturing the same and electronic apparatus
EP2375448A2 (en) 2010-04-06 2011-10-12 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging system
US8525907B2 (en) 2010-04-06 2013-09-03 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging system
US9054243B2 (en) 2010-04-06 2015-06-09 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging system
JP2012108327A (en) * 2010-11-17 2012-06-07 Sharp Corp Lens and method for manufacturing the same, solid-state image sensor and method for manufacturing the same, and electronic information equipment
WO2012070165A1 (en) * 2010-11-22 2012-05-31 パナソニック株式会社 Solid-state imaging device and method for fabricating same
US9293493B2 (en) 2011-02-09 2016-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus and image sensing system
JP2013004685A (en) * 2011-06-15 2013-01-07 Canon Inc Manufacturing method of solid-state imaging device
CN104051953A (en) * 2013-03-12 2014-09-17 台湾积体电路制造股份有限公司 Light Coupling Device and Methods of Forming Same
US10261248B2 (en) 2013-03-12 2019-04-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Package structure and methods of forming same
US10527788B2 (en) 2013-03-12 2020-01-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Package structure and methods of forming same
JP2017069553A (en) * 2015-09-30 2017-04-06 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera
JP2021180330A (en) * 2015-09-30 2021-11-18 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and camera
US11156884B2 (en) 2018-02-27 2021-10-26 Seiko Epson Corporation Light transmissive-type liquid crystal display device, method of manufacturing light transmissive-type liquid crystal display device, and electronic apparatus
US11398512B2 (en) * 2019-12-19 2022-07-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Photo-sensing device and manufacturing method thereof
CN111244122A (en) * 2020-01-21 2020-06-05 上海奕瑞光电子科技股份有限公司 Radiation image detector
EP3855498A1 (en) * 2020-01-21 2021-07-28 Iray Technology Company Limited Radiation image detector
CN111244122B (en) * 2020-01-21 2022-11-08 上海奕瑞光电子科技股份有限公司 Radiation image detector
US11567221B2 (en) 2020-01-21 2023-01-31 Iray Technology Company Limited Radiation image detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2006049825A (en) Solid state imaging device and its manufacturing method
TWI399849B (en) Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP5369441B2 (en) Solid-state image sensor
US7777260B2 (en) Solid-state imaging device
JP2008091771A (en) Solid-state image pickup device and its manufacturing method
US8633559B2 (en) Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, and electronic apparatus
US9048159B2 (en) Solid-state imaging device and method for fabricating the same
JP4971616B2 (en) Imaging device
TWI478328B (en) Image sensor and imaging apparatus
JP2010093081A (en) Solid-state imaging device and method for manufacturing the same
US9030587B2 (en) Solid-state image sensor with light-guiding portion
JPH0745805A (en) Solid-stage image pickup device
US7888161B2 (en) Solid-state imaging device and method for producing the same
US7135725B2 (en) Solid-state imaging device and method for manufacturing the same
JP2013207053A (en) Solid state imaging device and electronic apparatus
JP2012186396A (en) Solid state image pickup device and manufacturing method of the same
JP2006140413A (en) Solid-state image sensing element
JP2008066409A (en) Solid-state imaging apparatus, and its manufacturing method
JP2005340498A (en) Solid-state imaging device
JP2005166919A (en) Solid-state imaging device and its manufacturing method
JP6254829B2 (en) Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
JP4311171B2 (en) Solid-state image sensor
JP2008028101A (en) Solid-state imaging element and its manufacturing method
JP2008283070A (en) Imaging device
JP2008027980A (en) Solid-state imaging device and its manufacturing method