JP2006261247A - Solid state imaging device and its fabrication process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いられる固体撮像素子の受光効率を向上させる技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for improving the light receiving efficiency of a solid-state imaging device used in an imaging apparatus such as a digital still camera.
近年デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像素子は、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより低価格化を図っている。そのため、固体撮像素子を構成する1画素の大きさは年々小さくなり、それに伴って光電変換部の面積も小さくなってきている。 In recent years, solid-state image sensors used in digital still cameras and the like have been improved in image quality by increasing the number of pixels, while at the same time reducing the cost by reducing the chip size. For this reason, the size of one pixel constituting the solid-state imaging device is decreasing year by year, and the area of the photoelectric conversion unit is also decreasing accordingly.
光電変換部の面積が小さくなると受光感度が低下してしまうため、特許文献1では光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け集光特性を高めた固体撮像素子を開示している。特許文献1に開示されている固体撮像素子は、光電変換部の光入射側に高屈折率材料である窒化シリコン(SiN)で構成された光導波路を設け、その周囲の層間絶縁膜層を低屈折率材料であるBPSGで構成することによって、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。
Since the light receiving sensitivity is lowered when the area of the photoelectric conversion unit is reduced,
また、小型のデジタルカメラ機能付き携帯機器においては低消費電力を特徴とするCMOS型固体撮像素子が有効であるが、CMOS型固体撮像素子は光の入射方向に対して積層した複数の電極配線層を有し、その電極配線層間に絶縁膜を設ける必要があるため、素子の厚さが厚くなり入射角の大きい光を取り込むことが難しかった。そこで、CMOS型固体撮像素子にも光導波路を形成することにより、入射角の大きい光に対する集光特性が向上することが見込まれるが、複数の層間絶縁膜の厚みに起因して光導波路のアスペクト比(光導波路の開口の大きさと長さとの比)が大きくなるため、窒化シリコン(SiN)で形成した光導波路を埋め込むとボイドが発生してしまい、均一な埋め込みができなかった。 In addition, a CMOS solid-state image sensor characterized by low power consumption is effective in a small portable device with a digital camera function, but the CMOS solid-state image sensor has a plurality of electrode wiring layers stacked in the light incident direction. Since it is necessary to provide an insulating film between the electrode wiring layers, it is difficult to capture light having a large incident angle due to an increase in the thickness of the element. Therefore, it is expected that the light condensing characteristic for light having a large incident angle is improved by forming the optical waveguide also in the CMOS type solid-state imaging device. However, the aspect of the optical waveguide is caused by the thickness of the plurality of interlayer insulating films. Since the ratio (ratio between the size and the length of the opening of the optical waveguide) increases, voids are generated when an optical waveguide formed of silicon nitride (SiN) is embedded, and uniform embedding cannot be performed.
そこで、特許文献2に開示されている固体撮像素子では、光導波路を複数の層で構成し、一つの光導波路のアスペクト比を小さくすることによって、光導波路に窒化シリコン(SiN)を均一に埋め込めるようにしている。
Therefore, in the solid-state imaging device disclosed in
図9は、特許文献2に開示されている固体撮像素子100の1画素の断面図である。シリコン基板110に光電変換部111が形成されている。112は光電変換部で発生した電荷を転送するためのポリシリコン電極である。ポリシリコン電極112と電極130との間の層間絶縁膜120に第1の光導波路141が形成されている。また、電極130と電極131との間の層間絶縁膜121には第2の光導波路142が形成されている。さらに、電極131の上には、パッシべーション膜143、平坦化層160、カラーフィルタ層161、平坦化層162、マイクロレンズ163が形成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of one pixel of the solid-
特許文献2において、光導波路141及び142は、高密度プラズマCVD法によってシリコン窒化膜SiNを成膜することにより形成されている。
しかしながら、特許文献2に開示されている固体撮像素子に形成される複数の光導波路は、図9の固体撮像素子の断面図に示すように、光導波路形成時の第1の光導波路141と第2の光導波路142の位置合わせ精度を考慮して、光が入射する側の第2の光導波路142の径が第1の光導波路141の径よりも小さくなるように構成されている。そのため、固体撮像素子に入射する角度の大きい光の一部164は、図9に示すようにポリシリコン電極112に到達し一部吸収されるため、十分に光を取り込むことができないという欠点があった。
However, the plurality of optical waveguides formed in the solid-state imaging device disclosed in
また、CMOS型固体撮像素子に形成される光導波路の長さ(膜層の厚さ)は2μm程度となるため、シリコン窒化膜SiN膜の応力を小さくする必要があるが、高密度プラズマCVD法によるシリコン窒化膜SiN膜の成膜では、低応力で高屈折率の成膜をすることができないという欠点があった。 Further, since the length of the optical waveguide (film layer thickness) formed in the CMOS type solid-state imaging device is about 2 μm, it is necessary to reduce the stress of the silicon nitride film SiN film. In the film formation of the silicon nitride film SiN film by the method, there is a drawback that it is impossible to form a film with a low refractive index and a high refractive index.
さらに、CMOS型固体撮像素子を構成する電極の最小線幅には制限があるため、固体撮像素子の面内の光導波路の開口形状が同一になるように構成すると、固体撮像素子の画素サイズによっては固体撮像素子の周辺画素で効率的な光の取り込みができないという欠点があった。 Furthermore, since the minimum line width of the electrodes constituting the CMOS type solid-state image sensor is limited, if the openings of the optical waveguides in the plane of the solid-state image sensor are configured to be the same, depending on the pixel size of the solid-state image sensor However, there is a drawback in that it cannot efficiently capture light at the peripheral pixels of the solid-state imaging device.
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子において、光電変換部に効率良く光を取り込めるようにすることである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to enable light to be efficiently taken into a photoelectric conversion unit in a solid-state imaging device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子において、前記複数の画素のそれぞれが、光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、前記マイクロレンズと前記光電変換部の間に形成され、前記光電変換部に近い側から前記マイクロレンズに近い側に向けて順番に配置された第1、第2、及び第3の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間の第1の層間絶縁膜に形成された第1の光導波路と、前記第2の電極層と前記第3の電極層との間の第2の層間絶縁膜に形成された第2の光導波路とを具備し、前記第2の光導波路は、その一部が前記第1の層間絶縁膜に進入して形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels collects light, A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light collected by the microlens, and is formed between the microlens and the photoelectric conversion unit, and sequentially from a side closer to the photoelectric conversion unit toward a side closer to the microlens. And a first optical waveguide formed in a first interlayer insulating film between the first electrode layer and the second electrode layer. And a second optical waveguide formed in a second interlayer insulating film between the second electrode layer and the third electrode layer, and the second optical waveguide is a part of the second optical waveguide Is formed to enter the first interlayer insulating film. That.
また、本発明に係わる固体撮像素子の製造方法は、固体撮像素子を製造する方法であって、シリコン基板に、入射した光を光電変換する光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、前記シリコン基板上に第1の電極層を形成する第1の電極層形成工程と、前記第1の電極層上に第1の層間絶縁膜を形成する第1の層間絶縁膜形成工程と、前記第1の層間絶縁膜中に第1の光導波路を形成する第1の光導波路形成工程と、前記第1の層間絶縁膜上に第2の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、前記第2の電極層上に第2の層間絶縁膜を形成する第2の層間絶縁膜形成工程と、前記第2の層間絶縁膜中に、第2の光導波路を、その一部が前記第1の層間絶縁膜に進入するように形成する第2の光導波路形成工程と、を具備することを特徴とする。 Further, a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is a method for manufacturing a solid-state imaging device, wherein a photoelectric conversion unit forming step for forming a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light on a silicon substrate; A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on the silicon substrate; a first interlayer insulating film forming step of forming a first interlayer insulating film on the first electrode layer; A first optical waveguide forming step of forming a first optical waveguide in one interlayer insulating film; a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the first interlayer insulating film; A second interlayer insulating film forming step of forming a second interlayer insulating film on the second electrode layer; and a second optical waveguide in the second interlayer insulating film, a part of which is the first optical waveguide. And a second optical waveguide forming step of forming so as to enter one interlayer insulating film. To.
本発明によれば、固体撮像素子において、光電変換部に効率良く光を取り込むことが可能となる。 According to the present invention, in a solid-state imaging device, light can be efficiently taken into a photoelectric conversion unit.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1乃至図4は本発明の第1の実施形態のCMOS型固体撮像素子を示す図であり、図1はCMOS型固体撮像素子の概略平面図、図2A〜図2CはCMOS型固体撮像素子の断面図、図3及び図4はCMOS型固体撮像素子の製造プロセスの説明図である。 1 to 4 are diagrams showing a CMOS solid-state image sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic plan view of the CMOS solid-state image sensor. FIGS. 2A to 2C are CMOS solid-state image sensors. FIG. 3 and FIG. 4 are explanatory views of the manufacturing process of the CMOS type solid-state imaging device.
デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子は数百万の画素で構成されているが、図1はCMOS型固体撮像素子1を8×6の画素で模式化して表した平面図である。図1において、11は光電変換部、42は光導波路の開口、63はマイクロレンズである。同図において、各光電変換部11はx−y平面内で均一の間隔で配設されている。一方、マイクロレンズ11と光導波路42の開口は、固体撮像素子1の中心からの距離に比例した量で、光電変換部11から偏心している。ここで、光導波路42の開口形状はx−y平面内で同一である。
A solid-state image sensor used for a digital camera or the like is composed of several million pixels. FIG. 1 is a plan view schematically showing the CMOS solid-
図2A乃至図2Cを参照して、本実施形態のCMOS型固体撮像素子1の断面構造について説明する。
With reference to FIG. 2A thru | or FIG. 2C, the cross-section of the CMOS type solid-
図2Bは、図1のCMOS型固体撮像素子1の概略平面図に示した位置b(CMOS型固体撮像素子1の略中心位置)における画素の断面図である。
2B is a cross-sectional view of the pixel at a position b (substantially central position of the CMOS solid-state image sensor 1) shown in the schematic plan view of the CMOS solid-
図2Bにおいて、シリコン基板10に光電変換部11が形成されている。12はポリシリコン電極、41は第1の光導波路、42は第2の光導波路、60は平坦化層、61はカラーフィルタ層、62は平坦化層、63はマイクロレンズである。
In FIG. 2B, the
ポリシリコン電極12は、光電変換部11で発生した電荷を転送するための第1の電極であり、第2の電極30と第3の電極31は、転送された電荷を選択的に外部に出力するための電極である。
The
第1の電極(第1の電極層)12と第2の電極(第2の電極層)30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示す線)に対して略対称になるように形成されている。ここで有効受光領域とは、光電変換部11の受光可能領域のうち、ポリシリコン電極12で覆われていない領域を指している。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極(第3の電極層)31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸も、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示す線)に対して略対称となるように形成されている。ここで、第2の光導波路42は光入射側の開口を大きくとっているため、第2の光導波路42の一部は第1の層間絶縁膜20にも形成されている。言い換えれば、第2の光導波路42の下端部の一部が第1の層間絶縁膜20に入り込んでいる。
On the other hand, a second
第2の光導波路42の光入射側の開口が大きいため、F値の小さいレンズからの画角の広い光束もけられることなく取り込むことができ、固体撮像素子1のレンズのF値に対する受光量の比例性を向上させることが可能となる。
Since the opening on the light incident side of the second
図2Aは、図1のCMOS型固体撮像素子の概略平面図に示した位置aにおける画素(光電変換部11が固体撮像素子1の中心から距離hxの位置にある画素)の断面図である。
2A is a cross-sectional view of a pixel (a pixel in which the
第1の電極12と第2の電極30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称になるように形成されている。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸(図中Bで示される線)は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して、図中δxだけ固体撮像素子1の中心方向に偏心している。第2の光導波路42の開口中心の光電変換部11に対する偏心量δxは、光電変換部11の固体撮像素子1の中心からの距離hxに略比例し、
δx≒hx・tz/lz/n
を満足する。ここで、tzは第2の層間絶縁膜21の厚さ、nは第2の層間絶縁膜21の屈折率、lzは固体撮像素子1と固体撮像素子1が配設される撮像光学系の射出瞳との間の距離である。
On the other hand, a second
δx ≒ hx · tz / lz / n
Satisfied. Here, tz is the thickness of the second
また、第2の光導波路42はx−y平面内の各画素で略同一形状で形成され、光入射側の開口を大きくとっているため、光導波路42の下端の一部は第1の層間絶縁膜20にも形成されている。言い換えれば、図2Bでも説明したように、第2の光導波路42の下端部の一部が第1の層間絶縁膜20に入り込んでいる。
Further, since the second
図2Aでは、第2の光導波路42の開口中心は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して固体撮像素子1の中心方向に偏心しており、かつ第2の光導波路42の光入射側の開口が大きいため、斜めから入射する光も効率的に受光することが可能で、固体撮像素子1のシェーディング特性を向上させることができる。
In FIG. 2A, the opening center of the second
図2Cは、図1のCMOS型固体撮像素子の概略平面図に示した位置cおける画素の断面図である。 2C is a cross-sectional view of the pixel at a position c shown in the schematic plan view of the CMOS solid-state imaging device of FIG.
第1の電極12と第2の電極30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称になるように形成されている。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸(図中Bで示される線)は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して、固体撮像素子1の中心方向に偏心している。第2の光導波路42の開口中心の光電変換部11に対する偏心量は、光電変換部11の固体撮像素子1の中心からの距離に略比例している。
On the other hand, a second
また、光導波路42はx−y平面内の各画素で略同一形状で形成され、光入射側の開口を大きくとっているため、光導波路42の一部は第1の層間絶縁膜20にも形成されている。言い換えれば、図2A、図2Bでも説明したように、第2の光導波路42の下端部の一部が第1の層間絶縁膜20に入り込んでいる。
Further, since the
図2Cでは、第2の光導波路42の開口中心は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して固体撮像素子1の中心方向に偏心しており、かつ第2の光導波路42の光入射側の開口が大きいため、斜めから入射する光も効率的に受光することが可能で、固体撮像素子1のシェーディング特性を向上させることができる。
In FIG. 2C, the opening center of the second
図3及び図4は本実施形態のCMOS型固体撮像素子1の製造プロセスを説明する図である。同図では、固体撮像素子1の中心付近の1画素の断面構造を示している。
3 and 4 are diagrams for explaining a manufacturing process of the CMOS type solid-
まず、シリコン基板10を熱酸化してシリコン基板表面に不図示のシリコン酸化膜SiOを形成する。さらに、シリコン基板10中に光電変換領域を形成するために、フォトレジスト50を塗布し、所定パターンのフォトマスクを介して露光を行い、さらに現像処理を行う(図3(a))。ポジ型のフォトレジストの場合、現像処理することにより光が照射された領域50a、すなはち光電変換領域に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜SiOの一部10aが露出する。さらに、シリコン基板10に対してイオンを打ち込むことにより、光電変換部11を形成する。
First, the
シリコン基板10中に光電変換部11が形成されると、光電変換部11にて発生した電荷を転送するための第1の電極12をシリコン基板10の表面に形成する。
When the
まず、シリコン基板10表面に、フォトレジスト51を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光する。フォトマスクは、光電変換部11の一部を覆う第1の電極12に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。さらにフォトレジスト51を現像処理することにより、光が照射された領域51aすなはち第1の電極12に対応するフォトレジスト51の領域が溶解し、シリコン酸化膜SiOの一部が露出する(図3(b))。さらに、ポリシリコン膜12aを形成し、フォトレジスト51を剥離することによって第1の電極12を形成する(図3(c))。
First, a
第1の電極12が形成されると、第1の電極12の一部及び光電変換部11の上にエッチングストッパ膜40を形成するために、フォトレジスト52を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図3(d))。その後、シリコン窒化膜SiNによるエッチングストッパ膜40を形成すると、第2の電極30を形成するための第1の層間絶縁膜20を形成し平坦化処理を行う(図3(e))。第1の層間絶縁膜20は屈折率が約1.46のシリコン酸化膜SiO2で形成されている。
When the
次に、第1の層間絶縁膜20に第1の光導波路41を形成するために、平坦化された層間絶縁膜20上にフォトレジスト53を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図3(f))。さらに、フォトレジスト53をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって第1の層間絶縁膜20に第1の光導波路41を形成するための穴20aを形成する。このとき、第1の層間絶縁膜20と光電変換部11との間にはエッチングストッパ膜40が形成されているため、光電変換部11自体はエッチングされない(図3(g))。
Next, in order to form the first
次に、第1の層間絶縁膜20に形成された穴20aにシリコン窒化膜(SiN)41aをプラズマCVD法で成膜し、第1の光導波路41を形成する。プラズマCVD法で成膜されたシリコン窒化膜41aは、応力が1.0×109 (dyne/cm2)以下で、屈折率が2.02と高い。そのため、シリコン基板10の反りを小さくするとともに、第1の光導波路41での全反射条件を広くすることが可能となっている。
Next, a silicon nitride film (SiN) 41a is formed by a plasma CVD method in the
シリコン窒化膜(SiN)41aを成膜後、平坦化処理を行うためにフォトレジスト54を塗布する(図3(h))。さらに、ドライエッチングを行うことにより平坦化を行う(図3(i))。
After the silicon nitride film (SiN) 41a is formed, a
第1の光導波路41が形成されると、第2の電極30を形成する。まず、フォトレジストを塗布し電極パターンに対応したフォトマスクで覆って露光後、現像処理する。さらに、CVD装置等にてアルミニウムAlを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジストを剥離することにより第2の電極30を形成する(図3(j))。
When the first
さらに、第3の電極31を形成するための第2の層間絶縁膜21をシリコン酸化膜SiO2で形成し、第3の電極31を形成する(図4(k))。第3の電極31の形成方法は、第2の電極30の形成方法と同様である。
Further, the second
次に、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するために、第3の電極31及び第2の層間絶縁膜21上にフォトレジスト55を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図4(l))。これにより、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するための穴55aが形成される。
さらに、フォトレジスト55をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するための穴21aを形成する。第2の光導波路42を形成するための穴21aは開口が大きく、エッチングする際のガスの流量等を制御することによって傾斜した形状になっている。さらに、第1の層間絶縁膜20の一部もエッチングされ、シリコン窒化膜SiNで構成された第1の光導波路41に到達するまでエッチングされる(図4(m))。
Next, in order to form the second
Further, by performing a dry etching process using the
第2の光導波路42を形成するための穴21aが形成されると、プラズマCVD法にてシリコン窒化膜(SiN)42aを成膜し、第2の光導波路42を形成する。第2の光導波路42は、プラズマCVD法によるシリコン窒化膜42aで形成されるため、低応力で高屈折率の光導波路ができあがる。そのため、シリコン基板10の反りを小さくするとともに、第2の光導波路42での全反射条件を広くすることが可能となっている。さらに、シリコン窒化膜(SiN)42bを成膜後、CMP等による平坦化処理が行われる(図4(n))。
When the
第2の光導波路42が形成されると、カラーフィルタ61を形成するための平坦化層60が形成された後にカラーフィルタ61が形成される。さらに、マイクロレンズ63を形成するための平坦化層62が形成された後にマイクロレンズ63が形成される。マイクロレンズは、公知のレジストリフロー法にて形成される(図4(o))。
When the second
(第2の実施形態)
図5乃至図8は本発明の第2の実施形態のCMOS型固体撮像素子を示す図であり、画素サイズの小さい固体撮像素子への適用形態を示している。図5はCMOS型固体撮像素子の概略平面図、図6はCMOS型固体撮像素子の断面図、図7及び図8はCMOS型固体撮像素子の製造プロセスの説明図である。
(Second Embodiment)
FIG. 5 to FIG. 8 are diagrams showing a CMOS type solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, showing an application form to a solid-state imaging device having a small pixel size. FIG. 5 is a schematic plan view of the CMOS solid-state image sensor, FIG. 6 is a cross-sectional view of the CMOS solid-state image sensor, and FIGS. 7 and 8 are explanatory diagrams of the manufacturing process of the CMOS solid-state image sensor.
デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子は数百万の画素で構成されているが、図5は固体撮像素子1を8×6の画素で模式化して表した平面図である。図5において、11は光電変換部、42は光導波路の開口、63はマイクロレンズである。同図において、各光電変換部11はx−y平面内で均一の間隔で配設されている。一方、マイクロレンズ63と光導波路42の開口は、固体撮像素子1の中心からの距離に比例した量で、光電変換部11から偏心している。また、光導波路42の開口の大きさαは、固体撮像素子1の中心から遠くなるにしたがって小さくなるように構成されている。
A solid-state image sensor used for a digital camera or the like is composed of several million pixels. FIG. 5 is a plan view schematically showing the solid-
図6を参照して、本実施形態のCMOS型固体撮像素子1の断面構造について説明する。
With reference to FIG. 6, the cross-sectional structure of the CMOS type solid-
図6(a)は、図5のCMOS型固体撮像素子の概略平面図に示した位置a(固体撮像素子1の略中心位置)における画素の断面図である。同図において、第1の実施形態と同一の部材には同一の番号が付されている。 FIG. 6A is a cross-sectional view of a pixel at a position a (substantially central position of the solid-state image sensor 1) shown in the schematic plan view of the CMOS solid-state image sensor in FIG. In the figure, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
光電変換部11で発生した電荷を転送するための第1の電極(第1の電極層)であるポリシリコン電極12が配設され、また、転送された電荷を選択的に外部に出力するための第2の電極(第2の電極層)30及び第3の電極(第3の電極層)31が配設されている。
A
第1の電極12と第2の電極30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称になるように形成されている。ここで有効受光領域とは、光電変換部11の受光可能領域のうち、ポリシリコン電極12で覆われていない領域を指している。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸も、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称となるように形成されている。ここで、第2の光導波路42では光入射側の開口の大きさαxaが大きくとってあるため、光導波路42の一部は第1の層間絶縁膜20にも形成されている。言い換えれば、第2の光導波路42の下端部の一部が第1の層間絶縁膜20に入り込んでいる。
On the other hand, a second
第2の光導波路42の光入射側の開口が大きいため、F値の小さいレンズからの画角の広い光束もけられることなく取り込め、固体撮像素子1のレンズのF値に対する受光量の比例性を向上させることが可能となる。
Since the opening on the light incident side of the second
図6(b)は、図5のCMOS型固体撮像素子の概略平面図に示した位置bにおける画素の断面図である。 FIG. 6B is a cross-sectional view of the pixel at position b shown in the schematic plan view of the CMOS solid-state imaging device of FIG.
第1の電極12と第2の電極30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称になるように形成されている。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸(図中Bで示される線)は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して、固体撮像素子1の中心方向に偏心している。
On the other hand, a second
画素サイズが小さい固体撮像素子の場合、電極の最小線幅の制約で第2の光導波路42の開口を大きく偏心できないため、CMOS型固体撮像素子1の画面の周辺に位置する画素に形成される第2の光導波路42の開口の大きさαxbには、固体撮像素子1の画面の中心に位置する画素に形成される第2の光導波路42の開口の大きさαxaより小さい値が設定される。また第2の光導波路42は、固体撮像素子1の外周方向の壁面の一部は略垂直(図中z軸と略平行)で、非対称な形状を成している。
In the case of a solid-state imaging device having a small pixel size, the opening of the second
その結果、第2の光導波路42の開口を固体撮像素子1の画面中心方向に広く設けることが可能となり、斜めから入射する光も効率的に受光することが可能で、固体撮像素子1のシェーディング特性を向上させることができる。
As a result, the opening of the second
図6(c)は、図5のCMOS型固体撮像素子の概略平面図に示した位置cにおける画素の断面図である。 FIG. 6C is a cross-sectional view of the pixel at the position c shown in the schematic plan view of the CMOS solid-state imaging device of FIG.
第1の電極12と第2の電極30との間の第1の層間絶縁膜20には、第1の光導波路41が形成されている。第1の光導波路41は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して略対称になるように形成されている。
A first
一方、第2の電極30と第3の電極31との間の第2の層間絶縁膜21には、第2の光導波路42が形成されている。第2の光導波路42の光入射側の開口の中心軸(図中Bで示される線)は、光電変換部11の有効受光領域の中心軸(図中Aで示される線)に対して、固体撮像素子1の中心方向に偏心している。
On the other hand, a second
画素サイズが小さい固体撮像素子の場合、電極の最小線幅の制約で第2の光導波路42の開口を大きく偏心できないため、固体撮像素子1の画面の周辺に位置する画素に形成される第2の光導波路42の開口の大きさαxcには、固体撮像素子1のbの位置に位置する画素に形成される第2の光導波路42の開口の大きさαxbより小さい値が設定される。また第2の光導波路42は、固体撮像素子1の外周方向の壁面は略垂直(図中z軸と略平行)で、非対称な形状を成している。
In the case of a solid-state imaging device with a small pixel size, the opening of the second
その結果、第2の光導波路42の開口を固体撮像素子1の画面中心方向にさらに広く設けることが可能となり、斜めから入射する光も効率的に受光することが可能で、固体撮像素子1のシェーディング特性を向上させることができる。
As a result, the opening of the second
図7及び図8は本実施形態のCMOS型固体撮像素子1の製造プロセスの説明図である。同図では、固体撮像素子1の周辺付近の1画素の断面構造を示している。
7 and 8 are explanatory diagrams of a manufacturing process of the CMOS type solid-
まず、シリコン基板10を熱酸化してシリコン基板表面に不図示のシリコン酸化膜SiOを形成する。さらに、シリコン基板10中に光電変換領域を形成するために、フォトレジスト50を塗布し、所定パターンのフォトマスクを介して露光を行い、さらに現像処理を行う(図7(a))。ポジ型のフォトレジストの場合、現像処理することにより光が照射された領域50a、すなはち光電変換領域に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜SiOの一部10aが露出する。さらに、シリコン基板10に対してイオンを打ち込むことにより、光電変換部11を形成する。
First, the
シリコン基板10中に光電変換部11が形成されると、光電変換部11にて発生した電荷を転送するための第1の電極12をシリコン基板10の表面に形成する。
When the
まず、シリコン基板10の表面に、フォトレジスト51を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光する。フォトマスクは、光電変換部11の一部を覆う第1の電極12に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。さらにフォトレジスト51を現像処理することにより、光が照射された領域51aすなはち第1の電極12に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜SiOの一部が露出する(図7(b))。さらに、ポリシリコン膜12aを形成し、フォトレジスト51を剥離することによって第1の電極12を形成する(図7(c))。
First, a
第1の電極12が形成されると、第1の電極12の一部及び光電変換部11の上にエッチングストッパ膜40を形成するために、フォトレジスト52を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図7(d))。その後、シリコン窒化膜SiNによるエッチングストッパ膜40を形成すると、第2の電極30を形成するための第1の層間絶縁膜20を形成し平坦化処理を行う(図7(e))。第1の層間絶縁膜20は屈折率が約1.46のシリコン酸化膜SiO2で形成されている。
When the
次に、第1の層間絶縁膜20に第1の光導波路41を形成するために、平坦化された層間絶縁膜20上にフォトレジスト53を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図7(f))。さらに、フォトレジスト53をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって第1の層間絶縁膜20に第1の光導波路41を形成するための穴20aを形成する。このとき、第1の層間絶縁膜20と光電変換部11との間にはエッチングストッパ膜40が形成されているため、光電変換部11自体はエッチングされない(図7(g))。
Next, in order to form the first
次に、第1の層間絶縁膜20に形成された穴20aにシリコン窒化膜(SiN)41aをプラズマCVD法で成膜し、第1の光導波路41を形成する。プラズマCVD法で成膜されたシリコン窒化膜41aは、応力が1.0×109 (dyne/cm2)以下で、屈折率が2.02と高い。そのため、シリコン基板10の反りを小さくするとともに、第1の光導波路41での全反射条件を広くすることが可能となっている。
Next, a silicon nitride film (SiN) 41a is formed by a plasma CVD method in the
シリコン窒化膜(SiN)41aを成膜後、平坦化処理を行うためにフォトレジスト54を塗布する(図7(h))。さらに、ドライエッチングを行うことにより平坦化を行う(図7(i))。
After the silicon nitride film (SiN) 41a is formed, a
第1の光導波路41が形成されると、第2の電極30を形成する。まず、フォトレジストを塗布し電極パターンに対応したフォトマスクで覆って露光後、現像処理する。さらに、CVD装置等にてアルミニウムAlを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジストを剥離することにより第2の電極30を形成する(図7(j))。
When the first
次に、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するために、第2の層間絶縁膜21上にフォトレジスト55を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する(図7(k))。これにより、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するための穴55aが形成される。
Next, in order to form the second
さらに、フォトレジスト55をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するための穴21aを形成する。光導波路を形成するための穴21aは開口が大きく、エッチングする際のガスの流量等を制御することによって傾斜した形状になっている。さらに、第1の層間絶縁膜20の一部もエッチングされ、シリコン窒化膜SiNで構成された第1の光導波路41に到達するまでエッチングされる(図7(l))。
Further, by performing a dry etching process using the
同様に、垂直な壁面の穴を作成する。第2の層間絶縁膜21上にフォトレジスト56を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する。(図8(m))。
Similarly, create a hole in the vertical wall. A
さらに、フォトレジスト56をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第2の層間絶縁膜21に第2の光導波路42を形成するための垂直な壁面の穴21bを形成する。穴21bは、シリコン窒化膜SiNで構成された第1の光導波路41に到達するまでエッチングされる(図8(n))。
Further, by performing a dry etching process using the
第2の光導波路42を形成するための穴21bが形成されると、高密度プラズマCVD法にてシリコン窒化膜(SiN)42aを成膜し、第2の光導波路42を形成する(図8(o))。第2の光導波路42は、高密度プラズマCVD法によるシリコン窒化膜42aで形成されるため、低応力であるがやや屈折率が低い光導波路ができあがる。高密度プラズマCVD法によるシリコン窒化膜42aの屈折率は約1.9である。そのため、シリコン基板10の反りが小さくなるが、第2の光導波路42での全反射条件が狭くなる。しかしながら、第2の光導波路42の固体撮像素子1の外周側の壁面を略垂直に形成しているため、斜めから入射した光の壁面への入射角が大きくなり、結果的に全反射条件をクリアするように構成されている。
When the hole 21b for forming the second
シリコン窒化膜(SiN)42aの成膜後、平坦化を行うためのフォトレジスト57が塗布される(図8(p))。
After the silicon nitride film (SiN) 42a is formed, a
さらに、ドライエッチングを行うことにより、平坦化が行われる(図8(q))。 Further, planarization is performed by dry etching (FIG. 8 (q)).
さらに、第3の電極31を形成する(図8(r))。第3の電極31の形成方法は、第2の電極30の形成方法と同様である。
Further, a
第3の電極31が形成されると、電極及び光電変換部を保護するためのパッシべーション膜43が成膜される(図8(s))。
When the
パッシべーション膜43が形成されると、カラーフィルタ61を形成するための平坦化層60が形成された後にカラーフィルタ61が形成される。さらに、マイクロレンズ63を形成するための平坦化層62が形成された後にマイクロレンズ63が形成される(図8(t))。
When the
本実施形態では、第2の光導波路42を高密度プラズマCVD法で成膜した例を示したが、光導波路のアスペクト比によってはプラズマCVD法で成膜してもよい。
In the present embodiment, the example in which the second
以上説明したように、上記の実施形態によれば、入射した光を電荷に変換する光電変換部と該光電変換部にて発生した電荷を出力するための複数の電極とを有した固体撮像素子において、前記第1及び第2の電極間に形成された層間絶縁膜に形成される第1の光導波路と、第2及び第3の電極間に形成された層間絶縁膜に形成される第2の光導波路とを有し、第2の光導波路は第1及び第2の電極間に形成された層間絶縁膜の一部にも形成するように構成することにより、第2の光導波路の光が入射する側の開口を広げることが可能となり、画角の広い光を取り込むことができ、固体撮像素子のF値比例性を向上させることが可能となる。 As described above, according to the above-described embodiment, the solid-state imaging device including the photoelectric conversion unit that converts incident light into electric charges and the plurality of electrodes that output the electric charges generated in the photoelectric conversion units. The first optical waveguide formed in the interlayer insulating film formed between the first and second electrodes and the second optical waveguide formed in the interlayer insulating film formed between the second and third electrodes. And the second optical waveguide is also formed on a part of the interlayer insulating film formed between the first and second electrodes, so that the light of the second optical waveguide is formed. It is possible to widen the aperture on the side where the light enters, so that light having a wide angle of view can be taken in, and the F-number proportionality of the solid-state imaging device can be improved.
また、入射した光を電荷に変換する複数の光電変換部と該光電変換部にて発生した電荷を出力するための複数の電極とを有した固体撮像素子において、前記第1及び第2の電極間に形成された層間絶縁膜に形成され入射光を光電変換部に導光する第1の光導波路と、第2及び第3の電極間に形成された層間絶縁膜に形成され入射光を第1の光導波路に導光する第2の光導波路とを有し、各光電変換部に対して第1の光導波路は同じ位置に形成され、各光電変換部に対して第2の光導波路は固体撮像素子の中心方向に偏心した位置に形成され、その偏心量は前記光電変換部の固体撮像素子の中心からの距離に略比例するように構成することにより、固体撮像素子の周辺画素でも斜めに入射してくる光を取り込むことが可能となり、固体撮像素子のシェーディング特性を向上させることが可能となる。 In the solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units that convert incident light into electric charges and a plurality of electrodes for outputting electric charges generated in the photoelectric conversion units, the first and second electrodes A first optical waveguide formed on the interlayer insulating film formed between the first optical waveguide for guiding incident light to the photoelectric conversion unit, and an interlayer insulating film formed between the second and third electrodes. A second optical waveguide guided to one optical waveguide, the first optical waveguide is formed at the same position with respect to each photoelectric conversion unit, and the second optical waveguide is formed with respect to each photoelectric conversion unit It is formed at a position that is eccentric in the center direction of the solid-state image sensor, and the amount of the eccentricity is obliquely proportional to the distance from the center of the solid-state image sensor of the photoelectric conversion unit, so that the peripheral pixels of the solid-state image sensor are also inclined. It is possible to capture light incident on the It is possible to improve the shading characteristics.
さらに、入射した光を電荷に変換する複数の光電変換部と該光電変換部にて発生した電荷を出力するための複数の電極と入射した光を光電変換部に導く複数層の光導波路とを有した固体撮像素子において、前記複数の光導波路の少なくとも一方は、屈折率が2.0より大きい透明材料で構成することにより、入射角の大きい光に対しても全反射条件を満足し光の利用効率を向上させることが可能となる。 Furthermore, a plurality of photoelectric conversion units for converting incident light into electric charges, a plurality of electrodes for outputting charges generated in the photoelectric conversion units, and a plurality of optical waveguides for guiding incident light to the photoelectric conversion units In the solid-state image pickup device, at least one of the plurality of optical waveguides is made of a transparent material having a refractive index larger than 2.0, so that the total reflection condition is satisfied even for light having a large incident angle. Utilization efficiency can be improved.
さらには、入射した光を電荷に変換する複数の光電変換部と入射した光を該光電変換部に導く光導波路と前記光電変換部にて発生した電荷を出力するための複数の電極とを有した固体撮像素子において、前記光導波路の光入射側開口の大きさは固体撮像素子の中心から遠ざかるにしたがって小さくなるように構成することにより、固体撮像素子の周辺画素においても効率的な光の取り込みを行いシェーディング特性を向上させることが可能となる。 Furthermore, it has a plurality of photoelectric conversion units that convert incident light into electric charges, an optical waveguide that guides incident light to the photoelectric conversion units, and a plurality of electrodes that output electric charges generated in the photoelectric conversion units. In the solid-state imaging device, the size of the light incident side opening of the optical waveguide is reduced as the distance from the center of the solid-state imaging device is reduced, so that the light can be efficiently captured even in the peripheral pixels of the solid-state imaging device. To improve the shading characteristics.
1 CMOS型固体撮像素子
10 シリコン基板
11 光電変換部
12,30,31 電極
20,21 層間絶縁膜
41 第1の光導波路
42 第2の光導波路
60,62 平坦化層
61 カラーフィルタ
63 マイクロレンズ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数の画素のそれぞれが、
光を集光するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、
前記マイクロレンズと前記光電変換部の間に形成され、前記光電変換部に近い側から前記マイクロレンズに近い側に向けて順番に配置された第1、第2、及び第3の電極層と、
前記第1の電極層と前記第2の電極層との間の第1の層間絶縁膜に形成された第1の光導波路と、
前記第2の電極層と前記第3の電極層との間の第2の層間絶縁膜に形成された第2の光導波路とを具備し、
前記第2の光導波路は、その一部が前記第1の層間絶縁膜に進入して形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 In a solid-state imaging device having a plurality of pixels,
Each of the plurality of pixels is
A microlens that collects light,
A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light collected by the microlens;
First, second, and third electrode layers that are formed between the microlens and the photoelectric conversion unit and are arranged in order from the side close to the photoelectric conversion unit toward the side close to the microlens,
A first optical waveguide formed in a first interlayer insulating film between the first electrode layer and the second electrode layer;
A second optical waveguide formed in a second interlayer insulating film between the second electrode layer and the third electrode layer,
A part of the second optical waveguide is formed so as to enter the first interlayer insulating film.
シリコン基板に、入射した光を光電変換する光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、
前記シリコン基板上に第1の電極層を形成する第1の電極層形成工程と、
前記第1の電極層上に第1の層間絶縁膜を形成する第1の層間絶縁膜形成工程と、
前記第1の層間絶縁膜中に第1の光導波路を形成する第1の光導波路形成工程と、
前記第1の層間絶縁膜上に第2の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、
前記第2の電極層上に第2の層間絶縁膜を形成する第2の層間絶縁膜形成工程と、
前記第2の層間絶縁膜中に、第2の光導波路を、その一部が前記第1の層間絶縁膜に進入するように形成する第2の光導波路形成工程と、
を具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 A method of manufacturing a solid-state imaging device,
A photoelectric conversion part forming step of forming a photoelectric conversion part for photoelectrically converting incident light on the silicon substrate;
A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on the silicon substrate;
A first interlayer insulating film forming step of forming a first interlayer insulating film on the first electrode layer;
A first optical waveguide forming step of forming a first optical waveguide in the first interlayer insulating film;
A second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the first interlayer insulating film;
A second interlayer insulating film forming step of forming a second interlayer insulating film on the second electrode layer;
A second optical waveguide forming step of forming a second optical waveguide in the second interlayer insulating film so that a part of the second optical waveguide enters the first interlayer insulating film;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising:
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