JP2007201266A - Micro-lens, its process for fabrication, solid imaging element using the micro-lens, and its process for fabrication - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロレンズ、その製造方法、これを用いた固体撮像素子およびその製造方法にかかり、特にマイクロレンズの形状制御に関する。 The present invention relates to a microlens, a manufacturing method thereof, a solid-state imaging device using the microlens, and a manufacturing method thereof, and particularly relates to shape control of the microlens.
エリアセンサ等に用いられるCCDを用いた固体撮像素子は、フォトダイオードなどからなる光電変換部と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数個隣接して配置され、順次駆動される。 A solid-state imaging device using a CCD used for an area sensor or the like includes a photoelectric conversion unit including a photodiode and a charge transfer unit including a charge transfer electrode for transferring a signal charge from the photoelectric conversion unit. . A plurality of charge transfer electrodes are arranged adjacent to each other on a charge transfer path formed on the semiconductor substrate, and are sequentially driven.
近年、カメラの小型化に伴い、固体撮像素子においては、高解像度化、高感度化への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。 In recent years, with the miniaturization of cameras, demands for higher resolution and higher sensitivity are increasing in solid-state imaging devices, and the number of imaging pixels is increasing to more than gigapixels.
そこで、感度を向上させるために、画素表面にマイクロレンズを設け、フォトダイオードへの集光効率を高める構造が種々提案されている。 In order to improve the sensitivity, various structures have been proposed in which a microlens is provided on the pixel surface to increase the light collection efficiency to the photodiode.
そのひとつに例えば、図11に示すように光電変換部を構成するフォトダイオード部の直上位置の平坦化層上にパッシベーション膜を兼ねた層内レンズを形成し、さらにその上層に平坦化膜(透光性膜)、カラーフィルタ、平坦化膜、オンチップレンズとを順次形成した構造が提案されている。 For example, as shown in FIG. 11, an intra-layer lens that also serves as a passivation film is formed on the planarizing layer immediately above the photodiode portion constituting the photoelectric conversion unit, and a planarizing film (transparent film) is further formed thereon. A structure in which an optical film), a color filter, a planarizing film, and an on-chip lens are sequentially formed has been proposed.
従来、オンチップレンズを用いた固体撮像素子を製造するに際しては、マイクロレンズ母材である透明熱軟化性樹脂からなるマイクロレンズパターンを、フォトリソグラフィ技術を用いて光電変換部上に形成した後、加熱を行いマイクロレンズパターンを熱リフローさせてマイクロレンズを形成する。 Conventionally, when manufacturing a solid-state imaging device using an on-chip lens, after forming a microlens pattern made of a transparent thermosoftening resin, which is a microlens base material, on a photoelectric conversion unit using photolithography technology, The microlens pattern is thermally reflowed by heating to form a microlens.
ところで、レンズとレンズの間の領域は、そこを通る光がフォトダイオード上に導かれないため、光電変換に寄与しない無効エリアとなってしまう。そこでレンズ間隔を狭くする方法としては、平坦化膜上において膨張する物質を隣り合う間隔をあけた状態でレンズ形状に加工し、これを膨張させることによってレンズ間隔を0となるようにする方法が提案されている(特許文献1)。 By the way, the area between the lenses becomes an invalid area that does not contribute to photoelectric conversion because light passing therethrough is not guided onto the photodiode. Therefore, as a method of narrowing the lens interval, there is a method in which a substance that expands on the planarizing film is processed into a lens shape with an adjacent interval, and this is expanded so that the lens interval becomes zero. It has been proposed (Patent Document 1).
しかしながら、前述したマイクロレンズの製造工程においては、熱軟化性の透光性材料からなるマイクロレンズパターンを熱により軟化させて形成するので、得られるマイクロレンズの形状は、マイクロレンズ母材の熱履歴、平坦化層の表面状態、マイクロレンズパターンの膜厚、寸法等により決定される。そのため、熱リフローの際の温度やマイクロレンズパターンの寸法・膜厚等のばらつきにより図12に示すようにマイクロレンズ60の形状にばらつきが発生する、例えば温度が1,2度、時間が秒単位で変化しても大きく変動することになる。この上、マイクロレンズ形成後の熱履歴に対する再現性が低いため、レンズの高さも変動しやすく、集光性の高いレンズを再現性よく形成することができないという問題があった。
However, in the microlens manufacturing process described above, a microlens pattern made of a thermosoftening translucent material is softened by heat, so that the shape of the microlens obtained is the thermal history of the microlens base material. It is determined by the surface state of the planarizing layer, the film thickness, dimensions, etc. of the microlens pattern. For this reason, variations in the shape of the
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、マイクロレンズの形状ばらつきを低減し、安定して再現性よく集光効率の高いマイクロレンズを提供することを目的とする。
また本発明は、安定して、高感度で信頼性の高い、固体撮像素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a microlens that reduces the variation in the shape of the microlens and has high light collection efficiency with high reproducibility.
It is another object of the present invention to provide a solid-state imaging device that is stable, highly sensitive, and reliable.
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズであって、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた第1の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するレンズ部とを備えたことを特徴とする。
この構成により、あらかじめ形状加工のなされた壁部に充填することにより、レンズ部が形成されるため、形状のばらつきを低減し、安定して一定の形状のマイクロレンズを提供することが可能となる。
The present invention is a microlens having a plurality of lens surfaces arranged so as to face each of a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel, each corresponding to the formation pitch of the lens surfaces of the microlens. A wall portion having a concave surface having a first refractive index provided in a lattice shape so as to stand up in an inter-lens region of the lens, and provided so as to abut on the concave surface of the wall portion and surrounded by the wall portion And a lens portion having a second refractive index higher than the first refractive index, which is filled in each region.
With this configuration, since the lens portion is formed by filling the wall portion that has been subjected to shape processing in advance, it is possible to reduce variation in shape and provide a microlens having a constant shape stably. .
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部が、第1の樹脂で構成されたものを含む。
この構成により、壁部が(第1の)樹脂で構成されるため、溶融によって容易に形状制御が可能となる。この構成によれば、レンズ形状そのものを溶融によって得るようにしていた従来のマイクロレンズに比べ、壁のラウンド形状を制御するのみでよいため、制御性が大幅に向上する。
The present invention includes the microlens in which the wall portion is formed of a first resin.
With this configuration, since the wall portion is made of (first) resin, shape control can be easily performed by melting. According to this configuration, the controllability is greatly improved because it is only necessary to control the round shape of the wall, as compared with the conventional microlens in which the lens shape itself is obtained by melting.
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部は、無機膜で構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度が高く、信頼性の高いマイクロレンズを提供することが可能となる。この場合は、壁部を形成するための酸化シリコンなどの無機膜を成膜した後、レジストで壁部を形成し、これをマスクとしてエッチバックすることにより、レジストで形成した壁部の形状を無機膜に転写することによって、この壁部を制御性よく形成することが可能となる。
According to the present invention, in the microlens, the wall portion includes an inorganic film.
With this configuration, it is possible to provide a microlens having high mechanical strength and high reliability. In this case, after forming an inorganic film such as silicon oxide for forming the wall portion, the wall portion is formed with a resist, and this is used as a mask to etch back the shape of the wall portion formed with the resist. By transferring to the inorganic film, the wall portion can be formed with good controllability.
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記レンズ部は、第2の樹脂で構成されたものを含む。
この構成により、壁部に第2の樹脂を充填するのみでレンズ部を形成することができるため、容易に所望の光学特性をもつレンズ部を形成することが可能となる。
According to the present invention, in the above microlens, the lens portion includes a second resin.
With this configuration, since the lens portion can be formed simply by filling the wall portion with the second resin, it is possible to easily form the lens portion having desired optical characteristics.
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記レンズ部は、無機膜で構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度の向上を図ることができる。特に壁部を無機膜で形成し、レンズ部も無機膜で形成することにより、機械的強度が大幅に向上する。
According to the present invention, in the microlens, the lens portion includes an inorganic film.
With this configuration, the mechanical strength can be improved. In particular, the mechanical strength is greatly improved by forming the wall portion with an inorganic film and the lens portion with an inorganic film.
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部は酸化シリコン膜で構成され、前記レンズ部は窒化シリコン膜で構成されたものを含む。
この構成により、光学的特性、機械的強度が向上し、さらには酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との2層膜で素子部を覆っていることになり、絶縁性、耐湿性の向上をはかることができる。
The present invention includes the above microlens in which the wall portion is formed of a silicon oxide film and the lens portion is formed of a silicon nitride film.
With this configuration, the optical characteristics and mechanical strength are improved, and the element portion is covered with a two-layer film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, so that the insulation and moisture resistance can be improved. Can do.
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部と前記レンズ部の屈折率の差が0.4以上であるものを含む。
この構成により、更なる集光効率の向上をはかることができる。
The present invention includes the above microlens in which a difference in refractive index between the wall portion and the lens portion is 0.4 or more.
With this configuration, it is possible to further improve the light collection efficiency.
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、複数のレンズ面を備えたマイクロレンズの製造方法であって、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第1の屈折率を有する格子状のレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを溶融し、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行う工程と、前記壁部内に第2の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む。
この構成により、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
The present invention is a method of manufacturing a microlens that is arranged to face each of a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel and includes a plurality of lens surfaces, and corresponds to the formation pitch of the lens surfaces of the microlenses. Forming a lattice-shaped resist pattern having a first refractive index so as to stand in the inter-lens region of each lens, and forming the wall portion having a concave surface by melting the resist pattern A step of processing, and a step of filling the wall portion with a member having a second refractive index to form a lens portion.
With this configuration, it is possible to shape the wall with good controllability, to reduce variations, and to form highly accurate and reliable microlenses with high reproducibility.
本発明は、上記マイクロレンズの製造方法において、前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む。
この構成により、上記方法にくらべ、さらに機械的強度の向上を図ることが可能となる。
According to the present invention, in the microlens manufacturing method, prior to the step of forming the lens portion, etching is performed under an etching condition such that the etching rates of the wall portion and the base layer are equal, and the shape of the wall portion Is transferred to the base layer to form a wall portion made of the base layer.
With this configuration, it is possible to further improve the mechanical strength as compared with the above method.
本発明は、上記マイクロレンズの製造方法において、前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む。
この構成により、表面が平坦であるため、層内レンズとしても適用可能となる。
According to the present invention, in the method for manufacturing a microlens, the step of forming the lens portion includes a step of flattening the surface.
With this configuration, since the surface is flat, it can be applied as an in-layer lens.
本発明の固体撮像素子は、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、上記マイクロレンズを搭載している。
この構成により、安定して一定の形状をもつマイクロレンズが搭載されていることになり、特性ばらつきの抑制をはかり、信頼性の高い固体撮像素子を提供することが可能となる。
A solid-state imaging device according to the present invention includes a photoelectric conversion unit including a plurality of photoelectric conversion regions constituting pixels, a charge transfer unit including a charge transfer electrode that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit, and The microlens is mounted on the surface of the substrate on which the peripheral circuit portion including the wiring layer connected to the charge transfer portion is formed.
With this configuration, a microlens having a stable and constant shape is mounted, and it is possible to suppress characteristic variation and provide a highly reliable solid-state imaging device.
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた第1の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズが前記光電変換領域に対応するように位置あわせして、固定する工程を含む。
この構成により、マイクロレンズを形成してから、固体撮像素子の形成された基体表面に貼着するようにしているため、固体撮像素子に損傷を与えることなく、形成することができる。
The present invention provides a photoelectric conversion unit including a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel, a charge transfer unit including a charge transfer electrode that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit, and the charge transfer unit. On the surface of the substrate on which the peripheral circuit portion including the wiring layer to be connected is formed, the first surface provided in a lattice shape so as to stand up in the inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens. A wall portion having a concave surface having a refractive index of 1, and a wall having a higher refractive index than the first refractive index, which is provided in contact with the concave surface of the wall portion and filled in each region surrounded by the wall portion. And a step of aligning and fixing a microlens having a lens portion having a refractive index of 2 so as to correspond to the photoelectric conversion region.
With this configuration, since the microlens is formed and then adhered to the surface of the substrate on which the solid-state imaging device is formed, the microlens can be formed without damaging the solid-state imaging device.
本発明は、基体の表面に、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成する工程と、前記基体上で、前記各光電変換領域に、マイクロレンズを形成する工程とを含み、前記マイクロレンズを形成する工程が、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第1の屈折率を有する格子状のレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを溶融し、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行う工程と、前記壁部内に第2の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む。
この構成によれば、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
The present invention provides, on a surface of a substrate, a photoelectric conversion unit including a plurality of photoelectric conversion regions constituting pixels, a charge transfer unit including a charge transfer electrode that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit, Forming a microlens including a step of forming a peripheral circuit portion including a wiring layer connected to the charge transfer portion, and a step of forming a microlens on each of the photoelectric conversion regions on the substrate. Forming a lattice-like resist pattern having a first refractive index so that the process stands up in an inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens; and A step of melting and forming a wall portion having a concave surface, and a step of filling a member having a second refractive index into the wall portion to form a lens portion.
According to this configuration, it is possible to shape the wall with good controllability, to reduce variations, and to form a highly accurate and reliable microlens with high reproducibility.
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記壁部を形成する工程に先立ち、前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む。
この構成によれば、所望の材料で下地層を構成することにより、転写によって形状加工することで極めて容易に制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
In the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, prior to the step of forming the wall portion, etching is performed under an etching condition such that etching rates of the wall portion and the base layer are equal, A step of transferring the shape to the base layer to form a wall portion made of the base layer.
According to this configuration, by forming the underlayer with a desired material, it is possible to shape the wall with high controllability by processing the shape by transfer, thereby reducing variation and achieving high accuracy. A highly reliable microlens can be formed with good reproducibility.
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む。
この構成によれば、表面の平坦な固体撮像素子を制御性よく形成することができ、層内レンズとしても適用可能である。
According to the present invention, in the method for manufacturing a solid-state imaging device, the step of forming the lens portion includes a step of flattening the surface.
According to this configuration, a solid-state imaging device having a flat surface can be formed with good controllability, and can be applied as an in-layer lens.
本発明によれば、形状のばらつきを低減し、安定して所望の曲率をもつマイクロレンズを提供することが可能となる。従って、集光特性に優れ、高感度で信頼性の高い、固体撮像素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a microlens having a desired curvature stably with reduced variation in shape. Therefore, it is possible to provide a solid-state imaging device that has excellent light collection characteristics, high sensitivity, and high reliability.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1および2は、本発明の実施の形態1のマイクロレンズを搭載した固体撮像素子を示す図であり、図1は断面図、図2は平面模式図である。図1は、図2のA−A線断面模式図を示す。
本実施の形態では、図1に示すように、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズMを、マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた第1の屈折率を有する凹面をもつ壁部61と、前記壁部61の凹面に当接するように設けられ、壁部で囲まれた各領域に充填された、第2の屈折率を有する樹脂製のレンズ部60とを備えたことを特徴とする。レンズ部は、熱あるいは紫外線架橋性を有する高屈折率感光性樹脂で構成された壁部61よりも高屈折率を有するように構成され、上面が平坦な凹レンズを構成している。高屈折率および高感光性を有する材料膜としてはたとえば、可視光領域での屈折率が1.6程度のものがあげられる。具体的には、ポリイミド、ポリアルキルメタアクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネ―ト、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾールなどの1種または2種以上の混合物が挙げられる。また、さらに集光効率を向上するために、これらの材料よりも高い(望ましくは屈折率差が0.4以上となるような)屈折率を有する材料、例えば屈折率が2以上の材料、具体的には、無機材料、さらには無機酸化物、より具体的には酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加してもよい。
これらの材料膜は周知のフォトリソグラフィおよびエッチング工程により、光電変換部の上部のみに残すことができる。
(Embodiment 1)
1 and 2 are diagrams showing a solid-state imaging device on which the microlens according to
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a microlens M having a plurality of lens surfaces arranged to face each of a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel is replaced with a lens surface of the microlens. A
These material films can be left only on the top of the photoelectric conversion portion by known photolithography and etching processes.
マイクロレンズ以外の領域については通例の構造をなすものであるが、マイクロレンズの形成方法の説明に先立ち、まず、固体撮像素子について説明する。ここで用いられる固体撮像素子においては、n型のシリコン基板1表面部に光電変換部であるフォトダイオード30が配列形成され、各フォトダイオード30で発生した信号電荷を列方向(図2中のY方向)に転送するための電荷転送部40が、列方向に配設された複数のフォトダイオード30からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。そして、奇数列のフォトダイオード列が、偶数列のフォトダイオード列に対して、列方向に配列されるフォトダイオード30の配列ピッチの略1/2列方向にずれるように形成されている。
The region other than the microlens has a usual structure, but prior to the description of the method of forming the microlens, the solid-state imaging device will be described first. In the solid-state imaging device used here,
電荷転送部40は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板1表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル33と、電荷転送チャネル33の上層に形成された電荷転送電極3(第1層電極3a、第2層電極3b)と、フォトダイオード30で発生した電荷を電荷転送チャネル33に読み出すための電荷読み出し領域34とを含む。電荷転送電極3は、行方向に配設された複数のフォトダイオード30からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向(図3中のX方向)に延在する蛇行形状となっている。ここで電荷転送電極3は第1層電極上に電極間絶縁膜5を介して第2層電極を形成しCMPにより平坦化して単層電極構造としたものであるが、単層電極構造に限らず、第1層電極の一部を第2層電極が覆うように形成した二層電極構造であっても良い。
The
図2に示すように、シリコン基板1の表面にはpウェル層1Pが形成され、pウェル層1P内に、pn接合を形成するn領域30bが形成されると共に表面にp領域30aが形成され、フォトダイオード30を構成しており、このフォトダイオード30で発生した信号電荷は、n領域30bに蓄積される。
As shown in FIG. 2, a p-
そしてこのフォトダイオード30には、少し離間して(図3では右方に)n領域からなる電荷転送チャネル33が形成される。n領域30bと電荷転送チャネル33の間のpウェル層1Pに電荷読み出し領域34が形成される。
The
シリコン基板1表面にはゲート酸化膜2が形成され、電荷読み出し領域34と電荷転送チャネル33の上には、ゲート酸化膜2を介して、第1の電極3aと第2の電極3bが形成される。第1の電極3aと第2の電極3bの間は電極間絶縁膜5が形成されている。垂直転送チャネル33に隣接して(図3では右方に)p+領域からなるチャネルストップ32が設けられ、隣接するフォトダイオード30との分離がなされている。
A
電荷転送電極3の上層には酸化シリコン膜などの絶縁膜6、反射防止層7が形成され、更にその上に遮光膜8、BPSG(borophospho silicate glass)からなる絶縁膜、9、P−SiNからなる絶縁膜(パッシベーション膜)10、酸化シリコン膜からなるフィルタ下平坦化膜11が形成されている。遮光膜8は、フォトダイオード30の開口部分を除いて設けられる。そしてカラーフィルタ50(50G,50B,50R,50T)の上層には、絶縁性の透明樹脂等からなるフィルタ上平坦化膜51が設けられる。そしてこの上層にマイクロレンズMが設けられている。
An insulating
本実施の形態の固体撮像素子は、フォトダイオード30で発生した信号電荷がn領域30bに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル33によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平電荷転送路(HCCD)によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力されるように構成されている。すなわちシリコン基板1上に、光電変換部、電荷転送部、HCCD、及びアンプを含む領域である固体撮像素子部と、固体撮像素子の周辺回路(PAD部等)が形成される領域である周辺回路部とが形成されて固体撮像素子を構成している。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, signal charges generated in the
上記構成によれば、あらかじめ形状加工のなされた壁部に樹脂を充填することにより、レンズ部が形成されるため、形状のばらつきを低減し、安定して一定の形状のマイクロレンズを提供することが可能となる。また壁部が樹脂で構成されるため、溶融によって容易に形状制御が可能となる。従ってレンズ形状そのものを溶融によって得るようにしていた従来のマイクロレンズに比べ、壁のラウンド形状を制御するのみでよいため、制御性が大幅に向上する。 According to the above configuration, since the lens portion is formed by filling the wall portion that has been processed in advance with the resin, the variation in shape is reduced, and a microlens having a stable and constant shape is provided. Is possible. Further, since the wall portion is made of resin, the shape can be easily controlled by melting. Therefore, as compared with the conventional microlens that obtains the lens shape itself by melting, it is only necessary to control the round shape of the wall, so that the controllability is greatly improved.
次に上述した固体撮像素子の製造工程を説明する。
この方法では、マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを溶融し、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行った後、この壁部内に樹脂を充填し、レンズ部を形成するようにしたことを特徴とする。
製造に際しては、マイクロレンズの製造方法以外は通例の方法が用いられるが、まず、カラーフィルタ形成までの製造工程について説明する。
n型のシリコン基板1表面に、不純物を導入し、pウェル層1P、電荷転送チャネル33、電荷読み出し領域34、チャネルストップ層32などを形成した後、ゲート酸化膜2を成膜する。続いて、このゲート酸化膜2上に、第1層電極3aを構成する第1導電性膜を成膜し、パターニングを行って第1層電極3a及び周辺回路の配線を形成する。次に、第1層電極3aの周囲に酸化シリコン膜からなる絶縁膜5を成膜し、その上に第2層電極3bを構成する第2導電性膜を成膜する。次に、CMPにより第2導電性膜3bの平坦化を行い、パターニングし、第2層電極3bを形成する。次に、これら電荷転送電極3を覆うように絶縁膜6を成膜した後、フォトダイオード領域のn領域30bおよびp領域30aを形成するとともに、反射防止膜を形成し、さらにフォトダイオード領域の受光領域に開口するようにタングステン膜などにより遮光膜8を形成する。次に、絶縁膜9を成膜し、これを高温リフローにより平坦化を行う。
Next, the manufacturing process of the above-described solid-state imaging device will be described.
In this method, a lattice-like resist pattern is formed so as to stand up in the inter-lens area of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens, the resist pattern is melted, and a wall portion having a concave surface is formed. After the shape processing is performed so as to constitute, the wall portion is filled with resin to form a lens portion.
In manufacturing, conventional methods other than the microlens manufacturing method are used. First, the manufacturing process up to the formation of the color filter will be described.
Impurities are introduced into the surface of the n-
次に、この絶縁膜9の周辺回路上部にコンタクトホールを形成した後、アルミニウムなどの金属膜を成膜し、パターニングしてボンディングパッド(図示せず)を形成する。そして、CVD法により窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜10を成膜し、ボンディングパッド上のパッシベーション膜10を選択的にエッチング除去して開口を形成し、ボンディングパッドを露出させる。この後、H2を含む不活性ガス雰囲気内でシンタリングを行った後、スピンコート又はスキャンコート法により、膜厚0.5〜2.0μmの平坦化膜11を成膜する。ここでは他の平坦化膜との混同を避けるために、この平坦化膜をフィルタ下平坦化膜11と指称する。そして順次カラーフィルタ層50G,50B,50R、フィルタ上平坦化膜51を形成する。ここまでの製造工程は、通例の方法である。このフィルタ下平坦化膜11としては、可視光に対して透明なレジスト材料(例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製Cシリーズ)を用いる。ただし、カラーフィルタ層のフィルタ母材層の成膜工程が高温となる場合は、フィルタ下平坦化膜は有機膜ではなく酸化シリコン膜などの無機膜であってもよい。また、下層の凹凸が少ない場合にはフィルタ下平坦化膜11はなくてもよい。
Next, after forming a contact hole in the upper part of the peripheral circuit of the insulating
次に、マイクロレンズの製造工程について図面を参照して詳細に説明する。
図3(a)乃至(d)はマイクロレンズの製造工程を示す図である。ここでは簡略化のためにフィルタ上平坦化膜51を含む、絶縁膜9などの領域を中間層70として示す。
Next, the manufacturing process of the microlens will be described in detail with reference to the drawings.
3A to 3D are views showing a manufacturing process of a microlens. Here, for simplification, a region such as the insulating
まず、図3(a)に示すように、光電変換部30および電荷転送部40の形成された固体撮像素子基板上の中間層70上に、レジスト61を塗布する。そしてフォトリソグラフィによるパターニングを経て、図3(b)に示すように、幅2,3ミクロン、高さ1ミクロンの格子状をなすように(図7参照)パターニングする。この格子サイズは、画素サイズの微細化に伴い周知のフォトリソグラフィフィ技術を使って微細化可能である。
この後、溶融温度200℃で流動化し、図3(c)に示すように、所望の湾曲形状をもつようにこのレジストのパターンを成形し、壁部61を得る。
First, as shown in FIG. 3A, a resist 61 is applied on the
Thereafter, it is fluidized at a melting temperature of 200 ° C., and as shown in FIG. 3C, a pattern of this resist is formed so as to have a desired curved shape, and a
このようにして、得られた壁部61の凹部に、より屈折率の高い材料である高屈折率感光性樹脂を充填し、図3(d)に示すように、レンズ面60を形成する。
In this way, the concave portion of the obtained
このように、本実施の形態の方法によれば、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。。 As described above, according to the method of the present embodiment, the shape of the wall can be processed with good controllability, the variation can be reduced, and a highly accurate and reliable microlens can be formed with high reproducibility. It becomes possible. .
又、本実施の形態では、フォトダイオードがハニカム状に配設された構成の固体撮像素子について説明したが、これに限定されることなく、複数のフォトダイオードが正方格子状に配設された構成の固体撮像素子にも本発明を適用可能である。 In this embodiment, the solid-state imaging device having a configuration in which photodiodes are arranged in a honeycomb shape has been described. However, the present invention is not limited thereto, and a configuration in which a plurality of photodiodes are arranged in a square lattice shape is described. The present invention can also be applied to other solid-state imaging devices.
なお前記実施の形態1では、壁部61を形成するためのレジストパターンを、図7に示したように格子状をなすようにパターニングしたが、材料の選択によっては、別の形状にパターニングし、これを溶融した方が、よりばらつきなしに集光特性の良好なレンズ面を形成することが可能となる場合もある。
In the first embodiment, the resist pattern for forming the
例えばこの変形例として、図8に示すように、格子状の中間部と太くした形状がある。この場合はレジストパターンを溶融したとき、中間部が先に接触し、ここで溶融部の先端の流動が停止するため、より曲率半径の小さい曲面を形成することができる。 For example, as a modified example, as shown in FIG. 8, there are a grid-like middle part and a thickened shape. In this case, when the resist pattern is melted, the intermediate portion comes into contact first, and the flow at the tip of the melted portion stops here, so that a curved surface with a smaller curvature radius can be formed.
また他の変形例として、図9に示すように、円形部分を残してレジストパターンを形状加工したものも有効である。この場合はレジストパターンを溶融したとき、均一に流動し下地表面での流動距離が等しい状態で下地表面での流動が停止するため、よりばらつきの少ない曲面を形成することができる。 As another modified example, as shown in FIG. 9, it is also effective to form a resist pattern while leaving a circular portion. In this case, when the resist pattern is melted, the flow on the base surface is stopped in a state where the resist pattern flows uniformly and the flow distance on the base surface is equal, so that a curved surface with less variation can be formed.
また他の変形例として、図10に示すように、八角形部分を残してレジストパターンを形状加工したものも有効である。この場合は八角形状のフォトダイオードに対応してフォトダイオード上での流動距離が均一となることにより、よりばらつきの低減を図ることが可能となる。 As another modification, as shown in FIG. 10, it is also effective to shape the resist pattern while leaving the octagonal portion. In this case, since the flow distance on the photodiode becomes uniform corresponding to the octagonal photodiode, the variation can be further reduced.
さらにまた、この壁部内に、樹脂を充填するのではなく酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加した高屈折率無機ポリマーなどの無機膜を充填してもよい。 Furthermore, the wall portion may be filled with an inorganic film such as a high refractive index inorganic polymer to which zinc oxide, titanium oxide, tin oxide or the like is added instead of filling the resin.
(実施の形態2)
前記実施の形態1では壁部を樹脂で構成したが、本実施の形態では、図4に示すように、壁部を酸化シリコン膜62即ち無機膜で構成したことを特徴とするものである。またレンズ部は窒化シリコン膜63で構成する。この構成で形成されるレンズはカラーフィルタ下の層内レンズとして適用可能である。他は前記実施の形態1で示した固体撮像素子と同様に形成されている。
製造に際しては、前記実施の形態1において図3に示した工程と同様にして溶融し、レジストパターンR2の形状加工を行った後、これをマスクとして、このレジストパターンR2と下地層としての窒化シリコンとのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記レジストパターンの形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部62を形成するようにしたものである。
この構成によれば、所望の材料で下地層を構成することにより、転写によって形状加工することで極めて容易に制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
(Embodiment 2)
Although the wall portion is made of resin in the first embodiment, the present embodiment is characterized in that the wall portion is made of a
At the time of manufacturing, the resist pattern R2 is melted and processed in the same manner as in the process shown in FIG. 3 in the first embodiment, and then the resist pattern R2 and silicon nitride as an underlayer are used as a mask. Etching is performed under the etching conditions such that the etching rates are equal to each other, and the shape of the resist pattern is transferred to the base layer to form the
According to this configuration, by forming the underlayer with a desired material, it is possible to shape the wall with high controllability by processing the shape by transfer, thereby reducing variation and achieving high accuracy. A highly reliable microlens can be formed with good reproducibility.
次にこのマイクロレンズの製造工程について説明する。
図5(a)乃至(d)はマイクロレンズの製造工程を示す図である。ここでも簡略化のためにフィルタ上平坦化膜51を含む、絶縁膜9などの領域を中間層70として示す。
Next, the manufacturing process of this microlens will be described.
FIGS. 5A to 5D are views showing a manufacturing process of a microlens. Here, for simplification, a region such as the insulating
まず、図5(a)に示すように、光電変換部30および電荷転送部40の形成された固体撮像素子基板上の中間層70上に、CVD法により酸化シリコン膜62を形成し、この上層にフォトレジストR2を塗布する。そしてフォトリソグラフィによるパターニングを経て、図5(b)に示すように、幅2,3ミクロン、高さ1ミクロンの格子状をなすように(図7参照)パターニングする。この格子サイズは画素サイズの微細化に伴い、周知のフォトリソグラフィ技術を使って微細化可能である。
この後、溶融温度200℃で流動化し、図5(c)に示すように、所望の湾曲形状をもつようにこのレジストR2のパターンを成形する。
First, as shown in FIG. 5A, a
Thereafter, the resist R2 is fluidized at a melting temperature of 200 ° C. and a pattern of the resist R2 is formed so as to have a desired curved shape as shown in FIG.
このようにして、得られたレジストR2のパターンをマスクとして、このレジストR2と酸化シリコン膜とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件でエッチバックを行い、レジストR2のパターンを酸化シリコンに転写し、壁部62を形成する(図5(d))。
In this way, using the obtained resist R2 pattern as a mask, etch back is performed under etching conditions such that the etching rates of the resist R2 and the silicon oxide film are equal, and the pattern of the resist R2 is transferred to the silicon oxide. The
そして、図6(a)に示すように、この壁部62上にCVD法で窒化シリコン膜63を形成する。
さらに図6(b)に示すように、この上層にレジストR3を塗布し平坦化する。
そして図6(c)に示すように、レジストエッチバックを行い表面を平坦化することにより、酸化シリコン膜からなる壁部62の凹面に窒化シリコン膜63を充填することによって得られたマイクロレンズが完成する。
Then, as shown in FIG. 6A, a
Further, as shown in FIG. 6B, a resist R3 is applied to the upper layer and flattened.
Then, as shown in FIG. 6C, the microlens obtained by filling the concave surface of the
本実施の形態では、マイクロレンズを、酸化シリコン膜で構成された壁部の凹部に、窒化シリコン膜を充填してレンズ部63を構成しているため、製造ばらつきが抑制される上、光学的特性、機械的強度が向上する。また酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との2層膜で素子部を覆っていることになり、絶縁性、耐湿性の向上をはかることができる。
In the present embodiment, since the microlens is formed by filling the concave portion of the wall portion formed of the silicon oxide film with the silicon nitride film to form the
また、設計段階で、壁部を形成するための流動化前のレジストパターンと流動工程とをシミュレーションし、材料に応じた最適パターンを決定するようにすれば、画素の構造が複雑になっても、レンズを容易に高品質化することも可能となる。 In addition, if the resist pattern before fluidization for forming the wall portion and the fluidization process are simulated at the design stage to determine the optimum pattern according to the material, the structure of the pixel becomes complicated. It is also possible to easily improve the quality of the lens.
また、前記実施の形態では、半導体基板上に固体撮像素子を形成した後この上層にマイクロレンズを形成したが、マイクロレンズ層とを別体として形成し、これを固体撮像素子基板上に貼着するようにしてもよい。 In the above embodiment, the microlens is formed on the upper layer after the solid-state image sensor is formed on the semiconductor substrate. However, the microlens layer is formed as a separate body, and this is adhered to the solid-state image sensor substrate. You may make it do.
本発明のマイクロレンズによれば、形状ばらつきを低減し、高品質化をはかることができることから、携帯などの電子機器における固体撮像素子用のカラーフィルタとして有用である。 According to the microlens of the present invention, shape variation can be reduced and high quality can be achieved. Therefore, the microlens is useful as a color filter for a solid-state imaging device in an electronic device such as a mobile phone.
1 n型シリコン基板
2 ゲート酸化膜
3a 第1の電極
3b 第2の電極
5 電極間絶縁膜
6 絶縁膜
7 反射防止層
8 遮光膜
9 絶縁(BPSG)膜
10 パッシベーション膜
11 平坦化膜
50B,50R,50G カラーフィルタ
51 フィルタ上平坦化膜
60 マイクロレンズ(レンズ部)
61 壁部
62 壁部
63 レンズ部
70 フィルタ上平坦化膜51を含む絶縁膜9などの領域を示す中間層
80 絶縁膜9を含む領域を示す中間層
1 n-
61
Claims (15)
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた第1の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、
前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズ。 A microlens having a plurality of lens surfaces arranged to face each of a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel,
A wall portion having a concave surface having a first refractive index provided in a lattice shape so as to stand up in an inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens;
A lens unit provided so as to be in contact with the concave surface of the wall part and filled with each region surrounded by the wall part and having a second refractive index higher than the first refractive index. lens.
前記壁部は、第1の樹脂で構成されたマイクロレンズ。 The microlens according to claim 1,
The wall portion is a microlens made of a first resin.
前記壁部は、無機膜で構成されたマイクロレンズ。 The microlens according to claim 1,
The wall portion is a microlens made of an inorganic film.
前記レンズ部は、第2の樹脂で構成されたマイクロレンズ。 The microlens according to claim 2 or 3,
The lens unit is a microlens made of a second resin.
前記レンズ部は、無機膜で構成されたマイクロレンズ。 The microlens according to claim 2 or 3,
The lens part is a microlens made of an inorganic film.
前記壁部は酸化シリコン膜で構成され、前記レンズ部は窒化シリコン膜で構成されたマイクロレンズ。 The microlens according to claim 1,
The wall portion is made of a silicon oxide film, and the lens portion is a microlens made of a silicon nitride film.
前記壁部と前記レンズ部の屈折率の差が0.4以上であるマイクロレンズ。 The microlens according to claim 1,
A microlens in which a difference in refractive index between the wall portion and the lens portion is 0.4 or more.
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第1の屈折率を有する格子状のレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを溶融し、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行う工程と、
前記壁部内に第2の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含むマイクロレンズの製造方法。 A method of manufacturing a microlens that is disposed so as to face each of a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel and includes a plurality of lens surfaces,
Forming a lattice-like resist pattern having a first refractive index so as to stand up in an inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens;
Melting the resist pattern and performing a shape process to form a concave wall; and
A step of filling a member having a second refractive index in the wall portion to form a lens portion.
前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含むマイクロレンズの製造方法。 It is a manufacturing method of the micro lens according to claim 8,
Prior to the step of forming the lens portion, etching is performed under etching conditions such that the etching rates of the wall portion and the underlayer are equal, and the shape of the wall portion is transferred to the underlayer to form a wall made of the underlayer. A method of manufacturing a microlens including a step of forming a portion.
前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含むマイクロレンズの製造方法。 It is a manufacturing method of the micro lens according to claim 8 or 9,
The step of forming the lens portion is a method of manufacturing a microlens including a step of flattening the surface.
請求項1乃至7のいずれかに記載のマイクロレンズを搭載した固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit including a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel, a charge transfer unit including a charge transfer electrode that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit, and a wiring connected to the charge transfer unit On the surface of the substrate on which the peripheral circuit part including the layer is formed,
A solid-state image sensor on which the microlens according to claim 1 is mounted.
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた第1の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、
前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズが前記光電変換領域に対応するように位置あわせして、固定する工程を含む固体撮像素子の製造方法。 A photoelectric conversion unit including a plurality of photoelectric conversion regions constituting a pixel, a charge transfer unit including a charge transfer electrode that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit, and a wiring connected to the charge transfer unit On the surface of the substrate on which the peripheral circuit part including the layer is formed,
A wall portion having a concave surface having a first refractive index provided in a lattice shape so as to stand in an inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens,
A lens unit provided so as to be in contact with the concave surface of the wall part and filled with each region surrounded by the wall part and having a second refractive index higher than the first refractive index. A method for manufacturing a solid-state imaging device, including a step of positioning and fixing a lens so as to correspond to the photoelectric conversion region.
前記基体上で、前記各光電変換領域に、マイクロレンズを形成する工程とを含み、
前記マイクロレンズを形成する工程が、
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第1の屈折率を有する格子状のレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを溶融し、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行う工程と、
前記壁部内に第2の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。 A photoelectric conversion unit having a plurality of photoelectric conversion regions constituting pixels on a surface of a substrate, a charge transfer unit having a charge transfer electrode for transferring charges generated by the photoelectric conversion unit, and the charge transfer unit Forming a peripheral circuit portion including a wiring layer connected to
Forming a microlens on each of the photoelectric conversion regions on the substrate,
Forming the microlens,
Forming a lattice-like resist pattern having a first refractive index so as to stand up in an inter-lens region of each lens corresponding to the formation pitch of the lens surface of the microlens;
Melting the resist pattern and performing a shape process to form a concave wall; and
And a step of filling a member having a second refractive index in the wall portion to form a lens portion.
前記壁部を形成する工程に先立ち、前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 13,
Prior to the step of forming the wall portion, etching is performed under an etching condition such that the etching rates of the wall portion and the underlayer are equal, and the shape of the wall portion is transferred to the underlayer to form a wall made of the underlayer. A method for manufacturing a solid-state imaging device including a step of forming a portion.
前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む固体撮像素子の製造方法法。 It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 13 or 14,
The step of forming the lens portion is a method for manufacturing a solid-state imaging device, including a step of flattening the surface.
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