JP2008091771A - Solid-state image pickup device and its manufacturing method - Google Patents
Solid-state image pickup device and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008091771A JP2008091771A JP2006272949A JP2006272949A JP2008091771A JP 2008091771 A JP2008091771 A JP 2008091771A JP 2006272949 A JP2006272949 A JP 2006272949A JP 2006272949 A JP2006272949 A JP 2006272949A JP 2008091771 A JP2008091771 A JP 2008091771A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- solid
- imaging device
- state imaging
- transparent film
- 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.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、光電変換素子を備えたCCD型の固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a CCD type solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a method for manufacturing the same.
近年、固体撮像装置は、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、当該機器に用いられる固体撮像装置にも多画素化や、感度の向上が求められている。特に多画素化に伴って、一素子辺りのサイズ(画素ピッチ)が小さくなることにより、光電変換素子の開口部の面積が縮小し、光電変換素子に入射する光の量が減少するため、画像が暗くなったり、S/N(信号/ノイズ)比が悪くなるといった課題が発生しており、入射光を効率良く光電変換素子に取り込ませるための技術が要求されている。 In recent years, solid-state imaging devices have been widely used in digital cameras, mobile phones with a photographic function, and the like. As these devices become smaller and more functional, solid-state imaging devices used in the devices are also required to have more pixels and improve sensitivity. In particular, as the number of pixels is increased, the size of one element (pixel pitch) is reduced, so that the area of the opening of the photoelectric conversion element is reduced and the amount of light incident on the photoelectric conversion element is reduced. Has become a problem, and the S / N (signal / noise) ratio has deteriorated, and a technique for efficiently incorporating incident light into a photoelectric conversion element is required.
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装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 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 the condensing efficiency (see, for example, Patent Document 1).
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装置の具体的な構造について、図15を参照しながら説明する。図15は、従来の固体撮像装置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 FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solid-state imaging device.
同図において、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。
In the figure, a
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 this structure, the refractive index of the on-
ところが、このようにして得られる従来の固体撮像装置では、集光レンズ101で屈折された入射光が垂直に入射した場合は、図15の実線で示されるように光電変換素子107に集光されるが、入射光が斜めに入射した場合は、図15の点線で示されるように光電変換素子107に集光しない場合がある。この場合は、光電変換素子に集光する効率が低下するため、画像が暗くなる。さらに、斜め入射光が、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。
However, in the conventional solid-state imaging device thus obtained, when the incident light refracted by the
そこで、集光効率の向上を図った固体撮像装置として、集光レンズに代わる集光機能を有する固体撮像装置が提案されている。このような固体撮像装置の具体的な構造について、図16を参照しながら説明する。 Therefore, a solid-state imaging device having a condensing function instead of a condensing lens has been proposed as a solid-state imaging device with improved condensing efficiency. A specific structure of such a solid-state imaging device will be described with reference to FIG.
図16は、第2の従来例に係る固体撮像装置を示す断面図である。この固体撮像装置において、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の上面の一部上、転送電極208の上面及び側面上には層間絶縁膜209が設けられ、層間絶縁膜209のうち転送電極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。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to a second conventional example. In this solid-state imaging device, the surface layer portion of the
光電変換素子203の上には、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、当該開口部211の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の内側面を覆う第2の透明膜215と、第2の透明膜215の内側面を覆い、開口部211を埋める第3の透明膜216とが設けられている。平坦化層212上および第1の透明膜214、第2の透明膜215、第3の透明膜216の上端面上には、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。
An
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となっている。この構成により、受光部への集光効率が高められている(例えば、特許文献2参照)。
In this structure, the refractive index of the first
さらに、上記のような光導波路に、窒化シリコン膜のような無機材料と、ポリイミドのような有機材料を組み合わせて、埋め込み性を向上した光導波路を用いたものが提案されている。図17は、このような無機材料と有機材料を組み合わせた光導波路を用いた、第3の従来例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である(例えば、特許文献3参照)。 Further, there has been proposed an optical waveguide having an improved embedding property by combining an inorganic material such as a silicon nitride film and an organic material such as polyimide in the above optical waveguide. FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of a solid-state imaging device according to a third conventional example using an optical waveguide in which such an inorganic material and an organic material are combined (see, for example, Patent Document 3).
図17において、半導体シリコン基板の表層部には、光電変換素子250や転送ゲート251が形成されている。半導体基板の上面上には、ゲート絶縁膜252を介して転送ゲート251を制御するための転送電極253が形成され、転送電極253の上に絶縁膜254を介して、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜255が設けられている。また、このエッチングストッパー膜255の上には、複数層の配線256、及び層間絶縁膜257が設けられている。各配線256及び半導体基板のコンタクト領域の間には導電プラグ258が設けられ、各層の配線256が接続されている。また、最上層の絶縁膜259の上にはパッシベーション膜260が設けられ、その上に平坦化膜261を介してカラーフィルター262及びマイクロレンズ263が設けられている。そして、絶縁膜259には、その最上面から光電変換素子250の受光領域上の絶縁膜に到る孔部が形成され、この孔部に埋め込まれる形で光導波路264が設けられている。この光導波路264は、外側のプラズマ窒化シリコンによる第1光導波部264aと、この第1光導波部264a内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂よりなる第2光導波部264bとにより構成されている。
ところが、図16に示す第2の従来例に係る固体撮像装置では、光電変換素子203の上方に設けられた孔部の内部に、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、ガスの入り口となる孔部上部の断面積が徐々に小さくなっていく。そのため、孔部213内部に原料ガスが入りにくくなり、ボイド(空隙)が発生しやすくなる。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。
However, in the solid-state imaging device according to the second conventional example shown in FIG. 16, the first
さらに、第1の透明膜214から第3の透明膜216までの光導波路は、互いに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、固体撮像装置に大きな応力が発生し、クラックが入ったり、剥離が発生する場合があった。
Furthermore, since the optical waveguides from the first
また、光電変換素子にも応力がかかることにより、画像表示した場合のノイズ成分である白傷が発生する。さらに、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等の不具合があった。 Further, stress is also applied to the photoelectric conversion element, and white scratches, which are noise components when an image is displayed, are generated. Furthermore, there has been a problem such as an increase in the number of steps for forming the laminated film, resulting in a decrease in manufacturing yield.
また、図17で示した固体撮像装置では、ボイドの発生を防止するために、孔部に埋め込まれる形で、外側のプラズマ窒化シリコンによる第1光導波部と、この第1光導波部内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂よりなる第2光導波部より構成された光導波路を形成しているが、画素ピッチが、例えば2μmよりも小さくなると、光導波路を形成できる部分の直径が大きく見積もっても1μm以下となる。そのため、光導波路外側の、高屈折率のプラズマ窒化シリコンによる第1光導波部の膜厚は、例えば250nm程度に薄くなる。その結果、第1光導波部の膜厚が光の波長よりも小さくなり、導波路内に光が入らず、光電変換素子への入射光の集光効率が低下する可能性があった。 Further, in the solid-state imaging device shown in FIG. 17, in order to prevent the generation of voids, a first optical waveguide portion made of outer plasma silicon nitride and a cavity in the first optical waveguide portion are embedded in the hole portion. An optical waveguide composed of a second optical waveguide portion made of polyimide resin embedded in the portion is formed. However, when the pixel pitch is smaller than 2 μm, for example, the diameter of the portion where the optical waveguide can be formed is greatly estimated. Even if it becomes 1 micrometer or less. Therefore, the film thickness of the first optical waveguide portion made of plasma silicon nitride having a high refractive index outside the optical waveguide is as thin as about 250 nm, for example. As a result, the film thickness of the first optical waveguide portion becomes smaller than the wavelength of light, light does not enter the waveguide, and the light collection efficiency of incident light on the photoelectric conversion element may be reduced.
さらに、図16および図17で示す第1および第2の固体撮像装置では、光電変換素子の上面上に絶縁膜である酸化シリコン薄膜があり、その上に光導波路の一番外側の層を構成する窒化シリコンがあるので、シリコン基板(屈折率=4.2)/酸化シリコン薄膜(屈折率=1.45)/窒化シリコン膜(屈折率=2.0)という構成をとることとなる。そのため、酸化シリコン薄膜の膜厚をどのように変えても、シリコン基板表面での入射光の反射率を低くすることが難しく、光導波路によって集光された光の一部が基板表面で反射して光電変換素子に入らず、結果として光電変換素子への集光効率が低下してしまう場合があった。 Further, in the first and second solid-state imaging devices shown in FIGS. 16 and 17, a silicon oxide thin film as an insulating film is provided on the upper surface of the photoelectric conversion element, and the outermost layer of the optical waveguide is formed thereon. Therefore, the silicon substrate (refractive index = 4.2) / silicon oxide thin film (refractive index = 1.45) / silicon nitride film (refractive index = 2.0) is used. Therefore, no matter how the thickness of the silicon oxide thin film is changed, it is difficult to reduce the reflectance of incident light on the silicon substrate surface, and a part of the light collected by the optical waveguide is reflected on the substrate surface. As a result, the light collection efficiency to the photoelectric conversion element may be reduced.
本発明は、上記従来の不具合の解決を図るものであり、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、光電変換素子表面での入射光の反射率が低く、画像表示した場合のノイズ成分である白傷の発生を抑えることができ、且つ信頼性の高い固体撮像装置と、その製造方法の提供を目的とする。 The present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, has high light collection efficiency to the photoelectric conversion element, has little smear component, and less color mixture (crosstalk) between adjacent photoelectric conversion elements, and the surface of the photoelectric conversion element An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that has a low reflectance of incident light and can suppress the occurrence of white scratches, which are noise components when an image is displayed, and a manufacturing method thereof.
本発明の固体撮像装置は、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、前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜と、前記絶縁膜上で且つ前記光電変換素子の側方に設けられた転送電極と、前記エッチングストッパー膜の上および前記転送電極の上方に設けられ、前記複数の光電変換素子の各々の上方に孔部が形成された層間絶縁膜と、前記孔部の内壁に沿って前記各光電変換素子の上方に設けられた第1の透明膜と、前記第1の透明膜の上に設けられ、前記孔部を埋める第2の透明膜とを有する光導波路と、前記第2の透明膜と同じ材料で形成され、前記光導波路の上から前記層間絶縁膜の上方に亘って配置された集光レンズとを備え、前記第1の透明膜、前記第2の透明膜および前記集光レンズの屈折率はいずれも前記層間絶縁膜よりも高く、且つ、前記第1の透明膜の屈折率は前記第2の透明膜および前記集光レンズの屈折率よりも低い。 A 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, an etching stopper film provided on the insulating film, A transfer electrode provided on the insulating film and on a side of the photoelectric conversion element, a hole provided on the etching stopper film and above the transfer electrode, and above each of the plurality of photoelectric conversion elements Formed between the interlayer insulating film, the first transparent film provided above the photoelectric conversion elements along the inner wall of the hole, and the hole provided on the first transparent film. An optical waveguide having a second transparent film that fills, and a condensing lens that is formed of the same material as the second transparent film and is disposed from above the optical waveguide to above the interlayer insulating film. The first transparent film and the second transparent film Any spare refractive index of the condenser lens is higher than the interlayer insulating film, and the refractive index of the first transparent film is lower than the refractive index of the second transparent film and the condenser lens.
この構成により、基板面に対して垂直の角度で入射した光は、集光レンズで屈折されて光導波路に入り、その下の光電変換素子に集光されると共に、基板面に対して傾いた角度で入射した光(斜め入射光)も、集光レンズに屈折された後に、光導波路の側面で全反射することにより、光導波路内に閉じ込め、その下の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、角度の大きな斜め入射光まで光電変換素子に集光することができるので、集光効率が向上する。さらに、光導波路の光閉じ込め効果により、斜め入射光が転送電極等に漏れ出しにくくなるため、スミア成分を低減することができるとともに、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。
With this configuration, light incident at an angle perpendicular to the substrate surface is refracted by the condenser lens, enters the optical waveguide, is condensed on the photoelectric conversion element below, and is inclined with respect to the substrate surface. Light incident at an angle (obliquely incident light) is also refracted by the condensing lens and then totally reflected by the side surface of the optical waveguide, thereby confining in the optical waveguide and condensing on the photoelectric conversion element below.
As described above, since it is possible to condense even the oblique incident light having a large angle, which cannot be collected with the configuration without the conventional optical waveguide, on the photoelectric conversion element, the light collection efficiency is improved. Furthermore, the light confinement effect of the optical waveguide makes it difficult for obliquely incident light to leak out to the transfer electrode and the like, so that smear components can be reduced and incident light does not easily propagate to adjacent pixels. Talk) can be prevented.
前記光導波路の第1の透明膜は、層間絶縁膜の屈折率よりも大きく、かつ前記光導波路の第2の透明膜の屈折率よりも小さい屈折率を有した、水素を含有する酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化窒化シリコンのうち少なくとも1つであることが好ましい。さらに、前記光導波路の第1の透明膜は、前記層間絶縁膜の孔部の側壁上の部分の膜厚が、前記エッチングストッパー膜に接した孔部底面部分の膜厚よりも小さいことが好ましい。この構成により、光電変換素子が形成されたシリコン基板から、光導波路までの膜構成が、例えばシリコン基板(屈折率=4.2)/酸化シリコン薄膜(屈折率=1.45)/窒化シリコン膜(屈折率=2.0)/酸化窒化シリコン膜(屈折率=1.6)/窒化シリコン膜(屈折率=2.0)のように、各薄膜の屈折率が増減を繰り返す順番に積層され、且つ各薄膜の膜厚を適宜最適化することにより、全体として反射防止積層膜を構成し、シリコン基板上での入射光の反射率を低い値に設定することができる。その結果、光電変換素子に入射する光の集光効率を上げることができる。さらに、第1の透明層のうち、層間絶縁膜に接した孔部側壁の部分の膜厚を、前記エッチングストッパー膜に接した孔部底面部分の膜厚よりも小さくすることにより、第2の透明膜の断面積を大きくとることができるため、画素ピッチが小さくなった場合でも、光導波路内部の高屈折率の部分に入射光を取り込むことができ、入射光を効率よく光電変換素子に導くことができる。それとともに、第2の透明膜の断面積が大きいことから、第2の透明膜の形成時にボイド(空隙)が発生するのを防止し、入射光の感度低下を防ぐことができる。さらに、光導波路が第1の透明膜と第2の透明膜の2層構造であることから、特許文献2で示す例に比べて製造工程数を少なくし、歩留まりを向上させることができる。 The first transparent film of the optical waveguide has a refractive index larger than the refractive index of the interlayer insulating film and smaller than the refractive index of the second transparent film of the optical waveguide; It is preferably at least one of magnesium oxide and silicon oxynitride. Further, in the first transparent film of the optical waveguide, it is preferable that the film thickness of the portion on the side wall of the hole portion of the interlayer insulating film is smaller than the film thickness of the bottom surface portion of the hole portion in contact with the etching stopper film. . With this configuration, the film configuration from the silicon substrate on which the photoelectric conversion element is formed to the optical waveguide is, for example, a silicon substrate (refractive index = 4.2) / silicon oxide thin film (refractive index = 1.45) / silicon nitride film. (Refractive index = 2.0) / silicon oxynitride film (refractive index = 1.6) / silicon nitride film (refractive index = 2.0). In addition, by appropriately optimizing the thickness of each thin film, an antireflection laminated film can be formed as a whole, and the reflectance of incident light on the silicon substrate can be set to a low value. As a result, the light collection efficiency of light incident on the photoelectric conversion element can be increased. Furthermore, by making the film thickness of the hole side wall portion in contact with the interlayer insulating film in the first transparent layer smaller than the film thickness of the hole bottom surface portion in contact with the etching stopper film, Since the cross-sectional area of the transparent film can be increased, even when the pixel pitch is reduced, incident light can be taken into the high refractive index portion inside the optical waveguide, and the incident light is efficiently guided to the photoelectric conversion element. be able to. At the same time, since the cross-sectional area of the second transparent film is large, it is possible to prevent the generation of voids (voids) during the formation of the second transparent film, and to prevent the sensitivity of incident light from decreasing. Furthermore, since the optical waveguide has a two-layer structure of the first transparent film and the second transparent film, the number of manufacturing steps can be reduced and the yield can be improved as compared with the example shown in Patent Document 2.
前記光導波路の第2の透明膜および前記集光レンズは、前記光導波路の第1の透明膜よりも大きな屈折率を有し、水素を含有する酸化チタン(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)、窒化シリコン(屈折率1.8〜2.0)のうちから選ばれた1つで構成され、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料からなることが好ましい。このように、屈折率の高い材料を光導波路の第2の透明膜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、光導波路の第2の透明膜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可能となる。 The second transparent film of the optical waveguide and the condenser lens have a higher refractive index than that of the first transparent film of the optical waveguide, and contain titanium oxide containing hydrogen (refractive index of 2.2 to 2.5). ), Tantalum oxide (refractive index 2.0-2.3), niobium oxide (refractive index 2.0-2.3), tungsten oxide (refractive index 2.2), zirconium oxide (refractive index 2.05), Among zinc oxide (refractive index 2.0), indium oxide (refractive index 2.0), hafnium oxide (refractive index 2.0 to 2.1), and silicon nitride (refractive index 1.8 to 2.0) Preferably, 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. Thus, by using a material having a high refractive index for the second transparent film and the condenser lens of the optical waveguide and using a material having a low refractive index for the interlayer insulating film, the second transparent film of the optical waveguide and the interlayer insulation are used. It is possible to increase the amount of light totally reflected at the interface by concentrating the difference in the refractive indexes of the films and efficiently condense on the photoelectric conversion element.
また、前記集光レンズは、前記光導波路の第2の透明膜と同一の材料からなり、前記第2の透明膜と一体であることが好ましい。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第2の透明膜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、効率よく光導波路の第2の透明膜に伝搬させることができる。 Moreover, it is preferable that the said condensing lens consists of the same material as the 2nd transparent film of the said optical waveguide, and is integral with the said 2nd transparent film. In this case, the number of manufacturing steps can be reduced, yield can be improved, and there is no interface between the condensing lens and the second transparent film of the optical waveguide. Therefore, the light incident on the condenser lens can be efficiently propagated to the second transparent film of the optical waveguide.
また、前記集光レンズは、上に凸のレンズ形状であることが好ましく、さらには上下両面が凸形状であることがより好ましい。上に凸のレンズ形状の場合には、入射光を効率よく、光導波路の方向に曲げることができ、上下両面が凸形状の場合には、上に凸の場合よりさらに効率よく入射光を曲げる事ができる。 Moreover, it is preferable that the said condensing lens is an upward convex lens shape, and it is more preferable that both upper and lower surfaces are convex shapes. In the case of an upward convex lens shape, the incident light can be bent efficiently in the direction of the optical waveguide. In the case where the upper and lower surfaces are convex, the incident light is bent more efficiently than in the upward convex case. I can do things.
また、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または窒化シリコンからなることが好ましい。 The etching stopper film is preferably made of aluminum oxide, aluminum nitride, or silicon nitride.
また、前記エッチングストッパー膜の膜厚が、入射光波長の1/4の倍数の膜厚であることにより、エッチングストッパー膜での入射口の反射の量を低減させることができ、光電変換素子へ入る入射口の出力を増加させ、感度を増大することができる。なお、エッチングストッパー膜の膜厚は上記の値近傍であれば感度を増大させる効果がある。また、入射光波長が最も短い青色の光では450nm程度であることから、エッチングストッパーの膜厚は、112nm以上となるため、光導波路を形成する前のドライエッチング時に、光電変換素子に与えるダメージを低減させることができ、その結果、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。 In addition, since the thickness of the etching stopper film is a multiple of 1/4 of the incident light wavelength, the amount of reflection at the entrance of the etching stopper film can be reduced, leading to a photoelectric conversion element. It is possible to increase the output of the incident light entrance and increase the sensitivity. If the film thickness of the etching stopper film is in the vicinity of the above value, there is an effect of increasing the sensitivity. In addition, since the blue light with the shortest incident light wavelength is about 450 nm, the film thickness of the etching stopper is 112 nm or more. Therefore, damage to the photoelectric conversion element is caused during dry etching before forming the optical waveguide. As a result, it is possible to prevent the occurrence of white scratches, which are noises when an image is displayed.
また、前記エッチングストッパー膜の一部が開口することにより、前記半導体基板上の絶縁膜と、前記光導波路の第1の透明膜が直接接していてもよい。この場合、水素を含有した第1の透明膜および第2の透明膜から、水素透過率の高い絶縁膜を透過して、光電変換素子が形成されたシリコン基板に、効果的に水素を供給することができるため、光電変換素子が形成されたシリコン基板中の結晶欠陥を無くすことにより、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。 The insulating film on the semiconductor substrate and the first transparent film of the optical waveguide may be in direct contact with each other by opening a part of the etching stopper film. In this case, hydrogen is effectively supplied from the first transparent film containing hydrogen and the second transparent film through the insulating film having a high hydrogen permeability to the silicon substrate on which the photoelectric conversion element is formed. Therefore, by eliminating crystal defects in the silicon substrate on which the photoelectric conversion element is formed, it is possible to prevent white scratches, which are noises when displaying an image.
本発明の固体撮像装置の製造方法は、複数の光電変換素子が設けられた半導体基板上に絶縁膜を形成する工程(a)と、前記絶縁膜の上であって前記複数の光電変換素子の各々の側方に位置する領域に転送電極を形成する工程(b)と、前記絶縁膜のうち前記各光電変換素子の上に位置する部分上にエッチングストッパー膜を形成する工程(c)と、前記転送電極の上方および前記エッチングストッパー膜の上に、前記各光電変換素子の上方に孔部が設けられた層間絶縁膜を形成する工程(d)と、少なくとも前記層間絶縁膜の孔部の内面を覆い、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い第1の透明膜を形成する工程(e)と、前記第1の透明膜上に、前記層間絶縁膜の孔部を埋め、前記層間絶縁膜および前記第1の透明膜よりも屈折率が高い第2の透明膜を形成する工程(f)と、レジストを用いて前記第2の透明膜をエッチバックし、前記第1の透明膜および前記第2の透明膜のうち前記層間絶縁膜の孔部内に形成された部分で構成された光導波路と、前記第2の透明膜のうち前記光導波路上および前記層間絶縁膜の上方に位置する部分で構成された集光レンズとを形成する工程(g)とを備えている。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes: a step (a) of forming an insulating film on a semiconductor substrate provided with a plurality of photoelectric conversion elements; and a step of forming the plurality of photoelectric conversion elements on the insulating film. A step (b) of forming a transfer electrode in a region located on each side, a step (c) of forming an etching stopper film on a portion of the insulating film located on the photoelectric conversion elements, A step (d) of forming an interlayer insulating film provided with a hole above each photoelectric conversion element above the transfer electrode and on the etching stopper film; and at least an inner surface of the hole of the interlayer insulating film A step (e) of forming a first transparent film having a refractive index higher than that of the interlayer insulating film, filling a hole in the interlayer insulating film on the first transparent film, and forming the interlayer insulating film And a refractive index higher than that of the first transparent film. Forming the transparent film (f), and etching back the second transparent film using a resist, and in the hole of the interlayer insulating film of the first transparent film and the second transparent film (G) forming an optical waveguide constituted by the formed portion and a condensing lens constituted by a portion of the second transparent film located on the optical waveguide and above the interlayer insulating film And.
この方法により製造された固体撮像装置では、基板面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導波路に入り、光電変換素子に集光されると共に、基板面に対して傾いた角度で入射した光(斜め入射光)も、集光レンズで屈折された後に光導波路に入り、その側面で全反射して光導波路内に閉じ込められ、光電変換素子に効率よく集光される。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、入射角度の大きい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、斜め入射光が光導波路内に閉じ込められるために、転送電極等に入射しにくくなり、スミア成分を低減するとともに、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。また、集光レンズが上下に凸のレンズ形状である場合には、光導波路形成のプロセスにおいて、光導波路を形成する材料の、原料ガスの流入する開口部の直径が大きくなるため、原料ガスの流入が容易となり、固体撮像装置の画素ピッチが小さくなり、光導波路の直径が小さくなった場合でも、隙間なく埋め込み成膜を行うことができる。さらに、水素を含有する光導波路の第1の透明膜および第2の透明膜を形成した後に、水素雰囲気中での熱処理を行うことにより、シリコン基板に水素を効果的に供給することができるため、光電変換素子が形成されたシリコン基板中の結晶欠陥を無くすことにより、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。 In the solid-state imaging device manufactured by this method, the light incident with the incident light perpendicular to the substrate surface is refracted by the condenser lens, enters the optical waveguide, and is condensed on the photoelectric conversion element. Light that is incident at an angle with respect to the light (obliquely incident light) is also refracted by the condensing lens, enters the optical waveguide, is totally reflected by its side surface and is confined in the optical waveguide, and is efficiently contained in the photoelectric conversion element. Focused. As described above, since it is possible to condense even oblique incident light having a large incident angle, which cannot be collected with the configuration without the conventional optical waveguide, the condensing efficiency is improved and the oblique incident light is Therefore, it is difficult to enter the transfer electrode and the like, reducing the smear component, and preventing incident light from propagating to the adjacent pixel, thereby preventing color mixing (crosstalk). Further, when the condensing lens has a convex lens shape in the vertical direction, the diameter of the material gas forming opening of the material forming the optical waveguide is increased in the process of forming the optical waveguide. Even if the inflow is facilitated, the pixel pitch of the solid-state imaging device is reduced, and the diameter of the optical waveguide is reduced, embedded film formation can be performed without gaps. Furthermore, hydrogen can be effectively supplied to the silicon substrate by performing heat treatment in a hydrogen atmosphere after forming the first transparent film and the second transparent film of the optical waveguide containing hydrogen. By eliminating crystal defects in the silicon substrate on which the photoelectric conversion element is formed, it is possible to prevent the occurrence of white scratches, which are noises when displaying images.
本発明の固体撮像装置およびその製造方法によれば、光電変換素子の上方に、高屈折率の材料から構成される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。また、光導波路を設けることにより、斜め入射光をより多く光電変換素子に集光することができるために、入射角を広くすることができる。このため、本発明の固体撮像装置を用いたカメラモジュール全体を、従来の固体撮像装置を用いた場合よりも薄くすることができる。また、入射角を広くできるため、従来ではカメラモジュールの種類毎に、集光レンズやオンチップレンズのシュリンク率を最適化する必要があったものが、その必要がなくなるので、同じ設計の固体撮像装置を、様々なカメラモジュールに用いることができるようになる。さらに、光電変換素子表面での膜構成が、例えばシリコン基板/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化窒化膜/高屈折率材料のように、屈折率が交互に増減を繰り返す構成をとり、各薄膜の屈折率と膜厚を最適化することにより、入射光のシリコン基板表面での反射率を低く抑え、光導波路によって集光した入射光を、効率よく光電変換素子へ入射させることができる。さらに、光導波路を構成する、水素を含有した第1の透明膜および第2の透明膜から、水素中熱処理により光電変換素子に水素を供給することにより、シリコン基板内の格子欠陥を削減し、画像表示した場合のノイズ成分である白傷を少なくすることができる。 According to the solid-state imaging device and the method for manufacturing the same of the present invention, by providing an optical waveguide made of a material having a high refractive index above the photoelectric conversion element, the light that has reached the condenser lens is efficiently converted into the photoelectric conversion element. In addition, the smear component can be reduced and color mixing (crosstalk) can be prevented. Further, by providing the optical waveguide, more incident light can be condensed on the photoelectric conversion element, and thus the incident angle can be widened. For this reason, the whole camera module using the solid-state imaging device of the present invention can be made thinner than when a conventional solid-state imaging device is used. In addition, since the incident angle can be widened, it has been necessary to optimize the shrink rate of the condenser lens and on-chip lens for each type of camera module. The apparatus can be used for various camera modules. Furthermore, the film structure on the surface of the photoelectric conversion element has a structure in which the refractive index is alternately increased and decreased, for example, silicon substrate / silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxynitride film / high refractive index material, By optimizing the refractive index and film thickness of the thin film, the reflectance of the incident light on the silicon substrate surface can be kept low, and the incident light condensed by the optical waveguide can be efficiently incident on the photoelectric conversion element. Furthermore, by supplying hydrogen to the photoelectric conversion element by heat treatment in hydrogen from the first transparent film containing hydrogen and the second transparent film constituting the optical waveguide, lattice defects in the silicon substrate are reduced, White scratches, which are noise components when an image is displayed, can be reduced.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について、第1および第2の実施例を挙げて以下に説明する。
(First embodiment)
A solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to first and second examples.
−第1の実施例−
図1は、本発明の第1の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
-First embodiment-
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示す固体撮像装置では、シリコン基板等の半導体基板の表面部に光電変換素子12が設けられ、半導体基板の上に酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13が設けられている。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 1, a
ゲート絶縁膜13の上であって光電変換素子12の側方にはポリシリコンからなる転送電極14が設けられ、転送電極14の上面および側面の上方は、タングステンからなる遮光膜16によって覆われている。転送電極14の直上には、屈折率が1.45の酸化シリコンからなる第1の層間絶縁膜15aが設けられている。この第1の層間絶縁膜15aは、転送電極14と遮光膜16との間に介在することにより、転送電極14と遮光膜16とを互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17がゲート絶縁膜13を挟んで設けられ、エッチングストッパー膜17の上に光導波路18が形成される。光導波路18は、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19の凹状部分と、当該凹状部分の内側に設けられ、屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20とから構成される。光導波路18の周囲には、第1の透明膜19に接するように、屈折率1.45の、BPSG(BoroPhosphorous Silicate Glass) からなる第2の層間絶縁膜15bが形成されている。なお、光導波路18を上方から見た場合の平面形状は円形であるが、多角形などの形状を有していてもよい。
On the other hand, an
光導波路18の上方には、光導波路18を構成する第2の透明膜20と同じ材料である、屈折率2.0の窒化シリコンからなる集光レンズ21が第2の透明膜20と一体化して設けられている。この集光レンズ21は、上に凸な形状を有する集光レンズであるとともに、その直径が光導波路18の直径よりも大きいことを特徴とする。集光レンズ21と、第2の層間絶縁膜15bと、第1の透明膜19の上方には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化膜22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23とが順次積層され、カラーフィルター23の上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ24が設けられている。
Above the
また、第1の透明膜19のうち光導波路18の側面部を構成する部分は、第1の透明膜19のうち光導波路18の底面部を構成する部分よりも薄くなっている。
In addition, the portion of the first
次に、一部の構成を従来技術に置き換えた第1の比較例に係る固体撮像装置を比較対象として、第1の実施例に係る固体撮像装置の詳細を説明する。 Next, details of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described using the solid-state imaging device according to the first comparative example in which a part of the configuration is replaced with the prior art as a comparison target.
図2は、第1の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。本比較例の固体撮像装置は、光導波路を備えていないこと以外は、図1に示す本実施形態の固体撮像装置と同一に設定されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the solid-state imaging device according to the first comparative example. The solid-state imaging device of this comparative example is set to be the same as the solid-state imaging device of this embodiment shown in FIG. 1 except that it does not include an optical waveguide.
図3(a)、(b)は、第1の実施例に係る固体撮像装置と第1の比較例に係る固体撮像装置について、斜め入射光に対する感度を測定した結果、およびスミアとF値との関係を測定した結果をそれぞれ示す図である。 3A and 3B show the results of measuring the sensitivity to obliquely incident light, the smear and the F value for the solid-state imaging device according to the first example and the solid-state imaging device according to the first comparative example. It is a figure which shows the result of having measured the relationship, respectively.
具体的には、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った結果を図3(a)に示す。ここで、素子(基板)の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を0°とし、入射角を徐々に大きくしていき、0°から斜め30°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射光に対する感度について評価を行った。その結果、図3(a)に示すように、入射角0°の時の出力を100%とした場合に、出力が80%となる入射角は、光導波路を持たない、第1の比較例の固体撮像装置では17°であるのに対して、光導波路を有する固体撮像装置は26°であり、より広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが分かった。このように、本実施例に係る固体撮像装置では、光導波路を設けることにより、斜めからの光の入射特性が大幅に向上していることが確認された。 Specifically, FIG. 3A shows the result of evaluating the sensitivity by measuring the output voltage from the photodiode when white parallel light is irradiated as the incident light. Here, the incident angle of light when irradiated perpendicularly to the main surface of the element (substrate) is 0 °, the incident angle is gradually increased, and incident light from 0 ° to 30 ° is irradiated. The sensitivity was measured and the sensitivity to obliquely incident light was evaluated. As a result, as shown in FIG. 3A, when the output at an incident angle of 0 ° is 100%, the incident angle at which the output is 80% has no optical waveguide. It was found that the solid-state image pickup device having the optical waveguide has an angle of 26 ° compared to 17 ° in the solid-state image pickup device of FIG. Thus, in the solid-state imaging device according to the present example, it was confirmed that the incident characteristics of light from an oblique direction are greatly improved by providing the optical waveguide.
続いて、実際のカメラモジュールでの使用状況に近い条件で、ランダムな方向から入射してくる白色光のF値を変えて照射した時の、固体撮像装置のスミア成分を計測した。その結果、図3(b)に示すように、例えば入射光のF値=4.0の場合では、光導波路を持たない第1の比較例の固体撮像装置が−84.7dBであるのに対して、光導波路を有する第1の実施例の固体撮像装置は−90.5dBである。また、入射光のF値=2.0の場合では、第1の比較例の固体撮像装置が−80.4dBであるのに対して、第1の実施例の固体撮像装置は−88.6dBであり、評価したF値の全域にわたって、光導波路を有する第1の実施例の固体撮像装置の方が、スミア特性の指標であるdBの絶対値が大きく、スミア特性が良好であることが分かった。すなわち、本実施例の固体撮像装置において、光導波路を設けることで、スミア特性が改善されるという効果が認められた。 Subsequently, smear components of the solid-state imaging device were measured when irradiation was performed while changing the F value of the white light incident from a random direction under conditions close to the usage conditions in the actual camera module. As a result, as shown in FIG. 3B, for example, when the F value of the incident light is 4.0, the solid-state imaging device of the first comparative example having no optical waveguide is -84.7 dB. On the other hand, the solid-state imaging device of the first embodiment having an optical waveguide is −90.5 dB. When the F value of incident light is 2.0, the solid-state imaging device of the first comparative example is -80.4 dB, whereas the solid-state imaging device of the first embodiment is -88.6 dB. It can be seen that the solid-state imaging device of the first embodiment having an optical waveguide over the entire F value evaluated has a larger absolute value of dB, which is an indicator of smear characteristics, and better smear characteristics. It was. That is, in the solid-state imaging device of this example, the effect that the smear characteristic is improved by providing the optical waveguide was recognized.
次に、第1の実施例に係る固体撮像装置において、光電変換素子12上の膜構成は、下から順にゲート絶縁膜13、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19、屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20となっている。それぞれの膜厚は、光電変換素子上での反射率を最小限にするため、ゲート絶縁膜13は20nm、エッチングストッパー膜17は130nm、第1の透明膜19は30nmとなっており、この時の光の反射率は5%である。
Next, in the solid-state imaging device according to the first embodiment, the film configuration on the
すなわち、エッチングストッパー膜17の膜厚は、入射光波長の1/4(の倍数)である130nm(グリーンの素子の場合)であるため、この膜単独で見た場合の反射率が抑えられる。さらに、光電変換素子12の上の膜が、ゲート絶縁膜/窒化シリコン膜/酸化窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとり、それぞれの膜厚を最適化することで、全体として反射防止積層膜25を形成することができ、反射率を低く抑えることができる。
That is, since the film thickness of the
そこで、本願発明者らは、反射防止積層膜25の効果を検証するために、第1の実施例の固体撮像装置から第1の透明膜19を無くし、エッチングストッパー膜17の上に、直接窒化シリコンからなる第2の透明膜20のみから構成される光導波路18を形成させた第2の比較例に係る固体撮像装置を作製した。
Therefore, in order to verify the effect of the
図4は、第2の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。このような構成の固体撮像装置において光導波路に入射した光の反射率を測定したところ、光電変換素子12の上の膜が、ゲート絶縁膜/窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとるため、ゲート絶縁膜の膜厚をどのように変えても反射率は20%以上となり、反射率の増大により光電変換素子に入射する光の出力が低下していた。そのため、第2の比較例に係る固体撮像装置では、第1の実施例に係る固体撮像装置に比べて感度が大幅に低下することが分かった。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a second comparative example. When the reflectance of the light incident on the optical waveguide in the solid-state imaging device having such a configuration was measured, the film on the
この結果を含め、第1の実施例、第1の比較例、第2の比較例の各固体撮像装置の感度を評価した結果を図9(a)に示す。同図には、第1の実施例の構成において入射角度が0°のときの感度(集光効率)を示す出力電圧を100とした場合の、各測定値の換算値を示している。 FIG. 9A shows the result of evaluating the sensitivity of each solid-state imaging device of the first example, the first comparative example, and the second comparative example, including this result. The figure shows the converted value of each measured value when the output voltage indicating the sensitivity (condensing efficiency) when the incident angle is 0 ° in the configuration of the first embodiment is 100.
この結果より、第1の比較例の固体撮像装置(導波路を有さない)における入射角が0°の時の感度は、第1の実施例の固体撮像装置の感度と比較して約5%低下し、第2の比較例の固体撮像装置(表面の反射の大きい光導波路構造を有する)では約18%低下することが分かる。ところが、入射角度が15°の時の感度について、光導波路構造を有する第1の実施例と第2の比較例では、入射角度が0°であるときの約65%までしているのに対して、第1の比較例では約40%にまで低下しており、光導波路を設けない構成では入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路と反射防止積層膜とを備えることによって、共に集光効率を向上させることができることが確認された。特に、光導波路構造は、固体撮像装置の斜入射特性を向上させるのに有効であることが分かった。 From this result, the sensitivity when the incident angle is 0 ° in the solid-state imaging device of the first comparative example (without the waveguide) is about 5 compared with the sensitivity of the solid-state imaging device of the first embodiment. It can be seen that the solid-state imaging device of the second comparative example (having an optical waveguide structure having a large surface reflection) decreases by about 18%. However, the sensitivity when the incident angle is 15 ° is about 65% when the incident angle is 0 ° in the first and second comparative examples having the optical waveguide structure. Thus, in the first comparative example, it is reduced to about 40%, and it has been clarified that in the configuration without the optical waveguide, the sensitivity becomes lower as the incident angle increases. From the above results, it was confirmed that the light collection efficiency can be improved by providing the optical waveguide and the antireflection laminated film. In particular, it has been found that the optical waveguide structure is effective in improving the oblique incidence characteristics of the solid-state imaging device.
第1の実施例に係るCCD(Charged Coupled Device)型の固体撮像装置では、図1に示すように、集光レンズの直径が、光導波路の直径よりも大きい場合について説明したが、この構成による効果を確認するべく本願発明者らは、集光レンズの直径が光導波路の直径とほぼ同じである固体撮像装置を作製した。そして、当該固体撮像装置と本実施例の固体撮像装置とでそれぞれの光学特性を測定し、比較した。 In the CCD (Charged Coupled Device) type solid-state imaging device according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the case where the diameter of the condenser lens is larger than the diameter of the optical waveguide has been described. In order to confirm the effect, the inventors of the present application manufactured a solid-state imaging device in which the diameter of the condensing lens is substantially the same as the diameter of the optical waveguide. The optical characteristics of the solid-state imaging device and the solid-state imaging device of this example were measured and compared.
図5は、第3の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に、光電変換素子12が設けられ、シリコン基板の上には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13が設けられている。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a third comparative example. In the solid-state imaging device shown in the figure, a
ゲート絶縁膜13の上には、ポリシリコンからなる転送電極14が設けられ、転送電極14の上方には、タングステンからなる遮光膜16が設けられている。転送電極14の直上には、屈折率が1.45の酸化シリコンからなる第1の層間絶縁膜15aが設けられる。この第1の層間絶縁膜15aは、転送電極14と遮光膜16との間に介在することにより、転送電極14と遮光膜16とを互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、ゲート絶縁膜13を挟んで、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17が設けられ、その上に光導波路18が形成される。光導波路18は、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19の凹状部分と、当該凹状部分の上に設けられた屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20とで構成される。光導波路18の周囲には、第1の透明膜19に接するように、屈折率1.45の、BPSGからなる第2の層間絶縁膜15bが形成されている。
On the other hand, an
光導波路18の上方には、光導波路18を構成する第2の透明膜20と同じ材料である、屈折率2.0の窒化シリコンからなる集光レンズ21が第2の透明膜20と一体化して設けられている。この集光レンズ21は、上に凸な形状を有する集光レンズであるとともに、その直径が光導波路の直径と同じであることを特徴とする。集光レンズ21と、第2の層間絶縁膜15bと、第1の透明膜19の上方には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化膜22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23とが順次積層され、カラーフィルター23の上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ24が設けられている。
Above the
本願発明者らは、第1の実施例および第3の比較例の固体撮像装置において、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った。ここで、素子の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を0°とし、入射角を徐々に大きくしていき、0°から斜め30°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射光の入射角依存性について評価を行った。その結果、図8に示すように、入射角0°の時の出力を100%とした場合、出力が80%となる入射角は、集光レンズ直径>光導波路直径である第1の実施例の固体撮像装置で26°であったのに対し、第3の比較例の固体撮像装置では20°であった。この結果から、集光レンズ21の直径が光導波路の直径よりも大きい固体撮像装置の方が、広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが確認された。このように、集光レンズの直径が、光導波路の直径よりも大きいことが、入射角の増加に効果があることが分かった。
In the solid-state imaging devices of the first embodiment and the third comparative example, the inventors of the present application measured the output voltage from the photodiode when irradiated with white parallel light as incident light, and evaluated the sensitivity. went. Here, the incident angle of light when irradiated perpendicularly to the main surface of the element is 0 °, the incident angle is gradually increased, and incident light from 0 ° to 30 ° is irradiated. Sensitivity was measured and the incident angle dependence of obliquely incident light was evaluated. As a result, as shown in FIG. 8, when the output at an incident angle of 0 ° is 100%, the incident angle at which the output is 80% is the condensing lens diameter> the optical waveguide diameter. It was 26 ° in the solid-state imaging device of the third example, whereas it was 20 ° in the solid-state imaging device of the third comparative example. From this result, it was confirmed that the solid-state imaging device in which the diameter of the condensing
さらに、第1の実施例および第3の比較例の固体撮像装置の感度の絶対値を評価した結果を図9(b)に示す。表に示した値は、第1の実施例の構成における、入射角度が0°のときの感度の出力電圧を100として、それぞれ換算した値を示したものである。 Further, FIG. 9B shows the result of evaluating the absolute value of the sensitivity of the solid-state imaging devices of the first embodiment and the third comparative example. The values shown in the table are values converted respectively with the output voltage of sensitivity when the incident angle is 0 ° as 100 in the configuration of the first embodiment.
この結果より、入射角が0°の時の第3の比較例の固体撮像装置の感度は、第1の実施例の固体撮像装置と比較して約25%低下していることが分かった。さらに、入射角度が15°の時の感度は、第1の実施例の固体撮像装置で入射角度が0°の場合の約65%となっているのに対して、第3の比較例の固体撮像装置では入射角度が0°の場合の約41%となっていた。このことから、集光レンズの直径が、光導波路の直径と同じ程度の構成では、光の入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路を有する第1の実施例の固体撮像装置において、集光レンズの直径が光導波路の直径よりも大きいことによって、感度と斜め方向からの光の入射特性とがさらに向上していることが確認された。 From this result, it was found that the sensitivity of the solid-state imaging device of the third comparative example when the incident angle is 0 ° is about 25% lower than that of the solid-state imaging device of the first example. Furthermore, the sensitivity when the incident angle is 15 ° is about 65% of the case where the incident angle is 0 ° in the solid-state imaging device of the first embodiment, whereas the solid state of the third comparative example. In the imaging apparatus, the incident angle was about 41% when the incident angle was 0 °. From this, it has been clarified that in the configuration in which the diameter of the condensing lens is the same as the diameter of the optical waveguide, the sensitivity becomes lower as the incident angle of light increases. From the above results, in the solid-state imaging device according to the first embodiment having the optical waveguide, the sensitivity and the incident characteristic of light from an oblique direction are further improved when the diameter of the condenser lens is larger than the diameter of the optical waveguide. It was confirmed that
次に、図6を参照しながら、本発明の第1の実施例に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6(a)〜(f)は、本発明の第1の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板の表層部に、光電変換素子12、電荷転送部、読み出しゲートおよびチャネルストップ(図示せず)を形成した後の工程から説明する。
6A to 6F are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. Here, the process after the
本実施形態の固体撮像装置の製造方法では、まず、図6(a)に示す工程で、シリコン基板の上に、熱酸化処理により膜厚20nmの酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13を形成する。このゲート絶縁膜13のうち、光電変換素子12の上に形成された部分上にCVD法またはスパッタリング法によって膜厚40nmの窒化シリコン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、ゲート絶縁膜13の上に、ポリシリコンからなる転送電極14と、転送電極14の上方を覆う第1の層間絶縁膜15aと、タングステンからなる遮光膜16を順次形成する。ここで、転送電極14は平面的に見て光電変換素子12と重ならないように形成する。この後、エッチングストッパー膜17および遮光膜16の上に、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で構成された第2の層間絶縁膜15bを形成する。この時、転送電極14等が存在するため、第2の層間絶縁膜15bは転送電極14上で高く、光電変換素子12上で低くなり、ちょうど光電変換素子12上が凹んだ形状となるため、BPSG形成後に、アニールを行うことにより、第2の層間絶縁膜15bをフローして平坦化する。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment, first, in the step shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示す工程で、第2の層間絶縁膜15b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、異方性のドライエッチングを行うことにより、第2の層間絶縁膜15b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。
Next, in the step shown in FIG. 6B, a resist (not shown) opening above the
次に、図6(c)に示す工程で、高密度プラズマCVD法などのCVD法により、孔部26の側面と、孔部26の底に露出したエッチングストッパー膜17の上面、および第2の層間絶縁膜15bの上面を覆うように、酸化窒化シリコン膜からなる第1の透明膜19を形成する。この時、第1の透明膜19のうち、孔部26の内側面に形成された部分の膜厚は、エッチングストッパー膜17の上および第2の層間絶縁膜15bの上に形成された部分の膜厚よりも薄くする。従って、エッチングストッパー膜17の膜厚を、入射光波長の1/4(の倍数)である、例えば130nm程度としても、孔部26の内側面に形成される部分の膜厚は、その1/2以下の50nm程度とするので、孔部26の直径が500nm程度のサイズであっても、その後の工程で形成される第2の透明膜20の直径は、400nm程度は確保されることになるため、第2の透明膜を空隙なく良好に埋め込むとともに、入射光が透過する高屈折率の第2の透明膜の断面積をできるだけ大きくとることができる。なお、この酸化窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
Next, in the step shown in FIG. 6C, the side surface of the
次に、図6(d)に示す工程で、酸化窒化シリコン膜の上に、孔部26を完全に埋めるように、窒化シリコン膜を、孔部26への埋め込み性が良好な高密度プラズマCVD法により形成する。窒化シリコン膜のうち孔部26に埋め込まれた部分は第2の透明膜20となり、第1の透明膜19のうち孔部26内に設けられた部分と第2の透明膜20とは光導波路を構成する。この時、孔部26があるため、窒化シリコン膜の上面には凹凸が発生している。そこで、窒化シリコン膜の上全体に、上面が平坦になるようにレジスト(図示せず)を塗布し、窒化シリコン膜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、窒化シリコン膜の上面を平坦化する。なお、この窒化シリコン膜は、シランを原料として用いているため、形成直後には水素がリッチに含まれている。続いて、水素雰囲気中で熱処理を行う。これにより、第1の透明膜19である酸化窒化シリコン膜と、第2の透明膜20の母材となる窒化シリコン膜とから、光電変換素子12が形成されたシリコン基板へと、水素を供給することができる。光電変換素子12は、図6(b)に示す工程で、ドライエッチング時にダメージを受ける。このダメージは、出力画像において、白点や白線などの画像欠陥を引き起こす。これを白キズというが、これは光電変換素子の結晶欠陥が一つの要因となっている。本実施例に係る製造方法では、光電変換素子12に水素を供給することにより、ドライエッチングにより生成した結晶欠陥(ダングリングボンド)が終端され、白キズが減少する。
Next, in the step shown in FIG. 6D, a high-density plasma CVD film in which the silicon nitride film is embedded in the
次に、図6(e)に示す工程で、孔部26を覆う集光レンズ21を第1の透明膜19上に形成する。まず、基板(作製中の固体撮像装置)上面上にレジストを形成後、パターニングおよびリフローを行うことによって、平坦化された窒化シリコン膜のうち光導波路18の上方に位置する領域上に、所望の集光レンズと同じ形状のレジスト27を形成する。この時、レジスト27の直径は、光導波路18の直径よりも大きくなるように形成する。この後、窒化シリコン膜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い、レジスト27の形状を窒化シリコン膜に転写することにより、光導波路18の直径よりも大きな直径を有し、上に凸な形状の集光レンズ21を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 6E, the
その後、図6(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膜22、カラーフィルター24、オンチップレンズ25を形成して、一連の製造工程が終了となる。
Thereafter, in the process shown in FIG. 6F, the flattening
以上に述べた一連の製造方法によれば、第1の実施例で述べたように、上に凸な形状の集光レンズ21と、光導波路18とを備え、光導波路18を構成する第2の透明膜20が集光レンズ21と同一材料で一体的に形成された固体撮像装置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 second light source includes the condensing
以上の実施例をまとめると、本発明の第1の実施例に係る固体撮像装置は以下の装置構成の特徴を備えていることになる。 In summary, the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention has the following device configuration features.
まず、第1の装置構成上の特徴は、外側に第1の透明膜、内側に第2の透明膜を有し、その屈折率が層間絶縁膜よりも高く、且つ第1の透明膜よりも第2の透明膜の方が高い光導波路を、光電変換素子の上方から、第2の透明膜と同じ材料で構成された集光レンズまでの間に設けていることである。この装置構成上の特徴から、斜め入射光に対する感度が向上し、且つ入射角が拡大するという作用効果を得ることができる。また、この装置構成上の特徴により、スミア特性が大幅に向上するというさらなる効果を得ることができる。
また、通常は斜め入射光に対する感度を増加させるため、画素アレイの周辺部上に設けられた集光レンズおよびマイクロレンズの位置をずらす(シュリンクさせる)必要があり、個々の使用用途に応じて、そのシュリンクの量は厳密に制御される。ところが、この第1の装置構成上の特徴により、斜め入射光の感度が大きく向上し、入射角が拡大することによって、シュリンクの量を厳密に制御する必要が少なくなる。このため、個々の使用用途に応じて、細かくシュリンクの量を変える必要がなくなり、品種の増加によるコストの増大を抑えることができる。
First, the first device configuration has a first transparent film on the outer side and a second transparent film on the inner side, the refractive index of which is higher than that of the interlayer insulating film, and higher than that of the first transparent film. The optical waveguide of the second transparent film is higher from the upper side of the photoelectric conversion element to the condenser lens made of the same material as the second transparent film. Due to the characteristics of the apparatus configuration, it is possible to obtain an effect that sensitivity to obliquely incident light is improved and an incident angle is enlarged. Further, this feature of the device configuration can provide a further effect that smear characteristics are greatly improved.
Also, normally, in order to increase the sensitivity to obliquely incident light, it is necessary to shift (shrink) the position of the condensing lens and microlens provided on the periphery of the pixel array. The amount of shrink is strictly controlled. However, the characteristic of the first apparatus configuration greatly improves the sensitivity of oblique incident light and increases the incident angle, thereby reducing the need to strictly control the amount of shrinkage. For this reason, there is no need to finely change the amount of shrink according to each use application, and an increase in cost due to an increase in variety can be suppressed.
さらに、第2の装置構成上の特徴は、光電変換素子の上の膜の構成が、下から順にゲート絶縁膜/窒化シリコン膜(反射防止膜)/酸化窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとり、反射防止膜の膜厚を入射光波長の1/4として、なおかつその他の膜厚を最適化することである。この装置構成上の特徴から、光電変換素子上の入射光の反射率を低く抑えるという作用効果を得ることができる。また、この装置構成上の特徴により、ドライエッチングによるダメージの発生を抑制し、出力画像に白キズが増加するのを防ぐというさらなる効果を得ることができる。 Further, the second device configuration is characterized in that the film on the photoelectric conversion element has a gate insulating film / silicon nitride film (antireflection film) / silicon oxynitride film / silicon nitride in order from the bottom. The film thickness of the antireflection film is set to ¼ of the incident light wavelength, and the other film thicknesses are optimized. Due to the characteristics of the device configuration, an effect of suppressing the reflectance of incident light on the photoelectric conversion element can be obtained. In addition, due to the characteristics of the apparatus configuration, it is possible to obtain further effects of suppressing the occurrence of damage due to dry etching and preventing an increase in white flaws in the output image.
また、以上をまとめると、本実施例に係る固体撮像装置は以下の装置製造方法の特徴を備えている。 In summary, the solid-state imaging device according to the present embodiment has the following characteristics of the device manufacturing method.
まず、第1の装置製造方法上の特徴は、光導波路を構成する第1の透明膜のうち孔部の内側面に形成される部分の膜厚を、孔部の底面に形成される部分の膜厚よりも薄くなるように形成することである。この装置製造方法上の特徴から、本実施例の固体撮像装置では、第1の透明膜の内側に形成される、屈折率の大きい第2の透明膜の断面積を大きくすることができる。そのため、第2の透明膜内にボイドが発生しにくくなっており、ボイドによる感度の低下を防ぐことができる。 First, the first device manufacturing method is characterized in that the film thickness of the portion formed on the inner side surface of the hole portion of the first transparent film constituting the optical waveguide is the same as that of the portion formed on the bottom surface of the hole portion. It is to be formed so as to be thinner than the film thickness. Due to the characteristics of the device manufacturing method, in the solid-state imaging device of the present embodiment, the cross-sectional area of the second transparent film having a large refractive index formed inside the first transparent film can be increased. For this reason, voids are less likely to be generated in the second transparent film, and a decrease in sensitivity due to voids can be prevented.
さらに、第2の装置製造方法上の特徴は、光導波路を構成する膜が2種類であり、且つ当該光導波路を構成する第2の透明膜と集光レンズが同じ材料で連続的に形成されていることである。このため、光導波路を構成する膜の種類が3種類以上である場合に比べて成膜時に生じる内部応力を小さく抑えることができるので、光導波路内でクラックや剥離が発生しにくくなっている。また、光導波路を構成する膜の種類が比較的少ないため、第2の従来例に係る固体撮像装置に比べて製造工程数を少なくすることができる。また、上述の特徴により、集光レンズと第2の透明膜との間の光の反射をなくすことができるため、集光レンズから光導波路までの間での光の反射率が低減し、集光効率を向上させることができる。 Further, the second device manufacturing method is characterized in that there are two types of films constituting the optical waveguide, and the second transparent film and the condenser lens constituting the optical waveguide are continuously formed of the same material. It is that. For this reason, compared with the case where there are three or more types of films constituting the optical waveguide, the internal stress generated at the time of film formation can be suppressed to be small, so that cracks and peeling are less likely to occur in the optical waveguide. In addition, since the types of films constituting the optical waveguide are relatively small, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the solid-state imaging device according to the second conventional example. In addition, because of the above-described features, it is possible to eliminate the reflection of light between the condensing lens and the second transparent film, so that the reflectance of light between the condensing lens and the optical waveguide is reduced, and the light is collected. Light efficiency can be improved.
さらに、本実施例の製造方法では、製造工程中に第1の透明膜および第2の透明膜が含有する水素を効果的に光電変換素子に供給できるので、光電変換素子の結晶欠陥を回復させ、出力画像に生じる白キズの発生を抑えることができる。なお、エッチングストッパー膜17は水素が光電変換素子に拡散しやすいように一部が除去されていることが好ましい。さらに、本実施例の製造方法上の特徴により、エッチングストッパーによってドライエッチングを止めることにより、ドライエッチングによるフォトダイオードへのダメージの発生を抑制し、出力画像に白キズが増加するのを防ぐという、更なる効果を得ることができる。
Furthermore, in the manufacturing method of this example, since the hydrogen contained in the first transparent film and the second transparent film can be effectively supplied to the photoelectric conversion element during the manufacturing process, crystal defects of the photoelectric conversion element are recovered. The occurrence of white scratches in the output image can be suppressed. The
なお、以上では、第1の実施例に係る固体撮像装置において、エッチングストッパー膜17を窒化シリコンで構成する例について説明したが、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムで構成しても、同様の効果が得られる。この場合でも、エッチングストッパー膜17は成膜後に水素が残留する方法で形成されていることが好ましい。この場合も、光電変換素子12がシリコン基板から光導波路18までの膜構成、すなわちシリコン基板/ゲート絶縁膜13/エッチングストッパー膜17/第1の透明膜19/第2の透明膜20において、屈折率が増減を繰り返していれば、光導波路18に入射した光の反射を防止することができる。さらに、各膜の膜厚を最適化することにより、光導波路18に入射した光の反射をさらに抑えることができる。これは、他の実施例についても同様である。
Although the example in which the
また、上述の説明では、光導波路18を形成する第1の透明膜19を酸化窒化シリコンで、第2の透明膜20および集光レンズを窒化シリコンで形成したが、本発明の固体撮像装置において、光導波路を構成する材料はこの材料に限定されない。第1の透明膜19の構成材料は、屈折率が第2の層間絶縁膜15bよりも高く、第2の透明膜20よりも低い材料であり、成膜後に水素を含有する材料であればよく、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどであっても、第1の実施例と同様の効果が得られる。
In the above description, the first
また、第2の透明膜20および集光レンズ21は、屈折率が第1の透明膜19よりも高い、2.0以上の材料であり、成膜後に水素を含有する材料で構成されていればよく、例えば酸化チタン、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、酸化ハフニウムなどで構成されていても、第1の実施例と同様の効果が得られる。
The second
なお、集光レンズ21の他にオンチップレンズ24が設けられている場合には、集光レンズ21はいわゆる凸レンズとして機能させなくてもよい場合がある。すなわち、オンチップレンズ24によって集光レンズ21に集められた光を集光レンズ21が平行光にしてもよい。この場合は集光レンズ21と平坦化膜22の屈折率を本実施例と逆にする。この場合には、入射光を光導波路18の側壁に対して平行にすることができるので、反射による入射光の減衰を防ぐことができる。
If the on-
第1の実施例に係るCCD(Charged Coupled Device)型の固体撮像装置では、図1に示すように、光導波路の形状が、光電変換素子の直上から集光レンズの下面位置まで、同一の断面積である場合について述べたが、光導波路の形状はこの形状に限定されることはなく、光電変換素子の直上から集光レンズに向かうにつれて、その断面積が連続的、あるいは段階的に大きくなる形状であっても構わない。光導波路の断面積が、集光レンズに近いほど連続的に大きくなる場合について、以下に説明する。 In the CCD (Charged Coupled Device) type solid-state imaging device according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the shape of the optical waveguide is the same from the position directly above the photoelectric conversion element to the lower surface position of the condenser lens. Although the case of the area has been described, the shape of the optical waveguide is not limited to this shape, and its cross-sectional area increases continuously or stepwise as it goes from directly above the photoelectric conversion element to the condenser lens. It may be a shape. The case where the cross-sectional area of the optical waveguide continuously increases as it is closer to the condenser lens will be described below.
−第2の実施例−
図7は、本発明の第2の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に光電変換素子12が設けられ、シリコン基板の上には酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13が設けられている。
-Second embodiment-
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device shown in the figure, a
ゲート絶縁膜13の上にはポリシリコンからなる転送電極14が設けられ、転送電極14の上面および側面は、第1の層間絶縁膜15aを挟んで、タングステンからなる遮光膜16によって覆われている。第1の層間絶縁膜15aは、屈折率が1.45の酸化シリコンからなり、転送電極14と遮光膜16との間に介在することにより、転送電極14と遮光膜16とを互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、ゲート絶縁膜13を挟んで窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17が設けられ、エッチングストッパー膜17の上に光導波路18が形成される。その光導波路18は、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19のうち凹状に形成された部分と、当該凹状部上に設けられた屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20とから構成される。光導波路18は、光電変換素子12(下方)からその上方の集光レンズの方向に行くにつれて、その断面積が大きくなる形状を有している。これが、本実施例の固体撮像装置が第1の実施例の固体撮像装置と異なる点である。
On the other hand, an
また、光導波路18の周囲には、第1の透明膜19に接するように、屈折率1.45の、BPSGからなる第2の層間絶縁膜15bが構成されている。言い換えれば、第1の透明膜19は、第2の層間絶縁膜15bの上面および孔部の内面に沿って形成されている。
A second
光導波路18の上には、光導波路18を構成する第2の透明膜20と同じ材料である、屈折率2.0の窒化シリコンからなる集光レンズ21が第2の透明膜20と一体化して設けられている。この集光レンズ21は、上に凸な形状を有している。集光レンズ21と、第2の層間絶縁膜15bと、第1の透明膜19の上方には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化膜22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23とが順次積層され、カラーフィルター23の上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ24が設けられている。
On the
以上の構成を有する第2の実施例と、先に説明した第1の実施例の固体撮像装置に対し、第1の実施例と同様に、入射光として白色の平行光を照射し、フォトダイオードからの出力電圧を計測して感度の評価を行った。入射光は、素子の主面に対して垂直に照射した場合の入射角を0°とし、0°から斜め30°まで連続的に入射角を大きくしていった時の感度を計測し、固体撮像装置の斜め入射角依存性について評価を行った。 As in the first embodiment, the solid-state imaging device of the second embodiment having the above configuration and the first embodiment described above is irradiated with white parallel light as incident light, and the photodiode The output voltage from was measured to evaluate the sensitivity. When incident light is irradiated perpendicularly to the main surface of the element, the incident angle is 0 °, and the sensitivity when the incident angle is continuously increased from 0 ° to 30 ° obliquely is measured. The oblique incident angle dependence of the imaging device was evaluated.
その結果、入射角が0°の時の出力電圧を100%とした時に、出力電圧が80%となる入射角を計測した結果、第1の実施例の固体撮像装置では26°であったのに対し、第2の実施例の固体撮像装置では27°であり、第2の実施例の固体撮像装置が第1の実施例の固体撮像装置と同様の良好な光学特性を有していることが分かった。 As a result, the incident angle at which the output voltage was 80% when the output voltage when the incident angle was 0 ° was set to 100% was 26 ° in the solid-state imaging device of the first example. On the other hand, in the solid-state imaging device of the second embodiment, the angle is 27 °, and the solid-state imaging device of the second embodiment has good optical characteristics similar to those of the solid-state imaging device of the first embodiment. I understood.
さらに、本願発明者らは、第1の実施例および第2の実施例に係る固体撮像装置において、感度の絶対値を評価した。その結果を図9(a)に示す。同図に示した値は、第1の実施例の固体撮像装置における、入射角度が0°のときの出力電圧を100として、検出された出力電圧をそれぞれ換算した値を示したものである。 Further, the inventors of the present application evaluated the absolute value of sensitivity in the solid-state imaging devices according to the first and second examples. The result is shown in FIG. The values shown in the figure are values obtained by converting the detected output voltages with the output voltage when the incident angle is 0 ° as 100 in the solid-state imaging device of the first embodiment.
この結果より、光の入射角が0°および15°の時の感度は、第1の実施例と第2の実施例の固体撮像装置でほぼ同等であることが分かった。これに加え、第2の実施例に係る光導波路18によれば、固体撮像装置におけるセルサイズが縮小し、光電変換素子の直上に光導波路18を設けるための開口部の断面積が小さくなった場合でも光の入射特性を落とすことなく第2の透明膜の埋め込み性を向上させることができる。また、第2の層間絶縁膜15bが厚くなる場合やセルサイズが縮小する場合には開口部のアスペクト比が大きくなり、どうしても開口部の底部で断面積が小さくなってしまうことがある。この場合でも、集光レンズ21と一体化された第2の透明膜20を有する光導波路18を第2の層間絶縁膜15bの開口部に設けることにより、優れた光の入射特性および感度を発揮することができる。
From this result, it was found that the sensitivity when the incident angles of light are 0 ° and 15 ° is substantially the same in the solid-state imaging devices of the first embodiment and the second embodiment. In addition, according to the
なお、本実施形態ではCCD型の固体撮像装置のみを説明したが、CMOS等を用いたMOS型固体撮像装置にも本発明の光導波路を適用可能である。 In the present embodiment, only the CCD solid-state imaging device has been described. However, the optical waveguide of the present invention can also be applied to a MOS solid-state imaging device using a CMOS or the like.
(第2の実施形態)
以下に、図面を参照しながら、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
−第3の実施例−
図10は、本発明の第2の実施形態の一例である、第3の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。本実施例の固体撮像装置はCCD型の固体撮像装置である。
-Third embodiment-
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a solid-state imaging device according to a third example which is an example of the second embodiment of the present invention. The solid-state imaging device of this embodiment is a CCD type solid-state imaging device.
図10に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に光電変換素子12が設けられ、シリコン基板の上には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13が設けられている。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 10, a
ゲート絶縁膜13の上には、ポリシリコンからなる転送電極14が設けられ、転送電極14の上面および側面は、第1の層間絶縁膜15aを挟んで、タングステンからなる遮光膜16によって覆われている。第1の層間絶縁膜15aは、屈折率が1.45の酸化シリコンからなり、転送電極14と遮光膜16との間に介在することにより、転送電極14と遮光膜16とを互いに絶縁している。
A
一方、光電変換素子12の上には、ゲート絶縁膜13を挟んで窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17が設けられ、エッチングストッパー膜17の上に光導波路18が形成される。その光導波路18は、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19のうち凹状に形成された部分と、当該凹状部上に設けられた屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20とから構成される。光導波路18の周囲には、第1の透明膜19に接するように、屈折率1.45の、BPSGからなる第2の層間絶縁膜15bが構成されている。
On the other hand, an
光導波路18の上には、光導波路18を構成する第2の透明膜20と同じ材料である、屈折率2.0の窒化シリコンからなる集光レンズ21が第2の透明膜20と一体化して設けられている。この集光レンズ21は、上下面共に凸形状を持っていることを特徴とする。集光レンズ21の上および第2の層間絶縁膜15bの上方には、屈折率1.50の透明高分子樹脂からなる平坦化膜22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23とが順次積層され、カラーフィルター23の上には屈折率1.60の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ24が設けられている。
On the
本実施例に係る固体撮像装置の詳細を説明するために、一部構成を変更した第4の比較例に係る固体撮像装置を作製し、本実施例の固体撮像装置と性能比較を行った。 In order to describe the details of the solid-state imaging device according to the present embodiment, a solid-state imaging device according to a fourth comparative example, in which a part of the configuration was changed, was manufactured, and performance comparison was performed with the solid-state imaging device according to the present embodiment.
図11は、第4の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていないことを除いて第3の実施例の固体撮像装置と同一の構成を有している。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a fourth comparative example. The solid-state imaging device shown in the figure has the same configuration as the solid-state imaging device of the third embodiment, except that no optical waveguide is provided.
本願発明者らは、第3の実施例および第4の比較例の固体撮像装置において、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った。ここで、素子の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を0°とし、入射角を徐々に大きくしていき、0°から斜め30°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射角依存性について評価を行った。 In the solid-state imaging devices of the third embodiment and the fourth comparative example, the inventors of the present application measured the output voltage from the photodiode when irradiated with white parallel light as incident light, and evaluated the sensitivity. went. Here, the incident angle of light when irradiated perpendicularly to the main surface of the element is 0 °, the incident angle is gradually increased, and incident light from 0 ° to 30 ° is irradiated. The sensitivity was measured, and the oblique incident angle dependency was evaluated.
図12(a)は、第3の実施例と第4の比較例の固体撮像装置で斜め入射光の相対感度をそれぞれ測定した結果を示す図である。この結果から、入射角0°の時の出力を100%とした時に、出力が80%となる入射角は、光導波路を持たない第4の比較例の固体撮像装置では18°であるのに対して、光導波路を有する第3の実施例の固体撮像装置では29°であり、本実施例の固体撮像装置ではより広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが分かった。このように、光導波路を設けることで斜め方向から入射する光を効果的に光電変換素子に集められることが確認できた。 FIG. 12A is a diagram illustrating the results of measuring the relative sensitivity of obliquely incident light with the solid-state imaging devices of the third example and the fourth comparative example. From this result, when the output at an incident angle of 0 ° is 100%, the incident angle at which the output is 80% is 18 ° in the solid-state imaging device of the fourth comparative example having no optical waveguide. In contrast, the solid-state imaging device of the third example having an optical waveguide has an angle of 29 °, and the solid-state imaging device of the present example can collect obliquely incident light with a wider angle on the photodiode. As described above, it was confirmed that the light incident from the oblique direction can be effectively collected in the photoelectric conversion element by providing the optical waveguide.
続いて、実際のカメラモジュールでの使用状況に近い条件で、ランダムな方向から入射してくる白色光のF値を変えて照射した時の、固体撮像装置のスミア成分を計測した。その結果、図12(b)に示すように、例えば入射光のF値=4.0の場合では、光導波路を持たない第4の比較例の固体撮像装置が−85.2dBであるのに対して、光導波路を有する第3の実施例の固体撮像装置は−92.3dBである。また、入射光のF値=2.0の場合では、第4の比較例の固体撮像装置が−81.3dBであるのに対して、第3の実施例の固体撮像装置は−90.2dBであり、評価したF値の全域にわたって、第3の実施例の固体撮像装置の方が良好なスミア特性を示すことが分かった。すなわち、本実施例の固体撮像装置において、光導波路を設けることでスミア特性が改善されるという効果が認められた。 Subsequently, smear components of the solid-state imaging device were measured when irradiation was performed while changing the F value of the white light incident from a random direction under conditions close to the usage conditions in the actual camera module. As a result, as shown in FIG. 12B, for example, when the F value of the incident light is 4.0, the solid-state imaging device of the fourth comparative example having no optical waveguide is −85.2 dB. On the other hand, the solid-state imaging device of the third embodiment having an optical waveguide is −92.3 dB. When the F value of incident light is 2.0, the solid-state imaging device of the fourth comparative example is -81.3 dB, whereas the solid-state imaging device of the third embodiment is -90.2 dB. It was found that the solid-state imaging device of the third example showed better smear characteristics over the entire range of the evaluated F value. That is, in the solid-state imaging device of this example, the effect that smear characteristics are improved by providing the optical waveguide was recognized.
次に、第3の実施例に係る固体撮像装置において、光電変換素子12の上の膜構成は、下から順にゲート絶縁膜13、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17、屈折率が1.6の酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜19、屈折率2.0の窒化シリコンからなる第2の透明膜20となっている。それぞれの膜厚は、光電変換素子12上での反射率を最小限にするため、ゲート絶縁膜13は20nm、エッチングストッパー膜17は130nm、第1の透明膜19は30nmとなっており、この時の光の反射率は5%である。
Next, in the solid-state imaging device according to the third embodiment, the film configuration on the
すなわち、エッチングストッパー膜17は、入射光波長の1/4である130nm(グリーンの素子の場合)であるため、この膜単独で見た場合の反射率が抑えられる。さらに、光電変換素子12の上の膜が、ゲート絶縁膜/窒化シリコン膜/酸化窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとり、それぞれの膜厚を最適化することで、全体として反射防止積層膜25を形成することができ、反射率を低く抑えることができる。
That is, since the
次に、本願発明者らは、反射防止積層膜25の効果を検証するために、図13に示すように、酸化窒化シリコンからなる第1の透明膜を無くし、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜17の上に、直接窒化シリコンからなる第2の透明膜20を形成した第5の比較例に係る固体撮像装置を作製した。
Next, in order to verify the effect of the antireflection
図13は、第5の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置における光の反射率を測定した結果、光電変換素子12の上の膜が、ゲート絶縁膜/窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとるため、ゲート絶縁膜の膜厚をどのように変えても、反射率が20%以上となり、反射率の増大により光電変換素子に入射する光の出力が低下し、感度が大幅に低下した。
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a fifth comparative example. As a result of measuring the reflectance of the light in the solid-state imaging device shown in the figure, the film on the
以上で説明した、第3の実施例、第4の比較例、および第5の比較例に係る固体撮像装置の感度を評価した結果を図9(c)に示す。同図には、第1の実施例の構成において入射角度が0°のときの感度(集光効率)を示す出力電圧を100とした場合の、各測定値の換算値を示している。 FIG. 9C shows the result of evaluating the sensitivity of the solid-state imaging device according to the third example, the fourth comparative example, and the fifth comparative example described above. The figure shows the converted value of each measured value when the output voltage indicating the sensitivity (condensing efficiency) when the incident angle is 0 ° in the configuration of the first embodiment is 100.
この結果より、第4の比較例の固体撮像装置における入射角が0°の時の感度は、第3の実施例の固体撮像装置と比較して約2%低下し、第5の比較例の固体撮像装置の同条件での感度は第3の実施例に比べて約15%低下した。ところが、入射角度が15°の時の感度は、光導波路構造の第3の実施例と第5の比較例では、入射角度が0°の場合の出力の約67%に低下しているのに対して、第4の比較例では約42%に低下しており、光導波路の無い構成では入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路の効果と、反射防止積層膜の効果が明らかになった。 From this result, the sensitivity when the incident angle is 0 ° in the solid-state imaging device of the fourth comparative example is reduced by about 2% compared to the solid-state imaging device of the third embodiment, and the sensitivity of the fifth comparative example is The sensitivity of the solid-state imaging device under the same conditions was reduced by about 15% compared to the third example. However, the sensitivity when the incident angle is 15 ° is reduced to about 67% of the output when the incident angle is 0 ° in the third and fifth comparative examples of the optical waveguide structure. On the other hand, in the 4th comparative example, it fell to about 42%, and it became clear that sensitivity becomes lower as the incident angle increases in the configuration without the optical waveguide. From the above results, the effect of the optical waveguide and the effect of the antireflection laminated film became clear.
次に、図14を参照しながら、本発明の第2の実施形態(第3の実施例)に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the second embodiment (third example) of the present invention will be described with reference to FIG.
図14(a)〜(f)は、本発明の第3の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板の表層部に、光電変換素子12、電荷転送部、読み出しゲートおよびチャネルストップ(図示せず)を形成した後の工程から説明する。
本実施例の固体撮像装置の製造方法では、まず、図14(a)に示す工程で、シリコン基板の上に、熱酸化処理により膜厚20nmの酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13を形成する。このゲート絶縁膜13のうち、光電変換素子12の上に形成された部分上にCVD法またはスパッタリング法によって膜厚40nmの窒化シリコン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、ゲート絶縁膜13の上に、ポリシリコンからなる転送電極14と、転送電極14の上方を覆う第1の層間絶縁膜15aと、タングステンからなる遮光膜16を順次形成する。この後、エッチングストッパー膜17および遮光膜16の上に、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で構成された第2の層間絶縁膜15bを形成する。
14A to 14F are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. Here, the process after the
In the method of manufacturing the solid-state imaging device of this embodiment, first, in the step shown in FIG. 14A, the
この時、転送電極14等が存在するため、第2の層間絶縁膜15bは転送電極14上で高く、光電変換素子12上で低くなり、ちょうど光電変換素子12上が凹んだ形状となるため、この形状を下に凸なレンズの形状として利用することができる。もしくは、フローにより平坦化した後、レジストをパターニングし、ウエットエッチプロセスにより、第2の層間絶縁膜15bの光電変換素子12の上方に位置する部分を等方的にエッチングすることにより、図14(a)に示したような形状を形成することもできる。
At this time, since the
次に、図14(b)に示す工程で、第2の層間絶縁膜15b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、異方性のドライエッチングを行うことにより、第2の層間絶縁膜15b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。
Next, in the step shown in FIG. 14B, a resist (not shown) that opens above the
次に、図14(c)に示す工程で、CVD法により、孔部26の内側面を含む第2の層間絶縁膜15bおよび孔部26の底に露出したエッチングストッパー膜17上に酸化窒化シリコン膜からなる第1の透明膜19を形成する。この時、孔部26の内側面に形成される第1の透明膜19の膜厚は、エッチングストッパー膜17上および孔部26以外の領域の第2の層間絶縁膜15b上に形成される第1の透明膜19の膜厚よりも薄くなるように形成する。従って、エッチングストッパー膜17の膜厚を、入射光波長の1/4(の倍数)である、例えば130nm程度としても、孔部26の内側面に形成される膜厚は、その1/2以下の50nm程度とするので、孔部26の直径が500nm程度であっても、その後の工程で形成される第2の透明膜20の直径は、400nm程度は確保されることになる。このため、第2の透明膜20を空隙無く良好に埋め込むとともに、入射光が透過する高屈折率の第2の透明膜20の断面積をできるだけ大きくとることができる。なお、この酸化窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
Next, in the step shown in FIG. 14C, silicon oxynitride is formed on the second
次に、図14(d)に示す工程で、第1の透明膜19の上に、孔部26を完全に埋める様に、窒化シリコン膜からなる第2の透明膜20を、孔部への埋め込み性が良好な高密度プラズマCVD法により形成する。このとき、孔部26があるため、窒化シリコン膜の上面には凹凸が発生する。そこで、窒化シリコン膜上全体に、上面が平坦になるようにレジスト(図示せず)を塗布し、窒化シリコン膜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、CMP法を行うことにより、窒化シリコン膜の上面を平坦化する。なお、この窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
Next, in the step shown in FIG. 14D, the second
なお、本実施例の固体撮像装置では、孔部26の上部が、下に凸なるレンズ形状を持つことから、大きく開口した形状となっている。このため、第1の実施例の固体撮像装置よりも原料ガスの流入が容易になるため、より埋め込み性が向上する。従って、固体撮像装置のセルサイズが更に小さくなり、孔部の直径が小さくなった場合でも、孔部に空隙を生じさせることなく第2の透明膜を埋め込むことが可能となる。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the upper portion of the
次に、窒化シリコン膜の上面を平坦化した後、水素雰囲気中で熱処理を行う。これにより、第1の透明膜19である酸化窒化シリコン膜と、第2の透明膜20である窒化シリコン膜から、光電変換素子12のあるシリコン基板に、水素を供給することができる。光電変換素子12は、図14(b)に示す工程で、ドライエッチング時にダメージを受け、それが白点や白線など、出力画像の画像欠陥となって表れる。これを白キズというが、これは光電変換素子12の結晶欠陥が一つの要因となっている。光電変換素子12に水素を供給することにより、ドライエッチングにより発生した結晶欠陥(ダングリングボンド)が終端され、白キズが減少する。
Next, after planarizing the upper surface of the silicon nitride film, heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere. Thus, hydrogen can be supplied from the silicon oxynitride film as the first
次に、図14(e)に示す工程で、集光レンズ21を形成する。本工程ではまず、平坦化された窒化シリコン膜のうち光導波路の上方に位置する部分上に、パターニングおよびリフローにより、所望の集光レンズの上側と同じ形状のレジスト27を形成する。この時、レンズの直径は、光導波路の直径よりも大きくなるように形成する。
Next, the
この後、窒化シリコン膜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い、レジスト27の形状を窒化シリコン膜に転写することにより、上下面が共に凸な形状の集光レンズ21を形成する。
Thereafter, dry etching is performed under the condition that the etching rates of the silicon nitride film and the resist are the same, and the shape of the resist 27 is transferred to the silicon nitride film, whereby the condensing
その後、図14(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膜22、カラーフィルター23、オンチップレンズ24を順次形成して、一連の製造工程が終了する。
Thereafter, in the process shown in FIG. 14F, the
以上に述べた一連の製造方法によれば、上下両面が凸形状の集光レンズ21から光導波路を形成する第2の透明膜20までが連続した同一の材料で構成された固体撮像装置を、容易に作製することができる。
According to the series of manufacturing methods described above, a solid-state imaging device composed of the same material that is continuous from the condensing
なお、上述の説明では、エッチングストッパー膜17は、入射光波長の1/4(の倍数)に設定した。例えば、グリーンの素子の場合は130nm、ブルーの素子の場合は110nm、レッドの素子の場合は160nmなどである。このように、入射光の波長ごとに、エッチングストッパー膜の厚さを変えることにより、それぞれの波長での光の反射率を低くすることができる。具体的には、厚さ160nmのエッチングストッパー膜を形成後、グリーンとブルーの画素上に設けられた部分をパターニングおよびエッチングすることにより、エッチングストッパー膜がそれぞれ所望の膜厚になるように形成する。また、エッチングストッパー膜の最も薄い膜厚が110nmと比較的厚くなることにより、光導波路の孔部を形成するためのドライエッチングを行う時に光電変換素子が受けるダメージを少なくすることができる。
In the above description, the
比較のため、エッチングストッパーの膜厚を、上記に示した値のそれぞれ1/2の厚さで形成した場合の白キズの評価を行った結果、白キズの発生個数が10倍以上に増大した。このことから、エッチングストッパー膜の膜厚を入射光波長の1/4(の倍数)に設定することにより、入射光の反射率を低く抑える効果と共に、白キズ発生の個数を少なくする効果をも併せ持つことができる。 For comparison, as a result of evaluating white scratches when the film thickness of the etching stopper was formed at a thickness of 1/2 each of the above values, the number of white scratches increased by 10 times or more. . Therefore, by setting the thickness of the etching stopper film to 1/4 (multiple of the incident light wavelength), it is possible to reduce the number of white scratches as well as to reduce the reflectance of the incident light. Can have both.
以上をまとめると、本発明の第3の実施例に係る固体撮像装置は以下の特徴を備えている。 In summary, the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention has the following features.
まず、第1の装置構成上の特徴は、外側に第1の透明膜19、内側に第2の透明膜20を有し、その屈折率が第2の層間絶縁膜15bよりも高く、かつ第1の透明膜19よりも第2の透明膜20の方が高い光導波路を、光電変換素子12と集光レンズ21との間に設けており、集光レンズ21が第2の透明膜20と同じ材料で構成されていることである。この構成によって、斜め入射光に対する感度が向上し、かつ光の入射角が拡大するという作用効果を得る。また、この装置構成上の特徴により、スミア特性も大幅に向上している。
First, the first device configuration is characterized by having a first
また、通常は斜め入射光の感度を増加させるため、画素周辺部の集光レンズおよびマイクロレンズはシュリンクさせる必要があり、個々の使用用途に応じて、そのシュリンクの量は厳密に制御される。ところが、この第1の装置構成上の特徴により、斜め入射光の感度が大きく向上し、入射角が拡大することによって、シュリンクの量を厳密に制御する必要が少なくなる。このため、個々の使用用途に応じて、細かくシュリンクの量を変える必要がなくなり、固体撮像装置の種類の増加によるコストの増大を抑えることができる。 Usually, in order to increase the sensitivity of obliquely incident light, it is necessary to shrink the condensing lens and the microlens in the periphery of the pixel, and the amount of shrinkage is strictly controlled according to each application. However, the characteristic of the first apparatus configuration greatly improves the sensitivity of oblique incident light and increases the incident angle, thereby reducing the need to strictly control the amount of shrinkage. For this reason, it is not necessary to finely change the amount of shrink according to each use application, and an increase in cost due to an increase in the types of solid-state imaging devices can be suppressed.
さらに、第2の装置構成上の特徴は、光電変換素子12上の膜の構成が、ゲート絶縁膜/窒化シリコン膜(反射防止膜)/酸化窒化シリコン膜/窒化シリコンの構成をとり、反射防止膜の膜厚を入射光波長の1/4として、なおかつその他の膜厚を最適化することである。この装置構成上の特徴から、光電変換素子12への入射光の反射率を低く抑えることができる。また、この装置構成上の特徴により、ドライエッチングによるダメージが引き起こす白キズの発生を低減することができる。
Further, the second device configuration is characterized in that the film on the
さらに、本実施例の固体撮像装置の第3の装置構成上の特徴は、集光レンズ21の上下面が凸形状をとることである。この構成により、第1の実施形態で説明した、上に凸な形状の集光レンズを用いる場合よりも、より広い角度の光を集光することができるため、集光効率が向上すると共に、スミア特性も向上する。
Further, a third device configuration feature of the solid-state imaging device of the present embodiment is that the upper and lower surfaces of the
また、本実施例の固体撮像装置においては、第1の実施例の固体撮像装置と同様に、光導波路を形成する第1の透明膜19のうち孔部26の内側面に形成される部分膜厚が、孔部26の底面に形成される部分の膜厚よりも薄くなるように形成されている。このため、第1の透明膜19の内側に形成される、屈折率の大きい第2の透明膜20の断面積を大きく取ることができる。また、製造時に第1の透明膜19および第2の透明膜20が含有する水素を効果的に光電変換素子12に供給できることで、光電変換素子12の結晶欠陥が原因で生じる白キズを低減することができる。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, as in the solid-state imaging device according to the first embodiment, a partial film formed on the inner surface of the
さらに、光導波路を構成する膜が2種類であり、かつその光導波路を構成する第2の透明膜20と集光レンズ21とが同じ材料で一体的に構成されていることにより、製造工程数を減少させることができる。また、集光レンズ21と第2の透明膜20の間の光の反射が無くなることにより、反射率が低減し、集光率が向上するというさらなる効果を得ることができる。
Furthermore, since the two films constituting the optical waveguide are two types, and the second
本発明の固体撮像装置は、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られる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 an imaging device used for a digital video camera, a digital still camera, a mobile phone with a photographic function, or the like. It can also be applied to elements used in image acquisition devices such as digital scanners and medical / industrial image sensors.
12 光電変換素子
13 ゲート絶縁膜
14 転送電極
15a 第1の層間絶縁膜
15b 第2の層間絶縁膜
16 遮光膜
17 エッチングストッパー膜
18 光導波路
19 第1の透明膜
20 第2の透明膜
21 集光レンズ
22 平坦化膜
23 カラーフィルター
24 オンチップレンズ
25 反射防止積層膜
26 孔部
27 レジスト
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜と、
前記絶縁膜上で且つ前記光電変換素子の側方に設けられた転送電極と、
前記エッチングストッパー膜の上および前記転送電極の上方に設けられ、前記複数の光電変換素子の各々の上方に孔部が形成された層間絶縁膜と、
前記孔部の内壁に沿って前記各光電変換素子の上方に設けられた第1の透明膜と、前記第1の透明膜の上に設けられ、前記孔部を埋める第2の透明膜とを有する光導波路と、
前記第2の透明膜と同じ材料で形成され、前記光導波路の上から前記層間絶縁膜の上方に亘って配置された集光レンズとを備え、
前記第1の透明膜、前記第2の透明膜および前記集光レンズの屈折率はいずれも前記層間絶縁膜よりも高く、且つ、前記第1の透明膜の屈折率は前記第2の透明膜および前記集光レンズの屈折率よりも低い固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion elements provided in a semiconductor substrate;
An insulating film provided on the semiconductor substrate;
An etching stopper film provided on the insulating film;
A transfer electrode provided on the insulating film and on a side of the photoelectric conversion element;
An interlayer insulating film provided on the etching stopper film and above the transfer electrode, and having a hole formed above each of the plurality of photoelectric conversion elements;
A first transparent film provided above each photoelectric conversion element along the inner wall of the hole, and a second transparent film provided on the first transparent film and filling the hole An optical waveguide having
A condenser lens formed of the same material as the second transparent film, and disposed over the optical waveguide from above the interlayer insulating film,
The first transparent film, the second transparent film, and the condensing lens all have a refractive index higher than that of the interlayer insulating film, and the refractive index of the first transparent film is the second transparent film. And a solid-state imaging device having a refractive index lower than that of the condenser lens.
前記エッチングストッパー膜の膜厚は、前記各光電変換素子に入射する光の波長の1/4の倍数であることを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置。 Above the plurality of photoelectric conversion elements and the condenser lens, color filters having different colors are provided,
8. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a thickness of the etching stopper film is a multiple of ¼ of a wavelength of light incident on each of the photoelectric conversion elements. .
前記エッチングストッパー膜の上面の面積は前記光導波路の断面積よりも大きく、且つ前記遮光膜の開口部よりも小さく、
前記第1の透明膜の一部は前記絶縁膜と接することを特徴とする請求項1〜13のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置。 Further comprising a light-shielding film that covers an upper surface and a side surface of the transfer electrode, and an opening is formed above each photoelectric conversion element;
The area of the upper surface of the etching stopper film is larger than the cross-sectional area of the optical waveguide and smaller than the opening of the light shielding film,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a part of the first transparent film is in contact with the insulating film.
前記絶縁膜の上であって前記複数の光電変換素子の各々の側方に位置する領域に転送電極を形成する工程(b)と、
前記絶縁膜のうち前記各光電変換素子の上に位置する部分上にエッチングストッパー膜を形成する工程(c)と、
前記転送電極の上方および前記エッチングストッパー膜の上に、前記各光電変換素子の上方に孔部が設けられた層間絶縁膜を形成する工程(d)と、
少なくとも前記層間絶縁膜の孔部の内面を覆い、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い第1の透明膜を形成する工程(e)と、
前記第1の透明膜上に、前記層間絶縁膜の孔部を埋め、前記層間絶縁膜および前記第1の透明膜よりも屈折率が高い第2の透明膜を形成する工程(f)と、
レジストを用いて前記第2の透明膜をエッチバックし、前記第1の透明膜および前記第2の透明膜のうち前記層間絶縁膜の孔部内に形成された部分で構成された光導波路と、前記第2の透明膜のうち前記光導波路上および前記層間絶縁膜の上方に位置する部分で構成された集光レンズとを形成する工程(g)とを備えている固体撮像装置の製造方法。 A step (a) of forming an insulating film on a semiconductor substrate provided with a plurality of photoelectric conversion elements;
A step (b) of forming a transfer electrode in a region located on a side of each of the plurality of photoelectric conversion elements on the insulating film;
A step (c) of forming an etching stopper film on a portion of the insulating film located on the photoelectric conversion elements;
A step (d) of forming an interlayer insulating film provided with a hole above each photoelectric conversion element above the transfer electrode and above the etching stopper film;
A step (e) of forming a first transparent film that covers at least the inner surface of the hole of the interlayer insulating film and has a higher refractive index than the interlayer insulating film;
A step (f) of filling a hole portion of the interlayer insulating film on the first transparent film and forming a second transparent film having a higher refractive index than the interlayer insulating film and the first transparent film;
Etching back the second transparent film using a resist, and an optical waveguide constituted by a portion of the first transparent film and the second transparent film formed in a hole of the interlayer insulating film; And (g) forming a condensing lens composed of a portion of the second transparent film located on the optical waveguide and above the interlayer insulating film.
前記工程(e)および前記工程(f)の後で、水素雰囲気中で熱処理を行う工程(h)をさらに備えていることを特徴とする請求項15に記載の固体撮像装置の製造方法。 Hydrogen remains in the first transparent film and the second transparent film formed in the step (e) and the step (f),
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, further comprising a step (h) of performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere after the step (e) and the step (f).
前記集光レンズの下面は、前記凹部に沿って下に凸な形状を有していることを特徴とする請求項15〜18のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置の製造方法。 The step (d) includes a step (d1) of forming the interlayer insulating film in which a concave portion having a convex shape is formed on the upper portion, and a part of the portion of the interlayer insulating film in which the concave portion is formed. And (d2) forming a hole that reaches the etching stopper by removing the hole.
19. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, wherein a lower surface of the condensing lens has a downwardly convex shape along the concave portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006272949A JP2008091771A (en) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | Solid-state image pickup device and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006272949A JP2008091771A (en) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | Solid-state image pickup device and its manufacturing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008091771A true JP2008091771A (en) | 2008-04-17 |
Family
ID=39375588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006272949A Withdrawn JP2008091771A (en) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | Solid-state image pickup device and its manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008091771A (en) |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008218851A (en) * | 2007-03-07 | 2008-09-18 | Fujifilm Corp | Imaging device |
JP2009272488A (en) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Sharp Corp | Imaging device and method of manufacturing same |
JP2010178133A (en) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Sony Corp | Solid-state imaging device and electronic device |
CN101901822A (en) * | 2009-05-29 | 2010-12-01 | 索尼公司 | Solid-state image pickup apparatus and manufacture method thereof and electronic 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 |
JP2012151367A (en) * | 2011-01-20 | 2012-08-09 | Canon Inc | Image pickup element and image pickup device |
WO2013035258A1 (en) * | 2011-09-06 | 2013-03-14 | パナソニック株式会社 | Solid-state image capture device and method of manufacturing same |
JP2013084693A (en) * | 2011-10-06 | 2013-05-09 | Canon Inc | Solid state image pickup device and manufacturing method of the same, and camera |
US8809094B2 (en) | 2011-06-15 | 2014-08-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing solid-state image sensor |
US9307170B2 (en) | 2012-11-01 | 2016-04-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Solid-state image sensor and range finder using the same |
JP2016178341A (en) * | 2016-06-15 | 2016-10-06 | キヤノン株式会社 | Imaging element and imaging device |
WO2018173788A1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging element and electronic device |
WO2021035948A1 (en) * | 2019-08-23 | 2021-03-04 | 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 | Display device |
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 |
US11332409B2 (en) | 2018-11-30 | 2022-05-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical apparatus and equipment |
WO2022153583A1 (en) * | 2021-01-13 | 2022-07-21 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device |
-
2006
- 2006-10-04 JP JP2006272949A patent/JP2008091771A/en not_active Withdrawn
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008218851A (en) * | 2007-03-07 | 2008-09-18 | Fujifilm Corp | Imaging device |
JP2009272488A (en) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Sharp Corp | Imaging device and method of manufacturing same |
JP2010178133A (en) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Sony Corp | Solid-state imaging device and electronic device |
US8546262B2 (en) | 2009-05-29 | 2013-10-01 | Sony Corporation | Solid-state image pickup device, method of manufacturing the same and electronic apparatus |
CN101901822A (en) * | 2009-05-29 | 2010-12-01 | 索尼公司 | Solid-state image pickup apparatus and manufacture method thereof and electronic equipment |
US8222705B2 (en) | 2009-05-29 | 2012-07-17 | Sony Corporation | Solid-state image pickup device, method of manufacturing the same and electronic apparatus |
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 |
JP2012151367A (en) * | 2011-01-20 | 2012-08-09 | Canon Inc | Image pickup element and image pickup device |
US8809094B2 (en) | 2011-06-15 | 2014-08-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing solid-state image sensor |
WO2013035258A1 (en) * | 2011-09-06 | 2013-03-14 | パナソニック株式会社 | Solid-state image capture device and method of manufacturing same |
JP2013084693A (en) * | 2011-10-06 | 2013-05-09 | Canon Inc | Solid state image pickup device and manufacturing method of the same, and camera |
US9307170B2 (en) | 2012-11-01 | 2016-04-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Solid-state image sensor and range finder using the same |
JP2016178341A (en) * | 2016-06-15 | 2016-10-06 | キヤノン株式会社 | Imaging element and imaging device |
WO2018173788A1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging element and electronic device |
US10991753B2 (en) | 2017-03-22 | 2021-04-27 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device and electronic device |
US11646342B2 (en) | 2017-03-22 | 2023-05-09 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device and electronic device |
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 |
US11332409B2 (en) | 2018-11-30 | 2022-05-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical apparatus and equipment |
WO2021035948A1 (en) * | 2019-08-23 | 2021-03-04 | 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 | Display device |
WO2022153583A1 (en) * | 2021-01-13 | 2022-07-21 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008091771A (en) | Solid-state image pickup device and its manufacturing method | |
KR100874954B1 (en) | Rear receiving image sensor | |
TWI399849B (en) | Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP5364989B2 (en) | Solid-state imaging device and camera | |
JP2006049825A (en) | Solid state imaging device and its manufacturing method | |
TWI416715B (en) | A solid-state imaging device, a manufacturing method of a solid-state imaging device, and an electronic device | |
US9048159B2 (en) | Solid-state imaging device and method for fabricating the same | |
US20080079106A1 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2008192951A (en) | Solid state imaging apparatus and manufacturing method thereof | |
JPH0745805A (en) | Solid-stage image pickup device | |
KR100900682B1 (en) | Image Sensor and Method for Manufacturing thereof | |
JP2006191000A (en) | Photoelectric converter | |
JP2005109490A (en) | Image sensor and its manufacturing method | |
JP2013207053A (en) | Solid state imaging device and electronic apparatus | |
US9391227B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2012186396A (en) | Solid state image pickup device and manufacturing method of the same | |
JP5518231B2 (en) | Method for manufacturing solid-state imaging device | |
JP2003249633A (en) | Solid imaging device and manufacturing method thereof | |
JP2007273586A (en) | Solid-state imaging device | |
JP4878117B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging system | |
JP2008066409A (en) | Solid-state imaging apparatus, and its manufacturing method | |
JP4871499B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging system using the solid-state imaging device | |
JP2011023455A (en) | Solid-state image-capture device | |
JP2005340498A (en) | Solid-state imaging device | |
JP6254829B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090903 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20110914 |