JP2008251985A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
近年、CCDなどの固体撮像装置を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像装置では、例えば、特許文献1、2に記載されているように、マトリクス状に配列された受光素子(フォトダイオード)が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、さらに受光素子の上方に位置するマイクロレンズを形成しており、このマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、開口を通過して各受光素子に受光される。
In recent years, digital cameras that convert a captured image captured using a solid-state imaging device such as a CCD into digital image data and record it on a recording medium such as a built-in memory or a memory card have become widespread. In a solid-state imaging device as provided in this digital camera, for example, as described in
また、特許文献1に記載されている固体撮像装置では、受光素子と、マイクロレンズとの間に、2層以上の遮光層(遮光膜)を有しており、この遮光層が、基板側からマイクロレンズ側へ順に面積が狭くなるように段差を形成して斜め入射光や内部反射光によるフレア光をなくし、偽信号の発生を防止する。さらにまた、特許文献2においては、さらに遮光層の開口内部から遮光層の上層の平坦化層まで透明膜(導波路)を形成し、この導波路によって受光素子へ光を導くようにしている。
一方、最近では、固体撮像装置の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子に合わせて形成される遮光膜の開口面積も小さくする必要があるため、マイクロレンズを通過した入射光のうち、光軸とほぼ平行な入射光については開口を通って受光素子へと到達するが、斜めの入射光は、遮光膜の開口周縁によって遮られてしまうため、受光素子への集光効率が不十分となってきている。 On the other hand, recently, solid-state imaging devices have been increasingly reduced in size and increased in pixel count, and as a result, it is necessary to reduce the opening area of the light-shielding film formed in accordance with the light receiving element. Of the incident light that has passed through, the incident light that is substantially parallel to the optical axis reaches the light receiving element through the opening, but the oblique incident light is blocked by the periphery of the opening of the light shielding film. The light collection efficiency is becoming insufficient.
さらに、上記特許文献1に記載されている構成では、フレア光や偽信号の防止については考慮されているものの、受光素子への集光効率の向上については考慮されていない。また、上記特許文献2の構成では、マイクロレンズから導波路に入射した光については受光素子へ導かれるようになっているが、導波路の周囲から入射した光については集光効率を向上させることが考慮されていない。さらにまた、特許文献1及び2では、遮光膜が多数層ある場合に限定され、遮光膜が1層だけの構成には、適用することができない。
Furthermore, in the configuration described in Patent Document 1, although prevention of flare light and false signals is considered, improvement of light collection efficiency to the light receiving element is not considered. Further, in the configuration of
本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、遮光膜によって入射光を妨げることなく、受光素子へと光を効率良く集光し、受光面へ導波することによって感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and improves the sensitivity by efficiently collecting light to the light receiving element and guiding it to the light receiving surface without hindering the incident light by the light shielding film. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of satisfying the requirements.
本発明の固体撮像装置は、複数の受光部が形成された半導体基板と、前記受光部の上方に位置する集光レンズと、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて形成された開口部の形状が、前記集光レンズの外形寸法をD、前記開口部の集光レンズに近接する位置の開口間隔をW1、前記開口部の受光部に近接する位置の開口間隔をW2とすると、0.5≦(W1−W2)/(D−W2)≦0.9の関係となる遮光膜とを備えたことを特徴とする。なお、前記遮光膜の開口部は、前記集光レンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に狭くなるテーパー状に形成されていることが好ましい。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor substrate on which a plurality of light receiving units are formed, a condensing lens positioned above the light receiving unit, and covers and shields at least part of the semiconductor substrate, and the light receiving unit The shape of the opening formed in accordance with the position of D is the outer dimension of the condensing lens is D, the opening interval of the opening close to the condensing lens is W1, and the opening is close to the light receiving portion. A light-shielding film having a relationship of 0.5 ≦ (W1−W2) / (D−W2) ≦ 0.9 is provided, where W2 is a position opening interval. The opening of the light shielding film is preferably formed in a tapered shape that gradually narrows from the condenser lens side toward the light receiving unit side.
前記集光レンズは、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズであること、あるいは、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズを備えており、前記集光レンズは、前記マイクロレンズと前記半導体基板との間に形成されたインナーレンズであることが効果的である。また、前記遮光膜の開口部は、その表面に反射膜が形成されていることが好ましい。 The condensing lens is a microlens positioned above the light receiving unit, or includes a microlens positioned above the light receiving unit, and the condensing lens includes the microlens and the semiconductor substrate. It is effective to be an inner lens formed between the two. The opening of the light shielding film preferably has a reflective film formed on the surface thereof.
本発明の固体撮像装置では、開口部の形状が、前記集光レンズの外形寸法をD、前記開口部の集光レンズに近接する位置の開口間隔をW1、前記開口部の受光部に近接する位置の開口間隔をW2とすると、0.5≦(W1−W2)/(D−W2)≦0.9の関係となる遮光膜を備えているので、遮光膜によって入射光を妨げることなく、受光素子へと光を効率良く集光し、受光面へ導波することができるから、感度を向上させることが可能となる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the shape of the opening is D, the outer dimension of the condensing lens is W, the opening interval of the opening close to the condensing lens is W1, and the opening is close to the light receiving unit. Assuming that the opening interval of the position is W2, a light shielding film having a relationship of 0.5 ≦ (W1−W2) / (D−W2) ≦ 0.9 is provided. Since the light can be efficiently collected to the light receiving element and guided to the light receiving surface, the sensitivity can be improved.
さらに、遮光膜の開口部を集光レンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に狭くなるテーパー状に形成していることで、さらに、入射光を妨げることが無くなり、受光素子へ光を集光させることができる。 Furthermore, since the opening of the light shielding film is formed in a tapered shape that gradually narrows from the condenser lens side toward the light receiving portion side, the incident light is not obstructed and the light is collected to the light receiving element. Can be lighted.
以下、本発明を適用した固体撮像装置の一例であるCCDの構造について図面を参照して説明する。なお、本発明は、CCDのみに限定されるものではなく、CMOSなど他のイメージセンサにも適用することができる。図1は、平面図、図2は、図1のX−X線(水平転送方向Hと平行)における断面図である。なお、図1においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。CCD10は、撮影領域において、2次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード(受光部)11を有し、このフォトダイオード11の各列、すなわち垂直転送方向Vに沿って垂直転送路13が設けられて構成されている。
A structure of a CCD, which is an example of a solid-state imaging device to which the present invention is applied, will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the CCD, but can be applied to other image sensors such as a CMOS. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX (parallel to the horizontal transfer direction H) in FIG. In FIG. 1, a part of the upper surface structure such as a light shielding film is omitted. The
このCCD10の断面構造は、図2に示すように、フォトダイオード(受光部)11と、このフォトダイオード11を除く部分に垂直転送路13を構成する電荷転送部14が形成された半導体基板15を備えており、電荷転送部14の上には、絶縁膜16を介して転送電極17が形成される。これら電荷転送部14及び転送電極17が垂直転送路13を構成し、フォトダイオード11に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極17はドライエッチング法などによって例えば第1ポリシリコンから形成されている。さらに転送電極17及び半導体基板15の上方には、遮光膜18が形成されている。この遮光膜18は、転送電極17を覆って遮光する。また、遮光膜18には、フォトダイオード11の位置にあわせた開口部20が形成されている。なお、この遮光膜18及び開口部20の形状の詳細については後述する。また、絶縁膜16は、例えば熱酸化法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによってSiO2から形成される。
As shown in FIG. 2, the cross-sectional structure of the
さらに、フォトダイオード11の上方、且つ開口部20の内部には導波路22が形成されており、この導波路22の周りを囲むように平坦化層(中間層)23が形成されている。平坦化層23は、その上面が平坦化されるように形成されており、さらのその上面にはカラーフイルタ24、マイクロレンズ25が形成されている。平坦化層23は、例えばBPSG(ホウ素リンシリケートガラス;屈折率n1=1.4〜1.5)などからなり、導波路22は、例えば、SiN(窒化シリコン;屈折率n2=1.9〜2.0)などからなる。また、カラーフイルタ24は、3色(R,G,B)又は4色(R,G,B+中間色)の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。なお、導波路22及び平坦化層23の材料は、これらに限るものではない。
Further, a
導波路22は、半導体基板15と平行に切断した切断面が開口部20よりも一回り小さい長方形状あるいは略円形状に形成され、マイクロレンズ25に近接する位置からフォトダイオード11に近接する位置まで半導体基板15と垂直な方向に沿って真っ直ぐに延びる四角柱形状又は略円柱形状に形成されている。また、導波路22は、開口部20の内壁面に対して一定の間隔を置いて形成されている。
The
遮光膜18及び開口部20の形状については、詳しくは図3に示す。なお、本実施形態では、半導体基板15の上面から、マイクロレンズ25の下面までの高さHm=1μm、半導体基板15から遮光膜18の上面までの高さHf=0.6〜0.8μmとなるように形成されており、遮光膜18を形成するスペースは非常に限られている。この遮光膜18の開口部20は、マイクロレンズ25に近接する側の間隔が大きく、フォトダイオード11に近接する側の間隔が小さくなっており、マイクロレンズ25側からフォトダイオード11側に向かって徐々に面積が減少するテーパー形状に形成されている。なお、このように、遮光膜18の開口部20をテーパー形状に製造する方法としては、本実施形態では、遮光膜18の下層の転送電極17の周縁部17aを周知のドライエッチング技術によって半導体基板15に対して傾斜する傾斜面となるように形成し、この転送電極17の上面に遮光膜18をフォトエッチング法などにより形成することで、転送電極17の周縁部17aに沿った傾斜面となり、開口部20をテーパー形状に形成することができる。なお、このような電極の周縁部に形成される傾斜面は、例えば特開2003―332555公報及び特開2005−340287号公報などに記載されている周知の方法で形成する。また、開口部20を形成する製造方法はこれに限らず、例えば、遮光膜18を形成する際にフォトエッチングを複数層重ねて形成し、隣接する層毎に微小な段差を付けることでテーパーを形成することができる。また、遮光膜18としては、高融点金属であるタングステン(W)から形成されることが好ましいが、これに限らず、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)などを使用してもよい。
The shape of the
本実施形態においては、開口部20のフォトダイオード11側の間隔に対してしてマイクロレンズ25側の間隔が広がっていることでフォトダイオード11への集光効率を向上させることが可能となっている。そこで、この広がり寸法の比率が最適になる値を以下に説明する。まず、マイクロレンズ25の外形寸法(本実施形態では、マイクロレンズ25の外形寸法が配列ピッチに等しいため、以下ピッチという。)をDに、開口部20のマイクロレンズ25側の間隔(以下、入口側間隔という。)をW1、開口部20側のフォトダイオード11側の間隔(以下、出口側間隔という。)をW2とすると、開口部20の広がり寸法(入口側と出口側の間隔の差)はW1−W2である。また、仮に開口部20の入口側間隔W1がピッチDとほぼ等しいとき、開口部20は、最も広がった状態となる。そこで、この最も広がった状態に対する実際の広がりの割合を広がり比率ηとすると、この広がり比率は、η=(W1−W2)/(D−W2)となる。
In the present embodiment, since the distance on the
さらに広がりの比率ηの最適な値を求めると、以下のようになる。先ずマイクロレンズ25の光軸付近の光は、当然フォトダイオード11に入射するので、マイクロレンズ25の外形付近から入射する光が開口部20の内部へ入射する条件を考える。そして、このマイクロレンズ25の外形付近から入射する光のうち、マイクロレンズ25のレンズ面に対して垂直入射する光と、斜め入射する光を考える。ここで、図3に示すように、マイクロレンズ25のレンズ面に対して垂直入射する光L1とマイクロレンズ25の法線の角度をθ1、斜め入射する光L2と垂直入射する光L1との角度(いわゆる入射角度)をθ2とする。また、マイクロレンズ25から導波路22までの有効屈折率をn、開口数をNA=nsinθ、焦点距離をf、マイクロレンズ25に入射した光L1の屈折角をθs1、マイクロレンズ25に入射した光L2の屈折角をθs2とする。そして、CCD10のピッチDから入口側間隔W1を除いた距離をX=D−W1とすると、以下の式が成り立つ
Further, the optimum value of the spread ratio η is obtained as follows. First, since the light near the optical axis of the
そして、これらの式よりXを求めると And when X is calculated from these equations,
また、sinθ3を求めると、 Also, when sin θ 3 is obtained,
また、sinθ1を求めると Further, when sin θ 1 is obtained,
以上の式1〜式4から広がりの比率ηは、以下のようになる。 From the above formulas 1 to 4, the spread ratio η is as follows.
そして、実際に集光効率を高めるためには、入射角度θ2=15°の斜め入射光においても導波路22へ導かれることが好ましく、さらに、有効屈折率をn=1.4〜1.9、開口数NA=0.3〜0.4、ピッチDに対する出口側間隔W2の割合α(=(W2/D))=0.25〜0.5を上記の式5にあてはめると、広がりの比率ηは、以下の表1のようになる。
In order to actually improve the light collection efficiency, it is preferable that obliquely incident light with an incident angle θ 2 = 15 ° is also guided to the
上記の表1より、広がりの比率ηは、0.5以上、0.9以下であることが好ましく、0.75以上、0.9以下であることがさらに好ましい。 From Table 1 above, the spreading ratio η is preferably 0.5 or more and 0.9 or less, and more preferably 0.75 or more and 0.9 or less.
また、導波路22は、半導体基板15と平行に切断した切断面が開口部20よりも一回り小さい長方形状あるいは略円形状に形成され、マイクロレンズ25側からフォトダイオード11側まで半導体基板15と垂直な方向に沿って真っ直ぐに延びる四角柱形状又は略円柱形状に形成されている。これにより、マイクロレンズ25を通過して導波路22の内部に入射した光をフォトダイオード11へと導く。
Further, the
以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、本実施形態のCCD10では、遮光膜18の開口部20は、上記の式(4)の関係を満たし、さらにマイクロレンズ25側からフォトダイオード11側へ向かって徐々に面積が減少するテーパー形状に形成されているので、マイクロレンズ25の光軸L付近からの入射光だけでなく、マイクロレンズ25の周縁付近からの入射光や、入射角度θ2の斜め入射光も遮光膜18によって妨げられることが無く、開口部20の内部へ入射するようになる。なお、本実施形態では上述したように、入射角度θ2=15°までの斜め入射光であれば遮光膜18によって妨げられることなく入射する。これによりフォトダイオード11への集光効率が上昇し、CCD10の感度が向上する。これに対して従来の固体撮像装置の構成では、遮光膜の開口部は、フォトダイオード側からマイクロレンズ側まで垂直に延びるように形成されており、開口部の上端付近が入射光を妨げて集光効率を低下させていたが、本実施形態ではそのようなことがない。
The operation of the above configuration will be described below. As described above, in the
なお、上記実施形態では、遮光膜18の開口部20の形状として、マイクロレンズ25側からフォトダイオード11側へ徐々に面積が狭くなるテーパー形状に形成されている場合を例に上げて説明しているが開口部20の形状はこれに限るものではなく、以下で説明する図4〜図7に示す形状に形成してもよい。
In the above-described embodiment, the shape of the
図4においては、遮光膜18の上面(マイクロレンズ25に近接する側の面)から内周面へと丸みを帯びた曲面形状の開口部30が形成されており、この形状の場合もマイクロレンズ25側の間隔が広く、フォトダイオード11側の間隔が狭く形成されているので、マイクロレンズ25から入射した光が妨げられることなくフォトダイオード11へ集光され、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In FIG. 4, a rounded
図5においては、遮光膜28の上面から内周面へと丸みを帯びた曲面36と、この曲面36の下端部から連続し、内側に突出する曲面37とからなる開口部35が形成されており、この形状の場合もマイクロレンズ25側の間隔が広く、フォトダイオード11側の間隔が狭く形成されているので、マイクロレンズ25から入射した光が妨げられることなくフォトダイオード11へ集光される。
In FIG. 5, an
図6においては、マイクロレンズ25に近接する側からフォトダイオード11側へ向かって徐々に面積が狭くなるテーパー形状41と、このテーパー形状41の下端からフォトダイオード11側へ真っ直ぐに延びる略柱状42とからなる開口部40が形成されている。
In FIG. 6, a
図7においては、上記実施形態と同様の形状に形成された遮光膜18の上面及び開口部20の内面に高い反射率を有する金属で形成された反射膜50を形成する。なお、反射膜50は、可能な限りカラーフィルタ24に近接する位置に形成する。これによって、転送電極17へ光が進入することを防ぐとともに、光が開口部20の外側へ漏れることを防ぐことができるので、集光効率が向上し、且つスミアの発生を防止することができる。
In FIG. 7, a
なお、上記実施形態では、開口部20の内部に導波路22を形成しているが、導波路22を設けず、開口部20の内部まで平坦化層23が連続する構成としてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態ではフォトダイオード11へ光を集める集光レンズとしては、最上層のマイクロレンズ25のみを形成した構成としてるがこれに限らず、図8に示すように、マイクロレンズ25とフォトダイオード11との間にインナーレンズ55を形成する構成としてもよい。なお、この図8においては、インナーレンズ55と導波路22を一体に形成した例を示しているが、インナーレンズの構成としてはこれに限るものではない。このインナーレンズ55を備えた場合、開口部60は、上記実施形態と同様の製造方法で、図に示すようにインナーレンズ55に近接する位置の間隔を広く、フォトダイオードに近接する位置の間隔を狭く形成する。なお、開口部60の形状も図に示すテーパー形状だけでなく、曲面などにしてもよい。
In the above-described embodiment, the condensing lens that collects light to the
また、上記実施形態においては、レンズ面が上方に凸となるマイクロレンズを例に上げて説明しているが、本発明はこれに限らず、レンズ面が下方に凸となるマイクロレンズでもよく、あるいは、上下両面が凸となるマイクロレンズを形成するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the microlens whose lens surface is convex upward is described as an example, but the present invention is not limited to this, and a microlens whose lens surface is convex downward may be used. Alternatively, a microlens whose upper and lower surfaces are convex may be formed.
本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。 The solid-state imaging device of the present invention is applied not only to various imaging devices such as a digital camera and a camera unit for a mobile phone, but also to medical equipment such as an electronic endoscope.
10 CCD(固体撮像装置)
11 フォトダイオード(受光部)
15 半導体基板
17 転送電極
18 遮光膜
20,30,35,40 開口部
25 マイクロレンズ
10 CCD (solid-state imaging device)
11 Photodiode (light receiving part)
15
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