JP2008283070A - Imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルスチルカメラ、カムコーダ等に用いる撮像素子に関する。 The present invention relates to an image sensor used for a digital still camera, a camcorder, and the like.
デジタルスチルカメラやカムコーダ等に用いる撮像素子としては、近年、CCD型撮像素子に加えて、消費電流の小さいCMOS型撮像素子が使われるようになってきている。しかしながら、CMOS型撮像素子は多層の電極層を有しているため、入射角の大きい光を効率的に光電変換部に導けないという欠点があった。 In recent years, in addition to CCD-type image sensors, CMOS-type image sensors with low current consumption have been used as image sensors used for digital still cameras, camcorders, and the like. However, since the CMOS type image pickup device has a multilayer electrode layer, there is a drawback that light having a large incident angle cannot be efficiently guided to the photoelectric conversion unit.
特許文献1は、入射角の大きい光の取り込み効率を向上させるために、撮像素子の光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け、集光特性を高めた撮像素子を開示している。この撮像素子は、光電変換部の光入射側に高屈折率の材料の窒化シリコン(SiN)で構成された光導波路を備える。そして、その周囲の層間絶縁膜層を低屈折率材料である酸化シリコン(SiO2)で構成することによって、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。
図3は、光導波路を有する従来のCMOS型撮像素子の一部の断面図である。図3では、CMOS型撮像素子の2つの画素を例示的に示している。 FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a conventional CMOS image sensor having an optical waveguide. FIG. 3 exemplarily shows two pixels of the CMOS image sensor.
撮像素子1は、シリコン基板10の内部に光電変換部11が形成されている。シリコン基板10上には、光電変換部11と一部重なるように、光電変換部11で発生した電荷を不図示のフローティングディフュージョン部に転送するための第1の電極層に配置された第1の電極12が配設されている。酸化シリコンで構成された第1の層間絶縁膜21上には、第2の電極層30が配設され、第2の層間絶縁膜22上には第3の電極層31が配設されている。また、第3の電極層31を覆うように第3の層間絶縁膜23が形成されている。第2の電極層30及び第3の電極層31は、光電変換部11で発生した電荷を撮像信号として撮像素子1の外部へ出力するための電極を構成する。第3の電極層31及び第2の電極層30が開口している領域には、窒化シリコンで構成された光導波路41が形成されている。光導波路41の上には、平坦化層50、カラーフィルタ層51、平坦化層52及びマイクロレンズ53が樹脂材料により形成されている。
In the
第3の電極層31には、1画素当たり2つの電極が形成されている。第3の電極層31において最も狭い電極間の間隔aを持つ2つの電極を31a、31bとすると、間隔aは光電変換部11に入射してくる光を遮光しないように、電極幅aとほぼ同じとなるように構成されている。電極31aと電極31bとの間隔aは狭いため、その間には光導波路材料(窒化シリコン)を充填することができない。そのため、第3の電極層31は、酸化シリコンによる層間絶縁膜23により被覆されている。そして、第3の電極層31を覆うように第3の層間絶縁膜23が形成された後に、光導波路41が形成されている。
しかしながら、デジタルスチルカメラやカムコーダ等の高解像度化が進み、CMOS型撮像素子の画素サイズ小さくなってくると、光導波路における開口部の開口に対する光導波路の高さの比が大きくなる。その結果、光電変換部で発生した電荷をフローティングディフュージョン部に転送する(読み出す)ための複数の電極間に光導波路材料を十分に充填することができないという課題があった。 However, as the resolution of digital still cameras, camcorders, and the like increases and the pixel size of the CMOS image sensor decreases, the ratio of the height of the optical waveguide to the opening of the optical waveguide increases. As a result, there has been a problem that the optical waveguide material cannot be sufficiently filled between a plurality of electrodes for transferring (reading out) charges generated in the photoelectric conversion unit to the floating diffusion unit.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光電変換部で発生した電荷を読み出すための複数の電極間に光導波路材料を充填することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to fill an optical waveguide material between a plurality of electrodes for reading out charges generated in a photoelectric conversion unit.
本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を読み出すための多層の電極層と、前記光電変換部に光を導くための光導波路材料で形成され、かつ、前記少なくとも一層の電極層の上に形成された光導波路と、を備える撮像素子に係り、前記多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層は、複数の電極を有し、前記複数の電極の間には前記光導波路材料が充填されていることを特徴とする The present invention is formed of a photoelectric conversion unit, a multilayer electrode layer for reading out charges generated in the photoelectric conversion unit, an optical waveguide material for guiding light to the photoelectric conversion unit, and the at least one layer And an optical waveguide formed on the electrode layer, wherein at least one of the multilayer electrode layers includes a plurality of electrodes, and the light guide is provided between the plurality of electrodes. It is filled with waveguide material
本発明によれば、光電変換部で発生した電荷を読み出すための複数の電極間に光導波路材料を充填することができる。 According to the present invention, the optical waveguide material can be filled between the plurality of electrodes for reading out the electric charges generated in the photoelectric conversion unit.
以下、本発明の好適な実施形態に係るCMOS型撮像素子(以下「撮像素子」という。)について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a CMOS image sensor (hereinafter referred to as “image sensor”) according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像素子の一部の断面図である。図3と同様の構成要素には、同じ参照符号を付している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of an image sensor according to the first embodiment of the present invention. Components similar to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
図1は、撮像素子100の2画素を例示的に示しているが、本発明の画素数はこれに限定されない。また、撮像素子100の光電変換部11は、多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層に形成された複数の電極が配線されている。以下の説明では、第3の電極層31に形成された2つの電極のうち1つの電極は第1の電極12に配線され、もう1つの電極は不図示のフローティングディフュージョン部に配線されたものを例示的に示す。
FIG. 1 exemplarily shows two pixels of the
本実施形態に係る撮像素子100では、第3の電極層31’を形成した直後に光導波路41’が形成される。第3の電極層31’には、1画素当たり2つの電極が形成されている。第3の電極層31において最も狭い電極間の間隔bを持つ2つの電極を31a’、31b’とすると、間隔bは電極幅aより広くなるように構成されている。このような構成により、電極31a’と電極31b’との間隔bにも光導波路材料(窒化シリコン)を充填することができる。
In the
光導波路41’の上には、平坦化層50、カラーフィルタ層51、平坦化層52及びマイクロレンズ53が樹脂材料により形成されている。
A
撮像素子100に入射した光は、マイクロレンズ53によって光導波路41’に集光される。光導波路41’は窒化シリコン等の光導波路材料で構成され、その屈折率は約1.9である。また、光導波路41’の周囲は屈折率が約1.46の第1の層間絶縁膜21及び第2の層間絶縁膜22で囲まれている。そのため、光導波路41’の壁面に到達した光は、第1の層間絶縁膜21及び第2の層間絶縁膜22との界面で全反射し、光電変換部11に導かれる。
The light incident on the
その結果、本発明の撮像素子100は、入射角の大きい光であっても効率よく受光することができる。
As a result, the
以下、本発明の撮像素子100の製造方法を説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing the
まず、シリコン基板10の光電変換領域にイオン注入して光電変換部11を形成する。次いで、シリコン基板10を熱酸化してシリコン基板10の表面に不図示の酸化シリコンで構成された絶縁膜を形成する。シリコン基板10の表面に形成された絶縁膜の上に、ポリシリコンを成膜し、電極パターンをパターニングして第1の電極12を作製するする。
First, ions are implanted into the photoelectric conversion region of the
第1の電極12が形成されると、その上に窒化シリコンを成膜して不図示のエッチングストッパ膜を形成する。エッチングストッパ膜は、光導波路を形成する際に、層間絶縁膜21及び層間絶縁膜22のエッチングを止める機能を有している。
When the
エッチングストッパ膜が形成されると、第2の電極層30を形成するための第1の層間絶縁膜21を形成して平坦化処理を行う。第1の層間絶縁膜21は、屈折率が約1.46の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第1の層間絶縁膜21の上には、アルミで構成された第2の電極層30を形成する。
When the etching stopper film is formed, a first
次いで、第3の電極を形成するための第2の層間絶縁膜22を形成し、平坦化処理を行う。第2の層間絶縁膜22も屈折率が約1.46の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第2の層間絶縁膜22上には、アルミで構成された第3の電極31’を形成する。
Next, a second
本発明の撮像素子100では、第3の電極層31’が形成された後に光導波路41’が形成される。
In the
まず、第1の層間絶縁膜21及び第2の層間絶縁膜22に光導波路41’を形成するための開口部を作成する。光導波路41’を形成するための開口部は、第2の層間絶縁膜22及び第1の層間絶縁膜21をドライエッチングすることにより形成される。このとき、第1の層間絶縁膜21と光電変換部11との間には、エッチングストッパ膜が形成されているため、光導波路41’を形成するための開口部はシリコン基板10の光電変換部11まで到達しない。
First, an opening for forming the
さらに、光導波路41’を形成するために、高密度プラズマCVD法によって窒化シリコンが成膜される。高密度プラズマCVD法で成膜される窒化シリコンの屈折率は、約1.9である。ここで、光導波路41’を形成するための開口部の深さは、層間絶縁膜21及び22の厚さに相当する。そのため、開口部の開口に対する開口部の深さの比は小さくなっている。その結果、開口部の中に光導波路材料である窒化シリコンを良好に充填することが可能となる。
Furthermore, in order to form the
また、窒化シリコンの成膜によって、第3の電極層31’も窒化シリコンによって被覆される。ここで、電極層31’で最も狭い電極間の間隔bが電極の幅aより広くなるように構成されている。そのため、最も狭い電極間の間隔bであっても光導波路材料(窒化シリコン)が良好に埋め込まれる。光導波路41’が形成されると、カラーフィルタ層51を形成するための平坦化層50が形成される。さらに、カラーフィルタ層51が形成されると、マイクロレンズ53を形成するための平坦化層52が形成された後に、マイクロレンズ53が形成される。マイクロレンズ53は、公知のレジストリフロー法にて形成される。
The
(第2の実施形態)
図2は、本発明の好適な第2の実施形態に係るCMOS型撮像素子の一部の断面図である。図3と同様の構成要素には、同じ参照符号を付している。図2は、撮像素子200の2画素を例示的に示しているが、本発明の画素数はこれに限定されない。また、本実施形態に係る撮像素子は、第1の実施形態に係る撮像素子と同様の製造方法により製造されうる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a CMOS type image pickup device according to a preferred second embodiment of the present invention. Components similar to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. FIG. 2 exemplarily shows two pixels of the
本実施形態に係る撮像素子200は、第3の電極層31’’を形成した後に光導波路41’’が形成される。第3の電極層31’’には、1画素当たり2つの電極が形成されている。第3の電極層31’’において最も狭い電極間の間隔cを持つ2つの電極を31a’’、31b’’とする。この場合、間隔cは、電極31a’’及び電極31b’’の高さhの2/3倍よりも大きく、かつ、電極31a’’及び電極31b’’の高さhの2倍以下であればよい。すなわち、間隔cは、光導波路材料(窒化シリコン)を充填可能なように、数式1の関係を満足するように構成されている。
In the
2/3h < c ≦ 2h … (数式1)
ここで、hは、である。このような構成により、最も狭い電極間の間隔cであっても光導波路材料(窒化シリコン)を良好に充填することができる。本実施形態では、電極間の間隔cは、電極の高さhとほぼ等しくなるように構成されている。このとき、電極間の間隔cと電極の幅は等しくてもよい。
2 / 3h <c ≦ 2h (Formula 1)
Here, h is With such a configuration, the optical waveguide material (silicon nitride) can be satisfactorily filled even with the narrowest distance c between the electrodes. In the present embodiment, the interval c between the electrodes is configured to be substantially equal to the height h of the electrodes. At this time, the distance c between the electrodes may be equal to the width of the electrodes.
さらに、光導波路41’’の上には、平坦化層50、カラーフィルタ層51、平坦化層52及びマイクロレンズ53が樹脂材料により形成されている。
Further, a
本実施形態に係る撮像素子200は、第2の層間絶縁膜22の上面から光電変換部11側に光導波路41’’が形成されるため、光導波路部分の高さが低くなっている。そのため、画素サイズの小さな撮像素子においても、光導波路41の開口部の開口に対する光導波路41’’の高さの比を小さくすることができ、光導波路材料を良好に充填することができる。
In the
撮像素子200に入射した光は、マイクロレンズ53によって光導波路41’’に集光される。光導波路41’’は窒化シリコン等の光導波路材料で構成され、その屈折率は約1.9である。また、光導波路41’’の周囲は屈折率が約1.46の第1の層間絶縁膜21及び第2の層間絶縁膜22で囲まれている。そのため、光導波路41’’の壁面に到達した光は、第1の層間絶縁膜21及び第2の層間絶縁膜22との界面で全反射し、光電変換部11に導かれる。
The light incident on the
その結果、本発明の撮像素子200は、入射角の大きい光であっても効率よく受光することができる。
As a result, the
1 撮像素子
11 光電変換部
41’、41’’ 光導波路
31a’、31b’ 電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記少なくとも一層の電極層は、複数の電極を有し、
前記複数の電極の間には前記光導波路材料が充填されていることを特徴とする撮像素子。 A photoelectric conversion unit, a multilayer electrode layer for reading out charges generated in the photoelectric conversion unit, and an optical waveguide material for guiding light to the photoelectric conversion unit, and at least of the multilayer electrode layers An imaging device comprising an optical waveguide formed on one electrode layer,
The at least one electrode layer has a plurality of electrodes,
An imaging device, wherein the optical waveguide material is filled between the plurality of electrodes.
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