JP2010278272A - Solid-state imaging element and method of manufacturing solid-state imaging element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CMOS type solid-state imaging element that includes fine pixels and has high sensitivity and low color mixing. <P>SOLUTION: In the back irradiation type solid-state imaging element, the sensitivity is enhanced by making large an opening for introducing light by a back irradiation type by providing a light guide region on a back surface of a photodiode 8 of the back irradiation type solid-state imaging element, and the color mixing is reduced by adopting a light guide region structure. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、入射光を光電変換して撮像する固体撮像素子およびその製造方法に係わる。   The present invention relates to a solid-state imaging device that photoelectrically converts incident light to image and a manufacturing method thereof.

従来、固体撮像素子は、基板表面上に電極や配線を形成し、その上方から光を照射させる、表面照射型が一般的である。この表面照射型では画素の微細化に伴い感度低下を引き起こす問題があり、この表面型での微細画素での感度低下の改善を図る目的で例えば特許文献1,2にあるように光導波路構造の固体撮像素子が提案されている。また微細画素の感度低下を改善するために表面照射型ではない裏面照射型の固体撮像素子が特許文献3にあるように提案されている。   Conventionally, a solid-state imaging device is generally of a surface irradiation type in which electrodes and wirings are formed on a substrate surface and light is irradiated from above. In this surface irradiation type, there is a problem that the sensitivity is lowered as the pixels are miniaturized. For the purpose of improving the sensitivity reduction in the fine pixels in the surface type, for example, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, the optical waveguide structure has a problem. A solid-state image sensor has been proposed. In order to improve sensitivity reduction of fine pixels, a back-illuminated solid-state image sensor that is not a front-illuminated type is proposed in Patent Document 3.

以下、図6,図7を用いて従来の固体撮像素子について説明する。
従来の表面照射型で光導波路構造の固体撮像素子の断面図を図6に示す。図6に示す固体撮像素子は、表面照射型で光導波路構造を有するCMOS型固体撮像素子である。各画素の受光センサ部を構成するフォトダイオード48がシリコン基板60内に形成され、シリコン基板60上に、層間絶縁膜を含む多層の配線層43が設けられ、さらに配線層43よりも上層にカラーフィルタ層57およびマイクロレンズ59が設けられた構成となっている。
Hereinafter, a conventional solid-state imaging device will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a conventional surface irradiation type solid-state imaging device having an optical waveguide structure. The solid-state imaging device shown in FIG. 6 is a CMOS type solid-state imaging device having a surface irradiation type and an optical waveguide structure. A photodiode 48 constituting a light receiving sensor portion of each pixel is formed in a silicon substrate 60, a multilayer wiring layer 43 including an interlayer insulating film is provided on the silicon substrate 60, and a color layer above the wiring layer 43 is colored. The filter layer 57 and the micro lens 59 are provided.

配線層43が形成された後にフォトダイオード48上の層間絶縁膜の一部をエッチングしてクラッド層54が形成されて、エッチングされた穴の部分にクラッド層54より高屈折率の材料で埋め込みコア層55が形成される。このクラッド層54とコア層55によって光導波路が形成されている。ここで、エッチングされた穴の部分の深さである光導波路の深さは、配線層43の高さに規制され、一般的には2.0μm程度である。例えば、特許文献2では、約1.9μmとなっている。マイクロレンズ59に入射した光は光路61に示すようにコア層55に集光して光導波路に導入される。この図から判るように、光が通る開口部分であるコア層55の径が狭くなると感度が低下する事は明らかである。コア層55は配線層43の無い部分に形成する必要があり、このために画素の微細化に伴いコア層55の径が狭くなって感度が低下するという問題がある。   After the wiring layer 43 is formed, a part of the interlayer insulating film on the photodiode 48 is etched to form the cladding layer 54, and the etched hole is filled with a material having a higher refractive index than the cladding layer 54. Layer 55 is formed. The clad layer 54 and the core layer 55 form an optical waveguide. Here, the depth of the optical waveguide, which is the depth of the etched hole portion, is regulated by the height of the wiring layer 43 and is generally about 2.0 μm. For example, in patent document 2, it is about 1.9 micrometers. The light incident on the microlens 59 is condensed on the core layer 55 as shown in the optical path 61 and introduced into the optical waveguide. As can be seen from this figure, it is clear that the sensitivity decreases as the diameter of the core layer 55, which is the opening through which light passes, becomes narrower. The core layer 55 needs to be formed in a portion where the wiring layer 43 is not present. For this reason, there is a problem in that the diameter of the core layer 55 is narrowed and the sensitivity is lowered as the pixels are miniaturized.

これは、微細化によりコア層55の径が狭くなると共に、加工の合わせ精度のばらつく場合もあり、マイクロレンズ59により光を精度よくコア層55に集光する事が困難となる為である。この従来例は配線層43の開口部分に効率よく光を通す光導波路を用いているが、光導波路を用いない場合は画素微細化による感度低下はさらに大きくなる。   This is because the diameter of the core layer 55 becomes narrow due to the miniaturization, and the alignment accuracy of processing may vary, and it becomes difficult to condense light onto the core layer 55 with the microlens 59 with high accuracy. In this conventional example, an optical waveguide that allows light to efficiently pass through the opening of the wiring layer 43 is used. However, when the optical waveguide is not used, sensitivity reduction due to pixel miniaturization is further increased.

この画素微細化によって光が通る開口部分が狭くなる事による感度低下を改善するために、配線層の反対側の裏面から光を入射する裏面照射型の固体撮像素子が提案されている。   In order to improve sensitivity reduction due to narrowing of the aperture through which light passes due to this pixel miniaturization, there has been proposed a back-illuminated solid-state imaging device in which light is incident from the back surface on the opposite side of the wiring layer.

図7に従来の裏面照射型のCMOS型固体撮像素子の断面図を示す。
図7において、各画素の受光センサ部を構成するフォトダイオード78がシリコン基板90内に形成されている。シリコン基板90上に(図7では下側に配置されている)層間絶縁膜を含む配線層73が形成され、さらに配線層73の表面に密着層72を介してシリコンなどからなる基板支持材料71に接着される。基板支持材料71が密着されたシリコン基板90の一部が研磨などで削られ、シリコン基板90は所望の膜厚tに加工される。さらに、配線層73と反対側に遮光層81、カラーフィルタ層87およびマイクロレンズ89が形成される。図7から判るように配線層73の反対側から光が導入され遮光層81の開口は大きく、配線側から光を導入する図6の表面照射型の固体撮像素子と比較して大幅に開口は大きく、かつ図7のように多層の配線層が無いので感度低下を大幅に改善できる事が判る。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of a conventional back-illuminated CMOS solid-state imaging device.
In FIG. 7, a photodiode 78 constituting a light receiving sensor portion of each pixel is formed in a silicon substrate 90. A wiring layer 73 including an interlayer insulating film (disposed on the lower side in FIG. 7) is formed on the silicon substrate 90, and a substrate support material 71 made of silicon or the like is formed on the surface of the wiring layer 73 via an adhesion layer 72. Glued to. A part of the silicon substrate 90 to which the substrate supporting material 71 is adhered is shaved by polishing or the like, and the silicon substrate 90 is processed to a desired film thickness t. Further, a light shielding layer 81, a color filter layer 87, and a microlens 89 are formed on the side opposite to the wiring layer 73. As can be seen from FIG. 7, the light is introduced from the opposite side of the wiring layer 73 and the opening of the light shielding layer 81 is large, and the opening is significantly larger than that of the surface irradiation type solid-state imaging device of FIG. It can be seen that the reduction in sensitivity can be greatly improved since it is large and does not have a multilayer wiring layer as shown in FIG.

ここで、フォトダイオード78などからなる受光センサ部の構造を述べる。n型拡散層からなるフォトダイオード78はp型の拡散層であるPウェル77によって隣接するフォトダイオードと分離されている。シリコン基板90の配線層73に接する側(以降表面側と記述する)の界面にはp+型の拡散層である暗電流防止層75が配置され、シリコン界面で発生する暗電流を低減している。また、シリコン基板90の配線層73の反対側(以降裏面側と記述する)の界面にはp型の拡散層である暗電流防止層79が配置され、シリコン界面で発生する暗電流を低減している。このようにn型拡散層であるフォトダイオード78はp型の拡散層で囲まれている。   Here, the structure of the light receiving sensor unit including the photodiode 78 will be described. A photodiode 78 made of an n-type diffusion layer is separated from an adjacent photodiode by a P-well 77 which is a p-type diffusion layer. A dark current prevention layer 75, which is a p + type diffusion layer, is disposed at the interface of the silicon substrate 90 on the side in contact with the wiring layer 73 (hereinafter referred to as the front surface side) to reduce the dark current generated at the silicon interface. . In addition, a dark current prevention layer 79 which is a p-type diffusion layer is disposed at the interface of the silicon substrate 90 opposite to the wiring layer 73 (hereinafter referred to as the back surface side) to reduce the dark current generated at the silicon interface. ing. Thus, the photodiode 78 which is an n-type diffusion layer is surrounded by the p-type diffusion layer.

特開2004−221527号公報JP 2004-221527 A 特開2004−221532号公報JP 2004-221532 A 特開2008−177587号公報JP 2008-177487 A

図7のような裏面照射型のCMOS型固体撮像素子では感度を改善することができるが混色が悪化するという課題がある。つまり、図7でマイクロレンズ89に垂直に入射した光は光路91に示すようにフォトダイオード78上に集光するが、斜め方向から入射する斜め光92はフォトダイオード78に隣接するPウェル77に届きそこで光電変換され、生成した電子が拡散して隣接フォトダイオードに漏れこみ混色を増加する。あるいは斜め光92は隣接のフォトダイオード78に届きそこで光電変換されて混色を増加する。この混色はシリコン基板90の厚さtとセルサイズに影響される。斜め光の影響を低減しようとするならば、シリコン基板90の厚さtを薄くすれば斜め光の影響を減らすことが可能だが、そうするとシリコン基板90で十分に光を吸収する事が出来なくなり、感度が低下してしまう。また画素サイズが小さくなるほど斜め光の影響は顕著になり、画素の微細化で混色が増加するという課題がある。十分なグリーン光(波長530nm)の感度を確保するためにはシリコン基板の厚さtは2.5μm以上必要である。また近年のデジタルカメラや携帯電話に搭載される高画素のCMOS型固体撮像素子は1.75μm画素までのCMOS型固体撮像素子が既に製品化されており、今後1.4μm、1.2μm、1.0μmの画素の微細化が望まれている。この画素の微細化を鑑みると図7に述べたような裏面照射型の固体撮像素子においても、感度が高く、混色の少ないセンサを実現することが困難である。   In the backside illumination type CMOS solid-state imaging device as shown in FIG. 7, the sensitivity can be improved, but there is a problem that the color mixture deteriorates. That is, in FIG. 7, the light vertically incident on the microlens 89 is collected on the photodiode 78 as indicated by the optical path 91, but the oblique light 92 incident from an oblique direction enters the P well 77 adjacent to the photodiode 78. It reaches there and undergoes photoelectric conversion, and the generated electrons diffuse and leak into adjacent photodiodes, increasing color mixing. Alternatively, the oblique light 92 reaches the adjacent photodiode 78 where it is photoelectrically converted to increase color mixing. This color mixture is affected by the thickness t of the silicon substrate 90 and the cell size. If it is intended to reduce the influence of oblique light, it is possible to reduce the influence of oblique light by reducing the thickness t of the silicon substrate 90, but then the silicon substrate 90 cannot sufficiently absorb light, Sensitivity will decrease. In addition, as the pixel size becomes smaller, the influence of oblique light becomes more prominent, and there is a problem that color mixture increases due to pixel miniaturization. In order to ensure sufficient sensitivity of green light (wavelength 530 nm), the thickness t of the silicon substrate needs to be 2.5 μm or more. In recent years, CMOS-type solid-state image pickup devices with high pixels up to 1.75 μm have already been commercialized as high-pixel CMOS solid-state image pickup devices mounted on digital cameras and mobile phones in recent years. It is desired to reduce the pixel size of 0.0 μm. In view of the miniaturization of the pixels, it is difficult to realize a sensor with high sensitivity and less color mixing even in the back-illuminated solid-state imaging device as described in FIG.

以上述べたように、CMOS型固体撮像素子において画素の微細化をする上で、従来の表面照射型の固体撮像素子でも、裏面照射型の固体撮像素子においても、高感度と低混色を両立することが困難である。本発明の目的とする所は上記の課題を鑑みて、微細な画素で高感度、低混色のCMOS型固体撮像素子を提供することである。   As described above, in miniaturization of pixels in a CMOS type solid-state image pickup device, both high sensitivity and low color mixing are achieved in both a conventional front-illuminated solid-state image pickup device and a back-illuminated solid-state image pickup device. Is difficult. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a CMOS-type solid-state image pickup device with fine pixels and high sensitivity and low color mixing.

本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板中に形成されて光電変換が行われる複数の受光部と、前記受光部を分離する分離部と、前記半導体基板の表面上に形成されて前記受光部で光電変換された信号を読み出す配線層と、前記半導体基板の前記表面に対する裏面上に形成される低屈折率膜と、前記低屈折率膜の前記受光部の上部領域を開口して形成される開口部と、前記開口部を埋め込むように形成される高屈折率膜と、前記高屈折率膜上の前記受光部上部領域に形成される複数のマイクロレンズとを有することを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention is formed on a surface of a semiconductor substrate, a plurality of light receiving portions formed in the semiconductor substrate and subjected to photoelectric conversion, a separation portion for separating the light receiving portions, and a surface of the semiconductor substrate. A wiring layer for reading a signal photoelectrically converted by the light receiving unit, a low refractive index film formed on a back surface of the semiconductor substrate with respect to the front surface, and an upper region of the light receiving unit of the low refractive index film. And a plurality of microlenses formed in an upper region of the light receiving unit on the high refractive index film. And

また、前記高屈折率膜が、前記低屈折率膜の上にも形成されることを特徴とする。
また、前記低屈折率膜の厚みが0.5μm以上、前記低屈折率膜の前記マイクロレンズ側端部から前記半導体基板までの距離が1.8μm以下であり、前記開口部の前記半導体基板に平行な方向の長さが、0.6μm以上、1.2μm以下であることを特徴とする。
Further, the high refractive index film is also formed on the low refractive index film.
Further, the thickness of the low refractive index film is 0.5 μm or more, the distance from the microlens side end portion of the low refractive index film to the semiconductor substrate is 1.8 μm or less, and the opening is formed on the semiconductor substrate. The length in the parallel direction is 0.6 μm or more and 1.2 μm or less.

また、前記開口部のアスペクト比が0.7以上、1.5以下であることを特徴とする。
また、前記半導体基板の裏面と前記低屈折率膜または前記高屈折率膜との間の前記分離部上部領域に形成される遮光膜をさらに有することを特徴とする。
The aspect ratio of the opening is 0.7 or more and 1.5 or less.
The light emitting device further includes a light shielding film formed in the upper region of the separation portion between the back surface of the semiconductor substrate and the low refractive index film or the high refractive index film.

また、前記遮光膜を含む前記半導体基板の裏面と前記低屈折率膜または前記高屈折率膜との間に形成される平坦化層をさらに有することを特徴とする。
また、前記開口部の前記半導体基板に平行な面の断面積が、前記半導体基板から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする。
The semiconductor device further includes a planarizing layer formed between the back surface of the semiconductor substrate including the light shielding film and the low refractive index film or the high refractive index film.
In addition, a cross-sectional area of a plane parallel to the semiconductor substrate of the opening portion increases as the distance from the semiconductor substrate increases.

また、前記高屈折率膜と前記低屈折率膜とが合成樹脂を含むことを特徴とする。
さらに、本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板中に分離部で分離された複数の受光部を形成する工程と、前記半導体基板の表面上に前記受光部で光電変換された信号を読み出す配線層を形成する工程と、前記受光部の上部領域に開口部を備える低屈折率膜を前記半導体基板の前記表面に対する裏面上に形成する工程と、前記開口部を埋め込むように高屈折率膜を形成する工程と、前記高屈折率膜上の前記受光部上部領域に複数のマイクロレンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
Further, the high refractive index film and the low refractive index film contain a synthetic resin.
Furthermore, the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a plurality of light receiving portions separated by a separation portion in a semiconductor substrate, and a signal photoelectrically converted by the light receiving portion on the surface of the semiconductor substrate. Forming a wiring layer to be read; forming a low refractive index film having an opening in an upper region of the light receiving portion on a back surface of the semiconductor substrate; and a high refractive index so as to embed the opening. The method includes a step of forming a film and a step of forming a plurality of microlenses in the upper region of the light receiving portion on the high refractive index film.

また、前記低屈折率膜を形成する際に、前記開口部の前記半導体基板に平行な面の断面積が前記半導体基板から遠ざかるほど大きくなるように前記開口部を形成することを特徴とする。   In addition, when the low refractive index film is formed, the opening is formed so that a cross-sectional area of a plane parallel to the semiconductor substrate of the opening increases as the distance from the semiconductor substrate increases.

以上により、微細な画素の固体撮像素子であっても、高感度、低混色を実現することができる。   As described above, high sensitivity and low color mixing can be realized even with a solid-state imaging device having fine pixels.

以上のように、裏面照射型固体撮像素子のフォトダイオード裏面に光導波領域を設けることにより、固体撮像素子において裏面照射型で光を導入する開口を大きく取ることで感度向上を図り、光導波領域構造を取ることにより混色を低減することができる。   As described above, by providing an optical waveguide region on the back surface of the photodiode of the backside illumination type solid-state imaging device, the sensitivity is improved by taking a large opening for introducing light in the backside illumination type in the solid-state imaging device. By adopting the structure, color mixing can be reduced.

第1の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図Sectional drawing of the CMOS type solid-state image sensor in 1st Embodiment 第2の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図Sectional drawing of the CMOS type solid-state image sensor in 2nd Embodiment 第3の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図Sectional drawing of the CMOS type solid-state image sensor in 3rd Embodiment 第4の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図Sectional drawing of the CMOS type solid-state image sensor in 4th Embodiment 本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する工程断面図Process sectional drawing explaining the manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention 従来の表面照射型で光導波路構造の固体撮像素子の断面図Sectional view of a conventional surface-illuminated solid-state image sensor with an optical waveguide structure 従来の裏面照射型のCMOS型固体撮像素子の断面図Sectional view of a conventional back-illuminated CMOS solid-state image sensor

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図を示す。図1のCMOS型固体撮像素子は裏面照射型である。半導体基板として、例えばシリコン基板20内に各画素の受光センサ部を構成するフォトダイオード8が形成されており、図7の従来の裏面照射型の固体撮像素子と同様にn型拡散層からなるフォトダイオード8をp型の拡散層が囲んでいる。シリコン基板20の表面側には表面側界面で発生する暗電流を抑制するp+型拡散層からなる暗電流防止層5が形成されている。またシリコン基板20の裏面側には裏面側界面で発生する暗電流を抑制するp型拡散層からなる暗電流防止層9が形成されている。隣接するフォトダイオード8の間を分離する目的と同時に画素内のトランジスタのウェルを構成するPウェル7が形成されている。シリコン基板20の表面にはポリシリコンなどからなるゲート電極4が形成されている。画素内には少なくともフォトダイオード8を転送する転送トランジスタ、転送された信号電子を排出するリセットトランジスタと、前記信号電子を増幅する増幅トランジスタが配置されており(図示せず)、ゲート電極4はこれらのトランジスタのゲートを構成している。シリコン基板20の表面には層間絶縁膜を含み、例えば3層の配線からなる配線層3が形成されており、前記のトランジスタのソースやドレインやゲートに電圧や電流を供給したり、あるいは、前記の増幅トランジスタから信号を読み出す配線として機能している。配線層3がその表面に形成されたシリコン基板20は密着層2を介して基板支持材料1に接着され、シリコン基板20の裏面側はCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨する事などにより所望のシリコン基板20の厚さtに加工される。この厚さtで光が吸収されるため、デジタルカメラや携帯電話向けカメラ用の可視光領域の固体撮像素子としてはこの可視光の中心波長であるグリーン光(波長530nm)に対して光吸収が十分となる2.5μm以上の厚さが必要である。また、シリコン基板20裏面の表面上に酸化膜10が形成され、さらに、遮光層11が形成される。遮光層11は必ずしも必要ではないが、遮光層11を設けることにより、隣接する複数のフォトダイオード8の間に入射する光を遮り混色を防止することが可能となる。この遮光層11の上にSiNなどからなるパッシベーション層12が形成される。この上部に、フォトダイオード8の上部領域が開口されたクラッド層14が形成され、さらに、少なくとも開口部にコア層15が形成される。このコア層15はクラッド層14よりも高屈折率の材料で形成され、クラッド層14とコア層15によって光導波領域が形成される。クラッド層14の屈折率は波長530nmの光に対して屈折率が1.5程度のもので、例えばシリコン酸化膜や半導体リソグラフィープロセスで使われる標準的なレジスト材料からなる。コア層15の屈折率は同じく波長530nmの光に対して1.6〜2.0とクラッド層14より高屈折率のもので、例えばSiNや半導体リソグラフィープロセスで使われる標準的なレジスト材料よりも屈折率が高いポリマー材料かあるいは比較的低屈折率のポリマー材料に高屈折率な金属酸化物、例えばTiOなどを分散して高屈折率にしたものが用いられる。この光導波領域上部に密着層16を介してカラーフィルタ層17が形成され、その上部に平坦化層18が形成された上にマイクロレンズ19が形成される。この時、マイクロレンズ19とクラッド層14との距離が、混色を起こさない程度に確保できていれば、クラッド層14上にコア層15を形成する必要はないが、図1のようにクラッド層14上にコア層15を形成することにより、マイクロレンズ19とクラッド層14との距離を容易に調整することができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a CMOS solid-state image sensor according to the first embodiment. The CMOS type solid-state imaging device of FIG. 1 is a backside illumination type. As a semiconductor substrate, for example, a photodiode 8 constituting a light-receiving sensor portion of each pixel is formed in a silicon substrate 20, and a photo of an n-type diffusion layer is formed as in the conventional back-illuminated solid-state imaging device of FIG. The diode 8 surrounds the p-type diffusion layer. On the surface side of the silicon substrate 20, a dark current prevention layer 5 made of a p + type diffusion layer that suppresses dark current generated at the surface side interface is formed. A dark current prevention layer 9 made of a p-type diffusion layer is formed on the back side of the silicon substrate 20 to suppress dark current generated at the back side interface. At the same time as the purpose of separating adjacent photodiodes 8, a P-well 7 constituting a well of a transistor in the pixel is formed. A gate electrode 4 made of polysilicon or the like is formed on the surface of the silicon substrate 20. In the pixel, at least a transfer transistor that transfers the photodiode 8, a reset transistor that discharges the transferred signal electrons, and an amplification transistor that amplifies the signal electrons are arranged (not shown). This constitutes the gate of the transistor. The surface of the silicon substrate 20 includes an interlayer insulating film, for example, a wiring layer 3 composed of three layers of wiring is formed, and voltage or current is supplied to the source, drain or gate of the transistor, or It functions as a wiring for reading a signal from the amplification transistor. The silicon substrate 20 on which the wiring layer 3 is formed is bonded to the substrate support material 1 through the adhesion layer 2, and the back side of the silicon substrate 20 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like, for example. The substrate 20 is processed to a thickness t. Since light is absorbed at this thickness t, the solid-state imaging device in the visible light region for digital cameras and cameras for mobile phones absorbs light with respect to green light (wavelength 530 nm) which is the central wavelength of this visible light. A sufficient thickness of 2.5 μm or more is necessary. Further, the oxide film 10 is formed on the surface of the back surface of the silicon substrate 20, and the light shielding layer 11 is further formed. Although the light shielding layer 11 is not always necessary, by providing the light shielding layer 11, it is possible to block light incident between the plurality of adjacent photodiodes 8 and prevent color mixing. A passivation layer 12 made of SiN or the like is formed on the light shielding layer 11. A clad layer 14 having an opening in the upper region of the photodiode 8 is formed on the upper portion, and a core layer 15 is formed at least in the opening. The core layer 15 is made of a material having a refractive index higher than that of the cladding layer 14, and an optical waveguide region is formed by the cladding layer 14 and the core layer 15. The clad layer 14 has a refractive index of about 1.5 with respect to light having a wavelength of 530 nm, and is made of, for example, a silicon oxide film or a standard resist material used in a semiconductor lithography process. Similarly, the refractive index of the core layer 15 is 1.6 to 2.0 with respect to light having a wavelength of 530 nm, which is higher than that of the cladding layer 14, and is, for example, higher than that of a standard resist material used in SiN or semiconductor lithography processes. A polymer material having a high refractive index or a metal material having a high refractive index such as TiO 2 dispersed in a polymer material having a high refractive index or a relatively low refractive index is used. A color filter layer 17 is formed on the optical waveguide region via an adhesion layer 16, and a planarizing layer 18 is formed on the color filter layer 17, and a microlens 19 is formed. At this time, if the distance between the microlens 19 and the clad layer 14 is secured to such an extent that no color mixing occurs, it is not necessary to form the core layer 15 on the clad layer 14, but the clad layer as shown in FIG. By forming the core layer 15 on 14, the distance between the microlens 19 and the cladding layer 14 can be easily adjusted.

図1より判るように、マイクロレンズ19に入射した光は光路21に示すようにコア層15の入り口近辺に集光されてコア層15に導入される。光が屈折率の高い方向に曲がることを利用して導入された光は、周辺のクラッド層14よりも屈折率の高いコア層15に閉じ込められてシリコン基板20に伝播する。この伝播の間に入射光の指向性が高くなり、シリコン基板20に垂直に入射するようになる。この事により図7で示したような斜め光が減少するため、混色を低減することが出来る。また、図6で示した表面照射型の固体撮像素子とは異なり複雑で多層の配線層がないため、光が通る開口が大きく取れ、光導波領域のコア層15の径を多く取れるため、表面照射型と比較して感度を向上することが出来る。   As can be seen from FIG. 1, the light incident on the microlens 19 is condensed near the entrance of the core layer 15 and introduced into the core layer 15 as indicated by the optical path 21. The light introduced by utilizing the fact that the light bends in the high refractive index direction is confined in the core layer 15 having a higher refractive index than the surrounding cladding layer 14 and propagates to the silicon substrate 20. During this propagation, the directivity of incident light becomes high, and the light enters the silicon substrate 20 perpendicularly. As a result, the oblique light as shown in FIG. 7 is reduced, so that the color mixture can be reduced. Further, unlike the surface-illuminated solid-state imaging device shown in FIG. 6, since there is no complicated multi-layer wiring layer, an opening through which light passes can be made large and the diameter of the core layer 15 in the optical waveguide region can be made large. Sensitivity can be improved compared to the irradiation type.

ここで、コア層15を光導波領域として機能させて混色を低減するように光の指向性を高めるためには導波領域高さhをある程度の範囲内の高さにすることが好ましい。例えば、入射光が可視光で、クラッド層14、コア層15が前述の屈折率で形成されている場合には0.5μm程度以上、より好ましく波0.8μm以上の導波領域高さhが必要である。さらに、マイクロレンズ19のシリコン基板20表面に平行な方向の幅が約1.0〜1.4μm、クラッド層14の幅が0.2〜0.4μm、光導波領域の開口径を0.6〜1.2μmとした場合、光漏れによる混色,光の減衰や拡散による光学特性の低減を抑制するために、光導波領域の高さあるいは光導波領域の開口部からフォトダイオード8表面(暗電流防止層9との界面)までの距離を1.8μm以下、より好ましくは1.2μm以下にすることが好ましい。例えば、クラッド層14の開口部である光導波領域のアスペクト比を0.7〜1.5とすることが好ましい。従来の表面照射型で光導波路を形成した固体撮像素子では、配線層によって規制されるため、光導波領域の高さを最適な高さにすることが困難であったが、裏面照射型の固体撮像素子に光導波領域を形成することにより、光導波領域の高さを最適化することが可能となる。   Here, in order to increase the directivity of light so that the core layer 15 functions as an optical waveguide region to reduce color mixing, it is preferable to set the waveguide region height h within a certain range. For example, when the incident light is visible light, and the cladding layer 14 and the core layer 15 are formed with the above-described refractive index, the waveguide region height h is about 0.5 μm or more, more preferably a wave of 0.8 μm or more. is necessary. Further, the width of the microlens 19 in the direction parallel to the surface of the silicon substrate 20 is about 1.0 to 1.4 μm, the width of the cladding layer 14 is 0.2 to 0.4 μm, and the opening diameter of the optical waveguide region is 0.6. In the case of ˜1.2 μm, in order to suppress color mixing due to light leakage and reduction of optical characteristics due to light attenuation and diffusion, the surface of the photodiode 8 (dark current) from the height of the optical waveguide region or the opening of the optical waveguide region. The distance to the interface with the prevention layer 9 is preferably 1.8 μm or less, more preferably 1.2 μm or less. For example, the aspect ratio of the optical waveguide region that is the opening of the cladding layer 14 is preferably set to 0.7 to 1.5. In a conventional solid-state imaging device in which an optical waveguide is formed with a front-illuminated type, since it is restricted by the wiring layer, it is difficult to set the height of the optical waveguide region to an optimum height. By forming the optical waveguide region in the image sensor, the height of the optical waveguide region can be optimized.

以上述べたように裏面照射型のCMOS型固体撮像素子に光導波領域を導入することで1.75μmより小さい1.4μm以下の微細な画素で高感度かつ低混色の固体撮像素子を実現することが出来る。   As described above, a high-sensitivity and low-mixture solid-state image sensor is realized with a small pixel of 1.4 μm or less smaller than 1.75 μm by introducing an optical waveguide region into a back-illuminated CMOS solid-state image sensor. I can do it.

次に図5を用いて図1のCMOS型固体撮像素子の光導波領域の形成に関わる製造方法を述べる。
図5は本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する工程断面図である。図5では簡便にするためにシリコン基板20およびその下の部分を省略している。
Next, a manufacturing method relating to the formation of the optical waveguide region of the CMOS type solid-state imaging device of FIG. 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention. In FIG. 5, the silicon substrate 20 and the portion below the silicon substrate 20 are omitted for simplicity.

まず、図5(a)では、シリコン基板20裏面上に酸化膜10が形成され、酸化膜10の表面に遮光膜11が選択的に形成される。さらに、酸化膜10および遮光膜11表面にパッシベーション層12が形成される。次に、図5(b)では、パッシベーション膜12上の遮光膜11の上部領域にクラッド層14が形成される。その後、クラッド層14のフォトダイオード8の上部領域に光導波領域となる開口部を形成する。   First, in FIG. 5A, the oxide film 10 is formed on the back surface of the silicon substrate 20, and the light shielding film 11 is selectively formed on the surface of the oxide film 10. Further, a passivation layer 12 is formed on the surfaces of the oxide film 10 and the light shielding film 11. Next, in FIG. 5B, the cladding layer 14 is formed in the upper region of the light shielding film 11 on the passivation film 12. Thereafter, an opening serving as an optical waveguide region is formed in the upper region of the photodiode 8 in the cladding layer 14.

クラッド層14形成のコストが安く一番簡便な方法は、一般的な半導体のフォトリソグラフィーのプロセスを用いる方法である。感光性があり、透明なレジストをスピンコートなどで塗布して、プリベークし、露光現像後にポストベークして形成する。透明度が足りない場合はポストベーク後に紫外線を照射して脱色しても良い。レジスト材料としては半導体のフォトリソグラフィーで用いられる通常のレジスト材料や類似の材料を用いることができる。例えばノボラック樹脂系やポリビニールフェノール系やポリアクリル酸系のポリマーなどを用いることができる。クラッド層14に用いる材料としては可視光の中心の波長530nmで屈折率1.5程度の材料を用いることが望ましい。先に述べたように光導波領域を十分に機能させるためには光導波領域の高さを制御する必要があるが、光導波領域の高さはクラッド層14形成の時のレジスト膜厚できまる。このレジストア膜厚は通常のフォトリソグラフィーのレジスト材料と全く同様に、レジスト材料の粘度とスピンコートの回転数で比較的容易に制御可能であり、容易に光導波領域を所望の高さに形成できる。また、クラッド層14、コア層15の屈折率の差を大きくして光導波領域の機能を高くするために、クラッド層14のレジスト材料として感光性を持たず、かつ、より低屈折率のものを用いる場合は、レジストを塗布した後に別のマスク材料をフォトリソグラフィーでマスク形成してエッチングすることでクラッド層14を形成しても良い。ただし、この場合は前述した単純に感光性レジストをリソグラフィー技術で加工する場合と比較してエッチング工程と前記マスクを除去する工程が増えて、その分工程も複雑になる。   The simplest method with a low cost for forming the clad layer 14 is a method using a general semiconductor photolithography process. A photosensitive and transparent resist is applied by spin coating or the like, pre-baked, and post-baked after exposure and development. If the transparency is insufficient, decolorization may be performed by irradiating with ultraviolet rays after post-baking. As the resist material, a normal resist material used in semiconductor photolithography or a similar material can be used. For example, a novolac resin-based, polyvinylphenol-based, or polyacrylic acid-based polymer can be used. As a material used for the clad layer 14, it is desirable to use a material having a wavelength of 530 nm at the center of visible light and a refractive index of about 1.5. As described above, it is necessary to control the height of the optical waveguide region in order to make the optical waveguide region function sufficiently. However, the height of the optical waveguide region is determined by the resist film thickness when the cladding layer 14 is formed. . This resister film thickness can be controlled relatively easily by the viscosity of the resist material and the rotational speed of the spin coat, just like the resist material of ordinary photolithography, and the optical waveguide region can be easily formed at the desired height. it can. Further, in order to increase the difference in refractive index between the clad layer 14 and the core layer 15 to enhance the function of the optical waveguide region, the resist material of the clad layer 14 has no photosensitivity and has a lower refractive index. In the case of using, a clad layer 14 may be formed by applying a resist and then forming another mask material by photolithography and etching. However, in this case, the etching process and the process of removing the mask are increased as compared with the case where the photosensitive resist is simply processed by the lithography technique, and the process becomes complicated accordingly.

次に、図5(c)において、パッシベーション膜12上である開口部、さらに必要ならクラッド層14上にコア層15が形成される。クラッド層14と同様にコア層15の形成のコストが安く一番簡便な方法は、一般的な半導体のフォトリソグラフィーのプロセスを用いることである。すなわちレジスト材料をスピンコートによって塗布して熱か紫外線照射で硬化させる。この場合はパターンニングが不要で露光現像が必要でなく、レジストも感光性を持つ必要は無い。コア層15を形成するときに用いるレジストはクラッド層14より高い屈折率になるように調合された材料を用いる必要がある。各種の合成樹脂から透明度が高く、屈折率が高いものを選択するか、あるいは比較的に低屈折率の樹脂に屈折率の高い金属酸化物を分散させたものを用いても良い。合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリイミドなどの樹脂やポリシロキサンなどのケイ素樹脂などである。金属酸化物としてはチタニウム、アルミニウム、ジルコニウム、アンチモン、スズ、亜鉛、インジウム、タンタルなどの酸化物である。画素領域以外にはコア層は不要であるので、画素領域外で平坦性向上等のために感光性レジストを用いて、露光現像を行うことで画素領域外のコア層15の材料を除去しても良い。合成樹脂を用いずにクラッド層14の材料としてSiOを用い、コア層15の材料としてSiOより屈折率の大きいSiNやSiCNを用いることも出来る。SiO、SiNやSiCNを用いる場合は成膜するにはプラズマを用いた成膜を行う必要があり、そのプラズマダメージによりフォトダイオード8のリーク電流が増加して、固体撮像素子として画像欠陥を発生する不具合を生じる。またクラッド層14のSiOに開口部を形成する場合もプラズマのエッチング装置を用いるため同様の不具合を生じる。また、これら成膜装置やエッチング装置は高価である。SiN,SiCNでクラッド層14の開口を埋めるように形成する必要があるが、このような埋め込みは非常に難易度が高く特殊な装置が必要になる。これに対して感光性の合成樹脂を用いればクラッド層14は半導体リソグラフィー装置を用いて簡単に形成する事ができる。またコア層15に合成樹脂を用いればスピンコートで簡単にクラッド層14の開口を埋め込むように形成する事ができる。 Next, in FIG. 5C, a core layer 15 is formed on the opening on the passivation film 12 and, if necessary, on the cladding layer 14. As with the clad layer 14, the simplest method with a low cost for forming the core layer 15 is to use a general semiconductor photolithography process. That is, a resist material is applied by spin coating and cured by heat or ultraviolet irradiation. In this case, patterning is unnecessary, exposure development is not necessary, and the resist does not need to have photosensitivity. The resist used when forming the core layer 15 needs to use a material prepared so as to have a refractive index higher than that of the cladding layer 14. A variety of synthetic resins having a high transparency and a high refractive index may be selected, or a resin having a relatively low refractive index dispersed in a metal oxide having a high refractive index may be used. Examples of the synthetic resin include a phenol resin, an epoxy resin, a melamine resin, a polyester resin, an alkyd resin, a polyurethane resin, a polyimide resin, and a silicon resin such as polysiloxane. Metal oxides include oxides such as titanium, aluminum, zirconium, antimony, tin, zinc, indium, and tantalum. Since a core layer is not required outside the pixel region, the material of the core layer 15 outside the pixel region is removed by performing exposure development using a photosensitive resist for improving flatness outside the pixel region. Also good. Synthetic resin SiO 2 used as the material of the cladding layer 14 without the use of, it is also possible to use a large SiN or SiCN refractive index than SiO 2 as a material of the core layer 15. In the case of using SiO 2 , SiN or SiCN, it is necessary to perform film formation using plasma for film formation, and the leakage current of the photodiode 8 is increased due to the plasma damage, and an image defect is generated as a solid-state imaging device. Cause trouble. Further, when an opening is formed in the SiO 2 of the clad layer 14, a similar problem occurs because a plasma etching apparatus is used. Further, these film forming apparatuses and etching apparatuses are expensive. Although it is necessary to form the openings of the clad layer 14 with SiN or SiCN, such embedding is very difficult and requires a special device. On the other hand, if a photosensitive synthetic resin is used, the clad layer 14 can be easily formed using a semiconductor lithography apparatus. If a synthetic resin is used for the core layer 15, the opening of the cladding layer 14 can be easily embedded by spin coating.

次に、図5(d)では、コア層15上に密着層16をスピンコートで塗布して、その上に、上部に形成するカラーフィルタ層17との未着性を高めた後に緑の顔料を分散させたレジストなどを用いてフォトリソグラフィー技術で緑フィルタ22を形成する。また、図5(e)で、密着層16上の所定の領域に赤の顔料を分散させたレジスタなどを用いてフォトリソグラフィー技術で赤フィルタ23を形成する。図示していないがこれに引き続き同様に青フィルタを形成しており、カラーの固体撮像素子を構成する。緑、赤、青のカラーフィルタは膜厚が同一で無いためスピンコートにより平坦化層18を塗布して平坦化を図っている。平坦化層18の上部の位置を制御するために平坦化層18を薄膜化する場合は平坦化層18を塗布後に酸素プラズマを用いてエッチバックして薄膜化しても良い。   Next, in FIG. 5 (d), the adhesion layer 16 is applied onto the core layer 15 by spin coating, and the non-adherence with the color filter layer 17 formed thereon is increased, and then the green pigment is formed. The green filter 22 is formed by a photolithography technique using a resist in which is dispersed. Further, in FIG. 5E, the red filter 23 is formed by a photolithography technique using a resistor or the like in which a red pigment is dispersed in a predetermined region on the adhesion layer 16. Although not shown, a blue filter is formed in the same manner, and a color solid-state imaging device is formed. Since the green, red, and blue color filters do not have the same film thickness, the flattening layer 18 is applied by spin coating to achieve flattening. When the planarization layer 18 is thinned in order to control the position of the upper portion of the planarization layer 18, the planarization layer 18 may be etched back using oxygen plasma after coating.

最後に、図5(f)では、平坦化層18上に、カラーフィルタ層17に対応してマイクロレンズ19を形成する。マイクロレンズ19を形成する感光性レジストをスピンコートで塗布してフォトリソグラフィー技術で矩形の断面形状に加工してから高温でアニールして所望の形状に加工する。形状加工が不十分な場合はこの後に酸素プラズマなどのエッチングを用いてさらに所望の形状になるように加工しても良い。また透明度が不十分の場合にマイクロレンズ19の形状加工後に紫外線照射などにより脱色しても良い。   Finally, in FIG. 5F, the microlens 19 is formed on the planarizing layer 18 corresponding to the color filter layer 17. A photosensitive resist for forming the microlens 19 is applied by spin coating, processed into a rectangular cross-sectional shape by a photolithography technique, and then annealed at a high temperature to be processed into a desired shape. When the shape processing is insufficient, the shape may be further processed by using etching such as oxygen plasma. If the transparency is insufficient, the microlens 19 may be decolored by ultraviolet irradiation after the shape processing of the microlens 19.

以上の述べたように光導波領域をレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー技術を用いて形成することにより、カラーフィルタ加工と同一の設備を用いて連続的に光導波領域とカラーフィルタおよびマイクロレンズを形成することができるため、簡便で安価に光導波領域を形成することができる。またレジストプロセスを用いることで複雑なプロセスを用いなくても、レジスト材料粘度とスピンコートの回転数で簡単に最適化し光導波領域を所望の高さに形成することができる。すなわちレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー技術を用いた光導波領域形成により、より安価に微細画素で高感度、低混色のCMOS型固体撮像素子を提供できることが判る。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図を図2に示す。図2に示す本実施形態は図1に示した第1の実施形態とほぼ同じであり、同一の部分は同一の符号を付している。異なる点はパッシベーション層12の上に平坦化層13を形成している点である。
As described above, the optical waveguide region, color filter, and microlens are continuously formed using the same equipment as the color filter processing by forming the optical waveguide region using a resist material using a photolithography technique. Therefore, the optical waveguide region can be formed easily and inexpensively. Further, by using the resist process, the optical waveguide region can be formed at a desired height by simply optimizing with the resist material viscosity and the spin coating rotation number without using a complicated process. That is, it can be seen that by forming an optical waveguide region using a photolithography technique using a resist material, it is possible to provide a CMOS solid-state imaging device with high sensitivity and low color mixing with fine pixels at a lower cost.
(Second Embodiment)
Next, FIG. 2 shows a cross-sectional view of a CMOS type solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment shown in FIG. 2 is almost the same as the first embodiment shown in FIG. 1, and the same parts are denoted by the same reference numerals. The difference is that a planarizing layer 13 is formed on the passivation layer 12.

光導波領域を有効に機能させるためには光導波領域の膜厚や形状を制御性よく形成することが重要である。画素間での光導波領域の形状が異なると、それを反映して感度のバラツキが起こり、感度ザラの雑音となって画質の低下を招く。平坦化層13により平坦化した上にクラッド層14、コア層15を形成することにより、制御性よく均一に光導波領域を形成する事ができる。従って、本実施形態では第1の実施形態同様により安価に微細画素で高感度、低混色が実現でき、さらに感度ザラの雑音の無い高画質なCMOS型固体撮像素子を実現することができる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図を図3に示す。図3に示す本実施形態は図1に示した第1の実施形態とほぼ同じであり同一の部分は同一の符号を付している。異なる点は遮光膜11を削除している点にある。
In order to make the optical waveguide region function effectively, it is important to form the thickness and shape of the optical waveguide region with good controllability. If the shape of the optical waveguide region is different between pixels, the sensitivity varies due to the reflection, and the noise becomes a noise of the sensitivity, and the image quality is deteriorated. By forming the clad layer 14 and the core layer 15 after planarization by the planarization layer 13, the optical waveguide region can be formed uniformly with good controllability. Therefore, in the present embodiment, high-sensitivity and low color mixing can be achieved with fine pixels at a lower cost as in the first embodiment, and a high-quality CMOS solid-state imaging device free from noise due to sensitivity roughness can be realized.
(Third embodiment)
Next, FIG. 3 shows a cross-sectional view of a CMOS type solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The present embodiment shown in FIG. 3 is substantially the same as the first embodiment shown in FIG. 1, and the same parts are denoted by the same reference numerals. The difference is that the light shielding film 11 is omitted.

光導波領域を制御性良く所望の形に形成できれば、遮光層11を削除しても、光が隣接するフォトダイオード8の間に入射することを無くすることができ、遮光層11を省略することができる。遮光層11を省略すると平坦性が向上するため第2の実施形態同様に微細画素で高感度、低混色で、さらに感度ザラの雑音の無い高画質なCMOS型固体撮像素子を実現することができる。さらに、遮光層11を省略すること工程数が減る分第1および第2の実施形態よりも安価で光導波領域を形成できる。また、遮光層11が無くなれば、遮光層11の開口の位置に光導波領域のクラッド層14、コア層15を形成する必要が無くなり、遮光層11とクラッド層14の合せずれなどの工程上のマージンを考慮する必要がなくなるために、より容易に微細な画素を実現することが可能となる。すなわち、図3で示した第3の実施形態は、より容易に微細な画素で高感度、低混色が実現でき、さらに感度ザラの雑音の無い高画質なCMOS型固体撮像素子を実現するのに適している。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の断面図を図3に示す。図4に示す本実施形態は図1〜図3に示した第1〜第3の実施形態とほぼ同じであり同一の部分は同一の符号を付している。異なる点はクラッド層14、コア層15の形状の違いにある。
If the optical waveguide region can be formed in a desired shape with good controllability, light can be prevented from entering between adjacent photodiodes 8 even if the light shielding layer 11 is deleted, and the light shielding layer 11 can be omitted. Can do. If the light shielding layer 11 is omitted, the flatness is improved, so that a CMOS-type solid-state imaging device with high sensitivity and low color mixing with fine pixels and high sensitivity and no noise can be realized as in the second embodiment. . Furthermore, since the number of steps is reduced by omitting the light shielding layer 11, the optical waveguide region can be formed at a lower cost than in the first and second embodiments. Further, if the light shielding layer 11 is eliminated, it is not necessary to form the cladding layer 14 and the core layer 15 in the optical waveguide region at the position of the opening of the light shielding layer 11, so Since it is not necessary to consider the margin, it is possible to realize a fine pixel more easily. That is, the third embodiment shown in FIG. 3 can more easily realize high-sensitivity and low color mixing with fine pixels, and further realize a high-quality CMOS solid-state imaging device free from noise of sensitivity. Is suitable.
(Fourth embodiment)
Next, FIG. 3 shows a cross-sectional view of a CMOS type solid-state imaging device in the fourth embodiment of the present invention. The present embodiment shown in FIG. 4 is almost the same as the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 3, and the same parts are denoted by the same reference numerals. The difference is in the difference in the shapes of the clad layer 14 and the core layer 15.

第3の実施形態で説明したように遮光層11を省略する前提として、光導波領域で入射光の光路を制御して光が隣接するフォトダイオード8の間に入射することが無いようにする必要があるが、フォトダイオード8の中心に、より制御性良く入射光を導くためにコア層15をフォトダイオード8側で径が狭くなるテーパ形状としている。光は光導波領域に閉じ込められながら伝播するので、フォトダイオード8側が狭くなるように光導波領域を形成することにより、効果的に光をフォトダイオード8の中心に誘導することができる。図4に示したようなテーパ形状の光導波領域を形成する方法は、図5を参照して述べると、例えば図5(b)でクラッド層14をフォトリソグラフィー技術で形成する場合クラッド層14の元となる感光性のレジストを塗布された後に露光を多重露光で行い、例えば、2回の多重露光の場合、1回目の露光ではフォーカスを前記感光性のレジストのフォトダイオードの反対側である上部で露光量を多くし、2回目の露光ではフォーカスを前記感光性のレジストもフォトダイオード側である下部でフォーカスして露光量を少なくし、その後現像することで露光量の多い上部の開口が広くなり、露光量の少ない下部の開口が狭くなり、図4に示したようにクラッド層14をテーパ形状に加工することができる。この多重露光の代わりに1回の露光でフォーカスを変化させて、フォーカスに応じて露光量を変化させる方法を用いてもよい。この方法によれば1回でより詳細にクラッド層14の形状を簡便に制御することができる。図4に示したテーパ形状の光導波領域構造をとることによって第4の実施形態は第1〜第3の実施形態と同様な効果を奏することができる。図4で示した第4の実施形態から判るように光導波領域を形成する上で感光性レジストを用いてリソグラフィー技術で形成することにより、露光条件を調整するだけで、特別な方法や設備を用いることなく、つまり余分なコストを掛けることなく、所望の高感度、低混色、低感度ザラを実現するために光路を制御する光導波領域の形状を最適化することができる。   As described in the third embodiment, on the premise that the light shielding layer 11 is omitted, it is necessary to control the optical path of incident light in the optical waveguide region so that light does not enter between adjacent photodiodes 8. However, in order to guide incident light to the center of the photodiode 8 with better controllability, the core layer 15 has a tapered shape whose diameter is narrowed on the photodiode 8 side. Since the light propagates while being confined in the optical waveguide region, the light can be effectively guided to the center of the photodiode 8 by forming the optical waveguide region so that the photodiode 8 side becomes narrow. A method for forming a tapered optical waveguide region as shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. 5. For example, when the cladding layer 14 is formed by photolithography in FIG. After applying the original photosensitive resist, the exposure is performed by multiple exposure. For example, in the case of two multiple exposures, the first exposure is focused on the opposite side of the photosensitive resist photodiode. In the second exposure, the photosensitive resist is focused on the lower part on the photodiode side to reduce the exposure amount, and then developed to widen the upper opening with a large exposure amount. Accordingly, the lower opening with a small exposure amount becomes narrow, and the cladding layer 14 can be processed into a tapered shape as shown in FIG. Instead of this multiple exposure, a method may be used in which the focus is changed by one exposure and the exposure amount is changed in accordance with the focus. According to this method, the shape of the cladding layer 14 can be easily controlled in more detail once. By adopting the tapered optical waveguide region structure shown in FIG. 4, the fourth embodiment can achieve the same effects as the first to third embodiments. As can be seen from the fourth embodiment shown in FIG. 4, a special method and equipment can be obtained only by adjusting the exposure conditions by forming the optical waveguide region by lithography using a photosensitive resist. The shape of the optical waveguide region for controlling the optical path can be optimized in order to realize the desired high sensitivity, low color mixing, and low sensitivity without using it, that is, without extra cost.

本発明は、感度向上を図りながら混色を低減することができ、入射光を光電変換して撮像する固体撮像素子およびその製造方法等に有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can reduce color mixing while improving sensitivity, and is useful for a solid-state imaging device that captures an image by photoelectrically converting incident light, a manufacturing method thereof, and the like.

1 ・・・ 基板支持材料
2 ・・・ 密着層
3 ・・・ 配線層
4 ・・・ ゲート電極
5 ・・・ 暗電流防止層
7 ・・・ Pウェル
8 ・・・ フォトダイオード
9 ・・・ 暗電流防止層
10 ・・・ 酸化膜
11 ・・・ 遮光層
12 ・・・ パッシベーション層
13 ・・・ 平坦化層
14 ・・・ クラッド層
15 ・・・ コア層
16 ・・・ 密着層
17 ・・・ カラーフィルタ層
18 ・・・ 平坦化層
19 ・・・ マイクロレンズ
20 ・・・ シリコン基板
21 ・・・ 光路
22 ・・・ 緑フィルタ
23 ・・・ 赤フィルタ
43 ・・・ 配線層
48 ・・・ フォトダイオード
54 ・・・ クラッド層
55 ・・・ コア層
57 ・・・ カラーフィルタ層
59 ・・・ マイクロレンズ
60 ・・・ シリコン基板
61 ・・・ 光路
71 ・・・ 基板支持材料
72 ・・・ 密着層
73 ・・・ 配線層
75 ・・・ 暗電流防止層
77 ・・・ Pウェル
78 ・・・ フォトダイオード
79 ・・・ 暗電流防止層
81 ・・・ 遮光膜
87 ・・・ カラーフィルタ層
89 ・・・ マイクロレンズ
90 ・・・ シリコン基板
91 ・・・ 光路
92 ・・・ 斜め光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate support material 2 ... Adhesion layer 3 ... Wiring layer 4 ... Gate electrode 5 ... Dark current prevention layer 7 ... P well 8 ... Photodiode 9 ... Dark Current prevention layer 10 ... Oxide film 11 ... Light shielding layer 12 ... Passivation layer 13 ... Planarization layer 14 ... Cladding layer 15 ... Core layer 16 ... Adhesion layer 17 ... Color filter layer 18 ... Planarizing layer 19 ... Micro lens 20 ... Silicon substrate 21 ... Optical path 22 ... Green filter 23 ... Red filter 43 ... Wiring layer 48 ... Photo Diode 54 ... Cladding layer 55 ... Core layer 57 ... Color filter layer 59 ... Micro lens 60 ... Silicon substrate 61 ... Optical path 71 ... Substrate support material 72 ... Dense Layer 73 ... Wiring layer 75 ... Dark current prevention layer 77 ... P well 78 ... Photodiode 79 ... Dark current prevention layer 81 ... Light shielding film 87 ... Color filter layer 89 .... Microlens 90 ... Silicon substrate 91 ... Optical path 92 ... Oblique light

Claims (10)

半導体基板と、
前記半導体基板中に形成されて光電変換が行われる複数の受光部と、
前記受光部を分離する分離部と、
前記半導体基板の表面上に形成されて前記受光部で光電変換された信号を読み出す配線層と、
前記半導体基板の前記表面に対する裏面上に形成される低屈折率膜と、
前記低屈折率膜の前記受光部の上部領域を開口して形成される開口部と、
前記開口部を埋め込むように形成される高屈折率膜と、
前記高屈折率膜上の前記受光部上部領域に形成される複数のマイクロレンズと
を有することを特徴とする固体撮像素子。
A semiconductor substrate;
A plurality of light receiving portions formed in the semiconductor substrate and subjected to photoelectric conversion;
A separation unit for separating the light receiving unit;
A wiring layer for reading a signal formed on the surface of the semiconductor substrate and photoelectrically converted by the light receiving unit;
A low refractive index film formed on the back surface of the semiconductor substrate with respect to the surface;
An opening formed by opening an upper region of the light receiving portion of the low refractive index film;
A high refractive index film formed so as to embed the opening;
And a plurality of microlenses formed in the upper region of the light receiving unit on the high refractive index film.
前記高屈折率膜が、前記低屈折率膜の上にも形成されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the high refractive index film is also formed on the low refractive index film. 前記低屈折率膜の厚みが0.5μm以上、前記低屈折率膜の前記マイクロレンズ側端部から前記半導体基板までの距離が1.8μm以下であり、前記開口部の前記半導体基板に平行な方向の長さが、0.6um以上、1.2μm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の固体撮像素子。   The thickness of the low refractive index film is 0.5 μm or more, the distance from the microlens side end of the low refractive index film to the semiconductor substrate is 1.8 μm or less, and the opening is parallel to the semiconductor substrate. 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a length in a direction is 0.6 μm or more and 1.2 μm or less. 前記開口部のアスペクト比が0.7以上、1.5以下であることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 3, wherein an aspect ratio of the opening is 0.7 or more and 1.5 or less. 前記半導体基板の裏面と前記低屈折率膜または前記高屈折率膜との間の前記分離部上部領域に形成される遮光膜
をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. The light shielding film according to claim 1, further comprising a light shielding film formed in an upper region of the separation portion between the back surface of the semiconductor substrate and the low refractive index film or the high refractive index film. The solid-state image sensor described in 1.
前記遮光膜を含む前記半導体基板の裏面と前記低屈折率膜または前記高屈折率膜との間に形成される平坦化層
をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 5, further comprising a planarization layer formed between a back surface of the semiconductor substrate including the light shielding film and the low refractive index film or the high refractive index film.
前記開口部の前記半導体基板に平行な面の断面積が、前記半導体基板から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の固体撮像素子。   7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a cross-sectional area of a surface of the opening parallel to the semiconductor substrate increases as the distance from the semiconductor substrate increases. 前記高屈折率膜と前記低屈折率膜とが合成樹脂を含むことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the high refractive index film and the low refractive index film contain a synthetic resin. 半導体基板中に分離部で分離された複数の受光部を形成する工程と、
前記半導体基板の表面上に前記受光部で光電変換された信号を読み出す配線層を形成する工程と、
前記受光部の上部領域に開口部を備える低屈折率膜を前記半導体基板の前記表面に対する裏面上に形成する工程と、
前記開口部を埋め込むように高屈折率膜を形成する工程と、
前記高屈折率膜上の前記受光部上部領域に複数のマイクロレンズを形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
Forming a plurality of light receiving parts separated by a separation part in a semiconductor substrate;
Forming a wiring layer for reading a signal photoelectrically converted by the light receiving unit on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a low refractive index film having an opening in the upper region of the light receiving portion on the back surface of the semiconductor substrate with respect to the surface;
Forming a high refractive index film so as to embed the opening;
And a step of forming a plurality of microlenses in the upper region of the light receiving portion on the high refractive index film.
前記低屈折率膜を形成する際に、前記開口部の前記半導体基板に平行な面の断面積が前記半導体基板から遠ざかるほど大きくなるように前記開口部を形成することを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。   10. The opening is formed such that when the low refractive index film is formed, a cross-sectional area of a plane parallel to the semiconductor substrate of the opening increases as the distance from the semiconductor substrate increases. The manufacturing method of the solid-state image sensor as described in 2.
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