JP2012019072A - Solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、CCDやCMOS等の光電変換素子を形成した固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion device such as a CCD or a CMOS is formed.
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。 In recent years, imaging devices have been widely used with the expansion of the contents of image recording, communication, and broadcasting. Various types of image pickup devices have been proposed. An image pickup device incorporating a solid-state image pickup device that has been stably manufactured with a small size, light weight, and high performance can be used as a digital camera or digital video. It has become widespread.
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はCCD(電荷結合素子)タイプとCMOS(相補型金属酸化物半導体)タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー(ラインセンサー)と、光電変換素子を縦横に2次元的に配列させたエリアセンサー(面センサー)との2種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数(画素数)が多いほど撮影された画像は精密になる。 The solid-state imaging device has a plurality of photoelectric conversion elements that receive an optical image from a subject and convert incident light into an electrical signal. The types of photoelectric conversion elements are roughly classified into CCD (charge coupled device) type and CMOS (complementary metal oxide semiconductor) type. In addition, there are two types of photoelectric conversion elements: linear sensors (line sensors) in which photoelectric conversion elements are arranged in a row, and area sensors (surface sensors) in which photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged vertically and horizontally. It is divided roughly into. In any sensor, the larger the number of photoelectric conversion elements (number of pixels), the more accurate the captured image.
また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長領域の光を選択的に透過する各種のカラーフィルタを設けることで対象物の色情報を得ることを可能としたカラーセンサーも普及している。カラーフィルタの色としては、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の3色からなる3原色系、あるいは、シアン色(C)、マゼンタ色(M)、イエロー色(Y)からなる補色系が一般的である。 In addition, color sensors that can obtain color information of an object by providing various color filters that selectively transmit light in a specific wavelength region in the path of light incident on the photoelectric conversion element are also widespread. ing. As the color of the color filter, three primary colors composed of three colors of red (R), green (G), and blue (B), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) are used. A complementary color system is generally used.
固体撮像素子の一般的構造を図2の模式断面図に示す。半導体基板1として一般にシリコンウェハーを用い、ウェハー表面への一般的な半導体プロセス、および配線パターン形成プロセスを繰り返すことにより、多数のチップをウェハー平面に配置した固体撮像素子群が形成される。図2は一つのチップの部分拡大断面を示したものであって、CCDやCMOS等の光電変換素子からなる受光素子2を、半導体基板1の撮像用照射光10を受ける側の表面近傍に規則的な配列状態で設けており、受光素子2上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子2を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層3のパターンを有する。低い位置の受光素子2と、図示されない層間絶縁層を挟んで通常は多層からなる突起形状の配線層3と、を被覆する絶縁層4が、凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層5を有する。
The general structure of the solid-state image sensor is shown in the schematic cross-sectional view of FIG. A silicon wafer is generally used as the
多くの場合、上記固体撮像素子をカラーセンサーとして使用するために、前記平坦化層5の上に、着色層6を受光素子に一対一対応させた着色画素パターンとして形成し、着色層保護のための保護層7を設ける。また、必要に応じて、撮像のための光の取り込み効率を高め、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズ(図示せず)を形成する。
In many cases, in order to use the solid-state imaging device as a color sensor, a colored pixel pattern is formed on the
前記平坦化層5は、特許文献1に提案されている平滑化層のように、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることに加えて、塗布時の表面凹凸に追随し易い傾向が少ない樹脂を塗布して、塗布後の表面の平坦化を得る。具体的には、アクリル系の透明樹脂の材料特性を調整することによって、平坦性と表面凹凸充填性に優れた平坦化層を実現することができる。
Like the smoothing layer proposed in
上述のように、受光素子2上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子2を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層3のパターンを有し、低い位置の受光素子2と、多層からなる突起形状の配線層3と、を被覆する絶縁層4が凹部を構成し、凹部に対応して凸部状に被覆および充填するように形成される層が平坦化層5である。この構造で、凹部を構成する絶縁層4の屈折率と凸部を含む形状に形成される平坦化層5の屈折率とは一般に一致しないので、撮像用照射光10を受ける側の絶縁層4と平坦化層5との境界面は一定のレンズ効果を生じる。例えば、屈折率nが1.45のシリコン酸化膜からなり凹部を構成する絶縁層4に対して、屈折率nが1.55のアクリル系の透明樹脂からなり凸部を構成する平坦化層5は、撮像用照射光10を受ける受光素子2に向けた凸レンズとして機能する。
As described above, the pattern of the
固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなると、平面視で受光素子2の近傍に配線層3の金属パターンの端部が接近する。撮像時の外部からの入射光が、上記のレンズ効果により、種々の位置で屈折することによって、金属パターンの端部にかかり、端部での光の反射が加わるようになると、受光素子2の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化し、感度の面内分布が不均一になる。
When the solid-state imaging device is miniaturized and the period of the unevenness is reduced, the end portion of the metal pattern of the
さらに、前記配線層が多層に形成され、その相互間の位置合わせにずれが生じると、感度の分布に非対称な歪みも生じてしまう。なお、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズを撮像経路に設けた場合は、外部光をマイクロレンズにより画素単位で集光できるので、上記感度の画素面内分布の影響を比較的小さくすることができる。とは言え、マイクロレンズを用いない簡便な固体撮像素子の感度分布に影響を与える現象であるばかりでなく、固体撮像素子の基本性能上の問題でもあり、撮像装置の性能設計に一定の制約を与えることになる。 Furthermore, when the wiring layers are formed in multiple layers and misalignment occurs between the wiring layers, asymmetric distortion occurs in the sensitivity distribution. Note that when a microlens is provided in the imaging path so as to contribute to the improvement of the sensitivity of the imaging device, external light can be collected on a pixel basis by the microlens, so that the influence of the above-mentioned sensitivity on the pixel surface is relatively small. can do. However, it is not only a phenomenon that affects the sensitivity distribution of a simple solid-state image sensor that does not use a microlens, but also a problem in the basic performance of the solid-state image sensor, and it imposes certain restrictions on the performance design of the imaging device. Will give.
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することである。 The present invention is proposed in view of the above-mentioned problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining uniform sensitivity within the light receiving element plane.
上記の課題を解決するための手段として、請求項1に記載の発明は、撮像用照射光を受ける側の半導体基板の表面近傍に設けた光電変換素子からなる複数の受光素子上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子を囲むように配線層を有し、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層が凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層を有する固体撮像素子において、絶縁層と平坦化層との屈折率を近似させたことを特徴とする固体撮像素子である。
As a means for solving the above-mentioned problem, the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、前記絶縁層の屈折率より前記平坦化層の屈折率が0〜0.02以内の範囲で等しいかまたは大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子である。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、前記絶縁層がシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子である。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、前記絶縁層がシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子である。
The invention according to
本発明は、受光素子と配線層とを被覆する絶縁層と、絶縁層が構成する凹部を被覆および充填して平坦面を構成する平坦化層と、の屈折率を近似させることによって、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することができる。 The present invention relates to a light receiving element by approximating the refractive index of an insulating layer that covers the light receiving element and the wiring layer, and a planarizing layer that covers and fills a recess formed by the insulating layer to form a flat surface. It is possible to provide a solid-state imaging device capable of obtaining in-plane sensitivity uniformly.
本発明を実施するための形態について、以下、図面に従って説明する。
図1は、本発明の固体撮像素子の構成例を説明するための断面模式図である。半導体基板1として一般にシリコンウェハーを用い、ウェハー表面への一般的な半導体プロセス、および配線パターン形成プロセスを繰り返すことにより、多数のチップをウェハー平面に配置した固体撮像素子群が形成されることは、従来と同様である。CCDやCMOS等の光電変換素子からなる受光素子2を、半導体基板1の撮像用照射光10を受ける側の表面近傍に規則的な配列状態で設けており、受光素子2上の撮像用照射光側に、平面視で受光素子2を囲むようにアルミニウム等の金属材料を用いた配線層3のパターンを有する。低い位置の受光素子2と、図示されない層間絶縁層を挟んで通常は多層からなる突起形状の配線層3と、を被覆する絶縁層41が、凹部を構成し、前記凹部を被覆および充填して平坦面を形成した平坦化層51を有することも従来と同様である。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a configuration example of a solid-state imaging device of the present invention. Generally, a silicon wafer is used as the
前記絶縁層41は、電気的絶縁性に加えて、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることが望ましく、半導体基板1として使用するシリコンの酸化膜や窒化膜を、減圧CVDやプラズマCVD等の通常のプロセスにより形成することができる。
The
前記平坦化層51は、透明性、密着性、耐薬品性に優れていることに加えて、塗布時の表面凹凸に追随し易い傾向が少ない樹脂を塗布して、塗布後の表面の平坦化を得る。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって、平坦性と表面凹凸充填性に優れた平坦化層を実現することができる。
In addition to being excellent in transparency, adhesion, and chemical resistance, the planarizing
従来と同様に、上記固体撮像素子をカラーセンサーとして使用するために、前記平坦化層51の上に、着色層6を受光素子に一対一対応させた着色画素パターンとして形成し、着色層保護のための保護層7を設けることができる。また、必要に応じて、撮像のための光の取り込み効率を高め、撮像装置の感度向上に寄与するようにマイクロレンズ(図示せず)を形成することができる。
In order to use the solid-state imaging device as a color sensor, the
前記着色層6に形成する着色画素パターンとしては、例えば、緑色の顔料分散樹脂である感光性ネガ型レジストを塗布し、プレベイク、選択的露光、現像、熱処理の各工程を経て、緑色パターンを形成し、以下、同様の手段を繰り返して、青色パターン、赤色パターンを順次隣接位置に形成し、有効エリア内を埋め尽くすように周期的に配置した3色の着色画素パターンを得ることができる。
As the colored pixel pattern to be formed on the
前記絶縁層41と前記平坦化層51との境界面が通常はレンズ効果を生じて、境界面での撮像用照射光の屈折により、照射光の光路の一部が金属パターンの端部にかかり、端部での光の反射が加わって、受光素子2の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化し、感度の面内分布が不均一になる。本発明は、上記の現象を防ぐために、前記絶縁層41と前記平坦化層51との屈折率を近似させて、点線で示す両者の境界面を、光学的な意味では、事実上消滅させることを特徴とする。
The boundary surface between the insulating
受光素子2の直上で凹部を構成する絶縁層41と、該凹部を充填して凸部を構成する平坦化層51との関係を一般化すれば、後者の屈折率が前者より大きい場合には、受光素子への撮像用照射光の入射に対して、凸レンズの効果を有し、逆の場合には凹レンズの効果を有する。凹レンズの効果を有する場合は、照射光は拡がり、配線層3の金属パターンの端部にかかり易くなることは明らかであり、好ましくない。また、凸レンズの効果を有する場合であっても、固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなると、光の屈折の程度により、金属パターンの端部での好ましくない反射を引き起こす。
If the relationship between the insulating
上述の事情により、本発明において、前記絶縁層41と前記平坦化層51との屈折率を近似させる場合の詳細をさらに規定すると、前記絶縁層の屈折率より前記平坦化層の屈折率が0〜0.02以内の範囲で等しいかまたは大きいことを特徴とすることがより好ましい。平坦化層51が、受光素子への撮像用照射光の入射に対して、凹レンズの効果を全く有しないので、照射光は拡がらないこと、および、明瞭な凸レンズ効果も有しないこと、により、固体撮像素子を微細化して、上記の凹凸の周期が小さくなっても、金属パターンの端部での好ましくない反射を引き起こすことがない。その結果、受光素子2の面内での金属パターン端部からの位置関係によって受光量の分布が変化するという現象を回避でき、受光素子面内の感度が均一に得られる固体撮像素子を提供することができる。
Due to the above circumstances, in the present invention, when the details of approximating the refractive index of the insulating
前記絶縁層41は、前述のように、半導体基板1として使用するシリコンの酸化膜や窒化膜を、減圧CVDやプラズマCVD等の通常のプロセスにより形成することができる。シリコン酸化膜は、屈折率1.45程度の膜を得ることができる。シリコン窒化膜は、基板温度等の成膜条件により、膜中の窒素とシリコンとの比が変化し、屈折率1.75〜2.0程度の範囲で光学特性の異なる膜が得られる。
As described above, the insulating
前記平坦化層51として、前述のように、屈折率が1.55のアクリル系の透明樹脂をベースとして用いる場合、上述の絶縁層41の屈折率に応じて、樹脂ベースの屈折率を増減させることが必要である。例えば、シリコン酸化膜を絶縁層41とした場合には、平坦化層の屈折率を、0.08〜0.1減少させる。平坦化層51の屈折率を絶縁層41の屈折率1.45と一致させることが最も望ましいが、元の1.55から0.09減少させて1.46とすることも次に好ましい。
When the
上述の例のように、元の樹脂の屈折率を減少させる方法としては、フッ素を添加する手法が可能である。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって得られる透明性、密着性、耐薬品性、および塗布時の表面凹凸に追随しないで、平坦性と表面凹凸充填性に優れた塗布特性を維持したまま、フッ素の有する低屈折率特性を加えるように調整することができる。 As in the above example, as a method of reducing the refractive index of the original resin, a method of adding fluorine is possible. For example, the transparency, adhesion, chemical resistance, and flatness without following the surface irregularities during coating can be obtained by adjusting the acrylic transparent resin having low molecular weight and low viscosity material properties to a high concentration. It can be adjusted to add the low refractive index characteristic of fluorine while maintaining the coating characteristics excellent in surface irregularity filling property.
また、シリコン窒化膜を絶縁層41として、絶縁層の屈折率1.75の場合、平坦化層51の屈折率を1.75〜1.77に調整することが適当である。前例と同様に、屈折率が1.55のアクリル系の透明樹脂をベースとして用いる場合、平坦化層51の屈折率を0.2増加させて絶縁層41の屈折率1.75と一致させることが最も望ましいが、元の1.55から0.21増加させて1.76とすることも次に好ましい。
When the silicon nitride film is the insulating
上述の例のように、元の樹脂の屈折率を増加させる方法としては、光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスを添加する手法が可能である。例えば、低分子量で低粘度の材料特性を有するアクリル系透明樹脂を高濃度に調整することによって得られる透明性、密着性、耐薬品性、および塗布時の表面凹凸に追随しないで、平坦性と表面凹凸充填性に優れた塗布特性を維持したまま、光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスの有する高屈折率特性を加えるように調整することができる。 As a method of increasing the refractive index of the original resin as in the above-described example, a technique of adding fine refractive index ceramics that does not cause light scattering loss is possible. For example, the transparency, adhesion, chemical resistance, and flatness without following the surface irregularities during coating can be obtained by adjusting the acrylic transparent resin having low molecular weight and low viscosity material properties to a high concentration. It can be adjusted to add the high refractive index characteristics of the high refractive index fine-particle ceramics that do not cause light scattering loss while maintaining the coating characteristics excellent in surface irregularity filling properties.
前記光散乱損失を生じない高屈折率の微粒子セラミックスとしては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化亜鉛、等の種々の金属酸化物を微粒子化して使用することが可能であるが、元の樹脂への添加適性は詳細な条件に依存するので、最適化する必要がある。 As the high-refractive-index fine-particle ceramics that do not cause light scattering loss, various metal oxides such as titanium oxide, zirconium oxide, chromium oxide, and zinc oxide can be used as fine particles. Since the suitability for addition to the resin depends on detailed conditions, it must be optimized.
1・・・半導体基板
2・・・受光素子
3・・・配線層
4、41・・・絶縁層
5、51・・・平坦化層
6・・・着色層
7・・・保護層
10・・撮像用照射光
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