JP2013016702A - Solid-state imaging device and camera module - Google Patents

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Masatoki Nakabayashi
正登喜 中林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve image quality of a solid-state imaging device.SOLUTION: A solid-state imaging device according to an embodiment comprises: a first region 2 provided in a semiconductor substrate 10 and including a plurality of first photoelectric converters irradiated with light; a second region 3 provided in the semiconductor substrate 10 so as to be adjacent to the first region 2; a plurality of first lenses 9 provided in a position overlapping with the first region 2 in a vertical direction with respect to an acceptance surface and corresponding to the respective first photoelectric converters; and a second lens 7A provided adjacent to a step of an interface part between two regions 2, 3 between the first region 2 and the first lens 9 and corresponding to the first region 2.

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置及びカメラモジュールに関する。   Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device and a camera module.

CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは、監視カメラ等、多様な用途で使われている。   Solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors are used in various applications such as digital still cameras, video cameras, and surveillance cameras.

イメージセンサにおいて、光電変換部を有する画素アレイと画素アレイの動作を制御するための周辺回路とが、同じチップ上に設けられている。   In the image sensor, a pixel array having a photoelectric conversion unit and a peripheral circuit for controlling the operation of the pixel array are provided on the same chip.

イメージセンサの光電変換部には、例えば、フォトダイオードが用いられている。フォトダイオードに入射された光が、光電変換され、被写体からの光に対応した電気信号が得られる。   For example, a photodiode is used in the photoelectric conversion unit of the image sensor. Light incident on the photodiode is photoelectrically converted to obtain an electrical signal corresponding to the light from the subject.

画素アレイ及び周辺回路が形成された領域の構造の違いに起因して、被写体に対応した入射光の光量が、画素アレイの中央部の光電変換部と画素アレイの外周部(周辺回路側)の光電変換部とで異なる場合がある。この入射光の光量の違いが、形成される画像にシェーディングを引き起こす場合がある。   Due to the difference in the structure of the area where the pixel array and the peripheral circuit are formed, the amount of incident light corresponding to the subject is changed between the photoelectric conversion unit at the center of the pixel array and the outer peripheral part (peripheral circuit side) of the pixel array. It may be different from the photoelectric conversion unit. This difference in the amount of incident light may cause shading in the formed image.

特開平06−163866号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-163866

形成される画像の画質を向上する技術を提案する。   A technique for improving the image quality of the formed image is proposed.

本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板内に設けられ、光が照射される複数の第1の光電変換部を有する第1の領域と、前記半導体基板内に設けられ、前記第1の領域に隣接する第2の領域と、前記第1の光電変換部の受光面に対して垂直方向において前記第1の領域と重なる位置に配置され、前記第1の光電変換部にそれぞれ対応する複数の第1のレンズと、前記第1の領域と前記第1のレンズとの間において前記第1の領域と前記第2の領域との境界部の段差に隣接し、前記第1の領域に対応する第2のレンズと、を含む。   The solid-state imaging device according to the present embodiment is provided in a semiconductor substrate and includes a first region having a plurality of first photoelectric conversion units irradiated with light, the first region provided in the semiconductor substrate, and the first region. A second region adjacent to the first photoelectric conversion unit and a position overlapping the first region in a direction perpendicular to the light receiving surface of the first photoelectric conversion unit, and each of the plurality of regions corresponding to the first photoelectric conversion unit Adjacent to the step of the boundary between the first lens, the first region, and the first lens between the first lens and the first lens, and corresponds to the first region A second lens.

実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図。The top view which shows the structure of the solid-state imaging device of embodiment. 実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the solid-state imaging device of embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a solid-state imaging device according to a first embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第2の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the solid-state imaging device of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。Sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the solid-state imaging device of 3rd Embodiment. 第4の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the solid-state imaging device of 4th Embodiment. 実施形態の固体撮像装置の応用例を示す断面図。Sectional drawing which shows the application example of the solid-state imaging device of embodiment. 実施形態の固体撮像装置の変形例を示す平面図。The top view which shows the modification of the solid-state imaging device of embodiment. 実施形態の固体撮像装置の変形例を示す断面図。Sectional drawing which shows the modification of the solid-state imaging device of embodiment.

[実施形態]
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
[Embodiment]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given as necessary.

(1) 第1の実施形態
図1乃至図6を参照して、第1の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について説明する。
(1) First embodiment
A solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

(a) 構造
図1乃至図3を用いて、第1の実施形態に係る固体撮像装置の構造について、説明する。
(A) Structure
The structure of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

図1は、固体撮像装置(以下、イメージセンサとよぶ)のチップのレイアウト例を示す模式図である。図2は、図1のチップの断面構造を模式的に示す断面概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a chip layout example of a solid-state imaging device (hereinafter referred to as an image sensor). FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of the chip of FIG.

図1に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ2及び画素アレイ2の動作を制御するための複数の回路が形成される領域30が、1つの半導体基板(チップ)10内に設けられている。以下では、画素アレイ2を制御するための回路群を、周辺回路とよび、周辺回路が形成される領域のことを、周辺回路領域3とよぶ。   As shown in FIG. 1, in the image sensor of the present embodiment, a pixel array 2 and a region 30 in which a plurality of circuits for controlling the operation of the pixel array 2 are formed are in one semiconductor substrate (chip) 10. Is provided. Hereinafter, a circuit group for controlling the pixel array 2 is referred to as a peripheral circuit, and a region where the peripheral circuit is formed is referred to as a peripheral circuit region 3.

本実施形態のイメージセンサは、CMOSイメージセンサでもよいし、CCDイメージセンサでもよい。   The image sensor of this embodiment may be a CMOS image sensor or a CCD image sensor.

半導体基板10内の画素アレイ2は、複数の単位セル20を含み、各単位セル20は、光電変換部(画素)を有している。光電変換部は、被写体に対応する光を取得し、取得した光を電気信号に変換する。   The pixel array 2 in the semiconductor substrate 10 includes a plurality of unit cells 20, and each unit cell 20 has a photoelectric conversion unit (pixel). The photoelectric conversion unit acquires light corresponding to the subject and converts the acquired light into an electrical signal.

例えば、画素アレイ2は、光が入射される撮像領域(有効領域ともよばれる)と光が入射されない無効領域とを含んでいる。   For example, the pixel array 2 includes an imaging region where light is incident (also referred to as an effective region) and an ineffective region where light is not incident.

撮像領域内の光電変換部のことを、有効画素とよぶ。無効領域は、撮像領域と実質的に同じ構造の単位セルを有する。無効領域内の単位セルは、外部からの光が入射されないように、遮光膜(例えば、金属膜)によって、遮光されている。例えば、無効領域は、黒基準領域及びダミー領域を含んでいる。黒基準領域は、光電変換された信号に対する基準電位(暗電圧又はリセット電圧)を形成するために、画素アレイ2内に設けられている。黒基準領域は、OB(Optical Black)領域ともよばれる。以下では、黒基準領域内の光電変換部のことを、黒基準画素とよぶ。一方、ダミー領域内の単位セルは、回路としての機能を有さない。ダミー領域内の単位セルのことを、ダミーセルとよぶ。尚、画素アレイ2内に、ダミー領域及び黒基準領域のうち少なくとも一方が設けられない場合もある。   The photoelectric conversion unit in the imaging region is referred to as an effective pixel. The invalid area has a unit cell having substantially the same structure as the imaging area. The unit cells in the invalid area are shielded from light by a light shielding film (for example, a metal film) so that light from the outside is not incident. For example, the invalid area includes a black reference area and a dummy area. The black reference region is provided in the pixel array 2 in order to form a reference potential (dark voltage or reset voltage) for the photoelectrically converted signal. The black reference area is also called an OB (Optical Black) area. Hereinafter, the photoelectric conversion unit in the black reference region is referred to as a black reference pixel. On the other hand, the unit cell in the dummy area does not have a function as a circuit. A unit cell in the dummy area is called a dummy cell. In some cases, at least one of the dummy area and the black reference area may not be provided in the pixel array 2.

単位セル20は、少なくとも1つの光電変換部(画素)PD及び信号走査回路部を含む。光電変換部PDは、例えば、フォトダイオードである。   The unit cell 20 includes at least one photoelectric conversion unit (pixel) PD and a signal scanning circuit unit. The photoelectric conversion unit PD is, for example, a photodiode.

本実施形態のイメージセンサが、CMOSイメージセンサである場合、単位セル20の信号走査回路部は、例えば、4つの電界効果トランジスタ(例えば、nチャネル型MOSトランジスタ)によって形成される。単位セル20に含まれる4つの電界効果トランジスタのことを、トランスファゲート(リードトランジスタ)、アンプトランジスタ、アドレストランジスタ及びリセットトランジスタとそれぞれよぶ。   When the image sensor of this embodiment is a CMOS image sensor, the signal scanning circuit section of the unit cell 20 is formed by, for example, four field effect transistors (for example, n-channel MOS transistors). The four field effect transistors included in the unit cell 20 are referred to as a transfer gate (read transistor), an amplifier transistor, an address transistor, and a reset transistor, respectively.

尚、各単位セル20は、アドレストランジスタを含まなくともよい。また、単位セル20は、1つの光電変換部と1つの信号走査回路部を含むセル構造(1画素1セル構造)を有してもよいし、複数の光電変換部とそれらに共有される1つの信号走査回路部を含むセル構造(例えば、2画素1セル構造)を有してもよい。   Each unit cell 20 may not include an address transistor. The unit cell 20 may have a cell structure (one pixel one cell structure) including one photoelectric conversion unit and one signal scanning circuit unit, or may be shared by a plurality of photoelectric conversion units. You may have a cell structure (for example, 2 pixel 1 cell structure) containing one signal scanning circuit part.

周辺回路領域3は、画素アレイ2に隣接するように設けられている。周辺回路領域3内には、アナログ回路又はロジック回路が形成される。周辺回路領域3内には、電界効果トランジスタ、抵抗素子、容量素子などが設けられている。以下では、周辺回路を形成する構成素子のことを、周辺素子とよぶ。   The peripheral circuit region 3 is provided adjacent to the pixel array 2. An analog circuit or a logic circuit is formed in the peripheral circuit region 3. In the peripheral circuit region 3, a field effect transistor, a resistor element, a capacitor element, and the like are provided. Hereinafter, the constituent elements forming the peripheral circuit are referred to as peripheral elements.

画素アレイ2の受光面に対して垂直方向(素子が形成された面に対して垂直方向)において、マイクロレンズアレイ9が、層間絶縁膜を介して、画素アレイ2と上下に重なる位置に配置されている。   In the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2 (perpendicular to the surface on which the element is formed), the microlens array 9 is disposed at a position overlapping with the pixel array 2 with the interlayer insulating film interposed therebetween. ing.

マイクロレンズアレイ9は、複数のマイクロレンズ(第1のレンズ)を含む。マイクロレンズアレイ9は、1つのマイクロレンズ90が1つの光電変換部(画素、フォトダイオード)に対応するように、形成されている。   The microlens array 9 includes a plurality of microlenses (first lenses). The microlens array 9 is formed so that one microlens 90 corresponds to one photoelectric conversion unit (pixel, photodiode).

図1及び図2に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向において、マイクロレンズアレイ9と画素アレイ2との間に、レンズ(第2のレンズ)7Aが設けられている。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the image sensor of this embodiment, a lens (second lens) is disposed between the microlens array 9 and the pixel array 2 in the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2. Lens) 7A is provided.

レンズ7Aは、画素アレイ2に対応するように設けられ、光の照射面側において画素アレイ2の上方を覆っている。   The lens 7A is provided so as to correspond to the pixel array 2, and covers the upper side of the pixel array 2 on the light irradiation surface side.

レンズ7Aは、例えば、円形の平面形状を有している。レンズ7Aの直径L1は、画素アレイ2の最大寸法(例えば、四角形の対角線)L2以上の寸法に、設定されている。例えば、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ2は、円形の平面形状のレンズ7Aに内接する。この場合において、画素アレイ2の全体が、1つのレンズ7Aに覆われる。例えば、レンズ7Aは、1つのレンズ7Aが画素アレイ2内の全ての光電変換部(画素)に対応するように、マイクロレンズアレイ9と画素アレイ2との中間の層内に、形成されている。例えば、図2に示されるように、レンズ7Aは、例えば、層間絶縁膜79A内の溝92B内に、設けられている。   The lens 7A has, for example, a circular planar shape. The diameter L1 of the lens 7A is set to a dimension equal to or larger than the maximum dimension (for example, a square diagonal line) L2 of the pixel array 2. For example, when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2, the pixel array 2 is inscribed in a circular planar lens 7A. In this case, the entire pixel array 2 is covered with one lens 7A. For example, the lens 7A is formed in an intermediate layer between the microlens array 9 and the pixel array 2 so that one lens 7A corresponds to all the photoelectric conversion units (pixels) in the pixel array 2. . For example, as shown in FIG. 2, the lens 7A is provided, for example, in a groove 92B in the interlayer insulating film 79A.

画素アレイ2の受光面(半導体基板の素子形成面)に対して水平方向におけるレンズ7Aの最大寸法(例えば、直径)は、画素アレイ2の受光面に対して水平方向におけるマイクロレンズ90の最大寸法(例えば、直径)より大きい。   The maximum dimension (for example, diameter) of the lens 7A in the horizontal direction with respect to the light receiving surface (element formation surface of the semiconductor substrate) of the pixel array 2 is the maximum dimension of the micro lens 90 in the horizontal direction with respect to the light receiving surface of the pixel array 2. Greater than (eg diameter).

以下では、画素アレイ2とマイクロレンズアレイ9との間に設けられたレンズ7Aのことを、ラージレンズ又は内部レンズとよぶ。   Hereinafter, the lens 7A provided between the pixel array 2 and the microlens array 9 is referred to as a large lens or an internal lens.

図3を参照して、第1の実施形態のイメージセンサの構造について、より具体的に説明する。図3は、本実施形態のイメージセンサの断面構造の一例を示している。   With reference to FIG. 3, the structure of the image sensor of the first embodiment will be described more specifically. FIG. 3 shows an example of a cross-sectional structure of the image sensor of this embodiment.

画素アレイ2内に、複数のアクティブ領域が設けられている。各アクティブ領域は、素子分離領域によって、半導体基板10内に区画されている。
画素アレイ2内に、複数の単位セル20が設けられている。単位セル20は、アクティブ領域内に、それぞれ設けられている。互いに隣接する単位セル20は、素子分離領域内の素子分離層15によって、電気的に分離されている。素子分離層15は、例えば、不純物層であってもよいし、STI構造の絶縁膜でもよい。
A plurality of active areas are provided in the pixel array 2. Each active region is partitioned in the semiconductor substrate 10 by an element isolation region.
A plurality of unit cells 20 are provided in the pixel array 2. The unit cell 20 is provided in each active area. The unit cells 20 adjacent to each other are electrically isolated by the element isolation layer 15 in the element isolation region. The element isolation layer 15 may be, for example, an impurity layer or an insulating film having an STI structure.

上述のように、単位セル20は、光電変換部(画素)として、少なくとも1つのフォトダイオードPDを含む。フォトダイオードPDにおいて、入射光の光量に応じた電荷が、フォトダイオード内部に発生し、フォトダイオードPDの端子間(内部)に電位差が生じる。フォトダイオードPDは発生した電荷を蓄積できる。   As described above, the unit cell 20 includes at least one photodiode PD as a photoelectric conversion unit (pixel). In the photodiode PD, a charge corresponding to the amount of incident light is generated inside the photodiode, and a potential difference is generated between (inside) the terminals of the photodiode PD. The photodiode PD can store the generated charges.

フォトダイオードPDは、半導体基板10内に形成されている。フォトダイオードPDは、半導体基板10内に形成された少なくとも1つの不純物層(拡散層)21を含んでいる。例えば、半導体基板10が、P型の導電型を有する場合、フォトダイオードPDを形成するための不純物層21は、N型の導電型を有する。尚、フォトダイオードPDの特性(例えば、感度)を向上させるために、フォトダイオードPDは、不純物濃度の異なる複数のN型及びP型不純物層を含んでいてもよい。   The photodiode PD is formed in the semiconductor substrate 10. The photodiode PD includes at least one impurity layer (diffusion layer) 21 formed in the semiconductor substrate 10. For example, when the semiconductor substrate 10 has a P-type conductivity, the impurity layer 21 for forming the photodiode PD has an N-type conductivity. In order to improve the characteristics (eg, sensitivity) of the photodiode PD, the photodiode PD may include a plurality of N-type and P-type impurity layers having different impurity concentrations.

尚、図3において、素子分離層15に囲まれたアクティブ領域内において、図示の簡略化のため、フォトダイオードPDのみが図示されているが、同じ領域内に、単位セル20が含んでいる各トランジスタやフローティングディフュージョン(浮遊拡散層)が設けられている。   In FIG. 3, only the photodiode PD is shown in the active region surrounded by the element isolation layer 15 for simplification of illustration, but each unit cell 20 includes the same region. Transistors and floating diffusions (floating diffusion layers) are provided.

周辺回路領域3は、素子分離領域内の素子分離層(例えば、STI構造の絶縁層)19によって、画素アレイ2から電気的に分離されている。周辺回路領域3内において、電界効果トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)Trは、半導体基板10内のウェル領域12内に設けられている。ウェル領域12内に、2つの拡散層(不純物層)33が設けられている。これらの2つの拡散層33は、トランジスタTrのソース/ドレインとして、機能する。2つの拡散層33間のウェル領域(チャネル領域)表面に、ゲート絶縁膜32を介して、ゲート電極31が設けられる。   The peripheral circuit region 3 is electrically isolated from the pixel array 2 by an element isolation layer (for example, an insulating layer having an STI structure) 19 in the element isolation region. In the peripheral circuit region 3, a field effect transistor (for example, a MOS transistor) Tr is provided in the well region 12 in the semiconductor substrate 10. Two diffusion layers (impurity layers) 33 are provided in the well region 12. These two diffusion layers 33 function as the source / drain of the transistor Tr. A gate electrode 31 is provided on the surface of the well region (channel region) between the two diffusion layers 33 via the gate insulating film 32.

電界効果トランジスタTrが、Pチャネル型であるかNチャネル型であるかは、そのトランジスタTrが設けられるウェル領域12の導電型又はソース/ドレインとなる拡散層33の導電型によって、決まる。   Whether the field effect transistor Tr is a P-channel type or an N-channel type depends on the conductivity type of the well region 12 in which the transistor Tr is provided or the conductivity type of the diffusion layer 33 serving as the source / drain.

尚、図示の簡単化のために、周辺回路領域3内に形成される素子(周辺素子)として、電界効果トランジスタTrのみが図示されているが、周辺回路領域3に、抵抗素子、容量素子、ダイオード又はバイポーラトランジスタなどが、設けられている。   For simplification of illustration, only a field effect transistor Tr is illustrated as an element (peripheral element) formed in the peripheral circuit region 3, but a resistor element, a capacitive element, A diode or a bipolar transistor is provided.

半導体基板10上に、複数の絶縁層が積層された層間絶縁膜70が設けられている。層間絶縁膜70は、半導体基板10内に形成された素子PD,Trを、覆っている。層間絶縁膜70内には、複数の金属膜50,55が設けられている。
層間絶縁膜70及び金属膜50,55は、多層配線技術によって形成され、所定の配線レベル(基板表面からの高さ)内にそれぞれ設けられている。
An interlayer insulating film 70 in which a plurality of insulating layers are stacked is provided on the semiconductor substrate 10. The interlayer insulating film 70 covers the elements PD and Tr formed in the semiconductor substrate 10. A plurality of metal films 50 and 55 are provided in the interlayer insulating film 70.
The interlayer insulating film 70 and the metal films 50 and 55 are formed by a multilayer wiring technique, and are respectively provided within a predetermined wiring level (height from the substrate surface).

層間絶縁膜70は、複数の絶縁層70,70,70,70の積層構造を有している。例えば、層間絶縁膜70は、酸化シリコンを用いて、形成される。金属膜50は、アルミニウム(Al)或いは銅(Cu)を用いて、形成される。 Interlayer insulating film 70 has a laminated structure of a plurality of insulating layers 70 1, 70 2, 70 3, 70 4. For example, the interlayer insulating film 70 is formed using silicon oxide. The metal film 50 is formed using aluminum (Al) or copper (Cu).

画素アレイ2上方の金属膜55は、マイクロレンズ60を透過した光が、マイクロレンズに対応する画素20に入射されるように、隣接する画素間における光の漏れを防止するための遮光膜として用いられる。   The metal film 55 above the pixel array 2 is used as a light shielding film for preventing light leakage between adjacent pixels so that light transmitted through the microlens 60 is incident on the pixel 20 corresponding to the microlens. It is done.

周辺回路領域3内の金属膜50は、回路を形成するための配線として用いられる。配線としての金属膜50は、プラグVP,CPによって、異なる配線レベル間において接続されている。例えば、基板表面の直上の最下層の配線50は、コンタクトプラグCPを経由して、半導体基板10内の不純物層33に接続される。そして、下層の配線50は、ビアプラグVPを経由して、上層の配線50に接続される。   The metal film 50 in the peripheral circuit region 3 is used as wiring for forming a circuit. The metal film 50 as a wiring is connected between different wiring levels by plugs VP and CP. For example, the lowermost wiring 50 immediately above the substrate surface is connected to the impurity layer 33 in the semiconductor substrate 10 via the contact plug CP. The lower layer wiring 50 is connected to the upper layer wiring 50 via the via plug VP.

積層構造のベース層71,72は、層間絶縁膜70上に、設けられている。下層のベース層71は、層間絶縁膜70に接する。上層のベース層72は、層間絶縁膜70に接する。下層のベース層71は、例えば、数十nmから0.2μm程度の膜厚を有する。ベース層71,72は、シリコン酸化膜、有機膜、塗布膜、樹脂などの絶縁層によって、形成される。   The base layers 71 and 72 having a laminated structure are provided on the interlayer insulating film 70. The lower base layer 71 is in contact with the interlayer insulating film 70. The upper base layer 72 is in contact with the interlayer insulating film 70. The lower base layer 71 has a film thickness of, for example, about several tens of nm to 0.2 μm. The base layers 71 and 72 are formed of an insulating layer such as a silicon oxide film, an organic film, a coating film, or a resin.

カラーフィルタ層(顔料層)8は、ベース層71,72上に設けられている。
カラーフィルタ層8は、複数のフィルタによって形成され、赤、青及び緑のフィルタを含んでいる。各色のフィルタは、ベイヤー配列を有するように、カラーフィルタ層8内に配列されている。カラーフィルタ層8は、赤、青及び緑のフィルタに加えて、白又は黄のフィルタを含んでいてもよい。カラーフィルタ層8を形成する各フィルタは、光電変換部PDと1対1で対応するように、画素アレイ2上方に設けられている。
The color filter layer (pigment layer) 8 is provided on the base layers 71 and 72.
The color filter layer 8 is formed of a plurality of filters, and includes red, blue and green filters. The filters of each color are arranged in the color filter layer 8 so as to have a Bayer arrangement. The color filter layer 8 may include white or yellow filters in addition to red, blue and green filters. Each filter forming the color filter layer 8 is provided above the pixel array 2 so as to have a one-to-one correspondence with the photoelectric conversion unit PD.

オーバーコート層(平坦化層ともよばれる)73は、カラーフィルタ層8及びベース層71,72上に設けられている。オーバーコート層73は、例えば、シリコン酸化膜、有機膜、塗布膜、樹脂などのうち少なくとも1つの絶縁層を用いて形成される。以下では、ベース層71,72及びオーバーコート層73のことを、層間絶縁膜に含めて説明する場合もある。   An overcoat layer (also referred to as a planarizing layer) 73 is provided on the color filter layer 8 and the base layers 71 and 72. For example, the overcoat layer 73 is formed using at least one insulating layer of a silicon oxide film, an organic film, a coating film, a resin, or the like. Hereinafter, the base layers 71 and 72 and the overcoat layer 73 may be described as being included in an interlayer insulating film.

マイクロレンズ9は、オーバーコート層73上に設けられている。マイクロレンズアレイ9は、基板10上の複数の絶縁膜70,71,72,73を挟んで、画素アレイ2の上方に配置されている。   The microlens 9 is provided on the overcoat layer 73. The microlens array 9 is disposed above the pixel array 2 with a plurality of insulating films 70, 71, 72, 73 on the substrate 10 interposed therebetween.

例えば、再配線形成技術によって、パッド(図示せず)が、層間絶縁膜70が設けられている面側(表面側)に、設けられてもよい。また、半導体基板10を貫通するビア(貫通ビア)によって、層間絶縁膜70が設けられた半導体基板10の面に対して反対側(裏面側)に、パッドが設けられてもよい。貫通ビア(図示せず)は、TSV(Through Substrate Via)技術によって、形成される。   For example, a pad (not shown) may be provided on the surface side (surface side) on which the interlayer insulating film 70 is provided by a rewiring formation technique. In addition, a pad may be provided on the opposite side (back side) to the surface of the semiconductor substrate 10 on which the interlayer insulating film 70 is provided by a via (through via) penetrating the semiconductor substrate 10. The through via (not shown) is formed by a TSV (Through Substrate Via) technique.

本実施形態において、層間絶縁膜70が設けられた半導体基板10の面(第1の面)を、半導体基板10の表面とよび、層間絶縁膜75が設けられた面に対向する半導体基板10の面(第2の面)を、半導体基板10の裏面とよぶ。
本実施形態において、取得される画像に対応する光は、半導体基板10の表面側から照射される。このように、半導体基板10の表面側から照射された光を画素(フォトダイオード)に取り込むイメージセンサは、表面照射型イメージセンサとよばれる。
In the present embodiment, the surface (first surface) of the semiconductor substrate 10 provided with the interlayer insulating film 70 is referred to as the surface of the semiconductor substrate 10 and the surface of the semiconductor substrate 10 facing the surface provided with the interlayer insulating film 75. The surface (second surface) is referred to as the back surface of the semiconductor substrate 10.
In the present embodiment, the light corresponding to the acquired image is irradiated from the surface side of the semiconductor substrate 10. As described above, the image sensor that takes in the light irradiated from the surface side of the semiconductor substrate 10 into the pixel (photodiode) is called a surface irradiation type image sensor.

例えば、周辺回路領域3内の最上層の配線と同じ配線レベルにおいて、その配線レベルに対応する画素アレイ2内の遮光膜及び絶縁層は、イメージセンサの集光特性の改善及びフォトダイオードPDに対する光量の増大のために、画素アレイ2上方に設けられていない。例えば、基板表面に対して垂直方向において、周辺回路領域3内に、n層(ここでは、3層)の配線レベル(配線)が設けられている場合、画素アレイ2内に、(n−1)層(ここでは、2層)の配線レベル(遮光膜)が設けられている。   For example, at the same wiring level as the uppermost layer wiring in the peripheral circuit region 3, the light shielding film and the insulating layer in the pixel array 2 corresponding to the wiring level improve the light collection characteristics of the image sensor and the light quantity to the photodiode PD. Is not provided above the pixel array 2. For example, when n layers (in this case, 3 layers) of wiring levels (wirings) are provided in the peripheral circuit region 3 in the direction perpendicular to the substrate surface, (n−1) ) Layer (here, two layers) wiring level (light-shielding film) is provided.

画素アレイ2及び周辺回路領域3における配線レベル数(金属膜及び絶縁層の積層数)の違いに起因して、画素アレイ2を覆う層間絶縁膜70の上面と周辺回路領域3を覆う層間絶縁膜70の上面との間に、段差92Aが生じる。このため、画素アレイ2の上方において、層間絶縁膜70の上面に、溝(凹部)92Bが形成される。例えば、層間絶縁膜70内に、溝92Bが形成された場合、層間絶縁膜70の最上層の絶縁層70は、開口部を有する。尚、最上層側から2番目の絶縁層70の上面は、この溝又は開口部92Bによって露出してもよいし、最上層の絶縁層70によって覆われていてもよい。 Due to the difference in the number of wiring levels (the number of stacked metal films and insulating layers) in the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3, the upper surface of the interlayer insulating film 70 covering the pixel array 2 and the interlayer insulating film covering the peripheral circuit region 3 A step 92 </ b> A occurs between the upper surface of 70. Therefore, a groove (recess) 92 </ b> B is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 70 above the pixel array 2. For example, the interlayer insulating film 70, if the grooves 92B are formed, the uppermost insulating layer 70 fourth interlayer insulating film 70 has an opening. Incidentally, the upper surface of the second insulating layer 70 3 from the uppermost layer side may be exposed by the groove or opening 92B, may be covered with the uppermost insulating layer 70 4.

層間絶縁膜70の段差92Aは、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界の素子分離領域(素子分離層)の上方に、位置している。   The step 92A of the interlayer insulating film 70 is located above the element isolation region (element isolation layer) at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3.

ラージレンズ7Aは、層間絶縁膜70内の溝92B内に、設けられている。例えば、ラージレンズ7Aは、層間絶縁膜70の最上層の絶縁層70の開口部内に配置されている。そして、ラージレンズ7Aは、画素アレイの受光面に対して水平方向において、層間絶縁膜70の段差92Aに隣接している。 The large lens 7 </ b> A is provided in the groove 92 </ b> B in the interlayer insulating film 70. For example, large lenses 7A is disposed on the uppermost layer of the insulating layer 70 in the fourth opening portion of the interlayer insulating film 70. The large lens 7A is adjacent to the step 92A of the interlayer insulating film 70 in the horizontal direction with respect to the light receiving surface of the pixel array.

ラージレンズ7Aは、下層のベース層71上に設けられている。下層のベース層71は、層間絶縁膜70の上面、溝92Bの内側面及び底面を覆っている。上層のベース層72は、下層のベース層71及びラージレンズ7Aの上面を、覆っている。例えば、ラージレンズ7Aの上面の一部が、カラーフィルタ層8の底面の一部に接触してもよい。   The large lens 7A is provided on the lower base layer 71. The lower base layer 71 covers the top surface of the interlayer insulating film 70 and the inner and bottom surfaces of the trench 92B. The upper base layer 72 covers the lower base layer 71 and the upper surface of the large lens 7A. For example, a part of the upper surface of the large lens 7 </ b> A may be in contact with a part of the bottom surface of the color filter layer 8.

ラージレンズ7Aは、透過性を有する材料を用いて、形成される。ラージレンズ7Aは、例えば、層間絶縁膜70、ベース層71,72及び平坦化層73とは異なる材料から形成される。ラージレンズ7Aの材料は、層間絶縁膜70、ベース層71,72及び平坦化層73の材料と屈折率が異なることが好ましい。ラージレンズ7Aは、無機膜、有機膜、樹脂(合成樹脂)及び塗布膜を含むグループから選択される少なくとも1つの材料を用いて、形成される。   The large lens 7A is formed using a material having transparency. The large lens 7A is formed of a material different from that of the interlayer insulating film 70, the base layers 71 and 72, and the planarization layer 73, for example. The material of the large lens 7A preferably has a refractive index different from that of the interlayer insulating film 70, the base layers 71 and 72, and the planarizing layer 73. The large lens 7A is formed using at least one material selected from the group including an inorganic film, an organic film, a resin (synthetic resin), and a coating film.

ラージレンズ7Aは、ラージレンズ7A上方の各マイクロレンズからの光を集光し、各マイクロレンズに対応する各画素(フォトダイオードPD)に集光した光を照射する。このように、層間絶縁膜70内に設けられたラージレンズ7Aは、マイクロレンズアレイ9の集光をアシストする。   The large lens 7A condenses the light from each microlens above the large lens 7A and irradiates the condensed light to each pixel (photodiode PD) corresponding to each microlens. As described above, the large lens 7 </ b> A provided in the interlayer insulating film 70 assists the condensing of the microlens array 9.

上述のように、ラージレンズ7Aは、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向(基板表面に対して垂直方向)において、画素アレイ2と上下に重なる位置に設けられている。また、ラージレンズ7Aは、例えば、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向から見て画素アレイ2の全体を覆う形状を有している。例えば、ラージレンズ7Aが円形の平面形状を有する場合、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ2がラージレンズ7A内に内接するように、ラージレンズ7Aの大きさ(直径)が設定されている。画素アレイ2とラージレンズ7Aとの平面レイアウトは、ラージレンズ7Aが画素アレイ2に対して外接円の関係を有するレイアウトになっている。ラージレンズ7Aの直径は、基板表面に対して垂直方向における画素アレイ2の最大寸法(例えば、対角線)より大きくともよい。   As described above, the large lens 7A is provided at a position that overlaps the pixel array 2 in the vertical direction (perpendicular to the substrate surface) with respect to the light receiving surface of the pixel array 2. The large lens 7A has, for example, a shape that covers the entire pixel array 2 when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2. For example, when the large lens 7A has a circular planar shape, the size of the large lens 7A (see FIG. 3) is such that the pixel array 2 is inscribed in the large lens 7A when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2. (Diameter) is set. The planar layout of the pixel array 2 and the large lens 7 </ b> A is a layout in which the large lens 7 </ b> A has a circumscribed circle relationship with the pixel array 2. The diameter of the large lens 7A may be larger than the maximum dimension (for example, a diagonal line) of the pixel array 2 in the direction perpendicular to the substrate surface.

尚、溝(開口部)92Bの平面形状は、ラージレンズ7Aの平面形状と同じ形状(例えば、円形状)でもよいし、異なる形状(例えば、矩形状)でもよい。   The planar shape of the groove (opening) 92B may be the same shape (for example, a circular shape) as that of the large lens 7A, or may be a different shape (for example, a rectangular shape).

周辺回路領域3内における層間絶縁膜70の上面と画素アレイ2内における層間絶縁膜70の上面との段差92Aの大きさ、つまり、溝92Bの深さは、例えば、1.5μmから2μm程度である。この場合、ラージレンズ7Aの最も厚い部分の厚さは、例えば、1.0μmから1.5μm程度である。ラージレンズ7Aは、溝92B及び溝の上方に形成される部材8,9,72,73に対してスペーサー層として機能し、層間絶縁膜78の段差92Aを小さくする。   The size of the step 92A between the upper surface of the interlayer insulating film 70 in the peripheral circuit region 3 and the upper surface of the interlayer insulating film 70 in the pixel array 2, that is, the depth of the groove 92B is, for example, about 1.5 μm to 2 μm. is there. In this case, the thickness of the thickest portion of the large lens 7A is, for example, about 1.0 μm to 1.5 μm. The large lens 7A functions as a spacer layer for the groove 92B and the members 8, 9, 72, 73 formed above the groove, and reduces the step 92A of the interlayer insulating film 78.

イメージセンサの集光特性を改善するために、最上層の配線レベルに位置する金属膜(遮光膜)及び絶縁層が、画素アレイ2の上方から選択的に除去される場合がある。この場合、画素アレイ2を覆う層間絶縁膜70の上面と周辺回路領域3を覆う層間絶縁膜70の上面との間に、段差92Aが生じる。この段差92Aに起因して、層間絶縁膜70上面を覆うベース層の膜厚、カラーフィルタ層の膜厚及びオーバーコート層の膜厚が、不均一になる可能性がある。さらに、層間絶縁膜70の段差92A及びマイクロレンズアレイ9下方の各層71,72,73の厚さむらに起因して、マイクロレンズアレイが含む複数のマイクロレンズの形状がばらつく可能性がある。   In order to improve the light condensing characteristics of the image sensor, the metal film (light shielding film) and the insulating layer located at the uppermost wiring level may be selectively removed from above the pixel array 2 in some cases. In this case, a step 92A occurs between the upper surface of the interlayer insulating film 70 covering the pixel array 2 and the upper surface of the interlayer insulating film 70 covering the peripheral circuit region 3. Due to the step 92A, the thickness of the base layer covering the upper surface of the interlayer insulating film 70, the thickness of the color filter layer, and the thickness of the overcoat layer may be nonuniform. Furthermore, due to the unevenness in the thickness of the step 92A of the interlayer insulating film 70 and the layers 71, 72, 73 below the microlens array 9, the shapes of the plurality of microlenses included in the microlens array may vary.

例えば、カバレッジの悪い材料が、段差92Aを有する層間絶縁膜70の直上のベース層71に用いられた場合、膜厚の不均一性の悪影響は、さらに大きくなる。また、イメージセンサのチップに形成される素子の微細化に伴って、画素アレイ2及び周辺回路領域3間に生じる層間絶縁膜の段差92Aは、セルサイズに対して相対的に大きくなる傾向がある。   For example, when a material with poor coverage is used for the base layer 71 immediately above the interlayer insulating film 70 having the step 92A, the adverse effect of film thickness non-uniformity is further increased. Further, as the elements formed on the image sensor chip are miniaturized, the step 92A of the interlayer insulating film generated between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 tends to be relatively large with respect to the cell size. .

マイクロレンズアレイ9の下地層70,71,72,73の段差92A及び不均一性に起因して、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界近傍において、マイクロレンズの特性が劣化し、画素アレイの外周部に照射される光の光量が、画素アレイの中央部に比較して、低下する。この結果として、イメージセンサにシェーディングが発生し、イメージセンサによって形成される画像のクオリティ(画質)が劣化する。   Due to the step 92A and the non-uniformity of the underlying layers 70, 71, 72, 73 of the microlens array 9, the characteristics of the microlens deteriorate near the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3, and the pixel array The amount of light irradiated on the outer peripheral portion of the pixel array is lower than that in the central portion of the pixel array. As a result, shading occurs in the image sensor, and the quality (image quality) of the image formed by the image sensor deteriorates.

本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ2と周辺回路領域3との間の段差92Aに起因した層間絶縁膜70の溝(絶縁層70の開口部)92B内に、レンズ(ラージレンズ又は内部レンズ)7Aが設けられている。 In the image sensor of the present embodiment, the internal or the groove (insulating layer 70 fourth opening portion) in 92B of the interlayer insulating film 70 due to the step 92A, the lens (large lens between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 Lens) 7A is provided.

本実施形態のイメージセンサにおいて、溝92B内のレンズ7Aは、層間絶縁膜70の段差92Aに対するスペーサー層として機能し、画素アレイ2上方と周辺回路領域3上方とに生じた段差92Aが、レンズ7Aによって小さくされる。それゆえ、マイクロレンズアレイ9の下地となる各層71,72,73の厚さの不均一性を抑制でき、それらの層71,72,73上方に形成されるマイクロレンズの特性ばらつきを低減できる。   In the image sensor of this embodiment, the lens 7A in the groove 92B functions as a spacer layer for the step 92A of the interlayer insulating film 70, and the step 92A generated above the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is the lens 7A. Is reduced by. Therefore, it is possible to suppress the non-uniformity of the thickness of each layer 71, 72, 73 serving as the base of the microlens array 9, and to reduce the characteristic variation of the microlens formed above these layers 71, 72, 73.

本実施形態のイメージセンサにおいて、レンズ7Aは、マイクロレンズアレイ9と画素アレイ2との間に設けられている。そのため、層間絶縁膜70内のレンズ7Aによって、マイクロレンズからの光が集光され、かつ、光電変換部(フォトダイオード)に対する入射角が緩和され、光電変換部PDに照射される。   In the image sensor of this embodiment, the lens 7A is provided between the microlens array 9 and the pixel array 2. Therefore, the light from the microlens is condensed by the lens 7A in the interlayer insulating film 70, the incident angle with respect to the photoelectric conversion unit (photodiode) is relaxed, and the photoelectric conversion unit PD is irradiated.

本実施形態のイメージセンサのように、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界近傍の段差92Aに起因した層間絶縁膜70の溝92B内に、レンズ7Aが設けられることによって、画素アレイ2に対する集光特性を改善でき、光電変換部PDに照射される光量の低減を防止できる。それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。   As in the image sensor of the present embodiment, the lens 7A is provided in the groove 92B of the interlayer insulating film 70 caused by the step 92A in the vicinity of the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3, thereby Condensing characteristics can be improved, and a reduction in the amount of light applied to the photoelectric conversion unit PD can be prevented. Therefore, the image sensor of this embodiment can suppress shading of the image sensor.

さらに、本実施形態のイメージセンサは、画素アレイ2に対応するように、1つのレンズ7Aが層間絶縁膜70内に設けられている。それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、複数のレンズが光電変換部に対応するように層間絶縁膜7A内に設けられる場合に比較して、層間絶縁膜内のレンズの特性ばらつきを考慮する必要はなく、レンズの製造工程が過剰に増大するのを抑制できる。   Furthermore, in the image sensor of this embodiment, one lens 7 </ b> A is provided in the interlayer insulating film 70 so as to correspond to the pixel array 2. Therefore, in the image sensor of this embodiment, it is necessary to consider variation in the characteristics of the lenses in the interlayer insulating film, compared to the case where a plurality of lenses are provided in the interlayer insulating film 7A so as to correspond to the photoelectric conversion unit. No, it is possible to suppress an excessive increase in the lens manufacturing process.

以上のように、第1の実施形態の固体撮像装置によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the first embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the image quality of the formed image.

(b) 製造方法
図3乃至図6を用いて、第1の実施形態の固体撮像装置(イメージセンサ)の製造方法について、説明する。図4乃至図6は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の各工程における断面構造を示している。尚、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、後述のイメージセンサの各構成要素の形成順序は、プロセスの整合性が確保されていれば、適宜変更されてもよい。
(B) Manufacturing method
A method for manufacturing the solid-state imaging device (image sensor) according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 6 show cross-sectional structures in the respective steps of the image sensor manufacturing method of the present embodiment. Note that in the image sensor manufacturing method of the present embodiment, the order in which components of the image sensor described later are formed may be appropriately changed as long as process consistency is ensured.

図4に示されるように、P型及びN型のウェル領域12及び素子分離層15,19が、半導体基板10、例えば、P型シリコン基板10内に、それぞれ形成される。尚、半導体基板10は、SOI基板でもよい。   As shown in FIG. 4, P-type and N-type well regions 12 and element isolation layers 15 and 19 are formed in a semiconductor substrate 10, for example, a P-type silicon substrate 10. The semiconductor substrate 10 may be an SOI substrate.

ウェル領域12及び不純物層の素子分離層は、フォトリソグラフィ技術によって形成されたマスクや、イオン注入における不純物イオンの加速エネルギーの制御によって、半導体基板10内の所定の位置に、形成される。   The well region 12 and the element isolation layer of the impurity layer are formed at predetermined positions in the semiconductor substrate 10 by a mask formed by a photolithography technique or by controlling acceleration energy of impurity ions in ion implantation.

また、絶縁体からなる素子分離層の形成工程において、素子分離溝が、フォトリソグラフィ技術及びRIE(Reactive Ion Etching)法によって、半導体基板10内に形成される。素子分離溝内に、絶縁体が、CVD(Chemical Vapor Deposition)法又は塗布法によって埋め込まれる。これによって、絶縁体の素子分離層15が、半導体基板10内の所定の位置に形成される。   In the step of forming an element isolation layer made of an insulator, an element isolation groove is formed in the semiconductor substrate 10 by photolithography and RIE (Reactive Ion Etching). An insulator is embedded in the element isolation trench by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a coating method. As a result, an insulating element isolation layer 15 is formed at a predetermined position in the semiconductor substrate 10.

このように、半導体基板10内に、隣接する素子を電気的に分離する素子分離領域(絶縁膜又は不純物層)が形成され、画素アレイ2とこれに隣接する周辺回路領域3とが、それぞれ半導体基板10内に区画される。また、画素アレイ2内において、単位セルの形成領域としてのアクティブ領域が、形成された素子分離領域によって定義される。   As described above, an element isolation region (insulating film or impurity layer) for electrically isolating adjacent elements is formed in the semiconductor substrate 10, and the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 adjacent thereto are respectively connected to the semiconductor. It is partitioned in the substrate 10. In the pixel array 2, an active region as a unit cell formation region is defined by the formed element isolation region.

フォトリソグラフィ技術によって、レジストマスク(図示せず)が半導体基板10上に、形成される。レジストマスクは、フォトダイオードの形成領域に対応した開口部が、形成されている。開口部を有するレジストマスクをマスクに用いて、不純物層21が、イオン注入法によって半導体基板10内に、形成される。半導体基板10がP型の半導体基板である場合、例えば、少なくとも1つのN型の不純物層21が、半導体基板10内に形成される。これによって、イメージセンサの各画素に対応するフォトダイオードPDが、画素アレイ2内に、形成される。尚、フォトダイオードの特性を向上させるため、複数のP型及びN型の不純物層が、フォトダイオード形成領域内に、形成されてもよい。   A resist mask (not shown) is formed on the semiconductor substrate 10 by photolithography. The resist mask has an opening corresponding to the formation region of the photodiode. The impurity layer 21 is formed in the semiconductor substrate 10 by an ion implantation method using a resist mask having an opening as a mask. When the semiconductor substrate 10 is a P-type semiconductor substrate, for example, at least one N-type impurity layer 21 is formed in the semiconductor substrate 10. As a result, a photodiode PD corresponding to each pixel of the image sensor is formed in the pixel array 2. In order to improve the characteristics of the photodiode, a plurality of P-type and N-type impurity layers may be formed in the photodiode formation region.

トランジスタの形成領域において、半導体基板10上に、ゲート絶縁膜32が、例えば、熱酸化法によって、半導体基板10上に形成される。ゲート絶縁膜32上に、例えば、シリコン層が、CVD法により、堆積される。そして、フォトリソグラフィ技術及びRIE法によって、所定のゲート長及びゲート幅のゲート電極31が、ゲート絶縁膜32を挟んで、半導体基板10の表面(第1の面)上に形成される。例えば、形成されたゲート電極51がマスクとして用いられ、イオン注入法によって、ソース及びドレインとしての不純物層33が、半導体基板10内に形成される。これによって、半導体基板10の表面上に、単位セル20の電界効果トランジスタ(図示せず)及び周辺回路の電界効果トランジスタTrが、画素アレイ2内及び周辺回路領域3内にそれぞれ形成される。   In the transistor formation region, a gate insulating film 32 is formed on the semiconductor substrate 10 by, for example, a thermal oxidation method. For example, a silicon layer is deposited on the gate insulating film 32 by a CVD method. Then, a gate electrode 31 having a predetermined gate length and gate width is formed on the surface (first surface) of the semiconductor substrate 10 with the gate insulating film 32 interposed therebetween by a photolithography technique and an RIE method. For example, the formed gate electrode 51 is used as a mask, and an impurity layer 33 as a source and a drain is formed in the semiconductor substrate 10 by ion implantation. As a result, the field effect transistor (not shown) of the unit cell 20 and the field effect transistor Tr of the peripheral circuit are formed in the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 on the surface of the semiconductor substrate 10, respectively.

フローティングディフュージョンとしての不純物層(図示せず)が、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、画素アレイ2のアクティブ領域内の所定の位置において、半導体基板10内に形成される。フローティングディフュージョンは、フォトダイオードが含む不純物層と共通の工程で形成されてもよいし、ソース/ドレインとしての不純物層と共通の工程で形成されてもよいし、これらとは別の工程で形成されてもよい。   An impurity layer (not shown) as a floating diffusion is formed in the semiconductor substrate 10 at a predetermined position in the active region of the pixel array 2 by photolithography and ion implantation. The floating diffusion may be formed in a process common to the impurity layer included in the photodiode, may be formed in a process common to the impurity layer as the source / drain, or formed in a process different from these processes. May be.

尚、単位セル20の電界効果トランジスタ及び周辺回路の電界効果トランジスタTrは、同時の工程で形成されてもよいし、それぞれ別の工程で形成されてもよい。   The field effect transistor of the unit cell 20 and the field effect transistor Tr of the peripheral circuit may be formed in the same process or may be formed in different processes.

素子が形成された半導体基板10の表面上に、多層配線技術により、層間絶縁膜70としての複数の絶縁層70,70,70,70、金属膜50,55及びプラグCP,VPが、配線レベル毎に順次形成される。 A plurality of insulating layers 70 1 , 70 2 , 70 3 , 70 4 , metal films 50, 55, and plugs CP, VP as an interlayer insulating film 70 are formed on the surface of the semiconductor substrate 10 on which the element is formed by a multilayer wiring technique. Are sequentially formed for each wiring level.

例えば、層間絶縁膜70の最下層の絶縁層70は、トランジスタTrのゲート電極31及びフォトダイオードPDの上面を覆うように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、半導体基板10の表面上に堆積される。そして、堆積された絶縁層70の上面が、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて平坦化される。ゲート電極31の上部や不純物層(ソース/ドレイン又はコンタクト領域)の上部を露出させるように、コンタクトホールが、絶縁層70内に、フォトリソグラフィ技術及びRIE法を用いて、形成される。コンタクトプラグCPは、形成されたコンタクトホール内に埋め込まれる。 For example, the lowermost insulating layer 70 first interlayer insulation film 70 so as to cover the upper surface of the gate electrode 31 and the photodiode PD of the transistor Tr, by CVD (Chemical Vapor Deposition), deposited on the surface of the semiconductor substrate 10 Is done. Then, the deposited upper surface of the insulating layer 70 1, for example, is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. Upper and impurity layer of the gate electrode 31 so as to expose the upper portion of the (source / drain or the contact area), contact holes, the insulating layer 70 1, using photolithography and RIE, is formed. The contact plug CP is embedded in the formed contact hole.

アルミニウムや銅などの金属膜が、例えば、スパッタ法によって、絶縁層70上及びコンタクトプラグCP上に堆積される。堆積された金属膜50,55は、フォトリソグラフィ技術及びRIE法によって、コンタクトプラグCPに接続されるように、所定の形状に加工される。加工された金属膜(配線又は遮光膜)を覆うように、2番目の層間絶縁膜70が、最下層の層間絶縁膜70上に堆積される。これと実質的に同様の工程によって、各配線レベルにおいて、絶縁層、ビアプラグVP及び複数の金属膜50,55が、下層(基板表面側)の配線レベルから順次形成される。 Metal film such as aluminum or copper, for example, by sputtering, is deposited on the insulating layer 70 1 and on the contact plug CP. The deposited metal films 50 and 55 are processed into a predetermined shape so as to be connected to the contact plug CP by the photolithography technique and the RIE method. So as to cover the processed metal film (wiring or the light shielding film), a second interlayer insulating film 70 2 is deposited on the interlayer insulating film 70 1 of the bottom layer. By substantially the same process, an insulating layer, a via plug VP, and a plurality of metal films 50 and 55 are sequentially formed from the lower wiring level (substrate surface side) at each wiring level.

このように、所定の配線レベルの数に達するように、複数の絶縁層70,70,70,70を含む層間絶縁膜70内において、遮光膜としての金属膜55が画素アレイ2内に形成され、配線としての金属膜50が周辺回路領域3内に形成される。 As described above, the metal film 55 as the light shielding film is formed in the pixel array 2 in the interlayer insulating film 70 including the plurality of insulating layers 70 1 , 70 2 , 70 3 , and 70 4 so as to reach a predetermined number of wiring levels. A metal film 50 as a wiring is formed in the peripheral circuit region 3.

層間絶縁膜70上に、レジストが塗布される。レジストは、画素アレイ2の上方に開口部が形成されるように、フォトリソグラフィ技術及びRIE法によって、パターニングされる。所定のパターンのレジストマスク80が、層間絶縁膜70上に形成される。パターニングされたレジストマスク80をマスクに用いて、最上層の配線レベルに位置する金属膜及び絶縁層が、画素アレイ2上方から除去される。例えば、周辺回路領域3内において、3つの配線レベルの多層配線が形成された場合、金属膜の除去によって、画素アレイ2内において、2つの配線レベルの多層配線(遮光膜)が形成される。   A resist is applied on the interlayer insulating film 70. The resist is patterned by photolithography and RIE so that an opening is formed above the pixel array 2. A resist mask 80 having a predetermined pattern is formed on the interlayer insulating film 70. Using the patterned resist mask 80 as a mask, the metal film and insulating layer located at the uppermost wiring level are removed from above the pixel array 2. For example, when three wiring levels of multilayer wiring are formed in the peripheral circuit region 3, two wiring levels of multilayer wiring (light-shielding film) are formed in the pixel array 2 by removing the metal film.

この結果として、画素アレイ2と周辺回路領域3の境界近傍において、層間絶縁膜70の上面に、段差92Aが形成される。画素アレイ2の上方において、層間絶縁膜70内に溝(凹部)92Bが形成される。例えば、画素アレイ2の上方の領域において、最上層の絶縁層70内に、開口部が形成され、最上層の1つ下層の絶縁層70の上面の一部が、エッチングされる。段差92Aの大きさ(溝の深さ)は、例えば、1.5μmから2.0μm程度である。後の工程において、画素アレイ2の上方全体を覆うレンズが溝92B内に形成されるように、画素アレイ2より大きい面積を有する溝92Bが形成されることが好ましい。溝(絶縁層70の開口部)92Bの平面形状は、矩形状(四角形状)でもよいし、円形状(又は楕円形状)でもよい。尚、最上層側から2番目の絶縁層70の上面は、この溝又は開口部92Bによって露出してもよいし、最上層の絶縁層70によって覆われていてもよい。 As a result, a step 92A is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 70 in the vicinity of the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3. A groove (recess) 92 </ b> B is formed in the interlayer insulating film 70 above the pixel array 2. For example, in the upper region of the pixel array 2, the uppermost insulating layer 70 in the 4, the opening portion is formed, part of one top surface of the lower insulating layer 70 3 of the uppermost layer is etched. The size of the step 92A (groove depth) is, for example, about 1.5 μm to 2.0 μm. In a later step, it is preferable that the groove 92B having an area larger than that of the pixel array 2 is formed so that a lens covering the entire upper portion of the pixel array 2 is formed in the groove 92B. It grooves planar shape of 92B (opening of the insulating layer 70 4), may be the rectangular shape (rectangular shape), may be circular (or elliptical). Incidentally, the upper surface of the second insulating layer 70 3 from the uppermost layer side may be exposed by the groove or opening 92B, may be covered with the uppermost insulating layer 70 4.

レジストマスク80が除去された後、再配線形成技術によって、再配線層が、配線としての金属膜55に接続されるように、層間絶縁膜70上に、形成されてもよい。再配線層は、例えば、パッドとして用いられる。   After the resist mask 80 is removed, a rewiring layer may be formed on the interlayer insulating film 70 so as to be connected to the metal film 55 as a wiring by a rewiring formation technique. The rewiring layer is used as a pad, for example.

図5に示されるように、層間絶縁膜70上のレジストマスクが除去された後、第1のベース層71が、溝92B内が充填されないように、層間絶縁膜70上に堆積される。ベース層71は、塗布法又はCVD法によって、形成される。ベース層71は、数十nmから0.2μm程度の膜厚を有するように形成される。尚、ベース層71は、カバレッジ性の良い材料が用いられることが好ましい。   As shown in FIG. 5, after the resist mask on interlayer insulating film 70 is removed, first base layer 71 is deposited on interlayer insulating film 70 so as not to fill trench 92B. The base layer 71 is formed by a coating method or a CVD method. The base layer 71 is formed to have a film thickness of about several tens of nm to 0.2 μm. The base layer 71 is preferably made of a material with good coverage.

そして、レンズを形成するための層(第1のレンズ形成層)7Aが、ベース層71上に堆積される。レンズ形成層7Aの材料は、各層7A、70,71の屈折率が互いに異なるように、ベース層71及び層間絶縁膜70と異なる材料を用いて、形成される。   Then, a layer (first lens forming layer) 7 </ b> A for forming a lens is deposited on the base layer 71. The material of the lens forming layer 7A is formed using a material different from that of the base layer 71 and the interlayer insulating film 70 so that the refractive indexes of the layers 7A, 70, and 71 are different from each other.

レンズ形成層7Aは、受光面側が半球状(レンズ状)になるように、例えば、RIE法によって加工される。これによって、層間絶縁膜70の溝92B内に、ラージレンズ7Aが形成される。ラージレンズ7Aは、層間絶縁膜70に生じた段差92Aに、隣接している。   The lens forming layer 7A is processed by, for example, the RIE method so that the light receiving surface side is hemispherical (lens shape). As a result, the large lens 7A is formed in the groove 92B of the interlayer insulating film 70. The large lens 7 </ b> A is adjacent to the step 92 </ b> A generated in the interlayer insulating film 70.

ラージレンズ7Aの高さ(レンズの膜厚が最も厚い部分の寸法)は、例えば、1.0μmから1.5μm程度である。   The height of the large lens 7A (the dimension of the thickest part of the lens) is, for example, about 1.0 μm to 1.5 μm.

図6に示されるように、第2のベース層72が、例えば、CVD法又は塗布法によって、第1のベース層71上及びラージレンズ7A上に、形成される。第2のベース層72には、ラージレンズ7Aの材料と異なる材料(例えば、屈折率の異なる材料)が用いられる。   As shown in FIG. 6, the second base layer 72 is formed on the first base layer 71 and the large lens 7A by, for example, a CVD method or a coating method. For the second base layer 72, a material different from the material of the large lens 7A (for example, a material having a different refractive index) is used.

上述の工程において画素アレイ2の上方の金属膜が除去されることよって、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界部において層間絶縁膜70の上面に段差92Aが生じる。
本実施形態において、段差92Aに起因した層間絶縁膜71内の窪み(溝)92B内に、ラージレンズ7Aが設けられている。ラージレンズ7Aは、段差92Aに対するスペーサー層となるため、段差92Aの大きさが緩和される。その結果として、画素アレイ2上方と周辺回路領域3上方との間の段差が小さくなり、段差92Aに起因した第2のベース層72の不均一性(厚さのむら)は、抑制される。
By removing the metal film above the pixel array 2 in the above-described process, a step 92A is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 70 at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3.
In the present embodiment, the large lens 7A is provided in a recess (groove) 92B in the interlayer insulating film 71 due to the step 92A. Since the large lens 7A serves as a spacer layer for the step 92A, the size of the step 92A is reduced. As a result, the step between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is reduced, and nonuniformity (thickness unevenness) of the second base layer 72 due to the step 92A is suppressed.

赤、青及び緑のフィルタを含むカラーフィルタ層(顔料層)8が、画素アレイ2及びラージレンズ7Aと上下に重なる位置において、第2のベース層72上に形成される。カラーフィルタ層8は、1色のフィルタが1つの画素(フォトダイオード)に対応するように、形成されている。   A color filter layer (pigment layer) 8 including red, blue and green filters is formed on the second base layer 72 at a position overlapping the pixel array 2 and the large lens 7A. The color filter layer 8 is formed so that one color filter corresponds to one pixel (photodiode).

尚、カラーフィルタ層8が、ベース層72の厚さに応じて、レンズ7Aの上部に接触する場合がある。   Note that the color filter layer 8 may come into contact with the upper portion of the lens 7A depending on the thickness of the base layer 72.

上述のように、ラージレンズ7Aによって下層の層間絶縁膜70に生じた段差92Aが緩和され、ベース層72の厚さの不均一性が抑制される。そのため、本実施形態において、ラージレンズ層7Aが溝92B内に設けられない場合に比較して、下地層70,71,72に起因したカラーフィルタ層8の不均一性(厚さのむら)、又は、画素アレイ2及び周辺回路領域3の境界近傍におけるカラーフィルタフィルタ層8の歪み(フィルタの傾き)は、抑制される。   As described above, the step 92A generated in the lower interlayer insulating film 70 is relaxed by the large lens 7A, and the thickness non-uniformity of the base layer 72 is suppressed. Therefore, in this embodiment, compared with the case where the large lens layer 7A is not provided in the groove 92B, the non-uniformity (thickness unevenness) of the color filter layer 8 due to the base layers 70, 71, 72, or Distortion (filter inclination) of the color filter filter layer 8 in the vicinity of the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is suppressed.

図3に示されるように、オーバーコート層(平坦化層)73が、例えば、塗布法によって、第2のベース層72及びカラーフィルタ層8上に形成される。オーバーコート層73には、ラージレンズ7Aの材料と異なる材料(例えば、屈折率の異なる材料)が用いられることが好ましい。尚、オーバーコート層73は、塗布法で形成される樹脂層でもよいし、CVD法によって形成される層でもよい。   As shown in FIG. 3, an overcoat layer (planarization layer) 73 is formed on the second base layer 72 and the color filter layer 8 by, for example, a coating method. For the overcoat layer 73, a material different from the material of the large lens 7A (for example, a material having a different refractive index) is preferably used. The overcoat layer 73 may be a resin layer formed by a coating method or a layer formed by a CVD method.

オーバーコート層73上に、レンズ形成層(第2のレンズ形成層)が、マイクロレンズアレイ9を形成するために、堆積される。そのレンズ形成層から複数のマイクロレンズが形成されるように、例えば、エッチング(RIE法)によって、レンズ層が加工される。これによって、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ9が、画素アレイ2及びラージレンズ7A上方に形成される。マイクロレンズは、フォトダイオード30に1対1で対応するように形成される。   A lens forming layer (second lens forming layer) is deposited on the overcoat layer 73 in order to form the microlens array 9. The lens layer is processed by, for example, etching (RIE method) so that a plurality of microlenses are formed from the lens forming layer. As a result, a microlens array 9 including a plurality of microlenses is formed above the pixel array 2 and the large lens 7A. The microlens is formed so as to correspond to the photodiode 30 on a one-to-one basis.

本実施形態の製造方法において、段差92Aに起因した層間絶縁膜71の溝92B内に、ラージレンズ7Aが設けられることによって、層間絶縁膜71の段差92Aが小さくされ、ベース層72及びカラーフィルタ層8の不均一性が緩和される。オーバーコート層73の不均一性(厚さのむら)は緩和され、オーバーコート層73に生じる段差92Aは下地層8,72の段差92Aよりさらに低減される。この結果として、マイクロレンズアレイ9は、段差及び不均一性が小さいオーバーコート層71上に形成されるため、複数のマイクロレンズの形状のばらつきが、低減される。   In the manufacturing method of this embodiment, the large lens 7A is provided in the groove 92B of the interlayer insulating film 71 due to the step 92A, whereby the step 92A of the interlayer insulating film 71 is reduced, and the base layer 72 and the color filter layer are formed. 8 non-uniformity is mitigated. The non-uniformity (thickness unevenness) of the overcoat layer 73 is alleviated, and the step 92A generated in the overcoat layer 73 is further reduced than the step 92A of the underlayers 8 and 72. As a result, since the microlens array 9 is formed on the overcoat layer 71 with small steps and non-uniformity, variations in the shape of the plurality of microlenses are reduced.

再配線技術やTSV技術によって、イメージセンサのチップの表面側又は裏面側に、パッドが形成される。   Pads are formed on the front side or back side of the image sensor chip by rewiring technology or TSV technology.

以上の製造工程によって、第1の実施形態のイメージセンサが作製される。   Through the above manufacturing process, the image sensor of the first embodiment is manufactured.

本実施形態の固体撮像装置(イメージセンサ)の製造方法において、画素アレイ1上方の金属膜及び絶縁層が選択的に除去された後、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界部分の段差92Aに隣接するように、層間絶縁膜70の溝(絶縁層の開口部)92B内に、画素アレイ2に対応するレンズ7Aが形成される。   In the method of manufacturing the solid-state imaging device (image sensor) according to the present embodiment, the step 92A at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is removed after the metal film and the insulating layer above the pixel array 1 are selectively removed. A lens 7A corresponding to the pixel array 2 is formed in the groove (opening portion of the insulating layer) 92B of the interlayer insulating film 70 so as to be adjacent to the pixel array 2.

溝92B内のレンズ7Aは、層間絶縁膜70に生じた段差92Aに対するスペーサー層として、機能する。層間絶縁膜70内のレンズによって、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界部の段差92Aを小さくでき、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方に形成される各層71,72,73の不均一性(膜厚のむら)を抑制できる。さらに、層間絶縁膜70の溝92B内にレンズ7Aが形成されることによって、マイクロレンズアレイ9の下地層8,70,71,72,73の不均一性が低減される。それゆえ、その下地層8,70,71,72,73上に形成されるマイクロレンズの形状の不均一性は、抑制される。これによって、下地の段差や不均一性に起因したマイクロレンズの集光特性の劣化が、抑制される。   The lens 7 </ b> A in the groove 92 </ b> B functions as a spacer layer for the step 92 </ b> A generated in the interlayer insulating film 70. The lens in the interlayer insulating film 70 can reduce the step 92A at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3, and the non-existence of the layers 71, 72, 73 formed above the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 can be reduced. Uniformity (unevenness in film thickness) can be suppressed. Furthermore, by forming the lens 7 </ b> A in the groove 92 </ b> B of the interlayer insulating film 70, the non-uniformity of the underlying layers 8, 70, 71, 72, 73 of the microlens array 9 is reduced. Therefore, the non-uniformity of the shape of the microlens formed on the underlying layers 8, 70, 71, 72, 73 is suppressed. As a result, the deterioration of the condensing characteristics of the microlens due to the level difference or non-uniformity of the base is suppressed.

層間絶縁膜70内に設けられたレンズ7Aによって、マイクロレンズからの光が集光され、その集光された光がマイクロレンズに対応したフォトダイオード(画素)21へそれぞれ照射される。層間絶縁膜70内のレンズ(ラージレンズ)7Aと層間絶縁膜70上のレンズ(マイクロレンズ)9とによって、画素アレイ2に照射される光量は増大する。   Light from the microlens is collected by the lens 7A provided in the interlayer insulating film 70, and the collected light is irradiated to the photodiodes (pixels) 21 corresponding to the microlenses. The amount of light applied to the pixel array 2 is increased by the lens (large lens) 7 </ b> A in the interlayer insulating film 70 and the lens (microlens) 9 on the interlayer insulating film 70.

それゆえ、画素アレイ2の外周部(周辺回路領域側)のフォトダイオードに対する光量が、画素アレイ2の中央部のフォトダイオードに対する光量に比較して、低下するのを抑制され、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。   Therefore, the amount of light with respect to the photodiode on the outer peripheral portion (peripheral circuit region side) of the pixel array 2 is suppressed from decreasing compared to the amount of light with respect to the photodiode in the center portion of the pixel array 2, and shading of the image sensor is suppressed. Can be suppressed.

また、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、画素アレイ2に対して1つのレンズ7Aが形成されるため、複数のレンズが光電変換部に対応するように層間絶縁膜7A内に設けられる場合に比較して、層間絶縁膜内のレンズの特性ばらつきを考慮する必要はなく、レンズの製造工程が過剰に増大するのを抑制できる。   Further, in the image sensor manufacturing method of the present embodiment, since one lens 7A is formed for the pixel array 2, a plurality of lenses are provided in the interlayer insulating film 7A so as to correspond to the photoelectric conversion unit. Compared to the above, it is not necessary to consider the characteristic variation of the lens in the interlayer insulating film, and it is possible to suppress an excessive increase in the lens manufacturing process.

以上のように、第1の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。   As described above, according to the method of manufacturing the solid-state imaging device of the first embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress deterioration in the image quality of the formed image.

(2) 第2の実施形態
図7及び図8を用いて、第2の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について、説明する。尚、第1の実施形態の構成と共通の部材に関して、重複する説明は、必要に応じて行う。
(2) Second embodiment
The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, regarding the members common to the configuration of the first embodiment, overlapping description will be given as necessary.

図7は、本実施形態におけるイメージセンサの断面構造を、示している。   FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the image sensor in the present embodiment.

図7に示されるように、ラージレンズ7Aが設けられた溝92Bの内部は、第2のベース層(絶縁体)72Aによって埋め込まれてもよい。この場合、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方に、上面が平坦なベース層72Aが形成される。例えば、画素アレイの受光面(半導体基板の表面)に対して垂直方向において、溝92内の第2のベース層72Zの上面(マイクロレンズアレイ側の面)の位置は、周辺回路領域3内の第2のベース層72Zの上面の位置と実質的に同じである。または、溝92内の第2のベース層72Zの上面の位置は、周辺回路領域3内の第1のベース層71の上面の位置と実質的に同じでもよい。さらに、第1のベース層71が層間絶縁膜70上に設けられていない場合、溝92内の第2のベース層72Zの上面の位置は、周辺回路領域3内の層間絶縁膜70の上面の位置と実質的に同じでもよい。   As shown in FIG. 7, the inside of the groove 92B in which the large lens 7A is provided may be embedded with a second base layer (insulator) 72A. In this case, a base layer 72A having a flat upper surface is formed above the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3. For example, the position of the upper surface (surface on the microlens array side) of the second base layer 72Z in the groove 92 in the direction perpendicular to the light receiving surface (surface of the semiconductor substrate) of the pixel array is within the peripheral circuit region 3. The position is substantially the same as the position of the upper surface of the second base layer 72Z. Alternatively, the position of the upper surface of the second base layer 72Z in the groove 92 may be substantially the same as the position of the upper surface of the first base layer 71 in the peripheral circuit region 3. Further, when the first base layer 71 is not provided on the interlayer insulating film 70, the position of the upper surface of the second base layer 72 </ b> Z in the trench 92 is the position of the upper surface of the interlayer insulating film 70 in the peripheral circuit region 3. It may be substantially the same as the position.

カラーフィルタ層8、オーバーコート層73及びマイクロレンズアレイ9は、平坦な面上に、それぞれ形成される。カラーフィルタ層8は、画素アレイ2と周辺回路領域3の境界部の段差92Aに起因したフィルタ層の傾き(歪み)が低減され、平坦な層となる。   The color filter layer 8, the overcoat layer 73, and the microlens array 9 are each formed on a flat surface. The color filter layer 8 is a flat layer in which the inclination (distortion) of the filter layer due to the step 92A at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is reduced.

このように、溝92がラージレンズ7A及びベース層72Zによって充填されることによって、画素アレイ2と周辺回路領域3との境界近傍における層間絶縁膜70の上面の段差92Aは実質的に消失し、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方の領域は、平坦になる。それゆえ、層間絶縁膜上及びラージレンズ7A上の各層8,72A,70の厚さのむらは、抑制され、マイクロレンズの形状のばらつきは、低減される。   Thus, by filling the groove 92 with the large lens 7A and the base layer 72Z, the step 92A on the upper surface of the interlayer insulating film 70 in the vicinity of the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 substantially disappears. The area above the pixel array 2 and the peripheral circuit area 3 is flat. Therefore, the uneven thickness of each layer 8, 72A, 70 on the interlayer insulating film and the large lens 7A is suppressed, and the variation in the shape of the microlens is reduced.

したがって、本実施形態のイメージセンサは、形成される画像のシェーディングを抑制できる。   Therefore, the image sensor of this embodiment can suppress shading of the formed image.

本実施形態のイメージセンサは、例えば、以下のように形成される。図8は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の一工程における断面構造を示している。   The image sensor of this embodiment is formed as follows, for example. FIG. 8 shows a cross-sectional structure in one step of the method of manufacturing the image sensor of the present embodiment.

第1の実施形態と同様の工程によって、ラージレンズ7Aが、層間絶縁膜70の段差92Aに隣接するように、層間絶縁膜70内の溝92B内に、形成される。   The large lens 7A is formed in the groove 92B in the interlayer insulating film 70 so as to be adjacent to the step 92A of the interlayer insulating film 70 by the same process as in the first embodiment.

図8に示されるように、絶縁体72Zが、溝92B内が満たされるように、例えば、塗布法によって溝(開口部)92B内に形成される。絶縁体72Zには、ラージレンズ7Aと異なる材料が用いられる。   As shown in FIG. 8, the insulator 72Z is formed in the groove (opening) 92B by, for example, a coating method so that the inside of the groove 92B is filled. A material different from that of the large lens 7A is used for the insulator 72Z.

例えば、図7に示されるように、絶縁体72Zの上面が、例えば、CMP法によって、平坦化される。これによって、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方を覆う絶縁膜72Zの上面が、平坦になる。尚、塗布法によって、絶縁体72Zがベース層71上及びラージレンズ7A上に形成される場合、流動性の高い塗布溶液によって実質的に平坦な面が形成されるため、絶縁体72Zに対する平坦化処理は、省略されてもよい。   For example, as shown in FIG. 7, the upper surface of the insulator 72Z is planarized by, eg, CMP. As a result, the upper surface of the insulating film 72Z covering the upper side of the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 becomes flat. When the insulator 72Z is formed on the base layer 71 and the large lens 7A by a coating method, a substantially flat surface is formed by the coating solution having high fluidity, so that the insulator 72Z is planarized. The process may be omitted.

このように、画素アレイ2上方の溝92B内にレンズ7Aが設けられ、さらに、溝92Bの内部が、絶縁体(第2のベース層)で充填される。これによって、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方に平坦な面が形成され、画素アレイ2と周辺回路領域3と境界部において層間絶縁膜70に生じた段差が解消される。   Thus, the lens 7A is provided in the groove 92B above the pixel array 2, and the inside of the groove 92B is filled with the insulator (second base layer). As a result, a flat surface is formed above the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3, and the step generated in the interlayer insulating film 70 at the boundary between the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3 is eliminated.

それゆえ、画素アレイ2及び周辺回路領域3の上方のほぼ平坦な面上に、カラーフィルタ層8及びマイクロレンズアレイ9が形成される。この結果として、カラーフィルタ層8及びオーバーコート層73の膜厚のむら、カラーフィルタ層8の傾き、マイクロレンズの形状のばらつきを、抑制できる。   Therefore, the color filter layer 8 and the microlens array 9 are formed on a substantially flat surface above the pixel array 2 and the peripheral circuit region 3. As a result, unevenness in the thickness of the color filter layer 8 and the overcoat layer 73, inclination of the color filter layer 8, and variation in the shape of the microlens can be suppressed.

したがって、第2の実施形態のイメージセンサは、第1の実施形態のイメージセンサと同様に、イメージセンサに生じるシェーディングを抑制できる。   Therefore, the image sensor of the second embodiment can suppress shading that occurs in the image sensor, similarly to the image sensor of the first embodiment.

以上のように、第2の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。   As described above, according to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress deterioration in image quality of an image to be formed.

(3) 第3の実施形態
図9乃至図12を参照して、第3の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について説明する。尚、第1及び第2の実施形態の構成要素と共通の部材に関して、重複する説明は、必要に応じて行う。
(3) Third embodiment
With reference to FIGS. 9 to 12, a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the third embodiment will be described. In addition, the overlapping description regarding the member common to the component of 1st and 2nd embodiment is performed as needed.

(a) 構造
図9を用いて、第3の実施形態の固体撮像装置(イメージセンサ)の構造について、説明する。
(A) Structure
The structure of the solid-state imaging device (image sensor) of the third embodiment will be described with reference to FIG.

第1及び第2の実施形態において、表面照射型イメージセンサについて述べた。但し、実施形態に係るイメージセンサは、裏面照射型イメージセンサでもよい。
図9は、本実施形態における裏面照射型イメージセンサの断面構造を、示している。
In the first and second embodiments, the surface irradiation type image sensor has been described. However, the image sensor according to the embodiment may be a back-illuminated image sensor.
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the backside illuminated image sensor in the present embodiment.

裏面照射型イメージセンサは、基板の裏面側が、被写体からの光の照射面となっている。裏面照射型イメージセンサは、素子(例えば、トランジスタのゲート電極)を覆う層間絶縁膜70が設けられた面(表面、第1の面)とは反対の面(裏面、第2の面)側に、カラーフィルタ層8及びマイクロレンズ9が設けられている。裏面照射型イメージセンサにおいて、支持基板19が、接着層(図示せず)によって、基板表面側の層間絶縁膜71上に貼り付けられている。   In the back side illumination type image sensor, the back side of the substrate is an irradiation surface of light from the subject. The back-illuminated image sensor has a surface (back surface, second surface) opposite to a surface (front surface, first surface) provided with an interlayer insulating film 70 covering an element (for example, a gate electrode of a transistor). The color filter layer 8 and the microlens 9 are provided. In the back-illuminated image sensor, the support substrate 19 is attached on the interlayer insulating film 71 on the substrate surface side by an adhesive layer (not shown).

本実施形態のイメージセンサにおいて、裏面照射型イメージセンサの照射面側、すなわち、半導体基板10の裏面側に、ラージレンズ7Aが設けられている。   In the image sensor of the present embodiment, a large lens 7 </ b> A is provided on the irradiation surface side of the back side illumination type image sensor, that is, on the back side of the semiconductor substrate 10.

裏面照射型イメージセンサにおいて、金属膜の遮光膜59が、半導体基板10の裏面上の保護膜(絶縁膜)75を介して、基板10の裏面側に、設けられている。遮光膜59は、第1及び第2のベース層76,77に覆われている。   In the backside illuminated image sensor, a light shielding film 59 of a metal film is provided on the back side of the substrate 10 via a protective film (insulating film) 75 on the back side of the semiconductor substrate 10. The light shielding film 59 is covered with the first and second base layers 76 and 77.

遮光膜59は、画素アレイ2の無効領域(第2の領域)2Xに、光が照射されないように、無効領域2X内の単位セル(無効セル)20X及び電界効果トランジスタTrの下方(照射面側)を覆っている。例えば、無効領域2Xとしての黒基準領域は、基準電位としての暗電圧(暗電流)を、生成及び出力するために設けられている。例えば、無効セル(黒基準セル)20XのフォトダイオードPDから出力される電圧に基づいて、リセット電圧が生成される。   The light shielding film 59 is disposed below (on the irradiation surface side) the unit cell (invalid cell) 20X and the field effect transistor Tr in the invalid region 2X so that the invalid region (second region) 2X of the pixel array 2 is not irradiated with light. ). For example, the black reference region as the invalid region 2X is provided for generating and outputting a dark voltage (dark current) as a reference potential. For example, the reset voltage is generated based on the voltage output from the photodiode PD of the invalid cell (black reference cell) 20X.

遮光膜59は、光の照射面に対して垂直方向において画素アレイ2の撮像領域(第1の領域)2Aと上下に重なる位置に、開口部92Bを有する。半導体基板10の裏面側において、撮像領域2Aの受光面が露出し、被写体からの光が撮像領域2Aに照射される。   The light shielding film 59 has an opening 92B at a position that overlaps with the imaging region (first region) 2A of the pixel array 2 in the vertical direction with respect to the light irradiation surface. On the back side of the semiconductor substrate 10, the light receiving surface of the imaging region 2A is exposed, and light from the subject is irradiated onto the imaging region 2A.

本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、遮光膜59の有無に応じた段差92Aが、撮像領域2Aと無効領域2Xとの境界部において生じる。   In the backside illuminated image sensor of the present embodiment, a step 92A according to the presence or absence of the light shielding film 59 occurs at the boundary between the imaging region 2A and the invalid region 2X.

ラージレンズ7Aは、半導体基板10の裏面側において、画素アレイ2と裏面側のマイクロレンズアレイ9との間に設けられている。   The large lens 7 </ b> A is provided between the pixel array 2 and the microlens array 9 on the back surface side on the back surface side of the semiconductor substrate 10.

ラージレンズ7Aは、段差92Aに起因した溝(遮光膜59の開口部)92B内に、設けられる。溝92Bは、遮光膜59の側面と半導体基板10の裏面とによって形成される。ラージレンズ7Aは、段差92A(遮光膜59の側面)に隣接するように、半導体基板10の裏面側に設けられている。ラージレンズ7Aは、画素の照射面に対して垂直方向において、撮像領域2Aと上下に重なる位置に配置されている。ラージレンズ7Aは、撮像領域2Aの照射面側の全体を覆うように形成されている。例えば、画素アレイの受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ2の撮像領域2Aは、ラージレンズ7Aに内接する。ラージレンズ7Aと半導体基板10の裏面との間には、絶縁膜75及びベース層76が設けられている。   The large lens 7A is provided in a groove (opening of the light shielding film 59) 92B caused by the step 92A. The groove 92 </ b> B is formed by the side surface of the light shielding film 59 and the back surface of the semiconductor substrate 10. The large lens 7A is provided on the back surface side of the semiconductor substrate 10 so as to be adjacent to the step 92A (side surface of the light shielding film 59). The large lens 7A is arranged at a position overlapping the imaging region 2A in the vertical direction with respect to the irradiation surface of the pixel. The large lens 7A is formed so as to cover the entire irradiation surface side of the imaging region 2A. For example, when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array, the imaging region 2A of the pixel array 2 is inscribed in the large lens 7A. An insulating film 75 and a base layer 76 are provided between the large lens 7 </ b> A and the back surface of the semiconductor substrate 10.

本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ7Aは、遮光膜59の開口部92B内に設けられている。ラージレンズ7Aは、段差92Aに対するスペーサー層として機能する。これによって、画素アレイ2内の撮像領域2Aと無効領域2Xとの境界において遮光膜59の有無に起因した段差92Aが、緩和される。   In the back-illuminated image sensor of this embodiment, the large lens 7A is provided in the opening 92B of the light shielding film 59. The large lens 7A functions as a spacer layer for the step 92A. Thereby, the step 92A caused by the presence or absence of the light shielding film 59 at the boundary between the imaging region 2A and the invalid region 2X in the pixel array 2 is alleviated.

それゆえ、開口部を有する遮光膜59下に形成される第2のベース層77、カラーフィルタ層8及びオーバーコート層78に、段差92Aに起因した不均一性(膜厚のむら)が生じるのを、抑制できる。そして、マイクロレンズアレイ9の下地層8,77,78の不均一性が抑制されるため、マイクロレンズの形状(特性)のばらつきは低減される。   Therefore, nonuniformity (unevenness in film thickness) due to the step 92A occurs in the second base layer 77, the color filter layer 8, and the overcoat layer 78 formed under the light shielding film 59 having the opening. Can be suppressed. And since the non-uniformity of the underlayers 8, 77, 78 of the microlens array 9 is suppressed, the variation in the shape (characteristics) of the microlenses is reduced.

本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ7Aによって、半導体基板10の裏面側に設けられたマイクロレンズアレイ9からの光が集光され、撮像領域2A内の各光電変換部PDに集光した光が照射される。   In the backside illuminated image sensor of the present embodiment, light from the microlens array 9 provided on the backside of the semiconductor substrate 10 is collected by the large lens 7A and collected in each photoelectric conversion unit PD in the imaging region 2A. Irradiated with light.

したがって、第3の実施形態のような裏面照射型イメージセンサにおいても、上述の表面照射型イメージセンサと同様に、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。   Therefore, also in the back side illumination type image sensor as in the third embodiment, shading of the image sensor can be suppressed as in the above-described front side illumination type image sensor.

以上のように、第3の実施形態の固体撮像装置によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the third embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the image quality of the formed image.

(b) 製造方法
図9乃至図12を参照して、第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法について、説明する。本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、裏面照射型イメージセンサの製造方法に関する。図10乃至図12は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の各工程における断面構造を示している。
(B) Manufacturing method
A manufacturing method of the solid-state imaging device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. The manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment is related with the manufacturing method of a back irradiation type image sensor. 10 to 12 show cross-sectional structures in respective steps of the image sensor manufacturing method of the present embodiment.

図10に示されるように、第1及び第2の実施形態と同様に、フォトダイオードを含む単位セル20が、半導体基板10の画素アレイ2内に形成され、トランジスタTrなどの周辺回路を形成する素子が、半導体基板10の周辺回路領域3内に形成される。トランジスタTrのゲート電極31は、半導体基板10の表面上に形成される。半導体基板10の表面(第1の面)上に、配線(金属膜)50を含む層間絶縁膜70が、形成される。層間絶縁膜70の上面は、平坦化される。   As shown in FIG. 10, as in the first and second embodiments, unit cells 20 including photodiodes are formed in the pixel array 2 of the semiconductor substrate 10 to form peripheral circuits such as transistors Tr. Elements are formed in the peripheral circuit region 3 of the semiconductor substrate 10. The gate electrode 31 of the transistor Tr is formed on the surface of the semiconductor substrate 10. An interlayer insulating film 70 including a wiring (metal film) 50 is formed on the surface (first surface) of the semiconductor substrate 10. The upper surface of the interlayer insulating film 70 is planarized.

支持基板17が、半導体基板10の表面側において、接着層(図示せず)を介して層間絶縁膜70に貼り付けられる。   The support substrate 17 is attached to the interlayer insulating film 70 via an adhesive layer (not shown) on the surface side of the semiconductor substrate 10.

図11に示されるように、半導体基板10の裏面に、例えば、グライディング(研磨)、CMP法及びウェットエッチングなどが施され、半導体基板10の厚さが、薄くされる。   As shown in FIG. 11, for example, gliding (polishing), a CMP method, wet etching, or the like is performed on the back surface of the semiconductor substrate 10 to reduce the thickness of the semiconductor substrate 10.

半導体基板10が薄くされた後、半導体基板10の裏面上に、保護膜(絶縁膜)75が形成される。
金属膜59が、例えば、スパッタ法によって、保護膜75上に堆積される。フォトリソグラフィ技術によって、所定のパターンのレジストマスク82が金属膜59上に形成される。レジストマスク82は、画素アレイ2の撮像領域2Aに対応する位置に開口部が形成されている。
After the semiconductor substrate 10 is thinned, a protective film (insulating film) 75 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 10.
A metal film 59 is deposited on the protective film 75 by sputtering, for example. A resist mask 82 having a predetermined pattern is formed on the metal film 59 by photolithography. The resist mask 82 has an opening at a position corresponding to the imaging region 2 </ b> A of the pixel array 2.

パターニングされたレジストマスク82をマスクに用いて、半導体基板10の裏面側の金属膜59が、例えば、RIE法によってエッチングされる。これによって、半導体基板の裏面側に、開口部を有する遮光膜59が、形成される。遮光膜59によって、画素アレイ2内に撮像領域2Aと無効領域2Xとが、形成される。基板10の表面に対して垂直方向において遮光膜59の開口部92Bと上下に重なる位置に、撮像領域2Aが形成され、遮光膜59と上下に重なる位置に、無効領域(黒基準領域)が形成される。このように、裏面照射型イメージセンサの画素アレイ2における光の照射面が、露出する。遮光膜59を形成するための金属膜の膜厚は、無効領域に対する遮光性を確保するために、厚いことが好ましい。   Using the patterned resist mask 82 as a mask, the metal film 59 on the back surface side of the semiconductor substrate 10 is etched by, for example, the RIE method. As a result, a light shielding film 59 having an opening is formed on the back side of the semiconductor substrate. By the light shielding film 59, the imaging region 2A and the invalid region 2X are formed in the pixel array 2. The imaging region 2A is formed at a position that vertically overlaps the opening 92B of the light shielding film 59 in the direction perpendicular to the surface of the substrate 10, and an invalid area (black reference region) is formed at a position that overlaps the light shielding film 59 vertically. Is done. In this way, the light irradiation surface of the pixel array 2 of the back-illuminated image sensor is exposed. The film thickness of the metal film for forming the light shielding film 59 is preferably thick in order to ensure the light shielding property for the ineffective region.

半導体基板10の裏面側において、遮光膜59に覆われない部分と遮光膜59に覆われた部分との境界部分に、すなわち、画素アレイ2の撮像領域2Aと無効領域2Xとの境界部分に、段差92Aが形成される。この結果として、遮光膜59の開口部に対応する部分92Bが、溝92Bとなる。   On the back side of the semiconductor substrate 10, at the boundary portion between the portion not covered by the light shielding film 59 and the portion covered by the light shielding film 59, that is, at the boundary portion between the imaging region 2 </ b> A and the invalid region 2 </ b> X of the pixel array 2, A step 92A is formed. As a result, the portion 92B corresponding to the opening of the light shielding film 59 becomes the groove 92B.

図12に示されるように、レジストマスクが除去された後、第1のベース層76が、例えば、CVD法又は塗布法によって、半導体基板10の裏面側の遮光膜59及び保護膜75上に形成される。   As shown in FIG. 12, after the resist mask is removed, the first base layer 76 is formed on the light shielding film 59 and the protective film 75 on the back surface side of the semiconductor substrate 10 by, for example, the CVD method or the coating method. Is done.

第1のベース層76上に、レンズ形成層が堆積される。レンズ形成層は、エッチングによって半球状に加工され、ラージレンズ7Aが、遮光膜59の開口部92B内に形成される。   A lens forming layer is deposited on the first base layer 76. The lens forming layer is processed into a hemispherical shape by etching, and the large lens 7A is formed in the opening 92B of the light shielding film 59.

図9に示されるように、ラージレンズ7Aが形成された後、第1及び第2の実施形態と実質的に同じ工程によって、半導体基板10の裏面側において、第1のベース層76及びラージレンズ7A上に、第2のベース層77、カラーフィルタ層8及びオーバーコート層78が形成される。   As shown in FIG. 9, after the large lens 7A is formed, the first base layer 76 and the large lens are formed on the back surface side of the semiconductor substrate 10 by substantially the same process as in the first and second embodiments. A second base layer 77, a color filter layer 8, and an overcoat layer 78 are formed on 7A.

開口部92Bに設けられたラージレンズ7Aは、スペーサー層として、遮光膜59の有無に起因した段差92Aの大きさを緩和させる。その結果として、ベース層76及びラージレンズ7A上に積層される各層8,77,78の不均一性(膜厚のむら)を、抑制できる。   The large lens 7A provided in the opening 92B relaxes the size of the step 92A due to the presence or absence of the light shielding film 59 as a spacer layer. As a result, the non-uniformity (unevenness of film thickness) of each layer 8, 77, 78 laminated on the base layer 76 and the large lens 7A can be suppressed.

オーバーコート層78上に、マイクロレンズアレイ9が、形成される。半導体基板の裏面側のマイクロレンズアレイ9は、段差92Aが小さく、且つ、不均一性が抑制された下地層8,77,78上に形成される。そのため、マイクロレンズアレイ9内のマイクロレンズの形状のばらつきは、低減される。   On the overcoat layer 78, the microlens array 9 is formed. The microlens array 9 on the back surface side of the semiconductor substrate is formed on the underlayers 8, 77, 78 in which the step 92A is small and nonuniformity is suppressed. Therefore, the variation in the shape of the microlens in the microlens array 9 is reduced.

以上のように、本実施形態の製造方法において、半導体基板の裏面側において遮光膜の有無によって生じた段差92Aは、その段差92Aに隣接するように、レンズ7Aが遮光膜59の開口部(溝)92B内に形成されることによって、緩和される。   As described above, in the manufacturing method of the present embodiment, the lens 7A has the opening (groove) of the light shielding film 59 so that the step 92A caused by the presence or absence of the light shielding film on the back side of the semiconductor substrate is adjacent to the step 92A. ) Relaxed by being formed in 92B.

それゆえ、第3の実施形態の製造方法によれば、第1及び第2の実施形態と同様に、ラージレンズ7Aが溝(開口部)92B内に設けられることによって、段差92Aが生じた後に形成される各層8,77,78に、段差92Aに起因した不均一性(膜厚のむら)が生じるのを抑制できる。そして、下地層としての各層8,77,78上に形成されるマイクロレンズアレイ9において、マイクロレンズの形状のばらつきを低減できる。さらに、裏面照射側イメージセンサにおいて、画素アレイ2の撮像領域2Aとマイクロレンズアレイ9と間に、画素アレイ2に対応したラージレンズ7Aが形成されることによって、そのラージレンズ7Aが、光電変換部に対する光の照射をアシストする。   Therefore, according to the manufacturing method of the third embodiment, as in the first and second embodiments, after the large lens 7A is provided in the groove (opening) 92B, the step 92A is generated. It is possible to suppress the occurrence of non-uniformity (unevenness in film thickness) due to the step 92A in each of the formed layers 8, 77, and 78. Then, in the microlens array 9 formed on each of the layers 8, 77, and 78 as the base layer, variation in the shape of the microlens can be reduced. Further, in the backside illumination side image sensor, a large lens 7A corresponding to the pixel array 2 is formed between the imaging region 2A of the pixel array 2 and the microlens array 9, so that the large lens 7A is converted into a photoelectric conversion unit. Assists in the irradiation of light.

これによって、本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、イメージセンサの集光特性が改善される。   Thereby, in the backside illuminated image sensor of the present embodiment, the light condensing characteristics of the image sensor are improved.

したがって、本実施形態の製造方法によって、シェーディングを抑制できるイメージセンサを形成できる。   Therefore, an image sensor capable of suppressing shading can be formed by the manufacturing method of the present embodiment.

以上のように、第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。   As described above, according to the method of manufacturing the solid-state imaging device of the third embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress deterioration in the image quality of the formed image.

(4) 第4の実施形態
図13を参照して、第4の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について、説明する。本実施形態の固体撮像装置は、第3の実施形態と同様に、裏面照射型イメージセンサである。
(4) Fourth embodiment
With reference to FIG. 13, the solid-state imaging device of 4th Embodiment and its manufacturing method are demonstrated. The solid-state imaging device according to the present embodiment is a back-illuminated image sensor as in the third embodiment.

図13は、本実施形態における裏面照射型イメージセンサの断面構造を、示している。   FIG. 13 shows a cross-sectional structure of the backside illuminated image sensor in the present embodiment.

本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ7Aが配置される溝92Bの内部、すなわち、撮像領域2Aに対応するように形成された遮光膜59内の開口部92B内が、第2の実施形態と同様に、絶縁体(第2のベース層)77Aによって満たされてもよい。これによって、撮像領域2Aと無効領域2Xとの境界部分の段差92Aが解消される。そして、半導体基板の裏面側(マイクロレンズが設けられた側)において、段差92Aがベース層77Aに生じずに、ベース層77Aは、平坦な面を有する。   In the backside illuminated image sensor of this embodiment, the inside of the groove 92B in which the large lens 7A is disposed, that is, the inside of the opening 92B in the light shielding film 59 formed so as to correspond to the imaging region 2A is the second. Similar to the embodiment, the insulator (second base layer) 77A may be filled. As a result, the step 92A at the boundary between the imaging region 2A and the invalid region 2X is eliminated. Then, on the back side of the semiconductor substrate (the side where the microlens is provided), the step 92A does not occur in the base layer 77A, and the base layer 77A has a flat surface.

第2のベース層77Aは、第2の実施形態で述べたのと同様に、塗布法によって形成されてもよいし、CMP法によって平坦化処理されてもよい。   The second base layer 77A may be formed by a coating method as described in the second embodiment, or may be planarized by a CMP method.

本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、半導体基板10の裏面側のカラーフィルタ層8、オーバーコート層78及びマイクロレンズアレイ9は、平坦な面を有する下地層(ベース層)77A上に、それぞれ形成される。それゆえ、本実施形態の裏面照射型イメージセンサは、各層8,78の不均一性を抑制でき、マイクロレンズ9の形状のばらつきを低減できる。   In the backside illuminated image sensor of this embodiment, the color filter layer 8, the overcoat layer 78, and the microlens array 9 on the backside of the semiconductor substrate 10 are respectively formed on a base layer (base layer) 77A having a flat surface. It is formed. Therefore, the backside illuminated image sensor according to the present embodiment can suppress the non-uniformity of the layers 8 and 78 and reduce the variation in the shape of the microlens 9.

それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、形成される画像のシェーディングを抑制できる。
したがって、第4の実施形態の固体撮像装置及び製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。
Therefore, the image sensor of this embodiment can suppress shading of the formed image.
Therefore, according to the solid-state imaging device and the manufacturing method of the fourth embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the image quality of the formed image.

(5) 応用例
図14を参照して、実施形態の固体撮像装置の応用例について、説明する。尚、上述の各実施形態で述べた構成要素には、共通の符号を付し、それらの構成要素の説明は、必要に応じて行う。
(5) Application examples
An application example of the solid-state imaging device according to the embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component described in each above-mentioned embodiment, and description of those components is performed as needed.

第1乃至第4の実施形態で述べた固体撮像装置(イメージセンサ)は、例えば、カメラモジュール100に適用できる。   The solid-state imaging device (image sensor) described in the first to fourth embodiments can be applied to the camera module 100, for example.

図14は、本実施形態のイメージセンサ1を含むカメラモジュール100を模式的に示す断面図である。   FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a camera module 100 including the image sensor 1 of the present embodiment.

カメラモジュール100は、イメージセンサ1のチップを含んでいる。カメラモジュール100は、イメージセンサ1のチップに加え、例えば、信号処理部(図示せず)、演算部(図示せず)、入出力部(図示せず)及び光学レンズユニット200を有する。   The camera module 100 includes a chip of the image sensor 1. In addition to the chip of the image sensor 1, the camera module 100 includes, for example, a signal processing unit (not shown), a calculation unit (not shown), an input / output unit (not shown), and an optical lens unit 200.

信号処理部(例えば、DSP:Digital Signal Processor)は、イメージセンサ1から出力された電気信号を処理する。入出力部は、モジュール100内からの信号及び外部からの信号のインタフェースとして機能する。光学レンズユニット200は、入射光をイメージセンサ1に集光し、入射光に対応する画像をイメージセンサ1上に結像させる。演算部(例えば、MPU:Micro - Processing Unit)は、外部からの信号に基づいて、モジュール100全体の動作を制御する。   A signal processing unit (for example, DSP: Digital Signal Processor) processes an electrical signal output from the image sensor 1. The input / output unit functions as an interface for signals from within the module 100 and signals from the outside. The optical lens unit 200 condenses incident light on the image sensor 1 and forms an image corresponding to the incident light on the image sensor 1. A calculation unit (for example, MPU: Micro-Processing Unit) controls the operation of the entire module 100 based on an external signal.

図14に示されるように、本実施形態のイメージセンサ1は、遮光性を有するシールド(外囲器)101,102内に搭載される。   As shown in FIG. 14, the image sensor 1 of the present embodiment is mounted in shields (envelopes) 101 and 102 having light shielding properties.

イメージセンサ1は、例えば、下部シールド101内部の実装基板(図示せず)上に設けられる。イメージセンサは、電極(例えば、半田ボール又はバンプ)6又はボンディングワイヤ(図示せず)によって、実装基板に形成された配線(図示せず)に接続される。   For example, the image sensor 1 is provided on a mounting board (not shown) inside the lower shield 101. The image sensor is connected to wiring (not shown) formed on the mounting substrate by electrodes (for example, solder balls or bumps) 6 or bonding wires (not shown).

下部シールド101の底部上には、例えば、半田ボール(または半田バンプ)109が設けられる。半田ボール109を介して、カメラモジュール100が、実装基板(図示せず)上の他の回路に接続される。   On the bottom of the lower shield 101, for example, solder balls (or solder bumps) 109 are provided. The camera module 100 is connected to another circuit on the mounting substrate (not shown) via the solder ball 109.

光学レンズユニット200は、シールド101,102内に搭載される。光学レンズユニット200は、イメージセンサ1の受光面に対して垂直方向に位置するように、上部シールド102によって保持されている。光学レンズユニット200は、複数のレンズ201,202を有する。例えば、複数のレンズ201,202は、屈折率がそれぞれ異なる。尚、図14において、2個のレンズ201,202が、光学レンズユニット200内に設けられている例が示されているが、レンズの個数は2個に限定されず、1個でもよいし、3個以上でもよいのは、もちろんである。   The optical lens unit 200 is mounted in the shields 101 and 102. The optical lens unit 200 is held by the upper shield 102 so as to be positioned perpendicular to the light receiving surface of the image sensor 1. The optical lens unit 200 has a plurality of lenses 201 and 202. For example, the plurality of lenses 201 and 202 have different refractive indexes. 14 shows an example in which two lenses 201 and 202 are provided in the optical lens unit 200. However, the number of lenses is not limited to two, and may be one. Of course, three or more may be used.

イメージセンサ1と光学レンズユニット200との間において、例えば、ガラス基板(カバーガラス)105が、シールド102内に設けられている。ガラス基板105は、下部シールド101と上部シールド102とに挟まれることによって、シールド101,102内に保持されている。   For example, a glass substrate (cover glass) 105 is provided in the shield 102 between the image sensor 1 and the optical lens unit 200. The glass substrate 105 is held in the shields 101 and 102 by being sandwiched between the lower shield 101 and the upper shield 102.

被写体からの光は、シールドユニット101,102に形成された開口部を介して、光学レンズユニット200に照射され、光学レンズユニット200は照射された光を集光する。イメージセンサ1の照射面に対する被写体からの光の入射角は、光学レンズユニット200内の複数のレンズ201,202の組み合わせによって、変化(調整)される。光学レンズユニット200からの光は、ガラス基板105を介して、イメージセンサ1に照射される。その光は、イメージセンサ1のマイクロレンズアレイ9及び層間絶縁膜内のラージレンズ7Aを介して、画素アレイ(撮像領域)2内の各画素20に照射される。   Light from the subject is applied to the optical lens unit 200 through the openings formed in the shield units 101 and 102, and the optical lens unit 200 condenses the irradiated light. The incident angle of light from the subject with respect to the irradiation surface of the image sensor 1 is changed (adjusted) by the combination of the plurality of lenses 201 and 202 in the optical lens unit 200. Light from the optical lens unit 200 is applied to the image sensor 1 through the glass substrate 105. The light is irradiated to each pixel 20 in the pixel array (imaging region) 2 through the microlens array 9 of the image sensor 1 and the large lens 7A in the interlayer insulating film.

本実施形態のイメージセンサは、マイクロレンズ9と画素アレイ2との間に、画素アレイ2に対応するラージレンズ7Aを含む。ラージレンズ7Aは、チップ内で互いに隣接する2つの領域の境界部の段差92Aに隣接するように設けられることによって、スペーサー層として機能し、層間絶縁膜70及びラージレンズ7A上に設けられる各部材に対して、段差92Aの大きさを緩和する。これによって、段差92Aに起因した各層の不均一性(厚さのむら)が抑制され、マイクロレンズアレイ9の各マイクロレンズの形状及び特性のばらつきを低減する。また、ラージレンズ7Aは、マイクロレンズアレイ9からの光をさらに集光し、画素アレイの各光電変換部(フォトダイオード)20に照射する。このように、ラージレンズ7Aは、イメージセンサの集光特性を改善する。   The image sensor of this embodiment includes a large lens 7 </ b> A corresponding to the pixel array 2 between the microlens 9 and the pixel array 2. The large lens 7A functions as a spacer layer by being provided adjacent to the step 92A at the boundary between two regions adjacent to each other in the chip, and each member provided on the interlayer insulating film 70 and the large lens 7A. In contrast, the size of the step 92A is reduced. Thereby, non-uniformity (thickness unevenness) of each layer due to the step 92A is suppressed, and variations in the shape and characteristics of each microlens of the microlens array 9 are reduced. The large lens 7A further collects the light from the microlens array 9 and irradiates each photoelectric conversion unit (photodiode) 20 of the pixel array. Thus, the large lens 7A improves the light collection characteristics of the image sensor.

それゆえ、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、例えば、シェーディングなどの画質の劣化を抑制できる。   Therefore, the camera module including the image sensor according to the present embodiment can suppress deterioration in image quality such as shading.

本実施形態のイメージセンサ1のチップがマイクロレンズ9に加えてラージレンズ7Aを含むことによって、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、光学レンズユニット200内のレンズ201,202の個数を削減できる。さらに、光学レンズユニット200のレンズの個数を削減できることによって、カメラモジュールを薄型化できる。   Since the chip of the image sensor 1 of the present embodiment includes the large lens 7A in addition to the microlens 9, the camera module including the image sensor of the present embodiment reduces the number of lenses 201 and 202 in the optical lens unit 200. it can. Furthermore, since the number of lenses of the optical lens unit 200 can be reduced, the camera module can be thinned.

カメラモジュールの光学レンズユニット200は、カメラモジュールに要求される仕様に応じて、様々な設計の制約を受ける。例えば、モジュールの面積や厚さの仕様が原因で、イメージセンサの受光面に対する光の入射角を、光学レンズユニット200によって30℃以下に設定することは、困難な場合がある。
これに対して、本実施形態のイメージセンサ1及びそれを含むカメラモジュール100は、チップ内のラージレンズ7Aが、チップ外部からの光を集光する。また、ラージレンズ7Aの形状及び材料を調整することによって、光学レンズユニット200のレンズ201,202の光学設計を、補助できる。これによって、本実施形態のイメージセンサ1を含むカメラモジュール100において、レンズに起因した画像のディストーションを抑制できる。
The optical lens unit 200 of the camera module is subject to various design restrictions depending on the specifications required for the camera module. For example, it may be difficult to set the incident angle of light with respect to the light receiving surface of the image sensor to 30 ° C. or less by the optical lens unit 200 due to the specifications of the area and thickness of the module.
On the other hand, in the image sensor 1 of the present embodiment and the camera module 100 including the image sensor 1, the large lens 7A in the chip condenses light from the outside of the chip. Moreover, the optical design of the lenses 201 and 202 of the optical lens unit 200 can be assisted by adjusting the shape and material of the large lens 7A. As a result, in the camera module 100 including the image sensor 1 of the present embodiment, image distortion due to the lens can be suppressed.

以上のように、本実施形態のイメージセンサ及びそのイメージセンサを含むカメラモジュールは、カメラモジュールのレンズの設計上の制約を緩和できる。   As described above, the image sensor of the present embodiment and the camera module including the image sensor can alleviate restrictions on the lens design of the camera module.

したがって、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、画質の向上に加え、カメラモジュールの設計の負荷を軽減できる。   Therefore, the camera module including the image sensor of the present embodiment can reduce the design load of the camera module in addition to improving the image quality.

(6) 変形例
図15及び図16を参照して、第1乃至第4の実施形態の固体撮像装置の変形例について、説明する。
(6) Modification
A modification of the solid-state imaging device according to the first to fourth embodiments will be described with reference to FIGS. 15 and 16.

上述の各実施形態において、ラージレンズ7Aの平面形状が、円形状の場合について、述べた。但し、図15及び図16に示されるように、ラージレンズは、円形以外の平面形状を有していてもよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the planar shape of the large lens 7A is circular has been described. However, as shown in FIGS. 15 and 16, the large lens may have a planar shape other than a circular shape.

図15は、本実施形態の変形例におけるイメージセンサのチップの平面図を模式的に示している。図15の(a)に示されるように、ラージレンズ7Bの平面形状は、楕円形状でもよい。また、図15の(b)に示されるように、ラージレンズ7Cの平面形状は、四角形状でもよい。   FIG. 15 schematically shows a plan view of a chip of an image sensor in a modification of the present embodiment. As shown in FIG. 15A, the planar shape of the large lens 7B may be an elliptical shape. Further, as shown in FIG. 15B, the planar shape of the large lens 7C may be a square shape.

楕円形状又は四角形状のラージレンズ7B,7Cは、図2に示される構造と同様に、画素アレイ2全体を覆うように、画素アレイ2とマイクロレンズアレイ9との間に配置されている。   The elliptical or quadrangular large lenses 7B and 7C are arranged between the pixel array 2 and the microlens array 9 so as to cover the entire pixel array 2 similarly to the structure shown in FIG.

例えば、光の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ2は楕円形状のラージレンズ7Bに内接している。例えば、楕円形状のラージレンズ7Bにおいて、ラージレンズ7Bの長軸の寸法L3Aは、画素アレイ2の長辺の寸法L2Aより大きく、ラージレンズ7Bの短軸の寸法L3Bは、画素アレイ2の短辺の寸法L2Bより大きい。   For example, when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface, the pixel array 2 is inscribed in an elliptical large lens 7B. For example, in the elliptical large lens 7B, the long axis dimension L3A of the large lens 7B is larger than the long side dimension L2A of the pixel array 2, and the short axis dimension L3B of the large lens 7B is the short side of the pixel array 2. Is larger than the dimension L2B.

例えば、四角形状のラージレンズ7Cにおいて、ラージレンズ7Cの長辺の寸法L4Aは、画素アレイ2の長辺の寸法L2A以上で、ラージレンズ7Cの短辺の寸法L4Bは、画素アレイ2の短辺の寸法L2B以上である。尚、ラージレンズ7Cの平面形状は、画素アレイ2の全体を覆う平面レイアウトであれば、四角形の角が丸くなった形状でもよい。   For example, in the rectangular large lens 7C, the long side dimension L4A of the large lens 7C is greater than or equal to the long side dimension L2A of the pixel array 2, and the short side dimension L4B of the large lens 7C is the short side of the pixel array 2. The dimension L2B or more. The planar shape of the large lens 7 </ b> C may be a shape in which square corners are round as long as the planar layout covers the entire pixel array 2.

図16に示されるように、表面照射型イメージセンサにおいて、撮像領域2Aと無効領域(例えば、黒基準領域)2Xとが画素アレイ2内に設けられる。例えば、無効領域2の遮光性を向上させるために、無効領域2Xにおいて、最上層の配線レベルに位置する金属膜を遮光膜59として、残存させる場合がある。この場合において、撮像領域2Aと無効領域2Xとの境界部分において、層間絶縁膜70の上面に段差92Aが形成され、撮像領域2Aの上方に、溝92Bが設けられる。   As shown in FIG. 16, in the surface irradiation type image sensor, an imaging region 2 </ b> A and an invalid region (for example, a black reference region) 2 </ b> X are provided in the pixel array 2. For example, in order to improve the light shielding property of the invalid region 2, the metal film located at the uppermost wiring level in the invalid region 2 </ b> X may remain as the light shielding film 59. In this case, a step 92A is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 70 at the boundary between the imaging region 2A and the ineffective region 2X, and a groove 92B is provided above the imaging region 2A.

この場合、図16に示されるように、ラージレンズ7Aが、画素アレイ2内のうち撮像領域2Aにのみ対応するように設けられてもよい。無効領域2X内の上方に、ラージレンズ7Aは設けられていない。例えば、ラージレンズ7Aが円形状の平面形状を有する場合、画素アレイ2の受光面に対して垂直方向(基板表面に対して垂直方向)から見て、撮像領域2Aが円形状のラージレンズ7Aに内接する。ラージレンズ7Aは、1つのレンズ7Aが撮像領域2A内の全ての光電変換部(有効画素)に対応するように、形成されている。   In this case, as shown in FIG. 16, the large lens 7 </ b> A may be provided so as to correspond only to the imaging region 2 </ b> A in the pixel array 2. The large lens 7A is not provided above the invalid area 2X. For example, when the large lens 7A has a circular planar shape, the imaging region 2A is a circular large lens 7A when viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface of the pixel array 2 (the direction perpendicular to the substrate surface). Inscribed. The large lens 7A is formed so that one lens 7A corresponds to all the photoelectric conversion units (effective pixels) in the imaging region 2A.

図15及び図16に示される変形例において、第1乃至第4の実施形態のイメージセンサ及びそのイメージセンサを含むカメラモジュールと同じ効果が得られる。   In the modification shown in FIGS. 15 and 16, the same effects as those of the image sensor of the first to fourth embodiments and the camera module including the image sensor can be obtained.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

2:画素アレイ、2A:撮像領域、2X:無効領域、3:周辺回路領域、20:画素、7A:レンズ、9:マイクロレンズアレイ、100:カメラモジュール、1:イメージセンサ、200:光学レンズユニット、201,202:レンズ、92A:段差、92B:溝,開口部。   2: pixel array, 2A: imaging area, 2X: invalid area, 3: peripheral circuit area, 20: pixel, 7A: lens, 9: microlens array, 100: camera module, 1: image sensor, 200: optical lens unit 201, 202: lens, 92A: step, 92B: groove, opening.

Claims (5)

半導体基板内に設けられ、光が照射される複数の第1の光電変換部を含んでいる第1の領域と、
前記半導体基板内に設けられ、前記第1の領域に隣接する第2の領域と、
前記第1の光電変換部の受光面に対して垂直方向において前記第1の領域と重なる位置に配置され、前記第1の光電変換部にそれぞれ対応する複数の第1のレンズと、
前記第1の領域と前記第1のレンズとの間において前記第1の領域と前記第2の領域との境界部の段差に隣接し、前記第1の領域に対応する第2のレンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
A first region provided in a semiconductor substrate and including a plurality of first photoelectric conversion units irradiated with light;
A second region provided in the semiconductor substrate and adjacent to the first region;
A plurality of first lenses disposed at positions overlapping the first region in a direction perpendicular to the light receiving surface of the first photoelectric conversion unit, each corresponding to the first photoelectric conversion unit;
A second lens corresponding to the first region adjacent to a step at the boundary between the first region and the second region between the first region and the first lens;
A solid-state imaging device comprising:
前記半導体基板の第1の面上に設けられ、前記第1の領域と上下に重なる位置に前記溝を有する層間絶縁膜と、
前記第2の領域内に設けられた周辺素子とを、
さらに具備し、
前記第1のレンズは、前記第1の面側の前記層間絶縁膜上に設けられ、
前記第2のレンズは、前記層間絶縁膜内の前記溝内に設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
An interlayer insulating film provided on the first surface of the semiconductor substrate and having the trench at a position overlapping with the first region;
A peripheral element provided in the second region;
In addition,
The first lens is provided on the interlayer insulating film on the first surface side,
The second lens is provided in the groove in the interlayer insulating film;
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記半導体基板の第1の面上に設けられた層間絶縁膜と、
前記第2の領域内に設けられ、光が照射されない第2の光電変換部と、
前記半導体基板の前記第1の面とは反対側の第2の面側に設けられ、前記第1の領域と上下に重なる位置に開口部を有する金属膜とを、
さらに具備し、
前記第1のレンズは前記第2の面側に設けられ、
前記第2のレンズは、前記開口部内に設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
An interlayer insulating film provided on the first surface of the semiconductor substrate;
A second photoelectric conversion unit provided in the second region and not irradiated with light;
A metal film provided on the second surface side opposite to the first surface of the semiconductor substrate and having an opening at a position overlapping with the first region;
In addition,
The first lens is provided on the second surface side,
The second lens is provided in the opening.
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記第2のレンズは、前記第1の光電変換部の受光面側において前記第1の領域の全体を覆う平面レイアウトを有している、ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。   The said 2nd lens has a plane layout which covers the whole said 1st area | region in the light-receiving surface side of the said 1st photoelectric conversion part, The any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. The solid-state imaging device according to claim 1. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光を照射するレンズユニットと、
前記固体撮像装置及びレンズユニットを保持する外装器と、
を具備することを特徴とするカメラモジュール。
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
A lens unit that emits light to the solid-state imaging device;
An exterior device for holding the solid-state imaging device and the lens unit;
A camera module comprising:
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