JP2013168546A - Image sensor, method of manufacturing the same, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関し、特に、光の損失をより効果的に抑制することができるようにした撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関する。 The present disclosure relates to an imaging device, a manufacturing method, and an electronic device, and more particularly, to an imaging device, a manufacturing method, and an electronic device that can more effectively suppress light loss.
従来、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device)などの固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに広く用いられている。また、近年、撮像機能を備えた携帯電話機器などのモバイル機器に搭載されている固体撮像素子には、電源電圧が低く、低消費電力であるという観点などから、CMOSイメージセンサが多く採用されている。 Conventionally, solid-state imaging devices such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors and CCDs (Charge Coupled Devices) have been widely used in digital still cameras, digital video cameras, and the like. In recent years, CMOS image sensors have been widely used for solid-state image sensors mounted on mobile devices such as mobile phone devices having an imaging function from the viewpoint of low power supply voltage and low power consumption. Yes.
例えば、CMOSイメージセンサに入射した入射光は、画素が有する光電変換部であるPD(Photodiode:フォトダイオード)において光電変換される。そして、PDで発生した電荷は、転送トランジスタを介して、浮遊拡散領域であるFD(Floating Diffusion:フローティングディフュージョン)に転送され、増幅トランジスタが、FDに蓄積されている電荷に応じたレベルの画素信号を出力する。 For example, incident light incident on a CMOS image sensor is photoelectrically converted in a PD (Photodiode) which is a photoelectric conversion unit included in the pixel. Then, the charge generated in the PD is transferred to a floating diffusion region (FD) that is a floating diffusion region via a transfer transistor, and the amplification transistor outputs a pixel signal at a level corresponding to the charge accumulated in the FD. Is output.
ところで、CMOSイメージセンサにおいて、画素の行ごとにPDからFDへ電荷を転送するローリングシャッタ撮影が行われる場合には、光電荷を蓄積する露光期間を全ての画素で一致させることができないため、画像に歪みが発生することがあった。このような歪の発生を回避するためには、PDに蓄積されている電荷を全画素で同時に転送するグローバルシャッタ撮影を行う必用がある。 By the way, in a CMOS image sensor, when rolling shutter photography is performed in which charge is transferred from PD to FD for each row of pixels, the exposure period for accumulating photocharges cannot be made consistent for all pixels. Distortion may occur. In order to avoid the occurrence of such distortion, it is necessary to perform global shutter photography in which the charges accumulated in the PD are transferred simultaneously in all pixels.
そこで、例えば、画素ごとに電荷保持領域を設けることにより、各画素における蓄積の同時性を実現し、グローバルシャッタ撮影を行うことができるCMOSイメージセンサが提案されている。このように、画素ごとに電荷保持領域を設けたCMOSイメージセンサでは、電荷保持領域への光の入射を防止するために、半導体基板を被覆するように遮光膜が設けられる。 In view of this, for example, a CMOS image sensor has been proposed in which a charge holding region is provided for each pixel so as to achieve simultaneous storage in each pixel and perform global shutter photography. Thus, in a CMOS image sensor in which a charge holding region is provided for each pixel, a light shielding film is provided so as to cover the semiconductor substrate in order to prevent light from entering the charge holding region.
また、CMOSイメージセンサにおいて、遮光膜と、遮光膜に積層される配線層とに開口部を形成して、その開口部に光導波路を設けることによって、PDへの光の伝搬を効率良く行うことができる。しかしながら、光導波路が遮光膜に隣接するように形成される構成では、光導波路により伝搬される光が、金属遮光膜で反射または吸収されることによって損失することが懸念される。 Also, in a CMOS image sensor, an opening is formed in a light shielding film and a wiring layer laminated on the light shielding film, and an optical waveguide is provided in the opening, thereby efficiently transmitting light to the PD. Can do. However, in the configuration in which the optical waveguide is formed so as to be adjacent to the light shielding film, there is a concern that light propagated through the optical waveguide is lost due to reflection or absorption by the metal light shielding film.
これに対し、本願出願人は、特許文献1において、遮光膜と光導波路との間に中空層を形成することによって集光効率を高めた固体撮像装置を提案している。
On the other hand, the applicant of this application has proposed a solid-state imaging device in
ところで、近年、CMOSイメージセンサの微細化が進んでおり、アスペクト比(セルサイズに対する配線層の厚みの比)が高くなるのに伴って、PDの感度が低下することが想定される。そこで、従来よりも、光の損失を効果的に抑制して、PDの感度低下を回避することが求められている。 By the way, in recent years, CMOS image sensors have been miniaturized, and it is assumed that the sensitivity of the PD decreases as the aspect ratio (ratio of the thickness of the wiring layer to the cell size) increases. Therefore, it has been demanded that the loss of light be effectively suppressed to avoid a decrease in sensitivity of the PD.
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光の損失をより効果的に抑制することができるようにするものである。 This indication is made in view of such a situation, and makes it possible to control loss of light more effectively.
本開示の一側面の撮像素子は、受光した光に応じて電荷を発生する受光部が形成される半導体基板と、前記半導体基板に対して光が照射される側に成膜される遮光膜と、前記遮光膜に対して光が照射される側に形成される配線層と、前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に形成される開口部とを備え、前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される。 An imaging device according to one aspect of the present disclosure includes a semiconductor substrate on which a light receiving portion that generates an electric charge according to received light is formed, and a light shielding film that is formed on a side where light is irradiated to the semiconductor substrate. A wiring layer formed on the light-irradiating side of the light-shielding film, and an opening formed in the light-shielding film and the wiring layer to provide an optical waveguide for propagating light to the light-receiving unit. The opening is formed such that the opening formed in the light shielding film is wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light shielding film.
本開示の一側面の製造方法は、受光した光に応じて電荷を発生する受光部が形成される半導体基板に対して光が照射される側に遮光膜を成膜し、前記遮光膜に対して光が照射される側に配線層を形成し、前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に開口部を形成するステップを含み、前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される。 In one embodiment of the present disclosure, a manufacturing method includes forming a light-shielding film on a light-irradiating side of a semiconductor substrate on which a light-receiving portion that generates an electric charge according to received light is formed, Forming an opening in the light shielding film and the wiring layer in order to form a wiring layer on the side irradiated with light and to provide an optical waveguide for propagating light in the light receiving portion, The openings formed in the light shielding film are formed so as to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the openings immediately above the light shielding film.
本開示の一側面の電子機器は、受光した光に応じて電荷を発生する受光部が形成される半導体基板と、前記半導体基板に対して光が照射される側に成膜される遮光膜と、前記遮光膜に対して光が照射される側に形成される配線層と、前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に形成される開口部とを有し、前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される撮像素子を備える。 An electronic apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a semiconductor substrate on which a light receiving portion that generates an electric charge according to received light is formed, and a light shielding film that is formed on a side where light is irradiated to the semiconductor substrate. A wiring layer formed on the light-irradiating side of the light-shielding film, and an opening formed in the light-shielding film and the wiring layer to provide an optical waveguide for propagating light to the light-receiving unit. The opening includes an imaging element formed such that an opening formed in the light shielding film is wider in a radial direction by a predetermined interval than an opening immediately above the light shielding film.
本開示の一側面においては、遮光膜に形成される開口が、遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される。 In one aspect of the present disclosure, the opening formed in the light shielding film is formed to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light shielding film.
本開示の一側面によれば、光の損失をより効果的に抑制することができる。 According to one aspect of the present disclosure, light loss can be more effectively suppressed.
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present technology is applied will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an embodiment of an image sensor to which the present technology is applied.
図1に示すように、撮像素子11はCMOSイメージセンサであり、画素アレイ部12、垂直駆動部13、カラム処理部14、水平駆動部15、出力部16、および駆動制御部17を備えて構成される。
As shown in FIG. 1, the
画素アレイ部12は、アレイ状に配置された複数の画素21を有しており、画素21の行数に応じた複数の水平信号線22を介して垂直駆動部13に接続され、画素21の列数に応じた複数の垂直信号線23を介してカラム処理部14に接続されている。即ち、画素アレイ部12が有する複数の画素21は、水平信号線22および垂直信号線23が交差する点にそれぞれ配置されている。
The
垂直駆動部13は、画素アレイ部12が有する複数の画素21の行ごとに、それぞれの画素21を駆動するための駆動信号(転送信号や、選択信号、リセット信号など)を、水平信号線22を介して順次供給する。
The
カラム処理部14は、それぞれの画素21から垂直信号線23を介して出力される画素信号に対してCDS(Correlated Double Sampling:相関2重サンプリング)処理を施すことで画素信号の信号レベルを抽出し、画素21の受光量に応じた画素データを取得する。
The
水平駆動部15は、画素アレイ部12が有する複数の画素21の列ごとに、それぞれの画素21から取得された画素データをカラム処理部14から順番に出力させるための駆動信号を、カラム処理部14に順次供給する。
The
出力部16には、水平駆動部15の駆動信号に従ったタイミングでカラム処理部14から画素データが供給され、出力部16は、例えば、その画素データを増幅して、後段の信号処理回路に出力する。
The pixel data is supplied from the
駆動制御部17は、撮像素子11の内部の各ブロックの駆動を制御する。例えば、駆動制御部17は、各ブロックの駆動周期に従ったクロック信号を生成して、それぞれのブロックに供給する。
The
また、画素21は、図1の右上に示すように、PD31、第1の転送トランジスタ32、メモリ部33、第2の転送トランジスタ34、FD35、増幅トランジスタ36、選択トランジスタ37、およびリセットトランジスタ38を有して構成される。
Further, the
PD31は、撮像素子11に入射した光を受光する受光部であり、受光した光の光量に応じた電荷を発生して蓄積する。
The
第1の転送トランジスタ32は、水平信号線22を介して垂直駆動部13から供給され第1のる転送信号に従って駆動し、第1の転送トランジスタ32がオンになると、PD31に蓄積されている電荷がメモリ部33に転送される。
The
メモリ部33は、第1の転送トランジスタ32を介してPD31から転送されてくる電荷を保持する。
The
第2の転送トランジスタ34は、水平信号線22を介して垂直駆動部13から供給される第2の転送信号に従って駆動し、第2の転送トランジスタ34がオンになると、メモリ部33に蓄積されている電荷がFD35に転送される。
The
FD35は、第2の転送トランジスタ34と増幅トランジスタ36のゲート電極との接続点に形成された所定の容量を有する浮遊拡散領域であり、第2の転送トランジスタ34を介してメモリ部33から転送される電荷を蓄積する。
The FD 35 is a floating diffusion region having a predetermined capacitance formed at a connection point between the
増幅トランジスタ36は、電源電位Vddに接続されており、FD35に蓄積されている電荷を増幅し、その電荷に応じたレベルの画素信号を、選択トランジスタ37を介して垂直信号線23に出力する。
The
選択トランジスタ37は、水平信号線22を介して垂直駆動部13から供給される選択信号に従って駆動し、選択トランジスタ37がオンになると、増幅トランジスタ36から出力される画素信号が垂直信号線23に出力可能な状態となる。
The
リセットトランジスタ38は、水平信号線22を介して垂直駆動部13から供給されるリセット信号に従って駆動し、リセットトランジスタ38がオンになると、FD35に蓄積されている電荷がリセット電位Vrstに排出され、FD35がリセットされる。また、このとき、第1の転送トランジスタ32および第2の転送トランジスタ34が同時にオンになることにより、PD31およびメモリ部33に蓄積されている電荷もリセットされる。
The
このように撮像素子11は構成されており、画素アレイ部12が有する全ての画素21において同時に、PD31からメモリ部33に電荷が転送される。その後、画素21の行ごとに、メモリ部33に保持されている電荷がFD35に転送され、その電荷に応じたレベルの画素信号が垂直信号線23を介して読み出される。
Thus, the
次に、図2を参照して、撮像素子11の断面的な構成例について説明する。
Next, a cross-sectional configuration example of the
図2には、撮像素子11が有する1つの画素21の近傍における断面が示されており、図2の上側から撮像素子11に対して光が照射される。撮像素子11は、画素21を構成するPD31およびメモリ部33が形成される半導体基板41に対して、下地絶縁膜42、金属遮光膜43、反射防止膜44、配線層45、パッシベーション膜46、光透過性埋め込み膜47、平坦化膜48、カラーフィルタ層49、およびオンチップレンズ層50が積層されて構成される。
FIG. 2 shows a cross section in the vicinity of one
半導体基板41は、例えば、第1の導電型(例えば、N型)の基板に対して第2の導電型のウェル(Pウェル)が形成され、そのPウェルに対して画素21ごとに、PD31を構成する第1の導電型の不純物領域(N型領域)が形成されて構成される。また、半導体基板41は、Pウェルに対して画素21ごとに、PD31から所定の間隔で離れた位置に、メモリ部33を構成する第1の導電型の不純物領域(N型領域)が形成される。
In the
下地絶縁膜42は、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)などのような絶縁性を備えた膜であり、半導体基板41の表面に直接的に成膜される。
The
金属遮光膜43は、例えば、シリサイドや、タングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、チタン(Ti)などのような遮光性を備えた金属により形成される膜であり、半導体基板41よりも上側(光が照射される側)に成膜される。また、金属遮光膜43は、PD31に応じた位置が開口される一方、それ以外の箇所を遮光するように半導体基板41を被覆する。これにより、金属遮光膜43は、例えば、メモリ部33およびその近傍で電子が発生することを防止し、そのような電子がメモリ部33に流入することを回避する。
The metal
反射防止膜44は、例えば、窒化ケイ素(Si3N4)などにより構成される膜であり、撮像素子11に入射した光が金属遮光膜43で反射することを防止する。なお、撮像素子11としては、反射防止膜44が成膜されない構成を採用してもよい。
The
配線層45は、金属遮光膜43よりも上側(光が照射される側)に形成され、層間絶縁膜51内に、図1の水平信号線22および垂直信号線23を構成する配線52が複数層となるように配設されて構成される。
The
ここで、金属遮光膜43、反射防止膜44、および配線層45には、撮像素子11の表面側から入射する光をPD31に伝搬する光導波路を設けるための開口部53が形成されている。開口部53は、例えば、撮像素子11の表面側から半導体基板41に向かうに従って内径が若干狭まるようにテーパ状に形成される。そして、開口部53は、図4を参照して後述するように、金属遮光膜43に形成される開口の内径が、金属遮光膜43の直上における開口の内径(例えば、反射防止膜44の下端面における開口の内径)よりも所定の間隔だけ広くなるように形成される。
Here, the metal
パッシベーション膜46は、配線層45の表面と、開口部53の内側面および底面とを覆うように成膜される。例えば、パッシベーション膜46は、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法やスパッタ法などによって成膜された屈折率の高い窒化シリコンなどからなる光透過性を有する層により構成される。このように、窒化シリコンのような透水性の低い材料を形成することによって、光導波路の開口から層間絶縁膜51への水分の侵入を防止して、要素信頼性を高めることができる。
The
光透過性埋め込み膜47は、パッシベーション膜46が成膜された開口部53に埋め込まれるとともに、パッシベーション膜46の表面に積層するように形成される。例えば、光透過性埋め込み膜47には、シリコン炭窒化(SiCN)、シリコン酸窒化(SiON)炭化ケイ素(SiC)、シリコン酸窒化(SiON)、シリコン窒化(SiN)や、アクリル系またはフッ素系の高分子、有機ケイ素ポリマーのシロキサン、ポリアリデン(PAr)など、光透過率の高い材料が用いられる。また、埋め込み性の観点から樹脂(有機)材料を用いるのが好ましい。
The light transmissive buried
従って、開口部53の内部において、パッシベーション膜46および光透過性埋め込み膜47は、光透過性埋め込み膜47をコア材としてパッシベーション膜46が光透過性埋め込み膜47の側面外周を囲うような2層構造となるように形成される。また、光透過性埋め込み膜47には、パッシベーション膜46よりも低屈折率の素材が採用されており、それらの屈折率差によって、開口部53において、撮像素子11に入射した光をPD31まで効率良く伝搬する光導波路が構成される。なお、光透過性埋め込み膜47とパッシベーション膜46との屈折率差を設けず、例えば、光透過性埋め込み膜47およびパッシベーション膜46の2層をコア層とし、この2層と比較して屈折率の低い層間絶縁膜51との屈折率差により光導波路を構成してもよい。
Accordingly, the
平坦化膜48は、光透過性埋め込み膜47に対してカラーフィルタ層49を積層するために、その表面を平坦化する膜である。カラーフィルタ層49は、画素21ごとに所定の色の光をPD31に受光させるために、各色の光を透過するフィルタが画素21ごとに配置されて構成される。オンチップレンズ層50は、撮像素子11に照射される光を集光する小型のレンズが画素21ごとに形成されて構成される。
The
このように撮像素子11は構成されており、撮像素子11に照射された光は、オンチップレンズ層50に形成されたレンズにより集光され、カラーフィルタ層49を透過した後に、開口部53においてパッシベーション膜46および光透過性埋め込み膜47により形成される光導波路を伝搬して、PD31により受光される。
The
次に、図3のフローチャートを参照して、撮像素子11の製造方法について説明する。
Next, a manufacturing method of the
まず、ステップS11において、不純物をイオン注入することによりPD31およびメモリ部33が形成された半導体基板41の表面の全面に、下地絶縁膜42、金属遮光膜43、および反射防止膜44が順次成膜される。
First, in step S11, the
ステップS12において、反射防止膜44に対して配線層45が積層される。即ち、所定の厚みで層間絶縁膜51を成膜し、その表面にパターニングされた配線52を形成する工程が、複数回繰り返されることで、層間絶縁膜51の間に複数層の配線52が配設された配線層45が形成される。
In step S <b> 12, the
ステップS13およびS14において、開口部53が形成される。
In steps S13 and S14, an
まず、ステップS13では、例えば、金属遮光膜43をエッチングストッパーとして利用し、PD31が形成されている箇所に対応する位置で、配線層45の層間絶縁膜51と反射防止膜44とをドライエッチングすることにより開口する。
First, in step S13, for example, the metal
次に、ステップS14では、配線層45の層間絶縁膜51と反射防止膜44とに形成された開口を利用したセルフアラインで、金属遮光膜43をエッチングすることによりPD31の直上の下地絶縁膜42まで開口して、開口部53を形成する。このとき、層間絶縁膜51および反射防止膜44に形成された開口の下端よりも、金属遮光膜43の開口が後退するように、オーバーエッジが行われる。
Next, in step S14, the metal
即ち、図4に示すように、開口部53は、金属遮光膜43に形成される開口の内径が、金属遮光膜43の直上における開口の内径(例えば、配線層45または反射防止膜44の下端面での内径)よりも広くなるように形成される。つまり、金属遮光膜43を開口する際に、金属遮光膜43の直上における開口よりも、金属遮光膜43の開口が所定の間隔Wで径方向に広くなるように加工が行われる。なお、金属遮光膜43の開口は、PD31が形成されている領域以内となるように形成される。
That is, as shown in FIG. 4, the
ステップS15において、開口部53の内側面を覆うようにパッシベーション膜46が成膜された後、ステップS16において、パッシベーション膜46が成膜された開口部53に光透過性埋め込み膜47を埋め込む。これにより、開口部53の内部においてパッシベーション膜46および光透過性埋め込み膜47からなる光導波路が形成される。
In step S15, after the
その後、平坦化膜48、カラーフィルタ層49、およびオンチップレンズ層50が形成されて撮像素子11が製造される。
Thereafter, the
以上のように、撮像素子11では、層間絶縁膜51および反射防止膜44を開口(ステップS13)した後に、その開口を利用したセルフアラインでエッチングを行って金属遮光膜43を開口(ステップS14)する。このため、金属遮光膜43に形成される開口の位置が、その上方に形成される開口の位置に対してずれることがなく、PD31に光を伝搬する光導波路を確実に形成することができる。
As described above, in the
なお、配線層45の層間絶縁膜51、反射防止膜44、および金属遮光膜43を開口した後に、金属遮光膜43に対して追加で側方エッチングを行うことにより、金属遮光膜43の開口を後退させる製造方法を採用してもよい。さらに、等方性のドライエッチングやウェットエッチングにより金属遮光膜43の開口を後退させてもよい。
In addition, after opening the
また、撮像素子11では、金属遮光膜43に形成される開口の内径を、金属遮光膜43の直上における開口の内径よりも広く形成する工程(ステップS14)により、金属遮光膜43よりも上方の光導波路と、金属遮光膜43との間に光学的な距離が設けられる。つまり、図4に示したような間隔Wを設けることにより、光導波路を伝搬してきた光の染み出し光が金属遮光膜43によって反射または吸収されることを抑制することができる。これにより、撮像素子11に入射した光の損失を抑制することができ、その結果、撮像素子11の感度特性を向上させ、より高感度とすることができる。
Further, in the
例えば、図5を参照して、光導波路における光エネルギーの損失について説明する。 For example, the loss of light energy in the optical waveguide will be described with reference to FIG.
図5には、図2に示したように構成された光導波路の構造モデルに対する金属遮光膜43の直上での深さ方向(Z方向)の光エネルギー分布を、FDTD法(Finite Difference Time Domain method:有限領域時間差分法)により計算して求めた結果が示されている。また、図5には、図2に示したように構成された光導波路における金属遮光膜43の直上での屈折率が示されている。
FIG. 5 shows the optical energy distribution in the depth direction (Z direction) immediately above the metal light-shielding
図5において、横軸は、光エネルギー分布の観察位置として、撮像素子11のYZ断面における光導波路の中央との差分[nm]を示している。また、左側の縦軸は、電磁場の持つエネルギーの流れの密度を表す物理量を規格化したポインティングベクトルSz[a.u.]を示しており、右側の縦軸は、屈折率を示している。
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the difference [nm] from the center of the optical waveguide in the YZ section of the
図2を参照して説明したように、撮像素子11の光導波路は、光透過性埋め込み膜47を光導波路コア材とし、パッシベーション膜46が光透過性埋め込み膜47の側面外周を囲う光導波路側壁として形成されている。従って、光透過性埋め込み膜47を屈折率ncとし、パッシベーション膜46を屈折率npとすると、図5に示すように、屈折率ncの領域の外側に、屈折率ncよりも高い屈折率npの領域が設けられた構成となる。また、パッシベーション膜46より外側の領域は、金属遮光膜43により遮光される領域となり、例えば、層間絶縁膜51の屈折率が示されている。
As described with reference to FIG. 2, the optical waveguide of the
また、図5のポインティングベクトルSzにより示されるように、金属遮光膜43の直上での光エネルギー分布が求められ、その裾引き分の光エネルギーが、金属遮光膜43によって反射または吸収されることにより損失する。
Further, as indicated by the pointing vector Sz in FIG. 5, the light energy distribution immediately above the metal
従って、金属遮光膜43により光エネルギーが損失する領域を削減することにより、つまり、光導波路を形成する際に金属遮光膜43を後退させて間隔Wを設けることにより、光エネルギーが低減することを抑制することができる。
Therefore, by reducing the region where the light energy is lost by the metal
次に、図6を参照して、光導波路の内部における光の強度と間隔Wとの関係について説明する。 Next, with reference to FIG. 6, the relationship between the light intensity inside the optical waveguide and the interval W will be described.
図6において、縦軸は、光導波路の内部における光の強度の増減率を規格化した値[a.u.]を示しており、横軸は、金属遮光膜43の直上における開口の内径に対する金属遮光膜43の開口の内径の間隔Wを示している。
In FIG. 6, the vertical axis indicates a value [au] in which the increase / decrease rate of the light intensity inside the optical waveguide is normalized, and the horizontal axis indicates the metal light shielding film with respect to the inner diameter of the opening directly above the metal
図6には、図4に示したポインティングベクトルSzの分布を積分することにより求められた光の強度の変化(●)と、FDTD法により求められた光の強度の変化(○)とが示されている。なお、ポインティングベクトルSzの分布を積分することにより光の強度を求める場合には、その積分領域を増加させることによって、間隔Wの増加(金属遮光膜43の後退量)に対応させることができる。 FIG. 6 shows a change in light intensity (●) obtained by integrating the distribution of the pointing vector Sz shown in FIG. 4 and a change in light intensity (◯) obtained by the FDTD method. Has been. In addition, when calculating | requiring the intensity | strength of light by integrating the distribution of pointing vector Sz, it can respond to the increase in the space | interval W (retraction amount of the metal light shielding film 43) by increasing the integration area | region.
図6に示すように、これらの2つの方法により求められた光の強度は、金属遮光膜43の開口を後退させる間隔Wの増加に伴って、同様に向上する。このことより、PD31の感度の変動分は、金属遮光膜43による損失ということができる。このように、間隔Wを設けることにより、撮像素子11に入射した光の損失を抑制することができるので、撮像素子11を、より高感度とすることができる。
As shown in FIG. 6, the light intensity obtained by these two methods similarly improves as the interval W for retreating the opening of the metal
ここで、従来、導波路コア材となる窒化ケイ素膜の成膜前に、コア材より屈折率の低い酸化シリコン膜を異方性プロセスにより成膜することで、屈折率差によって光導波路内に光を閉じ込め、光導波路を伝搬してきた光の金属遮光膜への染み出しを抑制する手法が用いられていた。しかしながら,従来の手法による金属遮光膜による染み出し光対策では、コア材を埋め込む前に酸化シリコン膜を成膜しなければならず、その成膜時にPD上にも酸化シリコン膜が成膜されることになる。 Here, conventionally, a silicon oxide film having a refractive index lower than that of the core material is formed by an anisotropic process before the formation of the silicon nitride film as the waveguide core material, so that the difference in the refractive index is generated in the optical waveguide. A technique has been used in which light is confined and light that has propagated through the optical waveguide is prevented from seeping into the metal light-shielding film. However, in the conventional measure against leakage light by the metal light shielding film, a silicon oxide film must be formed before the core material is embedded, and a silicon oxide film is also formed on the PD at the time of the film formation. It will be.
従って、従来の構造では、PD上に酸化膜が追加されることによって光の反射率が増加し、それに伴って感度の低下が発生していた。また、リップルが悪化することも懸念される。さらに、光導波路形状のアスペクト比が高くなる(高さのある光導波路)と、シリコン酸化膜のカバレッジが悪化する。そのため、光染み出しを抑制するのに十分なサイドウォール膜厚を成膜しようとすると、光導波路の間口が埋まってしまい、そもそもの光導波路としての効果を得ることが困難となる。 Therefore, in the conventional structure, the reflectance of light is increased by adding an oxide film on the PD, and the sensitivity is lowered accordingly. There is also concern that the ripple will deteriorate. Furthermore, when the aspect ratio of the optical waveguide shape increases (optical waveguide having a height), the coverage of the silicon oxide film deteriorates. For this reason, if an attempt is made to form a film thickness sufficient to suppress the light leakage, the front end of the optical waveguide is filled, making it difficult to obtain the effect as an optical waveguide in the first place.
これに対し、撮像素子11では、図2に示したような光導波路の構成を採用することによって、例えば、光導波路に追加で低屈折率層を成膜する必要がないので、PD31上に余分な膜が形成されることを回避することができる。これにより、撮像素子11では、そのような余分な膜が形成される従来の構造よりも反射率を低減することができ、感度の低下やリップルの発生を回避することができる。このように、撮像素子11は、感度の低下を回避することができるため、CMOSイメージセンサのように光導波路のアスペクト比が高くなる構造や、微細化された構造に対して有効である。つまり、撮像素子11の光導波路の構造は、感度の向上という観点において重要な構造である。
On the other hand, in the
なお、撮像素子11の光導波路において、金属遮光膜43に形成される開口が、金属遮光膜43の直上における開口よりも所定の間隔Wだけ径方向に広くなるように形成されることにより設けられた領域に、光透過性埋め込み膜47よりも低屈折率の誘電体媒質を設ける構造を採用してもよい。
In the optical waveguide of the
即ち、図7に示すように、金属遮光膜43に形成される開口が広くなるように形成されることにより設けられた領域に、光透過性埋め込み膜47よりも低屈折率の誘電体媒質61を設けた構成とすることができる。さらに、誘電体媒質61が設けられている領域を、中空層とした構成としてもよい。このような構成とすることで、層間絶縁膜51とパッシベーション膜46との屈折率差を大きくすることができ、より効果的に光の染み出しを抑制することができる。
That is, as shown in FIG. 7, a dielectric medium 61 having a lower refractive index than that of the light-transmitting buried
また、上述したような撮像素子11は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
Further, the
図8は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging device mounted on an electronic device.
図8に示すように、撮像装置101は、光学系102、撮像素子103、信号処理回路104、モニタ105、およびメモリ106を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
As shown in FIG. 8, the
光学系102は、1枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光(入射光)を撮像素子103に導き、撮像素子103の受光面(センサ部)に結像させる。
The
撮像素子103としては、上述した構成例の撮像素子11が適用される。撮像素子103には、光学系102を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子103に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路104に供給される。
As the
信号処理回路104は、撮像素子103から出力された信号電荷に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路104が信号処理を施すことにより得られた画像(画像データ)は、モニタ105に供給されて表示されたり、メモリ106に供給されて記憶(記録)されたりする。
The
このように構成されている撮像装置101では、撮像素子103として、上述したような構成例の撮像素子11を適用することにより、より高感度特性の良好な画像を得ることができる。
In the
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
受光した光に応じて電荷を発生する受光部が形成される半導体基板と、
前記半導体基板に対して光が照射される側に成膜される遮光膜と、
前記遮光膜に対して光が照射される側に形成される配線層と、
前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に形成される開口部と
を備え、
前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される
撮像素子。
(2)
前記遮光膜をストッパー膜としてセルフアラインで前記配線層を開口する加工を行い、前記遮光膜に対して開口する加工を追加で行うことにより前記開口部が形成される
上記(1)に記載の撮像素子。
(3)
前記配線層および前記遮光膜を開口する加工を行った後に、前記遮光膜の開口を広げる加工を追加で行うことにより前記開口部が形成される
上記(1)または(2)に記載の撮像素子。
(4)
前記配線層に形成される開口の側面にパッシベーション膜を成膜し、前記パッシベーション膜よりも低屈折率のコア材が、前記パッシベーション膜が成膜された前記開口部に埋め込まれることによって前記光導波路が構成される
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の撮像素子。
(5)
前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成されることにより設けられた領域に、前記コア材よりも低屈折率の誘電体媒質が設けられる
上記(1)に記載の撮像素子。
(6)
前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成されることにより設けられた領域に、中空層が設けられる
上記(4)に記載の撮像素子。
In addition, this technique can also take the following structures.
(1)
A semiconductor substrate on which a light receiving portion for generating electric charge in response to received light is formed;
A light-shielding film formed on the side irradiated with light to the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the light-irradiating side of the light shielding film;
In order to provide an optical waveguide that propagates light in the light receiving portion, the light shielding film and an opening formed in the wiring layer,
The opening is formed so that an opening formed in the light shielding film is wider in a radial direction by a predetermined interval than an opening immediately above the light shielding film.
(2)
The opening is formed by performing a process of opening the wiring layer by self-alignment using the light-shielding film as a stopper film, and performing an additional process of opening the light-shielding film. Imaging according to (1) element.
(3)
The imaging element according to (1) or (2), wherein after performing processing for opening the wiring layer and the light shielding film, the opening is formed by additionally performing processing for widening the opening of the light shielding film. .
(4)
A passivation film is formed on the side surface of the opening formed in the wiring layer, and a core material having a lower refractive index than that of the passivation film is embedded in the opening in which the passivation film is formed, whereby the optical waveguide is formed. The image pickup device according to any one of (1) to (3).
(5)
The opening formed in the light shielding film has a lower refractive index than the core material in a region provided by being formed so as to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light shielding film. The imaging device according to (1), wherein a dielectric medium is provided.
(6)
A hollow layer is provided in a region provided by forming the opening formed in the light-shielding film so as to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light-shielding film. The imaging device described in 1.
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Note that the present embodiment is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present disclosure.
11 撮像素子, 12 画素アレイ部, 13 垂直駆動部, 14 カラム処理部, 15 水平駆動部, 16 出力部, 17 駆動制御部, 21 画素, 22 水平信号線, 23 垂直信号線, 31 PD, 32 第1の転送トランジスタ, 33 メモリ部, 34 第2の転送トランジスタ, 35 FD, 36 増幅トランジスタ, 37 選択トランジスタ, 38 リセットトランジスタ, 41 半導体基板, 42 下地絶縁膜, 43 金属遮光膜, 44 反射防止膜, 45 配線層, 46 パッシベーション膜, 47 光透過性埋め込み膜, 48 平坦化膜, 49 カラーフィルタ層, 50 オンチップレンズ層, 51 層間絶縁膜, 52 配線, 53 開口部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記半導体基板に対して光が照射される側に成膜される遮光膜と、
前記遮光膜に対して光が照射される側に形成される配線層と、
前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に形成される開口部と
を備え、
前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される
撮像素子。 A semiconductor substrate on which a light receiving portion for generating electric charge in response to received light is formed;
A light-shielding film formed on the side irradiated with light to the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the light-irradiating side of the light shielding film;
In order to provide an optical waveguide that propagates light in the light receiving portion, the light shielding film and an opening formed in the wiring layer,
The opening is formed so that an opening formed in the light shielding film is wider in a radial direction by a predetermined interval than an opening immediately above the light shielding film.
請求項1に記載の撮像素子。 The imaging element according to claim 1, wherein the opening is formed by performing a process of opening the wiring layer by self-alignment using the light-shielding film as a stopper film and additionally performing a process of opening the light-shielding film. .
請求項1に記載の撮像素子。 The imaging element according to claim 1, wherein after performing processing for opening the wiring layer and the light shielding film, the opening is formed by additionally performing processing for widening the opening of the light shielding film.
請求項1に記載の撮像素子。 A passivation film is formed on the side surface of the opening formed in the wiring layer, and a core material having a lower refractive index than that of the passivation film is embedded in the opening in which the passivation film is formed, whereby the optical waveguide is formed. The imaging device according to claim 1.
請求項4に記載の撮像素子。 The opening formed in the light shielding film has a lower refractive index than the core material in a region provided by being formed so as to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light shielding film. The imaging device according to claim 4, wherein a dielectric medium is provided.
請求項4に記載の撮像素子。 The hollow layer is provided in a region provided by forming the opening formed in the light shielding film so as to be wider in the radial direction by a predetermined interval than the opening immediately above the light shielding film. The imaging device described.
前記遮光膜に対して光が照射される側に配線層を形成し、
前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に開口部を形成する
ステップを含み、
前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される
撮像素子の製造方法。 A light-shielding film is formed on the side on which light is irradiated to the semiconductor substrate on which the light-receiving portion that generates an electric charge according to the received light is formed,
Forming a wiring layer on the light-irradiating side of the light-shielding film;
Forming an opening in the light-shielding film and the wiring layer to provide an optical waveguide for propagating light in the light-receiving unit,
The method of manufacturing an image pickup device, wherein the opening is formed such that an opening formed in the light shielding film is wider in a radial direction by a predetermined interval than an opening immediately above the light shielding film.
前記半導体基板に対して光が照射される側に成膜される遮光膜と、
前記遮光膜に対して光が照射される側に形成される配線層と、
前記受光部に光を伝搬する光導波路を設けるために、前記遮光膜および前記配線層に形成される開口部と
を有し、
前記開口部は、前記遮光膜に形成される開口が、前記遮光膜の直上における開口よりも所定の間隔だけ径方向に広くなるように形成される
撮像素子を備える電子機器。 A semiconductor substrate on which a light receiving portion for generating electric charge in response to received light is formed;
A light-shielding film formed on the side irradiated with light to the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the light-irradiating side of the light shielding film;
In order to provide an optical waveguide for propagating light in the light receiving part, the light shielding film and an opening formed in the wiring layer,
The opening is formed such that an opening formed in the light-shielding film is wider in a radial direction by a predetermined interval than an opening immediately above the light-shielding film.
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Cited By (6)
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JP2015176969A (en) * | 2014-03-14 | 2015-10-05 | キヤノン株式会社 | Solid-state imaging apparatus and imaging system |
JP2016195435A (en) * | 2016-07-06 | 2016-11-17 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus and imaging system |
JP2016201639A (en) * | 2015-04-08 | 2016-12-01 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system, and imaging apparatus drive method |
JP2017055080A (en) * | 2015-09-11 | 2017-03-16 | キヤノン株式会社 | Imaging device and manufacturing method for imaging device |
JP2018061060A (en) * | 2017-12-28 | 2018-04-12 | キヤノン株式会社 | Solid-state imaging apparatus and imaging system |
JP2019160858A (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-19 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid state imaging device |
-
2012
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015176969A (en) * | 2014-03-14 | 2015-10-05 | キヤノン株式会社 | Solid-state imaging apparatus and imaging system |
US10158817B2 (en) | 2014-03-14 | 2018-12-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Solid-state imaging apparatus and imaging system |
JP2016201639A (en) * | 2015-04-08 | 2016-12-01 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system, and imaging apparatus drive method |
JP2017055080A (en) * | 2015-09-11 | 2017-03-16 | キヤノン株式会社 | Imaging device and manufacturing method for imaging device |
JP2016195435A (en) * | 2016-07-06 | 2016-11-17 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus and imaging system |
JP2018061060A (en) * | 2017-12-28 | 2018-04-12 | キヤノン株式会社 | Solid-state imaging apparatus and imaging system |
JP2019160858A (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-19 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid state imaging device |
JP7194918B2 (en) | 2018-03-08 | 2022-12-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid-state image sensor |
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