JP2015133340A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents

Solid-state imaging apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2015133340A
JP2015133340A JP2012101095A JP2012101095A JP2015133340A JP 2015133340 A JP2015133340 A JP 2015133340A JP 2012101095 A JP2012101095 A JP 2012101095A JP 2012101095 A JP2012101095 A JP 2012101095A JP 2015133340 A JP2015133340 A JP 2015133340A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
light transmission
height
solid
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012101095A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
田中 圭介
Keisuke Tanaka
圭介 田中
繁 齋藤
Shigeru Saito
繁 齋藤
学 薄田
Manabu Usuda
学 薄田
小野澤 和利
Kazutoshi Onozawa
和利 小野澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2012101095A priority Critical patent/JP2015133340A/en
Priority to PCT/JP2013/001749 priority patent/WO2013161168A1/en
Publication of JP2015133340A publication Critical patent/JP2015133340A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50Constructional details
    • H04N23/55Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging apparatus having a high sensitivity even at a peripheral part of an imaging region.SOLUTION: The solid-state imaging apparatus comprises: a semiconductor substrate having an imaging region where a plurality of pixels are arranged in a matrix, and a peripheral circuit region; a light receiving part formed on the semiconductor substrate for each pixel; a wiring layer formed on the semiconductor substrate; a light collection element formed on the wiring layer for each pixel. Further, the light collection element consists of a plurality of ark-like light transmission films using an axis vertical to the semiconductor substrate as a center, and divided by a line width equivalent to or shorter than a wavelength of incoming light. Further, in the light collection element in a pixel located at a peripheral part of the imaging region, a first height of the light transmission film at the center part side of the imaging region is higher than a second height of the light transmission film at an opposite side to the center part of the imaging region.

Description

本発明は固体撮像装置において、特に、集光素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a light collecting element.

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。また、広角から望遠まで、さまざまな光学レンズを交換して使用する1眼レフのデジタルカメラが普及してきている。そのような中で、デジタルカメラ等の薄型化に対する要望は依然として強い。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光の範囲は広角(固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度)になることを意味する。   In recent years, with the popularization of digital cameras, camera-equipped mobile phones, and the like, the market for solid-state imaging devices has remarkably expanded. In addition, single-lens reflex digital cameras that exchange and use various optical lenses from wide-angle to telephoto have become widespread. Under such circumstances, there is still a strong demand for thinning digital cameras and the like. In other words, the lens used for the camera portion has a short focal point, and the range of light incident on the solid-state imaging device is a wide angle (a large angle measured from the vertical axis of the incident surface of the solid-state imaging device). Means that.

このように、広角になると、固体撮像装置の撮像領域の周辺部では入射する光が斜めになり、撮像領域の中央部と同じように集光素子を配置すると感度が低下する。これに対し、特許文献1の図12Bには、図9に示すように、撮像領域の周辺部に位置する画素においては、集光素子の屈折率分布をシフトさせるために、高屈折率の材料を平面的に撮像領域の中央部側にシフトする方法が提案されている。   In this way, when the angle is wide, incident light becomes oblique in the peripheral part of the imaging region of the solid-state imaging device, and the sensitivity is lowered when the light collecting element is arranged in the same manner as the central part of the imaging region. On the other hand, in FIG. 12B of Patent Document 1, as shown in FIG. 9, in the pixel located in the peripheral part of the imaging region, a high refractive index material is used to shift the refractive index distribution of the condensing element. Has been proposed to shift the image plane toward the center of the imaging region.

特開2009−15315号公報JP 2009-15315 A

しかしながら、従来のように、高屈折率の材料をシフトさせると、シフトした側では、高屈折率材料の間隔が狭くなるため、リソグラフィ技術に制約ができ、量子化誤差が増大する。これにより、結果的には撮像領域の周辺部での感度は低下し、撮像画像は周辺部が暗くなるという課題がある。   However, when a material having a high refractive index is shifted as in the prior art, the distance between the high refractive index materials is narrowed on the shifted side, so that the lithography technique can be restricted and the quantization error increases. As a result, there is a problem that the sensitivity in the peripheral portion of the imaging region is lowered and the captured image is dark in the peripheral portion.

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が行列状に配置された撮像領域と周辺回路領域とを有する半導体基板と、画素ごとに、半導体基板に形成された受光部と、半導体基板の上に形成された配線層と、画素ごとに、配線層の上に形成された集光素子とを有する。さらに、集光素子は、半導体基板に垂直な軸を中心とした同心円状になるように、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなる。さらに、撮像領域の周辺部に位置する画素における集光素子は、撮像領域の中心部側の光透過膜の第一の高さが、撮像領域の中心部とは反対側の光透過膜の第二の高さよりも高い。   A solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor substrate having an imaging region in which a plurality of pixels are arranged in a matrix and a peripheral circuit region, a light receiving unit formed on the semiconductor substrate for each pixel, and an upper surface of the semiconductor substrate. And a light collecting element formed on the wiring layer for each pixel. Furthermore, the condensing element has a plurality of arc-shaped light transmission films divided by a line width equal to or shorter than the wavelength of the incident light so as to be concentric with an axis perpendicular to the semiconductor substrate as a center. Consists of. Furthermore, the light condensing element in the pixel located in the periphery of the imaging region has a first height of the light transmission film on the center side of the imaging region, and the first height of the light transmission film on the side opposite to the center of the imaging region. It is higher than the height of the second.

本発明の係る固体撮像装置により、撮像領域の周辺部の感度を向上でき、撮像画像の周辺部においても、従来よりも明るい撮像画像を得ることができる。   With the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to improve the sensitivity of the peripheral portion of the imaging region, and it is possible to obtain a captured image that is brighter than before in the peripheral portion of the captured image.

実施の形態1に係る固体撮像装置の平面図である。2 is a plan view of the solid-state imaging device according to Embodiment 1. FIG. (a)は、実施の形態1の中央部15に位置する画素14を示す断面図であり、(b)は、実施の形態1の周辺部16に位置する画素14を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the pixel 14 located in the center part 15 of Embodiment 1, (b) is sectional drawing which shows the pixel 14 located in the peripheral part 16 of Embodiment 1. FIG. (a)は、実施の形態1の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、(b)は、実施の形態1の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。(A) is a top view of the condensing element 25 located in the center part 15 of Embodiment 1, (b) is a top view of the condensing element 25 located in the peripheral part 16 of Embodiment 1. FIG. is there. (a)は従来の集光特性の計算結果を示す図であり、(b)は本実施の形態の集光特性の計算結果を示す図である。(A) is a figure which shows the calculation result of the conventional condensing characteristic, (b) is a figure which shows the calculation result of the condensing characteristic of this Embodiment. 実施の形態1の集光効率の入射角依存性を示したグラフである。4 is a graph showing the incident angle dependency of the light collection efficiency of the first embodiment. (a)は、実施の形態2の中央部15に位置する画素14を示す断面図であり、(b)は、実施の形態2の周辺部16に位置する画素14を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the pixel 14 located in the center part 15 of Embodiment 2, (b) is sectional drawing which shows the pixel 14 located in the peripheral part 16 of Embodiment 2. FIG. (a)は、実施の形態2の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、(b)は、実施の形態2の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。(A) is a top view of the condensing element 25 located in the center part 15 of Embodiment 2, (b) is a top view of the condensing element 25 located in the peripheral part 16 of Embodiment 2. FIG. is there. (a)は、実施の形態1の変形例の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、(b)は、実施の形態1の変形例の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。(c)は、実施の形態2の変形例の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、(d)は、実施の形態2の変形例の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。(A) is a top view of the condensing element 25 located in the center part 15 of the modification of Embodiment 1, (b) is the condensing located in the peripheral part 16 of the modification of Embodiment 1. FIG. 3 is a plan view of an element 25. FIG. (C) is a top view of the condensing element 25 located in the center part 15 of the modification of Embodiment 2, (d) is the condensing located in the peripheral part 16 of the modification of Embodiment 2. FIG. 3 is a plan view of an element 25. FIG. 従来の集光素子の平面図である。It is a top view of the conventional condensing element.

(実施の形態1)
第一の実施の形態に係る固体撮像装置11を図1〜5を用いて説明する。
(Embodiment 1)
A solid-state imaging device 11 according to a first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施の形態に係る固体撮像装置の平面図である。   FIG. 1 is a plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment.

図1に示すように、固体撮像装置11は、撮像領域12と撮像領域12の外側に位置する周辺回路領域13と有する。撮像領域12は、複数の画素14が行列状に配置され、それぞれの画素14は半導体基板に受光部(図示せず)を有している。撮像領域12は、中央部15と周辺部16とに区別することができる。固体撮像装置11は、受光部が入射した光を光電変換して電気信号に変え、画素14が電気信号を周辺回路領域13に形成された処理回路に電気信号を出力することで、画像データを生成する。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 11 includes an imaging area 12 and a peripheral circuit area 13 located outside the imaging area 12. In the imaging region 12, a plurality of pixels 14 are arranged in a matrix, and each pixel 14 has a light receiving portion (not shown) on a semiconductor substrate. The imaging region 12 can be distinguished into a central portion 15 and a peripheral portion 16. The solid-state imaging device 11 photoelectrically converts the light incident on the light receiving unit into an electrical signal, and the pixel 14 outputs the electrical signal to a processing circuit formed in the peripheral circuit region 13, thereby generating image data. Generate.

図2(a)は、図1の中央部15に位置する画素14を示す断面図であり、図2(b)は、図1の周辺部16に位置する画素14を示す断面図である。   2A is a cross-sectional view showing the pixel 14 located in the central portion 15 in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing the pixel 14 located in the peripheral portion 16 in FIG.

図2(a)および図2(b)に示すように、固体撮像装置11は、画素14ごとに複数の受光部21が形成された半導体基板22と、半導体基板22の上に形成された配線層23とを有する。さらに、配線層23の上に、受光部21ごとに対応して形成された、カラーフィルタ24およびカラーフィルタ24の上に平坦化膜を介して形成された集光素子25を有する。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the solid-state imaging device 11 includes a semiconductor substrate 22 in which a plurality of light receiving portions 21 are formed for each pixel 14 and wiring formed on the semiconductor substrate 22. Layer 23. Furthermore, on the wiring layer 23, it has the condensing element 25 formed through the planarization film | membrane on the color filter 24 and the color filter 24 correspondingly formed for every light-receiving part 21. As shown in FIG.

図3(a)は、図1の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、図3(b)は、図1の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。   3A is a plan view of the light collecting element 25 located at the central portion 15 in FIG. 1, and FIG. 3B is a plan view of the light collecting element 25 located at the peripheral portion 16 in FIG. is there.

図3(a)および図3(b)に示すように、集光素子25は、空気よりも屈折率が高い複数の光透過膜26が半導体基板22に対して垂直な軸を中心とする同心円の円弧形状で複数形成されている。最も中心部においては、円弧形状ではなく、円形状の光透過膜26が形成されている。それぞれの光透過膜26は、幅および間隔が入射光の波長と同程度かそれより小さく形成されている。なお、図3(b)では、左が撮像領域12の中心側である。   As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the condensing element 25 has a concentric circle in which a plurality of light transmission films 26 having a refractive index higher than that of air are centered on an axis perpendicular to the semiconductor substrate 22. A plurality of arc shapes are formed. In the most central portion, a circular light transmission film 26 is formed instead of an arc shape. Each of the light transmission films 26 is formed so that the width and the interval are the same as or smaller than the wavelength of the incident light. In FIG. 3B, the left is the center side of the imaging region 12.

このような波長以下の微細な光透過膜26を形成すると、集光素子25は、光透過膜26の屈折率と光透過膜26同士の間に位置する空間の屈折率とを平均した屈折率として機能する。空間の屈折率は、光透過膜26の屈折率よりも小さくなっている。本実施の形態では空気とし、屈折率はn=1.0である。空間には空気が存在していても良く、窒素や
アルゴンなど、光透過膜26を劣化させない安定した気体とすることが好ましい。また、光透過膜26はシリコン酸化膜とし、屈折率はn=1.45である。光透過膜26としては、屈折率がn=2.0のシリコン窒化膜なども用いることが可能である。
When the fine light transmission film 26 having such a wavelength or less is formed, the light collecting element 25 has a refractive index obtained by averaging the refractive index of the light transmission film 26 and the refractive index of the space located between the light transmission films 26. Function as. The refractive index of the space is smaller than the refractive index of the light transmission film 26. In this embodiment, air is used, and the refractive index is n = 1.0. Air may exist in the space, and it is preferable to use a stable gas such as nitrogen or argon that does not deteriorate the light transmission film 26. The light transmission film 26 is a silicon oxide film, and the refractive index is n = 1.45. As the light transmission film 26, a silicon nitride film having a refractive index of n = 2.0 can be used.

さらに、集光素子25について詳しく説明する。   Furthermore, the condensing element 25 will be described in detail.

図2(a)および図2(b)に示すように、集光素子25は複数の光透過膜26を異なる高さで形成されたものであり、全体として屈折率が分布されることで、設計屈折率分布27をもつレンズとして機能することとなる。   As shown in FIG. 2A and FIG. 2B, the condensing element 25 is formed of a plurality of light transmission films 26 at different heights, and the refractive index is distributed as a whole. The lens functions as a lens having the design refractive index distribution 27.

本実施の形態では、光透過膜26の高さを3段階とし、1200nm、1100nm、800nmとしている。また、光透過膜26の幅は、前述したように入射光と同程度かそれ以下であり、本実施の形態では、波長が400nm〜800nmの可視光に対して、100nmや150nmとしている。また、空間についても光透過膜26と同程度の幅で形成されている。   In the present embodiment, the height of the light transmission film 26 is set to three stages, which are 1200 nm, 1100 nm, and 800 nm. Further, the width of the light transmission film 26 is equal to or less than the incident light as described above, and in this embodiment, the visible light having a wavelength of 400 nm to 800 nm is set to 100 nm or 150 nm. In addition, the space is formed to have the same width as the light transmission film 26.

図2(a)および図3(a)に示すように、撮像領域12の中央部15においては、入射光は、半導体基板22に対してほぼ垂直に入射するため、光透過膜26は断面においても、平面においても左右対称に形成されている。図においては、左を撮像領域12の中央側とし、右を周辺回路領域13側とする。   As shown in FIGS. 2A and 3A, in the central portion 15 of the imaging region 12, since the incident light is incident substantially perpendicular to the semiconductor substrate 22, the light transmission film 26 is in a cross section. Also, they are formed symmetrically on the plane. In the figure, the left is the center side of the imaging region 12, and the right is the peripheral circuit region 13 side.

そして、図3(b)に示すように、撮像領域12の周辺部16においては、光透過膜26は平面においては左右対称に形成されているが、図2(b)に示すように、断面においては、左右非対称に形成されている。   As shown in FIG. 3B, in the peripheral portion 16 of the imaging region 12, the light transmission film 26 is formed symmetrically on the plane, but as shown in FIG. Is formed asymmetrical.

具体的には、集光素子25の中心からの距離が等しい光透過膜26同士を比較すると、撮像領域12の中央側の光透過膜26の高さを1100nmとし、撮像領域12の周辺回路領域13側の高さを800nmとしている部分がある。また、撮像領域12の中央側には光透過膜26が存在するが、撮像領域12の周辺回路領域13側には存在していない部分もある。撮像領域12の中央側を第一のゾーン31とし、撮像領域12の周辺回路領域13側を第二のゾーン32とする。   Specifically, when the light transmission films 26 having the same distance from the center of the light collecting element 25 are compared with each other, the height of the light transmission film 26 on the center side of the imaging region 12 is 1100 nm, and the peripheral circuit region of the imaging region 12 There is a portion where the height on the 13th side is 800 nm. Further, although the light transmission film 26 exists on the center side of the imaging region 12, there is a portion that does not exist on the peripheral circuit region 13 side of the imaging region 12. The center side of the imaging region 12 is a first zone 31, and the peripheral circuit region 13 side of the imaging region 12 is a second zone 32.

第一のゾーン31は、第二のゾーン32よりも小さくなっており、集光素子25は全体的に中央部15側にシフトした状態となっている。   The first zone 31 is smaller than the second zone 32, and the condensing element 25 is shifted to the central portion 15 side as a whole.

これらの高さの異なるリングについては、言い換えると、第一の高さの光透過膜と軸との距離は、第二の高さの光透過膜と軸との距離と等しいことである。   In other words, for the rings having different heights, the distance between the light transmitting film having the first height and the axis is equal to the distance between the light transmitting film having the second height and the axis.

これにより、集光素子25の屈折率分布は撮像領域12の中心側の方にシフトさせることができる。このとき、本発明では、撮像領域12の中央側と外側とで複数の光透過膜26の間隔を等しくしているため、リソグラフィ技術は同程度に制御でき、信頼性の高い屈折率分布が実現できる。   Thereby, the refractive index distribution of the condensing element 25 can be shifted toward the center side of the imaging region 12. At this time, in the present invention, since the intervals between the plurality of light transmission films 26 are made equal between the center side and the outside of the imaging region 12, the lithography technique can be controlled to the same degree and a highly reliable refractive index distribution is realized. it can.

本実施の形態の光透過膜26の高さの設定方法の一つについて説明する。   One method for setting the height of the light transmission film 26 of the present embodiment will be described.

図2(b)に示すように、撮像領域12の周辺部16における集光素子25の理想的な屈折率分布を設計屈折率分布27とし、画素14の両端部における設計屈折率分布27を直線28で結ぶ。この直線28は、周辺部16では、理想的には屈折率分布は撮像領域12の中央側にシフトしているため、半導体基板22に対して傾いた直線28となる。この傾いた直線28に合うように、光透過膜26の高さの違いを設定することができる。   As shown in FIG. 2B, an ideal refractive index distribution of the condensing element 25 in the peripheral portion 16 of the imaging region 12 is a design refractive index distribution 27, and the designed refractive index distribution 27 at both ends of the pixel 14 is a straight line. Tie at 28. In the peripheral portion 16, the straight line 28 is ideally a straight line 28 inclined with respect to the semiconductor substrate 22 because the refractive index distribution is shifted toward the center of the imaging region 12. The height difference of the light transmission film 26 can be set so as to match the inclined straight line 28.

次に、本実施の形態の設計屈折率分布27について説明する。   Next, the design refractive index profile 27 of the present embodiment will be described.

図2(b)の設計屈折率分布27は、以下の(式1)で表される。   The design refractive index distribution 27 in FIG. 2B is expressed by the following (Equation 1).

Δn(x)=Δnmax[(Ax+Bxsinθ)/2π+C] (式1)
(A、B、C:定数)
ここで、Δnmaxは、光透過膜材料でSiOと空気の屈折率差(今回は0.45)である。
また、上記(1)式は、入射側媒質の屈折率をn、出射側媒質の屈折率をnとしたときの各パラメータは、以下の(式2)~(式4)である。
Δn (x) = Δn max [(Ax 2 + Bxsinθ) / 2π + C] (Formula 1)
(A, B, C: constant)
Here, Δn max is a difference in refractive index between SiO 2 and air in the light transmission film material (this time 0.45).
In addition, in the above equation (1), the parameters when the refractive index of the incident side medium is n 0 and the refractive index of the emission side medium is n 1 are the following (Expression 2) to (Expression 4).

A=−(k)/2f (式2)
B=−k (式3)
=2π/λ (式4)
これにより、目的とする焦点距離f及び対象とする入射光の入射角度、波長毎に、レンズを最適化することが可能となる。なお、上記(1)式において、集光成分は画素中央から周辺方向への距離xの2次関数によって表し、偏向成分は距離xと三角関数との積によって表している。
A = − (k 0 n 1 ) / 2f (Formula 2)
B = −k 0 n 0 (Formula 3)
k 0 = 2π / λ (Equation 4)
This makes it possible to optimize the lens for each target focal length f, target incident light incident angle, and wavelength. In the above equation (1), the condensing component is represented by a quadratic function of the distance x from the center of the pixel to the peripheral direction, and the deflection component is represented by the product of the distance x and a trigonometric function.

次に、本実施の形態の集光特性を説明する。   Next, the light collection characteristics of the present embodiment will be described.

図4(a)は従来の集光特性の計算結果を示す図であり、図4(b)は本実施の形態の集光特性の計算結果を示す図である。   FIG. 4A is a diagram illustrating a calculation result of a conventional light collection characteristic, and FIG. 4B is a diagram illustrating a calculation result of the light collection characteristic of the present embodiment.

これらの計算結果は、有限要素法による電磁界シミュレーションにより、設定した光源より発生した光が固体撮像素子の表面に入射され、受光部を含む固体撮像装置全域に光が伝播する様子を示している。入射光は波長540nm、入射角度は固体撮像素子表面に対して平行な設定とした。   These calculation results show that the light generated from the set light source is incident on the surface of the solid-state imaging device and propagates throughout the solid-state imaging device including the light receiving unit by electromagnetic field simulation using the finite element method. . The incident light has a wavelength of 540 nm, and the incident angle is set to be parallel to the surface of the solid-state imaging device.

図4(a)と図4(b)とを比較すると、従来の集光素子による集光分布に対し、本発明の集光素子による集光分布は受光部に効率良く集光されている様子が確認できる。具体的には、従来は入射光の一部が固体撮像装置内の遮光膜に遮られることで集光ロスが生じているのに対し、本実施の形態は遮光膜に遮られることなく受光部に効率良く集光できている。これは、従来技術と本発明との間に生じている屈折率分布の再現性の差異であり、量子化誤差を低減することで集光性能を向上させることができることを示している。   Comparing FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), the condensing distribution by the condensing element of the present invention is efficiently condensed on the light receiving part, compared to the condensing distribution by the conventional condensing element. Can be confirmed. Specifically, conventionally, a part of the incident light is blocked by the light-shielding film in the solid-state imaging device, thereby causing a condensing loss. In the present embodiment, the light-receiving unit is not blocked by the light-shielding film. The light is collected efficiently. This is a difference in reproducibility of the refractive index distribution occurring between the prior art and the present invention, and shows that the light collection performance can be improved by reducing the quantization error.

次に、本実施の形態の入射角特性について説明する。   Next, the incident angle characteristic of the present embodiment will be described.

図5は、本実施の形態の集光効率の入射角依存性を示したグラフである。符号51は従来方法による規格化感度を示すものであり、短い破線で表されている。符号52は理想的な規格化感度を示すものであり、長い破線で表されている。符号53は本実施の形態による規格化感度を示すものであり、実線で表されている。   FIG. 5 is a graph showing the incident angle dependence of the light collection efficiency of the present embodiment. Reference numeral 51 indicates the normalized sensitivity according to the conventional method, and is represented by a short broken line. Reference numeral 52 denotes an ideal normalized sensitivity, which is represented by a long broken line. Reference numeral 53 indicates the normalized sensitivity according to the present embodiment, and is represented by a solid line.

図5に示すように、本実施の形態では入射角度が0°から40°程度までの広い範囲の入射光に対して高効率(80%以上)の集光ができており、従来の集光素子と比べ、入射角度マージンの広角化が実現している。本発明の集光素子により、量子化誤差の低減による効果が十分に得られていることがわかる。   As shown in FIG. 5, in the present embodiment, high-efficiency (80% or more) light can be collected with respect to a wide range of incident light having an incident angle of about 0 ° to 40 °. Compared to the element, a wider angle of incidence angle is realized. It can be seen that the light condensing element of the present invention has sufficiently obtained the effect of reducing the quantization error.

(実施の形態2)
次に、第二の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、実施の形態1と重複する事項についての記載は省略し、異なる事項についてのみ説明する。
(Embodiment 2)
Next, a solid-state imaging device according to the second embodiment will be described. Note that the description of matters overlapping with those of the first embodiment is omitted, and only different items will be described.

図6(a)は、本実施の形態の中央部15に位置する画素14を示す断面図であり、図6(b)は、本実施の形態の周辺部16に位置する画素14を示す断面図である。   6A is a cross-sectional view showing the pixel 14 located in the central portion 15 of the present embodiment, and FIG. 6B is a cross-section showing the pixel 14 located in the peripheral portion 16 of the present embodiment. FIG.

図7(a)は、本実施の形態の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、図7(b)は、本実施の形態の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。   FIG. 7A is a plan view of the light collecting element 25 located in the central portion 15 of the present embodiment, and FIG. 7B is a light collecting element 25 located in the peripheral portion 16 of the present embodiment. FIG.

本実施の形態が実施の形態1と異なる点は、さらに光透過膜26の線幅を異ならせることである。図6(b)、図7(b)に示すように、例えば光透過膜26がある領域の線幅を広くすることも可能である。また、図2(b)には、例えば、中央から2つ外側のリングは第一のゾーン31よりも第二のゾーン32の方が低く、高さが異なっているが、図6(b)に示すように、第一のゾーン31のリングの線幅を第二のゾーン32のリングの線幅よりも広くすることで、屈折率差を大きくすることも可能である。実施の形態1では、リングの幅は100nmとしていたが、本実施の形態2では、第二のゾーン32のリングの幅は150nmの部分も存在している。このように、本発明では光透過膜26の高さを調整できるため、リソグラフィ技術の精度が落ちるまでリングの幅を設定する必要はなく、量子化誤差を少なくすることが可能である。   The present embodiment is different from the first embodiment in that the line width of the light transmission film 26 is further varied. As shown in FIG. 6B and FIG. 7B, for example, the line width of the region where the light transmission film 26 is present can be increased. Further, in FIG. 2B, for example, the two outer rings from the center are lower in the second zone 32 than in the first zone 31 and are different in height. As shown in FIG. 5, the refractive index difference can be increased by making the line width of the ring of the first zone 31 wider than the line width of the ring of the second zone 32. In the first embodiment, the ring width is set to 100 nm. However, in the second embodiment, there is a portion in which the ring width of the second zone 32 is 150 nm. As described above, in the present invention, since the height of the light transmission film 26 can be adjusted, it is not necessary to set the ring width until the accuracy of the lithography technique is reduced, and the quantization error can be reduced.

言い換えると、第一の高さの光透過膜26は第一のゾーンを構成し、第二の高さの光透過膜26は第二のゾーンを構成し、集光素子25は、画素14の複数のゾーンから構成されている。   In other words, the light transmitting film 26 having the first height constitutes the first zone, the light transmitting film 26 having the second height constitutes the second zone, and the light condensing element 25 corresponds to the pixel 14. It consists of multiple zones.

第一のゾーン31は、第二のゾーン32よりも小さくなっており、集光素子25は全体的に中央部15側にシフトした状態となっている。   The first zone 31 is smaller than the second zone 32, and the condensing element 25 is shifted to the central portion 15 side as a whole.

線幅としては、前述したように入射光と同じかそれより小さくしていればよく、100nmや150nmなどであればよい。なお、リソグラフィ技術の精度が落ちるほどまでに線幅を小さくしなくとも、光透過膜26の高さを調整できるため、量子化誤差を低減することが可能である。   As described above, the line width may be equal to or smaller than the incident light as described above, and may be 100 nm or 150 nm. In addition, since the height of the light transmission film 26 can be adjusted without reducing the line width to such an extent that the accuracy of the lithography technique is lowered, it is possible to reduce the quantization error.

(実施の形態1、2の変形例)
実施の形態1、2では、リングがすべて円としていたが、すべての実施の形態において、完全な円である必要はない。
(Modification of Embodiments 1 and 2)
In the first and second embodiments, all the rings are circles. However, in all the embodiments, it is not necessary to be a complete circle.

図8(a)は、実施の形態1の本変形例の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、図8(b)は、実施の形態1の本変形例の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。図8(c)は、実施の形態2の本変形例の中央部15に位置する集光素子25の平面図であり、図8(d)は、実施の形態2の本変形例の周辺部16に位置する集光素子25の平面図である。   FIG. 8A is a plan view of the light collecting element 25 located at the central portion 15 of the present modification of the first embodiment, and FIG. 8B is a peripheral portion of the present modification of the first embodiment. FIG. 16 is a plan view of the light collecting element 25 located at 16; FIG. 8C is a plan view of the light collecting element 25 located at the central portion 15 of the present modification of the second embodiment, and FIG. 8D is a peripheral portion of the present modification of the second embodiment. FIG. 16 is a plan view of the light collecting element 25 located at 16;

図8(b)、図8(d)に示すように、図面左側である中央部15に対して、長軸が向く方向に楕円に近い形状をしていても良い。このとき、各楕円の中心位置は異なっていても良い。このときも、実施の形態1と同様に、設計屈折率分布27となるように、光透過膜26の高さを変えることで、量子化誤差を低減した集光素子25が実現できる。また、ゾーンが均等でないため、片側が延びた、いわゆる卵のような形状になっていても構わない。   As shown in FIGS. 8B and 8D, the central portion 15 on the left side of the drawing may have a shape close to an ellipse in the direction in which the major axis faces. At this time, the center position of each ellipse may be different. Also at this time, as in the first embodiment, the light condensing element 25 with a reduced quantization error can be realized by changing the height of the light transmission film 26 so that the design refractive index distribution 27 is obtained. Moreover, since the zones are not uniform, it may have a so-called egg-like shape with one side extended.

以上のように、本願で、円または円弧状と呼ぶ場合もその円は完全な円である必要はな
く、円弧のような曲線を示すものである。また、本願で、リングと呼ぶ場合も、完全な一周分のリングである必要はなく、部分的なものでも構わない。さらに、最も内側のリングは、穴がないプレートのように形成されるが、これについても、本願では、リングに含まれるものとする。
As described above, in the present application, even when referred to as a circle or an arc shape, the circle does not have to be a complete circle, but shows a curve like an arc. Also, in the present application, when called a ring, it is not necessary to be a complete ring for one round, and a partial ring may be used. Furthermore, although the innermost ring is formed like a plate without holes, this is also included in the ring in this application.

(実施の形態3)
次に、本実施の形態に係る光透過膜26の製造方法を説明する。
(Embodiment 3)
Next, a method for manufacturing the light transmission film 26 according to the present embodiment will be described.

本実施の形態では、光透過膜26の高さを3段階および、光透過膜が存在しない領域も存在する場合で説明する。まず、カラーフィルタ24の上方に光透過膜26を一定の膜厚で形成する。この膜厚は、最も高い光透過膜26の高さにそろえておくことで、後のエッチング工程を簡略化できる。   In the present embodiment, the case where the height of the light transmission film 26 is three steps and a region where the light transmission film does not exist will be described. First, the light transmission film 26 is formed with a certain thickness above the color filter 24. By adjusting the film thickness to the height of the highest light transmission film 26, the subsequent etching process can be simplified.

次に、光透過膜26が存在しない領域が開口した第一のマスクにより、光透過膜26をエッチングして除去する。   Next, the light transmission film 26 is removed by etching with a first mask having an opening in a region where the light transmission film 26 does not exist.

次に、最も低い光透過膜26が存在する領域が開口した第二のマスクにより、光透過膜26をエッチングして除去する。第二のマスクの開口は第一のマスクの開口を含んでいても良い。   Next, the light transmission film 26 is removed by etching using a second mask having an opening in a region where the lowest light transmission film 26 exists. The opening of the second mask may include the opening of the first mask.

最後に、中間の高さの光透過膜26が存在する領域が開口した第三のマスクにより、光透過膜26をエッチングして除去する。第三のマスクの開口は第一のマスクおよび第二のマスクの開口を含んでいても良い。   Finally, the light transmission film 26 is removed by etching with a third mask having an opening in a region where the light transmission film 26 having an intermediate height exists. The opening in the third mask may include the opening in the first mask and the second mask.

なお、各エッチングのエッチング量は、最終的に形成される光透過膜26の高さを考慮して行う。例えば、第二のマスクの開口が第一のマスクの開口を含む場合は、最終的に光透過膜26が存在しない領域の光透過膜26は2回のエッチングが施される。   Note that the etching amount of each etching is performed in consideration of the height of the light transmission film 26 to be finally formed. For example, when the opening of the second mask includes the opening of the first mask, the light transmission film 26 in the region where the light transmission film 26 does not finally exist is etched twice.

なお、光透過膜26は3段階以上の高さであっても構わない。また、マスクはグレースケールマスクなどを用いて一括で形成しても構わない。   The light transmission film 26 may be three or more heights high. The mask may be formed in a lump using a gray scale mask or the like.

(その他の事項)
実施の形態では、第一のゾーンと第二のゾーンの2つに分割して説明したが、さらに多くのゾーンに分割することも可能である。例えば、さらに上下方向にも分割し4つのゾーンで同心円弧状の光透過膜の高さを変えることも可能である。このようにすれば、撮像領域12の中央から斜め方向の周辺部16に位置する画素14についても、屈折率分布を最適化でき、感度を向上させることができる。
(Other matters)
In the embodiment, the first zone and the second zone have been described as being divided into two, but it is also possible to divide into more zones. For example, the height of the concentric arc-shaped light-transmitting film can be changed in four zones by further dividing in the vertical direction. In this way, the refractive index distribution can be optimized and the sensitivity can be improved for the pixels 14 located in the peripheral portion 16 obliquely from the center of the imaging region 12.

また、本実施の形態では、カラーフィルタ24の上方に位置する集光素子25について発明を実施しているが、このような集光素子をカラーフィルタ24の下にも層内レンズとして配置することで、さらに感度を向上することが可能である。   Further, in the present embodiment, the invention is carried out with respect to the light condensing element 25 positioned above the color filter 24. However, such a light condensing element is also disposed under the color filter 24 as an in-layer lens. Thus, the sensitivity can be further improved.

すなわち、配線層23は画素14ごとに層内レンズをさらに備え、層内レンズは、半導体基板22に垂直な軸を中心とし、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜26からなり、撮像領域12の周辺部16に位置する画素14における層内レンズは、撮像領域12の中央部15側の光透過膜26の第三の高さが、撮像領域12の中央部15とは反対側の光透過膜26の第四の高さよりも高い。   That is, the wiring layer 23 further includes an intra-layer lens for each pixel 14, and the intra-layer lens is divided by a line width that is about the axis perpendicular to the semiconductor substrate 22 and that is approximately equal to or shorter than the wavelength of incident light. The inner lens in the pixel 14 located in the peripheral portion 16 of the imaging region 12 is composed of a plurality of arc-shaped light transmitting films 26 and the third height of the light transmitting film 26 on the central portion 15 side of the imaging region 12 is. However, it is higher than the fourth height of the light transmission film 26 on the opposite side to the central portion 15 of the imaging region 12.

また、本実施の形態は、画素14のサイズが、3.75μm×3.75μmなどで、一眼レフなどに用いられる大型のセンサーに用いれば、本発明の効果はさらに顕著となる。   Further, in the present embodiment, when the size of the pixel 14 is 3.75 μm × 3.75 μm or the like, and the present invention is used for a large sensor used for a single-lens reflex camera or the like, the effect of the present invention becomes more remarkable.

また、これらの実施の形態は、矛盾がない範囲で組み合わせることが可能である。   Further, these embodiments can be combined within a range where there is no contradiction.

本発明の固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ又はカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、有用である。 The solid-state imaging device of the present invention can be used for a digital still camera, a digital video camera, a camera-equipped mobile phone, and the like, and is useful.

11 固体撮像装置
12 撮像領域
13 周辺回路領域
14 画素
15 中央部
16 周辺部
21 受光部
22 半導体基板
23 配線層
24 カラーフィルタ
25 集光素子
26 光透過膜
27 設計屈折率分布
28 直線
31 第一のゾーン
32 第二のゾーン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Solid-state imaging device 12 Imaging area 13 Peripheral circuit area 14 Pixel 15 Central part 16 Peripheral part 21 Light receiving part 22 Semiconductor substrate 23 Wiring layer 24 Color filter 25 Condensing element 26 Light transmission film 27 Design refractive index distribution 28 Straight line 31 First Zone 32 Second zone

Claims (6)

複数の画素が行列状に配置された撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、
前記画素ごとに、前記半導体基板に形成された受光部と、
前記半導体基板の上に形成された配線層と、
前記画素ごとに、前記配線層の上に形成された集光素子とを備え、
前記集光素子は、前記半導体基板に垂直な軸を中心とした、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなり、
前記撮像領域の周辺部に位置する画素における集光素子は、前記撮像領域の中心部側の前記光透過膜の第一の高さが、前記撮像領域の中心部とは反対側の前記光透過膜の第二の高さよりも高い固体撮像装置。
A semiconductor substrate including an imaging region in which a plurality of pixels are arranged in a matrix and a peripheral circuit region;
For each pixel, a light receiving portion formed on the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the semiconductor substrate;
A light-collecting element formed on the wiring layer for each pixel;
The light-collecting element is composed of a plurality of arc-shaped light transmission films divided by a line width that is equal to or shorter than the wavelength of incident light, with an axis perpendicular to the semiconductor substrate as a center,
The light condensing element in the pixel located in the peripheral part of the imaging region has the first light transmission film on the central part side of the imaging region in which the light transmission is opposite to the central part of the imaging region. A solid-state imaging device that is higher than the second height of the film.
前記軸は、前記画素の中心よりも前記撮像領域の中心側に位置する請求項1に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the axis is located closer to a center side of the imaging region than a center of the pixel. 前記第一の高さの前記光透過膜と前記軸との距離は、前記第二の高さの前記光透過膜と前記軸との距離と等しい請求項1または2に記載の固体撮像装置。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a distance between the light transmitting film having the first height and the axis is equal to a distance between the light transmitting film having the second height and the axis. 前記第一の高さの前記光透過膜の線幅は、前記第二の高さの前記光透過膜の線幅よりも大きい請求項1~3のいずれかに記載の固体撮像装置。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a line width of the light transmissive film at the first height is larger than a line width of the light transmissive film at the second height. 前記第一の高さの前記光透過膜は第一のゾーンを構成し、
前記第二の高さの前記光透過膜は第二のゾーンを構成し、
前記集光素子は、前記画素の複数のゾーンから構成されている請求項1〜4のいずれかに記載の固体撮像装置。
The light transmission film of the first height constitutes a first zone,
The light transmission film at the second height constitutes a second zone,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the condensing element includes a plurality of zones of the pixels.
前記配線層は画素ごとに層内レンズをさらに備え、
前記層内レンズは、前記半導体基板に垂直な軸を中心とし、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなり、
前記撮像領域の周辺部に位置する画素における層内レンズは、前記撮像領域の中心部側の前記光透過膜の第三の高さが、前記撮像領域の中心部とは反対側の前記光透過膜の第四の高さよりも高い請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。
The wiring layer further includes an inner lens for each pixel,
The intra-layer lens is composed of a plurality of arc-shaped light transmission films that are divided by a line width that is equal to or shorter than the wavelength of incident light, with an axis perpendicular to the semiconductor substrate as a center,
The intra-layer lens in the pixel located in the periphery of the imaging area has the third height of the light transmission film on the center side of the imaging area, and the light transmission on the side opposite to the center of the imaging area. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is higher than a fourth height of the film.
JP2012101095A 2012-04-26 2012-04-26 Solid-state imaging apparatus Pending JP2015133340A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012101095A JP2015133340A (en) 2012-04-26 2012-04-26 Solid-state imaging apparatus
PCT/JP2013/001749 WO2013161168A1 (en) 2012-04-26 2013-03-14 Solid-state image pick-up device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012101095A JP2015133340A (en) 2012-04-26 2012-04-26 Solid-state imaging apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015133340A true JP2015133340A (en) 2015-07-23

Family

ID=49482526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012101095A Pending JP2015133340A (en) 2012-04-26 2012-04-26 Solid-state imaging apparatus

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2015133340A (en)
WO (1) WO2013161168A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6288569B2 (en) * 2014-02-28 2018-03-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof
CN106257678B (en) * 2015-06-18 2019-12-17 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 CMOS image sensor and manufacturing method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4456040B2 (en) * 2005-06-17 2010-04-28 パナソニック株式会社 Solid-state image sensor
JP5283371B2 (en) * 2007-11-29 2013-09-04 パナソニック株式会社 Solid-state image sensor
JP2009267000A (en) * 2008-04-24 2009-11-12 Panasonic Corp Solid-state image pickup element

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013161168A1 (en) 2013-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4733030B2 (en) Solid-state imaging device
JP5283371B2 (en) Solid-state image sensor
JP4456040B2 (en) Solid-state image sensor
JP4479969B2 (en) Condensing element
JP5022601B2 (en) Solid-state imaging device
US9647150B2 (en) Monolithic integration of plenoptic lenses on photosensor substrates
JP2008192771A (en) Solid-state imaging element and manufacturing method therefor
US20060066743A1 (en) Solid-state imaging device
JP2008010773A (en) Solid-state image sensing device and manufacturing method therefor
JP5950126B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus
US20230148437A9 (en) Imaging apparatus and image sensor including the same
WO2005076361A1 (en) Solid state imaging device, process for fabricating the same and camera
CN101414614A (en) Image sensor device and fabrication method thereof
JP2009266900A (en) Solid-state image sensor
US8872091B2 (en) Solid-state imaging device
JP4998310B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus using the same
JP6895724B2 (en) Image sensor and image sensor
JP2015133340A (en) Solid-state imaging apparatus
US10916575B2 (en) Image sensor and method of manufacturing image sensor
JP2009267000A (en) Solid-state image pickup element
US8502910B2 (en) Light-collecting device, light-collecting device group, and solid-state imaging apparatus
JP2008258367A (en) Solid-state image pickup device, solid-state image pickup apparatus, and its manufacturing method
JP5983954B2 (en) Solid-state imaging device
JP2009130087A (en) Solid state image sensor and method of manufacturing the same, and imaging apparatus using the same