JP2019204932A - Solid-state imaging device - Google Patents

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昂大 原
Takahiro Hara
昂大 原
山本 和人
Kazuto Yamamoto
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Abstract

To provide a solid-state imaging device capable of suppressing sensitivity unevenness and improving light receiving sensitivity for each pixel.SOLUTION: In a solid-state imaging device 10 in which a plurality of pixels each of which includes a semiconductor substrate 16, a photoelectric conversion element 17 formed inside the semiconductor substrate 16, a color filter 13 formed on the photoelectric conversion element 17, and a convex microlens 12 disposed above the color filter 13 in correspondence with the photoelectric conversion element 17 are two-dimensionally arranged, a microlens 12 disposed in a region other than the central portion of the solid-state imaging device 10 has a flat surface 120 formed at the top.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置上部に形成されるマイクロレンズに関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a microlens formed on an upper portion of a solid-state imaging device.

近年、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダ等では、被写体の撮影において固体撮像装置を用いるものが主流となっている。主な固体撮像装置として、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等が存在し、特にCMOSイメージセンサは微細化技術を取り入れることで目覚しい発展を遂げている。   In recent years, digital still cameras, digital camcorders, and the like have become mainstream using a solid-state imaging device for photographing a subject. As main solid-state imaging devices, there are a CCD (Charge Coupled Device) image sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, and the like, and in particular, CMOS image sensors have made remarkable progress by incorporating miniaturization technology.

一般に、固体撮像装置は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が、格子状に配列された構成となっている。光電変換素子の数(画素数)が多いほど撮影された画像は精細になるので、大画素数の固体撮像装置を安価に製造する方法が検討されている。   In general, a solid-state imaging device has a configuration in which a plurality of photoelectric conversion elements that receive an optical image from a photographing object and convert incident light into an electrical signal are arranged in a lattice pattern. As the number of photoelectric conversion elements (number of pixels) increases, the captured image becomes finer. Therefore, a method for manufacturing a solid-state imaging device having a large number of pixels at low cost has been studied.

また、各画素には、入射する光の経路に特定の波長の光を透過させるカラーフィルタを形成することで、対象物の色情報を得ることを可能とする。一般に、1画素に対応して特定の色のカラーフィルタを形成し、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を得ることができる。カラーフィルタの色としては、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の3色からなる3原色系、あるいは、シアン色(C)、マゼンタ色(M)、イエロー色(Y)からなる補色系が一般的であり、特に3原色系が多く使われている。   Further, by forming a color filter that transmits light of a specific wavelength in the path of incident light in each pixel, it is possible to obtain color information of the object. In general, color-separated image information can be obtained by forming a color filter of a specific color corresponding to one pixel and regularly arranging a plurality of color filters. As the color of the color filter, three primary colors composed of three colors of red (R), green (G), and blue (B), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) are used. Complementary color systems are generally used, and in particular, the three primary color systems are often used.

画素が小面積化かつ高集積化された近年の固体撮像装置では、光電変換素子へ取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。このような、微細化した固体撮像装置の感度低下を防止するために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子に導くマイクロレンズを、画素ごとに均一な形状に形成する技術が提案されている(特許文献1参照)。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子に導くことで、見かけ上の開口率を大きくすることが可能となり、固体撮像装置の感度の向上が可能となる。   In recent solid-state imaging devices in which pixels are reduced in area and highly integrated, the amount of light that can be taken into the photoelectric conversion elements decreases, and the effective sensitivity decreases. In order to prevent such a decrease in sensitivity of a miniaturized solid-state imaging device, a technology for forming a microlens with a uniform shape for each pixel that collects light incident from an object and guides it to a photoelectric conversion element Has been proposed (see Patent Document 1). By condensing the light with the microlens and guiding it to the photoelectric conversion element, the apparent aperture ratio can be increased, and the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved.

ところで、マイクロレンズの集光効率は光の入射角度に依存して低下する。すなわち、画素に対して垂直に入射する光は高効率に受光部に集光されるが、斜めに入射する光は光電変換素子(受光部)から逸れた位置に向かうため、高効率に光電変換素子に集光することができない。通常の固体撮像装置では、画素領域の中央部と周辺部とでは光の入射角が異なり、画素領域の中央部に入射する光は画素に対して垂直に入射するが、画素領域の周辺部では画素に対して斜めに入射するため、周辺部の画素の集光効率が低下し、感度ムラが生じるという問題が生じる。   By the way, the light collection efficiency of the microlens decreases depending on the incident angle of light. In other words, light that is incident on the pixel perpendicularly is condensed on the light receiving portion with high efficiency, but light that is incident obliquely is directed away from the photoelectric conversion element (light receiving portion), so that photoelectric conversion is performed with high efficiency. It cannot concentrate on the element. In a normal solid-state imaging device, the incident angle of light is different between the central portion and the peripheral portion of the pixel region, and light incident on the central portion of the pixel region is incident on the pixel perpendicularly, but in the peripheral portion of the pixel region, Since the light is incident obliquely on the pixels, there is a problem that the light collection efficiency of the peripheral pixels is lowered and sensitivity unevenness occurs.

このような問題を解決する手段としては、特許文献2、特許文献3に記載の固体撮像装置がある。これらの方法では、撮像領域(画素領域)の周辺部において、マイクロレンズの中心軸を画素の中心軸から撮像領域(画素領域)の中心部寄りにずらすことで、周辺部の光電変換素子への集光効率の低下を防止して固体撮像装置の高感度化を実現している。 As means for solving such a problem, there are solid-state imaging devices described in Patent Documents 2 and 3. In these methods, by shifting the central axis of the microlens from the central axis of the pixel toward the center of the imaging region (pixel region) in the peripheral portion of the imaging region (pixel region), High sensitivity of the solid-state imaging device is realized by preventing a decrease in light collection efficiency.

また、上記のほかに、特許文献4に記載の固体撮像装置がある。この方法では、マイクロレンズの頂部を平坦化し、平坦部へ斜めに入射する光を屈折させることで、光電変換素子への集光効率を増加させることができる。   In addition to the above, there is a solid-state imaging device described in Patent Document 4. In this method, the light collecting efficiency to the photoelectric conversion element can be increased by flattening the top part of the microlens and refracting light incident obliquely on the flat part.

特開平3−152972号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-152972 特許第2600250号Patent No. 2600250 特開平10−229180号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-229180 特許第3399495号Japanese Patent No. 3399495

しかし、本発明者の鋭意検討の結果から、特許文献4に記載の構造では、画素サイズが微細になるにつれて垂直入射光の集光効率の低下が顕著になるという問題が生じることが分かった。特許文献4に記載の製造方法においては、固体撮像装置内の全てのマイクロレンズの頂部に平坦面を有するマイクロレンズが形成されるため、画素サイズが微細な固体撮像装置においては、光入射角が垂直である撮像領域の中央部の集光効率の低下を招き、撮像領域全体の感度低下が顕著になると考えられる。   However, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the structure described in Patent Document 4 has a problem that the condensing efficiency of vertically incident light becomes conspicuous as the pixel size becomes finer. In the manufacturing method described in Patent Document 4, a microlens having a flat surface is formed at the top of all the microlenses in the solid-state imaging device. Therefore, in a solid-state imaging device with a fine pixel size, the light incident angle is It is considered that the light collection efficiency at the center of the vertical imaging region is reduced, and the sensitivity of the entire imaging region is significantly reduced.

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、画素サイズが微細な固体撮像素子においても、感度ムラを抑制し、かつ感度向上を達成することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing sensitivity unevenness and achieving improvement in sensitivity even in a solid-state imaging device having a fine pixel size. .

上記目的を達成するために、本発明の一態様による固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内部に形成される光電変換素子と、前記光電変換素子上部に形成されるカラーフィルタと、前記光電変換素子と対応させて前記カラーフィルタの上部に配置される凸型のマイクロレンズと、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズは、頂部に平坦面が形成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element formed inside the semiconductor substrate, a color filter formed on the photoelectric conversion element, A solid-state imaging device in which a plurality of pixels configured by a convex microlens arranged on the color filter in correspondence with a photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged, and the solid-state imaging device The microlens arranged in a region other than the central portion is characterized in that a flat surface is formed at the top.

本発明によれば、画素領域の周辺部の感度を向上させ、感度ムラを抑制できる固体撮像装置を作製することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a solid-state imaging device capable of improving sensitivity in the peripheral portion of the pixel region and suppressing sensitivity unevenness.

本発明の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state imaging device of embodiment of this invention. 図1の点線X−X’に沿った固体撮像装置の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state imaging device along the dotted line X-X 'of FIG. 本発明の実施形態の固体撮像装置において、入射光が傾いた場合の、マイクロレンズ頂部の形状の違いによる光の伝播経路の差を示した模式断面図である。In the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, when the incident light is inclined, it is a schematic cross-sectional view showing the difference in the light propagation path due to the difference in the shape of the top of the microlens. 本発明の実施例1の固体撮像装置を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically illustrating a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施例2の固体撮像装置を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the solid-state imaging device of Example 2 of this invention.

以下、本発明の実施形態による固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態による固体撮像装置の上面図である。   FIG. 1 is a top view of the solid-state imaging device according to the present embodiment.

図1に示すように、本実施形態による固体撮像装置10は、複数の画素11が2次元平面内に格子状に配列されたものである。図1では、理解を容易にするため、固体撮像装置10の画素領域における画素11の配列の一部を図示し、他は点線で図示を省略している。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment has a plurality of pixels 11 arranged in a lattice pattern in a two-dimensional plane. In FIG. 1, for easy understanding, a part of the arrangement of the pixels 11 in the pixel region of the solid-state imaging device 10 is illustrated, and the others are not illustrated by dotted lines.

図2は、図1に示す点線X−X’に沿った固体撮像装置10の断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 10 taken along the dotted line X-X ′ shown in FIG. 1.

図2に示すように、固体撮像装置10において、半導体基板16の内部には、入射された光を電荷へと変換する作用を持つ複数の光電変換素子17が形成される。光電変換素子17は、図1に示す画素11毎に設けられる。光電変換素子17は、その中心軸が各画素11の中心軸と一致するようにして、半導体基板16内に二次元的に配置されている。半導体基板16は、例えば、シリコンで構成される。また、光電変換素子17は、例えば、リン等の元素を半導体基板16に添加することで形成される。   As shown in FIG. 2, in the solid-state imaging device 10, a plurality of photoelectric conversion elements 17 having an action of converting incident light into electric charges are formed inside the semiconductor substrate 16. The photoelectric conversion element 17 is provided for each pixel 11 illustrated in FIG. The photoelectric conversion element 17 is two-dimensionally arranged in the semiconductor substrate 16 so that the central axis thereof coincides with the central axis of each pixel 11. The semiconductor substrate 16 is made of, for example, silicon. The photoelectric conversion element 17 is formed by adding an element such as phosphorus to the semiconductor substrate 16, for example.

図2に示すように、半導体基板16の上部、すなわち光電変換素子17の上部には、平坦化層14及び遮光壁15が形成される。平坦化層14は、例えば、シリコン酸化膜等で形成される。また、遮光壁15は、例えば、アルミニウム等の金属で形成する。遮光壁15は、画素間の混色を防ぐため、必要に応じて形成される。   As shown in FIG. 2, the planarization layer 14 and the light shielding wall 15 are formed on the semiconductor substrate 16, that is, on the photoelectric conversion element 17. The planarization layer 14 is formed of, for example, a silicon oxide film. Further, the light shielding wall 15 is formed of a metal such as aluminum, for example. The light shielding wall 15 is formed as necessary to prevent color mixture between pixels.

平坦化層14の上部には、カラーフィルタ13が形成される。カラーフィルタ13は、例えば、緑色、青色、赤色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ感光性を有する有機材料により構成されている。また、固体撮像装置10において、カラーフィルタ13は、ベイヤー配列に従って配置される。   A color filter 13 is formed on the planarization layer 14. The color filter 13 is made of, for example, a photosensitive organic material including a pigment or a dye that selectively transmits wavelengths corresponding to green, blue, and red. In the solid-state imaging device 10, the color filter 13 is arranged according to the Bayer array.

カラーフィルタ13の上部には、半導体基板16内部の光電変換素子17と対応させて凸型のマイクロレンズ12が形成される。マイクロレンズ12は、例えば、屈折率が1.4以上1.8以下程度の感光性を有する透明樹脂により構成される。   A convex microlens 12 is formed on the color filter 13 so as to correspond to the photoelectric conversion element 17 inside the semiconductor substrate 16. The microlens 12 is made of, for example, a transparent resin having a photosensitivity with a refractive index of about 1.4 to 1.8.

図2に示すように、マイクロレンズ12Aは、略半球面形状を有しており、図1に示す固体撮像装置10の中心部に位置する画素11に対応する位置に配置されている。また、図2に示すように、マイクロレンズ12B、12Cは、頂部に平坦面120が形成されており、図1に示す固体撮像装置10の周辺部に位置する画素11に対応する位置に配置されている。このように、固体撮像装置10の画素領域内には、異なる形状のマイクロレンズ12(マイクロレンズ12A,12B、12C)が配置されている。ここで、固体撮像装置10の周辺部は、固体撮像装置10の中心部を基準として、主光線の入射角が20度以上となる領域であることが望ましい。また、マイクロレンズ12B,12Cにおいて、頂部の平坦面120以外の形状は、マイクロレンズ12Aと同様の構造とするのが望ましい。   As shown in FIG. 2, the microlens 12A has a substantially hemispherical shape, and is arranged at a position corresponding to the pixel 11 located at the center of the solid-state imaging device 10 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the microlenses 12B and 12C have a flat surface 120 formed at the top, and are arranged at positions corresponding to the pixels 11 located in the periphery of the solid-state imaging device 10 shown in FIG. ing. As described above, the microlenses 12 (microlenses 12A, 12B, and 12C) having different shapes are arranged in the pixel region of the solid-state imaging device 10. Here, it is desirable that the peripheral portion of the solid-state imaging device 10 is a region where the incident angle of the principal ray is 20 degrees or more with reference to the central portion of the solid-state imaging device 10. In addition, in the micro lenses 12B and 12C, the shape other than the top flat surface 120 is desirably the same structure as the micro lens 12A.

本実施形態による固体撮像装置10において、マイクロレンズ12B,12Cに形成される平坦面120の面積は、マイクロレンズ底部の面積の10%以上80%以下がよい。これは、この範囲において、マイクロレンズ12が略半球面形状を有する場合に比べて、斜入射光の受光感度が向上するためである。   In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, the area of the flat surface 120 formed on the microlenses 12B and 12C is preferably 10% to 80% of the area of the bottom of the microlens. This is because in this range, the light receiving sensitivity of obliquely incident light is improved as compared with the case where the microlens 12 has a substantially hemispherical shape.

マイクロレンズ12は、濃度分布マスクを用いたフォトリソグラフィ法により作製することができる。濃度分布マスクは、遮光部の濃度階調を適切に設計することで、露光時の透過光量分布を制御することができるフォトマスクである。濃度分布マスクは、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板上に、濃度階調パターンが形成された構成からなる。濃度階調パターンは、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける方法や、ドット(網点)配列やライン・アンド・スペース(線/空隙が繰り返されているパターン)のような遮光膜の微細パターン配置を変化させて、各パターン領域の平均的な遮光濃度を傾斜させるグレースケールタイプの手法等で形成される。   The microlens 12 can be manufactured by a photolithography method using a density distribution mask. The density distribution mask is a photomask that can control the transmitted light amount distribution during exposure by appropriately designing the density gradation of the light shielding portion. The density distribution mask has a configuration in which a density gradation pattern is formed on a substrate such as quartz or glass having good transparency with respect to exposure light. The density gradation pattern can be obtained by gradually changing the film thickness of a light-shielding metal film or the like to provide a density gradient in the region, or by dot (halftone dot) arrangement or line-and-space (line / gap is repeated). The pattern is formed by a gray scale type method or the like in which the average light shielding density of each pattern region is inclined by changing the fine pattern arrangement of the light shielding film.

次に、本実施形態による固体撮像装置10において、異なる形状のマイクロレンズを備える構造を採用した理由を述べる。   Next, the reason why the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment employs a structure including microlenses having different shapes will be described.

図3は、固体撮像装置10に光が斜めに入射した場合における、マイクロレンズ12の頂部の形状の違いによる光の伝播経路の差を模式的に表した図である。図3(a)は頂部が略半球形であるマイクロレンズ12(例えば、図2に示すマイクロレンズ12A)の光の伝播経路を示し、図3(b)は頂部に平坦面120が形成されたマイクロレンズ12(例えば、図2に示すマイクロレンズ12B,12C)の光の伝播経路を示している。   FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the difference in the light propagation path due to the difference in the shape of the top of the microlens 12 when the light is incident on the solid-state imaging device 10 obliquely. 3A shows a light propagation path of a microlens 12 having a substantially hemispherical top (for example, the microlens 12A shown in FIG. 2), and FIG. 3B shows a flat surface 120 formed on the top. The light propagation path of the microlens 12 (for example, the microlenses 12B and 12C shown in FIG. 2) is shown.

図3(a)に示すように、マイクロレンズ12の頂部が略半球形になっている場合、マイクロレンズ12の頂部への斜入射光はほとんど屈折せず、斜入射光のうち一定の割合が遮光壁15で反射するか、又は隣接画素へ向かう。このため、斜入射光が入射した画素11において、光電変換素子17に到達する光量が低下する。   As shown in FIG. 3A, when the top of the microlens 12 has a substantially hemispherical shape, the obliquely incident light on the top of the microlens 12 is hardly refracted, and a certain proportion of the obliquely incident light has a certain ratio. The light is reflected by the light shielding wall 15 or is directed to an adjacent pixel. For this reason, the amount of light reaching the photoelectric conversion element 17 is reduced in the pixel 11 where the oblique incident light is incident.

一方、図3(b)に示すように、マイクロレンズ12の頂部に平坦面120が形成されている場合、マイクロレンズ12の頂部への斜入射光は屈折する。これにより、斜入射光が遮光壁15で反射する割合及び隣接画素へ向かう割合が低下する。このため、斜入射光が入射した画素における光電変換素子17に到達する割合、すなわち光電変換素子17に到達する光量が増加する。したがって、結果として図3(b)に示すようにマイクロレンズ12の頂部に平坦面120が形成されている場合は、図3(a)に示すようにマイクロレンズ12の頂部が略半球形になっている場合に比べて、斜めに入射する光の感度が増加する。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the flat surface 120 is formed on the top of the microlens 12, the oblique incident light on the top of the microlens 12 is refracted. As a result, the ratio of the oblique incident light reflected by the light shielding wall 15 and the ratio toward the adjacent pixels decreases. For this reason, the rate at which the obliquely incident light reaches the photoelectric conversion element 17 in the incident pixels, that is, the amount of light reaching the photoelectric conversion element 17 increases. Therefore, as a result, when the flat surface 120 is formed on the top of the microlens 12 as shown in FIG. 3B, the top of the microlens 12 is substantially hemispherical as shown in FIG. The sensitivity of light incident obliquely is increased as compared with the case where the light is incident.

また、斜入射光に対する感度をより高めるために、本実施形態において、平坦面120が形成されたマイクロレンズ12(図2に示すマイクロレンズ12B,12C)を、固体撮像装置10の中心側にずらして配置しても良い。ここで、固体撮像装置10の周辺部に位置する画素11の中心、すなわち該画素11と対応する光電変換素子の中心と固体撮像装置10の中心との距離をRとし、画素11に対応するマイクロレンズ12B,12Cの中心軸を固体撮像装置10の中心部に向かってずらす量をxとする。本実施形態による固体撮像装置10において、xは以下数(1)の範囲とする。これは、xが数(1)の範囲を外れると、感度の低下を引き起こすためである。
x<0.0007R 数(1)
In order to further increase the sensitivity to obliquely incident light, in this embodiment, the microlens 12 (the microlenses 12B and 12C shown in FIG. 2) on which the flat surface 120 is formed is shifted toward the center of the solid-state imaging device 10. May be arranged. Here, the distance between the center of the pixel 11 located in the peripheral portion of the solid-state imaging device 10, that is, the center of the photoelectric conversion element corresponding to the pixel 11 and the center of the solid-state imaging device 10 is R, and the micro corresponding to the pixel 11. Let x be the amount by which the central axes of the lenses 12B and 12C are shifted toward the center of the solid-state imaging device 10. In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, x is in the range of the following number (1). This is because if x is out of the range of the number (1), the sensitivity is lowered.
x <0.0007R Number (1)

以上のように、本実施形態による固体撮像装置10は、半導体基板16と、半導体基板16の内部に形成される光電変換素子17と、光電変換素子17の上部に形成されるカラーフィルタ13と、光電変換素子17と対応させてカラーフィルタ13の上部に配置される凸型のマイクロレンズ12と、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、固体撮像装置10の中心部以外の領域に配置されたマイクロレンズ12は、頂部に平坦面120が形成されている。
ここで、固体撮像装置10の中心部以外の領域は、例えば固体撮像装置10の周辺部であって、固体撮像装置10の中心部を基準として主光線の入射角が20度以上となる領域を示す。すなわち、頂部に平坦面120が形成されたマイクロレンズは、固体撮像装置10の周辺部に配置されている。
これにより、固体撮像装置10の周辺部に配置されたマイクロレンズ12の斜入射光の感度が増加して感度ムラが改善され、固体撮像装置10の感度向上を達成することができる。
As described above, the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment includes the semiconductor substrate 16, the photoelectric conversion element 17 formed inside the semiconductor substrate 16, the color filter 13 formed on the photoelectric conversion element 17, A solid-state imaging device in which a plurality of pixels configured by a convex microlens 12 disposed on the color filter 13 in correspondence with the photoelectric conversion element 17 are two-dimensionally arranged. The microlens 12 disposed in a region other than the central portion 10 has a flat surface 120 formed at the top.
Here, the region other than the central portion of the solid-state imaging device 10 is, for example, a peripheral portion of the solid-state imaging device 10 and a region where the incident angle of the principal ray is 20 degrees or more with reference to the central portion of the solid-state imaging device 10. Show. That is, the microlens having the flat surface 120 formed on the top is disposed in the peripheral portion of the solid-state imaging device 10.
Thereby, the sensitivity of the obliquely incident light of the microlens 12 disposed in the peripheral portion of the solid-state imaging device 10 is increased, the sensitivity unevenness is improved, and the sensitivity of the solid-state imaging device 10 can be improved.

また、本実施形態において、固体撮像装置10の中心部以外の領域に配置されたマイクロレンズ12の中心軸は、該マイクロレンズ12が対応する光電変換素子17の中心軸から固体撮像装置10の中心部寄りにずれていてもよい。これにより、斜入射光に対する感度をより向上させることができる。   In the present embodiment, the central axis of the microlens 12 arranged in a region other than the central portion of the solid-state imaging device 10 is the center of the solid-state imaging device 10 from the central axis of the photoelectric conversion element 17 corresponding to the microlens 12. It may be shifted closer to the part. Thereby, the sensitivity to obliquely incident light can be further improved.

次に、本発明の固体撮像装置の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。   Next, an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention will be described using simulation results.

シミュレーションは、電磁場解析手法の一種である時間領域差分法(FDTD法)を用いて実施した。以下に、シミュレーションの条件を示す。   The simulation was performed using a time domain difference method (FDTD method) which is a kind of electromagnetic field analysis method. The simulation conditions are shown below.

図4は、シミュレーションに使用した実施例1の固体撮像装置10の構造の一部を模式的に示す図である。図4(a)は、本実施例による固体撮像装置10の一部の上面図である。図4(a)に示すように、本実施例による固体撮像装置10には、特定の色に対応する波長を選択的に透過するカラーフィルタが形成された画素11が規則的に配置されている。赤色画素11Rは、赤色波長光の強度を検出する画素であり、緑色画素11Gは、緑色波長光の強度を検出する画素であり、青色画素11Bは、青色波長光の強度を検出する画素である。図4(a)において、赤色画素11R、緑色画素11G及び青色画素11Bのそれぞれの幅は、X軸方向とY軸方向ともに1.1μmとした。   FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a part of the structure of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment used in the simulation. FIG. 4A is a top view of a part of the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment. As shown in FIG. 4A, in the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, pixels 11 on which color filters that selectively transmit a wavelength corresponding to a specific color are formed are regularly arranged. . The red pixel 11R is a pixel that detects the intensity of red wavelength light, the green pixel 11G is a pixel that detects the intensity of green wavelength light, and the blue pixel 11B is a pixel that detects the intensity of blue wavelength light. . In FIG. 4A, the width of each of the red pixel 11R, the green pixel 11G, and the blue pixel 11B is 1.1 μm in both the X-axis direction and the Y-axis direction.

図4(b)は図4(a)に示すA−A’線に沿った本実施例の固体撮像装置10の断面図であり、図4(c)は図4(a)に示すB−B’線に沿った本実施例の固体撮像装置10の断面図である。また、本実施例におけるマイクロレンズ12は、底面が直径1.1μmの円形であって高さが0.45μmである略半球形状とし、屈折率を1.6、消衰係数を0とした。   4B is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 10 of the present embodiment along the line AA ′ shown in FIG. 4A, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line B-- shown in FIG. It is sectional drawing of the solid-state imaging device 10 of a present Example along B 'line. In addition, the microlens 12 in this example has a substantially hemispherical shape with a bottom having a circular shape with a diameter of 1.1 μm and a height of 0.45 μm, a refractive index of 1.6, and an extinction coefficient of 0.

図4(b)に示す青色カラーフィルタ13Bは、青色画素11Bに対応する位置に形成され、青色波長光を透過するカラーフィルタである。本実施例において青色カラーフィルタ13Bは、X軸方向の長さおよびY軸方向の長さを1.1μm、Z軸方向の長さを0.7μm、屈折率を1.48、消衰係数を0.206とした。また、本実施例において、青色カラーフィルタ13Bは、色材としてC.I.ピグメントブルー15:6、C.I.ピグメントバイオレット23を用いた。さらに、シクロヘキサノン、PGMEA等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に0.7μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。   The blue color filter 13B shown in FIG. 4B is a color filter that is formed at a position corresponding to the blue pixel 11B and transmits blue wavelength light. In this embodiment, the blue color filter 13B has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 1.1 μm, a length in the Z-axis direction of 0.7 μm, a refractive index of 1.48, and an extinction coefficient. It was set to 0.206. In the present embodiment, the blue color filter 13B is C.I. I. Pigment blue 15: 6, C.I. I. Pigment Violet 23 was used. Furthermore, after applying a photoresist composed of an organic solvent such as cyclohexanone and PGMEA, a polymer varnish, a monomer, and an initiator to a thickness of 0.7 μm on the silicon substrate, and further performing exposure and heat treatment The refractive index and extinction coefficient were measured using a spectroscopic ellipsometer.

図4(b)、図4(c)に示す緑色カラーフィルタ13Gは、緑色画素11Gに対応する位置に形成され、緑色波長光を透過するカラーフィルタである。本実施例において緑色カラーフィルタ13Gは、X軸方向の長さおよびY軸方向の長さを1.1μm、Z軸方向の長さを0.7μm、屈折率を1.67、消衰係数を0.00452とした。また、本実施例において緑色カラーフィルタ13Gは、色材としてC.I.ピグメントイエロー139、C.I.ピグメントグリーン36、C.I.ピグメントブルー15:6を用いた。さらに、シクロヘキサノン、PGMEA等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に0.7μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。   The green color filter 13G shown in FIGS. 4B and 4C is a color filter that is formed at a position corresponding to the green pixel 11G and transmits green wavelength light. In this embodiment, the green color filter 13G has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 1.1 μm, a length in the Z-axis direction of 0.7 μm, a refractive index of 1.67, and an extinction coefficient. It was set to 0.00452. In the present embodiment, the green color filter 13G is C.I. I. Pigment yellow 139, C.I. I. Pigment green 36, C.I. I. Pigment Blue 15: 6 was used. Furthermore, after applying a photoresist composed of an organic solvent such as cyclohexanone and PGMEA, a polymer varnish, a monomer, and an initiator to a thickness of 0.7 μm on the silicon substrate, and further performing exposure and heat treatment The refractive index and extinction coefficient were measured using a spectroscopic ellipsometer.

図4(c)に示す赤色カラーフィルタ13Rは、赤色画素11Rに対応する位置に形成され、赤色波長光を透過するカラーフィルタ13である。本実施例において赤色カラーフィルタ13Rは、X軸方向の長さおよびY軸方向の長さを1.1μm、Z軸方向の長さを0.7μm、屈折率を1.77、消衰係数を0.281とした。また、本実施例において赤色カラーフィルタ13Rは、色材としてC.I.ピグメントレッド117、C.I.ピグメントレッド48:1、C.I.ピグメントイエローを用いた。さらに、シクロヘキサノン、PGMEA等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に0.7μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。   The red color filter 13R shown in FIG. 4C is a color filter 13 that is formed at a position corresponding to the red pixel 11R and transmits red wavelength light. In this embodiment, the red color filter 13R has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 1.1 μm, a length in the Z-axis direction of 0.7 μm, a refractive index of 1.77, and an extinction coefficient. It was set to 0.281. In this embodiment, the red color filter 13R is a C.I. I. Pigment red 117, C.I. I. Pigment red 48: 1, C.I. I. Pigment yellow was used. Furthermore, after applying a photoresist composed of an organic solvent such as cyclohexanone and PGMEA, a polymer varnish, a monomer, and an initiator to a thickness of 0.7 μm on the silicon substrate, and further performing exposure and heat treatment The refractive index and extinction coefficient were measured using a spectroscopic ellipsometer.

本実施例において平坦化層14は、厚さを0.55μm、屈折率を1.6、消衰係数を0とした。
また、遮光壁15は、各画素間の境界に格子状に配置し、幅方向(X軸方向およびY軸方向)の長さを0.1μm、Z軸方向の厚さを0.2μm、屈折率を0.982、消衰係数を6.45とした。また遮光壁15は、各画素間の境界に幅方向(X軸方向およびY軸方向)の長さの中心部が位置し、且つ半導体基板16の表面に接し、さらに平坦化層14内部に含まれるように配置した。
また、本実施例において半導体基板16は、X軸方向の長さおよびY軸方向の長さを2.2μm、Z軸方向の厚さを2.5μm、屈折率を4.24、消衰係数を0.0303とした。
また、本実施例において、入射光の波長は0.55μmとした。また、入射光は平行光とし、XZ平面を入射面として、入射角度を0度、10度、20度とした。電場の振動方向はX軸方向とした。
In this embodiment, the planarizing layer 14 has a thickness of 0.55 μm, a refractive index of 1.6, and an extinction coefficient of 0.
Further, the light shielding wall 15 is arranged in a grid pattern at the boundary between the pixels, the length in the width direction (X-axis direction and Y-axis direction) is 0.1 μm, the thickness in the Z-axis direction is 0.2 μm, and the light is refracted. The rate was 0.982 and the extinction coefficient was 6.45. The light shielding wall 15 is located at the center of the length in the width direction (X-axis direction and Y-axis direction) at the boundary between the pixels, is in contact with the surface of the semiconductor substrate 16, and is included in the planarization layer 14. Arranged to be.
In this embodiment, the semiconductor substrate 16 has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 2.2 μm, a thickness in the Z-axis direction of 2.5 μm, a refractive index of 4.24, and an extinction coefficient. Was set to 0.0303.
In this example, the wavelength of incident light was 0.55 μm. The incident light was parallel light, the XZ plane was the incident surface, and the incident angles were 0 degrees, 10 degrees, and 20 degrees. The vibration direction of the electric field was the X-axis direction.

図5は、シミュレーションに使用した実施例2の固体撮像装置10の構造の一部を模式的に示す図である。図5(a)は本実施例による固体撮像装置10の一部の上面図であり、図5(b)は図5(a)に示すA−A’線に沿った本実施例の固体撮像装置10の断面図であり、図5(c)は図5(a)に示すB−B’線に沿った本実施例による固体撮像装置10の断面図である。
図5(b)及び図5(c)に示すように、本実施例のマイクロレンズ12は、頂部に平坦面120が形成されている構造とした。また、本実施例におけるマイクロレンズ12は、高さ0.35μmであって、高さ0.35μmまでを図4(a)に示す実施例1のマイクロレンズ12と同様とした。また、図5に示す本実施例による固体撮像装置10において、その他のシミュレーション条件は図4に示す実施例1による固体撮像装置10と同様とした。
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a part of the structure of the solid-state imaging device 10 according to the second embodiment used in the simulation. FIG. 5A is a top view of a part of the solid-state imaging device 10 according to this embodiment, and FIG. 5B is a solid-state imaging according to this embodiment along the line AA ′ shown in FIG. It is sectional drawing of the apparatus 10, FIG.5 (c) is sectional drawing of the solid-state imaging device 10 by a present Example along the BB 'line shown to Fig.5 (a).
As shown in FIGS. 5B and 5C, the microlens 12 of this example has a structure in which a flat surface 120 is formed on the top. Further, the microlens 12 in the present example has a height of 0.35 μm, and the height up to 0.35 μm is the same as the microlens 12 of Example 1 shown in FIG. Further, in the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment shown in FIG. 5, the other simulation conditions are the same as those of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment shown in FIG.

実施例1及び実施例2の固体撮像装置について上記の条件でシミュレーションを実施し、各画素における半導体基板16の表面から深さ2.5μmまでにおいて吸収される光強度を計算した。   Simulations were performed on the solid-state imaging devices of Example 1 and Example 2 under the above conditions, and the light intensity absorbed at a depth of 2.5 μm from the surface of the semiconductor substrate 16 in each pixel was calculated.

上記光強度の計算を実施した上で、1画素に入射する光強度に対する、各画素における半導体基板16の表面から深さ2.5μmまでにおいて吸収される入射光強度の割合として受光感度を算出した。   After calculating the light intensity, the light receiving sensitivity was calculated as the ratio of the incident light intensity absorbed from the surface of the semiconductor substrate 16 to the depth of 2.5 μm in each pixel with respect to the light intensity incident on one pixel. .

各条件における、緑色画素11Gの受光感度を以下表1に示す。   The light receiving sensitivity of the green pixel 11G under each condition is shown in Table 1 below.

Figure 2019204932
Figure 2019204932

表1より、マイクロレンズ12の頂部が平坦面である実施例2(図5(a)〜(c)参照)の構造において、マイクロレンズ12が略半球形状である実施例1(図4(a)〜(c)参照)の構造に比べ、入射角度0度及び10度の場合の感度は低下するが、入射角度20度の場合の感度は増加することが分かる。   From Table 1, in the structure of Example 2 (see FIGS. 5A to 5C) in which the top of the microlens 12 is a flat surface, the microlens 12 is substantially hemispherical in Example 1 (FIG. 4A). ) To (c)), the sensitivity at the incident angles of 0 degrees and 10 degrees decreases, but the sensitivity at the incident angle of 20 degrees increases.

以上の実施例より、光が垂直入射する固体撮像装置10の中心部においてマイクロレンズ12を略半球形状とし、光が斜めに入射する(例えば入射角度が20度以上となる)固体撮像装置10の周辺部においてマイクロレンズ12の頂部を平坦面とすることが、固体撮像装置における感度ムラの改善且つ感度向上に効果的であることを確認した。   From the above embodiment, the microlens 12 has a substantially hemispherical shape at the center of the solid-state imaging device 10 where light enters vertically, and the light is incident obliquely (for example, the incident angle is 20 degrees or more). It was confirmed that making the top part of the microlens 12 flat in the peripheral part is effective in improving sensitivity unevenness and improving sensitivity in the solid-state imaging device.

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。   The scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but also includes all embodiments that provide equivalent effects to those intended by the present invention. Furthermore, the scope of the invention is not limited to the combinations of features of the invention defined by the claims, but may be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features.

10 固体撮像装置
11 画素
11B 青色画素
11G 緑色画素
11R 赤色画素
12、12A、12B、12C マイクロレンズ
13 カラーフィルタ
13B 青色カラーフィルタ
13G 緑色カラーフィルタ
13R 赤色カラーフィルタ
14 平坦化層
15 遮光壁
16 半導体基板
17 光電変換素子
120 平坦面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid-state imaging device 11 Pixel 11B Blue pixel 11G Green pixel 11R Red pixel 12, 12A, 12B, 12C Micro lens 13 Color filter 13B Blue color filter 13G Green color filter 13R Red color filter 14 Flattening layer 15 Light shielding wall 16 Semiconductor substrate 17 Photoelectric conversion element 120 Flat surface

Claims (3)

半導体基板と、前記半導体基板内部に形成される光電変換素子と、前記光電変換素子上部に形成されるカラーフィルタと、前記光電変換素子と対応させて前記カラーフィルタの上部に配置される凸型のマイクロレンズと、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズは、頂部に平坦面が形成されていること
を特徴とする固体撮像装置。
A semiconductor substrate; a photoelectric conversion element formed inside the semiconductor substrate; a color filter formed on the photoelectric conversion element; and a convex type disposed on the color filter in correspondence with the photoelectric conversion element. A solid-state imaging device in which a plurality of pixels configured with a microlens are two-dimensionally arranged,
The microlens arranged in a region other than the central portion of the solid-state imaging device has a flat surface formed at the top.
前記固体撮像装置の前記中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズの中心軸は、対応する前記光電変換素子の中心軸から前記固体撮像装置の中心部寄りにずれていること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The center axis of the microlens arranged in a region other than the central portion of the solid-state imaging device is shifted from the central axis of the corresponding photoelectric conversion element toward the central portion of the solid-state imaging device. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記頂部に平坦面が形成された前記マイクロレンズは、前記固体撮像装置の中心部を基準として主光線の入射角度が20度以上となる領域に配置されること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置。
The microlens having a flat surface formed on the top is disposed in a region where an incident angle of a principal ray is 20 degrees or more with respect to a central portion of the solid-state imaging device. Item 3. The solid-state imaging device according to Item 2.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661462A (en) * 1992-08-04 1994-03-04 Matsushita Electron Corp Solid-state image sensing device and its manufacture
JP2005150697A (en) * 2003-10-23 2005-06-09 Sanyo Electric Co Ltd Solid state imaging device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661462A (en) * 1992-08-04 1994-03-04 Matsushita Electron Corp Solid-state image sensing device and its manufacture
JP2005150697A (en) * 2003-10-23 2005-06-09 Sanyo Electric Co Ltd Solid state imaging device

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