JP2022030762A - Solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子、より詳しくは、カラーフィルタおよびマイクロレンズアレイが取り付けられたオンチップタイプの固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, more particularly an on-chip type solid-state image sensor to which a color filter and a microlens array are attached.
光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式の固体撮像素子が普及している。
固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化に伴い、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプの固体撮像素子が増えている。
It is possible to obtain color information of an object by providing a color filter in which a colored transparent pattern of multiple colors that selectively transmits light of a specific wavelength is arranged in a plane in the path of light incident on the photoelectric conversion element. Single-panel solid-state image sensors have become widespread.
As the solid-state image sensor becomes thinner and lighter and has higher definition, the number of on-chip type solid-state image sensors that form a color filter directly on the array substrate of the photoelectric conversion element is increasing.
オンチップタイプの固体撮像素子には、光電変換素子に効率よく光を導くために、マイクロレンズが配置されることがある(例えば、特許文献1参照)。 In the on-chip type solid-state image sensor, a microlens may be arranged in order to efficiently guide light to the photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 1).
デジタル・イメージ機器の高画質化や小型化が進んでおり、オンチップタイプの固体撮像素子においてもさらに高精細化が要請されている。
発明者は、このような固体撮像素子の高精細化に対応する検討を進める過程で、従来問題視されていなかったペタルフレア(petal flare)という新たな問題点を認識し、解決した。
Higher image quality and smaller size of digital image devices are advancing, and even higher definition is required for on-chip type solid-state image sensors.
The inventor recognized and solved a new problem called petal flare, which had not been regarded as a problem in the past, in the process of proceeding with the study for dealing with such high definition of the solid-state image sensor.
本発明は、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid-state image pickup device capable of high definition while suppressing petal flare.
本発明は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える固体撮像素子である。
複数のマイクロレンズにおいて、色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する2つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップは、色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の15%以上25%以下である。
The present invention comprises a wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements, a filter unit having a plurality of types of color filters formed on the wafer substrate and arranged corresponding to the photoelectric conversion elements, and arrangement corresponding to the color filter. It is a solid-state image pickup device including a microlens unit having a plurality of microlenses.
In a plurality of microlenses, the diagonal gap, which is the shortest distance between two microlenses diagonally adjacent to each other in the color filter region in which the color filter is arranged, is 15% or more of the longest side in the plan view shape of the color filter region. It is 25% or less.
本発明によれば、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state image pickup device capable of high definition while suppressing petal flare.
以下、本発明の一実施形態について、図1から図4を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子100は、複数の光電変換素子PDを有するウェハ基板101と、ウェハ基板101上に形成されたオンチップカラーフィルタ1とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid-state image sensor according to the present embodiment. The solid-
オンチップカラーフィルタ1は、複数種類の色フィルタを含むフィルタ部10と、フィルタ部10上に配置されたマイクロレンズ部20とを有する。
フィルタ部10は、色フィルタ11、12、13の3種類の色フィルタを含む。フィルタ部10の色の種類や数、および配分は、適宜決定でき、公知のものを採用できる。例えば、赤、緑、青の三色を用いたベイヤ配列などを例示できる。固体撮像素子100の平面視において、各色フィルタは、光電変換素子PDの1つと重なっている。
The on-
The
マイクロレンズ部20は、複数のマイクロレンズ21を有する。マイクロレンズ21は、フィルタ部10の色フィルタと概ね同様の配置態様を有しており、固体撮像素子100の平面視において、各色フィルタは、マイクロレンズ21の1つと重なっている。
The
以上の様に構成された固体撮像素子100においては、マイクロレンズ21に入射した光が対応する色フィルタを経て光電変換素子PDに導かれることにより、撮像機能を発揮する。
固体撮像素子の感度を向上させるためには、マイクロレンズによりできるだけ多くの光を光電変換素子に導くことが必要である。このため、マイクロレンズ部の各マイクロレンズは、熱リフローおよびエッチバック等の公知の技術を用いて、図2に示すように、平面視においてマイクロレンズの光学面がほぼ隙間なく配置されるよう形成されるのが常識であった。
In the solid-state
In order to improve the sensitivity of the solid-state image sensor, it is necessary to guide as much light as possible to the photoelectric conversion element by the microlens. Therefore, each microlens of the microlens portion is formed by using known techniques such as thermal reflow and etch back so that the optical surfaces of the microlenses are arranged almost without gaps in a plan view as shown in FIG. It was common sense to be done.
ところが、マイクロレンズの直径あるいはマイクロレンズが配置された色フィルタの一辺の寸法が1.2μm以下に高精細化された固体撮像素子において、十分な色純度が得られない現象が散見されるようになった。
発明者がこの現象について検討したところ、マイクロレンズによるペタルフレアがその大きな要因であることをつきとめた。
However, in a solid-state image sensor in which the diameter of the microlens or the dimension of one side of the color filter in which the microlens is arranged is made high-definition to 1.2 μm or less, a phenomenon that sufficient color purity cannot be obtained is sometimes seen. became.
When the inventor examined this phenomenon, he found that petal flare caused by microlenses was a major factor.
ペタルフレアは、マイクロレンズの光軸まわりに間隔を空けて花びら状に生じるフレアであり、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の反射光の干渉により生じると考えられている。ペタルフレア自体は、原理上これまでのマイクロレンズアレイでも発生していたと考えられるが、従来は、光電変換素子が受光する光量が多かったことや、隣接する色フィルタ領域との距離(ピッチ)が大きかったことにより、問題として顕在化していなかったと考えられる。 Petal flare is flare that occurs in the shape of petals at intervals around the optical axis of the microlens, and is considered to be caused by interference of reflected light other than the normal direction that occurs on the optical surface of the microlens. In principle, petal flare itself is thought to have occurred in conventional microlens arrays, but in the past, the amount of light received by the photoelectric conversion element was large, and the distance (pitch) from the adjacent color filter region was large. Therefore, it is probable that it did not become apparent as a problem.
発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部の平面視において、マイクロレンズのないギャップ領域を一定量設けることが有効であることを見出した。 The inventor has studied various methods for reducing petal flare. As a result, it has been found that it is effective to provide a certain amount of a gap region without a microlens in the plan view of the microlens portion.
色フィルタの平面視形状が正方形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図2のように隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図3に示すように、正方形の隅部分にマイクロレンズのないギャップ領域が生じる。 When the plan-view shape of the color filter is square, the microlenses are arranged without gaps as shown in FIG. 2 by making the diameter of the microlenses substantially the same as the diagonal line of the square. When the diameter of the microlens is reduced from this state, as shown in FIG. 3, a gap region without the microlens is generated in the corner portion of the square.
図4は、ギャップ領域の対角ギャップと法線方向以外の反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域は、一辺1.1μmの正方形とした。
「対角ギャップ」とは、任意の色フィルタ領域に配置されたマイクロレンズと、当該色フィルタ領域の周囲にあり角部のみが接する他の色フィルタに配置されたマイクロレンズとの、色フィルタ領域が接する角部を通る線上における最短距離を意味し、図3に符号DGで示している。すなわち、対角ギャップとは、平面視における任意のマイクロレンズとその対角方向に隣接した他のマイクロレンズとの最短距離である。なお、各色フィルタが隔壁で隔離され、対角方向の色フィルタの隅部同士が直接接しない構成の場合、対角ギャップは隔壁を含む距離となる。
図4に示すように、対角ギャップが増加するにつれて、法線方向以外の反射光が減少していることがわかる。色フィルタ領域に対してマイクロレンズが小さくなりすぎると、光電変換素子に導ける光の量が減少することにより感度が低下するが、発明者の検討では、対角ギャップが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの15%以上25%以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の反射光を低減できることが分かった。
FIG. 4 is a simulation result of examining the relationship between the diagonal gap in the gap region and the amount of reflected light other than the normal direction. The color filter area was a square with a side of 1.1 μm.
The "diagonal gap" is a color filter area of a microlens arranged in an arbitrary color filter area and a microlens arranged in another color filter around the color filter area and in contact with only the corners. It means the shortest distance on the line passing through the corner portion where is in contact with, and is shown by the symbol DG in FIG. That is, the diagonal gap is the shortest distance between any microlens in plan view and other microlenses adjacent in the diagonal direction thereof. When each color filter is separated by a partition wall and the corners of the diagonal color filters do not come into direct contact with each other, the diagonal gap is the distance including the partition wall.
As shown in FIG. 4, it can be seen that as the diagonal gap increases, the reflected light other than the normal direction decreases. If the microlens is too small for the color filter region, the amount of light that can be guided to the photoelectric conversion element is reduced, resulting in a decrease in sensitivity. It was found that when the length is 15% or more and 25% or less, the reflected light other than the normal direction can be reduced with almost no effect on the performance such as sensitivity.
さらに、発明者の検討では、マイクロレンズの厚みもペタルフレアに影響を与えることも確認された。すなわち、対角ギャップを所定の範囲としたうえでマイクロレンズの厚みを以下の通り調整することで、ペタルフレアをさらに抑制することが可能となる。
図5は、マイクロレンズの厚みと法線方向以外の反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域の寸法等の諸条件は、図4に係るシミュレーションと同様とした。
図5に示すように、マイクロレンズの厚みが増加するにつれて、法線方向以外の反射光が減少していることがわかる。発明者の検討では、厚みが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの50%以上65%以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の反射光を低減できることが分かった。さらにマイクロレンズの厚みが色フィルタ領域の一辺の長さの50%以上54%以下の範囲であれば、マイクロレンズの集光効率向上と法線方向以外の反射光の低減を高いレベルで両立できるためより好ましいといえる。
図4および図5において、「Sum」は全回折光の総和を指し、「Max」は全回折次数で最も強く回折した光を指す。いずれもペタルフレアに影響するが、ペタルフレアを抑制するには、Maxの値を抑えることがより効果的である。
Furthermore, in the inventor's study, it was confirmed that the thickness of the microlens also affects petal flare. That is, petal flare can be further suppressed by adjusting the thickness of the microlens as follows while setting the diagonal gap within a predetermined range.
FIG. 5 is a simulation result of examining the relationship between the thickness of the microlens and the amount of reflected light other than the normal direction. The conditions such as the dimensions of the color filter area were the same as in the simulation according to FIG.
As shown in FIG. 5, it can be seen that as the thickness of the microlens increases, the reflected light other than the normal direction decreases. According to the study of the inventor, if the thickness is 50% or more and 65% or less of the length of one side of the corresponding color filter region, the reflected light other than the normal direction can be reduced with almost no effect on the performance such as sensitivity. I understood. Furthermore, if the thickness of the microlens is in the range of 50% or more and 54% or less of the length of one side of the color filter region, it is possible to improve the light collection efficiency of the microlens and reduce the reflected light other than the normal direction at a high level. Therefore, it can be said that it is more preferable.
In FIGS. 4 and 5, "Sum" refers to the sum of all diffracted light, and "Max" refers to the light most strongly diffracted in all diffraction orders. Both affect petal flare, but in order to suppress petal flare, it is more effective to suppress the Max value.
本実施形態の固体撮像素子について、実施例および比較例を用いてさらに説明する。本発明の技術的範囲は、実施例および比較例の具体的内容のみによって何ら制限されない。 The solid-state image sensor of this embodiment will be further described with reference to Examples and Comparative Examples. The technical scope of the present invention is not limited to the specific contents of Examples and Comparative Examples.
(実施例1)
二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、メタル配線等を有するウェハ基板を準備した。このウェハ基板に、G(緑)、R(赤)、およびB(青)の3色の色フィルタを、各光電変換素子の領域に対応させつつベイヤ配列にて形成し、ウェハ基板上にフィルタ部を設けた。
フィルタ部上に、非感光性樹脂からなる透明層をコーターにより形成し、透明層上に感光性樹脂からなるハードマスクをコートおよび露光現像し、各色フィルタ領域内に、平面視円形のレンズパターンを形成した。
このレンズパターンに160℃300秒の熱フロー工程を施してレンズパターンを半球状にした後、エッチングプロセスにてレンズパターンおよび透明層をエッチングした。
以上により、実施例1に係る固体撮像素子を得た。実施例1における各部の寸法は以下の通りである。
色フィルタ領域:一辺1.1μmの正方形
マイクロレンズ厚み:0.58μm(上記一辺の52.7%)
マイクロレンズ対角ギャップ:0.1μm(上記一辺の9.09%)
(Example 1)
A wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional matrix and metal wiring and the like was prepared. Three color filters of G (green), R (red), and B (blue) are formed on this wafer substrate in a bayer arrangement while corresponding to the regions of each photoelectric conversion element, and the filters are formed on the wafer substrate. A part was provided.
A transparent layer made of a non-photosensitive resin is formed on the filter portion by a coater, a hard mask made of a photosensitive resin is coated on the transparent layer and exposure-developed, and a circular lens pattern in a plan view is formed in each color filter region. Formed.
This lens pattern was subjected to a heat flow process at 160 ° C. for 300 seconds to make the lens pattern hemispherical, and then the lens pattern and the transparent layer were etched by an etching process.
From the above, the solid-state image sensor according to Example 1 was obtained. The dimensions of each part in Example 1 are as follows.
Color filter area: Square microlens with a side of 1.1 μm Thickness: 0.58 μm (52.7% of the above side)
Microlens diagonal gap: 0.1 μm (9.09% of the above side)
(比較例)
エッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの厚みを0.52μm(上記一辺の47.3%)とした点を除き、実施例1と同様の手順で比較例に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。
(Comparative example)
A solid-state image sensor with a color filter according to a comparative example was obtained by the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the microlens was set to 0.52 μm (47.3% of the above side) by changing the etching process.
(実施例2)
レンズパターンおよびエッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの対角ギャップを0.27μm(上記一辺の24.5%)とした点を除き、実施例1と同様の手順で比較例に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。
実施例1および比較例の各色におけるペタルフレアの最大強度を表1に示す。表1では、比較例の最大強度を100とした相対値を示している。
(Example 2)
Solid-state imaging with a color filter according to the comparative example in the same procedure as in Example 1 except that the diagonal gap of the microlens was set to 0.27 μm (24.5% of the above side) by changing the lens pattern and etching process. Obtained the element.
Table 1 shows the maximum intensity of petal flare in each color of Example 1 and Comparative Example. Table 1 shows relative values with the maximum intensity of the comparative example as 100.
表1に示すように、実施例1では、いずれの色フィルタにおいてもペタルフレアの最大強度が20%以上低減されていた。 As shown in Table 1, in Example 1, the maximum intensity of petal flare was reduced by 20% or more in any of the color filters.
図6は、実施例2に係るマイクロレンズ部の平面視写真であり、走査型電子顕微鏡(SEM)で取得したものである。図2と比べると、各色フィルタ領域の隅部に比較的大きな対角ギャップが確保されていることがわかる。
図7に比較例のペタルフレアの写真を、図8に実施例2のペタルフレアの写真をそれぞれ示す。実施例2では、比較例に比してペタルフレアの明度が抑えられていることがわかる。
FIG. 6 is a plan view photograph of the microlens portion according to the second embodiment, which was obtained by a scanning electron microscope (SEM). Compared with FIG. 2, it can be seen that a relatively large diagonal gap is secured at the corner of each color filter region.
FIG. 7 shows a photograph of the petal flare of the comparative example, and FIG. 8 shows a photograph of the petal flare of the second embodiment. In Example 2, it can be seen that the brightness of the petal flare is suppressed as compared with the comparative example.
以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes changes and combinations of configurations within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
例えば、各色フィルタ領域の形状は、上述した正方形に限られず、長方形や他の多角形であってもよい。色フィルタ領域の形状において、長方形等の様に辺の長さが複数種類ある場合は、最長辺の長さを基準として厚みや対角ギャップ等を設定すればよい。 For example, the shape of each color filter region is not limited to the square described above, and may be a rectangle or another polygon. When the shape of the color filter area has a plurality of types of side lengths such as a rectangle, the thickness, diagonal gap, etc. may be set based on the length of the longest side.
本発明の固体撮像素子は、平面視における一部に色フィルタが配置されなくてもよい。例えば、光電変換素子の一部をピント調整等に用いる固体撮像素子等に本発明を適用する場合、フィルタ部においてピント調整に用いる光電変換素子に対応する領域に色フィルタを配置しないといった態様もありうる。 In the solid-state image pickup device of the present invention, the color filter may not be arranged in a part in the plan view. For example, when the present invention is applied to a solid-state image pickup device or the like in which a part of a photoelectric conversion element is used for focus adjustment or the like, there is also an embodiment in which a color filter is not arranged in a region corresponding to the photoelectric conversion element used for focus adjustment in the filter unit. sell.
各色フィルタ間に、迷光を防ぐための隔壁が形成されてもよい。隔壁は、光吸収性隔壁であってもよいし、光反射性隔壁であってもよい。 A partition wall may be formed between the color filters to prevent stray light. The partition wall may be a light-absorbing partition wall or a light-reflecting partition wall.
1 オンチップカラーフィルタ
10 フィルタ部
11、12、13 色フィルタ
20 マイクロレンズ部
21 マイクロレンズ
100 固体撮像素子
101 ウェハ基板
DG 対角ギャップ
PD 光電変換素子
1 On-
Claims (2)
前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
を備え、
前記複数のマイクロレンズにおいて、前記色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する2つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップが、前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の15%以上25%以下である、
固体撮像素子。 A wafer substrate with multiple photoelectric conversion elements and
A filter unit having a plurality of types of color filters formed on the wafer substrate and arranged corresponding to the photoelectric conversion element, and
A microlens unit having a plurality of microlenses arranged corresponding to the color filter,
Equipped with
In the plurality of microlenses, the diagonal gap, which is the shortest distance between two microlenses diagonally adjacent to each other in the color filter region in which the color filter is arranged, is the longest side in the plan view shape of the color filter region. 15% or more and 25% or less,
Solid-state image sensor.
請求項1に記載の固体撮像素子。 The thickness of the microlens is 50% or more and 65% or less of the longest side in the corresponding color filter region.
The solid-state image sensor according to claim 1.
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