JP3693162B2

JP3693162B2 - Solid-state imaging device

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Publication number: JP3693162B2
Application number: JP2001073196A
Authority: JP
Inventors: 洋志卜部
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2005-09-07
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部である光電変換部の集光効率を向上させた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像装置は、市場において、利便性等の観点より形状の小型化および画像の高画素化が求められている。この結果、固体撮像装置の受光部である光電変換部と電荷転送部とから構成されるユニットセルは、固体撮像装置の内部における占有面積が縮小されている。このようなユニットセルの占有面積の縮小に伴う光電変換部の面積の縮小は、入射光の光電変換部への集光率を減少させ、固体撮像装置の主要特性の１つである光電変換部の光感度を低下させるおそれがある。
【０００３】
従来、このような光電変換部の光感度の低下に対して、固体撮像装置の受光部である光電変換部に対向するように、光電変換部の上部の入射光の光路上にマイクロレンズを形成し、入射光を効率よく光電変換部に集光させて、光電変換部の光感度を向上させることが図られている。
【０００４】
図５は、このように、入射光を光電変換部に集光させるマイクロレンズを用いることによって、光電変換部の集光率を向上させている従来の固体撮像装置の概略断面図である。図５に示す固体撮像装置では、半導体基板１の上部に、複数の光電変換部２が一定の間隔をあけて埋め込まれている。隣接する光電変換部２の間には、電荷転送部（転送レジスタ：図示せず）が設けられており、全ての光電変換部２および電荷転送部を覆うように、電荷読み出し部（転送ゲート：図示せず）および層間膜３が形成されている。層間膜３上には、断面が長方形である複数の電荷転送電極４が、一定間隔で隣接する光電変換部２の間に、それぞれ形成されており、各電荷転送電極４の表面は、入射光の感光領域を規定する遮光膜５によってそれぞれ被覆されている。
【０００５】
層間膜３上には、絶縁膜６が、遮光膜５によって被覆されている電荷転送電極４を埋め込むように、積層されている。絶縁膜６上には、カラーフィルター１９、カラーフィルター１９の表面を平坦化する透明な平坦化膜２０が順番に積層されている。平坦化膜２０上には、入射光を各光電変換部２にそれぞれ集光させる複数のマイクロレンズ１５が一定の間隔をあけて各画素毎に形成されている。マイクロレンズ１５は、受光部である光電変換部２に対向する位置に、光電変換部２の領域（幅）よりも拡張されて設けられている。各マイクロレンズ１５は、中央部が周縁部よりも厚くなった凸レンズである。
【０００６】
図５に示すように、外部よりマイクロレンズ１５に入射した入射光（図５に矢印１３，１６、１７、１８で示す）は、マイクロレンズ１５の表面で屈折して光電変換部２に向かって進行し、平坦化膜２０、カラーフィルター１９、絶縁膜６、層間膜３を経て光電変換部２の受光面に照射され、光電変換部２にて信号電荷を励起する。入射光（図５に矢印１３，１６、１７、１８で示す）によって励起された信号電荷は、電荷転送電極４の下部に形成されている電荷読み出し部（転送ゲート：図示せず）にて読み出され、電荷転送部（転送レジスタ：図示せず）に転送される。電荷転送電極４を覆う遮光膜５は、電荷読み出し部（転送ゲート：図示せず）および電荷転送部（転送レジスタ：図示せず）への光の入射量を低下させる機能を備えている。
【０００７】
マイクロレンズ１５は、光電変換部２の幅よりも大きくなっているために、マイクロレンズ１５の周縁部に外部から入射した入射光１３は、入射光１３の入射した位置が光電変換部２の領域（幅）から外れているにもかかわらず、マイクロレンズ１５によって光電変換部２に集光される。
【０００８】
このように、光電変換部２に対向する位置にマイクロレンズ１５を設けることによって、光電変換部２において励起される信号電荷が増加するとともに、遮光膜５に入射する入射光を減少させ、光電変換部２の光感度の向上、および、選択されていない画素からの信号電荷の漏れによるにじみが生じるスミア現象の抑制等の大きな効果が得られる。したがって、外部からの入射光がマイクロレンズ１５の表面上に入射するように、平坦化膜２０上に設けられるマイクロレンズ１５の底面を大きくし、マイクロレンズ１５の存在しない領域をさらに小さくすれば、図５に矢印１１および１２で示す入射光も光電変換部２に集光されるため、光電変換部２に集光される光量が増加し、光電変換部２の光感度の向上、および、選択されていない画素からの信号電荷の漏れより生じるスミア現象の抑制がより一層向上させることができる。
【０００９】
尚、本明細書では、説明上、簡単のためにマイクロレンズ１５、平坦化膜２０、カラーフィルター１９、絶縁膜６の屈折率は全て同一としている。マイクロレンズ１５には、通常、屈折率が１．６程度である物質を用いている。
【００１０】
しかしながら、平坦化膜２０上において、マイクロレンズ１５の底面を大きくし、マイクロレンズ１５の存在しない領域を小さくすると、例えば、平坦化膜２０上に隣接する複数のマイクロレンズ１５同士が接触し、マイクロレンズ１５の接触部分が画素欠陥となり画質を著しく劣化させるおそれがある。また、マイクロレンズ１５の形成時の加工バラツキによって、外部より固体撮像装置のマイクロレンズ１５に投射された入射光の一部が、隣接する光電変換部２に対向するカラーフィルター１９を通過し、画像に混色が生じるというおそれがある。したがって、平坦化膜２０上において、マイクロレンズ１５の底面を大きくし、マイクロレンズ１５の存在しない領域を小さくすることは容易ではない。
【００１１】
このため、平坦化膜２０上におけるマイクロレンズ１５が存在しない領域に入射した入射光（図５に矢印１１，１２で示す）を受光部である光電変換部２に集光させるために、図６および図７に示すように、平坦化膜２０上のマイクロレンズ１５の存在しない領域に、外部からの入射光を拡散させる作用を有する凹レンズを形成した固体撮像装置が特開平５−２７１９６号公報、特開平９−４５８８４号公報、特開平１１−８７６７３号公報等に開示されている。
【００１２】
図６に示す固体撮像装置は、絶縁膜６上には、入射光を光電変換部２に集光させるマイクロレンズ１５が一定間隔で画素毎に形成されている。絶縁膜６上には、また、マイクロレンズ１５が形成されていない電荷転送電極４に対向する位置に、凹面状の凹レンズ２１がそれぞれ形成されている。マイクロレンズ１５と凹レンズ２１とは、絶縁膜６の表面上に、交互に連続して形成されている。その他の構成は、図５に示す固体撮像装置の構造と同様になっている。
【００１３】
このように、図６の固体撮像装置は、絶縁膜６の表面にマイクロレンズ１５および凹レンズ２１が相互に隣接して設けられており、外部よりマイクロレンズ１５に入射した入射光（図６に矢印１３，１６、１７、１８で示す）は、マイクロレンズ１５の表面で屈折して光電変換部２に向かって進行し、マイクロレンズ１５の内部、絶縁膜６、層間膜３を経て光電変換部２の受光面に照射される。また、マイクロレンズ１５の底面近傍において凹レンズ２１に入射する入射光（図６に矢印１２で示す）は、凹レンズ２１によって屈折されて、光電変換部２に向かって進行し、絶縁膜６、層間膜３を経て光電変換部２の受光面に照射される。
【００１４】
しかしながら、凹レンズ２１の中心部近傍に入射する入射光（図６の矢印１１参照）は、凹レンズ２１によって屈折されて、光電変換部２に向かって絶縁膜６内を進行するが、電荷転送電極４を覆う遮光膜５によって光路を遮断され光電変換部２の受光面まで到達することができない。凹レンズ２１の中央部近傍に入射する入射光（図６の矢印１１参照）を光電変換部２の受光面に到達させるためには、入射光（図６の矢印１１参照）の光路上に遮光膜５が存在しないように絶縁膜６の膜厚を厚くする必要がある。
【００１５】
図７に示す固体撮像装置では、層間膜３上に、遮光膜５によって被覆されている電荷転送電極４が一定間隔で形成されており、この電荷転送電極４を埋め込むように第１の中間膜２２が積層されている。第１の中間膜２２の表面には、遮光膜５によって被覆されている電荷転送電極４と対向する領域の中心部に、凹レンズ２３が一定間隔で形成されている。第１の中間膜２２上には、第１の中間膜２２より屈折率が小さい第２の中間膜２４が積層されている。そして、第２の中間膜２４上には、入射光を光電変換部２にそれぞれ集光させる複数のマイクロレンズ１５が一定間隔で画素毎に形成されている。第２の中間膜２４上に形成されている各マイクロレンズ１５の間隔は、第１の中間膜２２に形成されている凹レンズ２３の幅に対応する。その他の構成は、図５に示す固体撮像装置の構造と同様になっている。
【００１６】
図７の固体撮像装置は、第１の中間膜２２上の第２の中間膜２４との間に凹レンズ２３が設けられているために、外部よりマイクロレンズ１５に入射した入射光（図７に矢印１３，１６、１７、１８にて示す）は、マイクロレンズ１５にて屈折して光電変換部２に向かって進行し、第２の中間膜２４、第１の中間膜２２、層間膜３を経て光電変換部２の受光面に照射される。また、マイクロレンズ１５が形成されていない領域に入射した光は、第２の中間膜２４を経て第１の中間膜２２に形成されている凹レンズ２３に到達する。この場合、凹レンズ２３の周縁部に入射する入射光（図７の矢印１２参照）は、凹レンズ２３の表面で屈折して、光電変換部２に向かって進行し、第１の中間膜２２、層間膜３を経て光電変換部２の受光面に照射される。しかしながら、凹レンズ２３の中央部近傍に入射する入射光（図７の矢印１１参照）は、凹レンズ２３の表面で、光電変換部２に向かって屈折して第１の中間膜２２内を進行するが、電荷転送電極４を覆う遮光膜５によって光路を遮断され光電変換部２の受光面まで到達させることができない。その結果、図６に示す固体撮像装置と同様に、凹レンズ２３の中央部近傍に入射する入射光（図７の矢印１１参照）を光電変換部２の受光面に到達させるために、入射光（図７の矢印１１参照）の光路上に遮光膜５が存在しないように第１の中間膜２２の膜厚を厚くする必要がある。
【００１７】
【発明が解決しようする課題】
固体撮像装置の光電変換部２における入射光の集光特性の主要部分となるマイクロレンズ１５には、マイクロレンズ１５と光電変換部２との間の距離に関して、画素欠陥を生じさせないための最適値が存在する。このために、図６の固体撮像装置のように、絶縁膜６の膜厚を厚くしたり、図７の固体撮像装置のように、第１の中間膜２２の膜厚を厚くすると、入射光の減衰により光電変換部２における入射光の集光率を低下させることになるため、光電変換部２の光感度の低下および選択されていない画素からの信号電荷の漏れによってにじみが生じるスミア現象が促進されるおそれがある。
【００１８】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、受光部である光電変換部の光感度を向上させるとともに、選択されていない画素からの信号電荷の漏れよりにじみが生じるスミア現象を抑制する固体撮像装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の内部に、受光部である複数の光電変換部が一定の間隔をあけて設けられており、該半導体基板上に前記各光電変換部にてそれぞれ生成された信号電荷を転送する電荷転送電極が、前記各光電変換部の間に、それぞれ設けられるとともに、前記半導体基板上に前記各電荷転送電極を埋め込むように絶縁膜が積層された固体撮像装置であって、該絶縁膜上の前記各光電変換部に対向する位置に、透明樹脂によって上面が平坦に形成された画素分離膜がそれぞれ設けられており、隣接する一対の前記画素分離膜のそれぞれの側面は、それらの各側面同士によって所定の角度を有する断面Ｖ字状の溝部が形成されるようにそれぞれ傾斜しており、前記各画素分離膜の前記上面および前記各側面にそれぞれ入射される光は、対向する前記各光電変換部に前記絶縁膜を介してそれぞれ入射されるようになっており、前記各溝部内に、前記画素分離膜の屈折率よりも低い屈折率の値を有する透明膜がそれぞれ設けられており、前記溝部内の各透明膜の表面が、各透明膜によって凹レンズがそれぞれ形成されるように、それぞれ凹面状に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板の内部に、受光部である複数の光電変換部が一定の間隔をあけて設けられており、該半導体基板上に前記各光電変換部にてそれぞれ生成された信号電荷を転送する電荷転送電極が、前記各光電変換部の間に、それぞれ設けられるとともに、前記半導体基板上に前記各電荷転送電極を埋め込むように絶縁膜が積層された固体撮像装置であって、該絶縁膜上の前記各光電変換部に対向する位置に、透明樹脂によって上面が平坦に形成された画素分離膜がそれぞれ設けられており、隣接する一対の前記画素分離膜のそれぞれの側面は、それらの各側面同士によって所定の角度を有する断面Ｖ字状の溝部が形成されるようにそれぞれ傾斜しており、前記各画素分離膜の前記上面および前記各側面にそれぞれ入射される光は、対向する前記各光電変換部に前記絶縁膜を介してそれぞれ入射されるようになっており、前記各溝部内に、前記画素分離膜の屈折率よりも低い屈折率の値を有する透明膜がそれぞれ設けられており、前記各溝部内の各透明膜は、前記各溝部を形成する前記各画素分離膜のそれぞれの側面に平行な傾斜面をそれぞれ有する断面Ｖ字状になっていることを特徴とする。
【００２１】
前記透明膜は、前記各画素分離膜を覆うように、前記各画素分離膜の上面上にも設けられている。
【００２２】
前記各画素分離膜の上面に凸レンズ状のマイクロレンズがそれぞれ設けられて、前記透明膜が前記各マイクロレンズを覆うように前記各マイクロレンズ上にも設けられている。
【００２３】
前記各画素分離膜の上面に凸レンズ状のマイクロレンズがそれぞれ設けられており、前記各マイクロレンズの底面が前記各画素分離膜の上面よりも広く、それぞれの底面の周縁部が、前記各画素分離膜に隣接する溝部内の前記透明膜上に配置されている。
【００２４】
前記各画素分離膜がカラーフィルターである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態である固体撮像装置の要部の概略断面図である。第１の実施形態の固体撮像装置は、半導体基板１の上部に、複数の光電変換部２が一定の間隔をあけて埋め込まれている。隣接する光電変換部２の間には、電荷転送部（転送レジスタ：図示せず）が設けられており、全ての光電変換部２および電荷転送部を覆うように、電荷読み出し部（転送ゲート：図示せず）および層間膜３が形成されている。層間膜３上には、複数の電荷転送電極４が、一定間隔で隣接する光電変換部２の間にそれぞれ形成されており、各電荷転送電極４の表面は、入射光の感光領域を規定する遮光膜５によってそれぞれ被覆されている。層間膜３上には、絶縁膜６が、遮光膜５によって被覆されている電荷転送電極４を埋め込むように、積層されている。
【００２９】
絶縁膜６上には、受光部である各光電変換部２に対向して、画素分離膜７が、画素毎にそれぞれ形成されている。各画素分離膜７は、上側になるにつれて順次断面積が小さくなる上面が平坦な四角錐台形状になっており、その底面は、光電変換部２の領域（幅）よりも広くなっている。隣接する一対の画素分離膜７の間には、各画素分離膜７の相互に対向する傾斜した側面同士により断面Ｖ字状の溝部８が形成されている。全ての画素分離膜７上には、各画素分離膜７より屈折率の低い透明膜９が積層されている。そして、隣接する各画素分離膜７の間に形成された各溝部８上に位置する透明膜９の表面は、凹面状に窪んだ状態になって、凹レンズ１０がそれぞれ形成されている。
【００３０】
図１に示す固体撮像装置では、画素分離膜７として屈折率ｎ１≒１．６の感光性透明樹脂（例えば富士薬品工業株式会社製：ＦＶＲ）が使用されている。この感光性透明樹脂は、絶縁膜６上に０．５μｍ〜１．０μｍの膜厚で塗布され、フォトリソグラフィーによって四角錐台形状の画素分離膜７のパターンが形成される。それぞれが四角錐台形状になった画素分離膜７は、光電変換部２と電荷転送部（図示せず）からなる任意のユニットセル毎にパターン形成されるが、隣接するユニットセルに対する各画素分離膜７のパターンが同時に形成されないように、１つのユニットセルに対する各画素分離膜７のパターン形成は、複数回に分けて行われる。この時、各画素分離膜７の側面の傾斜角度は、光源からの光照射量および照射光の焦点に基づいて水平方向に対して４０°〜８０°の範囲で変更され、隣接する一対の画素分離膜７の相互に対向する側面によって断面Ｖ字状の溝部８が形成される。このようにして、四角錐台形状の画素分離膜７が全ての光電変換部２に対向する位置にそれぞれ形成される。
【００３１】
さらに、全ての画素分離膜７上に積層される透明膜９には、画素分離膜７より屈折率の低い屈折率ｎ２≒１．３５の弗素系樹脂（例えば旭硝子株式会社製：サイトップ）が使用されている。この弗素系樹脂は、画素分離膜７上に０．２μｍ〜０．５μｍの膜厚でスピン塗布され、溝部８の上部に凹面状の凹レンズ１０を有する透明膜９が形成される。尚、凹レンズ１０の凹面形状は、弗素系樹脂の粘度およびスピン塗布の回転数等によって調整される。
【００３２】
このような構成により凹レンズ１０の表面から画素分離膜７の上面に入射する入射光は、画素分離膜７、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に照射される。また、溝部８を覆う透明膜９上に形成された凹レンズ１０の中央部近傍に入射した入射光（図１の矢印１１で示す）、および、凹レンズ１０に対してその入射光（図１の矢印１１で示す）よりも周縁部側に入射した入射光（図１の矢印１２および１３で示す）は、凹レンズ１０の表面で屈折して透明膜９内を進行し、さらに、画素分離膜７の側面によって、光電変換部２に向かって屈折される。そして、画素分離膜７の内部、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に到達し、光電変換部２にて信号電荷が励起される。
【００３３】
したがって、図１に示す固体撮像装置では、透明膜９の各凹レンズ１０の間の表面および凹レンズ１０内に入射した入射光のほとんどが光電変換部２の受光面に照射され、光電変換部２の光感度を向上させることができる。
【００３４】
図２は、本発明の第２の実施形態である固体撮像装置の要部の概略断面図である。第２の実施形態の固体撮像装置では、画素分離膜７上に形成される透明膜９の溝部８内に各画素分離膜７の傾斜した側面と同様の断面Ｖ字状の溝部１４がそれぞれ設けられている。画素分離膜７上に設けられた透明膜９は、画素分離膜７よりも屈折率が低くなっている。その他の構成は、図１に示す第１の実施形態の固体撮像装置と同様になっている。
【００３５】
透明膜９としては、屈折率ｎ２≒１．４５のシリコン酸化膜が使用されている。このシリコン酸化膜は、画素分離膜７上にプラズマＣＶＤ（成膜温度：２５０℃）によって、０．２μｍ〜０．５μｍの膜厚で積層されている。
【００３６】
このような構成の固体撮像装置では、透明膜９上に形成された断面Ｖ字状の溝部１４の中央部近傍に入射した入射光（図２の矢印１１で示す）、および、溝部１４に対して、その入射光（図２の矢印１１で示す）より上側に入射した入射光（図２の矢印１２および１３で示す）は、溝部１４の表面で屈折して透明膜９内を進行し、さらに、画素分離膜７の側面によって光電変換部２に向かって屈折される。そして、画素分離膜７の内部、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に到達し、光電変換部２にて信号電荷が励起される。
【００３７】
したがって、図２に示す固体撮像装置では、透明膜９の各溝部１４の間の表面および溝部１４内に入射した入射光のほとんどが光電変換部２の受光面に照射され、光電変換部２の光感度を向上させることができる。
【００３８】
尚、第２の実施形態の固体撮像装置の構造では、透明膜９に形成された溝部１４を形成する傾斜面と、溝部８を形成する各画素分離膜７の傾斜面とが一定の距離になっているために、溝部１４の傾斜面および画素分離膜７の傾斜面において、入射光を拡散させることなく光電変換部２の方向に屈折させることができる。このため、第２の実施形態の固体撮像装置では、透明膜９における平坦な表面に近接した溝部１４の上部の領域に入射した入射光も、透明膜９の内部、画素分離膜７の内部、絶縁膜６、層間膜３を経て、光電変換部２に確実に照射され、隣の遮光膜５に到達するおそれがない。その結果、光電変換部２の受光面への集光率が一層向上する。
【００３９】
図３は、本発明の第３の実施形態である固体撮像装置の要部の概略断面図である。第３の実施形態の固体撮像装置では、四角錐台形状の画素分離膜７の平坦な上面にマイクロレンズ１５が形成されており、マイクロレンズ１５および画素分離膜７が透明膜９によって覆われている。そして、隣接する画素分離膜７の間に位置する透明膜９の部分に凹レンズ１０がそれぞれ形成されている。その他の構成は、図１に示す第１の実施形態のの固体撮像装置と同様になっている。
【００４０】
図３に示す固体撮像装置では、マイクロレンズ１５に屈折率ｎ３≒１．６の熱硬化型感光性樹脂（例えば富士薬品工業株式会社製：ＰＭＲ）が使用されている。この熱硬化型感光性樹脂は、画素分離膜７の平坦部上に０．５μｍ〜１．０μｍの膜厚でスピン塗布され、フォトリソグラフィーによってパターン形成を行った後に、１５０℃程度の加熱を行うことによって、中心部分の厚さが０．７μｍ〜１．５μｍ程度のマイクロレンズ１５に形成される。そして、マイクロレンズ１５が形成された後に、画素分離膜７より屈折率の低い透明膜９を、第１の実施形態の固体撮像装置において説明した手順に基づいて、各画素分離膜７の側面および各マイクロレンズ１５を被覆するように積層することによって、図３に示すように画素分離膜７間の溝部８内に凹面状の凹レンズ１０が形成される。
【００４１】
このような構成の固体撮像装置では、透明膜９を通過して、マイクロレンズ１５に入射する入射光（図３に矢印１６、１７、１８で示す）は、マイクロレンズ１５によって集光されて、画素分離膜７、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に確実に照射される。尚、透明膜９の表面の凹レンズ１０（またはＶ字面）の中央部近傍に入射した入射光（図３に矢印１１で示す）、および、凹レンズ１０に対してその入射光（図３に矢印１１で示す）よりも周縁部側に入射した入射光（図３で矢印１２および１３で示す）は、凹レンズ１０の表面で屈折して透明膜９内を進行し、さらに、画素分離膜７の側面によって光電変換部２に向かって屈折される。そして、画素分離膜７の内部、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に到達し、光電変換部２にて、信号電荷が励起される。
【００４２】
したがって、図３に示す固体撮像装置では、透明膜９の各凹レンズ１０の間の表面および凹レンズ１０内に入射した入射光のほとんどが光電変換部２の受光面に照射され、光電変換部２の光感度を向上させることができる。
【００４３】
尚、透明膜９の屈折率ｎ２は、マイクロレンズ１５の屈折率ｎ３よりも小さい（ｎ２＜ｎ３）ために、マイクロレンズ１５に対して反射防止膜としての機能も有しており、従来の固体撮像装置のマイクロレンズ表面における入射光の反射が、透明膜９よって低減される。
【００４４】
図４は、本発明の第４の実施形態である固体撮像装置の要部の概略断面図である。第４の実施形態の固体撮像装置では、各画素分離膜７に形成されるマイクロレンズ１５の底面は、画素分離膜７の上面よりも広く、その周縁部が画素分離膜７の上面の周囲に配置されている。そして、隣接する溝部８内にのみ透明膜９がそれぞれ設けられて、各透明膜９にて凹レンズ１０（またはＶ字面）がそれぞれ形成されている。各透明膜９の両側の上端面は、マイクロレンズ１５の底面にてそれぞれ覆われている。その他の構成は、図３に示す固体撮像装置と同様になっている。
【００４５】
図４に示す固体撮像装置では、絶縁膜６上に傾斜した側面を有する四角錐台形状の画素分離膜７を積層し、画素分離膜７上に画素分離膜７よりも屈折率の低い透明膜９を、第１の実施形態の固体撮像装置において説明した手順に基づいて、同様に積層し、その後、画素分離膜７の平坦な上面に積層された透明膜９を除去する。画素分離膜７の上面に積層されている透明膜９の除去方法としては、例えば、透明膜９が凹レンズ１０を有する場合には、膜表面を平坦化する方法であるプラズマによるエッチバックを用いる。この方法では、第１の実施形態の固体撮像装置に設けられている透明膜９の膜厚よりも薄くできるために、表面積の大きな凹面状の凹レンズ１０を形成することができる。
【００４６】
さらに、画素分離膜７の上面に積層されている透明膜９の他の除去方法としては、透明膜９の表面の凹レンズ１０（またはＶ字面）上にフォトレジストによりパターン形成を行い、画素分離膜７の上面の透明膜９のみをドライエッチングし、その後、凹レンズ１０（またはＶ字面）上のフォトレジストを除去する。この方法では、透明膜９の表面上の凹レンズ１０の形状は、第１の実施形態の固体撮像装置の設けられた凹レンズ１０と同様の形状となる。
【００４７】
このように、画素分離膜７の上面の透明膜９を除去し、その後、第３の実施形態の固体撮像装置において説明した手順に基づいてマイクロレンズ１５を画素分離膜７の平坦部上と、四角錐台形状の画素分離膜７の傾斜した側面上の平坦化された一部の透明膜９上とに形成する。尚、マイクロレンズ１５の底面は、透明膜９の表面に形成されている凹レンズ１０（またはＶ字面）の領域に、はみ出さないように設定されている。
【００４８】
このような構成の固体撮像装置では、外部よりマイクロレンズ１５に直接入射する入射光（図４に矢印１６、１７、１８で示す）は、マイクロレンズ１５によって集光されて、画素分離膜７、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に確実に照射される。尚、透明膜９の表面の凹レンズ１０（またはＶ字面）の中央部近傍に入射した入射光（図４に矢印１１で示す）、および、凹レンズ１０に対してその入射光（図４に矢印１１で示す）よりも周縁部側に入射した入射光（図４に矢印１２および１３で示す）は、凹レンズ１０の表面で屈折して透明膜９内を進行し、さらに、画素分離膜７の側面によって光電変換部２に向かって屈折される。そして、画素分離膜７の内部、絶縁膜６、層間膜３を通って光電変換部２の受光面に到達し、光電変換部２にて信号電荷が励起される。
【００４９】
したがって、図４に示す固体撮像装置では、マイクロレンズ１５および透明膜９の凹レンズ１０内に入射した入射光のほとんどが光電変換部２の受光面に照射され、光電変換部２の光感度を向上させることができる。
【００５０】
また、本発明の第１、第２、第３および第４の実施形態の固体撮像装置をカラーデバイス等に適用する場合は、各実施形態における画素分離膜７をカラーフィルターに置き換えるだけでよい。この場合、カラーフィルターの屈折率ｎ１は、一般的にｎ１＝１．６程度である。絶縁膜６上に四角錐台形状のカラーフィルターを光電変換部２に対向する位置に一定間隔で積層する。例えば、カラーフィルターには、富士フィルムオーリン株式会社製のＣＯＬＯＲＭＯＳＡＩＣＣＭ−８０００を使用して、０．５μｍ〜１．０μｍの膜厚で積層する。
【００５１】
四角錐台形状のカラーフィルターは、光電変換部２および電荷転送部から成る任意のユニットセル毎にパターン形成されるが、隣接するユニットセルに対する各カラーフィルターのパターンが同時に形成されないように、１つのユニットセルに対する各カラーフィルターのパターン形成は複数回に分けて行われる。このようにして、四角錐台形状のカラーフィルターを全ての光電変換部２に対向する位置にそれぞれ設けることができる。
【００５２】
四角錐台形状のカラーフィルターの側面の傾斜角度は、光源からの光照射量および照射光の焦点によって水平方向に対して４０°〜８０°の範囲で変更される。
【００５３】
画素分離膜７の代わりに四角錐台形状のカラーフィルターを用いる場合には、透明膜９の表面に形成される凹レンズ１０の中心が隣接する各カラーフィルターの境界位置（溝部８の最下部）にほぼ一致するために、任意のカラーフィルターを通過した入射光が隣接するカラーフィルターに対向する位置にある光電変換部２に到達することが抑制され、各カラーフィルター上に形成されるマイクロレンズ１５の加工に際しての寸法のバラツキ等による混色が防止される。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の内部に受光部である複数の光電変換部が一定の間隔をあけて設けられており、半導体基板上に各光電変換部にてそれぞれ生成された信号電荷を転送する電荷転送電極が、各光電変換部の間に、それぞれ設けられるとともに、半導体基板上に各電荷転送電極を埋め込むように絶縁膜が積層されている状態において、絶縁膜上の光電変換部に対向する位置に、画素分離膜がそれぞれ設けられており、隣接する一対の画素分離膜の側面同士の間に所定の角度を有する断面Ｖ字状の溝部が形成されていることによって、光電変換部の光感度を向上させるとともに、選択されていない画素からの信号電荷の漏れよりにじみが生じるスミア現象を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の要部の概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の要部の概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の要部の概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の要部の概略断面図である。
【図５】従来の固体撮像装置の概略断面図である。
【図６】従来の他の固体撮像装置の概略断面図である。
【図７】従来のさらに他の固体撮像装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２光電変換部
３層間膜
４電荷転送電極
５遮光膜
６絶縁膜
７画素分離膜
８溝部
９透明膜
１０凹レンズ
１１入射光
１２入射光
１３入射光
１４溝部
１５入射光
１６入射光
１７入射光
１８入射光
１９カラーフィルター
２０平坦化膜
２１凹レンズ
２２中間膜
２３凹レンズ
２４中間膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device with improved light collection efficiency of a photoelectric conversion unit that is a light receiving unit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a solid-state imaging device is required to have a smaller shape and a higher image pixel from the viewpoint of convenience and the like. As a result, the unit cell composed of the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit, which are light receiving units of the solid-state imaging device, has a reduced area occupied inside the solid-state imaging device. The reduction in the area of the photoelectric conversion unit accompanying the reduction in the area occupied by the unit cell reduces the condensing rate of incident light to the photoelectric conversion unit, and is one of the main characteristics of the solid-state imaging device. There is a risk of reducing the photosensitivity.
[0003]
Conventionally, a microlens is formed on the optical path of incident light above the photoelectric conversion unit so as to face the photoelectric conversion unit that is a light receiving unit of the solid-state imaging device against such a decrease in light sensitivity of the photoelectric conversion unit. However, it is intended to improve the light sensitivity of the photoelectric conversion unit by efficiently collecting incident light on the photoelectric conversion unit.
[0004]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a conventional solid-state imaging device that improves the light collection rate of the photoelectric conversion unit by using a microlens that collects incident light on the photoelectric conversion unit. In the solid-state imaging device shown in FIG. 5, a plurality of photoelectric conversion units 2 are embedded at regular intervals above the semiconductor substrate 1. A charge transfer unit (transfer register: not shown) is provided between adjacent photoelectric conversion units 2, and a charge readout unit (transfer gate: transfer gate: so as to cover all the photoelectric conversion units 2 and the charge transfer units). And an interlayer film 3 are formed. On the interlayer film 3, a plurality of charge transfer electrodes 4 having a rectangular cross section are formed between adjacent photoelectric conversion portions 2 at regular intervals, and the surface of each charge transfer electrode 4 is incident light. Are respectively covered with a light shielding film 5 that defines the photosensitive region.
[0005]
An insulating film 6 is laminated on the interlayer film 3 so as to bury the charge transfer electrode 4 covered with the light shielding film 5. On the insulating film 6, a color filter 19 and a transparent flattening film 20 for flattening the surface of the color filter 19 are sequentially laminated. On the planarizing film 20, a plurality of microlenses 15 for condensing incident light on each photoelectric conversion unit 2 are formed for each pixel with a certain interval. The microlens 15 is provided at a position facing the photoelectric conversion unit 2 that is a light receiving unit, and is expanded from the region (width) of the photoelectric conversion unit 2. Each microlens 15 is a convex lens whose central portion is thicker than the peripheral portion.
[0006]
As shown in FIG. 5, incident light (indicated by arrows 13, 16, 17, and 18 in FIG. 5) incident on the microlens 15 from the outside is refracted on the surface of the microlens 15 toward the photoelectric conversion unit 2. The light passes through the planarization film 20, the color filter 19, the insulating film 6, and the interlayer film 3, and is irradiated onto the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2, and the photoelectric conversion unit 2 excites signal charges. Signal charges excited by incident light (indicated by arrows 13, 16, 17, and 18 in FIG. 5) are read by a charge reading unit (transfer gate: not shown) formed below the charge transfer electrode 4. And transferred to a charge transfer unit (transfer register: not shown). The light-shielding film 5 covering the charge transfer electrode 4 has a function of reducing the amount of light incident on the charge readout unit (transfer gate: not shown) and the charge transfer unit (transfer register: not shown).
[0007]
Since the microlens 15 is larger than the width of the photoelectric conversion unit 2, the incident light 13 incident on the periphery of the microlens 15 from the outside is located in the region of the photoelectric conversion unit 2 where the incident light 13 is incident. Despite being out of the (width), the light is condensed on the photoelectric conversion unit 2 by the microlens 15.
[0008]
Thus, by providing the microlens 15 at a position facing the photoelectric conversion unit 2, the signal charge excited in the photoelectric conversion unit 2 is increased, and the incident light incident on the light shielding film 5 is decreased, so that the photoelectric conversion is performed. Great effects such as improvement of the photosensitivity of the portion 2 and suppression of smear phenomenon in which bleeding due to leakage of signal charges from unselected pixels can be obtained. Therefore, if the bottom surface of the microlens 15 provided on the planarizing film 20 is enlarged so that incident light from the outside is incident on the surface of the microlens 15, and the region where the microlens 15 does not exist is further reduced, Since incident light indicated by arrows 11 and 12 in FIG. 5 is also condensed on the photoelectric conversion unit 2, the amount of light collected on the photoelectric conversion unit 2 is increased, and the photosensitivity of the photoelectric conversion unit 2 is improved and selected. It is possible to further improve the suppression of the smear phenomenon caused by the leakage of signal charges from pixels that are not performed.
[0009]
In the present specification, for the sake of simplicity, the refractive indexes of the microlens 15, the planarizing film 20, the color filter 19, and the insulating film 6 are all the same for the sake of explanation. For the microlens 15, a substance having a refractive index of about 1.6 is usually used.
[0010]
However, when the bottom surface of the microlens 15 is enlarged on the planarizing film 20 and the area where the microlens 15 does not exist is reduced, for example, the microlenses 15 adjacent to each other on the planarizing film 20 come into contact with each other. The contact portion of the lens 15 may become a pixel defect, which may significantly deteriorate the image quality. Further, due to processing variations at the time of forming the microlens 15, a part of incident light projected from the outside onto the microlens 15 of the solid-state imaging device passes through the color filter 19 facing the adjacent photoelectric conversion unit 2, and the image There is a risk of color mixing. Therefore, it is not easy to increase the bottom surface of the microlens 15 and reduce the area where the microlens 15 does not exist on the planarizing film 20.
[0011]
For this reason, in order to collect incident light (indicated by arrows 11 and 12 in FIG. 5) incident on a region where the microlens 15 does not exist on the planarizing film 20 on the photoelectric conversion unit 2 as a light receiving unit, FIG. As shown in FIG. 7, a solid-state imaging device in which a concave lens having a function of diffusing incident light from the outside is formed in a region where the microlens 15 does not exist on the planarizing film 20 is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-27196, It is disclosed in JP-A-9-45884, JP-A-11-87673, and the like.
[0012]
In the solid-state imaging device shown in FIG. 6, microlenses 15 that collect incident light on the photoelectric conversion unit 2 are formed on the insulating film 6 for each pixel at regular intervals. A concave concave lens 21 is formed on the insulating film 6 at a position facing the charge transfer electrode 4 where the microlens 15 is not formed. The microlenses 15 and the concave lenses 21 are alternately and continuously formed on the surface of the insulating film 6. Other configurations are the same as the structure of the solid-state imaging device shown in FIG.
[0013]
As described above, in the solid-state imaging device of FIG. 6, the microlens 15 and the concave lens 21 are provided adjacent to each other on the surface of the insulating film 6, and incident light incident on the microlens 15 from the outside (arrow in FIG. 6). 13, 16, 17, and 18) are refracted on the surface of the microlens 15 and travel toward the photoelectric conversion unit 2, and pass through the inside of the microlens 15, the insulating film 6, the interlayer film 3, and the photoelectric conversion unit 2. The light receiving surface is irradiated. Further, incident light (indicated by an arrow 12 in FIG. 6) incident on the concave lens 21 in the vicinity of the bottom surface of the microlens 15 is refracted by the concave lens 21 and travels toward the photoelectric conversion unit 2, and the insulating film 6, interlayer film 3, the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is irradiated.
[0014]
However, incident light (see arrow 11 in FIG. 6) incident near the center of the concave lens 21 is refracted by the concave lens 21 and travels through the insulating film 6 toward the photoelectric conversion unit 2, but the charge transfer electrode 4. The light path is blocked by the light-shielding film 5 covering the surface, and cannot reach the light-receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. In order for incident light (see arrow 11 in FIG. 6) incident near the center of the concave lens 21 to reach the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2, a light shielding film is formed on the optical path of the incident light (see arrow 11 in FIG. 6). It is necessary to increase the thickness of the insulating film 6 so that 5 does not exist.
[0015]
In the solid-state imaging device shown in FIG. 7, the charge transfer electrodes 4 covered with the light shielding film 5 are formed on the interlayer film 3 at regular intervals, and the first intermediate film is embedded so as to bury the charge transfer electrodes 4. 22 are stacked. On the surface of the first intermediate film 22, concave lenses 23 are formed at regular intervals in the center of the region facing the charge transfer electrode 4 covered with the light shielding film 5. A second intermediate film 24 having a refractive index smaller than that of the first intermediate film 22 is laminated on the first intermediate film 22. On the second intermediate film 24, a plurality of microlenses 15 that collect incident light on the photoelectric conversion unit 2 are formed for each pixel at regular intervals. The interval between the microlenses 15 formed on the second intermediate film 24 corresponds to the width of the concave lens 23 formed on the first intermediate film 22. Other configurations are the same as the structure of the solid-state imaging device shown in FIG.
[0016]
In the solid-state imaging device of FIG. 7, since the concave lens 23 is provided between the first intermediate film 22 and the second intermediate film 24, incident light incident on the microlens 15 from the outside (see FIG. 7). Arrows 13, 16, 17, and 18) are refracted by the microlens 15 and travel toward the photoelectric conversion unit 2, and the second intermediate film 24, the first intermediate film 22, and the interlayer film 3 are Then, the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is irradiated. Further, the light incident on the region where the microlens 15 is not formed reaches the concave lens 23 formed on the first intermediate film 22 through the second intermediate film 24. In this case, incident light (see arrow 12 in FIG. 7) incident on the peripheral edge of the concave lens 23 is refracted on the surface of the concave lens 23 and travels toward the photoelectric conversion unit 2, and the first intermediate film 22, the interlayer The light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is irradiated through the film 3. However, incident light (see arrow 11 in FIG. 7) incident near the center of the concave lens 23 is refracted toward the photoelectric conversion unit 2 on the surface of the concave lens 23 and travels through the first intermediate film 22. The light path is blocked by the light shielding film 5 covering the charge transfer electrode 4 and cannot reach the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. As a result, similar to the solid-state imaging device shown in FIG. 6, the incident light (see the arrow 11 in FIG. 7) incident on the vicinity of the central portion of the concave lens 23 reaches the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. It is necessary to increase the film thickness of the first intermediate film 22 so that the light shielding film 5 does not exist on the optical path indicated by the arrow 11 in FIG.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
In the microlens 15 which is a main part of the condensing characteristic of incident light in the photoelectric conversion unit 2 of the solid-state imaging device, an optimum value for preventing a pixel defect with respect to the distance between the microlens 15 and the photoelectric conversion unit 2. Exists. For this reason, when the thickness of the insulating film 6 is increased as in the solid-state imaging device of FIG. 6 or when the thickness of the first intermediate film 22 is increased as in the solid-state imaging device of FIG. As a result of this attenuation, the condensing rate of incident light in the photoelectric conversion unit 2 is reduced, so that a smear phenomenon in which bleeding occurs due to a decrease in photosensitivity of the photoelectric conversion unit 2 and leakage of signal charges from unselected pixels. May be promoted.
[0018]
The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to improve the photosensitivity of a photoelectric conversion unit, which is a light receiving unit, and to generate smear that causes blurring due to leakage of signal charges from unselected pixels. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that suppresses the phenomenon.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In the solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of photoelectric conversion units, which are light receiving units, are provided at regular intervals inside a semiconductor substrate, and are generated by the respective photoelectric conversion units on the semiconductor substrate. In the solid-state imaging device, charge transfer electrodes for transferring the signal charges are provided between the photoelectric conversion units, and an insulating film is stacked on the semiconductor substrate to embed the charge transfer electrodes. In a position facing each of the photoelectric conversion portions on the insulating film, By transparent resin Flat top surface Each of the pixel isolation films formed on the The side surfaces of the pair of pixel isolation films are inclined so that a groove portion having a V-shaped cross section having a predetermined angle is formed by each of the side surfaces. The light incident on the upper surface and the side surfaces of each pixel separation film is Incident to each opposing photoelectric conversion part via the insulating film Is supposed to be A transparent film having a refractive index lower than the refractive index of the pixel separation film is provided in each groove portion, and a concave lens is formed on each transparent film surface in the groove portion by each transparent film. As described above, each is formed in a concave shape.
[0020]
In the solid-state imaging device of the present invention, a plurality of photoelectric conversion units that are light receiving units are provided at regular intervals inside a semiconductor substrate, and each of the photoelectric conversion units is provided on the semiconductor substrate. A solid-state imaging device in which charge transfer electrodes for transferring the generated signal charges are provided between the photoelectric conversion units, and an insulating film is stacked on the semiconductor substrate so as to embed the charge transfer electrodes. In the position facing each photoelectric conversion part on the insulating film, By transparent resin Flat top surface Each of the pixel isolation films formed on the The side surfaces of the pair of pixel isolation films are inclined so that a groove portion having a V-shaped cross section having a predetermined angle is formed by each of the side surfaces. The light incident on the upper surface and the side surfaces of each pixel separation film is Incident to each opposing photoelectric conversion part via the insulating film Is supposed to be Each of the grooves is provided with a transparent film having a refractive index lower than the refractive index of the pixel separation film, and each transparent film in each of the grooves forms each of the pixels forming the groove. Each of the separation membranes has a V-shaped cross section having an inclined surface parallel to each side surface.
[0021]
The transparent film is also provided on the upper surface of each pixel separation film so as to cover each pixel separation film. .
[0022]
A convex lens-shaped microlens is provided on the upper surface of each pixel separation film, and the transparent film is also provided on each microlens so as to cover each microlens. .
[0023]
A convex lens-shaped microlens is provided on the top surface of each pixel separation film, the bottom surface of each microlens is wider than the top surface of each pixel separation film, and the peripheral edge of each bottom surface is the pixel separation. Arranged on the transparent film in the groove adjacent to the film .
[0024]
Each of the pixel separation films is a color filter .
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the main part of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device according to the first embodiment, a plurality of photoelectric conversion units 2 are embedded at a predetermined interval above the semiconductor substrate 1. A charge transfer unit (transfer register: not shown) is provided between adjacent photoelectric conversion units 2, and a charge readout unit (transfer gate: transfer gate: so as to cover all the photoelectric conversion units 2 and the charge transfer units). And an interlayer film 3 are formed. On the interlayer film 3, a plurality of charge transfer electrodes 4 are respectively formed between adjacent photoelectric conversion portions 2 at regular intervals, and the surface of each charge transfer electrode 4 defines a photosensitive region of incident light. Each is covered with a light shielding film 5. An insulating film 6 is laminated on the interlayer film 3 so as to bury the charge transfer electrode 4 covered with the light shielding film 5.
[0029]
On the insulating film 6, a pixel separation film 7 is formed for each pixel so as to face each photoelectric conversion unit 2 that is a light receiving unit. Each pixel separation film 7 has a flat quadrangular pyramid shape whose top surface gradually decreases in cross-sectional area as it goes upward, and its bottom surface is wider than the region (width) of the photoelectric conversion unit 2. A groove 8 having a V-shaped cross section is formed between a pair of adjacent pixel separation films 7 by inclined side surfaces of each pixel separation film 7 facing each other. A transparent film 9 having a refractive index lower than that of each pixel separation film 7 is laminated on all the pixel separation films 7. Then, the surface of the transparent film 9 located on each groove portion 8 formed between the adjacent pixel separation films 7 is recessed in a concave shape, and a concave lens 10 is formed.
[0030]
In the solid-state imaging device shown in FIG. 1, a photosensitive transparent resin (for example, FVR manufactured by Fuji Pharmaceutical Co., Ltd.) having a refractive index n1≈1.6 is used as the pixel separation film 7. This photosensitive transparent resin is applied with a film thickness of 0.5 μm to 1.0 μm on the insulating film 6, and a pattern of the quadrangular frustum-shaped pixel separation film 7 is formed by photolithography. The pixel separation films 7 each having a quadrangular pyramid shape are patterned for each arbitrary unit cell including the photoelectric conversion unit 2 and the charge transfer unit (not shown). The pattern formation of each pixel separation film 7 for one unit cell is performed in a plurality of times so that the pattern of the film 7 is not formed simultaneously. At this time, the inclination angle of the side surface of each pixel separation film 7 is changed in the range of 40 ° to 80 ° with respect to the horizontal direction based on the light irradiation amount from the light source and the focus of the irradiation light, and a pair of adjacent pixels A groove 8 having a V-shaped cross section is formed by the side surfaces of the separation membrane 7 facing each other. In this way, the quadrangular frustum-shaped pixel separation films 7 are formed at positions facing all the photoelectric conversion units 2, respectively.
[0031]
Further, the transparent film 9 laminated on all the pixel separation films 7 is made of a fluorine-based resin (for example, CYTOP manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having a refractive index n2≈1.35 having a refractive index lower than that of the pixel separation film 7. It is used. This fluorine-based resin is spin-coated on the pixel isolation film 7 with a film thickness of 0.2 μm to 0.5 μm, and a transparent film 9 having a concave concave lens 10 is formed above the groove 8. The concave shape of the concave lens 10 is adjusted by the viscosity of the fluorine-based resin, the rotation speed of spin coating, and the like.
[0032]
With such a configuration, incident light incident on the upper surface of the pixel separation film 7 from the surface of the concave lens 10 is irradiated on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 through the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3. Further, incident light (indicated by an arrow 11 in FIG. 1) incident on the vicinity of the central portion of the concave lens 10 formed on the transparent film 9 covering the groove 8, and the incident light (arrow in FIG. 1) with respect to the concave lens 10. The incident light (shown by arrows 12 and 13 in FIG. 1) that is incident on the peripheral side of the lens 10 is refracted on the surface of the concave lens 10 and travels through the transparent film 9. The light is refracted toward the photoelectric conversion unit 2 by the side surface. Then, the light reaches the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 through the inside of the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3, and the signal charge is excited in the photoelectric conversion unit 2.
[0033]
Therefore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 1, most of the incident light incident on the surface between the concave lenses 10 of the transparent film 9 and the concave lens 10 is irradiated on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Photosensitivity can be improved.
[0034]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the main part of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device of the second embodiment, a groove portion 14 having a V-shaped cross section similar to the inclined side surface of each pixel separation film 7 is provided in the groove portion 8 of the transparent film 9 formed on the pixel separation film 7. It has been. The transparent film 9 provided on the pixel separation film 7 has a lower refractive index than the pixel separation film 7. Other configurations are the same as those of the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIG.
[0035]
As the transparent film 9, a silicon oxide film having a refractive index n2≈1.45 is used. This silicon oxide film is laminated on the pixel isolation film 7 with a film thickness of 0.2 μm to 0.5 μm by plasma CVD (film formation temperature: 250 ° C.).
[0036]
In the solid-state imaging device having such a configuration, incident light (indicated by an arrow 11 in FIG. 2) incident on the vicinity of the center portion of the groove portion 14 having a V-shaped cross section formed on the transparent film 9 and the groove portion 14. The incident light (indicated by arrows 12 and 13 in FIG. 2) incident on the upper side of the incident light (indicated by arrow 11 in FIG. 2) is refracted on the surface of the groove 14 and travels in the transparent film 9. Further, the light is refracted toward the photoelectric conversion unit 2 by the side surface of the pixel separation film 7. Then, the light reaches the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 through the inside of the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3, and the signal charge is excited in the photoelectric conversion unit 2.
[0037]
Therefore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 2, most of the incident light incident on the surface between the groove portions 14 of the transparent film 9 and the groove portions 14 is irradiated on the light receiving surface of the photoelectric conversion portion 2. Photosensitivity can be improved.
[0038]
In the structure of the solid-state imaging device according to the second embodiment, the inclined surface that forms the groove 14 formed in the transparent film 9 and the inclined surface of each pixel separation film 7 that forms the groove 8 are at a constant distance. Therefore, incident light can be refracted in the direction of the photoelectric conversion unit 2 without diffusing on the inclined surface of the groove 14 and the inclined surface of the pixel isolation film 7. For this reason, in the solid-state imaging device of the second embodiment, incident light that has entered the upper region of the groove portion 14 close to the flat surface of the transparent film 9 is also transmitted to the inside of the transparent film 9, the inside of the pixel separation film 7, Through the insulating film 6 and the interlayer film 3, the photoelectric conversion unit 2 is reliably irradiated and there is no possibility of reaching the adjacent light shielding film 5. As a result, the light collection rate on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is further improved.
[0039]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device according to the third embodiment, the microlens 15 is formed on the flat upper surface of the square-pyramidal pixel separation film 7, and the microlens 15 and the pixel separation film 7 are covered with the transparent film 9. Yes. Concave lenses 10 are respectively formed on the transparent film 9 located between the adjacent pixel separation films 7. Other configurations are the same as those of the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIG.
[0040]
In the solid-state imaging device shown in FIG. 3, a thermosetting photosensitive resin (for example, PMR manufactured by Fuji Pharmaceutical Co., Ltd.) having a refractive index n3≈1.6 is used for the microlens 15. This thermosetting photosensitive resin is spin-coated on the flat portion of the pixel separation film 7 with a film thickness of 0.5 μm to 1.0 μm, and after pattern formation by photolithography, heating is performed at about 150 ° C. Thus, the micro lens 15 having a central portion with a thickness of about 0.7 μm to 1.5 μm is formed. Then, after the microlens 15 is formed, the transparent film 9 having a refractive index lower than that of the pixel separation film 7 is changed to the side surface of each pixel separation film 7 based on the procedure described in the solid-state imaging device of the first embodiment. By laminating the microlenses 15 so as to cover them, concave concave lenses 10 are formed in the groove portions 8 between the pixel separation films 7 as shown in FIG.
[0041]
In the solid-state imaging device having such a configuration, incident light (indicated by arrows 16, 17, and 18 in FIG. 3) that passes through the transparent film 9 and enters the microlens 15 is condensed by the microlens 15, The light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is reliably irradiated through the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3. Incidentally, incident light (indicated by an arrow 11 in FIG. 3) incident on the surface of the transparent film 9 near the central portion of the concave lens 10 (or V-shaped surface), and incident light (arrow 11 in FIG. 3) with respect to the concave lens 10. The incident light (indicated by arrows 12 and 13 in FIG. 3) incident on the peripheral edge side from the side of the concave lens 10 is refracted on the surface of the concave lens 10 and travels through the transparent film 9. Is refracted toward the photoelectric conversion unit 2. Then, the light reaches the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 through the inside of the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3, and the signal charge is excited in the photoelectric conversion unit 2.
[0042]
Therefore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 3, most of the incident light incident on the surface between the concave lenses 10 of the transparent film 9 and the concave lens 10 is irradiated on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2. Photosensitivity can be improved.
[0043]
Since the refractive index n2 of the transparent film 9 is smaller than the refractive index n3 of the microlens 15 (n2 <n3), the transparent film 9 also has a function as an antireflection film for the microlens 15 and is a conventional solid. Reflection of incident light on the microlens surface of the imaging device is reduced by the transparent film 9.
[0044]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device according to the fourth embodiment, the bottom surface of the microlens 15 formed on each pixel separation film 7 is wider than the top surface of the pixel separation film 7, and its peripheral edge is around the top surface of the pixel separation film 7. Has been placed. A transparent film 9 is provided only in the adjacent groove portion 8, and a concave lens 10 (or V-shaped surface) is formed by each transparent film 9. The upper end surfaces on both sides of each transparent film 9 are covered with the bottom surfaces of the microlenses 15, respectively. Other configurations are the same as those of the solid-state imaging device shown in FIG.
[0045]
In the solid-state imaging device shown in FIG. 4, a rectangular pyramid-shaped pixel separation film 7 having an inclined side surface is laminated on the insulating film 6, and a transparent film having a lower refractive index than the pixel separation film 7 is formed on the pixel separation film 7. 9 are similarly laminated based on the procedure described in the solid-state imaging device of the first embodiment, and thereafter, the transparent film 9 laminated on the flat upper surface of the pixel separation film 7 is removed. As a method for removing the transparent film 9 laminated on the upper surface of the pixel separation film 7, for example, when the transparent film 9 has a concave lens 10, etch back by plasma, which is a method for flattening the film surface, is used. In this method, since the thickness of the transparent film 9 provided in the solid-state imaging device of the first embodiment can be made thinner, the concave concave lens 10 having a large surface area can be formed.
[0046]
Furthermore, as another method for removing the transparent film 9 laminated on the upper surface of the pixel separation film 7, pattern formation is performed with a photoresist on the concave lens 10 (or V-shaped surface) on the surface of the transparent film 9, and the pixel separation film is formed. Only the transparent film 9 on the upper surface of 7 is dry-etched, and then the photoresist on the concave lens 10 (or V-shaped surface) is removed. In this method, the shape of the concave lens 10 on the surface of the transparent film 9 is the same as that of the concave lens 10 provided with the solid-state imaging device of the first embodiment.
[0047]
Thus, the transparent film 9 on the upper surface of the pixel separation film 7 is removed, and then the microlens 15 is placed on the flat portion of the pixel separation film 7 based on the procedure described in the solid-state imaging device of the third embodiment. It is formed on a part of the flattened transparent film 9 on the inclined side surface of the pixel separation film 7 having a quadrangular pyramid shape. The bottom surface of the microlens 15 is set so as not to protrude into the region of the concave lens 10 (or V-shaped surface) formed on the surface of the transparent film 9.
[0048]
In the solid-state imaging device having such a configuration, incident light (indicated by arrows 16, 17, and 18 in FIG. 4) that is directly incident on the microlens 15 from the outside is collected by the microlens 15, and the pixel separation film 7, The light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 is reliably irradiated through the insulating film 6 and the interlayer film 3. Incidentally, incident light (indicated by an arrow 11 in FIG. 4) incident on the surface of the transparent film 9 near the central portion of the concave lens 10 (or V-shaped surface) and the incident light (arrow 11 in FIG. 4). The incident light (indicated by arrows 12 and 13 in FIG. 4) incident on the peripheral edge side from the side of the concave lens 10 is refracted on the surface of the concave lens 10 and travels through the transparent film 9. Is refracted toward the photoelectric conversion unit 2. Then, the light reaches the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2 through the inside of the pixel separation film 7, the insulating film 6, and the interlayer film 3, and the signal charge is excited in the photoelectric conversion unit 2.
[0049]
Therefore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 4, most of the incident light incident on the microlens 15 and the concave lens 10 of the transparent film 9 is irradiated on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 2, thereby improving the photosensitivity of the photoelectric conversion unit 2. Can be made.
[0050]
In addition, when the solid-state imaging device according to the first, second, third, and fourth embodiments of the present invention is applied to a color device or the like, the pixel separation film 7 in each embodiment need only be replaced with a color filter. In this case, the refractive index n1 of the color filter is generally about n1 = 1.6. On the insulating film 6, a quadrangular pyramid-shaped color filter is stacked at a predetermined interval at a position facing the photoelectric conversion unit 2. For example, for the color filter, COLOR MOSAIC CM-8000 manufactured by Fuji Film Olin Co., Ltd. is used and the color filter is laminated with a film thickness of 0.5 μm to 1.0 μm.
[0051]
The square frustum-shaped color filter is formed in a pattern for each arbitrary unit cell including the photoelectric conversion unit 2 and the charge transfer unit, but one color filter pattern for adjacent unit cells is not formed at the same time. The pattern formation of each color filter on the unit cell is performed in a plurality of times. In this way, a quadrangular pyramid-shaped color filter can be provided at a position facing all the photoelectric conversion units 2.
[0052]
The inclination angle of the side surface of the quadrangular frustum-shaped color filter is changed in the range of 40 ° to 80 ° with respect to the horizontal direction depending on the light irradiation amount from the light source and the focal point of the irradiation light.
[0053]
When a square frustum-shaped color filter is used instead of the pixel separation film 7, the center of the concave lens 10 formed on the surface of the transparent film 9 is at the boundary position between the adjacent color filters (the lowermost portion of the groove 8). In order to substantially match, it is suppressed that incident light that has passed through an arbitrary color filter reaches the photoelectric conversion unit 2 at a position facing an adjacent color filter, and the microlens 15 formed on each color filter Color mixing due to variation in dimensions during processing is prevented.
[0054]
【The invention's effect】
In the solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of photoelectric conversion units, which are light receiving units, are provided in a semiconductor substrate at regular intervals, and signal charges generated by the respective photoelectric conversion units on the semiconductor substrate. Charge transfer electrodes are provided between the photoelectric conversion units, and the photoelectric conversion units on the insulating film are stacked in such a manner that the charge transfer electrodes are embedded on the semiconductor substrate. A pixel separation film is provided at a position opposite to each other, and a groove having a V-shaped cross section having a predetermined angle is formed between the side surfaces of a pair of adjacent pixel separation films. In addition to improving the photosensitivity of the part, it is possible to suppress a smear phenomenon in which bleeding occurs due to leakage of signal charges from unselected pixels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a conventional solid-state imaging device.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another conventional solid-state imaging device.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of still another conventional solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Photoelectric converter
3 Interlayer film
4 Charge transfer electrodes
5 Shading film
6 Insulating film
7 Pixel separation membrane
8 Groove
9 Transparent film
10 concave lens
11 Incident light
12 Incident light
13 Incident light
14 Groove
15 Incident light
16 Incident light
17 Incident light
18 Incident light
19 Color filter
20 Planarization film
21 concave lens
22 Interlayer
23 concave lens
24 Interlayer

Claims

A plurality of photoelectric conversion units, which are light receiving units, are provided inside the semiconductor substrate at regular intervals, and charge transfer is performed to transfer signal charges generated by the photoelectric conversion units to the semiconductor substrate. A solid-state imaging device in which an electrode is provided between each photoelectric conversion unit, and an insulating film is stacked on the semiconductor substrate so as to embed each charge transfer electrode.
A pixel separation film having a flat upper surface formed of a transparent resin is provided at a position facing each of the photoelectric conversion portions on the insulating film ,
Each side surface of the pair of adjacent pixel separation films is inclined so that a groove portion having a V-shaped cross section having a predetermined angle is formed by each of the side surfaces ,
Light incident on each of the upper surface and each side surface of each pixel separation film is incident on each of the opposing photoelectric conversion units via the insulating film ,
Each of the groove portions is provided with a transparent film having a refractive index value lower than the refractive index of the pixel separation film,
The solid-state imaging device, wherein the surface of each transparent film in the groove is formed in a concave shape so that a concave lens is formed by each transparent film.

A plurality of photoelectric conversion units, which are light receiving units, are provided inside the semiconductor substrate at regular intervals, and charge transfer is performed to transfer signal charges generated by the photoelectric conversion units to the semiconductor substrate. A solid-state imaging device in which an electrode is provided between each photoelectric conversion unit, and an insulating film is stacked on the semiconductor substrate so as to embed each charge transfer electrode.
A pixel separation film having a flat upper surface formed of a transparent resin is provided at a position facing each of the photoelectric conversion portions on the insulating film ,
Each side surface of the pair of adjacent pixel separation films is inclined so that a groove portion having a V-shaped cross section having a predetermined angle is formed by each of the side surfaces ,
Light incident on each of the upper surface and each side surface of each pixel separation film is incident on each of the opposing photoelectric conversion units via the insulating film ,
Each of the groove portions is provided with a transparent film having a refractive index value lower than the refractive index of the pixel separation film,
Each of the transparent films in each groove has a V-shaped cross section having an inclined surface parallel to each side surface of each pixel separation film forming each groove.

The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the transparent film is also provided on an upper surface of each pixel separation film so as to cover each pixel separation film.

The convex lens-like microlens is provided on the upper surface of each pixel separation film, and the transparent film is provided on each microlens so as to cover each microlens. Solid-state imaging device.

A convex lens-shaped microlens is provided on the top surface of each pixel separation film, the bottom surface of each microlens is wider than the top surface of each pixel separation film, and the peripheral portion of each bottom surface is the pixel separation. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is disposed on the transparent film in a groove portion adjacent to the film.

The solid-state imaging device according to claim 1, wherein each pixel separation film is a color filter.