JP2006156799A - Solid-state image sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に係り、特に受光部とカラーフィルタとの間に層内レンズ又は導波路等を形成し、集光性を向上させた固体撮像素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a solid-state imaging device in which an intralayer lens or a waveguide or the like is formed between a light receiving portion and a color filter to improve light collecting performance and a manufacturing method thereof. .
従来、CCD(Charge Coupled Device)等の固体撮像素子は、各画素上に転送レジスタ等の光電変換に寄与しない領域が存在するため、画素面全体に対する受光部の受光面の開口率が低く、受光部の感度向上を図るための開口率を上げる必要が生じていた。このため、カラーフィルタの表面にオンチップマイクロレンズを形成するとともに、受光部とカラーフィルタとの間に層内レンズや導波路等を形成し、入射光の有効利用を図った固体撮像素子が提案されている。 Conventionally, a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) has a region that does not contribute to photoelectric conversion, such as a transfer register, on each pixel. Therefore, the aperture ratio of the light receiving surface of the light receiving unit with respect to the entire pixel surface is low. It has been necessary to increase the aperture ratio in order to improve the sensitivity of the part. For this reason, a solid-state imaging device is proposed in which an on-chip microlens is formed on the surface of the color filter, and an in-layer lens, a waveguide, or the like is formed between the light receiving portion and the color filter to effectively use incident light. Has been.
層内レンズを形成するものとして、受光面の直上部に受光面に向かって凸となる底面を有した凹部を設け、この凹部内にプラズマCVD法等により高屈折率のシリコン窒化膜(SiN)を成膜して層内レンズを形成するものがある(例えば、特許文献1参照。)。 In order to form an in-layer lens, a concave portion having a bottom surface convex toward the light receiving surface is provided immediately above the light receiving surface, and a silicon nitride film (SiN) having a high refractive index is formed in the concave portion by plasma CVD or the like. Is formed to form an in-layer lens (for example, see Patent Document 1).
また、導波路を形成するものとして、受光センサの上方に透明膜を形成し、透明膜の受光センサ直上部に孔を設け、この孔に屈折率の高い有機ポリマーを埋め込んで導波路としたもの(例えば、特許文献2参照。)がある。
しかし、前述の特許文献1に記載されたように高屈折率のシリコン窒化膜をプラズマCVD法等により成膜する方法では、層内レンズを形成する場合においても導波路を形成する場合においても、アスペクト比(幅と深さの比)が大きい凹部や孔の場合、カバレッジが悪いためシリコン窒化膜を埋め込んだ凹部内や孔内にボイドが発生する。
However, in the method of forming a silicon nitride film having a high refractive index by plasma CVD or the like as described in
また、屈折率の調整が難しく、所望の屈折率を有するレンズを形成するのが困難であった。更に、下地の凹凸に倣って成膜されるため、後工程のために上面を平坦にする必要があり、エッチバック等の平坦化プロセスを行わなければならず、プロセスの煩雑化とコスト高をまねいていた。また、製造装置もCVD装置のみならずドライエッチング装置等の高価な装置を必要とし、更にコストを高める要因となっていた。 Further, it is difficult to adjust the refractive index, and it is difficult to form a lens having a desired refractive index. Furthermore, since the film is formed following the unevenness of the base, it is necessary to flatten the upper surface for the subsequent process, and a flattening process such as etch back must be performed, which complicates the process and increases the cost. I was imitating. In addition, the manufacturing apparatus requires not only a CVD apparatus but also an expensive apparatus such as a dry etching apparatus, which further increases costs.
また、前述の特許文献2に記載されたように、透明膜の受光センサ直上部に設けた孔に屈折率の高い有機ポリマーを埋め込んで導波路を形成する方法の場合、有機ポリマーでは高屈折率の材料が存在しないため、十分な集光性能が得られないという問題があった。 In addition, as described in Patent Document 2 described above, in the method of forming a waveguide by embedding a high refractive index organic polymer in a hole provided immediately above the light receiving sensor of the transparent film, the organic polymer has a high refractive index. There is a problem that sufficient light condensing performance cannot be obtained because of the absence of this material.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、CCD等の固体撮像素子において、光電変換を行う受光部への集光効率を高め入射光の有効利用を図った固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a solid-state image sensor that increases the light collection efficiency to a light-receiving unit that performs photoelectric conversion and effectively uses incident light in a solid-state image sensor such as a CCD. The purpose is to do.
前記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換を行う受光部と、該受光部の受光面に対する開口部を有した遮光膜と、カラーフィルタとを備えた固体撮像素子で、前記受光部の受光面とカラーフィルタとの間に、レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる高屈折率材料で形成された中間層が介在し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 the present invention includes a light-receiving unit that performs photoelectric conversion, a light-shielding film having an opening with respect to a light-receiving surface of the light-receiving unit, and a color filter. Thus, an intermediate layer formed of a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist is interposed between the light receiving surface of the light receiving portion and the color filter.
本発明による固体撮像素子は、中間層にレジストに金属酸化物微粒子を分散させた高屈折率材料が用いられているので、屈折率の調整が容易であって、塗布方法によって成膜することができ、プロセスの煩雑化を防ぐとともに安価な製造装置を用いて製造することができる集光効率の高い固体撮像素子である。 Since the solid-state imaging device according to the present invention uses a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist in an intermediate layer, the refractive index can be easily adjusted and can be formed by a coating method. This is a solid-state imaging device with high light collection efficiency that can be manufactured by using an inexpensive manufacturing apparatus while preventing complication of the process.
また、本発明に係る固体撮像素子は、前記発明において、前記中間層が、前記受光部の受光面に向かって凸形状に形成され凸形状の断面の幅寸法に対する深さ寸法の割合で定義されるアスペクト比が0.2以上の層内レンズ、又は円柱状に形成され直径に対する長さの割合で定義されるアスペクト比が0.2以上の導波路であることを特徴とする。 In the solid-state imaging device according to the present invention, in the above invention, the intermediate layer is formed in a convex shape toward the light receiving surface of the light receiving unit, and is defined by a ratio of a depth dimension to a width dimension of a convex cross section. It is an intralayer lens having an aspect ratio of 0.2 or more, or a waveguide formed in a columnar shape and having an aspect ratio defined by a ratio of a length to a diameter of 0.2 or more.
本発明の固体撮像素子は、アスペクト比が0.2以上の層内レンズ、又はアスペクト比が0.2以上の導波路であっても、層内レンズ、又は導波路内にボイドの発生がない。 The solid-state imaging device of the present invention has no intra-layer lens or void in the intra-layer lens or waveguide even when the intra-layer lens has an aspect ratio of 0.2 or more or a waveguide having an aspect ratio of 0.2 or more. .
また、本発明に係る固体撮像素子は、前記発明において、前記中間層が、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる波長633nmの光に対する屈折率が1.6以上の高屈折率材料で形成された層内レンズ又は導波路であることを特徴とする。更に、本発明に係る固体撮像素子は、前記発明において、前記層内レンズは、屈折率の異なる複数の材料が積層して形成されているものも含んでいる。 The solid-state imaging device according to the present invention is the solid-state imaging device according to the present invention, wherein the intermediate layer has a refractive index with respect to light having a wavelength of 633 nm, in which metal oxide fine particles are dispersed in a visible light transmissive photosensitive resist or a visible light transmissive resist. Is an intralayer lens or waveguide formed of a high refractive index material of 1.6 or more. Furthermore, the solid-state imaging device according to the present invention includes, in the above-described invention, the intra-layer lens in which a plurality of materials having different refractive indexes are laminated.
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、光電変換を行う受光部と、該受光部の受光面に対する開口部を有した遮光膜と、カラーフィルタとを備えた固体撮像素子の製造方法において、前記受光部の受光面とカラーフィルタとの間に、レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる高屈折率材料で中間層を形成する工程を含むことを特徴とする。 A method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a light-receiving unit that performs photoelectric conversion, a light-shielding film that has an opening with respect to a light-receiving surface of the light-receiving unit, and a color filter. The method includes a step of forming an intermediate layer of a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist between a light receiving surface of the light receiving portion and a color filter.
本発明によれば、中間層にレジストに金属酸化物微粒子を分散させた高屈折率材料を用いるので、屈折率の調整が容易であって、塗布方法によって成膜することができる。このためプロセスの煩雑化を防ぐとともに安価な製造装置を用いて集光効率の高い固体撮像素子を製造することができる。 According to the present invention, since a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist is used for the intermediate layer, the refractive index can be easily adjusted, and a film can be formed by a coating method. For this reason, it is possible to manufacture a solid-state imaging device with high light collection efficiency while preventing complication of the process and using an inexpensive manufacturing apparatus.
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記発明において、前記中間層が、前記受光部の受光面に向かって凸形状に形成され凸形状の断面の幅寸法に対する深さ寸法の割合で定義されるアスペクト比が0.2以上の層内レンズ、又は円柱状に形成され直径に対する長さの割合で定義されるアスペクト比が0.2以上の導波路であることを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the invention, in the invention, the intermediate layer is formed in a convex shape toward the light receiving surface of the light receiving unit, and the ratio of the depth dimension to the width dimension of the convex cross section. An intralayer lens having an aspect ratio defined by 0.2 or more, or a waveguide formed in a cylindrical shape and having an aspect ratio defined by a ratio of a length to a diameter of 0.2 or more.
本発明によれば、アスペクト比が0.2以上の層内レンズ、又はアスペクト比が0.2以上の導波路に対して、ボイドを発生させずに高屈折率の層内レンズ又は導波路を形成することができる。 According to the present invention, an intra-layer lens or waveguide having a high refractive index without generating voids with respect to an intra-layer lens having an aspect ratio of 0.2 or more, or a waveguide having an aspect ratio of 0.2 or more. Can be formed.
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記発明において、前記中間層が、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる波長633nmの光に対する屈折率が1.6以上の高屈折率材料で形成された層内レンズ又は導波路であることを特徴とする。更に、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記発明において、前記層内レンズは、屈折率の異なる複数の材料を積層して形成する方法も含んでいる。 In the solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention, in the above-mentioned invention, the intermediate layer is a light having a wavelength of 633 nm, in which metal oxide fine particles are dispersed in a visible light transmissive photosensitive resist or a visible light transmissive resist. It is an intralayer lens or a waveguide formed of a high refractive index material having a refractive index of 1.6 or more. Furthermore, the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a method in which, in the above-described invention, the intra-layer lens is formed by stacking a plurality of materials having different refractive indexes.
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記発明において、前記金属酸化物微粒子の添加量を変化させることによって、前記高屈折率材料の屈折率を所望の値に調整することを特徴とする。本発明によれば、所望の屈折率を有する層内レンズ又は導波路を容易に形成することができる。 The solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the refractive index of the high refractive index material is adjusted to a desired value by changing the addition amount of the metal oxide fine particles. And According to the present invention, an in-layer lens or a waveguide having a desired refractive index can be easily formed.
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記発明において、前記高屈折率材料を下地層の上に塗布することによって、前記中間層を成膜することを特徴とする。本発明によれば、高屈折率材料を下地層であるオーバーコート層15、あるいは層間膜15Aの上に塗布することによって中間層を成膜するので、プロセスの煩雑化を防ぐとともに安価な製造装置を用いて集光効率の高い固体撮像素子を製造することができる。
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the intermediate layer is formed by applying the high refractive index material on a base layer. According to the present invention, since the intermediate layer is formed by applying a high refractive index material on the
以上説明したように本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、受光部の受光面とカラーフィルタとの間の中間層にレジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる高屈折率材料を用いたので、屈折率の調整が容易であって、塗布方法によって成膜することができ、プロセスの煩雑化を防ぐとともに安価な製造装置を用いて集光効率の高い固体撮像素子を製造することができる。 As described above, according to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof of the present invention, the high refractive index material in which the metal oxide fine particles are dispersed in the resist in the intermediate layer between the light receiving surface of the light receiving portion and the color filter. Since it is used, the refractive index can be easily adjusted, the film can be formed by a coating method, and the solid state imaging device with high light collection efficiency can be manufactured using an inexpensive manufacturing apparatus while preventing the process from becoming complicated. Can do.
以下添付図面に従って本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。なお、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。 Preferred embodiments of a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same number or symbol is attached to the same member.
図1は本発明に係る固体撮像素子の第1の実施形態を表わす部分断面図である。固体撮像素子10は、Si基板11、Si基板11に形成された受光素子であるフォトダイオード(受光部)12、光電変換された電荷を外部に転送する転送電極13、遮光膜14、オーバーコート層15、オーバーコート層15の上部に形成された層内レンズ(中間層)16、層内レンズ16の上部に設けられたカラーフィルタ17、及びカラーフィルタ17の上部に形成されたオンチップレンズ18等で構成されている。
FIG. 1 is a partial sectional view showing a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. The solid-
フォトダイオード12、図示しない読み出し部及び転送レジスタ、転送電極13、遮光膜14等でいわゆるCCDを構成している。遮光膜14はフォトダイオード12の受光面12Aに対応する部分に開口部14Aを有し、受光面12Aへの光の入射を遮ることなく他への光の入射を遮蔽するように形成されている。なお、ここまでのCCDの基本構成については一般によく知られた構成であるので、詳細な説明は省略する。
A so-called CCD is constituted by the
オーバーコート層15は、透明な材料(波長633nmの光に対する屈折率が1.5程度)から形成されたもので、具体的にはTEOS(tetra ethyl ortho silicate) を反応ガスとしてプラズマCVD(chemical vapor deposition)によって形成したSiO2 膜、あるいは常圧CVDによって形成したPSG、BPSG、あるいはSOG等を必要に応じリフローさせて形成したSiO2 系酸化膜である。
The
オーバーコート層15の断面形状は、図1に示すように、下地の凹凸形状に倣って受光面12A側に向かって凸となる底面を有した凹部と、遮光膜14の上部で盛り上がった凸部とを有している。
As shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the
層内レンズ16は、図1に示すように、オーバーコート層15の凹部を埋設して受光面12A側に向かった凸部を有するように形成された透明な高屈折率材料からなるレンズである。
As shown in FIG. 1, the
層内レンズ16の材質は、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させたもので、波長633nmの光に対する屈折率n=1.6以上、好ましくは屈折率n=1.8以上の高屈折率材料である。
The material of the in-
可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストとしては、比較的屈折率の高いポリマーを用いる場合は、ポリスチレン、スチレン共重合体、ポリカーボネート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂および環状(脂環式又は芳香族)イソシアネートとポリオールとの反応で得られるポリウレタンがある。その他の環状(芳香族、複素環式、脂環式)基を有するポリマーや、フッ素以外のハロゲン原子を置換基として有するポリマーも用いられる。また、二重結合を導入してラジカル硬化を可能にしたモノマーの重合反応によりポリマーを形成したものでもよい。 As a visible light transmissive photosensitive resist or a visible light transmissive resist, when a polymer having a relatively high refractive index is used, polystyrene, styrene copolymer, polycarbonate, melamine resin, phenol resin, epoxy resin, and cyclic (alicyclic ring) There are polyurethanes obtained by reaction of isocyanates with polyols of the formula or aromatic). Polymers having other cyclic (aromatic, heterocyclic, alicyclic) groups, and polymers having halogen atoms other than fluorine as substituents are also used. Moreover, what formed the polymer by the polymerization reaction of the monomer which introduce | transduced the double bond and enabled radical hardening may be used.
また、金属酸化物微粒子を分散させるため比較的屈折率の低いポリマーでもよく、例えば、ビニル系ポリマー(アクリル系ポリマーを含む)、ポリエステル系ポリマー(アルキド系ポリマーを含む)、セルロース系ポリマー、ウレタン系ポリマー等を用いてもよい。 In addition, a polymer having a relatively low refractive index may be used to disperse the metal oxide fine particles. For example, vinyl polymers (including acrylic polymers), polyester polymers (including alkyd polymers), cellulose polymers, and urethane polymers. A polymer or the like may be used.
可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに分散させる金属酸化物微粒子としては、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、アンチモン、すず、亜鉛、インジウム、タンタルなどの酸化物が用いられる。 As the metal oxide fine particles dispersed in the visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist, oxides such as aluminum, titanium, zirconium, antimony, tin, zinc, indium, and tantalum are used.
金属酸化物微粒子の平均粒径は、1〜2000nmであることが好ましく、より好ましくは2〜1000nmであり、更に好ましくは5〜500nmであり、10〜200nmが最も好ましい。 The average particle size of the metal oxide fine particles is preferably 1 to 2000 nm, more preferably 2 to 1000 nm, still more preferably 5 to 500 nm, and most preferably 10 to 200 nm.
金属酸化物微粒子の添加量は1〜30重量%の範囲で、添加量を変化させることにより屈折率が所望の値に調整される。 The addition amount of the metal oxide fine particles is in the range of 1 to 30% by weight, and the refractive index is adjusted to a desired value by changing the addition amount.
この金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストは、塗布にてオーバーコート層15の上面に成膜される。塗布方法としては、スピンコート法、ディップコート法等が用いられる。
The visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist in which the metal oxide fine particles are dispersed is formed on the upper surface of the
塗布後の硬化方法は、プリベーク、ステッパー露光、ポストベーク、現像等を行うフォトリソグラフィーで成膜、パターニングする方法、又は乾燥後紫外線照射で硬化、成膜する方法、あるいは熱により硬化、成膜する方法が用いられる。 The curing method after coating is a method of film formation and patterning by photolithography that performs pre-baking, stepper exposure, post-baking, development, etc., a method of curing and film formation by ultraviolet irradiation after drying, or a method of curing and film formation by heat. The method is used.
従来の固体撮像素子では層内レンズとしてシリコン窒化膜(SiN)をプラズマCVD法等により形成するため、層内レンズの内部にボイドが生じやすかったが、本発明の固体撮像素子10では、金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストを塗布にて成膜形成するため、図1に示す層内レンズ16の幅寸法Aに対する厚さ寸法Bの割合(B/A)で定義するアスペクト比が0.3以上であっても、層内レンズ16の内部にボイドが発生することがなく、屈折率の調整が容易で、安価な装知で層内レンズ16が形成される。なお、アスペクト比は0.2以上の方がより好ましい。
In the conventional solid-state imaging device, since a silicon nitride film (SiN) is formed as an inner lens by plasma CVD or the like, voids are likely to be generated inside the inner-layer lens. However, in the solid-
層内レンズ16の上にはカラーフィルタ17が形成されており、R(赤)、B(青)、G(緑)のフィルタが夫々対応するフォトダイオード12の上部に設けられている。また、カラーフィルタ17の上面にはオンチップレンズ18が形成されている。
A
オンチップレンズ18は、フォトレジスト等に用いられる透明樹脂硬化膜でアクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド等のポリマーを熱リフローさせて形成したものである。
The on-
固体撮像素子10はこのように構成されており、入射する光がオンチップレンズ18及び金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストを塗布した高屈折率材料からなる層内レンズ16によって集光され、受光部への集光効率が高い。
The solid-
次に、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。図2は製造工程を表わすフローチャートである。先ず最初にSiウェーハ上に、既知の方法によって、フォトダイオード12、図示しない読み出し部及び転送レジスタ、転送電極13、遮光膜14等で構成されるいわゆるCCDを形成する(ステップS11)。
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing process. First, a so-called CCD including a
次に、フォトダイオード12及び遮光膜14を覆うオーバーコート層15を形成する。オーバーコート層15は、透明な材料(波長633nmの光に対する屈折率が1.5程度)で、具体的には前述したような、TEOSを反応ガスとしてプラズマCVDによって形成したSiO2 膜、あるいは常圧CVDによって形成したPSG、BPSG、あるいはSOG等を必要に応じリフローさせて形成したSiO2 系酸化膜を成膜する。
Next, an
この時、オーバーコート層15の断面形状は、図1に示すように、下地の凹凸形状に倣って受光面12A側に向かって凸となる底面を有した凹部と、遮光膜14の上部で盛り上がった凸部とを有している(ステップS12)。
At this time, as shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the
次に、図1に示すように、層内レンズ16の下地層であるオーバーコート層15の上部に、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させたもので、波長633nmの光に対する屈折率n=1.6以上、好ましくは屈折率n=1.8以上の高屈折率材料を、オーバーコート層15の凹部を埋設して受光面12A側に向かった凸部を有するように成膜し、層内レンズ16を形成する。
Next, as shown in FIG. 1, metal oxide fine particles are dispersed in a visible light transmissive photosensitive resist or a visible light transmissive resist on the
なおこの時、図1に示すような凹部の幅寸法Aに対する深さ寸法Bの割合(B/A)で定義するアスペクト比が0.3以上であっても、次の層内レンズ16の形成工程において層内レンズ16の内部にボイドが発生しない。
At this time, even if the aspect ratio defined by the ratio (B / A) of the depth dimension B to the width dimension A of the recess as shown in FIG. In the process, no void is generated in the
可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストの材料は、前述したように、ポリスチレン、スチレン共重合体、ポリカーボネート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の比較的屈折率の高いポリマー、あるいはビニル系ポリマー(アクリル系ポリマーを含む)、ポリエステル系ポリマー(アルキド系ポリマーを含む)、セルロース系ポリマー、ウレタン系ポリマー等の比較的屈折率の低いポリマーを用いる。 As described above, the material for the visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist is a polymer having a relatively high refractive index such as polystyrene, styrene copolymer, polycarbonate, melamine resin, phenol resin, epoxy resin, or the like. A polymer having a relatively low refractive index such as a vinyl polymer (including an acrylic polymer), a polyester polymer (including an alkyd polymer), a cellulose polymer, a urethane polymer, or the like is used.
レジストに分散させる金属酸化物微粒子としては、前述したように、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、アンチモン、すず、亜鉛、インジウム、タンタルなどの酸化物を用いる。 As the metal oxide fine particles dispersed in the resist, as described above, oxides such as aluminum, titanium, zirconium, antimony, tin, zinc, indium, and tantalum are used.
金属酸化物微粒子の平均粒径は、1〜2000nmであることが好ましく、より好ましくは2〜1000nmであり、更に好ましくは5〜500nmであり、10〜200nmが最も好ましい。 The average particle size of the metal oxide fine particles is preferably 1 to 2000 nm, more preferably 2 to 1000 nm, still more preferably 5 to 500 nm, and most preferably 10 to 200 nm.
金属酸化物微粒子の添加量は1〜30重量%の範囲で、添加量を変化させることにより屈折率を所望の値に調整する。 The addition amount of the metal oxide fine particles is in the range of 1 to 30% by weight, and the refractive index is adjusted to a desired value by changing the addition amount.
この金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストからなる高屈折率材料の成膜は、オーバーコート層15の上面に塗布にて行う。塗布方法としては、スピンコート法、ディップコート法等を用いる。
The high refractive index material made of a visible light transmissive photosensitive resist or a visible light transmissive resist in which the metal oxide fine particles are dispersed is formed on the upper surface of the
塗布の後の硬化方法は、プリベーク、ステッパー露光、ポストベーク、現像等を行うフォトリソグラフィーで成膜、パターニングする方法、又は乾燥後紫外線照射で硬化、成膜する方法、あるいは熱により硬化、成膜する方法を用いる。 The curing method after coating is a method of film formation and patterning by photolithography that performs pre-baking, stepper exposure, post-baking, development, etc., a method of curing and film formation by ultraviolet irradiation after drying, or a method of curing and film formation by heat. Use the method to do.
これにより、所望の屈折率を有するとともにボイドのない層内レンズ16が形成される。また、層内レンズ16の上面にエッチバック等を施す平坦化処理工程を必要としない(ステップS13)。
Thereby, the in-
次に、既知の方法によって、層内レンズ16の上面にカラーフィルタ17を形成し(ステップS14)、次いでカラーフィルタ17の上面にオンチップレンズ18を形成する(ステップS15)。
Next, the
以上が本発明の第1の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法である。このように、金属酸化物微粒子を分散させて所望の屈折率に調整した可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストからなる高屈折率材料を塗布して層内レンズ16を形成するので、所望の高屈折率を有するレンズをアスペクト比の大きな凹部に、ボイドを発生させることなく容易に形成することができる。また、上面の平坦化工程を必要とせず、安価な装置で低コストな固体撮像素子を製造することができる。
The above is the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. In this way, the in-
次に、本発明の第1の実施形態の変形例について説明する。図3は、第1の実施形態の変形例の固体撮像素子を表わす部分断面図である。図3に示すように、この変形例の固体撮像素子10Aは、層内レンズ16Aが前述した図1に示す第1の実施形態のように1層ではなく、3層の積層体で形成されている。
Next, a modification of the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to a modification of the first embodiment. As shown in FIG. 3, in the solid-
この3層の積層体で形成された層内レンズ16Aの形成は、最初に金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストからなる高屈折率材料を塗布して層内レンズ16aを形成し、層内レンズ16aの上に層内レンズ16aよりも屈折率を大きく調整した高屈折率材料を塗布して層内レンズ16bを形成し、最後に層内レンズ16bの上に層内レンズ16bよりも屈折率を大きく調整した高屈折率材料を塗布して層内レンズ16cを形成する。
The
層内レンズ16A以外の各構成は、前述した図1で表わす第1の実施形態と同じであるので、その説明は省略する。
Each configuration other than the
固体撮像素子10Aはこのように構成されているので、入射する光はオンチップレンズ18で第1段目の集光がなされ、次いで層内レンズ16c、層内レンズ16b、層内レンズ16aで夫々集光されて、効率良くフォトダイオード12の受光面12Aに入射する。
Since the solid-
次に、本発明に係る固体撮像素子の第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態の固体撮像素子を表わす部分断面図である。この第2の実施形態は、フォトダイオード12の受光面12Aの上部とカラーフィルタ17との間に中間層としての導波路16Bを設けたものである。
Next, a second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention will be described. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the solid-state imaging device of the second embodiment. In the second embodiment, a
固体撮像素子10Bは、図4に示すように、Si基板11、Si基板11に形成された受光素子であるフォトダイオード12、光電変換された電荷を外部に転送する転送電極13、遮光膜14、層間膜15A、層間膜15Aの内部に形成された導波路16B、導波路16Bの上部に設けられたカラーフィルタ17、及びカラーフィルタ17の上部に形成されたオンチップレンズ18等で構成されている。
As shown in FIG. 4, the solid-
層間膜15Aは、PSG、BPSG等をリフローさせて形成した比較的屈折率の低い材料からなるSiO2 系酸化膜で、フォトダイオード12の受光面12Aに対応した円形貫通孔が形成されている。
The
この円形貫通孔を埋設して設けられた導波路16Bは、前述した第1の実施形態及び変形例で説明した層内レンズ16、16Aと同じ材質の高屈折率材料からなっている。即ち、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させた材料で、波長633nmの光に対する屈折率n=1.6以上、好ましくは屈折率n=1.8以上の高屈折率材料である。
The
可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストは具体的には、前述したように、ポリスチレン、スチレン共重合体、ポリカーボネート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の比較的屈折率の高いポリマー、あるいはビニル系ポリマー(アクリル系ポリマーを含む)、ポリエステル系ポリマー(アルキド系ポリマーを含む)、セルロース系ポリマー、ウレタン系ポリマー等の比較的屈折率の低いポリマーが用いられている。 Specifically, as described above, the visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist is a polymer having a relatively high refractive index, such as polystyrene, styrene copolymer, polycarbonate, melamine resin, phenol resin, and epoxy resin. Alternatively, polymers having a relatively low refractive index such as vinyl polymers (including acrylic polymers), polyester polymers (including alkyd polymers), cellulose polymers, urethane polymers, and the like are used.
レジストに分散させる金属酸化物微粒子としては、前述したように、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、アンチモン、すず、亜鉛、インジウム、タンタルなどの酸化物が用いられている。 As the metal oxide fine particles dispersed in the resist, as described above, oxides such as aluminum, titanium, zirconium, antimony, tin, zinc, indium, and tantalum are used.
図4に示すような導波路16Bの直径A’に対する高さB’の割合(B’/A’)で定義するアスペクト比は0.2以上であり、好ましくは0.3以上である。アスペクト比がこの範囲内であっても導波路16B内にボイドが発生しない。
The aspect ratio defined by the ratio (B '/ A') of the height B 'to the diameter A' of the
導波路16Bの屈折率が層間膜15Aの屈折率よりも高いので、導波路16Bの上面に入射した光は側面で屈折されて導波路16B内部を進み、フォトダイオード12の受光面12Aに入射する。
Since the refractive index of the
導波路16Bと層間膜15A以外の構成は図1に示した第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。
Since the configuration other than the
固体撮像素子10Bはこのように構成されており、入射する光がオンチップレンズ18で集光されて金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストを塗布して形成された高屈折率材料からなる導波路16Bに入射し、更に導波路16B内を進んでフォトダイオード12の受光面12Aに入射するので、受光部への集光効率が高い。
The solid-
次に、この固体撮像素子10Bの製造方法について説明する。図5は製造工程を表わすフローチャートである。先ず最初にSiウェーハ上に、既知の方法によって、フォトダイオード12、図示しない読み出し部及び転送レジスタ、転送電極13、遮光膜14等で構成されるいわゆるCCDを形成する(ステップS21)。なお、この工程は前述した固体撮像素子10の製造工程におけるステップS11と同じである。
Next, a method for manufacturing the solid-
次に、CCD上にPSG、BPSG等をリフローさせた比較的屈折率の低い材料からなるSiO2 系酸化膜を層間膜15Aとして成膜する(ステップS22)。
Next, a SiO 2 oxide film made of a material having a relatively low refractive index obtained by reflowing PSG, BPSG or the like on the CCD is formed as an
次に、層間膜15Aのフォトダイオード12の受光面12Aに対応した位置に円形貫通孔をエッチングによって形成する。
Next, a circular through hole is formed by etching at a position corresponding to the
次に、この円形貫通孔を埋設するように、可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストに金属酸化物微粒子を分散させたもので、波長633nmの光に対する屈折率n=1.6以上、好ましくは屈折率n=1.8以上の高屈折率材料を、下地層である層間膜15Aの上部に塗布して導波路16Bを形成する。。塗布方法としては、スピンコート法、ディップコート法等を用いる。
Next, the visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist is dispersed with metal oxide fine particles so as to fill the circular through hole, and the refractive index n = 1.6 with respect to light having a wavelength of 633 nm. As described above, the
可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストは具体的には、前述したように、ポリスチレン、スチレン共重合体、ポリカーボネート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の比較的屈折率の高いポリマー、あるいはビニル系ポリマー(アクリル系ポリマーを含む)、ポリエステル系ポリマー(アルキド系ポリマーを含む)、セルロース系ポリマー、ウレタン系ポリマー等の比較的屈折率の低いポリマーを用いる。 Specifically, the visible light transmissive photosensitive resist or the visible light transmissive resist is, as described above, a polymer having a relatively high refractive index such as polystyrene, styrene copolymer, polycarbonate, melamine resin, phenol resin, and epoxy resin. Alternatively, a polymer having a relatively low refractive index such as a vinyl polymer (including an acrylic polymer), a polyester polymer (including an alkyd polymer), a cellulose polymer, or a urethane polymer is used.
レジストに分散させる金属酸化物微粒子としては、前述したように、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、アンチモン、すず、亜鉛、インジウム、タンタルなどの酸化物を用いる。金属酸化物微粒子の添加量は1〜30重量%の範囲で、添加量を変化させることにより屈折率を所望の値に調整する(ステップS23)。 As the metal oxide fine particles dispersed in the resist, as described above, oxides such as aluminum, titanium, zirconium, antimony, tin, zinc, indium, and tantalum are used. The addition amount of the metal oxide fine particles is in the range of 1 to 30% by weight, and the refractive index is adjusted to a desired value by changing the addition amount (step S23).
次に、既知の方法によって、導波路16Bの上面にカラーフィルタ17を形成し(ステップS24)、次いでカラーフィルタ17の上面にオンチップレンズ18を形成する(ステップS25)。なお、この工程は前述した固体撮像素子10の製造工程におけるステップS14及びステップS15と同じである。
Next, the
このように本発明の固体撮像素子10Bの製造方法によれば、円形貫通孔を有機ポリマーで埋設して導波路を形成した従来技術に対して、金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストからなる高屈折率材料を円形貫通孔に埋設して導波路16Bを形成したので、所望の高屈折率を有する導波路を形成することができ、集光効率の高い固体撮像素子を得ることができる。
As described above, according to the method for manufacturing the solid-
次に、実施例について説明する。実施例1においては従来のプラズマCVD法にてSiNを成膜して層内レンズを形成した場合、及び従来の有機ポリマーを埋設して層内レンズを形成した場合と実施例1との比較を行い、実施例2では従来のプラズマCVD法にてSiNを成膜して層内レンズを形成した場合と実施例2との比較を行った。また、実施例3では従来のプラズマCVD法にてSiNを成膜して導波路を形成した場合と実施例3との比較を行った。 Next, examples will be described. In Example 1, a case where an SiN film is formed by a conventional plasma CVD method to form an intralayer lens, and a case where an intralayer lens is formed by embedding a conventional organic polymer are compared with Example 1. In Example 2, a comparison between Example 2 and a case where an intralayer lens was formed by forming a SiN film by a conventional plasma CVD method was performed. In Example 3, a comparison between Example 3 and a case where a waveguide was formed by forming SiN by a conventional plasma CVD method was performed.
各実施例において、比較項目のボイドについてはCCDをFIB(Focused Ion Beam:収束イオンビーム)で断面にスライスし、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)で観察し評価した。 In each example, the voids of the comparative items were evaluated by slicing the CCD into cross-sections with FIB (Focused Ion Beam) and observing with SEM (Scanning Electron Microscope).
また、評価項目の光学特性(G感度、色シェーディング、スミア)については、CCDをパッケージングした後撮像レンズを組込み、一定の強度の光を照射して各画素毎に電圧を検出し、それを基に算出した。なお、評価の数値は光学特性及び製造コスト共にプラズマCVD法SiNを100として比較した。G感度は数値が高いほうがよく、色シェーディング、スミア、及び製造コストは数値が低い方がよい。 As for the optical characteristics (G sensitivity, color shading, smear) of the evaluation items, an image pickup lens is incorporated after packaging the CCD, and a voltage is detected for each pixel by irradiating light of a certain intensity. Based on the calculation. In addition, the numerical value of evaluation compared the optical characteristic and the manufacturing cost with the plasma CVD method SiN as 100. The G sensitivity should be high, and the color shading, smear, and manufacturing cost should be low.
[実施例1]
アクリル系感光性レジストに平均粒径約100nmの二酸化チタンの微粒子を15重量%添加し分散させて高屈折率材料を作成した。この高屈折率材料を分光エリプソメータで測定した波長633nmにおける屈折率は約1.9であった。
[Example 1]
A high refractive index material was prepared by adding and dispersing 15% by weight of titanium dioxide fine particles having an average particle diameter of about 100 nm in an acrylic photosensitive resist. The refractive index at a wavelength of 633 nm when this high refractive index material was measured with a spectroscopic ellipsometer was about 1.9.
遮光膜14上にBPSGを成膜、リフローさせてオーバーコート層15を形成したCCD用ウェーハにこの高屈折率材料をスピンコータで塗布し、プリベーク後i線ステッパで露光してパターニングした後、ポストベークし現像して下凸形状の層内レンズ16を形成した。その後通常のプロセスで図1に示すような固体撮像素子10を完成させた。
This high refractive index material is applied to the CCD wafer on which the
図6は、このようにして製造した固体撮像素子10と従来のプラズマCVD法にてSiNを成膜して層内レンズを形成した場合、及び従来の有機ポリマーを埋設して層内レンズを形成した場合とで、各評価項目毎に比較した評価結果を表わした一覧表である。
FIG. 6 shows a case where an intralayer lens is formed by forming a SiN film by using the solid-
図6に示すように、実施例1の固体撮像素子10は、プラズマCVD法によるSiN成膜と比較して評価項目のボイドにおいて大きく改善されており、光学特性(G感度、色シェーディング、スミア)は略同等であり、製造コストは安価であった。
As shown in FIG. 6, the solid-
また、有機ポリマー埋設と比較して、ボイドとコストは同等であったが、光学特性においてG感度と色シェーディングで改善されており、CCDの致命的欠陥と言われているスミアについては大きく改善されていた。 Compared with organic polymer embedding, the void and cost were the same, but the optical characteristics were improved by G sensitivity and color shading, and smear, which is said to be a fatal defect of CCD, was greatly improved. It was.
[実施例2]
アクリル系感光性レジストに平均粒径約80nmの二酸化チタンの微粒子を8重量%、13重量%、及び16重量%夫々添加して分散させた屈折率の異なる3種類の高屈折率材料を作成した。分光エリプソメータで測定した波長633nmにおける各材料の屈折率は、夫々n=1.6、n=1.75、n=1.9であった。
[Example 2]
Three kinds of high refractive index materials having different refractive indexes were prepared by adding and dispersing 8 wt%, 13 wt%, and 16 wt% of titanium dioxide fine particles having an average particle diameter of about 80 nm to an acrylic photosensitive resist. . The refractive indexes of the respective materials at a wavelength of 633 nm measured with a spectroscopic ellipsometer were n = 1.6, n = 1.75, and n = 1.9, respectively.
遮光膜14上にBPSGをリフローさせて屈折率n=1.5のオーバーコート層15を形成したCCD用ウェーハに、屈折率の低い順にスピンコート、プリベーク、i線ステッパー露光、ポストベーク、現像を繰り返して、図3に示すような3層構造の下凸形状の層内レンズ16Aを形成した。
Spin coat, pre-bake, i-line stepper exposure, post-bake, and development are performed on the CCD wafer in which BPSG is reflowed on the light-shielding
屈折率n=1.6と屈折率n=1.75の層の乾燥後の平均膜厚は夫々200nm、300nmとした。屈折率n=1.9の層では塗布層上面が平坦になるように液濃度と粘度を調整し、平坦部での膜厚が700nmになる条件で成膜した。 The average film thickness after drying of the layers having a refractive index n = 1.6 and a refractive index n = 1.75 was 200 nm and 300 nm, respectively. In the layer having a refractive index n = 1.9, the liquid concentration and the viscosity were adjusted so that the upper surface of the coating layer was flat, and the film was formed under the condition that the film thickness at the flat portion was 700 nm.
その後通常のプロセスでカラーフィルタ17、オンチップレンズ18を形成し、 図3に示すような固体撮像素子10Aを完成させた。
Thereafter, the
図7は、このようにして製造した固体撮像素子10Aと従来のプラズマCVD法にてSiNを成膜して層内レンズを形成した場合とで、各評価項目毎に比較した評価結果を表わした一覧表である。
FIG. 7 shows the evaluation results compared for each evaluation item between the solid-
図7に示すように、実施例2の固体撮像素子10Aは、プラズマCVD法によるSiN成膜と比較して評価項目のボイドにおいて大きく改善されており、光学特性においてG感度も大幅に改善され、色シェーディング及びスミアは略同等であった。また、製造コストは安価であった。
As shown in FIG. 7, the solid-
[実施例3]
アクリル系感光性レジストに平均粒径約70nmのジルコニウムの微粒子を18重量%添加し分散させて高屈折率材料を作成した。この高屈折率材料を分光エリプソメータで測定した波長633nmにおける屈折率は約1.85であった。この材料を導波路の高屈折率材料として用いた。
[Example 3]
A high refractive index material was prepared by adding and dispersing 18% by weight of fine particles of zirconium having an average particle diameter of about 70 nm in an acrylic photosensitive resist. The refractive index at a wavelength of 633 nm when this high refractive index material was measured with a spectroscopic ellipsometer was about 1.85. This material was used as a high refractive index material for the waveguide.
先ず、CCD用ウェーハの遮光膜14上にBPSGを成膜、リフローさせて比較的屈折率が低いSiO2 系酸化膜の層間膜15Aを形成し、この層間膜15Aのフォトダイオード12の受光面12Aに対応した位置に円形貫通孔をエッチングで形成した。
First, BPSG is formed and reflowed on the
次に、この層間膜15A上に前述の高屈折率材料を円形貫通孔を埋設するようにスピンコータで塗布し、乾燥後紫外線を照射して硬化させ高屈折率層を形成し、図4に示すような導波路16Bを形成した。その後通常のプロセスでカラーフィルタ17及びオンチップレンズ18を形成して固体撮像素子10Bを完成させた。
Next, on the
図8は、このようにして製造した固体撮像素子10Bと従来のプラズマCVD法にてSiNを埋設して導波路を形成した場合とで、各評価項目毎に比較した評価結果を表わした一覧表である。
FIG. 8 is a list showing the evaluation results compared for each evaluation item in the solid-
図8に示すように、実施例3の固体撮像素子10Bは、プラズマCVD法によるSiN成膜と比較して評価項目のボイドにおいて大きく改善されており、光学特性を表わすG感度、色シェーディング、スミアの全てにおいても大幅に改善され、また、製造コストも安価であった。
As shown in FIG. 8, the solid-
以上説明したように、本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、金属酸化物微粒子を分散させた可視光透過性感光性レジスト又は可視光透過性レジストからなる高屈折率材料を塗布して層内レンズ16、16A又は導波路16Bを形成するので、アスペクト比の大きな凹部に対するカバレッジがよくボイドが発生しない。
As described above, according to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof of the present invention, a visible light transmissive photosensitive resist in which metal oxide fine particles are dispersed or a high refractive index material made of a visible light transmissive resist is applied. Since the
また、金属酸化物微粒子の添加量を調整することで高屈折率材料の屈折率を調整するので、容易に所望の屈折率を有した材料を成膜することができる。更に塗布による成膜のため上面平坦化プロセスを省略することができることと高価な装置が不要なため、従来の固体撮像素子と比較して製造コストを抑制することができる。 In addition, since the refractive index of the high refractive index material is adjusted by adjusting the addition amount of the metal oxide fine particles, a material having a desired refractive index can be easily formed. Furthermore, since the upper surface flattening process can be omitted for film formation by coating and an expensive apparatus is unnecessary, the manufacturing cost can be suppressed as compared with a conventional solid-state imaging device.
なお、前述の実施形態では、固体撮像素子をCCDタイプの固体撮像素子で説明したが、本発明はCCDに限るものではなく、C−MOSタイプ等の固体撮像素子であってもよい。 In the above-described embodiment, the solid-state imaging device has been described as a CCD type solid-state imaging device. However, the present invention is not limited to a CCD, and may be a solid-state imaging device such as a C-MOS type.
また、第1の実施形態の変形例において、層内レンズ16を3層構造で説明したが、3層に限らず他の複数層で形成してもよい。また、層内レンズ16とカラーフィルタ17間に複数層形成してもよく、その場合は屈折率の高い材料から順に成膜するようにする。
Further, in the modification of the first embodiment, the
10、10A,10B…固体撮像素子、12…フォトダイオード(受光部)、12A…受光面、13…転送電極、14…遮光膜、14A…開口部、15…オーバーコート層(下地層)、15A…層間膜(下地層)、16、16A…層内レンズ(中間層)、16B…導波路(中間層)、17…カラーフィルタ、18…オンチップレンズ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記受光部の受光面とカラーフィルタとの間に、レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる高屈折率材料で形成された中間層が介在していることを特徴とする固体撮像素子。 In a solid-state imaging device including a light receiving unit that performs photoelectric conversion, a light shielding film that has an opening with respect to a light receiving surface of the light receiving unit, and a color filter,
A solid-state imaging device, wherein an intermediate layer formed of a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist is interposed between a light receiving surface of the light receiving portion and a color filter.
前記受光部の受光面とカラーフィルタとの間に、レジストに金属酸化物微粒子を分散させてなる高屈折率材料で中間層を形成する工程を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 In a method for manufacturing a solid-state imaging device comprising a light receiving unit that performs photoelectric conversion, a light shielding film having an opening with respect to a light receiving surface of the light receiving unit, and a color filter,
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming an intermediate layer with a high refractive index material in which metal oxide fine particles are dispersed in a resist between a light receiving surface of the light receiving portion and a color filter.
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