JP2013012653A - Optical element and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子およびその光学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical element and a method for manufacturing the optical element.
光学素子としては、発光素子、ミラーデバイス又は受光素子などが知られている。そして、受光素子としては、固体撮像素子が有名であり、固体撮像素子としては、CCD(Charge Coupled Device;電荷結合素子)イメージセンサ(以下、単にCCDという)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどがある。これは、デジタルカメラをはじめとして、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話装置、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置など、様々な用途に利用されている。 As an optical element, a light emitting element, a mirror device, a light receiving element, or the like is known. A solid-state image sensor is well known as a light-receiving element, and as a solid-state image sensor, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor (hereinafter simply referred to as a CCD) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. and so on. This is used in various applications such as a digital camera, a video camera, a mobile phone device with a camera, a scanner device, a digital copying machine, and a facsimile machine.
従来、固体撮像素子は、光電変換部と、電荷転送部によって構成され、電荷転送部上には、タングステン(W)等の遮光膜が設けられることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、画素サイズの縮小化に伴って、固体撮像素子の基本性能の一つである受光感度が低下するため、固体撮像素子の集光効率を高めて受光感度を向上させることが重要である。集光効率を向上させる方法として、カラーフィルターの上部に有機高分子材料によりマイクロレンズを形成することが知られている。また、マイクロレンズの下方に層内レンズを形成することも知られている(例えば、特許文献2参照)。
Conventionally, it is known that a solid-state imaging device includes a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit, and a light-shielding film such as tungsten (W) is provided on the charge transfer unit (see, for example, Patent Document 1). ).
Further, as the pixel size is reduced, the light receiving sensitivity, which is one of the basic performances of the solid-state imaging device, is lowered. Therefore, it is important to improve the light receiving sensitivity by increasing the light collection efficiency of the solid-state imaging device. As a method for improving the light collection efficiency, it is known to form a microlens with an organic polymer material on the color filter. It is also known to form an in-layer lens below the microlens (see, for example, Patent Document 2).
また、受光部の上の領域で、かつ、遮光層の側面に低屈折率膜/高屈折率膜からなるサイドウオールを形成する技術も知られている。サイドウオール中の低屈折率膜と高屈折率膜の界面において、光の全反射特性を得ることができる。そのため、斜め上方から開口部に入射した光を、受光部に効率的に導くことが可能となる。つまり、受光部上の開口部(遮光層に挟まれた領域)を光導波路として機能させることができ、光センサの感度を向上することができる(例えば、特許文献3参照)。 In addition, a technique for forming a sidewall made of a low refractive index film / a high refractive index film on the side surface of the light shielding layer in the region above the light receiving portion is also known. A total reflection characteristic of light can be obtained at the interface between the low refractive index film and the high refractive index film in the side wall. Therefore, it is possible to efficiently guide light incident on the opening from obliquely above to the light receiving unit. That is, the opening (region sandwiched between the light shielding layers) on the light receiving portion can function as an optical waveguide, and the sensitivity of the optical sensor can be improved (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に開示された固体撮像素子においては、光導波路が形成されていないため、斜め上方から開口部に入射した光を、受光部に効率的に導くことが難しい。
また、特許文献3に開示された固体撮像素子においては、光導波路は形成されているものの、遮光層の側壁に、低屈折率膜/高屈折率膜からなる導光用の膜を形成している。そのため、微細化の進展に伴い、遮光層間(光導波路部に相当)への膜の埋め込みが難しくなる。その結果、遮光膜間の領域付近にてボイドが発生してしまい、感度が低下してしまう。
However, in the solid-state imaging device disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, since an optical waveguide is not formed, it is difficult to efficiently guide light incident on the opening from obliquely above to the light receiving portion.
Further, in the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 3, although an optical waveguide is formed, a light guiding film composed of a low refractive index film / a high refractive index film is formed on the side wall of the light shielding layer. Yes. For this reason, with the progress of miniaturization, it becomes difficult to embed a film in the light shielding layer (corresponding to the optical waveguide portion). As a result, a void is generated in the vicinity of the region between the light shielding films, and the sensitivity is lowered.
本発明は、上記の考察に基づいてなされたものであり、サイズが微細になっても、光の通り道への埋め込みが容易であり、スペック向上が可能な光学素子を提供することを目的とする。
より具体的には、画素サイズが微細になっても、光導波路への埋め込みが容易であり、集光効率を向上することができる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 based on the above considerations, and an object thereof is to provide an optical element that can be easily embedded in a light passage and can improve specifications even if the size is reduced. .
More specifically, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be easily embedded in an optical waveguide and can improve the light collection efficiency even if the pixel size is reduced.
ここで、本発明に係る光学素子は、光学領域を有する半導体基板と、半導体基板の上に配置された透明絶縁膜を有し、透明絶縁膜は、光学領域直上の第1の領域と第1の領域の上の第2の領域とを有し、さらに、第2の領域と同じ高さにあり、平面視において第2の領域の外側に位置する第3の領域を有し、第1の領域が有する空孔の空孔径は第3の領域が有する空孔の空孔径よりも小さいことを特徴とする。 Here, the optical element according to the present invention includes a semiconductor substrate having an optical region, and a transparent insulating film disposed on the semiconductor substrate. The transparent insulating film includes a first region and a first region directly above the optical region. A second region above the region, and a third region that is at the same height as the second region and is located outside the second region in plan view, The hole diameter of the hole included in the region is smaller than the hole diameter of the hole included in the third region.
また、透明絶縁膜における第1の領域において、下部から上部に向かうにつれて空孔径が大きくなる領域を有することが好ましい。
また、第1の領域は第2の領域よりも空孔径が小さいことが好ましい。
また、第2の領域の空孔径は第3の空孔径よりも小さいことが好ましい。
また、本発明に係る光学素子は、光学領域を有する半導体基板と、半導体基板の上に配置された透明絶縁膜とを有し、透明絶縁膜は、光学領域直上の領域において、屈折率の異なる単一層からなることを特徴とする。
Moreover, it is preferable that the first region in the transparent insulating film has a region in which the pore diameter increases from the lower part toward the upper part.
The first region preferably has a smaller hole diameter than the second region.
The hole diameter in the second region is preferably smaller than the third hole diameter.
The optical element according to the present invention includes a semiconductor substrate having an optical region and a transparent insulating film disposed on the semiconductor substrate, and the transparent insulating film has a different refractive index in a region immediately above the optical region. It consists of a single layer.
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、半導体基板に光学領域を形成する工程(a)と、半導体基板の上に透明絶縁膜を形成する工程(b)とを有し、透明絶縁膜は、光学領域直上の第1の領域と、第1の領域の上の第2の領域とを有し、さらに、第2の領域と同じ高さにあり、平面視において第2の領域の外側に位置する第3の領域を有し、第1の領域が有する空孔の空孔径は第3の領域が有する空孔の空孔径よりも小さいことを特徴とする。 The method for manufacturing an optical element according to the present invention includes a step (a) of forming an optical region on a semiconductor substrate and a step (b) of forming a transparent insulating film on the semiconductor substrate. Has a first region directly above the optical region and a second region above the first region, and is at the same height as the second region, and is outside the second region in plan view. And the hole diameter of the holes included in the first area is smaller than the hole diameter of the holes included in the third area.
本発明によると、光学素子のサイズが小さくなっても、透明絶縁膜に対して斜め方向から入射した光を受光部などの光学領域に集光しやすいという効果がある。 According to the present invention, even when the size of the optical element is reduced, there is an effect that light incident on the transparent insulating film from an oblique direction can be easily collected on an optical region such as a light receiving portion.
本発明の実施形態に係る光学素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。
なお、本発明の実施形態に係る光学素子として、半導体基板に行列状に複数形成されたフォトダイオードからなる受光部と、各受光部から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部とを備えた1.3×1.3μm2以細のCCD型の固体撮像素子を例に説明する。
An optical element and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that, as an optical element according to an embodiment of the present invention, a light receiving unit composed of a plurality of photodiodes formed in a matrix on a semiconductor substrate, and a vertical transfer unit that transfers signal charges read from each light receiving unit in the column direction An example of a CCD solid-state imaging device having a size of 1.3 × 1.3 μm 2 or smaller, which includes a horizontal transfer unit that transfers signal charges transferred from the vertical transfer unit in the row direction, will be described.
しかし、CCD型の固体撮像素子に限られず、CMOSイメージセンサ、発光素子など、受光部などの光学領域を有する光学素子であれば、本発明を適用することが可能である。また、実施形態中で説明する材料や、数値は好ましい範囲を示しているに過ぎず、これらに限定されることはない。
(第1の実施形態)
(固体撮像素子の説明)
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面図である。
However, the present invention is not limited to the CCD type solid-state imaging device, and the present invention can be applied to any optical element having an optical region such as a light receiving portion such as a CMOS image sensor or a light emitting element. In addition, the materials and numerical values described in the embodiments show only preferable ranges, and are not limited to these.
(First embodiment)
(Description of solid-state image sensor)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
図1に示すように、シリコン基板などの半導体基板101に、フォトダイオードである受光部(光学領域)102が形成されている。受光部102の一側面には、読み出し部103を介して、読み出した信号電荷を転送する垂直転送部104aが形成されている。また、受光部102の他側面には、隣接する他の受光部(不図示)から読み出した信号電荷を転送する垂直転送部104bが形成されており、受光部102と垂直転送部104bとの間には、チャネルストップ部105が形成されている。
As shown in FIG. 1, a light receiving portion (optical region) 102 that is a photodiode is formed on a
半導体基板101の表面上には、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜106が配置されている。
また、絶縁膜106の上における、垂直転送部104a,104bの上方には垂直転送電極107が形成されている。
また、垂直転送電極107の上面及び側面を覆うように絶縁膜108、遮光膜110が形成されている。ここで、遮光膜110が垂直転送電極107の上面及び側面を覆っているため、受光部102以外の領域には入射光が直接進入しない。
An
A
An insulating
一方、開口部109によって露出している受光部102の受光領域には入射光が直接進入する。ここで、開口部109の開口径は600nm以下であることが好ましく、さらには、300nm以下であることが好ましい。開口部の開口径が狭いときに本発明は特に有効だからである。また、開口部109の深さは600nm以下であることが好ましく、開口部109のアスペクト比(開口部の深さ/高さ)は、2.0以下であることが好ましい。
On the other hand, incident light directly enters the light receiving region of the
また、遮光膜110の上には、透明絶縁膜111が開口部109を埋め込むように形成されている。そして、透明絶縁膜111上にはカラーフィルター層112が形成されている。そして、カラーフィルター層112の上にはマイクロレンズ113が形成されている。ここで、マイクロレンズ113は、入射光を受光部102へ集める働きをする。
ここで、図1に示すように、透明絶縁膜111は受光部102直上の第1の領域(遮光膜110によって挟まれる領域)と第1の領域の直上に位置する第2の領域と、平面視において第2の領域の外側に位置する第3の領域(遮光膜110の上の領域)を有している。そして、透明絶縁膜111は複数の空孔を有しており、第1の領域が有する空孔の空孔径は、第2の領域及び第3の領域が有する空孔の空孔径よりも小さい。
Further, a transparent
Here, as shown in FIG. 1, the transparent
別の言い方をすれば、第1の領域が有する空孔の空孔率は、第2の領域及び第3の領域が有する空孔の空孔率よりも小さい。そのため、第1の領域の屈折率は第2の領域及び第3の領域の屈折率と異なる。具体的には、第1の領域の屈折率は、第2の領域及び第3の領域の屈折率よりも大きくなる。
本実施形態によると、図1における矢印Sに示すように、斜めに入射した入射光が膜中の屈折率の変化により、ほぼ垂直な入射光として受光部102へ集光される。より具体的には、第2の領域及び第3の領域に入射した光が第1の領域に集まりやすくなり、受光部102の集光率が向上する。そのため、斜め入射光が垂直転送部104a,104b及びその直下へと漏れ込むことが少なく、斜め入射光によるスミア(垂直転送部への光の漏れ)が発生しにくくなるという効果がある。
In other words, the porosity of the holes included in the first region is smaller than the porosity of the holes included in the second region and the third region. Therefore, the refractive index of the first region is different from the refractive indexes of the second region and the third region. Specifically, the refractive index of the first region is larger than the refractive indexes of the second region and the third region.
According to this embodiment, as indicated by an arrow S in FIG. 1, incident light incident obliquely is condensed on the
なお、斜めに入射した入射光をほぼ垂直な入射光にして受光部102へ進入させる場合が最も効率良くスミアを低減できる。
しかし、必ずしもほぼ垂直な入射光にする必要はなく、斜めに入射した入射光の入射角度が90°に近づく特性を有していれば良い。
なお、透明絶縁膜111は単層の絶縁膜であることが好ましく、第1の領域と第2の領域との間で界面は存在しないことが好ましい。
It is to be noted that smear can be most efficiently reduced when the incident light incident obliquely is made substantially vertical incident light and enters the
However, it is not always necessary to make the incident light substantially perpendicular, and it is sufficient if the incident angle of the incident light incident obliquely has a characteristic approaching 90 °.
Note that the transparent
ここで、透明絶縁膜111の望まれる性質について図2を用いて詳細に説明する。
図2(a)、(b)に示すように、透明絶縁膜111は下面から上面にかけて空孔径は大きくなっていることが好ましい。具体的には、透明絶縁膜111を下から順に領域Rc、領域Rb、領域Raとすると、領域Rcの空孔径は領域Rbの空孔径よりも小さく、領域Rbの空孔径は領域Raの空孔径よりも小さいことが好ましい。そして、領域Ra、Rcにおいては、それぞれ空孔径は略一定であり、領域RbにおいてのみRc側からRa側に向かうにつれて空孔径が大きくなっていることが好ましい。そして、領域Rcと領域Rbとの界面は、遮光膜110の上面よりも低い位置にあることが好ましい。
Here, the desired properties of the transparent
As shown in FIGS. 2A and 2B, the transparent
さらには、領域Rcと領域Rbとの界面は、垂直転送電極107の上面よりも低い位置にあることが好ましい。第2の領域及び第3の領域に入射した光を第1の領域に集まりやすくするためには、領域Rcと領域Rbとの界面を第1の領域の上面よりも下に位置させることが重要だからである。
ここで、半導体基板から遮光膜110上面までの長さは、受光部102の幅の2.0倍程度であることが好ましいので、半導体基板の表面から第1の領域と第2の領域の界面までの長さは、受光部の幅の2倍よりも短いことが好ましい。
Furthermore, the interface between the region Rc and the region Rb is preferably at a position lower than the upper surface of the
Here, since the length from the semiconductor substrate to the upper surface of the
また、半導体基板から領域Rcと領域Rbの界面までの長さは、受光部の幅の2倍よりも短いことが好ましい。そして、透明絶縁膜111の第3の領域において、下部の空孔径よりも上部の空孔径の方が大きいことが好ましく、下部から上部に向かうにつれて空孔径が大きくなる領域を有することが好ましい。
また、透明絶縁膜における第3の領域を、下から順に領域A、領域Bとすると、領域Aの空孔径は、領域Bの空孔径よりも小さく、領域Aにおいてのみ、領域A側から領域B側に向かうにつれて空孔径が大きくなっていることが好ましい。
The length from the semiconductor substrate to the interface between the region Rc and the region Rb is preferably shorter than twice the width of the light receiving portion. In the third region of the transparent
Further, if the third region in the transparent insulating film is a region A and a region B in order from the bottom, the hole diameter of the region A is smaller than the hole diameter of the region B, and only the region A from the region A side to the region B It is preferable that the pore diameter increases toward the side.
また、透明絶縁膜における第1の領域において、下部から上部に向かうにつれて空孔径が大きくなる領域を有することが好ましい。
また、透明絶縁膜における第1の領域から第2の領域にかけて、下から順に領域C、領域D、領域Eとすると、領域Cの空孔径は、領域Dの空孔径よりも小さく、領域Dの空孔径は、領域Eの空孔径よりも小さく、領域Dにおいてのみ、領域C側から領域E側に向かうにつれて空孔径が大きくなっていることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the first region in the transparent insulating film has a region in which the pore diameter increases from the lower part toward the upper part.
Further, assuming that the region C, the region D, and the region E are sequentially from the first region to the second region in the transparent insulating film, the hole diameter of the region C is smaller than the hole diameter of the region D. The hole diameter is smaller than the hole diameter of the region E, and it is preferable that only in the region D, the hole diameter increases from the region C side toward the region E side.
ここで、透明絶縁膜111における第1の領域の屈折率をn1とし、また、第2の領域の屈折率をn2とした場合、例えば、n1=1.45,n2=1.15であることが好ましい。
このように、透明絶縁膜の下部と上部において、屈折率が大きく異なると、開口部109の開口径が100nm未満であったとしても入射光が受光部102に導かれやすくなり、感度向上に貢献する。
Here, when the refractive index of the first region in the transparent
Thus, if the refractive index differs greatly between the lower part and the upper part of the transparent insulating film, even if the opening diameter of the
(製造方法の説明)
図3〜図7を用いて、固体撮像素子の製造方法を説明する。
まず、図3に示すように、シリコン基板などの半導体基板101の所定の位置にp型の不純物を注入し、読み出し部103とチャネルストップ部105とを所定の間隔をおいてそれぞれ形成する。
(Description of manufacturing method)
The manufacturing method of a solid-state image sensor is demonstrated using FIGS.
First, as shown in FIG. 3, a p-type impurity is implanted into a predetermined position of a
その後、n型の不純物を注入し、読み出し部103とチャネルストップ部105との間に受光部102を形成する。その後、読み出し部103及びチャネルストップ部105の外側に垂直転送部104a、104bをそれぞれ形成する。
次に、半導体基板101の表面に熱酸化法又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化膜等の絶縁膜106及びポリシリコン膜100nmを順次形成し、絶縁膜106及びポリシリコン膜を公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングする。そして、垂直転送部104a、104b領域上に、ポリシリコン膜からなる垂直転送電極107を形成する。
Thereafter, an n-type impurity is implanted to form the
Next, an insulating
その後、垂直転送電極107の上面及び側面に熱酸化法等によりシリコン酸化膜108を形成する。
その後、スパッタ法及びCVD(Chemical Vapor Deposition)法等により、半導体基板上に例えばアルミニウム又はタングステン等の金属膜を堆積させ、公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によってパターニングする。そして、垂直転送電極107を覆い、かつ、受光部102の上に開口部109を有する、アルミニウム又はタングステンなどの金属膜からなる遮光膜110を形成する。
Thereafter, a
Thereafter, a metal film such as aluminum or tungsten is deposited on the semiconductor substrate by a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like, and is patterned by a known lithography technique and etching technique. Then, a
次に、図4に示すように、遮光膜110及び受光部102上に、例えば、CVD((Chemical Vapor Deposition))法、又はゾル・ゲル法を用いて、例えば、シリコン酸化膜を有する透明絶縁膜111を、1000nm程度の厚さで形成する。
ここで、透明絶縁膜111は、膜骨格がSiOからなり、空孔形成材料(例えば、ポロジェン)114を含有する膜である。
Next, as shown in FIG. 4, a transparent insulation having, for example, a silicon oxide film on the
Here, the transparent
次に、図5に示すように、半導体基板101を加熱することにより、透明絶縁膜111中のポロジェンを分解除去して、透明絶縁膜111中に複数の空孔115を形成する。
なお、この際、透明絶縁膜111上部付近の空孔径よりも、下部付近の空孔径のほうが小さくなるように、透明絶縁膜111を形成する。
ここで、透明絶縁膜111の好ましい形成法方法をさらに具体的に説明する。
Next, as shown in FIG. 5, by heating the
At this time, the transparent
Here, a preferable method for forming the transparent
まず、図3に示す断面図の構成を有する半導体基板101を、真空に保持したCVD(Chemical Vapor Deposition)チャンバー内の高温ステージ上に配置する。その後、透明絶縁膜111の基本骨格を形成する材料(例えばジエトキシメチルシラン(DEMS)などの炭素含有プリカーサ)と、酸素と、空孔形成材料(例えばαテルピネンなどのポロジェン)を少なくとも含む混合ガスを、ヘリウムなどのキャリアガスとともにCVDチャンバー内に供給し、高周波電力を印加する。
First, the
ここで、混合ガス中の各材料の流量及び高周波電力のパワーのタイミングチャートの一例を図7に示す。
図7に示すように、まず、DEMS(precursor)を0.3g/min、αテルピネン(porogen)を0.25g/min、酸素(oxidizer)を15cc/min(標準状態)の各流量で流しながら、高周波電力を1500W印加し(t1)、この状態を一定時間(t1からt2まで)維持する。
Here, FIG. 7 shows an example of a timing chart of the flow rate of each material in the mixed gas and the power of the high frequency power.
As shown in FIG. 7, first, while flowing DEMS (precursor) at 0.3 g / min, α-terpinene (porogen) at 0.25 g / min, and oxygen (oxidizer) at 15 cc / min (standard state). Then, 1500 W of high frequency power is applied (t1), and this state is maintained for a certain time (from t1 to t2).
次に、DEMSを0.2g/min、αテルピネンを0.35g/min、酸素を12cc/min(標準状態)の各流量に、高周波電力を400Wに一定時間(t2からt3まで)かけて変更し、この状態を一定時間(t3からt4まで)維持する。
以上のように、混合ガス中の各材料の流量及び高周波電力のパワーを時間的に変化させることにより、透明絶縁膜111中において、ポロジェンが連結し、径の異なるポロジェンを含有する膜とすることができる。このようにして、図4の断面図が構成される。
Next, DEMS is changed to 0.2 g / min, α-terpinene is 0.35 g / min, oxygen is 12 cc / min (standard state), and high frequency power is changed to 400 W over a certain period of time (from t2 to t3). This state is maintained for a certain time (from t3 to t4).
As described above, by changing the flow rate of each material in the mixed gas and the power of the high-frequency power with time, the porogen is connected in the transparent
次に、半導体基板101を、真空に保持したチャンバー内の高温ステージ上に配置し、波長領域200〜400nmの紫外線を照射する。これにより、透明絶縁膜111中のポロジェンが分解除去され、透明絶縁膜111の下部付近(透明絶縁膜における第1の領域の下部付近)では例えば、約1nm以下の空孔径を有し、透明絶縁膜111の上部付近(透明絶縁膜における第2の領域の上部付近)では、例えば、約1nm以上の空孔径を有するような透明絶縁膜111を形成することができる。このようにして、図5の断面図が構成される。
Next, the
以上のように混合ガス中の各材料の流量を変化させることにより、図2(a)、(b)に示すように、透明絶縁膜111を下面から上面にかけて空孔径が大きくなるように形成することができる。具体的には、透明絶縁膜111を下から順に領域Rc、領域Rb、領域Raとすると、領域Rcの空孔径は領域Rbの空孔径よりも小さく、領域Rbの空孔径は領域Raの空孔径よりも小さくなるように形成することができる。そして、領域Ra、Rcにおいては、それぞれ空孔径は一定であり、領域RbにおいてのみRc側からRa側に向かうにつれて空孔径が大きくなるように形成できる。
As described above, by changing the flow rate of each material in the mixed gas, as shown in FIGS. 2A and 2B, the transparent
次に、図6に示すように、カラーフィルター層112及びマイクロレンズ113を順次形成する。
以上の工程により、本実施形態に係る固体撮像素子を製造することができる。
本実施形態によると、遮光層の側面に、低屈折率膜/高屈折率膜からなるサイドウオールを形成する必要がなくなる。そのため、開口部109の開口径が小さくなっても透明絶縁膜111を開口部109内に埋め込むことが可能となる。より、具体的には、開口部109のアスペクト比を2.0以下に低減することができ、開口部109の開口径が300nm以下、深さ600nm以下であったとしても、開口部109内に透明絶縁膜111を埋め込むことが可能となる。
Next, as shown in FIG. 6, the
Through the above steps, the solid-state imaging device according to the present embodiment can be manufactured.
According to this embodiment, it is not necessary to form a side wall composed of a low refractive index film / a high refractive index film on the side surface of the light shielding layer. Therefore, the transparent
なお、透明絶縁膜111としては、第1の領域から第2の領域にかけてまで、単層の絶縁膜である例を説明したが、積層膜であっても構わない。具体的には、開口部109の一部又は全部に空孔率が低い絶縁膜(空孔が無い絶縁膜も含む)を形成し、その上に空孔率の高い絶縁膜を形成しても構わない。そして、その際、上層に形成された空孔率の高い絶縁膜を、下側から上側に向かうにつれて空孔率が大きくなるように、上述したような方法(混合ガス中の各材料の流量及び高周波電力のパワーを時間的に変化させる方法)を使用して形成しても構わない。
In addition, although the example which is a single layer insulating film from the 1st area | region to the 2nd area | region was demonstrated as the transparent
なお、このような積層構造からなる透明絶縁膜を使用する場合には、下層と上層との界面が遮光層110の上面の高さよりも低いことが好ましい。
さらには、下層と上層との界面が垂直転送電極107の上面の高さよりも低いことが好ましい。
なお、本実施形態において、透明絶縁膜111を形成する際に、プリカーサ、酸素及びポロジェンの各流量、並びに高周波電力のパワーを時間的に変化させたが、これに限らず、プリカーサ及びポロジェンの少なくとも一方の流量を時間的に変化させれば、空孔径が変化する絶縁膜透明111を形成することが可能である。
When a transparent insulating film having such a laminated structure is used, it is preferable that the interface between the lower layer and the upper layer is lower than the height of the upper surface of the
Furthermore, it is preferable that the interface between the lower layer and the upper layer is lower than the height of the upper surface of the
In the present embodiment, when the transparent
なお、本実施形態において、透明絶縁膜111をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する際のタイミングチャート(図7参照)におけるt1、t2、t3、t4は集光性を向上させるよう、任意に設定してもよい。例えば、透明絶縁膜111下層は空孔径もしくは空孔率が変化するが上層は空孔径が変化しないように設定することも可能である。また、透明絶縁膜111下層は空孔径もくしは空孔率が変化するが、上層に、屈折率の高い(空孔率の低い)シリコン酸化膜などの絶縁膜が形成されていてもよい。上層に屈折率の高いシリコン酸化膜を配置することで、他のカラーフィルターを通過した光との混色を防ぐことが可能となる。
In the present embodiment, t1, t2, t3, and t4 in the timing chart (see FIG. 7) when the transparent
また、本実施形態において、ポロジェンを分解除去する方法は、前述の紫外線照射に限定されるものではなく、膜中のポロジェンを分解除去できる他の方法、例えば電子線照射や熱処理等を用いてもよい。
また、本実施形態において、低誘電率層間絶縁膜である透明絶縁膜111の材料は、前述のシリコン酸化膜に限定されるものではなく、例えば炭素含有シリコン酸化膜やフッ素含有シリコン酸化膜などの他の低誘電率絶縁膜を用いてもよい。
In the present embodiment, the method for decomposing and removing the porogen is not limited to the above-described ultraviolet irradiation, and other methods capable of decomposing and removing the porogen in the film, such as electron beam irradiation or heat treatment, may be used. Good.
In the present embodiment, the material of the transparent
(第2の実施形態)
(固体撮像素子の説明)
図8は、第2の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面図である。
図8の基本構造は、図1の基本構造と同等である。第1の実施形態との相違点は2つある。
(Second Embodiment)
(Description of solid-state image sensor)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of a solid-state imaging device according to the second embodiment.
The basic structure of FIG. 8 is equivalent to the basic structure of FIG. There are two differences from the first embodiment.
1つ目は、透明絶縁膜111における第2の領域の空孔径が第3の領域における空孔径よりも小さいことである。
2つ目は、透明絶縁膜111における第2の領域の空孔径が第1の領域における空孔径と略等しいことにある。
以上のようにして、受光部102直上からカラーフィルター112までの透明絶縁膜111の屈折率を、透明絶縁膜111のその他の領域(第3の領域)の屈折率よりも高くすることで、第1の領域と第2の領域の全体を光導波路として、活用して、受光部102への集光効果を向上させることが可能となる。
The first is that the hole diameter of the second region in the transparent
Second, the hole diameter of the second region in the transparent
As described above, the refractive index of the transparent
ここで、透明絶縁膜111における第1の領域と第2の領域の屈折率をn1とし、透明絶縁膜111における第3の領域の屈折率をn2とした場合、例えば、n1=1.45,n2=1.15であることが好ましい。このような、屈折率が大きく異なる膜の界面では、斜め上方からの入射光が全反射する。
従って、図8に示される入射光Sは、光導波路によって、効率的に受光部102に導かれることになる。
Here, when the refractive index of the first region and the second region in the transparent
Accordingly, the incident light S shown in FIG. 8 is efficiently guided to the
なお、本実施形態では、第1の領域及び第2の領域と、第3の領域とを空孔率もしくは空孔径変化させることで、屈折率の異なる領域としたが、これに限定されるものではない。例えば、屈折率の異なる領域を形成する方法としては、膜上部付近にC(カーボン)やF(フッ素)を含有させることにより屈折率を低減させることも可能である。
(製造方法の説明)
図9〜図12は、図8の固体撮像素子の製造方法の主要な工程を説明するための断面図である。
In the present embodiment, the first region, the second region, and the third region have different refractive indexes by changing the porosity or the hole diameter. However, the present invention is not limited to this. is not. For example, as a method of forming regions having different refractive indexes, it is possible to reduce the refractive index by including C (carbon) or F (fluorine) in the vicinity of the upper portion of the film.
(Description of manufacturing method)
9 to 12 are cross-sectional views for explaining main processes of the method for manufacturing the solid-state imaging device of FIG.
まず、図9に示す断面図を、図5に示す断面図を形成するまでの工程と同様の工程により形成する。
次に、図10に示すように、透明絶縁膜111における遮光膜110上方に紫外線が照射されるのを防ぐために、反射防止膜(BARC)201を100nm以上堆積し、その後、フォトレジスト202を堆積し、露光、現像を順次行うことにより、受光部102の直上に位置する領域に開口部が形成されるように、反射防止膜201とフォトレジスト202をパターニングする。
First, the cross-sectional view shown in FIG. 9 is formed by the same process as that until the cross-sectional view shown in FIG. 5 is formed.
Next, as shown in FIG. 10, an antireflection film (BARC) 201 is deposited to a thickness of 100 nm or more in order to prevent ultraviolet rays from being irradiated above the
次に、図11に示すように、半導体基板101を、真空に保持したチャンバー内の高温ステージ上に配置し、半導体基板に対して波長領域200〜400nmの紫外線を照射する。これにより、透明絶縁膜111における第2の領域にのみ紫外線が照射されることとなる。その結果、透明絶縁膜111における第2の領域に形成されていた空孔径の大きな空孔が潰れるように、膜質が硬くなり、結果的に透明絶縁膜111における第2の領域に形成されていた空孔径は、第1の領域と同等程度にまで小さくなる。その結果、第3の領域の空孔の空孔径と比べて、第2の領域の空孔の空孔径は小さくなる。
Next, as shown in FIG. 11, the
その後、反射防止膜201とフォトレジスト202を除去する。
次に、図12に示すように、カラーフィルター層112及びマイクロレンズ113を順次形成する。
(製造方法の変形例の説明)
図13〜図16は、図8の固体撮像素子の製造方法の変形例についての主要な工程を説明するための断面図である。
Thereafter, the
Next, as shown in FIG. 12, the
(Description of modification of manufacturing method)
FIG. 13 to FIG. 16 are cross-sectional views for explaining main processes of a modification of the method for manufacturing the solid-state imaging device of FIG.
まず、図13に示す断面図を、図4に示す断面図を形成するまでの工程と同様の工程により形成する。
次に、図14に示すように、透明絶縁膜111における受光部102上方に紫外線が照射されるのを防ぐために、反射防止膜(BARC)201を100nm以上堆積し、その後、フォトレジスト202を堆積し、露光、現像を順次行うことにより、遮光膜110の直上に位置する領域に開口部が形成されるように、反射防止膜201とフォトレジスト202をパターニングする。
First, the cross-sectional view shown in FIG. 13 is formed by a process similar to the process until the cross-sectional view shown in FIG. 4 is formed.
Next, as shown in FIG. 14, an antireflection film (BARC) 201 is deposited to a thickness of 100 nm or more in order to prevent the ultraviolet light from being irradiated above the
次に、図15に示すように、半導体基板101を、真空に保持したチャンバー内の高温ステージ上に配置し、半導体基板に対して波長領域200〜400nmの紫外線を照射する。これにより、透明絶縁膜111における第3の領域にのみ紫外線が照射されることとなる。
その結果、透明絶縁膜111における第3の領域に形成されていたポロジェンが分解除去され、透明絶縁膜111における第3の領域に空孔が形成される。一方、透明絶縁膜111における第1の領域および第2の領域においては、ポロジェンが分解除去されないため、空孔はほとんど形成されない。その結果、第3の領域の空孔の空孔径と比べて、第2の領域の空孔の空孔径は小さくなる。当然、第3の領域の空孔の空孔径と比べて、第1の領域の空孔径は小さくなる。その後、反射防止膜201とフォトレジスト202を除去する。
Next, as shown in FIG. 15, the
As a result, the porogen formed in the third region in the transparent
次に、図16に示すように、カラーフィルター層112及びマイクロレンズ113を順次形成する。
以上のようにしても、図8と同じように、受光部102直上からカラーフィルター112までの透明絶縁膜111の屈折率を、透明絶縁膜111のその他の領域(第3の領域)の屈折率よりも高くすることで、第1の領域と第2の領域の全体を光導波路として、活用して、受光部102への集光効果を向上させることが可能となる。
Next, as shown in FIG. 16, the
Even in the above manner, as in FIG. 8, the refractive index of the transparent
(全実施形態に係る説明)
図17は、図1に示す固体撮像素子を複数個、セル状に配列したときの断面図を示している。図示しないが、図8に示す固体撮像素子についても同様の断面図を描くことが可能である。
なお、第1の実施形態と第2の実施形態は、矛盾の無い範囲で組み合わせることは可能である。例えば、透明絶縁膜111における第2の領域の空孔の空孔径が、透明絶縁膜111における第3の領域の空孔の空孔径よりも小さく、かつ、透明絶縁膜111における第1の領域の空孔の空孔径が、透明絶縁膜111における第2の領域の空孔の空孔径よりも小さくなるように、透明絶縁膜111を形成したとしても、受光部102への集光効果を高めることは可能である。
(Description according to all embodiments)
FIG. 17 shows a cross-sectional view when a plurality of the solid-state imaging devices shown in FIG. 1 are arranged in a cell shape. Although not shown, a similar cross-sectional view can be drawn for the solid-state imaging device shown in FIG.
The first embodiment and the second embodiment can be combined within a consistent range. For example, the hole diameter of the second region in the transparent
また、全実施形態において、空孔径が小さければ、空孔率が小さくなり、空孔径が大きければ、空孔率が大きくなると考えて問題ない。 Further, in all the embodiments, it is considered that if the hole diameter is small, the porosity is small, and if the hole diameter is large, the porosity is large.
本発明は、微細な固体撮像素子などの光学素子として有用である。 The present invention is useful as an optical element such as a fine solid-state imaging element.
101 半導体基板
102 受光部(光学領域)
103 読み出し部
104a、104b 垂直転送部
105 チャネルストップ部
106 絶縁膜
107 垂直転送電極
108 絶縁膜
109 開口部
110 遮光膜
111 透明絶縁膜
112 カラーフィルタ
113 マイクロオンチップレンズ
114 空孔形成材料
115 空孔
201 BARC
202 レジスト
101
103
202 resist
Claims (21)
前記半導体基板の上に配置された透明絶縁膜と、
を有し、
前記透明絶縁膜は、前記光学領域直上の第1の領域と、前記第1の領域の上の第2の領域と、を有し、さらに、前記第2の領域と同じ高さにあり、平面視において前記第2の領域の外側に位置する第3の領域を有し、
前記第1の領域が有する空孔の空孔径は前記第3の領域が有する空孔の空孔径よりも小さい
ことを特徴とする光学素子。 A semiconductor substrate having an optical region;
A transparent insulating film disposed on the semiconductor substrate;
Have
The transparent insulating film has a first region immediately above the optical region, and a second region above the first region, and is at the same height as the second region, and has a flat surface. Having a third region located outside the second region in view;
The optical element characterized in that the hole diameter of the holes in the first region is smaller than the hole diameter of the holes in the third region.
ことを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the transparent insulating film is a single layer immediately above the optical region.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。 3. The optical element according to claim 1, wherein, in the third region of the transparent insulating film, an upper hole diameter is larger than a lower hole diameter.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the third region of the transparent insulating film has a region in which a hole diameter increases from the lower part toward the upper part.
前記領域Aの空孔径は、前記領域Bの空孔径よりも小さく、
前記領域Aにおいてのみ、領域A側から領域B側に向かうにつれて空孔径が大きくなっている
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の光学素子。 The third region in the transparent insulating film has a region A and a region B in order from the bottom,
The hole diameter of the region A is smaller than the hole diameter of the region B,
5. The optical element according to claim 1, wherein only in the region A, the hole diameter increases from the region A side toward the region B side.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein a color filter is disposed on the transparent insulating film.
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the first region in the transparent insulating film has a region in which a hole diameter increases from the lower part toward the upper part.
前記領域Cの空孔径は、前記領域Dの空孔径よりも小さく、
前記領域Dの空孔径は、前記領域Eの空孔径よりも小さく、
前記領域Dにおいてのみ、領域C側から領域E側に向かうにつれて空孔径が大きくなっている
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の光学素子。 From the first region to the second region in the transparent insulating film, it has a region C, a region D, a region E in order from the bottom,
The hole diameter of the region C is smaller than the hole diameter of the region D,
The hole diameter of the region D is smaller than the hole diameter of the region E,
The optical element according to claim 1, wherein only in the region D, the hole diameter increases from the region C side toward the region E side.
ことを特徴とする請求項8に記載の光学素子。 The optical element according to claim 8, wherein a length from a surface of the semiconductor substrate to a boundary between the region C and the region D is shorter than twice the width of the optical region.
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the first region has a pore diameter smaller than that of the second region.
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 9, wherein a hole diameter in the second region is smaller than the third hole diameter.
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の光学素子。 The length from the surface of the semiconductor substrate to the boundary between the first region and the second region is shorter than twice the width of the optical region. The optical element described in one.
前記電荷転送部を覆うように選択的に形成された遮光部とを有する
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の光学素子。 A charge transfer unit for transferring charges generated in the optical region;
The optical element according to claim 1, further comprising: a light shielding portion that is selectively formed so as to cover the charge transfer portion.
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 13, wherein a width between the light shielding portions is 600 nm or less.
ことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 14, wherein the width of the optical region is 600 nm or less.
ことを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つに記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the transparent insulating film is a silicon oxide film, a carbon-containing silicon oxide film, a fluorine-containing silicon oxide film, or a silicon nitride film.
前記半導体基板の上に配置された透明絶縁膜と、
を有し、
前記透明絶縁膜は、前記光学領域直上の領域において、屈折率の異なる単一層からなる
ことを特徴とする光学素子。 A semiconductor substrate having an optical region;
A transparent insulating film disposed on the semiconductor substrate;
Have
The optical element, wherein the transparent insulating film is formed of a single layer having a different refractive index in a region immediately above the optical region.
前記半導体基板の上に透明絶縁膜を形成する工程(b)とを有し、
前記透明絶縁膜は、前記光学領域直上の第1の領域と前記第1の領域の上の第2の領域を有し、さらに、前記第2の領域と同じ高さにあり、平面視において前記第2の領域の外側に位置する第3の領域を有し、
前記第1の領域が有する空孔の空孔径は前記第3の領域が有する空孔の空孔径よりも小さい
ことを特徴とする光学素子の製造方法。 Forming an optical region in a semiconductor substrate (a);
Forming a transparent insulating film on the semiconductor substrate (b),
The transparent insulating film has a first region immediately above the optical region and a second region above the first region, and is further at the same height as the second region, and in a plan view, Having a third region located outside the second region;
The method of manufacturing an optical element, wherein a hole diameter of a hole included in the first region is smaller than a hole diameter of a hole included in the third region.
ことを特徴とする請求項18に記載の光学素子の製造方法。 The method of manufacturing an optical element according to claim 18, wherein the step (b) includes a step (b1) of forming a hole by desorbing a porogen in the transparent insulating film.
前記工程(b1)の後に、前記透明絶縁膜の上に、前記光学領域直上のみに開口を有するようなパターンを形成する工程(b2)と、
前記工程(b2)の後に、前記透明絶縁膜のポロジェンのうち、前記光学領域直上に配置されている空孔のみを小さくさせる工程(b3)を
有する
ことを特徴とする請求項19に記載の光学素子の製造方法。 The step (b)
After the step (b1), a step (b2) of forming a pattern on the transparent insulating film having an opening only directly above the optical region;
20. The optical system according to claim 19, further comprising a step (b3) of reducing only the vacancies disposed immediately above the optical region in the porogen of the transparent insulating film after the step (b2). Device manufacturing method.
前記透明絶縁膜の上に、前記光学領域直上以外に開口を有するようなパターンを形成する工程(b1)と、
前記工程(b1)の後に、前記透明絶縁膜のポロジェンのうち、前記光学領域直上以外に配置されているポロジェンのみを脱離させる工程(b2)を
有する
ことを特徴とする請求項18に記載の光学素子の製造方法。 The step (b)
A step (b1) of forming a pattern having an opening on the transparent insulating film other than directly above the optical region;
The step (b2) of detaching only the porogen disposed in the transparent insulating film other than directly above the optical region is included after the step (b1). A method for manufacturing an optical element.
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