JP5429208B2 - Solid-state image sensor, camera module, and electronic device module - Google Patents

Solid-state image sensor, camera module, and electronic device module Download PDF

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Description

本発明は、光電変換素子で光電変換された信号電荷を電気信号に変換して出力する単位画素が複数配列されて成る固体撮像素子、この固体撮像素子を備えたカメラモジュール及び電子機器モジュールに関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels that convert and output signal charges photoelectrically converted by a photoelectric conversion device are arranged, a camera module including the solid-state imaging device, and an electronic device module.

固体撮像素子には、ＣＭＯＳイメージセンサに代表されるＣＭＯＳ固体撮像素子と、ＣＣＤイメージセンサに代表されるＣＣＤ固体撮像素子が知られている。ＣＭＯＳ固体撮像素子を例に採って、その断面構造の一例を図９に示す。   As the solid-state imaging device, a CMOS solid-state imaging device typified by a CMOS image sensor and a CCD solid-state imaging device typified by a CCD image sensor are known. Taking a CMOS solid-state imaging device as an example, an example of the cross-sectional structure is shown in FIG.

図９は、従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の例である。このＣＭＯＳ固体撮像素子１は、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板２に、第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域３を形成し、このｐ型半導体ウェル領域３の画素分離領域１０で区画された単位画素領域に光電変換部となるフォトダイオード５及び複数のＭＯＳトランジスタからなるＭＯＳトランジスタ群６を形成して成る。フォトダイオード５は、画素分離領域３及びｐ型半導体ウェル領域３で囲まれたｎ型半導体領域で形成される。すなわち、表面から深い位置にある低不純物濃度のｎ型半導体領域（ｎ−半導体領域）１１と表面側の高不純物濃度のｎ型半導体領域（ｎ＋半導体領域）１２により形成される。さらにｎ＋半導体領域１２の表面側の界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層１３が形成される。このフォトダイオード５は、いわゆるＨＡＤ（Ｈｏｌｅ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）センサとして構成されている。   FIG. 9 shows an example of a conventional surface irradiation type CMOS solid-state imaging device. The CMOS solid-state imaging device 1 includes a p-type semiconductor well region 3 of a second conductivity type formed on a first conductivity type, for example, an n-type silicon semiconductor substrate 2, and pixel separation of the p-type semiconductor well region 3. In a unit pixel area partitioned by the area 10, a photodiode 5 serving as a photoelectric conversion unit and a MOS transistor group 6 including a plurality of MOS transistors are formed. The photodiode 5 is formed of an n-type semiconductor region surrounded by the pixel isolation region 3 and the p-type semiconductor well region 3. That is, it is formed by a low impurity concentration n-type semiconductor region (n− semiconductor region) 11 deep from the surface and a high impurity concentration n-type semiconductor region (n + semiconductor region) 12 on the surface side. Further, a p + accumulation layer 13 made of a p-type semiconductor region having a high impurity concentration for suppressing dark current generation is formed at the surface side interface of the n + semiconductor region 12. The photodiode 5 is configured as a so-called HAD (Hole Accumulation Diode) sensor.

ＭＯＳトランジスタ群６は、フォトダイオードに接続された読出しトランジスタ７と、その他のＭＯＳトランジスタ８で構成される。読出しトランジスタ７は、Ｐ型半導体ウェル領域３に形成されたｎ＋ソース・ドレイン領域１４と、フォトダイオード５のｎ＋半導体領域１２と、ｎ＋ソース・ドレイン領域１４及びフォトダイオード５間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極１８とにより形成される。他のＭＯＳトランジスタ８は、Ｐ型半導体ウェル領域３に形成されたｎ＋ソース・ドレイン領域１５及び１６と、両ｎ＋ソース・ドレイン領域１５及び１６間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極１９とにより形成される。例えば４つのＭＯＳトランジスタで構成される場合には、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタで構成される。さらに、基板表面上には、層間絶縁膜２３を介して多層の配線層２５が形成される。また、図示せざるもカラーフィルタ、オンチップレンズ等も形成される。   The MOS transistor group 6 includes a read transistor 7 connected to a photodiode and other MOS transistors 8. The read transistor 7 has an n + source / drain region 14 formed in the P-type semiconductor well region 3, an n + semiconductor region 12 of the photodiode 5, and gate insulation on the substrate surface between the n + source / drain region 14 and the photodiode 5. The gate electrode 18 is formed through a film. The other MOS transistor 8 includes n + source / drain regions 15 and 16 formed in the P-type semiconductor well region 3 and a gate formed on the substrate surface between the n + source / drain regions 15 and 16 via a gate insulating film. And the electrode 19. For example, when it is composed of four MOS transistors, it is composed of a read transistor, a reset transistor, an amplifier transistor, and a vertical selection transistor. Furthermore, a multilayer wiring layer 25 is formed on the substrate surface via an interlayer insulating film 23. Although not shown, a color filter, an on-chip lens, and the like are also formed.

フォトダイオード５に入射する光は、信号電荷蓄積、読出し動作を行うＭＯＳトランジスタが形成されている基板表面側から照射される。このような表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子１においては、基板表面側フォトダイオード５への集光効率を上げるために反射防止膜２６が形成される。表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子１では、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ群及び配線層などの経時劣化を防止するための保護膜と、その下の層間絶縁膜などにより、通常４層以上のシリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜がフォトダイオード５上に存在する。   Light incident on the photodiode 5 is irradiated from the surface side of the substrate on which the MOS transistors that perform signal charge accumulation and readout operations are formed. In such a front-illuminated CMOS solid-state imaging device 1, an antireflection film 26 is formed in order to increase the light collection efficiency on the substrate surface side photodiode 5. In the front-illuminated type CMOS solid-state imaging device 1, normally four or more layers of silicon oxide (with a protective film for preventing deterioration over time such as a photodiode, a group of MOS transistors, and a wiring layer, and an interlayer insulating film under the protective film) An SiO) film and a silicon nitride (SiN) film are present on the photodiode 5.

光照射面側に４層以上の絶縁膜を形成するのは、多層の配線層２５を有するために真ん中に厚い層間絶縁膜（シリコン酸化膜２３）が必要になることも要因である。図示の例では、光照射面側にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜２１、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜２２、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜２３及びシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２４の４層膜が形成されている。   The reason why four or more insulating films are formed on the light irradiation surface side is that a thick interlayer insulating film (silicon oxide film 23) is required in the middle because the multilayer wiring layer 25 is provided. In the illustrated example, a four-layer film of a silicon oxide (SiO) film 21, a silicon nitride (SiN) film 22, a silicon oxide (SiO) film 23, and a silicon nitride (SiN) film 24 is formed on the light irradiation surface side. .

一方、表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子では、遮光する材料で形成される配線層が存在するため、画素内の集光の最適化をして感度向上を果たすべく、オンチップレンズとが別に層内レンズを形成する場合がある。層内レンズを有する場合には、５層、６層の屈折率の異なる絶縁膜がシリコン基板上に存在する。   On the other hand, in a front-illuminated CMOS solid-state imaging device, there is a wiring layer formed of a light-shielding material. Therefore, in order to optimize light collection within the pixel and improve sensitivity, a layer separate from the on-chip lens is used. An inner lens may be formed. In the case of having an in-layer lens, five or six layers of insulating films having different refractive indexes are present on the silicon substrate.

ＣＣＤ固体撮像素子においても、層内レンズを有する場合もあり、光照射面側に同様の４層以上のシリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜が形成される。   The CCD solid-state imaging device may also have an in-layer lens, and the same four or more layers of silicon oxide (SiO) film and silicon nitride (SiN) film are formed on the light irradiation surface side.

特許文献１には、表面側の光照射面上に４層以上の絶縁膜を形成した表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の例が提案されている。   Patent Document 1 proposes an example of a surface irradiation type CMOS solid-state imaging device in which four or more insulating films are formed on a light irradiation surface on the surface side.

特開２００３−２２４２４９号公報JP 2003-224249 A

ところで、４層以上のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜で反射防止膜を構成する場合、屈折率の膜での干渉により、短い周期で上下する所謂リップルのある分光特性となり、撮像素子の感度を損失している。図５は、光照射面上の反射防止膜の膜構成の違いによる、光電変換率の波長依存性を示すグラフである。図５の横軸は照射光の波長をある。縦軸は、光の透過率とシリコン中での光の吸収率の積（透過率×Ｓｉ吸収率）、つまり光電変換効率に比例し、感度に相当する。   By the way, when an anti-reflection film is composed of four or more layers of silicon oxide film and silicon nitride film, it has spectral characteristics with so-called ripples that rise and fall in a short period due to interference with the film of refractive index, and the sensitivity of the image sensor is lost. doing. FIG. 5 is a graph showing the wavelength dependence of the photoelectric conversion rate due to the difference in the film configuration of the antireflection film on the light irradiation surface. The horizontal axis in FIG. 5 represents the wavelength of the irradiation light. The vertical axis is proportional to the product of the light transmittance and the light absorptance in silicon (transmittance × Si absorptance), that is, the photoelectric conversion efficiency, and corresponds to the sensitivity.

図５の曲線Ｃは、膜厚５００ｎｍのプラズマシリコン窒化（ＰＳｉＮ）膜と、膜厚５０００ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜と、膜厚５０ｎｍのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜と、膜厚１５ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜を順次下から堆積した４層膜構造の反射防止膜の分光特性を示す。曲線Ｃから分かるように、４層膜による反射防止膜の分光特性は、短い周期で上下するリップルのある分光特性となり、その積分値（光電変換効率の積分値）が感度になることから、感度をみると下方にシフトする。   Curve C in FIG. 5 shows a plasma silicon nitride (PSiN) film having a thickness of 500 nm, a silicon oxide (SiO) film having a thickness of 5000 nm, a silicon nitride (SiN) film having a thickness of 50 nm, and a silicon oxide having a thickness of 15 nm. The spectral characteristics of an antireflection film having a four-layer film structure in which (SiO) films are sequentially deposited from below are shown. As can be seen from the curve C, the spectral characteristic of the antireflection film by the four-layer film is a spectral characteristic with a ripple that rises and falls in a short cycle, and its integrated value (integrated value of photoelectric conversion efficiency) becomes sensitivity. If you look at it, it will shift downward.

図５の曲線Ｂは、膜厚５００ｎｍのプラズマシリコン窒化（ＰＳｉＮ）膜と、膜厚５０ｎｍのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜と、膜厚１５ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜を下から順次堆積した３層膜構造の反射防止膜の分光特性である。これは、４層膜による反射防止膜より粗い周期で上下する分光特性となっている。   Curve B in FIG. 5 shows three layers in which a plasma silicon nitride (PSiN) film having a thickness of 500 nm, a silicon nitride (SiN) film having a thickness of 50 nm, and a silicon oxide (SiO) film having a thickness of 15 nm are sequentially deposited from below. It is a spectral characteristic of the antireflection film of a film structure. This is a spectral characteristic that rises and falls with a coarser period than the antireflection film of the four-layer film.

また、表面照射型の固体撮像素子において、感度を向上するために層内レンズを形成した固体撮像素子の場合、５層または６層の屈折率の異なる膜がシリコン基板上に存在するため、上述の感度損失はより顕著になる。但し、層内レンズを形成した場合には、多層膜による反射防止膜の効果より、層内レンズによる集光効率の方が大きく作用していた。反射防止膜の構成としては、膜の層数が多いほど撮像素子の感度を低下させる。   Further, in the case of a surface irradiation type solid-state imaging device, in the case of a solid-state imaging device in which an in-layer lens is formed in order to improve sensitivity, five or six layers of films having different refractive indexes exist on the silicon substrate. The sensitivity loss becomes more prominent. However, when an intralayer lens is formed, the condensing efficiency by the intralayer lens is more effective than the effect of the antireflection film by the multilayer film. As the structure of the antireflection film, the sensitivity of the image sensor is lowered as the number of layers of the film increases.

本発明は、上述の点に鑑み、反射防止効率を向上してより感度向上を可能にした固体撮像素子及びこの固体撮像素子を備えたカメラモジュール、電子機器モジュールを提供するものである。
本発明は、併せて、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減した固体撮像素子、小型のセンサとレンズモジュールの実現を可能にした固体撮像素、カメラモジュール及び電子機器モジュールを提供するものである。 In view of the above, the present invention provides a solid-state imaging device that improves the antireflection efficiency and enables higher sensitivity, and a camera module and an electronic device module including the solid-state imaging device.
The present invention also provides a solid-state image pickup device that reduces shading and optical color mixing to adjacent pixels, a solid-state image pickup device that can realize a small sensor and a lens module, a camera module, and an electronic device module. It is.

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である。 A solid-state imaging device according to the present invention is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region. A photoelectric conversion portion extending from the front surface side to the back surface side and having a width in the surface direction of the semiconductor substrate extended on the back surface side with respect to the front surface side, and an interlayer insulating film on the surface of the semiconductor substrate A plurality of layers of wiring formed, an antireflection film formed on the back surface serving as a light irradiation surface of the semiconductor substrate, and a color filter or on-chip provided on the antireflection film in contact with the antireflection film have a lens, the antireflection film is a single layer film composed so that the refractive index increases toward the color filter or the on-chip lens side from the light irradiation surface.

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。   A solid-state imaging device according to the present invention is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region. A pixel comprising a photoelectric conversion portion extending from the front surface side to the back surface side and a plurality of transistors existing on the front surface side of the semiconductor substrate, and a plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film And an antireflection film formed on the back surface serving as a light irradiation surface of the semiconductor substrate, and an on-chip lens formed on the antireflection film.

本発明に係るカメラモジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である。 The camera module according to the present invention includes a solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device. The solid-state imaging device is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region, and from the front surface side of the semiconductor substrate A photoelectric conversion portion extending on the back surface side and having a width in the surface direction of the semiconductor substrate extended on the back surface side with respect to the front surface side, and formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film A multilayer wiring, an antireflection film formed on the back surface as the light irradiation surface of the semiconductor substrate, and a color filter or an on-chip lens provided on the antireflection film and in contact with the antireflection film. The antireflection film is a single-layer film configured such that the refractive index increases from the light irradiation surface side toward the color filter or on-chip lens side .

本発明に係るカメラモジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する。   The camera module according to the present invention includes a solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device. The solid-state imaging device is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region, and from the front surface side of the semiconductor substrate A pixel composed of a photoelectric conversion portion extending on the back surface side and a plurality of transistors existing on the surface side of the semiconductor substrate, a plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film, and An antireflection film formed on the back surface serving as a light irradiation surface of the semiconductor substrate, and an on-chip lens formed on the antireflection film. A color filter is provided on the optical lens system side.

本発明に係る電子機器モジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である。 An electronic device module according to the present invention includes a solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device. The solid-state imaging device is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region, and from the front surface side of the semiconductor substrate A photoelectric conversion portion extending on the back surface side and having a width in the surface direction of the semiconductor substrate extended on the back surface side with respect to the front surface side, and formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film A multilayer wiring, an antireflection film formed on the back surface serving as a light irradiation surface of the semiconductor substrate, and a color filter or an on-chip lens provided on the antireflection film in contact with the antireflection film. Yes, and the antireflection film is a single layer film composed so that the refractive index increases toward the color filter or the on-chip lens side from the light irradiation surface.

本発明に係る電子機器モジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する。   An electronic device module according to the present invention includes a solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device. The solid-state imaging device is formed in a semiconductor substrate, a pixel separation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate, and each pixel region separated by the pixel separation region, and from the front surface side of the semiconductor substrate A pixel composed of a photoelectric conversion portion extending on the back surface side and a plurality of transistors existing on the surface side of the semiconductor substrate, a plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film, and An antireflection film formed on the back surface serving as a light irradiation surface of the semiconductor substrate, and an on-chip lens formed on the antireflection film. A color filter is provided on the optical lens system side.

本発明における固体撮像素子では、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に構成され、半導体基板の光照射面となる裏面に反射防止膜が形成されるので、反射防止効率が向上し光電変換効率が向上する。さらに、反射防止膜上にカラーフィルタ及びオンチップレンズが積層されるので、最上層のオンチップレンズが半導体基板の光照射面となる裏面に近づき、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色とが低減する。   The solid-state imaging device according to the present invention is configured as a back-illuminated type CMOS solid-state imaging device, and an antireflection film is formed on the back surface that is a light irradiation surface of the semiconductor substrate, so that the antireflection efficiency is improved and the photoelectric conversion efficiency is improved. To do. In addition, since color filters and on-chip lenses are stacked on the antireflection film, the uppermost on-chip lens approaches the back surface, which is the light irradiation surface of the semiconductor substrate, and shading is caused by the difference in the incident angle within the imaging surface. And optical color mixing to adjacent pixels is reduced.

本発明における固体撮像素子では、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に構成され、半導体基板の光照射面となる裏面に反射防止膜が形成されるので、反射防止効率が向上し光電変換効率が向上する。さらに、反射防止膜上にオンチップレンズが形成されるので、最上層のオンチップレンズが半導体基板の光照射面となる裏面に近づき、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色とが低減する。   The solid-state imaging device according to the present invention is configured as a back-illuminated type CMOS solid-state imaging device, and an antireflection film is formed on the back surface that is a light irradiation surface of the semiconductor substrate, so that the antireflection efficiency is improved and the photoelectric conversion efficiency is improved. To do. Furthermore, since the on-chip lens is formed on the antireflection film, the uppermost on-chip lens approaches the back surface, which is the light irradiation surface of the semiconductor substrate, and is adjacent to the shading caused by the difference in the incident angle in the imaging surface. Optical color mixing to the pixel is reduced.

本発明に係る固体撮像素子によれば、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の裏面の光照射面に反射防止膜を形成することにより、光電変換効率が向上し、裏面照射型固体撮像素子の感度の更なる向上を図ることができる。また、反射防止膜上にカラーフィルタ及びオンチップレンズを積層するので、最上層のオンチップレンズと光電変換する半導体基板面が近づき、画面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を低減することができる。また、シェーディングと、光学的な混色を従来の表面照射型固体撮像素子と同等まで許容すれば、撮像領域周辺での入射角を大きくとることができ、すなわち射出瞳距離を短くすることができ、固体撮像素子とレンズを一体化して１つのデバイスとして構成した小型モジュール（例えばカメラモジュール、電子モジュール等）の実現を可能にする。さらに、反射防止膜を２層膜とするときは、工程数の削減が可能になり、コスト低減を図ることができる。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, the photoelectric conversion efficiency is improved by forming the antireflection film on the light irradiation surface on the back surface of the back-illuminated CMOS solid-state imaging device, and the sensitivity of the back-illuminated solid-state imaging device is improved. Can be further improved. In addition, since the color filter and on-chip lens are stacked on the antireflection film, the top-layer on-chip lens and the semiconductor substrate surface that performs photoelectric conversion approach each other, and the shading caused by the difference in the incident angle in the screen and the adjacent pixels Can be reduced. In addition, if the shading and optical color mixing are allowed to the same extent as the conventional surface irradiation type solid-state imaging device, the incident angle around the imaging region can be increased, that is, the exit pupil distance can be shortened, It is possible to realize a small module (for example, a camera module, an electronic module, etc.) configured as a single device by integrating a solid-state imaging device and a lens. Furthermore, when the antireflection film is a two-layer film, the number of steps can be reduced, and the cost can be reduced.

本発明に係る固体撮像素子によれば、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の裏面の光照射面に反射防止膜を形成し、この反射防止膜上にオンチップレンズを形成することにより、裏面照射型固体撮像素子の感度の更なる向上を図ると共に、更に、最上層のオンチップレンズと光電変換する半導体基板面が近づき、画面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を更に低減することができる。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, the backside illumination is performed by forming the antireflection film on the light irradiation surface on the backside of the backside illumination type CMOS solid-state imaging device and forming the on-chip lens on the antireflection film. In addition to further improving the sensitivity of the solid-state image sensor, the top-layer on-chip lens and the semiconductor substrate surface that performs photoelectric conversion approach each other, and shading due to the difference in the incident angle in the screen and the optical to the adjacent pixels Color mixing can be further reduced.

本発明に係るカメラモジュールによれば、上記固体撮像素子を備えることにより、感度向上し、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減し、さらに小型のカメラモジュールを実現することができる。
固体撮像素子の反射防止膜上にオンチップレンズを形成し、光学レンズ側にカラーフィルタを配置するときは、オンチップレンズと半導体基板裏面がさらに近づけることができ、シェーディング、混色が更に低減する。 According to the camera module of the present invention, by providing the solid-state imaging device, it is possible to improve sensitivity, reduce shading and optical color mixing to adjacent pixels, and realize a more compact camera module.
When an on-chip lens is formed on the antireflection film of the solid-state imaging device and a color filter is disposed on the optical lens side, the on-chip lens and the back surface of the semiconductor substrate can be brought closer to each other, and shading and color mixing are further reduced.

本発明に係る電子機器モジュールによれば、上記固体撮像素子を備えることにより、感度向上し、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減し、さらに小型の電子機器モジュールを実現することができる。
固体撮像素子の反射防止膜上にオンチップレンズを形成し、光学レンズ側にカラーフィルタを配置するときは、オンチップレンズと半導体基板裏面がさらに近づけることができ、シェーディング、混色が更に低減する。 According to the electronic device module of the present invention, by providing the solid-state imaging device, sensitivity can be improved, shading and optical color mixing to adjacent pixels can be reduced, and a more compact electronic device module can be realized. .
When an on-chip lens is formed on the antireflection film of the solid-state imaging device and a color filter is disposed on the optical lens side, the on-chip lens and the back surface of the semiconductor substrate can be brought closer to each other, and shading and color mixing are further reduced.

本発明に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows embodiment of the backside illumination type CMOS solid-state image sensor concerning this invention. 図１に示す実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像素子における１画素の断面構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the cross-sectional structure of 1 pixel in the CMOS solid-state image sensor of embodiment shown in FIG. 図１に示す実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像素子における反射防止膜の実施の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows embodiment of the anti-reflective film in the CMOS solid-state image sensor of embodiment shown in FIG. Ａ〜Ｃ 本発明に係る２層膜の反射防止膜の例を示す断面図である。AC is a cross-sectional view showing an example of a two-layer antireflection film according to the present invention. 光照射面上の膜構造の違いによる光電変換率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the photoelectric conversion rate by the difference in the film | membrane structure on a light irradiation surface. 本発明に係る反射防止膜の他の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows other embodiment of the antireflection film concerning this invention. 本発明を固体撮像素子と光学レンズ系を備えたモジュール、あるいは撮像カメラに適用した場合の、カラーフィルタの配置の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of arrangement | positioning of a color filter at the time of applying this invention to the module provided with the solid-state image sensor and the optical lens system, or an imaging camera. 本発明に係るモジュールの実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows embodiment of the module which concerns on this invention. 従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構成図である。It is a block diagram of the conventional surface irradiation type CMOS solid-state image sensor.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明に係る固体撮像素子を、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した一実施の形態を示す画素部分の概略構成図である。図２は、その１画素の詳細断面図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pixel portion showing an embodiment in which a solid-state imaging device according to the present invention is applied to a back-illuminated CMOS solid-state imaging device. FIG. 2 is a detailed sectional view of the one pixel.

本実施の形態に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１は、図１に示すように、第１導電型のシリコン半導体基板３２に第２導電型の半導体領域からなる画素分離領域３３を形成し、この画素分離領域３３で区画された各画素領域内に第２導電型半導体領域で囲われるように、光電変換部となるフォトダイオード３４と、このフォトダイオード３４に蓄積された信号電荷を読み出すための所要数のＭＯＳトランジスタ３５を形成して構成さる。画素分離領域３３は、基板３２の表面から裏面に至ように深さ方向に形成される。ＭＯＳトランジスタ３５は基板３２の表面側に形成され、フォトダイオード３４は一部ＭＯＳトランジスタ３５の下方に延びるように基板３２の裏面側に延在して形成される。   As shown in FIG. 1, the backside illumination type CMOS solid-state imaging device 31 according to the present embodiment forms a pixel isolation region 33 including a second conductivity type semiconductor region on a first conductivity type silicon semiconductor substrate 32. In order to read out the photodiode 34 serving as a photoelectric conversion unit and the signal charge accumulated in the photodiode 34 so that each pixel region partitioned by the pixel isolation region 33 is surrounded by the second conductivity type semiconductor region. The required number of MOS transistors 35 are formed. The pixel isolation region 33 is formed in the depth direction so as to reach the back surface from the front surface of the substrate 32. The MOS transistor 35 is formed on the front surface side of the substrate 32, and the photodiode 34 is formed so as to extend partially on the back surface side of the substrate 32 so as to extend below the MOS transistor 35.

基板３２の表面上には、ＭＯＳトランジスタ３５のゲート電極３７が形成されると共に、その上に層間絶縁膜３８を介して多層の配線層３９が形成され、さらに層間絶縁膜３８上に支持基板４０が形成される。支持基板４０としては、例えばシリコン基板を用いることができる。一方、半導体基板３２の裏面上に後述する本発明に係る反射防止膜４１を介してオンチップカラーフィルタ４２が形成され、このカラーフィルタ４２上に各画素に対応するようにオンチップレンズ４３が形成される。このＣＭＯＳ固体撮像素子３１においては、基板裏面よりオンチップレンズ４３を通してフォトダイオード３４に対して光Ｌが照射されるようになされる。   A gate electrode 37 of the MOS transistor 35 is formed on the surface of the substrate 32, a multilayer wiring layer 39 is formed thereon via an interlayer insulating film 38, and a support substrate 40 is further formed on the interlayer insulating film 38. Is formed. As the support substrate 40, for example, a silicon substrate can be used. On the other hand, an on-chip color filter 42 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 32 via an antireflection film 41 according to the present invention described later, and an on-chip lens 43 is formed on the color filter 42 so as to correspond to each pixel. Is done. In the CMOS solid-state imaging device 31, light L is irradiated to the photodiode 34 from the back surface of the substrate through the on-chip lens 43.

この固体撮像素子３１の単位画素の具体的構成の一例を図２に示す。この例では、第１導電型であるｎ型のシリコン半導体基板３２に各画素領域１０１を区画するように第２導電型であるｐ型の半導体領域からなる画素分離領域３３が形成される。この画素分離領域３３は比較的低濃度のｐ型半導体領域で形成される。画素領域１０１のｎ型半導体基板３２には、その表面にｐ型画素分離領域３３に接続して一部画素領域１０１内に延在するようにｐ型半導体ウェル領域５１が形成される。光電変換部となるフォトダイオード３４は、ｐ型画素分離領域３３及びｐ型半導体ウェル領域５１により囲まれたｎ型半導体基板３２で形成される。すなわち、フォトダイオード３４は、ｎ半導体領域３２Ａとその表面側の高不純物濃度のｎ＋半導体領域３２Ｂとにより形成される。ｎ＋半導体領域３２Ｂの表面側の界面には、暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層５３が形成される。さらに、各画素領域に共通に、ｎ型半導体基板３２の裏面、すなわちｎ半導体領域３２Ａの裏面側の界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層５４が形成される。   An example of a specific configuration of the unit pixel of the solid-state image sensor 31 is shown in FIG. In this example, a pixel isolation region 33 made of a p-type semiconductor region of the second conductivity type is formed so as to partition each pixel region 101 on an n-type silicon semiconductor substrate 32 of the first conductivity type. The pixel isolation region 33 is formed of a relatively low concentration p-type semiconductor region. A p-type semiconductor well region 51 is formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 32 in the pixel region 101 so as to connect to the p-type pixel isolation region 33 and partially extend into the pixel region 101. The photodiode 34 serving as a photoelectric conversion unit is formed of an n-type semiconductor substrate 32 surrounded by a p-type pixel isolation region 33 and a p-type semiconductor well region 51. That is, the photodiode 34 is formed by the n semiconductor region 32A and the high impurity concentration n + semiconductor region 32B on the surface side thereof. A p + accumulation layer 53 made of a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing dark current generation is formed at the interface on the surface side of the n + semiconductor region 32B. Further, in common to each pixel region, p + accumulation comprising a high impurity concentration p-type semiconductor region for suppressing dark current generation on the back surface of the n-type semiconductor substrate 32, that is, the interface on the back surface side of the n semiconductor region 32A. Layer 54 is formed.

このフォトダイオード３４は、ｎ＋半導体領域３２Ｂの表面及びｎ半導体領域３２Ａの裏面にｐ＋アキュミュレーション層５３及び５４を有するので、いわゆるＨＡＤセンサとして構成される。また、フォトダイオード３４は、ｎ半導体領域３２Ａがｐ型半導体ウェル領域５１の下方に延在するので、画素領域の全体にわたるように大面積で形成される。   The photodiode 34 is configured as a so-called HAD sensor because it has p + accumulation layers 53 and 54 on the front surface of the n + semiconductor region 32B and the back surface of the n semiconductor region 32A. Further, since the n semiconductor region 32A extends below the p-type semiconductor well region 51, the photodiode 34 is formed in a large area so as to cover the entire pixel region.

一方、ＭＯＳトランジスタ３５は、ｐ型半導体ウェル領域５１に形成される。すなわち、例えば１画素を１フォトダイオードと４つのＭＯＳトランジスタで構成するときは、ＭＯＳトランジスタ３５は、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタを有する。図２では、ｐ型半導体ウェル領域５１内にフォトダイオード３４に近接して一方ｎ＋ソース・ドレイン領域６１が形成され、この一方のｎ＋ソース・ドレイン領域６１と他方のソース・ドレイン領域を兼ねるフォトダイオード３４のｎ＋半導体領域５２間のｐ型半導体ウェル領域５１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極３７が形成されて読出しトランジスタＴｒ1 が形成される。   On the other hand, the MOS transistor 35 is formed in the p-type semiconductor well region 51. That is, for example, when one pixel is composed of one photodiode and four MOS transistors, the MOS transistor 35 includes a read transistor, a reset transistor, an amplifier transistor, and a vertical selection transistor. In FIG. 2, one n + source / drain region 61 is formed in the p-type semiconductor well region 51 in the vicinity of the photodiode 34, and the one n + source / drain region 61 and the other source / drain region serve as the photodiode. A gate electrode 37 is formed on the p-type semiconductor well region 51 between the n + semiconductor regions 52 of 34 via a gate insulating film to form the read transistor Tr1.

そして、ｐ型半導体ウェル領域５１の他部に、各対応したｎ＋ソース・ドレイン領域６２、６３が形成され、両ｎ＋ソース・ドレイン領域６２及び６３間のｐ型半導体ウェル領域５１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極３７が形成されて、他のＭＯＳトランジスタ、すなわちリセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３、垂直選択トランジスタＴｒ４が形成される。   Further, corresponding n + source / drain regions 62 and 63 are formed in the other part of the p-type semiconductor well region 51, and a gate insulating film is formed on the p-type semiconductor well region 51 between the n + source / drain regions 62 and 63. The gate electrode 37 is formed through the other transistors, and other MOS transistors, that is, the reset transistor Tr2, the amplifier transistor Tr3, and the vertical selection transistor Tr4 are formed.

半導体基板の表面上には、例えばシリコン酸化膜等による層間絶縁膜３８を介して多層の配線層３９が形成され、層間絶縁膜３８上に例えばシリコン基板による支持基板４０が接合される。半導体基板の裏面の光照射面５６には、本発明の反射防止膜４１が形成され、の反射防止膜４１上にオンチップカラーフィルタ４２を介してオンチップレンズ４３が形成される。   A multilayer wiring layer 39 is formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film 38 made of, for example, a silicon oxide film, and a support substrate 40 made of, for example, a silicon substrate is bonded onto the interlayer insulating film 38. An antireflection film 41 of the present invention is formed on the light irradiation surface 56 on the back surface of the semiconductor substrate, and an on-chip lens 43 is formed on the antireflection film 41 via an on-chip color filter 42.

そして、本実施の形態においては、特に図３に示すように、基板裏面側の光照射面５６上の反射防止膜４１が、シリコン基板３２と屈折率の異なる２層の膜６６、６７による反射防止膜４１１によって形成される。なお、図３では反射防止膜４１１の構成を明瞭にするため、反射防止膜４１１以外の部分は図１及び図２と同様であるので、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ及び配線層等を省略した。この２層膜の反射防止膜４１１は、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、シリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜、多結晶シリコンから選ばれた２層の膜６６、６７で形成することができる。図４は反射防止膜４１１の構成例を示している。   In the present embodiment, as particularly shown in FIG. 3, the antireflection film 41 on the light irradiation surface 56 on the back surface side of the substrate is reflected by two layers of films 66 and 67 having a refractive index different from that of the silicon substrate 32. It is formed by the prevention film 411. In FIG. 3, in order to clarify the configuration of the antireflection film 411, the portions other than the antireflection film 411 are the same as those in FIGS. 1 and 2, so that the photodiode, the MOS transistor, the wiring layer, and the like are omitted. The two-layer antireflection film 411 is formed of a two-layer film 66 or 67 selected from a silicon oxide (SiO) film, a silicon nitride (SiN) film, a silicon oxynitride (SiON) film, and polycrystalline silicon. be able to. FIG. 4 shows a configuration example of the antireflection film 411.

図４Ａでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
図４Ｂでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６、シリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
図４Ｃでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜６６、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
シリコン酸化窒化膜は、窒素Ｎの組成比で屈折率が変わり、窒素Ｎの組成比が多くなるにつれて屈折率が大きくなる。膜６６、６７は、光照射面５６から屈折率の小さい膜の順に堆積される。 In FIG. 4A, a silicon oxide (SiO) film 66 and a silicon nitride (SiN) film 67 are sequentially deposited on the light irradiation surface 56 on the back surface of the silicon substrate to form a two-layer antireflection film 411.
In FIG. 4B, a silicon oxide (SiO) film 66 and a silicon oxynitride (SiON) film 67 are sequentially deposited on the light irradiation surface 56 on the back surface of the silicon substrate to form a two-layer antireflection film 411.
In FIG. 4C, a silicon oxynitride (SiON) film 66 and a silicon nitride (SiN) film 67 are sequentially deposited on the light irradiation surface 56 on the back surface of the silicon substrate to form a two-layer antireflection film 411.
The refractive index of the silicon oxynitride film varies with the composition ratio of nitrogen N, and the refractive index increases as the composition ratio of nitrogen N increases. The films 66 and 67 are deposited in order from the light irradiation surface 56 to a film having a small refractive index.

反射防止膜４１１としては、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６とシリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７の組み合わせが好ましい。このとき、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６の膜厚としては、２５ｎｍ以下（０を含まず）とすることが好ましい。シリコン酸化膜の膜厚は、１ｎｍ程度でも可能であり、限りなく薄くても可能である。また、シリコン窒化膜６７の膜厚は、４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲とするこが好ましい。シリコン酸化膜６６の膜厚が２５ｎｍ以下であれば、後述する図５の曲線Ａで示す本発明に係る分光特性が、４層膜（曲線Ｃ参照）の平均的な分光特性よりも高くなり、光電変換効率の向上が図れる。シリコン窒化膜６７の膜厚が４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲であれば、上記と同様の理由により光電変換効率の向上が図れる。   As the antireflection film 411, a combination of a silicon oxide (SiO) film 66 and a silicon nitride (SiN) film 67 is preferable. At this time, the film thickness of the silicon oxide (SiO) film 66 is preferably 25 nm or less (not including 0). The thickness of the silicon oxide film can be about 1 nm, and can be as thin as possible. The thickness of the silicon nitride film 67 is preferably in the range of 40 nm to 60 nm. If the thickness of the silicon oxide film 66 is 25 nm or less, the spectral characteristics according to the present invention indicated by the curve A in FIG. 5 described later are higher than the average spectral characteristics of the four-layer film (see the curve C). The photoelectric conversion efficiency can be improved. When the thickness of the silicon nitride film 67 is in the range of 40 nm to 60 nm, the photoelectric conversion efficiency can be improved for the same reason as described above.

図５において、曲線Ａは本実施の形態に係るシリコン酸化膜６６とシリコン窒化膜６７の２層膜による反射防止膜４１１の光電変換効率の波長依存性を示す分光特性である。この曲線Ａは、シリコン酸化膜６６の膜厚１５ｎｍ程度、シリコン窒化膜６７の膜厚を５０ｎｍ程度としたときの特性である。４層膜（曲線Ｃ参照）、３層膜（曲線Ｂ）に比べて光電変換効率が向上し、撮像素子の感度が向上している。   In FIG. 5, a curve A is a spectral characteristic showing the wavelength dependence of the photoelectric conversion efficiency of the antireflection film 411 by the two-layer film of the silicon oxide film 66 and the silicon nitride film 67 according to the present embodiment. This curve A is a characteristic when the thickness of the silicon oxide film 66 is about 15 nm and the thickness of the silicon nitride film 67 is about 50 nm. The photoelectric conversion efficiency is improved and the sensitivity of the imaging device is improved as compared with the four-layer film (see curve C) and the three-layer film (curve B).

本実施の形態に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１によれば、基板裏面の光照射面に２層膜による反射防止膜４１１、好ましくはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層膜の反射防止膜を形成することにより、入射光の反射防止効率が向上し、撮像素子の感度を向上することができる。
２層膜による反射防止膜４１１の形成は、特に裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子であるために、多層の配線層の制約を受けずに形成可能となる。
本実施の形態の固体撮像素子３１では、基板裏面に臨むフォトダイオード３４が画素領域全体に形成されるので、フォトダイオード３４の開口が１００％になり、光電変換効率の更なる向上が得られ、高感度の固体撮像素子が得られる。 According to the backside illuminating type CMOS solid-state imaging device 31 according to the present embodiment, the reflection of the antireflection film 411 by the two-layer film on the light irradiation surface on the backside of the substrate, preferably the reflection of the two-layer film of silicon oxide film and silicon nitride film By forming the prevention film, the antireflection efficiency of incident light can be improved and the sensitivity of the image sensor can be improved.
The antireflection film 411 formed of the two-layer film is a back-illuminated CMOS solid-state imaging device, and thus can be formed without being restricted by a multilayer wiring layer.
In the solid-state imaging device 31 of the present embodiment, since the photodiode 34 facing the back surface of the substrate is formed in the entire pixel region, the opening of the photodiode 34 becomes 100%, and further improvement in photoelectric conversion efficiency is obtained. A highly sensitive solid-state imaging device can be obtained.

また、２層膜の反射防止膜４１１を有するので、光照射面の最上層であるオンチップレンズ４３と光電変換するシリコン面が近づくことにより、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を低減することができる。
また、シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子と同等まで許容すれば、撮像領域周辺での入射角を大きくとることができ、いわゆる出射瞳距離を短くすることができ、固体撮像素子とレンズを一体化して１つのデバイスとして構成した小型モジュール（例えばカメラモジュール、電子モジュール等）の実現を可能にする。 さらに２層膜による反射防止膜４１１を有することで、製造工程の削減、及び工程削減によるコストダウンを図ることができる。 In addition, since the antireflection film 411 of the two-layer film is provided, the on-chip lens 43 that is the uppermost layer of the light irradiation surface and the silicon surface that performs photoelectric conversion approach each other, thereby causing shading caused by a difference in incident angle in the imaging surface. , Optical color mixing to adjacent pixels can be reduced.
In addition, if the shading and optical color mixing are allowed to the same extent as the conventional surface irradiation type CMOS solid-state imaging device, the incident angle around the imaging region can be increased, and the so-called exit pupil distance can be shortened, It is possible to realize a small module (for example, a camera module, an electronic module, etc.) configured as a single device by integrating a solid-state imaging device and a lens. Furthermore, by providing the antireflection film 411 with a two-layer film, it is possible to reduce the manufacturing process and the cost by reducing the process.

図１で示す本発明に係る反射防止膜４１として、図４では、２層膜の反射防止膜４１１を構成したが、その他、図６に示すように、１層膜による反射防止膜４２２を構成することができる。この場合の１層膜の反射防止膜４１２は、膜厚方向で屈折率がステップ的に異なるように形成する。例えばシリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜を用い、その窒素組成比を膜厚方向で変えて１層膜の反射防止膜を形成することができる。   As the antireflection film 41 according to the present invention shown in FIG. 1, a two-layer antireflection film 411 is configured in FIG. 4. In addition, as shown in FIG. 6, an antireflection film 422 using a single layer film is configured. can do. In this case, the single-layer antireflection film 412 is formed so that the refractive index varies stepwise in the film thickness direction. For example, a silicon oxynitride (SiON) film can be used, and the nitrogen composition ratio can be changed in the film thickness direction to form a single-layer antireflection film.

本発明は、上述した実施の形態固体撮像素子を組み込んで撮像カメラ、各種モジュールを構成することができる。図７は、裏面の光照射面に２層膜または１層膜の反射防止膜４１を形成した、上述の裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１と光学レンズ系８５の部分の実施の形態を示す。カラーフィルタは、反射防止膜４１とオンチップレンズ４３（または８９）との間に配置することもでき、または撮像カメラ、モジュールの機種に応じて図７に示すように、光学レンズ系８５側において、その固体撮像素子に対抗する側またはその反対側に配置することもできる。   The present invention can constitute an imaging camera and various modules by incorporating the above-described solid-state imaging device. FIG. 7 shows an embodiment of the back-illuminated CMOS solid-state imaging device 31 and the optical lens system 85 described above, in which a two-layer film or a single-layer antireflection film 41 is formed on the light irradiation surface on the back surface. . The color filter can be arranged between the antireflection film 41 and the on-chip lens 43 (or 89), or on the optical lens system 85 side as shown in FIG. It can also be arranged on the side opposite to the solid-state imaging device or on the opposite side.

図８は、本発明に係る電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態を示す概略構成を示す。図８のモジュール構成は、電子機器モジュール、カメラモジュールの双方に適用可能である。本実施の形態のモジュール１１０は、上述した実施の形態のいずれかの固体撮像素子、例えば裏面照射型固体撮像素子３１、光学レンズ系１１１、入出力部１１２信号処理装置（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）１１３、光学レンズ系制御用の中央演算装置（ＣＰＵ）１１４を１つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール１１５としては、例えば裏面照射型固体撮像素子３１あるいは７１、光学レンズ系１１１及び入出力部１１２のみでモジュールを形成することもできる。また、例えば裏面照射型固体撮像素子３１あるいは７１、光学レンズ系１１１、入出力部１１２及び信号処理装置（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）１１３を備えたモジュール１１６を構成することもできる。   FIG. 8 shows a schematic configuration showing an embodiment of an electronic device module and a camera module according to the present invention. The module configuration of FIG. 8 can be applied to both an electronic device module and a camera module. The module 110 according to the present embodiment includes a solid-state imaging device according to any of the above-described embodiments, for example, a back-illuminated solid-state imaging device 31, an optical lens system 111, an input / output unit 112 signal processing device (Digital Signal Processors) 113, A central processing unit (CPU) 114 for controlling the optical lens system is incorporated into one to form a module. In addition, as the electronic device module or the camera module 115, for example, a module can be formed by only the back-illuminated solid-state imaging device 31 or 71, the optical lens system 111, and the input / output unit 112. Further, for example, a module 116 including a back-illuminated solid-state imaging device 31 or 71, an optical lens system 111, an input / output unit 112, and a signal processing device (Digital Signal Processors) 113 can be configured.

本実施の形態に係るカメラモジュール、電子機器モジュールによれば、固体撮像素子への入射光の反射防止効率が向上し、モジュールおける固体撮像素子の感度を向上することができる。また、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色が低減する。シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型の固体撮像素子と同等まで許容すれば、出射瞳距離を短くすることができ、より小型のモジュールを実現することができる。   According to the camera module and the electronic device module according to the present embodiment, the antireflection efficiency of incident light on the solid-state image sensor can be improved, and the sensitivity of the solid-state image sensor in the module can be improved. In addition, shading caused by the difference in incident angle in the imaging surface and optical color mixing to adjacent pixels are reduced. If shading and optical color mixing are allowed to the same extent as a conventional surface irradiation type solid-state imaging device, the exit pupil distance can be shortened, and a smaller module can be realized.

なお、本発明の固体撮像素子、特に裏面照射型の固体撮像素子を撮像カメラに適用した場合にも、固体撮像素子への入射光の反射防止効率が向上し、撮像カメラの感度を向上することができる。また、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色が低減する。シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型の固体撮像素子と同等まで許容すれば、出射瞳距離を短くすることができ、より小型の撮像カメラを実現することができる。   In addition, even when the solid-state imaging device of the present invention, particularly the back-illuminated solid-state imaging device, is applied to an imaging camera, the antireflection efficiency of incident light to the solid-state imaging device is improved and the sensitivity of the imaging camera is improved. Can do. In addition, shading caused by the difference in incident angle in the imaging surface and optical color mixing to adjacent pixels are reduced. If shading and optical color mixing are allowed to the same extent as those of a conventional surface irradiation type solid-state imaging device, the exit pupil distance can be shortened, and a more compact imaging camera can be realized.

３１・・裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子、３２・・半導体基板、３２Ａ・・ｎ半導体領域、３３・・画素分離領域、３４・・フォトダイオード、３５・・ＭＯＳトランジスタ、Ｔｒ1 ・・読み出しトランジスタ、３７・・ゲート電極、３８・・層間絶縁膜、３９・・多層の配線層、４０・・支持基板、４１〔４１１〜４１３〕、４２２・・反射防止膜、４２・・カラーフィルタ、４３・・オンチップレンズ、５１・・ｐ型半導体ウェル領域、５２・・ｎ＋半導体領域、５３、５４・・ｐ＋アキュミュレーション層、５６・・光照射面、６６、６７・・絶縁膜   31..Back-illuminated CMOS solid-state imaging device, 32..Semiconductor substrate, 32A..n semiconductor region, 33..Pixel isolation region, 34..Photodiode, 35..MOS transistor, Tr1..readout transistor, 37 .... Gate electrode, 38 ... Interlayer insulation film, 39 ... Multi-layer wiring layer, 40 ... Support substrate, 41 [411 to 413], 422 ... Antireflection film, 42 ... Color filter, 43 ... On-chip lens, 51 ·· p-type semiconductor well region, 52 ·· n + semiconductor region, 53, 54 ·· p + accumulation layer, 56 ·· Light irradiation surface, 66, 67 ·· Insulating film

Claims (14)

半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、
前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である
固体撮像素子。 A semiconductor substrate;
A pixel isolation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate;
Formed in each pixel region separated by the pixel separation region, extends from the front surface side to the back surface side of the semiconductor substrate, and the width in the surface direction of the semiconductor substrate extends on the back surface side relative to the front surface side A photoelectric conversion unit,
A plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film;
An antireflection film formed on the back surface to be the light irradiation surface of the semiconductor substrate;
Wherein the anti-reflective coating, have a color filter or the on-chip lens provided in contact with the antireflection film,
The antireflection film is a solid-state imaging device that is a single-layer film configured such that a refractive index increases from the light irradiation surface side toward the color filter or the on-chip lens side . 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してカラーフィルタが設けられ、該カラーフィルタに接して前記オンチップレンズが設けられた
請求項１記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a color filter is provided on the antireflection film in contact with the antireflection film, and the on-chip lens is provided in contact with the color filter. 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してオンチップレンズが設けられた
請求項１記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an on-chip lens is provided on the antireflection film in contact with the antireflection film. 前記半導体基板における前記光照射面側には前記光電変換部に接して、該光電変換部と逆導電型のアキュムレーション層が設けられ、
前記反射防止膜は、前記アキュムレーション層に接して設けられた
請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像素子。 An accumulation layer having a conductivity type opposite to that of the photoelectric conversion unit is provided on the light irradiation surface side of the semiconductor substrate in contact with the photoelectric conversion unit.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the antireflection film is provided in contact with the accumulation layer. 前記反射防止膜は、前記光照射面から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かう膜厚方向に、窒素組成比が多くなるように形成されている
請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像素子。 The solid according to claim 1, wherein the antireflection film is formed so that a nitrogen composition ratio increases in a film thickness direction from the light irradiation surface toward the color filter or the on-chip lens. Image sensor. 前記画素分離領域で分離された前記半導体基板の表面側に、前記光電変換部と共に画素を構成する複数のトランジスタが設けられた
請求項１〜５の何れかに記載の固体撮像素子。 Wherein the pixel surface of the separated semiconductor substrate by isolation regions, the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, a plurality of transistors provided in the pixel with the photoelectric conversion unit. 固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、
前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である
カメラモジュール。 A solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device;
The solid-state imaging device is
A semiconductor substrate;
A pixel isolation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate;
Formed in each pixel region separated by the pixel separation region, extends from the front surface side to the back surface side of the semiconductor substrate, and the width in the surface direction of the semiconductor substrate extends on the back surface side relative to the front surface side A photoelectric conversion unit,
A plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film;
An antireflection film formed on the back surface to be the light irradiation surface of the semiconductor substrate;
Wherein the anti-reflective coating, have a color filter or the on-chip lens provided in contact with the antireflection film,
The antireflection film is a camera module that is a single-layer film configured such that a refractive index increases from the light irradiation surface side toward the color filter or the on-chip lens side . 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してカラーフィルタが設けられ、該カラーフィルタに接して前記オンチップレンズが設けられた
請求項７記載のカメラモジュール。 On the antireflection film, a color filter is provided in contact with the antireflection film, and the on-chip lens is provided in contact with the color filter.
The camera module according to claim 7 . 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してオンチップレンズが設けられた
請求項７記載のカメラモジュール。 On the antireflection film, an on-chip lens was provided in contact with the antireflection film.
The camera module according to claim 7 . 前記光学レンズ系側にカラーフィルタが設けられた、
請求項９記載のカメラモジュール。 A color filter is provided on the optical lens system side;
The camera module according to claim 9 . 固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在し、該半導体基板の面方向の幅が該表面側に対して該裏面側で拡張された光電変換部と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に、該反射防止膜に接して設けられたカラーフィルタまたはオンチップレンズとを有し、
前記反射防止膜は、前記光照射面側から前記カラーフィルタまたはオンチップレンズ側に向かって屈折率が大きくなるように構成された単層膜である
電子機器モジュール。 A solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device;
The solid-state imaging device is
A semiconductor substrate;
A pixel isolation region by a semiconductor region from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate;
Formed in each pixel region separated by the pixel separation region, extends from the front surface side to the back surface side of the semiconductor substrate, and the width in the surface direction of the semiconductor substrate extends on the back surface side relative to the front surface side A photoelectric conversion unit,
A plurality of layers of wiring formed on the surface of the semiconductor substrate via an interlayer insulating film;
An antireflection film formed on the back surface to be the light irradiation surface of the semiconductor substrate;
Wherein the anti-reflective coating, have a color filter or the on-chip lens provided in contact with the antireflection film,
The electronic device module is a single-layer film in which the antireflection film is configured to have a refractive index that increases from the light irradiation surface side toward the color filter or the on-chip lens side . 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してカラーフィルタが設けられ、該カラーフィルタに接して前記オンチップレンズが設けられた
請求項１１記載の電子機器モジュール。 On the antireflection film, a color filter is provided in contact with the antireflection film, and the on-chip lens is provided in contact with the color filter.
The electronic device module according to claim 11 . 前記反射防止膜上には、該反射防止膜に接してオンチップレンズが設けられた
請求項１１記載の電子機器モジュール。 On the antireflection film, an on-chip lens was provided in contact with the antireflection film.
The electronic device module according to claim 11 . 前記光学レンズ系側にカラーフィルタが設けられた、
請求項１３記載の電子機器モジュール。 A color filter is provided on the optical lens system side;
The electronic device module according to claim 13 .
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