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JP2013084714A - Imaging element and manufacturing method of the same - Google Patents

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JP2013084714A
JP2013084714A JP2011222744A JP2011222744A JP2013084714A JP 2013084714 A JP2013084714 A JP 2013084714A JP 2011222744 A JP2011222744 A JP 2011222744A JP 2011222744 A JP2011222744 A JP 2011222744A JP 2013084714 A JP2013084714 A JP 2013084714A
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JP
Japan
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photodiode
imaging device
image sensor
light
semiconductor substrate
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JP2011222744A
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Akira Matsumoto
晃 松本
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

【課題】集光効率を高めて、光の減衰や混色を抑制させることができるようにする。
【解決手段】イメージセンサには、入射面に入射された光を光電変換するフォトダイオードを有する半導体基板が設けられている。フォトダイオードの入射面がレンズ形状に形成されている。本技術は、撮像素子に適用することができる。
【選択図】図2
An object of the present invention is to improve light collection efficiency and suppress light attenuation and color mixing.
An image sensor is provided with a semiconductor substrate having a photodiode for photoelectrically converting light incident on an incident surface. The incident surface of the photodiode is formed in a lens shape. The present technology can be applied to an image sensor.
[Selection] Figure 2

Description

本技術は、撮像素子及びその製造方法に関し、特に、集光効率を高めて、光の減衰や混色を抑制させることができる、撮像素子及びその製造方法に関する。   The present technology relates to an image sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an image sensor and a method for manufacturing the same that can increase light collection efficiency and suppress light attenuation and color mixing.

従来から、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の撮像素子においては、光の入射面の上部に搭載されたオンチップレンズにより集光が行われている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in an imaging device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, light is collected by an on-chip lens mounted on an upper surface of a light incident surface (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−279380号公報JP 2007-279380 A

しかしながら、画素サイズの微細化に伴って、曲率の大きなオンチップレンズの形成が困難になる。これは製造工程での加工の難易度が高くなるためである。また、オンチップレンズの材料の屈折率は、約1.4乃至2.0と低い。したがって、このようなオンチップレンズを搭載した、従来の撮像素子では、レンズ効果が十分に現れずに十分な集光効率が実現できない場合がある。   However, as the pixel size becomes finer, it becomes difficult to form an on-chip lens having a large curvature. This is because the difficulty of processing in the manufacturing process increases. The refractive index of the material of the on-chip lens is as low as about 1.4 to 2.0. Therefore, in a conventional imaging device equipped with such an on-chip lens, there is a case where a sufficient light collection efficiency cannot be realized without a sufficient lens effect.

さらに、オンチップレンズは、その製造工程において、下地を露出させないための十分な厚みを有するように加工されている。その結果、撮像素子に入射する光は、オンチップレンズを透過する間に減衰してしまい、感度の低下や混色が発生する場合がある。   Furthermore, the on-chip lens is processed so as to have a sufficient thickness so that the base is not exposed in the manufacturing process. As a result, the light incident on the image sensor is attenuated while passing through the on-chip lens, which may cause a reduction in sensitivity and color mixing.

本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、集光効率を高めて、光の減衰や混色を抑制させることができるようにしたものである。   The present technology has been made in view of such a situation, and enhances light collection efficiency so that light attenuation and color mixing can be suppressed.

本技術の第1の側面の撮像素子は、入射面に入射された光を光電変換するフォトダイオードを有する半導体基板を備え、前記フォトダイオードの前記入射面がレンズ形状に形成されている。   The imaging device according to the first aspect of the present technology includes a semiconductor substrate having a photodiode that photoelectrically converts light incident on the incident surface, and the incident surface of the photodiode is formed in a lens shape.

前記半導体基板の上方に形成されるオンチップレンズをさらに設けることができる。   An on-chip lens formed above the semiconductor substrate may be further provided.

前記半導体基板の直上に成膜される酸化膜または有機膜をさらに設けることができる。   An oxide film or an organic film formed directly on the semiconductor substrate can be further provided.

前記酸化膜または前記有機膜の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも低くすることができる。   The refractive index of the oxide film or the organic film can be lower than the refractive index of the semiconductor substrate.

前記半導体基板の素材はシリコンを含有することができる。   The material of the semiconductor substrate can contain silicon.

前記撮像素子は、遮光膜を設けることができる。   The image sensor can be provided with a light shielding film.

前記撮像素子は、CMOSイメージセンサまたはCCDイメージセンサとすることができる。   The image sensor can be a CMOS image sensor or a CCD image sensor.

前記撮像素子は、裏面照射型CMOSイメージセンサとすることができる。   The imaging element can be a backside illuminated CMOS image sensor.

前記撮像素子は、前記半導体基板に埋め込まれた遮光膜を設けることができる。   The image sensor can be provided with a light shielding film embedded in the semiconductor substrate.

前記撮像素子は、表面照射型CMOSイメージセンサとすることができる。   The imaging device may be a surface irradiation type CMOS image sensor.

本技術の第2の側面の撮像素子の製造方法は、半導体基板にフォトダイオードを形成し、前記フォトダイオードの光の入射面をレンズ形状に形成するステップを含む。   The manufacturing method of the imaging device according to the second aspect of the present technology includes a step of forming a photodiode on a semiconductor substrate and forming a light incident surface of the photodiode in a lens shape.

本技術の第1の側面の撮像素子においては、入射面に入射された光を光電変換するフォトダイオードを有する半導体基板が備えられ、前記フォトダイオードの前記入射面がレンズ形状に形成されている。   The imaging device according to the first aspect of the present technology includes a semiconductor substrate having a photodiode that photoelectrically converts light incident on the incident surface, and the incident surface of the photodiode is formed in a lens shape.

本技術の第2の側面の撮像素子の製造方法においては、半導体基板にフォトダイオードが形成され、前記フォトダイオードの光の入射面がレンズ形状に形成される。   In the imaging device manufacturing method according to the second aspect of the present technology, a photodiode is formed on a semiconductor substrate, and a light incident surface of the photodiode is formed in a lens shape.

以上のごとく、本技術によれば、集光効率を高めて、光の減衰や混色を抑制させることができる。   As described above, according to the present technology, it is possible to increase light collection efficiency and suppress light attenuation and color mixing.

一般的な構成のイメージセンサの断面図である。It is sectional drawing of the image sensor of a general structure. 本技術の手法が適用されたイメージセンサの断面図である。It is sectional drawing of the image sensor to which the technique of this technique was applied. イメージセンサの製造装置の機能的構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structural example of the manufacturing apparatus of an image sensor. イメージセンサの製造処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the flow of the manufacturing process of an image sensor. イメージセンサの製造処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the manufacturing process of an image sensor. ステップS2,S3におけるイメージセンサの上面図である。It is a top view of the image sensor in steps S2 and S3.

以下、本技術の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present technology will be described.

[一般的な構成のイメージセンサ]
本発明者は、まず、一般的なイメージセンサを用いて、集光効率について検討を行った。ここで、イメージセンサの受光面を上面とし、当該受光面の反対側の面を下面として、当該受光面の法線と平行な方向を上下方向、受光面と平行な方向を横方向として、以下説明する。
[General image sensor]
The inventor first examined light collection efficiency using a general image sensor. Here, the light receiving surface of the image sensor is the upper surface, the surface opposite to the light receiving surface is the lower surface, the direction parallel to the normal of the light receiving surface is the vertical direction, and the direction parallel to the light receiving surface is the horizontal direction, explain.

図1は、一般的な構成のイメージセンサの断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an image sensor having a general configuration.

イメージセンサ10においては、半導体基板に形成された赤用フォトダイオード21−1,緑用フォトダイオード21−2,青用フォトダイオード21−3が隣接して配置されている。   In the image sensor 10, a red photodiode 21-1, a green photodiode 21-2, and a blue photodiode 21-3 formed on a semiconductor substrate are arranged adjacent to each other.

赤用フォトダイオード21−1の上には、酸化膜22、有機膜23、赤用カラーフィルタ24−1、及びオンチップレンズ25−1が下方からその順番で積層されている。また、緑用フォトダイオード21−2の上には、酸化膜22、有機膜23、緑用カラーフィルタ24−2、及びオンチップレンズ25−2が下方からその順番で積層されている。さらに、青用フォトダイオード21−3の上には、酸化膜22、有機膜23、青用カラーフィルタ24−3、及びオンチップレンズ25−3が下方からその順番で積層されている。   On the red photodiode 21-1, an oxide film 22, an organic film 23, a red color filter 24-1, and an on-chip lens 25-1 are stacked in that order from below. On the green photodiode 21-2, an oxide film 22, an organic film 23, a green color filter 24-2, and an on-chip lens 25-2 are stacked in that order from below. Further, an oxide film 22, an organic film 23, a blue color filter 24-3, and an on-chip lens 25-3 are stacked in that order from below on the blue photodiode 21-3.

また、赤用フォトダイオード21−1,緑用フォトダイオード21−2,青用フォトダイオード21−3の各々の境界の上方には、酸化膜22を介して、遮光膜26がそれぞれ配置されている。   Further, a light shielding film 26 is disposed above the boundary of each of the red photodiode 21-1, the green photodiode 21-2, and the blue photodiode 21-3 with an oxide film 22 interposed therebetween. .

オンチップレンズ25−1に入射された光は、赤用カラーフィルタ24−1、有機膜23、及び酸化膜22を透過して、赤用フォトダイオード21−1に入射する。より正確には、赤用カラーフィルタ24−1において、オンチップレンズ25−1から射出された光のうち、赤色光の波長帯域の光だけが透過し、さらに有機膜23、及び酸化膜22を透過して、赤用フォトダイオード21−1に入射する。赤用フォトダイオード21−1は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電荷を生成して出力する。   The light incident on the on-chip lens 25-1 passes through the red color filter 24-1, the organic film 23, and the oxide film 22 and enters the red photodiode 21-1. More precisely, in the red color filter 24-1, only the light in the wavelength band of red light out of the light emitted from the on-chip lens 25-1 is transmitted, and the organic film 23 and the oxide film 22 are further transmitted. The light passes through and enters the red photodiode 21-1. The red photodiode 21-1 generates and outputs a charge having a level corresponding to the amount of incident light, that is, the amount of received light.

オンチップレンズ25−2,25−3に入射された光は、同様の経路により、それぞれ緑用フォトダイオード21−2,青用フォトダイオード21−3に入射する。ただし、この場合、緑用カラーフィルタ24−2,青用カラーフィルタ24−3において、オンチップレンズ25−2,25−3から射出された光のうち、それぞれ緑色光の波長帯域,青色光の波長帯域の光だけが透過する点が異なる。   The light incident on the on-chip lenses 25-2 and 25-3 is incident on the green photodiode 21-2 and the blue photodiode 21-3, respectively, through the same path. However, in this case, among the lights emitted from the on-chip lenses 25-2 and 25-3 in the green color filter 24-2 and the blue color filter 24-3, respectively, The difference is that only light in the wavelength band is transmitted.

上述したように、イメージセンサ10においては、曲率の大きなオンチップレンズを形成するのが困難な場合がある。また、オンチップレンズの材料の屈折率は、約1.4乃至2.0と低い。したがって、従来の構成のイメージセンサ10では、十分なレンズ効果が現れずに十分な集光効率が実現できない場合がある。   As described above, in the image sensor 10, it may be difficult to form an on-chip lens having a large curvature. The refractive index of the material of the on-chip lens is as low as about 1.4 to 2.0. Therefore, in the image sensor 10 having the conventional configuration, there is a case where sufficient lens efficiency does not appear and sufficient light collection efficiency cannot be realized.

例えば、図1に示されるように、オンチップレンズ25−2の中心軸方向から入射された光は、オンチップレンズ25−2、緑用カラーフィルタ24−2、有機膜23、及び酸化膜22を透過して、緑用フォトダイオード21−2に垂直に入射する。   For example, as shown in FIG. 1, the light incident from the central axis direction of the on-chip lens 25-2 is the on-chip lens 25-2, the green color filter 24-2, the organic film 23, and the oxide film 22. , And enters the green photodiode 21-2 perpendicularly.

これに対して、オンチップレンズ25−2の斜め方向から光が入射された場合、オンチップレンズ25−2から射出された光のうち、緑用カラーフィルタ24−2を透過した光の一部は、遮光膜26を超えて、隣接する赤用フォトダイオード21−1へ漏れ込む。このようにして赤用フォトダイオード21−1において、漏れ込んだ光が混色成分となって、混色が発生する場合がある。   On the other hand, when light is incident from an oblique direction of the on-chip lens 25-2, a part of the light transmitted through the green color filter 24-2 among the light emitted from the on-chip lens 25-2. Leaks beyond the light shielding film 26 into the adjacent red photodiode 21-1. In this way, in the red photodiode 21-1, the leaked light may become a color mixture component and color mixture may occur.

さらに、上述したように、オンチップレンズ25−1乃至25−3は、その製造工程において、下地を露出させないための十分な厚みd1を有するように加工されている。したがって、従来の構成のイメージセンサ10に入射する光は、厚みd1を有するオンチップレンズ25−1乃至25−3を透過する間に減衰して、感度が低下する場合がある。   Further, as described above, the on-chip lenses 25-1 to 25-3 are processed so as to have a sufficient thickness d1 so as not to expose the base in the manufacturing process. Therefore, the light incident on the image sensor 10 having the conventional configuration may be attenuated while passing through the on-chip lenses 25-1 to 25-3 having the thickness d1, and the sensitivity may be lowered.

そこで、本発明者は、半導体基板に形成されたフォトダイオードの光の入射面を直接凸型にエッチングすることによって、凸レンズの機能を有するフォトダイオードを形成させる、という手法を開発した。このような手法(以下、本技術の手法と称する)を適用することで、集光効率を高めて、光の減衰や混色を抑制させることができる。   Therefore, the present inventor has developed a method of forming a photodiode having a function of a convex lens by directly etching a light incident surface of a photodiode formed on a semiconductor substrate into a convex shape. By applying such a method (hereinafter, referred to as a method of the present technology), it is possible to increase light collection efficiency and suppress light attenuation and color mixing.

なお、以下の説明においては、半導体基板をシリコン基板として説明するが、半導体基板の素材については特に限定されず、例えばゲルマニウム等を採用することができる。   In the following description, the semiconductor substrate is described as a silicon substrate, but the material of the semiconductor substrate is not particularly limited, and for example, germanium or the like can be employed.

[本技術の手法が適用されたイメージセンサ]
図2は、本技術の手法が適用されたイメージセンサの断面図である。
[Image sensor to which this technology is applied]
FIG. 2 is a cross-sectional view of an image sensor to which the technique of the present technology is applied.

イメージセンサ50においては、シリコン基板に形成された赤用フォトダイオード61−1,緑用フォトダイオード61−2,青用フォトダイオード61−3が隣接して配置されている。   In the image sensor 50, a red photodiode 61-1, a green photodiode 61-2, and a blue photodiode 61-3 formed on a silicon substrate are arranged adjacent to each other.

赤用フォトダイオード61−1の上には、酸化膜62、有機膜63、赤用カラーフィルタ64−1、及びオンチップレンズ65−1が下方からその順番で積層されている。また、緑用フォトダイオード61−2の上には、酸化膜62、有機膜63、緑用カラーフィルタ64−2、及びオンチップレンズ65−2が下方からその順番で積層されている。さらに、青用フォトダイオード61−3の上には、酸化膜62、有機膜63、青用カラーフィルタ64−3、及びオンチップレンズ65−3が下方からその順番で積層されている。   On the red photodiode 61-1, an oxide film 62, an organic film 63, a red color filter 64-1, and an on-chip lens 65-1 are stacked in that order from below. On the green photodiode 61-2, an oxide film 62, an organic film 63, a green color filter 64-2, and an on-chip lens 65-2 are stacked in that order from below. Further, an oxide film 62, an organic film 63, a blue color filter 64-3, and an on-chip lens 65-3 are stacked in that order from below on the blue photodiode 61-3.

なお、図2においては、酸化膜62と有機膜63が形成されている空間は、酸化膜62のみで形成されてもよいし、あるいはまた有機膜63のみで形成されてもよい。   In FIG. 2, the space in which the oxide film 62 and the organic film 63 are formed may be formed only by the oxide film 62 or may be formed only by the organic film 63.

また、赤用フォトダイオード61−1,緑用フォトダイオード61−2,青用フォトダイオード61−3の各々の境界の上方には、酸化膜62を介して、遮光膜66がそれぞれ配置されている。   Further, a light shielding film 66 is disposed above the boundary of each of the red photodiode 61-1, the green photodiode 61-2, and the blue photodiode 61-3 with an oxide film 62 interposed therebetween. .

オンチップレンズ65−1に入射された光は、赤用カラーフィルタ64−1、有機膜63、及び酸化膜62を透過して、赤用フォトダイオード61−1に入射する。より正確には、赤用カラーフィルタ64−1において、オンチップレンズ65−1から射出された光のうち、赤色光の波長帯域の光だけが透過し、さらに有機膜63、及び酸化膜62を透過して、赤用フォトダイオード61−1に入射する。赤用フォトダイオード61−1は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電荷を生成する光電変換を行い、生成した電荷を出力する。   The light incident on the on-chip lens 65-1 passes through the red color filter 64-1, the organic film 63, and the oxide film 62 and enters the red photodiode 61-1. More precisely, in the red color filter 64-1, only the light in the wavelength band of red light out of the light emitted from the on-chip lens 65-1 is transmitted, and the organic film 63 and the oxide film 62 are further passed through. The light passes through and enters the red photodiode 61-1. The red photodiode 61-1 performs photoelectric conversion for generating a charge of a level corresponding to the amount of incident light, that is, the amount of received light, and outputs the generated charge.

オンチップレンズ65−2,65−3に入射された光は、同様の経路により、それぞれ緑用フォトダイオード61−2,青用フォトダイオード61−3に入射する。ただし、この場合、緑用カラーフィルタ64−2,青用カラーフィルタ64−3において、オンチップレンズ65−2,65−3から射出された光のうち、それぞれ緑色光の波長帯域,青色光の波長帯域の光だけが透過する点が異なる。   The light incident on the on-chip lenses 65-2 and 65-3 enters the green photodiode 61-2 and the blue photodiode 61-3 through the same path. However, in this case, among the lights emitted from the on-chip lenses 65-2 and 65-3 in the green color filter 64-2 and the blue color filter 64-3, respectively, The difference is that only light in the wavelength band is transmitted.

以下、赤用フォトダイオード61−1,緑用フォトダイオード61−2,青用フォトダイオード61−3を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめてフォトダイオード61と称する。また、赤用カラーフィルタ64−1,緑用カラーフィルタ64−2,青用カラーフィルタ64−3を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめてカラーフィルタ64と称する。また、オンチップレンズ65−1乃至65−3を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめてオンチップレンズ65と称する。   Hereinafter, when it is not necessary to individually distinguish the red photodiode 61-1, the green photodiode 61-2, and the blue photodiode 61-3, these are collectively referred to as the photodiode 61. Further, when it is not necessary to individually distinguish the red color filter 64-1, the green color filter 64-2, and the blue color filter 64-3, these are collectively referred to as a color filter 64. Further, when it is not necessary to individually distinguish the on-chip lenses 65-1 to 65-3, these are collectively referred to as the on-chip lens 65.

なお、ここでは説明の都合上、イメージセンサ50に配置されるカラーフィルタ64を、それぞれ赤色光、緑色光、及び青色光の波長帯域の光を透過するとしたが、カラーフィルタ64の色は特に限定されず、任意の波長帯域の光を透過するカラーフィルタ64であれば足りる。この場合、フォトダイオード61は、入射した任意の波長帯域の光の量に応じたレベルの電荷を生成する光電変換を行う。   For convenience of explanation, the color filter 64 disposed in the image sensor 50 transmits light in the wavelength bands of red light, green light, and blue light, respectively. However, the color of the color filter 64 is particularly limited. Instead, a color filter 64 that transmits light in an arbitrary wavelength band is sufficient. In this case, the photodiode 61 performs photoelectric conversion to generate a charge having a level corresponding to the amount of incident light in an arbitrary wavelength band.

詳細については後述するが、イメージセンサ50においては、シリコン基板に形成されたフォトダイオード61の光の入射面が凸型にエッチングされることによって、凸レンズの機能を有するフォトダイオード61が形成される。これにより、フォトダイオード61において、凸レンズの機能により光が集光されるので、集光効率を高めることができる。   Although details will be described later, in the image sensor 50, the light incident surface of the photodiode 61 formed on the silicon substrate is etched into a convex shape, whereby the photodiode 61 having the function of a convex lens is formed. Thereby, in the photodiode 61, since light is condensed by the function of the convex lens, the light collection efficiency can be increased.

さらに、イメージセンサ50においては、凸型に形成されたフォトダイオード61の上面に、シリコン基板よりも屈折率の低い酸化膜または有機膜が埋め込まれる。これにより、フォトダイオード61の上面で大きな屈折率差が発生するので、集光効率を高めることができる。   Further, in the image sensor 50, an oxide film or an organic film having a refractive index lower than that of the silicon substrate is embedded in the upper surface of the photodiode 61 formed in a convex shape. As a result, a large refractive index difference is generated on the upper surface of the photodiode 61, so that the light collection efficiency can be increased.

例えば、図2に示されるように、オンチップレンズ65−2の中心軸方向から入射された光は、オンチップレンズ65−2、緑用カラーフィルタ64−2、有機膜63、及び酸化膜62を透過して、緑用フォトダイオード61−2に垂直に入射する。このとき、緑用フォトダイオード61−2に入射する光は、凸レンズの機能により集光されるので、集光効率を高めることができる。   For example, as shown in FIG. 2, the light incident from the central axis direction of the on-chip lens 65-2 is the on-chip lens 65-2, the green color filter 64-2, the organic film 63, and the oxide film 62. , And enters the green photodiode 61-2 perpendicularly. At this time, the light incident on the green photodiode 61-2 is condensed by the function of the convex lens, so that the light collection efficiency can be increased.

また、オンチップレンズ65−2に斜め方向から入射された光は、オンチップレンズ65−2、緑用カラーフィルタ64−2を透過し、屈折率の低い有機膜63及び酸化膜62(例えば波長λ=550における屈折率n=1.45)を透過する。この光は、屈折率の高いシリコン基板(例えば波長λ=550における屈折率n=4.08)に形成された凸型の緑用フォトダイオード61−2の上面61−2bで屈折して、緑用フォトダイオード61−2に入射する。   Further, light incident on the on-chip lens 65-2 from an oblique direction passes through the on-chip lens 65-2 and the green color filter 64-2, and the organic film 63 and the oxide film 62 (for example, wavelength) having a low refractive index. The refractive index n = 1.45 at λ = 550 is transmitted. This light is refracted by the upper surface 61-2b of the convex green photodiode 61-2 formed on the silicon substrate having a high refractive index (for example, the refractive index n = 4.08 at the wavelength λ = 550), and the green photo Incident to the diode 61-2.

このようにして、オンチップレンズ65−2に斜め方向から光が入射された場合であっても、酸化膜62及び有機膜63とシリコン基板との屈折率の差によって光の屈折する角度が大きくなる。さらに、緑用フォトダイオード61−2において、凸レンズの機能により光が集光されるので、集光効率を高めることができる。その結果、隣接する赤用フォトダイオード21−1へ漏れ込む光量は減少して、混色は抑制される。   In this way, even when light is incident on the on-chip lens 65-2 from an oblique direction, the angle at which the light is refracted is large due to the difference in refractive index between the oxide film 62 and the organic film 63 and the silicon substrate. Become. Furthermore, in the green photodiode 61-2, the light is collected by the function of the convex lens, so that the light collection efficiency can be increased. As a result, the amount of light that leaks into the adjacent red photodiode 21-1 is reduced, and color mixing is suppressed.

このように、イメージセンサ50においては、凸レンズの機能を有するフォトダイオード61が形成されることにより、オンチップレンズ65の曲率を大きくしなくても、集光効率を高めることができる。   As described above, in the image sensor 50, the photodiode 61 having the function of a convex lens is formed, so that the light collection efficiency can be increased without increasing the curvature of the on-chip lens 65.

このことは、本技術の手法が適用されたイメージセンサ50においては、オンチップレンズ65の曲率を、図1の場合より大きくしなくてもいいことを意味し、オンチップレンズ65は厚みd2を有するように加工される。図1と図2を比較すると明らかなように、オンチップレンズ65においては、その厚みが厚みd2(d2<d1)に抑えられる。また、オンチップレンズ65においては、加工マージン用のオンチップレンズ65の厚みも抑えることができる。その結果、オンチップレンズ65とシリコン基板に形成されたフォトダイオード61との距離を短縮することができる。これにより、オンチップレンズ65を透過する光の減衰による感度の低下、及び混色の発生を抑制することができる。   This means that in the image sensor 50 to which the technique of the present technology is applied, the curvature of the on-chip lens 65 does not have to be larger than that in the case of FIG. 1, and the on-chip lens 65 has a thickness d2. It is processed to have. As is clear from a comparison between FIG. 1 and FIG. 2, the thickness of the on-chip lens 65 is suppressed to the thickness d2 (d2 <d1). Further, in the on-chip lens 65, the thickness of the on-chip lens 65 for processing margin can be suppressed. As a result, the distance between the on-chip lens 65 and the photodiode 61 formed on the silicon substrate can be shortened. Thereby, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to attenuation of light transmitted through the on-chip lens 65 and the occurrence of color mixing.

さらに、本技術の手法が適用されたイメージセンサ50においては、フォトダイオード61の光の入射面が凸型にエッチングされることのみで集光効率が高められる。その結果、イメージセンサ50の構造を単純化することができるので、上層の設計の自由度が増す。   Furthermore, in the image sensor 50 to which the technique of the present technology is applied, the light collection efficiency is increased only by etching the light incident surface of the photodiode 61 into a convex shape. As a result, since the structure of the image sensor 50 can be simplified, the degree of freedom in designing the upper layer is increased.

なお、当然のことながら、凸型に形成されたフォトダイオード61は、フォトダイオードの機能、すなわち受光量に応じたレベルの電荷を生成する光電変換の機能を有する。   As a matter of course, the photodiode 61 formed in a convex shape has a function of a photodiode, that is, a function of photoelectric conversion for generating a charge of a level corresponding to the amount of received light.

[イメージセンサの製造処理]
次に、イメージセンサ50の製造処理について図3乃至図5を用いて説明する。
[Image sensor manufacturing process]
Next, the manufacturing process of the image sensor 50 will be described with reference to FIGS.

図3は、イメージセンサ50を製造する製造装置80の機能的構成例を示すブロック
図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a functional configuration example of a manufacturing apparatus 80 that manufactures the image sensor 50.

製造装置80は、形成部91、露光部92、リフロー部93、エッチング部94、成膜部95、及び上層形成部96を有している。   The manufacturing apparatus 80 includes a forming unit 91, an exposure unit 92, a reflow unit 93, an etching unit 94, a film forming unit 95, and an upper layer forming unit 96.

形成部91は、シリコン基板にフォトダイオード61を形成する。露光部92は、シリコン基板上のレジストにパターニングする。リフロー部93は、パターニングが施されたレジストにリフローを行う。エッチング部94は、レジストに異方性ドライエッチングを行う。成膜部95は、酸化膜62,有機膜63、及び遮光膜66を成膜する。上層形成部96は、カラーフィルタ64及びオンチップレンズ65を形成する。   The forming unit 91 forms the photodiode 61 on the silicon substrate. The exposure unit 92 patterns the resist on the silicon substrate. The reflow unit 93 reflows the patterned resist. The etching unit 94 performs anisotropic dry etching on the resist. The film forming unit 95 forms the oxide film 62, the organic film 63, and the light shielding film 66. The upper layer forming unit 96 forms the color filter 64 and the on-chip lens 65.

図4は、イメージセンサ50の製造処理の流れを説明するフローチャートである。また、図5は、イメージセンサ50の製造処理の流れを示す図である。イメージセンサ50の製造処理においては、適宜人手が介在したり、複数の装置により分担されてイメージセンサ50が製造されることがあるが、本実施形態では説明を簡略化するために、1台の製造装置80が、イメージセンサ50を製造するまでの一連の処理を全て実行するものとする。   FIG. 4 is a flowchart for explaining the flow of the manufacturing process of the image sensor 50. FIG. 5 is a diagram showing a flow of manufacturing processing of the image sensor 50. In the manufacturing process of the image sensor 50, the image sensor 50 may be manufactured with appropriate manual intervention or shared by a plurality of devices. In the present embodiment, in order to simplify the description, It is assumed that the manufacturing apparatus 80 executes a series of processes until the image sensor 50 is manufactured.

ステップS1において、形成部91は、シリコン基板にフォトダイオード61を形成する。このとき、形成部91は、シリコン基板に不純物イオン注入等を行い、pn接合を有し受光量に応じたレベルの電荷を生成するフォトダイオード61をアレー状に形成する。   In step S1, the forming unit 91 forms the photodiode 61 on the silicon substrate. At this time, the forming unit 91 performs impurity ion implantation or the like on the silicon substrate, and forms the photodiodes 61 having a pn junction and generating a level of charge corresponding to the amount of received light in an array.

ステップS2において、露光部92は、フォトダイオード61が形成されたシリコン基板上にレジスト111を形成し、所定の形状にパターニングする。すなわち、露光部92は、レジスト111を、溝112で仕切られた1つ1つが凸レンズ形状の基となるようにパターニングする。この状態が、状態S1,S2として図5に示されている。   In step S2, the exposure unit 92 forms a resist 111 on the silicon substrate on which the photodiode 61 is formed, and patterns the resist 111 into a predetermined shape. That is, the exposure unit 92 patterns the resist 111 so that each of the resists partitioned by the grooves 112 becomes a convex lens-shaped base. This state is shown in FIG. 5 as states S1 and S2.

ステップS3において、リフロー部93は、パターニングが施されたレジスト111にリフローを行い、レジスト111をレンズ形状にする。すなわち、リフロー部93は、リフローを行うことによりレジスト111を融解させ、レジスト111のエッジを丸めて凸レンズ形状にする。この状態が、状態S3として図5に示されている。   In step S <b> 3, the reflow unit 93 reflows the patterned resist 111 so that the resist 111 has a lens shape. That is, the reflow unit 93 melts the resist 111 by performing reflow, and rounds the edge of the resist 111 into a convex lens shape. This state is shown in FIG. 5 as state S3.

図6は、ステップS2,S3におけるイメージセンサ50の上面図である。   FIG. 6 is a top view of the image sensor 50 in steps S2 and S3.

図6の左側に示されるように、ステップS2において、露光部92は、レジスト111を凸レンズ形状の基となる正方形の形状にパターニングする。その後、図6の右側に示されるように、ステップS3において、リフロー部93は、レジスト111にリフローを行うことにより、レジスト111のエッジを丸めて凸レンズ形状、すなわち球面の形状にする。   As shown on the left side of FIG. 6, in step S <b> 2, the exposure unit 92 patterns the resist 111 into a square shape that is a base of the convex lens shape. Thereafter, as shown on the right side of FIG. 6, in step S <b> 3, the reflow unit 93 reflows the resist 111 to round the edge of the resist 111 to a convex lens shape, that is, a spherical shape.

ステップS4において、エッチング部94は、凸レンズ形状にされたレジスト111に異方性ドライエッチングを行い、フォトダイオード61が形成されたシリコン基板に凸レンズ形状を形成する。この状態が、状態S4として図5に示されている。これにより、凸レンズの機能を有するフォトダイオード61が形成される。   In step S4, the etching unit 94 performs anisotropic dry etching on the resist 111 having a convex lens shape, thereby forming a convex lens shape on the silicon substrate on which the photodiode 61 is formed. This state is shown in FIG. 5 as state S4. Thereby, the photodiode 61 having the function of a convex lens is formed.

なお、異方性ドライエッチングが行われた後、Wet処理、電荷蓄積層の形成等によりシリコン基板へのダメージを和らげる処理が行われると好適である。   Note that after anisotropic dry etching is performed, it is preferable to perform processing for reducing damage to the silicon substrate by wet processing, formation of a charge storage layer, or the like.

ステップS5において、成膜部95は、平坦化のために凸レンズ形状のフォトダイオード61の直上に酸化膜62を成膜する。この状態が、状態S5として図5に示されている。なお、ステップS5において、酸化膜62の代わりに有機膜63が成膜されてもよい。   In step S5, the film forming unit 95 forms an oxide film 62 immediately above the convex lens-shaped photodiode 61 for flattening. This state is shown in FIG. 5 as state S5. In step S5, the organic film 63 may be formed instead of the oxide film 62.

ステップS6において、成膜部95は、酸化膜62の上に、遮光膜66を成膜する。   In step S <b> 6, the film forming unit 95 forms a light shielding film 66 on the oxide film 62.

ステップS7において、成膜部95は、遮光膜66が成膜された酸化膜62の上に、平坦化のために有機膜63を成膜する。なお、ステップS7において、有機膜63の代わりに酸化膜62が成膜されてもよい。   In step S <b> 7, the film forming unit 95 forms an organic film 63 for planarization on the oxide film 62 on which the light shielding film 66 is formed. In step S7, an oxide film 62 may be formed instead of the organic film 63.

なお、酸化膜62または有機膜63が成膜された後に、CMP(chemical Mechanical Polishing)研磨が行われることにより、酸化膜62または有機膜63の上面が平坦化されてもよい。   Note that the upper surface of the oxide film 62 or the organic film 63 may be planarized by performing CMP (chemical mechanical polishing) polishing after the oxide film 62 or the organic film 63 is formed.

ステップS8において、上層形成部96は、カラーフィルタ64を形成する。   In step S <b> 8, the upper layer forming unit 96 forms the color filter 64.

ステップS9において、上層形成部96は、オンチップレンズ65を形成する。この状態が、状態S6乃至S9として図5に示されている。   In step S <b> 9, the upper layer forming unit 96 forms the on-chip lens 65. This state is shown in FIG. 5 as states S6 to S9.

これにより、イメージセンサの製造処理は終了する。   This completes the image sensor manufacturing process.

なお、イメージセンサ50は、裏面照射型CMOSイメージセンサに限らず、表面照射型CMOSイメージセンサに適用することもできる。   Note that the image sensor 50 is not limited to the backside-illuminated CMOS image sensor, but can also be applied to a frontside-illuminated CMOS image sensor.

また、イメージセンサ50は、CMOSイメージセンサまたはCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに適用することができる。   The image sensor 50 can be applied to a CMOS image sensor or a CCD (Charge Coupled Device) image sensor.

このように、本技術の手法が適用されたイメージセンサ50においては、シリコン基板に、凸レンズの機能を有するフォトダイオード61が形成される。これにより、上述したように、フォトダイオード61において、凸レンズの機能により光が集光されるので、集光効率を高めることができる。   Thus, in the image sensor 50 to which the technique of the present technology is applied, the photodiode 61 having the function of a convex lens is formed on the silicon substrate. Thereby, as mentioned above, in the photodiode 61, since light is condensed by the function of a convex lens, the light collection efficiency can be increased.

また、酸化膜62及び有機膜63とシリコン基板との大きな屈折率差の発生により、オンチップレンズ65の曲率を大きくしなくても集光効率を高めることができ、混色が抑制される。   Further, due to the occurrence of a large refractive index difference between the oxide film 62 and the organic film 63 and the silicon substrate, the light collection efficiency can be increased without increasing the curvature of the on-chip lens 65, and color mixing is suppressed.

また、オンチップレンズ65の厚み及び加工マージン用のオンチップレンズ65の厚みが抑えられるので、オンチップレンズ65を透過する光の減衰による感度の低下、及び混色の発生を抑制することができる。   Further, since the thickness of the on-chip lens 65 and the thickness of the processing margin on-chip lens 65 can be suppressed, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to attenuation of light transmitted through the on-chip lens 65 and the occurrence of color mixing.

さらに、フォトダイオード61は、断面が矩形であるデジタルレンズの形状とは異なり、凸型、すなわち球面状にエッチングされるので、広角で光を入射することができる。したがって、凸型に形成されたフォトダイオード61は、光の散乱を発生させにくくすることができる。   Furthermore, unlike the digital lens having a rectangular cross section, the photodiode 61 is etched into a convex shape, that is, a spherical shape, so that light can be incident at a wide angle. Therefore, the photodiode 61 formed in a convex shape can make it difficult for light scattering to occur.

さらに、イメージセンサ50においては、フォトダイオード61の上面が凸型、すなわち球面状であるので、遮光膜66とフォトダイオード61との間に隙間が存在する。これにより、遮光膜66の直下に入射する光もフォトダイオード61に入射させることができるので、感度を向上させることができる。なお、裏面照射型CMOSイメージセンサにおいては、感度の向上よりも混色を抑制させたい場合には、シリコン基板に埋め込んだ遮光膜と組み合わせて用いられるようにしてもよい。   Further, in the image sensor 50, since the upper surface of the photodiode 61 is convex, that is, spherical, a gap exists between the light shielding film 66 and the photodiode 61. As a result, light incident directly below the light shielding film 66 can also be incident on the photodiode 61, so that sensitivity can be improved. In the backside illuminated CMOS image sensor, when it is desired to suppress color mixing rather than to improve sensitivity, it may be used in combination with a light shielding film embedded in a silicon substrate.

裏面照射型CMOSイメージセンサは、光の入射側の面に配線層がない。したがって、構造が単純化されたイメージセンサ50においては、上層の設計の自由度が増す。   The back-illuminated CMOS image sensor has no wiring layer on the light incident side surface. Therefore, in the image sensor 50 having a simplified structure, the degree of freedom in designing the upper layer is increased.

表面照射型CMOSイメージセンサにおいては、凸型に形成されたフォトダイオード61の上層に配線層が形成される。したがって、凸型に形成されたフォトダイオード61をインナーレンズとして利用することができる。   In the front-illuminated CMOS image sensor, a wiring layer is formed above the photodiode 61 formed in a convex shape. Therefore, the photodiode 61 formed in a convex shape can be used as an inner lens.

本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。   Embodiments of the present technology are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present technology.

なお、本技術は、以下のような構成もとることができる。
(1)
入射面に入射された光を光電変換するフォトダイオードを有する半導体基板を備え、
前記フォトダイオードの前記入射面がレンズ形状に形成されている
撮像素子。
(2)
前記半導体基板の上方に形成されるオンチップレンズをさらに備える
前記(1)に記載の撮像素子。
(3)
前記半導体基板の直上に成膜される酸化膜または有機膜をさらに備える
前記(1)または(2)に記載の撮像素子。
(4)
前記酸化膜または前記有機膜の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも低い
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5)
前記半導体基板の素材はシリコンを含有する
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)
前記撮像素子は、遮光膜を備える
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の撮像素子。
(7)
前記撮像素子は、CMOSイメージセンサまたはCCDイメージセンサである
前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の撮像素子。
(8)
前記撮像素子は、裏面照射型CMOSイメージセンサである
前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の撮像素子。
(9)
前記撮像素子は、前記半導体基板に埋め込まれた遮光膜を備える
前記(1)乃至(8)のいずれかに記載の撮像素子。
(10)
前記撮像素子は、表面照射型CMOSイメージセンサである
前記(1)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(11)
半導体基板にフォトダイオードを形成し、
前記フォトダイオードの光の入射面をレンズ形状に形成する
ステップを含む撮像素子の製造方法。
In addition, this technique can also take the following structures.
(1)
A semiconductor substrate having a photodiode for photoelectrically converting light incident on the incident surface;
An imaging device in which the incident surface of the photodiode is formed in a lens shape.
(2)
The imaging device according to (1), further including an on-chip lens formed above the semiconductor substrate.
(3)
The imaging device according to (1) or (2), further including an oxide film or an organic film formed directly on the semiconductor substrate.
(4)
The imaging element according to any one of (1) to (3), wherein a refractive index of the oxide film or the organic film is lower than a refractive index of the semiconductor substrate.
(5)
The imaging device according to any one of (1) to (4), wherein the material of the semiconductor substrate contains silicon.
(6)
The imaging device according to any one of (1) to (5), wherein the imaging device includes a light shielding film.
(7)
The imaging device according to any one of (1) to (6), wherein the imaging device is a CMOS image sensor or a CCD image sensor.
(8)
The imaging device according to any one of (1) to (7), wherein the imaging device is a back-illuminated CMOS image sensor.
(9)
The imaging device according to any one of (1) to (8), wherein the imaging device includes a light shielding film embedded in the semiconductor substrate.
(10)
The imaging device according to any one of (1) to (9), wherein the imaging device is a surface irradiation type CMOS image sensor.
(11)
Forming a photodiode on a semiconductor substrate;
A method for manufacturing an imaging device, comprising: forming a light incident surface of the photodiode into a lens shape.

本技術は、撮像素子に適用することができる。   The present technology can be applied to an image sensor.

50 イメージセンサ, 61 フォトダイオード, 62 酸化膜, 63 有機膜, 64 カラーフィルタ, 65 オンチップレンズ, 66 遮光膜, 80 製造装置, 91 形成部, 92 露光部, 93 リフロー部, 94 エッチング部, 95 成膜部, 96 上層形成部, 111 レジスト   50 Image Sensor, 61 Photodiode, 62 Oxide Film, 63 Organic Film, 64 Color Filter, 65 On-Chip Lens, 66 Light-shielding Film, 80 Manufacturing Equipment, 91 Forming Section, 92 Exposure Section, 93 Reflow Section, 94 Etching Section, 95 Deposition section, 96 Upper layer formation section, 111 resist

Claims (11)

入射面に入射された光を光電変換するフォトダイオードを有する半導体基板を備え、
前記フォトダイオードの前記入射面がレンズ形状に形成されている
撮像素子。
A semiconductor substrate having a photodiode for photoelectrically converting light incident on the incident surface;
An imaging device in which the incident surface of the photodiode is formed in a lens shape.
前記半導体基板の上方に形成されるオンチップレンズをさらに備える
請求項1に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 1, further comprising an on-chip lens formed above the semiconductor substrate.
前記半導体基板の直上に成膜される酸化膜または有機膜をさらに備える
請求項1に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 1, further comprising an oxide film or an organic film formed directly on the semiconductor substrate.
前記酸化膜または前記有機膜の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも低い
請求項3に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 3, wherein a refractive index of the oxide film or the organic film is lower than a refractive index of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の素材はシリコンを含有する
請求項1に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 1, wherein a material of the semiconductor substrate contains silicon.
前記撮像素子は、遮光膜を備える
請求項1に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device includes a light shielding film.
前記撮像素子は、CMOSイメージセンサまたはCCDイメージセンサである
請求項1に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device is a CMOS image sensor or a CCD image sensor.
前記撮像素子は、裏面照射型CMOSイメージセンサである
請求項7に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 7, wherein the imaging device is a backside illumination type CMOS image sensor.
前記撮像素子は、前記半導体基板に埋め込まれた遮光膜を備える
請求項8に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 8, wherein the imaging device includes a light shielding film embedded in the semiconductor substrate.
前記撮像素子は、表面照射型CMOSイメージセンサである
請求項7に記載の撮像素子。
The imaging device according to claim 7, wherein the imaging device is a surface irradiation type CMOS image sensor.
半導体基板にフォトダイオードを形成し、
前記フォトダイオードの光の入射面をレンズ形状に形成する
ステップを含む撮像素子の製造方法。
Forming a photodiode on a semiconductor substrate;
A method for manufacturing an imaging device, comprising: forming a light incident surface of the photodiode into a lens shape.
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