【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、隣接画素への光の漏れ込みを防止できるようにした固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＭＯＳセンサ或いはＣＣＤセンサのような２次元的に画素が配列されたエリア形センサでは、小型化及び高解像度化を図るために、画素の微細化が図られている。これに伴い、各画素の集光率の低下、隣接する画素への光漏れの影響が大きくなる傾向にある。
【０００３】
従来の固体撮像装置では、各画素を構成するフォトダイオードの上に開口部を設け、それ以外を遮光する構造を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１８９４４０号公報（第１−３頁、図１−４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＭＯＳセンサでは、画素の微細化に伴い、信号配線を効率よく行うために、配線層を多層構造とし、その間に層間絶縁膜を配してあり、配線層を遮光膜と兼用し、層間絶縁膜におけるフォトダイオードの上に相当する位置に開口部を形成し、それ以外のところには遮光膜を形成してある。従って、画素が微細化しかつ多層構造となるほど、光を通過させるところが狭くて縦に長い構造となり、光が通りにくく、集光しにくい。
【０００６】
また、従来のＣＭＯＳプロセスの場合、最上部の配線層（トップメタルと言われる）に上記開口部を設けるためメタルの有無で凸凹が形成され、さらにその表面に腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成しているためにシリコン窒化膜の表面は凸凹になっている。さらに、その凸凹のあるシリコン窒化膜の表面にアクリル樹脂などによる平坦化層を形成した後、カラーフィルタを載せ、該フィルタ上にマイクロレンズを配した構造となっている。
【０００７】
ところが、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は屈折率が２．０とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の屈折率１．６に比して高い。このため、フォトダイオードに入射する光線が凸凹のある部分、特に凸凹の肩から谷にかけての部分で異常屈折して意図しない方向に拡散してしまう問題があった。これは、凸凹の肩から谷にかけての部分では垂直方向にはシリコン窒化膜の厚みが厚くなるので、この垂直膜における異常な屈折（反射も含む）が原因であった。
【０００８】
また，シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は半導体回路の腐食防止用保護を目的に形成するのであるが，表面の凸凹が大きい場合特に凸凹の肩から谷にかけての部分の厚さを確保するために全ての表面をある一定以上の厚さのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を覆う必要がある。このために透過率の低いシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を厚くする事で入射光線の光量が下がってしまう問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを防止し、集光率の向上を図ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、複数の画素に対応して複数の光電変換素子を配設した基板上に、層間絶縁膜と、前記複数の光電変換素子に光を導く複数の開口部を有した遮光膜と、前記遮光膜を覆い且つ前記開口部を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜と、シリコン窒化膜と、カラーフィルタと、平坦化膜と、マイクロレンズと、をこの順序で積層したことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のこのような構成によれば、シリコン酸化膜で遮光膜を覆い且つその開口部を充填すると共に該シリコン酸化膜の表面を平坦化する構成としたので、遮光膜形成に起因して生成される凸凹がシリコン酸化膜によって平坦化され、その平坦化面に形成される腐食防止用のシリコン窒化膜も平坦化される。また，平坦化された表面を覆う事でシリコン酸化膜の厚さも薄くする事が可能である。
【００１２】
その結果、従来の異常屈折の原因となっていたシリコン窒化膜の凸凹が無くなり、異常屈折（反射を含む）が無くなり、隣接画素への光の漏れ込みを防止するとともに透過する光量を確保することができる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像装置において、さらに、前記シリコン窒化膜と前記カラーフィルタとの間に、平坦化膜を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のこのような構成によれば、前述の発明と同様な効果を得ることができると共に、シリコン窒化膜とカラーフィルタとの間にアクリル樹脂等の平坦化膜を形成した後カラーフィルタを接合するので、シリコン窒化膜とカラーフィルタとの接合性を良好とすることができる。
【００１５】
また、本発明において、前記層間絶縁膜は、前記酸化膜と同じ光屈折率を有するシリコン酸化膜であることが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、層間絶縁膜をシリコン酸化膜で形成することにより、層間絶縁膜とその上に形成される酸化膜層とが同一の屈折率を有することになり、マイクロレンズを通して入射される光は異常な屈折や反射を受けることが少なくなり、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを少なくして、効率的に光を光電変換素子に到達させることができる。
【００１７】
さらに、本発明において、前記層間絶縁膜は、多層構造であることを特徴とするものである。
【００１８】
このような構成によれば、多層構造となるほど、開口部を通して光を通過させるところが狭くて縦に長い構造となるが、屈折や反射の少ない光路が形成されているために、光を効率的に光電変換素子に集光させることができる。
【００１９】
さらに、本発明において、前記開口部の面積は，フォトダイオードの面積よりも広いことを特徴とするものである。
【００２０】
このような構成によれば、開口部の面積をフォトダイオードの面積よりも広くすることにより、斜め方向の光をも捕捉可能となり集光効率が改善できる。また、マイクロレンズをより大きくして集光する場合に、遮光部分によって光が蹴られるのを防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の固体撮像装置を示す断面図である。図１は２次元状に配列された複数の画素のうちの１つの画素に相当する部分の断面図となっている。
【００２２】
図１において、Ｐ形シリコンの基板１のウェル内に、画素に対応する光電変換素子としてのフォトダイオード２と、光電変換で生じた電荷を検出するためのＭＯＳトランジスタ３とが互いに隣接するように形状されている。
【００２３】
基板１上には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で形成される層間絶縁膜４と、前記フォトダイオード２に光を入射する開口部５を有した遮光膜６と、前記遮光膜６を覆い且つ前記開口部５を充填するシリコン酸化膜であってその表面がほぼ平坦化された酸化膜７と、腐食防止のためのパッシベーション膜としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ又はＳｉ３Ｎ４）８と、例えばアクリル樹脂で形成される平坦化膜９と、カラーフィルタ１０と、平坦化膜９と同様にアクリル樹脂などで形成される平坦化膜１１と、フォトダイオード２の受光面に集光するためのマイクロレンズ１２と、をこの順序で積層している。
【００２４】
遮光膜６の下端面とＭＯＳトランジスタ３のウェル表面の間には開孔が形成され、その開孔に埋め込んだタングステンなどのコンタクト１３にて遮光膜６とＭＯＳトランジスタ３とが電気的に接続されている。なお、遮光膜６は配線層を兼用している。
【００２５】
層間絶縁膜４は、基板１に形成されたフォトダイオード２の受光面及びＭＯＳトランジスタ３を覆うように例えばシリコン酸化膜にて形成されている。
【００２６】
遮光膜６は、フォトダイオード２以外の領域に入射する光を遮蔽する膜であり、ＭＯＳトランジスタ３をほぼ被覆し、且つ、フォトダイオード２に対応する部分に開口部５を有している。遮光膜６は、例えばアルミなどの金属膜で形成されていて所謂メタル層を形成しており、配線層と兼用して用いられる。遮光膜６上には、酸化膜７が形成されている。
【００２７】
酸化膜７は、例えばシリコン酸化膜にて形成されていて、遮光膜６を覆い、且つ遮光膜６の形成されていない開口部５を充填するもので、その表面がほぼ平坦化される。前記層間絶縁膜４と前記酸化膜７を同じ屈折率のシリコン酸化膜で形成することにより、入射する光の屈折を少なくしてフォトダイオード２への集光性を上げることができる。
【００２８】
表面が平坦化された酸化膜７上には、パッシベーション層としてのシリコン窒化膜８が平坦に形成されている。パッシベーション層は腐食等を防ぐための絶縁層である。これまでは、シリコン窒化膜８は、図５の例に示すように最上部の配線層を兼ねる遮光膜６の上に形成され、遮光膜６の開口部分の凸凹に応じて凸凹に形成されていたが，凸凹ゆえに特に凹の側面８ａの厚さを確保するためにも、気相成長法による成長を確保するために膜厚を厚くしていた。
【００２９】
本実施形態では、酸化膜７で予め開口部を充填し平坦化しているために、その上に形成されるシリコン窒化膜８を薄くすることが可能になった。なお、シリコン窒化膜８は光の透過率が７０％程度であり、光量確保の点から出来るだけ薄くすることが好ましい。
【００３０】
そして、シリコン窒化膜８の上には平坦化膜９を介してカラーフィルタ１０が配置される。フィルタ１０はＲ，Ｇ，Ｂ色光のいずれかを透過する。フィルタ１０には平坦化膜１１を介してマイクロレンズ１２が形成されており、マイクロレンズ１２によって、入射光は、フィルタ１０及び開口部５を通してフォトダイオード２に集光するようになっている。
【００３１】
平坦化膜９，１１は、下地の凸凹を改善して平坦化することが本来の目的である。さらに、カラーフィルタ１０やマイクロレンズ１２を直接金属化合物の上に形成すると、所謂乗りが悪いために密着性を良くするために実装する目的もある。平坦化膜９，１１のそれぞれの厚さは、１．４μｍとしてある。平坦化膜９，１１を薄くするためには，アクリルなどの樹脂を均一に薄く乗せる装置を用いて行う。
【００３２】
各物質の屈折率は、シリコンＳｉが４．０、シリコン酸化膜ＳｉＯ２が１．６、シリコン窒化膜ＳｉＮ（又はＳｉ３Ｎ４）が２．０、平坦化膜が約１．６、カラーフィルタが約１．７、平坦化膜が約１．６、マイクロレンスが約１．６である。 なお、シリコン窒化膜８が平坦に形成されることで、カラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を無くした構成とすることが可能である。
【００３３】
図２は本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示すものである。密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図１の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成としたものである。それ以外の構成は図１と同様であるので説明を省略する。図２では，密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図１の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成とすることで，マイクロレンズからセンサ面までの層の厚さを薄くする事が可能である。この結果マイクロレンズを通して光を集めるための集光路が確保しやすくなり，結果集光率を高める事を可能としたものである。
【００３４】
以上述べた第１，第２の実施形態の構成によれば、酸化膜７で遮光膜６を覆い且つその開口部５を充填すると共に該酸化膜７の表面を平坦化する構成としたので、開口部の存在に起因した凸凹が酸化膜７によって平坦化され、その平坦化面に形成される腐食防止用のシリコン窒化膜８も平坦化される。
【００３５】
その結果、これまでの異常屈折の原因となっていたシリコン窒化膜の凸凹が無くなり、異常屈折（反射を含む）が無くなり、隣接画素への光の漏れ込みを防止することができる。また，開口部の存在に起因した凸凹が酸化膜７によって平坦化されたことで，腐食等を防ぐための絶縁層であるシリコン窒化膜８を薄くすることが可能になり，シリコン窒化膜８で減衰される光の透過量を確保することができる。
【００３６】
さらに、層間絶縁膜４と酸化膜７をシリコン酸化膜で形成することにより、層間絶縁膜４とその上に形成される酸化膜層７とが同一の屈折率を有することになり、マイクロレンズ１２を通して入射される光は異常な屈折や反射を受けることが少なくなり、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを少なくして、効率的に光を光電変換素子であるフォトダイオード２へ到達させることができる。
【００３７】
図３は本発明の第３の実施形態の固体撮像装置を示す断面図である。本実施形態は、遮光膜としての機能も有する配線層、及び層間絶縁膜を多層構造とした実施形態である。
【００３８】
図３の構造では、図１の構成に加えて、基板１と遮光膜６との間に、遮光膜としての機能も有する配線層１４，１５を配し、層間絶縁膜として層間絶縁膜４の上に、層間絶縁膜１６，１７を配した多層構造としている。また、配線層１４の下端面と基板１上のＭＯＳトランジスタとの間はコンタクト１８で接続され、配線層１５の下端面と配線層１４の上端面との間はコンタクト１９で接続されている。遮光膜６を最上層の配線層とすると、配線層１４，１５とでメタル３層構造となっている。
【００３９】
この第３の実施形態の場合にも、遮光膜６より上層の、酸化膜７、シリコン窒化膜８、平坦化膜９、カラーフィルタ１０、平坦化膜１１、マイクロレンズ１２は図１の実施形態と同様の構成である。また、第２の実施形態と同様に、密着性の良いカラーフィルタ１０を用いることにより、図３の構成からカラーフィルタ１０の下地となる平坦化膜９を削除した構成としてもよい。
【００４０】
図３の構成で、層間絶縁膜４，１６，１７、酸化膜７の遮光膜開口部分及び酸化膜７の遮光膜被覆部分、遮光膜６、並びにシリコン窒化膜８の各膜厚は、例えば、層間絶縁膜４，１６，１７の各膜厚ａ，ｂ，ｃがそれぞれ８００，１５００，１５００ｎｍであり、酸化膜７の遮光膜開口部分の膜厚ｄが１３００ｎｍ、酸化膜７の遮光膜被覆部分の膜厚ｆが５００ｎｍ、遮光膜６の膜厚ｅが８００ｎｍ、シリコン窒化膜８の膜厚ｇが２００ｎｍである。
【００４１】
次に、各画素を構成するフォトダイオード２と開口部５との位置関係について説明する。
固体撮像装置の各フォトダイオード２の上には通常開口部５を用意し、それ以外の領域を遮光する構造となっている。開口部の平面形状としては、円形、正方形、長方形、正多角形（６角形，８角形，１２角形など）があるが、８角形は４５°の角度の部分ができるので、半導体製造用のフォトマスクが製作し易い。図４に遮光膜６に形成される８角形の開口部５の平面図を示している。
【００４２】
そして、集光効率を改善するには、
第１に、開口部５の中心がフォトダイオード２の中心の上に来るようにすることにより、マイクロレンズも含めた集光効率が改善できる。
【００４３】
第２に、開口部５の面積をフォトダイオード２の面積よりも広くすることにより、斜め方向の光をも捕捉可能となり集光効率が改善できる。また、マイクロレンズをより大きくして集光する場合に、遮光部分によって光が蹴られるのを防止できる。
【００４４】
図５は現在使用されている固体撮像装置の構成を示している。
図５の構成は、最上部の配線層６に設けた開口部５のためメタルの有無で凸凹が形成され、さらにその表面に腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）８を形成している。このために、シリコン窒化膜８の表面は凸凹になっている。さらに、その凸凹のあるシリコン窒化膜８の表面にアクリル樹脂などによる平坦化膜９を形成した後、カラーフィルタ１０を載せ、該フィルタ１０上に平坦化膜１１を介してマイクロレンズ１２を配した構造となっている。最上部の配線層６より下の層は、層間絶縁膜４，１６，１７及びその間の配線層１４，１５が多層に構成されており、図３の多層構造と同様である。
【００４５】
シリコン窒化膜８は、図５に示すように最上部の配線層を兼ねる遮光膜６上に形成されており、遮光膜６の開口部分の凸凹に応じて凸凹に形成されている。凸凹ゆえに特に凹の側面８ａの厚さを確保するためにも、気相成長法による成長を確保するために膜厚が全体的に厚くなっている。
【００４６】
一方、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）は屈折率が２．０とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の屈折率１．６に比して高い。このため、フォトダイオード２に入射する光線が凸凹のある部分、特に凸凹の肩から谷にかけての部分で異常屈折して意図しない方向に拡散してしまい、隣接画素へ侵入するものがある。このように隣接画素への漏れが生ずるのは、凸凹の肩から谷にかけての部分、すなわち、凹の側面８ａつまり垂直部分でもシリコン窒化膜８の厚みが厚くなるので、この垂直膜８ａにおいて図示矢印の光線に示すように異常な屈折（反射も含む）を生ずることに起因している。実験によると、入射してきた光の量を１００％とすると、１００％の光に対して１０％位の光が隣接画素へ漏れてしまう。従って、隣接画素への光漏れを防ぐことは集光効率を上げるのに大きく寄与するものである。
【００４７】
また腐食防止に必要なパッシベーション層としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合に凸凹が多いと気相成長法による成長を確保するために膜厚が全体的に厚くしなければならないが，このために透過率の低いシリコン窒化膜（ＳｉＮ）によって透過する光量が低くなってしまう。この凸凹を平坦化することでシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層を薄くする事で集光効率を上げるのに大きく寄与するものである。
【００４８】
尚、本発明は、ＣＭＯＳセンサに限らずＣＣＤセンサにおいても適用することができる。
【００４９】
以上述べたように本発明によれば、異常屈折による隣接画素への光の漏れ込みを防止し、集光率の向上を図ることが可能となる。
【００５０】
本発明は、以上述べた実施形態に限るものではなく、本発明の要旨を変えない範囲で各実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図４】遮光膜に形成される開口部の一例を示す平面図。
【図５】固体撮像装置の問題点を説明する断面図。
【符号の説明】
１…基板、２…フォトダイオード（光電変換素子）、３…ＭＯＳトランジスタ、４，１６，１７…層間絶縁膜、５…開口部、６…遮光膜（配線層）、７…酸化膜（シリコン酸化膜）、８…シリコン窒化膜（パッシベーション膜）、９，１１…平坦化膜、１０…カラーフィルタ、１２…マイクロレンズ、１４，１５…配線層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device capable of preventing light from leaking into adjacent pixels.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in an area sensor in which pixels are two-dimensionally arranged such as a CMOS sensor or a CCD sensor, the size of the pixels has been reduced in order to reduce the size and increase the resolution. Accordingly, there is a tendency that the light-collecting efficiency of each pixel decreases and the influence of light leakage to adjacent pixels increases.
[0003]
2. Description of the Related Art A conventional solid-state imaging device has a structure in which an opening is provided above a photodiode constituting each pixel, and the other portions are shielded from light (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-189440 A (pages 1-3, FIG. 1-4)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the CMOS sensor, in order to efficiently perform signal wiring with miniaturization of pixels, a wiring layer has a multilayer structure, an interlayer insulating film is disposed therebetween, and the wiring layer also serves as a light shielding film, and an interlayer insulating film is used. An opening is formed in the insulating film at a position corresponding to the position above the photodiode, and a light-shielding film is formed elsewhere. Therefore, as the pixel becomes finer and has a multilayer structure, the portion through which light passes becomes narrower and longer vertically, so that light hardly passes through and light is hardly collected.
[0006]
In addition, in the case of the conventional CMOS process, since the opening is provided in the uppermost wiring layer (referred to as a top metal), irregularities are formed depending on the presence or absence of metal, and the surface thereof is used as a passivation layer required for corrosion prevention. Since the silicon nitride film (SiN) is formed, the surface of the silicon nitride film is uneven. Further, after a flattening layer made of acrylic resin or the like is formed on the surface of the uneven silicon nitride film, a color filter is placed, and a micro lens is arranged on the filter.
[0007]
However, the refractive index of the silicon nitride film (SiN) is 2.0, which is higher than that of the silicon oxide film (SiO 2). For this reason, there has been a problem that a light ray incident on the photodiode is abnormally refracted at an uneven portion, particularly at an uneven shoulder to a valley, and diffuses in an unintended direction. This was caused by abnormal refraction (including reflection) in the vertical film because the thickness of the silicon nitride film in the vertical direction in the portion from the uneven shoulder to the valley was increased.
[0008]
The silicon nitride film (SiN) is formed for the purpose of protection against corrosion of semiconductor circuits. It is necessary to cover the surface with a silicon nitride film (SiN) layer having a certain thickness or more. For this reason, there is a problem that the amount of incident light is reduced by increasing the thickness of the silicon nitride film (SiN) layer having a low transmittance.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a solid-state imaging device capable of preventing light from leaking into adjacent pixels due to extraordinary refraction and improving the light collection rate. I do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A solid-state imaging device according to the present invention has an interlayer insulating film and a plurality of openings for guiding light to the plurality of photoelectric conversion elements on a substrate on which a plurality of photoelectric conversion elements are provided corresponding to a plurality of pixels. A light-shielding film, a silicon oxide film covering the light-shielding film and filling the opening and having a substantially flat surface, a silicon nitride film, a color filter, a flattening film, and a microlens. Are stacked in this order.
[0011]
According to such a configuration of the present invention, the light shielding film is covered with the silicon oxide film, the opening is filled, and the surface of the silicon oxide film is flattened. The irregularities formed are flattened by the silicon oxide film, and the silicon nitride film for corrosion prevention formed on the flattened surface is also flattened. Further, by covering the flattened surface, the thickness of the silicon oxide film can be reduced.
[0012]
As a result, unevenness of the silicon nitride film, which has caused the conventional extraordinary refraction, is eliminated, extraordinary refraction (including reflection) is eliminated, and light is prevented from leaking into adjacent pixels, and the amount of transmitted light is secured. Can be.
[0013]
Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, a flattening film is further formed between the silicon nitride film and the color filter.
[0014]
According to such a configuration of the present invention, the same effect as the above-described invention can be obtained, and a color filter is bonded after forming a flattening film such as an acrylic resin between the silicon nitride film and the color filter. Therefore, the bonding property between the silicon nitride film and the color filter can be improved.
[0015]
Further, in the present invention, it is preferable that the interlayer insulating film is a silicon oxide film having the same light refractive index as the oxide film.
[0016]
According to such a configuration, since the interlayer insulating film is formed of the silicon oxide film, the interlayer insulating film and the oxide film layer formed thereon have the same refractive index, and the light enters through the microlens. The refracted light is less likely to undergo abnormal refraction or reflection, so that light leakage to adjacent pixels due to extraordinary refraction is reduced, and light can efficiently reach the photoelectric conversion element.
[0017]
Further, in the present invention, the interlayer insulating film has a multilayer structure.
[0018]
According to such a configuration, as the multilayer structure becomes, the place where light passes through the opening becomes narrower and longer vertically, but the light path is formed with less refraction and reflection, so that light can be efficiently transmitted. Light can be collected on the photoelectric conversion element.
[0019]
Further, in the present invention, the area of the opening is larger than the area of the photodiode.
[0020]
According to such a configuration, by making the area of the opening larger than the area of the photodiode, light in oblique directions can be captured, and the light collection efficiency can be improved. Further, in the case where light is condensed by making the microlens larger, light can be prevented from being kicked by the light shielding portion.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of a part corresponding to one pixel among a plurality of pixels arranged two-dimensionally.
[0022]
In FIG. 1, in a well of a P-type silicon substrate 1, a photodiode 2 as a photoelectric conversion element corresponding to a pixel and a MOS transistor 3 for detecting a charge generated by photoelectric conversion are adjacent to each other. It is shaped.
[0023]
On the substrate 1, an interlayer insulating film 4 formed of, for example, a silicon oxide film (SiO 2), a light-shielding film 6 having an opening 5 for allowing light to enter the photodiode 2, An oxide film 7 filling the opening 5 and having a substantially planarized surface, a silicon nitride film (SiN or Si3N4) 8 as a passivation film for preventing corrosion, and an acrylic resin, for example. A flattening film 9 to be formed, a color filter 10, a flattening film 11 made of an acrylic resin or the like like the flattening film 9, and a microlens 12 for condensing light on the light receiving surface of the photodiode 2. , Are stacked in this order.
[0024]
An opening is formed between the lower end surface of the light-shielding film 6 and the well surface of the MOS transistor 3, and the light-shielding film 6 and the MOS transistor 3 are electrically connected by a contact 13 made of tungsten or the like embedded in the opening. ing. The light-shielding film 6 also serves as a wiring layer.
[0025]
The interlayer insulating film 4 is formed of, for example, a silicon oxide film so as to cover the light receiving surface of the photodiode 2 formed on the substrate 1 and the MOS transistor 3.
[0026]
The light-shielding film 6 is a film that blocks light incident on a region other than the photodiode 2, substantially covers the MOS transistor 3, and has an opening 5 in a portion corresponding to the photodiode 2. The light-shielding film 6 is formed of, for example, a metal film such as aluminum and forms a so-called metal layer, and is used also as a wiring layer. An oxide film 7 is formed on the light shielding film 6.
[0027]
The oxide film 7 is formed of, for example, a silicon oxide film, covers the light shielding film 6, and fills the opening 5 where the light shielding film 6 is not formed, and its surface is almost flattened. By forming the interlayer insulating film 4 and the oxide film 7 from a silicon oxide film having the same refractive index, the refraction of incident light can be reduced and the light collecting property to the photodiode 2 can be improved.
[0028]
On the flattened oxide film 7, a silicon nitride film 8 as a passivation layer is formed flat. The passivation layer is an insulating layer for preventing corrosion and the like. Until now, the silicon nitride film 8 has been formed on the light shielding film 6 also serving as the uppermost wiring layer as shown in the example of FIG. However, in order to ensure the thickness of the concave side surface 8a because of the unevenness, the film thickness is increased in order to ensure the growth by the vapor phase growth method.
[0029]
In the present embodiment, since the opening is previously filled and flattened with the oxide film 7, the silicon nitride film 8 formed thereon can be thinned. Note that the silicon nitride film 8 has a light transmittance of about 70%, and is preferably made as thin as possible from the viewpoint of securing the amount of light.
[0030]
Then, a color filter 10 is disposed on the silicon nitride film 8 via a flattening film 9. The filter 10 transmits any of the R, G, and B color lights. A microlens 12 is formed on the filter 10 with a flattening film 11 interposed therebetween. The microlens 12 allows incident light to converge on the photodiode 2 through the filter 10 and the opening 5.
[0031]
The original purpose of the flattening films 9 and 11 is to improve the unevenness of the base and to flatten it. Further, when the color filter 10 and the microlens 12 are formed directly on the metal compound, there is also a purpose of mounting the color filter 10 and the microlens 12 in order to improve the adhesion due to poor so-called riding. The thickness of each of the planarizing films 9 and 11 is set to 1.4 μm. In order to reduce the thickness of the planarization films 9 and 11, a device such as an acrylic resin is used to uniformly and thinly apply the resin.
[0032]
The refractive index of each substance is 4.0 for silicon Si, 1.6 for silicon oxide film SiO2, 2.0 for silicon nitride film SiN (or Si3N4), about 1.6 for flattening film, and about 1 for color filter. .7, the flattening film is about 1.6, and the microlens is about 1.6. In addition, since the silicon nitride film 8 is formed flat, it is possible to adopt a configuration in which the flattening film 9 serving as a base of the color filter 10 is eliminated.
[0033]
FIG. 2 shows a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. By using the color filter 10 having good adhesion, the structure shown in FIG. 1 is obtained by removing the flattening film 9 serving as the base of the color filter 10. Other configurations are the same as those in FIG. In FIG. 2, by using a color filter 10 having good adhesion, a configuration in which the flattening film 9 serving as a base of the color filter 10 is removed from the configuration of FIG. It is possible to reduce the thickness. As a result, a light-collecting path for collecting light through the microlens can be easily secured, and as a result, the light-collecting rate can be increased.
[0034]
According to the configurations of the first and second embodiments described above, the light shielding film 6 is covered with the oxide film 7 and the opening 5 is filled, and the surface of the oxide film 7 is flattened. The unevenness due to the presence of the opening is flattened by the oxide film 7, and the silicon nitride film 8 for corrosion prevention formed on the flattened surface is also flattened.
[0035]
As a result, unevenness of the silicon nitride film, which has been the cause of the extraordinary refraction, is eliminated, extraordinary refraction (including reflection) is eliminated, and light leakage to adjacent pixels can be prevented. Further, since the unevenness caused by the presence of the opening is flattened by the oxide film 7, the silicon nitride film 8, which is an insulating layer for preventing corrosion or the like, can be thinned. The transmission amount of the light to be attenuated can be secured.
[0036]
Further, since the interlayer insulating film 4 and the oxide film 7 are formed of a silicon oxide film, the interlayer insulating film 4 and the oxide film layer 7 formed thereon have the same refractive index. Incident on the photodiode 2 is less susceptible to abnormal refraction and reflection, so that light leaks into adjacent pixels due to extraordinary refraction is reduced, and light efficiently reaches the photodiode 2 as a photoelectric conversion element. be able to.
[0037]
FIG. 3 is a sectional view showing a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention. This embodiment is an embodiment in which a wiring layer also functioning as a light shielding film and an interlayer insulating film have a multilayer structure.
[0038]
In the structure of FIG. 3, in addition to the configuration of FIG. 1, wiring layers 14 and 15 also functioning as a light-shielding film are arranged between the substrate 1 and the light-shielding film 6, and the interlayer insulating film 4 is formed as an interlayer insulating film. It has a multilayer structure in which interlayer insulating films 16 and 17 are disposed thereon. A contact 18 connects between the lower end surface of the wiring layer 14 and the MOS transistor on the substrate 1, and a contact 19 connects between the lower end surface of the wiring layer 15 and the upper end surface of the wiring layer 14. When the light-shielding film 6 is the uppermost wiring layer, the wiring layers 14 and 15 have a three-layer metal structure.
[0039]
Also in the case of the third embodiment, the oxide film 7, the silicon nitride film 8, the flattening film 9, the color filter 10, the flattening film 11, and the microlenses 12 above the light shielding film 6 are the same as those in the embodiment shown in FIG. This is the same configuration as. Further, as in the second embodiment, a configuration may be employed in which the flattening film 9 serving as the base of the color filter 10 is removed from the configuration of FIG.
[0040]
In the configuration shown in FIG. 3, the thicknesses of the interlayer insulating films 4, 16, and 17, the light-shielding film openings of the oxide film 7, the light-shielding film-covered portions of the oxide film 7, the light-shielding film 6, and the silicon nitride film 8 are, for example, The film thicknesses a, b, and c of the interlayer insulating films 4, 16, and 17 are 800, 1500, and 1500 nm, respectively, the film thickness d of the light-shielding film opening portion of the oxide film 7 is 1300 nm, and the light-shielding film-covered portion of the oxide film 7 Is 500 nm, the thickness e of the light shielding film 6 is 800 nm, and the thickness g of the silicon nitride film 8 is 200 nm.
[0041]
Next, the positional relationship between the photodiode 2 and the opening 5 constituting each pixel will be described.
An opening 5 is usually provided on each photodiode 2 of the solid-state imaging device, and the other area is shielded from light. Examples of the planar shape of the opening include a circle, a square, a rectangle, and a regular polygon (a hexagon, an octagon, a dodecagon, and the like). The mask is easy to manufacture. FIG. 4 shows a plan view of the octagonal opening 5 formed in the light shielding film 6.
[0042]
And to improve the light collection efficiency,
First, by setting the center of the opening 5 above the center of the photodiode 2, the light collection efficiency including the microlenses can be improved.
[0043]
Second, by making the area of the opening 5 larger than the area of the photodiode 2, light in an oblique direction can be captured, and the light collection efficiency can be improved. In addition, when condensing light with a larger microlens, light can be prevented from being kicked by the light-shielding portion.
[0044]
FIG. 5 shows the configuration of a currently used solid-state imaging device.
In the configuration shown in FIG. 5, unevenness is formed due to the presence or absence of metal due to the opening 5 provided in the uppermost wiring layer 6, and a silicon nitride film (SiN) 8 as a passivation layer necessary for corrosion prevention is formed on the surface. Has formed. For this reason, the surface of the silicon nitride film 8 is uneven. Further, after a flattening film 9 made of acrylic resin or the like is formed on the surface of the uneven silicon nitride film 8, a color filter 10 is mounted, and a microlens 12 is arranged on the filter 10 with a flattening film 11 interposed therebetween. It has a structure. The layers below the uppermost wiring layer 6 are composed of multiple layers of interlayer insulating films 4, 16, 17 and wiring layers 14, 15 therebetween, which is the same as the multilayer structure of FIG.
[0045]
As shown in FIG. 5, the silicon nitride film 8 is formed on the light-shielding film 6 also serving as the uppermost wiring layer, and is formed unevenly in accordance with the unevenness of the opening of the light-shielding film 6. Because of the unevenness, the thickness of the entire film is increased in order to secure the thickness of the concave side surface 8a, and in order to secure the growth by the vapor phase growth method.
[0046]
On the other hand, the silicon nitride film (SiN) has a refractive index of 2.0, which is higher than the refractive index of the silicon oxide film (SiO 2) of 1.6. For this reason, light rays incident on the photodiode 2 may be abnormally refracted at irregular portions, particularly at portions between the shoulders and valleys of the irregularities and diffuse in unintended directions, and may enter adjacent pixels. As described above, the leakage to the adjacent pixels occurs because the silicon nitride film 8 becomes thick even in the portion from the uneven shoulder to the valley, that is, the concave side surface 8a, that is, the vertical portion. This causes abnormal refraction (including reflection) as shown in FIG. According to an experiment, assuming that the amount of incident light is 100%, about 10% of the light leaks to adjacent pixels with respect to 100% of the light. Therefore, preventing light from leaking to adjacent pixels greatly contributes to increasing the light collection efficiency.
[0047]
Also, when forming a silicon nitride film (SiN) as a passivation layer necessary for corrosion prevention, if there are many irregularities, the film thickness must be increased as a whole in order to secure the growth by the vapor phase growth method. Therefore, the amount of transmitted light is reduced by the silicon nitride film (SiN) having a low transmittance. By flattening the unevenness, the silicon nitride film (SiN) layer is made thinner, which greatly contributes to increasing the light collection efficiency.
[0048]
The present invention can be applied not only to a CMOS sensor but also to a CCD sensor.
[0049]
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent light from leaking into adjacent pixels due to extraordinary refraction, and to improve the light collection rate.
[0050]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented by appropriately changing the embodiments without departing from the spirit of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing an example of an opening formed in a light shielding film.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a problem of the solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Photodiode (photoelectric conversion element), 3 ... MOS transistor, 4, 16, 17 ... Interlayer insulating film, 5 ... Opening, 6 ... Light shielding film (wiring layer), 7 ... Oxide film (silicon oxide) 8, silicon nitride film (passivation film), 9, 11 flattening film, 10 color filter, 12 microlens, 14, 15 wiring layer
