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JP2011061133A - Semiconductor image sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor image sensor and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2011061133A
JP2011061133A JP2009211620A JP2009211620A JP2011061133A JP 2011061133 A JP2011061133 A JP 2011061133A JP 2009211620 A JP2009211620 A JP 2009211620A JP 2009211620 A JP2009211620 A JP 2009211620A JP 2011061133 A JP2011061133 A JP 2011061133A
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JP
Japan
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optical element
refractive index
light
image sensor
semiconductor image
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Application number
JP2009211620A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Motoyoshi
真 元吉
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ZyCube Co Ltd
Original Assignee
ZyCube Co Ltd
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Publication date
Application filed by ZyCube Co Ltd filed Critical ZyCube Co Ltd
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

【課題】
光の全反射のみを利用した画素構成では、全反射面の角度が重要な設計要因となり、半導体イメージセンサの他の特性との両立が困難であった。また、光の入射角によっては全反射が実現されず、隣接画素へ光が漏れ込むことによる光感度低下や分解能劣化を誘起していた。
【解決手段】
感光素子11の上部に窪みを形成し、この内部に絶縁材料を充填して光学要素19を形成する。光学要素19は第1の材料と第2の材料とから構成されており、該光学要素の中央領域では第2の材料が、該光学要素内の周辺領域では第1の材料が、それぞれ主成分となり、屈折率分布を実現している。入射光25はカラーフィルタ20を通過した後、該光学要素内で屈折したり、側壁で全反射してから感光素子11へ到達する。
【選択図】図1
【Task】
In a pixel configuration using only total reflection of light, the angle of the total reflection surface is an important design factor, and it is difficult to achieve compatibility with other characteristics of the semiconductor image sensor. Further, total reflection is not realized depending on the incident angle of light, and light sensitivity is lowered and resolution is deteriorated due to light leaking to adjacent pixels.
[Solution]
A recess is formed in the upper part of the photosensitive element 11, and an optical material 19 is formed by filling the inside with an insulating material. The optical element 19 is composed of a first material and a second material, and the second material is the main component in the central region of the optical element, and the first material is the main component in the peripheral region in the optical element. Thus, the refractive index distribution is realized. After the incident light 25 passes through the color filter 20, it is refracted in the optical element or totally reflected by the side wall and then reaches the photosensitive element 11.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体イメージセンサの画素構成に関するものである。   The present invention relates to a pixel configuration of a semiconductor image sensor.

半導体イメージセンサは半導体技術の進歩を背景として多画素化・小型化が進み、多くの画像入力装置に広範に搭載されるようになった。中でも、デジタルカメラや携帯電話では、画像記録やスキャナとしての応用が急速に広がった。これらの応用分野では、半導体イメージセンサへのさらなる多画素化や小型化への要求が強く、画素構成の改良が種々行われてきた。中でも、各画素に集光用のマイクロレンズを搭載する構成は広く普及している。かかるマイクロレンズの一例としては、透明樹脂をウェーハ全面に塗布し、画素の感光素子領域のみを残してから、高温雰囲気中で当該樹脂を変形させ凸レンズ形状を形成することにより作成される。マイクロレンズの集光作用により、画素内の感光素子領域外へ入射する光も感光素子へ導くことが可能となり、イメージセンサの感度向上が達成されるようになった。多画素化や小型化では、画素面積に対する感光素子領域の面積比(いわゆる開口比)が小さくなりがちであり、マイクロレンズの搭載は有効な設計手法として多用されるに至っている。   Semiconductor image sensors have become increasingly widespread in many image input devices due to advances in the number of pixels and miniaturization due to advances in semiconductor technology. In particular, digital cameras and mobile phones have rapidly expanded their application as image recording and scanners. In these application fields, there is a strong demand for further increase in the number of pixels and miniaturization of the semiconductor image sensor, and various improvements in the pixel configuration have been made. Among these, a configuration in which a condensing microlens is mounted on each pixel is widely used. As an example of such a microlens, a transparent resin is applied to the entire surface of the wafer, leaving only the photosensitive element region of the pixel, and then deforming the resin in a high temperature atmosphere to form a convex lens shape. Due to the light condensing action of the microlens, it is possible to guide light incident outside the photosensitive element region in the pixel to the photosensitive element, and the sensitivity of the image sensor is improved. With the increase in the number of pixels and the reduction in size, the area ratio of the photosensitive element region to the pixel area (so-called aperture ratio) tends to be small, and mounting of microlenses has been frequently used as an effective design technique.

しかしながら、マイクロレンズを搭載することにより、イメージセンサ表面は平坦でなくなるため、ゴミや汚れが付着しやすくなり、組立工程での格別な注意が必須となっている。また、マイクロレンズを搭載しても、センサ中央部の画素と周辺部の画素とでは、光の入射状況が異なるので、撮像画面内での明るさや光感度のムラが発生するとされていた。   However, since the surface of the image sensor is not flat when the microlens is mounted, dust and dirt are liable to adhere, and special attention is required in the assembly process. Moreover, even if the microlens is mounted, the incident state of light is different between the pixel in the central part of the sensor and the pixel in the peripheral part, so that unevenness in brightness and photosensitivity occurs in the imaging screen.

このような課題を解決するために、下記引用特許文献1では、マイクロレンズ代替として、光の全反射を利用する画素構成法が提案されている。   In order to solve such a problem, the following cited patent document 1 proposes a pixel configuration method that uses total reflection of light as an alternative to a microlens.

図18は特許文献1に記載されている画素構成例である。同図において、カラーフィルタを通過した入射光線は、全反射面1で反射され、受光部2へ到達する。透明材料部3と、低屈折率部分4との材料を適宜選択することにより、屈折率差を利用した全反射現象が実現される。   FIG. 18 shows a pixel configuration example described in Patent Document 1. In the figure, the incident light beam that has passed through the color filter is reflected by the total reflection surface 1 and reaches the light receiving unit 2. By selecting materials for the transparent material portion 3 and the low refractive index portion 4 as appropriate, a total reflection phenomenon using a refractive index difference is realized.

特開平5−235313号公報JP-A-5-235313

引用特許文献1では、当該全反射面が「酸化シリコンや窒化シリコンなどの固体材料」と「真空や空気などの気体材料」との界面で構成されていることが具体的に例示されている。しかしながら、これらの組合せを実際の半導体イメージセンサで具現化することは難しい。特に、図18に引用した構成では4の部分を中空状態で形成することになり、全反射面1の表面(4側の面)を光学的に平坦化することは困難である。   In Patent Document 1, it is specifically exemplified that the total reflection surface is constituted by an interface between “a solid material such as silicon oxide and silicon nitride” and “a gas material such as vacuum and air”. However, it is difficult to implement these combinations with an actual semiconductor image sensor. In particular, in the configuration cited in FIG. 18, the portion 4 is formed in a hollow state, and it is difficult to optically flatten the surface of the total reflection surface 1 (surface on the 4 side).

さらに、引用特許文献1では全反射を実現するため、全反射面1が垂直方向となす角度を「26.5度」にすることが示されている。しかしながら、半導体イメージセンサの設計では、この角度を他の構造要因から独立して設定することは一般的ではない。周知の半導体製造プロセスがもたらす垂直・水平方向の寸法への制限、入射光に対する出力電気信号の大きさ、画素内で占める受光部の面積比など、前記した角度は多くの設計要項との関連において決定される。すなわち、「26.5度」の角度が実現できないと、引用特許の効果は低減することになる。   Furthermore, cited patent document 1 shows that the angle formed by the total reflection surface 1 and the vertical direction is “26.5 degrees” in order to realize total reflection. However, in the design of a semiconductor image sensor, it is not common to set this angle independently of other structural factors. The above-mentioned angles are related to many design requirements, such as limitations on vertical and horizontal dimensions caused by known semiconductor manufacturing processes, the magnitude of the output electric signal with respect to incident light, and the area ratio of the light receiving portion occupied in the pixel. It is determined. That is, if the angle of “26.5 degrees” cannot be realized, the effect of the cited patent will be reduced.

前項で記したように、前記全反射面の角度が「26.5度」よりも大きな値である場合には、屈折率差に起因する全反射が起こらず、入射光の一部は前記4の領域へ入りこむ。この光成分は、該当する画素での光電変換に寄与できないことによる光感度の低下や、隣接画素で光電変換されてしまうことによる分解能の低下といった半導体イメージセンサの特性劣化を誘起する。   As described in the previous section, when the angle of the total reflection surface is larger than “26.5 degrees”, total reflection due to the difference in refractive index does not occur, and a part of the incident light is 4 Enter into the area. This light component induces deterioration of the characteristics of the semiconductor image sensor such as a decrease in photosensitivity due to failure to contribute to photoelectric conversion in the corresponding pixel and a decrease in resolution due to photoelectric conversion in adjacent pixels.

配列された感光素子のそれぞれの上方に集光するための透明な光学要素を設けた半導体イメージセンサであって、前記光学要素の中心領域の屈折率を、該光学要素の中心領域の外を占める周辺領域の屈折率より高くする。   A semiconductor image sensor provided with a transparent optical element for condensing light above each of the arranged photosensitive elements, wherein the refractive index of the central region of the optical element occupies outside the central region of the optical element Higher than the refractive index of the peripheral region.

前記光学要素は、屈折率の異なる少なくとも2種類の透明材料から構成され、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、屈折率を高くする材料の含有率を小さくし、かつ、屈折率を低くする材料の含有率を大きくする。   The optical element is composed of at least two kinds of transparent materials having different refractive indexes, and the content of the material that increases the refractive index is decreased and the refractive index is decreased as it goes from the central region to the peripheral region. Increase material content.

前記光学要素の一部における屈折率を、前記光学要素の一部における前記少なくとも2種類の透明材料の構成比で決定する。   A refractive index in a part of the optical element is determined by a composition ratio of the at least two kinds of transparent materials in a part of the optical element.

なお、前記光学要素内の任意の場所の屈折率は、その場所での前記透明材料の構成に依存している。例えば、前記光学要素の中心領域ではSiなどを主成分として構成されているので、この領域での屈折率はSiの屈折率(=2.0)と大略等しくなる。また、例えば、前記光学要素の周辺領域ではSiOなどを主成分として構成されているので、この領域での屈折率はSiOの屈折率(=1.5)と大略等しくなっている。さらに、例えば、前記光学要素の中心領域と周辺領域との間にある中間の領域では、SiやSiOとが混在しているので、その屈折率はそれぞれの中間の値となる。 Note that the refractive index at an arbitrary location in the optical element depends on the configuration of the transparent material at that location. For example, since the central region of the optical element is mainly composed of Si 3 N 4 or the like, the refractive index in this region is substantially equal to the refractive index (= 2.0) of Si 3 N 4 . For example, since the peripheral region of the optical element is composed mainly of SiO 2 or the like, the refractive index in this region is approximately equal to the refractive index of SiO 2 (= 1.5). Furthermore, for example, since Si 3 N 4 and SiO 2 are mixed in an intermediate region between the central region and the peripheral region of the optical element, the refractive index thereof has an intermediate value.

なお、一般に、ある屈折率を有する透明材料に、この屈折率よりも屈折率が高い透明材料を混合すると、混合された透明材料の屈折率を高められる。逆に、屈折率が低い透明材料を混合すると、混合された透明材料の屈折率を低くすることができる。例えば、SiO(屈折率が低い)にSi(屈折率が高い)を混合する場合では、Siが「屈折率を高くする材料」となる。また、逆に、SiにSiOを混合する場合では、SiOが「屈折率を低くする材料」となる。 In general, when a transparent material having a refractive index higher than this refractive index is mixed with a transparent material having a certain refractive index, the refractive index of the mixed transparent material can be increased. Conversely, when a transparent material having a low refractive index is mixed, the refractive index of the mixed transparent material can be lowered. For example, when Si 3 N 4 (high refractive index) is mixed with SiO 2 (low refractive index), Si 3 N 4 becomes a “material that increases the refractive index”. Conversely, when SiO 2 is mixed with Si 3 N 4 , SiO 2 becomes a “material that lowers the refractive index”.

なお、前記光学要素が2種類の材料で構成されている場合においては、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサであって、前記光学要素を第1の屈折率を有する第1の材料と第2の屈折率を有する第2の材料とで構成し、前記光学要素の中心領域は前記第2の材料を主成分として構成し、前記光学要素内で前記中心領域から離れた周辺領域を前記第1の材料を主成分として構成すると言い換えることができる。また、前記第1の材料の第1の屈折率を、前記第2の材料の第2の屈折率よりも小さいように構成することにより、上記した段落0010項を実現できる。   In the case where the optical element is composed of two kinds of materials, a plurality of pixels including photosensitive elements are arranged, and a transparent light-collecting function provided in an insulating layer above the photosensitive elements is provided. A semiconductor image sensor comprising an optical element, wherein the optical element is composed of a first material having a first refractive index and a second material having a second refractive index, and a central region of the optical element In other words, it can be said that the second material is the main component, and the peripheral region away from the central region in the optical element is the first material. In addition, the paragraph 0010 described above can be realized by configuring the first refractive index of the first material to be smaller than the second refractive index of the second material.

なお、前記光学要素が2種類の材料で構成されている場合においては、前記第1の材料と前記第2の材料とから構成された前記光学要素を、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記第2の材料の含有比率が単調に小さくなり、かつ、前記第1の材料の含有比率が単調に大きくなるように構成することにより、上記した段落0011項を実現できる。   In the case where the optical element is composed of two types of materials, the optical element composed of the first material and the second material is moved from the central region toward the peripheral region. The paragraph 0011 described above can be realized by configuring so that the content ratio of the second material monotonously decreases and the content ratio of the first material monotonously increases.

なお、前記光学要素の構成例として、前記第1の材料と前記第2の材料とで構成されている場合には、これら2つの材料の含有率の合計は100%となる。具体例を挙げて述べるならば、前記光学要素内の特定の場所において、前記第1の材料の含有率が20パーセントである場合には、前記第2の材料の含有率は80パーセントとなる。また、この特定の場所から前記光学要素の中心領域に向った第2の特定の場所では、前記第1の材料の含有率は例えば10パーセントとなり、前記第2の材料の含有率は90パーセントとなる。   Note that, as a configuration example of the optical element, when the first element and the second material are used, the total content of these two materials is 100%. For example, when the content of the first material is 20% at a specific location in the optical element, the content of the second material is 80%. In the second specific location from the specific location toward the central region of the optical element, the content of the first material is, for example, 10%, and the content of the second material is 90%. Become.

なお、上記した段落0016項において、「単調」とは、例えば「空間的位置が前記中心領域に向うに従って、含有比率の変化は増大の一方向であり、一度増大した含有率が再度減少することがない」という意味である。しかしながら、実際の半導体プロセスでは、製造過程において、プロセス条件や気相成長膜質などに若干の揺らぎが発生するのは避けられない。このため、ミクロの視点で見ると「単調」ではなく、微小な増減を繰り返しながら、全体としては増大あるいは減少していることになる。本明細書で用いた「単調」なる用語には、このような揺らぎに起因する微小な増減が含まれていても良い。   In the above paragraph 0016, “monotonic” means, for example, “the change in the content ratio is one direction of increasing as the spatial position goes to the central region, and the content rate once increased decreases again. It means "There is no". However, in an actual semiconductor process, it is inevitable that slight fluctuations occur in the process conditions and the quality of the vapor growth film during the manufacturing process. For this reason, when viewed from a micro perspective, it is not “monotonous” but increases or decreases as a whole while repeating minute increases and decreases. The term “monotonic” used in this specification may include a minute increase / decrease due to such fluctuation.

前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記光学要素は、前記屈折率の低い材料の含有率を段階的に高めることにより、該屈折率が段階的に低くなるようにする。   As the optical element moves from the central region toward the peripheral region, the refractive index of the optical element is decreased stepwise by increasing the content of the low refractive index material stepwise.

なお、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサでは、前記光学要素の構成例として前記光学要素の中心領域から、前記中心領域から離れた周辺領域に渡って複数の層を空間的に配置することもある。この場合においては、前記複数の層を構成する各層での前記材料のそれぞれの含有率を前記各層毎に変化させ、前記中心領域での前記層の屈折率が、前記周辺領域での前記層の屈折率よりも大きくなるように構成される。この場合には、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記複数の層を構成する各層の境界で、屈折率が段階的(階段状)に小さくなることになる。   In a semiconductor image sensor including a plurality of pixels including a photosensitive element and a transparent optical element having a light collecting function provided in an insulating layer above the photosensitive element, as a configuration example of the optical element A plurality of layers may be spatially arranged from a central region of the optical element to a peripheral region away from the central region. In this case, the content ratio of the material in each layer constituting the plurality of layers is changed for each of the layers, and the refractive index of the layer in the central region is set so that the refractive index of the layer in the peripheral region is It is comprised so that it may become larger than a refractive index. In this case, the refractive index decreases stepwise (stepwise) at the boundary between the layers constituting the plurality of layers as it goes from the central region to the peripheral region.

なお、上記した段落0020項での「層」についてより詳細に概説する。前記した画素内での光学要素には、中心領域から周辺領域にかけて複数の層が存在しており、特定の層は、前記したように少なくとも2つ以上の材料から構成されている。当該特定の層における、それぞれの材料の含有率は当該層ごとに決まっており、さらに、前記中心領域に近い層ほど屈折率が高くなるような含有率になっている。例えば、前記材料として、SiO、Si、Taの3つの場合について記載すると、
(1)前記光学要素の中心に位置する層:
SiOとSiの含有率=0%
Taの含有率=100%
(2)前記光学要素の中心から少し離れていて中心領域に位置する層
(例えば、前記した(1)の外側に位置する層である):
SiOとTaの含有率=0%
Siの含有率=100%
(3)前記中心領域と周辺領域の中間に位置する層:
SiOとSiの含有率=50%
Taの含有率=0%
(4)前記周辺領域で前記光学要素の最外周に位置する層:
SiOの含有率100%
SiとTaの含有率=0%
といった含有率の例が挙げられる。
The “layer” in paragraph 0020 above will be outlined in more detail. The optical element in the pixel has a plurality of layers from the central region to the peripheral region, and the specific layer is composed of at least two or more materials as described above. The content ratio of each material in the specific layer is determined for each layer, and the content ratio is such that the refractive index increases as the layer is closer to the central region. For example, when the three cases of SiO 2 , Si 3 N 4 , and Ta 2 O 5 are described as the material,
(1) A layer located in the center of the optical element:
Content ratio of SiO 2 and Si 3 N 4 = 0%
Ta 2 O 5 content = 100%
(2) A layer located in the central region slightly away from the center of the optical element
(For example, it is a layer located outside (1) described above):
Content ratio of SiO 2 and Ta 2 O 5 = 0%
Si 3 N 4 content = 100%
(3) Layer located between the central region and the peripheral region:
Content ratio of SiO 2 and Si 3 N 4 = 50%
Ta 2 O 5 content = 0%
(4) Layer located on the outermost periphery of the optical element in the peripheral region:
100% content of SiO 2
Content ratio of Si 3 N 4 and Ta 2 O 5 = 0%
Examples of such contents are given.

なお、上記した段落0020項では、前記光学要素が有限な厚さを有する複数の層で構成されていることが記載されている。この場合には、各層内での前記材料の含有率は一定であり、隣接する層との境界で含有率が段階的に変化し、即ち、屈折率が段階的に変化することが示されている。   The paragraph 0020 described above describes that the optical element is composed of a plurality of layers having a finite thickness. In this case, it is shown that the content ratio of the material in each layer is constant, and the content ratio changes stepwise at the boundary with the adjacent layer, that is, the refractive index changes stepwise. Yes.

前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記光学要素は、前記屈折率の低い材料の含有率を連続的に高めることにより、該屈折率が連続的に低くなるようにする。   As the optical element moves from the central region to the peripheral region, the optical element continuously increases the content of the low refractive index material so that the refractive index continuously decreases.

なお、上記した段落0023項は、前記光学要素が無限小の厚さを有する複数の層で構成されているような場合に対応している。このような場合には、「層」の数は無限大となり、「層」の境界を明確に規定することが困難となる。即ち、前記した含有率は特定の「層」内での値を示すのではなく、この「層」が存在する場所(光学要素内での空間的位置)での含有率の値となる。このため、中心領域から周辺領域に向かって、含有率が急激に変化することなく、連続的に変化することになる。   The paragraph 0023 described above corresponds to the case where the optical element is composed of a plurality of layers having an infinitesimal thickness. In such a case, the number of “layers” becomes infinite, and it becomes difficult to clearly define the boundaries of “layers”. That is, the above-described content rate does not indicate a value in a specific “layer”, but a content value at a location (a spatial position in the optical element) where this “layer” exists. For this reason, the content rate changes continuously from the central region toward the peripheral region without rapidly changing.

なお、前記光学要素を構成する透明な材料としては、無機材料、有機材料、ハイブリッド材料など、各種の材料を組合せて利用することができる。例えば、無機材料としては、透明な導電材料として周知のITO(酸化インジウムスズ、Sn/In)や、ATO(アンチモンスズ酸化物、Sb/SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO)、酸化タンタル(Ta)、ジルコニア(ZrO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al2O)、チタン酸バリウム(BaTiO)、水酸化アルミ(AlO(OH))などがある。これらの物質の中には、粒子径を小さくして分散させることにより透明性を確保する手法を併用する場合もあることが知られている。また、上記した金属酸化物など以外にも、酸化シリコン(SiO)、酸化窒素(Si)などの酸化物、フッ化マグネシウム(MgF)などのフッ素化合物や、鉛ガラス、各種のガラスもある。また、有機材料としては、フッ素系ポリマー(フッ素樹脂)やシリコーン系ポリマー(シリコーン樹脂)などがある。 In addition, as a transparent material which comprises the said optical element, various materials, such as an inorganic material, an organic material, and a hybrid material, can be utilized in combination. For example, as an inorganic material, ITO (indium tin oxide, Sn / In 2 O 3 ), ATO (antimony tin oxide, Sb / SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), titanium oxide, which are well known as transparent conductive materials, are used. (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), aluminum hydroxide (AlO (OH)), etc. There is. It is known that some of these substances may be used in combination with a technique for ensuring transparency by reducing the particle size and dispersing. In addition to the above metal oxides, oxides such as silicon oxide (SiO 2 ) and nitrogen oxide (Si 3 N 4 ), fluorine compounds such as magnesium fluoride (MgF 2 ), lead glass, various types There is also glass. Examples of the organic material include a fluorine-based polymer (fluorine resin) and a silicone-based polymer (silicone resin).

なお、光学要素は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル等の2種類以上の透明材料からなることが特徴である。前記光学要素が2種類の材料で構成されている場合においては、前記第1の材料は酸化シリコンを含んだ材料とし、前記第2の材料は窒化シリコンを含んだ材料とすることが一例として挙げられる。なお、「酸化シリコン」や「窒化シリコン」には異なる成分比を有する物質が存在することが知られている。一般に半導体分野で利用される材料としての「酸化シリコン」はSiOが多いが、「窒化シリコン」にはSiを代表として、SiNxと記載される物質が知られている。これらの物質は正しくは「窒化シリコン系の物質」と称されるべきであるが、本明細書では便宜上「Si」あるいは「窒化シリコン」と表記している。 The optical element is characterized by being made of two or more transparent materials such as silicon oxide, silicon nitride, and tantalum oxide. In the case where the optical element is composed of two kinds of materials, the first material may be a material containing silicon oxide, and the second material may be a material containing silicon nitride. It is done. It is known that substances having different component ratios exist in “silicon oxide” and “silicon nitride”. In general, “silicon oxide” as a material used in the semiconductor field contains a large amount of SiO 2, but “silicon nitride” is represented by a substance represented by SiNx, typically Si 3 N 4 . Although these materials should be correctly called “silicon nitride-based materials”, they are described as “Si 3 N 4 ” or “silicon nitride” in this specification for convenience.

なお、上記した段落0011項などでは、前記光学要素の材質が単一かつ一様ではなく、周辺から中央に向かって材質が変化している「傾斜材料」であることが示されている。例えば、酸化シリコンと窒化シリコンとで前記光学要素を構成する場合には、前記光学要素の中心領域では窒化シリコン比率が高く、一方、前記光学要素内の周辺領域では酸化シリコン比率が高いことが挙げられる。この状態を屈折率で表現すると、「光学要素の中心領域は周辺領域よりも屈折率が大きい」ことに対応している。   The paragraph 0011 and the like described above indicate that the material of the optical element is not single and uniform, but “graded material” in which the material changes from the periphery toward the center. For example, when the optical element is composed of silicon oxide and silicon nitride, the silicon nitride ratio is high in the central region of the optical element, while the silicon oxide ratio is high in the peripheral region in the optical element. It is done. When this state is expressed by a refractive index, it corresponds to “the central region of the optical element has a higher refractive index than the peripheral region”.

なお、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサであって、前記光学要素の大きさは、光が入射する側(上方)が大きく、前記感光素子側が小さいように構成しても良い。さらに、前記光学要素の、光が入射する側の大きさは、前記半導体イメージセンサの画素の大きさと大略等しいことが好ましい。また、前記光学要素の前記感光素子側の大きさは、前記感光素子の大きさと大略等しいか、あるいは、小さいことが好ましい。例えば、前記光学要素の代表的な形状は逆四角錐台である。   A semiconductor image sensor having a transparent optical element having a light collecting function, in which a plurality of pixels including a photosensitive element are arranged and provided in an insulating layer above the photosensitive element, the size of the optical element being The light incident side (upper side) may be large and the photosensitive element side may be small. Furthermore, it is preferable that the size of the optical element on the light incident side is substantially equal to the size of the pixel of the semiconductor image sensor. Further, it is preferable that the size of the optical element on the photosensitive element side is substantially equal to or smaller than the size of the photosensitive element. For example, the representative shape of the optical element is an inverted square frustum.

前記光学要素が、該光学要素を配置する前記半導体イメージセンサの絶縁層に接する側壁に、光を反射する層を設ける。   The optical element is provided with a layer that reflects light on a sidewall in contact with an insulating layer of the semiconductor image sensor in which the optical element is disposed.

なお、前記光を反射する層は、前記側壁全体に設けられていても良い。また、前記側壁の上部(イメージセンサへ光が入射する側の上部)にのみ設けられていても良い。   The light reflecting layer may be provided on the entire side wall. Further, it may be provided only on the upper part of the side wall (upper part on the side where light enters the image sensor).

前記感光素子の上方の絶縁層に窪みを設ける工程と、前記窪み内に屈折率の異なる少なくとも2種類の透明材料を充填して前記光学要素を形成する気相成長工程と、を含み、前記気相成長工程では、該工程初期から該工程終了期までの期間にわたり気相成長条件を変化させるような半導体イメージセンサの製造方法を採用する。   A step of providing a recess in the insulating layer above the photosensitive element, and a vapor phase growth step of filling the recess with at least two types of transparent materials having different refractive indexes to form the optical element. In the phase growth process, a semiconductor image sensor manufacturing method is adopted in which the vapor phase growth conditions are changed over the period from the initial stage of the process to the end of the process.

前記光学要素の側壁は、前記絶縁層内に設けられた前記窪みに沿って形成されるので、当該側壁の表面は光学的に平坦となる。この製造プロセスは半導体分野で多用されている技術から構成されているので、前記光学要素の製造は容易である。従って、当該側壁に凹凸がないので、光の全反射が阻害されることもなく、所望の集光効果が発揮できる。   Since the side wall of the optical element is formed along the depression provided in the insulating layer, the surface of the side wall becomes optically flat. Since this manufacturing process is composed of a technique frequently used in the semiconductor field, the optical element can be easily manufactured. Therefore, since there is no unevenness on the side wall, the desired light collecting effect can be exhibited without inhibiting the total reflection of light.

前記光学要素の屈折率分布は均一ではなく、中心領域での屈折率が、前記光学要素内の周辺領域での屈折率よりも大きくなるように製造されている。このため、前記光学要素内では、光の屈折が発生し、光は屈折率がより大きい領域に向うことになる。このため、前記光学要素の側壁での全反射することなく、光が側壁に到達する前に、前記光学要素内で中心領域に向う光成分を増加させることが可能となる。このため、従来例では、重要な画素設計要因であると同時に制約要因ともなっていた当該側壁の角度への制約が低くなり、画素設計の自由度を大幅に向上できた。この結果、複数の絶縁層の厚さ、前記光学要素の形状などが、前記半導体イメージセンサの電気的特性、光電変換特性などの改善を踏まえて決定することができるようになった。   The refractive index distribution of the optical element is not uniform, and the refractive index in the central region is manufactured to be larger than the refractive index in the peripheral region in the optical element. For this reason, light refraction occurs in the optical element, and the light is directed to a region having a higher refractive index. For this reason, it becomes possible to increase the light component toward the central region in the optical element before the light reaches the side wall without total reflection at the side wall of the optical element. For this reason, in the conventional example, the restriction on the angle of the side wall, which is an important pixel design factor and at the same time, is reduced, and the degree of freedom in pixel design can be greatly improved. As a result, the thickness of a plurality of insulating layers, the shape of the optical element, and the like can be determined based on improvements in the electrical characteristics and photoelectric conversion characteristics of the semiconductor image sensor.

本発明による半導体イメージセンサの画素構成によれば、マイクロレンズが不要になり、かつ、集光機能を有する光学要素の材料で当該イメージセンサの表面を平坦化できる利点がある。かかる平坦化により、当該イメージセンサの表面汚染が避けられ、機械的な清掃手段も採用できる利点がある。   According to the pixel configuration of the semiconductor image sensor according to the present invention, there is an advantage that a microlens is not required and the surface of the image sensor can be flattened with a material of an optical element having a condensing function. Such flattening is advantageous in that surface contamination of the image sensor can be avoided and mechanical cleaning means can be employed.

前記半導体イメージセンサを構成する感光素子の上方の絶縁層内に設けられた窪みに、光透過性を有する材料を充填して前記光学要素を構成することにより、マイクロレンズと同様な集光機能を実現できた。さらに、前記光学要素として屈折率の異なる材料を空間的に分布させることにより集光機能が向上した。   A condensing function similar to that of a microlens is achieved by configuring the optical element by filling a light-transmitting material into a recess provided in an insulating layer above the photosensitive element constituting the semiconductor image sensor. Realized. Further, the light collecting function is improved by spatially distributing materials having different refractive indexes as the optical element.

前記側壁での全反射が期待できないような入射角度が大きい入射光に対しても、当該側壁に設けられた反射層により、前記光学要素内に反射させることができるようになった。この結果、当該側壁を通りぬける光が無くなり、光感度の低下、分解能の低下などの特性劣化を阻止できた。   Even incident light having a large incident angle at which total reflection at the side wall cannot be expected can be reflected into the optical element by the reflection layer provided on the side wall. As a result, there is no light passing through the side wall, and it is possible to prevent characteristic deterioration such as a decrease in photosensitivity and a decrease in resolution.

当該屈折率分布の実現には、気相成長工程を利用して、気相成長の初期から工程終了までの期間にわたり成長条件を変化させるような製造法が利用できた。   In order to realize the refractive index distribution, a manufacturing method in which the growth conditions are changed from the initial stage of the vapor phase growth to the end of the process by using the vapor phase growth process can be used.

半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。(第1の実施形態)It is a figure which shows the pixel structure of a semiconductor image sensor. (First embodiment) 光学要素内での屈折率分布を示す図である。It is a figure which shows the refractive index distribution in an optical element. 光学要素(円筒形状)における光跡解析をするためのモデル図である。It is a model figure for performing the light trace analysis in an optical element (cylindrical shape). 光学要素(円筒形状)内での光跡を示す図である。 (階段状の屈折率分布)It is a figure which shows the light trace in an optical element (cylindrical shape). (Stepwise refractive index distribution) 光学要素(円筒形状)内での光跡を示す図である。 (直線状の屈折率分布)It is a figure which shows the light trace in an optical element (cylindrical shape). (Linear refractive index distribution) 光学要素(上下反転の円錐台形状)における光跡解析をするためのモデ ル図である。FIG. 3 is a model diagram for analyzing light traces in an optical element (vertical inverted truncated cone shape). 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。It is a figure which outlines the manufacturing process of a semiconductor image sensor. 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 (第2の実施形態)It is a figure which outlines the manufacturing process of a semiconductor image sensor. (Second Embodiment) 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 (第3の実施形態)It is a figure which outlines the manufacturing process of a semiconductor image sensor. (Third embodiment) 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 (側壁に反射層あり) (第4の実施形態)It is a figure which outlines the manufacturing process of a semiconductor image sensor. (There is a reflective layer on the side wall) (Fourth Embodiment) 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。(第5の実施形態)It is a figure which shows the pixel structure of a semiconductor image sensor. (Fifth embodiment) 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。 (光学要素の底面にマイクロレンズあり) (第6の実施形態)It is a figure which shows the pixel structure of a semiconductor image sensor. (There is a microlens on the bottom of the optical element.) (Sixth embodiment) 図12の製造プロセスを示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of FIG. 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。 (光学要素の上部開口にマイクロレンズあり) (第7の実施形態)It is a figure which shows the pixel structure of a semiconductor image sensor. (There is a microlens in the upper opening of the optical element) (Seventh embodiment) 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 (第8の実施形態)It is a figure which shows the structure of a semiconductor image sensor. (Eighth embodiment) 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 (第9の実施形態)It is a figure which shows the structure of a semiconductor image sensor. (Ninth embodiment) 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 (第10の実施形態)It is a figure which shows the structure of a semiconductor image sensor. (Tenth embodiment) 従来の半導体イメージセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional semiconductor image sensor.

以下、図面に示した本発明の各実施形態に基づき本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on each embodiment of the present invention shown in the drawings.

<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態としての画素構成例を示す図である。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているにすぎない。同図において、10はSiなどの半導体基板、11はフォトダイオードなどから成る感光素子、12は当該11からの光電変換信号を外部回路へ接続すると同時に当該11を周期的に基準電位まで充電するための拡散層、13は当該11と当該12とを電気的に接続するためのゲート電極、14は11から13などで構成されるトランジスタ、15は第1の絶縁層、16はイメージセンサの駆動および信号処理に必要な配線層であり、入射光が感光素子領域外へ照射されることを防止する光遮蔽層としても機能している。17は前記した16の表面に積層された酸化膜や樹脂などからなる第2の絶縁層であり、半導体イメージセンサの表面を平坦化する機能を有している。さらに、18は第2の絶縁層上に積層化された第3の絶縁層である。第1の絶縁層15と第2の絶縁層17と第3の絶縁層18の一部には、感光素子11の上部に位置するように窪みが形成され、この内部に絶縁材料あるいは樹脂材料が充填されて光学要素19が形成されている。すなわち、19は入射光に対面した上部開口、感光素子側との境界である底面、および、側壁とから構成されている。光学要素19の断面は同図に例示したように、図の垂直方向に一様な断面積を有するのではなく、上部に向かって断面積が大きくなるように形成されている。また、19の底面は感光素子11と直接接することがなく、第1の絶縁層15の一部を介して接していることが望ましいが、この限りではない。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a pixel configuration as a first embodiment of the present invention. In the figure, the aspect ratio of the figure does not necessarily match the actual image sensor, and merely shows the configuration and operation of the pixels conceptually. In the figure, 10 is a semiconductor substrate such as Si, 11 is a photosensitive element such as a photodiode, and 12 is for connecting the photoelectric conversion signal from 11 to an external circuit and simultaneously charging 11 to a reference potential at the same time. 13 is a gate electrode for electrically connecting 11 and 12, 14 is a transistor composed of 11 to 13, 15 is a first insulating layer, 16 is a drive for the image sensor and It is a wiring layer necessary for signal processing, and also functions as a light shielding layer for preventing incident light from being irradiated outside the photosensitive element region. Reference numeral 17 denotes a second insulating layer made of an oxide film, a resin, or the like laminated on the surface of the above 16 and has a function of flattening the surface of the semiconductor image sensor. Further, 18 is a third insulating layer laminated on the second insulating layer. A recess is formed in a part of the first insulating layer 15, the second insulating layer 17, and the third insulating layer 18 so as to be positioned above the photosensitive element 11, and an insulating material or a resin material is formed in the inside. Filled to form an optical element 19. That is, 19 is composed of an upper opening facing the incident light, a bottom surface that is a boundary with the photosensitive element side, and a side wall. As illustrated in the figure, the cross section of the optical element 19 does not have a uniform cross-sectional area in the vertical direction of the figure, but is formed so that the cross-sectional area increases toward the top. Further, it is desirable that the bottom surface of 19 is not in direct contact with the photosensitive element 11 and is in contact with a part of the first insulating layer 15, but this is not restrictive.

本実施形態では、25で例示した入射光はカラーフィルタ20を通過した後、光学要素19の上部開口へ入射してから当該底面に到達し、当該底面を通過して感光素子11へ入射する。この光学要素内では、後述するように、屈折率が変化する場所で1回あるいは複数回繰り返して全反射したり、側壁で全反射したりして当該底面に達する。即ち、当該光学要素の上部開口へ入射した全ての光量は、効率的に集光されて当該感光素子へ導かれる。すなわち、当該光学要素19は従来多用されてきたマイクロレンズと同様な機能を有している。カラーフィルタ20と光学要素19の上部には保護膜としての第4の絶縁層21が積層され、半導体イメージセンサの表面が平坦化される。図1の構成では従来例と比較して、画素の最上面、すなわち、半導体イメージセンサの表面は原理的に平坦となり、従来構成で発生しがちであった汚染やゴミ付着といった種々の課題が克服されることになる。   In the present embodiment, incident light exemplified by 25 passes through the color filter 20, then enters the upper opening of the optical element 19, reaches the bottom surface, passes through the bottom surface, and enters the photosensitive element 11. In this optical element, as will be described later, the light reaches the bottom surface by being totally reflected once or a plurality of times at a place where the refractive index changes, or totally reflected by the side wall. That is, all the light amounts incident on the upper opening of the optical element are efficiently condensed and guided to the photosensitive element. That is, the optical element 19 has a function similar to that of a microlens that has been frequently used in the past. A fourth insulating layer 21 as a protective film is laminated on the color filter 20 and the optical element 19 to flatten the surface of the semiconductor image sensor. In the configuration of FIG. 1, compared with the conventional example, the top surface of the pixel, that is, the surface of the semiconductor image sensor is in principle flat, thereby overcoming various problems such as contamination and dust adhesion that tend to occur in the conventional configuration. Will be.

図1に示した実施形態では、カラー画像の撮像用としての半導体イメージセンサが例示された。しかしながら、本実施形態にはカラー用に限定されることなく、白黒画像の撮像用イメージセンサも含まれる。白黒画像用イメージセンサの場合には、カラーフィルタ20が必要なく、光学要素19の上部開口が第4の絶縁層21と直接接していることになる。さらには、第3の絶縁層18の表面と光学要素19の上部開口とが大略同一平面であるような平坦化表面を形成している場合には、第4の絶縁層21が不要になることもある。   In the embodiment shown in FIG. 1, the semiconductor image sensor for capturing a color image is exemplified. However, the present embodiment is not limited to color, and includes an image sensor for capturing black and white images. In the case of a monochrome image sensor, the color filter 20 is not necessary, and the upper opening of the optical element 19 is in direct contact with the fourth insulating layer 21. Furthermore, the fourth insulating layer 21 is not necessary when the surface of the third insulating layer 18 and the upper opening of the optical element 19 are formed to have a flattened surface that is substantially coplanar. There is also.

図1において、第3の絶縁層18の厚さについて記載する。半導体イメージセンサの画素では、感光素子11の平面的な広がり(面積)は画素面積よりも小さいので、25で代表される入射光の全てを効率良く集光して感光素子へ集中化させることが、光感度の増大に必須となる。図1では光学要素19の形状を、上部になるほど面積が大きくなるようにして、当該光学要素の上部開口が大きくなるように設定されている。同図において、22と23は画素の配列ピッチ(画素面積に対応している)を示している。画素内での感光素子11の位置は、必ずしも幾何学的な画素中心の位置と一致していないため、22と23とでは平面的な相対位置がずれているが、その寸法は同一である。同図で概念的に示したように、第3の絶縁層18の厚さを大きく設定することにより、光学要素19の上部開口の大きさを画素ピッチ23と大略等しくすることができる。このような構成では、等価的に画素全面が入射光を受光することができることになる。即ち、第3の絶縁層18の厚さは光学要素19の上部開口を画素ピッチと等しくするための重要な設計要因となっている。勿論、第3の絶縁層18の厚さが小さくても、光学要素の側壁の角度を大きく(側壁の傾きを水平方向に近づける)しても、当該上部開口を画素ピッチと等しくできるが、このような構成では、後述する当該側面での全反射効果を期待することが困難になる欠点が発生するので好ましくない。   In FIG. 1, the thickness of the third insulating layer 18 will be described. In the pixel of the semiconductor image sensor, since the planar spread (area) of the photosensitive element 11 is smaller than the pixel area, all incident light represented by 25 can be efficiently condensed and concentrated on the photosensitive element. , Essential for increasing photosensitivity. In FIG. 1, the shape of the optical element 19 is set so that the area becomes larger as it goes upward, and the upper opening of the optical element becomes larger. In the figure, reference numerals 22 and 23 denote pixel arrangement pitches (corresponding to pixel areas). Since the position of the photosensitive element 11 within the pixel does not necessarily coincide with the position of the geometric pixel center, the planar relative positions of 22 and 23 are shifted, but the dimensions are the same. As conceptually shown in the figure, the size of the upper opening of the optical element 19 can be made substantially equal to the pixel pitch 23 by setting the thickness of the third insulating layer 18 large. In such a configuration, the entire pixel surface can receive incident light equivalently. That is, the thickness of the third insulating layer 18 is an important design factor for making the upper opening of the optical element 19 equal to the pixel pitch. Of course, even if the thickness of the third insulating layer 18 is small or the angle of the side wall of the optical element is increased (the inclination of the side wall is made closer to the horizontal direction), the upper opening can be made equal to the pixel pitch. Such a configuration is not preferable because a defect that makes it difficult to expect a total reflection effect on the side surface described later occurs.

<光学要素の形状>
図1に示した実施形態では、光学要素19の垂直方向の断面形状のみが例示されている。光学要素の水平方向での平面的な形状(輪切りにした時の形状)については、
(1)感光素子側との境界である底面は、当該感光素子の大きさと大略等しく、その形状
も当該感光素子と同じであることが好ましいが、この限りではない。当該感光素子
の形状は、通常は長方形(正方形を含む)であることが多いが、当該底面がこの長
方形以外の形状、例えば、多角形や円形であっても良い。
(2)入射光に対面した上部開口は、前記半導体イメージセンサの画素の大きさと大略等
しく、その形状も当該画素と同じであることが好ましいが、この限りではない。当
該画素の形状は、通常は長方形(正方形を含む)であることが多いが、当該上部開
口がこの長方形以外の形状、例えば、多角形や円形であっても良い。しかしながら、
当該画素へ入射した光を全て光電変換に寄与させるためには、前記上部開口は、当
該画素と同じ形状、同じ大きさであることが好ましい。
(3)光学要素の中間部分(側壁がある部分)は、前記上部開口と類似した形状であるこ
とが好ましいが、この限りではない。通常は、前記上部開口と前記底面とをつなぐ
ような形状、例えば、四角錐台(上面が下面よりも面積が大きい)類似の形状であ
る。
<Shape of optical element>
In the embodiment shown in FIG. 1, only the cross-sectional shape of the optical element 19 in the vertical direction is illustrated. For the planar shape of the optical element in the horizontal direction (the shape when it is cut)
(1) The bottom surface, which is the boundary with the photosensitive element side, is approximately equal to the size of the photosensitive element and preferably has the same shape as the photosensitive element, but this is not restrictive. The shape of the photosensitive element is usually a rectangle (including a square) in many cases, but the bottom surface may be a shape other than this rectangle, for example, a polygon or a circle.
(2) The upper opening facing the incident light is approximately the same as the size of the pixel of the semiconductor image sensor and preferably has the same shape as the pixel, but this is not restrictive. The shape of the pixel is usually a rectangle (including a square) in many cases, but the upper opening may be a shape other than the rectangle, for example, a polygon or a circle. However,
In order to make all the light incident on the pixel contribute to photoelectric conversion, it is preferable that the upper opening has the same shape and the same size as the pixel.
(3) Although it is preferable that the intermediate part (part with a side wall) of an optical element is a shape similar to the said upper opening, it is not this limitation. Usually, the shape is such that the upper opening and the bottom surface are connected, for example, a quadrangular frustum (the upper surface has a larger area than the lower surface).

図1に示した光学要素19の製造プロセスについては後述するが、その屈折率は一様ではなく、19の断面内で空間的に分布している。図1の一点鎖線27で示した部分の断面での屈折率分布例を図2(a)乃至図2(c)に示す。同図(a)は屈折率の分布が段階的な階段状28になっており、同図(b)では屈折率の分布が連続的な直線29になっており、また、同図(c)では屈折率の分布が連続的な曲線30になっている。いずれの場合も、光学要素19の中心領域では屈折率が大きく、周辺領域では屈折率が小さいことが特徴になっている。さらに、同図に示した屈折率の分布は中心に向って単調に増加していることも特徴になっている。   The manufacturing process of the optical element 19 shown in FIG. 1 will be described later, but its refractive index is not uniform and is spatially distributed in the cross section of 19. FIG. 2A to FIG. 2C show examples of refractive index distributions in the cross section of the portion indicated by the one-dot chain line 27 in FIG. In FIG. 6A, the refractive index distribution is a stepped step 28, and in FIG. 5B, the refractive index distribution is a continuous straight line 29, and FIG. Then, the refractive index distribution is a continuous curve 30. In any case, the refractive index is large in the central region of the optical element 19 and the refractive index is small in the peripheral region. Further, the refractive index distribution shown in the figure is characterized by increasing monotonously toward the center.

図2(a)では階段状に変化する段階的な屈折率分布が示されている。換言するならば、前記光学要素の中心領域から周辺領域に渡って複数の層が存在し、各層が特定の屈折率を有している場合に対応している。一方、図2(b)では、直線状で連続的に変化する屈折率分布が示されている。この分布は、図2(a)において、前記した層の厚さが極度に小さくなり、層数が極度に大きくなった場合に相当している。即ち、図2(a)での階段の段差が小さくなり、直線状で連続的な屈折率分布になったとみなせる。   FIG. 2 (a) shows a stepwise refractive index distribution that changes stepwise. In other words, this corresponds to the case where a plurality of layers exist from the central region to the peripheral region of the optical element, and each layer has a specific refractive index. On the other hand, FIG. 2B shows a refractive index distribution that is linear and continuously changing. This distribution corresponds to the case in FIG. 2A in which the layer thickness is extremely small and the number of layers is extremely large. That is, it can be considered that the step difference of the staircase in FIG. 2A is reduced, and the refractive index distribution is linear and continuous.

<光学要素(円筒形状)内での屈折率分布>
図3は前項で記載した屈折率分布を有する光学要素の集光機能を説明するための図である。同図(a)は光学要素を、断面が円形の筒型であると仮定した時の概念的な構造図である。中心部から外周部にかけて同心円状の図形が描かれており、層状の構造となっている。さらに、それぞれの円形境界で屈折率が階段状に変化する場合、即ち、図2(a)に例示した段階的な屈折率分布の場合に対応して示されている。図3(b)では、さらにモデルを簡略化した図が示されている。即ち、同図(a)において、中心部から外周部にわたって縦方向に切断し、複数の板が層状に積層された構造へ簡略化されている。この場合には、同図(b)の奥側が光学要素の中心部に、手前側が光学要素の外周部にそれぞれ対応している。さらに、同図(c)には、同図(b)の簡略化モデルを横側から見た概念図を示している。同図(c)では、右端の層が光学要素の中央部(屈折率が最大)、左端の層が光学要素の外周部(屈折率が最小)に対応している。さらに、同図(c)においては、下側が感光素子側に、上側が半導体イメージセンサの表面側(前記した上部開口であり、結像レンズからの光が入射する側)に対応している。同図(c)では、図形の右上から一定の入射角度をもって光が入射する様子が示されている。以下には、層状構造を有する光学要素の内部で、この光線が描く光跡をシミュレーション結果として例示する。
<Refractive index distribution in optical element (cylindrical shape)>
FIG. 3 is a diagram for explaining the light collecting function of the optical element having the refractive index distribution described in the previous section. FIG. 2A is a conceptual structural diagram when it is assumed that the optical element has a cylindrical shape with a circular cross section. Concentric figures are drawn from the central part to the outer peripheral part, and it has a layered structure. Furthermore, the case where the refractive index changes stepwise at each circular boundary, that is, the stepwise refractive index distribution illustrated in FIG. 2A is shown. FIG. 3B shows a further simplified model. That is, in the same figure (a), it cut | disconnected longitudinally from the center part to the outer peripheral part, and is simplified to the structure where the some board was laminated | stacked in layer form. In this case, the back side of FIG. 5B corresponds to the center portion of the optical element, and the near side corresponds to the outer peripheral portion of the optical element. Further, FIG. 4C shows a conceptual diagram of the simplified model of FIG. In FIG. 3C, the rightmost layer corresponds to the central part (refractive index is maximum) of the optical element, and the leftmost layer corresponds to the outer peripheral part (refractive index is minimum) of the optical element. Further, in FIG. 3C, the lower side corresponds to the photosensitive element side, and the upper side corresponds to the surface side of the semiconductor image sensor (the above-described upper opening, the side on which light from the imaging lens is incident). FIG. 2C shows a state in which light is incident at a constant incident angle from the upper right of the figure. Below, the light trace which this light ray draws inside the optical element which has a layered structure is illustrated as a simulation result.

<光学要素(円筒形状)内での光跡−1>
図4は前記した光学要素内での、入射光線の光跡を示している。同図の横軸は光学要素の中心(距離が0マイクロメートルに対応)から外周(距離が6マイクロメートルに対応)までの距離を示している。縦軸は光学要素の前記上部開口からの深さを示している。また、同図には中心から外周に向かって1マイクロメートル毎に屈折率が階段状に段階的に減少することも示されている。即ち、中心では屈折率2.0(Siに相当)、外周では屈折率1.5(SiOに相当)であるような6層構造である。以上のように、同図では、光学要素の直径が12マイクロメートル、高さが10マイクロメートルの円筒形(6層構造)で、屈折率が階段状に分布している構成を仮定している。さらに、同図では光学要素の最上部へ入射した光の入射角度(図3(c)を参照)をパラメータとしている。同図(a)では光学要素の中心に光が入射した場合、同図(b)では光学要素の中心から外周側へ2マイクロメートル離れた位置に光が入射した場合が示されている。
<Light trace in optical element (cylindrical shape-1)>
FIG. 4 shows the trace of incident light within the optical element described above. The horizontal axis of the figure shows the distance from the center of the optical element (distance corresponds to 0 micrometer) to the outer periphery (distance corresponds to 6 micrometers). The vertical axis indicates the depth of the optical element from the upper opening. The figure also shows that the refractive index decreases stepwise step by step from the center toward the outer periphery every 1 micrometer. That is, the six-layer structure has a refractive index of 2.0 (corresponding to Si 3 N 4 ) at the center and a refractive index of 1.5 (corresponding to SiO 2 ) at the outer periphery. As described above, this figure assumes a configuration in which the optical element has a cylindrical shape (6 layer structure) with a diameter of 12 micrometers and a height of 10 micrometers, and the refractive index is distributed stepwise. . Further, in the figure, the incident angle (see FIG. 3C) of the light incident on the top of the optical element is used as a parameter. FIG. 4A shows a case where light is incident on the center of the optical element, and FIG. 5B shows a case where light is incident on a position 2 micrometers away from the center of the optical element toward the outer peripheral side.

図4(a)では、入射角度が10度から40度までは、屈折率が変化する特定の境界で全反射する。例えば
(1)入射角度10度では距離1マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.9の
領域には入射せず、屈折率2.0の領域へ反射される。
(2)入射角度20度では距離2マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.8の
領域には入射せず、屈折率1.9の領域へ反射される。
(3)入射角度30度では距離3マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.7の
領域には入射せず、屈折率1.8の領域へ反射される。
(4)入射角度40度では距離5マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.5の
領域には入射せず、屈折率1.6の領域へ反射される。
(5)入射角度50度では、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、距
離6マイクロメートルの所で全反射する場合もありうる。
(6)入射角度60度の場合は、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、
光学要素から外側へ光が抜け出る場合がありうる。
図4(b)では、入射角度が10度から30度までは、屈折率が変化する特定の境界で全反射する。例えば
(1)入射角度10度では距離3マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.7の
領域には入射せず、屈折率1.8の領域へ反射される。
(2)入射角度20度では距離4マイクロメートルの位置(深さ方向では欄外の13マ
イクロメートル)で全反射し、屈折率1.6の領域には入射せず、屈折率1.7
の領域へ反射される。
(3)入射角度30度では距離5マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率1.5の
領域には入射せず、屈折率1.6の領域へ反射される。
(4)入射角度40度では、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、距
離6マイクロメートルの所で全反射する場合もありうる。
(5)入射角度50度と60度の場合は、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依
存するが、光学要素から外側へ光が抜け出る場合がありうる。
図4(a)と(b)で示したように、入射角度が大きくなると、光学要素の外周に相当する側壁から外側へ光が抜け出る場合があることが分かる。この光の通過を阻止するために、光学要素の側壁(距離6マイクロメートルの位置)に反射層を設け、この反射層で光を反射させることにより、全ての光を光学要素内で伝播させることができる。かかる構成をとれば、屈折率分布を有する光学要素内の前記した特定の境界での全反射、および当該側壁での反射により、入射光を全て光学要素内に閉じ込めることができ、最終的には前記光学要素の底面から前記感光素子へ光を導くことが可能となる。
In FIG. 4A, when the incident angle is 10 degrees to 40 degrees, total reflection is performed at a specific boundary where the refractive index changes. For example, (1) At an incident angle of 10 degrees, the light is totally reflected at a distance of 1 micrometer and does not enter the region having a refractive index of 1.9, but is reflected to the region having a refractive index of 2.0.
(2) When the incident angle is 20 degrees, the light is totally reflected at a distance of 2 micrometers, does not enter the region having a refractive index of 1.8, and is reflected to the region having a refractive index of 1.9.
(3) At an incident angle of 30 degrees, the light is totally reflected at a distance of 3 micrometers, does not enter the region having a refractive index of 1.7, and is reflected to the region having a refractive index of 1.8.
(4) At an incident angle of 40 degrees, the light is totally reflected at a distance of 5 micrometers, does not enter the region having a refractive index of 1.5, and is reflected to the region having a refractive index of 1.6.
(5) At an incident angle of 50 degrees, depending on the refractive index of the material constituting the outside of the optical element, total reflection may occur at a distance of 6 micrometers.
(6) In the case of an incident angle of 60 degrees, depending on the refractive index of the substance constituting the outside of the optical element,
There may be cases where light escapes outward from the optical element.
In FIG. 4B, total reflection is performed at a specific boundary where the refractive index changes when the incident angle is 10 degrees to 30 degrees. For example, (1) At an incident angle of 10 degrees, the light is totally reflected at a distance of 3 micrometers, does not enter the region having a refractive index of 1.7, and is reflected to the region having a refractive index of 1.8.
(2) At an incident angle of 20 degrees, total reflection occurs at a distance of 4 micrometers (in the depth direction, 13 micrometer), and it does not enter a region with a refractive index of 1.6, and a refractive index of 1.7.
It is reflected to the area.
(3) At an incident angle of 30 degrees, the light is totally reflected at a distance of 5 micrometers, does not enter the region having a refractive index of 1.5, and is reflected to the region having a refractive index of 1.6.
(4) At an incident angle of 40 degrees, depending on the refractive index of the material constituting the outside of the optical element, total reflection may occur at a distance of 6 micrometers.
(5) When the incident angles are 50 degrees and 60 degrees, depending on the refractive index of the material constituting the outside of the optical element, light may escape from the optical element to the outside.
As shown in FIGS. 4A and 4B, it can be seen that when the incident angle increases, light may escape outward from the side wall corresponding to the outer periphery of the optical element. In order to prevent the passage of this light, a reflective layer is provided on the side wall (at a distance of 6 micrometers) of the optical element, and all the light is propagated in the optical element by reflecting the light with this reflective layer. Can do. With such a configuration, all the incident light can be confined in the optical element by the total reflection at the specific boundary and the reflection at the side wall in the optical element having the refractive index distribution. Light can be guided from the bottom surface of the optical element to the photosensitive element.

<光学要素(円筒形状)内での光跡−2>
図5は前記した光学要素内での、入射光線の他の光跡例を示している。同図の横軸は光学要素の中心(距離が0マイクロメートルに対応)から外周(距離が6マイクロメートルに対応)までの距離を示している。縦軸は光学要素の最上部(上部開口)からの深さを示している。同図では、図2(b)に例示したような屈折率の分布、即ち、中心から外周に向かって直線的に屈折率が減少する場合が示されている。同図では、中心の屈折率は2.0(Siに相当)、外周の屈折率は1.4(SiOに相当すると仮定)としている。同図では光学要素の最上部へ入射した光の入射角度(図3(c)を参照)をパラメータとしている。同図(a)では光学要素の中心に光が入射した場合、同図(b)では光学要素の中心から外周側へ2マイクロメートル離れた位置に光が入射した場合が示されている。
<Light trace in optical element (cylindrical shape) -2>
FIG. 5 shows another example of the light trace of the incident light within the optical element described above. The horizontal axis of the figure shows the distance from the center of the optical element (distance corresponds to 0 micrometer) to the outer periphery (distance corresponds to 6 micrometers). The vertical axis represents the depth from the top (upper opening) of the optical element. This figure shows a refractive index distribution as exemplified in FIG. 2B, that is, a case where the refractive index decreases linearly from the center toward the outer periphery. In the figure, the refractive index at the center is 2.0 (corresponding to Si 3 N 4 ), and the refractive index at the outer periphery is 1.4 (assuming that it corresponds to SiO 2 ). In the figure, the incident angle of the light incident on the top of the optical element (see FIG. 3C) is used as a parameter. FIG. 4A shows a case where light is incident on the center of the optical element, and FIG. 5B shows a case where light is incident on a position 2 micrometers away from the center of the optical element toward the outer peripheral side.

図5では、図4と同様な光跡のシミュレーション結果が示されている。ただし、屈折率の分布が直線的に連続であると仮定しているため、光跡は連続曲線になっており、全反射の状況も示されている。しかしながら、厳密に述べるならば、全反射は起こらず、図面上で光跡が垂直になった位置からは光跡は垂直下方へ進むことになる。解析では、計算の便宜上、0.1マイクロメートルで区切って計算していること、および、現実の半導体イメージセンサでも屈折率分布の局所的な揺らぎがあるため、全反射の発生が見られることになる。同図においても、上記した0047項で記載したと同様な解釈ができるので、詳細は省略する。   FIG. 5 shows a light trace simulation result similar to FIG. However, since it is assumed that the refractive index distribution is linearly continuous, the light trace is a continuous curve, and the state of total reflection is also shown. However, strictly speaking, total reflection does not occur, and the light trace travels vertically downward from the position where the light trace is vertical on the drawing. In the analysis, for convenience of calculation, the calculation is performed by dividing by 0.1 micrometers, and the occurrence of total reflection is observed because there is local fluctuation in the refractive index distribution even in an actual semiconductor image sensor. Become. Also in this figure, since the same interpretation as described in the above paragraph 0047 can be made, details are omitted.

さらに、図2(c)のような連続曲線状に変化する屈折率分布でも同様な結果が得られることは明らかである。   Furthermore, it is clear that similar results can be obtained even with a refractive index distribution that changes in a continuous curve as shown in FIG.

<光学要素(上下反転の円錐台形状)内での光跡>
図3乃至図5では、光学要素が円筒状であると仮定して光跡結果が示された。光学要素の形状はこれに限らず、他の形状であっても良い。例えば、光学要素が上方に向って断面積が大きくなるようなバケツ形(上下反転させた円錐台)であっても良い。図6(a)はバケツ形の光学要素の断面を示した図である。後述するように、光学要素を製造する場合には、側壁側から順次に透明絶縁膜が堆積されていく。このため、図2(a)のような階段状の屈折率分布の場合は、図6(a)のような形状になる。同図(a)の破線で区切った部分のみを切り出して簡易化した図が同図(b)に示されている。即ち、前記したバケツ形の光学要素においても、図4乃至図5に示したシミュレーション結果が適用可能である。ただし、図6(a)において50で示した入射光の角度と51で示した側壁角度との和が、図6(b)での入射角度に対応している。即ち、図4でのパラメータである角度を「図4での表示角度から側壁角度を減算した値が実際の入射光に対応する角度〔図6(a)の50〕である」と読み替える必要がある。例えば、側壁角度を20度とするならば、図4(a)での「30度」の光跡は、図6(a)では10度に対応している。
<Light trace in optical element (vertical inverted truncated cone shape)>
In FIG. 3 to FIG. 5, the light trace results are shown assuming that the optical element is cylindrical. The shape of the optical element is not limited to this, and may be another shape. For example, it may be a bucket shape (an upside down truncated cone) in which the optical element has an upward cross-sectional area. FIG. 6A shows a cross section of a bucket-shaped optical element. As will be described later, when an optical element is manufactured, a transparent insulating film is sequentially deposited from the side wall side. For this reason, in the case of the stepwise refractive index distribution as shown in FIG. 2A, the shape is as shown in FIG. FIG. 5B shows a simplified view of only a portion separated by a broken line in FIG. That is, the simulation results shown in FIGS. 4 to 5 can be applied to the bucket-shaped optical element described above. However, the sum of the incident light angle indicated by 50 and the side wall angle indicated by 51 in FIG. 6A corresponds to the incident angle in FIG. That is, the angle as the parameter in FIG. 4 needs to be read as “the value obtained by subtracting the side wall angle from the display angle in FIG. 4 is the angle corresponding to the actual incident light [50 in FIG. 6A]”. is there. For example, if the side wall angle is 20 degrees, the light trace of “30 degrees” in FIG. 4A corresponds to 10 degrees in FIG.

<図4の光跡を図6に対応させる>
前項で記したように、側壁角度が20度の場合、図6に対応させて図4を読み替えると、
(1)光学要素の中心への入射光
1)0度から20度までの入射光は光学要素内の屈折率が変化する面で全反射
される
2)30度以上の入射光は光学要素の外周部から漏れ出す可能性がある
(2)光学要素の中心から2マイクロメートル離れた場所への入射光
1)0度から10度までの入射光は光学要素内の屈折率が変化する面で全反射
される
2)20度以上の入射光は光学要素の外周部から漏れ出す可能性がある
と言える。なお、本項での入射光の角度は図6(a)の座標系〔図6(a)の50に対応〕で記載されている。また、光学要素の外周部から漏れ出す光に対しては、当該光学要素の側壁に反射層を設け、この反射層で光学要素内に反射させれば、光の漏れ出しを防止することができる。
<The light trace in FIG. 4 corresponds to FIG. 6>
As described in the previous section, when the side wall angle is 20 degrees, when FIG. 4 is read corresponding to FIG.
(1) Incident light to the center of the optical element
1) Incident light from 0 degrees to 20 degrees is totally reflected at the surface where the refractive index changes in the optical element
Be done
2) Incident light of 30 degrees or more may leak from the outer periphery of the optical element. (2) Incident light at a location 2 micrometers away from the center of the optical element.
1) Incident light from 0 to 10 degrees is totally reflected at the surface where the refractive index changes in the optical element
Be done
2) It can be said that incident light of 20 degrees or more may leak from the outer peripheral portion of the optical element. The angle of incident light in this section is described in the coordinate system of FIG. 6A (corresponding to 50 in FIG. 6A). Further, for light leaking from the outer peripheral portion of the optical element, if a reflective layer is provided on the side wall of the optical element and reflected by the reflective layer into the optical element, light leakage can be prevented. .

図4乃至図6に示した解析結果は、本明細書で引用した「特許文献−1」の場合と比較して、はるかに大きな入射角度の光も効率良く集光できることを示している。別の見方をするならば、光学要素の高さや側壁角度などでの設計自由度が大きくなることになり、本発明の有効性が高いと言える。   The analysis results shown in FIG. 4 to FIG. 6 indicate that light having a much larger incident angle can be efficiently collected as compared with the case of “Patent Document 1” cited in this specification. From another point of view, the degree of freedom in design in terms of the height of the optical element, the side wall angle, and the like is increased, and it can be said that the effectiveness of the present invention is high.

図4と図5で示したシミュレーション結果から、本発明によれば、屈折率分布により入射光線を光学要素の中心部へ向わしめ、光学要素の外周部で全反射が期待できない場合には当該反射層により入射光線を光学要素の中心部へ向わしめることが可能となる。この結果、広い範囲にわたる入射角度の光線に対して、また、光学要素の寸法、形状などから制約を受けることなく、効率的な光電変換ができる半導体イメージセンサを実現することができる。   From the simulation results shown in FIG. 4 and FIG. 5, according to the present invention, when the incident light beam is directed to the center of the optical element by the refractive index distribution and total reflection cannot be expected at the outer periphery of the optical element, The reflective layer allows incident light to be directed to the center of the optical element. As a result, it is possible to realize a semiconductor image sensor capable of efficient photoelectric conversion with respect to light rays having a wide range of incident angles and without being restricted by the size and shape of the optical element.

<光学要素の製造プロセス−1>
図7は前記光学要素を含む半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)において、半導体基板10にフォトダイオードなどで構成された感光素子11と拡散層12を形成し、続いて、周知の技術を用いて第1の絶縁層15、ゲート電極13、光遮蔽機能を併せ有する配線層16が形成される。同図(a)では配線層16は単層の場合が例示されているが、複数層から構成されていても良い。続いて、配線層16を含む表面全体には第2の絶縁層17が形成される。さらに、第3の絶縁層18が17の上に積層化される。17と18の構成材料としては、透明な樹脂であっても良く、また、酸化膜や窒化膜のような絶縁材料であっても良い。第2の絶縁層17および第3の絶縁層18の表面は大略平坦になっているのが一般的であるが、必ずしも平坦である必要はない。同図(b)ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層60を利用して、感光素子11の上方に窪み61が形成される。この形成には主として化学的なエッチングなどが利用される。エッチングの具体的な手法としては、弗酸などを主成分とする湿式エッチング、プラズマや反応性ガスを用いる乾式エッチング、さらに乾式エッチングの一種として、深さ方向に断面形状変化が殆どない異方性エッチングや、深さ方向の断面形状変化を伴う等方性エッチングなどが挙げられる。また、窪み61の形成には、複数のエッチング技術を組合わせても良い。
<Optical Element Manufacturing Process-1>
FIG. 7 is a diagram outlining a manufacturing process of a semiconductor image sensor including the optical element. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In FIG. 2A, a photosensitive element 11 and a diffusion layer 12 composed of a photodiode or the like are formed on a semiconductor substrate 10, and then a first insulating layer 15, a gate electrode 13, and a light are formed using a well-known technique. A wiring layer 16 having a shielding function is formed. In the same figure (a), the case where the wiring layer 16 is a single layer is illustrated, but it may be composed of a plurality of layers. Subsequently, a second insulating layer 17 is formed on the entire surface including the wiring layer 16. Further, a third insulating layer 18 is laminated on 17. The constituent materials 17 and 18 may be a transparent resin or an insulating material such as an oxide film or a nitride film. The surfaces of the second insulating layer 17 and the third insulating layer 18 are generally flat, but need not be flat. In FIG. 2B, a recess 61 is formed above the photosensitive element 11 using a mask layer 60 made of a patterned photoresist, metal, insulating material, or the like. For this formation, chemical etching or the like is mainly used. Specific etching methods include wet etching with hydrofluoric acid as the main component, dry etching using plasma and reactive gas, and anisotropy with almost no change in cross-sectional shape in the depth direction as a kind of dry etching. Etching and isotropic etching with a change in cross-sectional shape in the depth direction can be mentioned. Moreover, you may combine a some etching technique for formation of the hollow 61. FIG.

なお、マスク層60は窪み61の形成後は不要となるので、除去しても良い。また、マスク層60が入射光に対して不透明である場合には、遮光層として利用できるので残しておくこともあり得る。さらに、かかる不透明遮光層の他の例としては、当該60と当該18との間にカーボンや金属あるいは不透明な樹脂から成る遮光層を設け、当該窪み61の形成に先立って当該遮光層の一部をエッチングなどで除去しても良い。   Note that the mask layer 60 is not necessary after the formation of the depression 61 and may be removed. If the mask layer 60 is opaque to incident light, it can be left as it can be used as a light shielding layer. Further, as another example of the opaque light shielding layer, a light shielding layer made of carbon, metal, or opaque resin is provided between the 60 and the 18, and a part of the light shielding layer is formed prior to the formation of the recess 61. May be removed by etching or the like.

図7(c)では、窪み61の内部を含む表面全体が透明な絶縁材料あるいは樹脂材料などで充填、被覆され、光学要素62と表面層63を形成している。表面層63は不要な要素であるので、エッチングなどの化学的手段、あるいは、研磨などの機械的手段により除去されても良いが、62と63の表面が平坦である場合には除去されなくても良い。もし、63を除去する工程を採用した場合には、窪み61内部に光学要素62のみが形成された状態となる。なお、光学要素62は、感光素子で検出される画像の光波長に対して光透過性を有していることが必要である。例えば、カラー撮像用の半導体イメージセンサでは可視光波長域で透明な絶縁材料あるいは樹脂材料が、白黒撮像用の半導体イメージセンサでは近赤外波長域と可視光波長域で透明な材料が、また、赤外線撮像用の半導体イメージセンサでは赤外波長域で透明な材料が選択される。これらの材料を窪み61へ充填するプロセスについては後述する。以下の図面では表面層63の樹脂が除去されている構成が示される。図7(d)では、光学要素62の上にカラーフィルタ20が周知の技術で設けられる。さらに、カラーフィルタ20の表面に第4の絶縁層21が積層され、全体構成の表面が平坦化される。   In FIG. 7C, the entire surface including the inside of the depression 61 is filled and covered with a transparent insulating material or resin material to form an optical element 62 and a surface layer 63. Since the surface layer 63 is an unnecessary element, it may be removed by chemical means such as etching or mechanical means such as polishing. However, if the surfaces of 62 and 63 are flat, they are not removed. Also good. If the step of removing 63 is employed, only the optical element 62 is formed inside the recess 61. Note that the optical element 62 needs to have optical transparency with respect to the light wavelength of the image detected by the photosensitive element. For example, a semiconductor image sensor for color imaging has a transparent insulating material or resin material in the visible light wavelength range, a semiconductor image sensor for black and white imaging has a transparent material in the near infrared wavelength range and the visible light wavelength range, In a semiconductor image sensor for infrared imaging, a transparent material is selected in the infrared wavelength region. A process for filling the recess 61 with these materials will be described later. In the following drawings, a configuration in which the resin of the surface layer 63 is removed is shown. In FIG. 7D, the color filter 20 is provided on the optical element 62 by a known technique. Further, the fourth insulating layer 21 is laminated on the surface of the color filter 20, and the surface of the entire configuration is flattened.

図7(b)において、窪み61の断面形状については、図示したように当該窪みの上部(上部開口)よりも下部(底面)の方の面積が小さいことが望ましい。この形状は図1で示した入射光25の反射には重要な要因となる。断面形状の面積の差異については、画素および感光素子の大きさや形状、さらには、第1の絶縁層15、第2の絶縁層17、および、第3の絶縁層18の厚さなどを考慮して決定される。   In FIG. 7B, as for the cross-sectional shape of the depression 61, it is desirable that the area of the lower part (bottom face) is smaller than the upper part (upper opening) of the depression as shown in the figure. This shape becomes an important factor for the reflection of the incident light 25 shown in FIG. Regarding the difference in cross-sectional area, the size and shape of the pixel and the photosensitive element, and the thicknesses of the first insulating layer 15, the second insulating layer 17, and the third insulating layer 18 are taken into consideration. Determined.

<光学要素の製造プロセス−2>
本項では、図7(c)に示した光学要素62を充填し、さらに、図2(a)乃至図2(c)に例示した分布屈折率を実現するプロセスについて概説する。本発明の特徴である分布した屈折率は、周知の気相成長工程でガス、圧力、電力などの雰囲気条件を連続的に変化させながら絶縁材料を堆積させることにより実現される。具体的には、気相成長工程の初期においては、光学要素の外周部にSiOのみを堆積させる。そして、時間経過とともに雰囲気中の窒素濃度を向上させるとともに酸素濃度を下げることにより、SiO−Siの混成膜を光学要素の中間部分に堆積させる。最終段階では酸素濃度をゼロもしくは極度に減少させることにより、Siを光学要素の中心部に堆積させる。このような雰囲気条件の連続可変手法により、光学要素の周辺領域の屈折率をSiOの大略1.45から、中心領域の屈折率をSiの大略2.0まで実現することが可能となる。あるいは、気相成長工程での雰囲気を時間経過とともにSiがより多く含有するような制御手法も適用可能である。なお、上記の説明では、雰囲気条件を連続的に変化させる例が記載されているが、雰囲気条件を一定時間毎に変化させることにより、図2(a)のような階段状に変化する屈折率分布を実現することも可能である。
<Optical Element Manufacturing Process-2>
In this section, the process of filling the optical element 62 shown in FIG. 7C and further realizing the distributed refractive index exemplified in FIGS. 2A to 2C will be outlined. The distributed refractive index, which is a feature of the present invention, is realized by depositing an insulating material while continuously changing atmospheric conditions such as gas, pressure, and power in a known vapor phase growth process. Specifically, at the initial stage of the vapor phase growth process, only SiO 2 is deposited on the outer peripheral portion of the optical element. Then, a mixed film of SiO 2 —Si 3 N 4 is deposited on the intermediate portion of the optical element by increasing the nitrogen concentration in the atmosphere and decreasing the oxygen concentration over time. In the final step, Si 3 N 4 is deposited in the center of the optical element by reducing the oxygen concentration to zero or extremely. By such a continuously variable method of atmospheric conditions, it is possible to realize the refractive index of the peripheral region of the optical element from approximately 1.45 of SiO 2 to approximately 2.0 of Si 3 N 4 in the central region. It becomes. Alternatively, a control method in which the atmosphere in the vapor phase growth process contains more Si with time can be applied. In the above description, an example in which the atmospheric condition is continuously changed is described. However, the refractive index is changed stepwise as shown in FIG. 2A by changing the atmospheric condition at regular intervals. It is also possible to realize the distribution.

前記プロセスの製造条件については、使用する製造装置や気相成長時の雰囲気条件などにより決定される。一例としてSiOの成長条件を挙げるならば、高周波帯での上部電極への供給電力=300W、下部電極への供給電力=200W、雰囲気温度=摂氏300度、真空度=70パスカル、O(反応ガス)の流量=毎分1000立方センチメートル、N2(反応ガス)=毎分100立方センチメートル、TEOS(反応ガス)=毎分50立方センチメートルであり、この条件での成膜速度は毎秒約50オングストロームである。また、他の一例としてSiの成長条件を挙げるならば、高周波帯での供給電力=100W、雰囲気温度=摂氏300度、真空度=130パスカル、Si3H4(反応ガス)の流量=毎分5立方センチメートル、NH3(反応ガス)=毎分100立方センチメートルであり、この条件での成膜速度は毎秒約3オングストロームである。 The manufacturing conditions for the process are determined by the manufacturing equipment used, the atmospheric conditions during vapor phase growth, and the like. As an example, if the growth conditions of SiO 2 are given, the power supplied to the upper electrode in the high frequency band = 300 W, the power supplied to the lower electrode = 200 W, the ambient temperature = 300 degrees Celsius, the vacuum = 70 Pascal, O 2 ( The flow rate of the reaction gas is 1000 cubic centimeters per minute, N2 (reactive gas) is 100 cubic centimeters per minute, and TEOS (reactive gas) is 50 cubic centimeters per minute. As another example, if the growth conditions of Si 3 N 4 are given, the power supply in the high frequency band = 100 W, the ambient temperature = 300 degrees Celsius, the degree of vacuum = 130 Pascal, the flow rate of Si 3 H 4 (reactive gas) = per minute 5 cubic centimeters, NH3 (reactive gas) = 100 cubic centimeters per minute, and the film formation speed under these conditions is about 3 angstroms per second.

前項では光学要素の構成材料をSiOとSiの組合せとしたが、本発明ではこの組合せに限ることはない。例えば、周知の他の材料、Taなどを利用することも可能である。さらに、図2(a)のような階段状の屈折率分布を、各段階で光学要素の構成材料を変えることにより達成することも可能である。例えば、SiOのみ、SiOとSiの混成膜、Siのみ、そして、Taのみのような順序の組合せも可能である。 In the previous section, the constituent material of the optical element is a combination of SiO 2 and Si 3 N 4 , but the present invention is not limited to this combination. For example, other known materials such as Ta 2 O 5 can be used. Furthermore, a stepwise refractive index distribution as shown in FIG. 2A can be achieved by changing the constituent material of the optical element at each stage. For example, only SiO 2, mixed film of SiO 2 and Si 3 N 4, only Si 3 N 4, and the combination of order as the only Ta 2 O 5 is also possible.

<第2の実施形態>
図8は本発明の第2の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層70を利用して、感光素子11の上方に窪み71が形成されている。かかる形成の手段としては湿式エッチングや等方性RIE(反応性イオンエッチング)が代表的である。当該手段では、マスク層70の端部の下部までエッチングが行われ、マスク層70のパターニング開口よりも当該71の最上部の寸法が大きくなる特徴がある。図示していないが、引続く工程で窪み71に光学要素が形成される。
<Second Embodiment>
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention and shows another method of forming the recess. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, a recess 71 is formed above the photosensitive element 11 using a mask layer 70 made of a patterned photoresist, metal, insulating material, or the like. Typical examples of such forming means include wet etching and isotropic RIE (reactive ion etching). This means is characterized in that etching is performed to the lower part of the end of the mask layer 70, and the dimension of the uppermost portion of the 71 is larger than the patterning opening of the mask layer 70. Although not shown, an optical element is formed in the recess 71 in the subsequent process.

<第3の実施形態>
図9は本発明の第3の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層80を利用して、感光素子11の上方に窪み81が形成されている。この窪み81は第1段階と第2段階の2ステップで形成される。第1段階では、異方性RIEなどでマスク層80のパターニング開口の形状と大略等しい形状を有する垂直の窪みが形成される。引続いて第2段階では、等方性RIEにより、マスク層80の端部の下部まで横方向にもエッチングが進行する。この2段階を経ることにより、図示したようなプラグ形の窪みが実現される。また、第1段階の異方性RIEでは、エッチング条件を変化させることにより、窪みの断面形状を変化させることが可能である。このため、図9に例示したように、窪みの下部(底面)から上部(上部開口)に向って断面積を少しずつ大きくしたり、あるいは、ほぼ同一な断面積として垂直な側壁形状を形成することも可能となる。本実施形態では、複数のエッチング手段が組合されて窪み加工されることが特徴である。図示していないが、引続く工程で窪み81には光学要素が形成される。
<Third Embodiment>
FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention, which shows another method of forming the recess. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, a depression 81 is formed above the photosensitive element 11 using a mask layer 80 made of a patterned photoresist, metal, insulating material, or the like. The depression 81 is formed in two steps, a first stage and a second stage. In the first stage, a vertical recess having a shape substantially equal to the shape of the patterning opening of the mask layer 80 is formed by anisotropic RIE or the like. Subsequently, in the second stage, etching proceeds in the lateral direction to the lower portion of the end portion of the mask layer 80 by isotropic RIE. Through these two steps, a plug-shaped depression as shown in the figure is realized. In the first-stage anisotropic RIE, the cross-sectional shape of the recess can be changed by changing the etching conditions. For this reason, as illustrated in FIG. 9, the cross-sectional area is gradually increased from the lower part (bottom face) to the upper part (upper opening) of the depression, or a vertical side wall shape is formed with substantially the same cross-sectional area. It is also possible. The present embodiment is characterized in that a plurality of etching means are combined to form a recess. Although not shown, an optical element is formed in the recess 81 in the subsequent process.

<第4の実施形態>
図10は本発明の第4の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層90を利用して、感光素子11の上方に窪み91が形成されており、この窪みの側壁には金属薄膜などで構成された反射層92が設けられている。反射層92は蒸着などの周知の手段により設けられる。一般の蒸着手段においては、窪み91の底部まで反射層が形成されてしまうことがあるが、RIEなどの手法を用いて底部の反射層のみを除去する必要がある。一方、改良された蒸着装置を用いて斜め方向から金属粒子が飛来して、側壁部のみに反射層を形成しても良い。図示していないが、引続く工程で窪み91には光学要素が形成される。本実施形態では、光学要素の側壁で光が全反射することを利用できないような場合でも、入射光を効率よく反射させ、感光素子11へ光を集光できる利点がある。
<Fourth Embodiment>
FIG. 10 shows a fourth embodiment of the present invention and shows another method for forming the recess. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, a recess 91 is formed above the photosensitive element 11 by using a patterned photoresist, a mask layer 90 made of metal, an insulating material, or the like, and a side wall of the recess is made of a metal thin film or the like. A reflective layer 92 is provided. The reflective layer 92 is provided by a known means such as vapor deposition. In general vapor deposition means, a reflective layer may be formed up to the bottom of the recess 91, but it is necessary to remove only the reflective layer at the bottom using a technique such as RIE. On the other hand, metal particles may fly from an oblique direction using an improved vapor deposition apparatus, and a reflective layer may be formed only on the side wall. Although not shown, an optical element is formed in the recess 91 in the subsequent process. The present embodiment has an advantage that incident light can be efficiently reflected and light can be condensed on the photosensitive element 11 even when it is not possible to use the total reflection of light on the side wall of the optical element.

<第4の実施形態の変形>
図10に示した実施形態では、反射層92は、窪み91の側壁全体に設けられている。しかしながら、計算された光跡(図4および図5)を参照すると、反射層による当該側壁での反射は、当該側壁の上方で発生していることがわかる。換言すると、光学要素内で当該側壁の下方に向う光は、当該側壁に到達する以前に、光学要素内の屈折率が変化する部分で折り返され、光学要素の中心領域に向っている。このため、反射層92は当該側壁の上方部分にのみ形成されていても集光効果には何ら影響を与えない。この場合には、前項の後半で記載した「斜め方向からの蒸着」手法が採用できる。即ち、斜め方向からの蒸着では、当該窪みの底部に反射層が形成されないため、製造プロセスが簡略化される利点がある。
<Modification of Fourth Embodiment>
In the embodiment shown in FIG. 10, the reflective layer 92 is provided on the entire side wall of the recess 91. However, referring to the calculated light traces (FIGS. 4 and 5), it can be seen that reflection on the side wall by the reflective layer occurs above the side wall. In other words, the light directed downward of the side wall in the optical element is folded at a portion where the refractive index changes in the optical element before reaching the side wall, and is directed toward the central region of the optical element. For this reason, even if the reflective layer 92 is formed only in the upper part of the side wall, it does not affect the light collecting effect. In this case, the “deposition from an oblique direction” method described in the latter half of the previous section can be adopted. That is, the vapor deposition from the oblique direction has an advantage that the manufacturing process is simplified because the reflective layer is not formed at the bottom of the depression.

<第5の実施形態>
図11は本発明の第5の実施形態であり、半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図において、100は第2の絶縁層17の上部に設けられたカラーフィルタである。このカラーフィルタを形成してから、第3の絶縁層18が積層化され、続いて、光学要素101が形成される。入射光102は当該光学要素に入射してから、カラーフィルタ100で色分離され、感光素子11へ到達する。図1に示した構成と異なり、この構成では、光学要素の底部は感光素子11から離れて位置することになるが、光学要素101に屈折率分布を設けることにより、入射光の集光作用は達成される。
<Fifth Embodiment>
FIG. 11 is a fifth embodiment of the present invention and shows another configuration example of the pixel of the semiconductor image sensor. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, the aspect ratio of the figure does not necessarily match the actual image sensor, and merely shows the configuration and operation of the pixels conceptually. In the figure, reference numeral 100 denotes a color filter provided on the second insulating layer 17. After forming this color filter, the third insulating layer 18 is laminated, and then the optical element 101 is formed. After the incident light 102 enters the optical element, the color is separated by the color filter 100 and reaches the photosensitive element 11. Unlike the configuration shown in FIG. 1, in this configuration, the bottom of the optical element is located away from the photosensitive element 11, but by providing a refractive index distribution in the optical element 101, the condensing function of incident light is reduced. Achieved.

<第6の実施形態>
図12は本発明の第6の実施形態であり、半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図の構成では、光学要素111の下部にマイクロレンズ110が設けられていることに特徴がある。110は樹脂材料あるいは絶縁材料で形成されうるが、その屈折率が17の屈折率よりも大きい材料が選定されている。入射光112は、当該光学要素内での屈折率分布により前記した特定の境界で全反射したり、側壁での反射により、光学要素の底部に到達してから、マイクロレンズ110で屈折し、集光されてから感光素子11に到達する。本構成では、マイクロレンズは、集光機能に補助的な役割りを担っている。このマイクロレンズにより、光学要素の底面を通過した光が横方向に伝播することが阻止され、光電変換効率の向上に寄与できる。また、画素構成での設計自由度がさらに拡大される利点もある。
<Sixth Embodiment>
FIG. 12 is a sixth embodiment of the present invention and shows another configuration example of the pixel of the semiconductor image sensor. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, the aspect ratio of the figure does not necessarily match the actual image sensor, and merely shows the configuration and operation of the pixels conceptually. The configuration shown in the figure is characterized in that a microlens 110 is provided below the optical element 111. 110 can be formed of a resin material or an insulating material, but a material having a refractive index greater than a refractive index of 17 is selected. The incident light 112 is totally reflected at the specific boundary as described above due to the refractive index distribution in the optical element or reaches the bottom of the optical element due to reflection on the side wall, and then is refracted by the microlens 110 and collected. The light reaches the photosensitive element 11 after being illuminated. In this configuration, the microlens plays an auxiliary role in the light collecting function. This microlens prevents light that has passed through the bottom surface of the optical element from propagating in the lateral direction, which can contribute to improvement in photoelectric conversion efficiency. In addition, there is an advantage that the degree of freedom of design in the pixel configuration is further expanded.

<マイクロレンズの製造プロセス>
図13は図12の製造方法を概説する図であり、図1と同一番号は同一構成要素を示している。前記した工程により作成された同図(a)の構造体は、同図(b)に示すように、パターニングされたマスク層120を利用して乾式あるいは湿式の等方性エッチングを施すことにより、凹レンズ形状の凹み121が形成される。この形成工程後、同図(c)に示すように、第2の絶縁層17の屈折率よりも屈折率が大きい樹脂材料あるいは絶縁材料が当該構成全面上に被覆され、レンズ層122が形成される。引き続き、同図(d)に示すように、レンズ層122がエッチバックと称される工程により部分的に除去され、120と大略同一平面を有するように平坦化されて、マイクロレンズ123が形成される。同図での123の形状は図12での110の形状と異なるが、入射光の集光機能については同一とみなせる。なお、同図(d)ではマスク層120が除去されていないが、120と123の表面が平坦化されている限り除去の必要性はない。さらに、120が単にエッチング時のマスクとして機能するだけではなく、他の機能、例えば、入射光に対して低い透過率を有している材料から構成され光遮蔽機能をも有している場合には、マスク層120は除去されない方が好ましい。同図(e)は同図(d)とは異なり、図12の110と同一形状を実現するための製造例を示している。すなわち、同図(b)のマスク層120が除去されてから122が設けられ、さらにエッチバック工程により上面が平坦化されて123が形成される。
<Manufacturing process of micro lens>
FIG. 13 is a diagram outlining the manufacturing method of FIG. 12, and the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. The structure shown in FIG. 5A created by the above-described process is subjected to dry or wet isotropic etching using a patterned mask layer 120 as shown in FIG. A concave lens-shaped recess 121 is formed. After this forming step, as shown in FIG. 5C, a resin material or an insulating material having a refractive index larger than the refractive index of the second insulating layer 17 is coated on the entire surface of the structure, and the lens layer 122 is formed. The Subsequently, as shown in FIG. 4D, the lens layer 122 is partially removed by a process called etch back, and is planarized so as to have substantially the same plane as 120, thereby forming the microlens 123. The The shape of 123 in the figure is different from the shape of 110 in FIG. 12, but the condensing function of incident light can be regarded as the same. In FIG. 4D, the mask layer 120 is not removed, but there is no need for removal as long as the surfaces of 120 and 123 are planarized. Further, the 120 does not only function as a mask during etching, but also has other functions, for example, a light shielding function made of a material having a low transmittance with respect to incident light. The mask layer 120 is preferably not removed. FIG. 11 (e) shows a manufacturing example for realizing the same shape as 110 in FIG. 12, unlike FIG. 12 (d). That is, 122 is provided after the mask layer 120 in FIG. 6B is removed, and the top surface is planarized by an etch back process to form 123.

<第7の実施形態>
図14は本発明の第7の実施形態であり、当該半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図において、131は光学要素130の上部開口面に埋め込まれたマイクロレンズであり、図13で概説したような工程に類似して形成されている。131の屈折率は光学要素130の屈折率よりも大きいことが条件となり、当該条件を満足するような材料が選択される。本実施形態においても、レンズ層131は補助的なマイクロレンズとして機能しており、入射光の集光効率の増大に寄与している。
<Seventh Embodiment>
FIG. 14 is a seventh embodiment of the present invention and shows another configuration example of the pixel of the semiconductor image sensor. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. In the figure, the aspect ratio of the figure does not necessarily match the actual image sensor, and merely shows the configuration and operation of the pixels conceptually. In the figure, reference numeral 131 denotes a microlens embedded in the upper opening surface of the optical element 130, which is formed in a manner similar to the process outlined in FIG. The condition is that the refractive index of 131 is larger than the refractive index of the optical element 130, and a material that satisfies the condition is selected. Also in this embodiment, the lens layer 131 functions as an auxiliary microlens and contributes to an increase in the collection efficiency of incident light.

<第8の実施形態>
図15は本発明の第8の実施形態であり、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図は図1に例示した画素が横方向に3個並び、イメージセンサ部分140を構成している場合が示されている。なお、同図には図1に例示した画素構造、すなわち、光学要素の上部にカラーフィルタ20が配置されている構造を例示したが、図11から図14に例示した構造であっても良い。140上にはカバーガラス141が密着して積層化されている。前述したように、本発明においては、半導体イメージセンサの表面が本質的に平坦であるため、図15のようにカバーガラス141をイメージセンサ部分140の表面に密着させることが可能である。この密着構造により、突発的な力の印加に対しても、カバーガラス141が補強材として機能するので半導体イメージセンサの破壊を防止できる。さらに、カバーガラス141を積層化する前に、イメージセンサ部分140の表面を機械的に洗浄することができるので汚染防止の観点からも有利となる。
<Eighth Embodiment>
FIG. 15 shows an eighth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. This figure shows a case where three pixels illustrated in FIG. 1 are arranged in the horizontal direction to form an image sensor portion 140. 1 illustrates the pixel structure illustrated in FIG. 1, that is, the structure in which the color filter 20 is disposed above the optical element, the structures illustrated in FIGS. 11 to 14 may be used. A cover glass 141 is adhered and laminated on 140. As described above, in the present invention, since the surface of the semiconductor image sensor is essentially flat, the cover glass 141 can be adhered to the surface of the image sensor portion 140 as shown in FIG. This close contact structure prevents the semiconductor image sensor from being broken because the cover glass 141 functions as a reinforcing material against sudden application of force. Further, since the surface of the image sensor portion 140 can be mechanically cleaned before the cover glass 141 is laminated, it is advantageous from the viewpoint of preventing contamination.

本実施形態では、「カバーガラス」と表記しているが、より厳密に記述するならば「特定の光波長域で透明であるような特性を少なくとも備えた平板」である。すなわち、カバーガラスは表面被覆だけではなく、別の複数の機能を有していることもあり得る。例えば、可視像撮像用デジタルカメラへ半導体イメージセンサを応用する場合は、撮像効果に影響を与える近赤外光を光学的に除去する赤外遮断フィルタ機能が挙げられる。なお、白黒撮像用の場合は、見かけ上の光感度を増大させるため、入射光に含まれる近赤外光エネルギも積極的に利用する場合がある。このような場合には、カバーガラスは可視光から近赤外光までの波長域に対して透明である必要がある。また、半導体イメージセンサを熱画像検出が目的の赤外撮像装置へ応用する場合において、撮像効果に影響を与える可視光を除去する赤外フィルタが挙げられる。これらの応用事例では、カバーガラス自身、あるいは該カバーガラスの表面あるいは裏面にフィルタ層が作成される。フィルタ層の構成には、金属や誘電体薄膜を多層積層した干渉フィルタを直接ガラス面に形成する手法や、多段に積層したプラスチック膜を引き伸ばしてからガラス面に張る手法などがある。また、カバーガラスに付加した別の機能例としてカラーフィルタの搭載がある。この事例には、カバーガラスの表面あるいは裏面に画素ピッチと等しいカラーフィルタアレイを形成することが挙げられる。すなわち、図15において、カラーフィルタ20をイメージセンサ部分140の一部に構成するのではなく、カバーガラス141の一部に構成する例がある。このような構成では、カバーガラス面に周知の手法でカラーフィルタアレイを直接作成しても良いし、あるいは、カバーガラスとは異なるガラス薄板にカラーフィルタアレイを形成してからカバーガラスに貼り付けても良い。本明細書における「カバーガラス」という用語には本項で例記したこれらの機能例が含まれており、いずれも本発明に含まれている。   In this embodiment, the term “cover glass” is used. However, if it is described more strictly, it is “a flat plate having at least the characteristic of being transparent in a specific light wavelength region”. That is, the cover glass may have a plurality of functions other than the surface coating. For example, when a semiconductor image sensor is applied to a visible image capturing digital camera, an infrared cutoff filter function that optically removes near-infrared light that affects the imaging effect can be cited. In the case of monochrome imaging, the near-infrared light energy contained in the incident light may be actively used to increase the apparent light sensitivity. In such a case, the cover glass needs to be transparent to the wavelength range from visible light to near infrared light. In addition, in the case where the semiconductor image sensor is applied to an infrared imaging device whose purpose is thermal image detection, an infrared filter that removes visible light affecting the imaging effect can be cited. In these application examples, a filter layer is formed on the cover glass itself or on the front or back surface of the cover glass. As the structure of the filter layer, there are a method of directly forming an interference filter in which multiple layers of metal and dielectric thin films are laminated on the glass surface, and a method of stretching a plastic film laminated in multiple stages and stretching it on the glass surface. Another example of the function added to the cover glass is a color filter. In this case, a color filter array equal to the pixel pitch is formed on the front or back surface of the cover glass. That is, in FIG. 15, there is an example in which the color filter 20 is not formed as a part of the image sensor portion 140 but is formed as a part of the cover glass 141. In such a configuration, the color filter array may be directly formed on the cover glass surface by a well-known method, or the color filter array is formed on a thin glass plate different from the cover glass and then attached to the cover glass. Also good. The term “cover glass” in the present specification includes these functional examples exemplified in this section, and both are included in the present invention.

<第9の実施形態>
図16は本発明の第9の実施形態であり、前項で概説したカバーガラスへの機能付与の一例である。同図において、図15と同一番号は同一構成要素を示している。本実施形態では、図15の実施形態とは異なり、カラーフィルタ20が搭載されていない。同図において、151はその一部に蛍光膜を含むカバーガラスである。この蛍光膜は入射した紫外線152を可視光に変換して放射し、この可視光がイメージセンサ部分140で画像信号に変換される。蛍光膜からの可視光の放射には方向性がないので、140に配列された光学要素の構成としては図10に例示したような光学要素側壁に反射層を有するような構成が好ましいが、この限りではない。さらに、本実施形態では入射光が紫外線であるような事例が示されているが、入射光としてはこれに限らず、X線などの放射光が入射するような応用例でも、151の構成を変えることにより適用できる。
<Ninth Embodiment>
FIG. 16 shows a ninth embodiment of the present invention, which is an example of function addition to the cover glass outlined in the previous section. In the figure, the same numbers as those in FIG. 15 indicate the same components. In this embodiment, unlike the embodiment of FIG. 15, the color filter 20 is not mounted. In the figure, reference numeral 151 denotes a cover glass including a fluorescent film in a part thereof. This fluorescent film converts incident ultraviolet light 152 into visible light and emits it, and the visible light is converted into an image signal by the image sensor portion 140. Since the visible light radiation from the fluorescent film is not directional, the configuration of the optical elements arranged in 140 is preferably a configuration having a reflective layer on the side wall of the optical element as illustrated in FIG. Not as long. Further, in the present embodiment, an example in which the incident light is ultraviolet light is shown. However, the incident light is not limited to this, and an application example in which radiation light such as X-rays is incident has the configuration of 151. It can be applied by changing.

<第10の実施形態>
図17は本発明の第10の実施形態であり、図15と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図には図1に例示した画素構造、すなわち、光学要素の上部にカラーフィルタが配置されている構造を例示したが、図11から図14に例示した構造であっても良い。本実施形態では、カバーガラス161に画素に対応して配列された凸レンズ162が含まれている。この構成にでは、162は補助的なマイクロレンズとして機能し、フォトダイオード11への集光効果を一層高めることが可能である。162の形成方法については、各種の周知技術を利用することができる。例えば、カバーガラス161の下側表面を凹レンズ上の窪みに加工してから、162となる材料を埋め込むことが挙げられる。ここでは、凸レンズの機能を発揮させるため、162の屈折率は161の屈折率よりも大きな材料を選択する必要がある。しかしながら、従来例とは異なり、凸レンズ162は補助的機能を有すれば良いので、その形状や特性に対する制限は緩やかである。本実施形態においても、イメージセンサ部分140の表面はカバーガラス161の下側表面に密着させることが可能なため、従来のマイクロレンズ搭載事例での種々の課題は解決されることになる。
<Tenth Embodiment>
FIG. 17 shows a tenth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 15 denote the same components. 1 illustrates the pixel structure illustrated in FIG. 1, that is, the structure in which the color filter is disposed on the optical element, the structures illustrated in FIGS. 11 to 14 may be used. In the present embodiment, the cover glass 161 includes convex lenses 162 arranged corresponding to the pixels. In this configuration, 162 functions as an auxiliary microlens, and the light collecting effect on the photodiode 11 can be further enhanced. Various known techniques can be used for the method of forming 162. For example, after processing the lower surface of the cover glass 161 into a depression on the concave lens, the material to be 162 is embedded. Here, in order to exhibit the function of a convex lens, it is necessary to select a material having a refractive index 162 larger than that of 161. However, unlike the conventional example, the convex lens 162 is only required to have an auxiliary function, and therefore, restrictions on its shape and characteristics are moderate. Also in this embodiment, since the surface of the image sensor portion 140 can be brought into close contact with the lower surface of the cover glass 161, various problems in the conventional microlens mounting example are solved.

なお、図15から図17に例示した実施形態では、カバーガラスと称される構造体が一様な厚さを有する平板として示されているが、この限りではない。すなわち、イメージセンサ部分140の画素に対応する領域のみが透明な素材で形成され、駆動系や信号処理系といった電子回路が含まれる領域が金属であって、この透明な素材がこの金属にハーメチックシールされている構成もあり得る。このような構成は特に高信頼性を要求される用途にはより適している。   In the embodiment illustrated in FIGS. 15 to 17, the structure called a cover glass is shown as a flat plate having a uniform thickness, but this is not restrictive. That is, only a region corresponding to the pixel of the image sensor portion 140 is formed of a transparent material, and a region including an electronic circuit such as a drive system or a signal processing system is a metal, and the transparent material is hermetically sealed to the metal. There may also be a configuration. Such a configuration is particularly suitable for applications that require high reliability.

本明細書では図1で示したように、標準的な構成と考えられるイメージセンサの画素構成が記載されている。しかしながら、イメージセンサの構成には多種あり、本発明はこれらの全てに適用できる。一例として挙げるならば、感度増大のためのいわゆる裏面照射型イメージセンサの構成、感度増大のために画素毎に増幅機能を持たせたりフォトダイオード自身が増幅機能を有すると言ったいわゆる増幅型イメージセンサの構成、水平垂直レジスタを介して画素からの信号読み出しを実行するCCD型イメージセンサ、さらには、イメージセンサ自体が積層構造をなしていて各層毎に撮像機能、信号処理機能、メモリ機能、入出力制御機能などが割り当てられているような3次元の構成などがある。ここで記載した構成例は全て本発明に含まれている。   In this specification, as shown in FIG. 1, a pixel configuration of an image sensor considered as a standard configuration is described. However, there are various image sensor configurations, and the present invention can be applied to all of them. For example, a so-called back-illuminated image sensor for increasing sensitivity, a so-called amplifying image sensor in which each pixel has an amplifying function or the photodiode itself has an amplifying function for increasing sensitivity. Configuration, CCD image sensor that reads signals from pixels via horizontal and vertical registers, and the image sensor itself has a laminated structure, and each layer has an imaging function, signal processing function, memory function, and input / output There are three-dimensional configurations in which control functions are assigned. All the configuration examples described here are included in the present invention.

本明細書で詳述した半導体イメージセンサの画素構成では、集光用のマイクロレンズを必要としていない。かかる構成は、デジタルカメラや携帯電話への応用以外にも、赤外イメージセンサ、光半導体素子、光学的な信号処理用の半導体装置など、さらには、光を放射するようなディスプレイにも広く適用できる。   The pixel configuration of the semiconductor image sensor described in detail in this specification does not require a condensing microlens. In addition to application to digital cameras and mobile phones, this configuration is widely applied to infrared image sensors, optical semiconductor elements, semiconductor devices for optical signal processing, and even displays that emit light. it can.

1 全反射面
2 受光部
3 透明材料部
4 低屈折率部分
10 半導体基板
11 感光素子
12 拡散層
13 ゲート電極
14 トランジスタ
15 第1の絶縁層
16 配線層
17 第2の絶縁層
18 第3の絶縁層
19、62、101、111、130 光学要素
20、100 カラーフィルタ
21 第4の絶縁層
22、23 画素ピッチ
25、102、112 入射光
27 断面を示す部分
28 階段状の屈折率分布
29 直線状の屈折率分布
30 連続的な曲線状の屈折率分布
50 入射角度
51 側壁角度
60、70、80、90、120 マスク層
61、71、81、91 窪み
63 表面層
92 反射層
110、123、131 マイクロレンズ
121 凹み
122 レンズ層
140 イメージセンサ部分
141、151、161 カバーガラス
152 紫外線
162 凸レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Total reflection surface 2 Light-receiving part 3 Transparent material part 4 Low-refractive-index part 10 Semiconductor substrate 11 Photosensitive element 12 Diffusion layer 13 Gate electrode 14 Transistor 15 1st insulating layer 16 Wiring layer 17 2nd insulating layer 18 3rd insulation Layers 19, 62, 101, 111, 130 Optical element 20, 100 Color filter 21 Fourth insulating layer 22, 23 Pixel pitch 25, 102, 112 Incident light 27 Partial section 28 Stepwise refractive index distribution 29 Linear Refractive index distribution 30 Continuous refractive index distribution 50 Incident angle 51 Side wall angle 60, 70, 80, 90, 120 Mask layer 61, 71, 81, 91 Recess 63 Surface layer 92 Reflective layer 110, 123, 131 Microlens 121 Recess 122 Lens layer 140 Image sensor portion 141, 151, 161 Cover glass 152 UV 162 convex lens

Claims (6)

配列された感光素子のそれぞれの上方に集光するための透明な光学要素を設けた半導体イメージセンサであって、
前記光学要素の中心領域の屈折率は、該光学要素の中心領域の外を占める周辺領域の屈折率より高くなることを特徴とする半導体イメージセンサ。
A semiconductor image sensor provided with a transparent optical element for condensing above each of the arranged photosensitive elements,
The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein a refractive index of a central region of the optical element is higher than a refractive index of a peripheral region occupying outside the central region of the optical element.
前記光学要素は、屈折率の異なる少なくとも2種類の透明材料から構成され、
前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
屈折率を高くする材料の含有率を小さくし、かつ、屈折率を低くする材料の含有率を大きくしたこと
を特徴とする請求項1に記載の半導体イメージセンサ。
The optical element is composed of at least two kinds of transparent materials having different refractive indexes,
As going from the central region to the peripheral region,
2. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein the content ratio of the material for increasing the refractive index is decreased and the content ratio of the material for decreasing the refractive index is increased.
前記光学要素の一部における屈折率は、
前記光学要素の一部においては前記少なくとも2種類の透明材料の構成比で決定される場合を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体イメージセンサ。
The refractive index in a part of the optical element is
3. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein a part of the optical element includes a case where the optical element is determined by a composition ratio of the at least two kinds of transparent materials.
前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
前記光学要素は、
前記屈折率の低い材料の含有率を段階的に高めることにより、
該屈折率が段階的に低くなることを特徴とする請求項2に記載の半導体イメージセンサ。
As going from the central region to the peripheral region,
The optical element is
By gradually increasing the content of the low refractive index material,
The semiconductor image sensor according to claim 2, wherein the refractive index is lowered stepwise.
前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
前記光学要素は、
前記屈折率の低い材料の含有率を連続的に高めることにより、
該屈折率が連続的に低くなることを特徴とする請求項2に記載の半導体イメージセンサ。
As going from the central region to the peripheral region,
The optical element is
By continuously increasing the content of the low refractive index material,
The semiconductor image sensor according to claim 2, wherein the refractive index is continuously lowered.
前記光学要素が、該光学要素を配置する前記半導体イメージセンサの絶縁層に接する側壁に、光を反射する層を設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体イメージセンサ。
6. The semiconductor according to claim 1, wherein the optical element is provided with a light reflecting layer on a side wall in contact with an insulating layer of the semiconductor image sensor in which the optical element is disposed. Image sensor.
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