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JP7615570B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description

本発明は、固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.

近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高解像度化が進められている。撮像装置に組み込まれるCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、1画素あたりに入射する光量の減少による感度特性の低下が問題となっている。 In recent years, image capture devices installed in video cameras, digital cameras, and camera-equipped mobile phones have become increasingly higher resolution. As the pixels of solid-state image capture elements such as CCD (Charge Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensors built into image capture devices become finer, the amount of light incident on each pixel decreases, causing a problem of reduced sensitivity characteristics.

固体撮像素子には、感度低下を抑えるために、受光素子の入射側に、画素(光電変換素子)に一対一に対応させてマイクロレンズを形成する方式が広く用いられる。マイクロレンズを形成することで、入射光を効率よく光電変換素子に集光することができ、感度特性を向上させることができる。 To prevent sensitivity loss, a method is widely used for solid-state imaging devices in which microlenses are formed on the incident side of the light receiving element in one-to-one correspondence with pixels (photoelectric conversion elements). By forming microlenses, incident light can be efficiently focused on the photoelectric conversion element, improving sensitivity characteristics.

固体撮像素子の各画素には、入射する光の経路に特定の波長の光を透過させるカラーフィルタを形成することで、対象物の色情報を得ることを可能とする。一般に、1画素に対応して特定の色のカラーフィルタを形成し、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を得ることができる。カラーフィルタの色としては、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色からなる3原色系、あるいは、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)からなる補色系が一般的であり、特に3原色系が多く使われている。 Each pixel of a solid-state imaging device is formed with a color filter that transmits light of a specific wavelength along the path of the incoming light, making it possible to obtain color information of the object. In general, color filters of a specific color are formed corresponding to each pixel, and a large number of them are arranged in a regular pattern to obtain color-separated image information. The most common color filters are the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B), or the complementary colors of cyan (C), magenta (M), and yellow (Y), with the three primary colors being particularly widely used.

また、固体撮像素子に用いられる技術として、マイクロレンズとカラーフィルタとが一体化したカラーマイクロレンズの構成が開示されている(特許文献1参照)。特許文献1に開示されている構成は、カラーマイクロレンズ間に隔壁が設けられており、その隔壁を設けることで、斜入射光に起因した混色を抑制する効果が得られるとされている。 Also, as a technology used in solid-state imaging devices, a color microlens configuration in which a microlens and a color filter are integrated has been disclosed (see Patent Document 1). In the configuration disclosed in Patent Document 1, partitions are provided between the color microlenses, and the provision of these partitions is said to have the effect of suppressing color mixing caused by obliquely incident light.

国際公開第2019/220861号International Publication No. 2019/220861

特許文献1に記載の構成は、カラーマイクロレンズ間に配置された隔壁に金属材料を用いており、画素に入射した光が、金属の隔壁部分にて吸収されてしまい、感度特性の低下が生じるおそれがある。 The configuration described in Patent Document 1 uses a metal material for the partitions between the color microlenses, and light that enters the pixels is absorbed by the metal partitions, which may result in a decrease in sensitivity characteristics.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子を提供する。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and provides a solid-state imaging element that is low-profile and has good sensitivity characteristics.

課題を解決するために、本発明の一態様は、複数の光電変換素子が2次元的に配置された半導体基板と、上記各光電変換素子と対向可能な位置で上記半導体基板上に形成された、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体となったカラーマイクロレンズと、複数の上記カラーマイクロレンズの間に配置された複数の隔壁と、を備えることで複数の画素が2次元的に配置された固体撮像素子であって、上記隔壁は、透明な材料で形成されていることを特徴とする。 In order to solve the problem, one aspect of the present invention is a solid-state imaging device that includes a semiconductor substrate on which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged two-dimensionally, color microlenses, each of which is an integral part of a color filter and a microlens, formed on the semiconductor substrate at a position that can face each of the photoelectric conversion elements, and a plurality of partition walls arranged between the plurality of color microlenses, thereby providing a plurality of pixels arranged two-dimensionally, characterized in that the partition walls are made of a transparent material.

本発明の態様によれば、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子の提供が可能となる。 According to this aspect of the invention, it is possible to provide a solid-state imaging device that is low-profile and has good sensitivity characteristics.

本発明の実施形態に係る固体撮像素子の部分概略を示す上面図である。1 is a top view showing a partial outline of a solid-state imaging element according to an embodiment of the present invention. 図1の点線I-IIに沿った固体撮像素子の構造を概略的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a solid-state imaging element taken along dotted line I-II in FIG. 比較例1における固体撮像素子の構造を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a solid-state imaging element according to a first comparative example. 比較例2における固体撮像素子の構造を概略的に示す断面図である。11 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a solid-state imaging element according to Comparative Example 2. FIG. 本発明の実施例におけるシミュレーションに使用した固体撮像素子の構造を示す上面図(a)、及びそのシミュレーションに使用した固体撮像素子の構造を示す断面図(b)である。1A is a top view showing the structure of a solid-state imaging element used in a simulation in an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing the structure of the solid-state imaging element used in the simulation. 垂直入射における感度特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing sensitivity characteristics at normal incidence. 斜入射における感度特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing sensitivity characteristics at oblique incidence. 本発明の実施例におけるカラーマイクロレンズの高さに対する隔壁の高さの比率(高さ比率R)とSNR10との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the ratio of the height of the partition wall to the height of the color microlenses (height ratio R) and SNR10 in an embodiment of the present invention. 本発明の実施例における隔壁の幅とSNR10との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the width of the partition wall and SNR10 in an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。
ここで、各図に示す構成は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに限定されるものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Here, the configurations shown in the figures are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each layer, etc. differ from the actual ones. Furthermore, the embodiments shown below are examples of configurations for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited to the materials, shapes, structures, etc. of the components described below. The technical idea of the present invention can be modified in various ways within the technical scope defined by the claims described in the claims.

本実施形態の固体撮像素子では、図1に示すように、緑色画素11Gの数と赤色画素11Rの数と青色画素11Bの数の比率が2:1:1となるベイヤー配列にしたがって、4画素を1単位とした配列が周期的に並んでいる。赤色画素11Rは、赤色波長光の強度を検出する画素であり、緑色画素11Gは、緑色波長光の強度を検出する画素であり、青色画素11Bは、青色波長光の強度を検出する画素である。
平面視において、各カラーマイクロレンズ12は、各画素の領域に一致する。
1, in the solid-state imaging element of this embodiment, an array of four pixels per unit is periodically arranged according to a Bayer array in which the ratio of the number of green pixels 11G to the number of red pixels 11R to the number of blue pixels 11B is 2:1:1. The red pixels 11R are pixels that detect the intensity of red wavelength light, the green pixels 11G are pixels that detect the intensity of green wavelength light, and the blue pixels 11B are pixels that detect the intensity of blue wavelength light.
In a plan view, each color microlens 12 corresponds to the area of a corresponding pixel.

図2は、図1の点線I-IIに沿った固体撮像素子10の構造を概略的に示す断面図である。
図2に示すように、固体撮像素子10において、半導体基板15の内部には、入射した光を電荷へと変換する作用を持つ複数の光電変換素子16が設けられている。光電変換素子16は、図1に示す画素11毎に設けられ、複数の光電変換素子16が2次元的に配置される。
半導体基板15は、例えば、シリコンで構成される。光電変換素子16は、例えば、リンなどの元素を半導体基板15に添加することで形成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the solid-state imaging device 10 taken along the dotted line I-II in FIG.
2, in the solid-state imaging device 10, a plurality of photoelectric conversion elements 16 that convert incident light into electric charges are provided inside a semiconductor substrate 15. The photoelectric conversion element 16 is provided for each pixel 11 shown in FIG. 1, and the plurality of photoelectric conversion elements 16 are arranged two-dimensionally.
The semiconductor substrate 15 is made of, for example, silicon. The photoelectric conversion element 16 is formed by adding an element such as phosphorus to the semiconductor substrate 15.

半導体基板15の上には、平坦化層14が形成される。平坦化層14は、例えば、シリコン酸化膜などから形成される。また、入射光の反射を低減するために、平坦化層14と半導体基板15との界面には、反射防止膜を、金属酸化物で形成してもよい。
平坦化層14の上には、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体化したカラーマイクロレンズ12が複数形成される。赤色画素11Rには、カラーマイクロレンズ12Rが、緑色画素11Gには、カラーマイクロレンズ12Gが、青色画素11Bには、カラーマイクロレンズ12Bがそれぞれ対応して形成されている。
A planarization layer 14 is formed on the semiconductor substrate 15. The planarization layer 14 is formed of, for example, a silicon oxide film. In order to reduce reflection of incident light, an anti-reflection film made of a metal oxide may be formed at the interface between the planarization layer 14 and the semiconductor substrate 15.
A plurality of color microlenses 12, in which a color filter and a microlens are integrated, are formed on the planarization layer 14. A color microlens 12R is formed corresponding to the red pixel 11R, a color microlens 12G is formed corresponding to the green pixel 11G, and a color microlens 12B is formed corresponding to the blue pixel 11B.

カラーマイクロレンズ12は、例えば、緑色、青色、赤色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ感光性を有する有機材料により構成される。カラーマイクロレンズ12は、例えば、その屈折率が1.5以上2.0以下の範囲内であり、その消衰係数が0以上0.4以下の範囲内である。また、カラーマイクロレンズ12は、例えば、その光透過率が可視光領域全体において80%以上100%以下の範囲内である。
カラーマイクロレンズ12は、レンズ母型をマスクとして用いたドライエッチングによりレンズ母型の形状をカラーマイクロレンズ12に形状転写することにより形成される。また、入射光の反射を低減するために、カラーマイクロレンズ12の上部(上面)には、反射防止膜を、例えば、シリコン酸化膜などで形成してもよい。
The color microlens 12 is made of a photosensitive organic material containing a pigment or dye that selectively transmits wavelengths corresponding to green, blue, and red, for example. The color microlens 12 has a refractive index in the range of 1.5 to 2.0, and an extinction coefficient in the range of 0 to 0.4. The color microlens 12 also has a light transmittance in the range of 80% to 100% over the entire visible light range, for example.
The color microlenses 12 are formed by transferring the shape of the lens matrix to the color microlenses 12 by dry etching using the lens matrix as a mask. In order to reduce the reflection of incident light, an anti-reflection film made of, for example, a silicon oxide film may be formed on the upper portion (upper surface) of the color microlenses 12.

つまり、本実施形態において、上記「カラーマイクロレンズ12」とは、着色された樹脂で形成されたマイクロレンズを意味する。より具体的には、カラーマイクロレンズ12は、着色された樹脂で形成されたマイクロレンズであって、図2に示すように、平坦化層14の上に形成されたカラーフィルタ平坦部12aと、カラーフィルタ平坦部12aの上に形成されたカラーフィルタレンズ部12bとを備えたマイクロレンズである。カラーフィルタレンズ部12bは、カラーフィルタ平坦部12aとは反対側の表面がレンズ形状(例えば、略半球状のレンズ形状)となっている。 That is, in this embodiment, the above-mentioned "color microlens 12" means a microlens formed of a colored resin. More specifically, the color microlens 12 is a microlens formed of a colored resin, and as shown in FIG. 2, is a microlens that includes a color filter flat portion 12a formed on the planarization layer 14 and a color filter lens portion 12b formed on the color filter flat portion 12a. The surface of the color filter lens portion 12b opposite to the color filter flat portion 12a has a lens shape (for example, a substantially hemispherical lens shape).

図2に示すように、カラーフィルタ平坦部12aの厚さ(膜厚)である平坦部高さAは、例えば、平坦化層14と接する面から、カラーフィルタレンズ部12bの最底部と接する面までの高さとして定義する。カラーフィルタレンズ部12bの厚さ(膜厚)であるレンズ部高さBは、例えば、厚さ方向において、カラーフィルタ平坦部12aと接する最底部の面からカラーフィルタレンズ部12bのレンズ形状の頂部までの高さとして定義する。なお、上記「カラーフィルタレンズ部12bの最底部」とは、各カラーマイクロレンズ12においてレンズが形成されている領域のうち、最も隔壁13側に位置する点を意味する。 2, the flat portion height A, which is the thickness (film thickness) of the color filter flat portion 12a, is defined as, for example, the height from the surface in contact with the flattening layer 14 to the surface in contact with the bottom of the color filter lens portion 12b. The lens portion height B, which is the thickness (film thickness) of the color filter lens portion 12b, is defined as, for example, the height in the thickness direction from the bottom surface in contact with the color filter flat portion 12a to the top of the lens shape of the color filter lens portion 12b. Note that the above "bottom of the color filter lens portion 12b" refers to the point located closest to the partition wall 13 among the areas where lenses are formed in each color microlens 12.

本実施形態において、平坦部高さAとレンズ部高さBとの和に対する、レンズ部高さBの比率(B/(A+B))は、0.5以上1未満の範囲内であれば好ましく、0.6以上0.9以下の範囲内であればより好ましく、0.7以上0.8以下の範囲内であればさらに好ましい。
上記比率が、0.5よりも低い場合には、カラーフィルタレンズ部12bによる十分な集光がなされないために受光感度が低下することがある。その結果、画素のS/N比が劣化し、結果的に画質特性の劣化を引き起こすことがある。
In this embodiment, the ratio of the lens portion height B to the sum of the flat portion height A and the lens portion height B (B/(A+B)) is preferably within a range of 0.5 or more and less than 1, more preferably within a range of 0.6 or more and 0.9 or less, and even more preferably within a range of 0.7 or more and 0.8 or less.
If the ratio is lower than 0.5, the light receiving sensitivity may decrease because the color filter lens portion 12b does not sufficiently collect light, which may result in a deterioration in the S/N ratio of the pixel, and ultimately cause a deterioration in image quality characteristics.

また、平坦部高さAとレンズ部高さBとの和は、500nm以上800nm以下の範囲内が好ましく、700nm以上800nm以下の範囲内がより好ましい。平坦部高さAとレンズ部高さBとの和が上記数値範囲内であれば、カラーフィルタとしても機能が十分に発揮される。具体的には、平坦部高さAとレンズ部高さBの和が500nmより低い場合、各カラーフィルタの選択波長域外の波長を有する入射光の透過率が増加することで、各カラーフィルタの波長選択性が悪化し、画素のS/N比が劣化することがある。また、各カラーフィルタは選択波長域の波長の光を僅かに吸収する性質を持つため、平坦部高さAとレンズ部高さBの和が800nmより高い場合、各カラーフィルタの選択波長域の波長を有する入射光に対する各カラーフィルタの透過率の低下を引き起こし、各画素の光電変換素子へと到達する光量が減少することがある。その結果、画素の受光感度が低下し、画素のS/N比が劣化することがある。 The sum of the flat portion height A and the lens portion height B is preferably in the range of 500 nm to 800 nm, more preferably in the range of 700 nm to 800 nm. If the sum of the flat portion height A and the lens portion height B is within the above numerical range, the function as a color filter is fully exhibited. Specifically, if the sum of the flat portion height A and the lens portion height B is lower than 500 nm, the transmittance of incident light having a wavelength outside the selected wavelength range of each color filter increases, which may deteriorate the wavelength selectivity of each color filter and deteriorate the S/N ratio of the pixel. In addition, since each color filter has the property of slightly absorbing light of a wavelength in the selected wavelength range, if the sum of the flat portion height A and the lens portion height B is higher than 800 nm, this may cause a decrease in the transmittance of each color filter for incident light having a wavelength in the selected wavelength range of each color filter, and the amount of light reaching the photoelectric conversion element of each pixel may decrease. As a result, the light receiving sensitivity of the pixel may decrease, and the S/N ratio of the pixel may deteriorate.

また、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ12の幅WLは、0.6μm以上2.0μm以下の範囲内であることが好ましく、0.6μm以上1.0μm以下の範囲内であることがより好ましく、0.6μm以上0.8μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。その理由は、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ12の幅WLを0.6μmよりも狭くすることは現状の工程能力(作成技術)では困難だからである。また、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ12の幅WLが2.0μmよりも広くなると、低背化による感度特性向上の寄与が小さくなってしまうおそれがあるからである。 The width WL of the color microlens 12 in the horizontal direction of each pixel is preferably in the range of 0.6 μm to 2.0 μm, more preferably in the range of 0.6 μm to 1.0 μm, and even more preferably in the range of 0.6 μm to 0.8 μm. This is because it is difficult to make the width WL of the color microlens 12 in the horizontal direction of each pixel narrower than 0.6 μm with the current process capabilities (manufacturing technology). Also, if the width WL of the color microlens 12 in the horizontal direction of each pixel is wider than 2.0 μm, there is a risk that the contribution of the low height to improved sensitivity characteristics will be reduced.

本実施形態に係る固体撮像素子10は、図2に示すように、カラーマイクロレンズ12が隔壁13の表面上を覆っていない形態がもっとも好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、隔壁13の表面の一部は、カラーマイクロレンズ12によって覆われていてもよい。具体的には、隔壁13の表面において50%未満の面積であれば、隔壁13の表面はカラーマイクロレンズ12によって覆われていてもよい。上記数値範囲内であれば、カラーマイクロレンズ12の端部に入射した光についても光電変換素子16に導くことが可能となる。 As shown in FIG. 2, the solid-state imaging element 10 according to this embodiment is most preferably in a form in which the color microlenses 12 do not cover the surface of the partition 13, but the present invention is not limited to this. For example, a part of the surface of the partition 13 may be covered by the color microlenses 12. Specifically, the surface of the partition 13 may be covered by the color microlenses 12 so long as the area of the surface of the partition 13 is less than 50%. Within the above numerical range, it is possible to guide light incident on the end of the color microlenses 12 to the photoelectric conversion element 16.

複数の隔壁13は、半導体基板15上に形成され、任意の2つの隣接するカラーマイクロレンズ12の間に配置される。例えば、緑色カラーマイクロレンズ12Gと赤色カラーマイクロレンズ12Rとの間に隔壁13は配置される。隔壁13は、光電変換素子16の各々に対応する各画素を定義する。実施形態では、隔壁13の底部は平坦化層14の上面に接するように形成される。
本実施形態における隔壁13は、隣り合う画素の間での斜入射光に起因した混色を抑制するためものである。
A plurality of partitions 13 are formed on the semiconductor substrate 15 and disposed between any two adjacent color microlenses 12. For example, the partitions 13 are disposed between the green color microlens 12G and the red color microlens 12R. The partitions 13 define pixels corresponding to the respective photoelectric conversion elements 16. In the embodiment, the bottoms of the partitions 13 are formed to contact the upper surface of the planarization layer 14.
The partition 13 in this embodiment is intended to suppress color mixing between adjacent pixels due to obliquely incident light.

隔壁13は、透明な材料で形成されていればよく、透明な無機化合物材料で形成されていてもよい。隔壁13は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)等により構成されてもよい。なお、隔壁13を構成する材料は、上述した材料に限定されるものではなく、隔壁13は、透明な無機化合物を有する他の好適な材料等で構成されていてもよい。
隔壁13は、例えば、その屈折率が1.4以上1.9以下の範囲内であり、その消衰係数が0以上0.01以下の範囲内である。また、隔壁13は、例えば、その光透過率が可視光領域全体において80%以上100%以下の範囲内である。なお、隔壁13が窒化シリコン(SiN)で形成されている場合には、その屈折率は1.9となる。
The partition 13 may be made of any transparent material, and may be made of a transparent inorganic compound material. The partition 13 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), etc. The material constituting the partition 13 is not limited to the above-mentioned materials, and the partition 13 may be made of other suitable materials having a transparent inorganic compound, etc.
The partition 13 has, for example, a refractive index in the range of 1.4 to 1.9 and an extinction coefficient in the range of 0 to 0.01. The partition 13 also has, for example, a light transmittance in the range of 80% to 100% in the entire visible light range. If the partition 13 is made of silicon nitride (SiN), the refractive index is 1.9.

本実施形態において、隔壁13の屈折率は、隔壁13の表面側と、隔壁13の裏面側(平坦化層14側)とで同じであってもよいし、隔壁13の裏面側から隔壁13の表面側に向かって徐々に小さくなっていてもよい。隔壁13の屈折率を、隔壁13の裏面側から隔壁13の表面側に向かって徐々に小さくすることで、斜入射角度が比較的浅い入射光(例えば、入射角度が15°~30°程度)に対して、感度特性をより向上させることができる。
あるいは、隔壁13の屈折率は、隔壁13の裏面側から隔壁13の表面側に向かって大きくなっていてもよい。隔壁13の屈折率は、隔壁13の裏面側から隔壁13の表面側に向かって徐々に大きくすることで、斜入射角度が比較的深い入射光(例えば、入射角度が35°~45°程度)に対して、感度特性をより向上させることができる。
In the present embodiment, the refractive index of the partition wall 13 may be the same on the front surface side of the partition wall 13 and on the back surface side (planarizing layer 14 side) of the partition wall 13, or may gradually decrease from the back surface side of the partition wall 13 toward the front surface side of the partition wall 13. By gradually decreasing the refractive index of the partition wall 13 from the back surface side of the partition wall 13 toward the front surface side of the partition wall 13, it is possible to further improve the sensitivity characteristics with respect to incident light having a relatively shallow oblique incident angle (for example, an incident angle of about 15° to 30°).
Alternatively, the refractive index of the partition 13 may increase from the back surface side of the partition 13 toward the front surface side of the partition 13. By gradually increasing the refractive index of the partition 13 from the back surface side of the partition 13 toward the front surface side of the partition 13, it is possible to further improve the sensitivity characteristics with respect to incident light having a relatively large oblique incidence angle (for example, an incidence angle of about 35° to 45°).

上述のように、隔壁13の屈折率に勾配を付与する場合には、隔壁13を下記の方法を用いて形成してもよい。
隔壁13の材料として使用可能な、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)等は、一般にスパッタリング法を用いて形成することができる。このスパッタリング法は、その形成条件、具体的には酸素濃度を連続的に調整することが可能である。そこで、隔壁13の上記材料を形成する際の酸素濃度を連続的に調整する(増加あるいは減少させる)ことで、隔壁13の屈折率を連続的に変化させることができる。
As described above, when the refractive index of the partition walls 13 is to be gradient, the partition walls 13 may be formed by the following method.
Silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), etc., which can be used as the material of the partition 13, can generally be formed by a sputtering method. This sputtering method allows the formation conditions, specifically the oxygen concentration, to be continuously adjusted. Thus, by continuously adjusting (increasing or decreasing) the oxygen concentration when forming the material of the partition 13, the refractive index of the partition 13 can be continuously changed.

隔壁13は、例えば、図2に示すように、その厚さ方向における断面形状が矩形である。隔壁13の幅WWは、例えば、隔壁13の高さHWよりも小さな値となっている。
本実施形態では、隔壁13の高さHWは、カラーマイクロレンズ12の高さHL(即ち、平坦部高さAとレンズ部高さBとの和)に対する隔壁13の高さHWの比率で、0.6以上1.1以下の範囲内であれば好ましく、0.8以上1.0以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が0.6より小さい場合は、隔壁13が低いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が1.1より大きい場合は、隔壁13が高いために、固体撮像素子10の低背化の観点から問題がある。
2, the partition wall 13 has a rectangular cross section in the thickness direction. The width WW of the partition wall 13 is smaller than the height HW of the partition wall 13.
In this embodiment, the height HW of the partition 13 is a ratio of the height HW of the partition 13 to the height HL of the color microlens 12 (i.e., the sum of the flat portion height A and the lens portion height B), and is preferably in the range of 0.6 to 1.1, and more preferably in the range of 0.8 to 1.0. If the ratio is less than 0.6, the partition 13 is too low to perform its original role as a partition, and the obliquely incident light component may move to an adjacent pixel, causing color mixing and degrading the sensitivity characteristics. If the ratio is more than 1.1, the partition 13 is too high, which is problematic from the viewpoint of reducing the height of the solid-state imaging element 10.

隔壁13の高さHWは、カラーフィルタ平坦部12aの平坦部高さAに対する隔壁13の高さHWの比率で、0.8以上1.1以下の範囲内であれば好ましく、0.9以上1.0以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が0.8より小さい場合は、隔壁13が低いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が1.1より大きい場合は、隔壁13が高いために、固体撮像素子10の低背化の観点から問題がある。 The height HW of the partition 13 is the ratio of the height HW of the partition 13 to the flat portion height A of the flat portion 12a of the color filter, and is preferably in the range of 0.8 to 1.1, and more preferably in the range of 0.9 to 1.0. If the ratio is less than 0.8, the partition 13 is too low to perform its original role as a partition, and obliquely incident light components may move to adjacent pixels, causing color mixing and reducing sensitivity characteristics. If the ratio is more than 1.1, the partition 13 is too high, which is problematic from the perspective of reducing the height of the solid-state imaging element 10.

本実施形態では、隔壁13の幅WWは、0.05μm以上0.15μm以下の範囲内であれば好ましく、0.2μm以上0.10μm以下の範囲内であればより好ましい。その理由は、隔壁13の幅WWが0.05μmより小さい場合は、その隔壁幅の形成は、現状の工程能力(作成技術)では難しいためである。つまり、隔壁13のWW幅が0.05μmより小さい場合は、隔壁13の形成が困難となる。また、隔壁13の幅WWを0.15μmより大きくすると画素に対し隔壁13が占める領域が増えるので、光が直接隔壁13に入射してしまい、カラーマイクロレンズ12に入射する光量が減ってしまうため、感度特性が低下してしまうことがある。 In this embodiment, the width WW of the partition 13 is preferably in the range of 0.05 μm to 0.15 μm, and more preferably in the range of 0.2 μm to 0.10 μm. The reason is that if the width WW of the partition 13 is smaller than 0.05 μm, it is difficult to form the partition width with the current process capability (production technology). In other words, if the WW width of the partition 13 is smaller than 0.05 μm, it is difficult to form the partition 13. In addition, if the width WW of the partition 13 is made larger than 0.15 μm, the area occupied by the partition 13 with respect to the pixel increases, so that light is directly incident on the partition 13, and the amount of light incident on the color microlens 12 decreases, which may result in a decrease in sensitivity characteristics.

隔壁13の幅WWは、カラーマイクロレンズ12の幅WLに対する隔壁13の幅WWの比率で、0.1以上0.3以下の範囲内であれば好ましく、0.1以上0.2以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が0.1より小さい場合は、隔壁13が薄いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が0.3より大きい場合は、隔壁13が厚いために、画素に対し隔壁13が占める領域が増えるので、光が直接隔壁13に入射してしまい、カラーマイクロレンズ12に入射する光量が減ってしまうため、感度特性が低下してしまうことがある。 The width WW of the partition 13 is the ratio of the width WW of the partition 13 to the width WL of the color microlens 12, and is preferably in the range of 0.1 to 0.3, and more preferably in the range of 0.1 to 0.2. If the ratio is less than 0.1, the partition 13 is too thin to function as a partition, and the obliquely incident light component may move to adjacent pixels, causing color mixing and degrading the sensitivity characteristics. If the ratio is more than 0.3, the partition 13 is too thick to occupy an area of the pixel that is occupied by the partition 13, so that light is directly incident on the partition 13, and the amount of light incident on the color microlens 12 is reduced, which may degrade the sensitivity characteristics.

なお、本実施形態では、隔壁13の厚さ方向における断面形状が矩形である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。隔壁13の厚さ方向における断面形状は、例えば、台形状であってもよい。隔壁13の厚さ方向における断面形状が台形状である場合には、隔壁13の裏面(平坦化層14と接する面)の幅は、隔壁13の表面の幅よりも広くてもよいし、狭くてもよい。隔壁13の厚さ方向における断面形状を台形状にすることで、特定の斜入射光成分に対する感度特性が向上させることができる。
また、隔壁13の厚さ方向における断面形状は、隔壁13の中央部の幅が隔壁13の裏面及び表面の各幅よりも広い形状であってもよいし、狭い形状であってもよい。隔壁13の断面形状を上記形状にすることで、特定の斜入射光成分に対する感度特性が向上させることができる。
In this embodiment, the partition 13 has a rectangular cross-sectional shape in the thickness direction, but the present invention is not limited to this. The partition 13 may have a trapezoidal cross-sectional shape in the thickness direction, for example. When the partition 13 has a trapezoidal cross-sectional shape in the thickness direction, the width of the rear surface of the partition 13 (the surface in contact with the planarizing layer 14) may be wider or narrower than the width of the front surface of the partition 13. By making the partition 13 have a trapezoidal cross-sectional shape in the thickness direction, the sensitivity characteristics to a specific obliquely incident light component can be improved.
The cross-sectional shape of the partition 13 in the thickness direction may be such that the width of the central part of the partition 13 is wider or narrower than the widths of the rear surface and the front surface of the partition 13. By making the cross-sectional shape of the partition 13 into the above-mentioned shape, it is possible to improve the sensitivity characteristic to a specific obliquely incident light component.

次に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造により、固体撮像素子が低背化し、かつ感度特性の向上が実現できる理由を述べる。 Next, we will explain why the structure of the solid-state imaging element according to the embodiment of the present invention allows the solid-state imaging element to have a low profile and improve its sensitivity characteristics.

図3に示す比較例1は、カラーフィルタ17とマイクロレンズ18とが独立した構造を有する固体撮像素子である。すなわち、図3に示す比較例1の固体撮像素子では、カラーフィルタ17とマイクロレンズ18との間には界面が存在している。カラーフィルタ17とマイクロレンズ18との高さの和は、本実施形態のカラーマイクロレンズ12の高さに比べ、1.7倍近く高くなる。マイクロレンズ18のトップ(頂点)から光電変換素子16(図示せず)までの距離が長いと、画素へ入射した光の一部は隣接画素へ移動してしまい、感度特性が低下してしまう。
なお、図3では、カラーフィルタ17として、緑色カラーフィルタ17Gと赤色カラーフィルタ17Rとを例示し、青色カラーフィルタ17Bについては記載を省略した。また、図3では、光電変換素子16についても記載を省略した。
Comparative Example 1 shown in Fig. 3 is a solid-state imaging element having a structure in which the color filter 17 and the microlens 18 are independent. That is, in the solid-state imaging element of Comparative Example 1 shown in Fig. 3, an interface exists between the color filter 17 and the microlens 18. The sum of the heights of the color filter 17 and the microlens 18 is nearly 1.7 times higher than the height of the color microlens 12 of this embodiment. If the distance from the top (apex) of the microlens 18 to the photoelectric conversion element 16 (not shown) is long, part of the light incident on the pixel moves to an adjacent pixel, resulting in a decrease in sensitivity characteristics.
3, a green color filter 17G and a red color filter 17R are illustrated as the color filters 17, and a blue color filter 17B is omitted. Also, in FIG. 3, the photoelectric conversion element 16 is omitted.

これに対し、本実施形態では、分光機能を有するカラーフィルタと、集光機能を有するマイクロレンズとを一体化したカラーマイクロレンズ構造を採用することで、比較例1の固体撮像素子に比べて、固体撮像素子の低背化が可能となる。また、固体撮像素子の低背化により斜入射光の隣接画素への混色が抑制でき、画素へ入射した光を効率よく光電変換素子16へ導くことが可能となり、感度特性が向上する。 In contrast, in this embodiment, a color microlens structure is adopted that integrates a color filter having a spectroscopic function with a microlens having a light-collecting function, thereby enabling the solid-state imaging element to be made lower in height than the solid-state imaging element of Comparative Example 1. In addition, by reducing the height of the solid-state imaging element, it is possible to suppress color mixing of obliquely incident light with adjacent pixels, and it is possible to efficiently guide light incident on a pixel to the photoelectric conversion element 16, thereby improving sensitivity characteristics.

また、比較例1の固体撮像素子では、隔壁19は、隔壁19の下部が金属材料を用いて形成されている。そのため、画素へ入射した光の一部が金属隔壁19で吸収されてしまい、入射光を効率よく光電変換素子16へ導くことができず、感度特性が低下してしまう。
これに対し、本実施形態では、隔壁13に、透明な無機化合物を用いており、隔壁13自体の光吸収は極めて少ないので、入射光を効率よく光電変換素子16へ導くことが可能となり、感度特性が向上する。
In the solid-state imaging element of Comparative Example 1, the partition 19 has a lower portion formed using a metal material, so that a part of the light incident on the pixel is absorbed by the metal partition 19, and the incident light cannot be efficiently guided to the photoelectric conversion element 16, resulting in a decrease in sensitivity characteristics.
In contrast, in this embodiment, a transparent inorganic compound is used for the partition 13, and the partition 13 itself has extremely low light absorption, making it possible to efficiently guide incident light to the photoelectric conversion element 16, thereby improving the sensitivity characteristics.

図4に示す比較例2は、低背化したカラーマイクロレンズ構造であるが、カラーマイクロレンズ12間に隔壁13を配置しないタイプの固体撮像素子である。カラーマイクロレンズ12間に隔壁13を配置しないと、画素へ入射した斜入射光成分の一部は隣接画素へ移動してしまい、混色を引き起こしてしまう。
なお、図4では、光電変換素子16について記載を省略している。
4 is a solid-state imaging element having a low-profile color microlens structure, but does not have partitions 13 disposed between the color microlenses 12. If partitions 13 are not disposed between the color microlenses 12, part of the obliquely incident light component incident on a pixel moves to an adjacent pixel, causing color mixing.
In FIG. 4, the photoelectric conversion element 16 is omitted.

これに対し、本実施形態では、カラーマイクロレンズ12間に隔壁13を配置することで、画素へ入射した斜入射光成分の一部が隣接画素へ移動することで生ずる、隣接画素への混色が抑制でき、感度特性が向上する。
つまり、本実施形態において隔壁13は、透明な無機化合物を用いて形成されていることから、入射光の一部を吸収せずに反射することが可能となるため、入射光を効率よく光電変換素子16へ導くことができ、感度特性が向上すると考えられる。
また、本実施形態では、透明な無機化合物を用いて隔壁13を形成し、且つカラーマイクロレンズ12を用いることでマイクロレンズ自体を低背化しているため、画素へ入射した斜入射光成分の一部が、仮に隔壁13を透過した場合であっても、隣接画素への混色量を低減すること可能となるため、感度特性が向上すると考えられる。
In contrast, in this embodiment, by arranging partitions 13 between the color microlenses 12, color mixing with adjacent pixels, which occurs when a portion of the obliquely incident light component incident on a pixel moves to an adjacent pixel, can be suppressed, and the sensitivity characteristics can be improved.
That is, in the present embodiment, the partition 13 is formed using a transparent inorganic compound, and therefore, it is possible to reflect a part of the incident light without absorbing it, and therefore, the incident light can be efficiently guided to the photoelectric conversion element 16, and it is considered that the sensitivity characteristics are improved.
Furthermore, in this embodiment, the partition 13 is formed using a transparent inorganic compound, and the color microlens 12 is used to reduce the height of the microlens itself. Therefore, even if a portion of the obliquely incident light component incident on a pixel passes through the partition 13, it is possible to reduce the amount of color mixing with adjacent pixels, and it is believed that the sensitivity characteristics are improved.

[実施例]
次に、本発明の固体撮像素子の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
シミュレーションは、電磁場解析手法の一種である時間領域差分法(FDTD法)を用いて実施した。以下に、シミュレーションの条件を示す。
[Example]
Next, an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention will be described using simulation results.
The simulation was performed using the finite difference time domain method (FDTD method), which is a type of electromagnetic field analysis method. The simulation conditions are as follows:

シミュレーションに使用した固体撮像素子10の構造を図5に示す。
固体撮像素子10の上面図である図5(a)において、赤色画素11R、緑色画素11G、青色画素11B、それぞれの幅はX軸方向とY軸方向ともに0.9μmとした。また、図5(a)の点線I-IIに沿った固体撮像素子10の断面図である図5(b)において、赤色のカラーマイクロレンズ12Rは、赤色波長光を透過し、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。緑色のカラーマイクロレンズ12Gは、緑色波長光を透過し、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。青色のカラーマイクロレンズ12B(図示せず)は、青色波長光を透過し、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。平坦化層14は、Z軸方向の高さを0.1μm、屈折率を1.6、消衰係数を0とした。半導体基板15は、X方向の長さ及びY方向の長さを1.8μm、Z軸方向の高さを3μmとした。入射光は平行光とし、電場の振動方向はX軸方向とした。
The structure of the solid-state imaging device 10 used in the simulation is shown in FIG.
In FIG. 5(a), which is a top view of the solid-state imaging device 10, the widths of the red pixel 11R, the green pixel 11G, and the blue pixel 11B are 0.9 μm in both the X-axis direction and the Y-axis direction. In FIG. 5(b), which is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 10 taken along the dotted line I-II in FIG. 5(a), the red color microlens 12R transmits red wavelength light and has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 0.9 μm. The green color microlens 12G transmits green wavelength light and has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 0.9 μm. The blue color microlens 12B (not shown) transmits blue wavelength light and has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 0.9 μm. The flattening layer 14 has a height in the Z-axis direction of 0.1 μm, a refractive index of 1.6, and an extinction coefficient of 0. The semiconductor substrate 15 has a length in the X-axis direction and a length in the Y-axis direction of 1.8 μm, and a height in the Z-axis direction of 3 μm. The incident light was parallel, and the vibration direction of the electric field was the X-axis direction.

カラーマイクロレンズ12Rの屈折率及び消衰係数は、色材としてC.I.ピグメントレッド117、C.I.ピグメントレッド48:1、C.I.ピグメントイエローを用い、さらにシクロヘキサノン、あるいはPGMEAなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、シリコン基板上に0.6μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値をそれぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ12R(赤色レジスト)は、波長600nmにおける屈折率1.87、及び波長600nmにおける消衰係数0.01(0.008)をそれぞれ用いた。 The refractive index and extinction coefficient of the color microlens 12R were measured using a spectroscopic ellipsometer after applying a photosensitive material containing C.I. Pigment Red 117, C.I. Pigment Red 48:1, and C.I. Pigment Yellow as coloring materials, organic solvents such as cyclohexanone or PGMEA, polymer varnish, monomers, and initiators to a thickness of 0.6 μm on a silicon substrate, and then exposing and heating the substrate. Specifically, the color microlens 12R (red resist) had a refractive index of 1.87 at a wavelength of 600 nm and an extinction coefficient of 0.01 (0.008) at a wavelength of 600 nm.

カラーマイクロレンズ12Gの屈折率及び消衰係数は、色材としてC.I.ピグメントイエロー139、C.I.ピグメントグリーン36、C.I.ピグメントブルー15:6を用い、さらにシクロヘキサノン、あるいはPGMEAなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、シリコン基板上に0.6μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値をそれぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ12G(緑色レジスト)は、波長520nmにおける屈折率1.74、及び波長520nmにおける消衰係数0.01をそれぞれ用いた。 The refractive index and extinction coefficient of the color microlens 12G were measured using a spectroscopic ellipsometer after applying a photosensitive material containing C.I. Pigment Yellow 139, C.I. Pigment Green 36, and C.I. Pigment Blue 15:6 as coloring materials, organic solvents such as cyclohexanone or PGMEA, polymer varnish, monomers, and initiators to a thickness of 0.6 μm on a silicon substrate, and then exposing and heating the substrate. Specifically, the refractive index and extinction coefficient of the color microlens 12G (green resist) at a wavelength of 520 nm was 1.74, and the extinction coefficient at a wavelength of 520 nm was 0.01.

カラーマイクロレンズ12Bの屈折率及び消衰係数は、色材としてC.I.ピグメントブルー15:6、C.I.ピグメントバイオレット23を用い、さらにシクロヘキサノン、あるいはPGMEAなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、シリコン基板上に0.6μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値をそれぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ12B(青色レジスト)は、波長450nmにおける屈折率1.65、及び波長450nmにおける消衰係数0.01をそれぞれ用いた。
各色のカラーマイクロレンズ12R、12G、12Bの高さは、いずれも同一の高さとした。
The refractive index and extinction coefficient of the color microlens 12B were measured by applying a photosensitive material containing C.I. Pigment Blue 15:6 and C.I. Pigment Violet 23 as color materials, organic solvents such as cyclohexanone or PGMEA, polymer varnish, monomers, and initiators to a thickness of 0.6 μm on a silicon substrate, and then exposing and heating the substrate to light. Specifically, the color microlens 12B (blue resist) had a refractive index of 1.65 at a wavelength of 450 nm and an extinction coefficient of 0.01 at a wavelength of 450 nm.
The heights of the color microlenses 12R, 12G, and 12B of the respective colors are all set to the same height.

隔壁13は、透明な無機化合物である酸化シリコンの屈折率及び消衰係数をそれぞれ用いた。具体的には、隔壁13は、屈折率1.46、及び消衰係数0をそれぞれ用いた。
隔壁13の高さは、0μmから1μmの範囲、隔壁13の幅は、0μmから0.3μmの範囲でシミュレーションを実施した。
入射光は平行光とし、電場の振動方向はX軸方向とした。入射光の波長は、単一波長とし、1水準あたり400nmから700nmまで10nm刻みで31条件を実施した。
The partition 13 has a refractive index and an extinction coefficient of silicon oxide, which is a transparent inorganic compound. Specifically, the partition 13 has a refractive index of 1.46 and an extinction coefficient of 0.
The simulation was performed with the height of the partition 13 in the range of 0 μm to 1 μm and the width of the partition 13 in the range of 0 μm to 0.3 μm.
The incident light was parallel, and the vibration direction of the electric field was the X-axis direction. The incident light had a single wavelength, and 31 conditions were tested at intervals of 10 nm from 400 nm to 700 nm per level.

上記の条件でシミュレーションを実施し、各画素における半導体基板15の表面から深さ3μmまでにおいて吸収される光強度を計算した。感度(受光感度)として、1画素に入射する光パワーの強度に対する、各画素における半導体基板15の表面から深さ3μmまでにおいて吸収される光パワーの強度の割合として算出した。こうして算出した感度(受光感度)は、高い数値であることが好ましい。
画質の性能指標として、SNR10を用いた。これは、携帯電話カメラ向けの固体撮像素子における色補正処理等を行った後の画質の指標として用いられるものである。
A simulation was performed under the above conditions, and the light intensity absorbed in each pixel from the surface of the semiconductor substrate 15 to a depth of 3 μm was calculated. The sensitivity (light receiving sensitivity) was calculated as the ratio of the intensity of the light power absorbed in each pixel from the surface of the semiconductor substrate 15 to a depth of 3 μm, relative to the intensity of the light power incident on one pixel. It is preferable that the sensitivity (light receiving sensitivity) calculated in this way be a high value.
SNR10 was used as a performance index of image quality. This is used as an index of image quality after color correction processing and the like is performed in a solid-state image sensor for a mobile phone camera.

本実施例では、F値を1.8とした場合において、各画素の感度を量子効率とみなし、各水準のシミュレーション結果から計算した分光感度特性からSNR10を算出した。SNR10値は照度(lux)の単位を有し、低い数値であることが好ましい。また、SNR10と同時に色差(ΔE)も算出し、この両者が共に低い数値であることが好ましい。ここで、上記「色差(ΔE)」とは、ターゲットとする画質の色彩値(L表色系色空間における色彩値)と、算出された色彩値との差を意味する。 In this embodiment, when the F value is set to 1.8, the sensitivity of each pixel is regarded as quantum efficiency, and the SNR10 is calculated from the spectral sensitivity characteristics calculated from the simulation results of each level. The SNR10 value has a unit of illuminance (lux) and is preferably a low value. In addition, the color difference (ΔE) is also calculated at the same time as the SNR10, and it is preferable that both of these are low values. Here, the above-mentioned "color difference (ΔE)" means the difference between the color value of the target image quality (color value in the L * a * b * color space) and the calculated color value.

図6に、垂直入射(入射角度0°)における実施例、比較例1、比較例2の感度特性を示す。ここで、上記「垂直入射(入射角度0°)」とは、半導体基板15の表面に対する垂直方向をいう。
図7に、斜入射(入射角度20°)における実施例、比較例1、比較例2の感度特性を示す。ここで、上記「斜入射(入射角度20°)」とは、半導体基板15の表面に対する垂直方向から20°傾斜した方向をいう。
図6、7の結果から、比較例1、2に比べ、実施例では、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色について、感度特性がそれぞれ向上することがわかる。特に斜入射において(図7参照)、比較例1に比べ、実施例では大幅に感度特性が向上することがわかる。
6 shows sensitivity characteristics at normal incidence (incident angle 0°) of Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Here, the above-mentioned “normal incidence (incident angle 0°)” refers to a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 15.
7 shows the sensitivity characteristics of the example, comparative example 1, and comparative example 2 at oblique incidence (incident angle 20°). Here, the above-mentioned "oblique incidence (incident angle 20°)" refers to a direction inclined by 20° from the perpendicular direction to the surface of the semiconductor substrate 15.
6 and 7, it can be seen that the sensitivity characteristics for each of the colors red (R), green (G), and blue (B) are improved in the Example compared to Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the sensitivity characteristics are significantly improved in the Example compared to Comparative Example 1, particularly in the case of oblique incidence (see FIG. 7).

以上の結果から、カラーマイクロレンズ構造(カラーマイクロレンズ12)と、透明な材料、特に、無機化合物で形成された隔壁13とを組み合わせて配置することで、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子10を提供することができることを確認した。
図8に、カラーマイクロレンズ12の高さに対する隔壁13の高さの比率(隔壁13の高さ/カラーマイクロレンズ12の高さ)Rと、固体撮像素子10の性能指標であるSNR10及び色差(ΔE)との関係を示す。
図9に、隔壁13の幅と、SNR10及び色差(ΔE)との関係を示す。
From the above results, it has been confirmed that by combining and arranging a color microlens structure (color microlenses 12) with a partition 13 formed of a transparent material, in particular an inorganic compound, it is possible to provide a solid-state imaging element 10 that is low in height and has good sensitivity characteristics.
FIG. 8 shows the relationship between the ratio R of the height of the partition 13 to the height of the color microlens 12 (height of the partition 13/height of the color microlens 12) and the SNR10 and color difference (ΔE), which are performance indexes of the solid-state imaging element 10.
FIG. 9 shows the relationship between the width of the partition 13 and the SNR10 and color difference (ΔE).

図8の結果から、隔壁13の高さについて、SNR10の数値が低く、かつ色差も小さい領域(即ち、ΔEの数値が小さい領域)は、カラーマイクロレンズ12の高さに対する隔壁13の高さの比率Rで、0.6以上1.1以下の範囲内であり、この領域において感度特性が良好となることがわかる。
図9の結果から、隔壁13の幅は、SNR10の数値が小さく、且つ色差(ΔE)の数値も小さい領域は、0.05μm以上0.15μm以下の範囲内であり、この領域において感度特性が良好となることがわかる。
From the results in Figure 8, it can be seen that in the region where the SNR10 value is low and the color difference is also small (i.e., the region where the ΔE value is small) for the height of the partition 13, the ratio R of the height of the partition 13 to the height of the color microlens 12 is in the range of 0.6 or more and 1.1 or less, and the sensitivity characteristics are good in this region.
From the results of FIG. 9, it can be seen that the width of the partition 13 in the range of 0.05 μm to 0.15 μm provides a small SNR10 value and a small color difference (ΔE) value, and in this range the sensitivity characteristics are excellent.

10 固体撮像素子
11 画素
11B 青色画素
11G 緑色画素
11R 赤色画素
12 カラーマイクロレンズ
12B 青色カラーマイクロレンズ
12G 緑色カラーマイクロレンズ
12R 赤色カラーマイクロレンズ
12a カラーフィルタ平坦部
12b カラーフィルタレンズ部
13 隔壁
14 平坦化層
15 半導体基板
16 光電変換素子
17 カラーフィルタ
17B 青色カラーフィルタ
17G 緑色カラーフィルタ
17R 赤色カラーフィルタ
18 マイクロレンズ
19 隔壁(金属部を含む隔壁、金属隔壁)
A 平坦部高さ
B レンズ部高さ
WL カラーマイクロレンズの幅
WW 隔壁の幅
HL カラーマイクロレンズの高さ
HW 隔壁の高さ
10 Solid-state imaging element 11 Pixel 11B Blue pixel 11G Green pixel 11R Red pixel 12 Color microlens 12B Blue color microlens 12G Green color microlens 12R Red color microlens 12a Color filter flat portion 12b Color filter lens portion 13 Partition wall 14 Planarization layer 15 Semiconductor substrate 16 Photoelectric conversion element 17 Color filter 17B Blue color filter 17G Green color filter 17R Red color filter 18 Microlens 19 Partition wall (partition wall including metal portion, metal partition wall)
A Flat part height B Lens part height WL Color microlens width WW Partition width HL Color microlens height HW Partition height

Claims (4)

複数の光電変換素子が2次元的に配置された半導体基板と、
上記各光電変換素子と対向可能な位置で上記半導体基板上に形成されたカラーフィルタとマイクロレンズとが一体となった複数のカラーマイクロレンズと、
カラーマイクロレンズの間に配置された隔壁と、を備えることで複数の画素が2次元的に配置された固体撮像素子であって、
上記隔壁は、透明な材料で形成されており、
カラーマイクロレンズは、互いに接しないように上記隔壁で隔てられ
上記各カラーマイクロレンズの幅に対する上記隔壁の幅の比率は、0.1以上0.3以下の範囲内であることを特徴とする固体撮像素子。
A semiconductor substrate on which a plurality of photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged;
a plurality of color microlenses, each of which is an integral part of a color filter and a microlens, formed on the semiconductor substrate at a position capable of facing each of the photoelectric conversion elements;
a partition wall disposed between each of the color microlenses, thereby forming a solid-state imaging element in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally,
The partition is made of a transparent material,
The color microlenses are separated by the partitions so as not to contact each other ,
a ratio of a width of the partition wall to a width of each of the color microlenses is within a range of 0.1 to 0.3 .
上記隔壁の厚さ方向の一端の幅は、他端の幅より広い形状または狭い形状、あるいは、The width of one end of the partition wall in the thickness direction is wider or narrower than the width of the other end, or
上記隔壁の中央部の幅は、上記隔壁の厚さ方向の一端の幅及び他端の幅よりも広い形状または狭い形状であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the width of the central portion of the partition is wider or narrower than the widths of one end and the other end of the partition in the thickness direction.
上記カラーマイクロレンズの高さに対する上記隔壁の高さの比率(隔壁の高さ/カラーマイクロレンズの高さ)は、0.6以上1.1以下の範囲内であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体撮像素子。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a ratio of the height of said partition wall to the height of each of said color microlenses (partition wall height/color microlens height) is within a range of 0.6 to 1.1. 上記隔壁の幅は、0.05μm以上0.15μm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 4. The solid-state imaging device according to claim 1 , wherein the width of the partition is within a range of 0.05 μm to 0.15 μm.
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