JP2009124053A - Photoelectric converter and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルスチルカメラ等に用いられる光電変換装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device used for a digital still camera or the like and a manufacturing method thereof.
近年、デジタルスチルカメラ等に用いられる光電変換装置は、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより、低価格化が図られている。そのため、光電変換装置を構成する1画素の大きさは、年々小さくなり、それに伴って画素内の光電変換部の面積も小さくなってきている。光電変換部の面積が小さくなると、受光感度が低下してしまう。 In recent years, a photoelectric conversion device used in a digital still camera or the like has been improved in price by increasing the number of pixels and improving the image quality, while reducing the chip size. For this reason, the size of one pixel constituting the photoelectric conversion device is decreasing year by year, and the area of the photoelectric conversion unit in the pixel is also decreasing accordingly. When the area of the photoelectric conversion unit is reduced, the light receiving sensitivity is lowered.
これに対し、特許文献1は、光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け、集光特性を高めた光電変換装置を開示している。この光電変換装置では、光電変換部の光入射側に高屈折率の材料で構成された対称形状の光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料を設けて、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。また、光電変換装置の周辺部で、各光電変換部上に構成されたマイクロレンズ(オンチップレンズ)の光軸を光電変換部の光軸から中心方向にずらしている。これにより、斜めから入射する光を効率的に光電変換部に集光している。 On the other hand, Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion device in which an optical waveguide is provided between a light incident surface and a photoelectric conversion unit to improve light collection characteristics. In this photoelectric conversion device, a symmetrical optical waveguide composed of a high refractive index material is provided on the light incident side of the photoelectric conversion unit, and a low refractive index material is provided around the optical waveguide, and all incident light is transmitted at the boundary surface. The light collecting characteristic is improved by reflecting the light. In addition, the optical axis of the microlens (on-chip lens) formed on each photoelectric conversion unit is shifted from the optical axis of the photoelectric conversion unit toward the center in the peripheral portion of the photoelectric conversion device. As a result, light incident obliquely is efficiently collected on the photoelectric conversion unit.
また、特許文献2では、井戸型形状の光導波路を形成する方法を開示している。表面のマイクロレンズに入射した光は、マイクロレンズの下方に配置された保護層を通して、高屈折率の光導波路に入り、画素に集光される。
しかしながら、特許文献1の方法では、露光装置の解像度以下の微細なパターンをフォトマスクに形成するため、光導波路の形成が非常に困難であり、所望の構造が形成できないか、高コストとなってしまう。 However, in the method of Patent Document 1, since a fine pattern less than the resolution of the exposure apparatus is formed on the photomask, it is very difficult to form an optical waveguide, and a desired structure cannot be formed, or the cost is high. End up.
また、特許文献2の方法では、多段にわたって穴を形成する工程が必要であり、光学系の焦点深度によっては、パターニング精度が低下し、歩留まりが低下してしまう。
Further, the method of
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、画素の位置に応じて、光導波路に入射した光を効率よく集光する工程を低コストで実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize a process of efficiently condensing light incident on an optical waveguide at a low cost in accordance with the position of a pixel.
本発明の第1の側面は、複数の画素で構成された撮像面を有する光電変換装置に係り、前記複数の画素の各々は、光電変換部と、光電変換部の入射光側に配置され、前記入射光を前記光電変換部に導光する光導波路と、を備え、前記光導波路は複数の層を有し、前記光導波路の前記複数の層は、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されていることを特徴とする。 A first aspect of the present invention relates to a photoelectric conversion device having an imaging surface composed of a plurality of pixels, wherein each of the plurality of pixels is disposed on a photoelectric conversion unit and an incident light side of the photoelectric conversion unit, An optical waveguide for guiding the incident light to the photoelectric conversion unit, the optical waveguide has a plurality of layers, and the plurality of layers of the optical waveguide have a large distance from the center of the imaging surface It is characterized by being arranged at a position eccentric to the center direction of the imaging surface.
本発明の第2の側面は、光電変換装置の製造方法に係り、入射光を光電変換する光電変換部を形成する工程と、前記光電変換部の入射光側に、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置された複数の層で構成される光導波路を、前記複数の層の各々に対応したフォトマスクを用いて形成する工程と、を含むことを特徴とする。 A second aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion device, the step of forming a photoelectric conversion unit for photoelectric conversion of incident light, and the incident light side of the photoelectric conversion unit from the center of the imaging surface. A step of forming an optical waveguide composed of a plurality of layers arranged at a position decentered in the center direction of the imaging surface as the distance is larger, using a photomask corresponding to each of the plurality of layers. It is characterized by including.
本発明によれば、画素の位置に応じて、光導波路に入射した光を効率よく集光する工程を低コストで実現することができる。 According to the present invention, a process of efficiently condensing light incident on an optical waveguide can be realized at low cost according to the position of a pixel.
本発明の好適な実施の形態を以下に具体的に説明する。なお、以下の説明において記載された各部の構成、配置、不純物タイプ等は、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 A preferred embodiment of the present invention will be specifically described below. Note that the configuration, arrangement, impurity type, and the like of each part described in the following description are not intended to limit the scope of the present invention only to them.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の好適な第1の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。図1は、瞳距離の短い光学系を例示的に示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of a photoelectric conversion device according to a preferred first embodiment of the present invention. FIG. 1 exemplarily shows an optical system having a short pupil distance.
1は射出瞳である。2、21、22はマイクロレンズ(オンチップレンズ)であり、複数の画素で構成された撮像面の中央、左隅、右隅にそれぞれ位置する。9はマイクロレンズ2、21、22を形成する際に形成される高屈折率層であり、マイクロレンズ2、21、22と同等の屈折率を有する。3、4、5及び31、41、51並びに32、42、52は光導波路であり、周囲の材料よりも屈折率の高い材料(例えば、SiNなど)を用いて形成される。6は基板7に形成された、フォトダイオードなどの光電変換部である。撮像面の中央付近の画素に形成された光導波路3、4、5は、光電変換部6の入射光側に、光電変換部の重心と各層の重心とが一致するように配置されている。
1 is an exit pupil.
撮像面の左側に位置する画素に形成された光導波路31、41、51は、入射光に応じて、光電変換部6に対して右方向に偏心した位置に配置された複数の層を有する。ここで偏心するとは各層の重心が光電変換部の重心からの法線上にないことである。また、撮像面の右側に位置する画素に形成された光導波路32、42、52は、逆に光電変換部6に対して左方向に偏心した位置に配置された複数の層を有する。同様に、撮像面の左側に位置する画素の上方に配置されたマイクロレンズ21は、光電変換部6に対して右方向に偏心した位置に配置されている。撮像面の右側に位置する画素の上方に配置されたマイクロレンズ22は、光電変換部6に対して左方向に偏心した位置に配置されている。
The
なお、光導波路及びマイクロレンズの上述した偏心量は、撮像面の中心からの距離が大きくなるにつれて大きくなることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。更には、入射光と光電変換部6の重心とを結ぶ直線上にマイクロレンズや光導波路の重心も一致することが望ましい。また、光導波路及びマイクロレンズの上述した偏心量は、光電変換部6からの距離(光電変換部6が形成された基板表面からの距離)が大きくなるにつれて大きくなることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。更に、各光導波路の複数の層の平面寸法は、光電変換部6からの距離が大きくなるにつれて大きくなっていることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。また、各光電変換素子に対応してカラーフィルターが配される場合には、その色(波長)に応じて平面寸法及びその光電変換部の表面からの距離に応じた変化率を変えてもよい。
Note that the above-described eccentric amounts of the optical waveguide and the microlens are preferably increased as the distance from the center of the imaging surface is increased. For example, there are cases where it increases in proportion or increases exponentially. Furthermore, it is desirable that the centroids of the microlens and the optical waveguide coincide with a straight line connecting the incident light and the centroid of the
8は低屈折率層であり、光導波路3、4、5及び31、41、51並びに32、42、52よりも屈折率の低い材料(例えば、SiO2など)を用いて形成されている。低屈折率層8は、各光導波路に接し、両者の屈折率差を利用して、導光している。光導波路42及び光導波路52の各々の端部の位置の差分をdとすると、差分dは入射波長以下(λ/n1以下)となるように形成されている。ここで、λは光導波路への入射する波長(入射波長)、n1は光導波路の屈折率である。図1では、光導波路42と光導波路52との間におけるこの条件を示したが、光導波路を構成するの全ての隣接する2つの層間で、上記の条件を満たすことが好ましい。61はポリシリコンなどで形成されたゲート電極である。62、64はタングステン(W)などで形成されたコンタクトである。63、65はアルミ(AL)や銅(Cu)などの配線材料で形成された配線である。
図1に示されるように、配線63と光導波路4、41、42のそれぞれの底部は、基板7の表面からの高さが同じである。これは、各コンタクト形成工程において、光導波路とコンタクトとを同一レベルで形成したためであり、微細なパターンにも対応可能である。また、本実施形態で重要な点は、光導波路31、41、51のように、段階的に光導波路の方向を変えることができ、かつ、製作工程においてフォトマスクを用いることにより、任意の位置に作成可能であることである。
As shown in FIG. 1, the bottoms of the
すなわち、光導波路5、51、52は同一工程で作成される。光導波路5、51、52を作成するためのマスクパターンは、光電変換部6を作成するためのマスクパターンの真上に位置する。次の光導波路4、41、42を作成するためのマスクパターンは、光導波路5、51、52を作成するためのマスクパターンよりも撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されている。同様に、光導波路3、21、22を作成するためのマスクパターンは、更に撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されている。これのような配置によって、入射光に応じて各画素の形状が異なるように形成することができる。
That is, the
図6A〜図6Kは、本発明の好適な第1実施形態に係る光電変換装置の断面図である。図6を用いて光電変換装置の第1の製造方法を説明する。図6A〜図6Kでは、配線層と略同一工程で光導波路が形成される。 6A to 6K are cross-sectional views of the photoelectric conversion device according to the preferred first embodiment of the present invention. A first manufacturing method of the photoelectric conversion device will be described with reference to FIG. 6A to 6K, the optical waveguide is formed in substantially the same process as the wiring layer.
図6Aにおいて、501はN型の半導体基板、502は光電変換部を構成するPウェル(PWL)であり、503は素子分離のための絶縁膜であり、例えば、LOCOSにより形成されうる。504は光電変換部を構成するN形領域であり、505は光電変換部の暗電流を抑圧するためのP形の表面不活性化層である。506はMOSFETのゲート酸化膜であり、507はポリシリコンなどで形成されるゲート電極である。実際には、ゲート電極507の周囲を種々加工し、微細化に対応した構造となされうるが、図6Aではその説明を省略している。なお、CCDイメージセンサなどでは、ゲート電極507の下部で電荷を転送し、それを順次転送するよう構成される。また、CMOSイメージセンサなどでは、N形領域504の対極側にN形領域を設けて、ゲート電極507のポリシリコンの電圧を制御することにより、N形領域に電荷の転送を行う(不図示)。508は層間絶縁膜であり、SiO2などにより形成される。509は光導波路であり、層間絶縁膜508よりも屈折率が高いSiNなどの材料により形成される。
6A,
まず、図6Aに示す工程では、層間絶縁膜508を周知のフォトリソグラフィ工程などによってパターニングし、光導波路509用の穴を形成する。次いで、層間絶縁膜508よりも屈折率が高いSiNなどの材料を光導波路509用の穴に埋め込む。更に、光導波路509の上方にSiNなどの絶縁層510を堆積する。
First, in the process shown in FIG. 6A, the
図6Bに示す工程では、コンタクトホール511を形成する。
In the step shown in FIG. 6B, a
図6Cに示す工程では、コンタクトホール511にタングステンなどを埋め込んでプラグ512を形成する。次いで、CVDなどにより、表面にタングステンで形成された配線層513を形成する。その際、半導体基板501との接触を良くするために、タングステン堆積の前に、Ti/TiN(チタン/窒化チタン)を堆積させてもよい。
In the step shown in FIG. 6C, the
図6Dに示す工程では、表面に形成された配線層513及び絶縁層510をエッチバックやCMPなどにより除去する。
In the step shown in FIG. 6D, the
図6Eに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のフォトリソグラフィ工程などによりパターニングして、配線514を形成する。
In the step shown in FIG. 6E, a wiring material is deposited and patterned by a known photolithography process or the like to form the
図6Fに示す工程では、層間絶縁膜516を形成する。次いで、SiNなどの高屈折率材料で構成された光導波路515を形成し、ビアホール517をパターニングにより形成する。その際、第1層の光導波路509及び第2層の光導波路515の端部の位置の差分をdとすると、d≦λ/n1となるようにする。
In the step shown in FIG. 6F, an
図6Gに示す工程では、コンタクトホールにタングステンなどを埋め込んでプラグ518を形成する。次いで、CVDなどにより表面にタングステンで形成された配線層519を形成する。
In the step shown in FIG. 6G, a
図6Hに示す工程では、表面に形成された配線層519及び光導波路515をエッチバックやCMPなどにより除去する。これにより、第2層のビアホールのコンタクト及び光導波路515が形成される。
In the step shown in FIG. 6H, the
図6Iに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のフォトリソグラフィ工程などによりパターニングして、配線520を形成する。次いで、層間絶縁膜521を堆積し、その表面に高屈折率材料で構成されたマイクロレンズ522を形成する。なお、図6Jに示すように、マイクロレンズ522の下方に光導波路523を設けてもよい。また、図6Kに示すように、カラーフィルター524、525をマイクロレンズ522の下方に設けてもよい。カラーフィルター524と光導波路との間に反射防止膜を設ければ、更に集光効率を向上させることが可能となる。
In the step shown in FIG. 6I, a wiring material is deposited and patterned by a known photolithography process or the like to form the
(変形例)
図7A〜図7Eは、本発明の第1の実施形態に係る光電変換装置の第2の製造方法を示す図である。最終的には、図7I、図7J及び図7Kに示すようになるため、基本構成は図6A〜図6Kと同様である。以下、上述した第1の製造方法と相違する工程を中心に説明する。
(Modification)
FIG. 7A to FIG. 7E are views showing a second manufacturing method of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention. The final configuration is as shown in FIGS. 7I, 7J, and 7K, and thus the basic configuration is the same as in FIGS. 6A to 6K. Hereinafter, the steps different from the first manufacturing method described above will be mainly described.
図7Aに示すように、基本的な構造は図6Aと同様である。図7Aに示す工程では、層間絶縁膜508を周知のフォトリソグラフィ工程などによって形成したコンタクトホールにタングステンなどを埋め込んでプラグ609を形成する。次いで、CVDなどにより表面にTiNやタングステンなどで構成された配線層610を形成する。
As shown in FIG. 7A, the basic structure is the same as FIG. 6A. In the step shown in FIG. 7A, a
図7Bに示す工程では、層間絶縁膜508及び配線層610を周知のフォトリソグラフィ工程などによってパターニングし、高屈折材料を埋め込むための開口部611を形成する。
In the step shown in FIG. 7B, the
図7Cに示す工程では、開口部611に高屈折材料612を埋め込む。次いで、CVDなどにより高屈折材料613を表面に堆積する。
In the step illustrated in FIG. 7C, the high
図7Dに示す工程では、表面に形成された高屈折材料613及び配線層610をエッチバックやCMP(Chemical Mechanical Polishing)などにより除去する。その結果、図7Dと同様の構成が得られる。
In the step shown in FIG. 7D, the high
図7Eに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のリソグラフィ工程によりパターニングして、配線514を形成する。
In the process shown in FIG. 7E, a wiring material is deposited and patterned by a well-known lithography process to form a
以上説明したように、第2の製造方法は、第1の製造方法とは、コンタクトホールにWなどのコンタクトを形成する工程を先に行う点で相違する。その後の工程は、上述した図6F〜図6Kに示す工程と同様であるため、説明を省略する。また、第1の製造方法と同様に、隣接する2つの層の光導波路の各々の端部の位置の差分がλ/n1以下となるようにすることが好ましい。 As described above, the second manufacturing method is different from the first manufacturing method in that the step of forming a contact such as W in the contact hole is performed first. Subsequent steps are the same as the steps shown in FIGS. 6F to 6K described above, and a description thereof will be omitted. Similarly to the first manufacturing method, it is preferable that the difference between the positions of the end portions of two adjacent optical waveguides is λ / n 1 or less.
(第2の実施形態)
図2は、本発明の好適な第2の実施形態に係る光電変換装置の平面図である。光導波路202、203、204、205は、夫々光学瞳位置201に対して、点対称となるように配置されている。206は光軸である。光導波路202、203、204、205は、非対称形状であるが、夫々光学瞳位置201に対して、点対称となるように配置することによって、撮像面内で均等な光が得られる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a plan view of the photoelectric conversion device according to the second preferred embodiment of the present invention. The
図3は、本発明の好適な第2の実施形態に係る光電変換装置の平面図(図3(a))及び断面図(図3(b))である。図3(a)は、図2の光導波路202に対応した1画素の平面図である。図3(b)は、図2の光導波路200の断面図である。図4は、図3(b)の各層を個別に表したものである。
FIG. 3 is a plan view (FIG. 3A) and a cross-sectional view (FIG. 3B) of a photoelectric conversion device according to a preferred second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a plan view of one pixel corresponding to the
図3(b)には、光導波路302、303の端部の位置の差分dが示されている。差分dをλ/n1以下(λ:該光導波路に入射する波長、n1:該光導波路の屈折率)とすることによって、光導波路302、303の損失が抑えられる。
FIG. 3B shows the difference d between the positions of the end portions of the
図4に示されるように、光電変換部6は非対称形状であり、光電変換部6の形状に類似した光導波路305が形成されている。すなわち、304、303、302と徐々に略方形に漸近するように形成されている。つまり、光導波路の最上層における入射光の取り込み部分を略方形にすることが可能となる。これによって、全反射の条件を満足させることができる。その結果、マイクロレンズ2から入射した光は、光導波路から漏れ出ることなく、非対称形状の光電変換部6まで到達する。
As shown in FIG. 4, the
このように、本実施形態では、複雑な形状の光電変換部であっても、光導波路の光の取り込み部を略正方形もしくは長方形に漸近させることができる。 Thus, in this embodiment, even if it is a complicated-shaped photoelectric conversion part, the light taking-in part of an optical waveguide can be asymptotically approximated to a square or a rectangle.
図5は、図3の光導波路200を光電変換部6に配置した状態を表した図である。図3は、図2の光導波路203、202及び更に右側に配置された光導波路の断面図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the optical waveguide 200 of FIG. 3 is arranged in the
撮像面の左側に配置された光導波路203は、入射する光に応じて左に変位した構造となっている。逆に、撮像面の右側に配置された光導波路202は、入射する光に応じて右に変位した構造となっている。これにより、複雑な形状のセンサーにおいて、瞳距離が短い光学系を適応させる際に、本実施形態は極めて有効である。
The
以上のように、光導波路はフォトマスクを用いて形成されるが、フォトマスクは通常のものでよく、高価なフォトマスクを必要としない。また、複雑な形状の光電変換部であっても、略正方形もしくは長方形に漸近させることが可能であり、短い瞳を持つ光学系においても、その急な角度の入射光に応じた、光導波路を形成できる。そのため、多段光導波路の段差間による光の損失も防ぐことができ、光電変換装置の撮像面の位置によらず、損失の少ない光導波路を形成できる。更に、光導波路形成の際の歩留まりもその形成方法を改良することによって改善されうる。 As described above, the optical waveguide is formed using a photomask, but the photomask may be a normal one and does not require an expensive photomask. In addition, even a photoelectric converter having a complicated shape can be asymptotically approximated to a square or rectangle, and even in an optical system having a short pupil, an optical waveguide corresponding to incident light at a steep angle is provided. Can be formed. Therefore, it is possible to prevent light loss between steps of the multi-stage optical waveguide, and an optical waveguide with less loss can be formed regardless of the position of the imaging surface of the photoelectric conversion device. Further, the yield in forming the optical waveguide can be improved by improving the forming method.
このように、本発明の好適な実施の形態によれば、瞳距離が短い光学系において、複雑な形状のセンサーを良好かつ低コストで作製することができる。なお、第2の実施形態に係る光電変換装置も、上述した第1の製造方法又は第2の製造方法により製造することができる。 As described above, according to a preferred embodiment of the present invention, a sensor having a complicated shape can be manufactured with good and low cost in an optical system having a short pupil distance. Note that the photoelectric conversion device according to the second embodiment can also be manufactured by the first manufacturing method or the second manufacturing method described above.
2、21、22 マイクロレンズ
6 光電変換部
3、4、5 光導波路の複数の層
31、41、51 光導波路の複数の層
32、42、52 光導波路の複数の層
2, 21, 22
Claims (6)
前記複数の画素の各々は、
光電変換部と、
光電変換部の入射光側に配置され、前記入射光を前記光電変換部に導光する光導波路と、
を備え、
前記光導波路は複数の層を有し、
前記光導波路の前記複数の層は、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されていることを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device having an imaging surface composed of a plurality of pixels,
Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit;
An optical waveguide disposed on the incident light side of the photoelectric conversion unit and guiding the incident light to the photoelectric conversion unit;
With
The optical waveguide has a plurality of layers,
The photoelectric conversion device, wherein the plurality of layers of the optical waveguide are arranged at positions decentered toward the center of the imaging surface as the distance from the center of the imaging surface increases.
前記複数の層は、前記光電変換部との距離が近い程、前記光電変換部の形状に類似した形状を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の光電変換装置。 The shape of the photoelectric conversion unit is asymmetric,
The said several layer has a shape similar to the shape of the said photoelectric conversion part, so that the distance with the said photoelectric conversion part is near, The any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. The photoelectric conversion device described.
入射光を光電変換する光電変換部を形成する工程と、
前記光電変換部の入射光側に、前記光電変換装置の撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置された複数の層で構成される光導波路を、前記複数の層の各々に対応したフォトマスクを用いて形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising:
Forming a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light;
On the incident light side of the photoelectric conversion unit, an optical waveguide composed of a plurality of layers arranged at positions decentered in the center direction of the imaging surface as the distance from the center of the imaging surface of the photoelectric conversion device increases. Forming using a photomask corresponding to each of the plurality of layers;
A process for producing a photoelectric conversion device comprising:
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