特許ウォッチ

公開番号2024085028
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-26
出願番号2022199340
出願日2022-12-14
発明の名称固体撮像素子およびその製造方法
出願人TOPPANホールディングス株式会社
代理人
主分類H01L 27/146 20060101AFI20240619BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】微細画素でも受光部への集光効率を向上させ、暗所や光が弱い場合でも光量の減衰を抑制し、感度の良い固体撮像素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体基板と、半導体基板に設けられ、光電変換素子からなる複数の受光部と、前記複数の受光部上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に前記複数の受光部のそれぞれに対応させて配置された複数色のカラーフィルター層と、前記カラーフィルター層および前記受光部にそれぞれ対応させて配置された複数のレンズを有するマイクロレンズ層と、を備えた固体撮像素子であって、前記カラーフィルター層を貫通した、前記受光部に入射光を誘導する光導波路構造を有し、前記光導波路は、前記カラーフィルター層よりも高屈折率を有する材料から構成されていることを特徴とする固体撮像素子である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
半導体基板と、半導体基板に設けられ、光電変換素子からなる複数の受光部と、前記複数の受光部上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に前記複数の受光部のそれぞれに対応させて配置された複数色のカラーフィルター層と、前記カラーフィルター層および前記受光部にそれぞれ対応させて配置された複数のレンズを有するマイクロレンズ層と、を備えた固体撮像素子であって、
前記カラーフィルター層を貫通した、前記受光部に入射光を誘導する光導波路構造を有し、
前記光導波路は、前記カラーフィルター層よりも高屈折率を有する材料から構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
続きを表示（約 820 文字）【請求項２】
前記光導波路構造は、前記カラーフィルター層に加えて前記マイクロレンズ層を貫通しており、前記カラーフィルター層および前記マイクロレンズ層よりも高屈折率を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記光導波路構造は、前記カラーフィルター層に加えて前記絶縁層と前記マイクロレンズ層とを貫通しており、前記絶縁層、前記カラーフィルター層、前記マイクロレンズ層のどの層よりも高屈折率を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記カラーフィルター層を貫通した光導波路構造を有し、光導波路内の材料が前記マイクロレンズ層と同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記カラーフィルター層と前記マイクロレンズ層を貫通した光導波路構造を有し、光導波路材が前記マイクロレンズ頂点から飛び出しており、先端が平面形状またはレンズ形状をしていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記カラーフィルター層を貫通した光導波路内の材料に前記カラーフィルター層と同じ色を薄くつけたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１に記載の固体撮像素子を製造する方法であって、
前記カラーフィルター層上に、フォトレジストを形成する工程と、
前記フォトレジストの上から露光及び現像することにより前記フォトレジスト層をパターニングしてレジストパターンを得る工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして、前記カラーフィルター層にドライエッチングにより貫通穴を形成する工程と、
前記貫通穴に前記光導波路材を埋設する工程と、を含む固体撮像素子の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光効率を高め、光量の減衰を抑制するために、光導波路を設けた固体撮像素子およびその製造方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラに用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ型の固体撮像装置やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。その撮像装置において、小型化および多画素化によって画素の微細化がなされている。それに伴って、受光部（光電変換素子）の面積が減少し、入射光量が少なくなるため、感度の低下が生じている。
【０００３】
図４は、従来の撮像装置における、固体撮像素子の構成を示す概略断面図であり、（ａ）はＦＳＩ型ＣＭＯＳセンサー（表面照射型ＣＭＯＳ撮像素子）、（ｂ）はＢＳＩ型ＣＭＯＳセンサー（裏面照射型ＣＭＯＳ撮像素子）を示している。図４に示すように、固体撮像素子の構成は、複数の受光部を有する半導体基板と、受光部に対応して配置された複数種類のカラーフィルタを有するフィルタ部と、カラーフィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズからなる。従来のＣＭＯＳセンサーの固体撮像素子においては、感度向上のために、受光部の面積拡大が重要であり、配線などの影響を受けない（ｂ）の裏面照射タイプが主流である。
【０００４】
上記マイクロレンズは、前述の感度の低下を改善するために配置されており、撮像装置の光入射面上にオンチップマイクロレンズを形成し、光をフォトダイオード部へ集光して、感度の低下を抑制している。しかしながら、更なる多画素化に伴う受光部の縮小化および感度低下に対して、マイクロレンズによる従来技術のみでは、集光効率を更に高めるのには限界がある。
近年、集光効率を高める方法として、オンチップマイクロレンズと受光部との間に、光の反射を利用して集光を行う光導波路（以後ライトパイプとよぶ）を形成する構成が提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
このような撮像装置におけるライトパイプは、一般的に、受光部上のＳｉＯ
２
などの絶縁層中に、絶縁層に比べて高い屈折率を有するピラーを埋め込むことで形成され、絶縁層とライトパイプの屈折率の差によって、光が反射し集光される。ライトパイプを形成する工程は、受光部上の絶縁層に柱状の貫通穴を形成する工程と、その後その柱状の貫通穴部分を光導波路材で埋め込む工程を有する。その埋め込む光導波路材は、絶縁層に比べて高い屈折率を有するので、そのライトパイプに入射した光は、ライトパイプの側壁で反射し、効率よく受光部に集光される。この例のライトパイプを有する、従来の撮像素子の断面図を図５（ａ）に示す。
【０００６】
その他、カラーフィルターの外側に低屈折率材料（樹脂や空気など）を配置することで、カラーフィルター自体がライトパイプになることも知られている。この撮像素子の例を、図５（ｂ）に示す。
【０００７】
どちらの場合も、集光効率を上げるため、デバイス内に高い屈折率を有するライトパイプを設置したり、カラーフィルター外周に低屈折率材料を設置することによって、屈折率の差を利用し、光が反射し受光部に効率よく集光させる、光閉じ込め構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２００４－１９３５００号公報
特開２０００－１５０８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記技術をもってしても、カラーフィルターをすべての光線が通過するため、画素サイズが微細化した場合、カラーフィルターを通過することによって光の吸収が起こり、受光部に届く光は減少してしまう。そのため、暗所や光が弱い場合は検出力が弱くなったり、ノイズが発生しやすくなっていた。
【００１０】
以上の問題を解決する方法として、本発明は、微細画素でも受光部への集光効率を向上させ、暗所や光が弱い場合でも光量の減衰を抑制し、感度の良い固体撮像素子およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許