JP2007180208A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細化に際しても更なる集光効率の向上をはかり、高感度で、信頼性の高い固体撮像素子を提供する。
【解決手段】光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを具備し、入射した光を光電変換部に向けて突出した下凸形状の層内レンズを介して前記光電変換部に導くように構成された固体撮像素子であって、前記層内レンズは、前記光電変換部上に形成され、前記光電変換部により近接して設けられ、前記光電変換部上にのみ選択的に形成されたボトム部と、前記ボトム部上に形成されたトップ部とで構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に係り、特に固体撮像素子の層内レンズに関する。

エリアセンサ等の撮像デバイスであるＣＣＤを用いた固体撮像素子は、基本構造として、フォトダイオードなどの光電変換部と、この光電変換部からの電荷読み出し部と、読み出し電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。この電荷転送電極は、半導体基板表面に形成された電荷転送チャネル上に複数個隣接して配置され、クロック信号で順次に駆動される。

近年、固体撮像素子においては、撮像画素数の増加により、画素の微細化が進んでいる。それに伴い光電変換部の微細化も進み高感度を維持することが、困難になっている。

そこで、開口部周辺に到達した光を効率よく光電変換部に集光するための種々の方法が提案されている。

例えば、図５に示すように、受光部の直上位置の平坦化膜に凹部を形成し、この凹部に高屈折率材料を埋め込むことにより、層内レンズ（高屈折率材料膜９）を形成し、集光効率を向上して、受光部に取り込む技術が開示されている（特許文献１、２）。

この固体撮像素子は、図６（ａ）乃至（ｄ）にその製造工程図を示すように、光電変換部としてのフォトダイオード上の領域に、ＢＰＳＧ（Boro Phosfo Silicate Glass）膜からなる絶縁膜８を形成して、加熱リフローを行い、下方に突出した形状となるようにレンズ形成のための形状加工を行う。この後この層間絶縁膜をリフローして下凸形状表面を形成した後、プラズマＣＶＤ法により高屈折率材料膜９として窒化シリコン膜を充填し、エッチバックなどにより平坦化するという方法がとられることが多い。ところで窒化シリコン膜の成膜にはプラズマＣＶＤ法が用いられる。この場合、中心部にボイドＢが形成され、これが光散乱の原因となることがあった。

特開平１１−８７６８２号公報 特開２００３−８６７７８号公報

しかしながら、この方法では下凸層内レンズの形成時に発生するボイドが、散乱を招き、これが集光効率低下の原因となっていた。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、微細化に際しても更なる集光効率の向上をはかり、高感度で、光学特性にすぐれた固体撮像素子を提供することを目的とする。
また本発明では、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

そこで本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを備えた素子部を具備し、入射した光を光電変換部に向けて突出した下凸形状の層内レンズを介して前記光電変換部に導くように構成された固体撮像素子であって、前記層内レンズは、前記光電変換部上に形成され、前記光電変換部により近接して設けられ、前記光電変換部上にのみ選択的に形成されたボトム部と、前記素子部を覆うように前記ボトム部上に形成されたトップ部とで構成されたことを特徴とする。
この構成により、前記層内レンズを、前記光電変換部上にのみ選択的に形成されたボトム部と、前記ボトム部上に形成されたトップ部とで構成しているため、プラズマＣＶＤ法により単層構造で形成していた従来に比べ、ボイドなしに高品質の膜形成が安定的に可能となり、集光効率が大幅に向上する。また光電変換部上にのみ選択的に島状をなすようにボトム膜が形成されるため、トップ部を構成する膜はアスペクト比の低い領域に形成されることになり、ボイドのない高品質のトップ部を形成することが可能となる。

また本発明は、上記固体撮像素子において、前記ボトム部が塗布膜で構成されたものを含む。
この構成により、光電変換部上にのみ選択的に島状をなすように容易に形成可能である。

また本発明は、上記固体撮像素子において、前記トップ部が、窒化シリコン膜であるものを含む。
この構成により、高効率の集光特性を持つ、層内レンズの形成が可能となる。

また本発明は、上記固体撮像素子において、前記トップ部は、前記ボトム部とほぼ等しい屈折率を有するものを含む。
この構成により、多層屈折を生ぜしめることなく、ボイドのない、層内レンズを形成することができる。

また本発明は、上記固体撮像素子において、前記トップ部は、前記ボトム部よりも高屈折率を有するものを含む。
この構成により、さらなる集光特性の向上を図ることが可能となる。

また本発明は、上記固体撮像素子において、前記ボトム部はＳＯＧ膜であるものを含む。
この構成により、ＳＯＧ（Spin On Glass）膜は光電変換部上にのみ選択的に島状をなすように形成されるため、周辺回路部のコンタクトを覆うことはなく、したがってコンタクト部のＳＯＧによる汚染を防止することが可能となる。

また本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に、光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを備えた素子部を形成する工程と、前記光電変換部の受光領域に相当する領域に、表面が、光電変換部に向かう凹部をもつように絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に形成された前記凹部内に、ボトム部を形成する工程と、前記ボトム部上に前記素子部を覆うようにトップ部を形成して層内レンズを形成する工程とを含むものを含む。
この構成により、前記層内レンズを、前記光電変換部上にのみ島状をなすように選択的にボトム部を形成した後、このボトム部上にトップ部を形成しているため、トップ部を構成する膜はアスペクト比の低い領域に形成されることになり、ボイドのない高品質のトップ部を形成することが可能となる。

また本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記ボトム部を形成する工程は、塗布膜を形成する工程であるものを含む。
この構成により、極めて容易にアスペクト比の低減をはかることができる。

また本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記ボトム部を形成する工程は、ＳＯＧ膜を形成する工程であるものを含む。
この構成により、容易にボトム部を形成することができ、また組成の調整が容易であり、屈折率を高精度に制御することができる。

また本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記ボトム部を形成する工程は、高屈折率材料膜を形成する工程と、前記高屈折率材料膜をエッチバックし、前記凹部に残留させる工程とを含む。
この構成により、ドライプロセスのみで所望の高屈折率膜を凹部に充填することができる。

また本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記高屈折率材料膜が、窒化シリコン膜であるものを含む。
この構成により、高屈折率で高品質の膜を容易に形成可能である。

また本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記高屈折率材料膜は、酸窒化シリコン膜であるものを含む。
この構成により、組成を調整することにより、屈折率の調整が容易となる。

以上説明したように本発明では、ボイドのない埋め込みが可能となる。従って、ボイドのない均質で優れた膜質をもつ層内レンズを提供することができ、集光率が向上し、長波長領域の光も効率よく受光領域に集光することができ、低照度時あるいは斜め入射光である場合にも、入射光の大半がフォトダイオード上に集光される。また形状も簡単であり、小型化、薄型化が可能となる。従って、集光効率を高めることができることから、デジタルカメラへの適用に際しては、高速シャッターを用いることが可能となり、手ぶれ、被写体ぶれの少ない画像を得ることができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態１）
この固体撮像素子は、図１および図２に、断面図および平面図（図１は図２のＡ−Ａ断面図である）を示すように、表面にｐウェル（図示せず）、およびｎ型半導体層（図示せず）が形成されたシリコン基板１表面に、ゲート酸化膜２を介して配列形成される複数の電荷転送電極３が、ゲート酸化膜２上に所定の間隔で形成された電極間絶縁膜４によって複数の電荷転送電極に分離形成され、光電変換部としてのフォトダイオード３０の受光領域に開口を有する遮光膜７で被覆するとともに、このフォトダイオード３０の受光領域に層内レンズを形成した固体撮像素子であって、この層内レンズが、ＳＯＧ膜からなるボトム部９ａと、この上層に形成されたＣＶＤ法による窒化シリコン膜からなるトップ部９ｂとで構成されたことを特徴とする。５は電荷転送電極の周りを覆う酸化シリコン膜からなる絶縁膜である。

またフォトダイオード３０の受光領域は窒化シリコン膜からなる反射防止膜６を介して下凸形状の表面をもつＢＰＳＧ膜からなる絶縁膜８が形成され、この上層にＳＯＧ膜からなるボトム部９ａとＣＶＤ窒化シリコン膜からなるトップ部９ｂとで構成された層内レンズが形成されている。この層内レンズ９の上層は窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜１０で被覆され、この上層に形成される酸化シリコン膜１１上にカラーフィルタ層５０が形成される。そしてこの上層は、透光性の有機膜からなる平坦化膜７１を介してレンズ６０が形成されている。

なお、シリコン基板１には、図２に平面図を示すように、複数のフォトダイオード３０が形成され、フォトダイオードで検出した信号電荷を転送するための電荷転送部４０が、フォトダイオード３０の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送部４０によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネルは、図示していないが、電荷転送部４０が延在する方向と交差する方向に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。

また、ｐウェルの形成されたシリコン基板１内には、ｐｎ接合を備えたフォトダイオード３０、電荷転送チャネル、チャネルストップ領域、電荷読み出し領域が形成され、シリコン基板１表面には、ゲート酸化膜２が形成される。ゲート酸化膜２表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜４と電荷転送電極３（電荷転送部４０）が形成される。ここでゲート酸化膜２は熱酸化によって形成された酸化シリコン膜と減圧ＣＶＤ法によって形成された窒化シリコン膜と、熱酸化法によって形成された酸化シリコン膜との３層膜で構成される。

すなわち、電荷転送部４０は、シリコン基板１表面に、ゲート酸化膜２を介して形成された、第１層ドープトアモルファスシリコン膜からなる第１層電極と、第２層ドープトアモルファスシリコン膜からなる第２層電極とが酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜４を介して並置され、単層電極構造を構成している。

そしてこの第１および第２層電極の上層は、酸化シリコン膜５で被覆されており、フォトダイオード３０の表面から、酸化シリコン膜５の一部にのりあげるように膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜からなる反射防止膜６が形成されている。そしてフォトダイオード３０上は、絶縁膜８を介してボイドのないＳＯＧ膜からなる高屈折率材料膜であるボトム部９ａが形成され、このボトム部９ａ上にトップ部９ｂが形成されているが、電荷転送部の上層は、遮光膜７、ＢＰＳＧ膜からなる絶縁膜８、窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜１０が形成される。

次にこの固体撮像素子の製造工程について説明する。
図３乃至図４はこの固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
まず、通常の方法で単層電極構造の電荷転送電極を形成する。すなわち不純物濃度１．０×１０^１６ｃｍ^−３程度のｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚２５ｎｍの酸化シリコン膜と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、３層構造のゲート酸化膜２を形成する。

続いて、このゲート酸化膜２上に、ＰＨ_３とＮ_２とＳｉＨ_４を用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．２５μｍのリンドープの第１層ドープトアモルファスシリコン膜を形成する。このときの基板温度は５００〜６００℃とする。

この後、フォトリソグラフィにより第１層ドープトアモルファスシリコン膜をパターニングし、第１層電極（３）を形成し、この第１層電極表面を熱酸化することにより膜厚８０〜９０ｎｍの酸化シリコン膜４を形成する。このパターニングに際してはＨＢｒとＯ_２との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、第１層電極および周辺回路の配線を形成する。ここではＥＣＲ (電子サイクロトロン共鳴：Electron Cycrotoron Resonance)方式あるいはＩＣＰ（誘導結合Inductively Coupled Plasma）方式などのエッチング装置を用いるのが望ましい。

そしてこの上層に同様にしてＰＨ_３とＮ_２とＳｉＨ_４を用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．６μｍのリンドープの第２層ドープトアモルファスシリコン膜を形成し、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて平坦化を行い、ゲート酸化膜２上に第１および第２層電極が並置されるように第２層電極（３）を形成する。そして、更にこの上層に熱酸化後膜厚８０〜９０ｎｍの酸化シリコン膜５を形成する。このとき、第１層ドープトアモルファスシリコン膜上が過度に酸化されないようにあらかじめ窒化シリコン膜で被覆しておくようにするのが望ましい。

そして、フォトダイオード上の窒化シリコン膜を除去した後、この上層にＨＴＯ薄膜１０ｎｍを減圧ＣＶＤ法により成膜し、さらにＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜からなる反射防止膜６を形成する（図３（ａ））。

この後、スパッタリング法により密着性層（図示せず）としてのチタンナイトライド層を形成した後、ＣＶＤ法により遮光膜７としてのタングステン膜を形成する。そして、フォトリソグラフィにより、フォトダイオード部および周辺回路部の遮光膜７をエッチング除去することにより、パターニングする。そして膜厚１００ｎｍ程度のＢＰＳＧ膜を形成し、炉アニールにより８００〜８５０℃に加熱して、下凸形状の表面をもつ絶縁膜８を形成する（図３（ｂ））。

そして、この絶縁膜８上に塗布法によりＳＯＧ膜９ａを形成し、パターニングし、周辺回路部にはコンタクトを開ける。（図３（ｃ））。

この後、図４（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜９ｂを形成した後、レジストＲ１を塗布する。

そしてレジストエッチバックを行い、図４（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜９ｂ表面の平坦化を行う。

この後、プラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜としての窒化シリコン膜１０を形成し、フォトリソグラフィによりボンディングパッド上を開口するようにコンタクト部に図示しない開口を形成する。

最後に、平坦化膜１１を形成した後、カラーフィルタ層５０を形成し、さらに平坦化膜７１を塗布形成後、レンズ６０を形成するためのレジストパターンを形成し、これをリフローすることにより、所望の曲率を形成するように成形し、レンズを形成する。
このようにして、図１に示したような固体撮像素子が完成する。

この方法によれば、ＳＯＧ膜からなるボトム膜９ａを形成して、アスペクト比を緩和してから、窒化シリコン膜からなるトップ膜９ｂを形成して層内レンズを構成しているため、被覆性が高められ、アスペクト比の高い下凸レンズを形成する際にも、ボイドを形成することなく、容易に膜質の良好な高屈折率材料の充填が可能となり、高品質の層内レンズを形成することが可能となる。またプラズマＣＶＤ法によって形成した窒化シリコン膜は、塗布膜に比べて膜質が良好で、緻密であるため、膜質の低下などを生じる恐れもない。
このようにして形成された固体撮像素子は、集光効率の良好な層内レンズを有し、高感度で信頼性の高いものとなっている。

また、一連の製造工程が効率化され製造コストの低減が容易になる。
また、表面が平坦となるように形成された層内レンズ上にカラーフィルタ層を形成しているため、高精度のパターニングが可能となり、混色不良を生じることもない。

また前記実施の形態では、電極を形成する導電性膜としてドープトアモルファスシリコン層を用いたが、これをアニールすることによって形成したドープトポリシリコン膜を用いてもよく、またノンドープのアモルファスシリコン層を成膜し、成膜後ドーピングを行なうようにしてもよい。

なお、層内レンズを構成する膜としては、窒化シリコン膜に限定されることなく、高屈折率カラー膜を形成するようにしてもよい。
また、遮光膜８は、電荷転送電極の上層だけでなく電荷転送電極の側部も覆うように形成することにより、確実に電荷転送部への光を遮断することができる。

なお層内レンズを構成する絶縁膜については、適宜調整可能である。また、ＳＯＧ中に含有する絶縁物などの組成比を調整することにより屈折率を制御することが可能となる。
このボトム部とトップ部とは屈折率が等しくなるように形成することにより、界面での反射を防止するという効果がある。

（実施の形態２）
また、前記実施の形態では、層内レンズを構成するボトム部９ａとトップ部９ｂとは屈折率が等しくなるように形成したが、ボトム部９ａよりもトップ部９ｂの屈折率が高くなるようにし、多重屈折によりより集光効率を高めることも可能である。

なお前記実施の形態ではボトム部９ａの形成については塗布法によってＳＯＧ膜を形成したが、ＣＶＤ法により酸窒化シリコン膜を形成し、屈折率を酸素と窒素の組成比で調整することも可能である。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内において、適宜可能である。

以上、説明したように本発明の固体撮像素子は、微細化に際しても集光効率を高めることができ、小型化が可能でかつ、製造が容易であることから、デジタルカメラ、携帯電話などに用いられる小型の撮像素子として極めて有効である。

本発明の実施の形態１の固体撮像素子の断面概要図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子の平面図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図 従来例の固体撮像素子を示す断面図 従来例の固体撮像素子の製造工程を示す断面図

符号の説明

１ シリコン基板
２ ゲート酸化膜
３ 電荷転送電極
４ 電極間絶縁膜
５ 絶縁膜
６ 反射防止膜
７ 遮光膜
８ 絶縁膜
９ａ 第１層膜
９ｂ 第２層膜
１０ パッシベーション膜
１１ 平坦化膜
５０ カラーフィルタ層
６０ レンズ層
７１ 平坦化膜
Ｒ１ レジストパターン

Claims (12)

1. 光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを備えた素子部を具備し、入射した光を光電変換部に向けて突出した下凸形状の層内レンズを介して前記光電変換部に導くように構成された固体撮像素子であって、
   前記層内レンズは、
   前記光電変換部上に形成され、
   前記光電変換部により近接して設けられ、前記光電変換部上にのみ選択的に形成されたボトム部と、
   前記ボトム部の上層に前記素子部を覆うように形成されたトップ部とで構成された固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
   前記ボトム部は塗布膜で構成された固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子であって、
   前記トップ部は、窒化シリコン膜である固体撮像素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記トップ部は、前記ボトム部とほぼ等しい屈折率を有する固体撮像素子。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記トップ部は、前記ボトム部よりも高屈折率を有する固体撮像素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記ボトム部はＳＯＧ膜である固体撮像素子。
7. 半導体基板に、光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを備えた素子部を形成する工程と、
   前記光電変換部の受光領域に相当する領域に、表面が、光電変換部に向かう凹部をもつように絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に形成された前記凹部内に、ボトム部を形成する工程と、
   前記ボトム部の上層にＣＶＤ法により前記素子部上を覆うように、トップ部を形成して層内レンズを形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
8. 請求項７に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記ボトム部を形成する工程は、塗布膜を形成する工程である固体撮像素子の製造方法。
9. 請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記ボトム部を形成する工程は、ＳＯＧ膜を形成する工程である固体撮像素子の製造方法。
10. 請求項７に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記ボトム部を形成する工程は、高屈折率材料膜を形成する工程と、
    前記高屈折率材料膜をエッチバックし、前記凹部に残留させる工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記高屈折率材料膜は、窒化シリコン膜である固体撮像素子の製造方法。
12. 請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記高屈折率材料膜は、酸窒化シリコン膜である固体撮像素子の製造方法。

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