JP2002094038A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高画素化などの要請に伴い、画素あたりの面
積はさらに減少する傾向にあり、感度の低下が問題とな
っている。そこで、フォトダイオードへの集光効率を改
善し、感度を向上させた固体撮像装置とその製造方法を
提供する。 【解決手段】 フォトダイオード１２の上方に開口を有
する遮光金属膜３に、上記開口の周囲において開口側が
低くなるように傾斜した表面を有する絶縁膜５を形成
し、さらにこの絶縁膜５の表面に、フォトダイオード１
２の上方に開口を有する反射金属膜６を形成する。この
反射金属膜によって外部光２１をフォトダイオード１２
へと集光する。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

【０００１】本発明は、固体撮像装置およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置では、小型化、高解像度化
の要請により、一画素当たりの面積が減少してきてい
る。このため、画素の受光部を構成するフォトダイオー
ドの面積も制限せざるを得ない。かかる状況の下、固体
撮像装置には、感度向上のために外部光を効率よく集光
することが求められている。

【０００３】以下、ＣＣＤ（電荷結合素子）を用いた従
来の固体撮像装置の例を図１０に示す。この固体撮像装
置では、半導体基板１１０内に受光部となるフォトダイ
オード１１２と垂直電荷転送部１１１とが形成されてい
る。半導体基板１１０上には、絶縁膜（シリコン酸化
膜）１０１を介して垂直転送電極１０２が形成され、さ
らに遮光金属膜１０３が形成されている。外部光を取り
入れるために、フォトダイオード１１２の上方には遮光
金属膜に開口が設けられている。遮光金属膜１０３は、
不要な外部光の入射を抑制するために設けられる。他の
画素領域から入射した外部光が、層界面での反射、屈折
など経てフォトダイオードに入射すると、当該画素領域
において疑似信号が発生するからである。この疑似信号
により起因する画質の劣化はフレアと呼ばれる。

【０００４】遮光金属膜１０３の上方には、図示を省略
するカラーフィルタやオンチップマイクロレンズが適宜
形成される。これらの上部構造と遮光金属膜１０３との
間には、絶縁膜が形成される。図１０に例示した形態で
は、絶縁膜が、第１の絶縁膜１０５と第２の絶縁膜１０
７とに分けて形成されている。第１の絶縁膜１０５は、
下部構造の凹凸を反映し、垂直転送電極１０２上で凸、
フォトダイオード１１２上で凹となる表面を有するよう
に形成される。そして、この凹凸に沿って形成される第
２の絶縁膜１０７を第１の絶縁膜１０５よりも高い屈折
率の材料から構成すると、絶縁膜の内部に、フォトダイ
オード１１２に外部光２４を集光するレンズが形成され
ることになる。こうして層内マイクロレンズを形成すれ
ば、さらに上方に配置するオンチップマイクロレンズの
効果と相俟って、固体撮像装置の集光効率はある程度向
上する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一画素
当たりの面積の縮小が進行するにつれ、従来提案されて
きた上記構成では、Ｓ／Ｎ比の劣化を防ぐことが困難と
なりつつある。さらに感度を向上させるためには、従
来、利用されていなかった外部光（例えば図１０の外部
光２３）もフォトダイオードへと集光することが望まれ
る。そこで、本発明は、さらに感度を向上させた固体撮
像装置とその製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内に形成され
た受光部と、この半導体基板上に形成され、上記受光部
の上方に開口を有する遮光金属膜と、この遮光金属膜上
に形成され、上記開口の周囲から上記開口の上方にかけ
て上記開口側が低くなるように傾斜した表面を有する絶
縁膜と、この絶縁膜の表面に形成され、上記受光部の上
方に開口を有する反射金属膜とを備えたことを特徴とす
る、本発明の固体撮像装置によれば、反射金属膜により
外部光がフォトダイオードへと集光されるため、従来よ
りも感度が向上する。

【０００７】本発明の固体撮像装置は、列をなす複数の
受光部を含み、この列方向に沿って隣接する受光部間に
反射金属膜を形成しない領域を設けたことが好ましい。
フレアを抑制するためである。

【０００８】本発明の固体撮像装置は、行列をなす複数
の受光部を含み、行方向および列方向に沿って隣接する
受光部間に反射金属膜を形成しない領域を設けたことが
好ましい。上記と同様、フレアを抑制できるからであ
る。反射金属膜を受光部ごとに分離して、フレアをさら
に抑制することとしてもよい。

【０００９】本発明の固体撮像装置では、隣接する受光
部に沿って観察すると、反射金属膜を形成しない領域か
ら遮光金属膜の開口の上方に近づくにつれて低くなるよ
うに反射金属膜が形成されていることが好ましい。フレ
アを防止しつつ感度の向上を図るためである。

【００１０】本発明の固体撮像装置では、反射金属膜の
膜厚が２０ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。反
射金属膜が厚すぎると受光部上方の開口が狭くなり、薄
すぎると、外部光を十分に反射できないからである。

【００１１】本発明の固体撮像装置では、絶縁膜がＢＰ
ＳＧ（ボロン−リン−シリケートガラス）膜であること
が好ましい。ＢＰＳＧは、受光部の上方が凹となった表
面を有する膜の形成に特に適している。

【００１２】本発明の固体撮像装置では、電圧パルスを
印加するための配線が半導体基板上にさらに形成され、
この配線上に、反射金属膜と同じ材料からなる金属膜が
積層されていることが好ましい。この好ましい例によれ
ば、配線抵抗を下げることができる。この場合は、反射
金属膜の材料の比抵抗が配線の材料の比抵抗以下である
ことがさらに好ましい。

【００１３】本発明の固体撮像装置では、開口側が低く
なるように傾斜した表面を有する絶縁膜を第１の絶縁膜
として、反射金属膜を挟むように、第１の絶縁膜上に、
第１の絶縁膜よりも屈折率が大きい第２の絶縁膜が形成
されていることが好ましい。層内レンズを形成して集光
効果をさらに高めるためである。

【００１４】また、上記目的を達成するために、本発明
の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板内に形成され
た受光部の上方に開口を有する遮光金属膜を上記半導体
基板上に形成する工程と、上記開口の周囲から上記開口
の上方にかけて上記開口側が低くなるように傾斜した表
面を有する絶縁膜を上記遮光金属膜上に形成する工程
と、上記受光部の上方に開口を有する反射金属膜を上記
絶縁膜の表面に形成する工程と、を有することを特徴と
する。本発明の方法によれば、反射金属膜により外部光
をフォトダイオードへと導き、従来よりも感度が向上し
た固体撮像装置を製造できる。

【００１５】本発明の製造方法では、絶縁膜を形成した
後であって反射金属膜を形成する前に、この反射金属膜
よりも厚い配線用金属膜を形成し、この配線用金属膜を
所定のパターンに加工して、電圧パルスを印加するため
の配線とする工程をさらに含むことが好ましい。反射金
属膜よりも先に配線用金属膜を形成すれば、配線用金属
膜のパターン加工の際に、相対的に薄い反射金属膜が除
去されたり、薄くなることを防止できる。

【００１６】本発明の製造方法では、反射金属膜を形成
する工程において、反射金属膜とするための金属膜を配
線上にも積層して上記配線の一部とすることが好まし
い。配線の低抵抗化を実現できるからである。

【００１７】本発明の製造方法では、配線を形成した後
であって反射金属膜を形成する前に、上記配線を覆う絶
縁膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。この
好ましい例によれば、画素のサイズが極めて微細で反射
金属膜のエッチング残りが発生しやすい場合であって
も、配線からの電流のリークを防止できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の好ましい実施形態を説明する。図１に示した固体撮像
装置では、半導体基板１０の表層（具体的には、例えば
ｎ型シリコン基板の表層に形成されたｐ型ウェル層）の
所定の位置に、フォトダイオード１２と垂直転送部（垂
直転送レジスタ）１１がイオン注入法により形成されて
いる。半導体基板の表層がｐ型ウェルである場合、フォ
トダイオードおよび垂直転送部は、ｎ型不純物領域とし
て形成される。この半導体基板の上方には、以下に例示
する製法により得られる多層膜が形成されている。

【００１９】まず、半導体基板１０上には、この基板の
表面の熱酸化により、絶縁膜としてシリコン酸化膜１が
形成される。図示を省略するが、シリコン酸化膜１上に
は、例えば減圧ＣＶＤ法によりさらにシリコン窒化膜な
どを積層してもよい。次に、例えばＣＶＤ法により多結
晶シリコン膜が形成され、さらにパターニングされて、
垂直転送部１１上にシリコン酸化膜１を隔てて垂直転送
電極２が形成される。この垂直転送電極２は、パターニ
ング後の熱酸化により形成されたシリコン酸化膜により
覆われる。

【００２０】引き続き、垂直転送電極２を覆い、フォト
ダイオード１２上方を避けるようにパターニングされた
遮光金属膜３が形成される。遮光金属膜を構成する金属
としては、フレアを防止するために、反射率が低い高融
点金属が好ましく、例えば、タングステンが用いられ
る。これらの金属膜は、例えば、スパッタリング法によ
り形成される。遮光金属膜の膜厚は、用いる金属などに
もよるが、不要な外部光の透過を防止するためには、５
０ｎｍ以上が好ましく、例えば５０〜４００ｎｍ程度が
好適である。

【００２１】垂直転送電極２および遮光金属膜３の形成
により、半導体基板１０上には、垂直転送部１１上が
凸、フォトダイオード１２上が凹となった凹凸が形成さ
れる。したがって、遮光金属膜３上に形成される第１の
絶縁膜５の表面にも凹凸が現れる。光を集めるために好
適な凹型を制御しやすいＢＰＳＧからなる膜は、例えば
ＣＶＤ法により成膜できる。これらの材料を用いると、
図１に示したように、絶縁膜５の表面を、隣接するフォ
トダイオードに沿って観察して、垂直転送部の上方に頂
点、フォトダイオードの上方に底点を有する滑らかな凹
凸を描く曲線とすることができる。この表面は、遮光金
属膜３の開口の周囲では開口に近づくにつれて高さが低
くなるすり鉢状となっている。

【００２２】こうして形成したすり鉢状の表面上に、反
射金属膜６が形成される。反射金属膜６を形成すると、
この膜の表面で入射した外部光２１が遮光金属膜３の開
口側へと反射されるため、フォトダイオードの集光効率
が向上する。従来の層内マイクロレンズ（図１０）で
は、絶縁膜１０５，１０７の屈折率差を利用して膜界面
での光の屈折が利用されていたが、これのみでは集光効
率の向上に限界がある。しかし、この膜界面に反射膜を
設ければ、取り入れることができなかった外部光２１
（図１０の外部光２３）までフォトダイオード１２に取
り入れることができる。

【００２３】反射金属膜の材料は、特に制限されない
が、例えば、反射率が高いアルミニウムや銅などを主成
分とする合金などを用いることができる。上記のよう
に、反射金属膜の膜厚は、２０ｎｍ〜４００ｎｍが好適
であるが、画素の大きさが５μｍ×５μｍ以下となる程
度に微細である場合には、１００ｎｍ〜２００ｎｍがよ
り好ましい。反射金属膜の製造方法は、特に制限されな
いが、遮光金属膜と同様、例えばスパッタリング法によ
り成膜すればよい。

【００２４】反射金属膜６を覆うように、さらに第２の
絶縁膜７が形成される。この第２の絶縁膜７は、主とし
て表面の凹凸を解消するために形成される平坦化膜であ
る。反射金属膜を形成する場合にも、第２の絶縁膜７の
屈折率を第１の絶縁膜５の屈折率よりも高くすると、反
射金属膜の開口領域において層内マイクロレンズを形成
できる。第２の絶縁膜は、例えばアクリル系樹脂材料、
シリコン窒化膜など、シリコン酸化膜よりも屈折率が高
い材料から形成すればよい。

【００２５】以下、第２の絶縁膜上に、必要に応じて、
カラーフィルタ、平坦化層、オンチップマイクロレンズ
などが形成される。こうして、集光効率を改善した固体
撮像装置を製造することができる。

【００２６】なお、反射金属膜６を形成する場合にも、
フレア防止のために、反射金属膜よりも相対的に反射率
が低い遮光金属膜３を形成することが好ましい。また、
ここでは、反射金属膜６が遮光金属膜３よりもフォトダ
イオード上方の開口内側にまでせり出した形態を図示し
たが、この逆であってもよい。

【００２７】図１に示した形態では、フォトダイオード
１２の上方を除いた第１の絶縁膜５の表面全面に反射金
属膜６を形成した。しかし、フレアを引き起こす外部光
２２の反射を抑制するためには、図２に示すように、第
１の絶縁膜５の表面上に、反射金属膜６を部分的に形成
しない領域８を設けることが好ましい。この領域８は、
第１の絶縁膜５の表面が垂直転送部１１上に頂点を有す
る場合には、この頂点を含むように設けることが好まし
い。

【００２８】いずれにしても、部分的に反射金属膜を除
去した領域８は、この領域を境として両側に分かれた反
射金属膜の表面が、それぞれフォトダイオードに近づく
につれて低くなるように形成することが好ましい。すな
わち、図２では、反射金属膜６ａの表面は、フォトダイ
オード１２上方の開口に向かって徐々に低下していき、
隣接する反射金属膜６ｂ，６ｃの表面は、それぞれ隣接
する図外のフォトダイオード上方の開口に向かって徐々
に低下していくように形成されている。このような形態
は、フレアを防止しながら感度を向上するために好適で
ある。

【００２９】一断面を示す図２では、フォトダイオード
１２に応じて反射金属膜６が分割されたように表示され
ているが、領域８は、必ずしもフォトダイオード１２ご
とに反射金属膜６を分割するように設けなくてもよい。
図３〜図６は、行列状に配置されたフォトダイオード１
２を用いる場合の領域８の位置および形状の例示であ
る。これらの図では、図示が省略されているが、図の左
右方向（行方向；図３のＩ−Ｉ方向）および上下方向
（列方向；図３のII−II方向）に沿って複数のフォトダ
イオードが配列している。図３〜図６に示したように、
固体撮像装置の構造などに応じて、行および列方向に沿
ってフォトダイオード間を分離するように島状に領域８
を設けてもよく（図３）、行または列方向に沿って伸長
するようにストライプ状に領域８を設けてもよく（図
４，図５）、行および列方向に沿って伸長するように格
子状に領域８を設けてもよい（図６）。図３に示した態
様では、フォトダイオード１２の隅角部で反射金属膜６
が接続しているが、図６に示した態様では、フォトダイ
オード１２ごとに反射金属膜６が分割されていることに
なる。

【００３０】固体撮像装置の駆動には、フォトダイオー
ド１２に蓄積した信号電荷を読み出し、さらに転送する
ために、所定の電圧パルスの印加が必要とされる。電圧
パルスを印加するため、フォトダイオード１２が形成さ
れた画素領域の周辺には、所定のパターンの配線が形成
される。この配線は、低い抵抗を得るために比較的厚
く、例えば２００ｎｍ〜８００ｎｍ程度に形成される。
このため、配線用金属膜をパターニングするためのエッ
チングは、配線間のリークを防止するためにややオーバ
ーエッチング気味に行う必要がある。配線用金属膜は、
通常、第１の絶縁膜５を電極との間の層間絶縁膜とし
て、この絶縁膜上に形成される。したがって、第１の絶
縁膜５上に予め反射金属膜６が形成されていると、配線
用金属膜のエッチングの際に、反射金属膜６までエッチ
ングされるおそれがある。

【００３１】そこで、画素領域において反射金属膜の適
切な膜厚を確保するためには、周辺配線領域において配
線を形成してから反射金属膜を形成することが好まし
い。この方法の例を図７を参照して説明する。

【００３２】まず、上記で説明したように、垂直転送電
極２、遮光金属膜３、第１の絶縁膜５などを順次形成し
た半導体基板上に、配線用金属膜１９を形成する（図７
（ａ））。周辺配線領域では、配線用金属膜１９は、第
１の絶縁膜５に形成されたコンタクトホールを通じて垂
直転送電極２に接触している。次に、この金属膜１９を
所定のパターンにエッチングして配線９とする（図７
（ｂ））。エッチングにより画素領域からは、配線用金
属膜は除去される。その後に、反射金属膜６が形成され
る。すなわち、反射金属膜とするための金属膜１６が形
成され（図７（ｃ））、この金属膜１６が所定のパター
ンにエッチングされて反射金属膜６となる（図７
（ｄ））。このように、配線９を形成してから、反射金
属膜６を形成すると、配線のパターニングの際に反射金
属膜の膜厚が影響を受けることがない。したがって、反
射金属膜の膜厚の制御を精度良く行うことができる。

【００３３】また、図７（ｄ）に示したように、画素領
域において反射金属膜６を形成すると同時に、周辺配線
領域において配線９上に金属膜４を形成すると、配線９
の抵抗を低くすることができる。配線の低抵抗化は、固
体撮像装置の駆動を高速化する観点からも好ましい。高
速化の観点からは、反射金属膜６（金属膜４）に用いる
材料を、配線９に用いる材料の比抵抗以下の比抵抗を有
するものとすることが好ましい。配線９の代表的な材料
の一つは、アルミニウムである。この場合、反射金属膜
６および配線の一部となる金属膜の材料は、この材料、
またはこの材料よりも抵抗値が低い銅などを用いるとよ
い。

【００３４】このように、反射金属膜６と同時に配線の
一部となる層４を形成すると、配線９の低抵抗化を図る
ことができる。しかし、画素の微細化に伴って、画素領
域において反射金属膜６の膜厚を十分に精度良く制御す
る必要がある場合には、エッチング条件（時間）を画素
領域において最適化することが望まれる。この場合、周
辺配線領域では、反射金属膜を形成するための金属膜１
６のエッチング残りが発生しやすくなる。金属膜１６の
エッチング残りは、配線間のリークを引き起こす。した
がって、配線間のリークを確実に防止したい場合には、
図８に示すように、配線９上に層間絶縁膜１７を形成し
てから、反射金属膜を形成するための金属膜１６を形成
することが好ましい。

【００３５】この場合は、図９に示すように、層間絶縁
膜１７にコンタクトホール２０を形成し、このコンタク
トホール２０を介して、金属膜１６と配線９とを接続す
れば、配線抵抗を小さくすることができる。

【００３６】なお、本発明は、上記で説明した形態に制
限されるものではなく、各種の固体撮像装置に適用が可
能である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
さらに感度を向上させた固体撮像装置を提供できる。本
発明は、画素の小型化の要請に沿いながらも、固体撮像
装置の特性向上を実現するものであって、当該技術分野
において極めて大きな利用価値を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の固体撮像装置の一形態を示す部分断
面図である。

【図２】 本発明の固体撮像装置の別の一形態を示す部
分断面図である。

【図３】 フレアを防止する構造を備えた固体撮像装置
の一形態を示す部分平面図である。

【図４】 フレアを防止する構造を備えた固体撮像装置
の別の一形態を示す部分平面図である。

【図５】 フレアを防止する構造を備えた固体撮像装置
のまた別の一形態を示す部分平面図である。

【図６】 フレアを防止する構造を備えた固体撮像装置
のさらに別の一形態を示す部分平面図である。

【図７】 本発明の固体撮像装置の製造方法の一例を断
面方向から示す工程図である。

【図８】 図７に示した製造方法の工程の一部変更を説
明するための断面図である。

【図９】 図７に示した製造方法の工程の一部変更を説
明するための断面図である。

【図１０】 従来の固体撮像装置の一例を示す部分断面
図である。

【符号の説明】

１ シリコン酸化膜 ２ 垂直転送電極 ３ 遮光金属膜 ４ （配線の一部とする）金属膜 ５ 第１の絶縁膜 ６ 反射金属膜 ７ 第２の絶縁膜 ８ 反射金属膜を形成しない領域 ９ 配線 １０ 半導体基板 １１ 垂直転送部 １２ フォトダイオード ２１，２２，２３，２４ 外部光

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板内に形成された受光部と、前
   記半導体基板上に形成され、前記受光部の上方に開口を
   有する遮光金属膜と、前記遮光金属膜上に形成され、前
   記開口の周囲から前記開口の上方にかけて前記開口側が
   低くなるように傾斜した表面を有する絶縁膜と、前記絶
   縁膜の表面に形成され、前記受光部の上方に開口を有す
   る反射金属膜とを備えたことを特徴とする固体撮像装
   置。
2. 【請求項２】 列をなす複数の受光部を含み、前記列方
   向に沿って隣接する受光部間に反射金属膜を形成しない
   領域を設けた請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 行列をなす複数の受光部を含み、前記行
   方向および前記列方向に沿って隣接する受光部間に反射
   金属膜を形成しない領域を設けた請求項２に記載の固体
   撮像装置。
4. 【請求項４】 反射金属膜が受光部ごとに分離された請
   求項２または３に記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 隣接する受光部に沿って観察すると、反
   射金属膜を形成しない領域から遮光金属膜の開口の上方
   に近づくにつれて低くなるように反射金属膜が形成され
   ている請求項２〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 反射金属膜の膜厚が２０ｎｍ〜４００ｎ
   ｍである請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装
   置。
7. 【請求項７】 絶縁膜がＢＰＳＧ（ボロン−リン−シリ
   ケートガラス）膜である請求項１〜６のいずれかに記載
   の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 電圧パルスを印加するための配線が半導
   体基板上にさらに形成され、前記配線上に、反射金属膜
   と同じ材料からなる金属膜が積層されている請求項１〜
   ７のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 【請求項９】 反射金属膜の材料の比抵抗が配線の材料
   の比抵抗以下である請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 開口側が低くなるように傾斜した表面
    を有する絶縁膜を第１の絶縁膜として、反射金属膜を挟
    むように、前記第１の絶縁膜上に、前記第１の絶縁膜よ
    りも屈折率が大きい第２の絶縁膜が形成されている請求
    項１〜９のいずれかに記載の固体撮像装置。
11. 【請求項１１】 半導体基板内に形成された受光部の上
    方に開口を有する遮光金属膜を前記半導体基板上に形成
    する工程と、前記開口の周囲から前記開口の上方にかけ
    て前記開口側が低くなるように傾斜した表面を有する絶
    縁膜を前記遮光金属膜上に形成する工程と、前記受光部
    の上方に開口を有する反射金属膜を前記絶縁膜の表面に
    形成する工程と、を有することを特徴とする固体撮像装
    置の製造方法。
12. 【請求項１２】 絶縁膜を形成した後であって反射金属
    膜を形成する前に、前記反射金属膜よりも厚い配線用金
    属膜を形成し、前記配線用金属膜を所定のパターンに加
    工して、電圧パルスを印加するための配線とする工程を
    さらに含む請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方
    法。
13. 【請求項１３】 反射金属膜を形成する工程において、
    反射金属膜とするための金属膜を配線上にも積層して前
    記配線の一部とする請求項１２に記載の固体撮像装置の
    製造方法。
14. 【請求項１４】 配線を形成した後であって反射金属膜
    を形成する前に、前記配線を覆う絶縁膜を形成する工程
    をさらに含む請求項１２に記載の固体撮像装置の製造方
    法。