JP2002237582A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部レンズの形状を適正に制御し、ゲート電
極と遮光膜との間の容量の制御を行なう。 【解決手段】 フォトセンサや転送レジスタを設けたシ
リコン基板１０上に、絶縁膜１０Ａを介して転送レジス
タを駆動するためのゲート電極２０と、レンズ形状制御
用絶縁膜３０と、転送レジスタを遮光するための遮光膜
４０とを設け、さらにその上層に内部レンズ５０を構成
する絶縁膜５０Ａと高屈折率膜５０Ｂを設けている。そ
して、レンズ形状制御用絶縁膜３０の膜厚を適宜変更す
ることにより、内部レンズ５０におけるレンズ形状を変
更することができ、受光部への光の入射特性を選択でき
る。また、レンズ形状制御用絶縁膜３０は、ゲート電極
２０と遮光膜４０との間の静電容量を制御でき、転送レ
ジスタの動作特性を改善することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板に設け
た受光画素部への光の入射を制御する内部レンズを有す
る固体撮像素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＣＣＤ構造を用いた固体撮像素子
としては、半導体基板に受光画素部を構成する複数のフ
ォトセンサや信号電荷転送用の転送レジスタ等をいわゆ
るインライン構造で設けるとともに、この半導体基板上
に転送レジスタを駆動するゲート電極と、このゲート電
極への光の入射を規制する遮光膜とを設けたものが提供
されている。そして、このような固体撮像素子におい
て、転送レジスタのゲート電極を形成する方法として
は、例えば多結晶シリコン等の材料を用いた電極膜を半
導体基板上に形成し、これをリソグラフィ技術によって
加工して所望のパターンを得るようになっている。ま
た、遮光膜を形成する方法としては、ゲート電極上にシ
リコン酸化膜等を材料とする絶縁膜を設け、この上にア
ルミニウムやタングステン等の遮光膜を形成し、転送レ
ジスタを遮光する。

【０００３】そして、このようなＣＣＤ固体撮像素子に
おいて、フォトセンサによる受光画素部に効果的に光を
入射させるべく、遮光膜の上層に内部レンズを設けた構
成のものが各種提案されている（特開平９−６４３２５
号公報、特開平１１−１０３０３６号公報等参照）。例
えば、遮光膜の上層に内部レンズの形状を決定するＢＰ
ＳＧ等の絶縁膜を設けた後、リフロー処理を行なうこと
により、レンズ形状を得るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例において、遮光膜上に内部レンズを設ける場合に、
遮光膜上に形成する絶縁膜の形状が、その成膜条件のみ
ならず、ゲート電極によって生じる段差により左右され
てしまい、必ずしも所望の形状が得られず、良好な集光
状態にならないことがある。また、ゲート電極と遮光膜
間には、両者の間に配置される絶縁膜の膜厚によって決
まる静電容量が発生するが、ゲート電極に電圧を印加し
て駆動する際、この静電容量によって撮像素子の中心部
においては周辺部より電圧の印加までに時間がかかって
しまう、いわゆる伝播遅延が発生することがある。

【０００５】そこで本発明の目的は、内部レンズの形状
を適正に制御し得るとともに、ゲート電極と遮光膜との
間の容量の制御を行なうことも可能な固体撮像素子及び
その製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板に受光画素部を構成する複数のフ
ォトセンサと、各フォトセンサに蓄積した信号電荷を転
送する転送レジスタとを設け、前記半導体基板上に前記
転送レジスタを駆動するゲート電極と、前記ゲート電極
への光の入射を規制する遮光膜とを設け、その上層に前
記フォトセンサへの光の入射を制御する内部レンズを設
けた固体撮像素子において、前記ゲート電極の上部に前
記内部レンズのレンズ形状を制御するための任意の膜厚
を有するレンズ形状制御用絶縁膜を設けたことを特徴と
する。

【０００７】また本発明は、半導体基板上にゲート電極
となる導電膜を形成する第１の工程と、前記導電膜上に
所定の膜厚を有する第１の絶縁膜を形成する第２の工程
と、前記第１の絶縁膜を前記ゲート電極の上部領域に対
応する部分を残して除去することによりレンズ形状制御
用絶縁膜を形成する第３の工程と、前記レンズ形状制御
用絶縁膜をマスクとして前記導電膜を加工してゲート電
極を形成する第４の工程と、前記ゲート電極及びレンズ
形状制御用絶縁膜の上層に遮光膜を形成する第５の工程
と、前記遮光膜の上層に内部レンズを形成する第６の工
程とを有することを特徴とする。

【０００８】本発明の固体撮像素子では、転送レジスタ
のゲート電極と遮光膜の間に、内部レンズのレンズ形状
を制御するための任意の膜厚を有するレンズ形状制御用
絶縁膜を設けた。したがって、このレンズ形状制御用絶
縁膜の膜厚を適宜選択して設けることにより、内部レン
ズのレンズ形状を最適化することができ、フォトセンサ
に入射する光の集光特性を自在に選択することが可能と
なる。また、ゲート電極と遮光膜の間に設けたレンズ形
状制御用絶縁膜の膜厚を任意に調整することにより、ゲ
ート電極と遮光膜との間に発生する静電容量を低減する
ことができる。

【０００９】また本発明の製造方法において、第１の工
程では、半導体基板上にゲート電極となる導電膜を形成
し、第２の工程では、導電膜上に所定の膜厚を有する第
１の絶縁膜を形成する。次に、第３の工程では、第１の
絶縁膜を前記ゲート電極の上部領域に対応する部分を残
して除去することによりレンズ形状制御用絶縁膜を形成
し、第４の工程では、レンズ形状制御用絶縁膜をマスク
として導電膜を加工してゲート電極を形成する。次に、
第５の工程では、前記ゲート電極及びレンズ形状制御用
絶縁膜の上層に遮光膜を形成し、この後、第６の工程で
は、前記遮光膜の上層に内部レンズを形成する。このよ
うな製造方法では、レンズ形状制御用絶縁膜をマスクと
してゲート電極を自己整合的に形成することができ、か
つ主絶縁膜部を所望の膜厚で形成することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
及びその製造方法の実施の形態について説明する。な
お、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体
例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている
が、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明
を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定さ
れないものとする。

【００１１】図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、本発明の実施
の形態による固体撮像素子の具体例を示す断面図であ
り、それぞれ異なる膜厚を有するレンズ形状制御用絶縁
膜を設けた例である。本実施の形態による固体撮像素子
は、フォトセンサや転送レジスタを設けたシリコン基板
１０上に、絶縁膜１０Ａを介して転送レジスタを駆動す
るためのゲート電極２０と、本発明の特徴となるレンズ
形状制御用絶縁膜３０と、転送レジスタを遮光するため
の遮光膜４０とを設け、さらにその上層に内部レンズ５
０を構成する絶縁膜５０Ａと高屈折率膜５０Ｂを設けた
ものである。なお、シリコン基板１０の内部には、図１
（Ｂ）に示すように、フォトセンサによる受光部、転送
レジスタ、チャネルストップ領域、読み出しゲート等が
設けられているが、これらは従来と同様の構成であるの
で、説明は省略する。

【００１２】図示のように本形態の固体撮像素子では、
レンズ形状制御用絶縁膜３０の膜厚を適宜変更すること
により、内部レンズ５０におけるレンズ形状を変更する
ことができ、受光部への光の入射特性を選択できるもの
である。また、レンズ形状制御用絶縁膜３０は、ゲート
電極２０と遮光膜４０との間の静電容量を制御でき、転
送レジスタの動作特性を改善することが可能である。す
なわち、ゲート電極と遮光膜間の静電容量は、従来の構
造では層間絶縁膜の厚みにより決まるが、本形態の構成
では、層間絶縁膜に加えてレンズ形状制御用絶縁膜３０
があるため静電容量を低減することができる。

【００１３】次に、図２、図３は、本発明の実施の形態
による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。ま
ず、図２（Ａ）では、シリコン基板１０の絶縁膜１０Ａ
上に、ゲート電極２０となる多結晶シリコン等の導電膜
２２を形成し、次に、その上面に所定の膜厚を有するシ
リコン酸化膜等による第１の絶縁膜３２を形成する。こ
こでは、成長速度が早く、生産性の高い常圧化学的気相
成長法等を用いて成膜する。この第１の絶縁膜３２の膜
厚に基づいてレンズ形状制御用絶縁膜３０の膜厚が決定
される。次に、図２（Ｂ）では、リソグラフィとエッチ
ングによって第１の絶縁膜３２をゲート電極の上部領域
に対応する部分を残して除去し、ゲート電極よりやや小
さいパターンを有するレンズ形状制御用絶縁膜３０の主
絶縁膜部３０Ａを形成する。次に、図２（Ｃ）では、主
絶縁膜部３０Ａの上層に、この主絶縁膜部３０Ａを覆う
状態でシリコン酸化膜等の第２の絶縁膜３４を形成す
る。

【００１４】次に、図２（Ｄ）では、異方性エッチング
によって第２の絶縁膜３４を主絶縁膜部３０Ａの側壁部
分を残して除去し、レンズ形状制御用絶縁膜３０の側壁
部３０Ｂを形成する。次に、図２（Ｅ）では、上述のよ
うな主絶縁膜部３０Ａと側壁部３０Ｂとからなるレンズ
形状制御用絶縁膜３０をマスクとしてエッチングを行な
い、導電膜２２を加工してゲート電極２０を形成する。
このような工程により、自己整合的にゲート電極２０を
形成することが可能であり、主絶縁膜部３０Ａのパター
ンをリソグラフィ限界寸法で形成すれば、側壁部３０Ｂ
によりリソグラフィ限界寸法よりもゲート電極間の隙間
を微細化することができ、電荷転送効率を向上すること
ができる。なお、本例のように第２の絶縁膜３４によっ
て側壁部３０Ｂを設けることは必須ではなく、主絶縁膜
部３０Ａのみをマスクとしてゲート電極２０を加工する
こともできる。

【００１５】次に、図３（Ｆ）では、ゲート電極２０の
露出部を絶縁する。これは、図示のようにゲート電極２
０及びレンズ形状制御用絶縁膜３０の上層に層間絶縁膜
（第３の絶縁膜）６０を形成するか、あるいは、ゲート
電極２０の露出面を酸化することにより行なう。そし
て、このゲート電極２０やレンズ形状制御用絶縁膜３０
等の上層にアルミニウムやタングステン等の遮光膜４０
を形成し、転送レジスタを遮光するとともに、受光領域
に対応した開口部を開口する。次に、図３（Ｇ）では、
さらに上層に内部レンズ５０を構成する第４の絶縁膜５
０Ａを形成し、レンズ形状を形成する。すなわち、所定
の濃度でホウ素や燐を含むＢＰＳＧ等の絶縁膜を設けた
後、リフロー処理を行なうことでレンズ形状を得る。こ
の際、レンズ形状制御用絶縁膜３０の膜厚によってリフ
ロー処理によるレンズ形状が決定することになる。

【００１６】次に、図３（Ｇ）では、絶縁膜５０Ａの上
層に高屈折率材料を充填塗布し、高屈折率膜５０Ｂを設
ける。この内部レンズ５０に埋め込む高屈折率材料は、
プラズマ化学的気相成長法による窒化シリコン膜やポリ
イミド等の有機材料を用いる。窒化シリコン膜を使用し
た成膜後に生じた段差は、フォトレジストを塗布した
後、エッチングを施すことにより平坦化できる。また、
有機材料ではスピンコート法により塗布することで表面
を平坦化することができる。この方法では、内部レンズ
を下で凸、上で平坦型にするが、高屈折率材料の埋め込
み後に、フォトレジストでマイクロレンズパターンを形
成した後、エッチングを施すことで、下で凸型、上で凹
型にすることもできる。また、内部レンズに高屈折率材
料を用いず、遮光膜上の層間絶縁膜そのものか、または
層間絶縁膜と同じ屈折率の材料で埋め込むこともでき
る。この場合は、内部レンズ効果はなくなるため、入射
光が遮光膜表面で反射した受光部に入射する角度で遮光
膜を形成する必要があり、これは側壁部３０Ｂの形状に
より制御することが可能である。このような工程の後、
さらに上層に、図示しないパッシべーションあるいは平
坦化膜、カラーフィルタ、マイクロレンズなどを形成
し、ＣＣＤ固体撮像素子が完成する。

【００１７】以上のような本実施の形態による固体撮像
素子では、導電膜上に所望の膜厚のレンズ形状制御用絶
縁膜３０を形成してからゲート電極２０を加工すること
により、内部レンズ形状を最適化することができる。ま
たゲート電極２０と遮光膜４０との間の静電容量を低減
することができるので、ＣＣＤ固体撮像素子大型化、ゲ
ート電極のパターン微細化による素子中心部の電播遅延
を防ぐことができる。また、本実施の形態による固体撮
像素子の製造方法では、レンズ形状制御用絶縁膜３０を
マスクとしてゲート電極２０を自己整合で形成すること
ができるため、第１の絶縁膜３２による主絶縁膜部３０
Ａのパターンをリソグラフィ限界寸法で形成すれば、第
２の絶縁膜３４による側壁部３０Ｂによるリソグラフィ
限界寸法よりもゲート電極２０の間の隙間を微細化する
ことができ、電荷転送効率を向上することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明による固体撮
像素子では、ゲート電極の上部に前記内部レンズのレン
ズ形状を制御するための任意の膜厚を有するレンズ形状
制御用絶縁膜を設けた。したがって、本発明の固体撮像
素子においては、レンズ形状制御用絶縁膜の膜厚を適宜
選択して設けることにより、内部レンズのレンズ形状を
最適化することができ、フォトセンサに入射する光の集
光特性を自在に選択することが可能となる。また、ゲー
ト電極と遮光膜の間に設けたレンズ形状制御用絶縁膜の
膜厚を任意に調整することにより、ゲート電極と遮光膜
との間に発生する静電容量を低減することができる。

【００１９】また本発明による固体撮像素子の製造方法
では、半導体基板上にゲート電極となる導電膜を形成し
た後、この導電膜上に所定の膜厚を有する第１の絶縁膜
を形成し、この第１の絶縁膜をゲート電極の上部領域に
対応する部分を残して除去することによりレンズ形状制
御用絶縁膜を形成する。そして、このレンズ形状制御用
絶縁膜をマスクとして導電膜を加工してゲート電極を形
成し、その上層に遮光膜、内部レンズを順次形成するよ
うにした。したがって、本発明の製造方法においては、
レンズ形状制御用絶縁膜をマスクとしてゲート電極を自
己整合で形成することができるため、第１の絶縁膜によ
る主絶縁膜部のパターンをリソグラフィ限界寸法で形成
することにより、ゲート電極間の隙間を微細化すること
ができ、電荷転送効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による固体撮像素子の具体
例を示す断面図であり、それぞれ異なる膜厚を有するレ
ンズ形状制御用絶縁膜を設けた例である。

【図２】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面
図である。

【図３】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０……シリコン基板、２０……ゲート電極、３０……
レンズ形状制御用絶縁膜、３０Ａ……主絶縁膜部、３０
Ｂ……側壁部、３２……第１の絶縁膜、３４……第２の
絶縁膜、４０……遮光膜、５０……内部レンズ。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に受光画素部を構成する複数
   のフォトセンサと、各フォトセンサに蓄積した信号電荷
   を転送する転送レジスタとを設け、前記半導体基板上に
   前記転送レジスタを駆動するゲート電極と、前記ゲート
   電極への光の入射を規制する遮光膜とを設け、その上層
   に前記フォトセンサへの光の入射を制御する内部レンズ
   を設けた固体撮像素子において、 前記ゲート電極の上部に前記内部レンズのレンズ形状を
   制御するための任意の膜厚を有するレンズ形状制御用絶
   縁膜を設けた、ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記ゲート電極はレンズ形状制御用絶縁
   膜をマスクとして自己整合的に形成されていることを特
   徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記レンズ形状制御用絶縁膜は、リソグ
   ラフィ及びエッチングにより形成された第１の絶縁膜
   と、前記第１の絶縁膜を覆うように形成され、異方性エ
   ッチングにより第１の絶縁膜の側壁にだけ残るように形
   成された第２の絶縁膜とから構成されていることを特徴
   とする請求項２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記ゲート電極、レンズ形状制御用絶縁
   膜、及び遮光膜とによって半導体基板上に形成される段
   差により、その上層に形成される前記内部レンズのレン
   ズ形状を制御し、内部レンズの焦点距離を制御すること
   を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 半導体基板上にゲート電極となる導電膜
   を形成する第１の工程と、 前記導電膜上に所定の膜厚を有する第１の絶縁膜を形成
   する第２の工程と、 前記第１の絶縁膜を前記ゲート電極の上部領域に対応す
   る部分を残して除去することによりレンズ形状制御用絶
   縁膜を形成する第３の工程と、 前記レンズ形状制御用絶縁膜をマスクとして前記導電膜
   を加工してゲート電極を形成する第４の工程と、 前記ゲート電極及びレンズ形状制御用絶縁膜の上層に遮
   光膜を形成する第５の工程と、 前記遮光膜の上層に内部レンズを形成する第６の工程
   と、 を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第３の工程は、前記第１の絶縁膜を
   前記ゲート電極の上部領域に対応する部分を残して除去
   し、ゲート電極よりやや小さいパターンを有するレンズ
   形状制御用絶縁膜の主絶縁膜部を形成する工程と、 前記主絶縁膜部の上層に主絶縁膜部を覆う状態で第２の
   絶縁膜を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜を前記主絶縁膜部の側壁部分を残して
   除去し、レンズ形状制御用絶縁膜の側壁部を形成する工
   程と、 を有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子
   の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第３の工程では、リソグラフィとエ
   ッチングによって第１の絶縁膜を加工し、異方性エッチ
   ングによって第２の絶縁膜を加工することを特徴とする
   請求項６記載の固体撮像素子の製造方法。
8. 【請求項８】 前記第５の工程で遮光膜を形成する場
   合、前記ゲート電極の露出面を絶縁する工程を有するこ
   とを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方
   法。
9. 【請求項９】 前記ゲート電極の露出面を絶縁する工程
   は、前記ゲート電極の露出面を酸化する工程であること
   を特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記ゲート電極の露出面を絶縁する工
    程は、前記ゲート電極の露出面に第３の絶縁膜を設ける
    工程であることを特徴とする請求項８記載の固体撮像素
    子の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記第６の工程は、前記遮光膜の上層
    に内部レンズの形状を決定する第４の絶縁膜を設けた
    後、リフロー処理を行なう工程を含むことを特徴とする
    請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。