JP2007134664A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有効画素領域とオプティカルブラック領域とで光学的黒レベルに差の無い固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明における固体撮像装置は、半導体基板上に２次元的に配置された、光情報を検出する有効画素領域６、または、光学的黒レベルを規定するオプティカルブラック領域７に属する複数の光電変換部４と、複数の光電変換部４の上方に形成される遮光膜８とを備え、遮光膜８は、有効画素領域６の光電変換部４の上方を含む領域に形成される第一の開口と、オプティカルブラック領域７の上方に形成される第二の開口２７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置、特に光学的黒レベルを規定するオプティカルブラック領域を有する固体撮像装置およびその製造方法に関する。

以下に、図面を参照しながら、特許文献１に示された従来技術の固体撮像装置について説明する。

図１４は、固体撮像装置であるインターライン転送型ＣＣＤ撮像装置の基本構成を示す平面概要図である。図１４に示す固体撮像装置は、光電変換素子１０４と、トランスファーゲート８１と、垂直レジスタ部１０５と、水平レジスタ部１０２と、電荷検出部１０３とを備える。また、全体の画素は、映像信号を得るための有効画素領域１０６と光学的黒レベルの基準信号を得るためのオプティカルブラック領域１０７（以下、「ＯＢ領域」と呼ぶ。）とから構成される。

ＯＢ領域１０７は、光信号強度の基準値を得るための領域である。ＯＢ領域１０７の光電変換素子１０４は、遮光膜で覆われることにより、有効画素領域１０６に光が入射した状態でも、光が入射しない状態（暗時）の信号強度を維持することができる。温度変動により暗時の出力信号（暗出力）が変動するが、温度が変動した場合でも有効画素領域１０６とＯＢ領域１０７とにおける暗出力の変動を等しく保つ必要がある。以下、ＯＢ領域１０７より得られる暗時の基準となる信号強度を光学的黒レベルと称する。

図１４に示す固体撮像装置の動作概略を以下に説明する。
光電変換素子１０４は、入射光量に比例した信号電荷を蓄積する。トランスファーゲート８１は、垂直ブランキング期間内に、蓄積された信号電荷を、電荷結合素子（以下、「ＣＣＤ」と呼ぶ。）で構成された垂直レジスタ部１０５に送る。これらの信号電荷は、垂直レジスタ部１０５を転送され、ＣＣＤで構成された水平レジスタ部１０２へ転送される。水平レジスタ部１０２を転送された信号電荷は、電荷検出部１０３によって信号として外部に順次出力される。

また、図１５は、図１４に示すＸ−Ｘ′における断面概略図である。
有効画素領域１０６では、垂直レジスタ部１０５に光が入射するとスミアと呼ばれる偽信号となって再生画面上に現れるため、垂直レジスタ部１０５の垂直転送電極１１６の上方に遮光膜９１を設けて、光の入射を防止している。ＯＢ領域１０７では、有効画素領域１０６と同様に、垂直転送電極１１６の上方に遮光膜９２を設けている。さらに、ＯＢ領域１０７の全体に遮光膜９３を設けている。

遮光膜９１、９２および９３は、工程の簡略化のため、通常トランスファーゲート８１、垂直レジスタ部１０５、水平レジスタ部１０２を駆動する駆動回路および電荷検出部１０３からの出力の出力処理回路等の周辺回路の配線と同一工程で形成される。

また、遮光膜９１および９２の材料として周辺回路の配線材料であるアルミニウムとは異なる高融点金属を採用している。

高融点金属の一例としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）および白金（Ｐｔ）等が用いられる。これらの高融点金属は、可視光に対する反射率が５０％程度以下とアルミニウムの可視光に対する反射率に比べて約１／２である。

また、高融点金属は、アルミニウムの欠点であるピンホールの発生がないため、膜厚を０．２μｍ程度とアルミニウムに比べて薄くできる。

従来の固体撮像装置は、ＯＢ領域１０７の垂直レジスタ部１０５を、有効画素領域１０６の周辺と同様に高融点金属で形成される遮光膜９２で遮光し、さらにＯＢ領域１０７の全体をアルミニウムで形成される遮光膜９３で遮光している。

これにより、ＯＢ領域全面を高融点金属で遮光する場合に比べてストレスを緩和することが可能となり、暗電流の増加を妨げるため、正確な黒レベルの基準を得ることができる。
特開平３−１６９０７８号公報

上記のような従来技術の固体撮像装置は、以下のような問題がある。
固体撮像装置の製造過程においては、シリコン基板表面に存在する界面準位に起因する暗出力を低減するため、一般に水素シンター処理が行われる。このとき、水素は外部からだけで無く、水素を多量に含んだシリコン窒化膜などの保護膜からも供給される。したがって、有効画素領域１０６では光電変換部１０４の上方に水素を透過しにくい遮光膜９３が形成されていないため、上部から基板側に水素が十分に供給され、暗出力が低減する。

一方、光電変換部１０４の上方も含めて全面が遮光膜９３で覆われているＯＢ領域１０７では、遮光膜９３は酸化膜および窒化膜と比較して水素の透過性が悪いため、十分な水素の供給が行われず、有効画素領域１０６ほど暗出力は低減されない。したがって、従来の固体撮像装置は、ＯＢ領域１０７と有効画素領域１０６で光学的黒レベルに差が生じる。さらに、光検出信号電荷の信号処理はＯＢ領域１０７の光学的黒レベルを基準にして行われるため、基準レベルの黒が本来よりも白く浮いた状態で信号処理されることになり画質の劣化につながるという問題がある。

そこで、本発明は、有効画素領域１０６とＯＢ領域１０７とで光学的黒レベルに差の無い固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上に２次元的に配置された、光情報を検出する有効画素領域、または、光学的黒レベルを規定するＯＢ領域に属する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の上方に形成される第一の遮光膜とを備え、前記第一の遮光膜は、前記有効画素領域の各光電変換部の上方を含む領域に形成される第一の開口と、前記ＯＢ領域の上方に形成される第二の開口とを備える。

上記構成によれば、ＯＢ領域の第一の遮光膜の一部に第二の開口を有する。これにより、水素シンター時に第二の開口から基板側へ十分な水素が供給され、シリコン基板表面の界面準位が不活性化される。その結果、ＯＢ領域での暗出力が有効画素領域の暗出力と同等のレベルとなり、ＯＢ領域と有効画素領域の光学的黒レベルに差は生じない。

また、前記第一の開口は、有効画素領域の各光電変換部の上方にそれぞれ形成され、前記第二の開口は、前記第一の開口より小さいことが好ましい。

上記構成によれば、第二の開口は第一の開口より小さいので、第二の開口への光の入射を抑制することができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記各光電変換部の上方に形成される複数の層内レンズと、前記各層内レンズの上方に形成される複数のオンチップマイクロレンズとを備え、前記ＯＢ領域に形成された層内レンズおよびオンチップマイクロレンズの集光位置が前記第二の開口の位置と一致しないことが好ましい。

上記構成によれば、第二の開口の位置と、ＯＢ領域の各光電変換素子の上方に形成された層内レンズおよびオンチップマイクロレンズの集光位置とが一致しないことから、層内レンズおよびオンチップマイクロレンズを透過した光は第二の開口には入射しにくい。よって、ＯＢ領域の第一の遮光膜に第二の開口を設けても、遮光性を保持することができる。

また、前記第二の開口の直径は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
上記構成によれば、一部の光が第二の開口上に入射したとしても、第二の開口の直径は可視光の入射しにくい１００ｎｍ以下の大きさであることから、光電変換素子に光は入射しにくい。よって、ＯＢ領域の第一の遮光膜に第二の開口を設けても、遮光性を保持することができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記層内レンズの上方かつ前記オンチップマイクロレンズの下方に第二の遮光膜を備え、前記ＯＢ領域に形成される第二の遮光膜は、２色以上のカラーフィルターから形成されることが好ましい。

上記構成によれば、ＯＢ領域に２色以上のカラーフィルターを重ねて形成した第二の遮光膜を有する。これにより、ＯＢ領域の第一の遮光膜に第二の開口を設けても遮光性を保持することができる。また、前記カラーフィルターを重ねて形成した第二の遮光膜は、従来のカラーフィルター形成工程と兼用することで工程数を増やすことなく形成することができる。

また、前記第二の開口は、第一の波長の光を受光する光電変換部の上方に形成され、前記第一の波長より短い第二の波長の光を受光する光電変換部の上方には形成されないことが好ましい。

上記構成によれば、開口径の大きさが同じ場合、波長の長い第１の波長をもつ光は、開口に入射され難いので、第一の遮光膜に第二の開口を設けても光は入射し難い。したがって、ＯＢ領域の第一の遮光膜に第二の開口を設けても、遮光性を保持することができる。

また、前記第一の波長の光は赤色光であることが好ましい。
また、前記第二の開口は、前記光電変換部の上方に形成されることが好ましい。

また、前記第二の開口は、前記オプティカルブラック領域の前記光電変換部の上方を含む領域に形成され、前記固体撮像装置は、さらに、前記第一の遮光膜の上方に形成される第三の遮光膜を備え、前期第三の遮光膜は、前記有効画素領域の前記複数の光電変換部の上方を含む領域に形成される第三の開口と、前記オプティカルブラック領域の前記複数の光電変換部の上方を除く領域に形成される第四の開口とを備えることが好ましい。

上記構成によれば、ＯＢ領域において、第一の遮光膜に形成された第二の開口の上方に第三の遮光膜が形成される。これにより、第二の開口への入射光を第三の遮光膜により遮断することができる。また、第一の遮光膜の第一の開口および第二の開口を光電変換部の上方に設けることにより、例えば水素シンター処理時に、第三の遮光膜の上方から光電変換部にいたる水素の通路を設けることが可能となる。これにより、有効画素領域とＯＢ領域との光電変換部に同等量の水素が供給される。よって、有効画素領域とＯＢ領域との暗出力に差が生じることがない。さらに、第三の遮光膜を備えることで、第一の遮光膜の第二の開口の寸法を大きくする（例えば、第二の開口を第一の開口と同程度の寸法にする。）ことが可能である。これにより、高価な微細加工設備を使用する必要がないため、コストを低減できるという利点がある。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記各光電変換部の上方に形成される複数の層内レンズと、前記各層内レンズの上方に形成される複数のオンチップマイクロレンズとを備え、前記オプティカルブラック領域に形成された層内レンズおよびオンチップマイクロレンズの集光位置が前記第三の開口および第四の開口の位置と一致しないことが好ましい。

この構造によれば、第三または第四の開口を通過した光線の多重反射や回り込みによる微量の光線（迷光）がＯＢ領域の光電変換部に入射して光学的黒レベルを変動させることを防止することができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記層内レンズの上方かつ前記オンチップマイクロレンズの下方に第二の遮光膜を備え、前記オプティカルブラック領域に形成される第二の遮光膜は、２色以上のカラーフィルターから形成されることが好ましい。

上記構成によれば、ＯＢ領域に２色以上のカラーフィルターを重ねて形成した第二の遮光膜を有する。これにより、ＯＢ領域の第一の遮光膜に第二の開口を設けても遮光性を保持することができる。また、前記カラーフィルターを重ねて形成した第二の遮光膜は、従来のカラーフィルター形成工程と兼用することで工程数を増やすことなく形成することができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第一の遮光膜の上面および第三の遮光膜の下面のうち少なくとも一方に形成される反射防止膜を備えることが好ましい。

上記構成によれば、第一の遮光膜の上面に設けられた反射防止膜により、第三または第四の開口から入射した光線の反射を抑制できる。また、第三の遮光膜の下面に設けられた反射防止膜により、第三または第四の開口から入射し第一の遮光膜で反射した光線の第三の遮光膜の下面における反射を抑制できる。よって、第三または第四の開口から入射した光線がＯＢ領域の光電変換部に入射し、光学的黒レベルを変動させることを防止できる。これにより、強い光線が入射した場合でも、光学的黒レベルを安定化させることが可能となる。

本発明は、有効画素領域とＯＢ領域とで光学的黒レベルに差の無い固体撮像装置およびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図１３を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。

第１の実施形態における固体撮像装置の基本的な構成は、従来の固体撮像装置と同様で、画素部１と、水平転送レジスタ部２と、出力回路３と、遮光膜８とを備える。

画素部１は、複数の光電変換部４と、垂直転送レジスタ部５と、オンチップマイクロレンズ９とを備える。

水平転送レジスタ部２は、画素部１の片側に配置され、ＣＣＤで構成される。
出力回路３は、水平転送レジスタ部２の出力側に接続され、水平転送レジスタ部２より送られてきた信号電荷を電気信号に変換し外部に出力する。

光電変換部４は、半導体基板上に２次元的に配置され、入射光量に比例した信号電荷を蓄積する。

垂直転送レジスタ部５は、光電変換部４の各列の片側に設けられ、ＣＣＤで構成される。垂直転送レジスタ部５は、光電変換部４に蓄積された信号電荷を読出し、水平転送レジスタ部２に転送する。

また、画素部１は、被写体の光情報を検出する有効画素領域６と、光学的黒レベルを規定するＯＢ領域７から形成される。

遮光膜８は、図中の斜線で示すように、画素部１の有効画素領域６内の光電変換部４の上方以外の領域および水平転送レジスタ部２の上方（図１における手前方向）に形成される。すなわち、遮光膜８の有効画素領域６内の各光電変換部４の上方には、それぞれ開口が設けられる。遮光膜８は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）および白金（Ｐｔ）等の高融点金属で形成される。

オンチップマイクロレンズ９は、画素部１の各光電変換部４の上方（図１における手前方向）に形成される。

ＯＢ領域７の遮光膜８の一部（本実施形態では光電変換部４の上方）に開口２７が形成される。

本発明の第１の実施形態では、従来の固体撮像装置（図６に、従来の固体撮像装置の平面概要図を示す。）と比べ、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部（本実施形態では光電変換部４の上方）に開口２７を有している点と、ＯＢ領域７の光電変換部４の上方に形成されたオンチップマイクロレンズ９の位置が光電変換部４と一致しない点とが異なる。

図２は、図１に示すＡ−Ａ′における有効画素領域６の断面概要図である。
有効画素領域６の断面構成は従来の固体撮像装置（図６におけるＣ−Ｃ′断面概要図）と同様である。

図２に示すように、光電変換部４は、ｎ型電荷蓄積領域１２、およびｐ⁺⁺型領域１３から構成される。

ｎ型電荷蓄積領域１２は、ｎ^-型シリコン基板１０の上面に形成されたｐ^--型ウェル領域１１の上面に形成される。

ｐ⁺⁺型領域１３は、ｎ型電荷蓄積領域１２の上面に形成される。
垂直転送レジスタ部５は、ｎ型埋め込みチャネル領域１４と、ｐ^-型領域１５と、ゲート電極１６とから構成される。

ｎ型埋め込みチャネル領域１４は、ｐ^--型ウェル領域１１の上面に形成されたｐ^-型領域１５の上面に形成される。

ゲート電極１６は、ｎ型埋め込みチャネル領域１４の上方に形成される。ゲート電極１６は、ポリシリコン膜等で形成される。

電荷読出し部１７は、光電変換部４と一方（図２における光電変換部４の左方向）の垂直転送レジスタ部５との間に形成される。

ｐ⁺型チャネルストップ領域１８は、光電変換部４と他方（図２における光電変換部４の右方向）の垂直転送レジスタ部５との間に形成される。

ゲート絶縁膜１９は、ｐ⁺⁺型領域１３、ｎ型埋め込みチャネル領域１４、電荷読出し部１７およびｐ⁺型チャネルストップ領域１８の上面に形成される。ゲート絶縁膜１９は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層構造等から形成される。

層間絶縁膜２０は、ゲート電極１６の上面に形成される。
遮光膜８は、層間絶縁膜２０の上面に形成される。遮光膜８は、タングステン膜等により形成される。

反射防止膜２１は、ｐ⁺⁺型領域１３の上方の遮光膜８が形成されていない部分に形成される。

平坦化膜２２は、遮光膜８および反射防止膜２１の上面全面に形成される。
保護膜２３は、平坦化膜２２の上面全面に形成される。保護膜２３は、プラズマＣＶＤによるシリコン窒化膜等により形成される。

層内レンズ２４は、保護膜２３の上面に形成される。層内レンズ２４は、画素毎に入射光を光電変換部４に集光する。

平坦化膜２５は、保護膜２３および層内レンズ２４の上方に形成される。
カラーフィルター層２６は、平坦化膜２５の上面に形成される。

オンチップマイクロレンズ９は、カラーフィルター層２６の上面に形成される。オンチップマイクロレンズ９は、画素毎に入射光を光電変換部４に集光する。

図３は、図１に示すＢ−Ｂ′におけるＯＢ領域７の断面概要図である。なお、図２と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。

図３に示すように、ＯＢ領域７では、遮光膜８は、光電変換部４の上方にも形成される。さらに、本発明の第１の実施形態では、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部に開口２７を有する。

これにより、水素シンター時にこの開口２７から基板側へ十分な水素が供給され、シリコン基板表面の界面準位が低減される。すなわち、本実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７での暗出力が有効画素領域６の暗出力と同等のレベルとなり、ＯＢ領域７と有効画素領域６の光学的黒レベルに差は生じない。なお、同等レベルとは、ＯＢ領域７と有効画素領域６の光学的黒レベルの差に起因する黒基準のシフト量が、画質劣化につながらない程度の差である。

また、層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９は、光電変換部４の真上には形成されない。すなわち、開口２７の位置と、ＯＢ領域７の各画素に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置とが一致しないように、層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９は形成される。

このように、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置は、従来の固体撮像装置（図７に、従来の固体撮像装置のＯＢ領域７の断面概要図を示す。図７は、図６のＤ−Ｄ′における断面概要図である。）と比べ、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部に開口２７を有している点と、ＯＢ領域７の各画素に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置とが一致しない点とが異なる。

上記構成により、ＯＢ領域７に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９は、入射した光を開口２７以外の部分に集光する。例えば、図３に示すように開口２７を光電変換部４の上方に設けた場合は、集光位置が光電変換部４の上方以外になるように層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９を形成する。例えば、集光位置がゲート電極１６の上方になるように層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９を形成する。

また、固体撮像装置に入射する光は平行光および斜め光がある。ＯＢ領域７はチップ周辺にあるため、斜め光の影響が大きい。平行光は一点に集光されるが、斜め光が存在すると一箇所に集光することは困難である。さらに、波動光学では平行光であっても一箇所に集光することは困難である。

したがって、すべての光をゲート電極１６上等の一箇所に集光することは困難であり、レンズと開口２７の位置をずらすだけでは、各レンズの構成を工夫しても一部の光は開口２７に入射する。

そこで、本発明では、レンズをずらすとともに、開口径を可視光が入射しにくい１００ｎｍ以下にすることを特徴としており、この特徴により開口２７に入射される入射光の光量をデバイス特性に影響が生じないレベルにまで下げることが出来る。

電磁波は波長よりも充分に小さい開口は通り抜けられない。よって、前記開口２７の直径を、可視光の波長（４００〜８００ｎｍ）よりも十分小さくすることで、開口への入射光を減少させることがでる。

平らな金属に開いた直径ａ［ｍ］の開口に対して波長λ［ｍ］の電磁波が垂直に入射したとき、開口に入射した電磁波のエネルギーに対する回折波の全エネルギーの比ｒは以下の近似式（１）で表される。

ｒ 〜 ２３×（ａ／λ）⁴ （ａ＜＜λ） ・・・ （１）
例えばａ＝λ／４ のときには、ｒは０．１以下になり、エネルギーの９０％以上は穴を通過できずに反射される。穴の径がさらに小さくなると、４乗の項が効き、通り抜けられる電磁波は急激に減少する。

したがって、前記開口２７の直径を可視光の最小波長４００ｎｍの１／４である１００ｎｍ以下にすることで透過光を１０％以下に抑えることができる。これにより、開口２７の直径を１００ｎｍ以下にし、層内レンズ２４およびオンチップマイクロ９の集光位置を開口２７からずらすことで、入射光の光量をデバイス特性に影響が生じないレベルにまで下げることが出来る。すなわち、ＯＢ領域７の黒レベルと有効画素領域６の黒レベルの差は問題にならない程度にすることができる。

以上より、本実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部に開口２７を有することにより、水素シンター時にこの開口２７から基板側へ十分な水素が供給され、シリコン基板表面の界面準位が低減される。すなわち、本実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７での暗出力が有効画素領域６の暗出力と同等のレベルとなり、ＯＢ領域７と有効画素領域６の光学的黒レベルに差は生じない。

また、本実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７の遮光膜８に設けられた開口２７の位置と、ＯＢ領域７の各画素に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置とが一致しない。よって、層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９を透過した光は開口２７に入射しにくい。したがって、ＯＢ領域７の遮光膜８に開口２７を設けても、遮光性を保持することができる。

また、開口２７の直径を可視光の最小波長４００ｎｍの１／４である１００ｎｍ以下に形成する。これにより、開口２７に入射する透過光を１０％以下に抑えることができる。すなわち、ＯＢ領域７の遮光膜８に開口２７を設けても、遮光性を保持することができる。

次に、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す。
図２および図３に示す断面構造のうち、遮光膜８の形成工程までは従来と同様の方法で形成するため、ここでは説明を省略する。

遮光膜８に開口２７を設けるためのエッチングを行う際、従来は有効画素領域６の光電変換部４の上方にのみ開口を形成していたが、本実施の形態ではＯＢ領域７の一部（本実施例では光電変換部４の上方）にも開口を形成する。

その製造工程は、まず、ＯＢ領域７の一部（本実施例では光電変換部４の上方）以外、および、有効画素領域６の光電変換部４上にレジストパターンが形成されるようにフォトレジストを露光・現像する。このレジストパターンをマスクとして遮光膜８のエッチングを行う。次に、レジストパターンを除去する。上記工程により、遮光膜８のうち有効画素領域６の光電変換部４上方およびＯＢ領域７の一部に開口２７が形成される。

次に、ＣＶＤによってＢＰＳＧ膜を堆積して平坦化膜２２を形成する。さらにプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜を堆積して保護膜２３を形成する。

次に、層内レンズ２４を形成する。このとき、有効画素領域６では従来どおり入射光を光電変換部４に集光するような位置にレンズを形成するが、ＯＢ領域７では、前記遮光膜８の開口２７の上にレンズの集光位置が一致しないよう、開口２７から位置をずらして形成する。すなわち、ＯＢ領域７に形成する層内レンズ２４は、入射した光を開口２７以外の部分に集光するような位置に形成する。

この際、層内レンズ２４のパターニングに用いるマスクパターンを、有効画素領域６とＯＢ領域７で変えることで、製造工程数を増やすことなく、有効画素領域６とＯＢ領域７で層内レンズ２４の形成位置を変えることができる。

この時点で、水素シンター処理を実施する。水素シンター処理とは、水素を含む雰囲気中で４００〜４５０℃程度の温度の熱処理を施す工程である。これにより、雰囲気中の水素、または、水素を含有する保護膜２３中の水素は、熱拡散によって光電変換部４および垂直転送レジスタ部５等の転送ゲートのシリコンとゲート絶縁膜１９との界面に供給される。水素シンター処理によって、界面準位の不活性化、または、暗出力の発生要因となるフォトダイオードおよび転送チャンネル内の不純物準位の不活性化が行われる。これにより、暗出力を抑制することができる。

保護膜２３および層内レンズ２４の上方に平坦化膜２５およびカラーフィルター層２６を形成する。最後に画素毎のオンチップマイクロレンズ９の形成を従来と同様の方法で形成する。

ただし、前記層内レンズ２４の形成時と同様、有効画素領域６では従来どおり入射光を光電変換部４に集光するような位置にレンズを形成するが、ＯＢ領域７では、遮光膜８の開口２７の上にレンズの集光位置が一致しないよう、開口から位置をずらして形成する。

すなわち、ＯＢ領域７に形成するオンチップマイクロレンズ９は、入射した光を開口２７以外の部分に集光するような位置に形成する。

この際、オンチップマイクロレンズ９のパターニングに用いるマスクパターンを、有効画素領域６とＯＢ領域７で異なるようにすることで、製造工程数を増やすことなく、有効画素領域６とＯＢ領域７でオンチップマイクロレンズ９の形成位置を変えることができる。

以上の工程により、本実施形態における固体撮像装置が形成される。
なお、本実施形態では、ＯＢ領域７における層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の位置を、従来位置よりずらして形成しているが、レンズ位置を変えずに開口２７の位置をレンズの集光位置から離して（例えばゲート電極１６上等）形成しても良い。

（第２の実施形態）
第１の実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７の開口２７の位置と、層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９との集光位置をずらすことと、開口２７の直径を１００ｎｍ以下にすることとで開口２７への光の入射を防いでいる。

第２の実施形態では、ＯＢ領域７の開口２７の位置と、層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９との集光位置をずらすことと、２色以上のカラーフィルターを重ねて形成した遮光膜を用いることとにより、開口２７への光の入射を防ぐ。

第２の実施形態における固体撮像装置の平面概要図は図１と同様であり、有効画素領域の断面構成は図２と同様であり説明は省略する。

図４は第２の実施形態におけるＯＢ領域７の断面概要図（図１のＢ−Ｂ′における断面概要図）である。

第２の実施形態における固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部に開口２７を有している点が、従来の固体撮像装置と異なる。

また、第２の実施形態における固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、開口２７の位置と、ＯＢ領域７の各画素に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置とが一致しないことを特徴とする。

さらに、第２の実施形態における固体撮像装置は、第１の実施形態と異なり、図４に示すように、ＯＢ領域７に２色以上のカラーフィルターを重ねて形成した遮光膜２８を有することを特徴とする。

上記のような構成の固体撮像装置では、第１の実施形態における固体撮像装置と同様に、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部に開口２７を有することにより、水素シンター時にこの開口から基板側へ十分な水素が供給され、シリコン基板表面の界面準位が低減される。よって、ＯＢ領域７での暗出力が有効画素領域６の暗出力と同等のレベルとなり、ＯＢ領域７と有効画素領域６の光学的黒レベルに差は生じない。

また、上記構成によれば、ＯＢ領域７の遮光膜８に開口２７を設けても、例えば赤色と青色のカラーフィルターを重ねて遮光膜２８を形成した場合、可視光領域における光の透過率は１０％以下に抑えられる。

したがって、遮光膜２８を用いる効果と、開口２７の位置と層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置をずらす効果との組合せにより、遮光性を保持することができる。

次に、第２の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す。
図４に示す断面構造のうち、遮光膜２８を形成するカラーフィルター形成工程以外は、第１の実施形態と同様の方法で形成してよい。

また、オンチップカラーフィルター形成工程は、有効画素領域６は従来と同様の方法で形成してよいが、ＯＢ領域７では、各色のフィルター層を積層させて形成する。

すなわち、ＯＢ領域７では、フィルター層の露光・現像時に、フィルター層を剥離することなく、２色以上のフィルター層を残して積層構造とする。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は第１の実施形態の変形例である。

図５は第３の実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。
図５のＥ−Ｅ′における断面概要図は図２と同様であり、Ｆ−Ｆ′における断面概要図は図７と同様であり、Ｇ−Ｇ′における断面概要図は図３と同様であり、重複する説明は省略する。

第３の実施形態における固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、ＯＢ領域７の遮光膜８の一部（本実施例では光電変換部４の上方）に開口２７を有している点が従来の固体撮像装置と異なる。

また、第３の実施形態における固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、開口２７の位置と、ＯＢ領域７の各画素に形成された層内レンズ２４およびオンチップマイクロレンズ９の集光位置とが一致しないことを特徴とする。

また、第１の実施形態では、ＯＢ領域７の遮光膜８の開口２７をＯＢ領域７の全ての画素の遮光膜８に設けていた。一方、第３の実施形態では、ＯＢ領域７の特定のフィルターを有する光電変換部４の上方のみに開口２７を設けることを特徴とする。例えば、図５に示すように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色のフィルターを有する光電変換部４のうち、波長の最も長い光である赤色（Ｒ）の光を受光する光電変換部４の上方の遮光膜８にのみ開口２７を設けることを特徴とする。

すなわち、赤色（波長６００ｎｍ以上）の光を受光する光電変換部４の上方の遮光膜８の一部にのみ開口２７を有することにより、開口２７に入射する光を低減することができる。また、第１の実施形態で述べた、開口２７の直径を１００ｎｍ程度の大きさにすることと併用することで、前記近似式（１）より、前記入射光を２％以下に低減することができる。したがって、層内レンズ２４およびオンチップマイクロ９の集光位置を開口２７からずらす効果と合わせて、ＯＢ領域７の黒レベルと有効画素領域６の黒レベルの差は問題にならない程度になる。よって、ＯＢ領域７の遮光膜８に開口２７を設けても、遮光性を保持することができる。

第３の実施形態における固体撮像装置の製造方法は、以下の点以外は第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。

第３の実施形態では、ＯＢ領域７の遮光膜８の開口２７を形成する工程において、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色のフィルターを有する光電変換部４のうち、波長の最も長い光である赤色（Ｒ）の光を受光する光電変換部４の上方の遮光膜８にのみ開口２７を設ける。

（第４の実施形態）
第４の実施の形態では、ＯＢ領域において２層の遮光膜を有する固体撮像装置について、図８〜図１３を用いて詳細に説明する。

図８は、本実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。図９は、図８に示すＨ−Ｈ’における断面概要図である。なお、図１および図２と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。

図９に示す固体撮像装置の断面構造は、遮光膜３９と、シャント配線コンタクトホール３１と、遮光膜間絶縁膜３０とを備える点が図２に示す固体撮像装置の断面構造と異なる。

遮光膜間絶縁膜３０は、遮光膜８と遮光膜３９との間に形成された絶縁膜である。
シャント配線コンタクトホール３１は、多結晶シリコンからなるゲート電極（転送電極）１６と遮光膜８とを接続するための層間絶縁膜２０に設けられた開口である。本実施形態においては、遮光膜８は、タングステン（Ｗ）からなり、垂直転送レジスタ部５の上部を覆う。遮光膜８は、シャント配線コンタクトホール３１を介して、ゲート電極１６と電気的に接続される。遮光膜８は、ゲート電極１６への駆動パルス電圧を印加するためのシャント配線を兼ねる。

図１０は、図８に示した平面概要図から、遮光膜８を抜き出した平面概要図である。遮光膜８をシャント配線として用いた場合、各列（図１０における縦方向）の光電変換部４に対し、転送電極１６の電圧を制御する必要があるので、各列のシャント配線に対し隣接する列のシャント配線は電気的に絶縁されている必要がある。本実施形態における固体撮像装置では、図１０に示すように隣接する遮光膜８は、開口４０を介し電気的に絶縁されるので、シャント配線として用いることができる。開口４０は、有効画素領域６およびＯＢ領域７の光電変換部４の上方を含む領域に形成される。

図１１は、図８に示した平面概要図から、タングステンからなる遮光膜３９を抜き出した平面概要図である。遮光膜３９は、遮光膜間絶縁膜３０を介し遮光膜８の上方に形成される。遮光膜３９は、有効画素領域６に形成される開口４１と、ＯＢ領域７に形成される開口４２とを有する。

開口４１は、有効画素領域６の複数の光電変換部４の上方を含む領域に形成される。例えば、開口４１は、光電変換部４および垂直転送レジスタ５を含むストライプ状に形成される。

開口４２は、ＯＢ領域７の複数の光電変換部４の上方を除く領域に形成される。例えば、開口４２は、垂直転送レジスタ５の上方に形成される。ここで、ＯＢ領域７に形成される遮光膜８の開口４０および遮光膜３９の開口４２はできるだけ寸法が小さいことが望ましいが、ＯＢ領域７に形成される開口４０および４２の寸法を小さくするために特別な加工技術を使用する必要はなく、安価な設備を使用することができる。例えば、ＯＢ領域７に形成される開口４２は、それぞれ３００ｎｍ□程度の寸法とし、有効画素領域６の開口と同一の加工技術により同時に形成することができる。

以上より、本実施形態における固体撮像装置は、ＯＢ領域７において水素シンター処理時には遮光膜３９の上部から、遮光膜３９の開口４２と遮光膜８の開口４０を通して、光電変換領域４にも十分な水素が供給される。これにより、ＯＢ領域７における暗出力の温度変化は有効画素領域６と一致するので、安定した光学的黒レベルを維持することができる。

また、本実施形態における固体撮像装置は、遮光膜８をシャント配線と兼用する。これにより、個別にシャント配線を設ける必要がないので、固体撮像装置の構成を簡略化することができる。また、本実施形態における固体撮像装置は、遮光膜８の上方に遮光膜３９を備える。これにより、遮光膜８をシャント配線として使用するために図１０の示すように、ストライブ上の開口４０により隣接する遮光膜８を電気的に絶縁したとしても、遮光膜３９との組み合わせにより、任意の形状の光の入射経路を形成することができる。例えば、図８に示すように、上方から見ると、有効画素領域６の光電変換部４のそれぞれに開口が形成されているのと同様の構成となる。

なお、上記説明では、遮光膜３９は、有効画素領域６の光電変換部４および垂直転送レジスタ５の領域を含むストライプ状の開口４１と、ＯＢ領域７の垂直転送レジスタ５の上方に形成された開口４２とを有するが、遮光膜３９の開口の形状はこれに限定されるものではない。図１２は、遮光膜３９の開口の配置の変形例を示す平面概要図である。図１２に示す例では、遮光膜３９は、有効画素領域６においては、光電変換部４の上方およびＯＢ領域７と隣接する垂直転送レジスタ５の上方に開口４３を有し、ＯＢ領域７においては、図１１と同様に垂直転送レジスタ５の上方に開口４２を有している。図１２に示す遮光膜３９の形状を採用しても、図１１に示す遮光膜３９の形状を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

第４の実施形態に示した固体撮像装置の製造方法について説明する。遮光膜８に開口４０を形成する工程までは、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。遮光膜８に開口４０を形成した後、ＣＶＤ法によりＢＰＳＧ膜を形成し、熱処理を施して遮光膜間絶縁膜３０の表面を平坦化する。その後、スパッタ法により遮光膜３９であるＷ膜（タングステン膜）を形成して、フォトエッチング技術により遮光膜３９に開口４１および４２を形成する。この後、さらにＣＶＤ法によりＢＰＳＧ膜を形成し、熱処理を施して層間絶縁膜２２の表面を平坦化する。以降は、第１の実施形態にて説明した方法と同様の工程を経ることにより、カラーフィルターやオンチップマイクロレンズを形成して、固体撮像装置を製造する。

なお、上述した第４の実施形態に係る固体撮像装置でも光学的黒レベルを安定に維持することは可能であるが、撮像状態によっては光学的黒レベルが変動する可能性がある。太陽光などの非常に強い光が照射される場合、遮光膜３９の開口から入射した光は、遮光膜８の表面で反射して遮光膜３９の裏面に達する。遮光膜３９の裏面に達した光は、遮光膜３９の裏面にて再度反射して遮光膜８の開口４０の内部に達する。開口４０の内部に達した迷光により、光学的黒レベルが変動する可能性がある。この現象を抑制するために、オンチップマイクロレンズ９および層内レンズ２４の集光位置と遮光膜３９の開口の位置とを遠ざける構成を用いることができる。すなわち、オンチップマイクロレンズ９および層内レンズ２４の集光位置が開口４１または４２の位置と一致しないように形成される。また、第２の実施形態と同様に遮光膜３９の開口上に複数のカラーフィルター２６を積層する構造および第２の実施形態と同様に遮光膜３９の開口を波長の長い光を透過するカラーフィルター２６を有する画素にのみ設ける構造を併用することにより、ＯＢ領域７の光電変換部４に入射する光を抑制することができる。ここで、図９では、カラーフィルター２６は簡単のため、単層として記載しているが、ＯＢ領域７において２層構造とする場合には、図４に示す遮光膜２８の構造と同様の構造となる。

また、前記迷光を抑制するために、例えば、遮光膜８の上面および遮光膜３９の下面に反射防止膜を備える固体撮像装置を用いることができる。図１３は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の変形例として遮光膜８の表面および第三の遮光膜３９の下面に反射防止膜を備える固体撮像装置の断面構造を示す断面概要図である。なお、図９と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。図１３に示す固体撮像装置の断面構造は、図９に示す固体撮像装置の断面構造に加え、反射防止膜３７および３８を備える。

反射防止膜３７は、遮光膜８の上面（上方表面）に形成される。反射防止膜３８は、第三の遮光膜３９の下面（下方表面）に形成される。反射防止膜３８および３９は、例えば、ＴｉＮ膜である。なお、反射防止膜３８および３９は、炭素またはチタン酸化膜等により形成されてもよい。

以上より、図１３に示す固体撮像装置は、ＯＢ領域７において遮光膜３９の開口４２から入射した光の、遮光膜８の上面での反射を抑制することができる。さらに、遮光膜８の上面で反射した光線が、遮光膜３９の下面で反射して、光電変換部４上の第一の遮光膜８の開口４０から光電変換部４に入射する迷光を抑制することができる。よって、強い光線がＯＢ領域７に入射しても、光学的黒レベルが変動することがない。ここでは、反射防止膜を遮光膜８の上面と遮光膜３９の下面の両方に設ける構造について説明したが、固体撮像装置の用途、画素の大きさ、配置、または製造コストの抑制の問題から、どちらか一方に設けることによっても、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、有効画素領域とオプティカルブラック領域で光学的黒レベルに差の無い高画質な固体撮像装置の製造等に有用である。

第１の実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。 第１の実施形態における固体撮像装置の有効画素領域の断面概要図である。 第１の実施形態における固体撮像装置のオプティカルブラック領域の断面概要図である。 第２の実施形態における固体撮像装置のオプティカルブラック領域の断面概要図である。 第３の実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。 従来の固体撮像装置の平面概要図である。 従来の固体撮像装置のオプティカルブラック領域の断面概要図である。 第４の実施形態における固体撮像装置の平面概要図である。 第４の実施形態における固体撮像装置の断面概要図である。 第４の実施形態における固体撮像装置の第一の遮光膜の平面概要図である。 第４の実施形態における固体撮像装置の第三の遮光膜の平面概要図である。 第４の実施形態における固体撮像装置の第三の遮光膜の変形例を示す平面概要図である。 第４の実施形態において、第一の遮光膜の上面および第三の遮光膜の下面に反射防止膜を有する固体撮像装置の断面概要図である。 従来の固体撮像装置の平面概要図である。 従来の固体撮像装置の断面概要図である。

符号の説明

１ 画素部
２、１０２ 水平転送レジスタ部
３ 出力回路
４ 光電変換部
５、１０５ 垂直転送レジスタ部
６、１０６ 有効画素領域
７、１０７ オプティカルブラック領域
８、３９、９１、９２、９３ 遮光膜
９ オンチップマイクロレンズ
１０ ｎ^-型シリコン基板
１１ ｐ^--型ウェル領域
１２ ｎ型電荷蓄積領域
１３ ｐ⁺⁺型領域
１４ ｎ型埋め込みチャネル領域
１５ ｐ^-型領域
１６ ゲート電極
１７ 電荷読出し部
１８ ｐ⁺型チャネルストップ領域
１９ ゲート絶縁膜
２０ 層間絶縁膜
２１ 反射防止膜
２２ 平坦化膜
２３ 保護膜
２４ 層内レンズ
２５ 平坦化膜
２６ カラーフィルター層
２７ オプティカルブラック領域の遮光膜における開口
２８ ２色以上のカラーフィルターを重ねて形成した遮光膜
３０ 遮光膜間絶縁膜
３１ シャント配線コンタクトホール
３７、３８ 反射防止膜
４０ 遮光膜８の開口
４１、４２、４３ 遮光膜３９の開口
８１ トランスファーゲート
１０３ 電荷検出部
１１６ 垂直転送電極

Claims (12)

1. 半導体基板上に２次元的に配置された、光情報を検出する有効画素領域、または、光学的黒レベルを規定するオプティカルブラック領域に属する複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部の上方に形成される第一の遮光膜とを備え、
   前記第一の遮光膜は、
   前記有効画素領域の前記光電変換部の上方を含む領域に形成される第一の開口と、
   前記オプティカルブラック領域の上方に形成される第二の開口とを備える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第一の開口は、有効画素領域の各光電変換部の上方にそれぞれ形成され、
   前記第二の開口は、前記第一の開口より小さい
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記各光電変換部の上方に形成される複数の層内レンズと、
   前記各層内レンズの上方に形成される複数のオンチップマイクロレンズとを備え、
   前記オプティカルブラック領域に形成された層内レンズおよびオンチップマイクロレンズの集光位置が前記第二の開口の位置と一致しない
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記第二の開口の直径は、１００ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項２または３記載の固体撮像装置。
5. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記層内レンズの上方かつ前記オンチップマイクロレンズの下方に第二の遮光膜を備え、
   前記オプティカルブラック領域に形成される第二の遮光膜は、２色以上のカラーフィルターから形成される
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
6. 前記第二の開口は、第一の波長の光を受光する光電変換部の上方に形成され、前記第一の波長より短い第二の波長の光を受光する光電変換部の上方には形成されない
   ことを特徴とする請求項２、３、４または５記載の固体撮像装置。
7. 前記第一の波長の光は赤色光である
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
8. 前記第二の開口は、前記光電変換部の上方に形成される
   ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６または７記載の固体撮像装置。
9. 前記第二の開口は、前記オプティカルブラック領域の前記光電変換部の上方を含む領域に形成され、
   前記固体撮像装置は、さらに、
   前記第一の遮光膜の上方に形成される第三の遮光膜を備え、
   前期第三の遮光膜は、
   前記有効画素領域の前記複数の光電変換部の上方を含む領域に形成される第三の開口と、
   前記オプティカルブラック領域の前記複数の光電変換部の上方を除く領域に形成される第四の開口とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
10. 前記固体撮像装置は、さらに、
    前記各光電変換部の上方に形成される複数の層内レンズと、
    前記各層内レンズの上方に形成される複数のオンチップマイクロレンズとを備え、
    前記オプティカルブラック領域に形成された層内レンズおよびオンチップマイクロレンズの集光位置が前記第三の開口および第四の開口の位置と一致しない
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
11. 前記固体撮像装置は、さらに、
    前記層内レンズの上方かつ前記オンチップマイクロレンズの下方に第二の遮光膜を備え、
    前記オプティカルブラック領域に形成される第二の遮光膜は、２色以上のカラーフィルターから形成される
    ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置。
12. 前記固体撮像装置は、さらに、
    前記第一の遮光膜の上面および第三の遮光膜の下面のうち少なくとも一方に形成される反射防止膜を備える
    ことを特徴とする請求項９、１０または１１記載の固体撮像装置。

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