JP2007194359A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性を確保するとともに暗時白キズの発生を抑制でき、且つ、スミアを改善することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像素子１０は、光電変換部３０と、電荷転送電極１３を備えた電荷転送部３０と、電荷転送部３０上に開口１４ａを有し、光電変換部３０を覆う反射防止膜１４と、光電変換部３０上に開口１６ａを有し、電荷転送部４０を覆う遮光膜１６，２６と、を備え、電荷転送電極１３と遮光膜１６との間に形成される絶縁膜２７の厚さが少なくとも光電変換部３０上において、５ｎｍから２０ｎｍの範囲とする、又は、遮光膜２６をスパッタリング法により形成されたタングステン膜で形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関し、特に、スミアを低減することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法。

図７は、従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
図７に示すように、固体撮像素子は、シリコン半導体基板１と、該シリコン半導体基板１上に形成されたフォトダイオード等の光電変換部２と、該シリコン半導体基板１上にゲート絶縁膜を介して形成された電荷転送電極３と備えている。また、電荷転送電極３が層間絶縁膜４で被覆され、光電変換部２上を覆うように反射防止膜５が被覆され、電荷転送電極３が遮光膜６で覆われている。遮光膜６における、光電変換部２上の部位に遮光膜開口６ａが形成され、固体撮像素子に照射された光が図示しないマイクロレンズによって集光されるとともに、遮光膜開口６ａを通過し、光電変換部２に受光されることで、電荷信号に変換される（例えば、下記特許文献１参照）。

ここで、固体撮像素子に入射する光の入射角度は画素領域における各画素部の位置に応じて異なり、画素部の位置によっては斜めに光が入射することによって光の入射角度が小さくなる場合がある。すると、撮像領域の面に対して斜めに入射した光が、シリコン半導体基板１と遮光膜６との間から進入することで、不適正な電荷信号が生成され、画像にスミアが生じてしまう問題があった。このような問題は、シリコン半導体基板１の表面から層間絶縁膜４までの厚さＴが厚くなるほど斜めに入射する光が遮光膜６の下部に進入しやすくなる傾向がある。そこで、従来では、シリコン半導体基板１と遮光膜６との間に厚さの薄い層間絶縁膜４を形成することで、光の進入を防止することが図られている。

特開平７−１４２６９５号公報

しかし、層間絶縁膜４は、電荷転送電極３と遮光膜６との間で絶縁性を確保する必要があり、単純に薄くするだけでは、限界があった。また、従来、光電変換部２と電荷転送電極３との上方を完全に反射防止膜５で覆い、該反射防止膜５上の層間絶縁膜４を除去することで薄膜化する構成が提案されているが、暗時白キズが増大してしまう問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁性を確保するとともに暗時白キズの発生を抑制でき、且つ、スミアを改善することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、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、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子であって、前記電荷転送電極と前記遮光膜との間に層間絶縁膜が形成され、前記層間絶縁膜の厚さが少なくとも光電変換部上において、５ｎｍから２０ｎｍの範囲であることを特徴とする固体撮像素子によって達成される。

また、本発明の上記目的は、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、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と、前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換部が形成された基板上に前記電荷転送電極を形成し、該電荷転送電極を層間絶縁膜で被覆し、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜を形成し、前記光電変換部及び前記電荷転送部上に更に前記層間絶縁膜を形成し、前記光電変換部上の該層間絶縁膜をエッチングで除去し、その後、前記光電変換部上に絶縁膜を５ｎｍから２０ｎｍの厚さとなるように形成し、前記電荷転送部を覆うように前記遮光膜を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。

上記本発明は、反射防止膜上に形成された層間絶縁膜のうち、光電変換部上の部位をエッチングで除去した後、５ｎｍから２０ｎｍの厚さの絶縁膜を形成している。このため、本発明の固体撮像素子は、反射防止膜上に形成された層間絶縁膜の上に遮光膜を形成する従来の構造に比べると、絶縁膜の薄くした分だけ半導体基板表面と遮光膜との間隔を小さくすることができる。このため、固体撮像素子に斜めに入射する光が、遮光膜下から進入することを抑制することができ、スミアを低減することができる。また、反射防止膜と遮光膜との間には絶縁膜が形成されているため、暗時白キズの発生を抑制することができる。

本発明の上記目的は、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、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子であって、前記遮光膜が、スパッタリング法により形成されたタングステン膜であり、該遮光膜が前記反射防止膜上に形成されていることを特徴とする固体撮像素子によって達成される。

また、本発明の上記目的は、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、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と、前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換部が形成された基板上に前記電荷転送電極を形成し、該電荷転送電極を層間絶縁膜で被覆し、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜を形成し、前記光電変換部及び前記電荷転送部上に更に前記層間絶縁膜を形成し、前記光電変換部上の該層間絶縁膜をエッチングで除去し、その後、前記光電変換部上にスパッタリング法により形成されたタングステン膜である前記遮光膜を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。

上記本発明は、反射防止膜上に形成された層間絶縁膜のうち、光電変換部上の部位をエッチングで除去した後、絶縁膜を形成することなく、層間絶縁膜上に遮光膜として、スパッタリング法により形成されたタングステン膜を形成している。スパッタリング法により遮光膜を形成すれば、反射防止膜上にチタンナイトライドなどの密着性膜を介在させることなく、タングステン膜を形成することができ、界面に水素アニール処理時に発生する水素の通路を確保することができる。そして、反射防止膜上に絶縁膜を形成することなく遮光膜を形成できるため、半導体基板表面と遮光膜との間隔を小さくすることができる。このため、固体撮像素子に斜めに入射する光が、遮光膜下から進入することを抑制することができ、スミアを低減することができる。

本発明によれば、絶縁性を確保するとともに暗時白キズの発生を抑制でき、且つ、スミアを改善することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる固体撮像素子の第１実施形態を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線方向視の断面図である。
図１に示すように、固体撮像素子１０は、フォトダイオード等の光電変換部３０と、該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部４０とを備えている。

固体撮像素子１０は、ｎ型のシリコン基板１１ｎと該シリコン基板１１ｎ上に形成されたｐウェル層１１ｐとから構成される。ｐウェル層１１ｐ内に、半導体基板１１の表面にｐ領域３０ａが形成され、ｐ領域３０ａの下に、ｐｎ接合を形成するｎ領域３０ｂが形成される。ｐ領域３０ａとｎ領域３０ｂとがフォトダイオードを構成し、光電変換部３０として機能する。光電変換部３０で生起せしめられた信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。

光電変換部３０の右方には、少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層１１ｐに電荷読み出し領域３４が形成されている。

電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応して半導体基板１１の表面部の列方向（図１の左右方向）に延設された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された電荷転送電極１３と、光電変換部３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域３４とを含む。

半導体基板１１の表面にはゲート絶縁膜１２が形成されている。電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート絶縁膜１２を介して、電荷転送電極１３が形成される。電荷転送電極１３は２つの電極で構成され、両者の電極間には電極間絶縁膜が形成されている。

垂直転送チャネル３３と光電変換部３０との間には、ｐ^＋領域からなるチャネルストップ３２が形成されている。垂直転送チャネル３３は、チャネルストップ３２によって光電変換部３０との分離がなされている。

電荷転送電極１３の上層には、酸化シリコン膜などで構成された絶縁膜１５が形成され、窒化膜などからなる反射防止膜１４が形成されている。反射防止膜１４は、電荷転送電極１３の上部に開口１４ａを有している。

また、反射防止膜１４上には、層間絶縁膜１７が形成され、さらに、反射防止膜１４上に層間絶縁膜１７を介在させつつ、タングステン膜からなる遮光膜１６が形成されている。遮光膜１６には、光電変換部３０上に位置する開口１６ａが形成されている。

遮光膜１６の上層には、ＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）からなる平坦化膜（絶縁膜）７２と、Ｐ−ＳｉＮからなる絶縁膜（パッシベーション膜）７３と、透明樹脂等からなるフィルタ下平坦化膜７４と、が順に形成される。また、フィルタ下平坦化膜７４の上方には、カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０とが設けられる。カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０との間には、絶縁性の透明樹脂等からなるフィルタ上平坦化膜６１が形成される。カラーフィルタ５０には、半導体基板１１表面の光電変換部のそれぞれの位置に対応するように、赤色フィルタ層、緑色フィルタ層、青色フィルタ層が形成されている。

本実施形態の固体撮像素子１０は、光電変換部３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向（図１の上下方向）に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力されるように構成されている。固体撮像素子１０は、半導体基板１１上に、光電変換部３０と、電荷転送部４０と、ＨＣＣＤと、及びアンプを含む領域である素子領域と、該素子領域の周辺回路（ＰＡＤ部等）が形成される領域である周辺回路部とを備えた構成である。

本実施形態の固体撮像素子１０は、絶縁膜２７の厚さが少なくとも光電変換部３０上において、５ｎｍから２０ｎｍの範囲であることを特徴とする。

次に、本実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順を説明する。図３から図５は、第１実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順を示す断面図である。
図３（ａ）に示すように、先ず、光電変換部３０が形成された半導体基板１１に、ゲート絶縁膜１２を形成する。ゲート絶縁膜１２は、半導体基板１１の表面に熱酸化膜と、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜とを順に形成した、３層構造を有する。そして、ゲート絶縁膜上に、電荷転送電極１３を構成する、第１電極１３ａ及び第２電極１３ｂをそれぞれ形成し、その後、電荷転送電極１３を含む、半導体基板１１の表面を覆うように、層間絶縁膜１５をＣＶＤ法によって形成する。

図３（ｂ）に示すように、絶縁膜１５上を、窒化膜などをＣＶＤ法によって被覆することで反射防止膜１４を形成する。その後、フォトリソグラフィ工程により、マスクパターンを形成し、反射防止膜１４における、電荷転送電極１３上の位置に開口１４ａを形成する。

図３（ｃ）に示すように、反射防止膜１４を形成した後、該反射防止膜１４の上層に、層間絶縁膜１７を形成する。層間絶縁膜１７は、反射防止膜１４と電荷転送電極１３との間に形成した絶縁膜１５と同じものを使用することができる。

次に、図４に示すように、層間絶縁膜１７における、光電変換部３０上の領域（図４中矢印Ｐで示す部分）を、エッチングにより除去する。エッチングの際には、フォトリソグラフィ工程でパターニング形成することで、電荷転送電極１３上にのみ層間絶縁膜１７を残す。

図５（ａ）に示すように、光電変換部３０上の層間絶縁膜１７を除去した領域Ｐに、再度、絶縁膜２７をＣＶＤ法によって塗布する。このとき、光電変換部３０上に形成された絶縁膜２７の厚さを５ｎｍから２０ｎｍとすることが好ましい。

図５（ｂ）に示すように、絶縁膜２７を形成した後、電荷転送部を覆うようにタングステン膜からなる遮光膜１６をパターニング形成する。

なお、図示しないが、遮光膜１６上に、従来と同様の手順に従って、ＢＰＳＧからなる平坦化膜７２と、Ｐ−ＳｉＮからなる絶縁膜７３と、透明樹脂等からなるフィルタ下平坦化膜７４と、を順に形成される。また、フィルタ下平坦化膜７４の上方に、カラーフィルタ５０と、フィルタ上平坦化膜６１と、マイクロレンズ６０とを順に形成する。

反射防止膜１４上に形成された層間絶縁膜１７のうち、光電変換部３０上の部位をエッチングで除去した後、５ｎｍから２０ｎｍの厚さの絶縁膜２７を形成している。このため、本発明の固体撮像素子１０は、従来における、層間絶縁膜の上に５０ｎｍといった厚さの層間絶縁膜を介在させて遮光膜を形成する構造に比べると、絶縁膜の薄くした分だけ半導体基板１１表面と遮光膜１６との間隔を小さくすることができる。このため、固体撮像素子１０に斜めに入射する光が、遮光膜１６下から半導体基板１１の光電変換部３０に進入することを抑制することができ、スミアを低減することができる。また、反射防止膜１４と遮光膜１６との間には絶縁膜２７が形成されている。このため、絶縁膜２７によって水素終端処理時に発生する水素の通り道を確保することができ、また、シンター等でＳｉ（シリコン）の終端にＨ（水素）を結合させることで暗電流を減少させることができ、暗時白キズを防止しつつ、スミアを改善することができる。

次に、本発明にかかる固体撮像素子の第２実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
図６は、本実施形態の固体撮像素子の構成を説明する要部断面図である。図６に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、半導体基板１１上に、ゲート絶縁膜１２を介して電荷転送電極１３が形成され、該電荷転送電極１３及び半導体基板１１を覆う絶縁膜１５と、電荷転送電極１３上に開口１４ａを有する反射防止膜１４が形成されている構成が、上記第１実施形態と共通している。一方で、本実施形態の固体撮像素子は、光電変換部３０上の領域に絶縁膜を設けず、反射防止膜１４上に、電荷転送部を覆うように遮光膜２６を形成している。

本実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順としては、図３に示すように、上記第１実施形態と同様の手順に従い、半導体基板１１上に電荷転送電極１３と、絶縁膜１５とを形成し、また、反射防止膜１４と層間絶縁膜１７とを順に形成することができる。さらに、図４に示す工程と同様に、層間絶縁膜１７における、光電変換部３０上の領域Ｐを除去する。

次に、電荷転送電極１３を含む電荷転送部を覆うように、反射防止膜１４上にスパッタリング法によりタングステン膜からなる遮光膜２６をパターニング形成する。スパッタリング法によれば、反射防止膜（例えば、窒化シリコン膜）上にチタンナイトライド（ＴｉＮ）などの密着性膜を介在させることなく、タングステン膜を形成することができ、水素アニール処理時に発生する水素の通路をその表面に確保することができる。このため、遮光膜２６を反射防止膜１４上に直接形成することができ、遮光膜２６と反射防止膜１４との間に絶縁膜を介在させない構成とすることができる。

本実施形態の構成によれば、半導体基板１１の表面と遮光膜２６との間隔を上記第１実施形態に比べてより一層小さくすることができる。このため、固体撮像素子に斜めに入射する光が、遮光膜２６下から進入することをより確実に抑制することができ、スミアを低減することができる。

第１実施形態の固体撮像素子を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線方向視の断面図である。 第１実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順を示す断面図である。 第１実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順を示す断面図である。 第１実施形態の固体撮像素子の製造方法の手順を示す断面図である。 第２実施形態の固体撮像素子の構成を説明する要部断面図である。 従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ 半導体基板
１３ 電荷転送電極
１４ 反射防止膜
１６，２６ 遮光膜
１７ 層間絶縁膜
２７ 絶縁膜
３０ 光電変換部

Claims (4)

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、
   前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と、
   前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子であって、
   前記電荷転送電極と前記遮光膜との間に層間絶縁膜が形成され、前記層間絶縁膜の厚さが少なくとも光電変換部上において、５ｎｍから２０ｎｍの範囲であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 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、
   前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と
   前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子であって、
   前記遮光膜が、スパッタリング法により形成されたタングステン膜であり、該遮光膜が前記反射防止膜上に形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
3. 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、
   前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と
   前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光電変換部が形成された基板上に前記電荷転送電極を形成し、該電荷転送電極を層間絶縁膜で被覆し、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜を形成し、前記光電変換部及び前記電荷転送部上に更に前記層間絶縁膜を形成し、前記光電変換部上の該層間絶縁膜をエッチングで除去し、その後、前記光電変換部上に絶縁膜を５ｎｍから２０ｎｍの厚さとなるように形成し、前記電荷転送部を覆うように前記遮光膜を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
4. 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、
   前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜と
   前記光電変換部上に開口を有し、前記電荷転送部を覆う遮光膜と、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光電変換部が形成された基板上に前記電荷転送電極を形成し、該電荷転送電極を層間絶縁膜で被覆し、前記電荷転送部上に開口を有し、前記光電変換部を覆う反射防止膜を形成し、前記光電変換部及び前記電荷転送部上に更に前記層間絶縁膜を形成し、前記光電変換部上の該層間絶縁膜をエッチングで除去し、その後、前記光電変換部上にスパッタリング法により形成されたタングステン膜である前記遮光膜を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
   

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