JP2007208131A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の微細化に際しても、高感度で、低スミアの固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板上に、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、前記光電変換部に、受光部を規定する開口を有し、前記電荷転送部上を覆う遮光膜を有する固体撮像素子であって、前記遮光膜の終端部近傍に、前記半導体基板表面に溝部が形成されており、前記溝部に前記遮光膜が陥入するように形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に遮光膜の形成に関する。

近年、固体撮像素子においては、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでおり、画素領域の微細化も高まる一方である。このような状況の中で、フォトダイオードで構成される光電変換部上には反射防止用の高屈折率膜を形成する一方で、低スミア化のために、受光領域の周りはタングステン遮光膜で被覆した構造が提案されている（特許文献１）。

従来の固体撮像素子は、図１０に断面構造の要部の一例を示すように、シリコン基板１表面にゲート絶縁膜２を介して電荷転送電極３が形成されており、この上層に絶縁膜５を介して窒化シリコン膜などの反射防止膜７が形成され、この上層に受光領域に開口を有する遮光膜８が形成されている。

このように、従来の固体撮像素子においては、反射防止膜７の上層に遮光膜８が形成されているが、この構造では、遮光膜８と反射防止膜７との間で多重反射が生じ、フォトダイオードから電荷転送路に飛び込んだ斜め入射光がスミアを悪化させるという問題があった。

また、転送電極の上面および側面を覆う遮光膜の下層の絶縁膜を通過して転送部に流れ込む迷光を抑制することができるように、遮光膜で覆われていない領域の絶縁膜の膜厚よりも遮光膜で覆われている領域の絶縁膜の膜厚を薄くして、その部分に入射した光を減衰させるようにする方法も提案されている（特許文献２）。

特開平８−３１６４４８号公報 特開２００３−２２９５６１号公報

しかしながら、上記方法では、微細な加工を行わなければならないうえ、マスクのずれを生じた場合、スミア成分の低減のみならず、撮像特性の劣化を招くことがあり、加工マージンが必要となる。このため結果的には、受光領域の面積を低下させることになり、微細化を阻む原因となっており、微細化に際しては、スミアの低減は困難であった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、素子の微細化に際しても、高感度で、低スミアの固体撮像素子を提供することを目的とする。

そこで、本発明は、半導体基板上に、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、前記光電変換部に、受光部を規定する開口を有し、前記電荷転送部上を覆う遮光膜を有する固体撮像素子であって、前記遮光膜の終端部近傍に、前記半導体基板表面に溝部が形成されており、前記溝部に前記遮光膜が陥入するように形成されたことを特徴とする。

この構成により、前記溝部に遮光膜が陥入するように形成されているため、斜めからの入射光があった場合にも、基板の表面レベルより下のレベルに位置する溝部内まで遮光されることになり、光の漏れは阻止される。したがって、容易に低スミア化をはかることができる。また、溝の存在により加工マージンを小さくすることができる、受光領域を規定する開口面積を最大限に大きく取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、前記遮光膜の終端部は前記溝部内に位置するように形成されたものを含む。
この構成により、光電変換部側は、半導体基板表面レベルまで遮光膜で覆われた構造となっており、確実に光の漏れを防ぐことができる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記遮光膜の終端部は前記溝部内に陥入して、さらに基板上で終端するように形成されたものを含む。
この構成により、光電変換部側は、半導体基板表面レベルよりも下方まで遮光膜が存在するため、確実に光の漏れを防ぐことができる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記溝部の幅は、前記遮光膜の膜厚以下であるものを含む。
この構成により、溝部内に遮光膜が確実に陥入するように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、前記遮光膜の下層側に位置し、少なくとも前記半導体基板の光電変換部の表面の一部を覆う反射防止膜を備えたものを含む。
反射防止膜が遮光膜の下層側に位置している場合、反射防止膜の膜厚分、遮光膜と電荷転送部との隙間があるが、本発明の構成によれば、溝部に陥入するように形成された遮光膜により、この隙間から入射した光は、転送路側への侵入を確実に阻止される。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止膜は、前記溝部内で除去されており、不連続部を構成するものを含む。
この構成により、遮光膜が半導体基板の表面レベルよりも下位まで形成されることになり、より確実に電荷転送路への光の侵入を阻止することができる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記遮光膜はタングステン膜であるものを含む。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止膜は窒化シリコン膜であるものを含む。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止膜を構成する窒化シリコン膜上に、遮光膜を構成するタングステン膜が直接当接するように形成されたものを含む。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記遮光膜の上層側に、少なくとも前記半導体基板の光電変換部の表面を覆う反射防止膜を備えたものを含む。

また、本発明は、半導体基板上に、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、前記光電変換部に、受光部を規定する開口を有し、前記電荷転送部上を覆う遮光膜を有する固体撮像素子の製造方法であって、前記遮光膜の形成に先立ち、前記受光部を囲む領域の前記半導体基板表面に、溝部を形成する工程と、前記溝部に陥入するように遮光膜を形成する工程を含む。
この構成により、遮光膜の形成に先立ち溝部を形成する工程を付加するのみで、容易に、迷光が電荷転送部に侵入するのを遮蔽し、信頼性の高い固体撮像素子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、前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成に先立ち実行されるようにしたものを含む。
この構成により、電極間絶縁膜および反射防止膜を溝内壁の絶縁に用いることができ、工数の低減をはかることができるという効果を奏功する。この溝を位置決め用に利用することも可能である。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後に実行されるようにしたものを含む。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後、反射防止膜の形成後に実行されるようにしたものを含む。
この構成により、基板へのダメージが比較的少なくてすむいう効果を奏功する。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後、反射防止膜の形成に先立ち実行されるようにしたものを含む。
この構成により、反射防止膜を基板と遮光膜とを絶縁するための膜として用いることができる。

以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、遮光膜の終端部が、基板表面レベルよりも下方に位置するように形成されるため、遮光膜と基板との隙間からの迷光は、基板の表面レベルよりも下方に位置する遮光膜の終端部で阻止されるため、大きなマージンは不要となり、微細化に際しても高感度で信頼性の高い固体撮像素子を提供することが可能となる。
また、製造に際しては、溝部で遮光膜を終端させることにより、受光面積を高精度に規定することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態の固体撮像素子の断面図、図２は平面図である。図１は図２のＡ−Ａ断面を示す図である。図３は図１の遮光膜と反射防止膜を説明するための要部拡大図である。図４および図５はこの固体撮像素子の製造工程を示す説明図である。この固体撮像素子は、図３に示すように、遮光膜８の終端部が、シリコン基板１表面にフォトダイオード部３０を囲むように形成された溝部Ｖ内に入り込むように形成されたことを特徴とするものである。

この固体撮像素子は、図１に示すように、シリコン基板１の表面にはｐウェル層１Ｐが形成され、ｐウェル層１Ｐ内に、ｐｎ接合を形成するｎ領域３０ｂが形成されると共に表面にｐ領域３０ａが形成され、フォトダイオード３０を構成しており、このフォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。

そして本図において、このフォトダイオード３０の右方に相当する領域には、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１Ｐに電荷読み出し領域３４が形成され、電荷転送部４０を構成している。

このように、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シリコン基板１表面部の列方向に形成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３と、フォトダイオード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。

シリコン基板１表面にはゲート絶縁膜２が形成され、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２を介して、電荷転送電極３が形成される。電荷転送電極３の間は電極間絶縁膜４が形成されている。また本図において、垂直転送チャネル３３の右側にはｐ^＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離がなされている。

電荷転送電極３の上層には酸化シリコン膜とプラズマ窒化シリコン膜などで構成された絶縁膜５、６が形成され、この上層に反射防止層７を介して受光領域に開口を有するタングステン膜からなる遮光膜８が形成される。この反射防止層７は、電荷転送電極上に開口を有する窒化シリコン膜で構成されている。

また、この上層には、ＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）からなる平坦化膜としての絶縁膜９）、パッシベーション膜としてのＰ−ＳｉＮからなる絶縁膜１０、透明樹脂等からなるフィルタ下平坦化膜１１が形成されている。また、このフィルタ下平坦化膜１１上方には、カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０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。５０Ｇは緑色フィルタ層、５０Ｂは青色フィルタ層である。

本実施の形態の固体撮像素子は、フォトダイオード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。すなわちシリコン基板１上に、光電変換部、電荷転送部、ＨＣＣＤ、及びアンプを含む領域である固体撮像素子部と、固体撮像素子の周辺回路（ＰＡＤ部等）が形成される領域である周辺回路部とが形成されて固体撮像素子を構成している。

また、この例では、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子を示しているが、正方格子型の固体撮像素子にも適用可能であることはいうまでもない。

次にこの固体撮像素子の製造工程について図４および図５を参照しつつ詳細に説明する。
まず、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、ゲート絶縁膜２を形成する。ゲート絶縁膜２としては酸化シリコン膜と、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜との３層構造をとるのが望ましい。このゲート絶縁膜２上に、フォトリソグラフィによりフォトダイオード形成領域を囲むように溝状の開口を有するレジストパターンＲ１を形成し（図４（ａ））、これをマスクとして反応性イオンエッチングを行い、溝部Ｖを形成する（図４（ｂ））。この溝幅および深さは遮光膜が溝内に入り込む程度の深さとなるようにする。

続いて、このゲート絶縁膜２上に、第１層多結晶シリコン膜３ａを形成し、フォトリソグラフィにより第１層電極形成のためのレジストパターンＲ２を形成し（図４（ｃ））、これをマスクとして、第１層電極をパターニングし、表面酸化を行い電極間絶縁膜４を形成する（図４（ｄ））。

この後、同様にして第２層多結晶シリコン膜３ｂを形成し、これをパターニングし、第２層電極を形成した後、表面に絶縁膜５，６としての酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を順次形成しパターニングする。
この後、フォトダイオード部を形成する。
そしてさらに、この上層に反射防止層７としての窒化シリコン膜を形成する（図５（ａ））。ここで反射防止膜は電荷転送電極の上部では除去するようにフォトリソグラフィ工程を経てパターニングする。この後、スパッタリング法により遮光膜８としてのタングステン薄膜を形成する（図５（ｂ））。

そして、フォトリソグラフィによりレジストパターンＲ３を形成し（図５（ｃ））、これをマスクとして遮光膜８をパターニングする（図５（ｄ））。

続いて、この上層にＢＰＳＧ膜からなる絶縁膜９を形成し、加熱リフローすることにより、平坦化する。そしてプラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜１０としての窒化シリコン膜を形成する。

この後平坦化膜１１としての有機系膜を塗布し、この上層に有機系膜からなるカラーフィルタ層５０を形成する。

そしてフィルタ上平坦化膜６１を形成した後、マイクロレンズ６０を形成し、図１および図２に示したような固体撮像素子を得る。

上記構成によれば、前記溝部に遮光膜が陥入するように形成されているため、斜めからの入射光があった場合にも、基板の表面レベルより下のレベルに位置する溝部内まで遮光されており、光の漏れを阻止することができる。したがって、容易に低スミア化をはかることができる。また、溝の存在により加工マージンを小さくすることができ、受光領域を規定する開口面積を最大限に大きく取ることが可能となる。

また、本実施の形態の固体撮像素子において、前記遮光膜の終端部は前記溝部内に位置するように形成されているため、光電変換部側は、半導体基板表面レベルまで遮光膜で覆われた構造となっており、確実に光の漏れを防ぐことができる。

また本実施の形態の固体撮像素子において、前記遮光膜の終端部は前記溝部内に陥入して、さらに基板上で終端するように形成されていてもよい。
この構成により、光電変換部側は、半導体基板表面レベルよりも下方まで遮光膜が存在するため、確実に光の漏れを防ぐことができる。

また、溝部の幅が遮光膜の膜厚以下となるようにすることにより、溝部内に遮光膜が確実に陥入することができる。

なお、反射防止膜が遮光膜の下層側に位置している場合、反射防止膜の膜厚分、遮光膜と電荷転送部との隙間があるが、本実施の形態の固体撮像素子によれば、溝部に陥入するように形成された遮光膜により、この隙間から入射した光は、転送路側への侵入を確実に阻止することができる。

（実施の形態２）
前記実施の形態１では、溝部は、電荷転送電極の形成に先立ち形成したが、本実施の形態では、図６に断面図、図７および図８に工程説明図を示すように、電荷転送電極３の形成後、反射防止膜７を形成した後、溝部Ｖを形成し、溝部内は酸化シリコン膜１６を介して遮光膜８が入り込むように形成したことを特徴とするもので、他は前記実施の形態１の固体撮像素子と同様に形成されている。ここで酸化シリコン膜１６は基板と遮光膜８との絶縁のための膜であり、溝部Ｖ内以外は窒化シリコン膜からなる反射防止膜で覆われているため、これが酸化抑止膜として作用し、溝部内にのみ選択的に形成されることになり、パターニングは不要である。

この構成によっても実施の形態１に示した固体撮像素子と同様、高感度化および信頼性の向上をはかることができる。

次にこの固体撮像素子の製造工程について図７および図８を参照しつつ詳細に説明する。
まず、前記実施の形態と同様のｎ型のシリコン基板１表面に、ゲート絶縁膜２を形成するとともに、第１層多結晶シリコン膜３ａ、電極間絶縁膜４、第２層多結晶シリコン膜３ｂ、絶縁膜５，６、反射防止膜７を形成する（図７（ａ））。
この後、フォトリソグラフィにより、フォトダイオード形成領域を囲むように溝状の開口を有するレジストパターンＲ４を形成する（図７（ｂ））。

そしてこのレジストパターンＲ４をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、溝部Ｖを形成する（図７（ｃ））。この溝幅および深さは遮光膜が溝内に入り込む程度の深さとなるようにする。

続いて、このまま、熱酸化を行い、溝部内壁に酸化シリコン膜１６を形成する（図８（ａ））。これは遮光膜と基板との絶縁のための絶縁膜である。なお、このときレジストパターンＲ４を剥離した後ＣＶＤ法などによりこの酸化シリコン膜１６を形成し、電荷転送部上にも酸化シリコン膜１６を形成するようにしてもよい。これにより、反射防止膜７と遮光膜８との間に酸化シリコン膜１６が介在することになるため、水素アニール工程における水素の通り道を確保することができる。従って、遮光膜としてのタングステン層の形成に先立ちチタンナイトライド（ＴｉＮ）からなる密着層をスパッタリング法などによって形成することができる。このため遮光膜の密着性の向上をはかることができ、さらにタングステン膜はＣＶＤ法によって形成することができる。
この後、フォトダイオード部を形成する。
そしてさらに、遮光膜８としてのタングステン薄膜を形成する（図８（ｂ））。

そして、フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、これをマスクとして遮光膜８をパターニングする（図８（ｃ））。

続いて、この上層にＢＰＳＧ膜からなる絶縁膜９を形成し、加熱リフローすることにより、平坦化する。そしてプラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜１０としての窒化シリコン膜を形成する。後は前記実施の形態１と同様に形成する。

（実施の形態３）
前記実施の形態２では、溝部は、反射防止膜の形成後に形成したが、本実施の形態では、反射防止膜の形成に先立ち溝部ｖを形成し、レジストパターンを除去した後、反射防止膜７を形成するようにしてもよい。図９は、本実施の形態の工程説明図である。
ここでは、電荷転送電極３の形成後、反射防止膜７を形成するに先立ち、溝部Ｖを形成しており、溝部内には反射防止膜７としての窒化シリコン膜が形成されるため、実施の形態２のように酸化シリコン膜１６を形成する工程は不要である。他は前記実施の形態１の固体撮像素子と同様に、溝部内に遮光膜８が入り込むように形成される。

この構成によっても実施の形態１、２に示した固体撮像素子と同様、高感度化および信頼性の向上をはかることができる。

次にこの固体撮像素子の製造工程について図９を参照しつつ詳細に説明する。
まず、前記実施の形態２と異なるのは、反射防止膜７の形成に先立ち、溝部を形成する点である。すなわち、実施の形態１と同様、ｎ型のシリコン基板１表面に、ゲート絶縁膜２を形成するとともに、第１層多結晶シリコン膜３ａ、電極間絶縁膜４、第２層多結晶シリコン膜３ｂ、絶縁膜５，６を形成する（図９（ａ））。
この後、フォトリソグラフィにより、フォトダイオード形成領域を囲むように溝状の開口を有するレジストパターンＲ５を形成する（図９（ｂ））。

そしてこのレジストパターンＲ５をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、溝部Ｖを形成する（図９（ｃ））。この溝幅および深さは遮光膜が溝内に入り込む程度の深さとなるようにする。
この後溝部Ｖの形成された表面に反射防止膜７としての窒化シリコン膜を形成しパターニングする。
あとは、遮光膜８を形成し同様に、カラーフィルタ、レンズなどを形成する。

以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、極めて容易に低スミア化及び高感度化をはかることができることから、微細な電荷転送電極を持つ固体撮像素子に有効であり高画素化が期待できる。

本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す断面図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す平面図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す要部断面図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程図 本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程図 本発明の実施の形態２の固体撮像素子を示す図 本発明の実施の形態２の固体撮像素子の製造工程図 本発明の実施の形態２の固体撮像素子の製造工程図 本発明の実施の形態３の固体撮像素子の製造工程図 従来例の固体撮像素子を示す図

符号の説明

１ シリコン基板
２ ゲート絶縁膜
３ ゲート電極（第１層多結晶シリコン膜、第２層多結晶シリコン膜）
４ 電極間絶縁膜
５ 絶縁膜
６ 絶縁膜
７ 反射防止膜
８ 遮光膜
９ ＢＰＳＧ膜
１０ Ｐ−ＳｉＮ膜（パッシベーション膜）
１１ フィルタ下平坦化膜
Ｖ 溝部
３０ フォトダイオード
４０ 電荷転送部
５０ カラーフィルタ
６０ マイクロレンズ

Claims (15)

1. 半導体基板上に、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具備し、
   前記光電変換部に受光部を規定する開口を有する遮光膜で、前記電荷転送部上を被覆した固体撮像素子であって、
   前記遮光膜の終端部近傍に、前記半導体基板表面に溝部が形成されており、前記溝部に前記遮光膜が陥入するように形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、
   前記遮光膜の終端部は前記溝部内に位置するように形成された固体撮像素子。
3. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
   前記遮光膜の終端部は前記溝部内に陥入して、さらに基板上で終端するように形成された固体撮像素子。
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、
   前記溝部の幅は、前記遮光膜の膜厚以下である固体撮像素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記遮光膜の下層側に位置し、少なくとも前記半導体基板の光電変換部の表面の一部を覆う反射防止膜を備えた固体撮像素子。
6. 請求項５に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止膜は、前記溝部内で除去されており、不連続部を構成する固体撮像素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記遮光膜はタングステン膜である固体撮像素子。
8. 請求項７に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止膜は窒化シリコン膜である固体撮像素子。
9. 請求項８に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止膜を構成する窒化シリコン膜上に、遮光膜を構成するタングステン膜が直接当接するように形成された固体撮像素子。
10. 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
    前記遮光膜の上層側に、少なくとも前記半導体基板の光電変換部の表面を覆う反射防止膜を備えた固体撮像素子。
11. 半導体基板上に、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具備し、
    前記光電変換部に受光部を規定する開口を有する遮光膜で、前記電荷転送部上を被覆した固体撮像素子の製造方法であって、
    前記遮光膜の形成に先立ち、前記受光部を囲む領域の前記半導体基板表面に、溝部を形成する工程と、
    前記溝部に陥入するように遮光膜を形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
12. 請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成に先立ち実行されるようにした固体撮像素子の製造方法。
13. 請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後に実行されるようにした固体撮像素子の製造方法。
14. 請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後、反射防止膜の形成後に実行されるようにした固体撮像素子の製造方法。
15. 請求項１３に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記溝部を形成する工程は、電荷転送電極の形成後、反射防止膜の形成に先立ち実行されるようにした固体撮像素子の製造方法。

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