JP2008147409A - Solid-state image pickup device, its manufacturing method, and electronic information device - Google Patents

Solid-state image pickup device, its manufacturing method, and electronic information device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively perform condensing to a photoelectric conversion part in accordance with minuteness of an element, to secure a light receiving area, and to provide a small and highly sensitive solid-state image pickup element. <P>SOLUTION: Surface width (b) of a photodiode part PD has the same height as a surface of a light shielding film 9 or it is higher than the surface of the light shielding film 9 and a distance between an on-chip lens and the photodiode part becomes remarkably short compared to conventional technology. Thus, incident light can easily be condensed to the photodiode part even if an intra-layer lens is arranged in the photodiode part. A surface area of the photodiode part PD is equal to or larger than an area of an opening part (a) of the light shielding film 9. Even if a pixel size is made small by thinning the pixel, the light receiving area is not restricted by the opening area of the light shielding film 9. Thus, the larger light receiving area can be secured. When a surface (b) of the photodiode part PD has a hemispherical shape projected upward, it may play a role of the lens. Thus, incident light can efficiently be condensed to the photodiode part PD. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor composed of a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject by a photoelectric conversion unit and images the same, a manufacturing method thereof, and a solid-state imaging device. The present invention relates to an electronic information device such as a digital camera such as a digital video camera and a digital still camera used as an image input device in an imaging unit, an image input camera, a scanner, a facsimile, and a camera-equipped mobile phone device.

近年、民生用デジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話装置の画像などに対する更なる高精細化の要望が高まっており、これらに搭載されるCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子において、高画素化が急速に進んでいる。   In recent years, there has been an increasing demand for higher definition of images of consumer digital still cameras and camera-equipped mobile phone devices. In solid-state image sensors such as CCD image sensors and CMOS image sensors mounted on these devices, The number of pixels is rapidly increasing.

このように、固体撮像素子に対して、画質の向上が非常に強く要請されており、その要請に応えるためには、画素数を増加させて解像度を高くする高精細化、および撮像感度の向上を図ることが必要である。このためには、撮像感度の向上を図りつつ、画素の配列密度を高くすると共に、さらに画素部を小型化する必要がある。   As described above, there is a strong demand for improvement in image quality for solid-state imaging devices, and in order to meet this demand, higher resolution with higher resolution by increasing the number of pixels and improvement in imaging sensitivity are required. It is necessary to plan. For this purpose, it is necessary to increase the pixel arrangement density and further reduce the size of the pixel portion while improving the imaging sensitivity.

ところが、画素サイズを縮小した場合には、単位画素に入射される光量が減少して感度特性が低下し、光電変換部であるフォトダイオード自体の面積も縮小化されてしまうため、固体撮像素子において撮像感度特性や飽和特性に劣化が生じるという不具合が顕在化してくる。   However, when the pixel size is reduced, the amount of light incident on the unit pixel is reduced, the sensitivity characteristic is lowered, and the area of the photodiode itself, which is a photoelectric conversion unit, is also reduced. The problem of deterioration in imaging sensitivity characteristics and saturation characteristics becomes obvious.

一般に、従来のCCD型の固体撮像素子では、光電変換が行われるフォトダイオード部に隣接して信号電荷を転送するための電荷転送部が設けられており、この電荷転送部に光が入射されないように、フォトダイオード部上を開口させた遮光膜が設けられている。ここで、フォトダイオード部の感度を向上させるために、遮光膜の開口面積を大きくして受光面積を大きく取り過ぎると、電荷転送部に光が混入してスミアが発生しやすくなるため、遮光膜の開口面積に対応した受光部面積を大きくすることには限界がある。   In general, in a conventional CCD solid-state imaging device, a charge transfer unit for transferring a signal charge is provided adjacent to a photodiode unit where photoelectric conversion is performed, and light is not incident on this charge transfer unit. In addition, a light shielding film having an opening on the photodiode portion is provided. Here, in order to improve the sensitivity of the photodiode part, if the opening area of the light shielding film is increased to make the light receiving area too large, light is easily mixed into the charge transfer part and smearing is likely to occur. There is a limit to increasing the light receiving area corresponding to the aperture area.

そこで、従来は、オンチップレンズとフォトダイオード部との間の層内に光透過性材料からなるもう一つのレンズ(層内レンズ)を形成してフォトダイオード部への集光効率を向上させる方法が用いられている。この層内レンズは、光電変換が行われるフォトダイオード部の直上において層間膜中に形成されるレンズであり、オンチップレンズで集光させた被写体光を、この層内レンズに更に入射させて、層内レンズの上面側または下面側の界面により屈折させることにより、被写体光をフォトダイオード部により効率よく導くためのものである。   Therefore, conventionally, another method of forming another lens (inner layer lens) made of a light-transmitting material in a layer between the on-chip lens and the photodiode portion to improve the light collection efficiency to the photodiode portion. Is used. This intra-layer lens is a lens formed in the interlayer film directly above the photodiode portion where photoelectric conversion is performed, and the subject light condensed by the on-chip lens is further incident on this intra-layer lens, The object light is efficiently guided to the photodiode portion by being refracted by the upper surface side or lower surface side interface of the in-layer lens.

特許文献1、2では、シリコン基板の深い部分で光電変換される電荷をも信号電荷として有効に取り出すために、フォトダイオード部を構成するn型不純物領域を従来よりも深い領域まで形成する方法が用いられている。これにより、電荷蓄積領域の面積が縮小されてもフォトダイオード容量が大きくなるため、微細化されたフォトダイオードにおいて飽和特性が改善される。
特許文献1では、基板の深い領域までフォトダイオード部を形成した固体撮像素子において、斜め光をも有効利用するために、基板面内の受光部の位置に応じて、受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを変化させている。
特許文献2では、フォトダイオード部が、光電変換を行うN型領域と、その上にエピタキシャル成長で形成されたN型単結晶半導体層との2層で構成され、N型単結晶半導体層がシリコンかまたはそれよりも光吸収係数が高い材料で形成されている。これによって、フォトダイオード部の光電変換効率を改善して、感度向上と共にスミヤを抑制している。
特開2003−78125号公報 特開平9−213923号公報
In Patent Documents 1 and 2, there is a method of forming an n-type impurity region constituting a photodiode part to a deeper region than in the past in order to effectively take out the charge photoelectrically converted in a deep portion of the silicon substrate as a signal charge. It is used. As a result, even if the area of the charge storage region is reduced, the photodiode capacitance increases, so that saturation characteristics are improved in a miniaturized photodiode.
In Patent Document 1, in the solid-state imaging device in which the photodiode portion is formed up to a deep region of the substrate, in order to effectively use oblique light, the light receiving portion in the substrate depth direction according to the position of the light receiving portion within the substrate surface. The potential profile is changed.
In Patent Document 2, the photodiode portion is composed of two layers of an N-type region that performs photoelectric conversion and an N-type single crystal semiconductor layer formed by epitaxial growth thereon, and whether the N-type single crystal semiconductor layer is silicon. Alternatively, it is made of a material having a higher light absorption coefficient. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photodiode portion is improved, and sensitivity is improved and smear is suppressed.
JP 2003-78125 A JP 9-213923 A

しかしながら、上述した従来の固体撮像素子には、以下のような問題がある。   However, the above-described conventional solid-state imaging device has the following problems.

近年、画素サイズの微細化が進む一方であり、特に、画素ピッチ(セルピッチ)が2μm以下となるような超微細なものも提案されていることから、これを実現するためには、理想的な層内レンズおよびオンチップレンズを形成して高い集光効率を得るだけでは困難になってきている。   In recent years, pixel size has been increasingly miniaturized, and in particular, an ultra-fine one having a pixel pitch (cell pitch) of 2 μm or less has been proposed. It has become difficult to achieve high light collection efficiency by forming intra-layer lenses and on-chip lenses.

しかも、フォトダイオード部の周囲を覆う遮光膜の開口径についても、画素ピッチの半分以下と極めて小さくなってきており、例えば画素ピッチが2μmである場合、スミア発生などを考慮して遮光膜の開口径を600nm以下に設定する必要がある。このため、波長600nm〜700nmという長波長の可視赤領域光は、この遮光膜の開口部を通って光電変換部であるフォトダイオード部に到達しにくいという問題がある。特に、遮光膜の開口部とフォトダイオード部とのアライメントずれについては、撮像感度やスミアに影響を与えるため、アライメントマージンを確保することは重要な課題となっていた。   In addition, the opening diameter of the light shielding film covering the periphery of the photodiode portion is also extremely small, being less than half of the pixel pitch. For example, when the pixel pitch is 2 μm, the opening of the light shielding film is considered in consideration of smearing. It is necessary to set the aperture to 600 nm or less. For this reason, there is a problem that visible red light having a long wavelength of 600 nm to 700 nm hardly reaches the photodiode portion which is a photoelectric conversion portion through the opening of the light shielding film. In particular, the alignment deviation between the opening portion of the light shielding film and the photodiode portion affects the imaging sensitivity and smear. Therefore, securing an alignment margin has been an important issue.

この対策の一つとして、素子を微細化しつつ感度特性を維持するために、特許文献1、2のようにn型不純物領域をより深い領域まで形成して、光電変換される信号電荷量を増やして高感度化したり、特許文献2のように、転送電極上の遮光膜付近にまで、光電変換部を構成するシリコン層を成長させてオンチップレンズとの距離を縮小したりしているが、光電変換部への集光効率は、遮光膜の開口径に制約されることから、素子の微細化に際して、更なる集光効率の向上を図りつつ小型で高感度化することは困難であった。   As one of the countermeasures, in order to maintain sensitivity characteristics while miniaturizing the element, an n-type impurity region is formed to a deeper region as in Patent Documents 1 and 2 to increase the amount of signal charge that is photoelectrically converted. The sensitivity is increased, and as in Patent Document 2, the distance between the on-chip lens is reduced by growing the silicon layer that constitutes the photoelectric conversion portion to the vicinity of the light shielding film on the transfer electrode. Since the light collection efficiency to the photoelectric conversion unit is limited by the aperture diameter of the light shielding film, it was difficult to reduce the size and increase the sensitivity while further improving the light collection efficiency when miniaturizing the element. .

このように、従来の固体撮像素子では、高い感度特性を維持しながら素子を微細化することに限界があるということが懸念されている。   As described above, there is a concern that the conventional solid-state imaging device has a limit in miniaturizing the device while maintaining high sensitivity characteristics.

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、素子の微細化に際しても更なる集光効率の向上を図ることができて、小型で高感度な固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and can further improve the light collection efficiency even when the element is miniaturized. It is an object of the present invention to provide an electronic information device using an image element as an image input device in an imaging unit.

本発明の固体撮像素子は、基板に形成された複数の光電変換部と、該光電変換部に対応して開口部を有する遮光部とが設けられ、該光電変換部の表面が、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。   The solid-state imaging device of the present invention is provided with a plurality of photoelectric conversion portions formed on a substrate and a light shielding portion having an opening corresponding to the photoelectric conversion portion, and the surface of the photoelectric conversion portion is the light shielding portion. The height of the surface is equal to or higher than the surface of the light shielding portion, and the above object is achieved.

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面積が、前記遮光部の開口部の面積よりも広く形成されている。   Preferably, the surface area of the photoelectric conversion unit in the solid-state imaging device of the present invention is formed wider than the area of the opening of the light shielding unit.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面部が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されている。   Further preferably, the surface portion of the photoelectric conversion portion in the solid-state imaging device of the present invention is formed in a convex hemispherical or lens shape.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の表面の少なくとも一部が、前記遮光部の開口部の上端部の高さ位置と同等かまたは、該上端部よりも上方に形成されている。   Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, at least a part of the surface of the photoelectric conversion unit is equal to or higher than the height position of the upper end of the opening of the light shielding unit. Is formed.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部の開口部が穴部で構成されており、前記光電変換部が該穴部内の全部を埋め込んでいる。   Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the opening of the light shielding part is formed of a hole, and the photoelectric conversion part is embedded in the hole.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面が平面状または球面状に形成されている。   Further preferably, the surface of the photoelectric conversion portion in the solid-state imaging device of the present invention is formed in a planar shape or a spherical shape.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の表面部の平面視位置が前記遮光部の開口部のアライメントずれに対して、該光電変換部のパターンニング時に該アライメントずれを補正するように調整されている。   Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the positional deviation in plan view of the surface portion of the photoelectric conversion unit is less affected by the alignment deviation at the time of patterning of the photoelectric conversion unit with respect to the alignment deviation of the opening of the light shielding unit. It has been adjusted to correct.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部は、フォトダイオード部からなり、第1導電型半導体基板表面に形成された第2導電型ウェル領域に選択的に形成された第1導電型半導体領域と、該第1導電型半導体領域上に、前記遮光部の開口部を通して、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成された他の第1導電型半導体領域とを有する。   Further preferably, the photoelectric conversion unit in the solid-state imaging device according to the present invention includes a photodiode unit, and the first conductivity formed selectively in the second conductivity type well region formed on the surface of the first conductivity type semiconductor substrate. Other than the type semiconductor region and the height of the surface of the light shielding part or higher than the surface of the light shielding part through the opening of the light shielding part on the first conductive type semiconductor region A first conductivity type semiconductor region.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部は、前記他の第1導電型半導体領域上に高濃度第2導電型半導体領域または前記第1導電型半導体層の酸化膜からなる暗電流防止層を有する。   Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the photodiode portion is a dark region composed of a high-concentration second conductive semiconductor region or an oxide film of the first conductive semiconductor layer on the other first conductive semiconductor region. It has a current blocking layer.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1導電型半導体領域がn型シリコンからなり、前記高濃度第2導電型半導体領域がp型シリコンからなっているかまたは、該第1導電型半導体領域がp型シリコンからなり、該高濃度第2導電型半導体領域がn型シリコンからなっている。   Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the first conductive type semiconductor region is made of n-type silicon, and the high-concentration second conductive type semiconductor region is made of p-type silicon, or the first conductive type semiconductor The region is made of p-type silicon, and the high-concentration second conductivity type semiconductor region is made of n-type silicon.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部上と前記光電変換部との間に絶縁膜が設けられている。   Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, an insulating film is provided between the light shielding portion and the photoelectric conversion portion.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部上を被覆しかつ前記第1導電型半導体領域に対応して開口部を有する絶縁膜が設けられ、該第1導電型半導体領域および該絶縁膜上に前記他の第1導電型半導体領域が形成されている。   Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, an insulating film that covers the light shielding portion and has an opening corresponding to the first conductivity type semiconductor region is provided, and the first conductivity type semiconductor region and The other first conductivity type semiconductor region is formed on the insulating film.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光部は、遮光膜または金属配線層として兼用されている。   Further preferably, the light shielding portion in the solid-state imaging device of the present invention is also used as a light shielding film or a metal wiring layer.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光部は、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜である。   Further preferably, the light shielding portion in the solid-state imaging device of the present invention is an aluminum film, a refractory metal film made of titanium, titanium nitride, tungsten nitride, tungsten silicide or tungsten, or a composite film thereof.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部が設けられ、該電荷転送電部上にゲート絶縁膜を介して、該電荷転送電部による信号電荷の転送を制御するための電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上を覆うように絶縁膜を介して前記遮光部が設けられている。   Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, a charge transfer unit that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit is provided adjacent to the photoelectric conversion unit, and the charge transfer unit is provided on the charge transfer unit. A charge transfer electrode for controlling the transfer of the signal charge by the charge transfer power unit is provided through the gate insulating film, and the light shielding unit is provided through the insulating film so as to cover the charge transfer electrode. Yes.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部上に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられている。   Furthermore, preferably, a color filter layer is provided on the photoelectric conversion part in the solid-state imaging device of the present invention via a planarization layer.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるカラーフィルタ層上に層間絶縁層を介してオンチップレンズが設けられている。   Further preferably, an on-chip lens is provided on the color filter layer in the solid-state imaging device of the present invention via an interlayer insulating layer.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子はCCD型イメージセンサであって、前記遮光部として遮光膜を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は前記遮光膜の最上表面の高さ位置である。   Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CCD image sensor, and has a light shielding film as the light shielding part, and a height position of a surface of the light shielding part is a height position of an uppermost surface of the light shielding film. It is.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における金属配線層は、前記遮光部として、前記複数の光電変換部上をそれぞれ避けるように形成されており、該金属配線層上を被覆した絶縁膜に該光電変換部上に接する位置まで該絶縁膜に設けられた開口部内に半導体層が充填されている。   Further preferably, the metal wiring layer in the solid-state imaging device of the present invention is formed so as to avoid each of the plurality of photoelectric conversion portions as the light shielding portion, and an insulating film covering the metal wiring layer is formed. A semiconductor layer is filled in an opening provided in the insulating film up to a position in contact with the photoelectric conversion portion.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子はCMOS型イメージセンサであって、前記金属配線層として多層配線層を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は該多層配線層の最上層の表面の高さ位置である。   Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CMOS image sensor, and has a multilayer wiring layer as the metal wiring layer, and the height position of the surface of the light shielding portion is the uppermost layer of the multilayer wiring layer. The height position of the surface.

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、該半導体領域に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、該遮光部および該半導体領域上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、該半導体層の表面積が該遮光部の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。   The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor region forming step of forming a semiconductor region constituting a photoelectric conversion portion on a semiconductor substrate, and a light shielding portion forming step of forming a light shielding portion having an opening with respect to the semiconductor region. And a semiconductor layer constituting the photoelectric conversion part on the light shielding part and the semiconductor region, wherein the surface of the semiconductor layer is equal to the height position of the surface of the light shielding part or from the surface of the light shielding part. Forming a semiconductor layer, and patterning the semiconductor layer into a predetermined shape so that the surface area of the semiconductor layer is equal to or larger than the area of the opening of the light shielding portion. In this way, the above object is achieved.

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、該光電変換部に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、該遮光部を被覆しかつ該半導体領域上に開口部を有する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、該半導体領域および該絶縁膜上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、該半導体層が該絶縁膜上に一部重なりかつ該半導体層の表面積が該絶縁膜の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。   The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor region forming step of forming a semiconductor region constituting a photoelectric conversion unit on a semiconductor substrate, and a light shielding unit forming a light blocking unit having an opening with respect to the photoelectric conversion unit An insulating film forming step of forming an insulating film covering the light shielding portion and having an opening on the semiconductor region; and a semiconductor layer further constituting the photoelectric conversion portion on the semiconductor region and the insulating film A semiconductor layer forming step in which a surface of the semiconductor layer is equal to or higher than a height position of the surface of the light shielding portion, and the semiconductor layer partially overlaps the insulating film. And a semiconductor layer patterning step of patterning the semiconductor layer into a predetermined shape so that the surface area of the semiconductor layer is equal to or larger than the area of the opening of the insulating film, and By the above eyes There is achieved.

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記半導体領域および前記半導体層をシリコン材料により形成する。   Preferably, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the semiconductor region and the semiconductor layer are formed of a silicon material.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における半導体領域形成工程後に、前記光電変換部を構成する半導体領域に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部を形成する電荷転送部形成工程と、該電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極形成工程とをさらに有し、
前記遮光部形成工程は、前記遮光部が該電荷転送電極上を被覆しかつ該半導体領域上を開口するように形成する。
Further preferably, after the semiconductor region forming step in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a charge for transferring a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit adjacent to the semiconductor region constituting the photoelectric conversion unit. A charge transfer portion forming step of forming a transfer portion; and a charge transfer electrode forming step of forming a charge transfer electrode on the charge transfer portion via a gate insulating film,
In the light shielding portion forming step, the light shielding portion is formed so as to cover the charge transfer electrode and to open the semiconductor region.

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における遮光部は、遮光膜または金属配線層で構成されている。   Further preferably, the light shielding portion in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is configured by a light shielding film or a metal wiring layer.

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。   The electronic information device of the present invention uses the solid-state imaging device of the present invention as an image input device in an imaging unit, and thereby achieves the above object.

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。   The operation of the present invention will be described below with the above configuration.

本発明の固体撮像素子にあっては、光電変換部であるフォトダイオード部の表面が遮光部(例えば遮光膜または金属配線層)の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離が飛躍的に短くなり、層内レンズを設けなくても、容易に光電変換部に入射光を集光させることが可能となる。   In the solid-state imaging device of the present invention, since the surface of the photodiode portion which is a photoelectric conversion portion is formed higher than the surface of the light shielding portion (for example, a light shielding film or a metal wiring layer), the on-chip lens and the photoelectric conversion Accordingly, the distance from the light source can be drastically shortened, and it is possible to easily collect the incident light on the photoelectric conversion part without providing an intra-layer lens.

また、遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広くすることによって、画素サイズを小さくしても、受光部面積が従来技術のように遮光膜の開口面積により制約されないため、広い受光面積を確保して受光効率および感度を向上させることが可能となる。   In addition, by increasing the surface area of the photoelectric conversion part larger than the area of the opening of the light shielding film, even if the pixel size is reduced, the area of the light receiving part is not limited by the opening area of the light shielding film as in the prior art. It is possible to secure a wide light receiving area and improve the light receiving efficiency and sensitivity.

さらに、光電変換部の最表面が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されてレンズの役割を果たすため、光電変換部へのより効率的な集光が可能となる。   Furthermore, since the outermost surface of the photoelectric conversion part is formed in an upward convex hemisphere or lens shape and plays the role of a lens, more efficient condensing on the photoelectric conversion part becomes possible.

さらに、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することが可能となる。   Furthermore, by forming the surface of the photoelectric conversion portion in a planar shape, the interlayer insulating film thereon can be made thinner, and the distance between the on-chip lens and the photoelectric conversion portion can be made shorter.

さらに、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、遮光膜の開口面積が小さくなるなどして遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部のアライメントずれが生じた場合でも、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置を修正したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を容易に製造することが可能となる。   Furthermore, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the light shielding film covers a part of the photoelectric conversion unit due to a decrease in the opening area of the light shielding film, or the alignment deviation between the light shielding film and the photoelectric conversion unit. Even if this occurs, since the surface area of the photoelectric conversion unit can be increased or the position of the photoelectric conversion unit can be corrected thereafter, a small and highly sensitive solid-state imaging device can be easily manufactured.

以上により、本発明によれば、光電変換部の表面が、遮光部(例えば遮光膜または金属配線層)の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離を短くでき、かつ遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広く構成することができる。これによって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行うことができて、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。また、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。さらに、遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部とのアライメントずれが生じた場合であっても、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置調整したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を製造することができる。   As described above, according to the present invention, since the surface of the photoelectric conversion unit is formed higher than the surface of the light shielding unit (for example, the light shielding film or the metal wiring layer), the distance between the on-chip lens and the photoelectric conversion unit is shortened. And the surface area of the photoelectric conversion portion can be made larger and wider than the area of the opening of the light shielding film. Accordingly, it is possible to effectively collect light on the photoelectric conversion unit corresponding to the miniaturization of the element, and to secure a light receiving area and to realize a small and highly sensitive solid-state imaging device. . Further, by forming the surface of the photoelectric conversion portion in a planar shape, the interlayer insulating film thereon can be made thinner and the distance between the on-chip lens and the photoelectric conversion portion can be made shorter. Furthermore, even if the light shielding film covers a part of the photoelectric conversion unit, or the alignment deviation between the light shielding film and the photoelectric conversion unit occurs, the surface area of the photoelectric conversion unit is subsequently increased or the photoelectric conversion unit Therefore, a small and highly sensitive solid-state imaging device can be manufactured.

以下に、本発明の固体撮像素子をCCD型イメージセンサに適用した場合の実施形態1,2および、CMOS型イメージセンサに適用した場合の実施形態3について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像素子における画素部の要部構成例を示す平面図であり、図2は、図1のA−A’方向の縦断面図である。
Embodiments 1 and 2 when the solid-state imaging device of the present invention is applied to a CCD type image sensor and Embodiment 3 when it is applied to a CMOS type image sensor will be described in detail below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view illustrating a configuration example of a main part of a pixel unit in a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a vertical cross-sectional view in the AA ′ direction of FIG.

図1において、本実施形態1の固体撮像素子20は、光電変換部である複数のフォトダイオード部PDが2次元状(またはマトリクス状)に設けられ、各フォトダイオード部PDにそれぞれ隣接して各フォトダイオード部で光電変換された信号電荷を転送する垂直転送部Vおよび水平転送部Hが設けられている。   In FIG. 1, the solid-state imaging device 20 according to the first embodiment includes a plurality of photodiode portions PD that are photoelectric conversion portions provided in a two-dimensional shape (or a matrix shape), and is adjacent to each photodiode portion PD. A vertical transfer unit V and a horizontal transfer unit H that transfer signal charges photoelectrically converted by the photodiode unit are provided.

図2において、本実施形態1の固体撮像素子20は、n型半導体基板1の表面部に低濃度p型ウェル領域2が設けられており、低濃度p型ウェル領域2内に、フォトダイオードPDのn型シリコン領域3と、垂直転送部Vの部分にn型半導体領域からなる電荷転送部4とが設けられ、各電荷転送部4と、隣接する画素のフォトダイオードPDのn型シリコン領域3との間の一方には、p型半導体領域からなる画素分離部5が設けられている。この電荷転送部4および画素分離部5上に、ゲート絶縁膜6を介して電荷転送電極であるゲート電極7が設けられ、そのゲート電極7の上面および側壁には、熱酸化膜などからなる絶縁膜8を介してタングステン(W)膜などからなる遮光部としての遮光膜9が設けられている。さらに、遮光膜9の上面および側壁には、酸化膜などからなる薄い絶縁膜10が形成されている。   In FIG. 2, the solid-state imaging device 20 according to the first embodiment includes a low concentration p-type well region 2 on the surface portion of an n-type semiconductor substrate 1, and a photodiode PD in the low concentration p-type well region 2. N-type silicon region 3 and a charge transfer portion 4 made of an n-type semiconductor region in the vertical transfer portion V, and each charge transfer portion 4 and the n-type silicon region 3 of the photodiode PD of an adjacent pixel. Is provided with a pixel separation portion 5 made of a p-type semiconductor region. A gate electrode 7 serving as a charge transfer electrode is provided on the charge transfer unit 4 and the pixel separation unit 5 via a gate insulating film 6, and an insulating surface made of a thermal oxide film or the like is formed on the upper surface and side walls of the gate electrode 7. A light shielding film 9 as a light shielding portion made of a tungsten (W) film or the like is provided through the film 8. Further, a thin insulating film 10 made of an oxide film or the like is formed on the upper surface and side walls of the light shielding film 9.

フォトダイオード部PDは、p型ウェル領域2の深部にn型シリコン領域3が選択的に設けられ、その上にn型シリコン領域3’が遮光膜9の開口部aを通って上方に延伸するように設けられている。このn型シリコン領域3’は、絶縁膜10上に一部重なるように設けられており、その上面が遮光膜9の上面よりも高くなるように形成されている。これにより、フォトダイオード部PDの最上部の表面が遮光膜9の最上部の表面よりも高くなり、受光部としてのn型シリコン領域3’とその上方のオンチップレンズとの距離が大幅に短くなっている。このため、集光効率を高めるために受光部(フォトダイオード部PDの表面部)とオンチップレンズとの間に層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部PDの表面に集光させることができる。オンチップレンズは、図2には示していないが、フォトダイオード部PDに光を集光させるために、フォトダイオード部PDの上方に設けられている。   In the photodiode portion PD, an n-type silicon region 3 is selectively provided in a deep portion of the p-type well region 2, and an n-type silicon region 3 ′ extends upward through the opening a of the light shielding film 9 thereon. It is provided as follows. The n-type silicon region 3 ′ is provided so as to partially overlap the insulating film 10, and the upper surface thereof is formed to be higher than the upper surface of the light shielding film 9. As a result, the uppermost surface of the photodiode part PD is higher than the uppermost surface of the light shielding film 9, and the distance between the n-type silicon region 3 ′ as the light receiving part and the on-chip lens thereabove is significantly reduced. It has become. For this reason, in order to improve the light collection efficiency, light can be easily condensed on the surface of the photodiode part PD without providing an inner lens between the light receiving part (the surface part of the photodiode part PD) and the on-chip lens. be able to. Although not shown in FIG. 2, the on-chip lens is provided above the photodiode part PD in order to collect light on the photodiode part PD.

また、n型シリコン領域3’の一部が遮光膜9に平面視でオーバーラップされており、遮光膜9より上部の位置で入射光が受光されて光電変換が行われるため、フォトダイオード部PD以外の領域に光が入射されることにより発生するスミアを大幅に抑制することができる。   Further, a part of the n-type silicon region 3 ′ is overlapped with the light shielding film 9 in plan view, and incident light is received at a position above the light shielding film 9 to perform photoelectric conversion. Smear that occurs when light is incident on a region other than can be significantly suppressed.

さらに、フォトダイオード部PDの幅bの表面積は、遮光膜9の開口部a(b>a)の面積よりも大きく形成されている。このため、画素サイズを微細化して小さくしても、受光部面積は、従来の固体撮像素子のように遮光膜9の開口部aにより制約されず、より広い受光面積を確保することができる。   Furthermore, the surface area of the width b of the photodiode part PD is formed larger than the area of the opening a (b> a) of the light shielding film 9. For this reason, even if the pixel size is reduced and made smaller, the area of the light receiving portion is not limited by the opening a of the light shielding film 9 as in the conventional solid-state imaging device, and a wider light receiving area can be secured.

さらに、フォトダイオード部PDを構成するn型シリコン領域3’の表面部は、断面構造が上に凸の半球状(またはレンズ状)となっている。この半球状部分が凸レンズとしての役割を果たすため、フォトダイオード部PDへの効率的な集光が可能となる。   Further, the surface portion of the n-type silicon region 3 ′ constituting the photodiode portion PD has a hemispherical shape (or a lens shape) having a convex cross-sectional structure. Since this hemispherical portion serves as a convex lens, efficient condensing on the photodiode portion PD becomes possible.

ここで、図1および図2に示す本実施形態1の固体撮像素子20の製造方法について、図3〜図8を用いて詳細に説明する。   Here, the manufacturing method of the solid-state imaging device 20 of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail with reference to FIGS.

図3〜図8は、本実施形態1の固体撮像素子20の製造方法について説明するための各製造工程における要部縦断面図である。   3 to 8 are main part longitudinal cross-sectional views in each manufacturing process for explaining the manufacturing method of the solid-state imaging device 20 of the first embodiment.

まず、図3の半導体領域形成工程、電荷転送部形成工程および画素分離部形成工程に示すように、例えばn型シリコンからなる半導体基板1に、p型ウェル領域2を形成する。さらに、p型ウェル領域2にn型不純物を選択的に導入して、光電変換部のフォトダイオード部PDとなる半導体領域のn型シリコン領域3および、光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部4を形成し、さらに、p型不純物を選択的に導入して、n型シリコン領域3と電荷転送部4間の一方に画素分離部5を形成する。これらはそれぞれ、従来から行われている方法によって形成することが可能であり、そのプロセスについては従来の一般的なプロセスと同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。   First, as shown in the semiconductor region formation step, the charge transfer portion formation step, and the pixel separation portion formation step in FIG. 3, the p-type well region 2 is formed in the semiconductor substrate 1 made of, for example, n-type silicon. Further, an n-type impurity is selectively introduced into the p-type well region 2, and the n-type silicon region 3 of the semiconductor region that becomes the photodiode portion PD of the photoelectric conversion portion and the signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion portion are supplied. A charge transfer portion 4 to be transferred is formed, and a p-type impurity is selectively introduced to form a pixel separation portion 5 on one side between the n-type silicon region 3 and the charge transfer portion 4. Each of these can be formed by a conventional method, and the process thereof is the same as a conventional general process, and thus detailed description thereof is omitted here.

次に、図4の電荷転送電極形成工程に示すように、半導体基板1の表面部に、例えば膜厚30nmの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜6を堆積して、電荷転送部4および画素分離部5上のみ残した所定形状にパターニング形成する。さらに、半導体基板1の電荷転送部4および画素分離部5上の垂直転送部Vに対応する位置に、ゲート絶縁膜6を介して、例えば膜厚200nmのポリシリコンからなる転送ゲート電極7をパターニング形成する。なお、図4には示していないが、水平転送部Hに対応する位置にも転送ゲート電極7を形成する。   Next, as shown in the charge transfer electrode forming step in FIG. 4, a gate insulating film 6 made of, eg, a 30 nm-thick thermal oxide film is deposited on the surface portion of the semiconductor substrate 1 to separate the charge transfer portion 4 and the pixel separation. Patterning is performed in a predetermined shape that remains only on the portion 5. Further, a transfer gate electrode 7 made of polysilicon having a thickness of 200 nm, for example, is patterned through a gate insulating film 6 at positions corresponding to the charge transfer unit 4 and the vertical transfer unit V on the pixel separation unit 5 of the semiconductor substrate 1. Form. Although not shown in FIG. 4, the transfer gate electrode 7 is also formed at a position corresponding to the horizontal transfer portion H.

続いて、例えば基板全面を熱酸化して、図5の遮光膜形成工程に示すように、ゲート電極7上部および側面に厚み50nm程度の酸化膜などからなる絶縁膜8を形成する。その後、例えばCVD法などによって膜厚100nmのタングステン(W)膜などの遮光膜9を基板全面に形成し、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法などによりフォトダイオード部PDのn型シリコン領域3に対応する箇所の遮光膜9を開口させて開口部aを形成する。この遮光膜9としては、アルミニウム(Al)膜や、遮光性が良好な高融点金属膜であるチタン(Ti)膜、チタンナイトライド(TiN)膜、タングステンシリサイド(WSi)膜、タングステン(W)膜、またはそれらの複合膜を用いることができる。   Subsequently, for example, the entire surface of the substrate is thermally oxidized to form an insulating film 8 made of an oxide film having a thickness of about 50 nm on the top and side surfaces of the gate electrode 7 as shown in the light shielding film forming step of FIG. Thereafter, a light-shielding film 9 such as a tungsten (W) film having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface of the substrate by, eg, CVD, and corresponds to the n-type silicon region 3 of the photodiode portion PD by photolithography, dry etching, or the like. An opening a is formed by opening the light shielding film 9 at the location. As the light shielding film 9, an aluminum (Al) film, a titanium (Ti) film that is a refractory metal film having a good light shielding property, a titanium nitride (TiN) film, a tungsten silicide (WSi) film, or tungsten (W). A membrane or a composite membrane thereof can be used.

その後、遮光膜9を被覆するように基板全面に、CVD法などにより例えば膜厚50nmのシリコン酸化膜などからなる絶縁膜10を形成し、図6の絶縁膜形成工程に示すようにフォトダイオード部PDのn型シリコン領域3に対応する箇所の絶縁膜10をフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて選択的に除去して開口部を形成し、n型シリコン領域3の表面を露出させる。   Thereafter, an insulating film 10 made of, for example, a 50 nm-thickness silicon oxide film is formed on the entire surface of the substrate so as to cover the light-shielding film 9, and a photodiode portion is formed as shown in the insulating film forming step of FIG. The insulating film 10 corresponding to the n-type silicon region 3 of the PD is selectively removed using a photolithography method and a dry etching method to form an opening, and the surface of the n-type silicon region 3 is exposed.

さらに、図7の半導体層形成工程に示すように、選択エピタキシャル成長法を用いて、PHなどのN不純物ガスを含ませながら、露出したn型シリコン領域3上に選択的に、光電変換部を構成する半導体層のn型シリコン層3’を形成する。選択的エピタキシャル成長時には、600℃〜800℃の温度下、11E−3Pa〜5E−2Paの圧力で、原料ガスとして例えばジシラン(Si)をH雰囲気中に流すことによって、単結晶シリコン層3’を高さ方向に絶縁膜10の表面の一部を平面視で被覆するまで成長させることができる。さらに、シリコン層3’を成長させる方法としては、選択的エピタキシャル成長法以外にも、例えばn型不純物を導入したCVD法などによって基板全面にアモルファスシリコンなどのシリコン層を形成してもよい。この場合には、ゲート電極7間にシリコン層3’が充填されるように膜厚を適宜設定する。これによって、半導体領域の露出n型シリコン領域3および絶縁膜10上に、光電変換部を構成する半導体層のシリコン層3’を、シリコン層3’の最上の表面が遮光膜9の表面の高さよりも高く形成することができる。 Further, as shown in the semiconductor layer formation step of FIG. 7, a photoelectric conversion unit is selectively formed on the exposed n-type silicon region 3 while including an N + impurity gas such as PH 3 by using a selective epitaxial growth method. An n-type silicon layer 3 ′, which is a semiconductor layer constituting the, is formed. At the time of selective epitaxial growth, for example, disilane (Si 2 H 6 ) as a source gas is allowed to flow in an H 2 atmosphere at a pressure of 11E-3 Pa to 5E-2 Pa at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C. 3 ′ can be grown in the height direction until a part of the surface of the insulating film 10 is covered in plan view. Further, as a method for growing the silicon layer 3 ′, a silicon layer such as amorphous silicon may be formed on the entire surface of the substrate by, for example, a CVD method in which an n-type impurity is introduced, in addition to the selective epitaxial growth method. In this case, the film thickness is appropriately set so that the silicon layer 3 ′ is filled between the gate electrodes 7. Thus, the silicon layer 3 ′ of the semiconductor layer constituting the photoelectric conversion portion is formed on the exposed n-type silicon region 3 and the insulating film 10 of the semiconductor region, and the uppermost surface of the silicon layer 3 ′ is higher than the surface of the light shielding film 9. Higher than the thickness.

その後、図8の半導体層パターンニング工程に示すように、受光部としてシリコン領域3’を、遮光膜9の開口部aよりも面積が大きく、一部が遮光膜9上の絶縁膜10にオーバーラップするようにパターン形成して画素部間を所定距離だけ分離する。このシリコン領域3’の分離加工時には、例えばレジストエッチングバック法を用いて半球状(半球面状)のレジスト形状を転写させる方法により、シリコン領域3’の表面を上に凸の半球状に加工することができる。このようにして、半導体層のシリコン領域3’が絶縁膜10上に一部重なりかつシリコン領域3’の表面積が絶縁膜10または遮光膜9の開口部の面積よりも広くなるようにシリコン領域3’を所定形状(平面視正方形または矩形、円形でもよい)にパターンニングする。   Thereafter, as shown in the semiconductor layer patterning step of FIG. 8, the silicon region 3 ′ as the light receiving portion has a larger area than the opening a of the light shielding film 9, and a part thereof overlies the insulating film 10 on the light shielding film 9. A pattern is formed to wrap and the pixel portions are separated by a predetermined distance. At the time of separation processing of the silicon region 3 ′, the surface of the silicon region 3 ′ is processed into a convex hemisphere by, for example, a method of transferring a hemispherical (hemispherical) resist shape using a resist etching back method. be able to. In this way, the silicon region 3 ′ of the semiconductor layer partially overlaps the insulating film 10, and the silicon region 3 ′ has a surface area larger than the area of the opening of the insulating film 10 or the light shielding film 9. 'Is patterned into a predetermined shape (which may be square, rectangular or circular in plan view).

さらに、図2に示すように、n型シリコン領域3’の表面に、選択的に高濃度p型領域11を形成して暗電流防止層とする。この高濃度p型領域を形成するための不純物導入は、例えばシリコン層3’を加工する前に(加工後に不純物導入を行うこともできる)行われる。さらに、ここでは図示していないが、n型シリコン領域3’を分離加工した後に、n型シリコン領域3’表面を酸化させることなどにより暗電流防止層を形成してもよい。   Further, as shown in FIG. 2, a high-concentration p-type region 11 is selectively formed on the surface of the n-type silicon region 3 'to form a dark current prevention layer. Impurity introduction for forming this high-concentration p-type region is performed, for example, before the silicon layer 3 ′ is processed (impurity can be introduced after the processing). Further, although not shown here, the dark current prevention layer may be formed by, for example, oxidizing the surface of the n-type silicon region 3 ′ after separating the n-type silicon region 3 ′.

その後、プラズマCVD法などによりシリコンナイトライドなどのパッシベーション膜を形成し、カラーフィルタやオンチップレンズなどを形成して固体撮像素子の作製を完了する。   Thereafter, a passivation film such as silicon nitride is formed by a plasma CVD method or the like, a color filter, an on-chip lens, or the like is formed to complete the production of the solid-state imaging device.

上記製造方法によれば、遮光膜9の開口面積が小さくなって遮光膜9がフォトダイオード部PDの一部を覆ってしまったり、遮光膜9とフォトダイオード部PDのアライメントずれが生じた場合でも、その後でフォトダイオード部PDの表面積を拡大することできるため、小型で高感度な固体撮像素子20を製造することが可能となる。光電変換部のn型シリコン領域3’の表面部の平面視位置が遮光膜9の開口部のアライメントずれに対して、n型シリコン領域3’の所定形状のパターンニング時にアライメントずれを修正して正規の位置に調整可能とされている。
(実施形態2)
上記実施形態1では、光電変換部のシリコン層3’の表面が、球面状で、遮光膜9の表面よりも高く形成されている場合について説明したが、本実施形態2では、光電変換部のシリコン層3’の表面が、平面状で、遮光膜9の表面の高さ位置と同等の場合について説明する。
According to the above manufacturing method, even when the opening area of the light shielding film 9 is reduced and the light shielding film 9 covers a part of the photodiode part PD, or the alignment deviation between the light shielding film 9 and the photodiode part PD occurs. Then, since the surface area of the photodiode part PD can be increased, a small and highly sensitive solid-state imaging device 20 can be manufactured. The positional deviation of the surface portion of the n-type silicon region 3 ′ of the photoelectric conversion portion is corrected when the n-type silicon region 3 ′ is patterned in a predetermined shape with respect to the alignment displacement of the opening of the light shielding film 9. It can be adjusted to the normal position.
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where the surface of the silicon layer 3 ′ of the photoelectric conversion unit is spherical and formed higher than the surface of the light shielding film 9 has been described, but in the second embodiment, the photoelectric conversion unit A case will be described in which the surface of the silicon layer 3 ′ is planar and is equivalent to the height position of the surface of the light shielding film 9.

図9は、本発明の実施形態2に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す縦断面図であって、図1のA−A’方向と同じ方向の縦断面図である。   FIG. 9 is a vertical cross-sectional view illustrating an exemplary configuration of a main part of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and is a vertical cross-sectional view in the same direction as the A-A ′ direction in FIG. 1.

図9において、本実施形態2の固体撮像素子30において、フォトダイオード部PDは、p型ウェル領域2の深部に光電変換部のn型シリコン領域3が選択的に設けられ、その上にn型シリコン領域3’が遮光膜9の開口部aを通って上方に延伸するように設けられている。この場合、遮光膜9の開口部aが穴部で構成されており、n型シリコン領域3’ががこの穴部内の全部を埋め込んでいる。このn型シリコン領域3’は、平面視で絶縁膜10上に一部重なるように設けられており、その上面が遮光膜9の上面と同等の高さ位置に形成されている。即ち、光電変換部のn型シリコン領域3’の表面が、遮光膜9の開口部aの上端部の高さ位置と同等の位置である。これにより、フォトダイオード部PDの最上部の表面が遮光膜9の最上部の表面と同等の高さになり、受光部としてのn型シリコン領域3’とその上方のオンチップレンズとの距離が従来に比べて縮小されている。このため、集光効率を高めるために受光部(フォトダイオード部PDの表面部)とオンチップレンズとの間に層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部PDの表面に集光させることができる。このオンチップレンズは、図2には示していないが、フォトダイオード部PDに光を集光させるために、フォトダイオード部PDの上方に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられ、このカラーフィルタ層上に層間絶縁層を介して設けられている。   In FIG. 9, in the solid-state imaging device 30 according to the second embodiment, the photodiode portion PD is selectively provided with the n-type silicon region 3 of the photoelectric conversion portion in the deep portion of the p-type well region 2 and on the n-type silicon region 3. The silicon region 3 ′ is provided so as to extend upward through the opening a of the light shielding film 9. In this case, the opening “a” of the light shielding film 9 is formed of a hole, and the n-type silicon region 3 ′ fills the entire hole. The n-type silicon region 3 ′ is provided so as to partially overlap the insulating film 10 in plan view, and its upper surface is formed at a height position equivalent to the upper surface of the light shielding film 9. That is, the surface of the n-type silicon region 3 ′ of the photoelectric conversion portion is a position equivalent to the height position of the upper end portion of the opening a of the light shielding film 9. As a result, the uppermost surface of the photodiode part PD has the same height as the uppermost surface of the light shielding film 9, and the distance between the n-type silicon region 3 ′ serving as the light receiving part and the on-chip lens thereabove is increased. It is reduced compared to the conventional one. For this reason, in order to improve the light collection efficiency, light can be easily condensed on the surface of the photodiode part PD without providing an inner lens between the light receiving part (the surface part of the photodiode part PD) and the on-chip lens. be able to. Although this on-chip lens is not shown in FIG. 2, a color filter layer is provided above the photodiode portion PD via a flattening layer to collect light on the photodiode portion PD. It is provided on the filter layer via an interlayer insulating layer.

また、n型シリコン領域3’の一部が遮光膜9に平面視でオーバーラップされており、遮光膜9より上部の位置で入射光が受光されて光電変換が行われるため、フォトダイオード部PD以外の領域に光が入射されることにより発生するスミアを大幅に抑制することができる。   Further, a part of the n-type silicon region 3 ′ is overlapped with the light shielding film 9 in plan view, and incident light is received at a position above the light shielding film 9 to perform photoelectric conversion. Smear that occurs when light is incident on a region other than can be significantly suppressed.

さらに、フォトダイオード部PDの幅b’の表面積は、遮光膜9の開口部a(b>a)の面積よりも大きく形成されている。このため、画素サイズを微細化して小さくしても、受光部面積は、従来の固体撮像素子のように遮光膜9の開口部aにより制約されず、より広い受光面積を確保することができる。   Further, the surface area of the width b ′ of the photodiode part PD is formed larger than the area of the opening a (b> a) of the light shielding film 9. For this reason, even if the pixel size is reduced and made smaller, the area of the light receiving portion is not limited by the opening a of the light shielding film 9 as in the conventional solid-state imaging device, and a wider light receiving area can be secured.

さらに、フォトダイオード部PDを構成するn型シリコン領域3’の表面は、平面状となっている。即ち、n型シリコン領域3’の表面が、遮光膜9の開口部9aの上端部の高さ位置と同等の位置に形成されており、その表面が平面状である。この場合のn型シリコン領域3’の表面部の平面視位置も遮光膜9の開口部のアライメントずれに対して、n型シリコン領域3’の所定形状のパターンニング時にアライメントずれを修正して正規の位置に調整可能とされている。   Further, the surface of the n-type silicon region 3 'constituting the photodiode part PD is planar. That is, the surface of the n-type silicon region 3 ′ is formed at a position equivalent to the height position of the upper end portion of the opening 9 a of the light shielding film 9, and the surface is planar. In this case, the position of the surface of the n-type silicon region 3 ′ in plan view is also corrected by correcting the misalignment during patterning of the predetermined shape of the n-type silicon region 3 ′ with respect to the misalignment of the opening of the light shielding film 9. The position can be adjusted.

さらに、遮光膜9は、金属配線層として兼用することもできる。遮光膜9の材質としては、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜などがある。   Furthermore, the light shielding film 9 can also be used as a metal wiring layer. Examples of the material of the light shielding film 9 include an aluminum film, a refractory metal film made of titanium, titanium nitride, tungsten nitride, tungsten silicide, or tungsten, or a composite film thereof.

さらに、n型シリコン領域3’の表面を平面状に形成することにより、段差がより少ないことから、その上の層間絶縁膜(図示せず)や平坦化膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。   Further, since the surface of the n-type silicon region 3 ′ is formed in a planar shape, there are fewer steps, so that an interlayer insulating film (not shown) and a planarizing film thereon can be made thinner, and on-chip The distance between the lens and the photoelectric conversion unit can be made shorter.

以上により、上記実施形態1,2の固体撮像素子20,30によれば、フォトダイオード部PDの表面幅bが遮光膜9の表面と同等の高さかまたは遮光膜9の表面よりも高く、従来技術に比べてオンチップレンズとフォトダイオード部との距離が飛躍的に短くなるため、従来技術のように層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部に入射光を集光させることができる。また、遮光膜9の開口部aの面積よりもフォトダイオード部PDの表面積が同等または大きく、画素を微細化して画素サイズを小さくしても、受光面積が遮光膜9の開口面積により制約されないため、より広い受光面積を確保することができる。さらに、フォトダイオード部PDの表面bが上に凸の半球状であれば、これがレンズの役割を果たすため、フォトダイオード部PDへ効率的に入射光を集光させることができる。したがって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行い、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子20,30を得ることができる。
(実施形態3)
上記実施形態1,2では、本発明をCCD型イメージセンサに適用した例について説明したが、本発明の固体撮像素子はCCD型イメージセンサに限定されず、本実施形態3では、本発明の固体撮像素子を、多層配線構造を有するCMOS型イメージセンサに適用した場合について説明する。
As described above, according to the solid-state imaging devices 20 and 30 of the first and second embodiments, the surface width b of the photodiode portion PD is equal to the surface of the light shielding film 9 or higher than the surface of the light shielding film 9. Compared with technology, the distance between the on-chip lens and the photodiode portion is dramatically shortened, so that incident light can be easily condensed on the photodiode portion without providing an inner lens as in the prior art. it can. Further, the surface area of the photodiode portion PD is equal to or larger than the area of the opening a of the light shielding film 9, and even if the pixel size is reduced by reducing the pixel size, the light receiving area is not limited by the opening area of the light shielding film 9. A wider light receiving area can be ensured. Furthermore, if the surface b of the photodiode part PD is an upwardly convex hemisphere, this serves as a lens, so that incident light can be efficiently condensed onto the photodiode part PD. Therefore, in response to the miniaturization of the element, it is possible to effectively collect light on the photoelectric conversion unit, secure a light receiving area, and obtain the small and highly sensitive solid-state imaging elements 20 and 30.
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the example in which the present invention is applied to the CCD image sensor has been described. However, the solid-state imaging device of the present invention is not limited to the CCD image sensor. In the third embodiment, the solid-state image sensor of the present invention is used. A case where the imaging element is applied to a CMOS image sensor having a multilayer wiring structure will be described.

CMOS型イメージセンサの製造時には、最上層の金属配線層(後述する図11の配線116)を形成して、その配線層を絶縁膜(後述する図11の層間絶縁膜117)で被覆した後、フォトダイオード部PD(後述する図11の光センサ104)上に接するまで絶縁膜(後述する図11の層間絶縁膜108,111,114,117)に開口部(後述する図11のホール118)を形成する。その絶縁膜の開口部内にシリコン層(後述する図12のシリコン層119)を成長させて絶縁膜上に一部重なるように形成し、このように、平面視で所定形状にパターン形成することにより配線層116(上記実施形態1,2では遮光膜9)の上端部よりも表面が高く、図13で後述する表面積が大きいシリコン領域119A(上記実施形態1ではn型シリコン領域3’)を形成することができる。   At the time of manufacturing the CMOS type image sensor, after forming the uppermost metal wiring layer (wiring 116 in FIG. 11 described later) and covering the wiring layer with an insulating film (interlayer insulating film 117 in FIG. 11 described later), Openings (holes 118 in FIG. 11 to be described later) are formed in the insulating films (interlayer insulating films 108, 111, 114, and 117 in FIG. 11 to be described later) until they are in contact with the photodiode portion PD (the optical sensor 104 in FIG. 11 to be described later). Form. A silicon layer (silicon layer 119 in FIG. 12 described later) is grown in the opening of the insulating film and formed so as to partially overlap the insulating film. Thus, by patterning in a predetermined shape in plan view, A silicon region 119A (n-type silicon region 3 ′ in the first embodiment) having a surface higher than the upper end portion of the wiring layer 116 (the light shielding film 9 in the first and second embodiments) and having a large surface area described later with reference to FIG. 13 is formed. can do.

以上を更に詳細に説明する。   The above will be described in more detail.

CMOS型イメージセンサは、例えば図10の遮光部形成工程に示すように、半導体基板102上に、光センサ104、フローティングディフュージョン部106、センサ周辺回路(詳細は不図示)、電荷転送ゲート105、トランジスタゲート107およびフィールド酸化膜103と、その上部に表面が平坦化されたシリコン酸化膜による1層目の層間絶縁膜108が形成され、その上に、例えばフローティングディフュージョン部106にコンタクトプラグ109により接続された1層目の配線、たとえばアルミニウム配線110が形成されている。   For example, as shown in the light shielding part forming step of FIG. 10, the CMOS type image sensor has an optical sensor 104, a floating diffusion part 106, a sensor peripheral circuit (details not shown), a charge transfer gate 105, a transistor on a semiconductor substrate 102. A gate 107 and a field oxide film 103, and a first interlayer insulating film 108 made of a silicon oxide film having a flattened surface are formed on the gate 107 and the field oxide film 103, and are connected to, for example, a floating diffusion portion 106 by a contact plug 109. A first-layer wiring, for example, an aluminum wiring 110 is formed.

さらに、層間絶縁膜108および第1層配線110上には、同じく表面が平坦化されたシリコン酸化膜による2層目の層間絶縁膜111が形成され、その上に2層目の配線113が、層間絶縁膜111および第2層配線113の上にさらに、表面が平坦化された、たとえばシリコン酸化膜による3層目の層間絶縁膜114が形成され、その上に最上層(3層目)の配線116が形成されている。各層の配線は、各コンタクトプラグにより接続され、本実施形態3では、センサ周辺部の配線110、113、116はコンタクトプラグ112、115により相互に接続されている。最上層の配線116および配線116の側部に露出している層間絶縁膜114の表面上には、たとえばシリコン酸化膜とCMP(化学的機械的研磨)などを用いて平坦化された層間絶縁膜117が形成されている。   Further, on the interlayer insulating film 108 and the first layer wiring 110, a second interlayer insulating film 111 made of a silicon oxide film whose surface is also flattened is formed. On the interlayer insulating film 111 and the second-layer wiring 113, a third-layer interlayer insulating film 114 made of, for example, a silicon oxide film having a planarized surface is formed, and an uppermost layer (third layer) is formed thereon. A wiring 116 is formed. The wirings of the respective layers are connected by contact plugs. In the third embodiment, the wirings 110, 113, and 116 in the sensor peripheral portion are connected to each other by contact plugs 112 and 115. On the surface of the uppermost wiring 116 and the surface of the interlayer insulating film 114 exposed at the side of the wiring 116, an interlayer insulating film planarized by using, for example, a silicon oxide film and CMP (chemical mechanical polishing) or the like. 117 is formed.

ここで、図示しないが、従来の製造方法では、この図10の遮光部形成工程(上記実施形態1,2では遮光膜形成工程であるが、本実施形態3では多層配線層形成工程)の後に、パッシベーション膜と、カラーフィルタ、さらにその上にオンチップマイクロレンズが形成してCMOS型イメージセンサが構成されている。   Here, although not shown in the drawings, in the conventional manufacturing method, after the light shielding portion forming step (the light shielding film forming step in the first and second embodiments, the multilayer wiring layer forming step in the third embodiment) in FIG. A CMOS image sensor is configured by forming a passivation film, a color filter, and an on-chip microlens thereon.

本実施形態3では、まず、図10の配線層形成工程の後、図11のホール形成工程に示すように、層間絶縁膜117、114、111、108をそれぞれ開口し、センサ部104上に接続するホール(コンタクトホール)118を形成する。   In the third embodiment, first, after the wiring layer forming process of FIG. 10, as shown in the hole forming process of FIG. 11, the interlayer insulating films 117, 114, 111, and 108 are opened and connected on the sensor unit 104. A hole (contact hole) 118 to be formed is formed.

次に、図12の半導体層形成工程に示すように、上記実施形態1の場合と同様に、層間絶縁膜117およびホール118(基板部)上にシリコン層119を形成し、シリコン層119をホール118内に充填させる。   Next, as shown in the semiconductor layer formation step in FIG. 12, a silicon layer 119 is formed on the interlayer insulating film 117 and the hole 118 (substrate portion), as in the case of the first embodiment, and the silicon layer 119 is formed in the hole. 118 is filled.

さらに、図13の半導体層パターニング工程に示すように、層間絶縁膜117上に平面視で一部重なるように所定形状(正方形、矩形および円形など)に形成し、このようにパターン形成することにより、最上層の配線116よりも表面が高く、層間絶縁膜117の表面部からセンサ部104上に至るシリコン領域119A(例えばフォトダイオード部を構成するn型シリコン領域)を形成することができる。   Further, as shown in the semiconductor layer patterning step of FIG. 13, a predetermined shape (such as a square, a rectangle and a circle) is formed on the interlayer insulating film 117 so as to partially overlap in plan view. A silicon region 119A (for example, an n-type silicon region constituting the photodiode portion) having a surface higher than the uppermost wiring 116 and extending from the surface portion of the interlayer insulating film 117 to the sensor portion 104 can be formed.

このようにして形成したCMOSセンサはシリコン領域119Aを介してセンサ部104で受光して生成した信号電荷は電荷転送ゲート105によってフローティングディフュージョン部106へ供給され、このフローティングディフュージョン部106において電圧信号に変換されて、図示しない増幅トランジスタのゲートに供給され、ここで増幅されて撮像信号として取り出される。   In the CMOS sensor formed in this way, the signal charge generated by receiving light by the sensor unit 104 through the silicon region 119A is supplied to the floating diffusion unit 106 by the charge transfer gate 105, and converted into a voltage signal in the floating diffusion unit 106. Then, it is supplied to the gate of an amplification transistor (not shown), where it is amplified and taken out as an imaging signal.

したがって、本実施形態3においても、上記実施形態1,2の場合と同様の効果を得ることができるものである。   Therefore, also in the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.

なお、上記実施形態1、2では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたが、これに限らず、第1導電型をp型、第2導電型をn型とすることもできる。上記実施形態3でも、上記実施形態1、2の場合と同様のことが言える。   In the first and second embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the present invention is not limited to this, and the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. You can also In the third embodiment, the same can be said as in the first and second embodiments.

また、上記実施形態1〜3では、特に説明しなかったが、上記実施形態1〜3での固体撮像素子20,30のいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態1、2の固体撮像装置20,30のいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷(印字)して出力(プリントアウト)する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜3を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜3に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜3の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
Although not particularly described in the first to third embodiments, for example, a digital video camera or a digital still camera using any of the solid-state imaging devices 20 and 30 in the first to third embodiments as an imaging unit. An electronic information device having an image input device such as a digital camera, an image input camera such as a surveillance camera, a door phone camera, an in-vehicle camera, a television telephone camera, a scanner, a facsimile, or a camera-equipped mobile phone device will be described. The electronic information device according to the present invention performs high-quality image data obtained by using any one of the solid-state imaging devices 20 and 30 according to Embodiments 1 and 2 of the present invention as an imaging unit, and performs predetermined signal processing for recording. A memory unit such as a recording medium for recording data, a display means such as a liquid crystal display device that displays the image data on a display screen such as a liquid crystal display screen after performing predetermined signal processing for display, and the image data for communication At least one of a communication unit such as a transmission / reception device that performs communication processing after predetermined signal processing, and an image output unit that prints (prints) and outputs (prints out) the image data. .
As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-3 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-3. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments 1 to 3 of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.

本発明は、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、光電変換部の表面が、遮光膜の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離を短くでき、かつ遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広く構成することができる。これによって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行うことができて、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。また、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。さらに、遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部とのアライメントずれが生じた場合であっても、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置調整したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を製造できる。   The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor composed of a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject by a photoelectric conversion unit and images the same, a manufacturing method thereof, and a solid-state imaging device. The surface of the photoelectric conversion unit in the field of digital information cameras such as digital video cameras and digital still cameras used as image input devices and image information cameras, scanners, facsimiles, camera-equipped mobile phone devices, etc. However, since it is formed higher than the surface of the light shielding film, the distance between the on-chip lens and the photoelectric conversion part can be shortened, and the surface area of the photoelectric conversion part should be larger than the area of the opening of the light shielding film. Can do. Accordingly, it is possible to effectively collect light on the photoelectric conversion unit corresponding to the miniaturization of the element, and to secure a light receiving area and to realize a small and highly sensitive solid-state imaging device. . Further, by forming the surface of the photoelectric conversion portion in a planar shape, the interlayer insulating film thereon can be made thinner and the distance between the on-chip lens and the photoelectric conversion portion can be made shorter. Furthermore, even if the light shielding film covers a part of the photoelectric conversion unit, or the alignment deviation between the light shielding film and the photoelectric conversion unit occurs, the surface area of the photoelectric conversion unit is subsequently increased or the photoelectric conversion unit Therefore, a small and highly sensitive solid-state imaging device can be manufactured.

本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part structural example of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1のA−A’方向の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the A-A 'direction of FIG. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体領域形成工程、電荷転送部形成工程および画素分離部形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the semiconductor region formation process, charge transfer part formation process, and pixel separation part formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための電荷転送電極形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the charge transfer electrode formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための遮光膜形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the light shielding film formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための絶縁膜形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the insulating film formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the semiconductor layer formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る固体撮像素子の製造方法について説明するためのの半導体層パターンニング工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the semiconductor layer patterning process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す縦断面図であって、図1のA−A’方向と同じ方向の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the principal part structural example of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention, Comprising: It is a longitudinal cross-sectional view of the same direction as the A-A 'direction of FIG. 本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための配線層形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the wiring layer formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の製造方法について説明するためのホール形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the hole formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層形成工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the semiconductor layer formation process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層パターンニング工程における要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view in the semiconductor layer patterning process for demonstrating the manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 n型半導体基板
2 p型ウェル領域
3、3’、119A フォトダイオード部を構成するn型シリコン領域
4 電荷転送部
5 画素分離部
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8、10 絶縁膜
9 遮光膜
11 p型高濃度領域(暗電流防止層)
20,30 固体撮像素子
V 垂直転送部
H 水平転送部
a 遮光膜の開口部
b フォトダイオード部の表面幅
1 n-type semiconductor substrate 2 p-type well region 3, 3 ′, 119A n-type silicon region constituting photodiode portion 4 charge transfer portion 5 pixel separation portion 6 gate insulating film 7 gate electrode 8, 10 insulating film 9 light shielding film 11 p-type high concentration region (dark current prevention layer)
20, 30 Solid-state imaging device V Vertical transfer portion H Horizontal transfer portion a Opening of light shielding film b Surface width of photodiode portion

Claims (26)

基板に形成された複数の光電変換部と、該光電変換部に対応して開口部を有する遮光部とが設けられ、該光電変換部の表面が、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成されている固体撮像素子。   A plurality of photoelectric conversion parts formed on the substrate and a light shielding part having an opening corresponding to the photoelectric conversion part are provided, and the surface of the photoelectric conversion part is equal to the height position of the surface of the light shielding part Or a solid-state imaging device formed higher than the surface of the light shielding portion. 前記光電変換部の表面積が、前記遮光部の開口部の面積よりも広く形成されている請求項1に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a surface area of the photoelectric conversion unit is formed wider than an area of an opening of the light shielding unit. 前記光電変換部の表面部が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されている請求項1または2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a surface portion of the photoelectric conversion portion is formed in a convex hemispherical shape or a lens shape. 前記光電変換部の表面の少なくとも一部が、前記遮光部の開口部の上端部の高さ位置と同等かまたは、該上端部よりも上方に形成されている請求項1または2に記載の固体撮像素子。   3. The solid according to claim 1, wherein at least a part of the surface of the photoelectric conversion unit is equal to or higher than a height position of an upper end of the opening of the light shielding unit. Image sensor. 前記遮光部の開口部が穴部で構成されており、前記光電変換部が該穴部内の全部を埋め込んでいる請求項1または4に記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an opening of the light shielding portion is configured by a hole, and the photoelectric conversion unit embeds the entire inside of the hole. 前記光電変換部の表面が平面状または球面状に形成されている請求項4または5に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 4, wherein a surface of the photoelectric conversion unit is formed in a planar shape or a spherical shape. 前記光電変換部の表面部の平面視位置が前記遮光部の開口部のアライメントずれに対して、該光電変換部のパターンニング時に該アライメントずれを補正するように調整されている請求項1または4に記載の固体撮像素子。   The planar view position of the surface part of the said photoelectric conversion part is adjusted with respect to the alignment shift | offset | difference of the opening part of the said light-shielding part so that this alignment shift | offset | difference may be corrected at the time of patterning of this photoelectric conversion part. The solid-state image sensor described in 1. 前記光電変換部は、フォトダイオード部からなり、第1導電型半導体基板表面に形成された第2導電型ウェル領域に選択的に形成された第1導電型半導体領域と、該第1導電型半導体領域上に、前記遮光部の開口部を通して、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成された他の第1導電型半導体領域とを有する請求項1または4に記載の固体撮像素子。   The photoelectric conversion unit includes a photodiode unit, a first conductivity type semiconductor region selectively formed in a second conductivity type well region formed on the surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and the first conductivity type semiconductor 2. Another first conductivity type semiconductor region formed on the region through the opening of the light shielding portion, the height of the surface of the light shielding portion is equal to or higher than the surface of the light shielding portion. 5. The solid-state image sensor according to 1 or 4. 前記フォトダイオード部は、前記他の第1導電型半導体領域上に高濃度第2導電型半導体領域または前記第1導電型半導体層の酸化膜からなる暗電流防止層を有する請求項8に記載の固体撮像素子。   The said photodiode part has a dark current prevention layer which consists of an oxide film of a high concentration 2nd conductivity type semiconductor region or the said 1st conductivity type semiconductor layer on said other 1st conductivity type semiconductor region. Solid-state image sensor. 前記第1導電型半導体領域がn型シリコンからなり、前記高濃度第2導電型半導体領域がp型シリコンからなっているかまたは、該第1導電型半導体領域がp型シリコンからなり、該高濃度第2導電型半導体領域がn型シリコンからなっている請求項9に記載の固体撮像素子。   The first conductivity type semiconductor region is made of n-type silicon, and the high concentration second conductivity type semiconductor region is made of p type silicon, or the first conductivity type semiconductor region is made of p type silicon, and the high concentration The solid-state imaging device according to claim 9, wherein the second conductivity type semiconductor region is made of n-type silicon. 前記遮光部上と前記光電変換部との間に絶縁膜が設けられている請求項1、2、4および5のいずれかに記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an insulating film is provided between the light shielding unit and the photoelectric conversion unit. 前記遮光部上を被覆しかつ前記第1導電型半導体領域に対応して開口部を有する絶縁膜が設けられ、該第1導電型半導体領域および該絶縁膜上に前記他の第1導電型半導体領域が形成されている請求項8に記載の固体撮像素子。   An insulating film covering the light shielding portion and having an opening corresponding to the first conductive type semiconductor region is provided, and the other first conductive type semiconductor is provided on the first conductive type semiconductor region and the insulating film. The solid-state imaging device according to claim 8, wherein a region is formed. 前記遮光部は、遮光膜または金属配線層として兼用されている請求項1、2、4、5、7、8、11および12のいずれかに記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light-shielding portion is also used as a light-shielding film or a metal wiring layer. 前記遮光部は、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜である請求項1、2、4、5、7、8および11〜13のいずれかに記載の固体撮像素子。   9. The light shielding portion is an aluminum film, a refractory metal film made of titanium, titanium nitride, tungsten nitride, tungsten silicide or tungsten, or a composite film thereof. And the solid-state imaging device according to any one of 11 to 13. 前記光電変換部に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部が設けられ、該電荷転送電部上にゲート絶縁膜を介して、該電荷転送電部による信号電荷の転送を制御するための電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上を覆うように絶縁膜を介して前記遮光部が設けられている請求項1に記載の固体撮像素子。   Adjacent to the photoelectric conversion unit, a charge transfer unit that transfers the signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit is provided, and the charge transfer unit is provided on the charge transfer unit through a gate insulating film. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a charge transfer electrode for controlling transfer of signal charge is provided, and the light shielding portion is provided via an insulating film so as to cover the charge transfer electrode. 前記光電変換部上に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられている請求項1または15に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a color filter layer is provided on the photoelectric conversion unit via a flattening layer. 前記カラーフィルタ層上に層間絶縁層を介してオンチップレンズが設けられている請求項16に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 16, wherein an on-chip lens is provided on the color filter layer via an interlayer insulating layer. CCD型イメージセンサであって、前記遮光部として遮光膜を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は前記遮光膜の最上表面の高さ位置である請求項13または15に記載の固体撮像素子。   16. A solid-state imaging device according to claim 13, wherein the image sensor has a light shielding film as the light shielding part, and a height position of a surface of the light shielding part is a height position of an uppermost surface of the light shielding film. element. 前記金属配線層は、前記遮光部として、前記複数の光電変換部上をそれぞれ避けるように形成されており、該金属配線層上を被覆した絶縁膜に該光電変換部上に接する位置まで該絶縁膜に設けられた開口部内に半導体層が充填されている請求項13に記載の固体撮像素子。   The metal wiring layer is formed as the light-shielding portion so as to avoid the plurality of photoelectric conversion portions, and the insulating film covering the metal wiring layer is insulated up to a position in contact with the photoelectric conversion portion. The solid-state imaging device according to claim 13, wherein a semiconductor layer is filled in an opening provided in the film. CMOS型イメージセンサであって、前記金属配線層として多層配線層を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は該多層配線層の最上層の表面の高さ位置である請求項13または19に記載の固体撮像素子。   20. A CMOS type image sensor, comprising a multilayer wiring layer as the metal wiring layer, wherein a height position of the surface of the light shielding portion is a height position of a surface of the uppermost layer of the multilayer wiring layer. The solid-state image sensor described in 1. 半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
該半導体領域に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、
該遮光部および該半導体領域上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、
該半導体層の表面積が該遮光部の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
A semiconductor region forming step of forming a semiconductor region constituting the photoelectric conversion portion on the semiconductor substrate;
A light shielding part forming step of forming a light shielding part having an opening with respect to the semiconductor region;
A semiconductor layer constituting the photoelectric conversion unit is further formed on the light shielding unit and the semiconductor region, and the surface of the semiconductor layer is equal to or higher than the height position of the surface of the light shielding unit. Forming a semiconductor layer; and
And a semiconductor layer patterning step of patterning the semiconductor layer into a predetermined shape so that the surface area of the semiconductor layer is equal to or larger than the area of the opening of the light shielding portion.
半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
該光電変換部に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、
該遮光部を被覆しかつ該半導体領域上に開口部を有する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
該半導体領域および該絶縁膜上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、
該半導体層が該絶縁膜上に一部重なりかつ該半導体層の表面積が該絶縁膜の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
A semiconductor region forming step of forming a semiconductor region constituting the photoelectric conversion portion on the semiconductor substrate;
A light shielding part forming step of forming a light shielding part having an opening with respect to the photoelectric conversion part;
An insulating film forming step of forming an insulating film covering the light shielding portion and having an opening on the semiconductor region;
A semiconductor layer constituting the photoelectric conversion unit is further formed on the semiconductor region and the insulating film, and the surface of the semiconductor layer is equal to or higher than the height position of the surface of the light shielding unit. Forming a semiconductor layer; and
A semiconductor layer that patterns the semiconductor layer into a predetermined shape so that the semiconductor layer partially overlaps the insulating film and the surface area of the semiconductor layer is equal to or larger than the area of the opening of the insulating film A manufacturing method of a solid-state image sensing device including a patterning process.
前記半導体領域および前記半導体層をシリコン材料により形成する請求項21または22に記載の固体撮像素子の製造方法。   23. The method of manufacturing a solid-state imaging element according to claim 21, wherein the semiconductor region and the semiconductor layer are formed of a silicon material. 前記半導体領域形成工程後に、前記光電変換部を構成する半導体領域に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部を形成する電荷転送部形成工程と、該電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極形成工程とをさらに有し、
前記遮光部形成工程は、前記遮光部が該電荷転送電極上を被覆しかつ該半導体領域上を開口するように形成する請求項21または22に記載の固体撮像素子の製造方法。
A charge transfer unit forming step for forming a charge transfer unit for transferring a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit adjacent to a semiconductor region constituting the photoelectric conversion unit after the semiconductor region forming step; A charge transfer electrode forming step of forming a charge transfer electrode on the transfer portion via a gate insulating film,
23. The method of manufacturing a solid-state imaging element according to claim 21, wherein the light shielding part forming step forms the light shielding part so as to cover the charge transfer electrode and to open the semiconductor region.
前記遮光部は、遮光膜または金属配線層で構成されている請求項21または22に記載の固体撮像素子の製造方法。   23. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 21, wherein the light shielding part is configured by a light shielding film or a metal wiring layer. 請求項1〜20のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。   An electronic information device using the solid-state imaging device according to claim 1 as an image input device in an imaging unit.
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