JP2011082399A

JP2011082399A - 固体撮像素子およびその製造方法、半導体装置およびその製造方法、並びに電子情報機器

Info

Publication number: JP2011082399A
Application number: JP2009234631A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fujio; 正之藤尾
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】基板へのダメージなく、固体撮像素子の微細化に対応して効果的な集光を確保できる層内レンズを形成し、これにより、白傷が少なく、小型で感度の高い固体撮像素子１００を得る。
【解決手段】固体撮像素子１００の製造方法において、層間絶縁膜１２を、電荷転送電極８及びこれを覆う遮光膜１０の表面形状である下地形状が反映されるように成膜して、受光部３が位置する、電荷転送電極及び遮光膜により囲まれた領域上に、層間絶縁膜１２の、下地表面の凹凸により接合した部分１４を形成し、その後、該層間絶縁膜１２に対するウエットエッチングを、層間絶縁膜の部分１４から進行させて、受光部３上にその中心が一致した凹形状の井戸部１１をセルフアラインによって該層間絶縁膜１２に形成し、該井戸部１１内に層内レンズ１３を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法、半導体装置およびその製造方法、並びに電子情報機器に関し、特に、下地の段差を反映して形成した層間絶縁膜に断面凹形状の井戸部を精度よく位置決めした固体撮像素子および半導体装置、およびこれらの製造方法、並びに該固体撮像素子を用いた電子情報機器に関するものである。

近年、民生用のデジタルスチルカメラや、カメラ付き携帯電話などのニーズが高まっており、それらに搭載されるＣＣＤ等の固体撮像素子の高画素化や感度特性の向上等の高画質化への取り組みが急ピッチに進んでいる。

固体撮像素子の感度向上は、受光部での集光効率が向上されることで達成される。例えば、特許文献１や特許文献２で開示されているように、受光部上の層間絶縁膜に井戸部としての掘り込みを作り、そこに高屈折率材料を埋め込んで層内レンズとして得られる導波路構造を有する固体撮像素子が提案されている。

固体撮像素子の小型化に際しても、この導波路は、光電変換を行う受光部の直上において、層間絶縁膜中に形成されるレンズとして機能するよう構成されるものである。つまり、この導波路（層内レンズ）は、オンチップレンズと同様にこの層内レンズに入射した光を当該層内レンズの上面側または下面側の界面で屈折させ、斜入射光をも効率よく導波路（層内レンズ）に集め、さらに層間絶縁膜との界面で全反射に繰り返しながら光を漏らすことなく受光部に導くものである。

特開２０００−１５０８４５号公報特開２００８−２３５９３８号公報

しかしながら、従来技術によると、一般的に、導波路となる井戸部の形成は、層間絶縁膜を形成した後に、受光部に対応する部分に開口を有するレジスト膜（レジストパターン）をマスクにして、該層間絶縁膜をドライエッチングによって掘り込んで形成される。

このため、受光部に対してプラズマダメージが混入することになり、結果的に暗時白傷の増加が問題となる。

また、井戸部の形成に用いるレジストパターンの形成は、層間絶縁膜上でフォトリソグラフィー技術を用いて行うので、受光部に対するレジストパターンの位置が適正でないと、導波路となる高屈折率層と受光部との位置ずれが生じて、受光部に対して適正な集光ができなくなり、感度低下などの光学特性の劣化が問題となる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、小型化しても白傷が少なく、感度特性が良好な固体撮像素子及びその製造方法、並びにこのような固体撮像素子を用いた電子情報機器を得ることを目的とする。

また、本発明は、層間絶縁膜に形成した凹形状の井戸部を、該層間絶縁膜下地の凹状部上に正確に位置決めした半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部と、該受光部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部とを備えた固体撮像素子であって、該受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に該受光部を囲むよう設けられ、該電荷転送部を構成する電荷転送電極と、該半導体基板上に該受光部以外の領域を覆うよう形成された遮光膜と、該半導体基板上に、下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該受光部上に位置する部分には凹形状の井戸部が形成されており、該井戸部内には層内レンズが、その中心が該受光部の中心と一致するよう形成されており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記層間絶縁膜の、前記受光部上の領域に形成された井戸部は、該層間絶縁膜の下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差により自己整合的に位置決めされていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記層内レンズは、その表面を凸状に湾曲した形状としたものであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記層内レンズは、その表面を平坦な形状としたものであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記層内レンズは、前記層間絶縁膜の、前記受光部上に形成された井戸部に埋め込まれた埋込み高屈折率膜と、該井戸部上の領域からその周辺の層間絶縁膜上に広がるよう形成された上部高屈折率膜とから構成されていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記高屈折率膜は、屈折率１．８以上の透明絶縁膜であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記屈折率１．８以上の透明絶縁膜は、ポリイミド膜、プラズマ窒化膜、あるいはプラズマ窒化酸化膜であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記層間絶縁膜は、不純物を含むＢＰＳＧ膜であることが好ましい。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部と、該受光部で生成された信号電荷を転送するための電荷転送部とを備えた固体撮像素子を製造する方法であって、半導体基板の表面領域に受光部を形成する工程と、該半導体基板上に、該電荷転送部を構成する電荷転送電極を、該受光部を囲むよう形成する工程と、該半導体基板上に遮光膜をその開口が該受光部上に位置するよう形成する工程と、該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差形状が反映されて該受光部上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成する工程と、該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで層内レンズを形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜を形成する工程では、前記凹形状の井戸部がその中心が前記遮光膜の開口の中心に一致するよう形成されることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜の形成工程は、前記受光部を囲むよう形成された前記電荷転送電極及び前記遮光膜による段差により、該受光部上の領域で、該層間絶縁膜の、対向する電荷転送電極の側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って前記凹形状の井戸部を形成するエッチング工程とを含むことが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜の形成工程は、前記層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を行った後に、該層間絶縁膜を、その凹形状の井戸部の形状が固定されるよう熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記熱処理工程では、前記半導体基板に対して炉アニールにより８５０〜９５０度で６０分リフロー処理を施して、前記層間絶縁膜に形成した井戸部の形状を固定することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜は不純物を含むＢＰＳＧ膜であり、前記高屈折率材料は、屈折率１．８以上のポリイミド、窒化シリコン、あるいは窒化酸化シリコンであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記ウエットエッチングは、フッ酸を用いて行うことが好ましい。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置であって、該素子を構成する不純物領域が形成された半導体基板と、該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう形成された導電性膜と、該半導体基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該不純物領域上に位置する部分には凹形状の井戸部が形成されており、該井戸部内には光導波路として機能する光学部材が、その中心が該不純物領域の中心と一致するよう形成されており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置を製造する方法であって、該半導体基板の表面領域に該素子を構成する不純物領域を形成する工程と、該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう導電性膜を形成する工程と、該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該導電性膜による段差形状が反映されて該不純物領域上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成する工程と、該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで光導波路を形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。

本発明に係る半導体装置は、半導体装置であって、基板と、該基板上に形成され、該基板の表面に凹部を形成する導電性膜と、該基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該導電性膜による凹部上に位置する部分には、凹形状の井戸部が形成されており、該井戸部の中心は該凹部の中心と一致しており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体装置を製造する方法であって、基板上に導電性膜を形成して該基板表面に凹部を形成する工程と、該基板上に層間絶縁膜を、該凹部上に井戸部が形成されるよう形成する工程とを含み、該層間絶縁膜の形成工程は、該導電性膜による凹部上で、該層間絶縁膜の凹部側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って該井戸部を形成するエッチング工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。

本発明に係る電子情報機器は、被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、該撮像部は、上述した固体撮像素子であり、そのことにより上記目的が達成される。

以下、本発明の作用について説明する。

本発明においては、半導体基板に形成された受光部および電荷転送部を有する固体撮像素子において、該電荷転送部を構成する電荷転送電極を、該受光部を囲むよう該半導体基板上に配置して、該電荷転送電極を遮光膜で覆い、該半導体基板上に層間絶縁膜を、該電荷転送電極および遮光膜による段差が反映されて受光部上に凹形状の井戸部が形成されるように形成するので、層間絶縁膜に形成する凹形状の井戸部を、受光部に対して正確に位置決めすることができ、つまり、該井戸部の中心と該受光部の中心とを一致させることができ、この凹形状の井戸部に埋め込んだ層内レンズ層による受光部への集光を効率よく行うことができる。

言い換えると、層内レンズとしての導波路が受光部中心に形成されているため、層内レンズによる集光効率を向上させることができ、感度特性の劣化がない固体撮像素子を得ることができる。

また、本発明においては、固体撮像素子の製造方法において、表面領域に受光部を形成した半導体基板上に、電荷転送部を構成する電荷転送電極を、該受光部を囲むよう形成した後、遮光膜をその開口が該受光部上に位置するよう形成し、その後、該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差形状が反映されて該受光部上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成し、該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで層内レンズを形成するので、層間絶縁膜における、層内レンズを埋め込むための凹形状の井戸部を、受光部に対して正確に位置決めして形成することができる。

また、本発明においては、前記層間絶縁膜の形成工程では、受光部を囲むよう形成された前記電荷転送電極及び前記遮光膜による段差により、該受光部上の領域で、該層間絶縁膜の、対向する電荷転送電極の側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜し、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って前記凹形状の井戸部を形成するので、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いることなく、基板へのダメージレスな処理により、セルフアラインにて層間絶縁膜に、層内レンズを埋め込むための凹形状の井戸部を、受光部中心に対して精度よく形成することができる。このため暗時白傷が少なく、小型で感度が高い固体撮像素子を製造することが可能となる。

また、受光部上での層間絶縁膜の接合部に対するウエットエッチングにより凹形状の井戸部を層間絶縁膜に形成した後、熱処理により、井戸部の形状を固定するので、その後の処理により、井戸部の形状が変化するのを抑制することができる。

本発明においては、半導体装置において、基板上に形成され、該基板の表面に凹部を形成する導電性膜と、該基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該導電性膜による凹部上に位置する部分には、凹形状の井戸部を該井戸部の中心が該凹部の中心と一致するように形成しているので、層間絶縁膜に形成した凹形状の井戸部を、層間絶縁膜の下地の凹部の中心に対して精度よく位置決めしたものとすることができる。

また、本発明においては、半導体装置の製造方法において、基板上に導電性膜を形成して該基板表面に凹部を形成する工程と、該基板上に層間絶縁膜を、該凹部上に井戸部が形成されるよう形成する工程とを含み、層間絶縁膜の形成の際には、該導電性膜による凹部上で、該層間絶縁膜の凹部側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜し、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って該井戸部を形成するので、層間絶縁膜に凹形状の井戸部を、フォトリソブラフィ技術およびドライエッチング処理を用いることなく、該層間絶縁膜下地の凹部による段差を利用して精度よく形成することができる。言い換えると、該層間絶縁膜の井戸部に埋め込む部材と、該層間絶縁膜の下地凹部との位置決めを、ドライエッチングによる基板ダメージを発生させずに精度よく行うことができる。

以上のように、本発明によれば、基板へのダメージの発生を招くことなく、固体撮像素子の微細化に対応して効果的な集光を確保できる層内レンズを形成することができ、このため、白傷が少なく、小型で感度の高い固体撮像素子の形成が可能となる。

図１は、本発明の実施形態１による固体撮像素子を説明する平面図であり、図１（ａ）は、該固体撮像素子の画素部を示し、図１（ｂ）は、該固体撮像素子の電荷転送電極のみを示している。図２は、本発明の実施形態１による固体撮像素子を説明する断面図であり、図１に示す固体撮像素子のＸ−Ｘ’線断面の構造を示している。図３は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する断面図であり、半導体基板に拡散層を形成した状態を示している。図４は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する断面図であり、半導体基板上に電荷転送電極及び遮光膜を形成した状態を示している。図５は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する断面図であり、半導体基板上に層間絶縁膜を形成した状態を示している。図６は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する断面図であり、半導体基板上に形成した層間絶縁膜にウエットエッチングにより凹形状の井戸部を形成した状態を示している。図７は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する断面図であり、半導体基板上に形成した層間絶縁膜にウエットエッチングにより凹形状の井戸部を形成した後、リフロー処理を行った状態を示している。図８は、本発明の実施形態２として、実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（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を説明する平面図であり、図１（ａ）は、該固体撮像素子の画素部を示し、図１（ｂ）は、該固体撮像素子の電荷転送電極のみを示している。また、図２は、図１（ａ）に示す固体撮像素子のＸ−Ｘ’線断面の構造を示している。ここで、Ｘ−Ｘ’線の方向は固体撮像素子における水平方向となっている。図２には、固体撮像素子（ＣＣＤ撮像素子）の１画素部の断面構造が模式的に示されている。

この固体撮像素子１００はｎ型シリコン基板などの半導体基板１を有しており、この半導体基板１の表面部分には低濃度のｐ型ウエル２が形成されている。ｐ型ウエル２内には、フォトダイオードとなる受光部３が行列状に形成されており、個々の受光部３を囲むようｐ型チャネルストップ領域４が形成されている。

また、上記ｐ型ウエル２内には、受光部３の各行に沿って電荷転送領域５が形成されており、該電荷転送領域５と各受光部３との対向する部分には、受光部（フォトダイオード部）３で発生した信号電荷を電荷転送部に読出すためのｐ型電荷読出し領域６が形成されている。ここで、受光部３は、ｐ型ウェル２の深部に選択的に形成されたｎ型シリコン領域である。

さらに、半導体基板１上には、ゲート絶縁膜７を介して、上記電荷転送領域５内で電荷を転送するためのゲート電極（電荷転送電極）８が形成されている。ここで、電荷転送領域５および電荷転送電極８は、受光部３で生成された信号電荷を転送する電荷転送部を構成している。隣接するゲート電極の間隔は、水平方向及び垂直方向のいずれについても、１μｍ程度である。このゲート電極８の上面および側壁には例えば熱酸化膜などの絶縁膜９を介して遮光膜１０が形成されており、この遮光膜１０は、例えばタングステン（Ｗ）膜などから構成されており、受光部３に対応する部分に遮光膜開口を有している。

さらに、この遮光膜１０上には、下地のゲート電極の形状が反映された凹形状の井戸部１１を有するＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜１２が全面に形成されており、井戸部１１の内部には、プラズマＳＩＮ膜が埋め込まれており、さらに、この井戸部１１の上側にはその周辺の層間絶縁膜１２上に広がるよう、凸状レンズ形状を有するプラズマＳＩＮ膜が形成されている。

ここで、井戸部１１内のプラズマＳＩＮ膜及び井戸部１１上側のプラズマＳＩＮ膜は、層内レンズ１３を形成している。また、層間絶縁膜１２に形成された井戸部１１は、その底面が受光部３の表面付近に位置する程度に窪んでおり、該井戸部１１は、その中心が受光部３の中心に位置ずれなく形成されている。また、井戸部１１の中心から電荷読出し領域６側に向かってゲート電極外側にある遮光膜側壁までの距離Ａと、井戸部１１の中心からチャネルストップ領域４側に向かってゲート電極外側にある遮光膜側壁までの距離Ｂとは等しくなるよう該井戸部１１が形成されている。距離Ａと距離Ｂの合計は０．５〜０．９μｍ程度である。なお、画素ピッチが１．５５μｍである場合には、距離Ａと距離Ｂの合計は０．６５μｍ〜０．７μｍ程度であることが好ましい。

なお、図示しないが、井戸部１１内のプラズマＳＩＮ膜及び井戸部１１上側のプラズマＳＩＮ膜からなる層内レンズ１３に代えて、井戸部１１内に埋め込まれたプラズマＳＩＮ膜のみからなり、表面が平坦な層内レンズを形成してもよい。この層内レンズによっても、受光部３への集光効率を向上させることができる。

なお、ここで、上記プラズマＳＩＮ膜は、屈折率１．８以上の透明絶縁膜であり、該プラズマＳＩＮ膜に代えて、ポリイミド膜あるいはプラズマ窒化酸化膜（プラズマＳＩＯＮ膜）を用いてもよい。

次に製造方法について説明する。

図１及び図２に示した固体撮像素子の製造方法を、図３〜図７の断面図を用いて説明する。

まず、図３に示したように例えばｎ型シリコンからなる半導体基板１に、ｐ型ウェル２を形成し、選択的にｎ型不純物を導入し、フォトダイオードとなる受光部３及び電荷転送領域５を形成し、また、ｐ型ウェル２にｐ型不純物を導入してチャネルストップ領域４及び電荷読出し領域６を形成する。

ここで、ｎ型不純物の注入により受光部（ｎ型シリコン領域）３及び電荷転送領域５を形成する方法、並びにｎ型不純物の注入によりチャネルストップ領域４及び電荷読出し領域６を形成する方法は、それぞれ従来から行われている方法であり、これらの領域を形成する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ので、その説明は省略する。

次に、半導体基板１の表面に、例えば、膜厚３０ｎｍの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜７を形成する。

次いで、半導体基板１上のゲート絶縁膜７を介して、例えば膜厚２００ｎｍのポリシリコン膜を形成した後、該ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極８を形成する。その次に、例えば、基板全面を熱酸化し、ゲート電極８の上部および側面に５０ｎｍ程度の厚さに酸化膜等の絶縁膜９を形成した後、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１０を成膜し、該遮光膜の、受光部上の部分を選択的に除去して遮光膜開口を形成する（図４）。

そして、基板全面に層間絶縁膜１２を形成する。

ここで、層間絶縁膜１２としては、ＣＶＤ法などにより、例えば膜厚５００ｎｍに、ボロン（濃度４．５〜５．０ｗｔ％）及びリン（濃度４．５〜６．０ｍｏｌ％）を含むシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）を成膜する。この時、層間絶縁膜１２は、隣接するゲート電極８の遮光膜１０側壁面上に成膜された部分同士が接合する程度の膜厚に成膜する（図５）。なお、図５では、隣接するゲート電極８の間で、遮光膜１０側壁面上に成膜された層間絶縁膜同士が接合する接合面１４は点線で示している。この接合面１４は下地のゲート電極８の形状が反映され、それらの中心位置に形成される。具体的には、この接合面は、水平方向に平行な面と垂直方向に平行な面とがあり、またこれらの両方向に平行な接合面は、受光部の中心位置で交わっている。

その次に、例えば、フッ酸（ＨＦ）を用いて、層間絶縁膜１２の全面に対してウエットエッチング処理を施すと、上記層間絶縁膜同士が接合する接合面１４からエッチングが進み、層間絶縁膜１２の受光部３上の部分に凹形状の井戸部１１が形成される（図６）。

上記層間絶縁膜１２同士の接合面１４は、完全に同化されていないので、ウエットエッチングが進行しやすく、受光部３に対応して凹形状の井戸部１１が形成される。つまり、凹形状の井戸部１１は、その中心が受光部３の中心に一致するよう受光部３上に形成される。

その後、上記半導体基板に対して炉アニールにより８５０〜９５０度で６０分のリフロー処理を施して井戸部１１の形状を固定させる（図７）。

また、ウエットエッチングと熱処理によるリフロー処理とは、上記井戸部１１の断面形状が、表面が窪んだ所定の傾斜をもつ形状、例えば、凹形状の曲率を持つ断面形状になるように行っている。

この工程により、受光部３に対してドライエッチング処理におけるプラズマダメージを与えることなく、受光部３の中心位置に対応してセルフアラインにより層間絶縁膜１２内部に凹形状の井戸部１１を形成することができる。

その後、高屈折率膜として、例えば、屈折率１．８以上のポリイミド膜、プラズマ窒化膜、あるいはプラズマ窒化酸化膜（プラズマＳＩＯＮ膜）を井戸部に充填し、さらに、該井戸部上に、凸レンズ形状を有する高屈折率膜（ポリイミド膜、プラズマ窒化膜、またはプラズマ窒化酸化膜）を形成して、層内レンズ１３を形成する（図２）。

プラズマＣＶＤ法などで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、レジストエッチバック法を用いてその表面を平坦化する。

その後、図示しないが、カラーフィルタ、オンチップレンズ等を形成して固体撮像素子を得る。

このような構成の本実施形態１による固体撮像素子１００では、電荷転送部を構成する電荷転送電極５を、受光部３を囲むよう半導体基板１上に配置して、該電荷転送電極を遮光膜１０で覆い、該半導体基板上に層間絶縁膜１２を、該電荷転送電極および遮光膜による段差形状（つまり凹凸形状）が反映されて受光部３上に凹形状の井戸部１１が形成されるように形成するので、層間絶縁膜に形成する凹形状の井戸部を、受光部に対して正確に位置決めすることができ、つまり、該井戸部の中心と該受光部の中心とを一致させることができ、この凹形状の井戸部に埋め込んだ層内レンズ層１３による受光部３への集光を効率よく行うことができる。

言い換えると、層内レンズ１３としての導波路が受光部３中心に形成されているため、層内レンズ１３による集光効率を向上させることができ、固体撮像素子１００の感度特性の劣化がない。

また、上述した構成の本実施形態の固体撮像素子１００の製造方法では、層間絶縁膜１２を、電荷転送電極８及びこれを覆う遮光膜１０の表面形状である下地形状が反映されるように成膜して、受光部３が位置する、該電荷転送電極及び遮光膜により囲まれた領域上に、層間絶縁膜１２の、下地の段差により接合した部分１４を形成するので、該層間絶縁膜１２に対するウエットエッチングが、層間絶縁膜の、下地の段差により接合した部分から進行することとなって、受光部３上にその中心が一致した凹形状の井戸部１１がセルフアラインによって該層間絶縁膜１２に形成されることとなる。

つまり、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いることなく、基板へのダメージレスな処理により、セルフアラインにて層間絶縁膜に、層内レンズを埋め込むための凹形状の井戸部を、受光部中心に対して精度よく形成することができる。このため暗時白傷が少なく、小型で感度が高い固体撮像素子を製造することが可能となる。

また、この井戸部１１の断面形状は、表面が窪んだ所定の傾斜をもつ形状になるように、ウエットエッチングと熱処理によるリフロー処理とにより形成しているので、その井戸部１１のリフロー形状は、層間絶縁膜１２中のボロン、リンの不純物濃度、及び膜厚だけでなく、リフロー温度さらにはウエットエッチ量によって調整することができる。

なお、上記実施形態では、本発明の実施形態として固体撮像素子を示しているが、本発明の基本原理は、固体撮像素子だけでなく、一般的な半導体装置に適用可能である。

例えば、本発明の実施形態による半導体装置としては、層間絶縁膜を有し、該層間絶縁膜がその下地の凹凸による段差を反映して形成される断面凹形状の井戸部を有するものが挙げられる。

このような本発明の実施形態による半導体装置は、基板と、該基板上に形成され、該基板の表面に凹部を形成する導電性膜と、該基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該導電性膜による凹部上に位置する部分には、凹形状の井戸部が形成されており、該井戸部の中心は該凹部の中心と一致しているものである。

そして、この半導体装置の製造方法は、基板上に導電性膜を形成して該基板表面に凹部を形成する工程と、該基板上に層間絶縁膜を、該凹部上に井戸部が形成されるよう形成する工程とを含み、該層間絶縁膜の形成工程は、該導電性膜による凹部上で、該層間絶縁膜の凹部側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って該井戸部を形成するエッチング工程とを含むものである。

より具体的には、本発明の実施形態による半導体装置は、半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置であって、該素子を構成する不純物領域が形成された半導体基板と、該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう形成された導電性膜と、該半導体基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、該層間絶縁膜の該不純物領域上に位置する部分には凹形状の井戸部が形成されており、該井戸部内には光導波路として機能する光学部材が、その中心が該不純物領域の中心と一致するよう形成されているものである。

さらに、このような半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置を製造する方法であって、該半導体基板の表面領域に該素子を構成する不純物領域を形成する工程と、該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう導電性膜を形成する工程と、該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該導電性膜による段差形状が反映されて該不純物領域上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成する工程と、該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで光導波路を形成する工程とを含むものである。

ここで、上記不純物領域は、発光素子の発光領域を構成するものであってもよい。この場合、上記導電性膜は、発光領域に発光素子の駆動電流を供給するための配線などとして用いられる。、
また、上記不純物領域は、上層配線のコンタクト領域を構成するものであってもよい。この場合、上記井戸部を、半導体集積回路装置における微細化された配線のコンタクトホールとして形成することで、高密度に集積された半導体装置において、コンタクトホールをコンタクト領域に対して精度よく位置決めすることができるという効果がある。

このような構成の本実施形態の半導体装置においては、層間絶縁膜の、その下側の導電性膜による凹部上に位置する部分には、凹形状の井戸部を該井戸部の中心が該導電性膜の凹部の中心と一致するように形成しているので、層間絶縁膜に形成した凹形状の井戸部を、層間絶縁膜の下地の凹部の中心に対して精度よく位置決めしたものとすることができる。

また、上記半導体装置の製造方法においては、層間絶縁膜の形成の際には、その下側の導電性膜による凹部上で、該層間絶縁膜の凹部側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜し、その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該導電性膜による凹部の側壁上での層間絶縁膜の接合部からエッチングが進行するよう行って該井戸部を形成するので、層間絶縁膜に凹形状の井戸部を、フォトリソブラフィ技術およびドライエッチング処理を用いることなく、該層間絶縁膜下地の凹部による段差を利用して精度よく形成することができる。このため、該層間絶縁膜の井戸部に埋め込む部材と、該層間絶縁膜の下地凹部との位置決めを、ドライエッチングによる基板ダメージを発生させずに精度よく行うことができる。

さらに、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、上記実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた、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、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以下簡単に説明する。
（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２として、実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図８に示す本発明の実施形態２による電子情報機器９０は、本発明の上記実施形態１の固体撮像素子を、被写体の撮影を行う撮像部９１として備えたものであり、このような撮像部による撮影により得られ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９２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部９３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部９４と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力部９５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。

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法、半導体装置の製造方法、並びに電子情報機器の分野において、小型化に際しても白傷が少なく、感度特性が良好な固体撮像素子を得ることができる。

２ｐ型ウェル
３受光部（フォトダイオード部）
４チャネルストップ領域
５電荷転送部
６電荷読出し領域
７ゲート絶縁膜
８ゲート電極
９絶縁膜
１０遮光膜
１１井戸部
１２層間絶縁膜
１３層内レンズ
９０電子情報機器
９１撮像部
９２メモリ部
９３表示手段
９４通信手段
９５画像出力手段
１００固体撮像素子

Claims

入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部と、該受光部で生成された信号電荷を転送する電荷転送部とを備えた固体撮像素子であって、
該受光部が形成された半導体基板と、
該半導体基板上に該受光部を囲むよう設けられ、該電荷転送部を構成する電荷転送電極と、
該半導体基板上に該受光部以外の領域を覆うよう形成された遮光膜と、
該半導体基板上に、下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、
該層間絶縁膜の該受光部上に位置する部分には凹形状の井戸部が形成されており、
該井戸部内には層内レンズが、その中心が該受光部の中心と一致するよう形成されている、固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記層間絶縁膜の、前記受光部上の領域に形成された井戸部は、該層間絶縁膜の下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差により自己整合的に位置決めされている、固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記層内レンズは、その表面を凸状に湾曲した形状としたものである、固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記層内レンズは、その表面を平坦な形状としたものである、固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記層内レンズは、前記層間絶縁膜の、前記受光部上に形成された井戸部に埋め込まれた埋込み高屈折率膜と、該井戸部上の領域からその周辺の層間絶縁膜上に広がるよう形成された上部高屈折率膜とから構成されている、固体撮像素子。
請求項５に記載の固体撮像素子において、
前記高屈折率膜は、屈折率１．８以上の透明絶縁膜である、固体撮像素子。
請求項６に記載の固体撮像素子において、
前記屈折率１．８以上の透明絶縁膜は、ポリイミド膜、プラズマ窒化膜、あるいはプラズマ窒化酸化膜である、固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記層間絶縁膜は、不純物を含むＢＰＳＧ膜である、固体撮像素子。
入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部と、該受光部で生成された信号電荷を転送するための電荷転送部とを備えた固体撮像素子を製造する方法であって、
半導体基板の表面領域に受光部を形成する工程と、
該半導体基板上に、該電荷転送部を構成する電荷転送電極を、該受光部を囲むよう形成する工程と、
該半導体基板上に遮光膜をその開口が該受光部上に位置するよう形成する工程と、
該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該遮光膜及び該電荷転送電極による段差形状が反映されて該受光部上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成する工程と、
該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで層内レンズを形成する工程とを含む、固体撮像素子の製造方法。
請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記層間絶縁膜を形成する工程では、
前記凹形状の井戸部がその中心が前記遮光膜の開口の中心に一致するよう形成される、固体撮像素子の製造方法。
請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記層間絶縁膜の形成工程は、
前記受光部を囲むよう形成された前記電荷転送電極及び前記遮光膜による段差により、該受光部上の領域で、該層間絶縁膜の、対向する電荷転送電極の側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、
その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って前記凹形状の井戸部を形成するエッチング工程とを含む、固体撮像素子の製造方法。
請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記層間絶縁膜の形成工程は、
前記層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を行った後に、該層間絶縁膜を、その凹形状の井戸部の形状が固定されるよう熱処理する熱処理工程を含む、固体撮像素子の製造方法。
請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記熱処理工程では、前記半導体基板に対して炉アニールにより８５０〜９５０度で６０分リフロー処理を施して、前記層間絶縁膜に形成した井戸部の形状を固定する、固体撮像素子の製造方法。
請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記層間絶縁膜は不純物を含むＢＰＳＧ膜であり、
前記高屈折率材料は、屈折率１．８以上のポリイミド、窒化シリコン、あるいは窒化酸化シリコンである、固体撮像素子の製造方法。
請求項１４に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記ウエットエッチングは、フッ酸を用いて行う、固体撮像素子の製造方法。
半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置であって、
該素子を構成する不純物領域が形成された半導体基板と、
該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう形成された導電性膜と、
該半導体基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、
該層間絶縁膜の該不純物領域上に位置する部分には凹形状の井戸部が形成されており、
該井戸部内には光導波路として機能する光学部材が、その中心が該不純物領域の中心と一致するよう形成されている、半導体装置。
半導体基板上に形成された複数の素子を有する半導体装置を製造する方法であって、
該半導体基板の表面領域に該素子を構成する不純物領域を形成する工程と、
該半導体基板上に、該不純物領域を囲むよう導電性膜を形成する工程と、
該半導体基板上に層間絶縁膜を、その下地である該導電性膜による段差形状が反映されて該不純物領域上に凹形状の井戸部が形成されるよう形成する工程と、
該層間絶縁膜の井戸部内に高屈折率材料を埋め込んで光導波路を形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
半導体装置であって、
基板と、
該基板上に形成され、該基板の表面に凹部を形成する導電性膜と、
該基板上に、下地である該導電性膜による段差が反映されるよう形成された層間絶縁膜とを備え、
該層間絶縁膜の該導電性膜による凹部上に位置する部分には、凹形状の井戸部が形成されており、
該井戸部の中心は該凹部の中心と一致している、半導体装置。
半導体装置を製造する方法であって、
基板上に導電性膜を形成して該基板表面に凹部を形成する工程と、
該基板上に層間絶縁膜を、該凹部上に井戸部が形成されるよう形成する工程とを含み、
該層間絶縁膜の形成工程は、
該導電性膜による凹部上で、該層間絶縁膜の凹部側壁上の部分が接合するよう該層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、
その後、該層間絶縁膜に対するウエットエッチング処理を、該接合部からエッチングが進行するよう行って該井戸部を形成するエッチング工程とを含む、半導体装置の製造方法。
被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、
該撮像部は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の固体撮像素子である電子情報機器。