WO2004093196A1 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

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Seiji Kai
Ryouji Matsui
Tetsuya Yamada
Tsutomu Imai
Kazuyuki Takegawa
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Sanyo Electric Co. Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device with improved light receiving efficiency and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 15 is a plan view showing a schematic configuration of a conventional frame transfer type solid-state imaging device.
  • the solid-state imaging device 1 of the frame transfer system includes an imaging unit 1i, a storage unit 1s, a horizontal transfer unit 1h, and an output unit 1d.
  • the imaging section 1i is composed of a plurality of vertical shift registers arranged in parallel in the vertical direction, and each bit of the vertical shift register forms each light receiving pixel.
  • the storage unit 1s is composed of a plurality of vertical shift registers continuous with the plurality of vertical shift registers constituting the imaging unit 1i.
  • the horizontal transfer unit 1h is composed of one row of horizontal shift registers provided on the output side of the storage unit 1s, and each pit is associated with each column of a plurality of vertical shift registers.
  • the output unit Id includes a capacitor that receives information charges output from the horizontal transfer unit 1h.
  • an information charge generated in a plurality of light receiving pixels included in the imaging unit 1 i is stored in each light receiving pixel for a predetermined period, and responds to the frame transfer clock ⁇ f at a high speed. Will be forwarded to Then, the data is temporarily stored in the storage unit 1 s and sequentially transferred to the horizontal transfer unit 1 h in line units in response to the vertical transfer clock ⁇ V.
  • the information charges transferred to the horizontal transfer unit 1h are sequentially transferred to the output unit 1d in units of one pixel in response to the horizontal transfer clock h, and are sequentially converted to voltage values and output as image signals Y (t). Is done.
  • FIG. 16 is a plan view showing a partial configuration of the imaging unit 1i
  • FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line X-X of FIG.
  • a P-type diffusion layer 3 serving as an element region is formed on one main surface of an N-type silicon substrate 2.
  • a plurality of P-type impurities are implanted at a high concentration in the surface region of the P-type diffusion layer 3.
  • An N-type diffusion layer is formed between these isolation regions 4, and a plurality of channel regions 5 serving as information charge transfer paths are formed.
  • a plurality of transfer electrodes 7 of polycrystalline silicon extend in a direction crossing the plurality of channel regions 5 via a gate insulating film 6 made of thin silicon oxide on the plurality of channel regions 5. They are arranged parallel to each other.
  • three-phase frame transfer clocks ⁇ f1 to ⁇ f3 are applied to these transfer electrodes 7, and the potential state of the channel region 5 is controlled by these clock pulses.
  • an interlayer insulating film of the same material as the gate insulating film 6 is formed, and a plurality of power supply lines 8 made of, for example, aluminum are arranged so as to cover the isolation region 4 on the interlayer insulating film. Is done.
  • the plurality of power supply lines 8 are connected to the transfer electrodes 7 via contact holes 11 formed at predetermined intervals in the interlayer insulating film at intersections of the separation regions 4 and the transfer electrodes 7.
  • contact holes 11 are provided every three transfer electrodes 7, and each power supply line 8 is connected to every two transfer electrodes.
  • An interlayer insulating film 9 is further formed so as to cover the plurality of power supply lines 8, and a protective film 10 made of silicon nitride is formed on the interlayer insulating film 9. Disclosure of the invention
  • a plurality of power supply lines 8 are formed so as to cover the isolation region 4 on the light receiving region.
  • the aluminum material used in the plurality of power supply lines 8 generally has a property of reflecting light. Therefore, of the light uniformly incident on the light receiving region, the light incident on the power supply line 8 is reflected on the surface of the power supply line 8. Therefore, there is a disadvantage that light incident on the power supply line 8 is not guided to the channel region 5 and is not taken in as information charges.
  • the present invention relates to a semiconductor substrate, a plurality of channel regions arranged in parallel on one main surface of the semiconductor substrate at a predetermined distance from each other, and a plurality of separation regions arranged in a gap between the plurality of channel regions.
  • a plurality of transfer electrodes arranged on the semiconductor substrate so as to extend in a direction intersecting with the plurality of channel regions;
  • a plurality of power supply lines arranged along the plurality of separation regions; a light-transmitting insulating film stacked over the plurality of transfer electrodes so as to cover the plurality of power supply lines;
  • the film has a shape in which the surface continuously forms a convex portion on the separation region toward the channel region, and the upper lens film has a higher refractive index than a material of an upper layer of the upper lens film. Is to
  • a first method includes arranging a plurality of channel regions on one main surface of a semiconductor substrate in parallel at a predetermined distance from each other, and forming a plurality of isolation regions in a gap between the plurality of channel regions. Forming a plurality of transfer electrodes on the semiconductor substrate so as to extend in a direction tolerant to the plurality of channel regions, and forming a plurality of power supply lines on the plurality of transfer electrodes through the separation region. A second step of covering the plurality of transfer electrodes, and a third step of laminating a light-transmitting insulating film on the plurality of transfer electrodes with a predetermined thickness; and covering the plurality of power supply lines with the plurality of channels.
  • the surface of the upper lens film performs the same function as the prism, and can guide the light incident on the power supply line to the channel region.
  • light irradiated to the light receiving region can be efficiently captured into the pixel region and converted into information charges with high light receiving sensitivity.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing ray tracing when the structure of the present invention is adopted.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a first step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a second step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a third step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a fourth step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a fifth step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an optional step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention. ⁇
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a sixth step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an initial stage of a seventh step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an intermediate stage of the seventh step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the final stage of the seventh step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 13 is a sectional view illustrating an eighth step of the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view showing a schematic configuration of a conventional frame transfer type solid-state imaging device.
  • FIG. 16 is a plan view illustrating the configuration of the imaging unit.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the imaging unit. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a configuration of an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, and shows the same portion as FIG.
  • an N-type silicon substrate 2 a P-type diffusion layer 3, an isolation region 4, a channel region 5, a gate insulating film 6, a transfer electrode 7, and a power supply line 8 are the same as those shown in FIG. is there.
  • the feature of the present invention is that the surface of the upper lens film 24 continuously protrudes toward the channel region 5 on the separation region 4 while covering the power supply line 8 on the plurality of transfer electrodes 7. It is characterized by having a shape that forms a part.
  • the upper lens film 24 has a higher refractive index than the material on the upper lens film 24 and is made of a material having optical transparency. Although not shown in FIG. 1, when a protective film is formed on the upper lens film 24, the protective film covers the entire surface of the upper lens film 24 with a material having optical transparency. And the surface is formed flat.
  • the upper lens film 24 can be made of silicon oxide having a refractive index of about 1.4 to 1.5, and air having a refractive index of 1 without forming a protective film. It is possible to use silicon nitride having a refractive index of about 2 and silicon oxide having a refractive index of about 1.4 to 1.5 for the protective film. .
  • the interface between the upper lens film 24 and the protective film forms a gentle curved shape from the vicinity of the center on the separation region 4 to a part on the channel region 5, and the channel is formed from one end of the curved shape. It has a planar shape toward the center on the area 5.
  • the upper lens film 24 is formed on the upper lens film 24. Is made of a translucent substance having a lower refractive index than the upper lens film 24, the upper lens film 24 functions as a prism on the power supply line 8, and the light incident on the power supply line 8 To the channel region 5.
  • the surface of the upper lens film 24 has a curved shape near the center of the separation area 4, and in particular, the angle formed between the surface of the upper lens film 24 and the surface of the N-type silicon substrate 2 is a power supply line 8. It is set so that it becomes larger as it approaches the center of the. As a result, light incident perpendicular to the surface of the N-type silicon substrate 2 approaches the center of the power supply line 8 due to the upper lens film. The more the light is refracted, the more light can be efficiently guided into the channel region 5.
  • the insulating film 22 having a light-transmitting property and having a film thickness whose thickness is continuously increased from the channel region 5 side toward the center of the isolation region 4 has a refractive index higher than that of the insulating film 22.
  • the lower lens film 23 also functions as a prism on the power supply line 8 and further transmits light incident on the power supply line 8 to the channel region 5. It can be guided efficiently.
  • the lower lens film 23 is also set so that the angle formed between the interface between the lower lens film 23 and the insulating film 22 and the surface of the N-type silicon substrate 2 becomes larger as it approaches the center of the power supply line 8. Have been. As a result, light vertically incident on the surface of the N-type silicon substrate 2 is refracted by the lower lens film as it approaches the center of the power supply line 8, and more light is efficiently channeled. 5 can lead inside.
  • a silicon oxide film / a silicon nitride film is exemplified as the material of the upper lens film 24 and the protective film, but the present invention is not limited to this. That is, the upper lens film 24 may be any material that has a higher refractive index than the material on the upper lens film 24 and is optically transparent. When a protective film is formed on the upper lens film 24, the upper lens film 24 may be any material that has a higher refractive index than the protective film and is optically transparent.
  • the lower lens film 23 is preferably a material having a higher refractive index than the insulating film 22 and having optical transparency, but the refractive index of the lower lens film 23 is not necessarily required.
  • the refractive index does not need to be higher than that of the insulating film 22.
  • the upper lens film 24 and the lower lens film 23 need not necessarily be made of the same material.
  • the entire insulating film 22 can be made of silicon oxide / silicon nitride.
  • FIG. 2 is a diagram showing ray tracing when the present embodiment is adopted. Like this The light incident on the power supply line 8 is efficiently collected on the channel region 5 side.
  • FIGS. 3 to 13 are cross-sectional views showing steps of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention. In this figure, the same parts as those shown in FIG. 1 are shown.
  • a P-type impurity such as boron is diffused in the surface region of the N-type silicon substrate 2 to form a P-type diffusion layer 3 serving as an element region.
  • P-type impurities are further selectively implanted to form isolation regions 4, and N-type impurities such as phosphorus are implanted in gaps between these isolation regions 4 to form channel regions.
  • An N-type diffusion layer 5 is formed.
  • the surface of the N-type silicon substrate 2 on which the isolation region 4 and the channel region 5 are formed is thermally oxidized to form a gate insulating film 6 made of silicon oxide.
  • a polycrystalline silicon film is formed on the gate insulating film 6 by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, the polycrystalline silicon film is patterned into a predetermined shape crossing the channel region 5 to form the transfer electrode 7.
  • Silicon oxide is stacked on the transfer electrode 7 by the CVD method to form a first insulating film.
  • a contact hole 11 is formed at a position on the isolation region 4 with respect to the first insulating film.
  • aluminum is laminated on the first insulating film and patterned into a predetermined shape to form the power supply line 8.
  • a BPSG film is laminated using the CVD method, and an insulating film 22 combined with the first insulating film is formed. Since the BPSG film is subjected to an etching process in a later step, the BPSG film is formed to be thicker than the maximum film thickness after processing in the fourth step. Then, heat treatment is performed on the surface of the BPSG film to flatten the surface of the insulating film 22.
  • a resist layer 31 is laminated on the insulating film 22, and the resist layer 31 is patterned along the power supply line 8 to form a mask pattern 32 covering the power supply line 8. Then, using the mask pattern 32 as a mask, the insulating film 22 is anisotropically etched. (Eg, dry etching) to reduce the thickness of the insulating film 22 along the channel region 5.
  • the mask pattern 32 remaining on the insulating film 22 is removed, and an isotropic etching process (for example, a wet etching process) is performed on the insulating film 22 that has been subjected to the anisotropic etching process.
  • an isotropic etching process for example, a wet etching process
  • the insulating film 22 can be formed on the isolation region 4 into a shape in which the film thickness increases continuously from the channel region 5 side toward the isolation region 4 side.
  • the thickness of the lower lens film 23 by the interlayer insulating film 22 can be freely set by the processing time of the anisotropic etching process, and the thickness of the lower lens film can be set by the processing time of the isotropic etching process.
  • the angle of the curved surface portion can be set freely.
  • silicon nitride is laminated by a plasma CVD method, and a lower lens film 23 is formed covering the entire surface of the insulating film 22. At this time, the surface of the lower lens film 23 forms a gentle convex portion on the power supply line 8 reflecting the uneven shape of the insulating film 22.
  • Step 7 Fig. 10 to Fig. 12
  • a resist 33 is applied to the lower lens film 23 as shown in FIG. 10 to flatten the surface. Thereafter, the surface of the resist 33 is etched back by anisotropic etch-back processing. At this time, by appropriately selecting the mixing ratio of the etching gas, it is possible to set a condition in which the lower lens film 23 is more easily etched than the resist 33. As a result, as shown in FIG. 11, the portion where the lower lens film 23 is exposed to the etching gas is etched more than the resist 33. as a result When the resist 33 is completely etched, the surface of the lower lens film 23 forms a gentle concave portion on the power supply line 8 as shown in FIG.
  • Step 8 Fig. 13
  • silicon nitride is laminated by a plasma CVD method, and the entire surface of the lower lens film 23 is covered to form an upper lens film 24.
  • the surface of the upper lens film 24 forms a gentle concave portion on the power supply line 8.
  • the film thickness of the upper part of the lens part by the upper lens film 24 can be set freely, and the curved part of the upper part of the lens part can be set. Can be set freely.
  • silicon oxide is laminated by a plasma CVD method on the silicon substrate 2 on which the upper lens film 24 has been formed, and a protective film is formed covering the entire surface of the upper lens film 24. Then, the surface of the protective film is planarized by an etch-back process or a CMP (Chemical Mechanical Polish) method.
  • FIG. 1 shows a configuration of an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention manufactured through the above-described fifteenth step, the optional step, and the sixth step.
  • FIG. 14 shows a configuration showing an embodiment of the imaging device.
  • the upper lens film 24 functions as a prism on the power supply line 8 by making the upper lens film 24 a transparent material having a lower refractive index than the upper lens film 24. Light incident on the power supply line 8 can be guided to the channel region 5.
  • the present invention is applicable to not only CCD type solid-state image sensors of other transfer types but also MOS type, BBD type (bucket relay type), CID type (charge injection type) solid-state image sensors, and the like. It is also applicable to multiplication type solid-state imaging devices.
  • an upper lens film having a light-transmitting property and having a surface that continuously forms a convex portion on the separation region toward the channel region is formed.
  • the upper lens film functions as a prism on the power supply line, and can guide light incident on the power supply line to the channel region. .
  • the light applied to the semiconductor substrate can be efficiently photoelectrically converted, and the light receiving sensitivity can be improved.

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Abstract

分離領域（４）の上を電力供給線（８）が覆い、透光性を有し、且つ、その表面が分離領域（４）上でチャネル領域（５）へ向かって連続的に凸部をなすレンズ膜（２４）を有し、レンズ膜（２４）上をレンズ膜（２４）よりも屈折率の低い透光性の物質とする固体撮像素子。

Description

明 細 書 固体撮像素子及びその製造方法 技術分野
本願発明は、 受光効率を改善した固体撮像素子及びその製造方法に関する。 背景技術
図 1 5は、 従来のフレーム転送方式の固体撮像素子の概略構成を示す平面図で ある。 フレーム転送方式の固体撮像素子 1は、 撮像部 1 i、 蓄積部 1 s、 水平転 送部 1 h及び出力部 1 dを備えて構成される。 撮像部 1 iは、 垂直方向に互いに 平行に配置される複数の垂直シフトレジス夕から構成され、 垂直シフトレジス夕 の各ビットが各受光画素を形成する。 蓄積部 1 sは、 撮像部 1 iを構成する複数 の垂直シフトレジスタに連続する複数の垂直シフトレジス夕から構成される。 水 平転送部 1 hは、 蓄積部 1 sの出力側に設けられる 1列の水平シフトレジス夕か ら構成され、 その各ピットが、 複数の垂直シフトレジス夕の各列に対応付けられ る。 出力部 I dは、 水平転送部 1 hから出力される情報電荷を受ける容量を備え て構成される。
この構成において、 撮像部 1 iに構成される複数の受光画素で発生する情報電 荷は、 所定の期間各受光画素に蓄えられ、 フレーム転送クロック φ f に応答して 、 高速で蓄積部 1 sに転送される。 そして、 蓄積部 1 sに一時的に蓄積され、 垂 直転送クロック Φ Vに応答して、 順次 1ライン単位で水平転送部 1 hに転送され る。 水平転送部 1 hに転送された情報電荷は、 水平転送クロック hに応答して 、 順次 1画素単位で出力部 1 dに転送され、 逐次電圧値に変換されて画像信号 Y (t)として出力される。
図 1 6は、 撮像部 1 iの一部構成を示す平面図であり、 図 1 7は、 図 1 6の X 一 X断面図である。
N型のシリコン基板 2の一主面上に素子領域となる P型の拡散層 3が形成され る。 この P型の拡散層 3の表面領域に、 P型の不純物が高濃度に注入された複数 の分離領域 4が互いに一定距離を隔てて平行に配置される。 これらの分離領域 4 の間には、 N型の拡散層が形成され、 情報電荷の転送経路となる複数のチャネル 領域 5が形成される。 複数のチャネル領域 5の上には、 薄い酸化シリコンからな るゲート絶縁膜 6を介して、 多結晶シリコンの複数の転送電極 7が、 複数のチヤ ネル領域 5と交差する方向に延在して互いに平行に配置される。 これらの転送電 極 7には、 例えば、 3相のフレーム転送クロック φ f 1〜φ f 3が印加され、 これ らのクロックパルスによってチヤネル領域 5のポテンシャルの状態が制御される 複数の転送電極 7の上には、 ゲー卜絶縁膜 6と同一材料の層間絶縁膜が形成さ れ、 この層間絶縁膜上で分離領域 4を覆うように、 例えば、 アルミニウムからな る複数の電力供給線 8が配置される。 これら複数の電力供給線 8は、 分離領域 4 と転送電極 7の交点で層間絶縁膜に所定の間隔で形成されるコンタクトホール 1 1を介して転送電極 7に接続される。 例えば、 3相駆動の場合、 転送電極 7の 2 本おきにコンタクトホール 1 1が設けられ、 各電力供給線 8が転送電極に 2本お きに接続される。 これら複数の電力供給線 8を覆うように更に層間絶縁膜 9が形 成され、 更に、 この層間絶縁膜 9の上に窒化シリコンからなる保護膜 1 0が形成 される。 発明の開示
上述の固体撮像素子の場合、 受光領域上で分離領域 4を覆うように複数の電力 供給線 8が形成されている。 これら複数の電力供給線 8で用いられているアルミ ニゥム材料は、 一般に光を反射する特性を有している。 このため、 受光領域に一 様に入射される光のうち、 電力供給線 8上に入射される光が電力供給線 8の表面 で反射してしまう。 したがって、 電力供給線 8上に入射される光がチヤネル領域 5に導かれず、 情報電荷として取り込まれないという不都合があった。
本願発明は、 半導体基板と、 この半導体基板の一主面に互いに一定の距離を隔 てて平行に配列される複数のチャネル領域と、 この複数のチャネル領域の間隙に 配置される複数の分離領域と、 前記半導体基板上に前記複数のチャネル領域と交 差する方向に延在して配列される複数の転送電極と、 前記複数の転送電極上に前 記複数の分離領域に沿って配置される複数の電力供給線と、 前記複数の転送電極 上に前記複数の電力供給線を覆って積層される透光性の絶縁膜と、 前記絶縁膜上 に積層される透光性の上層及び下層のレンズ膜と、 を備え、 前記絶縁膜の膜厚は 、 前記分離領域の中心で厚くなると共に前記チャネル領域の中心で薄くなり、 か つ、 前記上層レンズ膜は、 その表面が前記分離領域上で前記チャネル領域へ向か つて連続的に凸部をなす形状を有し、 前記上層レンズ膜は、 前記上層レンズ膜の 上層の物質よりも高い屈折率を有することにある。
また、 その製造方法として、 半導体基板の一主面に複数のチャネル領域を互い に一定の距離を隔てて平行に配列すると共に、 前記複数のチャネル領域の間隙に 複数の分離領域を形成する第 1の工程と、 前記半導体基板上に複数の転送電極を 前記複数のチャネル領域と公差する方向に延在して形成すると共に、 前記複数の 転送電極の上に複数の電力供給線を前記分離領域を覆って形成する第 2の工程と 、 透光性の絶縁膜を所定の膜厚で前記複数の転送電極上に積層する第 3の工程と 、 前記複数の電力供給線を覆って前記複数のチャネル領域に沿って延在するマス クパターンを前記絶縁膜上に形成する第 4の工程と、 前記マスクパターンに沿つ て前記絶縁膜を異方的にエッチングし、 前記絶縁膜の膜厚を前記複数のチャネル 領域に沿って薄くする第 5の工程と、 透光性の下層レンズ膜を前記絶縁膜上に積 層する第 6の工程と、 前記下層レンズ膜をエッチバック処理により、 前記分離領 域上に凹部を形成する第 7の工程と、 透光性の上層レンズ膜を前記下層レンズ膜 上に積層する第 8の工程と、 を有し、 前記上層レンズ膜は、 前記上層レンズ膜の 上層の物質よりも高い屈折率を有することを特徴とする。
本願発明によれば、 上層レンズ膜の表面がプリズムと同様の機能を果たし、 電 力供給線上に入射される光をチャネル領域へ導くことができる。 これにより、 受 光領域に照射される光を効率良く画素領域に取り込み、 高い受光感度で情報電荷 に変換することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本願発明の実施形態を説明する断面図である。
図 2は、 本願発明の構造を採用した場合の光線追跡を示す図である。 図 3は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 1工程を説明する断面図であ る。
図 4は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 2工程を説明する断面図であ る。
図 5は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 3工程を説明する断面図であ る。
図 6は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 4工程を説明する断面図であ る。
図 7は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 5工程を説明する断面図であ る。
図 8は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法のオプション工程を説明する断面 図である。 ·
図 9は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 6工程を説明する断面図であ る。
図 1 0は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 7工程の初期段階を説明す る断面図である。
図 1 1は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 7工程の中間段階を説明す る断面図である。
図 1 2は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 7工程の最終段階を説明す る断面図である。
図 1 3は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法の第 8工程を説明する断面図で ある。
図 1 4は、 本願発明の他の実施形態を説明する断面図である。
図 1 5は、 従来のフレーム転送方式の固体撮像素子の概略構成を示す平面図で ある。
図 1 6は、 撮像部の構成を説明する平面図である。
図 1 7は、 撮像部の構成を説明する断面図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1は、 本願発明の固体撮像素子の実施形態を示す構成であり、 図 1 7と同一 部分を示している。 尚、 この図において、 N型シリコン基板 2、 P型拡散層 3、 分離領域 4、 チャネル領域 5、 ゲート絶縁膜 6、 転送電極 7及び電力供給線 8は 、 図 1 7に示すものと同一である。 本願発明の特徴とするところは、 複数の転送 電極 7の上に、 電力供給線 8を覆いつつ、 上層レンズ膜 2 4の表面が、 分離領域 4上でチャネル領域 5へ向かって連続的に凸部をなす形状を有していることに特 徴がある。
上層レンズ膜 2 4は上層レンズ膜 2 4上の物質よりも高い屈折率を有し、 かつ 光学的に透明性を有する材料からなる。 そして、 図 1に図示していないが、 上層 レンズ膜 2 4上に保護膜を形成する場合には、 保護膜は光学的に透明性を有する 材料により、 上層レンズ膜 2 4の表面全体を覆うように形成され、 その表面が平 坦に形成される。
例えば、 上層レンズ膜 2 4を屈折率 1 . 4〜 1 . 5程度の酸化シリコン、 保護 膜を形成せずに屈折率 1の空気とすることが可能であり、 また、 上層レンズ膜 2 4を屈折率 2程度の窒化シリコン、 保護膜を屈折率 1 . 4〜 1 . 5程度の酸化シ リコンとすることが可能である。 .
本実施形態の場合は、 上層レンズ膜 2 4と保護膜との界面が、 分離領域 4上の 中心付近からチャネル領域 5上の一部にかけてなだらかな曲面形状をなし、 その 曲面形状の一端からチャネル領域 5上の中心に向かって平面形状をなしている。 このように、 透光性を有し、 且つ、 その表面が分離領域 4上でチャネル領域 5 へ向かって連続的に凸部をなす上層レンズ膜 2 4を形成しつつ、 上層レンズ膜 2 4上を上層レンズ膜 2 4よりも屈折率の低い透光性の物質とすることで、 上層レ ンズ膜 2 4が電力供給線 8上でプリズムとして機能し、 電力供給線 8上に入射さ れる光をチャネル領域 5へ導くことができる。 上層レンズ膜 2 4の表面が分離領 域 4の中心付近で曲面形状をなしており、 特に、 上層レンズ膜 2 4の表面と N型 シリコン基板 2の表面とでなす角度が、 電力供給線 8の中心部に近づくほど大き くなるように設定されている。 これにより、 N型シリコン基板 2の表面に対して 垂直に入射される光は、 上層レンズ膜により、 電力供給線 8の中心部分に近づく ほど大きく屈折され、 より多くの光を効率的にチャネル領域 5内へ導くことがで きる。
また、 透光性を有し、 且つ、 その膜厚がチャネル領域 5側から分離領域 4の中 心に向かって連続的に厚くなる絶縁膜 2 2の上に絶縁膜 2 2よりも屈折率の高い 透光性の下層レンズ膜 2 3を積層した場合には、 下層レンズ膜 2 3も電力供給線 8上でプリズムとして機能し、 電力供給線 8上に入射される光をチャネル領域 5 へさらに効率良く導くことができる。 下層レンズ膜 2 3についても、 下層レンズ 膜 2 3と絶縁膜 2 2との界面と N型シリコン基板 2の表面とでなす角度が、 電力 供給線 8の中心部に近づくほど大きくなるように設定されている。 これにより、 N型シリコン基板 2の表面に対して垂直に入射される光は、 下層レンズ膜により 、 電力供給線 8の中心部分に近づくほど大きく屈折され、 より多くの光を効率的 にチャネル領域 5内へ導くことができる。
尚、 本実施形態においては、 上層レンズ膜 2 4及び保護膜の材料として、 酸化 シリコン膜ゃ窒化シリコン膜を例示しているが、 本願発明は、 これに限られるも のではない。 即ち、 上層レンズ膜 2 4は上層レンズ膜 2 4上の物質よりも高い屈 折率を有し、 かつ光学的に透明性を有する材料であれば良い。 そして、 上層レン ズ膜 2 4上に保護膜を形成する場合には、 上層レンズ膜 2 4は保護膜よりも高い 屈折率を有し、 かつ光学的に透明性を有する材料であれば良い。
また、 下層レンズ膜 2 3についても、 絶縁膜 2 2よりも高い屈折率を有し、 か つ光学的に透明性を有する材料であるのが好適だが、 必ずしも下層レンズ膜 2 3 の屈折率が絶縁膜 2 2よりも高い屈折率である必要はない。 さらに、 上層レンズ 膜 2 4及び下層レンズ膜 2 3は、 必ずしも同じ材料である必要はない。
そして、 上層及び下層レンズ膜その他の材料の屈折率に合わせて曲面形状の角 度を適宜調節することで、 本実施形態と同等の作用を得ることができる。 例えば 、 上層レンズ膜 2 4によるプリズムの機能だけで十分に、 電力供給線 8上に入射 される光をチャネル領域 5へと導くことができるときには、 上層レンズ膜 2 4、 下層レンズ膜 2 3並びに絶縁膜 2 2をすベて、 酸化シリコンゃ窒化シリコンとす ることも可能である。
図 2は、 本実施形態を採用した場合の光線追跡を示す図である。 このように電 力供給線 8上に入射される光が効率良くチャネル領域 5側へ集光される。
図 3〜図 1 3は、 本願発明の固体撮像素子の製造方法を示す工程別の断面図で ある。 尚、 この図においては、 図 1に示す部分と同一の部分を示している。 第 1工程：図 3
N型シリコン基板 2の表面領域に、 ボロン等の P型の不純物を拡散し、 素子領域 となる P型拡散層 3を形成する。 この P型拡散層 3内に、 更に P型の不純物を選 択的に注入して分離領域 4を形成し、 これら分離領域 4の間隙に、 リン等の N型 の不純物を注入してチャネル領域 5となる N型拡散層を形成する。
第 2工程：図 4
分離領域 4及びチャネル領域 5が形成された N型シリコン基板 2の表面を熱酸化 し、 酸化シリコンからなるゲート絶縁膜 6を形成する。 このゲート絶縁膜 6の上 に C V D法（Chemical Vapor Depos i t ion：化学的気相成長法）を用いて多結晶シリ コン膜を形成する。 そして、 この多結晶シリコン膜をチャネル領域 5と交差する 所定の形状にパ夕一ニングし、 転送電極 7を形成する。
第 3工程：図 5
転送電極 7上に C V D法により酸化シリコンを積層し、 1層目の絶縁膜を形成す る。 この 1層目の絶縁膜に対し、 分離領域 4上となる位置にコンタクトホール 1 1を形成する。 そして、 1層目の絶縁膜上にアルミニウムを積層し、 所定の形状 にパターニングして電力供給線 8を形成する。
第 4工程：図 6
電力供給線 8が形成された 1層目の絶縁膜上に、 C V D法を用いて B P S G膜を 積層し、 1層目の絶縁膜と合わせた絶縁膜 2 2を形成する。 尚、 この B P S G膜 は、 後の工程にてエッチング処理がなされるため、 この第 4工程では、 加工後の 最大膜厚よりも厚く形成される。 そして、 この B P S G膜の表面に熱処理を施し て絶縁膜 2 2の表面を平坦化する。
第 5工程：図 7
絶縁膜 2 2上にレジス卜層 3 1を積層し、 このレジスト層 3 1を電力供給線 8に 沿ってパターニングし、 電力供給線 8を覆うマスクパターン 3 2を形成する。 そ して、 マスクパターン 3 2をマスクとして、 絶縁膜 2 2に異方性エッチング処理 (例えば、 ドライエッチング処理） を施し、 絶縁膜 2 2の膜厚をチャネル領域 5 に沿って薄くする。
ォプション工程：図 8
絶縁膜 2 2上に残ったマスクパターン 3 2を除去し、 異方性エッチング処理の施 された絶縁膜 2 2に対して等方性エッチング処理 （例えば、 ウエットエッチング 処理） を施す。 この等方性エッチング処理により、 絶縁膜 2 2を分離領域 4上で チャネル領域 5側から分離領域 4側に向かって連続的に膜厚が厚くなる形状に形 成することができる。 このように、 先ず、 異方性エッチング処理を施した後に、 等方性エッチング処理を施すという方法を用いることで、 例えば、 図 1に示すよ うな曲面形状を有する形状であっても容易に形成することができる。 即ち、 異方 性エッチング処理の処理時間にて層間絶縁膜 2 2による下層レンズ膜 2 3の膜厚 を自由に設定することができる共に、 等方性エッチング処理の処理時間にて下層 レンズ膜の曲面部分の角度を自由に設定することができる。 これら 2つのエッチ ング処理を適宜調節することにより、 フレーム転送方式の固体撮像素子のような 分離領域 4の幅が極端に狭いタイプのものであっても、 電力供給線 8上の所定の 位置に所望の形状を正確に形成することができる。 なお、 この工程は必ずしも必 要ではない。
第 6工程：図 9
絶縁膜 2 2を形成したシリコン基板 1上に-, プラズマ C V D法により窒化シリコ ンを積層し、 絶縁膜 2 2表面の全体を覆って下層レンズ膜 2 3を形成する。 この とき、 下層レンズ膜 2 3の表面は、 絶縁膜 2 2の凹凸形状を反映して、 電力供給 線 8上でなだらかな凸部を形成する。
第 7工程：図 1 0〜図 1 2
図 1 0のように下層レンズ膜 2 3に、 例えばレジス卜 3 3を塗布し、 表面を平坦 化する。 その後、 レジスト 3 3の表面を異方性エツチバック処理によりエッチバ ックしていく。 このとき、 エッチングガスの混合比を適切に選択することで、 レ ジスト 3 3よりも下層レンズ膜 2 3の方がエッチングされ易い条件とすることが 可能である。 これにより、 図 1 1のようにレジスト 3 3よりも下層レンズ膜 2 3 がエッチングガスに曝されている部分がより大きくエッチングされる。 その結果 、 レジスト 3 3をすベてエッチングしたときには、 図 1 2のように下層レンズ膜 2 3の表面は電力供給線 8上でなだらかな凹部を形成する。
第 8工程：図 1 3
下層レンズ膜 2 3を形成したシリコン基板 2上に、 プラズマ C V D法により窒化 シリコンを積層し、 下層レンズ膜 2 3の表面の全体を覆って上層レンズ膜 2 4を 形成する。 このとき、 上層レンズ膜 2 4の表面は電力供給線 8上でなだらかな凹 部を形成する。 例えば、 図 1に示すような曲面形状を有する形状であっても容易 に形成することができる。 即ち、 プラズマ C V D法による窒化シリコンの積層条 件を適宜設定することで、 上層レンズ膜 2 4によるレンズ部分の上部の膜厚を自 由に設定することができると共に、 レンズ部分の上部の曲面部分の角度を自由に 設定することができる。
必要であれば上層レンズ膜 2 4を形成したシリコン基板 2上に、 プラズマ C V D法により酸化シリコンを積層し、 上層レンズ膜 2 4表面の全体を覆って保護膜 を形成する。そして、保護膜の表面をエッチバック処理、又は、 C M P法（Chemica l Mechanical Po l i sh：化学的機械的研磨法) により平坦化する。
以上の製造方法によれば, 図 1に示す下層レンズ膜 2 3及び上層レンズ膜 2 4 を有する固体撮像素子を得ることができる。
図 1は、 上記の第 1 5工程、 オプション工程、 第 6 8工程を経て製造した 本願発明の固体撮像素子の実施形態を示す構成であるが、 オプション工程を経ず に製造した本願発明の固体撮像素子の実施形態を示す構成を図 1 4に示す。 この 構成においても、 上層レンズ膜 2 4上を上層レンズ膜 2 4よりも屈折率の低い透 光性の物質とすることで、 上層レンズ膜 2 4が電力供給線 8上でプリズムとして 機能し、 電力供給線 8上に入射される光をチャネル領域 5へ導くことができる。 なお、 本願発明はフレーム転送方式のほか、 その他の転送方式の C C D型固体 撮像素子はもちろん、 M O S型、 B B D型 （バケツリレー型） 、 C I D型 （電荷 注入型） の固体撮像素子、 型等の増倍型固体撮像素子にも適応可倉! である。
本願発明によれば、 透光性を有し、 且つ、 その表面が分離領域上でチャネル領 域へ向かって連続的に凸部をなす上層レンズ膜を形成しつつ、 上層レンズ膜上を 上層レンズ膜よりも屈折率の低い透光性の物質とすることで、 上層レンズ膜が電 力供給線上でプリズムとして機能し、 電力供給線上に入射される光をチャネル領 域へ導くことができる。 これにより、 半導体基板へ照射される光を効率的に光電 変換することができ、 受光感度を向上させることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 半導体基板と、 この半導体基板の一主面に互いに一定の距離を隔てて平行に 配列される複数のチャネル領域と、 この複数のチャネル領域の間隙に配置される 複数の分離領域と、 前記半導体基板上に前記複数のチャネル領域と交差する方向 に延在して配列される複数の転送電極と、 前記複数の転送電極上に前記複数の分 離領域に沿って配置される複数の電力供給線と、
前記複数の転送電極上に前記複数の電力供給線を覆って積層される透光性の絶 縁膜と、 前記絶縁膜上に積層される透光性のレンズ膜と、 を備え、
前記絶縁膜の膜厚は、 前記分離領域の中心で厚くなると共に前記チャネル領域 の中心で薄くなり、 かつ、
前記レンズ膜は、 その表面が前記分離領域上で前記チャネル領域へ向かって連 続的に凸部をなす形状を有し、
前記レンズ膜は、 前記レンズ膜の上層の物質よりも高い屈折率を有することを 特徴とする固体撮像素子。
2 . 請求項 1に記載の固体撮像素子において、
前記絶縁膜は、 前記分離領域上で前記チャネル領域へ向かって連続的に膜厚が 薄くなつていることを特徴とする固体撮像素子。
3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の固体撮像素子において、
前記レンズ膜は、 前記絶縁膜よりも高い屈折率を有することを特徴とする固体 撮像素子。
4 . 半導体基板の一主面に複数のチャネル領域を互いに一定の距離を隔てて平行 に配列すると共に、 前記複数のチャネル領域の間隙に複数の分離領域を形成する 第 1の工程と、
前記半導体基板上に複数の転送電極を前記複数のチャネル領域と公差する方向 に延在して形成すると共に、 前記複数の転送電極の上に複数の電力供給線を前記 分離領域を覆って形成する第 2の工程と、
透光性の絶縁膜を所定の膜厚で前記複数の転送電極上に積層する第 3の工程と 前記複数の電力供給線を覆って前記複数のチャネル領域に沿って延在するマス クバ夕一ンを前記絶縁膜上に形成する第 4の工程と、
前記マスクパターンに沿って前記絶縁膜を異方的にエッチングし、 前記絶縁膜 の膜厚を前記複数のチャネル領域に沿って薄くする第 5の工程と、
透光性の下層レンズ膜を前記絶縁膜上に積層する第 6の工程と、
前記下層レンズ膜をエッチバック処理により、 前記分離領域上に凹部を形成す る第 7の工程と、
透光性の上層レンズ膜を前記下層レンズ膜上に積層する第 8の工程と、 を有し 前記上層レンズ膜は、 前記上層レンズ膜の上層の物質よりも高い屈折率を有す ることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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