(57)【要約】【課題】層内レンズの高さを自由に調整し得、高感度で信頼性の高い固体撮像素子を提供する。【解決手段】半導体基板上に形成された光電変換部と前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部と、電荷転送部で得られた出力を処理する周辺回路部とを具えた固体撮像素子であって、前記層内レンズが前記周辺回路部の配線部よりも下層に形成されたことを特徴とする。【選択図】図１
2006310826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光電変換部を備えた撮像部と、前記撮像部の上層に形成された層内レンズと、撮像部で得られた出力を処理する周辺回路部とを具えた固体撮像素子であって、
前記層内レンズの少なくとも一部が前記周辺回路部の配線部よりも下層に形成された固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記層内レンズは下凸部と上凸部とを含み、
前記周辺回路部の配線部が、下凸部よりも上層であって、上凸部よりも下層である固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像素子であって、
前記周辺回路部の配線部を覆うパッシベーション膜が、上凸部を構成する固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記層内レンズは下凸部と上凸部とを含み、
前記周辺回路部の配線部が、前記下凸部および上凸部の上層に形成される固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記配線部は、プラグを介して、周辺回路部のゲート電極に接続された固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記層内レンズの下凸部の側壁が遮光膜で被覆された固体撮像素子。
【請求項７】
請求項３に記載の固体撮像素子であって、
前記パッシベーション膜は、樹脂膜である固体撮像素子。
【請求項８】
請求項３に記載の固体撮像素子であって、
前記パッシベーション膜は、無機膜である固体撮像素子。
【請求項９】
半導体基板上に、光電変換部を備えた撮像部と、前記撮像部の出力を処理する周辺回路部とを備えた固体撮像素子の製造方法において、
前記撮像部の上層に、層内レンズを形成する工程と、
この層内レンズの上層に、前記撮像部から前記周辺回路部に接続される配線部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１０】
請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記層内レンズを形成する工程は、
下凸部を形成する工程と上凸部を形成する工程とを含み、
前記配線部を形成する工程は、前記下凸部を形成する工程のあとに実行される、固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記上凸部を形成する工程は、
前記周辺回路部の配線部の形成後に実行される固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記上凸部を形成する工程は、前記周辺回路部の配線部上を覆うように形成し、前記配線部上ではパッシベーション膜としてパターニングする工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記配線部を形成する工程は、前記上凸部を形成する工程のあとに実行される、固体撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記配線部の形成工程は、コンタクト孔を形成しこのコンタクト孔に形成されるプラグを介して、周辺回路部のゲート電極に接続する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記配線部を形成する工程は、
前記下凸部の側壁に、配線層を構成する導電性膜を残すように前記導電性膜をパターニングし、前記下凸部の側壁を遮光膜で被覆する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に層内レンズの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子においては、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでおり、素子の微細化も高まる一方である。このような状況の中で、感度の向上が求められており、カラーフィルタ上に形成される最上層のオンチップレンズのみでは感度向上が図れず、オンチップレンズとセンサ部との間にさらにレンズ（層内レンズ）を形成して集光機能を高める技術が提案されている。この層内レンズの一例として、転送電極等による段差を埋めて平坦化した面上に、表面側が凸面とされたレンズを形成することによって形成される、層内凸レンズがある。
【０００３】
この層内凸レンズの製造方法の一例として、層内凸レンズのレンズ材の膜とレジストとの積層膜をドライエッチングする方法がある。これは、レンズ材の膜を堆積し、その上にレジストをレンズの形状にパターニングし、その後ドライエッチングによりレジストによるレンズ形状をレンズ材の膜に転写する方法である。
【０００４】
また、レンズの焦点距離を所望の距離に広範囲で調節することによって高感度化をはかる方法も提案されている（特許文献１）。
この方法では、層内レンズ材料の層上にレンズ形状のレジストマスクを形成し、エッチバック法によりこのレジストマスクのレンズ形状を層内レンズ材料の層に転写して層内レンズを形成し、エッチバック量で焦点距離を調整するものである。
【０００５】
このように、マイクロレンズによるオンチップレンズの下に層内レンズを設けることにより、入射光を２段階で集光して、より多くの光を受光部に入射させることができ、オンチップレンズのみを形成した場合と比較して、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１６４８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように固体撮像素子の層内レンズの高さは、エッチバック量を調整することにより、焦点距離を調整することができるが、これらの層内レンズの形成は、メタル配線形成後に行われており、そのレンズ材料は配線保護膜（パッシベーション膜）と兼用するという方法がとられている。レンズの形成工程において、レンズ材料をエッチバックする際、レンズの厚さを薄くすると、配線部のパッシベーション膜も薄くなり、配線部が露呈することがある。このため膜厚には限界があり、このため、層内レンズの高さを下げるには限界がある。また兼用しない場合にも、配線部上での表面の凹凸が、レンズなどのパターニング工程における精度劣化の原因となることがある。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、層内レンズの高さを自由に調整し得、高感度で信頼性の高い固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された光電変換部を備えた撮像部と、前記撮像部の上層に形成された層内レンズと、撮像部で得られた出力を処理する周辺回路部とを具えた固体撮像素子であって、前記層内レンズの少なくとも一部が前記周辺回路部の配線部よりも下層に形成されたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、配線部のパッシベーション膜の膜厚に左右されることなく、層内レンズの厚さを調整することができ、光学設計上、より多くの条件に対応することができる。
【００１１】
また、本発明の固体撮像素子は、前記層内レンズは下凸部と上凸部とを含み、前記周辺回路部の配線部が、下凸部よりも上層であって、上凸部よりも下層であるものを含む。
【００１２】
この構成によれば、配線部が下凸部と上凸部とからなる層内レンズ内に形成されることになり、信頼性の向上を図ることができる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像素子は、前記周辺回路部の配線部を覆うパッシベーション膜が、上凸部を構成するものを含む。
【００１４】
この構成によれば、パッシベーション膜と層内レンズとが兼用できるので工程数の削減をはかることができる。
【００１５】
また、本発明の固体撮像素子は、前記層内レンズは下凸部と上凸部とを含み、前記周辺回路部の配線部が、下凸部および上凸部の上層に形成されるものを含む。
【００１６】
この構成によれば、層内レンズの高さを自由に調整でき、かつ信頼性の高い配線部を形成することができる。
【００１７】
また、本発明の固体撮像素子は、前記配線部は、プラグを介して、周辺回路部のゲート電極に接続されたものを含む。
【００１８】
また、本発明の固体撮像素子は、前記下凸部の側壁が遮光膜で被覆されたものを含む。
【００１９】
この構成によれば、下凸部の側壁を遮光膜で覆うようにすれば、電荷転送部への光の漏れを防止することができる。
【００２０】
また、本発明の固体撮像素子は、前記パッシベーション膜は、樹脂膜であるものを含む。
【００２１】
この構成によれば、加工が容易である。
【００２２】
また、本発明の固体撮像素子は、前記パッシベーション膜は、無機膜であるものを含む。
【００２３】
この構成によれば、保護性が高く信頼性の向上をはかることができる。
【００２４】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に、光電変換部と前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とで構成された撮像部と、前記電荷転送部の出力を処理する周辺回路部とを備えた固体撮像素子の製造方法において、前記撮像部の上層に、層内レンズを形成する工程と、この層内レンズの上層に、前記撮像部から前記周辺回路部に接続される配線部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、層内レンズの形成に際し、配線部上のパッシベーション膜の膜厚に左右されることなく、高さ（レンズの厚さ）を自由に調整することができる。
【００２６】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記上凸部を形成する工程は、前記周辺回路部の配線部の形成後に実行されるものを含む。
【００２７】
この構成によれば、層内レンズの形成に際し、配線部上のパッシベーション膜の膜厚に左右されることなく、高さ（レンズの厚さ）を自由に調整することができる。
【００２８】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記層内レンズを形成する工程が、下凸部を形成する工程と上凸部を形成する工程とを含み、前記配線部を形成する工程は、前記下凸部を形成する工程のあとに実行されるものを含む。
【００２９】
この構成によれば、前記下凸部を形成する際のエッチバック工程においても配線部が露呈するおそれもなく形成可能である。
【００３０】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記上凸部を形成する工程は、前記周辺回路部の配線部上を覆うように形成し、前記配線部上では、パッシベーション膜としてパターニングする工程を含む。
【００３１】
この構成によれば、前記下凸部を形成する際のエッチバック工程においても配線部が露呈するおそれもなく形成可能である。
【００３２】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記配線部を形成する工程は、前記上凸部を形成する工程のあとに実行されるものを含む。
【００３３】
この構成によれば、前記上凸部の膜厚に依存することなくパッシベーション膜が形成可能である。
【００３４】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記配線部の形成工程は、コンタクト孔を形成しこのコンタクト孔に形成されるプラグを介して、周辺回路部のゲート電極に接続する工程を含むものを含む。
【００３５】
この構成によれば、ゲート電極に接続されるプラグが上層部に形成されるため、ゲート電極につながる導体層がプラズマにさらされる回数が大幅に低減され、プラズマダメージによってゲート破壊が生じるのを防止することができる。
【００３６】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記配線部を形成する工程は、前記下凸部の側壁に、配線層を構成する遮光性の導電性膜を残すようにパターニングし、前記下凸部の側壁を遮光膜で被覆する工程を含むものを含む。
【００３７】
この構成によれば、配線層のパターニング工程で前記下凸部の側壁に遮光膜を形成することができ工数を増大することなく、光学特性の優れた固体撮像素子を形成することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、層内レンズの厚さが周辺回路部の配線層の膜厚に依存することなく調整することができ、光学設計上、より多くの条件に対応することができる。
また受光面との距離を調整することによって、Ｆ値依存性の改善、感度の向上、スミアの低下を期待することができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、工程の順序を変更するのみで、信頼性の向上と、配線層の高さの向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は固体撮像素子の要部を示す断面図、図２は平面図、図３は撮像領域の要部平面図である。ここで、図１は、図２のＢ−Ｂ断面、図３のＡ−Ａ断面に相当し、図３は図２の撮像領域の拡大図に相当する。また、図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ撮像部と周辺回路部との要部断面図である。この固体撮像素子は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、光電変換部上に形成される層内レンズ２０が周辺回路部の配線部を構成する配線層２８よりも下層に形成されたことを特徴とし、配線部のパッシベーション膜２５の膜厚に左右されることなく、層内レンズの厚さを調整することができるようにしたものである。２７は周辺回路部のトランジスタのゲートに接続するコンタクトプラグである。そしてこの配線層２８の上層は、撮像部でカラーフィルタ層５０の下地を構成する平坦化層２４としての酸化シリコン膜で被覆されており、周辺回路部ではパッシベーション膜として作用する。
【００４０】
なお、固体撮像素子の撮像部の上方には、光電変換部としてのフォトダイオード３０に相当する領域に開口を形成した遮光膜７が設けられており、ＢＰＳＧ膜からなる平坦化層２１を介して、窒化シリコン膜２２からなる下凸部２２、平坦化層２５、上凸部２３、平坦化層２４、カラーフィルタ５０、平坦化層７０、マイクロレンズ６０が順次積層して設けられる。
【００４１】
この固体撮像素子チップは、図２に概略平面図を示すように、半導体基板上にフォトダイオードと電荷転送部とで構成された撮像領域１００と、この周辺に形成されたアンプなどの周辺回路部２００とを備え、周縁部に外部接続端子としてのパッド部３００を構成してなるものである。図１に示すように、素子分離領域１１で分離されたｐウェル１２に、複数のフォトダイオード３０が形成され、フォトダイオードで検出した信号電荷を転送するための電荷転送部４０が、フォトダイオード３０の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送部４０によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネル１４は、図３では図示していないが、電荷転送部４０が延在する方向と平行に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。
【００４２】
すなわち、この固体撮像素子は、図１に示すように、電荷転送部４０表面に、ゲート酸化膜２を介して第１層電極３ａと第２層電極３ｂとが酸化シリコン膜４ａとＨＴＯ膜４ｂとからなる電極間絶縁膜４を介して配列され、電荷転送電極を構成している。そしてフォトダイオード３０は、ｐウェル１２とｐｎ接合を形成するｎ型不純物領域３１と、このｎ型不純物領域３１表面に形成された表面電位調整層３２としての高濃度のｐ型不純物領域とで形成されている。ゲート酸化膜２は、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるボトム酸化膜２ａと、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２ｂと、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるトップ酸化膜２ｃとを含む積層構造（ＯＮＯ）膜で構成される。またｐウェル１２の下方にはｐ型半導体層からなるオーバードレインバッファ層１３が形成されており、電圧を印加することにより、電荷の引き出しができるようになっている。
【００４３】
そしてこの第１層電極３ａおよび第２層電極３ｂの上層には酸化シリコン膜５を介して膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜からなる反射防止膜６が形成されている。そしてこの上層はスパッタリング法により形成された膜厚５０ｎｍのチタンナイトライド層（図示せず）を介して遮光層７としての、フォトダイオード３０の受光領域に開口を有する膜厚２００ｎｍのタングステン薄膜が形成されている。さらにこの上層は、ＢＰＳＧ膜による汚染防止のための酸化シリコン膜９とＢＰＳＧ膜からなる絶縁層２１で覆われている。この上層の層内レンズは前述したとおりである。
【００４４】
次に、この固体撮像素子の製造工程における電荷転送電極の形成工程について、図５（ａ）乃至（ｃ）を用いて説明する。この例では図１に記載したフォトダイオード領域形成のためのｎ型不純物領域３１、表面電位調整層３２としてのｐ型不純物拡散領域、転送チャネル１４としてのｎ型不純物領域を形成すべく、イオン注入を行った後、ゲート酸化膜およびゲート電極を形成する。以下の工程では簡略化のために半導体基板１内に形成されるフォトダイオード領域および転送チャネルを省略する。
【００４５】
そして、図５（ａ）に示すように、ゲート酸化膜２、第１層電極３ａの形成、電極間絶縁膜の形成４、第２層電極３ｂの形成工程の後、絶縁膜５、窒化シリコン膜６(図示せず)を形成した後、前記フォトダイオード３０に開口するタングステン膜からなる遮光膜７を形成した後、酸化シリコン膜９（ここでは図示しない。：図１参照）を介して、絶縁膜２１としてＢＰＳＧ膜を成膜し、リフローにより流動化して所望の形状にする。そして、このとき周辺回路部におけるアンプ部のＭＯＳＦＥＴのゲート電極は第２層電極３ｂと同一工程で形成される。
【００４６】
そして、図５（ｂ）に示すように、この上層に、レジストを塗布し、エッチバックし、平坦化し、凹レンズ２２を形成する。
この後、周辺回路部では、この凹レンズと同一工程で形成された層間膜（２２）および絶縁膜２１、酸化シリコン膜９などに開口するようにコンタクトホールを形成し、タングステンを充填してコンタクトプラグを形成する。
【００４７】
この後、図５（ｃ）に示すように、平坦化層２５を形成し、この上層にＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等の高屈折率材料薄膜を形成した後、上面が曲面による凸部となるようにパターニングし、上凸部２３を形成する。このとき平坦化層２５の形成に先立ち、周辺回路部ではコンタクトプラグが形成されており、パッシベーション膜として作用する。
【００４８】
この後、通例の方法で、平坦化層２４、カラーフィルタ５０、平坦化層７０、マイクロレンズ６０を形成し、図１乃至４に示したような固体撮像素子を形成することができる。
【００４９】
このようにして形成された固体撮像素子によれば、層内レンズの厚さが周辺回路部の配線層の膜厚に依存することなく調整することができ、光学設計上、より多くの条件に対応することができる。また受光面との距離を調整することによって、Ｆ値依存性の改善、感度の向上、スミアの低下を期待することができる。また工程の順序を変更するのみで、信頼性の向上をはかることができる。また、本実施の形態では、上凸部は、プラグの上層に形成し、パッシベーション膜として用いたため、工数の増大なしに形成することができる。
【００５０】
また、プラズマＣＶＤあるいはプラズマエッチングなど、種々のプラズマ工程を用いる場合にも、周辺回路部のゲート電極に接続されるプラグが上層部で形成されるため、アンテナ効果によるプラズマチャージングの影響によりゲート破壊が生じるのを抑制することができ、信頼性の向上をはかることができる。
なお、本実施の形態では、遮光膜７と、配線層２８とを別工程で形成したが、同一工程で形成するようにしてもよい。
【００５１】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、層内凸レンズを構成する上凸部は、プラグの上層に形成し、パッシベーション膜として用いられたが、本実施の形態では、周辺回路部の配線部が層内凸レンズとしての上凸部の上層に形成されたことを特徴とする。すなわち、層内レンズは、層内凹レンズ２２としての下凸部および層内凸レンズ２３としての上凸部とを含み、これらの上層に配線部を構成するプラグ２７および配線層２８が形成される。
すなわち、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、プラグ２７は、層内凸レンズ２３の上層から、パッシベーション膜（平坦化層）２５および層内凹レンズ２２、ＢＰＳＧ膜からなる絶縁層２１を貫通するように形成される。この構造ではプラグ２７および配線層２８の上層に形成されるのは平坦化層（保護膜）２４と平坦化層７０であるが、カラーフィルタのうちの一色を周辺回路部にも残留させるようにしてもよい。ここで図６（ａ）および（ｂ）は、素子部および周辺回路部の断面図であり、前記実施の形態１における図４（ａ）および（ｂ）に相当する。他は実施の形態１と同様に形成されるため説明を省略する。
前記実施の形態では、プラグ２７と配線層２８とを別工程で形成しているが、同一工程で形成してもよい。
【００５２】
これにより、上凸部をプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜で構成した場合もプラズマチャージングの影響もなく、また、下凸部、上凸部の両方をまったく制約なしに薄くすることができ、エッチバックによる配線部の露呈の恐れもない。
【００５３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図７に示すように、前記実施の形態１で形成した、下凸部２２の側壁にタングステン層からなる遮光膜２６を形成したことを特徴とするものである。
この遮光膜のパターニングに際しては異方性エッチングを用いることにより、フォトダイオード部の側壁に遮光膜を残すようにパターニングすることができ、集光性を高め、信頼性の高い固体撮像素子を形成することができる。ここでも他は実施の形態１と同様に形成されるため説明を省略する。
なお、前記実施の形態では、撮像部に電荷転送素子（ＣＣＤ）を用いた例について説明したが、ＣＭＯＳ素子を用いた場合にも適用可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、層内レンズの高さを自由に調整でき、薄型で信頼性の高い固体撮像素子を形成することができることから、携帯電話などの小型の通信機器用として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す平面図
【図３】本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す要部平面図
【図４】本発明の実施の形態１の固体撮像素子を示す要部説明図
【図５】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図６】本発明の実施の形態２の固体撮像素子を示す説明図
【図７】本発明の実施の形態３の固体撮像素子を示す説明図
【符号の説明】
【００５６】
１        シリコン基板
２ａ      酸化シリコン膜（ボトム酸化膜）
２ｂ      窒化シリコン膜
２ｃ      ＣＶＤ酸化膜（トップ酸化膜） 
３        ゲート電極
４        電極間絶縁膜
５        絶縁膜
６        絶縁(窒化シリコン）膜
７        遮光膜
２０      層内レンズ
２１      （ＢＰＳＧ膜）絶縁層
２２      層内凹レンズ
２３      層内凸レンズ
２４      平坦化層（保護膜）  
２５      パッシベーション膜（平坦化層）
２６      遮光膜
２７      プラグ
２８      配線層
３０      フォトダイオード
４０      電荷転送部
５０      カラーフィルタ
６０      マイクロレンズ
７０      平坦化層
【図１】
2006310826.tif 000003
【図２】
2006310826.tif 000004
【図３】
2006310826.tif 000005
【図４】
2006310826.tif 000006
【図５】
2006310826.tif 000007
【図６】
2006310826.tif 000008
【図７】
2006310826.tif 000009