(57)【要約】【課題】画質の低下特に、基板周縁部の画質劣化を低減し、高精度の読み取り画像を提供することのできる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子の有効撮像領域１Ａを囲むように枠状に形成されるフィールド酸化膜４を凹部Ｒに形成することにより、この表面が、フォトセンサ２の表面レベルと同程度に位置するように構成している。【選択図】図１
2004055669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子の有効撮像領域を囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜の表面が、フォトセンサの表面レベルと同程度に位置していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記フィールド酸化膜は、選択酸化（ＬＯＣＯＳ）によって形成された膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フィールド酸化膜は、枠状に形成された凹部内に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板表面に固体撮像素子を形成する方法であって、
固体撮像素子形成領域を囲むようにフィールド酸化膜を形成する工程が、
固体撮像素子の有効撮像領域を囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜の表面が、フォトセンサの表面レベルと同程度に位置するように、フィールド酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記フィールド酸化膜を形成する工程は、
前記半導体基板表面の少なくとも固体撮像素子形成領域を囲む領域に凹部を形成する工程と、
前記凹部内に、酸化シリコン膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の形成方法。
【請求項６】
前記酸化シリコン膜を形成する工程は、選択酸化によって形成される工程であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記フィールド酸化膜を形成する工程は、選択酸化によって酸化シリコンを形成する工程と、
ＣＭＰにより、前記酸化シリコン膜の突出部を除去し平坦化する工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に固体撮像素子の微細化構造およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化・高密度化に伴い、固体撮像装置においても、撮像画素数の増加が進んでいるが、画素数の増加に伴い信号電荷の高速転送、すなわち高速駆動への要求から、素子の微細化が進んでいる。
【０００３】
固体撮像素子は、図６にその断面の一例を示すように、周辺部等に、３００〜６００ｎｍ程度の厚いＣＶＤ酸化膜からなるフィールド酸化膜１４を形成し、このフィールド酸化膜１４で囲まれた素子領域内は有効撮像領域１１Ａとして、光電変換素子と電荷転送素子とが配列される。一方フィールド酸化膜１４上およびその外側は非撮像領域１１Ｂとなり、この非撮像領域１１Ｂには、信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタや固体撮像素子に対して、信号処理回路などを分離する素子分離領域（フィールド酸化膜）が形成され、その上層には配線層１７が形成されている。
【０００４】
すなわち、図６に示すように、シリコン基板１１内には、フィールド酸化膜１４で囲まれた有効撮像領域１１Ａ内にフォトダイオード１２および電荷転送素子１３が形成され、その上層は絶縁膜１５で被覆されている。
【０００５】
そしてこのフィールド酸化膜１４上には配線電極１７が形成され、更にその上層は平坦化膜１６で被覆されている。そして、さらにカラーフィルタ１８、マイクロレンズ１９が設けられる。
このような構造を有する固体撮像素子においては、図６に示すように、有効撮像領域１１Ａと非撮像領域１１Ｂとの境界部分に大きな段差が形成される。
【０００６】
また、基板と配線間の容量を小さくするために、フィールド酸化を用いる場合はある程度の酸化膜厚が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の固体撮像素子では、チップの中心部の有効撮像領域１１Ａと、これを囲む非撮像領域１１Ｂとの間で大きな段差を生じる。従って図７に示すように、有効撮像領域１１Ａの近傍から外側は画質が劣化する画質劣化部２１となっている。
【０００８】
すなわち、周囲に大きな段差があるため、平坦化膜１６を形成しても、図８に示すように、中央部で薄くなり、なだらかな段差の形成は免れ得ない。このため、この平坦化膜１６の上層に形成されるカラーフィルタ１８およびマイクロレンズ１９も周縁部では斜めに形成される。従って、有効撮像領域１１Ａの周辺部では、オンチップレンズにより集光された光がフォトセンサの中央に入射しなくなることがある。これにより、撮像画面の周辺部で感度や色の不均一が生じ、この周辺領域は、画質劣化部２１として問題となっている。
【０００９】
このように、基板周縁部の枠状のフィールド酸化膜のパターンによる段差に起因して、撮像画面の周辺部で感度や色の不均一が生じ、画質が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、画質の低下特に、基板周縁部の画質劣化を低減し、高精度の読み取り画像を提供することのできる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、固体撮像素子の有効撮像領域を囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜の表面が、フォトセンサの表面レベルと同程度に位置していることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、固体撮像素子の有効撮像領域を囲むように枠状に形成されるフィールド酸化膜の表面がフォトセンサの表面レベルと同程度となるように形成されているため、有効撮像領域全体が平坦に維持される。従ってチップ表面に形成されるレンズはチップ周辺部においても、光軸が基板表面と平行となるように維持され、フォトセンサの中央に効率よく入射せしめられる。従って撮像画面の周辺部においても感度や色の不均一が生じることなく、画質劣化部が低減され、有効撮像領域全体にわたって高精度に撮像画像を得ることが可能となる。
また、配線容量を十分にとるべく厚いフィールド酸化膜を形成する場合にも、基板表面の段差を低減することが可能となる。
【００１３】
また望ましくは、前記フィールド酸化膜を、選択酸化によって形成することにより、膜質の良好な酸化膜を形成でき、より確実な絶縁分離が可能となる。
【００１４】
さらに望ましくは、前記フィールド酸化膜は、枠状に形成された凹部内に形成されている。かかる構成によれば、平坦でかつ膜質の良好な酸化膜を形成することが可能となる。
【００１５】
また本発明では、半導体基板表面に固体撮像素子を形成する方法であって、　固体撮像素子形成領域を囲むようにフィールド酸化膜を形成する工程が、固体撮像素子の有効撮像領域を囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜の表面が、フォトセンサの表面レベルと同程度に位置するように、フィールド酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、厚いフィールド酸化膜を形成し、配線容量を十分に小さくしつつ、基板表面の段差を低減することが可能となる。
【００１７】
望ましくは、前記フィールド酸化膜を形成する工程は、前記半導体基板表面の少なくとも固体撮像素子形成領域を囲む領域に凹部を形成する工程と、前記凹部内に、酸化シリコン膜を形成する工程とを含む。
【００１８】
かかる構成によれば、あらかじめ凹部を形成した後、この凹部に酸化シリコン膜を形成するようにしているため、効率よく表面の平坦化をはかることが可能となる。
【００１９】
望ましくは、この酸化シリコン膜は、選択酸化によって形成すれば、膜質の良好な絶縁膜となるため、リークのおそれもなく、確実な素子分離を行うことが可能となる。
【００２０】
また望ましくは、前記フィールド酸化膜を形成する工程は、選択酸化によって酸化シリコンを形成する工程と、ＣＭＰにより、前記酸化シリコン膜の突出部を除去し平坦化する工程とを含む。
【００２１】
かかる構成によれば、さらなるリソグラフィ工程を必要とすることなく、歪の少ない素子分離領域を形成することが可能となる。
【００２２】
また、ここでフィールド酸化膜は選択酸化に限定されることなく、化学的気相成長（ＣＶＤ）法で形成してもよい。さらにまたあらかじめ枠状の凹部を形成しておくようにし、この凹部内に塗布法によって絶縁膜を形成するようにしてもよい。さらにまたＣＶＤ法や熱酸化による酸化シリコン膜に限定されることなく、ＢＰＳＧ膜やＰＳＧ膜のように不純物ドープしたシリコン酸化膜や塗布法によって形成された膜も適用可能である。
【００２３】
また、ＣＶＤ法による酸化シリコン膜と選択酸化による酸化シリコン膜とを併用し、素子分離を重視するアンプ付近ではＣＶＤ法による酸化シリコン膜を用い、フォトダイオード形成領域の周辺など平坦性を重視する部分では選択酸化を用いるというように１枚の基板内で使い分けるようにしてもよい。
【００２４】
加えて、基板表面の平坦性が向上するため、フォトリソ工程やエッチング工程の加工マージンが広がり、微細化にも有効なものとなっている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
（第１の実施の形態）
【００２６】
本実施形態の半導体装置は、図１に示すように、固体撮像素子の有効撮像領域１Ａを囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜４の表面が、フォトセンサ２の表面レベルと同程度に位置するように構成したことを特徴とする。
他の部分については、図６に示した従来例の固体撮像素子と同様に形成されている。
【００２７】
すなわち、図１に示すようにフィールド酸化膜４が基板１の表面に形成された凹部Ｒ内に形成され、基板１の表面レベルからの突出高さが低くなるように形成されていることを特徴とする。
【００２８】
シリコン基板１表面に形成された凹部Ｒ内に、選択酸化によるフィールド酸化膜４が形成されており、非撮像領域１Ｂと有効撮像領域１Ａとの界面での段差はほとんど皆無となっている。そしてシリコン基板１内にフォトダイオード２が形成されると共に、このフォトダイオード２による光電電流を電荷転送素子３の電荷転送電極を介して読み出すように構成されている。
【００２９】
ここでは、シリコン基板１の周辺部に、枠状をなすように形成された、深さ６００ｎｍ程度の凹部Ｒ内に選択酸化による厚さ８００ｎｍの酸化シリコン膜４が形成されている。そしてこの酸化シリコン膜４で囲まれた素子領域内は有効撮像領域１Ａとして、フォトダイオード２と電荷転送素子３とが配列される。一方フィールド酸化膜４およびその外側は非撮像領域１Ｂとなり、この非撮像領域１Ｂには、信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタや固体撮像素子に対して、信号処理回路などを分離するフィールド酸化膜としての酸化シリコン膜４が形成され、その上層には配線層１７が形成されている。
【００３０】
すなわち、図１に示すように、シリコン基板１内には、フィールド酸化膜４で囲まれた有効撮像領域１Ａ内にフォトダイオード２および電荷転送素子３が形成され、その上層は絶縁膜５で被覆されている。
【００３１】
そしてフィールド酸化膜４上には配線電極７が形成され、更にその上層は平坦化膜６で被覆されている。そして、さらにカラーフィルタ８、マイクロレンズ９が設けられている。
【００３２】
かかる構成によれば、図１に示すように、有効撮像領域１Ａでは、その周囲の非撮像領域１Ｂとの間の境界まで良好な撮像特性を得ることができ、画質劣化部２１は非撮像領域とほぼ一致することになる。
【００３３】
次に本実施形態の固体撮像素子の製造工程について図３（ａ）乃至（ｃ）を参照しつつ説明する。
【００３４】
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１を用意する。
そして、バッファ用の酸化シリコン膜１０および窒化シリコン膜１１を形成しフォトリソグラフィによりこれらをパターニングし、２層構造のマスクパターンを形成する。
次いで図３（ｂ）に示すように、このマスクパターンをマスクとして基板表面をエッチング除去し、表面に凹部Ｒを形成する。
【００３５】
この状態で、９００℃の酸化性雰囲気中で加熱し、図３（ｃ）に示すように、膜厚４００から６００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなるフィールド酸化膜４を形成する。そしてこの窒化シリコン膜１１を除去し、通常の方法で、ゲート酸化膜を形成し、フォトダイオード２および電荷転送素子３、配線層７などを形成する。
このようにして図１に示した、固体撮像素子が形成される。
【００３６】
この構造では、４００〜６００ｎｍと厚いフィールド酸化膜が形成されているものの、凹部Ｒに形成されているため、段差は小さく、従ってフィールド酸化膜の周辺でも表面は平坦であり、上層に形成されるマイクロレンズ９による集光も精度よくなされ、画質の劣化をもたらすこともない。
【００３７】
またこの固体撮像素子によれば、フィールド酸化膜による段差が小さいため、フォトリソグラフィにおけるフォーカスマージンが広がり、微細パターンの加工を行うことが可能となる。
【００３８】
また製造に際しても、凹部を形成して、その凹部内に酸化シリコン膜を充填するようにすればよいため、製造も容易である。
【００３９】
なお、前記実施の形態では、選択酸化による酸化シリコン膜を選択的に除去することにより形成した凹部を用いたが、基板をエッチングすることによって凹部を形成しても良い。
【００４０】
また、前記実施の形態では、凹部内で選択酸化を行うことにより、酸化シリコン膜を形成したが、ＣＶＤ法により酸化シリコン膜を形成し、これをフィールド酸化膜として用いるようにしてもよい。
【００４１】
また、ＢＰＳＧ膜やＰＳＧ膜のような不純物ドープ膜などを塗布法によって凹部内に充填するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００４２】
（第２の実施の形態）
前記第１の実施の形態では、凹部に酸化シリコン膜を形成することにより、基板表面の段差を低減するようにしたが、この例では、選択酸化により酸化シリコン膜を形成した後、この酸化シリコン膜をＣＭＰにより選択的に除去することにより表面の平坦化をはかるようにしてもよい。
【００４３】
すなわち本実施形態の半導体装置は、図４に示すように、固体撮像素子の有効撮像領域１Ａを囲むように枠状に形成されたフィールド酸化膜４の表面が、ＣＭＰにより平坦化されて、フォトセンサ２の表面レベルと同程度に位置するように構成されている。
【００４４】
他の部分については、図１および２に示した本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子と同様に形成されている。
【００４５】
すなわち、図４に示すようにフィールド酸化膜４が平坦化され、基板１の表面レベルからの突出高さが低くなるように形成されていることを特徴とする。
【００４６】
この例では、シリコン基板１表面に、選択酸化によるフィールド酸化膜４が形成されており、このフィールド酸化膜４の表面がエッチングおよび研磨により除去されているため、非撮像領域１Ｂと有効撮像領域１Ａとの界面での段差はほとんど皆無となっている。そしてシリコン基板１内にフォトダイオード２が形成されると共に、このフォトダイオード２による光電電流を電荷転送素子３の電荷転送電極を介して読み出すように構成されている。上部の絶縁膜５、平坦化膜６、配線層７についても前記第１の実施の形態と同様に形成されている。
【００４７】
ここでは、シリコン基板１の周辺部に、枠状をなすように形成された、厚さ８００ｎｍの酸化シリコン膜４が表面研磨により、厚さ４００ｎｍ程度のみ残留せしめられ、ほぼ平坦な表面を構成するようになっている。
【００４８】
かかる構成によれば、前記第１の実施の形態と同様に、有効撮像領域１Ａでは、その周囲の非撮像領域１Ｂとの間の境界まで良好な撮像特性を得ることができ、画質劣化部２１は非撮像領域とほぼ一致することになる。
【００４９】
次に本実施形態の固体撮像素子の製造工程について図５（ａ）乃至（ｃ）を参照しつつ説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１を用意する。
そして、図５（ｂ）に示すように、（図示しない）窒化シリコンなどの非酸化性膜からなるマスクパターンを形成して、９００℃の酸化性雰囲気中で加熱し、膜厚８００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなるフィールド酸化膜４を形成する。
【００５０】
この後、図５（ｃ）に示すように、基板表面に突出しているフィールド酸化膜４を除去し、ＣＭＰにより表面の平坦化をはかる。
【００５１】
そして、通常の方法で、ゲート酸化膜を形成し、フォトダイオード２および電荷転送素子３、配線層７などを形成する。
このようにして図４に示した、固体撮像素子が形成される。
【００５２】
かかる構成によっても前記第１の実施の形態と同様、基板表面が平坦であるため、撮像特性が良好で画質劣化をもたらす領域と非撮像領域とがほぼ一致するようになり、最大限に有効な撮像領域を得ることが可能となる。
【００５３】
また、本発明は、ＣＣＤエリアセンサに、特に有効であるが、この他ラインセンサやＣＭＯＳセンサ、など他の撮像デバイスにも適用可能である。
【００５４】
【発明の効果】
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、有効撮像領域と非撮像領域との境界部分において素子分離膜（フィールド酸化膜）による段差を低減することができるため、表面に形成される色分解フィルタやオンチップレンズを平坦な状態で配置することができる。この結果有効撮像領域の周辺部における感度や色の不均一性等を改善することができ、画質の低下を防止することが可能となる。
【００５５】
また基板表面の平坦性が向上するためフォトリソ工程やエッチング工程の加工マージンが広がり、素子の微細化をはかることが可能となる。
【００５６】
さらにまた、段差を大きくすることなくフィールド酸化膜の膜厚を十分に大きくとることができ、基板と配線との間の容量を十分に小さくすることが可能となる。
【００５７】
加えて、何ら大きなプロセス変更なしに、基板の平坦化をはかることができ、製造も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の平面図を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【図６】従来例の固体撮像素子を示す図である。
【図７】従来例の固体撮像素子の平面図を示す説明図である。
【図８】従来例の固体撮像素子の断面説明図である。
【符号の説明】
１　シリコン基板
２　フォトダイオード
３　電荷転送素子
４　フィールド酸化膜
５　絶縁膜
６　平坦化膜
７　配線
８　カラーフィルタ
９　マイクロロッドレンズ
【図１】
2004055669.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004055669.tif 000008
【図７】
2004055669.tif 000009
【図８】
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