(57)【要約】【課題】デバイスサイズのシュリンクにより、一画素を単位とするユニットセルのサイズが小さくなる傾向にあり、これに伴って一画素で取り扱うことのできる入射光量が少なくなってきている。【解決手段】本来の光電変換領域であるＮ型領域１３と同じ導電型の不純物からなり、Ｎ型領域１３に連なる凸状部１５を基板表面上に形成し、光電変換に寄与する領域の体積を当該凸状部１５の体積分だけ拡大することにより、取り扱うことができる信号電荷量を増やす。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表層部に画素単位で形成され、入射光を光電変換する第１の光電変換領域と、
前記基板の表面上に前記第１の光電変換領域と同じ導電型の不純物によって当該第１の光電変換領域に連なって形成された凸状の第２の光電変換領域と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第２の光電変換領域は、前記基板の表面側と反対側に凸状のレンズ形状をなしている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
基板の表面上に画素単位で凸状部を形成する第１の工程と、
前記凸状部を通してイオン注入を行うことによって前記基板の表層部に第１の光電変換領域を形成するとともに、前記凸状部を第２の光電変換領域として形成する第２の工程と
を少なくとも含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程では、前記凸状部をレンズ形状に加工する
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。
【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固体撮像素子の製造方法に関し、特に固体撮像素子における画素部（受光部）の構造および当該画素構造を有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像素子において、その画素構造は、素子の基板としてＮ型シリコン基板を用いた場合を例に挙げると、このＮ型シリコン基板上にＰ型ウェル領域を形成し、その上にさらに光電変換領域（信号電荷蓄積領域）となるＮ型不純物拡散領域を形成することにより、Ｐ型ウェル領域とＮ型不純物拡散領域とのＰＮ接合によるフォトダイオードによって構成されている
【０００３】
この種の固体撮像素子において、鮮明な撮像画像を得るためには、Ｓ／Ｎを考慮して、受光部の信号電荷量をできるだけ多く確保できるようにすることが望ましい。少ない入射光量でできるだけ多くの信号電荷量を得るために、従来は、カラーフィルタ上にオンチップを有する画素構造において、受光部ごとにその受光面直上に凸レンズを設けることにより、入射光の集光の高効率化を図るようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６４８３９号公報（特に、図１、図４、段落００１４および段落００２２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年のデバイスサイズのシュリンクにより、一画素を単位とするユニットセルのサイズが小さくなる傾向にあり、これに伴って一画素で取り扱うことのできる入射光量が少なくなってきている。また、受光部の光電変換領域のサイズも同時にシュリンクされている。こうした入射光量の減少と光電変換領域の減少という二つの要因により、固体撮像素子が取り扱うことができる信号電荷量も減少し、シュリンク前のデバイスに比べて鮮明な撮像画像が得られなくなってきている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ユニットセルのサイズが小さくなる状況下において、受光部の光電変換領域を拡大し、取り扱うことができる信号電荷量の増量を可能にした固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像素子は、基板の表層部に画素単位で形成され、入射光を光電変換する第１の光電変換領域と、前記基板の表面上に前記第１の光電変換領域と同じ導電型の不純物によって当該第１の光電変換領域に連なって形成された凸状の第２の光電変換領域とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成の固体撮像素子において、第１の光電変換領域は入射光を画素単位で光電変換を行う受光部（光電変換部）を構成している。第２の光電変換領域は、第１の光電変換領域と同じ導電型の不純物によって当該第１の光電変換領域に連なって形成されることで、第１の光電変換領域と同様に光電変換に寄与する。これにより、ユニットセルのサイズが小さくなっても、基板の表面側において、受光部の光電変換に寄与する領域を拡大できるため、取り扱うことができる信号電荷量を増やすことができる。
【０００９】
本発明による固体撮像素子の製造方法は、基板の表面上に画素単位で凸状部を形成する第１の工程と、前記凸状部を通してイオン注入を行うことによって基板の表層部に第１の光電変換領域を形成するとともに、前記凸状部を第２の光電変換領域として形成する第２の工程とを少なくとも含むことを特徴としている。
【００１０】
固体撮像素子において、その画素構造を形成するに当たり、先ず、基板の表面上に画素単位で凸状部を形成する。そして、当該凸状部を通してイオン注入を行うことで、基板の表層部に第１の光電変換領域を形成する。さらに、凸状部にもイオン注入を行うことで、当該凸状部を第１の光電変換領域と同様に光電変換を行う領域（第２の光電変換領域）とする。これにより、ユニットセルのサイズが小さくなっても、基板の表面側において、受光部の光電変換に寄与する領域を拡大できるため、取り扱うことができる信号電荷量を増やすことができる。
【００１１】
【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て詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の画素部およびその周辺の構造を示す断面図である。図１から明らかなように、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子では、基板としてＮ型のシリコン基板１１を用い、当該シリコン基板１１上にＰ型のウェル領域１２を形成し、当該ウェル領域１２上に受光部１４および垂直転送部１８等を形成した構造を採っている。
【００１３】
受光部１４は、Ｐ型のウェル領域１２と基板表層部に形成された第１の光電変換領域（信号電荷蓄積領域）であるＮ型領域１３とのＰＮ接合によるフォトダイオードによって構成されている。この受光部１４はさらに、基板表面上に第１の光電変換領域と同じ導電型の不純物によって当該光電変換領域と連なって形成された凸状部１５を第２の光電変換領域として有している。ここで、凸状部１５の形状としては、基板表面側と反対側に凸状のレンズ形状が好ましい。
【００１４】
垂直転送部１８は、受光部１４に隣接した形成された信号電荷転送利用域であるＮ型領域１６と、当該領域１６の上方の基板表面上にシリコン酸化膜（図示せず）を介して例えば２層構造にて形成されたポリシリコンからなる転送電極１７とによって構成されている。この垂直転送部１８はさらに、スミアを抑圧するために、Ｎ型領域１６の下に第２のＰ型ウェル領域１９を有している。ここで、スミアは、撮像画中に輝度の高い被写体があると、光の漏れ込みによって上下方向（垂直方向）に縞状の明るい帯（縦筋）ができる現象である。
【００１５】
受光部１４と垂直転送部１８との間には、受光部１４で光電変換され、かつここに蓄積された信号電荷を垂直転送部１８に読み出すための読み出しゲート部２０が介在している。ここで、垂直転送部１８を駆動する多相の駆動クロックのうち、特定の相の駆動クロックが与えられる転送電極１７は受光部１４の近傍まで延在している。そして、この延在部分の電極が読み出しゲート２０のゲート電極として兼用されている。
【００１６】
受光部１４の凸状部１５の部分を除く領域、即ち垂直転送部１８および読み出しゲート部２０を含む領域は、アルミニウムやタングステン等からなる遮光膜２２によって覆われている。凸状部１５および遮光膜２２の上には、例えばＢＰＳＧ（ホウ素−リンケイ酸グラス）のような透光性を持つ層間絶縁膜２３が形成されている。
【００１７】
層間絶縁膜２３の上にはさらに、平坦化膜（パッシベーション膜）２４が形成されている。この平坦化膜２４としては、例えば樹脂系のものや、層間絶縁膜２３をエッチバック法で平坦化したものが用いられる。平坦化膜２４上には、所定のカラーコーディングのカラーフィルタ２５がコーティングされている。このカラーフィルタ２５の上にはさらに、受光部１４の受光面側と反対側に凸状となるオンチップレンズ２６がドライエッチング法によって形成されている。
【００１８】
上述したように、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子では、本来の光電変換領域であるＮ型領域１３と同じ導電型の不純物からなり、Ｎ型領域１３に連なる凸状部１５を基板表面上に有することで、光電変換に寄与する領域の体積が当該凸状部１５の体積分だけ増えることになる。これにより、ユニットセルのサイズが小さくなっても、受光部１４の光電変換に寄与する領域の体積を拡大できるため、取り扱うことができる信号電荷量を増やすことができる。
【００１９】
また、光電変換領域の体積を拡大する部分が基板表面上の凸状部１５であることにより、入射光を捕らえる（取り込む）部分の表面積を拡大できるため、図２（Ａ）に示すように、これまで捕らえきれなかった斜め入射光についても、図２（Ｂ）に示すように、凸状部１５によって捕らえて光電変換することができる。しかも、凸状部１５が基板表面側と反対側に凸状のレンズ形状に形成されていることにより、図２（Ｃ）に示すように、入射光をＮ型領域１３側に屈折させることができるため、集光効率が上がることによって感度を向上でき、その結果、より鮮明な画像を得ることができる。
【００２０】
次に、上記構成の本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の画素構造を製造する手順について、本発明の特徴とする部分、即ち凸状部１５およびその周辺部を中心に、図３の工程図を用いて説明する。
【００２１】
先ず、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１１上にフォトレジスト３１で多数のレンズ形状を形成し、次いで図３（Ｂ）に示すように、イオンエッチングでレンズ形状を転写した後いわゆるエッチバック法によって多数の凸状部１５を形成する。ここで、１つのレンズ形状、即ち凸状部１５は、製造する固体撮像素子の１画素に対応している。
【００２２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、画素分離部３２（図１では、図示を省略している）や垂直転送部１８（Ｎ型領域１６および第２のＰ型ウェル領域１９）を周知のイオン注入によって形成する。次に、図３（Ｄ）に示すように、凸状部１５を除く領域に形成されたフォトレジスト３３をマスクとして複数回のイオン注入を行うことにより、光電変換を行う受光部１４（Ｎ型領域１３）を形成するとともに、凸状部１５についても光電変換が行われるように作製する。
【００２３】
上記の各工程を経た後、図３（Ｅ）に示すように、シリコン酸化膜３４を介して垂直転送部１８の例えば２相構造の転送電極１７をポリシリコンによって形成し、しかる後凸状部１５を除く領域上にアルミニウムやタングステン等によって遮光膜２２を形成する。そして、層間絶縁膜２３および平坦化膜（パッシベーション膜）２４を形成した後、従来知られている方法によってカラーフィルタ２５およびオンチップレンズ２６を形成する。
【００２４】
なお、上述した製造工程では、転送電極１７を形成する前に受光部１４を形成するとしたが、転送電極１７を形成した後、図４（Ａ）に示すように、当該転送電極１７上にフォトレジスト３５を形成し、しかる図４（Ｂ）に示すように、後当該フォトレジスト３５をマスクとして複数回のイオン注入を行うことによって受光部１４を形成するようにすることも可能である。
【００２５】
上述したように、ＣＣＤ固体撮像素子の画素構造を製造するに当たり、シリコン基板１１の表面上に画素単位で凸状部１５を形成し、当該凸状部１５を通してイオン注入を行うことによってシリコン基板１１の表層部に第１の光電変換領域としてＮ型領域１３を形成するとともに、凸状部１５を第２の光電変換領域として形成することにより、当該凸状部１５の作用によって集光効率を上げ、感度を向上可能なＣＣＤ固体撮像素子を製造できる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、ＣＣＤ固体撮像素子の画素構造に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではなく、ＣＣＤ以外の電荷転送型固体撮像素子の画像構造にも適用できる。また、ＣＭＯＳ型固体撮像素子に代表されるＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子においても、基本的な画素構造については電荷転送型固体撮像素子と大きな違いは無いことから、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の画素構造にも同様に適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体撮像素子によれば、基板の表層部に画素単位で形成され、入射光を光電変換する第１の光電変換領域に加えて、基板の表面上に第１の光電変換領域と同じ導電型の不純物によって当該第１の光電変換領域に連なって形成された凸状の第２の光電変換領域を有することにより、光電変換に寄与する領域の体積が第２の光電変換領域の体積分だけ増えるため、取り扱うことができる信号電荷量を増やすことができる。
【００２８】
本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、基板の表面上に画素単位で凸状部を形成した後、当該凸状部を通してイオン注入を行うことによって基板の表層部に第１の光電変換領域を形成するとともに、前記凸状部を第２の光電変換領域として形成することにより、当該当該凸状部の作用によって集光効率を上げ、感度を向上可能なＣＣＤ固体撮像素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の画素部およびその周辺の構造を示す断面図である。
【図２】斜め入射光の取り込みについて、従来例に係る画素構造の場合（Ａ）と本発明に係る画素構造（Ｂ），（Ｃ）とを比較して示した図である。
【図３】本発明に係る製造方法の手順の流れを示す工程図である。
【図４】本発明に係る製造方法の変形例を示す工程図である。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１３…Ｎ型領域（第１の光電変換領域）、１４…受光部、１５…凸状部（第１の光電変換領域）、１８…垂直転送部、２０…読み出しゲート部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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