(57)【要約】【課題】固体撮像素子の受光感度を向上させる。【解決手段】固体撮像素子において、分離領域４の上を電力供給線８が覆っている。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２４を形成する。そして、上層レンズ膜２４上を上層レンズ膜２４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２４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受光素子領域であるチャネル領域５へ導くことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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っ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を特徴とする固体撮像素子。
【請求項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っていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項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、
前記下層レンズ膜は、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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
図１５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１ｉ、蓄積部１ｓ、水平転送部１ｈ及び出力部１ｄを備えて構成される。撮像部１ｉ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タから構成され、垂直シフトレジスタの各ビットが各受光画素を形成する。蓄積部１ｓは、撮像部１ｉ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タから構成される。水平転送部１ｈは、蓄積部１ｓの出力側に設けられる１列の水平シフトレジスタから構成され、その各ビットが、複数の垂直シフトレジスタの各列に対応付けられる。出力部１ｄは、水平転送部１ｈ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。
【０００３】
この構成において、撮像部１ｉ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φｆに応答して、高速で蓄積部１ｓに転送される。そして、蓄積部１ｓに一時的に蓄積され、垂直転送クロックφｖに応答して、順次１ライン単位で水平転送部１ｈに転送される。水平転送部１ｈに転送された情報電荷は、水平転送クロックφｈに応答して、順次１画素単位で出力部１ｄ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。
【０００４】
図１６は、撮像部１ｉの一部構成を示す平面図であり、図１７は、図１６のＸ−Ｘ断面図である。
【０００５】
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、複数のチャネル領域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φｆ１〜φｆ３が印加され、これらのクロックパルスによってチャネル領域５のポテンシャルの状態が制御される。
【０００６】
複数の転送電極７の上には、ゲート絶縁膜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１１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１１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１０が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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ウム材料は、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ャネル領域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。
【０００８】
そこで、本願発明は、上述の問題を解決するべく、効率良く光を画素領域に取り込んで、受光感度を向上させることのできる固体撮像素子及びその製造方法を提供することを特徴とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、上述の課題に鑑みて為されたものであり、その特徴とするところは、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っ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。
【００１０】
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。
【００１１】
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情報電荷に変換することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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１７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１７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２４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。
【００１３】
上層レンズ膜２４は上層レンズ膜２４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２４上に保護膜２５を形成する場合には、保護膜２５は光学的に透明性を有する材料により、上層レンズ膜２４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。
【００１４】
例えば、上層レンズ膜２４を屈折率１．４〜１．５程度の酸化シリコン、保護膜２５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２４を屈折率２程度の窒化シリコン、保護膜２５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。
【００１５】
本実施形態の場合は、上層レンズ膜２４と保護膜２５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。
【００１６】
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２４を形成しつつ、上層レンズ膜２４上を上層レンズ膜２４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２４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２４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２４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。
【００１７】
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２２の上に絶縁膜２２よりも屈折率の高い透光性の下層レンズ膜２３を積層した場合には、下層レンズ膜２３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２３についても、下層レンズ膜２３と絶縁膜２２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。
【００１８】
尚、本実施形態においては、上層レンズ膜２４及び保護膜２５の材料として、酸化シリコン膜や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２４は上層レンズ膜２４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２４上に保護膜２５を形成する場合には、上層レンズ膜２４は保護膜２５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。
【００１９】
また、下層レンズ膜２３についても、絶縁膜２２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２３の屈折率が絶縁膜２２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２４及び下層レンズ膜２３は、必ずしも同じ材料である必要はない。
【００２０】
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２４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２４、下層レンズ膜２３並びに絶縁膜２２をすべて、酸化シリコンや窒化シリコンとすることも可能である。
【００２１】
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。
【００２２】
図３〜図１３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。
【００２３】
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。
【００２４】
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ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：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ターニングし、転送電極７を形成する。
【００２５】
第３工程：図５
転送電極７上にＣＶＤ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１１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。
【００２６】
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、ＣＶＤ法を用いてＢＰＳＧ膜を積層し、１層目の絶縁膜と合わせた絶縁膜２２を形成する。尚、このＢＰＳＧ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ＢＰＳＧ膜の表面に熱処理を施して絶縁膜２２の表面を平坦化する。
【００２７】
第５工程：図７
絶縁膜２２上にレジスト層３１を積層し、このレジスト層３１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３２を形成する。そして、マスクパターン３２をマスクとして、絶縁膜２２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２２の膜厚をチャネル領域５に沿って薄くする。
【００２８】
オプション工程：図８
絶縁膜２２上に残ったマスクパターン３２を除去し、異方性エッチング処理の施された絶縁膜２２に対して等方性エッチング処理（例えば、ウェ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２２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２２による下層レンズ膜２３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。
【００２９】
第６工程：図９
絶縁膜２２を形成したシリコン基板１上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを積層し、絶縁膜２２表面の全体を覆って下層レンズ膜２３を形成する。このとき、下層レンズ膜２３の表面は、絶縁膜２２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。
【００３０】
第７工程：図１０〜図１２
図１０のように下層レンズ膜２３に、例えばレジスト３３を塗布し、表面を平坦化する。その後、レジスト３３の表面を異方性エッ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３３よりも下層レンズ膜２３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１１のようにレジスト３３よりも下層レンズ膜２３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３３をすべてエッチングしたときには、図１２のように下層レンズ膜２３の表面は電力供給線８上でなだらかな凹部を形成する。
【００３１】
第８工程：図１３
下層レンズ膜２３を形成したシリコン基板２上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを積層し、下層レンズ膜２３の表面の全体を覆って上層レンズ膜２４を形成する。このとき、上層レンズ膜２４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ＣＶＤ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２４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。
【００３２】
必要であれば上層レンズ膜２４を形成したシリコン基板２上に、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコンを積層し、上層レンズ膜２４表面の全体を覆って保護膜２５を形成する。そして、保護膜２５の表面をエッチバック処理、又は、ＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈ：化学的機械的研磨法）により平坦化する。
【００３３】
以上の製造方法によれば、図１に示す下層レンズ膜２３及び上層レンズ膜２４を有する固体撮像素子を得ることができる。
【００３４】
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１４に示す。この構成においても、上層レンズ膜２４上を上層レンズ膜２４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２４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。
【００３５】
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ＣＣＤ型固体撮像素子はもちろん、ＭＯＳ型、ＢＢＤ型（バケツリレー型）、ＣＩＤ型（電荷注入型）の固体撮像素子、アバランシェ型等の増倍型固体撮像素子にも適応可能である。
【００３６】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態を説明する断面図である。
【図２】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】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】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】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】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】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】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】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】本願発明の他の実施形態を説明する断面図である。
【図１５】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１６】撮像部の構成を説明する平面図である。
【図１７】撮像部の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
１：固体撮像素子
２：Ｎ型シリコン基板    ３：Ｐ型拡散層          ４：分離領域
５：チャネル領域        ６：ゲート絶縁膜        ７：転送電極
８：電力供給線          ９：絶縁膜
１０：表面保護層      １１：コンタクトホール
２２：絶縁膜          ２３：下層レンズ膜      ２４：上層レンズ膜
３１、３３：レジスト層
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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