(57)【要約】【課題】  固体撮像素子を微細化してもフォトダイオードなどの受光部に効率よく入射光を導くことができる光導波路構造を、フォトリソ工程を用いずに形成する。【解決手段】  半導体層１００上に転送電極１０６、遮光層１０９、層間絶縁膜１１０、遮光層１１１を順次形成し、遮光層１１１上にさらに絶縁膜を形成する。この後、前記絶縁膜、層間絶縁膜１１０に対してエッチバックを行うことによって、遮光層１１１の上面を露出させ、受光部１０１上の前記絶縁膜および層間絶縁膜１１０を除去し、前記絶縁膜からなるサイドウォール１１２ｂを形成する。次に層間絶縁膜１１０、サイドウォール１１２ｂより高屈折率の絶縁層１１３を形成する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部、および前記信号電荷を転送する電荷転送部を形成する工程と、
前記電荷転送部を覆うと共に、前記受光部を囲むように転送電極を形成する工程と、
前記受光部上および前記転送電極上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、前記受光部上が開放されたパターンを有する遮光層を形成する工程と、
前記遮光層上および前記受光部上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜の前記受光部上に位置する部分をエッチングする工程と、
前記第２の絶縁膜上および前記受光部上に、前記入射光に対する屈折率が前記第２の絶縁膜より大きい絶縁層を形成する工程と
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２】
前記第２の絶縁膜を形成する工程の後であり、且つ前記絶縁層を形成する工程の前に、
前記第２の絶縁膜の前記遮光層上の部分の上に、前記受光部上が開放されたパターンを有するパターン層を形成する工程と、前記パターン層上および前記受光部上に、前記入射光に対する屈折率が前記絶縁層より小さい第３の絶縁膜を形成する工程と、前記第３の絶縁膜をエッチングし、前記受光部上に位置する前記第３の絶縁膜の部分を除去する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記遮光層の前記受光部上が開放されたパターンは開口であ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の製造方法。
【請求項４】
前記パターン層の前記受光部上が開放されたパターンは開口であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２の絶縁膜をエッチングする工程と前記第３の絶縁膜をエッチングする工程は、異方性エッチングを用いて同時に行う工程であることを特徴とする請求項２または４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜として、１．５ｗｔ％以下のボロンおよび４．０ｗｔ％以下のリンを含むＢＰＳＧ膜を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項７】
前記第３の絶縁膜として、１．５ｗｔ％以下のボロンおよび４．０ｗｔ％以下のリンを含むＢＰＳＧ膜を用いることを特徴とする請求項２または４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁層として、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記パターン層は前記入射光に対する遮光性を有する材料からなることを特徴とする請求項２または４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記受光部を含む複数の画素がマトリックス状に配列された画素アレイを備える固体撮像素子の製造方法であって、
前記受光部のそれぞれに対向するように複数の前記開口が設けられ、前記開口の、前記画素アレイの中央部からの距離が大きくなるに従って、当該開口の前記受光部に対する相対的位置ズレ量が大きくなり、且つ前記画素アレイの中央部に向かう方向に位置ズレするように、前記開口を配置した前記パターン層を用いることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
半導体層に形成された、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部、および前記信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部を覆うと共に前記受光部を囲むように前記半導体層上に形成された転送電極と、
前記転送電極および前記受光部を覆うように形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成され、前記受光部上が開放されたパターンを有する遮光層と、
前記遮光層を覆うと共に前記受光部上において少なくとも前記第１の絶縁膜を露出するように除去された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成され、前記受光部上が開放されたパターンを有するパターン層と、
少なくとも前記パターン層の側壁上から前記第２の絶縁膜上に形成されると共に、前記受光部上において少なくとも前記第１の絶縁膜を露出するように除去された第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上および前記受光部上に形成され、前記入射光に対する屈折率が前記第２の絶縁膜および前記第３の絶縁膜より大きい絶縁層と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１２】
前記受光部を含む複数の画素がマトリックス状に配列された画素アレイを備え、
前記パターン層の前記受光部上が開放されたパターンは開口であり、
前記パターン層には前記受光部のそれぞれに対向するように複数の前記開口が設けられ、前記開口は、前記画素アレイの中央部からの距離が大きくなるに従って、前記受光部に対する相対的位置ズレ量が大きくなり、且つ前記画素アレイの中央部に向かう方向に位置ズレするように配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードを含む受光部上方に開口が設けられた遮光層を有する固体撮像素子の製造方法、およびその製造方法によって得られる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の固体撮像素子には入射光に対する高感度が要求されており、フォトダイオードなどの受光部の上層には集光のためのマイクロレンズが設けられている。そしてさらに集光効率を改善するために光導波路を設ける固体撮像素子がある。光導波路は受光部とマイクロレンズとの間に設けられ、受光部に直接到達できない入射光の成分を光導波路自体の壁面を含む部分で反射、屈折させ、光の進路を曲げることによって受光部に達する光量を増加させるものである。
【０００３】
光導波路は具体的には、例えば受光部の上層に形成された高屈折率の材料からなるコア層と、このコア層の周囲に設けられ、当該コア層より低屈折率の材料からなるクラッド層とで構成される構造を有しており、入射光はコア層を透過して受光部に導かれる。こうした構造の光導波路を得るためには通常、半導体基板の受光部の上方に形成された低屈折率材料層に対して、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を施すことによって、高屈折率のコア層を埋め込むための開口部が形成される。このような方法は例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
しかし上記の開口を形成する工程に用いるレジストパターンの位置が適正でないと、このレジストパターンを通じて形成されたコア層とその下部の受光部との相対的位置に設計からのずれが生じ、入射光を受光部へ効率的に導くことができなくなる。すなわち固体撮像素子の光学特性が劣化してしまうという不具合が生じる。このため開口部のレジストパターンには高精度の位置合わせが必要となる。このようなコア層の位置ズレに起因する光学特性劣化を防止する方法として、光導波路を受光部に対してセルフアラインで形成する方法が例えば特許文献２に提案されている。
【０００５】
図９は特許文献２に開示される固体撮像素子の製造方法を示す図である。図９（ａ）においてフォトダイオード等の受光部２は半導体基板１において電極４間に設けられ、電極４の周囲を覆うようにタングステン等の遮光層６が絶縁層５を介して形成される。このような半導体基板１の全面にＢＰＳＧなどの光透過性を有する絶縁層７を形成し、この絶縁層７をリフローする。この工程により、図９（ａ）に示すように遮光層６のパターンを反映して絶縁層７に凹部Ａが形成される。
【０００６】
次に図９（ｂ）のように、金属材料からなる光学機能材料層８ａを、電極４上方で層厚が最も厚く、凹部Ａの底部に向かうにしたがって層厚が徐々に薄くなるように形成する。次いで図９（ｃ）のように光学機能材料層８ａ全体をエッチングして、光学機能材料層８ａの受光部２上方の一部分を完全に除去して開口を形成する。この後、光学機能層８の上に窒化シリコン等の光透過性を有する絶縁層を、光学機能層８同士間の領域に埋め込んだ状態で形成する。
【０００７】
以上に述べた特許文献２に記載の技術によれば光学機能層８間の領域が主に光導波路となるが、この光導波路はフォトリソグラフィ工程を用いずに形成できるため、レジストパターンの位置ズレに起因する光学特性の劣化を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２２４２４９号公報
【特許文献２】特開２００８−１７１８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年固体撮像素子のコスト低減や高機能化のためにチップサイズを縮小、あるいはチップサイズをほぼそのままにして画素数を増大させたりすることが行われており、このためには画素の寸法を小さくすることが必要である。特許文献２に示されるような従来の製造方法では光導波路の形成を受光部２に対してセルフアラインで行えるので、受光部２との相対的位置ズレを防止できる利点はあるが、縮小化された画素を有する固体撮像素子に適用する場合、以下のような課題が存在した。
【００１０】
例えば、画素の寸法を縮小すると電極４の間隔が小さくなるので、ＢＰＳＧなどからなる絶縁層７をリフローした時、互いに隣接する電極４間の凹部Ａで絶縁層７の溜まりが生じ、受光部２直上における絶縁層７が非常に厚くなる。この状態では光学機能層８や窒化シリコンなどの絶縁層を主体として構成される光導波路が受光部２の近傍まで十分に形成されなくなるので、受光部２に入射できない入射光成分が増加して光学特性の劣化が無視できない程度となる。
【００１１】
上記に鑑み本発明は、微細化された画素を有する固体撮像素子であっても、入射光をフォトダイオードなどの受光部へ効率的に到達させて受光量を増加できるように光導波路の形状、特に断面形状を最適に制御することができ、これによって感度などの受光特性を向上させ、またフォトリソグラフィ工程を用いることなく容易に光導波路を形成することができる固体撮像素子の製造方法、およびその方法で製造される固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上に述べた課題を解決するための本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体層に、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部、および前記信号電荷を転送する電荷転送部を形成する工程と、前記電荷転送部を覆うと共に、前記受光部を囲むように転送電極を形成する工程と、前記受光部上および前記転送電極上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に、前記受光部上が開放されたパターンを有する遮光層を形成する工程と、前記遮光層上および前記受光部上に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜の前記受光部上に位置する部分をエッチングする工程と、前記第２の絶縁膜上および前記受光部上に、前記入射光に対する屈折率が前記第２の絶縁膜より大きい絶縁層を形成する工程とを含むものである。
【００１３】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法はまた上記工程に加えて、前記第２の絶縁膜を形成する工程の後であり、且つ前記絶縁層を形成する工程の前に、前記第２の絶縁膜の前記遮光層上の部分の上に、前記受光部上が開放されたパターンを有するパターン層を形成する工程と、前記パターン層上および前記受光部上に、前記入射光に対する屈折率が前記絶縁層より小さい第３の絶縁膜を形成する工程と、前記第３の絶縁膜をエッチングし、前記受光部上に位置する前記第３の絶縁膜の部分を除去する工程とを含むものである。
【００１４】
これらの製造方法においては、前記遮光層の前記受光部上が開放されたパターンを開口とすることができる。さらに前記パターン層の前記受光部上が開放されたパターンを開口とすることができる。
【００１５】
また、前記第２の絶縁膜をエッチングする工程と前記第３の絶縁膜をエッチングする工程を、異方性エッチングを用いて同時に行うことができ、そうすることが望ましい。
【００１６】
また、前記第２の絶縁膜として、１．５ｗｔ％以下のボロンおよび４．０ｗｔ％以下のリンを含むＢＰＳＧ膜を用いること、および前記第３の絶縁膜として、１．５ｗｔ％以下のボロンおよび４．０ｗｔ％以下のリンを含むＢＰＳＧ膜を用いることも望ましい。
【００１７】
また、前記絶縁層として、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜を用いることができ、さらに前記パターン層を前記入射光に対する遮光性を有する材料からなるものにできる。
【００１８】
さらに特性を向上させることができる固体撮像素子の本発明に係る製造方法は、前記受光部を含む複数の画素がマトリックス状に配列された画素アレイを備える固体撮像素子の製造方法であって、前記受光部のそれぞれに対向するように複数の前記開口が設けられ、前記開口の、前記画素アレイの中央部からの距離が大きくなるに従って、当該開口の前記受光部に対する相対的位置ズレ量が大きくなり、且つ前記画素アレイの中央部に向かう方向に位置ズレするように、前記開口を配置した前記パターン層を用いる。
【００１９】
次に、上記課題を解決するための本発明に係る固体撮像素子は、半導体層に形成された、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部、および前記信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を覆うと共に前記受光部を囲むように前記半導体層上に形成された転送電極と、前記転送電極および前記受光部を覆うように形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され、前記受光部上が開放されたパターンを有する遮光層と、前記遮光層を覆うと共に前記受光部上において少なくとも前記第１の絶縁膜を露出するように除去された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成され、前記受光部上が開放されたパターンを有するパターン層と、少なくとも前記パターン層の側壁上から前記第２の絶縁膜上に形成されると共に、前記受光部上において少なくとも前記第１の絶縁膜を露出するように除去された第３の絶縁膜と、前記第３の絶縁膜上および前記受光部上に形成され、前記入射光に対する屈折率が前記第２の絶縁膜および前記第３の絶縁膜より大きい絶縁層とを備える。
【００２０】
またより特性を向上させるための本発明に係る固体撮像素子は、前記受光部を含む複数の画素がマトリックス状に配列された画素アレイを備えると共に、前記パターン層の前記受光部上が開放されたパターンが開口とされ、前記パターン層に前記受光部のそれぞれに対向するように複数の前記開口が設けられ、前記開口は前記画素アレイの中央部からの距離が大きくなるに従って、前記受光部に対する相対的位置ズレ量が大きくなり、且つ前記画素アレイの中央部に向かう方向に位置ズレするように配置される。
【発明の効果】
【００２１】
以上に述べた本発明は、特に遮光層から受光部にかけて形成された第２の絶縁膜の、受光部上に位置する部分をエッチングする構成を備えている。あるいは本発明の別の形態ではパターン層上、受光部上、第２の絶縁膜上に形成された第３の絶縁膜の受光部上に位置する部分もエッチングする構成を備えている。これらにより入射光に対する屈折率が第２の絶縁膜や第３の絶縁膜より大きく、光導波路のコア層としても働く絶縁層を受光部の近傍にまで形成でき、従って画素寸法が縮小されても光導波路が受光部の近傍にまで形成できるので、入射光を効率的に受光部へ導くことができる。
【００２２】
本発明はまたその構成から、光導波路を形成するためにフォトリソ工程を必要としない。本発明によれば、光導波路の位置・形状を、転送電極、遮光層、パターン層の寸法とそれらの相互位置関係および第２の絶縁膜、第３の絶縁膜によって決定することができ、ある場合にはパターン層の開口と受光部との相対的位置関係を調整して決定することができる。本発明によればこのようにしてフォトリソ工程なしで光導波路の位置・形状を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素部における断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素部における断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の平面パターンレイアウト図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す図４に続く工程断面図。
【図６】固体撮像素子の光導波路の、本発明に係る形状制御方法を説明するための断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法に用いるパターン層の平面パターンレイアウト図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る製造方法で製造された固体撮像素子の画素部における断面図。
【図９】従来の固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について具体的に説明するが、まず当該製造方法の適用対象となる固体撮像素子の構造例について説明する。図１および図２は本発明に係る製造方法によって製造された固体撮像素子の画素部における断面構造を示す図である。また、図３はこの固体撮像素子の１画素部とその周辺の一部を表示する平面パターンレイアウト図であり、図１は図３のＡ−Ａ’線に沿う断面、図２は図３のＢ−Ｂ’線に沿う断面である。固体撮像素子としてはＣＣＤ型の固体撮像素子とする。
【００２５】
まず図１および図３を用いてＡ−Ａ’線に沿う断面構造を説明すると、図１において、第１導電型を有する単結晶シリコンからなる半導体層１００の表面部には、入射光を光電変換して信号電荷を生成する第２導電型の受光部（フォトダイオード）１０１、受光部１０１で生成された信号電荷を転送する第２導電型の電荷転送部１０２が形成されている。ここで半導体層１００は半導体基板自体であってもよいし、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層であってもよい。受光部１０１と電荷転送部１０２との間に受光部１０１で蓄積された信号電荷を電荷転送部１０２に読み出す第１導電型の電荷読出部１０３が設けられている。また電荷読出部１０３とは反対側に受光部１０１に接して、互いに隣接する画素部を電気的に分離し、高濃度不純物を含む第１導電型の素子分離１０４が設けられている。
【００２６】
半導体層１００に形成された電荷転送部１０２上にはシリコン酸化膜等からなる薄いゲート絶縁膜１０５を介して、所定の電圧が印加されて信号電荷の読み出しや電荷転送を行うための転送電極１０６が形成されている。さらに転送電極１０６上に層間絶縁膜１０７を介して入射光に対して遮光性を有する遮光層１０９が形成されている。転送電極１０６は図３に示すように平面視においては電荷転送部１０２（図３には図示しない）が延びる方向（垂直転送方向）とはほぼ垂直の方向に、すなわち画素アレイの一端部から他端部まで水平方向に延びる配線であり、画素毎に垂直転送部１０２上を覆う、垂直方向に突出したパターンを有する。このことによって電荷転送電極１０６は受光部１０１（図３には示していない）の周囲を囲むようなパターンとされている。
【００２７】
遮光層１０９もまた図３に示すように転送電極１０６と同様、少なくとも画素アレイの一端部から他端部まで転送電極１０６と並行して水平に延びるパターンに形成されている。遮光層１０９はまた入射光を受光部１０１（図３には図示しない)に導くことを可能とするため、受光部１０１の直上が開放された開口１１８を有するパターンとされている。さらに遮光層１０９は層間絶縁膜１０７に形成されたコンタクトホール１０８を通じて転送電極１０６に電気的に接続されている。従って遮光層１０９には転送電極１０６と同一の信号電圧が印加され、転送電極１０６の配線抵抗を低減するシャント配線としても作用する。そのため本実施形態では、遮光層１０９は行列をなしてマトリックス状に固体撮像素子上に配列された画素アレイのうち、画素１行毎に電気的に分離した配線状とされる。もし遮光層１０９を配線として用いる必要がない場合は、コンタクトホール１０８は形成する必要がなく、また画素１行毎に分離する必要もないので、画素アレイ上全面にわたってそれぞれの受光部１０１に対向する複数の開口１１８のみが形成された一体物とすることができる。
【００２８】
遮光層１０９は層間絶縁膜１１０で被覆され、層間絶縁膜１１０は、本実施例では受光部１０１の中央部において完全に除去される。しかし一般には層間絶縁膜１１０は必ずしも受光部１０１の中央部で完全に除去される必要はなく、半導体層１００の表面から層間絶縁膜１１０の上面までの厚さが１８５ｎｍ以下となるのであれば残存させても構わない。この層間絶縁膜１１０を介して遮光層１０９の上層にはさらに入射光に対して遮光性を持つ材料膜からなる第２の遮光層１１１が形成されている。遮光層１１１の平面視によるパターンは図３に示されるように、それぞれの受光部１０１（図３には図示しない）上に遮光層１０９の開口１１８より大きい開口１１９を有する。これによって遮光層１１１は画素アレイ全領域上にわたって形成された網目状の一体物のパターンとして形成されている。
【００２９】
さらに遮光層１１１の側壁上から層間絶縁膜１１０の表面にかけて絶縁材料からなるサイドウォール１１２ｂが形成されており、受光部１０１の中央部では完全に除去され少なくとも層間絶縁膜１０７の表面が露出している。転送電極１０６、遮光層１０９および１１１、層間絶縁膜１１０、サイドウォール１１２ｂは、受光部１０１上を凹部とする凹凸を形成し、前記凹部を埋め込むように全面に絶縁層１１３が形成され、その上面は平坦である。この絶縁層１１３の前記凹部の部分が光導波路のコア層となり、サイドウォール１１２ｂおよび遮光層１０９の上面の一部からその側壁にかけて形成された層間絶縁膜１１０の部分が光導波路のクラッド層となる。
【００３０】
絶縁層１１３の上には保護層１１４および平坦化層１１５が形成されている。この平坦化層１１５上にカラーフィルタ１１６が設けられ、さらにその上にマイクロレンズ１１７が設けられる。マイクロレンズ１１７は各画素の光導波路に対応し、光導波路内に入射光を集光するように構成されると共に受光部１０１に対向している。
【００３１】
次にＢ−Ｂ’線に沿う断面を図２および図３を用いて説明すると、この断面方向においては半導体層１００に形成された受光部１０１に隣接して第１導電型を有する高不純物濃度の素子分離１０４が設けられ、各画素に属する受光部１０１を信号電荷の転送方向（垂直方向）に電気的に分離している。素子分離１０４上には層間絶縁膜１０７で被覆された転送電極１０６が配置され、その上層に遮光層１０９が設けられるが遮光層１０９は本実施形態ではすでに述べたように配線として働くので転送電極１０６上で分離されている。
【００３２】
層間絶縁膜１１０、遮光層１１１、サイドウォール１１２ｂ、絶縁層１１３、保護層１１４、平坦化層１１５、カラーフィルタ１１６、マイクロレンズ１１７のＢ-Ｂ’線に沿う配置構成は図１とほぼ同じである。
【００３３】
次に、以上のような構成を有する固体撮像素子の製造方法を説明する。図４および図５は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図であり、図３におけるＡ−Ａ’断面を示している。まず、図４（ａ）に示すように第１導電型を有する半導体層１００に、公知の方法を用いてフォトダイオードからなる受光部１０１、電荷転送部１０２、電荷読出部１０３、素子分離１０４を形成する。
【００３４】
その後、半導体層１００の熱酸化などによりその表面上にシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１０５を成長させ、ゲート絶縁膜１０５上に導電型決定不純物を導入したシリコン膜などからなる転送電極１０６を形成する。続いて転送電極１０６を被覆して全面にＣＶＤ法によりシリコン酸化膜系の層間絶縁膜１０７を堆積する。この層間絶縁膜１０７は転送電極１０６上が厚く、受光部１０１上が所定の膜厚に薄くなるような方法で形成することが望ましい。
【００３５】
次に図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０７の転送電極１０６上の部分を選択的にエッチングしてコンタクトホール１０８を開口した後、スパッタリング法またはＣＶＤ法で入射光に対する遮光性材料からなる膜を堆積し、フォトリソグラフィとドライエッチングによって受光部１０１上に開口１１８（図３参照）を有する遮光層１０９を形成する。遮光層１０９を構成する材料膜としてはタングステンのような高融点金属膜、タングステンシリサイドのような高融点金属膜の化合物と前記高融点金属膜との積層膜等を使用することができる。
【００３６】
この後、遮光層１０９を覆って全面にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）などの入射光透過性を有するシリコン酸化膜系の層間絶縁膜１１０をＣＶＤ法を用いて堆積する。ＢＰＳＧ膜は通常、ボロンが約５．０ｗｔ％、リンが約５．５ｗｔ％含有するものが使用されるが、本実施形態ではボロン１．５ｗｔ％以下、リン４．０ｗｔ％以下のＢＰＳＧ膜を層間絶縁膜１１０として採用する。ＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜１１０に堆積後は高温熱処理を施す（例えば９００℃、３０分）。このＢＰＳＧ膜は高温熱処理に対して若干の流動性があるので図４（ｂ）に示すように各コーナーに丸みを持たせることができる。
【００３７】
次に図４(ｃ)に示すように、層間絶縁膜１１０上にスパッタリング法またはＣＶＤ法で遮光層１０９と同様な遮光性材料からなる膜を堆積し、フォトリソグラフィとドライエッチングによって受光部１０１上に開口１１９（図３参照）を有する遮光層１１１を形成する。この遮光層１１１にも遮光層１０９と同一の材料膜を使用することができる。次に遮光層１１１を被覆するように全面にＢＰＳＧなどの層間絶縁膜１１０と同様な入射光透過性を有するシリコン酸化膜系の絶縁膜１１２ａをＣＶＤ法を用いて堆積する。この膜の材料としてＢＰＳＧ膜を用いる場合は層間絶縁膜１１０と同一のボロン、リン濃度としてよい。この後、絶縁膜１１２ａに高温熱処理を施し（例えば８５０℃、３０分）図４（ｃ）に示すように各コーナー部に丸みを持たせるようにする。
【００３８】
この例では層間絶縁膜１１０および絶縁膜１１２ａの絶縁性材料膜として低不純物濃度のＢＰＳＧ膜を使用したが他の材料を用いることも可能であり、例えばＢＰＳＧ膜とは異なり非流動性であるが、ＣＶＤ法でシランを原料として堆積される不純物を実質的に含まないシリコン酸化膜のような酸化シリコン系の膜、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−ｅｔｈｙｌ  ｏｒｔｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料として堆積される不純物を実質的に含まないシリコン酸化膜のような酸化シリコン系の膜などを挙げることができる。
【００３９】
次に図５（ａ）に示すように、異方性ドライエッチングを用いて絶縁膜１１２ａを全面に渡って一様にエッチング（エッチバック）し、遮光層１１１の側壁上、および層間絶縁膜１１０の、遮光層１０９上の一部から側壁部上にかけての部分のみに絶縁膜１１２ａを残すことによって絶縁膜１１２ａからなるサイドウォール１１２ｂを形成する。そのためにこのエッチングは、遮光層１１１の上面を露出させると共に受光部１０１上の層間絶縁膜１１０および絶縁膜１１２ａが完全に除去され、少なくとも層間絶縁膜１０７が露出するまで行う。なお、一般的には層間絶縁膜１１０は受光部１０１上において、完全に除去されている必要はなく、半導体層１００の表面から層間絶縁膜１１０の上面までの厚さが１８５ｎｍ以下となるのであれば残存させても構わない。
【００４０】
次に図５(ｂ)に示すように、シリコン窒化膜等の入射光透過性の絶縁層１１３を、転送電極１０６、遮光層１０９および１１１、層間絶縁膜１１０、サイドウォール１１２ｂで形成される凸部間に埋め込むようにＣＶＤ法で堆積する。そして絶縁層１１３の上面はＣＭＰ法を用いた表面研磨や、レジスト塗布およびエッチバックなどを用いて平坦化する。上に述べたように絶縁層１１３は光導波路のコア層となり、層間絶縁膜１１０およびサイドウォール１１２ｂを構成する絶縁膜１１２ａはクラッド層となるので、絶縁層１１３には膜１１０、１１２ａより高屈折率の材料を使用する。例えば層間絶縁膜１１０およびサイドウォール１１２ｂを構成するシリコン酸化膜系絶縁材料はＢＰＳＧ膜を含め、屈折率ｎが１．３〜１．５であり、絶縁層１１３としてのシリコン窒化膜はでｎ＝約２．０である。
【００４１】
絶縁層１１３上の、図５(ｂ)には示されない画素部以外の固体撮像素子部分にはアルミニウム合金膜などからなる配線層を形成し、さらにその上に保護層１１４を形成する。この後、図５（ｂ）には省略して示していないが図１または図２に示す平坦化層１１５、カラーフィルタ１１６、マイクロレンズ１１７を形成する。
【００４２】
以上に説明した本発明に係る固体撮像素子の製造方法では、層間絶縁膜１１０およびサイドウォール１１２ｂとして高温熱処理に対する流動性の小さい低不純物濃度のＢＰＳＧ膜、あるいは非流動性のシリコン酸化膜などの絶縁膜を採用する。これにより画素の寸法が縮小されて転送電極１０６、遮光層１０９、１１１などによって受光部１０１上に形成される凹部の幅が狭くなっても、従来のように高温熱処理により凹部の下部へ向かって絶縁膜が流動して膜厚が厚くなることがなくなる。これに加えて図５（ａ）の工程において、異方性ドライエッチングで上記凹部に形成された層間絶縁膜１１０および絶縁膜１１２ａをエッチングするので、画素寸法の縮小に伴う凹部の幅の減少に関係なく受光部１０１上の膜厚を薄くすることができる。
【００４３】
このため、絶縁層１１３からなるコア層およびコア層を囲み層間絶縁膜１１０、サイドウォール１１２ｂからなるクラッド層で構成される光導波路を受光部１０１の近傍にまで形成できる。これによりマイクロレンズ１１７から入射した入射光は光導波路内へ集光され、入射光の一部はまたコア層の方がクラッド層より屈折率を大きく設計してあるのでクラッド層で屈折または反射しながら下方へ進み受光部１０１へほぼ確実に到達することができるようになる。このようにして入射光を光導波路から外れた不要な部分へ漏洩させることなく効率的に受光部１０１へ導くことができるので、微細化された固体撮像素子の受光感度向上や、強度の高い入射光による信号電荷の漏洩に起因するスミアを改善することが可能となる。
【００４４】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法はまた、図４、図５に示した工程からわかるように光導波路を形成するためにフォトリソ工程、すなわちレジストパターンを用いた光導波路の位置決めを必要としない。光導波路は、転送電極１０６、および２つの遮光層１０９、１１１の寸法とそれらの相互位置関係、および層間絶縁膜１１０、サイドウォール１１２ｂによって自動的に形成することができ、また形状、特に断面形状をそれらによって制御することができる。
【００４５】
図６は光導波路の形状を制御した例を示す断面図であり、図３のＡ−Ａ’線に沿う断面を取っている。図６（ａ）は遮光層１１１の開口寸法をＷ１に大きくし、遮光層自体の幅を比較的小さくした場合であり、図６(ｂ)は遮光層１２０の開口寸法をＷ２に小さくし、遮光層自体の幅を大きくした場合である。層幅を大きくすることで、図４（ｃ）の工程で堆積される絶縁膜１１２ａの、遮光層１２０の側壁を覆う部分がより受光部１０１の中央方向へ移動する。このことによって絶縁膜１１２ａの遮光層１２０側壁上から層間絶縁膜１１０上にかけての部分の傾斜が急峻となる。従って図５（ａ）で説明した異方性ドライエッチングにより形成されたサイドウォール１１２ｂの上部も開口の中央部（受光層１０１の中央部）へ移動し、サイドウォール１１２ｂ上部表面の、水平面（半導体層１００の表面）に対する平均的角度をθからθ’へ増大させることができる。
【００４６】
このようにサイドウォール１１２ｂ上部表面の平均的角度を制御すると、入射光のクラッド層での屈折角や全反射角などの調整が可能となり、受光部１０１への入射光量も調整することができる。図６ではＡ−Ａ’線に沿う方向の形状制御を示したが、Ｂ−Ｂ’線に沿う方向の光導波路の形状制御も当然ではあるが同様に行うことができる。遮光層１１１や１２０は遮光層１０９の遮光効果を補助するものであるが、このような補助が不要な場合は、遮光層１１１、１２０を遮光性を有さない絶縁性材料膜等任意の材料で構成してもよい。
【００４７】
ただし上記材料膜は、図５（ａ）の工程において、絶縁膜１１２ａをエッチングしてサイドウォール１１２ｂを形成するとき、エッチング速度が絶縁膜１１２ａより小さい材料であることが望ましい。遮光層１１１や１２０は、遮光性を問わず少なくとも光導波路の形状を調整する作用だけは有する層としてもよく、この場合受光層１０１上が解放された開口パターンを有するパターン層と定義することができる。
【００４８】
なおカラー固体撮像素子の場合、例えばＧｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ，Ｒｅｄに対応する画素毎にサイドウォール表面の角度を調整してもよく、これにより各色毎に受光感度やスミア等の光学特性を向上させることが可能である。
【００４９】
（実施形態２）
本発明に係る第２の実施形態は、第１の実施形態による固体撮像素子の第２の遮光層１１１等で例示されるような、前述のパターン層における開口配置に関するものである。従って本実施形態での固体撮像素子は第２の遮光層に対応するこのパターン層の構成を除いて第１の実施形態による固体撮像素子と同一の構成を有するものとする。また本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法は第１の実施形態に係る製造方法と同一とすることができる。
【００５０】
図７は、固体撮像素子のダイまたはチップ内に設けられる本実施形態によるパターン層の全体構成を示す平面パターンレイアウト図である。パターン層１３０のベースとなる固体撮像素子は、行および列をなしてマトリックス状に配列された複数の画素を含む画素アレイ領域を有し、パターン層１３０はこの画素アレイ領域上全体にわたって形成される。このためパターン層１３０にはマトリックス状に配列されたそれぞれの画素に対応するように概ねマトリックス状に配列された複数の開口１１９−１〜１１９−９等が形成され、一体物を構成している。
【００５１】
パターン層１３０の各開口は固体撮像素子にパターン層１３０が形成された時、正確には次のような位置関係になるように配置されている。すなわち開口は基本的に、画素アレイの中央部からの距離が大きくなるに従って、当該開口の中心位置とその開口に対向している受光部１０１（図１等を参照）の中心位置とのズレの距離（相対的ズレ量）が大きくなり、且つその受光部１０１の中心位置に対して当該開口の中心位置が画素アレイの中央部に向かう方向（図７に示す矢印の方向）にずれるように配置されるのである。このことはパターン層１３０単独で見た場合、特定の開口における、パターン層１３０の中心に形成された開口１１９−５からの距離が大きくなるに従い、行および列が厳密に直線をなすと共に互いに直交するように理想的なマトリックス状に配列した時の位置からの開口のズレ量が大きくなり、また開口１１９−５に向かう方向にずれるように配置することといえる。ここで開口１１９−１〜１１９−９等の寸法および形状は位置によらず同一である。
【００５２】
前記画素アレイの中央部は画素アレイの中心とするのが望ましい。通常画素アレイは矩形であるので、その中心は対角線の交点で決定される。同様に受光部１０１が矩形であり、また開口１１９−１〜１１９−９等も図７のように矩形である場合はそれらの中心は対角線の交点で決定される。受光部１０１、パターン層１３０の開口が多角形等その他の形状であっても相互のズレの距離およびズレの方向を決定するための基準となる点は適当な方法で決めてよい。図７に示すようなパターン層１３０は、そのパターンレイアウトを有するフォトマスクを用いたフォトリソ工程およびエッチング工程によって固体撮像素子上に形成することができる。
【００５３】
図８は第１の実施形態による固体撮像素子に本実施形態によるパターン層１３０を適用すると共に第１の実施形態と同様の方法を用いて製造した時の断面構造の例を示す図であり、図３におけるＡ−Ａ’に沿う断面を表示している。そして図８（ａ）は画素アレイの左端中央に存在し、パターン層１３０の開口１１９-４が適用された画素部の断面であり、図８（ｂ）は画素アレイの右端中央部に存在し、パターン層１３０の開口１１９-６が適用された画素部の断面である。
【００５４】
開口１１９−４が適用された画素部ではパターン層１３０の実体部分が右側(画素アレイの中央部方向)にずれ、これに伴って左側のサイドウォール１１２ｃ上部表面が水平面となす角度をθ１、右側のサイドウォール１１２ｄ上部表面が水平面となす角度をθ２として、θ１＞θ２となる。パターン層１３０の実体部分が右側にずれた場合、図８（ａ）に示す左側のパターン層１３０の側壁は受光部１０１の中央部へより近づく。この状態の時、図４（ｃ）の工程で堆積される絶縁膜１１２ａの、パターン層１３０の側壁を覆う部分もより受光部１０１の中央方向へ移動し、絶縁膜１１２ａのパターン層１３０側壁上から層間絶縁膜１１０上にかけての部分の傾斜が急峻となる。従って図５（ａ）で説明した異方性ドライエッチングにより形成されたサイドウォール１１２ｂの上部も受光部１０１の中央部方向へ移動し、この部分の平均的角度θ１が大きくなる。
【００５５】
これとは反対に図８（ｂ）に示す右側のパターン層１３０の側壁は受光部１０１の中央部からより遠ざかる。この状態の時、図４（ｃ）の工程で堆積される絶縁膜１１２ａの、パターン層１３０の側壁を覆う部分も受光部１０１の中央部からより遠ざかるので、絶縁膜１１２ａのパターン層１３０側壁上から層間絶縁膜１１０上にかけての部分の傾斜が小さくなる。このように傾斜が小さくなった絶縁膜１１２ａの上部は、図５（ａ）で説明した異方性ドライエッチングによるエッチングを多く受けることになる。その結果当該ドライエッチングにより形成されたサイドウォール１１２ｂの上部の膜厚が薄くなると共にこの部分の平均的角度θ２は小さくなる。以上がθ１＞θ２となる理由である。こうして光導波路の形状を画素アレイの中央部側が広く開放された形状に制御することができる。
【００５６】
一方、図８（ｂ）に示すように開口１１９−６が適用された画素部ではパターン層１３０の実体部分が左側（画素アレイの中央部方向）にずれるが、図８（ａ）の場合と同様の理由によってθ１＜θ２となる。すなわち光導波路の形状を上と同じく画素アレイの中央部側が広く開放された形状に制御することができる。
【００５７】
ところでカメラのレンズを通して固体撮像素子に入射する入射光は画素アレイの中央部ではほぼ垂直に入射するが、画素アレイの周辺部では上記中央部を中心として放射状に広がるように入射する。従って例えば画素アレイの左端部に位置する画素には図８（ａ）に示すように右斜めから入射光１３１が入射し、反対に画素アレイの右端部に位置する画素には左斜めから入射光１３１が入射する。このためパターン層１３０の開口をすべて受光部１０１に対して同一の相対的位置を取るような配列にした場合、画素アレイの周辺部に存在する画素に入射する入射光の一部がパターン層で遮られ反射されたり、十分光導波路のコア層に導かれず、入射光量が中央部より小さくなってシェーディングを起こす可能性が大きいという問題が生じる。
【００５８】
しかし本実施形態によれば開口を図７に示すように配列したパターン層１３０を固体撮像素子に適用し、図８に示すように画素アレイ中の画素位置に応じて光導波路の形状を図８（ａ）、（ｂ）のように制御するので、受光部１０１が均一な光量をもって受光することができる。これによってパターン層１３０を特に遮光層とした時のいわゆる入射光のケラレを低減でき、また輝度シェーディングを改善することができる。
【００５９】
以上第１および第２の実施形態を説明したが、本発明の構成はこれらに限られるものではない。例えばコア層となる絶縁層１１３にはＣＶＤ法で堆積されるシリコン窒化膜のほかプラズマＣＶＤ法で堆積後紫外線照射処理を施したシリコン窒化膜、各種ＣＶＤ法で堆積可能なシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を用いることができる。ＳｉＯＮ膜の場合は屈折率を例えば１．６〜１．８にすることができる。
【００６０】
また図５（ｂ）の工程においてサイドウォール１１２ｂ上に直接シリコン窒化膜からなる絶縁層１１３を形成したが、その前に絶縁層１１３より屈折率が小さくサイドウォール１１２ｂより屈折率が大きい中間絶縁層をサイドウォール１１２ｂ上に形成してもよい。この場合中間絶縁層としてシリコン酸窒化膜が適切であり、酸素および窒素の組成比を調節して上記条件に適合する屈折率を得ることができる。さらに絶縁層１１３上であって且つ受光部１０１の直上に窒化シリコン等から形成された層内レンズを形成してもよい。また層内レンズの代わりに平坦化層１１５より高屈折率の材料でピラーを形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は光導波路を有すると共に画素寸法が小さい固体撮像素子の製造、および受光部への集光能力が高い光導波路を有する固体撮像素子の製造に有効である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  半導体層
１０１  受光部
１０２  電荷転送部
１０３  電荷読出部
１０４  素子分離
１０５  ゲート絶縁膜
１０６  転送電極
１０７、１１０  層間絶縁膜
１０８  コンタクトホール
１０９、１１１、１２０  遮光層
１１２ａ  絶縁膜
１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ  サイドウォール
１１３  絶縁層
１１４  保護層
１１５  平坦化層
１１６  カラーフィルタ
１１７  マイクロレンズ
１１８、１１９、１１９−１〜１１９−９  開口
１３０  パターン層
１３１  入射光
【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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