(57)【要約】【課題】固体撮像素子の画素部と周辺回路部とで膜厚に対する要求を両立させ、高感度、低スミアで、Ｆ値依存性をなくし、高速動作を実現する。【解決手段】半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部１と、各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および信号電荷の信号処理を行う周辺回路部５とを備える固体撮像素子１００の製造方法であって、画素部１、およびゲート電極が形成された周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する第１の工程と、第１の層間絶縁膜を画素部１に対してのみ選択的に除去する第２の工程と、画素部１と周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜より薄い第２の層間絶縁膜を形成する第３の工程と、を含み、画素部１に形成する層間絶縁膜の厚みを、周辺回路部５のゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄く構成した。【選択図】図１
2009064797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子の製造方法であって、
(A-1)前記画素部、およびゲート電極が形成された前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
(A-2)前記第１の層間絶縁膜を前記画素部に対してのみ選択的に除去する工程と、
(A-3)前記画素部と前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより前記第１の層間絶縁膜より薄い第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
を含み、
前記画素部に形成する層間絶縁膜の厚みを、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記(A-3)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記第２の層間絶縁膜をリフロー処理したリフロー処理面上に、前記第２の層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率層を形成する固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子の製造方法であって、
(B-1)前記画素部、およびゲート電極が形成された前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
(B-2)前記第１の層間絶縁膜の上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
(B-3)前記エッチングストッパ膜の上に前記第１の層間絶縁膜より厚い第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
(B-4)前記第２の層間絶縁膜を、前記エッチングストッパ膜を用いて前記画素部に対してのみ選択的に除去する工程と、
を含み、
前記画素部に形成する層間絶縁膜の厚みを、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記(B-1)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記第１の層間絶縁膜をリフロー処理し、
前記(B-4)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記エッチングストッパ膜上に前記第１の層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率層を形成する固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜が酸化シリコンを含む材料からなる固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子であって、
請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法を用いて作製され、前記画素部のフォトダイオード上方に形成する層間絶縁膜の厚みが、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄い固体撮像素子。
【請求項７】
請求項６記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
を備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した信号電荷の読み出し駆動等、信号処理を行うための周辺回路部とを備える固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子並びに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く普及しているビデオカメラや電子カメラ等の撮像装置には、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、１つの半導体チップに多数の画素を２次元配列して構成される画素部と、この画素部の外側に配置される周辺回路部とを有する。画素部には入射した光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード（光電変換素子）が設けられ、周辺回路部には、画素部からの画素信号に所定の信号処理、例えばＣＤＳ（相関二重サンプリング）、ゲイン制御、Ａ／Ｄ変換等を施す信号処理回路、並びに画素部の各画素を駆動して画素信号の出力を制御する駆動制御回路等が設けられている。
【０００３】
ところで、固体撮像素子は、画素部においては、光学特性を改善するためにゲート電極および遮光膜上の中間層（層間絶縁膜）を薄くすることが望ましい。中間層が厚いとフォトダイオードまでの光路途中で入射光が減衰してしまい、また、光路長が長くなるほど入射光がフォトダイオードの受光位置から外れる傾向が強くなるためである。
一方、周辺回路部においては、ゲート電極とメタル配線との間や、メタル配線相互間の層間絶縁膜の厚みが薄いと、寄生容量成分が増大して高速駆動に支障を生じさせ、また、画素部の層内レンズを形成する際のエッチバック処理時にメタル配線等の一部が表出しやすくなる。メタル配線が露出すると、吸湿により配線が腐食したり、電気的特性が変動したり、信頼性劣化が引き起こされる。
これらの層間絶縁膜は、共通のプロセスで同時に形成されるものであるため、デバイス設計においては、両者はトレードオフの関係にあり、双方をうまく折り合いを付けて層間絶縁膜の厚みを設定していた。
【０００４】
図６、７に上記の層間絶縁膜の状態を示した。図６はＣＣＤ型の固体撮像素子において層間絶縁膜が薄い場合の周辺回路部を（ａ）、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ部）を（ｂ）、画素部を（ｃ）に示している。図７は同固体撮像素子において層間絶縁膜が厚い場合の周辺回路部を（ａ）、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ部）を（ｂ）、画素部を（ｃ）に示している。
図６（ｃ）に示す層間絶縁膜５００Ａの厚みｔ３が薄い場合には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ゲート電極５０１ａ，５０１ｂとメタル配線５０３ａ，５０３ｂとの間の距離ｔ１，ｔ２が短くなり、上記の寄生容量増大や一部表出の問題が生じる。一方、図７（ａ）、（ｂ）に示す層間絶縁膜５００Ｂの厚みｔ１，ｔ２が厚い場合には、図７（ｃ）に示すように、フォトダイオード５０５までの光路長ｔ３が長くなり、感度低下と受光位置からのケラレが発生する。
【０００５】
このような事情から、ゲート電極の上にＳｉＮ若しくはポリシリコンをストッパ膜として層間絶縁膜を形成後に、画素部のみをエッチングし、その後、遮光膜を形成する方法が例えば特許文献１により提案されている。すなわち、配線導電膜と遮光導電膜とを別の層で形成し、層間絶縁膜の間にエッチングストッパとなる層を設け、画素領域内で層間絶縁膜を除去する一方、周辺回路領域では層間絶縁膜を残して厚くすることにより、周辺回路の低寄生容量と、高い信頼性を持つ配線形成とを実現しながら、スミアの抑圧を図っている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２９５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、ゲート電極の上にＳｉＮ若しくはポリシリコンをストッパ膜として層間絶縁膜を形成した後に、画素部のみをエッチングし、その後遮光膜を形成するが、この方法では画素部のゲート電極のごく近傍で機能性材料である金属シリサイド（金属間化合物）などで遮光する方法が使用できず、また、層間絶縁膜を層内レンズの下側形状として利用することができない等の不具合が残されていた。
つまり、特許文献１の構成は、エッチングストッパ膜が必ず遮光膜の下方に配置されており、図６，７に示すようなゲート電極の真上に比較的薄い層間絶縁膜を介して遮光膜を形成した後、絶縁膜を形成して段差をつけた構成とは異なっている。下側に凸状となる層内レンズを形成するような光路形成の際、光路近傍のゲート電極が遮光されている必要があるが、金属シリサイド材料では、一般的に耐熱性の点でＢＰＳＧリフローなどの熱処理が行えないので、リフローによる下側に凸となる形状を形成することができない。
【０００８】
また、固体撮像素子への入射光は、半導体基板に対し垂直に入射するばかりではなく斜めに入射する成分を有し、斜めに入射した光は、垂直ＣＣＤを覆う遮光膜とシリコン基板の表面との間で多重反射を起こしながら進み、垂直ＣＣＤの転送チャネルとなる埋め込み層に直接到達する。このことから、画素部の層間絶縁膜が厚いと、斜めに入射する光が増え、このような光によって生じた電荷がスミアを大きくする原因となった。
【０００９】
さらに、固体撮像素子には、素子の小型化に伴い、素子上部にマイクロレンズを形成した、所謂オンチップレンズ構造に加え、マイクロレンズと受光部との間に、集光特性を持つ層内レンズを設けて、受光部における感度の向上を図るものがある。ところが、層内レンズを備えた固体撮像素子では、撮像装置におけるレンズシステムの絞りの値（Ｆ値）によって様々な入射角度の光が入射し、例えばＦ値が大きい場合には、入射光が絞られて垂直光に近い状態になる一方、Ｆ値が小さい場合には、入射光が拡げられ斜め成分が多くなり、カメラのＦ値が変わることにより斜め成分の光量が変化して感度が異なる所謂Ｆ値依存性があった。この場合においても、画素部の層間絶縁膜が厚いと、斜め成分の量が増大してＦ値依存性が顕著となる問題があった。
【００１０】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、金属シリサイドによる遮光膜の形成や、層間絶縁膜による層内レンズ下側形状の利用を可能にしつつ、固体撮像素子の画素部と周辺回路部とで層間絶縁膜の膜厚に対する要求を両立させることができ、もって、高感度、低スミアで、Ｆ値依存性がなく、しかも高速動作が実現可能となる固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子並びに撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）  半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子の製造方法であって、
(A-1)前記画素部、およびゲート電極が形成された前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
(A-2)前記第１の層間絶縁膜を前記画素部に対してのみ選択的に除去する工程と、
(A-3)前記画素部と前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより前記第１の層間絶縁膜より薄い第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
を含み、
前記画素部に形成する層間絶縁膜の厚みを、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする固体撮像素子の製造方法。
【００１２】
この固体撮像素子の製造方法によれば、層間絶縁膜を遮光膜形成前に形成して一部除去する従来構成と異なり、画素部の遮光膜を形成した後に形成する層間絶縁膜に対し、画素部と周辺回路部とで膜厚を異ならせるので、画素部の層間絶縁膜を薄くすることでＦ値依存性を低減し、画素部の層間絶縁膜を薄くすることによるスミア特性の改善は元より、層間絶縁膜表面を底面とした層内レンズを形成することが可能となり、傾斜光の増大に伴う漏れ光を低減するとともに、集光率をアップして感度を高めることができる。これに加え、ＨＣＣＤ部を含む周辺回路部での層間絶縁膜厚を厚く平坦にすることにより、上層に形成される配線層との間の寄生容量を減らし、高速動作を可能にするとともに、配線層の加工時の断線の確率を下げることができる。
【００１３】
（２）  （１）記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記(A-3)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記第２の層間絶縁膜をリフロー処理したリフロー処理面上に、前記第２の層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率層を形成する固体撮像素子の製造方法。
【００１４】
この固体撮像素子の製造方法によれば、リフロー処理によりフォトダイオードに対応して凹曲面状となった第２の層間絶縁膜の部分に、高屈折率層が形成されることで、第２の層間絶縁膜と高屈折率層との境界面、すなわち、高屈折率層の底面が凸曲面となった層内レンズが形成され、フォトダイオードに対する集光率が高まって、感度の向上が図られる。
【００１５】
（３）  半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子の製造方法であって、
(B-1)前記画素部、およびゲート電極が形成された前記周辺回路部の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
(B-2)前記第１の層間絶縁膜の上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
(B-3)前記エッチングストッパ膜の上に前記第１の層間絶縁膜より厚い第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
(B-4)前記第２の層間絶縁膜を、前記エッチングストッパ膜を用いて前記画素部に対してのみ選択的に除去する工程と、
を含み、
前記画素部に形成する層間絶縁膜の厚みを、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする固体撮像素子の製造方法。
【００１６】
この固体撮像素子の製造方法によれば、（１）の基本的作用と同様の作用を奏することに加え、画素部および周辺回路部に形成した第１の層間絶縁膜の上に、エッチングストッパ膜を形成し、このエッチングストッパ膜の上に第２の層間絶縁膜を形成した後、画素部に対してのみこの第２の層間絶縁膜を選択的に除去するので、最初に画素部をエッチングストッパ膜にて覆うことができ、第２の層間絶縁膜を除去する際に、露出した上層電極等への影響を無くし、上層の特性変化等を抑止できる。
【００１７】
（４）  （３）記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記(B-1)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記第１の層間絶縁膜をリフロー処理し、
前記(B-4)の工程の後、少なくとも前記画素部に対して、前記エッチングストッパ膜上に前記第１の層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率層を形成する固体撮像素子の製造方法。
【００１８】
この固体撮像素子の製造方法によれば、リフロー処理によりフォトダイオードに対応して凹曲面状となった第１の層間絶縁膜の部分にエッチングストッパ膜が形成され、このエッチングストッパ膜上に高屈折率層が形成されることで、エッチングストッパ膜と高屈折率層との境界面、すなわち、高屈折率層の底面が凸曲面となった層内レンズが形成され、フォトダイオードに対する集光率が高まって、感度の向上が図られる。
【００１９】
（５）  （１）〜（４）のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜が酸化シリコンを含む材料からなる固体撮像素子の製造方法。
【００２０】
この固体撮像素子の製造方法によれば、中間層の効率的な除去や、窒化シリコン膜をエッチングストッパ膜としての除去を容易にできる。
【００２１】
（６）  半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部と、前記各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部と、を備える固体撮像素子であって、
（１）〜（５）のいずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法を用いて作製され、前記画素部のフォトダイオード上方に形成する層間絶縁膜の厚みが、前記周辺回路部の前記ゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄い固体撮像素子。
【００２２】
この固体撮像素子によれば、画素部の層間絶縁膜が薄くなることでＦ値依存性が低減し、スミア特性が改善される。また、層間絶縁膜表面を底面とした層内レンズの形成が可能となり、傾斜光の増大に伴う漏れ光が低減するとともに、集光率がアップして感度が高まる。これに加え、ＨＣＣＤ部を含む周辺回路部での層間絶縁膜厚が厚く平坦となり、上層に形成される配線層との間の寄生容量が減り、高速動作が可能になるとともに、配線層加工時の断線確率が低減される。
【００２３】
（７）  （６）記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
を備えた撮像装置。
【００２４】
この撮像装置によれば、請求項６記載の固体撮像素子と、固体撮像素子に光学像を結像させる光学系とを備えたので、Ｆ値が変更されても感度の差異が少なく、スミアの影響も抑止でき、高感度にして、ノイズの無い良好な画像を高速に取得することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子によれば、画素部の層間絶縁膜を薄くすることでＦ値依存性を低減し、スミア特性を改善することが可能となり、層間絶縁膜表面を層内レンズの底面とした層内レンズを形成することで集光率がアップし感度を高めることができる一方、ＨＣＣＤ部を含む周辺回路部での層間絶縁膜厚を厚く平坦にすることにより、上層に形成される配線層との間の寄生容量を減らし、高速動作を可能にするとともに、配線層の加工時の断線の確率を下げることができる。この結果、高感度、低スミア、高速動作、高信頼性、歩留まり安定の固体撮像素子を実現することができる。
【００２６】
本発明に係る撮像装置によれば、上記の固体撮像素子と、固体撮像素子に光学像を結像させる光学系とを備えたので、Ｆ値が変更されても感度の差異が少なく、スミアの影響も抑止でき、高感度にして、ノイズの無い良好な画像を高速に取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子並びに撮像装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る固体撮像素子の画素部、水平電荷転送部、周辺回路部の位置関係を概念的に示した平面図である。
本実施形態の固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子からの信号電荷を転送する複数の垂直転送路（ＶＣＣＤ）を含む画素部１と、複数の垂直転送路から転送される信号電荷を受けて転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）３と、転送された信号電荷に応じて信号処理を行う信号処理回路などの周辺回路部５とを有する。
【００２８】
本発明に係る固体撮像素子１００の製造方法は、半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部１と、各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および信号電荷の信号処理を行う周辺回路部５とを備える固体撮像素子１００において、画素部１およびゲート電極が形成された周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する第１の工程(A-1)と、第１の層間絶縁膜を画素部１に対してのみ選択的に除去する第２の工程（A-2)と、画素部１と周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜より薄い第２の層間絶縁膜を形成する第３の工程（A-3)とを含むことにより、画素部１に形成する層間絶縁膜の厚みを、周辺回路部のゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする。
【００２９】
この製造方法をより具体的に説明する。
図２は第1実施形態に係る製造方法を、図１の矢視Ａ−Ｂである周辺回路部と、水平電荷転送部と、画素部との要部に分けて（ａ）〜（ｆ）の工程順で概略的に示した説明図である。
図２（ａ）に示すように、予め必要な処理が施された半導体基板７上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）／シリコン窒化膜（ＳｉＮ）／シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の積層膜（ＯＮＯ膜）等による絶縁膜９を形成する。周辺回路部５では、ポリシリコンや金属による信号配線１１、ゲート電極等が、ゲート絶縁膜の上に形成される。水平転送路３では、ポリシリコンによる電荷転送電極（ゲート電極）１３がゲート絶縁膜上に形成される。画素部１では、ポリシリコンによる電荷読み出し電極１５および電荷転送電極（垂直電荷転送部）１７がゲート絶縁膜上に形成されており、その上にタングステン等からなる遮光膜１９が形成される。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に示すように、上記した第１の工程によって、画素部１およびゲート電極が形成された周辺回路部５、水平転送路３に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜２１として、ＳｉＯ２またはＢＰＳＧ（Boron  Phosphorus  Silicon  Glass）をＣＶＤにより厚く形成する。
【００３１】
次に、図２（ｃ）に示すように、上記した第２の工程によって、第１の層間絶縁膜２１をエッチングにより画素部１に対してのみ選択的に除去する。このエッチング処理は画素部１において下層の絶縁膜９、遮光膜１９を露出させるまで、すなわち、絶縁膜９、遮光膜１９をストッパ層として、あるいは、絶縁膜９、遮光膜１９の上部を覆う第１の層間膜とは耐エッチング性が異なりストッパとして機能する層間膜をストッパ層として行う。または、絶縁膜９、遮光膜１９を露出させないため、エッチングの制御により画素部上の第１の層間膜が所定の膜厚が残るようにする。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示すように、上記した第３の工程によって、画素部１と周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜２１より薄い第２の層間絶縁膜２３を形成する。第２の層間絶縁膜２３は、上記と同様にＳｉＯ２またはＢＰＳＧをＣＶＤにより薄く形成する。
【００３３】
次に、図２（ｅ）に示すように、リフロー処理により画素部１のＳｉＯ２またはＢＰＳＧ層からなる第２の層間絶縁膜２３を滑らかな波状の凹凸表面にする。このリフロー処理によって形成された下向き凸のリフロー処理面が、後述する層間レンズの底面となる。
【００３４】
次に、図２（ｆ）に示すように、周辺回路部５では、コンタクトホールＨを形成して、そのホールＨ内に金属の導電体層Ｍを埋め込み、さらにＳｉＯ２の表面に信号配線２５を形成する。また、水平転送路３においても、ＳｉＯ２の表面に信号配線２７を形成する。
【００３５】
ここで、画素部１については図３を参照して別途説明する。
図３は画素部についての製造方法を、（ａ）〜（ｅ）の工程順で概略的に示した説明図である。
本実施の形態では、上記した第３の工程の後、少なくとも画素部１に対して、第２の層間絶縁膜２３をリフロー処理したリフロー処理面上に、第２の層間絶縁膜２３よりも屈折率の高い高屈折率材料層２９を形成する。すなわち、画素部１においては、まず、図３（ａ）に示すように、高屈折率材料であるＳｉＮをプラズマＣＶＤにより形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、所定の厚みにレジストエッチバック、あるいはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ;化学機械研磨）等により平坦化する。これで下凸の層内レンズ３１ａが出来上がる。
【００３６】
次に、図３（ｃ）に示すように、さらにＳｉＮをプラズマＣＶＤにより形成する。図３（ｄ）に示すように、レジスト３０をパターニング形成した後、図３（ｅ）に示すように、エッチバックによりレジスト３０のパターンをＳｉＮ層に転写する。これにより、高屈折率材料層２９のＳｉＮによる上凸の層内レンズ３１が出来上がる。図２の（ｆ）はその結果の図である。この画素部１の処理と同時に周辺回路部５と水平転送路３のメタル配線上の保護膜の形成がなされることになる。そして、層内レンズ３１の上には、図示は省略するが、平坦化層、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）色のカラーフィルタ、そして、マイクロレンズが形成され、図中上方から入射された光がフォトダイオードＰＤにより検知される。
【００３７】
上記のリフロー処理により、フォトダイオードに対応して凹曲面状となった第２の層間絶縁膜２３の部分に、高屈折率材料層２９が形成されることで、第２の層間絶縁膜２３と高屈折率材料層２９との境界面、すなわち、高屈折率材料層２９の底面が凸曲面となった層内レンズ３１が形成され、フォトダイオードに対する集光率が高まって、感度の向上が図られる。
【００３８】
本実施の形態では、周辺回路部５と水平転送路３で、最初に厚い第１の層間絶縁膜２１を形成し、ゲート電極や信号配線の他の導電体部との距離が長くなり、寄生容量が低減され、また、電極と配線が確実に保護される。そして、画素部１では、この厚い第１の層間絶縁膜２１が一旦除去されてはじめの状態に戻され、改めて薄い第２の層間絶縁膜２３が形成される。この第２の層間絶縁膜２３がリフロー処理により滑らとなり下凸レンズの下地が形成される。そして、その上に高屈折材料のＳｉＮが形成されることで、フォトダイオードに近い高さ位置に下凸の層内レンズ３１の頂部（下端）が形成される。
【００３９】
したがって、層間絶縁膜を遮光膜形成前に形成して一部除去する従来構成と異なり、画素部１の遮光膜１９を形成した後に形成する第１の層間絶縁膜２１に対し、画素部１と周辺回路部５とで膜厚を異ならせるので、画素部１の層間絶縁膜を薄くすることでＦ値依存性を低減し、画素部１の層間絶縁膜を薄くすることによるスミア特性の改善は元より、層間絶縁膜表面を底面とした層内レンズ３１を形成することが可能となり、傾斜光の増大に伴う漏れ光を低減するとともに、集光率をアップして感度を高めることができる。これに加え、水平転送路（ＨＣＣＤ部）３を含む周辺回路部５での層間絶縁膜厚を厚く平坦にすることにより、上層に形成される配線層との間の寄生容量を減らし、高速動作を可能にするとともに、配線層の加工時の断線の危険性を下げることができる。
【００４０】
また、周辺回路部や水平電荷転送部の層間絶縁膜が、画素部と同じレベルで薄い場合は、その上に形成されたメタル配線が、下地形状をトレースするようにうねった形状となる。このため、製造プロセスの後段で行われるシンタリング処理等の高温（４００℃前後）処理等において、配線材料の金属が膨張して上層のシリコン窒化膜に応力集中が生じて膜が破けてしまい、シリコン窒化膜から下層の金属材料が吹き出すエクストリュージョンの現象を生じることがあるが、本実施形態の構成によれば、金属の信号配線２５，２７の上には、十分な厚みのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が形成され、メタル配線が下地段差の影響を受けにくくなるので、エクストリュージョン現象が発生することなく、素子構造が安定する。
【００４１】
本実施の形態による固体撮像素子１００の製造方法および固体撮像素子１００によれば、画素部１の層間絶縁膜を薄くすることでＦ値依存性を低減し、スミア特性を改善することが可能となり、層間絶縁膜表面をレンズ底面とした層内レンズ３１を形成することで集光率がアップし感度を高めることができる一方、水平転送路３を含む周辺回路部５での層間絶縁膜厚を厚く平坦にすることにより、上層に形成される配線層との間の寄生容量を減らし、高速動作を可能にするとともに、配線層の加工時の断線の危険性を下げることができる。この結果、高感度、低スミア、高速動作、高信頼性、歩留まり安定の固体撮像素子１００を実現することができる。
【００４２】
次に、本発明に係る固体撮像素子の製造方法の第２実施形態を説明する。
本実施形態の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に、複数のフォトダイオードが配列された画素部１と、各フォトダイオードが発生する信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行う周辺回路部５と、を備える固体撮像素子において、画素部１、およびゲート電極が形成された周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜を形成する工程(B-1)と、第１の層間絶縁膜の上にエッチングストッパ膜を形成する工程(B-2)と、エッチングストッパ膜の上に第１の層間絶縁膜より厚い第２の層間絶縁膜を形成する工程(B-3)と、第２の層間絶縁膜を、エッチングストッパ膜を用いて画素部１に対してのみ選択的に除去する工程(B-4)と、を含むことにより、画素部１に形成する層間絶縁膜の厚みを、周辺回路部５のゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする。
【００４３】
この製造方法をより具体的に説明する。
図４は第２実施形態に係る製造方法を、図１の矢視Ａ−Ｂである周辺回路部と、水平電荷転送部と、画素部との要部に分けて（ａ）〜（ｆ）の工程順で概略的に示した説明図である。
本実施の形態による固体撮像素子の製造方法は、図４（ａ）に示すように、予め必要な処理が施された半導体基板７上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）／シリコン窒化膜（ＳｉＮ）／シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の積層膜（ＯＮＯ膜）等による絶縁膜９を形成する。周辺回路部５では、ポリシリコンや金属による信号配線１１、ゲート電極が、ゲート絶縁膜の上に形成される。水平転送路３では、ポリシリコンによる電荷転送電極（ゲート電極）１３がゲート絶縁膜９上に形成される。画素部１では、ポリシリコンによる電荷読み出し電極１５および電荷転送電極（垂直電荷転送部）１７がゲート絶縁膜９上に形成されており、その上にタングステンからなる遮光膜１９が形成される。
【００４４】
次に、図４（ｂ）に示すように、第１の工程において、画素部１、およびゲート電極が形成された周辺回路部５の双方に対して共通のプロセスにより第１の層間絶縁膜３３を形成する。第１の層間絶縁膜３３は、ＳｉＯ２またはＢＰＳＧの層間絶縁膜を薄く形成して得る。リフロー処理により画素部１のＳｉＯ２またはＢＰＳＧ層からなる第１の層間絶縁膜３３を滑らかな波状の凹凸表面にする。
【００４５】
次に、図４（ｃ）に示すように、第２の工程において、後のエッチバックの際にエッチングストッパ膜３５として機能するＳｉＮを第１の層間絶縁膜３３の上に形成する。
【００４６】
次に、図４（ｄ）に示すように、第３の工程において、エッチングストッパ膜３５の上に第１の層間絶縁膜３３より厚い第２の層間絶縁膜３７を形成する。第２の層間絶縁膜３７は、ＳｉＯ２またはＢＰＳＧを厚く形成して得る。これにより周辺回路部５や水平転送路３において厚膜が形成されることになる。
【００４７】
次に、図４（ｅ）に示すように、第４の工程において、第２の層間絶縁膜３７を、エッチングストッパ膜３５を用いて画素部１に対してのみ選択的に除去する。すなわち、画素部１のみＳｉＯ２またはＢＰＳＧをエッチングにより除去する。このときのエッチングは、ＳｉＮ層がエッチングのストッパ層として機能する。したがって、画素部１では、薄いＳｉＯ２層またはＢＰＳＧ層とエッチングストッパ膜３５が残るのみとなり、これにより、画素部１に形成する層間絶縁膜の厚みを、周辺回路部５のゲート電極上に形成する層間絶縁膜よりも薄くする。
【００４８】
本実施の形態においても、第２の工程の後、少なくとも画素部１に対して、第１の層間絶縁膜３３をリフロー処理し、第４の工程の後、少なくとも画素部１に対して、エッチングストッパ膜３５上に１の層間絶縁膜３３よりも屈折率の高い高屈折率材料層２９を形成する。すなわち、高屈折率材料のＳｉＮ層を形成して下凸の層内レンズ３１を形成する。この場合でもフォトダイオードに近い高さ位置に層内レンズ３１の頂部が形成される。
【００４９】
リフロー処理によりフォトダイオードに対応して凹曲面状となった第１の層間絶縁膜３３の部分にエッチングストッパ膜３５が形成され、このエッチングストッパ膜３５上に高屈折率材料層２９が形成されることで、エッチングストッパ膜３５と高屈折率材料層２９との境界面、すなわち、高屈折率材料層２９の底面が凸曲面となった層内レンズ３１が形成され、フォトダイオードに対する集光率が高まって、感度の向上が図られる。
【００５０】
また、図４（ｆ）に示す周辺回路部５では、コンタクトホールＨを形成して、そのホールＨ内に金属の導電体層Ｍを埋め込み、さらにＳｉＯ２の表面に信号配線２５を形成する。また、水平転送路３においても、ＳｉＯ２の表面に信号配線２７を形成する。
【００５１】
この実施の形態による固体撮像素子の製造方法によれば、第１実施形態の基本的作用と同様の作用効果が得られることに加え、画素部１および周辺回路部５に形成した第１の層間絶縁膜３３の上に、エッチングストッパ膜３５を形成し、このエッチングストッパ膜３５の上に第２の層間絶縁膜３７を形成した後、画素部１に対してのみこの第２の層間絶縁膜３７を選択的に除去するので、最初に画素部１をエッチングストッパ膜３５で覆われて、第２の層間絶縁膜３７を除去する際に、露出した上層電極等への影響を無くし、上層の特性変化等を抑止することができる。
【００５２】
なお、上記した第１、第２の層間絶縁膜２１，２３，３３，３７は、酸化シリコンを含む材料からなる。これにより、中間層の効率的な除去や、窒化シリコン膜をエッチングストッパ膜としての除去を容易にすることが可能となる。
したがって、本構成によれば下側に凸状となる層内レンズを形成するような光路形成の際に、金属シリサイドによる遮光膜の形成や層間絶縁膜による層内レンズ下側形状の利用が可能となる。
【００５３】
次に、上記した実施の形態による固体撮像素子を備えた撮像装置であるデジタルカメラについて説明する。
図５は本発明に係る固体撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック図である。
図示するデジタルカメラは、撮影レンズ４１と、上記した固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り４３と、赤外線カットフィルタ４５と、光学ローパスフィルタ４７とを備える。デジタルカメラの全体を統括制御するＣＰＵ４９は、フラッシュ発光部５１および受光部５３を制御し、レンズ駆動部５５を制御して撮影レンズ４１の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部５７を介し絞り４３の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００５４】
また、ＣＰＵ４９は、撮像素子駆動部５９を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ４１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ４９には、操作部６１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ４９はこの指示にしたがって各種制御を行う。
【００５５】
デジタルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部６７と、このアナログ信号処理部６７から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路６９とを備え、これらはＣＰＵ４９によって制御される。
【００５６】
さらに、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）７１に接続されたメモリ制御部７３と、ガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理，画像合成処理等の画像処理を行うデジタル信号処理部７５と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部７７と、測光データを積算しデジタル信号処理部７５が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部７９と、着脱自在の記録媒体８１が接続される外部メモリ制御部８３と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部８５が接続される表示制御部８７とを備え、これらは、制御バス８９およびデータバス９１によって相互に接続され、ＣＰＵ４９からの指令によって制御される。
【００５７】
本実施の形態によるデジタルカメラで被写体画像を撮像する場合、図１に示す各画素１が受光量に応じた信号電荷を蓄積し、この信号電荷を先ず垂直電荷転送路に読み出し、垂直電荷転送路に沿って水平電荷転送路３の方向に転送する。
【００５８】
各信号電荷を垂直電荷転送路に読み出す直前のタイミングでは、各垂直電荷転送路や水平電荷転送路３は掃き出し動作によって空の状態になっている。注入された所定電荷量の上記読出処理後に、各画素の受光量に応じた信号電荷を固体撮像素子１００から読み出し、デジタル信号処理部７５は、被写体画像データを生成する。
【００５９】
このデジタルカメラによれば、固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００に光学像を結像させる光学系とを備えたので、Ｆ値が変更されても感度の差異が少なく、スミアの影響も抑止でき、高感度にして、ノイズの無い良好な画像を高速に取得することができる。また、均一な基準信号を用いて、出力信号差を高精度に補正することができ、良好な画像を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子で、特には、画素部、周辺回路部、水平転送路などにより多層配線化された固体撮像素子に対し、画素部と周辺回路部とで層間絶縁膜の異なる膜厚に対する要求を両立させることができることから、高感度、低スミアで、Ｆ値依存性がなく、しかも高速動作が実現可能となり、例えば、電子カメラやビデオカメラ、あるいは携帯端末などへの利用に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の画素部、水平電荷転送部、周辺回路部の位置関係を概念的に示した平面図である。
【図２】第1実施形態に係る製造方法を、図１の矢視Ａ−Ｂである周辺回路部と、水平電荷転送部と、画素部との要部に分けて（ａ）〜（ｆ）の工程順で概略的に示した説明図である。
【図３】画素部についての製造方法を、（ａ）〜（ｅ）の工程順で概略的に示した説明図である。
【図４】第２実施形態に係る製造方法を、図１の矢視Ａ−Ｂである周辺回路部と、水平電荷転送部と、画素部との要部に分けて（ａ）〜（ｆ）の工程順で概略的に示した説明図である。
【図５】本発明に係る固体撮像素子を搭載した撮像装置であるデジタルカメラのブロック図である。
【図６】従来のＣＣＤ型固体撮像素子において層間絶縁膜が薄い場合の周辺回路部を（ａ）、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ部）を（ｂ）、画素部を（ｃ）に示した断面図である。
【図７】従来の同固体撮像素子において層間絶縁膜が厚い場合の周辺回路部を（ａ）、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ部）を（ｂ）、画素部を（ｃ）に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  画素部
５周辺回路部
７  半導体基板
２１  第１の層間絶縁膜
２３  第２の層間絶縁膜
２９  高屈折率材料層
３３  第１の層間絶縁膜
３５  エッチングストッパ膜
３７  第２の層間絶縁膜
１００  固体撮像素子
ＰＤ  フォトダイオード
【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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