JP2006041211A

JP2006041211A - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP2006041211A
Application number: JP2004219584A
Authority: JP
Inventors: Masao Kimura; 匡雄木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: JP4784054B2

Abstract

【課題】遮光膜の開口部を形成した後に反射低減膜を形成することで、遮光膜のめくれの発生を無くして感度向上とスミアの防止を可能とする。
【解決手段】入射光を光電変換するセンサ部２１と、センサ部２１から読み出した信号電荷を転送する垂直電荷転送部２３とを備え、センサ部２１表面に入射光の反射を低減する反射低減膜３７と、垂直電荷転送部２３を遮光する遮光膜３５とを有する固体撮像素子において、遮光膜３５に形成されるセンサ部２１上の開口部３６に、遮光膜３５を形成した後に形成された反射低減膜３７を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、スミア特性を悪化させることなくセンサの感度向上が容易な固体撮像素子および固体撮像素子の製造方に関するものである。

従来の固体撮像素子では、図７に示すように、センサ１２１の感度を向上させるために、入射光の有効利用を目的とした反射低減膜１３７をセンサ部１２１上に配置していた。この構造では、垂直レジスタ１２３上の光透過防止用の遮光膜１３５の形成前に反射低減膜１３７を形成することが一般的であり、センサ１２１表面での入射光の反射率の低下により、感度の向上が認められるが、下記のような弊害も発生する。

特に昨今の固体撮像素子の多画素化とコンパクト化の流れより、１つ１つの画素サイズが非常に微細になってきていることが影響し、微細画素内のさらに微細なセンサ開口内に、上記反射低減膜を形成する場合、反射低減膜の加工サイズによっては、下記のようなスミア特性の悪化を引き起こす場合がある。

一般的に、前記図７に示したように、センサ部１２１上の反射低減膜１３７の加工サイズとは、遮光膜１３５に形成された開口部１３６の内側に配置されるよう決定される。特に微細画素の場合、遮光膜１３５下の絶縁膜１３３の膜厚との関係により、２次元的な配置に問題が無くても、３次元的に見ると、図８に示すように、遮光膜１３５のセンサ部１２１上への張り出し部１３５Ｔのめくれを誘発する場合が起こり得る。この場合、スミア特性は悪化することになり、感度特性が向上する一方で、スミア特性が悪化するというトレードオフの関係が発生することになる。

また、固体撮像素子の光電変換部直上において、半導体基板と遮光膜との間に、低反射性を得る膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、半導体基板に形成されたフォトセンサの上方に反射低減膜を形成し、その上方に層間絶縁膜を介して受光窓を有する金属遮光膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、特開２００１−３５２０５１号公報に記載された提案では、反射低減膜として用いているシリコン窒化膜が、その上層膜からのパッシベーション効果を阻害しない旨が記載されているが、実デバイスにおいては、遮光膜開口を全面シリコン窒化膜で覆った場合、上層からのパッシベーション効果が阻害される。

特開２００１−３５２０５１号公報特開２００２−２０３９５３号公報

解決しようとする問題点は、画素が微細化されると、遮光膜のセンサ表面への張り出し部が反射低減膜上に載る状態となって膜のめくれを誘発する場合が起こり得る。この場合、反射低減膜を設けたことにより感度特性が向上する一方で、遮光膜のめくれが発生することによりスミア特性が悪化するという点があり、また、センサ部上に反射低減膜を設けることで感度を向上させようとする技術では、パッシベーション効果を損なうために暗信号電流の増加を招き、実現されていない点である。

本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換するセンサ部と、前記センサ部から読み出した信号電荷を転送する垂直電荷転送部とを備え、前記センサ表面に前記入射光の反射を低減する反射低減膜と、前記垂直電荷転送部を遮光する遮光膜とを有する固体撮像素子において、前記遮光膜に形成される前記センサ部上の開口部に、前記遮光膜を形成した後に形成された前記反射低減膜を備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、入射光を光電変換するセンサ部と、前記センサ部から読み出した信号電荷を転送する垂直電荷転送部とを備え、前記センサ表面に前記入射光の反射を低減する反射低減膜と、前記電荷転送部を遮光する遮光膜とを有する固体撮像素子の製造方法において、前記センサ部上の前記遮光膜に開口部を形成した後、前記開口部内に前記反射低減膜を形成することを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、遮光膜に形成されるセンサ部上の開口部に、遮光膜を形成した後に形成された反射低減膜を備えているため、反射低減膜上に遮光膜開口端が載ることによる遮光膜のめくれの問題が解決できるので、スミア特性の向上が図れる。しかも、反射低減膜がセンサ部上に設けられているので、感度低下を招くことは無いという利点がある。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、センサ部上の遮光膜に開口部を形成した後、開口部内に反射低減膜を形成するため、反射低減膜上に遮光膜開口端が載ることによる遮光膜のめくれの問題を解決することができるので、スミア特性が向上された固体撮像素子を製造することができる。しかも、反射低減膜がセンサ部上に設けられているので、感度低下を招くことは無いという利点がある。

本発明は、遮光膜のめくれを回避してスミア特性を向上させるという目的を、センサ部上の遮光膜に開口部を形成した後、開口部内に反射低減膜を形成することで、感度特性を低下させることなく実現した。

本発明の固体撮像素子に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図および図２の平面図によって説明する。

図１に示すように、第１導電型（例えばＮ型）の半導体基板１１の上層に第１導電型とは逆導電型である第２導電型（例えばＰ型）のウエル領域１２が形成されている。このウエル領域１２には、画素領域１３間に第２導電型のチャネルストップ領域１４が設けられている。上記画素領域１３には、入射光を光電変換するセンサ部２１が形成され、このセンサ部２１と間隔を置いて垂直方向に電荷を転送する垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）２３が形成されている。上記センサ部２１は、入射光を光電変換するとともに光電変換された電荷の蓄積を行うものであり、例えば、上層にＰ⁺層からなるホールアキュムレーション層２１２が形成され、その下層にＮ型層２１１が形成されてなる。上記垂直電荷転送部２３は、第２導電型の不純物領域２３１の上層に第１導電型の不純物領域２３２が形成されているものである。また、センサ部２１と垂直ＣＣＤ２３との間は、センサ部２１に蓄積された電荷を垂直電荷転送部２３に転送する読み出し領域２５となっている。

上記半導体基板１１上には、基板表面絶縁膜３１が形成されている。この基板表面絶縁膜３１は、例えば垂直電荷転送部２３のゲート絶縁膜となるものである。上記センサ部２１に隣接した上記基板表面絶縁膜３１上には垂直電荷転送部２３の転送電極２７が形成されている。この転送電極２７を被覆する状態に、絶縁膜３３を介して遮光膜３５が形成されている。上記絶縁膜３３は、センサ部２１上にも形成されている。上記遮光膜３５の上記センサ部２１上には開口部３６が形成されている。上記開口部３６には、遮光膜３５を形成した後に形成された反射低減膜３７が形成されている。この反射低減膜３７は、センサ部２１に入射する光の反射を抑制するもので、センサ部２１への入射光の反射による損失を少なくしてセンサ部２１の感度を高めるためのものである。

上記反射低減膜３７は、例えば、図２に示すように形成される。すなわち、遮光膜３５に形成された開口部３６に対して、開口部３６の四角に隙間３８が形成されるように、反射低減膜３７は十字型に形成されている。

上記開口部３６内において、上記反射低減膜３７と遮光膜３５との間に隙間３８が設けられている。これによって、上記反射低減膜３７を窒化シリコン膜で形成したとしても、上層膜からのパッシベーション効果を損なうことがなくなる。

次に、上記隙間３８の別の形態について、図３の平面図によって説明する。

図３（１）に示すように、全面に反射低減膜３７を形成し、遮光膜３５に形成された開口部３６の４角だけ反射低減膜３７に開口部を形成して、その開口部を隙間３８とするものである。

図３（２）に示すように、遮光膜３５に形成された開口部３６に対して、開口部３６の一方向（例えば図面縦方向）に縦断するように反射低減膜３７を形成し、上記開口部３６における反射低減膜３７の両側に隙間３８を設けるものである。

図３（３）に示すように、遮光膜３５に形成された開口部３６に対して、開口部３６の一方向（例えば図面横方向）に縦断するように反射低減膜３７を形成し、上記開口部３６における反射低減膜３７の両側に隙間３８を設けるものである。

上記固体撮像素子では、遮光膜３５に形成されるセンサ部２１上の開口部３６に、遮光膜３５を形成した後に形成された反射低減膜３７を備えているため、反射低減膜３７上に遮光膜３５開口端が載ることによる遮光膜３５のめくれの問題が解決できるので、スミア特性の向上が図れる。しかも、反射低減膜３７がセンサ部２１上に設けられているので、感度低下を招くことは無いという利点がある。

また、反射低減膜３７は、センサ部２１の全面に形成されるのではなく、隙間３８が設けられている。このため、上層膜からのパッシベーション効果を損なわずに、感度向上を実現し、スミア悪化を抑止することができる。

本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施例を、図４の製造工程断面図および図５、図６の製造工程断面図、平面図によって説明する。なお、平面図は断面図に対して拡大した図面となっている。

図４（１）に示すように、通常の固体撮像素子の製造方法により、第１導電型（例えばＮ型）半導体基板１１の上層に第１導電型とは逆導電型である第２導電型（例えばＰ型）のウエル領域１２を形成する。このウエル領域１２には、画素領域１３間に第２導電型のチャネルストップ領域１４を設ける。上記画素領域１３には、入射光を光電変換するセンサ部２１を形成するとともに、このセンサ部２１と間隔を置いて垂直方向に電荷を転送する垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤ）２３を形成する。上記センサ部２１は、入射光を光電変換するとともに光電変換された電荷の蓄積を行うものであり、上層にＰ⁺層からなるホールアキュムレーション層２１２を形成し、その下層にＮ型層２１１を形成することで成る。上記垂直電荷転送部２３は、第２導電型の不純物領域２３１の上層に第１導電型の不純物領域２３２が形成されているものである。また、センサ部２１と垂直ＣＣＤ２３との間には、センサ部２１に蓄積された電荷を垂直電荷転送部２３に転送する読み出し領域２５を形成する。上記各領域の形成は、一例として、半導体基板１１上にレジストマスク（図示せず）を形成した後、通常の不純物導入技術、例えばイオン注入技術により形成することができる。

次いで、図４（２）に示すように、上記半導体基板１１上に絶縁膜（ゲート絶縁膜）３１を形成する。次いで、上記垂直電荷転送部２３のチャネル部となる第１導電型の不純物領域２３２上に、上記絶縁膜３１を介して転送電極２７を形成する。この転送電極２７は、以下のように形成される。一例として、絶縁膜３１上に電極形成膜（図示せず）を成膜する。この電極形成膜は例えばポリシリコンで形成する。その後、電極形成膜上にレジスト膜（図示せず）の形成し、そのレジスト膜に転送電極マスクパターンの露光および現像のリソグラフィー工程を行って、レジスト膜からなるエッチングマスクを形成する。以下、レジスト膜からなるエッチングマスクを形成する技術をレジストマスクプロセスという。次いで、このエッチングマスクを用いたエッチング技術（例えば反応性イオンエッチング）により電極形成膜を加工して形成される。その転送電極２７は、例えばチャネル領域となる第１導電型の不純物領域２３２と同一な幅に形成され、チャネルストップ領域１４上や読み出し領域２５上に形成されないようにする。

さらに、通常の既知のプロセスによって、転送電極２７を被覆する絶縁膜３３を形成した後、転送電極２７、読み出し領域２５、チャネルストップ領域１４等を被覆する遮光膜３５を形成する。上記遮光膜３５は、例えばアルミニウム膜もしくはタングステン膜等の導電性と遮光性を兼ね備えた膜で形成される。その後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術によって、センサ部２１上の遮光膜３５に開口部３６を形成する。

次いで、図４（３）に示すように、遮光膜３５が形成されている側の全面に、センサ部２１への入射光の反射を抑制し、入射光をセンサ部２１へ入射し易くするための反射低減膜３７を、例えば窒化シリコン膜で形成する。窒化シリコン膜の成膜方法は、例えばプラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等を採用することができる。もしくはその他の成膜方法を採用することも可能である。ただし、遮光膜３５にアルミニウムを用いている場合には、４００℃以下の成膜温度での成膜とすることが求められる。

次いで、図５（４）および（５）の平面図に示すように、反射低減膜３７上にレジスト膜４１を形成した後、遮光膜３５に形成された開口部３６に対して、開口部３６の四角に隙間３８が形成されるように、かつ一画素当たりの反射低減膜３７が十字型に形成されるように、上記レジスト膜４１を加工する。この加工には、通常のリソグラフィー技術（露光、現像等）を用いた。次に、上記リソグラフィー加工したレジスト膜４１をエッチングマスクに用いて、上記反射低減膜３７をエッチング加工する。

その結果、図６（６）および（７）の平面図に示すように、遮光膜３５に形成された開口部３６に対して、開口部３６の四角に隙間３８が形成されるように、反射低減膜３７は十字型に形成される。その後、上記レジスト膜４１〔前記図６の（６）、（７）参照〕を除去する。なお、図６（６）および（７）では、上記レジスト膜４１を除去した後の状態を示した。その後、図示はしないが、必要に応じて、層間絶縁膜、カラーフィルタ、オンチップレンズ等を形成して、固体撮像素子１が完成される。

上記製造方法においても、遮光膜３５に形成された開口部３６において、反射低減膜３７の形成状態および反射低減膜３７と遮光膜３５との間に設ける隙間３８は、上記製造工程で説明した形状に限定されない。例えば、前記図３によって説明した反射低減膜３７および隙間３８の形態に形成することも可能である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、センサ部２１上の遮光膜３５に開口部３６を形成した後、開口部３６内に反射低減膜３７を形成するため、反射低減膜３７上に遮光膜３５開口端が載ることによる遮光膜３５のめくれの問題を解決することができるので、スミア特性が向上された固体撮像素子１を製造することができる。しかも、反射低減膜３７がセンサ部２１上に設けられているので、感度低下を招くことは無いという利点がある。

また、反射低減膜３７は、センサ部２１の全面に形成されるのではなく、隙間３８が形成されている。このため、上層膜からのパッシベーション効果を損なわずに、感度向上を実現し、スミア悪化を抑止することができる。

本発明の固体撮像素子およびその製造方法は、各種撮像装置、複写装置等の画像を撮像する素子に適用することが好適である。

固体撮像素子に係る一実施例を示した概略構成断面図である。反射低減膜の一実施例を示した平面図である。反射低減膜の別の実施例を示した平面図である。固体撮像素子の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。固体撮像素子の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図および平面図である。固体撮像素子の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図および平面図である。従来の固体撮像素子を示した概略構成断面図である。従来の固体撮像素子の問題点を示した概略構成断面図である。

符号の説明

１…固体撮像素子、２１…センサ部、２３…垂直電荷転送部、３５…遮光膜、３６…開口部、３７…反射低減膜

Claims

入射光を光電変換するセンサ部と、前記センサ部から読み出した信号電荷を転送する垂直電荷転送部とを備え、前記センサ表面に前記入射光の反射を低減する反射低減膜と、前記垂直電荷転送部を遮光する遮光膜とを有する固体撮像素子において、
前記遮光膜に形成される前記センサ部上の開口部に、前記遮光膜を形成した後に形成された前記反射低減膜を備えた
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記遮光膜に形成された開口部と前記反射低減膜との間に隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
入射光を光電変換するセンサ部と、前記センサ部から読み出した信号電荷を転送する垂直電荷転送部とを備え、前記センサ表面に前記入射光の反射を低減する反射低減膜と、前記電荷転送部を遮光する遮光膜とを有する固体撮像素子の製造方法において、
前記センサ部上の前記遮光膜に開口部を形成した後、前記開口部内に前記反射低減膜を形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記反射低減膜を形成する際には、前記遮光膜に形成された開口部と前記反射低減膜との間に隙間を形成する
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。