JP2007059834A - 固体撮像装置およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮光膜の開口部周辺の端縁部で反射されていた斜め光を光電変換領域側に入射させて集光率を向上させ、受光感度を向上させる。
【解決手段】 光電変換領域３および、電荷転送領域４上の遮光膜１１を覆うバリア層の第１絶縁膜１２Ａの屈折率を、その上の平坦化層である第２絶縁膜１３Ａの屈折率よりも低く設定している。これらの二つの層の界面での光の屈折を利用して、遮光膜１１の開口部周辺の端縁部付近に斜めに入射してきた光Ａ１が、バリア層と平坦化層との界面で屈折により内側の光電変換領域３側に曲げられて、従来、遮光膜１１の端縁部で反射していた光も光電変換領域３側に入射させてその入射光の光電変換領域３への集光率を向上させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被写体を撮像可能とするＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器に関する。

従来、光照射により電荷を発生するフォトダイオードなどの受光部で発生した電荷を読み出す複数の単位画素部が２次元状でマトリクス状に配列された固体撮像素子が様々な用途の電子情報機器に用いられている。

この固体撮像素子としての例えばＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳイメージセンサなどの半導体イメージセンサは、量産性に優れているということもあり、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、カメラ付き携帯電話装置などに多く用いられている。

ここでは、ＣＣＤ型イメージセンサを用いた従来の固体撮像装置について説明する。このような従来の固体撮像装置では、半導体基板上部に、２次元状に配置され、入射光を信号電荷に変換するフォトダイオードなどの複数の光電変換領域と、この光電変換領域毎に読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送する電荷転送領域とが設けられている。この電荷転送領域上には、ゲート絶縁膜を介して電荷転送電極が設けられている。また、電荷転送領域に光が入射されて信号電荷が発生することを防ぐために、電荷転送電極上には層間絶縁膜を介して遮光膜が設けられており、この遮光膜は、光電変換領域上方が開口されている。さらに、その上に、電荷転送電極や遮光膜による表面の凹凸を平坦化するために、光電変換領域上に透明な平坦化層が設けられている。一般に、この光電変換領域上の平坦化層は、半導体基板全面を覆うように形成されている。

従来の固体撮像装置における平坦化層の構造としては、例えば特許文献１に開示されているような層構造のものが一般的に用いられている。これを図４を用いて説明する。

図４は、光電変換領域上に平坦化層を有する従来の固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。

図４において、従来の固体撮像装置１００は、Ｎ型半導体基板１の第１ｐ−層２上部に光電変換領域３および電荷転送領域４が並列して設けられ、これらの光電変換領域３と電荷転送領域４間には、両領域３，４間を分離するために、分離層としてｐ＋層５が設けられている。

また、電荷転送領域４の下方には第２ｐ層６が設けられている。この電荷転送領域４上には、ゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８が設けられ、この電荷転送電極８上には層間絶縁膜９を介して下地密着層１０および遮光膜１１が設けられている。これらのゲート絶縁膜７および層間絶縁膜９は光電変換領域３上にも設けられており、下地密着層１０および遮光膜１１は、光電変換領域３上では開口されている。この半導体基板上全面に、バリア層としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの透明な第１絶縁膜１２を介して平坦化層としてＢＰＳＧなどのリフロー性を有する透明材料からなるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）などの第２絶縁膜１３が設けられている。

この従来の固体撮像装置１００は、以下のようにして作製される。

図４に示すように、まず、光電変換領域３および電荷転送領域４が形成された半導体基板部上に、ゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８さらに層間絶縁膜９を形成した後、スパッタリング法によりチタンナイトライド膜を５０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚に堆積させて下地密着層１０を形成し、ＣＶＤ法によりタングステン膜を堆積させて遮光膜１１を形成する。

次に、これらの遮光膜１１および下地密着層１０を選択的に除去して、光電変換領域３の上方を開口し、分離層のｐ＋層５および電荷転送電極８上には光が入射しないように遮光膜１１および下地密着層１０を残す。このとき、遮光膜１１および下地密着層１０の直下の層間絶縁膜９は除去されることなく、光電変換領域３上方および電荷転送領域４上方を共に覆っている。

さらに、バリア層としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ；屈折率ｎ＝２．０）などの透明な第１絶縁膜１２を形成し、その上に平坦化層としてＣＶＤ法によりＢＰＳＧなどのリフロー性を有する透明材料からなるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）などの透明な第２絶縁膜１３を形成する。その後、窒素雰囲気下で９００℃の熱処理を施すことにより、表面をある程度、平坦化させる。

また、一般的に、バリア層としての第１絶縁膜１２と、平坦化層としての第２絶縁膜１３とが、いずれもシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）で、同じ屈折率（屈折率ｎ＝１．４６）の場合もある。
特開２０００−２４３９４５号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像装置１００の層構成では、バリア層である第１絶縁膜１２と、平坦化層である第２絶縁膜１３とは同じ屈折率であるかまたは、第１絶縁膜１２の屈折率が、平坦化層である第２絶縁膜１３の屈折率よりも高く設定されている。

このため、図４に矢印Ａの実線または点線で示すように、光電変換領域３の上方において、遮光膜１１の開口部周囲の端縁部付近に斜めに光が入射されると、遮光膜１１の端縁部で反射される。この結果、光電変換領域３への集光率が向上せず、固体撮像装置の受光感度が向上しないという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解決するもので、遮光膜の開口部周辺の端縁部で反射されていた斜め光を光電変換領域側に入射させて集光率を向上させ、受光感度を向上させることができる固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いたデジタルスチルカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板に入射光を信号電荷にそれぞれ変換する複数の光電変換領域が設けられ、該複数の光電変換領域上方に、少なくとも２層構造の透明な各絶縁膜が設けられ、該各絶縁膜のうち、該光電変換領域に近い側の絶縁膜の屈折率が、該光電変換領域に遠い側の絶縁膜の他方の屈折率よりも低く設定されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。即ち、該光電変換領域に近い側の該各絶縁膜の一方の屈折率が、該各絶縁膜の他方の屈折率よりも低く設定されている。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板に、前記複数の光電変換領域と、該光電変換領域毎に読み出された信号電荷を電荷転送する電荷転送領域とが設けられ、前記２層構造の透明な各絶縁膜として、該光電変換領域上方および該電荷転送領域上方を覆う第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上を覆う第２絶縁膜とが設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上に層間絶縁膜を介して遮光膜が設けられ、該遮光膜は、前記光電変換領域上方が開口されており、該光電変換領域上の層間絶縁膜上および、該電荷転送領域上の遮光膜上にわたって前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板に、前記複数の光電変換領域と、該光電変換領域毎に読み出された信号電荷を検出する信号電荷検出部とが設けられ、前記２層構造の透明な各絶縁膜として、該光電変換領域上方および該信号電荷検出部上方を覆う第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上を覆う第２絶縁膜とが設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記信号電荷検出部上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、該ゲート電極上に層間絶縁膜を介して遮光膜が設けられ、該遮光膜は、前記光電変換領域上方が開口されており、該光電変換領域上の層間絶縁膜上および、該信号電荷検出部上の遮光膜上にわたって前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜は、バリア層であり、ＣＶＤ法により成膜されたシリコン酸化膜から構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第２絶縁膜はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第２絶縁膜は、平坦化層であり、プラズマＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜から構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜／前記第２絶縁膜の組合せは、ＳｉＯ_２膜／ＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜／ＳｉＯＮ膜、およびＳｉＯＮ膜／ＳｉＮ膜のいずれかの組合せである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜の膜厚は０．２μｍ〜０．６μｍであり、前記第２絶縁層の膜厚は０．２μｍ〜１μｍである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜の膜厚は０．３μｍ〜０．６μｍの膜厚で堆積され、前記第２絶縁層の膜厚は０．３μｍ〜０．５μｍの膜厚で堆積されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜と前記第２絶縁膜の各材料はそれぞれ、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ユーロビウム、酸化ハフニウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化モリブデン、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化サマリウム、酸化アンチモン、酸化ケイ素、一酸化ケイ素、酸化スカンジウム、酸化スズ、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化亜鉛から、該第２絶縁膜の材料が該第１絶縁膜の材料よりも屈折率が高い材料になるようにそれぞれ選択される。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の所定領域に電荷転送領域を形成する工程と、該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成し、さらに該電荷転送電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜が形成された半導体基板部に、該電荷転送領域に信号電荷を読み出し可能とする複数の光電変換領域を形成する工程と、 該光電変換領域上を開口した遮光膜を形成する工程と、該半導体基板上全面にバリア層として透明な第１絶縁膜を形成する工程と、該第１絶縁膜の屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、該バリア層上に平坦化層として第２絶縁膜を形成する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の所定領域に、信号電荷を検出する信号電荷検出部を形成する工程と、該信号電荷検出部上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、さらに該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜が形成された半導体基板部に、該信号電荷検出部に信号電荷を読み出し可能とする複数の光電変換領域を形成する工程と、該光電変換領域上を開口した遮光膜を形成する工程と、該半導体基板上全面にバリア層として透明な第１絶縁膜を形成する工程と、該第１絶縁膜の屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、該バリア層上に平坦化層として第２絶縁膜を形成する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を撮像部に用いて得た画像データを信号処理した後に記録するメモリと、該画像データを信号処理した後に表示画面上に表示する表示手段と、該画像データを信号処理した後に通信処理する通信手段と、該画像データを信号処理した後に印刷処理する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、光電変換領域および電荷転送領域または信号電荷検出部上の遮光膜を覆う２層構造の各絶縁膜として、第１絶縁膜（バリア層）の屈折率がその上の第２絶縁膜（平坦化層）の屈折率よりも低く設定されている。

二つの層の界面での光の屈折を利用して、遮光膜の開口部周囲の端縁部に斜めに入射してきた光が、バリア層と平坦化層との界面で屈折により光電変換領域側に曲げられる。このように、光路が曲げられることによって、従来、遮光膜の端縁部によって反射されていた光も光電変換領域に入射させることが可能となり、光電変換領域に対する集光率が向上する。

以上により、本発明によれば、２層構造の透明な各絶縁膜のうち、光電変換領域に近い側（下側）の絶縁膜の屈折率が、光電変換領域に遠い側（上側）の絶縁膜の屈折率よりも低く設定されている。即ち、平坦化層（第２絶縁膜）の下層に、この平坦化層よりも屈折率が低いバリア層（第１絶縁膜）を設けることにより、入射光が平坦化層からバリア層に至る界面で屈折して、光電変換領域側に曲げられるため、各光電変換領域に対する集光率を向上させることができて、固体撮像装置の受光感度を向上させることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施形態を、ＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の固体撮像装置およびその製造方法を、ＣＣＤ型イメージセンサの他に、ＭＯＳイメージセンサに適用することもできる。

図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。

図１において、固体撮像装置１００Ａは、半導体基板１の上部に受光部の光電変換領域３と電荷転送領域４とが形成され、この電荷転送領域４の上方にはゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８が形成され、その上に層間絶縁膜９を介して下地密着層１０および遮光膜１１が形成され、その半導体基板部上を覆うようにバリア層としての第１絶縁膜１２Ａと平坦化層としての第２絶縁膜１３Ａとの透明な二層構造の絶縁膜が形成されている。この場合に、光電変換領域３に近い側の絶縁膜の一方（第１絶縁膜１２Ａ）の屈折率が、各絶縁膜の他方（第２絶縁膜１３Ａ）の屈折率よりも低く設定されていることを本発明の特徴構成としている。

半導体基板１は、その表面部に、撮像領域として、２次元状に配置された複数の受光部（画素部）としての各光電変換領域３と、光電変換領域３毎に信号電荷が読み出される電荷転送領域４とが形成されている。ここで、半導体基板１は、通常、半導体装置を形成するための基板として使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、ＳｉＣ、ＡｌＧａ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体からなる基板を使用することができる。この中でも、シリコン基板が好ましい。

この半導体基板１の上部には、通常、Ｎ型またはＰ型の不純物がドーピングされているが、さらに、Ｎ型またはＰ型のウェル領域を１以上有していてもよい。また、光電変換領域３と電荷転送領域４との他に、分離領域、コンタクト領域、チャネルストッパ領域として、高濃度のＮ型またはＰ型の不純物を含有する各領域がそれぞれ形成されていてもよい。光電変換領域３および電荷転送領域４は、好ましくは互いに分離領域を介して隣接して形成されてなり、例えば、リンまたは砒素などのＮ型不純物が、それぞれ１×１０^１７ｃｍ^−２程度および１×１０^１６ｃｍ^−２程度の濃度で拡散されている。

電荷転送領域４上には、ゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８が形成されている。ゲート絶縁膜７は、例えば３０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはこれらの積層膜により形成することができる。

電荷転送電極８は、通常、半導体装置の電極として用いることが可能な導電材料により形成することができる。このような導電材料としては、例えば、ポリシリコン、アルミニウム・銅・白金・銀等の金属、タングステン・タンタル・チタン等の高融点金属、これら金属のシリサイド、ポリサイドなどが挙げられる。その中でも、ポリシリコンが好ましい。なお、電荷転送電極８は、上記導電材料による単層であってもよく、積層構造の膜としてもよい。一般に、導電材料による単層膜の場合には、２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の膜厚とされる。また、積層構造の膜では、例えばタングステンシリサイド／ポリシリコン＝２００ｎｍ／１５０ｎｍ程度の膜厚に形成される。

電荷転送電極８上には、層間絶縁膜９が形成される。この層間絶縁膜９としては、例えば、ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、ＣＶＤ法によるプラズマＴＥＯＳ膜、ＬＴＯ膜、ＨＴＯ膜、ＮＳＧ膜またはスピンコート法により塗布形成したＳＯＧ膜、ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜など、いずれの絶縁膜も用いることができる。その膜厚は、特に限定されるものではなく、例えばシリコン酸化膜では１００ｎｍ程度とすることができる。

層間絶縁膜９上には、下地密着層１０および遮光膜１１が順次積層形成されている。下地密着層１０は遮光膜１１と層間絶縁膜９との密着性を向上させるために設けられ、例えばスパッタリング法によりチタンナイトライド膜を２０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚に堆積させて形成することができる。

遮光膜１１は、例えばＣＶＤ法によりタングステン膜を１００ｎｍ〜４００ｎｍの膜厚で堆積させて形成することができる。これらの遮光膜１１およびその直下の下地密着層１０は選択的に除去され、各光電変換領域３の上方がそれぞれ開口されている。このとき、層間絶縁膜９は除去されることなく、各光電変換領域３上を覆っている。

この遮光膜１１および層間絶縁膜９上の全面に、透明なバリア層としての第１絶縁膜１２Ａおよび平坦化層としての第２絶縁膜１３Ａが形成されている。このバリア層としての第１絶縁膜１２Ａは、平坦化層からのアウトガス（水分）放出を防ぐために設けられ、例えばＣＶＤ法（減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法など）によりシリコン酸化膜（屈折率ｎ＝１．４６）が形成される。第１の絶縁膜の膜厚は、例えば、０．２μｍ〜０．６μｍとされる。

平坦化層としての第２絶縁層１３Ａとして、例えばＣＶＤ法によりシリコン窒化膜（屈折率ｎ＝２．０）が形成されている。この第２絶縁膜１３Ａの膜厚は、例えば、０．２μｍ〜１μｍ程度とされる。このシリコン窒化膜は、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法など、種々の方法により形成することができるが、その中でも、低温、具体的には５００℃程度以下の低温で成膜することができるプラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。また、平坦化層の表面は、ＣＭＰ法により平坦化することもできる。

以下に、本実施形態１の固体撮像装置１００Ａの具体例について、図２を参照してさらに詳細に説明する。

図２は、図１の固体撮像装置１００Ａの具体的構成例を示す縦断面図である。

図２において、固体撮像装置１００Ａは、Ｎ型半導体基板１上部の第１ｐ−層２（ウェル領域）に光電変換領域３および電荷転送領域４が並列して設けられ、両領域３，４間には領域分離のためにｐ＋層５（分離領域）が設けられている。また、電荷転送領域４の下方には第２ｐ層６（コンタクト領域）が設けられている。この電荷転送領域４上には、ゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８が設けられ、この電荷転送電極８上には層間絶縁膜９を介して下地密着層１０および遮光膜１１が順次設けられている。これらのゲート絶縁膜７および層間絶縁膜９は光電変換領域３上にも設けられており、下地密着層１０および遮光膜１１は光電変換領域３の上方で開口されている。

本実施形態では、その半導体基板１上の全面に、バリア層としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２；屈折率１.４６）からなる第１絶縁膜１２Ａを介して、平坦化層としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ；屈折率２.０）からなる第２絶縁膜１３Ａが設けられている。

上記構成により、以下に、本実施形態の固体撮像装置１００Ａの製造方法について説明する。

図２に示すように、まず、Ｎ型半導体基板１にボロンをイオン注入して熱処理することにより第１Ｐ⁻層２を形成する。

次に、半導体基板１上にフォトレジスト膜を形成してフォトリソグラフィ工程により所定領域に窓開けを行って、ボロンをイオン注入して第２Ｐ層６および分離領域としてのＰ^＋層５を形成し、リンまたは砒素をイオン注入して電荷転送領域３（ＣＣＤ部）を形成する。

続いて、得られた半導体基板部上の全面に、例えば熱酸化を行ってゲート絶縁膜７を形成し、その上に減圧ＣＶＤ法により膜厚０．３μｍ〜０．７μｍ程度のポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜を規定の抵抗率にするために、フォスフィンまたはオキシ塩化リンを用いて熱処理を行った後、ポリシリコン膜をフォトリソグラフィ工程および反応性イオンエッチングによるエッチング工程によりパターニングして電荷転送電極８を形成する。その後、電荷転送電極８上を含む表面上に、熱酸化またはＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ程度の層間絶縁膜９を形成する。

さらに、得られた半導体基板部上にフォトレジスト膜を形成して、フォトリソグラフィー工程により光電変換領域３に対応する領域に窓開けを行って、イオン注入により光電変換領域３を形成する。

続いて、スパッタリング法により下地密着層１０となるチタンナイトライド膜を膜厚４５ｎｍに堆積し、ＣＶＤ法により遮光膜１１となるタングステン膜を膜厚１３０ｎｍに堆積する。このタングステン膜の形成工程においては、２Ｔｏｒｒ、ガス流量ＷＦ_６／ＳｉＨ_４＝５ｓｃｃｍ／５０ｓｃｃｍの条件にて、シリコン組成比が低いタングステンシリサイド膜を形成している。この堆積膜は、光電変換領域３のみに光が入射するようにパターニングして、遮光膜１１を形成する。

その後、得られた半導体基板１上にバリア層としてプラズマＣＶＤ法によるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる第１絶縁膜１２Ａを０．３μｍ〜０．６μｍの膜厚に堆積する。次に、得られた半導体基板１上に平坦化層としてプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる第２絶縁膜１３Ａを０．３μｍ〜０．５μｍの膜厚に堆積し、ＣＭＰ法により表面を平坦化させる。このバリア層としては、遮光膜１１に直に接するので遮光膜１１になじみやすい材料が好ましい。

上記固体撮像装置１００Ａにおいて、バリア層である第１絶縁膜１２Ａはシリコン酸化膜で屈折率ｎ＝１．４６、平坦化層である第２絶縁膜１３Ａはシリコン窒化膜で屈折率ｎ＝２．００であり、下層のバリア層（第１絶縁膜１２Ａ）の屈折率が上層の平坦化層（第２絶縁膜１３Ａ）の屈折率よりも低く設定されている。

このように、光電変換領域３および、電荷転送領域４上の遮光膜１１を覆うバリア層の第１絶縁膜１２Ａの屈折率を、その上の平坦化層である第２絶縁膜１３Ａの屈折率よりも低く設定しているため、図１および図２に矢印Ａ１で示すように、光電変換領域３上において、遮光膜１１の開口部周辺の端縁付近に斜めに入射してきた光が、第１絶縁膜１２Ａ（バリア層）と第２絶縁膜１３Ａ（平坦化層）との界面にて屈折により内側（光電変換領域３側）に曲げられる。これによって、遮光膜１１の開口部周辺の端縁部によって反射されていた斜め光を、光電変換領域３側に、より入射させることができて、その入射光の光電変換領域３への集光率を向上させることができ、固体撮像装置１００Ａの受光感度を向上させることができる。この場合に、遮光膜１１の開口部外周部の光をも光電変換領域３に入射させることができるため、数パーセント程度、集光率を大幅に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、上層のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる第２絶縁膜１３Ａの屈折率ｎ＝２．００が、下層のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる第１絶縁膜１２Ａの屈折率ｎ＝１．４６よりも大きいように構成している。即ち、第１絶縁膜１２Ａ／第２の絶縁膜１３Ａは、屈折率が低い絶縁膜（シリコン酸化膜）／屈折率が高い絶縁膜（シリコン窒化膜）の組み合わせであるが、これらの上下層の透明積層膜材料の組合せはこれに限らず、上層の第２絶縁膜１３Ａの屈折率が下層の第１絶縁膜１２Ａの屈折率よりも大きければ他の透明材料の組合せでもよい。その他の透明材料としては、第１絶縁膜１２Ａ／第２の絶縁膜１３Ａとして、例えばＳｉＯ_２膜（屈折率ｎ＝１．４６）／ＳｉＯＮ膜（屈折率ｎ＝１．８程度）、またはＳｉＯＮ膜（屈折率ｎ＝１．８程度）／ＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝２．００）の組み合わせであってもよい。これと同様に、図３に示す透明材料、例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ユーロビウム、酸化ハフニウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化モリブデン、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化サマリウム、酸化アンチモン、酸化ケイ素、一酸化ケイ素、酸化スカンジウム、酸化スズ、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化亜鉛から適宜用いることができる。この場合に、上層の材料が下層の材料よりも屈折率が高い材料を用いるようにすればよい。さらに、その屈折率は、遮光膜１１の開口部のサイズや、電荷転送電極８の段差高さなどによって光を内側（受光部としての光電変換領域３側）に曲げる必要量が変化するため、これらに応じて２層の材質を設定すればよい。この場合に、バリア層である第１絶縁膜１２Ａの膜厚が厚い方が、屈折した光が内側（光電変換領域３側）に寄るので集光効率がよく、図２に示す角部Ｂが滑らかになってさらに集光効率がよくなる。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明すると、本発明の電子情報機器は、集光率の高い上記実施形態の固体撮像装置１００Ａを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

さらに、上記実施形態では、本発明の固体撮像装置１０ＡをＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合について説明したが、これに限らず、前述したように、本発明の固体撮像装置をＭＯＳ型イメージセンサに適用することもできる。ＭＯＳ型イメージセンサは、光電変換用の受光部（光電変換部または光電変換領域）としての受光ダイオード（フォトダイオード）と、この受光ダイオードに隣接する信号検出用ＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）とを有する単位画素部が例えば行方向および列方向に２次元状でマトリクス状に複数配列されて構成されている。なお、信号検出用ＭＯＳトランジスタのトランジスタ領域を信号電荷検出部とする。

例えばＣＣＤ型イメージセンサの場合には、前述したが、半導体基板１に、複数の光電変換領域３と、この光電変換領域３毎に読み出された信号電荷を電荷転送する電荷転送領域４とが設けられ、２層構造の透明な各絶縁膜として、光電変換領域３上方および電荷転送領域４上方を覆う第１絶縁膜１２Ａと、この第１絶縁膜１２Ａ上を覆う第２絶縁膜１３Ａとが設けられている。さらに、電荷転送領域４上にゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８が設けられ、この電荷転送電極８上に層間絶縁膜９を介して遮光膜１１が設けられ、この遮光膜１１は、光電変換領域３上方が開口（開口部）しており、光電変換領域３上の層間絶縁膜９上および、電荷転送領域４上の遮光膜１１上にわたって第１絶縁膜１２Ａおよび第２絶縁膜１３Ａが設けられている。この場合に、第１絶縁膜１２Ａの屈折率を第２絶縁膜１３Ａの屈折率よりも低く設定している。

このＣＣＤ型イメージセンサの製造方法は、半導体基板１の所定領域に電荷転送領域４を形成する工程と、この電荷転送領域４上にゲート絶縁膜７を介して電荷転送電極８を形成し、さらにこの電荷転送電極８上に層間絶縁膜９を形成する工程と、この層間絶縁膜９が形成された半導体基板部に、電荷転送領域４に信号電荷をそれぞれ読み出し可能とする複数の光電変換領域３を形成する工程と、この光電変換領域３上を開口した遮光膜１１を形成する工程と、半導体基板１上の全面にバリア層として透明な第１絶縁膜１２Ａを形成する工程と、この第１絶縁膜１２Ａの屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、バリア層上に平坦化層として第２絶縁膜１３Ａを形成する工程とを有している。

次に、例えばＭＯＳ型イメージセンサの場合には、半導体基板１に、複数の光電変換領域３と、この光電変換領域３毎に読み出された信号電荷を検出する信号電荷検出部（トランジスタ領域）とが設けられ、２層構造の透明な各絶縁膜として、光電変換領域３上方および信号電荷検出部上方を覆う第１絶縁膜１２Ａと、この第１絶縁膜１２Ａ上を覆う第２絶縁膜１３Ａとが設けられている。さらに、信号電荷検出部上にゲート絶縁膜７を介してゲート電極が設けられ、このゲート電極上に層間絶縁膜９を介して遮光膜１１が設けられ、この遮光膜１１は、光電変換領域３上方が開口（開口部）されており、光電変換領域３上の層間絶縁膜９上および、信号電荷検出部上の遮光膜１１上にわたって第１絶縁膜１２Ａおよび第２絶縁膜１３Ａが設けられている。この場合にも、第１絶縁膜１２Ａの屈折率を第２絶縁膜１３Ａの屈折率よりも低く設定すればよい。

このＭＯＳ型イメージセンサの製造方法は、半導体基板１の所定領域に、信号電荷を検出する信号電荷検出部（トランジスタ領域）を形成する工程と、この信号電荷検出部上にゲート絶縁膜７を介してゲート電極を形成し、さらにゲート電極上に層間絶縁膜９を形成する工程と、この層間絶縁膜９が形成された半導体基板部に、信号電荷検出部に信号電荷を読み出し可能とする複数の光電変換領域３を形成する工程と、この光電変換領域３上を開口した遮光膜１１を形成する工程と、半導体基板１上全面にバリア層として透明な第１絶縁膜１２Ａを形成する工程と、この第１絶縁膜１２Ａの屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、このバリア層上に平坦化層として第２絶縁膜１３Ａを形成する工程とを有している。

何れにせよ、本発明の固体撮像装置（ＣＣＤ型イメージセンサまたはＭＯＳ型イメージセンサ）は、半導体基板１に、入射光を信号電荷にそれぞれ変換する複数の光電変換領域３が設けられ、複数の光電変換領域３の上方に、少なくとも２層構造の透明な各絶縁膜１２Ａ，１３Ａが設けられ、光電変換領域３に近い側（下側）の絶縁膜（各絶縁膜の一方；絶縁膜１２Ａ）の屈折率が、光電変換領域３に遠い側（上側）の絶縁膜（各絶縁膜の他方；絶縁膜１３Ａ）の屈折率よりも低く設定されていればよい。即ち、遮光膜１１の有無には関係なく、光電変換領域３の上方に二層の透明な絶縁膜が設けられ、下層の透明な絶縁膜の屈折率が、上層の透明な絶縁膜の屈折率よりも低く設定されていればよい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体を撮像可能とするＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器の分野において、光電変換領域および電荷転送領域上の遮光膜を覆うバリア層（第１絶縁膜）の屈折率を平坦化層（第２絶縁膜）の屈折率よりも低く設定することにより、二つの層の界面での光の屈折を利用して、遮光膜の開口端付近に斜めに入射してきた光を、バリア層と平坦化層との界面にて屈折により内側に曲げることが可能となる。その結果、従来、遮光膜によって反射されていた光も光電変換領域に入射させて、集光率を向上させて、固体撮像装置の感度を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。 図１の固体撮像装置の具体的構成例を示す縦断面図である。 図１および図２の第１絶縁膜および第２絶縁膜に用いることができる材質を示す図である。 従来の固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 第１Ｐ⁻層
３ 光電変換領域
４ 電荷転送領域
５ Ｐ^＋層
６ 第２Ｐ層
７ ゲート絶縁膜
８ 電荷転送電極
９ 層間絶縁膜
１０ 下地密着層
１１ 遮光膜
１２Ａ ＳｉＯ_２膜（第１絶縁膜）
１３Ａ ＳｉＮ膜（第２絶縁膜）
１００Ａ 固体撮像装置

Claims (16)

1. 半導体基板に入射光を信号電荷にそれぞれ変換する複数の光電変換領域が設けられ、該複数の光電変換領域上方に、少なくとも２層構造の透明な各絶縁膜が設けられ、該各絶縁膜のうち、該光電変換領域に近い側の絶縁膜の屈折率が、該光電変換領域に遠い側の絶縁膜の他方の屈折率よりも低く設定されている固体撮像装置。
2. 前記半導体基板に、前記複数の光電変換領域と、該光電変換領域毎に読み出された信号電荷を電荷転送する電荷転送領域とが設けられ、
   前記２層構造の透明な各絶縁膜として、該光電変換領域上方および該電荷転送領域上方を覆う第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上を覆う第２絶縁膜とが設けられている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上に層間絶縁膜を介して遮光膜が設けられ、該遮光膜は、前記光電変換領域上方が開口されており、該光電変換領域上の層間絶縁膜上および、該電荷転送領域上の遮光膜上にわたって前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜が設けられている請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記半導体基板に、前記複数の光電変換領域と、該光電変換領域毎に読み出された信号電荷を検出する信号電荷検出部とが設けられ、
   前記２層構造の透明な各絶縁膜として、該光電変換領域上方および該信号電荷検出部上方を覆う第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上を覆う第２絶縁膜とが設けられている請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記信号電荷検出部上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、該ゲート電極上に層間絶縁膜を介して遮光膜が設けられ、該遮光膜は、前記光電変換領域上方が開口されており、該光電変換領域上の層間絶縁膜上および、該信号電荷検出部上の遮光膜上にわたって前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜が設けられている請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１絶縁膜はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記第１絶縁膜は、バリア層であり、ＣＶＤ法により成膜されたシリコン酸化膜から構成されている請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記第２絶縁膜はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）である請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 前記第２絶縁膜は、平坦化層であり、プラズマＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜から構成されている請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
10. 前記第１絶縁膜／前記第２絶縁膜の組合せは、ＳｉＯ_２膜／ＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜／ＳｉＯＮ膜、およびＳｉＯＮ膜／ＳｉＮ膜のいずれかの組合せである請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
11. 前記第１絶縁膜の膜厚は０．２μｍ〜０．６μｍであり、前記第２絶縁層の膜厚は０．２μｍ〜１μｍである請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
12. 前記第１絶縁膜の膜厚は０．３μｍ〜０．６μｍの膜厚で堆積され、前記第２絶縁層の膜厚は０．３μｍ〜０．５μｍの膜厚で堆積されている請求項１１に記載の固体撮像装置。
13. 前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜の各材料はそれぞれ、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化セリウム、酸化ユーロビウム、酸化ハフニウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化モリブデン、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化サマリウム、酸化アンチモン、酸化ケイ素、一酸化ケイ素、酸化スカンジウム、酸化スズ、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化亜鉛から、該第２絶縁膜の材料が該第１絶縁膜の材料よりも屈折率が高い材料になるようにそれぞれ選択される請求項２に記載の固体撮像装置。
14. 半導体基板の所定領域に電荷転送領域を形成する工程と、
    該電荷転送領域上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成し、さらに該電荷転送電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    該層間絶縁膜が形成された半導体基板部に、該電荷転送領域に信号電荷を読み出し可能とする複数の光電変換領域を形成する工程と、
    該光電変換領域上を開口した遮光膜を形成する工程と、
    該半導体基板上全面にバリア層として透明な第１絶縁膜を形成する工程と、
    該第１絶縁膜の屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、該バリア層上に平坦化層として第２絶縁膜を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
15. 半導体基板の所定領域に、信号電荷を検出する信号電荷検出部を形成する工程と、
    該信号電荷検出部上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、さらに該ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    該層間絶縁膜が形成された半導体基板部に、該信号電荷検出部に信号電荷を読み出し可能とする複数の光電変換領域を形成する工程と、
    該光電変換領域上を開口した遮光膜を形成する工程と、
    該半導体基板上全面にバリア層として透明な第１絶縁膜を形成する工程と、
    該第１絶縁膜の屈折率よりも屈折率が高い透明材料を用いて、該バリア層上に平坦化層として第２絶縁膜を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
16. 請求項１〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置を撮像部に用いて得た画像データを信号処理した後に記録するメモリと、該画像データを信号処理した後に表示画面上に表示する表示手段と、該画像データを信号処理した後に通信処理する通信手段と、該画像データを信号処理した後に印刷処理する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している電子情報機器。

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