JP2007173717A - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の微細化と共に顕在化する層内レンズの問題点を解消し、固体撮像素子の集光効率を効果的に改善する。
【解決手段】光電変換部３０と、この光電変換部３０で生成された電荷を転送する電荷転送部８０と、入射した光を光電変換部３０に導く光導波路と、を有する固体撮像素子であって、光導波路が、電荷転送部８０を覆うとともに光電変換部３０の上方に内壁面が略垂直に形成された開口部を有する被覆層７と、開口部の内部に形成される透光性材料部とで構成され、被覆層７の内壁面および上面が遮光性を有するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法に関する。

固体撮像素子としては、ＣＣＤ（charge Coupled Device；電荷結合素子）イメージセンサ（以下、単にＣＣＤという）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどがある。これは、デジタルカメラをはじめとして、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話装置、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置など、様々な用途に利用されている。また、このような固体撮像素子を用いたデバイスが普及するにつれて、固体撮像素子に対して、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化に加えて、小型化、低価格化などに対する要求が益々強まってきている。

このように、固体撮像素子の小型化および高画素化が進み、これと同時に低価格化が要求されると、その画素サイズは益々縮小化される。このような画素サイズの縮小化に伴って、固体撮像素子の基本性能の一つである受光感度が低下するため、照度が低いところで鮮明な像を撮影することは困難である。したがって、単位画素当たりの受光感度を如何にして向上させるかということが重要な問題になっている。

固体撮像素子の集光効率を高めて受光感度を向上させる方法としては、カラーフィルタの上部に有機高分子材料によりマイクロレンズを形成し、さらに、マイクロレンズの下方に層内レンズを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１７にＣＣＤ固体撮像素子の構造を示す断面図を示した。ＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基板２１０内に光電変換部（受光部）２１２と、読み出しゲート部２１４と、ＣＣＤ転送チャネル２１６とが形成され、また、絶縁膜２１８を介して転送電極２２０が形成されている。転送電極２２０上には層間絶縁膜２２２を介して遮光膜２２４が形成され、この遮光膜２２４は転送電極２２０への光の入射を防止する。また、遮光膜２２４には受光部２１２上に開口が設けられて、受光部２１２に光が入射可能としている。そして、遮光膜２２４を覆って、例えばＢＰＳＧ（ボロンリン シリケートガラス）膜等のリフロー膜或いはＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ膜による層間絶縁層２２６が形成されている。この層間絶縁層２２６は、例えばＢＰＳＧの組成を所定の組成とすることにより、光電変換部２１２上に凹部を有するように形成されている。

そして、層間絶縁層２２６上に、層内レンズ２２８（上に凸なレンズ面２２８ａと、下に凸なレンズ面２２８ｂとで構成される）が形成される。層内レンズ２２８上には、例えばアクリル系樹脂膜（屈折率ｎ＝１．３〜１．４）等からなる平坦化層２３０が形成され、さらにその上にカラーフィルタ２３２が形成されている。さらにカラーフィルタ２３２上にはマイクロレンズ（いわゆるオンチップレンズ）２３４が形成されている。

このように、マイクロレンズ２３４の下に層内レンズ２２８を設けることにより、入射光を２段階で集光して、より多くの光を光電変換部２１２に入射させることができる。従って、オンチップレンズのみを形成した場合と比較して、ＣＣＤ固体撮像素子の感度を向上させることができる。
特開２０００−１６４８３７号公報

しかしながら、上記した層内レンズを設ける構造をもつ従来のＣＣＤ固体撮像素子では、遮光膜２２４上の層間絶縁層２２６の凹形状でレンズ形状が決まってしまうことから、素子の微細化に伴い、レンズ形状にばらつきが生じて、所望の集光効率を得ることができない場合がある。さらに、素子の微細化に伴い、ＣＶＤ膜のカバレッジなどが原因で、層内レンズ２２８にボイドが発生し、これが集光効率の向上の妨げとなる場合がある。また、図１７の固体撮像素子では、層内レンズ２２８の下には、遮光膜２２４による階段状部分（段差）が生じており、この階段状部分によって入射光が散乱され、迷光となる場合がある。なお、図１７では、入射光の進路の例を、矢印にて示している。

本発明は、このような考察に基づいてなされたものであり、その目的は、素子の微細化と共に顕在化する層内レンズの問題点を解消し、固体撮像素子の集光効率を改善することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子であって、前記光導波路が、前記電荷転送部を覆うとともに前記光電変換部の上方に内壁面が略垂直に形成された開口部を有する被覆層と、前記開口部の内部に形成される透光性材料部とで構成され、前記被覆層の内壁面および上面が遮光性を有していることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、光導波路が設けられ、入射された光が光導波路により光電変換部に導かれるために、集光効率を確実に向上させることができる。光導波路は、電荷転送部を覆うように設けられ、かつ、光電変換部上に光を導くことを可能とするための開口部をもつ被覆層によって形成される。その開口部は、被覆層を直線的に貫通する開口部であり、その被覆層の、内壁面および上面は遮光性を有しており、これによって、開口部に到来する入射光を、被覆層の内壁面にて反射させて光電変換部に確実に導くことができる。異方性エッチングを使用すれば、略垂直の内壁面を形成することは容易であり、したがって、光を下方に導くのに適した、柱状の開口部を容易に形成することができる。層内レンズの形成には、リフロー処理によるレンズの曲率形成等の製造上かなり難しい工程が必要であったが、光導波路は、被覆層の堆積技術と、ＲＩＥ等の異方性エッチング技術を用いて比較的容易に形成でき、その加工精度も高いため、安定した集光性能を確実に実現することができる。

（２）（１）記載の固体撮像素子であって、前記被覆層は、金属材料からなる遮光膜であることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、例えばタングステン（Ｗ）等の金属からなる遮光膜に開口部を設けることによって、光導波路を容易に形成できる。

（３）（１）記載の固体撮像素子であって、前記光導波路は、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に遮光性材料からなる被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記被覆層を貫通する開口部を設ける工程を経て形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、遮光性材料からなる被覆層を設け、平坦化し、平坦化処理後の被覆層を異方性エッチング等によって選択的に除去して、被覆層を貫通する開口部を形成することによって、光導波路を無理なく高精度に形成することが可能である。

（４）（１）記載の固体撮像素子であって、前記光導波路を構成する前記被覆層は、該被覆層を貫通する開口部と、該開口部内壁面および上面に設けられた遮光性材料膜と、によって構成されることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、開口部と、開口部内壁面および上面に設けられた遮光性材料膜とによって光導波路を形成することができる。加工が容易な層間膜の表面に選択的に遮光性材料膜を形成して、入射光を反射させることを可能とするものである。

（５）（１）記載の固体撮像素子であって、前記光導波路は、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の表面に遮光性材料からなる第１の遮光層を形成し、さらに、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記第１の遮光層を貫通する開口部を形成し、この開口部の形成に伴って生じる前記被覆層の内壁面上に、遮光性材料からなり前記第１の遮光層に連接する第２の遮光層を設ける工程を経て形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、被覆層を設け、その被覆層を平坦化した後、被覆層の表面に選択的に第１の遮光層を形成し、異方性エッチング等によって被覆層を選択的に除去して、その被覆層を貫通する開口部を形成し、被覆層の内壁面に第１の遮光層に連接する第２の遮光層を形成することによって、複合膜を使用した光導波路を、無理なく高精度に形成することが可能である。

（６）（１）〜（５）のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、前記光導波路を構成する前記膜の下方には、前記電荷転送部を覆う、遮光性材料からなる遮光膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、光導波路となる膜の下に、さらに、転送電極を含む電荷転送部を覆う遮光膜が形成されているため、入射光の回り込みによるスミアの発生を確実に防止することができる。すなわち、半導体基板の光電変換部上に設けられる透光性の絶縁膜の膜厚が厚くなると、光導波路内を伝搬してきた光が、その絶縁膜を斜めに通過して電荷転送部側に回り込むことがあるため、そのような回り込む光を、遮光膜にて確実に遮断することができる。

（７）（１）〜（６）のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、前記光導波路の上方に、前記光導波路に向けて集光するためのマイクロレンズが設けられることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、マイクロレンズ（オンチップレンズ）により集光された光を、光導波路により光電変換部に導くことができため、集光効率を向上させることができる。

（８）（７）記載の固体撮像素子であって、前記マイクロレンズと前記光導波路との間に、層内レンズが設けられることを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子によれば、マイクロレンズ（オンチップレンズ）、層内レンズならびに光導波路の相乗効果によって、入射光を光電変換部に効率的に導くことができる。

（９）光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板内に前記光電変換部を形成する第１のステップと、半導体基板内および半導体基板上に、電荷転送電極を含む電荷転送部を形成する第２のステップと、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に遮光性材料からなる被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記被覆層を貫通する開口部を設けることによって前記光導波路を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、光電変換部ならびに転送電極を含む電荷転送部を形成した後、遮光性材料からなる被覆層を設け、平坦化し、平坦化処理後の被覆層を異方性エッチング等によって選択的に除去して、その被覆層を貫通する開口部を形成することによって、光導波路を無理なく高精度に形成することが可能である。

（１０）光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板内に前記光電変換部を形成する第１のステップと、半導体基板内および半導体基板上に、電荷転送電極を含む電荷転送部を形成する第２のステップと、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の表面に遮光性材料からなる第１の遮光層を形成し、さらに、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記第１の遮光層を貫通する開口部を形成し、この開口部の形成に伴って生じる前記被覆層の内壁面上に、遮光性材料からなり前記第１の遮光層に連接する第２の遮光層を設けることによって前記光導波路を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

この固体撮像素子の製造方法によれば、光電変換部ならびに転送電極を含む電荷転送部を形成した後、被覆層を設け、被覆層を平坦化した後、その被覆層の表面に選択的に第１の遮光層を形成し、異方性エッチング等によって被覆層を選択的に除去して、その被覆層を貫通する開口部を形成し、被覆層の内壁面に第１の遮光層に連接する第２の遮光層を形成することによって、複合膜を使用した光導波路を、無理なく高精度に形成することが可能である。

本発明によれば、光導波路を設けることによって、マイクロレンズにより集光された光を、光導波路により光電変換部に確実に導くことができ、したがって、集光効率を確実に向上させることができる。また、光導波路は、被覆層の堆積技術と、ＲＩＥ等の異方性エッチング技術を用いて比較的容易に形成でき、その加工精度も高いため、安定した集光性能を確実に実現することができる。さらに、被覆層を平坦化した後、その膜を異方性エッチング等によって選択的に除去して、その被覆層を直線的に貫通する開口部を形成することによって、略垂直の内壁面を形成することが容易にでき、したがって、光を下方に導くのに適した、柱状の開口部を容易に形成することができる。

以下、本発明に係る固体撮像素子およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の固体撮像素子の構造を説明する。図１は本発明に係る固体撮像素子の平面模式図、図２は図１に示す固体撮像素子の画素部の拡大平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１〜図３に示す固体撮像素子１００の撮像素子形成領域４７には、受光領域４３内に光電変換部（フォトダイオード）３０が多数形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図１中のＹ方向）に転送するための垂直転送路１５が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。そして、垂直転送路１５は水平転送ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）４０に接続され、水平転送ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）４０の終端側には出力アンプ４１が設けられる。

電荷転送部は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１０の表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル１５と、電荷転送チャネル１５の上層に形成された２層電極構造の電荷転送電極１７（第１の電極１７ａ、第２の電極１７ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル１５に読み出すための電荷読み出し領域１４（図１参照）とを含む。電荷転送電極１７は、行方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図１中のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている（図２参照）。電荷転送電極１７は単層電極構造であっても良い。

図３に示すように、固体撮像素子１００は、ｎ型半導体基板１０上に形成される。電荷転送部８０上に、ゲート酸化膜２（２ａ，２ｂ，２ｃ）を介して第１層電極３ａと第２層電極３ｂとが酸化シリコン膜４ａとＨＴＯ膜４ｂとからなる電極間絶縁膜４を介して配列され、電荷転送電極を構成している。参照符号１１１はｎ型不純物層であり、参照符号１１３はｐ型不純物層である。また、電荷転送電極上には、第１の酸化膜５ａ、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）６、第２の酸化膜５ｂが形成される。

また、フォトダイオード３０は、ｐウェル１２とｐｎ接合を形成するｎ型不純物領域３１と、このｎ型不純物領域３１表面に形成された表面電位調整層としての高濃度のｐ型不純物領域３２とで形成されている。参照符号１１は、チャネルストップ領域である。ゲート酸化膜２は、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるボトム酸化膜２ａと、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２ｂと、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるトップ酸化膜２ｃとを含む積層構造（ＯＮＯ）膜で構成される。またｐウェル１２の下方にはｐ型半導体層からなるオーバードレインバッファ層１３が形成されており、電圧を印加することにより、電荷の引き出しができるようになっている。

第１層電極３ａおよび第２層電極３ｂ上には、酸化シリコン膜５ａ，５ｂが形成されている。この酸化シリコン膜５ａ，５ｂ上には、転送電極３ａ，３ｂを埋め込むことが可能な十分な膜厚をもつタングステン（Ｗ）からなる遮光膜（被覆層）７が形成され、このタングステン（Ｗ）からなる遮光膜７は、光電変換部３０上において開口部を有する。これによって、光導波路が構成されている。その開口部は、遮光膜７を平坦化した後、異方性エッチングによって選択的に除去することにより形成される。その開口部は、遮光膜７を貫通し、半導体基板１０の基板面に対して略垂直な内壁面Ｋによって囲まれて形成される。なお、転送電極３ａ，３ｂ上方の盛り上がった酸化シリコン膜５ｂの位置における遮光膜７の膜厚は、前記遮光膜の開口部の開口幅の１／２以上であることが好ましい。これにより、光導波路の集光機能が確実に発揮される。

図３中に矢印で示すように、入射光Ｌは、遮光膜７に設けられた開口部における内壁面Ｋにより反射して、下方に導かれ、光電変換部３０に到達する。光導波路の側面に階段状部分がないため、入射光が乱反射することなく下方に導かれる。これにより、本来なら迷光となってしまう入射光が有効な光となり、集光効率が改善される。したがって、層内レンズを設けなくても、層内レンズを設けたときと同様に集光効率を向上させることができる。また、層内レンズを形成する場合に比べて、光導波路の形成は、ＣＶＤ技術と、ＲＩＥのような異方性エッチング技術を組み合わせて容易に形成することができるため、固体撮像素子の製造が容易化される。また、層内レンズを形成する場合には、デバイスの微細化と共に、レンズの形状不良や埋め込み不良に伴うボイドの発生が懸念されるが、光導波路の形成の際には、このような事態は生じない。

図３において、光導波路を構成する遮光膜７上には、層間絶縁膜としての酸化膜（ＣＶＤＳｉＯ_２膜）８が形成され、その上にパッシベーション膜としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）９が形成されている。

さらに、その上には、有機膜等からなる平坦化層２４が形成され、その上に、カラーフィルタ５０が形成されている。また、カラーフィルタ上には、平坦化膜（有機膜）７０を介して、マイクロレンズ（オンチップレンズ）６０が形成されている。

次に、図３の固体撮像素子の製造方法について、図４〜図８を用いて説明する。
図４は、図３の固体撮像素子の第１の製造工程における断面図である。
まず、図４に示すように、ｎ型半導体基板１０内に、ｐ型半導体層からなるオーバードレインバッファ層１３を形成するための不純物（Ｂ）をイオン打ち込みし、さらに、ｐウエル１２を形成するための不純物（Ｂ）をイオン打ち込みする。続いて、光電変換部３０においてｐ型層３２とｎ型層３１を形成し、電荷転送部８０において、ｎ型層１１１とｐ型層１１３を形成し、また、ｐ型のチャネルストップ領域１１を形成する。

続いて、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるボトム酸化膜２ａと、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２ｂと、酸化シリコン（ＳｉＯ）膜からなるトップ酸化膜２ｃとを含む積層構造（ＯＮＯ）膜を形成する。この積層構造膜はゲート絶縁膜となる。

さらに、電荷転送部８０において、ゲート酸化膜２（２ａ，２ｂ，２ｃ）上に、ドープトポリシリコンからなる第１層電極３ａと第２層電極３ｂを形成する。第１層電極３ａと第２層電極３ｂとの間には、酸化シリコン膜４ａとＨＴＯ膜４ｂとからなる電極間絶縁膜４を形成する。これによって、電荷転送電極が形成される。

続いて、電荷転送電極上に、第１の酸化膜５ａを形成する。そして、その光電変換部３０上のゲート酸化膜２上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）６を形成し、続いて、第２の酸化膜５ｂを形成する。このようにして、図４に示されるデバイス構造が形成される。

図５は、図３の固体撮像素子の第２の工程における断面図である。
図５に示すように、第２の酸化膜５ｂ上に、転送電極を構成する第１層および第２層電極（３ａ，３ｂ）を埋め込むことが可能な十分な膜厚をもつ（換言すれば、後の平坦化処理が可能な膜厚をもつ）タングステン（Ｗ）を堆積し、遮光膜７を形成する。続いて、その遮光膜７を、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルエッチング）やエッチバック等の平坦化技術によって平坦化する。

図６は、図３の固体撮像素子の第３の工程における断面図である。
続いて、フォトリソグラフィ技術により、タングステン（Ｗ）からなる遮光膜７の一部を選択的に除去し、光電変換部３０上において開口部を形成する。遮光膜７の選択的除去には、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）のような異方性エッチングを利用する。これにより、タングステン（Ｗ）からなる遮光膜７の内壁面Ｋは、略垂直となり、この内壁面Ｋは、デバイスの上方から到来する入射光を下方の光電変換部３０に導くための反射材として機能する。これによって、光導波路が形成される。この導波路が存在するために、本来なら迷光となってしまう入射光が有効な光となり、集光効率が改善される。したがって、層内レンズを設けなくても、層内レンズを設けたときと同様に集光効率を向上させることができる。また、層内レンズを形成する場合に比べて、光導波路の形成は、ＣＶＤ技術と、ＲＩＥのような異方性エッチング技術を組み合わせて容易に形成することができるため、固体撮像素子の製造が容易化される。

図７は、図３の固体撮像素子の第４の工程における断面図である。
続いて、光導波路を構成する遮光膜７上に、層間絶縁膜としての酸化膜（ＣＶＤ ＳｉＯ_２膜）８を形成し、さらに、その上にパッシベーション膜としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）９を形成する。

図８は、図３の固体撮像素子の第５の工程における断面図である。
続いて、パッシベーション膜としてのシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）９上に、有機膜等からなる平坦化層２４を形成する。

そして、先の図３に示されるように、平坦化層２４上に、カラーフィルタ５０を形成し、そのカラーフィルタ上に平坦化膜７０を介して、マイクロレンズ（オンチップレンズ）６０を形成する。このようにして、図３の固体撮像素子が完成する。

以上説明したように、本実施形態の固体撮像素子１００によれば、入射光Ｌは、遮光膜７に設けられた開口部における内壁面Ｋにより反射して、下方に導かれて光電変換部３０に到達するので、入射光が乱反射することなく、効率良く下方の光電変換部３０に導かれる。これにより、層内レンズを設けたときと同様の集光効率の向上が図られる。そして、層内レンズを形成する工程と比較して、光導波路の形成はＣＶＤ技術と、ＲＩＥのような異方性エッチング技術を組み合わせて容易に形成することができるため、固体撮像素子の製造が簡単にされて、低コスト化が図られる。また、層内にボイドの発生がなくなり、高品位な層構成の固体撮像素子を得ることができる。

なお、上記例は、遮光膜７を形成した後に光電変換部３０の位置に開口部を形成し、この開口部に酸化膜８を形成する方法であったが、本発明はこの方法に限らず、次のようにして光導波路を形成してもよい。
即ち、図９に光導波路の製法の第１変形例を表す断面図を示すように、遮光膜７の形成前に、電荷転送部８０を覆うタングステン遮光膜１４０を形成し、その上に酸化膜８を形成して平坦化し、その後、電荷転送部８０の領域上に開口部を形成して、この開口部の内部に遮光膜７となるタングステンのプラグを埋め込むことであってもよい。この方法によれば、光導波路の形成に特別な工程を追加することなく、通常のプロセスに些細な変更を加えるだけで済む。
また、他の方法として、図１０に光導波路の製法の第２変形例を表す断面図を示すように、遮光膜７の形成前に酸化膜８を形成して平坦化し、その後、開口部を形成して、この開口部の内部に遮光膜７となるタングステンのプラグを埋め込むことであってもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第２実施形態を説明する。
図１１は、透光性の膜とその表面に設けられた遮光性材料膜とを組み合わせた複合膜によって光導波路を構成する例を示す断面図である。
図１１における固体撮像素子の基本的な構造は、図３の固体撮像素子と同じであるが、光導波路の構成が異なっている。すなわち、図３の固体撮像素子では、タングステン（Ｗ）からなる単一の膜を加工して光導波路を形成していたが、図１１の固体撮像素子では、透光性の膜とその表面に設けられた遮光性材料膜とを組み合わせた複合膜によって光導波路を構成する。

本実施形態の固体撮像素子では、転送電極上に設けられている第２の酸化膜５ｂ上に、転送電極を埋め込むことができる厚みをもつ酸化膜（例えば、プラズマＴＥＯＳ酸化膜）１１０を形成し、選択的エッチングにより開口部を形成し、その酸化膜１１０の上面ならびに内壁面に、金属（例えばタングステンやアルミニウム）からなる遮光性材料膜（反射性材料膜）１２０を形成し、酸化膜１１０と遮光性材料膜１２０とにより構成される複合膜によって、光導波路を形成する。これによって、前掲の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以下、図１２（ａ）〜（ｅ）を用いて、図１１の固体撮像素子における、複合膜を使用した光導波路の製造方法を説明する。
図１２（ａ）に示すように、酸化膜１１０上にアルミニウム（Ａｌ）からなる金属膜（反射性材料膜）１２０ａを形成し、その上にレジスト１９を形成し、続いて、そのレジスト１９をパターニングする。

次に、図１２（ｂ）に示すように、酸化膜１１０をエッチングする。続いて、図１２（ｃ）に示すように、レジスト１９を除去した後、金属膜１２０ａ上ならびに酸化膜１１０の内壁面上に、Ａｌからなる金属膜１２０ｂを形成する。

次に、図１２（ｄ）に示すように、ＲＩＥによって、上側の金属膜１２０ｂを全面エッチングする。これによって、上側の金属膜１２０ｂは、酸化膜１１０の内壁面だけに残ることになり、他は除去される。そして、酸化膜１１０の内壁面に形成される金属膜１２０ｂは、酸化膜１１０の上面に設けられている金属膜１２０ａに連接（連結）する。このようにして、金属膜１２０からなる反射材料膜が、酸化膜１１０の表面に形成される。

金属膜１２０ａは遮光材として機能し、金属膜１２０ｂは入射光を下方に導くための反射材として機能する。このようにして、図１１の固体撮像素子に示されるような光導波路が形成される。複合膜を使用して光導波路を形成する場合の利点としては、厚い酸化膜１１０の形成と加工が容易であることがあげられる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第３実施形態を説明する。
図１３は、遮光膜からなる光導波路の下に、さらにスミア防止用の遮光膜を形成した構造を示す断面図である。
図１３の固体撮像素子の基本的な構造は、前掲の実施形態にて説明したものと同様である。即ち、第１層電極３ａおよび第２層電極３ｂ上には、酸化シリコン膜５ａ，５ｂが形成されている。この酸化シリコン膜５ａ，５ｂ上には、転送電極３ａ，３ｂを埋め込むことが可能な十分な膜厚をもつタングステン（Ｗ）からなる遮光膜（被覆層）７が形成され、このタングステン（Ｗ）からなる遮光膜７は、光電変換部３０上において開口部を有する。
ただし、図１３に示す固体撮像素子においては、遮光膜（タングステン膜）７からなる光導波路の下にスミア防止用の遮光膜１５０が形成され、この遮光膜（タングステン膜）１５０上に薄い酸化膜１６０が形成され、さらに、この酸化膜１６０上にＣＶＤ酸化膜８が形成されている。この点で、図３に示す固体撮像素子とは構成が異なっている。

図１３の固体撮像素子によれば、光導波路となる遮光膜（タングステン膜）７の下に、さらに、転送電極を含む電荷転送部を覆うような遮光膜（タングステン膜）１５０が形成されているため、入射光の回り込みによるスミアの発生を確実に防止することができる。すなわち、半導体基板１０の光電変換部３０上に設けられる透光性のゲート絶縁膜２や酸化膜５ｂの膜厚が厚くなると、光導波路内を伝搬してきた光が、その絶縁膜を斜めに通過して電荷転送部８０側に回り込むことがある。したがって、その回り込む光を、下側の遮光膜１５０にて確実に遮断する。これによって、スミアの発生が確実に防止される。

図１４ならびに図１５は、図１３に示す固体撮像素子の製造工程の一部（光導波路の下に遮光膜を形成する工程）を抜き出して示すデバイスの断面図である。図１４ならびに図１５において、前掲の図面と同じ部分には同じ参照符号を付してある。

先に説明した図４の工程の後、図１４に示されるように、酸化膜５ｂ上にタングステン（Ｗ）からなる遮光膜１５０を形成する。続いて、図１５に示すように、遮光膜１５０上に酸化膜１６０を形成する。以下、前掲の実施形態と同様の製造工程を経て、図１３の固体撮像素子が形成される。

（第４の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第４実施形態を説明する。
本実施形態では、マイクロレンズ（オンチップレンズ）と光導波路との間に、さらに、層内レンズを形成する。本発明は、光導波路によって層内レンズを代替することができるが、層内レンズの使用を排除するものではない。つまり、光導波路の形成層内レンズの集光特性が少々低下しても、層内レンズの下方に光導波路を設けることによって、本来なら迷光となるような光も、光電変換部に導かれ、集光効率が向上する。

図１６は、マイクロレンズ（オンチップレンズ）と光導波路との間に層内レンズを形成した構造を示す断面図である。

図示されるように、本実施形態の固体撮像素子では、マイクロレンズ（オンチップレンズ）６０と光導波路（タングステンからなる遮光膜７）との間に層内レンズ２２が形成されている。
層内レンズは、遮光膜７の開口部を覆うＢＰＳＧ膜２０の上側に、上に凸のレンズ２２（ＳｉＮからなる）によって構成される。

このように、図１６の固体撮像素子によれば、マイクロレンズ（オンチップレンズ）６０、層内レンズ２２ならびに光導波路の相乗効果によって、入射光を光電変換部３０に一層効率的に導くことができる。

なお、以上の実施形態の説明においては、ＣＣＤ型の固体撮像素子を例にとり説明したが、本発明はＭＯＳ型の固体撮像素子にも同様に適用可能である。また、フォトセンサ３０の配列も図２に示したものに限らず、例えば正方格子配列であっても良い。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路を設けることによって、マイクロレンズにより集光された光を、光導波路により光電変換部に確実に導くことができ、したがって、集光効率を確実に向上させることができ、また、本発明によって、素子の微細化と共に顕在化する層内レンズの問題点を解消し、固体撮像素子の集光効率を効果的に改善することができる。

本発明に係る固体撮像素子の平面模式図である。 図１に示す固体撮像素子の画素部の拡大平面図である。 図２の本発明の固体撮像素子一例におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第１の製造工程における断面図である。 図３の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第２の製造工程における断面図である。 図３の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第３の製造工程における断面図である。 図３の固体撮像素子の製造方法を説明するための、第４の製造工程における断面図である。 図３の固体撮像素子の第５の工程における断面図である。 光導波路の製法の第１変形例を表す断面図である。 光導波路の製法の第２変形例を表す断面図である。 本発明の固体撮像素子の他の例（透光性の膜とその表面に設けられた遮光性材料膜とを組み合わせた複合膜によって光導波路を構成する例）の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図１１の固体撮像素子における、複合膜を使用した光導波路の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 本発明の固体撮像素子の他の例（遮光膜からなる光導波路の下に、さらにスミア防止用の遮光膜を形成した例）の構造を示す断面図である。 図１３の固体撮像素子の製造工程の一部（光導波路の下に遮光膜を形成する工程）を抜き出して示すデバイスの断面図である。 図１３の固体撮像素子の製造工程の一部（光導波路の下に遮光膜を形成する工程）を抜き出して示すデバイスの断面図である。 本発明の固体撮像素子の他の例（マイクロレンズ（オンチップレンズ）と光導波路との間に層内レンズを形成した例）の構造を示す断面図である。 従来のＣＣＤ固体撮像素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

２（２ａ〜２ｃ） ゲート酸化膜
３ａ，３ｂ 転送電極
４ 電極間絶縁膜
５ａ，５ｂ 酸化膜（酸化シリコン膜）
７ 遮光膜
８ 酸化膜
１０ 半導体基板
１１ チャネルストップ領域
１２ 遮光性材料膜
１３ オーバードレインバッファ層
１５ 垂直転送路
３０ フォトダイオード（光電変換部）
４１ 出力アンプ
４３ 受光領域
４７ 撮像素子形成領域
５０ カラーフィルタ
７０ パッシベーション膜
８０ 電荷転送部
１００ 固体撮像素子

Claims (10)

1. 光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子であって、
   前記光導波路が、前記電荷転送部を覆うとともに前記光電変換部の上方に内壁面が略垂直に形成された開口部を有する被覆層と、前記開口部の内部に形成される透光性材料部とで構成され、前記被覆層の内壁面および上面が遮光性を有していることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記被覆層は、金属材料からなる遮光膜であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記光導波路は、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に遮光性材料からなる被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記被覆層を貫通する開口部を設ける工程を経て形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記光導波路を構成する前記被覆層は、該被覆層を貫通する開口部と、該開口部内壁面および上面に設けられた遮光性材料膜と、によって構成されることを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記光導波路は、前記光電変換部ならびに電荷転送部上に被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の表面に遮光性材料からなる第１の遮光層を形成し、さらに、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記第１の遮光層を貫通する開口部を形成し、この開口部の形成に伴って生じる前記被覆層の内壁面上に、遮光性材料からなり前記第１の遮光層に連接する第２の遮光層を設ける工程を経て形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記光導波路を構成する前記膜の下方には、前記電荷転送部を覆う、遮光性材料からなる遮光膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記光導波路の上方に、前記光導波路に向けて集光するためのマイクロレンズが設けられることを特徴とする固体撮像素子。
8. 請求項７記載の固体撮像素子であって、
   前記マイクロレンズと前記光導波路との間に、層内レンズが設けられることを特徴とする固体撮像素子。
9. 光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子の製造方法であって、
   半導体基板内に前記光電変換部を形成する第１のステップと、
   半導体基板内および半導体基板上に、電荷転送電極を含む電荷転送部を形成する第２のステップと、
   前記光電変換部ならびに電荷転送部上に遮光性材料からなる被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記被覆層を貫通する開口部を設けることによって前記光導波路を形成する第３の工程と、
   を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
10. 光電変換部と、この光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部と、入射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、を有する固体撮像素子の製造方法であって、
    半導体基板内に前記光電変換部を形成する第１のステップと、
    半導体基板内および半導体基板上に、電荷転送電極を含む電荷転送部を形成する第２のステップと、
    前記光電変換部ならびに電荷転送部上に被覆層を設けた後、該被覆層に平坦化処理を施してその上面を平坦化し、前記被覆層の表面に遮光性材料からなる第１の遮光層を形成し、さらに、前記被覆層の前記光電変換部の上方に位置する部分を除去して前記第１の遮光層を貫通する開口部を形成し、この開口部の形成に伴って生じる前記被覆層の内壁面上に、遮光性材料からなり前記第１の遮光層に連接する第２の遮光層を設けることによって前記光導波路を形成する第３の工程と、
    を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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