JP2007287818A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凸形状層内レンズにおける入射光の反射と吸収を抑制し、効果的に高感度の得られる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板１の表層部における所定の位置に光電変換部４を形成し、この光電変換部４に上側部分を露出する開口部を有する遮光膜１２を形成する。この遮光膜１２の上に、前記開口部を埋めるように光が透過する透明絶縁層１３を形成し、さらに前記開口部上に透明絶縁層１３を介して凸形状層内レンズ２５と、この凸形状層内レンズ２５を覆う透明レンズ平坦化膜２６を形成する。前記凸形状層内レンズ２６は中央レンズ部２７と外縁レンズ部２８との２層構造にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に係り、特に凸形状層内レンズを有する固体撮像素子に関するものである。

図４は従来の固体撮像素子の一例における単位画素を示す断面図である。

図４において、シリコン基板１に所要の不純物のイオン注入などを行って、オーバーフローバリア２、ウェル層３、光電変換部４、垂直転送チャネル５、読み出し部６、チャネルストップ部７が形成されている。

さらに、シリコン酸化膜８と垂直転送チャネル５上に垂直転送電極１０が形成され、シリコン酸化膜１１を介して光電変換部４の上側部分を露出する開口部を有するように遮光膜１２が形成されている。

前記遮光膜１２の上に開口部を埋めるように透明絶縁膜１３が形成され、透明絶縁膜１３の上に、画素領域および周辺回路部（図示せず）を保護するための透明保護膜１４が形成されている。

その上に、カラーフィルター層１５とカラーフィルター層１５の上に段差を埋めるように透明カラーフィルター平坦化膜１６が形成され、透明カラーフィルター平坦化膜１６の上にマイクロオンチップレンズ１７が形成されている。

前記従来技術では、マイクロオンチップレンズ１７を形成し、入射光を光電変換部４に集光することにより高感度を得てきた。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子は、デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話などの普及により、その小型化，高画素化がますます求められてきている。

しかし、一層の小型化，高画素化が進むと、固体撮像素子内に組み込まれる画素の大きさはさらに縮小され、マイクロオンチップレンズだけでは集光が限界に達し、基本性能の一つである感度が低下し、所定の照度のもとで鮮明な画像を撮影することが困難となることは明らかである。

かかる問題に対し、図５，図６に示すような構成の固体撮像素子が提案されている。なお、図５，図６において、図４にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

すなわち、図５に示す例では、感度の向上を図るべく、マイクロオンチップレンズ１７に加え、カラーフィルター層１５と光電変換部４との間に凸形状層内レンズ１８を形成し、入射光をさらに効率良く光電変換部４に集光する構造になっている（特許文献１参照）。

また、図６に示す例では、凸形状層内レンズ１９上に、この凸形状層内レンズ１９と同一の材料の膜２０を成膜して、レンズ間隔を縮め、入射光における無効領域を低減し、より多くの入射光を集光する構造になっている（特許文献２参照）。
特開平１１−４０７８７号公報 特開２００２−７６３１６号公報

しかしながら、前記従来技術のような層内レンズを用いた技術では、以下の点で問題があった。

まず、凸形状層内レンズ１８，１９を利用する場合には、カラーフィルター層１５を形成する前に、透明レンズ平坦化膜２６として層内レンズ上を、アクリル系樹脂（屈折率：約１．６）やポリイミド系樹脂（屈折率：約１．８）などを用いて平坦化する。この際、凸形状層内レンズ１８，１９で入射光を集光するためには、これらの透明レンズ平坦化膜２６の樹脂材料より高屈折率の材料で凸形状層内レンズ１８，１９を形成する必要がある。特許文献１，２では、屈折率１．９〜２．０のプラズマシリコン窒化膜、あるいは屈折率１．５〜１．９のプラズマシリコン酸窒化膜を採用することが記載されている。

しかしながら、この構造の場合、特にレンズ頂点付近を通過する入射光は、低屈折率の透明レンズ平坦化膜２６から高屈折率の凸形状層内レンズ１８，１９へ進入するため、その屈折率差により反射成分が発生し、得られる感度が低下するという問題がある。

また、一般的な凸形状層内レンズの材料は、確実に入射光を屈折させて集光可能であり、さらにレンズの曲率を小さくでき、デバイスの厚さ方向のシュリンクが可能な高屈折率（２．０）のプラズマシリコン窒化膜を用いるが、このプラズマシリコン窒化膜は、短波長側（≦５５０ｎｍ）で光の吸収が大きく、入射光が層内レンズ中を通過する際、光が吸収され、特に青色成分（波長４５０ｎｍ近傍）の感度が低下するという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、凸形状層内レンズにおける入射光の反射と吸収を抑制し、効果的に高感度の得られる固体撮像素子およびその製造方法を実現できるようにすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板に形成され、光電変換を行う光電変換部と、前記光電変換部の上側部分を露出する開口部を有する遮光膜と、前記遮光膜の上に前記開口部を埋めるように形成され、光が透過する透明絶縁層と、前記開口部上に前記透明絶縁層を介して形成された凸形状層内レンズと、前記凸形状層内レンズを覆うように形成された透明レンズ平坦化膜とを備え、前記凸形状層内レンズを、中央レンズ部と外縁レンズ部との２層構造にしたことを特徴とする。

また、透明レンズ平坦化膜と同じ屈折率の中央レンズ部と、それより高い屈折率の膜を堆積し、少なくともレンズ頂点部の膜を除去した外縁レンズ部の２層構造の凸形状層内レンズを備えた構成とする。

また、中央レンズ部は透明レンズ平坦化膜と同等の屈折率の凸形状レンズを形成し、その外縁レンズ部に中央レンズ部より高い屈折率の透明膜を、少なくともレンズ頂点部の膜を除去して形成したことを特徴とする。

この構成により、レンズによる集光を確保しつつ、レンズ頂点付近における入射光の反射をなくすことが可能となる。したがって、効率よく入射光を光電変換部に集光することができ、その結果、高感度の固体撮像素子を実現することが可能となる。

また、本発明に係る固体撮像素子は、凸形状層内レンズの中央部を光の吸収がほとんどないシリコン酸窒化膜で形成していることが好ましい。このような構成とすることにより、層内レンズ中を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

また、本発明に係る固体撮像素子は、凸形状層内レンズの外縁レンズ部を屈折率は２．０程度であり、短波長側の光の吸収を抑制したシリコン窒化膜で形成していることが好ましい。このような構成とすることにより、層内レンズで確実に光を屈折させ集光し、かつ外縁レンズ部を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に光電変換を行う光電変換部を形成する第１工程と、前記光電変換部の上側部分を露出する開口部を有する遮光膜を形成する第２工程と、前記遮光膜の上に、前記開口部を埋めるように形成され、光が透過する透明絶縁層を形成する第３工程と、前記開口部上に前記透明絶縁層を介して中央レンズ部と外縁レンズ部の２層構造の凸形状層内レンズを形成する第４工程と、前記凸形状層内レンズを覆うように透明レンズ平坦化膜を形成する第５工程とを備え、前記第４工程は、前記中央レンズ部である凸形状レンズを形成する第１のステップと、前記中央レンズ部上に透明膜を成膜し、エッチングすることにより、前記外縁レンズ部に前記中央レンズ部より高い屈折率の透明膜を形成する第２のステップとを含むことを特徴とする。

また、前記第４工程における前記外縁レンズ部を形成する第２のステップは、前記凸形状層内レンズの少なくとも頂点部分の透明膜を除去する工程を含むことを特徴とする。

この方法により、レンズによる集光を確保しつつ、レンズ頂点付近における入射光の反射をなくすことが可能な固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記第４工程における前記中央レンズ部を形成する第１のステップは、前記第５工程で形成する透明レンズ平坦化膜と同等の屈折率を有し、かつ光の吸収がほとんどないように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスと亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの比率を変えることによりシリコン酸窒化膜を形成する工程を含むことが好ましい。このような構成とすることにより層内レンズ中を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、前記第４工程における前記外縁レンズ部を形成する第２のステップは、前記中央レンズ部より高い屈折率を有し、かつ短波長における光の吸収を抑制するように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの比率を変えることによりシリコン窒化膜を形成する工程を含むことが好ましい。このような構成とすることにより層内レンズで確実に光を屈折させ集光し、かつ、外縁部を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

本発明の固体撮像素子およびその製造方法によれば、凸形状層内レンズにおける入射光の反射と吸収を抑制することにより、効果的に高感度が得られる固体撮像素子を実現することができる。

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形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る固体撮像素子の単位画素領域の構成を示す断面図である。なお、以下の説明において、図４〜図６にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付した。

本実施形態の固体撮像素子は、シリコン基板１に行列状に配置されたフォトダイオードからなる複数の光電変換部と、各光電変換部から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部とを備えた、ＣＣＤ型の固体撮像素子である。

図１に示すように、シリコン基板１の表面近くにオーバーフローバリア２が形成されており、シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜８が形成されている。オーバーフローバリア２とシリコン酸化膜８との間に形成されたウェル層３には、シリコン酸化膜８の直下に正孔蓄積層が設けられたフォトダイオードである光電変換部４が形成されている。

光電変換部４の一方の側部には読み出し部６を介在させて垂直転送部２１ａが形成されている。垂直転送部２１ａは、ウェル層３に形成された不純物拡散層である垂直転送チャネル５と、垂直転送チャネル５の上側にシリコン酸化膜８を介して形成された絶縁膜２２およびポリシリコン膜２３からなる垂直転送電極１０とから構成されている。垂直転送電極１０の上面および側面には、シリコン酸化膜１１が形成されている。

光電変換部４の他方の側部には、隣接する他の光電変換部（図示せず）から読み出した信号電荷を転送する垂直転送部２１ｂが形成されており、光電変換部４と垂直転送部２１ｂとの間には、チャネルストップ部７が形成されている。

シリコン酸化膜８の上には、光電変換部４の中央部の上方の領域に開口部を有する遮光膜１２が形成されている。遮光膜１２は、シリコン酸化膜１１に覆われた垂直転送電極１０の上面および側面ならび光電変換部４の外縁部の上側を覆っており、光電変換部４の受光領域以外の領域に光が入射することを防止する。

遮光膜１２の上には開口部を埋めるようにＢＰＳＧからなる透明絶縁膜１３が形成されている。透明絶縁膜１３の上には、画素領域および周辺回路部（図示せず）を保護するための透明保護膜２４が形成されている。

透明保護膜２４の上には、光電変換部４へ入射光を集光するように、２層構造の凸形状層内レンズ２５が形成されている。凸形状層内レンズ２５の上には、段差を埋めるように透明レンズ平坦化膜２６が形成されている。

２層構造の凸形状層内レンズ２５は、透明レンズ平坦化膜２６と同等の屈折率で、かつ光の吸収がほとんどないシリコン酸窒化膜からなる凸形状をなす中央レンズ部２７と、中央レンズ部２７より屈折率が高く、かつ短波長における光の吸収を抑制し、少なくともレンズ頂点部の膜を除去したシリコン窒化膜からなる外縁レンズ部２８から形成されている。

透明レンズ平坦化膜２６の上には、カラーフィルター層１５が形成され、カラーフィルター層１５の上には段差を埋めるように透明カラーフィルター平坦化膜１６が形成され、透明カラーフィルター平坦化膜１６の上にはマイクロオンチップレンズ１７が形成されている。

本実施形態においては、２層構造の凸形状層内レンズ２５は、中央レンズ部２７を透明レンズ平坦化膜２６と同等の屈折率のシリコン酸窒化膜により、また外縁レンズ部２８を中央レンズ部２７より高い屈折率のシリコン窒化膜により形成しているため、層内レンズによる集光を確保しつつ、レンズ頂点付近における入射光の反射をなくすことが可能となる。

また、中央レンズ部２７を光の吸収がほとんどないシリコン酸窒化膜により、また外縁レンズ部２８を短波長における光の吸収を抑制したシリコン窒化膜により形成しているため、層内レンズ中を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となっている。これらの結果、効果的に高感度が得られる。

次に、本実施形態の固体撮像素子の製造方法について説明する。

従来と同様にシリコン基板１の表層部における所定の位置にｐ型の不純物を注入し、オーバーフローバリア２を形成する。続いて、読み出し部６とチャネルストップ部７とを所定の間隔をおいてそれぞれ形成する。次に、ｎ型の不純物を注入し、読み出し部６とチャネルストップ部７との間に光電変換部４を形成し、読み出し部６およびチャネルストップ部７の外側に垂直転送チャネル５をそれぞれ形成する。

次に、シリコン基板１の表面に熱酸化法またはＣＶＤ法によりシリコン酸化膜８を形成する。続いてシリコン酸化膜８の上に窒化シリコンおよび酸化シリコンからなる絶縁膜２２およびポリシリコン膜２３を順次形成する。形成した絶縁膜２２およびポリシリコン膜２３を公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターンニングし、垂直転送チャネル５の上側に垂直転送電極１０を形成した後、垂直転送電極１０の表面に熱酸化法等によりシリコン酸化膜１１を形成する。光電変換部４の上方に形成された絶縁膜２２を、公知のウェットエッチング技術により除去した後、シリコン基板１の表層部の比較的浅い位置にｐ型の不純物を注入し、光電変換部４の上部に正孔蓄積部を形成する。

次に、スパッタおよびＣＶＤ法などによりアルミニウムおよびタングステンなどの金属膜を堆積した後、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によってパターンニングして、垂直転送電極１０を覆い、かつシリコン酸化膜８上において光電変換部４の中央部の上方に開口部を有する遮光膜１２を形成する。

次に、遮光膜１２の上に開口部を埋めるようにＢＰＳＧからなる透明絶縁膜１３をＣＶＤ（化学気相堆積）法により堆積し、さらにリフロー処理を行い平坦化する。透明絶縁層１３の上に周辺回路部保護層として透明保護膜２４を形成する。

その後の凸形状層内レンズ２５の形成方法の一例を、図２−（ａ）〜図２−（ｅ）を参照して説明する。

前記透明保護膜２４上に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸窒化膜３１を形成し、この上にレジストを塗布してレジスト層３２を形成して、各光電変換部４ごとに対応して矩形状、正方形状あるいは円形状にパターニングし（図２−（ａ））、レジスト層３２を１４０℃〜１８０℃程度の温度でリフロー処理して溶融させた後、固化させて、シリコン酸窒化膜３１上に凸の球面状となるレジストパターン３２’を生成する（図２−（ｂ））。このレジストパターン３２’をマスクにしてシリコン酸窒化膜３１をエッチングし、凸形状の中央レンズ部２７を形成する（図２−（ｃ））。

次に、プラズマＣＶＤ法により中央レンズ部２７表面にシリコン窒化膜２８’を形成し（図２−（ｄ））、全面をエッチングすることにより、少なくともレンズ頂点部においてシリコン窒化膜２８’を除去した外縁レンズ部２８を形成する。これにより２層構造の凸形状層内レンズ２５を形成する（図２−（ｅ））。

その後、凸形状層内レンズ２５の上に、図１のように、段差を埋めるように透明レンズ平坦化膜２６を形成し、カラーフィルター層１５、透明カラーフィルター平坦化膜１６、マイクロオンチップレンズ１７を順次形成する。

本実施形態では、中央レンズ部２７はシリコン酸窒化膜であって、例えば透明レンズ平坦化膜２６（屈折率１．６）と同等の屈折率を有するように、また光の吸収がほとんどないように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスと亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスの比率を変えて形成する。これにより層内レンズ中を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

また、外縁レンズ部２８はシリコン窒化膜であって、例えば中央レンズ部２７より高い屈折率を有するように、また短波長における光の吸収を抑制するように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスの比率を変えて形成する。これにより層内レンズで確実に光を屈折させ集光し、かつ外縁レンズ部２８を通過する際の光の吸収を抑えることが可能となる。

図３に本実施形態において形成したシリコン酸窒化膜とシリコン窒化膜、および一般的なシリコン窒化膜の屈折率と吸収係数の一例を示す。

本実施形態において中央レンズ部２７を形成するシリコン酸窒化膜は、屈折率が可視光領域において１．５４〜１．５９であり、ほぼ透明レンズ平坦化膜（本例では屈折率１．６）２６と同等の屈折率を実現し、レンズ頂点付近における光の反射を抑制可能としている。また、吸収係数も０であり、光の吸収も抑制している。

本実施形態において外縁レンズ部２８を形成するシリコン窒化膜は、屈折率が可視光領域において１．９７〜２．０３であり、透明レンズ平坦化膜（本例では屈折率１．６）との屈折率差により光を屈折させ、確実に集光することを可能にしている。また、吸収係数は一般的なシリコン窒化膜と比較して、可視光領域の低波長側において大きく低減しており、光が通過する際の光の吸収も抑制している。

また、本実施形態で形成した凸形状層内レンズ２５は、シリコン酸窒化膜、およびシリコン窒化膜により形成したが、半導体プロセスで一般的に用いられるプラズマＣＶＤ法を用いることから適当な屈折率をもつ材料を用いて成膜することが可能である。

本発明に係る固体撮像素子およびその製造方法は、凸形状層内レンズにおける入射光の反射と吸収を抑制することにより、効果的に高感度が得られる固体撮像素子を実現でき、特に２層構造の凸形状層内レンズを備えた固体撮像素子およびその製造方法として有用である。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子の単位画素を示す断面図 本実施形態における固体撮像素子の凸形状層内レンズ形成方法の説明するための断面図 本実施形態における固体撮像素子の凸形状層内レンズ形成方法の説明するための断面図 本実施形態における固体撮像素子の凸形状層内レンズ形成方法の説明するための断面図 本実施形態における固体撮像素子の凸形状層内レンズ形成方法の説明するための断面図 本実施形態における固体撮像素子の凸形状層内レンズ形成方法の説明するための断面図 本実施形態において形成したシリコン酸窒化膜とシリコン窒化膜、および一般的なシリコン窒化膜の屈折率と吸収係数の一例を示す図 従来の固体撮像素子の一例における単位画素を示す断面図 従来の固体撮像素子の一例における単位画素を示す断面図 従来の固体撮像素子の一例における単位画素を示す断面図

符号の説明

１ シリコン基板
２ オーバーフローバリア
３ ウェル層
４ 光電変換部
５ 垂直転送チャネル
６ 読み出し部
７ チャネルストップ部
８，１１ シリコン酸化膜
１０ 垂直転送電極
１２ 遮光膜
１３ 透明絶縁膜
２１ａ，２１ｂ 垂直転送部
２２ 絶縁膜
２３ ポリシリコン膜
２４ 透明保護膜
２５ 凸形状層内レンズ
２６ 透明レンズ平坦化膜
２７ 中央レンズ部
２８ 外縁レンズ部

Claims (11)

1. 半導体基板に形成され、光電変換を行う光電変換部と、
   前記光電変換部の上側部分を露出する開口部を有する遮光膜と、
   前記遮光膜の上に前記開口部を埋めるように形成され、光が透過する透明絶縁層と、
   前記開口部上に前記透明絶縁層を介して形成された凸形状層内レンズと、
   前記凸形状層内レンズを覆うように形成された透明レンズ平坦化膜とを備え、
   前記凸形状層内レンズを、中央レンズ部と外縁レンズ部との２層構造にしたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記外縁レンズ部の屈折率を前記中央レンズ部の屈折率よりも高く設定したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記中央レンズ部を前記透明レンズ平坦化膜と同等の屈折率の凸形状レンズとして形成したことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記中央レンズ部をシリコン酸窒化膜にて形成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の固体撮像素子。
5. 前記外縁レンズ部を前記凸形状層内レンズの少なくとも頂点部分の透明膜を除去して形成したことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の固体撮像素子。
6. 前記外縁レンズ部を短波長側の光の吸収を抑制するシリコン窒化膜で形成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換部を前記半導体基板に行列状に複数形成し、
   前記各光電変換部から読み出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部とを備え、
   ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子として機能することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の固体撮像素子。
8. 半導体基板に光電変換を行う光電変換部を形成する第１工程と、
   前記光電変換部の上側部分を露出する開口部を有する遮光膜を形成する第２工程と、
   前記遮光膜の上に、前記開口部を埋めるように形成され、光が透過する透明絶縁層を形成する第３工程と、
   前記開口部上に前記透明絶縁層を介して中央レンズ部と外縁レンズ部の２層構造の凸形状層内レンズを形成する第４工程と、
   前記凸形状層内レンズを覆うように透明レンズ平坦化膜を形成する第５工程とを備え、
   前記第４工程は、前記中央レンズ部である凸形状レンズを形成する第１のステップと、前記中央レンズ部上に透明膜を成膜し、エッチングすることにより、前記外縁レンズ部に前記中央レンズ部より高い屈折率の透明膜を形成する第２のステップとを含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
9. 前記第４工程における前記外縁レンズ部を形成する第２のステップは、前記凸形状層内レンズの少なくとも頂点部分の透明膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 前記第４工程における前記中央レンズ部を形成する第１のステップは、前記第５工程で形成する透明レンズ平坦化膜と同等の屈折率を有し、かつ光の吸収がほとんど無いように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスと亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの比率を変えることによりシリコン酸窒化膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
11. 前記第４工程における前記外縁レンズ部を形成する第２のステップは、前記中央レンズ部より高い屈折率を有し、かつ短波長における光の吸収を抑制するように、シラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの比率を変えることによりシリコン窒化膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８または９記載の固体撮像素子の製造方法。

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