JP2008147409A - 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】素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行い、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】フォトダイオード部ＰＤの表面幅ｂが遮光膜９の表面と同等の高さかまたは遮光膜９の表面よりも高く、従来技術に比べてオンチップレンズとフォトダイオード部との距離が飛躍的に短くなるため、従来技術のように層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部に入射光を集光させることができる。また、遮光膜９の開口部ａの面積よりもフォトダイオード部ＰＤの表面積が同等または大きく、画素を微細化して画素サイズを小さくしても、受光面積が遮光膜９の開口面積により制約されないため、より広い受光面積を確保することができる。さらに、フォトダイオード部ＰＤの表面ｂが上に凸の半球状であれば、これがレンズの役割を果たすため、フォトダイオード部ＰＤへ効率的に入射光を集光させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして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電子情報機器に関する。

近年、民生用デジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話装置の画像などに対する更なる高精細化の要望が高まっており、これらに搭載されるＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子において、高画素化が急速に進んでいる。

このように、固体撮像素子に対して、画質の向上が非常に強く要請されており、その要請に応えるためには、画素数を増加させて解像度を高くする高精細化、および撮像感度の向上を図ることが必要である。このためには、撮像感度の向上を図りつつ、画素の配列密度を高くすると共に、さらに画素部を小型化する必要がある。

ところが、画素サイズを縮小した場合には、単位画素に入射される光量が減少して感度特性が低下し、光電変換部であるフォトダイオード自体の面積も縮小化されてしまうため、固体撮像素子において撮像感度特性や飽和特性に劣化が生じるという不具合が顕在化してくる。

一般に、従来のＣＣＤ型の固体撮像素子では、光電変換が行われるフォトダイオード部に隣接して信号電荷を転送するための電荷転送部が設けられており、この電荷転送部に光が入射されないように、フォトダイオード部上を開口させた遮光膜が設けられている。ここで、フォトダイオード部の感度を向上させるために、遮光膜の開口面積を大きくして受光面積を大きく取り過ぎると、電荷転送部に光が混入してスミアが発生しやすくなるため、遮光膜の開口面積に対応した受光部面積を大きくすることには限界がある。

そこで、従来は、オンチップレンズとフォトダイオード部との間の層内に光透過性材料からなるもう一つのレンズ（層内レンズ）を形成してフォトダイオード部への集光効率を向上させる方法が用いられている。この層内レンズは、光電変換が行われるフォトダイオード部の直上において層間膜中に形成されるレンズであり、オンチップレンズで集光させた被写体光を、この層内レンズに更に入射させて、層内レンズの上面側または下面側の界面により屈折させることにより、被写体光をフォトダイオード部により効率よく導くためのものである。

特許文献１、２では、シリコン基板の深い部分で光電変換される電荷をも信号電荷として有効に取り出すために、フォトダイオード部を構成するｎ型不純物領域を従来よりも深い領域まで形成する方法が用いられている。これにより、電荷蓄積領域の面積が縮小されてもフォトダイオード容量が大きくなるため、微細化されたフォトダイオードにおいて飽和特性が改善される。
特許文献１では、基板の深い領域までフォトダイオード部を形成した固体撮像素子において、斜め光をも有効利用するために、基板面内の受光部の位置に応じて、受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを変化させている。
特許文献２では、フォトダイオード部が、光電変換を行うＮ型領域と、その上にエピタキシャル成長で形成されたＮ型単結晶半導体層との２層で構成され、Ｎ型単結晶半導体層がシリコンかまたはそれよりも光吸収係数が高い材料で形成されている。これによって、フォトダイオード部の光電変換効率を改善して、感度向上と共にスミヤを抑制している。
特開２００３−７８１２５号公報 特開平９−２１３９２３号公報

しかしながら、上述した従来の固体撮像素子には、以下のような問題がある。

近年、画素サイズの微細化が進む一方であり、特に、画素ピッチ（セルピッチ）が２μｍ以下となるような超微細なものも提案されていることから、これを実現するためには、理想的な層内レンズおよびオンチップレンズを形成して高い集光効率を得るだけでは困難になってきている。

しかも、フォトダイオード部の周囲を覆う遮光膜の開口径についても、画素ピッチの半分以下と極めて小さくなってきており、例えば画素ピッチが２μｍである場合、スミア発生などを考慮して遮光膜の開口径を６００ｎｍ以下に設定する必要がある。このため、波長６００ｎｍ〜７００ｎｍという長波長の可視赤領域光は、この遮光膜の開口部を通って光電変換部であるフォトダイオード部に到達しにくいという問題がある。特に、遮光膜の開口部とフォトダイオード部とのアライメントずれについては、撮像感度やスミアに影響を与えるため、アライメントマージンを確保することは重要な課題となっていた。

この対策の一つとして、素子を微細化しつつ感度特性を維持するために、特許文献１、２のようにｎ型不純物領域をより深い領域まで形成して、光電変換される信号電荷量を増やして高感度化したり、特許文献２のように、転送電極上の遮光膜付近にまで、光電変換部を構成するシリコン層を成長させてオンチップレンズとの距離を縮小したりしているが、光電変換部への集光効率は、遮光膜の開口径に制約されることから、素子の微細化に際して、更なる集光効率の向上を図りつつ小型で高感度化することは困難であった。

このように、従来の固体撮像素子では、高い感度特性を維持しながら素子を微細化することに限界があるということが懸念されている。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、素子の微細化に際しても更なる集光効率の向上を図ることができて、小型で高感度な固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、基板に形成された複数の光電変換部と、該光電変換部に対応して開口部を有する遮光部とが設けられ、該光電変換部の表面が、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成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。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面積が、前記遮光部の開口部の面積よりも広く形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面部が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の表面の少なくとも一部が、前記遮光部の開口部の上端部の高さ位置と同等かまたは、該上端部よりも上方に形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部の開口部が穴部で構成されており、前記光電変換部が該穴部内の全部を埋め込んでいる。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部の表面が平面状または球面状に形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の表面部の平面視位置が前記遮光部の開口部のアライメントずれに対して、該光電変換部のパターンニング時に該アライメントずれを補正するように調整されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部は、フォトダイオード部からなり、第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型ウェル領域に選択的に形成された第１導電型半導体領域と、該第１導電型半導体領域上に、前記遮光部の開口部を通して、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成された他の第１導電型半導体領域とを有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部は、前記他の第１導電型半導体領域上に高濃度第２導電型半導体領域または前記第１導電型半導体層の酸化膜からなる暗電流防止層を有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１導電型半導体領域がｎ型シリコンからなり、前記高濃度第２導電型半導体領域がｐ型シリコンからなっているかまたは、該第１導電型半導体領域がｐ型シリコンからなり、該高濃度第２導電型半導体領域がｎ型シリコンからなっている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部上と前記光電変換部との間に絶縁膜が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記遮光部上を被覆しかつ前記第１導電型半導体領域に対応して開口部を有する絶縁膜が設けられ、該第１導電型半導体領域および該絶縁膜上に前記他の第１導電型半導体領域が形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光部は、遮光膜または金属配線層として兼用されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における遮光部は、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部が設けられ、該電荷転送電部上にゲート絶縁膜を介して、該電荷転送電部による信号電荷の転送を制御するための電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上を覆うように絶縁膜を介して前記遮光部が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光電変換部上に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるカラーフィルタ層上に層間絶縁層を介してオンチップレンズが設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子はＣＣＤ型イメージセンサであって、前記遮光部として遮光膜を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は前記遮光膜の最上表面の高さ位置である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における金属配線層は、前記遮光部として、前記複数の光電変換部上をそれぞれ避けるように形成されており、該金属配線層上を被覆した絶縁膜に該光電変換部上に接する位置まで該絶縁膜に設けられた開口部内に半導体層が充填されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子はＣＭＯＳ型イメージセンサであって、前記金属配線層として多層配線層を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は該多層配線層の最上層の表面の高さ位置である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、該半導体領域に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、該遮光部および該半導体領域上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、該半導体層の表面積が該遮光部の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、該光電変換部に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、該遮光部を被覆しかつ該半導体領域上に開口部を有する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、該半導体領域および該絶縁膜上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、該半導体層が該絶縁膜上に一部重なりかつ該半導体層の表面積が該絶縁膜の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記半導体領域および前記半導体層をシリコン材料により形成する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における半導体領域形成工程後に、前記光電変換部を構成する半導体領域に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部を形成する電荷転送部形成工程と、該電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極形成工程とをさらに有し、
前記遮光部形成工程は、前記遮光部が該電荷転送電極上を被覆しかつ該半導体領域上を開口するように形成する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における遮光部は、遮光膜または金属配線層で構成されている。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、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。

本発明の固体撮像素子にあっては、光電変換部であるフォトダイオード部の表面が遮光部（例えば遮光膜または金属配線層）の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離が飛躍的に短くなり、層内レンズを設けなくても、容易に光電変換部に入射光を集光させることが可能となる。

また、遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広くすることによって、画素サイズを小さくしても、受光部面積が従来技術のように遮光膜の開口面積により制約されないため、広い受光面積を確保して受光効率および感度を向上させることが可能となる。

さらに、光電変換部の最表面が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されてレンズの役割を果たすため、光電変換部へのより効率的な集光が可能となる。

さらに、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することが可能となる。

さらに、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、遮光膜の開口面積が小さくなるなどして遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部のアライメントずれが生じた場合でも、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置を修正したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を容易に製造することが可能となる。

以上により、本発明によれば、光電変換部の表面が、遮光部（例えば遮光膜または金属配線層）の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離を短くでき、かつ遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広く構成することができる。これによって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行うことができて、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。また、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。さらに、遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部とのアライメントずれが生じた場合であっても、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置調整したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を製造することができる。

以下に、本発明の固体撮像素子をＣＣＤ型イメージセンサに適用した場合の実施形態１，２および、ＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合の実施形態３について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像素子における画素部の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’方向の縦断面図である。

図１において、本実施形態１の固体撮像素子２０は、光電変換部である複数のフォトダイオード部ＰＤが２次元状（またはマトリクス状）に設けられ、各フォトダイオード部ＰＤにそれぞれ隣接して各フォトダイオード部で光電変換された信号電荷を転送する垂直転送部Ｖおよび水平転送部Ｈが設けられている。

図２において、本実施形態１の固体撮像素子２０は、ｎ型半導体基板１の表面部に低濃度ｐ型ウェル領域２が設けられており、低濃度ｐ型ウェル領域２内に、フォトダイオードＰＤのｎ型シリコン領域３と、垂直転送部Ｖの部分にｎ型半導体領域からなる電荷転送部４とが設けられ、各電荷転送部４と、隣接する画素のフォトダイオードＰＤのｎ型シリコン領域３との間の一方には、ｐ型半導体領域からなる画素分離部５が設けられている。この電荷転送部４および画素分離部５上に、ゲート絶縁膜６を介して電荷転送電極であるゲート電極７が設けられ、そのゲート電極７の上面および側壁には、熱酸化膜などからなる絶縁膜８を介してタングステン（Ｗ）膜などからなる遮光部としての遮光膜９が設けられている。さらに、遮光膜９の上面および側壁には、酸化膜などからなる薄い絶縁膜１０が形成されている。

フォトダイオード部ＰＤは、ｐ型ウェル領域２の深部にｎ型シリコン領域３が選択的に設けられ、その上にｎ型シリコン領域３’が遮光膜９の開口部ａを通って上方に延伸するように設けられている。このｎ型シリコン領域３’は、絶縁膜１０上に一部重なるように設けられており、その上面が遮光膜９の上面よりも高くなるように形成されている。これにより、フォトダイオード部ＰＤの最上部の表面が遮光膜９の最上部の表面よりも高くなり、受光部としてのｎ型シリコン領域３’とその上方のオンチップレンズとの距離が大幅に短くなっている。このため、集光効率を高めるために受光部（フォトダイオード部ＰＤの表面部）とオンチップレンズとの間に層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部ＰＤの表面に集光させることができる。オンチップレンズは、図２には示していないが、フォトダイオード部ＰＤに光を集光させるために、フォトダイオード部ＰＤの上方に設けられている。

また、ｎ型シリコン領域３’の一部が遮光膜９に平面視でオーバーラップされており、遮光膜９より上部の位置で入射光が受光されて光電変換が行われるため、フォトダイオード部ＰＤ以外の領域に光が入射されることにより発生するスミアを大幅に抑制することができる。

さらに、フォトダイオード部ＰＤの幅ｂの表面積は、遮光膜９の開口部ａ（ｂ＞ａ）の面積よりも大きく形成されている。このため、画素サイズを微細化して小さくしても、受光部面積は、従来の固体撮像素子のように遮光膜９の開口部ａにより制約されず、より広い受光面積を確保することができる。

さらに、フォトダイオード部ＰＤを構成するｎ型シリコン領域３’の表面部は、断面構造が上に凸の半球状（またはレンズ状）となっている。この半球状部分が凸レンズとしての役割を果たすため、フォトダイオード部ＰＤへの効率的な集光が可能となる。

ここで、図１および図２に示す本実施形態１の固体撮像素子２０の製造方法について、図３〜図８を用いて詳細に説明する。

図３〜図８は、本実施形態１の固体撮像素子２０の製造方法について説明するための各製造工程における要部縦断面図である。

まず、図３の半導体領域形成工程、電荷転送部形成工程および画素分離部形成工程に示すように、例えばｎ型シリコンからなる半導体基板１に、ｐ型ウェル領域２を形成する。さらに、ｐ型ウェル領域２にｎ型不純物を選択的に導入して、光電変換部のフォトダイオード部ＰＤとなる半導体領域のｎ型シリコン領域３および、光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部４を形成し、さらに、ｐ型不純物を選択的に導入して、ｎ型シリコン領域３と電荷転送部４間の一方に画素分離部５を形成する。これらはそれぞれ、従来から行われている方法によって形成することが可能であり、そのプロセスについては従来の一般的なプロセスと同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

次に、図４の電荷転送電極形成工程に示すように、半導体基板１の表面部に、例えば膜厚３０ｎｍの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜６を堆積して、電荷転送部４および画素分離部５上のみ残した所定形状にパターニング形成する。さらに、半導体基板１の電荷転送部４および画素分離部５上の垂直転送部Ｖに対応する位置に、ゲート絶縁膜６を介して、例えば膜厚２００ｎｍのポリシリコンからなる転送ゲート電極７をパターニング形成する。なお、図４には示していないが、水平転送部Ｈに対応する位置にも転送ゲート電極７を形成する。

続いて、例えば基板全面を熱酸化して、図５の遮光膜形成工程に示すように、ゲート電極７上部および側面に厚み５０ｎｍ程度の酸化膜などからなる絶縁膜８を形成する。その後、例えばＣＶＤ法などによって膜厚１００ｎｍのタングステン（Ｗ）膜などの遮光膜９を基板全面に形成し、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法などによりフォトダイオード部ＰＤのｎ型シリコン領域３に対応する箇所の遮光膜９を開口させて開口部ａを形成する。この遮光膜９としては、アルミニウム（Ａｌ）膜や、遮光性が良好な高融点金属膜であるチタン（Ｔｉ）膜、チタンナイトライド（ＴｉＮ）膜、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜、タングステン（Ｗ）膜、またはそれらの複合膜を用いることができる。

その後、遮光膜９を被覆するように基板全面に、ＣＶＤ法などにより例えば膜厚５０ｎｍのシリコン酸化膜などからなる絶縁膜１０を形成し、図６の絶縁膜形成工程に示すようにフォトダイオード部ＰＤのｎ型シリコン領域３に対応する箇所の絶縁膜１０をフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて選択的に除去して開口部を形成し、ｎ型シリコン領域３の表面を露出させる。

さらに、図７の半導体層形成工程に示すように、選択エピタキシャル成長法を用いて、ＰＨ_３などのＮ^＋不純物ガスを含ませながら、露出したｎ型シリコン領域３上に選択的に、光電変換部を構成する半導体層のｎ型シリコン層３’を形成する。選択的エピタキシャル成長時には、６００℃〜８００℃の温度下、1１Ｅ−３Ｐａ〜５Ｅ−２Ｐａの圧力で、原料ガスとして例えばジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）をＨ_２雰囲気中に流すことによって、単結晶シリコン層３’を高さ方向に絶縁膜１０の表面の一部を平面視で被覆するまで成長させることができる。さらに、シリコン層３’を成長させる方法としては、選択的エピタキシャル成長法以外にも、例えばｎ型不純物を導入したＣＶＤ法などによって基板全面にアモルファスシリコンなどのシリコン層を形成してもよい。この場合には、ゲート電極７間にシリコン層３’が充填されるように膜厚を適宜設定する。これによって、半導体領域の露出ｎ型シリコン領域３および絶縁膜１０上に、光電変換部を構成する半導体層のシリコン層３’を、シリコン層３’の最上の表面が遮光膜９の表面の高さよりも高く形成することができる。

その後、図８の半導体層パターンニング工程に示すように、受光部としてシリコン領域３’を、遮光膜９の開口部ａよりも面積が大きく、一部が遮光膜９上の絶縁膜１０にオーバーラップするようにパターン形成して画素部間を所定距離だけ分離する。このシリコン領域３’の分離加工時には、例えばレジストエッチングバック法を用いて半球状（半球面状）のレジスト形状を転写させる方法により、シリコン領域３’の表面を上に凸の半球状に加工することができる。このようにして、半導体層のシリコン領域３’が絶縁膜１０上に一部重なりかつシリコン領域３’の表面積が絶縁膜１０または遮光膜９の開口部の面積よりも広くなるようにシリコン領域３’を所定形状（平面視正方形または矩形、円形でもよい）にパターンニングする。

さらに、図２に示すように、ｎ型シリコン領域３’の表面に、選択的に高濃度ｐ型領域１１を形成して暗電流防止層とする。この高濃度ｐ型領域を形成するための不純物導入は、例えばシリコン層３’を加工する前に（加工後に不純物導入を行うこともできる）行われる。さらに、ここでは図示していないが、ｎ型シリコン領域３’を分離加工した後に、ｎ型シリコン領域３’表面を酸化させることなどにより暗電流防止層を形成してもよい。

その後、プラズマＣＶＤ法などによりシリコンナイトライドなどのパッシベーション膜を形成し、カラーフィルタやオンチップレンズなどを形成して固体撮像素子の作製を完了する。

上記製造方法によれば、遮光膜９の開口面積が小さくなって遮光膜９がフォトダイオード部ＰＤの一部を覆ってしまったり、遮光膜９とフォトダイオード部ＰＤのアライメントずれが生じた場合でも、その後でフォトダイオード部ＰＤの表面積を拡大することできるため、小型で高感度な固体撮像素子２０を製造することが可能となる。光電変換部のｎ型シリコン領域３’の表面部の平面視位置が遮光膜９の開口部のアライメントずれに対して、ｎ型シリコン領域３’の所定形状のパターンニング時にアライメントずれを修正して正規の位置に調整可能とされている。
（実施形態２）
上記実施形態１では、光電変換部のシリコン層３’の表面が、球面状で、遮光膜９の表面よりも高く形成されている場合について説明したが、本実施形態２では、光電変換部のシリコン層３’の表面が、平面状で、遮光膜９の表面の高さ位置と同等の場合について説明する。

図９は、本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す縦断面図であって、図１のＡ−Ａ’方向と同じ方向の縦断面図である。

図９において、本実施形態２の固体撮像素子３０において、フォトダイオード部ＰＤは、ｐ型ウェル領域２の深部に光電変換部のｎ型シリコン領域３が選択的に設けられ、その上にｎ型シリコン領域３’が遮光膜９の開口部ａを通って上方に延伸するように設けられている。この場合、遮光膜９の開口部ａが穴部で構成されており、ｎ型シリコン領域３’ががこの穴部内の全部を埋め込んでいる。このｎ型シリコン領域３’は、平面視で絶縁膜１０上に一部重なるように設けられており、その上面が遮光膜９の上面と同等の高さ位置に形成されている。即ち、光電変換部のｎ型シリコン領域３’の表面が、遮光膜９の開口部ａの上端部の高さ位置と同等の位置である。これにより、フォトダイオード部ＰＤの最上部の表面が遮光膜９の最上部の表面と同等の高さになり、受光部としてのｎ型シリコン領域３’とその上方のオンチップレンズとの距離が従来に比べて縮小されている。このため、集光効率を高めるために受光部（フォトダイオード部ＰＤの表面部）とオンチップレンズとの間に層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部ＰＤの表面に集光させることができる。このオンチップレンズは、図２には示していないが、フォトダイオード部ＰＤに光を集光させるために、フォトダイオード部ＰＤの上方に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられ、このカラーフィルタ層上に層間絶縁層を介して設けられている。

また、ｎ型シリコン領域３’の一部が遮光膜９に平面視でオーバーラップされており、遮光膜９より上部の位置で入射光が受光されて光電変換が行われるため、フォトダイオード部ＰＤ以外の領域に光が入射されることにより発生するスミアを大幅に抑制することができる。

さらに、フォトダイオード部ＰＤの幅ｂ’の表面積は、遮光膜９の開口部ａ（ｂ＞ａ）の面積よりも大きく形成されている。このため、画素サイズを微細化して小さくしても、受光部面積は、従来の固体撮像素子のように遮光膜９の開口部ａにより制約されず、より広い受光面積を確保することができる。

さらに、フォトダイオード部ＰＤを構成するｎ型シリコン領域３’の表面は、平面状となっている。即ち、ｎ型シリコン領域３’の表面が、遮光膜９の開口部９ａの上端部の高さ位置と同等の位置に形成されており、その表面が平面状である。この場合のｎ型シリコン領域３’の表面部の平面視位置も遮光膜９の開口部のアライメントずれに対して、ｎ型シリコン領域３’の所定形状のパターンニング時にアライメントずれを修正して正規の位置に調整可能とされている。

さらに、遮光膜９は、金属配線層として兼用することもできる。遮光膜９の材質としては、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜などがある。

さらに、ｎ型シリコン領域３’の表面を平面状に形成することにより、段差がより少ないことから、その上の層間絶縁膜（図示せず）や平坦化膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。

以上により、上記実施形態１，２の固体撮像素子２０，３０によれば、フォトダイオード部ＰＤの表面幅ｂが遮光膜９の表面と同等の高さかまたは遮光膜９の表面よりも高く、従来技術に比べてオンチップレンズとフォトダイオード部との距離が飛躍的に短くなるため、従来技術のように層内レンズを設けなくても、容易にフォトダイオード部に入射光を集光させることができる。また、遮光膜９の開口部ａの面積よりもフォトダイオード部ＰＤの表面積が同等または大きく、画素を微細化して画素サイズを小さくしても、受光面積が遮光膜９の開口面積により制約されないため、より広い受光面積を確保することができる。さらに、フォトダイオード部ＰＤの表面ｂが上に凸の半球状であれば、これがレンズの役割を果たすため、フォトダイオード部ＰＤへ効率的に入射光を集光させることができる。したがって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行い、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子２０，３０を得ることができる。
（実施形態３）
上記実施形態１，２では、本発明をＣＣＤ型イメージセンサに適用した例について説明したが、本発明の固体撮像素子はＣＣＤ型イメージセンサに限定されず、本実施形態３では、本発明の固体撮像素子を、多層配線構造を有するＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合について説明する。

ＣＭＯＳ型イメージセンサの製造時には、最上層の金属配線層（後述する図１１の配線１１６）を形成して、その配線層を絶縁膜（後述する図１１の層間絶縁膜１１７）で被覆した後、フォトダイオード部ＰＤ（後述する図１１の光センサ１０４）上に接するまで絶縁膜（後述する図１１の層間絶縁膜１０８，１１１，１１４，１１７）に開口部（後述する図１１のホール１１８）を形成する。その絶縁膜の開口部内にシリコン層（後述する図１２のシリコン層１１９）を成長させて絶縁膜上に一部重なるように形成し、このように、平面視で所定形状にパターン形成することにより配線層１１６（上記実施形態１，２では遮光膜９）の上端部よりも表面が高く、図１３で後述する表面積が大きいシリコン領域１１９Ａ（上記実施形態１ではｎ型シリコン領域３’）を形成することができる。

以上を更に詳細に説明する。

ＣＭＯＳ型イメージセンサは、例えば図１０の遮光部形成工程に示すように、半導体基板１０２上に、光センサ１０４、フローティングディフュージョン部１０６、センサ周辺回路（詳細は不図示）、電荷転送ゲート１０５、トランジスタゲート１０７およびフィールド酸化膜１０３と、その上部に表面が平坦化されたシリコン酸化膜による１層目の層間絶縁膜１０８が形成され、その上に、例えばフローティングディフュージョン部１０６にコンタクトプラグ１０９により接続された１層目の配線、たとえばアルミニウム配線１１０が形成されている。

さらに、層間絶縁膜１０８および第１層配線１１０上には、同じく表面が平坦化されたシリコン酸化膜による２層目の層間絶縁膜１１１が形成され、その上に２層目の配線１１３が、層間絶縁膜１１１および第２層配線１１３の上にさらに、表面が平坦化された、たとえばシリコン酸化膜による３層目の層間絶縁膜１１４が形成され、その上に最上層（３層目）の配線１１６が形成されている。各層の配線は、各コンタクトプラグにより接続され、本実施形態３では、センサ周辺部の配線１１０、１１３、１１６はコンタクトプラグ１１２、１１５により相互に接続されている。最上層の配線１１６および配線１１６の側部に露出している層間絶縁膜１１４の表面上には、たとえばシリコン酸化膜とＣＭＰ（化学的機械的研磨）などを用いて平坦化された層間絶縁膜１１７が形成されている。

ここで、図示しないが、従来の製造方法では、この図１０の遮光部形成工程（上記実施形態１，２では遮光膜形成工程であるが、本実施形態３では多層配線層形成工程）の後に、パッシベーション膜と、カラーフィルタ、さらにその上にオンチップマイクロレンズが形成してＣＭＯＳ型イメージセンサが構成されている。

本実施形態３では、まず、図１０の配線層形成工程の後、図１１のホール形成工程に示すように、層間絶縁膜１１７、１１４、１１１、１０８をそれぞれ開口し、センサ部１０４上に接続するホール（コンタクトホール）１１８を形成する。

次に、図１２の半導体層形成工程に示すように、上記実施形態１の場合と同様に、層間絶縁膜１１７およびホール１１８（基板部）上にシリコン層１１９を形成し、シリコン層１１９をホール１１８内に充填させる。

さらに、図１３の半導体層パターニング工程に示すように、層間絶縁膜１１７上に平面視で一部重なるように所定形状（正方形、矩形および円形など）に形成し、このようにパターン形成することにより、最上層の配線１１６よりも表面が高く、層間絶縁膜１１７の表面部からセンサ部１０４上に至るシリコン領域１１９Ａ（例えばフォトダイオード部を構成するｎ型シリコン領域）を形成することができる。

このようにして形成したＣＭＯＳセンサはシリコン領域１１９Ａを介してセンサ部１０４で受光して生成した信号電荷は電荷転送ゲート１０５によってフローティングディフュージョン部１０６へ供給され、このフローティングディフュージョン部１０６において電圧信号に変換されて、図示しない増幅トランジスタのゲートに供給され、ここで増幅されて撮像信号として取り出される。

したがって、本実施形態３においても、上記実施形態１，２の場合と同様の効果を得ることができるものである。

なお、上記実施形態１、２では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたが、これに限らず、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とすることもできる。上記実施形態３でも、上記実施形態１、２の場合と同様のことが言える。

また、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、上記実施形態１〜３での固体撮像素子２０，３０のいずれか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、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、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。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１、２の固体撮像装置２０，３０のいずれか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。
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３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１〜３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１〜３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、被写体からの画像光を光電変換部で光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして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電子情報機器の分野において、光電変換部の表面が、遮光膜の表面よりも高く形成されているため、オンチップレンズと光電変換部との距離を短くでき、かつ遮光膜の開口部の面積よりも光電変換部の表面積を大きく広く構成することができる。これによって、素子の微細化に対応して、光電変換部への集光を効果的に行うことができて、受光面積を確保して、小型で高感度な固体撮像素子を実現することができる。また、光電変換部の表面を平面状に形成することにより、その上の層間絶縁膜をより薄く構成できて、オンチップレンズと光電変換部との距離をより短く構成することができる。さらに、遮光膜が光電変換部の一部を覆ってしまったり、遮光膜と光電変換部とのアライメントずれが生じた場合であっても、その後で光電変換部の表面積を拡大したり光電変換部の位置調整したりできるため、小型で高感度な固体撮像素子を製造できる。

本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’方向の縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体領域形成工程、電荷転送部形成工程および画素分離部形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための電荷転送電極形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための遮光膜形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための絶縁膜形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明するためのの半導体層パターンニング工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の画素部の要部構成例を示す縦断面図であって、図１のＡ−Ａ’方向と同じ方向の縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための配線層形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る固体撮像素子の製造方法について説明するためのホール形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層形成工程における要部縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る固体撮像素子の製造方法について説明するための半導体層パターンニング工程における要部縦断面図である。

符号の説明

１ ｎ型半導体基板
２ ｐ型ウェル領域
３、３’、１１９Ａ フォトダイオード部を構成するｎ型シリコン領域
４ 電荷転送部
５ 画素分離部
６ ゲート絶縁膜
７ ゲート電極
８、１０ 絶縁膜
９ 遮光膜
１１ ｐ型高濃度領域（暗電流防止層）
２０，３０ 固体撮像素子
Ｖ 垂直転送部
Ｈ 水平転送部
ａ 遮光膜の開口部
ｂ フォトダイオード部の表面幅

Claims (26)

1. 基板に形成された複数の光電変換部と、該光電変換部に対応して開口部を有する遮光部とが設けられ、該光電変換部の表面が、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成されている固体撮像素子。
2. 前記光電変換部の表面積が、前記遮光部の開口部の面積よりも広く形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記光電変換部の表面部が、上に凸の半球状またはレンズ状に形成されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光電変換部の表面の少なくとも一部が、前記遮光部の開口部の上端部の高さ位置と同等かまたは、該上端部よりも上方に形成されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 前記遮光部の開口部が穴部で構成されており、前記光電変換部が該穴部内の全部を埋め込んでいる請求項１または４に記載の固体撮像素子。
6. 前記光電変換部の表面が平面状または球面状に形成されている請求項４または５に記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換部の表面部の平面視位置が前記遮光部の開口部のアライメントずれに対して、該光電変換部のパターンニング時に該アライメントずれを補正するように調整されている請求項１または４に記載の固体撮像素子。
8. 前記光電変換部は、フォトダイオード部からなり、第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型ウェル領域に選択的に形成された第１導電型半導体領域と、該第１導電型半導体領域上に、前記遮光部の開口部を通して、該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成された他の第１導電型半導体領域とを有する請求項１または４に記載の固体撮像素子。
9. 前記フォトダイオード部は、前記他の第１導電型半導体領域上に高濃度第２導電型半導体領域または前記第１導電型半導体層の酸化膜からなる暗電流防止層を有する請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第１導電型半導体領域がｎ型シリコンからなり、前記高濃度第２導電型半導体領域がｐ型シリコンからなっているかまたは、該第１導電型半導体領域がｐ型シリコンからなり、該高濃度第２導電型半導体領域がｎ型シリコンからなっている請求項９に記載の固体撮像素子。
11. 前記遮光部上と前記光電変換部との間に絶縁膜が設けられている請求項１、２、４および５のいずれかに記載の固体撮像素子。
12. 前記遮光部上を被覆しかつ前記第１導電型半導体領域に対応して開口部を有する絶縁膜が設けられ、該第１導電型半導体領域および該絶縁膜上に前記他の第１導電型半導体領域が形成されている請求項８に記載の固体撮像素子。
13. 前記遮光部は、遮光膜または金属配線層として兼用されている請求項１、２、４、５、７、８、１１および１２のいずれかに記載の固体撮像素子。
14. 前記遮光部は、アルミニウム膜、または、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タングステンシリサイドまたはタングステンからなる高融点金属膜、これらの複合膜である請求項１、２、４、５、７、８および１１〜１３のいずれかに記載の固体撮像素子。
15. 前記光電変換部に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部が設けられ、該電荷転送電部上にゲート絶縁膜を介して、該電荷転送電部による信号電荷の転送を制御するための電荷転送電極が設けられ、該電荷転送電極上を覆うように絶縁膜を介して前記遮光部が設けられている請求項１に記載の固体撮像素子。
16. 前記光電変換部上に平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられている請求項１または１５に記載の固体撮像素子。
17. 前記カラーフィルタ層上に層間絶縁層を介してオンチップレンズが設けられている請求項１６に記載の固体撮像素子。
18. ＣＣＤ型イメージセンサであって、前記遮光部として遮光膜を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は前記遮光膜の最上表面の高さ位置である請求項１３または１５に記載の固体撮像素子。
19. 前記金属配線層は、前記遮光部として、前記複数の光電変換部上をそれぞれ避けるように形成されており、該金属配線層上を被覆した絶縁膜に該光電変換部上に接する位置まで該絶縁膜に設けられた開口部内に半導体層が充填されている請求項１３に記載の固体撮像素子。
20. ＣＭＯＳ型イメージセンサであって、前記金属配線層として多層配線層を有し、前記遮光部の表面の高さ位置は該多層配線層の最上層の表面の高さ位置である請求項１３または１９に記載の固体撮像素子。
21. 半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
    該半導体領域に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、
    該遮光部および該半導体領域上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、
    該半導体層の表面積が該遮光部の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
22. 半導体基板に光電変換部を構成する半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
    該光電変換部に対して開口部を有する遮光部を形成する遮光部形成工程と、
    該遮光部を被覆しかつ該半導体領域上に開口部を有する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
    該半導体領域および該絶縁膜上にさらに、該光電変換部を構成する半導体層を、該半導体層の表面が該遮光部の表面の高さ位置と同等かまたは、該遮光部の表面よりも高く形成する半導体層形成工程と、
    該半導体層が該絶縁膜上に一部重なりかつ該半導体層の表面積が該絶縁膜の開口部の面積と同等かまたはそれよりも広くなるように該半導体層を所定形状にパターンニングする半導体層パターンニング工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
23. 前記半導体領域および前記半導体層をシリコン材料により形成する請求項２１または２２に記載の固体撮像素子の製造方法。
24. 前記半導体領域形成工程後に、前記光電変換部を構成する半導体領域に隣接して、該光電変換部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部を形成する電荷転送部形成工程と、該電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する電荷転送電極形成工程とをさらに有し、
    前記遮光部形成工程は、前記遮光部が該電荷転送電極上を被覆しかつ該半導体領域上を開口するように形成する請求項２１または２２に記載の固体撮像素子の製造方法。
25. 前記遮光部は、遮光膜または金属配線層で構成されている請求項２１または２２に記載の固体撮像素子の製造方法。
26. 請求項１〜２０のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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