JP3402429B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

固体撮像素子及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願の発明は、電荷転送用の
電極に囲まれている受光部を各画素が有している固体撮
像素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣＤ等の固体撮像素子では、電荷転送
用の電極等が絶縁膜で覆われており、Ａｌ膜等から成る
遮光膜が絶縁膜上に形成されており、遮光膜のうちで各
画素の受光部上の部分に開口が形成されている。従来の
固体撮像素子では、開口から斜めに入射した光が絶縁膜
中を透過して電荷転送用の電極下に入り込むことによる
スミアを抑制するために、絶縁膜が薄くて、電荷転送用
の電極等の下地の凹凸に絶縁膜が沿っていた。
【０００３】また、従来の固体撮像素子の製造に際して
は、水素を含有するパッシベーション膜を遮光膜よりも
上層に形成し、暗電流を低減させてダーク画像の特性を
向上させるために、パッシベーション膜中の水素によっ
てゲート絶縁膜の水素化処理を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、電荷転送用
の電極等の下地の凹凸に絶縁膜が沿っている従来例で
は、下地の段差が絶縁膜及びその上の遮光膜にも反映さ
れて、電荷転送用の電極上では遮光膜の表面が平坦であ
った。このため、電荷転送用の電極上の遮光膜で反射さ
れた光が各画素の受光部に入射せず、集光効率が低く
て、固体撮像素子の小型化／高密度化に伴って感度が低
下していた。
【０００５】感度の低下に対しては、遮光膜よりも上層
に画素毎のレンズを形成し、受光部以外の部分に入射し
た光をレンズで受光部に集光させている。しかし、絶縁
膜及び遮光膜が下地の段差を反映しているので、平坦化
処理を施したとしても、画素毎のレンズ形状にばらつき
が生じて画素毎の感度にばらつきが生じていた。
【０００６】画素毎の感度のばらつきに対しては、遮光
膜の表面に反射防止膜を設けて遮光膜の表面を低反射化
させることも考えられているが、この結果、受光部上の
開口に臨む遮光膜の側面で反射されて受光部に入射する
光も少なくなって、感度が低下する。
【０００７】また、絶縁膜及び遮光膜が下地の段差を反
映しているので、レンズのみならずカラーフィルタの加
工にもばらつきが生じて、画素毎の感度や分光特性にば
らつきが生じていた。
【０００８】しかも、絶縁膜が下地の段差を反映してい
るので、その上に形成する遮光膜の段差被覆性が良くな
く、遮光膜に厚さの薄い部分が生じて遮光膜を透過する
光成分があった。このため、電荷転送用の電極下に光が
入射することによるスミアや、光学的黒領域に光が入射
して基準レベルが変動することによるクランプミスが発
生していた。
【０００９】また、遮光膜よりも上層のパッシベーショ
ン膜中の水素によってゲート絶縁膜の水素化処理を行っ
ているので、水素を透過させにくい遮光膜を形成する
と、水素化処理を容易には行うことができなくて、ダー
ク画像の特性を向上させることが困難であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本願の発明による固体撮
像素子は、電荷転送用の電極に囲まれている受光部を各
画素が有している固体撮像素子において、前記電極上か
ら前記受光部上に向かって低くなって前記各画素に対応
する逆四角錐状の凹部を有している絶縁膜が設けられて
おり、前記絶縁膜のうちで前記電極の側面に沿う部分に
溝が設けられており、遮光膜が前記電極上の前記絶縁膜
を覆うと共に前記溝を埋めていることを特徴としてい
る。
【００１１】本願の発明による固体撮像素子は、互いに
分離しているカラーフィルタで前記凹部が埋められてい
てもよい。
【００１２】本願の発明による固体撮像素子の製造方法
は、電荷転送用の電極に囲まれている受光部を各画素が
有している固体撮像素子の製造方法において、前記電極
上から前記受光部上に向かって低くなって前記各画素に
対応する逆四角錐状の凹部を有する絶縁膜をプラズマＣ
ＶＤ法で形成する工程と、前記絶縁膜のうちで前記電極
の側面に沿う部分に溝を形成する工程と、前記電極上の
前記絶縁膜を覆うと共に前記溝を埋める遮光膜を形成す
る工程とを具備することを特徴としている。
【００１３】本願の発明による固体撮像素子の製造方法
は、前記電極上の前記絶縁膜を覆う前記遮光膜と前記溝
を埋める前記遮光膜とを互いに同じ層の膜で形成しても
よい。
【００１４】本願の発明による固体撮像素子の製造方法
は、前記電極上の前記絶縁膜を覆う前記遮光膜と前記溝
を埋める前記遮光膜とを互いに異なる層の膜で形成して
もよい。
【００１５】本願の発明による固体撮像素子では、電荷
転送用の電極上から各画素の受光部上に向かって遮光膜
が表面の平坦な斜面状に低くなっており、しかも、遮光
膜が電極の側面に沿っているので、遮光膜の反射率が高
ければ遮光膜によって周面の平坦な導波管が各画素に対
して形成されていて集光効率が高い。
【００１６】また、絶縁膜のうちで各画素上における凹
部が、互いに分離しているカラーフィルタで埋められて
いれば、このカラーフィルタに下凸状レンズの機能を持
たせることができるので、カラーフィルタ上のレンズを
不要にすることもできる。
【００１７】本願の発明による固体撮像素子の製造方法
では、電荷転送用の電極よりも上層の絶縁膜をプラズマ
ＣＶＤ法で形成しているので、このプラズマＣＶＤ法に
おける条件を選択することによって、電極上から受光部
上に向かって低くなって各画素に対応する逆四角錐状の
凹部を有しており段差が緩和されている絶縁膜を形成す
ることができる。
【００１８】更に、プラズマＣＶＤ法では水素を含有す
る絶縁膜を形成することができ、この絶縁膜を遮光膜よ
りも下層に形成しているので、水素を透過させない金属
膜等で遮光膜を形成しても、電荷転送用の電極下におけ
るゲート絶縁膜の水素化処理を容易に行うことができ
る。
【００１９】更に、段差が緩和されている絶縁膜のうち
で電極の側面に沿う部分に溝を形成し、電極上の絶縁膜
を覆うと共に溝を埋める遮光膜を形成していて、段差の
急峻な絶縁膜を覆う遮光膜を形成しているのではないの
で、段差被覆性の優れた遮光膜を形成することができ
る。このため、遮光膜に厚さの薄い部分が生じるのを防
止することができて、遮光膜を透過する光成分を抑制す
ることができる。
【００２０】しかも、遮光膜を金属膜で形成する場合
に、段差が緩和されている絶縁膜のうちで電極の側面に
沿う部分に溝を形成し、電極上の絶縁膜を覆うと共に溝
を埋める金属膜を形成する方が、段差の急峻な絶縁膜を
覆う金属膜を形成する方法よりも加工精度が高いので、
遮光膜のうちで受光部上の部分に形成する開口を少ない
ばらつきで加工することができる。
【００２１】また、電極上の絶縁膜を覆う遮光膜と溝を
埋める遮光膜とを互いに同じ層の膜で形成すれば、遮光
膜の形成工程が少なくてよい。一方、これらの遮光膜を
互いに異なる層の膜で形成すれば、材質が互いに異なる
膜をこれらの遮光膜に用いることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、ＣＣＤ固体撮像素子及びそ
の製造方法に適用した本願の発明の第１及び第２実施形
態を、図１、２を参照しながら説明する。図１が、第１
実施形態を示している。この第１実施形態のＣＣＤ固体
撮像素子を製造するためには、Ｓｉ基板１１にイオン注
入等で所望の不純物拡散層（図示せず）を形成した後、
ゲート絶縁膜としてのＳｉＯ2 膜１２を熱酸化やＣＶＤ
法等でＳｉ基板１１の表面に形成する。ゲート絶縁膜と
してＯＮＯ膜を形成してもよい。
【００２３】その後、多結晶Ｓｉ膜１３をＣＶＤ法で堆
積させ、電荷転送用の第１ゲート電極のパターンに多結
晶Ｓｉ膜１３を加工し、異なる層のゲート電極間の絶縁
膜（図示せず）を熱酸化等によって形成する。そして、
多結晶Ｓｉ膜１４をＣＶＤ法で堆積させ、電荷転送用の
第２ゲート電極のパターンに多結晶Ｓｉ膜１４を加工す
る。
【００２４】３層以上のゲート電極を形成する場合は、
更に、ゲート電極同士の間の絶縁膜の形成と多結晶Ｓｉ
膜の堆積及び加工とを繰り返す。その後、ＳｉＨ4 等を
原料とする常圧ＣＶＤ法やＴＥＯＳを原料とする減圧Ｃ
ＶＤ法等によって、層間絶縁膜としてのＳｉＯ2 膜１５
を形成する。このＳｉＯ2 膜１５は、多結晶Ｓｉ膜１
３、１４等の下地の凹凸に沿って形成される。なお、多
結晶Ｓｉ膜１３、１４に囲まれている部分が受光部１６
になる。
【００２５】次に、例えば、ＳｉＨ4 ／Ｏ2 ／Ａｒ＝７
５／１０１／２００ｓｃｃｍ、マイクロ波電力＝１８０
０Ｗ、高周波電力＝２６００Ｗ、圧力＝０．２Ｐａ、温
度＝２５０〜３５０℃で、且つ、上部電極と下部電極と
の間に印加するバイアス電圧を適正な値に選択したＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ法で、ＳｉＯ2 膜１７を堆積させる。
【００２６】この方法で形成するＳｉＯ2 膜１７は自己
平坦性が高いが、ＳｉＯ2 膜１７の表面が平坦になる前
に堆積を停止させるので、受光部１６の周囲の多結晶Ｓ
ｉ膜１３、１４上に底面の辺２１が位置しており底面の
頂点から受光部１６の中心へ向かって稜線２２が延びて
いる逆四角錐状の凹部２３が各画素に対応して形成され
る。
【００２７】なお、凹部２３は必ずしも逆四角錐状であ
る必要はなく、また、凹部２３が得られるのであれば、
上述の方法以外の方法でＳｉＯ2 膜１７を堆積させても
よい。また、所望の形状の凹部２３を得るためにＳｉＯ
2 膜１７が厚くなり過ぎる場合は、エッチバックでこの
形状を転写することによってＳｉＯ2 膜１７を薄くして
もよい。更に、ＳｉＯ2 膜１７の代わりにＳｉＮ膜を堆
積させてもよい。
【００２８】次に、ＳｉＯ2 膜１７のうちで多結晶Ｓｉ
膜１３、１４の側面に沿う部分にエッチングで溝２４を
形成し、Ａｌ膜やＷ膜やＣｕ膜等から成る遮光膜２５を
堆積させて、ＳｉＯ2 膜１７を遮光膜２５で覆うと共に
溝２４を遮光膜２５で埋める。そして、遮光膜２５をエ
ッチングして、この遮光膜２５のうちで受光部１６上の
部分に開口２６を形成する。
【００２９】なお、合わせ余裕分だけ開口２６が溝２４
よりも受光部１６の中心側に位置して遮光膜２５に庇部
が形成されるが、この庇部はＳｉ基板１１の表面から離
間している。このため、この庇部による光のけられが少
なく、この庇部のために感度が実質的に低下することは
ない。また、上述の方法では、単一層の遮光膜２５でＳ
ｉＯ2 膜１７を覆うと共に溝２４を埋めているが、溝２
４のみを遮光膜で埋めた後、別の層の遮光膜でＳｉＯ2
膜１７を覆ってもよい。
【００３０】ところで、プラズマＣＶＤ法で形成したＳ
ｉＯ2 膜１７には水素が多量に含有されているので、遮
光膜２５を堆積させる際の熱処理によってＳｉＯ2 膜１
７から水素が解離して、この水素でＳｉＯ2 膜１２の水
素化処理を行うことが可能である。
【００３１】その後、ＳｉＯ2 膜やＳｉＯＮ膜やＳｉＮ
膜等のパッシベーション膜２７をプラズマＣＶＤ法等で
形成し、各画素毎の色の配置に従って複数層になってい
るカラーフィルタ３１を形成し、更に、各画素に対応す
るレンズ３２を形成する。なお、上述の様に、ＳｉＯ2
膜１７から解離した水素でＳｉＯ2 膜１２の水素化処理
を行うことが可能であるので、パッシベーション膜２７
を必ずしもプラズマＣＶＤ法で形成する必要はない。
【００３２】図２が、第２実施形態を示している。この
第２実施形態のＣＣＤ固体撮像素子は、凹部２３が急傾
斜になる様にＳｉＯ2 膜１７の堆積条件が選択されてお
り、互いに分離しているカラーフィルタ３１で各画素の
凹部２３が埋められており、カラーフィルタ３１上には
レンズ３２が設けられていないことを除いて、図１に示
した第１実施形態のＣＣＤ固体撮像素子と実質的に同様
の構造を有している。
【００３３】この様な第２実施形態のＣＣＤ固体撮像素
子では、図２から明らかな様に、カラーフィルタ３１に
下凸状レンズの機能を持たせることができるので、上述
の様にカラーフィルタ３１上にはレンズ３２が設けられ
ていない。
【００３４】
【発明の効果】本願の発明による固体撮像素子では、遮
光膜の反射率が高ければ遮光膜によって周面の平坦な導
波管が各画素に対して形成されていて集光効率が高いの
で、固体撮像素子が小型／高密度でも感度が高い。
【００３５】また、絶縁膜のうちで各画素上における凹
部が、互いに分離しているカラーフィルタで埋められて
いれば、カラーフィルタ上のレンズを不要にすることも
できるので、画素毎のレンズ形状のばらつきによる画素
毎の感度のばらつきを抑制することができる。
【００３６】本願の発明による固体撮像素子の製造方法
では、電荷転送用の電極上から受光部上に向かって低く
なって各画素に対応する逆四角錐状の凹部を有しており
段差が緩和されている絶縁膜を形成することができるの
で、この絶縁膜上にレンズやカラーフィルタを形成して
も、これらを均一に加工することができて、画素毎の感
度や分光特性のばらつきが少ない固体撮像素子を製造す
ることができる。
【００３７】更に、水素を透過させにくい遮光膜を形成
しても、電荷転送用の電極下におけるゲート絶縁膜の水
素化処理を容易に行うことができるので、暗電流が少な
くて、ダーク画像の特性が優れた固体撮像素子を製造す
ることができる。
【００３８】更に、遮光膜に厚さの薄い部分が生じるの
を防止することができて、遮光膜を透過する光成分を抑
制することができるので、スミア及びクランプミスが少
ない固体撮像素子を製造することができる。
【００３９】しかも、遮光膜を金属膜で形成する場合
に、遮光膜のうちで受光部上の部分に形成する開口を少
ないばらつきで加工することができるので、感度のばら
つきが少ない固体撮像素子を製造することができる。
【００４０】また、電極上の絶縁膜を覆う遮光膜と溝を
埋める遮光膜とを互いに同じ層の膜で形成すれば、遮光
膜の形成工程が少なくてよいので、固体撮像素子を低コ
ストで製造することができる。
【００４１】一方、これらの遮光膜を互いに異なる層の
膜で形成すれば、材質が互いに異なる膜をこれらの遮光
膜に用いることができるので、配線をも同時に形成する
ことができる低抵抗の膜で電極上の絶縁膜を覆う遮光膜
を形成したり、埋め込み特性の優れた膜で溝を埋めたり
することができるので、特性の優れた固体撮像素子を高
い歩留りで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の第１実施形態によるＣＣＤ固体撮
像素子を示しており、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う
位置における拡大側断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本願の発明の第２実施形態によるＣＣＤ固体撮
像素子を示しており、図１（ａ）に対応する拡大側断面
図である。
【符号の説明】
１３、１４ 多結晶Ｓｉ膜（電荷転送用の電極） １
６ 受光部 １７ ＳｉＯ2 膜（絶縁膜） ２３ 凹部 ２
４ 溝 ２５ 遮光膜 ３１ カラーフィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−153932（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−34370（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−85960（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−175479（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/14 H01L 27/146 H01L 27/148

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電荷転送用の電極に囲まれている受光部
    を各画素が有している固体撮像素子において、 前記電極上から前記受光部上に向かって低くなって前記
    各画素に対応する逆四角錐状の凹部を有している絶縁膜
    が設けられており、 前記絶縁膜のうちで前記電極の側面に沿う部分に溝が設
    けられており、 遮光膜が前記電極上の前記絶縁膜を覆うと共に前記溝を
    埋めていることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項２】 互いに分離しているカラーフィルタで前
    記凹部が埋め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。
  3. 【請求項３】 電荷転送用の電極に囲まれている受光部
    を各画素が有している固体撮像素子の製造方法におい
    て、 前記電極上から前記受光部上に向かって低くなって前記
    各画素に対応する逆四角錐状の凹部を有する絶縁膜をプ
    ラズマＣＶＤ法で形成する工程と、 前記絶縁膜のうちで前記電極の側面に沿う部分に溝を形
    成する工程と、 前記電極上の前記絶縁膜を覆うと共に前記溝を埋める遮
    光膜を形成する工程とを具備することを特徴とする固体
    撮像素子の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記電極上の前記絶縁膜を覆う前記遮光
    膜と前記溝を埋める前記遮光膜とを互いに同じ層の膜で
    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。
  5. 【請求項５】 前記電極上の前記絶縁膜を覆う前記遮光
    膜と前記溝を埋める前記遮光膜とを互いに異なる層の膜
    で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。
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