JPH0750401A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＣＣＤ固体撮像素子におけるシェーディング
量の低減化及び歩留り向上を図る。 【構成】 複数の受光部が配列された撮像領域を備えた
固体撮像素子において、受光部３２の開口面積を、撮像
領域３４の中心より周辺に向って大とするように設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、ＣＣＤ固体撮像素子、特にそ
の撮像領域の一例を示す。このＣＣＤ固体撮像素子１
は、例えばシリコンの半導体基板２の第１導電形例えば
Ｐ形のウエル領域３内に受光部４を構成する第２導電形
即ちＮ形の不純物拡散領域７と垂直転送レジスタ５を構
成するＮ形転送チャネル領域８並びにＰ形のチャネルス
トップ領域９が形成される。

【０００３】ここで、Ｎ形の不純物拡散領域７とＰ形ウ
エル領域３とのＰＮ接合ｊによるフォトダイオードＰＤ
によって受光部（光電変換部）４が構成される。この受
光部４は画素に対応して形成される。

【０００４】そして、垂直転送レジスタを構成する転送
チャネル領域８、チャネルストップ領域９及び読み出し
ゲート部６上に例えばＳｉＯ₂ 等のゲート絶縁膜１０を
介して多結晶シリコンからなる転送電極１１が形成さ
れ、転送チャネル領域８、ゲート絶縁膜１０及び転送電
極１１によりＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ５が構成さ
れる。

【０００５】転送電極１１を含む全面に層間絶縁膜１２
が形成され、更に受光部４を除く他部上に上記層間絶縁
膜１２を介して例えばＡｌ遮光膜１３が選択的に形成さ
れる。１３ａは、受光部４側に一部延長するＡｌ遮光膜
１３のはり出し部である。

【０００６】このＡｌ遮光膜１３を含む全面上に平坦化
膜１４、カラーフィルタ層（図示せず）等が順次形成さ
れ、更にカラーフィルタ層上の受光部５に対応する位置
にオンチップマイクロレンズ１５が形成される。

【０００７】受光部４の開口４ａは、いわゆるＡｌ遮光
膜１３の開口に相当するものであり、遮光膜１３となる
Ａｌ膜を形成したのち、このＡｌ膜の受光部４に対応し
た部分を、フォトリソグラフィ技術を用いて選択的にエ
ッチング除去することによって形成される。

【０００８】図１２及び図１３は従来のＣＣＤ固体撮像
素子の撮像領域を模式的に示した平面図及び断面図であ
る。同図中、図１１と対応する部分には同一符号を付
す。この撮像領域では、複数の受光部４がマトリックス
状に配列され、各受光部列の一側に垂直転送レジスタ５
が形成されて成り、各受光部４に対応するようにオンチ
ップマイクロレンズ１５が形成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＣＤ固体
撮像素子の小型化に伴い、図１３で示すレンズ後面から
開口絞り１７までの射出瞳距離Ｓは短くなる。これによ
り、撮像領域の周辺側の受光部４への集光位置、即ちオ
ンチップマイクロレンズ１５の焦点１９が図１２及び図
１３に示すように開口中心からずれてしまい、入射光の
一部がＡｌ遮光膜１３の縁でけられる（いわゆる遮ら
れ）。この結果、周辺の受光部４での入射光量が減少
し、図１４の射出瞳１３．５ｍｍ／Ｆ１６における感度
のチップ内分布図からも判るように、シェーディング量
が増加し、これは歩留り低減の原因の１つとなってい
る。

【００１０】一方、受光部４の開口４ａは、従来、図１
５に示すような方形のマスクパターン２１を有する露光
用マスク２２を用いて遮光膜１３となるべきＡｌ膜上に
被着したフォトレジスト層をパターニングし、パターニ
ングされたフォトレジスト層をマスクに選択エッチング
して形成される。

【００１１】しかし乍ら、ＣＣＤ固体撮像素子の小型化
に伴い、方形マスクパターン２１を有する光学マスク２
２を用いた場合、方形マスクパターン２１の角部に対応
する部分が充分露光されないため、受光部４の開口４ａ
（即ちＡｌ遮光膜１３の開口部）が設計時の方形とは異
なって、図１６及び図１７に示すように、楕円形とな
る。このため受光面積が減少し、感度が低下する。

【００１２】即ち、受光部４の開口４ａが楕円形となる
ことによって、図１７及び図１８に示すように、撮像領
域の周辺部ではオンチップマイクロレンズ１５の焦点１
９が開口４ａの中心より大きくずれ、入射光の一部がＡ
ｌ遮光膜１３でけられて入射光量が減少する。

【００１３】尚、図１６において、４は受光部、５は垂
直転送レジスタ、１１〔１１Ａ，１１Ｂ〕は多結晶シリ
コンによる転送電極である。

【００１４】図１９は、受光部４の開口４ａとオンチッ
プマイクロレンズ１５の形状の例を示す。受光部４の列
の１側に読み出しゲート部６を介してＣＣＤ構造の垂直
転送レジスタ５が設けられ、開口４ａを除く他部全面に
破線で示すＡｌ遮光膜１３が形成される。開口４ａは四
角形で角がとれた縦長形状をなしている。これに対し、
集光率を高めるためのオンチップマイクロレンズ１５
は、従来四角形であったのを、四隅の曲率を換えて円形
に近い形状としてスミアの低減を図っている。

【００１５】しかし、受光部４の縦長方形の開口に対し
オンチップマイクロレンズ１５は円形に近い形状である
ため、開口４ａの水平方向Ｈでオンチップマイクロレン
ズ１５によって集光した入射光がＡｌ遮光膜１３でけら
れ、入射光量が減少して感度が低下してしまう。

【００１６】マイクロレンズ１５に対する入射光は、図
２０Ａ，図２１Ａの対物レンズ２４の絞り径（Ｆ値）即
ち開口絞り１７の絞り径Ｄ〔Ｄ₁ ，Ｄ₂ 〕によってその
入射角度成分が変化する。例えば図２１Ａ，Ｂに示すよ
うに、Ｆ値を絞った状態では、オンチップマイクロレン
ズ１５に平行光Ｌ₁ が入射し、受光部４に光を集光する
ことができる。しかし、Ｆ値開放側では、図２０Ａ，Ｂ
に示すように、オンチップマイクロレンズ１５に斜め光
Ｌ₂ が入射し、Ａｌ遮光膜１３によりけられが生じ、Ｆ
値を絞ったときよりも感度が低下し、図２２の曲線Ｉの
ような感度特性を示す。さらに斜め光Ｌ₂ がＡｌ遮光膜
１３のはり出し部１３Ａ下に入り込んだ場合には、はり
出し部１３Ａとシリコン基板２間で多重反射を繰り返
し、垂直転送レジスタ５に直接洩れ込み、スミア成分の
増加につながり、図２３の曲線IIに示すスミア特性を示
す。

【００１７】本発明は、上述の点に鑑み、感度の向上を
図った固体撮像素子及びその製造方法を提供するもので
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の受光部
３２が配列された撮像領域３４を備えた固体撮像素子に
おいて、受光部３２の開口面積を撮像領域３４の中心よ
り周辺が大となるように設定して構成する。

【００１９】この場合、撮像領域３４上に設けられたマ
イクロレンズ３６の焦点５６が受光部３２の開口３２ａ
内に入るように周辺の受光部３２の開口３２ａを大に形
成する。

【００２０】本発明は、複数の受光部３２が配列された
撮像領域３４を備えた固体撮像素子において、受光部３
２の開口３２ａを撮像領域３４上のマイクロレンズ３６
の形状に近い形状に形成して構成する。

【００２１】本発明は、複数の受光部３２が配列された
撮像領域３４を備えた固体撮像素子の製造方法におい
て、四隅部が膨出した形状のマスクパターン６０を有す
る露光用マスク６１を用いて方形状のレジストマスク６
６を形成し、該レジストマスク６６を介して遮光膜３５
を選択エッチングし、受光部の開口を方形状に形成す
る。

【００２２】

【作用】本発明に係る固体撮像素子においては、受光部
３２の開口面積を撮像領域３４の中心より周辺が大とな
るように設定することにより、周辺の受光部３２での入
射光の遮光膜３５によるけられが減少し、撮像領域３４
の中心と周辺との受光部３２の入射光量差を減少し、可
及的に同等にすることができる。これによって、シェー
ディング量が低減し、歩留りの向上が図れる。

【００２３】ここで、周辺の受光部３２では、撮像領域
３４上に設けられているマイクロレンズ３６の焦点５６
が開口３２ａ内に入るように開口３２を大にすることに
より、周辺での入射光量が十分に得られ、中心の受光部
３２の入射光量と同等とすることができる。

【００２４】また、本発明に係る固体撮像素子において
は、その受光部３２の開口を撮像領域３４上のマイクロ
レンズ３６の形状に近い形状とすることにより、従来よ
り受光面積が広くなり、入射光のけられが減少し、感度
の向上が図れる。

【００２５】本発明に係る固体撮像素子の製造方法にお
いては、選択エッチングにより受光部３２の開口３２ａ
を形成するに際し、その露光用マスク６１のマスクパタ
ーン６０として、四隅部が膨出するようなマスクパター
ンを用いて選択エッチングすることにより、各部が充分
露光され方形状の開口３２ａが形成される。従って、従
来の方形状マスクパターン２１の露光用マスク２２を用
いて形成される開口４ａに比べて開口面積が増大し、感
度向上が図れる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００２７】図１〜図３は、本発明のＣＣＤ固体撮像素
子特にその撮像領域の一例を示す。本例のＣＣＤ固体撮
像素子３１は、複数の受光部３２がマトリックス状に配
列され、各受光部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジ
スタ３３（図１では図示せず）が形成された撮像領域３
４を有して成る。この撮像領域３４では受光部３２以外
の領域上に例えばＡｌ等からなる遮光膜３５が形成さ
れ、この遮光膜３５のパターニングによって受光部３２
における例えば四角形状の開口３２ａが形成される。こ
の撮像領域３４上に平坦化膜及びカラーフィルタ層を介
して各受光部３４に対応するように、オンチップマイク
ロレンズ３６が形成される。

【００２８】図３は受光部及び垂直転送レジスタの拡大
断面図である。３７は第１導電形例えばＮ形のシリコン
基板、３８は第２導電形即ちＰ形の第１ウエル領域を示
す。この第１のＰ形ウエル領域３８内に、Ｎ形の不純物
拡散領域３９と、垂直転送レジスタ３３を構成するＮ形
転送チャネル領域４０並びにＰ形のチャネルストップ領
域４１が形成され、上記Ｎ形の不純物拡散領域３９上に
Ｐ形の正電荷蓄積領域４２が、Ｎ形の転送チャネル領域
４０の直下に第２のＰ形ウエル領域４３が夫々形成され
る。

【００２９】ここで、Ｎ形の不純物拡散領域３９とＰ形
ウエル領域３８とのＰＮ接合ｊによるフォトダイオード
ＰＤによって受光部（光電変換部）３２が構成される。
この受光部３２が画素に対応して形成される。

【００３０】そして、垂直転送レジスタ３３を構成する
転送チャネル領域４０、チャネルストップ領域４１及び
後述する読み出しゲート部４４上にＳｉＯ₂ 膜４６を介
してＳｉＮ膜４７が積層される。このＳｉＯ₂ 膜４６及
びＳｉＮ膜４７による２層構造のゲート絶縁膜４８上に
多結晶シリコンからなる転送電極４９が形成され、転送
チャネル領域４０、ゲート絶縁膜４８及び転送電極４９
によりＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３３が構成され
る。

【００３１】転送電極４９の表面にはＳｉＯ₂ 膜５０が
形成され、この転送電極４９及び受光部３２の正電荷蓄
積領域４２上を含む全面に、例えばＰＳＧ（リンシリケ
ートガラス）からなる層間絶縁膜５１が積層され、更に
転送電極４９上に層間絶縁膜５１を介してＡｌ遮光膜３
５が選択的に形成される。３５Ａは、受光部３２側に一
部延長するＡｌ遮光膜３５のはり出し部である。

【００３２】Ａｌ遮光膜３５は、全面Ａｌ膜を形成した
後、受光部３２に対応する部分をフォトリソグラフィ技
術を用いて選択的にエッチング除去して形成される。こ
のエッチング除去された部分が受光部３２の開口３２ａ
となる。

【００３３】そして、このＡｌ遮光膜３５を含む全面上
に例えばプラズマＳｉＮ膜５３及び平坦化膜５４が順次
形成される。この平坦化膜５４上にカラーフィルタ層５
５が形成され、更にカラーフィルタ層５５上の受光部３
２に対応する位置にオンチップマイクロレンズ３６が形
成される。

【００３４】転送電極４９は、垂直転送レジスタ３３と
受光部３２間に延長形成され、ここにおいて、読み出し
ゲート部４４が構成される。

【００３５】しかして本例においては、図１及び図２に
示すように、受光部３２の開口面積を撮像領域３４の中
心部より周辺部に向かって大きくする。つまり、入射光
を集光するオンチップマイクロレンズ３６の焦点５６が
受光部３２の開口３２ａ内に入るように、その開口面積
を周辺部に向かって大きくする。

【００３６】この場合、受光部３２の開口面積は、中心
部より周辺部に向かって徐々に段階的に又は連続的に大
きくすることができ、或は周辺部又はその近傍部の受光
部３２の開口面積を中心部のそれより大きくすることが
できる。

【００３７】ここでは、Ａｌ遮光膜３５の開口３２ａを
広げて受光部３２の開口面積を大きくすることであり、
その他の垂直転送レジスタ３３、受光部３２、半導体基
板５８側の各領域〔３９，４０，４１，４２等〕、オン
チップマイクロレンズ３６の位置関係は従来と変わらな
い。

【００３８】上述の構成によれば、撮像領域３４におけ
る受光部３２の開口面積を中心から周辺に向かって大に
し、いずれの位置の受光部３２においても、開口３２ａ
内にて焦点５６が結ぶように入射光Ｌ₀ が集光すること
により、周辺の受光部３２での入射光Ｌ₀ のけられが減
少し、撮像領域３４の中心部と周辺部との受光部３２の
入射光量差を減少させ、可及的に入射光量を同等にする
ことができ、シェーディング量の低減、歩留りの向上を
図ることができる。

【００３９】従って、図２に示すように、固体撮像素子
の小型化に伴いレンズ後面から開口絞り５７までの射出
瞳距離Ｓが短くなっても、信頼性の高い固体撮像素子が
得られる。

【００４０】次に、図４〜図８を参照して受光部３２の
開口３２ａを平面的にみて方形状に形成するための本発
明に係る製造方法を説明する。

【００４１】本例においては、受光部３２の開口３２ａ
を形成するための露光用マスク（光学用マスク）とし
て、例えば図４に示すように、縦長四角形状の四隅部が
夫々例えば上辺、下辺に対して４５°の方向で外方に膨
出する（図示の例は４つの角部が小さい四角形状で膨出
する）マスクパターン６０を有する露光用マスク６１を
用意する。

【００４２】そして、図８Ａに示すように受光部３２及
び垂直転送レジスタ３３を有する撮像領域３４を形成し
た半導体基板５８上の全面にわたって遮光膜となるＡｌ
膜３５ｍを被着形成する。このＡｌ膜３５ｍ上にフォト
レジスト層６５を形成した後、図４の露光用マスク６１
を用いてフォトレジスト層６５を露光（６７）する。

【００４３】次いで、現像処理して図８Ｂに示すエッチ
ング用マスクとなるレジストマスク６６を形成する。こ
のレジストマスク６６の開口６６ａは、方形状、この例
では縦長四角形状となる。

【００４４】次に、図８Ｃに示すように、レジストマス
ク６６を介してＡｌ膜３５ｍを選択的にエッチング除去
し、Ａｌ遮光膜３５を形成すると共に、受光部３２の開
口３２ａを形成する。

【００４５】これにより、図６に示すように、各受光部
３２に対応して方形状の開口３２ａが形成される。な
お、同図において、３３は垂直転送レジスタ、４９〔４
９Ａ，４９Ｂ〕は多結晶シリコンからなる転送電極であ
る。

【００４６】上述の製法によれば、図４に示すマスクパ
ターン６０を有する露光用マスク６１を用いてフォトレ
ジスト層６５を露光するので、隅部での露光が充分に行
われ、結果として方形状の開口パターンを有するレジス
トマスク６６が形成できる。次いで、このレジストマス
ク６６を介して選択エッチングすることにより、Ａｌ遮
光膜３５に方形状の開口（即ち受光部の開口）３２ａを
形成することができる。

【００４７】このようにして、図６及び図７に示すよう
に、ＣＣＤ固体撮像素子における受光部３２の開口３２
ａを方形状に形成できることから、図１５の方形状マス
クパターン２１を有する露光用マスク２２を用いたとき
の図１６に示す楕円状開口４ａに比べて開口面積が大き
くなり、入射光量が増加して感度を向上させることがで
きる。

【００４８】なお、露光用マスクとしては図５に示すよ
うに、四隅部が水平方向に膨出するような形状のマスク
パターン６２を有する露光用マスク６３を用いることも
できる。この場合も隅部の露光が充分に行え、方形状の
開口３２ａをパターニングすることが可能となる。

【００４９】図９は、本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子
の他の実施例を示す。本例においては、受光部３２の開
口３２ａを、撮像領域３４上のオンチップマイクロレン
ズ３６の形状（即ち丸形）に近い形状となるように、従
来の方形状開口に外接するような丸い形状に形成する。
斜線で示す領域がＡｌ遮光膜３５である。

【００５０】この構成によれば、受光部３２の開口３２
ａが従来の縦長方形状に比べて水平方向Ｈへ広がり、開
口面積が拡がる。このため、感度、スミアのＦ値依存特
性が改善される。即ち、図２０に示したようなＦ値開放
側でオンチップマイクロレンズ３６によって集光された
光のうち、従来、Ａｌ遮光膜でけられていた入射光成分
が受光部３２内に集光されるため、受光部３２内への入
射光量が増加し、これに基づく光電変換される電荷量の
増加によって感度の向上を図ることができる。

【００５１】ここで、受光部３２の開口端と垂直転送レ
ジスタ３３間の距離が短くなるのでシリコン基板−Ａｌ
遮光膜のはり出し部間の多重反射によるスミア成分の増
加が考えられるが、しかし、感度向上に比べるとスミア
成分は問題ない。

【００５２】スミアについては、感度との比で表現する
ため、スミア成分が増加せずに感度が増加すれば、或は
スミア成分が増えるも感度の方がより増加すれば、相対
的にスミアは低減される。その結果、全ての絞り位置に
おいて感度、スミアを一定に保つことができ、理想的な
特性に更に近づけることができる。

【００５３】尚、図９では受光部３２の開口３２ａを丸
い形状としたが多角形状にすることもできる。

【００５４】さらに、図１０に示すように、受光部３２
の形状も、Ａｌ遮光膜３５の開口（つまり受光部３２の
開口）３２ａと同じような丸い形状、あるいはそれに近
い多角形にすることができ、この構成により、前記のス
ミア問題が防げたり、さらなる感度の向上が図れる。

【００５５】上述した本発明に係る固体撮像素子は、い
わゆるＦＩＴ（フレームインターライントランスファ）
型、ＩＴ（インターライントランスファ）型のＣＣＤ固
体撮像素子に適用することができる。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、撮像領域における中心
部と周辺部との受光部への入射光を同等にすることがで
き、シェーディング量の低減、歩留りの向上を図ること
ができる。

【００５７】また、本発明によれば、感度、スミアのＦ
値依存特性が改善され、全ての絞り位置において感度、
スミアを一定に保つことができる。

【００５８】さらに、本発明の製法によれば、受光部に
おいて方形状の開口を形成することができ、従来に比し
て開口面積が広がり、固体撮像素子の感度をより向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す
模式的な平面図である。

【図２】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す
断面図である。

【図３】図２の拡大断面図である。

【図４】本発明に係る露光用マスクの一例を示す平面図
である。

【図５】本発明に係る露光用マスクの他の例を示す平面
図である。

【図６】本発明に係る製法で得られたＣＣＤ固体撮像素
子の平面図である。

【図７】図６のＣＣＤ固体撮像素子の模式的平面図であ
る。

【図８】Ａ 本発明に係る固体撮像素子の製法の工程図
である。 Ｂ 本発明に係る固体撮像素子の製法の工程図である。 Ｃ 本発明に係る固体撮像素子の製法の工程図である。

【図９】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の他の例を示
す要部の平面図である。

【図１０】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の他の例を
示す要部の平面図である。

【図１１】従来に係るＣＣＤ固体撮像素子の説明に供す
る拡大断面図である。

【図１２】従来に係るＣＣＤ固体撮像素子の模式的な平
面図である。

【図１３】従来に係るＣＣＤ固体撮像素子の断面図であ
る。

【図１４】従来のＣＣＤ固体撮像素子に係る感度のチッ
プ内分布図である。

【図１５】従来例に係る露光用マスクの平面図である。

【図１６】図１５の露光用マスクを用いて作製したＣＣ
Ｄ固体撮像素子の平面図である。

【図１７】図１６のＣＣＤ固体撮像素子の模式的平面図
である。

【図１８】図１７のＣＣＤ固体撮像素子の断面図であ
る。

【図１９】ＣＣＤ固体撮像素子の参考例の要部の平面図
である。

【図２０】Ａ ＣＣＤ固体撮像素子の説明に供するＦ値
開放時の説明図である。 Ｂ その拡大断面図である。

【図２１】Ａ ＣＣＤ固体撮像素子の説明に供するＦ値
を絞ったときの説明図である。 Ｂ その拡大断面図である。

【図２２】従来のＣＣＤ固体撮像素子の感度−Ｆ値の特
性図である。

【図２３】従来のＣＣＤ固体撮像素子のスミア−Ｆ値の
特性図である。

【符号の説明】

３１ ＣＣＤ固体撮像素子 ３２，４ 受光部 ３２ａ，４ａ 開口 ３３ 垂直転送レジスタ ３４ 撮像領域 ３５，１３ Ａｌ遮光膜 ３６，１５ オンチップマイクロレンズ ３７ Ｎ形シリコン基板 ３８ 第１のＰ形ウエル領域 ３９ Ｎ形不純物拡散領域 ４０ Ｎ形転送チャネル領域 ４１ チャネルストップ領域 ４２ 正電荷蓄積領域 ４３ 第２のＰ形ウエル領域 ４４ 読み出しゲート部 ４８ ゲート絶縁膜 ４９ 転送電極 ５６，１９ 焦点 ６２，６０ マスクパターン ６３，６１ 露光用マスク ６５ フォトレジスト層 ６６ レジストマスク ６６ａ 開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若山 利明 鹿児島県国分市野口北５−１ ソニー国分 セミコンダクタ株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の受光部が配列された撮像領域を備
   えた固体撮像素子において、 上記受光部の開口面積が上記撮像領域の中心より周辺を
   大とするように設定されて成ることを特徴とする固体撮
   像素子。
2. 【請求項２】 上記撮像領域上に設けられたマイクロレ
   ンズの焦点が上記受光部の開口内に入ることを特徴とす
   る請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 複数の受光部が配列された撮像領域を備
   えた固体撮像素子において、 上記受光部の開口が上記撮像領域上のマイクロレンズの
   形状に近い形状であることを特徴とする固体撮像素子。
4. 【請求項４】 複数の受光部が配列された撮像領域を備
   えた固体撮像素子の製造方法において、 四隅部が膨出した形状のマスクパターンを有する露光用
   マスクを用いて方形状のレジストマスクを形成し、該レ
   ジストマスクを介して遮光膜を選択エッチングし、上記
   受光部の開口を方形状に形成することを特徴とする固体
   撮像素子の製造方法。