JP2005064198A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、光信号を電気信号に光電変換する受光素子を備えたイメージセンサ等に適用して好適な半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device suitable for application to an image sensor or the like provided with a light receiving element that photoelectrically converts an optical signal into an electric signal and a manufacturing method thereof.
従来から、半導体基板に設けられた複数の受光素子と、この受光素子を覆うように半導体基板上に設けられた保護膜と、個々の受光素子上方の保護膜上にそれぞれ設けられたマイクロレンズ等、から構成されるイメージセンサ(固体撮像装置とも呼ばれる)が知られている(例えば、特許文献1、2参照。)。
受光素子とは、光信号を電気信号に光電変換する素子のことであり、pn接合や、pin接合を有する不純物拡散層等で構成されるものである。また、保護膜は、例えばシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜等の絶縁性の膜である。この保護膜によって、受光素子は、外気や水分、Na+等の不純物から保護されている。マイクロレンズは、ここに入射した光の多くを受光素子に集めることができるように設計されている。
Conventionally, a plurality of light receiving elements provided on a semiconductor substrate, a protective film provided on the semiconductor substrate so as to cover the light receiving elements, a microlens provided on a protective film above each light receiving element, etc. Are known (refer to
The light receiving element is an element that photoelectrically converts an optical signal into an electric signal, and includes a pn junction, an impurity diffusion layer having a pin junction, and the like. The protective film is an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film. With this protective film, the light receiving element is protected from impurities such as outside air, moisture, and Na + . The microlens is designed so that most of the light incident thereon can be collected in the light receiving element.
このようなイメージセンサでは、外界からマイクロレンズに光が入射し、入射した光の多くは所定の角度だけ屈折して保護膜に入る。そして、光は、この保護膜を通って受光素子に入射するようになっている。また、この種のイメージセンサでは、通常、受光素子以外への光の入射を防ぐために、受光素子周辺の半導体基板の上方に、遮光膜が設けられている。例えば、特許文献1には、半導体基板に対して平行な遮光膜が開示されている。また、特許文献2には、半導体基板に対して階段状の遮光膜が開示されている。これらの遮光膜は、アルミ(Al)からなるものである。
In such an image sensor, light enters the microlens from the outside, and most of the incident light is refracted by a predetermined angle and enters the protective film. The light is incident on the light receiving element through the protective film. In this type of image sensor, a light shielding film is usually provided above a semiconductor substrate around the light receiving element in order to prevent light from entering other than the light receiving element. For example,
これは、受光素子以外の半導体基板に光が入射してしまうと、この入射した光によって意図しない光電変換が起こり、イメージセンサにおけるノイズとして検出されてしまう可能性があるためである。このノイズを低減するために、受光素子以外への光の入射を遮光膜で防ぐように工夫されている。
ところで、従来例に係るイメージセンサによれば、マイクロレンズに入射した光の多くは所定の角度だけ屈折して保護膜に入り、その後、この保護膜を通って受光素子に入射するようになっている。
しかしながら、マイクロレンズに入射した光の一部は、光の入射角と、マイクロレンズの屈折率との関係によって受光素子に集光されず、受光素子周辺のアルミからなる遮光膜に入射してしまうことが多い。また、その他にも、マイクロレンズに入射した光の一部は、受光素子に入射する前に保護膜内で散乱してしまい、受光素子ではなく、この受光素子周辺の遮光膜に入射してしまうこともある。
By the way, according to the conventional image sensor, most of the light incident on the micro lens is refracted by a predetermined angle and enters the protective film, and then enters the light receiving element through the protective film. Yes.
However, a part of the light incident on the microlens is not condensed on the light receiving element due to the relationship between the incident angle of the light and the refractive index of the microlens, and is incident on the light shielding film made of aluminum around the light receiving element. There are many cases. In addition, a part of the light incident on the microlens is scattered in the protective film before entering the light receiving element, and is incident not on the light receiving element but on the light shielding film around the light receiving element. Sometimes.
そして、このように、マイクロレンズに入射した光が受光素子への本来の入射コースから外れて、半導体基板に対して平行な、または階段状の遮光膜に入射してしまうと、この遮光膜に入射した光の多くはマイクロレンズ側に反射されてしまい受光素子に集まらないという問題があった。
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、受光領域への集光効率を向上できるようにした半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
In this way, when the light incident on the microlens deviates from the original incident course to the light receiving element and enters the light shielding film parallel to the semiconductor substrate or stepped, the light shielding film There is a problem that most of the incident light is reflected to the microlens side and does not collect in the light receiving element.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can improve the light collection efficiency to the light receiving region.
上記した課題を解決するために、本発明に係る第1の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、且つ光電変換を行う受光領域と、前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に設けられた絶縁性の保護膜と、前記保護膜内に設けられ、且つ前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段と、を備えたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a first semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a light receiving region provided on the semiconductor substrate and performing photoelectric conversion, and the semiconductor substrate so as to cover the light receiving region. An insulating protective film provided on the upper surface, and light that is provided in the protective film and that travels toward the semiconductor substrate around the light receiving region from the upper side of the light receiving region is reflected toward the light receiving region. And a reflecting means.
また、本発明に係る第2の半導体装置は、上述した第1の半導体装置において、前記反射手段は、金属膜からなり、前記保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜していることを特徴とするものである。
ここで、受光領域の縁部上とは、受光領域の縁部の上面、又は、受光領域の縁部の上方であって当該縁部の上面から離れた保護膜内の部位のことである。また、金属膜とは、例えばアルミ(Al)からなる膜のことである。
The second semiconductor device according to the present invention is the above-described first semiconductor device, wherein the reflecting means is made of a metal film, and the protective film has an upper surface side closer to the light receiving region than the protective film. And is inclined in a direction away from the light receiving region.
Here, the term “on the edge of the light receiving region” refers to the upper surface of the edge of the light receiving region or a portion in the protective film that is above the edge of the light receiving region and is away from the upper surface of the edge. The metal film is a film made of, for example, aluminum (Al).
本発明に係る第3の半導体装置は、上述した第2の半導体装置において、前記保護膜は、前記半導体基板上に設けられて前記受光領域上に開口部を有する第1保護膜と、前記開口部を埋め込むようにして前記受光領域上と前記第1保護膜上とに設けられた第2保護膜とからなり、前記開口部の内壁は、前記第1保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記第1保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜した斜面を有し、前記内壁の前記斜面に前記金属膜が設けられていることを特徴とするものである。 A third semiconductor device according to the present invention is the above-described second semiconductor device, wherein the protective film is provided on the semiconductor substrate and has an opening on the light receiving region, and the opening. A second protective film provided on the light receiving region and the first protective film so as to be embedded, and the inner wall of the opening is close to the light receiving region on the upper surface side of the first protective film It has a slope inclined in a direction away from the light receiving region along the first protective film as compared with the side, and the metal film is provided on the slope of the inner wall.
本発明に係る第1〜第3の半導体装置によれば、受光領域への本来の入射コースから外れて、絶縁性の保護膜に入射してしまうような光の少なくとも一部を、金属膜等からなる反射手段によって受光領域側へ反射させることができるので、受光領域への集光効率を高めることができる。
本発明に係る第4の半導体装置は、上述した第1〜第3の半導体装置において、前記受光領域の上方であって前記保護膜上に設けられたレンズ体を備え、前記レンズ体は、外界から当該レンズ体に入射する光を前記受光領域に向けて屈折させる機能を有することを特徴とするものである。
According to the first to third semiconductor devices according to the present invention, at least a part of the light that falls off the original incident course to the light receiving region and enters the insulating protective film is used as a metal film or the like. Since it can be reflected to the light receiving area side by the reflecting means comprising, the light collection efficiency to the light receiving area can be increased.
A fourth semiconductor device according to the present invention includes the lens body provided above the light receiving region and on the protective film in the first to third semiconductor devices described above, and the lens body has an external environment. From the above, it has a function of refracting light incident on the lens body toward the light receiving region.
本発明に係る第4の半導体装置によれば、レンズ体に入射した光は保護膜に入る前に受光領域に向けて屈折するので、受光領域への集光効率をより一層高めることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に光電変換を行うための受光領域を形成する工程と、前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に絶縁性の保護膜を形成する工程と、前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段を前記保護膜内に形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
According to the fourth semiconductor device of the present invention, since the light incident on the lens body is refracted toward the light receiving region before entering the protective film, the light collection efficiency to the light receiving region can be further enhanced.
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a light receiving region for performing photoelectric conversion on a semiconductor substrate, and a step of forming an insulating protective film on the semiconductor substrate so as to cover the light receiving region. And forming a reflection means in the protective film for reflecting the light traveling from the upper side of the light receiving region toward the semiconductor substrate around the light receiving region to the light receiving region side. Is.
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、受光領域への本来の入射コースから外れて絶縁性の保護膜に入射してしまうような光の少なくとも一部を、受光領域側へ反射させることが可能なイメージセンサを製造することができ、受光領域への集光効率の向上に貢献することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, at least a part of the light that falls off the original incident course to the light receiving region and enters the insulating protective film is reflected to the light receiving region side. Therefore, it is possible to manufacture an image sensor that can perform the above-described process and contribute to the improvement of the light collection efficiency to the light receiving region.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の構成例を示す断面図である。
図1において、1はシリコン基板、3は受光素子、5はシリコン酸化膜、7はシリコン窒化膜、9は層間絶縁膜、10は受光用の開口部(以下で、受光開口部という)、11は反射膜、13はパッシベーション、15はマイクロレンズである。この半導体装置100は、光信号を電気信号に光電変換する受光素子3と、MOSトランジスタ等(図示せず)とを同一のシリコン基板1に混載したイメージセンサである。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a
In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 3 is a light receiving element, 5 is a silicon oxide film, 7 is a silicon nitride film, 9 is an interlayer insulating film, 10 is a light receiving opening (hereinafter referred to as a light receiving opening), 11 Is a reflective film, 13 is a passivation, and 15 is a microlens. The
図1に示すように、受光素子3はシリコン基板1の表層に設けられている。この受光素子3は、光信号を電気信号に光電変換する素子であり、例えば、pn接合や、pin接合を有する不純物拡散層等で構成されている。
また、シリコン酸化膜5と、シリコン窒化膜7は、この受光素子3を囲む周辺領域のシリコン基板1上に設けられている。シリコン窒化膜7は、受光素子3上に受光開口部10を形成する際に、受光素子3へのオーバエッチングを防止するために使用される膜である。この点については、後で図3(C)を参照しながら説明する。
As shown in FIG. 1, the
The
さらに、このシリコン窒化膜7上に層間絶縁膜9が設けられている。図1に示すように、この層間絶縁膜9の受光素子3に面する側壁は、層間絶縁膜9の上面側が受光素子3に近い側に比べて層間絶縁膜9に沿ってその受光素子3から離れる方向に傾斜した斜面となっている。半導体装置100では、この層間絶縁膜9の側壁と、シリコン窒化膜7の側壁と、シリコン酸化膜5の側壁とによって、椀型の受光開口部10が画定されている。この層間絶縁膜9は、例えばシリコン酸化膜からなるものである。
Further, an interlayer
また、反射膜11は、層間絶縁膜9上から、この層間絶縁膜9の側壁にかけて連続して設けられている。この反射膜11は、光をほとんど吸収することなく良好に反射するような膜からなるものであり、例えばアルミ等の金属膜からなるものである。さらに、パッシベーション13は、この反射膜11と、受光素子3とを覆うようにシリコン基板1上に設けられている。このパッシベーション13によって、受光開口部10は埋め込まれている。図1に示すように、このパッシベーション13の上面は、CMP(chemical mechanical polish)技術等によって平坦化されている。
The
また、マイクロレンズ15は、受光素子3の上方であって、平坦化されたパッシベーション13の上面に設けられている。このマイクロレンズ15は、外界からマイクロレンズ15に入射する光を、受光素子3に向けて屈折させる機能を有している。
本発明に係る半導体装置100によれば、反射膜11は、層間絶縁膜9の上面側が受光素子3に近い側に比べて層間絶縁膜9に沿ってその受光素子3から離れる方向に傾斜している。従って、図2に示すように、受光素子3への本来の入射コースから外れて、層間絶縁膜9に入射してしまうような光20の少なくとも一部を、この反射膜11によって受光素子3側へ反射させることができる。これにより、従来方式と比べて、受光素子3へより多くの光を集めることができ、集光効率を高めることができる。
The
According to the
図3(A)〜図4(C)は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の製造方法(その1、2)を示す工程図である。次に、上述した半導体装置100の製造方法について説明する。
まず始めに、図3(A)に示すように、シリコン基板1に受光素子3を形成する。この受光素子3の形成は、周知のフォトリソグラフィ技術及びイオン注入技術を用いて行う。次に、この受光素子3を形成したシリコン基板1上にシリコン酸化膜5を形成し、さらに、このシリコン酸化膜5上にシリコン窒化膜7を形成する。これらのシリコン酸化膜5及びシリコン窒化膜7の形成は、例えば、周知のCVD(chemical vapor deposition)技術を用いて行う。そして、図3(B)に示すように、このシリコン窒化膜7上に、CVD技術を用いてシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜9を形成する。なお、この層間絶縁膜9を形成する前に、周知のCMOSプロセスを用いてシリコン基板1にMOSトランジスタ等(図示せず)を形成しておく。
3A to 4C are process diagrams showing a method (No. 1 and No. 2) of manufacturing the
First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(B)に示すように、受光素子3の上方を開口し、他の領域のシリコン基板1の上方を覆うようなレジストパターン17を層間絶縁膜9上に形成する。このレジストパターン17の形成は、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて行う。
そして、このレジストパターン17をマスクにして、層間絶縁膜9に等方性のエッチング処理を行い、図3(C)に示すように、受光素子3の上方に開口部10´を形成する。ここで、等方性のエッチング処理とは、例えば、フッ酸(HF)溶液を用いたウエットエッチングのことである。このフッ酸溶液を用いたウエットエッチングによって、レジストパターン17下から露出した層間絶縁膜(シリコン酸化膜)9は垂直方向だけでなく、矢印で示すように、水平方向にもエッチングされる。従って、図3(C)に示すように、この開口部10´の内壁は、層間絶縁膜9の上面側が受光素子3に近い側に比べて層間絶縁膜9に沿ってその受光素子3から離れる方向に傾斜した斜面に成形される。
Next, as shown in FIG. 3B, a resist
Then, using the resist
また、このフッ酸溶液を用いたウエットエッチングでは、層間絶縁膜(シリコン酸化膜)9のエッチング速度に対してシリコン窒化膜7のエッチング速度は十分に小さい。即ち、層間絶縁膜9と、シリコン窒化膜7との間にはエッチングの選択性が十分にあり、シリコン窒化膜7がエッチングのストッパ膜として機能する。従って、この層間絶縁膜9を多少オーバエッチした場合でも、下地の受光素子3へのエッチングを防止することができる。
Further, in the wet etching using this hydrofluoric acid solution, the etching rate of the
次に、層間絶縁膜9上のレジストパターン17をアッシングして除去する。そして、この開口部10´から露出したシリコン窒化膜7を熱リン酸(H3PO4)でウエットエッチングして除去する。この熱リン酸を用いたウエットエッチングでは、シリコン窒化膜7とシリコン酸化膜5との間にはエッチングの選択性が十分にあり、シリコン酸化膜5がエッチングのストッパ膜として機能する。従って、このシリコン窒化膜7をオーバエッチした場合でも、シリコン酸化膜5はほとんどエッチングされずに残り、受光素子3の開口部10´からの露出を防ぐことができる。
Next, the resist
次に、図4(A)に示すように、この開口部10´が形成された層間絶縁膜9上、及び、この開口部10´の底面であるシリコン酸化膜5上にアルミ膜11´を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術とを用いて、シリコン酸化膜5上に直接形成されたアルミ膜11´を除去し反射膜11(図1参照)を形成する。続いて、この反射膜11上を覆っているレジストパターン(図示せず)をそのまま用いて、この開口部10´から露出したシリコン酸化膜5を希フッ酸溶液を用いて除去し、図4(B)に示すように、椀型の受光開口部10を形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, an
このような方法によって、図4(B)に示すように、受光素子3に面する層間絶縁膜9の側壁を、層間絶縁膜9の上面側が受光素子3に近い側に比べて層間絶縁膜9に沿ってその受光素子3から離れる方向に傾斜した斜面に成形することができ、この受光素子3の上方に椀型の受光開口部10を形成することができる。そして、この層間絶縁膜9の斜面を成す側壁、即ち、受光開口部10の内壁に反射膜11を形成することができる。
By such a method, as shown in FIG. 4B, the side wall of the
次に、図4(C)に示すように、この受光開口部10を埋め込むようにして、この受光開口部10から露出した受光素子3上、及び、反射膜11上にシリコン酸化膜13´を形成する。そして、このシリコン酸化膜13´の上面をCMP技術を用いて平坦化して、パッシベーション13(図1参照)を形成する。その後、受光素子3上方のパッシベーション13上にマイクロレンズ15を取り付けて、図1に示したような半導体装置100を完成させる。
Next, as shown in FIG. 4C, a
このように、本発明に係る半導体装置100の製造方法によれば、受光素子3への本来の入射コースから外れて層間絶縁膜9に入射してしまうような光の少なくとも一部を、受光素子3側へ反射させることが可能なイメージセンサを製造することができ、受光素子への集光効率の向上に貢献することができる。
この実施形態では、シリコン基板が本発明の基板に対応し、受光素子3が本発明の受光領域に対応している。また、層間絶縁膜9と、シリコン窒化膜7及びシリコン酸化膜5とからなる積層構造の膜が本発明の第1保護膜に対応し、受光開口部10が本発明の第1保護膜の開口部に対応している。さらに、反射膜11が本発明の反射手段(金属膜)に対応し、パッシベーション13が本発明の第2保護膜に対応している。また、マイクロレンズ15が本発明のレンズ体に対応し、半導体装置100が本発明の半導体装置に対応している。
As described above, according to the method for manufacturing the
In this embodiment, the silicon substrate corresponds to the substrate of the present invention, and the
1 シリコン基板、3 受光素子、5 シリコン酸化膜、7 シリコン窒化膜、9 層間絶縁膜、10 受光開口部、11 反射膜、13 パッシベーション、15 マイクロレンズ、17 レジストパターン、20 (本来の入射コースから外れた)光、100 半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板に設けられ、且つ光電変換を行う受光領域と、
前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に設けられた絶縁性の保護膜と、
前記保護膜内に設けられ、且つ前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段と、を備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A light receiving region provided on the semiconductor substrate and performing photoelectric conversion;
An insulating protective film provided on the semiconductor substrate so as to cover the light receiving region;
Reflecting means provided in the protective film and configured to reflect light that travels toward the semiconductor substrate around the light receiving region from the upper side of the light receiving region toward the light receiving region. Semiconductor device.
前記半導体基板上に設けられて前記受光領域上に開口部を有する第1保護膜と、
前記開口部を埋め込むようにして前記受光領域上と前記第1保護膜上とに設けられた第2保護膜とからなり、
前記開口部の内壁は、前記第1保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記第1保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜した斜面を有し、
前記内壁の前記斜面に前記金属膜が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The protective film is
A first protective film provided on the semiconductor substrate and having an opening on the light receiving region;
A second protective film provided on the light receiving region and the first protective film so as to embed the opening,
The inner wall of the opening has an inclined surface that is inclined in a direction away from the light receiving region along the first protective film as compared with a side closer to the light receiving region on an upper surface side of the first protective film,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the metal film is provided on the slope of the inner wall.
前記レンズ体は、
外界から当該レンズ体に入射する光を前記受光領域に向けて屈折させる機能を有することを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の半導体装置。 A lens body provided on the protective film above the light receiving region;
The lens body is
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a function of refracting light incident on the lens body from the outside toward the light receiving region. 5.
前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に絶縁性の保護膜を形成する工程と、
前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段を前記保護膜内に形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a light receiving region for performing photoelectric conversion on a semiconductor substrate;
Forming an insulating protective film on the semiconductor substrate so as to cover the light receiving region;
Forming a reflection means in the protective film for reflecting light traveling from the upper side of the light receiving region toward the semiconductor substrate around the light receiving region to the light receiving region side. Device manufacturing method.
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