JP2006339339A

JP2006339339A - 固体撮像装置及びその製造方法

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Publication number: JP2006339339A
Application number: JP2005161143A
Authority: JP
Inventors: Shinji Tsuchiya; 真二土屋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】層内レンズの特性バラツキを抑制することによって製品品質の向上を図ると共に、層内レンズの形成工程を削減することによって製品コストの低減を図る。
【解決手段】受光部２が形成された半導体基板３と、凹部１８に光透過性材料１３を充填することによって構成された導波路１１が形成された絶縁層８と、絶縁層上の受光部周辺領域に対応する領域Ａに形成された光透過性材料から成る凸状部１４と、凸状部同士の間隙に充填されたレンズ材料１５を有するＣＭＯＳ型固体撮像装置１であって、凸状部は凹部に光透過性材料を充填する際に同時に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置及びその製造方法に関する。詳しくは、受光部上に光の集光効率を高めるための層内レンズが形成された固体撮像装置及びその製造方法に係るものである。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、光の集光効率の向上を図るべく、画素を構成する例えばフォトダイオードから成る複数の受光部上に層内レンズ（凹型レンズ）を設け、層内レンズを透過した入射光の焦点を受光部近傍に導く技術が提案されている。

以下、層内レンズが形成された従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置について説明する。
図３は従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置を説明するための模式的な断面図であり、ここで示すＣＭＯＳ型固体撮像装置１０１は、受光部１０２がマトリクス状に設けられた半導体基板１０３上に、絶縁や表面保護或いは表面平坦化の機能を有する例えばシリコン酸化膜１０４が形成され、シリコン酸化膜上には表面保護や受光部へ水素を供給する機能を有する例えばシリコン窒化膜１０５が形成されている。また、シリコン窒化膜上には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁層１０６が形成され、このシリコン酸化膜からなる絶縁層上に配線層１０７が形成されている。

上記した配線層は、３層の配線層１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃにより構成されており、各配線層は絶縁層（例えばＳｉＯ_２膜）１０８中の所定位置に形成された溝１０９内に銅が埋め込まれた構成となっている。なお、配線材料である銅が絶縁膜中に拡散することを防ぐために、各配線層間には所謂バリア膜（例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜）１１０が形成されている。更に、図示は省略しているが、溝の周囲にも配線材料である銅が絶縁膜中に拡散することを防ぐためのバリア膜が形成されている。
また、最上層の配線層の上方には、レンズ構成層１１１に形成された凹状部１１２にレンズ材料１１３を充填することによって構成された層内レンズ１１４が形成され、層内レンズの上方にはカラーフィルタ１１５を介してオンチップレンズ１１６が形成されている。

以上の様に構成された従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置を製造する場合について、特に層内レンズの形成方法について説明を行う。なお、以下では受光部がマトリクス状に設けられた半導体基板上に３層の配線層が形成された状態から説明する。

従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法では、３層の配線層を形成した後に、図４（ａ）で示す様に、層内レンズを形成するための絶縁性を有するレンズ構成層１１１を配線層の上層にＣＶＤ法を用いて成膜し、レンズ構成層上にレンズ形成用レジスト１１５を塗布し、汎用のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてレンズ形成用レジストのパターニングを行う。

次に、レンズ構成層上にパターニングされたレンズ形成用レジストが形成された状態で等方性エッチング処理を施すことによって、図４（ｂ）で示す様に、レンズ構成層に凹状部１１２を形成する。

続いて、図４（ｃ）で示す様に、レンズ構成層上に形成されたレンズ形成用レジストを除去した後、レンズ材料となる窒化シリコン膜をレンズ構成層上にＣＶＤ法を用いて成膜する。その後、ＣＭＰによる研磨を行うと共に、カラーフィルタ及びオンチップレンズを形成することによって、図３で示す様なＣＭＯＳ型固体撮像装置を得ることができる。

なお、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子における光の集光効率の向上を図る技術としては、上記した受光部上に層内レンズを設ける方法の他に、受光部上に導波路を設けるという方法が提案されている。即ち、絶縁層中の受光部上と対応する位置に導波路を設け、オンチップレンズを透過した入射光が効率的に受光部へと導かれるようにする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−５４７２号公報

ところで、レンズ構成層上のレンズ形成用レジストのパターン線幅の変動や、レンズ形成用レジストのパターンの重ね合わせズレによって、層内レンズの特性バラツキが生じることがあり、かかる点は改良の余地がある。

また、凹状部を形成するための等法性エッチングについてもエッチング加工の再現性が乏しいことによって、層内レンズの特性にバラツキが生じることがあり、この点についても改良の余地がある。

更に、配線材料として銅を用いた場合において、銅配線層を被覆するＳｉＮ膜やＳｉＣ膜といったバリア膜が受光部上にも形成されると、バリア膜が光学特性に干渉し、固体撮像装置の撮像特性を悪化させるといった現象も生じていた。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、層内レンズの特性バラツキを抑制することができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置では、受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成され、前記受光部上に凹状部が設けられた絶縁層と、前記凹状部内に形成された第１の光透過性材料から成る埋め込み層と、前記絶縁層上に形成され、前記凹状部の周辺領域に凸状部が設けられた前記第１の光透過性材料から成るレンズ構成層と、該レンズ構成層上に形成された第２の光透過性材料から成るレンズ材層とを備える固体撮像装置であって、前記レンズ構成層は、前記埋め込み層を形成する際に形成されている。

ここで、レンズ構成層が、埋め込み層を形成する際に形成されたことによって、層内レンズを形成するにあたってリソグラフィ処理及びエッチング処理を行う必要が無い。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成され、前記受光部上に凹状部が設けられた絶縁層と、前記凹状部内に形成された第１の光透過性材料から成る埋め込み層とを有する固体撮像装置の製造方法において、前記埋め込み層を形成すると共に、前記絶縁層上に前記凹状部の周辺領域に凸状部が設けられた前記第１の光透過性材料から成るレンズ構成層を形成する工程と、該レンズ構成層上に第２の光透過性材料から成るレンズ材層を形成する工程とを備える。

ここで、埋め込み層を形成すると共に、絶縁層上に凹状部の周辺領域に凸状部が設けられた第１の光透過性材料から成るレンズ構成層を形成することによって、層内レンズを形成するにあたってリソグラフィ処理及びエッチング処理を行う必要が無い。

上記した本発明を適用した固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法では、層内レンズを形成するにあたってリソグラフィ処理及びエッチング処理を行う必要が無いために、層内レンズ特性のバラツキを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＭＯＳ型固体撮像装置を説明するための模式的な断面図であり、ここで示すＣＭＯＳ型固体撮像装置１は、受光部２がマトリクス状に設けられた半導体基板３上に、絶縁や表面保護或いは表面平坦化の機能を有する例えばシリコン酸化膜４が形成され、シリコン酸化膜上には表面保護や受光部への水素を供給する機能を有する例えばシリコン窒化膜５が形成されている。また、シリコン窒化膜上には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁層６が形成され、このシリコン酸化膜からなる絶縁層上に配線層７が形成されている。

上記した配線層は、３層の配線層７ａ、７ｂ、７ｃにより構成されており、各配線層は絶縁層（例えばＳｉＯ_２層）８中の所定位置に形成された溝９内に銅が埋め込まれた構成となっている。なお、配線材料である銅が絶縁膜中に拡散することを防ぐために、各配線層間には所謂バリア膜（例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜）１０が形成されている。更に、図示は省略しているが、溝の周囲にも配線材料である銅が絶縁膜中に拡散することを防ぐためのバリア膜が形成されている。

また、受光部上の絶縁層（ここでは、絶縁層８の他に、シリコン酸化膜からなる絶縁層６、バリア膜１０及びシリコン窒化膜５の一部をも含む）には、入射効率を向上させるための導波路１１が形成されている。

ここで、導波路は、絶縁層（ここでは、絶縁層８の他に、シリコン酸化膜からなる絶縁層６、バリア膜１０及びシリコン窒化膜５の一部をも含む）に形成された凹部（開口）の側壁のみが反射膜１２で覆われ、この様な凹部内に可視光に対して透明な材料である光透過性材料（例えばＳｉＯ_２膜）１３が埋め込まれて構成されている。なお、凹部の側壁を覆う反射膜としては、屈折率を光透過材料より相対的に低く選定した絶縁膜でも可能であるが、通常高反射率が得られる例えば、Ａｌ膜、Ａｇ膜、Ａｕ膜、Ｃｕ膜及びＷ膜等を用いる。特に半導体プロセスで長く使用されている点及び加工がし易い点を考慮すると、Ａｌ膜が最も適している。

また、最上層の配線層上の未開口部である受光部の周辺領域に対応する領域（図中符合Ａで示す領域）に、上記した凹部を充填する光透過性材料と同一材料から成る凸状部１４が形成され、凸状部同士の間隙にレンズ材料１５が充填されて層内レンズ１６を構成している。更に、層内レンズの上方にはカラーフィルタ２０を介してオンチップレンズ２１が形成されている。

以下、上記の様に構成された本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法について説明する。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の一例であるＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法について説明する。なお、以下では受光部がマトリクス状に設けられた半導体基板上に３層の配線層が形成された状態から説明する。

本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法では、３層の配線層を形成した後に、最上層の配線層上に形成されたバリア膜上に導波路形成用レジスト膜１７を形成し、この導波路形成用レジスト膜を汎用のリソグラフィ技術を用いてパターニングを行う（図２（ａ）参照。）。その後、パターニングされた導波路形成用レジスト膜を介して例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）等により、受光部上の絶縁膜（ここでは、絶縁層８の他に、シリコン酸化膜からなる絶縁層６、バリア膜１０及びシリコン窒化膜５の一部をも含む）をエッチング除去し、図２（ｂ）で示す様に、受光部上に導波路形成用の凹部１８を形成する。

ここで、反応性イオンエッチング法を行う際に用いる反応ガスを選定することにより、受光部上の絶縁層（ここでは、絶縁層８の他に、シリコン酸化膜からなる絶縁層６、バリア膜１０及びシリコン窒化膜５の一部をも含む）とシリコン窒化膜５間である程度の選択比が確保でき、凹部の底部がシリコン窒化膜を突き抜けてしまうことを防止することができる。

次に、図２（ｃ）で示す様に、導波路形成用レジスト膜を除去し、凹部を含んで全面に後述する反射膜となる金属膜（Ａｌ膜）１９を成膜する。なお、金属膜は、一定の膜厚を得るために、例えば高い被覆性が得られるＣＶＤ法を用いて成膜する。

続いて、例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）等を用いて、図２（ｄ）で示す様に、凹部の側壁に形成された金属膜を残して、それ以外の金属膜の除去を行う。

次に、図２（ｅ）で示す様に、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて凹部に光透過性材料（ＳｉＯ_２）を埋め込むと共に、受光部の周辺領域に対応する領域に光透過性材料（ＳｉＯ_２）から成る凸状部を形成する。

ここで、高密度プラズマＣＶＤ法では、ＣＶＤ成分とスパッタリング成分によって成膜を行うために、成膜された膜中に空洞（ボイド）の発生が極めて少ない状態での埋め込みが可能である。また、高密度プラズマＣＶＤ法では、スパッタリング成分が寄与して、受光部の周辺領域に対応する領域である未開口部に凸状部が形成されるといった成膜特性を有する。

続いて、図２（ｆ）で示す様に、レンズ材料となる窒化シリコン膜を、凹部に充填した光透過性材料及び凸状部を被覆する様に成膜する。その後、ＣＭＰによる研磨を行うと共に、カラーフィルタ及びオンチップレンズを形成することによって、図１で示す様なＣＭＯＳ型固体撮像装置を得ることができる。

本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置では、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて凹部に光透過性材料を充填する際に形成される凸状部を利用して層内レンズを形成しており、層内レンズを形成するにあたってリソグラフィ処理及びエッチング処理を行う必要が無いために、レジストのパターン線幅の変動や、レジストの重ね合わせズレによる層内レンズの特性バラツキを抑制することができると共に、エッチング加工の再現性が乏しいことによる層内レンズの特性バラツキについても抑制することができ、製品品質の向上が実現する。

また、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて凹部に光透過性材料を充填する際に形成される凸状部は、未開口部の位置や寸法に依存して形成されるものであるため、層内レンズの特性バラツキが生じ難く、この点からも製品品質の向上が実現する。

更に、リソグラフィ処理及びエッチング処理を行うことなく、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて凹部に光透過性材料を充填する際に形成される凸状部を利用して層内レンズを形成しているために、層内レンズの形成工程を削減することができ、製品コストの低減が実現する。

更に、本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置では、導波路を形成するための凹部を形成する際に受光膜上のバリア膜が除去されているために、バリア膜による光学特性への干渉が無く、撮像特性の向上が期待できる。

なお、本実施例では、配線材料として銅を用いる場合を例にあげて説明を行ったが、配線材料としては必ずしも銅である必要は無く、アルミニウム等の材料を用いても良い。なお、配線材料としてアルミニウムを用いた場合には、銅の場合と比較して拡散による画質劣化といった弊害が少ないために、本実施例で銅の拡散を制御すべく形成されたバリア膜を形成する必要は無い。

本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置を説明するための模式的な断面図である。本発明を適用したＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置を説明するための模式的な断面図である。従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法を説明するための模式的な断面図である。

符号の説明

１ＣＭＯＳ型固体撮像装置
２受光部
３半導体基板
４シリコン酸化膜
５シリコン窒化膜
６絶縁層
７配線層
８絶縁層
９溝
１０バリア膜
１１導波路
１２反射膜
１３光透過性材料
１４凸状部
１５レンズ材料
１６層内レンズ
１７導波路形成用レジスト膜
１８凹部
１９金属膜
２０カラーフィルタ
２１オンチップレンズ

Claims

受光部が形成された半導体基板と、
該半導体基板上に形成され、前記受光部上に凹状部が設けられた絶縁層と、
前記凹状部内に形成された第１の光透過性材料から成る埋め込み層と、
前記絶縁層上に形成され、前記凹状部の周辺領域に凸状部が設けられた前記第１の光透過性材料から成るレンズ構成層と、
該レンズ構成層上に形成された第２の光透過性材料から成るレンズ材層とを備える固体撮像装置であって、
前記レンズ構成層は、前記埋め込み層を形成する際に形成された
固体撮像装置。
前記レンズ材層の上面が平坦化された
請求項１に記載の固体撮像装置。
受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成され、前記受光部上に凹状部が設けられた絶縁層と、前記凹状部内に形成された第１の光透過性材料から成る埋め込み層とを有する固体撮像装置の製造方法において、
前記埋め込み層を形成すると共に、前記絶縁層上に前記凹状部の周辺領域に凸状部が設けられた前記第１の光透過性材料から成るレンズ構成層を形成する工程と、
該レンズ構成層上に第２の光透過性材料から成るレンズ材層を形成する工程とを備える
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
高密度プラズマＣＶＤ法によって前記埋め込み層を形成すると共に、前記レンズ構成層を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。