JP2007227445A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光検出器の受光部に対応して層間絶縁膜に開口部を設けると、開口部壁面からの吸湿により層間絶縁膜内の配線が劣化する。
【解決手段】SOG等からなる層間絶縁膜とAl層とが積層された配線構造層90の受光部52に対応する位置をエッチバックして開口部120を形成した後、CVD法によりシリコン窒化膜130を開口部120の側壁面及び底面に堆積する。このシリコン窒化膜130により配線構造層90への湿気の進入が阻止される。
【選択図】図2

Description

本発明は、共通の半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置された半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板上に積層された配線構造層に設けられる、受光部へ入射光を取り入れるための開口部に関する。
近年、情報記録媒体として、CD(Compact Disk)やDVD(Digital Versatile Disk)といった光ディスクが大きな位置を占めるようになってきた。これら光ディスクの再生装置は、光ピックアップ機構により光ディスクのトラックに沿ってレーザ光を照射し、その反射光を検知する。そして、反射光強度の変化に基づいて記録データが再生される。
光ディスクから読み出されるデータレートは非常に高いため、反射光を検知する光検出器は、応答速度の速いPINフォトダイオードを用いた半導体素子で構成されている。当該半導体素子の受光部にて発生した微弱な光電変換信号は増幅器にて増幅され、後段の信号処理回路へ出力される。ここで、光電変換信号の周波数特性の確保やノイズの重畳を抑制する観点から、受光部と増幅器との間の配線長をできるだけ短くするように構成される。この観点と、光検出器の製造コスト低減の観点とから、受光部と増幅器等を含む回路部とは同一の半導体チップ上に形成することが好適である。
図7は、同一半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置された光検出器の模式的な断面図である。受光部4に対応する領域の半導体基板2にはPINフォトダイオードの構造が形成され、回路部6に対応する領域にはトランジスタ等の回路素子が形成される。
図7の光検出器は2層配線構造であり、配線構造層10として、半導体基板2上に、第1層間絶縁膜12、第1アルミニウム(Al)層14、第2層間絶縁膜16、第2Al層18、第3層間絶縁膜20が順次積層される。第1Al層14及び第2Al層18はそれぞれフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされる。例えば、第1Al層14により配線22及び平坦化パッド24が回路部6に形成され、第2Al層18により、配線26及び平坦化パッド28が回路部6に形成される。
ここで、平坦化パッド24,28は、それぞれ配線22,26の隙間に配置され、それぞれ第1Al層14、第2Al層18の上に積層される層間絶縁膜16,20の表面の凹凸を低減する。
回路部6の配線構造層10の上には、遮光のためのAl層30が積層され、さらに、保護膜としてシリコン酸化膜32及びシリコン窒化膜34が順次積層される。
層間絶縁膜は、SOG(Spin on Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)、TEOS(Tetra-ethoxy-silane)といった材料を用いて形成される。これら材料は吸湿性を有し、吸収された水分はAl配線の劣化を生じ得る。その点、シリコン窒化膜は比較的に湿気を吸収しにくい性質を有し、従来、層間絶縁膜の上に堆積されるシリコン窒化膜34はその下の層間絶縁膜への防湿膜の機能を有する。
さて、配線構造層10は、受光部4の半導体基板2の上にも積層される。ちなみに、上記各Al層は受光部4においてはパターニングにより除去され、当該受光部4には層間絶縁膜12,16,20等が積層される。
ここで、受光部4における半導体基板2への光の入射効率を高めるために、受光部4の配線構造層10をエッチバックし、開口部36を形成することが行われる。例えば、開口部36の底部には、層間絶縁膜の一部の厚みだけが残され得る。このように受光部4において配線構造層10をエッチングによって薄くすることにより、半導体基板2へ光の透過率が向上し、レーザ反射光による光電変換信号の確保が図られる。ちなみに、図7では、受光部4上に積層された各層のうちエッチングで除去される部分を点線で示した。このエッチングにて残存する層間絶縁膜によって受光部4の表面の保護層40が形成される。
受光部4に対応する領域の配線構造層10に開口部36を形成すると、その内側に露出した層間絶縁膜から湿気が吸収される。特に、開口部36の側壁は回路部6に隣接するため、この部分からの吸湿が配線の劣化を引き起こしやすいという問題がある。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、受光部に隣接して配置される回路部の配線の劣化が抑制される半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、共通の半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置されるものであって、前記半導体基板上に積層され、前記回路部を構成する金属配線及び層間絶縁膜を含む配線構造層と、前記受光部の位置に形成された前記配線構造層の開口部と、前記開口部の側壁面を被覆する防湿膜と、を有する。
他の本発明に係る半導体装置においては、前記開口部が、前記配線構造層の途中までの深さを有し、前記防湿膜が、前記開口部の前記側壁面及び底面を被覆し、前記底面を被覆する前記防湿膜が、前記開口部から前記受光部への入射光に対する反射防止膜を兼ねる。
本発明の好適な態様は、前記防湿膜はシリコン窒化物からなる半導体装置である。
本発明に係る半導体装置製造方法は、共通の半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置される半導体装置を製造する方法であって、前記半導体基板上に、少なくとも前記回路部に形成する金属配線と、前記半導体基板上全面に形成する層間絶縁膜とからなる配線構造層を積層する配線構造形成工程と、前記受光部に対応する領域の前記配線構造層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、前記開口部の側壁面に防湿膜を堆積する防湿膜形成工程と、を有する。
他の本発明に係る半導体装置製造方法は、さらに、前記配線構造形成工程に先立って、前記受光部に対応した前記半導体基板上に、前記開口部形成工程でのエッチングストッパとなる開口底部層を形成する底部層形成工程と、前記防湿膜形成工程後、前記開口底部層上に堆積した前記防湿膜及び前記開口底部層を順次、エッチング除去する開口底部除去工程と、を有する。
上記半導体装置製造方法において、さらに、前記底部層形成工程に先立って、前記半導体基板上に前記受光部への入射光に対する反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程を設け、前記開口底部除去工程が、前記反射防止膜をエッチングストッパとして前記開口底部層をエッチングする構成とすることができる。
上記本発明に係る各半導体装置製造方法においては、前記防湿膜をシリコン窒化物で形成することができる。
本発明によれば、配線構造層に設けた開口部の側面が防湿膜で被覆され、当該部分からの吸湿が妨げされるので、配線構造層内の金属配線の劣化を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。
[第1の実施形態]
第1の実施形態は、CDやDVDといった光ディスクの再生装置の光ピックアップ機構に搭載される光検出器である。
図1は、本実施形態に係る光検出器である半導体素子の概略の平面図である。本光検出器50はシリコンからなる半導体基板に形成され、受光部52と回路部54とを含んで構成される。受光部52は、例えば、2×2に配列された4つのPINフォトダイオード(PD)56を含み、光学系から基板表面へ入射する光を2×2の4区画に分割して受光する。回路部54は、例えば、受光部52の周囲に配置される。回路部54は例えば、CMOS58等の回路素子を含み、これら回路素子を用いて、受光部52からの出力信号に対する増幅回路やその他の信号処理回路を受光部52と同一の半導体チップに形成することができる。なお、図1には示されていないが、回路部54には、回路素子に接続される配線や受光部52を構成する拡散層に接続される配線が配置される。これら配線は、半導体基板上に積層されるAl膜をパターニングして形成される。
図2は、図1に示す直線A−A’を通り半導体基板に垂直な断面での受光部52及び回路部54の構造を示す模式的な断面図である。この断面には受光部52の2つのPD56、回路部54のCMOS58、及びそれらが形成された半導体基板60上に積層される配線や層間絶縁膜等の構造が表されている。
本光検出器50は、p型不純物が導入されたp型シリコン基板であるP-sub層70の一方主面に、P-sub層70より不純物濃度が低く高比抵抗を有するエピタキシャル層72が積層された半導体基板60を用いて形成される。P-sub層70は各PD56に共通のアノードを構成し、例えば、基板裏面から接地電位を印加される。分離領域74は、基板表面側に設けられた配線76により接地電位を印加され、P-sub層70と共にアノードを構成する。
エピタキシャル層72は、受光部52ではPD56のi層を構成する。受光部52において、エピタキシャル層72の表面には、上述の分離領域74及びカソード領域78が形成される。
半導体基板60の表面にはゲート酸化膜や局所酸化膜(LOCOS)を構成するシリコン酸化膜80が形成され、ゲート酸化膜の上にはCMOS58を構成するMOSFET等のゲート電極82が例えば、ポリシリコンやタングステン(W)等を用いて形成される。さらにその上を覆って基板表面にシリコン酸化膜84が形成される。
PD56及びCMOS58等の回路素子の構造が形成された半導体基板上には、配線構造や保護膜等の構造が形成される。本光検出器50は2層配線構造であり、配線構造層90として、半導体基板60上に、第1層間絶縁膜92、第1Al層94、第2層間絶縁膜96、第2Al層98、第3層間絶縁膜100が順次積層される。第1Al層94及び第2Al層98はそれぞれフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされる。例えば、第1Al層94により配線76及び平坦化パッド102が回路部54に形成され、第2Al層98により、配線104及び平坦化パッド106が回路部54に形成される。
ここで、平坦化パッド102,106は、それぞれ配線76,104の隙間に配置され、それぞれ第1Al層94、第2Al層98の上に積層される層間絶縁膜96,100の表面の凹凸を抑制する。また、層間絶縁膜は、SOG、BPSG、TEOSといった材料を用いて形成される。
回路部54の配線構造層90の上には、遮光のためのAl層110が積層され、さらに、保護膜としてシリコン酸化膜112が順次積層される。
ここで、受光部52のPD56への光の入射効率を高めるために、配線構造層90及びその上の積層をエッチバックして、受光部52に対応する領域に開口部120が形成される。開口部120の底部には、受光部52の半導体基板60表面の保護層122として、配線構造層90を構成する層間絶縁膜が薄く残される。このように受光部52において配線構造層90をエッチングし開口部120を設けることにより、PD56への光の透過率が向上し、レーザ反射光による光電変換信号の振幅の確保が図られる。ちなみに、図2では、受光部52上に積層された各層のうちエッチングで除去される部分を点線で示した。
本光検出器50においては、開口部120の形成後、シリコン窒化膜130が堆積される。このシリコン窒化膜130は、シリコン酸化膜112と共に上面の保護膜を構成すると共に、側壁面及び底面に露出する層間絶縁膜を被覆する。シリコン窒化膜130は防湿性を有し、開口部120の側壁面及び底面から配線構造層90への湿気の進入を抑制し、配線76,104の劣化を防止する。
次に、図3を用いて、本光検出器50の製造方法を説明する。図3は、本光検出器50の製造方法に特徴的な開口部120の形成方法を説明する模式図であり、主要な工程における受光部52近傍の模式的な断面図を示している。半導体基板60に上述したPD56やCMOS58等を形成した後、配線構造層90を積層し、さらにその上に遮光Al層110及びシリコン酸化膜112を含む上部層140を積層する(図3(a))。これらの積層は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法やPVD(Physical Vapor Deposition)法を用いて行うことができる。
次に上部層140の表面にフォトレジスト142を塗布する。フォトレジスト142は、フォトマスクを用いた露光等の一連のリソグラフィ工程により、受光部52の位置に対応する部分を除去され、当該位置にフォトレジスト142の開口144が形成される(図3(b))。
このフォトレジスト142をマスクとして、上部層140及び配線構造層90をエッチングし、開口部120が形成される。このエッチングは、例えば、ドライエッチングを用いて異方的に行うことができる。開口部120の深さは、エッチング時間等の条件により調節可能であり、底部に保護層122分の層間絶縁膜が残るように制御する(図3(c))。
フォトレジスト142を除去した後、シリコン窒化膜130を形成する。ここで、ステップカバレッジが良好な方法及び条件を採用することにより、開口部120の側壁面にシリコン窒化膜130を好適に成長させることが可能である。これにより、上部層140の表面と共に開口部120の側壁面及び底面にシリコン窒化膜130が形成される(図3(d))。例えば、シリコン窒化膜130はCVD法により堆積される。
なお、また、開口部120の底面を被覆するシリコン窒化膜130の厚さを調節することにより、当該シリコン窒化膜130に、防湿膜としての機能に加え、開口部120の底面からPD56への入射光の反射を抑制する反射防止膜としての機能を持たせることができる。具体的には、反射防止膜としての好適なシリコン窒化膜130の厚みは、本光検出器50が検出対象とするレーザ光の波長に応じて定まる。例えば、CDやDVDで用いられるレーザ光は780nm帯や650nm帯の波長を有する。シリコン窒化膜130の厚みを例えば、当該レーザ光の波長の1/4に応じた値とすることにより、反射防止の効果が得られる。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態は、上記第1の実施形態と同様の光検出器であり、以下、第1の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明の簡略化を図る。本光検出器の平面図は図1に示すものを援用することができる。また、図4は、図1に示す直線A−A’を通り半導体基板に垂直な断面での本光検出器の受光部52及び回路部54の構造を示す模式的な断面図である。本光検出器が第1の実施形態の光検出器50と基本的に相違する点は、受光部52に形成される開口部の構造にあり、以下、この点に関して説明する。
本光検出器の半導体基板60の表面には、第1の実施形態と同様にゲート酸化膜やLOCOSを構成するシリコン酸化膜80が形成され、ゲート酸化膜の上にはCMOS58を構成するMOSFET等のゲート電極82が形成される。さらにその上を覆って基板表面にシリコン酸化膜84が形成される。
シリコン酸化膜84を形成後、受光部52に対応する位置にポリシリコン膜が形成される。後に説明するように、このポリシリコン膜は、配線構造層90をエッチバックして受光部52の位置に開口部202を形成する際のエッチングストッパとして用いられる。そのため、ポリシリコン膜は開口部202の開口より外側に拡張して形成される。このポリシリコン膜の形成後、第1の実施形態と同様の配線構造層90及び上部層140が順次、積層される。
なお、配線構造層90の下に配置された上記ポリシリコン膜は、開口部202の形成工程においてエッチバックされ、開口部202の底面に存在する部分は除去される。そのため、図4において、開口部202の底面部分のポリシリコン膜は既に存在せず、開口部202より外側への拡張部分204のみが残っている。
本光検出器50においては、開口部202の側壁面に露出する層間絶縁膜を被覆するシリコン窒化膜206が形成される。シリコン窒化膜206は、シリコン窒化膜130と同様、開口部202の側壁面から配線構造層90への湿気の進入を抑制し、配線76,104の劣化を防止する。なお、シリコン酸化膜206はシリコン酸化膜112の上面及び開口部202の底面も覆うように形成される。
次に、図5及び図6を用いて、本光検出器の製造方法を説明する。図5及び図6は、本光検出器の製造方法に特徴的な開口部202の形成方法を説明する模式図であり、主要な工程における受光部52近傍の模式的な断面図を示している。上述したPD56やCMOS58等を形成した半導体基板60上に、シリコン酸化膜84を成膜する(図5(a))。シリコン酸化膜84は例えば、CVD法により堆積して形成される。
シリコン酸化膜84の上に、ポリシリコン膜をCVD法等により形成する。このポリシリコン膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、受光部52に対応する位置にポリシリコン膜210を残す(図5(b))。ポリシリコン膜210は、開口部202のエッチバックに対するエッチングストッパとしての機能を確実に果たし得るように、開口部202の予定開口形状に対してマージンを持たせた形状・大きさに形成される。具体的には、その形状・大きさは、開口部202をエッチバックする際のエッチングマスクの位置精度(目合わせ精度)や当該エッチング自体の加工精度を考慮して、ポリシリコン膜210まで到達した開口部202の開口が当該ポリシリコン膜210の面内に包含されるように定められる。
なお、受光部52は、配線構造層90に第1Al層94及び第2Al層98を含まず、また上部層140に遮光Al層110を含まないため、配線構造層90及び上部層140の厚さが、回路部54における厚さより薄くなる。ポリシリコン膜210の厚さは、この受光部52と回路部54とでの配線構造層90及び上部層140の厚さの差を補うように設定することができる。これにより配線構造層90や上部層140として堆積される各層が受光部52にて窪むことを抑制し、各層の平坦性が向上する。その結果、例えば、受光部52からの各Al層のエッチング除去や開口部202のエッチバックを好適に行うことが可能となる。
ポリシリコン膜210の形成後、配線構造層90及び上部層140を順次、積層する(図5(c))。
次に上部層140の表面にフォトレジスト142を塗布する。フォトレジスト142は、上記第1の実施形態と同様に受光部52の位置に対応する部分を除去され、当該位置にフォトレジスト142の開口144が形成される(図5(d))。
このフォトレジスト142をマスクとして、上部層140及び配線構造層90をエッチングする。このエッチングは、例えば、ドライエッチングを用いて異方的に行うことができる。また、エッチングは、ポリシリコン膜210に対し、受光部52における配線構造層90を構成するSOG等の選択比が確保され、ポリシリコン膜210が当該エッチングのストッパとなるような種類、条件とする。このエッチングで開口部202はポリシリコン膜210の上面に到達するまで掘り下げられる(図6(a))。
さらに、フォトレジスト142をマスクとして用い、ポリシリコン膜210をエッチングする。このエッチングも、ドライエッチングを用いて異方的に行うことができるが、配線構造層90を構成するSOG等に対する上記エッチングとはエッチャント等を変えて行われる。すなわち、ポリシリコン膜210のエッチングは、ポリシリコン膜210の下に形成されているシリコン酸化膜84に対し選択比が確保され、シリコン酸化膜84が当該エッチングのストッパとなるような種類、条件で行われる。このエッチングで開口部202はシリコン酸化膜84の上面に到達するまで掘り下げられる(図6(b))。
開口部202を形成するエッチバックが完了すると、フォトレジスト142を除去する。そして、例えばCVD法を用いて窒化シリコンを堆積し、上部層140の表面と共に開口部202の側壁面及び底面にシリコン窒化膜206を形成する(図6(c))。これにより、開口部202の側壁面及び底面がシリコン窒化膜206で被覆される。
開口部202の側壁面を覆うシリコン窒化膜206は、上述したように、配線構造層90への湿気の進入を抑制し、配線76,104の劣化を防止する。一方、開口部202の底面を覆うシリコン窒化膜206は、開口部202の底面からPD56への入射光の反射を抑制する反射防止膜としての機能を有する。好適な反射防止機能を実現するシリコン窒化膜206の厚みは、上記第1の実施形態にて述べたように本光検出器が検出対象とするレーザ光の波長に応じて定まる。また、本構成では、PD56の上には、シリコン酸化膜84及びシリコン窒化膜206が存在し、これら両方が協同して反射防止機能を実現する。例えば、底面におけるシリコン窒化膜206の好適な膜厚は、シリコン窒化膜206の屈折率、シリコン酸化膜84の屈折率及び膜厚に応じて定まる。
本実施形態に係る光検出器である半導体素子の概略の平面図である。 第1の実施形態である光検出器の受光部及び回路部の構造を示す模式的な断面図である。 第1の実施形態の光検出器における開口部の形成方法を説明する模式図である。 第2の実施形態である光検出器の受光部及び回路部の構造を示す模式的な断面図である。 第2の実施形態の光検出器における開口部の形成方法を説明する模式図である。 第2の実施形態の光検出器における開口部の形成方法を説明する模式図である。 従来の光検出器の受光部及び回路部の構造を示す模式的な断面図である。
符号の説明
50 光検出器、52 受光部、54 回路部、56 PINフォトダイオード、58 CMOS、60 半導体基板、70 P-sub層、72 エピタキシャル層、74 分離領域、76,104 配線、78 カソード領域、80,84,112 シリコン酸化膜、82 ゲート電極、90 配線構造層、92 第1層間絶縁膜、94 第1Al層、96 第2層間絶縁膜、98 第2Al層、100 第3層間絶縁膜、102,106 平坦化パッド、110 遮光Al層、130,206 シリコン窒化膜、120,202 開口部、122 保護層、140 上部層、142 フォトレジスト、144 開口、204 拡張部分、210 ポリシリコン膜。

Claims (7)

  1. 共通の半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置される半導体装置であって、
    前記半導体基板上に積層され、前記回路部を構成する金属配線及び層間絶縁膜を含む配線構造層と、
    前記受光部の位置に形成された前記配線構造層の開口部と、
    前記開口部の側壁面を被覆する防湿膜と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記開口部は、前記配線構造層の途中までの深さを有し、
    前記防湿膜は、前記開口部の前記側壁面及び底面を被覆し、
    前記底面を被覆する前記防湿膜は、前記開口部から前記受光部への入射光に対する反射防止膜を兼ねること、
    を特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の半導体装置において、
    前記防湿膜はシリコン窒化物からなること、
    を特徴とする半導体装置。
  4. 共通の半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置される半導体装置を製造する方法であって、
    前記半導体基板上に、少なくとも前記回路部に形成する金属配線と、前記半導体基板上全面に形成する層間絶縁膜とからなる配線構造層を積層する配線構造形成工程と、
    前記受光部に対応する領域の前記配線構造層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、
    前記開口部の側壁面に防湿膜を堆積する防湿膜形成工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置製造方法。
  5. 請求項4に記載の半導体装置製造方法において、
    前記配線構造形成工程に先立って、前記受光部に対応した前記半導体基板上に、前記開口部形成工程でのエッチングストッパとなる開口底部層を形成する底部層形成工程と、
    前記防湿膜形成工程後、前記開口底部層上に堆積した前記防湿膜及び前記開口底部層を順次、エッチング除去する開口底部除去工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置製造方法。
  6. 請求項5に記載の半導体装置製造方法において、
    前記底部層形成工程に先立って、前記半導体基板上に前記受光部への入射光に対する反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程を有し、
    前記開口底部除去工程は、前記反射防止膜をエッチングストッパとして前記開口底部層をエッチングすること、
    を特徴とする半導体装置製造方法。
  7. 請求項4から請求項6のいずれか1つに記載の半導体装置製造方法において、
    前記防湿膜はシリコン窒化物で形成されること、
    を特徴とする半導体装置製造方法。
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