JP2007287872A - 半導体素子及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造の半導体素子に適し、光電変換部への集光効果が高く、感度が良好な半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明にかかる半導体素子１０は、基板２１と、基板２１に形成された光電変換部２０Ａを備え、光電変換部２０Ａ上に、透光性材料からなるテーパ形状の光導波路部３１，４１，５１が複数積層されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関し、特に、センサの微細化や高速駆動、Ｌｏｇｉｃ混載のようにメタル配線を積層した構成に適し、光電変換部への集光効果が高く、感度が良好な半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。

従来の半導体素子としては、例えば、図５に示すような構成の固体撮像素子がある。固体撮像素子１は、基板３にフォトダイオード３ａが形成された光電変換部２Ａと、電荷転送電極４を有する電荷転送部２Ｂと、固体撮像素子１の受光側の表面に形成されたマイクロレンズ６とを備えている。固体撮像素子１では、照射光をマイクロレンズ６によって集光するとともに、マイクロレンズ６の下方に形成された柱状の透光性膜７に透過させて、フォトダイオード３ａに受光させる光導波路構造を有している（例えば、下記特許文献１など）。

特開２００５−１０１０９０号公報

ところで、センサの微細化や高速駆動、Ｌｏｇｉｃ混載する場合などでは、メタル配線を積層した構成となるため、固体撮像素子１の層を大きく設計することが必要となる。しかし、基板３の上部の層の厚みを大きくした場合に、光導波路部材として機能する透光性膜７を積層する方向に長く形成することが困難であった。また、透光性膜７を積層する方向に長く形成する場合には、透光性膜７の内部にボイドと呼ばれる空隙が発生しやすくなることが懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、積層構造の固体撮像素子に適し、光電変換部への集光効果が高く、感度が良好な半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）基板と、基板に形成された光電変換部を備えた半導体素子であって、前記光電変換部上に、透光性材料からなるテーパ形状の光導波路部が複数積層されていることを特徴とする半導体素子。
（２）前記複数の光導波路部がそれぞれ下側に向ってその断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする上記（１）に記載の半導体素子。
（３）基板と、基板に形成された光電変換部を備えた半導体素子の製造方法であって、前記光電変換部上に、層間絶縁膜と透光性材料からなるテーパ形状の光導波路部とからなる層を、配線部ごとに複数積層することを特徴とする半導体素子の製造方法。
（４）前記光導波路部を、それぞれ下側に向ってその断面積が小さくなるように形成することを特徴とする上記（３）に記載の半導体素子の製造方法。
（５）前記光導波路部が、前記層間絶縁膜をパターニングしてエッチングで形成された開口に前記透光性材料を埋め込むことで形成されていることを特徴とする上記（３）又は（４）に記載の半導体素子の製造方法。

本発明にかかる半導体素子は、光電変換部上に複数の光導波路部を積層した構成となっているため、受光面から照射した光は、積層された光導波路部の上層側から下層側へ透過して光電変換部まで案内される。こうすれば、センサの微細化や高速駆動、Ｌｏｇｉｃ混載する場合において、基板上部における層の厚みを大きくなっても、コンタクトやメタル配線などの配線部ごとに、各層の光導波路部を形成することで、照射した光を各層の光導波路部を透光させて確実に光電変換部に案内することができ、積層する方向に長い寸法を有する光導波路部を形成する必要がない。また、製造工程において、光導波路部を構成する透光性部材の内部にボイドと呼ばれる空隙が発生することを防止することができる。

複数の光導波路部がそれぞれ下側に向ってその断面積が小さくなるように形成されている構成とすることが好ましい。こうすれば、上側の光導波路部に照射した光が下側の光導波路部へ透過する際に、光導波路部と層間絶縁膜との境界部分に干渉することがなく、集光能力が低下してしまうことを防止できる。

本発明によれば、積層構造の半導体素子に適し、光電変換部への集光効果が高く、感度が良好な半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。本実施形態では、半導体素子として固体撮像素子を例示して説明するが、ＣＭＯＳ型のイメージセンサであってもよい。
図１は、本実施形態の固体撮像素子の構造の一部を説明する断面図である。図２，３は、本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を説明する断面図である。図４は、本実施形態の固体撮像素子を示す断面図である。

本実施形態の固体撮像素子は、基板上に、光電変換部と、光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極と、入射した光を閉じ込め伝搬させて光電変換部に導く光導波路とを備えた導波路構造を有する固体撮像素子である。

半導体基板であるシリコン製の基板２１の表面に図示しないｐウェル及びｎ型半導体層が形成されている。基板２１内には、ｐｎ接合を備えた複数のフォトダイオード３３と、電荷転送チャネル３５と、チャネルストップ領域３６と、電荷読み出し領域３４とが形成されている。

シリコン基板２１には、複数のフォトダイオード３３からなるフォトダイオード部２０Ａが形成され、フォトダイオード３３で検出した信号電荷を転送するための電荷転送部２０Ｂが、フォトダイオード部２０Ａの間に設けられている。電荷転送部２０Ｂには、信号電荷を転送するための電荷転送チャネル３５が設けられている。

シリコン基板２１上には、ゲート酸化膜２２が形成されている。また、ゲート酸化膜２２上には、複数の電荷転送電極２３（２３ａ、２３ｂ）が形成されている。電荷転送電極２３は、第１の電極２３ａと第２の電極２３ｂとが単一の層において、互いに所定のギャップで配置されている。これら第１の電極２３ａと第２の電極２３ｂは、ゲート酸化膜２２上に所定の間隔で形成された電極間絶縁膜２４によって電気的に絶縁状態で分離形成されている。

ここで、ゲート酸化膜２２は熱酸化によって形成された酸化シリコン膜と減圧ＣＶＤ法によって形成された窒化シリコン膜と、ＣＶＤ法によって形成されたＨＴＯ膜との３層膜で構成することができる。

電荷転送電極２３の上には、酸化シリコン膜２５を介して、窒化シリコン膜２６が形成されている。窒化シリコン膜２６の上層にはＨＴＯ膜２９が形成されている。ＨＴＯ膜２９は、シンター処理時にフォトダイオード３３に水素を供給する経路を形成するための膜である。このため、窒化シリコン膜２６において、電荷転送電極２３上には、シンター時に水素を通過させるための開口が形成されている。

また、光電変換部であるフォトダイオード部２０Ａ上の受光領域において開口を有する遮光膜２７が形成されている。フォトダイオード２０Ａの上方には、窒化シリコン膜２６及びＨＴＯ膜２９を介して、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜からなる、柱状構造を有する透光性材料で構成された光導波路部３１が形成されている。遮光膜２７の上層には、層間絶縁膜２８が形成されている。ここで、光導波路部３１を形成する手順としては、ＨＴＯ膜２９上に遮光膜２７を形成した後、その上面に層間絶縁膜２８を成膜する。そして、層間絶縁膜２８の上面に、熱処理によるリフロー法、又は、エッチバック法、又は、ＣＭＰ法などの手段によって平坦化処理を行う。その後、層間絶縁膜２８をフォトリソグラフィ工程によってパターニングした後にエッチングすることで、透光性材料を埋め込むための開口を形成し、この開口に透光性材料を埋め込むことで光導波路部３１を形成する。光導波路部３１は、上側よりも下側の断面積が小さくなるように略テーパ形状を有している。

図１に示すように、本実施形態では、基板２１のゲート絶縁膜上方で、光導波路部３１及び層間絶縁膜２８までを第１の層とする。そして、本発明にかかる固体撮像素子は、かかる層の上に、別の光導波路部が形成された層を更に積層させた構成とする。

次に、図２，図３を参照して、光導波路部が形成された層を積層する手順を説明する。ここで、以下の本実施形態では説明のため、第１の層１１における層間絶縁膜２８を第１層間絶縁膜とし、光導波路部３１を第１光導波路部３１とする。

固体撮像素子のコンタクト及びメタル配線などの配線部を形成する。図２に示すように、第１の層１１の上層に、第２層間絶縁膜４２を成膜する。第１層間絶縁膜２８の平坦化処理と同様に、第２層間絶縁膜４２の上面を平坦化した後、第２層間絶縁膜４２をフォトリソグラフィ工程によってパターニングした後にエッチングすることで、透光性材料を埋め込むための開口を形成する。このとき、開口は、第１の層１１の第１光導波路３１の上側面に連通し、かつ、その開口の面積が、第１光導波路３１の上側面より小さくなるように形成される。

そして、第２層間絶縁膜４２の開口に透光性材料を埋め込むことで第２光導波路部４１を形成する。第２光導波路部４１は、第１の層１１の第１光導波路３１と同様に、上側よりも下側の断面積が小さくなるように略テーパ形状を有している。こうして、第１の層１１の上層に、第２光導波路４１と第２層間絶縁膜４２とからなる第２の層１２を積層することができる。

同様に、第２の層１２上に第３の層１３を積層する場合に、最初に、第３の層１３に対応する、固体撮像素子のコンタクト及びメタル配線などの配線部を形成し、その後、図３に示すように、第２の層１２の上層に、第３層間絶縁膜５２を成膜する。第１層間絶縁膜２８の平坦化処理と同様に、第３層間絶縁膜５２の上面を平坦化した後、第３層間絶縁膜５２をフォトリソグラフィ工程によってパターニングした後にエッチングすることで、透光性材料を埋め込むための開口を形成する。このとき、開口は、下層である第２の層１２の第２光導波路４１の上側面に連通し、かつ、その開口の面積が、第２光導波路４１の上側面より小さくなるように形成される。

そして、第３層間絶縁膜５２の開口に透光性材料を埋め込むことで第３光導波路部５１を形成する。第３光導波路部５１は、第１光導波路３１及び第２光導波路４１と同様に、上側よりも下側の断面積が小さくなるように略テーパ形状を有している。こうして、第２の層１２の上層に、第３光導波路５１と第３層間絶縁膜５２とからなる第３の層１３を積層することができる。

図４に示すように、第１から第３の層１１，１２，１３を積層した後、第３の層１３の上面に、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜６１を形成し、窒化シリコン膜６１上に、透光性の有機膜からなる平坦化膜４２を形成する。また、平坦化膜４２の表面に凸形状のマイクロレンズ４３が形成される。こうして、固体撮像素子１０が完成する。

固体撮像素子のマイクロレンズ４３に照射した光は、集光されつつ、第３光導波路５１に導かれ、第３光導波路５１、第２光導波路４１、第１光導波路と、順に図４中下側に向って透過し、基板２１のフォトダイオード３３に受光される。

なお、本実施形態の固体撮像素子１０は、一例として、光電変換部２０Ａ上に第１光導波路部３１，第２光導波路部４１，第３光導波路部５１が積み重るように、第１の層１１，１２，１３の３つの層が積層された構造とした。しかし、固体撮像素子１０の構造は３つの層の積層構造に限定されず、例えば、２つの層のみを積層させた構造としてもよく、又は、４つ以上の光導波路部を有する層を積層させた構造としてもよい。

上記実施形態のように、本発明にかかる固体撮像素子１０は、光電変換部２０Ａ上に複数の光導波路部３１，４１，５１を積層した構成となっているため、受光面から照射した光は、積層された光導波路部３１，４１，５１の上層側から下層側へ透過して光電変換部２０Ａまで案内される。こうすれば、センサの微細化や高速駆動、Ｌｏｇｉｃ混載する場合において、基板２１上部における層の厚みを大きくなっても、コンタクトやメタル配線などの配線部ごとに、各層１１，１２，１３の光導波路部３１，４１，５１を形成することで、照射した光を各層１１，１２，１３の光導波路部３１，４１，５１を透光させて確実に光電変換部２０Ａに案内することができる。また、積層する方向の寸法を長くする必要がないため、それぞれの光導波路部３１，４１，５１の製造工程において、層間絶縁膜２８，４２，５２の開口に透光性材料を確実に埋め込むことができ、透光性部材の内部にボイドと呼ばれる空隙が発生することを防止することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。

固体撮像素子の構造の一部を説明する断面図である。 固体撮像素子の製造工程の一部を説明する断面図である。 固体撮像素子の製造工程の一部を説明する断面図である。 固体撮像素子を示す断面図である。 従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体素子（固体撮像素子）
１１，１２，１３ 層
２０Ａ 光電変換部
２０Ｂ 電荷転送部
２１ 基板
３１，４１，５１ 光導波路
２８，４２，５２ 層間絶縁膜

Claims (5)

1. 基板と、基板に形成された光電変換部を備えた半導体素子であって、
   前記光電変換部上に、透光性材料からなるテーパ形状の光導波路部が複数積層されていることを特徴とする半導体素子。
2. 前記複数の光導波路部がそれぞれ下側に向ってその断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 基板と、基板に形成された光電変換部を備えた半導体素子の製造方法であって、
   前記光電変換部上に、層間絶縁膜と透光性材料からなるテーパ形状の光導波路部とからなる層を、配線部ごとに複数積層することを特徴とする半導体素子の製造方法。
4. 前記光導波路部を、それぞれ下側に向ってその断面積が小さくなるように形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記光導波路部が、前記層間絶縁膜をパターニングしてエッチングで形成された開口に前記透光性材料を埋め込むことで形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体素子の製造方法。
   

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