JP2007294667A - 固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型撮像素子の周辺回路との混載や、機能付加などにより多層配線化した場合でも、周辺回路の配線パターンの露出状態を意識することなく、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止し、もって、感度低下やＦ値依存性を解消すること。
【解決手段】半導体基板６０上に、光電変換素子を有する画素部４１と、信号処理を行うための周辺回路部４５とを備える固体撮像素子を、画素部と周辺回路部の上に平坦化層５９を形成する工程と、周辺回路部４５内に配線回路パターンが含まれる中間層８１を、画素部４１と周辺回路部４５の双方にわたって共通したプロセスにより形成する工程と、画素部４１を含む領域に対して中間層８１を、平坦化層５９をストッパとして選択的に除去する工程と、選択的に除去した後の画素部４１及び周辺回路部４５の表面に保護層８８を形成する工程とを含む製造方法で作製する。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した信号電荷の読み出し駆動等、信号処理を行うための周辺回路部とを備える固体撮像素子の製造方法、およびこれに基づいて作製される固体撮像素子に関する。

近年、ビデオカメラや電子カメラが広く普及しており、これらのカメラには、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。このうちＣＭＯＳ型の固体撮像素子は、１つの半導体チップに多数の画素を２次元配列して構成される画素部と、この画素部の外側に配置される周辺回路部とを設けてあり、周辺回路部に画素部内からの信号電荷取り出し機能や信号電荷の増幅機能をもたせる各種ＭＯＳトランジスタや配線を有し、各画素に入射した光をフォトダイオード（光電変換素子）によって光電変換して信号電荷を生成する。この信号電荷をトランジスタからなるアンプに転送し、ここで信号増幅することで、各画素毎の信号を信号線より周辺回路部へ出力している。

周辺回路部には、撮像画素部からの画素信号に所定の信号処理、例えばＣＤＳ（相関二重サンプリング）、ゲイン制御、Ａ／Ｄ変換等を施す信号処理回路、ならびに撮像画素部の各画素を駆動して画素信号の出力を制御する駆動制御回路等が設けられている。

一方、ＣＣＤ型の固体撮像素子は、電荷転送方式がＣＭＯＳ型とは異なるものの、他の受光部等の構成は略同様となっている。図８は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の略一面素分の断面模式図である。この固体撮像素子１は、Ｎ型シリコン基板２の表面部にｐ型不純物層３が形成され、このｐ型不純物層３の表面部に、フォトダイオードを構成するＮ領域４及びｐ領域６が形成される。

図示の例では、Ｎ領域４近傍の右脇に素子分離領域を構成するｐ^＋領域５が形成されている。なお、この例はＣＣＤ型固体撮像素子であるため、ｐ型不純物層３には電荷転送路を構成するＮ領域（埋め込みチャネル）７も設けられる。

これらの各領域３，４，５，６，７が形成された半導体基板２の最表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）／窒化シリコン（ＳｉＮ）／酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるゲート絶縁膜１０が積層され、その上に、フォトダイオード３０に蓄積された信号電荷を転送するための電荷転送路を構成する転送電極（ポリシリコン膜）１２が形成されている。また、フォトダイオードとなるＮ領域４及びｐ領域６の受光面上には、開口１１ａを有する遮光膜１１が積層されている。遮光膜１１は、タングステン等の金属膜からなり、転送電極膜１２に対して絶縁膜１３を介して成膜される。

遮光膜１１の上には平坦化層を含む中間層１５が形成され、その上にカラーフィルタ層１６が積層され、最上部にマイクロレンズ１７が積層される。

図９は、画素部５３と周辺回路部５４を対応させて示した従来の撮像素子の概念的な一構造例としての断面図である。
Ｎ型シリコン基板２表面側のＰ型不純物層３上には、画素部５３側にフォトダイオード３０、周辺回路部５４側にフィールド酸化膜１９等が設けられている。
遮光膜１１及び絶縁膜１３上の中間層１５には、ＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜からなる平坦化層８と窒化シリコン膜１４からなる層内凹レンズ９、中間配線層２０、酸化シリコン（ＳｉＯ_２)からなる酸化膜２２、層間膜２４、平坦化層２６を有する。そして、平坦化層２６上には、カラーフィルタ層１６、マイクロレンズ１７が順次積層して設けられる。中間配線層２０は、主に周辺回路部５４の多層配線回路の厚みに対応して形成される。

このような構成の固体撮像素子において、各画素においては、フォトダイオード３０の開口率（画素への入射光に対するフォトダイオード３０への入射光の比）を上げるために、入射光をマイクロレンズ１７によって、中間層１５を通じてフォトダイオード３０に集光している。

しかし、上記構成の場合には、マイクロレンズ１７によって集光される光の一部が、フォトダイオード３０までの光路途中の層によって、フォトダイオード３０への入射光量が減少してしまう。これが原因で、次のような問題点が生じる。

撮像領域（撮像画面）周辺部の画素は、光が斜め入射することになり、フォトダイオード３０の受光位置から外れてしまう割合が多くなって周辺位置ほど暗くなる、所謂、シェーディングが発生する。また、光路途中の層による光吸収によっても光量が減少する。そして、配線層をさらに増加させたＣＭＯＳプロセスで固体撮像素子を形成する場合、マイクロレンズ１７からフォトダイオード３０までの距離Ｈｂが長くなり、さらに上記のような問題が増大する。
そこで、周辺回路部５４の形成を完了させた後に画素部５３の一部を除去して薄くし、画素部５３の層間膜上にカラーフィルタ１６とマイクロレンズ１７を形成するようにした固体撮像素子が、特許文献１に記載されている。
特開２０００−１５０８４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、画素部５３の一部を除去する際に、周辺回路部５４における回路パターンが開口に露出するため吸湿して、配線が腐食したり、電気的特性が変動したり、信頼性劣化を引き起こす危険性が高いので、実際にはプロセス上の不具合を生じさせず、安定して画素部５３の一部を除去することができなかった。このため、ＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子の、周辺回路との混載や機能付加などにより多層配線化した場合、画素部５３全体の膜厚が厚くなり、感度低下やＦ（絞り）値依存性が依然として問題となっていた。
すなわち、図９に示した従来の固体撮像素子では、画素部５３の層間距離Ｈａが回路形成のために延長され、その結果、素子全体の高さとなる距離Ｈｂが長くなり、光路が長くなった。すると、前述したように集光精度が得られにくくなり、光利用効率も吸収のために低下する傾向があった。また、光線を絞るとフォトダイオード３０から光線がはみ出して受光量が減少した。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子の周辺回路との混載や、機能付加などにより多層配線化した場合でも、周辺回路の配線パターンの露出状態を意識することなく、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止し、もって、感度低下やＦ値依存性を解消することができる固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子を提供することを目的としている。

本発明に係る上記目的は下記構成により達成される。
（１） 半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した前記信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行うための周辺回路部とを備える固体撮像素子の製造方法であって、前記画素部と前記周辺回路部の上に平坦化層を形成する工程と、前記周辺回路部内に配線回路パターンが含まれる中間層を、前記画素部と前記周辺回路部の双方にわたって共通したプロセスにより形成する工程と、前記画素部を含む領域に対して前記中間層を、前記平坦化層をストッパとして選択的に除去する工程と、選択的に除去した後の前記画素部及び前記周辺回路部の表面に保護層を形成する工程と、を含む固体撮像素子の製造方法。

上記方法によれば、平坦化層をストッパ層として中間層を選択的に除去し、受光領域及び周辺回路部に保護層を形成するので、ＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子の周辺回路との混載や、機能付加などにより多層配線化した場合でも、中間層内の配線回路パターンを露出させて劣化させることなく、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止できる。

（２） （１）記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記画素部の前記保護膜上に前記光電変換素子に光を集光させる光学機能層を形成する工程を有し、前記光学機能層が、特定波長成分のみ透過させるカラーフィルタ、前記光電変換素子に光を集光させるマイクロレンズの少なくともいずれかを含む固体撮像素子の製造方法。

上記方法によれば、画素部の厚みの増加を抑えつつ、光学機能層を形成することができる。

（３） （１）又は（２）記載の固体撮像素子の製造方法に基づいて作製される固体撮像素子であって、前記周辺回路部における前記中間層の除去端の側壁面が、前記保護膜で覆われている固体撮像素子。

上記構成によれば、保護膜を形成した後に、カラーフィルタやマイクロレンズを画素部に形成するので、配線回路パターンを意識することなく、カラーフィルタやマイクロレンズなどの光学機能層を形成でき、プロセスの自由度が向上する。

（４） （３）記載の固体撮像素子であって、前記平坦化層が窒化シリコン膜を含む層である固体撮像素子。

上記構成によれば、窒化シリコン膜によりエッチングをストップさせ、中間層を効率的に除去することができる。

（５） （３）又は（４）記載の固体撮像素子であって、前記保護層が窒化シリコン膜を含む層である固体撮像素子。

上記構成によれば、周辺回路部における回路配線パターンが窒化シリコン膜により保護される。

以上説明したように、本発明に係る固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子によれば、ＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子の周辺回路との混載や、機能付加などにより多層配線化した場合でも、周辺回路の露出状態を意識することなく画素部全体の膜厚が厚くなることを防止でき、もって、固体撮像素子の感度低下やＦ値依存性を解消することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明に係る固体撮像素子の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像素子の概念的な平面図を示す。
本実施形態の固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子からの信号電荷を転送する複数の垂直転送路（ＶＣＣＤ）を含む画素部４１と、垂直転送動作を行うための垂直転送ドライバ４２と、複数の垂直転送路から転送される信号電荷を受けて転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）４３と、転送された信号電荷に応じて信号処理を行う信号処理回路４４などの周辺回路部とを有し、素子を駆動するための回路が画素部４１の近くに並設されている。

ここで、本発明の固定撮像素子１００の基本的な製造方法について、その概略を簡単に説明する。
図２は本発明に係る固体撮像素子１００の製造方法の要部を画素部と周辺回路部に対して工程順に概略を示した説明図である。なお、図２は、図１の矢印Ｂ−Ｂの断面図である。
図２（ａ）に示すように、予め必要な処理が施された半導体基板４６上に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）による絶縁膜４７を積層する。

次に、図２（ｂ）に示すように、周辺回路部４５において一般的な半導体製造技術を用いて信号配線４９をパターニング形成し、画素部４１および周辺回路部４５に対して共通のプロセスにより中間層４８を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、信号配線４９を除く領域において中間層４８のエッチング処理を行う。このエッチング処理は画素部４１において下層の絶縁膜４７を露出させるまで、即ち、絶縁膜４７をストッパ層としてエッチング処理する。

次に、図２（ｄ）に示すように、エッチング処理した後に保護膜５２を形成し、その後、画素部４１には、カラーフィルタおよびマイクロレンズ等の光学機能層５１を形成する。

本実施形態の固体撮像素子１００の製造方法によれば、光学機能層５１は、薄肉化された半導体基板４６からの距離が短い画素部４１に形成されるので、ＣＣＤ型固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子と周辺回路との混載や、機能付加などにより多層配線化した場合でも、画素部４１全体の膜厚が厚くなることを防止することができる。そして、周辺回路部４５の各信号配線４９は保護膜５２により覆われているので、後段のプロセスにおいて、信号配線４９が露出すること等の危惧はなくなる。

このように、本実施形態によれば、画素部４１をエッチング処理して不要な高さ分を除去する際に、周辺回路部４５における信号配線４９を保護膜５２で覆うことにより、周辺回路の露出状態を意識することなく、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止しつつ固体撮像素子を形成でき、もって、感度低下やＦ値依存性を解消することができる。つまり、周辺回路部における回路パターンが開口に露出するため吸湿して、配線が腐食したり、電気的特性が変動したり、信頼性劣化を引き起こす危険性がなくなり、安定して画素部の一部を除去することができる。なお、ここでの基本的な製造方法は、固体撮像素子以外の他の半導体装置にも適宜必要に応じて適用することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明に係る固体撮像素子１００の製造方法について、凸層内レンズを有するＣＣＤと２層メタル構造の周辺回路との混載構造の固体撮像素子を例により詳細に説明する。この固体撮像素子は、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる平坦化層の形成までは、従前同様の通常の成膜プロセスを行う。

すなわち、図３に示すように、半導体基板６０上に転送電極５５（ＰＯ１，ＰＯ２）と、周辺回路部４５に信号処理用の回路等を形成して、画素部４１内にフォトダイオード（光電変換素子）３０、周辺回路部４５にフィールド酸化膜５７やＮ^＋層５０を形成する。そして、画素部４１でタングステンの遮光膜５６を形成し、画素部４１と周辺回路部４５の全体をＢＰＳＧ膜５８で覆う。さらにＢＰＳＧ膜５８上にＳｉＮからなる平坦化層５９を形成して、表面を平坦化処理する。次に、周辺回路部４５のＮ^＋層５０の位置にタングステンプラグ６３をＢＰＳＧ膜５８及び平坦化層５９に開口孔を穿設して形成する。

この処理において、ＢＰＳＧ膜５８とＳｉＮの平坦化層５９の間で、屈折率の違いにより形成される下凸層内レンズ６５が形成される。
なお、前述したように、周辺回路部４５にはフィールド酸化膜５７が形成される。半導体装置の高集積化・高密度化に伴い、半導体素子の微細化が進められているが、このような半導体装置においては、素子分離技術としてＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）が広く用いられている。素子分離のなされた半導体装置は、素子形成領域を分離するために素子分離用の厚い酸化膜を形成してなる素子分離領域（フィールド酸化膜領域）と、このフィールド酸化膜５７で囲まれ、素子形成を行う領域であって薄い酸化膜を形成してなる領域（アクティブ領域）とに分けられる。

次に、図４に示すように、周辺回路部４５において、多層配線構造の第１層メタル８３、この第１層メタル８３に接続されるタングステンプラグ８６を酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる中間層８１と共に形成し、さらにこのタングステンプラグ８６に接続される第２層メタル８７を形成する。そして、最上層の第２層メタル８７を含む上層に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の酸化膜８２を形成する。

ここで、画素部４１に必要とされる配線は、転送電極などであり、厚みは殆ど問題とならないが、周辺回路部４５では、信号処理回路等に付加機能の追加や回路の集積化が進むと、更なる多層化が必須となり、厚みが増大する。この中間層８１の厚みは、画素部４１にとって必要のない層である。

そこで、図５に示すように、画素部４１に位置する中間層８１を、下凸層内レンズ６５を形成するシリコン窒化膜（ＳｉＮ）５９をストッパとしてエッチングにより除去する。エッチングストッパーに要求される性能は、酸化膜８２を含む中間層８１のエッチング時にエッチング選択性が有ればよく、特に材料は限定されるものではない。ただ、エッチング除去する酸化膜８２を含む中間層８１がシリコン酸化膜であれば、エッチングストッパーにはシリコン窒化膜が好ましい。

次に、図６に示すように、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる層間膜８８の形成及びエッチングにより、フォトダイオード３０に光を集光する上凸層内レンズ８４を形成する。このときに、周辺回路部４５の中間層８１を除去した後の端部側壁が、この層間膜８８で覆われる。これにより、周辺回路部４５のエッチング除去による端部を覆う保護膜が形成される。

次に、図７に示すように、上凸層内レンズ８４を平坦化膜８５で覆い、その上にカラーフィルタ９１およびマイクロレンズ９３等の光学機能層を形成する。

このように本実施形態の固体撮像素子では、画素部４１における中間層８１を除去してから、上凸層内レンズ８４を形成し、カラーフィルタ９１及びマイクロレンズ９３の配置を行うので、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子と、周辺回路との混載や、機能付加などにより、周辺回路部で多層配線化した場合でも、画素部４１の全体膜厚が厚くなることを抑制することができる。また、周辺回路部４５の多層配線は保護膜で覆われているため、画素部４１の製造プロセスで多層配線にダメージを受けることがなく、プロセスの自由度が高められる。そして、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止できることから、固体撮像素子の一層の小型化、薄型化が可能となる。

本発明は、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子で、特には、周辺回路の混載や機能付加などにより多層配線化された固体撮像素子に対し、固体撮像素子の多層配線を保護しつつ、画素部全体の膜厚が厚くなることを防止できることから、固体撮像素子の小型化、薄型化が可能となり、例えば、電子カメラやビデオカメラ、あるいは携帯端末などへの利用に有効である。

本発明に係る固体撮像素子の概念的な平面図である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法の要部を工程順に示した図である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示した図（その１）である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示した図（その２）である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示した図（その３）である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示した図（その４）である。 本発明に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示した図（その５）である。 従来のＣＣＤ型固体撮像素子の略一面素分の断面模式図である。 従来の撮像素子の概念的な一構造例としての断面図である。

符号の説明

３０ フォトダイオード
４１ 画素部
４２ 垂直転送ドライバ
４３ 水平転送路
４４ 信号処理回路
４５ 周辺回路部
４８ 中間層
５２ 保護膜
５５ 転送電極
５６ 遮光膜
５８ ＢＰＳＧ膜
５９ 平坦化層
６０ 半導体基板
６３ タングステンプラグ
８１ 層間膜
８２ 酸化膜
８３ 第１層メタル
８５ 平坦化膜
８６ タングステンプラグ
８７ 第２層メタル
８８ 層間膜（保護膜）
９１ カラーフィルタ
９３ マイクロレンズ
１００ 固体撮像素子

Claims (5)

1. 半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した前記信号電荷の読み出し駆動および該信号電荷の信号処理を行うための周辺回路部とを備える固体撮像素子の製造方法であって、
   前記画素部と前記周辺回路部の上に平坦化層を形成する工程と、
   前記周辺回路部内に配線回路パターンが含まれる中間層を、前記画素部と前記周辺回路部の双方にわたって共通したプロセスにより形成する工程と、
   前記画素部を含む領域に対して前記中間層を、前記平坦化層をストッパとして選択的に除去する工程と、
   選択的に除去した後の前記画素部及び前記周辺回路部の表面に保護層を形成する工程と、
   を含む固体撮像素子の製造方法。
2. 請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記画素部の前記保護膜上に前記光電変換素子に光を集光させる光学機能層を形成する工程を有し、
   前記光学機能層が、特定波長成分のみ透過させるカラーフィルタ、前記光電変換素子に光を集光させるマイクロレンズの少なくともいずれかを含む固体撮像素子の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子の製造方法に基づいて作製される固体撮像素子であって、
   前記周辺回路部における前記中間層の除去端の側壁面が、前記保護膜で覆われている固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記平坦化層が窒化シリコン膜を含む層である固体撮像素子。
5. 請求項３又は請求項４記載の固体撮像素子であって、
   前記保護層が窒化シリコン膜を含む層である固体撮像素子。

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