JP2007305690A - 固体撮像装置用素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路形成工程における、プラズマによる導波路へのダメージ、ドライエッチング時のパーティクル発生をなくすとともに、フォトリソグラフィ、エッチング、埋め込み、平坦化などの工程を削減し、集光効率の向上と、素子製造工程の簡素化及び製造時間の短縮とを同時に達成することのできる固体撮像装置用素子及びその製造方法の提供。
【解決手段】固体撮像装置用素子は、半導体基板の主面部に形成され表面で光を受光して光電変換を行う受光部と、上記半導体基板の主面部上に設けられた絶縁膜とを備え、上記絶縁膜の一部は、該絶縁膜の厚み方向全体に渡り外部からの入射光を上記受光部へ導く導波路領域とされ、上記絶縁膜中、上記導波路領域は非導波路領域より屈折率が高く、該導波路領域は、上記基板の主面方向において周縁部から中心軸に向かって次第に屈折率が高くなる屈折率分布を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置用素子及びその製造方法に関し、より特定的には、受光部に対向する部位に導波路領域が形成された絶縁膜を備える固体撮像装置用素子及びその製造方法に関するものである。

近年、固体撮像装置用素子には、集光効率を上げる手段として導波路を利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。導波路は、固体撮像装置用素子、すなわち画素セル毎に形成される。導波路は、受光して光電変換を行う受光部上に設けられるものであり、絶縁膜から形成される。この導波路上にオンチップレンズが設けられる。導波路構造を採用することで、オンチップレンズで集光された光を効率良く受光部に入射させることができる。

図３は、導波路を備えた固体撮像装置用素子の従来例を示す断面図である。図３に例示されるように、導波路を備えた固体撮像装置用素子２００は、半導体基板１１５を備えており、その主面部１１４にフォトダイオードとして機能する受光部１０１が形成されている。この主面部１１４上には、ゲート絶縁膜１０２、素子分離絶縁膜１０３、およびストッパＳｉＮ膜１０４が設けられている。これらゲート絶縁膜１０２、素子分離絶縁膜１０３、およびストッパＳｉＮ膜１０４上には、絶縁膜１０５が設けられている。ストッパＳｉＮ膜１０４は、該膜１０４上に設けられる絶縁膜１０５をエッチングする際のエッチングストッパとして機能する。絶縁膜１０５内部には、転送ゲート１０６、多層の配線１０７、導電プラグ１０８が埋め込まれている。転送ゲート１０６は、受光部１０１からの信号電荷の読み出しおよび読み出した電荷の転送を行うためのものである。導電プラグ１０８は、多層に渡り配置された配線１０７同士を電気的に接続するものである。絶縁膜１０５において受光部１０１に対向する部位には、絶縁膜１０５の厚み方向全体に渡り、光透過性材料からなる導波路１０９が形成されている。絶縁膜１０５及び導波路１０９上には、パッシベーション膜１１０、平坦化膜１１１およびカラーフィルタ１１２が順に積層され、カラーフィルタ１１２上にはオンチップレンズ１１３が設けられている。

このような固体撮像装置用素子２００において、導波路１０９は、光の入射方向（図３では上方）から見た平面視の大きさが光入射側から受光部１０１側に向けて次第に小さくなる順テーパ形状となっている。

この固体撮像装置用素子２００の製造方法は、受光部１０１が形成された主面部１１４上に絶縁膜１０５を設ける工程と、絶縁膜１０５において受光部１０１に対向する部位に該絶縁膜１０５の厚み方向全体に渡って穴部を形成する工程と、穴部に光透過性材料を埋め込んで導波路１０９を形成する工程とを備えている。導波路１０９は、外部からの入射光を受光部１０１まで導くことができる。なお、穴部を形成する工程において、絶縁膜１０５上に設けられるフォトレジストパターニングのレジスト開口部を順テーパ形状とする。これにより、絶縁膜１０５をエッチングして穴部を形成する際にレジスト開口部の順テーパ形状が絶縁膜１０５に転写される。

穴部を形成する工程では異方性エッチングを行う。すなわち、エッチングは等方性エッチングを抑制して順テーパ形状を形成できる条件で行なわれる。これにより、光の入射方向から見た平面視の大きさが光入射側から受光部１０１側に向けて次第に小さくなる順テーパ形状の穴部が形成される。

この穴部の中に、高密度プラズマによるＣＶＤ法などを用いて光透過性材料（代表的にはシリコン酸化膜）を堆積することで、導波路１０９が形成される。穴部を順テーパ形状とすると、穴部の間口部（つまり穴部の最上部）が広くなる。このため、導波路１０９を構成するための光透過性材料が間口部付近に堆積しやすい傾向にあっても、穴部に光透過性材料を埋め込む際に間口部が塞がってしまうことがない。また、多画素化すなわち画素の高密度化によって１画素当たりの受光部１０１の大きさが小さくなっても、集光面積を大きく採ることができる。また、受光部１０１の近くで配線１０７等が受光部１０１上に被さるように配置される場合であっても、導波路１０９の受光部１０１側が窄まっていることで、入射光が配線１０７等と干渉しにくくなる。これにより、配線１０７が受光部１０１の集光を阻害するのを防止することができる。
特開２００４−２２１５３２号公報

上述した従来の固体撮像装置用素子２００における導波路１０９の製造方法をより詳しく説明する。絶縁膜１０５の内部に配線１０７を形成後、絶縁膜１０５上にフォトリソグラフィでレジストパターンを形成する。次いでレジストパターンをマスクとして絶縁膜１０５を異方性ドライエッチングにて受光部１０１手前までエッチングを行うことで図３に示されるような円錐台状の穴部を形成する。次に、アルミニウムなどの金属からなる高反射材料膜を穴部内壁に設けた後、この穴部の中に導波路材料としてシリコン酸化膜を積層充填し、あるいは高反射材料膜を設けずに直接、高屈折材料を積層充填する。これにより導波路１０９が形成される。

導波路材料としてのシリコン酸化膜を積層充填後、導波路表面の余分なシリコン酸化膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈ）法やエッチバック法により除去して表面の平坦化を行なう。

従って、従来は、穴部及び導波路１０９の形成、並びに表面平坦化の工程が必要であり、製造時間の短縮、製造工程の簡素化が難しく、ひいてはウェハコストが高くなるという問題があった。また、導波路１０９を形成するに当たり絶縁膜１０５の表面から受光部１０１の表面までの区間をドライエッチングして穴部を形成するので、穴部の表面に荒れが生じ、この荒れた表面で入射光が反射されると光の散乱によって集光効率が低下することがあった。また、穴部を充填する際、穴部のアスペクト比が高いと、充填材料にボイドが発生し、集光にばらつきが生じることがあった。また、穴部の充填にプラズマＣＶＤ法を用いるので、プラズマが受光部１０１の結晶欠陥等を誘起し、白キズや暗電流が生じることがあった。また、穴部形成のためのマスク形成工程では、下層配線１０７を削らないようにするため、マスクの位置決めにおける位置ずれ許容マージンを小さくしなければならなかった。仮に、位置ずれ許容マージンを超えた位置にマスクを配置しエッチングした場合、配線層１０７が削れ、その結果、パーティクルが発生する可能性がある。配線層削れ及びパーティクルの発生は、配線抵抗増加及び画像欠陥の原因になる。

上記実情に鑑み、本発明は、プラズマによる受光部へのダメージ及びエッチング時のパーティクル発生に起因する画像欠陥を招くことなく、フォトリソグラフィ、エッチング、埋め込み、平坦化などの工程数を低減するとともに、絶縁膜内にボイドのない導波路を形成して集光効率の向上を図ることができ、素子の信頼性を確保することのできる固体撮像装置用素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置用素子は、半導体基板の主面部に形成され表面で光を受光して光電変換を行う受光部と、上記半導体基板の主面部上に設けられた絶縁膜とを備え、上記絶縁膜の一部は、該絶縁膜の厚み方向全体に渡り外部からの入射光を上記受光部へ導く導波路領域とされ、上記絶縁膜中、上記導波路領域は非導波路領域より屈折率が高く、該導波路領域は、上記基板の主面方向において周縁部から中心軸部に向かって次第に屈折率が高くなる屈折率分布を有する。

本発明によれば、導波路領域は、中心軸部から周縁部にかけて次第に屈折率が小さくなっている。従って、導波路領域はグレーデッドインデックス型光ファイバのコアと同様の屈折率分布となる。よって、導波路領域に斜めに入射した光は、導波路領域内において受光部に向かって波状経路で全反射を繰り返しながら進行する。また、導波路領域の軸方向に入射した光は、受光部に向かって真っ直ぐに進行する。よって、入射光はエネルギー損失を生じることなく、受光部上に効率よく集光される。従って、高感度の固体撮像装置用素子を提供することができる。

本発明においては、絶縁膜へのレーザ光の照射によって導波路領域を形成することができる。導波路領域の形成に当たりプラズマを用いずに済むから、プラズマによる受光部へのダメージがない。また、導波路領域の形成に当たりエッチングしないで済むから、エッチング時のパーティクル発生に起因する画像欠陥を招くことがなく、エッチングによる反射面の荒れに起因する集光効率低下も生じない。また、絶縁膜へのレーザ光の照射によって導波路領域を形成することができるから、フォトリソグラフィ、エッチング、埋め込み、平坦化などの工程数を低減するとともに、ボイドのない導波路領域を形成することができる。

本発明においては、上記絶縁膜は、非ドープシリコン酸化膜からなることが好ましい。また、本発明においては、上記絶縁膜は、燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜からなることが好ましい。

このような素材の絶縁膜であれば、該絶縁膜にレーザ光を照射することによって、入射光を受光部まで損失無く導くことができる高品質の導波路領域をより確実に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置用素子の製造方法は、半導体基板の主面部に表面で光を受光して光電変換を行う受光部を形成するステップと、上記半導体基板の主面部上に絶縁膜を形成するステップと、上記絶縁膜の上記受光部に対向する部位にレーザ光を集光照射するステップとを備え、上記集光照射ステップでは、上記絶縁膜の厚み方向全体に渡り、上記集光位置を上記厚み方向に連続的に変化させることにより、上記絶縁膜内部の屈折率を増加させ、該絶縁膜の一部に導波路領域を形成する。

本発明によれば、絶縁膜へのレーザ光の照射によって導波路領域を形成する。導波路領域の形成に当たりプラズマを用いずに済むから、プラズマによる受光部へのダメージがない。また、導波路領域の形成に当たりエッチングしないで済むから、エッチング時のパーティクル発生に起因する画像欠陥を招くことがなく、エッチングによる反射面の荒れに起因する集光効率低下も生じない。また、絶縁膜へのレーザ光の照射によって導波路領域を形成するから、フォトリソグラフィ、エッチング、埋め込み、平坦化などの工程数を低減するとともに、ボイドのない導波路領域を形成することができる。

本発明により形成される導波路領域は、中心軸部から周縁部にかけて次第に屈折率が小さくなる。従って、導波路領域はグレーデッドインデックス型光ファイバのコアと同様の屈折率分布となる。よって、導波路領域に斜めに入射した光は、該導波路領域内において受光部に向かって波状経路で全反射を繰り返しながら進行する。また、導波路領域の軸方向に入射した光は、受光部に向かって真っ直ぐに進行する。よって、入射光はエネルギー損失を生じることなく、受光部上に効率よく集光される。従って、高感度の固体撮像装置用素子を得ることができる。

本発明においては、上記集光位置におけるレーザ光のピークパワーが１０５Ｗ／ｃｍ²以上であり、該レーザ光は、１００ｋＨｚ以上の繰り返し周波数をもつフェムト秒パルスレーザ光であることが好ましい。

このようなレーザ光を使用することにより、入射光を受光部へ損失なく導くことができる高品質の導波路領域をより確実に形成することができる。

また、本発明においては、上記絶縁膜は、非ドープシリコン酸化膜からなることが好ましい。また、本発明においては、上記絶縁膜は、燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜からなることが好ましい。

このような素材を使用することにより、光損失の小さい導波路をより一層確実に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置用素子によれば、オンチップレンズを介して導波路領域に斜めに入射した光は、受光部に向かって波状経路で全反射を繰り返しながら進行する。よって、入射光はエネルギー損失を生じることなく、受光部に効率よく集光される。従って、高感度の固体撮像装置用素子を提供することができる。また、本発明に係る固体撮像装置用素子の製造方法によれば、上記固体撮像用装置用素子を確実に得ることができる。また、プラズマによる受光部へのダメージ及びエッチング時のパーティクル発生に起因する画像欠陥を招くことなく、フォトリソグラフィ、エッチング、埋め込み、平坦化などの工程数を低減するとともに、ボイドのない導波路領域を形成して集光効率の向上を図ることができる。また、配線削れの発生を抑制して素子の信頼性を確保することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の固体撮像装置用素子の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置用素子を示す断面図である。図１に示されるように、固体撮像装置用素子１００は、主要な構成要素として、受光部１と、絶縁膜５とを備えている。受光部１は、半導体基板１７の主面部１８内に形成され、表面で光を受光して光電変換を行うものである。絶縁膜５は、半導体基板１７の主面部１８上に設けられている。絶縁膜５の一部は、該絶縁膜５の厚み方向全体に渡り、外部からの入射光を受光部１へ導く導波路領域９（図１中、２本の破線で挟まれた領域）とされている。絶縁膜５中、導波路領域９は非導波路領域より屈折率が高い。導波路領域９は、基板１７の主面方向において周縁部から中心軸部に向かって次第に屈折率が高くなる屈折率分布を有している。この屈折率分布は、グレーデッドインデックス型光ファイバのコアの屈折率分布と同様である。

受光部１は、例えばフォトダイオードである。主面部１８上に、ゲート絶縁膜２、素子分離絶縁膜３が設けられている。ゲート絶縁膜２上には、反射防止膜４（ＳｉＮ膜）が設けられている。反射防止膜４は、表面Ｐ型層１４及びゲート絶縁膜２を介して受光部１の表面を覆っている。反射防止膜４は、受光部１上の表面Ｐ型層１４に対向する位置に設けられている。絶縁膜５は、ゲート絶縁膜２、素子分離絶縁膜３、及び反射防止膜４上に設けられている。絶縁膜５中には、転送ゲート６、多層の配線７ａ〜７ｄ、及び導電プラグ８が設けられている。転送ゲート６は、受光部１からの信号電荷の読み出し、および読み出した信号の転送に必要となるものである。導電プラグ８は、多層に配置された配線７ａ〜７ｄを相互に接続するものである。

絶縁膜５は、絶縁性を有する光透過性材料から構成されている。光透過性材料には、シリコン酸化膜を主として適用することができる。絶縁膜５の受光部１に対向する部位には、導波路領域９が形成されている。導波路領域９の形状は特に限定されるものではないが、例えば、絶縁膜５の厚み方向全体に渡って該厚み方向に伸びる柱形状とすることができ、好ましくは円柱状若しくは四角柱状とすることができる。導波路領域９は、半導体基板１７の主面方向において、周縁部から中心軸部に向かって次第に光屈折率が高くなっている。導波路領域９の光屈折率は特に限定されるものではないが、例えば、絶縁膜５の非導波路領域の屈折率を約１．４５０とした場合、導波路領域９の中心軸付近の屈折率をこの値より１×１０^-3程度高く設定することができる。導波路領域９の光屈折率は、その中心軸部から離れる程低くなり、絶縁膜５の非導波路領域の屈折率に近くなる。導波路領域９の周縁部は、非導波路領域と屈折率が同じになる。これは、導波路領域９と非導波路領域の間には明確な界面が存在しないことを意味する。導波路領域９の製造方法については後述する。絶縁膜５の上面には、パッシベーション膜１０、平坦化膜１１およびカラーフィルタ１２を介してオンチップレンズ１３が設けられている。

導波路領域９をこのような構造とすることにより、屈折率の高い領域であり且つ光を通す部分であるコア状部（すなわち導波路領域９）とコア状部以外の屈折率の低い領域であるクラッド状部（すなわち非導波路領域）の間に、上記の如く明確な界面が存在しなくなる。これらコア状部とクラッド状部は、それぞれ、グレーデッドインデックス型光ファイバのコアとクラッドに対応する。従って、外部からオンチップレンズ１３を介して導波路領域９内に入射した光の内、導波路領域９の中心軸方向に入射した光はそのまま直進して受光部１に到達する。一方、導波路領域９の中心軸に対し斜めに入射した光は、グレーデッドインデックス型光ファイバの場合と同様、導波路領域９内部で全反射を繰り返しながら波状経路を経て進行し、受光部１に到達する（図１参照）。全反射はエネルギー損失がゼロであるため、反射による損失が生じない。また、この導波路領域９は、後述する如く、絶縁膜５へのレーザ光照射によって形成され、その形成に際しエッチング及びプラズマＣＶＤ法を使用しないで済む。よって、本実施形態では、導波路領域９内での入射光反射時及び受光部１での光電変換時にエネルギーロスが生じず、従来例の埋め込み型導波路に比べて集光効率が向上する。

つまり、図３に示される従来の導波路１０９は、絶縁膜１０５に穴部を形成し、この穴部内に高屈折率材料を埋め込むことにより形成され、高屈折率材料とその外側の低屈折率材料との界面で反射する構成であった。このため、穴部のアスペクト比が高くなると、穴部に高屈折率材料を埋め込む際に該材料にボイドが発生し、界面反射において光の散乱が生じて集光効率が低下することが多かった。また、穴部形成時のエッチングにより穴部内面に荒れが生じ、この荒れが光の散乱を招く原因となっていた。また、プラズマＣＶＤ法におけるプラズマが受光部１０１にダメージを与えていた。一方、本実施形態ではこのような不都合は生じない。

受光部１の不純物濃度は、光電変換を行える範囲であれば良いが、受光部１の不純物濃度は、１０¹⁵〜１０¹⁶ｃｍ^-3程度であることが好ましい。また、受光部１の厚みは、０．５〜２．０μｍ程度であることが好ましい。本実施形態においては、受光部１の暗出力を低減させるために、受光部１の表面に浅いＰ⁺⁺型の半導体領域である表面Ｐ型層１４が形成されている。表面Ｐ型層１４の不純物濃度は１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3であることが好ましい。これにより、受光部１は、埋め込み型フォトダイオードとして構成される。尚、表面Ｐ型層１４はなくても良い。

反射防止膜４は、受光部１を覆うように設けられたゲート絶縁膜２の表面において、受光部１と対向する位置に設けられている。反射防止膜４の厚みは特に限定されないが、その厚みによって反射を防止することができる光の波長が異なる。例えば、反射防止膜４としてＳｉＮ膜（屈折率は、約２．０００）を使用し、この反射防止膜４をゲート絶縁膜２の表面上に設けることができる。この場合、反射防止膜４の厚みが４０〜６０ｎｍであれば、波長が５５０ｎｍの光の反射を最も効果的に抑制することが可能である。

絶縁膜５は、例えば、非ドープシリコン酸化膜から構成することができる。具体例としては、ＮＳＧ（ＮｏｎＤｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜から構成することができる。また、絶縁膜５は、例えば、燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜から構成することもできる。具体例としては、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜のうちのいずれかから構成することができる。また、絶縁膜５は、例えば常圧ＣＶＤ法によって膜を堆積させることにより形成することができる。絶縁膜５の内部に、例えばアルミニウム等の金属材料からなる第１層目の配線７ａ及び７ｂが設けられている。第１層目の配線７ａ及び７ｂの上方には、第２層目の配線７ｃ及び７ｄが設けられている。第２層目の配線７ｃ及び７ｄは、半導体基板１７における受光部１の形成領域以外の領域に光を入射させないための遮光膜としても機能する。

また、絶縁膜５の表面を覆う保護膜として、パッシベーション膜１０が設けられている。パッシベーション膜１０は、例えばシリコンナイトライド膜から構成することができる。パッシベ−ション膜１０の表面には、平坦化膜１１が設けられている。平坦化膜１１は、例えばアクリル系透明膜から構成することができる。平坦化膜１１の表面には、カラーフィルタ１２が設けられている。カラーフィルタ１２には、カラーの撮像信号を得るために例えば原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタが使用されている。

更に、カラーフィルタ１２の表面には、集光用の光学素子としてオンチップレンズ１３が設けられている。オンチップレンズ１３の曲率は、オンチップレンズ１３を透過する光が導波路領域９内部へと集光されるように設定されている。オンチップレンズ１３の表面は、例えば、球面状または蒲鉾状に形成されている。

後述するように、この導波路領域９は絶縁膜５へのレーザ光の照射によって形成されるので、レーザ光の影響が及ばない範囲には導波路領域９は形成されない。よって、レーザ光の影響が及ばない範囲に配線７ａ〜７ｄを設けておけば、配線７ａ〜７ｄは必ず非導波路領域内に位置する。この場合、導波路領域９内部に光遮蔽物が存在することがない。従って、導波路領域９内に入射した光は、非導波路領域内部の配線７ａ〜７ｄにより反射され或いは隣の画素へ回り込むおそれもない。この点においても、本実施形態は、固体撮像装置用素子の感度特性を向上させることができる。

次に、図２Ａ〜図２Ｄを参照しながら、本実施形態に係る固体撮像装置用素子の製造方法を説明する。

図２Ａ〜図２Ｄは、図１に示される固体撮像装置用素子の製造方法を工程順に示す図である。図２Ａは、その製造方法の第１工程を示す断面図である。

第１工程では、図２Ａに示されるように、まず、Ｐ型半導体基板１７の主面部１８内に受光部１を形成する。受光部１は、Ｎ型不純物拡散領域として形成される。受光部１は、Ｐ型半導体基板１７の表面から所定の範囲にＮ型の不純物を注入し、注入された不純物を熱拡散させることにより形成される。その後、形成されたＮ型不純物拡散領域の表面部にＰ型の不純物を注入し、これを熱拡散させることによって、Ｐ型不純物拡散領域である表面Ｐ型層１４が形成される。その結果、表面Ｐ型層１４と、Ｎ型の受光部１と、Ｐ型半導体基板１７とから、ＰＮＰ接合構造を有するフォトダイオードが形成される。

次いで、Ｐ型半導体基板１７の主面部１８上にゲート絶縁膜２を設ける。ゲート絶縁膜２上には転送ゲート６を設ける。転送ゲート６は、ゲート絶縁膜２上の全面に、多結晶シリコン膜を所定の厚みに堆積させた後、この多結晶シリコン膜を選択的にパターニングすることにより形成される。

次いで、ゲート絶縁膜２上で且つ受光部１に対向する位置に反射防止膜４を設ける。本実施形態においては、反射防止膜４の一例として、シリコン窒化膜を設ける。反射防止膜４としてシリコン窒化物を用いた場合、光の反射を効果的に抑制することができる。特に、反射防止膜４の厚みを４０〜６０ｎｍ、ゲート絶縁膜２の厚みを１０〜３０ｎｍに設定すると、波長が５５０ｎｍの光の反射を最も効果的に抑制することができる。尚、ゲート絶縁膜２の厚みが、１０ｎｍより小さい場合には、反射防止膜４とゲート絶縁膜２の間に更にシリコン酸化膜を設けてもよい。

反射防止膜４は、ホットウォール減圧ＣＶＤ法に従い、７００〜８００°Ｃの反応温度においてゲート絶縁膜２全面に所定の厚みでシリコン窒化物を堆積させることにより形成することができる。この場合の化学反応は、以下の反応式（１）の通りである。
３ＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋４ＮＨ₃→Ｓｉ₃Ｎ₄＋６ＨＣｌ＋６Ｈ₂ ・・・（１）

次いで、フォトリソグラフィとＨ₃ＰＯ₄を用いるウェットエッチング法、或いは、ＣＦ₄やＣ₂Ｆ₆等のフッ素系ガスを用いるドライエッチング法によって、シリコン窒化物の一部を除去することで、図２Ａに示されるような反射防止膜４のパターンを形成することができる。

図２Ｂは、図２Ａに続く第２工程を示す断面図である。図２Ｂに示されるように、ゲート絶縁膜２上に、例えば常圧の熱ＣＶＤ法によって第１層目の絶縁膜５ａを設ける。第１層目の絶縁膜５ａの材質は特に限定されるものではないが、例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を用いることができる。その後、６５０°Ｃで絶縁膜５ａをアニーリングすることで絶縁膜５ａ中の水分等の不純物を除去する。

第１層目の絶縁膜５ａの表面は、ＣＭＰ法によって平坦化される。その後、異方性ドライエッチングにより第１層目の絶縁膜５ａ内にコンタクトホールが形成される。その後、Ｗ（タングスデン）によるコンタクトホールの埋め込みを行い、エッチバック法若しくはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈ）法により表面平坦化を行うことで、導電プラグ８を形成する。次にアルミニウムからなる第１層目の配線７ａ，７ｂを、通常のＣＭＯＳ製造プロセスと同様の方法で設ける。次いで、第１層目の絶縁膜５ａ上に、第２層目の絶縁膜５ｂをプラズマＣＶＤ法にて設ける。その後、第２層目の絶縁膜５ｂの表面を平坦化する。第２層目の絶縁膜５ｂ上に、アルミニウムからなる第２層目の配線７ｃ，７ｄを設ける。２層目以上の層でプラズマＣＶＤ法を用いれば、プラズマが受光部１に影響を及ぼさなくなる。次いで、第３層目の絶縁膜５ｃを例えばプラズマＣＶＤ法にて第２層目の絶縁膜５ｂ上に設ける。その後、第３層目の絶縁膜５ｃの表面を平坦化する。

図２Ｃは、図２Ｂに続く第３工程を示す断面図である。図２Ｃに示されるように、絶縁膜５ａ〜５ｃにおいて受光部１に対向する部分には、絶縁膜５ａ〜５ｃ以外に何も存在しない（配線等が存在しない）導波路形成用部分１５が存在している。パッシベーション膜１０（図２Ｄ参照）は未だ設けられていない。この状態において、導波路形成用部分１５の表面から該部分１５内にレーザ光を照射する。具体的には、導波路形成用部分１５表面から受光部１表面までの間の部分にレンズ等を介してレーザ光を集光照射する。その集光照射の際、集光位置を絶縁膜５ａ〜５ｃの厚み方向（図２Ｃでは上下方向）に連続的に変化させる。これにより、導波路形成用部分１５に光誘起屈折率変化を生じさせ、該部分１５の屈折率を１０^-3程度増加させる。この屈折率増加部分が導波路領域９となる。ここで使用するレーザはパルスレーザである。

パルスレーザの照射によって屈折率が変化する現象は、光誘起屈折率変化と呼ばれている。光誘起屈折率変化が生じる材質としては、Ｐ（リン）等を添加したシリカガラスが知られている。この現象は、紫外域に固有吸収波長領域をもつ酸素欠陥部がガラス中に存在すること、及び、ガラスに吸収波長のレーザ光を照射することにより酸素欠陥部の一部が構造変化し、その結果ガラスが緻密になり屈折率が増加すること、により発生すると考えられている。レーザ光を適切に集光照射するため、元のビーム直径が５０〜５００μｍである場合には、通常、集光レンズを用いて数μｍ〜数十μｍにスポット径を変えることが好ましい。尚、スポット径は、使用するレーザの種類に応じて適宜に変更することができる。

絶縁膜５ａ〜５ｃにレーザ光を集光照射する際、集光位置におけるピークパワーは１０５Ｗ／ｃｍ²以上とすることが好ましい。また、１００ｋＨｚ以上の繰り返し周波数をもつフェムト秒パルスレーザ光を使用することが望ましい。１パルスにおけるレーザ光照射時間（パルス幅）は１５０フェムト秒程度であることが好ましい。

レーザ光のピークパワーは、１パルス当りの出力エネルギー（Ｊ）／パルス幅（秒）の比で表されるピーク出力（Ｗ）を照射単位面積当たりに換算した値である。ピークパワーが１０５Ｗ／ｃｍ²に満たないと光誘起屈折率変化が起こらず、導波路領域９が形成されない。ピークパワー強度が高いほど光誘起屈折率変化が促進され、導波路領域９が容易に形成される。しかし、過度に大きなエネルギー量のレーザ光を実用的に得ることは困難である。そこで、パルス幅を狭くすることによりピーク出力を高くしたパルスレーザの使用が好ましい。レーザ光の波長は、上記のピークパワーを満たせば特に限定はされない。

レーザ光照射時において、レーザ光の集光径（直径）が導波路形成用部分１５の直径より小さければ、導波路形成用部分１５の中心軸上で集光位置を絶縁膜５ａ〜５ｃの厚み方向に移動させながら照射してもよい。或いは、絶縁膜５ａ〜５ｃの厚み方向に集光位置を変化させることを基本としながら、導波路形成用部分１５の表面方向に集光位置を変化させながら照射することも可能である。しかしながら、レーザ光の集光径が導波路形成用部分１５の直径より大きければ、遮光マスクを介して導波路形成用部分１５のみにレーザ光を照射してもよい。

図２Ｄは、図２Ｃに続く第４工程を示す断面図である。図２Ｄに示されるように、絶縁膜５ｃ上にパッシベーション膜１０、平坦化膜１１、カラーフィルタ１２、及びオンチップレンズ１３を順次設けることにより、固体撮像装置用素子１００が完成する。

以上説明したように、第１の実施形態に係る固体撮像装置用素子１００の製造方法によれば、従来の如くエッチングにより穴部を形成してその穴部に光透過性材料を埋め込む手法と比較して、フォトリソグラフィ、異方性ドライエッチング、シリコン酸化膜（光透過性材料）の成膜埋め込み、平坦化の各工程を省略することが可能である。よって、製造工程の削減、製造時間の短縮、及びこれに伴うウェハコストの低減が可能となる。また、グレーデッドインデックス型光ファイバと同様の屈折率分布を有する導波路領域９を形成できるため、入射光を全反射によってエネルギー損失無く受光部１に導くことができる。また従来のように、光導波路領域を形成するに当たり絶縁膜表面から受光部表面までの区間をドライエッチングして穴部を形成する必要がなく、またプラズマＣＶＤ法による穴部充填を行なう必要がないので、導波路内のボイド発生、受光部の結晶欠陥等が誘起されることがなく、集光効率の低下、白キズや暗電流の発生を抑制することができる。更に、異方性ドライエッチングを行わないため、配線層削れ及びこれに伴うパーティクルの発生をなくすことができる。従って、配線抵抗増加や画像欠陥の発生原因もなくなる。更に、受光部までの区間を異方性ドライエッチングしその後に高屈折率材料膜を埋め込むという工程を経ないため、導波路領域９のアスペクト比が高くなってもボイドは発生しない。従って、ボイドによる集光のバラツキを防止することができる。更にまた、導波路領域９を構成するに当たり、金属のような高反射材料を用いる必要がないため、導波路領域の材料的な制約が解消される。しかも、単にレーザ光照射という比較的単純な工程を経て導波路領域を形成するので、高性能な固体撮像装置用素子を再現性よく製造することができる。

なお、本実施形態においては、絶縁膜５の形成に当たり、種々の成膜法を用いることができる。ＣＶＤ法を用いる場合には、熱ＣＶＤ法の他、プラズマＣＶＤ法を用いることも可能である。但し、プラズマＣＶＤ法による成膜は、上記実施形態の如く、第２層目以上の層で用いることが好ましい。第２層目以上の層で用いることにより、プラズマが受光部１に影響を及ぼさなくなるからである。

以上説明したように、本発明は、受光部上に導波路領域が形成される固体撮像装置用素子及びその製造方法等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置用素子の断面図 図１に示される固体撮像装置用素子の製造工程（第１工程）を示す断面図 図２Ａに続く製造工程（第２工程）を示す断面図 図２Ｂに続く製造工程（第３工程）を示す断面図 図２Ｃに続く製造工程（第４工程）を示す断面図 従来の固体撮像装置用素子の一例を示す断面図

符号の説明

１ 受光部
２ ゲート絶縁膜
３ 素子分離絶縁膜
４ 反射防止膜（ＳｉＮ膜）
５ａ〜５ｃ 絶縁膜
６ 転送ゲート
７ａ〜７ｄ 配線
８ 導電プラグ
９ 導波路領域
１０ パッシベーション膜
１１ 平坦化膜
１２ カラーフィルタ
１３ オンチップレンズ
１４ 表面Ｐ型層
１５ 導波路形成用部分
１６ 入射光路

Claims (7)

1. 半導体基板の主面部内に形成され表面で光を受光して光電変換を行う受光部と、
   前記半導体基板の主面部上に設けられた絶縁膜とを備え、
   前記絶縁膜の一部は、該絶縁膜の厚み方向全体に渡り外部からの入射光を前記受光部へ導く導波路領域とされ、
   前記絶縁膜中、前記導波路領域は非導波路領域より屈折率が高く、且つ、前記基板の主面方向において周縁部から中心軸部に向かって次第に屈折率が高くなる屈折率分布を有する固体撮像装置用素子。
2. 前記絶縁膜は、非ドープシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置用素子。
3. 前記絶縁膜は、燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置用素子。
4. 半導体基板の主面部内に表面で光を受光して光電変換を行う受光部を形成するステップと、
   前記半導体基板の主面部上に絶縁膜を形成するステップと、
   前記絶縁膜の前記受光部に対向する部位にレーザ光を集光照射するステップとを備え、
   前記集光照射ステップでは、前記絶縁膜の厚み方向全体に渡り前記集光位置を前記厚み方向に連続的に変化させることにより、前記絶縁膜内部の屈折率を増加させ、該絶縁膜の一部に導波路領域を形成する固体撮像装置用素子の製造方法。
5. 前記集光位置におけるレーザ光のピークパワーが１０５Ｗ／ｃｍ²以上であり、該レーザ光は、１００ｋＨｚ以上の繰り返し周波数をもつフェムト秒パルスレーザ光であることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置用素子の製造方法。
6. 前記絶縁膜は、非ドープシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置用素子の製造方法。
7. 前記絶縁膜は、燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置用素子の製造方法。
   
   

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