JP2007305690A - Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same - Google Patents
Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007305690A JP2007305690A JP2006130661A JP2006130661A JP2007305690A JP 2007305690 A JP2007305690 A JP 2007305690A JP 2006130661 A JP2006130661 A JP 2006130661A JP 2006130661 A JP2006130661 A JP 2006130661A JP 2007305690 A JP2007305690 A JP 2007305690A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- insulating film
- light
- waveguide region
- solid
- waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
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。 The present invention relates to an element for a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same, and more specifically to an element for a solid-state imaging device including an insulating film in which a waveguide region is formed at a portion facing a light receiving portion and a method for manufacturing the same. It is.
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。 In recent years, some solid-state imaging device elements use a waveguide as means for increasing the light collection efficiency (see, for example, Patent Document 1). The waveguide is formed for each element for a solid-state imaging device, that is, for each pixel cell. The waveguide is provided on a light receiving portion that receives light and performs photoelectric conversion, and is formed of an insulating film. An on-chip lens is provided on this waveguide. By adopting the waveguide structure, the light condensed by the on-chip lens can be efficiently incident on the light receiving unit.
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。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional example of a solid-state imaging device element having a waveguide. As illustrated in FIG. 3, the solid-state
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。
In such an
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。
In the method for manufacturing the
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。
In the step of forming the hole, anisotropic etching is performed. That is, the etching is performed under the condition that the forward tapered shape can be formed while suppressing the isotropic etching. As a result, a forward tapered hole is formed in which the size in plan view as viewed from the light incident direction gradually decreases from the light incident side toward the
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。
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。
A method of manufacturing the
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。 After stacking and filling a silicon oxide film as a waveguide material, an excess silicon oxide film on the surface of the waveguide is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polish) method or an etch back method to planarize the surface.
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。
Therefore, conventionally, the process of forming the hole and the
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。 In view of the above circumstances, the present invention reduces the number of steps such as photolithography, etching, embedding, planarization, etc. without incurring image defects caused by damage to the light receiving part due to plasma and generation of particles during etching, An object of the present invention is to provide an element for a solid-state imaging device that can improve the light collection efficiency by forming a waveguide without voids in an insulating film, and can ensure the reliability of the element, and a method for manufacturing the same. To do.
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。 In order to achieve the above object, an element for a solid-state imaging device according to the present invention is provided on a main surface portion of a semiconductor substrate and is provided on a main surface portion of the semiconductor substrate, and a light receiving portion that receives light on the surface and performs photoelectric conversion. And a part of the insulating film serves as a waveguide region for guiding incident light from the outside to the light receiving portion over the entire thickness direction of the insulating film, and the waveguide is included in the insulating film. The region has a refractive index higher than that of the non-waveguide region, and the waveguide region has a refractive index distribution in which the refractive index gradually increases from the peripheral portion toward the central axis portion in the main surface direction of the substrate.
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。 According to the present invention, the refractive index of the waveguide region gradually decreases from the central axis portion to the peripheral portion. Accordingly, the waveguide region has a refractive index distribution similar to that of the core of the graded index optical fiber. Therefore, the light incident obliquely into the waveguide region travels while repeating total reflection on the wave-like path toward the light receiving portion in the waveguide region. Further, the light incident in the axial direction of the waveguide region travels straight toward the light receiving unit. Therefore, incident light is efficiently condensed on the light receiving part without causing energy loss. Therefore, a highly sensitive solid-state imaging device element can be provided.
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。 In the present invention, the waveguide region can be formed by irradiating the insulating film with laser light. Since it is not necessary to use plasma in forming the waveguide region, there is no damage to the light receiving portion due to the plasma. In addition, since it is not necessary to perform etching for forming the waveguide region, image defects due to generation of particles during etching are not caused, and light collection efficiency is not reduced due to roughness of the reflection surface due to etching. In addition, since the waveguide region can be formed by irradiating the insulating film with laser light, the number of steps such as photolithography, etching, embedding, and planarization can be reduced, and a waveguide region without voids can be formed. Can do.
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。 In the present invention, the insulating film is preferably made of an undoped silicon oxide film. In the present invention, the insulating film is preferably made of a silicon oxide film doped with at least one of phosphorus, fluorine, and boron.
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。 With such an insulating film, it is possible to more reliably form a high-quality waveguide region that can guide incident light to the light receiving portion without loss by irradiating the insulating film with laser light. .
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。 The method for manufacturing an element for a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a light receiving portion for performing photoelectric conversion by receiving light on a main surface portion of a semiconductor substrate, and an insulating film on the main surface portion of the semiconductor substrate. And a step of condensing and irradiating a portion of the insulating film facing the light receiving portion with a laser beam. In the condensing irradiation step, the condensing position extends over the entire thickness direction of the insulating film. Is continuously changed in the thickness direction, the refractive index inside the insulating film is increased, and a waveguide region is formed in a part of the insulating film.
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。 According to the present invention, the waveguide region is formed by irradiating the insulating film with laser light. Since it is not necessary to use plasma in forming the waveguide region, there is no damage to the light receiving portion due to the plasma. In addition, since it is not necessary to perform etching for forming the waveguide region, image defects due to generation of particles during etching are not caused, and light collection efficiency is not reduced due to roughness of the reflection surface due to etching. In addition, since the waveguide region is formed by irradiating the insulating film with laser light, the number of steps such as photolithography, etching, embedding, and planarization can be reduced, and a waveguide region without voids can be formed.
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。 The refractive index of the waveguide region formed according to the present invention gradually decreases from the central axis portion to the peripheral portion. Accordingly, the waveguide region has a refractive index distribution similar to that of the core of the graded index optical fiber. Therefore, the light incident obliquely on the waveguide region travels while repeating total reflection on the wave-like path toward the light receiving portion in the waveguide region. Further, the light incident in the axial direction of the waveguide region travels straight toward the light receiving unit. Therefore, incident light is efficiently condensed on the light receiving part without causing energy loss. Therefore, a highly sensitive solid-state imaging device element can be obtained.
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。 In the present invention, the peak power of the laser beam at the condensing position is preferably 105 W / cm 2 or more, and the laser beam is preferably a femtosecond pulse laser beam having a repetition frequency of 100 kHz or more.
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。 By using such laser light, it is possible to more reliably form a high-quality waveguide region that can guide incident light to the light receiving unit without loss.
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。 In the present invention, the insulating film is preferably made of an undoped silicon oxide film. In the present invention, the insulating film is preferably made of a silicon oxide film doped with at least one of phosphorus, fluorine, and boron.
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。 By using such a material, a waveguide with small optical loss can be formed more reliably.
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。 According to the element for a solid-state imaging device according to the present invention, the light incident obliquely into the waveguide region through the on-chip lens travels while repeating total reflection along the wave path toward the light receiving unit. Therefore, incident light is efficiently condensed on the light receiving part without causing energy loss. Therefore, a highly sensitive solid-state imaging device element can be provided. In addition, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device element according to the present invention, the solid-state imaging device element can be obtained with certainty. In addition, the number of processes such as photolithography, etching, embedding, and planarization is reduced without causing damage to the light receiving portion due to plasma and image defects due to generation of particles during etching, and a waveguide region without voids. It can be formed to improve the light collection efficiency. Further, the reliability of the element can be ensured by suppressing the occurrence of wiring scraping.
(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。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the element for a solid-state imaging device of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an element for a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid-state
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。
The
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。
The insulating
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。
By adopting such a structure for the
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。
That is, the
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。
The impurity concentration of the
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。
The
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。
The insulating
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。
Further, a
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。
Furthermore, an on-
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。
As will be described later, since the
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。 Next, a method for manufacturing the element for solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2A to 2D.
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。 2A to 2D are views showing a method of manufacturing the element for the solid-state imaging device shown in FIG. 1 in the order of steps. FIG. 2A is a cross-sectional view showing a first step of the manufacturing method.
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。
In the first step, as shown in FIG. 2A, first, the
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。
Next, the gate insulating film 2 is provided on the
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。
Next, an
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)
The
3SiH 2 Cl 2 + 4NH 3 → Si 3 N 4 + 6HCl + 6H 2 (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。
Next, a part of the silicon nitride is removed by photolithography and a wet etching method using H 3 PO 4 or a dry etching method using a fluorine-based gas such as CF 4 or C 2 F 6 , so that FIG. The pattern of the
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。
FIG. 2B is a cross-sectional view showing a second step following FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, a first
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。
The surface of the first insulating
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。
FIG. 2C is a cross-sectional view showing a third step following FIG. 2B. As shown in FIG. 2C, in the insulating
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。 The phenomenon in which the refractive index changes due to irradiation with a pulsed laser is called photoinduced refractive index change. Silica glass to which P (phosphorus) or the like is added is known as a material that causes a photoinduced refractive index change. This phenomenon is caused by the existence of oxygen defects having an intrinsic absorption wavelength region in the ultraviolet region in the glass, and a partial change in the structure of oxygen defects by irradiating the glass with an absorption wavelength laser beam. The result is believed to be due to the glass becoming dense and the refractive index increasing. In order to appropriately collect and irradiate laser light, when the original beam diameter is 50 to 500 μm, it is usually preferable to change the spot diameter from several μm to several tens of μm using a condensing lens. The spot diameter can be appropriately changed according to the type of laser used.
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。
When the insulating
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。
The peak power of the laser beam is a value obtained by converting a peak output (W) expressed by a ratio of output energy per pulse (J) / pulse width (seconds) per irradiation unit area. If the peak power is less than 105 W / cm 2 , the light-induced refractive index change does not occur and the
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。
When the condensing diameter (diameter) of the laser light is smaller than the diameter of the waveguide forming portion 15 at the time of laser light irradiation, the condensing position on the central axis of the waveguide forming portion 15 is set to the thickness of the insulating
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。
FIG. 2D is a cross-sectional view showing a fourth step following FIG. 2C. As shown in FIG. 2D, the
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。
As described above, according to the method for manufacturing the
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。
In the present embodiment, various film forming methods can be used for forming the insulating
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。 As described above, the present invention is useful for an element for a solid-state imaging device in which a waveguide region is formed on a light receiving portion, a manufacturing method thereof, and the like.
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
DESCRIPTION OF
5a to 5c
Claims (7)
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。 A light receiving portion that is formed in the main surface portion of the semiconductor substrate and receives light on the surface to perform photoelectric conversion;
An insulating film provided on a main surface portion of the semiconductor substrate,
A part of the insulating film serves as a waveguide region that guides incident light from the outside to the light receiving unit over the entire thickness direction of the insulating film,
In the insulating film, the waveguide region has a refractive index higher than that of the non-waveguide region, and has a refractive index distribution in which the refractive index gradually increases from the peripheral portion toward the central axis portion in the main surface direction of the substrate. Imaging device element.
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。 Forming a light receiving portion for performing photoelectric conversion by receiving light on the surface in the main surface portion of the semiconductor substrate;
Forming an insulating film on a main surface portion of the semiconductor substrate;
A step of condensing and irradiating a laser beam on a portion of the insulating film facing the light receiving portion,
In the condensing irradiation step, the refractive index inside the insulating film is increased by continuously changing the condensing position in the thickness direction over the entire thickness direction of the insulating film, and a part of the insulating film A method for manufacturing an element for a solid-state imaging device, in which a waveguide region is formed on the substrate.
5. The method for manufacturing an element for a solid-state imaging device according to claim 4, wherein the insulating film is made of a silicon oxide film doped with at least one of phosphorus, fluorine, and boron.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006130661A JP2007305690A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006130661A JP2007305690A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007305690A true JP2007305690A (en) | 2007-11-22 |
Family
ID=38839394
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006130661A Pending JP2007305690A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007305690A (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011233862A (en) * | 2010-04-06 | 2011-11-17 | Canon Inc | Solid state image pickup device and image pickup system |
JP2012182433A (en) * | 2011-02-09 | 2012-09-20 | Canon Inc | Photoelectric conversion element and photoelectric conversion device using the same, and imaging system |
JP2012182435A (en) * | 2011-02-09 | 2012-09-20 | Canon Inc | Photoelectric conversion element, photoelectric conversion device using the same, and imaging system |
US8773558B2 (en) | 2011-02-09 | 2014-07-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion element, and photoelectric conversion apparatus and image sensing system |
US8785992B2 (en) | 2010-07-21 | 2014-07-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light-guiding structure, image sensor including the light-guiding structure, and processor-based system including the image sensor |
US8809094B2 (en) | 2011-06-15 | 2014-08-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing solid-state image sensor |
US9142578B2 (en) | 2013-06-26 | 2015-09-22 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor integrated circuit device |
CN107884852A (en) * | 2017-12-15 | 2018-04-06 | 京东方科技集团股份有限公司 | light direction control film and preparation method thereof and fingerprint recognition panel |
-
2006
- 2006-05-09 JP JP2006130661A patent/JP2007305690A/en active Pending
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011233862A (en) * | 2010-04-06 | 2011-11-17 | Canon Inc | Solid state image pickup device and image pickup system |
US8785992B2 (en) | 2010-07-21 | 2014-07-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light-guiding structure, image sensor including the light-guiding structure, and processor-based system including the image sensor |
JP2012182433A (en) * | 2011-02-09 | 2012-09-20 | Canon Inc | Photoelectric conversion element and photoelectric conversion device using the same, and imaging system |
JP2012182435A (en) * | 2011-02-09 | 2012-09-20 | Canon Inc | Photoelectric conversion element, photoelectric conversion device using the same, and imaging system |
RU2497234C2 (en) * | 2011-02-09 | 2013-10-27 | Кэнон Кабусики Кайся | Photoelectric conversion element, photoelectric conversion device and image reading system |
US8773558B2 (en) | 2011-02-09 | 2014-07-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion element, and photoelectric conversion apparatus and image sensing system |
US8878115B2 (en) | 2011-02-09 | 2014-11-04 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion element, and photoelectric conversion apparatus and imaging system having a light guide |
US8809094B2 (en) | 2011-06-15 | 2014-08-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing solid-state image sensor |
US9142578B2 (en) | 2013-06-26 | 2015-09-22 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor integrated circuit device |
US9437643B2 (en) | 2013-06-26 | 2016-09-06 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor integrated circuit device |
US9666622B2 (en) | 2013-06-26 | 2017-05-30 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor integrated circuit device |
CN107884852A (en) * | 2017-12-15 | 2018-04-06 | 京东方科技集团股份有限公司 | light direction control film and preparation method thereof and fingerprint recognition panel |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3672085B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
TWI501388B (en) | Image sensor, method of manufacturing the same and compound pixel comprising image sensors | |
US7442973B2 (en) | Solid-state imaging device and production method therefor | |
US8229255B2 (en) | Optical waveguides in image sensors | |
JP5288823B2 (en) | Photoelectric conversion device and method for manufacturing photoelectric conversion device | |
JP2007305690A (en) | Element for solid-state image sensing device and method for manufacturing the same | |
US20120267743A1 (en) | Solid-state imaging device and method for manufacturing the same | |
US9129877B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device including a plurality of photoelectric conversion portions | |
US20190198536A1 (en) | Image Sensor and Forming Method Thereof | |
JP2007201091A (en) | Process for fabricating solid state image sensor | |
US8846436B2 (en) | Semiconductor device manufacturing method for forming an opening to provide a plug | |
JP2009252983A (en) | Imaging sensor, and method of manufacturing imaging sensor | |
JP5342821B2 (en) | Solid-state image sensor | |
JP2008091771A (en) | Solid-state image pickup device and its manufacturing method | |
JP2008010544A (en) | Solid-state image pickup element | |
JPH0745805A (en) | Solid-stage image pickup device | |
JP2006120845A (en) | Photoelectric converter and its manufacturing method | |
JP2014036092A (en) | Photoelectric conversion device | |
JP4556475B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method thereof | |
JP2010278272A (en) | Solid-state imaging element and method of manufacturing solid-state imaging element | |
JP2009194145A (en) | Solid-state image sensing element and manufacturing method therefor | |
JP2012186396A (en) | Solid state image pickup device and manufacturing method of the same | |
JP2014154834A (en) | Solid-state imaging element | |
JP2010287636A (en) | Solid-state image sensor and method of manufacturing the same | |
JP2006222270A (en) | Solid-state image sensor and its manufacturing method |