JP2008091643A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができ、プロセス難易度が低く、プロセス工程数の増加を抑制した固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に形成され、入射光を光電変換する受光素子１０２と、半導体基板１０１の受光素子１０２が形成された面上に積層される複数の配線層とを備え、複数の配線層のうち１以上は、第１絶縁層１０４と、第１絶縁層１０４上に形成される金属配線１０５と、第１絶縁層１０４及び金属配線１０５上に積層され、金属配線１０５を構成する材料の拡散を防止し、入射光の反射を防止する反射防止層１２２と、反射防止層１２２上に積層される第２絶縁層１０８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、銅等で構成される多層構造の金属配線を用いた固体撮像装置に関する。
デジタルカメラ、携帯電話のカメラ及びＷｅｂカメラ等に用いられるイメージセンサとして、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置が用いられている。近年、固体撮像装置の多画素化及び画素寸法の縮小化が進んでおり、これに伴って使用される金属配線がＡｌ（アルミニウム）配線からＣｕ（銅）配線に変更されている。
Ｃｕ配線を用いた場合には、酸化膜中でのＣｕの拡散係数が大きいことから、Ｃｕの拡散を防止する層を形成することが必要となる。
図９は、従来のＣｕ配線を用いた固体撮像装置の断面構造を示す図である。図９に示す従来の固体撮像装置５００は、ＣＭＯＳイメージセンサであり、半導体基板５０１と、フォトダイオード５０２と、トランジスタ５０３と、層間膜５０４、５０７及び５１０と、Ｃｕ配線５０５、５０８及び５１１と、拡散防止層５０６、５０９、５１２及び５１３と保護膜５１４と、カラーフィルタ５１５と、マイクロレンズ５１６と、素子分離領域５１７とを備える。
フォトダイオード５０２は、入射光の光電変換を行う。トランジスタ５０３は、ポリシリコンで形成されるゲート電極５１８を含む。素子分離領域５１７は、ＳｉＯ2の埋め込み層からなる素子分離層(ＳＴＩ:シャロートレンチアイソレーション)である。層間膜５０４、５０７、５１０及び保護膜５１４は、例えば、ＳｉＯ2で構成される。Ｃｕ配線５０５、５０８及び５１１は、Ｃｕで構成される金属配線である。拡散防止層５０６、５０９、５１２及び５１３は、Ｃｕ配線５０５、５０８及び５１１を構成するＣｕの拡散を防止するための層であり、例えば、ＳｉＮで構成される。
固体撮像装置５００において、半導体基板５０１上に、フォトダイオード５０２及びトランジスタ５０３が形成され、その上に層間膜５０４が形成され、その上にＣｕ配線５０５が形成され、その上に拡散防止層５０６が形成され、その上に層間膜５０７が形成され、その上にＣｕ配線５０８が形成され、その上に拡散防止層５０９が形成され、その上に層間膜５１０が形成され、その上にＣｕ配線５１１が形成され、その上に拡散防止層５１２が形成され、その上に拡散防止層５１３が形成されその上に、保護膜５１４が形成され、その上にカラーフィルタ５１５が形成され、その上にマイクロレンズ５１６が形成される。
固体撮像装置５００に入射した光は、マイクロレンズ５１６で集光され、フォトダイオード５０２に照射される。しかしながら、図９に示す従来の固体撮像装置において、フォトダイオード５０２の上部に屈折率の異なるＳｉＯ2からなる層（層間膜５０４、５０７、５１０及び保護膜５１４）と、ＳｉＮからなる層（拡散防止層５０６、５０９、５１２及び５１３）が積層されている。これにより、層間膜と拡散防止層との界面において反射（例えば、図９に示す矢印５２１）及び多重干渉（例えば、図９に示す矢印５１９及び５２０）が発生する。反射及び多重干渉の影響により、フォトダイオード５０２への入射光量の低下、及びノイズの発生が増加するという問題がある。これに対して、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層を除去する方法が知られている。
フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層を除去する方法として、拡散防止層を順次除去しながら各層を形成する第１の方法（例えば、特許文献１参照。）と、全ての層を形成後に、一括してフォトダイオード５０２の上部の拡散防止層を除去し、絶縁層を埋め込む第２の方法（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）とが知られている。
図１０は、各層の拡散防止層を順次除去しながら各層を形成する第１の方法により形成された従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。図１０に示す従来の固体撮像装置６００は、フォトダイオード５０２の上部を除去した拡散防止層６０６、６０９、６１２及び６１３を備える。なお、図９と同様の要素には同一の符号を付している。
固体撮像装置６００の製造方法は、半導体基板５０１上に、層間膜５０４、Ｃｕ配線５０５及び拡散防止層６０６を順次積層し、その後、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層６０６を除去する。さらに、層間膜５０７、Ｃｕ配線５０８及び拡散防止層６０９を順次積層し、その後、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層６０９を除去する。さらに、層間膜５１０、Ｃｕ配線５１１、拡散防止層６１２及び６１３を順次積層し、その後、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層６１２及び６１３を除去する。
以上より、従来の固体撮像装置６００は、フォトダイオード５０２の上部に拡散防止層が存在せず、同一の屈折率の層間膜のみで形成される。これにより、反射及び多重干渉の発生を低減し、フォトダイオード５０２への入射光量の低下を防止することができる。
図１１は、全ての層を形成後に、一括してフォトダイオードの上部の拡散防止層を除去し、絶縁層を埋め込む第２の方法により形成された従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。図１１に示す従来の固体撮像装置７００は、フォトダイオード５０２の上部を除去した拡散防止層７０６、７０９、７１２及び７１３と、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層が除去された領域に形成される埋め込み絶縁層７２２とを備える点が図９に示す固体撮像装置５００と異なる。なお、図９と同様の要素には同一の符号を付している。
固体撮像装置７００の製造方法は、半導体基板５０１上に、層間膜５０４、Ｃｕ配線５０５及び拡散防止層７０６、層間膜５０７、Ｃｕ配線５０８及び拡散防止層７０９、層間膜５１０、Ｃｕ配線５１１、拡散防止層７１２、拡散防止層７１３及び保護膜５１４を順次積層し、その後、フォトダイオード５０２の上部の拡散防止層７０６、７０９、７１２及び７１３と、層間膜５０４、５０７及び５１０と、保護膜５１４とを一括して除去する。フォトダイオード５０２の上部の７０６、７０９、７１２及び７１３と、層間膜５０４、５０７及び５１０と、保護膜５１４とを一括して除去した領域に、埋め込み絶縁層７２２を埋め込む。
以上により、従来の固体撮像装置７００は、フォトダイオード５０２の上部に拡散防止層が形成されず、同一の屈折率の層間膜５０４及び埋め込み絶縁層７２２のみで形成される。これにより、反射及び多重干渉の発生を低減し、フォトダイオード５０２への入射光量の低下を防止することができる。
特開２００５−３１１０１５号公報 特開２００４−２２１５２７号公報 特開２００６−８０５２２号公報
しかしながら、図１０に示すような各層の拡散防止層を順次除去しながら各層を形成する第１の方法では、各層の拡散防止層を除去する工程が必要となり、工程数が増加するという問題がある。さらに、各層の拡散防止層を除去することにより、拡散防止層上に積層される層間膜の平坦性が低下してしまう。平坦性の低下は、平坦化を行うことで解決できるが、平坦化を行うことで工程数はさらに増加してしまう。
また、図１１に示すような全ての層を形成後に、一括してフォトダイオードの上部の拡散防止層を除去し、絶縁層を埋め込む第２の方法では、埋め込みのアスペクト比が高く、欠陥の少ない埋め込み絶縁層７２２を形成するためには、高いプロセス技術が必要であるという問題がある。ここで、埋め込み絶縁層７２２は、フォトダイオード５０２の上部に形成されるので、この埋め込み絶縁層が不完全でボイドなどの欠陥が生じた場合には、その部分で入射光が反射されるために固体撮像装置の特性に大きく影響することとなる。よって、埋め込み絶縁層７２２は、欠陥のない高質な層とする必要がある。また、固体撮像装置の微細化が進んだ場合には、埋め込みのアスペクト比はさらに高くなるので、埋め込み絶縁層を形成するプロセス難易度はさらに高くなる。
そこで、本発明は、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができ、プロセス難易度が低く、プロセス工程数の増加を抑制した固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成され、入射光を光電変換する受光素子と、前記半導体基板の前記受光素子が形成された面上に積層される複数の配線層とを備え、前記複数の配線層のうち１以上は、第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成される金属配線と、前記第１絶縁層及び金属配線上に積層され、前記金属配線を構成する材料の拡散を防止し、前記入射光の反射を防止する反射防止層と、前記反射防止層上に積層される第２絶縁層とを備える。
この構成によれば、反射防止層が入射光の反射を防止する機能を有するので、反射防止層と第２絶縁層との界面で発生する反射及び多重干渉の発生を低減できる。これにより、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができる。また、本発明に係る固体撮像装置は、反射防止層を除去する工程等を行わずに、反射を防止する機能を有する反射防止層を形成することで実現できるので、プロセス難易度が低く、プロセス工程数の増加を抑制することができる。
また、前記反射防止層は、前記反射防止層の屈折率又は層の厚さに対する前記入射光の透過率の特性において、該透過率がピークとなる領域の屈折率又は層の厚さを有してもよい。
この構成によれば、入射光に対して反射防止層の透過率が高くなるように最適化されているので、反射防止層と第２絶縁層との界面で発生する反射及び多重干渉の発生を低減できる。
また、前記反射防止層は、前記第１絶縁層及び金属配線上に積層される第１反射防止層と、前記第１反射防止層上に積層され、前記第１反射防止層を構成する材料と屈折率の異なる材料で構成される第２反射防止層とを含んでもよい。
この構成によれば、反射防止層が２層で構成される。これにより、例えば、金属配線に隣接する第１反射防止層が金属配線の拡散を防止する機能を有し、第２反射防止層の屈折率及び厚さを変更することで、入射光に対する反射防止層の透過率を容易に最適化することができる。
また、前記第１反射防止層は、酸素を含まない材料により構成されてもよい。
この構成によれば、金属配線に隣接する第１反射防止層が金属配線の拡散を防止する機能を有する。これにより、例えば、第２反射防止層の屈折率及び厚さを変更することで、入射光に対する反射防止層の透過率を容易に最適化することができる。
また、前記酸素を含まない材料は、ＳｉＮ、ＳｉＣ又はＳｉＮＣであってもよい。
この構成によれば、既存の製造プロセスにおいて、容易に第１反射防止層を形成することができる。
また、前記第２反射防止層は、酸素を含む材料により構成されてもよい。
この構成によれば、第２反射防止層の酸素の含有率を変更することで、容易に第２反射防止層の屈折率を変更することができる。これにより、入射光に対する反射防止層の透過率を容易に最適化することができる。
また、前記酸素を含む材料は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＮＣ又はＳｉＯ2であってもよい。
この構成によれば、既存の製造プロセスにおいて、容易に第２反射防止層を形成することができる。
また、前記反射防止層は、さらに、前記第２反射防止層上に積層され、前記第２反射防止層を構成する材料と屈折率の異なる材料で構成される第３反射防止層を含んでもよい。
この構成によれば、反射防止層は、第２反射防止層の酸素の含有率を変更することで、多重反射効果により、入射光に対する反射防止効果を得ることができる。
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の配線層より下方の前記受光素子上に形成され、前記入射光の反射を防止する反射防止膜を備えてもよい。
この構成によれば、フォトダイオードと第１絶縁層との界面で発生する反射を低減することができる。これにより、さらに効果的にフォトダイオードへの入射光量の減少を低減することができる。
また、前記金属配線は、銅で構成されてもよい。
この構成によれば、銅配線が用いられる固体撮像装置に対して、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができる。また、プロセス難易度を低減し、かつプロセス工程数の増加を抑制することができる。
本発明は、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができ、プロセス難易度が低く、プロセス工程数の増加を抑制した固体撮像装置を提供することができる。
以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、Ｃｕ配線を構成するＣｕの拡散防止層として、入射光の反射を防止する多層構造の反射防止層を備える。これにより、入射光の反射を防止し、フォトダイオードへの入射光量の減少を低減することができる。
まず、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面構造を模式的に示す図である。
図１に示す固体撮像装置１００は、入射光を光電変換し電気信号を出力する。固体撮像装置１００は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサである。固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、フォトダイオード１０２と、トランジスタ１０３と、層間膜１０４、１０８及び１１２と、Ｃｕ配線１０５、１０９及び１１３と、反射防止層１２２、１２３及び１２４と、保護膜１１７と、カラーフィルタ１１８と、マイクロレンズ１１９と、素子分離領域１２０と、反射防止膜１２５とを備える。
半導体基板１０１は、例えば、Ｓｉで構成される。
フォトダイオード１０２は、半導体基板１０１に形成される。フォトダイオード１０２は、入射光を光電変換する受光素子である。
トランジスタ１０３は、半導体基板１０１に形成される。トランジスタ１０３は、ソース／ドレイン領域（図示せず）と、ポリシリコンで形成されるゲート電極１２１とを含む。素子分離領域１２０は、ＳｉＯ2の埋め込み層からなる素子分離層(ＳＴＩ:シャロートレンチアイソレーション)である。
反射防止膜１２５は、反射防止層１２２より下方のフォトダイオード１０２上に形成され、入射光の反射を防止する。反射防止膜１２５は、例えば、ＳｉＮで構成される。なお、反射防止膜１２５は、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮＣ又はＳｉＣＯで構成されてもよい。
層間膜１０４は、半導体基板１０１、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３及び反射防止膜１２５上に積層される。すなわち、層間膜１０４は、半導体基板１０１のフォトダイオード１０２及びトランジスタ１０３が形成された面上に積層される。層間膜１０８は、反射防止層１２２上に積層される。層間膜１１２は、反射防止層１２３上に積層される。層間膜１０４、１０８及び１１２は、例えば、ＳｉＯ2で構成される絶縁層である。なお、層間膜１０４、１０８及び１１２は、ＳｉＯＣ又はポーラスシリコン酸化膜（多孔質シリコン酸化膜）で構成されてもよい。
Ｃｕ配線１０５は、層間膜１０４上に形成される。Ｃｕ配線１０９は、層間膜１０８上に形成される。Ｃｕ配線１１３は、層間膜１１２上に形成される。Ｃｕ配線１０５、１０９及び１１３は、銅（Ｃｕ）で構成された金属配線層である。
反射防止層１２２、１２３及び１２４は、Ｃｕ配線１０５、１０９及び１１３を構成するＣｕの製造工程における拡散を防止する層である。さらに、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、入射光の反射を防止する機能を有する。
反射防止層１２２は、層間膜１０４及びＣｕ配線１０５上に積層される。反射防止層１２２は、第１反射防止層１０６と、第２反射防止層１０７とを含む。第１反射防止層１０６は、層間膜１０４及びＣｕ配線１０５上に積層される。第２反射防止層１０７は、第１反射防止層１０６上に積層される。
反射防止層１２３は、層間膜１０８及びＣｕ配線１０９上に積層される。反射防止層１２３は、第１反射防止層１１０と、第２反射防止層１１１とを含む。第１反射防止層１１０は、層間膜１０８及びＣｕ配線１０９上に積層される。第２反射防止層１１１は、第１反射防止層１１０上に積層される。
反射防止層１２４は、層間膜１１２及びＣｕ配線１１３上に積層される。反射防止層１２４は、第１反射防止層１１４と、第２反射防止層１１５と、第３反射防止層１１６を含む。第１反射防止層１１４は、層間膜１１２及びＣｕ配線１１３上に積層される。第２反射防止層１１５は、第１反射防止層１１４上に積層される。第３反射防止層１１６は、第２反射防止層１１５上に積層される。
ここで、反射防止層１２４が３層で構成される理由を説明する。図示していないが、第１反射防止層１１４を形成後に、上層に作られるＡｌからなるボンディングパッドとＣｕ配線１１３とを電気的に接続するために、第１反射防止層１１４の一部は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により除去される。次に、第１反射防止層１１４を除去した領域にＡｌを蒸着する。次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、ボンディングパッドが形成される領域にのみＡｌを残し、それ以外の領域は画素部（フォトダイオード１０２の上部）も含みＡｌを除去する。これにより、Ａｌからなるボンディングパッドが第１反射防止層１１４上に形成される。次に、第２反射防止層１１５が形成される。ここで、第２反射層防止１１５は、Ａｌからなるボンディングパッドを覆うように形成され、Ａｌからなるボンディングパッドの保護層としても機能する。なお、Ａｌの保護が上層の第３反射層１１６及び保護膜１１７で十分であれば、第２反射防止層１１５を形成しなくともよい。 第１反射防止層１０６、１１０、１１４及び第２反射防止層１１５は、製造工程におけるＣｕ配線１０５、１０９及び１１３を構成する銅の拡散を防止するための層である。第１反射防止層１０６、１１０、１１４及び第２反射防止層１１５は、例えば、ＳｉＮで構成される。なお、第１反射防止層１０６、１１０、１１４及び第２反射防止層１１５は、ＳｉＣ又はＳｉＮＣで構成されてもよい。第２反射防止層１０７、１１１及び第３反射防止層１１６は、１０６、１１０、１１４及び第２反射防止層１１５を構成する材料と屈折率の異なる材料で構成される。第２反射防止層１０７、１１１及び第３反射防止層１１６は、例えば、ＳｉＯＮで構成される。なお、第２反射防止層１０７、１１１及び第３反射防止層１１６は、ＳｉＯＮＣで構成されてもよい。
保護膜１１７は、反射防止層１２４上に積層される。保護膜１１７は、例えば、ＳｉＯ2で構成される。
カラーフィルタ１１８は、保護膜１１７上に形成される。カラーフィルタ１１８は、所定の波長の光のみを透過するフィルタであり、例えば、可視光（波長４００〜６５０ｎｍ）を透過するフィルタである。なお、カラーフィルタ１１８は、赤色光、緑色光又は青色光を透過するフィルタであってもよい。
マイクロレンズ１１９は、カラーフィルタ１１８上に形成される。マイクロレンズ１１９は、入射光をフォトダイオード１０２上に集光する。
以上の構成により、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００において、入射光は、マイクロレンズ１１９で集光され、カラーフィルタ１１８、保護膜１１７、反射防止層１２４、層間膜１１２、反射防止層１２３、層間膜１０８、反射防止層１２２、層間膜１０４及び反射防止膜１２５を順次介して、フォトダイオード１０２に照射される。ここで、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、入射光（可視光）の反射を防止する機能を有する。すなわち、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、入射光（可視光）に対する透過率が高くなるように最適化されている。よって、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、図９示す従来の固体撮像装置５００で発生していた反射及び多重干渉の発生を低減できる。これにより、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができる。
次に、反射防止層１２２、１２３及び１２４の具体的な構造を説明する。
図２は、反射防止層１２２の構造を模式的に示す図である。
反射防止層１２２は、入射光（可視光）に対する透過率が高くなるように最適化された屈折率及び層の厚さを有する。具体的には、反射防止層１２２は、反射防止層１２２の屈折率又は層の厚さに対する入射光（可視光）の透過率の特性において、透過率がピークとなる領域の屈折率及び層の厚さを有する。反射防止層１２２の透過率は、層間膜１０４、１０８、第１反射防止層１０６及び第２反射防止層１０７の屈折率と、第１反射防止層１０６の層の厚さｄ１及び第２反射防止層１０７の層の厚さｄ２により決定される。ここで、層間膜１０４及び１０８を構成するＳｉＯ2の屈折率Ｎ＝１．４６であり、第１反射防止層１０６を構成するＳｉＮの屈折率Ｎ＝２．０４である。また、第２反射防止層１０７を構成するＳｉＯＮは、Ｓｉ、Ｏ及びＮの組成比を変更することにより、屈折率を変更することができる。ここで、反射防止層１２２は、製造工程におけるＣｕ配線１０５を構成する銅の拡散防止、及びＣｕ配線１０５とＣｕ配線１０９とを接続するビアコンタクトの形成の際のエッチングストッパとして利用される。よって、反射防止層１２２は、エッチングストッパとして機能するために、工程に応じた所定の膜厚を有する必要がある。
図３は、反射防止層１２２の膜厚ｄ３＝１７０ｎｍ（＝ｄ１＋ｄ２）とした場合の、第１反射防止層１０６の膜厚ｄ１に対する反射防止層１２２の透過率を示す図である。また、図３において、ＳｉＯＮの屈折率Ｎ＝１．７５であり、縦軸の透過率は、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの入射光に対する透過率の平均値を算出した値である。
図３に示すように、第１反射防止層の膜厚ｄ１が１１０〜１２０ｎｍ付近で、透過率のピークが存在する。よって、反射防止層１２２の膜厚ｄ３を１７０ｎｍと固定した場合には、第１反射防止層の膜厚ｄ１を１１０〜１２０ｎｍとし、第２反射防止層の膜厚ｄ２（＝１７０ｎｍ−ｄ１）を５０〜６０ｎｍとすることで、反射防止層１２２の可視光（波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）に対する透過率を最大とすることができる。なお、図３において、膜厚ｄ１をゼロに近づけることで透過率は増加するが、膜厚をゼロに近づけることは実施が困難であり除外している。
図４は、第１反射防止層１０６の膜厚ｄ１＝１７０ｎｍとした場合の、第２反射防止層１０７の膜厚ｄ２に対する反射防止層１２２の透過率を示す図である。また、図４において、ＳｉＯＮの屈折率Ｎ＝１．７５であり、縦軸の透過率は、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの入射光に対する透過率の平均値を算出した値である。
図４に示すように、第２反射防止層の膜厚ｄ２が７０〜８０ｎｍ付近で、透過率のピークが存在する。よって、第１反射防止層の膜厚ｄ１を１７０ｎｍと固定した場合には、第２反射防止層の膜厚ｄ２を７０〜８０ｎｍとすることで、反射防止層１２２の可視光（波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）に対する透過率を最大とすることができる。
なお、反射防止層１２２と同様に、反射防止層１２３及び１２４の可視光に対する透過率を最大とすることができる。
以上のように、第１反射防止層１０６及び第２反射防止層１０７の膜厚を透過率が高くなるように最適化することで、入射光の反射を防止することができる。ここで、最適化とは、第１反射防止層１０６又は第２反射防止層１０７の層の厚さに対する入射光（可視光）の透過率の特性において、実施可能な範囲内において透過率がピークとなる領域の第１反射防止層１０６及び第２反射防止層１０７の膜厚（層の厚さ）を選択することを意味する。
また、説明の簡略化のため、図３及び図４において、第２反射防止層１０７を構成するＳｉＯＮの屈折率Ｎ＝１．７５としたが、第１反射防止層１０６及び第２反射防止層１０７の膜厚を一定とし、ＳｉＯＮのＳｉ、Ｏ及びＮの組成比を変更することでＳｉＯＮの屈折率を最適化し、反射防止層１２２の屈折率を最適化してもよい。すなわち、第２反射防止層１０７の屈折率に対する入射光（可視光）の透過率の特性において、実施可能な範囲内において透過率がピークとなる領域の第２反射防止層１０７の屈折率を選択してもよい。また、第１反射防止層１０６の膜厚ｄ１と、第２反射防止層１０７の膜厚ｄ２と、第２反射防止層１０７の屈折率を最適化することで、さらに透過率を向上させることができる。
以上のように、層間膜１０４、１０８の屈折率に対して、第１反射防止層１０６及び第２反射防止層１０７の屈折率と、第１反射防止層１０６の層の厚さｄ１及び第２反射防止層１０７の層の厚さｄ２を最適化することで、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、入射光に対する透過率が最大となる屈折率及び層の厚さを有することができる。
次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の製造方法を説明する。
まず、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３及び反射防止膜１２５を形成した半導体基板１０１上に、層間膜１０４を形成する。層間膜１０４をフォトリソグラフィ工程により除去し、Ｃｕ配線１０５が埋め込まれるトレンチを形成する。次に、トレンチの底面及び側面を覆うタンタル等で構成されるバリヤー膜（図１には図示せず）を形成する。次に、トレンチ内のバリヤー膜上に、銅シード(Ｓｅｅｄ)をスパターリング法により蒸着した後、電界めっき法によりＣｕ配線１０５を形成する。次に、研磨等によりトレンチ以外の部分に形成された銅及びバリヤー膜を除去する。次に、第１反射防止層１０６を形成し、次に、第２反射防止層１０７を形成し、次に、層間膜１０８を形成する。次に、上述したＣｕ配線１０５の製造工程と同様に、層間膜１０８にトレンチを形成し、銅を蒸着及び電界めっきすることで、Ｃｕ配線１０９を形成する。次に、第１反射防止層１１０を形成し、次に、第２反射防止層１１１を形成し、次に、層間膜１１２を形成する。次に、上述したＣｕ配線１０５及び１０９の製造工程と同様に、層間膜１１２にトレンチを形成し、銅を蒸着及び電界めっきすることで、Ｃｕ配線１１３を形成する。次に、第１反射防止層１１４を形成し、次に、第２反射防止層１１５を形成し、次に、第３反射防止層１１６を形成し、次に、保護膜１１７を形成する。次に、カラーフィルタ１１８を形成し、マイクロレンズ１１９を形成する。以上により、図１に示す固体撮像装置１００が形成される。
また、図１には図示しいていないが、上記工程には、各層のＣｕ配線１０５、１０９、１１３、ソース／ドレイン領域（図示せず）及びゲート電極１２１を接続するコンタクトを形成する工程が含まれる。以下に、Ｃｕ配線１０５とＣｕ配線１０９とを接続するビアコンタクトを形成する製造方法を説明する。上述した層間膜１０８の形成後、まず、フォトリソグラフィ工程によりＣｕ配線１０５とＣｕ配線１０９とを接続するためのコンタクトホールが形成される。この時、反射防止層１２２は、エッチングストッパとして機能する。さらに、層間膜１０８をフォトリソグラフィ工程により除去し、Ｃｕ配線１０９が埋め込まれるトレンチを形成する。次に、コンタクトホール及びトレンチの底面及び側面を覆うタンタル等で構成されるバリヤー膜を形成する。次に、コンタクトホール及びトレンチ内のバリヤー膜上に銅を蒸着し、ビアコンタクト及びＣｕ配線１０９を形成する。次に、研磨等によりトレンチ以外の部分に形成された銅及びバリヤー膜を除去する。以上の工程により、Ｃｕ配線１０５とＣｕ配線１０９とを接続するビアコンタクトが形成される。また、Ｃｕ配線１０９とＣｕ配線１１３とを接続するビアコンタクト、及び、トランジスタ１０３のソース／ドレイン領域（図示せず）及びゲート電極１２１とＣｕ配線１０５とを接続するコンタクトも同様の工程により形成できる。なお、ビアコンタクト及びコンタクトを銅で形成せずに、チタン又はタングステンを蒸着し形成してもよい。
以上より、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、図１０に示す従来の固体撮像装置６００と比べ、フォトダイオードの上部の拡散防止層（反射防止層）を除去する工程を必要としないので、工程数の増加を抑制することができる。また、図１１に示す従来の固体撮像装置７００と比べ、フォトダイオードの上部を除去し、絶縁層を埋め込む必要がないので、工程数の増加を抑制することができる。さらに、図１１に示す従来の固体撮像装置７００と比べ、プロセス難易度の高い工程を用いないので、容易に形成することができる。
また、固体撮像装置１００は、フォトダイオード１０２の上部に形成された、反射防止膜１２５を備える。これにより、フォトダイオード１０２と層間膜１０４との界面で発生する反射を低減することができる。ここで、フォトダイオード１０２と層間膜１０４との界面で発生する反射は、他の層の界面（従来の、ＳｉＮ層（拡散防止層）とＳｉＯ2層（層間膜）の界面）で発生する反射に比べて、フォトダイオード１０２への入射光量を減少させる影響が大きい。よって、上述した本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００のように、反射防止層１２２、１２３及び１２４を設ける構造とした場合でも、フォトダイオード１０２上の反射防止膜１２５を設けていない場合には、フォトダイオード１０２への入射光量の減少を十分に低減することができない。一方、反射防止膜１２５を備える固体撮像装置に対して、上述した反射防止層１２２、１２３及び１２４を備える構造とすることで、より効果的にフォトダイオード１０２への入射光量の減少を低減することができる。
以上、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯＮで構成される層とで構成されるとしたが、さらに、ＳｉＯＮで構成される層上に積層されるＳｉＯＮと異なる屈折率の材料で形成される層を含んでもよい。さらに、隣接する層の屈折率が異なる３層以上で構成されてもよい。例えば、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯ2で構成される層と、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯＮで構成される層とを積層した構成であってもよい。また、反射防止層に含まれる層は、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＮＣ、ＳｉＯＮＣ及びＳｉＯ2で構成される層の組み合わせであってもよい。なお、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、Ｃｕ配線を構成するＣｕの拡散防止の効果を有する必要があるので、Ｃｕ配線と隣接する反射防止層１２２、１２３及び１２４の最下層は、酸素を含まない材料（例えば、ＳｉＮ、ＳｉＣ、及びＳｉＮＣ等）で構成されることが好ましい。また、反射防止層１２２、１２３及び１２４が多層で構成される場合の、最下層以外の層の少なくとも１層に酸素を含む材料（例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＮＣ及びＳｉＯ2等）を用いることで、酸素の含有率を変化させ、当該層の屈折率を容易に変更することができる。これにより、入射光に対する反射防止層の透過率を容易に最適化することができる。また、反射防止層１２２、１２３及び１２４を３層以上の構成とした場合、酸素を含む材料で構成される層の酸素の含有率を変更することで、多重反射効果により、入射光に対する反射防止効果を得ることができる。さらに、上記説明では、反射防止層１２２、１２３及び１２４は、それぞれＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯＮで構成される層とで構成されるとしたが、各反射防止層は、異なる構成（異なる材料又は異なる層数）であってもよい。例えば、反射防止層１２２は、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯＮで構成される層と積層した構成であり、反射防止層１２３は、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯ2で構成される層と、ＳｉＮで構成される層と、ＳｉＯＮで構成される層とを積層した構成であってもよい。
また、上記実施の形態の固体撮像装置の構成として、図１に示す断面構造を示したが、さらに、インナーレンズを備えてもよい。図５は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の変形例であり、インナーレンズを備える固体撮像装置の断面構成を模式的に示す図である。図５に示す固体撮像装置２００は、図１に示す固体撮像装置１００の構成に加え、さらに、インナーレンズ２０１を備える。インナーレンズ２０１は、反射防止層１２４上に形成され、例えば、ＳｉＮから構成される。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、Ｃｕ配線を構成するＣｕの拡散防止層として、入射光の反射を防止する単層構造の反射防止層を備える。これにより、入射光の反射を防止し、フォトダイオードへの入射光量の減少を低減することができる。
まず、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を説明する。
図６は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の断面構造を模式的に示す図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており詳細な説明は省略する。
図６に示す固体撮像装置３００は、図１に示す実施の形態１の固体撮像装置１００に対して、反射防止層１２２、１２３及び１２４の代わりに、単層（単一の材料で形成された層）で構成される反射防止層３０１、３０２及び３０３を備える点が異なる。
反射防止層３０１、３０２及び３０３は、製造工程におけるＣｕ配線１０５、１０９及び１１３を構成する銅の拡散を防止するための層である。さらに、反射防止層３０１、３０２及び３０３は、入射光の反射を防止する層である。反射防止層３０３は、第１反射防止層３０４と、第１反射防止層３０４上に積層された第２反射防止層３０５とを含む。反射防止層３０１、３０２、第１反射防止層３０４及び第２反射防止層３０５は、例えば、ＳｉＮで構成される。なお、反射防止層３０１、３０２、第１反射防止層３０４及び第２反射防止層３０５は、ＳｉＣ又はＳｉＮＣで構成されてもよい。
以上の構成により、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置３００において、入射光は、マイクロレンズ１１９で集光され、カラーフィルタ１１８、保護膜１１７、反射防止層３０３、層間膜１１２、反射防止層３０２、層間膜１０８、反射防止層３０１、層間膜１０４及び反射防止膜１２５を順次介して、フォトダイオード１０２に照射される。ここで、反射防止層３０１、３０２及び３０３は、入射光（可視光）に対する透過率が大きくなるように最適化されている。よって、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置３００は、図９示す従来の固体撮像装置５００で発生していた反射及び多重干渉の発生を低減できる。これにより、フォトダイオードへの入射光量の低下を防止することができる。
次に、反射防止層３０１、３０２及び３０３の具体的な構造を説明する。
図７は、反射防止層３０１の構造を模式的に示す図である。
反射防止層３０１は、入射光（可視光）に対する透過率が高くなるように最適化された屈折率及び層の厚さを有する。具体的には、反射防止層３０１は、反射防止層３０１の層の厚さに対する入射光（可視光）の透過率の特性において、透過率がピークとなる領域の屈折率及び層の厚さを有する。反射防止層３０１の透過率は、層間膜１０４、１０８及び反射防止層３０１の屈折率と、反射防止層３０１の層の厚さｄにより決定される。ここで、層間膜１０４及び１０８を構成するＳｉＯ2の屈折率Ｎ＝１．４６であり、反射防止層３０１を構成するＳｉＮの屈折率Ｎ＝２．０４である。
図８は、反射防止層３０１の膜厚ｄに対する反射防止層３０１の透過率を示す図である。また、図８において、縦軸の透過率は、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの入射光に対する透過率の平均値を算出した値である。
図８に示すように、反射防止層３０１の膜厚ｄが１２０〜１３０ｎｍ付近で、透過率のピークが存在する。よって、反射防止層３０１の膜厚ｄを１２０〜１３０ｎｍとすることで、反射防止層３０１の可視光（波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）に対する透過率を最大とすることができる。なお、反射防止層３０１と同様に、反射防止層３０２及び３０３の可視光に対する透過率を最大とすることができる。以上のように、反射防止層の膜厚ｄを透過率が高くなるように最適化することで、入射光の反射を防止することができる。すなわち、反射防止層３０１の膜厚ｄに対する入射光（可視光）の透過率の特性において、実施可能な範囲内において透過率がピークとなる領域の反射防止層３０１の膜厚ｄを選択することで、入射光の反射を防止することができる。
また、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置３００の製造方法は、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置１００の製造方法において、ＳｉＯＮで構成される第２反射防止層１０７，１１１及び第３反射防止層１１６を形成する工程を行わない点以外は同様であり、説明は省略する。
以上より、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置３００は、図１０に示す従来の固体撮像装置６００と比べ、フォトダイオードの上部の拡散防止層（反射防止層）を除去する工程を必要としないので、工程数の増加を抑制することができる。また、図１１に示す従来の固体撮像装置７００と比べ、フォトダイオードの上部を除去し、絶縁層を埋め込む必要がないので、工程数の増加を抑制することができる。さらに、図１１に示す従来の固体撮像装置７００と比べ、プロセス難易度の高い工程を用いないので、容易に形成することができる。
また、固体撮像装置３００は、フォトダイオード１０２の上部に形成された、反射防止膜１２５を備える。これにより、フォトダイオード１０２と層間膜１０４との界面で発生する反射を低減することができる。ここで、フォトダイオード１０２と層間膜１０４との界面で発生する反射は、他の層の界面（従来の、ＳｉＮ層（拡散防止層）とＳｉＯ2層（層間膜）の界面）で発生する反射に比べて、フォトダイオード１０２への入射光量を減少させる影響が大きい。よって、上述した本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置３００のように、反射防止層１２２、１２３及び１２４を設ける構造とした場合でも、フォトダイオード１０２上の反射防止膜１２５を設けていない場合には、フォトダイオード１０２への入射光量の減少を十分に低減することができない。一方、反射防止膜１２５を備える固体撮像装置に対して、上述した反射防止層１２２、１２３及び１２４を備える構造とすることで、より効果的にフォトダイオード１０２への入射光量の減少を低減することができる。
また、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置３００と、実施の形態１に係る固体撮像装置１００とを比較した場合、実施の形態２に係る固体撮像装置３００は、反射防止層３０１、３０２及び３０３が単層（同一の材料で構成された層）で構成されるので、さらに製造工程数を削減することができる。一方、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、反射防止層１２２、１２３及び１２４を多層構造とすることで、反射防止層の透過率を決定するパラメータの数が増加するので、透過率を決定する際の自由度が増加する。さらに、高い透過率の反射防止層を容易に実現することができる。
以上、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、図５に示す実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例と同様に、図６に示す構造に加え、さらに、インナーレンズを備えてもよい。
また、上記実施の形態１及び２の固体撮像装置の構成として、３層の金属（銅）配線を用いた場合について説明したが、金属配線は、１層、２層又は４層以上であってもよい。
また、上記実施の形態１及び２の固体撮像装置の構成として、３層の金属（銅）配線の全てに対して、反射防止機能を有する拡散防止層を形成した場合について説明したが、３層のうち１以上の拡散防止層を上述した反射防止層の構成とすることで、フォトダイオード１０２への入射光量の減少を抑制することができる。
また、上記実施の形態１及び２において、金属配線として銅（Ｃｕ）配線が用いられる場合について説明したが、製造プロセス上、拡散等による特性の劣化を防止するために層間膜と屈折率の異なる拡散防止層を形成する必要がある材料で形成された金属配線を用いる場合にも、本発明の構造を適用することができる。
本発明は、固体撮像装置に適用でき、特に、デジタルカメラ、携帯電話のカメラ及びＷｅｂカメラ等に用いられるＣＭＯＳイメージセンサに適用できる。
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の反射防止層の構造を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の第１反射防止層の膜厚に対する反射防止層の透過率を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の第２反射防止層の膜厚に対する反射防止層の透過率を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の反射防止層の構造を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の反射防止層の膜厚に対する反射防止層の透過率を示す図である。 従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。 従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。 従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。
符号の説明
１００、２００、３００、５００、６００、７００ 固体撮像装置
１０１、５０１ 半導体基板
１０２、５０２ フォトダイオード
１０３、５０３ トランジスタ
１０４、１０８、１１２、５０４、５０７、５１０ 層間膜
１０５、１０９、１１３、５０５、５０８、５１１ Ｃｕ配線
１０６、１１０、１１４、３０４ 第１反射防止層
１０７、１１１、１１５、３０５ 第２反射防止層
１１６ 第３反射防止層
１１７、５１４ 保護膜
１１８、５１５ カラーフィルタ
１１９、５１６ マイクロレンズ
１２０、５１７ 素子分離領域
１２１、５１８ ゲート電極
１２２、１２３、１２４、３０１、３０２、３０３ 反射防止層
１２５ 反射防止膜
２０１ インナーレンズ
５０６、５０９、５１２、５１３、６０６、６０９、６１２、６１３、７０６、７０９、７１２、７１３ 拡散防止層
５１９、５２０ 多重干渉
５２１ 反射
７２２ 埋め込み絶縁層

Claims (10)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板に形成され、入射光を光電変換する受光素子と、
    前記半導体基板の前記受光素子が形成された面上に積層される複数の配線層とを備え、
    前記複数の配線層のうち１以上は、
    第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層上に形成される金属配線と、
    前記第１絶縁層及び金属配線上に積層され、前記金属配線を構成する材料の拡散を防止し、前記入射光の反射を防止する反射防止層と、
    前記反射防止層上に積層される第２絶縁層とを備える
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記反射防止層は、前記反射防止層の屈折率又は層の厚さに対する前記入射光の透過率の特性において、該透過率がピークとなる領域の屈折率又は層の厚さを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記反射防止層は、
    前記第１絶縁層及び金属配線上に積層される第１反射防止層と、
    前記第１反射防止層上に積層され、前記第１反射防止層を構成する材料と屈折率の異なる材料で構成される第２反射防止層とを含む
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１反射防止層は、酸素を含まない材料により構成される
    ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 前記酸素を含まない材料は、ＳｉＮ、ＳｉＣ又はＳｉＮＣである
    ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
  6. 前記第２反射防止層は、酸素を含む材料により構成される
    ことを特徴とする請求項３、４又は５記載の固体撮像装置。
  7. 前記酸素を含む材料は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＮＣ又はＳｉＯ2である
    ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記反射防止層は、さらに、
    前記第２反射防止層上に積層され、前記第２反射防止層を構成する材料と屈折率の異なる材料で構成される第３反射防止層を含む
    ことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記固体撮像装置は、さらに、
    前記複数の配線層より下方の前記受光素子上に形成され、前記入射光の反射を防止する反射防止膜を備える
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記金属配線は、銅で構成される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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