JP2008210975A - Solid-state image pickup device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having a waveguide for guiding incident light to a photoelectric conversion portion of a pixel and a method for manufacturing the same.
本発明の固体撮像装置は、光電変換により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を画素内に含む固体撮像装置、すなわち光電変換部とトランジスタを含む複数の画素を備えた固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサである。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、又は部分的に使用して作成されたイメージセンサである。また、固体撮像装置の形態としては、ワンチップで構成されるもの、あるいは複数のチップから構成されるもであっても良い。 The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including a conversion unit that converts a charge generated by photoelectric conversion into a pixel signal in the pixel, that is, a solid-state imaging device including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a transistor, For example, a CMOS image sensor. Here, the CMOS image sensor is an image sensor created by applying or partially using a CMOS process. Further, as a form of the solid-state imaging device, it may be configured by one chip or a plurality of chips.
近年、固体撮像装置における画素の微細化、多画素化に伴い、固体撮像装置の重要特性である感度特性の確保、及び向上化に技術開発が盛んに行われている。固体撮像装置では、この感度の確保、向上のために、画素の光電変換部へ入射光を有効に導くための導波路を設けた構成が提案されている。 2. Description of the Related Art In recent years, with the miniaturization of pixels and the increase in the number of pixels in solid-state imaging devices, technological development has been actively conducted to secure and improve sensitivity characteristics, which are important characteristics of solid-state imaging devices. In the solid-state imaging device, a configuration in which a waveguide for effectively guiding incident light to the photoelectric conversion unit of the pixel is provided in order to ensure and improve the sensitivity.
例えば、特許文献1においては、フォトダイオード上の層間絶縁膜をエッチングで抜いて孔部を形成し、その孔部の側壁に層間絶縁膜よりも屈折率が高い材料層を埋め込んで導波路を形成するようにしたCCD固体撮像装置が提案されている。また、特許文献2においては、フォトダイオード上の層間絶縁膜をエッチングで抜いて孔部を形成し、その孔部の側壁に低屈折率材料層を薄く成膜した後に、高屈折率材料層を埋め込んで導波路を形成するようにしたCMOS固体撮像装置が提案されている。また、特許文献3においては、フォトダイオード上の層間絶縁膜をエッチングで抜いて孔部を形成し、その孔部の側壁に高反射材料層を薄く形成した後に、透過率の高い材料層を埋め込んで導波路を形成するようにしたCMD固体撮像装置が提案されている。
For example, in
ところで、固体撮像装置においては、上述のような導波路が光電変換部であるフォトダイオード上に形成されることにより、入射光をフォトダイオードに効率よく導くことができ、高感度化が図れる。しかし、特許文献1の構成では、層間絶縁膜の屈折率に導波路効果が左右されるために、特許文献2、3の導波路構成に比べて特性が悪くなる虞れがある。特許文献2の構成の場合は、画素セルの微細化が進みエッチング時の開口が狭くなったときに、孔部の側壁に低屈折率材料層を薄く成膜することが困難になる。また、その後の高屈折率材料層の埋め込みが難しくなり、導波路構造の形成が困難になる虞れがある。さらに、特許文献3の構成の場合は、特許文献2と同様に、画素セルの微細化が進むと導波路構造の形成が困難となる虞れがある。また、エッチングで抜いた孔部の側壁に高反射材料層を成膜する際に、底辺にも成膜されるため、それを除去する工程が増えてしまう。
By the way, in the solid-state imaging device, the above-described waveguide is formed on the photodiode which is a photoelectric conversion unit, so that incident light can be efficiently guided to the photodiode and high sensitivity can be achieved. However, in the configuration of
本発明は、上述の点に鑑み、高い導波路効果を有しかつ導波路の形成をし易くした固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。 In view of the above, the present invention provides a solid-state imaging device having a high waveguide effect and facilitating the formation of a waveguide, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素と、複数の画素の上方に層間絶縁膜を介して複数層の配線が形成されてなる多層配線層と、画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、導波路が、多層配線層に形成されたひさし部で規制された所要屈折率の第1の層をコア部とし、第1の層と多層配線層との間に形成された空隙層をクラッド部として構成されていることを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention guides incident light to a plurality of pixels, a multilayer wiring layer in which a plurality of wirings are formed above the plurality of pixels via an interlayer insulating film, and a photoelectric conversion unit of the pixels. The waveguide has a waveguide, and the waveguide is formed between the first layer and the multilayer wiring layer, with the first layer having a required refractive index regulated by the eaves formed in the multilayer wiring layer as the core. The air gap layer is configured as a clad portion.
本発明の固体撮像装置では、画素の上方に、多層配線層に形成したひさし部で規制された第1の層をコア部とし、第1の層とひさし部より後退した多層配線層との間の空隙層をクラッド部とした導波路が形成される。この導波路はクラッド部が空隙層で形成されているので、多層配線層の粗間絶縁膜の屈折率に左右されず、極めて良好な導波路特性が得られる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the first layer restricted by the eaves formed in the multi-layer wiring layer is used as the core above the pixel, and the space between the first layer and the multi-layer wiring layer receding from the eaves A waveguide having the gap layer as a cladding portion is formed. Since the clad portion of this waveguide is formed of a gap layer, extremely good waveguide characteristics can be obtained regardless of the refractive index of the rough insulating film of the multilayer wiring layer.
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、複数の画素の上方に、層間絶縁膜を介して複数層の配線が形成され且つひさし部形成材料層を有してなる多層配線層を形成する工程と、多層配線層の前記画素を構成する光電変換部に対応する部分に選択的に所要深さの開口凹部を形成する工程と、開口凹部の側壁の層間絶縁膜をウェットエッチングして、開口凹部に前記ひさし部形成材料によるひさし部を形成する工程と、開口凹部内に、層間絶縁膜の側壁との間に空隙層が形成されるように、ひさし部で規制された所要屈折率の第1の層を形成し、第1の層をコア部とし、空隙層をクラッド部とした導波路を形成する工程とを有することを特徴とする。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a multilayer wiring layer in which a plurality of layers of wirings are formed above a plurality of pixels via an interlayer insulating film and has an eaves portion forming material layer. A step of selectively forming an opening recess having a required depth in a portion of the multilayer wiring layer corresponding to the photoelectric conversion portion constituting the pixel, and wet etching the interlayer insulating film on the side wall of the opening recess to form the opening recess The first refractive index regulated by the eaves part is formed so that a gap layer is formed between the step of forming the eaves part from the eaves part forming material and the side wall of the interlayer insulating film in the opening recess. And a step of forming a waveguide having the first layer as a core portion and the air gap layer as a cladding portion.
本発明の固体撮像装置の製造方法では、多層配線層にひさし部形成材料層を形成し、開口凹部を形成した後、層間絶縁膜をウェットエッチングしてひさし部形成材料層によるひさし部を形成し、次に、開口凹部内にコアとなる第1の層を形成している。この第1の層の開口凹部内への埋め込みでは、ひさし部により規制されてウェットエッチングによるオーバーエッチング部への埋め込みが防がれ空隙層が形成される。この空隙層と第1の層とにより導波路が容易に形成される。また、埋め込み材料が1種類で導波路が形成される。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, after forming the eaves portion forming material layer in the multilayer wiring layer and forming the opening recess, the interlayer insulating film is wet etched to form the eaves portion by the eaves portion forming material layer. Next, a first layer serving as a core is formed in the opening recess. In the embedding of the first layer into the opening concave portion, the embedding portion restricts the embedding portion to prevent the embedding into the over-etched portion by wet etching, thereby forming a void layer. A waveguide is easily formed by the gap layer and the first layer. In addition, a waveguide is formed with one type of embedding material.
本発明によれば、高い導波路効果を有し、かつ導波路を形成し易くした固体撮像装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device having a high waveguide effect and easily forming a waveguide and a method for manufacturing the same.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置(イメージセンサ)の一実施の形態の全体の概略構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置1は、半導体基板100例えばシリコン基板上に、複数の光電変換部を含む画素2が規則的に2次元アレイ状に配列された撮像領域3と、その周辺回路として垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8等を有して構成される。
FIG. 1 shows an overall schematic configuration of an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, that is, a CMOS solid-state imaging device (image sensor). The solid-
制御回路8は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6などの動作の規準となるクロック信号や制御信号などを生成し、これらクロック信号、制御信号を垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等に入力する。 The control circuit 8 generates a clock signal, a control signal, and the like that serve as a reference for operations of the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, and the horizontal drive circuit 6 based on the vertical synchronization signal, the horizontal synchronization signal, and the master clock. These clock signals and control signals are input to the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the horizontal drive circuit 6, and the like.
垂直駆動回路4は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線9を通して各画素の光電変換部(フォトダイオード)31において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路5に供給する。
The vertical drive circuit 4 is configured by, for example, a shift register, and selectively scans each
カラム信号処理回路5は、画素2の例えば列毎に配置されており、1行分の画素2から出力される信号を画素列毎に黒規準画素(図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される)からの信号によってノイズ除去、すなわち画素2固有の固定パターンノイズを除去するためのCDSや信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路5の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されて設けられる。
The column signal processing circuit 5 is arranged, for example, for each column of the
水平駆動回路6は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から画素信号を水平信号線10に出力させる。
出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線10を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
The horizontal driving circuit 6 is constituted by, for example, a shift register, and sequentially outputs horizontal scanning pulses to select each of the column signal processing circuits 5 in order, and outputs a pixel signal from each of the column signal processing circuits 5 to the horizontal signal line. 10 to output.
The output circuit 7 performs signal processing and outputs the signals sequentially supplied from each of the column signal processing circuits 5 through the horizontal signal line 10.
図2は、上記画素2の一例の等価回路である。画素2は、光電変換部を構成する例えばフォトダイオード(PD)21と、複数のMOSトランジスタを有して成る。複数のMOSトランジスタは、例えば転送用トランジスタ22と、リセット用トランジスタ23と、フォトダイオード21で生成された電荷を画素信号に変換する増幅用トランジスタ24と、選択用トランジスタ25で構成される。
FIG. 2 is an equivalent circuit of an example of the
フォトダイオード21は、受光した光量に応じた電荷量の光電荷(ここでは、電子)に光電変換する。フォトダイオード21のカソードは、転送用トランジスタ22を介して増幅用トランジスタ24のゲートに接続される。この増幅用トランジスタ24のゲートと電気的に繋がったノードをフローティング・ディフージョン部FDと呼ぶ。このフローティング・ディフージョン部FDは、転送用トランジスタ22のドレインで構成される。
The
転送用トランジスタ22は、フォトダイオード21のカソードとフローティング・ディフージョン部FDとの間に接続される。転送用トランジスタ22では、そのゲートに転送配線27を介してゲートパルスφTRGが印加されることによってゲートがオン状態となり、フォトダイオード21の電荷をフローティング・ディフージョン部FDに転送する。
The
リセット用トランジスタ23は、ドレインが画素電源(Vdd)線26に接続され、ソースがフローティング・ディフージョン部FDに接続される。リセット用トランジスタ23では、ゲートにリセット配線27を介してリセットパルスφRSTが印加されることによってオン状態となり、フォトダイオード21からフローティング・ディフージョン部FDへの信号電荷の転送に先立って、フローティング・ディフージョン部FDの電荷を画素電源線26に捨てることにより、フローティング・ディフージョン部FDをリセットする。
The
増幅用トランジスタ24は、ゲートがフローティング・ディフージョン部FDに接続され、ドレインが画素電源線26に接続される。増幅用トランジスタ24では、リセット用トランジスタ23によってリセットした後のフローティング・ディフージョン部FDの電位をリセットレベルとして出力し、さらに転送用トランジスタ22によって信号電荷を転送した後のフローティング・ディフージョン部FDの電位を信号レベルとして出力する。
The amplifying
選択用トランジスタ25は、例えばドレインが増幅用トランジスタ24のソースに接続され、そのソースが垂直信号線30に接続される。選択用トランジスタ25では、ゲートに選択配線29を介して選択パルスφSELが印加されることによってオン状態となり、画素2を選択状態として増幅用トランジスタ24から出力される信号を垂直信号線30に中継する。
The
横方向の配線、すなわちリセット配線27、転送配線28及び選択配線29は、同一行の画素について共通となっており、垂直駆動回路4によって制御される。
The horizontal wiring, that is, the
なお、選択用トランジスタ25については、画素電源配線26と増幅用トランジスタ24のドレインとの間に接続した回路構成を採ることも可能である。上例では4トランジスタ型の画素構成としたが、その他、選択用トランジスタを省略して3トランジスタ型の画素構成とすることもできる。
Note that the
そして、本実施の形態においては、光電変換部であるフォトダイオードへ入射光を導く導波路構造を、多層配線に設けたひさし部を利用して、所要屈折率のコア部の形成と同時に空隙層によるクラッド部を形成して構成することを特徴とする。 In this embodiment, the waveguide structure that guides incident light to the photodiode, which is a photoelectric conversion unit, uses the eaves provided in the multilayer wiring, and simultaneously with the formation of the core portion having the required refractive index, the gap layer It is characterized by forming and forming a clad portion.
図3に、本発明に係るCMOS固体撮像装置の第1実施の形態を示す。同図は、CMOS固体撮像装置の撮像領域の要部の概略断面図である。本実施の形態に係るCMOS固体撮像装置111は、半導体基板100の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域32とその表面の第2導電型のp型半導体領域(p型アキュミュレーション層)33とによるフォトダイオードPDが形成されると共に、複数のMOSトランジスタが形成されてなる。図3では複数のMOSトランジスタのうち、転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2を示す。転送用トランジスタTr1は、フローティング・ディフージョン部FDとなるn型半導体領域45と、フォトダイオードPDと、ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極46とにより構成される。リセット用トランジスタTr2は、フローティング・ディフージョン部FDとなるn型半導体領域45と、n型半導体領域47と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極48とにより構成される。単位画素50は、素子分離領域49にて隣接画素と分離される。
FIG. 3 shows a first embodiment of a CMOS solid-state imaging device according to the present invention. This figure is a schematic cross-sectional view of the main part of the imaging region of the CMOS solid-state imaging device. The CMOS solid-
画素が形成された半導体基板100上には、層間絶縁膜52を介して複数層、本例では3層のメタルによる配線53〔531、532、533〕が形成された、いわゆる多層配線層54が形成される。層間絶縁膜52としては、例えばSiOなどの材料で形成することができる。配線53はフォトダイオードPDに対応する領域を除いて形成される。多層配線層54上には、平坦化膜55を介してカラーフィルタ56が形成され、さらにその上に平坦化膜57を介してオンチップマイクロレンズ58が形成される。
On the
そして、第1実施の形態においては、各フォトダイオードPD上に対応する位置の多層配線層54に開口凹部62を形成し、この開口凹部62に埋め込んだコア部となる所要屈折率の第1の層63と、この第1の層63の周囲に形成したクラッド部となる空隙層(空気層)64とにより導波路65を形成して構成される。第1の層63としては、例えばSiN、SiCなどの材料で形成することができる。
In the first embodiment, an
すなわち、本実施の形態では、各層の配線531〜533がCu配線で形成され、各層のCu配線531〜533の上面に接してCu配線の拡散を防止する拡散防止膜61が形成される。拡散防止膜61は、開口凹部62を除いて、多層配線層54の全面に形成される。また、拡散防止膜61は、その端部が開口凹部62に突出したひさし部61aとなるように形成される。ひさし部61aは、開口凹部62を形成した後に、この拡散防止膜61をマスクにウェットエッチング法により、開口凹部62側壁の層間絶縁膜52を所要の幅だけ除去して、いわゆるオーバーエッチングして形成される。第1の層63は、この各層のひさし部61aに規制されるように開口凹部62内に埋め込まれる。第1の層63がひさし部61aで規制されることにより、第1の層63とオーバーエッチングされた層間絶縁膜52の側壁との間に空隙層64が形成される。
That is, in this embodiment, the
第1の層63は、透明(光透過性)で且つ高屈折率の絶縁層で形成される。空隙層64は屈折率が1であるので、第1の層63はどの様な材料を選択しても空隙層64より屈折率が高くなり、導波路を構成することができる。なお、図示しないが、Cu配線53とした場合には、Cu配線53の下面及び側面にはCu配線の拡散を防ぐバリア膜が形成される。開口凹部62の側壁のオーバーエッチングでは、このバリア膜の近傍までエッチングされる。
The
次に、図4〜図5を用いて第1実施の形態に係るCMOS固体撮像装置111の製造方法の実施の形態を説明する。なお、各図では、本発明を分かり易くするために、画素をフォトダイオードPDのみで代表させ、MOSトランジスタを省略した状態で模式的に表している。後述の他の実施の形態の製造方法を示す図面も同様とする。
Next, an embodiment of a method for manufacturing the CMOS solid-
先ず、図4Aに示すように、半導体基板100の主面側にフォトダイオードPDと複数のMOSトランジスタ(図示せず)で構成された、複数の画素を2次元アレイ状に形成する。これにより撮像領域が形成される。次いで、半導体基板100の画素が形成された表面に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)等による層間絶縁膜52、Cu配線53及びCu配線の拡散防止膜61を繰り返し多層に形成した多層配線層54を形成する。Cu配線53〔531、532、533〕はフォトダイオードPDに対向する領域を避けて形成される。拡散防止膜61は、多SiN膜、SiC膜で形成することができ、多層配線層54の全面にわたって形成される。なお、図示しないが、必要に応じてCu配線53の下面及び側面にはCu配線の拡散を阻止するバリア層が形成される。
First, as shown in FIG. 4A, on the main surface side of the
次に、図4Bに示すように、リソグラフィ技術を用いて拡散防止膜61を含む多層配線層54上のフォトダイオードPDに対応する位置以外の領域にレジストマスク(図示せず)を形成し、ドライエッチング法により拡散防止膜61を含む多層配線層54を選択エッチングして開口凹部62を形成する。すなわち、各フォトダイオードPDに対応する位置の多層配線層54に開口凹部62を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist mask (not shown) is formed in a region other than the position corresponding to the photodiode PD on the
次に、図4Cに示すように、拡散防止膜61と層間絶縁膜52との間で選択比を有するエッチング液(薬液)、すなわち層間絶縁膜52がエッチングされるエッチング液を用いてウェットエッチングし、開口凹部62の側壁を内方に所要幅のオーバーエッチング部62aを形成する。このオーバーエッチング部62aの形成で、開口凹部62に突出するように、拡散防止膜61のひさし部61aが形成される。
Next, as shown in FIG. 4C, wet etching is performed using an etching solution (chemical solution) having a selection ratio between the
次に、図5Dに示すように、開口凹部62内を埋め込むように光透過率の高い、所要屈折率(好ましくは高屈折率)の絶縁性材料層63Aを成膜する。この絶縁性材料層63Aの埋め込みでは、拡散防止膜61のひさし部61aに規制され、オーバーエッチング部62aは空隙として残る。すなわち、埋め込まれた絶縁性材料層63Aとオーバーエッチング部62aの側壁との間に空隙層64が形成される。絶縁性材料層63Aは、例えば埋め込み性の悪いCVD法を用いて成膜することができる。
Next, as illustrated in FIG. 5D, an insulating
次に、図5Eに示すように、絶縁性材料層63Aを例えばCMP(化学機械研磨)法で平坦化する。ここで、絶縁性材料層63Aは、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などで形成することができる。埋め込んだ絶縁性材料層63Aが平坦化性のよいもの、例えば有機材料を塗布して埋め込むような場合には、図5Eの平坦化工程は省略される。
Next, as shown in FIG. 5E, the insulating
これによって、絶縁性材料層による第1の層63をコア部とし、その周囲に形成された空隙層64をクラッド部とした導波路65が形成される。
As a result, a
次に、図5Fに示すように、平坦化膜となるパシベーション膜55を介してカラーフィルタ56、平坦化膜57、オンチップマイクロレンズ58を順次形成する。なお、絶縁性材料層63Aがパシベーションの役を果たす場合は、パシベーション膜55は省略される。このようにして、目的のCMOS固体撮像装置111を得る。
Next, as shown in FIG. 5F, a
第1実施の形態に係るCMOS固体撮像装置111によれば、空隙層64と埋め込まれた高屈折率の第1の層63とで全反射が起こり易くなり、導波路特性が得られる。すなわち、コア部となる第1の層63とクラッド部となる空隙層64とにより導波路65が構成される。空隙層64を有するため、層間絶縁膜52の屈折率に左右されず、しかも空隙層64の屈折率が1.0と低いので、より導波路特性の良い導波路構造を形成することができる。導波路65を構成する材料としては、開口凹部62に埋め込む第1の層63が1種類で済み、クラッド部が空隙であるため、原理的にどのような材料でも第1の層63として使用することができ、材料の選択の自由度が上がり、製造を容易にする。
According to the CMOS solid-
従って、フォトダイオードPDへの集光効率が向上し、より高感度のCMOS固体撮像装置を提供することができる。画素セルの微細化が進んでも、導波路構造を容易に構成することができる。このCMOS固体撮像装置111は、画素の微細化、多画素化の固体撮像装置に適用して好適である。
Therefore, the light collection efficiency to the photodiode PD is improved, and a more sensitive CMOS solid-state imaging device can be provided. Even if the pixel cells are miniaturized, the waveguide structure can be easily configured. This CMOS solid-
第1実施の形態に係るCMOS固体撮像装置111の製造方法では、開口凹部62を形成した後、ウェットエッチングにより開口凹部62の側壁の層間絶縁膜52のみを選択的にオーバーエッチングしてオーバーエッチング部62aを形成し、次いで絶縁性材料層63Aを埋め込むようにしている。この絶縁性材料層63Aの埋め込みでは、拡散防止膜61のひさし部61aがオーバーエッチング部62a内への絶縁性材料層63Aの埋め込みを妨げることにより、絶縁性材料層による第1の層63と層間絶縁膜52との間に空隙層64が自動的に形成される。埋め込む材料が1種類で導波路構造を形成することができる。このため、導波路65の形成が容易になり、また、画素セルの微細化が進んでも導波路が形成し易くなる。
In the method of manufacturing the CMOS solid-
図6に、本発明に係るCMOS固体撮像装置の第2実施の形態を示す。同図は、CMOS固体撮像装置の撮像領域の要部の概略断面図である。本実施の形態に係るCMOS固体撮像装置112は、半導体基板100の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域32とその表面の第2導電型のp型半導体領域(p型アキュミュレーション層)33とによるフォトダイオードPDが形成されると共に、複数のMOSトランジスタが形成されてなる。図3では複数のMOSトランジスタのうち、転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2を示す。転送用トランジスタTr1は、フローティング・ディフージョン部FDとなるn型半導体領域45と、フォトダイオードPDと、ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極46とにより構成される。リセット用トランジスタTr2は、フローティング・ディフージョン部FDとなるn型半導体領域45と、n型半導体領域47と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極48とにより構成される。単位画素50は、素子分離領域49にて隣接画素と分離される。
FIG. 6 shows a second embodiment of the CMOS solid-state imaging device according to the present invention. This figure is a schematic cross-sectional view of the main part of the imaging region of the CMOS solid-state imaging device. The CMOS solid-state imaging device 112 according to the present embodiment has a first conductivity type, for example, an n-type charge storage region 32 and a second conductivity type p-type semiconductor region (p-type accumulator) on the main surface of the
画素が形成された半導体基板100上には、層間絶縁膜52を介して複数層、本例では3層のメタルによる配線73〔731、732、733〕が形成された、いわゆる多層配線層54が形成される。配線73はフォトダイオードPDに対応する領域を除いて形成される。多層配線層54上には、平坦化膜55を介してカラーフィルタ56が形成され、さらにその上に平坦化膜57を介してオンチップマイクロレンズ58が形成される。
On the
そして、第2実施の形態においては、基本的に第1実施の形態と同様に、各フォトダイオードPD上に対応する位置の多層配線層54に開口凹部62を形成し、この開口凹部62に埋め込んだコア部となる所要屈折率の第1の層63と、この第1の層63の周囲に形成したクラッド部となる空隙層(空気層)64とにより導波路65を形成して構成される。
In the second embodiment, basically, as in the first embodiment, an
すなわち、本実施の形態では、配線材料の拡散防止膜が形成されない場合の例である。本実施の形態においては、各配線731〜733を拡散防止膜を必要としないメタル、例えばAlによる配線で形成される。多層配線層54では、ひさし部形成材料層71が形成される。ひさし部形成材料層71は、各配線73の層毎に設けてもよく、あるいはそのうちの1層に設けてもよいが、好ましくは多層配線層54の少なくとも最上層に設ける。本例では多層配線層54の最上層にひさし部形成材料層71が形成される。ひさし部形成材料層71は、開口凹部62を除いて、多層配線層54の全面に形成される。ひさし部形成材料層71としては、例えばSiN、SiCなどの材料で形成することができる。
In other words, the present embodiment is an example in the case where the diffusion prevention film of the wiring material is not formed. In the present embodiment, each of the
また、ひさし部形成材料層71は、その端部が開口凹部62に突出したひさし部71aとなるように形成される。ひさし部71aは、開口凹部62を形成した後に、このひさし部形成材料層71をマスクにウェットエッチング法により、開口凹部62側壁の層間絶縁膜52を所要の幅だけ除去して、いわゆるオーバーエッチングして形成される。第1の層63は、ひさし部71aに規制されるように開口凹部62内に埋め込まれる。第1の層63がひさし部71aで規制されることにより、第1の層63とオーバーエッチングされた層間絶縁膜52の側壁との間に空隙層64が形成される。
Further, the eaves part forming
第1の層63は、透明(光透過性)で且つ高屈折率の絶縁層で形成される。空隙層64は屈折率が1であるので、第1の層63はどの様な材料を選択しても空隙層64より屈折率が高くなり、導波路を構成することができる。
The
次に、図7〜図9を用いて第2実施の形態に係るCMOS固体撮像装置112の製造方法の実施の形態を説明する。 Next, an embodiment of a method for manufacturing the CMOS solid-state imaging device 112 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
先ず、図7Aに示すように、半導体基板100の主面側にフォトダイオードPDと複数のMOSトランジスタ(図示せず)で構成された、複数の画素を2次元アレイ状に形成する。これにより撮像領域が形成される。次いで、半導体基板100の画素が形成された表面に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)等による層間絶縁膜52、メタル、例えばAl配線73を繰り返し多層に形成した多層配線層54を形成する。Al配線73〔731、732、733〕はフォトダイオードPDに対向する領域を避けて形成される。
First, as shown in FIG. 7A, on the main surface side of the
次に、図7Bに示すように、多層配線層54の最上層にひさし部形成材料層71を形成する。このひさし部材料層71は、層間絶縁膜52とはエッチングレートが異なる材料で形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, an eaves portion forming
次に、図7Cに示すように、リソグラフィ技術を用いてひさし部形成材料層71を含む多層配線層54上のフォトダイオードPDに対応する位置以外の領域にレジストマスク(図示せず)を形成し、ドライエッチング法によりひさし部形成材料層71を含む多層配線層54を選択エッチングして開口凹部62を形成する。すなわち、各フォトダイオードPDに対応する位置の多層配線層54に開口凹部62を形成する。
Next, as shown in FIG. 7C, a resist mask (not shown) is formed in a region other than the position corresponding to the photodiode PD on the
次に、図8Dに示すように、ひさし部形成材料層71と層間絶縁膜52との間で選択比を有するエッチング液(薬液)、すなわち層間絶縁膜52がエッチングされるエッチング液を用いてウェットエッチングし、開口凹部62の側壁を内方に所要幅のオーバーエッチング部62aを形成する。このオーバーエッチング部62aの形成で、開口凹部62に突出するように、ひさし部形成材料層71によるひさし部71aが形成される。
Next, as shown in FIG. 8D, wet etching is performed using an etching solution (chemical solution) having a selectivity between the eaves portion forming
次に、図8Eに示すように、開口凹部62内を埋め込むように光透過率の高い、所要屈折率(好ましくは高屈折率)の絶縁性材料層63Aを成膜する。この絶縁性材料層63Aの埋め込みでは、ひさし部71aに規制され、オーバーエッチング部62aは空隙として残る。すなわち、埋め込まれた絶縁性材料層63Aとオーバーエッチング部62aの側壁との間に空隙層64が形成される。絶縁性材料層63Aは、例えば埋め込み性の悪いCVD法を用いて成膜することができる。
Next, as illustrated in FIG. 8E, an insulating
次に、図9Fに示すように、絶縁性材料層63Aを例えばCMP(化学機械研磨)法で平坦化する。ここで、絶縁性材料層63Aは、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などで形成することができる。埋め込んだ絶縁性材料層63Aが平坦化性のよいもの、例えば有機材料を塗布して埋め込むような場合には、図9Fの平坦化工程は省略される。
Next, as shown in FIG. 9F, the insulating
これによって、絶縁性材料層による第1の層63をコア部とし、その周囲に形成された空隙層64をクラッド部とした導波路65が形成される。
As a result, a
次に、図9Gに示すように、平坦化膜となるパシベーション膜55を介してカラーフィルタ56、平坦化膜57、オンチップマイクロレンズ58を順次形成する。なお、絶縁性材料層63Aがパシベーションの役を果たす場合は、パシベーション膜55は省略される。このようにして、目的のCMOS固体撮像装置112を得る。
Next, as shown in FIG. 9G, a
第2実施の形態に係るCMOS固体撮像装置112及びその製造方法によれば、拡散防止膜に変えて、ひさし部形成材料層71は、開口凹部62の形成後の空隙層64の形成における役割が第1実施の形態の拡散防止膜61と同様である。従って、第2実施の形態においても、コア部となる第1の層63とクラッド部となる空隙層64とからなる導波路特性の良い導波路65を形成することができる。その他、第1実施の形態と同様の効果を奏することができる。
According to the CMOS solid-state imaging device 112 and the manufacturing method thereof according to the second embodiment, instead of the diffusion prevention film, the eaves portion forming
図10に、本発明に係るCMOS固体撮像装置の第3実施の形態を示す。同図は、CMOS固体撮像装置の撮像領域の要部の概略断面図である。本実施の形態に係るCMOS固体撮像装置113は、図3の第1実施の形態において、その多層配線層54におけるCu配線53のバリア層60の外側に、開口凹部62の形成後のウェットエッチング工程で、ウェットエッチングを過度に進行させないようなエッチングストッパ層66を形成して構成される。バリア層60は、Cu配線53の拡散を阻止するためのもので、Cu配線53の下面及び側面に形成される。エッチングストッパ層66は、バリア層60の側面の外側に設けられる。その他の構成は、図3の第1実施の形態と同様であるので、図10において、図3と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
FIG. 10 shows a third embodiment of a CMOS solid-state imaging device according to the present invention. This figure is a schematic cross-sectional view of the main part of the imaging region of the CMOS solid-state imaging device. In the first embodiment of FIG. 3, the CMOS solid-
図11〜図12に、第3実施の形態に係るCMOS固体撮像装置113の製造方法の実施の形態を示す。なお、図11〜図12は、多層配線層54における各層の層間絶縁膜52、エッチングストッパ層66及びCu配線53の形成を示し、導波路その他の製造工程は前述の図4〜図5と同様であるので、説明を省略する。
11 to 12 show an embodiment of a manufacturing method of the CMOS solid-
先ず、図11Aに示すように、多層配線層を構成する層間絶縁膜52を形成した後、層間絶縁膜52の上面のCu配線を形成すべき位置に凹部81を形成する。
次に、図11Bに示すように、凹部81内面を含めて層間絶縁膜52の表面全面にエッチングストッパ材料層66Aを成膜する。
First, as shown in FIG. 11A, after an
Next, as illustrated in FIG. 11B, an etching
次に、図11Cに示すように、エッチングストッパ材料層66Aをエッチバックして、凹部81内の側壁にエッチングストッパ材料膜66Aによるサイドウォール、すなわちエッチングストッパ層66を形成する。
次に、図11Dに示すように、凹部81内の底面及び側面を含む層間絶縁膜52の表面全面にCu配線の拡散を阻止するバリア層60を成膜する。バリア層60としては、バリアメタルが用いられる。
Next, as shown in FIG. 11C, the etching
Next, as illustrated in FIG. 11D, a
次に、図12Eに示すように、凹部81を埋め込むように層間絶縁膜52の全面にCu層53Aを成膜する。
Next, as shown in FIG. 12E, a
次に、図12Fに示すように、Cu層53A及びバリア層60をエッチバックして凹部内81に下面及び側面にバリア層60が形成されたCu配線53が形成されると共に、バリア層60の外側面にエッチングストッパ層66が形成される。このエッチバック工程では、図11Dに鎖線82で示すように、層間絶縁膜52の表面から所要深さまで除去されるようにエッチバック処理を行う。これにより、凹部内において、エッチングストッパ層66が所要の厚さで形成される。エッチングストッパ層66としては、例えばSiN,SiCなどの材料による層を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 12F, the
次に、図12Gに示すように、Cu配線53を含む層間絶縁膜52の表面全面に拡散防止膜61を形成する。
Next, as shown in FIG. 12G, a
この図11Aから図12Gの工程を繰り返すことにより、Cu配線53のバリア層60の側面にエッチングストッパ層66が形成された多層配線層54が形成される。これ以降は、図4Aから図5Fの工程を経て、第3実施の形態のCMOS固体撮像装置113を得る。
By repeating the steps of FIGS. 11A to 12G, the
第3実施の形態に係るCMOS固体撮像装置113及びその製造方法によれば、Cu配線53の側面側のエッチングストッパ層66が設けられることにより、図4Cの工程で開口凹部62の側壁をオーバーエッチングしたときに、エッチングストッパ層66によりオーバーエッチングの進行がしずらくなり、過度にオーバーエッチングされることがない。ウェットエッチング液で例えばバリア層60がエッチングされる場合に、本実施の形態を適用することによりバリア層60がエッチングされないので好ましい。その他、前述の第1実施の形態と同様の効果を奏する。
According to the CMOS solid-
図13に、本発明に係るCMOS固体撮像装置の第4実施の形態を示す。同図は、同図は、CMOS固体撮像装置の撮像領域の要部の概略断面図である。本実施の形態に係るCMOS固体撮像装置114は、図6の第2実施の形態において、その多層配線層54におけるAl配線71の外側に、開口凹部62の形成後のウェットエッチング工程で、ウェットエッチングの過度の進行をしづらくするエッチングストッパ層66を形成して構成される。その他の構成は、図6の第2実施の形態と同様であるので、図13において、図6と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
FIG. 13 shows a fourth embodiment of a CMOS solid-state imaging device according to the present invention. This figure is a schematic cross-sectional view of the main part of the imaging region of the CMOS solid-state imaging device. In the second embodiment of FIG. 6, the CMOS solid-
図14に、第4実施の形態に係るCMOS固体撮像装置114の製造方法の実施の形態を示す。なお、図14は、多層配線層54における各層の層間絶縁膜52、エッチングストッパ層66及びAl配線73の形成を示し、導波路その他の製造工程は前述の図7〜図9と同様であるので、説明を省略する。
FIG. 14 shows an embodiment of a method for manufacturing a CMOS solid-
先ず、図14Aに示すように、多層配線層を構成する層間絶縁膜52を形成した後、層間絶縁膜52上にAl配線73を形成する。
次に、図14Bに示すように、Al配線73の表面を含む層間絶縁膜52の表面全面に沿ってエッチングストッパ材料層66Aを成膜する。
First, as shown in FIG. 14A, after an
Next, as illustrated in FIG. 14B, an etching
次に、図14Cに示すように、エッチングストッパ材料層66AをエッチバックしてAl配線73の側面にエッチングストッパ材料層によるサイドウォール、いわゆるエッチングストッパ層66を形成する。
次に、図14Dに示すように、層間絶縁膜52で埋め戻し、Al配線73を含む層間絶縁膜52の表面全面にひさし部形成材料層71を形成する。
Next, as shown in FIG. 14C, the etching
Next, as shown in FIG. 14D, the cover portion forming
この図14Aから図14Dの工程を繰り返して各層のAl配線73の側面にエッチングストッパ層66が形成された多層配線層54を形成する。あるいは図14Dの工程でひさし部形成材料層71を形成せず、図14Aから図14Cの工程を繰り返した後、最上層にのみひさし部形成材料層71を形成して多層配線層54を形成する。これ以降は、図7Aから図9Gの工程を経て、第4実施の形態のCMOS固体撮像装置114を得る。
14A to 14D are repeated to form a
第4実施の形態に係るCMOS固体撮像装置114及びその製造方法によれば、Al配線73の側面にエッチングストッパ層66が設けられることにより、図8Dの工程で開口凹部62の側壁をオーバーエッチングしたときに、エッチングストッパ層66によりオーバーエッチングの進行がしずらくなり、過度にオーバーエッチングされることがない。ウェットエッチング液で例えばAl配線73がエッチングされる場合に、本実施の形態を適用することにより、Al配線73のエッチングが阻止されるので好ましい。その他、前述の第1実施の形態と同様の効果を奏する。
According to the CMOS solid-
1・・固体撮像装置、2・・画素、3・・撮像領域、4・・垂直駆動回路、5・・カラム信号処理回路、6・・水平駆動回路、7・・出力回路、8・・制御回路、9・・垂直信号線、10・・水平信号線、111〜114・・CMOS固体撮像装置、PD・・光電変換部(フォトダイオード)、Tr1、Tr2・・MOSトランジスタ、52・・層間絶縁膜、53〔531、532、533〕、73〔731、732、733〕・・配線、54・・多層配線層、55・・パシベーション膜、56・・カラーフィルタ、57・・平坦化膜、58・・オンチップマイクロレンズ、60・・バリア層、61・・拡散防止膜、61a・・ひさし部、62・・開口凹部、63・・第1の層、64・・空隙層、65・・導波路、66・・エッチングストッパ層、71・・ひさし部形成材料層、71a・・ひさし部
1 .... Solid-
Claims (7)
前記複数の画素の上方に層間絶縁膜を介して複数層の配線が形成されてなる多層配線層と、
前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、
前記導波路は、前記多層配線層に形成されたひさし部で規制された所要屈折率の第1の層をコア部とし、前記第1の層と前記多層配線層との間に形成された空隙層をクラッド部として構成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of pixels;
A multilayer wiring layer in which a plurality of wirings are formed above the plurality of pixels via an interlayer insulating film;
A waveguide for guiding incident light to the photoelectric conversion portion of the pixel;
The waveguide includes a first layer having a required refractive index regulated by an eaves portion formed in the multilayer wiring layer as a core portion, and a gap formed between the first layer and the multilayer wiring layer. A solid-state imaging device characterized in that the layer is configured as a cladding part.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an etching stopper layer is formed on the gap layer side of the wiring.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the wiring is formed of Cu wiring, and the eaves portion is formed of a diffusion prevention film of C wiring.
前記多層配線層の前記画素を構成する光電変換部に対応する部分に選択的に所要深さの開口凹部を形成する工程と、
前記開口凹部の側壁の層間絶縁膜をウェットエッチングして、前記開口凹部に前記ひさし部形成材料によるひさし部を形成する工程と、
前記開口凹部内に、前記層間絶縁膜の側壁との間に空隙層が形成されるように、前記ひさし部で規制された所要屈折率の第1の層を形成し、前記第1の層をコア部とし、前記空隙層をクラッド部とした導波路を形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 Forming a multi-layered wiring layer having a plurality of wirings formed over an interlayer insulating film and having an eaves portion forming material layer above the plurality of pixels;
Selectively forming an opening recess having a required depth in a portion corresponding to the photoelectric conversion portion constituting the pixel of the multilayer wiring layer;
Wet etching the interlayer insulating film on the side wall of the opening recess to form an eave portion by the eaves portion forming material in the opening recess; and
A first layer having a required refractive index regulated by the eaves portion is formed in the opening recess so that a void layer is formed between the side wall of the interlayer insulating film and the first layer is formed. Forming a waveguide having a core portion and the gap layer as a cladding portion. A method of manufacturing a solid-state imaging device.
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 4, wherein the wiring of the multilayer wiring layer is formed of Cu wiring, and the eaves portion is formed of a diffusion prevention film of Cu wiring.
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置の製造方法。 The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 4, further comprising a step of forming an etching stopper layer on the gap layer side of the wiring.
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置の製造方法。 5. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 4, further comprising forming the eaves portion forming material layer having a selectivity with respect to the interlayer insulating film on the uppermost layer of the multilayer wiring layer.
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