JP2008235516A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ形成時のＡｌＣｕ配線露出を防止して、Ｃｕ汚染を抑制することにより、固体撮像装置の画質品質の低下を招くことなく、撮像特性を大幅に改善する。
【解決手段】受光部に入射した光信号を信号電荷に変換・転送する撮像領域と、撮像領域を駆動する電圧を供給するために撮像領域の周辺に設けられる駆動配線の領域とを同一半導体基板上に有する固体撮像装置において、受光部上に形成された転送電極の間の凹部に層間膜と層間膜よりも屈折率の高い層内レンズ材とからなるレンズと層間膜上に設けられる駆動配線とからなるメタル配線構造を、絶縁膜とメタル配線の材料との多層構造で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置およびその製造方法に関するものであり、特に、出力画像の画質を改善した固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。

近年、固体撮像装置は、高集積化に伴い総画素数が増加し、配線層面積比の増加や受光面積の縮小化が余儀無くされている。このため、素子の受光部への光量は、減少して固体撮像装置の感度が低下するという問題があった。そこで、このような感度の低下を防止する手段として、各素子の光量を増すため固体撮像装置の受光部上に近い位置とオンチップ上に集光レンズを形成する方法が考えられている。

そこで、図４を用いて特許文献１に示された従来技術の固体撮像装置について説明する。

図４に示された固体撮像装置の集光レンズの製造方法としては、先ず、シリコン基板４０にフォトダイオードである受光部４１を形成した後、シリコン酸化膜（又はＳｉＮ膜）４２をＣＶＤ法で形成する。

次に、シリコン酸化膜４２上にガラス層４３を形成し、受光部４１上でガラス層４３に開孔４４を開設する。なお、この開孔４４の内壁は、所定の傾斜をもたせて形成されている。

さらに、このように形成された開孔４４及びガラス層４２の上に、例えば、層間絶縁膜であるＳＯＧ（塗布ガラス）４５を塗布する。この際、開孔４４内のＳＯＧ４５は表面張力により中央が最も窪んだ凹形状となる。

次いで、アニールを行い、ＳＯＧ４５を固化させる。そして、この絶縁膜の上面に垂直転送レジスタの駆動電圧供給用配線膜（例えばアルミ配線膜等、図示せず）を形成する。

次に、このように形成されたＳＯＧ４５の上にＳＯＧより高屈折率な例えばＳｉＮ（窒化シリコン）膜４６をＣＶＤ法により形成する。

最後に、ＳｉＮ膜４６の平坦化を行って、下凸型のレンズ部を形成する（図４（ｄ））。そして、この上面に平坦化膜を設け、この平坦化膜の上面に色分解フィルタ及びオンチップレンズを設ける。
特開平２−６５１７１号公報

しかしながら、従来技術に示された固体撮像装置は、アルミ配線形成後にＳｉＮなどの高屈折膜を成膜し、エッチバック法などの平坦化により受光部４１上のガラス層４３の開孔４４内にレンズを形成すると、平坦化エッチバック中にＡｌ配線が露出してエッチされたＡｌＣｕが画素表面部に飛散し、Ｃｕが受光部まで拡散することにより、界面準位を形成して、白キズ不良を発生するという課題がある。

なお、この課題を解決するために、ＳｉＮ平坦化のよるレンズ形成をおこなってからＡｌ配線を形成することも考えられる。

しかし、この場合は、画素領域と配線領域が近接しているため、Ａｌ配線形成後にカラーフィルタ形成を行う場合に平坦化が十分でないと、配線領域に近い画素領域のカラーフィルタ−膜厚が不均一になり画質不良が発生する場合がある（第１の課題の対策に付随する課題１）。さらに、Ａｌ配線段差を埋めるために平坦化膜を厚くする必要があるため、オンチップレンズと受光部との間の距離が拡大して、受光部への入射光広がりにより、感度やスミアの低下を招くという新たな課題が発生する場合もあり、ＳｉＮ平坦化のよるレンズ形成を行ってからＡｌ配線を形成する手法は好ましくはない。

前記課題に鑑み、本発明は、配線形成時におけるＣｕなどの誘起欠陥発生を抑制することができ、かつ、感度、スミアの低下をまねくことのない固体撮像装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１の固体撮像装置の発明は、受光部に入射した光信号を信号電荷に変換・転送する撮像領域と、該撮像領域を駆動する電圧を供給するために前記撮像領域の周辺に設けられる駆動配線の領域とを同一半導体基板上に有する固体撮像装置において、前記受光部上に形成された転送電極の間の凹部に層間膜と該層間膜よりも屈折率の高い層内レンズ材とからなるレンズと前記層間膜上に設けられる前記駆動配線とからなるメタル配線構造を、絶縁膜とメタル配線の材料との多層構造で構成したことにあり、また、請求項２の固体撮像装置の発明は、請求項１の発明において、前記メタル配線をエッチングするマスク材料をシリコン酸化膜としたことにある。

請求項３の固体撮像装置の製造方法の発明は、受光部に入射した光信号を信号電荷に変換・転送する撮像領域と、該撮像領域を駆動する電圧を供給するために前記撮像領域の周辺に設けられる駆動配線の領域とを同一半導体基板上に有する固体撮像装置の製造方法において、前記受光部上に形成された転送電極の間の凹部に層間膜を形成して該層間膜の表面を前記受光部側に凹ませた上、前記層間膜を熱処理して固化させる工程と、前記駆動配線となるメタル配線を前記層間膜の上に絶縁膜マスクを用いてドライエッチングにより形成する工程と、前記層間膜の上に該層間膜よりも屈折率の高い膜を積層させて、前記層間膜を凹ませた部分に前記屈折率の高い膜によりレンズを形成した上、前記層間膜の表面をエッチングバックにより平坦化する工程とからなることにあり、また、請求項４の固体撮像装置の製造方法の発明は、請求項３の発明において、メタル配線材料をＡｌＣｕとしたことにある。

また、請求項１および２の固体撮像装置と請求項３および４の固体撮像装置の製造方法とによれば、レンズ形成時のＡｌＣｕ配線露出を防止することでＣｕ汚染による受光部への界面準位発生が抑制されるため、白キズ不良が低減されて固体撮像装置の画質品質の低下が抑制されるので、撮像特性が大幅に改善される。

請求項１および２の固体撮像装置と請求項３および４の固体撮像装置の製造方法とによれば、オンチップレンズと受光部との間の距離が縮小して感度やスミアの低下を起こすことがなくなる。

図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。

まず、図１に基づいて本形態における固体撮像装置の素子配置構造について説明する。
この固体撮像装置を構成する方形状の半導体チップ１００の中央には、有効撮像領域１００Ａが設けられ、その周辺に非撮像領域１００Ｂが設けられている。有効撮像領域１００Ａには、マトリクス状に複数のフォトセンサ部（図１では省略）が配列され、これらフォトセンサ部から信号電荷を読み出し、その信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタ（図１では省略）が設けられている。そして、図１に示すように、この有効撮像領域１００Ａには、各垂直転送レジスタに対応して２種類の垂直転送電極１１２Ａ、１１２Ｂが形成され、４相駆動（φ１〜４）で信号電荷を垂直方向に転送する。

また、非撮像領域１００Ｂの１つの辺には、各垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を出力回路１０２へ転送する水平転送レジスタ（図示せず）が設けられており、その上面に水平転送電極１２４が設けられている。そして、この水平転送電極１２４の上層に、水平転送レジスタへの光の入射を遮るための幅広線状の遮光膜１２５が設けられている。この遮光膜１２５は、例えばＷのＣＶＤ膜より形成されている。

また、非撮像領域１００Ｂの３つの辺には、垂直転送電極１１２Ａ、１１２Ｂの駆動電圧を供給するための４本の折れ線状に形成された配線膜１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ、１２３Ｄが設けられており、これらの配線膜１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ、１２３Ｄは、例えばアルミ蒸着膜より形成され、垂直転送電極１１２Ａ、１１２Ｂに選択的に接続され、上述した４相の駆動電圧を供給するようになっている。なお、非撮像領域１００Ｂには、その他に複数の電極パッド１０４等が設けられている。

次に、図２は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の断面図で、図２（ａ）は有効撮像領域内の画素部であり、図２（ｂ）は非撮像領域の垂直ＣＣＤを駆動する配線構造である。

図２より、受光部１の一方の側にはチャネルストップ３を介して電荷転送部５が形成され、他方の側には読み出しゲート４を介して別の電荷転送部５が形成されている。そして、このような構成により受光部１で光電変換されて得られた信号電荷は、読み出しゲート４を介して電荷転送部５に読み出され、さらに電荷転送部５にて転送されるようになっている。

また、シリコン基板２の表面部には、熱酸化法やＣＶＤ法等によって形成されたＳｉＯ_２からなる絶縁膜６が設けられている。なお、この絶縁膜６はＳｉＯ_２からなる単層膜でなく、ＳｉＯ_２膜―ＳｉＮ膜―ＳｉＯ_２膜の三層からなるいわゆるＯＮＯ構造の積層膜としてもよい。

また、絶縁膜６の上には、電荷転送部５の略直上位置に第１ポリシリコンからなる転送電極７が形成され、さらに転送電極７と一部が重なり合う状態で、第２ポリシリコンからなる別の転送電極（図示略）が形成されている。これらの転送電極７の表面上、すなわちその上面および側面には、これらの転送電極７を覆い、さらに転送電極７，７間に臨む受光部１上の絶縁膜６を覆うＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜８が形成されている。

その後、例えばＬＰ−ＣＶＤ法によりＳｉＨ_２ＣＬ_２とＮＨ_３の気相反応でＳｉＮからなる低反射膜を成膜する。フォトリソグラフィ法により受光部上に下反射防止膜９となるフォトレジストパターンを形成し、ウエットエッチングにより受光部１上に下反射防止膜９を形成する。

次に例えばＣＶＤ法により遮光膜１０を全面的に形成し、フォトリソグラフィにより受光窓となるレジストパターンを形成後、遮光膜１０をドライエッチングにより選択的にエッチングすることにより各受光部１上に受光窓を形成する。

また、この遮光膜１０は、後述するようにこの遮光膜１０の形成後、層内レンズの形成に先立って熱処理によるリフロー処理がなされることから、このリフロー処理の際に悪影響を受けないように高融点金属から形成されており、本例ではタングステン（Ｗ）からなっている。

また、この遮光膜１０の上は層間絶縁膜１１で覆われ、層間絶縁膜１１の上にはＢＰＳＧ（屈折率；１．４５）からなる層間膜１２が形成されている。この層間膜１２は、リフロー膜として機能するもので、転送電極７等を覆って転送電極７，７間の受光部１の上に凹部を形成した上、リフロー処理すると、凹部の層間膜１２は層内レンズ形成のための所定の曲率に調整加工される。

そして、この層間膜１２の上面には、垂直転送レジストと電気的に導通するためのコンタクトホール２２を介して配線となるシリコン酸化膜２０とＡｌＣｕ膜１９の２層膜からなる駆動電圧供給用配線膜（例えばシリコン酸化膜とアルミ配線の２層構造等）が形成される。

また、この層間膜１２の上に層間膜１２の凹部を埋め込むようにしてＳｉＮからなる層内レンズ材１３が成膜されると、層間膜１２の凹部の層内レンズ材１３によって層内レンズが形成される。

層内レンズ材１３は、本例ではバイアス高密度プラズマＣＶＤ法による窒化ケイ素（Ｐ―ＳｉＮ）からなっており、層間膜１２の凹部の層内レンズ材１３は層間膜１２との間の屈折率差により、層内レンズ材１３と層間膜１２との界面において入射光を受光部１の側に屈折させる層内レンズとして機能する。なお、層内レンズ材１３は、その表面が公知のレジストエッチバック法、あるいはＣＭＰ法（化学機械研磨法）によって平坦化される。

また、平坦化された層内レンズ材１３の上には、ＳｉＯＮからなる上反射防止膜１４が形成されている。この上反射防止膜１４は、パッシベーション膜としても機能するもので、その膜厚がパッシベーション膜としての機能を十分発揮するような厚さに設定されている。

また、この上反射防止膜１４の上にはアクリル樹脂からなる平坦化膜２１上にカラーフィルタ層２３が形成され、カラーフィルタ層２３の上にはアクリル樹脂からなる平坦化膜２６が、また平坦化膜２６の上には凸状の透明樹脂等からなるオンチップレンズ２７が形成されている。

次に、図３を用いて本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。

まず、図３（ａ）より、従来技術と同様の手法により転送電極７までを形成し、さらに転送電極７を覆う層間絶縁膜８を形成した後、遮光膜１０を形成する。次いで、ＢＰＳＧからなる層間膜１２をＣＶＤ法等によって遮光膜１０等を覆うように堆積させた上、予め設定した条件でリフロー処理（熱処理）することにより、層間膜１２の凹部の曲率を所望の層内レンズの形状となるように形成する。

なお、このようなリフロー処理の条件を設定するにあたっては、予めシミュレーション等によって最適な層内レンズの形状を決定しておき、さらにこの最適な層内レンズ形状を得るための条件を実験やシミュレーション等によって求めるようにする。層内レンズの最適な形状については、オンチップレンズによって層内レンズに入射した光を遮光膜１０の開口部に導くように、入射光をその位置や入射角に応じて適宜に屈折させる形状とする。

次に、図３（ｂ）に示すように、層間膜１２を形成した後に、垂直転送レジストと電気的に導通させるためのコンタクトホール２２を層間膜１２の上面にフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより形成した上、Ｗエッチバック法によりバリアメタルおよびブランケットＷ成長膜を堆積させてコンタクトホール２２をＷ膜で埋め込む。そして、配線となるＡｌＣｕ膜１９（６００ＮＭ）とシリコン酸化膜２０（４００ＮＭ）とを堆積させて、フォトリソグラフィにより配線パターンを形成した上、酸化膜ドライエッチにより配線材料のＡｌＣｕ膜１９上のシリコン酸化膜２０をドライエッチして、ＡｌエッチャーによりＡｌＣｕ膜１９をドライエッチすることで、ＡｌＣｕ膜１９とシリコン酸化膜２０の２層膜からなる駆動電圧供給用配線膜（例えばシリコン酸化膜とアルミ配線の２層構造等）を形成する。

本発明の実施例では、ＡｌＣｕ膜１９からなる配線上の絶縁膜としてシリコン酸化膜２０を用いたが、配線材料となるＡｌＣｕ膜１９とのエッチング選択比およびレンズ材料となるＳｉＮ膜とのエッチバック時の選択比がとれる材料であれば、ＴｉＮ，ＴＩ，Ｗなどの金属材料やＳｉ，ＳｉＯＮなどの半導体材料を用いることもできる。

このようにして層間膜１２上に駆動電圧供給用配線膜を形成したら、層間膜１２の凹部を埋め込むように層内レンズ材１３を堆積・成膜させて、その表面をレジストエッチバック法あるいはＣＭＰ法（化学機械研磨法）により平坦化することにより、層内レンズを形成する。このエッチバック時に層内レンズ材１３のＰ−ＳｉＮとＡｌＣｕ膜１９上のシリコン酸化膜２０とのエッチレート比は２倍あるので、層内レンズ材１３を４００ＮＭエッチングしてもＡｌＣｕ膜１９のシリコン酸化膜２０は２００ＮＭ残るためにＡｌＣｕ膜１９がエッチング中に露出することはない。その結果、エッチバック時にＡＬ膜が露出することがないため配線材料としてＡｌＣｕを用いた場合などにＣｕが受光部１に飛散しなくなることにより、Ｃｕ汚染による界面準位も発生しなくなって、白キズ不良が発生しない。

次いで、この平坦化した層内レンズ材１３の上に、プラズマＣＶＤ法によって窒化ケイ素（Ｐ―ＳｉＯＮ）をその屈折率が１．７〜１．９程度、好ましくは１．８程度となるように堆積させて、上反射防止膜１４を形成する。なお、屈折率の調整については、前述した下反射防止膜９の場合と同様に、原料ガスの流量比を適宜に選択することによって行う。

次いで、染色法やカラーレジスト塗布によってカラーフィルタ２３を形成した後、オンチップレンズ２７を形成する。ここで、オンチップレンズ２７の形成については、熱溶融性透明樹脂や常温無加熱でＣＶＤ可能な高密度ＳｉＮを堆積させて、その上部にレジストを設けた後、このレジストを熱リフロー処理して所望の曲率を有する凸レンズ形状にした上、これをマスクにして高密度ＳｉＮの堆積層をエッチングし、レジストを除去してオンチップレンズ２７を得るといったエッチバック転写等が用いられる。

このようにして得られた固体撮像装置にあっては、オンチップレンズ２７で集光されて、カラーフィルタ２３、上反射防止膜１４を透過し、層内レンズに入射する。すると、層内レンズで再度集光（屈折）された光が遮光膜１０の開口部内に入射して、層間膜１２、層間絶縁膜８を透過した上、受光部１に到り、ここで光電変換がなされる。

なお、本発明の実施例では、受光部１上の転送電極７，７間の凹部のレンズを形成する面はＢＰＳＧのアニールにより形成したが、ＢＰＳＧの代わりにＳＯＧのスピンコートによってもよい。

以上のように、本発明によれば、絶縁膜と配線材料の２層構造を用いてエッチバック平坦化により受光部に近い位置にレンズを形成することにより、固体撮像装置（ＣＣＤ）の感度出力は、光学レンズの絞りをＦ１．４と開放にした状態で、斜め入射光成分を含ませる条件下でも、従来法（受光部１上のレンズ形状が上凸）に比べて、＋１０〜＋１５％の感度増加が認められた上、画像上好ましくない迷光成分（スミア）も約３０％の減少が認められた。

以上説明したように、図１および図２を用いて説明した本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、転送電極を駆動するメタル配線を絶縁膜とＡｌＣｕ膜の２層構造とすることにより、ＡｌＣｕ配線形成後に行う平坦化による層内レンズ形成工程で、ＡｌＣｕ配線が露出することを防ぐことができる。

また、図３を用いて説明した本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法は、転送電極を駆動するメタル配線を絶縁膜ハードマスクとするドライエッチによりＡｌＣｕ配線を形成することによって、ＡｌＣｕ膜とシリコン酸化膜の２層構造を形成し、ＡｌＣｕ配線形成後に行う層内レンズとなるＳｉＮエッチバック平坦化時に層内レンズ材としてのＳｉＮとシリコン酸化膜との選択比が高くなることにより、ＡｌＣｕ配線が露出することを防ぐことができる。

この結果、本発明の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、転送電極を駆動するＡｌＣｕ膜のメタル配線上にシリコン酸化膜の絶縁膜を形成することにより、層内レンズを形成する平坦化工程で配線を保護することができるので、平坦化中におけるＡｌＣｕ膜の露出に伴う汚染による界面準位の発生を防ぐことができる。

また、本発明の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、その層内下凸レンズ形成工程が転送電極形成工程後に形成できるので、有効画素部と周辺パターン間の段差が小さくなって、配線領域に近い有効画素上に形成するカラーフィルタの膜厚の均一性を向上させることができる。

さらに、本発明の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法は、その層内下凸レンズ形成工程が転送電極形成工程の後に形成されるので、有効画素周辺の配線を平坦化するための平坦化膜を薄くできて、有効画素上の平坦化膜上に形成したオンチップレンズと受光部間の距離が短くなるため、感度特性を向上させることができる。

本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法は、出力画像の画質や感度が要求されるカラーカメラ等に適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す図 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図 従来の固体撮像装置の構成を示す図

符号の説明

１ 受光部
２ Ｓｉ基板
３ チャネルストップ
４ 読み出しゲート
５ 電荷転送部
６ 絶縁膜
７ 転送電極
８ 層間絶縁膜
９ 反射防止膜
１０ 遮光膜
１１ 絶縁膜
１２ 層間膜
１３ 層内レンズ材
１４ 上反射防止膜
１６ Ｗ膜
１９ ＡｌＣｕ膜
２０ シリコン酸化膜
２１ 平坦化膜
２２ コンタクトホール
２３ カラーフィルタ
２６ 平坦化膜
２７ オンチップレンズ

Claims (4)

1. 受光部に入射した光信号を信号電荷に変換・転送する撮像領域と、該撮像領域を駆動する電圧を供給するために前記撮像領域の周辺に設けられる駆動配線の領域とを同一半導体基板上に有する固体撮像装置において、前記受光部上に形成された転送電極の間の凹部に層間膜と該層間膜よりも屈折率の高い層内レンズ材とからなるレンズと前記層間膜上に設けられる前記駆動配線とからなるメタル配線構造が、絶縁膜とメタル配線の材料との多層構造で構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記メタル配線をエッチングするマスク材料がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 受光部に入射した光信号を信号電荷に変換・転送する撮像領域と、該撮像領域を駆動する電圧を供給するために前記撮像領域の周辺に設けられる駆動配線の領域とを同一半導体基板上に有する固体撮像装置の製造方法において、前記受光部上に形成された転送電極の間の凹部に層間膜を形成して該層間膜の表面を前記受光部側に凹ませた上、前記層間膜を熱処理して固化させる工程と、前記駆動配線となるメタル配線を前記層間膜の上に絶縁膜マスクを用いてドライエッチングにより形成する工程と、前記層間膜の上に該層間膜よりも屈折率の高い膜を積層させて、前記層間膜を凹ませた部分に前記屈折率の高い膜によりレンズを形成した上、前記層間膜の表面をエッチングバックにより平坦化する工程とからなることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
4. 前記メタル配線の材料がＡｌＣｕであることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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