JP2008270457A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 基板に形成された受光部へのダメージを与えることなく、受光部に対する集光効率の高い固体撮像素子並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】 受光部１と、受光部１の上部を覆うように成膜された絶縁膜と、絶縁膜内の一部に光透過性材料が充填された光導波路１１と、を備える。前記絶縁膜が、受光部１の上面に接触して成膜された少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜２と、第１絶縁膜２の上面に接触して成膜された第２絶縁膜３を含み、第１絶縁膜２と前記第２絶縁膜３が、共にシリコン酸化膜で構成され、第１絶縁膜２が、少なくとも第２絶縁膜３との接触面から所定の膜厚にかけて、シリコン酸化膜に不純物が注入されてなる不純物注入層を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】 受光部１と、受光部１の上部を覆うように成膜された絶縁膜と、絶縁膜内の一部に光透過性材料が充填された光導波路１１と、を備える。前記絶縁膜が、受光部１の上面に接触して成膜された少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜２と、第１絶縁膜２の上面に接触して成膜された第２絶縁膜３を含み、第１絶縁膜２と前記第２絶縁膜３が、共にシリコン酸化膜で構成され、第１絶縁膜２が、少なくとも第２絶縁膜３との接触面から所定の膜厚にかけて、シリコン酸化膜に不純物が注入されてなる不純物注入層を有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に受光部の上層に導波路構造を有する固体撮像素子及びその製造方法に関する。
近年の固体撮像装置の装置規模の縮小化の流れを受け、当該装置に搭載される固体撮像素子についても、占有面積の縮小化が図られている。しかしながら、固体撮像素子の占有面積の縮小化に伴って、受光部領域の面積も制限を受け、これによって単一の画素で受光し得る光量、並びに当該受光した光を光電変換することで生成される電荷量が減少する。又、占有面積の縮小化を図るべく配線の多層化が行われるため、基板上に形成される絶縁膜の総膜厚が厚くなる。この結果、画素で受光し得る光量の減衰が大きくなり、この結果、光電変換することで生成される電荷量が更に減少する。
このため、画素に対して十分な光量の光を受光させるべく、集光効率を向上させることが必要となる。
集光効率を上げる手法として、受光部上部に光導波路を形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。光導波路は、受光部上に高透過性または屈折率の高い材料を使用して形成され、表層部のマイクロレンズから入射した光の減衰を抑制して受光部まで到達させ、電気変換を効率よく行うことができる。
図４は、下記特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の概略構成を示す図である。図４に示される従来の固体撮像素子５０は、フォトダイオードとして機能する受光部１を備えた基体上に、ゲート酸化膜３２、素子分離絶縁膜３３、及びエッチングストッパ層としてのＳｉＮ膜３４を介して、層間絶縁膜３５が形成されている。そして、この層間絶縁膜３５中には、受光部１からの信号電荷の読み出しおよび転送に必要となる転送ゲート３７、多層構成を有する配線３６、及び配線３６に伴う導電プラグ３８等が埋め込まれている。更に、層間絶縁膜３５内において、受光部１の上部領域には光透過性材料からなる光導波路１１が形成されている。そして、その層間絶縁膜３５の上面側にパッシベーション膜１２、カラーフィルタ１３、及び平坦化膜１４を介してマイクロレンズ１５が配設されている。尚、光導波路１１は、層間絶縁膜３５に比べて屈折率が高い光透過性材料によって形成されている。
図４のような構成の下では、受光部１の上部領域において、高透過性及び高屈折率を有する光透過性材料によって形成された光導波路１１が存在することにより、表層部のマイクロレンズ１５から入射した光の減衰を抑制して受光部１まで到達させることができる。これにより、十分な光量の光を受光部１に対して与えることができ、光電変換によって十分な電荷量の生成が可能となる。
又、受光部面積の縮小に伴い配線幅、高さ共に縮小することが要求され、これを受けてＣｕ（銅）を使用した配線も使用され始めている。
このとき、Ｃｕが層間絶縁膜内に拡散することで配線間のリーク電流が増大することを防止すべく、Ｃｕ層と層間絶縁膜との間に拡散防止（バリア）膜が成膜される。拡散防止膜は、層間絶縁膜とは異なる材料で成膜される。拡散防止膜と層間絶縁膜を基板全面に積層で形成した場合、受光部１の上部領域において、拡散防止膜と層間絶縁膜を貫通させて光導波路１１を構成する。このとき、拡散防止膜と層間絶縁膜のエッチレート差（選択比）の違いを利用して、拡散防止膜をエッチングストッパ層として機能させることで、光導波路１１の底部位置を決定することができるため、複雑なプロセスを行わず形成することが可能である。
上記特許文献１に示される従来の固体撮像素子の製造方法の場合、層間絶縁膜３５内の光導波路１１の形成予定領域を除く所定の領域に多層の配線層３６を形成した後、ＳｉＮ膜３４をエッチングストッパ層とするエッチング処理を層間絶縁膜３５に対して施すことで開口部を形成し、かかる開口部内に光透過性材料を充填することで光導波路１１を形成する。
ここで、ＳｉＮ膜等のシリコン窒化物は、ＳｉＯ２等のシリコン酸化物と比較して、光透過率が低い。従って、マイクロレンズ１５から入射した光を十分に受光部１に導くためには、受光部１の上部領域に堆積されたＳｉＮ膜３４を確実に除去することが好ましい。
従って、ＳｉＮ膜３４をエッチングストッパ層とする層間絶縁膜３５に対するエッチングを施した後、受光部１の上部領域に存在するＳｉＮ膜３４をエッチング除去することで、当該ＳｉＮ膜３４の下部に堆積されていたゲート酸化膜３２を露出させた後、光透過性材料の充填を行う。ゲート酸化膜３２は、シリコン酸化膜で形成されているため、光導波路１１を介して導かれた光が当該酸化膜３２内で大きく減衰されることはない。
しかしながら、ゲート酸化膜３２は、薄い膜厚で形成されているため、ＳｉＮ膜３４に対するエッチングの実行時において、エッチングが進行してゲート酸化膜３２を完全に除去してしまい、その下部領域に位置する受光部１に対して物理的にダメージを与える可能性がある。又、ゲート酸化膜３２は残存しているものの、エッチング時に用いられるプラズマによってゲート酸化膜３２に対して与えられた電荷が、薄いゲート酸化膜３２を通過して受光部１に対して送出される結果、受光部１に対して電気的にダメージを与える可能性がある。
本発明は、上記の問題点に鑑み、基板に形成された受光部へのダメージを与えることなく、受光部に対する集光効率の高い固体撮像素子並びにその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る固体撮像素子は、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部の上部を覆うように成膜された絶縁膜と、前記絶縁膜内の一部に光透過性材料が充填されることで形成された、外部の光を前記受光部に導くための光導波路と、を備える固体撮像素子であって、前記絶縁膜が、前記受光部の上面に接触して前記受光部上に成膜された少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜上に成膜された第２絶縁膜とを含み、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜が、共にシリコン酸化膜で構成されており、前記第１絶縁膜が、少なくとも前記第２絶縁膜との接触面の直下にシリコン酸化膜に不純物が注入されてなる不純物注入層を有する構成であることを第１の特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の上記第１の特徴構成によれば、少なくとも受光部上に膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜が残存される構成であるため、製造時において受光部に対して与えられるダメージを抑制することができる。そして、前記第１絶縁膜をシリコン酸化膜で構成することで、外部から取り込まれた光を当該絶縁膜内で大きく減衰させることなく、受光部に対して導くことができる。これにより、受光部に対する高い集光効率の確保と、受光部へのダメージの抑制の両立の実現が可能な固体撮像素子を提供することができる。
又、製造時に光導波路を形成する際、第１絶縁膜と第２絶縁膜の界面位置を不純物の存在の有無によって認識させることができる。これにより、第１絶縁膜に対してエッチング処理が過剰に進行させることなく、１０ｎｍ以上の所望の膜厚分の第１絶縁膜を残存させることができる。
又、本発明に係る固体撮像素子は、上記第１の特徴構成に加えて、前記不純物注入層が、シリコン酸化膜にIII族又はＶ族元素の内の少なくとも何れか一を含む不純物が添加されて構成されることを第２の特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の上記第２の特徴構成によれば、製造時に光導波路を形成する際、第１絶縁膜と第２絶縁膜の界面位置をIII族又はＶ族元素の内の少なくとも何れか一を含む不純物の存在の有無によって認識させることができる。これにより、第１絶縁膜に対してエッチング処理が過剰に進行させることなく、１０ｎｍ以上の所望の膜厚分の第１絶縁膜を残存させることができる。
又、本発明に係る固体撮像素子は、上記第２の特徴構成に加えて、前記不純物注入層が、シリコン酸化膜にリンがドープされたＰＳＧ膜、シリコン酸化膜にホウ素とリンがドープされたＢＰＳＧ膜、又はシリコン酸化膜にヒ素がドープされたＡｓＳＧ膜の何れか一で構成されることを第３の特徴とする。
又、本発明に係る固体撮像素子は、上記第１〜第３の何れか一の特徴構成に加えて、前記不純物注入層に添加されている不純物濃度が１ｍｏｌ％以上であることを第４の特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の上記第４の特徴構成によれば、製造時に光導波路を形成する際、第２絶縁膜に対するエッチングが終了し、第１絶縁膜に対してエッチング処理が進行すると、不純物由来の発光現象を生じさせることができるため、当該発光減少の発生を認識した時点でエッチング処理を中止することにより、第１絶縁膜に対してエッチング処理が過剰に進行させることなく、１０ｎｍ以上の所望の膜厚分の第１絶縁膜を残存させることができる。
又、本発明に係る固体撮像素子は、上記第１〜第４の何れか一の特徴構成に加えて、前記第１絶縁膜が、全て前記不純物注入層で構成されることを第５の特徴とする。
又、本発明に係る固体撮像素子は、上記第１〜第４の何れか一の特徴構成に加えて、前記第１絶縁膜が、酸化膜に対して不純物注入が施されていない不純物非注入層と、前記不純物注入層と、を有しており、前記受光部の上面に接触して前記受光部上に前記不純物非注入層が形成され、前記不純物非注入層の上面に接触して前記不純物非注入層上に前記不純物注入層が形成され、前記不純物注入層の上面に接触して前記不純物注入層上に前記第２絶縁膜が形成されることを第６の特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の上記第５又は第６の特徴構成によれば、第１絶縁膜が、第２絶縁膜との界面から、少なくとも所定の膜厚にかけて不純物注入層を有する構成であるため、製造時に光導波路を形成する際、第２絶縁膜に対するエッチングが終了し、第１絶縁膜に対してエッチング処理が進行すると、不純物由来の発光現象を生じさせることができる。従って、エッチング処理の終了タイミングを認識することができ、第１絶縁膜に対してエッチング処理が過剰に進行させることなく、１０ｎｍ以上の所望の膜厚分の第１絶縁膜を残存させることができる。
又、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、上記第１の特徴構成を有する固体撮像素子の製造方法であって、前記受光部上に少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の前記不純物注入層を堆積して前記第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、前記第１絶縁膜形成工程終了後、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜上に前記第２絶縁膜を堆積する第２絶縁膜形成工程と、前記第２絶縁膜形成工程終了後、層間絶縁膜を堆積した後に配線層を形成する一連の工程を一回又は複数回実行する配線層形成工程と、前記配線層形成工程終了後、前記層間絶縁膜及び前記第２絶縁膜に対してエッチングを施して前記第１絶縁膜の上面を露出させて開口部を形成するエッチング工程と、前記エッチング工程終了後、前記開口部内に前記光透過性材料を充填する光透過性材料充填工程と、を有し、前記エッチング工程が、前記不純物注入層内に注入されている不純物由来の発光スペクトルを検出した時点で当該エッチング処理を終了させることを第１の特徴とする。
又、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、上記第１の特徴構成を有する固体撮像素子の製造方法であって、前記受光部上に不純物注入が施されていないシリコン酸化膜を所定膜厚堆積した後、当該酸化膜の上面に接触して当該シリコン酸化膜上に前記不純物注入層を堆積することで、少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の前記第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、前記第１絶縁膜形成工程終了後、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜の上層に前記第２絶縁膜を堆積する第２絶縁膜形成工程と、前記第２絶縁膜形成工程終了後、層間絶縁膜を堆積した後に配線層を形成する一連の工程を一回又は複数回実行する配線層形成工程と、前記配線層形成工程終了後、前記層間絶縁膜及び前記第２絶縁膜に対してエッチングを施して前記第１絶縁膜の上面を露出させて開口部を形成するエッチング工程と、前記エッチング工程終了後、前記開口部内に前記光透過性材料を充填する光透過性材料充填工程と、を有し、前記エッチング工程が、前記不純物注入層内に注入されている不純物由来の発光スペクトルを検出した時点で当該エッチング処理を終了させることを特徴とする第２の特徴とする。
ここで、第２絶縁膜は不純物が注入されておらず、一方、第１絶縁膜は、少なくとも第２絶縁膜との界面から所定の膜厚にかけて不純物が注入された不純物注入層を有する構成である。このため、エッチング工程において、不純物由来の発光スペクトルが検出された時点で、第２絶縁膜に対するエッチング処理が終了し、第１絶縁膜に対するエッチング処理が開始されていることを認識することができる。従って、本発明に係る固体撮像素子の製造方法の上記第１又は第２の特徴によれば、かかる発光スペクトルの検出時点でエッチング処理を終了することにより、第１絶縁膜に対してエッチング処理が過剰に進行させることなく、１０ｎｍ以上の所望の膜厚分の第１絶縁膜を残存させることができる。
又、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、上記第１又は第２の特徴に加えて、前記第２絶縁膜形成工程終了後、前記層間絶縁膜の堆積前に、前記第２絶縁膜とは異なる材料で構成される第３絶縁膜を堆積する第３絶縁膜形成工程を有し、前記エッチング工程が、前記第３絶縁膜をエッチングストッパ層として前記層間絶縁膜に対してエッチング処理を施す第１エッチング工程と、前記発光スペクトルの検出までの間、前記第３絶縁膜並びに前記第２絶縁膜に対してエッチング処理を施す第２エッチング工程と、を有することを第３の特徴とする。
又、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、上記第１〜第３の何れか一の特徴に加えて、前記第１絶縁膜形成工程が、シリコン酸化膜にIII族又はＶ族元素の内の少なくとも何れか一を含む不純物を添加することで形成された前記不純物注入層を堆積する工程を有することを第４の特徴とする。
又、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、上記第４の特徴に加えて、前記第１絶縁膜形成工程が、シリコン酸化膜にリンがドープされたＰＳＧ膜、シリコン酸化膜にホウ素とリンがドープされたＢＰＳＧ膜、又はシリコン酸化膜に砒素がドープされたＡｓＳＧ膜の何れか一で構成される前記不純物注入層を堆積する工程を有することを第５の特徴とする。
本発明の構成によれば、光透過性材料が充填された光導波路を有する構成であると共に、受光部と光導波路の間に１０ｎｍ以上の絶縁膜を介することにより、受光部に対する高い集光効率の確保と、受光部への光導波路形成時のエッチングダメージの抑制の両立の実現が可能な固体撮像素子を提供することができる。又、本発明に係る製造方法によれば、受光部と光導波路の間に透過率の高い絶縁膜を膜厚１０ｎｍ以上残存させることが可能となる。
以下において、本発明に係る固体撮像素子（以下、適宜「本発明素子」と称する）、及びその製造方法（以下、適宜「本発明方法」と称する）の実施形態について図１〜図３の各図を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明素子を製造する際の各工程における概略断面図を模式的に示したものであり、工程毎に図１（ａ）〜図１（ｉ）、及び図２（ａ）〜図２（ｆ）に分けて図示している（紙面の都合上２図面に分かれている）。又、図３は本発明方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図３に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。尚、図４に示される従来の固体撮像素子５０と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。
又、図１及び図２に示される各概略断面構造図はあくまで模式的に図示されたものであり、実際の構造の寸法の縮尺と図面の縮尺とは必ずしも一致するものではない。又、各工程で堆積される各膜の膜厚の数値はあくまで一例であって、この値に限定されるものではない。以下の各実施形態においても同様とする。
まず、図１（ａ）に示すように、受光部１の上に第１絶縁膜２を膜厚３０ｎｍ程度基板全面に堆積する（ステップ＃１）。ここで、第１絶縁膜２は、シリコン酸化膜にIII族又はＶ族の元素の内の少なくとも何れか一の元素が不純物として添加されたもの（以下、「不純物注入層」と記載）であり、例えば、シリコン酸化膜にＰ（リン）が３〜５ｍｏｌ％程度添加されたＰＳＧ膜とすることができる。
尚、第１絶縁膜２の堆積方法としては、ＳｉＨ４又はＴＥＯＳと、Ｐ(リン)、Ｂ（ホウ素)を含むガスをチャンバ内に導入して、４００℃〜５００℃程度の温度下でＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により形成する。前記ガスとしては、ＳｉＨ４を用いて成膜する場合には、ＰＨ３とＮ２、あるいはＢ２Ｈ６とＮ２の混合ガスを用い、ＴＥＯＳを用いて成膜する場合にはＴＥＢ（ホウ酸トリエチル）、ＴＥＯＰ（リン酸トリエチル）の有機ソースを用いることができる。
次に、図１（ｂ）に示すように、第１絶縁膜２上に、不純物が注入されていないシリコン酸化膜を、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により膜厚３００〜１０００ｎｍ程度堆積し、第２絶縁膜３を形成する（ステップ＃２）。
次に、図１（ｃ）に示すように、第２絶縁膜３の材料とは異なる絶縁性材料（例えばＰ−ＳｉＮ、ＳｉＣ等）をプラズマＣＶＤ法により膜厚１５〜５０ｎｍ程度堆積し、第３絶縁膜４を形成する（ステップ＃３）。第２絶縁膜３をＰ−ＳｉＮ膜で構成する場合にはＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスを用いて、ＳｉＣ膜で構成する場合にはシロキサン系ガスを用いて成膜する。
次に、図示しないが、フォトリソグラフィとエッチングにて、トランジスタ等基板表面に形成された素子と次のステップ＃４で形成される配線膜５とを接続するためのコンタクトホールを形成する。そして、膜厚５〜１００ｎｍ程度のＴｉ膜、及び膜厚３〜５０ｎｍ程度のＴｉＮ膜（ＭＯ−ＣＶＤ法によるＴｉＮ膜）の積層構造によるバリアメタル膜を形成した後、膜厚１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度のタングステン（Ｗ）膜をＣＶＤ法によりコンタクトホール内を埋め込む。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学機械研磨）法によりホール外に堆積しているＷ膜を除去し、平坦化する。
次に、図１（ｄ）に示すように、膜厚１００〜１０００ｎｍ程度の配線膜５（Ａｌ等）と、膜厚１０〜５０ｎｍ程度のバリアメタル膜（ＴｉＮ等、不図示）とを堆積した後（ステップ＃４）、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、図１（ｅ）に示すように配線層５を形成する。
次に、図１（ｆ）に示すように、配線層５上に、不純物が注入されていないシリコン酸化膜を膜厚３００〜１０００ｎｍ程度堆積し、層間絶縁膜６を形成する（ステップ＃５）。
次に、前記のように、コンタクトホールの加工、バリアメタル膜形成、Ｗ膜形成、及びＣＭＰ処理を施した後、ステップ＃４と同様に、Ａｌを主成分とする配線膜とＴｉＮの積層膜を堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチングによって配線層５とは異なる層内に新たな配線層７を形成する（ステップ＃６、図１（ｇ））。
次に、ステップ＃５と同様、図１（ｈ）に示すように、配線層７上に、不純物が注入されていないシリコン酸化膜を膜厚３００〜１０００ｎｍ程度堆積し、層間絶縁膜８を形成する（ステップ＃７）。
更に、多層の配線を形成する場合には、上記ステップ＃４及び＃５の各工程を繰り返し実行する。以下では、配線層として配線層５及び７を備える場合を例に挙げて後の工程を説明する。
次に、図１（ｉ）に示すように、層間絶縁膜８の形成後、後の工程で光導波路１１を形成する領域の上部以外の領域にフォトレジスト膜９を形成する（ステップ＃８）。
次に、図２（ａ）に示すように、フォトレジスト膜９をマスクとして、第３絶縁膜４の形成位置まで層間絶縁膜８及び６に対してエッチングを行う（ステップ＃９）。尚、以下では、当該ステップ＃９に係るエッチング処理を「第１エッチング処理」と記載する。
第１エッチング処理において、エッチング処理対象たる層間絶縁膜８及び６は、上記のとおりシリコン酸化膜で構成されている。又、ステップ＃３で成膜された第３絶縁膜４は、上記のとおりシリコン酸化膜とは異なる絶縁性材料（Ｐ−ＳｉＮ膜、或いはＳｉＣ膜）で構成されている。Ｐ−ＳｉＮ膜やＳｉＣ膜は、シリコン酸化膜と比較してエッチングレートが遅いため、第１エッチング処理において、第３絶縁膜４がエッチングストッパ層として機能する。
尚、当該第１エッチング処理は、フロン系のＣｘＦｙガスを用いてＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）法により行われ、この場合、層間絶縁膜６と第３絶縁膜４とのエッチング選択比は１／１７程度の十分低い値が実現される。
次に、図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜９をマスクとして、第１絶縁膜２の形成位置まで第３絶縁膜４及び第２絶縁膜３に対してエッチングを行う（ステップ＃１０）。尚、当該ステップ＃１０に係るエッチング処理を「第２エッチング処理」と記載する。
ステップ＃１で成膜した第１絶縁膜２は、ステップ＃２で成膜した第２絶縁膜３と同じシリコン酸化膜で構成されているが、第１絶縁膜２は、第２絶縁膜３と異なり不純物注入層で構成されている。このような状態でエッチング処理を実行した場合、第２絶縁膜３が完全に除去されて第１絶縁膜２に対するエッチング処理が実行されると、第１絶縁膜２内に注入されているＰ（リン）由来の発光現象が生じる。エッチング処理を実行する装置或いはシステム内において所定の波長の発光スペクトルを検出可能な光検出手段を予め備えておき、かかる光検出手段が前記Ｐ由来の発光スペクトルを検出した時点で第２エッチング処理を終了する。
即ち、第２絶縁膜３の接触面の直下に不純物注入層が成膜されていることにより、当該不純物注入層（第１絶縁膜２）が露出した時点で速やかに第２エッチング処理を終了することができる。
尚、第２エッチング処理が終了した時点で、受光部１上に第１絶縁膜２が少なくとも膜厚１０ｎｍ以上残存させるものとする。即ち、ステップ＃１において堆積する第１絶縁膜２の膜厚は、当該ステップ＃１０に係る第２エッチング処理を終えた段階で少なくとも１０ｎｍ以上の膜厚を残存させることのできる範囲内であれば良い。特に、ステップ＃１０が終了した時点で、開口部１０の底面と受光部１の上面とに挟まれた領域に係る第１絶縁膜２の膜厚を１０ｎｍ以上残存させることができる範囲内であれば良い。
次に、図２（ｃ）に示すように、開口部１０内に光透過率の高いベンゾシクロブテン樹脂（ＢＧＢ）膜等の光透過性材料を充填し、光透過性材料膜１１を形成する（ステップ＃１１）。尚、かかる材料としては、その他に、ダイアモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）膜、ポリイミド系樹脂、ＳｉＯ２膜、アクリル系樹脂等が利用可能である。
このとき、光透過性材料としてＢＧＢ膜を成膜する場合には塗布法やＣＶＤ法により形成可能であり、ＤＬＣ膜を成膜する場合にはＣ２Ｈ２ガスとＣ４Ｆ８ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成が可能であり、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂を成膜する場合には塗布法により形成が可能であり、ＳｉＯ２膜を成膜する場合にはプラズマＣＶＤ法により成膜が可能である。
尚、受光部１への集光効率を更に向上させるため、光導波路１１内壁にアルミニウム、銀、金、銅、およびタングステンの少なくとも１種類の金属を含む反射膜を成膜し、光導波路１１の底部の反射膜を除去した後、ＢＧＢ等の光透過性材料による埋め込みを行うことも有用である。
次に、図２（ｄ）に示すように、開口部１０以外の表面に形成されている光透過性材料膜１１をＣＭＰ法により研磨除去を行い、平坦化する（ステップ＃１２）。
次に、図２（ｅ）に示すように、パッシベーション膜１２、カラーフィルタ１３、平坦化膜１４を順次形成した後（ステップ＃１３）、図２（ｆ）に示すように、マイクロレンズ１５を形成する（ステップ＃１４）。パッシベーション膜１２としては、シリコン酸化膜又はアクリル系樹脂を塗布法により膜厚１０〜５００ｎｍの範囲で堆積する。又、カラーフィルタ１３は各画素毎に形成する。平坦化膜１４としては、プラズマＣＶＤ法によりプラズマ酸化膜を膜厚１００〜５００ｎｍ程度堆積する。
一般的に、半導体基板上に形成される絶縁膜の膜厚を１０ｎｍ以上残存させることができれば、当該基板に対するダメージを十分に抑制する効果があるとされている。例えば、「ＶＬＳＩプロセス技術」（小林稔、中島蕃著、日刊工業新聞社刊、１９９３年）のｐ．５１の図３．６には、パッド絶縁膜の残し膜厚とシリコン半導体基板のライフタイムの関係がグラフ化されている。基板のライフタイムは、基板に対するダメージが大きいほど短くなるため、ライフタイムが長いほど基板へのダメージは短いと言える。このグラフによれば、パッド絶縁膜が膜厚１０ｎｍ以上残存していればライフタイムは上昇し、１５ｎｍ以上の膜厚を残存させることで、安定的に長いライフタイムを確保することができることが示唆されている。即ち、基板上に形成される絶縁膜の膜厚を１０ｎｍ以上残存させることで基板に対するダメージを抑制することができることが示唆されている。
本発明方法によれば、受光部１上面と光導波路１１底面の間に膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜２を残存させることができる。このため、従来構成のように、受光部上に薄いゲート酸化膜が存在する場合と比較して、受光部１に対するダメージの抑制効果を高めることができる。また、残存させる第１絶縁膜２の膜厚を１５ｎｍ以上とすることで、更に基板に対するダメージの抑制効果を高めることが可能である。
尚、上述したように、不純物が注入された第１絶縁膜２は、第２絶縁膜３に対するエッチング処理（第２エッチング処理）時におけるエッチングストッパとしての機能を奏すれば良い。従って、必ずしも第１絶縁膜２の全部を、不純物が注入されたシリコン酸化膜（以下、「不純物注入層」と記載）で構成する必要はなく、少なくとも第２絶縁膜３との界面から所定膜厚分にかけて不純物注入層で構成していれば良い。従って、ステップ＃１において、例えば、不純物が注入されていないシリコン酸化膜（以下、「不純物非注入層」と記載）を所定膜厚（例えば１５ｎｍ程度）成膜した後、不純物注入層を所定膜厚（例えば１５ｎｍ程度）堆積して、両層の総膜厚を３０ｎｍ程度としても良い。
尚、第１絶縁膜２の膜厚は、上述したようにステップ＃１０が終了した時点で、開口部１０の底面と受光部１の上面とに挟まれた領域に係る第１絶縁膜２の膜厚を１０ｎｍ以上残存させることができる範囲内であれば良く、例えば１００ｎｍ程度としても良い。この場合、前記のように、不純物非注入層と、この上面に不純物注入層を有する構成である場合には、両層の総膜厚を１００ｎｍ程度とすることができる。
又、ステップ＃１０に係る第２エッチング処理において、不純物注入層が露出した時点で即座にエッチング処理を終了することができる場合であれば、ステップ＃１において第１絶縁膜２を少なくとも１０ｎｍ以上の膜厚分堆積させておけば足りる。しかしながら、不純物注入層が露出してから、第２エッチング処理を終了するまでに一定の時間を要する場合には、この時間内のエッチング処理の進行によって第１絶縁膜２がエッチングされることを考慮し、エッチング終了時に少なくとも１０ｎｍ以上の膜厚が残存するような範囲内の膜厚をステップ＃１において堆積するものとする。
尚、第１絶縁膜２としては、ＰＳＧ膜の他、シリコン酸化膜に対してＢ（ホウ素）とＰがドープされたＢＰＳＧ膜、或いはシリコン酸化膜に対してＡｓ（ヒ素）がドープされたＡｓＳＧ膜としても良い。ステップ＃１０に係る第２エッチング処理時において、第１絶縁膜２が露出した時点で、第１絶縁膜２にドープされた不純物由来の発光現象が生じるような不純物が注入されていれば、注入する不純物は限定されるものではない。
１： 受光部
２： 第１絶縁膜
３： 第２絶縁膜
４： 第３絶縁膜
５： 配線膜
６： 層間絶縁膜
７： 配線膜
８： 層間絶縁膜
９： フォトレジスト膜
１０： 開口部
１１： 光導波路（光透過性材料）
１２： パッシベーション膜（酸化膜）
１３： 平坦化膜（酸化膜）
１４： カラーフィルタ
１５： マイクロレンズ
３２： ゲート酸化膜
３３： 素子分離絶縁膜
３４： ＳｉＮ膜
３５： 層間絶縁膜
３６： 配線
３７： 転送ゲート
３８： 送電プラグ
５０： 従来構成の固体撮像素子
２： 第１絶縁膜
３： 第２絶縁膜
４： 第３絶縁膜
５： 配線膜
６： 層間絶縁膜
７： 配線膜
８： 層間絶縁膜
９： フォトレジスト膜
１０： 開口部
１１： 光導波路（光透過性材料）
１２： パッシベーション膜（酸化膜）
１３： 平坦化膜（酸化膜）
１４： カラーフィルタ
１５： マイクロレンズ
３２： ゲート酸化膜
３３： 素子分離絶縁膜
３４： ＳｉＮ膜
３５： 層間絶縁膜
３６： 配線
３７： 転送ゲート
３８： 送電プラグ
５０： 従来構成の固体撮像素子
Claims (11)
- 光を受光して光電変換を行う受光部と、
前記受光部の上部を覆うように成膜された絶縁膜と、
前記絶縁膜内の一部に光透過性材料が充填されることで形成された、外部の光を前記受光部に導くための光導波路と、を備える固体撮像素子であって、
前記絶縁膜が、
前記受光部の上面に接触して前記受光部上に成膜された少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜上に成膜された第２絶縁膜とを含み、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜が、共にシリコン酸化膜で構成されており、
前記第１絶縁膜が、少なくとも前記第２絶縁膜との接触面の直下にシリコン酸化膜に不純物が注入されてなる不純物注入層を有する構成であることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記不純物注入層が、シリコン酸化膜にIII族又はＶ族元素の内の少なくとも何れか一を含む不純物が添加されて構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記不純物注入層が、シリコン酸化膜にリンがドープされたＰＳＧ膜、シリコン酸化膜にホウ素とリンがドープされたＢＰＳＧ膜、又はシリコン酸化膜にヒ素がドープされたＡｓＳＧ膜の何れか一で構成されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記不純物注入層に添加されている不純物濃度が１ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記第１絶縁膜が、全て前記不純物注入層で構成されることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記第１絶縁膜が、酸化膜に対して不純物注入が施されていない不純物非注入層と、前記不純物注入層と、を有しており、
前記受光部の上面に接触して前記受光部上に前記不純物非注入層が形成され、
前記不純物非注入層の上面に接触して前記不純物非注入層上に前記不純物注入層が形成され、
前記不純物注入層の上面に接触して前記不純物注入層上に前記第２絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の固体撮像素子。 - 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記受光部上に少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の前記不純物注入層を堆積して前記第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、
前記第１絶縁膜形成工程終了後、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜上に前記第２絶縁膜を堆積する第２絶縁膜形成工程と、
前記第２絶縁膜形成工程終了後、層間絶縁膜を堆積した後に配線層を形成する一連の工程を一回又は複数回実行する配線層形成工程と、
前記配線層形成工程終了後、前記層間絶縁膜及び前記第２絶縁膜に対してエッチングを施して前記第１絶縁膜の上面を露出させて開口部を形成するエッチング工程と、
前記エッチング工程終了後、前記開口部内に前記光透過性材料を充填する光透過性材料充填工程と、を有し、
前記エッチング工程が、
前記不純物注入層内に注入されている不純物由来の発光スペクトルを検出した時点で当該エッチング処理を終了させることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記受光部上に不純物注入が施されていないシリコン酸化膜を所定膜厚堆積した後、当該酸化膜の上面に接触して当該シリコン酸化膜上に前記不純物注入層を堆積することで、少なくとも膜厚１０ｎｍ以上の前記第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、
前記第１絶縁膜形成工程終了後、前記第１絶縁膜の上面に接触して前記第１絶縁膜の上層に前記第２絶縁膜を堆積する第２絶縁膜形成工程と、
前記第２絶縁膜形成工程終了後、層間絶縁膜を堆積した後に配線層を形成する一連の工程を一回又は複数回実行する配線層形成工程と、
前記配線層形成工程終了後、前記層間絶縁膜及び前記第２絶縁膜に対してエッチングを施して前記第１絶縁膜の上面を露出させて開口部を形成するエッチング工程と、
前記エッチング工程終了後、前記開口部内に前記光透過性材料を充填する光透過性材料充填工程と、を有し、
前記エッチング工程が、
前記不純物注入層内に注入されている不純物由来の発光スペクトルを検出した時点で当該エッチング処理を終了させることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記第２絶縁膜形成工程終了後、前記層間絶縁膜の堆積前に、前記第２絶縁膜とは異なる材料で構成される第３絶縁膜を堆積する第３絶縁膜形成工程を有し、
前記エッチング工程が、
前記第３絶縁膜をエッチングストッパ層として前記層間絶縁膜に対してエッチング処理を施す第１エッチング工程と、
前記発光スペクトルの検出までの間、前記第３絶縁膜並びに前記第２絶縁膜に対してエッチング処理を施す第２エッチング工程と、を有することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第１絶縁膜形成工程が、
シリコン酸化膜にIII族又はＶ族元素の内の少なくとも何れか一を含む不純物を添加することで形成された前記不純物注入層を堆積する工程を有することを特徴とする請求項７〜請求項９の何れか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第１絶縁膜形成工程が、
シリコン酸化膜にリンがドープされたＰＳＧ膜、シリコン酸化膜にホウ素とリンがドープされたＢＰＳＧ膜、又はシリコン酸化膜に砒素がドープされたＡｓＳＧ膜の何れか一で構成される前記不純物注入層を堆積する工程を有することを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法。
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