JP2009200152A - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光膜の露出を防止すると共に製造工程を複雑化することなくスミアの低減に役立つ深い層内レンズ部を形成することが可能な固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】画素部の周辺位置に信号電荷を転送するための転送電極１５３を形成する第１工程と、前記転送電極を覆う遮光膜１５５を形成する第２工程と、前記画素部及び遮光膜の上側を覆う層間絶縁膜１５６を形成する第３工程と、前記第３工程の後で所定のメタル配線を形成するために用いる金属層１５７を前記層間絶縁膜を覆うように形成する第４工程と、前記第４工程の後で前記金属層の不要箇所をエッチングにより除去する第５工程と、前記第５工程の後で層内レンズ部１５８ａを含む平坦化層１５８を形成する第６工程とを含むと共に、前記第４工程で形成される金属層を光電変換素子と対向する箇所の厚みＴａを他の箇所に比べて薄く形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する固体撮像素子を形成するための固体撮像素子の製造方法に関する。

例えば、ビデオカメラや電子カメラ（デジタルスチルカメラ）などの撮影機器には、撮像装置として一般的にＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。このような固体撮像素子は、１つの半導体チップ上に様々な回路要素を作り込むことにより構成される。
すなわち、２次元画像を構成する各画素に相当する入射光を検出するための光電変換素子を一定の間隔で多数並べて二次元に配列した撮像部や、各光電変換素子で検出された信号電荷を読み出したり出力側に転送するための転送電極などが設けられている。

このような固体撮像素子に関する従来技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に開示された技術が知られている。
例えば特許文献１の固体撮像素子においては、１画素分の受光部の近傍の断面は図５に示すように構成されている。すなわち、半導体基板１上に１つの光電変換部である受光部２が形成され、これと隣接する位置に光電変換部で生成された信号電荷を転送したり読み出すための転送電極４が形成されている。また、転送電極４の上側は遮光膜６で覆われている。更に、遮光膜６の上側に層間絶縁層７が設けてあり、その上側に上面が平坦な高屈折率層８が設けてある。

最近の固体撮像素子においては、解像度の高い高品質の画像の撮影を可能にするために、画素部（光電変換素子とその周辺回路）の数が非常に多くなっている。そのため、それぞれの画素部の領域の面積が小さくなり、感度が低下したりスミアが発生しやすくなる傾向がある。
そこで、最近の固体撮像素子においてはスミアの発生を減らしたり感度を改善するために、従来より光電変換素子と対向する位置に下側に突出した形状を有する層内レンズ部が設けられている。

例えば特許文献１の固体撮像素子においては、図５に示すように、受光部２と対向する箇所に井戸状の掘り込み構造２１を形成し、この部分を下側に突出した形状の層内レンズとして用いている。
また、特許文献２に開示された従来技術では、レジストのパターニングとエッチングの工程とで下側に突出した形状を有する層内レンズ部を形成している。
特開平１１−６８０７４号公報 特開２００３−２４９６３４号公報

固体撮像素子におけるスミアを低減するためには、前記層内レンズ部をより深くして、このレンズの突出部分と光電変換素子又は半導体基板との距離を短くすることが有効な手段である。また、このような深い層内レンズ部は、層間絶縁膜（ＢＰＳＧ膜）のリフロー温度を調整したり、層間絶縁膜をエッチングにより部分的に削り取ることにより形成することが可能である。
しかしながら、上記のような方法で深い層内レンズ部を形成しようとすると、層間絶縁膜に厚みの薄い部分が生じ、この部分で下側の遮光膜が露出してしまう懸念がある。遮光膜が露出すると、後続工程への金属ゴミの流出が発生したり、光路の変化によって感度低下やスミア増加を招いてしまう。そのため、深い層内レンズ部を形成するのは困難であった。

また、特許文献１の技術では井戸状の掘り込み構造を形成しなければならず、特許文献２の技術ではレジストのパターニングとエッチングの工程が必要であり、製造工程が非常に複雑になるのは避けられない。
本発明は、遮光膜の露出を防止すると共に、製造工程を複雑化することなくスミアの低減に役立つ深い層内レンズ部を形成することが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した前記信号電荷の転送に用いる転送電極を含む周辺回路部と、前記半導体基板上の光電変換素子の受光部と対向する側に突出した形状を有する層内レンズ部とを備える固体撮像素子を形成するための固体撮像素子の製造方法であって、
前記画素部の周辺位置に、前記信号電荷を転送するための転送電極を形成する第１工程と、
前記転送電極を覆う遮光膜を形成する第２工程と、
前記画素部及び遮光膜の上側を覆う層間絶縁膜を形成する第３工程と、
前記第３工程の後で、所定のメタル配線を形成するために用いる金属層を前記層間絶縁膜を覆うように形成する第４工程と、
前記第４工程の後で、前記金属層の不要箇所をエッチングにより除去する第５工程と、
前記第５工程の後で、前記層内レンズ部を含む平坦化層を形成する第６工程とを含むと共に、前記第４工程で形成される前記金属層を、前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄く形成することを特徴とする。

この固体撮像素子の製造方法によれば、製造工程を複雑化することなく深い層内レンズ部を形成することが可能であり、遮光膜の露出も防止できる。すなわち、第４工程で金属層を形成した後、メタル配線を形成するために第５工程で金属層の不要箇所をエッチングにより除去することになるが、金属層は光電変換素子の受光部と対向する箇所の厚みが予め薄く形成されているので、この箇所ではエッチングによって金属層が除去された後、その下に形成されている層間絶縁膜も少しずつ削り取られることになり、光電変換素子の受光部と対向する箇所では層間絶縁膜が薄くなる。そのため深い層内レンズ部が形成される。一方、光電変換素子の受光部と対向する箇所以外では金属層の除去が終了した時点でエッチングを終了できるので、その下に形成されている層間絶縁膜がエッチングによって薄く削り取られることはなく、遮光膜が不用意に表面に露出することが防止される。また、深い層内レンズ部を形成するために製造工程を複雑化する必要もない。

（２） 前記（１）に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記第４工程で前記金属層を形成する際の成膜条件を調整することにより、前記金属層の前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることを特徴とする。

この固体撮像素子の製造方法によれば、第４工程で金属層を形成する際の成膜条件を調整するので、金属層の光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることができ、深い層内レンズ部の形成が可能になる。

（３） 前記（１）に記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記第３工程で層間絶縁膜を形成した後で、その形状を整えるためのリフロー工程の温度条件を調整することにより、前記金属層の前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることを特徴とする。

この固体撮像素子の製造方法によれば、第３工程で層間絶縁膜を形成した後で、その形状を整えるためのリフロー工程の温度条件を調整するので、金属層の光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることができ、深い層内レンズ部の形成が可能になる。

本発明によれば、製造工程を複雑化することなく深い層内レンズ部を形成することが可能であり、工程中に不用意に遮光膜が表面に露出することを防止できる。

本発明の固体撮像素子の製造方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は固体撮像デバイス上の２つの光電変換部とその近傍の構造を示す厚み方向の断面図である。図２は図１に示す構成の半導体デバイスを形成するための主要な製造プロセスの処理手順を表すフローチャートである。図３は本実施の形態で想定している固体撮像デバイスの主要部の構成を示すブロック図である。図４は図３に示す固体撮像デバイスの一部分の詳細な構成を示す平面図である。

本実施の形態においては、例えば図３及び図４に示すような構成の固体撮像デバイス１００に本発明の製造方法を適用する場合を想定している。まず、図３に示す固体撮像デバイス１００の構成について説明する。
図３に示すように、固体撮像デバイス１００は、撮像素子形成領域３１に、受光領域３３、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）３５、アンプ３７、信号出力端子３９が設けられている。受光領域３３には、光電変換部４１と、電荷読み出し部４３と、垂直電荷転送部４５が設けられている。

より具体的には、固体撮像デバイス１００は、図４に示すように、多数の光電変換部４１が平面上に行方向（矢印Ｘの方向）及び列方向（矢印Ｙの方向）に沿って二次元配置された受光領域３３を有している。各々の光電変換部４１は、半導体で構成されるフォトダイオード（ＰＤ）を備えている。

二次元配置された多数の光電変換部４１のそれぞれが出力する信号電荷を固体撮像素子の出力端子から時系列のフレーム毎の信号として取り出すために、複数の垂直電荷転送部４５と、ラインメモリ４７と、水平電荷転送部３５とが備わっている。

ラインメモリ４７に蓄積された１行分の信号電荷は、ラインメモリ４７上から水平電荷転送部３５に向かって転送され、その結果、水平電荷転送部３５上に１行分の信号電荷が取り込まれる。水平電荷転送部３５は、それ自身が保持している１行分の信号電荷を１画素単位で水平方向（矢印Ｘ方向）に順次に転送する。水平電荷転送部３５を転送される信号電荷は、アンプ３７で増幅されて出力端子ＯＵＴから出力される。

このような読み出し動作を実現するために必要な制御信号、すなわち、垂直転送制御信号φＶ（通常は複数相の信号）と、転送制御信号φＬＭと、水平転送制御信号φＨ（通常は複数相の信号）とがそれぞれ図示しないタイミング信号発生回路によって生成され、固体撮像デバイスの各垂直電荷転送部４５と、ラインメモリ４７と、水平電荷転送部３５とにそれぞれ印加される。なお、ラインメモリ４７は省略されて構成される場合もある。

固体撮像デバイス１００は、図４に示すように、多数の光電変換部４１がハニカム状のパターン（光電変換部の配置位置を各行毎で水平方向に半ピッチずらしたパターン）を形成するように配置されている。また、図４中に「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｂ」、「Ｒ」で示すように、それぞれの光電変換部４１は検出する色成分が予め定められている。すなわち、「Ｇ１」、「Ｇ２」の各光電変換部４１は緑色成分、「Ｂ」の各光電変換部４１は青色成分、「Ｒ」の各光電変換部４１は赤色成分の明るさを検出する。

これらの検出色は、各光電変換部４１の受光面の前面に配置された光学フィルタの分光特性によって設定される。図４に示す例では、光電変換部４１の列毎に区分して、４種類のフィルタ列ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３、ＦＣ４が配置してある。それぞれの光学フィルタは、所謂ベイヤー配列を４５゜傾けた配列となっている。

垂直電荷転送部４５は、光電変換部４１の列毎に、各列と隣接する位置に蛇行する形状で形成されている。各々の垂直電荷転送部４５は、半導体基板４９に形成された垂直電荷転送チャネル５１と、半導体基板４９上に電気的絶縁膜（図示せず）を介して配置された電荷転送用の多数本の第１垂直転送電極５３、第２垂直転送電極５５、第１補助転送電極５７、第２補助転送電極５９、第３補助転送電極６１とを備えている。水平電荷転送部３５は、矢印Ｘ方向に向かって帯状に延在する１本の水平電荷転送チャネル６３を有する。

すなわち、各電極５３，５５，５７，５９，６１に所定の電圧を印加して各垂直電荷転送チャネル５１上に所定の電位分布を形成し、各電極に印加する電圧を順次に切り替えることにより、垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）４５において各画素の信号電荷を目的の方向に向けて順次に転送することができる。

第１垂直転送電極５３及び第２垂直転送電極５５は、光電変換部４１の行毎にそれぞれ１つずつ形成されている。なお、各第１垂直転送電極５３は、光電変換部４１から垂直電荷転送部４５の垂直電荷転送チャネル５１への信号電荷の転送を制御するための読出しゲートとしても機能する。

矢印Ｙ方向に交互に並んでいる第２垂直転送電極５５及び第１垂直転送電極５３のそれぞれには、図４に示すように、４相の垂直転送制御信号（駆動パルスとも称する）φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４のいずれかが各第２垂直転送電極５５及び第１垂直転送電極５３の配置された位置関係に応じて印加される。同様に、第１補助転送電極５７には垂直転送制御信号φＶ２が印加され、第２補助転送電極５９には垂直転送制御信号φＶ３が印加され、第３補助転送電極６１には垂直転送制御信号φＶ４が印加される。また、転送制御電極ＬＭ１及びＬＭ２には、ラインメモリ４７における信号電荷の転送を制御するために転送制御信号φＬＭが印加される。

図３、図４に示した固体撮像デバイス１００の各光電変換部４１及びその近傍の厚み方向の断面構成が図１（ｃ）に示されている。すなわち、図４に示すＡ１−Ａ２部分の断面が図１に示されている。但し、フィルタ列ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３、ＦＣ４等は図１（ｃ）には現れておらず、フィルタ列ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３、ＦＣ４等は図１（ｃ）の上側に形成される。

実際の製造工程においては、最初に図１（ａ）に示す構造を形成し、これをエッチング処理することにより図１（ｂ）に示す構造を形成し、更に平坦化層の形成処理を行って図１（ｃ）に示された構造を作り上げる。この製造プロセスに関する処理手順の概略が図２に示されている。

図２に示す各工程について、図１を参照しながら以下に説明する。
図２に示す工程Ｓ１１〜Ｓ１６で図１（ａ）に示す構造を作り上げる。
最初の工程Ｓ１１では、図１（ａ）に示すシリコンの半導体基板１５１上にフォトダイオード（ＰＤ）１５２を形成する。それぞれのフォトダイオード１５２は、図１（ａ）の上方から入射する光を受光して入射光の強度と露光時間とに応じた信号電荷を生成する。

次の工程Ｓ１２では、図１（ａ）に示すシリコンの半導体基板１５１上にポリシリコンを用いて転送電極（電荷読出し電極）１５３、１５４を形成する。

次の工程Ｓ１３では、外部からの入射光が転送電極１５３、１５４へ照射されないように、転送電極１５３、１５４を覆う遮光膜１５５を例えばタングステンを用いて必要な箇所に形成する。
次の工程Ｓ１４では、遮光膜１５５やフォトダイオード１５２など露出している部分の全体を、絶縁のために覆う層間絶縁膜１５６を形成する。この層間絶縁膜１５６はＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass)膜などで形成される。

工程Ｓ１４が終了した段階で、表面に露出している層間絶縁膜１５６の面には大きな凹凸が形成されている。この形状を滑らかに整えるために、次の工程Ｓ１５でリフロー（熱溶解）処理を行う。

但し、工程Ｓ１５でリフロー処理を行うと、フォトダイオード１５２と対向している箇所（窪んでいる箇所）の厚みＴｃは厚くなり、上に突出している箇所の厚みＴｄは薄くなる。また、厚みＴｃは次の工程で形成するＡｌ金属膜１５７の厚みや下凸レンズ部１５８ａの深さに大きな影響を及ぼす。そこで、工程Ｓ１５でリフロー温度を適度に調節する。

次の工程Ｓ１６では、メタル配線を形成するＡｌ（アルミニウム）金属膜１５７を表面に露出している層間絶縁膜１５６の上側の全体に渡って形成する。ここで、Ａｌ金属膜１５７の成膜条件を適度に調整することにより、フォトダイオード１５２と対向している箇所では層間絶縁膜１５６の厚みＴａが薄くなり、それ以外の箇所では層間絶縁膜１５６の厚みＴｂが厚くなるように（Ｔａ＜Ｔｂ）調整する。これは後で形成される下凸レンズ部１５８ａの深さを、基板表面に近くまで深くするためである。

以上の工程により、図１（ａ）に示す構造が形成される。次の工程Ｓ１７で、図１（ｂ）に示す構造を作り上げる。すなわち、工程Ｓ１７ではエッチング処理を行い、必要なメタル配線（図示せず）として残す箇所を除き、Ａｌ金属膜１５７を除去する。

また、Ａｌ金属膜１５７の底部１５７ａが予め薄く（厚みＴａ）形成してあるので、工程Ｓ１７のエッチングによりＡｌ金属膜１５７を除去する際には、底部１５７ａが除去された後、その下にある層間絶縁膜１５６の底部１５６ａも部分的に除去されることになる。そのため、フォトダイオード１５２と対向する箇所では、層間絶縁膜１５６の底部１５６ａは図１（ｂ）に示すように図１（ａ）に示す状態よりも薄くなる。

次の工程Ｓ１８では、図１（ｂ）に示す状態の上側に窒化膜（ＳｉＮ）である平坦化層１５８を形成する。これにより図１（ｃ）に示す構造ができあがる。図１（ｃ）に示すように、平坦化層１５８のうち各フォトダイオード１５２と対向する箇所は、下側に突出した形状を有しており、これらが下凸レンズ部（層内レンズ）１５８ａとして機能する。平坦化層１５８の上面は平坦な形状になっている。

ところで、下凸レンズ部１５８ａに関しては、下側の突出した箇所（フォトダイオード１５２と対向する箇所）がフォトダイオード１５２に近いほど（深く形成するほど）スミアの低減に効果があることが判明している。上述の製造工程においては、図１（ａ）に示すＡｌ金属膜１５７を形成する際に、底部１５７ａの厚み（Ｔａ）が他の箇所の厚み（Ｔｂ）よりも薄くなるように形成してあるので、工程Ｓ１７でエッチング処理を行う時には、最初にＡｌ金属膜１５７の底部１５７ａが無くなって層間絶縁膜１５６の底部１５６ａが露出し、この底部１５６ａもエッチングによって部分的に削り取られる。その結果、下凸レンズ部１５８ａを深く形成することができる。また、Ａｌ金属膜１５７の底部１５７ａ以外の箇所１５７ｂについては底部１５７ａよりも厚いため、工程Ｓ１７でエッチング処理を行う際に遮光膜１５５を覆っている層間絶縁膜１５６（１５６ｂ）が薄くなるまで削り取られることはなく、遮光膜１５５が表面に露出されることを防止できる。

つまり、メタル配線のために必要なＡｌ金属膜１５７を形成する際に、フォトダイオード１５２と対向する箇所の厚み（Ｔａ）を薄くして、それ以外の箇所の厚み（Ｔｂ）を厚くする（Ｔａ＜Ｔｂ）ことが非常に重要である。前述の工程Ｓ１５でリフロー温度を調整したり、工程Ｓ１６でＡｌ金属膜１５７を形成する際の成膜条件を調整することにより、図１（ａ）に示すようなＡｌ金属膜１５７の厚みの違い（カバレッジの違い）を生じさせることができる。

これにより、特別な製造工程を追加しなくても、下凸レンズ部１５８ａの深さを深くすることができ、遮光膜１５５の露出も防止できる。

以上のように、本発明の固体撮像素子の製造方法は、感度の向上やスミアの低減のために形成される下側に突出した層内レンズを有する固体撮像素子を製造するプロセスで利用することができる。そして、製造工程が複雑になるのを避けると共に、遮光膜を露出させることなく、深さの深い層内レンズを形成し、スミアを低減するのに有用である。

固体撮像デバイス上の２つの光電変換部とその近傍の構造を示す厚み方向の断面図である。 図１に示す構成の半導体デバイスを形成するための主要な製造プロセスの処理手順を表すフローチャートである。 実施の形態で想定している固体撮像デバイスの主要部の構成を示すブロック図である。 図３に示す固体撮像デバイスの一部分の詳細な構成を示す平面図である。 従来例の固体撮像デバイスの構成を示す断面図である。

符号の説明

３１ 撮像素子形成領域
３３ 受光領域
３５ 水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）
３７ アンプ
３９ 信号出力端子
４１ 光電変換部
４３ 電荷読み出し部
４５ 垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）
４７ ラインメモリ
４９ 半導体基板
５１ 垂直電荷転送チャネル
５３ 第１垂直転送電極
５５ 第２垂直転送電極
５７ 第１補助転送電極
５９ 第２補助転送電極
６１ 第３補助転送電極
６３ 水平電荷転送チャネル
１００ 固体撮像デバイス
１５１ 半導体基板
１５２ フォトダイオード
１５３，１５４ 転送電極
１５５ 遮光膜
１５６ 層間絶縁膜
１５６ａ 底部
１５７ Ａｌ金属膜
１５７ａ 底部
１５８ 平坦化層
１５８ａ 下凸レンズ部

Claims (3)

1. 半導体基板上に、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子を有する画素部と、発生した前記信号電荷の転送に用いる転送電極を含む周辺回路部と、前記半導体基板上の光電変換素子の受光部と対向する側に突出した形状を有する層内レンズ部とを備える固体撮像素子を形成するための固体撮像素子の製造方法であって、
   前記画素部の周辺位置に、前記信号電荷を転送するための転送電極を形成する第１工程と、
   前記転送電極を覆う遮光膜を形成する第２工程と、
   前記画素部及び遮光膜の上側を覆う層間絶縁膜を形成する第３工程と、
   前記第３工程の後で、所定のメタル配線を形成するために用いる金属層を前記層間絶縁膜を覆うように形成する第４工程と、
   前記第４工程の後で、前記金属層の不要箇所をエッチングにより除去する第５工程と、
   前記第５工程の後で、前記層内レンズ部を含む平坦化層を形成する第６工程とを含むと共に、前記第４工程で形成される前記金属層を、前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄く形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法において、
   前記第４工程で前記金属層を形成する際の成膜条件を調整することにより、前記金属層の前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
3. 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法において、
   前記第３工程で層間絶縁膜を形成した後で、その形状を整えるためのリフロー工程の温度条件を調整することにより、前記金属層の前記光電変換素子と対向する箇所の厚みを他の箇所に比べて薄くすることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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