JP2010199258A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路および中空部を備える固体撮像装置を、少ない工程数で製造する。
【解決手段】電荷生成部１０２が表面層に設けられている基板１００の上面を覆う絶縁膜層１１０において、電荷生成部１０２と対応する位置に導波路１４０を設けるともに、導波路１４０よりも外側に中空部１５０を設け、中空部１５０は空密とし間口を塞ぐ構造にする。製法においては、電荷生成部１０２が設けられている基板１００の上面に絶縁膜層１１０を形成する。絶縁膜層１１０において、電荷生成部１０２と対応する位置に導波路１４０用の開口部１４２と中空部１５０用の開口部１５２を形成する。絶縁膜層１１０上に光透過性のライナー膜１６０を形成するとともに、ライナー膜１６０により開口部１５２の間口を空密状態で塞ぐ。導波路１４０と中空部１５０を同時に形成できるし、導波路１４０と中空部１５０の間に絶縁膜層１１０の材料が介在するので反射界面が増える。
【選択図】図２Ｄ

Description

本発明は、固体撮像装置とその製造方法に関する。より詳細には、電荷生成部の上部に導波路が形成され、その周囲に中空部（空隙部）が配置された構造の固体撮像装置とその製造方法に関する。

固体撮像装置の単位画素の電荷生成部（受光部）に斜め方向から入射光が入射すると、本来入射されるべき単位画素の電荷生成部に入射せず、迷光となって隣接する他の単位画素の電荷生成部に入射して光電変換される場合がある。この場合、本来の単位画素では入射光を有効に利用できないので感度低下に繋がるし、隣接画素間で撮像特性の劣化（隣接画素間クロストーク）が生じる。

この対策として、入射光を電荷生成部に集光させて有効に利用するための中空部（エアギャップ、気体層）を備える固体撮像装置が提案されている（特許文献１，２を参照）。基本思想は、層間膜中や導波路と層間膜との間に中空部を形成し、層間膜と中空部との屈折率差を利用し全反射させることで、斜めに入射して来た光においても電荷生成部へ向かうようにガイドし、隣接画素に斜め入射光が入射する確率を小さくする手法である。

特開２００８− １０５４４号公報 特開２００５−１７５０７２号公報

図６および図６Ａは、特許文献１に記載の仕組みを説明する図である。固体撮像装置１Ｘを製造するときには、先ず、単結晶シリコンなどの半導体材料からなる基板９００の表面層に電荷生成部９０２を形成する。エッチングレートが、上層は遅く下層は速いそれぞれ組成を変えた酸化膜を基板９００上に積層する、つまり、エッチングレートが異なる層間膜を積層する（酸化膜の積層工程）。一例として、基板９００側である下層にはＢＰＴＥＯＳ膜９１１を成膜し、その上層に酸化膜としてプラズマＣＶＤ法により形成されるＰ−ＳｉＯ膜９１２を成膜する。そして、ドライエッチング加工でトレンチを形成する（トレンチ形成工程）（図６（１））。次に、積層した層間膜（ＢＰＴＥＯＳ膜９１１、Ｐ−ＳｉＯ膜９１２）のエッチングレートの差を利用して、ウェットエッチングにて下層のＢＰＴＥＯＳ膜９１１のみ意図的にトレンチ幅を広げる（選択的トレンチ幅拡大工程：図６（２））。

次に、カバレッジの悪いＣＶＤでオーバーハングさせて埋め込むことで中空部９５０を形成する（埋込み工程：図６（３））。ただし、それだけでは、中空部９５０上に筋（線）が入るので、さらに、ＨＤＰ（High Density Plasma ）−ＣＶＤによりエッチバックとデポ（成膜）を繰り返すことで筋を塞ぐようにしている。

また、特許文献１では、図６Ａに示す固体撮像装置１Ｙのように、上層配線よりも高く中空部９５０を作る例も開示されている。

特許文献２では、導波路を加工した後に中空部にするダミー膜を形成し、不要な導波路底のダミー膜を除去してから有機誘電膜を埋め込んだ後、導波路開口部のダミー膜上層の層間膜の一部を選択的にエッチングしてダミー膜を露出させる。これにたとえば、ＣＦ４やＣＣｌ４などＦ（フッ素）やＣｌ（塩素）がエッチングの主成分となるガスを用いてダミー膜のみ選択的にエッチングすることで中空部を形成する。また、ダミー膜を選択的にエッチングし中空部を形成した後に、Ｐ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法やＵＶ−ＣＶＤ（紫外光ＣＶＤ）法を低温で使用し、導波路開口部と側壁部のデポレートの違いを利用して側壁部に薄いライナー膜を形成することで、導波路開口部では間口を塞ぐ。

特許文献１の仕組みは、酸化膜の積層工程、トレンチ形成工程、選択的トレンチ幅拡大工程、および埋込み工程が必要で、工程数が多く、コストが高くなる難点がある。特許文献２の仕組みは、従来プロセスよりも工程数が格段に増えており、特許文献１と同様に、コストが高くなる懸念が考えられる。これら工程数に関する難点を第１の問題点と記す。

本発明は、前記第１の問題点に鑑みてなされたもので、入射光を電荷生成部に集光させて有効に利用するための導波路および中空部を備える固体撮像装置にするに当たり、特許文献１，２よりも少ない工程数にできる仕組みを提供することを目的とする。

本発明は、信号電荷を生成する電荷生成部が表面層に設けられている基板の上面を覆う層に、電荷生成部と対応する位置に導波路（用の開口部）を設けるともに、導波路よりも外側に中空部（用の開口部）を設け、中空部を空密とし間口を塞ぐ構造である。

このような構造の固体撮像装置の製法においては、先ず、信号電荷を生成する電荷生成部が表面層に設けられている基板の上面を覆う層を形成する。この基板の上面を覆う層に、電荷生成部と対応する位置に導波路用の開口部を形成するとともに、当該導波路よりも外側に中空部用の開口部を形成する。そして、基板の上面を覆う層上に光透過性の層を形成するとともに、この光透過性の層により中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐようにする。つまり、導波路と中空部を同時に形成することを特徴とするものである。好ましくは、導波路用の開口部を光透過性の材料で埋めるとよい。

導波路形成工程で、同時に、中空部も形成することができるので、従来技術と比較して、導波路を形成するための工程とは別に中空部を形成するための工程を設ける必要ない。加えて、導波路と中空部との間に基板の上面を覆う層の材料が介在することになるので、特許文献２よりも反射界面が増える。

本発明の一態様によれば、特許文献１，２よりも少ない工程数で、導波路および中空部を備える固体撮像装置を製造できる。そのため、コスト低減の効果も期待できる。

加えて、電荷生成部から外れた光を漏れなく電荷生成部へ戻す効果が、特許文献２よりも高まる。

本実施形態に対する比較例を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第３実施形態を説明する図である。 第３実施形態を説明する図である。 第４実施形態を説明する図である。 第４実施形態を説明する図である。 第４実施形態を説明する図である。 特許文献１に記載の仕組みを説明する図である。 特許文献１に記載の仕組みを説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、物質の表記において、本来下付きの数値で示すべきものは、下付きにせずに半角の数値で示す。

説明は以下の順序で行なう。
１．比較例とその問題点
２．本実施形態の製法の基本
３．第１実施形態（中空部は受光部より内側で１つ：層間絶縁膜はシリコン酸化膜）
４．第２実施形態（中空部は受光部より内側で１つ：層間絶縁膜はシリコン酸化膜に対して低誘電率膜）
５．第３実施形態（中空部は受光部より外側で１つ：層間絶縁膜はシリコン酸化膜）
６．第４実施形態（中空部は複数：層間絶縁膜はシリコン酸化膜）
＜比較例とその問題点＞
図１は、本実施形態に対する比較例を説明する図である。

近年、固体撮像装置においては、画素の微細化の進行によってマイクロレンズへ入射して来た光を受効率良く受光部まで集光することが厳しくなってきている。

［比較例の構造］
たとえば、図１に示す比較例の固体撮像装置１Ｚは、銅（Ｃｕ）配線構造に導波路を適用したカラー撮像用のものである。金属配線層を銅配線構造にするのは配線抵抗を低くすることを目的とするものである。

基板１００には、受光部である電荷生成部１０２や図示を割愛した転送ゲートや電荷転送部や画素信号生成部などを形成しておく。電荷生成部１０２を備えた基板１００上には絶縁膜層１０４が形成されている。この絶縁膜層１０４は、エッチングストッパ膜としても利用される。

絶縁膜層１０４上には絶縁膜層１１０が形成されている。絶縁膜層１１０は、詳細には、複数の層間絶縁膜（この例では１１１，１１２，１１３，１１４，１１５の５層）を含む。絶縁膜層１１０は金属配線層１２０（この例では１２１，１２２，１２３，１２４の４層）の形成に利用される。

金属配線層１２０は、銅配線構造のものである。導波路１４０を適用する場合には、Ｃｕイオン拡散による信頼性劣化を抑制する目的で、絶縁膜層１１０と金属配線層１２０の間にバリア絶縁膜１３０（この例では１３１，１３２，１３３，１３４の４層）が設けられる。

電荷生成部１０２上の絶縁膜層１１０の部分には導波路１４０が形成されている。一例として、開口部１４２が設けられ、その開口部１４２の側壁と絶縁膜層１１０の最上部（この例では層間絶縁膜１１５）を一体的に覆うライナー膜１６０が形成されている。つまり、導波路１４０に対してライナー膜１６０が形成されている。さらに、ライナー膜１６０が付された開口部１４２を埋め、かつ、層間絶縁膜１１５上のライナー膜１６０も覆うように、光透過性材料の光透過層１７０が設けられている。

カラー撮像用であるので、光透過層１７０上の電荷生成部１０２（つまり開口部１４２）と対応する位置に、色分離フィルタ１８０とマイクロレンズ１９０がこの順に設けられる。

［比較例の問題点］
ここで、図１（２）に示すように、固体撮像装置１Ｚの電荷生成部１０２に斜め方向から入射光が入射すると、本来入射されるべき単位画素の電荷生成部１０２に入射せず、迷光となって隣接する他の単位画素の電荷生成部１０２に入射して光電変換される場合がある。

また、この例ではバリア絶縁膜１３０を形成しているが、最近のシミュレーション評価では、導波路１４０内へ集光されて来た光がライナー膜１６０を通してバリア絶縁膜１３０へ逃げるデータも出てきている。導波路１４０を設置するだけでは集光効率を確保するのが厳しいことが分かってきている。

これらの事象があると、本来の単位画素では入射光を有効に利用できないので感度低下に繋がるし、隣接画素間で撮像特性の劣化（隣接画素間クロストーク）が生じる。

特許文献１の仕組みは、中空部の溝の幅は２００ｎｍ程度で形成されるが、画素の縮小化が進むと、画素用のトラジスタや配線を微細化しても、中空部および前工程であるトレンチ形成の段階で占める領域が大き過ぎるため、レイアウト上適用できない虞れがある。特許文献２の仕組みは、ＣＦ４やＣＣｌ4 などＦ（フッ素）やＣｌ（塩素）がエッチングの主成分となるガスを用いてダミー膜のみ選択的にエッチングすることで中空部を形成する。しかしながら、画素の縮小化が進むと、導波路のアスペクト比が大きくなるため、導波路底部付近のダミー膜までエッチングガスが届かず中空部が形成できない虞れがある。これら画素の微細化に関するレイアウト面の難点を第２の問題点と記す。

＜本実施形態の製法の基本＞
前記問題点の対策として、本実施形態では、入射光を電荷生成部に集光させて有効に利用するための中空部を備える構造を採用することにする。導波路技術と中空部技術との組合せによって集光効率を向上させるのである。この際には、特許文献１，２における画素の微細化が進んだ場合のレイアウト面の問題点（第２の問題点）をも解消しつつ、特許文献１，２よりも少ない工程数にできる仕組みにする。

その基本的な考え方は、導波路と中空部を同時に形成することを特徴とする。通常の導波路工程フローを使用して中空部も同時に形成することが可能なため、工程が新たに増えることがない。また、導波路と中空部の２つが存在することで、反射界面が２重以上になることも特徴である。これにより、今まで導波路を透過して取り逃がしていた光においても中空部と層間膜との界面で全反射させて導波路内に戻せるため、集光効率の向上が期待できる。シミュレーション結果にあったライナー膜１６０からバリア絶縁膜１３０へ逃げてゆく光においても、中空部形成によって自動的にバリア絶縁膜１３０が寸断されるために、逃げ道がなくなり、導波路１４０内に確実に戻すことができる。

さらに、中空部によって隣接画素への迷光の進入をブロックする効果もあるため、カラー撮像構成では混色（色および輝度のクロストーク）を抑制することが可能であるし、モノクロ撮像構成でも輝度のクロストークを抑制することができる。

また、第２の問題点に関しては、中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐ工程において、絶縁膜層１１０の上面および導波路１４０（用の開口部）の壁面を覆い、かつ、中空部（用の開口部）を空密とし間口を塞ぐように、保護層を形成することで解決する。特に、この保護層を形成する工程では、保護層を中空部用の開口部の間口でオーバーハングさせることで、中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐように、保護層の材料や、ガス流量比、高周波パワー、圧力、温度などの製造条件を設定する。好ましくは、保護層が導波路１４０（用の開口部）の間口でオーバーハングするとき、当該間口を塞がないように、保護層の材料や、ガス流量比、高周波パワー、圧力、温度などの製造条件を設定する。つまり、導波路１４０に対してはカバレッジよく保護膜が形成でき、中空部に対してはオーバーハングを引き起こし、開口部が埋まらないような材料または製造条件に設定すると言うことである。

以下、具体的な構造例・製法例を示して説明する。

＜第１実施形態＞
図２〜図２Ｄは、第１実施形態を説明する図である。第１実施形態の固体撮像装置１Ａは、電荷生成部１０２より内側に１つの中空部を環状に配置するととともに、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を適用する点に特徴がある。「環状」とは、平面視したときに、全体として概ね輪のようになっていればよく、一部が途切れていてもよい。

先ず、図２に示すように、単結晶シリコンなどの半導体材料からなる基板１００の表面層に電荷生成部１０２を形成する。図示を割愛するが、基板１００には、電荷生成部１０２の他に、たとえば、電荷生成部１０２で生成された信号電荷が運ばれるフローティング領域を構成する拡散層や、複数のトランジスタなどで構成される画素信号生成部なども形成される。

次に、基板１００上に絶縁膜層１０４を形成する。絶縁膜層１０４上に、層間絶縁膜１１１〜１１５から構成される絶縁膜層１１０、層間絶縁膜１１１〜１１４内に設けられた金属配線層１２０（１２１〜１２４）、層間絶縁膜１１１〜１１５間のバリア絶縁膜１３０（１３１〜１３４）を、下層側から順次形成する。金属配線層１２０は、銅配線構造にする。

バリア絶縁膜１３０は、絶縁膜層１１０に埋め込んだ金属配線層１２０の表面が酸化されることを防止するためのＣｕ表面保護膜（およびＣｕ拡散防止膜）として機能する。因みに、金属配線層１２０は電荷生成部１０２上に配置されることがないように形成されることとする。

絶縁膜層１１０を構成する層間絶縁膜１１１〜１１５や金属配線層１２０およびバリア絶縁膜１３０の層数は、一例に過ぎない。固体撮像装置を具現する上で必要な配線構造であれば、絶縁膜層１１０や、それらを介して形成される金属配線層１２０やバリア絶縁膜１３０の数の増減は可能である。

ここで、絶縁膜層１１０（層間絶縁膜１１１〜１１５）としては、たとえば、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 を適用する。

次に、図２Ａに示すように、電荷生成部１０２と対面する位置に導波路１４０および中空部１５０を形成するためにパターニングを行なう。画素ピッチを、およそ１．７５〜１．１μｍピッチとする場合、中空部１５０を形成する溝は１００ｎｍを越えない幅であることが望ましい。導波路１４０と中空部１５０の平面形状は、たとえば８角形にする。

導波路１４０および中空部１５０を形成するためにパターニングを行なう際には、たとえば、先ず、層間絶縁膜１１５上にレジスト１０６を塗布し、このレジスト１０６直上にレジストマスクを配置し、露光をする方式（プロキシミティ方式）を採る。あるいは、レジストマスクをレジスト１０６から離し、投影する方式（プロジェクション方式）を用いてもよい。

レジスト１０６は、光の当たった部分を除去するポジ型と、光の当たっていない部分を除去するネガ型の何れでもよい。何れであっても、パターニングされた状態では、導波路１４０の部分と中空部１５０の部分にはレジスト１０６が存在しない状態にする。ここで、第１実施形態では、後述の第３実施形態との相違点として、電荷生成部１０２の外縁より内側に１つの中空部１５０が配置されるように、その中空部１５０の部分にはレジスト１０６が存在しない状態でパターニングする。

次に、図２Ｂに示すように、絶縁膜層１１０（の層間絶縁膜１１１〜１１５）とバリア絶縁膜１３０（１３１〜１３４）をドライエッチング法によって開口することで、導波路１４０の部分に開口部１４２を形成し、中空部１５０の部分に開口部１５２を形成する。つまり、開口部形成工程において、導波路１４０の加工と同時に中空部１５０も形成する趣旨である。

なお、開口部１４２の間口サイズの方が開口部１５２の間口サイズよりも大きいもの（たとえば３〜５倍）とする。下限の“３”は導波路１４０に対しての側壁膜の確実な形成と中空部１５０の溝が埋まることの防止の両立を図る点から規定しており、上限の“５”は中空部１５０の幅を過度に狭くしないことから規定している。この比率が保たれている導波路１４０と中空部１５０に対して、現状のライナー条件を適用すれば、プロセスばらつきによる影響は殆どないと考えられる。導波路１４０に対してはカバレッジよく側壁膜が形成でき、中空部１５０に対してはオーバーハングを引き起こし、溝が埋まらないようにできる。３〜５倍は一例に過ぎず、前記の規定の意義に基づき、製造条件や材料に合わせて、下限“３”や上限“５”の値を調整すればよい。

たとえば、絶縁膜層１１０としてシリコン酸化膜ＳｉＯ2 を適用した場合には以下のような条件が考えられる。オクタフルオロシクロペンテンＣ5Ｆ8、アルゴンＡｒ、酸素Ｏ2 、一酸化炭素ＣＯの流量比を１：５：１：１になるように設定し、圧力５．３Ｐａ（パスカル）、ソースパワー２５００Ｗ、基板バイアス２０００Ｗ、基板温度は室温、エッチング時間は７分程度で行なう。これにより、導波路１４０用の開口部１４２と中空部１５０用の開口部１５２が同時に形成される。

次に、図２Ｃ（１）に示すように、開口部１４２の壁面と絶縁膜層１１０の最上部（この例では層間絶縁膜１１５）を一体的に覆う保護層の一例であるライナー膜１６０を形成する。ライナー膜１６０の材料としては、光透過性を有するとともに絶縁膜層１１０よりも屈折率が高いもの、さらに好ましくは絶縁膜層１１０の材料との屈折率差がより大きいものが望ましい。

ライナー膜１６０は、何れの材料を使用する場合でも、図２Ｃ（３）に示すように、開口部１４２に対してはカバレッジよく側壁膜が形成でき、開口部１５２に対してはオーバーハングを引き起こし、開口部１５２が埋まることがないような材料または製法にする。開口部１４２の壁面（側壁および底面）には漏れなくライナー膜１６０の材料が製膜され、かつ、オーバーハング現象を積極的に利用することで、ライナー膜１６０の材料が開口部１５２に入り込み埋まることがないようにして中空部１５０を形成する趣旨である。導波路１４０の開口部１４２に保護膜としてのライナー膜１６０を形成する工程において、同時に、中空部１５０の空密を維持するように開口部１５２の間口をオーバーハング現象を利用して封止するのである。

導波路１４０の開口部１４２の間口は、オーバーハング現象でも封止されないようにすることが好ましい。開口部１４２の間口が封止されると光透過層１７０の光透過性材料で導波路１４０を埋め込めなくなるからである。ただし、仮に、開口部１４２の間口が封止されたとしても、その場合、導波路１４０内が空密になるだけで、導波路１４０としての機能は保てる。

絶縁膜層１１０としてシリコン酸化膜ＳｉＯ2 を適用した場合には、ライナー膜１６０としては、たとえばプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン窒化膜Ｐ−ＳｉＮがよい。このときのライナー膜１６０の製造条件（製法）は次のようにする。モノシランＳｉＨ4 、アンモニアＮＨ3 、窒素Ｎ2 のガス流量比を１：１：２０になるように設定し、高周波パワー８００Ｗ、圧力６６０Ｐａ（パスカル）、温度４００℃で時間は１分３０秒程度で行なう。

次に、図２Ｄに示すように、導波路１４０の内部（ライナー膜１６０が付された開口部１４２）を埋め、かつ、層間絶縁膜１１５上のライナー膜１６０も覆うように、光透過層１７０を形成する。つまり、導波路１４０の壁面および絶縁膜層１１０（層間絶縁膜１１５）の上面を一体的に覆う光透過性のライナー膜１６０で開口部１４２を埋め込み、さらに、残りの部分をライナー膜１６０とは異なる光透過層１７０をなす光透過性の材料により埋め込むのである。

光透過層１７０としては、たとえば、アクリル系、またはフッ素系の高分子、有機ケイ素ポリマーのシロキサン、ポリアリレンＰＡｒなど、光透過率の高い材料が挙げられる。

次に、図２Ｄに示すように、カラー撮像用とする場合には、光透過層１７０上の電荷生成部１０２（つまり開口部１４２）と対応する位置に、色分離フィルタ１８０とマイクロレンズ１９０をこの順に形成する。これにより、第１実施形態の固体撮像装置１Ａとなる。図示しないが、モノクロ撮像用の場合には、色分離フィルタ１８０は不要である。

前記説明から理解されるように、第１実施形態の仕組みは、基板１００上に絶縁膜層１１０を形成した後に、導波路１４０用の開口部１４２と中空部１５０用の開口部１５２を同時に形成することを特徴とする。従前の導波路１４０用の開口部１４２を形成する工程において、中空部１５０用の開口部１５２も同時に形成するので、開口部１５２用の工程が新たに増えることがない。

ライナー膜１６０と絶縁膜層１１０との間の屈折率差を利用することで、導波路１４０（ライナー膜１６０）を透過して取り逃がしていた光をライナー膜１６０と絶縁膜層１１０との界面で全反射させて導波路１４０内に戻す効果が期待できる。また、ライナー膜１６０は、金属配線層１２０への水分の漏れ込みを防止することで腐食劣化を抑制する効果や、この後に形成される光透過層１７０の劣化防止の効果もある。

加えて、導波路１４０と中空部１５０が存在することで、反射界面が２重以上になる。これにより、本実施形態を適用しない場合に導波路１４０を透過して取り逃がしていた光においても中空部１５０と絶縁膜層１１０との界面で全反射させて導波路１４０内に戻せるため、集光効率の向上が期待できる。

ライナー膜１６０からバリア絶縁膜１３０へ逃げてゆく光においても、中空部１５０の存在により、自動的にバリア絶縁膜１３０が寸断されるために、逃げ道がなくなり、導波路１４０内に確実に戻すことができる。さらに、中空部１５０によって隣接画素への迷光の進入をブロックする効果もあるため、カラー撮像構成では混色（色および輝度のクロストーク）を抑制することができる。

ここで、特許文献２との対比として、導波路１４０と中空部１５０の間に絶縁膜層１１０が介在する点に特徴がある。導波路１４０と中空部１５０が絶縁膜層１１０を挟んでいることにより、特許文献２よりも反射界面が多いので、電荷生成部１０２から外れた光を漏れなく電荷生成部１０２へ戻す効果が特許文献２よりも高まる。

＜第２実施形態＞
図３〜図３Ｄは、第２実施形態を説明する図である。構成部材は２００番台で示し、第１実施形態と同様の構成部材には、第１実施形態と同様の１０番台と１番台の番号を付して示す。

第２実施形態の固体撮像装置１Ｂは、中空部２５０が導波路２４０の周りに１つ存在するととともに、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜ＳｉＯ2 に対して低誘電率膜を適用する点に特徴がある。「シリコン酸化膜ＳｉＯ2 に対して低誘電率膜」とは、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 よりも誘電率が低い材料の膜であることを意味する。

先ず、図３に示すように、単結晶シリコンなどの半導体材料からなる基板２００の表面層に電荷生成部２０２を形成する。図示を割愛するが、基板２００には、電荷生成部２０２の他に、たとえば、電荷生成部２０２で生成された信号電荷が運ばれるフローティング領域を構成する拡散層や、複数のトランジスタなどで構成される画素信号生成部なども形成される。

次に、基板２００上に絶縁膜層２０４を形成する。絶縁膜層２０４上に、層間絶縁膜２１１〜２１５から構成される絶縁膜層２１０、層間絶縁膜２１１〜２１４内に設けられた金属配線層２２０（２２１〜２２４）、層間絶縁膜２１１〜２１５間のバリア絶縁膜２３０（２３１〜２３４）を、下層側から順次形成する。バリア絶縁膜２３０は、絶縁膜層２１０に埋め込んだ金属配線層２２０の表面が酸化されることを防止するためのＣｕ表面保護膜（およびＣｕ拡散防止膜）として機能する。因みに、金属配線層２２０は電荷生成部２０２上に配置されることがないように形成されることとする。

絶縁膜層２１０を構成する層間絶縁膜２１１〜２１５や金属配線層２２０およびバリア絶縁膜２３０の層数は、一例に過ぎない。固体撮像装置を具現する上で必要な配線構造であれば、絶縁膜層２１０や、それらを介して形成される金属配線層２２０やバリア絶縁膜２３０の数の増減は可能である。

絶縁膜層２１０（層間絶縁膜２１１〜２１５）としては、たとえば炭素含有酸化シリコンＳｉＯＣ、ポリアリレンＰＡｒなどの、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 よりも誘電率が低い材料の膜を適用する。ここでは前記２つの材料を例に挙げたが、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 より誘電率が低い材料であれば、これらに限定されない。

次に、図３Ａに示すように、電荷生成部２０２と対面する位置に導波路２４０および中空部２５０を形成するためにパターニングを行なう。画素ピッチを、およそ１．７５〜１．１μｍピッチとする場合、中空部２５０を形成する溝は１００ｎｍを越えない幅であることが望ましい。導波路２４０と中空部２５０の平面形状は、たとえば８角形にする。

導波路２４０および中空部２５０を形成するためにパターニングを行なう際には、たとえば、先ず、層間絶縁膜２１５上にレジスト２０６を塗布し、不要部分を除去する。このとき、第１実施形態と同様に、電荷生成部２０２の外縁より内側に１つの中空部２５０が配置されるように、その中空部２５０の部分にはレジスト２０６が存在しない状態でパターニングする。

次に、図３Ｂに示すように、絶縁膜層２１０（の層間絶縁膜２１１〜２１５）とバリア絶縁膜２３０（２３１〜２３４）をドライエッチング法によって開口することで、導波路２４０の部分に開口部２４２を形成し、中空部２５０の部分に開口部２５２を形成する。つまり、開口部形成工程において、導波路２４０の加工と同時に中空部２５０も加工する趣旨である。

なお、開口部２４２の間口サイズの方が開口部２５２の間口サイズよりも大きいもの（たとえば３〜５倍）とする。下限の“３”や上限の“５”の値の考え方は第１実施形態と同様であり、この比率が保たれている導波路２４０と中空部２５０に対して、現状のライナー条件を適用すれば、プロセスばらつきによる影響は殆どないと考えられる。導波路２４０に対してはカバレッジよく側壁膜が形成でき、中空部２５０に対してはオーバーハングを引き起こし、溝が埋まらないようにできる。

たとえば、絶縁膜層２１０として炭素含有酸化シリコンＳｉＯＣを適用した場合には以下のような条件が考えられる。オクタフルオロシクロブタンＣ4Ｆ8、窒素Ｎ2 、アルゴンＡｒの流量比を１：５：１０になるように設定し、圧力６．６Ｐａ（パスカル）、ソースパワー２０００Ｗ、基板バイアス２０００Ｗ、基板温度は室温、エッチング時間は８分程度で行なう。これにより、導波路２４０用の開口部２４２と中空部２５０用の開口部２５２が同時に形成される。

次に、図３Ｃ（１）に示すように、開口部２４２の壁面と絶縁膜層２１０の最上部（この例では層間絶縁膜２１５）を一体的に覆う保護層の一例であるライナー膜２６０を形成する。ライナー膜２６０の材料としては、光透過性を有するとともに、絶縁膜層２１０の光透過性材料よりも屈折率が高いもの、さらに好ましくは絶縁膜層２１０の材料との屈折率差がより大きいものが望ましい。

ライナー膜２６０は、何れの材料を使用する場合でも、開口部２４２に対してはカバレッジよく側壁膜が形成でき、開口部２５２に対してはオーバーハングを引き起こし、開口部２５２が埋まることがないような材料または製法にする。開口部２４２の壁面（側壁および底面）には漏れなくライナー膜２６０の材料が製膜され、かつ、オーバーハング現象を積極的に利用することで、ライナー膜２６０の材料が開口部２５２に入り込み埋まることがないように中空部２５０を形成する趣旨である。導波路２４０の開口部２４２に保護膜としてのライナー膜２６０を形成する工程において、同時に、中空部２５０の空密を維持するように開口部２５２の間口をオーバーハング現象を利用して封止するのである。導波路２４０の開口部２４２の間口は、オーバーハング現象でも封止されないようにする。

絶縁膜層２１０として炭素含有酸化シリコンＳｉＯＣを適用した場合、ライナー膜２６０としては、たとえばプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン窒化膜Ｐ−ＳｉＮがよい。また、このときのライナー膜２６０の製造条件は次のようにする。モノシランＳｉＨ4 、アンモニアＮＨ3 、窒素Ｎ2 のガス流量比を１：１：２０になるように設定し、高周波パワー８００Ｗ、圧力６６０Ｐａ（パスカル）、温度４００℃で時間は１分３０秒程度で行なう。

次に、図３Ｄに示すように、導波路２４０の内部（ライナー膜２６０が付された開口部２４２）を埋め、かつ、層間絶縁膜２１５上のライナー膜２６０も覆うように、光透過性材料の光透過層２７０を形成する。

光透過層２７０としては、たとえば、アクリル系、またはフッ素系の高分子、有機ケイ素ポリマーのシロキサン、ポリアリレンＰＡｒなど、光透過率の高い材料が挙げられる。

次に、図３Ｄに示すように、カラー撮像用とする場合には、光透過層２７０上の電荷生成部２０２（つまり開口部２４２）と対応する位置に、色分離フィルタ２８０とマイクロレンズ２９０をこの順に形成する。これにより、第２実施形態の固体撮像装置１Ｂとなる。図示しないが、モノクロ撮像用の場合には、色分離フィルタ２８０は不要である。

第２実施形態の仕組みは、絶縁膜層２１０の材料をシリコン酸化膜ＳｉＯ2 よりも誘電率の低い材料に置き換えている点が第１実施形態と異なるだけである。導波路２４０用の開口部２４２および中空部２５０用の開口部２５２の形成手法など、その他は第１実施形態と相違ない。よって、基本的には、第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、絶縁膜層２１０の材料は、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 よりも誘電率が低いため、配線遅延時間低減の効果で、固体撮像装置１Ｂの電荷生成部２０２における光電変換の変換効率が向上する効果が期待できる。

ライナー膜２６０と絶縁膜層２１０との間の屈折率差を利用することで、導波路２４０（ライナー膜２６０）を透過して取り逃がしていた光をライナー膜２６０と絶縁膜層２１０との界面で全反射させて導波路２４０内に戻す効果が期待できる。また、ライナー膜２６０は、金属配線層２２０への水分の漏れ込みを防止することで腐食劣化を抑制する効果や、この後に形成される光透過層２７０の劣化防止の効果もある。

ここで、ライナー膜２６０のシリコン窒化膜Ｐ−ＳｉＮは、絶縁膜層２１０の炭素含有酸化シリコンＳｉＯＣとの屈折率差が大きいため、光が導波路２４０外へ飛び出すロスを最小限抑えることが期待できる。なお、ライナー膜２６０は、シリコン窒化膜Ｐ−ＳｉＮに代えて、プラズマＣＶＤ法により形成される酸窒化膜Ｐ−ＳｉＯＮやシリコン酸化膜Ｐ−ＳｉＯ2 を適用しても、絶縁膜層２１０の炭素含有酸化シリコンＳｉＯＣとの屈折率差を大きく保持でき、同様の効果が得られる。

＜第３実施形態＞
図４〜図４Ａは、第３実施形態を説明する図である。構成部材は３００番台で示し、第１実施形態と同様の構成部材には、第１実施形態と同様の１０番台と１番台の番号を付して示す。

第３実施形態の固体撮像装置１Ｃは、電荷生成部３０２より外側に１つの中空部３５０を配置するととともに、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を適用する点に特徴がある。前述の第２実施形態に対しても、同様に適用できる。

中空部３５０の形成方法は、基本的には第１実施形態と同様であるが、電荷生成部３０２と対面する位置に導波路３４０および中空部３５０を形成するためのパターニング時に、図４Ａ（１）に示すような対処を採る。すなわち、電荷生成部３０２の外縁より外側に中空部３５０が配置されるように、中空部３５０の部分にレジスト３０６が存在しない状態でパターニングする。

次に、図４Ａ（２）に示すように、絶縁膜層３１０（層間絶縁膜３１１〜３１５）とバリア絶縁膜３３０（３３１〜３３４）をドライエッチング法にて開口することで、導波路３４０用の開口部３４２を形成し、中空部３５０用の開口部３５２も同時に形成する。

導波路３４０を形成するための工程とは別に中空部３５０を形成するための工程を設ける必要がなく、少ない工程数で固体撮像装置１Ｃを製造でき、コスト低減に繋がる。また、導波路３４０と中空部３５０の間に絶縁膜層３１０の材料が介在することになるので、特許文献２よりも、反射界面が増え、電荷生成部３０２から外れた光を漏れなく電荷生成部３０２へ戻す効果が、より高まる。

また、第３実施形態の固体撮像装置１Ｃは、電荷生成部３０２の外縁より外側に中空部３５０を設置しているので、第１実施形態の固体撮像装置１Ａとの対比では、次のような作用効果の違いがある。すなわち、中空部３５０が受光部の一例である電荷生成部３０２よりも外側にあることで、本来は取り逃がしていた低い角度から入射して来る斜め光についても漏れなく電荷生成部３０２へ導くことができる。

＜第４実施形態＞
図５〜図５Ｂは、第４実施形態を説明する図である。構成部材は４００番台で示し、第１実施形態と同様の構成部材には、第１実施形態と同様の１０番台と１番台の番号を付して示す。

第４実施形態の固体撮像装置１Ｄは、導波路４４０の周りに複数の中空部４５０が環状に存在するととともに、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を適用する点に特徴がある。つまり、１つの電荷生成部４０２に対して中空部４５０を複数設置する点に特徴がある。前述の第２実施形態に対しても、同様に適用できる。

複数の中空部４５０が環状に存在するとは、複数の中空部４５０のそれぞれが、平面視したときに、全体として概ね輪のようになっていればよく、一部が途切れていてもよい。

たとえば、図５に示す第１例では、矩形の電荷生成部４０２の外縁を概ね取り囲むように８角形の１つ目の中空部４５０_1が配置されている。そして、１つ目の中空部４５０_1のさらに外側に２つ目の中空部４５０_2が配置されている。中空部４５０_2は、電荷生成部４０２の四辺と対向する位置で途切れるように、電荷生成部４０２の四隅に対応する位置に、中空部４５０_21 ，４５０_22 ，４５０_23 ，４５０_24 が配置されて構成されている。

図５Ａに示す第２例では、矩形の電荷生成部４０２の外縁よりも内側に概ね内接するように８角形の１つ目の中空部４５０_1が配置されている。そして、１つ目の中空部４５０_1のさらに外側に２つ目の中空部４５０_2が配置されている。２つ目の中空部４５０_2は、電荷生成部４０２の４隅と対応する位置で途切れるように、電荷生成部４０２の四辺と対向する位置に、中空部４５０_21 ，４５０_22 ，４５０_23 ，４５０_24 が配置されて構成されている。

第１例および第２例の何れにおいても、２つ目の中空部４５０_2は、輪が分断されているが、平面視したときには、４つの中空部４５０_21 ，４５０_22 ，４５０_23 ，４５０_24 の集合で見たとき、全体として概ね輪のようになっている。それらを繋いで、１つ目の中空部４５０_1と同様に完全な輪にしてもよい。

複数の中空部４５０の形成方法は、基本的には第１実施形態と同様であるが、電荷生成部４０２と対面する位置に導波路４４０および中空部４５０を形成するためのパターニング時に、図５Ｂ（１）に示すような対処を採る。

電荷生成部４０２の外縁より内側に１つ目の中空部４５０_1が配置されるように中空部４５０_1の部分にレジスト４０６が存在しない状態でパターニングする。さらに、中空部４５０_1を取り囲む位置に他の中空部４５０_x（中空部４５０_2：中空部４５０_21 ，４５０_22 ，４５０_23 ，４５０_24 ）の部分にレジスト４０６が存在しない状態でパターニングする。図５Ｂでは、図５Ａに示す第２例の場合で示す。

次に、図５Ｂ（２）に示すように、絶縁膜層４１０（層間絶縁膜４１１〜４１５）とバリア絶縁膜４３０（４３１〜４３４）をドライエッチング法にて開口することで、導波路４４０用の開口部４４２を形成し、中空部４５０用の開口部４５２も同時に形成する。

導波路４４０を形成するための工程とは別に中空部４５０を形成するための工程を設ける必要がなく、少ない工程数で固体撮像装置１Ｄを製造でき、コスト低減に繋がる。また、導波路４４０と中空部４５０の間に絶縁膜層４１０の材料が介在することになるので、特許文献２よりも、反射界面が増え、電荷生成部４０２から外れた光を漏れなく電荷生成部４０２へ戻す効果が、より高まる。

また、第４実施形態の固体撮像装置１Ｄは、１つの電荷生成部４０２に対して複数の中空部４５０を設置しているので、第１実施形態の固体撮像装置１Ａとの対比では、次のような作用効果の違いがある。すなわち、中空部が複数存在することにより、界面がさらに増えることで従来は取り逃がしていた低い角度から入射して来る斜め光についても漏れなく受光部の一例である電荷生成部４０２へ導くことができる。また、図５Ａのように中空部４５０_1と中空部４５０_21，あるいは中空部４５０_1と中空部４５０_22の間に斜め光を閉じ込めることで、隣接画素への進入を防止（ブロック）することができる。

以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、前記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

たとえば、前記実施形態では、光透過層１７０上に色分離フィルタ１８０やマイクロレンズ１９０を設けていたが、これらを設けることは必須ではない。ただし、マイクロレンズ１９０を設けない場合、導波路１４０のみでの導光になるので集光効率が低下するのは否めない。

また、前記実施形態では、絶縁膜層１１０と金属配線層１２０との間にバリア絶縁膜１３０を設けているが、金属配線層１２０を銅配線構造としないときには、バリア絶縁膜１３０は不要である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…固体撮像装置、１００，２００，３００，４００…基板、１０２，２０２，３０２，４０２…電荷生成部、１０４，２０４，３０４，４０４…絶縁膜層、１０６，２０６，３０６，４０６…レジスト、１１０，２１０，３１０，４１０…絶縁膜層、１２０，２２０，３２０，４２０…金属配線層、１３０，２３０，３３０，４３０…バリア絶縁膜、１４０，２４０，３４０，４４０…導波路、１４２，２４２，３４２，４４２…開口部、１５０，２５０，３５０，４５０…中空部、１５２，２５２，３５２，４５２…開口部、１６０，２６０，３６０，４６０…ライナー膜、１７０，２７０，３７０，４７０…光透過層、１８０，２８０，３８０，４８０…色分離フィルタ、１９０，２９０，３９０，４９０…マイクロレンズ

Claims (16)

1. 信号電荷を生成する電荷生成部が表面層に設けられている基板と、
   前記基板の上面を覆う層と、
   前記基板の上面を覆う層に設けられた、前記電荷生成部と対応する位置の導波路および、当該導波路よりも外側の中空部と、
   少なくとも前記中空部が空密となるように、前記基板の上面を覆う層上に設けられた光透過性の層と、
   を備えた固体撮像装置。
2. 前記導波路は、光透過性の材料により埋められている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記導波路は、当該導波路の壁面および前記基板の上面を一体的に覆う光透過性の保護層で埋められ、さらに、残りの部分が当該保護層とは異なる光透過性の材料により埋められている
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記保護層は、前記基板の上面を覆う層よりも屈折率が高い材料の膜である
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記基板の上面を覆う層は、シリコン酸化膜よりも誘電率が低い材料の膜である
   請求項１〜４の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記基板の上面を覆う層は、層間絶縁膜と、銅を配線材料とする金属配線層と、前記層間絶縁と前記金属配線層の間に設けられ前記銅のイオン拡散を抑制する絶縁膜を含む
   請求項１〜５の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。
7. 前記電荷生成部の外縁よりも外側の位置に前記中空部が設けられている
   請求項１〜６の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。
8. 前記中空部が複数設けられている
   請求項１〜７の内の何れか一項に記載の固体撮像装置。
9. 信号電荷を生成する電荷生成部が表面層に設けられている基板上に、その上面を覆う層を形成する工程と、
   前記基板の上面を覆う層において、前記電荷生成部と対応する位置に導波路用の開口部を形成するとともに、当該導波路よりも外側に中空部用の開口部を形成する工程と、
   前記基板の上面を覆う層上に光透過性の層を形成するとともに、当該光透過性の層により前記中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐ工程と、
   を備える固体撮像装置の製造方法。
10. 前記導波路用の開口部を光透過性材料で埋める工程
    をさらに備える請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐ工程を、前記基板の上面を覆う層の上面および前記導波路用の開口部の壁面を覆い、かつ、前記中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐように、光透過性の保護層を形成することで実現する
    請求項９または１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記保護層を形成する工程では、前記保護層を前記中空部用の開口部の間口でオーバーハングさせることで、前記中空部用の開口部を空密とし間口を塞ぐように、前記保護層の材料を設定する、および／または、ガス流量比、高周波パワー、圧力、温度などの製造条件を設定する
    請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記保護層を形成する工程では、前記保護層が前記導波路用の開口部の間口でオーバーハングするとき、当該間口を塞がないように、前記保護層の材料を設定する、および／または、ガス流量比、高周波パワー、圧力、温度などの製造条件を設定する
    請求項１１または１２に記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記保護層を、前記基板の上面を覆う層よりも屈折率が高い材料の膜で形成する
    請求項１１〜１３の内の何れか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。
15. 前記基板の上面を覆う層を形成する工程は、シリコン酸化膜よりも誘電率が低い材料の膜で前記基板の上面を覆う層を形成する
    請求項９〜１４の内の何れか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 前記基板の上面を覆う層を形成する工程は、層間絶縁膜を形成する工程と、銅を配線材料とする金属配線層を形成する工程と、前記層間絶縁と前記金属配線層の間に前記銅のイオン拡散を抑制する絶縁膜を形成する工程を含む
    請求項９〜１５の内の何れか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。

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