JP2013004685A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光導波路の材料とそれを取り囲む絶縁膜との間に作用する熱応力により、プロセス欠陥が生じうる。
【解決手段】光導波路の材料を堆積させる工程と、堆積された前記材料に光または放射線を照射することによって前記材料をアニールするアニール工程により、前記堆積工程および前記アニール工程を経て前記光電変換部に光を導く光導波路を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】光導波路の材料を堆積させる工程と、堆積された前記材料に光または放射線を照射することによって前記材料をアニールするアニール工程により、前記堆積工程および前記アニール工程を経て前記光電変換部に光を導く光導波路を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。
画素を構成するフォトダイオードなどの光電変換部の上の領域に、高い屈折率の材料からなる光導波路を設けることにより、光導波路の界面において光を全反射させ、光の集光性を高める技術が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。この光導波路の材料の代表的な例として、高密度プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコンが挙げられる。
光導波路の材料として窒化シリコンを使用することには、窒化シリコンとそれを取り囲む絶縁膜との間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力の問題がある。光導波路を形成するために、光電変換部の上部の絶縁膜に開口を設け、この開口に窒化シリコンを充填した場合、この窒化シリコンと絶縁膜との間に作用する熱応力によりプロセス欠陥が生じうる。例えば、シリコンウエハが反り返ることによるプロセスばらつきの増大、絶縁膜におけるクラックの発生、またチップのリーク電流の増大等をもたらしうる。
本発明の目的は、光導波路の材料と絶縁膜との間に作用する熱応力を低減することにより、これらの問題を解決し、固体撮像装置の品質・信頼性を高めることである。
本発明の一つの側面は固体撮像装置の製造方法にかかり、光電変換部が設けられ、前記光電変換部の上の領域に開口を有する絶縁膜が形成された半導体基板を準備する工程と、前記開口の中に前記絶縁膜よりも高い屈折率の材料を堆積させる堆積工程と、前記開口に堆積された前記材料に光または放射線を照射することによって前記材料をアニールするアニール工程と、前記堆積工程および前記アニール工程を経て前記光電変換部に光を導く光導波路を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、光導波路の材料と絶縁膜との間に作用する熱応力を低減することが可能となる。
図１を参照しながら本発明の実施形態の固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサとして、または、ＣＣＤイメージセンサとして構成されうる。固体撮像装置１は、半導体基板１０に複数の光電変換部３０が配置されうる。それぞれの光電変換部３０の間には素子分離領域２０が配置されうる。光電変換部３０および素子分離領域２０の上には、絶縁層４０が配置されうる。ここで、光電変換部３０のそれぞれの近傍には、電荷転送用の転送トランジスタや増幅トランジスタが配置していてもよい（不図示）。また、これらのトランジスタの上に絶縁層４０を配置してもよい。絶縁層４０はエッチングストップとして機能しうる。絶縁層４０の上には第１の絶縁膜５０が配置されうる。さらに、第１の絶縁膜５０の上には第１のメタル配線層６０と第２の絶縁膜７０が配置され、第２の絶縁膜７０の上には第２のメタル配線層８０と保護層９０が配置されうる。第１の絶縁膜５０と第２の絶縁７０と保護層９０の領域において、保護層９０の表面から絶縁層４０の上面まで開口１９０（図３参照）を有する。このようにして、光電変換部３０の上の領域に開口１９０を有する絶縁膜が形成された半導体基板を準備することができる。その後、開口１９０には、第１の絶縁膜５０と第２の絶縁膜７０と保護層９０よりも高い屈折率の材料が充填され、光導波路２００（図１において、２００ａと２００ｂと区別する）が形成されうる。さらに、保護層９０と光導波路２００の上には第１の平坦化層１２０、カラーフィルタ層１３０、第２の平坦化層１４０が配置され、その上部にマイクロレンズ１５０が配置されうる。
マイクロレンズ１５０に入射した光はマイクロレンズにおいて屈折し、光導波路２００に導かれる。前述の通り、光導波路２００は、第１の絶縁膜５０、第２の絶縁膜７０、および保護層９０よりも高い屈折率の材料で構成されているため、入射角の大きい光は、光導波路２００の界面において全反射して光電変換部３０へと導かれうる。ここで光導波路２００は、それを構成する材料に、光または放射線を照射することによってアニールされたものである。光導波路２００は、１つの円柱状部分と、それを取り囲む少なくとも１つの筒状部分で構成される同心状構造とすることも可能である。図１においては一例として、１つの円柱状部分（高屈折率材料１１０）と、それを取り囲む１つの筒状部分（高屈折率材料１００）で構成される同心状構造の場合を示す。また、光導波路２００を構成するこれらの材料は同じ材料であってもよく、これらの材料の屈折率を同一もしくは略等しいものとすることにより、これらの材料間における入射光の反射を防止することができ、光の損失を少なく集光することができる。
ここで、第１のメタル配線層６０と第２のメタル配線層８０は、光電変換部３０からの電気信号を伝達するために用いることも可能である。また、第１のメタル配線層６０と第２のメタル配線層８０とを、各光導波路、例えば、光導波路２００ａから漏れた光が、他の光導波路、例えば、光導波路２００ｂに入射することを妨げる用途で利用することも可能である。あるいは、導波路の間に入射した光が光電変換部に入射することを妨げる用途で利用することも可能である。
以下、添付図面を参照しながら、固体撮像装置１の製造方法である、本発明の実施形態を説明する。まず、図２を用いて説明する。シリコンウエハ等であるＰ型半導体基板１０が用意され、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等の素子分離領域２０が設けられる。その後、光電変換部３０として例えば、Ｎ型不純物イオンを注入し熱処理することによりフォトダイオードが形成される。このとき、光電変換部３０の表面には自然酸化膜や、近傍にＭＯＳトランジスタが存在する場合にはゲート絶縁膜が形成されていてもよく、その膜厚は入射光の波長より十分に小さいため、光の反射には影響はない。
次に、光電変換部３０および素子分離領域２０の上に、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などにより、絶縁層４０が形成される。絶縁層４０は、後述の第１の絶縁膜５０、および第２の絶縁膜７０よりもエッチング速度の低い層であることが望ましい。これにより、絶縁層４０は、後述の光導波路２００となる開口１９０をエッチングにより形成する際に、エッチングの進行を停止させるエッチングストッパとしての役割をもつことが可能である。ここで、絶縁層４０は、例えば窒化シリコンとする。
絶縁層４０の上には、ＣＶＤ法などにより、第１の絶縁膜５０が形成される。ここで、第１の絶縁膜５０をＣＭＰ（化学的機械研磨）法などにより平坦化することにより、第１の絶縁膜５０の上に配置される第１のメタル配線層６０のパターニング精度を向上させることもできる。第１の絶縁膜５０は、例えば酸化シリコンであり、層間絶縁膜として機能する。
次に、第１の絶縁膜５０の上には、スパッタリング法などにより、第１のメタル配線層６０となるべき層が形成される。この層は、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｕなどで形成されうる。そしてフォトリソグラフィ工程とエッチング工程などにより、第１のメタル配線層６０を除く領域を選択的にエッチングして、第１のメタル配線層６０が形成される。なお、第１のメタル配線６０はダマシン法やデュアルダマシン法によって形成されていてもよい。
第１の絶縁膜５０と第１のメタル配線層６０の上には、ＣＶＤ法などにより、第２の絶縁膜７０が形成される。ここで、第２の絶縁膜７０をＣＭＰ法などにより平坦化することもできる。第２の絶縁膜７０は、例えば酸化シリコンであり、層間絶縁膜として機能する。
第２の絶縁膜７０の上には、スパッタリング法などにより、第２のメタル配線層８０となるべき層が形成される。この層は、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｕなどで形成されうる。そしてフォトリソグラフィ工程とエッチング工程などにより、第２のメタル配線層８０を除く領域を選択的にエッチングして、第２のメタル配線層８０が形成される。第２のメタル配線層８０も第１のメタル配線層と同様に他の方法でも形成可能である。
第２の絶縁膜７０と第２のメタル配線層８０の上には、プラズマＣＶＤ法などにより保護層９０が形成される。保護層９０は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または酸化シリコン等の絶縁材料により形成される。ここで、少なくとも第１の絶縁膜５０と第２の絶縁膜７０とは、光導波路２００を構成する材料より屈折率が低い絶縁材料を選択すればよい。その結果、図２の断面図の状態となる。
その後、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程などにより、保護層９０の表面から絶縁層４０の上面まで、光導波路２００となる開口１９０が形成され、図３の断面図の状態となる。ここで、絶縁層４０において、エッチングの進行速度が低下するので、この速度低下を検知してエッチングを終了とさせることが可能である。また、このエッチング工程は、層間の各絶縁膜を除去するために最適なエッチング条件で、それぞれエッチングを行うことが好ましい。
次に、開口１９０には、ＨＤＰ（高密度プラズマ）−ＣＶＤ法などにより、高屈折率材料１００が堆積される。高屈折率材料１００は、例えば窒化シリコン、酸窒化シリコンなどであり、第１の絶縁膜５０、第２の絶縁膜７０、および保護層９０よりも高い屈折率の材料である。ここで、開口１９０は、開口半径１μm、開口深さ３．５μmの場合を考える。開口１９０に、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により、厚さ１μm程度の高屈折率材料１００が堆積される。その後、高屈折率材料１００に、光（例えば、ＵＶ（紫外光））や、放射線（例えば、ＥＢ（電子線））を照射することによるアニール工程を行う。その結果、図４の断面図の状態となる。このアニール工程は、高屈折率材料１００の温度が１００℃以上４００℃以下の範囲内の温度であること、または、高屈折率材料１００の表面の照度が１０ｍＷ／ｃｍ２以上１０００ｍＷ／ｃｍ２以下の範囲内の照度であることが条件となりうる。
さらに、同様にして、開口１９０には、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により、厚さ１μm程度の高屈折率材料１１０が堆積され、光や放射線を照射することによるアニール工程を行う。その結果、図５の断面図の状態となる。また、高屈折率材料１１０は、開口１９０の上部を平坦化するため、さらに１μm程度の成膜をすることも可能である。ここで、光導波路２００が、１つの円柱状部分とそれを取り囲む複数の筒状部分で構成される同心状構造で構成される場合は、これらの工程を複数回にわたって実施することもできる。
その後、高屈折率材料１００および高屈折率材料１１０は、保護層９０の上面までＣＭＰ法により平坦化処理がなされ、光導波路２００が形成され、図６の断面図の状態となる。ここで、ＣＭＰ法に代えて、プラズマエッチングによるエッチバック法を用いることも可能である。この平坦化処理により、その後の工程の製造ばらつきや、その層との界面における反射を低減することが可能となる。なお、上記の保護層９０の形成工程を省略して、この平坦化処理を高屈折率材料１００および高屈折率材料１１０の領域まで実施することも可能であり、図７の断面図の状態となる。この場合は、保護層９０に代えて、高屈折率材料１００および高屈折率材料１１０が保護層として利用することが可能である。また、図１の保護層９０を第３の絶縁膜とし、更に、保護層を形成してもよい。
その後、保護層９０と光導波路２００の上には、第１の平坦化層１２０が塗布法により形成される。次に、第１の平坦化層１２０の上には、カラーフィルタ層１３０、例えば、Ｒｅｄ層、Ｇｒｅｅｎ層、Ｂｌｕｅ層が、塗布法、露光処理、現像処理を経て形成される。さらに、カラーフィルタ層１３０の上には、第２の平坦化層１４０が塗布法により形成される。そして、第２の平坦化層１４０の上にはマイクロレンズ１５０が、塗布法、露光処理、現像処理の後、リフロー処理を経て形成され、図８の断面図の状態となる。
以下、光導波路２００の形成工程において行われたアニール工程について述べる。具体的には、高屈折率材料１００および高屈折率材料１１０に光もしくは放射線を照射することによるアニール工程の効果を述べる。ここでは一例として、高屈折率材料である窒化シリコンにＵＶ照射をすることによるアニール工程の効果を、測定結果を示すことにより述べる。図９は、窒化シリコンの熱応力変化のＵＶ照射時間依存性を示す測定結果のプロット図（ａ）と、窒化シリコンの熱応力起因によるシリコンウエハ反り量の変化のＵＶ照射時間依存性を示す測定結果のプロット図（ｂ）である。ＵＶ照射の条件は、４５０ｎｍ以下の波長を含み、温度は１００〜２００℃、照度は５００〜７００ｍＷ／ｃｍ2である。図９のそれぞれのプロット図において、ＵＶ照射時間０秒は窒化シリコン成膜直後の値を示し、それぞれＵＶ照射時間０秒時の値で規格化している。図９から分かるように、ＵＶ照射により、本来の窒化シリコンの熱応力が緩和され、これに伴ってシリコンウエハの反り返りも低減する。これはＵＶ照射を行うことにより、窒化シリコン中において、Ｓｉ−Ｈ、Ｎ−Ｈ結合が切れ、Ｓｉ−Ｎ結合が形成されることで熱応力が変化するからである。
さらに、ＵＶ照度を強くする、ＵＶ照射時間を長くする、ＵＶ照射温度を上げる、またはこれらを組み合わせることにより、この熱応力を０にすること、さらには引張り応力に反転させることも可能である。また、本実施形態では、高屈折率材料１００及び１１０を用いたが、高屈折率材料１００のみでもよい。更には、高屈折率材料１００及び１１０のために堆積工程及びアニール工程を２回繰り返したが、高屈折率材料１００の堆積工程及びアニール工程の後に、高屈折率材料の堆積工程のみを行ってもよい。つまり、少なくとも１回の堆積工程及びアニール工程が行われれば良い。
以上のように、本実施形態によれば、シリコンウエハの反り返りを抑制することができ、プロセスばらつきを抑制し、高屈折率材料の下の絶縁膜におけるクラックの発生を防止し、チップのリーク電流を低減することができる。また、本発明による固体撮像装置の製造方法は、以上の実施形態に限定されるものではなく、適宜変形や組み合わせが可能であることは言うまでもない。例えば、高屈折率材料として窒化シリコンを例に挙げたが、他の材料であってもよい。
Claims (7)
- 光電変換部が設けられ、前記光電変換部の上の領域に開口を有する絶縁膜が形成された半導体基板を準備する工程と、
前記開口の中に前記絶縁膜よりも高い屈折率の材料を堆積させる堆積工程と、
前記開口に堆積された前記材料に光または放射線を照射することによって前記材料をアニールするアニール工程と、を含み、
前記堆積工程および前記アニール工程を経て、前記光電変換部に光を導く光導波路が形成される、
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記堆積工程と前記アニール工程を複数回にわたって実施することにより前記光導波路を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記アニール工程は、前記材料の温度が１００℃以上４００℃以下の範囲内の温度になるように実施される、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記アニール工程は、前記材料の表面の照度が１０ｍＷ／ｃｍ２以上１０００ｍＷ／ｃｍ２以下の範囲内の照度になるよう実施される、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記光は紫外光を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記放射線は電子線を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記材料は窒化シリコンおよび酸窒化シリコンの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
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