JP2015126101A - 固体撮像素子 - Google Patents

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英樹 長村
岩佐　誠一
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Abstract

【課題】高感度の固体撮像素子を提供すること。【解決手段】実施形態の固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板表面上に設けられたフォトダイオードと、前記半導体基板表面上に形成された第１屈折率を有する第１絶縁膜と、前記フォトダイオード上方に前記第１絶縁膜を介して設けられ前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する第２絶縁膜と、前記フォトダイオードの上方において、前記第２絶縁膜上に前記第２屈折率より高い第３屈折率を有する第３絶縁膜と、前記フォトダイオード上方に設けられたマイクロレンズとを備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。
デジタルカメラなどのデジタル電子機器には、電源電圧が低く低消費電力であるという観点からCMOSイメージセンサの固体撮像素子が用いられている。近年のデジタル電子機器などの高度化に伴い高感度が求められている。CMOSイメージセンサには光を電気信号に変換し増幅して転送するための画素が複数配列されている。この画素の面積が大きく、または画素が多いほど光を多く吸収できる為高感度になる。しかし、小型化に伴い1つ当たりの画素が小さくなると、光を吸収できる面積も小さくなるので１つ当たりの画素の感度は低くなってしまう。そのため１つ１つの画素が高感度であることが必要である。
このCMOSイメージセンサでは、半導体基板内に光電変換部であるフォトダイオード（以下PD）が形成される。半導体基板およびPD上には平坦化された絶縁膜、カラーフィルタ、およびマイクロレンズが順次形成される。配線層が絶縁膜中に形成される。上記絶縁膜より高屈折率を有する絶縁膜がこの配線層に挟まれて形成される。高屈折率を有する絶縁膜を低屈折率を有する絶縁膜で挟むことにより、高屈折率絶縁膜と低屈折率絶縁膜との界面における反射により光が閉じ込められた光路が形成される。これにより、入射光の配線による反射が抑制されPDの受光効率が向上する。しかしながら、PD上にも配線層の周りを覆う絶縁膜がある。PD上の絶縁膜と光路を構成する高屈折率絶縁膜との屈折率の差が大きいので、これらの境界面で入射光が反射してしまいPDが効率よく受光することができない。
特開2011-100900号公報
高感度の固体撮像素子を提供することである。
本実施形態の固体撮像素子では、半導体基板と、前記半導体基板表面上に設けられたフォトダイオードと、前記半導体基板表面上に形成された第１屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記フォトダイオード上方に前記第１の絶縁膜を介して設けられ前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する第２の絶縁膜と、前記フォトダイオード上方において、前記第２の絶縁膜上に前記第２屈折率より高い第３屈折率を有する第３のの絶縁膜と、前記フォトダイオード上方に設けられたマイクロレンズと、を備えることを特徴とする。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図。
（第１実施形態）
以下、実施形態の固体撮像素子を図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る固体撮像素子の構成の一部を示す断面図である。図１に示されるように、固体撮像素子は、半導体基板１、フォトダイオード（PD）２、第１絶縁膜３、第２絶縁膜４、第３絶縁膜５、第１配線層６、第２配線層７、配線層８、配線９、第１反射防止膜１０、保護膜１１、第２反射防止膜１２、カラーフィルタ１３、マイクロレンズ１４、第４絶縁膜１９を備える。固体撮像素子はPD上にマイクロレンズを形成し、PDで光を受光する。
PD２は半導体基板１表面に設けられている。半導体基板１上に第１の屈折率を有する第１絶縁膜３が設けられている。
PD２の上方の第１絶縁膜３上に、第２絶縁膜４が設けられている。
第２絶縁膜４は第１屈折率より高い第２屈折率を有する。
第３絶縁膜５は、PD２の上方の第２絶縁膜４上に設けられている。第３絶縁膜５は、第２屈折率より高い第３屈折率を有する。
以上述べた第２絶縁膜４は第１絶縁膜３中に設けられ、半導体基板１表面に平行な方向において、第１絶縁膜３に囲まれている。また、第３絶縁膜５は第４絶縁膜１９に囲まれている。ここで、第４絶縁膜１９は、第１絶縁膜３と同一若しくは異なる材料でもよい。材料が異なる場合、屈折率は第３屈折率よりも低い。
多層配線は、第１絶縁膜３中に形成される。多層配線層は、半導体基板１表面と平行方向において、第２絶縁膜４間と、第３絶縁膜５間とにそれぞれ設けられる。第１絶縁膜３中に設けられた多層配線は、半導体基板１表面に対して垂直方向に第１配線層６、第２配線層７とを少なくとも有する複数の配線層８から構成される。
各配線層８は、半導体基板１表面と平行な面内において、第１絶縁膜３を介して互いに離間して延伸する複数の配線９とを有する。各配線層８の配線９は必要により、半導体基板１に垂直な方向において他の配線９とビア（図示せず）で電気的に接続される。
配線９及びビアには、例えば、Cuが用いられる。
カラーフィルター１３は絶縁膜層最上部に保護膜１１と第２反射防止膜１２を介して設けられている。
本実施例では多層配線構造は、説明を容易にするために２層構造の例である。
ここでは第３絶縁膜５までしか示さないが、半導体基板１表面に対し垂直方向に屈折率が高くなる膜であれば、PD２の上方に１以上の別の絶縁膜をさらに設けることも可能である。
第２絶縁膜４の第２屈折率は、第１絶縁膜３から第３絶縁膜５に向かい単調に、または段階的に増加する。または、第２屈折率は、第１屈折率と第３屈折率との間の一定の値を有してもよい。すなわち、第２絶縁膜４は、1番低い屈折率を有する第１絶縁膜３と１番高い屈折率を有する第３絶縁膜５との中間の屈折率を有していればよい。第３絶縁膜５の第３屈折率も第２絶縁膜４の第２屈折率と同様に段階的に増加してもよいし、一定の値を有してもよい。
絶縁膜層の最上部には保護膜１１と第２反射防止膜１２を介して１つの画素に対応するマイクロレンズ１４がカラーフィルター１３の上に形成されている。
以下固体撮像素子の動作について説明する。
マイクロレンズ１４は固体撮像素子に向けて入射した光を効率よくPD２に集光させる。
マイクロレンズ１４を通過した入射光は、カラーフィルター１３を通り各画素の色の情報を持つ。
カラーフィルター１３を通過した入射光がPD２の上方に形成された第３絶縁膜５に入射する。
第３絶縁膜５は半導体基板1表面と平行方向において第４絶縁膜１９に囲まれている。これにより、第３絶縁膜５は半導体基板１表面に垂直な方向においてPD２への光路を構成する。第４絶縁膜１９と第３絶縁膜６の屈折率差により、入射光は半導体基板１表面に垂直方向において効率よく光路内を伝搬する。
PD２上面には光路形成の加工ダメージによるPD２の機能不良を防止するために第１絶縁膜３が設けられている。そのため光路としての役割を担う第３絶縁膜５とPD２上面に形成された第１絶縁膜３との界面で屈折率差が大きいことにより入射光が反射してしまうため、入射光をPD２で効率よく受光することができない。
そこで本実施形態に係る固体撮像素子では、第１絶縁膜３と第３絶縁膜５との界面で屈折率差を小さくするために、屈折率に関して中間層の役割を担う絶縁膜が設けられる。
第１屈折率を有する第１絶縁膜３と第３屈折率を有する第３絶縁膜５との間に、第１屈折率より高く第３屈折率より低い屈折率を有する第２絶縁膜４が設けられる。図１に示すように、屈折率に関して中間層としての役割を持つ絶縁膜が設けられることによりPD２の受光効率が良くなる。
第１絶縁膜３と第２絶縁膜４との界面、及び第２絶縁膜４と第３絶縁膜５との界面の方が、第１絶縁膜３と第３絶縁膜５との界面に比べ屈折率差が小さい。このため、本実施形態に係る固体撮像素子では、光がPD２に効率的に取り込まれる。
次に固体撮像素子の製造方法について図面を参照して説明する。
例えばSiなどからなる半導体基板１に不純物イオンを注入してPD２を形成する。
図２に示すように例えばプラズマCVD (Chemical Vapor Deposition)法などで、例えばSiNをPD２を有する側の半導体基板1上全体に第１反射防止膜１０を形成する。
第１反射防止膜１０の上全体に例えばプラズマCVD法や熱CVD法などで、例えばSiO2を成膜し、第１屈折率を有する第１絶縁膜３を形成する。
次に、第１絶縁膜中３に半導体基板１表面に垂直方向に多層配線を形成するため、図３に示すように、例えば、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術により第１絶縁膜３に溝１５を形成する。
次に図は省略するが、配線９に用いられるCuが絶縁膜中に拡散しないように、溝１５の表面に例えばスパッタ法などで例えば、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、チタン(Ti)又は窒化チタン(TiN)などのバリアメタルを成膜する。
バリアメタルを成膜後、図４に示すようにメッキにより配線９に用いられるCuを溝１５に埋め込む。Cu及び第１絶縁膜３の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で平坦化する。これによりCuからなる配線９が第１絶縁膜中３に形成される。次に第１配線層６のCu配線９が第１絶縁膜３に拡散しないようにプラズマCVD法などにより例えばSiNなどからなる保護膜１１を第１の絶縁膜３及びCu配線９上に成膜する。
次に第１配線層６と同一層内に第２絶縁膜４を形成する。図５に示すように第１配線層６形成後、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)とウエットエッチング法により第１絶縁膜３中のPD２上方に溝１６を形成する。ここで、溝１６は第１反射防止膜１０までは達していない。
図６に示すように、溝１６に第２絶縁膜４をプラズマCVD法などにより成膜する。その後、例えばCMP法やRIE法で第２絶縁膜４を平坦化する。これにより、第２絶縁膜４がPD２上方であって第１絶縁膜３内に形成される。第１配線層６と第２絶縁膜４は同一層内に形成される。
続いて第２配線を形成する。図７に示すように、第４絶縁膜１９が、プラズマCVD法などにより図２と同様に保護膜１１上に形成する。
第４絶縁膜１９は、第１絶縁膜３と同一若しくは異なる材料でもよい。材料が異なる場合、屈折率は第２屈折率、第３屈折率よりも低い。
次に図８に示すように、図３と同様に、溝１７を第４絶縁膜１９にその表面から例えばリソグラフィー技術及びドライエッチング技術により形成する。
次に図は省略するが、配線９に用いられるCuが絶縁膜中に拡散しないように、溝１７の表面に例えばスパッタ法などでバリアメタルを成膜する。
バリアメタルを成膜後、図９に示すように、メッキにより配線９に用いられるCuを溝１７に埋め込む。Cu及び第４絶縁膜１９の表面をCMP法により平坦化する。これにより、Cuからなる配線９が第４絶縁膜１９に形成される。次に第２配線層７のCu配線９が第４絶縁膜１９に拡散しないようプラズマCVD法などによりSiNなどからなる保護膜１１を成膜する。
次に、第３絶縁膜５を形成する。第２配線層７形成後、図１０に示すように、RIE法及びウエットエッチング法により、PD２上方で第４絶縁膜１９の表面から第２絶縁膜４の上面に達する溝１８を第４絶縁膜１９に形成する。
図１１に示すように、第３絶縁膜５を第４絶縁膜１９に形成した上記溝１８にプラズマCVD法などにより成膜し、その後例えばCMP法やRIE法で第３絶縁膜５を平坦化する。これにより、第３絶縁膜５が、PD２上方であって第４絶縁膜１９に第２絶縁膜４と接するように形成される。次に半導体基板１上の最上面に例えばSiNからなる第２反射防止膜１２をプラズマCVD 法やスパッタ法などにより第４絶縁膜１９上面及び、保護膜１１上に成膜する。第２反射防止膜１２の上面には１つの画素に対応するマイクロレンズ１４がカラーフィルタ１３の上に形成されている。以上より図１に示した固体撮像素子が完成する。
ここでの第１絶縁膜３及び第４絶縁膜１９は例えば酸化シリコン（屈折率1.4）からなる。第２絶縁膜４、第３絶縁膜５はそれぞれ、例えば窒素の組成の異なる窒化シリコンからなり、それぞれの屈折率は例えば1.6、2.0である。
本実施例において、第１絶縁膜３、第２絶縁膜４、第３絶縁膜５及び第４絶縁膜１９は組成の異なる窒化シリコンで説明したが、これだけに限定されず、絶縁材料に例えばTiを添加することでも絶縁膜の屈折率を制御できる。
また本実施例において絶縁膜の成膜方法にプラズマCVD法を用いて説明を行ったが、プラズマCVD法だけに限定されず、例えばスパッタ法や塗布を用いて成膜することもできる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や趣旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１・・・半導体基板
２・・・フォトダイオード
３・・・第１絶縁膜
４・・・第２絶縁膜
５・・・第３絶縁膜
６・・・第１配線層
７・・・第２配線層
８・・・配線層
９・・・配線
１０・・・第１反射防止膜
１１・・・保護膜
１２・・・第２反射防止膜
１３・・・カラーフィルター
１４・・・マイクロレンズ
１５、１６、１７、１８・・・溝
１９・・・第４絶縁膜

Claims (6)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板表面上に設けられたフォトダイオードと、
    前記半導体基板表面上に形成された第１屈折率を有する第１の絶縁膜と、
    前記フォトダイオード上方に前記第１絶縁膜を介して設けられ前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する第２の絶縁膜と、
    前記フォトダイオードの上方において、前記第２絶縁膜上に前記第２屈折率より高い第３屈折率を有する第３の絶縁膜と、
    前記フォトダイオード上方に設けられたマイクロレンズと、
    を備えた固体撮像素子。
  2. 前記第２及び第３の絶縁膜の側面に前記第３屈折率より小さい屈折率を有する第４の絶縁膜が設けられている
    ことを特徴とする
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第４絶縁膜の屈折率は前記第１の絶縁膜の屈折率と同一であることを特徴とする
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 隣り合う前記第２の絶縁膜の間に配線が設けられていることを特徴とする
    請求項１乃至３のいづれか１項に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第２屈折率は前記第１の絶縁膜から前記第３の絶縁膜に向かい増大する
    請求項１乃至４のいづれか１項に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１の絶縁膜から前記第３の絶縁膜へ向かって、前記第２屈折率は、単調に増加または段階的に増加する
    ことを特徴とする
    請求項５に記載の固体撮像素子。
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