JP2017168532A

JP2017168532A - 光センサ及びその製造方法

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Publication number: JP2017168532A
Application number: JP2016050155A
Authority: JP
Inventors: 直樹小笠原; Naoki Ogasawara
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: JP6692190B2

Abstract

【課題】半導体基板表面の段差に起因して生ずるフィルタの光学特性劣化を遮光膜を用いて少なくした光センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１の表面に素子分離領域１３及び受光部に受光素子が形成され、素子分離領域１３上に遮光膜１１が形成される。半導体基板１上に層間絶縁膜１４を遮光膜１１を被覆するように形成し、層間絶縁膜１４上にメタル配線１５を形成する。メタル配線１５を被覆するように層間絶縁膜１４上にパッシベーション膜１６が形成される。パッシベーション膜１６は、受光素子に対応する開口を有する。層間絶縁膜１４も受光素子に対応する開口を有し、受光素子は誘電体多層膜フィルタ１７と直接接している。受光素子、層間絶縁膜１４、パッシベーション膜１６を被覆するように、光学フィルタ用の誘電体多層膜フィルタ１７を形成して光センサが形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成された光学的フィルタを有し、フィルタからのリーク光を有効に遮光する光センサ及びその光センサの工程を簡略化した製造方法に関するものである。

シリコンなどの半導体基板上に形成したフォトダイオード等の光電変換素子を使った光センサが知られており、とくに、受光する光をフィルタを通してフォトダイオードへ入射させる構造が周知である。フィルタは、光センサが受光する光のうち所定波長をカットして必要な波長のみフォトダイオードに入射させるものである。一例として、蛍光マークなどの検出を行う場合、光源には紫外光ランプが用いられるため、受光部上には紫外線を通さないフィルタを形成し、紫外線光の直接の反射光には反応せず、対象物の蛍光反応による可視光のみを検出するものがある。
このフィルタは、例えば、シリコン基板上の受光部全体に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に複数積層した誘電体多層膜を形成することで構成され、カットしたい波長は誘電体多層膜の構造（各層の屈折率、膜厚、積層数）を制御することによって選択される。
フォトダイオード上に誘電体多層膜によるフィルタを形成して、不要な光の入射をカットする構造は、例えば、特許文献１に記載されている（図７参照）。
従来の光センサは、このようなフォトダイオード等の受光素子（光電変換素子）が形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する周辺回路とを同一半導体基板に形成することにより得られる。

図６は、従来の光センサの受光部を説明する半導体基板の平面図及び部分段面図である。半導体基板１００の表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順次形成した後、シリコン窒化膜の一部を除去し、この状態で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜が除去された領域にフィールド酸化膜を形成する。その後、熱処理の際にマスクとなった残りのシリコン窒化膜を除去することにより、フィールド酸化膜からなる素子分離領域１０３を形成し、素子分離領域１０３に囲まれた領域を受光部１０２とする。この受光部１０２の表面領域に受光素子が形成される。図６には受光素子を構成する表面拡散層１０１が示されている。受光部１０２において、受光素子を形成してから、半導体基板１００上にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜１０４を形成し、これをパターニングして受光素子を露出させる。次に、層間絶縁膜１０４上にメタル配線１０５を形成する。メタル配線１０５は、半導体基板１００に形成された受光素子で生成された信号をこの半導体基板に形成された内部回路で処理するために用いられる。次に、更に層間絶縁膜を形成するか或いは最終的なパッシベーション膜１０６が形成される。その後、図７に示すように、光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜を形成して光センサが形成される。

図７は、従来の光センサを構成するフォトダイオードなどの受光素子が形成された受光部を示す半導体基板の断面図である。受光素子は、ｐ⁻型半導体基板１００の表面に形成された寄生抵抗を低減するためのｎ^＋型埋め込み拡散層１１２と、半導体基板１００上に形成されたｎ⁻型エピタキシャル層１１３と、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３の表面に形成され、このエピタキシャル層１１３とｐｎ接合を形成し、且つ受光領域であるｐ^＋型拡散層１１４と、ｐ^＋型拡散層１１４上を除き、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３を含む半導体基板１００上に形成されたフィールド酸化膜１０３と、ｐ^＋型拡散層１１４の表面上に光学フィルタとして形成された誘電体多層膜１１５とを有する。また、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３には逆バイアスを印加する電極１１６が接続され、ｐ^＋型拡散層１１４には信号取り出し用の電極１１７が接続されている。

特許文献１には、受光素子であるフォトダイオード上に誘電体多層膜を光学フィルタとして形成した受光素子及びその製造方法が開示されている。半導体基板上に形成されたエピタキシャル層と、エピタキシャル層の表面に形成された受光領域の表面上のフィールド酸化膜が除去され、受光領域の表面上に光学フィルタとして形成された誘電体多層膜が形成されている。リップル（波）のないフラットな分光感度特性を得ることが可能である。また、紫外域の光をカットし、視感度特性に合った分光感度特性を得ることができる。

特開２００４−１１９６７８号公報

光センサは、半導体基板が複数の受光部及び受光部間を絶縁分離する素子分離層の領域に分かれており（図６参照）、その上に誘電体多層膜フィルタが形成されている構造となっている（図７参照）。ところが、受光部は、受光素子であるフォトダイオードが半導体基板表面領域に形成されて露出しており、その表面に前記フィルタが被覆しているのに対して、素子分離領域（フィールド酸化膜）１０３に誘電体多層膜フィルタを被覆した構造は、光学設計にて考慮していない。また、層間絶縁膜や最終保護膜（パッシベーション膜）、メタル配線等が形成されるので、いずれかの膜の端部がそこに位置した場合には、そこに段差が生じる。そして、その段差に起因して誘電体多層膜が薄くなる部分ができることがあり、その結果フィルタ特性が悪くなる可能性が高くなる。また、その段差に起因して誘電体多層膜が高さ方向に対して傾いて積層され、極端な場合には、各層が縦になる場合もある。従来、これらの現象によりフィルタの光学特性が不十分になるという問題があった。例えば、フォトダイオード周辺部分では、そこに形成されたフィルタによって遮光されるはずの波長の光がフォトダイオードまで到達したり、光が斜め入射となる段差側壁に沿って堆積したフィルタは、入射光に対する光学特性がシフトする（設計通りにならない）という問題があった。図６の平面図において、メタル配線は、その形状を明確にするために、パッシベーション膜から露出して表示している。
本発明は、このような事によりなされたものであり、下地となる半導体基板表面の段差に起因して生ずるフィルタの光学特性劣化を少なくした光センサ及びその製造方法を提供する。

本発明の光センサの一態様は、半導体基板の表面に形成された受光素子と、前記半導体基板の表面に形成され前記受光素子を区画する素子分離領域と、前記素子分離領域上に形成された遮光膜と、前記遮光膜を覆うと共に前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆って形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、前記配線層を覆って形成されると共に、前記受光素子に対応する開口を有し、前記開口の端部が前記遮光膜の上方に位置するパッシベーション膜と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って形成された誘電体多層膜からなるフィルタとを有することを特徴としている。前記遮光膜は、前記受光素子の周縁領域上まで延在しているようにしてもよい。前記誘電体多層膜からなるフィルタによってカットする波長は紫外線であり、前記遮光膜はポリシリコンからなるようにしてもよい。前記遮光膜を構成する材料は、ポリシリコン、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒのいずれか１種からなるようにしてもよい。また、これらの材料を含む積層膜であってもよく、例えば、Ｃｏ−polyＳｉ、ＷＳｉ−polyＳｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｔｉ／ＴｉＮ，Ｔｉ−polyＳｉを用いることができる。

本発明の光センサの製造方法の一態様は、半導体基板の表面に受光素子を形成する工程と、前記半導体基板の表面に前記受光素子を区画する素子分離領域を形成する工程と、前記素子分離領域上に遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜を覆うと共に前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆って層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に配線層を形成する工程と、前記配線層を覆うと共に、前記受光素子に対応する開口の端部が前記遮光膜の上方に位置するようにパッシベーション膜を形成する工程と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って誘電体多層膜からなるフィルタを形成する工程とを有し、前記遮光膜は、前記半導体基板に形成され、且つ受光素子により検出した信号を処理する内部回路を構成するＭＯＳトランジスタのゲート電極と同一の製造工程で形成することを特徴としている。

本発明では、受光素子周辺の段差部分の下に遮光膜を形成することにより、段差部分に形成されたフィルタ層を透過した光の受光素子への到達が遮断される。これにより、段差部分でフィルタ層の光学特性が設計値からシフトし、遮光波長の光がフィルタ層をリークした場合でも、光センサとして光学特性への影響を無くすことができる。特に、遮光膜にポリシリコンを用いると、この材料は、可視光を透過し紫外光の透過を遮断する為、紫外光をカットするフィルタと組み合わせた場合には、可視・赤外線波長域の感度を低下させずに所望の光学特性を有する光センサとすることができる。また、遮光膜を形成するに際して特別な工程を追加する必要が無いので製造工程を簡略化することができ。

実施例１に係るフィルタを有し光センサが形成された半導体基板の部分断面図。実施例１に係る光センサが形成された半導体基板の平面図。実施例１に係る光センサが形成された半導体基板の平面図及び平面図に示されたＡ−Ａ´部分の断面図。実施例２に係る光センサが形成された半導体基板の平面図及び平面図に示されたＡ−Ａ´部分の部分断面図。実施例２に係るフィルタを有し光センサが形成された半導体基板の部分断面図。従来の光センサが形成された半導体基板の平面図及び平面図に示されたＡ−Ａ´部分の部分断面図。従来の光センサが形成された半導体基板の内部構造を説明する断面図。

本発明は、遮光膜をフォトダイオード周辺部の段差直下の素子分離領域上に形成してこの段差によってフィルタからリークした波長帯の光を遮光することを特徴としている。
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
図２に示すように、この実施例の光センサは、シリコンなどの半導体基板１に形成されたフォトダイオード等の受光素子１０が複数形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する内部回路２０とを備えている。受光素子の内部構造は、図７に記載された従来のものと同じ構成である。

図３は、この実施例の光センサを説明する半導体基板の平面図及び部分段面図であり、図１は、この半導体基板の表面にフィルタを被覆した断面図を示している。平面図では、メタル配線の形状を明確に示す為にメタル配線上に配置されたパッシベーション膜は表示しない。部分断面図は、受光部上の略中央部分（例えば、図３中のＡ−Ａ’で示す部分）の断面図である。
半導体基板１の表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順次形成した後、シリコン窒化膜の一部を除去し、この状態で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜が除去された領域にフィールド酸化膜を形成する。その後、熱処理の際にマスクとなった残りのシリコン窒化膜を除去することにより、上記フィールド酸化膜からなる素子分離領域１３を形成し、素子分離領域１３に囲まれた領域を受光部とする。この受光部の表面領域に受光素子が形成される。そして、この受光部を囲むように素子分離領域１３上に遮光膜１１が形成される。この実施例ではポリシリコンを遮光膜１１の材料として用いる。図１及び図３では受光素子を構成する表面拡散層１２を素子そのものとして表示している。その後、半導体基板１上にシリコン酸化膜、ＢＰＳＧなどの層間絶縁膜１４を遮光膜１１を被覆するように形成し、これをパターニングして受光素子を露出させ、さらに、この層間絶縁膜１４上にメタル配線１５を形成する。メタル配線１５は、半導体基板１に形成された受光素子で生成された信号を半導体基板１に形成された内部回路２０で処理するために用いられる。この実施例では、層間絶縁膜は１層であるが、必要に応じて、更に層間絶縁膜を重ねて多層配線層を形成することができる。

次に、メタル配線１５を被覆するように層間絶縁膜１４上にパッシベーション膜１６が形成される。このパッシベーション膜１６は、パターニングされ、受光部を露出させることによって受光素子に対応する開口を有する。同様に、層間絶縁膜１４も受光素子に対応する開口を有し、受光素子は誘電体多層膜フィルタ１７と直接接している。パッシベーション膜１６を形成後、図１に示すように、半導体基板１上に露出する受光素子、層間絶縁膜１４、パッシベーション膜１６を被覆するように、光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜フィルタ１７を形成して光センサが形成される。
この誘電体多層膜フィルタ１７は、受光部及びここから離れた素子分離領域１３上は平坦に形成されているが、パッシベーション膜１６や層間絶縁膜１４の開口部分は段差になるので、段差の側壁に形成される誘電体多層膜フィルタ１７の各層は、その積層方向が半導体基板１の表面に対してほぼ垂直に形成される。このような部分が存在すると、外部から受光面に垂直に入射する光に対して、フィルタリングされるべき波長の光がリークしてしまうなど、誘電体多層膜フィルタ１７としてのフィルタ特性が劣化する。

この実施例では、所望のフィルタ特性を持たないフィルタ膜の部分を透過する光を、受光部へ到達させないようにするものであり、遮光膜１１がこの透過光の受光部への到達を妨げる役割を果たす。遮光膜１１は、パッシベーション膜１６および層間絶縁膜１４の開口の端部がその上方に位置するように、素子分離領域１３上に配置されている。これにより、段差部分に形成されたフィルタ層を透過した光の受光素子への到達が遮断され、段差の影響で所望のフィルタ特性に成らなかった部分による光センサの光学特性への影響を補うようになっている。
誘電体多層膜フィルタ１７は、膜厚２０００ナノメートル程度であり、ＳiＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3などの低屈折材料と、Ｎb2Ｏ5、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＨＦＯ2などの高屈折率材料とを組み合わせた多層膜から構成され、必要としない波長の光をカットするものである。また、遮光膜１１を構成する材料は、ポリシリコン、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒから選択される。また、これらの材料を含む積層膜であってもよく、例えば、Ｃｏ−polyＳｉ、ＷＳｉ−polyＳｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｔｉ／ＴｉＮ，Ｔｉ−polyＳｉを用いることができる。特に、遮光膜にポリシリコンを用いると、この材料は、可視光を透過し紫外光の透過を遮断する為、紫外光をカットするフィルタと組み合わせた場合には、紫外光を遮光し、可視・赤外線波長域の感度を低下させずに所望の光学特性を有する光センサとすることができる。

以上、この実施例では、遮光膜を形成することにより、受光素子が形成された段差周辺を透過する光及び斜めの入射となる受光素子が形成された段差側壁に垂直に堆積した誘電体多層膜フィルタに対して、受光素子の光学特性への影響を無くすことができる。

次に、図２、図４及び図５を参照して実施例２を説明する。
実施例１と同様に、この実施例の光センサは、シリコンなどの半導体基板２に形成されたフォトダイオード等の受光素子が複数形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する内部回路とを備えている（図２参照）。
図４は、この実施例の光センサを説明する半導体基板の平面図及び部分段面図であり、図５は、この半導体基板の表面にフィルタを被覆した断面図を示している。平面図では、メタル配線の形状を明確に示す為にメタル配線上に配置されたパッシベーション膜は表示しない。部分断面図は、受光部上の略中央部分（例えば、図４中のＡ−Ａ’で示す部分）の断面図である。
半導体基板２表面シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順次形成した後、シリコン窒化膜の一部を除去し、この状態で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜が除去された領域にフィールド酸化膜を形成する。その後、熱処理の際にマスクとなった残りのシリコン窒化膜を除去することにより、上記フィールド酸化膜からなる素子分離領域２３を形成し、素子分離領域２３に囲まれた領域を受光部とする。この受光部の表面領域に受光素子が形成され、受光部を囲むように素子分離領域２３上に遮光膜２１が形成される。図４及び図５では表面拡散層２２を受光素子として表示している。その後、半導体基板２上に層間絶縁膜２４を遮光膜２１を被覆するように形成し、これをパターニングして受光素子を露出させ、更に、層間絶縁膜２４上にメタル配線２５を形成する。メタル配線２５は、半導体基板２に形成された受光素子で生成された信号を半導体基板２に形成された内部回路で処理するために用いられる。

次に、メタル配線２５を被覆するように層間絶縁膜２４上にパッシベーション膜２６が形成される。このパッシベーション膜２６は、パターニングされ、受光部を露出させることによって受光素子に対応する開口を有する。同様に、層間絶縁膜２４も受光素子に対応する開口を有する。受光素子は誘電体多層膜フィルタ２７と直接接している。パッシベーション膜２６を形成後、半導体基板２上に露出する受光素子、層間絶縁膜２４、パッシベーション膜２６を被覆するように、光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜フィルタ２７を形成して光センサが形成される。

この実施例２では、実施例１同様に、所望のフィルタ特性を持たないフィルタ膜の部分を透過する光を、受光部へ到達させないようにするものであり、遮光膜２１がこの透過光の受光部への到達を妨げる役割を果たす。この実施例の遮光膜２１は、形状が実施例１とは異なる。この遮光膜２１は、受光部表面に形成された受光素子を囲むように素子分離領域２３に形成される点では実施例１と同じであるが、図４に示すように、遮光膜２１は、受光素子を構成する表面拡散層２２上にも形成されて、受光素子の周縁領域上まで延在している。
この誘電体多層膜フィルタ２７は、パッシベーション膜２６の開口部分のみならず層間絶縁膜２４の開口部分の周辺も段差が形成される。層間絶縁膜の開口部分は、受光素子と素子分離領域１３との境界も含まれ、特に段差の影響が懸念される。上述の実施例同様に、このような段差のある部分は、誘電体多層膜フィルタ２７にてフィルタリングされるべき波長の光がリークしてしまうなど、誘電体多層膜フィルタ２７としてのフィルタ特性が劣化してしまう。このような所望のフィルタ特性を持たなくなった部分でも、遮光膜２１が受光素子の周縁領域上まで延在しているので、フィルタリングされるべき波長のリーク光の受光素子への入射防止の効果を高めることができる。

次に、光センサの製造方法を説明する。
光センサの製造方法は、半導体基板の表面に受光素子を形成する工程と、前記半導体基板の表面に前記受光素子を区画する素子分離領域を形成する工程と、前記素子分離領域上に遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜を覆うと共に前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に配線層を形成する工程と、前記配線層を覆うと共に、前記受光素子に対応する開口の端部が前記遮光膜の上方に位置するようにパッシベーション膜を形成する工程と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って誘電体多層膜からなるフィルタを形成する工程とを有する。当該遮光膜は、受光素子により検出した信号を処理する内部回路を構成するＭＯＳトランジスタのゲート電極と同一の製造工程で形成される。
内部回路に、ＭＯＳトランジスタを使用する場合、遮光膜と共通するポリシリコンをゲート電極に用いる。半導体基板の素子分離領域及び内部回路を構成するＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜を含む表面上にポリシリコン膜を形成する。そして、このポリシリコン膜をパターニングして、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、同時に素子分離領域上に遮光膜を形成する。このとき、遮光膜は、受光素子の周縁領域上まで延在して形成することもできる。

以上、この実施例では、遮光膜を形成することにより、段差部分に形成されたフィルタ層を透過した光の受光素子への到達が遮断される。これにより、段差部分でフィルタ層の光学特性が設計値からシフトし、遮光波長の光がフィルタ層をリークした場合でも、光センサとして光学特性への影響を無くすことができる。また、遮光膜にポリシリコンを用いると、この材料は、可視光を透過し、紫外光の透過を遮断する為、紫外光をカットするフィルタと組み合わせた場合には、可視・赤外線波長域の感度を低下させずに所望の光学特性を有する光センサとすることができる。また、特別な工程を追加する必要が無いので工程が簡略化され、製造コストを抑制できる。

１、２・・・半導体基板
１０・・・受光素子
１１、２１・・・遮光膜
１２、２２・・・表面拡散層
１３、２３・・・素子分離領域
１４、２４・・・層間絶縁膜
１５、２５・・・メタル配線
１６、２６・・・パッシベーション膜
１７、２７・・・誘電体多層膜フィルタ
２０・・・内部回路

Claims

半導体基板の表面に形成された受光素子と、前記半導体基板の表面に形成され前記受光素子を区画する素子分離領域と、前記素子分離領域上に形成された遮光膜と、前記遮光膜を覆うと共に前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆って形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、前記配線層を覆って形成されると共に、前記受光素子に対応する開口を有し、前記開口の端部が前記遮光膜の上方に位置するパッシベーション膜と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って形成された誘電体多層膜からなるフィルタとを有することを特徴とする光センサ。
前記遮光膜は、前記受光素子の周縁領域上まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
前記誘電体多層膜からなるフィルタによってカットする波長は紫外線であり、前記遮光膜はポリシリコンからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光センサ。
前記遮光膜は、ポリシリコン、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒの少なくとも１種を含む材料または積層膜なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光センサ。
半導体基板の表面に受光素子を形成する工程と、前記半導体基板の表面に前記受光素子を区画する素子分離領域を形成する工程と、前記素子分離領域上に遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜を覆うと共に前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に配線層を形成する工程と、前記配線層を覆うと共に、前記受光素子に対応する開口の端部が前記遮光膜の上方に位置するようにパッシベーション膜を形成する工程と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って誘電体多層膜からなるフィルタを形成する工程とを有し、前記遮光膜は、前記半導体基板に形成され、受光素子により検出した信号を処理する内部回路を構成するＭＯＳトランジスタのゲート電極と同一の製造工程で形成することを特徴とする光センサの製造方法。