JP3762673B2 - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、より詳しくは受光部上に光の入射を遮るものが存在する場合においても光の集光率を低下させることのない固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタルネットワーク化、モバイル化が急速に進展すると共に、携帯情報端末への画像取り込みやPHSを使った画像通信などへのニーズが高まり、これに伴い、携帯機器に搭載することができる小型/低消費電力の撮像素子が求められている。従来、デジタルカメラ等の分野において、一般的にCCD型固体撮像素子が使用されているが、CMOS型固体撮像素子も使用されている。
CCD型固体撮像素子はノイズが少なく、高感度であるが、周辺回路の設計上、小型化が困難である。一方、CMOS型固体撮像素子は、CCD型固体撮像素子に比べ周辺回路との一体化が容易であり、システムの小型化/低消費電力化が図れるため、携帯電話やPHSをはじめ、ノートパソコン、PDA等の電池駆動のモバイル機器に最適な撮像素子として期待されている。現在、CCD型固体撮像素子と同等のノイズレス特性や高感度を有するCMOS型固体撮像素子の開発が望まれている。
【0003】
従来のCMOS型固体撮像素子は、多数の画素ピクセル(例えば、200万画素)が二次元配置された画素エリアを有し、各画素ピクセルは受光部とそれら受光部の選択、増幅、受光部電位のリセットを行うための3個から5個程度のトランジスタ等を含む。また、画素エリアの周辺には、各画素を駆動フォーマットにしたがって駆動するためのドライバやタイミング回路等を含む駆動用回路が配置されている。。その受光部構造を図1に示す。
【0004】
従来のCMOS型固体撮像素子1は、p型半導体基板101上に受光部(n型不純物層102)と上記した受光部それぞれに付属する数個のトランジスタを電気的に分離するためのシリコン酸化膜103が形成されている。その上に、第1の絶縁膜104が形成され、さらに、その上にメタル配線105が形成されている。すなわち、第1の絶縁膜104はメタル配線105の下地絶縁膜となる。さらに、メタル配線上に第2の絶縁膜106および平坦化膜109が設けられ、その上に、入射光を受光部へ集光するためのマイクロレンズ110が形成された構造となっていた。
【0005】
次に、図2を用いて、従来のCMOS型固体撮像素子の製造方法を詳細に説明する。
まず、図2Aに示すように、p型半導体基板101に前記のように受光部とそれぞれの受光部に付属する数個のトランジスタ、受光エリア周辺での駆動用トランジスタをそれぞれ電気的に分離するための厚いシリコン酸化膜103をシリコンの熱酸化により形成する。酸化条件としては950〜1100℃の温度中に水素と酸素ガスを入れることにより200〜600nmのシリコン酸化膜を形成したものである。その後、パターニング、イオン打込みおよび熱処理の工程を行なって、受光部となるn型不純物層102を形成する。
【0006】
次に、配線用メタル膜を形成するための下地として、平坦性をもつ第1の絶縁膜104を形成する。第1の絶縁膜104はリンとホウ素を含んだシリコン酸化膜(BPSG膜)であり、常圧CVD装置を用いて、SiH4ガス70〜100cc/分、PH3ガス150〜250cc/分、B2H6ガス150〜250cc/分、O2ガス2〜3L/分、成膜温度400〜500℃の条件下で成膜する。この膜中に含まれるリンの濃度は3.0〜3.5mol%、ホウ素の濃度は3.0〜3.5wt%である。成膜後に900〜1000℃の温度にて熱処理を行うことにより溶融させて、膜の表面を平坦化する。
【0007】
次に、受光部電位をメタル配線に取り出すためのコンタクトホールをパターニングし、エッチングして形成する。コンタクトホールは、フッ酸水溶液でのウエットエッチングおよび、反応性イオンエッチング(RIE)を用いるドライエッチングにより行う。そのときのドライエッチング条件は、処理室圧力100〜300Pa、CHF3ガス20〜100sccm、CF4ガス5〜50sccm、Arガス500〜1000sccm、電極RFパワー500〜1000Wである。
【0008】
引続いて、スパッタリング等の方法を用いて、第1の絶縁層104上全面に配線用メタル膜を成膜する。メタル膜としてはAl、Al−Si、Al−Cu、Cu、W等の単層膜、または、Al、Al−Si、Al−Cu、Cu、W等の膜とW、TiN、TiW、Ti等の膜との多層膜が使用されることが多いが、ここでは、Al−Si単層膜を用いている。その後、ドライエッチングにより配線用メタル膜のエッチングを行って、配線105をパターニングする。ドライエッチングは、例えば、電子サイクロトロン共鳴(ECR)型プラズマエッチング装置を用い、処理室圧力0.1〜3Pa、BC13ガス20〜100sccm、Cl2ガス20〜100sccm、マイクロ波パワー200〜500mA、バイアスRFパワー20〜100Wの条件下で行なう。
【0009】
次に、図2Bに示すように配線105上にCVD等の方法によりシリコン酸化膜等の第2の絶縁膜106を成膜し、図2Cに示すように、メカノケミカルポリッシング(CMP)等の方法により平坦化を行う。この後、受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、2層目以降の配線層形成を上記と同様の工程を繰り返すことで形成するのであるが、ここでは省略する。
この後、図2Dに示すように、第2の絶縁層106上にアクリル系材料をスピンコートし、続いてエッチバックすることにより表面を平坦化して、マイクロレンズの下地となる平坦化膜109を形成する。その上に、やはりアクリル系材料であるマイクロレンズ材料をスピンコートし、パターニングした後、ベーキング(熱処理)により溶融させて、マイクロレンズ110を形成する。このような工程を用いて従来のCMOS型固体撮像素子を製造していた。
【0010】
上記したごとく、従来のCMOS型固体撮像素子においては、受光部の電位を取り出し、トランジスタを用いて増幅する必要があるため、受光部上に形成された絶縁膜にコンタクトホールを設け、受光部と配線とを接続した構造となっていた。この場合、図1の入射光軌跡111に示されるように、マイクロレンズにて集光された光は受光部に接続した配線に当たり、受光部への集光が妨げられ、感度低下を招いたり、また、乱反射した光が増幅用トランジスタ等に入射することによりノイズの発生を招いていた。
【0011】
さらに、最近の撮像デバイスでは、その製造プロセスの微細加工レベルの進展よりも、画素寸法微細化の方が早く進む傾向にあり、例えば、微細加工プロセスは同じで、画素の微細化のみを行った場合、図3に示したように、受光部のサイズが縮小されても、配線幅が変化しないため、配線が光を遮る割合が増大する傾向にある。また、図4に示したように、パターンレイアウト上の都合によっては配線が受光部上を横切る可能性もある。
【0012】
そこで、特開平11−274443は光の集光率を高めるための方法を開示する。この方法は、CMOS型撮像素子はもとより、CCD型撮像素子においても用いられている。この方法により作成された固体撮像素子の構造を図5に示す。
図5に示すように、この固体撮像素子2では、シリコン基板201に受光部となる不純物層202を設け、その上に絶縁膜204を形成する。次に、集光を遮らないように、受光部202の周辺領域に配線205を形成する。この配線205はCCD型撮像素子においては転送ゲート電極アレイヘの光の入射を遮る遮光膜として考えることができる。
配線205上に第1の層間膜206を形成し、次いで、受光部202の上方にある領域を断面凹形状に加工する。さらに、断面凹形状部分には第2の層間膜207が成膜されている。その上に平坦化膜209が形成され、マイクロレンズ210が平坦化膜209上に形成される。
【0013】
上記の構成によれば、第1の層間膜206の屈折率(実際にはシリコン酸化膜を用い、屈折率は1.45である)を第2の層間膜207の屈折率(実際にはシリコン窒化膜を用い、屈折率は2.00である)より小さくすることにより、受光部202上方に形成された断面凹形状部分を通過した光はさらに屈折して、受光部202に効率良く集光されるようになる。
すなわち、図5の入射光軌跡211に示すように、外部からの光はマイクロレンズ210で屈折して上記断面凹形状部分に集光され、そこでさらに屈折して受光部202に集光されるので、高い集光率を示すこととなる。
【0014】
この方法は、例えば、受光部202を大きく形成できない場合、マイクロレンズ210を形成する時のプロセス上およびパターンレイアウト上の問題により、マイクロレンズのみでは受光部202への光の集光率を高めることができない場合または、斜めからの光の入射でも集光率を高めたい場合などに用いられてきた技術であり、基板上の配線を新たにデザインする必要があるので、従来の固体撮像素子の製造には適用ができない。
かくして、本発明の目的は、受光部上に配線が形成され光の集光が遮られた構成を有する従来のCMOS型固体撮像素子において、確実に受光部へ光を集光させ、また配線において乱反射した光がトランジスタ等に入射してノイズを発生させることを抑えることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、光の入射を遮るメタル配線上に設けた一つの絶縁膜をメタル配線パターンと同じパターンにて断面凹形状に加工し、さらに前記一つの絶縁膜よりも小さい屈折率を有する材料でもう一つの絶縁膜を前記一つの絶縁膜上に形成することにより、マイクロレンズから集光されて前記一つの絶縁膜に形成された凹形状部分に入射した光は配線を避けて広がり受光部に入射するようになる。この場合、配線を避けて広がった光は受光部よりもはみ出して広がってしまうこともあり得、増幅用トランジスタ等に入射してノイズ成分となることがある。これを避けるため、前記一つの絶縁膜に受光部を囲むパターンにて溝を形成し、溝内に光を反射する金属材料を埋め込んだものである。さらに前記一つの絶縁膜において広がった光の軌跡をなるべく遮ることのないように、配線を傾斜をもたせて形成し、前記1の絶縁膜で広がった光をなるべく多く受光部へ入射するようにしたものである。このような構造とすることで、マイクロレンズで集光された光は前記一つの絶縁膜の断面凹形状部に入射、上層に形成されたもう一つの絶縁膜との屈折率の違いにより、入射した光は配線を避けるように拡散して受光部に入射する。光を集光させるのではなく拡散させることで受光部以外の部分まで光が広がることもあり得るが、受光部周辺をすべて反射率の高い金属製のフェンスで囲むことで受光部以外まで広がった光を反射させて、すべての光を受光部へと導くことができる。
【0016】
より詳しくは、本発明は、一導電型の半導体基板上に受光部とその駆動用回路を多数アレイ状に配置し、前記各受光部上に配線層を有する固体撮像素子において、前記配線層の上方に凹状の加工部を有する絶縁膜が形成され、さらにその上に、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有するもう一つの絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【0017】
本発明の固体撮像素子は、前記受光部上の配線層はテーパー状の傾斜角を有することを特徴とする。
すなわち、受光部上に形成された配線層の断面形状を上部が狭い略台形とすることで、入射した光が配線層に遮られることなく受光部表面に照射される。
【0018】
また、本発明の固体撮像素子は、前記凹状の加工部を有する絶縁膜がシリコン窒化膜であり、前記もう一つの絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする。
すなわち、前記凹状の加工部を通過する光は、屈折率の低い(n=1.45)シリコン酸化膜から屈折率の高い(n=2.00)シリコン酸化膜へ進行するので、受光部上に形成された配線層を避けるように広がる。
【0019】
さらに、本発明の固体撮像素子は、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の表面から貫通するように形成された溝中に光の反射率の高い金属材料を埋め込んだことを特徴とする。前記光の反射率の高い金属膜材料は、Al、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wのいずれかの単層膜であるか、あるいはTiN、Ti、TiW、Wいずれか1つとAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、TiW、Wのいずれか1つとの多層膜であることを特徴とする。
【0020】
本発明の固体撮像素子は上記構造を有しているので、受光部上に光の集光を遮る配線が存在する場合においても、配線を避けて確実に受光部へ光を入射させることができ、また、配線を避けきれない微少な光が配線において乱反射しても、乱反射した光が増幅用トランジスタ等に入射することに起因するノイズ発生を抑えることができる。
【0021】
また、本発明は、上記した構造の固体撮像素子を製造するために、一導電型の半導体基板上に、受光部とその駆動用回路を多数にアレイ状に配置して形成する工程と、
前記半導体基板上全面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜ににコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを介して前記受光部に接続する配線層を形成する工程と、
前記配線部の上部が狭くなるように配線部をテーパー状に加工する工程と、
前記第1の絶縁膜および配線部上の全面に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に第1の形状形成用酸化膜を形成し、第1の形状形成用酸化膜を平坦化する工程と、
エッチバックして前記第2の絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
前記平坦化された第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記凹状の加工部が形成された第2の絶縁膜上の全面に第3の絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。
【0022】
本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記平坦化された第2の絶縁膜上に第2の形状形成用酸化膜を形成する工程と、
前記第2の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
エッチバックして第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を転写する工程と
を含むことを特徴とする。
また、前記第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記第2の形状形成用酸化膜上にレジスト膜を形成し、パターニングしてエッチングマスクを形成する工程と、
フッ化水素酸を用いる等方性ウェットエッチングにより、前記第2の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記エッチングマスクを除去する工程と、
前記第2の形状形成用酸化膜と前記第2の絶縁膜とのエッチング選択比が0.5から1.0の範囲の条件で第2絶縁膜をドライエッチングすることにより、
前記第2の絶縁膜の表面に前記凹状の加工部を転写する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項8記載の固体撮像素子の製造方法。
さらに、前記受光部を取り囲むように第2の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含むことを特徴とする。
【0023】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記受光部を取り囲むように第2の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含むことを特徴とする。前記光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程は、
スパッタリング法または化学気相成長法により、Al、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wのいずれか1つの単層膜か、またはTiN、Ti、TiW、Wのいずれか1つとAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、TiW、Wのいずれか1つとからなる多層膜を形成することを特徴とする。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、添付図面を参照して説明する。
【0025】
固体撮像素子の構成
本発明の固体撮像素子の構成を図6に示す。本発明の固体撮像素子3は、p型半導体基板301の表面に複数のn型不純物層302(以下、簡単に「受光部」という)、および各受光部に付属する数個のトランジスタ(図示せず)が形成され、複数の受光部およびそれら受光部の各々に附属するトランジスタは、シリコン酸化膜等からなる素子分離用絶縁膜303により電気的に分離されている。
実際には、本発明の固体撮像素子は、複数の受光部および各受光部に附属するトランジスタを有する固体撮像素子が複数個アレイ状に配置された構成となっているが、簡便のため、1の固体撮像素子部のみを図示し、以下、1の固体撮像素子部につき説明する。
【0026】
受光部302および素子分離用絶縁膜303上には配線用メタル層の下地となる第1の絶縁膜304がシリコン酸化膜等により形成され、その上に、メタル配線305が形成されている。この配線305は第1の絶縁膜304を貫通して、受光部302と導通されている。また、この配線305は、上部で拡散された光の軌跡を遮らないように、40゜〜70゜の傾斜をもたせて形成されている。すなわち、配線305の断面形状は、絶縁膜304に接する側が広く、上部が狭い略台形となっている。
【0027】
その上層には、第2の絶縁膜306(下層絶縁膜)が形成されている。配線305の上方にある第2の絶縁膜306の領域には、配線305に沿って断面凹形状領域が設けられている。
さらに、その上層全面には、上部が平坦な第3の絶縁膜307(上層絶縁膜)が形成されている。この実施例において、第2の絶縁膜306は、光の屈折率が2.00であるシリコン窒化膜で形成され、第3の絶縁膜307は、光の屈折率が1.45であるシリコン酸化膜で形成されている。この構成により、光が第3の絶縁膜307から第2の絶縁膜306へ進入すると、屈折により配線305を避けるように光が拡散される。
【0028】
また、受光部302の周辺を囲むように金属製のフェンス(反射用金属膜308)が設けられているため、上記のごとく、広がった光が増幅用トランジスタ等に入射してノイズを発生することを防ぐことができる。さらに、この金属製フェンスに当たった光は反射により全て受光部に入射する。
受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、2層目以降の配線層形成をするが、今回の実施例では省略する。
さらに、第3の絶縁膜307上層にアクリル系材料からなる平坦化膜309が形成され、その上に凸状のマイクロレンズ310が設けられている。
【0029】
すなわち、本発明の固体撮像素子は上記の構成を有するので、外部から入射した光は、まず、マイクロレンズ310により第2の絶縁層306に設けられた凹形状部分に集光され、さらに、第3の絶縁層307から第2の絶縁層306に進行するときに受光部302の周辺に広がるように屈折して、入射光は配線305に実質的に遮られることなく受光部302上に集光される。また、受光部領域の外部にまで広がった光は、反射用金属膜308により反射されて受光部302上に照射される。
【0030】
固体撮像素子の製造方法
次に、本発明の固体撮像素子を製造する方法について、図7〜11を用いて詳細に説明する。図7〜10は、本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図であり、図11は、主要な工程における固体撮像素子パターンの概略上面図である。図11A〜Dに記載された上面図は、それぞれ、図7A、図8E、図9Hおよび図10Jの工程における固体撮像素子のパターンを示す。
まず、図7Aに示すようにシリコン製のp型半導体基板301上に、複数の受光部302およびそのそれぞれに付属する増幅用トランジスタ等、受光部周辺回路部でのトランジスタ等を電気的に分離するために、シリコン製の半導体基板301を熱酸化してシリコン酸化膜にすることにより、素子分離用絶縁膜303を形成した。具体的には、950〜1100℃の温度の拡散炉中に水素と酸素ガスを入れた熱酸化条件下、200〜600nmの素子分離用絶縁膜303を基板上に形成した。
なお、本実施例においては受光部に付属する増幅用トランジスタ等は図示していない。また、実際には、複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が形成されるが、ここでは、1の固体撮像素子について図示し、説明する。
【0031】
次に、前記素子分離用絶縁膜303およびレジストパターンをマスクとしてリン、ヒ素等の不純物をイオン打込みし、熱処理を行うことでn型不純物層である受光部302を形成し、引続いて、配線用メタル膜の下地となる第1の絶縁膜304をシリコン酸化膜により形成する。この実施例においては、リンおよびホウ素を含んだシリコン酸化膜(BPSG膜)を使用した。常圧CVD装置を用いSiH4ガス70〜100cc/分、PH3ガス150〜250cc/分、B2H6ガス150〜250cc/分、O2ガス2〜3L/分、成膜温度400〜500℃の条件下、第1の絶縁膜304を製膜した。この膜中に含まれるリンの濃度は3.0〜3.5mol%、ホウ素の濃度は3.0〜3.5wt%とした。
製造プロセスの微細化を考慮すると、成膜、パターニングおよびエッチング加工の容易性の観点から、配線用メタル膜下の絶縁膜の表面は平坦であることが望ましい。従って、900〜1000℃の温度で熱処理を行なって、第1の絶縁膜304の表面を平坦化した。
【0032】
次に、第1の絶縁膜304の表面をパターニングし、エッチングして、受光部電位をメタル配線305により取り出すためのコンタクトホールを形成した。コンタクトホールは、フッ化水素酸でのウェットエッチングおよびRIEのドライエッチングにより形成した。そのドライエッチングの条件は、RIEを用いて処理室圧力100〜300Pa、CHF3ガス20〜100sccm、CF4ガス5〜50sccm、Arガス500〜1000sccm、電極RFパワー500〜1000Wであった。
【0033】
その後、第1の絶縁層304の全面に、配線用メタル膜をスパッタリング等の方法により成膜する。成膜する膜としては、Al、Al−Si、Al−Cu、Cu、W等の単層膜、あるいは、Al、Al−Si、Al−Cu、Cu、W等のいずれか1つとW、TiN、TiW、Tiのうちいずれか1つとの多層膜を用いることができるが、この実施例においては、スパッタリングによりAl−Si単層膜を形成した。
【0034】
次いで、配線用メタル層をフォトリソグラフィーによりパターニングして、配線305を形成し、さらに、ドライエッチングにより、配線305の側面が、内側に傾斜したテーパー形状を持つようにエッチング加工した。この配線305は、第2の絶縁層306の上部に形成された凹形状部分を通過して拡散された光の軌跡をなるべく遮ることのないように40°〜70°の傾斜をもたせて形成する。この実施例においては、ECR型プラズマエッチング装置を用い、処理室圧力1.5〜3Pa、BCl3ガス50〜100sccm、Cl2ガス20〜70sccm、マイクロ波パワー300〜500mA、バイアスRFパワー20〜40Wの条件下でエッチングを行なって、70゜の傾斜を持った配線305を形成した。
【0035】
次に、図7Bに示すように、本発明での構造上および製造方法上で最も重要となる第2の絶縁膜306を配線305上に成膜する。前記のように第2の絶縁膜306には、光の屈折率ができるだけ大きいものを使用することが望ましく、後に形成する第3の絶縁膜307の光の屈折率よりも大きくすることが必要である。この実施例においては、第2の絶縁膜306には光の屈折率が2.00であるシリコン窒化膜を用い、第3の絶縁膜307には光の屈折率が1.45であるシリコン酸化膜を用いた。
第2の絶縁膜306であるシリコン窒化膜は、例えば、プラズマCVD装置を用いて製膜する。この実施例では、プラズマCVD装置を用いて、処理室圧力500〜800Pa、N2ガス1000〜2000cc/分、SiH4ガス80〜150cc/分、NH3ガス30〜70cc/分、RFパワー300〜500W、サセプター温度300〜400℃の条件下で500〜2000nmの膜厚のシリコン窒化膜を成膜した。
【0036】
成膜後、第2の絶縁膜306の表面は、配線305等が存在するために段差が生じているので、この表面を平坦化する必要がある。CMP等によって平坦化を行なってもよいが、この実施例においては、第2の絶縁膜306上に平坦化された形状形成用絶縁膜を形成し、ドライエッチングして、形状形成用絶縁膜の平坦な表面を第2の絶縁層306に転写するエッチバック法を用いた。
具体的には、第2の絶縁層306上に、プラズマCVD装置を用い、処理室圧力1000〜1300Pa、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)ガス400〜600cc/分、O2ガス400〜600cc/分、RFパワー400〜500W、処理温度350〜450℃の条件下、膜厚が500〜1000nmである形状形成用絶縁膜312を成膜した。この後、この形状形成用絶縁膜312をCMP等により平坦化を行った。
【0037】
図7Bは、第2の絶縁膜306上の形状形成用絶縁膜312が平坦化された状態を示している。この状態からドライエッチングを用いてエッチバックを行うことにより、図7Cに示すように、表面が平坦化された第2の絶縁膜306を得た。第2の絶縁膜306であるシリコン窒化膜と形状形成用絶縁膜312であるシリコン酸化膜とのエッチングレートが同じになるような条件(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜選択比が1.00である)下でエッチング行うことで、形状形成用絶縁膜312の平坦な形状が第2の絶縁膜306に転写されるのである。具体的には、平行平板型RIE装置を用い、処理室圧力1〜1.5Pa、CF4ガス21cc/分、H2ガス12cc/分、N2ガス2cc/分、RFパワー150Wの条件下でエッチバックを行なった。この時シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比はN2ガス流量により大きく依存されるので、エッチングレート比により下層絶縁膜の平坦性が大きく害われる場合には、N2ガス流量により微調整を行う。
以上のような下層絶縁膜の平坦化工程は、シリコン窒化膜のCMPが可能な場合にはCMPにより直接平坦化を行った方が工程も簡略となる。
【0038】
次に図7Dに示したように、再度、膜厚300〜1000nmの形状形成用絶縁膜313を成膜した。成膜条件としては前記の形状形成用絶縁膜312の形成条件と同じである。
【0039】
続いて、図8Eに示すように、第2の絶縁膜306の上部に断面凹形状を形成した。
まず、形状形成用絶縁膜313上の全面に、スピンコーティングによりレジスト膜314を形成した。次いで、配線パターンとほぼ同じパターンであって、白黒反転パターン(パターン露光の光が透過する場所としない場所が逆)にてパターニングを行なった。一般的なプロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術によりパターニングを行なった。このパターニングにおいて、配線パターンとの線幅シフト量の違いや第2の絶縁膜306の目標の仕上がり形状によって線幅を調整する必要がある。
パターニング後、フッ化水素酸により前記形状形成用絶縁膜313をエッチングして、図8Eに示したようななだらかな断面形状を形成した。
次いで、レジスト膜314を除去後、図8Fに示すように前記と同様のエッチバック法により、第2の絶縁膜306に形状形成用絶縁膜313に形成された凹状形状を転写した。
【0040】
この実施例では、第2の絶縁膜306の屈折率が2.00であり、第3の絶縁膜307の屈折率が1.45である場合、光を拡散させるためには、ウェットエッチングによって形成されたなだらかな形状よりも若干急な角度を持つ形状に凹形状を形成する必要があることが明らかとなった。
上記のごとき凹形状を形成するためには、エッチバックを行う条件を前記平坦化時の条件よりもシリコン窒化膜のエッチングレートを速めた条件(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜選択比が1.00以下の条件)とする。具体的には、平行平板型RIE装置を用い、処理室圧力1〜1.5Pa、CF4ガス21cc/分、H2ガス12cc/分、N2ガス4cc/分、RFパワー150Wの条件を用いることにより、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比(選択比)0.80を実現することができ、形状形成用絶縁膜313の断面凹形状よりも急な角度を持つ断面凹形状が第2の絶縁膜306に転写された。
この時、前記したようにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比はN2ガス流量により大きく依存されるので、第2の絶縁膜306の断面凹形状が所望の形状にならない場合には、N2ガス流量を2〜6cc/分の範囲で変化させて、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比を調整することで、所望の形状を得ることができる。
【0041】
次に、図9Gに示すように、第2の絶縁膜306の断面凹形状部分で拡散された光を反射するための金属膜を埋め込む溝の形成を行う。図11Cの平面図に示されたように、反射膜用の溝パターンは受光部の領域を囲むように形成する。
まず、第2の絶縁層306上にレジスト膜315を形成し、パターニングを行い、その後ドライエッチングにより第2の絶縁膜306および素子分離用絶縁膜303をエッチング除去する。
第2の絶縁膜306および、素子分離用絶縁膜303のドライエッチングに関しては、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜を一緒にエッチングするということで、前記のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜エッチングレート比が1.00の条件を用いた。具体的には平行平板型RIE装置を用い、処理室圧力1〜1.5Pa、CF4ガス21cc/分、H2ガス12cc/分、N2ガス2cc/分、RFパワー150Wの条件で、受光部周囲の素子分離用絶縁膜303の途中でエッチングが止まるようにエッチング時間を設定した。
【0042】
図11は、主要な工程でのパターンを表す概略上面図を示す。図11Cに示したように、この実施例の固体撮像素子においては、受光部電位のリセット用トランジスタを形成するために、素子分離用絶縁膜303が一部分において受光部外まではみ出したパターンとなっている。このような場合、受光部を囲んだ反射用金属膜308用の溝は、ドライエッチングによりダメージを防ぐため、一部が切れたパターンとなる。この実施例において、光の拡散を行う凹形状部分は配線305の上方に位置し、この金属膜308の途切れ部分からは比較的遠く離れているため、拡散された光がこの金属膜308の途切れた部分から漏れ出すことはなかった。
素子の動作上およびパターン形成上、受光部周囲をすべて絶縁膜で囲むことができない場合で、さらに絶縁膜の途切れが配線用メタルパターンの近くに位置する場合は、絶縁膜の途切れた位置を配線用メタルから遠く離す等の変更を行なう必要がある。
【0043】
この後、図9Hに示すように、スパッタリング法や化学気相成長法等によって、溝内に反射用金属膜308を成膜する。成膜する金属としてはAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wいずれか1つからなる単層であるか、あるいはAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wいずれか1つとTiN、Ti、TiW、Wいずれか1つとからなる多層膜を用いるが、この実施例においては、TiN膜とW(タングステン)膜の多層膜を用いた。
その形成条件としては、まず10〜100nm程度の膜厚のTiN膜をスパッタリングにより全面に成膜し、それに続いて減圧CVD法により5000〜10000Paの処理室圧力、成長温度250〜650℃、六フッ化タングステン(WF6)とアルゴン(Ar)、水素(H2)、窒素(N2)を原料ガスとした条件で100〜300nmのタングステン膜の成膜を行い、その後、別のRIEチャンバーに試料を移し、処理室圧力15〜50Pa、SF6ガス50〜200sccm、Arガス50〜150sccm、Heガス2〜20sccm、電極RFパワー300〜700Wの条件にて成長させたタングステンを下層のTiN膜が露出するまでエッチングを行った。
次いで、例えば、ECR型プラズマエッチング装置に試料を移し、処理室圧力0.1〜3Pa、BCl3ガス20〜100sccm、SF6ガス10〜50sccm、マイクロ波パワー200〜500mA、バイアスRFパワー20〜100Wの条件で第2の絶縁膜306が露出するまでTiN膜のエッチングを行った。
このようにして溝内に反射用金属膜308の形成を行うのであるが、この実施例のように金属膜を埋め込み、エッチバックする工程において、溝内に埋め込みを行う場合、その溝の幅は埋め込みを行う金属膜の成膜厚の2倍以下の幅にする必要がある。
【0044】
次に、図9Iに示すように、第3の絶縁膜307の形成を行う。形成条件としては、プラズマCVD装置を用い、処理室圧力1000〜1300Pa、TEOSガス400〜600cc/分、O2ガス400〜600cc/分、RFパワー400〜500W、処理温度350〜450℃の条件下、膜厚500〜1000nmのシリコン酸化膜を成膜し、CMPにより平坦化を行った。この平坦化はエッチバックにより行なうこともできる。
この後、例えば、受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、2層目以降の配線層形成を成膜パターニング、エッチング、絶縁膜形成工程を繰り返すことにより形成するのであるが、今回の実施例では省略する。
【0045】
最後に、図10Jに示すように、第3の絶縁膜307上にアクリル系材料等をスピンコート塗布して、アクリル膜を形成し、その表面をエッチバックすることにより平坦化膜309を形成した。
さらに、その上にアクリル系材料であるマイクロレンズ材料をスピンコートしパターニングした。図11Dには受光部上に形成された四角形状のマイクロレンズのパターン形状を示す。次いで、ベーキング(熱処理)により、これを溶融させて凸状のマイクロレンズ310を形成した。
【0046】
【発明の効果】
以上の実施例中で述べてきたように、本発明によれば、受光部上に光の集光を遮るものが存在する固体撮像素子において、確実に受光部へ光を集光させ、また、散乱によってもメタル配線層を避けきれない微少な光がメタル配線層において乱反射しても光が増幅用トランジスタ等に入射してノイズが発生することを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の固体撮像素子の断面図。
【図2】 従来の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図3】 従来の固体撮像素子の画素を示す概略平面図。
【図4】 従来の固体撮像素子の画素を示す概略平面図。
【図5】 別の従来の固体撮像素子の断面図。
【図6】 本発明の固体撮像素子の断面図。
【図7】 本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図8】 本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図9】 本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図10】 本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図11】 本発明の固体撮像素子の製造工程を示す概略平面図。
【符号の説明】
1・・・従来の固体撮像素子、
101・・・半導体基板、
102・・・不純物層(受光部)、
103・・・シリコン酸化膜、
104・・・MR下層絶縁膜、
105・・・メタル配線、
106・・・MR上層絶縁膜、
109・・・平坦化膜、
110・・・マイクロレンズ、
111・・・入射光軌跡、
120・・・ゲート電極、
122・・・受光部、
123・・・シリコン酸化膜、
125・・・メタル配線、
2・・・別の従来の固体撮像素子、
201・・・シリコン基板、
202・・・受光部不純物層、
204・・・MR下絶縁膜、
205・・・メタル配線、
206・・・第1の層間膜、
207・・・第2の層間膜、
209・・・平坦化膜、
210・・・マイクロレンズ、
211・・・入射光軌跡、
3・・・本発明の固体撮像素子、
301・・・p型半導体基板、
302・・・n型不純物層(受光部)、
303・・・素子分離用絶縁膜、
304・・・第1の絶縁膜、
305・・・メタル配線、
306・・・第2の絶縁膜(下層絶縁膜)、
307・・・第3の絶縁膜(上層絶縁膜)、
308・・・反射用金属膜(金属製フェンス)、
309・・・平坦化膜、
310・・・マイクロレンズ、
311・・・入射光軌跡、
312、313・・・形状形成用絶縁膜、
314、315・・・レジスト。
Claims (11)
- 一導電型の半導体基板上に受光部とその駆動用回路を多数アレイ状に配置し、前記各受光部上に配線層を有する固体撮像素子において、前記配線層の上方に凹状の加工部を有する絶縁膜が形成され、さらにその上に、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有するもう一つの絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
- 前記受光部上の配線層はテーパー状の傾斜角を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記凹状の加工部を有する絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像素子。
- 前記もう一つの絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1ないし3いずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記受光部を取り囲むように前記凹状の加工部を有する絶縁膜を貫通する所定の幅を有する溝が形成され、この溝の内部に光の反射率の高い金属材料が埋め込まれていることを特徴とする請求項1ないし4いずれかに記載の固体撮像素子。
- 前記光の反射率の高い金属膜材料は、Al、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wのいずれかの単層膜であるか、あるいはTiN、Ti、TiW、Wいずれか1つとAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、TiW、Wのいずれか1つとの多層膜であることを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。
- 一導電型の半導体基板上に、受光部とその駆動用回路を多数にアレイ状に配置して形成する工程と、
前記半導体基板上全面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを介して前記受光部に接続する配線層を形成する工程と、
前記配線部の上部が狭くなるように配線部をテーパー状に加工する工程と、
前記第1の絶縁膜および配線部上の全面に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に第1の形状形成用酸化膜を形成し、第1の形状形成用酸化膜を平坦化する工程と、
エッチバックして前記第2の絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
前記配線層の上方であって、前記平坦化された第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記凹状の加工部が形成された第2の絶縁膜上の全面に、前記第2の絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第3の絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記平坦化された第2の絶縁膜上に第2の形状形成用酸化膜を形成する工程と、
前記第2の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
エッチバックして第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を転写する工程と
を含むことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記第2の形状形成用酸化膜上にレジスト膜を形成し、パターニングしてエッチングマスクを形成する工程と、
フッ化水素酸を用いる等方性ウェットエッチングにより、前記第2の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記エッチングマスクを除去する工程と、
前記第2の形状形成用酸化膜と前記第2の絶縁膜とのエッチング選択比が0.5から1.0の範囲の条件で第2絶縁膜をドライエッチングすることにより、
前記第2の絶縁膜の表面に前記凹状の加工部を転写する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項8記載の固体撮像素子の製造方法。 - さらに、前記平坦化された第2の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、前記凹状の加工部が形成された第2の絶縁膜上の全面に、前記第2の絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第3の絶縁膜を形成する工程との間に、
前記受光部を取り囲むように第2の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含む請求項7ないし9いずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程は、
スパッタリング法または化学気相成長法により、Al、Al−Si、Cu、Al−Cu、Wのいずれか1つの単層膜か、またはTiN、Ti、TiW、Wのいずれか1つとAl、Al−Si、Cu、Al−Cu、TiW、Wのいずれか1つとからなる多層膜を形成することを特徴とする請求項10記載の固体撮像素子の製造方法。
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