JP4810284B2

JP4810284B2 - 固体撮像素子のインナーレンズの製造方法

Info

Publication number: JP4810284B2
Application number: JP2006105395A
Authority: JP
Inventors: 秀安花岡
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: JP2007281180A

Description

本発明は、固体撮像素子のインナーレンズの製造方法に関する。

図５は、ＬＳＩの配線間に埋め込まれる絶縁膜の加工方法を説明するためのＬＳＩの部分断面模式図である。
図５に示すように、シリコン基板１０上にメタル配線２０を形成した後、この上に酸化シリコンや窒化シリコン等のシリコン系絶縁膜３０をプラズマＣＶＤで形成する（図５（ａ））。図５（ａ）において、シリコン系絶縁膜３０を、シリコン基板１０の表面と、シリコン系絶縁膜３０のシリコン基板１０の表面から最も遠い面との間の距離を厚みとする平坦な膜として見ると、シリコン系絶縁膜３０は、メタル配線２０間のシリコン基板１０上方に孔部Ｋを有する構成となっている。

この孔部Ｋは、非常に小さいものであるため、シリコン系絶縁膜３０上に新たに絶縁膜を形成した場合等に、その絶縁膜が孔部Ｋを完全に埋めることができず、シリコン系絶縁膜３０内に空間部（Ｖｏｉｄ）が発生してしまう可能性がある。このＶｏｉｄは、周りを絶縁膜で囲まれてしまった空間のことを言う。そこで、このＶｏｉｄの発生を抑制するために、アルゴンガス等の不活性ガスを主成分とするスパッタエッチングを行って孔部Ｋを変形させた後（図５（ｂ））、更に絶縁膜４０を形成する（図５（ｃ））。

Ｖｏｉｄ対策に関する技術として特許文献１，２が挙げられる。

特開平５−３６８４８号公報特開２００４−４７８５１号公報

このように、従来は、アルゴンガス等の不活性ガスを主成分とするスパッタエッチングを行って孔部Ｋを変形させてＶｏｉｄを回避していたが、近年の微細化に伴い、このようなスパッタエッチングを行っても、Ｖｏｉｄが回避できなくなってきている。これは、微細化に伴って孔部Ｋも小さくなり、この結果、図５（ｂ）に示すように、スパッタエッチング時の堆積物が孔部Ｋを埋めてしまうことが原因と考えられる。このようなＶｏｉｄの発生は、固体撮像素子のインナーレンズを形成するときに特に問題となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細化に伴うＶｏｉｄの発生を抑制することが可能な固体撮像素子のインナーレンズ製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法は、フォトダイオードが形成された基板上方に、シリコン系絶縁材料からなり、かつ、前記フォトダイオード上方に孔部を有するインナーレンズ材料膜を形成する工程と、不活性ガスにＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより前記孔部を変形させて、前記インナーレンズ材料膜内に空間部が発生するのを抑制する空間部発生抑制工程と、前記孔部が変形された前記インナーレンズ材料膜上に平坦化膜を形成する工程とを含むものである。

本発明の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法は、前記空間部発生抑制工程では、前記孔部を変形させると共に、前記反応性ガスと前記シリコン系絶縁膜との反応生成物を前記孔部に堆積させるものである。

本発明の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法は、前記シリコン系絶縁膜が、酸化シリコンと窒化シリコンを含むものである。

本発明の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法は、前記不活性ガスがアルゴンガスを含むものである。

本発明によれば、微細化に伴うＶｏｉｄの発生を抑制することが可能な固体撮像素子のインナーレンズの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本出願人は、アルゴンガス等の不活性ガスに、ＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより、シリコン系絶縁膜に形成された孔部を変形させることで、Ｖｏｉｄの発生を抑制できることを見出した。以下、本発明の方法を適用可能な素子として、ＬＳＩ及び固体撮像素子を例に挙げて説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態であるＬＳＩの配線間に埋め込まれる絶縁膜の加工方法を説明するためのＬＳＩの部分断面模式図である。
図１に示すように、シリコン基板１上にメタル配線２を形成した後、この上に酸化シリコンや窒化シリコン等のシリコン系絶縁膜３をプラズマＣＶＤで形成する（図１（ａ））。図１（ａ）において、シリコン系絶縁膜３を、シリコン基板１の表面と、シリコン系絶縁膜３のシリコン基板１の表面から最も遠い面との間の距離を厚みとする平坦な膜として見ると、シリコン系絶縁膜３は、メタル配線２間のシリコン基板１上方に孔部ｋ１を有する構成となっている。

次に、アルゴンガス等の不活性ガスに、ＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングを行って、孔部ｋ１を変形させ、シリコン系絶縁膜３内にＶｏｉｄが発生するのを抑制する（図１（ｂ））。例えば、シリコン系絶縁膜３が酸化シリコン膜である場合、アルゴンガスにＣＦ_４をトータル流量の５％以上添加したガスを用いてスパッタエッチングを行うことで、Ｖｏｉｄの発生を抑制することが可能である。次に、絶縁膜４を形成して、メタル配線間の絶縁膜の埋め込みを完了する。

尚、スパッタエッチングを行うスパッタ装置においてＲＦ周波数を低周波（１ＭＨｚ以下）にすることで、不活性ガスに添加するＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガスの種類によっては、図２に示すように、スパッタエッチング時に、Ｖｏｉｄの発生を抑制しながら、反応性ガスとシリコン系絶縁膜３との反応生成物５を孔部ｋ１に堆積させることが可能となる。例えば、ＲＦ周波数を低周波にした場合、反応性ガスとしてＣＨＦ_３を用いると、孔部ｋ１に反応生成物を堆積させることが可能である。このように、孔部ｋ１に反応生成物を堆積させることで、図２に示すように、孔部ｋ１の細い部分を反応生成物５で埋めることができるため、絶縁膜４を形成した際の絶縁膜４内におけるＶｏｉｄの発生も抑制することが可能となる。

（比較例１）
図１（ａ）において、シリコン系絶縁膜３の材料を酸化シリコンとし、次のような条件でスパッタエッチングを行った。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄが発生していることが確認された。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（２００ｓｃｃｍ）
圧力：４０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：２００Ｗ
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
サセプタ温度：２０℃

（比較例２）
図１（ａ）において、シリコン系絶縁膜３の材料を窒化シリコンとし、次のような条件でスパッタエッチングを行った。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄが発生していることが確認された。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（２００ｓｃｃｍ）
圧力：４０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：２００Ｗ
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
サセプタ温度：２０℃

（実施例１）
比較例１において、スパッタエッチングの条件を以下のように変更した。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄは見られなかった。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（２００ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２０ｓｃｃｍ）
圧力：４０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：４００Ｗ
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
サセプタ温度：２０℃

（実施例２）
比較例２において、スパッタエッチングの条件を以下のように変更した。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄは見られなかった。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（２００ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（２０ｓｃｃｍ）
圧力：４０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：４００Ｗ
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
サセプタ温度：２０℃

（実施例３）
実施例１において、ＲＦ周波数を０．３８ＭＨｚに変更してスパッタエッチングを行った。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄは見られなかった。又、孔部ｋ１の底部に反応性生物を堆積させることができた。

（実施例４）
実施例２において、ＲＦ周波数を０．３８ＭＨｚに変更してスパッタエッチングを行った。この結果、シリコン系絶縁膜３内部にＶｏｉｄは見られなかった。又、孔部ｋ１の底部に反応性生物を堆積させることができた。

（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子のインナーレンズである下凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図である。
フォトダイオード（ＰＤ）や図示しない電荷転送チャネルが形成されたシリコン基板６上に、ゲート絶縁膜７を形成し、ゲート絶縁膜７上に電荷転送電極９を形成する。次に、電荷転送電極９の周りを絶縁膜８で覆った後、ＰＤ上方に開口の形成された遮光膜１１を形成する。次に、遮光膜１１上にＢＰＳＧ等の絶縁膜１２を形成し、絶縁膜１２上にシリコン系絶縁膜１３を形成する（図３（ａ））。ここまでは、公知のプロセスである。尚、図３（ａ）において、シリコン系絶縁膜１３を、シリコン基板６の表面と、シリコン系絶縁膜１３のシリコン基板６の表面から最も遠い面との間の距離を厚みとする平坦な膜として見ると、シリコン系絶縁膜１３は、ＰＤ上方に孔部ｋ２を有する構成となっている。

次に、アルゴンガス等の不活性ガスに、ＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングを行って孔部ｋ２を変形させ、シリコン系絶縁膜３内にＶｏｉｄが発生するのを抑制する（図３（ｂ））。例えば、シリコン系絶縁膜３が窒化シリコン膜である場合、アルゴンガスにＣＨＦ_３をトータル流量の５％以上添加したガスを用いてスパッタエッチングを行うことで、Ｖｏｉｄの発生を抑制することが可能である。次に、平坦化膜１４を形成する。この結果、シリコン系絶縁膜１３が、ＰＤ側に向かって凸となった下凸レンズとなる。

図３（ａ）の状態から従来の方法でスパッタエッチングを行うと、下凸レンズの中にＶｏｉｄが発生することになり、集光効率が低下して感度低下に繋がってしまう。これに対し、本実施形態の方法によれば、Ｖｏｉｄのない下凸レンズを形成することができるため、集光効率をアップさせることができ、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。

（比較例３）
図３（ａ）において、シリコン系絶縁膜１３の材料を窒化シリコンとし、次のような条件でスパッタエッチングを行った。この結果、シリコン系絶縁膜１３内部にＶｏｉｄが発生していることが確認された。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（２００ｓｃｃｍ）
圧力：４０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：４００Ｗ
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
サセプタ温度：２０℃

（実施例５）
比較例３において、スパッタエッチングの条件を以下のように変更した。この結果、シリコン系絶縁膜１３内部にＶｏｉｄは見られなかった。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（７５０ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２５ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（５０ｓｃｃｍ）
圧力：５００Ｔｏｒｒ
ＲＦパワー：９００Ｗ
ＲＦ周波数：０．３８ＭＨｚ
サセプタ温度：０℃

（第三実施形態）
本発明のスパッタエッチング条件を利用することで、ＣＣＤ型固体撮像素子のインナーレンズである上凸レンズの形成を容易に行うことが可能である。本実施形態では、この上凸レンズの形成方法について説明する。

図４は、本発明の第三実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子のインナーレンズである上凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図である。
上凸レンズは、例えば、図３（ｃ）に示した絶縁膜１４を平坦化した平坦化膜１５上に形成される。まず、平坦化膜１５上に、シリコン系絶縁膜１６を形成し、これをフォトリソ及びエッチングによってパターニングして、シリコン系絶縁膜１６のパターンを形成する（図４（ａ））。図４（ａ）において、シリコン系絶縁膜１６を、平坦化膜１５の表面と、シリコン系絶縁膜１６の平坦化膜１５の表面から最も遠い面との間の距離を厚みとする平坦な膜として見ると、シリコン系絶縁膜１６は、パターン間に孔部ｋ３を有する構成となっている。

次に、アルゴンガス等の不活性ガスに、ＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングを行って孔部ｋ３を変形させると共に、添加した反応性ガスとシリコン系絶縁膜１６との反応生成物を、シリコン系絶縁膜１６のパターン間に堆積させる（図４（ｂ））。例えば、シリコン系絶縁膜１６が窒化シリコン膜である場合、アルゴンガスにＣＨＦ_３をトータル流量の５％以上添加したガスを用いると共に、ＲＦ周波数を低周波（１ＭＨｚ以下）に設定してスパッタエッチングを行うことで、シリコン系絶縁膜１６のパターンの変形と、反応生成物の堆積との両方を実現することができる。スパッタエッチングが終わると、絶縁膜１７を形成する（図４（ｃ））。この結果、エッチングされたシリコン系絶縁膜１６のパターンが、ＰＤ側とは反対側の光入射側に向かって凸となった上凸レンズとなる。この上凸レンズは、光をＰＤに集光する機能を有する集光レンズとなる。

図４（ａ）の状態から、反応性ガスを添加しない条件でスパッタエッチングを行うと、シリコン系絶縁膜１６のパターンの上端部同士が堆積物によって接触してしまい、上凸レンズ間にＶｏｉｄが発生して、集光効率が低下し感度低下に繋がってしまう。又、綺麗なレンズ形状を得ることが困難である。これに対し、本実施形態の方法によれば、このＶｏｉｄの発生を抑制することができるため、集光効率をアップさせることができ、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。又、ＲＦ周波数を調整して反応生成物を孔部ｋに堆積させることができるため、上凸レンズの形状制御も容易となる。又、孔部ｋに反応生成物を堆積させることができるため、完成した多数の上凸レンズをギャップレスにすることができ、集光効率を高めることができる。

又、この上凸レンズの形成方法によれば、シリコン系絶縁膜１６のパターンを形成した後、スパッタエッチングを行うだけで上凸レンズを形成することができるため、従来の上凸レンズの形成方法に比べると大幅に工程数を削減することができる。

（実施例６）
図４（ａ）において、平坦化膜１５の材料を窒化シリコンとし、シリコン系絶縁膜１６の材料を窒化シリコンとし、シリコン系絶縁膜１６の膜厚を０．４μｍとし、パターン間の距離を０．３μｍとし、次のような条件でスパッタエッチングを行って上凸レンズを作製した。この結果、シリコン系絶縁膜１６のパターン間にＶｏｉｄが発生するのを抑制することができた。又、孔部ｋ３の底部に反応性生物を堆積させることができ、ギャップレスの上凸レンズアレイを形成することができた。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（７５０ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２５ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（５０ｓｃｃｍ）
圧力：５００ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー：９００Ｗ
ＲＦ周波数：０．３８ＭＨｚ
サセプタ温度：０℃

（実施例７）
シリコン系絶縁膜１６の材料を酸化シリコンとし、スパッタエッチング条件を以下のように変更した以外は、実施例６と同様に上凸レンズを作製した。この結果、シリコン系絶縁膜１６のパターン間にＶｏｉｄが発生するのを抑制することができた。又、孔部ｋ３の底部に反応性生物を堆積させることができ、ギャップレスの上凸レンズアレイを形成することができた。
＜スパッタエッチング条件＞
ガス組成：Ａｒ（３００ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３（４０ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４（２０ｓｃｃｍ）
圧力：５００Ｔｏｒｒ
ＲＦパワー：９００Ｗ
ＲＦ周波数：０．３８ＭＨｚ
サセプタ温度：−１０℃

本発明の第一実施形態であるＬＳＩの配線間に埋め込まれる絶縁膜の加工方法を説明するためのＬＳＩの部分断面模式図本発明の第一実施形態であるＬＳＩの配線間に埋め込まれる絶縁膜の加工方法の変形例を説明するためのＬＳＩの部分断面模式図本発明の第二実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子のインナーレンズである下凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図本発明の第三実施形態であるＣＣＤ型固体撮像素子のインナーレンズである上凸レンズの形成方法を説明するための固体撮像素子の部分断面模式図従来のＬＳＩの配線間に埋め込まれる絶縁膜の加工方法を説明するためのＬＳＩの部分断面模式図

符号の説明

１，６シリコン基板
２メタル配線
３，１３，１６シリコン系絶縁膜
４，１４，１７絶縁膜
５反応生成物
１２ＢＰＳＧ膜
ｋ，Ｋ孔部

Claims

固体撮像素子のインナーレンズの製造方法であって、
フォトダイオードが形成された基板上方に、シリコン系絶縁材料からなり、かつ、前記フォトダイオード上方に孔部を有するインナーレンズ材料膜を形成する工程と、
不活性ガスにＣｘＨｙＦｚ系の反応性ガス（ｘ＞０，ｙ≧０，ｚ＞０）を添加したガスを用いたスパッタエッチングにより前記孔部を変形させて、前記インナーレンズ材料膜内に空間部が発生するのを抑制する空間部発生抑制工程と、
前記孔部が変形された前記インナーレンズ材料膜上に平坦化膜を形成する工程とを含む固体撮像素子のインナーレンズの製造方法。
請求項１記載の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法であって、
前記空間部発生抑制工程では、前記孔部を変形させると共に、前記反応性ガスと前記インナーレンズ材料膜との反応生成物を前記孔部に堆積させる固体撮像素子のインナーレンズの製造方法。
請求項１又は２記載の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法であって、
前記シリコン系絶縁材料が、酸化シリコンと窒化シリコンを含む固体撮像素子のインナーレンズの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子のインナーレンズの製造方法であって、
前記不活性ガスがアルゴンガスを含む固体撮像素子のインナーレンズの製造方法。