JP4852016B2

JP4852016B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP4852016B2
Application number: JP2007280304A
Authority: JP
Inventors: 塚眞理大; 條浩幸上; 川秀明原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: US20110248368A1; US8053268B2; US20090108388A1; TWI406401B; TW200919714A; CN101425525A; JP2009111059A; CN101425525B

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。

ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像素子を有する半導体装置は小型化が求められ、それに伴いマイクロレンズや受光素子（フォトダイオード）を含む受光領域と、光電変換された信号電子の読み出し等を行う複数層からなる周辺回路領域とがワンチップで形成されている。

受光領域と周辺回路領域の層間絶縁膜を同じ膜構造で形成した場合、マイクロレンズと受光素子との距離が長くなり、受光素子上に不要な層が存在することにより光量減衰が存在し、受光素子における感度が低下するという問題があった。

このような問題を解決するため、受光素子上のアクティブピクセル領域の複数の層間絶縁膜を除去して、レンズと光変換素子との距離を周辺回路領域上に形成された層間絶縁膜の最上部から基板までの距離より短くなるようにしたイメージセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、このようなイメージセンサにはレンズ下方に透水性の高い平坦化膜が設けられているのみで、パッシベーション膜が形成されていない。そのため、外部からの水や応力に対する耐性が低く、信頼性を低下させるという問題を有していた。
特開２００６−２２９２０６号公報

本発明は受光素子における感度低下が防止され、かつマイクロレンズ下方にパッシベーション膜を有する信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による半導体装置は、受光素子を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に形成され、銅が埋め込まれて形成された配線層を含む複数の配線層間膜と、最上層の前記配線層間膜上に形成され、Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さいシリコン窒化膜と、を備えるものである。

本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面部に受光素子を形成し、前記半導体基板上に、銅を埋め込んで形成した配線層を含む配線層間膜を複数形成し、最上層の前記配線層間膜上にＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さい第１のシリコン窒化膜を形成し、周辺回路部において前記最上層の配線層間膜に含まれる前記配線層と接触するコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグに接触する配線とを形成し、前記配線を覆うように層間絶縁膜を形成し、前記受光素子上方の前記層間絶縁膜を除去し、前記受光素子上方にＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さい第２のシリコン窒化膜を形成するものである。

本発明によれば、受光素子における感度低下を防止し、かつマイクロレンズ下方にパッシベーション膜を有し信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す。シリコン基板１００の表面部に光電変換を行うフォトダイオード（受光素子）１０１が形成されている。フォトダイオードは例えば２次元アレイ状に複数形成される。

シリコン基板１００上に層間絶縁膜１０２が複数層形成される。層間絶縁膜１０２は例えばシリコン酸化膜である。層間絶縁膜１０２中には配線層１０３が形成されており、配線層１０３の側部及び底部を覆うようにバリアメタル１０４が形成される。また、配線層１０３上には拡散防止膜１０５が形成されている。

配線層１０３は銅であり、バリアメタル１０４及び拡散防止膜１０５は銅が層間絶縁膜１０２中に拡散することを防止する。バリアメタル１０４は例えばタンタル及び窒化タンタルであり、拡散防止膜１０５はシリコン窒化膜である。

最上層の層間絶縁膜１０２ａ及び配線層１０３ａ上に拡散防止膜となるシリコン窒化膜１０６が形成される。

周辺回路部Ｐでは、コンタクトプラグ１０７を介して配線層１０３ａと電気的に接続される配線層１０８が形成され、コンタクトプラグ１０７及び配線層１０８を覆うように層間絶縁膜１０９が形成される。配線層１０８はアルミニウムである。

層間絶縁膜１０９と受光領域Ｌの拡散防止膜１０６とを覆うようにシリコン窒化膜１１０が形成され、シリコン窒化膜１１０上に平坦化膜１１１が形成される。平坦化膜１１１は透明な樹脂状の物質である。

受光領域Ｌでは、平坦化膜１１０上にカラーフィルタ１１２及びマイクロレンズ１１３が形成される。

マイクロレンズ１１３は撮影対象物から発せられた光をフォトダイオード１０１の受光平面に結像する。カラーフィルタ１１２は特定の波長の光を通すものであり、例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色を１組とする。

マイクロレンズ１１３、カラーフィルタ１１２を通過した光は、平坦化膜１１１、シリコン窒化膜１１０、１０６、複数の層間絶縁膜１０２を介してフォトダイオード１０１で受光される。フォトダイオード１０１で受光された光は光電変換され、電荷が取り出される。

図２はシリコン窒化膜を透過する光の波長と減衰率の関係を表すグラフである。シリコン窒化膜に含まれるＳｉ−Ｈ結合の濃度、Ｎ−Ｈ結合の濃度を変えた２種類のシリコン窒化膜についての結果をプロットしている。

Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より大きいシリコン窒化膜についての結果を四角形のマーカ、Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さいシリコン窒化膜についての結果を三角形のマーカを用いてプロットしている。

図２からＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さいシリコン窒化膜の方が減衰率が小さいことが分かる。一般にイメージセンサで使用する光学波長領域は３５０ｎｍ〜７５０ｎｍであり、Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さいシリコン窒化膜は、この波長領域での減衰率をほぼ０と極めて小さくできる。

従って、シリコン窒化膜１１０、１０６に含まれるＳｉ−Ｈ濃度、Ｎ−Ｈ濃度をＳｉ−Ｈ濃度＜Ｎ−Ｈ濃度のような関係にすることで光の減衰を抑制することができ、フォトダイオード１０１での受光量の低減を抑えることができる。

また、受光領域Ｌに層間絶縁膜１０９が形成されていないため、マイクロレンズ１１３とフォトダイオード１０１との距離（図１における距離ｈ１）を短くすることができ、フォトダイオード１０１での感度を向上させることができる。

また、シリコン窒化膜１１０、１０６は優れた防水性を有するものであり、パッシベーション膜としての機能を果たすことができる。

このように、本実施形態による半導体装置は、受光素子における感度低下を防止し、かつマイクロレンズ下方にパッシベーション膜を有して信頼性を高めることができる。

図３にシリコン窒化膜の膜厚と赤、緑、青の各色の光の透過率との関係を表すグラフを示す。青色光をひし形、緑色光を四角形、赤色光を三角形のマーカを用いてプロットしている。このグラフから光の透過率がシリコン窒化膜の膜厚によって変わることが分かる。つまりシリコン窒化膜の膜厚を調整することで入射光の減衰を抑制することができる。

図３からシリコン窒化膜の膜厚が１１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の範囲で、赤、緑、青の各色の光の透過率が高いことが分かる。

従って、上記実施形態による半導体装置におけるシリコン窒化膜１１０、１０６の合計膜厚を１１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下にすることで、入射光の減衰（受光素子における感度低下）をさらに抑制することができる。

このような半導体装置の製造方法を図４〜図１１を用いて説明する。

図４に示すように、フォトダイオード１０１を形成したシリコン基板１００の上にＣＶＤ法により膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜１０２、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜１０２ｂを形成する。

そして、フォトリソグラフィ技術により配線溝を形成し、この配線溝及びシリコン酸化膜１０２ｂ上にスパッタリングによりタンタル及び窒化タンタルからなるバリアメタル１０４を形成する。そして電界めっきにより銅を埋め込み、ＣＭＰ（化学的機械研磨）により平坦化し、配線層１０３を形成する。

図５に示すように、配線層１０３及びシリコン酸化膜１０２ｂ上に銅の拡散防止膜となる膜厚２０ｎｍのシリコン窒化膜１０５を、ＣＶＤ法により形成する。そして配線層１０３上方部分を残し、光透過部分のシリコン窒化膜１０５をエッチング除去する。

このようなシリコン酸化膜の成膜、配線層の形成、及び拡散防止膜の形成・除去を繰り返し、図６に示すような、配線層１０３を有する絶縁膜１０２を複数層形成する。最上層の絶縁膜（シリコン酸化膜）１０２ａ上のシリコン窒化膜１０６についてはエッチング除去を行っていない。

シリコン窒化膜１０６についてはＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２のガスを用いたＣＶＤ膜を用いる。ＳｉＨ_４やＮＨ_３と比較してＮ_２の割合を高くし、４００℃程度に保持した雰囲気中でＨＦ（High Frequency）Ｐｏｗｅｒのみで電力供給して成膜を行い、Ｓｉ−Ｈ結合の濃度がＮ−Ｈ結合の濃度より小さいシリコン窒化膜にする。例えばＳｉ−Ｈ結合の濃度を０．５〜３％、Ｎ−Ｈ結合の濃度を１〜３．５％程度にする。

図７に示すように、周辺回路部Ｐにおける最上層の配線層１０３ａに接続するコンタクトプラグ１０７及び配線層１０８を形成する。そして、コンタクトプラグ１０７及び配線層１０８を覆うように層間絶縁膜１０９を形成する。

図８に示すように、周辺回路部Ｐにレジスト１２０を形成する。

図９に示すように、レジスト１２０をマスクとして受光領域Ｌの層間絶縁膜１０９をエッチングして除去する。シリコン窒化膜１０６がストッパーとなる。層間絶縁膜１０９の除去後、レジスト１２０を除去する。

図１０に示すように、シリコン窒化膜１１０を形成する。シリコン窒化膜１１０もシリコン窒化膜１０６と同様にＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２のガスを用いたＣＶＤ膜を用いる。ＳｉＨ_４やＮＨ_３と比較してＮ_２の割合を高くし、４００℃程度に保持した雰囲気中でＨＦ（High Frequency）Ｐｏｗｅｒのみで電力供給して成膜を行い、Ｓｉ−Ｈ結合の濃度がＮ−Ｈ結合の濃度より小さいシリコン窒化膜にする。

上述したようにシリコン窒化膜１０６とシリコン窒化膜１１０の合計膜厚が１１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下となるようにしても良い。

図１１に示すように、シリコン窒化膜１１０上に平坦化膜１１１を形成する。そして受光領域Ｌの平坦化膜１１１上にカラーフィルタ１１２及びマイクロレンズ１１３を形成する。

マイクロレンズ１１３とフォトダイオード１０１との距離（図１１における距離ｈ１）を短くしているため、フォトダイオード１０１における感度低下を抑制できる。

また、カラーフィルタ１１２及びマイクロレンズ１１３の下方に形成された防水性の高いシリコン窒化膜１０６、１１０がパッシベーション膜として機能し、信頼性を向上させることができる。

また、シリコン窒化膜１０６、１１０はＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さく、光の減衰率が小さい膜となっており、フォトダイオード１０１における感度低下を抑制できる。

このように、受光素子１０１における感度低下が防止され、かつマイクロレンズ１１３下方にパッシベーション膜（シリコン窒化膜１０６、１１０）を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。

（比較例）図１２に比較例による半導体装置の概略構成を示す。シリコン基板２００上に層間絶縁膜２０２が複数層形成される。層間絶縁膜２０２中には配線層２０３が形成されており、配線層２０３の側部及び底部を覆うようにバリアメタル２０４が形成される。また、配線層２０３上には拡散防止膜２０５が形成されている。

最上層の層間絶縁膜２０２ａ及び配線層２０３ａ上に拡散防止膜となるシリコン窒化膜２０６が形成される。

周辺回路部Ｐでは、コンタクトプラグ２０７を介して配線層２０３ａと電気的に接続される配線層２０８が形成され、シリコン窒化膜２０６及び配線層２０８を覆うように層間絶縁膜２０９が形成される。

層間絶縁膜２０９上にシリコン窒化膜２１０が形成され、シリコン窒化膜２１０上に平坦化膜２１１が形成される。平坦化膜２１１は透明の樹脂状物質であり、透水性が高い。受光領域Ｌでは、平坦化膜２１１上にカラーフィルタ２１２及びマイクロレンズ２１３が形成される。

シリコン窒化膜２１０及び２０６は通常、Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より大きいものである。

この比較例による半導体装置は、マイクロレンズ２１３下方に層間絶縁膜２０９が形成されており、マイクロレンズ２１３と受光素子２０１との距離ｈ２が長い。そのため、受光素子２０１における感度が低下する。

一方、上記実施形態による半導体装置は受光領域Ｌの層間絶縁膜１０９を除去しているため、低背化でき、受光素子１０１における感度低下を抑制する。また、マイクロレンズ１１３下方にはＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さく、光減衰率の小さいシリコン窒化膜１１０及び１０６が形成されている。従って、パッシベーション膜として機能すると共に、受光素子１０１における感度低下をさらに抑制することができる。

上記実施形態では、図９に示すように層間絶縁膜１０９のエッチングの際に、シリコン窒化膜１０６をストッパーとしていたが、図１３に示すように、シリコン窒化膜１０６も除去するようにしてもよい。

その後は図１０、図１１に示す工程と同様の加工を行い、図１４に示すような半導体装置が得られる。

また、上記実施形態では図５、図６に示すように、一層毎に拡散防止膜１０５の除去を行っていたが、一層毎には行わず、後で一括して除去し、除去したことで形成される開口部に絶縁膜（シリコン酸化膜）を埋め込むようにしてもよい。

また、図７に示す層間絶縁膜１０９の形成後に、層間絶縁膜１０９上にシリコン窒化膜を形成し、その後、周辺回路部Ｐにレジストを形成し、このレジストをマスクとして受光領域Ｌの層間絶縁膜１０９上のシリコン窒化膜及び層間絶縁膜１０９をエッチングして除去するようにしてもよい。層間絶縁膜１０９上に形成するシリコン窒化膜の膜厚を調整することで、周辺回路部Ｐに形成されるパッシベーション膜の膜厚を制御できる。

また、上記実施形態による半導体装置はカラーフィルタ１１２及びマイクロレンズ１１３は必須でなく、これらを具備しないイメージセンサにも適用し得る。

上述した実施の形態は一例であって限定的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態による半導体装置の概略構成図である。シリコン窒化膜の透過光の波長と減衰率との関係を表すグラフである。シリコン窒化膜の膜厚と透過光の透過率との関係を表すグラフである。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。同実施形態による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。比較例による半導体装置の概略構成図である。変形例による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。変形例による半導体装置の概略構成図である。

符号の説明

１００半導体基板
１０１フォトダイオード
１０３、１０９層間絶縁膜
１０４、１０８配線層
１０５拡散防止膜
１０７コンタクトプラグ
１０６、１０９シリコン窒化膜
１１１平坦化膜
１１２カラーフィルタ
１１３マイクロレンズ

Claims

複数の受光素子を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、銅が埋め込まれて形成された配線層を含む複数の配線層間膜と、
最上層の前記配線層間膜上に形成され、Ｓｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さいシリコン窒化膜と、
前記複数の受光素子に対応して設けられた赤、緑、青のカラーフィルタと、
を備え、
前記シリコン窒化膜の膜厚は１１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であり、前記シリコン窒化膜は少なくとも前記受光素子上方領域に形成されることを特徴とする半導体装置。
前記受光素子上方領域に形成される前記シリコン窒化膜は、２層のシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記シリコン窒化膜は前記受光素子上方領域及び周辺回路上方領域に形成され、前記受光素子上方領域の前記シリコン窒化膜は、前記周辺回路上方領域の前記シリコン窒化膜より膜厚が薄いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記シリコン窒化膜上の少なくとも前記受光素子上方領域に形成された平坦化膜と、
前記平坦化膜上に形成された前記カラーフィルタの上に形成されたマイクロレンズと、
をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
半導体基板の表面部に複数の受光素子を形成し、
前記半導体基板上に、銅を埋め込んで形成した配線層を含む配線層間膜を複数形成し、
最上層の前記配線層間膜上にＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さい第１のシリコン窒化膜を形成し、
周辺回路部において前記最上層の配線層間膜に含まれる前記配線層と接触するコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグに接触する配線とを形成し、
前記配線を覆うように層間絶縁膜を形成し、
前記受光素子上方の前記層間絶縁膜を除去し、
前記受光素子上方にＳｉ−Ｈ濃度がＮ−Ｈ濃度より小さい第２のシリコン窒化膜を前記第１のシリコン窒化膜との合計膜厚が１１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下となるように形成し、
前記第２のシリコン窒化膜の上方に、前記複数の受光素子に対応した赤、緑、青のカラーフィルタを形成する半導体装置の製造方法。