JP4900228B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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図において、半導体基板100には、素子分離領域103によって分離された画素領域にフォトダイオード(光電変換部)101や転送ゲート104等の画素トランジスタが形成され、半導体基板100の上面にはゲート絶縁膜102を介して転送ゲート104のゲート電極(polySi電極)104A、複数層の配線108、及び層間絶縁膜106が設けられている。各配線108及び半導体基板100のコンタクト領域の間には導電プラグ107が設けられ、各層の配線108が接続されている。
また、最上層の絶縁膜106の上にはパッシベーション膜110が設けられ、その上に平坦化膜111を介してカラーフィルタ112及びマイクロレンズ113が設けられている。
この光導波部109は、上述のようにプラズマCVDを用いて絶縁膜106の最上面から孔部106A内に埋め込み形成されており、このプラズマ窒化シリコンは、絶縁膜106を形成しているSiO2 に対して高い屈折率を有している。
したがって、光導波部109をコア、絶縁膜106をクラッドとして、両者の界面において臨界角より大きい入射角をもつ入射光を全反射させ、フォトダイオード101の受光領域に導くものである。
なお、フォトダイオード101の受光領域上のゲート絶縁膜102の上には、絶縁膜106に孔部106Aを形成するエッチング工程で用いるエッチングストッパ膜105が形成されている。このエッチングストッパ膜105は、減圧CVDによる窒化シリコン膜(LP−窒化シリコン)によって形成されている。
そこで、上述のようなプラズマ窒化シリコン膜による光導波部109の代わりに、プラズマ窒化シリコン膜とポリイミド系樹脂膜の2重構造による光導波部を用いたものが知られている(例えば、特許文献5参照)。
図7に示す例では、光導波路のコア(光導波部)が外側のプラズマ窒化シリコンによる第1光導波部209Aと、この第1光導波部209A内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂(PIQ)よりなる第2光導波部209Bより構成される。なお、第1光導波部209Aは上端部が開口しており、第1光導波部209Aの上方からポリイミド材を塗布することにより、第1光導波部209Aの開口から第2光導波部209Bが埋め込まれている。
ポリイミド系樹脂は、プラズマ窒化シリコンよりも屈折率が低いが、周囲のSiO2 よりも高い屈折率を有している。
このような構成では、プラズマ窒化シリコン単体による光導波部109に比べて埋め込み性を改善できる。また、プラズマ窒化シリコンとポリイミド系樹脂が密着性が高いため、優れた光学特性を得ることができる利点がある。
特に、図7に示す構成においては、ポリイミド系樹脂に不純物金属(Na、K)が多く含まれているため、熱ストレスにより不純物がフォトダイオード内に拡散するため、白点が増大することが懸念される。
本実施の形態例は、光導波路構造を有する固体撮像素子において、二種類の透明膜(ポリイミド系樹脂(第2の高屈折率材)、プラズマ窒化シリコン(第1の高屈折率材))を組み合わせた光導波部を用いることにより、光導波部の埋め込み性を向上し、ポリイミド系樹脂からの金属拡散による白点増加を抑制し、かつトランジスタの信頼性劣化を抑えることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。
図示の例は、CMOSイメージセンサに適用した例であり、半導体基板(Si基板)20の素子分離領域3によって分離された画素領域にフォトダイオード(光電変換部)1や転送ゲート4等の画素トランジスタが形成されている。
また、半導体基板20の上面には、ゲート絶縁膜2を介して転送ゲート4の転送電極(polySi電極)4Aが形成され、その上に絶縁膜21を介してエッチングストッパ膜5Aが設けられている。このエッチングストッパ膜5Aは、減圧CVDによる窒化シリコン膜(LP−窒化シリコン)によって形成されている。
また、このエッチングストッパ膜5Aの上には、上層膜となる複数層の配線8、及び層間絶縁膜6が設けられている。各配線8及び半導体基板20のコンタクト領域の間には導電プラグ7が設けられ、各層の配線8が接続されている。なお、層間絶縁膜6には主にSiO2 が用いられている。
また、最上層の絶縁膜6の上にはパッシベーション膜10が設けられ、その上に平坦化膜11を介してカラーフィルタ12及びマイクロレンズ13が設けられている。
この光導波部9は、光導波路のコア(光導波部)が外側のプラズマ窒化シリコンによる第1光導波部9Aと、この第1光導波部9A内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂(PIQ)よりなる第2光導波部9Bより構成される。なお、製造方法は後述するが、第1光導波部9Aは上端部が開口しており、第1光導波部9Aの上方からポリイミド材を塗布することにより、第1光導波部9Aの開口から第2光導波部9Bが埋め込まれている。
詳細は後述するが、ポリイミド系樹脂は、プラズマ窒化シリコンよりも屈折率が低いが、周囲のSiO2 よりも高い屈折率を有している。
このような構成では、プラズマ窒化シリコン単体による光導波部に比べて埋め込み性を改善でき、さらに、プラズマ窒化シリコンとポリイミド系樹脂が密着性が高いため、優れた光学特性を得ることができる利点がある。
また、第1光導波部9Aは十分な膜厚で形成されており、第2光導波部9Bとゲート絶縁膜2とが十分離間した状態で配置され、できるだけポリイミドの不純金属がフォトダイオード1側に拡散しないように形成している。
すなわち、第1光導波部9A(プラズマ窒化シリコン)においては水素を含有しており、水素雰囲気中でアニール処理(例えば400°Cで60分)を施すことにより、フォトダイオード1内への水素供給が促進される。したがって、第2光導波部9Bからフォトダイオード1内へ拡散された金属により、結晶欠陥が引き起こされてできたダングリングボンドに対して、水素による終端効果があらわれて白点低減効果が得られる。
ただし、第1光導波部9Aの割合を過剰に大きくすれば、残留応力による剥がれの問題、導波路表面が第1光導波部9Aにより塞がることによる導波路内のボイドの発生(第2光導波部9Bが埋め込まれないことになる)が懸念されるため、第1光導波部9Aの膜厚は例えば1000nm程度が適切となる。
そこで、エッチングストッパ膜5Aを形成する減圧CVDによる窒化シリコン(LP−窒化シリコン)膜は、高い水素吸収効果を有することから、このLP−窒化シリコン膜を受光領域以外の領域(特にトランジスタを覆う領域)に残し、水素の浸入を防止するものである。
なお、本例では、このようなエッチングストッパ膜5Aの受光領域以外に配置される窒化シリコン膜を水素浸入防止膜5Bと称して説明する。
ただし、トランジスタのコンタクト領域については水素浸入防止膜5Bが除去されることになるが、プラグ内部にTiやTiN等からなるバリアメタル層が形成されているため、これによる水素吸収効果によって保護される。
一方、光導波路の部分では、水素を有効にフォトダイオード1側に供給するため、エッチングストッパ膜5Aを完全に除去し、第1光導波部9Aのプラズマ窒化シリコンをゲート絶縁膜2に直接接触させ、上述した水素供給効果を得るようになっている。
特に、本例で光導波部に用いるプラズマ窒化シリコンに近い領域に配置されるトランジスタ(例えば転送ゲート等の画素トランジスタ)においては、水素が浸入する可能性が高いので、この領域を水素浸入防止膜5Bの窒化シリコン膜で包囲することにより、有効に水素を吸収してトランジスタへの浸入を防止することができ、極めて顕著な効果を得ることができる。
まず、第1光導波部9A(プラズマ窒化シリコン膜)の屈折率はn=2.0であり、第2光導波部9Bの屈折率はn=1.7であり、また、層間絶縁膜6の屈折率はn=1.4である。
このような屈折率の関係により、図2(A)に示す第1光導波部9Aの表面から入射し、そのまま第1光導波部9Aと層間絶縁膜6との界面に到った光は、その入射角θ1、すなわち、この入射角と界面との法線のなす角θ1が臨界角以上である場合に、入射光は界面で反射するようになっている。
同様に第1光導波部9Aと第2光導波部9Bとの界面に到った光が両媒体の臨界角θ2以上である場合に全反射する。
na・sin θa = nb・sin θb ……(1)
ただし、naは媒体aの屈折率、 sinθaは媒体aの屈折角、nbは媒体bの屈折率、sin θbは媒体bの屈折角である。また、例えばna>nbのとき、θbが90°を超えるときのθaが臨界角となる。
したがって、屈折率の関係からθ2のほうが大きいため、第1光導波部9Aから入射した光は入射角がθ2以上であれば層間絶縁膜6および第2光導波部9Bの界面において全反射し、フォトダイオード1に入射する。
このような光の伝播の条件としては、スネルの法則から第1光導波部9Aの屈折率が第2光導波部9Bの屈折率より高く、かつ第2光導波部9Bと層間絶縁膜6との臨界角θ3以上の入射角が必要となる。
図3〜図5は、本例における各製造工程を示す断面図である。
まず、図3(A)において、従来と同様の工程で、Si基板20にフォトダイオード1や転送ゲート4等の各素子を形成し、さらにSi基板20の上にゲート絶縁膜2、転送電極4、下層の絶縁膜21等を形成する。
そして、その上層全面にエッチングストッパ膜5A及び水素浸入防止膜5Bとなる窒化シリコン膜5を形成する。なお、この窒化シリコン膜5は、孔部形成時のエッチング選択比を考慮して減圧CVDによる窒化シリコン膜を使用する。
そして、上層膜にエッチングによって孔部6Aを形成する。この際、上層膜上にレジストパターニングを施し、エッチングストッパ膜5Aをストッパとした異方性ドライエッチングによって開口作業を行い、その後、レジストを除去し、エッチングストッパ膜5Aの光導波路に対応する部分を除去し、この部分のゲート絶縁膜2を露呈させる。
次に、図4(D)に示すように、プラズマ窒化シリコン膜9aの上からポリイミド膜9bを塗布し、プラズマ窒化シリコン膜9aの空洞部にポリイミドの第2光導波部9Bとなる部分を埋め込む。これは3000rpm、30秒間のスピンコートで塗布する。
次に、下地(酸化膜、窒化膜)との接着力を確保するため、窒素または空気雰囲気中で硬化処理を施す。これは、例えば300°Cから350°Cで60分間を行う。
この後、図5(F)に示すように、従来と同様の工程で、パッシベーション膜10、平坦化膜11、カラーフィルタ12、オンチップレンズ13を順次形成し、固体撮像素子を完成する。
(1)光導波路を構成する第2光導波部にポリイミド系樹脂を使用することにより、光導波部の埋込み性を向上でき、集光性の向上、感度特性バラツキの低減を図ることができる。特に、多層配線構造を有する固体撮像素子においては、多層配線化、多画素化に伴い、光導波路のアスペクト比が高くなるため、より顕著な効果を得ることができる。
(2)第2光導波部にポリイミド系樹脂を使用しても、第1光導波部としてプラズマ窒化シリコン膜を使用し、水素アニールを施すことによってポリイミドからの金属拡散による白点増加を抑制できる。
(3)第1光導波部となるプラズマ窒化シリコン膜の水素アニールによる水素供給効果に対し、トランジスタ領域上においては孔部形成用のエッチストッパ膜で用いるLP−窒化シリコン膜によって水素が吸収され、下層のトランジスタを保護できるため、トランジスタの信頼性(ホットキャリア耐性)の劣化を防止できる。
また、光導波路の孔部の形成に用いるエッチングストッパ膜を光電変換部の受光領域以外の領域にも残すことで、光電変換部以外の領域への水素の浸入を防止でき、トランジスタ等の特性劣化を防止することができる効果がある。
Claims (5)
- 半導体基板に形成された光電変換部と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられた上層膜と、前記上層膜の上面から前記光電変換部の受光領域上のゲート絶縁膜にかけて形成された孔部と、前記孔部内に埋め込まれた光導波部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を備えて構成された前記上層膜を形成し、当該上層膜に前記孔部を形成する工程と、
前記上層膜に形成した孔部に、プラズマCVD法によって水素を含有する窒化シリコンからなり前記層間絶縁膜よりも高い屈折率を有する第1の高屈折率材を埋め込む工程と、
前記第1の高屈折率材に水素雰囲気中の熱処理を施すことにより、前記第1の高屈折率材から光電変換部側に水素を放出させる工程と、
前記孔部の前記第1の高屈折率材に形成された上端側に開口した空洞部内に、当該第1の高屈折率材よりも低く前記層間絶縁膜よりも高い屈折率を有する第2の高屈折率材を配置して前記光導波路を形成する工程と、
前記上層膜の上面に残った前記第1の高屈折率材と前記第2の高屈折率材とを除去する工程とを行う
固体撮像素子の製造方法。 - 前記上層膜を形成する前に、前記ゲート絶縁膜を覆う状態で減圧CVD法によって窒化シリコンからなるエッチングストッパ膜を成膜し、
前記上層膜に前記孔部を形成する際には、前記エッチングストッパ膜をストッパとしたエッチングを行い、当該孔部の底部に露出した当該エッチングストッパ膜を除去して前記ゲート絶縁膜を露呈させる
請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 半導体基板に形成された光電変換部と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられた上層膜と、前記上層膜の上面から前記光電変換部の受光領域上のゲート絶縁膜にかけて形成された孔部と、前記孔部内に埋め込まれた光導波部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を覆う状態で減圧CVD法によって窒化シリコンからなるエッチングストッパ膜を成膜する工程と、
前記ストッパ膜上に層間絶縁膜を備えて構成された前記上層膜を形成し、前記エッチングストッパ膜をストッパとした当該上層膜のエッチングを行い、底部に露出した当該エッチングストッパ膜を除去して前記ゲート絶縁膜を露呈させることにより当該上層膜に前記孔部を形成する工程と、
前記上層膜に形成した孔部に、プラズマCVD法によって水素を含有する窒化シリコンからなり前記層間絶縁膜よりも高い屈折率を有する第1の高屈折率材を埋め込む工程と、
前記第1の高屈折率材に水素雰囲気中の熱処理を施すことにより、前記第1の高屈折率材から光電変換部側に水素を放出させる工程とを行う、
固体撮像素子の製造方法。 - 半導体基板に形成された光電変換部と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられた上層膜と、前記上層膜の上面から前記光電変換部の受光領域上のゲート絶縁膜にかけて形成された孔部と、前記孔部内に埋め込まれた光導波部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を覆う状態で減圧CVD法によって窒化シリコンからなるエッチングストッパ膜を成膜する工程と、
前記ストッパ膜上に層間絶縁膜を備えて構成された前記上層膜を形成し、前記エッチングストッパ膜をストッパとした当該上層膜のエッチングを行い、底部に露出した当該エッチングストッパ膜を除去して前記ゲート絶縁膜を露呈させることにより当該上層膜に前記孔部を形成する工程と、
前記上層膜に形成した孔部に、プラズマCVD法によって水素を含有する窒化シリコンからなり前記層間絶縁膜よりも高い屈折率を有する第1の高屈折率材を埋め込む工程と、
前記第1の高屈折率材に水素雰囲気中の熱処理を施すことにより、前記第1の高屈折率材から光電変換部側に水素を放出させる工程と、
前記孔部の前記第1の高屈折率材に形成された上端側に開口した空洞部内に、当該第1の高屈折率材よりも低く前記層間絶縁膜よりも高い屈折率を有する第2の高屈折率材を配置して前記光導波路を形成する工程とを行う、
固体撮像素子の製造方法。 - 前記第1の高屈折率材から前記光電変換部側に水素を放出させる工程では、前記エッチングストッパ膜を水素吸収膜とする
請求項2〜4の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
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