JP5002906B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は固体撮像装置及びその製造方法に関する。詳しくは、半導体基板上のパターンの疎密を緩和することによって、平坦化層の平坦性の向上を図ろうとした固体撮像装置及びその製造方法に係るものである。

電荷結合素子（ＣＣＤ）や、フォトトランジスタ、フォトダイオードを用いた固体撮像装置は、デジタルスチールカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられるエリアセンサ、ファクシミリやバーコードリーダー等に用いられるラインセンサ等に広く用いられて情報化社会における入力機器の核をなすデバイスとして必要不可欠なものとなっており、この様な固体撮像装置は高集積化が進展すると共に、小型化及び高解像度化の要請が非常に強い。

ここで、高集積化のために半導体基板上に複数の配線層を形成した多層配線構造が用いられ、この高集積化のデバイス構造、製造プロセスとして相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いた固体撮像装置がある。
具体的には、図５で示す固体撮像装置１０１の様に、受光した光の光電変換を行う受光部１０２が設けられた半導体基板１０３上にトランジスター１０４が形成され、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層１０５ａが形成されている。また、第１の平坦化層上の受光部以外の領域（図５中符合Ａで示す領域であり、以下、「受光部周辺領域」と称する。）にアルミニウムや銅等から成る第１の配線層１０６ａが形成され、この第１の配線層は第１の平坦化層に形成された開口部に充填された接合層１０７によって半導体基板と電気的に接続されている。更に、第１の配線層の上層に第２の平坦化層１０５ｂが形成され、この第２の平坦化層上の受光部周辺領域にアルミニウムや銅等から成る第２の配線層１０６ｂが形成されている。なお、第２の配線層の上層には第３の平坦化層１０５ｃが形成されると共に、第３の平坦化層の上層にはカラーフィルタ層１０８が形成されている。
ここでは配線層が２層でその層に対応する平坦化層が３層あるため、最上層の第３の平坦化層の上層にカラーフィルタ層が形成されているが、配線層を平坦化する層の最上層に通常カラーフィルタは形成される。

こうした多層配線構造を有する固体撮像装置では、下層の配線層（第１の配線層）を形成した後、上層の形成を行う際、下層に段差があると上層形成時にも段差が発生し、その段差で上層の配線層（第２の配線層）のパターン露光の時の投影パターンからパターンを形成する層（第２の配線層）までの焦点距離が一定でなくなるため、上層の配線層（第２の配線層）の形成時のパターン形成の精度が下がってしまう。それを回避するために、配線層間の絶縁膜（平坦化層）の平坦性を保つことが重要な技術となる。

また、高集積化の進展に伴って単位画素あたりの占有面積が縮小され、同時に受光部の開口面積も縮小される方向に進んでおり、こうした受光部の開口面積の縮小により、受光部に採り込まれる光量が不足し、Ｓ／Ｎ比を確保するのに充分な光誘起電荷を発生させることが困難になりつつある。そこで、高集積度と高感度の両特性を満たすべく半導体基板上に形成された配線層の上層に平坦化層を介してオンチップレンズを形成する技術が提案されている。
具体的には、図６で示す固体撮像装置１０１の様に、受光部１０２が設けられた半導体基板１０３上にトランジスター１０４が形成され、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層１０５ａ、配線層１０６、第２の平坦化層１０５ｂ及びカラーフィルタ層１０８が形成されると共に、カラーフィルタ層の上層にオンチップレンズ１０９が形成されている。

ここで、極めて形状に優れたオンチップレンズを形成したとしても、オンチップレンズの下地の平坦化層（第２の平坦化層）の表面の平坦性が不充分である場合には、その後に形成するカラーフィルタ層に塗布ムラが生じたり、オンチップレンズの高さや光軸が不揃いとなったりする。これにより入射光が設計時に想定した所定の光路を通じて受光部に入射することが困難になる。これらのことからオンチップレンズの下地となる平坦化層の平坦性を保つことが重要な技術となる。

なお、平坦化層表面の改良技術としては、平坦化層上に無溶媒のアクリルモノマ等を塗布して平坦化犠牲層を形成し、この平坦化犠牲層をエッチバック処理してその表面性を平坦化層に転写する技術や、平坦化処理を化学的研磨（ＣＭＰ）によって行う技術等が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

特開平１−２７９２０４号公報 特開平９−５５４８８号公報

ところで、固体撮像装置の配線層は通常アルミニウムや銅等から構成され、こうした配線層は光を透過せず、半導体基板の受光部上に形成することができないために、配線層は受光部周辺領域に形成されることとなる。そして、この受光部周辺領域のみに配線層が形成されることにより、半導体基板上の配線層パターンに疎密が生じ、この配線層パターンの疎密に起因して配線層の上層に平坦化層を成膜する際に段差が生じることとなる。
即ち、配線層が形成されていない受光部では配線層パターンが疎であるために成膜される平坦化層が薄くなり、配線層が形成されている受光部周辺領域では配線層パターンが密であるために成膜される平坦化層が厚くなってしまう。

なお、上記した平坦化犠牲層の塗布やＣＭＰによる平坦化方法では局所的に存在する微妙な段差の平坦化に対しては有効であるものの、広い領域にわたるピッチの大きな段差を平坦化することは困難である。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、半導体基板上のパターンの疎密を緩和することによって、配線層の上層に形成される平坦化層の平坦性の向上を図ることができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置では、受光部が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に第１の平坦化層を介して形成された光を透過しない配線層と、を備え、前記配線層の配線は受光部周辺領域上に設けられ、前記受光部上には前記第１の平坦化層上に形成された絶縁膜を介して該絶縁膜の材料よりもエッチング効率が良い光透過性材料からなり、前記受光部及び受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和するためのダミーパターンが形成され、前記配線層における前記受光部周辺領域上には前記配線層の疎密を緩和するためのダミー配線が形成され、前記配線層の配線、前記ダミーパターンおよび前記ダミー配線上には第２の平坦化層が形成されている。

ここで、配線層が形成されていない受光部上に形成されたダミーパターンおよび受光部周辺領域上に形成されたダミー配線によって、受光部と受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和することができる。即ち、配線層が受光部周辺領域のみに形成され、ダミーパターンが受光部のみに形成されることによって、受光部と受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和することができる。なお、ダミーパターンを光透過性材料で構成することによって、受光部上にダミーパターンが形成されたとしても受光部の集光に悪影響を及ぼすものではない。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に第１の平坦化層を介して形成された光を透過しない配線層を有する固体撮像装置の製造方法において、前記第１の平坦化層上の受光部周辺領域上に前記配線層の配線と、該配線層の疎密を緩和するためのダミー配線とを形成する工程と、前記第１の平坦化層上に絶縁膜を積層した後に前記受光部上に前記絶縁膜の材料よりもエッチング効率が良い光透過性材料からなり、前記受光部及び受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和するためのダミーパターンを形成する工程と、前記配線層の配線、前記ダミーパターンおよび前記ダミー配線上に第２の平坦化層を形成する工程と、を有する。

ここで、配線層が形成されていない受光部上にダミーパターンを形成し、受光部周辺領域上にダミー配線を形成することによって、受光部と受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和することができる。

上記した本発明の固体撮像装置及びその製造方法では、半導体基板の受光部と受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和することができ、配線層の上層に形成する平坦化層の平坦度の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例を説明するための模式的な断面図であり、ここで示す固体撮像装置１は、受光した光の光電変換を行う受光部２が設けられた半導体基板３上にトランジスター４が形成され、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層５ａが形成されている。また、第１の平坦化層上の受光部周辺領域にアルミニウムや銅等から成る第１の配線層６ａが形成され、この第１の配線層は第１の平坦化層に形成された開口部に充填された接合層７によって半導体基板と電気的に接続されている。なお、ダミー配線として受光部周辺領域における第１の配線層の疎密を緩和するために、アルミニウムや銅等から成る第１のダミー配線８ａを形成してもよい。

また、第１の平坦化層の上層には膜厚が１０〜３０ｎｍ程度であり、光透過性を有すると共に、後述する第１のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料とドライエッチング時の加工精度が良い（ダミーパターン１０a層を形成する材料と第１の絶縁膜９aの材料をエッチングした場合、ダミーパターンのエッチング効率が第１の絶縁膜より良い）材料（例えば、窒化膜、酸化膜、ＳＩＯＣ膜、低誘電率膜等）から成る第１の絶縁膜９ａが形成されている。これは、第１のダミーパターンを形成するためのエッチングストッパ膜でエッチング工程の精度によるためエッチングによる精度が制御できる場合には必ずしも必要ではない。更に、この第１の絶縁膜上の受光部に膜厚が２００〜３００ｎｍ程度であり、光透過性及び絶縁性を有する光透過性絶縁材料（例えば、ＨＤＰ（High Density Plasma）酸化膜をはじめとしたシリコン酸化膜（屈折率ｎ≒1.4）若しくはシリコン窒化膜（屈折率ｎ≒2.0）等）から成る第１のダミーパターン１０ａが形成されている。また、第１のダミーパターンの上層には、光透過性を有すると共に、第１のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料と略同一の屈折率を有する材料（例えば、窒化膜（屈折率ｎ≒2.0）、酸化膜（屈折率ｎ≒1.4）、ＳＩＯＣ膜（屈折率ｎ≒1.6〜1.8）、その他の屈折率の近い低誘電率膜等）から成る第２の平坦化層５ｂが形成されている。

また、第２の平坦化層上の受光部周辺領域にアルミニウムや銅等から成る第２の配線層６ｂが形成されると共に、受光部周辺領域における第２の配線層の疎密を緩和するために、アルミニウムや銅等から成る第２のダミー配線８ｂが形成されている。更に、第２の平坦化層の上層には膜厚が１０〜３０ｎｍ程度であり、光透過性を有すると共に、後述する第２のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料とドライエッチング時の選択比が１０程度とれる材料から成る第２の絶縁膜９ｂが形成されている。

また、この第２の絶縁膜上の受光部に膜厚が２００〜３００ｎｍ程度であり、光透過性及び絶縁性を有する光透過性絶縁材料から成る第２のダミーパターン１０ｂが形成され、第２のダミーパターンの上層には、光透過性を有すると共に、第２のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料と略同一の屈折率を有する材料から成る第３の平坦化層５ｃが形成され、第３の平坦化層の上層にはカラーフィルタ層１１が形成されている。

ここで、ダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料とダミーパターンを被覆する平坦化層を構成する材料の屈折率が大きく異なる場合には、入射した光が平坦化層とダミーパターンとの界面で反射してしまうことが考えられる。従って、ダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料として、平坦化層を構成する材料と略同一の屈折率を有するものを選択するのが好ましい。具体的には第１のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料と第２の平坦化層を構成する材料の屈折率を略同一にし、第２のダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料と第３の平坦化層を構成する材料の屈折率を略同一にするのが好ましい。
一例として、ダミーパターンをＨＤＰ酸化膜で構成し、平坦化層として酸化膜を用いた場合には設計値では両者の屈折率を同じにできる。

また、本実施例では、従来の固体撮像装置と同様に、第３の平坦化層の上層にカラーフィルタ層が形成されているが、ダミーパターンをカラーフィルタ層を構成する材料で形成することによって、カラーフィルタ層を別途形成することなくカラー画像信号を得ることができる。

以下、上記した固体撮像装置の製造方法について説明する。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。
本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の一例では、先ず、図２（ａ）で示す様に、受光部２が形成された半導体基板３上にトランジスター４を形成し、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層５ａを形成する。続いて、第１の平坦化層を開口すると共に、開口部に導電性材料を充填して接合層７を形成する。なお、ここまでは従来の固体撮像装置の製造方法と同様である。

次に、図２（ｂ）で示す様に、スパッタリング法によってアルミニウム膜２０を成膜した後に、汎用のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて図２（ｃ）で示す様に第１の配線層６ａ及び第１のダミー配線８ａを形成する。

続いて、図２（ｄ）で示す様に、第１の絶縁膜９ａを約１０ｎｍ積層した後に、光透過性及び絶縁性を有する第１の光透過性絶縁膜２２を約２００ｎｍ積層し、汎用のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて図２（ｅ）で示す様に第１のダミーパターン１０ａを形成する。次に、図２（ｆ）で示す様に、第２の平坦化層５ｂを形成し、ＣＭＰ処理によって第２の平坦化層に平坦化処理を施す。

ここで、後述する第２の平坦化層の平坦度の向上のためには、第１のダミーパターンを形成して第１の配線層のパターンの疎密を緩和することができれば充分であり、必ずしも第１の絶縁膜を形成する必要は無い。但し、第１の絶縁膜を形成することによって、本実施例の様に第１のダミーパターンを形成するにあたり第１の光透過性絶縁膜にエッチング処理（ドライエッチング処理等）を施す場合において、第１の絶縁膜がエッチングストッパとしての機能を果たすことができ、第１のダミーパターンを精度良く形成することができる。従って、エッチングストッパとして機能する第１の絶縁膜を形成した方が好ましい。

その後、第１の配線層及び第１のダミー配線と同様にして第２の配線層６ｂ及び第２のダミー配線８ｂを形成し、第１の絶縁膜と同様にして第２の絶縁膜９ｂを形成すると共に、第１のダミーパターンと同様にして第２のダミーパターン１０ｂを形成し、第２の平坦化層と同様にして第３の平坦化層５ｃを形成する。続いて、ＣＭＰ処理によって第３の平坦化層に平坦化処理を施した後に、第３の平坦化層の上層にカラーフィルタ層を形成することによって、図１に示す様な固体撮像装置を得ることができる。

本発明を適用した固体撮像装置の一例では、第１のダミーパターンを形成し、第１の配線層のパターンの疎密を緩和することで第２の平坦化層を形成する際に生じる段差を抑制することができ、例え段差が生じたとしてもその段差量が小さいためにＣＭＰ処理によって第２の平坦化層の平坦度を担保することができる。同様に、第２のダミーパターンを形成し、第２の配線層のパターンの疎密を緩和することで第３の平坦化層を形成する際に生じる段差を抑制することができ、例え段差が生じたとしてもその段差量が小さいためにＣＭＰ処理によって第３の平坦化層の平坦度を担保することができる。
従って、多層配線構造を採用したとしても配線層のパターンの疎密に起因する段差が発生し難く、高性能な多層配線構造の固体撮像装置の実現が可能となる。

図３は本発明を適用した固体撮像装置の他の一例を説明するための模式的な断面図であり、ここで示す固体撮像装置１は、上記した本発明を適用した固体撮像装置の一例と同様に、受光部２が設けられた半導体基板３上にトランジスター４が形成され、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層５ａが形成されている。また、第１の平坦化層上の受光部周辺領域にアルミニウムや銅等から成る配線層６が形成されると共に、ダミー配線８が形成されている。

また、第１の平坦化層の上層には膜厚が１０ｎｍ程度であり、光透過性を有すると共に、後述するダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料とドライエッチング時の選択比が１０程度とれる材料（例えば、窒化膜、酸化膜、ＳＩＯＣ膜、低誘電率膜等）から成る絶縁膜９が形成されている。更に、この絶縁膜上の受光部に膜厚が２００ｎｍ程度であり、光透過性及び絶縁性を有するカラーフィルタ材料（例えば、ＨＤＰ酸化膜をはじめとしたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜等）から成るダミーパターン１０が形成されている。また、ダミーパターンの上層には、光透過性を有すると共に、ダミーパターンを構成する光透過性絶縁材料と略同一の屈折率を有する材料（例えば、窒化膜、酸化膜、ＳＩＯＣ膜、低誘電率膜等）から成る第２の平坦化層５ｂが形成されると共に、第２の平坦化層の上層にはオンチップレンズ１２が形成されている。

以下、上記した固体撮像装置の製造方法について説明する。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の他の一例について説明する。
本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の他の一例では、先ず、図４（ａ）で示す様に、受光部２が形成された半導体基板３上にトランジスター４を形成し、こうした半導体基板の上層に第１の平坦化層５ａを形成する。続いて、第１の平坦化層を開口すると共に、開口部に導電性材料を充填して接合層７を形成する。なお、ここまでは従来の固体撮像装置の製造方法と同様である。

次に、図４（ｂ）で示す様に、スパッタリング法によってアルミニウム膜２０を成膜した後に、汎用のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて図４（ｃ）で示す様に配線層６及びダミー配線８を形成する。

続いて、図４（ｄ）で示す様に、絶縁膜９を約１０〜３０ｎｍ積層した後に、光透過性及び絶縁性を有するカラーフィルタ膜２３を約５００〜１０００ｎｍ積層し、汎用のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて図４（ｅ）で示す様にダミーパターン１０を形成する。現状、カラーフィルタは上記の膜厚を用いているため厚くなるが、カラーフィルタ材料その他の条件では薄くすることもできる。なお、カラーフィルタとしては顔料系カラーフィルタや染料系カラーフィルタ等が知られており、その屈折率は一般に１．５〜１．７程度である。

次に、第２の平坦化層を形成し、ＣＭＰ処理によって第２の平坦化層の平坦化処理を施した後に、第２の平坦化層上にオンチップレンズ１１を形成することによって図４（ｆ）に示す様な固体撮像装置を得ることができる。

本発明を適用した固体撮像装置の他の一例では、ダミーパターンを形成し、配線層のパターンの疎密を緩和することで第２の平坦化層を形成する際に生じる段差を抑制することができ、例え段差が生じたとしてもその段差量が小さいためにＣＭＰ処理によって第２の平坦化層の平坦度を担保することができる。
従って、第２の平坦化層上に形成したオンチップレンズの高さや光軸が不揃いになるといった不具合が解消されると共に、第２の平坦化層表面で入射光が設計時に想定した所定の光路を通じて受光部に入射することが困難になるといった不具合も解消され、製品の光学特性が向上する。

また、カラーフィルタ材料によってダミーパターンを構成することによって、第２の平坦化層上にカラーフィルタを形成する必要が無く、固体撮像装置のより一層の小型化を実現することができる。

本発明を適用した固体撮像装置の一例を説明するための模式的な断面図である。 本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 本発明を適用した固体撮像装置の他の一例を説明するための模式的な断面図である。 本発明を適用した固体撮像装置の製造方法の他の一例を説明するための模式的な断面図である。 従来の固体撮像装置を説明するための模式的な断面図（１）である。 従来の固体撮像装置を説明するための模式的な断面図（２）である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 受光部
３ 半導体基板
４ トランジスター
５ａ 第１の平坦化層
５ｂ 第２の平坦化層
５ｃ 第３の平坦化層
６ａ 第１の配線層
６ｂ 第２の配線層
７ 接合層
８ａ 第１のダミー配線
８ｂ 第２のダミー配線
９ａ 第１の絶縁膜
９ｂ 第２の絶縁膜
１０ａ 第１のダミーパターン
１０ｂ 第２のダミーパターン
１１ カラーフィルタ層
１２ オンチップレンズ
２０ アルミニウム膜
２２ 第１の光透性絶縁膜
２３ カラーフィルタ膜

Claims (2)

1. 受光部が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板上に第１の平坦化層を介して形成された光を透過しない配線層と、を備え、
   前記配線層の配線は受光部周辺領域上に設けられ、
   前記受光部上には前記第１の平坦化層上に形成された絶縁膜を介して該絶縁膜の材料よりもエッチング効率が良い光透過性材料からなり、前記受光部及び受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和するためのダミーパターンが形成され、
   前記配線層における前記受光部周辺領域上には前記配線層の疎密を緩和するためのダミー配線が形成され、
   前記配線層の配線、前記ダミーパターンおよび前記ダミー配線上には第２の平坦化層が形成された固体撮像装置。
2. 受光部が形成された半導体基板と、該半導体基板上に第１の平坦化層を介して形成された光を透過しない配線層を有する固体撮像装置の製造方法において、
   前記第１の平坦化層上の受光部周辺領域上に前記配線層の配線と、該配線層の疎密を緩和するためのダミー配線とを形成する工程と、
   前記第１の平坦化層上に絶縁膜を積層した後に前記受光部上に前記絶縁膜の材料よりもエッチング効率が良い光透過性材料からなり、前記受光部及び受光部周辺領域のパターンの疎密を緩和するためのダミーパターンを形成する工程と、
   前記配線層の配線、前記ダミーパターンおよび前記ダミー配線上に第２の平坦化層を形成する工程と、
   を有する固体撮像装置の製造方法。

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