JP5383124B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - 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。

近年、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダー等の画像入力装置には、ＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサをはじめとする増幅型のイメージセンサが用いられている。イメージセンサで用いる固体撮像装置のうち、より高性能な固体撮像装置として、光電変換を行う光電変換素子の面積を縮小することで、配置される光電変換素子の数を増大させるとともに、チップサイズをより縮小したものが望まれている。この場合、光電変換素子の画素面積を縮小すると、受光できる光量が受光面の面積減少に伴って少なくなり、感度が低下する。感度低下の対策として、受光面上にオンチップマイクロレンズを形成し、それにより入射光を受光面に集光して、感度の低下を抑制する技術が知られている。

この様な層内レンズ、オンチップマイクロレンズの搭載に加え、画素の構成上の工夫により更に受光面の高さ方向のサイズを小さくし、その集光効率を高めた固体撮像装置およびその製造方法が特許文献１に提案されている。

図５は、特許文献１に示された固体撮像装置の一実施例の断面図であり、受光面と層内レンズ間の高さを小さくする構成が示されている。

図５において、１は光電変換素子、２は第３配線層、３は第１配線層、４は第２配線層、５はパッシベーション膜、６は上に凸の層内レンズ、７は第１の平坦化膜、８は第２の平坦化膜、９はカラーフィルタ、１０はオンチップマイクロレンズである。１１は第３層間絶縁膜、１２は第１層間絶縁膜、１３は第２層間絶縁膜、１４は半導体基板である。Ａは光電変換素子を含む複数の画素が配される有効画素領域、Ｂは基準値を得るための、複数の画素が遮光されたオプティカルブラック領域を含む有効画素領域以外の領域である。

オプティカルブラック領域Ｂでは、遮光膜となる配線を有するため、第２配線層が配されている。有効画素領域Ａでは第２層間絶縁膜１３上、オプティカルブラック領域Ｂでは第２配線層４上にパッシベーション膜５が配されている。そして、パッシベーション膜５上に層内レンズ６を有している。
このような構成によって、有効画素領域Ａにおいて光電変換素子１と層内レンズ６との距離を短くすることが可能となり、固体撮像装置の集光効率を高めることができるとしている。
特開２００７−１３０６１号公報

図5に示す固体撮像装置では、第２層間絶縁膜１３上の有効画素領域Ａとオプティカルブラック領域を含むそれ以外の領域Ｂの境界部で、第２配線層４の膜厚に基づくパッシベーション膜５の段差が存在する。更に有効画素領域Ａにおいては、層内レンズ６自体の高さが段差となる。カラーフィルタ９やマイクロレンズを形成する場合には、これらの段差を解消するための平坦化膜７を設けることになる。例えば、層内レンズ６の集光効率を向上させるために、層内レンズ６の高さを高くする場合には、平坦化膜７を厚くしなくてはならず、表面に形成するオンチップマイクロレンズ１０などが光電変換素子１から距離が離れ、集光効率が低下してしまうという課題が生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、層内レンズと光電変換素子の受光面との距離の低減を図りながら、層内レンズを含めた有効画素領域とそれ以外の遮光された領域との段差を低減し、集光効率を高め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。

上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を含む複数の画素を配した有効画素領域と、前記有効画素領域以外の遮光領域とを有する半導体基板と、第１の配線と、前記遮光領域の前記第１の配線より上層に配され、前記遮光領域を遮光する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に配された絶縁膜と、前記有効画素領域では前記絶縁膜上、前記遮光領域では前記第２の配線上に配されたパッシベーション膜とを有し、前記絶縁膜は、前記光電変換素子に対応する位置に凹部を有し、前記パッシベーション膜は、前記凹部に位置し、前記絶縁膜と前記パッシベーション膜が層内レンズを構成し、前記パッシベーション膜は、前記有効画素領域と前記遮光領域において、平坦化された上面を有することを特徴とする。

また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、光電変換素子を含む複数の画素を配した有効画素領域と、遮光領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、第１の配線を形成する工程と、前記第１の配線を形成する工程の後に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成する工程の後に、前記遮光領域となる部分に第２の配線を形成する工程と、前記有効画素領域となる部分の前記絶縁膜上に配されたエッチングマスクを介して前記絶縁膜に凹部をエッチングにより形成する工程と、前記絶縁膜の凹部を埋め込む層内レンズ形成層を形成する工程と、前記有効画素領域と前記遮光領域に渡って、前記層内レンズ形成層の上面を平坦化する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、層内レンズと光電変換素子の受光面との距離の低減を図りながら、層内レンズを含めた有効画素領域とそれ以外の遮光された領域との段差を低減し、集光効率を高め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ができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る固体撮像装置は、半導体基板上に、入射光量に応じて光電変換を行う光電変換素子を含む複数の画素を配した有効画素領域と、有効画素領域以外の遮光された遮光領域とを有する。有効画素領域には、第１の配線、絶縁膜、第２の配線とが受光面側からこの順に配されている。有効画素領域以外の遮光領域には、絶縁膜の上部に、第２の配線が配されている。第１の配線と第２の配線との間には、絶縁膜が配されている。有効画素領域では絶縁膜上に、遮光領域では第２の配線上に、パッシベーション膜が配されている。ここで、絶縁膜は、有効画素領域の光電変換素子の受光面に対応する位置に凹型形状を有し、凹型形状を埋め込んで層内レンズが配されている。遮光領域は、有効画素領域以外の領域であって、遮光された光電変換素子を含むオプティカルブラック領域を有し、第２の配線は、オプティカルブラック領域の遮光膜として機能するものを含む。

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、次の工程を有する。
（工程１）第１の金属配線を形成する。
（工程２）第１の金属配線の上部に絶縁膜を形成する。
（工程３）遮光領域となる部分の絶縁膜の上部に第２の金属配線を形成する。
（工程４）有効画素領域となる部分の絶縁膜上に配されたエッチングマスクを介して絶縁膜内に凹部をエッチングにより形成する。
（工程５）凹部を埋め込む層内レンズ形成層を形成する。
（工程６）層内レンズ形成層を平坦化して、有効画素領域では絶縁膜上、遮光領域では第２の配線上に、表面が平坦化されたパッシベーション膜を形成する。
（工程７）パッシベーション膜上に第１の平坦化膜を形成する。
（工程８）第１の平坦化膜上にカラーフィルタを形成する。
（工程９）カラーフィルタ上に第２の平坦化膜を形成する。
（工程１０）第２の平坦化膜上にオンチップマイクロレンズを形成する。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例における固体撮像装置の断面を示す図である。図１において、Ａは半導体基板（シリコン基板）１００上の有効画素領域、Ｂは半導体基板１００上の有効画素領域以外の領域（以下、遮光領域と称する）を表すものとする。

本実施例では、有効画素領域Ａは、入射光に応じた信号を読み出すための、光電変換素子１０１を含む複数の画素を配した領域に対応する。一方、遮光領域Ｂは、有効画素領域Ａに隣接して、有効画素に対する画像信号の光学的黒レベルを決める基準信号を形成するための、遮光層により遮光された画素を配したオプティカルブラック領域や有効画素領域Ａから信号を読み出すための周辺回路領域を有する。

図１において、半導体基板１００上の有効画素領域Ａと遮光領域Ｂとには、金属配線１０２及び第３反射防止膜１１５と、金属配線１０３及び第１反射防止膜１１６とがそれぞれ第３層間絶縁膜１１０と、第１層間絶縁膜１１１とを介して配されている。さらに、金属配線１０３の上層には、第２層間絶縁膜１１２が配されている。遮光領域Ｂの第２層間絶縁膜１１２上には、金属配線１０４及び第２反射防止膜１２１が配されている。本実施形態において、金属配線１０３は本発明の第１の配線、金属配線１０４は本発明の第２の配線、第２層間絶縁膜１１２は本発明の絶縁膜にそれぞれ対応する。

図１において、有効画素領域Ａの金属配線１０３と、遮光領域Ｂの金属配線１０４との間に第２層間絶縁膜１１２が配されている。第２層間絶縁膜１１２には、有効画素領域Ａの光電変換素子１０１の受光面の位置に対応して、凹部が形成されている。有効画素領域Ａ及び遮光領域Ｂに渡って、あるいは半導体基板１００全面にわたって平坦化されたパッシベーション膜１０６を有する。第２層間絶縁膜１１２の凹部とパッシベーション膜１０６とで層内レンズ１０５が構成される。平坦化されたパッシベーション膜１０６上には、第１平坦化膜１１９を有する。第１平坦化膜１１９上には、カラーフィルタ１０８を有する。更にカラーフィルタ１０８上には、第２平坦化膜１２０を有する。第２平坦化膜１２０上には、オンチップマイクロレンズ１０９を有する。

上記のように、本実施例では、有効画素領域Ａの最上部に位置する金属配線１０３と遮光領域Ｂの最上部に位置する金属配線１０４との間の第２層間絶縁膜１１２内部に層内レンズ１０５を形成している。これにより、層内レンズ１０５と光電変換素子１０１の距離の低減を図ることができる。

また、本実施例では、層内レンズ１０５が凹型形状に形成されているため、第２層間絶縁膜１１２上に形成されるパッシベーション膜１０６の平坦化が可能である。これにより、有効画素領域Ａと遮光領域Ｂとの間の段差を無くすことができる。

さらに、本実施例では、パッシベーション膜１０６の表面が平坦化されているため、第１平坦化膜１１９を従来の構成に比べて薄くすることが可能となる。第１平坦化膜１１９上に形成されるカラーフィルタ１０８との密着性が保持でき得る限りにおいて、薄膜化が可能となる。この第１の平坦化膜１１９の薄膜化により、オンチップマイクロレンズ１０９まで含めた光電変換素子の受光面からの高さを小さくすることが可能となり、集光効率を高めた固体撮像装置を形成することができる。

また、パッシベーション膜１０６の表面が平坦化されているため、第１平坦化膜１１９を設けずにカラーフィルタ１０８を設けることも可能となる。また、第２平坦化膜１２０も省略することが可能である。

次に、図１に示した本実施例における固体撮像装置の製造工程について、図２〜図４を参照して説明する。なお、説明を簡単にするために半導体基板に形成された素子領域、素子分離領域などの詳細な構成の説明は省略している。また、金属配線間の導通をとるためのコンタクトプラグ、ビアプラグは表示されていない。本実施例では、金属配線は全てアルミ系配線としたが、その限りではない。また、配線の符号は各配線層につき１つの配線にのみ記載している。

まず、図２（ａ）に示すように、フォトダイオード等の光電変換素子１０１を形成した半導体基板１００の上にトランジスタのゲート電極となるポリシリコンを形成する（図示せず）。さらに、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化シリコン膜を堆積する。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、平坦化された第３層間絶縁膜１１０を形成する。

次に、図示を省略するが、第３層間絶縁膜１１０の内部に、公知のリソグラフィ技術、エッチング技術により、シリコン基板上に形成された素子領域等と後に形成されるアルミ系の第３金属配線１０２との導通を取るためのコンタクトホールを形成する。続いて、スパッタリング法やＣＶＤ法により半導体基板１００上に窒化金属膜等からなるバリア膜層、タングステン等の金属膜を形成して、ビアホールを金属材料によって埋め込む。さらに、ＣＭＰ法等によるタングステン等の金属膜の平坦化により、コンタクトプラグを形成する。

続いて、半導体基板１００上にアルミまたはその合金からなるアルミ系膜をスパッタリング法やＣＶＤ法により形成し、リソグラフィ技術、ドライエッチング技術により金属配線１０２を形成する。図２（ａ）においては、反射率の高いアルミ系から成る金属配線１０２上でのリソグラフィへの影響を低減させるために、金属配線１０２上に、窒化チタン等から成る第３反射防止膜１１５を形成する。

次に、例えばＣＶＤ法、塗布法により、シリコン酸化膜からなる第１層間絶縁膜１１１を形成する。第１層間絶縁膜１１１の形成にあたっては、金属配線１０２による段差の影響を除去したい場合には、ＣＭＰ法によって平坦化しても良い。続いて、前記と同様の手法により、第１層間絶縁膜１１１の内部に、金属配線１０２と後に形成される金属配線１０３との導通を取るためのビアプラグを形成する。次に、アルミ系から成る金属配線１０３を形成する。また、金属配線１０２の場合と同様、反射率の高いアルミ系から成る金属配線１０３上でのリソグラフィへの影響を低減させるために、金属配線１０３上に、窒化チタン等から成る第１反射防止膜１１６を形成する。なお、金属配線１０３は、有効画素領域Ａ上では最上部の配線となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法、塗布法によりシリコン酸化膜からなる第２層間絶縁膜１１２を形成する。第２層間絶縁膜１１２の形成にあたっては、第１金属配線１０３による段差の影響を除去したい場合には、ＣＭＰ法によって平坦化しても良い。続いて、図示は省略するが、前記と同様の手法により、遮光領域Ｂにおいて、第２層間絶縁膜１１２の内部に、金属配線１０３と後に形成される金属配線１０４との導通を取るためのビアプラグを形成する。その後、半導体基板上にアルミまたはその合金からなるアルミ系膜をスパッタリング法やＣＶＤ法により形成し、リソグラフィ技術、ドライエッチング技術により遮光領域Ｂにおける金属配線１０４を形成する。また、金属配線１０２、１０３の場合と同様、金属配線１０４上でのリソグラフィへの影響を低減させるために、金属配線１０４上に、窒化チタン等から成る第２反射防止膜１２１を形成する。遮光領域Ｂにおいて形成された金属配線１０４は、遮光領域における金属配線となるだけではなく、遮光膜として機能する。

次に、図２（ｃ）に示すように、金属配線１０４及び第２層間絶縁膜１１２上にフォトレジスト等の感光性材料膜を塗布法により形成する。そして、フォトリソグラフィ技術により、光電変換素子１０１上部に開口を有するパターン１１３（以下、層内レンズ形成用フォトレジストパターンと称する）を形成する。

続いて、図２（ｄ）に示すように、層内レンズ形成用フォトレジストパターン１１３をマスク（エッチングマスク）として、第２層間絶縁膜１１２をエッチングし、凹型形状（以下、凹部）１１７を形成する。エッチングは、異方性、等方性またはこれらの組み合わせたものであり、第２層間絶縁膜１１２に形成する凹部１１７の形状に応じて、これらのエッチングのうち、どれを選択するか決定される。

続いて、図３（ａ）に示すように、半導体基板１００上に窒化シリコン系膜から成る層内レンズ形成膜１１４をＣＶＤ法により形成する。層内レンズ形成膜１１４により金属配線１０４が被覆され、凹部１１７が埋め込まれて凹型層内レンズ１０５が形成される。なお、層内レンズ形成膜１１４は、有効画素領域Ａにおける最小の高さが金属配線１０４より上になるまで堆積させるとよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、層内レンズ形成膜層１１４をＣＭＰ法により研磨し、半導体基板全面を平坦化させる。このとき、遮光領域Ｂの金属配線１０４に対して必要な膜厚のパッシベーション膜１０６が形成されるように、ＣＭＰ法による研磨量を制御する必要がある。このようにして、層内レンズ形成膜層１１４により、第２層間絶縁膜１１２に形成された凹部１１７の埋め込みによる凹型層内レンズ１０５と、半導体基板１００全面を被覆及び平坦化させるパッシベーション膜１０６とが形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、遮光領域Ｂの周辺回路のある領域においてリソグラフィ技術、及びドライエッチング技術によりパッシベーション膜１０６を開口してパッド部１１８を形成する。次に、パッド部１１８及びパッシベーション膜１０６上に、第１平坦化膜１１９を形成する。第１平坦化膜１１９は、可能な限り薄膜化されていることが望ましく、必ずしもパッド部１１８上が平坦化されている必要はない。

次に、図４（ａ）に示すように、第１平坦化膜１１９上に、カラーフィルタ１０８を形成する。カラーフィルタ１０８は、その下方にある各光電変換素子１０１に入射させる光の色に応じたカラーパターンを有している。続いて、カラーフィルタ１０８上に、第２平坦化膜１２０を形成し、その第２平坦化膜１２０上にオンチップマイクロレンズ１０９をレジストパターニングおよびリフローにより形成する。

最後に、図４（ｂ）に示すように、パッド部１１８の上方に残っている第１の平坦化膜１１９および第２の平坦化膜１２０をエッチング除去して、パッド部１１８の上方を開口させる。

なお、説明を省略したが、金属配線１０２、金属配線１０３、金属配線１０４の材質は、本実施例に限られず、金属配線１０２、金属配線１０３、金属配線１０４の全てまたは一部が銅から成る金属配線であっても良い。また、銅配線の場合には、その形成方法はシングルダマシン法、デュアルダマシン法のいずれであっても良い。更に、有効画素領域Ａ、遮光領域Ｂの金属配線の数は、有効画素領域Ａの金属配線数が遮光領域Ｂよりも少ない要件を満たすならば、本実施形態において示したものに限られない。

また、本実施形態での層内レンズ１０５を形成するために、層内レンズ形成膜層１１４として窒化シリコン系膜を用いたが、層内レンズ形成膜層の膜材質、膜材質の数等はこれらに限られるものではない。

以上の工程により、図１に示す固体撮像装置を製造することができる。

得られた固体撮像装置は、有効画素領域Ａの最上部に位置する金属配線１０３と遮光領域Ｂの最上部に位置する金属配線１０４との第２層間絶縁膜１１２に、凹部が形成され、パッシベーション膜１０６とで凹型の層内レンズ１０５が形成されている。これにより、層内レンズ１０５と光電変換素子１０１の存する受光面との距離の低減を図ることができる。更に、層内レンズ１０５の形状が凹型で第２層間絶縁膜１１２内に形成されているために、有効画素領域Ａとオプティカルブラック領域等の有効画素以外の領域Ｂとの段差は、これを被覆するパッシベーション膜１０６の平坦化により低減できる。従って、パッシベーション膜１０６上に形成する平坦化膜の薄膜化が可能となる。

以上、上記実施の形態及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダー等の画像入力装置で用いる増幅型の固体撮像装置及びその製造方法に利用可能である。

本発明の実施例による固体撮像装置を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１に示す固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｄ）に続き、図１に示す固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に続き、図１に示す固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 特許文献１に示された固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

１００ 半導体基板
１０１ 光電変換素子
１０２、１０３、１０４ 金属配線
１０５ 層内レンズ
１０６ パッシベーション膜
１０８ カラーフィルタ
１０９ オンチップマイクロレンズ
１１０ 第３層間絶縁膜
１１１ 第１層間絶縁膜
１１２ 第２層間絶縁膜
１１３ 層内レンズ形成用フォトレジストパターン
１１４ 層内レンズ形成膜層
１１５ 第３反射防止膜
１１６ 第１反射防止膜
１１７ 凹部
１１８ パッド部
１１９ 第１平坦化膜
１２０ 第２平坦化膜
１２１ 第２反射防止膜
Ａ 有効画素領域
Ｂ 有効画素領域以外の領域

Claims (9)

1. 光電変換素子を含む複数の画素を配した有効画素領域と、前記有効画素領域以外の遮光領域とを有する半導体基板と、
   第１の配線と、
   前記遮光領域の前記第１の配線より上層に配され、前記遮光領域を遮光する第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線との間に配された絶縁膜と、
   前記有効画素領域では前記絶縁膜上、前記遮光領域では前記第２の配線上に配されたパッシベーション膜とを有し、
   前記絶縁膜は、前記光電変換素子に対応する位置に凹部を有し、
   前記パッシベーション膜は、前記凹部に位置し、
   前記絶縁膜と前記パッシベーション膜が層内レンズを構成し、
   前記パッシベーション膜は、前記有効画素領域と前記遮光領域において、平坦化された上面を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記遮光領域は、別の光電変換素子を含む複数の画素を遮光する遮光膜を有するオプティカルブラック領域を有し、
   前記第２の配線は、前記オプティカルブラック領域の遮光膜として機能するものを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記パッシベーション膜上に配された第１の平坦化膜と、
   前記第１の平坦化膜上に配されたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に配された第２の平坦化膜と、
   前記第２の平坦化膜上に配されたオンチップマイクロレンズと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の配線の上に設けられた第１の反射防止膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２の配線の上に設けられた第２の反射防止膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記パッシベーション膜は、前記遮光領域の膜厚よりも前記有効画素領域の膜厚が厚く、前記第２の配線よりも厚いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 光電変換素子を含む複数の画素を配した有効画素領域と、遮光領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   第１の配線を形成する工程と、
   前記第１の配線を形成する工程の後に、絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜を形成する工程の後に、前記遮光領域となる部分に第２の配線を形成する工程と、
   前記有効画素領域となる部分の前記絶縁膜上に配されたエッチングマスクを介して前記絶縁膜に凹部をエッチングにより形成する工程と、
   前記絶縁膜の凹部を埋め込む層内レンズ形成層を形成する工程と、
   前記有効画素領域と前記遮光領域に渡って、前記層内レンズ形成層の上面を平坦化する工程と、を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記パッシベーション膜上に第１の平坦化膜を形成する工程と、
   前記第１の平坦化膜上にカラーフィルタを形成する工程と、
   前記カラーフィルタ上に第２の平坦化膜を形成する工程と、
   前記第２の平坦化膜上にオンチップマイクロレンズを形成する工程と、
   をさらに有することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記層内レンズ形成層を形成する工程において、前記層内レンズ形成層は前記有効画素領域と前記遮光領域とに渡って形成されることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の固体撮像装置の製造方法。