JP5425138B2

JP5425138B2 - 固体撮像装置の製造方法

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Publication number: JP5425138B2
Application number: JP2011107623A
Authority: JP
Inventors: 智之野田; 優也藤野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2011160002A

Description

本発明は固体撮像装置の製造方法に関し、特に層内レンズを備える固体撮像装置の製造方法に関する。

近年では、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダ等の画像入力装置には、ＣＣＤイメージセンサや、バイポーラトランジスタ型イメージセンサ、電界効果トランジスタ型イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の非ＣＣＤ型のイメージセンサと呼ばれる固体撮像装置が用いられている。そのような画像入力装置では、光電変換部で光学的画像情報（光学像）を電気信号に変換し、変換された電気信号に各種の信号処理を施して表示器に表示したり、記憶媒体に記録したりしている。

より高性能の固体撮像装置として、実際に光電変換を行う受光部である光電変換素子の受光面の面積（画素面積）を小さくして、配置する光電変換素子の数を多くするとともに、固体撮像装置のチップサイズを小さくすることが望まれている。

しかしながら、画素の高密度化や小チップ化を推し進めると、画素となる一つの光電変換素子が受光できる光量も受光面の面積の減少に伴って少なくなり、装置の感度を低くすることになる。これを改善すべく、受光面上に設けられた保護膜の平坦化された面上にマイクロレンズを形成し、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。

また、画素の更なる高密度化や小チップ化が要求されるのに伴って、マイクロレンズと光電変換素子との間に、隣接する層と異なる屈折率を有する膜から構成される層内レンズを設ける必要性が高まってきた。

例えば、特許文献１には、マイクロレンズと凸型層内レンズを有する固体撮像装置が開示されている。ここで、特許文献１に開示された固体撮像装置の構成について図１５を参照して簡単に説明する。図１５において、１３は半導体部材、１は半導体部材内に構成された光電変換素子、２は素子分離領域である。４は第１の配線パターン、６は第２の配線パターンであり、第１の配線パターン４と第２の配線パターン６は、第１の絶縁膜３と第２の絶縁膜５でそれぞれ分離されている。そして、第２の配線パターン６上に第３の絶縁膜７で平坦化した後、凸型層内レンズ８を形成する。更に第１の平坦化膜９で層内レンズ８上を平坦化した後、カラーフィルタ層１０を形成し、更に第２の平坦化膜１１で平坦化した後、マイクロレンズ１２を形成する。なお、１４はパッド部である。このような手法をとれば、凸型層内レンズ８を精度よく形成することができ、実質的な感度低下をもたらすことなく集光効率を高めることができる、と記載されている。

ここで、光電変換部の端部に遮光領域を有する固体撮像装置を特許文献１に基づいて設計した場合の構成について、図１６を参照して説明する。

図１６は、受光領域と遮光領域とを含む固体撮像装置の端部の断面を示したものである。図１６において、１０１は遮光領域画素、１０２は受光領域画素、１０３は感光領域（光電変換素子）、１０４は第１メタル配線層、１０５は第２メタル配線層、１０６は入射光を遮光する第３メタル配線層１０６である。光電変換素子１０３と、第１メタル配線層１０４と、第２メタル配線層１０５と、第３メタル配線層は層間絶縁膜によりその大部分が物理的且つ電気的に分離されている。一部がコンタクトプラグ、ビアプラグで接続されている。なお、第３メタル配線層１０６により入射光を遮光された画素が遮光領域の画素となり、第３メタル配線層１０６は受光領域画素１０２にはかからないように構成される。また、１１２は平坦化膜で、第３メタル配線層１０６の段差を埋め、後述する層内レンズ１０８を形成する表面が均一となるようにしている。１０７はパッシベーション層、１０８は層内レンズである。層内レンズ１０８を形成後、平坦化膜１０９により平坦化を行い、カラーフィルタ層１１０を形成する。その後さらに平坦化膜１０９により平坦化し、その上にマイクロレンズ１１１を形成する。

特開２００５‐０１２１８９号公報

しかしながら、図１６に示すように、図１５のような手法で固体撮像装置を構成すると、受光面から層内レンズ下までの距離が長くなり、逆に集光効率が悪くなってしまうという問題があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、受光面から層内レンズ下までの距離を短縮し、感度低下をもたらすことなく集光効率を高めた固体撮像装置を製造することを目的とする。

上記目的を達成するために、基板の一主面に配された、有効画素領域と、基準信号を作成するためのオプティカルブラック領域とを有する固体撮像装置の本発明の製造方法は、前記基板の一主面上に第１メタル層を形成する第１工程と、前記第１メタル層上に第１絶縁膜を形成する第２工程と、前記第２工程後に、前記オプティカルブラック領域を遮光するための第２メタル層を形成する第３工程と、前記第３工程後に平坦化膜を形成することなく、前記第２メタル層の膜厚よりも厚いパッシベーション層兼層内レンズ形成膜を形成する第４工程と、前記パッシベーション層兼層内レンズ形成膜を加工して、少なくとも前記有効画素領域に層内レンズを形成し、前記層内レンズ形成後の前記パッシベーション層兼層内レンズ形成膜の残膜により、前記第２メタル層よりも薄いパッシベーション膜を形成する第５工程と、を含む。

本発明によれば、受光面から層内レンズ下までの距離を短縮し、感度低下をもたらすことなく集光効率を高めた固体撮像装置を製造することができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の改善効果を説明する為の図である。、、、、、、、図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の別の固体撮像装置の構成例を示す断面図である。本発明の別の固体撮像装置の構成例を示す断面図である。従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。従来例に基づいて設計した固体撮像装置の構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図であって、受光領域と遮光領域を有する固体撮像装置の端部を示している。なお、図１において、図１６と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図１に示す構成では、図１６に示す平坦化膜１１２による平坦化を行わずに、層間絶縁層及び第３メタル配線層１０６上に直にパッシべーション部１０７を構成し、第３メタル配線層１０６の段差は埋めずにそのままにしておく。

このように構成することで、本実施形態の図１に示す構成では、最上のメタル層の段差を埋める平坦化膜１１２の分、低くすることができるため、図１６に示す構成に比べて、受光領域画素１０２の光電変換素子１０３から層内レンズ１０８下までの高さを低く構成することができる。このため集光効率を高めることができ、特にＦナンバーが小さくなった時の感度の低下を改善することができる。

図２に、図１６に示す構成と本実施形態の構成におけるＦナンバー依存の特性を示す。図２に示すように、本第１の実施形態の構成では、図１６に示す従来の手法を適用した構成と比較して、Ｆナンバーが小さい時の感度が向上しているのが分かる。

次に、図１に示した本第１の実施形態における固体撮像装置の製造工程について、図３から図１０を参照して説明する。

まず、図３に示すように、シリコンウエハ等からなる半導体部材１２１を用意して、ＬＯＣＯＳ法（シリコン局所酸化法）、ＳＴＩ（シャロートレンチ素子分離）法等により素子分離領域１２２を半導体部材１２１上に形成する。次に、フォトレジストパターンを形成してイオン注入および熱処理を行い、例えばフォトダイオード（光電変換素子１０３）のカソードまたはアノードとなる拡散層を半導体部材１２１上に形成する。

続いて、熱酸化、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、スパッタリング、塗布法などにより、第１の絶縁膜１２３を半導体部材１２１上に形成する。ここで、第１の絶縁膜１２３の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第１の絶縁膜１２３上に形成し、光電変換素子１０３の受光面の上方に位置する部分をエッチングにより除去することにより、所望の形状の第１のパターン（第１メタル配線層）１０４を形成する。

次に、ＳｉＯまたはこれを主成分とする材料からなる第２の絶縁膜１２４を、ＣＶＤ法により、第１の絶縁膜１２３および第１メタル配線層１０４の上に形成する。ここで、第２の絶縁膜１２４の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、第１メタル配線層１０４と同様に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第２の絶縁膜１２４上に形成し、光電変換素子１０３の受光面の上方に位置する部分をエッチングにより除去することにより、所望の形状の第２のパターン（第２メタル配線層）１０５を形成する。

なお、第１および第２メタル配線層１０４、１０５は、光電変換素子１０３からの電気信号の伝達に用いる配線として機能する他、ある光電変換素子１０３に入射すべき光が他の光電変換素子１０３に入射することを防ぐ遮光板としても機能する。

次に、ＳｉＯまたはこれを主成分とする材料からなる第３の絶縁膜１２５を、ＣＶＤ法により、第２の絶縁膜１２４および第２メタル配線層１０５の上に形成する。ここで、第３の絶縁膜１２５の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、第１のパターン１０４、第２のパターン１０５と同様に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第２の絶縁膜１２５上に形成し、受光領域に位置する部分等をエッチングにより除去することにより、所望の形状の第３のパターン（第３メタル配線層）１０６を形成する。第３メタル配線層１０６は、有効画素領域の外側の領域に、基準信号を作成するための遮光領域（optical black）を形成するための遮光部材も含んで形成される。

次に、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ等で構成されるパッシベーション層兼層内レンズ形成膜１０７’を、ＣＶＤ法により、第３メタル配線層１０６及び第３の絶縁膜１２５上に形成する。

続いて、図３に示すように、層内レンズ１０８を形成するためのエッチングマスク１２６をパッシベーション層兼層内レンズ形成膜１０７’の上にフォトリソグラフィ工程より形成する。その後、図４に示すように、エッチングマスク１２６を加熱処理によりリフローさせて、層内レンズ１０８の形状と実質的に同じ形状の凸レンズ形状にする。なお、本実施形態では、層内レンズは遮光領域にも形成される。

次に、パッシベーション層兼層内レンズ形成膜１０７’の全面にエッチングを施し、図５に示すように、パッシベーション層兼層内レンズ形成膜１０７’にエッチングマスク１２６の凸レンズ形状を転写して、層内レンズ１０８を形成する。ここでのエッチングガスには、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｏ₂、Ａｒ、Ｈｅなどを用いることができる。パッシベーション層兼層内レンズ形成膜１０７’のエッチング残膜は、パッシベーション層１０７となる。

続いて、図６に示すように、フォトリソグラフィでパッド部１２８’を開口するために、そのような開口パターンを有するレジストパターン１２７をパッシベーション層１０７および層内レンズ１０８の上に形成し、図７に示すように、パッド部１２８上に位置するパッシベーション層１０７をフォトリソグラフィにより除去する。

その後、図８に示すように、パッド部１２８、パッシベーション層１０７、および層内レンズ１０８の上に第１の平坦化膜１０９を形成し、その第１の平坦化膜１０９の上にカラーフィルタ層１１０を形成する。カラーフィルタ層１１０は、その下方にある各光電変換素子１０３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、図９に示すように、カラーフィルタ層１１０の上に、第２の平坦化膜１０９を形成し、マイクロレンズ１１１をレジストパターニング及びリフローにより形成する。最後に、図１０に示すように、パッド部１２８の上方に残っている第１および第２の平坦化膜１０９をエッチングにより除去してパッド部１２８の上方を開口させる。

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。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図であって、受光領域と遮光領域を有する固体撮像装置の端部を示している。図１１において、図１と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

図１の構成では、遮光領域である第３メタル配線層１０６上にも層内レンズ１０８を形成するので、受光領域と遮光領域との境界においてマイクロレンズ１１１が傾いて形成されてしまうことを防ぐために、第１の平坦化膜１０９を厚く形成する必要がある。

これに対し、図１１に示す第２の実施形態における構成では、遮光領域である第３メタル配線層１０６上には層内レンズ１０８を形成しない。これにより、第１の平坦化膜１０９を図１の構成と比較して更に薄くすることができる。これにより、集光効率を高めることができ、特にＦナンバーが小さくなった時の感度の低下を更に改善することができる。

図１１に示す構成の製造方法は、図１２に示すように層内レンズ１０８を形成するためのエッチングマスク１２６を遮光領域に構成しないところが異なるが、その他の製造方法は上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図１２に示す工程は、図３の工程に対応する。

上記の通り本実施形態によれば、光電変換部３からマイクロレンズ１１１までの距離を短くすることができるため、更に集光効率を上げることができる。

＜変形例＞
図１３は、本発明における別の固体撮像装置の断面を示す図であって、受光領域と遮光領域を有する固体撮像装置の端部を示している。図１３において、図１と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図１３では、上記第１及び第２の実施形態と異なり、第１メタル配線層１０４のみを有し、第２メタル配線層１０５を有しない構成を示している。

また、図１４は、本発明における別の固体撮像装置の断面を示す図であって、受光領域と遮光領域を有する固体撮像装置の端部を示している。図１４に示す構成では第３メタル配線層２０６の厚みを第２の実施形態における第３メタル配線層１０６と比較して薄くすると共に、層内レンズ１０８の厚みをパッシベーション層１０７の段差とほぼ同じにした場合を示している。

このように、図１３及び図１４に示す構成でも、受光領域画素１０２の光電変換素子１０３から層内レンズ１０８下までの高さを低く構成することができるため、集光効率を高めることができる。

１０１遮光領域画素
１０２受光領域画素
１０３光電変換素子
１０４第１メタル配線層
１０５第２メタル配線層
１０６、２０６第３メタル配線層
１０７パッシベーション層
１０７’ パッシベーション層兼層内レンズ形成膜
１０８層内レンズ
１０９平坦化膜
１１０カラーフィルタ層
１１１マイクロレンズ
１１２平坦化膜
１２１半導体部材
１２２素子分離領域
１２３第１の絶縁膜
１２４第２の絶縁膜
１２５第３の絶縁膜
１２６エッチングマスク
１２７レジストパターン
１２８パッド部

Claims

基板の一主面に配された、有効画素領域と、基準信号を作成するためのオプティカルブラック領域とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記基板の一主面上に第１メタル層を形成する第１工程と、
前記第１メタル層上に第１絶縁膜を形成する第２工程と、
前記第２工程後に、前記オプティカルブラック領域を遮光するための第２メタル層を形成する第３工程と、
前記第３工程後に平坦化膜を形成することなく、前記第２メタル層の膜厚よりも厚いパッシベーション層兼層内レンズ形成膜を形成する第４工程と、
前記パッシベーション層兼層内レンズ形成膜を加工して、少なくとも前記有効画素領域に層内レンズを形成し、前記層内レンズ形成後の前記パッシベーション層兼層内レンズ形成膜の残膜により、前記第２メタル層よりも薄いパッシベーション膜を形成する第５工程と、
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記第５工程後に、平坦化膜を形成する第６工程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の製造方法。
前記第６工程後に、カラーフィルタを形成する第７工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第７工程後に、マイクロレンズを形成する第８工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第７工程後、前記第８工程前に、第２平坦化膜を形成する第９工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第５工程後に、前記パッシベーション膜のパッド部に対応する部分を除去する第１０工程と、
前記第９工程後に、前記第６工程で形成された前記平坦化膜、及び、前記第２平坦化膜の一部を除去することにより、前記パッド部を露出する第１１工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第５工程において、前記オプティカルブラック領域には、前記層内レンズを形成せずに、前記有効画素領域に形成される層内レンズ形成後の前記パッシベーション層兼層内レンズ形成膜の残膜によりパッシベーション膜を形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。