JP5468478B2 - 固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置に関する。
従来の固体撮像装置は、ｎ型のシリコン基板の表面にｐ型のウェル層が形成されており、このｐ型のウェル層の表面に、埋め込みフォトダイオードが形成されている。フォトダイオードが形成されたシリコン基板の表面には、絶縁膜が形成されており、この絶縁膜上には、多層配線層、表面保護膜であるパッシベーション膜、カラーフィルタ層が積層されており、カラーフィルタ層上に、マイクロレンズが形成されている。なお、多層配線層は、絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜の表面に形成された配線と、がこの順で多層に渡って積層された構造である。
この固体撮像装置における多層配線層は、以下のように形成される。すなわち、絶縁膜上に配線を形成した後、配線を含む絶縁膜上に層間絶縁膜を形成する。この層間絶縁膜は、配線層を含む絶縁膜上に層間絶縁膜となる材料を形成したのち、表面を平坦化することにより形成される。以下、これを繰り返すことにより、多層配線層が形成される。
近年、カラーフィルタを必要としない固体撮像装置を要求される場合がある。これに対応するために上述の固体撮像装置からカラーフィルタ層を除去すると、マイクロレンズを介して固体撮像装置内に入射される光量に対する、フォトダイオードに到達する光量（以下、これを固体撮像装置の透過率と称す）は、波長によって異なることが、本願発明者等によって発見された。すなわち、固体撮像装置の透過率特性にリップルが生ずることが発見された。
このリップルは、多層配線層の多層化、および多層配線層内の各層間絶縁膜表面の、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法による平坦化処理に起因すると考えられる。すなわち、多層配線層が多層化されるに従い、マイクロレンズを介して入射された光がフォトダイオードに到達するまでの距離が長くなり、また、シリコン基板表面にて反射された光が、平坦化構造故に散乱し難くなり、その結果、特定の波長の光は干渉により増幅し、また、他の波長の光は干渉により減衰する。この結果、リップルが生じていると考えられる。
本実施形態は、この問題に鑑みてなされたものであり、固体撮像装置の透過率特性に生ずるリップルを抑制することが可能な固体撮像装置の製造方法、またはこの方法によって製造された固体撮像装置を提供することにある。
本実施形態による固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードおよびこのフォトダイオードとは離間して形成された不純物層を備えた半導体基板の表面のうち、前記不純物層上を含み、前記フォトダイオード上を除く前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、このゲート電極を含む前記絶縁膜上に、層間絶縁膜を、その表面が平坦になるように形成する工程と、この表面が平坦化された前記層間絶縁膜の表面に、配線を形成する工程と、この配線を含む前記層間絶縁膜上に、パッシベーション膜を形成する工程と、前記配線間の前記パッシベーション膜上に複数の第１の開口部を有し、前記配線上の前記パッシベーション膜上に第２の開口部を有するレジスト層を、前記パッシベーション膜上に形成する工程と、前記レジスト層をマスクとして用いて、前記パッシベーション膜をエッチングし、前記第１の開口部に微小突起を形成する工程と、このエッチング工程によって前記配線上の前記パッシベーション膜に形成された開口部に、前記配線に接続されるように電極パッドを形成する工程と、を具備することを特徴とする方法である。
また、本実施形態による固体撮像装置は、カラーフィルタを具備しない固体撮像装置であって、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板の表面において、前記フォトダイオードとは離間して形成された不純物層と、この不純物層を含み、前記不純物層と前記フォトダイオードとの間の前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電極を含む前記絶縁膜上に、表面が平坦になるように形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜の表面のうち、前記フォトダイオードの上方を除く領域に形成された配線と、この配線上に形成されたパッシベーション膜と、前記配線間から露出する前記層間絶縁膜上であり、かつ前記フォトダイオードの上方のみに形成された複数の微小突起と、前記配線に接続されるように前記配線上に形成された電極パッドと、を具備することを特徴とするものである。
以下に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によって製造された固体撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、この固体撮像装置を、後述する半導体基板１１に対して垂直に切断した断面図である。同図は、固体撮像装置の１画素に相当する部分の断面図であり、実際の装置においては多数の画素が直線的あるいは平面的に配列されている。
この固体撮像装置において、Ｐ型のシリコン半導体基板１１の表面に形成されたＰ型のウェル１２には、フォトダイオード１３が埋め込み形成されている。このフォトダイオード１３は、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１と、この表面のＰ＋型のフォトダイオード層１３−２と、によって構成されている。
フォトダイオード１３を構成するＮ＋型のフォトダイオード層１３−１は、光電変換が行われる層であり、この層に光が入射されると、入射された光に応じて光電流が発生する。
また、フォトダイオード１３を構成するＰ＋型のフォトダイオード層１３−２は、外部からの結晶欠陥を抑制するためのバリア層である。この層を設けることにより、暗電流の発生が抑制される。従って、Ｐ＋型のフォトダイオード層１３−２は、形成されることが好ましいが、必ずしも形成されなければならないものではない。
また、ウェル１２の表面において、フォトダイオード１３とは離間した位置には、Ｎ＋型の不純物層１４が形成されている。この不純物層１４は、フォトダイオード１３によって生成された電荷を読み出すとともに、読み出された電荷を蓄積するトランスファーゲートトランジスタの一部を構成する。
フォトダイオード１３、Ｎ＋型の不純物層１４を含むウェル１２の表面には、例えばＳｉＯ２からなるゲート酸化膜１５および、例えばＳｉＮからなる反射防止膜１６が積層されて形成されている。
なお、上述の半導体基板１１、若しくはゲート酸化膜１５には、水素が含有されている。これにより、半導体基板１１とゲート酸化膜１５との界面の界面準位を低下させ、暗電流の発生を抑制している。
反射防止膜１６の表面上において、フォトダイオード１３の上部を除き、不純物層１４の上部を含む領域には、例えばポリシリコンからなるゲート電極１７が形成されている。
ここで、このゲート電極１７、この下方のＮ＋型の不純物層１４、およびこの不純物層１４とフォトダイオード１３との間のウェル１２、によって、トランスファーゲートトランジスタが構成される。
ゲート電極１７を含む反射防止膜１６の表面上には、例えばＳｉＯ２からなる第１の層間絶縁膜１８が積層されている。この第１の層間絶縁膜１８の表面は、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化処理されている。
この第１の層間絶縁膜１８の表面上のうち、フォトダイオード１３の上部を除く領域には、第１のメタル配線１９が形成される。この第１のメタル配線１９は、例えば、Ａｌ層１９−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層と、により構成されている。
この第１のメタル配線１９を含む第１の層間絶縁膜１８の表面上には、例えばＳｉＯ２からなる第２の層間絶縁膜２０が積層されている。この第２の層間絶縁膜２０の表面は、例えばＣＭＰ法により平坦化処理されている。
第２の層間絶縁膜２０の表面のうち、フォトダイオード１３の上部を除く領域には、第２のメタル配線２１が形成される。この第２のメタル配線２１も、第１のメタル配線１９と同様に、例えば、Ａｌ層２１−１と、その上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層２１−２と、により構成されている。
この第２のメタル配線２１を含む第２の層間絶縁膜２０の表面上には、例えばＳｉＮからなるパッシベーション膜２２が形成されている。
このパッシベーション膜２２のうち、第２のメタル配線２１の間の領域、すなわち、フォトダイオード１３の上部領域に対応する位置には、先端が尖った形状の複数の微小突起２３が、平面状に配列形成されている。この複数の微小突起２１は、シリコン半導体基板１１の表面にて反射された光を散乱させるために設けられている。
なお、これらの微小突起２１は、第２の層間絶縁膜２０とパッシベーション膜２２との層間に設けられてもよい。
また、このパッシベーション膜２２のうち、第２のメタル配線２１上の一部領域には、このパッシベーション膜２２を除去することによって設けられた開口部が形成されている。そして、この開口部には、第２のメタル配線２１に接続された電極パッド２４が形成されている。この電極パッド２４は、例えば、第２のメタル配線２１、第１のメタル配線１９を介してゲート電極１７に電気的に接続されており、ゲート電極１７に電圧を印加する際に用いられる。
微小突起２３および電極パッド２４を含むパッシベーション膜２２の表面には、平坦化された透明なレジスト層（図示せず）が積層されており、このレジスト層の表面のうち、フォトダイオード１３の上方の位置には、マイクロレンズ（図示せず）が形成されている。
なお、マイクロレンズと透明なレジスト層との間には、カラーフィルタは形成されない。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置は、カラーフィルタを具備しない構成である。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図２乃至図１１を参照して説明する。なお、図２乃至図１１は、固体撮像装置の製造工程を説明するための、図１に相当する断面図である。
まず、図２に示すように、Ｐ型のシリコン半導体基板１１の表面に形成されたＰ型のウェル１２の表面上に、フォトダイオード１３を形成するための開口部２５Ａを有する第１のレジスト層２５を形成する。
次に、図３に示すように、第１のレジスト層２５をマスクとして用いて、半導体基板１１の表面に、Ｎ型の不純物をドーピングする。これにより、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１が形成される。
次に、図４に示すように、第１のレジスト層２５をさらにマスクとして用いて、半導体基板１１の表面に、Ｐ型の不純物をドーピングする。これにより、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１の表面には、Ｐ＋型のフォトダイオード層１３−２が形成される。
この後、第１のレジスト層２５を除去するとともに、各フォトダイオード層１３−１、１３−２を熱拡散させる。これにより、フォトダイオード１３が形成される。
なお、図４に示す不純物イオンの注入工程は、第１のレジスト層２５を除去した後に、半導体基板１１の表面全面にＰ型の不純物をドーピングしてもよい。これにより、半導体基板１１の表面の外部からの結晶欠陥が拡散されることを抑制できる。この方法は、画素ピッチが広い場合には有効である。しかし、画素ピッチが狭い場合には、上述のように第１のレジスト層２５を介してＰ型の不純物をドーピングすることが好ましい。
次に、図５に示すように、半導体基板１１表面領域において、フォトダイオード１３とは離間した位置にＮ型の不純物をイオン注入した後、熱拡散処理することにより、Ｎ＋型の不純物層１４を形成する。さらに、このＮ＋型の不純物層１４を含む半導体基板１１表面領域に、ゲート酸化膜１５および反射防止膜１６をこの順で形成する。
次に、図６に示すように、反射防止膜１６の表面上に、ゲート電極１７を形成する。ゲート電極１７は、反射防止膜１６上に、例えばポリシリコンを５００ｎｍの厚さで形成した後、ＲＩＥエッチングによりパターニングすることにより形成される。
次に、図７に示すように、ゲート電極１７を含む反射防止膜１６上に絶縁材料（例えばＳｉＯ２）を形成し、この表面をＣＭＰ法により平坦化処理することにより、第１の層間絶縁膜１８を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで形成する。
次に、図８に示すように、この平坦化された第１の層間絶縁膜１８の表面上のうち、フォトダイオード１３の上方を除く領域に、第１のメタル配線層１９を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで形成する。第１のメタル配線１９は、Ａｌと、Ｔｉ／ＴｉＮと、を、この順で例えば蒸着することにより形成される。
さらに、第１のメタル配線１９を含む第１の層間絶縁膜１８上に、第１の層間絶縁膜１８と同様の方法によって同じく平坦化された第２の層間絶縁膜２０を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。さらに、この第２の層間絶縁膜２０の表面上のうち、フォトダイオード１３の上方を除く領域に、第２のメタル配線２１を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。この第２のメタル配線２１の形成方法は、第１のメタル配線層１９の形成方法と同様である。
次に、図９に示すように、第２のメタル配線２１を含む第２の層間絶縁膜２０上に、パッシベーション膜２２を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。
次に、図１０に示すように、パッシベーション膜２２の表面上に、図１に示される複数の微小突起２３および電極パッド２４を形成するための複数の開口部２６を有する第２のレジスト層２７を形成する。第２のレジスト層２７の開口部２６のうち、複数の微小突起２３を形成するための複数の第１の開口部２６−１は、第２のメタル配線２１間のパッシベーション膜２２上に配列形成される。また、電極パッド２４を形成するための第２の開口部２６−２は、第２のメタル配線２１上のパッシベーション膜２２上の一部に形成される。
次に、図１１に示すように、第２のレジスト層２７をマスクとして用いて、パッシベーション膜２２をウエットエッチングする。これにより、パッシベーション膜２２には、複数の微小突起２３が形成されるとともに、図１に示す電極パッド２４を形成するための開口部２８が形成される。
なお、このウエットエッチング工程においては、パッシベーション膜２２を貫通し、第２の層間絶縁膜２０の一部がエッチングされるまで行われてもよい。
最後に、第２のレジスト層２７を除去するとともに、パッシベーション膜２２に設けられた開口部２８に電極パッド２４を形成することによって、図１に示す固体撮像装置が製造される。
なお、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法中、図１１に示すパッシベーション膜２２をエッチングする工程においては、上述のようにウエットエッチングを採用することが好ましく、反対に、ＣＦ４／Ａｒを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを採用することは好ましい方法ではない。これは、以下の理由による。
すなわち、ＣＦ４／Ａｒを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングを行うと、例えば第２のメタル配線２１のＡｌ層２１−１と、ドライエッチングによる残留フッ素と、が結合する。従って、３００〜３５０℃程度に加熱してＡｌ層２１−１からフッ素を解離する必要があるが、この加熱によって、半導体基板１１若しくはゲート酸化膜１５に含有された水素が拡散する。この結果、製造された固体撮像装置の暗電流が増すという問題がある。従って、ドライエッチングを採用することは、好ましい方法ではない。
以上に示すように、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、パッシベーション膜２２に、複数の微小突起２３を形成することができる。従って、半導体基板１１の表面で反射された光は、複数の微小突起２３において散乱される。これにより、固体撮像装置の透過率特性に生ずるリップルが抑制された固体撮像装置が製造される。
実際に、本実施形態に係る固体撮像装置の透過率特性を実験により確認した。図１２は、本実施形態に係る固体撮像装置の光の透過率特性を示すグラフである。同図の横軸は光の波長を示し、縦軸は透過率を示す。また、図中の曲線Ｔｐは、透過率特性を示す。図１２に示すように、上述の固体撮像装置の光の透過率特性Ｔｐは、波長によって大きく透過率が変化することはなく、リップルは確認されなかった。
これに対して、従来の固体撮像装置、すなわち、複数の微小突起２３が形成されない他は、本実施形態に係る固体撮像装置と同一構造の固体撮像装置の透過率特性も、実験により確認した。図１３は、従来の固体撮像装置の光の透過率特性を示すグラフである。同図の横軸は光の波長を示し、縦軸は透過率を示す。また、図中の曲線Ｔｃは、透過率特性を示す。図１３に示すように、従来の固体撮像装置の光の透過率特性Ｔｃにおいては、波長によって大きく透過率が変化していることが確認された。すなわち、複数のリップル２９が確認された。
以上に示す図１２と図１３との比較によって、固体撮像装置の透過率特性に生ずるリップルが抑制されることが確認された。
また、この製造方法においては、微小突起２３と、電極パッド２４を形成するための開口部２８と、を同時に形成するため、これらを別工程によって形成する必要はなく、製造工程が短縮される。
また、この製造方法においては、微小突起２３と、電極パッド２４を形成するための開口部２８と、を、ＣＦ４／Ａｒを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングによっては形成されず、ウエットエッチングによって形成されるため、半導体基板１１若しくはゲート酸化膜１５に含有された水素が拡散することはない。従って、製造された固体撮像装置の暗電流の増加は抑制される。
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、微小突起２３は、必ずしも先端が尖った形状である必要はなく、先端が平面な形状であってもよい。この場合、図１１に示される工程と比較して、レジスト層２７下の微小突起の先端とレジスト層２７との接触面が大きくなるようにパッシベーション膜２２をエッチングすればよい。
また、上述の固体撮像装置における各導電型は、限定されない。また、固体撮像装置を構成する各材料は限定されない。さらに、配線層の層数も、限定されない。
１１・・・シリコン基板
１２・・・ウェル
１３・・・フォトダイオード
１３−１・・・Ｎ＋型のフォトダイオード層
１３−２・・・Ｐ＋型のフォトダイオード層
１４・・・Ｎ＋型の不純物層
１５・・・ゲート酸化膜
１６・・・反射防止膜
１７・・・ゲート電極
１８・・・第１の層間絶縁膜
１９・・・第１のメタル配線
１９−１・・・Ａｌ層
１９−２・・・バリアメタル層
２０・・・第２の層間絶縁膜
２１・・・第２のメタル配線
２１−１・・・Ａｌ層
２１−２・・・バリアメタル層
２２・・・パッシベーション膜
２３・・・微小突起
２４・・・電極パッド
２５・・・第１のレジスト層
２５Ａ・・・開口部
２６・・・開口部
２６−１・・・第１の開口部
２６・・・第２の開口部
２７・・・第２のレジスト層
２８・・・開口部
２９・・・リップル
１２・・・ウェル
１３・・・フォトダイオード
１３−１・・・Ｎ＋型のフォトダイオード層
１３−２・・・Ｐ＋型のフォトダイオード層
１４・・・Ｎ＋型の不純物層
１５・・・ゲート酸化膜
１６・・・反射防止膜
１７・・・ゲート電極
１８・・・第１の層間絶縁膜
１９・・・第１のメタル配線
１９−１・・・Ａｌ層
１９−２・・・バリアメタル層
２０・・・第２の層間絶縁膜
２１・・・第２のメタル配線
２１−１・・・Ａｌ層
２１−２・・・バリアメタル層
２２・・・パッシベーション膜
２３・・・微小突起
２４・・・電極パッド
２５・・・第１のレジスト層
２５Ａ・・・開口部
２６・・・開口部
２６−１・・・第１の開口部
２６・・・第２の開口部
２７・・・第２のレジスト層
２８・・・開口部
２９・・・リップル
Claims (4)
- フォトダイオードおよびこのフォトダイオードとは離間して形成された不純物層を備えた半導体基板の表面のうち、前記不純物層上を含み、前記フォトダイオード上を除く前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
このゲート電極を含む前記絶縁膜上に、層間絶縁膜を、その表面が平坦になるように形成する工程と、
この表面が平坦化された前記層間絶縁膜の表面に、配線を形成する工程と、
この配線を含む前記層間絶縁膜上に、パッシベーション膜を形成する工程と、
前記配線間の前記パッシベーション膜上に複数の第１の開口部を有し、前記配線上の前記パッシベーション膜上に第２の開口部を有するレジスト層を、前記パッシベーション膜上に形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして用いて、前記パッシベーション膜をエッチングし、前記第１の開口部に微小突起を形成する工程と、
このエッチング工程によって前記配線上の前記パッシベーション膜に形成された開口部に、前記配線に接続されるように電極パッドを形成する工程と、
を具備することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記エッチング工程は、前記パッシベーション膜をウエットエッチングする工程である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。
- カラーフィルタを具備しない固体撮像装置であって、
半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードと、
前記半導体基板の表面において、前記フォトダイオードとは離間して形成された不純物層と、
この不純物層を含み、前記不純物層と前記フォトダイオードとの間の前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
このゲート電極を含む前記絶縁膜上に、表面が平坦になるように形成された層間絶縁膜と、
この層間絶縁膜の表面のうち、前記フォトダイオードの上方を除く領域に形成された配線と、
この配線上に形成されたパッシベーション膜と、
前記配線間から露出する前記層間絶縁膜上であり、かつ前記フォトダイオードの上方のみに形成された複数の微小突起と、
前記配線に接続されるように前記配線上に形成された電極パッドと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記半導体基板若しくは前記絶縁膜は、水素を含有した半導体基板若しくは絶縁膜であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
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