JP5639748B2 - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は固体撮像装置とその製造方法に関し、特に、受光面にフォトダイオードを有する画素がマトリクス状に並べられてなる固体撮像装置とその製造方法に関する。

例えば、ＣＭＯＳセンサあるいはＣＣＤ素子などの固体撮像装置では、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオード（光電変換部）に光を入射させ、そのフォトダイオードで発生した信号電荷によって映像信号を得る構成となっている。

ＣＭＯＳセンサでは、例えば、受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられ、受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をＣＭＯＳ回路の駆動でフローティングディフュージョンに転送し、信号電荷を信号電圧に変換して読み取る構成となっている。

また、ＣＣＤ素子では、例えば、ＣＭＯＳセンサと同様に受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられ、受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をＣＣＤ垂直転送路及び水平転送路により転送して読み取る構成となっている。

上記のようなＣＭＯＳセンサなどの固体撮像装置は、例えば、半導体基板の表面に上述のフォトダイオードが形成されており、その上層を被覆して酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されており、フォトダイオードへの光の入射を妨げないようにフォトダイオード領域を除く領域において絶縁膜中に配線層が形成された構成となっている。

しかしながら、上記のような固体撮像装置において、素子の微細化により受光面の面積が縮小されてきており、これに伴って入射光率が低下して感度特性が悪化するという問題がある。
この対策として、オンチップレンズや層内レンズなどを用いて集光を行う構造が開発されて、特に、フォトダイオードの上方における絶縁膜中に、外部から入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を設けた固体撮像装置が開発された。

特許文献１及び２には、フォトダイオードの上方における絶縁膜に対して凹部が形成され、酸化シリコンより屈折率が高い物質（以降高屈折率物質と称する）である窒化シリコンにより凹部が埋め込まれ、入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路が設けられた固体撮像装置が開示されている。

また、特許文献３には、フォトダイオードの上方における絶縁膜の凹部に、窒化シリコン膜とポリイミド膜が埋め込まれて、光導波路が設けられた固体撮像装置が開示されている。

また、特許文献４には、層中に拡散防止層を含む絶縁膜に対して、フォトダイオードの上方における部分において、拡散防止層が除去されるようにして凹部が形成され、凹部に酸化シリコン膜が埋め込まれてなる固体撮像装置が開示されている。

一方、特許文献５には、フォトダイオードの上方における絶縁膜の凹部に、ＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂が埋め込まれて、光導波路が設けられた固体撮像装置が開示されている。

特開２００３−２２４２４９号公報 特開２００３−３２４１８９号公報 特開２００４−２０７４３３号公報 特開２００６−１９０８９１号公報 特開２００６−２２２２７０号公報

しかしながら、上記のようなフォトダイオードの上方における絶縁膜中に、入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を設けた固体撮像装置において、光導波路を構成する材料によっては、耐熱性が低下するという問題がある。

解決しようとする問題点は、光導波路を設けた固体撮像装置において、高耐熱性と高屈折率とを備えた光導波路を得ることが難しいという点である。

本発明の固体撮像装置は、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置であって、半導体基板の前記受光面となる画素領域において前記画素ごとに区分して形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板に形成され、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部と、前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に形成された凹部と、前記凹部に埋め込まれて形成され、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも耐熱性を有する無機物と金属酸化物とを含む埋め込み層とを有することを特徴とする。

上記の本発明の固体撮像装置は、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置であって、半導体基板の受光面となる画素領域において画素ごとに区分されたフォトダイオードと、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されており、フォトダイオードを被覆して半導体基板上に絶縁膜が形成されている。
上記のフォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部が形成されており、凹部に埋め込まれて、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも耐熱性を有する無機物と金属酸化物とを含む埋め込み層が形成されている。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置の製造方法であって、半導体基板の前記受光面となる画素領域において前記画素ごとに区分されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する工程と、前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部に無機物を埋め込んで、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも高い耐熱性を有する埋め込み層を形成する工程と、前記埋め込み層に金属酸化物をイオン注入する工程とを有することを特徴とする。

上記の本発明の固体撮像装置の製造方法は、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置の製造方法であって、まず、半導体基板の受光面となる画素領域において画素ごとに区分されたフォトダイオードと、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
次に、フォトダイオードを被覆して半導体基板上に絶縁膜を形成し、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部を形成する。
次に、凹部に無機物を埋め込み、金属酸化物をイオン注入して、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも高耐熱性及び高屈折率を有する埋め込み層を形成する。

本発明の固体撮像装置は、高耐熱性と高屈折率とを備えた光導波路を得られる。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、高耐熱性と高屈折率とを備えた光導波路を製造することが可能である。

図１は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 図２は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的なレイアウト図である。 図３は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオードへの光入射経路を説明する模式断面図である。 図４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の凹部の形状の例を示す模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図７は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図８は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図９は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１０は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１１は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１２は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 図１３は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１４は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１５は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１６は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図１７は本発明の第３実施形態に係るカメラの概略構成図である。

以下に、本発明に係る固体撮像装置とその製造方法並びに当該固体撮像装置を備えたカメラの実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は、複数の画素が集積されてなり、一実施形態に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサの模式断面図であり、画素領域Ｒ_ＰＸとパッド電極領域Ｒ_ＰＡＤを示している。

例えば、受光面となる画素領域Ｒ_ＰＸにおいて、半導体基板のｐウェル領域１０に、画素ごとにｎ型電荷蓄積層１１とその表層のｐ^＋型表面層１２が形成され、ｐｎ接合によりフォトダイオードＰＤが構成されており、さらに、フォトダイオードＰＤに隣接して半導体基板上にゲート絶縁膜１３及びゲート電極１４が形成されている。

例えば、上記の半導体基板には、フローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードＰＤに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されており、ゲート電極１４への電圧の印加によって信号電荷が転送されるように構成されている。

また、フォトダイオードＰＤを被覆して、半導体基板上に、それぞれ例えば酸化シリコンからなる、第１絶縁膜１５、第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７及び第８絶縁膜３１と、例えば炭化シリコンからなる第１拡散防止膜２０及び第２拡散防止膜２５、及び、例えば窒化シリコンからなる第３拡散防止膜３０が積層して、絶縁膜が構成されている。

上記の第３絶縁膜１７には配線用溝１７ｔが形成され、例えばダマシンプロセスで形成された、タンタル／窒化タンタルからなるバリアメタル層１８と銅からなる導電層１９からなる第１配線層が埋め込まれている。
第５絶縁膜２２においても同様に、配線用溝２２ｔにバリアメタル層２３と導電層２４からなる第２配線層が形成され、第７絶縁膜２７には配線用溝２７ｔが形成され、バリアメタル層２８と導電層２９からなる第３配線層が形成されている。上記の第１〜第３拡散防止膜は、導電層（１９，２４，２９）を構成する銅の拡散を防止するための膜である。
上記のようにして、上記の積層された絶縁膜中に配線層が埋め込まれている。上記の第１〜第３配線は、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスによる、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造であってもよい。

また、パッド電極領域Ｒ_ＰＡＤにおいて絶縁膜の上層にパッド電極３２が形成されている。パッド電極３２は、例えばアルミニウムなどからなり、第８絶縁膜３１などに形成された開口部３１ｃなどを介して第３配線などと接続して形成されており、例えば直径が１００μｍ程度の大きさである。
さらに、上記のパッド電極３２を被覆して全面に酸化シリコンからなる第９絶縁膜３３が形成されている。

ここで、例えば、フォトダイオードＰＤの上方部分において、上記のように積層して形成された第４〜第９絶縁膜及び第１〜第３拡散防止膜に対して凹部Ｈが形成されている。
上記のように、フォトダイオードＰＤ上に積層された絶縁膜が、配線層の拡散防止膜を含んで構成されており、例えば最下層の拡散防止膜である第１拡散防止膜２０が凹部Ｈの底面を構成している。

上記の凹部Ｈは、フォトダイオードの面積や画素サイズ、プロセスルールなどにもよるが、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上である。
また、例えば、凹部Ｈの内側の壁面は基板の主面に垂直な面となっており、さらに、凹部Ｈの縁部として第９絶縁膜３３の部分において上方ほど広がる順テーパー状の開口形状部３３ａとなっている。

上記の凹部Ｈの内壁を被覆し、かつ、パッド電極３２よりも上層に、酸化シリコン（屈折率１．４５）よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜３６が形成されている。パッシベーション膜３６は、例えば窒化シリコン（屈折率２．０）などからなり、０．５μｍ程度の膜厚である。
例えば、開口部の縁部で順テーパー形状となっているが、堆積時の異方性により開口縁部で厚く堆積し、凹部Ｈ底部近くで薄くなるようなプロファイルである。

また、例えば、パッシベーション膜３６の上層において凹部Ｈに埋め込まれて、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層３７が形成されている。埋め込み層３７は凹部Ｈ内を埋め込んでおり、凹部Ｈの外部での膜厚が０．５μｍ程度となっている。
埋め込み層３７は、例えばシロキサン系樹脂（屈折率１．７）、あるいはポリイミドなどの高屈折率樹脂で構成され、シロキサン系樹脂が特に好ましい。
さらに、上記の樹脂中に例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子が含有されており、屈折率が高められている。

上記の埋め込み層３７の上層に、例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層３８が形成され、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）が画素毎に形成され、その上層に、マイクロレンズ４０が形成されている。

パッド電極領域Ｒ_ＰＡＤにおいてはカラーフィルタは形成されておらず、パッド電極３２の上層には第９絶縁膜３３、パッシベーション膜３６、埋め込み層３７、平坦化樹脂層３８とマイクロレンズを構成する樹脂層４０ａが積層し、パッド電極３２の上面を露出させるように開口部Ｐが形成されている。

図２は本実施形態に係る固体撮像装置の画素部の模式的なレイアウト図である。
凹部Ｈ内に埋め込まれた高屈折率物質からなるパッシベーション膜３６と埋め込み層３７は、外部から入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を構成する。
例えば、光導波路は、フォトダイオードＰＤの領域より小さい領域に形成されているものとする。

また、図１における第１〜第３配線層などの配線層が、絶縁膜中において、凹部Ｈの周囲を囲むようにメッシュ状に形成されている。メッシュ状とは、例えば配線層と絶縁膜が上下に交互に積層した状態を示す。例えば、垂直方向に延伸する配線層（Ｗ１，Ｗ２）と水平方向に延伸する配線層（Ｗ３，Ｗ４）により囲まれた領域内において、凹部Ｈの領域が設けられている。配線層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）のそれぞれが、例えばメッシュ状の構造を有している。

図３は本実施形態の固体撮像装置のフォトダイオードへの光入射経路を説明する模式断面図である。
例えば、図３中に示す経路で入射した光Ｌは、斜めに入射していることから、入射した画素のフォトダイオードＰＤに入射せず、隣接画素に侵入して混色の原因となってしまう。
しかし、上記のように光導波路の周囲に上記のようなメッシュ状の配線層が形成されている場合、隣接画素にもれそうな光を反射して隣接画素のフォトダイオードへの侵入を防止することが可能となる。

また、図２に示すように、例えば、上記のように配線層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）で囲まれた領域において凹部Ｈの領域をレイアウトする場合、光の入射効率を高めるためには、配線層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）と重ならないような最大の面積を設定することが好ましい。
しかし、上記の配線層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）には、通常、凹部Ｈとなる領域側に突出した領域（Ｗ１ａ，Ｗ３ａ，Ｗ４ａ，Ｗ４ｂ）が存在し、凹部Ｈの領域はこれらを避けなければならない。

本実施形態においては、上記のような配線層の突出した領域を避けた領域において、半導体基板の主面と平行な断面での凹部Ｈの形状が、外側に対して常に凸となる角形状及び／または曲線のみを有する形状となるようにレイアウトする。
ここで、外側に対して常に凸となる角形状とは、角形状の内角が１８０度を越えない角のことであり、このような角において先端が丸められたような角形状も含む。
また、外側に対して常に凸となる曲線とは、曲線上の全ての点での接線が形状内を横切らず、当該接点を除いて常に形状外部に存在するような曲線であって、円形や楕円形などが含まれる。
また、上記の外側に対して常に凸となる角形状のみを有する形状の一部と、外側に対して常に凸となる曲線のみを有する形状の一部を組み合わせたような形状であってもよい。

本実施形態においては、凹部Ｈは、上記の外側に対して常に凸となる制約を満たした上で、凹部の周囲を囲むように絶縁膜中に埋め込まれている配線層と重ならないような最大の面積を設定することが好ましい。

図４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の凹部Ｈの形状の例を示す模式図であり、角形状の内側を斜線で示している。
図４（ａ）は、内角が１８０度を超えない４５度程度の角形状Ａであり、図４（ｂ）は図４（ａ）の角形状の先端が丸められた角形状Ｂである。
図４（ｃ）は、内角が１８０度を超えない９０度程度の角形状Ｃであり、図４（ｄ）は図４（ｃ）の角形状の先端が丸められた角形状Ｄである。
図４（ｅ）は、内角が１８０度を超えない１３５度程度の角形状Ｅであり、図４（ｆ）は図４（ｅ）の角形状の先端が丸められた角形状Ｆである。
上記のような外側に対して常に凸とすることができる。

一方、図４（ｇ）に示す角形状Ｇは、内角が１８０度を超えている。このような形状は、外側に対して常に凸ではなく、このような角形状を有する形状は本実施形態では採用しない。

例えば、凹部Ｈ内に埋め込まれたシロキサン系樹脂などの高屈折率樹脂は、内側に対して凸となる角形状が存在すると、そのような点からクラックが発生しやすい。
従って、上記のように、凹部Ｈの形状が、外側に対して常に凸となる角形状及び／または曲線のみを有する形状とすることで、凹部Ｈ内に埋め込まれた埋め込み層３７にクラックが形成されるのを抑制し、感度の低下やノイズの発生を低減することが可能となる。

上記の本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードの上層に形成された絶縁膜にフォトダイオードの上方において凹部Ｈが形成され、凹部Ｈ内に高屈折率物質が埋め込まれて光導波路が構成されており、パッド電極の上層に形成されるパッシベーション膜が凹部内に埋め込まれる高屈折率物質としても利用された構成となっており、光導波路を設けても、より簡単な工程で製造可能な構成となっている。

本実施形態の固体撮像装置においては、例えば同一チップ上にロジック回路などが混載された構成とすることも可能である。この場合、上記の光導波路を構成するパッシベーション膜は、ロジックなどの他の領域においてもパッシベーション膜として用いられる膜となっている。

本実施形態の固体撮像装置によれば、上記のように光導波路構造をとることにより、感度が向上し、シェーディングを低減でき、また、配線層を隣接画素への遮光膜パターンとして用いることで混色特性を向上できる。

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面を参照して説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、例えば、画素領域Ｒ_ＰＸにおいて、半導体基板のｐウェル領域１０にｎ型電荷蓄積層１１とその表層のｐ^＋型表面層１２を形成してｐｎ接合を有するフォトダイオードＰＤを形成し、フォトダイオードに隣接してゲート絶縁膜１３及びゲート電極１４、並びにフローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。

次に、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長法）などにより、フォトダイオードＰＤを被覆して画素領域Ｒ_ＰＸとパッド電極領域Ｒ_ＰＡＤの全面に、酸化シリコンを堆積させて、第１絶縁膜１５を形成する。
次に、例えば、第１絶縁膜１５の上層に酸化シリコンを堆積させて第２絶縁膜１６を形成し、さらに酸化シリコンを堆積させて第３絶縁膜１７を形成する。

次に、例えば、エッチング加工により第３絶縁膜１７に配線用溝１７ｔを形成し、さらにスパッタリングにより配線用溝１７ｔの内壁を被覆してタンタル／酸化タンタルを成膜してバリアメタル層１８を形成し、銅のシード層を形成し、電解メッキ処理により全面に銅を成膜し、ＣＭＰ（化学機械研磨）法などにより配線用溝１７ｔの外部に形成された銅を除去して導電層１９を形成する。このとき、配線用溝１７ｔの外部に形成されたバリアメタル層１８も除去される。このようにして、配線用溝１７ｔに埋め込まれたバリアメタル層１８と導電層１９からなる第１配線層を形成する。

次に、例えば第１配線層の上層にＣＶＤ法により炭化シリコンを堆積させ、第１拡散防止膜２０を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、上記の第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、配線用溝１７ｔ、バリアメタル層１８と導電層１９からなる第２配線層、第１拡散防止膜２０を形成するプロセスを繰り返すことで、例えば、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、配線用溝２２ｔ、バリアメタル層２３、導電層２４及び第２拡散防止膜２５を形成し、さらに、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、配線用溝２７ｔ、バリアメタル層２８と導電層２９からなる第３配線層を形成する。さらに、例えばＣＶＤ法により窒化シリコンを体積して第３拡散防止膜３０を形成する。さらにその上層に第８絶縁膜３１を形成する。
以上のようにして、第１絶縁膜１５、第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７及び第８絶縁膜３１と、例えば炭化シリコンからなる第１拡散防止膜２０及び第２拡散防止膜２５、及び、例えば窒化シリコンからなる第３拡散防止膜３０が積層した絶縁膜と、絶縁膜中に埋め込まれてなる第１〜第３配線層を形成する。
ここで、上記の第３配線層は、例えばパッド電極領域Ｒ_ＰＡＤまで延伸するように形成する。

上記の第１〜第３配線としては、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスにり、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造を形成してもよい。

次に、図６（ａ）に示すように、第８絶縁膜３１などに第３配線層に達する開口部３１ｃを形成し、例えば成膜温度が３００℃程度のスパッタリング法などによりアルミニウムを成膜してパターン加工し、例えば直径が１００μｍ程度のパッド電極３２を形成する。
アルミニウムのパッド電極３２を形成した後の工程は、全て４００℃以下のプロセスとする。

次に、図６（ｂ）に示すように、例えば、画素領域Ｒ_ＰＸとパッド電極領域Ｒ_ｐＡＤの全面にＣＶＤ法によりパッド電極３２を被覆して酸化シリコンを堆積させ、第９絶縁膜３３を形成する。

次に、図７に示すように、例えば、フォトリソグラフィ工程により凹部Ｈを開口するパターンのレジスト膜３４をパターン形成して、ケミカルドライエッチングなどの等方性エッチングあるいは異方性エッチングなどのエッチングを施し、第９絶縁膜３３に上方ほど広がる順テーパー状の開口形状部３３ａを形成する。

次に、上記のレジスト膜３４を除去し、図８に示すように、例えば、レジスト膜３４と同一のパターンのレジスト膜３５をパターン形成して、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを施し、第４〜第９絶縁膜及び第１〜第３拡散防止膜に対して凹部Ｈを形成する。

上記の凹部Ｈの開口では、例えば、酸化シリコンと窒化シリコンや炭化シリコンなどの材料に応じて条件を変更しながらエッチングを進行させ、開口底部が第１拡散防止膜２０に到達した時点で速やかにエッチングが停止するようにする。
これによって、第１拡散防止膜２０に凹部Ｈの底面を構成させることができる。
上記のように第１拡散防止膜２０を凹部Ｈの底面とすることで、凹部Ｈの深さが安定して決定されるので、フォトダイオードと光導波路の距離が一定となり、特性がばらつくのを防止できる。
上記のようにして、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上であり、凹部Ｈの縁部として第９絶縁膜３３の部分で順テーパー状の開口形状部３３ａとなっている凹部Ｈを開口できる。

次に、図９に示すように、例えば成膜温度が３８０℃程度のプラズマＣＶＤ法により、凹部Ｈの内壁を被覆し、かつ、パッド電極３２よりも上層に、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する窒化シリコンを堆積させて、パッシベーション膜３６を０．５μｍ程度の膜厚で形成する。開口部の縁部で順テーパー形状となっているが、堆積時の異方性により開口縁部で厚く堆積し、凹部Ｈ底部近くで薄くなるようなプロファイルとなる。

次に、図１０に示すように、例えば成膜温度が４００℃程度のスピンコート法により、酸化チタンなどの金属酸化物微粒子を含有するシロキサン系樹脂を０．５μｍ程度の膜厚で成膜し、パッシベーション膜３６の上層において凹部Ｈに埋め込んで、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層３７を形成する。塗布後に、必要に応じて例えば３００℃程度のポストベーク処理を行う。また、ポリイミド樹脂の場合には、例えば３５０℃程度の温度で成膜できる。

次に、図１１に示すように、埋め込み層３７の上層に例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層３８を形成し、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）を画素毎に形成する。
さらに、その上層にマイクロレンズ４０を形成する。

上記の製造方法において、例えばパッド電極の形成工程の後、樹脂の埋め込み層の形成工程の前までのいずれかにおいて、半導体中のダングリングボンドを終端化するための水素処理（シンタリング）を行うことができる。

さらに、図１に示すように、パッド電極領域Ｒ_ＰＡＤにおいてパッド電極３２の上面を露出させるように開口部Ｐを形成する。
以上で、図１に示す構成の固体撮像装置を製造することができる。

本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、パッド電極の上層に形成するパッシベーション膜を凹部Ｈ内に埋め込む高屈折率物質としても利用しており、光導波路を設けても、より簡単な工程で製造することが可能である。

第２実施形態
図１２は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサの構成を示す模式断面図である。

例えば、半導体基板１００上に光を光電交換する受光部１０１とこれを覆う、例えば、酸化シリコンからなる第１絶縁膜１０９を有するセンサ部１０２が形成され、このセンサ部１０２の上に、例えば、酸化シリコンからなる第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、第５絶縁膜１２５が形成されている。これら第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、第５絶縁膜１２５内にはそれぞれ、例えば、ダマシンプロセスにより形成されたタンタル／窒化タンタルからなる不図示のバリアメタル層と銅からなる第１配線層１３１、第２配線層１３３、第３配線層１３５が形成されている。また、第１配線層１３１は、受光部１０１に、例えば、ダマシンプロセスにより形成されたコンタクトプラグ１３０により電気的に接続され、各配線は、例えば、ダマシンプロセスにより形成された第１ビアプラグ１３２、第２ビアプラグ１３４により電気的に接続されている。また、第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、第５絶縁膜１２５の間には、例えば、膜厚が約５０ｎｍである炭化シリコンからなる第１拡散防止膜１２２、第２拡散防止膜１２４が形成され、第５絶縁膜１２５上には、例えば、窒化シリコンからなる第３拡散防止膜１２６が形成され、第１配線層１３１、第２配線層１３３、第３配線層１３５を形成する銅の拡散を防止している。

上記の第１〜第３配線（１３１、１３３、１３５）は、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスによりコンタクトプラグ１３０、第１ビアプラグ１３２、第２ビアプラグ１３４と一体に形成された配線構造であってもよい。

また、受光部１０１は、例えば、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１０３、ポリシリコンからなるゲート電極１０４、及び窒化シリコンからなる絶縁膜（１０５、１０６、１０７、１０８）により形成されている。

第３拡散防止膜１２６上には、酸化シリコンからなる第６絶縁膜１２７、及び、保護膜である第７絶縁膜１２８が形成されている。
ここで、例えば、受光部１０１の上方部分において、上記のように積層して形成された第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、第５絶縁膜１２５、第６絶縁膜１２７、第７絶縁膜１２８及び、これら絶縁膜の間にある第１拡散防止膜１２２、第２拡散防止膜１２４、第３拡散防止膜１２６に対して凹部Ｋが形成されている。

上記の凹部Ｋは、受光部１０１の面積や画素サイズ、プロセスルールなどにもよるが、例えば、開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上である。

また、例えば、凹部Ｋに埋め込まれて、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも高い耐熱性を有する無機物、及び金属酸化物からなる埋め込み層１４０が形成されており、埋め込み層１４０が光導波路となっている。埋め込み層１４０は凹部Ｋ内を埋め込んでいる。

埋め込み層１４０は、例えば、酸化シリコンなどの酸化物など高い耐熱性を有する無機物に、例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物の微粒子がイオン注入により含有されて構成されている。特に、無機物としては酸化シリコンが好ましく、金属酸化物としては酸化チタンが好ましい。

上記の埋め込み層１４０の上層に、例えば接着層としても機能するアクリル系熱硬化樹脂などからなる平坦化樹脂層１６０が形成され、その上層に、カラーフィルタ１６１が形成され、その上層に、入射光を集光する光学素子であるマイクロレンズ１６２が形成されている。

上記のような構成のＣＭＯＳセンサでは、入射光はマイクロレンズ１６２により集光され、光導波路である、無機物及び金属酸化物からなる埋め込み層１４０を通って受光部１０１に照射され、この受光部１０１により光電変換される。

次に本発明の一実施形態における固体撮像装置の製造方法について図面を参照して説明する。
まず、図１３に示すように、半導体基板１００上に受光部１０１として、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１０３とポリシリコンからなるゲート電極１０４とを形成し、その上方に窒化シリコンからなる絶縁膜（１０５、１０６、１０７、１０８）を形成する。

次に、受光部１０１の上に、例えば、ＣＶＤなどにより受光部１０１の全面に、酸化シリコンを堆積させて第１絶縁膜１０９を形成し、センサ部１０２を形成する。

次に、ＣＶＤなどにより酸化シリコンを堆積させ、第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１を形成し、エッチング加工により第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１にコンタクトプラグ１３０用溝を形成し、スパッタリングによりコンタクトプラグ１３０用溝の内壁を被覆して、タンタル／酸化タンタルを成膜して不図示のバリアメタル層を形成し、銅のシード層を形成し、電解メッキ処理により全面に銅を成膜し、コンタクトプラグ１３０を形成する。

次に、コンタクトプラグ１３０上に第１配線層１３１用溝を形成し、さらにスパッタリングにより第１配線層１３１用溝の内壁を被覆して、タンタル／酸化タンタルを成膜して不図示のバリアメタル層を形成し、銅のシード層を形成し、電気メッキ処理により全面に銅を成膜し、ＣＭＰ（化学機械研磨）法などにより第１配線層１３１用溝の外部に形成された銅を除去して第１配線層１３１を形成する。このようにして、コンタクトプラグ１３０及び第１配線層１３１を形成する。

次に、第１配線層１３１の上層に、例えばＣＶＤにより炭化シリコンを堆積させ、第１拡散防止膜１２２を形成する。

次に、酸化シリコンを第１拡散防止膜１２２の全面に、例えば、ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を用いてＣＶＤなどにより堆積させて、第４絶縁膜１２３を形成する。

次に、上記の第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、コンタクトプラグ１３０、第１配線層１３１、第１拡散防止膜１２２を形成するプロセスを繰り返し、第１ビアプラグ１３２、第２配線層１３３、第２拡散防止膜１２４を形成し、さらに、第５絶縁膜１２５、第２ビアプラグ１３４、第３配線層１３５、第３拡散防止膜１２６、第６絶縁膜１２７を形成する。さらに、そのうえに例えば、ＣＶＤなどにより酸化シリコンからなる第７絶縁膜１２８を形成する。
以上のようにして、第２絶縁膜１２０、第３絶縁膜１２１、第４絶縁膜１２３、第５絶縁膜１２５、第６絶縁膜１２７、及び第７絶縁膜１２８と、絶縁膜の間に、例えば炭化シリコンからなる第１拡散防止膜１２２、第２拡散防止膜１２４及び、例えば窒化シリコンからなる第３拡散防止膜１２６と、絶縁膜中に埋め込まれてなる第１〜第３配線層（１３１、１３３、１３５）、第１ビアプラグ１３２、及び第２ビアプラグ１３４を形成する。

上記の第１〜第３配線（１３１、１３３、１３５）としては、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスにより、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクトプラグ１３０、第１ビアプラグ１３２、第２ビアプラグ１３４と一体に形成された配線構造を形成してもよい。

次に、図１４に示すように、例えば、フォトリソグラフィ工程により凹部Ｋを開口するパターンのレジスト膜１５０をパターン形成して、レジスト膜１５０をマスクにして反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを施し、第２〜第７絶縁膜（１２０、１２１、１２３、１２５、１２７、１２８）及び第１〜第３拡散防止膜（１３１、１３３、１３５）に対して凹部Ｋを形成する。そして、例えば、酸化シリコンと窒化シリコンや炭化シリコンなどの材料に応じて条件を変更しながらエッチングを進行させる。

次に、図１５に示すように、上記のレジスト膜１５０を除去して、例えば成膜温度が４００℃程度のスピンコート法により、ＴｉＯ分散有機樹脂よりも高い耐熱性を有する無機物を凹部Ｋに埋め込み、埋め込み層１４０を形成する。凹部Ｋに埋め込む無機物としては、例えば、酸化シリコンなどの酸化物などがあげられる。そして、第７絶縁膜１２８上に堆積した無機物をＣＭＰ（化学機械研磨）法などにより研磨し、平坦化する。

次に、図１６に示すように、凹部Ｋのみが露出するように、例えば、フォトリソグラフィ工程により凹部Ｋを開口するパターンのレジスト膜１５１をパターン形成して、レジスト膜１５１をマスクにして、金属酸化物をイオン注入することにより、凹部Ｋに埋め込まれた無機物のみに金属酸化物を含有させる。

次に、埋め込み層１４０の上層に例えば、接着層としても機能するアクリル系熱硬化樹脂などからなる平坦化樹脂層１６０を形成し、その上層に、例えばカラーフィルタ１６１を形成して、図１２に示す構成の固体撮像装置とする。
さらに、その上層にマイクロレンズ１６２を形成する。
なお、図示してはいないが、半導体基板１００上の受光部１０１はマトリックス状に多数配置されており、カラーフィルタ１６１は対応する受光部１０１に応じた色（３原色のひとつ）となっている。

第３実施形態
図１７は、本実施形態に係るカメラの概略構成図である。
複数の画素が集積されてなる固体撮像装置５０、光学系５１、信号処理回路５３を備えている。
本実施形態において、上記の固体撮像装置５０は、上記の第１実施形態〜第３実施形態のいずれかに係る固体撮像装置が組み込まれてなる。

光学系５１は被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置５０の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置５０の撮像面上の各画素を構成するフォトダイオードにおいて入射光量に応じて信号電荷に変換され、一定期間、該当する信号電荷が蓄積される。
蓄積された信号電荷は、例えばＣＣＤ電荷転送路を経て、出力信号Ｖｏｕｔとして取り出される。
信号処理回路５３は、固体撮像装置５０の出力信号Ｖｏｕｔに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。
上記の本実施形態に係るカメラによれば、斜め入射光の集光率低下及び感度低下を招かずに、色シェーディング特性や分光特性を改善でき、さらにマイクロレンズを簡便な方法、工程で形成することが可能である。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ素子のいずれにも適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の固体撮像装置は、ＣＭＯＳカメラあるいはＣＣＤカメラに搭載される固体撮像装置に適用できる。
本発明のカメラは、ＣＭＯＳカメラあるいはＣＣＤカメラなどの固体撮像装置を搭載したカメラに適用できる。

１０…ｐウェル領域（半導体基板）、１１…ｎ型電荷蓄積層、１２…ｐ^＋型表面層、１３…ゲート絶縁膜、１４…ゲート電極、１５…第１絶縁膜、１６…第２絶縁膜、１７…第３絶縁膜、１７ｔ…配線用溝、１８…バリアメタル層、１９…導電層、２０…第１拡散防止膜、２１…第４絶縁膜、２２…第５絶縁膜、２２ｔ…配線用溝、２３…バリアメタル層、２４…導電層、２５…第２拡散防止膜、２６…第６絶縁膜、２７…第７絶縁膜、２７ｔ…配線用溝、２８…バリアメタル層、２９…導電層、３０…第３拡散防止膜、３１…第８絶縁膜、３１ｃ…開口部、３２…パッド電極、３３…第９絶縁膜、３３ａ…開口形状部、３４…レジスト膜、３５…レジスト膜、３６…パッシベーション膜、３７…埋め込み層、３８…平坦化樹脂層、３９ａ，３９ｂ，３９ｃ…カラーフィルタ、４０…マイクロレンズ、４０ａ…樹脂層、５０…固体撮像装置、５１…光学系、５３…信号処理回路、１００…半導体基板、１０１…受光部、１０２…センサ部、１０３…ゲート絶縁膜、１０４…ゲート電極、１０５、１０６、１０７、１０８…絶縁膜、１０９…第１絶縁膜、１２０…第２絶縁膜、１２１…第３絶縁膜、１２２…第１拡散防止膜、１２３…第４絶縁膜、１２４…第２拡散防止膜、１２５…第５絶縁膜、１２６…第３拡散防止膜、１２７…第６絶縁膜、１２８…第７絶縁膜、１３０…コンタクトプラグ、１３１…第１配線層、１３２…第１ビアプラグ、１３３…第２配線層、１３４…第２ビアプラグ、１３５…第３配線層、１４０…埋め込み層、１５０…レジスト膜、１５１…レジスト膜、１６０…平坦化樹脂層、１６１…カラーフィルタ、１６２…マイクロレンズ、Ｈ…凹部、Ｉ…イオン注入、Ｋ…凹部、Ｌ…光、Ｐ…開口部、ＰＤ…フォトダイオード、Ｒ_ＰＡＤ…パッド電極領域、Ｒ_ＰＸ…画素領域、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４…配線層、Ｗ１ａ，Ｗ３ａ，Ｗ４ａ，Ｗ４ｂ…突出した領域

Claims (1)

1. 受光面に複数の画素が集積されてなり、
   半導体基板の前記受光面となる画素領域において前記画素ごとに区分して形成されたフォトダイオードと、
   前記半導体基板に形成され、前記フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部と、
   前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に形成された凹部と、
   前記凹部に埋め込まれて形成され、酸化シリコンである無機物と、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、及び酸化ハフニウムのいずれかである金属酸化物とを含む埋め込み層と
   を有する固体撮像装置。

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