JPH0653466A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光電変換特性を向上させることができ、かつ
金属配線の断線・ショート等の不良も防止できる固体撮
像装置の製造方法を提供する。 【構成】 Ｓｉ基板９上に分離領域８、内部配線７、内
部電極６を形成後、基板９上の薄い酸化膜に開口部を設
けて光電変換部５を形成する。続いて、オプティカルキ
ャビティの特性から必要とされる特定の膜厚を有する第
１の絶縁膜４を形成し、更にこの第１の絶縁膜４上に第
２の絶縁膜３を形成して半導体素子表面を平坦化する。
次いで、光電変換部５を含む領域について第２の絶縁膜
３を第１の絶縁膜４上から選択的に除去し、第１の絶縁
膜４を露出させる。その後、反射膜１、金属配線２を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電変換部上にある特
定の厚さの平坦な絶縁膜を設ける必要のある固体撮像装
置、例えば裏面入射型赤外線固体撮像装置等の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置の研究・開発が進み、１次
元固体撮像装置では画素数が５０００画素、２次元固体
撮像装置では１００万画素を越えるものが開発されてい
る。しかしながらこれらは、可視領域での撮像を目的と
しているものであり、近年、赤外線あるいは紫外線領域
での撮像を行うための固体撮像装置が要求されている。
赤外線あるいは紫外線領域での撮像を行うためには、従
来の可視領域用の固体撮像装置とは異なり、光電変換部
上の構造を夫々対象とする波長で最適化する必要があ
る。

【０００３】従来の赤外線固体撮像装置の開発例として
は、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.ED-3
2,No.8,AUGUST 1985に、W.F.KOSONOCKY らが「160 ×24
4 Element PtSi Schottky-Barrier IR-CCD Image Senso
r 」の表題で発表したものがある。

【０００４】図２にこの赤外線固体撮像装置の模式的な
断面を示す。この撮像装置は裏面入射型であり、以下の
ような方法で製造される。図において、Ｓｉ基板１０９
上に素子分離領域１０８形成した後、ポリシリコンなど
からなる内部配線１０７、内部電極１０６を形成し、そ
の後、ＣＶＤ法などで絶縁膜１１１を形成する。そし
て、後の工程で形成する金属配線１０２の断線・ショー
トを防ぐために、絶縁膜１１１に熱処理を施し、絶縁膜
１１１をフローさせて表面を平坦化する。

【０００５】次いで、光電変換部１０５を形成するため
に絶縁膜１１１に開口部を設け、この開口部に光電変換
特性を有するＰｔシリサイドなどを形成する。続いて、
オプティカルキャビティ構造で必要とされる所定の膜厚
を有する絶縁膜１０４を素子全面を覆うように設け、更
に絶縁膜１０４上全面にアルミニウム薄膜を蒸着する。
然る後、フォトリソグラフィー・エッチングの手法によ
り、光電変換部１０５上には反射膜１０１を、その他の
領域には必要な金属配線１０２を形成する。

【０００６】上記のようにして得られる赤外線固体撮像
装置においては、半導体基板１０９裏面側（紙面下方）
から光が入射し、光電変換部１０５で吸収されなかった
光は、反射膜１０１で反射される。このとき、光電変換
部１０５と反射膜１０１の間隔（即ち絶縁膜１０４の厚
さ）が入射光の波長に見合う特定の値となっていれば、
反射膜１０１で反射された光は光電変換部１０５に戻
り、ここで光電変換される。このような構造をオプティ
カルキャビティ（光学的空洞）構造という。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術においては、以下のような問題点があった。絶縁膜を
熱処理することによってフローさせ、平坦化するために
は、図２で説明した絶縁膜１１１の不純物濃度（リン、
ボロン、あるいはリンとボロン）を高濃度にし、かつ膜
厚をおおむね０．５〜１．０μｍにしなければ十分な平
坦化効果を得られない。

【０００８】一方で、光電変換部１０５を形成するため
には絶縁膜１１１をフォトリソグラフィー・エッチング
により開口する必要がある。このエッチングを行う際に
は、光電変換部１０５を形成する半導体基板（Ｓｉ基
板）１０９に結晶欠陥などの損傷を与えてはならない。
そこで、エッチング法として、ウエットエッチングなど
の低ダメージエッチングを採用せざるを得ない。このよ
うなエッチングでは、異方性エッチングは困難であり、
等方エッチングとなる。等方エッチングでは、最小でも
エッチング深さ分は横方向にエッチングが進み、エッチ
ングマスクよりも開口部が平面的に広がる。

【０００９】更に、先に述べたように、絶縁膜１１１は
不純物濃度が高く、また、光電変換部１０５周辺には内
部配線１０７や内部電極１０６が存在することが多いた
め平坦化処理によって段差部分には絶縁膜１１１が厚く
堆積しており、ウエットエッチングの際の横方向エッチ
ング量の制御は極めて難しい。即ち、絶縁膜１１１のウ
エットエッチングの際には横方向エッチング分（概１μ
ｍ）を見込んで、光電変換部１０５の内の領域までレジ
ストで覆わなくてはならず、それだけ光電変換部の面積
が小さくなってしまう。

【００１０】又、絶縁膜１１１を等方エッチングした際
に生じる段差部の断面形状は半径約０．５〜１．０μｍ
の曲面となり、この断面が受光領域の周辺部に存在する
ことになる。更に、オプティカルキャビティ構造の制約
から、光電変換部１０５で受光する光信号の中心波長が
例えば４μｍとし、絶縁膜（層間膜）１１１をシリコン
酸化膜で作成する場合、絶縁膜１１１は概０．７５μｍ
の膜厚でなければならない。このため、光電変換部１０
５全体を覆うように反射膜１０１を形成した場合、反射
膜１０１周辺の少なくとも０．７５μｍ幅の部分が彎曲
してしまうことになる。

【００１１】このように反射膜１０１の周辺部が彎曲し
ていると、裏面から入射した信号光のうちこの彎曲部で
反射された信号光が隣接の光電変換部１０５に入射して
オプティカルクロストークの原因となり、撮像装置の性
能劣化の要因となる。そこで、このようなクロストーク
を避けるために図２に示されるように絶縁膜１１１の平
坦な部分だけに反射膜１０１を形成すると、光電変換部
１０５のエッジから内側に少なくとも０．５〜０．７５
μｍ入ったところに反射膜１０１のエッジが存在するこ
とになる。

【００１２】即ち、クロストークを避けようとすれば、
光電変換部１０５の周辺に反射膜がない部分が存在する
ことになる。例えば、光電変換部１０５の大きさが１４
４μｍ² 程度である場合、光電変換部１０５の周辺０．
７５μｍ幅の部分に反射膜１０１を設置できないとする
と、光電変換部１０５の約２４％の領域で望ましいオプ
ティカルキャビティ構造を形成できない。即ち、それだ
け検出できる信号量が減少し、撮像装置の重要な特性で
あるＳ／Ｎ比が劣化する。特に、画素の微細化が進むに
つれてその影響はさらに大きくなる。

【００１３】本発明は以上のような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、光電変換特性を向上させることがで
き、かつ金属配線の断線・ショート等の不良も防止でき
る固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする
ものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の固体撮像装置
の製造方法は、半導体基板上に光電変換部を形成する工
程と、該光電変換部上に所定の厚さの絶縁膜を設ける工
程と、該絶縁膜上に反射膜及び配線を形成する工程とを
含む固体撮像装置の製造方法において、上記の課題を達
成するために、前記所定の厚さの絶縁膜を第１の絶縁膜
とし、該第１の絶縁膜上に、該第１の絶縁膜上から選択
的に除去可能な第２の絶縁膜を設け、その後、前記光電
変換部を含む領域について前記第１の絶縁膜上から前記
第２の絶縁膜を選択的に除去して前記第１の絶縁膜を露
出させるとともに、前記第２の絶縁膜上に前記配線を形
成するものである。

【００１５】請求項２の固体撮像装置の製造方法は、前
記光電変換部を含む領域について前記第１の絶縁膜上か
ら前記第２の絶縁膜を選択的に除去した後、露出された
前記第１の絶縁膜上に反射膜を形成することによって裏
面入射型の固体撮像装置を得るものである。

【００１６】

【作用】従来のように、厚い絶縁膜を設けた後に、光電
変換部を形成するための開口部を設ける方法では、光電
変換部を囲む部分の段差が大きくなり、横方向エッチン
グ量も大きくなる。このため、先に説明したように、光
電変換部全体にわたって特定膜厚の平坦な絶縁膜を設け
ることがでず、光電変換部の面積自体も本来の面積より
小さくなってしまう。

【００１７】そこで、本発明者は、光電変換部を形成す
る領域上の絶縁膜が薄い状態でフォトリソグラフィー・
エッチングの手法によって開口部を形成し、段差を小さ
く押え、かつエッチング時の横方向エッチング量を最小
とすることを考えた。このようすれば、オプティカルキ
ャビティを構成する絶縁膜の彎曲を避けることができ、
光電変換部全体に平坦な反射膜を設けることが可能とな
る。又、横方向エッチング量を見込んでエッチングレジ
ストを光電変換部内に入り込ませる量を少なくすること
ができ、素子分離領域エッジから光電変換部エッジまで
の距離を小さくして、画素中に占める光電変換部の専有
面積を拡大することが可能となる。

【００１８】しかし、実際の撮像装置においては、金属
配線の断線・ショートが発生しないような対策が必要で
あり、オプティカルキャビティの特性から定められる所
定の膜厚の絶縁膜を設けるだけでは、内部配線や内部電
極による凹凸をならして金属配線の下地を平坦化するに
は不十分である。

【００１９】そこで、本発明では、絶縁膜が薄い状態で
光電変換部を形成して、オプティカルキャビティを形成
するための所定の膜厚の第１の絶縁膜を堆積させた後、
この第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成することによ
って、半導体素子面の凹凸を滑らかにして、絶縁膜上に
形成する金属配線の断線・ショートを防止することとし
た。

【００２０】この際、第２の絶縁膜は一旦光電変換部上
にも堆積されるが、第１及び第２の絶縁膜の組み合わせ
を第２の絶縁膜だけを選択的に除去可能な組み合わせと
すれば、後工程で光電変換部上の第２の絶縁膜を取り除
いて所定膜厚の第１の絶縁膜を露出させることができ
る。

【００２１】このようにして、本発明では、内部配線、
内部電極などの凹凸をならすに足る厚さの絶縁層を設け
て素子表面を平坦化することにより金属配線の断線・シ
ョートを防止し、かつ、光電変換部及びその付近では素
子表面平坦化のために設ける絶縁膜の影響を回避して、
オプティカルキャビティを構成する特定膜厚の平坦な絶
縁膜を形成することにより、光電変換効率を高めるとい
う相反する２つの課題を達成している。

【００２２】

【実施例】図１を参照して本発明実施例による固体撮像
装置の製造方法を説明する。なお、図１は裏面入射型の
赤外線固体撮像装置の例を示すものであるが、図には説
明に必要な部位のみ示してあり、固体撮像装置の完全な
断面を示すものではない。

【００２３】まず、Ｓｉ基板９上に選択酸化分離法によ
り分離領域８を形成し、ポリシリコンなどからなる内部
配線７、電極６を形成する。次いで、基板９上の薄い酸
化膜に開口部を設けて、光電変換部５を形成する。続い
て、オプティカルキャビティの特性から必要とされる特
定の膜厚を有する少なくとも１層の膜から構成される第
１の絶縁膜４を形成する。

【００２４】そして、この第１の絶縁膜４上に、選択的
に第１の絶縁膜４上から除去できる特性を有する第２の
絶縁膜３を形成する。この第２の絶縁膜３を堆積させる
ことによって図１に示されるように半導体素子表面が平
坦化され、後工程で形成される金属配線２の断線・ショ
ートが防止される。

【００２５】次いで、光電変換部５を含む領域について
第２の絶縁膜３を第１の絶縁膜４上から選択的に除去
し、平坦かつ均一な膜厚をもつ第１の絶縁膜４を露出さ
せる。

【００２６】その後、反射膜１と金属配線２をフォトリ
ソグラフィー・エッチング手法により同時に形成する。
図に示されるように、反射膜１は光電変換部５全体を覆
うように設けられ、周辺部も含めて平坦である。従っ
て、光電変換効率が低下したり、クロストークが生じた
りすることがない。又、金属配線２が形成される下地は
第２の絶縁膜３によって平坦化されているので、断線・
ショート等の不良が生じない。最後に素子全面を覆うよ
うに保護膜１０を設けて図１の裏面入射型赤外線固体撮
像装置を得る。

【００２７】さて、以上の説明では、各構成要素の物質
を特定しなかったが、次のようなものを挙げることが出
来る。

【００２８】まず、光電変換部５としては、Ｐｔシリサ
イド、Ｉｒシリサイド、ボロンドープＳｉＧｅなどがあ
るが、本発明においては光電変換部の構成はなんら制限
されない。

【００２９】又、第１の絶縁膜４と第２の絶縁膜３とし
ては、第２の絶縁膜３は５００℃以下の熱処理温度で平
坦化が可能となる材質で、第１の絶縁層４上から選択的
に除去可能な材質であることが必要である。具体的な組
合わせとしては表１に示されるような種々のものがあ
る。又、上記の条件を満たせば、表１に示されてる以外
の組み合わせでもよいことは言うまでもない。

【００３０】

【表１】

【００３１】又、配線金属２の材質としてはＡｌ−Ｓｉ
合金、反射膜１の材質としてはＡｌ−Ｓｉ合金あるいは
純Ａｌなどを用いることができる。上記の実施例では、
金属配線２と反射膜１を同時形成しているが、別々に形
成することもできる。

【００３２】次に、中心波長４μｍの信号光を光電変換
できる撮像装置を例に取り、表１の５の組み合わせにつ
いて説明する。

【００３３】光電変換部５側から厚さ０．１μｍのノン
ドープＣＶＤシリコン酸化膜／厚さ０．４μｍのリンド
ープＣＶＤシリコン酸化膜の２層からなるからなる屈折
率約１．４のＣＶＤ酸化膜を設け、更にその上に屈折率
約２．０で膜厚０．１μｍのプラズマ窒化膜を積層した
３層構造を第１の絶縁膜として、その上にＡｌ反射膜１
を形成し、光電変換部５に４０ÅのＰｔＳｉを用いた場
合における光電変換部５での吸収率を図３に示す。図に
示されるように、波長２μｍ近辺で吸収率の低下が認め
られるものの、波長３〜５μｍの範囲ではほぼ均一な吸
収が認められる。従って、この組み合わせからなるオプ
ティカルキャビティ構造を赤外線撮像に適用することが
できる。

【００３４】次に、図４を参照して本発明の別の実施例
による固体撮像装置の製造方法を説明する。図４の例
は、紫外線あるいはＸ線領域で使用する固体撮像装置を
示すものである。

【００３５】図４の固体撮像装置を製造するには、ま
ず、Ｓｉ基板９上に素子分離領域８を形成し、次いでポ
リシリコンなどからなる内部配線７、内部電極６を形成
する。その後、基板９上の薄い酸化膜に開口部を設け
て、ＰＮ接合の光電変換部５ａを形成する。

【００３６】続いて、第１の絶縁膜４ａを素子全面に形
成するが、この第１の絶縁膜４ａの膜厚は図１の場合よ
りも薄くなっている。これは、波長の短いＸ線波長域又
は紫外線波長域に合わせて膜厚を最適化しているためで
あり、紫外線用の撮像装置とする場合には膜厚を約３０
０Åとする。この第１の絶縁膜４ａは、Ｓｉ基板９及び
ポリシリコンを酸化することによって形成する。

【００３７】次いで、第１の絶縁膜４ａ上に例えばポリ
イミド樹脂などを用いて第２の絶縁膜３ａを形成し、素
子表面を平坦化する。その後、光電変換部５ａとその近
傍について、第２の絶縁膜３ａを第１の絶縁膜４ａ上か
ら選択的に除去する。然る後、Ａｌ等の金属薄膜を蒸着
して、フォトリソグラフィー・エッチングによって金属
配線２を形成する。その後、ポリイミド樹脂などからな
る保護膜１０を設けて図４の固体撮像装置を得る。

【００３８】尚、図４における各構成要素の材質は、上
記以外であっても良いことは言うまでもない。例えば、
第１の絶縁膜４ａを下層からシリコン酸化膜／シリコン
窒化膜の２層構造とし、第２の絶縁膜３ａにＳＯＧ膜、
保護膜１０にシリコンＰＳＧ膜を用いることも可能であ
る。

【００３９】図４の固体撮像装置においては、紙面上方
から光が入射し、光電変換部５ａで吸収されずに反射さ
れた光は、第１の絶縁膜４ａと空気との界面で反射され
て光電変換部５ａに入射する。この場合も図１の場合と
同様に、特定の膜厚の絶縁膜４ａが光電変換部５ａ全体
にわたって平坦に形成されるので、入射光の損失が少な
く優れた光電変換特性が得られる。又、金属配線２の下
地は第２絶縁層３ａによって平坦化されているので、断
線・ショート等も発生しない。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明においては、光電変
換部を含む領域に特定の膜厚の第１絶縁膜を形成した後
に、第１の絶縁上に第２の絶縁膜を設け、後に光電変換
部について第１の絶縁膜上から第２の絶縁膜を選択的に
除去するので、光電変換部全体にわたってオプティカル
キャビティを構成するための特定膜厚の平坦な絶縁膜
（第１の絶縁膜）を設けることができると共に、光電変
換部以外の領域では第２の絶縁膜によって素子表面の凹
凸をならして平坦化できる。即ち、本発明によれば、光
電変換効率が高く、かつ金属配線の断線・ショート等も
防ぐことのできる固体撮像装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の方法で製造される赤外線固体撮
像装置の模式的な断面図である。

【図２】従来の固体撮像装置の模式的な断面図である。

【図３】図１の実施例による固体撮像装置の光電変換部
の吸収率を示すグラフである。

【図４】本発明の別の実施例の方法で製造される紫外線
又はＸ線用の固体撮像装置の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１…反射膜、２…金属配線、３，３ａ…第２の絶縁膜、
４，４ａ…第１の絶縁膜、５，５ａ…光電変換部、６…
内部電極、７…内部配線、８…素子分離領域、９…Ｓｉ
基板、１０…保護膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に光電変換部を形成する工
   程と、該光電変換部上に所定の厚さの絶縁膜を設ける工
   程と、該絶縁膜上に配線を形成する工程とを含む固体撮
   像装置の製造方法において、 前記所定の厚さの絶縁膜を第１の絶縁膜とし、該第１の
   絶縁膜上に、該第１の絶縁膜上から選択的に除去可能な
   第２の絶縁膜を設け、その後、前記光電変換部を含む領
   域について前記第１の絶縁膜上から前記第２の絶縁膜を
   選択的に除去して前記第１の絶縁膜を露出させるととも
   に、前記第２の絶縁膜上に前記配線を形成することを特
   徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記固体撮像装置は裏面入射型の固体撮
   像装置であり、前記光電変換部を含む領域について前記
   第１の絶縁膜上から前記第２の絶縁膜を選択的に除去し
   た後、露出された前記第１の絶縁膜上に反射膜を形成す
   ることを特徴とする請求項１の固体撮像装置の製造方
   法。