JP2006222270A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子に設けられた光導波路内へのコア部材の埋め込み性を低下させることなく、その入射効率を向上させること。
【解決手段】半導体基板１上に形成された受光部２１の上に形成される複数の層間絶縁膜３、４、５、８及び保護膜９を通して受光部２１方向に形成され、オンチップレンズ１３より入射される光を効率よく受光部２１に導く光導波路１０のコア部材として、ＴｉＯ分散により屈折率が１．８〜１．９と高いＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂を用いることにより、光導波路１０内のコア部材の埋め込み性を低下させることなく、受光部２１への入射効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズにより被写体の画像を受光部に結像して光電変化を行うＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子及びその製造方法に関する。

従来のＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板上に、受光部を有するセンサ部が形成され、このセンサ部の上に前記受光部により発生した信号などを伝送する配線部を含む層間絶縁膜が複数形成され、その上にオンチップレンズが形成されて構成されている。入射光がオンチップレンズにより受光部に集光されて光電変換がなされる。

しかし、上記したＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子の微細化により、受光面の面積が減少して入射光率が低下し、感度特性が悪化する問題ある。これを解決する対策として受光面上に光導波路を配置することにより入射光率を向上させて感度特性を改善する方法がある（特許文献１参照）。この受光面上の光導波路はクラッド部とコア部から成り、クラッド部はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で、コア部が高屈折率無機膜（Ｓｉ３Ｎ４、ＤＬＣ（Diamond Like Corbon)或いはポリイミド樹脂）で形成されている。
特開２００３−２２４２４９号公報 （第４−５頁、第１図）

ところで、光導波路のコア部を形成する高屈折率無機膜がＳｉ３Ｎ４或いはＤＬＣである場合、光導波路内へのＳｉ３Ｎ４或いはＤＬＣの完全埋め込みが難しいという問題がある。これを解決するために光導波路内への埋め込み性が良いポリイミド樹脂をコア部材として用いるものがある。しかし、ポリイミド樹脂は光導波路内への埋め込み性は良いが、屈折率が低く（１．６〜１．７）、コア部とクラッド部の界面で入射光が全反射する際の臨界角が小さくなってしまい、斜めから入射する光の反射効率が低下し、それ故、入射効率が低下するという問題があった。

本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、コア部材の埋め込み性を低下させることなく入射効率を向上させることができる光導波路を備えた固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、光電変換部を上部に形成する半導体基板と、前記光電変換部の上に形成され、この光電変換部に電気的に接続された信号伝送用の配線部をそれぞれ含む複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の最上層からその下の層間絶縁膜を通して前記光電変換部の表面方向に設けられ、光を前記光電変換部に導く光導波路とを具備し、前記光導波路のコア部材はＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂であることを特徴とする。

また、本発明は、光電変換部を上部に形成する半導体基板と、前記光電変換部の上に形成され、内部に信号伝送用の配線部を含む複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の最上層からその下の層間絶縁膜を通して前記光電変換部の表面方向に設けられ、光を前記光電変換部に導く光導波路とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記光導波路内にＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂を流し込む工程を有することを特徴とする。

このように本発明では、半導体基板上に形成された光電変換部の上に形成される複数の層間絶縁膜（酸化シリコン）を通し、光電変換部方向に形成される光導波路のコア部材としてＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂用いることにより、光導波路内へのＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂の埋め込みを容易にすることができると共に、ＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂はＴｉＯ分散により屈折率が１．８〜１．９と高い高屈折率無機膜のため入射効率が高く、本実施形態の固体撮像素子の感度特性を改善することができる。

本発明によれば、半導体基板上に形成された光電変換部の上に形成される複数の層間絶縁膜（酸化シリコン）を通して光電変換部方向に形成される光導波路のコア部材として高屈折率無機膜であるＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂を用いることにより、光導波路内のコア部材の埋め込み性を低下させることなく、光電変換部への入射効率を向上させることができ、それ故、光導波路のコア部材としてポリイミド樹脂を用いる従来例に比べて固体撮像素子の感度特性を改善することができる。

固体撮像素子に設けられた光導波路内へのコア部材の埋め込み性を低下させることなく、その入射効率を向上させる目的を、半導体基板上に形成された光電変換部の上に形成される複数の層間絶縁膜を通して光電変換部方向に形成される光導波路のコア部材としてＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂を用いることによって容易に実現した。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構成を示した部分断面図である。固体撮像素子であるＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板１上に光を光電変換する受光部２１とこれを覆うシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を有するセンサ部２が形成され、このセンサ部２の上にシリコン酸化膜から成る第１、第２、第３の層間絶縁膜３、４、５が形成されている。これら第１、第２、第３の層間絶縁膜内にはそれぞれ銅から成る第１配線Ｄ１、第２配線Ｄ２、第３配線Ｄ３が形成され、各配線はコンタクトプラグＶ２、Ｖ３で電気的に接続され、第１配線Ｄ１は受光部２１にコンタクトプラグＶ１により電気的に接続されている。また、第１、第２、第３の層間絶縁膜３、４、５の間にはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）膜６、７が形成されて、第２配線Ｄ２、第３配線Ｄ３を形成する銅の拡散を防止している。尚、上記受光部２１はシリコン酸化膜２１１、ポリシリコン２１２、及び膜質の異なる３層のシリコンナイトライド層２１３、２１４、２１５により形成されている。また、配線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は銅製で、コンタクトプラグＶ１はタングステン製で、コンタクトプラグＶ２、Ｖ３は銅製である。

第３の層間絶縁膜５の上には、分離膜であるシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜１５を介してシリコン酸化膜の層間絶縁膜８及びオーバーキャップの保護膜９が形成されている。受光部２１の直上の複数の第１、第２、第３の層間絶縁膜３、４、５、８、保護膜９及び、これら層間絶縁膜の間にあるシリコンナイトライド膜１５、シリコンカーバイト膜６、７を通して光導波路１０が形成され、そのコア部１０１はＴｉＯ分散ポリイミドにより形成されている。このＴｉＯ分散ポリイミドの上には密着性を良くするアクリル系熱硬化樹脂１１を介してカラーフィルター１２が形成され、このカラーフィルター１２の上に入射光１００を集光する光学素子であるオンチップレンズ１３が形成されている。

上記のような構成のＣＭＯＳイメージセンサでは、入射光１００はオンチップレンズ１３により集光され、光導波路１０のＴｉＯ分散ポリイミドから成るコア部１０１を通って受光部２１に照射され、この受光部２１により光電変換される。

次に本発明の固体撮像素子の製造方法について説明する。まず、図２に示すように、半導体基板１上に受光部２１とこれを覆うシリコン酸化膜２２を有するセンサ部２を形成し、このセンサ部２の上に、第１配線Ｄ１、第２配線Ｄ２、第３配線Ｄ３を有する第１、第２、第３の層間絶縁膜３、４、５をシリコンカーバイト膜６、７を介して形成し、さらに第３の層間絶縁膜５の上にシリコンナイトライド膜１５を介して層間絶縁膜８、保護膜９を形成する。

その後、図３に示すような光導波路１０を形成する。この光導波路１０はリソグラフィーでレジスト１４を光導波路パターンになるように形成し、それをマスクにして保護膜９、層間絶縁膜８、５、４、３を形成するシリコン酸化膜をドライエッチングでエッチングして形成する。

次に、図４に示すように上記形成された光導波路１０にコア部１０１の材料となるＴｉＯ分散型ポリイミドを埋め込んで光導波路構造を完成させる。その後、図１に示すようにＴｉＯ分散型ポリイミドのコア部１０１の上にアクリル系熱硬化樹脂１１を介してカラーフィルター１２を形成し、さらにこのカラーフィルター１２の上にオンチップレンズ１３を形成する。尚、図示してはいないが、半導体基板１上の受光部２１はマトリックス状に多数配置されており、カラーフィルター１２は対応する受光部２１に応じた色（３原色のひとつ）となっている。こうして本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサが完成するが、図２、図３、図４、図１に示した工程において光導波路１０に埋め込む材料が従来と異なるだけで、他の製造工程は従来と同様である。

本実施形態によれば、光導波路１０を構成するコア部１０１の材料として、ＴｉＯ分散により屈折率が１．８〜１．９と高いＴｉＯ分散型ポリイミドを用いることにより、コア部１０１と光導波路１０の界面で入射光が全反射する際の臨界角を大きくすることが可能となり、入射光１００がオンチップレンズ１３に斜めから入射する際の光の反射効率を向上させることができ、入射効率を向上させることができる。それ故、本実施形態の固体撮像素子の感度特性を改善することができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構成を示した部分断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する部分断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する部分断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する部分断面図である。

符号の説明

１……半導体基板、２……センサ部、３、４、５、８……層間絶縁膜、６、７……シリコンカーバイト膜、９……保護膜、１０……光導波路、１１……アクリル系熱硬化樹脂、１２……カラーフィルター、１３……オンチップレンズ、１５…シリコンナイトライド膜、２１……受光部、２２、２１１……シリコン酸化膜、１０１……コア部、２１２……ポリシリコン、２１３、２１４、２１５…シリコンナイトライド層、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３……配線、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３……コンタクトプラグ。

Claims (6)

1. 光電変換部を上部に形成する半導体基板と、
   前記光電変換部の上に形成され、この光電変換部に電気的に接続された信号伝送用の配線部をそれぞれ含む複数の層間絶縁膜と、
   前記複数の層間絶縁膜の最上層からその下の層間絶縁膜を通して前記光電変換部の表面方向に設けられ、光を前記光電変換部に導く光導波路とを具備し、
   前記光導波路のコア部材はＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記複数の層間絶縁膜の最上層を保護する保護膜を有し、前記光導波路はこの保護膜から下層の層間絶縁膜を通して前記光電変換部の表面方向に形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記光導波路の上に形成されるカラーフィルターと、
   前記カラーフィルターの上に形成される集光用の光学素子と、
   を具備することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記層間絶縁膜の構成材は酸化シリコンであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 光電変換部を上部に形成する半導体基板と、前記光電変換部の上に形成され、内部に信号伝送用の配線部を含む複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の最上層からその下の層間絶縁膜を通して前記光電変換部の表面方向に設けられ、光を前記光電変換部に導く光導波路とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光導波路内にＴｉＯ分散型ポリイミド樹脂を流し込む工程を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. 前記光導波路の上にカラーフィルターを介して形成される集光用の光学素子を形成する工程を具備することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
   

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