JP2006294773A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オンチップレンズの性能を良好にできると共に、このオンチップレンズからセンサ部までの距離を短縮化すること。
【解決手段】半導体基板１０４に形成されたセンサ部１００及びセンサ周辺回路部１０２の上に層間絶縁膜を介して形成される多層配線層において、センサ部１００の直上は２層配線とし、センサ周辺回路部１０２の直上は３層配線とすることにより、センサ部１００の直上にある３層目の層間絶縁膜１２８の上に積層されるパッシベーション膜１３６の形成の際に平坦化プロセスを使用する必要を省略して、センサ部１００の直上領域の層間絶縁膜１２８の平坦性のバラツキをなくし、これにより、この上に形成されるパッシベーション膜１３６表面の平坦化程度を極めて良好にし、このパッシベーション膜１３６の上にオンチップレンズ１４０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子に係り、特にオンチップレンズ下側のセンサ部領域の多層配線層の数を削減した構造を持つ固体撮像素子の製造方法に関する。

従来のＣＭＯＳイメージセンサは小型化・低コスト化を目的として、センサ部と画像処理を行うロジック部の１チィップ化が行われている。図６は従来のＣＭＯＳイメージセンサの回路構成を示した平面図である。ＣＭＯＳイメージセンサは、センサ部１、水平信号処理回路２、垂直信号処理回路３、アンプ（ＡＭＰ）４、タイミング発生回路（ＴＧ）５、ゲインアンプ（ＧＣＡ）６、ＡＤ変換回路（ＡＤＣ）７、画像処理回路８を有している。

このような従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、光を電気信号に変換するセンサ部の配線構造は水平走査線、垂直走査線、そして混色・シェーディングを防止する為の遮光膜の３層メタル構造を取ることが一般的である。これはセンサ周辺回路を構成する水平走査回路２、垂直走査回路３、タイミング発生回路（ＴＧ）５、センサ部１からの出力信号を増幅するゲインアンプ（ＧＣＡ）６、その出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路（ＡＤＣ）７、画像処理回路８などが３層構造を取ると面積的に有利となるためであり、従って、同一プロセスで製造するセンサ部１も３層構造が採られてきた（特許文献１参照）。

図７は従来のＣＭＯＳイメージセンサの断面構造例を示した部分断面図である。ＣＭＯＳイメージセンサではＣＭＯＳプロセスの特徴を活かして、単一のチップに、光センサ１０６や電荷転送ゲート１０８などからなるセンサ部１００と、ゲインアンプ部やＡＤ変換回路といったセンサ周辺回路部１０２が実装されている。（図ではひとつの光センサと周辺回路のひとつのトランジスタゲート１１２部分のみを示す）。

各光センサ１０６の近傍には電荷転送ゲート１０８及びフローティングディフュージョン部１１０が形成されている。各光センサ１０６が受光して生成した信号電荷は電荷転送ゲート１０８によってフローティングディフュージョン部１１０へ供給され、このフローティングディフュージョン部１１０において電圧信号に変換され、図示しない増幅トランジスタのゲートに供給される。

各光センサ間やセンサ周辺回路領域との間にはフィールド酸化膜、たとえばＳＴＩ１１４が形成されて各素子は分離されている。これら光センサ１０６や電荷転送ゲート１０８やセンサ周辺回路のトランジスタゲート１１２などの上には、表面が平坦化されたシリコン酸化膜による１層目の層間絶縁膜１１６が形成され、その上に、例えばフローティングディフュージョン部１１０にコンタクトプラグ１１８により接続された１層目の配線、たとえばアルミニウム配線１２０が形成されている。さらに、層間絶縁膜１１６及び第１層配線１２０の上には、同じく表面が平坦化されたシリコン酸化膜による２層目の層間絶縁膜１２２が形成され、その上に２層目の配線１２６が形成されている。

層間絶縁膜１２２及び第１層配線１２０の上にはさらに、表面が平坦化された、たとえばシリコン酸化膜による３層目の層間絶縁膜１２８が形成され、その上に最上層（３層目）の配線１３２が形成されている。各層の配線は、コンタクトプラグにより接続され、本例では、センサ周辺部の配線１２０、１２６、１３２はコンタクトプラグ１２４、１３０により相互に接続されている。そして、最上層の配線１３２及び配線１３２の側部に露出している層間絶縁膜１２８の表面上には、たとえばシリコン酸化膜とＣＭＰ（化学的機械的研磨）等を用いて平坦化された層間絶縁膜１３４が形成され、その上にパッシベーション膜１３６が形成されている。

パッシベーション膜１３６の上には、光センサ１０６毎にカラーフィルター１３８が、さらにその上にオンチップレンズ１４０が形成されている。層間絶縁膜１３４を平坦化せずにパッシベーション膜１３６を堆積することも可能であるが、カラーフィルター１３８の下地を平坦化するため、通常層間絶縁膜１３４は平坦化される。
特開２００４−０７１９３１号公報

しかしながら、従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいてセンサ領域が多層配線によりオンチップレンズ１４０の位置が高くなると、光センサ１０６からオンチップレンズ１４０までの距離が長くなることに繋がり、オンチップレンズ１４０の高屈折率化に伴うレンズ加工の困難・コストアップ、また曲率半径の大型化に伴う膜厚斑発生によるレンズ性能の低下等の問題が生じる。

さらに固体撮像素子に対して光が斜め入射、すなわちオンチップレンズ１４０に対して光が斜め入射した場合には、オンチップレンズ１４０を通過した後、光が収束する位置は横方向に移動することになり、移動量が大きい場合には、入射光は光センサ１０６の受光面から外れた位置に収束してしまう場合も生じる。このような収束位置の移動は光センサ１０６からオンチップレンズ１４０までの距離が長いほど大きく、そのため斜め入射光に対しても十分な感度を備えた固体撮像素子を実現する上でも、光センサ１０６からオンチップレンズ１４０までの距離を出来るだけ短くすることが望まれている。

一方、センサ周辺回路部１０２は高機能化と小面積化を両立させる為に多層配線化が求められており、センサ領域の少配線層化とは相反する関係にある。また、良好な集光特性を有するオンチップレンズ１４０を形成するためには下地膜であるパッシベーション膜１３６には平坦性が求められる。下地膜に凹凸が存在すると、レンズ形状に影響を及ぼし集光特性の劣化が発生する。一般的にＣＭＰなどの平坦化プロセスは回数が増加するのと比例して平坦性のバラツキも増加することが知られている。また、当然プロセスの回数が増加することは製造コストの増加にも繋がる為、平坦バラツキの面でも、コストの面双方においても平坦プロセスの回数は少なくすることが望ましい。

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、オンチップレンズの性能を良好にできると共に、このオンチップレンズからセンサ部までの距離を短縮化することができる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、光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の各層の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される複数の配線層と、前記複数の層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜及び前記複数の配線層の最上層の配線層の上に積層されるパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域に形成される集光用のオンチップレンズとを具備し、前記最上層の配線層は、前記最上層の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに形成されることを特徴とする。

また、本発明は、光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第１の配線層と、前記第１の層間絶縁膜及び前記第１の配線層の上に積層される第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第２の配線層と、前記第２の層間絶縁膜及び前記第２の配線層の上に積層される前記第３の層間絶縁膜と、前記第３の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに形成され、前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第３の配線層と、前記第３の層間絶縁膜及び前記第３の配線層の上に積層されるパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域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、前記センサ部に光を集光するオンチップレンズと、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、半導体基板上に光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の各層の上に形成される複数の配線層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記複数の層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される前記複数の配線層の最上層の配線層を形成する工程と、前記最上層の層間絶縁膜及び前記最上層の配線層の上にパッシベーション膜を積層する工程と、前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域に集光用のオンチップレンズを形成する工程とを具備することを特徴とする。

このように本発明では、半導体基板に形成された光センサ部及びセンサ周辺回路部の上に層間絶縁膜を介して形成される複数の配線層において、光センサ部の直上にある配線層の数を、センサ周辺回路部の直上にある配線層の数より減らすことで、光センサ部の直上にある最上層の層間絶縁膜の上に積層されるパッシベーション膜の形成工程において、平坦化プロセスを使用する必要を省略することにより、センサ部の直上領域の最上層の層間絶縁膜の平坦性のバラツキをなくすことができ、この上に形成されるパッシベーション膜の表面の平坦化程度を極めて良好にすることができる。それ故、このパッシベーション膜の上に形成されるオンチップレンズの形状を良好にすることができ、集光特性などのレンズ性能を向上させることができる。また、センサ部の直上は配線層が少ないため、この上に形成されるオンチップレンズとセンサ部までの距離が短縮化され、したがって、オンチップレンズの材料を選定する際の自由度が高くなり、またオンチップレンズの曲率半径も特に大きくする必要がなくなり、その製造を容易にすることができると共に、斜めに入射する光に対しても十分な感度を確保することができる。

本発明によれば、光センサ部の直上にある配線層の数を、センサ周辺回路部の直上にある配線層の数より減らすことで、光センサ部の直上にある最上層の層間絶縁膜の上に積層されるパッシベーション膜の形成工程において平坦化プロセスを使用する必要を省略してセンサ部の直上領域の最上層の層間絶縁膜の平坦性のバラツキをなくすことにより、この上に形成されるパッシベーション膜の表面の平坦化程度を極めて良好にし、このパッシベーション膜の上に形成されるオンチップレンズの形状を良好にすることによってその性能を向上させることができる。また、光センサ部の直上にある配線層の数が減っているため、オンチップレンズの形成位置を光センサ部に対して近くできるため、センサ部からオンチップレンズまでの距離を短縮することができ、それ故、オンチップレンズの材料を選定する際の自由度が高くなり、またオンチップレンズの曲率半径も特に大きくする必要がなくなり、さらに、斜めに入射する光に対しても十分なセンサ感度を確保することができる。 またパッシベーション膜に対して平坦化プロセスを使用しないため、パッシベーション膜のバラツキが抑えられ、センサ感度のバラツキを抑制することが可能となり、さらに、平坦化プロセスを使用しないことは製造プロセス数を削減することになり、その分固体撮像素子の製造コストの抑制に貢献することができる。

オンチップレンズの性能を良好にできると共に、このオンチップレンズからセンサ部までの距離を短縮化する目的を、半導体基板に形成された光センサ部及びセンサ周辺回路部の上に層間絶縁膜を介して形成される複数の配線層において、光センサ部の直上にある配線層の数を、センサ周辺回路部の直上にある配線層の数より減らすことで、光センサ部の直上にある最上層の層間絶縁膜の上に積層されるパッシベーション膜の形成工程において平坦化プロセスを使用する必要を省略して、センサ部の直上領域の最上層の層間絶縁膜の平坦性のバラツキをなくし、この上にパッシベーション膜を形成することによってその表面の平坦化程度を極めて良好にしておき、このパッシベーション膜の上で、且つ光センサ部の直上にオンチップレンズを形成することによって実現した。

図１は、本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子を示した部分断面図である。但し、従来例と同様の部分には同一符号を付し、一部その説明を省略して説明する。本実施形態の固体撮像素子は、センサ部１００とセンサ周辺回路部１０２の２領域から構成されている。半導体基板１０４上に、光センサ１０６、フローティングディフュージョン部１１０、センサ周辺回路（詳細は不図示）、電荷転送ゲート１０８、トランジスタゲート１１２及びフィールド酸化膜ＳＴＩ１１４が形成されている。

これら光センサ１０６、フローティングディフュージョン部１１０、センサ周辺回路、電荷転送ゲート１０８、トランジスタゲート１１２の上には、表面が平坦化されたシリコン酸化膜の第１層目の層間絶縁膜１１６が積層され、その上に、シリコン酸化膜の第２層目の層間絶縁膜１２２が積層され、その上にシリコン酸化膜の第３層目の層間絶縁膜１２８が積層され、さらにその上に、たとえばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層膜から成るパッシベーション膜１３６が形成され、このパッシベーション膜１３６の内シリコン酸化膜は層間絶縁膜１３４を形成し、本例ではシリコン酸化膜の部分をパッシベーション膜１３６としている。このパッシベーション膜１３６上にカラーフィルター１３８が形成され、さらにその上にオンチップレンズ１４０が形成されている。

ここで、第１層目の層間絶縁膜１１６の上には第１層配線１２０が形成され、第２層目の層間絶縁膜１２２の上には、第２層配線１２６が形成されている。しかし、本実施形態の第２層目の層間絶縁膜１２２の上で、センサ周辺回路部１０２の領域の直上に当たる部分のみに第３層配線１３２が形成されている。従って、第３層配線が無い部分は層間絶縁膜１３４だけとなっており、このためパッシベーション膜１３６には段差ができ、センサ部１００の直上は低くなっている。なお、各層の配線は、コンタクトプラグ１１８、１２４、１３０により接続されている。また、第１、第２、第３層配線１２０、１２６、１３２それぞれは第１、第２、第３層の配線層を構成しているものとする。

次に本実施形態の固体撮像素子の製造工程について図１から図５を用いて説明する。まず、図２は２層目の層間絶縁膜１２２と第２層配線１２６を形成した後の断面構造を示しており、続いて、図３は、第２層配線１２６及び層間絶縁膜１２２上に層間絶縁膜１２８を全体に堆積させたのち、たとえばＣＭＰによりこの層間絶縁膜の表面を研磨して平坦化し、層間絶縁膜１２８を形成する。なお、ここまでの製造工程は従来と同じプロセス構造を採っている。

続いて図４に示したように、層間絶縁膜１２８の適正位置に形成されたビアホールを介してビアコンタクト、たとえばチタン、チタニウムナイトライド、タングステンを順次蒸着した後、ＣＭＰにより研磨して適性加工・形成を行い、従来と同様の方法により、下地の層間絶縁膜１２８上にアルミニウム配線層を堆積させたのち、フォトリソグラフィ工程、ドライエッチング工程によって、センサ周辺回路部１０２領域のみに３層目（最上層）の配線１３２を形成する。

次に図５に示したように、最上層の第３層配線１３２を含む層間絶縁膜１２８の上から、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層膜から成るパッシベーション膜１３６を形成する。この時、パッシベーション膜は良質なＥＭ(Electro Migration),ＳＭ(Stress Migration)といった信頼性を有し、且つセンサ感度を考慮して最小の膜厚を選択する。例えば、アルミニウムの配線を用いて最上層の第３層配線１３２の膜厚が５００ｎｍから６００ｎｍ、最小線幅が０．２５ｕｍから０．３０ｕｍ、最小スペースが０．２５ｕｍから０．３０ｕｍの場合、上記特性を有するパッシベーション膜は最小でも３００ｎｍの酸化膜が必要となる。したがって、本例ではパッシベーションの酸化膜（層間絶縁膜１３４）をＨＤＰ（High Density Plasma)を用いて膜厚を３００ｎｍから７００ｎｍの範囲で設定するものとする。

続いて、図１に示すように、パッシベーション膜１３６の上にカラーフィルター１３８を形成し、オンチップレンズ１４０を形成する。

本実施形態によれば、第３層の層間絶縁膜１２８のセンサ部１００の直上領域には第３層の配線が形成されていないため、パッシベーション形成工程において平坦化プロセスを使用する必要が無くなり、センサ部１００の直上領域の第３層の層間絶縁膜１２８は平坦性のバラツキをなくすことができ、この上に形成されるパッシベーション膜１３６の表面の平坦化程度を極めて良好で信頼性の高いものとすることができる。それ故、このパッシベーション膜１３６の上に形成されるオンチップレンズ１４０の形状を良好にすることができ、集光特性などのレンズ性能を向上させることができる。

また、センサ部１００の直上は２層配線で配線層が少ないため、この上に形成されるオンチップレンズ１４０と光センサ１０６までの距離が短縮化され、したがって、オンチップレンズ１４０の材料を選定する際の自由度が高くなり、またオンチップレンズ１４０の曲率半径も特に大きくする必要がなくなるため、その製造を容易にすることができると共に、斜めに入射する光に対しても十分な感度を確保することができる。

またパッシベーション膜１３６の形成の際に平坦化プロセスを使用しないため、パッシベーション膜１３６のバラツキを抑えられ、センサ感度のバラツキを抑制することが可能となると共に、上記の平坦化プロセスを使用しないことは製造プロセスを少なくでき、製造コストを抑えることができる。

尚、本発明は上記実施の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。

本発明の一実施の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。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程を説明する図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程を説明する図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程を説明する図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程を説明する図である。 従来の固体撮像素子の構成を示した平面図である。 従来の固体撮像素子の構成を示した部分断面図である。

符号の説明

１００……センサ部、１０２……センサ周辺回路部、１０４……半導体基板、１０６……光センサ、１０８……電荷転送ゲート、１１０……フローティングディフュージョン部、１１２……トランジスタゲート、１１４……フィールド酸化膜ＳＴＩ、１１６、１２２、１２８、１３４……層間絶縁膜、１１８、１２４、１３０……コンタクトプラグ、１２０……第１層配線、１２６……第２層配線、１３２……第３層配線、１３６……パッシベーション膜、１３８……カラーフィルター、１４０……オンチップレンズ。

Claims (11)

1. 光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、
   前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される複数の層間絶縁膜と、
   前記複数の層間絶縁膜の各層の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される複数の配線層と、
   前記複数の層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜及び前記複数の配線層の最上層の配線層の上に積層されるパッシベーション膜と、
   前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域に形成される集光用のオンチップレンズとを具備し、
   前記最上層の配線層は、前記最上層の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに形成されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、
   前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される第１の層間絶縁膜と、
   前記第１の層間絶縁膜の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第１の配線層と、
   前記第１の層間絶縁膜及び前記第１の配線層の上に積層される第２の層間絶縁膜と、
   前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記光センサ部及び前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第２の配線層と、
   前記第２の層間絶縁膜及び前記第２の配線層の上に積層される前記第３の層間絶縁膜と、
   前記第３の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに形成され、前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される第３の配線層と、
   前記第３の層間絶縁膜及び前記第３の配線層の上に積層されるパッシベーション膜と、
   前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域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、前記センサ部に光を集光するオンチップレンズと、
   を具備することを特徴とする固体撮像素子。
3. 前記パッシベーション膜はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記パッシベーション膜と前記オンチップレンズの間に形成されたカラーフィルターを備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記複数の層間絶縁膜および前記複数の配線層はそれぞれ３層で構成され、
   前記センサ周辺回路部の直上には前記３層の配線層が存在し、前記光センサ部の直上には前記３層のうちの最上層を除く２層の配線層が存在することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
6. 前記センサ周辺回路部の直上には前記第１、第２および第３の配線層が存在し、光センサ部の直上には前記第１および第２の配線層が存在することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
7. 半導体基板上に光電変換動作を行う光センサ部及びこの光センサ部の光電変換信号を処理するセンサ周辺回路部が上部に形成された半導体基板と、前記光センサ部と前記センサ周辺回路部の上に積層される複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜の各層の上に形成される複数の配線層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記複数の層間絶縁膜の最上層の層間絶縁膜の上で前記センサ周辺回路部の直上領域のみに前記センサ周辺回路部の信号伝送に使用される前記複数の配線層の最上層の配線層を形成する工程と、
   前記最上層の層間絶縁膜及び前記最上層の配線層の上にパッシベーション膜を積層する工程と、
   前記パッシベーション膜の上で前記光センサ部の直上領域に集光用のオンチップレンズを形成する工程と、
   を具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
8. 前記パッシベーション膜と前記オンチップレンズの間にカラーフィルターを形成する工程を備えることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
9. 前記パッシベーション膜はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層構造を有することを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 前記最上層の配線層は前記センサ周辺回路部の信号伝送用の配線層であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
11. 前記複数の層間絶縁膜および前記複数の配線層はそれぞれ３層で構成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。

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