JP2007035698A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集光効率が高く、かつ、微細化が可能な固体撮像素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 固体撮像素子１の製造時には、半導体基板２０のゲート酸化膜２１上に光透過性の材料によって光透過膜を形成した後、形成された光透過膜の一部を選択的に除去することによって、受光部２３と対向するように配置される光導波路部３０が形成される。その後、光導波路部３０の外周側壁を覆うように、反射膜３２が形成される。このような製造方法によれば、光導波路部３０の形成時のボイドの発生が減少し、反射膜３２のカバレッジ性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、より特定的には、受光部の表面に光導波路部が形成される固体撮像素子及びその製造方法に関するものである。

従来、画像信号を電気信号に変換するための固体撮像素子として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）が知られている。ＣＣＤは、信号電荷を順次転送する構造を有するため、高速化には不向きであるが、感度が高く、かつ、暗出力が低いため、Ｓ／Ｎ比が高いという特徴を有している。そのため、ＣＣＤは、固体撮像素子を用いたカメラの市場を席巻してきた。

近年、カメラの撮像能力が高速化するのに伴い、固体撮像素子自体にも高速化に応じられる構造が要求されている。現在、これに対応する固体撮像素子として、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型固体撮像素子に代表される増幅型固体撮像素子が知られている。ＭＯＳ型固体撮像素子は、ＣＣＤのように信号電荷を最終出力部まで転送する必要がなく、画素部において光信号を電気信号に変換して出力するため、動作を高速化することができる。以下、従来の増幅型固体撮像素子の具体例について、簡単にその構造及び原理を説明する。

図３は、従来の固体撮像素子の一例を示す断面図である。図３に示される固体撮像素子
８１は、受光部２３が光電変換することによって出力した信号電荷を検出部２４ａに転送し、検出部２４ａが検出する電位の変化によって信号を出力する。各画素を構成する固体撮像素子８１は、受光部２３と、転送用トランジスタと、増幅用トランジスタ１７と、リセット用トランジスタ１８とを備える。転送用トランジスタは、半導体基板２０と、半導体基板２０の内部に形成されたＮ型拡散領域である受光部２３及び検出部２４ａと、半導体基板２０の表面における受光部２３及び検出部２４ａの間の部分において、ゲート酸化膜２１上に形成された転送ゲート電極２２とから構成されている。受光部２３及び検出部２４ａの各々は、転送用トランジスタのソース及びドレインに対応する。また、検出部２４ｂは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）である。転送ゲート電極２２の側面には、シリコン酸化膜２６が形成されている。

図３に示される固体撮像素子８１は、更に、受光部２３を覆うように形成される絶縁膜２８と、絶縁膜２８の表面の少なくとも一部に形成された遮光膜６２と、絶縁膜２８及び遮光膜６２の表面を覆うように形成された平坦化層４０と、平坦化層４０の表面を覆うように形成されたカラーフィルター層５０と、カラーフィルター層５０の表面に取り付けられたマイクロレンズ６０とを備える。尚、平坦化層４０及びカラーフィルター層５０の厚みは、マイクロレンズ６０を通過する入射光が、受光部２３の近傍において焦点を結ぶように設定されている。また、絶縁膜２８には、図示しない配線が含まれている。

近年、上記のようなＭＯＳ型の固体撮像素子によって撮像された画像の画質の向上が強く要望されている。このような要望に応えるためには、画素数を増やして解像度を向上させることと、画素自体の感度を向上させることが必要である。画素数を増やして解像度を向上させるためには、画素の配列密度を高くし、画素のサイズを小さくする必要がある。ところが、画素サイズを小さくすると、受光部２３とマイクロレンズ６０との位置のずれによって入射光の光路がずれたり、Ｆ値が小さいとき（カメラの絞りを開いたとき）に入射光の光路が変化することによって光路がずれたりする場合がある。入射光の光路がずれると、受光部に入射する光量が減少するため、受光部の感度特性が低下するという不具合が生じる。

そこで、このような感度特性の低下の問題を回避するために、特許文献１に記載されるような光導波路を有する固体撮像素子が提案されている。特許文献１に記載されている固体撮像素子においては、マイクロレンズを通過した入射光の焦点は、光導波路の光入射面近傍に設定されおり、入射光は、光導波路によって効率的に受光部へと導かれる。これにより、受光部とマイクロレンズとの位置ずれや、基板に対する入射光の角度の変化が生じても、入射光は、極めて大きな入射角度を保ったまま光導波路の側壁において反射され得る。また、光導波路は、側壁部分による反射効率が高く、かつ、その内部における入射光の反射回数が最小限となるように構成されているので、光の損失は、殆ど生じない。このような光導波路を備える固体撮像素子によれば、入射光強度の低下が最小限に抑制されるので、強度の強い光束を受光部に導くことによって、感度の向上を図ることができる。以下、このような光導波路を有する固体撮像素子の具体例について、図４〜図６を参照しながら簡単に説明する。

図４は、従来の固体撮像素子の他の一例を示す断面図である。図４に示される固体撮像素子８２は、Ｐ型半導体基板２０に形成された受光部２３と、Ｐ型半導体基板２０の表面に形成された絶縁膜２８とを含んでいる。絶縁膜２８には、ゲート酸化膜２１及び表面Ｐ型層２５を通して、受光部２３が露出するように開孔部６３が形成されている。開孔部６３の内壁には、絶縁性薄膜３１と、金属薄膜よりなる反射膜３２が形成されている。そして、絶縁性薄膜３１と、反射膜３２とが形成された開孔部６３に、光学的に透明な材料を充填することによって、光導波路６４が形成されている。

更に、固体撮像素子８２は、光導波路６４の表面を覆うように形成された平坦化層４０と、平坦化層４０の表面に形成されたカラーフィルター層５０と、カラーフィルター層５０の表面に形成されたマイクロレンズ６０とを備えている。図４に示される固体撮像素子のマイクロレンズ６０の焦点位置は、受光部２３の表面近傍となるように設定されている。

ここで、図４に示される固体撮像素子８２の製造方法について説明する。

図５Ａは、図４に示される固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。まず、受光部２３が形成された半導体基板２０のゲート酸化膜２１の表面に、酸化物等からなる絶縁膜２８を形成する。次に、形成された絶縁膜２８の全面にレジスト膜を形成した後、ゲート酸化膜２１を隔てて受光部２３の少なくとも一部と対向する位置に開口３５が形成されるように、フォトリソグラフィ法を用いてマスクパターン３９を形成する。その後、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等に従って、マスクパターン３９の開口３５から露出する絶縁膜２８の一部を異方的にエッチングすると、図５Ａに示されるように、絶縁膜２８に開孔部６３が形成される。マスクパターン３９は、開孔部６３の形成後除去される。

図５Ｂは、図５Ａに続く製造工程を説明するための断面図である。まず、開孔部６３が形成された絶縁膜２８上に絶縁性薄膜３１が形成される。絶縁性薄膜３１としては、例えば、膜厚の均一性及び被覆性に優れるＳｉＯ₂等が用いられる。次に、形成された絶縁性薄膜３１の表面に、低温ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法等によって、反射膜３２が形成される。反射膜３２としては、例えば、光の反射率が高いアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、またはこれらの合金等が用いられる。尚、絶縁膜２８の内部に埋め込まれた配線（図示せず）と反射膜３２とが短絡するおそれがない場合には、上記の絶縁性薄膜３１は、省略されても良い。その後、開孔部６３の内壁部を除く部分に形成されている絶縁性薄膜３１及び反射膜３２は、ＲＩＥ法等によって異方的に除去される。

図５Ｃは、図５Ｂに続く製造工程を説明するための断面図である。光導波路６４は、内壁部に絶縁性薄膜３１及び反射膜３２が形成された開孔部６３の内部に、例えばＳｉＯ₂のような可視光を透過し得る材料を充填することによって形成される。更に、光導波路６４の表面に平坦化層４０と、カラーフィルター層５０と、マイクロレンズ６０とを熱軟化性樹脂等を用いて順に形成する。平坦化層４０及びカラーフィルター層５０の厚みは、マイクロレンズ６０の焦点が受光部２３の近傍となるように設定されている。

尚、図５Ｃにおいて、絶縁性薄膜３１及び反射膜３２の代わりに、開孔部の内壁を覆うようにＳｉＯ₂等のクラッド膜のみを形成し、クラッド膜が形成された開孔部６３に、ＳｉＯ₂とＭｇＯとの混合物等のコア膜を埋め込むことによって、コア−クラッドタイプの光導波路が形成されることもある。

このような固体撮像素子８２によれば、図４の実線で示されるように光が受光部２３の表面に対してほぼ垂直に入射する場合、入射光は、光導波路６４の側壁で反射することなく受光部２３の表面近傍で焦点を結ぶので、強度の強い光束を受光部２３に導いて感度の向上を図ることができる。光導波路６４の側壁は、受光部２３とマイクロレンズ６０との位置合わせマージンを確保するために、光導波路６４の入口側から受光部２３へと向かって口径が狭まるように、すり鉢状のテーパー形状に形成されることがより望ましい。尚、受光部２３とマイクロレンズ６０との位置合わせのマージンが確保されていれば、光導波路６４の側壁を半導体基板２０に対して垂直になるように形成しても良い。

また、Ｆ値が小さい場合（カメラの絞りを開いた場合）、受光部２３の表面に対する入射光の角度は、図４の破線で示されるように垂直以外に変化することがある。この場合、入射光は、図４の破線で示されるように、極めて大きな入射角度を保ったまま、光導波路６４の側壁部分に形成された反射膜３２によって反射される。また、反射膜３２の反射率は高く、かつ、光導波路６４内における入射光の反射回数は、最小限に抑えられている。したがって、このような光導波路６４を備える固体撮像素子によれば、入射光の損失が殆ど生じず、入射光強度の低下も最低限に抑えることができる。

図６は、従来の固体撮像素子の他の一例を示す断面図である。図６に示される固体撮像素子８３は、絶縁膜２８よりも屈折率の高い材料を用いて光導波路６５が形成されている。光導波路６５は、例えば、ＴｉＯ₂等の材料によって形成されている。
特開２００２−１１８２４号公報

上記の特許文献１によれば、光導波路や反射膜が設けられることによって、受光部とマイクロレンズとの位置ずれや光の入射角度の変化によって生じる光路のずれの影響が抑制される。したがって、集光効率が高く感度特性に優れた微細な増幅型固体撮像素子を構成することが可能となる。

しかしながら、固体撮像素子のサイズを縮小するのに伴って、受光部の面積は、小さくなる。そうすると、受光部の表面に形成される光導波路のアスペクト比が高くなるため、反射膜のカバレッジ性が悪化するという問題が生じる。また、光導波路は、絶縁膜に形成された開孔部に光透過性の材料を充填することによって形成されるので、ボイド（空所）が発生しやすいという問題も生じる。これらの問題によって、固体撮像素子の各々の集光性が悪化したり、ばらついたりすることが考えられる。

また、特許文献１に記載される固体撮像素子の製造方法によれば、開孔部の内壁部以外の部分に形成された反射膜を除去する工程において（図５Ｂ）、受光部は、プラズマによってダメージを受けるため、受光部の結晶の欠陥を誘発する。例えば、プラズマダメージによって、受光部には、白キズが生じたり、暗電流特性が低下したりすることが考えられる。

それ故に、本発明は、集光効率が高く、かつ、微細化が可能な固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、固体撮像素子であって、半導体基板と、半導体基板の表面に形成される受光部と、受光部の少なくとも一部と対向し、半導体基板の表面から遠ざかるにつれて径が小さくなるテーパー形状に形成される光導波路部と、光導波路部の外周側壁を覆うように形成される反射膜とを備える。

この場合、反射膜は、チタン、タングステン、タンタルの少なくとも一つ、または、これらの少なくとも一つの酸化物を含んでも良い。

また、固体撮像素子は、受光部と光導波路部との間に形成されるシリコン窒化膜を更に備えても良い。

第２の発明は、固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板の表面に受光部を形成する受光部形成工程と、半導体基板の表面に、光を透過する材料によって所定の厚みを有する光透過膜を形成する光透過膜形成工程と、形成された光透過膜の一部を選択的に除去することによって、受光部の少なくとも一部と対向する柱形状の光導波路部を形成する光導波路部形成工程と、光導波路部の外周側壁を覆う反射膜を形成する反射膜形成工程と、光導波路部と反射膜とが埋め込まれるように、半導体基板の表面に所定の厚みより深い第１の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、形成された第１の絶縁膜の表面を平坦化する平坦化工程とを備える。

この場合、反射膜形成工程は、光導波路部の外面に反射膜を形成する工程と、形成された反射膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、光導波路部の外周側壁以外に形成された反射膜と第２の絶縁膜とを選択的に除去する工程とを含んでも良い。

また、固体撮像素子は、半導体基板に形成され、受光部と同一の導電型を有する検出部と、半導体基板における受光部と検出部とによって挟まれる部分と対向するように配置されるゲート電極とを備え、光導波路部形成工程は、ゲート電極を形成する工程の後であって、かつ、検出部を形成する工程の前に行われても良い。

本発明にかかる固体撮像素子によれば、光導波路部の内部に進入した入射光を反射膜によって反射させながら伝搬させて、受光部へと導くことができるため、集光効率を高めることによって、固体撮像素子の感度特性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、受光部上に柱形状の光導波路部を形成した後、光導波路部の外周側壁に反射膜を形成するため、反射膜のカバレッジ性を向上させると共に、光導波路部の形成時におけるボイドの発生を抑制することが可能となる。

更に、本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、光導波路を構成する材料の屈折率に制約がないため、光透過率や生産性等に優れた光導波路を備える固体撮像素子を製造することができる。

更に、本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、受光部と対向する位置に光導波路部が形成されるため、反射膜形成工程において、受光部に結晶欠陥が生じることを回避することが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法について、以下、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子を示す断面図である。図１に示される固体撮像素子１は、Ｐ型の半導体基板２０と、受光部２３と、光導波路部３０と、反射膜３２と、シリコン窒化膜よりなる反射防止膜３４とを備える。受光部２３は、半導体基板２０表面の分離部２７によって区画された領域に、Ｎ^-型拡散領域として形成されている。受光部２３の表面には、Ｐ⁺⁺型の拡散領域である表面Ｐ型層２５が形成されている。また、半導体基板２０の表面には、Ｎ⁺型拡散領域である検出部２４ａと、Ｎ型拡散領域である検出部２４ｂとが形成されている。更に、半導体基板２０の表面を覆うように、ゲート酸化膜２１が形成されている。

半導体基板２０の内部に形成された受光部２３と、検出部２４ａと、ゲート酸化膜２１上に形成された転送ゲート電極２２とは、転送用トランジスタを構成する。受光部２３及び検出部２４ａの各々は、ソース及びドレインに対応する。

また、固体撮像素子１は、増幅用トランジスタ１７と、リセット用トランジスタ１８とを備える。転送用トランジスタを構成する検出部２４ａは、増幅用トランジスタ１７のゲートと、リセット用トランジスタ１８のソースとに電気的に接続されている。また、増幅用トランジスタ１７及びリセット用トランジスタの各々のドレインは、所定の電源電圧供給点ＶＤＤに接続されている。

ここで、転送用トランジスタと、増幅用トランジスタ１７と、リセット用トランジスタ１８との各々の役割について説明する。転送用トランジスタは、受光部２３における光電変換によって発生した電荷を検出部２４ａへと転送する。検出部２４ａは、信号電荷に応じた電圧を増幅用トランジスタ１７のゲートへと印加する。増幅用トランジスタ１７は、転送用トランジスタの検出部２４ａの電圧を増幅して出力する。尚、図１には図示されていないが、実際には、増幅用トランジスタ１７のソースを、負荷用ＭＯＳトランジスタまたは抵抗を介してＧＮＤに接続することによって、ソースフォロアが構成されており、増幅用トランジスタ１７のソースから信号が取り出される。また、リセット用トランジスタ１８は、検出部２４ａが保持する信号電荷を一定期間毎に電源電圧供給点ＶＤＤへと排出する。

受光部２３の不純物濃度は、光電変換を行える範囲であれば良く、受光部２３の不純物濃度は、１０^-15〜１０^-16ｃｍ^-3程度であることがより好ましい。また、半導体基板２０表面からの受光部２３の深さは、０．５〜２．０μｍ程度であることがより好ましい。また、本実施形態においては、受光部２３の暗出力を低減させるために、受光部２３の表面に浅いＰ⁺⁺型の半導体領域である表面Ｐ型層２５が形成されている。これにより、受光部２３は、埋め込み型フォトダイオードとして構成されているが、表面Ｐ型層２５はなくても良い。

検出部２４ａの不純物濃度は、検出部２４ａと金属配線とがオーミック接続可能な程度に設定されていれば良く、１０^-20ｃｍ^-3以上であることがより好ましい。また、半導体基板２０の表面からの検出部２４ａの深さは、０．２〜０．４μｍ程度に設定されることがより好ましい。更に、転送用トランジスタのソースは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）として形成されていることがより好ましい。本実施形態に係る転送用トランジスタは、Ｎ⁺型半導体領域よりなる検出部２４ａと、検出部２４ａより不純物濃度が低いＮ型半導体領域よりなる検出部２４ｂとを備える。検出部２４ｂの不純物濃度は、例えば、１０^-18〜１０^-19ｃｍ^-3程度に設定されるのがより好ましい。

反射防止膜３４は、受光部２３を覆うように形成されたゲート酸化膜２１の表面において、受光部２３の少なくとも一部と対向する位置に形成されている。反射防止膜３４の厚みは、特に限定されないが、反射防止膜３４の厚みによって、反射を防止することができる光の波長が異なる。例えば、反射防止膜３４としてシリコン窒化物（屈折率は、約２．０）を使用し、かつ、反射防止膜３４がゲート酸化膜２１の表面上に形成されている場合、反射防止膜３４の厚みが４０〜６０ｎｍであれば、波長が５５０ｎｍの光の反射を最も効果的に抑制することが可能である。尚、固体撮像素子１の製造工程においては、反射防止膜３４は、光導波路部３０を形成するためのエッチングストッパーとしても機能する。この点の詳細については後述する。

光導波路部３０は、反射防止膜３４の表面において、受光部２３と対向する位置に形成されている。光導波路部３０は、例えばシリコン酸化膜等の透明の材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によって薄膜を形成させた後、受光部２３に対向する島状の部分を残して、形成された薄膜の一部を選択的に除去することによって形成される。

反射膜３２は、例えばタングステンやタンタル等の融点が高く、かつ、光の反射率が高い材料をスパッタ法によって堆積させることによって形成されている。反射膜３２によって形成される鏡面によって、入射光は、反射膜３２の表面において反射しながら受光部２３へと到達することができる。したがって、入射光は、光導波路部３０に入射しさえすれば、反射膜３２によって集光されるため、固体撮像素子１の感度が向上する。

絶縁膜２８は、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜よりなる。また、層間絶縁膜３８は、プラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を堆積させることによって形成されている。絶縁膜２８の表面上に、例えばアルミニウム等の金属材料によって第一層目の配線２９ａ及び２９ｂが形成されている。そして、配線２９ａ及び２９ｂ上に形成された層間絶縁膜３８を挟んで、アルミニウム等の金属材料によって、第二層目の配線２９ｃ及び２９ｄが形成されている。第二層目の配線２９ｃ及び２９ｄは、受光部２３以外の領域に対して光を遮断する遮光膜として機能する。尚、本実施形態においては、絶縁膜２８は、第１の絶縁膜に対応し、絶縁性薄膜３１は、第２の絶縁膜に対応する。

更に、配線２９ｃ及び２９ｄの表面を覆うパッシベーションとして、保護膜３６が形成されている。保護膜３６の表面には、平坦化層４０が形成されている。平坦化層４０の表面には、カラーフィルター層５０が形成されている。カラーの撮像信号を得るために、カラーフィルター層５０には、例えば原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルターが使用されている。

更に、カラーフィルター層５０の表面には、集光用の光学素子としてマイクロレンズ６０が形成されている。マイクロレンズ６０の曲率は、マイクロレンズ６０を透過する光が光導波路部３０内部へと集光されるように設定されている。例えば、マイクロレンズ６０の表面は、球面状または蒲鉾状に形成されている。

このように本実施形態に係る固体撮像素子１は、光導波路部３０と、光導波路部３０の外周側壁に形成された反射膜３２とを備えるので、マイクロレンズ６０を透過する入射光の光路がずれても、入射光を反射膜３２によって反射させながら伝搬させて、受光部２３へと導くことができる。これにより、集光効率が向上するため、固体撮像素子１の感度特性を向上させることが可能となる。

ここで、図２Ａ〜図２Ｉを参照しながら、本実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法について説明する。

図２Ａは、図１に示される固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。まず、図２Ａに示されるように、Ｐ型の半導体基板２０において、分離部２７（フィールド絶縁膜）と、ゲート酸化膜２１とによって画定された部分に、受光部２３と、反射防止膜３４と、転送ゲート電極２２とを形成する。

まず、ゲート酸化膜２１の表面に転送ゲート電極２２が形成される。転送ゲート電極２２は、ゲート酸化膜２１の全面に、多結晶シリコン膜を所定の厚みに堆積させた後、堆積した多結晶シリコン膜を選択的にパターニングすることによって形成される。

次に、受光部２３が、Ｎ型の拡散領域として形成される。受光部２３は、Ｐ型の半導体基板２０の表面から所定の範囲にＮ型の不純物を注入し、注入された不純物を熱拡散させることによって形成される。その後、形成されたＮ型拡散領域にＰ型の不純物を注入し、熱拡散させることによって、Ｐ型拡散領域である表面Ｐ型層２５が形成される。この結果、表面Ｐ型層２５と、受光部２３と、半導体基板２０とによって、ＰＮＰ接合構造を有するフォトダイオードが形成される。

次に、ゲート酸化膜２１及び転送ゲート電極２２の表面に反射防止膜３４が形成される。本実施形態においては、反射防止膜３４の一例として、シリコン窒化膜が形成される。上述したように、反射防止膜３４としてシリコン窒化物が用いられ、反射防止膜３４がゲート酸化膜２１の表面に形成される場合、反射防止膜３４の厚みを４０〜６０ｎｍ、ゲート酸化膜２１の厚みを１０〜３０ｎｍとすると、波長が５５０ｎｍの光の反射を最も効果的に抑制することができる。また、ゲート酸化膜２１の厚みが、上記の厚みに足りない場合には、反射防止膜３４の間に更にシリコン酸化膜が形成されても良い。

尚、シリコン窒化物は、ホットウォール減圧ＣＶＤ法に従い、７００℃〜８００℃の反応温度において、ウェハ全面に所定の厚みとなるように堆積させる。この場合の反応機構は、次の反応式（１）の通りである。また、成膜された反射防止膜３４は、後述する反射膜の形成工程においてエッチングストッパーとしても機能する。
３ＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋４ＮＨ₃→ＳｉＮ₃＋６ＨＣＬ＋６Ｈ₂ … （１）

図２Ｂは、図２Ａに続く製造工程を説明するための断面図である。図２Ｂに示されるように、反射防止膜３４の表面に、光を透過することができる材料によって、光透過膜３３が形成される。例えば、光透過膜を形成する材料としては、例えば、光学的に透明で、屈折率が１．５であるシリコン酸化膜が用いられる。より具体的には、シリコン酸化膜として、高密度プラズマ装置によって形成されるＰ−ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）膜が使用される。

図２Ｃは、図２Ｂに続く製造工程を説明するための断面図である。次に、図２Ｃに示されるように、受光部２３の少なくとも一部と対向する柱形状の光導波路部３０が形成される。光導波路部３０を形成するためには、図２Ｂにおいて形成された光透過膜３３の表面にレジストを塗布した後、光導波路部３０を形成すべき部分にのみレジストが残存するように、レジストパターンを形成する。その後、光透過膜３３においてマスクされていない部分を、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の異方性ドライエッチング装置によって、フッ素系ガスを用いてエッチングする。これにより、図２Ｃに示されるように、柱形状の光導波路部３０が形成される。尚、図２Ｃに示される光導波路部３０は、断面積がほぼ一定の柱形状に形成されているが、受光部２３から遠ざかるにつれて径が小さくなるように、テーパー形状に形成されていても良い。

図２Ｄは、図２Ｃに続く製造工程を説明するための断面図である。図２Ｄに示されるように、光導波路部３０の外周側壁上に反射膜３２が形成される。反射膜３２は、スパッタ法もしくはＣＶＤ法に従い、チタン、タングステン、タンタル等の高融点材料を光導波路部３０の表面及び反射防止膜３４の表面に堆積させることによって形成される。更に、形成された反射膜３２の表面に、ＣＶＤ法によって絶縁性薄膜３１を形成する。

図２Ｅは、図２Ｄに続く製造工程を説明するための断面図である。図２Ｅに示されるように、光導波路部３０の外周側壁以外の部分に形成された反射膜３２と、絶縁性薄膜３１とが選択的に除去される。例えば、ＲＩＥ等の異方性ドライエッチング装置によって、ＣＦ₄等のフッ素系ガスと酸素との混合ガスを用い、セルフアラインによってエッチングする。光導波路部３０は、半導体基板２０の表面から突出するように形成されているので、この工程においては、エッチングガスが光導波路部３０の外周側壁部にも供給されやすい。したがって、光導波路部３０の外周側壁上に形成された膜がエッチングを受けやすい。しかしながら、本実施形態のように絶縁性薄膜３１が形成されていれば、光導波路部３０の外周側壁上に形成された反射膜３２がエッチングされないため、反射膜３２によって形成された鏡面が維持される。

図２Ｆは、図２Ｅに続く製造工程を説明するための断面図である。次に、例えば、Ｈ₃ＰＯ₄を用いるウェットエッチング法や、ＣＦ₄やＣ₂Ｆ₆等のフッ素係ガスを用いるドライエッチング法によって、図２Ｅにおいて露出している反射防止膜３４の一部が除去される。反射防止膜３４の除去後、半導体基板２０に、Ｎ型の不純物を１０^-18ｃｍ^-3〜１０^-19ｃｍ^-3の濃度となるように導入し、Ｎ型拡散領域である検出部２４ｂを形成する。その後、図２Ｆに示されるように、ゲート酸化膜２１、光導波路部３０、転送ゲート電極２２をの表面にＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を堆積させる。

図２Ｇは、図２Ｆに続く製造工程を説明するための断面図である。図２Ｇにおいて示されるように、シリコン酸化膜３７の一部を異方性ドライエッチングによって選択的に除去することによって、転送ゲート電極２２の側壁部と絶縁性薄膜３１の表面に、シリコン酸化膜２６が形成される。次に、半導体基板２０において検出部２４ｂが形成された部分に、Ｎ型不純物を導入し、検出部２４ａが形成される。このときのＮ型不純物の濃度は、金属配線と検出部２４ａとがオーミック接続可能な程度であれば良いが、１０^-21ｃｍ^-3以上であることがより好ましい。また、検出部２４ａの深さは、０．２〜０．４μｍ程度であることがより好ましい。

図２Ｈは、図２Ｇに続く製造工程を説明するための断面図である。図２Ｈに示されるように、半導体基板２０の表面にＣＶＤ法によって、絶縁膜２８が形成される。絶縁膜２８の深さは、光導波路部３０が埋め込まれるように、光導波路部３０の高さより深く設定されている。絶縁膜２８には、通常、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜が用いられる。その後、半導体基板２０を６５０℃においてアニーリングし、絶縁膜２８と光導波路部３０の表面に積層された膜中の水分等の不純物を除去する。

図２Ｉは、図２Ｈに続く製造工程を説明するための断面図である。絶縁膜２８の表面は、図２Ｉに示されるように、ＣＭＰ法によって平坦化される。その後、半導体基板２０には、コンタクト形成、配線形成等の通常のＣＭＯＳ製造プロセスと同様の工程が行われる。また、絶縁膜２８の表面には、図１に示されるように、絶縁膜３８、配線２９ａ〜２９ｄ、保護膜３６、平坦化層４０、カラーフィルター層５０及びマイクロレンズ６０が形成され、固体撮像素子１が完成する。

以上のように、本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、受光部２３と対向する位置に、光導波路部３０が形成された後に、光導波路部３０が絶縁膜２８の内部に埋め込まれるため、光導波路部３０の内部にボイドが発生することが抑制される。また、反射膜３２は、半導体基板２０の表面から突出するように形成された光導波路部３０の外周側壁上に形成されるため、反射膜３２のカバレッジ性が低下することはない。更に、光導波路部３０と対向する位置に光導波路部３０が形成されているため、反射膜３２のエッチング時に、プラズマダメージによって受光部２３に結晶欠陥が生じることが回避される。

したがって、本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、受光部の微細化に伴って光導波路部のアスペクト比が増加しても、光導波路部内部にボイドを発生させず、反射膜のカバレッジ性を低下させることがない。よって、本発明によれば、集光効率が高く、かつ、受光部の微細化が可能な製造方法を実現することが可能となる。また、受光部の結晶に白キズ等の欠陥がなく、感度が良好で、かつ、暗電流について良好な特性を有する固体撮像素子を再現性良く製造することが可能となる。

尚、本実施形態においては、光導波路部は、断面が一定である柱形状に形成されているが、光導波路部は、半導体基板の表面から遠ざかるにつれて径が小さくなるようなテーパー状の柱形状に形成されても良い。この場合、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を同様に適用することができる。また、テーパー状の光導波路部を有する固体撮像装置は、本実施形態に係るものと同様の効果を奏することができる。

本発明は、固体撮像素子の受光部のサイズが減少しても、受光部上に光導波路を形成することを可能とするので、例えば、集光効率が高い固体撮像素子の製造方法として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の断面図 図１に示される固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図 図２Ａに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｂに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｃに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｄに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｅに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｆに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｇに続く製造工程を説明するための断面図 図２Ｈに続く製造工程を説明するための断面図 従来の固体撮像素子の一例を示す断面図 従来の固体撮像素子の他の一例を示す断面図 図４に示される固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図 図５Ａに続く製造工程を説明するための断面図 図５Ａに続く製造工程を説明するための断面図 従来の固体撮像素子の他の一例を示す断面図

符号の説明

１ 固体撮像素子
２０ 半導体基板
２１ ゲート酸化膜
２２ 転送ゲート電極
２３ 受光部
２４ 検出部
２５ 表面Ｐ型層
２６ シリコン酸化膜
２７ 分離部
２８ 絶縁膜
２９ 配線
３０ 光導波路部
３１ 絶縁性薄膜
３２ 反射膜
３３ 光透過膜
３４ 反射防止膜
３５ 開口
３６ 保護膜
３７ シリコン酸化膜
３８ 層間絶縁膜
３９ マスクパターン
４０ 平坦化層
５０ カラーフィルター層
６０ マイクロレンズ

Claims (6)

1. 固体撮像素子であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に形成される受光部と、
   前記受光部の少なくとも一部と対向し、前記半導体基板の前記表面から遠ざかるにつれて径が小さくなるテーパー形状に形成される光導波路部と、
   前記光導波路部の外周側壁を覆うように形成される反射膜とを備える、固体撮像素子。
2. 前記反射膜は、チタン、タングステン、タンタルの少なくとも一つ、または、これらの少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記固体撮像素子は、前記受光部と前記光導波路部との間に形成されるシリコン窒化膜を更に備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 固体撮像素子の製造方法であって、
   半導体基板の表面に受光部を形成する受光部形成工程と、
   前記半導体基板の前記表面に、光を透過する材料によって所定の厚みを有する光透過膜を形成する光透過膜形成工程と、
   前記形成された前記光透過膜の一部を選択的に除去することによって、前記受光部の少なくとも一部と対向する柱形状の光導波路部を形成する光導波路部形成工程と、
   前記光導波路部の外周側壁を覆う反射膜を形成する反射膜形成工程と、
   前記光導波路部と前記反射膜とが埋め込まれるように、前記半導体基板の前記表面に前記所定の厚みより深い第１の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記形成された第１の絶縁膜の表面を平坦化する平坦化工程とを備える、固体撮像素子の製造方法。
5. 前記反射膜形成工程は、
   前記光導波路部の外面に前記反射膜を形成する工程と、
   前記形成された前記反射膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
   前記光導波路部の前記外周側壁以外に形成された前記反射膜と前記第２の絶縁膜とを選択的に除去する工程とを含むことを特徴とする、請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 前記固体撮像素子は、前記半導体基板に形成され、前記受光部と同一の導電型を有する検出部と、前記半導体基板における前記受光部と前記検出部とによって挟まれる部分と対向するように配置されるゲート電極とを備え、
   前記光導波路部形成工程は、前記ゲート電極を形成する工程の後であって、かつ、前記検出部を形成する工程の前に行われることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法。
   
   

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