JP2007242676A - 半導体装置製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光検出器の受光部上の配線構造層等をエッチングして開口部を形成する際の工程を簡素化する。
【解決手段】半導体基板６０上に、シリコン窒化膜８６をＣＶＤ法等により形成した後、配線構造層を含む積層構造８８を形成する。積層構造８８の上に、受光部上に開口を有したフォトレジスト膜１２２を形成し、これをエッチングマスクとして、積層構造８８に対するエッチング処理を行う。このエッチングは、シリコン窒化膜に対する層間絶縁膜の選択比が確保されるような種類・条件として、当該エッチング処理においてシリコン窒化膜８６をエッチングストッパとして機能させる。開口部１１６の底部に露出したシリコン窒化膜８６は反射防止膜を構成する。
【選択図】図３
【解決手段】半導体基板６０上に、シリコン窒化膜８６をＣＶＤ法等により形成した後、配線構造層を含む積層構造８８を形成する。積層構造８８の上に、受光部上に開口を有したフォトレジスト膜１２２を形成し、これをエッチングマスクとして、積層構造８８に対するエッチング処理を行う。このエッチングは、シリコン窒化膜に対する層間絶縁膜の選択比が確保されるような種類・条件として、当該エッチング処理においてシリコン窒化膜８６をエッチングストッパとして機能させる。開口部１１６の底部に露出したシリコン窒化膜８６は反射防止膜を構成する。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体基板に受光素子が配置される半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体基板上の積層をエッチングして開口部を形成する方法に関する。
近年、情報記録媒体として、ＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）といった光ディスクが大きな位置を占めるようになってきた。これら光ディスクの再生装置は、光ピックアップ機構により光ディスクのトラックに沿ってレーザ光を照射し、その反射光を検知する。そして、反射光強度の変化に基づいて記録データが再生される。
光ディスクから読み出されるデータレートは非常に高いため、反射光を検知する光検出器は、応答速度の速いＰＩＮフォトダイオードを用いた半導体素子で構成されている。当該半導体素子の受光部にて発生した微弱な光電変換信号は増幅器にて増幅され、後段の信号処理回路へ出力される。ここで、光電変換信号の周波数特性の確保やノイズの重畳を抑制する観点から、受光部と増幅器との間の配線長をできるだけ短くするように構成される。この観点と、光検出器の製造コスト低減の観点とから、受光部と増幅器等を含む回路部とは同一の半導体チップ上に形成することが好適である。
図４は、同一半導体基板に受光部と回路部とが隣接配置された光検出器の受光部近傍の模式的な断面図である。受光部４に対応する領域の半導体基板２には受光素子としてＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ）８が形成され、回路部６に対応する領域にはトランジスタ等の回路素子が形成される。
図４の光検出器は２層配線構造であり、半導体基板２上の積層構造１０として、層間絶縁膜１２、それぞれアルミニウム（Ａｌ）膜からなる配線層１４及び遮光層１６、そして、シリコン酸化膜１８及びシリコン窒化膜２０が積層される。層間絶縁膜１２は、ＳＯＧ（Spin on Glass）、ＢＰＳＧ（Borophosphosilicate Glass）、ＴＥＯＳ（Tetra-ethoxy-silane）といった材料を用いて形成される。シリコン窒化膜２０は、シリコン酸化膜１８と共にその下層に対する保護膜を構成する。
さて、積層構造１０は、受光部４の半導体基板２の上にも形成される。受光部４における半導体基板２への光の入射効率を高めるためには、この積層構造１０を除去することが好ましい。そこで、周囲の回路部６においては積層構造１０を残しつつ、受光部４において選択的にエッチバックを行って、受光部４に積層構造１０の開口部２２が形成される。
ここで、積層構造１０の表面は必ずしも平坦でないことや、開口部面内でエッチング速度にばらつきが生じ得ることなどに起因して、エッチバックは開口部面内にて不均一に進行し得る。
これに対処するために、積層構造１０の下にポリシリコン膜を形成しておき、これをエッチングストッパとして開口部のエッチバックが行われる。エッチングストッパを用いることで、エッチングの深さを開口部面内にて一様にすることが容易となる。
なお、エッチングストッパとするポリシリコン膜を回路部６にも配置すると、Ａｌ配線から半導体基板へのコンタクトを設ける際に、間にポリシリコン膜が存在することとなり都合が悪い。そのため、当該ポリシリコン膜は受光部４に対応して選択的に形成される。
図５は受光部４の位置にポリシリコン膜を形成した上で開口部を形成する従来の光検出器の製造方法を説明する模式図であり、主要な工程における受光部４近傍の模式的な断面図を示している。図５（ａ）は、半導体基板２の上に積層構造１０を形成した時点での断面図であり、開口部２２が形成される前の構造を示している。ＰＩＮフォトダイオードやトランジスタ等が形成された半導体基板２上には、シリコン酸化膜３０が成膜される。さらにその表面にポリシリコンを堆積し、このポリシリコン膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、受光部４に対応する領域にポリシリコンパッド３２が形成される。その上に、積層構造１０が形成される。
次に積層構造１０の上にフォトレジストを塗布し、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、受光部４に対応する位置に開口を有したフォトレジスト膜３４が形成される（図５（ｂ））。
このフォトレジスト膜３４をエッチングマスクとして積層構造１０をエッチング除去し、受光部４に対応する位置に開口部２２を形成する。このエッチングにおいてポリシリコンパッド３２はエッチングストッパとして機能し、開口部２２の底面に当該ポリシリコンパッド３２が露出される（図５（ｃ））。さらにエッチャントを変えてポリシリコンを除去するエッチングを行って、開口部２２はシリコン酸化膜３０の上面まで掘り下げられる（図５（ｄ））。
上述の開口部２２の形成プロセスでは、シリコン酸化膜３０上に積層したポリシリコン膜からポリシリコンパッド３２を形成するためのフォトリソグラフィ工程が必要である。また、ポリシリコンパッド３２をエッチングストッパとしてその上の層間絶縁膜１２をエッチングする工程の後に、エッチャントを変えてポリシリコンパッド３２をエッチングする工程が必要である。さらに、開口部２２の形成後に反射防止膜をその底面に堆積する工程が必要となり得る。これらの点で、上記ポリシリコンパッド３２をエッチングストッパに用いて開口部２２を形成するプロセスは、工程数が多くなり、その削減が課題となり得る。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、より少ない工程数で受光部に対応した開口部を形成することができる半導体装置製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置製造方法は、半導体基板に形成された受光部と、当該受光部の位置に対応して基板上構造層に設けられた開口部とを有する半導体装置を製造する方法であって、前記開口部の形成に用いるエッチング処理に対し耐蝕性を有する下地膜を、前記半導体基板上に積層する下地膜積層工程と、前記下地膜の表面に前記基板上構造層を積層する構造層積層工程と、前記下地膜をエッチングストッパとして前記基板上構造層をエッチングして前記開口部を形成する開口部形成工程と、を有する。
本発明に係る半導体装置製造方法は例えば、前記基板上構造層が、配線及び層間絶縁膜を積層された配線構造層である半導体装置に適用することができる。
また、本発明に係る半導体装置製造方法は例えば、前記下地膜が、シリコン窒化膜である半導体装置に適用することができる。
本発明に係る半導体装置製造方法においては、前記下地膜積層工程にて積層される前記下地膜の膜厚を、前記開口部形成工程でエッチングされる前記下地膜の厚さと前記受光部への入射光に対する反射防止膜としての所要膜厚との合計値に基づいて設定することができる。
本発明によれば、受光部上に積層される配線構造層等の基板上構造層に開口部を設ける際に用いるエッチングストッパをパターニングする工程や、基板上構造層のエッチバックとは別途の工程となる当該エッチングストッパのエッチング工程が不要となる。
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
本実施形態は、ＣＤやＤＶＤといった光ディスクの再生装置の光ピックアップ機構に搭載される光検出器である。
図１は、本実施形態に係る光検出器である半導体素子の概略の平面図である。本光検出器５０はシリコンからなる半導体基板に形成され、受光部５２と回路部５４とを含んで構成される。受光部５２は、例えば、２×２に配列された４つのＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ）５６を含み、光学系から基板表面へ入射する光を２×２の４区画に分割して受光する。回路部５４は、例えば、受光部５２の周囲に配置される。回路部５４は例えば、トランジスタ等の回路素子を含み、これら回路素子を用いて、受光部５２からの出力信号に対する増幅回路やその他の信号処理回路を受光部５２と同一の半導体チップに形成することができる。なお、図１には示されていないが、回路部５４には、回路素子に接続される配線や受光部５２を構成する拡散層に接続される配線が配置される。これら配線は、半導体基板上に積層されるＡｌ膜をパターニングして形成される。
図２は、図１に示す直線Ａ−Ａ’を通り半導体基板に垂直な断面での受光部５２及び回路部５４の構造を示す模式的な断面図である。
本光検出器５０は、ｐ型不純物が導入されたｐ型シリコン基板であるＰ-sub層７０の一方主面に、Ｐ-sub層７０より不純物濃度が低く高比抵抗を有するエピタキシャル層７２が積層された半導体基板６０を用いて形成される。Ｐ-sub層７０は各ＰＤ５６に共通のアノードを構成し、例えば、基板裏面から接地電位を印加される。分離領域７４は、接地電位を印加され、Ｐ-sub層７０と共にアノードを構成する。
エピタキシャル層７２は、受光部５２ではＰＤ５６のｉ層を構成する。受光部５２において、エピタキシャル層７２の表面には、上述の分離領域７４及びカソード領域７８が形成される。
半導体基板６０の表面にはゲート酸化膜や局所酸化膜（ＬＯＣＯＳ）を構成するシリコン酸化膜が形成され、ゲート酸化膜の上にはＭＯＳＦＥＴ等のゲート電極が例えば、ポリシリコンやタングステン（Ｗ）等を用いて形成される。その上を覆って基板表面にシリコン酸化膜８４が形成され、さらにその上にシリコン窒化膜８６が形成される。
シリコン窒化膜８６を形成後、半導体基板６０上には積層構造８８が形成される。積層構造８８は基板上構造層として配線構造層９０を含み、さらに、配線構造層９０の上に積層される保護膜等を含む。本光検出器５０は２層配線構造であり、配線構造層９０として、半導体基板６０上に、第１層間絶縁膜９２、第１Ａｌ層９４、第２層間絶縁膜９６、第２Ａｌ層９８、第３層間絶縁膜１００が順次積層される。第１Ａｌ層９４及び第２Ａｌ層９８はそれぞれフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされ、回路部５４に配線が形成される。また、層間絶縁膜は、ＳＯＧ、ＢＰＳＧ、ＴＥＯＳといった材料を用いて形成される。
回路部５４の配線構造の上には、遮光のためのＡｌ層１１０が積層され、さらに、保護膜としてシリコン酸化膜１１２及びシリコン窒化膜１１４が順次積層される。
受光部５２に対応する領域には開口部１１６が形成される。この開口部１１６は、配線構造層９０を含む積層構造８８をエッチバックして形成される。開口部１１６の底部には、シリコン窒化膜８６が露出する。このように受光部５２上に積層構造９０の開口部１１６を設けることにより、ＰＤ５６への光の透過率が向上し、レーザ反射光による光電変換信号の振幅の確保が図られる。また、開口部１１６の底部のシリコン窒化膜８６及びシリコン酸化膜８４は、受光部５２への入射光に対する反射防止膜を構成する。この反射防止膜により、ＰＤ５６への光の入射効率が一層向上する。
次に、図３を用いて、本光検出器５０の製造方法を説明する。図３は受光部５２の位置に対応して開口部１１６を形成する本光検出器の製造方法を説明する模式図であり、主要な工程における受光部５２近傍の模式的な断面図を示している。
まず、上述したＰＤ５６やトランジスタ等を形成した半導体基板６０上に、シリコン酸化膜８４を成膜する（図３（ａ））。シリコン酸化膜８４は例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積して形成される。さらに、シリコン酸化膜８４の上に、シリコン窒化膜８６をＣＶＤ法等により形成する（図３（ａ））。シリコン窒化膜８６は、後述するように、エッチングストッパとして用いられ、その際、多少エッチングされて薄くなる。そのエッチング後に残存するシリコン窒化膜８６の膜厚は反射防止膜を構成するように設定される。すなわち、シリコン窒化膜８６の堆積時の当初膜厚は、このエッチングで薄くなる厚みと、反射防止膜として必要な残存膜厚との合計値に設定することができる。
シリコン窒化膜８６の堆積後、積層構造８８を形成する（図３（ｂ））。積層構造８８の各構成層の積層は、ＣＶＤ法やＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて行うことができる。
ここで、積層構造８８の構成層のうち各Ａｌ層は、パターニングされ受光部５２上から除去される。そのため、積層構造８８のうちシリコン窒化膜８６の表面に積層される配線構造層９０は、受光部５２の上では、層間絶縁膜９２，９６，１００のみを含む。受光部５２の上では、さらにその上にシリコン酸化膜１１２及びシリコン窒化膜１１４が積層される。
積層構造８８の上に、フォトレジスト膜を成膜し、これをフォトリソグラフィによりパターニングして、受光部５２に対応する位置に開口１２０を有するフォトレジスト膜１２２を形成する（図３（ｃ））。
このフォトレジスト膜１２２をエッチングマスクとして積層構造８８に対するエッチング処理を行い、開口部１１６を形成する（図３（ｄ））。このエッチングは、例えば、ドライエッチングを用いて異方的に行うことができる。また、このエッチングは、シリコン窒化膜に対する層間絶縁膜の選択比が確保されるような種類・条件として、当該エッチング処理においてシリコン窒化膜８６をエッチングストッパとして機能させる。これにより、エッチングがシリコン窒化膜８６の表面に達した後もエッチング処理を多少継続して、配線構造層９０の層間絶縁膜を開口部１１６の底面からきれいに除去することが可能となる。このとき、シリコン窒化膜８６も全くエッチングされないわけではなく、層間絶縁膜との選択比に応じて多少薄くなる。しかし、上述のようにその薄くなる厚みを見越した上で、このエッチング後には反射防止に好適な膜厚のシリコン窒化膜８６が残るように、当該シリコン窒化膜８６の堆積時の当初膜厚は設定されている。
反射防止膜としてのシリコン窒化膜８６の残存膜厚は、本光検出器が検出対象とするレーザ光の波長に応じて設計することができる。例えば、ＣＤやＤＶＤで用いられるレーザ光は７８０ｎｍ帯や６５０ｎｍ帯の波長を有する。シリコン窒化膜８６の残存膜厚を例えば、当該レーザ光の波長の１／４に応じた値とすることにより、反射防止の効果が得られる。また、図２に示すように、シリコン窒化膜８６とシリコン酸化膜８４とがＰＤ５６上に積層される構成では、これら両膜が協同して反射防止機能を実現する。その場合、シリコン窒化膜８６の好適な残存膜厚は、反射光の波長の他、シリコン窒化膜８６の屈折率、シリコン酸化膜８４の屈折率及び膜厚を用いて設計することができる。
シリコン窒化膜８６をエッチングストッパとしてエッチング処理を行うことで、積層構造８８の表面からシリコン窒化膜８６までを１回の処理でエッチバックして開口部１１６を形成することが可能である。なお、例えば、積層構造８８の上層に位置するシリコン窒化膜１１４は、別途のエッチング処理により速やかに除去する処理構成とすることとしてもよい。その場合においても、少なくとも配線構造層９０を含む積層構造８８の下層を除去し、反射防止膜となるシリコン窒化膜８６まで到達するエッチングを１回の処理で完了することができる。つまり、配線構造層９０を除去した後に、ポリシリコンパッド３２の除去を別途のエッチング処理で行う上記従来の技術に比較し少ない工程数で開口部１１６を形成することができる。なお、シリコン窒化膜１１４のエッチングとその下層のエッチングとを別々のエッチング処理とする場合でも、フォトレジスト膜１２２を共通のエッチングマスクとして用いることができる。
開口部１１６を形成するエッチバックが完了すると、フォトレジスト膜１２２を除去する。これにより図２に示す本光検出器５０の基本的な構造が形作られる。
５０ 光検出器、５２ 受光部、５４ 回路部、５６ ＰＩＮフォトダイオード、６０ 半導体基板、７０ Ｐ-sub層、７２ エピタキシャル層、７４ 分離領域、７８ カソード領域、８４，１１２ シリコン酸化膜、８６，１１４ シリコン窒化膜、８８ 積層構造、９０ 配線構造層、９２ 第１層間絶縁膜、９４ 第１Ａｌ層、９６ 第２層間絶縁膜、９８ 第２Ａｌ層、１００ 第３層間絶縁膜、１１０ 遮光Ａｌ層、１１６ 開口部、１２０ 開口、１２２ フォトレジスト膜。
Claims (4)
- 半導体基板に形成された受光部と、当該受光部の位置に対応して基板上構造層に設けられた開口部とを有する半導体装置を製造する方法において、
前記開口部の形成に用いるエッチング処理に対し耐蝕性を有する下地膜を、前記半導体基板上に積層する下地膜積層工程と、
前記下地膜の表面に前記基板上構造層を積層する構造層積層工程と、
前記下地膜をエッチングストッパとして前記基板上構造層をエッチングして前記開口部を形成する開口部形成工程と、
を有することを特徴とする半導体装置製造方法。 - 請求項１に記載の半導体装置製造方法において、
前記基板上構造層は、配線及び層間絶縁膜を積層された配線構造層であること、
を特徴とする半導体装置製造方法。 - 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置製造方法において、
前記下地膜は、シリコン窒化膜であること、
を特徴とする半導体装置製造方法。 - 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置製造方法において、
前記下地膜積層工程にて積層される前記下地膜の膜厚は、前記開口部形成工程でエッチングされる前記下地膜の厚さと前記受光部への入射光に対する反射防止膜としての所要膜厚との合計値に基づいて設定されること、を特徴とする半導体装置製造方法。
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