JP2012186396A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の層間膜からなる積層構造体中に光導波路を有する固体撮像装置であって、集光効率を改善することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】基板上に形成された光電変換を行う受光部１と、受光部１上に形成され、配線層（第１Ｃｕ配線９、第２Ｃｕ配線１２）を含む複数の膜からなる積層構造体と、積層構造体における受光部１に対応する位置に形成された導波路孔１４ａの側壁を覆うサイドウォール膜１６と、サイドウォール膜１６で囲まれた空間に光透過性材料が埋め込まれて形成された光導波路１４とを備え、光の入射方向から見た光導波路１４の平面形状の大きさが当該光の入射側の面から受光部１側に向けて小さくなる順テーパー形状となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板に形成された受光部の上方に光導波路が形成されている固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラ、デジタルムービー等の撮影装置の小型化、高解像度化、高感度化の進展に伴い、固体撮像装置に対するチップサイズの小型化、多画素化の要望が益々強くなっている。画素サイズを縮小化しないでチップサイズを小型化したのでは、有効画素数が減少し解像度が低下してしまうため、画素サイズの微細化が年々加速している。

しかし、画素サイズを微細化した場合、オンチップレンズやフォトダイオードに代表される受光部（光電変換素子）の面積が縮小されるため、光感度が低下する課題が生じる。そこで、集光効率を上げる手段として、光導波路構造を利用した固体撮像装置が提案されている。光導波路構造では、光を受光して光電変換を行う受光部上に光透過性材料からなる光導波路を設け、更にその上にオンチップレンズを設けた構成にすることで、オンチップレンズで集光された光を効率よく受光部に入射させるようになっている。しかし、画素の微細化によって平面的に受光部上に配線が接近することにより、光導波路の開口径が制限されて集光効率が低下してしまう。

そこで、従来、この光導波路構造を用いて集光効率を改善する技術が提案されている（特許文献１等）。特許文献１では、集光効率低減の改善策として、層間膜に、開口の口径が大きく、底部に至るほど口径が小さくなる順テーパー形状の光導波路を形成する構成が開示されている。この固体撮像装置の断面図を図２７に示す。図例のように、光導波路構造の固体撮像装置では、基板の表層部側にフォトダイオード等から構成される受光部１０１を備えており、ゲート絶縁膜１０２、素子分離絶縁膜１０３、およびストッパーＳｉＮ膜（エッチングストッパー膜）１０４を介して絶縁膜１０５が形成されている。この絶縁膜１０５中には、受光部１０１からの信号電荷の読み出しおよび転送に必要となる転送ゲート１０６、多層の配線１０７、これらの配線１０７に伴う導電プラグ１０８が埋め込まれている。さらに、絶縁膜１０５中の受光部１０１に対応する箇所には、光透過性材料からなる光導波路１０９が形成されている。ここで、この光導波路１０９の構造は、集光効率を向上させるため光に入射方向から見た光導波路の平面形状の大きさが当該光の入射側の面から受光部側に向けて小さくなるような順テーパー形状となっている。そして、絶縁膜１０５の上面側にパッシベーション１１０、平坦化膜１１１およびカラーフィルタ１１２を介してオンチップレンズ１１３が配備されている。

特開２００４−２２１５３２号公報

このような集光効率を改善するために、順テーパー形状を形成する光導波路構造では、光導波路の形成のための開口（つまり、孔）は、受光部１０１上の絶縁膜１０５を加工するだけによって実現されている。具体的には、Ｃ_４Ｆ_８ガスに代表されるような堆積性の強いガスを用いたエッチングを実施することにより、比較的容易に光導波路構造の順テーパー形状化を実現し易い。しかし、一般的に、Ｃｕ等の金属多層配線の信頼性を向上するためや、配線用層間絶縁膜へのビア形成時のエッチングスットッパー膜として金属配線膜上にＳｉＮ膜などからなるライナー膜を形成するために、多層に渡ってテーパー形状の開口を形成することが困難である。つまり、光導波路加工（つまり、光導波路の形成のための孔の加工）では、配線用層間絶縁膜とライナー膜との選択比を考慮したエッチングを実施することが重要であり、上述した堆積性の強いガスを用いた場合、ライナー膜上にてエッチストップが発生する可能性が非常に高く、続けてライナー膜下の配線用層間絶縁膜のエッチングが不可能となり、順テーパー形状化が困難となる。また、エッチストップを回避できる状態であったとしても、配線用層間絶縁膜とライナー膜において、選択比の関係上、段差部ができてしまい、この段差部において光の乱反射を招く可能性がある。

そこで、本発明は、複数の層間膜（例えば、配線用層間絶縁膜と配線金属の拡散防止膜）からなる積層構造体中に光導波路を有する固体撮像装置であって、集光効率を改善することができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、基板上に形成された、光電変換を行う受光部と、前記受光部上に形成され、複数の配線層を含む積層構造体と、前記積層構造体における前記受光部に対応する位置に形成された孔の側壁を覆う第１の膜と、前記第１の膜で囲まれた空間に埋め込まれた光透過性材料とを備え、前記空間は、光の入射方向から見た前記空間の径が前記孔の上部側から前記孔の底部側に向かって小さくなる順テーパー形状であって、前記第１の膜の屈折率は、前記光透過性材料の屈折率よりも低い。

これにより、積層構造体における孔に、その側壁を覆うように第１の膜が形成され、その第１の膜で囲まれた空間に光透過性材料が埋め込まれているので、孔の側壁に段差部が形成された場合であっても第１の膜で覆われるので、段差部による光の乱反射が回避され、集光効率が改善される。

よって、本発明の固体撮像装置によれば、複数の配線層を含む積層構造を有する固体撮像装置において、容易に順テーパー形状の光導波路構造の形成が可能であり、また、光導波路開口（孔の形成）時にアライメントズレ発生等で配線と接触した場合でも、第１の膜によって孔の側壁が覆われるので、配線での光ケラレ（配線での光の反射による入射光量の減少）の影響をなくす事ができ、高歩留りを確保できる。

ここで、前記第１の膜は、前記孔の側壁を覆うサイドウォール膜であり、前記光透過性材料は、光導波路であってもよい。また、前記積層構造体は、配線が形成される層間絶縁膜と、前記配線と前記層間絶縁膜とを覆う配線金属の拡散防止膜とを有してもよい。

また、前記光導波路の一部は、複数の前記配線の中で前記受光部上に最も大きく張り出す配線よりも光の入射側に位置されていてもよい。このとき、前記サイドウォール膜が当該孔内に露出した、前記配線を覆っている構成とすることで、孔内の段差部がサイドウォール膜で覆われ、光ケラレの発生が防止される。

また、前記孔の側壁上には、前記層間絶縁膜よりも高屈折率の薄膜が形成され、前記サイドウォール膜が前記薄膜を介して、前記孔の側壁を覆っている構成としてもよい。このとき、前記光透過性材料の屈折率は、前記薄膜の屈折率よりも低いことが好ましい。これにより、孔の側壁に漏れ出た光は反射して光導波路に戻るので、入射光が光導波路内に閉じ込められることとなり、集光効率がさらに改善される。

また、前記サイドウォール膜は、前記光透過性材料の屈折率よりも低い屈折率を有してもよいし、前記サイドウォール膜は、前記層間絶縁膜の屈折率と実質的に同一の屈折率を有してもよいし、さらに、前記光導波路の上方に形成され、当該光導波路に光を集光させるレンズを備えてもよい。これらの構成によっても、集光効率がさらに改善されるからである。

また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置の製造方法は、基板上に受光部を形成する工程と、前記受光部上に複数の配線層を含む積層構造体を形成する工程と、前記積層構造体における前記受光部に対応する位置に孔を形成する工程と、前記孔が形成された基板に第１の膜を成膜し、エッチバックすることによって、前記孔の側壁を覆い、前記孔の上部側から前記孔の底部側に向かって開口径が小さくなる前記第１の膜に囲まれた順テーパー形状の空間を形成する工程と、前記空間に光透過性材料を埋め込む工程とを含む。

これにより、積層構造体における孔に、その側壁を覆うように第１の膜が形成され、その第１の膜で囲まれた孔の上部側から孔の底部側に向かって小さくなる順テーパー形状の空間に光透過性材料が埋め込まれているので、孔の側壁に段差部が形成された場合であっても第１の膜で覆われるので、段差部による光の乱反射が回避され、集光効率が改善される。つまり、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、複数の配線層を含む積層構造を有する固体撮像装置において、容易に順テーパー形状の集光手段（光導波路構造）を形成することができ、高歩留りを確保できる。

上記の本発明の固体撮像装置によれば、複数の層間膜からなる積層構造体中に光導波路を有する固体撮像装置であって、集光効率を改善することができる固体撮像装置およびその製造方法が提供される。

よって、本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルムービー等の撮影装置が普及してきた今日における本発明の実用的価値は非常に高い。

本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置を説明する平面断面図 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置を説明する模式断面図 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その４） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その５） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その６） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その７） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その８） 本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その９） 本発明の第１の実施形態の変形例に関わるサイドウォール形状を変化させた固体撮像装置を説明する模式断面図（その１） 本発明の第１の実施形態の別の変形例に関わるサイドウォール形状を変化させた固体撮像装置を説明する模式断面図（その２） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その４） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その５） 本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像装置を説明する平面断面図 本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１） 本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２） 本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３） 本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その４） 本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その５） 本発明に係る固体撮像装置を備えるカメラの外観図 本発明に係る固体撮像装置を備えるカメラの構成を示すブロック図 従来技術における固体撮像装置を説明する模式断面図

以下、本発明の固体撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置について説明する。

ＣＭＯＳ構造での１、４ｕｍセルサイズを例とした、本実施形態に関わる固体撮像装置の一例を説明する平面断面図を図１に、模式断面図を図２に示す。ここで、図１に示すＸ−Ｘ’線での模式断面図が図２に相当し、図２におけるＸ−Ｘ’線での模式断面図が図１に相当する。

図２に示すように、ここで説明する固体撮像装置は、フォトダイオード等から構成される受光部１を備えた基板３０上に、ＳｉＯ_２膜からなるゲート絶縁膜２、素子分離絶縁膜３、受光部１からの信号電荷の読み出しおよび転送に必要となるポリシリコン膜からなるゲート電極４、ＳｉＮ膜からなる反射防止膜５がＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜６中に形成されている。層間絶縁膜６の上面側にＳｉＮ膜からなる第１Ｃｕ配線形成用のストッパー膜７（以下、「第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜７」）が形成され、その上面部にはＳｉＯ_２膜からなる第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８が形成され、その第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８中に第１Ｃｕ配線９が形成されている。第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８上面部にはＳｉＮ膜からなる、第１Ｃｕ配線９のためのＣｕ拡散防止膜である第１Ｃｕ拡散防止膜１０が形成されており、その上面部にはＳｉＯ_２膜からなる第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１が形成され、その第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１中に第２Ｃｕ配線１２が形成されている。第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１の上面部にはＳｉＮ膜からなる第２Ｃｕ配線１２のためのＣｕ拡散防止膜である第２Ｃｕ拡散防止膜１３が形成されている。

さらに、層間絶縁膜６、第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜７、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８、第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１、第１Ｃｕ拡散防止膜１０、第２Ｃｕ拡散防止膜１３から構成される積層構造体中の、受光部１に対応する箇所には、光入射端側の開口径が１μｍ程度の光透過性材料からなる光導波路１４が形成されている。その光導波路１４の外周部にＳｉＮ膜からなる５０〜１００ｎｍ程度のパッシベーション膜１５、さらには、膜厚（より、厳密には、最も厚い箇所における膜厚）１００〜３００ｎｍ程度のＳｉＯ_２膜からなるサイドウォール膜１６が形成されている。光導波路１４の上面部には平坦化膜１７およびカラーフィルタ１８を介してオンチップレンズ１９が形成されている。ここで、光導波路１４に埋め込まれている光透過性材料は、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８（または、第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１）よりも屈折率が高い材料である。また、サイドウォール膜１６は、導波路孔１４ａの側壁を覆う第１の膜の一例であり、ここでは、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８（または第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１）と同一膜種、またはそれに近い（つまり、実質的に同一の）屈折率となる材料から形成されている。つまり、サイドウォール膜１６の屈折率は、層間絶縁膜の屈折率と実質的に同一で、かつ、光導波路１４に埋め込まれている光透過性材料の屈折率よりも低い。

光導波路１４は、この内側に入射した光を受光部１まで導くためのものである。本実施形態では、配線用層間絶縁膜とＣｕ拡散防止膜とを含む積層構造体を備える固体撮像装置であっても、光導波路１４は、導波路孔１４ａの側壁を覆うサイドウォール膜１６で囲まれた空間に形成され、光導波路１４の光入射端の口径よりも受光部側の口径が小さくなるような順テーパー形状となっているので、集光効率を改善し、混色を防止することが可能となる。

つまり、本実施形態における固体撮像装置は、その要部として、基板３０上に形成された光電変換を行う受光部１と、受光部１上に形成され、配線層（第１Ｃｕ配線９、第２Ｃｕ配線１２）を含む複数の膜からなる積層構造体（層間絶縁膜６、第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜７、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８、第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１、第１Ｃｕ拡散防止膜１０、第２Ｃｕ拡散防止膜１３の少なくとも２つの層）と、積層構造体における受光部１に対応する位置に形成された導波路孔１４ａの側壁を覆うサイドウォール膜１６と、サイドウォール膜１６で囲まれた空間に光透過性材料が埋め込まれて形成された光導波路１４とを備え、光の入射方向から見た光導波路１４の平面形状の大きさが当該光の入射側の面から受光部１側に向けて小さくなる順テーパー形状となっている。

このような構造により、本実施形態における固体撮像装置では、単に積層構造体を開口させて光導波路を形成する従来の固体撮像装置と異なり、積層構造体を開口させて得られる導波路孔１４ａの側壁を覆うようにサイドウォール膜１６を形成することによって光導波路１４が形成されているので、光の乱反射を招く段差部を形成してしまうことなく、容易に、順テーパー形状の光導波路１４が形成される。つまり、サイドウウォール膜となるＳｉＯ_２膜を導波路孔１４ａが形成された積層構造体上に堆積することにより、導波路孔１４ａ内の段差部を被覆し、その後、ＳｉＯ_２膜をエッチバックすることにより、受光部側の開口部を小さく、光入射側の開口部を大きくする（順テーパー形状とする）ことが可能となる。

なお、図１および図２では配線層が２層（第１Ｃｕ配線９、第２Ｃｕ配線１２）の場合を例としているが、３層以上であっても本実施形態と同様にサイドウォール膜の形成が可能である。また、配線用の金属として、Ｃｕ以外の金属を用いてもよい。さらに、Ｃｕ拡散防止膜として、ＳｉＯＮ膜などＳｉＮ膜以外の膜を用いてもよい。

次に、本実施形態に関わる固体撮像装置の製造方法について図３〜図１１の模式断面図に沿って説明する。

まず、図３に示したように、基板３０上に受光部１およびＳｉＯ_２膜からなる素子分離絶縁膜３を形成し、受光部１上に、ＳｉＯ_２膜からなるゲート絶縁膜２、ポリシリコンなどからなるゲート電極４、ＳｉＮ膜などからなる反射防止膜５、および、層間絶縁膜６を形成する。ここで、反射防止膜５は、ゲート電極４の側壁部を覆うようにして形成されるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造に使用されるＳｉＮ膜などを利用して形成され、その材料としては、高屈折率材料であることが望まれる。必要があれば、光の強度を上げるために、受光部１上面のみエッチングを実施することで、反射防止膜５の膜厚を２０〜６０ｎｍ程度に調整する。

次に、図４に示すように、ＳｉＯ_２などからなる層間絶縁膜６上に、ＳｉＮ膜などの第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜７、ＳｉＯ_２などからなる第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８、第１Ｃｕ配線９、ＳｉＮなどからなる第１Ｃｕ拡散防止膜１０が形成され、その上面部にＳｉＯ_２などからなる第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１、第２Ｃｕ配線１２、ＳｉＮなどからなる第２Ｃｕ拡散防止膜１３が形成される。

そして、図５に示すように、光導波路となる部分を通常のリソグラフィプロセスを用いて形成するために、第２Ｃｕ拡散防止膜１３上に、マスクとなるレジスト２１を、開口寸法が１μｍ程度となるようにパターニングする。ここで、この例における層間絶縁膜６は３５０ｎｍ、Ｃｕ配線用層間絶縁膜と拡散防止膜の膜厚については、第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜７が５０ｎｍ、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８が８０ｎｍ、第１Ｃｕ拡散防止膜１０が６０ｎｍ、第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１が２６５ｎｍ、第２Ｃｕ拡散防止膜１３が６０ｎｍとなっている。

レジスト２１のパターニング後は、図６に示したように、レジスト２１をマスクとしてドライエッチングを行い、導波路孔１４ａを形成する。導波路開口（導波路孔１４ａの形成）のためのドライエッチングはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などによる異方性のエッチング条件を使用する。ここで、配線用層間絶縁膜とＣｕ拡散防止膜の選択比制御が重要であり、Ｃ_４Ｆ_８系に代表される堆積性の強いガスを用いた場合は、Ｃｕ拡散防止膜でエッチストップする可能性が極めて高い。そのため、ＣＦ_４あるいはＣＨＦ_３などのガス系を用いてエッチングすることが望ましい。エッチングの条件の例としては、圧力は５パスカル（Ｐａ）程度、ガス系と流量はＣＦ_４（ＣＨＦ_３）／Ａｒ／Ｏ_２＝５０／１５００／３０ｓｃｃｍ程度、下部バイアス値は２０００ワット（Ｗ）程度を使用する。ここで、選択比の関係上、Ｃｕ拡散防止膜よりも配線用層間絶縁膜の方が１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度、導波路孔１４ａへの露出に対して後退した形状となる。

導波路孔１４ａの形成後は、図７に示したように、導波路孔１４ａの底部を含む内壁および第２Ｃｕ拡散防止膜１３の上面を覆うように高密度プラズマＣＶＤ法などによりパッシベーション膜１５を膜厚５０〜１００ｎｍ程度形成する。ここで、このパッシベーション膜１５は、光の消衰係数が極めて小さく、光を導波路内に閉じ込めることが可能となるよう、配線用層間絶縁膜よりも屈折率の高いＳｉＮなどの絶縁材料が望ましい。このように、導波路孔１４ａの側壁上には、配線用層間絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率をもつ薄膜であるパッシベーション膜１５が形成される。

そして、図８に示したように、パッシベーション膜１５上に、高密度プラズマＣＶＤ法などによりＳｉＯ_２膜１６ａを膜厚４００〜６００ｎｍ程度形成し、図９に示したように、このＳｉＯ_２膜１６ａを反射防止膜５とパッシベーション膜１５をストッパー膜としてエッチバックしてサイドウォール膜１６を形成する。このように、積層構造体における受光部１に対応する位置に形成された導波路孔１４ａの側壁を覆う（厳密には、導波路孔１４ａの側壁上に形成されたパッシベーション膜１５を介して導波路孔１４ａの側壁を覆う）ように、サイドウォール膜１６が形成される。これにより、配線用層間絶縁膜と拡散防止膜の層間構造が段差構造となっていても、光の入射側の面から受光部側に向けて小さくなるような順テーパー形状となる導波路孔１４ｂを形成することができる。ここで、サイドウォール膜１６の膜厚（より、厳密には、最も厚い箇所における膜厚）は２００ｎｍ程度であり、サイドウォール膜１６の高さは８００ｎｍ程度である。このサイドウォール膜１６の膜厚と高さはエッチバックの条件とエッチバックの処理時間により、容易に調整可能である。また、サイドウォール膜１６は第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８、および第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１と同一の膜種、またはそれに近い（つまり、実質的に同一の）屈折率となる材料を用いることが望ましい。

次に、図１０に示したように、導波路孔１４ｂの内部に、高密度プラズマＣＶＤ法により、ＴｉＯ_ｘなどの光透過性材料を埋め込んだ後、エッチバック法またはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）法によって平坦化処理を促すことで光導波路１４を形成する。ここで、光透過性材料としては、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８（第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１）よりも高い屈折率となっており、かつ、導波路孔１４ａの側壁上に形成された薄膜であるパッシベーション膜１５よりも低屈折率となっていることが望ましい。

なお、光透過性材料として、ＳｉＮ膜などの屈折率が１．９程度ある高屈折率材料を埋め込む場合は、パッシベーション膜１５が無くても、第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜８（第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１）と光透過性材料との屈折率差が大きいため、導波路内に光を閉じ込めることが可能となる。つまり、サイドウォール膜１６の形成については、積層構造体における受光部１に対応する位置に形成された導波路孔１４ａの側壁を直接覆うように形成されてもよい。また、サイドウォール膜１６の屈折率は、用いる光透過性材料の屈折率が十分に高ければ、必ずしも層間絶縁膜と同一である必要はなく、サイドウォール膜１６として用いる材料は、屈折率が、層間絶縁膜よりも高く、光透過性材料よりも低い材料を用いればよい。

その後は、図１１に示すように、光導波路１４の上面に従来における固体撮像装置の製造手順と同様の手順によって平坦化膜１７、カラーフィルタ１８、オンチップレンズ１９を順に形成して、固体撮像装置を完成させる。

このような第１の実施形態に関わる固体撮像装置では、光導波路１４を形成するために配線用層間絶縁膜と配線金属の拡散防止膜の積層構造体を加工することが必要であっても、導波路孔１４ａの側壁にサイドウォール膜１６を形成し、そのサイドウォール膜１６で囲まれた空間に光透過性材料を埋め込むことで、容易に順テーパー形状の光導波路１４を形成することが可能となり、入射光を受光部１へ効率よく導いて集光効率を向上させ、かつ混色を防止することができる。

ここで、第１の実施形態の変形例として、サイドウォール膜１６の形状については、本実施形態に記載の通りに限らず、エッチバックの条件により、その高さや膜厚を自由に変更してもよい。この変形例に関わる固体撮像装置を図１２、図１３に示す。エッチバックの処理時間を増加させた場合は、図１１中に記載のサイドウォール膜１６の高さａに対して、図１２中に記載したａ′で示したような３分の２から４分の３程度の高さに後退させることができる。ここで、サイドウォール膜の高さとしては、最上配線直下のライナー膜である第１Ｃｕ拡散防止膜１０の位置よりも、導波路孔１４ａの開口側に近いことが望ましい。また、異方性エッチングの条件下でエッチバックの処理を実施した場合は、図１１中に記載したサイドウォール膜１６の膜厚ｂに対して図１３中に記載したｂ′で示したような３分の１〜３分の２程度の膜厚まで後退させることができる。このように、サイドウォール形状を変更させることで、オンチップレンズの形状や導波路の深さを変更しても、その構造に最適な集光構造となるようなテーパー形状を形成可能となる。

次に、本発明に関わる固体撮像装置の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、金属配線は導波路孔１４ａの外側に位置している構造となっているが、第２の実施形態では、導波路孔内部に配線層が露出していても、サイドウォール膜で配線層が完全に覆われている構造となっている。この第２の実施形態の製造方法について、図１４〜図１９を用いて説明する。ここで、光透過性材料としては屈折率の高いＳｉＮ膜とし、配線層までの形成方法は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図１４に、第１の実施形態に関わる図３および図４に示される製法までと同様の製法で配線層まで形成した後、マスクとなるレジスト２１を、開口寸法が１．１μｍ程度となるようにパターニングした図を示す。

ここで、この開口寸法は、導波路孔の内部に最も突き出している配線（本実施形態では第１Ｃｕ配線９）間距離（図１４の距離Ａ）と同等もしくは、１００ｎｍ程度大きく形成されている。

次に、図１５に示したように第１の実施形態と同様の手法により導波路加工を実施し、導波路孔１４ａを形成する。ここで、第１Ｃｕ配線９は、導波路孔１４ａに向かって５０ｎｍ程度突き出している構造となる。そして、図１６に示すようにＳｉＯ_２膜１６ａを膜厚４００〜６００ｎｍ程度形成し、図１７に示したように、このＳｉＯ_２膜１６ａを、反射防止膜５と第２Ｃｕ拡散防止膜１３をストッパー膜としてエッチバックしてサイドウォール膜１６を形成する。このサイドウォール膜１６により、第１Ｃｕ配線９は完全に覆われる構造となる。次に、図１８に示したように、サイドウォール膜１６で囲まれた空間に、光透過性材料としてＳｉＮ膜を埋め込んだ後、平坦化処理を実施することで光導波路１４を形成する。これより後の工程の製法は、第１の実施形態と同様である。

このように、第２の実施形態では、光導波路１４の一部（ここでは、第１Ｃｕ配線９よりも上層部分）は、複数の配線の中で受光部１上に最も大きく張り出す配線（ここでは、第１Ｃｕ配線９）よりも光の入射側に位置されている。つまり、サイドウォール膜１６は、導波路孔１４ａの形成後に当該導波路孔１４ａ内に露出した配線（ここでは、第１Ｃｕ配線９）の一部（露出部分）を覆っている。

この第２の実施形態によって、光導波路における光の入射側の開口径を第１の実施形態よりも大きくすることが可能であり、より多くの光を光導波路内に閉じ込め、受光部まで導くことが可能となる。さらに、本実施形態によれば、図１８の平面断面図である図１９に示されるように、第１の実施形態と同一の開口径の場合は、受光部を挟む配線間距離を縮小することができ、単位面積当たりの画素数を増加させることが可能となる。また、第１の実施形態において、導波路孔の開口時にアライメントズレの発生等で導波路孔の開口部と配線とが接触した（平面的に位置が重なった）場合でも、この第２の実施形態により、サイドウォール膜により配線層を覆うことができ、配線での光ケラレの影響や配線信頼性低下を防止する事ができる。なお、第１の実施形態の変形例は、第２の実施形態にも適用可能である。

次に、本発明に関わる固体撮像装置の第３の実施形態について説明する。第１、第２の実施形態では、導波路加工を異方性エッチングのみで実施したが、第３の実施形態では、導波路孔の開口部をさらに拡大するために、第２配線用層間絶縁膜のみ等方性エッチングで加工する。この実施形態に関して図２０〜図２４を用いて説明する。ここで、光透過性材料としては屈折率の高いＳｉＮ膜とし、配線層までの形成方法は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

まず、第１の実施形態に関わる図３および図４に示される製法までと同様の製法で配線層まで形成した後、マスクとなるレジスト２１を、開口寸法が１μｍ程度となるようにパターニングした後、図２０に示すように第２Ｃｕ拡散防止膜１３と第２配線用層間絶縁膜１１を等方性エッチングで加工を実施し、異方性エッチングと比較して開口上部の径が拡大する構造にする。ここで開口上部の径は１．２μｍ程度である。次に、図２１に示すように、導波路が形成される領域の層間膜を加工し、導波路孔１４ａを形成する。このことにより、導波路孔１４ａの最上層部（第２Ｃｕ配線に対応する領域）の開口径が１．２μｍ程度、開口部の底部の開口径が１．０μｍ程度と、開口上部が拡大した導波路孔の構造を形成することができる。次に、図２２に示すようにＳｉＯ_２膜１６ａを堆積し、図２３に示すように、このＳｉＯ_２膜１６ａを、反射防止膜５をストッパー膜として、エッチバックすることでサイドウォール膜１６を形成する。そして、図２４に示したように、サイドウォール膜１６で囲まれた空間に、光透過性材料としてＳｉＮ膜を埋め込んだ後、平坦化処理を実施することで最上層部の開口径が拡大した光導波路１４を形成する。これより後の工程の製法は、第１の実施形態と同様である。

また、レジストの開口部を拡大、あるいは、等方性エッチングのエッチング量を増加して、第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜１１に形成される開口部を拡大し、第２の実施形態と同様、導波路孔１４ａの形成後に当該導波路孔１４ａ内に第１Ｃｕ配線の一部を露出する構造としてもよい。

この第３の実施形態によって、光導波路における光の入射側の開口径を第１の実施形態よりも大きくすることが可能であり、実効的な開口率の拡大により集光量が増大し、第１の実施形態と比較して４４％程度の実効的な開口面積を拡大することができ、その結果、光感度を上昇させることができる。

なお、第１〜第３の実施形態および変形例における固体撮像装置は、図２５（ａ）に示されるデジタルスチルカメラ、図２５（ｂ）に示されるデジタルムービー等の撮影装置（カメラ）に適用できるのは言うまでもない。図２６は、第１〜第３の実施形態および変形例で説明した本発明に係る固体撮像装置２０１を備えるカメラ２１０の構成を示す機能ブロック図である。このカメラ２１０は、レンズ２００と、固体撮像装置２０１と、駆動回路２０２と、信号処理部２０３と、外部インターフェイス部２０４とを備える。レンズ２００を通過した光は、固体撮像装置２０１に入射する。信号処理部２０３は、駆動回路２０２を介して固体撮像装置２０１を駆動し、固体撮像装置２０１からの出力信号を取り込む。その出力信号は、信号処理部２０３で各種信号処理が施され、外部インターフェイス部２０４を介して外部に出力される。このようなカメラ２１０は、集光効率が改善された導波路構造を有する本発明に係る固体撮像装置２０１を備えるので、従来よりも、より小型で、高解像度で、高感度なカメラとして実現され得る。

以上、本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法について、第１〜第３の実施形態および変形例を用いて説明したが、本発明は、これらの実施形態および変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、各実施形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、各実施形態および変形例の構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。

たとえば、上記に示した本発明の実施形態では、本発明をＣＭＯＳ型の固体撮像装置を適用した場合を説明したが、本発明は、これに限定されるわけではなく、ＣＣＤ型など他のタイプの固体撮像装置または固体撮像装置以外の装置に適用することも可能である。

また、本発明の実施形態では、本発明をその好適な具体例により説明したが、本発明が、上述した実施形態に限定されないことは勿論である。特に、光導波路形状や多層配線構造等については一具体例に過ぎない。

本発明は、固体撮像装置として、特に、複数の膜からなる積層構造を有する固体撮像装置であっても、受光部への入射光の集光状態を改善することにより混色を防止し、感度を向上させることが可能な固体撮像装置として、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルムービー等の撮影装置（カメラ）用のイメージセンサとして、利用できる。

１ 受光部
２ ゲート絶縁膜
３ 素子分離絶縁膜
４ ゲート電極
５ 反射防止膜
６ 層間絶縁膜
７ 第１Ｃｕ配線形成用ストッパー膜
８ 第１Ｃｕ配線用層間絶縁膜
９ 第１Ｃｕ配線
１０ 第１Ｃｕ拡散防止膜
１１ 第２Ｃｕ配線用層間絶縁膜
１２ 第２Ｃｕ配線
１３ 第２Ｃｕ拡散防止膜
１４ 光導波路
１４ａ 形成直後の導波路孔
１４ｂ 導波路孔内にサイドウォール膜形成後の導波路孔
１５ パッシベーション膜
１６ サイドウォール膜
１６ａ 導波路内部サイドウォール形成用のＳｉＯ_２膜
１７ 平坦化膜
１８ カラーフィルタ
１９ オンチップレンズ
２１ レジスト
３０ 基板
２００ レンズ
２０１ 固体撮像装置
２０２ 駆動回路
２０３ 信号処理部
２０４ 外部インターフェイス部
２１０ カメラ

Claims (15)

1. 基板上に形成された、光電変換を行う受光部と、
   前記受光部上に形成され、複数の配線層を含む積層構造体と、
   前記積層構造体における前記受光部に対応する位置に形成された孔の側壁を覆う第１の膜と、
   前記第１の膜で囲まれた空間に埋め込まれた光透過性材料とを備え、
   前記空間は、光の入射方向から見た前記空間の径が前記孔の上部側から前記孔の底部側に向かって小さくなる順テーパー形状であって、
   前記第１の膜の屈折率は、前記光透過性材料の屈折率よりも低い
   固体撮像装置。
2. 前記第１の膜は、前記孔の側壁を覆うサイドウォール膜であり、
   前記光透過性材料は、光導波路である
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記積層構造体は、配線が形成される層間絶縁膜と、前記配線と前記層間絶縁膜とを覆う配線金属の拡散防止膜とを有する
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記光導波路の一部は、複数の前記配線の中で前記受光部上に最も大きく張り出す配線よりも光の入射側に位置されている
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記サイドウォール膜は、当該孔内に露出した、前記配線を覆っている
   請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記孔の側壁上には、前記層間絶縁膜よりも高屈折率の薄膜が形成され、
   前記サイドウォール膜は、前記薄膜を介して、前記孔の側壁を覆っている
   請求項３記載の固体撮像装置。
7. 前記光透過性材料の屈折率は、前記薄膜の屈折率よりも低い
   請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記サイドウォール膜は、前記光透過性材料の屈折率よりも低い屈折率を有する
   請求項２記載の固体撮像装置。
9. 前記サイドウォール膜は、前記層間絶縁膜の屈折率と実質的に同一の屈折率を有する
   請求項８記載の固体撮像装置。
10. さらに、前記光導波路の上方に形成され、当該光導波路に光を集光させるレンズを備える
    請求項２記載の固体撮像装置。
11. 基板上に受光部を形成する工程と、
    前記受光部上に複数の配線層を含む積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体における前記受光部に対応する位置に孔を形成する工程と、
    前記孔が形成された基板に第１の膜を成膜し、エッチバックすることによって、前記孔の側壁を覆い、前記孔の上部側から前記孔の底部側に向かって開口径が小さくなる前記第１の膜に囲まれた順テーパー形状の空間を形成する工程と、
    前記空間に光透過性材料を埋め込む工程と
    を含む固体撮像装置の製造方法。
12. 前記空間を形成する工程では、前記第１の膜として、前記孔の側壁を覆うサイドウォール膜を形成し、
    前記光透過性材料を埋め込む工程では、前記光透過性材料を埋め込むことで、光導波路を形成する
    請求項１１記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記積層構造体を形成する工程は、配線が形成される層間絶縁膜と、前記配線と前記層間絶縁膜とを覆う配線金属の拡散防止膜とを形成する工程を含む
    請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記孔を形成する工程では、前記配線が前記孔に露出するように、前記孔を形成し、
    前記順テーパー形状の空間を形成する工程では、前記サイドウォール膜が前記配線を覆うように、前記空間を形成する
    請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。
15. さらに、前記孔を形成する工程と前記順テーパー形状の空間を形成する工程との間に、前記孔の側壁上に、前記層間絶縁膜よりも高屈折率の薄膜を形成する工程を含む
    請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法。

Images