JP2013105843A - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】クラックや剥がれ、空隙などの欠陥が少ない光導波路を有した固体撮像素子や、その製造方法を提供する。
【解決手段】 基板10中に形成され光電変換により電荷を生じる受光部2と、基板10上の受光部2に隣接する位置に形成されて受光部2が生じた電荷の転送を行う転送電極12と、転送電極12上に形成される上部構造14〜16と、をそれぞれ形成する。さらに、少なくとも受光部2の直上かつ上部構造14〜16に挟まれた空間に、光導波路18を形成する。このとき、光導波路18を成す材料を、少なくとも第1ステップ及び第2ステップにより成膜するが、第1ステップは、第2ステップよりも前に行い、第1ステップにおける成膜速度を、第2ステップにおける成膜速度よりも遅くする。
【選択図】 図2
【解決手段】 基板10中に形成され光電変換により電荷を生じる受光部2と、基板10上の受光部2に隣接する位置に形成されて受光部2が生じた電荷の転送を行う転送電極12と、転送電極12上に形成される上部構造14〜16と、をそれぞれ形成する。さらに、少なくとも受光部2の直上かつ上部構造14〜16に挟まれた空間に、光導波路18を形成する。このとき、光導波路18を成す材料を、少なくとも第1ステップ及び第2ステップにより成膜するが、第1ステップは、第2ステップよりも前に行い、第1ステップにおける成膜速度を、第2ステップにおける成膜速度よりも遅くする。
【選択図】 図2
Description
本発明は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される固体撮像素子や、その製造方法に関する。
デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機などの撮像機能を備えた様々な電子機器において、CCDイメージセンサ等の固体撮像素子が広く用いられている。CCDイメージセンサは、光電変換により生成された電荷を順次転送して、最終的な出力段で当該電荷による電位を増幅することで出力信号を生成し、出力する。
このようなCCDイメージセンサとして、例えば、光電変換を行う受光部の上方にオンチップレンズを設け、当該オンチップレンズの焦点が受光部の近傍になるように構成することで、受光部に効率良く光を入射させるものがある。
しかしながら、近年のCCDイメージセンサの小型化(受光部の狭面積化)や、配線の多層化(オンチップレンズから受光部までの深さの増大化)が進むにつれて、受光部に十分な光を入射させることが困難になってきている。そこで、オンチップレンズと受光部との間に光導波路を設けることで、オンチップレンズを透過した光が効率良く受光部に入射するように構成したCCDイメージセンサが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
上記のCCDイメージセンサでは、光導波路としてポリイミド樹脂を用いているが、ポリイミド樹脂を光導波路として設けるためには、ポリイミド樹脂を塗布した後に焼成して硬化する必要がある。しかしながら、この場合、焼成によってポリイミド樹脂中にクラックが導入されたり、ポリイミド樹脂が周囲から剥がれたりすることがあり、当該クラックや剥がれによって光が散乱することで、受光部に入射する光量が少なくなるため、問題となる。
一方、ポリイミド樹脂などの樹脂材料を用いることなく、窒化シリコンなどの無機材料をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)などの方法によって成膜することで、光導波路を形成すれば、樹脂材料の焼成によるクラックや剥がれの問題は生じない。しかしながら、光導波路を形成すべき空間(開口部)は、上述のように狭面積かつ深い(アスペクト比が大きい)ため、空隙を生じることなく成膜を行うことが困難である。具体的に例えば、開口部が半導体材料で埋め尽くされる前に、開口部の上部に成膜された無機材料がせり出して(オーバーハングして)衝突することで、空隙を内包した光導波路が形成されてしまう。この空隙は、上記のクラックや剥がれと同様に光を散乱するため、受光部に入射する光量が少なくなる原因となる。
そこで、本発明は、クラックや剥がれ、空隙などの欠陥が少ない光導波路を有した固体撮像素子や、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、本発明は、基板中に形成され光電変換により電荷を生じる受光部と、前記基板上の前記受光部に隣接する位置に形成されて前記受光部が生じた電荷の転送を行う転送電極と、前記転送電極上に形成される上部構造と、をそれぞれ形成する素子構造形成ステップと、
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に、光導波路を形成する光導波路形成ステップと、を備え、
前記光導波路形成ステップは、前記光導波路を成す材料を所定の成膜速度で成膜する第1ステップ及び第2ステップを、少なくとも備え、
前記第1ステップは、前記第2ステップよりも前に行なわれるとともに、前記第1ステップにおける成膜速度は、前記第2ステップにおける成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に、光導波路を形成する光導波路形成ステップと、を備え、
前記光導波路形成ステップは、前記光導波路を成す材料を所定の成膜速度で成膜する第1ステップ及び第2ステップを、少なくとも備え、
前記第1ステップは、前記第2ステップよりも前に行なわれるとともに、前記第1ステップにおける成膜速度は、前記第2ステップにおける成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。
この固体撮像素子の製造方法では、少なくとも2段階のステップによって、光導波路が形成される。このとき、成膜速度が遅い第1ステップを行うことで、剥がれやクラック、空隙等が生じることを抑制した成膜を行うことが可能になる。さらに、成膜速度が速い第2ステップを行うことで、光導波路を迅速に形成することが可能になり、固体撮像素子の製造に要する時間を短縮化することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップが、熱CVDによって前記光導波路を形成するものであり、
前記第1ステップにおける成膜温度が、前記第2ステップにおける成膜温度よりも低いと、好ましい。
前記第1ステップにおける成膜温度が、前記第2ステップにおける成膜温度よりも低いと、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、熱CVDにおける成膜温度を制御することで、成膜速度を制御する。したがって、第1ステップ及び第2ステップの成膜速度を、容易に制御することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップで、前記第1ステップを行った後、前記第2ステップを開始する際に、
前記光導波路の形成を行う反応炉内に原料ガスを導入した状態で、前記反応炉内の温度を上昇させると、好ましい。
前記光導波路の形成を行う反応炉内に原料ガスを導入した状態で、前記反応炉内の温度を上昇させると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、反応炉内の温度を上昇させている間にも、光導波路の形成を進行させることができる。そのため、迅速に光導波路を形成することが可能になり、固体撮像素子の製造に要する時間を短縮化することが可能になる。
一方、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップで、前記第1ステップを行った後、前記第2ステップを開始する前に、
前記光導波路の形成を行う反応炉内に導入している原料ガスを、不活性ガスに置換してから、前記反応炉内の温度を上昇させてもよい。
前記光導波路の形成を行う反応炉内に導入している原料ガスを、不活性ガスに置換してから、前記反応炉内の温度を上昇させてもよい。
この固体撮像素子の製造方法では、第1ステップ及び第2ステップのそれぞれを、安定した温度で実行することができる。そのため、光導波路の膜厚のばらつき等を抑制して、再現性良く固体撮像素子を製造することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップの後に、前記光導波路の形成を行う反応炉内に導入した原料ガスを除去しながら、前記反応炉内の温度を下降させる成膜終了ステップを、さらに備えると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、反応炉内の原料ガスの除去と、反応炉内の温度の降下とを、同時に行うことができる。そのため、当該反応炉において、次のウエハの処理を迅速に開始することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップよりも前に、少なくとも前記受光部の直上と前記上部構造の表面とのそれぞれに対して層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成ステップを、さらに備え、
前記光導波路の屈折率が、前記層間絶縁膜の屈折率よりも高いと、好ましい。
前記光導波路の屈折率が、前記層間絶縁膜の屈折率よりも高いと、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、光導波路の側方(上部構造側)と下方(受光部側)とのそれぞれに、光導波路よりも屈折率が低い層間絶縁膜が形成される。このとき、光導波路内を受光部に向かって進行する光は、その進行方向の関係上、光導波路の側方における層間絶縁膜には全反射され易く、光導波路の下方における層間絶縁膜には全反射され難くなる。そのため、受光部に対して、効率良く光を入射することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜が酸化シリコンまたは酸窒化シリコンから成り、前記光導波路が窒化シリコンから成ると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、層間絶縁膜を酸化シリコンとした場合、屈折率が1.45以上1.50以下になり、層間絶縁膜を酸窒化シリコンとした場合、屈折率が1.50以上1.90以下になる。そして、光導波路を窒化シリコンとした場合、屈折率が2.00以上2.20以下になり、層間絶縁膜の屈折率よりも光導波路の屈折率を高くすることが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記第1ステップによって形成される前記窒化シリコンの膜厚が、50nm以上であると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、第1ステップにおいて、十分な厚さの窒化シリコンの膜が、層間絶縁膜の表面に形成される。そのため、この後の工程(例えば、第2ステップ)において成膜温度を上げたとしても、層間絶縁膜や上部構造に含まれる遮光膜から脱離ガスが発生することを、抑制することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形成ステップが、熱CVDによって前記光導波路を形成するものであり、
前記窒化シリコンから成る前記光導波路を形成するための原料ガスとして、シラン系ガスとアンモニアとを用いると、好ましい。
前記窒化シリコンから成る前記光導波路を形成するための原料ガスとして、シラン系ガスとアンモニアとを用いると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法において、シラン系ガスとして、例えばモノシラン(SiH4)ガスやジシラン(Si2H6)ガス、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガスを適用することができる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記第1ステップにおける成膜温度が、前記第2ステップにおける成膜温度よりも低く、
前記第1ステップに、成膜温度が400℃以上690℃以下となる状態が含まれ、
前記第2ステップに、成膜温度が690℃以上900℃以下となる状態が含まれると、好ましい。
前記第1ステップに、成膜温度が400℃以上690℃以下となる状態が含まれ、
前記第2ステップに、成膜温度が690℃以上900℃以下となる状態が含まれると、好ましい。
この固体撮像素子の製造方法では、剥がれやクラック、空隙等が生じにくい光導波路を、迅速に形成することが可能になる。
また、本発明は、基板と、
基板中に形成され、光電変換により電荷を生じる受光部と、
前記基板上の前記受光部に隣接する位置に形成され、前記受光部が生じた電荷の転送を行う転送電極と、
前記転送電極上に形成される上部構造と、
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に形成される光導波路と、を備え、
前記光導波路は、第1領域及び第2領域を、少なくとも備え、
前記第1領域は、前記第2領域よりも前記基板側及び前記上部構造側に位置する領域であり、前記第1領域を形成した際の成膜速度は、前記第2領域を形成した際の成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
基板中に形成され、光電変換により電荷を生じる受光部と、
前記基板上の前記受光部に隣接する位置に形成され、前記受光部が生じた電荷の転送を行う転送電極と、
前記転送電極上に形成される上部構造と、
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に形成される光導波路と、を備え、
前記光導波路は、第1領域及び第2領域を、少なくとも備え、
前記第1領域は、前記第2領域よりも前記基板側及び前記上部構造側に位置する領域であり、前記第1領域を形成した際の成膜速度は、前記第2領域を形成した際の成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
この固体撮像素は、少なくとも2つの領域から成る光導波路を備える。第1領域は、遅い成膜速度で形成されている。そのため、第1領域を設けることで、光導波路に剥がれやクラック、空隙等が生じることを、抑制することができる。さらに、第2領域は、速い成膜速度で形成されている。そのため、第2領域を設けることで、光導波路を迅速に形成することが可能になり、固体撮像素子の製造に要する時間を短縮化することが可能になる。
上記特徴の固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子によれば、クラックや剥がれ、空隙などの欠陥が光導波路内に生じることを、抑制することができる。したがって、受光部に対して、効率良く光を入射させることが可能になる。
<固体撮像素子の構造例>
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子(CCDイメージセンサ)の構造の一例について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の概略構造例を示す模式的なブロック図である。なお、図中の矢印は、電荷(例えば電子)の移動方向を示している。
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子(CCDイメージセンサ)の構造の一例について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の概略構造例を示す模式的なブロック図である。なお、図中の矢印は、電荷(例えば電子)の移動方向を示している。
図1に示すように、本例の固体撮像素子1は、光電変換によって電荷を生じる受光部2と、受光部2から取得した電荷を転送する転送部3と、転送部3が転送した電荷による電位を増幅して出力信号を生成する出力部4と、を備える。なお、図1では、受光部2が、水平方向(図中の左右方向)及び垂直方向(図中の上下方向)に沿ってマトリクス状に配置される場合を例示している。
転送部3は、受光部2から取得した電荷を垂直方向に沿って転送する垂直転送部3aと、垂直転送部3aが転送した電荷を水平方向に沿って転送する水平転送部3bと、を備える。出力部4は、水平転送部3bの最終段に設けられ、水平転送部3bが転送した電荷による電位を増幅するトランジスタや、当該電位をリセットするトランジスタなどを備える。
受光部2は、光電変換によって電荷を生成し、蓄積する。垂直転送部3aは、それぞれの受光部2が蓄積した電荷をそれぞれ読み出すとともに、当該電荷を水平転送部3bへ向けて順次転送する。水平転送部3bは、それぞれの垂直転送部3aから順次転送される電荷を、出力部4に向けて順次転送する。そして、出力部4が、水平転送部3bが順次転送してくる電荷による電位を順次増幅することで、出力信号を順次生成して、出力する。なお、図1では特に図示していないが、垂直転送部3a及び水平転送部3bのそれぞれには、電荷の転送を制御するための転送電極が設けられている。
次に、図1に示した固体撮像素子1における受光部2及び垂直転送部3aとその周辺の構造例について、図面を参照して説明する。図2は、図1に示す固体撮像素子のA−A断面を示す断面図である。なお、図1に示すように、A−A断面とは、受光部2及び垂直転送部3aを横切る、水平方向の断面である。
図2に示すように、固体撮像素子1は、基板10と、基板10中に形成される上述の受光部2と、基板10上に形成される上述の垂直転送部3aと、を備える。
垂直転送部3aは、基板10上の受光部2に隣接する位置に形成されるゲート絶縁膜11と、ゲート絶縁膜11上に形成されるとともに受光部2が生じた電荷の転送を行う転送電極12と、少なくとも一部が転送電極12の表面に形成される表面絶縁膜13と、少なくとも転送電極12の直上となる表面絶縁膜13上に形成される埋込絶縁膜14と、少なくとも一部が埋込絶縁膜14内に形成される配線15と、埋込絶縁膜14の表面を覆う遮光膜16と、を備える。
上記のように、垂直転送部3aは、転送電極12上に形成される上部構造14〜16を備える。また、表面絶縁膜13は、垂直転送部3a内だけでなく、受光部2の直上となる基板10の表面にも形成される。なお、配線15は、転送電極12と電気的に接続するものであってもよい。また、配線15は、単層でもよいし多層でもよい。
また、固体撮像素子1は、少なくとも受光部2の直上となる表面絶縁膜13の表面と垂直転送部3aの上部構造14〜16(特に、遮光膜16)の表面とのそれぞれに対して形成される層間絶縁膜17と、少なくとも受光部2の直上かつ上部構造14〜16に挟まれた空間に形成される光導波路18と層間絶縁膜17及び光導波路18の上面に形成される平坦化膜19と、平坦化膜19上の少なくとも受光部2の直上となる位置に形成されるオンチップレンズ20と、をさらに備える。
また、受光部2の水平方向(図2の左右方向)に隣接する位置だけでなく、受光部2の垂直方向(図2の紙面奥行方向)に隣接する位置にも、基板10の表面から突出した構造(例えば、配線を絶縁体で埋め込んで成る配線構造)が設けられる。即ち、受光部2の直上の空間は、基板10の表面から突出した構造によって囲まれている。そして、この囲まれた空間内に、光導波路18が形成されている。
基板10は、p型またはn型の半導体から成る。受光部2は、基板10とは逆の導電型の半導体から成り、フォトダイオードを構成する。以下では説明の具体化のため、基板10がp型の半導体から成り、受光部2がn型の半導体から成るとともに光電変換によって生じた電子を蓄積するものである場合について、例示する。また、基板10を成す半導体がp型であるとは、基板10内の素子構造が形成される部分の導電型がp型であることを示すものであり、基板10全体の導電型がp型である場合に限られず、ウェルの導電型がp型である場合(例えば、全体がn型の基板にp型のウェルが形成される場合)も、当然に含まれる。
基板10は、例えばシリコンから成る。この場合、p型の不純物として、ホウ素などを用いることができる。またこの場合、n型の不純物として、リンやヒ素などを用いることができる。さらに、これらの不純物は、例えばイオン注入などによって、基板10内に注入される。
受光部2は、基板10にn型の不純物を注入することで生成される。なお、基板10の表面と受光部2との間(基板10の表面の極浅い位置)に、p型の不純物が注入された領域を形成することで、埋め込み型のフォトダイオードを形成してもよい。この場合、受光部2は、基板10の表面から離間した位置に設けられる。
ゲート絶縁膜11は、例えば酸化シリコンなどから成り、転送電極12は、例えばポリシリコンなどから成る。また、転送電極12に所定の電圧を印加すると、基板10内の転送電極12の直下となる位置にチャネルが形成され、当該チャネルを介して受光部2から読み出された電子の一時的な蓄積や転送(垂直方向の転送)が行われる。なお、転送電極12の直下に、n型の不純物を注入してもよい。この場合、当該n型の不純物を注入した領域の外縁近傍に、埋め込みチャネルが形成される。また、図2では特に図示していないが、受光部2と、当該受光部2に隣接する2つの垂直転送部3aのいずれか一方(当該受光部2から電子が読み出されない方、例えば図2中の左側)と、の間となる基板10の内部に、素子分離のための構造(例えば、p型の不純物が注入された領域)を設けてもよい。
表面絶縁膜13及び埋込絶縁膜14は、例えば酸化シリコンや酸窒化シリコン、窒化シリコンなどから成る。配線15は、例えばリンをドープしたポリシリコン、チタン、窒化チタン、タングステンなどから成る。また、遮光膜16は、例えばチタン、窒化チタン、タングステンなどから成る。なお、遮光膜16としてタングステンなどを用いる場合、当該遮光膜16を配線として利用してもよい。
層間絶縁膜17は、例えば酸化シリコンや酸窒化シリコンなどから成る。また、光導波路18は、例えば窒化シリコンなどから成る。また、光導波路18は、少なくとも第1領域18aと第2領域18bとを備え、第1領域18aは、第2領域18bよりも基板10側及び上部構造14〜16側に位置した領域である。なお、第1領域18a及び第2領域18bの詳細については、後述する。
また、光導波路18を成す材料の屈折率が層間絶縁膜17を成す材料の屈折率よりも高くなるように、それぞれを成す材料を選定すると、好ましい。この場合、光導波路18の側方(上部構造14〜16側)と下方(受光部2側)とのそれぞれに、光導波路18よりも屈折率が低い層間絶縁膜17が形成される。すると、光導波路18内を受光部2に向かって進行する光は、その進行方向の関係上、光導波路18の側方における層間絶縁膜17には全反射され易く、光導波路18の下方における層間絶縁膜17には全反射され難くなる。そのため、受光部2に対して、効率良く光を入射することが可能になる。
具体的に例えば、層間絶縁膜17を酸化シリコンとした場合、屈折率が1.45以上1.50以下になり、層間絶縁膜17を酸窒化シリコンとした場合、屈折率が1.50以上1.90以下になる。そして、光導波路18を窒化シリコンとした場合、屈折率が2.00以上2.20以下になり、層間絶縁膜17の屈折率よりも光導波路18の屈折率を高くすることができる。
平坦化膜19は、例えば窒化シリコンなどから成る。また、オンチップレンズ20は、例えば樹脂材料から成り、直下に存在する受光部2に集光するべく、上方に突出した凸状になっている。なお、平坦化膜19の上面または下面に、所定の色の光を選択的に透過させるカラーフィルタを設けてもよい。
<固体撮像素子の製造方法例>
次に、上述した固体撮像素子1の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図3及び図4は、図2に示す固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図3及び図4は、図2に示した断面と同じ部分の断面を示すものである。また、図3(a)、図3(b)、図3(c)、図4(a)、図4(b)、図4(c)の順番で、固体撮像素子1の製造の進行を示している。
次に、上述した固体撮像素子1の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図3及び図4は、図2に示す固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図3及び図4は、図2に示した断面と同じ部分の断面を示すものである。また、図3(a)、図3(b)、図3(c)、図4(a)、図4(b)、図4(c)の順番で、固体撮像素子1の製造の進行を示している。
本例の固体撮像素子1の製造方法では、最初に、図3(a)に示すように、受光部2と、ゲート絶縁膜11と、転送電極12と、表面絶縁膜13と、埋込絶縁膜14と、配線15と、遮光膜16と、層間絶縁膜17と、のそれぞれを、基板10に設ける。
具体的に例えば、最初に、基板10の所定の領域にn型の不純物を注入することで、受光部2を形成する。次に、基板10の表面を熱酸化することでゲート絶縁膜11を形成し、さらにその上面にCVDによって転送電極12を形成する。また次に、受光部2の直上となる基板10の表面と転送電極12の表面とのそれぞれに、CVDまたは熱酸化によって表面絶縁膜13を形成する。また次に、転送電極12の直上となる表面絶縁膜13上に、CVDによって埋込絶縁膜14を形成しつつ、スパッタまたはCVDによって配線15を形成する。このとき、必要に応じて埋込絶縁膜14や表面絶縁膜13に、ビアホールやコンタクトホールを形成してもよい。また次に、埋込絶縁膜14の表面に、スパッタまたはCVDによって遮光膜16を形成する。また次に、受光部2の直上となる表面絶縁膜13の表面と遮光膜16の表面とのそれぞれに、CVDによって層間絶縁膜17を形成する。なお、これらの工程において、例えばフォトレジスト等のマスクの形成や、ドライエッチング等を適宜行うことで、受光部2や各膜11〜17を所望の場所に選択的に形成することができる。
また、層間絶縁膜17を酸化シリコンとする場合、例えば以下の成膜条件で成膜してもよい。
成膜方法:熱CVD(減圧CVD)
膜厚:100nm
原料:TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、供給流量200mg/min(mgm)
オゾン(O3)、供給流量5000sccm
成膜温度:400℃
反応炉内の圧力(真空度):5333Pa(40Torr)
成膜方法:熱CVD(減圧CVD)
膜厚:100nm
原料:TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、供給流量200mg/min(mgm)
オゾン(O3)、供給流量5000sccm
成膜温度:400℃
反応炉内の圧力(真空度):5333Pa(40Torr)
上記の成膜条件は一例に過ぎず、適宜変更してもよい。例えば、熱CVDの代わりにプラズマCVDを用いてもよいし、オゾンガスの代わりに酸素ガス(O2)を用いてもよい。また、上述のように、層間絶縁膜17を酸窒化シリコンとしてもよい。また、成膜温度とは、原則としてホットウォール方式における反応炉内の温度を示すものであるが、コールドウォール方式における基板(またはサセプタ)温度として解釈することも可能である(以下同じ)。
次に、図3(b)、図3(c)及び図4(a)に示すように、受光部2の直上かつ上部構造14〜16に挟まれた空間に、窒化シリコンから成る光導波路18を形成する。まず、図3(b)に示すように、層間絶縁膜17の表面に、例えば膜厚50nm以上の窒化シリコンの膜(第1領域18aに相当)を形成する(第1ステップ)。次に、図3(c)に示すように、上記の空間を埋めつくすべく、例えば膜厚400nmの窒化シリコンの膜(第2領域18bに相当)を形成する(第2ステップ)。そして、図4(a)に示すように、少なくとも上記の空間内の窒化シリコンを残し、不要な部分をエッチバックやCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって除去して平坦化することで、第1領域18a及び第2領域18bを備える光導波路18を形成する。
この場合、第1ステップにおいて、十分な厚さ(50nm以上)の窒化シリコンの膜が、層間絶縁膜17の表面に形成される。そのため、この後の工程(例えば、第2ステップ)において成膜温度を上げたとしても、層間絶縁膜17や遮光膜16から脱離ガスが発生することを、抑制することが可能になる。
この第1ステップ及び第2ステップの具体例について、図5を参照して説明する。図5は、光導波路の成膜シーケンスの一例を示すグラフである。なお、図5の上段には、横軸を処理時間、縦軸を成膜温度としたグラフを示し、図5の下段には、横軸を処理時間、縦軸を反応炉内の圧力としたグラフを示している。なお、図5に示す2つのグラフにおいて、処理時間は対応している。
まず、反応炉内の温度をT1で維持する。そして、反応炉内の排気を行った後で、原料ガスを反応炉内に導入する(第1ステップ)。これにより、窒化シリコンの成膜が行なわれ、図3(b)に示した構造が得られる。
次に、原料ガスを反応炉に導入しながら、反応炉内の温度をT1からT2まで上昇させる。そして、反応炉内の温度をT2で維持し、引き続き原料ガスを反応炉内に導入する(第2ステップ)。これにより、第1ステップに続いて窒化シリコンの成膜が行なわれ、図3(c)に示した構造が得られる。なお、成膜温度がT1である第1ステップの成膜速度は、成膜温度がT1よりも高くなる第2ステップの成膜速度よりも、遅くなる。
この第2ステップのように、原料ガスを導入しながら反応炉内の温度を上昇させると、反応炉内の温度を上昇させている間にも、光導波路18の形成を進行させることができる。そのため、迅速に光導波路18を形成することが可能になり、固体撮像素子1の製造に要する時間を短縮化することが可能になる。
第2ステップの成膜を行った後は、反応炉内から原料ガスを除去(例えば、反応炉内の原料ガスの排気、不活性ガスの導入)しながら、反応炉内の温度をT2から下降させる。このように成膜を終了すると、反応炉内の原料ガスの除去と、反応炉内の温度の降下とを、同時に行うことができる。そのため、当該反応炉において、次のウエハの処理を迅速に開始することが可能になる。
また、光導波路18を窒化シリコンとする場合、例えば以下の成膜条件で成膜してもよい。なお、以下の成膜条件は、第1ステップ及び第2ステップで、それぞれが安定した時(図5中、成膜温度及び反応炉内の圧力が一定になったとき)のものである。
成膜方法:熱CVD(減圧CVD)
膜厚:第1ステップ50nm、第2ステップ400nm
原料:ジクロロシラン(SiH2Cl2)、供給流量100sccm
アンモニア(NH3)、供給流量1000sccm
成膜温度:第1ステップ650℃(T1)、第2ステップ800℃(T2)
反応炉内の圧力(真空度):26.7Pa(200mTorr)
成膜方法:熱CVD(減圧CVD)
膜厚:第1ステップ50nm、第2ステップ400nm
原料:ジクロロシラン(SiH2Cl2)、供給流量100sccm
アンモニア(NH3)、供給流量1000sccm
成膜温度:第1ステップ650℃(T1)、第2ステップ800℃(T2)
反応炉内の圧力(真空度):26.7Pa(200mTorr)
そして、図4(a)に示したように平坦化した層間絶縁膜17及び光導波路18の上面に対して、図4(b)に示すように、CVDによって平坦化膜19を形成する。さらに、図4(c)に示すように、受光部2の直上となる平坦化膜19の上面に、例えば樹脂材料を滴下して硬化することで、オンチップレンズ20を形成する。これにより、図2に示した構造の固体撮像素子1が製造される。
本例の固体撮像素子1の製造方法では、光導波路18を形成する際に、成膜速度が遅い第1ステップを行うことで、剥がれやクラック、空隙等が生じることを抑制した成膜を行うことが可能になる。したがって、受光部2に対して、効率良く光を入射させることが可能になる。さらに、光導波路18を形成する際に、成膜速度が速い第2ステップを行うことで、光導波路18を迅速に形成して、固体撮像素子1の製造に要する時間を短縮化することが可能になる。
<変形等>
上記の製造方法例では、第1ステップ及び第2ステップによって光導波路18を形成することとしたが、第1ステップ及び第2ステップを含む3つ以上のステップで、光導波路18を形成するようにしてもよい。例えば、図5において、T1及びT2以外の成膜温度で維持する第3ステップを、第1ステップまたは第2ステップの前または後に行なってもよい。
上記の製造方法例では、第1ステップ及び第2ステップによって光導波路18を形成することとしたが、第1ステップ及び第2ステップを含む3つ以上のステップで、光導波路18を形成するようにしてもよい。例えば、図5において、T1及びT2以外の成膜温度で維持する第3ステップを、第1ステップまたは第2ステップの前または後に行なってもよい。
また例えば、上記の製造方法例では、第1ステップを行った後、第2ステップを開始する際に、原料ガスを導入しながら反応炉内の温度を上昇させることとしたが、第1ステップ及び第2ステップの間に、反応炉内に導入している原料ガスを不活性ガスに置換してから、反応炉内の温度を上昇させるステップを行ってもよい。この場合、第1ステップ及び第2ステップのそれぞれを、安定した温度で実行することができる。そのため、光導波路18の膜厚のばらつき等を抑制して、再現性良く固体撮像素子1を製造することが可能になる。
また、上記の製造方法例では、熱CVDにおける成膜温度を制御することで、成膜速度を制御することとしたが、熱CVDやそれ以外の成膜方法において、成膜温度以外のパラメータを制御することで成膜速度を制御してもよい。ただし、上記の例のように、熱CVDにおける成膜温度を制御すると、成膜速度を容易に制御することができるため、好ましい。
また、光導波路18を窒化シリコンとする場合に、原料ガスとしてジクロロシランガスを用いる場合について例示したが、これ以外のシラン系ガスを適用することも可能である。具体的に例えば、モノシラン(SiH4)ガスやジシラン(Si2H6)ガスなどを適用してもよい。
また、第1ステップは、上述のように成膜温度を650℃で終始維持する状態のみに限られず、成膜温度が400℃以上690℃以下となる状態を含む限り、どのような状態としてもよい。また、第2ステップも同様であり、成膜温度が690℃以上900℃以下となる状態を含む限り、どのような状態としてもよい。第1ステップ及び第2ステップがこれらの状態を含むものであれば、剥がれやクラック、空隙等が生じにくい光導波路18を、迅速に形成することが可能になる。
また、固体撮像素子1を構成する半導体の導電型や電荷の極性は、上述した例の逆であってもよい。具体的に例えば、基板10がn型の半導体から成り、受光部2がp型の半導体から成るとともに光電変換によって生じた正孔を蓄積するものであってもよい。
また、ゲート絶縁膜11、表面絶縁膜13、埋込絶縁膜14、層間絶縁膜17及び平坦化膜19に適用可能とした酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンや、配線15及び遮光膜16に適用可能とした窒化チタンなどは、必ずしも化学量論的組成である必要はなく、化学量論的組成からずれた組成であってもよい。
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるCCDイメージセンサ等に、好適に利用され得る。
1 : 固体撮像素子
2 : 受光部
3 : 転送部
3a : 垂直転送部
3b : 水平転送部
4 : 出力部
10 : 基板
11 : ゲート絶縁膜
12 : 転送電極
13 : 表面絶縁層
14 : 埋込絶縁膜
15 : 配線
16 : 遮光膜
17 : 層間絶縁膜
18 : 光導波路
18a : 第1領域
18b : 第2領域
19 : 平坦化膜
20 : オンチップレンズ
2 : 受光部
3 : 転送部
3a : 垂直転送部
3b : 水平転送部
4 : 出力部
10 : 基板
11 : ゲート絶縁膜
12 : 転送電極
13 : 表面絶縁層
14 : 埋込絶縁膜
15 : 配線
16 : 遮光膜
17 : 層間絶縁膜
18 : 光導波路
18a : 第1領域
18b : 第2領域
19 : 平坦化膜
20 : オンチップレンズ
Claims (11)
- 基板中に形成され光電変換により電荷を生じる受光部と、前記基板上の前記受光部に隣接する位置に形成されて前記受光部が生じた電荷の転送を行う転送電極と、前記転送電極上に形成される上部構造と、をそれぞれ形成する素子構造形成ステップと、
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に、光導波路を形成する光導波路形成ステップと、を備え、
前記光導波路形成ステップは、前記光導波路を成す材料を所定の成膜速度で成膜する第1ステップ及び第2ステップを、少なくとも備え、
前記第1ステップは、前記第2ステップよりも前に行なわれるとともに、前記第1ステップにおける成膜速度は、前記第2ステップにおける成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記光導波路形成ステップが、熱CVDによって前記光導波路を形成するものであり、
前記第1ステップにおける成膜温度が、前記第2ステップにおける成膜温度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記光導波路形成ステップで、前記第1ステップを行った後、前記第2ステップを開始する際に、
前記光導波路の形成を行う反応炉内に原料ガスを導入した状態で、前記反応炉内の温度を上昇させることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記光導波路形成ステップで、前記第1ステップを行った後、前記第2ステップを開始する前に、
前記光導波路の形成を行う反応炉内に導入している原料ガスを、不活性ガスに置換してから、前記反応炉内の温度を上昇させることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記光導波路形成ステップの後に、前記光導波路の形成を行う反応炉内に導入した原料ガスを除去しながら、前記反応炉内の温度を下降させる成膜終了ステップを、
さらに備えることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記光導波路形成ステップよりも前に、少なくとも前記受光部の直上と前記上部構造の表面とのそれぞれに対して層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成ステップを、さらに備え、
前記光導波路の屈折率が、前記層間絶縁膜の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記層間絶縁膜が酸化シリコンまたは酸窒化シリコンから成り、前記光導波路が窒化シリコンから成ることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記第1ステップによって形成される前記窒化シリコンの膜厚が、50nm以上であることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記光導波路形成ステップが、熱CVDによって前記光導波路を形成するものであり、
前記窒化シリコンから成る前記光導波路を形成するための原料ガスとして、シラン系ガスとアンモニアとを用いることを特徴とする請求項7または8に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第1ステップにおける成膜温度が、前記第2ステップにおける成膜温度よりも低く、
前記第1ステップに、成膜温度が400℃以上690℃以下となる状態が含まれ、
前記第2ステップに、成膜温度が690℃以上900℃以下となる状態が含まれることを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 基板と、
基板中に形成され、光電変換により電荷を生じる受光部と、
前記基板上の前記受光部に隣接する位置に形成され、前記受光部が生じた電荷の転送を行う転送電極と、
前記転送電極上に形成される上部構造と、
少なくとも前記受光部の直上かつ前記上部構造に挟まれた空間に形成される光導波路と、を備え、
前記光導波路は、第1領域及び第2領域を、少なくとも備え、
前記第1領域は、前記第2領域よりも前記基板側及び前記上部構造側に位置する領域であり、前記第1領域を形成した際の成膜速度は、前記第2領域を形成した際の成膜速度よりも、遅いことを特徴とする固体撮像素子。
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JP2011247718A JP2013105843A (ja) | 2011-11-11 | 2011-11-11 | 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子 |
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JP2015099888A (ja) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | シャープ株式会社 | 固体撮像素子及びその製造方法 |
Citations (2)
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JP2010283145A (ja) * | 2009-06-04 | 2010-12-16 | Sony Corp | 固体撮像素子及びその製造方法、電子機器 |
JP2011211000A (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-20 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、電子機器 |
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