JP2013105843A - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子 - Google Patents

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

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）。

特開２００６−２２２２７０号公報 特開２００８−１６６６７７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＨ_４）ガスやジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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。

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。

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。

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。 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ断面を示す断面図。 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。 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。 光導波路の成膜シーケンスの一例を示すグラフ。

＜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。

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。

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（Ｏ_３）、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（Ｏ_２）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（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、供給流量１００ｓｃｃｍ
アンモニア（ＮＨ_３）、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。

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（ＳｉＨ_４）ガスやジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）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

Claims (11)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。

Images