JP4556475B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に係わる。

従来から、固体撮像素子における感度の向上を目的として、様々な提案がなされている。

その１つとして、受光部の直上の位置に孔部を形成し、この孔部内に高屈折率材料を充填して導波路構造とした構成が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

この導波路構造を設けた固体撮像素子の概略断面図を図４に示す。
シリコン基板等の半導体基体５１の素子分離層５３によって分離された領域に、受光部（フォトダイオード）５２が形成されている。
この受光部（フォトダイオード）５２の左側の半導体基体５１上には、ゲート絶縁膜５４を介して転送ゲート電極５５が形成されている。
また、コンタクト層（導電プラグ）５７を介して半導体基体５１に接続された、２層の配線層５８が設けられている。
これら２層の配線層５８は、絶縁層５９により覆われている。
この絶縁層５９の上に、パッシベーション膜（保護膜）６１、平坦化膜６２、カラーフィルタ６３、オンチップレンズ６４が形成されている。

そして、受光部（フォトダイオード）５２の上方において、絶縁層５９に形成された孔部内に、高屈折率材料層６０が充填されて、詳細を後述するように、導波路を構成している。
なお、図中５６は、エッチングストッパ膜であり、絶縁層５９に孔部を形成するエッチングの際のエッチングストッパとなるものである。

導波路は、オンチップレンズ６４と受光部（フォトダイオード）５２との間を光学的に接続するものである。
導波路内部のコア材となる高屈折率材料層６０がクラッド部となる絶縁層５９に比して屈折率が高いことを利用して、高屈折率材料層６０と絶縁層５９との界面において、臨界角θよりも大きい入射角をもつ入射光を全反射させることができる。
この界面での反射により、入射光を受光部（フォトダイオード）５２へ向かうようにすることができるため、受光部（フォトダイオード）５２への集光効率を高めることができる。
特開平１１−１２１７２５号公報 特開平１０−３２６８８５号公報

しかしながら、固体撮像素子の微細化に伴い、各画素の面積が狭くなるため、それに伴い孔部の開口面積も縮小され、孔部のアスペクト比（幅と深さの比）が大きくなる。
また、例えば、図４に示したように多層の配線層５８を有する構成においては、配線層５８を覆う絶縁層５９の高さが高くなるため、導波路が深く形成される。これによっても、孔部のアスペクト比が大きくなる。
このように孔部のアスペクト比が大きくなることにより、孔部に高屈折率材料を充填する際に埋め込み性が悪くなる。そのため、集光性の悪化や、画素の特性ばらつきが懸念される。

また、導波路の孔部を開口するエッチングの際に、受光部５２付近の半導体基体５１等にダメージを与えてしまうことがあり、これが白点の発生原因となる。

そこで、このエッチングによるダメージを回避するため、導波路の孔部を半導体基体５１付近まで形成せず、エッチングを途中で止めて、導波路の底面を高くして受光部（フォトダイオード）５２から離すことが考えられる。
しかし、この場合には、導波路から放出される斜め光が、受光部（フォトダイオード）５２に集光されなくなるおそれがある。

また、導波路への集光率を上げるために、導波路の径を広げることが考えられる。
この場合にも、導波路の径を広げたことにより、導波路から放出される斜め光が受光部（フォトダイオード）５２に集光されなくなるおそれがある。

これらの場合のように、導波路から放出される斜め光が、受光部（フォトダイオード）５２に集光されなくなると、図４中矢印７１で示すように隣接するゲート電極５５に拡散したり、素子分離領域５３に拡散したりするため、感度向上の効果が充分に得られなくなる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、容易に歩留まりよく製造することができると共に、感度等の特性が良好である構成の固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、半導体基体と、この半導体基体に光電変換素子が形成されて成る受光部と、この受光部の上方に設けられ、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜により形成され、受光部側にレンズ面が形成された層内レンズと、この層内レンズ上に接続して形成された孔部内にポリイミド樹脂が充填されることにより構成された、導波路と、層内レンズの周囲及び孔部の周囲の酸化シリコン層とを含むものである。

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、受光部の上方に、この受光部側にレンズ面が形成された層内レンズが設けられ、この層内レンズが、その周囲の酸化シリコン層よりも屈折率の高いシリコン窒化膜により形成されていることにより、層内レンズの受光部側のレンズ面で入射光を集光させて、受光部へ入射させることができる。
さらに、層内レンズ上に接続して形成された孔部内に、この孔部の周囲の酸化シリコン層よりも屈折率の高いポリイミド樹脂が充填されることにより、導波路が構成されているので、導波路をコア部、周囲の層をクラッド部として作用させ、入射光を導波路の外壁で反射させて、受光部へ導くことが可能になる。
従って、入射光の受光部への集光度を高めて、より多くの入射光を受光部に入射させることができる。

そして、導波路の下に接続して層内レンズがあるため、導波路と受光部との間の垂直距離を広げることができ、また導波路の孔部をエッチングにより形成する際のエッチングの終点は層内レンズの上になる。これにより、受光部付近の半導体基体に対するダメージを抑制することができる。
同時に、導波路の深さを低減して、アスペクト比を低減することができるため、導波路の充填材料の埋め込み性を向上させることができる。

また、層内レンズがシリコン窒化膜により形成されていることにより、シリコン窒化膜が高屈折率材料である（シリコン窒化膜は、屈折率ｎ＝２.０である）ことから、上述した集光効果が得られる。

また、層内レンズのシリコン窒化膜がプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることにより、プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜が水素を多く含有しているため、製造の際に、シリコン窒化膜から受光部の半導体基体に水素を供給することが可能になる。これにより、ダングリングボンドを終端させて、界面準位の発生を抑制し、白点の発生を抑制することが可能となる。

また、上記本発明の固体撮像素子において、導波路の充填材料が、層内レンズのシリコン窒化膜に対して、屈折率が低いポリイミド樹脂であることにより、導波路と層内レンズの境界面で入射光が反射しないようにすることができるため、その分受光部へ向かう入射光を増やして感度を向上することができる。

上述の本発明によれば、層内レンズ及び導波路の各作用によって入射光の集光度を高めて、より多くの入射光を受光部に入射させることができるため、感度を向上することができる。
また、受光部付近の半導体基体に対するダメージを抑制することができるため、半導体基体に対するダメージに起因する白点の発生を抑制することができる。
従って、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することができる。

また、本発明によれば、導波路の充填材料の埋め込み性を向上させることができるため、容易に良好な特性を有する固体撮像素子を製造することができ、製造歩留まりを向上することが可能になる。
従って、信頼性の高い固体撮像素子を実現することができる。

本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図１に示す。図１は、固体撮像素子の１画素分の断面図を示している。
本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型の固体撮像素子に適用した場合である。

この固体撮像素子は、シリコン基板等の半導体基体１の素子分離層３によって分離された領域に、受光部（フォトダイオード）２が形成されて、画素を構成している。
この受光部（フォトダイオード）２の左側の半導体基体１上には、ゲート絶縁膜４を介して転送ゲート電極５が形成されている。
また、コンタクト層（導電プラグ）７を介して半導体基体１に接続された、２層の配線層８が設けられている。
これら２層の配線層８は、絶縁層９により覆われている。
そして、この絶縁層９の上に、パッシベーション膜（保護膜）１１、平坦化膜１２、カラーフィルタ１３、オンチップレンズ１４が形成されている。

本実施の形態においては、受光部２の上方に、層内レンズ６を設けている。
この層内レンズ６は、受光部２側に下に凸の曲面から成るレンズ面６Ａが形成され、周囲の絶縁層９よりも屈折率の高い材料から成る。
層内レンズ６の材料としては、例えば、シリコン窒化膜（屈折率ｎ＝２．０）等の窒化膜を用いることができる。
そして、窒化膜として、特に、プラズマＣＶＤ法により形成された窒化膜を用いることにより、後述するように、水素供給によって白点の発生を抑制する効果が得られる。

また、本実施の形態においては、特に、層内レンズ６上に接続して導波路１０を設けている。
この導波路１０は、層内レンズ６の上方の絶縁層９に形成された孔部内に、周囲の絶縁層９よりも屈折率の高い材料が充填されて成る。
導波路１０の充填材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂（屈折率ｎ＝１．７）等の比較的屈折率の高い樹脂を用いることができる。

この導波路１０を設けたことにより、内部が周囲の絶縁層９よりも屈折率が高いため、導波路１０の内部を光を伝達させるコア部、周囲の絶縁層９をクラッド部として作用させ、図１中矢印で示すように、導波路１０の外壁面１０Ａにおいて、入射光を反射させることができる。これにより、入射光を受光部２の方へ導くことができる。

また、導波路１０の充填材料（光伝達コア材料）は、層内レンズ６を構成する材料、例えばプラズマシリコン窒化膜（ｎ＝２.０）よりも屈折率が低い材料とすることが望ましい。
これにより、導波路１０と層内レンズ６との境界面で、入射光が反射して上方に戻ってしまわないようにすることが可能になる。

図４に示した構成では、導波路６０の底部において、導波路６０の孔部に充填された材料よりも屈折率が低い絶縁層５９内に向けて光が放出される。このため、臨界角以上の斜め光が、図４中矢印７２で示すように、導波路６０の底部の界面においても全反射して、導波路６０の上部に向けて戻ってしまうことになる。
これに対して、本実施の形態の構成では、導波路１０の下に層内レンズ６が接続され、この層内レンズ６が導波路１０の充填材料のポリイミド系樹脂よりも屈折率の高いシリコン窒化膜から成るため、導波路１０と層内レンズ６との界面での反射を生じないようにすることができる。

また、図４に示した構成において、導波路の充填材料にポリイミド系樹脂を用いると、ポリイミド系樹脂の金属含有量がレジスト等他の樹脂と比べて多いため(例えばナトリウムの含有量が０．４ｐｐｍ)、フォトダイオード５２の表面に金属の拡散が起こり、その結果、白点が増加することが懸念される。
これに対して、本実施の形態の構成では、フォトダイオード２と導波路１０との間に層内レンズ６があることから、導波路１０の充填材料にポリイミド系樹脂を用いても、層内レンズ６のシリコン窒化膜により金属の拡散を抑制することが可能である。これにより、金属の拡散に起因する白点の発生を抑制することが可能になる。

なお、層内レンズ６の材料と導波路１０の充填材料とを同じ材料としても構わない。
ただし、その場合、上述した金属の拡散を抑制すると共に、良好な埋め込み性を有することが望ましいため、材料がさらに制限されたり、製造工程に工夫を要したりする。

本実施の形態の固体撮像素子は、例えば次のようにして、製造することができる。
まず、従来の製造方法と同様にして、例えばシリコン層から成る半導体基体１内にフォトダイオード２を、半導体基体１上にゲート絶縁膜４を介して転送ゲート電極５を、それぞれ形成する。
その後、転送ゲート電極５を覆って、例えば酸化シリコン等の絶縁層２１を形成する（以上図２Ａ参照）。

次に、絶縁層２１に、等方性エッチングにより、図２Ｂに示すように、層内レンズを形成するための凹型溝（凹面）２１Ａを形成する。このエッチングは、例えばダウンフロープラズマを用いて、Ｃ４Ｆ_８，Ｏ_２，Ａｒ等のガスを用いる。

次に、プラズマＣＶＤ法により、プラズマシリコン窒化膜を全面に形成する。このとき、例えば、シランガス（ＳｉＨ_４）及び窒素ガスを用いる。
その後、エッチバック法により、絶縁層２１の表面までプラズマシリコン窒化膜を削って、図２Ｃに示すように、絶縁層２１の凹型溝（凹面）２１Ａ上に層内レンズ６を形成する。このとき、例えば、エッチングガスとしてＣＨ_２Ｆ_２，Ｏ_２，Ａｒ等のガスを用いる。
さらに、アニール（例えば４００℃）を行って、層内レンズ６を構成するプラズマシリコン窒化膜から、受光部２の半導体基体１へ水素２２を供給する。

次に、層間絶縁膜、コンタクト層７、多層の配線層８をそれぞれ形成した後に、全体を絶縁層で覆う。これにより、図２Ｄに示すように、層内レンズ６、コンタクト層７、多層の配線層８が絶縁層９に覆われる。

次に、図３Ｅに示すように、絶縁層９に、異方性エッチングにより、導波路となる孔部２３を開口する。この異方性エッチングは、例えば、Ｃ_４Ｆ_８，Ｏ_２，Ａｒを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により行う。
このとき、層内レンズ６のプラズマシリコン窒化膜がエッチングストッパとして作用する。そして、絶縁層（例えば酸化シリコン）９と層内レンズ（プラズマシリコン窒化膜）６との間で、１０程度のエッチング選択比を確保することが可能である。

次に、孔部を埋めて、導波路の充填材料の透明膜を形成する。例えば、塗布法によりポリイミド系樹脂を孔部に埋め込む。
続いて、エッチバック法又はＣＭＰ（化学的機械的研磨）法により、透明膜を絶縁層９の表面まで全面的に除去して、グローバル平坦化処理を施す。これにより、孔部内のみに透明膜が残り、導波路１０が形成される（以上図３Ｆ参照）。

その後は、従来の製造方法と同様にして、パッシベーション膜（保護膜）１１、平坦化膜１２、カラーフィルタ１３、オンチップレンズ１４を順次形成する。
このようにして、図１に示した固体撮像素子を製造することができる。

上述の本実施の形態によれば、受光部（フォトダイオード）２の上方に、この受光部２側にレンズ面６Ａが形成された層内レンズ６が設けられ、この層内レンズ６が周囲の絶縁層６よりも屈折率の高い材料（例えば窒化シリコン膜）から成ることにより、レンズ面６Ａで入射光を集光させて、受光部２へ入射させることができる。

さらに、層内レンズ６上に接続して、周囲の絶縁層９よりも屈折率の高い材料が充填されて成る導波路１０を設けていることにより、導波路１０をコア部、周囲の絶縁層９をクラッド部として作用させ、入射光を導波路１０の外壁１０Ａで反射させて、受光部２へ導くことが可能になる。

従って、入射光の受光部２への集光度を高めて、より多くの入射光を受光部２に入射させることができる。
これにより、感度の向上を図ることが可能になる。

また、層内レンズ６上に接続して導波路１０を設けているので、導波路１０の直下に接続して層内レンズ６があり、層内レンズ６によって導波路１０と受光部２との間の垂直距離Ｈを広げることができる。そして、導波路１０の孔部をエッチングにより形成する際のエッチングの終点は、層内レンズ６の上になる。
これにより、受光部２付近の半導体基体１に対するダメージを抑制することができる。
同時に、層内レンズ６の分だけ導波路１０の深さを低減することができ、孔部のアスペクト比を低減することができるため、導波路１０の充填材料の埋め込み性を向上させることができる。

さらに、層内レンズ６の材料を、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化膜とすることにより、窒化膜が絶縁層９に用いられる酸化膜よりも高い屈折率を有する（例えばシリコン窒化膜で屈折率ｎ＝２．０）ことにより、上述した集光効果が得られる。また、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化膜は、水素の含有量が多いため、製造の際に受光部２付近の半導体基体１へ水素を供給することが可能になる。
これにより、ダングリングボンドを終端させて、白点の発生を抑制することができる。

さらにまた、導波路１０の充填材料を、層内レンズ６の材料に対して、屈折率が同じか屈折率が低い材料とすることにより、導波路１０と層内レンズ６との境界面における反射を抑制することができ、斜めに入射した光に対しても、受光部２へ向けて集光させて、受光部２への集光率を向上させることができる。

即ち、本実施の形態の固体撮像素子によれば、高い感度を有し、白点の発生が少なく、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することができる。
また、容易に良好な特性を有する固体撮像素子を製造することができ、製造歩留まりを向上することが可能になる。
従って、信頼性の高い固体撮像素子を実現することができる。

なお、層内レンズを形成する方法は、図２Ｂ〜図２Ｃに示した等方エッチングにより凹面を形成する方法に限定されるものではなく、その他の方法により層内レンズを形成することも可能である。
例えば、ＰＳＧ（リン珪酸ガラス）やＢＰＳＧ（ボロン・リン珪酸ガラス）等により、配線層等の段差を利用して凹部を形成し、さらにリフローさせて凹部の曲面の形状を整えてレンズ面を形成した後に、この凹部内に窒化膜等の屈折率の高い材料を埋めて層内レンズとする方法がある。

また、層内レンズの上面（受光部とは反対側の面）は、図１に示した平面に限られるものではなく、例えば集光性を高めるために、上側に凸の曲面としてもよい。

上述の実施の形態では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子に本発明を適用したが、その他の構成の固体撮像素子にも本発明を適用することができる。
例えばＣＣＤ固体撮像素子にも、本発明を適用することが可能である。
いずれの構成の固体撮像素子においても、本発明を適用して、受光部の上方に層内レンズを設け、この層内レンズ上に接続して導波路を設けることにより、本発明の効果が得られる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。 Ａ〜Ｄ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す工程図である。 Ｅ、Ｆ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す工程図である。 受光部上に導波路構造を設けた固体撮像素子の概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体基体、２ フォトダイオード（受光部）、３ 素子分離層、４ ゲート絶縁膜、５ 転送ゲート電極、６ 層内レンズ、７ コンタクト層、８ 配線層、９ 絶縁層、１０ 導波路、１３ カラーフィルタ、１４ オンチップレンズ

Claims (4)

1. 半導体基体と、
   前記半導体基体に光電変換素子が形成されて成る受光部と、
   前記受光部の上方に設けられ、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜により形成され、前記受光部側にレンズ面が形成された層内レンズと、
   前記層内レンズ上に接続して形成された孔部内にポリイミド樹脂が充填されることにより構成された、導波路と、
   前記層内レンズの周囲及び前記孔部の周囲の酸化シリコン層とを含む
   固体撮像素子。
2. 前記層内レンズの前記導波路側の面が水平面である請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 半導体基体に受光部の光電変換素子を形成した後、前記半導体基体上に酸化シリコン層を形成する工程と、
   前記酸化シリコン層に、等方性エッチングにより、層内レンズを形成するための凹型溝を形成する工程と、
   プラズマＣＶＤ法により、全面にシリコン窒化膜を形成する工程と、
   エッチバックにより、前記酸化シリコン層の表面まで前記シリコン窒化膜を削って、前記凹型溝上に層内レンズを形成する工程と、
   全体を酸化シリコン層で覆う工程と、
   前記酸化シリコン層に、異方性エッチングにより、導波路となる孔部を形成する工程と、
   塗布法により、ポリイミド樹脂を前記孔部に埋める工程とを含む
   固体撮像素子の製造方法。
4. 前記等方性エッチングを、ダウンフロープラズマを用いて行う請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。

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