JP5396493B2

JP5396493B2 - 固体撮像装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP5396493B2
Application number: JP2012005233A
Authority: JP
Inventors: 繁鈴木; 啓史大中; 浩一山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: JP2012227510A

Description

本発明は固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に光導波路を備えた固体撮像装置及びその製造方法に関する。

近年、固体撮像装置の小型化に伴い、画素が微細化及び高密度化され、受光領域が縮小する一方、高感度化することが求められている。受光領域の縮小と高感度化とを両立させるために、より効率良く受光素子に光を入射させるための種々の構造が検討されている。例えば、カラーフィルタの上にオンチップレンズを設けて受光素子に効率良く集光したり、受光素子の上に光導波路を設けて入射光を受光素子に効率良く導くことが行われている。

受光素子に入射光を導くための光導波路は、受光素子の上に形成された層間絶縁膜に凹部を設け、凹部に層間絶縁膜よりも屈折率が高い材料を埋め込むことにより形成することができる。しかし、受光領域の縮小により、光導波路を形成するための凹部のアスペクト比が増大している。アスペクト比が高い凹部に気相状態の原料を用いて成膜しようとすると、凹部の内部に十分に原料が供給されず、ボイドが形成されるおそれがある。

アスペクト比が高い凹部に、光導波路を形成する方法として、塗布により成膜できる樹脂を凹部に埋め込む方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１０−２８３１４５号公報

しかしながら、樹脂を凹部に埋め込む場合には、光導波路の集光性を十分に高くできないという問題がある。

凹部に埋め込む材料の屈折率が高い方が光導波路の集光性を向上させることができる。しかし、塗布による成膜が可能な樹脂材料の場合、屈折率を十分に高くすることができない。例えば、窒化シリコンの屈折率は１．９程度であるのに対し、チタン含有シロキサンポリマーの屈折率は１．７程度しかない。このため、従来の方法では、集光性が高い光導波路を形成することが困難である。

本発明は、前記の問題を解決し、屈折率が高い材料を埋め込んだ集光性が高い光導波路を備えた固体撮像装置を容易に実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を凹部に埋め込まれた第１の膜と第２の膜との積層膜からなる光導波路を備え、第１の膜の膜厚が凹部の上部において下部よりも薄い構成とする。

具体的に本発明に係る第１の固体撮像装置は、半導体基板の上に形成された受光部と、半導体基板の上に形成され、層間絶縁膜を含み、受光部と対応する位置に第１の凹部を有する絶縁膜積層体と、第１の凹部に形成され、受光部に光を導く光導波路とを備え、光導波路は、絶縁膜積層体側から順次形成された第１の膜及び第２の膜を有し、第１の膜及び第２の膜の屈折率はそれぞれ層間絶縁膜の屈折率よりも高く、第１の膜は、第１の凹部の側面及び底面を覆い且つ第１の凹部と対応する位置に第２の凹部を有し、第２の膜は第２の凹部内を埋め込むように形成されており、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、第１の凹部の上部において下部よりも薄い。

本発明の固体撮像装置は、光導波路が第１の膜及び第２の膜を有し、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、第１の凹部の上部において下部よりも薄い。このため、ＣＶＤ法等の気相堆積法により第２の膜を第２の凹部に埋め込むことが容易にできる。従って、第２の膜を屈折率が大きい材料からなる膜とすることができ、集光性に優れた光導波路を形成することが可能となる。

本発明の固体撮像装置において、第１の凹部の側面には、層間絶縁膜を含む複数の層が露出し、第１の膜は、第１の凹部の側面において複数の層と接することが好ましい。

本発明の固体撮像装置において、第２の膜は第１の膜と接するように形成されており、第２の膜は第２の凹部内を第２の凹部の上端まで埋め込まれていてもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜及び第２の膜は単層膜であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜は、窒化シリコン膜又は窒酸化シリコン膜であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第２の膜は、窒化シリコン膜又は窒酸化シリコン膜であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜における第１の凹部の側面を覆う部分の深さ方向の中央部と下端部とを結ぶ直線は、半導体基板の主面と並行な方向となす角が７５°以下であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、第１の凹部の上部と下部とにおいて比が３：７以下であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の凹部の底面は、半導体基板の主面と並行な平面であってもよい。

本発明の固体撮像装置において、第２の膜の屈折率は、第１の膜の屈折率よりも大きくてもよい。

本発明の固体撮像装置において、第２の膜は、第１の凹部の外側の領域に形成されていないことが好ましい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜の上面は、絶縁膜積層体の上面と同一平面に形成されていてもよい。

本発明の固体撮像装置において、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分は、第１の凹部の上部から下部に向かって膜厚が直線的に増加していてもよい。

本発明の固体撮像装置において、第２の膜における第１の凹部に形成された部分は、上面が凸レンズ状に形成されていてもよい。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、受光素子を形成した半導体基板の上に、受光素子と対応する位置に第１の凹部を有する絶縁膜積層体を形成する工程と、第１の凹部に埋め込まれた光導波路を形成する工程とを備え、光導波路を形成する工程は、絶縁膜積層体の上に第１の凹部と対応する位置に第２の凹部が残存するように絶縁膜積層体より高い屈折率を有する第１の膜を形成する第１の成膜工程と、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚を、第１の凹部の上部において下部よりも薄くするエッチング工程と、エッチング工程よりも後に第２の凹部を埋めるように絶縁膜積層体より高い屈折率を有する第２の膜を第１の膜の上に形成する第２の成膜工程とを含む。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、光導波路を形成する工程が、第１の膜を形成する第１の成膜工程と、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚を、第１の凹部の上部において下部よりも薄くするエッチング工程と、第２の凹部を埋めるように第２の膜を形成する第２の成膜工程とを含む。このため、第１の膜の膜厚を第１の凹部の上部において下部よりも薄くすることができ、アスペクト比が大きい場合にも第２の膜をボイドを生じさせることなく成膜することが可能となる。従って、集光性に優れた光導波路を容易に形成することが可能となる。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、第２の膜は第１の膜と接するように形成し、且つ第２の凹部内を第２の凹部の上端まで埋め込むように形成すればよい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、第１の膜及び第２の膜は単層膜であってもよい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、第１の膜及び第２の膜は、化学気相堆積法により成膜することが好ましい。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、エッチング工程において、第１の膜における第１の凹部の側面を覆う部分の深さ方向の中央部と下端部とを結ぶ直線が、半導体基板の主面と並行な方向となす角を７５°以下とすることが好ましい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、エッチング工程において、第１の膜における第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、第１の凹部の上部と下部とにおける比が３：７以下とすればよい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、エッチング工程は、窒素、水素又はフッ化炭素系のガスを用いて行うことが好ましい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、光導波路を形成する工程は、第２の成膜工程よりも後に、第２の膜における第１の凹部に形成された部分の上面を凸レンズ状に加工するレンズ形成工程を含むことが好ましい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、レンズ形成工程は、第２の膜を第１の膜よりも研磨レートを低くして研磨する工程としてもよい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、レンズ形成工程は、第２の膜の上に犠牲膜を形成する工程、及び犠牲膜及び第２の膜をエッチバックする工程を含み、エッチバックは、第２の膜のエッチレートが犠牲膜のエッチレートよりも大きい条件で行ってもよい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、レンズ形成工程は、第２の膜の上に犠牲膜を形成する工程、及び犠牲膜及び第２の膜をエッチバックする工程を含み、エッチバックは、第１の膜のエッチレートが第２の膜のエッチレートよりも大きい条件で行ってもよい。

本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法によれば、屈折率が高い材料を埋め込んだ集光性が高い光導波路を備えた固体撮像装置を容易に実現できる。

一実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。凹部のアスペクト比と、光導波路に生じるボイドとの関係を示すプロットである。第１の膜における凹部の側面上に形成された部分の傾斜角度と、光導波路に生じるボイドとの関係を示すプロットである。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。

図１は、一実施形態に係る固体撮像装置の１画素を示している。図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、コンプリメンタリーモス（ＣＭＯＳ）型のセンサである。シリコン基板等の基板１０１における受光面に受光素子１１１を含む画素が形成され、基板１０１の上には絶縁膜積層体１０２と、絶縁膜積層体１０２に埋め込まれた光導波路１０３とが形成されている。

受光素子１１１はｎ型の電荷蓄積層１１１Ａとｐ⁺型の表面層１１１Ｂとによりｐｎ接合が形成されたフォトダイオードとすればよい。基板１０１における受光素子１１１の側方には、素子分離領域１１２が形成されている。素子分離領域１１２は、ホウ素等の不純物をイオン注入等により基板１０１の所定の領域に注入して形成すればよい。基板１０１の上には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等からなるゲート絶縁膜１１３が形成されている。ゲート絶縁膜１１３の上には、受光素子１１１に隣接してゲート電極１１５が形成されている。ゲート電極１１５は、ポリシリコン膜又はポリシリコン膜とシリコン化合物膜との積層膜等とすればよい。ゲート電極１１５は、受光素子１１１において生成され蓄積された信号電荷等をフローティングディフュージョン（図示せず）に転送する転送トランジスタを構成する。基板１０１には、転送トランジスタ以外にも画素を構成する複数のトランジスタが形成されている。ゲート絶縁膜１１３における受光素子１１１の上側には、受光素子１１１へ入射する光が基板１０１の表面において反射されることを防止する反射防止膜１１４が形成されている。反射防止膜１１４は、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜又は窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）膜等とすればよい。

絶縁膜積層体１０２は、複数の配線１０４が埋め込まれており、受光素子１１１に対応する領域に凹部を有している。ゲート電極１１５等を覆う第１の層間絶縁膜１２１は、厚さが４００ｎｍ程度のＳｉＯ₂膜又は酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）膜等とすればよい。第１の層間絶縁膜１２１の上には、第２の層間絶縁膜１２２及び第３の層間絶縁膜１２３が順次形成されている。第２の層間絶縁膜１２２及び第３の層間絶縁膜１２３は、厚さが３００ｎｍ程度のＳｉＯ₂膜又はＳｉＯＣ膜等とすればよい。第２の層間絶縁膜１２２及び第３の層間絶縁膜１２３には、ダマシンプロセス等により形成された配線１０４が埋め込まれている。配線１０４は、第２の層間絶縁膜１２２又は第３の層間絶縁膜１２３に形成された溝部に埋め込まれた厚さが２００ｎｍ程度の銅膜１４３と、銅原子の拡散を防止するバリアメタル膜１４２とを有している。バリアメタル膜１４２は、厚さが２０ｎｍ程度のタンタル又は窒化タンタル等とすればよい。配線１０４の上には、銅原子の拡散を防止する拡散防止膜１４４が形成されている、拡散防止膜１４４は、厚さが５０ｎｍ程度の炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）膜、ＳｉＯＮ膜又はＳｉＮ膜等とすればよい。絶縁膜積層体１０２の最上部には、平坦化のためにテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）膜等からなる平坦化絶縁膜１２４が形成されている。

光導波路１０３は、絶縁膜積層体１０２における受光素子１１１の上側に形成された凹部に埋め込まれた、第１の膜１３１及び第２の膜１３２からなる。第１の膜１３１は、屈折率が高い絶縁膜とすることが好ましいが、屈折率が絶縁膜積層体１０２を構成する層間絶縁膜よりも小さい膜とすることも可能である。第２の膜１３２は、できるだけ屈折率が高い絶縁膜とすることが好ましく、少なくとも絶縁膜積層体１０２を構成する層間絶縁膜よりも屈折率が高い膜であり且つ第１の膜１３１以上の屈折率を有する膜とすればよい。層間絶縁膜は、屈折率が１．４〜１．５程度のＳｉＯ₂膜又は屈折率が１．５〜１．６程度のＳｉＯＣ膜が通常用いられる。このため、第１の膜１３１及び第２の膜１３２は、屈折率が１．９〜２．０程度のＳｉＮ膜又は屈折率が１．６〜１．８程度の窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）膜等とすることが好ましい。第１の膜１３１と第２の膜１３２とは、異なる材料を用いて形成してもよい。例えば、第２の膜をＳｉＮ膜とし、第１の膜をＳｉＯＮ膜としてもよい。また、第１の膜１３１は、ＳｉＯＣ膜又はＳｉＯ₂膜等とすることも可能である。

第１の膜１３１における凹部の側面上に形成されている部分は、凹部の上部における膜厚Ｗ１が凹部の下部における膜厚Ｗ２よりも小さい。このため、第２の膜１３２を気相成長法等により容易に埋め込むことができる。本実施形態においては、受光素子１１１は、幅が７００ｎｍ程度であり、凹部は、幅が１０００ｎｍ程度であり深さが６００ｎｍ程度である。この場合には、第１の膜１３１の凹部の上部における厚さＷ１は２００ｎｍ程度とし、凹部の下部における厚さＷ２は４００ｎｍ程度とすればよい。

第２の膜１３２の上には、平坦化樹脂層１５１、カラーフィルタ１５２、平坦化膜１５３及びマイクロレンズ１５４が順次形成されている。平坦化樹脂層１５１は、第２の膜１３２の上面の平坦性の向上及びカラーフィルタ１５２の接着性の向上のために設けられている。但し、第２の膜１３２の平坦性が十分であれば設けなくてもよい。カラーフィルタ１５２は、図１においては１色分だけが示されているが、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のフィルタがベイヤ配列されている。カラーフィルタの配列は、ベイヤ配列以外の配列でもよい。また、補色系のフィルタであってもよい。平坦化膜１５３は、色が異なるカラーフィルタ１５２同士の間に生じる段差を低減するために設けられている。マイクロレンズ１５４は、受光素子１１１への集光性を向上させるために設けられている。

以下に、光導波路１０３の形成方法について説明する。受光素子１１１等が形成された基板１０１の上に、配線１０４が埋め込まれた絶縁膜積層体１０２を既知の方法により形成した後、図２（ａ）に示すように、絶縁膜積層体１０２における受光素子１１１の上側に凹部１０２ａを形成する。図２(ａ)において、凹部１０２ａは第１の層間絶縁膜１２１に達していないが、凹部１０２ａが第１の層間絶縁膜１２１に達していてもよい。また、凹部１０２ａの底面は、基板１０１の主面と並行な面であることが好ましい。凹部１０２ａの幅及び深さは、受光素子１１１の平面寸法と、マイクロレンズ１５４及び光導波路１０３を組み合わせた場合の集光性等とを考慮して決定すればよい。本実施形態においては、凹部１０２ａの幅が１０００ｎｍで深さが６００ｎｍ（アスペクト比が０．６）であるとして説明する。

次に、図２（ｂ）に示すように、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）等を用いてＳｉＮ等からなる第１の膜１３１を形成する。ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜等を堆積した場合には、凹部１０２ａの上部において下部よりも膜厚が厚くなりオーバーハング部が形成される。オーバーハング部により凹部１０２ａが塞がれると、第２の膜１３２による埋め込みが困難となるため、第１の膜１３１は凹部１０２ａの上部が塞がれず凹部１０２ａに対応する位置に凹部１０２ｂが残存するように形成する。凹部１０２ａの上部が塞がれないようにするには、絶縁膜積層体１０２における凹部１０２ａを除く領域（平坦部）の膜厚を凹部１０２ａの幅の６０％程度以下とすることが好ましい。本実施形態においては、絶縁膜積層体１０２における平坦部の膜厚を５００ｎｍとした例を説明する。

次に、図３（ａ）に示すように、ドライエッチング法を用いたエッチバックを行い、オーバーハング部を除去する。これにより、第１の膜１３１は凹部１０２ａの上部における膜厚が、下部における膜厚よりも薄くなる。従って、底面よりも上端部における幅が広い凹部１０２ｃが形成される。本実施形態においては、平坦部におけるエッチバック量を３００ｎｍ程度とすれば、オーバーハング部が除去され、凹部１０２ａの上部において下部よりも膜厚を薄くできる。これにより、凹部１０２ａの上部における第１の膜１３１の膜厚Ｗ１が１５０ｎｍ程度となり、下部における膜厚Ｗ２が３５０ｎｍ程度となる。膜厚Ｗ１が膜厚Ｗ２の３分の７程度以下であれば、アスペクト比が０．６程度の場合にもボイドの発生を避けることが可能となる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてＳｉＮ等からなる第２の膜１３２を堆積し、凹部１０２ｃを埋め込む。第２の膜１３２の上面には、凹部１０２ｃに対応する位置に窪み１３２ａが生じる。

次に、図４（ａ）に示すように、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）等を用いて第２の膜１３２の上面を研磨して平坦化する。

次に、図４（ｂ）に示すように、平坦化樹脂層１５１、カラーフィルタ１５２、平坦化膜１５３及びマイクロレンズ１５４等を順次形成する。なお、本実施形態においては、カラーフィルタ１５２が切れ目なく形成されている構成を示した。しかし、図５に示すようにカラーフィルタ１５２同士の間に分離用の絶縁膜１５６を形成してもよい。カラーフィルタ１５２よりも屈折率が低い材料によりカラーフィルタを囲むことにより、カラーフィルタ１５２における集光性を向上させることができる。一般的なカラーフィルタの屈折率は１．５〜１．７程度であるため、絶縁膜１５６はこれよりも屈折率が低いＴＥＯＳ膜（屈折率１．４５）等とすればよい。

本実施形態においては、第１の膜１３１と第２の膜１３２とを順次形成することにより凹部１０２ａを埋め込んでいる。また、第１の膜１３１を形成した後、エッチバックを行い凹部１０２ａの上部における膜厚Ｗ１を下部における膜厚Ｗ２よりも小さくしている。このため、第２の膜１３２を成膜する際に、凹部１０２ａの内部に気体原料が十分に供給される。従って、ＣＶＤ法等を用いて屈折率が高い材料からなる膜を形成する場合においても、凹部１０２ａの内部において第２の膜１３２にボイドが発生しにくくなる。その結果、屈折率が高く集光性に優れた光導波路を効率良く形成することが可能となる。

図６は、凹部のアスペクト比と光導波路に生じるボイドの幅との関係を示している。ボイドの幅は、基板の主面と並行な方向の最大値としている。第２の縦軸における感度低下率はボイドの幅から理論的に算出している。評価に用いた光導波路は、ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を形成している。また、第１の膜における凹部の上部の膜厚と下部の膜厚との比は３／７としている。

凹部に一度に絶縁膜を埋め込んで形成する従来の光導波路においては、アスペクト比が小さい場合にも大きなボイドが発生しており、ボイドによる感度の低下が避けられない。一方、凹部の上部における膜厚が下部における膜厚よりも小さい第１の膜を形成した後、第２の膜を埋め込んで形成する本実施形態の光導波路は、アスペクト比が０．６程度まではボイドが発生していない。このように、本実施形態においては、アスペクト比が大きい場合にも、屈折率が高い材料を用いて集光性が高い光導波路を形成することが可能であり、集光性に優れた固体撮像装置を実現できる。

図７は、第１の膜１３１における凹部１０２ａの側面上に形成された部分の傾斜角度αとボイド幅との関係を示している。図７における傾斜角度αとは、図１においてＡの記号で示した下端部と、Ｂの記号で示した深さ方向の中央部とを結ぶ直線と、基板１０１の主面と並行な方向（水平方向）とがなす角αを意味する。評価に用いた凹部１０２ａのアスペクト比は０．６としている。図７に示すように、第１の膜１３１の傾斜角度αを７５°以下とすることにより光導波路１０３内におけるボイドの発生を抑えることができる。なお、傾斜角度αは、例えばモノフルオロメタン（ＣＨ₃Ｆ）と酸素(Ｏ₂)とを用いたエッチバックの場合には、ＣＨ₃ＦとＯ₂との比を変化させることにより調整することができる。

ＣＶＤ法により、屈折率が１．９３程度のＳｉＮからなる第２の膜１３２を埋め込んだ光導波路と、塗布法により、屈折率が１．７５程度のチタン含有シロキサンポリマーを埋め込んだ光導波路とを実際に作成して比較した。ＳｉＮ膜を用いた場合には、チタン含有シロキサンポリマーを用いた場合と比べて、受光素子１１１に入射する光量が少なくとも１０％以上向上した。このように、本実施形態の固体撮像装置は、ＳｉＮ等の屈折率が高い材料をボイドを発生させることなく埋め込むことが可能であり、集光性の向上に有用である。

本実施形態においては、第２の膜１３２をＣＭＰ法等により研磨して平坦化する方法について説明した。しかし、図８に示すように、第２の膜１３２の上に塗布膜からなる平坦化用の犠牲膜１６１を形成した後、犠牲膜１６１と第２の膜１３２とをエッチングすることにより第２の膜１３２を平坦化してもよい。犠牲膜１６１は、レジスト膜又はスピンオングラス（ＳＯＧ）膜等を用いればよい。

光導波路１０３の集光性は光導波路１０３の基板１０１の主面と垂直な方向の長さ（深さ）の影響を受ける。このため、第２の膜１３２を平坦化する際の研磨量は、マイクロレンズ１５４との組み合わせにより集光性が最大となる深さを確保できるように調整すればよい。必要に応じて図９に示すように、第２の膜１３２における平坦部の上に形成された部分を除去してもよい。また、図１０に示すように第１の膜１３１における平坦部の上に形成された部分についても除去してかまわない。図１０においては、第１の膜１３１における平坦部の上に形成された部分を完全に除去する例を示しているが、絶縁膜積層体１０２の平坦部の上に所定の厚さの第１の膜１３１を残存させてもよい。第２の膜１３２及び第１の膜１３１における凹部１０２ａを除く領域に形成された部分を除去することにより、第２の膜１３２及び第１の膜１３１により、凹部１０２ａの外部に光が漏れることを防止できるという効果も得られる。

本実施形態においては、第１の膜１３１を形成した後に残存する凹部１０２ｃが平坦な底面を有するようにした例を示した。しかし、第１の膜１３１における凹部１０２ａの上部に形成された部分の膜厚が、下部に形成された部分の膜厚よりも大きければよく、平坦な底面が形成されている必要はない。例えば、図１１に示すように第１の膜１３１により断面Ｖ字状の凹部が残存するようにしてもよい。残存する凹部を断面Ｖ字状とすることにより、第１の膜１３１の凹部の側面上に形成された部分の傾斜角度αをさらに大きくすることができ、第２の膜１３２の埋め込みがより容易となるという利点が得られる。

傾斜角度αを大きくするには、窒素（Ｎ₂）、水素（Ｈ₂）又はフッ化炭素系のガス等の堆積性の強いガスを用いて第１の膜１３１を厚く成膜しつつ、エッチングすればよい。フッ化炭素系のガスとしては、一般式がＣＨ_xＦ_yで表されるガスを用いることができる。フッ化炭素系のガスとしてＨを含まない（ｘ＝０）４フッ化炭素を用いることも可能であるが、ｘが大きい方が堆積性が強く、ＣＨ₃Ｆ、ＣＨＦ₃等を用いることが好ましい。堆積性が強いガスをエッチング用いる場合には、エッチングストップが生じる可能性があるが、酸素（Ｏ₂）等を添加することにより、エッチングストップの発生を抑制することができる。例えば、ＣＨ_xＦ_yで表されるフッ化炭素系のガスを用いた場合にはＨ及びＦが解離し、余った結合手を有するＣＨ_x2Ｆ_y2が生成されると共に、ＣＨ_x2Ｆ_y2同士の重合が生じる。Ｈ及びＦの解離は、エッチングガスを分解するために印加する電力を高くするほどガスの分解が促進される。このため、エッチングストップが生じない範囲において印加する電力を大きくすれば、重合膜がより厚く形成され、凹部の下部において幅を狭くすることができる。また、ガスの圧力が高いほどプラズマ中のイオンの指向性が弱くなり、重合膜の生成と消滅とのうち、消滅の速度が小さくなる。このため、エッチングストップが生じない範囲においてガスの圧力を高くした方が、重合膜の膜厚が厚くなり、傾斜角度αをより大きくすることができる。

また、絶縁膜積層体１０２に形成する凹部１０２ａの側面は基板１０１の主面に対して垂直になっている必要はなく、図１２に示すように上端部の幅が下端部の幅よりも広がった形状としてもよい。凹部１０２ａの側面の傾きを大きくすれば光導波路１０３の埋め込みがさらに容易となる。一方、凹部１０２ａの側面の傾きを大きくしようとすると、底面の平坦性が損なわれ受光素子１１１へ光が入射しにくくなるおそれがある。また、絶縁膜積層体１０２は材質が異なる複数の膜の積層体であり、凹部の側面の傾きを大きくすることは困難である。しかし、底面の平坦性が損なわれない範囲で、絶縁膜積層体１０２に形成する凹部の側面の傾きを大きくすれば、光導波路１０３の埋め込みがさらに容易になるという利点が得られる。

本実施形態においては、第２の膜１３２の上面を平坦化する例を示した。しかし、図１３に示すように第２の膜１３２の凹部に形成された部分の上面を凸レンズ状に加工してもよい。第２の膜１３２の上面を凸レンズ状とすることにより、受光素子１１１への集光性をさらに向上させることができる。

第２の膜１３２の上面を凸レンズ状に加工する場合には、図８に示すように第２の膜１３２の上に、犠牲膜１６１を形成した後、犠牲膜１６１及び第２の膜１３２をエッチングして形成すればよい。第２の膜１３２の上面を凸レンズ状に加工する場合には、犠牲膜１６１のエッチングレートよりも第２の膜１３２のエッチングレートが大きくなる条件で犠牲膜１６１及び第２の膜１３２を全面エッチング処理し、犠牲膜１６１を全て除去すればよい。犠牲膜１６１は、レジスト膜又はＳＯＧ膜等とし、膜厚は８００ｎｍ程度とすればよい。また、第２の膜１３２よりも第１の膜１３１のエッチングレートが大きくなる条件でエッチング処理しても第２の膜１３２の上面を凸レンズ状に加工できる。さらに、犠牲膜１６１を形成せず、図３（ｂ）に示すように第２の膜１３２を堆積し、凹部１０２ｃを埋め込んだ後に第２の膜１３２よりも第１の膜１３１のエッチングレートが大きくなる条件でエッチング処理しても第２の膜１３２の上面を凸レンズ状に加工できる。

また、図１４に示すように第２の膜１３２における絶縁膜積層体１０２の平坦部の上に形成された部分が除去された構造となるまでエッチングを行ってもよい。なお、図１４においては、第１の膜１３１が絶縁膜積層体１０２の平坦部の上に残存している例を示したが、第１の膜１３１における絶縁膜積層体１０２の平坦部の上に形成された部分を完全に除去してもよい。

第２の膜の上面を凸レンズ状とする場合においても、第１の膜を堆積した後に残存する凹部のテーパ角を小さくしてもよい。また、絶縁膜積層体に形成する凹部の側面が傾斜している構造としてもよい。さらに、カラーフィルタが絶縁膜により互いに分離された構造としてもよい。

本実施形態において絶縁膜積層体が２層の配線を含む例を示した。しかし、３層以上の配線が形成されていてもよい。

本実施形態においては、凹部に第１の膜と第２の膜とを埋め込むことにより光導波路を形成する例を示したが、凹部への膜の堆積とエッチングとを２回以上繰り返し、３つ以上の膜を埋め込む構成としてもよい。第１の膜及び第２の膜の堆積にＣＶＤ法を用いる例を示したが、物理気相堆積(ＰＶＤ）法等を用いることもできる。

本実施形態においては、ＭＯＳ型の固体撮像装置について説明したが、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置にも適用することができる。

本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、屈折率が高い材料を埋め込んだ集光性が高い光導波路を備えた固体撮像装置を容易に実現でき、小型で且つ高感度な固体撮像装置及びその製造方法等として有用である。

１０１基板
１０２絶縁膜積層体
１０２ａ凹部
１０２ｂ凹部
１０２ｃ凹部
１０３光導波路
１０４配線
１１１受光素子
１１１Ａ電荷蓄積層
１１１Ｂ表面層
１１２素子分離領域
１１３ゲート絶縁膜
１１４反射防止膜
１１５ゲート電極
１２１第１の層間絶縁膜
１２２第２の層間絶縁膜
１２３第３の層間絶縁膜
１２４平坦化絶縁膜
１３１第１の膜
１３２第２の膜
１３２ａ窪み
１４１配線
１４２銅膜
１４３バリアメタル膜
１４４拡散防止膜
１５１平坦化樹脂層
１５２カラーフィルタ
１５３平坦化膜
１５４マイクロレンズ
１５６絶縁膜
１６１犠牲膜

Claims

半導体基板の上に形成された受光部と、
前記半導体基板の上に形成され、層間絶縁膜を含み、前記受光部と対応する位置に第１の凹部を有する絶縁膜積層体と、
前記第１の凹部に形成され、前記受光部に光を導く光導波路とを備え、
前記光導波路は、前記絶縁膜積層体側から順次形成された第１の膜及び第２の膜を有し、
前記第１の膜及び前記第２の膜の屈折率はそれぞれ前記層間絶縁膜の屈折率よりも高く、
前記第１の膜は、前記第１の凹部の側面及び底面を覆い且つ前記第１の凹部と対応する位置に第２の凹部を有し、
前記第２の膜は前記第２の凹部内を埋め込むように形成されており、
前記第１の膜における前記第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、前記第１の凹部の上部において下部よりも薄く、
前記第１の凹部の側面には、前記層間絶縁膜を含む複数の層が露出し、
前記第１の膜は、前記第１の凹部の側面において前記複数の層と接することを特徴とする固体撮像装置。
前記第２の膜は前記第１の膜と接するように形成されており、
前記第２の膜は前記第２の凹部内を前記第２の凹部の上端まで埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の膜及び前記第２の膜は単層膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
前記第１の膜は、窒化シリコン膜又は窒酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第２の膜は、窒化シリコン膜又は窒酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の膜における前記第１の凹部の側面を覆う部分の深さ方向の中央部と下端部とを結ぶ直線は、前記半導体基板の主面と並行な方向となす角が７５°以下である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装置。
前記第１の膜における前記第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、前記第１の凹部の上部と下部とにおいて比が３：７以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の凹部の底面は、前記半導体基板の主面と並行な平面であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第２の膜の屈折率は、前記第１の膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第２の膜は、前記第１の凹部の外側の領域に形成されていないことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の膜の上面は、前記絶縁膜積層体の上面と同一平面に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の膜における前記第１の凹部の側面上に形成された部分は、前記第１の凹部の上部から下部に向かって膜厚が直線的に増加していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第２の膜における前記第１の凹部に形成された部分は、上面が凸レンズ状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
受光素子を形成した半導体基板の上に、前記受光素子と対応する位置に第１の凹部を有する絶縁膜積層体を形成する工程と、
前記第１の凹部に埋め込まれた光導波路を形成する工程とを備え、
前記光導波路を形成する工程は、
前記絶縁膜積層体の上に前記第１の凹部と対応する位置に第２の凹部が残存するように前記絶縁膜積層体より高い屈折率を有する第１の膜を形成する第１の成膜工程と、
前記第１の膜における前記第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚を、前記第１の凹部の上部において下部よりも薄くするエッチング工程と、
前記エッチング工程よりも後に前記第２の凹部を埋めるように前記絶縁膜積層体より高い屈折率を有する第２の膜を前記第１の膜の上に形成する第２の成膜工程とを含み、
前記第１の凹部の側面には、前記層間絶縁膜を含む複数の層が露出し、
前記第１の膜は、前記第１の凹部の側面において前記複数の層と接することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記第２の膜は、前記第１の膜と接し、且つ前記第２の凹部内を前記第２の凹部の上端まで埋め込むように形成することを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第１の膜及び前記第２の膜は単層膜であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記第１の膜及び第２の膜は、化学気相堆積法により成膜することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記エッチング工程において、前記第１の膜における前記第１の凹部の側面を覆う部分の深さ方向の中央部と下端部とを結ぶ直線が、前記半導体基板の主面と並行な方向となす角を７５°以下とすることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記エッチング工程において、前記第１の膜における前記第１の凹部の側面上に形成された部分の膜厚は、前記第１の凹部の上部と下部とにおける比が３：７以下とすることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記エッチング工程は、窒素、水素又はフッ化炭素系のガスを用いて行うことを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記光導波路を形成する工程は、前記第２の成膜工程よりも後に、前記第２の膜における前記第１の凹部に形成された部分の上面を凸レンズ状に加工するレンズ形成工程を含むことを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記レンズ形成工程は、前記第２の膜を前記第１の膜よりも研磨レートを低くして研磨する工程であることを特徴とする請求項２１に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記レンズ形成工程は、前記第２の膜の上に犠牲膜を形成する工程、及び前記犠牲膜及び前記第２の膜をエッチバックする工程を含み、
前記エッチバックは、前記第２の膜のエッチレートが前記犠牲膜のエッチレートよりも大きい条件で行うことを特徴とする請求項２１に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記レンズ形成工程は、前記第２の膜の上に犠牲膜を形成する工程、及び前記犠牲膜及び前記第２の膜をエッチバックする工程を含み、
前記エッチバックは、前記第１の膜のエッチレートが前記第２の膜のエッチレートよりも大きい条件で行うことを特徴とする請求項２１に記載の固体撮像装置の製造方法。