JP6235412B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照しながら本実施の形態1の半導体装置の構造および製造工程について詳細に説明する。本実施の形態1では、半導体装置が、CMOSイメージセンサを備えている例について説明する。
図1は、画素の構成例を示す回路図である。なお、図1では、1個の画素を示すが、実際にカメラなどの電子機器に使用される画素数は数百万のものがある。
次いで、画素領域および周辺回路領域の素子構造を説明する。図5および図6は、実施の形態1の半導体装置の構成を示す断面図である。図5は、図2のA−A断面に対応している。図6は、図4のB−B断面に対応している。
次いで、平面視における中空の光導波路の配置について説明する。例えば一眼レフカメラ用のCMOSイメージセンサなど、高感度を有するCMOSイメージセンサを備えた半導体装置では、例えば平面視において、矩形形状を有する画素の1辺の長さが、例えば2〜4μm程度であり、1μmを超えることがある。以下では、画素の1辺の長さが、1μmを超える場合を例示して説明する。
次いで、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。
次いで、本実施の形態1の変形例について説明する。図29および図30は、実施の形態1の変形例の半導体装置の構成を示す断面図である。図29は、図2のA−A断面に対応している。図30は、図4のB−B断面に対応している。
次に、光導波路を通ってフォトダイオードPDに入射される入射光の減衰について、比較例1および比較例2の半導体装置と比較しながら説明する。図39は、比較例1の半導体装置の構成を示す断面図である。図40は、比較例2の半導体装置の構成を示す断面図である。
本実施の形態1の半導体装置では、半導体基板1Sの主面上に、フォトダイオードPDを覆うように絶縁膜部IF1が形成され、フォトダイオードPDの中心CPと重なる部分の絶縁膜部IF1の上面に、凹部CC1が形成され、絶縁膜部IF1上に、凹部CC1を閉塞するように透過膜TF1が形成されている。凹部CC1と透過膜TF1とにより空間SP1が形成され、空間SP1は、平面視において、フォトダイオードPDの中心CPと重なるように配置されている。
実施の形態2では、実施の形態1の半導体装置において、さらに、凹部の側面に、側壁絶縁膜が形成された例について説明する。
次いで、画素領域の素子構造を説明する。図41は、実施の形態2の半導体装置の構成を示す断面図である。図41は、図2のA−A断面に対応している。
次いで、本実施の形態2の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態2の半導体装置は、例えば空間SP1が平面視においてフォトダイオードPDの中心CPと重なるように配置されているなど、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を有しているため、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
実施の形態1では、凹部を閉塞する透過膜が形成された貼り合わせ基板を貼り合わせて透過膜を接合した後、透過膜を残した状態で貼り合わせ基板を除去することにより、凹部を閉塞する例について説明した。一方、実施の形態3では、マイクロレンズおよびカラーフィルタ層が形成された支持基板を接着することにより、凹部を閉塞する例について説明する。
次いで、画素領域および周辺回路領域の素子構造を説明する。図46および図47は、実施の形態3の半導体装置の構成を示す断面図である。図46は、図2のA−A断面に対応している。図47は、図4のB−B断面に対応している。
次いで、本実施の形態3の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態3の半導体装置は、例えば空間SP1が平面視においてフォトダイオードPDの中心CPと重なるように配置されているなど、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を有しているため、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
1S 半導体基板
2A 周辺回路領域
11S 貼り合わせ基板
21S 支持基板
AcAS、AcG、AcL、AcR、AcTP 活性領域
AMI 増幅トランジスタ
AR1 領域
ARF 反射防止膜
CAP キャップ絶縁膜
CC1 凹部
CF カラーフィルタ層
CHfd、CHt1、CHt2 コンタクトホール
CHP 素子領域
CN1〜CN3 位置
CP、CP1、CP2 中心
DP1 深さ
EP1 電極パッド
FD フローティングディフュージョン
Ga、Glt、Gr、Gs、Gt ゲート電極
GND 接地電位
GOX ゲート絶縁膜
IF1 絶縁膜部
IL1〜IL5 層間絶縁膜
LCS 素子分離領域
LF1〜LF3 ライナー膜
LN1、LN2 長さ
LRST リセット線
LT トランジスタ
LTX 転送線
M1〜M3 配線
ML マイクロレンズ
n1 ノード
NM 低濃度半導体領域(n−型半導体領域)
NR 高濃度半導体領域(n+型半導体領域)
NWL n型ウェル
OL 出力線
OP1、OP2、OR1 開口部
OXF 密着膜
Pa、Pag、Pfd、Pg、Pr1、Pr2、Prg プラグ
PD、PD1、PD2 フォトダイオード
PF1 保護膜
PR p+型半導体領域
Ps、Psg、Pt1、Pt2、Pt3、Ptg プラグ
PU 画素
PWL p型ウェル
RF1 レジスト膜
RP1 レジストパターン
RST リセットトランジスタ
SD1〜SD4 辺
SEL 選択トランジスタ
SIL シリサイド層
SL 選択線
SP1 空間
SW サイドウォール
SWF 側壁絶縁膜
TF1 透過膜
TX 転送用トランジスタ
VDD 電源電位
WD1、WD2 幅
WG1 光導波路
WL1 配線層
Claims (17)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の第1主面に形成され、入射光を受光して電荷に変換する光電変換素子と、
前記半導体基板の前記第1主面上に、前記光電変換素子を覆うように形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に形成された絶縁膜部と、
平面視において、前記光電変換素子の中心と重なる部分の前記絶縁膜部を貫通して、前記反射防止膜の上面に達するように形成された開口部と、
前記絶縁膜部上に、前記開口部を閉塞するように形成され、前記入射光を透過させる透過膜部と、
を有し、
前記反射防止膜と、前記開口部の側面と、前記透過膜部とにより光導波路となる空間が形成され、
前記空間は、平面視において、前記光電変換素子の中心と重なるように配置されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記開口部は、平面視において、前記光電変換素子が形成された領域内に形成されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記開口部の上方に位置する部分の前記透過膜部上に形成されたカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層上に形成されたマイクロレンズと、
を有する、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記透過膜部は、酸化シリコン膜からなる、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記開口部の前記側面に形成された側壁絶縁膜を有する、半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記側壁絶縁膜は、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなる、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記絶縁膜部は、
前記半導体基板の前記第1主面上に、前記光電変換素子を覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に、複数の第1絶縁層の各々と複数の第2絶縁層の各々とが交互に積層された積層絶縁膜と、
を含み、
前記第2絶縁層は、前記第1絶縁層と異なる材料からなり、
前記開口部は、前記積層絶縁膜を貫通して前記層間絶縁膜に達し、
前記複数の第1絶縁層のうちいずれかの第1絶縁層に形成された配線により、配線層が形成されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記透過膜部は、カラーフィルタ層であり、
前記半導体装置は、さらに、
前記開口部の上方に位置する部分の前記カラーフィルタ層上に形成されたマイクロレンズを有する、半導体装置。 - (a)半導体基板の第1主面に、入射光を受光して電荷に変換する光電変換素子を形成する工程、
(b)前記半導体基板の前記第1主面上に、前記光電変換素子を覆うように反射防止膜を形成する工程、
(c)前記反射防止膜上に絶縁膜部を形成する工程、
(d)平面視において、前記光電変換素子の中心と重なる部分の前記絶縁膜部を貫通して、前記反射防止膜の上面に達するように開口部を形成する工程、
(e)前記入射光を透過させる透過膜部を、前記絶縁膜部上に、前記開口部を閉塞するように形成する工程、
を有し、
前記(e)工程では、
前記反射防止膜と、前記開口部の側面と、前記透過膜部とにより光導波路となる空間が形成され、
前記空間は、平面視において、前記光電変換素子の中心と重なるように配置される、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e1)貼り合わせ基板の第2主面上に、前記透過膜部を形成する工程、
(e2)前記貼り合わせ基板の前記第2主面と前記半導体基板の前記第1主面とが対向した状態で、前記半導体基板に前記貼り合わせ基板を貼り合わせることにより、前記透過膜部と前記絶縁膜部とを接合する工程、
(e3)前記半導体基板の前記第1主面上に前記透過膜部を残した状態で、前記半導体基板に貼り合わされた前記貼り合わせ基板を除去する工程、
を含む、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d)工程では、前記開口部を、平面視において、前記光電変換素子が形成された領域内に形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
(f)前記開口部の上方に位置する部分の前記透過膜部上に、カラーフィルタ層を形成する工程、
(g)前記カラーフィルタ層上にマイクロレンズを形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程では、酸化シリコン膜からなる前記透過膜部を形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
(h)前記(e)工程の前に、前記開口部の前記側面に、側壁絶縁膜を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項14記載の半導体装置の製造方法において、
前記(h)工程では、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなる前記側壁絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程は、
(c1)前記半導体基板の前記第1主面上に、前記光電変換素子を覆うように層間絶縁膜を形成する工程、
(c2)前記層間絶縁膜上に、複数の第1絶縁層の各々と複数の第2絶縁層の各々とが交互に積層された積層絶縁膜を形成する工程、
を含み、
前記第2絶縁層は、前記第1絶縁層と異なる材料からなり、
前記(d)工程では、前記積層絶縁膜を貫通して前記層間絶縁膜に達する前記開口部を形成し、
前記(c2)工程では、前記複数の第1絶縁層のうちいずれかの第1絶縁層の内部に配線を形成することにより、配線層を形成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、
(e4)支持基板の第3主面側に、マイクロレンズを形成する工程、
(e5)前記マイクロレンズを覆うように、前記支持基板の前記第3主面上に、前記透過膜部としてのカラーフィルタ層を形成する工程、
(e6)平面視において、前記支持基板の前記第3主面と前記半導体基板の前記第1主面とが対向し、かつ、前記マイクロレンズと前記開口部とが対向した状態で、前記半導体基板上に前記支持基板を接着することにより、前記マイクロレンズを覆うように形成された前記カラーフィルタ層と前記絶縁膜部とを接着する工程、
を含む、半導体装置の製造方法。
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