JP4682568B2

JP4682568B2 - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP4682568B2
Application number: JP2004269248A
Authority: JP
Inventors: 敦奥山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006086320A

Description

本発明は、光学系から入射した光を導波管によって光電変換部の受光部に導く固体撮像素子の製造方法に関する。

従来より、固体撮像素子における感度特性向上を目的として、様々な提案がなされており、その１つとして、光電変換部の受光部上に配置される上部積層膜に孔部を形成し、この孔部内に高屈折材料を充填して導波管構造としたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
図２はこのような固体撮像素子における導波管周辺部の素子構造を示す断面図である。
まず、シリコン基板１０の表層部には光電変換部（フォトダイオード）１２が形成され、その上部に各種の配線層１４及び絶縁層１６の多層配線構造よりなる上部積層膜１８が形成されている。なお、図示の例では、３層の配線層１４を有する場合を示している。
また、上部積層膜１８の上には、パッシベーション膜２０及びカラーフィルタ２２を介してマイクロレンズ２４が装着されている。

そして、上部積層膜１８の内部には、マイクロレンズ２４から入射した光（例えば矢線Ｌで示す）をフォトダイオード１２の受光部に導くための導波管２６が設けられている。この導波管２６は、上部積層膜１８のフォトダイオード１２の直上部に、受光部領域に対応する孔部２８を形成し、この孔部２８にプラズマＣＶＤ等によってＳｉＮ膜等の高屈折材料を充填して形成されている。なお、導波管２６の外周には反射膜２６Ａが形成され、光の漏洩を防止する構造となっている。
マイクロレンズ２４から入射した光は、カラーフィルタ２２及びパッシベーション膜２０を通して導波管２６に導かれ、この導波管２６を通してフォトダイオード１２の受光部に導かれることにより、受光効率の改善が図られる。
特公平６−１８２４号公報

しかしながら、近年の固体撮像素子の微細化に伴い、フォトダイオードの受光部の面積は徐々に狭くなる傾向にあり、このため図２に示した従来の構成では、導波管及び孔部のアスペクト比（幅と深さの比）が大きくなる。そして、孔部のアスペクト比が大きくなると、孔部を埋めるプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜のカバレッジが悪化してボイドが発生したり、孔部形成時のドライエッチングにおいて適正な加工性を得ることが困難になるといった問題があった。
また、上述した従来の導波管構造では、導波管の底部がフォトダイオードの受光部近傍付近にあるため、孔部加工時の影響により、結晶欠陥等が生じ易くなり、種々の特性劣化を引き起こす要因となっていた。

そこで本発明は、入射光を導波管によって受光部に導く構成において、画素の微細化に伴う導波管の小径化に容易に対応でき、かつ、受光部側に悪影響を与えることなく加工でき、撮像感度の向上や製造の容易化を実現できる固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の製造方法は、光電変換部及びその他の素子を形成した半導体基板上に複数層の配線層と絶縁層を含む上部積層膜を形成する工程と、前記上部積層膜を形成する中途の工程において前記光電変換部の受光部に対応する層内レンズを形成する工程と、前記上部積層膜における層内レンズの直上領域に、前記層内レンズをエッチングストッパに用いて孔開けエッチングを行い導波管用の孔部を形成する工程と、前記孔部内に導波管を形成する工程と、前記導波管を形成した上部積層膜上に中間膜を介してマイクロレンズを形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、上部積層膜中の前記マイクロレンズから前記光電変換部の受光部に至る光路上に、マイクロレンズからの入射光を光電変換部の受光部に導く導波管と、マイクロレンズからの入射光を光電変換部の受光部に導く層内レンズとを光路方向に直列に配置したことから、導波管と層内レンズの両方の作用を用いて光電変換部への入射光を集光制御できる。
したがって、層内レンズと組み合わせた分だけ、導波管の長さを短縮できるので、画素の微細化に伴う導波管の小径化に容易に対応でき、かつ、加工が容易化することで、受光部側に悪影響を与えることなく加工でき、撮像感度の向上や製造の容易化を実現できる効果がある。
また、導波管と層内レンズと組み合わせによって、集光効率の向上による感度の向上を図ることができ、また、斜めに入射した光の配線層での反射を抑制でき、シェーディングへの影響を低減して画質の向上を図ることが可能となる。また、隣接画素への光の漏れ込みを低減し、隣接画素への迷光の洩れ込みによるブルーミングを抑制して画質の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態では、光電変換部（フォトダイオード）を設けた半導体基板上に複数の配線層と絶縁層よりなる上部積層膜を形成し、その上にカラーフィルタを介してマイクロレンズを配置した構成において、上部積層膜中のマイクロレンズからフォトダイオードの受光部に至る光路上に、マイクロレンズからの入射光をフォトダイオードの受光部に導く導波管を形成し、この導波管とフォトダイオードの受光部との間に入射光を光電変換部の受光部に導く層内レンズを配置する。なお、層内レンズは、フォトダイオード側に凹んだ凹面レンズである。また、導波管の下端部は上部積層膜の最下層の配線層よりも上に配置されている。
また、固体撮像素子の製造工程において、導波管用の孔部を形成する場合に、層間絶縁膜とは膜質（エッチング選択比）の異なる層内レンズの層をエッチングストッパとして孔開けエッチング加工を行うことにより、フォトダイオードに悪影響を与えることなく、精度の良い導波管の作製を行うことが可能となる。
このような構成により、導波管の長さを短縮し、導波管及び孔部のアスペクト比の緩和によって加工を容易化し、受光部への悪影響を回避しつつ、撮像特性の改善を図る。

図１は本発明の実施例による固体撮像素子における導波管周辺部の素子構造を示す断面図である。
図示のように、光電変換部（フォトダイオード）１１２を設けたシリコン基板１１０の上部にはアルミ配線等による３層の配線層１１４と絶縁層１１６による多層配線構造の上部積層膜１１８が形成され、その上に中間膜としてのパッシベーション膜１２０及びカラーフィルタ１２２を介してマイクロレンズ１２４が装着されている。
そして、上部積層膜１１８の内部には、マイクロレンズ１２４から入射した光（例えば矢線Ｌで示す）をフォトダイオード１１２の受光部に導くための導波管１２６が設けられ、その下に層内レンズ１３０が形成されている。
導波管１２６は、上部積層膜１１８の上面から中途部に形成された孔部１２８に高屈折率材料を埋め込むことにより形成されており、導波管１２６の下端部の位置は、上部積層膜１１８の最下層の配線層１１４より上に形成されている。なお、導波管１２６の外周には反射膜１２６Ａが形成され、光の漏洩を防止する構造となっている。また、詳しくは、導波管１２６及び反射膜１２６Ａの径は上面近傍で拡大しており、周囲の光を効率的に取り込むような構成となっている。
また、層内レンズ１３０は、フォトダイオード１１２側に凹んだ凹面レンズであり、導波管１２６から出た光をフォトダイオード１１２の受光部に集光させるように屈折させる。
なお、導波管１２６の断面形状及び層内レンズ１３０の面形状は、フォトダイオード１１２の受光部の開口形状にほぼ対応している。

次に本実施例における固体撮像素子の製造方法について説明する。
まず始めに、フォトダイオード１１２やその他の素子を形成したシリコン基板１１０の上に最下層の絶縁膜１１６を形成した後、最下層の第１配線層１１４を形成し、基板表面の全面を被覆するように常圧ＣＶＤ法によって層間絶縁膜１１６を成膜し、ＣＭＰ法等の平坦化工程によって層間絶縁膜１１６を平坦化する。
その後、凹型の層内レンズ１３０となる層としてプラズマＣＶＤ法によるテトラエトキシシラン層（以下、Ｐ−ＴＥＯＳ層という）を堆積させた後、レンズ形成用のレジストパターンを形成し、等性方エッチングによってＰ−ＴＥＯＳ層を加工し、層内レンズ１３０の凹型のレンズ形状を形成する。

次に、レンズ形成用のレジストパターンを剥離した後、層内レンズ１３０にＵＶプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜（以下、ＵＶ−ＳｉＮ膜という）を堆積させ、その上にレジストを塗布し、エッチバック法を行いてＵＶ−ＳｉＮ膜の上面を平坦化し、凹型の層内レンズ１３０を形成する。
この後、第１配線層１１４と同様の工程を繰り返すことによって多層の配線層と層間絶縁層を形成し、最上層の配線層１１４を形成後、レジスト膜をマスクにして導波管用の孔部１２８を形成する。これはドライエッチングによって層間絶縁膜を選択的に除去し、さらに、層間絶縁膜１１６を貫通して導波管用の孔部を形成する。このとき、凹型層内レンズ１３０で形成したＵＶ−ＳｉＮ膜をエッチングストッパにして層間絶縁膜１１６を開口する。
この後、開口された孔部１２８に導波管用の材料を埋め込み、導波管１２６を形成する。この材料には、透明性の高い材料で、層間絶縁膜に比べて屈折率が高い材料を使用する。例えばＳｉＯを用いた層間絶縁膜の屈折率は１．４程度であり、導波管１２６には、屈折率が２．０程度あるＰ−ＳｉＮ膜を使用する。Ｐ−ＳｉＮ膜は高密度プラズマＣＶＤ法によって推積される。

以上のように本実施例では、フォトダイオード１１２の受光部の直上領域に層内レンズ１３０を形成し、その直上領域に導波管１２６を形成することにより、導波管のアスペクト比が緩和され、導波管形成時の加工上の問題が解決され、かつ、層内レンズ１３０と組み合わせることにより、従来の導波管と変わらない集光率が得られ、感度向上やシェーディング低減、及び混色の抑制といった効果を期待できる。
なお、上述した実施例では、導波管１２６を上に、層内レンズ１３０を下に形成したが、本発明はこれに限定されず、上下関係を逆にした構成であってもよい。また、層内レンズは上述のような凹レンズに限定されず、同様の機能が得られるものであれば、他の形状を有するものであってもよい。また、上述した実施例における各素子の材質等は一例であり、同様の作用効果が得られる範囲で適宜変更が可能である。

本発明の実施例による固体撮像素子における導波管周辺部の素子構造を示す断面図である。従来例による固体撮像素子における導波管周辺部の素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０……シリコン基板、１１２……フォトダイオード、１１４……配線層、１１６……絶縁層、１１８……上部積層膜、１２０……パッシベーション膜、１２２……カラーフィルタ、１２４……マイクロレンズ、１２６……導波管、１２８……孔部、１３０……層内レンズ。

Claims

光電変換部及びその他の素子を形成した半導体基板上に複数層の配線層と絶縁層を含む上部積層膜を形成する工程と、
前記上部積層膜を形成する中途の工程において前記光電変換部の受光部に対応する層内レンズを形成する工程と、
前記上部積層膜における層内レンズの直上領域に、前記層内レンズをエッチングストッパに用いて孔開けエッチングを行い導波管用の孔部を形成する工程と、
前記孔部内に導波管を形成する工程と、
前記導波管を形成した上部積層膜上に中間膜を介してマイクロレンズを形成する工程と、
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記導波管の下端部が上部積層膜の最下層の配線層よりも上に配置されるように、前記層内レンズ及び前記導波管を形成する
請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。