JP2005322824A

JP2005322824A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法

Info

Publication number: JP2005322824A
Application number: JP2004140798A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Fukuzaki; 勇三福崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP4984377B2

Abstract

【課題】受光部の上方に光導波路領域を備える固体撮像装置において、製造時の受光面に対するダメージを防止して、受光部の性能劣化を抑制すること。
【解決手段】本発明は、半導体基板１上に設けられる受光部２と、半導体基板１上を覆う絶縁膜３と、絶縁膜３の受光部２上方に対応する位置に設けられる光導波路領域４とを備える固体撮像装置において、光導波路領域４における受光部２側の端部と受光部２の受光面２ａとの間に所定の間隔が設けられているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成された受光部の上方に光導波路領域が形成されている固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。

固体撮像素子は画質の向上への要請から、画素数を増やして解像度を高くすることが必要である。コストを増加させずに画素数を増やすためには画素サイズを縮小する必要があるが、画素サイズを縮小すると一つの画素に入力できる光量は減少し、感度が低くなってしまう。一方、感度を高くするために遮光膜の開口部を大きくすると、隣接画素への光の混入が発生してしまう。

そこで、画素の感度の向上と光の混入の防止を達成するために、半導体装置表面にオンチップレンズを設けることが行われている。また、微細化による隣接画素への光の混入が防げない状態になってきているため、オンチップレンズと受光部との間に設けられた絶縁膜内に光透過材料の膜で構成される光導波路を設ける構造も考えられている。光導波路は、隣接受光部への光の混入を防ぎ、目的の受光部への光を誘導するものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特開２００２−１１８２４５号公報特開２００３−６０１７９号公報

しかしながら、受光部への導波路の形成には、光導波路形成用穴を開口する必要がある。光導波路は従来、受光部まで達しているために、前記光導波路形成用穴を加工する際に受光部がエッチングダメージを受けてしまい、感度特性の劣化をきたす。また、光導波路側面に反射用材料を形成するためには、一旦反射用材料を一律に形成したのち、異方性エッチングを行う必要があり、その際にも受光部はエッチングストップのための材料となり、ダメージを受けてしまう。このエッチングダメージに対する感度低下は、微細化が進む程に相対的に影響が大きくなる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、半導体基板上に設けられる受光部と、半導体基板上を覆う絶縁膜と、絶縁膜の受光部上方に対応する位置に設けられる光導波路領域とを備える固体撮像装置において、光導波路領域における受光部側の端部と受光部の受光面との間に所定の間隔が設けられているものである。

このような本発明では、受光部の上方に光導波領域が設けられる固体撮像装置において、受光部の受光面と光導波領域の受光部側の端部との間に所定の間隔が設けられているため、光導波領域をエッチングによって構成する際、受光部へのエッチングダメージを回避できるようになる。

また、本発明は、半導体基板上に受光部を形成し、その受光部の上に所定の厚さの第１絶縁膜を介してストッパメタル層を形成し、このストッパメタル層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、受光部と対応する位置の第２絶縁膜をストッパメタル層までエッチングし、このエッチングによってストッパメタル層から上方に向けて徐々に開口が広がる孔を形成する工程と、孔の内壁に光反射材もしくは第２絶縁膜と屈折率の異なる材料から成る薄膜を形成する工程と、孔を介してストッパメタル層をエッチングするとともに、そのエッチング部分から第１絶縁膜を等方性エッチングする工程と、孔および第１絶縁膜を等方性エッチングした部分に光導波路となる材料を埋め込む工程とを備える固体撮像装置の製造方法である。

このような本発明では、受光部の上にストッパメタル層を形成し、このストッパメタル層まで第２絶縁膜をエッチングして光導波領域を構成する孔を形成し、その後、孔を介してストッパメタル層をエッチングするとともに、そのエッチング部分から第１絶縁膜を等方性エッチングすることで、受光部の上に所定の間隔を開けた状態で光導波領域の端部を配置できるようになる。

したがって、本発明によれば、受光部の上に設けられる光導波領域の受光部側の端部を受光面から所定間隔離した状態で設けることができ、光導波領域形成を形成する際のエッチングで、受光部がダメージを受けることがなくなり、受光部の特性劣化を防止することが可能となる。これにより、光導波領域を備える固体撮像装置の微細化および感度向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。すなわち、この固体撮像装置は、半導体基板１に設けられる受光部２と、半導体基板１の受光部２側を覆う絶縁膜３と、絶縁膜３の受光部２の上方に対応する位置に設けられる光導波領域４とを備えているもので、この光導波領域４における受光部２側の端部と受光部２の表面（受光面２ａ）との間に所定の間隔が設けられている点に特徴がある。

光導波領域４は、この内側に入射した光を受光部２の受光面２ａまで導くためのもので、本実施形態では光導波領域４の内壁となる光反射面４ａの角度が徐々に変化して光を受光部２の中央部分へ集められるようになっている。つまり、図１に示す一点鎖線矢印のように、光導波領域４の光反射面４ａに反射しないで直接受光部２へ到達する光のほか、光反射面４ａで反射を繰り返して受光部２へ到達する光もあり、集光力を向上できることになる。

なお、図１に示す例では、光導波領域４の光反射面４ａが多角形状に段階的に変化しているが、曲面状に連続的に変化するようにしてもよい。このような角度変化によって、光導波領域４の光入射端では広く光を集め、光出射端では集めた光を受光部２へ集中させることが可能となる。ここで、光反射面４ａの角度変化は、入射側から出射側にかけて受光面２ａに対して４５度から９０度まで変化するように設定するのが望ましい。

また、光導波路領域４における受光部２側の端部の口径は、受光部２が受光面２ａにおける口径よりも小さくなっている。これは、光導波領域４の受光部２側の端部が受光部２の受光面２ａと間隔を開けて設けている関係から、この隙間から光が受光部２の外側へ逃げてしまうことが考えられ、これを防止する観点から、光導波領域４の受光部２側の端部の口径を受光部２の受光面２ａにおける口径よりも小さく設けて、端部から広がる光を確実に受光面２ａに当てるようにするためである。

また、光導波路領域４の受光部２とは反対側の端部（光入射端）の口径は、受光部２の受光面２ａの口径よりも大きくなっている。光入射端の口径が受光面２ａの口径よりも大きいことで、受光面２ａの微細化が進んでも多くの光を集めて受光できるようになる。

さらに、光導波路領域４の内壁である光反射面４ａの光反射効率を高めるため、光反射面４ａに絶縁膜３よりも高反射率の薄膜を形成したり、光導波領域４の内部に埋め込まれる材料よりも低屈折率の薄膜を形成しておく。

次に、第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を図２〜図７の模式断面図に沿って説明する。先ず、図２に示すように半導体基板１に受光部２を形成し、この受光部２の上に絶縁膜３を介してストッパメタル層Ｍを形成する。ストッパメタル層Ｍの材質としては、他の配線としても使用できるアルミニウムやタングステンが好適である。ここで、タングステンは過酸化水素水で選択的にエッチングされ、酸化シリコン系から成る絶縁膜３のへのダメージが最小である。ストッパメタル層Ｍの厚さは５０ｎｍ〜３００ｎｍの間で適宜選択する。

また、ストッパメタル層Ｍの上に絶縁膜３を設ける。ここで、実際には絶縁膜３は多層となるが、説明の便宜上、受光部２とストッパメタル層Ｍとの間の絶縁膜３を第１絶縁膜３ａ、その上の絶縁膜３を第２絶縁膜３ｂと言うものとする。

次に、図３に示すように、第２絶縁膜３ｂの上にレジストＲを塗布し、受光部２の受光面２ａの位置に対応して受光面２ａより大きな開口を開けた状態で、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって第２絶縁膜３ｂを異方的にエッチングする。これにより、上方が広がっている孔がストッパメタル層Ｍまで形成される。この孔は光導波路領域となるため、孔の内面の角度が光導波路領域の光反射面の角度となる。したがって、ＲＩＥ法による異方性エッチングの条件を制御することで、孔の内面の角度を調整する。また、孔の下端部の口径はストッパメタル層Ｍよりも片側１００ｎｍ程度小さくしておく。ストッパメタル層Ｍによって確実にエッチングを止めるためである。

ＲＩＥ法のエッチング条件としては、例えば、Ｃ_xＦ_y、Ａｒ、Ｏ₂、ＣＨＦ_z系のガス種を使用し、２ステップ以上のマルチステップとし、後のステップでＣＨＦ_z流量比を下げ、Ｏ₂流量比を上げるようにする。ここでｘ,ｙ,ｚは数字であり、Ｃ_xＦ_yは具体的にはＣ₄Ｆ₈、ＣＨＦ_zはＣＨＦ₃である。

次に、図４に示すように、第２絶縁膜３ｂに設けた孔の内壁に金属材料を一部もしくは全部使用した光反射のための薄膜４ｂ、もしくは孔に埋め込まれる材料よりも屈曲率の低い材料から成る薄膜４ｃを形成する。その後、ストッパメタル層Ｍの上に被着している薄膜４ｂ（４ｃ）をＲＩＥ法によってエッチング除去し、図５に示すようにストッパメタル層Ｍが露出する状態にする。

次に、この孔を介してウェットエッチングを行い、ストッパメタル層Ｍを除去し、続いてストッパメタル層Ｍが除去された部分から第１絶縁膜３ａをウェットエッチングして等法的に除去する。このエッチング後の状態が図６に示される。第１絶縁膜３ａの等法性エッチングによって、孔の下端における口径が広がる状態となる。この際、受光部２の受光面２ａから約５００ｎｍほど上の部分までしかエッチングが行われないことから、受光面２ａに対するエッチングダメージを防止できる。その後、図７に示すように、孔の内部に光導波路材となる材料を埋め込む。これにより、孔の部分に光導波路領域４が構成される。

このような第１実施形態に係る固体撮像装置では、光導波路領域４の受光部２とは反対側の端部（光入射端）の口径が受光部２の受光面２ａの口径より大きいため、より多くの光を光導波路領域４内に導くことができる。また、光導波路領域４の形成時に受光部２をエッチストップに使用しないので、受光面２ａへのエッチングダメージを発生させずに済む。このため、光導波路領域４の下端は受光部２と一定の間隔で離れているが、光導波路領域４の受光部２側の端部の口径は受光部２の受光面２の口径よりも小さいので、導波路内に導入した光を無駄なく、有効に受光部２へ当てることが可能となる。

次に、第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する。図８は、第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。すなわち、この固体撮像装置は、半導体基板１に設けられる受光部２、半導体基板１の受光部２側を覆う絶縁膜３、絶縁膜３の受光部２の上方に対応する位置に設けられる光導波領域４を備え、この光導波領域４における受光部２側の端部と受光部２の表面（受光面２ａ）との間に所定の間隔が設けられている点、先に説明した第１実施形態と同様であるが、光導波路領域４の受光部２側の端部にレンズＬが設けられている点で相違する。

つまり、光導波路領域４を形成する際、ストッパメタル層の形状を変えることでストッパメタル層の除去後の形状から絶縁膜３を等法性エッチングすることでレンズ形状を構成している。また、このレンズＬに光学的な特性を持たせるため、光導波路領域４の内部に埋め込む材料４０の屈折率を絶縁膜３の屈折率より大きくすることで、レンズＬによる集光力を高めるようにしている。このようなレンズＬを設けることで、光導波路領域４に導かれた光（図中一点鎖線矢印参照）は、直接受光部２へ到達するもののほか、光反射面４ａで反射を繰り返していくとともに、レンズＬで集光して受光部２へ確実に到達できるようになる。

光導波路領域４の光反射面４ａの角度は第１実施形態と同様に、光入射側から光出射側にかけて受光面２ａに対して４５度から９０度まで変化するように設定するのが望ましい。また、光導波路領域４の光入射側の端部の開口は受光面２の開口より大きく、光出射側の端部の開口は受光面２の開口より小さくなっている。さらに、光導波路領域４の内壁である光反射面４ａの光反射効率を高めるため、光反射面４ａに絶縁膜３よりも高反射率の薄膜を形成したり、光導波領域４の内部に埋め込まれる材料４０よりも低屈折率の薄膜を形成しておく。

次に、第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を図９〜図１４の模式断面図に沿って説明する。先ず、図９に示すように半導体基板１に受光部２を形成し、この受光部２の上に絶縁膜３を介してストッパメタル層Ｍを形成する。また、ストッパメタル層Ｍの上に絶縁膜３を設ける。ここで、実際には絶縁膜３は多層となるが、説明の便宜上、受光部２とストッパメタル層Ｍとの間の絶縁膜３を第１絶縁膜３ａ、その上の絶縁膜３を第２絶縁膜３ｂと言うものとする。

第２実施形態では、このストッパメタル層Ｍの形状として、受光面２ａ側の周縁にトレンチ形状を設けておく。トレンチ形状を形成するには、第１絶縁膜３ａを形成した後にトレンチ部分に対応した溝を形成し、その溝にストッパメタル層Ｍと同じ金属材料を埋め込み平坦化する。その後、トレンチ部分と一体となるようストッパメタル層Ｍを形成する。

トレンチ部分の溝の形成は、エッチング・ガスの調整によって行う。条件は、例えば、Ｃ_xＦ_y、Ａｒ、Ｏ₂、ＣＨＦ_z系のガス種を使用し、所望の深さが得られたのち、トレンチ部分の形成ステップとして、ガス比を以下のように変更する。すなわちＣＨＦ_z流量比を上げ、Ｏ₂流量比を下げる。Ｃ_xＦ_yは具体的にはＣ₄Ｆ₈、ＣＨＦ_zはＣＨＦ₃である。

次に、図１０に示すように、第２絶縁膜３ｂの上にレジストＲを塗布し、受光部２の受光面２ａの位置に対応して受光面２ａより大きな開口を開けた状態で、例えばＲＩＥ法によって第２絶縁膜３ｂを異方的にエッチングする。これにより、上方が広がっている孔がストッパメタル層Ｍまで形成される。この孔は光導波路領域となるため、孔の内面の角度が光導波路領域の光反射面の角度となる。したがって、ＲＩＥ法による異方性エッチングの条件を制御することで、孔の内面の角度を調整する。また、孔の下端部の口径はストッパメタル層Ｍよりも片側１００ｎｍ程度小さくしておく。ストッパメタル層Ｍによって確実にエッチングを止めるためである。ＲＩＥ法のエッチング条件は、例えば第１実施形態と同様である。

次に、図１１に示すように、第２絶縁膜３ｂに設けた孔の内壁に金属材料を一部もしくは全部使用した光反射のための薄膜４ｂ、もしくは孔に埋め込まれる材料よりも屈曲率の低い材料から成る薄膜４ｃを形成する。その後、ストッパメタル層Ｍの上に被着している薄膜４ｂ（４ｃ）をＲＩＥ法によってエッチング除去し、図１２に示すようにストッパメタル層Ｍが露出する状態にする。

次に、この孔を介してウェットエッチングを行い、ストッパメタル層Ｍを除去し、続いてストッパメタル層Ｍが除去された部分から第１絶縁膜３ａをウェットエッチングして等法的に除去する。このエッチング後の状態が図１３に示される。第２実施形態では、ストッパメタル層Ｍにトレンチ形状が設けられていることから、このストッパメタル層Ｍを除去した形状にもトレンチ部分が転写されており、この状態で第１絶縁膜３ａを等法性エッチングすることによって、孔の下端における口径が広がるとともにレンズ形状が構成される。

また、この際、受光部２の受光面２ａまで達するエッチングは行わないことから、受光面２ａに対するエッチングダメージを防止できる。その後、図１４に示すように、孔の内部に光導波路材となる材料４０を埋め込む。この材料４０は、第１絶縁膜３ａの屈折率の低いものを用いる。これにより、孔の部分に光導波路領域４が構成されるとともに、レンズ形状にエッチングされた部分に材料４０が埋め込まれてレンズＬが形成されることになる。

このような第２実施形態に係る固体撮像装置では、第１実施形態での効果に加え、光導波路領域４の下端にレンズＬが埋め込まれるため、光導波路領域４内に導入した光を受光部２へ効率良く集光することが可能となる。特に微細化が進んで受光部２の面積がさらに縮小された場合に特に有効である。

なお、いずれの実施形態に係る固体撮像装置でも、光導波路領域４の光入射端側にオンチップレンズを設けるようにして、より一層集光能力を高めるようにしてもよい。

第１実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３）である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その４）である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その５）である。第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その６）である。第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３）である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その４）である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その５）である。第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その６）である。

符号の説明

１…半導体基板、２…受光部、２ａ…受光面、３…絶縁膜、３ａ…第１絶縁膜、３ｂ…第２絶縁膜、４…光導波路領域、４ａ…光反射面

Claims

半導体基板上に設けられる受光部と、前記半導体基板上を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜の前記受光部上方に対応する位置に設けられる光導波路領域とを備える固体撮像装置において、
前記光導波路領域における前記受光部側の端部と前記受光部の受光面との間に所定の間隔が設けられている
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記光導波路領域における前記受光部側の端部の口径は、前記受光部の受光面における口径よりも小さくなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域における前記受光部とは反対側の端部の口径は、前記受光部の受光面における口径よりも大きくなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域の内壁には、前記絶縁膜よりも高反射率の薄膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域の内壁には、前記光導波路領域の内部に埋め込まれる材料よりも低屈折率の薄膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域は、光反射面の角度が徐々に変化している
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域における前記受光部とは反対側の端部にはレンズが設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光導波路領域における前記受光部側の端部にはレンズが設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記レンズの屈折率は、前記レンズの周辺における前記絶縁膜の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
半導体基板上に受光部を形成し、その受光部の上に所定の厚さの第１絶縁膜を介してストッパメタル層を形成し、このストッパメタル層の上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記受光部と対応する位置の前記第２絶縁膜を前記ストッパメタル層までエッチングし、このエッチングによって前記ストッパメタル層から上方に向けて徐々に開口が広がる孔を形成する工程と、
前記孔の内壁に光反射材もしくは前記第２絶縁膜と屈折率の異なる材料から成る薄膜を形成する工程と、
前記孔を介して前記ストッパメタル層をエッチングするとともに、そのエッチング部分から前記第１絶縁膜を等方性エッチングする工程と、
前記孔および前記第１絶縁膜を等方性エッチングした部分に光導波路となる材料を埋め込む工程と
を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記ストッパメタル層の前記受光部側の周縁にトレンチ形状を形成する
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。