JP2007317859A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性及び形状安定性が良好な固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板２にフォトダイオード３等を形成した後、多層配線層５を形成し、フォトダイオード３の直上域にトレンチ１１を形成する。次に、多層配線層５上及びトレンチ１１内に窒化膜１２を形成し、トレンチ１１内に有機材料を埋め込む。そして、この有機材料を熱硬化させて導光部材１３を形成する。このとき、窒化膜１２と導光部材１３との間の熱収縮量の差を利用して、窒化膜１２と導光部材１３との間に隙間１４を形成する。導光部材１３の側面は、その上下方向中央部が両端部よりもトレンチ１１の中心軸に近づくように湾曲する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、より詳細には、基板に形成された受光部に導光部材を介して光を導入する固体撮像装置及びその製造方法に関する。

近年、携帯電話等のモバイル端末にデジタルカメラを搭載することが一般化している。このようなデジタルカメラの撮像デバイスは、消費電力が低く小型であることが要求される。これらの要求を満たす撮像デバイスとして、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）型エリアセンサが注目されている。

ＣＭＯＳ型エリアセンサにおいては、シリコン基板の表面部に、フォトダイオード等からなる受光部、電荷検出回路、増幅回路及びノイズ低減回路等を形成した後、シリコン基板上に多層配線層を形成し、この多層配線層における受光部の直上域にトレンチを形成し、このトレンチの内部に、光を受光部に導くための導光部材を配置している。なお、多層配線層には、２層乃至３層程度の配線層が形成されており、配線層間は層間絶縁膜により絶縁されている。

このようなデジタルカメラの画素数を増やすために、ＣＭＯＳ型エリアセンサを微細化すると、必然的に各受光部の面積が小さくなる。一方、配線における信号の遅延及びノイズの混入を防止するためには、配線層間には十分な間隔を設ける必要があり、多層配線層には一定の高さが必要である。このため、センサの微細化に伴って、トレンチのアスペクト比が増加する。トレンチのアスペクト比が増加すると、トレンチ内に斜めに入射した光が、トレンチの側壁から多層配線層内に進入し、この多層配線層内に配置された配線により反射されてしまい、受光部に到達しにくくなる。従って、センサを微細化すると、光を受光部に効率的に導入することが困難になる。

そこで、トレンチの側壁と導光部材の側面との間に隙間（空気層）を形成し、導光部材と空気層との界面において光を反射させることにより、トレンチ内に入射した光を効率的に受光部に集光させる技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。特許文献１及び２に記載の技術においては、トレンチの側壁上にダミー層を形成し、受光部材を形成した後でこのダミー層を除去することにより、トレンチの側壁と導光部材の側面との間に隙間を形成している。

しかしながら、特許文献１及び２に記載の技術においては、上述の如く、隙間を形成するために煩雑な工程を要するため、センサの生産性が低い。また、工程毎にプロセス上の誤差が累積していくため、隙間の形状安定性が低い。

特開平６−２２４３９８号公報 特開２００３−０６０１７９号公報

本発明の目的は、生産性及び形状安定性が良好な固体撮像装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板に形成された受光部と、前記基板上に設けられ、前記受光部の直上域にトレンチが形成された配線層と、前記トレンチ内に設けられ、有機材料からなる導光部材と、を備え、前記トレンチの側壁と前記導光部材の側面との間には隙間が形成されており、前記導光部材の側面は、その上下方向中央部が両端部よりも前記トレンチの中心軸に近づくように湾曲していることを特徴とする固体撮像装置が提供される。

本発明の他の一態様によれば、基板に受光部を形成する工程と、前記基板上に配線層を形成する工程と、前記配線層における前記受光部の直上域にトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に有機材料を埋め込む工程と、前記有機材料を加熱することにより前記有機材料を硬化させて導光部材を形成すると共に、前記トレンチの側壁と前記導光部材の側面との間に隙間を形成する工程と、を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、生産性及び形状安定性が良好な固体撮像装置を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置としてのＣＭＯＳ型エリアセンサ（以下、単に「ＣＭＯＳセンサ」という）を例示する平面図であり、
図２は、このＣＭＯＳセンサを例示する図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１においては、シリコン基板２が設けられており、シリコン基板２の表面部には、受光部としてのフォトダイオード３が形成されている。シリコン基板２の表面に垂直な方向（以下、「上方」という）から見て、フォトダイオード３の形状は例えば正方形であり、複数個のフォトダイオード３が、マトリクス状に配列されている。また、シリコン基板２の表面部におけるフォトダイオード３の近傍には、転送回路４が形成されている。更に、シリコン基板２の表面部には、電荷検出回路、増幅回路及びノイズ低減回路等の各種回路（図示せず）が形成されている。

また、シリコン基板２上には、多層配線層５が設けられている。多層配線層５においては、複数層、例えば３層の配線層が積層されており、各配線層には例えばアルミニウムからなる配線６が設けられている。この配線６は、上述の各回路の駆動及び検出された信号の転送等を行うための配線である。なお、図２においては、シリコン基板２側から数えて１層目の配線層に形成された配線６を配線Ｍ１とし、２層目の配線層に形成された配線６を配線Ｍ２とし、３層目の配線層に形成された配線６を配線Ｍ３としている。多層配線層５における配線層間の部分及び各配線層における配線６間の部分には、層間絶縁膜７が設けられている。これにより、配線６同士は層間絶縁膜７により絶縁されている。また、多層配線層５におけるフォトダイオード３と転送回路４との間の領域の直上域には、フォトダイオード３から転送回路４への信号の転送を制御するゲート電極８が設けられている。

更に、多層配線層５におけるフォトダイオード３の直上域の一部には、多層配線層５を貫通するトレンチ１１が形成されている。上方から見て、トレンチ１１の形状は例えば正方形であり、トレンチ１１の中心軸Ｃは、シリコン基板２の表面に垂直な方向に延びている。多層配線層５の厚さは例えば２乃至３ミクロンであり、従って、トレンチ１１の深さも２乃至３ミクロンである。一方、トレンチ１１の幅は例えば０．７ミクロンである。そして、トレンチ１１の底面及び側壁、並びに多層配線層５の上面を覆うように、例えば、ＯＰ−ＳｉＮ（Optical Plasma-SiN）膜からなる窒化膜１２が形成されている。

更にまた、トレンチ１１の内部には、導光部材１３が埋設されている。導光部材１３は有機材料からなり、例えば、有機ＳＯＧ（Spin on Glass）材料からなり、例えば、ポリイミドからなる。導光部材１３を形成する有機材料の屈折率は、１．４乃至１．８であることが好ましい。導光部材１３の側面は、その上下方向中央部が両端部よりもトレンチ１１の中心軸に近づくように湾曲している。すなわち、導光部材１３の側面は、凹面になっている。これにより、トレンチ１１の側壁上に形成された窒化膜１２と導光部材１３との間には、隙間１４が形成されている。トレンチ１１の中心軸を含む断面において、隙間１４の形状は、トレンチ１１の中心軸に向かって膨らんだ凸レンズ形である。すなわち、隙間１４の上下方向中央部の幅ｄ１は上端部及び下端部の幅ｄ２よりも大きく、例えば、導光部材１３の側面の上端部及び下端部は、窒化膜１２に接している。また、導光部材１３の下面はシリコン基板２に被着している。隙間１４内には、例えば空気、窒素等が封入されている。

保護膜１２上及び導光部材１３上には、平坦化膜１５が設けられている。導光部材１３の上面は、平坦化膜１５に被着している。また、平坦化膜１５上におけるトレンチ１１の直上域を含む領域には、カラーフィルタ１６が設けられており、カラーフィルタ１６上には、マイクロレンズ１７が設けられている。カラーフィルタ１６は、特定の波長域の光のみを透過させるものであり、マイクロレンズ１７は、上方から入射した光をトレンチ１１内に集光する凸レンズである。上方から見て、カラーフィルタ１６の外縁はマイクロレンズ１７の外縁の外側にあり、マイクロレンズ１７の外縁はトレンチ１１の内側面の外側に位置している。また、フォトダイオード３の外縁はトレンチ１１の内側面の外側に位置している。そして、上方から見て、トレンチ１１、導光部材１３、カラーフィルタ１６及びマイクロレンズ１７の中心軸は、相互に一致している。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１の製造方法について説明する。
図３乃至図６は、本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１の製造方法をその工程順に例示する工程断面図である。

先ず、図３に示すように、シリコン基板２の表面部に、受光部としてのフォトダイオード３、転送回路４、電荷検出回路（図示せず）、増幅回路（図示せず）及びノイズ低減回路（図示せず）等の各種回路を形成する。次に、シリコン基板２上に、例えばシリコン酸化物等からなる層間絶縁膜７を堆積させ、ゲート電極８を形成する。その後、層間絶縁膜７の堆積と配線６の形成とを繰り返して、層間絶縁膜７中に３層の配線Ｍ１〜Ｍ３が形成された多層配線層５を形成する。このとき、フォトダイオード３の直上域には、配線６を形成しないようにする。次に、多層配線層５におけるフォトダイオード３の直上域の一部をエッチングにより選択的に除去し、シリコン基板２に到達するようにトレンチ１１を形成する。

次に、図４に示すように、多層配線層５の上面上並びにトレンチ１１の側壁上及び底面上に、例えば、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition法：化学気相成長法）によりＯＰ−ＳｉＮを堆積させ、窒化膜１２を形成する。

次に、図５に示すように、有機材料１３ａを、例えば塗布法により、トレンチ１１内に完全に充填されるように埋め込む。有機材料１３ａには、例えば、塗布型の有機ＳＯＧ材料を使用し、例えば、ポリイミドを使用する。有機材料１３ａには、熱硬化後に屈折率が１．４乃至１．８となる材料を使用することが好ましい。次に、多層配線層５上に被着した有機材料１３ａを除去し、トレンチ１１内のみに有機材料１３ａを残留させる。

次に、図６に示すように、多層配線層５及び有機材料１３ａ上に平坦化膜１５を形成する。そして、このシリコン基板２上に平坦化膜１５までが形成された構造体を、例えば窒素雰囲気中において、例えば２００乃至３００℃の温度で３０分間乃至１時間加熱する。これにより、有機材料１３ａが熱硬化（キュア）すると共に熱収縮し、導光部材１３が形成される。

このとき、窒化膜１２を形成するＯＰ−ＳｉＮの線膨張係数は３×１０^−６（１／Ｋ）程度であるのに対して、ポリイミド等の有機材料１３ａの線膨張係数は４×１０^−５（１／Ｋ）程度であり、有機材料１３ａの線膨張係数は窒化膜１２の線膨張係数と比較して一桁高い。また、有機材料１３ａの弾性率は窒化膜１２の弾性率と比較して二桁程度低く、軟質である。このような材料的要因は、前述の加熱処理における降温時の熱収縮量の差となって現れ、有機材料１３ａは窒化膜１２よりも大きく収縮する。これにより、窒化膜１２と導光部材１３との間に隙間１４が形成される。

このとき、導光部材１３の下面はシリコン基板２に被着されているため、導光部材１３とシリコン基板２との間には隙間は形成されない。また、導光部材１３の上面は平坦化膜１５に被着されており、導光部材１３の熱収縮に伴って平坦化膜１５の一部がトレンチ１１内に引き込まれるため、導光部材１３と平坦化膜１５との間にも隙間は形成されない。そして、導光部材１３の上面及び下面は、それぞれ平坦化膜１５及びシリコン基板２により拘束されるため、導光部材１３と窒化膜１２との間に形成される隙間１４は、上端部及び下端部において小さく、上下方向中央部において大きくなる。換言すれば、導光部材１３の側面は、その上下方向中央部が両端部よりもトレンチ１１の中心軸Ｃに近づくように湾曲する。

その後、図２に示すように、平坦化膜１５上にカラーフィルタ１６を形成し、その上にマイクロレンズ１７を形成する。これにより、ＣＭＯＳセンサ１が製造される。

ＣＭＯＳセンサ１においては、上方からマイクロレンズ１７に入射した光が、マイクロレンズ１７により集光され、カラーフィルタ１６を透過して、トレンチ１１内の導光部材１３内に入射する。このとき、トレンチ１１の中心軸Ｃに対して相対的に小さな傾斜角で入射した光は、導光部材１３内を通過して直接フォトダイオード３に到達するが、トレンチ１１の中心軸Ｃに対して一定以上傾斜した方向（斜め方向）から入射した光は、導光部材１３の側面、すなわち、導光部材１３と隙間１４との界面に到達する。このとき、導光部材１３の屈折率は１．４乃至１．８であり、隙間１４内の空気の屈折率は約１．０であるため、この界面に到達した光はこの界面において全反射され、導光部材１３内に戻される。このようにして、斜め方向からトレンチ１１内に入射した光も、導光部材１３と隙間１４との界面における反射を繰り返して、最終的にはフォトダイオード３に到達する。このため、本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１は集光効率が高い。

図７は、本発明の比較例に係るＣＭＯＳセンサを示す断面図である。
図７に示すように、この比較例に係るＣＭＯＳセンサ１０１においては、導光部材１１３を層間絶縁膜７と同じ材料、例えば、ＳｉＯ_２により形成している。このため、導光部材１１３と層間絶縁膜７とは一体化しており、導光部材１１３の側面上には隙間は形成されていない。この場合、マイクロレンズ１７及びカラーフィルタ１６を通過して導光部材１１３内に入射した光のうち、斜め方向に入射した光は、配線６によって反射されてしまい、フォトダイオード３には到達しない。このため、このＣＭＯＳセンサ１０１における集光効率は、本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１の集光効率よりも低い。

また、本実施形態においては、窒化膜１２と有機材料１３ａとの間の熱収縮量の差を利用して隙間１４を形成しているため、隙間１４を形成するための工程が簡略である。このため、ＣＭＯＳセンサ１の製造コストが低いと共に、プロセス上の誤差要因が少なく、形状安定性が高い。更に、有機材料１３ａは塗布法によりトレンチ１１内に埋め込むことができるため、ＣＭＯＳセンサ１はこの点でも製造コストが低い。更にまた、窒化膜１２は、導光部材１３との間の熱収縮量差を利用して、隙間１４を再現性良く形成するために設けるものであるが、窒化膜１２を設けることにより、多層配線層５内に水分等が侵入することを防止することもできる。これにより、水分等による配線６の損傷を抑制することができ、ＣＭＯＳセンサ１の信頼性が向上する。更にまた、窒化膜１２を設けることにより、散乱等により導光部材１３から隙間１４内に漏洩した光が、隙間１４と窒化膜１２との界面で反射されて導光部材１３内に戻され、最終的にはその大部分がフォトダイオード３に到達する。この結果、ＣＭＯＳセンサ１の集光効率がより一層向上する。更にまた、本実施形態に係るＣＭＯＳセンサ１においては、導光部材１３の側面が、その上下方向中央部が両端部よりもトレンチ１１の中心軸Ｃに近づくように湾曲しているため、その幅が均一な隙間を形成する場合よりも、集光性が良好である。

隙間１４の形状は、有機材料１３ａの種類及び熱処理条件を選択することにより制御することができる。例えば、有機材料１３ａとして線膨張係数がより大きな材料を使用すれば、隙間１４をより大きくすることができる。また、有機材料１３ａを熱硬化させた後、より急速に冷却することにより、隙間１４をより大きくすることができる。

また、本実施形態においては、上方から見たトレンチ１１の形状を正方形としている。これにより、開口率を大きくすることができ、光を取り込む効率を高くすることができる。但し、上方から見たトレンチ１１の形状は正方形には限定されず、例えば円形としてもよい。この場合は、導光部材の形状は鼓形となる。

以上、本発明を、実施形態を例示して説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、多層配線層の構成、カラーフィルタ及びマイクロレンズの形状、トレンチの形状及び配列方法、回路構成等について、当業者が設計の変更又は構成要素の追加などを行ったものも、本発明の範囲に含まれる。

以下、本発明の効果を、シミュレーションにより具体的に説明する。
図８（ａ）乃至（ｃ）は、本シミュレーションにおいて計算対象としたＣＭＯＳセンサの構成を示す断面図であり、
図９（ａ）乃至（ｃ）は、横軸に光の入射角をとり、縦軸に集光効率をとって、本シミュレーションの結果を示すグラフ図である。

図８（ａ）乃至（ｃ）に示すように、シミュレートの対象となるＣＭＯＳセンサとして、３種類のセンサ２０１乃至２０３を想定した。図８（ａ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０１においては、ＳｉＯ２からなる導光部材２３の周囲に隙間１４のみを設け、窒化膜を設けなかった。また、図８（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０２においては、導光部材２３の周囲に隙間１４及び窒化膜１２を設けた。更に、図８（ｃ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０３においては、隙間及び窒化膜のいずれも設けず、フォトダイオード３の直上域にも層間絶縁膜７を形成した。これにより、ＣＭＯＳセンサ２０１及び２０２においては、光はＳｉＯ２からなる導光部材２３を通過した後、フォトダイオード３に入射し、ＣＭＯＳセンサセンサ２０３においては、光はＳｉＯ２からなる層間絶縁膜７を通過した後、フォトダイオード３に入射する。

なお、ＣＭＯＳセンサ２０１及び２０２において、導光部材２３の側面は湾曲しておらず、鉛直方向に直線状に延びるものとした。また、トレンチ１１の深さは１．９５ミクロンとし、トレンチ１１の幅は１．０ミクロンとし、隙間１４の幅は０．１ミクロン及び０．２ミクロンの２水準とした。また、トレンチ１１の配列ピッチ、すなわち、１セル分の幅は１．７５ミクロンとし、マイクロレンズの球面高さは０．５ミクロンとした。ＣＭＯＳセンサ２０１乃至２０３における上記以外の構成は、前述の本発明の実施形態に係るＣＭＯＳセンサと同様とした。

そして、これらのＣＭＯＳセンサに関して、波動方程式を利用して、入射角を０乃至３０度の範囲として、ＴＥ偏光（Transverse Electric polarized light）及びＴＭ偏光（Transverse Magnetic polarized light）でのそれぞれ集光効率を計算した。なお、入射角とは、光の入射方向がトレンチ１１の中心軸Ｃとの間でなす角度をいい、例えば、中心軸Ｃに平行に入射した光の入射角は０°である。また、集光効率とは、トレンチ１１又はそれに相当する領域に入射した光量に対するトレンチ１１の底面に到達する光量の割合をいう。更に、計算は、トレンチ１１の中心軸Ｃを含む平面において２次元的に行った。

図９（ａ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０１（隙間あり、窒化膜なし）においては、入射角が０度（ｄｅｇ）の場合、ＴＥ偏光の集光効率は約０．７０であり、ＴＭ偏光の集光効率は約０．６３であった。そして、入射角の増加に伴って集光効率は単調減少し、入射角が２０度の場合、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の集光効率は共に約０．４３であった。また、隙間の幅を０．１ミクロンとした場合と０．２ミクロンとした場合とで、結果は変わらなかった。

また、図９（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０２（隙間あり、窒化膜あり）においては、入射角が０度の場合、ＴＥ偏光の集光効率は約０．７６であり、ＴＭ偏光の集光効率は約０．７０であった。そして、入射角が２０度の場合、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の集光効率は共に約０．６０であった。また、隙間の幅を０．１ミクロンとした場合と０．２ミクロンとした場合とで、結果は変わらなかった。このように、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光共に、入射角が０乃至３０°の全範囲で、ＣＭＯＳセンサ２０２の集光効率は、ＣＭＯＳセンサ２０１の集光効率よりも高かった。これにより、隙間の周囲に窒化膜を設けることにより、集光効率が向上することがわかる。

これに対して、図９（ｃ）に示すように、ＣＭＯＳセンサ２０３（隙間なし、窒化膜なし）においては、入射角が０度の場合、ＴＥ偏光の集光効率は約０．６２であり、ＴＭ偏光の集光効率は約０．５８であった。また、入射角の増加に伴って集光効率は単調減少し、入射角が２０度の場合、ＴＥ偏光の集光効率は約０．３２であり、ＴＭ偏光の集光効率は約０．１９であった。このように、ＣＭＯＳセンサ２０３の集光効率は、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光共に、入射角が０乃至３０度の全範囲で、ＣＭＯＳセンサ２０１及び２０２の集光効率よりも低かった。これにより、導光部材の周囲に隙間を設けることにより、集光効率が向上することがわかる。

本発明の実施形態に係るＣＭＯＳセンサを例示する平面図である。 このＣＭＯＳセンサを例示する図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 本実施形態に係るＣＭＯＳセンサの製造方法を例示する工程断面図である。 本実施形態に係るＣＭＯＳセンサの製造方法を例示する工程断面図である。 本実施形態に係るＣＭＯＳセンサの製造方法を例示する工程断面図である。 本実施形態に係るＣＭＯＳセンサの製造方法を例示する工程断面図である。 本発明の比較例に係るＣＭＯＳセンサを示す断面図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、シミュレーションにおいて計算対象としたＣＭＯＳセンサの構成を示す断面図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、横軸に入射角をとり、縦軸に集光効率をとって、本シミュレーションの結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、２０２、２０３ ＣＭＯＳセンサ、２ シリコン基板、３ フォトダイオード、４ 転送回路、５ 多層配線層、６ 配線、７ 層間絶縁膜、８ ゲート電極、１１ トレンチ、１２ 窒化膜、１３、２３、１１３ 導光部材、１３ａ 有機材料、１４ 隙間、１５ 平坦化膜、１６ カラーフィルタ、１７ マイクロレンズ、Ｃ 中心軸、ｄ１、ｄ２ 幅

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板に形成された受光部と、
   前記基板上に設けられ、前記受光部の直上域にトレンチが形成された配線層と、
   前記トレンチ内に設けられ、有機材料からなる導光部材と、
   を備え、
   前記トレンチの側壁と前記導光部材の側面との間には隙間が形成されており、前記導光部材の側面は、その上下方向中央部が両端部よりも前記トレンチの中心軸に近づくように湾曲していることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記トレンチの側壁を覆う窒化膜をさらに備え、
   前記隙間は前記窒化膜と前記導光部材との間に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。
3. 前記導光部材の屈折率は１．４乃至１．８であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 基板に受光部を形成する工程と、
   前記基板上に配線層を形成する工程と、
   前記配線層における前記受光部の直上域にトレンチを形成する工程と、
   前記トレンチ内に有機材料を埋め込む工程と、
   前記有機材料を加熱することにより前記有機材料を硬化させて導光部材を形成すると共に、前記トレンチの側壁と前記導光部材の側面との間に隙間を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
5. 前記トレンチを形成する工程と前記有機材料を埋め込む工程との間に、
   前記トレンチの側壁上に窒化膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の製造方法。

Images