(57)【要約】【課題】光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０に設けられた光電変換部１１と、半導体基板１０の上方に位置し、複数の配線層２１及び複数の配線層２１の間に位置する層間絶縁膜２２を含む積層体２０と、積層体２０の少なくとも一部を貫通する、光電変換部１１に光を導入するための導波路３０とを備える。導波路３０の径は、積層方向において光電変換部１１から離れるほど拡大する。導波路３０のうち第一導波部３１における径の拡大率は、導波路３０のうち第一導波部３１よりも光電変換部１１に近い第二導波部３２における径の拡大率よりも大きい。【選択図】図１
2020038960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換部と、
前記半導体基板の上方に位置し、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体と、
前記積層体の少なくとも一部を貫通する、前記光電変換部に光を導入するための導波路とを備え、
前記導波路の径は、積層方向において前記光電変換部から離れるほど拡大し、
前記導波路のうち第一導波部における径の拡大率は、前記導波路のうち前記第一導波部よりも前記光電変換部に近い第二導波部における径の拡大率よりも大きい
固体撮像素子。
【請求項２】
さらに、前記積層体の内部であって前記第一導波部の側方に位置し、前記光電変換部において発生した電荷が蓄積される電荷蓄積部を備える
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
平面視において、前記電荷蓄積部の一部は、前記第一導波部と重なる
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
さらに、前記半導体基板に設けられた浮遊拡散部を備え、
前記光電変換部において発生した電荷は、前記浮遊拡散部を介して前記電荷蓄積部に蓄積され、
平面視において、前記電荷蓄積部の一部は、前記浮遊拡散部と重なる
請求項２または３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第一導波部の全部は、前記電荷蓄積部よりも上方に位置する
請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第一導波部及び前記第二導波部は、同一の材料によって形成される
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第一導波部及び前記第二導波部は、シリコンの窒化物によって形成される
請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第一導波部及び前記第二導波部は、互いに異なる材料によって形成される
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記第一導波部の屈折率は、前記第二導波部の屈折率よりも大きい
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記第一導波部は、シリコンの窒化物によって形成され、
前記第二導波部は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される
請求項８または９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
さらに、前記第一導波部及び前記積層体の間に位置する、前記導波路へ光を導入するためのサイドウォール部を備える
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記サイドウォール部は、前記第一導波部及び前記積層体の間、及び、前記第二導波部及び前記積層体の間にまたがって位置する
請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記サイドウォール部は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される
請求項１１または１２に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子に関し、特に、単位画素に電荷蓄積部及び導波路を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオードを利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。特許文献１には、フォトダイオードに関連する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２０７３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上方に位置し、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体と、前記積層体の少なくとも一部を貫通する、前記光電変換部に光を導入するための導波路とを備え、前記導波路の径は、積層方向において前記光電変換部から離れるほど拡大し、前記導波路のうち第一導波部における径の拡大率は、前記導波路のうち前記第一導波部よりも前記光電変換部に近い第二導波部における径の拡大率よりも大きい。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、光電変換部への集光の効率が向上された固体撮像素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第五の断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を示す第六の断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１の変形例１に係る固体撮像素子の断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第五の断面図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施の形態２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、実施の形態２に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
【図８】図８は、実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の基礎となった知見）
近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。ＡＰＤは、所定の逆電圧が印加されることにより、光電流が増倍するフォトダイオードである。光電変換部としてＡＰＤなどのフォトダイオードを備える固体撮像素子においては、光電変換部への集光の効率を高めることが課題となる。
【０００９】
また、ＡＰＤでは、ガイガー増倍モードにおいては、１つのフォトンが光電変換を引き起こすと、アバランシェ降伏が生じ、出力される電流が急激に増大する。このため、アバランシェ降伏によって増倍された信号電荷を蓄積する電荷蓄積部が必要となる。
【００１０】
しかしながら、十分に大きい容量値を有する電荷蓄積部は、専有面積が大きくなる。そうすると、電荷蓄積部の専有面積が大きくなった結果、ＡＰＤの面積が小さくなってしまう場合がある。したがって、固体撮像素子において、電荷蓄積部の配置については検討の余地がある。
【００１１】
以下では、これらの課題を鑑みて発明された固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１２】
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
【００１３】
また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上側（上方）と表現され、Ｚ軸−側は、下側（下方）と表現される。Ｚ軸方向は、言い換えれば、半導体基板の主面に垂直な方向であり、積層方向、または、半導体基板の厚み方向とも表現される。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（水平面）上において、互いに直交する方向である。Ｘ軸方向は、横方向、または、水平方向とも表現され、Ｙ軸方向は、縦方向、または垂直方向とも表現される。以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から見ることを意味する。また、本開示は、以下の実施の形態において説明される導電型を逆転させた構造を排除するものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
［構成］
以下、実施の形態１に係る固体撮像素子の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子の断面図である。図１は、固体撮像素子１００のうち単位画素に相当する部分の断面図である。
【００１５】
図１に示されるように、実施の形態１に係る固体撮像素子１００は、半導体基板１０と、積層体２０と、導波路３０とを備える。
【００１６】
半導体基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）によって形成される。半導体基板１０の導電型は、ｐ型であってもよいしｎ型であってもよい。以下の実施の形態１では、半導体基板１０の上側の主面は、光が入射する面、または、受光面とも記載される。
【００１７】
半導体基板１０の内部には、光電変換部１１と、浮遊拡散部１２が設けられる。浮遊拡散部は、言い換えれば、フローティングディフュージョン部、または、ＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）部である。
【００１８】
光電変換部１１は、半導体基板１０の内部の比較的上方に位置する。光電変換部１１は、フォトダイオードによって形成される。ここでのフォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードが含まれる。
【００１９】
浮遊拡散部１２は、光電変換部１１に光が入射することにより光電変換部１１において発生した電荷（電子及び正孔）の一方を一時的に蓄積する。浮遊拡散部１２は、半導体基板１０の内部の比較的上方に、光電変換部１１と間隔を空けて配置される。
【００２０】
半導体基板１０の上側の主面には、積層体２０が配置される。積層体２０には、複数の配線層２１と、複数の層間絶縁膜２２と、複数のライナ層２３と、複数のビア２４と、電荷蓄積部２５が含まれる。積層体２０の高さｈ（つまり、半導体基板１０の主面から積層体２０の上面までの長さ）は、例えば、１．６μｍである。
【００２１】
なお、積層体２０は、第一導波部３１の周囲（言い換えれば、側方）に位置する第一積層体２６と、第二導波部３２の周囲に位置する第二積層体２７とを含む。
【００２２】
配線層２１は、固体撮像素子１００が有する回路を構成する配線が形成される層である。配線層２１は、例えば、銅（Ｃｕ）によって形成される。配線層２１は、アルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）等の他の金属によって形成されてもよい。
【００２３】
層間絶縁膜２２は、複数の配線層２１の間に位置し、当該複数の配線層２１を絶縁する。層間絶縁膜２２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）によって形成される。
【００２４】
ライナ層２３は、複数の層間絶縁膜２２の間に位置する層である。ライナ層２３は、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）または炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）によって形成される。
【００２５】
ビア２４は、複数の配線層２１を電気的に接続する接続孔である。ビア２４は、例えば、銅によって形成される。ビア２４は、アルミニウムまたはタングステン等の他の金属によって形成されてもよい。
【００２６】
電荷蓄積部２５は、積層体２０の内部であって第一導波部３１の側方に位置し、光電変換部１１において発生した電荷が蓄積される容量素子である。光電変換部１１において発生した電荷は、浮遊拡散部１２を介して電荷蓄積部２５に蓄積される。
【００２７】
電荷蓄積部２５は、上部電極、下部電極、及び、上部電極と下部電極との間に位置する容量膜を有する。上部電極及び下部電極のそれぞれは、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）、または、タンタル（Ｔａ）等によって形成される。容量膜は、言い換えれば、誘電体膜であり、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、または、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）などの高誘電体膜（Ｈｉｇｈ−ｋ）によって形成される。
【００２８】
導波路３０は、積層体２０の少なくとも一部を貫通する、光電変換部１１に光を導入するための導波路である。図１の例では、導波路３０と半導体基板１０との間には層間絶縁膜２２が位置しているが、導波路３０は半導体基板１０の主面に到達していてもよい。導波路３０の立体形状は、略四角錐台状である。
【００２９】
導波路３０は、高屈折率の絶縁材料によって形成される。導波路３０は、具体的には、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどのシリコンの窒化物によって形成される。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路３０の屈折率を高めることができる。
【００３０】
断面図における導波路３３の径（言い換えれば、幅）は、積層方向において光電変換部１１から離れるほど拡大する。例えば、光電変換部１１に最も近い最下部における導波路３３の径Ｗ３は、４．８μｍ程度であり、中間部における導波路３３の径Ｗ２は、４．９μｍ程度であり、光電変換部１１から最も遠い最上部における導波路３０の径Ｗ１は、５．８４μｍである。
【００３１】
導波路３０は、第一導波部３１と、第一導波部３１及び半導体基板１０の間に位置する、第一導波部３１よりも光電変換部１１に近い第二導波部３２とを含む。第一導波部３１における径の拡大率は、第二導波部３２における径の拡大率よりも大きい。「導波路３０における径の拡大率」とは、導波路３０の積層方向の上方に向かう位置の変位（言い換えれば、光電変換部１１から離れる方向への位置の変位）に対する導波路３０の径の変化率を意味する。導波路３０における径の拡大率は、例えば、積層方向の位置が１μｍ上側に変わるとどの程度径が大きくなるかを示す。
【００３２】
拡大率は、図１の断面図では、導波路３０の側面の、半導体基板１０の主面（つまり、積層方向に直交する平面）に対する角度θで表現されている。第一導波部３１における径の拡大率が第二導波部３２における径の拡大率よりも大きくなる場合、第一導波部３１の側面の角度θ１は、第二導波部３２の側面の角度θ２よりも小さい鋭角となる。角度θ１は、例えば、６０°程度であり、角度θ２は、例えば、８０°程度である。導波路３０の径の拡大率は、通常、０よりも大きい（つまり、θ１、θ２＜９０°）が、第二導波部３２の径の拡大率は、０または０に極めて近い（つまり、θ２≒９０°）場合がある。この場合、断面図において第二導波部３２の形状は長方形または正方形に近い形状となる。
【００３３】
このように、導波路３０の径は、全体として積層方向において光電変換部１１から離れるほど拡大し、さらに、第一導波部３１において第二導波部３２よりも急峻に拡大する。これにより、固体撮像素子１００の下方においては導波路３０の径が比較的小さいため半導体基板１０に回路を構成するための配線層２１のスペースが確保される。固体撮像素子１００の上方においては導波路３０の径が比較的大きいため光を取り入れる間口が確保され、光電変換部１１への集光の効率が高められる。
【００３４】
例えば、固体撮像素子１００では、平面視において、電荷蓄積部２５の一部が第一導波部３１と重なる。言い換えれば、電荷蓄積部２５及び第一導波部３１が立体的に交差する。このように、導波路３０の径が比較的小さい領域を利用して、当該領域の側方に電荷蓄積部２５が配置されれば、固体撮像素子の小型化を図ることができる。
【００３５】
なお、電荷蓄積部２５は、積層体２０の内部のどこに配置されてもよい。固体撮像素子１００のように、浮遊拡散部１２の直上に電荷蓄積部２５が位置し、平面視において、電荷蓄積部２５の一部が浮遊拡散部１２と重なれば、浮遊拡散部１２及び電荷蓄積部２５の間の電気的な接続経路（配線及びビア２４によって構成される経路）を短縮することができる。
【００３６】
［製造方法］
次に、固体撮像素子１００の製造方法について図２Ａ〜図２Ｆを参照しながら説明する。図２Ａ〜図２Ｆは、固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図である。
【００３７】
まず、図２Ａに示されるように、半導体基板１０に光電変換部１１及び浮遊拡散部１２が形成され、半導体基板１０上に第二積層体２７が形成される。
【００３８】
光電変換部１１及び浮遊拡散部１２の形成には、イオン注入法が用いられる。シリコンによって形成される半導体基板１０の主面側からイオン注入を行うことにより、半導体基板１０内部の比較的上部に、光電変換部１１及び浮遊拡散部１２がそれぞれ形成される。
【００３９】
第二積層体２７は、以下の手順で形成される。まず、光電変換部１１及び浮遊拡散部１２が形成された半導体基板１０の主面上にデュアルダマシン（Ｄｕａｌ  Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法により、Ｃｕ多層配線構造が形成される。
【００４０】
デュアルダマシン法では、元の配線層を形成した後、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ライナ層２３及び層間絶縁膜２２が堆積される。
【００４１】
続いて、リソグラフィ法により、配線溝（トレンチ）及びビアのパターニングが行われる。その後、ドライエッチング法により、層間絶縁膜２２の内部にトレンチとビアとが形成される。続いて、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、トレンチ及びビアの内壁面に、Ｃｕの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのＣｕシード層とが堆積される。その後、Ｃｕ電解めっき法により、トレンチ及びビアの中にＣｕ膜が埋め込まれる。
【００４２】
さらに、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により、配線層の表面の余剰なＣｕ膜とバリア膜とが除去されることにより、最終的な配線層２１が形成される。このプロセスを繰り返し実施することにより、所望の数の配線層２１を有するＣｕ多層配線構造を得ることができる。つまり、デュアルダマシン法により、第二積層体２７が形成される。
【００４３】
次に、図２Ｂに示されるように、第二導波部３２用の穴４２が形成される。穴４２は、以下の手順で形成される。
【００４４】
リソグラフィ法により、第二積層体２７の一番上の層間絶縁膜２２の上に、穴４２を形成するためのレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第二積層体２７に穴４２が形成される。この際、穴４２の側面の傾斜角度が約８０°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。
【００４５】
次に、図２Ｃに示されるように、第二導波部３２が形成される。まず、ＣＶＤ法により、穴４２に高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路３０の屈折率を高めることができる。その後、ＣＭＰ法により、堆積された高屈折率の絶縁膜の表面が平坦化される。この結果、第二導波部３２が形成される。
【００４６】
次に、図２Ｄに示されるように、第一積層体２６が形成される。まず、第一積層体２６の内部に位置する電荷蓄積部２５が以下の手順で形成される。
【００４７】
ＰＶＤ法及びＣＶＤ法を用いて、電荷蓄積部２５の元となる電極膜及び容量膜が堆積される。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチングにより、電荷蓄積部２５が形成される。電極膜のエッチングには、例えば塩素（Ｃｌ２）系のエッチングガスが用いられ、容量膜のエッチングには、例えば、フッ素（Ｆ）系のエッチングガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。その後、第二積層体２７と同様に、デュアルダマシン法により第一積層体２６が形成される。
【００４８】
次に、図２Ｅに示されるように、第一導波部３１用の穴４１が形成される。穴４１は、以下の手順で形成される。
【００４９】
リソグラフィ法により、第一積層体２６の一番上のライナ層２３の上に、穴４１を形成するためのレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第一積層体２６に穴４１が形成される。この際、穴４１の側面の傾斜角度が約６０°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。
【００５０】
次に、図２Ｆに示されるように、第一導波部３１が形成される。まず、ＣＶＤ法により、穴４１に高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路３０の屈折率を高めることができる。その後、ＣＭＰ法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、第一導波部３１が形成される。
【００５１】
以上説明したような製造方法によれば、導波路３０を２段階に分けて形成することで、第一導波部３１の径の拡大率と、第二導波部３２の径の拡大率とを異ならせることができる。つまり、第一導波部３１の側面の角度θ１と、第二導波部３２の側面の角度θ２とを異ならせることができる。
【００５２】
［変形例１］
固体撮像素子１００においては、第一導波部３１及び第二導波部３２は、同一の絶縁材料によって形成されたが、第一導波部３１及び第二導波部３２は、互いに異なる絶縁材料によって形成されてもよい。図３は、このような実施の形態１の変形例１に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態１の変形例１に係る固体撮像素子１００ａの説明では、固体撮像素子１００との相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子１００と同一の構成については詳細な説明が省略される。
【００５３】
図３に示される固体撮像素子１００ａが備える導波路３０ａは、第一導波部３１と、第一導波部３１よりも光電変換部１１に近い第二導波部３２ａとを含む。
【００５４】
固体撮像素子１００と同様に、固体撮像素子１００が備える第一導波部３１は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどの高屈折率の絶縁材料によって形成される。一方、第二導波部３２ａは、低屈折率の絶縁材料によって形成される。低屈折率の絶縁材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ：Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｌ  Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）などである。
【００５５】
固体撮像素子１００のように導波路３０の全体が高屈折率の絶縁材料で形成される場合、応力誘起ボイド現象（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｖｏｉｄｉｎｇ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）等によって積層体２０が破損する可能性がある。固体撮像素子１００ａにおいては、導波路３０ａの一部に内部応力が小さく、積層体２０へのストレス負荷を軽減できる低屈折の絶縁性材料が用いられているため、応力誘起ボイド現象によって積層体２０が破損してしまうことを抑制することが可能となる。
【００５６】
なお、固体撮像素子１００において、第一導波部３１に低屈折利率の絶縁材料が用いられ、第二導波部３２に高屈折率の絶縁材料が用いられてもよい。しかしながら、固体撮像素子１００ａのように、集光への寄与度が小さいと考えられる第二導波部３２ａに低屈折率の絶縁材料が用いられることで、集光の効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
［変形例２］
第一導波部３１及び第二導波部３２の境界は、固体撮像素子１００のような位置に限定されない。図４は、実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態１の変形例２に係る固体撮像素子１００ｄの説明では、固体撮像素子１００との相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子１００と同一の構成については詳細な説明が省略される。
【００５８】
図４に示される固体撮像素子１００ｄにおいては、第一導波部３１及び第二導波部３２の境界は、第一導波部３１の全部が電荷蓄積部２５よりも上方に位置するように定められている。図５Ａ〜図５Ｂは、固体撮像素子１００ｄの製造方法を説明するための断面図である。
【００５９】
まず、図５Ａに示されるように、第二積層体２７、及び、第一積層体２６の一部がデュアルダマシン法によって形成される。このとき、電荷蓄積部２５は完成している。次に、図５Ｂに示されるように穴４２が形成され、図５Ｃに示されるように第二導波部３２が形成される。穴４２及び第二導波部３２の形成方法は、固体撮像素子１００と同様である。
【００６０】
次に、図５Ｄに示されるように、第一積層体２６の残りの部分がデュアルダマシン法によって形成される。そして、図５Ｅに示されるように、穴４１が形成され、図４に示されるように、第一導波部３１が形成される。穴４１及び第一導波部３１の形成方法は、固体撮像素子１００と同様である。
【００６１】
以上説明したような固体撮像素子１００ｄの製造方法は、固体撮像素子１００の製造方法よりもプロセス的に簡素化が可能である。つまり、固体撮像素子１００ｄは、固体撮像素子１００よりも簡易な製造プロセスで製造することが可能である。
【００６２】
［効果等］
以上説明したように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０に設けられた光電変換部１１と、半導体基板１０の上方に位置し、複数の配線層２１及び複数の配線層２１の間に位置する層間絶縁膜２２を含む積層体２０と、積層体２０の少なくとも一部を貫通する、光電変換部１１に光を導入するための導波路３０とを備える。導波路３０の径は、積層方向において光電変換部１１から離れるほど拡大する。導波路３０のうち第一導波部３１における径の拡大率は、導波路３０のうち第一導波部３１よりも光電変換部１１に近い第二導波部３２における径の拡大率よりも大きい。
【００６３】
このような固体撮像素子１００は、光電変換部１１の近傍においては導波路３０の径が比較的小さいため固体撮像素子１００が備える回路を構成するための配線層２１のスペースが確保される。光電変換部１１から離れた位置においては導波路３０の径が比較的大きいため光を取り入れる間口が確保され、光電変換部１１への集光の効率が高められる。
【００６４】
また、例えば、さらに、積層体２０の内部であって第一導波部３１の側方に位置し、光電変換部１１において発生した電荷が蓄積される電荷蓄積部２５を備える。
【００６５】
このような固体撮像素子１００は、第一導波部３１の側方に位置する電荷蓄積部２５に、光電変換部１１において発生した電荷を蓄積することができる。
【００６６】
また、例えば、平面視において、電荷蓄積部２５の一部は、第一導波部３１と重なる。
【００６７】
このように、電荷蓄積部２５及び第一導波部３１が立体的に交差すれば、固体撮像素子１００の小型化を図ることができる。
【００６８】
また、例えば、固体撮像素子１００は、さらに、半導体基板１０に設けられた浮遊拡散部１２を備える。光電変換部１１において発生した電荷は、浮遊拡散部１２を介して電荷蓄積部２５に蓄積される。平面視において、電荷蓄積部２５の一部は、浮遊拡散部１２と重なる。
【００６９】
このように、電荷蓄積部２５及び浮遊拡散部１２が立体的に交差すれば、浮遊拡散部１２及び電荷蓄積部２５の間の電気的な接続経路を短縮することができる。
【００７０】
また、例えば、第一導波部３１及び第二導波部３２は、同一の材料によって形成される。
【００７１】
これにより、第一導波部３１及び第二導波部３２の境界において屈折率が変わらないため、当該境界おける光の反射を抑制することができる。したがって、光電変換部１１への集光の効率が高められる。
【００７２】
また、例えば、第一導波部３１及び第二導波部３２は、シリコンの窒化物によって形成される。
【００７３】
このような固体撮像素子１００は、シリコンの窒化物によって形成される導波路３０によって光電変換部１１への集光の効率を向上することができる。
【００７４】
また、固体撮像素子１００ａにおいては、第一導波部３１及び第二導波部３２ａは、互いに異なる材料によって形成される。
【００７５】
これにより、単一の材料で形成された導波路３０において強い内部応力が発生するような場合に、内部応力を緩和して積層体２０の破損を抑制することができる。
【００７６】
また、第一導波部３１の屈折率は、第二導波部３２ａの屈折率よりも大きい。
【００７７】
これにより、単一の高屈折率の材料で形成された導波路３０において強い内部応力が発生するような場合に、内部応力を緩和して積層体２０の破損を抑制することができる。
【００７８】
また、例えば、第一導波部３１は、シリコンの窒化物によって形成され、第二導波部３２ａは、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される。
【００７９】
このような固体撮像素子１００ａは、シリコンの窒化物及びオルトケイ酸テトラエチルによって形成される導波路３０ａによって光電変換部１１への集光の効率を向上することができる。
【００８０】
また、固体撮像素子１００ｄにおいては、第一導波部３１の全部は、電荷蓄積部２５よりも上方に位置する。
【００８１】
このような固体撮像素子１００ｄは、固体撮像素子１００よりも簡易な製造プロセスで製造することが可能である。
【００８２】
（実施の形態２）
［構成］
以下、実施の形態２に係る固体撮像素子の構成について図面を参照しながら説明する。図６は、実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。図６は、実施の形態２に係る固体撮像素子１００ｂのうち単位画素に相当する部分の断面図である。なお、以下の実施の形態２では、実施の形態１との相違点を中心に説明が行われ、既出事項については詳細な説明が省略される。
【００８３】
図６に示されるように、固体撮像素子１００ｂは、半導体基板１０と、積層体２０と、導波路３０ｂと、サイドウォール部５０ｂとを備える。つまり、固体撮像素子１００ｂは、主としてサイドウォール部５０ｂを備える点が固体撮像素子１００及び固体撮像素子１００ａと異なる。
【００８４】
サイドウォール部５０ｂは、第一導波部３１ｂ及び積層体２０の間に位置し、第一導波部３１ｂを側方から囲む。サイドウォール部５０ｂは、導波路３０ｂへ光を導入するための構造である。サイドウォール部５０ｂは、低屈折率の絶縁材料によって形成される。低屈折率の絶縁材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチルなどである。
【００８５】
このようなサイドウォール部５０ｂによれば、サイドウォール部５０ｂにおける反射によって光が導波路３０ｂに導かれるため、光が散乱して積層体２０に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部１１への集光の効率が向上される。
【００８６】
また、サイドウォール部５０ｂにより、導波路３０ｂとして用いられる高屈折率の絶縁材料が減らされれば、応力誘起ボイド現象によって積層体２０が破損してしまうことを抑制することが可能となる。
【００８７】
なお、固体撮像素子１００ｂの断面図において、第一導波部３１ｂの側壁は曲面になっているが、この場合も導波路３０ｂ、第一導波部３１ｂにおいて第二導波部３２よりも急峻に拡大しているといえる。つまり、第一導波部３１ｂの径の拡大率は、第二導波部３２における径の拡大率よりも大きい。
【００８８】
［製造方法］
次に、固体撮像素子１００ｂの製造方法について図７Ａ〜図７Ｃを参照しながら説明する。図７Ａ〜図７Ｃは、固体撮像素子１００ｂの製造方法を説明するための断面図である。
【００８９】
第一積層体２６が形成されるまでの工程については、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明した工程と同様である。第一積層体２６が形成された後、図７Ａに示されるように、穴４１ｂが形成される。穴４１ｂは、以下の手順で形成される。
【００９０】
リソグラフィ法により、第一積層体２６の一番上のライナ層２３の上に、穴４１ｂを形成するためのレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第一積層体２６に穴４１ｂが形成される。固体撮像素子１００ｂの製造においては、穴４１ｂの側面の傾斜角度を第二導波部３２の側面の傾斜角度よりも小さくする必要はない。そこで、穴４１ｂの側面の傾斜角度が第二導波部３２の側面の傾斜角度と同様に約８０°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。
【００９１】
次に、図７Ｂに示されるように、ＣＶＤ法を用いて、第一積層体２６の最上面、及び、第一積層体２６の穴４１ｂを形成する表面にサイドウォール形成膜５０が堆積される。サイドウォール形成膜５０としては、例えば、オルトケイ酸テトラエチルが用いられる。
【００９２】
次に、図７Ｃに示されるように、ドライエッチングにより、サイドウォール形成膜５０のうち、第一積層体２６の最上面に位置する部分、及び、第二導波部３２上に位置する部分が完全に除去される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。これにより、穴４１ｂの側方にサイドウォール部５０ｂが形成される。
【００９３】
次に、第一導波部３１ｂが形成される。まず、ＣＶＤ法により、穴４１ｂに高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路３０ｂの屈折率を高めることができる。その後、ＣＭＰ法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、図６に示されるように、第一導波部３１ｂが形成される。
【００９４】
以上説明したような製造方法によれば、導波路３０ｂを２段階に分けて形成することで、第一導波部３１ｂの側方にサイドウォール部５０ｂを形成することができる。サイドウォール部５０ｂによれば、サイドウォール部５０ｂにおける反射によって光が導波路３０ｂに導かれるため、光が散乱して積層体２０に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部１１への集光の効率が向上される。
【００９５】
また、実施の形態２の製造方法においては、穴４１ｂの側面の傾斜角度を第二導波部３２の側面の傾斜角度よりも小さくする必要がないためドライエッチングのプロセスを簡素化することができる。
【００９６】
［変形例］
固体撮像素子１００ｂにおいては、サイドウォール部５０ｂは、第一導波部３１ｂ及び積層体２０の間にのみ設けられた。しかしながら、サイドウォール部５０ｂは、第一導波部３１ｂ及び積層体２０の間、及び、第二導波部３２及び積層体２０の間にまたがって位置してもよい。図８は、このような実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態２の変形例に係る固体撮像素子１００ｃの説明では、固体撮像素子１００ｂとの相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子１００ｂと同一の構成については詳細な説明が省略される。
【００９７】
図３に示される固体撮像素子１００ａが備えるサイドウォール部５０ｃは、第一導波部３１ｂの側方、及び、第二導波部３２の側方にまたがって位置している。図９Ａ〜図９Ｄは、固体撮像素子１００ｃの製造方法を示す断面図である。
【００９８】
まず、図９Ａに示されるように、デュアルダマシン法により、積層体２０（第一積層体２６及び第二積層体２７が形成される。次に、図９Ｂに示されるように、穴４０ｃが形成される。穴４０ｃは、以下の手順で形成される。
【００９９】
リソグラフィ法により、積層体２０の一番上のライナ層２３の上に、穴４０ｃを形成するためのレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、積層体２０に穴４０ｃが形成される。例えば、穴４０ｃの側面の傾斜角度が約８０°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。
【０１００】
次に、図９Ｃに示されるように、ＣＶＤ法を用いて、積層体２０の上面、及び、積層体２０の穴４０ｃを形成する表面にサイドウォール形成膜５０が堆積される。サイドウォール形成膜５０としては、例えば、オルトケイ酸テトラエチルが用いられる。
【０１０１】
次に、図９Ｄに示されるように、ドライエッチングにより、サイドウォール形成膜５０のうち、積層体２０の最上面に位置する部分、及び、穴４０ｃの底を形成する底面上に位置する部分が完全に除去される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。これにより、穴４０ｃの側方にサイドウォール部５０ｃが形成される。
【０１０２】
次に、導波路３０ｂが形成される。まず、ＣＶＤ法により、穴４０ｃに高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路３０ｂの屈折率を高めることができる。その後、ＣＭＰ法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、図８に示されるように、導波路３０ｂが形成される。
【０１０３】
［効果等］
以上説明したように、固体撮像素子１００ｂは、さらに、第一導波部３１ｂ及び積層体２０の間に位置する、導波路３０ｂへ光を導入するためのサイドウォール部５０ｂを備える。
【０１０４】
このようなサイドウォール部５０ｂによれば、サイドウォール部５０ｂにおける反射によって光が導波路３０ｂに導かれるため、光が散乱して積層体２０に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部１１への集光の効率が向上される。
【０１０５】
また、固体撮像素子１００ｃにおいて、サイドウォール部５０ｃは、第一導波部３１ｂ及び積層体２０の間、及び、第二導波部３２及び積層体２０の間にまたがって位置する。
【０１０６】
このようなサイドウォール部５０ｃによれば、サイドウォール部５０ｃにおける反射によって光が導波路３０ｂに導かれるため、光が散乱して積層体２０に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部１１への集光の効率が向上される。
【０１０７】
また、サイドウォール部５０ｂ（または、サイドウォール部５０ｃ）は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される。
【０１０８】
このような固体撮像素子１００ｂ（または固体撮像素子１００ｃ）は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成されたサイドウォール部５０ｂ（または、サイドウォール部５０ｃ）によって、光電変換部１１への集光の効率を向上することができる。
【０１０９】
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る固体撮像素子について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【０１１０】
例えば、上記実施の形態において説明に用いられ数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。
【０１１１】
また、上記実施の形態１、実施の形態１の変形例１、実施の形態１の変形例２、実施の形態２、及び、実施の形態２の変形例は、任意に組み合わされてよい。
【０１１２】
また、上記実施の形態では、固体撮像素子が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、固体撮像素子が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。
【０１１３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、固体撮像素子の製造方法として実現されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本開示の固体撮像素子は、高い受光感度を有する固体撮像素子として利用できる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０  半導体基板
１１  光電変換部
１２  浮遊拡散部
２０  積層体
２１  配線層
２２  層間絶縁膜
２３  ライナ層
２４  ビア
２５  電荷蓄積部
２６  第一積層体
２７  第二積層体
３０、３０ａ、３０ｂ  導波路
３１、３１ｂ  第一導波部
３２、３２ａ  第二導波部
３３  導波路
４０ｃ、４１、４１ｂ、４２  穴
５０  サイドウォール形成膜
５０ｂ、５０ｃ  サイドウォール部
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  固体撮像素子
【図１】
2020038960.tif 000003
【図２Ａ】
2020038960.tif 000004
【図２Ｂ】
2020038960.tif 000005
【図２Ｃ】
2020038960.tif 000006
【図２Ｄ】
2020038960.tif 000007
【図２Ｅ】
2020038960.tif 000008
【図２Ｆ】
2020038960.tif 000009
【図３】
2020038960.tif 000010
【図４】
2020038960.tif 000011
【図５Ａ】
2020038960.tif 000012
【図５Ｂ】
2020038960.tif 000013
【図５Ｃ】
2020038960.tif 000014
【図５Ｄ】
2020038960.tif 000015
【図５Ｅ】
2020038960.tif 000016
【図６】
2020038960.tif 000017
【図７Ａ】
2020038960.tif 000018
【図７Ｂ】
2020038960.tif 000019
【図７Ｃ】
2020038960.tif 000020
【図８】
2020038960.tif 000021
【図９Ａ】
2020038960.tif 000022
【図９Ｂ】
2020038960.tif 000023
【図９Ｃ】
2020038960.tif 000024
【図９Ｄ】
2020038960.tif 000025