(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサ部上に選択的に開口する遮光層を少なくとも形成する工程、
前記遮光層上に少なくともアクリル系熱硬化性樹脂より成る平坦化前駆層を形成する工程、
前記平坦化前駆層を形成した被処理基板の温度を、前記アクリル系熱硬化性樹脂のガラス転移温度以下に保持して、前記平坦化前駆層を研磨して平坦化層を形成する工程、
前記平坦化層表面にカラーフィルタ層及びオンチップレンズを形成する工程を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記研磨は化学的機械研磨であることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、遮光層上の平坦化層が高度に平坦化された固体撮像装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）をはじめとする固体撮像装置は、ビデオカメラやカメラ一体型ビデオテープレコーダ等に用いるエリアセンサと、ファクシミリやバーコードリーダ等に用いるラインセンサとに大別されるが、いずれも情報化社会における電子の目として必要不可欠のデバイスとなっている。ＣＣＤに対する小型化と高解像度化の要請は高く、高集積化の進展にともない単位画素あたりの占有面積は縮小され、同時にセンサ部の開口面積も縮小の方向にある。
【０００３】
かかるセンサ部の開口面積の縮小により、センサ部に採り込まれる光量が不足し、Ｓ／Ｎ比を確保するのに充分な光誘起電荷を発生させることが困難となってきた。そこで、高集積度と高感度の両特性をともに満たす要求に鑑みて採用されている構造がオンチップレンズである。オンチップレンズを採用したＣＣＤ撮像装置の垂直レジスタ方向の概略断面図を、図５を参照して説明する。シリコン等の半導体基板１上に第１層ポリシリコンゲート３および第２層ポリシリコンゲート４を形成し、これらゲート電極をマスクとしてセルフアラインでイオン注入および活性化熱処理等を施すことにより、センサ部２を形成する。つぎに全面にアルミニウム等の金属膜を堆積し、センサ部上部を開口して遮光層５を形成する。遮光層の開口平面形状は一例として１．５μｍ×２．５μｍの長方形である。この後Ｓｉ３  Ｎ４  等の保護層６を全面に形成し、さらに第１層ポリシリコンゲート３および第２層ポリシリコンゲート４により形成された段差を埋めてアクリル樹脂やＳｉＯ２  等による平坦化層７を形成し、さらにカラーフィルタ層８を形成する。この後センサ部２上部に位置するように、センサ部２より大面積のオンチップレンズ９を形成する。かかる構造により、オンチップレンズ９への入射光はセンサ部２に集光され、入射光の利用効率を数倍以上に向上してＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。
【０００４】
オンチップレンズ９の製造方法としては、本願出願人が先に出願した特開平１−１０６６６号公報で開示したように、カラーフィルタ層８上に有機高分子材料層を形成し、有機高分子材料層上に選択的にレジストパターンを形成した後、熱処理を加えてこのレジストパターンをリフローし、略球面の一部をなす表面形状を有するリフローレジストパターンを形成する。この段階でオンチップレンズの形状は確定するのであるが、後に述べる理由によりリフローレジストパターンと有機高分子材料層をともにエッチバックし、リフローレジストパターンをエッチオフするとともにリフローレジストパターンの形状をオンチップレンズ材料層である有機高分子材料層に転写し、オンチップレンズ９を完成する。
【０００５】
リフローレジストパターンを直接オンチップレンズとして用いない理由は、下層のカラーフィルタ層８を熱退色させない例えば１８０℃以下でリフロー可能な性質と、後処理工程でワイアボンディングや樹脂モールド工程時に加わる１５０℃程度の温度では逆にリフローしない性質とを合わせ持つレジスト材料の選択が困難であることによる。また１５０℃から１８０℃の狭い温度範囲でリフロー可能なレジスト材料が選択できたとしても、温度管理の点から実際のプロセスウィンドウが狭く、使用には困難が伴うことによる。そこで低温リフロー性に優れたレジスト材料と、耐熱性や光学特性に優れた有機高分子材料層を個別に材料選択して使用するのである。
【０００６】
このように形成され形状にすぐれたオンチップレンズであっても、下地の平坦化層の表面の平坦性は不十分な場合には、その後に形成するカラーフィルタ層に塗布むらを生じたり、オンチップレンズの高さや光軸が不揃いに形成されるので、カラーフィルタ層や平坦化層表面で入射光が乱反射されて撮像むらを生じ、製品の歩留りを低下する虞れがある。
【０００７】
平坦化層の表面形状の改良技術としては、例えば特開平１−２７９２０４号公報に開示されているように、平坦化層上に無溶媒のアクリルモノマ等を塗布して平坦化犠牲層を形成し、平坦化犠牲層をエッチバックしてその表面性を平坦化層に転写する方法が知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平坦化犠牲層の塗布による方法では局所的に存在する微少な段差の平坦化には有効であるが、広い領域にわたるピッチの大きい段差を平坦化することは困難である。すなわちオンチップレンズの光路長の不揃いを改善する効果は薄い。
【０００９】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決することをその課題とする。すなわち本発明の課題は固体撮像装置の平坦化層表面の表面平坦性を改良し、良好な特性を有する固体撮像装置の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
また本発明の固体撮像装置の製造方法は、光センサ部上に選択的に開口する遮光層を少なくとも形成する工程、この遮光層上に少なくともアクリル系熱硬化性樹脂より成る平坦化前駆層を形成する工程、平坦化前駆層を形成した被処理基板の温度を、このアクリル系熱硬化性樹脂のガラス転移温度以下に保持して、平坦化前駆層を研磨して平坦化層を形成する工程、この平坦化層表面にカラーフィルタ層及びオンチップレンズを形成する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像装置の製造方法の好ましい実施態様においては、研磨は化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によることが望ましい。
【００１３】
研磨ないし化学的機械研磨は、Ｓｉ等半導体ウェハのミラーポリッシュや、段差が形成された層間絶縁膜の平坦化に用いられてきた方法であり、スラリ中の研磨粒子による機械的研磨、あるいはこれに加えてスラリ溶媒による化学研磨を併用するものである。化学的機械研磨によれば、研磨粒子の材料、形状や、溶媒の化学組成を最適化することにより、被研磨基板の凸部を除去するとともに平坦化層の膜厚制御をおこなうことができる。しかも狭い範囲の平坦化のみならず、広い範囲におよぶいわゆるグローバル平坦化に適した方法であるので、例えば８インチ基板の全領域にわたり均一で高度な平坦化ができ、カラーフィルタ層の塗布むら改善、オンチップレンズの高さ、光軸の不揃いの改善ができる。
【００１４】
さらに従来のアクリル樹脂等のスピンコーティングによる平坦化層のように、セルフフローによる平坦化効果を用いないので、平坦化層を厚く形成する必要はなく、その分だけ光路長は短くなり、この面からも感度低下の少ない固体撮像装置の製造方法を提供することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、添付図面を参照して説明する。まず以下の実施例及び参考例で用いた研磨装置の一例の概略につき、図４に示す概略断面図を参照して説明する。
【００１６】
研磨を施す被処理基板１１は、回転するキャリアに真空吸着等により下向きに保持する。一方プラテン１３と称する回転研磨プレート上に、不織布等による研磨パッド１４を敷き、この中心部にスラリ供給系１５よりノズル１６を経由してスラリ１７を供給する。スラリ１７は遠心力により研磨パッド１４上に均一に拡がる。図中ではスラリ１７は研磨粒子を模式的に強調して示している。この状態で被処理基板１１を研磨パッド１４に所定圧力で圧接し、被処理基板１１全面に均一な研磨を施す。図４の研磨装置は一例であり、ウェハのチャック方法やキャリアの数、パッドの種類等は特に限定するものではない。キャリア１２は単に回転運動ではなく自公転運動や回転往復運動を与えてもよい。キャリア１２とプラテン１３の回転数、研磨圧力、研磨時間およびスラリ供給速度等は予め研磨条件をインプットした図示しないコンピュータにより制御してもよい。
【００１７】
スラリとしては、被処理基板の被平坦化層の材料に適したものを選択する。例えば被平坦化層が酸化シリコン系材料の場合にはシリカ微粒子を懸濁したＫＯＨ水溶液等塩基性のものが好ましい。アクリル樹脂等高分子材料の場合にはシリカ微粒子を懸濁した水系溶媒でよい。この場合には高分子材料のガラス転移温度以下に被処理基板温度を制御すれば被平坦化層の平坦性は向上する。スラリ粒子は複数の粒子径のもの、例えば数百ｎｍから数ｎｍのものを順次使用して平坦度を向上することも可能である。いずれの場合にも化学的機械研磨終了後はスラリを十分洗浄除去して平坦化を完了する。
【００１８】
本実施例の理解を容易にするために、先ず参考例１、２について説明する。
参考例１
参考例は平坦化層としてＯ３／ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料ガスとする常圧ＣＶＤによるＳｉＯ2 を採用し、これを化学的機械研磨により平坦化した例であり、この工程を図２（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。
【００１９】
参考例で採用した図２（ａ）に示す試料の構造および製造方法は、図５で説明した固体撮像装置の概略断面図の１部と同様であるので、共通する構成部分には同一の参照符号を付すものとする。すなわち、シリコン等の半導体基板１上に第１層ポリシリコンゲート３および第２層ポリシリコンゲート４からなる転送電極を形成し、これら転送電極をマスクとしてセルフアラインでイオン注入および活性化熱処理等を施すことにより、センサ部２を形成し、つぎに全面にＣＶＤ法でＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）からなる層間絶縁膜およびスパッタリングによるアルミニウム等の金属膜を堆積し、センサ部上部を選択的に開口して遮光層５を形成する。遮光層の開口平面形状は一例として１．５μｍ×２．５μｍの長方形である。この後Ｓｉ３Ｎ４等の保護層６をプラズマＣＶＤ法で全面に形成したものである。この段階までは常法に準拠して製造することができる。
【００２０】
つぎに常圧ＣＶＤ装置により、下記条件を採用してＳｉＯ２からなる平坦化前駆層１０を形成する。
ＴＥＯＳ                １４  ｓｃｃｍ
Ｏ３                     ３５０  ｓｃｃｍ
基板温度                ３８０  ℃
圧力                    大気圧
なおＯ３の流量は無声放電によるオゾン発生装置にＯ２ガスを導入して得られるＯ３／Ｏ２混合ガスの流量である。平坦化前駆層１０の形状は、図２（ｂ）に示すようにＯ３／ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤの成膜特性によってセルフフロー形状に形成される。平坦化前駆層１０の膜厚は、表面凹部が保護層６の最上部よりやや上、例えば５００ｎｍ上となるように形成した。
【００２１】
図２（ｂ）に示す被処理基板を図４の研磨装置のキャリア１２にセッティングし、一例として下記条件で平坦化前駆層１０を化学的機械研磨した。
キャリア回転数        １７  ｒｐｍ
プラテン回転数        ５０  ｒｐｍ
研磨圧力                ８  ｐｓｉ
研磨パッド温度        ３０〜４０  ℃
スラリ流量            ２２５  ｍｌ／分
スラリとしては、シリカ粒子をＫＯＨ／アルコール／水系の溶媒に懸濁させたものを用いた。これら研磨条件およびスラリ組成は、ＳｉＯ２系層間絶縁膜の平坦化研磨条件として一般的なものである。
【００２２】
この結果、図２（ｃ）に示すように被処理基板全面にわたり良好な平坦面を有する平坦化層７が形成された。平坦化層７の厚さは、保護層６の最上部において約２００ｎｍであった。通常アクリル樹脂等のスピンコーティングにより平坦化層を形成する場合には、被処理基板の面内均一性を確保するため、平坦化層の厚さは保護層の最上部において少なくとも数百ｎｍ形成する必要がある。しかし本実施例によれば平坦化層を極めて薄く形成でき、しかも被処理基板の全領域においてほぼ完全に近い平坦面を有するので、固体撮像装置の感度向上や感度むらの低減に効果がある。
【００２３】
この後、常法に準拠してカラー固体撮像装置の場合にはカラーフィルタ層、そしてオンチップレンズ等（共に図示せず）を形成し固体撮像装置を完成した。本実施例によれば、Ｏ３  ／ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤによるＳｉＯ２  からなる平坦化前駆層を化学的機械研磨して平坦化層を形成することにより、極めて均一な平坦面を有する平坦化層を形成することができ、カラーフィルタ層の塗布むら改善、オンチップレンズの高さ、光軸の不揃いの改善ができた。
【００２４】
参考例２
参考例は平坦化層としてＮ２Ｏ／ＳｉＨ４を原料ガスとするバイアスＥＣＲ−ＣＶＤ法によるＳｉＯ２を採用し、これを化学的機械研磨により平坦化した例であり、この工程を図３（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。
【００２５】
参考例で採用した図３（ａ）に示す試料の構造および製造方法は、前参考例１で図２（ａ）を参照して説明したものと同様であるので重複する説明は省略する。つぎにバイアスＥＣＲ−ＣＶＤ装置により、下記条件を採用してＳｉＯ２からなる平坦化前駆層１０を形成する。
ＳｉＨ４               ２０  ｓｃｃｍ
Ｎ２ Ｏ                ３５  ｓｃｃｍ
基板温度            ３８０  ℃
圧力                ０．１  Ｐａ
マイクロ波出力      ８００  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
平坦化前駆層１０の形状は、図３（ｂ）に示すようにバイアスＥＣＲ−ＣＶＤの成膜特性によって、凸部の肩部分がスパッタリングされた形状に形成される。なお平坦化前駆層１０はこのまま成膜を継続すればバイアスＥＣＲ−ＣＶＤのみでも完全に近い平坦化が可能である。この方法は、本願発明人が特開平３−１３９８５８号公報に開示したものである。しかしながら参考例においては、平坦化前駆層１０の膜厚は、その表面凹部が保護層６の最上部よりやや上、例えば５００ｎｍ上となるように形成するに留めた。
【００２６】
つぎに図３（ｂ）に示す被処理基板を図４の研磨装置のキャリア１２にセッティングし、一例として下記条件で平坦化前駆層１０を化学的機械研磨した。
キャリア回転数        １７  ｒｐｍ
プラテン回転数        ５０  ｒｐｍ
研磨圧力                ８  ｐｓｉ
研磨パッド温度        ３０〜４０  ℃
スラリ流量          ２２５  ｍｌ／分
スラリとしては、シリカ粒子をＫＯＨ／アルコール／水系の溶媒に懸濁させたものを用いた。これら研磨条件およびスラリ組成は、ＳｉＯ２系層間絶縁膜の平坦化研磨条件として一般的なものである。
【００２７】
この結果、図３（ｃ）に示すように被処理基板全面にわたり良好な平坦面を有する平坦化層７が形成された。平坦化層７の厚さは、保護層６の最上部において約２００ｎｍであった。
【００２８】
この後、常法に準拠してカラーフィルタ層、オンチップレンズ等（共に図示せず）を形成し固体撮像装置を完成した。本実施例によれば、Ｎ２  Ｏ／ＳｉＨ４  を原料ガスとする、バイアスＥＣＲ−ＣＶＤによるＳｉＯ２  からなる平坦化前駆層を化学的機械研磨して平坦化層を形成することにより、極めて均一な平坦面を有する平坦化層を形成することができ、カラーフィルタ層の塗布むら改善、オンチップレンズの高さ、光軸の不揃いの改善ができた。
【００２９】
実施例
本実施例は平坦化前駆層としてアクリル系熱硬化性樹脂をスピンコーティングで形成し、これを化学的機械研磨により平坦化した例であり、この工程を図１（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。
【００３０】
本実施例で採用した図１（ａ）に示す試料の構造および製造方法は、前参考例１の図２（ａ）を参照して説明したものと同様であるので重複する説明は省略する。つぎにアクリル系熱硬化性樹脂の１例としてＪＳＳ（日本合成ゴム株式会社商品名）を採用し、これをスピンコーティングおよび熱硬化して平坦化前駆層１０を形成した。平坦化前駆層１０の形状は、図１（ｂ）に示すようにスピンコーティングのセルフフロー形状を反映して保護層６凹部上部には僅かな凹部が残された表面形状であった。この凹部は平坦化前駆層１０を厚くコーティングすれば、ほとんど無視できるレベルまで低減可能であるが、この場合には平坦化層の膜厚が増大し、固体撮像装置の感度低下等の要因となる。
【００３１】
つぎに図１（ｂ）に示す被処理基板を図４の研磨装置のキャリア１２にセッティングし、一例として下記条件で平坦化前駆層１０を研磨した。
キャリア回転数            １７  ｒｐｍ
プラテン回転数            ５０  ｒｐｍ
研磨圧力                    ５  ｐｓｉ
研磨パッド温度              ０  ℃
スラリ流量              ２２５  ｍｌ／分
スラリとしては、シリカ粒子を水に懸濁させた単純な系を採用したが、被処理基板温度が低くアクリル系熱硬化性樹脂による平坦化前駆層１０がガラス転移温度以下であることもあって、良好な研磨が進行した。
【００３２】
この結果、図１（ｃ）に示すように被処理基板全面にわたり良好な平坦面を有する平坦化層７が形成された。平坦化層７の厚さは、保護層６の最上部において約２００ｎｍであった。
【００３３】
この後、常法に準拠してカラーフィルタ層、オンチップレンズ等（共に図示せず）を形成し固体撮像装置を完成した。本実施例によれば、アクリル系熱硬化性樹脂からなる平坦化前駆層を研磨して平坦化層を形成することにより、極めて均一な平坦面を有する平坦化層を形成することができ、カラーフィルタ層の塗布むら改善、オンチップレンズの高さ、光軸の不揃いの改善ができた。
【００３４】
以上本発明を上例の実施例を用いて説明したが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。例えば、平坦化前駆層として無機ＳＯＧ、有機ＳＯＧ等の塗布絶縁膜を採用してもよい。また減圧ＣＶＤによるＳｉＯ２を採用してもよい。ＳｉＯ２の他にＰＳＧやＢＳＧ、ＢＰＳＧ等のシリケートガラスやＳｉＯＮ等の低応力無機絶縁膜を採用してもよい。被処理基板に数百℃以上の熱処理を加える製法の場合には、遮光層にＣｒやＷ等の高融点金属を採用することが望ましい。
【００３５】
平坦化層に有機高分子材料を用いる場合には、アクリル系樹脂の他にポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂あるいはノボラック系フォトレジスト等を採用することができる。
【００３６】
また研磨装置や研磨条件も平坦化前駆層の材料に応じ、各種の方式を採用してよい。また研磨粒子としてはシリカ（ＳｉＯ２  ）の他に、Ａｌ２  Ｏ３  、ＳｉＣやＣｅＯ２  等各種研磨剤を採用することが可能である。
【００３７】
固体撮像装置はエリアセンサ、リニアセンサの別なく適用できる。その他、撮像装置の構造も例示したものやＣＣＤ構造に限定されるものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、平坦化層表面の平坦性を極めて良好なものとすることができ、また平坦化層の厚さを低減できるので、カラーフィルタ層の塗布むら改善、オンチップレンズの高さ、光軸の不揃いが改善されると共に感度の向上、感度むらの低減が可能となり、固体撮像装置の性能と信頼性の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した実施例の固体撮像装置の製造方法を説明する概略断面図であり、（ａ）はセンサ部、転送電極、層間絶縁膜、遮光層および保護層等を形成して段差が発生した状態、（ｂ）はスピンコーティングによる高分子層からなる平坦化前駆層を形成した状態、（ｃ）は平坦化前駆層を研磨して平坦化層が完成した状態である。
【図２】参考例１の固体撮像装置の製造方法を説明する概略断面図であり、（ａ）はセンサ部、転送電極、層間絶縁膜、遮光層および保護層等を形成して段差が発生した状態、（ｂ）は常圧ＣＶＤによる平坦化前駆層を形成した状態、（ｃ）は平坦化前駆層を化学的機械研磨して平坦化層が完成した状態である。
【図３】参考例２の固体撮像装置の製造方法を説明する概略断面図であり、（ａ）はセンサ部、転送電極、層間絶縁膜、遮光層および保護層等を形成して段差が発生した状態、（ｂ）はバイアスＥＣＲ−ＣＶＤ法による平坦化前駆層を形成した状態、（ｃ）は平坦化前駆層を化学的機械研磨して平坦化層が完成した状態である。
【図４】研磨装置の概略断面図である。
【図５】一般的な固体撮像装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１      半導体基板
２      センサ部
３      第１層ポリシリコンゲート
４      第２層ポリシリコンゲート
５      遮光層
６      保護層
７      平坦化層
８      カラーフィルタ層
９      オンチップレンズ
１０      平坦化前駆層
１１      被処理基板
１２      キャリア
１３      プラテン
１４      研磨パッド
１５      スラリ供給系
１６      ノズル
１７      スラリ
【図１】
0003626252.tif 000002
【図２】
0003626252.tif 000003
【図３】
0003626252.tif 000004
【図４】
0003626252.tif 000005
【図５】
0003626252.tif 000006