(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置の製造方法であって、
複数の画素が配された第１の領域と、前記第１の領域よりも外周側に設けられ、前記複数の画素を制御する回路が配された第２の領域と、前記第２の領域よりも外周側に設けられた第３の領域を含む半導体基板を設ける工程と、
前記半導体基板の上であって、前記第１の領域と前記第２の領域に設けられた複数の配線層を形成する工程と、
前記複数の配線層のうち最上層の配線層の上であって、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上であって、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域に層内レンズ層を形成する工程と、
前記層内レンズ層の上にパターニングされたレジストを形成する工程と、
前記パターニングされたレジストをマスクとして、前記第３の領域に設けられた前記層内レンズ層と前記絶縁膜にスリット構造を形成する工程と、
前記絶縁膜にスリット構造を形成する工程の後、フォトリソグラフィー法を用いて、前記第１の領域の前記層内レンズ層の上に半球状のレジストパターンを形成し、前記半球状のレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことで前記層内レンズ層に球状部を形成する工程と、を有し、
前記スリット構造を形成する工程において、前記スリット構造の下に前記絶縁膜の一部が残存するように前記スリット構造を形成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】
前記層内レンズ層の上であって、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域に反射防止膜を形成する工程を更に有し、
前記反射防止膜は、前記スリット構造の側面を構成する前記層内レンズ層および前記絶縁膜を覆うように形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置の多画素化に伴う画素寸法の縮小化が進んでいる。このような固体撮像装置では、画素寸法の縮小化に伴って光電変換部の受光面の面積が減少し、光電変換部の感度が低下する可能性がある。このような感度低下を抑制するため、特許文献１では、光電変換部とオンチップレンズとの間に、層内レンズを設ける構成が記載されている。また、特許文献１では、層内レンズとして窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−４０７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、基板上に電荷転送部や配線層等を形成した後、窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜等の透明材料膜をプラズマＣＶＤ法により成膜し、この透明材料膜上にレジストを塗布してレジスト層を形成する。次に、このレジスト層をパターニングして、リフロー処理を行い、形成したレジストパターンをマスクとして透明材料膜をエッチングし、層内レンズを作製する。このような製造方法においては、透明材料膜よりも基板側に形成したパターンを利用してマスクの位置合わせを行い、透明材料膜上に形成したレジスト層のパターニングを行うことが多い。
【０００５】
しかし、透明材料膜の膜応力により基板が歪む場合があり、所定のパターンとマスクとの位置合わせ不良が発生する可能性がある。このため、透明材料膜をパターニングして形成される層内レンズが所望の位置に形成できず、信頼性の高い固体撮像装置が得られないという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜に例示される層内レンズ形成材料により膜応力が発生しても、信頼性の高い固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる固体撮像装置の製造方法は、複数の画素が配された第１の領域と、前記第１の領域よりも外周側に設けられ、前記複数の画素を制御する回路が配された第２の領域と、前記第２の領域よりも外周側に設けられた第３の領域を含む半導体基板を設ける工程と、前記半導体基板の上であって、前記第１の領域と前記第２の領域に設けられた複数の配線層を形成する工程と、前記複数の配線層のうち最上層の配線層の上であって、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上であって、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域に層内レンズ層を形成する工程と、前記層内レンズ層の上にパターニングされたレジストを形成する工程と、前記パターニングされたレジストをマスクとして、前記第３の領域に設けられた前記層内レンズ層と前記絶縁膜にスリット構造を形成する工程と、前記絶縁膜にスリット構造を形成する工程の後、フォトリソグラフィー法を用いて、前記第１の領域の前記層内レンズ層の上に半球状のレジストパターンを形成し、前記半球状のレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことで前記層内レンズ層に球状部を形成する工程と、を有し、前記スリット構造を形成する工程において、前記スリット構造の下に前記絶縁膜の一部が残存するように前記スリット構造を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、層内レンズを形成する材料により膜応力が発生しても、信頼性の高い固体撮像装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１の固体撮像装置を表す図である。
【図２】実施形態１の固体撮像装置を表す図である。
【図３】実施形態１の固体撮像装置の製造方法を表す図である。
【図４】実施形態１の固体撮像装置の製造方法を表す図である。
【図５】実施形態１の固体撮像装置の効果を説明する模式図である。
【図６】実施形態１の変形例の固体撮像装置を表す図である。
【図７】実施形態２の固体撮像装置を表す図である。
【図８】実施形態２の固体撮像装置を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者らは、窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜の膜応力を緩和するために、レジスト層を形成する前に窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜にスリット構造を形成することを検討した。その際に、さらに固体撮像装置の信頼性を高めるためには、スリット構造を形成する位置およびスリット構造の深さ等についても検討しなければならないということを着目し、本発明に至った。以下、具体的に説明する。
【００１１】
［実施形態１］
図１（ｂ）は、半導体基板１０の平面図であり、図１（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置１である。半導体基板１０を分割することにより、複数の固体撮像装置１が得られる。また、図２は、本実施形態の固体撮像装置の図１（ａ）のＡ−Ｂに沿った断面構造を表す図である。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、画素領域ＰＡ（第１の領域）と、画素領域ＰＡよりも外周側に設けられた周辺領域ＣＡ（第２の領域）を有する。ここで、半導体基板を平面視したときに、固体撮像装置１の中心部へ向かう方向を内周側、半導体基板の外縁に向かう側を外周側という。
【００１３】
画素領域ＰＡには、複数の画素ＰＵがマトリックス状に配列されている。画素ＰＵは、光電変換部で生じた電荷を転送する転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅用トランジスタ、選択トランジスタ等を有する。
【００１４】
周辺領域ＣＡには、画素領域ＰＡに含まれる複数の画素ＰＵを制御するための周辺回路が配されている。また、周辺領域ＣＡよりも外周側に外周領域ＯＡ（第３の領域）が設けられている。さらに、保護構造ＧＳ（ガードリング）が、外周領域ＯＡに設けられている。平面視において、保護構造ＧＳは、画素領域ＰＡと周辺領域ＣＡを取り囲むように設けられている。保護構造は、固体撮像装置１の外部から侵入する水分等から画素領域ＰＡおよび周辺領域ＣＡを保護するための構造である。
【００１５】
図２において、基板１０上には素子機能層１１が形成される。基板１０としては、シリコン等の半導体基板を用いることができる。素子機能層１１は、複数の光電変換部、複数のトランジスタ、素子分離構造等を有する。
【００１６】
素子機能層１１上には、画素領域ＰＡ、周辺領域ＣＡ、外周領域ＯＡにわたって、層間絶縁膜１２が形成される。層間絶縁膜１２としては、例えば酸化シリコン等を用いることができる。素子機能層１１中の構造と、層間絶縁膜１２より上部の層との間で電気的な導通を確保するために、コンタクトプラグ１３が形成される。コンタクトプラグ１３としては、例えばタングステンを主成分とする金属又は金属化合物が用いられる。
【００１７】
層間絶縁膜１２上には、画素領域ＰＡ、周辺領域ＣＡ、外周領域ＯＡに、複数の配線層１４、複数の層間絶縁膜１５、複数のビアプラグ１６が形成される。図２では３層の配線層を示しているが、配線層の層数は適宜選択できる。
【００１８】
複数の配線層１４としては、例えばアルミニウムまたは銅を主成分とする金属、並びに、これらの金属化合物等を用いることができる。層間絶縁膜１５としては、例えば酸化シリコン等を用いることができる。ビアプラグ１６としては、例えばタングステンを主成分とする金属又は金属化合物が用いることができる。
【００１９】
周辺領域ＣＡの外周側に設けられている保護構造ＧＳは、コンタクトプラグ１３、複数の配線層１４、及び複数のビアプラグ１６の積層構造からなる。保護構造ＧＳは、図１（ａ）に示すように画素領域ＰＡおよび周辺領域ＣＡを取り囲んで形成される。すなわち、保護構造ＧＳを構成するコンタクトプラグ１３、複数の配線層１４、及び複数のビアプラグ１６は、画素領域ＰＡを取り囲んで配置されている。
【００２０】
複数の配線層１４のうち最上層の配線層の上には、絶縁膜１７が形成される。絶縁膜１７としては、絶縁膜１７による応力を抑制するために、窒素を含有しないシリコン膜、例えば酸化シリコン膜を用いる。絶縁膜１７は成膜後にＣＭＰで平坦化してもよい。
【００２１】
絶縁膜１７上には、層内レンズ層１８が形成される。層内レンズ層１８は、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって形成される平坦部１８ａと、画素ごとに形成される球状部１８ｂを有する。この球状部１８ｂが層内レンズとなる。また、複数の配線層１４のうち最上層の配線層は、層内レンズ層１８に最も近い配線層と表現することも可能である。
【００２２】
層内レンズ層１８の上部には、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって第１の平坦化層（不図示）が形成される。第１の平坦化層上には、画素ごとにカラーフィルタ層（不図示）が形成され、その上部に画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって第２の平坦化層（不図示）が形成される。第２の平坦化層上には、画素ごとにマイクロレンズ（不図示）が形成される。
【００２３】
層内レンズ層１８の屈折率が第１の平坦化層および第２の平坦化層の屈折率よりも高くなるように、層内レンズ層１８は、例えば窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜を用いることが好ましい。層内レンズ層１８は、窒化シリコン等をプラズマＣＶＤ法等で成膜し、フォトリソグラフィー手法やエッチング手法により形成することができる。第１の平坦化層、第２の平坦化層は、有機樹脂を用いスピンコート法等により塗布成膜することで形成することができる。マイクロレンズは、有機樹脂を用いてスピンコート法等で塗布成膜し、フォトリソグラフィー手法やエッチング手法を用いて形成することができる。
【００２４】
また、本実施形態の固体撮像装置１は、層内レンズ層１８の下に反射防止膜１８１、層内レンズ層１８の上に反射防止膜１８２が形成されている。反射防止膜１８１および１８２としては、窒化シリコンや、窒化シリコンよりも屈折率の低い酸窒化シリコン等を用いることができる。絶縁膜１７として、酸窒化シリコンよりも屈折率の低い酸化シリコン等を用いることができる。
【００２５】
上記のような材料を適宜選択することにより、第１の平坦化層、第２の平坦化層、マイクロレンズの屈折率を１．６程度、反射防止膜１８２の屈折率を１．７程度、層内レンズ層１８の屈折率を２．０程度とすることができる。また、反射防止膜１８１の屈折率を１．７程度、絶縁膜１７の屈折率を１．５程度とすることができる。これにより、層内レンズ層１８の屈折率を第１の平坦化層の屈折率よりも高くできるため、第１の平坦化層から層内レンズ層１８へ入射する光を屈折させ、各画素の光電変換部への集光効果を高めることができる。また、反射防止膜１８２の屈折率が、第１の平坦化層の屈折率よりも高く、層内レンズ層１８の屈折率よりも低い屈折率を有する構成とできるため、第１の平坦化層から反射防止膜１８２および層内レンズ層１８へ入射する光の反射成分を低減することができる。さらに、反射防止膜１８１の屈折率が、絶縁膜１７の屈折率よりも高く、層内レンズ層１８の屈折率よりも低い構成とできるため、層内レンズ層１８から反射防止膜１８１および絶縁膜１７へ入射する光の反射成分を低減することができる。
【００２６】
層内レンズ層１８及び反射防止膜１８１および１８２を、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンで形成することで、酸化シリコンに比べて、固体撮像装置１の外部から画素領域ＰＡ及び周辺領域ＣＡへの水分等の侵入を抑制することができる。
【００２７】
本実施形態の固体撮像装置１では、図２に示すように、層内レンズ層１８及び反射防止膜１８１が、保護構造ＧＳの内周端ＧＳＥよりも外周側の領域にスリット構造１９を有している。図２では、スリット構造１９が保護構造ＧＳの上部の領域のみに形成された構成を示しているが、平面視において、保護構造ＧＳが設けられている領域以外の外周領域ＯＡにスリット構造１９が形成されていてもよい。また、平面視において、保護構造ＧＳが設けられている領域と、保護構造ＧＳが設けられていない外周領域ＯＡの両方にわたりスリット構造１９が形成されていてもよい。本明細書において、スリット構造は開口部から構成されるが、製造工程において開口部が形成されている限りにおいて、その後の工程で開口部に他の部材が充填されたものについても、開口部またはスリット構造と表現する。
【００２８】
図３（ａ）は、固体撮像装置１の製造工程のうち、絶縁膜１７までが形成された状態を示すものである。
【００２９】
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜１７上に、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって、プラズマＣＶＤ法等を用いて酸窒化シリコン等の材料を成膜し、反射防止膜１８１を形成する。また、反射防止膜１８１上に、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって、プラズマＣＶＤ法等を用いて窒化シリコン等からなる層内レンズ層１８を成膜する。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、層内レンズ層１８上にレジスト層を形成して、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングし、保護構造ＧＳの内周端ＧＳＥよりも外周側の領域に開口を有するレジストパターンを形成する。また、このレジストパターンは、保護構造ＧＳの上部に開口を有する。
【００３１】
次に、形成されたレジストパターンをマスクとして、層内レンズ層１８をエッチングする。この際、層内レンズ層１８、反射防止膜１８１、および、絶縁膜１７の一部までエッチングを行う。これにより、絶縁膜１７に開口部２２０（第１の開口部）が形成され、層内レンズ層に開口部２００（第２の開口部）が形成され、反射防止膜１８１に開口部２１０（第３の開口部）が形成される。これら複数の開口部がスリット構造となる。また、同一のレジストパターンを用いてエッチングが行われることから、開口部２００、開口部２１０、開口部２２０は互いに連結している。開口部はエッチング工程によって層の一部が除去された箇所であり、開口部には、エッチングによって層が貫通されている形態と層が貫通されていない形態の両方が含まれる。
【００３２】
図４（ａ）の工程では、層内レンズ層１８上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法を用いて、画素領域ＰＡにレジストが残存するレジストパターンを形成する。このレジストパターンを形成する際のマスクとしては、例えば面積階調露光用のマスクが用いられる。マスクの位置合わせは、層内レンズ層１８よりも基板側に形成された所定のパターンを用いて行われる。次に、パターニングされたレジスト層にリフロー処理を行い、例えば半球面状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして層内レンズ層１８をエッチングすると、平坦部１８ａおよび球状部１８ｂを形成することができる。このようにして、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって層内レンズ層１８が設けられる。
【００３３】
図４（ｂ）の工程では、層内レンズ層１８の上に、画素領域ＰＡから外周領域ＯＡにわたって、プラズマＣＶＤ法等を用いて窒化シリコンや酸窒化シリコン等の材料を成膜し、反射防止膜１８２を形成する。
【００３４】
本実施形態の固体撮像装置１は、図３（ｃ）に示すように、保護構造ＧＳの内周端ＧＳＥよりも外周側の領域において、層内レンズ層１８がエッチングされている。すなわち、本実施形態では、層内レンズ層１８の膜厚が最も厚い図３（ｃ）の状態において、層内レンズ層１８にスリット構造が形成されている。これにより、この状態において、層内レンズ層１８が連続膜となっている領域が減少し、層内レンズ層１８の膜応力による基板歪みを低減することができる。
【００３５】
一般に、基板上の膜の膜応力σと基板の曲率半径Ｒは、以下の式（１）で表される。
σ＝Ｅｓ・Ｔｓ２／６・（１−νｓ）・Ｒ・Ｔｆ      （１）
【００３６】
ここで、Ｅｓは基板のヤング率、νｓは基板のポワソン比、Ｔｓは基板の厚さ、Ｔｆは膜の厚さを表す。ヤング率、ポワソン比は材料固有の定数であるため、式（１）より、基板のある点に生じる膜応力は、その点における膜応力方向と垂直方向の構成のみで規定される。すなわち、基板種と膜種のみで規定される。また、膜応力に伴う基板中のある点の曲率半径も、基板種と膜種のみで規定される。
【００３７】
層内レンズ層１８の膜応力による基板歪みは、層内レンズ層１８が平面的に連続膜となっている領域において積算される。式（１）により基板各点の曲率半径は一定であるため、層内レンズ層１８が平面的に連続膜となっている領域が減少することで、基板歪みを低減することができる。
【００３８】
このように、本実施形態の固体撮像装置１では、図３（ｃ）の状態で、層内レンズ層１８にスリット構造が形成されることにより、基板歪みを低減できる。これにより、図４（ａ）の工程で層内レンズ層１８上のレジストをパターニングする際の、位置合わせ不良を低減することができ、信頼性の高い固体撮像装置およびその製造方法を提供することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、スリット構造を、保護構造ＧＳの内周端ＧＳＥよりも外周側の領域に形成しており、保護構造ＧＳの内周側の領域については、層内レンズ層１８及び反射防止膜１８１、１８２が形成された構成となっている。この構成により、固体撮像装置１の外部からの画素領域ＰＡ及び周辺領域ＣＡへの水分等の侵入に関して、基板面内方向からの侵入は保護構造ＧＳにより、上部方向からの侵入は、層内レンズ層１８及び反射防止膜１８１、１８２により抑制することができる。
【００４０】
また、本実施形態の固体撮像装置１では、スリット構造１９を形成する際に絶縁膜１７の一部までエッチングされている。また、反射防止膜１８２がスリット構造の開口部の側壁を覆うように、層内レンズ層１８の上に形成されている。すなわち、反射防止膜１８２が、絶縁膜１７の開口部２２０の底面および側面、並びに、開口部２１０と開口部２００の側壁を覆うように形成されている。
【００４１】
図５（ａ）の矢印は画素領域ＰＡ及び周辺領域ＣＡへの外部からの水分侵入経路を模式的に示しているものである。このように、本実施形態で示した構成によれば、膜応力の緩和に用いられたスリット構造によって、絶縁膜１７を経由する基板面内方向の水分経路の一部を遮断することが可能となる。酸化シリコン膜は、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜よりも水分が侵入しやすい。そのため、絶縁膜１７を酸化シリコン膜、反射防止膜１８１、１８２を窒化シリコン膜または酸窒化シリコン膜で構成すれば、酸化シリコン膜で構成される水分経路の少なくとも一部を遮断することができる。これにより、信頼性の高い固体撮像装置を提供することができる。
【００４２】
（変形例）
図６に、実施形態１の変形例に係る固体撮像装置の構成を示す。図６では、固体撮像装置１と同様の構成要素には、図１と同一の符号を付している。本変形例では、スリット構造１９が、保護構造ＧＳを構成する配線層のうち最上層の配線層１４まで到達している点が異なる。すなわち、絶縁膜１７の開口部２２０が、保護構造ＧＳを構成する配線層のうち最上層の配線層１４と接している。このような構成とすることで、図２に示した形態と比較して、絶縁膜１７を通じて保護構造ＧＳの内周側へ伝達する水分侵入経路をより多く遮断することができる。
【００４３】
また、図６では、スリット構造１９が保護構造ＧＳの上部の領域にのみ構成された例を示したが、平面視において保護構造ＧＳが設けられている領域以外の外周領域ＯＡにおいてスリット構造１９が形成されていてもよい。また、平面視において、保護構造ＧＳが設けられている領域と、保護構造ＧＳが設けられていない外周領域ＯＡの両方にわたりスリット構造１９が形成されていてもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、スリット構造１９が画素領域ＰＡ及び周辺領域ＣＡを取り囲んで一周する構成としてもよい。このような構成とすることで、反射防止膜１８２を保護構造ＧＳと接触させた構造によって、画素領域ＰＡ及び周辺領域ＣＡを取り囲むことができ、絶縁膜１７を通じて保護構造ＧＳの内周側へ伝達する水分侵入経路を全方位から遮断することができる。
【００４５】
［実施形態２］
本実施形態では、スリット構造１９が固体撮像装置外部の領域に形成された構成を示す。以下、図７を用いて、実施形態１と構成上の差異がある箇所のみを説明する。
【００４６】
図７（ａ）は、本実施形態にかかる固体撮像装置２の平面図である。図７（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の製造工程において、図７（ａ）の固体撮像装置１へ分割する前の半導体基板１０の上面図である。図８は、図７（ｂ）のＡ−Ｂ−Ｃに沿った断面構造を表す図であり、本実施形態の固体撮像装置の製造工程の途中を示したものである。
【００４７】
本実施形態では、スリット構造１９がスクライブ領域ＳＡ上に形成されている点が実施形態１と異なり、前記の製造方法を適用することが可能である。製造工程において、スクライブ領域ＳＡは、周辺領域ＣＡよりも外周側に設けられている外周領域（第３の領域）となる。
【００４８】
このような構成においても、層内レンズ層が連続膜となっている領域を減少し、層内レンズ層１８の膜応力による基板歪みを低減することができる。これにより、信頼性の高い固体撮像装置を提供することができる。また、本実施形態においても、スリット構造１９を形成する際に、絶縁膜１７の一部までエッチングされており、反射防止膜１８２が絶縁膜１７と接触している。このため、製造工程において外部からの画素領域ＰＡおよび周辺領域ＣＡへの水分等の侵入を抑制することができ、より信頼性の高い固体撮像装置を提供することができる。
【００４９】
また、スクライブ領域ＳＡには、反射防止層１８１よりも基板側に、位置合わせパターン等を形成することがある。本実施形態では、スクライブ領域ＳＡにスリット構造１９が形成されているため、位置合わせパターンの視認性を向上することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  固体撮像装置
１０  基板
１１  素子機能層
１２  層間絶縁膜
１３  ビアプラグ
１４  配線層
１５  層間絶縁膜
１６  ビアプラグ
１７  絶縁膜
１８  層内レンズ層
１８１、１８２  反射防止膜
１９  スリット構造
【図１】
0006685653.tif 000002
【図２】
0006685653.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006685653.tif 000005
【図５】
0006685653.tif 000006
【図６】
0006685653.tif 000007
【図７】
0006685653.tif 000008
【図８】
0006685653.tif 000009