(57)【要約】【課題】  受光領域への集光効率を向上できるようにした半導体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１と、このシリコン基板１に設けられて光電変換を行う受光素子３と、受光素子３を覆うようにシリコン基板１上に設けられたパッシベーション１３と、このパッシベーション１３において受光素子３の上方から外れて当該受光素子３周辺のシリコン基板１に向けて進む光を当該受光素子３側に反射させる反射膜１１と、を備えたものである。受光素子３への本来の入射コースから外れて、層間絶縁膜９に入射してしまうような光の少なくとも一部を、反射膜１１によって受光素子３側へ反射させることができるので、受光素子３への集光効率を高めることができる。【選択図】  図１
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【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、且つ光電変換を行う受光領域と、
前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に設けられた絶縁性の保護膜と、
前記保護膜内に設けられ、且つ前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記反射手段は、金属膜からなり、前記保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記保護膜は、
前記半導体基板上に設けられて前記受光領域上に開口部を有する第１保護膜と、
前記開口部を埋め込むようにして前記受光領域上と前記第１保護膜上とに設けられた第２保護膜とからなり、
前記開口部の内壁は、前記第１保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記第１保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜した斜面を有し、
前記内壁の前記斜面に前記金属膜が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記受光領域の上方であって前記保護膜上に設けられたレンズ体を備え、
前記レンズ体は、
外界から当該レンズ体に入射する光を前記受光領域に向けて屈折させる機能を有することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板に光電変換を行うための受光領域を形成する工程と、
前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に絶縁性の保護膜を形成する工程と、
前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段を前記保護膜内に形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、光信号を電気信号に光電変換する受光素子を備えたイメージセンサ等に適用して好適な半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板に設けられた複数の受光素子と、この受光素子を覆うように半導体基板上に設けられた保護膜と、個々の受光素子上方の保護膜上にそれぞれ設けられたマイクロレンズ等、から構成されるイメージセンサ（固体撮像装置とも呼ばれる）が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
受光素子とは、光信号を電気信号に光電変換する素子のことであり、ｐｎ接合や、ｐｉｎ接合を有する不純物拡散層等で構成されるものである。また、保護膜は、例えばシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜等の絶縁性の膜である。この保護膜によって、受光素子は、外気や水分、Ｎａ+等の不純物から保護されている。マイクロレンズは、ここに入射した光の多くを受光素子に集めることができるように設計されている。
【０００３】
このようなイメージセンサでは、外界からマイクロレンズに光が入射し、入射した光の多くは所定の角度だけ屈折して保護膜に入る。そして、光は、この保護膜を通って受光素子に入射するようになっている。また、この種のイメージセンサでは、通常、受光素子以外への光の入射を防ぐために、受光素子周辺の半導体基板の上方に、遮光膜が設けられている。例えば、特許文献１には、半導体基板に対して平行な遮光膜が開示されている。また、特許文献２には、半導体基板に対して階段状の遮光膜が開示されている。これらの遮光膜は、アルミ（Ａｌ）からなるものである。
【０００４】
これは、受光素子以外の半導体基板に光が入射してしまうと、この入射した光によって意図しない光電変換が起こり、イメージセンサにおけるノイズとして検出されてしまう可能性があるためである。このノイズを低減するために、受光素子以外への光の入射を遮光膜で防ぐように工夫されている。
【特許文献１】特開２００２−１４１４８８号公報
【特許文献２】特開２００１−５３２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来例に係るイメージセンサによれば、マイクロレンズに入射した光の多くは所定の角度だけ屈折して保護膜に入り、その後、この保護膜を通って受光素子に入射するようになっている。
しかしながら、マイクロレンズに入射した光の一部は、光の入射角と、マイクロレンズの屈折率との関係によって受光素子に集光されず、受光素子周辺のアルミからなる遮光膜に入射してしまうことが多い。また、その他にも、マイクロレンズに入射した光の一部は、受光素子に入射する前に保護膜内で散乱してしまい、受光素子ではなく、この受光素子周辺の遮光膜に入射してしまうこともある。
【０００６】
そして、このように、マイクロレンズに入射した光が受光素子への本来の入射コースから外れて、半導体基板に対して平行な、または階段状の遮光膜に入射してしまうと、この遮光膜に入射した光の多くはマイクロレンズ側に反射されてしまい受光素子に集まらないという問題があった。
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、受光領域への集光効率を向上できるようにした半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明に係る第１の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、且つ光電変換を行う受光領域と、前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に設けられた絶縁性の保護膜と、前記保護膜内に設けられ、且つ前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る第２の半導体装置は、上述した第１の半導体装置において、前記反射手段は、金属膜からなり、前記保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜していることを特徴とするものである。
ここで、受光領域の縁部上とは、受光領域の縁部の上面、又は、受光領域の縁部の上方であって当該縁部の上面から離れた保護膜内の部位のことである。また、金属膜とは、例えばアルミ（Ａｌ）からなる膜のことである。
【０００９】
本発明に係る第３の半導体装置は、上述した第２の半導体装置において、前記保護膜は、前記半導体基板上に設けられて前記受光領域上に開口部を有する第１保護膜と、前記開口部を埋め込むようにして前記受光領域上と前記第１保護膜上とに設けられた第２保護膜とからなり、前記開口部の内壁は、前記第１保護膜の上面側が前記受光領域に近い側に比べて前記第１保護膜に沿ってその受光領域から離れる方向に傾斜した斜面を有し、前記内壁の前記斜面に前記金属膜が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る第１〜第３の半導体装置によれば、受光領域への本来の入射コースから外れて、絶縁性の保護膜に入射してしまうような光の少なくとも一部を、金属膜等からなる反射手段によって受光領域側へ反射させることができるので、受光領域への集光効率を高めることができる。
本発明に係る第４の半導体装置は、上述した第１〜第３の半導体装置において、前記受光領域の上方であって前記保護膜上に設けられたレンズ体を備え、前記レンズ体は、外界から当該レンズ体に入射する光を前記受光領域に向けて屈折させる機能を有することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る第４の半導体装置によれば、レンズ体に入射した光は保護膜に入る前に受光領域に向けて屈折するので、受光領域への集光効率をより一層高めることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に光電変換を行うための受光領域を形成する工程と、前記受光領域を覆うように前記半導体基板上に絶縁性の保護膜を形成する工程と、前記受光領域の上方から外れて当該受光領域周辺の前記半導体基板に向けて進む光を当該受光領域側に反射させる反射手段を前記保護膜内に形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、受光領域への本来の入射コースから外れて絶縁性の保護膜に入射してしまうような光の少なくとも一部を、受光領域側へ反射させることが可能なイメージセンサを製造することができ、受光領域への集光効率の向上に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の構成例を示す断面図である。
図１において、１はシリコン基板、３は受光素子、５はシリコン酸化膜、７はシリコン窒化膜、９は層間絶縁膜、１０は受光用の開口部（以下で、受光開口部という）、１１は反射膜、１３はパッシベーション、１５はマイクロレンズである。この半導体装置１００は、光信号を電気信号に光電変換する受光素子３と、ＭＯＳトランジスタ等（図示せず）とを同一のシリコン基板１に混載したイメージセンサである。
【００１４】
図１に示すように、受光素子３はシリコン基板１の表層に設けられている。この受光素子３は、光信号を電気信号に光電変換する素子であり、例えば、ｐｎ接合や、ｐｉｎ接合を有する不純物拡散層等で構成されている。
また、シリコン酸化膜５と、シリコン窒化膜７は、この受光素子３を囲む周辺領域のシリコン基板１上に設けられている。シリコン窒化膜７は、受光素子３上に受光開口部１０を形成する際に、受光素子３へのオーバエッチングを防止するために使用される膜である。この点については、後で図３（Ｃ）を参照しながら説明する。
【００１５】
さらに、このシリコン窒化膜７上に層間絶縁膜９が設けられている。図１に示すように、この層間絶縁膜９の受光素子３に面する側壁は、層間絶縁膜９の上面側が受光素子３に近い側に比べて層間絶縁膜９に沿ってその受光素子３から離れる方向に傾斜した斜面となっている。半導体装置１００では、この層間絶縁膜９の側壁と、シリコン窒化膜７の側壁と、シリコン酸化膜５の側壁とによって、椀型の受光開口部１０が画定されている。この層間絶縁膜９は、例えばシリコン酸化膜からなるものである。
【００１６】
また、反射膜１１は、層間絶縁膜９上から、この層間絶縁膜９の側壁にかけて連続して設けられている。この反射膜１１は、光をほとんど吸収することなく良好に反射するような膜からなるものであり、例えばアルミ等の金属膜からなるものである。さらに、パッシベーション１３は、この反射膜１１と、受光素子３とを覆うようにシリコン基板１上に設けられている。このパッシベーション１３によって、受光開口部１０は埋め込まれている。図１に示すように、このパッシベーション１３の上面は、ＣＭＰ（chemical mechanical polish）技術等によって平坦化されている。
【００１７】
また、マイクロレンズ１５は、受光素子３の上方であって、平坦化されたパッシベーション１３の上面に設けられている。このマイクロレンズ１５は、外界からマイクロレンズ１５に入射する光を、受光素子３に向けて屈折させる機能を有している。
本発明に係る半導体装置１００によれば、反射膜１１は、層間絶縁膜９の上面側が受光素子３に近い側に比べて層間絶縁膜９に沿ってその受光素子３から離れる方向に傾斜している。従って、図２に示すように、受光素子３への本来の入射コースから外れて、層間絶縁膜９に入射してしまうような光２０の少なくとも一部を、この反射膜１１によって受光素子３側へ反射させることができる。これにより、従来方式と比べて、受光素子３へより多くの光を集めることができ、集光効率を高めることができる。
【００１８】
図３（Ａ）〜図４（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の製造方法（その１、２）を示す工程図である。次に、上述した半導体装置１００の製造方法について説明する。
まず始めに、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１に受光素子３を形成する。この受光素子３の形成は、周知のフォトリソグラフィ技術及びイオン注入技術を用いて行う。次に、この受光素子３を形成したシリコン基板１上にシリコン酸化膜５を形成し、さらに、このシリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜７を形成する。これらのシリコン酸化膜５及びシリコン窒化膜７の形成は、例えば、周知のＣＶＤ（chemical vapor deposition）技術を用いて行う。そして、図３（Ｂ）に示すように、このシリコン窒化膜７上に、ＣＶＤ技術を用いてシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜９を形成する。なお、この層間絶縁膜９を形成する前に、周知のＣＭＯＳプロセスを用いてシリコン基板１にＭＯＳトランジスタ等（図示せず）を形成しておく。
【００１９】
次に、図３（Ｂ）に示すように、受光素子３の上方を開口し、他の領域のシリコン基板１の上方を覆うようなレジストパターン１７を層間絶縁膜９上に形成する。このレジストパターン１７の形成は、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて行う。
そして、このレジストパターン１７をマスクにして、層間絶縁膜９に等方性のエッチング処理を行い、図３（Ｃ）に示すように、受光素子３の上方に開口部１０´を形成する。ここで、等方性のエッチング処理とは、例えば、フッ酸（ＨＦ）溶液を用いたウエットエッチングのことである。このフッ酸溶液を用いたウエットエッチングによって、レジストパターン１７下から露出した層間絶縁膜（シリコン酸化膜）９は垂直方向だけでなく、矢印で示すように、水平方向にもエッチングされる。従って、図３（Ｃ）に示すように、この開口部１０´の内壁は、層間絶縁膜９の上面側が受光素子３に近い側に比べて層間絶縁膜９に沿ってその受光素子３から離れる方向に傾斜した斜面に成形される。
【００２０】
また、このフッ酸溶液を用いたウエットエッチングでは、層間絶縁膜（シリコン酸化膜）９のエッチング速度に対してシリコン窒化膜７のエッチング速度は十分に小さい。即ち、層間絶縁膜９と、シリコン窒化膜７との間にはエッチングの選択性が十分にあり、シリコン窒化膜７がエッチングのストッパ膜として機能する。従って、この層間絶縁膜９を多少オーバエッチした場合でも、下地の受光素子３へのエッチングを防止することができる。
【００２１】
次に、層間絶縁膜９上のレジストパターン１７をアッシングして除去する。そして、この開口部１０´から露出したシリコン窒化膜７を熱リン酸（Ｈ３ＰＯ４）でウエットエッチングして除去する。この熱リン酸を用いたウエットエッチングでは、シリコン窒化膜７とシリコン酸化膜５との間にはエッチングの選択性が十分にあり、シリコン酸化膜５がエッチングのストッパ膜として機能する。従って、このシリコン窒化膜７をオーバエッチした場合でも、シリコン酸化膜５はほとんどエッチングされずに残り、受光素子３の開口部１０´からの露出を防ぐことができる。
【００２２】
次に、図４（Ａ）に示すように、この開口部１０´が形成された層間絶縁膜９上、及び、この開口部１０´の底面であるシリコン酸化膜５上にアルミ膜１１´を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術とを用いて、シリコン酸化膜５上に直接形成されたアルミ膜１１´を除去し反射膜１１（図１参照）を形成する。続いて、この反射膜１１上を覆っているレジストパターン（図示せず）をそのまま用いて、この開口部１０´から露出したシリコン酸化膜５を希フッ酸溶液を用いて除去し、図４（Ｂ）に示すように、椀型の受光開口部１０を形成する。
【００２３】
このような方法によって、図４（Ｂ）に示すように、受光素子３に面する層間絶縁膜９の側壁を、層間絶縁膜９の上面側が受光素子３に近い側に比べて層間絶縁膜９に沿ってその受光素子３から離れる方向に傾斜した斜面に成形することができ、この受光素子３の上方に椀型の受光開口部１０を形成することができる。そして、この層間絶縁膜９の斜面を成す側壁、即ち、受光開口部１０の内壁に反射膜１１を形成することができる。
【００２４】
次に、図４（Ｃ）に示すように、この受光開口部１０を埋め込むようにして、この受光開口部１０から露出した受光素子３上、及び、反射膜１１上にシリコン酸化膜１３´を形成する。そして、このシリコン酸化膜１３´の上面をＣＭＰ技術を用いて平坦化して、パッシベーション１３（図１参照）を形成する。その後、受光素子３上方のパッシベーション１３上にマイクロレンズ１５を取り付けて、図１に示したような半導体装置１００を完成させる。
【００２５】
このように、本発明に係る半導体装置１００の製造方法によれば、受光素子３への本来の入射コースから外れて層間絶縁膜９に入射してしまうような光の少なくとも一部を、受光素子３側へ反射させることが可能なイメージセンサを製造することができ、受光素子への集光効率の向上に貢献することができる。
この実施形態では、シリコン基板が本発明の基板に対応し、受光素子３が本発明の受光領域に対応している。また、層間絶縁膜９と、シリコン窒化膜７及びシリコン酸化膜５とからなる積層構造の膜が本発明の第１保護膜に対応し、受光開口部１０が本発明の第１保護膜の開口部に対応している。さらに、反射膜１１が本発明の反射手段（金属膜）に対応し、パッシベーション１３が本発明の第２保護膜に対応している。また、マイクロレンズ１５が本発明のレンズ体に対応し、半導体装置１００が本発明の半導体装置に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係る半導体装置１００の構成例を示す断面図。
【図２】本来の入射コースから外れた光２０の反射例を示す概念図。
【図３】半導体装置１００の製造方法（その１）を示す工程図。
【図４】半導体装置１００の製造方法（その２）を示す工程図。
【符号の説明】
【００２７】
１  シリコン基板、３  受光素子、５  シリコン酸化膜、７  シリコン窒化膜、９  層間絶縁膜、１０  受光開口部、１１  反射膜、１３  パッシベーション、１５  マイクロレンズ、１７  レジストパターン、２０  （本来の入射コースから外れた）光、１００  半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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