(57)【要約】【課題】  多層配線中にＣｕ配線とＣｕ拡散防止膜を設けた場合に、形状制御性や容量増加の問題を回避しつつ、受光部への反射や多重干渉の影響を低減する。【解決手段】  フォトダイオード１１２を形成したシリコン基板１１１上に反射防止膜１１３を設け、その上に層間膜１１５、１２２、１３２、１４２とＣｕ配線膜１１６、１２３、１３３とＣｕ拡散防止膜１２１、１３１、１４１を積層した複層配線層を形成し、その上に保護膜１６１、カラーフィルタ１６２、マイクロレンズ１６３を形成する。そして、Ｃｕ拡散防止膜をフォトダイオードの受光領域の上部領域で除去することにより、複層配線層の受光領域上に配置される領域が、シリコン酸化膜だけで形成されるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う受光部を形成した半導体基板と、前記半導体基板の受光部が臨む面上に積層される複数層の配線膜と層間絶縁膜とを含む複層配線層と、前記複層配線層の上層に積層される上部層とを有し、
前記複層配線層は、前記受光部の受光領域上に配置される領域が前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜の屈折率とは異なる単一の屈折率を有する膜によって形成されている、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜が、前記受光部の受光領域に対応する領域で除去されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜には、配線膜の拡散を防止する拡散防止膜を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記上部層にカラーフィルタ及びマイクロレンズを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記複層配線層と上部層との間に前記単一の屈折率を有する膜とは異なる屈折率を有する保護膜が配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記単一の屈折率を有する膜はシリコン酸化膜よりなり、前記保護膜がシリコン窒化膜よりなることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記半導体基板と複層配線層との間に前記単一の屈折率を有する膜とは異なる屈折率を有し、半導体基板からの反射を防止する反射防止膜が配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記単一の屈折率を有する膜はシリコン酸化膜よりなり、前記反射防止膜がシリコン窒化膜よりなることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記配線膜がＣｕ膜よりなり、前記拡散防止膜がＳｉＣ膜よりなることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
光電変換を行う受光部を形成した半導体基板と、前記半導体基板の受光部が臨む面上に積層される複数層の配線膜と層間絶縁膜とを含む複層配線層と、前記複層配線層の上層に積層される上部層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記複層配線層の形成工程で、前記受光部の受光領域上に配置される領域を前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜の屈折率とは異なる単一の屈折率を有する膜によって形成する、
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記複層配線層の形成工程で、前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜を形成する際に、前記受光部の受光領域に対応する領域に開口を有するパターンに形成することを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
前記複層配線層の形成工程で、前記複層配線層を積層形成した後、前記受光部の受光領域に対応する領域に前記複層配線層を貫通する開口凹部を形成し、前記開口凹部内に単一の屈折率を有する膜を埋め込むことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜には、配線膜の拡散を防止する拡散防止膜を含むことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
前記単一の屈折率を有する膜はシリコン酸化膜よりなることを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
前記配線膜がＣｕ膜よりなり、前記拡散防止膜がＳｉＣ膜よりなることを特徴とする請求項１３記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に配線に銅配線を用いた場合に有効な固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の固体撮像素子において、多画素化や画素寸法の縮小化が進んでおり、これに伴って使用される配線がＡｌ配線からＣｕ配線に変更されてきている（例えば特許文献１参照）。
図１４は従来の固体撮像素子における受光部周辺の積層構造の一例を示す断面図である。
シリコン基板３１１の上層には光電変換を行うフォトダイオード３１２が例えば２次元アレイ状に複数形成されており、このシリコン基板３１１の上面に、ＳｉＮ膜３１３及びｐｏｌｙ層間膜３１４が配置され、その上にＣｕの第一配線３１６及び第一配線層間膜３１５が配置されている。
そして、その上に第一拡散防止膜３２１、第二配線層間膜３２２及びＣｕの第二配線３２３が配置され、さらに、その上に第二拡散防止膜３３１、第三配線層間膜３３２及びＣｕの第三配線３３３が配置され、多層配線層を構成している。そして、さらにその上に、第三拡散防止膜３４１、及び層間膜３４２が配置され、その上にＳｉＮ保護膜３６１、カラーフィルタ３６２、及びマイクロレンズ３６３が配置されている。
なお、各層間膜３１５、３２２、３３２、３４２にはＳｉＯ2 が用いられ、各拡散防止膜３２１、３３１、３４１にはＳｉＣ膜が用いられる。
【０００３】
この図１４に示すように、Ｃｕ配線を適用する場合には、酸化膜中でのＣｕの拡散係数が大きいことから、Ｃｕの拡散を防止する層を形成することが必要になる。
そして、一般的には、配線の底面及び側面には、ＴａあるいはＴａＮで構成されるバリアメタルを形成し、配線の上層には、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＣ膜を形成する。
従って、図１４に示すように、固体撮像素子に多層でＣｕ配線を適用する場合、受光部では通常の層間膜と、Ｃｕ拡散防止膜であるＳｉＮ膜あるいはＳｉＣ膜が多層で構成されることとなる。
【特許文献１】特開平１１−１２１７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の固体撮像素子において、シリコン基板の受光部（フォトダイオード）の上部に、屈折率が異なる層が積層されることは、各層間膜の界面での反射（例えば図１４に示す矢線３７１）や多重干渉（例えば図１４に示す矢線３７２）による影響で、受光部への入射光の光量低下やノイズ発生の原因となる可能性を有している。
また、Ｃｕ拡散防止膜と同じ材料で層間膜を形成することは、多重干渉の観点で優位であるが、例えばデュアルダマシンプロセス（dual damascene process）での形状制御性、あるいは、層間膜の比誘電率上昇による配線容量増加の問題が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、例えば多層配線中に拡散防止膜等を設けた場合でも、各膜の材質を一致させることなく、受光部への反射や多重干渉の影響を低減でき、光量の向上や低ノイズ化を図ることが可能な固体撮像素子及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】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、光電変換を行う受光部を形成した半導体基板と、前記半導体基板の受光部が臨む面上に積層される複数層の配線膜と層間絶縁膜とを含む複層配線層と、前記複層配線層の上層に積層される上部層とを有し、前記複層配線層は、前記受光部の受光領域上に配置される領域が前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜の屈折率とは異なる単一の屈折率を有する膜によって形成されていることを特徴とする。
また本発明の製造方法は、光電変換を行う受光部を形成した半導体基板と、前記半導体基板の受光部が臨む面上に積層される複数層の配線膜と層間絶縁膜とを含む複層配線層と、前記複層配線層の上層に積層される上部層とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記複層配線層の形成工程で、前記受光部の受光領域上に配置される領域を前記複層配線層に含まれる少なくとも１つの膜の屈折率とは異なる単一の屈折率を有する膜によって形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、半導体基板上に積層される複層配線層において、受光部の受光領域上に配置される領域を、単一の屈折率を有する膜によって形成したことから、受光部への反射や多重干渉の影響を低減でき、光量の向上や低ノイズ化を図ることが可能となる。
また、この単一の屈折率を有する膜は、複層配線層に含まれる例えば拡散防止膜等の屈折率とは異なる屈折率を有することから、層間膜を拡散防止膜と一致させる必要がなくなり、例えばダマシン工程における形状制御性や層間膜の比誘電率上昇による配線容量増加の問題も生じず、容易に加工を行うことができる。
この結果、例えば多層配線中に拡散防止膜等を設けた場合でも、各膜の材質を一致させることなく、受光部への反射や多重干渉の影響を低減でき、光量の向上や低ノイズ化を図ることが可能な高感度の固体撮像素子を提供できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態では、フォトダイオード（受光部）を形成したシリコン基板上に反射防止膜を設け、その上にシリコン酸化膜による層間膜とＣｕによる配線膜とＳｉＣによるＣｕ拡散防止膜を積層した複層配線層を形成し、その上に保護膜、カラーフィルタ、マイクロレンズ等の上部層を形成する。
そして、Ｃｕ拡散防止膜をフォトダイオードの受光領域の上部領域で除去することにより、複層配線層の受光領域上に配置される領域では、Ｃｕ拡散防止膜とは異なる単一の屈折率を有するシリコン酸化膜によって形成されることになる。
この製法としては、Ｃｕ拡散防止膜を形成する毎に、このＣｕ拡散防止膜の受光領域に対応する領域を開口し、次の膜の積層に移行するような方法を用いたり、あるいは、複層配線層を形成した後、受光領域に対応する領域に複層配線層を貫通する開口凹部を形成し、この開口凹部に新たに絶縁膜を埋め込むような方法を用いることができる。
【実施例１】
【０００９】
図１は本発明の実施例１による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。なお、本実施例の説明及び各図において、説明を簡単にするために、シリコン基板に形成された素子領域や素子分離領域等の詳細な構成は省略する。
シリコン基板（半導体基板）１１１の上層には光電変換を行うフォトダイオード（受光部）１１２が例えば２次元アレイ状に複数形成されており、このシリコン基板１１１の上面に、ＳｉＮ膜１１３及びｐｏｌｙ層間膜１１４が配置され、その上に第一配線１１６及び第一配線層間膜１１５が配置されている。
そして、その上に第一拡散防止膜１２１、第二配線層間膜１２２及び第二配線１２３が配置され、さらに、その上に第二拡散防止膜１３１、第三配線層間膜１３２及び第三配線１３３が配置され、その上に第三拡散防止膜１４１、及び層間膜１４２が配置されて、三層の複層配線層（一般的には多層配線層という）を構成している。
また、その上に上部層として、ＳｉＮ保護膜１６１、カラーフィルタ１６２、及びマイクロレンズ１６３が配置されている。
なお、本例において、各配線１１６、１２３、１３３は全てＣｕ配線で膜厚は全層２００ｎｍである。また、各層間膜１１５、１２２、１３２、１４２は全てＳｉＯ2 であり、膜厚は第一配線層間膜１１５が１５０ｎｍ、第二、第三配線層間膜１２２、１３２が約４５０ｎｍ、上層の層間膜１４２が約１５０ｎｍである。また、各拡散防止膜１２１、１３１、１４１は全てＳｉＣ膜であり、膜厚は全て５０ｎｍである。また、ｐｏｌｙ層間膜１１４が４５０ｎｍ、ＳｉＮ膜１１３の膜厚は５０ｎｍである。
【００１０】
そして、本実施例の固体撮像素子では、図示のように、各拡散防止膜１２１、１３１、１４１は、図１４に示す従来例が多層配線層の全体を覆う状態で各拡散防止膜が形成されているのとは異なり、フォトダイオード１１２の受光領域に対応する開口を有している。なお、拡散防止膜１２１、１３１、１４１の開口は、その内周が各配線１１６、１２３、１３３よりも内側に位置している。
このため、フォトダイオード１１２の受光領域の上層には、ＳｉＣ膜による拡散防止膜１２１、１３１、１４１は配置されず、ＳｉＮ膜１１３、ｐｏｌｙ層間膜１１４、ＳｉＯ2 膜よりなる層間膜１１５、１２２、１３２、１４２、ＳｉＮ保護膜１６１、カラーフィルタ１６２、及びマイクロレンズ１６３が配置されている。
したがって、この固体撮像素子では、図１４に示す固体撮像素子に比べて、受光部の上層領域における各層の屈折率のばらつきを抑制して、受光部への反射や多重干渉の影響を低減でき、光量の向上や低ノイズ化を図ることが可能となる。
【００１１】
次に、本実施例の固体撮像素子の製造方法を説明する。
図２〜図７は本実施例の製造方法を説明する断面図である。
まず、図２において、フォトダイオード１１２を形成したシリコン基板１１１の上にＳｉＮ膜１１３、ｐｏｌｙ層間膜１１４、第一配線１１６、第一配線層間膜１１５を形成し、その上に第一拡散防止膜１２１を全面形成した段階で、この第一拡散防止膜１２１に受光領域に対応した開口を形成するためのマスクとなるレジスト１５１をリソグラフィ技術を用いてパターン形成する。
そして、図３においてＲＩＥ技術により、Ｃｕ拡散防止膜１２１を加工し、アッシング技術及び後処理技術により、レシスト１５１を剥離することにより、第一拡散防止膜１２１に受光領域に対応した開口を形成する。次に、図４において、第二配線層間膜１２２を例えばＣＶＤ法により積層する。なお、この時、受光領域上のＣｕ拡散防止膜１２１を除去することで生じた段差の影響を受け、第二配線層間膜１２２に段差が生じることがある。そこで、本例では、図５において、第二配線層間膜１２２の上面をＣＭＰ法によって平坦化した後、図６において、第二配線層間膜１２２の上面に第二配線１２３を埋め込み形成する。なお、本例では、ＣＭＰ法により平坦化を行ったが、必ずしも必要と言う訳では無い。また、第二配線層間膜を塗布材料により形成した場合には、段差が生じない可能性も高いため、このような処理は不要となる。
この後、図７において、第二のＣｕ拡散防止膜１３１を全面形成した後、図２〜図６で説明したのと同様の工程を繰り返し、それぞれ開口を有するＣｕ拡散防止膜１３１、１４１を形成した後、従来と同様の工程で上層の保護膜１６１、カラーフィルタ１６２、及びマイクロレンズ１６３を形成していき、最終的に図１に示す固体撮像素子を作成する。
【００１２】
なお、本実施例では、一般的なビアファースト法による製造方法を適用した例を説明し、デュアルダマシン法による製造方法は説明しないが、これらは適宜応用することが可能であるものとする。また、ＳｉＮ膜１１３はシリコン基板１１１からの反射防止層として機能しているが、このＳｉＮ膜１１３を削除し、受光領域上では最上層のＳｉＮ膜より下層側の層間絶縁膜を単一の屈折率を有する構造にすることも可能である。さらに、この種の固体撮像素子において、カラーフィルタやマイクロレンズは必ずしも必要ではなく、これらを設けない構造についても同様に適用できるものである。
【実施例２】
【００１３】
図８は本発明の実施例２による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。なお、本実施例の説明及び各図において、説明を簡単にするために、シリコン基板に形成された素子領域や素子分離領域等の詳細な構成は省略する。
シリコン基板２１１の上層には光電変換を行うフォトダイオード（受光部）２１２が例えば２次元アレイ状に複数形成されており、このシリコン基板２１１の上面に、ＳｉＮ膜２１３及びｐｏｌｙ層間膜２１４が配置され、その上に第一配線２１６及び第一配線層間膜２１５が配置されている。
そして、その上に第一拡散防止膜２２１、第二配線層間膜２２２及び第二配線２２３が配置され、さらに、その上に第二拡散防止膜２３１、第三配線層間膜２３２及び第三配線２３３が配置され、多層（三層）配線層を構成している。そして、さらにその上に、第三拡散防止膜２４１、及び層間膜２４２が配置され、その上にＳｉＮ保護膜２６１、カラーフィルタ２６２、及びマイクロレンズ２６３が配置されている。なお、各膜の材質や膜厚は実施例１と共通であるものとする。
そして、本実施例の固体撮像素子では、最下層の第一拡散防止膜２２１から上層の層間膜２４２にかけて、フォトダイオード２１２の受光領域に対応する開口凹部２５２が形成されており、この開口凹部２５２内に絶縁膜２５３が埋め込み形成されている。すなわち、本実施例では、このような光導波路を設けることにより、フォトダイオード２１２の上部層の屈折率のばらつきを抑制でき、受光部への反射や多重干渉の影響を低減でき、光量の向上や低ノイズ化を図ることが可能となる。
【００１４】
次に、本実施例の固体撮像素子の製造方法を説明する。
図９〜図１２は本実施例の製造方法を説明する断面図である。
まず、図９は、フォトダイオード１１２を形成したシリコン基板１１１の上に従来と同様の製法により、最上層の層間膜２４２まで形成した状態で、その上に多層配線層を貫通する開口凹部２５２を形成するためのマスクとなるレジスト２５１をリソグラフィ技術を用いてパターン形成する。
次に、図１０において、このレジストをマスクとして受光領域上の多層膜をＲＩＥ技術により第一Ｃｕ拡散防止膜２２１まで除去するように加工し、アッシング技術及び後処理技術により加工する。なお、本実施例では、第一のＣｕ拡散防止膜２２１まで加工したが、さらに、下層まで加工し、シリコン基板２１１まで露出させても良い。
次に、図１１において、開口凹部２５２に対し、例えば、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により、絶縁膜２５３を埋め込む。この時、この絶縁膜２５３は、可視光に対して透明な膜が望しく、かつ、第一配線層間膜２１５及びｐｏｌｙ層間膜２１４と同じ屈折率を持つ膜が良い。本実施例では、ＳｉＯ2 膜を使用した。なお、開口凹部２５２をシリコン基板２１１、若しくは、ＳｉＮ膜２１３まで形成した場合、埋め込み絶縁膜２５３は、第一配線層間膜２１５、ｐｏｌｙ層間膜２１４と同じ屈折率を有する材料に限定する必要はなくなる。
次いで、図１２に示すように、ＣＭＰ法により、層間膜２４２の上に成膜された絶縁膜２５３を除去し、平坦化する。
この後、ＳｉＮの保護膜２６１、カラーフィルタ２６２、マイクロレンズ２６３を形成する工程を経て、図８に示した固体撮像素子を完成する。
【００１５】
なお、本実施例においても、マイクロレンズは必ずしも必要でなく、また、受光部上に、シリコン基板２１１からの反射防止層として機能するＳｉＮ膜２１３が存在するが、このＳｉＮ膜２１３を削除し、受光部上では、最上層のＳｉＮ保護膜２６１より下層側の層間絶縁膜を単一の屈折率を有する構造にすることも可能である。
さらに、本実施例では、光導波路の中に透明絶縁膜を形成するに当たり、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により、埋め込みを行ったが、塗布法により実施しても良い。また、塗布法により、平坦化も同時に実現できれば、上述のＣＭＰ法による平坦化プロセスは削除可能となる。
【実施例３】
【００１６】
図１３は本発明の実施例３による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。なお、本実施例３は実施例２の変形であり、図１３において図８に示す固体撮像素子と共通の構成については同一符号を付して説明は省略する。
上記実施例２では、フォトダイオードの受光領域上に開口凹部２５２を形成し、ＨＤＰ−ＣＶＤ法で絶縁膜２５３の埋め込みを行い、ＣＭＰにより平坦化したが、このＣＭＰの平坦化を行わず、この埋め込み絶縁膜２５３の上層に絶縁膜２５３よりも屈折率の高い材料、例えば、ＳｉＮ膜２５４を成膜し、このＳｉＮ膜２５４が受光領域の上方にのみ残るように、エッチバックあるいはＣＭＰを行い、図１３に示すように、ＳｉＮ膜２５４による凹レンズを形成して、絶縁膜２５３の導波路に効率よく光を集光させるようにした。なお、その他は実施例２と同様であるので説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図５】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図６】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図７】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例２による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。
【図９】図８に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図１０】図８に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図１１】図８に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図１２】図８に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例２による固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。
【図１４】従来の固体撮像素子における受光部周辺の積層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１１１……シリコン基板、１１２……フォトダイオード（受光部）、１１３……ＳｉＮ膜、１１４……ｐｏｌｙ層間膜、１１５、１２２、１３２……配線層間膜、１１６、１２３、１３３……配線、１２１、１３１、１４１……拡散防止膜、１４２……層間膜、１６１……ＳｉＮ保護膜、１６２……カラーフィルタ、１６３……マイクロレンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005311015.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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