(57)【要約】【課題】光電変換部への集光効率が高い固体撮像素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】Si基板２上に、光電変換素子１及び光電変換素子１からの信号を読み出すためのスイッチ素子を含む複数の画素が配された画素領域が形成されている。画素領域上には、複数の配線層３、４、６が形成され、配線層３、４、６間は層間絶縁膜によって絶縁されている。前記画素領域上に配される少なくとも一層の配線層は、その上部が反射防止膜を介して前記層間絶縁膜と接し、その下部が前記層間絶縁膜に直接接している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、光電変換素子、及び該光電変換素子からの信号を読み出すためのスイッチ素子を含む複数の画素が配された画素領域と、該画素領域上に配された複数の配線層と、該配線層間を絶縁するための層間絶縁膜とが形成された固体撮像素子であって、
前記画素領域上に配される少なくとも一層の配線層は、その上部が反射防止膜を介して前記層間絶縁膜と接し、その下部が前記層間絶縁膜に直接接していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
少なくとも一層の配線線と、該該配線層と他の配線層とを電気的に接続させるプラグとの間に、バリアメタルが介在していない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】
前記少なくとも一層の配線層が直接接している前記層間絶縁膜の表面が傾斜又は湾曲していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の層に分かれた配線構造とが形成された固体撮像素子の製造方法において、
少なくとも一層の配線層の形成工程には、絶縁層上に形成されたW膜をCMPすることによって、前記絶縁層の平坦面上に形成されているW膜とバリアメタル膜とを除去してWプラグを形成する工程と、
前記Wプラグの形成後、絶縁層直上に金属材料を堆積させて配線を形成する工程と、が含まれることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の配線層とが形成された固体撮像素子であって、
少なくとも一層の配線層は、前記光電変換素子を取り囲む絶縁層の傾斜又は湾曲した表面に直接接して形成され、
前記絶縁層の傾斜又は湾曲した表面は、前記半導体基板に対する高さが高い側が低い側に比べて、前記光電変換素子に近接していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
前記絶縁層の傾斜又は湾曲した表面に直接接して形成されている配線層の端部は、その平面形状において、他の配線層を覆うように形成され、かつ、複数の配線層のうち、最も前記光電変換素子に近い端部を有す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】
前記絶縁層の傾斜又は湾曲した表面に直接接して形成されている配線層は、複数の配線層のうち、最上層に形成されてい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８】
半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の層に分かれた配線構造とが形成された固体撮像素子の製造方法において、
少なくとも一層の配線層を形成する前に、下地の絶縁層をエッチングして斜面又は湾曲面を形成する工程と、形成された前記絶縁層の斜面上又は湾曲面上に配線層材料を堆積させる工程と、を含むことを特徴とする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、半導体基板上に形成される固体撮像素子の構造及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像素子として、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサ等の半導体素子が用いられている。これらの素子は、レンズからの光を一次元的または二次元的に配列された複数の光電変換素子（例えば、フォトダイオード）に入射させ、該光電変換素子によって光電変換された電荷の信号を転送及び増幅して読み出すことを基本的機能とする。
【０００３】
近年、これらの半導体素子においては、光電変換部（画素）の総配列数が数百万、あるいは一千万以上へと大規模化し、そのため各画素自体の寸法も一辺が10μmから数μm以下へと、縮小化への要求が著しい。
【０００４】
このような状況の下、小さな画素寸法でS/N比の高い撮像信号を得るためには、なるべく多くの光を集め、光電変換の感度を上げることが重要となる。
【０００５】
光電変換の感度向上のためには、まず光の取り入れ口、即ち、光電変換素子に対する開口面積をできるだけ大きくすることが重要である。そのため、光電変換素子よりも上方に形成される金属配線層によって、光電変換素子への光の入射が阻害されることを回避すべく、金属配線層の占有面積を小さくする必要がある。そして、金属配線層の占有面積を小さくするためには、該金属配線層を構成する金属配線の集積度を上げる必要がある。画素寸法10μm以下といったこれらの素子では、各配線の幅を少なくとも1μm以下、通常は0.5μm以下に微細化することによって、光電変換素子に対する開口面積を確保している。
【０００６】
上記のような微細な金属配線からなる金属配線層の形成にあたっては、露光工程でのパターン忠実性の確保や、配線信頼性の確保に注意を払う必要がある。また、上下配線間を接続するためのプラグ形成プロセス上の制約もある。そこで、後述のような積層構造を採用することが一般的であった。
【０００７】
図４は、従来の金属配線層の構造を示す説明図で、積層数が上下２層の場合の例が示されている。
【０００８】
図示されている上下の金属配線層１００、２００は、基本的に同様の積層構造を備えており、それぞれの下層にはバリアメタル１０１、２０１が配されている。最も一般的には、バリアメタルに、Ti（チタン）とTiN（窒化チタン）とのスパッタ積層膜(以下「TiN／Ti膜」と記す場合もある)を用いて信頼性を確保している。金属配線１０２、２０２は、Al（アルミニウム）に、1.0％以下のCu（銅）が含有されたスパッタ膜（以下「Al-Cu膜」と記す場合もある）からなる。微細な金属配線１０２、２０２をフォトリソグラフィー技術で忠実に形成するために、各配線層１００、２００の最上層には、反射防止膜（以下「ARL膜」と記す場合もある）１０３、２０３が積層されている。このARL膜１０３、２０３は、レジスト露光時の反射を防止する役割を有し、最も一般的にはバリアメタル１０１、２０１と同様の積層膜、TiN/Ti膜が用いられる。
【０００９】
上下の金属配線１０２、２０２間は、W（モリブデン）のプラグ３００で電気的接続が取られている。Wプラグ３００の形成方法は以下の通りである。
【００１０】
まず、ホール開口後に、該ホールの内面に、バリアメタル（TiN／Ti膜など）３０１を形成する。次にW膜を堆積するが、ホールへの埋め込み性が要求されるため、WF6ガスをH2ガス等で還元してW膜を堆積するCVD法が用いられる。ホール内面に形成されたバリアメタル３０１は、この時に生成されるHF（フッ化水素）等による下地への腐食を防止する。次いで、エッチバックにより、ホール内面以外の平坦な面に堆積されているW膜を除去することによって、ホール内に埋め込まれたWプラグ３００が完成する。
【００１１】
次に、上層の金属配線２０２を構成するAl-Cu膜を形成し、その上に、ARL膜１０３と同様のARL膜２０３を形成する。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、金属配線２０２を形成する。
【００１２】
以上のように、微細な金属配線を備えた金属配線層は、多数の工程を経て形成される。さらに集光効率を上げて感度を高めるための手法として、次のような方法も提案されている。
【００１３】
特許文献１に記載のCCDにおける例を、図５に示す。図５に示す例では、Si基板４００中に設けられたフォトダイオード４０１の直上において、絶縁層４０２が凹陥している。そして、絶縁層４０２上に形成された反射金属膜４０３が、凹部４０４の内側面にまで延在している。この結果、素子上方から入射した光４０５は、反射金属膜４０３によって反射され、フォトダイオードへ導かれる。換言すれば、図５には、集光効率を上げるための導光構造を備えた素子が開示されている。尚、図５に示すように、反射金属膜４０３の下には遮光層４０６、さらにその下に電荷転送のための電極４０７が配置されている。
【特許文献１】特開２００２−９４０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、固体撮像素子においては、配線構造を微細化して、光電変換素子への入射光量を出来る限り妨げないことが、素子の性能を向上することになる。しかしながら、素子寸法の微細化を進めつつ、配線構造体の占有面積を減少させるためには、配線のさらなる多層化が必須となる。しかし、配線の積層数が増大すると、光電変換素子に対する開口面積は確保できたとしても、入射光のケラレが発生し、結局、有効光量が減少してしまう。具体的には、図６に示すように、斜め方向から入射した光が配線構造体５００の端部によって遮られ、基板５０１の表面に形成されている光電変換素子５０２まで到達できない。
【００１５】
また、図５に示されている従来例では、絶縁層４０２の凹部側面に形成された金属膜表面を反射面として利用している。しかし、金属材料を膜堆させて形成した金属膜は、その表面に、結晶粒の成長に伴う微細な粗れが発生しているのが一般的である。特に、図５に示されている従来例のように、上方からの金属原子を側面に堆積させた場合、シャドウイング効果により表面粗れが促進される。従って、絶縁層４０２の凹部側面に形成された金属反射膜４０３による光の反射率は低く、集光効率の向上は期待通りのものが得られない。
【００１６】
また、図５に示す従来例では、反射金属膜４０３の他に、遮光膜４０６が別途設けられている。素子寸法の微細化を進める上では、配線を多層化することが有利である。しかし、多層化された配線の上に、さらに遮蔽膜４０６及び反射金属膜４０３を重ねることは、高さ方向の積み上げが増し、上述のような光のケラレの増加を招く。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の固体撮像素子の一つは、半導体基板上に、光電変換素子、及び該光電変換素子からの信号を読み出すためのスイッチ素子を含む複数の画素が配された画素領域と、該画素領域上に配された複数の配線層と、該配線層間を絶縁するための層間絶縁膜とが形成された固体撮像素子であって、前記画素領域上に配される少なくとも一層の配線層は、その上部が反射防止膜を介して前記層間絶縁膜と接し、その下部が前記層間絶縁膜に直接接していることを特徴とする。
【００１８】
本発明の固体撮像素子の他の一つは、半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の配線層とが形成された固体撮像素子であって、少なくとも一層の配線層は、前記光電変換素子を取り囲む絶縁層の傾斜又は湾曲した表面上に形成され、前記絶縁層の傾斜又は湾曲した表面は、前記半導体基板に対する高さが高い側が低い側に比べて、前記光電変換素子に近接していることを特徴とする。
【００１９】
本発明の固体撮像素子の製造方法の一つは、半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の層に分かれた配線構造とが形成された固体撮像素子の製造方法において、少なくとも一層の配線層の形成工程には、絶縁層上に形成されたW膜をCMPすることによって、前記絶縁層の平坦面上に形成されているW膜とバリアメタル膜とを除去してWプラグを形成する工程と、前記Wプラグの形成後、絶縁層直上に金属材料を堆積させて配線を形成する工程と、が含まれることを特徴とする。
【００２０】
本発明の固体撮像素子の製造方法の他の一つは、半導体基板上に、複数の光電変換素子と複数の層に分かれた配線構造とが形成された固体撮像素子の製造方法において、少なくとも一層の配線層を形成する前に、下地の絶縁層をエッチングして斜面又は湾曲面を形成する工程と、形成された前記絶縁層の斜面上又は湾曲面上に配線層材料を堆積させる工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、各光電変換素子の寸法が微細であっても、光電変換に寄与する集光効率が高く、感度の良い固体撮像素子を低コストで実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第一の実施形態）
図１に、本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す。本例における固体撮像素子は、以下のようにして製造されている。
【００２３】
光電変換素子１が形成された半導体基板２上に、CVD（Chemical Vapor Deposition）法によって、BPSG（Boron Phosphorus Silicon Glass）等の酸化膜を形成する。尚、本例における光電変換素子１は、フォトダイオードであり、半導体基板２は、Si基板である。
【００２４】
次に、形成された酸化膜の表面をCMPによって平坦化した上で、素子のアクティブ領域及びゲート電極等のPoly-Siとの電気的接続のためのコンタクトホール（不図示）を開口する。この後、スパッタその他の方法によって、TiN／Tiを堆積させ、約100nmのバリアメタルを形成する。次に、CVD法によって、バリアメタルの全面に、W膜を形成する。その後、エッチバックでは無く、CMPによって、酸化膜の平面上に形成されているW膜を除去する。この時、WとTiN／Tiとは研磨における選択比がとれないため、バリアメタルまで削られる（過研磨される）。この結果、酸化膜の平面上にはバリアメタル（金属膜）は残らず、コンタクトホールの内面にのみWとTiN／Tiとが残り、コンタクト接続のためのWプラグが完成する（不図示）。
【００２５】
次に、概ね200〜400nmのAｌ-Cu膜、及び30〜60nmのTiN/Ti膜（ARL膜）をスパッタ等により連続的に形成し、フォトリソグラフィーとエッチングによって配線形状に加工する。以上によって、図１に示す一層目の金属配線層３の形成が終了する。
【００２６】
次に、一層目の金属配線層３と二層目の金属配線層４とを接続するためのビアプラグ５を形成する。ここでも、W膜をCMPにより平坦化することでWのプラグを形成し、酸化膜平面上にバリアメタルを残さないよう形成する。その後、一層目の金属配線層３と同様に、Al-Cu膜、及びTiN/Ti膜（ARL膜）をスパッタ等により連続的に堆積、加工して二層目の金属配線層４を形成する。
【００２７】
以上のようにして金属配線層を形成することで、各配線層の下面は、Al-Cuとなり、かつ、その下面は、CMPにより平坦化された酸化膜（層間絶縁膜８）上に直接堆積されるので、光の反射率の高い下面を有した配線構造が得られる。
【００２８】
三層目の金属配線層６も同様にして形成し、下面の反射率を高めることが出来る。なお、三層目の金属配線層６は、遮光層も兼ね、フォトダイオード１の開口部以外を覆うように形成される。
【００２９】
三層目の金属配線層６の形成後、CVD法により、保護膜７を形成し、必要に応じて、CMP等の平坦化処理を行う。さらに、図には示していないが、カラーフィルター、マイクロレンズ等の撮像機能実現のために必要な構成の形成過程を経て、本例の固体撮像素子が完成する。
【００３０】
本構造によれば、入射光の中、酸化膜とSi基板２との界面で反射された光は、配線層３〜６の下面によって再度反射され、その一部はフォトダイオード１に取り込まれ、光電変換に寄与することが出来る。この結果、本例の固体撮像素子の感度は、従来に比べて7％〜10％程度増大することが確認されている。また、従来の配線下層に形成されていたバリアメタルに相当する層が存在しないため、素子の高さ寸法の抑制も同時に達成されている。
【００３１】
なお、本例では、W膜をCMPにより除去したが、ドライエッチによる、従来のエッチバック方法によっても、Wとバリアメタルのエッチング速度を近づけることにより酸化膜上の金属膜を除去することが可能である。いずれにしても、本構造による感度上昇のためのコストアップは殆ど無い。
【００３２】
説明及び図示は省略したが、フォトダイオード１は、該フォトダイオード１からの信号を読み出すためのスイッチ素子と共に画素を構成している。さらに、Si基板上には、前記画素が複数配列されて画素領域上が形成され、前記複数の金属配線層は、画素領域の上方に形成されている。また、金属配線層の積層数は、３層に限定されるものではない。これらの点は、他の実施形態においても同様である。
（第二の実施形態）
図２及び図３を参照しながら、本発明の固体撮像素子の実施形態の他例について説明する。尚、図２は、完成した本例の固体撮像素子の断面構造を示し、図３は、製造途中の断面構図を示す。
【００３３】
本例の固体撮像素子は、以下のようにして製造されている。すなわち、図２に示す一層目の金属配線層１０及び二層目の金属配線層１１までは、従来と同様に形成する。従って、これら金属配線層１０、１１の最下層には、バリアメタル１２、１３がそれぞれ配されている。
【００３４】
金属配線層１０、１１の形成後、図３に示すように、金属配線層１１の上に、CVD法により、SiO2等の絶縁層（層間絶縁膜１４）を形成し、CMPにより平坦化処理を行う。
【００３５】
次いで、二層目の金属配線層１１と三層目の金属配線層１５（図２）との接続のためのWプラグ（不図示）を形成する。このWプラグの形成にあたっては、第一の実施形態で説明した如く、W膜の堆積後、CMPにより平面上のW膜、及びW下地のバリアメタルを同時に除去しておく。
【００３６】
次に、平坦な層間絶縁膜１４上に、レジスト１６を塗布、露光して、スリット状の開口部１７を設ける。この開口部１７は、フォトダイオード１の形成領域直上を囲うように設ける。この工程において、適度なポストベークを加えることにより、レジスト１６の端部は熱ダレを発生し、略円弧状の断面を持つ形状となる。この後、レジスト１６と、層間絶縁膜１４とのエッチング速度を調整したドライエッチングにより、全面をエッチバックし、レジスト形状を層間絶縁膜１４の形状に転写することで、図２のような層間絶縁膜１４の上面形状が得られる。
【００３７】
この後、Al-Cu膜、及びARL膜をスパッタ等により連続的に堆積、加工して三層目の金属配線層１５を形成する。この金属配線層１５は、配線及び遮光層を兼用しているため、200nm〜400nmの厚さを有する。もっとも、遮光層としての機能のみを与える際には、より薄く形成することも可能である。また遮光層の機能を持たせているため、それより下部の配線層、本例では金属配線層１０、１１を覆うように形成されている。
【００３８】
このように金属配線層１５及びその下地の層間絶縁膜１４を形成することで、金属配線層１５の下面を高反射率と曲率を備えた反射面とすることができる。この結果、第一の実施例にも増して入射光を有効に光電変換部へ導くことができる。また第一の実施例と同様に、配線構造の下面を反射面として使用するため、該配線層の厚さや、断面形状によらず高反射率を安定して達成できる。具体的には、従来構造に比較して、約10％の感度向上が可能となった。
【００３９】
一方、第一の実施例と異なり、本例では、金属配線層１５の傾斜或いは湾曲した下面で各フォトダイオード１を囲うように形成してある。この結果、隣接素子からの散乱による迷光を抑制することができ、S／Nに優れた撮像素子を得ることができる。
【００４０】
さらには、バリアメタルを除去した配線構造を採用しているのは、遮光層を兼ねる最上層の金属配線層１５のみで、他の金属配線層１０、１１の下層にはバリアメタル１２、１３を残す構造となっている。このため、エレクトロマイグレーションの耐性を高めることができ、信頼性をより高めることができると共に、設計上の自由度が増す。
【００４１】
素子設計上、二層目の金属配線層１１の配線における電流密度及びその負荷率（デューティ）が小さく、信頼性が確保可能であれば、金属配線層１１の下層のバリアメタル１３を除去して、反射層として用いるなども可能である。すなわち、第一及び第二の実施例に示す特徴を適宜組み合わせることも可能である。この場合、金属配線層１１を、各フォトダイオード１を取り巻くように傾斜或いは湾曲した絶縁層上に形成しても良い。
【００４２】
また、本実施例においては、金属配線層１５の下面を略円弧状断面を有するように形成した。しかし、フォトダイオード１を囲い、Si界面からの反射光をフォトダイオード１へ戻すことが可能な形状であれば円弧状以外の如何なる形状であってもよい。例えば、フォトダイオード１を望むような斜面（テーパー面）で形成されていれば、上記と同様の集光効果を得ることができる。
【００４３】
これまでは、光電変換素子がフォトダイオードである場合を例にとって、本発明の実施形態を説明してきた。しかし、光電変換素子の種類が本発明の本質的事項でないことは、これまでの説明から明らかであり、フォトダイオード以外の光電変換素子を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の固体撮像素子の実施形態の他例を示す模式的断面図である。
【図３】図２に示す固体撮像素子の製造工程の一部を示す模式的断面図である。
【図４】従来の固体撮像素子における配線構造を示す模式的断面図である。
【図５】特許文献１に開示されている固体撮像素子の配線構造を示す模式的断面図である。
【図６】従来の配線構造の問題点の一つを示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  フォトダイオード
２  Si基板
３、４、６、１０、１１  金属配線層
５  Wプラグ
８、１４  層間絶縁膜
１２、１３  バリアメタル
【図１】
2007115976.tif 000003
【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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