(57)【要約】【課題】  固体撮像素子の各フォトダイオードに至る光導波路を通る入射光の光強度がエバネッセント効果で減衰するのを回避する。【解決手段】  半導体基板３０の表面に複数のフォトダイオード３２がアレイ状に配列形成され、半導体基板３０の表面に各フォトダイオード対応の開口を設けた遮光膜３８を備える固体撮像素子の製造方法において、半導体基板３０の表面に遮光膜３０を含む積層体３７，３９を積層し、積層体３７，３８，３９の各フォトダイオード対応位置に夫々スルーホール４１を開けて遮光膜３８に前記開口を形成し、各スルーホール４１の側壁面に等方的に所要厚さの低屈折率材料層４２を形成し、その後、各スルーホール内の残りの孔部分を高屈折率材料４５で埋めることで入射光を各フォトダイオード３２に導く光導波路４５を形成する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に複数のフォトダイオードがアレイ状に配列形成され、該半導体基板の表面に各フォトダイオード対応の開口を設けた遮光膜を備える固体撮像素子の製造方法において、前記半導体基板の表面に遮光膜を含む積層体を積層し、該積層体の各フォトダイオード対応位置に夫々スルーホールを開けて前記遮光膜に前記開口を形成し、各スルーホールの側壁面に等方的に所要厚さの低屈折率材料層を形成し、その後、各スルーホール内の残りの孔部分を高屈折率材料で埋めることで入射光を各フォトダイオードに導く光導波路を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２】
前記フォトダイオードの受光面上のゲート絶縁層の上に高屈折率材料で成る反射防止膜を形成しておき、前記スルーホールを開けるとき該反射防止膜をエッチングストッパとすることを特徴とする請求項１に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】
本発明は固体撮像素子の製造方法に係り、特に、画素を構成するフォトダイオードの受光面上に遮光膜開口が設けられる固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、固体撮像素子の一例であるＣＣＤ型イメージセンサの表面模式図である。この固体撮像素子１は、半導体基板２の表面に多数のフォトダイオード（ＰＤ）３がアレイ状に、図示する例では正方格子状に配列形成されている。また、各フォトダイオード列の側部にはフォトダイオード３が受光量に応じて蓄積した信号電荷を受け取り転送する垂直転送路（ＶＣＣＤ）４が設けられ、半導体基板２の下辺部には垂直転送路４から受け取った信号電荷を出力段に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）５が設けられ、水平転送路５の出力段には信号電荷量に応じた電圧値信号を出力するアンプ６が設けられている。フォトダイオード３の表面上には後述の遮光膜やカラーフィルタ層，マイクロレンズ層が設けられている。
【０００３】
図１０は、図９のＸ―Ｘ線断面模式図であり、１つのフォトダイオード部分の断面を示す。また、図１１〜図１５はこの従来の固体撮像素子の製造手順を示す図である。以下、従来の固体撮像素子の製造手順を説明する。
【０００４】
図１１に示す様に、ｎ型半導体基板２の表面部にはｐウェル層１１が形成され、ｐウェル層１１の表面部にｎ領域１２が形成されることでフォトダイオードが形成される。ｎ領域１２の側部には垂直転送路４を構成する埋め込みチャネル４ａが形成され、ｎ領域１２の表面部には暗電流抑制用のｐ＋拡散層１３が設けられる。
【０００５】
半導体基板２の最表面はゲート絶縁層１４で覆われ、ゲート絶縁層１４の上の埋め込みチャネル４ａ上には、垂直転送路４を構成する転送電極４ｂが積層される。その上は絶縁層１５で覆われ、その上に、タングステン等の金属製遮光膜１６が積層される。遮光膜１６の開口部１６ａはｎ領域１２の受光面上に開口している。
【０００６】
遮光膜１６の上に、図１２に示す様に、平坦化層１７が積層され、次に図１３に示す様に、平坦化層１７，絶縁層１５を貫通するスルーホール１８がフォトリソグラフ工程によって開けられる。このスルーホール１８はその側壁が遮光膜開口１６ａの側壁から離間して設けられる。
【０００７】
次に図１４に示されように、プラズマＣＶＤ等の製膜方法あるいは塗布方法によって、高屈折率層１９が積層されてスルーホール１８が埋められる。これにより、スルーホール１８内は高屈折率材料による光導波路２０となる。そして、図１５に示されるように光導波路２０上に高屈折率材料による上凸インナーレンズ２１が積層され、更にその上に、図１０に示す様に、平坦化層２２，カラーフィルタ層２３，トップマイクロレンズ層２４と積層される。
【０００８】
斯かる製造手順により形成された固体撮像素子では、入射光はマイクロレンズ２４，２１で集光されて光導波路２０内に導かれ、光導波路２０内を通過してｎ領域１２に入ることで、光電荷が発生しｎ領域１２内に蓄積される。
【０００９】
尚、従来技術に関連するものとして、例えば特許文献１，２，３等がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３―６０１７９号公報
【特許文献２】特開２００３―２２４２４９号公報
【特許文献３】特開２００５―１１６８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年の固体撮像素子は数百万画素以上の多画素化が図られており、光導波路２０や遮光膜開口１６ａの径は、入射光の波長オーダに微細加工される様になってきている。
【００１２】
光導波路２０や遮光膜開口１６ａが微細になると、従来は問題とならなかった新たな問題が生じてくる。その一つが、エバネッセント効果による光エネルギの損失である。つまり、光導波路２０内を入射光が通過する際、光導波路２０の側壁から外周囲に滲み出したエバネッセント光が遮光膜によって遮断されると、光エネルギの損失が急激に増加し、感度低下を引き起こすという問題である。
【００１３】
この問題を避けるには、微細加工された遮光膜開口１６ａより十分小さな径で光導波路２０を形成すればよいが、光導波路２０自体を小径にすることで感度低下を招来してしまう。また、従来の製造方法は、光導波路２０を遮光膜開口１６ａの真ん中に形成できる補償はなく、製造バラツキによって光導波路２０が遮光膜開口１６ａ内で偏り遮光膜１６に極めて近接してしまう虞がある。
【００１４】
本発明の目的は、遮光膜開口と光導波路との距離をセルフアライン的に所定値に保つことができる固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面に複数のフォトダイオードがアレイ状に配列形成され、該半導体基板の表面に各フォトダイオード対応の開口を設けた遮光膜を備える固体撮像素子の製造方法において、前記半導体基板の表面に遮光膜を含む積層体を積層し、該積層体の各フォトダイオード対応位置に夫々スルーホールを開けて前記遮光膜に前記開口を形成し、各スルーホールの側壁面に等方的に所要厚さの低屈折率材料層を形成し、その後、各スルーホール内の残りの孔部分を高屈折率材料で埋めることで入射光を各フォトダイオードに導く光導波路を形成することを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記フォトダイオードの受光面上のゲート絶縁層の上に高屈折率材料で成る反射防止膜を形成しておき、前記スルーホールを開けるとき該反射防止膜をエッチングストッパとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、エバネッセント光が光導波路の側壁から滲み出しても、遮光膜に至る間に低屈折率層が存在するため、光強度の減衰が抑制される。このため、エバネッセント効果による感度低下が回避される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１〜図８は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造手順を示す図である。本実施形態の固体撮像素子は、図１に示す様に、ｎ型半導体基板３０の表面部にｐウェル層３１が形成され、ｐウェル層３１の表面部にｎ領域３２が形成されることでフォトダイオードが形成される。ｎ領域３２の側部には垂直転送路を構成する埋め込みチャネル３３ａが形成され、ｎ領域３２の表面部には暗電流抑制用のｐ＋拡散層３４が設けられる。尚、ｐウェル層３１を設けるのではなく、ｐ型半導体基板３０を用いても良い。
【００２０】
半導体基板３０の最表面はゲート絶縁層３５で覆われ、ゲート絶縁層３５の上の埋め込みチャネル３３ａ上には、垂直転送路を構成する転送電極３３ｂが積層される。また、ゲート絶縁層３５の上のｎ領域３２上部位置には、窒化珪素（ＳｉＮ）等の高屈折率材料でなる反射防止膜３６が積層される。この反射防止膜３６は、エッチング時のストッパとしても機能する。半導体基板３０の更にその上は絶縁層３７で覆われ、その上にタングステン等の金属製遮光膜３８が積層される。
【００２１】
次に、図２に示すように、平坦化層３９を積層し、その表面を、エッチバックやＣＭＰ等によって平坦化する。そして、図３に示す様に、フォトリソグラフィ工程によって、平坦化層３９と遮光膜層３８と絶縁層３７とを貫通し反射防止膜３６に達するスルーホール４１を形成する。
【００２２】
次に、図４に示す様に、プラズマＣＶＤ等の製膜技術を用い、ＳｉＯ２等の低屈折率材料を所定膜厚だけ製膜する。これにより、等方的に低屈折率材料層４２がスルーホール４１内の側壁部や底部及び平坦化層３９の表面に積層される。
【００２３】
次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング法）等の異方性エッチングを行い、図５に示す様に、スルーホール４１の側壁部の低屈折率材料層４２を残し、スルーホール４１の底部と平坦化層３９の表面の低屈折率材料層４２を除去する。
【００２４】
次に、図６に示す様に、塗布法等により、平坦化層３９の表面にＳｉＮ等の高屈折率材料４４を積層し、また、スルーホール４１内の残りの部分を高屈折率材料４５で埋める。このスルーホール内の部分が光導波路４５となる。
【００２５】
そして、図７に示す様に、高屈折率材料層４４の上の光導波路４５上部位置に上凸の高屈折率材料（例えばＳｉＮ）でなるインナーレンズ４７を形成し、図８に示す様に、その上に平坦化層４８を積層し、その上にカラーフィルタ層４９，トップマイクロレンズ５０を形成する。
【００２６】
斯かる製造手順によって製造された本実施形態の固体撮像素子では、入射光がマイクロレンズ５０，４７で集光されて光導波路４５内に導かれ、光導波路４５内をｎ領域３２の方向に進む。
【００２７】
このとき、光導波路４５の側壁方向に進んだ光は低屈折率層４２で全反射されて光導波路４５内に戻されるが、エバネッセント光（近接場光）は光導波路４５から低屈折率層４２側に若干滲み出す。この滲み出す距離は、高々、光の波長程度であるが、光強度が１／ｅになる距離は、波長の数分の１程度である。従って、低屈折率層４２の厚さを光の波長程度にとれば、エバネッセント光が遮光膜３８に当たることはなく、これによる感度低下は避けられる。
【００２８】
また、近年の超多画素化を図った固体撮像素子では、光導波路や遮光膜開口の径は入射光の波長オーダに微細化されているため、低屈折率層４２の厚さを波長程度の厚さにすることができない場合がある。この場合でも、波長の数分の１程度の厚さ、例えば０．１μｍ程度の厚さの低屈折率層４２を確保できれば、エバネッセント光が遮光膜に当たっても、その光強度の大部分は減衰しないことになる。
【００２９】
この様に、本実施形態では、製造バラツキが生じても、光導波路４５の側壁回りに所定厚さの低屈折率層４２を確実に形成できるため、低屈折率層４２の厚さ分だけ遮光膜３８の開口側壁から光導波路４５の外周側壁までの距離を確保でき、製造バラツキを考慮して光導波路の径を小さく製造する必要がなくなる。
【００３０】
また、図３で説明したスルーホール４１を開けるエッチングの際に、反射防止膜３６がエッチングのストッパとして機能するため、スルーホール４１の底面（光導波路４５の底面）と半導体基板３０の表面（Ｐ＋拡散層３４の表面）との間の距離を一定の厚さに加工することができる。ストッパ層３６が無いと画素毎にこの距離が不定となって画素毎に感度がバラツクが、ストッパ層３６を設けることで、画素毎の感度バラツキを抑制することができる。
【００３１】
尚、上述した従来技術や実施形態では、ＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、本発明はＣＣＤ型の固体撮像素子に限るものではなく、例えばＣＭＯＳイメージセンサの様な他の形式の固体撮像素子にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、エバネッセント効果による感度低下を抑制することができるため、多画素化を図った固体撮像素子の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造手順の説明図である。
【図２】図１に続く製造手順を示す図である。
【図３】図２に続く製造手順を示す図である。
【図４】図３に続く製造手順を示す図である。
【図５】図４に続く製造手順を示す図である。
【図６】図５に続く製造手順を示す図である。
【図７】図６に続く製造手順を示す図である。
【図８】図７に続く製造手順を示す図である。
【図９】固体撮像素子の一例を示す表面模式図である。
【図１０】図９のＸ―Ｘ線位置の断面を示す従来の固体撮像素子の断面模式図である。
【図１１】従来の固体撮像素子の製造手順の説明図である。
【図１２】図１１に続く従来の固体撮像素子の製造手順を示す図である。
【図１３】図１２に続く従来の固体撮像素子の製造手順を示す図である。
【図１４】図１３に続く従来の固体撮像素子の製造手順を示す図である。
【図１５】図１４に続く従来の固体撮像素子の製造手順を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
３０  半導体基板
３１  ｐウェル層
３２  ｎ領域
３４  表面ｐ＋拡散層
３５  ゲート絶縁層
３７  絶縁層
３６  反射防止膜（高屈折率材料）
３８  遮光膜
３９，４８  平坦化層
４１  スルーホール
４２  低屈折率材料層
４５  高屈折率材料（光導波路）
４７  インナーレンズ（高屈折率材料）
４９  カラーフィルタ層
５０  トップマイクロレンズ
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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