(57)【要約】【課題】光導波路における開口寸法を配線レイアウトを変更することなく大きくすることにより、光導波路内に高屈折率膜を確実に埋め込むことができ、感度等が優れた光学特性を得られるようにする。【解決手段】固体撮像装置の画素部Ａは、半導体基板１０１に形成されたフォトダイオードＰＤと、該フォトダイオードＰＤの上側部分に凹部１１７を有する第１の絶縁膜１５０と、該第１の絶縁膜１５０の上に、凹部１１７を埋め込むように形成された第２の絶縁膜１６０とを有している。固体撮像装置の周辺回路部Ｂは、第１の絶縁膜１５０に形成された内部配線１１５と、該内部配線１１５の上に形成され、該内部配線１１５と電気的に接続されるパッド電極１２１とを有している。パッド電極１２１は、第２の絶縁膜１６０の上に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置であって、
前記画素部は、
前記半導体基板に形成されたフォトダイオードと、
前記半導体基板の上に形成され、前記フォトダイオードの上側部分に凹部を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に、前記凹部を埋め込むように形成された第２の絶縁膜とを有し、
前記周辺回路部は、
前記第１の絶縁膜又は該第１の絶縁膜と同層の層間絶縁膜に形成された配線と、
前記配線の上に形成され、前記配線と電気的に接続されるパッド部とを有し、
前記パッド部は、前記第２の絶縁膜の上又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素部における前記第２の絶縁膜の上面の高さと、前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜の上面の高さ又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上面の高さとは互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の絶縁膜の少なくとも１層目における前記凹部の上端の周縁部は、上方に拡がるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記配線は、銅を主成分とし、
前記パッド部は、アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板における前記画素部にフォトダイオードを形成する工程と、
前記半導体基板の上に、前記フォトダイオードを覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第１の絶縁膜に配線を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜における前記フォトダイオードの上側部分に光導波路となる凹部を選択的に形成する工程と、
前記第１の絶縁膜の上に、前記凹部を埋め込むように第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜の上に、前記配線と電気的に接続されるパッド部を形成する工程とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の絶縁膜を形成する工程よりも後に、
前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜を除去する工程と、
前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜を除去した領域に、前記第２の絶縁膜よりも光の屈折率が低い第３の絶縁膜を形成する工程とをさらに備え、
前記パッド部を形成する工程において、前記パッド部は、前記第３の絶縁膜の上に形成することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第２の絶縁膜を形成する工程において、前記第２の絶縁膜の少なくとも１層目における前記凹部の上端の周縁部を、エッチングにより上方に拡がるように形成することを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１６】
前記配線は、銅を主成分とし、
前記パッド部は、アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項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、光導波路を設けた固体撮像装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置において、高画素数化により画素の微細化が進展している。これに伴って受光部の微細化が進み、各受光部は高感度な特性を維持することが困難となってきている。その対策として、受光部であるフォトダイオードの上に光導波路を設ける固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。光導波路は、屈折率が高い材料により構成されるため、入射した光を光導波路の外部に逃がすことなく、効率良くフォトダイオードに伝播することが可能である。
【０００３】
図１０は特許文献１に記載された従来例に係る半導体装置の断面構造を示している。図１０に示すように、画素部ＲＰＸには、フォトダイオードＰＤの上方で且つ積層された絶縁膜２１、２２、２５等を貫通する凹部Ｈに光導波路が形成されている。光導波路の内部には、埋め込み絶縁膜（パッシベーション膜３６）と、高屈折率を有する金属酸化物を含む樹脂膜（埋め込み層３７）とが形成されている。特許文献１には、光導波路は、開口寸法が０．８μｍ、アスペクト比が１〜２程度以上の凹部Ｈに、屈折率が２．０の窒化シリコン等からなり、膜厚が０．５μｍ程度のパッシベーション膜３６を形成し、さらに、シロキサン系樹脂（屈折率１．７）又はポリイミド等の高屈折率樹脂からなる埋め込み層３７を埋め込むことにより形成する構成が記載されている。
【０００４】
ここで、パッシベーション膜３６は、その堆積時の異方性により凹部Ｈの縁部で厚く堆積し、底部の近傍で薄くなることが記載されている。
【０００５】
周辺回路部ＲＰＡＤにおいては、アルミニウムからなるパッド電極３２の上に、パッシベーション膜３６と埋め込み層３７とが形成されている。すなわち、従来例に係る製造方法によれば、パッド電極３２を含むアルミニウム配線を形成した後に、光導波路となる凹部Ｈを形成し、形成した凹部Ｈにパッシベーション膜３６と埋め込み層３７とを順次埋め込んで形成することとなる。
【０００６】
パッシベーション膜３６は、化学的気相成長（ＣＶＤ）法により形成された窒化シリコンからなり、上述のように、その屈折率は１．９〜２．０程度である。一方、埋め込み層３７は、塗布法により形成された樹脂からなり、上述のように、その屈折率は〜１．７程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１６６６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、周辺回路部に配線を形成した後に、光導波路となる凹部を形成するため、パッド電極及び配線と画素部における撮像領域との間の距離を小さくできず、凹部の開口寸法が十分に大きくできないという問題がある。
【０００９】
具体的には、フォトダイオードの上方に光導波路用の凹部を形成するリソグラフィ工程において、画素部の周囲のパッド形成領域には、既にパッド電極及び該パッド電極と内部配線とを接続する配線（コンタクト配線）が形成されている。このように、周辺回路部にパッド電極及びコンタクト配線が形成された領域の上にレジスト膜を塗布すると、パッド電極及びコンタクト配線の上側とその近傍の領域には段差によるレジストの塗布むら（筋状の膜厚むら）が生じる。このため、レジストの塗布むらの影響により、画素部と配線領域及びパッド形成領域との間の距離が大きくなってしまう。
【００１０】
ところで、パッド電極及びコンタクト配線を光導波路用の凹部よりも先に形成するのは、該凹部のアスペクト比が微細化により大きくなる傾向にあり、凹部を埋める埋め込み層には充填性が高い樹脂材を用いる必要があるためである。一般に、樹脂材はパッド電極上に形成される保護膜（パッシベーション膜）等の形成時の熱処理に耐えられないため、パッド電極を先ず形成し、その後、凹部を形成し、該凹部の内部に埋め込み膜とパッド電極上のパッシベーション膜とを形成し、最後に、樹脂膜を形成するという手順を採る必要がある。
【００１１】
さらに、レジストの塗布むらに起因するマスクの重ね合わせ精度の低下、及び開口寸法の変動等により、多層配線層における下層の配線（内部配線）との干渉を回避するために、凹部の開口寸法を大きくすることができないという問題もあり、窒化シリコンのような高屈折率膜による凹部の埋め込みが困難であることも相乗して、受光部の集光特性の向上には限界がある。
【００１２】
本発明は、前記の問題に鑑み、光導波路における開口寸法を、配線レイアウトを変更することなく大きく確保することにより、光導波路内に高屈折率膜を確実に埋め込むことができ、感度等が優れた光学特性を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するため、本発明は、固体撮像装置を、周辺回路部に設けるパッド電極及び配線を光導波路となる凹部を埋め込む絶縁膜を成膜した後に形成する構成とする。
【００１４】
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置を対象とし、画素部は、半導体基板に形成されたフォトダイオードと、半導体基板の上に形成されフォトダイオードの上側部分に凹部を有する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜の上に凹部を埋め込むように形成された第２の絶縁膜とを有し、周辺回路部は、第１の絶縁膜又は該第１の絶縁膜と同層の層間絶縁膜に形成された配線と、配線の上に形成され該配線と電気的に接続されるパッド部とを有し、パッド部は、第２の絶縁膜の上又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上に形成されている。
【００１５】
本発明の固体撮像装置によると、画素部は、半導体基板の上に形成されたフォトダイオードの上側部分の凹部を埋め込むように形成された第２の絶縁膜を有しており、周辺回路部は、配線の上に形成され該配線と電気的に接続されるパッド部を有し、パッド部は、第２の絶縁膜又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上に形成されている。すなわち、パッド部は、光導波路を構成する凹部に埋め込まれる第２の絶縁膜又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上に形成されていることから、第２の絶縁膜又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜よりも後に形成される。従って、第１の絶縁膜に凹部を形成する際には、第１の絶縁膜の上面は、パッド部等によるレジストの膜厚むらが生じないため、配線のレイアウトが従来と同一であっても、凹部の開口寸法を大きくすることができる。その結果、第２の絶縁膜に樹脂材に代えて高屈折率膜を用いることができるので、感度等が優れた光学特性を得ることができる。
【００１６】
本発明の固体撮像装置において、画素部における第２の絶縁膜の上面の高さと、周辺回路部における第２の絶縁膜の上面の高さ又は該第２の絶縁膜と同層の第３の絶縁膜の上面の高さとは互いに等しいことが好ましい。
【００１７】
本発明の固体撮像装置において、第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成されていてもよい。
【００１８】
この場合に、第２の絶縁膜の少なくとも１層目における凹部の上端の周縁部は、上方に拡がるように形成されていてもよい。
【００１９】
本発明の固体撮像装置において、第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことが好ましい。
【００２０】
本発明の固体撮像装置において、第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことが好ましい。
【００２１】
本発明の固体撮像装置において、第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
本発明の固体撮像装置において、配線は銅を主成分とし、パッド部はアルミニウムを主成分としてもよい。
【００２３】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置の製造方法を対象とし、半導体基板における画素部にフォトダイオードを形成する工程と、半導体基板の上に、フォトダイオードを覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、周辺回路部における第１の絶縁膜に配線を形成する工程と、第１の絶縁膜におけるフォトダイオードの上側部分に光導波路となる凹部を選択的に形成する工程と、第１の絶縁膜の上に凹部を埋め込むように第２の絶縁膜を形成する工程と、周辺回路部における第２の絶縁膜の上に配線と電気的に接続されるパッド部を形成する工程とを備えている。
【００２４】
本発明の固体撮像装置の製造方法によると、周辺回路部における第１の絶縁膜に配線を形成し、その後、第１の絶縁膜におけるフォトダイオードの上側部分に光導波路となる凹部を選択的に形成する。続いて、第１の絶縁膜の上に凹部を埋め込むように第２の絶縁膜を形成し、その後、周辺回路部における第２の絶縁膜の上に配線と電気的に接続されるパッド部を形成する。このように、第１の絶縁膜に凹部を選択的に形成する際には、第１の絶縁膜の上面は、パッド部等によるレジストの膜厚むらが生じないため、配線のレイアウトが従来と同一であっても、凹部の開口寸法を大きくすることができる。その結果、第２の絶縁膜に樹脂材に代えて高屈折率膜を用いることができるので、感度等が優れた光学特性を得ることができる。
【００２５】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、第２の絶縁膜を形成する工程よりも後に、周辺回路部における第２の絶縁膜を除去する工程と、周辺回路部における第２の絶縁膜を除去した領域に、第２の絶縁膜よりも光の屈折率が低い第３の絶縁膜を形成する工程とをさらに備え、パッド部を形成する工程において、パッド部は、第３の絶縁膜の上に形成してもよい。
【００２６】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことが好ましい。
【００２７】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成してもよい。
【００２８】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、第２の絶縁膜を形成する工程において、第２の絶縁膜の少なくとも１層目における凹部の上端の周縁部を、エッチングにより上方に拡がるように形成してもよい。
【００２９】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことが好ましい。
【００３０】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことが好ましい。
【００３１】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、配線は銅を主成分とし、パッド部はアルミニウムを主成分としてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法によると、フォトダイオード上に設ける光導波路の開口寸法を、配線レイアウトを変更することなく大きく確保することができるため、光導波路内に高屈折率膜を空洞（ボイド）を生じることなく確実に埋め込むことができるので、感度等が優れた光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示す要部の模式断面図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置（半導体チップ）を示す模式平面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の要部の製造方法を示す工程順の模式断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の要部の製造方法を示す工程順の模式断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の要部の製造方法を示す工程順の模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置における画素部の一画素のレイアウトを示す模式平面図である。図６（ｂ）は従来の固体撮像装置における画素部の一画素のレイアウトを示す模式平面図である。
【図７】図７は凹部の開口寸法と空洞幅との関係を示す断面図及びグラフである。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置の要部の製造方法を示す工程順の模式断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置の要部の製造方法を示す工程順の模式断面図である。
【図１０】図１０は従来例に係る固体撮像装置を示す要部の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置について図１を参照しながら説明する。
【００３５】
図１に示すように、一実施形態に係る固体撮像装置は、シリコン（Ｓｉ）等からなる半導体基板１０１に区画された画素部Ａと周辺回路部Ｂとから構成される。
【００３６】
画素部Ａは、半導体基板１０１の上部に形成されたｎ型層１０２と該ｎ型層１０２の上に形成されたｐ型層１０３とからなるフォトダイオードＰＤを有している。
【００３７】
半導体基板１の上には、フォトダイオードＰＤと隣接して、ゲート絶縁膜１０４を介在させたゲート電極１０５を有する複数のトランジスタが形成されている。このトランジストは、フォトダーオードＰＤに蓄積された電荷を読み出す働きをする。ゲート絶縁膜１０４には、酸化シリコン等を用いることができ、ゲート電極１０５には、ポリシリコン等を用いることができる。
【００３８】
半導体基板１０１の全面には、各トランジスタ及びフォトダイオードＰＤを覆うように、上面が平坦化された酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる下層絶縁膜１０６が形成されている。下層絶縁膜１０６の上には、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等からなる下地絶縁膜１０７が形成されている。
【００３９】
下地絶縁膜１０７の上には、それぞれ酸化シリコン等からなる第１の層間絶縁膜１０８、第２の層間絶縁膜１１１及び第３の層間絶縁膜１１４が順次形成されている。第１の層間絶縁膜１０８におけるゲート電極１０５の上方の領域には、第１の内部配線１０９が形成されている。同様に、第２の層間絶縁膜１１１における第１の内部配線１０９の上方の領域には、第２の内部配線１１２が形成され、第３の層間絶縁膜１１４における第２の内部配線１１２の上方の領域には、第３の内部配線１１５が形成されている。ここで、各内部配線１０９、１１２及び１１５には、例えば銅（Ｃｕ）又は銅を主成分とする金属を用いることができる。
【００４０】
第１の層間絶縁膜１０８と第２の層間絶縁膜１１１との間には、第１の内部配線１０９の上面を覆う第１のライナ膜１１０が形成されている。同様に、第２の層間絶縁膜１１１と第３の層間絶縁膜１１４との間には、第２の内部配線１１２の上面を覆う第２のライナ膜１１３が形成され、第３の層間絶縁膜１１４の上には、第３の内部配線１１５の上面を覆う第３のライナ膜１１６が形成されている。ここで、各ライナ膜１１０、１１３及び１１６は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又は炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等からなり、各内部配線１０９、１１２及び１１５を構成する銅原子の拡散防止膜として機能する。
【００４１】
下層絶縁膜１０６の上に積層された、下地絶縁膜１０７、第１〜第３の層間絶縁膜１０８、１１１及び１１４、並びに第１〜第３のライナ膜１１０、１１３及び１１６を、便宜上、第１の絶縁膜１５０と呼ぶ。
【００４２】
第１の絶縁膜１５０におけるフォトダイオードＰＤ上の領域には、光導波路となる凹部１１７が形成されている。第１の絶縁膜１５０の上には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる第２の絶縁膜１６０が、凹部１１７を埋め込むように形成されている。ここでは、第２の絶縁膜１６０は、例えば膜厚が６００ｎｍの第１の埋め込み層１１８と、該第１の埋め込み層１１８の上に形成された第２の埋め込み層１１９とから構成される。さらに、第１の埋め込み層１１８における凹部１１７の上端の周縁部は壁面が上方に広がるように加工され、いわゆる肩落としエッチングがなされている。
【００４３】
第２の絶縁膜１６０の上における画素部Ａに含まれる領域には、例えば有機系樹脂からなる平坦化膜１２３、カラーフィルタ１２４及びレンズ１２５が順次形成されている。
【００４４】
周辺回路部Ｂは、図２に示すように、画素部Ａを囲むように配置されている。ここで、画素部Ａには、図１に示す１つの画素が行列状に複数個が配置されている。
【００４５】
また、図１に示すように、周辺回路部Ｂには、半導体基板１０１の上に順次形成された、下層絶縁膜１０６、下地絶縁膜１０７、第１の絶縁膜１５０及び第２の絶縁膜１６０が形成されている。第１の絶縁膜１５０には、画素部Ａと同様に、第１〜第３の内部配線１０９、１１２及び１１５、並びに第１〜第３のライナ膜１１０、１１３及び１１６が形成されている。
【００４６】
図１及び図２に示すように、第２の絶縁膜１６０の上には、コンタクトホール１２０を介して第３の内部配線１１５と接続された外部配線であるパッド電極１２１が選択的に形成されている。パッド電極１２１は外部との電気的な接続を取る。ここで、コンタクトホール１２０に埋め込まれた材料及びパッド電極１２１には、例えばアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウムを主成分とする金属を用いることができる。また、第２の絶縁膜１６０の上における周辺回路部Ｂの上には、パッド電極１２１を露出するように、酸化シリコンからなる保護膜１２２が形成されている。
【００４７】
以下、前記のように構成された固体撮像装置の製造方法について図３（ａ）〜図５（ｂ）を参照しながら説明する。
【００４８】
まず、図３（ａ）に示すように、イオン注入法により、半導体基板１０１の上部であって、その画素部Ａにｎ型層１０２及びｐ型層１０３からなるフォトダイオードＰＤを選択的に形成する。続いて、半導体基板１０１の上にフォトダイオードＰＤと隣接してゲート絶縁膜１０４及びゲート電極１０５を選択的に形成する。続いて、半導体基板１０１の上に、全面にわたって下層絶縁膜１０６を成膜する。その後、成膜した下層絶縁膜１０６の上面を化学機械研磨（ＣＭＰ）法又はレジストエッチバック法により平坦化する。続いて、下層絶縁膜１０６の上の全面に下地絶縁膜１０７を成膜し、続いて、第１の層間絶縁膜１０８、第１の内部配線１０９及び第１のライナ膜１１０を順次形成する。この工程により、画素部Ａ及び周辺回路部Ｂにおいて、多層（３層）配線のうちの１層目が形成される。なお、第１の内部配線１０９は、いわゆるダマシン法により形成することができる。この後、２層目及び３層目の層間絶縁膜１１１、１１４、内部配線１１２、１１５及びライナ膜１１３、１１６を１層目と同様に形成する。
【００４９】
続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、下地絶縁膜１０７から第３のライナ膜１１６までの各絶縁膜からなる第１の絶縁膜１５０におけるフォトダイオードＰＤの上側部分に、光導波路を形成するための凹部１１７を選択的に形成する。ここで、ドライエッチングには、ＣＦ４又はＣ３Ｆ８等の、フッ素（Ｆ）及び炭素（Ｃ）を主成分とするエッチングガスを用いることができる。なお、ここでは、凹部１１７の底面は下地絶縁膜１０７の上面と一致しているが、この形態に限られない。すなわち、凹部１１７の底面は、下地絶縁膜１０７の内部に留まってもよく、さらには、第１の層間絶縁膜１０８の内部に留まっていてもよい。すなわち、光導波路となる凹部１１７の長さ（光路長）が最適化されるように形成すればよい。
【００５０】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、第３のライナ膜１１６の上に、厚さが６００ｎｍの窒化シリコンからなる第１の埋め込み層１１８を凹部１１７の底面及び壁面を覆うように形成する。ここで形成される窒化シリコンの屈折率は、１．９〜１．９５程度である。
【００５１】
次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、Ａｒスパッタエッチング法により、第１の埋め込み層１１８における凹部１１７の上端部に対してその周縁部が上方に拡がるように肩落としエッチングを行う。この肩落としエッチングは、続いて形成する第２の埋め込み層１１９の凹部１１７への埋め込み特性を向上するために行う。上述したように、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を堆積すると、堆積時の異方性により、窒化シリコン膜は、凹部の上端部の近傍が他の部分よりも厚く堆積される傾向がある。このため、特に凹部１１７に開口寸法が小さい場合には、肩落としエッチングにより第２の絶縁膜１６０の埋め込み特性が改善されるため、有効である。なお、肩落としエッチングには、Ａｒスパッタエッチング法の物理的なエッチング法に代えて、ＣＦ４又はＣＨ３Ｆ等をエッチングガスとする化学的なエッチング法を用いてもよい。ＣＦ４又はＣＨ３Ｆ等をエッチングガスとする化学的なエッチング法による肩落としエッチングでは、直線的ではなく、丸みを帯びた形状となる。すなわち、肩落としエッチングでは必ずしも直線的な肩落としでなくとも、丸みを帯びたような形状でもよく、第２の埋め込み層１１９における凹部１１７の上端部の広がり形状を改善できるようなエッチング法であればよい。
【００５２】
次に、図４（ａ）に示すように、再度、プラズマＣＶＤ法により、第１の埋め込み層１１８の上に、厚さが１０００ｎｍの窒化シリコンからなる第２の埋め込み層１１９を凹部１１７を埋め込むように形成する。第２の埋め込み層１１９を構成する窒化シリコンも、第１の埋め込み層１１８と同様の屈折率１．９〜１．９５程度を有している。第２の埋め込み層１１９は、凹部１１７の上方において若干の凹みが残存するものの、凹部１１７の内部においては、空洞（ボイド）が発生することなく埋め込むことができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、各層間絶縁膜１０８、１１１及び１１４と、各ライナ膜１１０、１１３、及び１１６とのエッチング選択比が異なる材料を用いたが、層間絶縁膜とライナ膜とのエッチング選択比がほぼ等しくなるような材料を用いるか、又はライナ膜を設けないような場合には、第１の絶縁膜１５０自体に肩落としエッチングを行ってもよい。このようにすると、第２の絶縁膜１６０を単層の埋め込み層により、中断することなく成膜することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法により埋め込み層の形成を行ったが、凹部１１７の開口径が埋め込みに十分な大きさである場合には、成膜とＡｒスパッタエッチングとを同時に行いながら膜を形成する高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）を用いてもよい。そうすれば、第２の絶縁膜１６０を単層の埋め込み層により形成することができる。
【００５５】
次に、図４（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法により、半導体基板１０１上の全面に形成された第２の埋め込み層１１９の上面に対して平坦化を図る研磨を行って上部の凹みを消失する。
【００５６】
次に、図４（ｃ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法により、周辺回路部Ｂにおいて、第２の絶縁膜１６０に第３の内部配線１１５を露出するコンタクトホール１２０を選択的に形成する。本実施形態においては、図２に示すように、パッド電極１２１は、画素部Ａの周囲に配置された周辺回路部Ｂにのみ設けられており、従って、コンタクトホール１２０も周辺回路部Ｂにのみ形成される。
【００５７】
次に、図５（ａ）に示すように、リソグラフィ法及びスパッタ法等により、例えば厚さが７００ｎｍのアルミニウムからなるパッド電極１２１を選択的に形成する。
【００５８】
続いて、第２の絶縁膜１６０の上に全面にわたって、膜厚が３００ｎｍの酸化シリコンからなる保護膜１２２を形成する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、画素部Ａに形成された保護膜１２２を選択的に除去する。さらに、リソグラフィ法及びエッチング法により、周辺回路部Ｂに形成された保護膜１２２におけるパッド電極１２１の上側部分を選択的に除去する。
【００５９】
次に、図５（ｂ）に示すように、画素部Ａから露出する第２の絶縁膜１６０の上に、平坦化膜１２３、フィルター１２４及びレンズ１２５を順次形成する。
【００６０】
このように、図１に示す固体撮像装置を得ることができる。
【００６１】
以下、本実施形態に係る固体撮像装置に係る光導波路を形成する凹部１１７の開口径が従来と比べて大きくできる理由を説明する。
【００６２】
まず、図３（ａ）に示すように、凹部１１７を形成する際のリソグラフィ工程において、パッド電極は未だ形成されていないため、画素部Ａの周辺領域には段差等が存在しない。このため、リソグラフィ工程は、上面が極めて平坦な第１の絶縁膜１５０を下地層として実施できる。従って、第１の絶縁膜１５０の上に全面にわたって膜厚が均一なレジスト膜を塗布することができるので、マスクの下地層との重ね合わせ精度を向上することが可能となる。その結果、寸法精度が高い開口パターンを有する凹部１１７を得ることができる。
【００６３】
例えば、１つの画素の大きさが１．８μｍ程度の固体撮像装置を想定した場合、［表１］に、凹部の開口寸法のばらつきと、下層配線と凹部との必要な間隔との関係を示す。
【００６４】
【表１】
2012227375.tif 000003
【００６５】
［表１］の項目１）に示すように、凹部の開口寸法を９００ｎｍ程度とすると、本実施形態においては、開口寸法のばらつきは、３σ（σ：標準偏差）で２０ｎｍ程度である。これは、凹部を形成した場合に、９００ｎｍ±２０ｎｍの寸法精度で形成可能であることを意味する。
【００６６】
一方、図１０に示す従来例は、凹部の加工工程を、周辺回路部ＲＰＡＤにパッド電極３２を形成した後に実施している。パッド電極３２の高さは７００ｎｍ程度であり、パッド電極３２により段差が生じる。このため、前述したように、リソグラフィ工程において塗布されるレジストの膜厚のばらつきが増大して、凹部の寸法ばらつきは３σで８０ｎｍ程度となる。
【００６７】
このように、従来例においては、光導波路を形成するための凹部は、９００ｎｍ±８０ｎｍの寸法精度でしか形成できず、一方、本実施形態においては、９００ｎｍ±２０ｎｍの寸法精度で形成できることになる。
【００６８】
次に、［表１］に示す凹部の寸法精度の改善がもたらす効果について、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照しながら説明する。
【００６９】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、画素部のレイアウトを示しており、図６（ａ）は本実施形態に係る画素部のレイアウトを示し、図６（ｂ）は比較用として、従来の画素部のレイアウトを示す。いずれも、光導波路となる凹部１１７（Ｈ）、並びにフォトダイオードＰＤが、内部配線１０９（２４）に囲まれて形成されている。
【００７０】
一般に、凹部の加工工程において、内部配線と凹部とのレイアウト上のスペースが十分でないと、凹部のエッチングによる形成時に、該凹部が内部配線と衝突することになる。従って、両者の間に所定の間隔を確保することにより、凹部が内部配線と衝突しないようにレイアウトする必要がある。
【００７１】
さらに、［表１］の項目２）に示すように、下層の内部配線と凹部とが接しないように、最低１０ｎｍの間隔を確保するとすれば、項目３）の合計欄に示すように、従来例においては、内部配線と凹部とを９０ｎｍの間隔をおいてレイアウトする必要がある。
【００７２】
これに対し、本実施形態においては、３０ｎｍの間隔をおいてレイアウトすればよいことが分かる。すなわち、図６（ｂ）において、仮りに従来例に係る凹部Ｈの開口寸法を９００ｎｍとすれば、従来例においては、画素部の内部配線１９同士の間隔は１０８０ｎｍが必要となる。ここで、本実施形態においても、内部配線１０９同士の間隔（１０８０ｎｍ）を変更せずにレイアウトすれば、内部配線１０９と凹部１１７との間隔を小さくすることが可能となる。その結果、凹部１１７の開口寸法を１０２０ｎｍとすることができ、従来例と比べて１２０ｎｍだけ拡大して形成することができる。
【００７３】
さらに、従来例においては、配線形成領域や、パッド形成領域と撮像領域との間にレジストの厚さむらを緩和するための緩和領域を設ける必要があるが、本実施形態によれば、該緩和領域が不要となるため、固体撮像装置を構成するチップ面積を縮小できるという効果もある。
【００７４】
図７に光導波路を構成する凹部の開口寸法と凹部内に発生し得る空洞（ボイド）幅との関係を示す。図７の断面図において、第１の絶縁膜１５０に形成された凹部１１７に埋め込まれる第２の絶縁膜１６０に生じる空洞（ボイド）１６０ａとその幅Ｘを示す。
【００７５】
従来の構成においては、凹部の開口寸法が９００ｎｍであるため、この凹部に窒化シリコンを埋め込んだとしても、幅が５０ｎｍの空洞１６０ａが発生する。
【００７６】
しかしながら、本実施形態においては、凹部１１７の開口寸法を前述のように、１０２０ｎｍに拡大できるため、空洞幅は０ｎｍ、すなわち空洞１６０ａが生じることはない。このため、本実施形態に係る固体撮像装置は、感度等の優れた光学特性を得ることができる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によると、第１の絶縁膜１５０に凹部１１７を形成し、その後、該凹部１１７を高屈折率膜である第２の絶縁膜１６０で埋め込み、その後、外部配線（パッド電極１２１）を形成する。すなわち、外部配線を形成するよりも前に凹部１１７を形成できるため、凹部１１７の開口寸法のばらつきを低減することができる。このため、凹部１１７の開口寸法を従来と比べて大きくすることが可能となるので、空洞１６０ａが発生することなく、高屈折率の第２の絶縁膜１６０を凹部１１７に確実に埋込むことができる。
【００７８】
なお、本実施形態においては、埋め込み絶縁膜である第２の絶縁膜１６０に、ＣＶＤ法による屈折率が１．９〜１．９５程度で、保護膜１２２の形成時の熱処理の温度に耐性（熱耐性）がある窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いている。また、本実施形態においては、埋め込み絶縁膜である第２の絶縁膜１６０は、保護膜１２２の形成時の熱処理の温度（約３００℃〜４００℃）に耐性がある材料であればよく、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等であってもよい。凹部への埋め込み膜は、従来例においては、塗布法による樹脂材料を用いており、この場合の屈折率は、高くて１．７５程度である。このため、屈折率が１．７５を超える窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等であれば、従来例よりも高い感度を得ることができる。ここで、熱耐性とは、材料が熱によって大きく変質しないことをいう。
【００７９】
また、第１の埋め込み層１１８と第２の埋め込み層１１９とは、保護膜１２２の形成時に熱耐性がある材料であれば異なる材料であっても構わない。この場合、屈折率が１．７５を超える材料が好ましい。
【００８０】
また、本実施形態においては、第２の絶縁膜１６０として、第１の埋め込み層１１８及び第２の埋め込み層１１９による２層の構成としている。すなわち、第１の埋め込み層１１８を形成し、続いて、該第１の埋め込み層１１８に対して第２の埋め込み層１１９の埋め込み性を向上するための角落としエッチングを実施している。さらに微細化が進み、凹部１１７のアスペクト比が高くなった場合には、角落としエッチングを２回以上実施したり、埋め込み層を３層以上とすることも可能である。
【００８１】
逆に、凹部１１７の開口寸法を拡大できることから、肩落としエッチングを実施しなくても凹部１１７に空洞１６０ａが生じない場合には、第２の絶縁膜１６０を単層の構成とすることも可能である。これは、図７のグラフからも、凹部の開口寸法が９５０ｎｍ程度の場合で既に空洞１６０ａが生じていないことからも明らかである。
【００８２】
また、本実施形態においては、内部配線は３層構造とし、外部配線（パッド電極）は１層構造としたが、内部配線と外部配線とはそれぞれ１層以上であれば、同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また、本実施形態においては、３層構造を有する第１の絶縁膜１５０は、画素部Ａと周辺回路部Ｂとが同等となる構成としたが、画素部Ａと周辺回路部Ｂとで必ずしも同等の構成とする必要はない。例えば、周辺回路部Ｂにおいて、画素部Ａと異なる材料及び構成としてもよい。
【００８４】
（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例について図８（ａ）〜図９（ｂ）を参照しながら説明する。
【００８５】
第１変形例においては、図８（ａ）に示すように、第２の絶縁膜１６０を形成し、その上面を平坦化した後、周辺回路部Ｂに含まれる第２の絶縁膜１６０を、リソグラフィ法及びエッチング法により選択的に除去する。
【００８６】
次に、図８（ｂ）に示すように、半導体基板１の上の全面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる第３の絶縁膜１７０を形成する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、画素部Ａに形成された第３の絶縁膜１７０を選択的に除去する。
【００８７】
次に、図８（ｃ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法により、周辺回路部Ｂにおいて、第３の絶縁膜１７０に第３の内部配線１１５を露出するコンタクトホール１２０を選択的に形成する。
【００８８】
次に、図９（ａ）に示すように、リソグラフィ法及びスパッタ法等により、例えば厚さが７００ｎｍのアルミニウムからなるパッド電極１２１を選択的に形成する。
【００８９】
続いて、画素部Ａにおいては、第２の絶縁膜１６０の上に、また、周辺回路部Ｂにおいては、パッド電極１２１を含む第３の絶縁膜１７０の上に全面にわたって、膜厚が３００ｎｍの酸化シリコンからなる保護膜１２２を形成する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、画素部Ａに形成された保護膜１２２を選択的に除去する。さらに、リソグラフィ法及びエッチング法により、周辺回路部Ｂに形成された保護膜１２２におけるパッド電極１２１の上側部分を選択的に除去する。
【００９０】
次に、図９（ｂ）に示すように、画素部Ａから露出する第２の絶縁膜１６０の上に、平坦化膜１２３、フィルター１２４及びレンズ１２５を順次形成する。
【００９１】
上述した一実施形態においては、光導波路を構成する凹部１１７に埋め込まれる第２の絶縁膜１６０を、そのまま周辺回路部Ｂにおける第３の銅配線１１５とパッド電極１２１との間の層間絶縁膜として用いている。
【００９２】
この場合、層間絶縁膜は窒化シリコンからなり、高屈折率であることに起因して、第３の内部配線１１５とパッド電極１２１との間の層間容量（寄生容量）の増大が設計上懸念される場合がある。
【００９３】
そこで、本変形例においては、周辺回路部Ｂにおける第３の内部配線１１５とパッド電極１２１との間の層間絶縁膜である第２の絶縁膜１６０を、屈折率が低い酸化シリコン又は酸窒化シリコンからなる第３の絶縁膜１７０に置き換えている。
【００９４】
このような構成であっても、パッド電極１２１を形成するより前に、凹部１１７を先に形成するため、本発明の一実施形態と同様の効果を得られることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、フォトダイオード上に設ける光導波路の開口寸法を大きくできることから、光導波路内に高屈折率膜を空洞を生じることなく確実に埋め込むことができ、従って、光導波路を設けた固体撮像装置等に有用である。
【符号の説明】
【００９６】
Ａ        画素部
Ｂ        周辺回路部
ＰＤ      フォトダイオード
１０１    半導体基板
１０２    ｎ型層
１０３    ｐ型層
１０４    ゲート絶縁膜
１０５    ゲート電極
１０６    下層絶縁膜
１０７    下地絶縁膜
１０８    第１の層間絶縁膜
１０９    第１の内部配線
１１０    第１のライナ膜
１１１    第２の層間絶縁膜
１１２    第２の内部配線
１１３    第２のライナ膜
１１４    第３の層間絶縁膜
１１５    第３の内部配線
１１６    第３のライナ膜
１１７    凹部
１１８    第１の埋め込み層
１１９    第２の埋め込み層
１２０    コンタクトホール
１２１    パッド電極（パッド部）
１２２    保護膜
１２３    平坦化膜
１２４    カラーフィルタ
１２５    レンズ
１５０    第１の絶縁膜
１６０    第２の絶縁膜
１６０ａ  空洞（ボイド）
１７０    第３の絶縁膜
【図１】
2012227375.tif 000004
【図２】
2012227375.tif 000005
【図３】
2012227375.tif 000006
【図４】
2012227375.tif 000007
【図５】
2012227375.tif 000008
【図６】
2012227375.tif 000009
【図７】
2012227375.tif 000010
【図８】
2012227375.tif 000011
【図９】
2012227375.tif 000012
【図１０】
2012227375.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月21日(2011.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置であって、
前記画素部は、
前記半導体基板に形成されたフォトダイオードと、
前記半導体基板の上に形成され、前記フォトダイオードの上側部分に凹部を有する第１の絶縁膜と、
前記凹部内に形成され、前記フォトダイオードに光を導く光導波路とを有し、
前記光導波路は、前記凹部を埋め込み、且つ前記画素部における前記凹部の外側に位置する前記第１の絶縁膜の上面と接するように形成された第２の絶縁膜から構成され、
前記周辺回路部は、
前記第１の絶縁膜又は該第１の絶縁膜と同層の層間絶縁膜に形成された配線と、
前記配線の上に形成され、前記配線と電気的に接続されるパッド部と、
前記周辺回路部における前記第１の絶縁膜の上面と接するように形成された第３の絶縁膜とを有し、
前記パッド部は、前記第３の絶縁膜の上に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とは同一の材料からなる一連の膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とは、異なる材料からなり、
前記第３の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より屈折率が低い材料からなる膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２の絶縁膜の少なくとも１層目における前記凹部の上端の周縁部は、上方に拡がるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記画素部における前記第２の絶縁膜の上面の高さと、前記周辺回路部における前記第３の絶縁膜の上面の高さとは互いに等しいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記配線は、銅を主成分とし、
前記パッド部は、アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板における前記画素部にフォトダイオードを形成する工程と、
前記半導体基板の上に、前記フォトダイオードを覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第１の絶縁膜に配線を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜における前記フォトダイオードの上側部分に光導波路となる凹部を選択的に形成する工程と、
前記第１の絶縁膜の上に、前記凹部を埋め込むように第２の絶縁膜を形成することにより、光導波路を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜の上に、前記配線と電気的に接続されるパッド部を形成する工程とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体基板に形成され、画素部と周辺回路部とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板における前記画素部にフォトダイオードを形成する工程と、
前記半導体基板の上に、前記フォトダイオードを覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第１の絶縁膜に配線を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜における前記フォトダイオードの上側部分に光導波路となる凹部を選択的に形成する工程と、
前記第１の絶縁膜の上に、前記凹部を埋め込むように第２の絶縁膜を形成することにより、光導波路を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜を形成する工程よりも後に、前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜を除去する工程と、
前記周辺回路部における前記第２の絶縁膜を除去した領域に、前記第２の絶縁膜よりも光の屈折率が低い第３の絶縁膜を形成する工程と、
前記周辺回路部における前記第３の絶縁膜の上に、前記配線と電気的に接続されるパッド部を形成する工程とを備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第３の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の絶縁膜は、少なくとも２層の膜により構成することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の絶縁膜を形成する工程において、前記第２の絶縁膜の少なくとも１層目における前記凹部の上端の周縁部を、エッチングにより上方に拡がるように形成することを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第２の絶縁膜は、屈折率が１．７５よりも大きいことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコン又は酸窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１８】
前記配線は、銅を主成分とし、
前記パッド部は、アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。