(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体基板上に受光部とその駆動用回路を多数アレイ状に配置し、前記各受光部上に配線層を有する固体撮像素子において、前記配線層の上方に凹状の加工部を有する絶縁膜が形成され、さらにその上に、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有するもう一つの絶縁膜が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】
前記受光部上の配線層はテーパー状の傾斜角を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記凹状の加工部を有する絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記もう一つの絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記受光部を取り囲むように前記凹状の加工部を有する絶縁膜を貫通する所定の幅を有する溝が形成され、この溝の内部に光の反射率の高い金属材料が埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光の反射率の高い金属膜材料は、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗのいずれかの単層膜であるか、あるいはＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｗいずれか１つとＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとの多層膜であ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】
一導電型の半導体基板上に、受光部とその駆動用回路を多数にアレイ状に配置して形成する工程と、
前記半導体基板上全面に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを介して前記受光部に接続する配線層を形成する工程と、
前記配線部の上部が狭くなるように配線部をテーパー状に加工する工程と、
前記第１の絶縁膜および配線部上の全面に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に第１の形状形成用酸化膜を形成し、第１の形状形成用酸化膜を平坦化する工程と、
エッチバックして前記第２の絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
前記配線層の上方であって、前記平坦化された第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記凹状の加工部が形成された第２の絶縁膜上の全面に、前記第２の絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記平坦化された第２の絶縁膜上に第２の形状形成用酸化膜を形成する工程と、
前記第２の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
エッチバックして第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を転写する工程と
を含むことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記第２の形状形成用酸化膜上にレジスト膜を形成し、パターニングしてエッチングマスクを形成する工程と、
フッ化水素酸を用いる等方性ウェットエッチングにより、前記第２の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記エッチングマスクを除去する工程と、
前記第２の形状形成用酸化膜と前記第２の絶縁膜とのエッチング選択比が０．５から１．０の範囲の条件で第２絶縁膜をドライエッチングすることにより、
前記第２の絶縁膜の表面に前記凹状の加工部を転写する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記平坦化された第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、前記凹状の加工部が形成された第２の絶縁膜上の全面に、前記第２の絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の絶縁膜を形成する工程との間に、
前記受光部を取り囲むように第２の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含む請求項７ないし９いずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程は、
スパッタリング法または化学気相成長法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗのいずれか１つの単層膜か、またはＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとからなる多層膜を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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、より詳しくは受光部上に光の入射を遮るものが存在する場合においても光の集光率を低下させることのない固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルネットワーク化、モバイル化が急速に進展すると共に、携帯情報端末への画像取り込みやＰＨＳを使った画像通信などへのニーズが高まり、これに伴い、携帯機器に搭載することができる小型／低消費電力の撮像素子が求められている。従来、デジタルカメラ等の分野において、一般的にＣＣＤ型固体撮像素子が使用されているが、ＣＭＯＳ型固体撮像素子も使用されている。
ＣＣＤ型固体撮像素子はノイズが少なく、高感度であるが、周辺回路の設計上、小型化が困難である。一方、ＣＭＯＳ型固体撮像素子は、ＣＣＤ型固体撮像素子に比べ周辺回路との一体化が容易であり、システムの小型化／低消費電力化が図れるため、携帯電話やＰＨＳをはじめ、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電池駆動のモバイル機器に最適な撮像素子として期待されている。現在、ＣＣＤ型固体撮像素子と同等のノイズレス特性や高感度を有するＣＭＯＳ型固体撮像素子の開発が望まれている。
【０００３】
従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子は、多数の画素ピクセル（例えば、２００万画素）が二次元配置された画素エリアを有し、各画素ピクセルは受光部とそれら受光部の選択、増幅、受光部電位のリセットを行うための３個から５個程度のトランジスタ等を含む。また、画素エリアの周辺には、各画素を駆動フォーマットにしたがって駆動するためのドライバやタイミング回路等を含む駆動用回路が配置されている。。その受光部構造を図１に示す。
【０００４】
従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子１は、ｐ型半導体基板１０１上に受光部（ｎ型不純物層１０２）と上記した受光部それぞれに付属する数個のトランジスタを電気的に分離するためのシリコン酸化膜１０３が形成されている。その上に、第１の絶縁膜１０４が形成され、さらに、その上にメタル配線１０５が形成されている。すなわち、第１の絶縁膜１０４はメタル配線１０５の下地絶縁膜となる。さらに、メタル配線上に第２の絶縁膜１０６および平坦化膜１０９が設けられ、その上に、入射光を受光部へ集光するためのマイクロレンズ１１０が形成された構造となっていた。
【０００５】
次に、図２を用いて、従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造方法を詳細に説明する。
まず、図２Ａに示すように、ｐ型半導体基板１０１に前記のように受光部とそれぞれの受光部に付属する数個のトランジスタ、受光エリア周辺での駆動用トランジスタをそれぞれ電気的に分離するための厚いシリコン酸化膜１０３をシリコンの熱酸化により形成する。酸化条件としては９５０〜１１００℃の温度中に水素と酸素ガスを入れることにより２００〜６００ｎｍのシリコン酸化膜を形成したものである。その後、パターニング、イオン打込みおよび熱処理の工程を行なって、受光部となるｎ型不純物層１０２を形成する。
【０００６】
次に、配線用メタル膜を形成するための下地として、平坦性をもつ第１の絶縁膜１０４を形成する。第１の絶縁膜１０４はリンとホウ素を含んだシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）であり、常圧ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＨ４ガス７０〜１００ｃｃ／分、ＰＨ３ガス１５０〜２５０ｃｃ／分、Ｂ２Ｈ６ガス１５０〜２５０ｃｃ／分、Ｏ２ガス２〜３Ｌ／分、成膜温度４００〜５００℃の条件下で成膜する。この膜中に含まれるリンの濃度は３．０〜３．５ｍｏｌ％、ホウ素の濃度は３．０〜３．５ｗｔ％である。成膜後に９００〜１０００℃の温度にて熱処理を行うことにより溶融させて、膜の表面を平坦化する。
【０００７】
次に、受光部電位をメタル配線に取り出すためのコンタクトホールをパターニングし、エッチングして形成する。コンタクトホールは、フッ酸水溶液でのウエットエッチングおよび、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いるドライエッチングにより行う。そのときのドライエッチング条件は、処理室圧力１００〜３００Ｐａ、ＣＨＦ３ガス２０〜１００ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス５〜５０ｓｃｃｍ、Ａｒガス５００〜１０００ｓｃｃｍ、電極ＲＦパワー５００〜１０００Ｗである。
【０００８】
引続いて、スパッタリング等の方法を用いて、第１の絶縁層１０４上全面に配線用メタル膜を成膜する。メタル膜としてはＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｗ等の単層膜、または、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｗ等の膜とＷ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｔｉ等の膜との多層膜が使用されることが多いが、ここでは、Ａｌ−Ｓｉ単層膜を用いている。その後、ドライエッチングにより配線用メタル膜のエッチングを行って、配線１０５をパターニングする。ドライエッチングは、例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型プラズマエッチング装置を用い、処理室圧力０．１〜３Ｐａ、ＢＣ１３ガス２０〜１００ｓｃｃｍ、Ｃｌ２ガス２０〜１００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー２００〜５００ｍＡ、バイアスＲＦパワー２０〜１００Ｗの条件下で行なう。
【０００９】
次に、図２Ｂに示すように配線１０５上にＣＶＤ等の方法によりシリコン酸化膜等の第２の絶縁膜１０６を成膜し、図２Ｃに示すように、メカノケミカルポリッシング（ＣＭＰ）等の方法により平坦化を行う。この後、受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、２層目以降の配線層形成を上記と同様の工程を繰り返すことで形成するのであるが、ここでは省略する。
この後、図２Ｄに示すように、第２の絶縁層１０６上にアクリル系材料をスピンコートし、続いてエッチバックすることにより表面を平坦化して、マイクロレンズの下地となる平坦化膜１０９を形成する。その上に、やはりアクリル系材料であるマイクロレンズ材料をスピンコートし、パターニングした後、ベーキング（熱処理）により溶融させて、マイクロレンズ１１０を形成する。このような工程を用いて従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子を製造していた。
【００１０】
上記したごとく、従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子においては、受光部の電位を取り出し、トランジスタを用いて増幅する必要があるため、受光部上に形成された絶縁膜にコンタクトホールを設け、受光部と配線とを接続した構造となっていた。この場合、図１の入射光軌跡１１１に示されるように、マイクロレンズにて集光された光は受光部に接続した配線に当たり、受光部への集光が妨げられ、感度低下を招いたり、また、乱反射した光が増幅用トランジスタ等に入射することによりノイズの発生を招いていた。
【００１１】
さらに、最近の撮像デバイスでは、その製造プロセスの微細加工レベルの進展よりも、画素寸法微細化の方が早く進む傾向にあり、例えば、微細加工プロセスは同じで、画素の微細化のみを行った場合、図３に示したように、受光部のサイズが縮小されても、配線幅が変化しないため、配線が光を遮る割合が増大する傾向にある。また、図４に示したように、パターンレイアウト上の都合によっては配線が受光部上を横切る可能性もある。
【００１２】
そこで、特開平１１−２７４４４３は光の集光率を高めるための方法を開示する。この方法は、ＣＭＯＳ型撮像素子はもとより、ＣＣＤ型撮像素子においても用いられている。この方法により作成された固体撮像素子の構造を図５に示す。
図５に示すように、この固体撮像素子２では、シリコン基板２０１に受光部となる不純物層２０２を設け、その上に絶縁膜２０４を形成する。次に、集光を遮らないように、受光部２０２の周辺領域に配線２０５を形成する。この配線２０５はＣＣＤ型撮像素子においては転送ゲート電極アレイヘの光の入射を遮る遮光膜として考えることができる。
配線２０５上に第１の層間膜２０６を形成し、次いで、受光部２０２の上方にある領域を断面凹形状に加工する。さらに、断面凹形状部分には第２の層間膜２０７が成膜されている。その上に平坦化膜２０９が形成され、マイクロレンズ２１０が平坦化膜２０９上に形成される。
【００１３】
上記の構成によれば、第１の層間膜２０６の屈折率（実際にはシリコン酸化膜を用い、屈折率は１．４５である）を第２の層間膜２０７の屈折率（実際にはシリコン窒化膜を用い、屈折率は２．００である）より小さくすることにより、受光部２０２上方に形成された断面凹形状部分を通過した光はさらに屈折して、受光部２０２に効率良く集光されるようになる。
すなわち、図５の入射光軌跡２１１に示すように、外部からの光はマイクロレンズ２１０で屈折して上記断面凹形状部分に集光され、そこでさらに屈折して受光部２０２に集光されるので、高い集光率を示すこととなる。
【００１４】
この方法は、例えば、受光部２０２を大きく形成できない場合、マイクロレンズ２１０を形成する時のプロセス上およびパターンレイアウト上の問題により、マイクロレンズのみでは受光部２０２への光の集光率を高めることができない場合または、斜めからの光の入射でも集光率を高めたい場合などに用いられてきた技術であり、基板上の配線を新たにデザインする必要があるので、従来の固体撮像素子の製造には適用ができない。
かくして、本発明の目的は、受光部上に配線が形成され光の集光が遮られた構成を有する従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子において、確実に受光部へ光を集光させ、また配線において乱反射した光がトランジスタ等に入射してノイズを発生させることを抑えることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、光の入射を遮るメタル配線上に設けた一つの絶縁膜をメタル配線パターンと同じパターンにて断面凹形状に加工し、さらに前記一つの絶縁膜よりも小さい屈折率を有する材料でもう一つの絶縁膜を前記一つの絶縁膜上に形成することにより、マイクロレンズから集光されて前記一つの絶縁膜に形成された凹形状部分に入射した光は配線を避けて広がり受光部に入射するようになる。この場合、配線を避けて広がった光は受光部よりもはみ出して広がってしまうこともあり得、増幅用トランジスタ等に入射してノイズ成分となることがある。これを避けるため、前記一つの絶縁膜に受光部を囲むパターンにて溝を形成し、溝内に光を反射する金属材料を埋め込んだものである。さらに前記一つの絶縁膜において広がった光の軌跡をなるべく遮ることのないように、配線を傾斜をもたせて形成し、前記１の絶縁膜で広がった光をなるべく多く受光部へ入射するようにしたものである。このような構造とすることで、マイクロレンズで集光された光は前記一つの絶縁膜の断面凹形状部に入射、上層に形成されたもう一つの絶縁膜との屈折率の違いにより、入射した光は配線を避けるように拡散して受光部に入射する。光を集光させるのではなく拡散させることで受光部以外の部分まで光が広がることもあり得るが、受光部周辺をすべて反射率の高い金属製のフェンスで囲むことで受光部以外まで広がった光を反射させて、すべての光を受光部へと導くことができる。
【００１６】
より詳しくは、本発明は、一導電型の半導体基板上に受光部とその駆動用回路を多数アレイ状に配置し、前記各受光部上に配線層を有する固体撮像素子において、前記配線層の上方に凹状の加工部を有する絶縁膜が形成され、さらにその上に、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有するもう一つの絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、前記受光部上の配線層はテーパー状の傾斜角を有することを特徴とする。
すなわち、受光部上に形成された配線層の断面形状を上部が狭い略台形とすることで、入射した光が配線層に遮られることなく受光部表面に照射される。
【００１８】
また、本発明の固体撮像素子は、前記凹状の加工部を有する絶縁膜がシリコン窒化膜であり、前記もう一つの絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする。
すなわち、前記凹状の加工部を通過する光は、屈折率の低い（ｎ＝１．４５）シリコン酸化膜から屈折率の高い（ｎ＝２．００）シリコン酸化膜へ進行するので、受光部上に形成された配線層を避けるように広がる。
【００１９】
さらに、本発明の固体撮像素子は、前記凹状の加工部を有する絶縁膜の表面から貫通するように形成された溝中に光の反射率の高い金属材料を埋め込んだことを特徴とする。前記光の反射率の高い金属膜材料は、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗのいずれかの単層膜であるか、あるいはＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｗいずれか１つとＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとの多層膜であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の固体撮像素子は上記構造を有しているので、受光部上に光の集光を遮る配線が存在する場合においても、配線を避けて確実に受光部へ光を入射させることができ、また、配線を避けきれない微少な光が配線において乱反射しても、乱反射した光が増幅用トランジスタ等に入射することに起因するノイズ発生を抑えることができる。
【００２１】
また、本発明は、上記した構造の固体撮像素子を製造するために、一導電型の半導体基板上に、受光部とその駆動用回路を多数にアレイ状に配置して形成する工程と、
前記半導体基板上全面に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜ににコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを介して前記受光部に接続する配線層を形成する工程と、
前記配線部の上部が狭くなるように配線部をテーパー状に加工する工程と、
前記第１の絶縁膜および配線部上の全面に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に第１の形状形成用酸化膜を形成し、第１の形状形成用酸化膜を平坦化する工程と、
エッチバックして前記第２の絶縁膜の表面を平坦化する工程と、
前記平坦化された第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記凹状の加工部が形成された第２の絶縁膜上の全面に第３の絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。
【００２２】
本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記平坦化された第２の絶縁膜上に第２の形状形成用酸化膜を形成する工程と、
前記第２の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
エッチバックして第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を転写する工程と
を含むことを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜の表面に凹状の加工部を形成する工程は、
前記第２の形状形成用酸化膜上にレジスト膜を形成し、パターニングしてエッチングマスクを形成する工程と、
フッ化水素酸を用いる等方性ウェットエッチングにより、前記第２の形状形成用酸化膜の表面に凹状の加工部を形成する工程と、
前記エッチングマスクを除去する工程と、
前記第２の形状形成用酸化膜と前記第２の絶縁膜とのエッチング選択比が０．５から１．０の範囲の条件で第２絶縁膜をドライエッチングすることにより、
前記第２の絶縁膜の表面に前記凹状の加工部を転写する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
さらに、前記受光部を取り囲むように第２の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記受光部を取り囲むように第２の絶縁膜を貫通する所定の幅の溝を形成する工程と、
前記溝の内部に光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程と
を含むことを特徴とする。前記光の反射率の高い金属材料を埋め込む工程は、
スパッタリング法または化学気相成長法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗのいずれか１つの単層膜か、またはＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、ＴｉＷ、Ｗのいずれか１つとからなる多層膜を形成することを特徴とする。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、添付図面を参照して説明する。
【００２５】
固体撮像素子の構成
本発明の固体撮像素子の構成を図６に示す。本発明の固体撮像素子３は、ｐ型半導体基板３０１の表面に複数のｎ型不純物層３０２（以下、簡単に「受光部」という）、および各受光部に付属する数個のトランジスタ（図示せず）が形成され、複数の受光部およびそれら受光部の各々に附属するトランジスタは、シリコン酸化膜等からなる素子分離用絶縁膜３０３により電気的に分離されている。
実際には、本発明の固体撮像素子は、複数の受光部および各受光部に附属するトランジスタを有する固体撮像素子が複数個アレイ状に配置された構成となっているが、簡便のため、１の固体撮像素子部のみを図示し、以下、１の固体撮像素子部につき説明する。
【００２６】
受光部３０２および素子分離用絶縁膜３０３上には配線用メタル層の下地となる第１の絶縁膜３０４がシリコン酸化膜等により形成され、その上に、メタル配線３０５が形成されている。この配線３０５は第１の絶縁膜３０４を貫通して、受光部３０２と導通されている。また、この配線３０５は、上部で拡散された光の軌跡を遮らないように、４０゜〜７０゜の傾斜をもたせて形成されている。すなわち、配線３０５の断面形状は、絶縁膜３０４に接する側が広く、上部が狭い略台形となっている。
【００２７】
その上層には、第２の絶縁膜３０６（下層絶縁膜）が形成されている。配線３０５の上方にある第２の絶縁膜３０６の領域には、配線３０５に沿って断面凹形状領域が設けられている。
さらに、その上層全面には、上部が平坦な第３の絶縁膜３０７（上層絶縁膜）が形成されている。この実施例において、第２の絶縁膜３０６は、光の屈折率が２．００であるシリコン窒化膜で形成され、第３の絶縁膜３０７は、光の屈折率が１．４５であるシリコン酸化膜で形成されている。この構成により、光が第３の絶縁膜３０７から第２の絶縁膜３０６へ進入すると、屈折により配線３０５を避けるように光が拡散される。
【００２８】
また、受光部３０２の周辺を囲むように金属製のフェンス（反射用金属膜３０８）が設けられているため、上記のごとく、広がった光が増幅用トランジスタ等に入射してノイズを発生することを防ぐことができる。さらに、この金属製フェンスに当たった光は反射により全て受光部に入射する。
受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、２層目以降の配線層形成をするが、今回の実施例では省略する。
さらに、第３の絶縁膜３０７上層にアクリル系材料からなる平坦化膜３０９が形成され、その上に凸状のマイクロレンズ３１０が設けられている。
【００２９】
すなわち、本発明の固体撮像素子は上記の構成を有するので、外部から入射した光は、まず、マイクロレンズ３１０により第２の絶縁層３０６に設けられた凹形状部分に集光され、さらに、第３の絶縁層３０７から第２の絶縁層３０６に進行するときに受光部３０２の周辺に広がるように屈折して、入射光は配線３０５に実質的に遮られることなく受光部３０２上に集光される。また、受光部領域の外部にまで広がった光は、反射用金属膜３０８により反射されて受光部３０２上に照射される。
【００３０】
固体撮像素子の製造方法
次に、本発明の固体撮像素子を製造する方法について、図７〜１１を用いて詳細に説明する。図７〜１０は、本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図であり、図１１は、主要な工程における固体撮像素子パターンの概略上面図である。図１１Ａ〜Ｄに記載された上面図は、それぞれ、図７Ａ、図８Ｅ、図９Ｈおよび図１０Ｊの工程における固体撮像素子のパターンを示す。
まず、図７Ａに示すようにシリコン製のｐ型半導体基板３０１上に、複数の受光部３０２およびそのそれぞれに付属する増幅用トランジスタ等、受光部周辺回路部でのトランジスタ等を電気的に分離するために、シリコン製の半導体基板３０１を熱酸化してシリコン酸化膜にすることにより、素子分離用絶縁膜３０３を形成した。具体的には、９５０〜１１００℃の温度の拡散炉中に水素と酸素ガスを入れた熱酸化条件下、２００〜６００ｎｍの素子分離用絶縁膜３０３を基板上に形成した。
なお、本実施例においては受光部に付属する増幅用トランジスタ等は図示していない。また、実際には、複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が形成されるが、ここでは、１の固体撮像素子について図示し、説明する。
【００３１】
次に、前記素子分離用絶縁膜３０３およびレジストパターンをマスクとしてリン、ヒ素等の不純物をイオン打込みし、熱処理を行うことでｎ型不純物層である受光部３０２を形成し、引続いて、配線用メタル膜の下地となる第１の絶縁膜３０４をシリコン酸化膜により形成する。この実施例においては、リンおよびホウ素を含んだシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）を使用した。常圧ＣＶＤ装置を用いＳｉＨ４ガス７０〜１００ｃｃ／分、ＰＨ３ガス１５０〜２５０ｃｃ／分、Ｂ２Ｈ６ガス１５０〜２５０ｃｃ／分、Ｏ２ガス２〜３Ｌ／分、成膜温度４００〜５００℃の条件下、第１の絶縁膜３０４を製膜した。この膜中に含まれるリンの濃度は３．０〜３．５ｍｏｌ％、ホウ素の濃度は３．０〜３．５ｗｔ％とした。
製造プロセスの微細化を考慮すると、成膜、パターニングおよびエッチング加工の容易性の観点から、配線用メタル膜下の絶縁膜の表面は平坦であることが望ましい。従って、９００〜１０００℃の温度で熱処理を行なって、第１の絶縁膜３０４の表面を平坦化した。
【００３２】
次に、第１の絶縁膜３０４の表面をパターニングし、エッチングして、受光部電位をメタル配線３０５により取り出すためのコンタクトホールを形成した。コンタクトホールは、フッ化水素酸でのウェットエッチングおよびＲＩＥのドライエッチングにより形成した。そのドライエッチングの条件は、ＲＩＥを用いて処理室圧力１００〜３００Ｐａ、ＣＨＦ３ガス２０〜１００ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス５〜５０ｓｃｃｍ、Ａｒガス５００〜１０００ｓｃｃｍ、電極ＲＦパワー５００〜１０００Ｗであった。
【００３３】
その後、第１の絶縁層３０４の全面に、配線用メタル膜をスパッタリング等の方法により成膜する。成膜する膜としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｗ等の単層膜、あるいは、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｗ等のいずれか１つとＷ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｔｉのうちいずれか１つとの多層膜を用いることができるが、この実施例においては、スパッタリングによりＡｌ−Ｓｉ単層膜を形成した。
【００３４】
次いで、配線用メタル層をフォトリソグラフィーによりパターニングして、配線３０５を形成し、さらに、ドライエッチングにより、配線３０５の側面が、内側に傾斜したテーパー形状を持つようにエッチング加工した。この配線３０５は、第２の絶縁層３０６の上部に形成された凹形状部分を通過して拡散された光の軌跡をなるべく遮ることのないように４０°〜７０°の傾斜をもたせて形成する。この実施例においては、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置を用い、処理室圧力１．５〜３Ｐａ、ＢＣｌ３ガス５０〜１００ｓｃｃｍ、Ｃｌ２ガス２０〜７０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー３００〜５００ｍＡ、バイアスＲＦパワー２０〜４０Ｗの条件下でエッチングを行なって、７０゜の傾斜を持った配線３０５を形成した。
【００３５】
次に、図７Ｂに示すように、本発明での構造上および製造方法上で最も重要となる第２の絶縁膜３０６を配線３０５上に成膜する。前記のように第２の絶縁膜３０６には、光の屈折率ができるだけ大きいものを使用することが望ましく、後に形成する第３の絶縁膜３０７の光の屈折率よりも大きくすることが必要である。この実施例においては、第２の絶縁膜３０６には光の屈折率が２．００であるシリコン窒化膜を用い、第３の絶縁膜３０７には光の屈折率が１．４５であるシリコン酸化膜を用いた。
第２の絶縁膜３０６であるシリコン窒化膜は、例えば、プラズマＣＶＤ装置を用いて製膜する。この実施例では、プラズマＣＶＤ装置を用いて、処理室圧力５００〜８００Ｐａ、Ｎ２ガス１０００〜２０００ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガス８０〜１５０ｃｃ／分、ＮＨ３ガス３０〜７０ｃｃ／分、ＲＦパワー３００〜５００Ｗ、サセプター温度３００〜４００℃の条件下で５００〜２０００ｎｍの膜厚のシリコン窒化膜を成膜した。
【００３６】
成膜後、第２の絶縁膜３０６の表面は、配線３０５等が存在するために段差が生じているので、この表面を平坦化する必要がある。ＣＭＰ等によって平坦化を行なってもよいが、この実施例においては、第２の絶縁膜３０６上に平坦化された形状形成用絶縁膜を形成し、ドライエッチングして、形状形成用絶縁膜の平坦な表面を第２の絶縁層３０６に転写するエッチバック法を用いた。
具体的には、第２の絶縁層３０６上に、プラズマＣＶＤ装置を用い、処理室圧力１０００〜１３００Ｐａ、ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）ガス４００〜６００ｃｃ／分、Ｏ２ガス４００〜６００ｃｃ／分、ＲＦパワー４００〜５００Ｗ、処理温度３５０〜４５０℃の条件下、膜厚が５００〜１０００ｎｍである形状形成用絶縁膜３１２を成膜した。この後、この形状形成用絶縁膜３１２をＣＭＰ等により平坦化を行った。
【００３７】
図７Ｂは、第２の絶縁膜３０６上の形状形成用絶縁膜３１２が平坦化された状態を示している。この状態からドライエッチングを用いてエッチバックを行うことにより、図７Ｃに示すように、表面が平坦化された第２の絶縁膜３０６を得た。第２の絶縁膜３０６であるシリコン窒化膜と形状形成用絶縁膜３１２であるシリコン酸化膜とのエッチングレートが同じになるような条件（シリコン酸化膜／シリコン窒化膜選択比が１．００である）下でエッチング行うことで、形状形成用絶縁膜３１２の平坦な形状が第２の絶縁膜３０６に転写されるのである。具体的には、平行平板型ＲＩＥ装置を用い、処理室圧力１〜１．５Ｐａ、ＣＦ４ガス２１ｃｃ／分、Ｈ２ガス１２ｃｃ／分、Ｎ２ガス２ｃｃ／分、ＲＦパワー１５０Ｗの条件下でエッチバックを行なった。この時シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比はＮ２ガス流量により大きく依存されるので、エッチングレート比により下層絶縁膜の平坦性が大きく害われる場合には、Ｎ２ガス流量により微調整を行う。
以上のような下層絶縁膜の平坦化工程は、シリコン窒化膜のＣＭＰが可能な場合にはＣＭＰにより直接平坦化を行った方が工程も簡略となる。
【００３８】
次に図７Ｄに示したように、再度、膜厚３００〜１０００ｎｍの形状形成用絶縁膜３１３を成膜した。成膜条件としては前記の形状形成用絶縁膜３１２の形成条件と同じである。
【００３９】
続いて、図８Ｅに示すように、第２の絶縁膜３０６の上部に断面凹形状を形成した。
まず、形状形成用絶縁膜３１３上の全面に、スピンコーティングによりレジスト膜３１４を形成した。次いで、配線パターンとほぼ同じパターンであって、白黒反転パターン（パターン露光の光が透過する場所としない場所が逆）にてパターニングを行なった。一般的なプロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術によりパターニングを行なった。このパターニングにおいて、配線パターンとの線幅シフト量の違いや第２の絶縁膜３０６の目標の仕上がり形状によって線幅を調整する必要がある。
パターニング後、フッ化水素酸により前記形状形成用絶縁膜３１３をエッチングして、図８Ｅに示したようななだらかな断面形状を形成した。
次いで、レジスト膜３１４を除去後、図８Ｆに示すように前記と同様のエッチバック法により、第２の絶縁膜３０６に形状形成用絶縁膜３１３に形成された凹状形状を転写した。
【００４０】
この実施例では、第２の絶縁膜３０６の屈折率が２．００であり、第３の絶縁膜３０７の屈折率が１．４５である場合、光を拡散させるためには、ウェットエッチングによって形成されたなだらかな形状よりも若干急な角度を持つ形状に凹形状を形成する必要があることが明らかとなった。
上記のごとき凹形状を形成するためには、エッチバックを行う条件を前記平坦化時の条件よりもシリコン窒化膜のエッチングレートを速めた条件（シリコン酸化膜／シリコン窒化膜選択比が１．００以下の条件）とする。具体的には、平行平板型ＲＩＥ装置を用い、処理室圧力１〜１．５Ｐａ、ＣＦ４ガス２１ｃｃ／分、Ｈ２ガス１２ｃｃ／分、Ｎ２ガス４ｃｃ／分、ＲＦパワー１５０Ｗの条件を用いることにより、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比（選択比）０．８０を実現することができ、形状形成用絶縁膜３１３の断面凹形状よりも急な角度を持つ断面凹形状が第２の絶縁膜３０６に転写された。
この時、前記したようにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比はＮ２ガス流量により大きく依存されるので、第２の絶縁膜３０６の断面凹形状が所望の形状にならない場合には、Ｎ２ガス流量を２〜６ｃｃ／分の範囲で変化させて、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のエッチングレート比を調整することで、所望の形状を得ることができる。
【００４１】
次に、図９Ｇに示すように、第２の絶縁膜３０６の断面凹形状部分で拡散された光を反射するための金属膜を埋め込む溝の形成を行う。図１１Ｃの平面図に示されたように、反射膜用の溝パターンは受光部の領域を囲むように形成する。
まず、第２の絶縁層３０６上にレジスト膜３１５を形成し、パターニングを行い、その後ドライエッチングにより第２の絶縁膜３０６および素子分離用絶縁膜３０３をエッチング除去する。
第２の絶縁膜３０６および、素子分離用絶縁膜３０３のドライエッチングに関しては、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜を一緒にエッチングするということで、前記のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜エッチングレート比が１．００の条件を用いた。具体的には平行平板型ＲＩＥ装置を用い、処理室圧力１〜１．５Ｐａ、ＣＦ４ガス２１ｃｃ／分、Ｈ２ガス１２ｃｃ／分、Ｎ２ガス２ｃｃ／分、ＲＦパワー１５０Ｗの条件で、受光部周囲の素子分離用絶縁膜３０３の途中でエッチングが止まるようにエッチング時間を設定した。
【００４２】
図１１は、主要な工程でのパターンを表す概略上面図を示す。図１１Ｃに示したように、この実施例の固体撮像素子においては、受光部電位のリセット用トランジスタを形成するために、素子分離用絶縁膜３０３が一部分において受光部外まではみ出したパターンとなっている。このような場合、受光部を囲んだ反射用金属膜３０８用の溝は、ドライエッチングによりダメージを防ぐため、一部が切れたパターンとなる。この実施例において、光の拡散を行う凹形状部分は配線３０５の上方に位置し、この金属膜３０８の途切れ部分からは比較的遠く離れているため、拡散された光がこの金属膜３０８の途切れた部分から漏れ出すことはなかった。
素子の動作上およびパターン形成上、受光部周囲をすべて絶縁膜で囲むことができない場合で、さらに絶縁膜の途切れが配線用メタルパターンの近くに位置する場合は、絶縁膜の途切れた位置を配線用メタルから遠く離す等の変更を行なう必要がある。
【００４３】
この後、図９Ｈに示すように、スパッタリング法や化学気相成長法等によって、溝内に反射用金属膜３０８を成膜する。成膜する金属としてはＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗいずれか１つからなる単層であるか、あるいはＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗいずれか１つとＴｉＮ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｗいずれか１つとからなる多層膜を用いるが、この実施例においては、ＴｉＮ膜とＷ（タングステン）膜の多層膜を用いた。
その形成条件としては、まず１０〜１００ｎｍ程度の膜厚のＴｉＮ膜をスパッタリングにより全面に成膜し、それに続いて減圧ＣＶＤ法により５０００〜１００００Ｐａの処理室圧力、成長温度２５０〜６５０℃、六フッ化タングステン（ＷＦ６）とアルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）を原料ガスとした条件で１００〜３００ｎｍのタングステン膜の成膜を行い、その後、別のＲＩＥチャンバーに試料を移し、処理室圧力１５〜５０Ｐａ、ＳＦ６ガス５０〜２００ｓｃｃｍ、Ａｒガス５０〜１５０ｓｃｃｍ、Ｈｅガス２〜２０ｓｃｃｍ、電極ＲＦパワー３００〜７００Ｗの条件にて成長させたタングステンを下層のＴｉＮ膜が露出するまでエッチングを行った。
次いで、例えば、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置に試料を移し、処理室圧力０．１〜３Ｐａ、ＢＣｌ３ガス２０〜１００ｓｃｃｍ、ＳＦ６ガス１０〜５０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー２００〜５００ｍＡ、バイアスＲＦパワー２０〜１００Ｗの条件で第２の絶縁膜３０６が露出するまでＴｉＮ膜のエッチングを行った。
このようにして溝内に反射用金属膜３０８の形成を行うのであるが、この実施例のように金属膜を埋め込み、エッチバックする工程において、溝内に埋め込みを行う場合、その溝の幅は埋め込みを行う金属膜の成膜厚の２倍以下の幅にする必要がある。
【００４４】
次に、図９Ｉに示すように、第３の絶縁膜３０７の形成を行う。形成条件としては、プラズマＣＶＤ装置を用い、処理室圧力１０００〜１３００Ｐａ、ＴＥＯＳガス４００〜６００ｃｃ／分、Ｏ２ガス４００〜６００ｃｃ／分、ＲＦパワー４００〜５００Ｗ、処理温度３５０〜４５０℃の条件下、膜厚５００〜１０００ｎｍのシリコン酸化膜を成膜し、ＣＭＰにより平坦化を行った。この平坦化はエッチバックにより行なうこともできる。
この後、例えば、受光部エリア周辺での駆動用回路部等で多層配線を用いる場合は、２層目以降の配線層形成を成膜パターニング、エッチング、絶縁膜形成工程を繰り返すことにより形成するのであるが、今回の実施例では省略する。
【００４５】
最後に、図１０Ｊに示すように、第３の絶縁膜３０７上にアクリル系材料等をスピンコート塗布して、アクリル膜を形成し、その表面をエッチバックすることにより平坦化膜３０９を形成した。
さらに、その上にアクリル系材料であるマイクロレンズ材料をスピンコートしパターニングした。図１１Ｄには受光部上に形成された四角形状のマイクロレンズのパターン形状を示す。次いで、ベーキング（熱処理）により、これを溶融させて凸状のマイクロレンズ３１０を形成した。
【００４６】
【発明の効果】
以上の実施例中で述べてきたように、本発明によれば、受光部上に光の集光を遮るものが存在する固体撮像素子において、確実に受光部へ光を集光させ、また、散乱によってもメタル配線層を避けきれない微少な光がメタル配線層において乱反射しても光が増幅用トランジスタ等に入射してノイズが発生することを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の固体撮像素子の断面図。
【図２】  従来の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図３】  従来の固体撮像素子の画素を示す概略平面図。
【図４】  従来の固体撮像素子の画素を示す概略平面図。
【図５】  別の従来の固体撮像素子の断面図。
【図６】  本発明の固体撮像素子の断面図。
【図７】  本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図８】  本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図９】  本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図１０】  本発明の固体撮像素子の製造工程を示す要部断面図。
【図１１】  本発明の固体撮像素子の製造工程を示す概略平面図。
【符号の説明】
１・・・従来の固体撮像素子、
１０１・・・半導体基板、
１０２・・・不純物層（受光部）、
１０３・・・シリコン酸化膜、
１０４・・・ＭＲ下層絶縁膜、
１０５・・・メタル配線、
１０６・・・ＭＲ上層絶縁膜、
１０９・・・平坦化膜、
１１０・・・マイクロレンズ、
１１１・・・入射光軌跡、
１２０・・・ゲート電極、
１２２・・・受光部、
１２３・・・シリコン酸化膜、
１２５・・・メタル配線、
２・・・別の従来の固体撮像素子、
２０１・・・シリコン基板、
２０２・・・受光部不純物層、
２０４・・・ＭＲ下絶縁膜、
２０５・・・メタル配線、
２０６・・・第１の層間膜、
２０７・・・第２の層間膜、
２０９・・・平坦化膜、
２１０・・・マイクロレンズ、
２１１・・・入射光軌跡、
３・・・本発明の固体撮像素子、
３０１・・・ｐ型半導体基板、
３０２・・・ｎ型不純物層（受光部）、
３０３・・・素子分離用絶縁膜、
３０４・・・第１の絶縁膜、
３０５・・・メタル配線、
３０６・・・第２の絶縁膜（下層絶縁膜）、
３０７・・・第３の絶縁膜（上層絶縁膜）、
３０８・・・反射用金属膜（金属製フェンス）、
３０９・・・平坦化膜、
３１０・・・マイクロレンズ、
３１１・・・入射光軌跡、
３１２、３１３・・・形状形成用絶縁膜、
３１４、３１５・・・レジスト。
【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】
0003762673.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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