JP2019091817A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安定した集光効率とエッチングダメージを改善できる固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置（１００）は、基板（１）と、基板（１）に形成されたトランジスタと、基板（１）に配置された光電変換部（２）と、光電変換部（２）上に形成された積層構造体と、積層構造体における光電変換部（２）に対応する位置に形成された導光部（１６）とを備え、導光部（１６）は、基板（１）に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度（θ１）となる第１の側面を有する第１導光部（１４）と、第１導光部（１４）に接続され、基板（１）に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度（θ２）となる第２の側面を有する第２導光部（１５）を含み、第１のテーパー角度（θ１）は第２のテーパー角度（θ２）よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関し、特に安定した集光効率とエッチングダメージを改善できる固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。

近年、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどを用いた固体撮像装置においては、入射光を効率良く光電変換素子に取り込ませるため、光導波路構造が提案されている。

上記光導波路構造おいては、光を受光して光電変換を行う受光部上に光透過性材料からなる光導波路を設け、更にその上にマイクロレンズを設けた構成にすることで、マイクロレンズで集光された光を効率よく受光部に入射させるようになっている。

しかし、画素の微細化によって平面的に受光部上に配線が接近することにより、光導波路の開口径が制限されて集光効率が低下してしまうため、この光導波路構造を用いて集光効率を改善する技術が提案されている。

特許文献１では、集光効率低減の改善策として、光の入射方向から見た光導波路の平面形状の大きさが光の入射側の面から受光部側に向けて小さくなる順テーパー形状にしている。

特許文献２では、導光部における上部の側面の傾斜角が下部の側面の傾斜角よりも小さい導光部を備えることで集光特性低減を防ぎ、かつ導光部からの光の漏れを低減する技術が提案されている。

特開２０１２−１８６３９６（２０１２年９月２７日公開） 特開２０１７−０２２２９３（２０１７年１月２６日公開）

光導波路構造を有するＣＭＯＳセンサ等を備える固体撮像装置において、光導光部の光の入射面である上端の大きさに比べて、光導光部の下端の大きさを小さくすることで集光効率は改善する。

特許文献１の光導波路の形状加工では、エッチバック時のダメージは大きいと考えられ、エッチングストッパ膜を設けて、エッチングを停止させた場合でも、通常のエッチングストップとしての機能を果たすための膜厚では、エッチングダメージの低減が充分でない場合がある。エッチングダメージがはいると、白傷や暗電流が増加する可能性があるため、エッチングダメージの更なる低減が望まれている。

また、導光部の加工寸法がデポの埋め込みで決まるため、フォト、エッチング加工と比較して寸法ばらつきが大きくなる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、導光部の加工寸法の精度が良く、また集光効率がよく、かつ白傷や暗電流の増加を抑制することのできる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は基板と、前記基板に形成されたトランジスタと、前記基板に配置された光電変換部と、前記光電変換部上に形成された積層構造体と、前記積層構造体における前記光電変換部に対応する位置に形成された導光部とを備え、前記導光部は、前記基板に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度となる第１の側面を有する第１導光部と、前記第１導光部に接続され、前記基板に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度となる第２の側面を有する第２導光部を含み、前記第１のテーパー角度は前記第２のテーパー角度よりも小さい。

上記の目的を達成するために、本発明の他の態様に係る固体撮像装置の製造方法は、基板上に、複数の配線層および複数の層間絶縁膜を形成する第１の形成ステップと、導光部が形成される領域に第１開口を形成する第２の形成ステップと、前記第１開口の形成後、第２開口を形成し、当該第２開口内に導光部を形成する第３の形成ステップとを包含し、前記導光部は、前記基板に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度となる第１の側面を有する第１導光部と、前記第１導光部に接続され、前記基板に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度となる第２の側面を有する第２導光部を含み、前記第１のテーパー角度は前記第２のテーパー角度よりも小さい。

本発明の一態様によれば、導光部の加工寸法の精度が良く、また集光効率がよく、かつ白傷や暗電流の増加を抑制することができる。

第１実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第１実施形態の固体撮像装置の製造方法例を説明する図である。 第１実施形態の固体撮像装置の効果を説明する図である。 第２実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。 第３実施形態の固体撮像装置の構成例を示す図である。

本発明の実施形態について、以下、図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
以下、図１〜図２を参照して第１の実施形態を説明する。

（固体撮像装置の構成例）
図１は、本第１実施形態の固体撮像装置１００の構成例を示す図である。

図１に示すように、固体撮像装置１００は、基板１と、トランジスタと、光電変換部２と、積層構造体と、導光部１６とを備えている。

光電変換部２により発生した電荷を信号として読み出すためのトランジスタが基板１に形成される。図１には、当該トランジスタのゲート電極３を例示している。

入射光の光信号を電気信号に変換する光電変換部２は、基板１に配置されている。

積層構造体は光電変換部２上に形成されている。積層構造体の詳細構成は後述する。

導光部１６は、積層構造体における光電変換部２に対応する位置に形成されている。導光部１６の詳細構成は後述する。

本発明においては、特別な説明がない限り図１における基板１からマイクロレンズ２０に向かう方向を「上」と称し、その逆の方向を「下」と称する。以下同様。

本第１実施形態においては、断面視で２つの逆立ちの台状形状を有する導光部１６は、基板１に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度θ１となる第１の側面を有する第１導光部１４と、第１導光部１４に接続され、基板１に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度θ２となる第２の側面を有する第２導光部１５を含む。

また、図１に示すように、第１のテーパー角度θ１は第２のテーパー角度θ２よりも小さい。

積層構造体は、例えば複数の配線層（第１配線層１１、第２配線層１２および第３配線層１３）と複数の層間絶縁膜（第１層間絶縁膜６、第２層間絶縁膜７、第３層間絶縁膜８、第４層間絶縁膜９および第５層間絶縁膜１０）を含む。また、ゲート電極３は遮光部５に覆われ、第１層間絶縁膜６はさらに遮光部５およびゲート電極３を覆うように形成されている。

また、上記配線層は、例えばＡｌやＣｕなどの導電性が優れた金属を備えて構成してもよい。

また、複数の層間絶縁膜は、酸化シリコンを含んでもよい。

また、詳細な説明は省略するが、積層構造体の上にパッシベーション膜１８及びカラーフィルタ１９を介してマイクロレンズ２０が装着されている。つまり、導光部１６の上に、複数の色を含むカラーフィルタ１９を有する。

上記構成によれば、導光部の加工寸法の精度が良く、また集光効率がさらによくなる固体撮像装置を提供することができる。

図１の配線層は、第１配線層１１から第３配線層１３との構造を有するものを例示したが、配線層数はこれに限定されず、１でもよいし４以上でもよい。

また、上記画素が配置された領域以外の他の領域（例えば、画素信号を処理する回路が配置された領域）では、その配線層数は積層構造体の配線層数よりも大きくてもよい。

（導光部の構成例）
上述のように、本発明においては、導光部１６が第１導光部１４と第２導光部１５を備えている。また、図１に示すように、導光部１６の下端部は、前記トランジスタのゲート電極３の上面を覆う層間絶縁膜（第１層間絶縁膜６）をさらに覆う層間絶縁膜（第２層間絶縁膜７）よりも基板１側に位置している。

なお、図１に示すように、第１導光部１４と第２導光部１５との境界１７は、ゲート電極３の上方に位置している。

より具体的には、図１の導光部１６は、複数の層間絶縁膜の中かつ反射防止膜４の上に配置される。導光部１６は、複数の層間絶縁膜に開口を形成した後に透光性の部材にて形成することにより得られる。

透光性の部材はその屈折率が複数の層間絶縁膜の屈折率より大きくなるように構成されればよく、例えば窒化シリコン、樹脂、有機高屈折率膜等の高屈折率部材が用いられる。複数の層間絶縁膜の屈折率が１．４程度なので、高屈折率部材の屈折率は１．６〜２．２の範囲で設定されるのが良い。上記構成により、導光部１６は、入射光を屈折により光電変換部２に導く。

上述のように、本発明においては、導光部１６における第１導光部（光の受光側）１４の側面のテーパー角θ１は第２導光部（光の入射側）１５の側面のテーパー角θ２よりも小さくなっている。

テーパー角θは半導体基板に平行な面と導光部の側面とがなす角度を示す。

一方、θ２はθ１よりも小さくなると、第２導光部１５を通過する光のうち、第２導光部１５と複数の層間絶縁膜との界面で全反射できなくなる光が発生するため集光効率が低下する。したがってθ２は例えば８０°〜９０°の範囲で設定されるのが良い。

θ１はθ２よりも小さくすることで、第１導光部１４から漏れ出した光が隣接セルへ入り込み、色シェーディングが悪くなるのを防ぐ効果がある。しかしθ１を小さくしすぎると、θ２と同じように導光部１６と複数の層間絶縁膜の界面で全反射できなくなる光が発生し、集光効率が低下する。したがってθ１は３°〜２０°の範囲内でθ２より小さく設定されるのが良い。

本発明の構成を、例えばθ１がθ２よりも大きい構成あるいはθ１とθ２とが同じ構成とを比較した集光改善率の結果を図３に示す。但し、下記のグラフにおいては、導光部（ライトパイプ（ＬＰ）とも呼ばれる）なしの入射光を１００％としたときの集光改善率を示している。

図３に示すように、本発明の第１のテーパー角度θ１は第２のテーパー角度θ２よりも小さいとの構成によれば、入射光の集光率、特に斜め入射光の集光率について、他の構成よりも優れた効果を奏することが分かる。

また、第１導光部１４と第２導光部１５の境界１７の位置はゲート電極３の位置より下にくると、第１導光部１４とゲート電極３の距離が大きくならず、色シェーディング抑制の効果が得られないため、ゲート電極３より上で複数の層間絶縁膜の中に位置すればよい。

境界１７の具体的な位置は、マイクロレンズ２０や層内レンズとの焦点距離などの設計や斜入射特性に応じて適宜設定すればよい。

導光部１６の下端部位置はエッチングダメージによる白傷や暗電流を抑えるため、反射防止膜４の上の複数の層間絶縁膜の中で止めることが望ましい。

上記構成によれば、白傷や暗電流の増加を抑制した光導波路構造を有する固体撮像装置を提供することができる。

（固体撮像装置の製造方法例）
次に図２を参照して第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法例を説明する。

図２は、本第１実施形態の固体撮像装置１００の製造方法例を説明する図である。

図２の（ａ）および図２の（ｂ）に示すように、本第１実施形態においては、基板１上に、複数の配線層および複数の層間絶縁膜を形成する第１の形成ステップと、導光部１６が形成される領域に第１開口である第１エッチング部２３を形成する第２の形成ステップと、第１開口２３の形成後、第２開口である第２エッチング部２６を形成し、当該第２開口２６内に導光部１６を形成する第３の形成ステップとを包含し、導光部１６は、基板１に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度θ１となる第１の側面を有する第１導光部１４と、第１導光部１４に接続され、基板１に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度θ２となる第２の側面を有する第２導光部１５を含み、第１のテーパー角度θ１は第２のテーパー角度θ２よりも小さい。

より具体的には、複数の配線層（例えば配線層１１〜１３）及び複数の層間絶縁膜（例えば層間絶縁膜６〜１０）の形成後、図２の（ａ）に示すように、導光部１６が形成される領域に、レジストパターン２１にて第１エッチング部である第１開口２３を形成する。この形成には、たとえば異方性エッチング条件のガスを用いたプラズマエッチング（第１エッチング）で形成されるのが望ましい。

次に、図２の（ｂ）に示すように、レジストパターン２２で第２エッチング部である第２開口２６を形成する。この形成には、たとえば堆積性の強いガスを用いたプラズマエッチング（第２エッチング）で所望の第２のテーパー角θ２が得られる条件で加工する。

ここで導光部１６のボトム寸法であるボトム線幅２４は第１開口２３のエッチング後ボトム寸法で決まっており、導光部１６のトップ寸法であるトップ線幅２７は開口２６のエッチ後トップ寸法で決まる。

前記形成方法を用いることにより、所望の導光部１６の開口幅をエッチングストップすることなく精度よく形成することが可能となる。また第１導光部１４と第２導光部１５との境界１７は第１開口２３のエッチ量２５と第２開口２６のエッチ量２８で決まる。

したがって、第１導光部１４と第２導光部１５との境界１７を精度よく形成することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
（固体撮像装置の構成例）
図４は、本第２実施形態の固体撮像装置１００ａの構成例を示す図である。また、第１の実施形態と同様が構成について同じ符号を付してその説明を省略する。以下その相違点を重点的に説明する。

図４に示すように、本第２実施形態の固体撮像装置１００ａおいては、集光効率をより一層向上させるために、導光部１６の上端部に有機高屈折率膜を含む層内レンズ３０が形成されている。

より具体的には、導光部１６形成後、埋め込み部材に例えば、有機高屈折率膜を用いて、埋め込み形成後、層内レンズ３０を形成する。

上記構成によれば、層内レンズ３０および既存のマイクロレンズ２０の相乗効果により、固体撮像装置１００ａの集光効率をより一層向上させることができる。

〔第３の実施形態〕
（固体撮像装置の構成例）
図５は、本第３実施形態の固体撮像装置１００ｂの構成例を示す図である。また、第１、第２の実施形態と同様が構成について同じ符号を付してその説明を省略する。以下その相違点を重点的に説明する。

図５に示すように、本第３実施形態の固体撮像装置１００ｂおいては、光電変換部２の受光効率の向上および固体撮像装置１００ｂ全体の白傷や暗電流の増加をさらに抑制するために、導光部１６の下端部に層内レンズ４０が形成されている。

より具体的には、第１の実施例と同様に導光部１６を形成後、等方性エッチング、たとえばウェットエッチングを用いて、導光部１６の下端部に凹型の層内レンズ４０を形成する。

上記構成によれば、層内レンズ４０および既存のマイクロレンズ２０の相乗効果により、固体撮像装置１００ａの受光効率をより一層向上させることができるとともに、導光部１６の下端部がさらに基板１側に突出することにより、固体撮像装置１００ｂ全体の白傷や暗電流の増加をさらに抑制することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像装置１００は、基板１と、基板１に形成されたトランジスタと、基板１に配置された光電変換部２と、光電変換部２上に形成された積層構造体と、前記積層構造体における光電変換部２に対応する位置に形成された導光部１６とを備えた固体撮像装置１００であって、導光部１６は、基板１に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度θ１となる第１の側面を有する第１導光部１４と、第１導光部１４に接続され、基板１に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度θ２となる第２の側面を有する第２導光部１５を含み、第１のテーパー角度θ１は第２のテーパー角度θ２よりも小さい。

上記態様によれば、導光部１６の加工寸法の精度が良く、また集光効率がさらによくなる固体撮像装置１００を提供することができる。

本発明の態様２に係る固体撮像装置１００は、上記の態様１に記載の固体撮像装置１００であって、導光部１６の下端部は、前記トランジスタのゲート電極３の上面を覆う層間絶縁膜をさらに覆う層間絶縁膜よりも基板１側に位置してもよい。

上記態様によれば、固体撮像装置１００は、エッチングダメージがなく白傷や暗電流の増加を防止することができる。

本発明の態様３に係る固体撮像装置１００は、上記の態様２に記載の固体撮像装置１００であって、第１導光部１４と第２導光部１５との境界１７は、ゲート電極３の上方に位置してもよい。

上記態様によれば、上記様態１を同じ効果を奏することができる。

本発明の態様４に係る固体撮像装置１００は、上記の態様１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置１００であって、前記積層構造体は、複数の配線層と複数の層間絶縁膜とを含んでもよい。

上記態様によれば、前記積層構造体には前記導光部を確実に形成することができる。

本発明の態様５に係る固体撮像装置１００は、上記の態様４に記載の固体撮像装置１００であって、前記複数の層間絶縁膜は、酸化シリコンを含んでもよい。

上記態様によれば、複数の層間絶縁膜の形成コストを抑止できる。

本発明の態様６に係る固体撮像装置１００は、上記の態様４または５に記載の固体撮像装置１００であって、前記導光部１６は、高屈折率素材を含む透光性の部材であり、前記導光部１６の屈折率が前記複数の層間絶縁膜の屈折率より大きくてもよい。

上記態様によれば、固体撮像装置１００の集光効率を確実に向上させることができる。

本発明の態様７に係る固体撮像装置１００は、上記の態様１または５に記載の固体撮像装置１００であって、前記導光部１６の上に、複数の色を含むカラーフィルタ１９を有してもよい。

上記態様によれば、固体撮像装置１００の集光効率をより確実に向上させることができる。

本発明の態様８に係る固体撮像装置１００ａは、上記の態様１、５または６に記載の固体撮像装置１００であって、前記導光部１６の上端部に有機高屈折率膜を含む層内レンズ３０が形成されていてもよい。

上記態様によれば、層内レンズ３０および既存のマイクロレンズ２０の相乗効果により、固体撮像装置１００ａの集光効率をより一層向上させることができる。

本発明の態様９に係る固体撮像装置１００ｂは、上記の態様１、５または６に記載の固体撮像装置１００であって、前記導光部１６の下端部に層内レンズ４０が形成されていてもよい。

上記態様によれば、層内レンズ４０および既存のマイクロレンズ２０の相乗効果により、固体撮像装置１００ａの受光効率をより一層向上させることができるとともに、導光部１６の下端部がさらに基板１側に突出することにより、固体撮像装置１００ｂ全体の白傷や暗電流の増加をさらに抑制することができる。

本発明の態様１０に係る固体撮像装置１００の製造方法は、基板１上に、複数の配線層および複数の層間絶縁膜を形成する第１の形成ステップと、導光部１６が形成される領域に第１開口である第１エッチング部２３を形成する第２の形成ステップと、前記第１開口２３の形成後、第２開口である第２エッチング部２６を形成し、当該第２開口２６内に導光部１６を形成する第３の形成ステップとを包含し、前記導光部１６は、前記基板１に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度θ１となる第１の側面を有する第１導光部１４と、前記第１導光部１４に接続され、前記基板１に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度θ２となる第２の側面を有する第２導光部１５を含み、前記第１のテーパー角度θ１は前記第２のテーパー角度θ２よりも小さい。

上記態様によれば、前記態様１と同様な効果を奏することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１００、１００ａ、１００ｂ 固体撮像装置
１ 基板
２ 光電変換部
３ ゲート電極
４ 反射防止膜
５ 遮光部
６ 第１層間絶縁膜
７ 第２層間絶縁膜
８ 第３層間絶縁膜
９ 第４層間絶縁膜
１０ 第５層間絶縁膜
１１ 第１配線層
１２ 第２配線層
１３ 第３配線層
１４ 第１導光部
１５ 第２導光部
１６ 導光部
１７ 第１導光部と第導光部の境界
１８ パッシベーション膜
１９ カラーフィルタ
２０ マイクロレンズ
２１ レジストパターン（第１エッチング）
２２ レジストパターン（第２エッチング）
２３ 第１エッチング部
２４ 第１エッチング部ボトム線幅
２５ 第１エッチング部エッチ量
２６ 第２エッチング部
２７ 第２エッチング部トップ線幅
２８ 第２エッチング部エッチ量
３０、４０ 層内レンズ

Claims (10)

1. 基板と、前記基板に形成されたトランジスタと、前記基板に配置された光電変換部と、前記光電変換部上に形成された積層構造体と、前記積層構造体における前記光電変換部に対応する位置に形成された導光部とを備えた固体撮像装置であって、
   前記導光部は、
   前記基板に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度となる第１の側面を有する第１導光部と、
   前記第１導光部に接続され、前記基板に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度となる第２の側面を有する第２導光部を含み、
   前記第１のテーパー角度は前記第２のテーパー角度よりも小さい
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記導光部の下端部は、前記トランジスタのゲート電極の上面を覆う層間絶縁膜をさらに覆う層間絶縁膜よりも前記基板側に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１導光部と前記第２導光部との境界は、前記ゲート電極の上方に位置することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記積層構造体は、複数の配線層と複数の層間絶縁膜とを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の層間絶縁膜は、酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記導光部は、高屈折率素材を含む透光性の部材であり、前記導光部の屈折率が前記複数の層間絶縁膜の屈折率より大きいことを特徴とする請求項４または５に記載の固体撮像装置。
7. 前記導光部の上に、複数の色を含むカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１または５に記載の固体撮像装置。
8. 前記導光部の上端部に有機高屈折率膜を含む層内レンズが形成されていることを特徴とする請求項１、５または６に記載の固体撮像装置。
9. 前記導光部の下端部に層内レンズが形成されていることを特徴とする請求項１、５または６に記載の固体撮像装置。
10. 固体撮像装置の製造方法であって、
    基板上に、複数の配線層および複数の層間絶縁膜を形成する第１の形成ステップと、
    導光部が形成される領域に第１開口を形成する第２の形成ステップと、
    前記第１開口の形成後、第２開口を形成し、当該第２開口内に導光部を形成する第３の形成ステップと
    を包含し、
    前記導光部は、
    前記基板に平行な面とのなす角が第１のテーパー角度となる第１の側面を有する第１導光部と、
    前記第１導光部に接続され、前記基板に平行な面とのなす角が第２のテーパー角度となる第２の側面を有する第２導光部を含み、
    前記第１のテーパー角度は前記第２のテーパー角度よりも小さい
    ことを特徴とする製造方法。

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