JP2010283145A - 固体撮像素子及びその製造方法、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】良好なスループットにより生産することが可能な導波路構造を有する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基体２０と、半導体基体２０に形成され、光電変換部を有する複数の画素１２が配列されている画素部と、光電変換部を被覆して半導体基体２０上に形成されている絶縁層とを備える固体撮像素子を構成する。そして、この固体撮像素子は、光電変換部の上方において絶縁層に形成されている孔部３０と、この孔部３０の底面及び側面を被覆する窒化シリコン層３９と、窒化シリコン層３９上に形成されている埋め込み層４０とを備える。また、窒化シリコン層３９は、原子層堆積法により形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＯＳ型の固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法、並びに固体撮像素子を用いた電子機器に係わる。

固体撮像素子の微細化により、受光面の面積が減少し、入射光率が低下し、感度特性が悪化するという問題がある。この問題の解決法として、例えば、オンチップレンズや層内レンズなどを用いて集光を行う構造を有する固体撮像素子がある。しかし、このような構造では、フォトダイオードの上層に設けられた配線や銅配線の拡散防止層による光の損失（ケラレ）により、感度やシェーディング特性の悪化を招いてしまう。

また、上記の構造以外にも、フォトダイオードの上方における絶縁層中に導波路構造を設ける構成がある（例えば、特許文献１参照）。この構成の固体撮像素子では、例えば、ＳｉＯ_２層（屈折率１．４５）で形成された絶縁層の積層構造において、フォトダイオードの上方に孔部が形成されている。そして、この孔部にプラズマデポジション法を用いた窒化シリコン層（Ｐ−ＳｉＮ）（屈折率１．９〜２．０）が薄く形成され、さらに、Ｐ−ＳｉＮ層の中に高屈折率樹脂（Ｔｉ含有シロキサン）（屈折率１．７）が埋め込まれている。
上述の導波路構造を有する固体撮像素子においては、孔部に埋め込む高屈折率樹脂層の屈折率が高い程、感度特性が向上する。

また、上述の導波路構造では、導波路側壁のＳｉＮ厚は厚い方が、又は、導波路孔部を屈折率が高いＳｉＮだけで埋め込める方が、フォトダイオードでの感度特性の向上が予想できる。このため、導波路孔部をＳｉＮのみで埋め込んだ構成による導波路構造を有する固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−１６６６７７号公報 特開２００６−３２４２９３号公報

しかし、プラズマデポジション法では、孔部の内壁面に反応ガスが吸着されて化学分解されるが、成膜が進むとともに孔部の開口径が小さくなり、孔部への反応ガスの進入が困難になる。このため、開口部付近に滞積して、内部に空洞が形成された状態で開口が閉じられてしまう。従って、単にＰ−ＳｉＮを厚く形成しようとした場合には、高アスペクト比の孔部内で、高屈折率樹脂材を埋め込むことができない。

また、特許文献２では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて孔部内に光導波路材料を埋め込んでいる。この方法では、孔部内を高真空状態として原料ガスと反応ガスとを供給して孔部内で反応させて成膜する。そして、原料ガスと反応ガスとの供給を停止して孔部内を再び高真空状態にして、過剰な原料ガスと反応ガスとを排気する。この２つの工程を繰り返すことで、孔部内を隙間無く埋め込む方法が取られている。
しかし、特許文献２に記載された方法では、被覆性のよい均一な膜を形成するために、孔部内において被覆性の高い薄膜を複数段階に分けて成膜する必要がある。このため、成膜速度が非常に遅く、現実的なスループットが得られない。

上述した問題の解決のため、本発明においては、良好なスループットにより生産することが可能な導波路構造を有する固体撮像素子、及び、生産性に優れた固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、半導体基体と、半導体基体に形成され、光電変換部を有する複数の画素が配列されている画素部と、光電変換部を被覆して半導体基体上に形成されている絶縁層とを備える。そして、光電変換部の上方において絶縁層に形成されている孔部と、この孔部の底面及び側面を被覆する窒化シリコン層と、窒化シリコン層上に形成されている埋め込み層とを備える。また、窒化シリコン層は、原子層堆積法により形成されている。

また、固体撮像素子の製造方法は、半導体基体の画素部に光電変換部を形成する工程と、光電変換部を被覆して、半導体基体上に絶縁層を形成する工程と、光電変換部の上方において、絶縁層に孔部を形成する工程とを有する。そして、孔部内に、原子層堆積法を用いて窒化シリコン層を形成する工程を有する。

本発明の電子機器は、上述の固体撮像素子と、固体撮像素子の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。

上述の固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法では、光電変換部の上方の絶縁層に孔部が形成され、この孔部内に原子層堆積法により窒化シリコン層が形成される。原子層堆積法により形成される窒化シリコン層は、孔部の被覆性が高いため、孔部側壁の窒化シリコン層の厚さを大きくした場合にも、孔部の開口が閉じられることがない。このため、孔部において窒化シリコン層を厚く形成する導波路構造が可能であり、固体撮像素子の感度特性を向上させることができる。
また、孔部内の全てを原子層堆積法により形成した窒化シリコン層で埋め込む構成の導波路構造ではないため、原子層堆積法の成膜速度に起因する製造時のスループットの悪化を抑制することができる。このため、上述の導波路構造を備える固体撮像素子の生産性を向上させることができる。
また、本発明の電子機器によれば、上記本発明の固体撮像素子を備えることにより、導波路構造による感度特性の向上と、製造時のスループットに優れる。

本発明によれば、生産性に優れた導波路構造を備える固体撮像素子を提供することができる。

本発明の固体撮像素子の実施の形態の一例を示す概略構成図である。 本発明の固体撮像素子の実施の形態の構成を説明するための断面図である。 Ａ〜Ｄは、本発明に係る固体撮像素子において、窒化シリコン層の厚さを変化させた構成を表す図である。 窒化シリコン層の厚さと感度特性との関係を表す図である。 Ａ〜Ｃは、本発明の固体撮像素子の実施の形態の製造工程図である。 Ｄ，Ｅは、本発明の固体撮像素子の実施の形態の製造工程図である。 Ｆ，Ｇは、本発明の固体撮像素子の実施の形態の製造工程図である。 本発明の固体撮像素子の実施の形態の変形例の構成を説明するための断面図である。 本発明の固体撮像素子の実施の形態の変形例の構成を説明するための断面図である。 本発明に係る電子機器の概略構成図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像素子の構成例
２．固体撮像素子の製造方法
３．電子機器の構成例

〈１．固体撮像素子の構成例〉
［固体撮像素子の構成例：概略構成図］
以下、本発明の固体撮像素子の具体的な実施の形態について説明する。
図１に、本発明の固体撮像素子の一例として、ＭＯＳ型の固体撮像素子の概略構成を示す。

図１Ａに示す固体撮像素子１０は、半導体基体、例えば、シリコン基板に複数の光電変換部となるフォトダイオードを含む画素１２が規則的に２次元的に配列された画素部（いわゆる撮像領域）１３と、周辺回路部とから構成される。画素１２は、フォトダイオードと、複数の画素トランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）を有する。

複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの３つのトランジスタで構成することができる。その他、選択トランジスタを追加して４つのトランジスタで構成することもできる。

周辺回路部は、垂直駆動回路１４と、カラム信号処理回路１５と、水平駆動回路１６と、出力回路１７と、制御回路１８等から構成されている。

制御回路１８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路１４、カラム信号処理回路１５及び水平駆動回路１６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。制御回路１８は、これらの信号を垂直駆動回路１４、カラム信号処理回路１５及び水平駆動回路１６等に入力する。

垂直駆動回路１４は、例えばシフトレジスタによって構成される。垂直駆動回路１４は、画素部１３の各画素１２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線１９を通して各画素１２の光電変換素子において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路１５に供給する。

カラム信号処理回路１５は、画素１２の例えば列ごとに配置され、１行分の画素１２から出力される信号を画素列ごとに黒基準画素（有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によってノイズ除去などの信号処理を行う。即ち、カラム信号処理回路１５は、画素１２固有の固定パターンノイズを除去するためのＣＤＳ（correlated double sampling）や、信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路１５の出力段には水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１１との間に接続されて設けられている。

水平駆動回路１６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路１５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路１５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力する。
出力回路１７は、カラム信号処理回路１５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。

［固体撮像素子の構成例：断面図］
図２に上述の固体撮像素子１０の断面図を示す。なお、図２においては、固体撮像素子１０のフォトダイオードＰＤと複数のＭＯＳトランジスタＴｒからなる単位画素の一例の構成を示している。

例えば、受光面となる画素１２において、半導体基体２０の第１導電型の半導体領域、例えば半導体基体２０のｐウェル領域に、画素ごとに第２導電型、例えばｎ型の半導体領域２１からなる電荷蓄積層が形成されている。そして、電荷蓄積層の表層に不純物濃度が高い第１導電型、例えばｐ^＋型の半導体領域２２からなる表面層が形成され、ｐｎ接合によりフォトダイオードＰＤが構成されている。さらに、フォトダイオードＰＤに隣接して半導体基体２０上にゲート絶縁層２３及びゲート電極２４が形成されている。

例えば、上記の半導体基体２０には、フローティングディフュージョンや電荷転送路など、フォトダイオードＰＤに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されている。そして、ゲート電極２４への電圧の印加によって信号電荷が転送されるように構成されている。

また、ゲート電極２４、フォトダイオードＰＤ、及び、半導体基体２０の全面を覆って、反射防止層２６としての作用を有する、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成された窒化シリコン層（ＬＰ−ＳｉＮ膜）が形成されている。また、ゲート電極２４と反射防止膜２６と間には、ゲート電極２４を覆う第１絶縁層２５が介在する。

反射防止層２６上には、フォトダイオードＰＤ及び半導体基体２０を被覆して、第２絶縁層２７、第３絶縁層２８、第４絶縁層２９、第５絶縁層３１、第６絶縁層３２、第７絶縁層３４、第８絶縁層３５及び第９絶縁層３７が形成されている。各絶縁層は、それぞれ酸化シリコン等から形成されている。
また、例えば炭化シリコンからなる第１拡散防止層３０、第２拡散防止層３３、及び、第３拡散防止層３６が形成されている。
こられの絶縁層及び拡散防止層が積層されることにより、半導体基体２０上に多層構造の絶縁層が構成されている。

上述の第４絶縁層２９には配線用溝が形成され、例えばダマシンプロセスで形成された、タンタル／窒化タンタルからなるバリアメタル層４４と、銅からなる導電層４５からなる第１配線層が埋め込まれている。第６絶縁層３２においても同様に、配線用溝にバリアメタル層４６と導電層４７からなる第２配線層が形成されている。また、第８絶縁層３５においても配線用溝に、バリアメタル層４８と導電層４９からなる第３配線層が形成されている。
上記の第１〜第３拡散防止層３０，３３，３６は、第１〜第３導電層４５，４７，４９）を構成する銅の拡散を防止するために形成されている。

上述のように、配線層は積層された絶縁層中に埋め込まれた構成であるが、各配線を例えばデュアルダマシンプロセスにより、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造としてもよい。

フォトダイオードＰＤの上方部分には、積層構造の絶縁層、第５〜第９絶縁層３１，３２，３４，３５，３７及び第１〜第３拡散防止層３０，３３，３６に対して孔部５０が形成されている。孔部５０は、絶縁層の最上層である第９絶縁層から、第５絶縁層３１までを貫通し、さらに、最下層の拡散防止層である第１拡散防止層３６の一部が除去される状態で形成されている。このため、最下層の拡散防止層である第１拡散防止層３０が孔部５０の底面を構成している。

上述の孔部５０は、フォトダイオードＰＤの面積や固体撮像素子の画素サイズ、プロセスルールなどにもよるが、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度若しくはそれ以上で形成されている。また、例えば、孔部５０の内側の壁面は基板の主面に垂直又はほぼ垂直な面として構成されている。あるいは、孔部５０の縁部である第９絶縁層３７の部分において、上方ほど広がる順テーパー状の開口形状部として構成されてもよい。

孔部５０の内壁を被覆して、第９絶縁層３７を構成する酸化シリコン（屈折率１．４５）よりも高い屈折率を有する窒化シリコン（屈折率２．０）層３９が形成されている。また、この窒化シリコン層３９は、原子層堆積（Atomic Layer Deposition；ＡＬＤ）法により作製された窒化シリコン（ＡＬＤ−ＳｉＮ）により形成されている。
ＡＬＤ−ＳｉＮからなる窒化シリコン層３９は、孔部５０の側壁において、厚く形成することにより、感度特性を向上させることができる。固体撮像素子の感度特性と、孔部５０内に形成する窒化シリコン層３９の厚さとの関係は、後述の実施例を用いて具体的に説明する。

また、窒化シリコン層３９は、ＡＬＤ−ＳｉＮに加えて、プラズマデポジション法を用いた窒化シリコン層（Ｐ−ＳｉＮ）を組み合わせることもできる。
プラズマデポジション法は、ＡＬＤ法に比べて成膜速度が大きいため、窒化シリコン層３９の厚さを大きくする場合には、窒化シリコン層３９の形成に多くの時間を有し、実際の固体撮像素子の製造工程において、現実的なスループットを得ることが難しい。このため、成膜速度の大きいＰ−ＳｉＮをＡＬＤ−ＳｉＮに組み合わせることにより、被覆性と、成膜速度の両方に優れた構成の窒化シリコン層を形成することができる。

また、例えば、窒化シリコン層３９の上層において孔部５０に埋め込まれて、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層４０が形成されている。
埋め込み層４０は、例えば、シロキサン系樹脂（屈折率１．７）、あるいはポリイミドなどの高屈折率樹脂で構成される。また、上記の高屈折率樹脂中に、例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子を含有することにより、屈折率を高めることができる。特に、高濃度のＴｉＯ含有シロキサンを用いることが好ましい。

そして、埋め込み層４０の上層に、例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層４１が形成される。そして、平坦化樹脂層４１上に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ４２が画素毎に形成され、さらのその上層に、オンチップレンズ４３が形成されている。

上述の構成の固体撮像素子によれば、積層された絶縁層において、フォトダイオードＰＤの上方の形成された孔部５０内に、窒化シリコン層３９と、高屈折率樹脂層による埋め込み層４０とにより、導波路構造が形成されている。
導波路構造の形成において従来用いられていたＰ−ＳｉＮでは、層厚の制御が難しく孔部５０の間口が狭くなり、高屈折率樹脂の埋め込みが困難であった。また、原子層堆積（ＡＬＤ）法を用いて形成する窒化シリコン（ＡＬＤ−ＳｉＮ）は、被覆性に優れるため、Ｐ−ＳｉＮのような間口の問題は起らない。しかし、成膜速度が低いため、ＳｉＮ層の成膜に時間がかかっていた。例えば、７００ｎｍ径の孔部をＡＬＤ−ＳｉＮで埋め込むのに、４８時間以上必要となる。
これに対して、上述の実施の形態の固体撮像素子によれば、覆性の高いＡＬＤ−ＳｉＮを用いて屈折率が高いＳｉＮが孔部内に形成され、さらに高屈折率樹脂材等による埋め込み層が形成された構成の導波路構造を有している。ＡＬＤ−ＳｉＮは、成膜速度が低いものの、被覆性が高いため、孔部側壁の窒化シリコン層の厚さを大きくした場合にも、孔部の開口が閉じられることがない。このため、孔部内の窒化シリコン層を厚く形成した場合にも、高屈折率樹脂材を埋め込むことができる。つまり、導波路穴内部の側壁の窒化シリコン層を厚くできる導波路構造とすることができ、感度特性及び、感度のＦ値依存性を向上させ固体撮像素子を提供することができる。さらに、ＡＬＤ−ＳｉＮによる窒化シリコン層を孔部内の底面及び側壁に形成した後、高屈折率樹脂等の材料を用いて孔部内を埋め込む。このため、ＡＬＤ−ＳｉＮのみで孔部を埋め込んだ場合には、成膜速度の問題により現実的なスループットが得られないが、埋め込み層の形成を併用することにより、生産性を向上させることができる。従って、上述の構成の固体撮像素子によれば、導波路構造による感度向上ができ、量産の実現性があるスループットを得ることができる。

［実施例：固体撮像素子の窒化シリコン層の厚さと感度との関係］
次に、孔部５０内に形成する窒化シリコン層３９の厚さと、感度特性との関係について説明する。
図３Ａ〜Ｄに、窒化シリコン層３９の厚さを変化させて作製して固体撮像素子の形態例を示している。なお、図３Ａ〜Ｄでは、窒化シリコン層３９及び埋め込み層４０以外の構成は、図２と同様の構成であるため説明を省略する。図３Ａでは、窒化シリコン層３９の厚さを５０ｎｍとして作製した場合の固体撮像素子の構成例である。また、図３Ｂは窒化シリコン層３９の厚さを１００ｎｍ、図３Ｃは窒化シリコン層３９の厚さを１５０ｎｍとしている。さらに、図３Ｄでは、孔部５０内を窒化シリコン層３９のみで埋め込んで作製した固体撮像素子の構成例を示している。
図３Ａ〜Ｄに示した各固体撮像素子の感度特性についてシミュレーションを行い、結果を図４に示す。図４に示す結果は、窒化シリコン層の厚さが５０ｎｍ、Ｆ値が５．６で規格化して求めた各固体撮像素子の感度を縦軸とし、横軸にＦ値を示している。

図４に示すように、同じＦ値では、窒化シリコン層３９の厚さが大きくなる程感度が上昇しているのがわかる。この関係は、全てのＦ値で同じ結果が得られている。Ｆ値が小さい方が、固体撮像素子に入射する光において、斜めから入射する光が多くなる。従って、斜め光が多くなる状況においても、窒化シリコン層の厚さを大きくすることにより、固体撮像素子の感度を上昇させることができる。
また、導波路構造では窒化シリコン層の厚さが大きければ大きいほど、固体撮像素子の感度が上昇し、特に孔部５０内を全て窒化シリコン層で埋め込むことにより最も高い感度が得られる。この結果から、感度の向上には、窒化シリコン層の厚さを大きくすることが好ましく、特に、孔部を全て窒化シリコン層で埋め込む構成の導波路構造とすることで感度をより向上させることができると考えられる。

〈２．固体撮像素子の製造方法〉
［固体撮像素子の製造方法の実施の形態］
本発明の固体撮像素子の製造方法の実施の形態について説明する。
まず、図５Ａに示すように、半導体基体（例えばシリコンウェハ）２０の第１導電型半導体領域、例えばｐウェル領域に第２導電型、例えばｎ型半導体領域２１の電荷蓄積層を形成する。そして、第２導電型半導体領域２１の表層に不純物濃度が高い第１導電型、例えばｐ^＋型半導体領域２２からなる表面層を形成する。そしてｐｎ接合を有するフォトダイオードＰＤからなる光電変換部を形成する。さらに、フォトダイオードＰＤに隣接してゲート絶縁層２３及びゲート電極２４を形成する。また、ゲート電極２４の他に図示しないフローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷又は信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
さらに、ゲート電極２４を覆って、第１絶縁層２５及び反射防止層２６を形成する。反射防止層２６は、ゲート電極２４、フォトダイオードＰＤ、及び、半導体基体２０の全面を覆って、減圧ＣＶＤ法を用いて窒化シリコン層（ＬＰ−ＳｉＮ層）を形成する。

次に、図５Ｂに示すように反射防止層２６の全面を被覆するように、ＣＶＤ法等を用いて酸化シリコンを堆積させて、第２絶縁層２７を形成する。次に、例えば、第２絶縁層２７の上層に酸化シリコンを堆積させて第３絶縁層２８を形成し、さらに酸化シリコンを堆積させて第４絶縁層２９を形成する。

次に、例えば、エッチング加工により第４絶縁層２９に配線用溝２９Ａを形成し、さらにスパッタリングにより配線用溝２９Ａの内壁を被覆してタンタル／酸化タンタルを成膜してバリアメタル層４４を形成する。そして、全面に銅のシード層を形成した後、電解メッキ処理により全面に銅を成膜し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等を用いて配線用溝２９Ａに形成された銅配線以外を除去して第１導電層４５を形成する。このとき、配線用溝２９Ａの外部に形成されたバリアメタル層も除去する。このようにして、配線用溝２９Ａに埋め込まれたバリアメタル層４４と第１導電層４５からなる配線層を形成する。
そして、例えば第１導電層４５及び第４絶縁層２９の上層に、ＣＶＤ法により炭化シリコン（ＳｉＣ）を堆積させ、第１拡散防止層３０を形成する。

次に、図５Ｃに示すように、第１拡散防止層３０上に、第５絶縁層３１、第６絶縁層３２、バリアメタル層４６、第２導電層４７、及び、第２拡散防止層３３を形成する。さらに、第２拡散防止層３３上に、第７絶縁層３４、第８絶縁層３５、バリアメタル層４８、第３導電層４９、第３拡散防止層３６、及び、第９絶縁層３７を形成する。
これらの各構成は、図５Ｂに示した、第２絶縁層２７、第３絶縁層２８、第４絶縁層２９、配線用溝２９Ａ、バリアメタル層４４、第１導電層４５、及び、第１拡散防止層３０を形成する工程と同じ操作を繰り返すことで形成することができる。

上記の各配線層としては、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスにより、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造を形成してもよい。

次に、図６Ｄに示すように、例えば、フォトリソグラフィ工程により孔部５０を開口するために、フォトレジスト層３８のパターンを形成し、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを行う。この工程により、第５〜第９絶縁層３１，３２，３４，３５，３７及び第２〜第３拡散防止層３３，３６を貫通し、第１拡散防止層３０の表面の一部が除去された状態の孔部５０を形成する。つまり、第１拡散防止層３０の残存する部分を孔部５０の底面において露出させる。

孔部５０の開口は、例えば、酸化シリコンや炭化シリコンなどの材料に応じて、エッチングの条件を変更しながら行う。そして、開口底部が第１拡散防止層３０に到達した時点で速やかにエッチングを停止する。つまり、第１拡散防止層３０を炭化シリコンにより形成し、この第１拡散防止層３０をエッチングストッパ層として使用する。これによって、第１拡散防止層３０が孔部５０の底面となる。第１拡散防止層３０を孔部５０の底面とすることで、孔部５０の深さを安定して形成することができる。このため、フォトダイオードＰＤと光導波路の距離が一定となり、画素ごとの感度特性のばらつきを防止することができる。
上述の構成の孔部５０は、例えば開口直径を０．８μｍ程度とし、アスペクト比を１〜２程度もしくはそれ以上に形成する。

次に、図６Ｅに示すように、フォトレジスト層３８を除去した後、孔部５０の内壁及び底部を被覆し、さらに第９絶縁層３７上を被覆するように、窒化シリコン層３９を形成する。この窒化シリコン層３９は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて、窒化シリコン（ＡＬＤ−ＳｉＮ）を堆積させることにより作製する。
ＡＬＤ−ＳｉＮ層の作製条件について説明する。ＡＬＤ−ＳｉＮ層の作製の一例として、ＡＬＤ法の一連の工程におけるＳｉの吸着をステップ１とし、吸着したシリコンの窒化をステップ２としたときのＡＬＤ法による成膜条件を以下に示す。

［成膜温度］
３２０℃〜６００℃とし、ステップ１，２で同一とする。
［ＲＦパワー］
ステップ２の窒化において、ＲＦパワーを１００〜５００Ｗとする。
［ガス種］
ステップ１のＳｉ吸着ガスをジクロロシランとし、ステップ２の窒化ガスはアンモニアとする。
なおステップ１において、ジクロロシランの他にモノシラン、ヘキサクロライドジシラン、ＢＴＢＡＳ（Bis tertial butyl amino silane）を用いることもできる。
［ガス流量］
ステップ１のジクロロシランを５００ｓｃｃｍ〜３０００ｓｃｃｍとし、ステップ２のアンモニアを５００ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍ流し、窒化シリコン層を形成する。
［時間］
ステップ１を１〜１０秒行う工程と、ステップ２を１０〜１２０秒行う工程とを１サイクルとし、それぞれの工程を交互に繰り返し処理することでＡＬＤ−ＳｉＮ層を所望の厚さに形成する。このとき、１サイクル当たり、０．６Å〜１．２Åの窒化膜が形成される計算となる。また、各ステップの残留ガスはステップ間のＮ_２パージにより反応管より排出する。

なお、窒化シリコン層３９は、上述のＡＬＤ−ＳｉＮに、プラズマデポジション法による窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮ）を組み合わることにより作製してもよい。
Ｐ−ＳｉＮは、例えば、成膜温度が３８０℃程度のプラズマＣＶＤ法により、窒化シリコンを堆積させることで作製することができる。
窒化シリコン層３９において、ＡＬＤ−ＳｉＮとＰ−ＳｉＮとは孔部５０内にどちらを先に作製してもよく、また、交互に積層させてもよい。
ＡＬＤ−ＳｉＮを作製する工程にＰ−ＳｉＮを作製する工程を加えることにより、窒化シリコン層３９の形成時間を短縮することができる。

次に、図７Ｆに示すように、高屈折率樹脂による埋め込み層４０を、窒化シリコン層３９の上層及び孔部５０内に形成する。埋め込み層４０は、例えば、成膜温度が４００℃程度のスピンコート法により、酸化チタンなどの金属酸化物微粒子を含有するシロキサン系樹脂等の高屈折率樹脂を、窒化シリコン層３９の上層の０．５μｍ程度の厚さで形成する。同時に、孔部５０内においても、窒化シリコン層３９上に高屈折率樹脂を埋め込む。また、例えば、上記の高屈折率樹脂により埋め込み層４０を形成した後に、必要に応じて例えば３００℃程度のポストベーク処理を行う。また、高屈折率樹脂がポリイミド樹脂の場合には、例えば３５０℃程度の温度で形成することができる。

次に、図７Ｇに示すように、埋め込み層４０の上層に例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層４１を形成し、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ４２を画素毎に形成する。さらに、その上層にオンチップレンズ４３を形成する。これらの各構成は公知の方法と同様の方法により作製する。
以上の工程により、固体撮像素子を製造することができる。

［固体撮像素子の製造方法の変形例１：窒化シリコン層のみによる導波路構造］
上述の工程では、孔部５０を埋め込む際に、窒化シリコン層と埋め込み層とにより、孔部５０を埋め込んでいるが、窒化シリコン層のみによって孔部５０を埋め込んでもよい。この方法により製造される固体撮像素子の単位画素の一例の構成の断面図を図８に示す。なお、図８に示す固体撮像素子では、図２と同様の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示す固体撮像素子では、上述の図６Ｄを用いて説明した孔部５０の形成と同様の方法により、第５〜第９絶縁層３１，３２，３４，３５，３７及び第２〜第３拡散防止層３３，３６をエッチングして孔部５０を開口する。そして、ＡＬＤ法及びプラズマデポジション法を用いて、窒化シリコン層５１を孔部５０内に形成する。
窒化シリコン層５１は、孔部５０の内壁及び底部を被覆し、さらに第９絶縁層３７の上層までを被覆する。このように、孔部５１内全体を窒化シリコン層５１で埋め込む構成とする。
上述のＡＬＤ−ＳｉＮは、上述のＳｉの吸着をステップ１とし、吸着したシリコンの窒化をステップ２としたときのＡＬＤ法による成膜条件により行うことができる。また、Ｐ−ＳｉＮは、膜温度が３８０℃程度のプラズマＣＶＤ法を用いて行うことができる。

窒化シリコン層５１を形成した後、この窒化シリコン層５１条に高屈折率樹脂等を用いて、パッシベーション層５２を形成する。さらに、パッシベーション層５２上に接着層としても機能する平坦化樹脂層４１を形成し、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ４２を画素毎に形成する。さらに、その上層にオンチップレンズ４３を形成して、図８に示す固体撮像素子を製造することができる。

図８に示す構成の固体撮像素子では、孔部５０全体を窒化シリコン層５１で埋め込む場合には、ＡＬＤ−ＳｉＮのみを形成すると、窒化シリコン層を形成する厚さが大きいにもかかわらずＡＬＤ法による成膜速度が低い。このため、窒化シリコン層５１の形成工程おいて実際に固体撮像素子を量産等する場合の製造工程での現実的なスループットが得られない。そこで、成膜速度が大きいＰ−ＳｉＮを、被覆性に優れるＡＬＤ−ＳｉＮに組み合わせることで、窒化シリコン層５１の形成速度を向上させることができ、固体撮像素子の製造工程において現実的なスループットを得ることができる。
窒化シリコン層５１の形成工程では、ＡＬＤ−ＳｉＮとＰ−ＳｉＮとは孔部５０内にどちらを先に作製してもよい。また、ＡＬＤ−ＳｉＮとＰ−ＳｉＮとを交互に積層させて窒化シリコン層５１を形成してもよい。

また、図８に示す構成の固体撮像素子では、ＡＬＤ−ＳｉＮとＰ−ＳｉＮとにより窒化シリコン層５１を形成して、孔部５０内を埋め込むことで、孔部５０内に高屈折樹脂層を設ける必要がない。このため、導波路構造内を屈折率の大きい窒化シリコン層のみとすることができ、感度特性に優れた固体撮像素子を製造することができる。

［固体撮像素子の製造方法の変形例２：絶縁層の深部まで形成する導波路構造］
また、上述の製造方法では孔部を形成するエッチングの深さを、第１拡散防止層３０迄で停止させていたが、さらに第１拡散防止層３０の下部まで孔部を形成してもよい。例えば、第２絶縁層２７までを貫通する孔部を形成し、反射防止層２６をエッチングストッパ層として孔部５０を形成することができる。この方法により製造される固体撮像素子の単位画素の一例の構成の断面図を図９に示す。なお、図９に示す固体撮像素子では、図２と同様の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図９に示す固体撮像素子では、上述の図５Ｂ及び図５Ｃを用いて説明した方法と同様の方法により、第２〜第９絶縁層２７，２８，２９，３１，３２，３４，３５，３７、及び、第１〜第３拡散防止層３０，３３，３６を積層する。そして、上述の図６Ｄを用いた説明と同様に、絶縁層及び拡散防止層に対して、例えば、フォトリソグラフィ工程によりフォトレジスト層のパターンを形成し、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを行う。このエッチングの際に、図９に示すように、第２〜第９絶縁層２７，２８，２９，３１，３２，３４，３５，３７、及び、第１〜第３拡散防止層３０，３３，３６を貫通する孔部５３を形成する。このとき、フォトダイオードＰＤ上に形成しているＬＰ−ＳｉＮからなる反射防止層２６をエッチングストッパ層として用いることができる。

そして、ＡＬＤ法を用いて、孔部５３の内壁及び底部を被覆し、さらに第９絶縁層３７上を被覆するように窒化シリコン（ＡＬＤ−ＳｉＮ）層５４を形成する。ＡＬＤ−ＳｉＮは、上述のＳｉの吸着をステップ１とし、吸着したシリコンの窒化をステップ２としたときのＡＬＤ法の成膜条件により行うことができる。
また、窒化シリコン層５４は、上述のＡＬＤ−ＳｉＮに、プラズマデポジション法による窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮ）を組み合わることにより作製してもよい。

次に、図７Ｆを用いて説明した方法と同様の方法により、孔部５３内において、窒化シリコン層３９の上層に高屈折率樹脂による埋め込み層５５を形成する。埋め込み層５５は、例えば、成膜温度が４００℃程度のスピンコート法により、酸化チタンなどの金属酸化物微粒子を含有するシロキサン系樹脂等の高屈折率樹脂を、窒化シリコン層５４の上層及び孔部５０内に形成する。
さらに、埋め込み層５５上に接着層としても機能する平坦化樹脂層４１を形成し、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ４２を画素毎に形成する。さらに、その上層にオンチップレンズ４３を形成して、図９に示す固体撮像素子を製造することができる。

図９に示す構成の固体撮像素子では、絶縁層の深部まで孔部を形成し、フォトダイオードＰＤの近くまで導波路構造を形成している。このため、固体撮像素子において導波路効果を格段に向上させることができ、感度特性に優れた固体撮像素子を製造することができる。

また、上述のＡＬＤ法により形成する窒化シリコン層（ＡＬＤ−ＳｉＮ）は、成膜温度の低温化やＲＦパワーの増化により、ＡＬＤ−ＳｉＮ層中の固定電荷の制御が可能である。具体的には、ＡＬＤ−ＳｉＮ層中の正の固定電荷を低減することが可能となる。例えば、成膜温度４７５℃以下、ＲＦパワーを３５０Ｗ以上としてＡＬＤ−ＳｉＮを形成することにより、フォトダイオードＰＤ上に形成しているＬＰ−ＳｉＮ層と同様かそれ以上のフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）が得られる。このように、ＡＬＤ−ＳｉＮのＶｆｂは製造条件を低温化及び高出力化することで著しく改善することができる。これにより、センサ部のＰｉｎｎｉｎｇ外れの抑止が可能となり、暗電流特性の改善が可能となる。
従来の導波路構造の孔部は、リソグラフィでレジストパターンを導波路パターンになるように形成し、それをマスクに酸化膜をドライエッチングでエッチングし、孔部を形成している。そのとき孔部のエッチングは、配線最下層のストッパー膜（ＳｉＣ）で開口を止めていた。これは、ノイズ（暗電流、白点）低減のためである。
しかし、上述のようにＡＬＤ法では成膜温度の低温化やＲＦパワー増化により、ＡＬＤ−ＳｉＮ中の固定電荷の制御、正の固定電荷の低減が可能となる。このため、フォトダイオードＰＤでのＰｉｎｉｎｇ外れの抑止が可能となり、暗電流特性の改善が可能となる。そして、孔部を形成するためのエッチングでは、配線最下層のストッパー層、例えば図２に示す固体撮像素子１２の第１拡散防止層３０で開口を止める必要がなくなり、導波路長を深く形成できる。従って、導波路効果を格段に向上させることができる。

なお、図９に示す固体撮像素子の孔部５３を、図８を用いて説明した固体撮像素子の製造方法を適用して、窒化シリコン層のみで埋め込むことも可能である。このような構成では、導波路長を深く形成することによる導波路効果の向上と、導波路構造内部を屈折率の高い窒化シリコン層のみで形成することにより、固体撮像素子の感度特性、及び、感度のＦ値依存性を向上させることが可能である。
上述の製造方法によれば、導波路孔部には屈折率が高いＳｉＮだけで埋め込める方がより感度向上が予想でき、その方法として、カバレッジが良いＡＬＤ−ＳｉＮと、成膜速度に優れるＰ−ＳｉＮを使うことができる。ＡＬＤ−ＳｉＮ装置ではデポレートが非常に遅いため、現実的なスループットが得られなかったのに対し、Ｐ−ＳｉＮを併用することにより、量産の実現性があるスループットを得ることができる。

〈３．電子機器の構成例〉
本発明に係る固体撮像素子は、固体撮像素子を備えたカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像素子を備えたその他の機器、等の電子機器に適用することができる。
図１０に、本発明の電子機器の一例として、固体撮像素子を静止画撮影が可能なデジタルスチルカメラに適用した場合の概略構成を示す。

本実施の形態に係るカメラ６０は、光学系（光学レンズ）６１と、固体撮像素子６２と、信号処理回路６３、駆動回路６４とを備える。

固体撮像素子６２は、上述の固体撮像素子が適用される。光学レンズ６１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像素子６２の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子６２の光電変換素子において一定期間信号電荷が蓄積される。駆動回路６４は、固体撮像素子６２の転送動作信号を供給する。駆動回路６４から供給される駆動信号（タイミング信号）により、体撮像素子６２の信号転送が行われる。信号処理回路６３は、固体撮像素子６２の出力信号に対して種々の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、又はモニタ等に出力される。本実施の形態のカメラ６０は、光学レンズ６１、固体撮像素子６２、信号処理回路６３、及び、駆動回路６４がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。

本発明は、図１０のカメラ、あるいはカメラモジュールを備えた例えば携帯電話に代表されるカメラ付き携帯機器などを構成することができる。
さらに、図１０の構成は、光学レンズ６１、固体撮像素子６２、信号処理回路６３、及び、駆動回路６４がモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ−ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。

なお、上述の固体撮像素子では、第２導電型、例えばｎ型の半導体基体に形成した第１導電型、例えばｐ型の半導体領域に、第２導電型のＦＤ領域と、第２導電型及び第１導電型のＰＤ領域を形成しているが、ｎ型とｐ型とを逆導電型としてもよい。

なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。

１０ 固体撮像素子、１１ 水平信号線、１２ 画素、１３ 画素部、１４ 垂直駆動回路、１５ カラム信号処理回路、１６ 水平駆動回路、１７ 出力回路、１８ 制御回路、１９ 垂直信号線、２０ 半導体基体、２１ 第１導電型半導体領域、２２ 第２導電型半導体領域、２３ ゲート絶縁層、２４ ゲート電極、２５ 第１絶縁層、２６ 反射防止層、２７ 第２絶縁層、２８ 第３絶縁層、２９ 第４絶縁層、２９Ａ 配線用溝、３０ 第１拡散防止層、３１ 第５絶縁層、３２ 第６絶縁層、３３ 第２拡散防止層、３４ 第７絶縁層、３５ 第８絶縁層、３６ 第３拡散防止層、３７ 第９絶縁層、３８ フォトレジスト層、３９，５１，５４ 窒化シリコン層、４０，５５ 埋め込み層、４１ 平坦化樹脂層、４２ カラーフィルタ、４３ オンチップレンズ、４４ バリアメタル層、４５ 第１導電層、４６ バリアメタル層、４７ 第２導電層、４８ バリアメタル層、４９ 第３導電層、５０，５３ 孔部、５２ パッシベーション層、６０ カメラ、６１ 光学レンズ、６２ 固体撮像素子、６３ 信号処理回路、６４ 駆動回路、ＰＤ フォトダイオード

Claims (7)

1. 半導体基体と、
   前記半導体基体に形成され、光電変換部を有する複数の画素が配列されている画素部と、
   前記光電変換部を被覆して前記半導体基体上に形成されている絶縁層と、
   前記光電変換部の上方において前記絶縁層に形成されている孔部と、
   前記孔部の底面及び側面を被覆する窒化シリコン層と、
   前記窒化シリコン層上に形成されている埋め込み層とを備え、
   前記窒化シリコン層が、原子層堆積法により形成された窒化シリコンを含んで形成されている
   固体撮像素子。
2. 前記埋め込み層が高屈折率樹脂層である請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 半導体基体の画素部に光電変換部を形成する工程と、
   前記光電変換部を被覆して、前記半導体基体上に絶縁層を形成する工程と、
   前記光電変換部の上方において、前記絶縁層に孔部を形成する工程と、
   前記孔部内に、窒化シリコン層を形成する工程とを有し
   前記窒化シリコン層を、原子層堆積法を用いて形成する
   固体撮像素子の製造方法。
4. 原子層堆積法により窒化シリコン層を形成する工程と、プラズマデポジション法により窒化シリコン層を形成する工程とを組み合わせることにより、前記窒化シリコン層を形成する請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記窒化シリコン層を形成した後、前記窒化シリコン層上に高屈折率樹脂からなる埋め込み層を形成する工程を有する請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 前記光電変換部上に減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン層を形成する工程を有し、前記孔部を形成する工程において、減圧ＣＶＤ法で形成する前記窒化シリコン層まで孔部を形成する請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 半導体基体と、前記半導体基体に形成され、光電変換部を有する複数の画素が配列されている画素部と、前記光電変換部を被覆して前記半導体基体上に形成されている絶縁層と、前記光電変換部の上方において前記絶縁層に形成されている孔部と、前記孔部の底面及び側面を被覆する窒化シリコン層と、前記窒化シリコン層上に形成されている埋め込み層とを備え、前記窒化シリコン層が、原子層堆積法により形成された窒化シリコンを含んで形成されている固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の撮像部に入射光を導く光学系と、
   前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路と
   を有する電子機器。

Images