JP4427949B2

JP4427949B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP4427949B2
Application number: JP2002362685A
Authority: JP
Inventors: 徹哉菰口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: CN101540335B; CN101425524B; CN101425524A; CN1745478A; CN101540335A; JP2004193500A; CN100499151C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子、特に、受光センサ部上に光の集光効率を高めるための井戸が設けられてなる固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画素を構成する例えばフォトダイオードからなる複数の受光センサ部上に、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、井戸の上部からの入射光のうち臨界角より大きい入射角をもつ入射光を、高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させることで、受光センサ部への光の集光効率を高めるようにした構成が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような構成を有する固体撮像素子、例えばＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）の構成を図１２に示す。
尚、図示の例ではＣＭＯＳ型固体撮像素子の１画素分の断面図を示している。
このＣＭＯＳ型固体撮像素子３０は、素子分離領域３２で分離された半導体基板３１内の所定の領域に光を受光する受光センサ部３３が形成され、受光センサ部３３上の所定の位置には絶縁膜３４を介して転送ゲート３５、導電プラグ３６、配線層３７が層間絶縁膜３８中に形成されてなる。
【０００４】
配線層３７は図示の例では２層（３７１及び３７２）に形成されており、配線層３７１及び３７２間は導電プラグ３６により接続されている。最上層の配線層３７２の上方には、層間絶縁膜３８上にパッシベーション膜３９、平坦化膜４０を介してカラーフィルタ４１が形成され、カラーフィルタ４１上の受光センサ部３３と対応する位置にはオンチップレンズ４２が形成されてなる。
【０００５】
そして、受光センサ部３３上の層間絶縁膜３８中に、この受光センサ部３３とオンチップレンズ４２間をつなぐようにパッシベーション膜３９の下端まで井戸４３が形成され、この井戸４３内には例えば層間絶縁膜３８より高い屈折率（例えばｎ＝２．０）を有する高屈折率層（プラズマＳｉＮ膜）４４が埋め込まれてなる。尚、４５はエッチングストップ膜である。
【０００６】
このような構成のＣＭＯＳ型固体撮像素子３０では、例えばオンチップレンズ４２を介して井戸４３内に入射された光（図中矢印Ｘ）が、受光センサ部３３に到達するまで高屈折率層４４と層間絶縁膜３８との界面にて全反射を繰り返して受光センサ部３３へと導かれることとなる。これにより、井戸４３内に入射された光を極力漏らすことなく受光センサ部３３へと入射させることができる。
【０００７】
このような固体撮像素子の製造方法、特にその井戸４３の形成方法を図１３〜図１５に示す。
先ず、図１３Ａに示すように、素子分離領域３２で分離された半導体基板３１内の所定の領域内に入射光を受光する受光センサ部３３を形成し、受光センサ部３３上に絶縁膜３４を形成した状態から説明する。
【０００８】
次に図１３Ｂに示すように、絶縁膜３４を介して所定の位置に転送ゲート３５を形成し、受光センサ部３３に対応する部分には、例えば減圧ＣＶＤ法によりエッチングストッパ膜（例えばＳｉＮ膜）４５を形成する。
このエッチングストッパ膜４５は、後述する受光センサ部３３上の層間絶縁膜３８に井戸４３を形成する工程（図１４Ｄ参照）の際に、層間絶縁膜３８に対して高いエッチング選択比が確保されている。
【０００９】
次に、図１３Ｃに示すように、転送ゲート３５、エッチングストッパ膜４５、素子分離領域３１を覆って全面に層間絶縁膜３８を形成し、表面の平坦化処理を行った後、導電プラグ３６、配線層３７を形成する。図示の例では、配線層３７は２層構造（３７１，３７２）で形成されるので、先ず層間絶縁膜３８中の所定の位置に導電プラグ３６を形成した後、平坦化された層間絶縁膜３８上に受光センサ部３３上の領域を除いて１層目となる配線層３７１を形成する。次に、この配線層３７１を覆って全面に再び層間絶縁膜３８を形成し、表面の平坦化処理を行った後、所定の位置に導電プラグ３６を形成し、前述したように受光センサ部３３上の領域を除いて層間絶縁膜３８上に２層目となる配線層３７２を形成する。そして、配線層３７２を覆って全面に再び層間絶縁膜３８を形成しこの層間絶縁膜３７を平坦化処理する。
このようにして２層構造の配線層３７（３７１，３７２）が形成される。
【００１０】
次に、図１４Ｄに示すように、層間絶縁膜３８上にレジスト膜（図示せず）を形成し、公知のリソグラフィ技術を用いてレジスト膜を井戸形成用のパターンのレジストマスクに形成した後、このレジストマスクを介して例えば異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜３８をエッチング除去し、受光センサ部３３上の対応する位置に井戸（所謂開口）４３を形成する。
異方性ドライエッチングに用いられる反応ガスとしては、例えばＣ _４Ｆ _８ガス、Ａｒガス、Ｏ _２ガス等を用いることができる。
【００１１】
次に、図１４Ｅに示すように、レジストマスクを除去し、井戸４３を含んで層間絶縁膜３８上の全面に層間絶縁膜３８よりも高い屈折率を有する高屈折率層を形成する。この高屈折率層としては、例えば高密度プラズマＣＶＤ法を用いたＳｉＮ膜（所謂プラズマＳｉＮ膜）４４を形成する。
【００１２】
次に、図１５Ｆに示すように、例えばＣＭＰ法又はエッチバック法等を用いてプラズマＳｉＮ膜４４を層間絶縁膜３８の表面まで除去して平坦化処理を行う。
【００１３】
次に、図１５Ｇに示すように、層間絶縁膜３８、井戸４３内に埋め込まれてなるプラズマＳｉＮ膜４４を含んで全面に、パッシベーション膜３９、平坦化膜４０、カラーフィルタ４１を順に形成し、カラーフィルタ４１の受光センサ部３３と対応する位置に、即ち井戸４４の上部にオンチップレンズ４２が形成される。
このようにして、集光効率を高める構成を有するＣＭＯＳ型固体撮像素子３０が形成される。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−１５０８４５号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなＣＭＯＳ型固体撮像素子３０においては、配線層３７が多層に形成されるため（図示の例では第１の配線層３７１及び第２の配線層３７２）、配線層３７をすべて形成した後に最表面層より受光センサ部３３へと井戸（開口）４３を形成すると（図１４Ｄ参照）、井戸４３の深さｈが深く形成されてしまう（例えばｈ＝５μｍ）。
また、近年の微細化の要求に伴い、例えばこのようなＣＭＯＳ型固体撮像素子で微細化を図ろうとした場合、画素自体がさらに縮小化されてくるので井戸４３の径（幅）ｄはさらに小さく形成されることとなる。従って、非常に高いアスペクト比を有する井戸４３が形成されてしまうこととなる。
【００１６】
このように、高いアスペクト比を有する井戸４３が形成されると、次の工程（図１４Ｅ参照）にて、例えば高密度プラズマＣＶＤ法等によりＳｉＮ膜４４を井戸４３内に埋め込んだ際に、図１６に示すように井戸４３内に空洞（所謂ボイド）４６が形成されるといった問題が発生する。
【００１７】
このような問題が発生するのは、井戸４３内にＳｉＮ膜４４を埋め込む際に高密度プラズマＣＶＤ法を用いた場合、井戸４３の入り口付近での埋積物の生成が井戸４３の奥の領域に比べて早くなるためである。
これにより、井戸４３の入り口付近が除々に塞がれてきて、成膜種となるラジカルの井戸４３の内部への供給が少なくなり、井戸４３の入り口付近が完全に塞がって、井戸４３の内部に空洞（ボイド）４６が形成されてしまうこととなる。
【００１８】
このように、井戸４３内において空洞４６が形成されると、空洞４６により反射や屈折が生じるので、集光効果が悪くなったり感度特性にバラツキが生じたりしてしまう。
【００１９】
また、従来では、受光センサ部３３内の界面準位を低減するためや結晶格子の乱れを修復して白点の発生を抑制するために、例えばアニール処理によってプラズマＳｉＮ膜４４中に含有されている水素を受光センサ部３３へと供給するようにしているが、空洞４６が形成された場合は、プラズマＳｉＮ膜４４の体積がその分減少するため、受光センサ部３３への水素の供給率が低下することとなり、白点の発生を抑制させる効果が低減してしまう。
【００２０】
今後は、配線構造をさらに多層にしないと（例えば５層〜７層）、多画素化及び素子サイズの微細化の要求に対応することができなくなるので、これに伴い井戸４３はさらにアスペクト比が高く形成されることとなり、ＳｉＮ膜４４の埋め込み性がさらに悪化することが考えられる。
【００２１】
このように井戸４３内に空洞４６が形成される問題は、上述したようなＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）３０ばかりでなく、例えばＣＣＤ固体撮像素子においても画素の微細化に伴いアスペクト比が高くなることから、同様に生じることが考えられる。
【００２２】
本発明は、上述の点に鑑み、配線層を多層化した場合や画素を微細化した場合でも、高い集光効率で受光センサ部に光を入射させることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて受光センサ部に集光させるために、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、この井戸が径の異なる複数の層により構成され、これら複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さく形成されてなる構成とする。
【００２４】
本発明に係る固体撮像素子によれば、井戸が径の異なる複数の層で構成されているので、各層の深さが浅くなっていて高屈折率層を良好に埋め込むことが可能になり、空洞を生じないようにすることができる。また、複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さいので、各層間の段差部では下層が広くなり、この段差部で不要な反射や屈折が生じないことから、受光センサ部に充分に集光することができる。
【００２５】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて受光センサ部に集光させるために、高屈折率層が低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられた固体撮像素子を製造する方法であって、表面を覆って前記低屈折率層を形成し、前記低屈折率層に開口を形成し、前記開口に前記高屈折率層を埋め込む工程を複数回行うことにより、前記井戸を形成する。
【００２６】
本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、低屈折率層中に開口を形成し、この開口に高屈折率層を埋め込む工程を複数回行って井戸を形成するので、各開口の深さを浅くして高屈折率層を良好に埋め込むことが可能となる。これにより、埋め込まれている高屈折率層中に空洞がなくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）に適用した場合の概略構成を図１に示す。
尚、図示の例ではＣＭＯＳ型固体撮像素子の１画素に対応する断面を示している。
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子１は、素子分離領域３で分離された半導体基板２内の所定の領域に入射光を受光する受光センサ部４が形成され、受光センサ部４上の所定の位置には絶縁膜５を介して転送ゲート６、後述する配線層と接続される導電プラグ７が層間絶縁膜８中に形成される。
【００２８】
配線層９は図示の例では２層（第１の配線層９１及び第２の配線層９２）に形成されており、配線層９１及び９２間は導電プラグ７により接続されている。最上層の配線層９２の上方には、層間絶縁膜８上にパッシベーション膜１０、平坦化膜１１を介してカラーフィルタ１２が形成され、カラーフィルタ１２上の受光センサ部４と対応する位置にはオンチップレンズ１３が形成される。
【００２９】
受光センサ部４上には、この受光センサ部４とオンチップレンズ１３間をつなぐようにパッシベーション膜１０の下端まで井戸１４が形成され、この井戸１４内には層間絶縁膜８より高い屈折率（ｎ＝２．０）を有する高屈折率層（例えば高密度のプラズマＣＶＤ法によるプラズマＳｉＮ膜）１５が埋め込まれてなる。尚、１６は層間絶縁膜（例えばＳｉＯ₂膜）８との間で高い選択比を有するエッチングストップ膜（例えばＳｉＮ膜）である。
これによって、入射光の集光効率を高めるようにした構造を有するＣＭＯＳ型固体撮像素子１が構成される。
【００３０】
本実施の形態では、特に、井戸１４が複数の層で形成された構成とする。
本実施の形態では、井戸１４が例えば２つの層１４Ａ，１４Ｂで形成された構成とする。層１４Ａの上面は、例えば配線層９１の下の、破線で示す平坦化された層間絶縁膜８の上面と同一面上となるようにして形成される。また、層１４Ｂの上面は、例えばパッシベーション膜１０の下の平坦化された層間絶縁膜８の上面と同一面上となるように形成される。
【００３１】
このように構成することで、例えば従来のような深い１つの穴に高屈折率層４４が埋め込まれて井戸４３が形成されているのではなく（図１２参照）、穴に高屈折率層１５が埋め込まれた層１４Ａ，１４Ｂを複数有して井戸１４が形成されているので、各層１４Ａ，１４ＢでのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性は、従来のプラズマＳｉＮ膜の埋め込み性に比べて良好なものとなり、プラズマＳｉＮ膜１５中に空洞が生じることがなくなる。
【００３２】
ところで、このように複数の層１４Ａ，１４Ｂにより井戸１４が形成されてなるので、例えば層間でのずれの問題が懸念される。
例えば、リソグラフィ技術を用いて２つ目の層１４Ｂ形成用のレジストマスクを形成する際、１つ目の層１４Ａとの間で重ね合わせずれが生じた場合、図２に層間付近の拡大図を示すように、垂直方向に連続する層１４Ａ及び１４Ｂの側壁における層１４Ａ，１４Ｂの接続部２０にて段差２１が形成されてしまう。
【００３３】
このように、各層１４Ａ，１４Ｂ間の接続部２０にて段差２１が形成された場合、例えば井戸１４の上部から入射してきた光（図中矢印Ｘ）は、その内部に埋め込まれたプラズマＳｉＮ膜１５から層間絶縁膜８へと向かって入射するため、入射角によっては光が段差２１で屈折して層間絶縁膜８内へと進んだり（図中矢印Ｙ）、光が段差２１で全反射して井戸１４内を上方に向かって進んで表面から外部に拡散されてしまう（図中矢印Ｚ）。若しくは、井戸１４の表面と上層（例えばパッシベーション膜１０）との界面で再び全反射して井戸１４内に再び戻る。
このように、段差２１が形成されることにより、入射された光の受光センサ部４への集光性が低減して集光効率が低下してしまうことは明らかである。
【００３４】
そこで、本実施の形態においては、隣接する層１４Ａ，１４Ｂの径を異なるようにする。即ち、図３に示すように、下層１４Ａの上部径Ａｄよりも上層１４Ｂの下部径Ｂｄを小さく形成する。これにより、前述した集光効率の低下を改善することができる。
この場合、接続部２０に段差を有するが、接続部２０では下層の上部径Ａｄの方が広くなっているため、図２に示したような不要な反射や屈折は生じない。
【００３５】
このように、下層１４Ａの上部径Ａｄよりも上層１４Ｂの下部径Ｂｄを小さく形成するには、その分マスクの径を小さくすればよい。このとき、リソグラフィ工程で生じてしまうずれの量は最大でも０．１μｍ程度であるので、例えば上層１４Ｂを形成する際のリソグラフィー工程の際、その下部径Ｂｄが下層１４Ａの上部径Ａｄよりも０．２μｍ（０．１×２）小さくなるように制御すればよい。
これにより、上述したような、各層１４Ａ，１４Ｂ間の接続部２０で生じる段差２１を回避できる。
【００３６】
本実施の形態の固体撮像素子１によれば、例えば従来のような深い１つの穴に高屈折率層が埋め込まれて井戸が形成されてなるのではなく、穴に高屈折率層１５が埋め込まれた層１４Ａ，１４Ｂを複数有して井戸１４が形成されてなるので、各層１４Ａ，１４ＢでのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性は、従来の１つの層４７でのプラズマＳｉＮ膜の埋め込み性に比べて良好なものとなる。これにより、プラズマＳｉＮ膜１５中に空洞が生じない埋め込み性の良好な井戸を有する固体撮像素子を提供できる。
【００３７】
また、各層１４Ａ，１４Ｂ間（接続部２０）において、上層１４Ｂの下部径Ｂｄが下層１４Ａの上部径Ａｄよりも小さく形成されているので、接続部２０において不要な反射や屈折を発生せず、集光効率が低下されることのない固体撮像素子を提供できる。
【００３８】
また、受光センサ部４内の界面準位を低減するためや結晶格子の乱れを修復して白点の発生を抑制するために、例えばアニール処理によってプラズマＳｉＮ膜１５中に含有されている水素を受光センサ部４へと供給する際に、井戸１４内のプラズマＳｉＮ膜１５に空洞がなく充分な体積を有するので、このプラズマＳｉＮ膜１５から受光センサ部４への充分な量の水素を供給することができ、白点の発生を抑制させる効果を充分に発揮させることができる。
【００３９】
また、井戸内に空洞が生じた場合では、井戸内での高屈折率層のつきまわり（カバレージ）が悪く、高屈折率層が剥がれ易くなっていたが、本実施の形態では、井戸１４内に空洞が生じないので、井戸１４内での高屈折率層１５のカバレージを良好にすることができる。
【００４０】
上述した実施の形態においては、井戸１４を構成する複数の層１４Ａ，１４Ｂのうち少なくとも１つの層の側壁がテーパー形状に形成された構成とすることもできる。
例えば、図４に示すように、上述した実施の形態において、最上部に形成された層１４Ｂの側壁をテーパー形状とした場合は、例えば図１に示した構成と比較して井戸１４内へ光を取り込み易くすることができる。また、層１４Ｂ内でのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性がさらに向上される。
【００４１】
上述した実施の形態においては、井戸１４が２つの層１４Ａ，１４Ｂより形成された構成としたが、他の実施の形態として、井戸１４が例えば３つの層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃにより形成されてなる構成を図５に示す。
本実施の形態では、例えば各層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの上面が、それぞれ第１の配線層９１下の破線で示す平坦化された層間絶縁膜８の上面と同一面上、第２の配線層９２下の破線で示す平坦化された層間絶縁膜８の上面と同一面上、パッシベーション膜１０の下の平坦化された層間絶縁膜８の上面と同一面上となるように形成される。即ち、各層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの上面と平坦化された層間絶縁膜８の上面がそれぞれ同一面上となるように形成される。
尚、その他の部分は図１の構成と同様であるので対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略している。
【００４２】
このような構成とした場合は、各層１４Ｂ，１４Ｃが浅くなって、各層１４Ｂ，１４Ｃ内でのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性が向上するので、図１に示した構成に比べてさらに井戸１４内の埋め込み性が向上する。
【００４３】
また、例えば図６に示すように、前述した図５に示す構成において、層１４Ｂ，１４Ｃの側壁をそれぞれテーパー形状とした場合は、前述した作用効果に加えて、受光センサ部４からオンチップレンズ１３へと上方へ向かって形成される各層１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの径（上部径）が除々に小さくなることを防止できる。また、層１４Ｂ，１４Ｃ内でのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性が向上し、さらに井戸１４内の埋め込み性が向上される。
【００４４】
次に、本発明の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を図７〜図１１を用いて説明する。
本実施の形態では、図１に示したＣＭＯＳ型固体撮像素子を製造する方法を示す。尚、図示の例では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の１画素に対応する断面図を示し、図１と対応する部分には同一符号を付している。先ず、図７Ａに示すように、素子分離領域３で分離された半導体基板２内の所定の領域（素子形成領域）内に入射光を受光する受光センサ部４を形成し、受光センサ部４上に絶縁膜５を形成する。
【００４５】
次に、図７Ｂに示すように、受光センサ部４上に絶縁膜５を介して転送ゲート６、エッチングストッパ膜１６を形成する。
ここでエッチングストッパ膜１６としては、次のエッチングストッパ膜１６上層間絶縁膜８に開口１４１を形成する際に、ＳｉＯ₂膜からなる層間絶縁膜８に対して高いエッチング選択比が確保できるＳｉＮ膜が用いられる。このＳｉＮ膜は例えば減圧ＣＶＤ法を用いて形成することができる。
【００４６】
次に、転送ゲート６、エッチングストッパ膜１６、素子分離領域２を含んで全面に層間絶縁膜８を形成し、さらにこの層間絶縁膜８上にレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、公知のリソグラフィ技術を用いてレジスト膜を開口１４１形成用のパターンのレジストマスクに形成した後、このレジストマスクを介して異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜８をエッチング除去する。
その後、レジストマスクを除去することにより、図７Ｃに示すように、層間絶縁膜８に開口１４１が形成された構造となる。
異方性ドライエッチングは平行平板型のエッチャで処理し、反応ガスとしては、例えばＣ _４Ｆ _８ガス、Ａｒガス、Ｏ _２ガス等を用いることができる。このような反応ガスを用いた場合、層間絶縁膜８とエッチングストッパ膜１６との間で高い選択比が確保できる。
【００４７】
この際、前述したように、受光センサ部４上に形成されたエッチングストッパ膜１６は層間絶縁膜８との間で高い選択比が確保されているため、層間絶縁膜８のエッチングはエッチングストッパ膜１６に達したところで停止され、受光センサ部４の表面に影響を与えることはない。また、例えば開口１４１の深さ１４Ａh を各画素毎にバラツキなく均一に形成することができる。
これにより、後述する配線層９を形成する前に開口１４１を形成している分、従来のような配線層を全て形成した後に開口を形成する場合と比較して、開口１４１の深さ１４Ａｈを浅く形成できる。即ちアスペクト比の低い開口１４１が形成される。
【００４８】
次に、図８Ｄに示すように、例えば等方性ドライエッチングにより開口１４１内に露出しているエッチングストッパ膜１６を除去した後、開口１４１を含んで層間絶縁膜８上の前面に層間絶縁膜８より高い屈折率を有する高屈折率層１５、例えば高密度プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜（プラズマＳｉＮ膜）１５を形成する。
尚、エッチングストッパ膜１６を除去する際の等方性エッチングは、例えばダウンフロープラズマによるケミカルドライエッチを用いることができる。
この際、上述したように、開口１４１の深さ１４Ａｈは浅く形成されているので、開口１４１内に空洞が形成されることなく良好にプラズマＳｉＮ膜を埋め込むことができる。
【００４９】
次に、図８Ｅに示すように、例えばＣＭＰ法又はエッチバック法等を用いてプラズマＳｉＮ膜１５を層間絶縁膜８の表面までエッチング除去する。
この際、プラズマＳｉＮ膜１５が層間絶縁膜８上に残存しないようにエッチング除去を行う必要がある。これは、プラズマＳｉＮ膜１５が層間絶縁膜８上に残存した場合、入射光がこのプラズマＳｉＮ膜１５内を多重反射して隣接する画素へと入り込んで影響を及ぼす虞があるためである。
ここで、例えばＣＭＰ法を用いてプラズマＳｉＮ膜１５のエッチング除去を行った場合は、プラズマＳｉＮ膜１５が残存することなく層間絶縁膜８の上面が平坦化されるので、例えば次の工程で配線層を形成する際に再び平坦化処理を行う必要がない。
これにより、プラズマＳｉＮ膜１５が埋め込まれた層１４Ａが形成される。
【００５０】
次に、図９Ｆに示すように、導電プラグ７、配線層９を形成する。
先ず層間絶縁膜８中の所定の位置に導電プラグ７を形成し、平坦化された層間絶縁膜８上に１層目となる配線層９１を形成する。そして、配線層９１を含んで全面に再び層間絶縁膜８を形成し、平坦化処理を行った後、所定の位置に導電プラグ７を形成し、層間絶縁膜８上に２層目となる配線層９２を形成する。そして、配線層９２を含んで全面に再び層間絶縁膜８を形成し、この層間絶縁膜８を平坦化処理する。このようにして２層構造の配線層９（第１の配線層９１及び第２の配線層９２）が形成される。
尚、本実施の形態では配線層９を２層構造としたが、例えば３層，４層，５層，６層，７層と配線層９が何層にも増えた場合はこのような工程が繰り返される。
【００５１】
次に、層間絶縁膜８上にレジスト膜（図示せず）を形成し、リソグラフィー技術を用いてレジスト膜を開口１４２形成用のパターンのレジストマスクに形成する。
この際、開口１４２形成用のパターンは、例えばリソグラフィー工程におけるずれ量（最大でも０．２μｍ）に対応して、その下部径１４Ｂｄが前の工程（図７Ｃ参照）で形成された下の開口１４１の上部径１４Ａｄよりも小さくなるように形成する。
ここで、各開口１４１，１４２の開口径には０．２μｍ程度の差が生じることになるが、このように差が０．２μｍと僅かであるので、例えば開口１４１の形成時に用いたレジストマスクと同一のマスクパターンを用いることができる。即ち、リソグラフィー工程での制御のみで開口径を調整することが可能である。
そして、このレジストマスクを介して異方性ドライエッチングにより層間絶縁膜８をエッチング除去する。
その後、レジストマスクを除去することにより、図９Ｇに示すように、層間絶縁膜８に開口１４２が形成される。
【００５２】
この際、下層１４Ａ内のプラズマＳｉＮ膜１５がエッチングストッパとして働く。これは、異方性ドライエッチングに用いられる反応ガスとして、上述したと同様なＣ _４Ｆ _８ガス、Ａｒガス、Ｏ _２ガス等を用いることにより、層１４Ａ内のプラズマＳｉＮ膜１５とエッチングされる層間絶縁膜８との間で高い選択比が確保されるためである。これにより、層１４Ａ内のプラズマＳｉＮ膜１５の表面に影響を与えることはない。
また、各開口間（接続部２０）において、上の開口１４２の下部径を下の開口１４１の上部径よりも小さく形成するようにしたので、例えば開口１４２を形成する際のリソグラフィ工程でのレジストマスクの開口パターンと下の開口１４２との間で重ね合わせずれが生じたとしても、上の開口１４２の下部径１４Ｂｄが下の開口１４１の上部径１４Ａｄからはみ出してしまうようなことはなく、層間絶縁膜８を部分的にエッチングしてしまうことはない。
そして、この際においても、上述したと同様に開口１４２の深さ１４Ｂｈを、前段階で開口１４Ａを形成している分浅く形成できる。
【００５３】
次に、図１０Ｈに示すように、開口１４２を含んで層間絶縁膜８上の前面に層間絶縁膜８より高い屈折率を有する高屈折率層を形成する。この工程においても、図８Ｄに示した場合と同様に、例えば高密度プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜（所謂プラズマＳｉＮ膜）１５を形成する。この際においても、上述したように開口１４２が浅いので、開口１４２内に良好にプラズマＳｉＮ膜を埋め込むことができる。
【００５４】
次に、図１０Ｉに示すように、ＣＭＰ法またはエッチバック法を用いてプラズマＳｉＮ膜１５を層間絶縁膜８の表面までエッチング除去する。この平坦化処理の際においても上述したと同様に、プラズマＳｉＮ膜１５が層間絶縁膜８上に残存しないようにして行う。
この際においても、例えばＣＭＰ法を用いてプラズマＳｉＮ膜１５のエッチング除去を行った場合は、プラズマＳｉＮ膜１５が残存することなく層間絶縁膜８の上面が平坦化処理されるので、例えば次の工程で配線層を形成する際に、再び平坦化処理を行う必要がない。
これにより、プラズマＳｉＮ膜１５が埋め込まれた層１４Ｂが形成される。そして、先に形成された下層１４Ａと合わせて井戸１４が形成される。
【００５５】
次に、図１１に示すように、層間絶縁膜８、井戸１４内に埋め込まれたプラズマＳｉＮ膜１５の表面を覆って全面にパッシベーション膜１０を形成し、パッシベーション膜１０上に平坦化膜１１を形成した後、カラーフィルタ１２を形成する。そして、カラーフィルタ１２上において、受光センサ部４上の井戸１４に対応する位置にオンチップレンズ１３を形成する。
このようにして、図１に示す構造のＣＭＯＳ型固体撮像素子を形成することができる。
【００５６】
上述した本実施の形態に係る撮像素子の製造方法によれば、層間絶縁膜８中に開口１４１，１４２を形成し、各開口１４１，１４２にプラズマＳｉＮ膜１５を埋め込む工程を複数回行うことにより井戸１４を形成するので、例えば形成された各開口１４１，１４２のそれぞれの深さ１４Ａｈ及び１４Ｂｈを、例えば従来のような（全ての配線層を形成してから）１回で形成された開口の深さｈに比べて浅く形成することができる。即ち、従来に比べてアスペクト比の低い開口を形成することができる。
これにより、プラズマＣＶＤ法を用いて高い屈折率を有するプラズマＳｉＮ膜１５を各開口１４１，１４２内に埋め込む際に、プラズマＳｉＮ膜１５を良好に埋め込むことができる。
【００５７】
また、前の工程で形成する開口１４１の上部径１４Ａｄよりも、次の工程で形成する開口１４２の下部径１４Ｂｄを小さく形成するようにしたので、開口１４１，１４２の接続部２０において不要な反射や屈折が生じてしまうことを防止できる。
【００５８】
上述した実施の形態において、少なくとも１つの開口の側壁をテーパー形状に形成することもできる。
例えば、最上部に形成する開口１４２の側壁をテーパー形状とする場合は、図９Ｇに示す工程において、リソグラフィー技術を用いて開口１４２形成用のレジストパターンを形成する際、例えば露光条件を調整することによりレジストパターンをテーパー形状となるようにエッチングすることで実現できる。この際、Ｃ４Ｆ８ガスを用いれば、ＣＦ系埋積物による側壁保護膜形成効果によって良好なテーパー形状を容易に形成することができる。
【００５９】
また、上述したように、例えばＣＭＰ法等により、層間絶縁膜８上のプラズマＳｉＮ膜１５を除去する場合は、層間絶縁膜８とプラズマＳｉＮ膜１５のそれぞれの平坦化処理を１回で行うことができる。
【００６０】
上述した実施の形態では、２回に分けて開口を形成することで井戸１４を形成するようにしたが、埋め込み性や配線層の数及び深さ等の兼ね合いによっては、３回以上に分けて開口を形成することもできる。
より多くの回数に分けて井戸１４を形成した場合は、各開口でのプラズマＳｉＮ膜１５の埋め込み性はさらに向上する。
【００６１】
また、上述した実施の形態では、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合について説明したが、本発明はその他の固体撮像素子、例えばＣＣＤ固体撮像素子においても適用できるものである。
【００６２】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の固体撮像素子によれば、高屈折率層が良好に埋め込まれてなる井戸を構成することができるので、従来と比較して井戸内での高屈折率層の埋め込み性、被覆性等が大幅に改善されて、信頼性の向上された固体撮像素子を提供することができる。
【００６４】
また、接続部にて不要な反射や屈折が生じることがないので、入射光を漏れることなく受光センサ部内へと導くことができ、従来と比較して集光効率、感度特性がさらに向上された固体撮像素子を提供することができる。
【００６５】
また、井戸の複数の層のうち、少なくとも１つの層の側壁をテーパー形状とした場合は、入射光を井戸内に入り易くすることができ、集光効率がさらに向上される。
【００６６】
本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、各開口の深さを浅くして高屈折率層をそれぞれ良好に埋め込むことが可能となる。これにより高い集光効率を有する固体撮像素子を製造することができる。
【００６７】
また、上の開口の下部径を、前の工程で形成した下の開口の上部径よりも小さく形成する場合には、不要な反射や屈折を生じる段差部が形成されないため、集光効率、感度特性が向上された固体撮像素子を製造することができる。
【００６８】
さらに、少なくとも１つの開口の側壁をテーパー形状に形成する場合は、井戸内へ光を取り込み易くなるため、さらに集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】層間で生じる問題点を説明する拡大断面図である。
【図３】層間での各層の径を規定する説明図である。
【図４】図１に示す構成において、井戸の上層の側壁をテーパー形状とした場合を示す概略断面図である。
【図５】図１に示す構成において、井戸を３つの層で形成した場合を示す概略断面図である。
【図６】図５に示す構成において、井戸を２つの層の側壁をテーパー形状とした場合を示す概略断面図である。
【図７】Ａ〜Ｃ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図８】Ｄ〜Ｅ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その２）である。
【図９】Ｆ〜Ｇ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その３）である。
【図１０】Ｈ〜Ｉ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その４）である。
【図１１】本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その５）である。
【図１２】従来の固体撮像素子の構成を示す概略断面図である。
【図１３】Ａ〜Ｃ従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図１４】Ｄ〜Ｅ従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その２）である。
【図１５】Ｆ〜Ｇ従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その３）である。
【図１６】従来の問題点を説明する説明図である。
【符号の説明】
１・・・固体撮像素子、２・・・半導体基板、３・・・素子分離領域、４・・・受光センサ部、５・・・絶縁膜、６・・・転送ゲート、７・・・導電プラグ、８・・・層間絶縁膜、９（９１，９２）・・・配線層、１０・・・パッシベーション膜、１１・・・平坦化膜、１２・・・カラーフィルタ、１３・・・オンチップレンズ、１４・・・井戸、１４１，１４２・・・開口、１４Ａ，１４Ｂ・・・層、１５・・・高屈折率層（プラズマＳｉＮ膜）、２０・・・接続部、２１・・・段差部

Claims

受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて前記受光センサ部に集光させるために、前記高屈折率層が前記低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられ、
前記井戸が径の異なる複数の層により構成され、
前記複数の層のうち互いに隣接する層において、下層の上部径よりも上層の下部径が小さく形成されてなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記複数の層のうち少なくとも１つの層の側壁がテーパー形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
受光センサ部上に、入射光を高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射させて前記受光センサ部に集光させるために、前記高屈折率層が前記低屈折率層中に埋め込まれてなる井戸が設けられた固体撮像素子を製造する方法であって、
表面を覆って前記低屈折率層を形成し、前記低屈折率層に開口を形成し、前記開口に前記高屈折率層を埋め込む工程を複数回行うことにより、前記井戸を形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
複数回の前記工程において、前の工程で形成する開口の上部径よりも次の工程で形成する開口の下部径を小さくすることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。
複数回の前記工程において形成する開口のうち、少なくとも１つの開口の側壁をテーパー形状にすることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。