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技術 固体撮像素子

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 虎澤直樹可部達也
出願日 2019年8月6日 (1年6ヶ月経過) 出願番号 2019-144207
公開日 2020年3月12日 (11ヶ月経過) 公開番号 2020-038960
状態 未査定
技術分野 光信号から電気信号への変換 固体撮像素子
主要キーワード カウント型 ボイド現象 立体形 略四角錐 ガイガー ライナ層 浮遊拡散 サイドウォール形成膜
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する。

解決手段

固体撮像素子100は、半導体基板10と、半導体基板10に設けられた光電変換部11と、半導体基板10の上方に位置し、複数の配線層21及び複数の配線層21の間に位置する層間絶縁膜22を含む積層体20と、積層体20の少なくとも一部を貫通する、光電変換部11に光を導入するための導波路30とを備える。導波路30の径は、積層方向において光電変換部11から離れるほど拡大する。導波路30のうち第一導波部31における径の拡大率は、導波路30のうち第一導波部31よりも光電変換部11に近い第二導波部32における径の拡大率よりも大きい。

概要

背景

近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオードを利用したフォトンカウント型の光検出器の開発が進められている。特許文献1には、フォトダイオードに関連する技術が開示されている。

概要

光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する。固体撮像素子100は、半導体基板10と、半導体基板10に設けられた光電変換部11と、半導体基板10の上方に位置し、複数の配線層21及び複数の配線層21の間に位置する層間絶縁膜22を含む積層体20と、積層体20の少なくとも一部を貫通する、光電変換部11に光を導入するための導波路30とを備える。導波路30の径は、積層方向において光電変換部11から離れるほど拡大する。導波路30のうち第一導波部31における径の拡大率は、導波路30のうち第一導波部31よりも光電変換部11に近い第二導波部32における径の拡大率よりも大きい。

目的

特開2013−207321号公報






本開示は、光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上方に位置し、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体と、前記積層体の少なくとも一部を貫通する、前記光電変換部に光を導入するための導波路とを備え、前記導波路の径は、積層方向において前記光電変換部から離れるほど拡大し、前記導波路のうち第一導波部における径の拡大率は、前記導波路のうち前記第一導波部よりも前記光電変換部に近い第二導波部における径の拡大率よりも大きい固体撮像素子

請求項2

さらに、前記積層体の内部であって前記第一導波部の側方に位置し、前記光電変換部において発生した電荷蓄積される電荷蓄積部を備える請求項1に記載の固体撮像素子。

請求項3

平面視において、前記電荷蓄積部の一部は、前記第一導波部と重なる請求項2に記載の固体撮像素子。

請求項4

さらに、前記半導体基板に設けられた浮遊拡散部を備え、前記光電変換部において発生した電荷は、前記浮遊拡散部を介して前記電荷蓄積部に蓄積され、平面視において、前記電荷蓄積部の一部は、前記浮遊拡散部と重なる請求項2または3に記載の固体撮像素子。

請求項5

前記第一導波部の全部は、前記電荷蓄積部よりも上方に位置する請求項2〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。

請求項6

前記第一導波部及び前記第二導波部は、同一の材料によって形成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。

請求項7

前記第一導波部及び前記第二導波部は、シリコンの窒化物によって形成される請求項6に記載の固体撮像素子。

請求項8

前記第一導波部及び前記第二導波部は、互いに異なる材料によって形成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。

請求項9

前記第一導波部の屈折率は、前記第二導波部の屈折率よりも大きい請求項8に記載の固体撮像素子。

請求項10

前記第一導波部は、シリコンの窒化物によって形成され、前記第二導波部は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される請求項8または9に記載の固体撮像素子。

請求項11

さらに、前記第一導波部及び前記積層体の間に位置する、前記導波路へ光を導入するためのサイドウォール部を備える請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体撮像素子。

請求項12

前記サイドウォール部は、前記第一導波部及び前記積層体の間、及び、前記第二導波部及び前記積層体の間にまたがって位置する請求項11に記載の固体撮像素子。

請求項13

前記サイドウォール部は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される請求項11または12に記載の固体撮像素子。

技術分野

0001

本開示は、固体撮像素子に関し、特に、単位画素電荷蓄積部及び導波路を有する固体撮像素子に関する。

背景技術

0002

近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオードを利用したフォトンカウント型の光検出器の開発が進められている。特許文献1には、フォトダイオードに関連する技術が開示されている。

先行技術

0003

特開2013−207321号公報

発明が解決しようとする課題

0004

本開示は、光電変換部への集光の効率を向上することができる固体撮像素子を提供する。

課題を解決するための手段

0005

本開示の一態様に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上方に位置し、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体と、前記積層体の少なくとも一部を貫通する、前記光電変換部に光を導入するための導波路とを備え、前記導波路の径は、積層方向において前記光電変換部から離れるほど拡大し、前記導波路のうち第一導波部における径の拡大率は、前記導波路のうち前記第一導波部よりも前記光電変換部に近い第二導波部における径の拡大率よりも大きい。

発明の効果

0006

本開示によれば、光電変換部への集光の効率が向上された固体撮像素子が実現される。

図面の簡単な説明

0007

図1は、実施の形態1に係る固体撮像素子の断面図である。
図2Aは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
図2Bは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
図2Cは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
図2Dは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。
図2Eは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第五の断面図である。
図2Fは、実施の形態1に係る固体撮像素子の製造方法を示す第六の断面図である。
図3は、実施の形態1の変形例1に係る固体撮像素子の断面図である。
図4は、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の断面図である。
図5Aは、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
図5Bは、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
図5Cは、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
図5Dは、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。
図5Eは、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第五の断面図である。
図6は、実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図である。
図7Aは、実施の形態2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
図7Bは、実施の形態2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
図7Cは、実施の形態2に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
図8は、実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の断面図である。
図9Aは、実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第一の断面図である。
図9Bは、実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第二の断面図である。
図9Cは、実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第三の断面図である。
図9Dは、実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の製造方法を示す第四の断面図である。

実施例

0008

(本開示の基礎となった知見)
近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)を利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。APDは、所定の逆電圧印加されることにより、光電流増倍するフォトダイオードである。光電変換部としてAPDなどのフォトダイオードを備える固体撮像素子においては、光電変換部への集光の効率を高めることが課題となる。

0009

また、APDでは、ガイガー増倍モードにおいては、1つのフォトンが光電変換を引き起こすと、アバランシェ降伏が生じ、出力される電流が急激に増大する。このため、アバランシェ降伏によって増倍された信号電荷蓄積する電荷蓄積部が必要となる。

0010

しかしながら、十分に大きい容量値を有する電荷蓄積部は、専有面積が大きくなる。そうすると、電荷蓄積部の専有面積が大きくなった結果、APDの面積が小さくなってしまう場合がある。したがって、固体撮像素子において、電荷蓄積部の配置については検討の余地がある。

0011

以下では、これらの課題を鑑みて発明された固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

0012

なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。

0013

また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるZ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Z軸+側は、上側(上方)と表現され、Z軸−側は、下側(下方)と表現される。Z軸方向は、言い換えれば、半導体基板の主面に垂直な方向であり、積層方向、または、半導体基板の厚み方向とも表現される。また、X軸方向及びY軸方向は、Z軸方向に垂直な平面(水平面)上において、互いに直交する方向である。X軸方向は、横方向、または、水平方向とも表現され、Y軸方向は、縦方向、または垂直方向とも表現される。以下の実施の形態において、「平面視」とは、Z軸方向から見ることを意味する。また、本開示は、以下の実施の形態において説明される導電型逆転させた構造を排除するものではない。

0014

(実施の形態1)
[構成]
以下、実施の形態1に係る固体撮像素子の構成について図面を参照しながら説明する。図1は、実施の形態1に係る固体撮像素子の断面図である。図1は、固体撮像素子100のうち単位画素に相当する部分の断面図である。

0015

図1に示されるように、実施の形態1に係る固体撮像素子100は、半導体基板10と、積層体20と、導波路30とを備える。

0016

半導体基板10は、例えば、シリコン(Si)によって形成される。半導体基板10の導電型は、p型であってもよいしn型であってもよい。以下の実施の形態1では、半導体基板10の上側の主面は、光が入射する面、または、受光面とも記載される。

0017

半導体基板10の内部には、光電変換部11と、浮遊拡散部12が設けられる。浮遊拡散部は、言い換えれば、フローティングディフュージョン部、または、FD(Floating Diffusion)部である。

0018

光電変換部11は、半導体基板10の内部の比較的上方に位置する。光電変換部11は、フォトダイオードによって形成される。ここでのフォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードが含まれる。

0019

浮遊拡散部12は、光電変換部11に光が入射することにより光電変換部11において発生した電荷電子及び正孔)の一方を一時的に蓄積する。浮遊拡散部12は、半導体基板10の内部の比較的上方に、光電変換部11と間隔を空けて配置される。

0020

半導体基板10の上側の主面には、積層体20が配置される。積層体20には、複数の配線層21と、複数の層間絶縁膜22と、複数のライナ層23と、複数のビア24と、電荷蓄積部25が含まれる。積層体20の高さh(つまり、半導体基板10の主面から積層体20の上面までの長さ)は、例えば、1.6μmである。

0021

なお、積層体20は、第一導波部31の周囲(言い換えれば、側方)に位置する第一積層体26と、第二導波部32の周囲に位置する第二積層体27とを含む。

0022

配線層21は、固体撮像素子100が有する回路を構成する配線が形成される層である。配線層21は、例えば、銅(Cu)によって形成される。配線層21は、アルミニウム(Al)またはタングステン(W)等の他の金属によって形成されてもよい。

0023

層間絶縁膜22は、複数の配線層21の間に位置し、当該複数の配線層21を絶縁する。層間絶縁膜22は、例えば、酸化シリコン(SiOx)によって形成される。

0024

ライナ層23は、複数の層間絶縁膜22の間に位置する層である。ライナ層23は、例えば、酸窒化シリコン(SiON)または炭窒化シリコン(SiCN)によって形成される。

0025

ビア24は、複数の配線層21を電気的に接続する接続孔である。ビア24は、例えば、銅によって形成される。ビア24は、アルミニウムまたはタングステン等の他の金属によって形成されてもよい。

0026

電荷蓄積部25は、積層体20の内部であって第一導波部31の側方に位置し、光電変換部11において発生した電荷が蓄積される容量素子である。光電変換部11において発生した電荷は、浮遊拡散部12を介して電荷蓄積部25に蓄積される。

0027

電荷蓄積部25は、上部電極、下部電極、及び、上部電極と下部電極との間に位置する容量膜を有する。上部電極及び下部電極のそれぞれは、例えば、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、チタン(Ti)、または、タンタル(Ta)等によって形成される。容量膜は、言い換えれば、誘電体膜であり、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸化ハフニウム(HfO)、または、酸化ジルコニウム(ZrO)などの高誘電体膜(High−k)によって形成される。

0028

導波路30は、積層体20の少なくとも一部を貫通する、光電変換部11に光を導入するための導波路である。図1の例では、導波路30と半導体基板10との間には層間絶縁膜22が位置しているが、導波路30は半導体基板10の主面に到達していてもよい。導波路30の立体形状は、略四角錐台状である。

0029

導波路30は、高屈折率絶縁材料によって形成される。導波路30は、具体的には、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどのシリコンの窒化物によって形成される。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路30の屈折率を高めることができる。

0030

断面図における導波路33の径(言い換えれば、幅)は、積層方向において光電変換部11から離れるほど拡大する。例えば、光電変換部11に最も近い最下部における導波路33の径W3は、4.8μm程度であり、中間部における導波路33の径W2は、4.9μm程度であり、光電変換部11から最も遠い最上部における導波路30の径W1は、5.84μmである。

0031

導波路30は、第一導波部31と、第一導波部31及び半導体基板10の間に位置する、第一導波部31よりも光電変換部11に近い第二導波部32とを含む。第一導波部31における径の拡大率は、第二導波部32における径の拡大率よりも大きい。「導波路30における径の拡大率」とは、導波路30の積層方向の上方に向かう位置の変位(言い換えれば、光電変換部11から離れる方向への位置の変位)に対する導波路30の径の変化率を意味する。導波路30における径の拡大率は、例えば、積層方向の位置が1μm上側に変わるとどの程度径が大きくなるかを示す。

0032

拡大率は、図1の断面図では、導波路30の側面の、半導体基板10の主面(つまり、積層方向に直交する平面)に対する角度θで表現されている。第一導波部31における径の拡大率が第二導波部32における径の拡大率よりも大きくなる場合、第一導波部31の側面の角度θ1は、第二導波部32の側面の角度θ2よりも小さい鋭角となる。角度θ1は、例えば、60°程度であり、角度θ2は、例えば、80°程度である。導波路30の径の拡大率は、通常、0よりも大きい(つまり、θ1、θ2<90°)が、第二導波部32の径の拡大率は、0または0に極めて近い(つまり、θ2≒90°)場合がある。この場合、断面図において第二導波部32の形状は長方形または正方形に近い形状となる。

0033

このように、導波路30の径は、全体として積層方向において光電変換部11から離れるほど拡大し、さらに、第一導波部31において第二導波部32よりも急峻に拡大する。これにより、固体撮像素子100の下方においては導波路30の径が比較的小さいため半導体基板10に回路を構成するための配線層21のスペースが確保される。固体撮像素子100の上方においては導波路30の径が比較的大きいため光を取り入れる間口が確保され、光電変換部11への集光の効率が高められる。

0034

例えば、固体撮像素子100では、平面視において、電荷蓄積部25の一部が第一導波部31と重なる。言い換えれば、電荷蓄積部25及び第一導波部31が立体的に交差する。このように、導波路30の径が比較的小さい領域を利用して、当該領域の側方に電荷蓄積部25が配置されれば、固体撮像素子の小型化を図ることができる。

0035

なお、電荷蓄積部25は、積層体20の内部のどこに配置されてもよい。固体撮像素子100のように、浮遊拡散部12の直上に電荷蓄積部25が位置し、平面視において、電荷蓄積部25の一部が浮遊拡散部12と重なれば、浮遊拡散部12及び電荷蓄積部25の間の電気的な接続経路(配線及びビア24によって構成される経路)を短縮することができる。

0036

[製造方法]
次に、固体撮像素子100の製造方法について図2A図2Fを参照しながら説明する。図2A図2Fは、固体撮像素子100の製造方法を説明するための断面図である。

0037

まず、図2Aに示されるように、半導体基板10に光電変換部11及び浮遊拡散部12が形成され、半導体基板10上に第二積層体27が形成される。

0038

光電変換部11及び浮遊拡散部12の形成には、イオン注入法が用いられる。シリコンによって形成される半導体基板10の主面側からイオン注入を行うことにより、半導体基板10内部の比較的上部に、光電変換部11及び浮遊拡散部12がそれぞれ形成される。

0039

第二積層体27は、以下の手順で形成される。まず、光電変換部11及び浮遊拡散部12が形成された半導体基板10の主面上にデュアルダマシン(Dual Damascene)法により、Cu多層配線構造が形成される。

0040

デュアルダマシン法では、元の配線層を形成した後、化学気相成長CVD:Chemical Vapor Deposition)法により、ライナ層23及び層間絶縁膜22が堆積される。

0041

続いて、リソグラフィ法により、配線溝トレンチ)及びビアのパターニングが行われる。その後、ドライエッチング法により、層間絶縁膜22の内部にトレンチとビアとが形成される。続いて、物理気相成長PVD:Physical Vapor Deposition)法により、トレンチ及びビアの内壁面に、Cuの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのCuシード層とが堆積される。その後、Cu電解めっき法により、トレンチ及びビアの中にCu膜が埋め込まれる。

0042

さらに、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により、配線層の表面の余剰なCu膜とバリア膜とが除去されることにより、最終的な配線層21が形成される。このプロセスを繰り返し実施することにより、所望の数の配線層21を有するCu多層配線構造を得ることができる。つまり、デュアルダマシン法により、第二積層体27が形成される。

0043

次に、図2Bに示されるように、第二導波部32用の穴42が形成される。穴42は、以下の手順で形成される。

0044

リソグラフィ法により、第二積層体27の一番上の層間絶縁膜22の上に、穴42を形成するためのレジスト膜(図示せず)が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第二積層体27に穴42が形成される。この際、穴42の側面の傾斜角度が約80°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。

0045

次に、図2Cに示されるように、第二導波部32が形成される。まず、CVD法により、穴42に高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路30の屈折率を高めることができる。その後、CMP法により、堆積された高屈折率の絶縁膜の表面が平坦化される。この結果、第二導波部32が形成される。

0046

次に、図2Dに示されるように、第一積層体26が形成される。まず、第一積層体26の内部に位置する電荷蓄積部25が以下の手順で形成される。

0047

PVD法及びCVD法を用いて、電荷蓄積部25の元となる電極膜及び容量膜が堆積される。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチングにより、電荷蓄積部25が形成される。電極膜のエッチングには、例えば塩素(Cl2)系のエッチングガスが用いられ、容量膜のエッチングには、例えば、フッ素(F)系のエッチングガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。その後、第二積層体27と同様に、デュアルダマシン法により第一積層体26が形成される。

0048

次に、図2Eに示されるように、第一導波部31用の穴41が形成される。穴41は、以下の手順で形成される。

0049

リソグラフィ法により、第一積層体26の一番上のライナ層23の上に、穴41を形成するためのレジスト膜(図示せず)が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第一積層体26に穴41が形成される。この際、穴41の側面の傾斜角度が約60°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。

0050

次に、図2Fに示されるように、第一導波部31が形成される。まず、CVD法により、穴41に高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路30の屈折率を高めることができる。その後、CMP法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、第一導波部31が形成される。

0051

以上説明したような製造方法によれば、導波路30を2段階に分けて形成することで、第一導波部31の径の拡大率と、第二導波部32の径の拡大率とを異ならせることができる。つまり、第一導波部31の側面の角度θ1と、第二導波部32の側面の角度θ2とを異ならせることができる。

0052

[変形例1]
固体撮像素子100においては、第一導波部31及び第二導波部32は、同一の絶縁材料によって形成されたが、第一導波部31及び第二導波部32は、互いに異なる絶縁材料によって形成されてもよい。図3は、このような実施の形態1の変形例1に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態1の変形例1に係る固体撮像素子100aの説明では、固体撮像素子100との相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子100と同一の構成については詳細な説明が省略される。

0053

図3に示される固体撮像素子100aが備える導波路30aは、第一導波部31と、第一導波部31よりも光電変換部11に近い第二導波部32aとを含む。

0054

固体撮像素子100と同様に、固体撮像素子100が備える第一導波部31は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどの高屈折率の絶縁材料によって形成される。一方、第二導波部32aは、低屈折率の絶縁材料によって形成される。低屈折率の絶縁材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS:Tetraethoxyl Orthosilicate)などである。

0055

固体撮像素子100のように導波路30の全体が高屈折率の絶縁材料で形成される場合、応力誘起ボイド現象(Stress Induced Voiding Phenomena)等によって積層体20が破損する可能性がある。固体撮像素子100aにおいては、導波路30aの一部に内部応力が小さく、積層体20へのストレス負荷を軽減できる低屈折絶縁性材料が用いられているため、応力誘起ボイド現象によって積層体20が破損してしまうことを抑制することが可能となる。

0056

なお、固体撮像素子100において、第一導波部31に低屈折利率の絶縁材料が用いられ、第二導波部32に高屈折率の絶縁材料が用いられてもよい。しかしながら、固体撮像素子100aのように、集光への寄与度が小さいと考えられる第二導波部32aに低屈折率の絶縁材料が用いられることで、集光の効率の低下を抑制することができる。

0057

[変形例2]
第一導波部31及び第二導波部32の境界は、固体撮像素子100のような位置に限定されない。図4は、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態1の変形例2に係る固体撮像素子100dの説明では、固体撮像素子100との相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子100と同一の構成については詳細な説明が省略される。

0058

図4に示される固体撮像素子100dにおいては、第一導波部31及び第二導波部32の境界は、第一導波部31の全部が電荷蓄積部25よりも上方に位置するように定められている。図5A図5Bは、固体撮像素子100dの製造方法を説明するための断面図である。

0059

まず、図5Aに示されるように、第二積層体27、及び、第一積層体26の一部がデュアルダマシン法によって形成される。このとき、電荷蓄積部25は完成している。次に、図5Bに示されるように穴42が形成され、図5Cに示されるように第二導波部32が形成される。穴42及び第二導波部32の形成方法は、固体撮像素子100と同様である。

0060

次に、図5Dに示されるように、第一積層体26の残りの部分がデュアルダマシン法によって形成される。そして、図5Eに示されるように、穴41が形成され、図4に示されるように、第一導波部31が形成される。穴41及び第一導波部31の形成方法は、固体撮像素子100と同様である。

0061

以上説明したような固体撮像素子100dの製造方法は、固体撮像素子100の製造方法よりもプロセス的に簡素化が可能である。つまり、固体撮像素子100dは、固体撮像素子100よりも簡易な製造プロセスで製造することが可能である。

0062

[効果等]
以上説明したように、固体撮像素子100は、半導体基板10と、半導体基板10に設けられた光電変換部11と、半導体基板10の上方に位置し、複数の配線層21及び複数の配線層21の間に位置する層間絶縁膜22を含む積層体20と、積層体20の少なくとも一部を貫通する、光電変換部11に光を導入するための導波路30とを備える。導波路30の径は、積層方向において光電変換部11から離れるほど拡大する。導波路30のうち第一導波部31における径の拡大率は、導波路30のうち第一導波部31よりも光電変換部11に近い第二導波部32における径の拡大率よりも大きい。

0063

このような固体撮像素子100は、光電変換部11の近傍においては導波路30の径が比較的小さいため固体撮像素子100が備える回路を構成するための配線層21のスペースが確保される。光電変換部11から離れた位置においては導波路30の径が比較的大きいため光を取り入れる間口が確保され、光電変換部11への集光の効率が高められる。

0064

また、例えば、さらに、積層体20の内部であって第一導波部31の側方に位置し、光電変換部11において発生した電荷が蓄積される電荷蓄積部25を備える。

0065

このような固体撮像素子100は、第一導波部31の側方に位置する電荷蓄積部25に、光電変換部11において発生した電荷を蓄積することができる。

0066

また、例えば、平面視において、電荷蓄積部25の一部は、第一導波部31と重なる。

0067

このように、電荷蓄積部25及び第一導波部31が立体的に交差すれば、固体撮像素子100の小型化を図ることができる。

0068

また、例えば、固体撮像素子100は、さらに、半導体基板10に設けられた浮遊拡散部12を備える。光電変換部11において発生した電荷は、浮遊拡散部12を介して電荷蓄積部25に蓄積される。平面視において、電荷蓄積部25の一部は、浮遊拡散部12と重なる。

0069

このように、電荷蓄積部25及び浮遊拡散部12が立体的に交差すれば、浮遊拡散部12及び電荷蓄積部25の間の電気的な接続経路を短縮することができる。

0070

また、例えば、第一導波部31及び第二導波部32は、同一の材料によって形成される。

0071

これにより、第一導波部31及び第二導波部32の境界において屈折率が変わらないため、当該境界おける光の反射を抑制することができる。したがって、光電変換部11への集光の効率が高められる。

0072

また、例えば、第一導波部31及び第二導波部32は、シリコンの窒化物によって形成される。

0073

このような固体撮像素子100は、シリコンの窒化物によって形成される導波路30によって光電変換部11への集光の効率を向上することができる。

0074

また、固体撮像素子100aにおいては、第一導波部31及び第二導波部32aは、互いに異なる材料によって形成される。

0075

これにより、単一の材料で形成された導波路30において強い内部応力が発生するような場合に、内部応力を緩和して積層体20の破損を抑制することができる。

0076

また、第一導波部31の屈折率は、第二導波部32aの屈折率よりも大きい。

0077

これにより、単一の高屈折率の材料で形成された導波路30において強い内部応力が発生するような場合に、内部応力を緩和して積層体20の破損を抑制することができる。

0078

また、例えば、第一導波部31は、シリコンの窒化物によって形成され、第二導波部32aは、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される。

0079

このような固体撮像素子100aは、シリコンの窒化物及びオルトケイ酸テトラエチルによって形成される導波路30aによって光電変換部11への集光の効率を向上することができる。

0080

また、固体撮像素子100dにおいては、第一導波部31の全部は、電荷蓄積部25よりも上方に位置する。

0081

このような固体撮像素子100dは、固体撮像素子100よりも簡易な製造プロセスで製造することが可能である。

0082

(実施の形態2)
[構成]
以下、実施の形態2に係る固体撮像素子の構成について図面を参照しながら説明する。図6は、実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図である。図6は、実施の形態2に係る固体撮像素子100bのうち単位画素に相当する部分の断面図である。なお、以下の実施の形態2では、実施の形態1との相違点を中心に説明が行われ、既出事項については詳細な説明が省略される。

0083

図6に示されるように、固体撮像素子100bは、半導体基板10と、積層体20と、導波路30bと、サイドウォール部50bとを備える。つまり、固体撮像素子100bは、主としてサイドウォール部50bを備える点が固体撮像素子100及び固体撮像素子100aと異なる。

0084

サイドウォール部50bは、第一導波部31b及び積層体20の間に位置し、第一導波部31bを側方から囲む。サイドウォール部50bは、導波路30bへ光を導入するための構造である。サイドウォール部50bは、低屈折率の絶縁材料によって形成される。低屈折率の絶縁材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチルなどである。

0085

このようなサイドウォール部50bによれば、サイドウォール部50bにおける反射によって光が導波路30bに導かれるため、光が散乱して積層体20に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部11への集光の効率が向上される。

0086

また、サイドウォール部50bにより、導波路30bとして用いられる高屈折率の絶縁材料が減らされれば、応力誘起ボイド現象によって積層体20が破損してしまうことを抑制することが可能となる。

0087

なお、固体撮像素子100bの断面図において、第一導波部31bの側壁曲面になっているが、この場合も導波路30b、第一導波部31bにおいて第二導波部32よりも急峻に拡大しているといえる。つまり、第一導波部31bの径の拡大率は、第二導波部32における径の拡大率よりも大きい。

0088

[製造方法]
次に、固体撮像素子100bの製造方法について図7A図7Cを参照しながら説明する。図7A図7Cは、固体撮像素子100bの製造方法を説明するための断面図である。

0089

第一積層体26が形成されるまでの工程については、図2A図2Dを用いて説明した工程と同様である。第一積層体26が形成された後、図7Aに示されるように、穴41bが形成される。穴41bは、以下の手順で形成される。

0090

リソグラフィ法により、第一積層体26の一番上のライナ層23の上に、穴41bを形成するためのレジスト膜(図示せず)が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、第一積層体26に穴41bが形成される。固体撮像素子100bの製造においては、穴41bの側面の傾斜角度を第二導波部32の側面の傾斜角度よりも小さくする必要はない。そこで、穴41bの側面の傾斜角度が第二導波部32の側面の傾斜角度と同様に約80°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。

0091

次に、図7Bに示されるように、CVD法を用いて、第一積層体26の最上面、及び、第一積層体26の穴41bを形成する表面にサイドウォール形成膜50が堆積される。サイドウォール形成膜50としては、例えば、オルトケイ酸テトラエチルが用いられる。

0092

次に、図7Cに示されるように、ドライエッチングにより、サイドウォール形成膜50のうち、第一積層体26の最上面に位置する部分、及び、第二導波部32上に位置する部分が完全に除去される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。これにより、穴41bの側方にサイドウォール部50bが形成される。

0093

次に、第一導波部31bが形成される。まず、CVD法により、穴41bに高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路30bの屈折率を高めることができる。その後、CMP法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、図6に示されるように、第一導波部31bが形成される。

0094

以上説明したような製造方法によれば、導波路30bを2段階に分けて形成することで、第一導波部31bの側方にサイドウォール部50bを形成することができる。サイドウォール部50bによれば、サイドウォール部50bにおける反射によって光が導波路30bに導かれるため、光が散乱して積層体20に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部11への集光の効率が向上される。

0095

また、実施の形態2の製造方法においては、穴41bの側面の傾斜角度を第二導波部32の側面の傾斜角度よりも小さくする必要がないためドライエッチングのプロセスを簡素化することができる。

0096

[変形例]
固体撮像素子100bにおいては、サイドウォール部50bは、第一導波部31b及び積層体20の間にのみ設けられた。しかしながら、サイドウォール部50bは、第一導波部31b及び積層体20の間、及び、第二導波部32及び積層体20の間にまたがって位置してもよい。図8は、このような実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子の断面図である。なお、以下の実施の形態2の変形例に係る固体撮像素子100cの説明では、固体撮像素子100bとの相違点を中心に説明が行われ、固体撮像素子100bと同一の構成については詳細な説明が省略される。

0097

図3に示される固体撮像素子100aが備えるサイドウォール部50cは、第一導波部31bの側方、及び、第二導波部32の側方にまたがって位置している。図9A図9Dは、固体撮像素子100cの製造方法を示す断面図である。

0098

まず、図9Aに示されるように、デュアルダマシン法により、積層体20(第一積層体26及び第二積層体27が形成される。次に、図9Bに示されるように、穴40cが形成される。穴40cは、以下の手順で形成される。

0099

リソグラフィ法により、積層体20の一番上のライナ層23の上に、穴40cを形成するためのレジスト膜(図示せず)が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、積層体20に穴40cが形成される。例えば、穴40cの側面の傾斜角度が約80°になるようにエッチング条件が定められる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。

0100

次に、図9Cに示されるように、CVD法を用いて、積層体20の上面、及び、積層体20の穴40cを形成する表面にサイドウォール形成膜50が堆積される。サイドウォール形成膜50としては、例えば、オルトケイ酸テトラエチルが用いられる。

0101

次に、図9Dに示されるように、ドライエッチングにより、サイドウォール形成膜50のうち、積層体20の最上面に位置する部分、及び、穴40cの底を形成する底面上に位置する部分が完全に除去される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF)系のガスが用いられる。これにより、穴40cの側方にサイドウォール部50cが形成される。

0102

次に、導波路30bが形成される。まず、CVD法により、穴40cに高屈折率の絶縁材料が堆積される。高屈折率の絶縁材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または、炭窒化シリコンなどである。これらの材料のうち、窒化シリコンが用いられれば、導波路30bの屈折率を高めることができる。その後、CMP法により、堆積された高屈折率の絶縁材料の表面が平坦化される。この結果、図8に示されるように、導波路30bが形成される。

0103

[効果等]
以上説明したように、固体撮像素子100bは、さらに、第一導波部31b及び積層体20の間に位置する、導波路30bへ光を導入するためのサイドウォール部50bを備える。

0104

このようなサイドウォール部50bによれば、サイドウォール部50bにおける反射によって光が導波路30bに導かれるため、光が散乱して積層体20に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部11への集光の効率が向上される。

0105

また、固体撮像素子100cにおいて、サイドウォール部50cは、第一導波部31b及び積層体20の間、及び、第二導波部32及び積層体20の間にまたがって位置する。

0106

このようなサイドウォール部50cによれば、サイドウォール部50cにおける反射によって光が導波路30bに導かれるため、光が散乱して積層体20に入射してしまうことが抑制される。つまり、光電変換部11への集光の効率が向上される。

0107

また、サイドウォール部50b(または、サイドウォール部50c)は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成される。

0108

このような固体撮像素子100b(または固体撮像素子100c)は、オルトケイ酸テトラエチルによって形成されたサイドウォール部50b(または、サイドウォール部50c)によって、光電変換部11への集光の効率を向上することができる。

0109

(その他の実施の形態)
以上、実施の形態に係る固体撮像素子について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

0110

例えば、上記実施の形態において説明に用いられ数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。

0111

また、上記実施の形態1、実施の形態1の変形例1、実施の形態1の変形例2、実施の形態2、及び、実施の形態2の変形例は、任意に組み合わされてよい。

0112

また、上記実施の形態では、固体撮像素子が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、固体撮像素子が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。

0113

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、固体撮像素子の製造方法として実現されてもよい。

0114

本開示の固体撮像素子は、高い受光感度を有する固体撮像素子として利用できる。

0115

10半導体基板
11光電変換部
12浮遊拡散部
20積層体
21配線層
22層間絶縁膜
23ライナ層
24ビア
25電荷蓄積部
26 第一積層体
27 第二積層体
30、30a、30b導波路
31、31b 第一導波部
32、32a 第二導波部
33 導波路
40c、41、41b、42 穴
50サイドウォール形成膜
50b、50cサイドウォール部
100、100a、100b、100c、100d 固体撮像素子

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