半导体器件的制造方法.pdf

本发明涉及一种半导体器件的制造方法。简化了半导体器件的制造工序。在半导体器件的制造方法中，在具有检测不同颜色光的像素的每个区域(AR)中，在被形成为覆盖光电二极管(PD)的层间绝缘膜(IL)上形成衬层膜(LF1)。然后，形成在穿透衬层膜(LF1)的同时到达层间绝缘膜(IL)的中途点的开口(OP)。形成衬层膜(LF1)使得衬层膜(LF1)的厚度在各个区域(AR)之间改变。在具有薄衬层膜(LF1)的区域中的开口(OP)的底表面的高度位置比具有厚衬层膜(LF1)的区域中的开口(OP)的底表面的高度位置低。

权利要求书1.  一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：(a)在半导体基板的主表面的第一区域中形成第一光电转换元件，所述第一光电转换元件适合接收第一入射光并将所述第一入射光转换成电荷，并且在所述半导体基板的所述主表面的第二区域中形成第二光电转换元件，所述第二光电转换元件适合接收第二入射光并将所述第二入射光转换成电荷，所述第二入射光的颜色不同于所述第一入射光的颜色；(b)在所述第一光电转换元件和所述第二光电转换元件上方形成第一膜；(c)在所述第一膜上方形成第二膜；(d)通过蚀刻所述第二膜和所述第一膜，在所述第一区域中形成第一开口，并且在所述第二区域中形成第二开口，所述第一开口在穿透所述第二膜的同时到达所述第一膜的位于所述第一光电转换元件上方的部分的中途点，所述第二开口在穿透所述第二膜的同时到达所述第一膜的位于所述第二光电转换元件上方的部分的中途点；(e)形成第三膜以用所述第三膜填充所述第一开口和所述第二开口，其中，在所述步骤(e)中，提供第一光波导以将所述第一入射光导向所述第一光电转换元件，所述第一光波导由所述第三膜的填充所述第一开口的部分形成，并且提供第二光波导以将所述第二入射光导向所述第二光电转换元件，所述第二光波导由所述第三膜的填充所述第二开口的部分形成，并且其中，在所述步骤(c)中，形成所述第二膜，使得所述第二膜的位于所述第一区域中的所述第一光电转换元件上方的部分的第一厚度比所述第二膜的位于所述第二区域中的所述第二光电转换元件上方的部分的第二厚度薄，由此所述第一开口的底表面的第一高度位置比所述第二开口的底表面的第二高度位置低。2.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述步骤(c)包括以下步骤：(c1)在所述第一膜上方沉积所述第二膜；并且(c2)在所述步骤(c1)之后，蚀刻所述第二膜，使得所述第一厚度比所述第二厚度薄。3.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，在所述步骤(d)中，当形成所述第一开口时，形成所述第二开口。4.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述第二膜由碳氮化硅制成。5.  根据权利要求4所述的制造半导体器件的方法，其中，在所述步骤(d)中，使用包含氟的气体蚀刻所述第二膜和所述第一膜。6.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，在所述步骤(a)中，在所述半导体基板的所述主表面的第三区域中形成第三光电转换元件，所述第三光电转换元件适合接收第三入射光并将所述第三入射光转换成电荷，所述第三入射光的颜色不同于所述第一入射光和所述第二入射光的颜色，其中，在所述步骤(b)中，在所述第三光电转换元件上方形成所述第一膜，其中，在所述步骤(d)中，在所述第三区域中形成第三开口，以在穿透所述第二膜的同时到达所述第一膜的位于所述第三光电转换元件上方的部分的中途点，其中，在所述步骤(e)中，形成所述第三膜以填充所述第三开口，并且提供第三光波导以将所述第三入射光导向所述第三光电转换元件，所述第三光波导由所述第三膜的填充所述第三开口的部分形成，其中，所述第一入射光的波长比所述第二入射光的波长长，其中，所述第二入射光的波长比所述第三入射光的波长长，其中，在所述步骤(c)中，形成所述第二膜，使得所述第二厚度比所述第二膜的位于所述第三区域中的所述第三光电转换元件上方的部分的第三厚度薄，并且其中，所述第二高度位置比所述第三开口的底表面的第三高度位置低。7.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，进一步包括以下步骤：(f)在所述步骤(c)之后并且在所述步骤(d)之前，在所述第二膜上方形成第四膜，其中，在所述步骤(d)中，蚀刻所述第四膜、所述第二膜和所述第一膜，由此在所述第一区域中形成所述第一开口，以在穿透所述第四膜和所述第二膜的同时到达所述第一膜的位于所述第一光电转换元件上方的部分的中途点，并且在所述第二区域中形成所述第二开口，以在穿透所述第四膜和所述第二膜的同时到达所述第一膜的位于所述第二光电转换元件上方的部分的中途点。8.  根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，其中，所述第二区域与所述第一区域相邻，其中，所述第四膜包括多个绝缘层，并且其中，布线层由位于所述第一开口和所述第二开口之间的所述绝缘层、和形成在位于所述第一开口和所述第二开口之间的所述绝缘层中的任何一个内的布线形成。9.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述第一光电转换元件是第一光电二极管，并且其中，所述第二光电转换元件是第二光电二极管。10.  根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，进一步包括以下步骤：(g)在所述第一光波导上方形成第一滤色片，所述第一滤色片允许所述第一入射光穿过所述第一滤色片，并且在所述第二光波导上方形成第二滤色片，所述第二滤色片允许所述第二入射光穿过所述第二滤色片。11.  根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，其中，所述步骤(d)包括以下步骤：(d1)在所述第四膜上方形成抗蚀膜；(d2)曝光和图案化所述抗蚀膜，并且显影图案化的所述抗蚀膜，从而在所述第一区域中形成在穿透所述抗蚀膜的同时到达所述第四膜的位于所述第一光电转换元件上方的部分的第四开口，并且从而在所述第二区域中形成在穿透所述抗蚀膜的同时到达所述第四膜的位于所述第二光电转换元件上方的部分的第五开口，由此形成由所述抗蚀膜制成的抗蚀图案，在所述抗蚀图案中形成有所述第四开口和所述第五开口；(d3)使用所述抗蚀图案作为掩膜蚀刻所述第四膜、所述第二膜和所述第一膜，从而形成所述第一开口和所述第二开口；并且(d4)通过灰化去除所述抗蚀图案。

说明书半导体器件的制造方法
相关申请的交叉参考
2014年1月8日提出的日本专利申请No.2014-001883的公开包括说明书、附图和摘要，将其全部作为参考并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造方法，尤其涉及可以适合应用于包括例如固态成像元件的半导体器件的制造方法的技术。
背景技术
使用CMOS的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器已发展为用于数码相机等的固态成像元件(在下文中，也简称为成像元件)。该CMOS图像传感器包括用于分别检测光的布置成矩阵的多个像素。每个像素都提供有用于检测每个颜色的例如红、蓝或绿光以产生电荷的光电转换元件，诸如光电二极管。在每个光电二极管上，形成用于透射任意一种不同的特定颜色的诸如红、蓝或绿光的滤色片。穿过滤色片的特定颜色的光进入了光电二极管。
在这种CMOS图像传感器中，为了改善每个像素上的光入射率，增加像素数量和使像素小型化，在每个像素中的光电二极管上形成了光波导。
在日本未审专利申请公布No.2010-212535(专利文献1)中公开的技术中，提供了具有像素阵列的基板，其包括具有用于接收不同颜色的光以执行光的光电转换的光电转换部的多个像素，并且在位于基板上的布线层中形成光波导以将光导入像素的各个光电转换部。
[相关技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]
日本未审专利申请公布No.2010-212535
发明内容
当以这种方式在光电二极管上方形成光波导时，希望在检测每一种颜色光，例如每种红、绿和蓝光的像素中，使光电二极管的光检测效率最大化。另外，为了使检测不同颜色光的各个像素中的光检测效率最大化，希望取决于入射在光电二极管上的光的波长来改变光波导的下表面和相应光电二极管的上表面之间的距离。
具体地，在半导体基板的主表面上形成光电二极管，随后在那之上形成层间绝缘膜和布线层。之后，当通过蚀刻布线层和层间绝缘膜形成用于光波导的开口时，例如，还可以调整蚀刻时间以在检测不同颜色的每个像素中改变开口底表面的高度位置。然而，在这种情况下，在检测不同颜色的每个像素上必须独立执行蚀刻布线层和层间绝缘膜的蚀刻过程，这使得半导体器件的制造工序复杂化。
结合附图，通过本说明书的以下描述，将更清楚地理解本发明的其它问题和新特征。
在根据本发明一个实施例的半导体器件的制造方法中，在检测不同颜色光的每个像素区域中，在包括为了覆盖光电二极管而形成的层间绝缘膜的第一膜上，形成作为衬层膜的第二膜。其后，形成在穿透第二膜的同时到达第一膜的中途点的开口。形成第二膜使得在区域之间改变第二膜的厚度。具有薄第二膜的区域中的开口底表面的高度位置比具有厚第二膜的区域中的开口底表面的高度位置低。
根据本发明的实施例，可以简化半导体器件的制造工序。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的半导体器件结构的横截面图；
图2是示出该实施例中半导体器件的部分制造步骤的制造工艺流程图；
图3是该实施例中半导体器件的一个制造步骤的主要部分的横截面图；
图4是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图5是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图6是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图7是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图8是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图9是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图10是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图11是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图12是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图13是该实施例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图14是示出比较实例中半导体器件的部分制造步骤的制造工艺流程图；
图15是该比较实例中半导体器件的一个制造步骤的主要部分的横截面图；
图16是该比较实例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；
图17是该比较实例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图；和
图18是该比较实例中半导体器件的另一制造步骤的主要部分的横截面图。
具体实施方式
如果有必要，为了方便，下面通过将其分成多个部分或实施例描述本发明的以下优选实施例，它们并非彼此独立，除非另有规定。一个部分或实施例可以是其他部分或实施例的一部分或所有的改良的实例、详细描述或者补充说明。
即使当提及下面实施例中的元件等的具体数字时(包括元件数目、数值、数量、范围等)，本发明也不限制于该具体数字，并且可以采用大于或小于具体数字的数字，除非另有规定，或者除了原则上限制于具体数字以外。
显然，下面实施例中的部件(包括步骤)并非是必不可少的，除非另有规定，或者除了原则上明确认为是必不可少的之外。同样地，当在下面实施例中提及一个部件的形状或者部件之间的位置关系时，基本上类似于或者接近于本文中描述的任何形状或者位置关系都可以包括在本发明中，除非另有规定，或者除原则上明确认为不是这样之外。同样发生于上述数值和范围。
下面将基于附图详细描述本发明的典型优选实施例。在说明实施例的所有附图中，具有相同功能的构件用相同或者类似的参考字符标示，并且将省略其重复的描述。在下面的实施例中，除非绝对必要， 否则原则上将不再重复描述相同或者类似的部分。
在实施例所使用的附图中，为了更好理解，甚至一些横截面图可以省略影线。
优选实施例
<半导体器件的结构>
首先，将描述作为该发明一个实施例中的半导体器件的成像元件的结构。图1示出了一个实施例中的半导体器件结构的横截面图。
作为本实施例的半导体器件的成像元件包括用于检测不同颜色的光的多种像素。
如图1所示，作为本实施例的半导体器件的成像元件包括由例如单晶硅(Si)等制成的半导体基板SB。该半导体基板SB在作为其主表面的上表面具有形成像素的多个区域AR。各个区域AR在作为半导体基板SB主面的上表面或平面内的第一方向上，以及在作为半导体基板SB主面的上表面内的与第一方向相交的第二方向上，布置成矩阵。即，半导体基板SB具有像素区域，其中形成像素的区域AR在作为半导体基板SB主表面的上表面上布置成矩阵。
每个区域AR都提供有充当成像元件的光接收部的像素。因此，像素在作为半导体基板SB主表面的上表面内的第一方向上，以及在作为半导体基板SB主表面的上表面内的与第一方向相交的第二方向上，布置成矩阵。
注意，半导体基板SB在作为半导体基板SB主表面的上表面上可以具有与像素区域并排布置的外围电路区域(未示出)。该外围电路区域包括的不是光接收部，而是例如用于能以高速操作的开关等的晶体管，它上方的布线层等。
每个区域AR都包括形成每个像素的光电二极管PD、转移晶体管TX、放大晶体管等。光电二极管PD是接收入射光以将光转换成电荷的光电转换元件。转移晶体管TX是转移由光电二极管转换入射光产生的电荷的晶体管。每个像素还包括位于光电二极管PD上方的部分，即，随后描述的光波导WG和滤色片CF。
具有引入的诸如硼(B)的p型杂质的p型半导层PW横跨区域AR形成在半导体基板SB的上表面一侧上。另一方面，在每个区域AR中，具有引入的诸如磷(P)或者砷(As)的n型杂质的n型半导体层NW形成在p型半导体层PW的上层部分中。因此，在每个区域AR中，p型半导体层PW直接形成在n型半导体层NW的下面。p型半导体层PW和n型半导体层NW形成p-n结，从而配置光电二极管PD。
例如，光电二极管PDr在作为半导体基板SB主表面的上表面处形成在形成红(R)光入射的像素的区域ARr中。光电二极管PDg在作为半导体基板SB主表面的上表面处形成在形成绿(G)光入射的像素的区域ARg中。光电二极管PDb在作为半导体基板SB主表面的上表面处形成在形成蓝(B)光入射的像素的区域ARb中。光电二极管PDr是接收红(R)入射光以将该光转换成电荷的光电转换元件。光电二极管PDg是接收绿(G)入射光以将该光转换成电荷的光电转换元件。光电二极管PDb是接收蓝(B)入射光以将该光转换成电荷的光电转换元件。
由例如多晶硅膜制成的栅电极GE经由由例如氧化硅膜制成的栅极绝缘膜GI形成在半导体基板SB的上表面上。由例如氧化硅膜制成的侧壁SW形成在每个栅电极GE的侧表面上。栅电极GE是转移晶体管TX的栅电极。另一方面，包括在光电二极管PD中的n型半导体层NW还充当转移晶体管TX的源区。
图1省略了转移晶体管TX的漏区的示例。光电二极管PD经由转移晶体管TX耦合到晶体管，诸如用于放大从光电二极管PD输出的信号的放大晶体管。在这里，图1仅示出了转移晶体管TX，并省略了元件隔离区等的示例。
在每个区域ARr、ARg和ARb中，由例如氧化硅膜制成的层间绝缘膜IL形成在半导体基板SB的上表面上以覆盖光电二极管PD和转移晶体管TX。层间绝缘膜IL的上表面通过化学机械抛光(CMP)方法等平坦化。
位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILr。位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILg。位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILb。
即，部分ILr是位于区域ARr中的光电二极管PDr上的部分层间绝缘膜IL。部分ILg是位于区域ARg中的光电二极管PDg上的部分层间绝缘膜IL。部分ILb是位于区域ARb中的光电二极管PDb上的部分层间绝缘膜IL。
由例如氮化硅膜制成的帽盖绝缘膜CAP可以形成在光电二极管PD的上表面、栅电极GE的上表面和在栅电极GE的侧表面形成的侧壁SW的表面上。这样，层间绝缘膜IL经由帽盖绝缘膜CAP形成在光电二极管PD和转移晶体管TX上。
在形成层间绝缘膜IL之后，可以形成多个接触插塞(未示出)以通过层间绝缘膜IL到达半导体基板SB。这样，接触插塞的上表面和层间绝缘膜IL的上表面通过CMP方法等平坦化。
由例如碳氮化硅膜(SiCN)的绝缘膜制成的衬层膜LF1形成在层 间绝缘膜IL1上。衬层膜LF1是用于保护层间绝缘膜IL的保护膜。
位于区域ARr中的层间绝缘膜IL的部分ILr上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1r。位于区域ARg中的层间绝缘膜IL的部分ILg上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1g。位于区域ARb中的层间绝缘膜IL的部分ILb上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1b。
即，部分LF1r是位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的衬层膜LF1。部分LF1g是位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的衬层膜LF1。部分LF1b是位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的衬层膜LF1。
部分LF1r的厚度THr、部分LF1g的厚度THg和部分LF1b的厚度THb互不相同。因此，当在其厚度方向上通过蚀刻从衬层膜LF3到衬层膜LF1的各个层形成到达层间绝缘膜IL的中途点的开口OP时，在区域ARr、Arg和Arb之间，能够改变开口OP底表面的高度位置。
具体地，区域ARr上的红入射光的波长比区域Arg上的绿入射光的波长长。区域ARg上的绿入射光的波长比区域Arb上的蓝入射光的波长长。此时，部分LF1r的厚度THr小于部分LF1g的厚度THg，部分LF1g的厚度THg小于部分LF1b的厚度THb。因此，当在其厚度方向上通过蚀刻从衬层膜LF3到衬层膜LF1的各个层形成到达层间绝缘膜IL中途点的开口OP时，在各个区域ARr、Arg和Arb之间，能够随入射光波长的增加而减小开口OP底表面的高度位置。
由例如氧化硅(SiO2)膜制成的层间绝缘膜IL1形成在衬层膜LF1上。
在各个邻近区域ARr、Arg和Arb之间，层间绝缘膜IL1和衬层 膜LF1提供有穿透层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的多个布线沟槽。例如，在每个布线沟槽中嵌入铜(Cu)膜，从而在每个布线沟槽内形成布线M1。布线M1经由接触插塞电耦合到形成在半导体基板SB的上表面的半导体元件，诸如光电二极管PD或者转移晶体管TX。
衬层膜LF1、层间绝缘膜IL1和布线M1形成了第一布线层。
布线M1形成在各个区域AR之间，由此当光进入形成在各个区域AR中的光电二极管PD时，能够防止或者抑制入射光被布线M1挡住。布线M1和层间绝缘膜IL1的各个上表面可以通过CMP方法等平坦化。
衬层膜LF2形成在层间绝缘膜IL1和布线M1的上。衬层膜LF2由叠层绝缘膜形成，该叠层绝缘膜包括由例如碳氮化硅(SiCN)膜制成的绝缘膜LF21，和由例如含氧碳化硅(SiCO)膜制成的绝缘膜LF22。衬层膜LF2是用于保护层间绝缘膜IL1和布线M1的保护膜。替代地，衬层膜LF2是用于防止布线M1中包括的例如铜(Cu)的材料扩散的扩散防止膜。
由例如含碳氧化硅(SiOC)膜制成的层间绝缘膜IL2形成在衬层膜LF2上方。
在各个邻近区域ARr、Arg和Arb之间，层间绝缘膜IL2在层间绝缘膜IL2的上表面上具有多个布线沟槽。在每个布线沟槽的底表面形成穿透层间绝缘膜IL2的多个通路孔(via hole)(未示出)。例如，在各个布线沟槽和通路孔中嵌入铜(Cu)膜，由此在该布线沟槽中形成布线M2，并且在该通路孔中形成通路(via)(未示出)。布线M2经由该通路电耦合到布线M1。
衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2、布线M2和上述通路(未示出)形 成了第二布线层。
布线M2形成在各个区域AR之间。当光进入形成在各个区域AR中的每一个的光电二极管PD时，能够防止或者抑制入射光被布线M2挡住。布线M2和层间绝缘膜IL2的各个上表面可以通过CMP方法等平坦化。
衬层膜LF3形成在层间绝缘膜IL2和布线M2上。衬层膜LF3由叠层绝缘膜形成，该叠层绝缘膜包括由例如碳氮化硅(SiCN)膜制成的绝缘膜LF31和由例如含氧碳化硅(SiCO)膜制成的绝缘膜LF32。衬层膜LF3是用于保护层间绝缘膜IL2和布线M2的保护膜。替代地，衬层膜LF3是用于防止布线M2中包括的例如铜(Cu)的材料扩散的扩散防止膜。
通过这样的方式，依次从下侧到上侧在半导体基板SB上形成：包括衬层膜LF1、层间绝缘膜IL1和布线M1的第一布线层，包括层间衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2和布线M2的第二布线层，以及衬层膜LF3。在衬层膜LF1下面形成的层间绝缘膜IL和帽盖绝缘膜CAP在下文中称为下层膜LLF。形成在衬层膜LF1上方的层间绝缘膜IL1、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2和衬层膜LF3在下文中称为上层膜ULF。此时，下层膜LLF、衬层膜LF1和上层膜ULF依次从下侧到上侧形成在半导体基板SB上。
现在，将给出实例的描述，其中在各个区域ARr、Arg和Arb之间改变在第一布线层中包括的衬层膜LF1的厚度，并且在各个区域ARr、Arg和Arb之间改变开口OP底表面的高度位置。然而，在各个区域ARr、Arg和Arb之间，可以改变在任一布线层中包括的衬层膜的厚度，因此通过该衬层膜可以改变在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OP底表面的高度位置。因此，在各个区域ARr、Arg和Arb之间改变在第二布线层中包括的衬层膜LF2的厚度，并且在各个 区域ARr、Arg和Arb之间还可以改变开口OP底表面的高度。
替代地，在各个区域ARr、Arg和Arb之间改变衬层膜LF3的厚度，以便在各个区域ARr、Arg和Arb之间还可以改变开口OP底表面的高度。此时，在穿透具有不同厚度的各个衬层膜时，在各个衬层膜下面形成在厚度方向上到达下层膜中途点的开口。
在每个区域AR中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL的中途点的开口OP。
例如，在区域ARr中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、和层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OPr。在区域ARg中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OPg。在区域ARb中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OPb。
当高度位置HPr为开口OPr底表面的高度位置、高度位置HPg为开口OPg底表面的高度位置以及高度位置HPb为开口OPb底表面的高度位置时，高度位置HPr、HPg和HPb互不相同。优选地，高度位置HPr低于高度位置HPg，高度位置HPg低于高度位置HPb。这样，在各个像素中可调整从光波导WG的下表面到光电二极管PD的上表面的距离，用于检测不同颜色的光。
由例如氮化硅膜制成的绝缘膜IL3形成在包括开口OP内部的衬层膜LF3上，由此开口OP的内部填充有绝缘膜IL3。因此，在区域AR中，将入射光导向光电二极管PD的光波导WG形成在光电二极管PD 的上方。光波导WG由嵌入开口OP中的绝缘膜IL3制成。
例如，在区域ARr中，将红(R)入射光导向光电二极管PDr的光波导WGr形成在光电二极管PDr上方。光波导WGr由嵌入开口OPr中的绝缘膜IL3制成。在区域ARg中，将绿(G)入射光导向光电二极管PDg的光波导WGg形成在光电二极管PDg上方。光波导WGg由嵌入开口OPg中的绝缘膜IL3制成。在区域ARb中，将蓝(R)入射光导向光电二极管PDb的光波导WGb形成在光电二极管PDb上方。光波导WGb由嵌入开口OPb中的绝缘膜IL3制成。
由例如氮化硅膜制成的光波导WG的折射率比较大，例如，约为1.97。这样，光波导WG的折射率可以高于光波导WG周围布线层的平均折射率，其允许在不使光衰减太多的情况下，将入射在光波导WG上的光通过微透镜ML和滤色片CF导向光电二极管PD。
在区域ARr、Arg和Arb之间，由例如氧化硅膜制成的屏蔽墙BW形成在相应的光波导WG上方。
滤色片CF形成在相邻的屏蔽墙BW之间。滤色片CF是透射特定颜色诸如红(R)、绿(G)或者蓝(B)光，而不透射其它颜色的光的滤波器。换句话说，滤色片CF是透射具有特定范围波长的光，而不透射其它波长的光的滤波器。因此，滤色片CF是在以例如红(R)、绿(G)或者蓝(B)的每个颜色成色的膜。
在区域ARr中，红色滤色片CFr形成在邻近屏蔽墙BW之间。在区域ARg中，绿色滤色片CFg形成在邻近屏蔽墙BW之间。在区域ARb中，蓝色滤色片CFb形成在邻近屏蔽墙BW之间。
作为本实施例的半导体器件的成像元件使光电二极管PD接收入射在具有由半导体基板SB的主表面侧或者上表面侧形成的像素的区 域AR上的光，然后将入射光转换成电荷，并读取转换的电荷作为信号信息，从而得到图像信息数据等。施加于区域AR的光入射在滤色片CF的上表面上，然后在穿透滤色片CF、光波导WG和层间绝缘膜IL的同时进入光电二极管PD。
如图1所示，在区域ARr、Arg和Arb的每个中，其上表面具有凸曲面的微透镜ML可以形成在滤色片CF的上方。微透镜ML是具有弧形上表面的凸透镜，并且由能够经由它透射光的膜制成。微透镜ML允许将施加于具有由半导体基板SB的主表面侧或者上表面侧形成的每个像素的区域AR的光，经由滤色片CF、光波导WG和层间绝缘膜IL聚集到光电二极管PD上。
<半导体器件的制造方法>
接着，在下面将描述本实施例中的半导体器件的制造方法。图2是示出本实施例中的半导体器件的部分制造步骤的制造工艺流程图。图3至13是示出本实施例中的半导体器件的其它制造步骤的主要部分的横截面图。
首先，形成光电二极管PD(在图2的步骤S11中)。在步骤S11中，首先如图3所示，提供由例如单晶硅(Si)制成的半导体基板SB。半导体基板SB具有在作为其主表面的上表面上形成像素的多个区域AR。各个区域AR在作为半导体基板SB主表面的上表面或者平面内的第一方向上，以及在作为半导体基板SB主表面的上表面内的与第一方向相交的第二方向上布置成矩阵。即，半导体基板SB在作为其主表面的上表面上具有像素区域，其中形成像素的区域AR布置成矩阵。
每个区域AR都提供有充当成像元件的光接收部的像素。因此，像素在作为半导体基板SB主表面的上表面内的第一方向上，以及作为半导体基板SB主表面的上表面内的与第一方向相交的第二方向上，布置成矩阵。
注意，半导体基板SB在作为半导体基板SB主表面的上表面上可以具有与像素区域一起布置的外围电路区域(未示出)。该外围电路区域包括的不是光接收部，而是例如用于能以高速操作的开关等的晶体管，它上面的布线层，等。
之后，在各个区域AR中形成包括各个像素的光电二极管PD、转移晶体管TX和放大晶体管。
横跨区域AR在半导体基板SB的上表面一侧上形成具有引入的诸如硼(B)的p型杂质的p型半导层PW。另一方面，在每个区域AR中，在p型半导体层PW的上层部分中形成具有引入诸如磷(P)或者砷(As)的n型杂质的n型半导体层NW。因此，在每个区域AR中，p型半导体层PW直接形成在n型半导体层NW的下面。p型半导体层PW和n型半导体层NW形成p-n结，从而配置光电二极管PD。
例如，在作为半导体基板SB主表面的上表面形成红(R)光入射的像素区域ARr中形成光电二极管PDr。在作为半导体基板SB主表面的上表面形成绿(G)光入射的像素区域ARg中形成光电二极管PDg。在作为半导体基板SB主表面的上表面形成蓝(B)光入射的像素区域ARb中形成光电二极管PDb。
经由由例如氧化硅膜制成的栅极绝缘膜GI在半导体基板SB的上表面上形成由例如多晶硅膜制成的栅电极GE。在每个栅电极GE的侧表面上形成由例如氧化硅膜制成的侧壁SW。栅电极GE是转移晶体管TX的栅电极。另一方面，包括在光电二极管PD中的n型半导体层NW还充当转移晶体管TX的源区。
图3省略了转移晶体管TX的漏区的示例。光电二极管PD经由转移晶体管TX耦合到晶体管，诸如放大从光电二极管PD输出的信号的 放大晶体管。这里，图3仅示出了转移晶体管TX，并省略了元件隔离区域等的示例。
之后，形成层间绝缘膜IL(在图2的步骤S12中)。在步骤S12中，如图4所示，例如通过化学气相沉积(CVD)法，在半导体基板SB的上表面上形成由例如氧化硅膜制成的层间绝缘膜IL，以在每个区域AR中覆盖包括光电二极管PD和转移晶体管TX的半导体元件。另外，层间绝缘膜IL的上表面通过CMP方法等平坦化。
位于区域ARr中的光电二极管PDr上的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILr。位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILg。位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的部分层间绝缘膜IL在下文中称为部分ILb。
即，部分ILr是位于区域ARr中的光电二极管PDr上的部分层间绝缘膜IL。部分ILg是位于区域ARg中的光电二极管PDg上的部分层间绝缘膜IL。部分ILb是位于区域ARb中的光电二极管PDb上的部分层间绝缘膜IL。
在光电二极管PD的上表面、栅电极GE的上表面和在栅电极GE的侧表面形成的侧壁SW表面上，可以形成由例如氮化硅膜制成的帽盖绝缘膜CAP。这样，经由帽盖绝缘膜CAP在光电二极管PD和转移晶体管TX上形成了层间绝缘膜IL。
在形成层间绝缘膜IL之后，可以形成在穿透层间绝缘膜IL的同时到达半导体基板SB的接触孔(未示出)。在各个接触孔中可以嵌入金属膜，由此形成由在各个接触孔中嵌入的金属膜制成的多个接触插塞(未示出)。这样，接触插塞的上表面和层间绝缘膜IL的上表面通过CMP方法等平坦化。
之后，沉积衬层膜LF1(在图2的步骤S13中)。在步骤S13中，如图5所示，在层间绝缘膜IL上沉积由例如碳氮化硅膜(SiCN)的绝缘膜制成的衬层膜LF1。衬层膜LF1是用于保护例如层间绝缘膜IL的保护膜。此时衬层膜LF1的厚度，即衬层膜LF1的初始厚度在下文中称为厚度TH。
位于区域ARr中的层间绝缘膜IL的部分ILr上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1r。位于区域ARg中的层间绝缘膜IL的部分ILg上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1g。位于区域ARb中的层间绝缘膜IL的部分ILb上方的部分衬层膜LF1在下文中称为部分LF1b。
即，部分LF1r是位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的衬层膜LF1。部分LF1g是位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的衬层膜LF1。部分LF1b是位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的衬层膜LF1。
在步骤S13中，当沉积由例如SiCN膜制成的衬层膜LF1时，可以通过优选使用四甲基硅烷(TMS)气体和氨气(NH3)作为原材料气体的CVD方法，沉积衬层膜LF1。使用的CVD方法可以优选是高密度等离子体(HDP)CVD方法。
之后，蚀刻衬层膜LF1(在图2的步骤S14中)。在步骤S14中，首先，如图6所示，通过光刻和蚀刻，蚀刻区域ARr中的衬层膜LF1，以使位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr薄于衬层膜LF1的初始厚度TH。
通过在其上涂布抗蚀溶液，在衬层膜LF1上形成抗蚀膜RS1，并且通过光使由此形成的抗蚀膜RS1曝光和图案化，之后显影。这样，在区域ARr中，形成在穿透抗蚀膜RS1的同时到达位于光电二极管PDr 上方的部分衬层膜LF1的开口OR1。结果，形成其中形成有开口OR1的由抗蚀膜RS1制成的抗蚀图案RP1。在开口OR1的底表面暴露出衬层膜LF1的上表面。在区域ARg和ARb中且在邻近区域ARr、ARg和ARb之间，用抗蚀膜RS1覆盖衬层膜LF1。
此后，使用抗蚀图案RP1作为掩膜，蚀刻在抗蚀图案RP1的开口OR1的底表面暴露的部分衬层膜LF1。因此，位于光电二极管PDr上方的衬层膜LF1的厚度THr，即，衬层膜LF1的部分LF1r的厚度THr薄于衬层膜LF1的初始厚度TH。例如，可以通过使用蚀刻气体的干法蚀刻蚀刻衬层膜LF1。使用的蚀刻气体优选包括氟化碳(碳氟化合物)气体，诸如四氟化碳(CF4)气体或者三氟甲烷(CHF3)气体，和含氟的气体，诸如三氟化氮(NF3)气体或者六氟化硫(SF6)气体。在它们之中，更优选使用CF4气体或者NF3气体。
此后，例如，通过使用氧等离子体灰化，去除抗蚀图案RP1。
接着，在步骤S14中，如图7所示，通过光刻和蚀刻，蚀刻区域ARg中的衬层膜LF1，以使位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg薄于衬层膜LF1的初始厚度TH。此时，通过光刻和蚀刻，蚀刻区域ARg中的衬层膜LF1，以使位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr薄于位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg。
通过在其上涂布抗蚀溶液，在衬层膜LF1上形成抗蚀膜RS2，并且使由此形成的抗蚀膜RS1曝光和图案化，之后显影。这样，在区域ARg中，形成在穿透抗蚀膜RS2的同时到达位于光电二极管PDg上方的衬层膜LF1的开口OR1。结果，由抗蚀膜RS2制成的抗蚀图案RP2形成有形成于其中的开口OR2。在开口OR2的底表面暴露出衬层膜LF1的上表面。在区域ARg和ARb中且在邻近区域ARr、ARg和ARb之间，用抗蚀膜RS2覆盖衬层膜LF1。
此后，使用抗蚀图案RP2作为掩膜，蚀刻在抗蚀图案RP2的开口OR2底表面暴露的部分衬层膜LF1。这时，执行蚀刻以便使位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg，即，衬层膜LF1的部分LF1g的厚度THg比衬层膜LF1的初始厚度TH薄，并且比位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr厚。例如，可以通过使用蚀刻气体的干法蚀刻来蚀刻衬层膜LF1。此时使用的蚀刻气体可以与在蚀刻区域ARg的衬层膜LF1中使用的蚀刻气体相同。
此后，例如，通过使用氧等离子体灰化，去除抗蚀图案RP2。
当在步骤S14之后得到的衬层膜LF1的部分LF1b的厚度为厚度THb时，厚度THb等于厚度TH。因此，厚度THr比厚度THg薄，且厚度THg比厚度THb薄。即，当入射在区域ARr上的光的波长比入射在区域Arg上的光的波长长时，优选地，位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr比位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg薄。当入射在区域ARg上的光的波长比入射在区域Arb上的光的波长长时，优选地，位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg比位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF1的厚度THb薄。
可以以任意顺序执行区域ARr中的衬层膜LF1的蚀刻和区域ARg中的衬层膜LF1的蚀刻。
在本实施例示出的实例中，没有蚀刻区域ARb中的衬层膜LF1。然而，只要各个区域ARr、Arg和Arb中的衬层膜LF1的厚度THr、THg和THb之间满足所需大小关系，就可以蚀刻区域Arb中的衬层膜LF1。这样，可以以任意顺序执行区域ARr中的衬层膜LF1的蚀刻、区域ARg中的衬层膜LF1的蚀刻和区域ARb中的衬层膜LF1的蚀刻。
另外，在本实施例中，在沉积衬层膜LF1之后，蚀刻衬层膜LF1以便使厚度THr比厚度THg薄，并且使厚度THg比厚度THb薄。然而，替代地，当沉积衬层膜LF1时，可以在改变每个区域ARr、Arg和Arb中的沉积时间的同时，在没有任何蚀刻的情况下通过沉积衬层膜LF1形成衬层膜LF1，以便使厚度THr比厚度THg薄，并且使厚度THg比厚度THb薄。
接着，形成层间绝缘膜IL1和布线M1(在步骤S15中)。如图8所示，在步骤S15中，通过使用例如原硅酸四乙酯(TEOS)气体作为原材料气体的CVD方法，在衬层膜LF1上形成由例如氧化硅(SiO2)膜制成的层间绝缘膜IL1。这样，在区域ARr、Arg和Arb中的衬层膜LF1上形成了层间绝缘膜IL1。
然后，使用所谓的单镶嵌法，在位于层间绝缘膜IL1的上表面中的布线沟槽中，形成嵌入的布线M1。
如图8所示，首先，通过光刻和蚀刻图案化层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1，以便在各个邻近区域ARr、Arg和Arb之间形成穿透层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的多个布线沟槽。
当图案化层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1时，可以通过使用包含例如氟化碳(碳氟化合物)气体的气体作为蚀刻气体的干法蚀刻，蚀刻层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1。
此后，如图8所示，例如，在每个布线沟槽中嵌入铜(Cu)膜，由此在邻近区域ARr、Arg和Arb之间的每个布线沟槽中形成布线M1。布线M1经由接触插塞电耦合到形成在半导体基板SB上表面上的半导体元件，诸如光电二极管PD或者转移晶体管TX。
衬层膜LF1、层间绝缘膜IL1和布线M1形成了第一布线层。
在各个区域AR之间的区域中形成布线M1，这能够防止或者抑制当光进入形成在每个区域AR中的光电二极管PD时，入射光被布线M1挡住。布线M1和层间绝缘膜IL1的各个上表面通过CMP方法等平坦化。
然后，形成衬层膜LF2(在图2的步骤S16中)。在步骤S16中，如图9所示，在层间绝缘膜IL1和布线M1上方形成衬层膜LF2。衬层膜LF2是包括由例如碳氮化硅(SiCN)膜形成的绝缘膜LF21，和由例如含氧碳化硅(SiCO)膜形成的绝缘膜LF22的叠层绝缘膜。这样，在区域ARr、Arg和Arb中的层间绝缘膜IL1和布线M1上形成了衬层膜LF2。衬层膜LF2充当用于保护层间绝缘膜IL2的保护膜。替代地，衬层膜LF2充当用于防止布线M1中包括的例如铜(Cu)的材料扩散的扩散防止膜。
在步骤S16中，首先，形成由例如SiCN膜制成的绝缘膜LF21。此时，和步骤S13一样，优选可以通过使用TMS气体和氨气(NH3)作为原材料气体的CVD方法，形成绝缘膜LF21。
随后，形成由例如SiCO膜制成的绝缘膜LF22。此时，可以通过例如TMS气体作为原材料气体的CVD方法，形成绝缘膜LF22。SiCO膜由作为耦合氧(O)的主要成分的碳化硅(SiC)膜形成。
接着，形成层间绝缘膜IL2和布线M2(在步骤S17中)。如图10所示，在步骤S17中，通过使用三甲基硅烷(SiH(CH3)3)气体和氧气(O2)作为原材料气体的CVD方法，在衬层膜LF2上形成由含碳氧化硅(SiOC)膜制成的层间绝缘膜IL2。这样，在区域ARr、Arg和Arb中的衬层膜LF2上形成了层间绝缘膜IL2。
SiOC膜由作为含碳(C)的主要成分的氧化硅(SiO)膜形成。因 此，与其氧含量相关的SiOC膜的碳含量小于与其氧含量相关的SiCO膜的碳含量。
然后，通过所谓的双镶嵌法，形成在层间绝缘膜IL2的上表面的布线沟槽中嵌入的布线M2，和直接位于布线M2下面的用于耦合布线M2和M1的通路(未示出)。
首先，如图10所示，使用光刻和蚀刻图案化层间绝缘膜IL2。因此，在邻近区域ARr、Arg和Arb之间的层间绝缘膜IL2的上表面上形成多个布线沟槽，并且在布线沟槽的底表面形成穿透层间绝缘膜IL2的多个通路孔(未示出)。
在图案化层间绝缘膜IL2的步骤中，例如，可以通过使用包含氟化碳(碳氟化合物)气体的气体作为蚀刻气体的干法蚀刻，来蚀刻层间绝缘膜IL2。
此后，如图10所示，例如，在每个布线沟槽和通路中嵌入铜(Cu)膜，由此在邻近区域ARr、Arg和Arb之间为布线沟槽形成布线M2和为每个通路孔形成通路(未示出)。经由通路将布线M2电耦合到布线M1。
衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2、布线M2和上述通路(未示出)形成了第二布线层。
在各个区域AR之间的区域中形成布线M2，其能够防止或者抑制当光进入形成在每个区域AR中的光电二极管PD时，入射光被布线M2挡住。布线M2和层间绝缘膜IL1的各个上表面通过CMP方法等平坦化。
然后，沉积衬层膜LF3(在图2的步骤S18中)。和步骤S17一样， 在步骤S18中，如图11所示，例如，通过CVD方法在层间绝缘膜IL2上形成衬层膜LF3。衬层膜LF3是包括由例如碳氮化硅(SiCN)膜形成的绝缘膜LF31，和由例如含氧碳化硅(SiCO)膜形成的绝缘膜LF32的叠层绝缘膜。这样，在各个区域ARr、Arg和Arb中的层间绝缘膜IL2和布线M2上形成了衬层膜LF3。衬层膜LF3充当用于保护层间绝缘膜IL2的保护膜。替代地，衬层膜LF3充当用于防止布线M2中包含的例如铜(Cu)的材料扩散的扩散防止膜。
然后，形成开口OP(在图2的步骤S19)。在步骤S19中，如图12所示，在区域AR中，通过光刻和蚀刻图案化衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。因此，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OP。
具体地，在区域ARr中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL的中途点的开口OPr。在区域ARg中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL的中途点的开口OPg。在区域ARb中，形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1时，在厚度方向上到达层间绝缘膜IL的中途点的开口OPb。
在步骤S19中，首先，通过在其上涂布抗蚀溶液在衬层膜LF3上形成抗蚀膜RS3，并且通过光使由此形成的抗蚀膜RS1曝光和图案化，之后显影。形成通过抗蚀膜RS3到达位于光电二极管PD上方的部分衬层膜LF3的开口OR3。因此，抗蚀图案RP3由其中形成有开口OR3的抗蚀膜RS2形成。
例如，在区域ARr中，形成通过抗蚀膜RS3到达位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF3的开口OR3r。在区域ARg中，形成通过抗蚀膜RS3到达位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF3的开口OR3g。在区域ARb中，形成通过抗蚀膜RS3到达位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF3的开口OR3b。因此，形成由具有开口OR3r、OR3g和OR3b的抗蚀膜RS3制成的抗蚀图案RP3。
在每个开口OR3r、OR3g和OR3b的底表面中暴露出衬层膜LF3的上表面。在相邻区域ARr、ARg和ARb之间用抗蚀膜RS3覆盖衬层膜LF3。
此后，使用抗蚀图案RP3作为掩膜，蚀刻在抗蚀图案RP3的开口OR3底部暴露的部分衬层膜LF3，和在衬层膜LF3下面的部分层间绝缘膜IL2。因此，形成在穿透位于光电二极管PD上方的部分衬层膜LF3和层间绝缘膜IL2的同时，到达位于光电二极管PD上方的部分衬层膜LF2上表面的开口。例如，可以通过使用蚀刻气体的干法蚀刻来蚀刻衬层膜LF3和层间绝缘膜IL2。使用的蚀刻气体优选包括氟化碳(碳氟化合物)气体，诸如四氟化碳(CF4)气体或者三氟甲烷(CHF3)气体，和含氟的气体，诸如三氟化氮(NF3)气体或者六氟化硫(SF6)气体。在它们之中，更优选使用CF4气体或者NF3气体。
例如，在区域ARr中，蚀刻在开口OR3r底表面暴露的部分衬层膜LF3，和位于其下面的部分层间绝缘膜IL2。这样，形成在穿透位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF3和层间绝缘膜IL2的同时，到达位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF2上表面的开口。
在区域ARg中，蚀刻在开口OR3g的底表面暴露的部分衬层膜LF3，和位于其下面的部分层间绝缘膜IL2。这样，形成在穿透位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF3和层间绝缘膜IL2的同时，到达位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF2上表面的开口。
在区域ARb中，蚀刻在开口OR3b底表面暴露的部分衬层膜LF3，和位于其下面的部分层间绝缘膜IL2。这样，形成在穿透位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF3和层间绝缘膜IL2的同时，到达位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF2上表面的开口。
在蚀刻时，当蚀刻由例如SiOC膜制成的层间绝缘膜IL2时，由例如SiCN膜制成的绝缘膜LF21和由例如SiCO膜制成的绝缘膜LF22构成的衬层膜LF2充当蚀刻停止膜。即作为层间绝缘膜IL2的蚀刻速率与衬层膜LF2的蚀刻速率的比率的蚀刻选择比大于1。因此，一旦开口通过层间绝缘膜IL2到达衬层膜LF2的上表面，就能以高的精度停止蚀刻。
此后，蚀刻在开口底表面暴露的部分衬层膜LF2、和位于部分衬层LF2下面的层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。因此，形成在穿透位于光电二极管PD上方的部分衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PD上方的部分层间绝缘膜IL中途点的开口OP。例如，可以通过使用蚀刻气体的干法蚀刻来蚀刻衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1。使用的蚀刻气体优选包括氟化碳(碳氟化合物)气体，诸如四氟化碳(CF4)气体或者三氟甲烷(CHF3)气体，和含氟的气体，诸如三氟化氮(NF3)气体或者六氟化硫(SF6)气体。在它们之中，更优选使用CF4气体或者NF3气体。
例如，在区域ARr中，蚀刻在开口底表面暴露的部分衬层膜LF2、和位于其下面的部分层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。因此，在区域ARr中，形成在穿透位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PDr上方的层间绝缘膜IL中途点的开口OPr。
在区域ARg中，蚀刻在开口底表面暴露的部分衬层膜LF2、和位于其下面的部分层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。因此，在区域ARg中，形成在穿透位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PDg上方的层间绝缘膜IL中途点的开口OPg。
在区域ARb中，蚀刻在开口底表面暴露的部分衬层膜LF2、和位于其下面的部分层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。因此，在区域ARb中，形成在穿透位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PDb上方的层间绝缘膜IL中途点的开口OPb。
在同一蚀刻步骤中，可以连续执行从衬层膜LF3到层间绝缘膜IL的各个层的蚀刻。替代地，如上所述，例如，在衬层膜LF2的上表面暂时停止该蚀刻。这样，还可以将该蚀刻分成多个蚀刻步骤。
位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr、位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg和位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF1的厚度THb互不相同。当蚀刻由例如氧化硅膜制成的层间绝缘膜IL1时，由例如SiCN膜制成的衬层膜LF1充当蚀刻停止膜。在各个区域ARr、ARg和ARb之间，蚀刻衬层膜LF1的所需时间，即，开口OP从其上表面到其下表面穿透衬层膜LF1的所需时间可以互不相同。当高度位置HPr为开口OPr底表面的高度位置、高度位置HPg为开口OPg底表面的高度位置、并且高度位置HPb为开口OPb底表面的高度位置时，高度位置HPr、HPg和HPb可以互不相同。
当入射在区域ARr上的光的波长比入射在区域Arg上的光的波长长时，位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的厚度THr优选比位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分衬层膜 LF1的厚度THg薄。当入射在区域ARg上的光的波长比入射在区域Arb上的光的波长长时，位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的厚度THg优选比位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF1的厚度THb薄。
在这里，蚀刻位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF1的时间，即，开口OPr从其上表面到其下表面穿透衬层膜LF1的所需时间定义为时间M1r。在区域ARg中，蚀刻位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF1的时间，即开口OPg从其上表面到下表面穿透衬层膜LF1的所需时间定义为时间M1g。在区域ARb中，蚀刻位于光电二极管PDb上方的部分衬层膜LF1的时间，即开口OPb从其上表面到下表面穿透衬层膜LF1的所需时间定义为时间M1b。
另一方面，在区域ARr中，蚀刻位于光电二极管PDr上方的部分层间绝缘膜IL的时间定义为时间M2r。在区域ARg中，蚀刻位于光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL的时间定义为时间M2g。在区域ARb中，蚀刻位于光电二极管PDb上方的部分层间绝缘膜IL的时间定义为时间M2b。
在这种情况下，时间M1r短于时间M1g，并且时间M1g短于时间M1b。
假定，例如，在没有使层间绝缘膜IL1的上表面平坦化的情况下，在区域ARr、ARg和ARb之间，层间绝缘膜IL1的厚度相等。在这种情况下，当同时形成开口OPr、OPg和OPb时，时间M1r和时间M2r的总和、时间M1g和时间M2g的总和，以及时间M1g和时间M2g的总和彼此相等。因此，时间M2r长于时间M2g，并且时间M2g长于时间M2b。因此，如图12所示，开口OPr底表面的高度位置HPr可以低于开口OPg底表面的高度位置HPg，并且开口OPg底表面的高度位置HPg可以低于开口OPb底表面的高度位置HPb。
另一方面，假定使层间绝缘膜IL1的上表面是平坦的。在这种情况下，位于区域ARr中的光电二极管PDr上方的部分层间绝缘膜IL1的厚度TL1r比位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL1的厚度TL1g厚。位于区域ARg中的光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL1的厚度TL1g优选比位于区域ARb中的光电二极管PDb上方的部分层间绝缘膜IL1的厚度TL1b厚。
在这里，在区域ARr中，蚀刻位于光电二极管PDr上方的部分层间绝缘膜IL1的时间定义为时间M0r。在区域ARg中，蚀刻位于光电二极管PDg上方的部分层间绝缘膜IL1的时间定义为时间M0g。在区域ARb中，蚀刻位于光电二极管PDb上方的部分层间绝缘膜IL1的时间定义为时间M0b。此时，时间M0r长于时间M0g，并且时间M0g长于时间M0b。
在这种情况下，当同时形成开口OPr、OPg和OPb时，时间M0r、M1r和M2r的总和，时间M0g、M1g和M2g的总和，以及时间M0b、M1b和M2b的总和彼此相等。
在蚀刻时，作为由例如氧化硅膜制成的层间绝缘膜IL1的蚀刻速率与由例如SiCN膜制成的衬层膜LF1的蚀刻速率的比率的蚀刻选择比大于1。结果，时间M0r和M0g之间的差小于时间M1g和M1r之间差，以便时间M2r长于M2g。因此，还当厚度TL1r大于厚度TL1g且厚度TL1g大于厚度TL1b时，如图12所示，开口OPr底表面的高度位置HPr可以低于开口OPg底表面的高度位置HPg，并且开口OPg底表面的高度位置HPg可以低于开口OPb底表面的高度位置HPb。
在本实施例中，描述了在形成开口OPr时形成开口Opg和开口Opb。即，描述了同时形成开口OPr、Opg和Opb。当形成各个开口OPr、Opg和Opb时，例如，对于每个开口，用于蚀刻包括层间绝缘膜 IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL的各层的总时间应该设定得相等。然而，各个开口OPr、Opg和Opb可以不同时形成。
此后，通过灰化，例如氧等离子体，去除抗蚀图案RP3。
区域ARr、ARg和ARb彼此相邻。此时，布线层由位于开口OPr和Opg之间的多个绝缘层形成，即衬层膜LF1、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF3、布线M1和形成在层间绝缘膜IL2内的布线M2。另外，布线层由位于开口OPg和Opb之间的多个绝缘层形成，即衬层膜LF1、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF3、布线M1和形成在层间绝缘膜IL2内的布线M2。
然后，形成光波导WG(在图2的步骤S20中)。在步骤S20中，如图13所示，例如通过CVD方法，在包括开口OP内部的衬层膜IF3上方形成由例如氮化硅膜制成的绝缘膜IL3，以便在开口OP中嵌入绝缘膜IL3。因此，在区域AR中，在光电二极管PD上方形成将入射光导向光电二极管PD的光波导WG。光波导WG由嵌入每个开口OP中的绝缘膜IL3形成。
具体地，在区域ARr中，在光电二极管PDr上方形成将红(R)入射光导向光电二极管PDr的光波导WGr。光波导WGr由嵌入开口OPr中的绝缘膜IL3形成。在区域ARg中，在光电二极管PDg上方形成将绿(G)入射光导向光电二极管PDg的光波导WGg。光波导WGg由嵌入开口OPg中的绝缘膜IL3形成。在区域ARb中，在光电二极管PDb上方形成将蓝(B)入射光导向光电二极管PDb的光波导WGb。光波导WGb由嵌入开口OPb中的绝缘膜IL3形成。
由例如氮化硅膜制成的光波导WG的折射率比较大，例如约为1.97。因此，光波导WG的折射率可以高于光波导WG周围布线层的平均折射率，这可以在不使光衰减这么多的情况下，将光波导WG上 的入射光经由微透镜ML和滤色片CF导向光电二极管PD。
在区域ARr中，将从光波导WGr的下表面到光电二极管PDr的上表面的距离定义为DSr。在区域ARg中，将从光波导WGg的下表面到光电二极管PDg的上表面的距离定义为DSg。在区域ARb中，将从光波导WGb的下表面到光电二极管PDb的上表面的距离定义为DSb。
将光波导WG的下表面的直径定义为直径DM1，并且将从光波导WG的下表面发出的光入射到的光电二极管PD上表面的区域的直径定义为直径DM2。例如，将光电二极管PD上的具有波长λ的光的入射率定义为直径DM1和直径DM2的比率。这时，为了使检测红(R)、绿(G)和蓝(B)光的像素效率均衡，优选以红(R)、绿(G)和蓝(B)的顺序，即随着波长λ的减小，增加从光波导WG的下表面到光电二极管PD的上表面的距离。这是基于光的衍射状态取决于波长λ不同的事实。
接着，通过CVD方法在光波导WG上形成由例如氧化硅膜制成的膜，并使用光刻和蚀刻使其图案化。因此，在邻近区域ARr、ARg和ARb之间的光波导WG上，形成由例如氧化硅膜制成的屏蔽墙BW。
然后，在邻近的屏蔽墙BW之间形成滤色片CF。因此，滤色片CF由例如红(R)、绿(G)和蓝(B)颜色每个中的颜色膜制成。
具体地，在区域ARr中，在邻近的屏蔽墙BW之间形成红色滤色片CFr。在区域ARg中，在邻近的屏蔽墙BW之间形成绿色滤色片CFg。在区域ARb中，在邻近的屏蔽墙BW之间形成蓝色滤色片CFb。这样，实现了图1所示的本实施例的半导体器件。
在形成滤色片CF之后，可以在每个区域ARr、Arg和Arb中的对应滤色片CF上形成微透镜ML。该微透镜ML是具有弧形上表面的凸 透镜，并且由能够经由它透射光的膜制成。该微透镜ML将从半导体基板SB的主表面侧或者上表面侧施加到形成有像素的区域AR的光，经由滤色片CF、光波导WG和层间绝缘膜IL聚集到光电二极管PD中。
例如，在屏蔽墙BW和滤色片CF上形成膜之后，可以加热该形成的膜并使它部分熔化以包围该膜的上表面，从而形成微透镜ML。
<使用抗蚀剂的量和灰化损伤>
现在，将通过比较比较实例中的半导体器件的制造方法，来描述当形成开口时使用抗蚀剂的量和灰化损伤。图14是示出比较实例中的半导体器件的部分制造步骤的制造工艺流程图。图15至图18是比较实例中的半导体器件的其它制造步骤的主要部分的横截面图。
如图14所示，在比较实例的半导体器件的制造工序中，通过执行与本实施例的半导体器件的制造工序中图2所示的步骤S11至S13中的工艺相同的工艺，形成衬层膜LF1。然后，在没有执行图2的步骤S14的情况下，也执行与图2的步骤S15至S18中的工艺相同的工艺(在图14的步骤S115至S118中)。即，在比较实例中，如图15所示，衬层膜LF1的厚度在各个区域ARr、Arg和Arb中是相同的。在保持厚度TH的衬层膜LF1上方形成层间绝缘膜IL1、布线M1、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL2、布线M2和衬层膜LF3。
然后，形成开口OPr、OPg和OPb(在图14的步骤S119中)。在该步骤S119中，首先，如图16所示，在区域Arb中，通过使用光刻和蚀刻图案化衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。
首先，通过在其上涂布抗蚀溶液，在衬层膜LF3上形成抗蚀膜RS101，通过光使由此形成的抗蚀膜RS101曝光和图案化并显影。因此，在区域ARb中，形成通过抗蚀膜RS101到达位于光电二极管PDb上方 的部分衬层膜LF3的开口OR101。然后，形成其中形成有开口OR101的由抗蚀膜RS101制成的抗蚀图案RP101。
此后，使用抗蚀图案RP101作为掩膜，执行干法蚀刻。这样，在区域ARb中形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PDb上的部分层间绝缘膜IL的中途点的开口OPb。此后，通过灰化，例如使用氧等离子体，去除抗蚀图案RP101。
接着，在步骤S119中，如图17所示，在区域Arg中，通过使用光刻和蚀刻图案化衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。
首先，通过在其上涂布抗蚀溶液在衬层膜LF3上形成抗蚀膜RS102，通过光使由此形成的抗蚀膜RS102曝光和图案化并显影。因此，在区域ARg中，形成通过抗蚀膜RS102到达位于光电二极管PDg上方的部分衬层膜LF3的开口OR102。然后，形成其中形成有开口OR102的由抗蚀膜RS102制成的抗蚀图案RP102。
此后，使用抗蚀图案RP102作为掩膜，执行干法蚀刻。这样，在区域ARg中形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1时，在厚度方向上到达光电二极管PDg上的部分层间绝缘膜IL的中途点的开口OPg。此后，通过灰化，例如使用氧等离子体，去除抗蚀图案RP102。
在步骤S119中，如图18所示，在区域ARr中，通过使用光刻和蚀刻图案化衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL。
首先，通过在其上涂布抗蚀溶液在衬层膜LF3上形成抗蚀膜 RS103，通过光使由此形成的抗蚀膜RS103曝光和图案化，并显影。因此，在区域ARr中，形成通过抗蚀膜RS103到达位于光电二极管PDr上方的部分衬层膜LF3的开口OR103。然后，形成其中形成有开口OR103的由抗蚀膜RS103制成的抗蚀图案RP103。
此后，使用抗蚀图案RP103作为掩膜，执行干法蚀刻。这样，在区域ARr中形成在穿透衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1和衬层膜LF1的同时，在厚度方向上到达光电二极管PDr上方的部分层间绝缘膜IL的中途点的开口OPr。此后，通过灰化，例如使用氧等离子体，去除抗蚀图案RP103。
在比较实例中，然后，执行与本实施例中的半导体器件的制造工序中图2的步骤S20和步骤S20后面的其它步骤相同的工艺，以制造作为半导体器件的成像元件。
在比较实例中，例如，在各个区域ARr、ARg和ARb之间改变蚀刻时间，由此使开口OPr的底表面的高度位置HPr、开口OPg的底表面的高度位置HPg和开口OPb的底表面的高度位置HPb互不相同。并且，在各个区域ARr、ARg和ARb中，从光波导WG的下表面到光电二极管PD的上表面的距离DSr、DRg和DSb也互不相同，以便优化长度或者距离，以使检测每个不同颜色的像素效率最大。
在比较实例中，然而，在步骤S119中，对于各个区域ARr、ARg和ARb，必须三次重复执行对衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和层间绝缘膜IL的蚀刻工艺。因此，增加了从衬层膜LF3到层间绝缘膜IL的各层的蚀刻工艺的数量。这会使半导体器件的制造工序复杂化，导致制造成本增加。
当通过在其上涂布抗蚀溶液在半导体基板上形成抗蚀膜时，例如，使用喷嘴向旋转半导体基板的上表面上的旋转中心提供抗蚀溶液，之 后由于离心力使提供的抗蚀溶液从其旋转中心向其外围扩展到半导体基板的上表面上。在比较实例中，然而，如图17和图18所示，当在步骤S119中的三个蚀刻工艺中的第二和随后的蚀刻工艺中形成抗蚀图案时，用抗蚀溶液填充已形成的开口OP。因此，提供的抗蚀溶液不太可能由于离心力使其从旋转中心向其外围均匀地扩展到半导体基板的上表面上。在这种情况下，在半导体基板的外围形成的抗蚀膜的厚度将变得不均一，这可能导致抗蚀膜施加的不均匀性。
另一方面，可以提出通过增加抗蚀膜厚度，来抑制施加的抗蚀膜的不均匀性的影响。然而，在形成抗蚀膜时，通过增加提供抗蚀溶液的量来执行，这会导致抗蚀溶液的消耗量增加。
另外，在比较实例中，如图16至图18所示，在步骤S119中的形成开口OP之后，通过使用例如氧等离子体的灰化去除抗蚀图案的灰化步骤必须执行三次。在形成开口OP之后的灰化步骤中，开口OP在厚度方向上到达层间绝缘膜IL的中途点，这会导致开口OP的底表面和光电二极管PD的上表面之间的短的距离。因此，当执行灰化步骤时，半导体元件，诸如光电二极管PD或者转移晶体管TX，可能会损坏，包括例如在光电二极管PD的n型半导体层NW或者p型半导体层PW中的有缺陷晶体。
例如，当在光电二极管PD中包括的半导体区域中形成有缺陷晶体时，暗电流往往会容易流过作为CMOS图像传感器的成像元件。暗电流意味着即使没有辐射光也有电流流动的现象。暗电流的增加导致误解辐射了光，虽然事实上没有辐射光，但导致了错误点亮而产生白点使图像显示降级。如上所述，在比较实例中，例如，缺陷晶体形成在光电二极管PD中包括的半导体区域中，导致使图像显示降级的白点。
如专利文献1公开的，可以提出在检测不同颜色的光的像素区域 中，在各个光电二极管上形成不同高度的充当蚀刻停止层的虚设图案。另外，当蚀刻位于每个颜色的光电二极管上方的布线层时，在虚设图案的上表面停止蚀刻，由此在检测每个不同颜色光的每个像素区域中，改变开口底部到光电二极管的上表面之间的距离。
然而，通过在布线层中形成虚设图案沟槽，并用金属材料填充形成的虚设图案沟槽，来制造专利文献1中公开的虚设图案。如此形成的虚设图案会挡住或者反射光。因此，在形成作为波导孔的开口之后，留下在开口底部的部分虚设图案需要从那里被去除，这可能导致半导体器件制造工序的步骤增加。
<实施例的主要特征和效果>
在作为本实施例中的成像元件的半导体器件的制造方法中，在具有检测不同颜色光的像素的每个区域AR中，在覆盖光电二极管PD的包括层间绝缘膜IL的第一膜上，形成作为衬层膜的第二膜。然后，形成在穿透第二膜的同时到达第一膜中途点的开口OP。形成第二膜以在各个区域AR之间具有不同厚度。具有薄的第二膜的区域中的开口OP的底表面的高度位置比具有厚的第二膜的区域中的开口OP的底表面的高度位置低。
这样，在检测不同颜色光的每个像素中，光波导WG下表面到光电二极管PD上表面之间的距离，即，使从光波导WG的下表面发出的光行进进入光电二极管PD的距离可以调整。因此，可以容易地调整光行进距离以均衡光效率，即，光波导WG的下表面的直径与光电二极管PD上表面的区域的直径的比率，在像素中从光波导WG的下表面发出的光入射到光电二极管PD上用于检测不同颜色的光。因此，可以容易地改善作为CMOS图像传感器的半导体器件的性能。
在本实施例中，如图12所示，在步骤S19中，用于蚀刻衬层膜LF3、层间绝缘膜IL2、衬层膜LF2、层间绝缘膜IL1、衬层膜LF1和 层间绝缘膜IL的蚀刻工艺不需要像比较实例一样被执行三次，即，仅被执行一次。因此，可以减少从衬层膜LF3到层间绝缘膜IL的层的蚀刻工艺的数量。因此，可以简化半导体器件的制造工序，这会导致制造成本减少。
替代地，在本实施例中，如图12所示，在步骤S19中，当形成抗蚀图案时，在没有形成开口时形成抗蚀膜。因此，与比较实例不同，抗蚀溶液没有填充已形成的开口。当形成用于形成开口的抗蚀膜时，在半导体基板外围的周围可以防止或抑制具有非均匀厚度的抗蚀膜，这能够防止或抑制抗蚀膜施加不均匀的产生。
为了减小抗蚀膜施加不均匀的影响，不需要增加抗蚀膜的厚度。因此，在形成抗蚀膜时可以减少提供抗蚀溶液的量，这能够减少使用抗蚀溶液的量。
在本实施例中，如图12所示，在步骤S19中，在形成开口之后，通过使用例如氧等离子体的灰化去除抗蚀图案的灰化工艺不需要执行三次，与比较实例不同，仅执行一次。因此，当执行灰化步骤时，能够防止或抑制光电二极管PD的n型半导体层NW或者p型半导体层PW成为有缺陷晶体，并且也能防止或抑制半导体元件诸如光电二极管PD或者转移晶体管TX损坏。
因此，本实施例能够防止或抑制由于暗电流流过作为CMOS图像传感器的成像元件而产生的白点，这能够防止或抑制显示图像降级。
虽然基于实施例和改良实例具体描述了由本发明人制作的本发明，但是很明显，本发明不限制于上述实施例，并且在不偏离本明的范围的情况下可以进行各种变更和改变。
例如，如本实施例的以上描述所述，在各个区域ARr、ARg和ARb 之间改变在第一布线层中包括的衬层膜LF1的厚度，由此使开口OP底表面的高度位置在各个区域ARr、ARg和ARb之间不同。替代地，通过在各个区域ARr、ARg和ARb之间改变任一布线层中包括的衬层膜的厚度，经由衬层膜，可以改变在厚度方向上到达层间绝缘膜IL中途点的开口OP的底表面的高度位置。因此，在各个区域ARr、ARg和ARb之间改变在第二布线层中包括的衬层膜LF2的厚度，由此也使开口OP底表面的高度位置在各个区域ARr、ARg和ARb之间不同。
替代地，在各个区域ARr、ARg和ARb之间改变衬层膜LF3的厚度，由此也能使开口OP底表面的高度位置在各个区域ARr、ARg和ARb之间不同。
优选实施例已说明了作为具有检测不同颜色光的三种像素的成像元件的半导体器件的上述制造方法。然而，本实施例中的半导体器件的制造方法可以应用于作为分别检测不同颜色光的具有两种像素的成像元件的半导体器件的制造方法。替代地，本实施例中的半导体器件的制造方法可以应用于作为具有分别检测不同颜色光的四种或更多种像素的成像元件的半导体器件的制造方法。
另外，本实施例已描述了作为具有充当光电转换元件的光电二极管的成像元件的半导体器件的制造方法。然而，本实施例中的半导体器件的制造方法，可以应用于作为成像元件或包括各种光电转换元件的器件，诸如包括光电转换元件的电荷耦合器件(CCD)的半导体器件的制造方法。