JP2007128979A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オプティカルブラック領域の保護膜の下に遮光膜が配置されることに起因する暗電流の不均一性の問題を解決する。
【解決手段】固体撮像装置は、受光部１０２が形成された半導体部材１０１と、半導体部材１０１の上方に配置された水素供給能力を有する保護膜１０８と、半導体部材１０１と保護膜１０８との間に配置された少なくとも２つの金属層１０５、１０７とを備える。半導体部材１０１と保護膜１０８との間に配置された各金属層１０５、１０７において、オプティカルブラック領域４００内のパターンの密度と有効画素領域３００内のパターンの密度とを略同一にする。
【選択図】図５

Description

本発明は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。

固体撮像装置は、有効画素領域の周辺にオプティカルブラック領域を有する。オプティカルブラック領域は、有効画素と同一の構造の画素の上に金属遮光膜を配置して構成される場合が多い。オプティカルブラック領域の画素には、光が入射しないのでオプティカルブラック領域の画素は、黒信号レベルの基準を得るために使用される。（特許文献１参照。）
固体撮像装置には、デジタルカメラの普及に伴って高画素化、低コスト化が求められており、そのために画素サイズの縮小化が進んでいる。画素サイズの縮小における問題は、実効的な受光領域の縮小に伴う感度の低下である。感度の低下は、ＳＮ比の低下をもたらす。ノイズの主要因は、シリコン基板表面の酸化膜界面近傍のダングリングボンド（未結合手）に起因して発生する暗電流である。

暗電流を防止する方法としては、保護膜として形成するシリコン窒化膜を水素供給源として、シリコン窒化膜の成膜工程中、又は成膜後のアロイ化工程等において、熱処理を行う方法が知られている。この熱処理によってシリコン窒化膜からシリコン基板に水素原子が移動してダングリングボンドと結合する。この結合によって界面準位が減少して暗電流が低減される。（特許文献２参照。）
また、有効画素領域とオプティカルブラック領域との水素供給量の差による暗電流のばらつきを低減するために、ＣＣＤ型の固体撮像素子において、オプティカルブラック領域の遮光膜に開口を有する構成が知られている。（特許文献３参照。）
特開平０６−２６０６２８号公報 特開平０１−２４５５２８号公報 特開２００１−２３０４０２号公報

図６〜図８は、複数の配線層を有し、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の基本的な製造方法を示す図である。まず、図６に示すように、シリコンからなる半導体部材２０１に素子分離領域２０３によって分離された受光部２０２が形成される。ここで、複数の受光部２０２が行列状に配列される。次いで、受光部２０２が形成された半導体部材２０１の上にエッチングストッパ層２２０及び第１の絶縁膜２０４が順に形成される。エッチングストッパ層は、トレンチ状の素子分離領域を保護するために必要に応じて設けられるものである。

次いで、第１の絶縁膜２０４の上であって素子分離領域２０３の上方の領域内に第１のパターン２０５が形成される。次いで、第１の絶縁膜２０４及び第１のパターン２０５を覆うように第２の絶縁膜２０６が形成される。次いで、第２の絶縁膜２０６の上に第２のパターン２０７が形成される。ここで、第２のパターン２０７は、オプティカルブラック領域４００においては、その全体を覆うように、有効画素領域３００においては、素子分離領域２０３の上方など受光部以外の領域に配置される。有効画素領域３００の受光部２０２には、第２のパターン２０７の間隙を通して光が入射する。第２のパターン２０７は、例えば、アルミニウムで構成され、オプティカルブラック領域４００においては、遮光膜として機能する。

次いで、図７に示すように、第２の絶縁膜２０６及び第２のパターン２０７を覆うように保護膜２０８としてのシリコン窒化膜が形成される。次いで、アロイ化処理が実施される。アロイ化処理において、保護膜２０８としてのシリコン窒化膜中の水素原子が半導体部材２０１の方向に拡散する。

次いで、図８に示すように、保護膜２０８の上に中間層２１１、カラーフィルタ層２１２、平坦化層２１３、マイクロレンズ２１４が順に形成される。これにより、固体撮像装置が完成する。

上記の製造方法では、アロイ化処理において、図７の矢印で模式的に示すように水素原子が拡散すると考えられる。ここで、前述のように、オプティカルブラック領域４００が完全に第２のパターン２０７で覆われている。したがって、オプティカルブラック領域４００内の半導体部材に対する水素原子の供給は、水素原子の横方向の拡散のみによってなされるので、有効画素領域３００内の半導体部材に対する水素原子の供給よりも少ないと考えられる。また、オプティカルブラック領域４００内の半導体部材に対する水素原子の供給は、有効画素領域３００から遠くなるにしたがって少なくなると考えられる。更に、有効画素領域３００内の半導体部材に対する水素原子の供給も、オプティカルブラック領域３００に近くなるにしたがって少なくなると考えられる。水素原子の供給が不十分であると、前述のようなダングリングボンドに起因する暗電流を低減することができない。

オプティカルブラック領域４００に対する水素原子の供給の不足、及び、オプティカルブラック領域４００及び有効画素領域３００の周辺部に対する水素供給の不均一性は、図９に示すように、暗電流の不均一性をもたらす。このような暗電流の不均一性は、オプティカルブラック領域４００を利用した黒信号レベルの基準決定を不完全にするほか、有効画素３００の周辺部における黒信号レベルの不均一性をもたらし、ノイズの低減を困難にする。ノイズは、例えば、夜間の天体観測や望遠で高速撮影が要求されるスポーツシーンなど入射光量が極めて少ない場合において顕在化する。

また、上記の製造方法ではオプティカルブラック領域４００の遮光層と有効画素領域３００の最上層の配線とが第２のパターン２０７で形成される。配線を構成する第２のパターン２０７には、例えば、２００〜８００ｎｍ程度の厚さが要求されうる。第２のパターン２０７の上に保護膜２０８を介して形成される中間層２１１には、オプティカルブラック領域４００と有効画素領域３００とにおけるパターン密度差が反映される。したがって、中間層２１１は、オプティカルブラック領域４００と有効画素領域３００との境界領域を中心として段差又は傾斜を有することになる。すなわち、有効画素領域３００では、第２のパターン２０７の間隙（開口部）が中間層２１１を形成する材料で埋め込まれるので、中間層２１１の表面の高さがオプティカルブラック領域４００に対して低くなる。このような問題、第２のパターン２０７の厚さが大きくなるほど顕著になる。この段差又は傾斜は、その後に形成されるカラーフィルタ層２１２の膜厚分布にも影響を及ぼし、分光感度のばらつきをもたらすことから、有効画素領域３００の周辺部における色シェーディングを増大させる。

本発明は、上記の課題認識を基礎としてなされたものであり、その主要な目的は、例えば、オプティカルブラック領域の保護膜の下に遮光膜が配置されることに起因する暗電流の不均一性の問題を解決することにある。

本発明の第１の側面は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置に係り、受光部が形成された半導体部材と、前記半導体部材の上方に配置された水素供給能力を有する保護膜と、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された少なくとも２つの金属層とを備え、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層において、前記オプティカルブラック領域内のパターンの密度と前記有効画素領域内のパターンの密度とが略同一であることを特徴とする。

本発明の好適な実施形態によれば、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層において、前記オプティカルブラック領域内のパターンのレイアウトと前記有効画素領域内のパターンのレイアウトとが略同一であることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記固体撮像装置は、前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように配置された遮光膜を更に備えることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記固体撮像装置は、前記保護膜及び前記遮光膜の上方に中間層を介してカラーフィルタ層を更に備えることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記遮光膜の厚さが２００ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記遮光膜がアルミニウムで構成され、厚さが８０〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記保護膜がシリコン窒化物を含むことが好ましい。

本発明の第２の側面は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置に係り、受光部が形成された半導体部材と、前記半導体部材の上方に配置された水素供給能力を有する保護膜と、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された少なくとも２つの金属層とを備え、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層が、前記オプティカルブラック領域内の受光部の鉛直上方に開口部を有することを特徴とする。

本発明の第３の側面は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置に係り、前記オプティカルブラック領域内の層数が前記有効画素領域内の層数よりも多いことを特徴とする。

本発明の第４の側面は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置に係り、前記有効画素領域に配置された少なくとも２つの金属層と、前記オプティカルブラック領域に配置された開口部を有する金属層と、前記有効画素領域内に配置された少なくとも２つの金属層のうち最上の金属層よりも上方の層として、前記有効画素領域及びオプティカルブラック領域に形成された水素供給能力を有する保護膜と、前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように形成された遮光膜とを備えることを特徴とする。

本発明の第５の側面は、オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法に係り、半導体部材に受光部を形成する工程と、前記半導体部材の上方に金属層を形成する工程と、前記半導体部材の上方に水素供給能力を有する保護膜を形成する工程と、前記保護膜から水素を拡散させる工程と、前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように遮光膜を形成する工程とを含み、前記オプティカルブラック領域内の前記金属層が開口部を有することを特徴とする。

本発明によれば、有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流の不均一性が低減される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図１〜図４は、本発明の好適な実施形態のオプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法を示す図である。なお、この実施形態は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ等の種々の固体撮像装置に適用可能である。

まず、図１に示すように、シリコンからなる半導体部材１０１に素子分離領域１０３によって分離された受光部１０２が形成される。ここで、複数の受光部１０２が行列状に配列される。各受光部１０２は、入射した光を光電変換して電荷（電子及び正孔）を発生する。通常、一方の電荷（例えば電子）を信号電荷として、不図示の増幅部によって増幅されて画素信号として読み出される。

次いで、受光部１０２が形成された半導体部材１０１の上に必要に応じてエッチングストッパ層１２０が形成された後に、第１の絶縁膜１０４が形成される。ここで、第１の絶縁膜１０４は、例えば、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、又は塗布法等によって形成されうる。

次いで、第１の絶縁膜１０４の上に第１のパターン（第１の金属層）１０５が形成される。第１のパターン１０５は、有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００の双方に形成され、画素を構成する配線パターン及び／又は画素に接続された配線パターンを含みうる。

第１のパターン１０５は、オプティカルブラック領域４００において、受光部１０２の鉛直上方に開口部を有する。第１のパターン１０５は、有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００とにおいて、ほぼ同一の密度で形成されることが好ましく、ほぼ同一形状のパターン（レイアウト）で形成されることが更に好ましい。ここで、密度とは、例えば、所定面積の領域を占めるパターンを構成する部分（金属）の面積として把握し得る。第１のパターン１０５は、受光部１０２に対する光の入射を妨げないように、素子分離領域１０３の上方の領域内に配置される。

第１のパターン１０５は、金属材料、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ及びＣｕからなるグループから選択される材料又はそれを主成分とする合金で形成されうる。第１のパターン１０５は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は電解メッキ法等により金属膜を形成した後にこの金属膜をリソグラフィー技術によってパタニングすることによって形成されうる。

次いで、第１の絶縁膜１０４及び第１のパターン１０５を覆うように第２の絶縁膜１０６が形成される。第２の絶縁膜１０６は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング又は塗布法等によって形成されうる。

次いで、第２の絶縁膜１０６の上に第２のパターン（第２の金属層）１０７が形成される。第２のパターン１０７は、有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００の双方に形成され、画素を構成する配線パターン及び／又は画素に接続された配線パターンを含みうる。なお、オプティカルブラック領域４００に形成される第２のパターン１０７は、ダミーの配線パターンであってもよい。有効画素３００内において、第２のパターン１０７は、受光部１０２に対する光の入射を妨げないように、素子分離領域１０３の上方の領域内に配置される。

第２のパターン１０７は、オプティカルブラック領域４００において、受光部１０２の鉛直上方に開口部を有する。第２のパターン１０７は、有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００とにおいて、ほぼ同一の密度で形成されることが好ましく、ほぼ同一形状のパターン（レイアウト）で形成されることが更に好ましい。

第２のパターン１０７は、金属材料、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ及びＣｕからなるグループから選択される材料又はそれを主成分とする合金で形成されうる。第２のパターン１０７は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は電解メッキ法等により金属膜を形成した後にこの金属膜をリソグラフィー技術によってパタニングすることによって形成されうる。

次いで、図２に示すように、第２の絶縁膜１０６及び第２のパターン１０７を覆うように、水素供給能力を有する保護膜１０８としてのシリコン窒化膜が形成される。次いで、アロイ化処理が実施される。アロイ化処理において、図２に矢印によって模式的に示すように、保護膜１０８としてのシリコン窒化膜中の水素原子が半導体部材１０１の方向に拡散する。この際に、オプティカルブラック領域４００において、水素原子は、第２のパターン１０７の開口部を通して半導体部材１０１に向かって拡散する。

前述のように、第１のパターン１０５は、有効画素領域３００とオプティカルブラック領域４００とにおいて、ほぼ同一の密度で形成されることが好ましく、ほぼ同一形状のパターンで形成されることが更に好ましい。また、第２のパターン１０７もまた、有効画素領域３００とオプティカルブラック領域４００とにおいて、ほぼ同一の密度で形成されることが好ましく、ほぼ同一形状のパターンで形成されることが更に好ましい。このように第１のパターン１０５及び第２のパターン１０７を構成することによって、有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００の全体にわたって、ほぼ均一に水素原子を拡散させることができる。

次いで、図３に示すように、オプティカルブラック領域４００の上方に保護膜１０８を覆うように遮光膜１０９が形成される。遮光膜１０９は、例えば、金属材料で構成されうる。金属材料としては、例えば、Ａｌ又はＣｒ、若しくは、これを主成分とする合金であることが好ましい。遮光膜１０９は、例えば、金属膜等の遮光性の材料からなる膜をスパッタリング法、蒸着法等によって形成し、これをリソグラフィー技術によってパタニングすることによって形成されうる。或いは、遮光膜１０９は、リフトオフ法によって形成されてもよい。リフトオフ法では、有効画素領域３００の領域にレジストパターンを形成した後に金属膜等の遮光性の膜を形成し、その後に、有機溶剤と超音波洗浄により有効画素領域３００上のその膜のみが除去される。なお、遮光膜１０９は、遮光性を有する限りにおいて、金属以外の材料で構成されてもよい。

次いで、図７に示すように、保護膜１０８及び遮光膜１０９の上に中間層１１１、カラーフィルタ層１１２、平坦化層１１３、マイクロレンズ１１４が順に形成される。これにより、固体撮像装置が完成する。

図５は、有効画素領域とオプティカルブラック領域とにおいて、ほぼ同一の密度で第１のパターン及び第２のパターンがそれぞれ形成された固体撮像装置における暗電流の面内分布を模式的に示す図である。有効画素領域３００及びオプティカルブラック領域４００の全体にわたってほぼ均一に水素原子を拡散することによって、ダングリングボンドに起因する暗電流がほぼ均一に低減されるとともに、ほぼ均一なレベルになっている。

遮光膜１０９は、オプティカルブラック領域４００の受光部１０２を遮光することを目的とするものである。例えば、厚さが８０ｎｍのアルミニウム膜は、λ＝５５０ｎｍの光の透過率が０．００５％である。この程度の透過率を有する膜であれば、遮光膜１０９として採用することができる。すなわち、アルミニウムの膜であれば、厚さが８０ｎｍ以上であれば、オプティカルブラック領域４００の出力信号を黒信号レベルの基準として使用することができる。

一方、遮光膜１０８の膜厚が２００ｎｍ以下であれば、オプティカルブラック領域４００と有効画素領域３００との境界領域における段差又は傾斜がカラーフィルタ層１１２の膜厚分布に与える影響が許容範囲内に収まる。すなわち、遮光膜１０８の膜厚が２００ｎｍ以下であれば、分光感度のばらつきを実用上の許容範囲まで抑えることができる。したがって、色シェーディングの小さい固体撮像装置を提供することができる。

上記の固体撮像装置は、有効画素領域が２つの金属層を含んで構成され、オプティカルブラック領域が２つの金属層と遮光膜（例えば、金属膜）とを含んで構成されるので、オプティカルブラック領域内の層数が有効画素領域内の層数よりも多い。一般的な固体撮像装置においては、遮光層が有効画素領域の金属層と同層に同一工程で形成されるので、オプティカルブラック領域内の層数が有効画素領域内の層数と一致する。

上記の固体撮像装置は、半導体部材と保護膜との間に２つの金属層が配置されているが、３つ以上の金属層が配置されてもよい。

本発明の好適な実施形態のオプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本発明の好適な実施形態のオプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本発明の好適な実施形態のオプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本発明の好適な実施形態のオプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法を示す図である。 有効画素領域とオプティカルブラック領域とにおいて、ほぼ同一の密度で第１のパターン及び第２のパターンがそれぞれ形成された固体撮像装置における暗電流の面内分布を模式的に示す図である。 オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の基本的な製造方法を示す図である。 オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の基本的な製造方法を示す図である。 オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の基本的な製造方法を示す図である。 保護膜の下に遮光膜を配置した場合における暗電流の不均一性を示す図である。

符号の説明

１０１：半導体部材
１０２：受光部
１０３：素子分離領域
１０４：第１の絶縁膜
１０５：第１のパターン
１０６：第２の絶縁膜
１０７：第２のパターン
１０８：保護膜
１０９：遮光膜
１１１：中間層
１１２：カラーフィルタ層
１１３：平坦化膜
１１４：マイクロレンズ、
３００：有効画素領域
４００：オプティカルブラック領域、
２０１：半導体部材
２０２：受光部
２０３：素子分離領域
２０４：第１の絶縁膜
２０５：第１のパターン
２０６：第２の絶縁膜
２０７：第２のパターン
２０８：保護膜
２０９：遮光膜
２１１：中間層
２１２：カラーフィルタ層
２１３：平坦化膜
２１４：マイクロレンズ

Claims (11)

1. オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置であって、
   受光部が形成された半導体部材と、
   前記半導体部材の上方に配置された水素供給能力を有する保護膜と、
   前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された少なくとも２つの金属層と、
   を備え、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層において、前記オプティカルブラック領域内のパターンの密度と前記有効画素領域内のパターンの密度とが略同一であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層において、前記オプティカルブラック領域内のパターンのレイアウトと前記有効画素領域内のパターンのレイアウトとが略同一であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように配置された遮光膜を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記保護膜及び前記遮光膜の上方に中間層を介してカラーフィルタ層を更に備えることを特徴とする請求項３の固体撮像装置。
5. 前記遮光膜の厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記遮光膜がアルミニウムで構成され、厚さが８０〜２００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３又は４に記載の固体撮像装置。
7. 前記保護膜がシリコン窒化物を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置であって、
   受光部が形成された半導体部材と、
   前記半導体部材の上方に配置された水素供給能力を有する保護膜と、
   前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された少なくとも２つの金属層と、
   を備え、前記半導体部材と前記保護膜との間に配置された各金属層が、前記オプティカルブラック領域内の受光部の鉛直上方に開口部を有することを特徴とする固体撮像装置。
9. オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置であって、
   前記オプティカルブラック領域内の層数が前記有効画素領域内の層数よりも多いことを特徴とする固体撮像装置。
10. オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置であって、
    前記有効画素領域に配置された少なくとも２つの金属層と、
    前記オプティカルブラック領域に配置された開口部を有する金属層と、
    前記有効画素領域内に配置された少なくとも２つの金属層のうち最上の金属層よりも上方の層として、前記有効画素領域及びオプティカルブラック領域に形成された水素供給能力を有する保護膜と、
    前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように形成された遮光膜と、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
11. オプティカルブラック領域及び有効画素領域を有する固体撮像装置の製造方法であって、
    半導体部材に受光部を形成する工程と、
    前記半導体部材の上方に金属層を形成する工程と、
    前記半導体部材の上方に水素供給能力を有する保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜から水素を拡散させる工程と、
    前記保護膜の上方に前記オプティカルブラック領域を覆うように遮光膜を形成する工程と、
    を含み、前記オプティカルブラック領域内の前記金属層が開口部を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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