JP2008053628A - Solid-state imaging apparatus and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、層内レンズを組み込んだ固体撮像装置及びその製造方法に関する。
本発明は、特に、光電変換により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を画素内に含む固体撮像装置、すなわち光電変換部とMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサ及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a solid-state imaging device incorporating an in-layer lens and a manufacturing method thereof.
In particular, the present invention relates to a solid-state imaging device including a conversion unit that converts a charge generated by photoelectric conversion into a pixel signal, that is, a solid-state imaging device including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor, For example, the present invention relates to a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof.
ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、又は部分的に使用して作成されたイメージセンサである。また、固体撮像装置の形態としては、ワンチップで構成されるもの、あるいは複数のチプから構成されるものであっても良い。 Here, the CMOS image sensor is an image sensor created by applying or partially using a CMOS process. Further, as a form of the solid-state imaging device, it may be one chip or a plurality of chips.
固体撮像装置としては、CMOSイメージセンサが知られている。図15にCMOSイメージセンサの構成(等価回路)の一例を示す。このCMOSイメージセンサ1は、同一の半導体基板上に、光電変換を行う光電変換部、いわゆるフォトダイオード2と、このフォトダイオード2を選択読み出すための複数のMOSトランジスタとからなる複数の画素3を2次元的に配列した撮像領域4を備えて成る。さらに同一の半導体基板上の撮像領域4の周辺に、画素の選択と信号出力のための周辺回路5、6を備えている。
A CMOS image sensor is known as a solid-state imaging device. FIG. 15 shows an example of the configuration (equivalent circuit) of the CMOS image sensor. The
画素3は、1つのフォトダイオード2と、複数のMOSトランジスタ、この例では転送用トランジスタ8、リセット用トランジスタ9及び増幅用トランジスタ10の3個のMOSトランジスタとで構成されている。また、周辺回路としては、画素選択ための回路(垂直走査回路)5と出力回路(水平走査・出力回路)6がCMOSトランジスタを用いて構成される。その他、図示しないが周辺回路にはカラム信号処理回路、クロック信号や制御信号を生成する制御回路等が設けられる。
The
フォトダイオード2は転送用トランジスタ8のソースに接続される。転送委用トランジスタ8のゲートには転送用配線11が接続される。転送用トランジスタ8のドレインは、リセット用トランジスタ9のソースに接続されると共に、転送用トランジスタ8のドレインとリセット用トランジスタ9のソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDを介して増幅用トランジスタ10のゲートにお接続される。リセット用トランジスタ9のゲートはリセット配線12に接続される。また、リセット用トランジスタ9のドレインと増幅用トランジスタ10のドレインが電源供給するための電源配線13に接続される。増幅用トランジスタ10のソースが垂直信号線14に接続される。
The
近年、急速に拡大し続けるCMOSイメージセンサ市場において、多画素化及び基本特性の向上に対する要求は止まることがない。CMOSイメージセンサでは、画素の小型化により、同一チップサイズにおける多画素化を行う一方で、同一画素数におけるチップサイズのシュリンクを行い、セットの多画素化、小型化への貢献への気体も高い。 In recent years, in the CMOS image sensor market that continues to expand rapidly, the demand for increasing the number of pixels and improving the basic characteristics has not stopped. In CMOS image sensors, by reducing the size of the pixels, the number of pixels in the same chip size is increased. On the other hand, the chip size is shrunk in the same number of pixels, and the gas for contributing to the increase in the number of pixels in the set and size reduction is high. .
多画素化を達成するための技術の一つとして、Cu配線プロセスを利用し、微細画素を形成することで多画素化を達成すること、そのための技術開発が活発に行われている。そして、固体撮像装置においては、Cu配線プロセスを利用する際に発生する、Cu配線プロセスならではの課題を改善する、様々な技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。 As one of the technologies for achieving the increase in the number of pixels, the Cu wiring process is used to achieve the increase in the number of pixels by forming fine pixels, and technical development for that purpose has been actively conducted. In the solid-state imaging device, various techniques have been proposed for improving problems unique to the Cu wiring process that occur when the Cu wiring process is used (see, for example, Patent Document 1).
一方、入射光の集光を高め更なる感度を向上するために、オンチップレンズの他にさらに層内レンズを設ける構成が知られている。Cu配線プロセスでは、Cu配線層を形成した後に、Cuの拡散を抑制するために、例えばSiC膜、SiN膜による拡散防止膜を形成する製造方法が一般的である。Cu配線プロセスを利用したCMOSイメージセンサにおいて、層内レンズの形成は、拡散防止膜の上に新規な層を形成し、その層を加工することで層内レンズを形成している(特許文献2参照)。 On the other hand, a configuration in which an in-layer lens is further provided in addition to the on-chip lens is known in order to increase the concentration of incident light and further improve the sensitivity. In the Cu wiring process, after forming a Cu wiring layer, in order to suppress Cu diffusion, a manufacturing method is generally used in which a diffusion prevention film made of, for example, a SiC film or a SiN film is formed. In a CMOS image sensor using a Cu wiring process, an intra-layer lens is formed by forming a new layer on a diffusion prevention film and processing the layer (Patent Document 2). reference).
図14に、従来の層内レンズを有するCMOSイメージセンサの例を示す。このCMOSイメージセンサ21は、半導体基板22の主面にn型電荷蓄積領域23とその表面のp型半導体領域(p型アキュミュレーション層)24とによるフォトダイオードPDが形成されると共に、複数のMOSトランジスタが形成されてなる。図 では複数のMOSトランジスタのうち、転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2を示す。転送トランジスタTr1は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域25と、フォトダイオードPDと、ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極26とにより構成される。リセット用トランジスタTr2は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域25と、n型半導体領域27と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極28とより構成される。単位画素は素子分離領域29にて隣接画素と分離される。
FIG. 14 shows an example of a CMOS image sensor having a conventional intralayer lens. The
画素が形成された半導体基板22上には、例えばSiO2膜による層間絶縁膜31を介してCu配線32による多層配線が形成される。この例では3層のCu配線32が形成される。各層のCu配線32上には、Cuの拡散を防止するために、例えばSiC膜、あるいはSiN膜による拡散防止膜33が形成される。ここで、拡散防止膜33となる例えばSiC膜、SiN膜の屈折率(n=2.05)は、層間絶縁膜31となる例えばSiO2膜の屈折率(n=1.46)に比較して大きいため、層間絶縁膜31と拡散防止膜33の界面で入射光が反射し、多重干渉を起こし、イメージセンサの分光特性を悪化させてしまう。このため、各層の拡散防止膜33では、フォトダイオードPDに対応する部分が除去されている。フォトダイオードPDに対応して、拡散防止膜33が除去された部分を含めて、層間絶縁膜31と同じ例えばSiO2膜による絶縁膜34が形成される。
On the
層内レンズ36は、このSiO2膜による絶縁膜34に凹部を形成し、凹部を埋め込むようにSiN膜37を形成して構成される。
さらに、上面にSiN膜による平坦化膜38を介してカラーフィルタ39が形成され、カラーフィルタ39上にオンチップマイクロレンズ40が形成される。
The
Further, a
ところで、従来の層内レンズを有するCMOSイメージセンサ21においては、層内レンズ36を形成する手法として、上述したように拡散防止膜の上に新規な層(絶縁膜)34、36を形成し、その層34、36を加工して層内レンズを形成している。このため、製造工程数が多くなると共に、フォトダイオードPDから層内レンズ36までの層厚h1が高くなり、感度が低下するといった、製造の煩雑さ、コスト、特性の面で課題があった。
By the way, in the
本発明は、上述の点に鑑み、光電変換部から層内レンズまでの層厚を低くして感度の向上を図ると共に、製造工程数の削減を可能にしたCMOS型の固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。 In view of the above, the present invention aims to improve the sensitivity by reducing the layer thickness from the photoelectric conversion portion to the inner lens, and to reduce the number of manufacturing steps, and to manufacture the same. A method is provided.
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部とMOSトランジスタで構成される複数の画素が配列された撮像領域と、複数の画素の上方に層間絶縁膜を介して形成された多層のCu配線を有し、Cu配線の拡散防止膜を用いて層内レンズが形成されて成ることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to the present invention includes an imaging region in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor are arranged, and a multilayer Cu wiring formed above the plurality of pixels via an interlayer insulating film. And an intralayer lens is formed using a diffusion preventing film for Cu wiring.
本発明の固体撮像装置では、Cu配線の拡散防止膜を用いて層内レンズが形成されるので、光電変換部から層内レンズまでの層厚が低くなる。また、層内レンズを構成するための層を別途設ける必要がない。 In the solid-state imaging device of the present invention, since the inner lens is formed using the diffusion preventing film of Cu wiring, the layer thickness from the photoelectric conversion unit to the inner lens is reduced. Further, it is not necessary to separately provide a layer for constituting the in-layer lens.
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、光電変換部とMOSトランジスタで構成される複数の画素を形成する工程と、複数の画素の上方に層間絶縁膜を介してCu配線を形成し、Cu配線上及び前記光電変換部に対応した領域を含む面に、所要の厚さの拡散防止膜を形成する工程と、拡散防止膜上に層内レンズ形状部材を形成し、エッチバック処理して前記拡散防止膜による層内レンズを形成する工程を有することを特徴とする。 A method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor, and forming a Cu wiring via an interlayer insulating film above the plurality of pixels. A step of forming a diffusion prevention film having a required thickness on the wiring and a surface including a region corresponding to the photoelectric conversion unit, and forming an intralayer lens-shaped member on the diffusion prevention film, and performing an etch-back process, It has the process of forming the lens in a layer by a diffusion prevention film.
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、Cu配線上及び光電変換部上に対応する領域に、所要の厚さの拡散防止膜を形成し、その上に層内レンズ形状部材を形成して、エッチバック処理して拡散防止膜による層内レンズを形成するので、既存の層を利用して層内レンズを形成することができ、別途層内レンズ用の層を新規に設ける必要がない。Cu配線に拡散防止膜を利用して層内レンズを形成するので、光電変換部から層内レンズまでの層厚を低くすることができる。 According to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a diffusion prevention film having a required thickness is formed in a region corresponding to a Cu wiring and a photoelectric conversion unit, and an in-layer lens-shaped member is formed thereon. In addition, since the inner lens is formed by the anti-diffusion film by performing the etch back process, the inner lens can be formed using the existing layer, and it is necessary to newly provide a layer for the inner lens. Absent. Since the inner lens is formed using the diffusion prevention film for the Cu wiring, the layer thickness from the photoelectric conversion portion to the inner lens can be reduced.
本発明に係る固体撮像装置によれば、Cu配線の拡散防止膜にて層内レンズが形成され、光電変換部から層内レンズまでの層厚は低くなるので、入射光の集光が更によくなり、より感度を向上することができる。層内レンズを構成する層を別途設ける必要がないので、製造工数を削減することができる。 According to the solid-state imaging device according to the present invention, the inner lens is formed by the diffusion preventing film of the Cu wiring, and the layer thickness from the photoelectric conversion unit to the inner lens is reduced, so that the incident light is further collected. Thus, the sensitivity can be further improved. Since it is not necessary to separately provide a layer constituting the in-layer lens, the number of manufacturing steps can be reduced.
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、層内レンズを有する固体撮像装置を製造工程数を削減して製造することができる。また、光電変換部から層内レンズまでの層厚を低くして層内レンズを形成するので、入射光の集光に優れた固体撮像装置を製造することができる。 According to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, a solid-state imaging device having an in-layer lens can be manufactured by reducing the number of manufacturing steps. Further, since the inner lens is formed by reducing the layer thickness from the photoelectric conversion unit to the inner lens, it is possible to manufacture a solid-state imaging device excellent in collecting incident light.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、前述の図14に示す1つのフォトダイオードPDと3つのMOSトランジスタとからなる画素を備えたCMOSイメージセンサ、あるいは1つのフォトダイオードと、選択用トランジスタを追加した4つのMOSトランジスタとから画素を備えたCMOSイメージセンサ、さらには複数の画素でフローティング・ディフージョンを共有させたCMOSイメージセンサ等に適用することができる。 The solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention includes a CMOS image sensor provided with a pixel including one photodiode PD and three MOS transistors shown in FIG. 14 or one photodiode and a selection transistor. The present invention can be applied to a CMOS image sensor provided with a pixel from four MOS transistors to which is added, a CMOS image sensor in which a floating diffusion is shared by a plurality of pixels, and the like.
図1に、本発明に係る固体撮像装置、いわゆるCMOSイメージセンサの第1実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置51は、例えばシリコンの半導体基板52の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域53とその表面の第2導電型、例えばp型の半導体領域(いわゆるp型アキュミュレーション層)54とからなる光電変換部となるフォトダイオードPDが形成される。また、同半導体基板52に複数のMOSトランジスタが形成され、これら複数のMOSトランジスタとフォトダイオードPDにより単位画素50が形成される。これら複数の画素50が2次元的に配列されて撮像領域が形成される。
FIG. 1 shows a first embodiment of a solid-state imaging device, a so-called CMOS image sensor according to the present invention. The solid-
図1では、複数のMOSトランジスタのうち、転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2を示す。転送用トランジスタTr1は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55と、フォトダイオードPDと、その間のゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極56とにより構成される。リセット用トランジスタTr2は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55と、n型半導体領域57と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極58とにより構成される。画素50は、例えば、選択酸化層(LOCOS)あるいはトレンチ分離領域などによる素子分離領域59により隣接画素と分離される。
FIG. 1 shows a transfer transistor Tr1 and a reset transistor Tr2 among a plurality of MOS transistors. The transfer transistor Tr1 includes an n-
画素50が形成された半導体基板52上には、例えばSiO2膜による層間絶縁膜61を介してCu配線62による多層配線が形成される。本例では3層のCu配線62〔621、622、623〕が形成される。このCu配線62はいわゆるデュアルダマシン法により形成される。各層のCu配線62〔621、622、623〕上には、Cuの拡散を防止するための拡散防止膜63〔631、632、633〕が形成される。このCu配線62の拡散防止膜63としては、SiC膜、SiN膜が用いられる。
On the
転送用トランジスタTr1のドレインとなるフローティング・ディフージョンFDは、1層目の所要のCu配線621に埋め込み導電部材60を介して接続される。リセット用トランジスタTr2のドレインとなるn型半導体領域57は、1層目の所要のCu配線621に埋め込み導電部材60を介して接続される。なお、各Cu配線62の下面及び側面にはバリア膜65が形成される。
The floating diffusion FD serving as the drain of the transfer transistor Tr1 is connected to the required Cu wiring 621 in the first layer through the buried
そして、本実施の形態においては、特にフォトダイオードPD上に対応する位置に、拡散防止膜63を用いて層内レンズ64を形成する。本例では最上層の拡散防止膜633を用いて層内レンズ64が形成される。層内レンズ64は、この例では上凸レンズで形成される。拡散防止膜63のうち、層内レンズ64を形成した最上層(第3層目)の拡散防止膜633を除いて、他の第1層目、第2層目の拡散防止膜631、632は、フォトダイオードPD上に対応する部分が層間絶縁膜61及び後述の層間絶縁膜66との界面での多重干渉を抑えるために選択的に除去される。
In the present embodiment, the
さらに、層内レンズ64上を覆うように例えばSiO2膜による平坦化膜となる層間絶縁膜66を介してカラーフィルタ67、その上にオンチップマイクロレンズ68が形成される。
Further, a
図3〜図7に、第1実施の形態の固体撮像装置51の製造方法を示す。
先ず、図3Aに示すように、例えばシリコンの半導体基板52の主面側に光電変換部となるフォトダイオードPDと複数のMOSトランジスタ(この例では転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2のみ示す)からなる複数の画素50を形成する。すなわち、半導体基板52の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域53とその表面の第2導電型であるp型のアキュミュレーション層54からなるフォトダイオードPDを形成する。また、半導体基板52の主面側にフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55、n型半導体領域57を形成し、フォトダイオードPDとn型半導体領域55間にゲート絶縁膜を介して例えば多結晶シリコンによる転送ゲート電極56を形成して転送用トランジスタTr1を形成し、n型半導体領域55とn型半導体領域57間にゲート絶縁膜を介して例えば多結晶シリコンによるリセットゲート電極58を形成してリセット用トランジスタTr2を形成する。半導体基板52には、各画素50を区画するように素子分離領域59を形成する。
3 to 7 show a method for manufacturing the solid-
First, as shown in FIG. 3A, for example, a photodiode PD serving as a photoelectric conversion unit and a plurality of MOS transistors (in this example, only a transfer transistor Tr1 and a reset transistor Tr2 are shown) on the main surface side of a
さらに、画素50を形成した半導体基板52上に、例えばSiO膜による層間絶縁膜611を介してデュアルダマシン法を用いて第1層目のCu配線621を形成する。Cu配線621の形成前には、フローティング・ディフージョンFD及びn型半導体領域57に導通し、その後にCu配線621と接続される埋め込み導電部材60、及びCu配線621の下面、側面に接する例えばTa、TaNによるバリア膜65を形成する。バリア膜65はCuの拡散防止膜となる。
Further, a first-
次いで、第1層目のCu配線621の上面に接して全面に例えばSiC膜、SiN膜による第1層目のCuの拡散防止膜631を形成し、拡散防止膜631上に層間絶縁膜612を形成する。さらに、層間絶縁膜612に上記と同様にしてバリア膜65で覆われた第2層目のCu配線622を形成する。
Next, a first-layer Cu
次に、図3Bに示すように、第2層目のCu配線622の上面に接して全面に第2層目のCuの拡散防止膜632を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a second-layer Cu
次に、図3Cに示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、受光部であるフォトダイオードPD上に対応する部分の第1層目、第2層目の拡散防止膜631、632を、層間絶縁膜611、612と共に、選択的にエッチング除去する。このエッチング除去で開口部71が形成される。
Next, as shown in FIG. 3C, through the resist mask (not shown), the
次に、図4Dに示すように、上記開口71を埋めるように第2層目の拡散防止膜632上を含む全面上に、例えばSiO2膜による層間絶縁膜613を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, an
次に、図4Eに示すように、層間絶縁膜613を例えばCMP(化学機械研磨)法により所要の膜厚に研磨して表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 4E, the
次に、図4Fに示すように、層間絶縁膜613に上記と同様にしてバリア膜65で覆われた第3層目のCu配線623を形成する。
Next, as shown in FIG. 4F, a third-layer Cu wiring 623 covered with the
次に、図5Gに示すように、第3層目のCu配線623の上面に接して全面に第3層目のCuの拡散防止膜633を形成する。この第3層目の拡散防止膜633は、層内レンズを形成するに足る所要の厚さを有するように形成する。すなわち、この第3層目の拡散防止膜633の膜厚は、他の第1層目、第2層目の拡散防止膜631、632の膜厚よりも厚く形成する。
Next, as shown in FIG. 5G, a third-layer Cu
次に、図5Hに示すように、第3層目の拡散防止膜633上のフォトダイオードPDに対応する位置に、層内レンズ形状部材となるレジスト層72を選択的に形成する。このレジスト層72は、通常のリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5H, a resist
次に、図6Iに示すように、レジスト層72をリフロー処理してレジスト層による層内レンズ形状部材73を形成する。
Next, as shown in FIG. 6I, the resist
次に、図6Jに示すように、層内レンズ形状部材73とともに第3層目の拡散防止膜633をエッチバック処理して、第3層目の拡散防止膜633による層内レンズ64を形成する。層内レンズ64以外の領域の拡散防止膜633の膜厚は第1層目、第2層目の拡散防止膜631、632の膜厚と同等の膜厚となる。
Next, as shown in FIG. 6J, the third-layer
次に、図7Kに示すように、層内レンズ64を覆うように全面に例えばSiO2膜による層間絶縁膜66を形成し、例えばCMP法により表面を平坦化する。この層間絶縁膜66は平坦化膜となる。
Next, as shown in FIG. 7K, an
次に、図7Jに示すように、平坦化膜となる層間絶縁膜66上にカラーフィルタ67を形成し、その上にオンチップマイクロレンズ68を形成して目的の固体撮像装置51を得る。
Next, as shown in FIG. 7J, a
上述の第1実施の形態の固体撮像装置51及びその製造方法によれば、最上層(第3層目)のCu配線の拡散防止膜633を用いて層内レンズ64が形成されるので、光電変換部となるフォトダイオードPDから層内レンズ64までの層厚h2が、従来の図14の固体撮像装置の層厚h1よりも低くなる。従って、入射光のフォトダイオードPDへの集光効率が有利になり、感度をより向上することができる。また、層内レンズ64を既存の拡散防止膜633を用いて形成するので、別途層内レンズ用の層を形成する必要がなく、製造工程数を削減することができ、製造の簡略化を図ることができる。このように本実施の形態では、図14の従来構造に比べて特性(感度)及び製造、コストの面で有利となる。
According to the solid-
また、層内レンズ64を形成する最上層の拡散防止膜633以外の第1層目、第2層目の拡散防止膜631、632の受光部上(フォトダイオードPD上)の部分は選択的に除去するので、分光特性の悪化を回避できる。
また、層内レンズ64を作る拡散防止膜633を、他の拡散防止膜631,632より厚く形成するので、層内レンズ64の形成を確保すると共に、他の拡散防止膜631,632の膜厚を薄くしているので、全体の層厚を抑制することができる。
Further, the portions on the light receiving portions (on the photodiode PD) of the first and second
Further, since the
図2に、本発明に係る固体撮像装置、いわゆるCMOSイメージセンサの第2実施の形態を示す。なお、図2において図1に対応する部分には同一符号を付する。本実施の形態に係る固体撮像装置81は、図1と同様に、例えばシリコンの半導体基板52の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域53とその表面の第2導電型、例えばp型の半導体領域(いわゆるp型アキュミュレーション層)54とからなる光電変換部となるフォトダイオードPDが形成される。また、同半導体基板52に複数のMOSトランジスタが形成され、これら複数のMOSトランジスタとフォトダイオードPDにより単位画素50が形成される。これら複数の画素50が2次元的に配列されて撮像領域が形成される。
FIG. 2 shows a second embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, a so-called CMOS image sensor. In FIG. 2, parts corresponding to those in FIG. As in FIG. 1, the solid-state imaging device 81 according to the present embodiment has a first conductivity type, for example, an n-type
図2では、図1と同様に、複数のMOSトランジスタのうち、転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2を示す。転送用トランジスタTr1は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55と、フォトダイオードPDと、その間のゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極56とにより構成される。リセット用トランジスタTr2は、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55と、n型半導体領域57と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極58とにより構成される。画素50は、例えば、選択酸化層(LOCOS)あるいはトレンチ分離領域などによる素子分離領域59により隣接画素と分離される。
In FIG. 2, as in FIG. 1, the transfer transistor Tr1 and the reset transistor Tr2 are shown among the plurality of MOS transistors. The transfer transistor Tr1 includes an n-
画素50が形成された半導体基板52上には、例えばSiO膜による層間絶縁膜61を介してCu配線62による多層配線が形成される。本例では3層のCu配線62〔621、622、623〕が形成される。このCu配線62はいわゆるデュアルダマシン法により形成される。各層のCu配線62〔621、622、623〕上には、Cuの拡散を防止するための拡散防止膜63〔631、632、633〕が形成される。このCu配線62の拡散防止膜63としては、SiC膜、SiN膜が用いられる。
On the
転送用トランジスタTr1のドレインとなるフローティング・ディフージョンFDは、1層目の所要のCu配線621に埋め込み導電部材60を介して接続される。リセット用トランジスタTr2のドレインとなるn型半導体領域57は、1層目の所要のCu配線621に埋め込み導電部材60を介して接続される。なお、各Cu配線62の下面及び側面にはバリア膜65が形成される。
The floating diffusion FD serving as the drain of the transfer transistor Tr1 is connected to the required Cu wiring 621 in the first layer through the buried
そして、第2実施の形態においては、特にフォトダイオードPD上に対応する位置に、第2層目の拡散防止膜632を用いて層内レンズ64を形成する。層内レンズ64は、この例では上凸レンズで形成される。拡散防止膜63のうち、層内レンズ64を形成した第2層目の拡散防止膜632を除いて、他の拡散防止膜631、633のフォトダイオードPD上に対応する部分は、層間絶縁膜61及び後述の層間絶縁膜66との界面での多重干渉を抑えるために選択的に除去される。
In the second embodiment, the in-
さらに、層内レンズ64上を覆うように例えばSiO膜による平坦化膜となる層間絶縁膜66を介してカラーフィルタ67、その上にオンチップマイクロレンズ68が形成される。
Further, a
図8〜図13に、第2実施の形態の固体撮像装置81の製造方法を示す。
先ず、図8Aに示すように、例えばシリコンの半導体基板52の主面側に光電変換部となるフォトダイオードPDと複数のMOSトランジスタ(この例では転送用トランジスタTr1とリセット用トランジスタTr2のみ示す)からなる複数の画素50を形成する。すなわち、半導体基板52の主面に第1導電型、例えばn型の電荷蓄積領域53とその表面の第2導電型であるp型のアキュミュレーション層54からなるフォトダイオードPDを形成する。また、半導体基板52の主面側にフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域55、n型半導体領域57を形成し、フォトダイオードPDとn型半導体領域55間にゲート絶縁膜を介して例えば多結晶シリコンによる転送ゲート電極56を形成して転送用トランジスタTr1を形成し、n型半導体領域55とn型半導体領域57間にゲート絶縁膜を介して例えば多結晶シリコンによるリセットゲート電極58を形成してリセット用トランジスタTr2を形成する。半導体基板52には、各画素50を区画するように素子分離領域59を形成する。
8 to 13 show a method for manufacturing the solid-state imaging device 81 according to the second embodiment.
First, as shown in FIG. 8A, for example, a photodiode PD serving as a photoelectric conversion portion and a plurality of MOS transistors (in this example, only a transfer transistor Tr1 and a reset transistor Tr2 are shown) on the main surface side of a
さらに、画素50を形成した半導体基板52上に、例えばSiO2膜による層間絶縁膜611を介してデュアルダマシン法を用いて第1層目のCu配線621を形成する。Cu配線621の形成前には、フローティング・ディフージョンFD及びn型半導体領域57に導通し、その後にCu配線621と接続される埋め込み導電部材60、及びCu配線621の下面、側面に接する例えばTa、TaNによるバリア膜65を形成する。バリア膜65はCuの拡散防止膜となる。
Further, a first-
次に、図8Bに示すように、第1層目のCu配線621の上面に接して全面に例えばSiC膜、SiN膜による第1層目のCuの拡散防止膜631を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a first-layer Cu
次に、図8Cに示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、受光部であるフォトダイオードPD上に対応する部分の第1層目の拡散防止膜631を、層間絶縁膜611と共に、選択的にエッチング除去する。このエッチング除去で開口部83が形成される。
Next, as shown in FIG. 8C, the first-layer
次に、図9Dに示すように、上記開口83を埋めるように第1層目の拡散防止膜631上を含む全面上に、例えばSiO膜による層間絶縁膜612を形成する。
Next, as shown in FIG. 9D, an
次に、図9Eに示すように、層間絶縁膜612を例えばCMP(化学機械研磨)法により所要の膜厚に研磨して表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 9E, the
次に、図9Fに示すように、層間絶縁膜612に上記と同様にしてバリア膜65で覆われた第2層目のCu配線622を形成する。
Next, as shown in FIG. 9F, a second-layer Cu wiring 622 covered with the
次に、図10Gに示すように、第2層目のCu配線622の上面に接して全面に第2層目のCuの拡散防止膜632を形成する。この第2層目の拡散防止膜632は、層内レンズを形成するに足る所要の厚さを有するように形成する。すなわち、この第2層目の拡散防止膜632の膜厚は、他の第1層目の拡散防止膜631の膜厚よりも厚く形成する。
Next, as shown in FIG. 10G, a second-layer Cu
次に、図10Hに示すように、第2層目の拡散防止膜632上のフォトダイオードPDに対応する位置に、層内レンズ形状部材となるレジスト層84を選択的に形成する。このレジスト層72は、通常のリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
Next, as shown in FIG. 10H, a resist
次に、図10Iに示すように、レジスト層84をリフロー処理してレジスト層による層内レンズ形状部材85を形成する。
Next, as shown in FIG. 10I, the resist
次に、図11Jに示すように、層内レンズ形状部材85と共に第2層目の拡散防止膜632をエッチバック処理して、第2層目の拡散防止膜632による層内レンズ64を形成する。層内レンズ64以外の領域の拡散防止膜632の膜厚は第1層目の拡散防止膜631の膜厚と同等の膜厚となる。
Next, as shown in FIG. 11J, the second layer
次に、図11Kに示すように、層内レンズ64を覆うように全面に例えばSiO2膜による層間絶縁膜613を形成する。
Next, as shown in FIG. 11K, an
次に、図11Lに示すように、層間絶縁膜613に上記と同様にしてバリア膜65で覆われた第3層目のCu配線623を形成する。
Next, as shown in FIG. 11L, a third-layer Cu wiring 623 covered with the
次に、図12Mに示すように、第3層目のCu配線623の上面に接して全面に第3層目のCuの拡散防止膜633を形成する。
Next, as shown in FIG. 12M, a third-layer Cu
次に、図12Nに示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、層内レンズ64上に対応する部分の第3層目の拡散防止膜633を、層間絶縁膜613と共に、選択的にエッチング除去する。このエッチング除去で開口部86が形成される。
Next, as shown in FIG. 12N, the third-layer
次に、図12Oに示すように、上記開口部86を埋めるように第3層目の拡散防止膜633上を含む全面上に、例えばSiO2膜による平坦化膜となる層間絶縁膜66を形成する。
Next, as shown in FIG. 12O, an
次に、図13Pに示すように、層間絶縁膜66を例えばCMP(化学機械研磨)法により所要の膜厚に研磨して表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 13P, the
次に、図13Qに示すように、平坦化膜となる層間絶縁膜66上にカラーフィルタ67を形成し、その上にオンチップマイクロレンズ68を形成して目的の固体撮像装置81を得る。
Next, as shown in FIG. 13Q, a
上述の第2実施の形態の固体撮像装置81及びその製造方法によれば、(第2層目のCu配線の拡散防止膜632を用いて層内レンズ64が形成されるので、光電変換部となるフォトダイオードPDから層内レンズ64までの層厚h3が、図1の第1実施の形態の固体撮像装置51の層厚h2よりもさらに低くなる。従って、入射光のフォトダイオードPDへの集光効率が有利になり、感度をより向上することができる。また、層内レンズ64を既存の拡散防止膜632を用いて形成するので、別途層内レンズ用の層を形成する必要がなく、製造工程数を削減することができ、製造の簡略化を図ることができる。このように本実施の形態では、図14の従来構造に比べて特性(感度)及び製造、コストの面で有利となる。
According to the solid-state imaging device 81 and the manufacturing method thereof according to the second embodiment described above (the
また、層内レンズ64を形成する第2層目の拡散防止膜632以外の第1層目、第3層目の拡散防止膜631、633の受光部上(フォトダイオードPD上)の部分は選択的に除去するので、分光特性の悪化を回避できる。
また、層内レンズ64を作る拡散防止膜632を、他の拡散防止膜631,633より厚く形成するので、層内レンズ64の形成を確保すると共に、他の拡散防止膜631,633の膜厚を薄くしているので、全体の層厚を抑制することができる。
Further, the portions on the light receiving portions (on the photodiode PD) of the first and third
Further, since the
上例では、層内レンズ64を上凸レンズで構成したが、図示せざるも下凸レンズで構成することもできる。
上例では、層内レンズ64を最上層(第3層目)の拡散防止膜633、あるいは第2層目の拡散防止膜632を用いて構成したが、その他、3層の拡散防止膜63〔631、632、633〕のうちのいずれか2層の拡散防止膜を用いて層内レンズを構成することも出来る。この場合は、2段の層内レンズが形成される。また、3層の拡散防止膜631、632、633の全てを用いて層内レンズを形成することもできる。この場合は3段の層内レンズが形成される。
In the above example, the in-
In the above example, the
上述した本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、多画素化、小型化のCMOSイメージセンサに適用して好適である。 The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention described above are suitable for application to a CMOS image sensor with a large number of pixels and a small size.
50・・画素、51、81・・固体撮像装置、52・・半導体基板、53・・n型電荷蓄積領域、54・・p型半導体領域、PD・・フォトダイオード、Tr1,Tr2・・MOSトランジスタ、60・・埋め込み導電部材、61〔611、612、613〕、66・・層間絶縁膜、621〜623・・Cu配線、631〜633・・拡散防止膜、65・・バリア層、64・・層内レンズ、67・・カラーフィルタ、68・・オンチップマイクロレンズ 50..Pixel, 51, 81..Solid-state imaging device, 52..Semiconductor substrate, 53..n-type charge storage region, 54..p-type semiconductor region, PD..photodiode, Tr1, Tr2..MOS transistor , 60 .. Embedded conductive member, 61 [611, 612, 613], 66 .. Interlayer insulating film, 621 to 623 .. Cu wiring, 631 to 633 .. Diffusion prevention film, 65 .. Barrier layer, 64. In-layer lens, 67 ... Color filter, 68 ... On-chip micro lens
Claims (7)
前記複数の画素の上方に層間絶縁膜を介して形成された多層のCu配線を有し、
前記Cu配線の拡散防止膜を用いて層内レンズが形成されて成る
ことを特徴とする固体撮像装置。 An imaging region in which a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor are arranged;
A multilayer Cu wiring formed above the plurality of pixels via an interlayer insulating film;
A solid-state imaging device, wherein an intra-layer lens is formed using a diffusion preventing film for the Cu wiring.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 2. The intra-layer lens is formed using a diffusion prevention film of a required layer or a diffusion prevention film of all layers among the diffusion prevention films of the multilayer Cu wiring. Solid-state imaging device.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the in-layer lens is formed of a downward convex lens.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the in-layer lens is formed of an upward convex lens.
前記複数の画素の上方に層間絶縁膜を介してCu配線を形成し、前記Cu配線上及び前記光電変換部に対応した領域を含む面に、所要の厚さの拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に層内レンズ形状部材を形成し、エッチバック処理して前記拡散防止膜による層内レンズを形成する工程を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 Forming a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor;
Forming a Cu wiring over the plurality of pixels via an interlayer insulating film, and forming a diffusion prevention film having a required thickness on the Cu wiring and on a surface including a region corresponding to the photoelectric conversion unit; ,
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming an in-layer lens-shaped member on the diffusion prevention film and performing an etch-back process to form an in-layer lens by the diffusion prevention film.
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置の製造方法。 6. The solid according to claim 5, further comprising a step of removing a diffusion prevention film of another layer that does not form the inner lens on a region corresponding to the photoelectric conversion unit before forming the inner lens. Manufacturing method of imaging apparatus.
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein the diffusion prevention film for forming the intralayer lens is formed thicker than other diffusion prevention films.
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