JP2009272568A - 固体撮像装置と電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減が可能な固体撮像装置とカメラを提供する。
【解決手段】半導体基板１０の複数の画素が集積された受光面において画素ごとにフォトダイオードＰＤが形成され、フォトダイオードを被覆して半導体基板上に絶縁膜（１５，１６,１７,２０,２１,２２，２５，２６，２７，３０，３１）が形成され、絶縁膜中に埋め込まれて配線（１９，２４，２９）が形成され、少なくともフォトダイオードの形成領域を被覆して、配線の内の最下層の配線から半導体基板に近い側に離間して炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜ＳＴが形成され、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部Ｈがエッチングストッパ膜に達するように形成され、凹部に埋め込まれて絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路（３６，３７）が形成されている構成とする。
【選択図】図１
【解決手段】半導体基板１０の複数の画素が集積された受光面において画素ごとにフォトダイオードＰＤが形成され、フォトダイオードを被覆して半導体基板上に絶縁膜（１５，１６,１７,２０,２１,２２，２５，２６，２７，３０，３１）が形成され、絶縁膜中に埋め込まれて配線（１９，２４，２９）が形成され、少なくともフォトダイオードの形成領域を被覆して、配線の内の最下層の配線から半導体基板に近い側に離間して炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜ＳＴが形成され、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部Ｈがエッチングストッパ膜に達するように形成され、凹部に埋め込まれて絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路（３６，３７）が形成されている構成とする。
【選択図】図１
Description
本発明は固体撮像装置と電子機器に関し、特に、受光面にフォトダイオードを有する画素がマトリクス状に並べられてなる固体撮像装置と、当該固体撮像装置を備えた電子機器に関する。
例えば、ＣＭＯＳセンサあるいはＣＣＤ素子などの固体撮像装置では、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオード（光電変換部）に光を入射させ、そのフォトダイオードで発生した信号電荷によって映像信号を得る構成となっている。
ＣＭＯＳセンサでは、例えば、受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられている。受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷はＣＭＯＳ回路の駆動でフローティングディフュージョンに転送される。信号電荷は信号電圧に変換して読み取られる構成となっている。
また、ＣＣＤ素子では、例えば、ＣＭＯＳセンサと同様に受光面において二次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられている。受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷はＣＣＤ垂直転送路及び水平転送路により転送され、読み取られる構成となっている。
上記のようなＣＭＯＳセンサなどの固体撮像装置は、例えば、半導体基板の表面に上述のフォトダイオードが形成されている。その上層を被覆して酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されている。フォトダイオードへの光の入射を妨げないようにフォトダイオード領域を除く領域において絶縁膜中に配線が形成された構成となっている。
しかしながら、上記のような固体撮像装置において、素子の微細化により受光面の面積が縮小されてきており、これに伴って入射光率が低下して感度特性が悪化するという問題がある。
この対策として、オンチップレンズや層内レンズなどを用いて集光を行う構造が開発されて、特に、フォトダイオードの上方における絶縁膜中に、外部から入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を設けた固体撮像装置が開発された。
この対策として、オンチップレンズや層内レンズなどを用いて集光を行う構造が開発されて、特に、フォトダイオードの上方における絶縁膜中に、外部から入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を設けた固体撮像装置が開発された。
特許文献１及び２に開示された固体撮像装置は、以下の構成である。
基板上にマトリクス状に配置された各画素においてフォトダイオードが形成され、フォトダイオードを被覆して絶縁膜が形成され、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部が設けられ、内部に光導波路が設けられている。
上記の固体撮像装置において、絶縁膜の内部にはダマシン法で形成された銅配線が埋め込まれて形成されており、絶縁膜は銅配線を構成する銅の拡散防止膜や凹部形成時のエッチングストッパ膜を含む構成となっている。
特許文献１及び２においては、光導波路は拡散防止膜やエッチングストッパ膜を貫いて形成されており、このような構成では、固体撮像装置の代表的な特性である暗電流及び白点欠陥が悪化することが知られている。
基板上にマトリクス状に配置された各画素においてフォトダイオードが形成され、フォトダイオードを被覆して絶縁膜が形成され、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部が設けられ、内部に光導波路が設けられている。
上記の固体撮像装置において、絶縁膜の内部にはダマシン法で形成された銅配線が埋め込まれて形成されており、絶縁膜は銅配線を構成する銅の拡散防止膜や凹部形成時のエッチングストッパ膜を含む構成となっている。
特許文献１及び２においては、光導波路は拡散防止膜やエッチングストッパ膜を貫いて形成されており、このような構成では、固体撮像装置の代表的な特性である暗電流及び白点欠陥が悪化することが知られている。
特許文献３には、上記と同様の構成の光導波路が設けられた固体撮像装置が開示されている。
特許文献３の固体撮像装置においては、基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜に達するように光導波路が形成されている。
特許文献３の固体撮像装置においては、基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜に達するように光導波路が形成されている。
また、特許文献４には、上記と同様の構成の光導波路が設けられた固体撮像装置が開示されている。
特許文献４の固体撮像装置においては、デュアルダマシン法による配線と同一のレイヤーに形成された拡散防止膜に達するように光導波路が形成されている。
特許文献３及び４では、光導波路は基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜や拡散防止膜を貫かないように形成されており、これによって暗電流及び白点欠陥においては特許文献１及び２の固体撮像装置よりも改善されている。
特開２００３−３２４１８９号公報
特開２００４−２０７４３３号公報
特開２００６−３３９３３９号公報
特開２００６−１９０８９１号公報
特許文献４の固体撮像装置においては、デュアルダマシン法による配線と同一のレイヤーに形成された拡散防止膜に達するように光導波路が形成されている。
特許文献３及び４では、光導波路は基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜や拡散防止膜を貫かないように形成されており、これによって暗電流及び白点欠陥においては特許文献１及び２の固体撮像装置よりも改善されている。
しかしながら、特許文献３及び４よりも、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、さらに、感度向上及び混色低減が望まれている。
解決しようとする問題点は、光導波路を設けた固体撮像装置において、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減を達成することが困難であることである。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された配線と、少なくとも前記フォトダイオードの形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜と、前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記エッチングストッパ膜に達するように形成された凹部と、前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路とを有する。
上記の本発明の固体撮像装置は、半導体基板の複数の画素が集積された受光面において画素ごとにフォトダイオードが形成され、フォトダイオードを被覆して半導体基板上に絶縁膜が形成され、絶縁膜中に埋め込まれて配線が形成されている。
さらに、少なくともフォトダイオードの形成領域を被覆して、配線の内の最下層の配線から半導体基板に近い側に離間して炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜が形成されている。
フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部がエッチングストッパ膜に達するように形成されており、凹部に埋め込まれて、絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路が形成されている。
さらに、少なくともフォトダイオードの形成領域を被覆して、配線の内の最下層の配線から半導体基板に近い側に離間して炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜が形成されている。
フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部がエッチングストッパ膜に達するように形成されており、凹部に埋め込まれて、絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路が形成されている。
本発明の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された配線と、少なくとも前記フォトダイオードの形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるストッパと、前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記ストッパ膜に達するように形成された凹部と、前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路とを有する。
上記の本発明の電子機器は、受光面に複数の画素が集積されてなる固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、固体撮像装置は上記の構成の固体撮像装置とする。
本発明の固体撮像装置は、光導波路となる凹部がエッチングストッパ膜に達するように、即ち、エッチングストッパ膜を貫通しないようにして形成されている。さらに、エッチングストッパ膜は炭化シリコンからなり、絶縁膜に埋め込まれた配線の内の最下層の配線から離間して半導体基板に近い側に形成されている。これにより、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減を達成することができる。
本発明の電子機器は、電子機器を構成する固体撮像装置において、光導波路となる凹部がエッチングストッパ膜に達するように、即ち、エッチングストッパ膜を貫通しないようにして形成されている。さらに、エッチングストッパ膜は炭化シリコンからなり、絶縁膜に埋め込まれた配線の内の最下層の配線から離間して半導体基板に近い側に形成されている。これにより、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減を達成することができる。
以下に、本発明に係る固体撮像装置と当該固体撮像装置を備えた電子機器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態
図１は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサの模式断面図であり、画素領域ＲＰＸとパッド電極領域ＲＰＡＤを示している。
図１は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサの模式断面図であり、画素領域ＲＰＸとパッド電極領域ＲＰＡＤを示している。
例えば、受光面となる画素領域ＲＰＸにおいて、半導体基板１０のｐウェル領域に、画素ごとにｎ型電荷蓄積層１１とその表層のｐ＋型表面層１２が形成され、ｐｎ接合によりフォトダイオードＰＤが構成されている。さらに、フォトダイオードＰＤに隣接して半導体基板上にゲート絶縁膜１３及びゲート電極１４が形成されている。
例えば、上記の半導体基板には、フローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードＰＤに生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されている。これにより、ゲート電極１４への電圧の印加によって信号電荷が転送される構成となっている。
例えば、フォトダイオードＰＤを被覆して、半導体基板上に、例えば酸化シリコンからなる第１絶縁膜１５が形成されている。
また、第１絶縁膜１５の上層に、少なくともフォトダイオードＰＤの形成領域を被覆して、炭化シリコン（ＳｉＣ）からなるエッチングストッパ膜ＳＴが形成されている。
また、第１絶縁膜１５の上層に、少なくともフォトダイオードＰＤの形成領域を被覆して、炭化シリコン（ＳｉＣ）からなるエッチングストッパ膜ＳＴが形成されている。
エッチングストッパ膜ＳＴの上層に、例えば、第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、第８絶縁膜３１、第１拡散防止膜２０、第２拡散防止膜２５、及び、第３拡散防止膜３０が形成されている。
上記の第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、及び、第８絶縁膜３１は、例えば酸化シリコンから形成されている。
上記の第１拡散防止膜２０と第２拡散防止膜２５は、例えば炭化シリコンから形成されている。
上記の第３拡散防止膜３０は、例えば窒化シリコンから形成されている。
上記の第１拡散防止膜２０と第２拡散防止膜２５は、例えば炭化シリコンから形成されている。
上記の第３拡散防止膜３０は、例えば窒化シリコンから形成されている。
上記のように、第１絶縁膜１５から第８絶縁膜３１までが積層して絶縁膜が構成されている。
例えば、上記の第３絶縁膜１７には配線用溝１７ｔが形成されており、配線用溝１７ｔの内壁を被覆してタンタル／窒化タンタルなどからなるバリアメタル層１８が形成されており、その内側の領域において埋め込まれて銅からなる第１配線１９が形成されている。
上記と同様に、例えば、第５絶縁膜２２においても配線用溝２２ｔの内壁を被覆してバリアメタル層２３が形成され、その内側の領域に埋め込まれて第２配線２４が形成されている。
また、例えば、第７絶縁膜２７においても配線用溝２７ｔの内壁を被覆してバリアメタル層２８が形成され、その内側の領域に埋め込まれて第３配線２９が形成されている。
また、例えば、第７絶縁膜２７においても配線用溝２７ｔの内壁を被覆してバリアメタル層２８が形成され、その内側の領域に埋め込まれて第３配線２９が形成されている。
バリアメタル層（１８，２３，２８）は、上記のように導電性の材料で形成されている場合には、それぞれ第１〜第３配線（１９，２４，２９）の一部として機能する。
上記のように、第１〜第３配線（１９，２４，２９）が、第１絶縁膜１５から第８絶縁膜３１まで積層して形成された絶縁膜中に埋め込まれた構成となっている。
上記のように、第１〜第３配線（１９，２４，２９）が、第１絶縁膜１５から第８絶縁膜３１まで積層して形成された絶縁膜中に埋め込まれた構成となっている。
ここで、本実施形態においては、上記のエッチングストッパ膜ＳＴは、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の内の最下層の配線である第１配線１９から、半導体基板１０に近い側に離間して形成されている。
上記の第１〜第３拡散防止膜は、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の上面を被覆して、銅の拡散を防止する膜である。
また、バリアメタル層（１８，２３，２８）は、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の側面及び下面を被覆して、銅の拡散を防止する膜である。
上記のようにして、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の表面が銅の拡散を防止する膜で被覆されている。
また、バリアメタル層（１８，２３，２８）は、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の側面及び下面を被覆して、銅の拡散を防止する膜である。
上記のようにして、第１〜第３配線（１９，２４，２９）の表面が銅の拡散を防止する膜で被覆されている。
上記の第１〜第３配線（１９，２４，２９）及びバリアメタル膜（１８，２３，２８）は、それぞれ、例えばダマシンプロセスにより形成されたものである。また、ディアルダマシンプロセスによる、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造であってもよい。
また、例えば、パッド電極領域ＲＰＡＤにおいて絶縁膜の上層にパッド電極３２が形成されている。パッド電極３２は、例えばアルミニウムなどからなり、第８絶縁膜３１などに形成された開口部３１ｃなどを介して第３配線などと接続して形成されており、例えば直径が１００μｍ程度の大きさである。
さらに、上記のパッド電極３２の上層に酸化シリコンからなる第９絶縁膜３３が形成されている。
さらに、上記のパッド電極３２の上層に酸化シリコンからなる第９絶縁膜３３が形成されている。
ここで、例えば、フォトダイオードＰＤの上方部分において、上記のように積層して形成された絶縁膜において、第２〜第９絶縁膜及び第１〜第３拡散防止膜を貫通し、エッチングストッパ膜ＳＴに達するように凹部Ｈが形成されている。
例えば、凹部Ｈはエッチングストッパ膜ＳＴの途中の深さにまで達しており、エッチングストッパ膜ＳＴが凹部Ｈの底面を構成している。
例えば、凹部Ｈはエッチングストッパ膜ＳＴの途中の深さにまで達しており、エッチングストッパ膜ＳＴが凹部Ｈの底面を構成している。
上記の凹部Ｈは、フォトダイオードの面積や画素サイズ、プロセスルールなどにもよるが、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上である。
また、例えば、凹部Ｈの内側の壁面は基板の主面に垂直な面となっている。あるいは、上方ほど広がる順テーパー状の形状となっていてもよい。
また、例えば、凹部Ｈの内側の壁面は基板の主面に垂直な面となっている。あるいは、上方ほど広がる順テーパー状の形状となっていてもよい。
上記の凹部Ｈの内壁を被覆し、かつ、パッド電極３２よりも上層に、酸化シリコン（屈折率１．４５）よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜３６が形成されている。パッシベーション膜３６は、例えば窒化シリコン（屈折率２．０）などからなり、０．５μｍ程度の膜厚である。
また、例えば、パッシベーション膜３６の上層において凹部Ｈに埋め込まれて、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層３７が形成されている。埋め込み層３７は凹部Ｈ内を埋め込んでおり、凹部Ｈの外部での膜厚が０．５μｍ程度となっている。
埋め込み層３７は、例えばシロキサン系樹脂（屈折率１．７）、あるいはポリイミドなどの高屈折率樹脂で構成され、シロキサン系樹脂が特に好ましい。
さらに、上記の樹脂中に例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子が含有されており、屈折率が高められている。
上記のようにして、酸化シリコンより屈折率が高い材料からなるパッシベーション膜３６と埋め込み層３７から、凹部Ｈに埋め込まれて光導波路が形成されている。
さらに、上記の樹脂中に例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子が含有されており、屈折率が高められている。
上記のようにして、酸化シリコンより屈折率が高い材料からなるパッシベーション膜３６と埋め込み層３７から、凹部Ｈに埋め込まれて光導波路が形成されている。
上記の埋め込み層３７の上層に、例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層３８が形成され、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）が画素毎に形成され、その上層に、マイクロレンズ４０が形成されている。
パッド電極領域ＲＰＡＤにおいては、カラーフィルタは形成されておらず、パッド電極３２の上層には第９絶縁膜３３、パッシベーション膜３６、埋め込み層３７、平坦化樹脂層３８とマイクロレンズを構成する樹脂層４０ａが積層し、パッド電極３２の上面を露出させるように開口部Ｐが形成されている。
上記のようにして、本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサが構成されている。
上記のようにして、本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサが構成されている。
本実施形態に係るＣＭＯＳセンサにおいては、光導波路となる凹部Ｈが炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜ＳＴに達するように、即ち、エッチングストッパ膜ＳＴを貫通しないようにして形成されている。
即ち、フォトダイオードは、その上方に炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜ＳＴで覆われた状態であり、暗電流及び白点欠陥などの原因となる不純物がフォトダイオードに達するのを防止する。これにより、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善することができる。
また、エッチングストッパ膜ＳＴは絶縁膜に埋め込まれた第１〜第３配線（１９，２４，２９）の内の最下層の第１配線１９から半導体基板１０に近い側に離間して形成されている。
即ち、フォトダイオードは、その上方に炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜ＳＴで覆われた状態であり、暗電流及び白点欠陥などの原因となる不純物がフォトダイオードに達するのを防止する。これにより、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善することができる。
また、エッチングストッパ膜ＳＴは絶縁膜に埋め込まれた第１〜第３配線（１９，２４，２９）の内の最下層の第１配線１９から半導体基板１０に近い側に離間して形成されている。
エッチングストッパＳＴは最下層の第１配線１９から離間しているので、エッチングストッパＳＴの位置を最下層の第１配線１９の下方に任意の位置に設定することが可能である。例えば、受光部の直上にＳｉＯ／ＳｉＮ膜が設けられている場合、エッチングストッパ膜ＳＴをＳｉＮ膜に接するまでフォトダイオード側に近づけることも可能である。
上記のようにして、光導波路のフォトダイオード側の端部をフォトダイオードに近づけることが可能となり、入射した光が光導波路によりフォトダイオードにより近い領域まで導かれて、感度向上及び混色低減を実現できる。
上記のようにして、光導波路のフォトダイオード側の端部をフォトダイオードに近づけることが可能となり、入射した光が光導波路によりフォトダイオードにより近い領域まで導かれて、感度向上及び混色低減を実現できる。
エッチングストッパ膜ＳＴは炭化シリコンからなるが、炭化シリコンは窒化シリコンより熱処理により放出される水素量が多い。ここで、暗電流及び白点が発生は、センサ部のＳｉＯ２／Ｓｉ界面及びＳｉ中のダングリングボンドが準位となり、そこから電子が湧き出ることに起因する。これに対して、炭化シリコンはら放出される水素は、上記のダングリングボンドと結合して電子が湧き出るのを低減させ、暗電流及び白点の発生を抑制する。これにより、炭化シリコンからなるエッチングストッパは、窒化シリコン膜と比べて暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善できる。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
上記の本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオードの上層に形成された絶縁膜にフォトダイオードの上方において凹部が形成され、凹部内に高屈折率物質が埋め込まれて光導波路が構成されており、パッド電極の上層に形成されるパッシベーション膜が凹部内に埋め込まれる高屈折率物質としても利用された構成となっており、光導波路を設けても、より簡単な工程で製造可能な構成となっている。
本実施形態の固体撮像装置においては、例えば同一チップ上にロジック回路などが混載された構成とすることも可能である。この場合、上記の光導波路を構成するパッシベーション膜は、ロジックなどの他の領域においてもパッシベーション膜として用いられる膜となっている。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図面を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、画素領域ＲＰＸにおいて、半導体基板１０のｐウェル領域にｎ型電荷蓄積層１１とその表層のｐ＋型表面層１２を形成してｐｎ接合を有するフォトダイオードＰＤを形成する。また、フォトダイオードに隣接してゲート絶縁膜１３及びゲート電極１４、並びにフローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、画素領域ＲＰＸにおいて、半導体基板１０のｐウェル領域にｎ型電荷蓄積層１１とその表層のｐ＋型表面層１２を形成してｐｎ接合を有するフォトダイオードＰＤを形成する。また、フォトダイオードに隣接してゲート絶縁膜１３及びゲート電極１４、並びにフローティングディフュージョンやＣＣＤ電荷転送路など、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長法）などにより、フォトダイオードＰＤを被覆して画素領域ＲＰＸとパッド電極領域ＲＲＡＤの全面に、酸化シリコンを堆積させて、第１絶縁膜１５を形成する。
次に、例えば第１絶縁膜１５の上層にＣＶＤ法により炭化シリコンを堆積させる。次に、フォトリソグラフィ工程により少なくともフォトダイオードＰＤの形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのエッチングを施す。このようにして、少なくともフォトダイオードＰＤの形成領域を被覆するパターンのエッチングストッパ膜ＳＴを形成する。
次に、図３（ａ）に示すように、例えば、エッチングストッパ膜ＳＴの上層に酸化シリコンを堆積させて第２絶縁膜１６を形成し、さらに酸化シリコンを堆積させて第３絶縁膜１７を形成する。
次に、例えば、エッチング加工により第３絶縁膜１７に配線用溝１７ｔを形成する。次に、スパッタリングにより配線用溝１７ｔの内壁を被覆してタンタル／酸化タンタルを成膜してバリアメタル層１８を形成し、銅のシード層を形成する。次に、電解メッキ処理により全面に銅を成膜し、ＣＭＰ（化学機械研磨）法などにより配線用溝１７ｔの外部に形成された銅を除去して、第１配線１９を形成する。このとき、配線用溝１７ｔの外部に形成されたバリアメタル層１８も除去される。
次に、例えば第１配線の上層にＣＶＤ法により炭化シリコンを堆積させ、エッチングストッパ膜ＳＴと同様にパターン加工して、第１拡散防止膜２０を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、上記の第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、配線用溝１７ｔ、バリアメタル層１８、第１配線１９及び第１拡散防止膜２０を形成するプロセスを繰り返す。
例えば、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、配線用溝２２ｔ、バリアメタル層２３、第２配線２４及び第２拡散防止膜２５を形成する。さらに、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、配線用溝２７ｔ、バリアメタル層２８及び第３配線２９を形成する。
ここで、上記の第３配線は、例えばパッド電極領域ＲＲＡＤまで延伸するように形成する。
例えば、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、配線用溝２２ｔ、バリアメタル層２３、第２配線２４及び第２拡散防止膜２５を形成する。さらに、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、配線用溝２７ｔ、バリアメタル層２８及び第３配線２９を形成する。
ここで、上記の第３配線は、例えばパッド電極領域ＲＲＡＤまで延伸するように形成する。
さらに、例えばＣＶＤ法により窒化シリコンを堆積して第３拡散防止膜３０を形成する。さらにその上層に第８絶縁膜３１を形成する。
以上のようにして、第１絶縁膜１５、第２絶縁膜１６、第３絶縁膜１７、第４絶縁膜２１、第５絶縁膜２２、第６絶縁膜２６、第７絶縁膜２７、第８絶縁膜３１、第１拡散防止膜２０、第２拡散防止膜２５、及び、第３拡散防止膜３０が積層した絶縁膜を形成する。
また、絶縁膜中に埋め込まれてなる第１〜第３配線（１９，２４，２９）とする。
また、絶縁膜中に埋め込まれてなる第１〜第３配線（１９，２４，２９）とする。
上記の第１〜第３配線（１９，２４，２９）としては、それぞれ、例えばディアルダマシンプロセスにより、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるコンタクト部と一体に形成された配線構造を形成してもよい。
次に、図４（ａ）に示すように、第８絶縁膜３１などに第３配線に達する開口部３１ｃを形成し、例えば成膜温度が３００℃程度のスパッタリング法などによりアルミニウムを成膜してパターン加工し、例えば直径が１００μｍ程度のパッド電極３２を形成する。
アルミニウムのパッド電極３２を形成した後の工程は、全て４００℃以下のプロセスとする。
アルミニウムのパッド電極３２を形成した後の工程は、全て４００℃以下のプロセスとする。
次に、図４（ｂ）に示すように、例えば、画素領域ＲＰＸとパッド電極領域ＲＲＡＤの全面にＣＶＤ法によりパッド電極３２を被覆して酸化シリコンを堆積させ、第９絶縁膜３３を形成する。
次に、図５に示すように、例えば、フォトリソグラフィ工程により凹部を開口するパターンのレジスト膜３５をパターン形成して、ＲＩＥなどの異方性エッチングを施し、第２〜第９絶縁膜及び第１〜第３拡散防止膜を貫通して、エッチングストッパ膜ＳＴに達するように凹部Ｈを形成する。
上記の凹部Ｈの開口では、例えば、酸化シリコンと窒化シリコンや炭化シリコンなどの材料に応じて条件を変更しながらエッチングを進行させ、開口底部がエッチングストッパ膜ＳＴに到達した時点でエッチングが停止するようにする。
例えば、オーバーエッチングにより、凹部Ｈはエッチングストッパ膜ＳＴの途中の深さにまで達する形状とする。
これによって、エッチングストッパ膜ＳＴに凹部Ｈの底面を構成させることができる。
例えば、オーバーエッチングにより、凹部Ｈはエッチングストッパ膜ＳＴの途中の深さにまで達する形状とする。
これによって、エッチングストッパ膜ＳＴに凹部Ｈの底面を構成させることができる。
上記のようにエッチングストッパ膜ＳＴを凹部Ｈの底面とすることで、凹部Ｈの深さが安定して決定されるので、フォトダイオードと光導波路の距離が一定となり、特性がばらつくのを防止できる。
上記のようにして、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上である凹部Ｈを開口できる。
上記のようにして、例えば開口直径が０．８μｍ程度であり、アスペクト比は１〜２程度もしくはそれ以上である凹部Ｈを開口できる。
次に、図６に示すように、例えば成膜温度が３８０℃程度のプラズマＣＶＤ法により、凹部Ｈの内壁を被覆し、かつ、パッド電極３２よりも上層に、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する窒化シリコンを堆積させて、パッシベーション膜３６を０．５μｍ程度の膜厚で形成する。
次に、図７に示すように、例えば成膜温度が４００℃程度のスピンコート法により、酸化チタンなどの金属酸化物微粒子を含有するシロキサン系樹脂を０．５μｍ程度の膜厚で成膜し、パッシベーション膜３６の上層において凹部Ｈに埋め込む。このようにして、酸化シリコンよりも高い屈折率を有する埋め込み層３７を形成する。塗布後に、必要に応じて例えば３００℃程度のポストベーク処理を行う。また、ポリイミド樹脂の場合には、例えば３５０℃程度の温度で成膜できる。
次に、例えば、埋め込み層３７の上層に例えば接着層としても機能する平坦化樹脂層３８を形成し、その上層に、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各色のカラーフィルタ（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）を画素毎に形成する。
さらに、その上層にマイクロレンズ４０を形成する。
さらに、その上層にマイクロレンズ４０を形成する。
上記の製造方法において、例えばパッド電極の形成工程の後、樹脂の埋め込み層の形成工程の前までのいずれかにおいて、半導体中のダングリングボンドを終端化するための水素処理（シンタリング）を行うことができる。
さらに、図１に示すように、パッド電極領域ＲＰＡＤにおいてパッド電極３２の上面を露出させるように開口部Ｐを形成する。
以上で、図１に示す構成の固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサを製造することができる。
以上で、図１に示す構成の固体撮像装置であるＣＭＯＳセンサを製造することができる。
本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減を実現できる固体撮像装置を製造することができる。
（実施例１）
第１実施形態において、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のＣＭＯＳセンサ（ａ）を作成した。ここでパッシベーション膜はＳｉＮ膜とした。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第１拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｂ）を作成した。
上記のＣＭＯＳセンサの感度を測定した。結果を図８に示す。
第１実施形態において、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のＣＭＯＳセンサ（ａ）を作成した。ここでパッシベーション膜はＳｉＮ膜とした。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第１拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｂ）を作成した。
上記のＣＭＯＳセンサの感度を測定した。結果を図８に示す。
図８は、上記のＣＭＯＳセンサ（ａ）と（ｂ）における感度をＦナンバに対してプロットした図である。
全てのＦナンバ領域において、感度が１〜３割程度向上しており、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで感度が向上することが示された。
全てのＦナンバ領域において、感度が１〜３割程度向上しており、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで感度が向上することが示された。
（実施例２）
第１実施形態において、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のＣＭＯＳセンサ（ａ）を作成した。ここでパッシベーション膜はＳｉＮ膜とした。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、パッシベーション膜をＳｉＯＮ膜としたことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｂ）を作成した。
また、ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第１拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｃ）を作成した。
上記のＣＭＯＳセンサの混色率を測定した。結果を図９に示す。
第１実施形態において、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のＣＭＯＳセンサ（ａ）を作成した。ここでパッシベーション膜はＳｉＮ膜とした。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、パッシベーション膜をＳｉＯＮ膜としたことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｂ）を作成した。
また、ＣＭＯＳセンサ（ａ）に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第１拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるＣＭＯＳセンサ（ｃ）を作成した。
上記のＣＭＯＳセンサの混色率を測定した。結果を図９に示す。
図９は、上記のＣＭＯＳセンサ（ａ），（ｂ）及び（ｃ）における混色率を入射角に対してプロットした図である。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）及び（ｂ）において、ＣＭＯＳセンサ（ｃ）よりも混色が低減し、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで混色が低減することが示された。
ＣＭＯＳセンサ（ａ）及び（ｂ）において、ＣＭＯＳセンサ（ｃ）よりも混色が低減し、エッチングストッパ膜ＳＴを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで混色が低減することが示された。
第２実施形態
図１０は、本実施形態に係る電子機器であるカメラの概略構成図である。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラの例である。
本実施形態に係るカメラは、イメージセンサ（固体撮像装置）５０と、光学系５１と、信号処理回路５３などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ５０として、上記の第１実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
図１０は、本実施形態に係る電子機器であるカメラの概略構成図である。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラの例である。
本実施形態に係るカメラは、イメージセンサ（固体撮像装置）５０と、光学系５１と、信号処理回路５３などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ５０として、上記の第１実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
光学系５１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ５０の撮像面上に結像させる。これによりイメージセンサ５０内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は出力信号Ｖｏｕｔとして取り出される。
シャッタ装置は、イメージセンサ５０への光照射期間および遮光期間を制御する。
シャッタ装置は、イメージセンサ５０への光照射期間および遮光期間を制御する。
画像処理部は、イメージセンサ５０の転送動作およびシャッタ装置のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。画像処理部から供給される駆動信号（タイミング信号）により、イメージセンサ５０の信号転送を行なう。信号処理回路５３は、イメージセンサ５０の出力信号Ｖｏｕｔに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
上記の本実施形態に係る電子機器によれば、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善し、感度向上及び混色低減を達成することができる。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
上記の実施形態では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサ５０に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はイメージセンサ５０への適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、画素アレイ部の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限らず、画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置において、その固体撮像装置として先述した実施形態に係るイメージセンサ５０を用いることで、当該イメージセンサ５０では、簡単な構成で、良質な画像を得ることができる。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ素子のいずれにも適用できる。
また、第１絶縁膜１５は省略することが可能である。即ち、上記の実施形態のように、エッチングストッパ膜ＳＴと半導体基板１０の間に酸化シリコン膜である第１絶縁膜１５が形成されている構成としてもよく、また、エッチングストッパ膜ＳＴが半導体基板１０上に形成されている構成としてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ素子のいずれにも適用できる。
また、第１絶縁膜１５は省略することが可能である。即ち、上記の実施形態のように、エッチングストッパ膜ＳＴと半導体基板１０の間に酸化シリコン膜である第１絶縁膜１５が形成されている構成としてもよく、また、エッチングストッパ膜ＳＴが半導体基板１０上に形成されている構成としてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
１０…半導体基板、１１…ｎ型電荷蓄積層、１２…ｐ＋型表面層、１３…ゲート絶縁膜、１４…ゲート電極、１５…第１絶縁膜、１６…第２絶縁膜、１７…第３絶縁膜、１７ｔ…配線用溝、１８…バリアメタル層、１９…第１配線、２０…第１拡散防止膜、２１…第４絶縁膜、２２…第５絶縁膜、２２ｔ…配線用溝、２３…バリアメタル層、２４…第２配線、２５…第２拡散防止膜、２６…第６絶縁膜、２７…第７絶縁膜、２７ｔ…配線用溝、２８…バリアメタル層、２９…第３配線、３０…第３拡散防止膜、３１…第８絶縁膜、３１ｃ…開口部、３２…パッド電極、３３…第９絶縁膜、３５…レジスト膜、３６…パッシベーション膜、３７…埋め込み層、３８…平坦化樹脂層、３９ａ，３９ｂ，３９ｃ…カラーフィルタ、４０…マイクロレンズ、４０ａ…樹脂層、５０…イメージセンサ、５１…光学系、５３…信号処理回路、Ｈ…凹部、Ｌ…光、Ｐ…開口部、ＰＤ…フォトダイオード、ＲＰＡＤ…パッド電極領域、ＲＰＸ…画素領域、ＳＴ…エッチングストッパ膜
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された配線と、
少なくとも前記フォトダイオードの形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜と、
前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記エッチングストッパ膜に達するように形成された凹部と、
前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路と
を有する固体撮像装置。 - 前記エッチングストッパ膜と前記半導体基板の間に酸化シリコン膜が形成されている
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記エッチングストッパ膜が前記半導体基板上に形成されている
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記配線が銅を含有する配線である
請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記配線の表面が前記銅の拡散を防止する膜で被覆されている
請求項４に記載の固体撮像装置。 - 前記銅の拡散を防止する膜が、前記配線の下面及び側面を被覆するバリアメタル層と前記配線の上面を被覆する拡散防止膜を有する
請求項５に記載の固体撮像装置。 - 前記光導波路が、前記凹部の内壁を被覆するパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜の上層において前記凹部に埋め込まれて形成された埋め込み層とを有する
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された配線と、
少なくとも前記フォトダイオードの形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜と、
前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記エッチングストッパ膜に達するように形成された凹部と、
前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路と
を有する電子機器。
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