JP2011138841A - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 銅配線を適用しつつ、光電変換素子の暗電流やリーク電流の発生を抑制する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および前記光電変換素子からの電荷を転送するための転送ゲート電極とを有する第１の基板と、光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための回路を含む周辺回路部を有する第２の基板とを積層し、第１の基板の上部に配されたアルミニウム配線からなる多層配線構造と、第２の基板の上部に配された銅配線からなる多層配線構造と、を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および前記光電変換素子からの電荷を転送するための転送ゲート電極とを有する第１の基板と、光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための回路を含む周辺回路部を有する第２の基板とを積層し、第１の基板の上部に配されたアルミニウム配線からなる多層配線構造と、第２の基板の上部に配された銅配線からなる多層配線構造と、を有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、裏面照射型の固体撮像装置に関する。
近年の固体撮像装置の微細化に伴い、配線を微細化することが可能な銅配線が固体撮像装置に適用され始めている。
特許文献１には、銅配線を有する固体撮像装置において、光電変換素子上に銅配線の拡散防止膜を設けない固体撮像装置に適用した構成が提案されている。
また、特許文献２には、光電変換素子や信号読み出し用の回路を設けた画素部を含む基板と、画素部の回路を駆動し、読み出した信号を処理するための周辺回路を含む基板とを貼り合わせた裏面照射型の固体撮像装置が記載されている。
特許文献１の構成において、銅の拡散係数が非常に大きいため、光電変換素子へ銅が拡散してしまう場合がある。銅の表面を拡散防止膜で保護していたとしても、例えば、同一基板上において、銅を含む層を形成した後には、基板の端面や裏面から銅が拡散する場合がある。銅などの不純物が光電変換素子を構成する半導体領域へ混入してしまうと、暗電流やリーク電流の原因となり、得られる画像データに白傷などを生じさせてしまう。
そこで、本発明においては、銅配線を適用しつつ、光電変換素子の暗電流やリーク電流の発生を抑制可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および前記光電変換素子からの電荷を転送するための転送ゲート電極とを有する第１の基板と、前記光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための回路を含む周辺回路部を有する第２の基板とを積層した固体撮像装置において、前記第１の基板の上部に配された、アルミニウム配線からなる多層配線構造と、前記第２の基板の上部に配された、銅配線からなる多層配線構造と、を有する。
本発明の固体撮像装置によって、銅配線を適用しつつ、光電変換素子の暗電流やリーク電流の発生を抑制可能な固体撮像装置を提供することが可能となる。
本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および転送ゲート電極とを有する第１の基板と、制御回路を有する第２の基板とを積層して構成され、第１の基板の配線はアルミニウム配線によって構成され、第２の基板の制御回路の配線は銅配線によって構成される。このような構成によって、光電変換素子の暗電流やリーク電流の発生を抑制することが可能となる。
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明を行う。
本発明の実施例１について、図１および図１１を用いて説明する。
まず、図１１を用いて実施例１の固体撮像装置の回路の一例を説明する。図１１の固体撮像装置３００は、複数の光電変換素子が配列した画素部３０１と、画素部３０１からの信号を読み出す駆動のための制御回路や読み出した信号を処理する信号処理回路を有する周辺回路部３０２とを有する。
画素部３０１は、光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４と、増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７が複数配置されている。少なくとも１つの光電変換素子３０３を含む構成を画素とする。本実施例の１つの画素は、光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４と、増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７を含む。転送トランジスタ３０４のソースは光電変換素子３０３と接続しており、転送トランジスタ３０４のドレイン領域は増幅トランジスタ３０６のゲート電極と接続している。この増幅トランジスタ３０６のゲート電極と同一のノードをノード３０５とする。リセットトランジスタはノード３０５に接続し、ノード３０５の電位を任意の電位（例えば、リセット電位）に設定する。ここで、増幅トランジスタ３０６はソースフォロア回路の一部であり、ノード３０５の電位に応じた信号を信号線ＲＬに出力する。
周辺回路部３０２は、画素部３０１のトランジスタのゲート電極へ制御信号を供給するための垂直走査回路ＶＳＲを有する。また、周辺回路部３０２は、画素部３０１から出力された信号を保持し、増幅や加算やＡＤ変換などの信号処理を行う読み出し回路ＲＣを有する。そして、周辺回路部３０２は、読み出し回路ＲＣから信号を順次出力するタイミングを制御する制御回路である水平走査回路ＨＳＲを有する。
ここで、実施例１の固体撮像装置３００は２つのチップが積層されることによって構成されている。２つのチップとは、画素部３０１の光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４とが配された第１のチップ３０８と、画素部３０１の増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７と、周辺回路部３０２とが配された第２のチップ３０９である。このような構成において、第２のチップ３０９の周辺回路部３０２から第１のチップ３０８の転送トランジスタ３０４のゲート電極へと制御信号が接続部３１０を介して供給される。また、第１のチップ３０８の光電変換素子３０３にて生じた信号は転送トランジスタ３０４のドレイン領域に接続する接続部３１１を介して、ノード３０５に読み出される。このようにリセットトランジスタ３０７や増幅トランジスタ３０６を別のチップに設けることで、光電変換素子３０３の面積を大きくすることが可能となり感度の向上させることが可能となる。また、面積を同一とするならば、光電変換素子３０３を多く設けることが可能となり、多画素化が可能となる。
次に、図１を用いて本実施例の固体撮像装置を説明する。図１は、図１１の固体撮像装置３００に対応した固体撮像装置１００の断面図である。図１は、図１１の光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４、増幅トランジスタ３０６に対応する、２画素分の断面図であり、その他の部分については記載を省略する。
図１において、第１のチップ１０１と、第２のチップ１０２と、第１のチップと第２のチップとの接合面１０３とが示されている。第１のチップ１０１は図１１の第１のチップ３０８と、第２のチップ１０２は図１１の第２のチップ３０９と対応している。
第１のチップ１０１は第１の基板１０４を有する。第１の基板１０４において、トランジスタが形成される面を主面１０５とし、その反対の面を裏面１０６とする。第１の基板１０４には、図１１における光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４を構成する各部位が配されている。そして、第１のチップ１０１の第１の基板１０４の主面１０５側の上部には、アルミニウムを主成分とした配線（アルミニウム配線）からなる第１の配線層１２２と第２の配線層１２３とを含む多層配線構造１０７を有する。ここで、第１の配線層１２２の配線と第２の配線層１２３の配線との接続や、ゲート電極と第１の配線層の配線との接続などは、例えばタングステンからなるプラグによって接続されている。
第２のチップ１０２は第２の基板１０８を有する。第２の基板１０８において、トランジスタが形成される面を主面１０９とし、その反対の面を裏面１１０とする。第２の基板１０８の主面１０９の上部には、銅を主成分とした配線（銅配線）の第１の配線層１２８と、アルミニウム配線の第２の配線層１２９とを含む多層配線構造１１１が形成されている。第１の配線層１２８はシングルダマシン構造であり、その上部に銅のための拡散防止膜１３１を有している。拡散防止膜１３１は、第１の配線層１２８の上部と第１の配線層１２８の上面と同一面を形成する絶縁膜を覆っている。この拡散防止膜は、例えば、シリコンナイトライドやシリコンカーバイドである。
ゲート電極などと第１の配線層１２８の配線と、第１の配線層１２８と第２の配線層１２９との接続は、例えばタングステンからなるプラグによってなされている。そして、第２の基板１０８には、図１１の増幅トランジスタ３０６を構成する各部位が配されている。なお、説明において、各チップにおいて、基板の主面から裏面に向かう方向を下方向もしくは深い方向とし、裏面から主面に向かう方向を上方向もしくは浅い方向とする。
ゲート電極などと第１の配線層１２８の配線と、第１の配線層１２８と第２の配線層１２９との接続は、例えばタングステンからなるプラグによってなされている。そして、第２の基板１０８には、図１１の増幅トランジスタ３０６を構成する各部位が配されている。なお、説明において、各チップにおいて、基板の主面から裏面に向かう方向を下方向もしくは深い方向とし、裏面から主面に向かう方向を上方向もしくは浅い方向とする。
ここで、本実施例の固体撮像装置においては、第１のチップ１０１と第２のチップ１０２のそれぞれの基板の主面１０５および主面１０９とが対向して積層されている。図１では、第１のチップ１０１と第２のチップ１０２の接続部の構成は、第１のチップ１０１のフローティングディフュージョン領域（以下、ＦＤ領域）１１３と第２のチップ１０２の増幅トランジスタのゲート電極１２６との接続のみ示している。具体的には、第１のチップ１０１のＦＤ領域１１３は多層配線構造１０７、接続部３１１、多層配線構造１１１を介して、増幅トランジスタのゲート電極１２６と接続している。なお、転送トランジスタのゲート電極１１４への制御信号を供給する図１１に示す接続部３１０は図１においては不図示である。そして、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板１０４の裏面１０６側から光が入射する裏面入射型の固体撮像装置である。
各チップについて詳細に説明する。まず、第１のチップ１０１の第１の基板１０４には、ウエル１１５と、光電変換素子を形成するＮ型の電荷蓄積領域１１２と、転送トランジスタのゲート電極１１４とが配されている。更に、第１の基板１０４には、転送トランジスタのドレイン領域１１３と、素子分離領域１１７と、Ｐ型の半導体領域１１６とが配されている。ウエル１１５は、トランジスタや光電変換素子が配される半導体領域であり、ここではＮ型でもＰ型でもどちらでもよい。Ｐ型の半導体領域１１６は、第１の基板１０４の裏面１０６のシリコンとシリコン酸化膜界面にて生じる暗電流の抑制が可能であり、また光電変換素子の一部としても機能可能である。電荷蓄積領域１１２は、光電変換素子にて生じた電荷（電子）を蓄積し、図１では転送ゲート側にＰ型の保護層を有している。素子分離領域１１７は、Ｐ型の半導体領域からなり、図示していないがＬＯＣＯＳ分離やＳＴＩ分離といった絶縁膜を含む素子分離構造を有していてもよい。転送トランジスタのドレイン領域１１３は図１１におけるノード３０５を構成し、ＦＤ領域と称される。そして、第１のチップ１０１は、第１の基板１０４の裏面１０６側に、反射防止膜１１８、遮光膜１１９、平坦化層などを含むカラーフィルタ層１２０、マイクロレンズ１２１を有する。
次に、第２のチップ１０２の第２の基板１０８には、ウエル１２４と、図１１における増幅トランジスタ３０６を構成するソース領域およびドレイン領域１２５と、同増幅トランジスタのゲート電極１２６と、素子分離領域１２７と、が配されている。トランジスタのゲート電極１２６とソース領域およびドレイン領域１２５とに高融点金属化合物層１３６が配されている。ウエル１２４はＰ型の半導体領域である。高融点金属化合物層は、コバルトやチタンといった高融点金属とシリコン半導体基板との化合物である。ここで、本実施例の固体撮像装置の第２のチップ１０２のみが多層配線構造に銅配線を含む。また、図１１に示す周辺回路部３０２を構成する領域の上部にも銅配線を含む多層配線構造が配される（不図示）。
このような第２の基板に配された制御回路のトランジスタのための多層配線構造が銅配線を含むことによって、配線間隔の微細化が可能となる。また、このような銅配線を有する多層配線構造を第２のチップ１０２にのみ有することで、光電変換素子への銅の混入を低減することが可能となり、銅の混入によって生じるノイズを低減することが可能となる。
また、拡散防止膜１３１を有することで、第２のチップに配された銅配線の銅が第１のチップの光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域に混入することをより抑制することが可能となる。
なお、本実施例において、第２チップの第２の配線層１２９をアルミニウム配線としたのは、接続部を構成するために、第２の配線層１２９の配線を形成する導電体が露出している必要があるためである。ここで、第２の配線層１２９は露出した導電体から銅が拡散する可能性があるため、アルミニウム配線にすると良い。
また、銅のための拡散防止膜１３１が高融点金属の拡散防止膜としても機能可能である。よって、高融点金属が光電変換素子を構成する半導体領域へ混入することを低減することが可能となり、高融点金属の混入によって生じるノイズを低減することが可能となる。
また、本実施例の変形例として、増幅トランジスタが第１の基板に配されていてもよく、少なくとも、本実施例のように光電変換素子に加えてＦＤ領域を第１の基板１０４に配することが好ましい。それは、光電変換素子で生じた信号電荷が保持される光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域への銅の拡散を低減させることが可能であるためである。
本実施例の固体撮像装置を図２を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置は、実施例１の固体撮像装置とは、図１１に示すような回路は等しく、チップの積層構造が異なる。以下、回路については説明を省略し、図２に示す構成について説明を行う。
図２は、図１１の回路に対応した固体撮像装置２００の断面図である。図２は、図１１の光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４、増幅トランジスタ３０６に対応する、２画素分の断面図であり、その他の部分については記載を省略する。
図２には、第１のチップ２０１と、第２のチップ２０２と、第１のチップと第２のチップとの接合面２０３とが示されている。第１のチップ２０１は図１１の第１のチップ３０８と、第２のチップ２０２は図１１の第２のチップ３０９と対応している。
第１のチップ２０１は第１の基板２０４を有する。第１の基板２０４において、トランジスタが配される面を主面２０５とし、その反対の面を裏面２０６とする。第１の基板２０４には、図１１における光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４が配されている。そして、第１の基板２０４の主面２０５の上部には、アルミニウム配線からなる第１の配線層２２２と第２の配線層２２３とを含む多層配線構造２０７が配されている。また、多層配線構造２０７は、実施例１と同様に、タングステンのプラグを有する。
第２のチップ２０２は第２の基板２０８を有する。第２の基板２０８において、トランジスタが形成される面を主面２０９とし、その反対の面を裏面２１０とする。第２の基板２０８の主面２０９の上部には、銅配線からなる第１の配線層２２８と第２の配線層２２９とを含む多層配線構造２１１が配されている。本実施例では実施例１と異なり第２の配線層も銅配線である。第１の配線層２２８はシングルダマシン構造であり、第２の配線層２２９はデュアルダマシン構造であり、それぞれ銅に対する拡散防止膜２３１、２３２が上部に配される。拡散防止膜２３１、２３２は、例えば、シリコンナイトライドやシリコンカーバイドからなる膜である。また、ゲート電極などと第１の配線層２２８との接続は、例えばタングステンのプラグによってなされている。そして、第２の基板２０８には、図１１における増幅トランジスタ３０６を構成する各部位が配されている。
ここで、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板２０４の主面２０５と第２の基板２０８の裏面２１０とが対向して積層されている。図２では、第１のチップ２０１と第２のチップ２０２の接続部の構成は、第１のチップ２０１のＦＤ領域２１３と第２のチップ２０２の増幅トランジスタのゲート電極２２６との接続のみ示している。具体的には、第１のチップ２０１のＦＤ領域２１３は多層配線構造２０７、接続部３１１、多層配線構造２１１を介して、増幅トランジスタのゲート電極２２６と接続している。ここで、接続部３１１の一部を構成する、第２の基板２０８を関する貫通電極２３５が配されている。この貫通電極によって、ＦＤ領域２１３と増幅トランジスタのゲート電極２２６とが接続される。なお、転送トランジスタのゲート電極２１４への制御信号を供給する図１１における接続部３１０は不図示である。そして、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板２０４の裏面２０６側から光が入射する裏面入射型の固体撮像装置である。
次に、各チップについて詳細に説明する。第１のチップ２０１の第１の基板２０４には、ウエル２１５と、光電変換素子を形成するＮ型の電荷蓄積領域２１２と、転送トランジスタのゲート電極２１４とが配されている。更に、第１の基板２０４には転送トランジスタのドレイン領域２１３と、素子分離領域２１７と、Ｐ型の半導体領域２１６とが配されている。そして、第１のチップ２０１は、第１の基板２０４の裏面２０６側に、反射防止膜２１８、遮光膜２１９、平坦化層などを含むカラーフィルタ層２２０、マイクロレンズ２２１を有する。
次に、第２のチップ２０２の第２の基板２０８には、ウエル２２４と、素子分離領域２２７と、が配されている。更に、第２の基板２０８には図１１における増幅トランジスタ３０６の各部位であるソース領域およびドレイン領域２２５とゲート電極２２６とが配されている。トランジスタのゲート電極２２６とソース領域およびドレイン領域２２５には高融点金属化合物層２３６が配されている。更に、第２の基板２０８の上部に第１の配線層２２８、第２の配線層２２９を有し、第２の基板２０８の最深部に絶縁層２３４を有する。更に、第２のチップ２０２の上部に接着層２３３と支持基板２３４とを有している。実施例２における絶縁層、接着層２３３、支持基板２３４については後述する。
ここで、本実施例の固体撮像装置の第２のチップ２０２に配された多層配線構造は、銅配線を含む。第２の基板に配された多層配線構造が銅配線によって構成されることで、配線の微細化が可能となる。また、このような銅配線を第２のチップ２０２にのみ有することで、光電変換素子への銅の混入を低減することが可能となり、銅の混入によって生じるノイズを低減することが可能となる。
また、銅のための拡散防止膜２３１、２３２を有することで、第２のチップに配された銅配線の銅が第１のチップの光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域に混入することを抑制することが可能となる。なお、第２の拡散防止膜２３２は平坦な上面を保っている事が好ましい。それは、第２の拡散防止膜２３２の上面が接着層２３３との接着面となっているためである。
本実施例の固体撮像装置を図３を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置は、実施例１の固体撮像装置１００に対応し、実施例１の固体撮像装置１００に対して拡散防止膜の形態が異なる。以下、図３に示す構成について説明を行う。なお、実施例１と等しい構成については説明を省略する。
図３の固体撮像装置４００においても、銅のための拡散防止膜１３１が第１の配線層の銅配線を覆っている。ここで、拡散防止膜１３１が各配線のパターンに対応して、パターニングされている。拡散防止膜１３１の材料は図１と同様である。図１の構成に比べて、図３のようなパターニングされた拡散防止膜１３１を有することで、さらに配線間および配線層間のカップリング容量を低減することが可能となる。カップリング容量を低減することで、配線間における信号の混入や配線における信号遅延を抑制することが可能となる。
次に、図３に示した固体撮像装置４００の製造方法を図５および図６を用いて説明する。まず、図５（ａ）では第１の基板１０４となるフォトダイオード形成部材（以下ＰＤ形成部材）５０１と第２の基板１０８となる回路形成部材５０２とを準備する。ＰＤ形成部材５０１は、Ｐ型半導体領域１１６と絶縁層５０３とを含む。このＰＤ形成部材５０１は、ＳＯＩ基板を使用しており、Ｐ型半導体領域１１６はイオン注入でもエピタキシャル成長によって形成されていてもよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、ＰＤ形成部材５０１に、電荷蓄積部１１２や転送ゲート電極１１４等の素子を形成する。このＰＤ形成部材５０１の転送ゲート電極が配された面が、後の第１の基板１０４の主面１０５となる。次に、ＰＤ形成部材５０１の上部に多層配線構造１０７を形成する。まず、電荷蓄積部１１２や転送ゲート電極１１４を覆うシリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜５１２を形成する。その後、第１の層間絶縁膜５１２の任意の箇所にタングステンからなるプラグ５１１を形成する。プラグ５１１は、次のように形成する。まず、第１の層間絶縁膜５１２にコンタクトホールを形成したのち、コンタクトホールを埋めるようにバリアメタル膜とタングステン膜を形成する。そして、不要な部分のバリアメタル膜とタングステン膜をエッチングやＣＭＰなどの技術を用いて除去し、プラグ５１１が形成される。プラグ５１１が形成された後、第１の層間絶縁膜５１２とプラグ５１１上に、第１の配線層１２２となるアルミニウム配線を形成する。第１の配線層１２２は、バリアメタル膜とアルミニウム膜とを積層して形成したのち、それらを所望のパターンにエッチングなどでパターニングすることによって形成される。第１の配線層１２２が形成された後、第１の層間絶縁膜５１２と第１の配線層１２２とを覆うシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜５１３を形成する。次に、第２の層間絶縁膜５１３中にタングステンからなるプラグ５１４を形成する。プラグ５１４の形成方法は、プラグ５１１と同様である。そして、任意の箇所に、第２の配線層１２３となるアルミニウム配線を、第１の配線層１２２と同様の方法で形成する。そして、第２の配線層１２３を覆うシリコン酸化膜からなる第３の層間絶縁膜５１５を形成し、第３の層間絶縁膜５１５をエッチングやＣＭＰによって平坦化する。この平坦化工程によって、第２の配線層１２３の上部を覆う第３の層間絶縁膜５１５を除去し、第２の配線層１２３の上面を露出させる。ここで、第２の配線層１２３の上面と第３の層間絶縁膜５１５の上面とが同一面を有する。このようにして、多層配線構造１０７が構成される。
また、図５（ｂ）において、回路形成部材５０２には、ウエル１２４を形成し、増幅トランジスタを含むトランジスタ等の回路を形成する。そして、回路形成部材５０２の上部に多層配線構造１１１を形成する。まず、トランジスタのソース領域およびドレイン領域１２５やゲート電極１２６などを覆う、シリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜５０６を形成する。その後、第１の層間絶縁膜５０６の任意の箇所にタングステンからなるプラグ５０５を形成する。プラグ５０５の形成方法は、プラグ５０９と同様である。次に、第１の層間絶縁膜５０６とプラグ５０５とを覆う、シリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜５０７を形成する。ここで、第２の層間絶縁膜５０７はシリコンナイトライドや有機系絶縁膜でもよく、これらの膜とシリコン酸化膜との積層膜であってもよい。この第２の層間絶縁膜５０７の任意の箇所に第１の配線層１２８となる溝（トレンチ）を形成する。次に、溝を埋めるようにバリアメタル膜と銅の膜を積層して形成した後、不要な部分のバリアメタル膜と銅の膜をＣＭＰによって除去し、平坦化する。その後、第２の層間絶縁膜５０７と溝に配されたバリアメタルと銅を覆う、銅のための拡散防止膜となる例えばシリコンナイトライドの膜を形成する。シリコンナイトライドの膜の底面が溝の表面、つまり、銅配線のパターンの表面全体を覆うように、シリコンナイトライドの膜をパターニングし、銅のための拡散防止膜１３１が形成される。次に、第２の層間絶縁膜５０７と拡散防止膜１３１とを覆う、例えばシリコン酸化膜からなる第３の層間絶縁膜５０８を形成する。そして、この第３の層間絶縁膜５０８の任意の箇所に第１の配線層と第２の配線層とを接続するためのタングステンからなるプラグ５１０を形成する。そして、アルミニウム配線からなる第２の配線層１２９を形成し、第２の配線層１２９を覆う、シリコン酸化膜からなる第４の層間絶縁膜５０９を形成する。そして、接続部のために第４の層間絶縁膜５０９を第２の配線層１２９の上面が露出するようにエッチングやＣＭＰによって除去する。第２の配線層１２９の上面と第４の層間絶縁膜５０９の上面とが同一の面を構成する。このようにして、多層配線構造１１１が構成される。
次に、図６（ｃ）において、回路形成部材５０２の上下を反転させ、後の第２の基板の主面１０９と後の第１の基板の主面１０５とを対向させて配置し、例えば、マイクロバンプを設けて接合する。
最後に、図６（ｄ）に示すように、ＰＤ形成部材５０１の不要部分５０４および絶縁層５０３をＣＭＰやエッチングなどによって除去し、ＰＤ形成部材５０１の薄膜化をはかり、第１基板１０４を形成する。その後、第１の基板１０４の裏面１０６の上部にシリコンナイトライドなどからなる反射防止膜１１８を形成する。反射防止膜１１８の形成後に、反射防止膜１１８の上部に、タングステン膜を形成しパターニングをすることで、遮光膜１１９を形成する。その後、平坦化層やカラーフィルタ層１２０を形成し、マイクロレンズ１２１を形成する。このような製造方法によって、図３に示した固体撮像装置４００を製造することが可能である。
本実施例の固体撮像装置によれば、実施例１に比べて信号の読み出し動作の高速化および配線のカップリング低減が可能となる。
本実施例の固体撮像装置を図４を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置は、実施例２の固体撮像装置２００に対応する構成であり、実施例２の固体撮像装置に比べて拡散防止膜を有する点が異なる。以下、図４に示す構成について説明を行う。なお、実施例２など他の実施例と等しい構成については説明を省略する。
図４の固体撮像装置５００においても、実施例３と同様に、銅のための第１の拡散防止膜２３１と第２の拡散防止膜２３２が、各配線層の配線のパターンに対応してパターニングされている。拡散防止膜２３１、２３２の材料は図３と同様である。このようにパターニングされた拡散防止膜２３１、２３２を有することで、更に、配線間および配線層間のカップリング容量を低減することが可能となる。カップリング容量を低減することで、配線間における信号の混入や配線における信号遅延を抑制することが可能となる。
次に、図４に示した固体撮像装置５００の製造方法を図７から図９を用いて説明する。まず、図７（ａ）において、第１の基板２０４となるフォトダイオード形成基板（以下、ＰＤ形成部材）７０１と、第２の基板２０８となる回路形成部材７０２とを準備する。ＰＤ形成部材７０１は、Ｐ型半導体領域２１６と絶縁層７０３とが配されている。ＰＤ形成部材７０１は、ＳＯＩ基板を使用しており、Ｐ型半導体領域２１６はイオン注入でもエピタキシャル成長によって形成されていてもよい。回路形成部材７０２は、絶縁層２３４が配されている。回路形成部材７０２は、ＳＯＩ基板を使用している。
次に、図７（ｂ）のＰＤ形成部材７０１において、ウエル２１５や電荷蓄積部２１２や転送ゲート電極２１４等の素子を形成する。このＰＤ形成部材７０１の転送ゲート電極が配された面が、後の第１の基板２０４の主面２０５となる。そして、ＰＤ形成部材７０１の上部に多層配線構造２０７を形成する。多層配線構造２０７は、アルミニウム配線の第１および第２の配線層の他に、第１の層間絶縁膜７０９と、プラグ７１０と、第２の層間絶縁膜５１１と、プラグ７１２と、第３の層間絶縁膜７１３を含む。多層配線構造の形成方法については、実施例３と同様である。
また、図７（ｂ）において、回路形成部材７０２には、ウエル２２４を形成し、増幅トランジスタを含むトランジスタ等の回路を形成する。そして、回路形成部材７０２の上部には多層配線構造２１１を形成する。図７（ｂ）において多層配線構造２１１は、第１の層間絶縁膜７０６、プラグ７０７、第２の層間絶縁膜７０８、銅配線からなる第１の配線層２２８、第１の拡散防止膜２３１、第３の層間絶縁膜７０９を有する。これらの形成方法については、実施例３の各配線層やプラグと同様に形成可能であり、説明を省略する。
次に、図８（ｃ）において、回路形成部材７０２の第３の層間絶縁膜７０９の上部に、接着層７１４と支持基板７１５とを形成する。そして、回路形成部材７０２の不要部分７０４をエッチングやＣＭＰなどで除去し、後の第２の基板２０８の裏面２１０を露出させる。その後、第２の基板２０８の裏面２１０と第１の基板２０４の表面２０５とが対向するように、回路形成部材７０２とＰＤ形成部材７０１とを貼り合わせる。そして、接着層７１４と支持基板７１５を除去する。
次に、図８（ｄ）において、第１の基板２０４との導通を取るための貫通電極２３５を形成する。この貫通電極２３５の製造方法については、一般の半導体プロセスが利用できる。そして、第３の層間絶縁膜７０９の任意の箇所に第１の配線層と第２の配線層とを接続するためのプラグと、第２の配線層２２９のための溝を形成する。溝を形成した後は、第１の配線層２２８の形成方法と同様である。このプラグおよび第２の配線層２２９の形成方法はいわゆるデュアルダマシンプロセスである。デュアルダマシン構造の銅配線からなる第２の配線層２２９を形成したのち、第２の拡散防止膜２３２を形成する。第２の拡散防止膜２３２も第１の拡散防止膜２３１と同様に、シリコンナイトライド等の膜を第２の配線層２２９上に形成した後、第２の配線層２２９の配線のそれぞれを覆うようにパターニングされ、第２の拡散防止膜２３２が形成される。第２の拡散防止膜２３２を覆う、例えばシリコン酸化膜からなる第４の層間絶縁膜７１６を形成し、平坦化処理を行う。第４の層間絶縁膜７１６は保護膜を兼ねるシリコンナイトライドの膜などであってもよい。
次に、図９（ｅ）において、第４の層間絶縁膜７１６の上部に接着層２３３と支持基板２３４を設ける。そして、ＰＤ形成部材７０１の不要部分７０５をエッチングやＣＭＰなどによって除去し、第１の基板２０４が形成される。その後、第１の基板２０４の裏面２０６の上部に例えばシリコンナイトライドからなる反射防止膜２１８を形成する。その後、反射防止膜２１８の上部に例えばタングステンからなる遮光膜２１９を形成する。更に、遮光膜２１９の上部に平坦化層やカラーフィルタ層１２０を形成し、マイクロレンズ１２１を形成する。以上の製造方法によって、図４に示す固体撮像装置５００が形成できる。
本実施例の固体撮像装置によれば、実施例２に比べて信号の読み出し動作の高速化および配線のカップリング低減が可能となる。
本実施例の固体撮像装置を図１０を用いて説明する。図１０に示す本実施例の固体撮像装置６００は実施例３の固体撮像装置４００に対応する構成であり、固体撮像装置７００は実施例４の固体撮像装置５００に対応する構成である。本実施例では、銅のための拡散防止膜を更に第１のチップが有する構成が特徴である。以下、実施例３あるいは実施例４と等しい構成については説明を省略する。
図１０（ａ）に示す固体撮像装置６００においては、固体撮像装置４００に加えて第３の拡散防止膜８０１が第１のチップ１０１の多層配線構造１０７に設けられている。具体的には、第２の配線層１２３の上面と第３の拡散防止膜８０１の上面とで同一面を形成し、第１の基板１０４の全面を覆うように配されている。この拡散防止膜８０１を有することで、第２のチップ１０２からの銅の拡散をより低減することが可能となる。更に、図１０（ａ）では、第１の配線層１２８に加えて第２の配線層１２９も銅配線からなる。具体的には、第２の配線層１２９は、第１の配線層１２８と第２の配線層１２９とを接続するためのプラグと第２の配線層１２９とが一体となったデュアルダマシン構造である。このような場合においても、接続部３１１において露出した第２の配線層１２９の銅の拡散を抑制することが可能となる。
なお、この第３の拡散防止膜８０１は多層配線構造１０７に含まれていれば、どの位置に配されていても同一の効果を有する。また、第３の拡散防止膜８０１は、第１の基板１０４の全面を覆っていなくても銅の拡散の効果は有するが、第１の基板の全面を覆っていることが好ましい。そして、第３の拡散防止膜８０１は、第２の基板１０８上に高融点金属化合物層１３６が配されている場合に、高融点金属のための拡散防止膜としても機能することが可能である。
次に、図１０（ｂ）に示す固体撮像装置７００においては、固体撮像装置５００に加えて、第３の拡散防止膜９０１が、第１のチップ２０１の多層配線構造２０７に設けられている。具体的には、第２の配線層２２３を覆って第３の拡散防止膜９０１が設けられている。このような構成にすることで、銅が第２の基板２０８の内部を拡散してきた場合においても、第１の基板２０４の光電変換素子等への銅の拡散を抑制することが可能となる。
なお、第３の拡散防止膜９０１は、多層配線構造２０７のどこに配置されていてもよいが、第２の配線層２２３の上部に配されている構成は配線層間のカップリング容量を低減することが出来るため好ましい。また、第２の基板２０８上に高融点金属化合物層１３６が配されている場合には、高融点金属が第２の基板２０８の内部を拡散してきた場合においても、第３の拡散防止膜９０１によって第１の基板２０４の光電変換素子等への高融点金属の拡散を抑制することが可能となる。
本実施例では、本発明の光電変換装置を撮像装置として撮像システムに適用した場合について詳述する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーなどがあげられる。図１２に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに光電変換装置を適用した場合のブロック図を示す。
図１２において、１はレンズの保護のためのバリア、２は被写体の光学像を撮像装置４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞りである。４は上述の各実施例で説明した固体撮像装置である撮像装置である。撮像装置４は、レンズ２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置４にはＡＤ変換器が配され、具体的には第２のチップにＡＤ変換器が形成されている。７は撮像装置４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１２において、８は撮像装置４および信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部である。１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置４と、撮像装置から出力された撮像信号を処理する信号処理部７とを有すればよい。本実施例では、撮像装置４にＡＤ変換器が設けられている場合を説明したが、撮像装置とＡＤ変換器とが別のチップであってもよい。また、撮像装置４に信号処理部７などが設けられていてよい。
以上のように、本発明の光電変換装置を撮像システムに適用することが可能である。本発明の光電変換装置を撮像システムに適用することにより、高品質な画像の取得が可能となる。
以上述べてきたように、本発明の固体撮像装置によって、微細化が可能で、光電変換素子での暗電流を低減することが可能となる。各実施例は説明した構成に限定されず、また各実施例は適宜組み合わせ可能である。
本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーなどの撮像システムに用いられる固体撮像装置に適用可能である。
１０１ 第１のチップ
１０２ 第２のチップ
１０３ 接合面
１０４ 第１の基板
１０７ 多層配線構造
１０８ 第２の基板
１１１ 多層配線構造
１１２ 光電変換素子
１２４ ウエル
１２５ 増幅トランジスタのソース・ドレイン領域
１２６ 増幅トランジスタのゲート電極
１３１ 拡散防止膜
１０２ 第２のチップ
１０３ 接合面
１０４ 第１の基板
１０７ 多層配線構造
１０８ 第２の基板
１１１ 多層配線構造
１１２ 光電変換素子
１２４ ウエル
１２５ 増幅トランジスタのソース・ドレイン領域
１２６ 増幅トランジスタのゲート電極
１３１ 拡散防止膜
Claims (11)
- 光電変換素子および前記光電変換素子からの電荷を転送するための転送ゲート電極とを有する第１の基板と、
前記光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための回路を含む周辺回路部を有する第２の基板とを積層した固体撮像装置において、
前記第１の基板の上部に配された、アルミニウム配線からなる多層配線構造と、
前記第２の基板の上部に配された、銅配線からなる多層配線構造と、を有する固体撮像装置。 - 前記転送ゲート電極が配された前記第１の基板の主面と、前記周辺回路部のトランジスタが形成された前記第２の基板の主面と、を対向して積層した請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記転送ゲート電極とが配された前記第１の基板の主面と、前記周辺回路部においてトランジスタが形成された前記第２の基板の主面と反対の面である裏面と、が対向して積層された請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記第１の基板の上部に配されたアルミニウム配線からなる多層配線構造は、銅のための拡散防止膜を有していることを特徴とする請求項２あるいは３のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第２の基板に配された周辺回路部には、高融点金属化合物層が配され、
前記銅のための拡散防止膜は、前記高融点金属の拡散防止膜としても機能することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。 - 前記銅配線からなる多層配線構造は、前記銅配線の上部に配された銅のための第２の拡散防止膜を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記銅のための第２の拡散防止膜は、前記銅配線のパターンに合わせてパターニングされている請求項６に記載の固体撮像装置。
- 前記銅のための第２の拡散防止膜は、シリコンナイトライドあるいはシリコンカーバイドからなる請求項６あるいは７のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第１の基板に、前記転送ゲート電極によって前記光電変換素子からの前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域とが配され、
前記第２の基板に、前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号が入力されるゲート電極を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲート電極をリセット電位に設定するためのリセットトランジスタとが配され、前記第２の基板の上部には前記増幅トランジスタのゲート電極に基づく信号が出力される信号線とが配されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記第１の基板に、前記転送ゲート電極によって前記光電変換素子からの前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号が入力されるゲート電極を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲート電極をリセット電位に設定するためのリセットトランジスタとが配され、
前記第２の基板の上部に、前記増幅トランジスタのゲート電極に基づく信号が出力される信号線が配されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを有する撮像システム。
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