JP2012089654A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】斜め入射光が遮光用導電層で遮光されることによる感度低下を低減でき、ワイヤボンディング耐性の劣化を抑制でき、固体撮像装置の厚みが大きくなることを抑制できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡとパッド配置領域ＰＡとを有する固体撮像装置であって、主表面ＭＳを有する半導体基板ＳＢと、イメージ領域ＩＡ内において半導体基板の主表面ＭＳに形成されたフォトダイオードＰＤと、主表面ＭＳ上に形成されており、イメージ領域ＩＡ内において上面に溝ＴＨを有する層間絶縁膜ＩＬ４と、溝ＴＨ内を埋め込むように形成された遮光用導電層ＳＨＬと、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域内ＰＡにおいて層間絶縁膜ＩＬ４の上面に接して形成されたパッド用導電層ＰＡＤとを備えている
【選択図】図７

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、遮光用導電層を備えた固体撮像装置に関するものである。
固体撮像装置を構成する半導体基板上には、フォトダイオードの他にトランジスタが形成されている。フォトダイオードの周辺に形成されたトランジスタに光が入射すると光電変換によって発生した電子に起因する特性変動などの誤動作を起こすことがある。誤動作の一例として、たとえば画素内における光電変換した電荷を増幅するためのトランジスタに光が入射すると増幅率が変化することがある。また、そのトランジスタ直下で光電変換された電荷がフォトダイオードに流れ込むことによりノイズが発生することがある。
そのため、固体撮像装置では、画素毎に設けられたフォトダイオードのみに光が入射し、光電変換した電荷を増幅するためのトランジスタおよび画素を選択するためのトランジスタなどには光が入射しないように遮光するための遮光用導電層（メタル配線）が形成されることが多い。
メタル配線を備えた固体撮像装置は、たとえば特開２００９−２００４６２号公報（特許文献１）、特開２００６−２９４９６３号公報（特許文献２）および特開２００６−９３６８７号公報（特許文献３）に開示されている。
特開２００９−２００４６２号公報 特開２００６−２９４９６３号公報 特開２００６−９３６８７号公報
固体撮像装置では、フォトダイオードに対して斜めに光が入射する場合、メタル配線によって遮光されることでフォトダイオードに入射する光量が少なくなる。フォトダイオードに対して斜めに光が入射する場合、フォトダイオードとメタル配線の上面との距離が大きいほどフォトダイオードに到達可能な入射光の角度が小さくなるためフォトダイオードに入射する光量が少なくなる。
一般的に最上層メタル配線とパッド用導電層とは同一層のメタル膜で構成されることが多い。この最上層のメタル膜ではパッド用導電層のワイヤボンディング耐性を劣化させないために下層のメタル配線よりも膜厚を厚く設定することが多い。しかし膜厚を厚く設定することで最上層メタル配線の上面とフォトダイオードとの距離が大きくなるため、最上層メタル配線によって遮光される斜め入射光量が多くなる。つまり、フォトダイオードに入射する斜め入射光量が低減する。これにより、フォトダイオードへの入射光量の低減に起因した感度低下などの性能劣化が顕著となる。
また、固体撮像装置では最上層のメタル膜の下に層間絶縁膜が形成されている。上記の特開２００９−２００４６２号公報では、第２遮光膜の上に層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜の上にパッドが形成されている。つまり、最上層のメタル膜であるパッドの下には層間絶縁膜が形成されている。また上記の特開２００６−２９４９６３号公報では、第２アルミニウム配線層の上に層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜の上に最上層メタル遮光膜が形成されている。つまり、最上層メタル遮光膜の下には層間絶縁膜が形成されている。また上記の特開２００６−９３６８７号公報では、第２下部遮光パターンの上に第１層間絶縁膜が形成され、第１層間絶縁膜の上に上部遮光膜パターンが形成されている。つまり、最上層のメタル膜である上部遮光膜パターンの下には層間絶縁膜が形成されている。
したがって、これらの公報では、最上層のメタル膜の下に形成された層間絶縁膜の膜厚によって固体撮像装置が厚みが大きくなる。すなわち、最上層のメタル膜の下に形成された層間絶縁膜の膜厚によってレンズからフォトダイオードまでの距離が大きくなる。このため、入射光の反射およびけられが大きくなる。つまり、層間絶縁膜による入射光の反射およびメタル膜による斜め入射光の反射が大きくなる。また、周辺光量の低下が大きくなる。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、斜め入射光が遮光用導電層で遮光されることによる感度低下を低減でき、ワイヤボンディング耐性の劣化を抑制でき、固体撮像装置におけるイメージ領域での厚みが大きくなることを抑制できる固体撮像装置を提供することである。
本発明の一実施例による固体撮像装置は、イメージ領域とパッド配置領域とを有する固体撮像装置であって、主表面を有する半導体基板と、イメージ領域内において半導体基板の主表面に形成されたフォトダイオードと、主表面上に形成されており、イメージ領域内において上面に溝を有する層間絶縁膜と、溝内を埋め込むように形成された遮光用導電層と、イメージ領域の外であってパッド配置領域内において層間絶縁膜の上面に接して形成されたパッド用導電層とを備えている。
本実施例の固体撮像装置によれば、イメージ領域内において層間絶縁膜の上面の溝内を埋め込むように遮光用導電層が形成されている。このため、層間絶縁膜の上面上に遮光用導電層を形成する場合と比較して遮光用導電層とフォトダイオードとの距離を小さくすることができる。これにより、遮光用導電層で遮光される斜め入射光を少なくすることができる。そのため、遮光による感度低下を低減することができる。
また、イメージ領域の外であってパッド配置領域内において層間絶縁膜の上面に接してパッド用導電層が形成されている。このため、遮光用導電層とパッド用導電層とが別の層に形成される。そのため、遮光用導電層とパッド用導電層の厚みを異ならせることができる。したがって、遮光用導電層の厚みを小さくすることで遮光用導電層とフォトダイオードとの距離を小さくし、かつパッド用導電層の厚みを大きくすることでワイヤボンディング耐性の劣化を抑制できる。
また、イメージ領域の外であってパッド配置領域内において層間絶縁膜の上面に接してパッド用導電層が形成されている。このため、固体撮像装置の厚さ方向において遮光用導電層とパッド用導電層との間に層間絶縁膜が形成されていない。これにより、固体撮像装置におけるイメージ領域での厚みが大きくなることを抑制できる。
本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成を示す概略平面図である。 図１に示した固体撮像装置の画素の回路構成を示す回路図である。 図１のＰ１部を示し、かつ第１メタル層より下の層を示す概略平面図である。 図１のＰ１部を示し、かつ第１メタル層以下の層を示す概略平面図である。 図１のＰ１部を示し、かつ第２メタル層以下の層を示す概略平面図である。 図１のＰ１部を示し、かつ遮光用導電層以下の層を示す概略平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う概略断面図である。 比較例の概略断面図であって、図７に対応する断面位置における概略断面図である。 本発明の実施の形態１における固体撮像装置の製造方法の１工程を示す概略断面図であって、図７に対応する断面位置における概略断面図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の概略断面図であって、図７に対応する断面位置における概略断面図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の概略平面図であって、図１のＰ２部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態３における固体撮像装置の概略平面図であって、図１のＰ２部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態４における固体撮像装置の概略断面図であって、図７に対応する断面位置における概略断面図である。 本発明の実施の形態５における固体撮像装置の概略断面図であって、図７に対応する断面位置における概略断面図である。 図１４のＰ３部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態５における変形例を示す概略平面図であって、図１５に対応する位置における概略平面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成について説明する。本実施の形態の固体撮像装置は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサに適用され得る。
図１を参照して、固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡと、パッド配置領域ＰＡと、シフトレジスタＳＲと、ノイズ低減読み出し回路ＮＣと、アナログ回路ＡＣとを主に有している。イメージ領域ＩＡでは複数の画素が２次元的に配置されている。イメージ領域ＩＡの周辺にパッド配置領域ＰＡと、シフトレジスタＳＲと、ノイズ低減読み出し回路ＮＣと、アナログ回路ＡＣとが配置されている。
パッド配置領域ＰＡでは複数のパッド用導電層ＰＡＤが配置されている。パッド用導電層ＰＡＤは外部機器と電気的に接続するためのものである。シフトレジスタＳＲはデータを転送するためのものである。ノイズ低減読み出し回路ＮＣはノイズをキャンセルしながら出力を読み出すためのものである。アナログ回路ＡＣは所望の信号処理を行うためのものである。
続いて、固体撮像装置の複数の画素の各々の回路構成について説明する。図２を参照して、固体撮像装置の複数の画素の各々は、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴＴＲと、フローティングディフュージョン部ＦＤと、リセットトランジスタＲＴＲと、ソースフォロアトランジスタＡＴＲと、選択トランジスタＳＴＲとを有している。
フォトダイオードＰＤは光信号を電気信号に変換する光電変換部として構成されている。転送トランジスタＴＴＲはフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力するように構成されている。フローティングディフュージョン部ＦＤは転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するように構成されている。リセットトランジスタＲＴＲはフローティングディフュージョン部ＦＤの電圧をリセットするように構成されている。ソースフォロアトランジスタＡＴＲはフローティングディフュージョン部ＦＤの信号電位を増幅して外部に読み出すように構成されている。選択トランジスタＳＴＲは信号電位を外部に読み出す画素を選択するように構成されている。
フォトダイオードＰＤは、互いにｐｎ接合を構成するｐ型領域とｎ型領域とを有している。転送トランジスタＴＴＲ、リセットトランジスタＲＴＲ、ソースフォロアトランジスタＡＴＲおよび選択トランジスタＳＴＲの各々は絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、たとえばｎチャネルＭＯＳトランジスタよりなっている。これらの各トランジスタは、半導体基板の表面に形成された１対のｎ型ソース／ドレイン領域と、その１対のソース／ドレイン領域に挟まれる半導体基板の領域上にゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）を介在して形成されたゲート電極層とを有している。また各ゲート電極層の側壁を覆うように図示しないサイドウォール（側壁絶縁膜）が形成されている。
フォトダイオードＰＤのｐ型領域は、たとえば接地電位に接続されている。フォトダイオードＰＤのｎ型領域と転送トランジスタＴＴＲのｎ型ソース領域とは電気的に接続されており、たとえば共通のｎ型領域により形成されている。転送トランジスタＴＴＲのゲート電極層は転送信号線ＴＳに電気的に接続されている。転送トランジスタＴＴＲのｎ型ドレイン領域とフローティングディフュージョン部ＦＤとは電気的に接続されており、たとえば共通のｎ型領域により形成されている。
フローティングディフュージョン部ＦＤとリセットトランジスタＲＴＲのｎ型ソース領域とは電気的に接続されており、たとえば共通のｎ型領域により形成されている。リセットトランジスタＲＴＲのゲート電極層はリセット信号線ＲＳに電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＴＲのｎ型ドレイン領域は電源線ＰＷＳに電気的に接続されている。
ソースフォロアトランジスタＡＴＲのゲート電極層はフローティングディフュージョン部ＦＤに電気的に接続されている。ソースフォロアトランジスタＡＴＲのｎ型ソース領域と選択トランジスタＳＴＲのｎ型ドレイン領域とは電気的に接続されており、たとえば共通のｎ型領域により形成されている。ソースフォロアトランジスタＡＴＲのｎ型ドレイン領域は垂直信号線ＰＳに電気的に接続されている。選択トランジスタＳＴＲのｎ型ソース領域は電源線ＰＷＳに電気的に接続されている。選択トランジスタＳＴＲのゲート電極層は選択信号線ＳＳに電気的に接続されている。
える。
なお画素部分以外には、演算を行う周辺回路が形成されており、これらの周辺回路もトランジスタを含んでおり、これらのトランジスタも絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりなっている。
また図２においては、それぞれ１つのフォトダイオードＰＤおよび転送トランジスタＴＴＲよりなる１組のダイオード部に対して、それぞれ１つのリセットトランジスタＲＴＲ、ソースフォロアトランジスタＡＴＲおよび選択トランジスタＳＴＲよりなる１組のトランジスタ群が設けられた構成について説明したが、複数組の上記ダイオード部に対して１組の上記トランジスタ群が設けられた構成が採用されてもよい。たとえば並列接続された複数組の上記ダイオード部に対して１組の上記トランジスタ群が共用されてもよい。
続いて、図３〜図６を参照して、固体撮像装置のレイアウト構造について説明する。図３を参照して、固体撮像装置の複数の画素において４つのフォトダイオードを含む領域が示されている。各画素は、半導体基板上にフォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＴＲ、フローティングディフュージョン部ＦＤ、リセットトランジスタＲＴＲ、選択トランジスタＳＴＲ、ソースフォロアトランジスタＡＴＲの順に形成されている。
拡散領域は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＴＲ、フローティングディフュージョン部ＦＤ、リセットトランジスタＲＴＲ、選択トランジスタＳＴＲおよびソースフォロアトランジスタＡＴＲの各々の一部を形成している。複数の画素の各々の拡散領域は、１つのフォトダイオードＰＤに隣接した別のフォトダイオードＰＤの近傍に配置されている。フローティングディフュージョン部ＦＤの面積を小さくするために拡散領域は転送トランジスタＴＴＲに対してフォトダイオードＰＤと段差を有するように折り曲げて形成されている。拡散領域は転送トランジスタを挟んでフォトダイオードＰＤと反対側に伸びるように形成されている。
転送トランジスタＴＴＲ、リセットトランジスタＲＴＲ、選択トランジスタＳＴＲおよびソースフォロアトランジスタＡＴＲはそれぞれゲート電極層ＧＥを有している。転送トランジスタＴＴＲ、リセットトランジスタＲＴＲ、選択トランジスタＳＴＲおよびソースフォロアトランジスタＡＴＲはすべて互いに並行に配置されている。すなわち、これらのゲート電極層ＧＥは、ほぼ長方形の形状で形成されており、その長手方向が並行に配置されている。拡散領域およびゲート電極層ＧＥに複数のコンタクトＣ１が形成されている。
図４を参照して、拡散領域、ゲート電極層ＧＥ上に図示しない層間絶縁膜を介在して第１メタル配線Ｍ１とビアホールＣ２とが形成されている。なお、コンタクトＣ１は図示しない層間絶縁膜を貫通するように形成されている。コンタクトＣ１と第１メタル配線Ｍ１とは電気的に接続されている。転送トランジスタＴＴＲのゲート電極層ＧＥは、コンタクトＣ１を介在して転送信号線ＴＳとしての第１メタル配線Ｍ１に電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＴＲのｎ型ドレイン領域は、コンタクトＣ１を介在して電源線ＰＷＳとしての第１メタル配線Ｍ１に電気的に接続されている。
ソースフォロアトランジスタＡＴＲのゲート電極層ＧＥは、コンタクトＣ１を介在してフローティングディフュージョン部ＦＤに第１メタル配線Ｍ１で電気的に接続されている。ソースフォロアトランジスタＡＴＲのｎ型ドレイン領域は、コンタクトＣ１を介在して垂直信号線ＰＳとしての第１メタル配線Ｍ１に電気的に接続されている。選択トランジスタＳＴＲのｎ型ソース領域は、コンタクトＣ１を介在して電源線ＰＷＳとしての第１メタル配線Ｍ１に電気的に接続されている。
図５を参照して、第１メタル配線Ｍ１上に図示しない層間絶縁膜を介在して第２メタル配線Ｍ２とビアホールＣ３とが形成されている。なお、ビアホールＣ２は図示しない層間絶縁膜を貫通するように形成されている。ビアホールＣ２と第２メタル配線Ｍ２とは電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＴＲのゲート電極層ＧＥは、コンタクトＣ１および第１メタル配線Ｍ１を介在してリセット信号線ＲＳとしての第２メタル配線Ｍ２に電気的に接続されている。選択トランジスタＳＴＲのゲート電極層ＧＥは、コンタクトＣ１および第１メタル配線Ｍ１を介在して選択信号線ＳＳとしての第２メタル配線Ｍ２に電気的に接続されている。
図６を参照して、第２メタル配線Ｍ２上に図示しない層間絶縁膜を介在して遮光用導電層ＳＨＬが形成されている。なお、ビアホールＣ３は図示しない層間絶縁膜を貫通するように形成されている。ビアホールＣ３と遮光用導電層ＳＨＬとは電気的に接続されている。遮光用導電層ＳＨＬは配線として用いられてもよい。遮光用導電層ＳＨＬには電源電位または接地電位が印加され得る。遮光用導電層ＳＨＬはフォトダイオードＰＤを露出するように形成されている。遮光用導電層ＳＨＬと半導体基板ＳＢとが積層された積層方向から見て、遮光用導電層ＳＨＬがフォトダイオードＰＤを取り囲むように枠形状ＦＦに形成されている。なお、遮光用導電層ＳＨＬ上には図示しないパッシベーション膜、平坦化膜、カラーフィルタおよびマイクロレンズが形成されている。
続いて、固体撮像装置の断面構造について説明する。図７を参照して、固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡとパッド配置領域ＰＡとを有している。まず、イメージ領域ＩＡ内の構造について説明する。固体撮像装置は、たとえばシリコンよりなるｎ型半導体基板ＳＢを有している。ｎ型半導体基板ＳＢの主表面ＭＳ付近にｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌが形成されている。また主表面ＭＳには、たとえばＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）またはＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）よりなる素子分離領域ＩＲが形成されている。主表面ＭＳにおいて素子分離領域ＩＲで分離された領域にフォトダイオードＰＤおよび選択トランジスタＳＴＲが形成されている。
フォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲにおいて、ｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌの内部に主表面ＭＳ側からｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とが形成されている。ｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とによってフォトダイオードＰＤが形成されている。この構成は、埋め込み型フォトダイオードＰＤと呼ばれる構成である。入射光がフォトダイオードＰＤに入射すると主にｎ型領域Ｎ-において光電変換されて電荷が発生する。埋め込み型フォトダイオードＰＤでは、ｐ型の不純物濃度が濃い拡散層であるｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-との間の空乏層が主表面ＭＳに達することによる表面リーク電流の発生を抑制することができる。
フォトダイオードＰＤに対して素子分離領域ＩＲを挟んで選択トランジスタＳＴＲが形成されている。選択トランジスタＳＴＲでは、主表面ＭＳ上にたとえばシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜ＧＩを介在して、たとえば多結晶シリコン膜よりなるゲート電極層ＧＥが形成されている。ゲート電極層ＧＥは、その一部が素子分離領域ＩＲ上に設けられている。
素子分離領域ＩＲ、フォトダイオードＰＤおよびゲート電極層ＧＥを覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１を貫通するようにたとえばタングステンよりなるコンタクトＣ１が形成されている。コンタクトＣ１は、タングステンを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえばＴｉＮ（窒化チタン）からなっている。
コンタクトＣ１および層間絶縁膜ＩＬ１の一部を覆うようにたとえばアルミニウムよりなる第１メタル配線Ｍ１が形成されている。第１メタル配線Ｍ１は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
第１メタル配線Ｍ１および層間絶縁膜ＩＬ１を覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。第１メタル配線Ｍ１上に層間絶縁膜ＩＬ２を貫通するようにたとえばタングステンよりなるビアホールＣ２が形成されている。ビアホールＣ２は、タングステンを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
層間絶縁膜ＩＬ２上にたとえばアルミニウムよりなる複数の第２メタル配線Ｍ２が形成されている。第２メタル配線Ｍ２は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。複数の第２メタル配線Ｍ２のうちの１つはビアホールＣ２および層間絶縁膜ＩＬ２の一部を覆うように形成されている。第２メタル配線Ｍ２および層間絶縁膜ＩＬ２を覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ３が形成されている。
層間絶縁膜ＩＬ３上にたとえばシリコン窒化膜よりなるストッパ層ＳＬが形成されている。ストッパ層ＳＬは、後述する溝ＴＨを形成する際のドライエッチングをストップさせるための層である。ストッパ層ＳＬにより層間絶縁膜ＩＬ４に溝ＴＨを形成するドライエッチング装置のエッチングレートの変動が遮光用導電層ＳＨＬの高さの変動に影響しにくくなる。これにより斜め入射光量の変動も小さくなるため感度などの撮像特性の製造上要因の変動も少なくなる。なお、ストッパ層ＳＬは形成されなくてもよい。この場合、後述する遮光用導電層ＳＨＬの形成において溝ＴＨをドライエッチングで形成する際、エッチング時間の設定により所望の深さまで溝ＴＨを形成してもよい。
ストッパ層ＳＬ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ４が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ４の上面には溝ＴＨが形成されている。溝ＴＨは層間絶縁膜ＩＬ４を貫通するように形成されている。溝ＴＨは、たとえばフォトリソグラフィで遮光用導電層ＳＨＬを形成する部分のフォトレジストを除去した後に層間絶縁膜ＩＬ４の上面にドライエッチングを施すことなどにより形成されている。
溝ＴＨ内を埋め込むようにたとえばタングステンよりなる遮光用導電層ＳＨＬが形成されている。遮光用導電層ＳＨＬは、タングステンを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。溝ＴＨ内にバリアメタルがスパッタリング法などで形成されている。その後にＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などでタングステンが埋め込まれる。その後にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法などで遮光用導電層ＳＨＬ以外の領域に形成されたタングステンが研磨されて除去されることで遮光用導電層ＳＨＬが形成されている。
このようにして形成された遮光用導電層ＳＨＬは、通常のメタル配線の高さより低い位置に溝ＴＨを形成しているのでフォトダイオードＰＤからの高さを低くできる。このため、最上層に配置されている遮光用導電層ＳＨＬの高さが低くなったことで遮光用導電層ＳＨＬで遮光される斜め入射光量が減少する。これによりフォトダイオードＰＤへの入射光量が増加して感度などの撮像特性が向上する。
層間絶縁膜ＩＬ４および遮光用導電層ＳＨＬを覆うようにガラス製の保護膜であるパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッシベーション膜ＧＣ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１はたとえばＣＭＰなどの平坦化処理が施されることにより平坦な上面を有している。
平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタＣＦ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上にレンズ用の高屈折率膜ＬＥが形成されている。高屈折率膜ＬＥにはマイクロレンズＭＬが形成されている。
第１メタル配線Ｍ１、第２メタル配線Ｍ２および遮光用導電層ＳＨＬは、フォトダイオードＰＤと各々が積層する方向から見てフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲ外に形成されている。またマイクロレンズＭＬはフォトダイオードＰＤとマイクロレンズＭＬが積層する方向から見てフォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域ＰＤＲを覆うように形成されている。
次に、パッド配置領域ＰＡ内の構造について説明する。ｎ型半導体基板ＳＢ上に層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１上に層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ２上に層間絶縁膜ＩＬ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ３上にストッパ層ＳＬが形成されている。ストッパ層ＳＬ上に層間絶縁膜ＩＬ４が形成されている。
層間絶縁膜ＩＬ４上にパッド用導電層ＰＡＤが形成されている。つまり、イメージ領域ＩＡ外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面に接してパッド用導電層ＰＡＤが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤはたとえばアルミニウムよりなっている。パッド用導電層ＰＡＤは、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッド用導電層ＰＡＤ上にパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッシベーション膜ＧＣ上に平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタ上に平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上に高屈折率膜ＬＥが形成されている。カラーフィルタＣＦ、平坦化膜ＦＬ１、ＦＬ２および高屈折率膜ＬＥはパッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するように形成されている。この開口部ＯＰを通じて外部機器と電気的に接続されるようにパッド用導電層ＰＡＤは構成されている。
続いて、固体撮像装置の複数の画素の動作について説明する。図２に示す画素において、画素の状態として、リセット、信号電荷の蓄積および信号レベルの読み出しという３つの状態がある。
リセット状態においては、転送トランジスタＴＴＲおよびリセットトランジスタＲＴＲはオンとされ、選択トランジスタＳＴＲはオフとされる。その結果、フォトダイオードＰＤの電位は、電源線ＰＷＳより供給されるリセット電位にリセットされる。
蓄積状態においては、転送トランジスタＴＴＲはオフの状態に保たれ、フォトダイオードＰＤに入射した光が光電変換して発生する電子により、フォトダイオードＰＤの電位は入射光に応じて下がっていく。
読み出し状態は、フローティングディフュージョン部ＦＤのリセット、リセットレベルの読み出し、信号電荷の転送、信号レベルの読み出しの４つの動作よりなる。フローティングディフュージョン部ＦＤのリセットにおいては、転送トランジスタＴＴＲがオフされた状態でリセットトランジスタＲＴＲがオンされることにより、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位が電源線ＰＷＳより供給されるリセット電位にリセットされる。
リセットレベルの読み出し動作においては、選択トランジスタＳＴＲがオンされて、フローティングディフュージョン部ＦＤのリセットレベルに応じた電源線ＰＷＳからの電位がソースフォロアトランジスタＡＴＲを通じて垂直信号線ＰＳから読み出され、画素アレイ外のリセットレベル用メモリに電位が保持される。
リセットトランジスタＲＴＲがオフされた状態で転送トランジスタＴＴＲがオンされて、フォトダイオードＰＤに保持された信号電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤに転送される。信号電荷に応じた電源線ＰＷＳからの電位がソースフォロアトランジスタＡＴＲを通じて垂直信号線ＰＳから読み出され、画素アレイ外の信号レベル用メモリに保持される。そして、信号レベル用メモリとリセットレベル用メモリの差分が画素信号成分として外部に出力される。このようにして、フォトダイオードＰＤに入射した入射光量を表す出力が発生する。
次に本実施の形態の固体撮像装置の作用効果について比較例と対比して説明する。
まず、図８を参照して、比較例の固体撮像装置の断面構造について説明する。図８に示すように比較例の固体撮像装置では、イメージ領域ＩＡ内において層間絶縁膜ＩＬ３上に第３メタル配線Ｍ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ３上に形成されているため第３メタル配線Ｍ３の高さが高くなる。
第３メタル配線Ｍ３とパッド配置領域ＰＡ内のパッド用導電層ＰＡＤとは同じ層のメタル膜で形成されている。パッド用導電層ＰＡＤはワイヤボンディング耐性を保持するため膜厚が第１メタル配線Ｍ１および第２メタル配線Ｍ２より厚く形成されている。そのため、第３メタル配線Ｍ３の膜厚も厚く形成されている。
最上層メタル配線である第３メタル配線Ｍ３およびパッド用導電層ＰＡＤは層間絶縁膜ＩＬ３上に形成されている。そのため、第３メタル配線Ｍ３およびパッド用導電層ＰＡＤの下に形成された層間絶縁膜ＩＬ３の膜厚によって固体撮像装置の厚みが大きくなる。
なお、層間絶縁膜ＩＬ２に形成された第２メタル配線Ｍ２の膜厚を薄くすると配線抵抗が大きくなり高速動作に問題があるため、第２メタル配線Ｍ２の膜厚には限界がある。
また第２メタル配線Ｍ２を覆うように形成された層間絶縁膜ＩＬ３の膜厚を薄くするとＣＭＰを施した際に第２メタル配線Ｍ２の上面が露出することがあるため層間絶縁膜ＩＬ３の膜厚には限界がある。
これに対して、図７に示すように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、イメージ領域ＩＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面の溝ＴＨ内を埋め込むように遮光用導電層ＳＨＬが形成されているため、層間絶縁膜ＩＬ４の上面上に遮光用導電層ＳＨＬを形成する場合と比較して遮光用導電層ＳＨＬとフォトダイオードＰＤとの距離を小さくすることができる。これにより、遮光用導電層ＳＨＬで遮光される斜め入射光を少なくすることができる。そのため、遮光による感度低下を低減することができる。
また、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面に接してパッド用導電層ＰＡＤが形成されているため、遮光用導電層ＳＨＬとパッド用導電層ＰＡＤとが別の層に形成される。そのため、遮光用導電層ＳＨＬとパッド用導電層ＰＡＤの厚みを異ならせることができる。したがって、遮光用導電層ＳＨＬの厚みを小さくすることで遮光用導電層ＳＨＬとフォトダイオードＰＤとの距離を小さくし、かつパッド用導電層ＰＡＤの厚みを大きくすることでワイヤボンディング耐性の劣化を抑制できる。
また、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面に接してパッド用導電層ＰＡＤが形成されているため、固体撮像装置の厚さ方向において遮光用導電層ＳＨＬとパッド用導電層ＰＡＤとの間に層間絶縁膜ＩＬ４が形成されていない。これにより、固体撮像装置におけるイメージ領域ＩＡでの厚みが大きくなることを抑制できる。
固体撮像装置におけるイメージ領域ＩＡでの厚みが大きくなることを抑制できるので、層間絶縁膜ＩＬ４の膜厚によってマイクロレンズＭＬからフォトダイオードＰＤまでの距離が大きくなることを抑制できる。このため、入射光の反射およびけられを抑制できる。つまり、層間絶縁膜ＩＬ４による入射光の反射および第１メタル配線Ｍ１、第２メタル配線Ｍ２および遮光用層電層ＳＨＬによる斜め入射光の反射を抑制できる。また、周辺光量の低下を小さくすることができる。また、固体撮像装置におけるイメージ領域ＩＡでの厚みが大きくなることを抑制できるので、固体撮像装置を小型化することができる。
また、イメージ領域ＩＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面の溝ＴＨ内を埋め込むように遮光用導電層ＳＨＬが形成されているため、第２メタル配線Ｍ２の膜厚を維持した状態で遮光用導電層ＳＨＬの高さを低くすることができる。
また、イメージ領域ＩＡ内において層間絶縁膜ＩＬ４の上面の溝ＴＨ内を埋め込むように遮光用導電層ＳＨＬが形成されているため、層間絶縁膜ＩＬ３の膜厚を維持した状態で遮光用導電層ＳＨＬの高さを低くすることができる。
上記では遮光用導電層ＳＨＬがビアホールＣ３により第２メタル配線Ｍ２と電気的に接続されていることを説明した。遮光用導電層ＳＨＬとビアホールＣ３とは同じ工程で製造されていてもよい。
図９を参照して、層間絶縁膜ＩＬ３の上面に溝ＴＨが形成されている。溝ＴＨと第２メタル配線Ｍ２とを貫通するように層間絶縁膜ＩＬ３にコンタクトホールＣＨが形成されている。溝ＴＨおよびコンタクトホールＣＨにたとえばタングステンが埋め込まれることにより遮光用導電層ＳＨＬとビアホールＣ３とが形成されている。
溝ＴＨ内を埋め込むように遮光用導電層ＳＨＬが形成されているため、遮光用導電層ＳＨＬを形成する際にビアホールＣ３も形成することができる。このため、生産効率を向上できる。また、ビアホールＣ３を通常のビアホール製造工程と同じように形成することができる。通常のビアホール製造工程で形成できるため、生産効率を向上できる。
また、本実施の形態の固体撮像装置によれば、遮光用導電層ＳＨＬと半導体基板ＳＢとが積層された積層方向から見て、遮光用導電層ＳＨＬがフォトダイオードＰＤを取り囲むように枠形状ＦＦに形成されている。そのため、遮光用電電層ＳＨＬが入射光を遮光することによりフォトダイオードＰＤ以外に入射光が到達することを効果的に抑制できる。これにより、フォトダイオードＰＤの周辺に形成されたトランジスタに光が入射することでトランジスタが誤動作を起こすことを抑制できる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の固体撮像装置は、実施の形態１の固体撮像装置と比較して、遮光用導電層を形成する材料よりも低抵抗の材料よりなる低抵抗配線を有している点で主に異なっている。
図１０を参照して、遮光用導電層ＳＨＬを形成する材料よりも低抵抗の材料よりなる低抵抗配線ＬＲが遮光用導電層ＳＨＬの上面に接して形成されている。低抵抗配線ＬＲはたとえばアルミニウムよりなっている。低抵抗配線ＬＲは遮光用導電層ＳＨＬより線幅が小さくなるように形成されている。
また、低抵抗配線ＬＲはパッド用導電層ＰＡＤと同じ層のメタル膜で形成されていてもよい。この場合には、低抵抗配線ＬＲはパッド用導電層ＰＡＤと同じ工程で製造されるので新たな工程を追加しないため生産効率を向上できる。
図１１を参照して、遮光用導電層ＳＨＬの枠形状ＦＦの線幅Ｗ１より低抵抗配線ＬＲの線幅Ｗ２が小さくなるように低抵抗配線ＬＲは形成されている。イメージ領域ＩＡ内において、遮光用導電層ＳＨＬが開口している有効画素ＥＲと、遮光用導電層ＳＨＬが開口しておらず入射光が遮光されている遮光画素ＳＰとが形成されている。低抵抗配線ＬＲは遮光画素ＳＰ上に配置された遮光用導電層ＳＨＬ上にも形成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
固体撮像装置では遮光用導電層ＳＨＬが開口している有効画素ＥＲにおいてフォトダイオードＰＤが遮光用導電層ＳＨＬから露出するように構成されており、それ以外の領域は遮光用導電層ＳＨＬで覆われている。このようにフォトダイオードＰＤの上方の遮光用導電層ＳＨＬを開口してそれ以外の領域を遮光用導電層ＳＨＬで遮光することによって、フォトダイオードＰＤの外側の素子に入射した光による光電変換によって発生した電子に起因する特性変動などの誤動作を防ぐことができる。
遮光用導電層ＳＨＬは入射光を遮光するだけでなく、画素にある一定の電位を供給する配線としての機能も有している。特に電源電位や接地電位などは画素の光電変換特性に大きく影響を与えるので配線のインピーダンスを低減することは非常に重要である。
本実施の形態の固体撮像装置よれば、遮光用導電層ＳＨＬを形成する材料よりも低抵抗の材料よりなる低抵抗配線ＬＲをさらに備え、低抵抗配線ＬＲは、遮光用導電層ＳＨＬの上面に接して形成されており、かつ遮光用導電層ＳＨＬより線幅Ｗ２が小さくなるように設けられている。
遮光用導電層ＳＨＬを形成する材料よりも低抵抗の材料よりなる低抵抗配線ＬＲが遮光用導電層ＳＨＬの上面に接して形成されているため、遮光用導電層ＳＨＬおよび低抵抗配線ＬＲの一体でのインピーダンスが小さくなる。遮光用導電層ＳＨＬを形成する材料がタングステンなどの抵抗率が高い材料でも、遮光用導電層ＳＨＬおよび低抵抗配線ＬＲの一体でのインピーダンスを小さくすることで高速動作が可能となるため撮像特性の劣化を抑制することができる。
また、遮光用導電層ＳＨＬの線幅Ｗ１より低抵抗配線ＬＲの線幅Ｗ２が小さくなるように低抵抗配線ＬＲが設けられているため、低抵抗配線ＬＲによって遮光される斜め入射光の角度を小さくすることができる。そのため低抵抗配線ＬＲによって遮光される斜め入射光量を小さくすることができる。これにより、感度の劣化を抑制することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の固体撮像装置は、実施の形態２の固体撮像装置と比較して、遮光用導電層が枠形状の短辺に沿う方向に形成されており、長辺に沿う方向に形成されていない点で主に異なっている。
図１２を参照して、遮光用導電層ＳＨＬの枠形状ＦＦは矩形形状を有している。矩形形状は短辺と長辺とを有している。低抵抗配線ＬＲと遮光用導電層ＳＨＬとが積層された積層方向から見て、低抵抗配線ＬＲは矩形形状の短辺に沿う方向に延びる部分を有している。一方、低抵抗配線ＬＲは矩形形状の長辺に沿う方向に延びる部分を有しない。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
なお、遮光用導電層ＳＨＬの矩形形状は正方形であってもよい。この場合、低抵抗配線はＬＲ矩形形状の隣り合う辺の一方に沿う方向に延びる部分を有し、他方に沿う方向に延びる部分を有しないように構成されていてもよい。
遮光用導電層ＳＨＬの線幅Ｗ１より低抵抗配線ＬＲの線幅Ｗ２が小さく形成されているが、斜め入射光の入射角度が非常に大きい場合には、低抵抗配線ＬＲによって入射光が遮光され得る。長辺に沿う方向の斜め入射光の方が短辺に沿う方向の斜め入射光より入射角度を大きくできる。つまり、斜め入射光に対する低抵抗配線ＬＲによる遮光の影響は長辺に沿う方向の方が短辺に沿う方向より小さい。
本実施の形態の固体撮像装置よれば、枠形状ＦＦは、低抵抗配線ＬＲと遮光用導電層ＳＨＬとが積層された積層方向から見て、矩形形状を有しており、この積層方向から見て、低抵抗配線ＬＲは、矩形形状の短辺に沿う方向に延びる部分を有し、かつ矩形形状の長辺に沿う方向に延びる部分を有しない。
これにより、低抵抗配線ＬＲは、長辺に沿う方向の斜め入射光を遮光する位置に矩形形状の短辺に沿う方向に延びる部分が配置され、短辺に沿う方向の斜め入射光を遮光する位置には配置されない。そのため、斜め入射光の入射角度が大きい場合でも低抵抗配線ＬＲによる遮光の影響を抑制することができる。つまり、低抵抗配線ＬＲによる遮光の影響が長辺に沿う方向の斜め入射光に限定されるため、インピーダンス低減の効果を失うことなく、入射光量低下に起因する感度低下などの性能劣化を最小限に抑制することができる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の固体撮像装置の断面構造について説明する。図１３を参照して、固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡとパッド配置領域ＰＡとを有している。まず、イメージ領域ＩＡ内の構造について説明する。固体撮像装置は、たとえばシリコンよりなるｎ型半導体基板ＳＢを有している。ｎ型半導体基板ＳＢの主表面ＭＳ付近にｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌが形成されている。また主表面ＭＳには、たとえばＬＯＣＯＳまたはＳＴＩよりなる素子分離領域ＩＲが形成されている。主表面ＭＳにおいて素子分離領域ＩＲで分離された領域に複数のフォトダイオードＰＤが形成されている。
フォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域ＰＤＲにおいて、ｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌの内部に主表面ＭＳ側からｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とが形成されている。ｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とによってフォトダイオードＰＤが形成されている。素子分離領域ＩＲおよびフォトダイオードＰＤを覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。
本実施の形態の固体撮像装置はＭＩＭ（Metal Insulator Metal）容量を有している。一般的に半導体装置内で容量素子を形成する場合にはゲート容量（ＭＯＳ）、ＰＩＰ(PolySi-Insulator-PolySi)容量、拡散容量などが使用されることが多い。しかし、これらの容量ではどちらか一方の電極が半導体で形成されていることから、その印加電圧によっては空乏層幅変動の影響で印加電圧と容量値との関係の線形性が劣化するという問題点を抱える。これを解決するのがＭＩＭ容量であり、２つの電極ともにメタル配線で形成することで、その容量値が印加電圧の依存を受けにくいという長所がある。
層間絶縁膜ＩＬ１上にたとえばアルミニウムよりなる第１メタル配線（第１の配線層）Ｍ１が形成されている。第１メタル配線Ｍ１は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
第１メタル配線Ｍ１および層間絶縁膜ＩＬ１を覆うようにキャパシタ誘電体層ＣＤが形成されている。キャパシタ誘電体層ＣＤ上の一部にキャパシタ電極ＭＩが形成されている。第１メタル配線Ｍ１とキャパシタ電極ＭＩとでキャパシタ誘電体層ＣＤを挟むことによりＭＩＭ容量が形成されている。
キャパシタ誘電体層ＣＤおよびキャパシタ電極ＭＩを覆うように層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。つまり、層間絶縁膜ＩＬ２は、第１メタル配線Ｍ１上を覆うように形成されている。
層間絶縁膜ＩＬ２上にたとえばアルミニウムよりなる第２メタル配線（第２の配線層）Ｍ２が形成されている。第２メタル配線Ｍ２は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
第２メタル配線Ｍ２は、半導体基板ＳＢと第１メタル配線Ｍ１とが積層された積層方向から見てフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲ外に位置する隙間ＧＰ２を挟んで互いに分離された第１の配線部分Ｍ２ａと第２の配線部分Ｍ２ｂとを有している。
キャパシタ電極ＭＩは、層間絶縁膜ＩＬ２の下であってキャパシタ誘電体層ＣＤの上に形成されている。キャパシタ電極ＭＩは、キャパシタ誘電体層ＣＤを介在して第１メタル配線Ｍ１と対向することにより、第１メタル配線Ｍ１と容量結合するように設けられている。キャパシタ電極ＭＩは、第１の配線部分Ｍ２ａと第２の配線部分Ｍ２ｂとの間の隙間ＧＰ２の真下に位置する。隙間ＧＰ２の真下にキャパシタ電極ＭＩが配置されるため、隙間ＧＰ２を通る入射光をキャパシタ電極ＭＩで遮光することができる。
また、第１メタル配線Ｍ１は、隙間ＧＰ１を挟んで互いに分離された第３の配線部分Ｍ１ａと第４の配線部分Ｍ２ｂとを含んでいる。キャパシタ電極ＭＩは、第３の配線部分Ｍ１ａと第４の配線部分Ｍ１ｂとの間の隙間ＧＰ１の真上に位置する。隙間ＧＰ１の真上にキャパシタ電極ＭＩが位置するため、隙間ＧＰ１を通る入射光をキャパシタ電極ＭＩで遮光することができる。また、第１メタル配線Ｍ１およびキャパシタ電極ＭＩの双方は金属または合金よりなっている。
第２メタル配線Ｍ２および層間絶縁膜ＩＬ２を覆うように層間絶縁膜ＩＬ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ３を覆うようにガラス製の保護膜であるパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッシベーション膜ＧＣ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１はたとえばＣＭＰなどの平坦化処理が施されることにより平坦な上面を有している。
平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタＣＦ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上にレンズ用の高屈折率膜ＬＥが形成されている。高屈折率膜ＬＥにはマイクロレンズＭＬが形成されている。
第１メタル配線Ｍ１、第２メタル配線Ｍ２およびキャパシタ電極ＭＩは、フォトダイオードＰＤと各々が積層する方向からみてフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲ外に形成されている。またマイクロレンズＭＬはフォトダイオードＰＤとマイクロレンズＭＬが積層する方向からみてフォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域ＰＤＲを覆うように形成されている。
次に、パッド配置領域ＰＡ内の構造について説明する。ｎ型半導体基板ＳＢ上に層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１上に層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ２上に層間絶縁膜ＩＬ３が形成されている。
層間絶縁膜ＩＬ３上にパッド用導電層ＰＡＤが形成されている。つまり、イメージ領域ＩＡ外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ３の上面に接してパッド用導電層ＰＡＤが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤはたとえばアルミニウムよりなっている。パッド用導電層ＰＡＤは、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッド用導電層ＰＡＤ上にパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッシベーション膜ＧＣ上に平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタ上に平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上に高屈折率膜ＬＥが形成されている。カラーフィルタＣＦ、平坦化膜ＦＬ１，ＦＬ２および高屈折率膜ＬＥはパッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するように形成されている。この開口部ＯＰを通じて外部機器と電気的に接続されるようにパッド用導電層ＰＡＤは構成されている。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態の固体撮像装置は、主表面ＭＳを有する半導体基板ＳＢと、半導体基板ＳＢの主表面に形成されたフォトダイオードＰＤと、主表面ＭＳ上に形成された第１メタル配線Ｍ１（第１の配線層）と、第１メタル配線Ｍ１上を覆うように形成された層間絶縁膜ＩＬ２と、層間絶縁膜ＩＬ２上に形成されており、かつ半導体基板ＳＢと第１メタル配線Ｍ１とが積層された積層方向から見てフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲ外に位置する隙間ＧＰ２を挟んで互いに分離された第１の配線部分Ｍ２ａと第２の配線部分Ｍ２ｂとを有する第２メタル配線Ｍ２（第２の配線層）と、第１メタル配線Ｍ１上を覆うように形成されたキャパシタ誘電体層ＣＤと、層間絶縁膜ＩＬ２の下であってキャパシタ誘電体層ＣＤの上に形成されており、かつキャパシタ誘電体層ＣＤを介在して第１メタル配線Ｍ１と対向することにより、第１メタル配線Ｍ１と容量結合するように設けられており、かつ第１の配線部分Ｍ２ａと第２の配線部分Ｍ２ｂとの間の隙間ＧＰ２の真下に位置するキャパシタ電極ＭＩとを備えている。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、半導体基板ＳＢと第１メタル配線Ｍ１とが積層された積層方向から見てフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲ外に位置する第２メタル配線Ｍ２の第１の配線部分Ｍ２ａと第２の配線部分Ｍ２ｂとの間の隙間ＧＰ２の真下にキャパシタ電極ＭＩが位置するため、第２メタル配線Ｍ２の隙間ＧＰ２から入射する入射光をキャパシタ電極ＭＩで遮光することができる。
そのため、第２メタル配線Ｍ２の隙間ＧＰ２からフォトダイオードＰＤ以外に入射光が到達することを効果的に抑制できる。これにより、フォトダイオードＰＤの周辺に形成されたトランジスタに光が入射することでトランジスタが誤動作を起こすことを抑制できる。
第１メタル配線Ｍ１、キャパシタ電極ＭＩおよび第２メタル配線Ｍ２によって入射光を遮光することができるため、第２メタル配線Ｍ２の上方にさらにメタル配線を設けて遮光する必要がない。すなわち低い位置で遮光することができる。そのため、第２メタル配線Ｍ２の上方にさらにメタル配線を設ける場合と比較して第２メタル配線Ｍ２からフォトダイオードＰＤまでの距離を小さくすることができる。これにより、第２メタル配線Ｍ２で遮光される斜め入射光を少なくすることができる。そのため、遮光による感度低下を低減することができる。
また、本実施の形態の固体撮像装置によれば、第１メタル配線（第１の配線層）Ｍ１は、隙間ＧＰ１を挟んで互いに分離された第３の配線部分Ｍ１ａと第４の配線部分Ｍ１ｂとを含み、キャパシタ電極ＭＩは、第３の配線部分Ｍ１ａと第４の配線部分Ｍ１ｂとの間の隙間ＧＰ１の真上に位置するため、第１メタル配線Ｍ１の隙間ＧＰ１から入射する入射光をキャパシタ電極ＭＩで遮光することができる。そのため、第１メタル配線Ｍ１の隙間ＧＰ１からフォトダイオードＰＤ以外に入射光が到達することを効果的に抑制できる。これにより、フォトダイオードＰＤの周辺に形成されたトランジスタに光が入射することでトランジスタが誤動作を起こすことを抑制できる。
また、本実施の形態の固体撮像装置によれば、第１メタル配線（第１の配線層）Ｍ１およびキャパシタ電極ＭＩの双方は金属または合金よりなっている。これにより、第１メタル配線Ｍ１とキャパシタ電極ＭＩとでＭＩＭ容量を構成することができる。ＭＩＭ容量を構成することにより空乏層幅変動の影響で印加電圧と容量値との関係の線形性が劣化することを抑制できるため、その容量値が印加電圧に依存しにくくなる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５の固体撮像装置の断面構造について説明する。図１４を参照して、固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡとパッド配置領域ＰＡとを有している。まず、イメージ領域ＩＡ内の構造について説明する。固体撮像装置は、たとえばシリコンよりなるｎ型半導体基板ＳＢを有している。ｎ型半導体基板ＳＢの主表面ＭＳ付近にｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌが形成されている。また主表面ＭＳには、たとえばＬＯＣＯＳまたはＳＴＩよりなる素子分離領域ＩＲが形成されている。主表面ＭＳにおいて素子分離領域ＩＲで分離された領域にフォトダイオードＰＤおよび選択トランジスタＳＴＲが形成されている。
フォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域ＰＤＲにおいて、ｐ型ウエル領域Ｐｗｅｌｌの内部に主表面ＭＳ側からｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とが形成されている。ｐ型領域Ｐ+とｎ型領域Ｎ-とによってフォトダイオードＰＤが形成されている。
フォトダイオードＰＤに対して素子分離領域ＩＲを挟んで選択トランジスタＳＴＲが形成されている。選択トランジスタＳＴＲでは、主表面ＭＳ上にたとえばシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜ＧＩを介在して、たとえば多結晶シリコン膜よりなるゲート電極層ＧＥが形成されている。ゲート電極層ＧＥは、その一部が素子分離領域ＩＲ上に設けられている。
素子分離領域ＩＲ、フォトダイオードＰＤおよびゲート電極層ＧＥを覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１を貫通するようにたとえばタングステンよりなるコンタクトＣ１が形成されている。コンタクトＣ１は、タングステンを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
コンタクトＣ１および層間絶縁膜ＩＬ１の一部を覆うようにたとえばアルミニウムよりなる第１メタル配線Ｍ１が形成されている。第１メタル配線Ｍ１は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
第１メタル配線Ｍ１および層間絶縁膜ＩＬ１を覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。第１メタル配線Ｍ１上に層間絶縁膜ＩＬ２を貫通するようにたとえばタングステンよりなるビアホールＣ２が形成されている。ビアホールＣ２は、タングステンを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
層間絶縁膜ＩＬ２上にたとえばアルミニウムよりなる複数の第２メタル配線Ｍ２が形成されている。第２メタル配線Ｍ２は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。複数の第２メタル配線Ｍ２のうちの１つはビアホールＣ２および層間絶縁膜ＩＬ２の一部を覆うように形成されている。第２メタル配線Ｍ２および層間絶縁膜ＩＬ２を覆うようにたとえばシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜ＩＬ３が形成されている。
層間絶縁膜ＩＬ３上にたとえばアルミニウムよりなる複数の第３メタル配線Ｍ３が形成されている。第３メタル配線Ｍ３は、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。第３メタル配線Ｍ３は遮光用導電層としての機能も有している。
第３メタル配線Ｍ３および層間絶縁膜ＩＬ３を覆うようにガラス製の保護膜であるパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッシベーション膜ＧＣ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１はたとえばＣＭＰなどの平坦化処理が施されることにより平坦な上面を有している。
平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタＣＦ上にたとえばシリコン酸化膜よりなる平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上にレンズ用の高屈折率膜ＬＥが形成されている。高屈折率膜ＬＥにはマイクロレンズＭＬが形成されている。
第１メタル配線Ｍ１、第２メタル配線Ｍ２および第３メタル配線Ｍ３は、フォトダイオードＰＤと各々が積層する方向からみてフォトダイオードＰＤが形成されているフォトダイオード領域ＰＤＲ外に形成されている。またマイクロレンズＭＬはフォトダイオードＰＤとマイクロレンズＭＬが積層する方向からみてフォトダイオードＰＤが形成されたフォトダイオード領域ＰＤＲを覆うように形成されている。
次に、パッド配置領域ＰＡ内の構造について説明する。ｎ型半導体基板ＳＢ上に層間絶縁膜ＩＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１上に層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ３の上面には溝ＴＨが形成されている。溝ＴＨは、たとえばフォトリソグラフィでトレンチパッド用導電層ＳＨＰを形成する部分のフォトレジストを除去した後に層間絶縁膜ＩＬ３の上面にドライエッチングを施すことなどにより形成されている。
溝ＴＨ内を埋め込むようにたとえばタングステンよりなるトレンチパッド用導電層ＳＨＰが形成されている。トレンチパッド用導電層ＳＨＰは図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。溝ＴＨ内にバリアメタルがスパッタリング法などで形成されている。その後にＣＶＤ法などでタングステンが埋め込まれる。その後にＣＭＰ法などでトレンチパッド用導電層ＳＨＰ以外の領域に形成されたタングステンが研磨されて除去されることでトレンチパッド用導電層ＳＨＰが形成されている。
トレンチパッド用導電層ＳＨＰと接するようにトレンチパッド用導電層ＳＨＰ上にたとえばアルミニウムよりなるパッド用導電層ＰＡＤが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤは、アルミニウムを取り囲むように形成された図示しないバリアメタルを含んでいる。バリアメタルはたとえば窒化チタンからなっている。
パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッド用導電層ＰＡＤ上にパッシベーション膜ＧＣが形成されている。パッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するようにパッシベーション膜ＧＣ上に平坦化膜ＦＬ１が形成されている。平坦化膜ＦＬ１上にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタ上に平坦化膜ＦＬ２が形成されている。平坦化膜ＦＬ２上に高屈折率膜ＬＥが形成されている。カラーフィルタＣＦ、平坦化膜ＦＬ１，ＦＬ２および高屈折率膜ＬＥはパッド用導電層ＰＡＤの上面の一部を開口するように形成されている。この開口部ＯＰを通じて外部機器と電気的に接続されるようにパッド用導電層ＰＡＤは構成されている。
図１５を参照して、トレンチパッド用導電層ＳＨＰはトレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層された積層方向から見た形状の外縁で囲まれた領域ＳＨＰＲを有している。この領域ＳＨＰＲはトレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層された積層方向から見てパッド用導電層ＰＡＤの開口部ＯＰと重なるように形成されている。また、この領域ＳＨＰＲは、この積層方向から見て開口部以上の広さとなるように形成されている。
上記では、トレンチパッド用導電層ＳＨＰは、トレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層する方向から見て、矩形形状に形成されている場合について説明したがこれに限定されない。
図１６を参照して、本実施の形態の変形例の固体撮像装置では、トレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層された積層方向から見て、トレンチパッド用導電層ＳＨＰは格子形状を有していてもよい。
なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態の固体撮像装置は、イメージ領域ＩＡとパッド配置領域ＰＡとを有する固体撮像装置であって、主表面ＭＳを有する半導体基板ＳＢと、イメージ領域ＩＡ内において半導体基板ＳＢの主表面ＭＳに形成されたフォトダイオードＰＤと、主表面ＭＳ上に形成されており、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内において上面に溝ＴＨを有する層間絶縁膜ＩＬ３と、溝ＴＨ内を埋め込むように形成されたトレンチパッド用導電層ＳＨＰと、トレンチパッド用導電層ＳＨＰと接するようにトレンチパッド用導電層ＳＨＰ上に形成されたパッド用導電層ＰＡＤとを備えている。トレンチパッド用導電層ＳＨＰは、トレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層された積層方向から見た形状の外縁で囲まれた領域ＳＨＰＲが、積層方向から見てパッド用導電層ＰＡＤの開口部ＯＰと重なるように、かつ開口部ＯＰ以上の広さとなるように形成されている。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内において層間絶縁膜ＩＬ３の上面の溝ＴＨ内を埋め込むように形成されたトレンチパッド用導電層ＳＨＰと、トレンチパッド用導電層ＳＨＰ上に形成されたパッド用導電層ＰＡＤとを備えているため、トレンチパッド用導電層ＳＨＰによりワイヤボンディング耐性を補強できるのでパッド用導電層ＰＡＤの膜厚を小さくすることができる。パッド用導電層ＰＡＤの膜厚を小さくすることができるため、パッド用導電層ＰＡＤの膜厚と同じメタル膜からなる第３メタル配線で遮光される斜め入射光を少なくすることができる。そのため、遮光による感度低下を低減することができる。
トレンチパッド用導電層ＳＨＰは、外縁で囲まれた領域ＳＨＰＲが、積層方向から見てパッド用導電層ＰＡＤの開口部ＯＰと重なるように、かつ開口部ＯＰ以上の広さとなるように形成されているため、トレンチパッド用導電層ＳＨＰによりワイヤボンディング耐性を十分に補強できる。
また、イメージ領域ＩＡの外であってパッド配置領域ＰＡ内においてトレンチパッド用導電層ＳＨＰが形成されており、トレンチパッド用導電層ＳＨＰ上に形成されたパッド用導電層ＰＡＤの膜厚を小さくすることができるため、イメージ領域ＩＡでの固体撮像装置の高さを抑制できる。これにより、固体撮像装置におけるイメージ領域ＩＡでの厚みが大きくなることを抑制できる。
また、本実施の形態の固体撮像装置よれば、トレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが積層された積層方向から見て、トレンチパッド用導電層ＳＨＰは格子形状を有している。トレンチパッド用導電層ＳＨＰは格子形状の隙間に層間絶縁膜ＩＬ３が形成されているため、ＣＭＰ法でトレンチパッド用導電層ＳＨＰが形成される際のディッシングを抑制することができる。
また、本実施の形態の固体撮像装置よれば、トレンチパッド用導電層ＳＨＰとパッド用導電層ＰＡＤとが互いに異なる材料からなっている。トレンチパッド用導電層ＳＨＰにパッド用導電層ＰＡＤよりワイヤボンディング耐性の高い材料を用いることによりパッド用導電層ＰＡＤのワイヤボンディング耐性を向上できる。また、トレンチパッド用導電層ＳＨＰにパッド用導電層ＰＡＤとパッド用導電層ＰＡＤの材料を異なられせることで設計の自由度を向上できる。
なお、上記の各実施の形態の固体撮像装置は、たとえばデジタルカメラ、携帯電話機、携帯情報端末、パーソナルコンピュータ、ゲーム機などに適用され得る。
上記の各実施の形態は適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
本発明は、遮光用導電層を備えた固体撮像装置に特に有利に適用され得る。
ＡＣ アナログ回路、ＡＴＲ ソースフォロアトランジスタ、Ｃ１ コンタクト、Ｃ２ ビアホール、Ｃ３ ビアホール、ＣＤ キャパシタ誘電体層、ＣＦ カラーフィルタ、ＥＲ 有効画素、ＦＤ フローティングディフュージョン部、ＦＦ 枠形状、ＦＬ１，ＦＬ２ 平坦化膜、ＧＣ パッシベーション膜、ＧＥ ゲート電極層、ＧＩ ゲート絶縁膜
ＧＰ 隙間、ＩＡ イメージ領域、ＩＬ１〜ＩＬ４ 層間絶縁膜、ＬＥ 高屈折率膜、ＬＲ 低抵抗配線、Ｍ１ 第１メタル配線、Ｍ１ａ 第３の配線部分、Ｍ１ｂ 第４の配線部分、Ｍ２ 第２メタル配線、Ｍ２ａ 第１の配線部分、Ｍ２ｂ 第２の配線部分、Ｍ３ 第３メタル配線、ＭＩ キャパシタ電極、ＭＬ マイクロレンズ、ＭＳ 主表面、ＮＣ ノイズ低減読み出し回路回路、ＯＰ 開口部、ＰＡ パッド配置領域、ＰＡＤ パッド用導電層、ＰＤ フォトダイオード、ＰＤＲ フォトダイオード領域、ＰＳ 垂直信号線
ＰＷＳ 電源線、ＲＳ リセット信号線、ＲＴＲ リセットトランジスタ、ＳＢ 半導体基板、ＳＨＬ 遮光用導電層、ＳＨＰ トレンチパッド用導電層、ＳＨＰＲ 領域、ＳＬ ストッパ層、ＳＰ 遮光画素、ＳＲ シフトレジスタ、ＳＳ 選択信号線、ＳＴＲ 選択トランジスタ、ＴＨ 溝、ＴＳ 転送信号線、ＴＴＲ 転送トランジスタ。

Claims (10)

  1. イメージ領域とパッド配置領域とを有する固体撮像装置であって、
    主表面を有する半導体基板と、
    前記イメージ領域内において前記半導体基板の前記主表面に形成されたフォトダイオードと、
    前記主表面上に形成されており、前記イメージ領域内において上面に溝を有する層間絶縁膜と、
    前記溝内を埋め込むように形成された遮光用導電層と、
    前記イメージ領域の外であって前記パッド配置領域内において前記層間絶縁膜の前記上面に接して形成されたパッド用導電層とを備えた、固体撮像装置。
  2. 前記遮光用導電層と前記半導体基板とが積層された積層方向から見て、前記遮光用導電層が前記フォトダイオードを取り囲むように枠形状に形成されている、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記遮光用導電層を形成する材料よりも低抵抗の材料よりなる低抵抗配線をさらに備え、
    前記低抵抗配線は、前記遮光用導電層の上面に接して形成されており、かつ前記遮光用導電層より線幅が小さくなるように設けられている、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記枠形状は、前記積層方向から見て矩形形状を有しており、
    前記積層方向から見て、前記低抵抗配線は、前記矩形形状の短辺に沿う方向に延びる部分を有し、かつ前記矩形形状の長辺に沿う方向に延びる部分を有しない、請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 主表面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記主表面に形成されたフォトダイオードと、
    前記主表面上に形成された第１の配線層と、
    前記第１の配線層上を覆うように形成された層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜上に形成されており、かつ前記半導体基板と前記第１の配線層とが積層された積層方向から見て前記フォトダイオードが形成された領域外に位置する隙間を挟んで互いに分離された第１の配線部分と第２の配線部分とを有する第２の配線層と、
    前記第１の配線層上を覆うように形成されたキャパシタ誘電体層と、
    前記層間絶縁膜の下であって前記キャパシタ誘電体層の上に形成されており、かつ前記キャパシタ誘電体層を介在して前記第１の配線層と対向することにより、前記第１の配線層と容量結合するように設けられており、かつ前記第１の配線部分と前記第２の配線部分との間の前記隙間の真下に位置するキャパシタ電極とを備えた、固体撮像装置。
  6. 前記第１の配線層は、隙間を挟んで互いに分離された第３の配線部分と第４の配線部分とを含み、
    前記キャパシタ電極は、前記第３の配線部分と前記第４の配線部分との間の前記隙間の真上に位置する、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記第１の配線層および前記キャパシタ電極の双方は金属または合金よりなっている、請求項５または６に記載の固体撮像装置。
  8. イメージ領域とパッド配置領域とを有する固体撮像装置であって、
    主表面を有する半導体基板と、
    前記イメージ領域内において前記半導体基板の前記主表面に形成されたフォトダイオードと、
    前記主表面上に形成されており、前記イメージ領域の外であって前記パッド配置領域内において上面に溝を有する層間絶縁膜と、
    前記溝内を埋め込むように形成されたトレンチパッド用導電層と、
    前記トレンチパッド用導電層と接するように前記トレンチパッド用導電層上に形成されたパッド用導電層とを備え、
    前記トレンチパッド用導電層は、前記トレンチパッド用導電層と前記パッド用導電層とが積層された積層方向から見た形状の外縁で囲まれた領域が、前記積層方向から見て前記パッド用導電層の開口部と重なるように、かつ前記開口部以上の広さとなるように形成されている、固体撮像装置。
  9. 前記積層方向から見て、前記トレンチパッド用導電層は、格子形状を有している、請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 前記トレンチパッド用導電層と前記パッド用導電層とが互いに異なる材料からなっている、請求項８または９に記載の固体撮像装置。
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CN114220825A (zh) * 2022-02-22 2022-03-22 上海天马微电子有限公司 发光驱动基板、发光面板及显示装置

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