JP2013004686A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高集積化に伴う、個々の光電変換部で受光される光量の減少より、光電変換部に対して、その隣の光電変換部に入射すべき光が漏れ込んできたときの混色が大きくなる。
【解決手段】撮像領域の配線層の層数が周辺回路領域の配線層の層数より少ない配線構造と、撮像領域における配線構造の上部に配置された複数のマイクロレンズと、撮像領域における最上の配線層の上部であって、隣接する光電変換部の間に配置された反射部と、を有する固体撮像装置を提供することによって、前記問題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置と、その製造方法に関する。

固体撮像装置のマイクロレンズから光電変換部までの距離を短くすることにより、入射光の減衰を抑制し、集光効率を高め、感度や画質等の特性を向上させることができる。特許文献１では、光電変換部が配置された撮像領域と、この撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域とを含む固体撮像装置について、撮像領域の配線層の層数を周辺回路領域の配線層の層数より少なくする構造が開示されている。これにより、マイクロレンズから光電変換部までの距離を短くすることができる。

特開２００６−２９４７７３

画素あるいは光電変換部の高集積化に伴って、個々の光電変換部で受光される光量が減少している。これにより、光電変換部に対して、その隣の光電変換部に入射すべき光が漏れ込んできたときの混色が大きくなる。

本発明の目的は、この入射光の漏れ込みを低減し、固体撮像装置の集光効率を高めることである。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、複数の光電変換部がアレイ状に配置された撮像領域と、前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域とを含む構成となっている。
前記固体撮像装置は、前記撮像領域の配線層の層数が前記周辺回路領域の配線層の層数より少ない配線構造と、前記撮像領域における前記配線構造の上に配置された複数のマイクロレンズと、前記撮像領域における最上の配線層の上であって、隣接する前記光電変換部の間に、反射部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、隣接する光電変換部への入射光の漏れ込みを低減し、固体撮像装置の集光効率を高めることができる。

本発明の第１の実施形態の固体撮像装置１の一例の図。 第１の実施形態の固体撮像装置１の製造工程を説明するための図。 第１の実施形態の固体撮像装置１の製造工程を説明するための図。 第１の実施形態の固体撮像装置１の製造工程を説明するための図。 第１の実施形態の固体撮像装置１の上面図。 本発明の第２の実施形態の固体撮像装置２の一例の図。 第２の実施形態の固体撮像装置２の製造工程を説明するための図。 第２の実施形態の固体撮像装置２の製造工程を説明するための図。 第２の実施形態の固体撮像装置２の製造工程を説明するための図。 第２の実施形態の固体撮像装置２の製造工程を説明するための図。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１を参照しながら第１の実施形態の固体撮像装置１について説明する。固体撮像装置は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサとして、または、ＣＣＤイメージセンサとして構成されうる。固体撮像装置１は、例えばフォトダイオードのような光電変換部２０がアレイ状に配置された撮像領域５００と、前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域６００とを含む。撮像領域５００には、半導体基板１０に複数の光電変換部２０と、フローティングディフュージョンＦＤと、転送トランジスタＴＸのゲートＴＸＧが配置され、画素３０が形成されうる。また、それぞれの画素３０の間には、素子分離領域４０が配置されうる。ここで、画素３０は、増幅トランジスタと、選択トランジスタと、リセットトランジスタを含んでもよい（不図示）。また、周辺回路領域６００には、垂直走査回路や水平走査回路等の周辺回路が配置されうる（不図示）。ここでは、周辺回路領域６００には、一例としてトランジスタ５０を１つ示す。

半導体基板１０の上には第１の絶縁層７０が配置される。第１の絶縁層７０は、トランジスタ５０の一方の拡散層５１やフローティングディフュージョンＦＤの上に開口を有し、この開口に金属材料が埋設されることによりコンタクトプラグ６０が形成される。第１の絶縁層７０の上には第１の配線層８０が配置され、第１の配線層８０は、コンタクトプラグ６０により、拡散層５１やフローティングディフュージョンＦＤと接続されうる。ここで、撮像領域５００において、第１の配線層８０の近傍に、入射光をマイクロレンズ２００の光軸２１０方向へ反射するための遮光体８０’を配置することも可能である。さらに、第１の絶縁層７０と第１の配線層８０の上には第２の絶縁層１００が配置されうる。第２の絶縁層１００は、第１の配線層８０と後述の第２の配線層１１０を接続するべき箇所に開口を有し、この開口に金属材料が埋設されることによりコンタクトプラグ９０が形成される。第２の絶縁層１００の上には、第２の配線層１１０が配置され、コンタクトプラグ９０を介して第１の配線層８０と接続されうる。さらに、第２の絶縁層１００と第２の配線層１１０の上には第３の絶縁層１３０が配置されうる。以下、同様にして、コンタクトプラグ１２０、第３の配線層１４０、第４の絶縁層１６０、コンタクトプラグ１５０ａ、反射部１５０ｂが配置されうる。周辺回路領域６００における第４の絶縁層１６０の上には、第４の配線層１７０が配置されうる。これにより、撮像領域５００の配線層の層数が周辺回路領域６００の配線層の層数より少ない配線構造ＷＳが形成される。また、周辺回路領域６００の配線層の層数は、さらに多いものであってもよい。

この配線構造ＷＳを覆うように、第４の絶縁層１６０と第４の配線層１７０の上には保護膜１８０が配置され、撮像領域５００における保護膜１８０の上にはカラーフィルタ層１９０と、マイクロレンズ２００とが配置されうる。ここで、コンタクトプラグ９０とコンタクトプラグ１２０は、撮像領域５００については不図示としているが、これらは第１の配線層８０、第２の配線層１１０の上にそれぞれ配置してもよい。

第１の絶縁層７０、第２の絶縁層１００、第３の絶縁層１３０、および第４の絶縁層１６０は、例えばＳｉＯ等の絶縁素材で構成され、層間絶縁膜として機能しうる。第１の配線層８０、第２の配線層１１０、第３の配線層１４０、第４の配線層１７０、コンタクトプラグ９０、コンタクトプラグ１２０、コンタクトプラグ１５０ａは、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＣｕからなるグループのうち少なくとも一つで構成されてもよい。また、反射部１５０ｂは、コンタクトプラグ１５０ａと同様に第３の配線層１４０の上に形成され、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＣｕからなるグループのうち少なくとも一つで構成されてもよい。つまり、反射部１５０ｂは、光電変換部２０の間の最上配線層の上に配置されている。また、反射部１５０ｂは光軸を囲むように配置されている。従って図１に示すように、光がマイクロレンズに対して大きい入射角で入射した場合は、光が反射部１５０ｂによって、遮断されることにより隣接する光電変換部２０への漏れ込みを防止し、光軸２１０方向に反射されることにより集光効率を高めることができる。これにより、特に、カラーフィルタを有する固体撮像装置の場合は混色を防止することが可能である。また、反射部１５０ｂは、マイクロレンズ２００の光軸２１０を全周的に取り囲む構造としてもよい。

以上のように、第１の実施形態によれば、隣接する光電変換部２０への入射光の漏れ込みを低減し、固体撮像装置１の集光効率を高めることができる。

以下、添付図面の図２から図５を参照しながら、第１の実施形態の固体撮像装置１の製造方法を説明する。図２は、第４の絶縁層１６０を形成した後の固体撮像装置１の断面構造である。シリコンウエハ等であるＰ型半導体基板１０が用意され、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等の素子分離領域４０が形成される。その後、各トランジスタのゲート電極が形成され、光電変換部２０やＦＤのＮ型拡散層や拡散層がイオン注入法や熱処理などにより形成される。このとき、光電変換部２０の表面には自然酸化膜や、ゲート絶縁膜が形成されていてもよく、その膜厚は入射光の波長より十分に小さいため、光の反射には影響はない。

次に、周辺回路領域６００のトランジスタ５０や撮像領域５００のトランジスタＴＸ等の各トランジスタのゲート、および素子分離領域４０の上に、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などにより、第１の絶縁層７０が形成される。ここで、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法などにより第１の絶縁層７０を平坦化することにより、第１の絶縁層７０の上に配置される第１の配線層８０のパターニング精度を向上させることができる。その後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程等により、コンタクトプラグ６０を形成するための開口が形成され、この開口に金属材料をスパッタリング法やＣＭＰ法等で埋設することで、コンタクトプラグ６０が形成される。次に、スパッタリング法等により、第１の配線層８０となるべき層が形成され、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程等により、第１の配線層８０を除く領域を選択的にエッチングして、第１の配線層８０が形成される。さらに、同様の手順で、第２の絶縁層１００と、コンタクトプラグ９０と、第２の配線層１１０と、第３の絶縁層１３０と、コンタクトプラグ１２０と、第３の配線層１４０と、第４の絶縁層１６０が形成される。その結果、図２の断面図の状態となる。このとき、ＣＭＰ法などにより各絶縁層１００、１３０、１６０を平坦化しておくとよい。また、この第１の実施形態においては、配線層の層数を３層（８０，１１０、１４０）とした構造ＳＴが一例と形成されているが、構造ＳＴは少なくとも１層の配線層を含む構造であればよい。

次に、図３に示すように、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程等により、コンタクトプラグ１５０ａを形成するための第１の開口１４９ａと、反射部１５０ｂを形成するための第２の開口１４９ｂが形成される。この工程において、第１の開口１４９ａと第２の開口１４９ｂは、同時に形成されてもよい。

次に、スパッタリング法やＣＭＰ法等を経て、第１の開口１４９ａと第２の開口１４９ｂに金属の部材が埋設され、コンタクトプラグ１５０ａと反射部１５０ｂが形成される。さらに、スパッタリング法、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を経て、周辺回路領域６００と撮像領域５００のうち周辺回路領域６００に第４の配線層１７０が形成される。その後、プラズマＣＶＤ法等により保護膜１８０が形成される。保護膜１８０は例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコンからなる。そして、保護膜１８０の上には、有機材料からなる第１の平坦化層が塗布法により形成され（不図示）、第１の平坦化層の上にはカラーフィルタ層１９０が、塗布法、露光処理、現像処理を経て形成される。カラーフィルタ層１９０は、例えば、Ｒｅｄ層、Ｇｒｅｅｎ層、Ｂｌｕｅ層である。カラーフィルタ層１９０の上には、第２の平坦化層が塗布法により形成され（不図示）、第２の平坦化層の上にはマイクロレンズ２００が、塗布法、露光処理、現像処理の後、リフロー処理を経て形成され、図４の断面図の状態となる。図５は、マイクロレンズ２００の光軸２１０を反射部１５０ｂが全周的に取り囲むように配置した場合の固体撮像装置１の上面図である。図５は、光電変換部の受光面を含み、受光面に平行な面に対する正射影ともいえる。図５において、第３の配線層１４０の平面形状は格子状であり、反射部１５０ｂの平面形状も格子状である。図５にあるように、第３の配線層１４０よりも反射部１５０ｂは一回り小さい形状を有している。なお、マイクロレンズの形成はリフロー処理を行う方法に限定せず、面積諧調露光やエッチバックを用いて形成してもよい。
＜第２の実施形態＞
図６を参照しながら第２の実施形態の固体撮像装置２について説明する。第１の実施形態と異なる点は、第３の配線層１４０の上に配置される反射部１５０ｂ’が、金属の部材ではなく、層間絶縁層よりも屈折率が小さい空間によって構成されることである。これにより第２の実施形態においても、隣接する光電変換部２０への入射光の漏れ込みを低減し、固体撮像装置２の集光効率を高めることができる。

以下、添付図面の図７から図１０を参照しながら、第２の実施形態の固体撮像装置２の製造方法を説明する。前述の通り、第１の実施形態とは、第３の配線層１４０の上に配置される反射部１５０ｂ’が、金属の部材ではなく、層間絶縁層よりも屈折率が小さい空間によって構成されるという点で異なる。従って、第４の絶縁層１６０を形成する工程までは、第１の実施形態と同様である（図２）。

その後、周辺回路領域６００における第３の配線層１４０の上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程等により、コンタクトプラグ１５０ａを形成するための第１の開口１４９ａが形成され、図７の断面図の状態となる。さらに、スパッタリング法やＣＭＰ法等を経て、第１の開口１４９ａに金属の部材が埋設され、コンタクトプラグ１５０ａが形成される。さらに、スパッタリング法、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を経て、周辺回路領域６００と撮像領域５００のうち、周辺回路領域６００に第４の配線層１７０が形成され、図８の断面図の状態となる。次に、撮像領域５００における第３の配線層１４０の上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程等により、反射部１５０ｂ’を形成するための第２の開口１４９ｂ’が形成され、図９の断面図の状態となる。ここで、第１の開口１４９ａと第２の開口１４９ｂ’の幅は、第１の開口１４９ａより第２の開口１４９ｂ’の方が小さいことが望ましい。第１の開口１４９ａは電気的接続をするプラグのための開口であり、抵抗を低くする必要があるためである。この開口形成工程の後、第２の開口１４９ｂ’に空間が残るように、ＣＶＤ法等により保護膜１８０が形成され、同時に反射部１５０ｂ’が形成される。この保護膜１８０の堆積工程の結果、図１０の断面図の状態となる。反射部１５０ｂ’の空間は、空気、低圧空間、もしくは真空で構成されてもよい。また、これらの工程においては、開口１４９ａと開口１４９ｂ’はそれぞれ独立した工程で形成されたが、一工程において同時に形成されることも可能である。

その後、第１の実施形態と同様の手順で、第１の平坦化層（不図示）、カラーフィルタ層１９０、第２の平坦化層（不図示）、およびマイクロレンズ２００が形成され、図６の断面図の状態となる。

以上において２つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、デバイス、構成もしくは仕様の変更、またはこれらに伴うレイアウトもしくは製造工程の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (9)

1. 複数の光電変換部がアレイ状に配置された撮像領域と、前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域とを含む固体撮像装置であって、
   前記撮像領域の配線層の層数が前記周辺回路領域の配線層の層数より少ない配線構造と、
   前記撮像領域における前記配線構造の上に配置された複数のマイクロレンズと、
   前記撮像領域における最上の配線層の上であって、隣接する前記光電変換部の間に配置された反射部と、を有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記撮像領域における前記配線構造と前記マイクロレンズの間にカラーフィルタ層を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記反射部は、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＣｕからなるグループのうち少なくとも一つで構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記反射部は、層間絶縁層よりも屈折率が小さい空間によって構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記光電変換部の受光面を含み、前記受光面に平行な面に対する正射影において、前記反射部は、前記マイクロレンズの光軸を取り囲むように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 請求項１乃至５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処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。
7. 複数の光電変換部がアレイ状に配置された撮像領域と、前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域とを含む固体撮像装置の製造方法であって、
   半導体基板の上に、少なくとも１層の配線層を含む構造を形成する工程と、
   前記構造の上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記周辺回路領域における前記層間絶縁層にコンタクトプラグを形成するための第１の開口を形成し、前記撮像領域における前記層間絶縁層に反射部を形成するための第２の開口を形成する工程と、
   前記第１の開口に前記金属材料を埋設することにより前記コンタクトプラグを形成し、前記第２の開口に前記金属材料を埋設することにより前記反射部を形成する工程と、
   前記撮像領域と前記周辺回路領域のうち前記周辺回路領域の前記層間絶縁層の上に配線層を形成する工程と、を含む、
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 複数の光電変換部がアレイ状に配置された撮像領域と、前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路領域とを含む固体撮像装置の製造方法であって、
   半導体基板の上に、少なくとも１層の配線層を含む構造を形成する工程と、
   前記構造の上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記周辺回路領域における前記層間絶縁層にコンタクトプラグを形成するための第１の開口を形成する工程と、
   前記撮像領域における前記層間絶縁層に反射部を形成するための第２の開口を形成する工程と、
   前記第１の開口に前記金属材料を埋設して前記コンタクトプラグを形成する工程と、
   前記撮像領域と前記周辺回路領域のうち前記周辺回路領域の前記層間絶縁層の上に配線層を形成する工程と、
   前記配線層を形成した後に、前記撮像領域の前記第２の開口に空間が残るように保護膜を形成する堆積工程と、を含む、
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 前記開口形成工程において、前記第１の開口と前記第２の開口の幅は、前記第１の開口よりも前記第２の開口の方が小さい、
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。