JP2013168468A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどに代表される固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device typified by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor and a charge coupled device (CCD) image sensor.
近年、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機などの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。固体撮像素子は、例えばフォトダイオードから成る光電変換部が光電変換によって電荷を生成し、当該電荷による電位を増幅することで、画像を構成する信号を生成する。 In recent years, solid-state imaging devices such as a CCD image sensor and a CMOS image sensor are mounted on various electronic devices having an imaging function such as an imaging device such as a digital video camera and a digital still camera, and a mobile phone with a camera. In the solid-state imaging device, for example, a photoelectric conversion unit including a photodiode generates a charge by photoelectric conversion, and a potential of the charge is amplified to generate a signal constituting an image.
このような固体撮像素子では、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること(混色)を防止する目的や、光電変換部に光が入射しない構造であり暗電流の検出を行う遮光画素を設ける目的で、光を遮蔽する遮光部が形成される。なお、例えば金属から成る配線も遮光性を有するため、配線が遮光部として機能することもある。 In such a solid-state imaging device, a light-shielded pixel that detects dark current with a purpose of preventing light that has entered a pixel from entering adjacent pixels (color mixing) and a structure in which light does not enter a photoelectric conversion unit. For the purpose of providing, a light shielding portion for shielding light is formed. Note that, for example, a wiring made of metal also has a light shielding property, so that the wiring may function as a light shielding portion.
このような遮光部は、層間絶縁膜やパッシベーション膜などに埋め込まれるように形成されるため、外部からストレスを受けやすい。すると、外部から受けるストレスによって、遮光部内にストレスマイグレーションに起因するボイドが発生し、遮光性が劣化するため問題となる。 Since such a light shielding portion is formed so as to be embedded in an interlayer insulating film, a passivation film, or the like, it is easily subjected to stress from the outside. Then, due to the stress received from the outside, a void due to stress migration occurs in the light shielding portion, which causes a problem because the light shielding performance deteriorates.
そこで、例えば特許文献1では、金属から成る配線膜の表面に、機械的強度が配線膜よりも劣りかつ微小クラックを有する酸化シリコン膜を設け、外部から受けるストレスを酸化シリコン膜で吸収または緩和することにより、配線膜が受けるストレスを低減してボイドの発生を抑制した半導体装置が提案されている。 Therefore, in Patent Document 1, for example, a silicon oxide film having a mechanical crack inferior to that of the wiring film and having microcracks is provided on the surface of the wiring film made of metal, and externally applied stress is absorbed or alleviated by the silicon oxide film. Thus, there has been proposed a semiconductor device in which the stress applied to the wiring film is reduced and the generation of voids is suppressed.
固体撮像素子の感度の向上や混色の防止等の観点から、遮光部の膜厚を薄くして、光が入射してから受光部に届くまでの距離を短くすると、好ましい。しかしながら、遮光部の膜厚を薄くするほど、例えば遮光部の形成後に行われる種々の熱処理工程によって、膜厚方向に貫通したボイドが発生しやすくなる。そして、このような遮光部を貫通するボイドは、遮光部の遮光性を著しく低下させるため、問題となる。なお、特許文献1で提案されている配線膜のように、遮光部の表面に酸化シリコン膜を形成したとしても、後述するように膜厚方向に貫通したボイドを防止することは困難である。 From the viewpoint of improving the sensitivity of the solid-state imaging device and preventing color mixing, it is preferable to reduce the film thickness of the light-shielding portion and shorten the distance from when light enters to the light-receiving portion. However, as the film thickness of the light shielding portion is reduced, voids penetrating in the film thickness direction are more likely to occur due to various heat treatment processes performed after the light shielding portion is formed, for example. Such a void penetrating the light shielding portion causes a problem because the light shielding performance of the light shielding portion is significantly reduced. Note that even if a silicon oxide film is formed on the surface of the light shielding portion as in the wiring film proposed in Patent Document 1, it is difficult to prevent voids penetrating in the film thickness direction as will be described later.
そこで、本発明は、良好な遮光性を有する遮光部を備えた固体撮像素子を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device including a light shielding portion having a good light shielding property.
上記目的を達成するため、本発明は、上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板と、前記基板の前記上面の上方に設けられる遮光部と、を備え、前記遮光部は、遮光性材料を有する遮光性材料層である、下側遮光性材料層と、高融点材料を有する高融点材料層であり、前記下側遮光性材料層の上面に形成される中間高融点材料層と、前記遮光性材料層であり、前記中間高融点材料層の上面に形成される上側遮光性材料層と、から成る積層構造を有することを特徴とする固体撮像素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention includes a substrate in which a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light incident from the upper surface is provided, and a light shielding unit provided above the upper surface of the substrate, The light-shielding portion is a light-shielding material layer having a light-shielding material, which is a lower light-shielding material layer and a refractory material layer having a refractory material, and is formed on the upper surface of the lower light-shielding material layer. Provided is a solid-state imaging device having a laminated structure including an intermediate refractory material layer and the light shielding material layer, and an upper light shielding material layer formed on an upper surface of the intermediate refractory material layer To do.
この固体撮像素子によれば、遮光部において仮にボイドが生じたとしても、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層の間に形成されている中間高融点材料層によって、その上下方向への伝播が防止される。そのため、下側遮光性材料層で発生したボイドは、上側遮光性材料層へは伝播せず、上側遮光性材料層で発生したボイドは、下側遮光性材料層へは伝播しないことになる。したがって、遮光性材料層を貫通するボイドが形成されることを、防止することが可能になる。 According to this solid-state imaging device, even if a void occurs in the light shielding portion, the intermediate refractory material layer formed between the lower light shielding material layer and the upper light shielding material layer causes the upward and downward directions thereof. Propagation is prevented. Therefore, the void generated in the lower light-shielding material layer does not propagate to the upper light-shielding material layer, and the void generated in the upper light-shielding material layer does not propagate to the lower light-shielding material layer. Therefore, it is possible to prevent the formation of a void penetrating the light shielding material layer.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層が、融点が1000℃以上である前記高融点材料を有すると、好ましい。具体的に例えば、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層が、窒化チタン、チタン、チタンタングステン、窒化タングステン及びタングステンの少なくともいずれか1つを有すると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the refractory material layer includes the refractory material having a melting point of 1000 ° C. or higher. Specifically, for example, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the high melting point material layer includes at least one of titanium nitride, titanium, titanium tungsten, tungsten nitride, and tungsten.
この固体撮像素子によれば、遮光部の形成後に、固体撮像素子に対して熱処理(高々500℃)を行ったとしても、当該熱処理による物性の変動を無視できるほど小さくすることが可能になる。 According to this solid-state imaging device, even if a heat treatment (at most 500 ° C.) is performed on the solid-state imaging device after the light-shielding portion is formed, it is possible to reduce the change in physical properties due to the heat treatment to be negligible.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層の膜厚が、5nm以上かつ100nm以下であると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the thickness of the refractory material layer is 5 nm or more and 100 nm or less.
この固体撮像素子によれば、高融点材料層の膜厚を5nm以上にすることで、膜厚の制御を容易にすることが可能になり、膜厚制御のために成膜速度を遅くすることによる量産効率の低下を、防止することが可能になる。また、高融点材料層の膜厚を100nm以下にすることで、高融点材料層に発生するストレスを低減することが可能になり、当該ストレスによって基板の反りが大きくなることで基板中に欠陥が生じ暗電流が増大することを、防止することが可能になる。 According to this solid-state imaging device, it is possible to easily control the film thickness by setting the film thickness of the high melting point material layer to 5 nm or more, and to reduce the film forming speed for film thickness control. It is possible to prevent a decrease in mass production efficiency due to the above. In addition, by making the film thickness of the refractory material layer 100 nm or less, it is possible to reduce the stress generated in the refractory material layer, and the warpage of the substrate is increased by the stress, so that there is a defect in the substrate. It is possible to prevent the dark current from increasing.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光性材料層が、アルミニウムを有すると、好ましい。さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光性材料層の膜厚が、50nm以上であると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the light-shielding material layer includes aluminum. Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the thickness of the light-shielding material layer is 50 nm or more.
この固体撮像素子によれば、遮光性材料層の膜厚を薄くしても、良好な遮光性を得ることが可能になる。具体的に、固体撮像素子の感度の向上や混色の防止等の観点から、光が入射してから受光部に届くまでの距離を短くすると好ましいが、アルミニウムを有する遮光性材料層であれば、その膜厚を50nm以上とすることで、良好な遮光性を得ることが可能である。 According to this solid-state imaging device, it is possible to obtain good light shielding properties even if the light shielding material layer is thin. Specifically, from the viewpoint of improving the sensitivity of the solid-state imaging device and preventing color mixing, it is preferable to shorten the distance from the incidence of light until it reaches the light receiving unit, but if it is a light shielding material layer having aluminum, By setting the film thickness to 50 nm or more, it is possible to obtain good light shielding properties.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光部は、前記高融点材料層の1つであり、前記下側遮光性材料層の下面に形成される下側高融点材料層と、前記高融点材料層の1つであり、前記上側遮光性材料層の上面に形成される上側高融点材料層と、をさらに備えると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, the light shielding portion is one of the high melting point material layers, and the lower high melting point material layer formed on the lower surface of the lower light shielding material layer, and the high melting point It is preferable to further include an upper refractory material layer that is one of the material layers and is formed on the upper surface of the upper light-shielding material layer.
この固体撮像素子によれば、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層が受けるストレスを抑制することで、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層におけるボイドの発生を抑制することが可能になる。 According to this solid-state imaging device, it is possible to suppress the generation of voids in the lower light-shielding material layer and the upper light-shielding material layer by suppressing the stress received by the lower light-shielding material layer and the upper light-shielding material layer. It becomes possible.
上記特徴の固体撮像素子によれば、遮光性材料層の内部に、ボイドの伝播を防止する中間高融点材料層を形成することによって、仮にボイドが発生したとしても、遮光性材料層を貫通するボイドに発展することを防止することが可能になる。したがって、固体撮像素子が備える遮光部の遮光性を、良好なものにすることが可能になる。 According to the solid-state imaging device having the above characteristics, by forming an intermediate high melting point material layer that prevents the propagation of voids inside the light shielding material layer, even if a void occurs, the light shielding material layer penetrates. It becomes possible to prevent development into a void. Therefore, it is possible to improve the light shielding property of the light shielding portion provided in the solid-state imaging device.
<全体構造>
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例を示す模式的な断面図である。なお、図1では、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1として、いわゆる表面照射型のCMOSイメージセンサを例示している。
<Overall structure>
First, a structural example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a so-called surface irradiation type CMOS image sensor is illustrated as the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention.
図1に示すように、固体撮像素子1は、基板10と、基板10中に形成されるとともに基板10の上面101から入射する光を光電変換して電荷を生成する光電変換部11と、光電変換部11の一部であり光電変換によって生じた電荷を蓄積する電荷蓄積部111と、基板10内に形成されるとともに電荷蓄積部111に蓄積された電荷が転送される浮遊拡散部12と、基板10内の隣接する画素間に形成される素子分離部13と、基板10の上面101上かつ電荷蓄積部111及び遊拡散部12の間となる位置に形成されるゲート絶縁膜14と、ゲート絶縁膜14の上面に形成される転送ゲート電極15と、基板10の上面101に形成されて転送ゲート電極15を埋め込む第1層間絶縁膜16と、第1層間絶縁膜16を貫通して転送ゲート電極15に電気的に接続するように形成されるゲートコンタクト17と、第1層間絶縁膜16を貫通して浮遊拡散部12に電気的に接続するように形成されるFDコンタクト18と、ゲートコンタクト17と電気的に接続するゲート配線19と、FDコンタクト18と電気的に接続するFD配線20と、第1層間絶縁膜16上に形成されてゲート配線19及びFD配線20を埋め込む第2層間絶縁膜21と、第2層間絶縁膜21の上面に形成される画素間遮光部22と、第2層間絶縁膜21の上面に形成されて画素間遮光部22を埋め込む第3層間絶縁膜23と、第3層間絶縁膜23の上面に形成されるパッシベーション膜24と、パッシベーション膜24の上面に形成されて所定の色(波長)の光を選択的に透過させるカラーフィルタ25と、カラーフィルタ25を埋め込むように形成されるコート膜26と、コート膜26の上面に形成されて入射する光を集光してカラーフィルタ25を透過させるマイクロレンズ27と、を備える。 As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 1 includes a substrate 10, a photoelectric conversion unit 11 that is formed in the substrate 10 and photoelectrically converts light incident from the upper surface 101 of the substrate 10, and generates photoelectric charges. A charge storage unit 111 that is a part of the conversion unit 11 and stores charges generated by photoelectric conversion; a floating diffusion unit 12 that is formed in the substrate 10 and to which charges stored in the charge storage unit 111 are transferred; An element isolation portion 13 formed between adjacent pixels in the substrate 10, a gate insulating film 14 formed on the upper surface 101 of the substrate 10 and between the charge storage portion 111 and the free diffusion portion 12, and a gate A transfer gate electrode 15 formed on the upper surface of the insulating film 14, a first interlayer insulating film 16 formed on the upper surface 101 of the substrate 10 to embed the transfer gate electrode 15, and a transfer gate penetrating the first interlayer insulating film 16. A gate contact 17 formed so as to be electrically connected to the electrode 15, an FD contact 18 formed so as to be electrically connected to the floating diffusion portion 12 through the first interlayer insulating film 16, and a gate contact 17, a gate wiring 19 electrically connected to 17, an FD wiring 20 electrically connected to the FD contact 18, and a second interlayer insulation formed on the first interlayer insulating film 16 to embed the gate wiring 19 and the FD wiring 20. A film 21, an inter-pixel light shielding portion 22 formed on the upper surface of the second interlayer insulating film 21, a third interlayer insulating film 23 formed on the upper surface of the second interlayer insulating film 21 and embedding the inter-pixel light shielding portion 22, A passivation film 24 formed on the upper surface of the third interlayer insulating film 23, and a color filter 2 formed on the upper surface of the passivation film 24 to selectively transmit light of a predetermined color (wavelength). When provided with a coating film 26 formed so as to fill the color filter 25, a microlens 27 for transmitting color filter 25 a light condensing incident is formed on the upper surface of the coating film 26, the.
光電変換部11は、電荷蓄積部111と、その周辺の基板10の一部領域とから成る。基板10は、例えばp型またはn型のシリコンから成り、電荷蓄積部111は、例えばイオン注入によって基板10とは逆の導電型となったシリコンから成る。即ち、基板10の一部領域と電荷蓄積部111とから構成される光電変換部11は、フォトダイオードとなっている。また、浮遊拡散部12も、電荷蓄積部111と同様に、例えばイオン注入によって基板10とは逆の導電型となったシリコンから成る。 The photoelectric conversion unit 11 includes a charge storage unit 111 and a partial region of the substrate 10 around it. The substrate 10 is made of, for example, p-type or n-type silicon, and the charge storage unit 111 is made of, for example, silicon having a conductivity type opposite to that of the substrate 10 by ion implantation. That is, the photoelectric conversion unit 11 including the partial region of the substrate 10 and the charge storage unit 111 is a photodiode. Similarly to the charge storage unit 111, the floating diffusion unit 12 is also made of silicon having a conductivity type opposite to that of the substrate 10 by ion implantation, for example.
素子分離部13は、例えば基板10に形成した溝(トレンチ)に酸化シリコンを充填して成るSTI(Shallow Trench Isolation)であり、隣接する二つの画素の一方における浮遊拡散部12と、他方における電荷蓄積部111と、の間に設けられている。ゲート絶縁膜14は、例えば酸化シリコンから成り、転送ゲート電極15は、例えばポリシリコンから成る。 The element isolation part 13 is an STI (Shallow Trench Isolation) formed by filling a trench (trench) formed in the substrate 10 with silicon oxide, for example, and the floating diffusion part 12 in one of two adjacent pixels and the charge in the other. Between the storage unit 111 and the storage unit 111. The gate insulating film 14 is made of, for example, silicon oxide, and the transfer gate electrode 15 is made of, for example, polysilicon.
第1層間絶縁膜16、第2層間絶縁膜21及び第3層間絶縁膜23のそれぞれは、例えば酸化シリコンから成る。また、パッシベーション膜24は、例えば窒化シリコンから成る。 Each of the first interlayer insulating film 16, the second interlayer insulating film 21, and the third interlayer insulating film 23 is made of, for example, silicon oxide. Further, the passivation film 24 is made of, for example, silicon nitride.
ゲートコンタクト17は、第1層間絶縁膜16の転送ゲート電極15の直上となる位置に形成した孔(コンタクトホール)に、銅やアルミニウムなどの導電性材料を充填して成る。FDコンタクト18も同様であり、第1層間絶縁膜16の浮遊拡散部12の直上となる位置に形成した孔(コンタクトホール)に、銅やアルミニウムなどの導電性材料を充填して成る。 The gate contact 17 is formed by filling a hole (contact hole) formed at a position immediately above the transfer gate electrode 15 of the first interlayer insulating film 16 with a conductive material such as copper or aluminum. The same applies to the FD contact 18, and a hole (contact hole) formed at a position immediately above the floating diffusion portion 12 of the first interlayer insulating film 16 is filled with a conductive material such as copper or aluminum.
ゲート配線19及びFD配線20は、例えば、第1層間絶縁膜16の上面に対して所定の膜を形成した後、エッチングによって不要な部分を選択的に除去することでそれぞれ形成される。画素間遮光部22も同様であり、例えば、第2層間絶縁膜21の上面に対して所定の膜を形成した後、エッチングによって不要な部分を選択的に除去することで形成される。 The gate wiring 19 and the FD wiring 20 are formed by, for example, forming a predetermined film on the upper surface of the first interlayer insulating film 16 and then selectively removing unnecessary portions by etching. The same applies to the inter-pixel light shielding portion 22, for example, by forming a predetermined film on the upper surface of the second interlayer insulating film 21 and then selectively removing unnecessary portions by etching.
画素間遮光部22は、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること(混色)を防止するための遮光部として機能する。なお、ゲート配線19及びFD配線20が、ゲートコンタクト17及びFDコンタクト18と電気的に接続する配線としてだけでなく、画素間遮光部22と同様に遮光部として機能するようにしてもよい。また、遮光部の詳細については、後述する。 The inter-pixel light-shielding unit 22 functions as a light-shielding unit for preventing light once incident on a pixel from entering an adjacent pixel (color mixing). Note that the gate wiring 19 and the FD wiring 20 may function not only as a wiring electrically connected to the gate contact 17 and the FD contact 18 but also as a light shielding portion similar to the inter-pixel light shielding portion 22. Details of the light shielding portion will be described later.
カラーフィルタ25は、例えば顔料を含んだ樹脂から成り、当該顔料が所定の色(波長)の光を選択的に透過させる性質を有する。マイクロレンズ27は、例えば樹脂から成り、入射した光をカラーフィルタ25及びその下方に対して集光するために、凸形状になっている。コート膜26は、例えば樹脂から成り、表面の平坦化や第3層間絶縁膜23とカラーフィルタ25及びマイクロレンズ27との密着性を向上させるために設けられる。 The color filter 25 is made of, for example, a resin containing a pigment, and the pigment has a property of selectively transmitting light of a predetermined color (wavelength). The microlens 27 is made of, for example, resin, and has a convex shape to collect incident light on the color filter 25 and the lower side thereof. The coating film 26 is made of, for example, a resin, and is provided to improve surface flatness and adhesion between the third interlayer insulating film 23, the color filter 25, and the microlens 27.
また、図1に示す固体撮像素子1において、マイクロレンズ27、カラーフィルタ25及び電荷蓄積部111は、基板10の上面101に対して垂直な方向(図中の上下方向)に対して一列に並んでおり、それぞれの列がそれぞれの画素を構成している。例えば、これらの画素は、基板10の上面101と平行な面内においてマトリクス状に配置される。具体的に例えば、これらの画素は、カラーフィルタ25が透過させる色に着目すると、ベイヤ配列で配置される。 In the solid-state imaging device 1 illustrated in FIG. 1, the microlens 27, the color filter 25, and the charge storage unit 111 are aligned in a direction perpendicular to the upper surface 101 of the substrate 10 (up and down direction in the drawing). Each column constitutes each pixel. For example, these pixels are arranged in a matrix in a plane parallel to the upper surface 101 of the substrate 10. Specifically, for example, these pixels are arranged in a Bayer array when focusing on the color transmitted by the color filter 25.
固体撮像素子1に入射する光は、マイクロレンズ27で集光され、コート膜26を透過してカラーフィルタ25を透過する。このとき、カラーフィルタ25は、所定の色(波長)の光を選択的に透過させる。カラーフィルタ25を透過した光は、第3層間絶縁膜23、第2層間絶縁膜21及び第1層間絶縁膜16をそれぞれ透過して、上面101から基板10内に入射する。そして、基板10内に入射する光による光電変換によって電子及び正孔が生じ、その一方が電荷蓄積部111に蓄積される。例えば、基板10がp型であり、電荷蓄積部111がn型であれば、光電変換によって生じた電子が電荷蓄積部111に蓄積される。反対に、基板10がn型であり、電荷蓄積部111がp型であれば、光電変換によって生じた正孔が電荷蓄積部111に蓄積される。 Light incident on the solid-state imaging device 1 is collected by the microlens 27, passes through the coat film 26, and passes through the color filter 25. At this time, the color filter 25 selectively transmits light of a predetermined color (wavelength). The light transmitted through the color filter 25 passes through the third interlayer insulating film 23, the second interlayer insulating film 21, and the first interlayer insulating film 16, and enters the substrate 10 from the upper surface 101. Electrons and holes are generated by photoelectric conversion by light incident on the substrate 10, and one of them is stored in the charge storage unit 111. For example, if the substrate 10 is p-type and the charge storage unit 111 is n-type, electrons generated by photoelectric conversion are stored in the charge storage unit 111. Conversely, if the substrate 10 is n-type and the charge storage unit 111 is p-type, holes generated by photoelectric conversion are stored in the charge storage unit 111.
次に、ゲート配線19及びゲートコンタクト17を介してゲート電極15に所定の電位が与えられると、基板10内のゲート電極15下のポテンシャルが変化して、電荷蓄積部111に蓄積されている電荷が浮遊拡散部12に移動して蓄積される。そして、浮遊拡散部12に蓄積されている電荷による電位が、FDコンタクト18及びFD配線20を介して読み出される。 Next, when a predetermined potential is applied to the gate electrode 15 via the gate wiring 19 and the gate contact 17, the potential under the gate electrode 15 in the substrate 10 changes, and the charge accumulated in the charge accumulation unit 111. Moves to the floating diffusion part 12 and accumulates. Then, the electric potential due to the charges accumulated in the floating diffusion portion 12 is read through the FD contact 18 and the FD wiring 20.
<遮光部>
次に、上述した遮光部について、図2を参照して説明する。図2は、図1の固体撮像素子が備える遮光部の構造例を示す模式的な断面図である。なお、上述のように、図2に示す遮光部Sは、図1に示した画素間遮光部22に相当する。
<Light shielding part>
Next, the above-described light shielding portion will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the light shielding portion provided in the solid-state imaging device of FIG. As described above, the light shielding portion S shown in FIG. 2 corresponds to the inter-pixel light shielding portion 22 shown in FIG.
図2に示すように、遮光部Sは、基板10側(図1中下側)に形成される下側高融点材料層H1と、下側高融点材料層H1の上面に形成される下側遮光性材料層R1と、下側遮光性材料層R1の上面に形成される中間高融点材料層H2と、中間高融点材料層H2の上面に形成される上側遮光性材料層R2と、上側遮光性材料層R2の上面に形成される上側高融点材料層H3と、から成る五層構造を有する。 As shown in FIG. 2, the light-shielding portion S includes a lower refractory material layer H1 formed on the substrate 10 side (lower side in FIG. 1) and a lower side formed on the upper surface of the lower refractory material layer H1. The light shielding material layer R1, the intermediate high melting point material layer H2 formed on the upper surface of the lower light shielding material layer R1, the upper light shielding material layer R2 formed on the upper surface of the intermediate high melting point material layer H2, and the upper light shielding material And an upper refractory material layer H3 formed on the upper surface of the conductive material layer R2.
下側高融点材料層H1、中間高融点材料層H2及び上側高融点材料層H3のそれぞれは、高融点材料を有する高融点材料層から成る。遮光部Sの形成後に固体撮像素子1に対して行われる熱処理温度が高々500℃であることを考慮すれば、この高融点材料層が、融点が1000℃以上である高融点材料を有するものであると、熱処理による物性の変動を無視できるほど小さくすることができるため、好ましい。具体的に例えば、高融点材料層が、窒化チタン、チタン、チタンタングステン、窒化タングステン及びタングステンの少なくともいずれか1つを有するものであると、好ましい。 Each of the lower refractory material layer H1, the intermediate refractory material layer H2, and the upper refractory material layer H3 includes a refractory material layer having a refractory material. Considering that the heat treatment temperature performed on the solid-state imaging device 1 after the formation of the light-shielding portion S is at most 500 ° C., the refractory material layer has a refractory material having a melting point of 1000 ° C. or higher. If it exists, since the change of the physical property by heat processing can be made small so that it can be disregarded, it is preferable. Specifically, for example, it is preferable that the high melting point material layer has at least one of titanium nitride, titanium, titanium tungsten, tungsten nitride, and tungsten.
下側高融点材料層H1、中間高融点材料層H2及び上側高融点材料層H3のそれぞれを成す高融点材料層の膜厚は、5nm以上かつ100nm以下にすると、好ましい。高融点材料層の膜厚を5nm以上にすることで、膜厚の制御を容易にすることが可能になり、膜厚制御のために成膜速度を遅くすることによる量産効率の低下を、防止することが可能になる。また、高融点材料層の膜厚を100nm以下にすることで、高融点材料層に発生するストレスを低減することが可能になり、当該ストレスによって基板10の反りが大きくなることで基板10中に欠陥が生じ暗電流が増大することを、防止することが可能になる。 The film thickness of the high melting point material layer constituting each of the lower high melting point material layer H1, the intermediate high melting point material layer H2, and the upper high melting point material layer H3 is preferably 5 nm or more and 100 nm or less. By making the film thickness of the refractory material layer 5 nm or more, it becomes possible to easily control the film thickness, and to prevent the mass production efficiency from being lowered by slowing the film forming speed to control the film thickness. It becomes possible to do. In addition, by setting the film thickness of the refractory material layer to 100 nm or less, it is possible to reduce the stress generated in the refractory material layer, and the warpage of the substrate 10 due to the stress increases, so that It is possible to prevent a defect from occurring and an increase in dark current.
下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2のそれぞれは、遮光性材料を有する遮光性材料層から成る。例えば、遮光性材料層が、アルミニウムを有するものであると、薄い膜厚でも良好な遮光性を得ることができるため、好ましい。具体的に例えば、遮光性材料層が、アルミニウム及び銅(組成比が1%未満)から成るものであると、好ましい。 Each of the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2 includes a light-shielding material layer having a light-shielding material. For example, it is preferable that the light-shielding material layer has aluminum because good light-shielding properties can be obtained even with a thin film thickness. Specifically, for example, it is preferable that the light-shielding material layer is made of aluminum and copper (composition ratio is less than 1%).
下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2のそれぞれを成す遮光性材料層の膜厚は、50nm以上にすると、好ましい。固体撮像素子1の感度の向上や混色の防止等の観点から、マイクロレンズ27及び基板10間の距離を短くすると好ましいが、アルミニウムを有する遮光性材料層であれば、その膜厚を50nm以上とすることで、良好な遮光性を得ることが可能である。 The film thickness of the light-shielding material layer that constitutes each of the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2 is preferably 50 nm or more. From the viewpoint of improving the sensitivity of the solid-state imaging device 1 and preventing color mixing, it is preferable to shorten the distance between the microlens 27 and the substrate 10, but if the light-shielding material layer has aluminum, the film thickness is 50 nm or more. By doing so, it is possible to obtain a good light shielding property.
なお、下側高融点材料層H1、中間高融点材料層H2及び上側高融点材料層H3のそれぞれを成す材料について、元素や組成比が異なっていてもよい。同様に、下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2のそれぞれを成す材料について、元素や組成比が異なっていてもよい。 It should be noted that the elements and composition ratios of the materials constituting the lower refractory material layer H1, the intermediate refractory material layer H2, and the upper refractory material layer H3 may be different. Similarly, elements and composition ratios may be different for materials forming the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2.
<比較結果>
次に、図2に示した本発明の実施形態に係る固体撮像素子が有する遮光部S(以下、遮光部Sと比較して、比較遮光部と称する)について、比較例と対比させることで、その特長を説明する。まず、比較例となる遮光部(以下、比較遮光部と称する)について、図3を参照して説明する。図3は、比較遮光部を示す模式的な断面図であり、遮光部Sについて示した図2に相当するものである。
<Comparison result>
Next, the light shielding part S (hereinafter referred to as a comparative light shielding part compared to the light shielding part S) of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The features will be explained. First, a light shielding part (hereinafter referred to as a comparative light shielding part) serving as a comparative example will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the comparative light-shielding portion, and corresponds to FIG.
図3に示すように、比較遮光部100は、上述の高融点材料層である下側高融点材料層101と、上述の遮光性材料層であるとともに下側高融点材料層101の上面に形成される中間遮光性材料層102と、上述の高融点材料層であるとともに中間遮光性材料層102の上面に形成される上側高融点材料層103と、酸化シリコンから成るとともに上側高融点材料層103の上面に形成される酸化シリコン層104と、を備える。 As shown in FIG. 3, the comparative light-shielding portion 100 is formed on the lower refractory material layer 101 that is the above-described refractory material layer, and on the upper surface of the lower refractory material layer 101 that is the above-described light-shielding material layer. Intermediate light-shielding material layer 102, upper refractory material layer 103 formed on the upper surface of intermediate light-shielding material layer 102, and made of silicon oxide and upper refractory material layer 103. And a silicon oxide layer 104 formed on the upper surface of the substrate.
即ち、図3に示す比較遮光部100は、図2に示す遮光部Sと比較して、中間高融点材料層H2を備えない代わりに、上述の特許文献1に記載されているような酸化シリコン層104を備える点で異なる。 That is, the comparative light shielding part 100 shown in FIG. 3 is not provided with the intermediate high melting point material layer H2 as compared with the light shielding part S shown in FIG. The difference is that the layer 104 is provided.
次に、遮光部Sの特長について、図4〜6を参照するとともに比較遮光部100と対比して説明する。図4は、ボイドが発生した遮光部及びボイドが発生した比較遮光部のそれぞれを示す模式的な断面図である。図5は、実際に遮光部を形成したウエハと、実際に比較遮光部を形成したウエハとのそれぞれにおける、ボイドが発生したチップを示す模式的な平面図である。図6は、遮光部及び比較遮光部の光学顕微鏡像を示す図である。なお、図4〜6のそれぞれにおいて、(a)は遮光部Sを示すものであり、(b)は比較遮光部100を示すものである。また、図6に示す遮光部S及び比較遮光部100の平面は、図1〜4に示した断面に対して垂直となる面である。 Next, the features of the light shielding portion S will be described in comparison with the comparative light shielding portion 100 while referring to FIGS. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a light shielding part where a void is generated and a comparative light shielding part where a void is generated. FIG. 5 is a schematic plan view showing a chip in which a void has occurred in each of a wafer in which a light shielding part is actually formed and a wafer in which a comparative light shielding part is actually formed. FIG. 6 is a diagram showing optical microscope images of the light shielding part and the comparative light shielding part. In each of FIGS. 4 to 6, (a) shows the light shielding part S, and (b) shows the comparative light shielding part 100. Further, the planes of the light shielding portion S and the comparative light shielding portion 100 shown in FIG. 6 are surfaces perpendicular to the cross sections shown in FIGS.
図4(a)に示すように、遮光部Sでは、仮にボイドVが生じたとしても、下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2の間に形成されている中間高融点材料層H2によって、その上下方向への伝播が防止される。そのため、下側遮光性材料層R1で発生したボイドは、上側遮光性材料層R2へは伝播せず、上側遮光性材料層R2で発生したボイドは、下側遮光性材料層R1へは伝播しないことになる。したがって、遮光部Sでは、遮光性材料層(下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2)を貫通するボイドが形成されることを、防止することが可能になる。 As shown in FIG. 4A, in the light shielding portion S, even if a void V is generated, an intermediate high melting point material layer formed between the lower light shielding material layer R1 and the upper light shielding material layer R2. The vertical propagation is prevented by H2. Therefore, the void generated in the lower light-shielding material layer R1 does not propagate to the upper light-shielding material layer R2, and the void generated in the upper light-shielding material layer R2 does not propagate to the lower light-shielding material layer R1. It will be. Therefore, in the light shielding portion S, it is possible to prevent the formation of voids penetrating the light shielding material layers (the lower light shielding material layer R1 and the upper light shielding material layer R2).
一方、図4(b)に示すように、比較遮光部100では、一度ボイドVが生じると、それが上下方向に伝播する。そのため、比較遮光部100では、遮光性材料層(中間遮光性材料層102)を貫通するボイドが形成されてしまう。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the comparative light shielding unit 100, once the void V is generated, it propagates in the vertical direction. Therefore, in the comparative light shielding part 100, a void penetrating the light shielding material layer (intermediate light shielding material layer 102) is formed.
以上のように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1では、遮光部SにボイドVの伝播を防止する中間高融点材料層H2を形成することによって、仮にボイドVが発生したとしても、遮光性材料層(下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2)を貫通するボイドに発展することを防止することが可能になる。したがって、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1が備える遮光部Sの遮光性を、良好なものにすることが可能になる。 As described above, in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention, even if the void V is generated by forming the intermediate high melting point material layer H2 that prevents the propagation of the void V in the light shielding portion S, It is possible to prevent the formation of a void penetrating the light shielding material layer (the lower light shielding material layer R1 and the upper light shielding material layer R2). Therefore, the light shielding property of the light shielding part S provided in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention can be improved.
また、図5(a)に示すように、遮光部Sを形成したチップCでは、ボイド(光学顕微鏡の観察で発見される長径1μm以上のもの、以下図5の説明において同じ)が含まれる確率を、非常に低くすることができる。図5(a)に示す例では、ウエハW内の全てのチップCが、ボイドを含まないものとなっており、遮光部Sを形成したチップCがボイドを含むものとなる確率は、1%未満となる。また、図6(a)に示すように、遮光部Sにおいては、目立って大きいボイドは観察されない。 Further, as shown in FIG. 5 (a), the chip C in which the light-shielding portion S is formed has a probability that a void (having a major axis of 1 μm or more discovered by observation with an optical microscope, the same applies in the description of FIG. 5 below) is included. Can be made very low. In the example shown in FIG. 5A, all the chips C in the wafer W do not include voids, and the probability that the chip C in which the light shielding portion S is formed includes voids is 1%. Less than. Further, as shown in FIG. 6A, in the light shielding portion S, no conspicuous large void is observed.
一方、図5(b)に示すように、比較遮光部100を形成したチップ201では、ボイドが含まれる確率が高くなる。図5(b)に示す例では、ウエハ200の外縁近傍に、ボイドを有するチップ201が数十個確認されており、比較遮光部100を形成したチップ201がボイドを含む確率は、11%程度となる。また、図6(b)に示すように、比較遮光部100においては、目立って大きいボイドVが観察される。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the chip 201 in which the comparative light-shielding portion 100 is formed, the probability that a void is included increases. In the example shown in FIG. 5B, dozens of chips 201 having voids are confirmed near the outer edge of the wafer 200, and the probability that the chips 201 forming the comparative light shielding unit 100 include voids is about 11%. It becomes. In addition, as shown in FIG. 6B, a noticeably large void V is observed in the comparative light shielding unit 100.
このように、遮光部Sでは、上述のように遮光性材料層(下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2)を貫通するボイドの形成を防止する構造を採用することによって、チップC内に目立って大きいボイド(即ち、遮光性を低下させる要因になるボイド)が形成される確率を、効果的に低減することが可能になる。したがって、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1が備える遮光部Sの遮光性を、良好なものにすることが可能になる。 As described above, the light-shielding portion S employs a structure that prevents the formation of voids penetrating the light-shielding material layers (the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2) as described above. It is possible to effectively reduce the probability that a conspicuously large void (that is, a void that causes a reduction in light shielding property) is formed in C. Therefore, the light shielding property of the light shielding part S provided in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention can be improved.
<変形等>
[1] 遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するためには、図2及び図4(a)で示した遮光部Sのように、下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2との間に中間高融点材料層H2が形成された積層構造であればよく、必ずしも下側高融点材料層H1及び上側高融点材料層H3を有していなくてもよい。ただし、遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するだけでなく、下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2が受けるストレスを抑制することで下側遮光性材料層R1及び上側遮光性材料層R2におけるボイドの発生を抑制するためには、図2及び図4(a)で示した遮光部Sのように、下側高融点材料層H1及び上側高融点材料層H3を設けるのが好ましい。
<Deformation, etc.>
[1] In order to prevent the generation of voids penetrating the light-shielding material layer, the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material are used as in the light-shielding portion S shown in FIGS. 2 and 4A. A laminated structure in which the intermediate high-melting-point material layer H2 is formed between the layer R2 and the lower-melting-point material layer H1 and the upper-side high-melting-point material layer H3 is not necessarily required. However, not only the generation of voids penetrating the light-shielding material layer but also the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2 are suppressed by suppressing the stress received by the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2. In order to suppress the generation of voids in the light shielding material layer R2, the lower refractory material layer H1 and the upper refractory material layer H3 are provided as in the light shielding portion S shown in FIGS. Is preferred.
[2] 図2に示す遮光部Sが、図1に示す画素間遮光部22に相当するとして具体的に説明したが、さらに図1のゲート配線19及びFD配線20を遮光部Sとしてもよい。この場合、ゲート配線19、FD配線20及び画素間遮光部22の全てを、図2に示す遮光部Sと同様の構造としてもよいが、それぞれを成す各層の材料及び膜厚は、必ずしも同じである必要はない。また、例えば画素間遮光部22を備えない場合には、図1のゲート配線19及びFD配線20のみを遮光部Sで構成することも可能である。さらに、図1に示すゲート配線19及びFD配線20のいずれか一方のみを、遮光部Sで構成することも可能である。 [2] Although the light shielding portion S shown in FIG. 2 is specifically described as corresponding to the inter-pixel light shielding portion 22 shown in FIG. 1, the gate wiring 19 and the FD wiring 20 of FIG. . In this case, all of the gate wiring 19, the FD wiring 20, and the inter-pixel light shielding portion 22 may have the same structure as the light shielding portion S shown in FIG. 2, but the materials and film thicknesses of the respective layers are not necessarily the same. There is no need. Further, for example, when the inter-pixel light shielding portion 22 is not provided, it is possible to configure only the gate wiring 19 and the FD wiring 20 in FIG. Further, only one of the gate wiring 19 and the FD wiring 20 shown in FIG.
[3] 図2に示す遮光部Sを、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること(混色)を防止するための画素間遮光部22に適用する場合について例示したが、この遮光部Sを、暗電流の検出を行う遮光画素に適用することも可能である。この場合、遮光部Sは、遮光画素内において、光電変換部111の直上(例えば、画素間遮光部22と同じ層内や、ゲート配線19及びFD配線と同じ層内)に設けられる。 [3] The case where the light-shielding part S shown in FIG. 2 is applied to the inter-pixel light-shielding part 22 for preventing light once incident on the pixel from entering adjacent pixels (color mixing) has been illustrated. It is also possible to apply the part S to a light-shielded pixel that detects dark current. In this case, the light shielding part S is provided in the light shielding pixel, directly above the photoelectric conversion unit 111 (for example, in the same layer as the inter-pixel light shielding part 22 or in the same layer as the gate wiring 19 and the FD wiring).
[4] 図1に示したように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1として、いわゆる表面照射型のCMOSイメージセンサを例示したが、本発明は、裏面照射型のCMOSイメージセンサであっても、表面照射型及び裏面照射型のCCDイメージセンサであっても、CMOSイメージセンサ及びCCDイメージセンサ以外の固体撮像素子であっても、適用可能である。 [4] As shown in FIG. 1, a so-called front-illuminated CMOS image sensor is exemplified as the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention, but the present invention is a back-illuminated CMOS image sensor. However, the present invention can be applied to both front-illuminated and back-illuminated CCD image sensors and solid-state imaging devices other than CMOS image sensors and CCD image sensors.
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるCMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等に、好適に利用され得る。 The solid-state imaging device according to the present invention can be suitably used for, for example, a CMOS image sensor or a CCD image sensor mounted on various electronic devices having an imaging function.
1 : 固体撮像素子
10 : 基板
101 : 上面
11 : 光電変換部
111 : 電荷蓄積部
12 : 浮遊拡散部
13 : 素子分離部
14 : ゲート絶縁膜
15 : 転送ゲート電極
16 : 第1層間絶縁膜
17 : ゲートコンタクト
18 : FDコンタクト
19 : ゲート配線
20 : FD配線
21 : 第2層間絶縁膜
22 : 画素間遮光部
23 : 第3層間絶縁膜
24 : パッシベーション膜
25 : カラーフィルタ
26 : コート膜
27 : マイクロレンズ
S : 遮光部
H1 : 下側高融点材料層
H2 : 中間高融点材料層
H3 : 上側高融点材料層
R1 : 下側遮光性材料層
R2 : 上側遮光性材料層
V : ボイド
W : ウエハ
C : チップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Solid-state image sensor 10: Board | substrate 101: Upper surface 11: Photoelectric conversion part 111: Charge storage part 12: Floating diffusion part 13: Element separation part 14: Gate insulating film 15: Transfer gate electrode 16: 1st interlayer insulation film 17: Gate contact 18: FD contact 19: Gate wiring 20: FD wiring 21: Second interlayer insulating film 22: Inter-pixel light shielding part 23: Third interlayer insulating film 24: Passivation film 25: Color filter 26: Coat film 27: Micro lens S: Light shielding part H1: Lower high melting point material layer H2: Middle high melting point material layer H3: Upper high melting point material layer R1: Lower light shielding material layer R2: Upper light shielding material layer V: Void W: Wafer C: Chip
Claims (7)
前記基板の前記上面の上方に設けられる遮光部と、を備え、
前記遮光部は、
遮光性材料を有する遮光性材料層である、下側遮光性材料層と、
高融点材料を有する高融点材料層であり、前記下側遮光性材料層の上面に形成される中間高融点材料層と、
前記遮光性材料層であり、前記中間高融点材料層の上面に形成される上側遮光性材料層と、
から成る積層構造を有することを特徴とする固体撮像素子。 A substrate in which a photoelectric conversion unit for photoelectrically converting light incident from the upper surface is formed;
A light shielding portion provided above the upper surface of the substrate,
The shading part is
A lower light-shielding material layer that is a light-shielding material layer having a light-shielding material;
A high melting point material layer having a high melting point material, an intermediate high melting point material layer formed on the upper surface of the lower light-shielding material layer;
The light-shielding material layer, and an upper light-shielding material layer formed on an upper surface of the intermediate high-melting-point material layer;
A solid-state imaging device having a laminated structure made of
前記高融点材料層の1つであり、前記下側遮光性材料層の下面に形成される下側高融点材料層と、
前記高融点材料層の1つであり、前記上側遮光性材料層の上面に形成される上側高融点材料層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 The shading part is
One of the refractory material layers, a lower refractory material layer formed on the lower surface of the lower light-shielding material layer;
One of the refractory material layers, an upper refractory material layer formed on the upper surface of the upper light-shielding material layer;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising:
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