JP2013243364A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】クロストークを減少させ、量子効率を改善するイメージセンサー構造を提供する。
【解決手段】半導体装置は、フォトダイオードが組み込まれた画素領域を有する基板、基板の、フォトダイオードの受光側に設けられ、且つ、基板に垂直な方向に画素領域と整列して並べられるキャビティが区画される壁を有するグリッド、および、グリッドの壁間のキャビティ中に設けられるカラーフィルターを含む。
【選択図】図３
【解決手段】半導体装置は、フォトダイオードが組み込まれた画素領域を有する基板、基板の、フォトダイオードの受光側に設けられ、且つ、基板に垂直な方向に画素領域と整列して並べられるキャビティが区画される壁を有するグリッド、および、グリッドの壁間のキャビティ中に設けられるカラーフィルターを含む。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものであって、特に、クロストーク（cross talk）を減少させ、量子効率を改善するイメージセンサー構造に関するものである。
相補型ＭＯＳイメージセンサー（Complementary metal oxide semiconductor image sensors）は、一般に、半導体基板の画素領域のアレイ中に形成された一連のフォトダイオードを用いて、いつ光線がフォトダイオードを照射するかを感知する。各画素領域中の各フォトダイオードに隣接する箇所に、転送トランジスタ（transfer transistor）を形成して、適当な時間に、フォトダイオード中で感知される光線により生成される信号を転送する。このようなフォトダイオードおよび転送トランジスタは、望ましい時間に、転送トランジスタを操作することにより、望ましい時間で、イメージを取り込むことができる。
一般に、相補型ＭＯＳイメージセンサーは、表面照射構造または裏面照射構造に形成される。表面照射構造において、光線は、転送トランジスタが形成されたイメージセンサーの“前”側から、フォトダイオードに到達する。しかし、光線を、フォトダイオードに到達する前に、任意の金属層、誘電体層を通過させ、転送トランジスタを通過させる必要があるので、プロセスおよび／または操作上の問題が生じる。たとえば、金属層、誘電体層、および、転送トランジスタは、必ずしも半透明でなく、容易に光線を通過させないからである。
裏面照射構造において、転送トランジスタ、金属層および誘電体層は基板の前側に形成され、光線が、基板の“裏”側から、フォトダイオードに到達し、光線が、転送トランジスタ、誘電体層または金属層に到達する前に、まず、フォトダイオードに達する。このような配置は、イメージセンサーの製造とその操作の複雑性を減少させる。
しかし、互いに隣接する画素領域は、既知のクロストークにより、互いにその作用に干渉する。１個の画素領域からの光線が、隣接画素領域に入り込み、これにより、隣接画素領域がその光線を感知する時、このクロストークが発生する。このようなクロストークは、イメージセンサーの精密度および量子効率を減少させる。
本発明は、クロストークを減少させ、量子効率を改善するイメージセンサー構造を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、フォトダイオードが組み込まれた画素領域を有する基板、基板の、フォトダイオードの受光側に設けられ、且つ、基板に垂直な方向に画素領域と整列して並べられるキャビティが区画される壁を有するグリッド、および、グリッドの壁間のキャビティ中に設けられるカラーフィルターを含む。
本発明による半導体装置は、基板の垂直方向に画素領域と整列して設けられるキャビティが区画されるグリッドが、それぞれのキャビティに照射された光線をそのキャビティが整列して並べられた下方の画素領域に導くと共に、その光線が隣接する画素領域を照射することを防ぐので、隣接する画素領域間での光学的なクロストークを減少させることができ、量子効率を改善することができる。
図１から図３を併せて参照すると、本発明の一実施形態による半導体装置１０が説明される。図１は、各種画素領域を含むイメージセンサー構造を有する半導体装置１０の断面図である。図２は、図１のイメージセンサー構造中の画素領域の拡大上面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った画素領域の断面図である。以下でさらに詳細に説明されるように、半導体装置１０は、イメージセンサー構造を有し、このイメージセンサー構造は、光学的なクロストークを減少または排除し、且つ、量子効率を改善する。イメージセンサー構造は、いくつかの特徴、たとえば、画素領域、黒レベル補正（black level correction、ＢＬＣ）構成部分およびボンディングパッド構造を含む。図１から図３に示されるように、半導体装置１０は、基板１２、グリッド１４およびカラーフィルター１６を含む。一態様において、基板１２はシリコンから形成される。しかし、別の態様において、基板１２は、その他の適当な半導体材料から形成される。基板１２は、前面１２Ａおよび背面１２Ｂを有する。
図１に示されるように、一態様において、基板１２の背面１２Ｂ上で、且つ、グリッド１４の直ぐ下に、反射防止膜（ＡＲＣ）２０およびプラズマ強化酸化層（plasma enhanced oxide、ＰＥＯｘ）１８が形成される。反射防止膜２０およびプラズマ強化酸化層１８は、併せて、裏面照射（ＢＳＩ）膜２２と称され、図示されている。このほか、第１の誘電体層２４は、基板１２の下方の前面１２Ａ上に形成される。一態様において、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域２６が形成され、ＳＴＩ領域２６は前面１２Ａから延伸し、且つ、基板１２の一部と第１の誘電体層２４との間に位置する。
引き続き図１を参照すると、炭化ケイ素（ＳｉＣ）層２８、１つまたは複数のメタライズ層３０および第２の誘電体層３２は、第１の誘電体層２４の直ぐ下に設けられる。いくつかの構造が、図１の底部の炭化ケイ素層２８の直ぐ下、上側金属３４（たとえば、アルミニウム銅、ＡｌＣｕ）上、および、非ドープの珪酸ガラス（ＵＳＧ）層３６の上方に設けられる。なお、図１および図４には、ボンディングパッド６４が上側金属３４および非ドープの珪酸ガラス（ＵＳＧ）層３６に覆われている部分の断面が示されているが、ボンディングパッド６４が露出している部分も存在し得る。
図１から図３を参照すると、グリッド１４は、一般に、基板１２の背面１２Ｂ上に設けられる。一態様において、グリッド１４はプラズマ強化酸化層１８上に設けられる。一態様において、グリッド１４は、金属３８、たとえば、タングステン、アルミニウム、銅、合金または合成物から形成される。一態様において、グリッドは、低屈折率材料、たとえば、酸化物から形成される。図１から図２に示されるように、グリッド１４は壁４０を有し、壁４０は、基板１２から突出し、それらの間にキャビティ４２を形成する。
図２に示されるように、カラーフィルター１６は、グリッド１４により形成される各キャビティ４２中に堆積される。図２において、カラーフィルター１６は、“Ｗ”は白色、“Ｇ”は緑色、“Ｂ”は青色、“Ｒ”は赤色のカラーフィルターとして示される。図３を参照すると、各カラーフィルター１６は、基板１２中の画素領域４４の上方に設けられる。つまり、カラーフィルター１６を収容するキャビティ４２は、一般に、基板１２に垂直な方向に、下方の画素領域４４と整列して並べられる。画素領域４４は、それぞれ、フォトダイオード４６および対応するイメージセンサー回路（たとえば、トランジスタ等）を支持するかまたは取り込む。
引き続き図３を参照すると、グリッド１４を設けることにより、可視光をフォトダイオード４６に導く。このほか、グリッド１４を設けることにより、隣接する画素領域４４中に設けられたフォトダイオード４６間の光学的なクロストークを抑制または防止する。グリッド１４は、また、半導体装置１０の量子効率を改善または維持する機能を有する。さらに、従来または既知の装置と比較すると、グリッド１４は光学的経路を短くし、一態様において、光学的経路は、カラーフィルター１６、プラズマ強化酸化層１８、反射防止膜２０、画素領域４４上に位置する基板１２の部分、フォトダイオード４６および画素領域４４を含む。
一態様において、カラーフィルター１６は、それぞれ、適当なポリマー材料から形成される。しかし、別の態様において、別の適当なフィルター材料を用いてもよい。図３に示されるように、一態様において、カラーフィルター１６の上表面４８は、一般に、グリッド１４の壁４０の上表面５０と共平面である。
図４ａ〜図４ｇを参照すると、図１から図３の半導体装置１０を形成する方法５２の具体例が示される。図４ａに示されるように、プラズマ強化酸化層１８が反射防止膜２０上に堆積される。一態様において、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスを用いて、プラズマ強化酸化層１８が形成される。図のように、プラズマ強化酸化層１８は、一般に、シリコン基板１２の背面１２Ｂ上に設けられ、且つ、前で詳述された半導体装置１０のその他のいくつかの構造の上方に設けられる。
図４ｂにおいて、グリッド層５４が、プラズマ強化酸化層１８上に堆積される。タングステン、銅、アルミニウム、もしくは他の金属３８、合金、または、合成物を堆積することにより、グリッド層５４が形成される。一態様において、グリッド層５４は、酸化物または低屈折率のその他の適当な材料から形成される。その後、図４ｃに示されるように、フォトレジスト５６を用いて、裏面金属グリッドのフォトリソグラフィプロセスを実行する。
図４ｄに示されるように、裏面金属グリッドのエッチングプロセスが実行されて、フォトレジスト５６により露出された金属グリッド層５４の選択部分を除去する。ここで使用されるフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスは、併せて、パターン化と称される。図４ｄの金属グリッド層５４の選択部分の除去は、図４ｅの金属グリッド１４を残す。図４ｅに示されるように、グリッド１４の壁４０により区画されるキャビティ４２は、下方の画素領域４４の上方に設けられ、且つ、基板１２に垂直な方向に、下方の画素領域４４と整列して並べられる。
図４ｆを参照すると、カラーフィルター１６が、ＢＳＩ膜（たとえば、プラズマ強化酸化層１８および反射防止膜層２０）上のキャビティ４２内（図４ｅ参照）に堆積される。つまり、カラーフィルター１６は、グリッド１４により区画されるキャビティ４２を満たす。よって、各カラーフィルター１６は、下方の画素領域４４の上方に設けられ、且つ、基板１２に垂直な方向に、下方の画素領域４４と整列して並べられる。カラーフィルター１６は、いくつかの異なる色、たとえば、赤、緑、青および白色のひとつである。図４ｇに示されるように、マイクロレンズ５８が、カラーフィルター１６の上表面４８および／またはカラーフィルター１６に隣接するグリッド１４の壁４０の上表面５０上に堆積される。
図４ｆに示されるように、図４ｆの半導体装置１０は、従来のイメージセンサーに見られる余分な薄膜スタック層がない。実に、半導体装置１０は、カラーフィルター１６と画素領域４４との間に、少量の材料および層を有する。さらに、半導体装置１０の中の各カラーフィルター１６は、一般に、それらを隔てるグリッド１４の長所により、隣接するカラーフィルター１６から隔離される。このほか、カラーフィルター１６と、たとえば、上側金属３４との間の、層および構造の数が限られるため、半導体装置１０は低いステップ高さを有する。
半導体装置は、基板、グリッドおよびカラーフィルターを含む。基板は、フォトダイオードを組み込む１つの画素領域を含む。グリッドは基板の上方に設けられ、基板に垂直な方向に画素領域と整列して並べられる１つのキャビティが区画される壁を有する。１つのカラーフィルターが、グリッドの壁間のキャビティの中に設けられる。
半導体装置は、基板、グリッドおよびカラーフィルターを含む。基板は複数の画素領域を有する。複数の画素領域のそれぞれはフォトダイオードを組み込む。グリッドは基板の上方に設けられ、複数のキャビティが区画される壁を有する。複数のキャビティのそれぞれは、基板に垂直な方向に、複数の画素領域のひとつと整列して並べられる。複数のカラーフィルターのひとつが、複数のキャビティのそれぞれの中に設けられる。
半導体装置の製造方法は、半導体基板の画素領域中にフォトダイオードを形成する工程と、基板上の全面にグリッド層を堆積する工程と、全面に形成されたグリッド層をパターン化して、基板と垂直な方向に、画素領域と整列して設けられるキャビティが区画される壁を有するグリッドを形成する工程と、キャビティにカラーフィルターを充填する工程とを含む。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の趣旨および領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
１０ 半導体装置
１２ 基板
１２Ａ 前面
１２Ｂ 背面
１４ グリッド
１６ カラーフィルター
１８ プラズマ強化酸化層（ＰＥＯｘ）
２０ 反射防止膜（ＡＲＣ）
２２ 裏面照射（ＢＳＩ）膜
２４ 第１の誘電体層
２６ シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域
２８ 炭化ケイ素層
２８Ａ 上側炭化ケイ素層
２８Ｂ 下側炭化ケイ素層
３０ メタライズ層
３２ 第２の誘電体層
３４ 上側金属
３６ 非ドープの珪酸ガラス（ＵＳＧ）層
３８ 金属
４０ グリッドの壁
４２ キャビティ
４４ 画素領域
４６ フォトダイオード
４８ カラーフィルターの上表面
５０ グリッドの壁の上表面
５２ 方法
５４ グリッド層
５６ フォトレジスト
５８ マイクロレンズ
６０ アレイ
６２ 黒レベル補正（ＢＬＣ）コンポーネンツ
６４ ボンディングパッド
１２ 基板
１２Ａ 前面
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１８ プラズマ強化酸化層（ＰＥＯｘ）
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３６ 非ドープの珪酸ガラス（ＵＳＧ）層
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４２ キャビティ
４４ 画素領域
４６ フォトダイオード
４８ カラーフィルターの上表面
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５２ 方法
５４ グリッド層
５６ フォトレジスト
５８ マイクロレンズ
６０ アレイ
６２ 黒レベル補正（ＢＬＣ）コンポーネンツ
６４ ボンディングパッド
Claims (10)
- フォトダイオードが組み込まれた画素領域を有する基板と、
前記基板の前記フォトダイオードの受光側に設けられ、キャビティが区画される壁を有し、前記キャビティが前記基板に垂直な方向に前記画素領域と整列して並べられるグリッドと、
前記グリッドの前記壁間の前記キャビティ中に設けられるカラーフィルター
とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記グリッドは、金属または低屈折率材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記グリッドが、タングステン、アルミニウムおよび銅のいずれか一つからなる金属、または、低屈折率材料の酸化物で形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
- 前記グリッドは、裏面照射膜上に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- マイクロレンズが、前記カラーフィルターの上表面および前記カラーフィルターに隣接する前記グリッドの前記壁の上表面に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- フォトダイオードがそれぞれ組み込まれた複数の画素領域を有する基板と、
前記基板の前記フォトダイオードの受光側に設けられ、複数のキャビティが区画される壁を有し、前記複数のキャビティのそれぞれが、前記基板に垂直な方向に前記複数の画素領域のひとつと整列して並べられるグリッドと、
前記複数のキャビティのそれぞれに設けられるカラーフィルターと、
各カラーフィルター上に設けられるマイクロレンズ
とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記グリッドは、金属または低屈折率誘電材料により形成されることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
- 前記カラーフィルターの上表面は、前記カラーフィルターに隣接する前記グリッドの前記壁の上表面と共平面であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の画素領域中に、フォトダイオードを形成する工程と、
グリッド層を前記基板上の全面に堆積する工程と、
前記グリッド層をパターン化して、前記半導体基板と垂直な方向に、画素領域と整列して設けられるキャビティが区画される壁を有するグリッドを形成する工程と、
前記キャビティにカラーフィルターを充填する工程
とを含むことを特徴とする方法。 - さらに、前記カラーフィルターの上表面または前記カラーフィルターに隣接する前記グリッドの前記壁の上表面上に、マイクロレンズを堆積する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
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