JP2014086514A - 撮像装置、その製造方法及びカメラ - Google Patents

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Abstract

【課題】層間絶縁層のエッチングによる光電変換部へのダメージを軽減する撮像装置の製造方法を提供する。
【解決手段】光電変換部及びトランジスタが形成された半導体基板と、トランジスタに接続されたコンタクトプラグ121、122と、入射光のうち光電変換部を透過した光を遮断する遮断部123とを備える裏面照射型の撮像装置の製造方法において、半導体基板のおもて面の上に層間絶縁層117を形成する工程と、層間絶縁層117の一部をエッチングにより除去して、コンタクトプラグ121、122を形成するための第1開口を形成する工程と、層間絶縁層117の他の一部をエッチングにより除去して、遮断部123を形成するための第2開口を形成する工程とを有し、第1開口が層間絶縁層117を貫通するまでエッチングを行い、第2開口が層間絶縁層117を貫通する前にエッチングを停止する。
【選択図】図1

Description

本発明は、撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。
裏面照射型の撮像装置は一般に光電変換部の厚さが表面照射型の撮像装置よりも薄いので、撮像装置への入射光が光電変換部において十分に吸収されず、その一部が光電変換部を透過しうる。光電変換部を透過した光が配線層などで反射して他の画素の光電変換部へ到達した場合には、画素間で混色が発生しうる。このような混色を防止するために、特許文献1では、光電変換部の上にゲート絶縁膜を介して筒状の金属層を配置する構造を提案する。光電変換部を透過し、筒状の金属層の内側に進入した光は金属層の側面で反射する。このように金属層は隣接画素へ向かう光の遮断層として機能するので、画素間の混色が低減される。
特開2010−177704号公報
特許文献1には、上述の構造を形成するために、ゲート絶縁膜の上に配された層間絶縁層に開口を形成し、当該開口に金属層を埋め込むことが開示されている。しかし、特許文献1において、層間絶縁層に開口を形成する具体的な方法については検討されていない。
本発明者はエッチングにより層間絶縁層に開口を形成しうることを見出した。さらに、本発明者は、エッチングにより開口を形成する際に、次のような課題が生じうることを見出した。撮像装置の小型化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進んでいる。そのため、ゲート絶縁膜はエッチング停止層として機能せず、このような開口を形成するためのエッチングによりゲート絶縁膜の下にある光電変換部が露出してしまう恐れがある。光電変換部が露出した結果、金属層の金属が光電変換部に混入し、暗電流発生の原因となる。そこで本発明は、層間絶縁層のエッチングによる光電変換部へのダメージを軽減するための技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の第1側面は、裏面照射型の撮像装置の製造方法であって、前記撮像装置は、入射光を受ける第1面と、前記第1面の反対側にある第2面とを有し、光電変換部及びトランジスタが形成された半導体基板と、前記トランジスタに接続されたコンタクトプラグと、前記入射光のうち前記光電変換部を透過した光を遮断する遮断部とを備え、前記製造方法は、前記半導体基板の前記第2面の上に層間絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層の一部をエッチングにより除去して、前記コンタクトプラグを形成するための第1開口を形成する工程と、前記層間絶縁層の他の一部をエッチングにより除去して、前記遮断部を形成するための第2開口を形成する工程とを有し、前記第1開口を形成する工程において、前記第1開口が前記層間絶縁層を貫通するまでエッチングを行い、前記第2開口を形成する工程において、前記第2開口が前記層間絶縁層を貫通する前にエッチングを停止することを特徴とする製造方法を提供する。
本発明の第2側面は、裏面照射型の撮像装置であって、入射光を受ける第1面と、前記第1面の反対側にある第2面とを有し、光電変換部及びトランジスタが形成された半導体基板と、前記半導体基板の前記第2面の上に形成された層間絶縁層と、前記トランジスタに接続されたコンタクトプラグと、前記入射光のうち前記光電変換部を透過した光を遮断する遮断部とを備え、前記遮断部と前記半導体基板との間に、前記層間絶縁層の一部が配されたことを特徴とする撮像装置を提供する。
上記手段により、層間絶縁層のエッチングによる光電変換部へのダメージを軽減するための技術が提供される。
本発明の第1実施形態の撮像装置の構造例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の製造方法例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の製造方法例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の変形例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の変形例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の変形例を説明する図。 本発明の第1実施形態の撮像装置の変形例を説明する図。 本発明の第2実施形態の撮像装置の構造例を説明する図。 本発明の第2実施形態の撮像装置の製造方法例を説明する図。
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
図1を参照して本発明の第1実施形態に係る撮像装置100の構造を説明する。図1(a)は撮像装置100の一部分の平面図を示し、図1(b)は図1(a)のA−A線断面図を示す。図1(a)の平面図では、説明を明確にするために、一部の構成要素を省略している。撮像装置100は図1(b)に示されるように裏面照射型の撮像装置100であり、撮像装置100は図面下側からの入射光を受光して信号に変換しうる。本発明は、図1に示す撮像装置の構成に限られず、裏面照射型の撮像装置であればどのような構成であっても適用可能である。
撮像装置100はアレイ状に配置された複数の画素を有し、図1(a)にはそのうちの4つの画素PXが示される。画素PXのそれぞれは、半導体基板SUBに形成されたN型の半導体領域101と、半導体領域101よりも不純物濃度が高いN型の半導体領域102と、半導体基板SUBの表面に形成されたP型の半導体領域103とを含みうる。また、半導体基板SUBは光入射側の表面にP型の半導体領域104を有しており、半導体領域101〜104が光電変換部として機能しうる。例えば、半導体領域101〜104がフォトダイオードを構成しうる。半導体領域102は光電変換部で生成された電子を蓄積する蓄積領域として機能しうる。
半導体基板SUBは4つの画素PXの中央に、N型の半導体領域であるフローティングディフュージョンFDを有する。このフローティングディフュージョンFDは、これらの4つの画素PXで共有される。画素PXは、フローティングディフュージョンFDと半導体領域102との間の領域を覆う位置に転送ゲート106を有し、転送ゲート106の下にP型のバリア領域105を有する。転送ゲート106は例えばポリシリコンで形成される。
画素PXは光電変換部のほかに複数のトランジスタを有し、図1(b)の右側の1つのトランジスタの断面構造が示される。このトランジスタは光電変換部をリセットするためのリセットトランジスタや、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅する増幅トランジスタ、画素の信号を信号線に読み出すための読出しトランジスタなどでありうる。トランジスタは、半導体基板SUBに形成されたP型の半導体領域107、108と、半導体領域107、108の間の領域を覆う位置に形成されたゲート109とを有しうる。図示していないが、転送ゲート106及びゲート109の下にはゲート絶縁膜が配される。半導体基板SUBは、トランジスタや光電変換部の周囲に、STI(shallow trench isolation)などの素子分離領域ISO、P型のチャネルストップ領域110及びP型の分離領域111を有しうる。図1(a)の実線BDは画素PXの光電変換部と、その周囲に配置された素子分離領域ISOとの間の境界を示す。
撮像装置100はさらに、半導体基板SUBの光の入射側(図1(b)の下側)に、反射防止層112、層間絶縁層113、平坦化層114、カラーフィルタCF及びマイクロレンズMLを順に有しうる。平坦化層114には遮光層115が形成されている。遮光層115は、隣接する画素PXの境界を覆うような格子形状を有しうる。
撮像装置100はさらに、半導体基板SUBの光の入射側とは反対側(図1(b)の上側)に、絶縁層116、層間絶縁層117及び支持基板118を順に有しうる。絶縁層116は例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層構造を有しうる。層間絶縁層117は例えば酸化シリコンで形成されうる。絶縁層116は反射防止層として機能しうる。つまり、層間絶縁層117は配線層と半導体基板SUBとの間に配される絶縁層である。撮像装置100は、層間絶縁層117内に、複数の配線層を有しうる。配線層は、アルミニウムや銅などで形成された配線パターン119と、TiN/Tiなどで形成されたバリアメタル120とを含みうる。トランジスタの一部を構成する半導体領域107、108は、タングステンなどで形成されたコンタクトプラグ121によって配線層に接続される。また、転送ゲート106やゲート109はタングステンなどで形成されたコンタクトプラグ122によって配線層に接続される。コンタクトプラグ121、122は層間絶縁層117及び絶縁層116を貫通している。
撮像装置100は、層間絶縁層117内に、遮断部123及び反射層124をさらに備えうる。遮断部123はタングステンや銅などの金属で形成され、光電変換部を透過した光を遮断して、他の画素の光電変換部へ到達することを防ぐ。この実施例では、遮断部123は、層間絶縁層117よりも透過率が低い材料で構成される。必ずしもすべての光が遮断部123により遮断されなくてもよい。反射層124はアルミニウムや銅などの金属で形成され、光電変換部を透過した光を反射して光電変換部へ戻す。本実施形態では、遮断部123は筒状であり、反射層124は筒状の遮断部123の蓋となる形状・位置に形成される。すなわち、反射層124は柱状であり、遮断部123の上面は反射層124の底面に接している。反射層124は配線パターン119の一部を構成してもよい。すなわち、撮像装置100の動作時に、反射層124に電流が流れたり、又は電圧が印加されたりする構成であってもよい。本実施形態では、遮断部123は層間絶縁層117を貫通しておらず、層間絶縁層117の下にある絶縁層116に到達していない。
図2および図3を参照して、図1の撮像装置100の製造方法の一例を説明する。図2および図3の各図は、図1(b)に対応する位置における断面図を示す。まず、図2(a)に示されるように、図1で説明した構造が形成された半導体基板SUBを準備する。この半導体基板SUBは既存の方法で形成できるので、その説明を省略する。半導体基板SUBは表(おもて)面FS(第1面)と、その反対側(第1面の反対側)にある裏面BS(第2面)とを有する。撮像装置100への入射光は半導体基板SUBの裏面BSから光電変換部へ入射する。
次に、図2(b)に示されるように、ポリシリコンなどを用いて転送ゲート106及びゲート109を形成する。図示していないが、転送ゲート106及びゲート109の下にはゲート絶縁膜が形成される。その後、転送ゲート106およびゲート109の上から半導体基板SUBの表面FSの上(第2面の上)に絶縁層116をプラズマCVDで成膜する。絶縁層116は例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層構造を有しうる。絶縁層116は反射防止層として機能しうる厚さになるように形成されてもよい。その後、絶縁層116の上に酸化シリコンをプラズマCVDで堆積して層間絶縁層117を成膜し、CMPで層間絶縁層117の上面を平坦化する。
次に、図2(c)に示されるように、層間絶縁層117の上にマスクパターン201を形成する。マスクパターン201は、コンタクトプラグ121、122のような半導体基板SUBに形成された回路素子に接続されるコンタクトプラグが形成されるべき位置を露出させ、その他の部分を被覆する。このマスクパターン201を用いてエッチングを行い、層間絶縁層117の一部及び絶縁層116の一部を除去して開口202、203を形成する。開口202は半導体領域108に到達し、開口202によって半導体領域108の表面の一部が露出する。この露出した部分はコンタクトプラグ121との接続面となる。開口203(第1開口)は転送ゲート106に到達し、開口203によって転送ゲート106の上面の一部が露出する。この露出した部分はコンタクトプラグ122との接続面となる。
次に、図2(d)に示されるように、マスクパターン201を除去した後に、層間絶縁層117の上にマスクパターン204を形成する。マスクパターン204は、図1の遮断部123が形成されるべき位置を露出させ、他の部分を被覆する。このマスクパターン204を用いてエッチングを行い、層間絶縁層117の一部を除去して開口205を形成する。このエッチングにおいて、開口205(第2開口)が絶縁層116に到達しないように、事前のシミュレーションや実験などのよって得られたデータに基づいて、エッチング時間が調整される。この調整された時間だけエッチングを行うことによって、開口205が層間絶縁層117を貫通する前にエッチングを停止する。このように、コンタクトプラグのための開口202、203の形成と、遮断部のための開口205の形成とを、互いにエッチング時間の異なる別々のエッチングにより行っている。または、同じ時間だけエッチングする場合に、エッチングレートが変化するようにエッチング条件を変えてもよい。例えば、RIE(reactive ion etching)などのドライエッチングを行う場合に、プラズマのエネルギーを変化させることでエッチングレートを変えることができる。
次に、図3(a)に示されるように、マスクパターン204を除去した後に、開口202、203、205にタングステンを埋め込む。これによって、開口202にコンタクトプラグ121が形成され、開口203にコンタクトプラグ122が形成され、開口205に遮断部123が形成される。
次に、図3(b)に示されるように、層間絶縁層117、コンタクトプラグ121、122及び遮断部123の上にバリアメタル120を成膜し、反射層124を形成すべき位置にあるバリアメタル120をエッチングによって除去する。次に、図3(c)に示されるように、バリアメタル120の上およびバリアメタル120が除去された領域の上にアルミニウムなどの金属層301を形成する。次に、図3(d)に示されるように、金属層301およびバリアメタル120をエッチングして、第1層の配線パターン119及び反射層124を形成する。このように、配線パターン119のパターニング工程において反射層124を並行してパターニングすることによって形成することで、工数を低減できる。その後、既存の方法を用いて他の構成要素を形成して、図1の撮像装置100を完成する。
本実施形態に係る撮像装置100の製造方法では、遮断部123を形成するための開口を形成するために、層間絶縁層117を貫通しないようにエッチングを行うので、撮像装置100の製造中に光電変換部が受けるダメージを軽減できる。上記の製造方法では、コンタクトプラグ121、122と遮断部123とを生成するために、開口202、203、205に金属を同時に埋め込んだ。この方法では、金属の埋め込みを一工程で行えるので、工数を低減できる。しかし、図2(c)の状態において、開口202、203に金属を埋め込んでコンタクトプラグ121、122を埋め込んだ後に、図2(d)に進んで開口205を形成してもよい。この方法では、半導体基板SUBへのダメージをさらに低減できる。
続いて、図4から図7を参照して、第1実施形態に係る撮像装置100の変形例を説明する。図4の撮像装置400は、光電変換部と遮断部123の位置関係が図1の撮像装置100とは異なる。撮像装置100では、実線BDに示されるように、遮断部123は光電変換部の上に配置される。この配置によって、隣接する光電変換部の間隔を狭くすることができる。一方、撮像装置400では、実線BDで示されるように、遮断部123の一部が素子分離領域ISOの上に配置される。この配置によって、光電変換部を透過した光を広い範囲で遮断できる。撮像装置400は、上述の撮像装置100の製造方法において、図2(d)で説明したマスクパターン204の開口の位置を変更することによって製造できる。
図5の撮像装置500は、遮断部123の形状が図1の撮像装置100とは異なる。撮像装置100の遮断部123は半導体基板SUBの表面FSから遠ざかる方向に延びる筒状の形状である。一方、撮像装置500の遮断部123は半導体基板SUBの表面FSから遠ざかる方向に延びる柱状の形状である。この形状により、遮断部123が反射層としても機能し、光電変換部を透過した光は光電変換部に近い位置で反射して光電変換部へ戻される。撮像装置500は、上述の撮像装置100の製造方法において、図2(d)で説明したマスクパターン204の開口の形状を変更することによって製造できる。撮像装置500の遮断部123の形状は、撮像装置400と組み合わせることが可能である。
図6の撮像装置600は、反射層124を有していない点で図1の撮像装置100とは異なる。撮像装置100は反射層124を有することにより、光電変換部を透過した光を光電変換部へ戻すことができ、光電変換部の感度が向上する。一方、撮像装置600は第1層の配線層に反射層を有しないので、第1層の配線層に形成される配線パターン119の自由度が高まる。撮像装置600であっても、遮断部123を有するので、光電変換部を透過した光が他の画素の光電変換部へ到達することを軽減できる。撮像装置600は、上述の撮像装置100の製造方法において、図3(d)で説明した金属層301のエッチングで反射層124を除去することによって製造できる。撮像装置600の反射層124を有しない構成は、撮像装置400および撮像装置500のいずれとも組み合わせることが可能である。
図7の撮像装置700は、タングステンなどの金属で形成された遮断部123の代わりに、エアギャップで形成された遮断部701を有する点で図1の撮像装置100とは異なる。遮断部701も筒状をしており、遮断部701の内側には層間絶縁層117を形成する酸化シリコンが存在する。酸化シリコンの屈折率はエアギャップ(大気又は大気に製造中にガスが混入した気体)の屈折率よりも高いので、遮断部701の内側に進入した光は遮断部701と層間絶縁層117との境界で反射する。したがって、この実施例では、遮断部701の透過率と層間絶縁層117の透過率とはどのような関係であってもよい。撮像装置700は、上述の撮像装置100の製造方法において、図3(a)で開口205にタングステンなどの金属を埋め込まず、開口のままにすることによって製造できる。撮像装置700の遮断部701は、撮像装置400および撮像装置500のいずれとも組み合わせることが可能である。
続いて、図8を参照して本発明の第2実施形態に係る撮像装置800の構造を説明する。図8(a)は撮像装置800の一部分の平面図を示し、図8(b)は図8(a)のA−A線断面図を示す。図8(a)の平面図では、説明を明確にするために、一部の構成要素を省略している。第2実施形態に係る撮像装置800は、遮断部123の幅がコンタクトプラグ121、122の幅よりも狭い点で図1の撮像装置100とは異なる。そのため、第1実施形態と重複する説明は繰り返さない。
図9を参照して、図8の撮像装置800の製造方法の一例を説明する。図9は、図8(b)に対応する位置における断面図を示す。まず、第1実施形態で説明した製造方法と同様にして、図2(b)に示される構造体を準備する。次に、図9に示されるように、コンタクトプラグ121、122及び遮断部123が形成されるべき位置を露出させ、その他の部分を被覆するマスクパターン901を層間絶縁層117の上に形成する。このマスクパターン901の遮断部123が形成されるべき位置を露出する開口の幅は、コンタクトプラグ121、122が形成されるべき位置を露出させる開口の幅よりも狭い。その後、マスクパターン901を用いてエッチングを行い、層間絶縁層117の一部を除去する。このエッチングでは、マスクパターン901の開口の幅が狭い部分ほどエッチングレートが遅く、従って、開口202、203が半導体領域108や転送ゲート106に到達するまでエッチングを行ったとしても、開口205は層間絶縁層117を貫通しない。これ以降の工程は第1実施形態の図3(a)以降で説明した工程と同様であるため、重複する説明を省略する。
上述のように、第2実施形態の撮像装置800も第1実施形態で説明した効果が得られる。また、第2実施形態の撮像装置800に対しても、第1実施形態で説明した各種の変形例を適用可能である。例えば、図5の撮像装置500のような柱状の遮断部を採用する場合に、マスクパターンの幅を細くするために、細長い複数の柱状の遮断部を形成してもよい。
以下、上記の各実施形態に係る撮像装置の応用例として、この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有する装置(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等)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撮像装置と、この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含む。この信号処理部は、例えば、A/D変換器と、この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とを含みうる。

Claims (14)

  1. 裏面照射型の撮像装置の製造方法であって、
    前記撮像装置は、
    入射光を受ける第1面と、前記第1面の反対側にある第2面とを有し、光電変換部及びトランジスタが形成された半導体基板と、
    前記トランジスタに接続されたコンタクトプラグと、
    前記入射光のうち前記光電変換部を透過した光を遮断する遮断部とを備え、
    前記製造方法は、
    前記半導体基板の前記第2面の上に層間絶縁層を形成する工程と、
    前記層間絶縁層の一部をエッチングにより除去して、前記コンタクトプラグを形成するための第1開口を形成する工程と、
    前記層間絶縁層の他の一部をエッチングにより除去して、前記遮断部を形成するための第2開口を形成する工程とを有し、
    前記第1開口を形成する工程において、前記第1開口が前記層間絶縁層を貫通するまでエッチングを行い、
    前記第2開口を形成する工程において、前記第2開口が前記層間絶縁層を貫通する前にエッチングを停止することを特徴とする製造方法。
  2. 前記層間絶縁層の上に、前記コンタクトプラグが形成されるべき位置及び前記遮断部が形成されるべき位置を露出させるマスクパターンを形成する工程を有し、
    前記マスクパターンを用いたエッチングを行うことにより、前記第1開口と前記第2開口とが並行して形成され、
    前記マスクパターンのうち前記遮断部が形成されるべき位置を露出させる部分の幅は、前記マスクパターンのうち前記コンタクトプラグが形成されるべき位置を露出させる部分の幅よりも狭く、
    前記第2開口が前記層間絶縁層を貫通する前に、前記第1開口が前記トランジスタの前記コンタクトプラグとの接続面に到達することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記第1開口を形成する工程と、前記第2開口を形成する工程とは、条件の異なるエッチングによって別々の工程として行われることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  4. 前記第2開口を形成するためのエッチングを、前記層間絶縁層が貫通する前に停止するように調整された時間だけ行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の製造方法。
  5. 前記半導体基板は、前記光電変換部の周囲に素子分離領域をさらに有し、
    前記遮断部の少なくとも一部は、前記素子分離領域の上に配置されることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の製造方法。
  6. 前記遮断部は、前記第2開口に埋め込まれた金属層であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の製造方法。
  7. 前記遮断部は、前記第2開口に形成されたエアギャップであることで形成されることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の製造方法。
  8. 前記遮断部を覆う位置に反射層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の製造方法。
  9. 前記反射層は、前記コンタクトプラグに接続される配線パターンのパターニング工程において並行してパターニングされることを特徴とする請求項8に記載の製造方法。
  10. 前記反射層は、前記コンタクトプラグに接続される配線パターンの一部であることを特徴とする請求項8に記載の製造方法。
  11. 前記遮断部は、前記半導体基板の前記第2面から遠ざかる方向に延びた筒状の形状を有することを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の製造方法。
  12. 前記遮断部は、前記半導体基板の前記第2面から遠ざかる方向に延びた柱状の形状を有することを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の製造方法。
  13. 裏面照射型の撮像装置であって、
    入射光を受ける第1面と、前記第1面の反対側にある第2面とを有し、光電変換部及びトランジスタが形成された半導体基板と、
    前記半導体基板の前記第2面の上に形成された層間絶縁層と、
    前記トランジスタに接続されたコンタクトプラグと、
    前記入射光のうち前記光電変換部を透過した光を遮断する遮断部とを備え、
    前記遮断部と前記半導体基板との間に、前記層間絶縁層の一部が配されたことを特徴とする撮像装置。
  14. 請求項13に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置とを備えることを特徴とするカメラ。
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