JP2014123771A

JP2014123771A - 固体撮像装置および撮像システム

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Publication number: JP2014123771A
Application number: JP2014052329A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Endo; 信之遠藤; Tetsuya Itano; 哲也板野; Kazuo Yamazaki; 和男山崎; Kyohei Watanabe; 杏平渡辺; Takeshi Ichikawa; 武史市川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2029-12-26
Also published as: JP5784167B2

Abstract

【課題】光電変換素子の特性の低下を抑制しつつ、周辺回路部のトランジスタの動作を高速にすることが可能となる。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および転送トランジスタのゲート電極とを有する第１の基板と、周辺回路部を有する第２の基板とを積層して構成され、第１の基板には高融点金属化合物層が設けられておらず、第２の基板には高融点金属化合物層が配される。
【選択図】図１

Description

本発明は、裏面照射型の固体撮像装置に関する。

近年の固体撮像装置の高速化に伴い、トランジスタに高融点金属の半導体化合物層を設けた構成が提案されている。

特許文献１には、光電変換部の受光部上には高融点金属の半導体化合物層を設けず、周辺回路部に高融点金属の半導体化合物層を設けた固体撮像装置が記載されている。

特許文献２には、光電変換素子の感度を向上させるべく、光電変換素子や信号読み出し用の回路を設けた画素部を含む基板と、画素部の回路を駆動し読み出した信号を処理するための周辺回路を含む基板とを貼り合わせた裏面照射型の固体撮像装置が記載されている。

特開２００１−１１１０２２号特開２００９−１７０４４８号

特許文献１に記載の周辺回路部に高融点金属の半導体化合物層を設けた構造では同一基板上に高融点金属が設けられるため、光電変換素子へ高融点金属が拡散してしまう可能性がある。光電変換素子の表面を絶縁膜で保護していたとしても、絶縁膜上に高融点金属を形成する工程などがあり絶縁膜中を拡散してしまう可能性がある。そして、光電変換素子が高融点金属によって汚染されることによってリーク電流が生じ、画像に白傷等が発生してしまう。また、特許文献１に記載の構成を形成するためには、同一基板上にて高融点金属の半導体化合物層の作り分けが必要であり、工程が煩雑であった。

そこで、本発明では、簡易な構成で、白傷等の原因となる光電変換素子の特性の低下を抑制しつつ、周辺回路部に高融点金属化合物層を配置した固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、光電変換素子と前記光電変換素子からの電荷を転送するためのゲート電極が配された第１の基板と、前記光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための周辺回路部が配された第２の基板とを積層した固体撮像装置において、前記第２の基板に高融点金属化合物層が配され、前記第１の基板には高融点金属化合物層が配されていない。

本発明は、簡易な構成で、光電変換素子の特性の低下を抑制しつつ、周辺回路部に高融点金属化合物層を配置した固体撮像装置を提供することが可能となる。

実施例１を説明する固体撮像装置の断面図実施例２を説明する固体撮像装置の断面図実施例３を説明する固体撮像装置の断面図実施例３の固体撮像装置の製造方法実施例３の固体撮像装置の製造方法実施例５を説明する固体撮像装置の断面図実施例４の固体撮像装置の製造方法実施例４の固体撮像装置の製造方法実施例４の固体撮像装置の製造方法実施例５の実施形態を説明する固体撮像装置の断面図実施例６の実施形態を説明する固体撮像装置の断面図本発明の固体撮像装置の回路の一例実施例７の撮像システムを説明するブロック図

本発明の固体撮像装置は、光電変換素子および転送のためのゲート電極とを有する第１の基板と、周辺回路部を有する第２の基板とを積層して構成されている。そして、第１の基板には高融点金属化合物層が配されておらず、第２の基板には高融点金属化合物層が配される。このような構成によって、作り分けが容易であり、光電変換素子の特性の低下を抑制しつつ、周辺回路部のトランジスタの動作が高速になり、信号の読み出し動作を高速にすることが可能となる。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明を行う。

本発明の実施例１について、図１および図１２を用いて説明する。

まず、図１２を用いて実施例１の固体撮像装置の回路の一例を説明する。図１２の固体撮像装置３００は、複数の光電変換素子が配列した画素部３０１と、画素部３０１からの信号を読み出す駆動のための制御回路や読み出した信号を処理する信号処理回路を有する周辺回路部３０２とを有する。

画素部３０１は、光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４と、増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７が複数配置されている。少なくとも１つの光電変換素子３０３を含む構成を画素とする。本実施例の１つの画素は、光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４と、増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７を含む。転送トランジスタ３０４のソースは光電変換素子３０３と接続しており、転送トランジスタ３０４のドレイン領域は増幅トランジスタ３０６のゲート電極と接続している。この増幅トランジスタ３０６のゲート電極と同一のノードをノード３０５とする。リセットトランジスタはノード３０５に接続し、ノード３０５の電位を任意の電位（例えば、リセット電位）に設定する。ここで、増幅トランジスタ３０６はソースフォロア回路の一部であり、ノード３０５の電位に応じた信号を信号線ＲＬに出力する。

周辺回路部３０２は、画素部３０１のトランジスタのゲート電極へ制御信号を供給するための垂直走査回路ＶＳＲを有する。また、周辺回路部３０２は、画素部３０１から出力された信号を保持し、増幅や加算やＡＤ変換などの信号処理回路を含む読み出し回路ＲＣを有する。そして、周辺回路部３０２は、読み出し回路ＲＣから信号を順次出力するタイミングを制御する制御回路の水平走査回路ＨＳＲを有する。

ここで、実施例１の固体撮像装置３００は２つのチップが積層されることによって構成されている。２つのチップとは、画素部３０１の光電変換素子３０３と、転送トランジスタ３０４とが配された第１のチップ３０８と、画素部３０１の増幅トランジスタ３０６と、リセットトランジスタ３０７と、周辺回路部３０２とが配された第２のチップ３０９である。このような構成において、第２のチップ３０９の周辺回路部３０２から第１のチップ３０８の転送トランジスタ３０４のゲート電極へと制御信号が接続部３１０を介して供給される。また、第１のチップ３０８の光電変換素子３０３にて生じた信号は転送トランジスタ３０４のドレイン領域に接続する接続部３１１を介して、ノード３０５に読み出される。このようにリセットトランジスタ３０７や増幅トランジスタ３０６を別のチップに設けることで、光電変換素子３０３の面積を大きくすることが可能となり感度の向上させることが可能となる。また、面積を同一とするならば、光電変換素子３０３を多く設けることが可能となり、多画素化が可能となる。

次に、図１を用いて本実施例の固体撮像装置を説明する。図１は、図１２の固体撮像装置３００に対応した固体撮像装置１００の断面図である。図１は、図１２の光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４、増幅トランジスタ３０６に対応する断面図であり、その他の部分については記載を省略する。図１は２画素分の構成を示している。

図１において、第１のチップ１０１と、第２のチップ１０２と、第１のチップと第２のチップとの接合面１０３とが示されている。第１のチップ１０１は図１２の第１のチップ３０８と、第２のチップ１０２は図１２の第２のチップ３０９と対応している。

第１のチップ１０１は第１の基板１０４を有する。第１の基板１０４において、トランジスタが形成される面を主面１０５とし、その反対の面を裏面１０６とする。第１の基板１０４には、図１２における光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４を構成する部位が配されている。そして、第１のチップ１０１の第１の基板１０４の主面１０５側の上部には、例えばアルミニウムを主成分とした配線（アルミニウム配線）からなる第１の配線層１２２と第２の配線層１２３とを含む多層配線構造１０７を有する。ここでは、多層配線構造１０７の複数の層間絶縁膜を一体の絶縁膜として記載している。

第２のチップ１０２は第２の基板１０８を有する。第２の基板１０８において、トランジスタが形成される面を主面１０９とし、その反対の面を裏面１１０とする。第２の基板１０８の主面１０９の上部には、例えばアルミニウム配線からなる第１の配線層１２８と第２の配線層１２９とを含む多層配線構造１１１が形成されている。ここでも、多層配線構造１１１の複数の層間絶縁膜を一体の絶縁膜として示している。そして、第２の基板１０８には、図１２における増幅トランジスタ３０６が配されている。なお、説明において、各チップにおいて、基板の主面から裏面に向う方向を下方向もしくは深い方向とし、裏面から主面に向う方向を上方向もしくは浅い方向とする。

ここで、本実施例の固体撮像装置においては、第１のチップ１０１と第２のチップ１０２のそれぞれの基板の主面１０５および主面１０９とが対向して積層されている。図１では、第１のチップ１０１と第２のチップ１０２の接続部の構成は、第１のチップ１０１のフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）１１３と第２のチップ１０２の増幅トランジスタのゲート電極１２６との接続のみ示している。具体的には、第１のチップ１０１のＦＤ領域１１３は多層配線構造１０７、接続部３１１、多層配線構造１１１を介して、増幅トランジスタのゲート電極１２６と接続している。なお、転送トランジスタのゲート電極１１４への制御信号を供給する図１２に示す接続部３１０は図１においては不図示である。そして、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板１０４の裏面１０６側から光が入射する裏面入射型の固体撮像装置である。

各チップについて詳細に説明する。まず、第１のチップ１０１の第１の基板１０４には、ウエル１１５と、光電変換素子を形成するＮ型の電荷蓄積領域１１２と、転送トランジスタを構成する、ゲート電極１１４が配されている。更に、光電変換素子を形成するＰ型の表面保護層が電荷蓄積領域１１２の上部に配されている。更に、第１の基板１０４には、転送トランジスタのドレイン領域１１３と、素子分離領域１１７と、Ｐ型の半導体領域１１６とが配されている。ウエル１１５は、トランジスタや光電変換素子が配される半導体領域であり、ここではＮ型でもＰ型でもどちらでもよい。Ｐ型の半導体領域１１６は、第１の基板１０４の裏面１０６のシリコンとシリコン酸化膜界面にて生じる暗電流の抑制が可能であり、また光電変換素子の一部としても機能可能である。電荷蓄積領域１１２は、光電変換素子にて生じた電荷（電子）を蓄積し、図１では転送トランジスタのゲート電極側にＰ型の保護層を有している。素子分離領域１１７は、Ｐ型の半導体領域からなり、図示していないがＬＯＣＯＳ分離やＳＴＩ分離といった絶縁膜を含む素子分離構造を有していてもよい。転送トランジスタのドレイン領域１１３はＦＤ領域であり、図１２のノード３０５を構成する。そして、第１のチップ１０１は、第１の基板１０４の裏面１０６側に、反射防止膜１１８、遮光膜１１９、平坦化層などを含むカラーフィルタ層１２０、マイクロレンズ１２１を有する。

次に、第２のチップ１０２の第２の基板１０８には、ウエル１２４と、図１２における増幅トランジスタ３０６を構成するソース領域およびドレイン領域１２５と、増幅トランジスタのゲート電極１２６と、素子分離領域１２７と、が配されている。ウエル１２４はＰ型の半導体領域である。ここで、本実施例の固体撮像装置の第２のチップ１０２に配されたトランジスタ（図１２の増幅トランジスタ３０６）のソース領域およびドレイン領域１２５とゲート電極１２６とは高融点金属化合物層１３０を有する。また、同じく第２のチップ１０２に配される図１２の周辺回路部３０２を構成する領域にも高融点金属化合物を含むトランジスタが配される（不図示）。高融点金属化合物とは、例えば、半導体基板にシリコンを用いた場合には、高融点金属であるコバルトやチタンなどを用いたシリサイドである。

一方、第１の基板１０４のトランジスタなどには高融点金属化合物層は形成されておらず、第１の基板１０４の主面１０５の上部には、多層配線構造を構成する絶縁膜が配されている。このように、第１の基板１０４には高融点金属化合物層は形成されておらず、第２の基板に配された周辺回路部のトランジスタが高融点金属化合物を有することで、ノイズを低減しつつ、トランジスタの動作の高速化が可能となる。また、このような高融点金属化合物を有するトランジスタを第２のチップ１０２にのみ有することで、光電変換素子への高融点金属の混入を低減することが可能となり、高融点金属の混入によって生じるノイズを低減することが可能となる。また、同一基板上に高融点金属化合物を設ける領域と設けない領域とを作り分ける必要がないため高融点金属化合物が形成しないように保護する膜などが不要となり、すなわち各基板は簡易な構成となり、簡易な工程での製造が可能である。

なお、本実施例では光電変換素子に加えてＦＤ領域を第１の基板１０４に形成している。それは、光電変換素子で生じた信号電荷が保持される光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域に高融点金属化合物層を設けると、高融点金属が半導体領域に混入して生じたノイズが信号電荷に混入してしまうためである。なお、増幅トランジスタが第１の基板に配された場合には、増幅トランジスタに高融点金属化合物層は形成しない。

本実施形態では、各配線層はアルミニウム配線からなるとしたが、銅を主成分とした配線（銅配線）によって構成されていてもよい。銅配線の上部には銅に対する拡散防止膜が設けられていてもよく、銅に対する拡散防止膜はパターニングされていてもよい。

本実施例の固体撮像装置を図２を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置は、実施例１の固体撮像装置とは、図１２に示すような回路は等しく、チップの積層構造が異なる。以下、回路については説明を省略し、図２に示す構成について説明を行う。

図２は、図１２の回路に対応した固体撮像装置２００の断面図である。図２は、図１２の光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４、増幅トランジスタ３０６に対応する、２画素分の断面図であり、その他の部分については記載を省略する。

図２には、第１のチップ２０１と、第２のチップ２０２と、第１のチップと第２のチップとの接合面２０３とが示されている。第１のチップ２０１は図１２の第１のチップ３０８と、第２のチップ２０２は図１２の第２のチップ３０９と対応している。

第１のチップ２０１は第１の基板２０４を有する。第１の基板２０４において、トランジスタが配される面を主面２０５とし、その反対の面を裏面２０６とする。第１の基板２０４には、図１２における光電変換素子３０３、転送トランジスタ３０４を構成する部位が配されている。そして、第１の基板２０４の主面２０５の上部には、アルミニウム配線からなる第１の配線層２２２と第２の配線層２２３とを含む多層配線構造２０７が配されている。ここでは、多層配線構造２０７の複数の層間絶縁膜を一体の絶縁膜として記載している。

第２のチップ２０２は第２の基板２０８を有する。第２の基板２０８において、トランジスタが形成される面を主面２０９とし、その反対の面を裏面２１０とする。第２の基板２０８の主面２０９の上部には、アルミニウム配線からなる第１の配線層２２８と第２の配線層２２９とを含む多層配線構造２１１が配されている。ここでも、多層配線構造２１１の複数の層間絶縁膜を一体の絶縁膜として示している。そして、第２の基板２０８には、図１２における増幅トランジスタ３０６を構成する部位が配されている。

ここで、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板２０４の主面２０５と第２の基板２０８の裏面２１０とが対向して積層されている。図２では、第１のチップ２０１と第２のチップ２０２の接続部の構成は、第１のチップ２０１のＦＤ領域２１３と第２のチップ２０２の増幅トランジスタのゲート電極２２６との接続のみ示している。具体的には、第１のチップ２０１のＦＤ領域２１３は、多層配線構造２０７、接続部３１１、多層配線構造２１１を介して、増幅トランジスタのゲート電極２２６と接続している。ここで、接続部３１１の一部を構成する、第２の基板２０８を関する貫通電極２３５が配されている。この貫通電極によって、ＦＤ領域２１３と増幅トランジスタのゲート電極２２６とが接続される。なお、転送トランジスタのゲート電極２１４への制御信号を供給する、図１２における接続部３１０は図２においては不図示である。そして、本実施例の固体撮像装置においては、第１の基板２０４の裏面２０６側から光が入射する裏面入射型の固体撮像装置である。

次に、各チップについて詳細に説明する。第１のチップ２０１の第１の基板２０４には、ウエル２１５と、光電変換素子を形成するＮ型の電荷蓄積領域２１２と、転送トランジスタのゲート電極２１４とが配されている。更に、第１の基板２０４には転送トランジスタのドレイン領域２１３と、素子分離領域２１７と、Ｐ型の半導体領域２１６とが配されている。そして、第１のチップ２０１は、第１の基板２０４の裏面２０６側に、反射防止膜２１８、遮光膜２１９、平坦化層などを含むカラーフィルタ層２２０、マイクロレンズ２２１を有する。次に、第２のチップ２０２の第２の基板２０８には、ウエル２２４と、図１２の増幅トランジスタ３０６を構成するソース領域、ドレイン領域２２５およびゲート電極２２６と、素子分離領域２２７と、が配されている。更に、第２の基板２０８の上部に第１の配線層２２８、第２の配線層２２９を有し、第２の基板２０８の最深部に絶縁層２３４を有する。これら第１のチップ２０１と第２のチップ２０２の構成について、実施例１と同様な構成については説明を省略する。

実施例２においては、更に、第２のチップ２０２の上部に接着層２３２と支持基板２３３とを有している。実施例２における絶縁層、接着層２３２、支持基板２３３については後述する。

ここで、本実施例の固体撮像装置の第２のチップ２０２に配されたトランジスタ（図１２の増幅トランジスタ３０６）のソース領域およびドレイン領域２２５とゲート電極２２６とは高融点金属化合物層２３０を有する。また、同じく第２のチップ２０２に配される図１２に示す周辺回路部３０２を構成する領域にも高融点金属化合物を含むトランジスタが配される（不図示）。高融点金属化合物とは、例えば、半導体基板にシリコンを用いた場合には、高融点金属であるコバルトやチタンなどを用いたシリサイドである。第２の基板に配された周辺回路部などのトランジスタが高融点金属化合物を有することで、トランジスタの動作の高速化が可能となる。また、このような高融点金属化合物を有するトランジスタを第２のチップ２０２にのみ有することで、第１のチップ２０１の光電変換素子の特性の低下を抑制しつつ、光電変換素子の高融点金属の混入を低減することが可能となる。また、同一基板上に高融点金属化合物を設ける領域と設けない領域とを作り分ける必要がないため高融点金属化合物が形成しないように保護する膜などが不要となり、すなわち各基板は簡易な構成となり、簡易な工程での製造が可能である。

本実施例の固体撮像装置を図３を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置は、実施例１の固体撮像装置１００に対応し、実施例１の固体撮像装置１００に対して拡散防止膜を有する点が異なる。以下、図３に示す構成について説明を行う。なお、実施例１と等しい構成については説明を省略する。

図３の固体撮像装置４００において、拡散防止膜１３１が第１のチップ１０１と第２のチップ１０２との間に配されている。このような拡散防止膜１３１を有することで、第２のチップに配された高融点金属化合物層の高融点金属が、多層配線構造１１１と１０７を拡散し、第１のチップの光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域に混入することを抑制することが可能となる。従って、高融点金属が半導体領域に混入することによって生じる暗電流や（画像の）白傷の原因となるリーク電流の発生を、より抑制することが可能となる。

図３に示した固体撮像装置４００の製造方法を図４および図５を用いて説明する。まず、図４（ａ）では、図３の第１の基板１０４となるフォトダイオード形成部材（以下ＰＤ形成部材）４０１と、図３の第２の基板１０８となる回路形成部材４０２とを準備する。これら部材は、例えばシリコン半導体基板であり、導電型は任意である。ＰＤ形成部材４０１は、Ｐ型半導体領域１１６と絶縁層４０３とを含む。このＰＤ形成部材４０１は、ＳＯＩ基板を使用しており、Ｐ型半導体領域１１６はイオン注入でもエピタキシャル成長によって形成されていてもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、ＰＤ形成部材４０１に、電荷蓄積領域１１２や転送トランジスタのゲート電極１１４などの素子を形成する。そして、ＰＤ形成部材４０１の上部に多層配線構造１０７を形成する。多層配線構造１０７は、第１の配線層１２２および第２の配線層１２３を有する。第１の配線層１２２と第２の配線層１２３はそれぞれ複数の配線を含む。本実施例において各配線は、アルミニウム配線である。また、多層配線構造１０７は、配線同士を絶縁するための層間絶縁膜を有する。層間絶縁膜は、例えば、転送トランジスタのゲート電極と第１の配線層１２２との間や、第１の配線層１２２と第２の配線層１２３との間に配される。この多層配線構造１０７の形成には一般的な半導体プロセスが使用可能である。最後に、第２の配線層１２３を覆う層間絶縁膜を形成し、第２の配線層１２３の一部の配線が露出するように層間絶縁膜を除去する。露出した第２の配線層１２３は接続部３１１を構成する。ＰＤ形成部材４０１の転送トランジスタのゲート電極が配された面が、後の第１の基板１０４の主面１０５となる。

図４（ｂ）においては、回路形成部材４０２に、ウエル１２４を形成し、増幅トランジスタ３０６を含むトランジスタ等の周辺回路部を形成する。その後、トランジスタのソース領域、ドレイン領域１２５およびゲート電極１２６など所望の位置に、高融点金属を堆積し、熱処理を行うことで高融点金属化合物層１３０を形成する。その後、回路形成部材４０２の上部に多層配線構造１１１を形成する。多層配線構造１１１は、第１の配線層１２８および第２の配線層１２９を有する。この多層配線構造１１１の構成や製造方法については、ＰＤ形成部材４０１の多層配線構造１０７と同様である。次に、第２の配線層１２９まで形成した後、第２の配線層１２９を覆う拡散防止膜１３１を形成する。拡散防止膜１３１はシリコンナイトライドやシリコンカーバイドなどで形成される。この拡散防止膜１３１は、高融点金属のＰＤ形成部材４０１への拡散を抑制するための膜である。その後、接続部３１１を構成する第２の配線層１２９の一部の配線が露出するように拡散防止膜１３１を除去する。拡散防止膜の除去はエッチングやＣＭＰ技術を使用することが可能である。ここで、回路形成部材４０２は第２の基板１０８となる。第２の基板１０８の主面１０９が図４（ｂ）に示すように定まる。

次に、図５（ｃ）に示すように、ＰＤ形成部材４０１と回路形成部材４０２の基板の主面（１０５、１０９）が互いに対向するように配置し、例えば、マイクロバンプによって接合する。

最後に、図５（ｄ）に示したように、ＰＤ形成部材４０１の不要部分４０４および絶縁層４０３をＣＭＰやエッチングなどによって除去し、ＰＤ形成部材４０１の薄膜化をはかり、第１の基板１０４を構成する。その後、第１の基板１０４の裏面１０６の上部にシリコンナイトライドなどからなる反射防止膜１１８を形成する。反射防止膜１１８の形成後に、反射防止膜１１８の上部に、タングステン膜を形成しパターニングをすることで、遮光膜１１９を形成する。その後、平坦化層やカラーフィルタ層１２０を形成し、マイクロレンズ１２１を形成する。このような製造方法によって、図３に示した固体撮像装置４００を製造することが可能である。

ここで、本実施例の構成によれば、多層配線構造１０７の層間絶縁膜を形成した後に、光電変換素子の欠陥回復を含む特性向上のための高温あるいは長時間の熱処理を行うことが可能となる。仮に、高融点金属化合物層を第１の基板が有している場合には、層間絶縁膜を形成する前に高融点金属の半導体化合物層を形成することになる。そして、層間絶縁膜を形成した後には、高融点金属の拡散などの問題により高温、長時間の熱処理を行うことが困難となってしまう。よって、本実施例の構成によれば、光電変換素子の欠陥回復のための熱処理を任意の工程で行うことが可能となるため、光電変換素子の特性の低下を抑制することが可能となる。

また、好ましい形態として、ＦＤ領域に設けられたコンタクトの接続抵抗を向上させるために、プラグと接続する半導体領域にイオン注入および熱処理を行うことが好ましい。しかし、先に述べたように、仮に、高融点金属化合物層を第１の基板が有している場合には、層間絶縁膜を形成した後に行われるコンタクト形成工程における熱処理を行うことが難しくなってしまう。よって、本実施例の構成によれば、周辺回路部に高融点金属化合物層を設けつつ、高融点金属化合物層を設けていないＦＤ領域のコンタクトの形成工程において十分な熱処理を行うことが可能となる。従って、ＦＤ領域での高融点金属の汚染を抑制しつつ、ＦＤ領域のコンタクトの接続を良好にすることが可能となる。

以上述べてきたように、本実施例の固体撮像装置によれば、周辺回路部のトランジスタの動作が高速になり、信号の読み出し動作を高速にしつつ、更に、光電変換素子での暗電流の発生を抑制することが可能となる。

本実施例の固体撮像装置を図６を用いて説明する。本実施例の固体撮像装置５００は、実施例２の固体撮像装置３００に対応する構成であり、実施例２の固体撮像装置に比べて拡散防止膜を有する点が異なる。以下、図６に示す構成について説明を行う。なお、実施例２と等しい構成については説明を省略する。

図６の固体撮像装置５００において、高融点金属に対する拡散防止膜２３１が第１のチップ２０１と第２のチップ２０２との間に配されている。拡散防止膜２３１を有することで、第２のチップに配された高融点金属化合物層の高融点金属が第１のチップの光電変換素子やＦＤ領域を構成する半導体領域に混入することを、より抑制することが可能となる。よって、暗電流や（画像の）白傷の発生を抑制することが可能となる。なお、拡散防止膜２３１は、例えば、シリコンナイトライドやシリコンカーバイドからなる膜である。

次に、図６に示した固体撮像装置５００の製造方法を図７から図９を用いて説明する。まず、図７（ａ）において、図６の第１の基板２０４となるフォトダイオード形成基板（以下、ＰＤ形成部材）５０１と、図６の第２の基板２０８となる回路形成部材５０２とを準備する。ＰＤ形成部材５０１は、Ｐ型半導体領域２１６と絶縁層５０３とが配されている。ＰＤ形成部材５０１は、ＳＯＩ基板を使用しており、Ｐ型半導体領域２１６はイオン注入でもエピタキシャル成長によって形成されていてもよい。回路形成部材５０２は、ＳＯＩ基板を使用し、絶縁層２３４が配されている。

次に、図７（ｂ）のＰＤ形成部材５０１において、ウエル２１５や電荷蓄積領域２１２や転送トランジスタのゲート電極２１４などの素子を形成する。そして、ＰＤ形成部材５０１の上部に多層配線構造２０７を形成する。多層配線構造２０７は、第１の配線層２２２および第２の配線層２２３を有する。多層配線構造２０７の構成や製造方法については、実施例３と同様であるため省略する。次に、第２の配線層２２３を覆う層間絶縁膜を形成し、第２の配線層２２３の配線が露出するように層間絶縁膜を除去する。第２の配線層２２３は接続部３１１を構成する。そして、第２の配線層２２３を覆う、シリコンナイトライドやシリコンカーバイドなどからなる拡散防止膜２３１を形成する。なお、第２の配線層２２３と拡散防止膜２３１との間に、第２の配線層２２３を覆う層間絶縁膜が配されていてもよい。

また、図７（ｂ）の回路形成部材５０２において、ウエル２２４や増幅トランジスタを含むトランジスタを形成する。その後、トランジスタのソース領域、ドレイン領域およびゲート電極など所望の位置に、高融点金属を堆積し、熱処理を行うことで高融点金属化合物層２３０を形成する。その後、回路形成部材５０２の上部に多層配線構造２１１を形成する。多層配線構造２１１は第１の配線層２２８を有する。この第１の配線層２２８の構成や製造方法については、実施例３と同様である。

次に、図８（ｃ）において、回路形成部材５０２の第１の配線層２２８の上部に接着層５０６と支持基板５０７を形成する。そして、回路形成部材５０２の不要部分５０４を研磨やエッチングによって除去し、第２の基板２０８を形成する。

図８（ｄ）において、図６の第１の基板２０４となるＰＤ形成部材５０１の主面２０５と第２の基板２０８の裏面２１０とが対向するように配置し、例えば、マイクロバンプによって接合する。その後、第１の接着層５０６と第１の支持基板５０７を除去する。そして、第２の基板２０８の第１の配線層２２８の上部に層間絶縁膜を形成し、第１の基板２０４との導通を取るための貫通電極２３５を形成する。この貫通電極２３５の製造方法については、一般の半導体プロセスが利用できる。そして、貫通電極２３５を覆って、第２の配線層２２９を形成する。

次に、図９に示すように、第２の基板２０８の第２の配線層２２９の上部に接着層２３２と支持基板２３３を設ける。そして、ＰＤ形成部材５０１の不要部分５０５をエッチングやＣＭＰなどによって除去し、第１の基板２０４が形成される。その後、第１の基板２０４の裏面２０６の上部に例えばシリコンナイトライドからなる反射防止膜２１８を形成する。その後、反射防止膜２１８の上部に例えばタングステンからなる遮光膜２１９を形成する。更に、遮光膜２１９の上部に平坦化層やカラーフィルタ層１２０を形成し、マイクロレンズ１２１を形成する。以上の製造方法によって、図６に示す固体撮像装置５００が形成できる。

なお、本実施例の構成においても、光電変換素子やコンタクトの熱処理を任意の工程で行えるため、光電変換素子の特性の低下やコンタクトの接続抵抗の増大を抑制することが可能となる。

以上、述べてきたように、本実施例の固体撮像装置によれば、周辺回路部のトランジスタの動作が高速になり、信号の読み出し動作を高速にしつつ、更に、光電変換素子での暗電流の発生を抑制することが可能となる。

本実施例の固体撮像装置を、図１０を用いて説明する。図１０に示す本実施例の固体撮像装置６００、６１０、６２０は、実施例３の固体撮像装置４００に対応する構成であり、拡散防止膜１３１の配置の変形例を示す。以下、実施例３と等しい構成については説明を省略する。

図１０（ａ）に示す固体撮像装置６００において、拡散防止膜１３１は、第１の基板１０４と第２の基板１０８との間に配され、更に、第１の基板１０４の上部に配された多層配線構造１０７に含まれる層間絶縁膜を兼ねている。このような構成によって、層間絶縁膜を形成する工程を削減することが可能となり、固体撮像装置の薄膜化が可能となる。また、固体撮像装置６００は裏面照射型なので、例えばシリコンナイトライドからなる拡散防止膜１３１を光電変換素子の上部に全面に設けたとしても、層間絶縁膜として一般的なシリコン酸化膜と拡散防止膜１３１との屈折率差による反射等は生じない。よって、光学特性の低下を抑制しつつ、第２基板１０８からの高融点金属の拡散を抑制することが可能となる。なお、拡散防止膜１３１を層間絶縁膜として兼ねる構成は、図１０（ａ）の構成に限らず、例えば、第２の基板１０８の上部に配される多層配線構造１１１中の層間絶縁膜であってもよい。

次に、図１０（ｂ）に示す固体撮像装置６１０において、拡散防止膜１３１は、第１の基板１０４と第２の基板１０８との間に配される。そして、拡散防止膜１３１は、第２の基板１０８のソース領域およびドレイン領域１２５とゲート電極１２６上の高融点金属化合物層１３０に接して形成されている。このような構成にすることで、拡散防止膜１３１は第２の基板１０８のコンタクトホール形成時のエッチングストップ層としても使用することが可能となる。

次に、図１０（ｃ）に示す固体撮像装置６２０において、拡散防止膜１３１は、第１の基板１０４と第２の基板１０８との間に配され、第２の基板１０８の第１の配線層２２８の上部に接して配されている。第１の配線層２２８は銅配線からなり、拡散防止膜１３１は銅に対する拡散防止膜としても機能する。このような構成を有することで、銅に対する拡散防止膜とを形成する工程が削減でき、また固体撮像装置の薄膜化が可能となる。なお、拡散防止膜１３１を銅に対する拡散防止膜と兼ねる構成は図１０（ｃ）の構成に限られない。例えば、第１の基板１０４の上部に配された多層配線構造１０７が銅配線で構成され、拡散防止膜１３１を各配線層に対して設けてもよい。

本実施例の固体撮像装置を、図１１を用いて説明する。図１１に示す本実施例の固体撮像装置７００、７１０、７２０は、実施例４の固体撮像装置５００に対応する構成であり、拡散防止膜２３１の配置の変形例を示す。以下、実施例４と等しい構成については説明を省略する。

図１１（ａ）に示す固体撮像装置７００において、拡散防止膜２３１は、第１の基板２０４と第２の基板２０８との間に配され、更に、第１の基板２０４の上部に配された多層配線構造２０７に含まれる層間絶縁膜を兼ねている。このような構成によって、層間絶縁膜を形成する工程を削減することが可能となり、固体撮像装置の薄膜化が可能となる。また、固体撮像装置７００は裏面照射型である。よって、例えばシリコンナイトライドからなる拡散防止膜２３１を光電変換素子の上部に全面に設けたとしても、層間絶縁膜として一般的なシリコン酸化膜と拡散防止膜２３１との屈折率差による入射光の反射について検討が不要である。よって、第２基板２０８からの高融点金属の拡散を抑制することが可能となる。

また、図１１（ｂ）に示す固体撮像装置７１０においては、拡散防止膜２３１は、第１の基板２０４と第２の基板２０８との間に配され、第１の基板２０８の第１の配線層２２２の上部に接して配されている。第１の配線層２２２は銅配線からなり、拡散防止膜２３１は銅に対する拡散防止膜としても機能する。このような構成を有することで、銅に対する拡散防止膜を形成する工程が削減でき、また固体撮像装置の薄膜化が可能となる。なお、拡散防止膜２３１を銅に対する拡散防止膜と兼ねる構成は図１１（ｂ）の構成に限られない。例えば、図１１（ｃ）に示すように、第１の基板２０４の上部に配された多層配線構造２０７のうち、第２の配線層２２３が銅配線で構成され、拡散防止膜２３１が第２の配線層２２３の上部に配されていてもよい。このとき、第１の配線層２２２の上部に拡散防止膜２３１が配されていても良い。また、配線層間の容量を低減するために、第１の配線層２２２の上部には銅に対する拡散防止膜が配線の形状に沿ってパターニングされ、一部除去されていてもよい。また、図１１（ｃ）のように、第２の基板２０８の上部に配された多層配線構造２１１が銅配線によって構成されていてもよく、更に、銅の拡散防止膜９０１を有していてもよい。

本実施例では、本発明の光電変換装置を撮像装置として撮像システムに適用した場合について詳述する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーなどがあげられる。図１３に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに光電変換装置を適用した場合のブロック図を示す。

図１３において、１はレンズの保護のためのバリア、２は被写体の光学像を撮像装置４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞りである。４は上述の各実施例で説明した固体撮像装置である撮像装置である。撮像装置４は、レンズ２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置４にはＡＤ変換器が配され、具体的には第２のチップにＡＤ変換器が形成されている。７は撮像装置４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１３において、８は撮像装置４および信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部である。１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置４と、撮像装置から出力された撮像信号を処理する信号処理部７とを有すればよい。本実施例では、撮像装置４にＡＤ変換器が設けられている場合を説明したが、撮像装置とＡＤ変換器とが別のチップであってもよい。また、撮像装置４に信号処理部７などが設けられていてよい。撮像装置４の第２のチップには高融点金属化合物層が形成されているため、信号処理などを高速に行うことが可能である。以上のように、本発明の光電変換装置を撮像システムに適用することが可能である。本発明の光電変換装置を撮像システムに適用することにより、高速な撮影が可能となる。

以上述べてきたように、本発明の固体撮像装置によって、高速な動作が可能な固体撮像装置を提供することが可能となる。更に、拡散防止膜を設けることで、暗電流を低減することが可能となり、画像に白傷が生じることを抑制することが可能となる。各実施例は説明した構成に限定されず、また各実施例は適宜組み合わせ可能である。例えば、固体撮像装置は高融点金属に対する拡散防止膜を複数有していてもよい。

なお、高融点金属化合物層は、トランジスタのソース領域、ドレイン領域およびゲート電極の他に、ウエルコンタクトなどの半導体領域に電位を供給する部分に形成されていてもよい。

本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーなどの撮像システムに用いられる固体撮像装置に適用可能である。

１０１第１のチップ
１０２第２のチップ
１０３接合面
１０４第１の基板
１０７多層配線構造
１０８第２の基板
１１１多層配線構造
１１２光電変換素子
１２４ウエル
１２５ソース・ドレイン領域
１２６増幅トランジスタのゲート電極
１３０高融点金属化合物層

Claims

光電変換素子と前記光電変換素子からの電荷を転送するための転送トランジスタのゲート電極が配された第１の基板と、
前記光電変換素子にて生じた電荷に基づく信号を読み出すための周辺回路部が配された第２の基板とを積層した固体撮像装置において、
前記第２の基板に高融点金属化合物層が配され、
前記第１の基板には高融点金属化合物層が配されていない固体撮像装置。
前記第１の基板の上部に、アルミニウム配線あるいは銅配線からなる配線層が配され、
前記第２の基板の上部に、アルミニウム配線あるいは銅配線からなる配線層が配されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の基板と前記第２の基板との間に、前記高融点金属に対する拡散防止膜を有する請求項１あるいは２のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記転送トランジスタのゲート電極が配された前記第１の基板の主面と、前記周辺回路部のトランジスタが形成された前記第２の基板の主面と、を対向して積層した請求項１あるいは２のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１の基板と前記第２の基板との間に、前記高融点金属に対する拡散防止膜を有する請求項４項に記載の固体撮像装置。
前記第１の基板の上部に配線層と、層間絶縁膜とが配され、
前記高融点金属に対する拡散防止膜は、前記第１の基板に配された層間絶縁膜であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
前記第２の基板の上部に配線層と、層間絶縁膜とが配され、
前記高融点金属に対する拡散防止膜は、前記第２の基板に配された前記層間絶縁膜であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
前記高融点金属に対する拡散防止膜は、前記第２の基板に配された高融点金属化合物層を有するトランジスタの前記高融点金属化合物層に接して配されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
少なくとも前記第１の基板あるいは前記第２の基板の上部に銅配線からなる配線層が配され、
前記銅配線からなる配線層の上部に、銅に対する拡散防止膜が配され、
前記銅に対する拡散防止膜が、前記高融点金属に対する拡散防止膜を兼ねることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
前記転送トランジスタのゲート電極とが配された前記第１の基板の主面と、前記周辺回路部においてトランジスタが形成された前記第２の基板の主面と反対の面と、が対向して積層された請求項１あるいは２のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１の基板と前記第２の基板との間に、前記高融点金属に対する拡散防止膜を有する請求項１０項に記載の固体撮像装置。
前記第１の基板の上部に配線層と、前記配線層に接して配される層間絶縁膜とが配され、
前記高融点金属に対する拡散防止膜は、前記第１の基板に配された層間絶縁膜であることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
前記高融点金属に対する拡散防止膜は、前記第２の基板の裏面に接して配されていることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
少なくとも前記第１の基板の上部に銅配線からなる配線層が配され、
前記銅配線からなる配線層の上部に、銅に対する拡散防止膜が配され、
前記銅に対する拡散防止膜が、前記高融点金属に対する拡散防止膜を兼ねることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
前記第１の基板に、前記転送トランジスタのゲート電極によって前記光電変換素子からの前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域とが配され、
前記第２の基板に、前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号が入力されるゲート電極を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲート電極をリセット電位に設定するためのリセットトランジスタとが配され、前記第２の基板の上部には前記増幅トランジスタのゲート電極に基づく信号が出力される信号線とが配されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の基板に、前記転送トランジスタのゲート電極によって前記光電変換素子からの前記電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、前記フローティングディフュージョン領域の電位に基づく信号が入力されるゲート電極を有する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタのゲート電極をリセット電位に設定するためのリセットトランジスタとが配され、
前記第２の基板の上部に、前記増幅トランジスタのゲート電極に基づく信号が出力される信号線が配されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至１６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信号処理部とを有する撮像システム。