JP2018082098A - 固体撮像装置、撮像システム、及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

固体撮像装置、撮像システム、及び固体撮像装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 基板と遮光層の間の絶縁膜の端部により生じる、遮光核の膜厚の減少、段切れを抑制する。【解決手段】 一様態は、光電変換素子と電荷保持部とを有する画素が配される画素領域、及び前記画素からの信号を処理する周辺領域に配され、前記周辺領域にあるコンタクト部において基板と電気的に接続される遮光層と、平面視において前記電荷保持部と前記コンタクト部との間に端部を有し、前記平面視の平面に対して垂直な断面において前記基板と前記遮光層との間に配された第1絶縁層と、前記第1絶縁層の前記端部の側面に配され、前記端部に起因する段差を緩和する第1絶縁部材と、を有し、前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁部材と重なる部分は、前記第1絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する固体撮像装置に関する。【選択図】 図3

Description

本発明は、固体撮像装置、撮像システム、及び固体撮像装置の製造方法に関する。
CMOSイメージセンサに代表されるアクティブピクセル型固体像装置では、近年グローバル電子シャッタ機能を持たせた構成が提案されている。
グローバル電子シャッタ機能を持つ固体撮像装置は、光電変換を行う受光部と、受光部で光電変換されて発生した電荷を保持する電荷保持部を持つ。この時、電荷保持部に光が入射し光電変換が起こると、ノイズ信号となってしまい画質が劣化する恐れがあるため、電荷保持部は遮光層で覆い光の入射を防ぐ必要がある。
遮光層の電位はフローティングとするのではなく、制御されていることが望ましく、特許文献1では、遮光層がゲート電極もしくは上層配線と接続されており、それらの接続を通じて遮光層の電位制御を行っている。
特開2014−22421号公報
遮光層を有する固体撮像素子において、周辺領域に遮光層と基板との接合部を形成することで遮光層の電位を制御することが出来る。ところが、画素領域と周辺領域では、例えば光学的な反射防止構造の有無や金属シリサイド領域の有無などが異なり、これらを形成するために用いられる絶縁膜の数も異なる。よって、基板と遮光層の間に絶縁膜の端部が配されることがあり、この絶縁膜の端部に起因して段差が生じる。この段差により遮光層が薄くなる若しくは段切れすることで、遮光層の導通不良が発生し得る。
本発明の一様態は、画素領域において、光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された電荷が転送される電荷保持部と、を有する画素と、
周辺領域において、前記画素からの信号を処理する周辺回路と、
前記画素領域及び前記周辺領域に配され、前記周辺領域にあるコンタクト部において、基板と電気的に接続される遮光層と、
平面視において前記電荷保持部と前記コンタクト部との間に側面を有し、前記平面視の平面に対して垂直な断面において前記基板と前記遮光層との間に配された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の前記側面に配された第1絶縁部材と、
を有し、
前記第1絶縁層の上面と前記第1絶縁層の側面が成す角より、前記第1絶縁層の前記上面と前記第1絶縁部材の側面が成す角の方が大きくなるよう配され、
前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁部材と重なる部分は、前記第1絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する固体撮像装置に関する。
また、本発明の別の一様態は、光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された電荷が転送される電荷保持部と、を有する画素を有する画素領域と、
前記画素からの信号を処理する周辺回路が配された周辺領域と、
前記画素領域及び前記周辺領域に配され、前記周辺領域にあるコンタクト部において基板と電気的に接続される遮光層と、
平面視において前記電荷保持部と前記コンタクト部との間に端部を有し、前記平面視の平面に対して垂直な断面において前記基板と前記遮光層との間に配された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の前記端部の側面に配され、前記端部に起因する段差を緩和する第1絶縁部材と、
を有し、
前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁部材と重なる部分は、前記第1絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する固体撮像装置に関する。
更に、本発明の一様態は、画素領域において、光電変換素子の半導体領域、電荷保持部の半導体領域、及びトランジスタのゲート電極が形成され、周辺領域においてトランジスタのゲート電極が形成された基板に、第1絶縁膜を形成し、
前記第1絶縁膜の一部を除去して第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁膜の一部の除去により生じた前記第1絶縁層の端部の側面に、前記端部に起因した段差を緩和する絶縁部材を形成し、
前記電荷保持部の半導体領域、前記第1絶縁層の端部、及び前記絶縁部材を覆い、前記基板と前記周辺領域で電気的に接続される遮光層を形成し、
前記遮光層の、平面視において前記絶縁部材と重なる部分は、前記絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する
固体撮像装置の製造方法に関する。
遮光層と基板の間に配される絶縁膜の段差に起因する、遮光層の導通不良を抑制することができる。
第1実施形態に係る固体撮像装置の一部のブロック図 図2(a)は、第1実施形態に係る固体撮像装置の画素領域の一部の平面図であり、図2(b)は、図2(a)におけるX−X’線に沿った固体撮像装置の断面模式図、図2(c)は、周辺領域の一部の断面模式図 図3(a)は、第1実施形態における、固体撮像装置の一部の平面図であり、図3(b)は、図3(a)におけるY−Y’線に沿った固体撮像装置の断面図 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図 第3実施形態に係る固体撮像装置の適用例
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の固体撮像装置およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図1は本実施形態に係る固体撮像装置の一部のブロック図である。固体撮像装置は、行列状に配列された複数の画素1を有する画素領域10と、画素領域の周辺に位置し、周辺回路が配された周辺領域20を備える。
例えば、画素1は光電変換を行う光電変換素子を有する光電変換部、及び電荷を読み出すための読み出し部を備える。読み出し部は、光電変換素子で生成された電荷が転送される電荷保持部、光電変換素子で生成された電荷を電荷保持部に転送する転送トランジスタ、電荷保持部に保持された電荷を転送する転送トランジスタを含む。また、読み出し部は、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、増幅トランジスタを選択するためのトランジスタを含む。
画素領域10には、有効な画素以外に、光電変換素子が遮光されたオプティカルブラック画素、光電変換素子を有さないダミー画素などのように画像を出力しない画素が含まれ得る。
周辺領域20は垂直走査回路21、列増幅回路22、水平走査回路23、出力部24等の周辺回路を有する。垂直走査回路21は、画素1のトランジスタをオン(導通状態)またはオフ(非導通状態)に制御するための制御信号を供給する。垂直信号線11は、画素1の各列に設けられ、画素1からの信号を列ごとに読み出す。列増幅回路22は差動増幅回路およびサンプル・ホールド回路を備え、垂直信号線11に出力された画素信号を増幅する。
水平走査回路23は、各列の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオンまたはオフに制御するための制御信号を供給する。出力部24はバッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列増幅回路22からの画素信号を固体撮像装置の外部の信号処理部に出力する。出力された画素信号は信号処理部によって、アナログ/デジタル変換、入力データの補正などの処理が行われる。なお、固体撮像装置はアナログ/デジタル変換の機能を備えたいわゆるデジタルセンサであっても良い。
図2は、本発明の第1実施形態における固体撮像素子の画素領域の一部、及び周辺領域の一部の一例を示す。図2(a)は、固体撮像装置の画素領域の一部の平面図であり、図2(b)は、図2(a)におけるX−X’線に沿った固体撮像装置の断面模式図であり、図2(c)は、周辺領域の一部の断面模式図である。なお、各図面を通じて同一の構成要素には同一の符号を付している。ここでは、光電変換素子によって生成される電荷が電子の場合について説明するが、生成される電荷は正孔であってもよい。この場合、各素子や領域の導電型を逆のものとすればよい。
図2(a)は、画素1が3行3列配置されている例を示すが、本発明の構成はこれに限定されない。画素1は、例えば、光電変換素子101、電荷保持部102、フローティングディフュージョン(以下FD部)103、2つの転送トランジスタ、ソースフォロア(以下SF)トランジスタを有する。また、画素1は、リセットトランジスタ、及びオーバーフロードレイン(以下OFD部)用トランジスタを有する。
光電変換素子101から電荷保持部102に電荷を転送する転送トランジスタは、ゲート電極104を有し、電荷保持部からFD部へ電荷を転送する転送トランジスタはゲート電極105を有する。また、FD部と接続されるリセットトランジスタは、ゲート電極106を有し、FD部の電荷を電圧に変換するSFトランジスタはゲート電極107を有する。
OFD用トランジスタはゲート電極108を有し、遮光層109が、電荷保持部102を覆い、周辺領域にて、基板に接続されるように配されている。遮光層109は、周辺領域にて基板と接続されるように、複数の画素1に渡って連続的に形成されていてもよい。ここで、基板には、例えば、シリコン基板200のような半導体基板を用いることができる。
図2(b)において、光電変換素子101は、例えば、シリコン基板200内に配されるn型半導体領域121、及びシリコン基板200のp型のウェル領域の一部であってn型半導体領域121とPN接合を形成している部分を有する。また、n型半導体領域121の上部に例えばp型半導体領域201が配され、光電変換素子を、埋め込み型のフォトダイオード構造としてもよい。この構造により、シリコン基板表面で発生するノイズを抑制することができる。
電荷保持部102についても光電変換素子101と同様に、例えばn型半導体領域122を有し、n型半導体領域122の上に、例えばp型半導体領域202を設けることで埋め込み型の構造としてもよい。
電荷保持部102に蓄積された電荷は、転送トランジスタのゲート電極105をオン電位にすることでFD部103へ転送される。FD部103は、電荷―電圧変換部として機能し、n型半導体領域123を含む。n型半導体領域123は、コンタクト215、配線216を介してSFトランジスタのゲート107と接続される。このような構成により、FD部103へ転送された電荷は、n型半導体領域123、コンタクト215、及び配線216のなす容量に応じて、電圧信号に変換される。
OFD部203は、光電変換素子101に隣接して配置されている。OFDトランジスタのゲート電極108をオン電位にすると、光電変換素子101に蓄積されている電荷はOFD部203に排出される。全画素に対し同時にOFD部203へ電荷を排出し、その後、全画素に対して同時にゲート電極108をオフ電位にすることで、全画素に対し同時に電荷の蓄積を開始する。
所定の期間が経過した後、全画素に対して同時に、光電変換素子101に蓄積された電荷を電荷保持部102に転送することにより、全画素に対し同時かつ一定の露光時間を設定する電子シャッタが実現される。これにより、各画素から順次電荷を読み出すために生じる露光タイミングのずれが抑制され、画像の歪みが低減される。
各画素は、光電変換素子101上方に、平面視において半導体領域121と重なる反射防止膜を備える。反射防止膜は、絶縁膜を有し、例えばシリコン酸化膜(SiO)から形成される絶縁層211とシリコン窒化膜(SiN)から形成される絶縁層212の積層とすることができる。さらに、遮光層109が、密着層として機能する絶縁層213を介して、電荷保持部102を覆う遮光部として配されている。
遮光層109は、電荷保持部102への光の入射を抑制する、つまり入射光によって電荷保持部102で電荷が生成されノイズが発生することを抑制する。ここでの平面視とは、光電変換素子101が形成されているシリコン基板200の表面に平行な面に対する平面視であり、ここでは、半導体領域201の表面に平行な面に対する平面視を指す。
画素領域において、遮光層109は、少なくとも電荷保持部102、ゲート電極104の一部、及びゲート電極105の一部を覆うように配置されている。すなわち、遮光層109は、平面視において、少なくとも電荷保持部102、ゲート電極104の一部、及びゲート電極105の一部と重なる位置に配されている。光電変換素子101には光が照射されるようにする必要があるため、遮光層109は、平面視において光電変換素子101と重なる部分に開口を有する。ただし、遮光層109は、平面視において、電荷保持部102の半導体領域122と重なる領域から、光電変換素子101の端部と重なる領域まで、部分的に延在していてもよい。
ここで、平面視とは、半導体領域201の表面に平行な面に平行な面に対する平面視でもよく、また、シリコン基板200において電荷蓄積102が形成される部分の表面、すなわち、半導体領域202の表面に平行な面に対する平面視であってもよい。
遮光層109は、例えばタングステン、タングステンシリサイド、タングステン酸化膜、アルミニウム、それらの合金膜、積層等、可視光を透過しにくい材料を用いた膜で形成することができる。遮光層109の膜厚は、例えば100〜200nmとすることができる。密着層である絶縁層213として、シリコン酸化膜を配してもよい。なお、絶縁層213は、密着層として機能するものに限らず、絶縁体材料であればどのような材料で形成されていてもよい。また、遮光層109は、ゲート電極が配置されている部分と配置されていない部分とに一括で形成されるので、ゲート電極の膜厚に起因する凹凸を有していてもよい。
シリコン基板200の上には、層間絶縁膜214、信号の伝達等のための配線216、218、220、コンタクト215、ビア217、219が配される。配線216、218、220としては、例えばアルミニウム、銅またはそれらの合金膜を用いることができ、コンタクト125、ビア217、219としては、例えばタングステン、窒化チタン、チタン等の金属膜やその積層を用いることができる。
各画素1は、光電変換素子101の直上に配置された光学系として、層内レンズ222をさらに備えてもよい。層内レンズ222は例えばシリコン窒化膜により形成され、層間絶縁膜214と層内レンズ222の間には、例えばシリコン酸窒化膜(SiON)からなる反射防止膜221を配してもよい。さらに層内レンズの上方にシリコン酸窒化膜からなる反射防止膜223を形成しても良い。このような反射防止構造を採ることにより、入射光の透過率を向上させ、ひいては感度を向上させることができる。また、層内レンズ222の上方に不図示のカラーフィルタやマイクロレンズを備えていても良い。
図2(c)は、周辺領域の周辺回路の一部であるトランジスタの断面図を示す。図2(c)では、n型のトランジスタが例示されている。シリコン基板200内にトランジスタのn型の半導体領域112及び半導体領域112上に金属シリサイド領域402が形成されている。トランジスタのゲート電極110の側面には、画素領域において反射防止膜として機能する絶縁膜である、絶縁層211及び絶縁層膜212がエッチングされて形成された、サイドウォールが配されている。
サイドウォールは、例えば、絶縁層211となるシリコン酸化膜及び212となるシリコン窒化膜を基板200の画素領域及び周辺領域にわたって形成した後、エッチバックすることで形成することができる。
ゲート電極110及びサイドウォールを有するシリコン基板200上には、絶縁層403及び層間絶縁膜214が配されている。絶縁層403は、層間絶縁膜214内にコンタクト用の開口を形成する際にエッチングストップ膜として用いることができ、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。層間絶縁膜214には、たとえばプラズマCVDで形成された酸化シリコン膜を用いることができる。これらの材料に限らず、層間絶縁膜214のエッチングレートが、絶縁層403のエッチングレートより高くなるように、両者の材料が選択されてもよい。
図3(a)は、本実施形態における、1つの画素1から周辺領域における遮光層109とシリコン基板とのコンタクト部周辺までの領域における固体撮像装置の平面図であり、図3(b)は、図3(a)におけるY−Y’線に沿った固体撮像装置の断面図である。
遮光層109は、画素領域及び前記周辺領域に配され、周辺領域において、シリコン基板200とコンタクト部302で電気的に接続されている。平面視における画素領域の画素1の電荷保持部102と周辺領域のコンタクト部302との間には、絶縁膜に起因する段差部301を構成する、絶縁層の側面がある。遮光層109は、平面視において電荷保持部と重なる部分から、前記段差部301を越えて、周辺領域のコンタクト部302でシリコン基板200と電気的に接続される。シリコン基板200の電位を制御することで、コンタクト部302を介して遮光層109の電位を制御することが出来る。
よって、遮光層109に基板200から電位を供給し、遮光層109の電位を固定することができる。光電変換素子101や電荷保持部102、基板200のウェル領域等と配線との間に、この電位が固定された遮光層109を配することで、光電変換素子101や電荷保持部102、ウェル領域が配線の影響を受けるのを抑制することができる。これは、電位が固定された遮光層109がシールドとして機能することで、光電変換素子101や電荷保持部102、ウェル領域等と配線とのカップリングによる電荷保持部102やウェル領域の電位の変動を抑制することができるためである。
遮光層109には、グランド電位が供給されてもよく、また、別の電位が供給されていてもよい。例えば、負の電位が供給されることで、電荷保持部102の埋め込み型を強化する構成としてもよい。また、画素領域の配線のインピーダンスを低減するための、補助配線として用いてもよい。
なお、本実施例において遮光層109は列毎に独立しているが、画素領域内もしくは周辺領域において連続していてもよい。例えば、遮光層109が画素領域において、全面を覆い、光電変換素子101と平面視において重なる部分に開口を有する構成であってもよい。
図3(b)において、段差部301より画素側には、反射防止膜として機能する絶縁層211及び絶縁層212と、シリコン酸化膜からなり密着層として機能する絶縁層213が配されている。よって、絶縁層212と接し、絶縁層212の上に形成される絶縁層213と、絶縁層212との屈折率が異なる。絶縁層211、絶縁層212、及び絶縁層213は、例えば、それぞれ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びシリコン酸化膜とすることができる。
段差部301より周辺回路側ではシリコン基板200の表面側(ゲート電極等が配される側)に金属シリサイド領域402が形成され、その上にシリコン窒化膜から成る絶縁層403とシリコン酸化膜からなる絶縁層213が配されている。
また周辺領域における、シリコン基板200と遮光層109のコンタクト部302が形成される領域に、金属シリサイド領域402が形成されていてもよい。金属シリサイドにより、遮光層109とシリコン基板200との接触抵抗を低減することが出来る。
段差部301には、絶縁層211、絶縁層212、絶縁層401、絶縁層403、絶縁層213が配され、絶縁膜のエッチングにより形成された段差411と段差412が形成されている。図3(b)では、段差部301において、光電変換素子101上より延在している絶縁層211及び212が端部を有し、また、絶縁層401の端部が該絶縁層211及び212の端部と揃っている。絶縁層401の上に形成されている絶縁層403は、これら絶縁層211、212、及び401の端部に起因する段差411を有する。
また、図3(b)では、段差部301において、周辺領域のコンタクト部302より延在し、絶縁層401の上に配される絶縁層403が端部を有する。絶縁層401は前記絶縁層401の端部を揃っており、絶縁層401及び403の端部が段差412を形成している。
絶縁層401及び絶縁層403は、それぞれ、例えばシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜とすることができる。段差411と段差412を形成する絶縁層の側面には、それぞれ段差緩衝部として機能する絶縁部材413及び絶縁部材414が形成されている。すなわち、絶縁層403の段差411における側面には、絶縁部材413が配され、段差412を形成する絶縁層401及び403の端部には、絶縁部材414が配されている。
図3(b)に示すように、絶縁層403の上端において絶縁層403の上面421と側面424が成す角A1より、絶縁層403及び絶縁部材413が成す上端において絶縁膜403の上面421と絶縁部材413の側面422が成す角A2の方が大きい。また、絶縁層403のもう一方の上端において絶縁層403の上面421と側面425が成す角B1より、絶縁層403及び絶縁部材414が成す上端において絶縁膜403の上面421と絶縁部材414の側面423が成す角B2の方が大きい。よって、絶縁部材413及び絶縁部材414は、絶縁層211、212、401及び403に起因する段差411及び412を緩和する段差緩和部材として機能する。
ここで、絶縁層403及び絶縁部材413が成す上端において絶縁膜403の上面と絶縁部材413の側面が成す角における絶縁部材413の側面とは、上に凸の曲面であり、図3(b)において絶縁層213と接する部分を指す。同様に、絶縁層403及び絶縁部材414が成す上端において絶縁膜403の上面と絶縁部材414の側面が成す角における、絶縁部材414の側面とは、上に凸の曲面であり、図3(b)において絶縁層213と接する部分を指す。
図3(b)では、絶縁層403の上面421を一点鎖線、片方の側面424を2点鎖線、もう一方の側面425を直線、絶縁部材413の側面422及び423を破線で示している。図3(c)に、絶縁層403の上端において絶縁層403の上面421と側面424が成す角A1、絶縁層403及び絶縁部材413が成す上端において絶縁膜403の上面421と絶縁部材413の側面422が成す角A2を示す。また、絶縁層403のもう一方の上端において絶縁層403の上面421と側面425が成す角B1、及び絶縁層403及び絶縁部材414が成す上端において絶縁膜403の上面421と絶縁部材414の側面423が成す角B2を示す。
遮光層109は、画素領域の電荷保持部102を覆い、周辺領域においてシリコン基板200と電気的に接続するように配されている。遮光層109は、平面視において、前記電荷保持部102を覆う部分と、前記シリコン基板200と接続される部分の間の段差部301において、絶縁層端部に起因する段差を覆っている。よって、図3(b)に示す断面において、絶縁層211、212、401、403、及び213は、シリコン基板200及び遮光層109の間に配されている。
段差部310において、絶縁層に起因する段差411、412には、段差緩和のための絶縁部材413及び414が配されている。よって、遮光層109は、絶縁部材413及び414の形状に倣った上面形状を有する形状となる。すなわち、段差411及び412に起因した、遮光層109の段切れや膜厚の低下を抑制することができる。よって、例えば、遮光層109の、平面視において絶縁層401と重なる部分の膜厚を、絶縁層401の端部の膜厚の2倍より小さく、更に、絶縁層401の端部の膜厚より小さくすることができる。
ここで、遮光層109が、部材Aの形状に倣った上面形状を有する、とは、部材Aの上面形状と同じ上面形状を有するだけでなく、部材Aの上面形状に影響をうけた上面形状を有する構成を含む。よって、部材Aの上に平坦化膜が形成され、その上に遮光層109が形成された場合には、遮光層109は、部材Aの形状によらず平坦な上面形状を有することとなる。このような場合には、遮光層109は、部材Aの形状にならった上面形状は有さない。
また、図3(b)では、遮光層109が、周辺領域において絶縁層403(及び絶縁層213)に設けられた開口415内でシリコン基板200の金属シリサイド領域402と接続される例を示す。これにより、遮光層109がシリコン基板200と電気的に接続される。この場合、コンタクト部302は、開口415内で金属シリサイド領域402と遮光層109が接続している部分となる。しかし、本実施形態はこれに限定されず、開口415内に配され、シリコン基板200(またはシリサイド領域402)と接続され、遮光層109とは異なる導電部材を設ける構成としてもよい。この場合、コンタクト部は、導電部材とシリコン基板200(またはシリサイド領域402)とが接している部分となる。
図3(b)に示す構成では、絶縁部材413及び414が配されたシリコン基板200上には、絶縁部材413、414、絶縁層212及び403を覆うように絶縁層213が配されている構成としたが、絶縁層213がない構成としてもよい。
図3(b)と同様の断面において、本実施形態の固体撮像装置を形成する工程を図4(a)〜(c)、図5(a)〜(c)、及び図6(a)及び(b)を用いて説明する。図4(a)〜(c)図5(a)〜(c)、及び図6(a)及び(b)は、本実施形態の固体撮像装置の一部の製造工程を示す。
シリコン基板200に不図示の画素領域において、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)などの方法によって分離部を形成し、続いて不純物注入により、電荷変換部、電荷保持部、FD部などを画素領域に形成する。続いてトランジスタのゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。
これにより、画素領域において、図2(b)に記載の光電変換素子101の半導体領域121、電荷保持部102の半導体領域122、及びトランジスタのゲート電極104乃至106及び108が形成される。また、周辺領域において、図2(c)に記載のトランジスタの半導体領域112及びゲート電極110が形成される。なお、不純物注入工程は、一部をゲート電極形成前に行い、一部を、ゲート電極形成後に行ってもよい。
次に、図4(a)において、シリコン基板200上に、絶縁膜1211及び絶縁膜1212を形成する。シリコン基板200上には、不図示の、画素領域において、光電変換素子101の半導体領域121、電荷保持部102の半導体領域122、及びトランジスタのゲート電極104乃至108、周辺領域においてトランジスタのゲート電極が形成されている。絶縁膜1211及び1212は、反射防止膜として機能し、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を堆積させて形成することができる。
図4(a)では、さらに、周辺領域においてシリコン基板200に金属シリサイド領域402を形成する際、画素領域を覆う、シリサイド化保護膜となる絶縁膜1401を絶縁膜212の上に形成した状態を示している。絶縁膜1401は、例えばシリコン酸化膜401で形成することができる。なお、絶縁膜1212は、後に画素領域のコンタクト開口を形成する際のエッチングストップ膜としても機能し得る。
次に、絶縁膜1211、1212、及び1401の一部を除去して、絶縁層211、212、及び401を形成する(図4(b))。例えば、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを行い、絶縁膜1211、1212、及び1401が少なくとも画素領域に残るようにパターンの形成を行う。これにより絶縁211、212、及び401の端部に起因する段差411が、画素領域の電荷保持領域102と周辺領域のコンタクト部302の間に形成される。
絶縁膜1211、1212、及び1401は、一部除去後も、光電変換素子101の半導体領域121及び201を覆っている。なお、この時、少なくとも絶縁膜1211、1212、1401のいずれか1つの一部によって、周辺領域のトランジスタのゲート電極の側面に、サイドウォールが形成されてもよい。
次に、コバルトなどの高融点金属と該高融点金属の酸化防止膜としての窒化チタンとで構成される積層膜を形成する。ここで、高融点金属としては、コバルトのほかに、チタン、ニッケル、タングステン、モリブデン、タンタル、クロム、パラジウム、プラチナ等を挙げることができる。また、高融点金属の酸化防止膜としては、窒化チタンのほかに、ニッケルやチタン等を挙げることができる。次いで、該積層膜を熱処理する。この熱処理により、周辺領域の少なくとも一部でシリコン基板200に金属シリサイド領域402を形成する(図4(c))。次いで、未反応の高融点金属を含む積層膜を除去する。
この時、基板200において絶縁層211、212、及び401に覆われた領域は、高融点金属膜と接しておらず、金属シリサイド領域が(金属元素の拡散によって形成される部分を除いて)形成されない。よって、絶縁層211、212、及び401の、段差411を形成する端部と、金属シリサイド領域402の端部は、平面視においてほぼ一致する。
ここでは、絶縁層211及び212の端部と絶縁層401の端部が揃っている例を示すが、後述するように、絶縁層211及び212の端部より絶縁層401の端部が周辺領域のコンタクト部302に近くてもよい。この場合にも、絶縁層401がシリサイド化保護膜として機能するため、基板200において、絶縁層401で覆われた領域には、金属シリサイド領域402は形成されない。
金属シリサイド領域402形成後、周辺領域のコンタクト開口形成時のエッチングストップ膜となる絶縁層403を形成するため、絶縁層401及び金属シリサイド領域402上に、絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、例えばシリコン窒化膜で形成することができる。この絶縁膜の一部を除去して、周辺領域の少なくとも一部に形成された絶縁層403を形成する。
このとき、周辺領域に形成された金属シリサイド領域が露出される領域があると、金属シリサイド領域が剥離し、パーティクルとなって歩留まりの低下を引き起こすことがある。よって、金属シリサイド領域402を露出させないように、絶縁層211、212、及び401と平面視において重なる部分を一部残すように絶縁膜をエッチングして絶縁層403を形成する。なお、絶縁層403をエッチングストップ膜として用いない場合は、絶縁層403の材料は特に限定されない。
該絶縁膜の一部の除去は、例えばドライエッチングにより行うことができる。この際、絶縁層403となる絶縁膜に続いて絶縁層401のエッチングも行う。これにより段差412が形成される。この状態の断面図を図5(a)に示す。
次に、例えばシリコン酸化物を堆積させて、端部を有する絶縁層401、403の上に絶縁膜を形成し、マスクを用いずウエハ全面でドライエッチングを行う、所為エッチバックにより、絶縁部材413及び414を形成する。絶縁部材413は、絶縁層403の段差411を構成している側面に形成され、絶縁部材414は、段差412を構成している、絶縁層401及び403の端部の側面に形成される。この状態の断面図を図5(b)に示す。このとき、画素領域および周辺領域のゲート電極の側面に絶縁部材が形成されてもよい。
次に、絶縁部材413、414、絶縁層403及び212上に、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜1213を形成する。絶縁膜1403をエッチストッパ膜として、周辺領域において、絶縁膜1213の一部をエッチング等により除去し、開口415aを有する絶縁層213を形成する(図5(c))。
開口415a形成後、周辺領域において金属シリサイド領域402が露出するよう、絶縁膜1213の一部であって、平面視において開口415aと重なる部分をエッチング等によって除去し、開口415を有する絶縁層403を形成する(図6(a))。よって、開口415は、平面視において、周辺領域の金属シリサイド領域402と重なる領域に配される。絶縁層213は、密着層として機能する。シリコン基板200と遮光層109の距離が近いほど遮光性が向上するため、絶縁層213の膜厚は、小さくすることが好ましい。
次に、スパッタリングによりタングステンなどの導電材料を堆積させパターニングを行うことで遮光層109を形成する(図6(b))。上述の通り、遮光性能の面から、電荷保持部102の上面と遮光層109の距離が近いことが好ましい。よって、絶縁層403や絶縁部材413、414と、遮光層109との間に配される絶縁層213は膜厚が薄い。絶縁層213以外の層が絶縁層403や絶縁部材413、414と、遮光層109との間に配される場合にも、配される層の膜厚は薄いものとすることが好ましい。よって、遮光層109は、絶縁部材413及び414の形状に対応する形状、すなわち、絶縁部材413及び414の形状に倣った上面形状を有する。
ここで、絶縁部材413、414が形成されていない場合、段差411及び段差412において、遮光層109は、膜厚が薄くなる若しくは切断する可能性があり、それにより導通不良となり得る。本実施の形態では、絶縁層211、212、401、403のいずれかの端部に起因する段差を緩和するように、絶縁層端部の側面に少なくとも絶縁部材413及び414のいずれかを形成する。これにより、絶縁層211、212、401、403及び絶縁部材の上に形成される遮光層109の導通不良を抑制することが出来る。
その後、公知の方法により層間絶縁間214、配線、層内レンズ、カラーフィルタ、マイクロレンズなどの形成を行う。以上の構成により、電荷保持部102および遮光層109を備えたグローバル電子シャッタ機能を持つ固体撮像装置において、遮光層109の電位制御を安定して行うことが可能となる。
なお、本発明は上記構成に制限されるものではない。例えば、本実施形態では遮光層109とシリコン基板200の接合を金属シリサイド領域402上に形成する例を示しているが、遮光層と金属シリサイド化されていないシリコン基板200とで接合を形成することも可能である。また、本実施形態においては、開口415の形成により生じる、絶縁層211及び212によって形成される段差に関しては、遮光層109の膜厚に対して小さいため、段差緩和部材として機能する絶縁部材の形成は行っていない。しかし、開口415においても段差緩和部材として絶縁部材を配する構成としてもよい。その他種々の変更、改良、組み合わせが可能である。
(第2実施形態)
第2実施形態の固体撮像素子の製造方法について、図7(a)〜(c)、図8(a)〜(c)を用いて説明する。なお、上記第1実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略し又は簡略にする。
第1実施形態と同様に、シリコン基板200に不図示の画素領域において、光電変換素子101の半導体領域121、電荷保持部102の半導体領域122、及びトランジスタのゲート電極が形成される。また、周辺領域において、トランジスタの半導体領域112及びゲート電極110が形成される。その後、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜とシリコン窒化膜からなる絶縁膜を堆積させ、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁層の一部を除去することで、反射防止膜として機能する絶縁層211と絶縁層212を形成する。
これにより、絶縁層211及び212に起因した段差501が形成される(図7(a))。また、この時、同時に、絶縁層211及び212となる絶縁膜から、周辺領域において、トランジスタのゲート電極の側面にサイドウォールを形成してもよい。
次に、絶縁層211及び212が形成されたシリコン基板200上に、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成し、エッチング等により一部を除去することで、シリサイド化保護膜として機能する絶縁層401を形成する。これにより、絶縁層401の端部に段差502が形成される。
次に、さらにコバルトなどの高融点金属を堆積させ熱処理を行うことで、周辺領域の少なくとも一部において、シリコン基板200に金属シリサイド領域402を形成する(図7(b))。ここで、基板200において、絶縁層401に覆われている部分には(金属元素の拡散によって形成される部分を除いて)金属シリサイド領域402は形成されない。よって、絶縁層401の端部と金属シリサイド領域402の端部は、平面視においてほぼ一致する。
続いて、絶縁層211、212、及び401が形成されたシリコン基板200上に、例えばシリコン窒化膜を形成し、一部を除去することで、エッチングストップ膜として機能する絶縁層403を形成する。絶縁像403は、周辺領域の少なくとも一部に形成される。この際、シリコン窒化膜に続いて絶縁層401もエッチング等により一部が除去される(図7(c))。絶縁層401及び403は、金属シリサイド領域402が露出されないように行われるため、絶縁層401と絶縁層403は、積層された部分を有する。これにより、絶縁層401及び403の端部に起因する段差503が形成される。
次に、シリコン酸化膜等の絶縁膜を形成し、パターニングせずウエハ全面でドライエッチングを行う、エッチバックを行うことにより、絶縁部材511、512及び513を形成する。絶縁部材511は、絶縁層211及び212の端部の側面に配され、絶縁部材512は、絶縁層403の、絶縁層401の端部に起因する段差502を形成する部分の側面に配されている。また、絶縁部材503は、絶縁層401及び403の端部の側面に配されている(図8(a))。なお、このときに画素領域および周辺領域のトランジスタのゲート電極の側面にも、絶縁部材511、512及び513と同じ絶縁膜から、サイドウォールが形成される構成としてもよい。
続いて、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成し、周辺領域において、平面視で金属シリサイド領域402と重なる一部を除去して開口を形成し、絶縁層213を形成する。このとき、絶縁層403がエッチングストッパ膜として機能する。次に、絶縁層403の、該開口と平面視で重なる部分をエッチング除去することで、金属シリサイド領域402が露出するように開口415を形成する(図8(b))。
その後、例えばスパッタリングにより、タングステン等の導電材料からなる膜を形成し、パターニングを行うことで遮光層109を形成する(図8(c))。遮光層109の、開口415においてシリコン基板200と接続される部分がコンタクト部302となる。遮光層109は、実施形態1と同様に、電荷蓄積部102、段差501、502、及び503を覆い、周辺領域のコンタクト部302で、シリコン基板200と電気的に接続される。
本実施形態においても絶縁層211、212、401、403のいずれかの端部に起因する段差を緩和するように、絶縁層端部の側面に少なくとも絶縁部材511、512、及び513のいずれかを形成する。これにより、絶縁層211、212、401、403及び絶縁部材の上に形成される遮光層109の導通不良を抑制することが出来る。
(第3実施形態)
本実施形態に係る撮像システムを説明する。本実施形態では、第1または第2実施形態に係る固体撮像装置の適用例として、撮像システムの例について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファクシミリ、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図9に、本実施形態に係る撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
図9において、撮像システムは、レンズの保護のためのバリア1001、被写体の光学像を固体撮像装置1004に結像させるレンズ1002、レンズ1002を通った光量を可変するための絞り1003、メカニカルシャッタ1005を備える。撮像システムは上述の第1または第2実施形態で説明した固体撮像装置1004をさらに備え、固体撮像装置1004はレンズ1002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、固体撮像装置1004の半導体基板にはAD変換部が形成されているものとする。
撮像システムはさらに信号処理部1007、タイミング発生部1008、全体制御・演算部1009、メモリ部1010、記録媒体制御I/F部1011、記録媒体1012、外部I/F部1013を備える。信号処理部1007は固体撮像装置1004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。タイミング発生部1008は固体撮像装置1004および信号処理部1007に各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部1009はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部1010は画像データを一時的に記憶するためフレームメモリとして機能する。記録媒体制御I/F部1011は記録媒体に記録または読み出しを行う。
記録媒体1012は着脱可能な半導体メモリ等から構成され、撮像データの記録または読み出しを行う。外部I/F部1013は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。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固体撮像装置1004と、固体撮像装置1004から出力された撮像信号を処理する信号処理部1007とを有すればよい。
(他の実施形態)
上述した実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
101 光電変換素子
102 電荷保持部
109 遮光層
402 金属シリサイド領域
211 絶縁層
212 絶縁層
213 絶縁層
401 絶縁層
402 金属シリサイド領域
403 絶縁層
413 絶縁部材
414 絶縁部材
511 絶縁部材
512 絶縁部材
513 絶縁部材

Claims (21)

  1. 画素領域において、光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された電荷が転送される電荷保持部と、を有する画素と、
    周辺領域において、前記画素からの信号を処理する周辺回路と、
    前記画素領域及び前記周辺領域に配され、前記周辺領域にあるコンタクト部において、基板と電気的に接続される遮光層と、
    平面視において前記電荷保持部と前記コンタクト部との間に側面を有し、前記平面視の平面に対して垂直な断面において前記基板と前記遮光層との間に配された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層の前記側面に配された第1絶縁部材と、
    を有し、
    前記第1絶縁層の上面と前記第1絶縁層の側面が成す角より、前記第1絶縁層の前記上面と前記第1絶縁部材の側面が成す角の方が大きくなるよう配され、
    前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁部材と重なる部分は、前記第1絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する固体撮像装置。
  2. 光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された電荷が転送される電荷保持部と、を有する画素を有する画素領域と、
    前記画素からの信号を処理する周辺回路が配された周辺領域と、
    前記画素領域及び前記周辺領域に配され、前記周辺領域にあるコンタクト部において基板と電気的に接続される遮光層と、
    平面視において前記電荷保持部と前記コンタクト部との間に端部を有し、前記平面視の平面に対して垂直な断面において前記基板と前記遮光層との間に配された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層の前記端部の側面に配され、前記端部に起因する段差を緩和する第1絶縁部材と、
    を有し、
    前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁部材と重なる部分は、前記第1絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する固体撮像装置。
  3. 前記断面において、前記基板と、前記第1絶縁層の間に配された第2絶縁層を有することを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第2絶縁層は、前記断面において、前記基板と前記第1絶縁層との間に端部を有し、
    前記第1絶縁層は、前記第2絶縁層の前記端部を覆い、前記第2絶縁層の端部に起因する段差を有し、
    前記第1絶縁層において前記段差を有する部分の側面に第2絶縁部材が配されていることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第2絶縁層は、前記断面において、前記第1絶縁層の端部と揃ったもう1つの端部を有し、
    前記第1絶縁部材は、前記第1絶縁層の前記端部の前記側面及び前記第2絶縁層の前記もう1つの端部の側面に配されていることを特徴とする請求項3または4に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第1絶縁層は、前記遮光層が前記基板に電気的に接続されるための開口を前記周辺領域において有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記遮光層は、前記基板に形成されたシリサイド領域を介して前記基板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記断面において、前記基板と前記第2絶縁層との間に配された第3絶縁層を有し、
    前記第3絶縁層は、前記第2絶縁層の前記もう1つの端部と揃った端部を有し、
    前記第3絶縁層は、前記平面視において前記電荷保持部を覆っていることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁層と重なる部分の膜厚が、前記第1絶縁層の前記端部の膜厚の2倍より小さいことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記遮光層の、前記平面視において前記第1絶縁層と重なる部分の膜厚が、前記第1絶縁層の前記端部の膜厚より小さいことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  11. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置が出力する信号を処理する信号処理部と、
    を有する撮像システム。
  12. 画素領域において、光電変換素子の半導体領域、電荷保持部の半導体領域、及びトランジスタのゲート電極が形成され、周辺領域においてトランジスタのゲート電極が形成された基板に、第1絶縁膜を形成し、
    前記第1絶縁膜の一部を除去して第1絶縁層を形成し、
    前記第1絶縁膜の一部の除去により生じた前記第1絶縁層の端部の側面に、前記端部に起因した段差を緩和する絶縁部材を形成し、
    前記電荷保持部の半導体領域、前記第1絶縁層の端部、及び前記絶縁部材を覆い、前記基板と前記周辺領域で電気的に接続される遮光層を形成し、
    前記遮光層の、平面視において前記絶縁部材と重なる部分は、前記絶縁部材の形状に倣った上面形状を有する
    固体撮像装置の製造方法。
  13. 前記絶縁部材は、前記端部を有する前記第1絶縁層の上に第2絶縁膜を形成し、前記第2絶縁膜をドライエッチングにより除去することで形成される請求項12に記載の固体撮像装置の製造方法。
  14. 前記基板に第3絶縁膜を形成し、前記第3絶縁膜の一部を除去して第2絶縁層を形成し、
    前記第1絶縁膜は、前記第2絶縁層の上に形成され、
    前記第1絶縁膜の前記一部を除去する工程で、前記第2絶縁層の別の一部も除去される、請求項13に記載の固体撮像装置の製造方法。
  15. 前記第3絶縁膜の前記一部を除去して少なくとも前記画素領域にある前記第2絶縁層を形成した後、前記第1絶縁膜の形成前に、少なくとも前記周辺領域に金属膜を形成し熱処理することで、前記周辺領域の少なくとも一部で金属シリサイド領域を形成する、請求項14に記載の固体撮像装置の製造方法。
  16. 前記第1絶縁膜の形成前の前記第3絶縁膜の一部が除去される工程において、前記第3絶縁膜の除去される一部は、前記第3絶縁膜の、前記周辺領域の前記トランジスタの半導体領域の上の部分を含む、請求項14または15に記載の固体撮像装置の製造方法。
  17. 前記第3絶縁膜の形成前に前記基板に第4絶縁膜を形成する工程を更に有し、
    前記第3絶縁膜の一部が除去される工程において、前記第4絶縁膜の一部も除去されて第3絶縁層が形成され、
    前記一部の除去後も、前記第4絶縁膜は、前記光電変換素子の前記半導体領域を覆う、請求項14乃至16のいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法。
  18. 前記第4絶縁膜の一部が除去される工程において、前記第4絶縁膜の除去される前記一部は、前記周辺領域に形成された前記第4絶縁膜であり、前記第4絶縁膜の屈折率は、前記第4絶縁膜の上に、前記第4絶縁膜と接して形成される絶縁膜とは異なる、請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法。
  19. 前記遮光層の形成前に、前記周辺領域において、前記第1絶縁層に開口を形成し、
    前記遮光層は、前記開口において前記基板と電気的に接続される、請求項12乃至18のいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法。
  20. 前記遮光層の形成前に、
    前記電荷保持部の半導体領域、前記第1絶縁層、及び前記絶縁部材を覆う第5絶縁膜を形成し、
    前記第1絶縁層をエッチングストップ膜として、前記第5絶縁膜の一部を除去することで開口を形成する、
    請求項1乃至18のいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法。
  21. 前記第5絶縁膜の一部を除去することで前記開口を形成した後、
    前記開口において前記第1絶縁層の一部を除去することで、前記第1絶縁層に開口を形成し、
    前記遮光層は、前記開口において前記基板と接続される、
    請求項20に記載の固体撮像装置の製造方法。
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