JP2018098495A - Solid-state imaging device, manufacturing method of the same, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関し、特に、貫通電極の微細化を可能とする固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関する。 The present technology relates to a solid-state imaging device, a manufacturing method thereof, and an electronic device, and more particularly, to a solid-state imaging device capable of miniaturizing a through electrode, a manufacturing method thereof, and an electronic device.
近年、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサにおいては、画素サイズの縮小が図られている。しかしながら、これに伴い、単位画素に入射するフォトンの減少による感度の低下や、S/Nの低下が起きてしまう。 In recent years, pixel size reduction has been achieved in charge coupled device (CCD) image sensors and complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensors. However, in accordance with this, a decrease in sensitivity due to a decrease in photons incident on the unit pixel and a decrease in S / N occur.
一方、赤(R),緑(G),青(B)の画素を平面上に並べた画素配列として、例えば原色カラーフィルタを用いたベイヤ配列が、現在広く知られている。しかしながら、ベイヤ配列では、R画素においてG,Bの光はカラーフィルタを透過せず光電変換に用いられないため、感度の面での損失が生じたり、画素間の補間処理によって偽色が発生してしまう。 On the other hand, for example, a Bayer array using primary color filters is widely known as a pixel array in which red (R), green (G), and blue (B) pixels are arranged on a plane. However, in the Bayer array, G and B light does not pass through the color filter and are not used for photoelectric conversion in the R pixel, so that loss in sensitivity occurs or false color occurs due to interpolation processing between pixels. End up.
これらに対して、3層の光電変換層を縦方向に積層し、1画素で3色分の色信号を得る手法が知られている。例えば、Si基板上に設けられた光電変換膜でGの光を検出し、Si基板内で積層された2つのフォトダイオード(PD)でR,Bの光を検出する構造が提案されている。 On the other hand, a method is known in which three photoelectric conversion layers are stacked in the vertical direction to obtain color signals for three colors with one pixel. For example, a structure has been proposed in which G light is detected by a photoelectric conversion film provided on a Si substrate, and R and B light are detected by two photodiodes (PD) stacked in the Si substrate.
このような構造では、光電変換膜で発生した電荷を、Si基板の反対側の面に形成されたフローティングディフュージョン(FD)に転送する必要がある。これに対して、例えば特許文献1には、半導体基板の表面と裏面との間で画素毎に貫通電極を設け、光電変換膜で発生した電荷をFDに転送する構造が開示されている。
In such a structure, it is necessary to transfer the charge generated in the photoelectric conversion film to a floating diffusion (FD) formed on the opposite surface of the Si substrate. On the other hand, for example,
しかしながら、特許文献1に開示されている構造では、貫通電極の微細化ができなかった。具体的には、Siで構成された貫通電極では、製造工程上、微細化に限界があった。また、金属で構成された貫通電極では、半導体基板の表面や裏面で接続されるコンタクトとのアライメントずれが発生し、コンタクト抵抗が増大するおそれがあった。
However, in the structure disclosed in
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、確実に、貫通電極の微細化を可能とするようにするものである。 The present technology has been made in view of such a situation, and surely enables miniaturization of the through electrode.
本技術の固体撮像装置は、半導体基板の第1の面側に形成された配線層と、前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極とを備える。 A solid-state imaging device according to an embodiment of the present technology includes a wiring layer formed on a first surface side of a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element formed on a second surface side of the semiconductor substrate, and one end extending from the first surface. A through-electrode formed so as to penetrate through and connect to the wiring layer, and to connect the other end to the photoelectric conversion element.
前記貫通電極は、画素毎に形成され、前記貫通電極の他端は、前記光電変換素子において画素毎に設けられた電極に接続され、前記配線層は、画素毎に形成され、フローティングディフュージョンおよび増幅トランジスタに接続されるようにすることができる。 The through electrode is formed for each pixel, the other end of the through electrode is connected to an electrode provided for each pixel in the photoelectric conversion element, and the wiring layer is formed for each pixel, and the floating diffusion and amplification It can be connected to a transistor.
前記配線層は、他の配線層よりも前記第2の面に近い側に形成されるようにすることができる。 The wiring layer may be formed closer to the second surface than the other wiring layers.
前記貫通電極の他端は、前記光電変換素子において各画素に共通して設けられた電極に接続され、前記配線層は、電源配線に接続されるようにすることができる。 The other end of the through electrode may be connected to an electrode provided in common for each pixel in the photoelectric conversion element, and the wiring layer may be connected to a power supply wiring.
本技術の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の第1の面側に、配線層を形成し、一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続されるように貫通電極を形成し、前記半導体基板の第2の面側に、前記貫通電極の他端が接続されるように光電変換素子を形成するステップを含む。 In the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present technology, a wiring layer is formed on a first surface side of a semiconductor substrate, and a through electrode is provided so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer. And forming a photoelectric conversion element so that the other end of the through electrode is connected to the second surface side of the semiconductor substrate.
本技術の電子機器は、半導体基板の第1の面側に形成された配線層と、前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極とを有する固体撮像装置を備える。 An electronic device of the present technology includes a wiring layer formed on a first surface side of a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element formed on a second surface side of the semiconductor substrate, and one end penetrating the first surface. A solid-state imaging device having a through electrode connected to the wiring layer and having the other end connected to the photoelectric conversion element.
本技術においては、配線層が、半導体基板の第1の面側に形成され、貫通電極が、一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続されるように形成され、光電変換素子が、前記半導体基板の第2の面側に、前記貫通電極の他端が接続されるように形成される。 In the present technology, the wiring layer is formed on the first surface side of the semiconductor substrate, the through electrode is formed so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer, and photoelectric conversion is performed. The element is formed so that the other end of the through electrode is connected to the second surface side of the semiconductor substrate.
本技術によれば、確実に、貫通電極の微細化が可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。 According to the present technology, the through electrode can be surely miniaturized. Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
以下、本開示を実施するための形態(以下、実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。 Hereinafter, modes for carrying out the present disclosure (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The description will be given in the following order.
1.固体撮像装置の構成例
2.第1の実施の形態
3.画素の製造工程
4.第2の実施の形態
5.上部電極に電圧を印加する構成の製造工程
6.第3の実施の形態
7.貫通電極と固定電荷膜が接触しない構成の製造工程
8.第4の実施の形態
9.貫通電極を基板表面から形成する製造工程
10.電子機器の構成例
11.イメージセンサの使用例
1. 1. Configuration example of solid-
<1.固体撮像装置の構成例>
図1は、本技術の固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
<1. Configuration Example of Solid-State Imaging Device>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to the present technology.
固体撮像装置10は、CMOSイメージセンサとして構成される。固体撮像装置10は、図示せぬ半導体基板(例えばSi基板)に複数の画素20が規則的に2次元アレイ状に配列された画素領域(画素アレイ)21と、周辺回路部とを有する。
The solid-
画素20は、光電変換部(例えばフォトダイオード)と、複数の画素トランジスタ(MOSトランジスタ)を有する。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、および増幅トランジスタの3つのトランジスタで構成することができる。また、複数の画素トランジスタは、選択トランジスタを追加して4つのトランジスタで構成することもできる。なお、単位画素の等価回路は一般的なものと同様であるので、詳細な説明は省略する。
The
また、画素20は、1つの単位画素として構成することもできるし、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数のフォトダイオードが、フローティングディフュージョン、および転送トランジスタ以外の他のトランジスタを共有する構造である。
In addition, the
なお、詳細な説明は後述するが、画素20は、光電変換部が積層されて構成される。
Although detailed description will be given later, the
周辺回路部は、垂直駆動回路22、カラム信号処理回路23、水平駆動回路24、出力回路25、および制御回路26を有する。
The peripheral circuit unit includes a vertical drive circuit 22, a column
制御回路26は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置10の内部情報などのデータを出力する。また、制御回路26は、垂直同期信号、水平同期信号、およびマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路22、カラム信号処理回路23、および水平駆動回路24などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路26は、これらの信号を垂直駆動回路22、カラム信号処理回路23、および水平駆動回路24などに入力する。
The control circuit 26 receives an input clock and data for instructing an operation mode and outputs data such as internal information of the solid-
垂直駆動回路22は、例えばシフトレジスタによって構成される。垂直駆動回路22は、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路22は、画素領域21の各画素20を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、垂直駆動回路22は、垂直信号線27を通して各画素20の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、カラム信号処理回路23に供給する。
The vertical drive circuit 22 is configured by a shift register, for example. The vertical drive circuit 22 selects a pixel drive wiring, supplies a pulse for driving the pixel to the selected pixel drive wiring, and drives the pixels in units of rows. That is, the vertical drive circuit 22 selectively scans each
カラム信号処理回路23は、例えば画素20の列毎に配置される。カラム信号処理回路23は、1行分の画素20から出力される信号に対して画素列毎に、ノイズ除去などの信号処理を行う。具体的には、カラム信号処理回路23は、画素20固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling)や、信号増幅、A/D(Analog/Digital)変換などの信号処理を行う。カラム信号処理回路23の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線28との間に接続されて設けられる。
The column
水平駆動回路24は、例えばシフトレジスタによって構成される。水平駆動回路24は、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路23それぞれを順番に選択し、カラム信号処理回路23それぞれからの画素信号を水平信号線28に出力させる。
The
出力回路25は、カラム信号処理回路23の各々から水平信号線28を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路25は、例えば、バッファリングだけ行う場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などを行う場合もある。
The
入出力端子29は、外部と信号のやりとりをする。
The input /
<2.第1の実施の形態>
図2は、本技術の第1の実施の形態に係る固体撮像装置10の断面図である。
<2. First Embodiment>
FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-
図2には、固体撮像装置10を構成する画素領域21および周辺回路部31の断面が示されている。
FIG. 2 shows a cross section of the
固体撮像装置10において、Siなどからなる半導体基板50の表面50A(第1の面)側には、多層配線層60が形成される。また、半導体基板50の受光面となる裏面50B(第2の面)側には、絶縁膜70を介して、光電変換素子としての有機光電変換部80が形成される。
In the solid-
画素領域21において、各画素20は、それぞれ異なる波長域の光を選択的に検出して光電変換を行う1つの有機光電変換部80と、2つの無機光電変換部51,52(PD1,PD2)とが縦方向に積層された積層構造を有する。無機光電変換部51,52は、半導体基板50内に埋め込まれる形で形成されている。
In the
有機光電変換部80は、例えば、2種類以上の有機半導体材料を含んで構成される。有機光電変換部80は、有機半導体を用いて、選択的な波長域の光、すなわち、ここでは緑色光を吸収して、電子−正孔対を発生させる有機光電変換素子で構成される。有機光電変換部80は、画素20毎に設けられた、信号電荷を取り出すための下部電極81と、各画素20に共通して設けられた上部電極82との間に、有機光電変換層(有機半導体層)83を挟み込んだ構成を有する。
The organic
下部電極81は、半導体基板50内に形成された無機光電変換部51,52の受光面と対向してこれらの受光面を覆う領域に設けられている。下部電極81は、光透過性を有する導電膜により構成され、例えば、インジウム錫酸化物(ITO)により構成される。インジウム錫酸化物の他にも、下部電極81の構成材料として、ドーパントを添加した酸化スズ(SnO2)系材料またはアルミニウム亜鉛酸化物(ZnO)にドーパントを添加してなる酸化亜鉛系材料を用いてもよい。酸化亜鉛系材料としては、例えば、ドーパントとしてアルミニウム(Al)を添加したアルミニウム亜鉛酸化物(AZO)、ガリウム(Ga)添加のガリウム亜鉛酸化物(GZO)、インジウム(In)添加のインジウム亜鉛酸化物(IZO)が挙げられる。また、この他にも、CuI,InSbO4,ZnMgO,CuInO2,MgIN2O4,CdO,ZnSnO3などが用いられてもよい。なお、下部電極81から有機光電変換層83で得られた信号電荷(電子)の取り出しが行われるので、下部電極81は画素20毎に分離されて形成される。
The
有機光電変換層83は、例えば、第1有機半導体材料、第2有機半導体材料および/または第3有機半導体材料の3種類を含んで構成される。これら3種類の有機半導体材料のいずれかは、有機p型半導体および有機n型半導体のうちの一方または両方であるとともに、選択的な波長域の光を光電変換する一方、他の波長域の光を透過させる。具体的には、有機光電変換層83は、例えば、緑(G)の波長としての450nm以上650nm以下の範囲において極大吸収波長を有する。
The organic
有機光電変換層83と下部電極81との間、および、有機光電変換層83と上部電極82との間には、図示せぬ他の層が設けられていてもよい。例えば、下部電極81側から順に、下引き膜、正孔輸送層、電子ブロッキング膜、有機光電変換層83、正孔ブロッキング膜、バッファ膜、電子輸送層、および仕事関数調整膜が積層されていてもよい。
Other layers (not shown) may be provided between the organic
上部電極82は、下部電極81と同様の光透過性を有する導電膜により構成されている。上部電極82は、各画素20に共通の電極として形成されるものとするが、画素20毎に分離されていてもよい。上部電極82の厚みは、例えば、10nm乃至200nmである。
The
無機光電変換部51,52は、それぞれ、pn接合を有するPD(フォトダイオード)であり、半導体基板50内の光路上において、裏面50B側から無機光電変換部51,52の順に形成されている。無機光電変換部51は、青色光を選択的に検出して青色に対応する信号電荷を蓄積させる。無機光電変換部51は、例えば、半導体基板50の裏面50Bに沿った選択的な領域に形成される。無機光電変換部52は、赤色光を選択的に検出して赤色に対応する信号電荷を蓄積させる。無機光電変換部52は、例えば、無機光電変換部51よりも下層(表面50A側)の領域に形成される。なお、青(B)は、例えば、450nm乃至495nmの波長域、赤(R)は、例えば、620nm乃至750nmの波長域にそれぞれ対応する色であり、無機光電変換部51,52はそれぞれ、各波長域のうちの一部または全部の波長域の光を検出可能となっていればよい。
The inorganic
以上のように、画素20は、有機光電変換部80と、2つの無機光電変換部51,52とが縦方向に積層された積層構造を有し、有機光電変換部80が緑色光を、無機光電変換部51が青色光を、無機光電変換部52が赤色光を、それぞれ吸収(検出)して光電変換するので、1画素で縦方向(層方向)の縦分光を行い、赤、緑、青の各色信号を取得することができる。
As described above, the
半導体基板50の表面50Aには、例えば、フローティングディフュージョン(FD)53、転送トランジスタ54、増幅トランジスタ55、およびリセットトランジスタ56が設けられる。このうち、FD53と増幅トランジスタ55のゲート電極55Gとは、多層配線層60を形成する配線層61乃至63のうち、最も半導体基板50の表面50Aに近い側に形成されているローカル配線層61に接続されている。ローカル配線層61は、画素20毎に形成されている。また、リセットトランジスタ56のゲート電極56Gは、コンタクト65を介して配線層63に接続されている。なお、増幅トランジスタ55は、STI(Shallow Trench Isolation)構造を有する素子分離部55sにより他の領域と分離されており、リセットトランジスタ56は、素子分離部56sにより他の領域と分離されている。
For example, a floating diffusion (FD) 53, a
さらに、半導体基板50の表面50Aには、SiN膜などからなるエッチストップ層57が形成される。
Further, an
また、各画素20において、半導体基板50には、貫通電極58が、その下端が半導体基板50の表面50Aを貫通してローカル配線層61に直接接続され、上端が下部電極81に接続されるように形成されている。特に、半導体基板50の表面50A側では、貫通電極58は、増幅トランジスタ55の素子分離部55sとリセットトランジスタ56の素子分離部56sとの間を貫通するように形成されている。貫通電極58は、W(タングステン)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Co(コバルト)、Hf(ハフニウム)、またはTa(タンタル)などの金属材料により形成される。
In each
これにより、各画素20においては、半導体基板50の裏面50B側の有機光電変換部80で生じた電荷が、貫通電極58を介して半導体基板50の表面50A側のFD53や増幅トランジスタ55に転送されるようになる。
As a result, in each
また、各画素20において、上部電極82の上には、パッシベーション膜91が形成され、パッシベーション膜91の上には、オンチップレンズ92が形成されている。
In each
<3.画素の製造工程>
次に、図3乃至図15を参照して、画素20の製造工程について説明する。
<3. Pixel manufacturing process>
Next, a manufacturing process of the
まず、図3は、無機光電変換部51,52およびFD53が形成された半導体基板50の表面50A側に、イオン注入などにより各トランジスタ54乃至56が形成され、エッチストップ層57、および層間絶縁膜101aが形成された状態を示している。エッチストップ層57は、例えば、LP−CVD(Low Pressure - Chemical Vapor Deposition)などの手法によりSiN膜などを成膜することで形成される。また、層間絶縁膜101aは、プラズマCVDなどの手法により酸化膜などを成膜し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)などの手法により表面を平坦化することで形成される。なお、半導体基板50における貫通電極58の形成予定領域50iには、高濃度の不純物領域(P++領域)が形成されるようにしてもよい。これにより、貫通電極58の形成の際に生じるダメージを軽減することができ、結果として、暗電流を低減することができる。
First, FIG. 3 shows that each of the
次に、図4に示されるように、ローカル配線層61と半導体基板50(FD53および増幅トランジスタ55)とを接続するためのコンタクトホールCH1が、パターニングおよびドライエッチングにより形成される。さらに、ローカル配線層61のための溝TR1が、パターニングおよびドライエッチングにより形成される。
Next, as shown in FIG. 4, a contact hole CH1 for connecting the
その後、図5に示されるように、コンタクトホールCH1および溝TR1に、メタルを埋め込むことでコンタクトおよびローカル配線層61が形成される。例えば、PVD(Physical Vapor Deposition)などの手法により仕事関数調整用のTi膜などが形成され、CVDなどの手法によりバリアメタルTiNやWなどが埋め込まれる。さらに、CMPなどの手法により表面の不要なメタル膜が除去される。
After that, as shown in FIG. 5, the contact and
このように、貫通電極58の一端と接続されるローカル配線層61は、WやTiなど、汚染を起こしにくい金属で形成されるものとする。
As described above, the
続いて、図6に示されるように、ローカル配線層61上に、プラズマCVDなどの手法により酸化膜などを成膜することにより、絶縁膜101bが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 6, an insulating
次いで、図7に示されるように、ローカル配線層61より上層の配線層63と半導体基板50とを接続するためのコンタクトホールを、パターニングおよびドライエッチングにより形成し、メタルを埋め込むことで、コンタクト65が形成される。例えば、PVDなどの手法により仕事関数調整用のTi膜などが形成され、CVDなどの手法によりバリアメタルTiNやWなどが埋め込まれる。さらに、CMPなどの手法により表面の不要なメタル膜が除去される。
Next, as shown in FIG. 7, a contact hole for connecting the
その後、図8に示されるように、配線層63を形成することで、多層配線層60が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the
そして、半導体基板50の表面50A側(多層配線層60)に支持基板(図示せず)または他の半導体基体などを接合して、上下反転する。
Then, a support substrate (not shown) or another semiconductor substrate is bonded to the
半導体基板50の裏面50B側においては、まず、図9に示されるように、貫通電極58が形成される位置に合わせて、レジスト111がパターニングされる。その後、図10に示されるように、ドライエッチングなどの手法によりSi(半導体基板50)を加工することで、貫通孔112が形成される。ここでのエッチングは、半導体基板50の表面50A側に形成されたエッチストップ層57でストップする。また、レジスト111のパターニングに位置ずれが生じた場合であっても、半導体基板50の表面50A側に形成されている素子分離部55s,56sがエッチングストッパとして機能する。
On the
レジスト111が除去された後、図11に示されるように、貫通孔112内に、例えばALD(Atomic Layer Deposition)などの手法により酸化膜などを形成することで、絶縁膜70aが埋め込まれる。
After the resist 111 is removed, as shown in FIG. 11, the insulating
その後、図12に示されるように、ドライエッチングなどの手法により、貫通孔112の底部に形成された絶縁膜70a、エッチストップ層57、および多層配線層60の層間絶縁膜をエッチングすることで、貫通孔112が、ローカル配線層61まで開口される。ここでのエッチングは、ローカル配線層61でストップする。
Thereafter, as shown in FIG. 12, the insulating
続いて、図13に示されるように、貫通孔112内に、例えばALDなどの手法によりバリアメタルなどを埋め込むことで導電膜が形成され、CVDなどの手法によりWなどが埋め込まれる。これにより、貫通電極58が形成される。そして、貫通電極58上端の引き出し配線層を形成するため、フォトリソグラフィによるパターニングの後、ドライエッチングなどの手法により不要な導電膜が除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 13, a conductive film is formed in the through
その後、図14に示されるように、絶縁膜70が形成された後、下部電極81、有機光電変換層83、上部電極82を形成することで、有機光電変換部80が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 14, after the insulating
そして、図15に示されるように、上部電極82の上に、パッシベーション膜91が形成され、パッシベーション膜91の上に、オンチップレンズ92が形成される。
Then, as shown in FIG. 15, a
以上の工程により、画素20が形成される。
Through the above steps, the
以上の工程によれば、貫通電極58の一端が、半導体基板50の表面50Aを貫通して、エッチングストッパとしてのローカル配線層61に直接接続されるように、貫通電極58が形成される。これにより、コンタクトとのアライメントずれの発生や、コンタクト抵抗の増大を避けることができ、確実に、貫通電極の微細化が可能となる。
According to the above steps, the through
また、特許文献1に開示されている構成では、貫通電極の微細化に伴い、貫通電極を介して有機光電変換部からFDに至る経路に発生する寄生容量やコンタクト抵抗が増大し、RC遅延の悪化や変換効率の低下が懸念されていた。
Further, in the configuration disclosed in
一方、本実施の形態では、貫通電極のFD53や増幅トランジスタ55に接続されるローカル配線層61は、他の配線層と階層が分けられているので、配線レイアウトの自由度を高め、寄生容量を低減することができる。その結果、RC遅延の改善や変換効率の向上を実現することが可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, the
さらに、ローカル配線層61には、汚染を起こしにくいWやTiなどの金属が用いられ、また、金属材料を露出させることなくSi基板が加工されるので、メタル汚染などに起因する暗時特性や白点特性を良好に保つことができる。
Further, the
また、既存のTSV(Through Silicon Via)では、応力によるストレスが発生し、TSV近傍にトランジスタを配置することができず、レイアウトの制約を受けてしまう。 In addition, in existing TSVs (Through Silicon Vias), stress due to stress occurs, and transistors cannot be disposed in the vicinity of the TSVs, which is subject to layout restrictions.
一方、本実施の形態では、応力によるストレスを発生させることなく、貫通電極の微細化が可能となるので、貫通電極近傍にトランジスタを配置するレイアウトを実現することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the through electrode can be miniaturized without generating stress due to stress, a layout in which transistors are arranged in the vicinity of the through electrode can be realized.
なお、図12を参照して説明した、貫通孔112をローカル配線層61まで開口する工程において、ボッシュプロセスと呼ばれるエッチング技術が用いられるようにしてもよい。ボッシュプロセスは、エッチングとエッチング側壁保護を繰り返しながら行うエッチング手法であり、アスペクト比の高いエッチングが可能となる。
Note that an etching technique called a Bosch process may be used in the step of opening the through
ボッシュプロセスによれば、図16に示されるように、貫通孔112の先端112tがテーパー形状に形成される。その結果、図17に示されるように、貫通電極58の先端58tがテーパー形状に形成されるようになる。このように、貫通電極58の先端58tがテーパー形状に形成されることで、貫通電極58のストッパとなるローカル配線層61への接触面積が小さくなるので、貫通電極58とローカル配線層61との合わせズレを抑制することができる。また、貫通電極58の先端58tがテーパー形状に形成されることで、貫通電極58と、多層配線層60を形成する各配線層との間の寄生容量を低減することもできる。
According to the Bosch process, as shown in FIG. 16, the
<4.第2の実施の形態>
図18は、本技術の第2の実施の形態に係る固体撮像装置10の断面図である。
<4. Second Embodiment>
FIG. 18 is a cross-sectional view of the solid-
図18には、固体撮像装置10を構成する周辺回路部31の一部の断面が示されている。
FIG. 18 shows a partial cross section of the
図18の例においても、半導体基板50の表面50A側には、多層配線層60が形成され、半導体基板50の受光面となる裏面50B側には、絶縁膜70を介して、有機光電変換部80が形成される。
Also in the example of FIG. 18, the
半導体基板50の表面50Aには、例えば、トランジスタ151が設けられる。トランジスタ151のゲート電極151Gは、多層配線層60を形成する配線層161,163のうち、最も半導体基板50の表面50Aに近い側に形成されているローカル配線層161に接続されている。トランジスタ151のゲート電極151Gは、素子分離膜152上に形成されている。また、トランジスタ151のゲート電極151Gは、コンタクト165を介して配線層163に接続されている。配線層163は、所定の電源に接続された電源配線として機能する。したがって、ローカル配線層161は、トランジスタ151のゲート電極151Gを介して、電源配線に接続されている。
For example, a
また、半導体基板50には、貫通電極153が、その下端が半導体基板50の表面50Aを貫通してローカル配線層161に直接接続され、上端が金属部材153a乃至153dを介して上部電極82に接続されるように形成されている。金属部材153aは、貫通電極153の引き出し配線層として形成され、金属部材153b,153cは、コンタクトとして形成される。また、金属部材153dは、金属部材153b,153cをそれぞれ接続する配線層として形成される。貫通電極153および金属部材153a乃至153dは、W,Cu,Al,Ti,Co,Hf、またはTaなどの金属材料により形成される。なお、図18の例において、図17の貫通電極58と同様に、貫通電極153の先端がテーパー形状に形成されるようにしてもよい。
The
これにより、各画素20に共通して設けられた上部電極82に、所定の電圧が印加されるようになる。
As a result, a predetermined voltage is applied to the
なお、上部電極82には常時電圧が印加されるが、ゲート電極151Gを素子分離膜152上に形成することで、耐圧などの信頼性を保持することができる。また、プロセス中は、ゲート電極151Gがフローティング状態となり、貫通電極153や金属部材153a乃至153dの形成時にチャージアップダメージを受けるおそれがあるが、ゲート電極151Gを素子分離膜152上に形成することで、これを緩和することもできる。
Note that a voltage is constantly applied to the
<5.上部電極に電圧を印加する構成の製造工程>
次に、図19乃至図23を参照して、上部電極82に電圧を印加する構成の製造工程について説明する。
<5. Manufacturing process for applying voltage to upper electrode>
Next, with reference to FIGS. 19 to 23, a manufacturing process of a configuration in which a voltage is applied to the
なお、半導体基板50の表面50A側において、多層配線層60を形成し、貫通電極153を形成するまでの工程は、画素20を形成する工程と基本的に同様であるので、それらの説明は省略する。
Note that the process from the formation of the
貫通電極58が形成された後、図19に示されるように、貫通電極153上端の引き出し配線層153aを形成するため、フォトリソグラフィによるパターニングの後、ドライエッチングなどの手法により不要な導電膜が除去される。
After the through
続いて、図20に示されるように、絶縁膜70が形成された後、下部電極81、有機光電変換層83、上部電極82が形成され、上部電極82の上に、パッシベーション膜91aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 20, after the insulating
次に、図21に示されるように、ローカル配線層61と上部電極82とを接続するためのコンタクトホールCH2が、パターニングおよびドライエッチングにより形成される。
Next, as shown in FIG. 21, a contact hole CH2 for connecting the
その後、図22に示されるように、コンタクトホールCH2に、メタルを埋め込むことでコンタクト153b,153cが形成される。例えば、PVDなどの手法により仕事関数調整用のTi膜などが形成され、CVDやPVDなどの手法によりバリアメタルTiNやWなどが埋め込まれる。その後、配線層153dを形成するため、フォトリソグラフィによるパターニングの後、ドライエッチングなどの手法により不要な導電膜が除去される。
Thereafter, as shown in FIG. 22,
そして、図23に示されるように、配線層153dの上に、パッシベーション膜91が形成される。
Then, as shown in FIG. 23, a
以上の工程により、上部電極82に電圧を印加する構成が形成される。
Through the above steps, a configuration for applying a voltage to the
以上の工程によれば、貫通電極153の一端が、半導体基板50の表面50Aを貫通して、エッチングストッパとしてのローカル配線層161に直接接続されるように、貫通電極153が形成される。これにより、コンタクトとのアライメントずれの発生や、コンタクト抵抗の増大を避けることができ、上部電極に電圧を印加する構成においても、確実に、貫通電極の微細化が可能となる。
According to the above process, the through
図2などの構成においては説明を省略したが、図24に示されるように、貫通電極58が形成される貫通孔と、その貫通孔に埋め込まれる絶縁膜70(70a)との間には、負の固定電荷を有する固定電荷膜171が形成される。これにより、暗電流を低減することができる。
Although not described in the configuration of FIG. 2 and the like, as shown in FIG. 24, between the through hole in which the through
このような構成において、貫通孔の底部をエッチングにより開口する際、その開口部分の側面に固定電荷膜171が露出してしまう。この状態で、導電膜を埋め込むなどして貫通電極58を形成した場合、貫通電極58と固定電荷膜171とが接触してしまう。
In such a configuration, when the bottom of the through hole is opened by etching, the fixed
固定電荷膜171は、絶縁膜70と比較して、絶縁耐性もプロセス耐性も低い。そのため、固定電荷膜171の絶縁耐性不足により、図24中の両矢印#1に示されるように、貫通電極58と固定電荷膜171との間でショート不良を引き起こす可能性がある。
The fixed
また、固定電荷膜171のプロセス耐性不足により、図25に示されるように、固定電荷膜171の貫通電極58との接触部分が後退し、導電膜が入り込んでしまう。これにより、図25中の両矢印#2に示されるように、半導体基板50と貫通電極58との間でショート不良を引き起こす可能性がある。
Further, due to insufficient process resistance of the fixed
そこで、以下においては、貫通電極58と固定電荷膜171とが接触しない構成について説明する。
Therefore, hereinafter, a configuration in which the through
<6.第3の実施の形態>
図26は、本技術の第3の実施の形態に係る固体撮像装置10の断面図である。
<6. Third Embodiment>
FIG. 26 is a cross-sectional view of the solid-
図26には、上述で説明した貫通電極58周辺の断面構成が示されている。
FIG. 26 shows a cross-sectional configuration around the through
図26に示されるように、貫通電極58が形成される貫通孔には、固定電荷膜171が成膜された上に絶縁膜70が成膜され、その絶縁膜70の上に絶縁膜172が成膜されている。絶縁膜172は、貫通孔の半導体基板50の表面50A側の底部の一部が開口された開口部分の側面において、貫通電極58と固定電荷膜171とが接触しないように成膜されている。絶縁膜172は、固定電荷膜171より高い絶縁性を有している。
As shown in FIG. 26, the fixed
図26の例では、絶縁膜172は、貫通電極58とともに、ローカル配線層61(以下、単に配線層61という)に接触するように、貫通孔内に埋め込まれている。
In the example of FIG. 26, the insulating
<7.貫通電極と固定電荷膜が接触しない構成の製造工程>
(例1)
次に、図27乃至図33を参照して、貫通電極58と固定電荷膜171が接触しない構成の製造工程の一例について説明する。
<7. Manufacturing process in which the through electrode and the fixed charge film are not in contact>
(Example 1)
Next, an example of a manufacturing process having a configuration in which the through
図27は、上述で説明した図10と同様の状態を示している。図27の工程においては、半導体基板50の表面50A側(図中下側)に多層配線層60が形成された状態で、半導体基板50の裏面50B側(図中上側)から、貫通孔181が形成される。
FIG. 27 shows a state similar to FIG. 10 described above. In the process of FIG. 27, the through-
多層配線層60は、SiO2,SiN,SiOC,SiONなどからなる絶縁膜の層間に配線層61,62が設けられることで形成されている。配線層61,62は、Cu,W,Alなどで形成され、そのバリアメタルには、Ti,TiN,Ta,TaN,Ru,Co,Zrなどが用いられる。
The
貫通孔181は、リソグラフィとプラズマエッチングによりSi(半導体基板50)を加工することで形成される。ここでのエッチングは、多層配線層60の絶縁膜中でストップするように行われる。本実施の形態において、半導体基板50の厚さは、例えば1乃至50μm、貫通孔181の径は、例えば100nm乃至1μmとされる。また、エッチングのアスペクト比は、例えば5を超えるものとする。
The through
貫通孔181が形成された後、図28に示されるように、貫通孔181内に、例えばALDなどの手法により固定電荷膜171が成膜される。固定電荷膜171は、その膜厚が例えば50nmより小さくなるようにして成膜される。
After the through
固定電荷膜171の材料としては、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化セリウム、酸化ネオジム、酸化プロメチウム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム、酸化イットリウムなどが用いられる。また、固定電荷膜171として、窒化アルミニウム膜、酸窒化ハフニウム膜、酸窒化アルミニウム膜が成膜されるようにしてもよい。
Materials for the fixed
その後、図29に示されるように、固定電荷膜171が成膜された貫通孔181内に、絶縁膜70が成膜される。絶縁膜70は、SiO2,SiN,SiOCなどをALDまたはCVDの手法により成膜することで形成される。絶縁膜70が形成された後の貫通孔181の内径は、例えば30乃至500nm程度とされる。
Thereafter, as shown in FIG. 29, the insulating
絶縁膜70が成膜された後、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部(半導体基板50の表面50A側)の絶縁膜70、固定電荷膜171、および、多層配線層60の絶縁膜を加工することで、図30に示されるように、貫通孔181が配線層61まで達するように開口される。
After the insulating
プラズマエッチングに用いられるエッチングガスとしては、CF4,CHF3,CH2F2,CH3F,C4F8,C4F6,C5HF7,CH4,C2H4,He,Ar,O2,CO,N2などのガスが用いられる。 As an etching gas used for plasma etching, gases such as CF4, CHF3, CH2F2, CH3F, C4F8, C4F6, C5HF7, CH4, C2H4, He, Ar, O2, CO, and N2 are used.
貫通孔181が配線層61まで開口された後、アッシングやウェットエッチングにより、エッチング残渣やポリマーが除去される。アッシングにおいては、例えばO2,H2,N2などのガスがプラズマ化されて用いられる。
After the through-
その後、図31に示されるように、配線層61まで開口された貫通孔181内に、絶縁膜172が成膜される。絶縁膜172は、SiO2,SiN,SiOCなどをALDの手法により成膜することで形成される。絶縁膜172は、その膜厚が例えば5nm以上となるようにして成膜される。
Thereafter, as shown in FIG. 31, an insulating
絶縁膜172が成膜された後、図32に示されるように、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部(半導体基板50の表面50A側)の絶縁膜172を加工することで、貫通孔181が再度、配線層61に達する。ここでも、図29の工程と同様のエッチングガスが用いられる。
After the insulating
貫通孔181が配線層61に達した後、アッシングやウェットエッチングにより、エッチング残渣やポリマーが除去される。
After the through-
その後、貫通孔181内に、例えばCVDやPVD,ALDなどの手法により、バリアメタルが成膜され、続いて導電膜が成膜される。バリアメタルには、Ti,TiN,Ta,TaN,Ru,Co,Zrなどが用いられ、導電膜は、Cuめっきで成膜される。導電膜として、CVDやPVD,ALDなどの手法により、WやAlが成膜されるようにしてもよい。これにより、図33に示されるように、貫通孔181内に貫通電極58が形成される。
Thereafter, a barrier metal is formed in the through
以上の工程によれば、絶縁膜172が、貫通電極58と固定電荷膜171が接触しないように成膜されるので、固定電荷膜171の絶縁耐性(耐圧)を高めることができ、貫通電極58と固定電荷膜171との間でのショート不良を抑制することができる。
According to the above process, since the insulating
また、固定電荷膜171の絶縁耐性を考慮することなく、固定電荷膜171を選択することができるため、高いノイズ低減効果を得ることもできる。
Further, since the fixed
さらに、絶縁膜の成膜が2回行われることで、貫通孔181の内径を1μmより小さくすることができるので、結果として、貫通電極58の微細化を図ることができる。
Furthermore, since the insulating film is formed twice, the inner diameter of the through
(例2)
上述した図30の工程で、貫通孔181を配線層61まで開口する際、例えば、希フッ酸洗浄を用いたエッチングを行うと、図34に示されるように、固定電荷膜171が横方向にエッチングされることで後退し、溝181eが形成される。
(Example 2)
When the through
その後、図35に示されるように、配線層61まで開口された貫通孔181内に、ALDの手法により絶縁膜172が成膜されることで、溝181eにも絶縁膜172が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 35, the insulating
絶縁膜172が成膜された後、図36に示されるように、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部の絶縁膜172を加工することで、貫通孔181が配線層61に達する。
After the insulating
その後、貫通孔181内に、バリアメタルが成膜され、続いて導電膜が成膜されることで、図37に示されるように、貫通孔181内に貫通電極58が形成される。
Thereafter, a barrier metal is formed in the through
以上の工程によれば、固定電荷膜171のプロセス耐性不足により、固定電荷膜171の貫通電極58との接触部分が後退した場合であっても、絶縁膜172が、後退した部分を埋めるように成膜される。これにより、固定電荷膜171のプロセス耐性不足による、半導体基板50と貫通電極58との間でのショート不良を抑制することができる。
According to the above steps, even if the contact portion of the fixed
また、固定電荷膜171のプロセス耐性を考慮することなく、固定電荷膜171を選択することができるため、高いノイズ低減効果を得ることもできる。
In addition, since the fixed
(例3)
上述した図30の工程では、プラズマエッチングにより、貫通孔181が配線層61まで達するように開口されるものとしたが、図38に示されるように、配線層61まで達する前に加工を停止するようにしてもよい。
(Example 3)
In the process of FIG. 30 described above, the through
その後、図39に示されるように、多層配線層60の途中まで開口された貫通孔181内に、絶縁膜172が成膜される。
Thereafter, as shown in FIG. 39, an insulating
絶縁膜172が成膜された後、図40に示されるように、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部の絶縁膜172を加工することで、貫通孔181が配線層61に達する。
After the insulating
その後、貫通孔181内に、バリアメタルが成膜され、続いて導電膜が成膜されることで、図41に示されるように、貫通孔181内に貫通電極58が形成される。
Thereafter, a barrier metal is formed in the through
以上の工程によれば、プラズマエッチングによる配線層61露出時のチャージングダメージを軽減することができ、また、金属含有反応生成物により配線形成が妨げられる可能性を低くすることができる。
According to the above steps, charging damage when the
(例4)
上述した図28の工程の後、図29の工程では、固定電荷膜171が成膜された貫通孔181内に、絶縁膜70が成膜されるようにした。これに限らず、貫通孔181内に固定電荷膜171が成膜された(図28の工程)後、図42に示されるように、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部の固定電荷膜171が除去されるようにしてもよい。
(Example 4)
After the process of FIG. 28 described above, in the process of FIG. 29, the insulating
その後、図43に示されるように、底部の固定電荷膜171が除去された貫通孔181内に、絶縁膜70が成膜される。
Thereafter, as shown in FIG. 43, the insulating
絶縁膜70が成膜された後、プラズマエッチングにより、貫通孔181の底部の絶縁膜70、多層配線層60の絶縁膜を加工することで、図44に示されるように、貫通孔181が配線層61まで開口される。
After the insulating
その後、貫通孔181内に、バリアメタルが成膜され、続いて導電膜が成膜されることで、図45に示されるように、貫通孔181内に貫通電極58が形成される。
Thereafter, a barrier metal is formed in the through
すなわち、絶縁膜70は、貫通孔181の半導体基板50の表面50A側の底部が開口された開口部分の側面において、貫通電極58と固定電荷膜171とが接触しないように成膜されている。
That is, the insulating
以上の工程によれば、電荷固定膜171がプロセス耐性を有する場合に限られるが、絶縁膜172を成膜することなく、工程を短縮して、貫通電極58と固定電荷膜171が接触しない構成を実現することができる。
According to the above process, the
(例5)
以上においては、貫通電極58が、多層配線層60中の配線層に接触する構造について説明したが、図46に示されるように、貫通電極58が、多層配線層60中の配線層に接触しない構造を採るようにしてもよい。
(Example 5)
In the above description, the structure in which the through
この場合、上述した図32の工程において、貫通孔181の底部の絶縁膜172を加工する必要がなくなる。
In this case, it is not necessary to process the insulating
また、本実施の形態の構造は、貫通電極に限らず、Si(半導体基板)に導電膜を埋め込んだ、Si表面で発生するノイズを抑制し、導電膜とSiとの間に異なる電圧を印加する構造全般に適用することができる。 In addition, the structure of the present embodiment is not limited to a through electrode, and a conductive film embedded in Si (semiconductor substrate) suppresses noise generated on the Si surface, and a different voltage is applied between the conductive film and Si. It can be applied to all structures.
さらに、導電膜のパターンは、例えば、図47の上面図に示される貫通電極58のような円形に限らず、トレンチを形成するようにしてもよい。例えば、図48に示されるように、導電膜のパターンが、画素20同士の間を遮光する遮光構造191を採るようにしてもよい。
Furthermore, the pattern of the conductive film is not limited to a circle like the through
さて、上述した実施の形態において、貫通電極は、半導体基板50の裏面50B側から形成されるものとしたが、半導体基板50の表面50A側から形成することもできる。
In the above-described embodiment, the through electrode is formed from the
そこで、以下においては、貫通電極を、半導体基板50の表面50A側から形成するようにした構成について説明する。
Therefore, in the following, a configuration in which the through electrode is formed from the
<8.第4の実施の形態>
図49は、本技術の第4の実施の形態に係る固体撮像装置10の断面図である。
<8. Fourth Embodiment>
FIG. 49 is a cross-sectional view of the solid-
図49には、貫通電極周辺の断面構成が示されている。 FIG. 49 shows a cross-sectional configuration around the through electrode.
図49の例においても、半導体基板50の表面50A側には、配線層261,262が設けられた多層配線層60が形成され、半導体基板50の受光面となる裏面50B側には、図示せぬ有機光電変換部が形成される。
Also in the example of FIG. 49, the
半導体基板50の表面50Aと多層配線層60との間には、絶縁膜270が形成され、半導体基板50の裏面50B側にも、固定電荷膜282を介して絶縁膜270が形成されている。
An insulating
半導体基板50には、貫通電極253が、その下端が半導体基板50の表面50Aにおいて、コンタクト265を介して配線層261に接続され、その上端がメタル電極283に接続されるように形成されている。メタル電極283は、図示せぬ有機光電変換部に接続される。
A through
貫通電極253が形成される貫通孔にも、絶縁膜270が埋め込まれている。絶縁膜270が埋め込まれた貫通孔の外周部分には、P型拡散層281が形成されている。
An insulating
また、半導体基板50の表面50A側の貫通孔が形成される領域には、STI構造を有する素子分離部252が形成されている。
An
<9.貫通電極を基板表面から形成する製造工程>
次に、図50乃至図61を参照して、貫通電極253を半導体基板50の表面50Aから形成する製造工程について説明する。
<9. Manufacturing process for forming through electrode from substrate surface>
Next, a manufacturing process for forming the through
まず、図50に示されるように、半導体基板50の表面50A側に、素子分離部252が形成される。
First, as illustrated in FIG. 50, the
次に、図51に示されるように、貫通電極253が形成される位置に合わせて、レジスト291がパターニングされる。その後、図52に示されるように、ドライエッチングなどの手法によりSi(半導体基板50)を加工することで、貫通孔292が形成される。
Next, as shown in FIG. 51, the resist 291 is patterned in accordance with the position where the through
レジスト291が除去された後、図53に示されるように、貫通孔292内に、例えばBSG膜などの酸化膜を埋め込むことで、絶縁膜270が形成される。
After the resist 291 is removed, an insulating
この状態で、貫通孔292側面にアニール処理を施すことにより、図54に示されるように、貫通孔292の周辺部分(半導体基板50側)に、P型拡散層281が形成される。
In this state, by performing an annealing process on the side surface of the through
その後、貫通孔292内に、例えばTEOS膜などの酸化膜が再度埋め込まれ、ALDやCVDなどの手法により、Poly Si,Doped Amorphous Siliconなどの導電膜が埋め込まれる。これにより、図55に示されるように、貫通電極253が形成される。
Thereafter, an oxide film such as a TEOS film is embedded again in the through
そして、フォトリソグラフィによるパターニングの後、ドライエッチングなどの手法により、図56に示されるように、半導体基板50の表面50A上の不要な導電膜が除去される。
Then, after patterning by photolithography, an unnecessary conductive film on the
その後、図57に示されるように、半導体基板50の表面50A側において、貫通電極253と接続されるコンタクト265と配線層261が形成される。さらに、半導体基板50の表面50A側において、絶縁層と配線層262などのメタル層とが積層されることで、図58に示されるように、多層配線層60が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 57, a
一方、半導体基板50の裏面50B側においては、図59に示されるように、貫通電極253の一端が露出するように、Si(半導体基板50)が研磨される。
On the other hand, on the
その後、図60に示されるように、半導体基板50の裏面50B上に、固定電荷膜282が形成された後、酸化膜などの絶縁膜270が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 60, after the fixed
そして、図61に示されるように、半導体基板50の裏面50B側において、貫通電極253上にメタル電極283が形成される。
61, a
以上のようにして、貫通電極253が形成される。
As described above, the through
以上の工程によれば、貫通電極を、半導体基板の裏面側からではなく、表面側から形成することが可能となる。 According to the above steps, the through electrode can be formed not from the back surface side of the semiconductor substrate but from the front surface side.
以上においては、本技術の貫通電極が、縦方向の分光を行う固体撮像装置に適用される例について説明したが、これに限らず、半導体基板の第1の面と第2の面とを電気的に接続する貫通電極を備える構成に適用することができる。また、上述した実施の形態は、互いに組み合わせて採用することもできる。 In the above, an example in which the through electrode of the present technology is applied to a solid-state imaging device that performs spectral in the vertical direction is described. It can apply to the structure provided with the penetration electrode to connect. Further, the above-described embodiments may be employed in combination with each other.
なお、本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機等の撮像機能を有する電子機器のことをいう。なお、電子機器に搭載されるモジュール状の形態、すなわちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。 In addition, this technique is not restricted to application to a solid-state imaging device, It can apply also to an imaging device. Here, the imaging apparatus refers to a camera system such as a digital still camera or a digital video camera, or an electronic apparatus having an imaging function such as a mobile phone. In some cases, a module-like form mounted on an electronic device, that is, a camera module is used as an imaging device.
<10.電子機器の構成例>
そこで、図62を参照して、本技術を適用した電子機器の構成例について説明する。
<10. Configuration example of electronic device>
Then, with reference to FIG. 62, the structural example of the electronic device to which this technique is applied is demonstrated.
図62に示される電子機器300は、光学レンズ301、シャッタ装置302、固体撮像装置303、駆動回路304、および信号処理回路305を備えている。図62においては、固体撮像装置303として、上述した本技術の固体撮像装置10を電子機器(デジタルスチルカメラ)に設けた場合の実施の形態を示す。
An
光学レンズ301は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置303の撮像面上に結像させる。これにより、信号電荷が一定期間、固体撮像装置303内に蓄積される。シャッタ装置302は、固体撮像装置303に対する光照射期間および遮光期間を制御する。
The
駆動回路304は、シャッタ装置302および固体撮像装置303に、駆動信号を供給する。シャッタ装置302に供給される駆動信号は、シャッタ装置302のシャッタ動作を制御するための信号である。固体撮像装置303に供給される駆動信号は、固体撮像装置303の信号転送動作を制御するための信号である。固体撮像装置303は、駆動回路304から供給される駆動信号(タイミング信号)により信号転送を行う。信号処理回路305は、固体撮像装置303から出力された信号に対して各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶されたり、モニタに出力される。
The
<11.イメージセンサの使用例>
最後に、本技術を適用したイメージセンサの使用例について説明する。
<11. Examples of using image sensors>
Finally, a usage example of an image sensor to which the present technology is applied will be described.
図63は、上述したイメージセンサの使用例を示す図である。 FIG. 63 is a diagram illustrating a usage example of the image sensor described above.
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。 The image sensor described above can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-ray, as described below.
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
・ Devices for taking images for viewing, such as digital cameras and mobile devices with camera functions ・ For safe driving such as automatic stop and recognition of the driver's condition, etc. Devices used for traffic, such as in-vehicle sensors that capture the back, surroundings, and interiors of vehicles, surveillance cameras that monitor traveling vehicles and roads, and ranging sensors that measure distances between vehicles, etc. Equipment used for home appliances such as TVs, refrigerators, air conditioners, etc. to take pictures and operate the equipment according to the gestures ・ Endoscopes, equipment that performs blood vessel photography by receiving infrared light, etc. Equipment used for medical and health care ・ Security equipment such as security surveillance cameras and personal authentication cameras ・ Skin measuring instrument for photographing skin and scalp photography Beauty, such as a microscope Equipment used for sports-Equipment used for sports such as action cameras and wearable cameras for sports applications-Used for agriculture such as cameras for monitoring the condition of fields and crops apparatus
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiments of the present technology are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present technology.
さらに、本技術は以下のような構成をとることができる。
(1)
半導体基板の第1の面側に形成された配線層と、
前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極と
を備える固体撮像装置。
(2)
前記貫通電極は、画素毎に形成され、前記貫通電極の他端は、前記光電変換素子において画素毎に設けられた電極に接続され、
前記配線層は、画素毎に形成され、フローティングディフュージョンおよび増幅トランジスタに接続される
(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
前記配線層は、他の配線層よりも前記第2の面に近い側に形成される
(1)または(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記配線層は、WまたはTiで形成される
(1)乃至(3)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(5)
少なくとも1つの光電変換部が、前記半導体基板内で画素毎に形成される
(2)に記載の固体撮像装置。
(6)
前記貫通電極の他端は、前記光電変換素子において各画素に共通して設けられた電極に接続され、
前記配線層は、電源配線に接続される
(1)に記載の固体撮像装置。
(7)
前記配線層は、ゲート電極を介して、前記電源配線に接続される
(6)に記載の固体撮像装置。
(8)
前記ゲート電極は、素子分離膜上に形成される
(7)に記載の固体撮像装置。
(9)
前記貫通電極は、W,Cu,Al,Ti,Co,Hf、またはTaにより形成される
(1)乃至(8)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(10)
前記貫通電極の前記配線層側の先端は、テーパー形状に形成される
(1)乃至(9)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(11)
前記貫通電極が形成される貫通孔には、固定電荷膜が成膜された上に絶縁膜が成膜され、
前記絶縁膜は、前記貫通孔の前記第1の面側の開口部分の側面において、前記貫通電極と前記固定電荷膜とが接触しないように成膜される
(1)に記載の固体撮像装置。
(12)
前記貫通孔には、前記固定電荷膜上に第1の絶縁膜が成膜され、前記貫通孔の前記第1の面側の底部の一部が開口された上に第2の絶縁膜が成膜され、
前記第2の絶縁膜は、前記開口部分の側面において、前記貫通電極と前記固定電荷膜とが接触しないように成膜される
(11)に記載の固体撮像装置。
(13)
前記第2の絶縁膜は、前記固定電荷膜より高い絶縁性を有する
(12)に記載の固体撮像装置。
(14)
前記貫通孔には、前記固定電荷膜が成膜され、前記貫通孔の前記第1の面側の底部が開口された上に前記絶縁膜が成膜される
(11)に記載の固体撮像装置。
(15)
半導体基板の第1の面側に、配線層を形成し、
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続されるように貫通電極を形成し、
前記半導体基板の第2の面側に、前記貫通電極の他端が接続されるように光電変換素子を形成する
ステップを含む固体撮像装置の製造方法。
(16)
ボッシュプロセスを用いて、一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続されるように前記貫通電極を形成する
(15)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(17)
前記半導体基板における前記貫通電極の形成予定領域に、高濃度の不純物領域を形成する
(15)または(16)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(18)
前記貫通電極は、前記半導体基板の前記第2の面側から形成される
(15)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(19)
前記貫通電極は、前記半導体基板の前記第1の面側から形成される
(15)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(20)
半導体基板の第1の面側に形成された配線層と、
前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極とを有する固体撮像装置
を備える電子機器。
Furthermore, this technique can take the following structures.
(1)
A wiring layer formed on the first surface side of the semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element formed on the second surface side of the semiconductor substrate;
A solid-state imaging device comprising: a penetrating electrode formed so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer, and the other end is connected to the photoelectric conversion element.
(2)
The through electrode is formed for each pixel, and the other end of the through electrode is connected to an electrode provided for each pixel in the photoelectric conversion element,
The solid-state imaging device according to (1), wherein the wiring layer is formed for each pixel and is connected to a floating diffusion and an amplification transistor.
(3)
The solid-state imaging device according to (1) or (2), wherein the wiring layer is formed on a side closer to the second surface than other wiring layers.
(4)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3), wherein the wiring layer is formed of W or Ti.
(5)
The solid-state imaging device according to (2), wherein at least one photoelectric conversion unit is formed for each pixel in the semiconductor substrate.
(6)
The other end of the through electrode is connected to an electrode provided in common for each pixel in the photoelectric conversion element,
The solid-state imaging device according to (1), wherein the wiring layer is connected to a power supply wiring.
(7)
The solid-state imaging device according to (6), wherein the wiring layer is connected to the power supply wiring through a gate electrode.
(8)
The solid-state imaging device according to (7), wherein the gate electrode is formed on an element isolation film.
(9)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (8), wherein the through electrode is formed of W, Cu, Al, Ti, Co, Hf, or Ta.
(10)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (9), wherein a tip of the through electrode on the wiring layer side is formed in a tapered shape.
(11)
In the through hole in which the through electrode is formed, an insulating film is formed on the fixed charge film,
The solid-state imaging device according to (1), wherein the insulating film is formed on a side surface of the opening portion on the first surface side of the through hole so that the through electrode and the fixed charge film do not contact each other.
(12)
In the through hole, a first insulating film is formed on the fixed charge film, and a second insulating film is formed on a part of the bottom of the through hole on the first surface side. Membrane
The solid-state imaging device according to (11), wherein the second insulating film is formed on the side surface of the opening portion so that the through electrode and the fixed charge film do not contact each other.
(13)
The solid-state imaging device according to (12), wherein the second insulating film has higher insulating properties than the fixed charge film.
(14)
The solid-state imaging device according to (11), wherein the fixed charge film is formed in the through-hole, and the insulating film is formed on the bottom of the through-hole on the first surface side being opened. .
(15)
Forming a wiring layer on the first surface side of the semiconductor substrate;
Forming a through electrode so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming a photoelectric conversion element so that the other end of the through electrode is connected to the second surface side of the semiconductor substrate.
(16)
The manufacturing method of the solid-state imaging device according to (15), wherein the through electrode is formed using a Bosch process so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer.
(17)
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to (15) or (16), wherein a high concentration impurity region is formed in a region where the through electrode is to be formed in the semiconductor substrate.
(18)
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to (15), wherein the through electrode is formed from the second surface side of the semiconductor substrate.
(19)
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to (15), wherein the through electrode is formed from the first surface side of the semiconductor substrate.
(20)
A wiring layer formed on the first surface side of the semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element formed on the second surface side of the semiconductor substrate;
An electronic apparatus comprising: a solid-state imaging device having one end passing through the first surface and connected to the wiring layer, and the other end connected to the photoelectric conversion element.
10 固体撮像装置, 20 画素, 50 半導体基板, 51,52 無機光電変換部, 53 FD, 54 転送トランジスタ, 55 増幅トランジスタ, 55G ゲート電極, 55s 素子分離部, 56 リセットトランジスタ, 56G ゲート電極, 56s 素子分離部, 57 エッチストップ層, 58 貫通電極, 60 多層配線層, 61 ローカル配線層, 62,63 配線層, 70 絶縁膜, 80 有機光電変換部, 81 下部電極, 82 上部電極, 83 有機光電変換層, 91 パッシベーション膜, 92 オンチップレンズ, 151 トランジスタ, 151G ゲート電極, 152 素子分離膜, 153 貫通電極, 153a 引き出し配線層, 153b,153c コンタクト, 153d 配線層, 161 ローカル配線層, 163 配線層, 171 電荷固定膜, 172 絶縁膜, 181 貫通孔, 300 電子機器, 303 固体撮像装置 10 solid-state imaging device, 20 pixels, 50 semiconductor substrate, 51, 52 inorganic photoelectric conversion unit, 53 FD, 54 transfer transistor, 55 amplification transistor, 55G gate electrode, 55s element isolation unit, 56 reset transistor, 56G gate electrode, 56s element Separation part, 57 etch stop layer, 58 through electrode, 60 multilayer wiring layer, 61 local wiring layer, 62, 63 wiring layer, 70 insulating film, 80 organic photoelectric conversion part, 81 lower electrode, 82 upper electrode, 83 organic photoelectric conversion Layer, 91 passivation film, 92 on-chip lens, 151 transistor, 151G gate electrode, 152 element isolation film, 153 through electrode, 153a lead wiring layer, 153b, 153c contact, 153d wiring layer, 1 61 Local Wiring Layer, 163 Wiring Layer, 171 Charge Fixing Film, 172 Insulating Film, 181 Through Hole, 300 Electronic Device, 303 Solid-State Imaging Device
Claims (20)
前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極と
を備える固体撮像装置。 A wiring layer formed on the first surface side of the semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element formed on the second surface side of the semiconductor substrate;
A solid-state imaging device comprising: a penetrating electrode formed so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer, and the other end is connected to the photoelectric conversion element.
前記配線層は、画素毎に形成され、フローティングディフュージョンおよび増幅トランジスタに接続される
請求項1に記載の固体撮像装置。 The through electrode is formed for each pixel, and the other end of the through electrode is connected to an electrode provided for each pixel in the photoelectric conversion element,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the wiring layer is formed for each pixel and is connected to a floating diffusion and an amplification transistor.
請求項2に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the wiring layer is formed closer to the second surface than other wiring layers.
請求項3に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the wiring layer is formed of W or Ti.
請求項2に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2, wherein at least one photoelectric conversion unit is formed for each pixel in the semiconductor substrate.
前記配線層は、電源配線に接続される
請求項1に記載の固体撮像装置。 The other end of the through electrode is connected to an electrode provided in common for each pixel in the photoelectric conversion element,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the wiring layer is connected to a power supply wiring.
請求項6に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the wiring layer is connected to the power supply wiring through a gate electrode.
請求項7に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 7, wherein the gate electrode is formed on an element isolation film.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the through electrode is formed of W, Cu, Al, Ti, Co, Hf, or Ta.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a tip of the through electrode on the wiring layer side is formed in a tapered shape.
前記絶縁膜は、前記貫通孔の前記第1の面側の開口部分の側面において、前記貫通電極と前記固定電荷膜とが接触しないように成膜される
請求項1に記載の固体撮像装置。 In the through hole in which the through electrode is formed, an insulating film is formed on the fixed charge film,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the insulating film is formed so that the through electrode and the fixed charge film are not in contact with each other on a side surface of the opening portion on the first surface side of the through hole.
前記第2の絶縁膜は、前記開口部分の側面において、前記貫通電極と前記固定電荷膜とが接触しないように成膜される
請求項11に記載の固体撮像装置。 In the through hole, a first insulating film is formed on the fixed charge film, and a second insulating film is formed on a part of the bottom of the through hole on the first surface side. Membrane
The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the second insulating film is formed on a side surface of the opening portion so that the through electrode and the fixed charge film do not contact each other.
請求項12に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 12, wherein the second insulating film has a higher insulating property than the fixed charge film.
請求項11に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the fixed charge film is formed in the through hole, and the insulating film is formed on an opening of a bottom portion of the first surface side of the through hole. .
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続されるように貫通電極を形成し、
前記半導体基板の第2の面側に、前記貫通電極の他端が接続されるように光電変換素子を形成する
固体撮像装置の製造方法。 Forming a wiring layer on the first surface side of the semiconductor substrate;
Forming a through electrode so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, wherein a photoelectric conversion element is formed so that the other end of the through electrode is connected to the second surface side of the semiconductor substrate.
請求項15に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, wherein the through electrode is formed using a Bosch process so that one end penetrates the first surface and is connected to the wiring layer.
請求項15に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, wherein a high concentration impurity region is formed in a region where the through electrode is to be formed in the semiconductor substrate.
請求項15に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, wherein the through electrode is formed from the second surface side of the semiconductor substrate.
請求項15に記載の固体撮像装置の製造方法。 The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 15, wherein the through electrode is formed from the first surface side of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の第2の面側に形成された光電変換素子と、
一端が前記第1の面を貫通して前記配線層に接続され、他端が前記光電変換素子に接続されるように形成された貫通電極とを有する固体撮像装置
を備える電子機器。 A wiring layer formed on the first surface side of the semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element formed on the second surface side of the semiconductor substrate;
An electronic apparatus comprising: a solid-state imaging device having one end passing through the first surface and connected to the wiring layer, and the other end connected to the photoelectric conversion element.
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