JP2021144992A - 半導体装置、その製造方法及び機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】バリア膜の一部が部分的に消失することによる半導体装置の品質低下を抑制するのに有利な技術を提供すること。【解決手段】半導体層と、前記半導体層の表面の上に配置された金属層と、前記金属層の表面のうちの第１部分を覆う第１バリア部と、前記金属層の表面のうちの第２部分を覆う第２バリア部と、前記金属層、前記第１バリア部及び前記第２バリア部を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた開口部の中に配置され、前記金属層の表面のうちの前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分の上に位置する金属部材とを備え、前記第１バリア部と前記第２バリア部との間に、前記金属部材が位置し、かつ、前記金属部材と前記第１バリア部との間および前記第２バリア部との間に前記絶縁膜の一部が配置されている。【選択図】図２
Description
本発明は、半導体装置、その製造方法及び機器に関する。
半導体装置、例えば光電変換装置は、通常、受光画素領域（有効画素領域）の他に遮光画素領域（ＯＰＢ領域：オプティカルブラック領域）を有しうる。遮光画素領域に配置された遮光画素は、遮光膜によって遮光されていて、オプティカルブラックレベル（黒レベル）を検出するために使用されうる。特許文献１には、遮光膜と遮光壁とを有する撮像素子が記載されている。
金属で遮光膜を形成するときに金属の表面にバリア膜を配置しておくことがある。この場合に遮光壁を形成する方法として、遮光膜の表面に絶縁膜を形成し、ドライエッチングで絶縁膜に開口を形成した後に、フォトレジストをアッシングして除去して、開口に金属を埋め込む方法がある。このときにアッシングに用いるガスが開口に侵入し、遮光膜の表面に配置されたバリア膜の一部がエッチングされて、バリア膜が部分的に消失することがある。また半導体装置の金属配線の表面にバリア膜を形成することがあるが、このときもコンタクトホールを形成する際にバリア膜の一部が消失することがある。このためにバリア膜が剥がれてしまい半導体装置の品質が低下することがある。また、光電変換装置の場合にはバリア膜の一部が消失して遮光膜の表面に隙間ができ、迷光が発生する等により品質低下がありうる。本発明はバリア膜の一部が消失することによる半導体装置の品質低下を抑制するのに有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体層と、前記半導体層の表面の上に配置された金属層と、前記金属層の表面のうちの第１部分を覆う第１バリア部と、前記金属層の表面のうちの第２部分を覆う第２バリア部と、前記金属層、前記第１バリア部及び前記第２バリア部を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた開口部の中に配置され、前記金属層の表面のうちの前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分の上に位置する金属部材と、を備える半導体装置であって、前記第１バリア部と前記第２バリア部との間に、前記金属部材が位置し、かつ、前記金属部材と前記第１バリア部との間および前記第２バリア部との間に前記絶縁膜の一部が配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、バリア膜の一部が消失することによる半導体装置の品質低下を抑制するのに有利な技術を提供することができる。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
＜構成例１＞
図１には、構成例１に係る半導体装置の平面図が示されている。図１は半導体装置として光電変換装置を示している。光電変換装置は、受光画素領域１、遮光画素領域（ＯＢ画素領域）２を含む。受光画素領域１は、複数の光電変換部（第１光電変換部）１１ｅが複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。換言すると、受光画素領域１は、複数の画素（第１画素）が複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。受光画素領域１の各列の第１光電変換部（第１画素）１１ｅの信号は、列信号線（不図示）を通して出力される。遮光画素領域２は、入射光が遮光された複数の光電変換部（第２光電変換部）１１ｏｂが複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。換言すると、遮光画素領域２は、遮光された複数の画素（第２画素）が配置された領域である。遮光された複数の画素は、黒レベルを検出するために使用されうるので、ここではオプティカルブラック（ＯＢ）画素と呼ぶことにする。
図１には、構成例１に係る半導体装置の平面図が示されている。図１は半導体装置として光電変換装置を示している。光電変換装置は、受光画素領域１、遮光画素領域（ＯＢ画素領域）２を含む。受光画素領域１は、複数の光電変換部（第１光電変換部）１１ｅが複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。換言すると、受光画素領域１は、複数の画素（第１画素）が複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。受光画素領域１の各列の第１光電変換部（第１画素）１１ｅの信号は、列信号線（不図示）を通して出力される。遮光画素領域２は、入射光が遮光された複数の光電変換部（第２光電変換部）１１ｏｂが複数の行および複数の列を構成するように配置された領域である。換言すると、遮光画素領域２は、遮光された複数の画素（第２画素）が配置された領域である。遮光された複数の画素は、黒レベルを検出するために使用されうるので、ここではオプティカルブラック（ＯＢ）画素と呼ぶことにする。
受光画素領域１と遮光画素領域２との間には、画素構造を含む緩衝領域が含まれてもよい。受光画素領域１の第１画素および遮光画素領域２の第２画素には、光電変換部の他に、光電変換部で発生した電荷に応じた信号を画素の外に出力するための回路を構成する回路素子を含みうる。
周辺回路領域３は、行選択回路、読出回路、列選択回路などの画素を制御する回路を含みうる領域である。周辺回路領域３に配置された回路により画素から信号を読み出しうる。受光画素領域１に配置された複数の光電変換部１１ｅと遮光画素領域２に配置された複数の光電変換部１１ｏｂは、その全体で、複数の行および複数の列に画素が行列状に配置された光電変換アレイを構成するように配置される。以下では、相互に区別する必要がない場合には、光電変換部１１ｅ、１１ｏｂを光電変換部１１と記載する。行選択回路は、光電変換アレイにおける行を選択し、選択した行の光電変換部を駆動しうる。行選択回路によって選択された行の光電変換部の信号は、列信号線を通して読出回路に出力される。読出回路は、各列信号線に出力された信号を読み出す回路である。列選択回路は、複数の列信号線から読出回路によって読み出された複数の信号を順に選択し出力する。遮光画素領域２と周辺回路領域３とは遮光されうる。また、第１画素の周囲に遮光壁６０を配置してもよく、その場合は隣接する画素との間に遮光壁６０が配置されてもよい。また、第２画素の周囲に遮光壁を配置してもよい。
図２（ａ）は、図１の光電変換装置の模式的な断面図である。この明細書では、Ｎ型およびＰ型を相互に区別するために第１導電型および第２導電型という用語を用いる。第１導電型がＮ型である場合、第２導電型はＰ型であり、第１導電型がＰ型である場合、第２導電型はＮ型である。光電変換装置は、半導体層１０を備える。半導体層１０は、例えば、第１導電型（例えばＰ型）の半導体領域である。半導体層１０には、第１導電型の半導体領域および第２導電型の半導体領域が配置される。複数の光電変換部１１は、フォトダイオードの一部を構成する第２導電型の半導体領域を含む。
図２（ａ）には、半導体層１０に対して遮光層を構成する遮光膜５０とは反対側にゲート電極２１及び配線構造２０が形成されている、裏面照射型として構成された光電変換装置が示されている。しかし光電変換装置は、表面照射型として構成されてもよい。光電変換装置は、半導体層１０の表面（図中下側。図２（ａ）では半導体層に対して配線構造２０の形成されている側。）の側に配置された多層の配線構造２０と、半導体層１０の裏面（図中上側。図２（ａ）では半導体層に対して配線構造２０の形成された側の反対側。）の側に配置された遮光構造３０とを備える。半導体層１０の表面（図中下側）は、半導体層１０を構成する半導体と多層の配線構造２０の一部を構成する絶縁体との界面でありうる。ここでは配線構造２０は、トランジスタのゲート電極２１、配線層２２及び絶縁膜２３を含みうるものとする。裏面照射型の場合、配線層２２は、光の入射を妨げないため自由に配置することが可能である。
光電変換装置は、更に、半導体層１０の裏面（図中上側）の側（換言すると、半導体層の裏面（図中上側）または主面の上。半導体層１０に対して配線構造２０のある側と反対側。）に配置されたカラーフィルタ層７１を備える。さらに半導体層の裏面（図中上側）の側に配置された複数のマイクロレンズ７２（オンチップレンズ）を備えうる。ここで、図２（ａ）に模式的に示されるように、複数のマイクロレンズ７２と半導体層の裏面（図中上側）との間にカラーフィルタ層７１が配置されうる。光電変換装置は、半導体層の裏面（図中上側）とカラーフィルタ層７１との間に複数の層内レンズを備えてもよい。光は、マイクロレンズ７２、カラーフィルタ層７１、および半導体層の裏面（図中上側）を介して複数の光電変換部１１ｅに入射する。他の観点において、光は、マイクロレンズ７２、カラーフィルタ層７１および遮光構造３０を介して半導体層の裏面（図中上側）に入射するともいえる。
遮光構造３０は、遮光壁６０（図２（ａ）では６０１Ａ、６０２Ａを例示。）と、遮光膜５０と、絶縁膜３１とを備える。遮光構造３０は、遮光壁６０および遮光膜５０が絶縁膜３１の中に埋め込まれた構造を有してもよい。遮光膜５０は、半導体層１０の裏面（図中上側）の側（換言すると、半導体層の裏面（図中上側）または主面の上）に配置される。遮光膜５０には受光画素領域１の複数の第１光電変換部１１ｅにそれぞれ対応する複数の開口５０１が規定される。
遮光壁６０は、遮光画素領域２にも配置されてもよく、遮光壁６０のうち遮光画素領域２に配置された遮光壁６０２Ａは、遮光壁６０のうち受光画素領域１に配置された遮光壁６０１Ａと同様の構造を有しうる。ここでは遮光壁として遮光壁６０１Ａ、６０２Ａを図示したが、遮光壁６０は、格子状（矩形格子でもよい。）に配置され、遮光壁６０は、周辺回路領域３に配置されてもよいし、周辺回路領域３には配置されなくてもよい。
遮光壁６０は、半導体層１０の裏面（図中上側）に対する正射影（「平面視」ということもできる。）において、複数の第１光電変換部１１ｅのうち遮光画素領域２に最も近い位置に配置された第１光電変換部１１ｅと、複数の第２光電変換部１１ｏｂのうち受光画素領域１に最も近い位置に配置された第２光電変換部１１ｏｂとの間に配置された部分を含みうる。前記部分は、遮光画素領域２の絶縁膜３１に入射した光が受光画素領域１の第１光電変換部１１ｅに入射することを防止するために効果的である。遮光壁６０は受光画素及び遮光画素のそれぞれの周囲に配置されうる、あるいはそれぞれの画素間に配置されうる。
この例では、遮光膜５０は、半導体層１０の裏面（図中上側）の側に配置される。より詳しくは、遮光膜５０は、半導体層１０の裏面（図中上側）と遮光壁６０との間に配置されうる。遮光膜５０は、遮光画素領域２の複数の第２光電変換部１１ｏｂを覆うように半導体層１０の裏面（図中上側）に平行に延在するように配置された遮光部を含む。
受光画素領域１において、入射光は、遮光膜５０に設けた開口５０１の中に存在する絶縁膜３１を通して第１光電変換部１１ｅに入射する。遮光画素領域２では、入射光は、遮光膜５０によって遮断あるいは減衰される。つまり、遮光画素領域２の第２光電変換部１１ｏｂは、遮光膜５０によって遮光される。ここで言う遮光とは、光を完全に遮断することの他、光を減衰させることを意味しうる。
遮光壁６０および遮光膜５０は、光透過性が低く、加工が容易な材料で構成するとよい。遮光壁６０および遮光膜５０は、金属材料で構成されてもよい。遮光壁６０は、タングステン、アルミニウム、チタン、タンタルまたは銅のうち少なくとも一つの材料で構成されうる金属部材である。また、遮光膜５０は、アルミニウム、チタン、タンタルまたは銅のうち少なくとも一つの金属層として構成されうる。遮光壁と遮光膜は、遮光壁６０はタングステン、遮光膜５０はアルミニウムの組み合わせで構成してもよい。
遮光膜５０の表面には、バリア膜５１、５２が配置される。バリア膜５１、５２は、遮光膜５０の表面に接するように配置される。バリア膜５１、５２はチタンやタンタルなどの金属膜および／または窒化チタンや窒化タンタルなどの金属窒化物膜で構成されうる。このように金属または金属化合物からなるバリア膜５１、５２をバリアメタル膜と称することもできる。
図２（ａ）に示すようにバリア膜５１には遮光壁６０１Ａ、６０２Ａに対応する箇所にバリア膜開口部５１１を設けられている。バリア膜開口部５１１の内側に遮光壁６０が位置している。バリア膜開口部５１１の開口幅Ｓ１は遮光壁の幅Ｓ２よりも広い構造となっている。バリア膜開口部５１１は遮光壁６０の下面をバリア膜開口部５１１の内側に含み、バリア膜５１の表面に平行な方向に延在して配置される。バリア膜開口部５１１の内側（バリア膜５１の側部といえる。）と遮光壁６０との間には隙間があり、隙間には絶縁膜３１が配置される。隙間は絶縁膜３１の一部により満たされうるともいえる。このために、バリア膜の側部はアッシングによるバリア膜の部分的な消失を防ぎうる。
次に遮光壁６０が配置されているバリア膜開口部５１１付近の構成について図２（ｂ）及び図２（ｃ）により詳しく説明する。バリア膜５１は遮光膜５０の表面のうちの第１部分５１２の上と第２部分５１３の上とに位置している。第１部分５１２は遮光壁６０に対して一方の側の領域であり、第２部分５１３は遮光壁６０に対してもう一方の側の領域である。バリア膜５１は第１バリア部５１６と第２バリア部５１７とを含む。第１部分５１２は第１バリア部５１６で覆われている。第２部分５１３は第２バリア部５１７で覆われている。第１部分５１２と第２部分５１３との間に位置する、遮光膜５０の表面のうちの第３部分６１の上に遮光壁６０が位置する。遮光壁６０は第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置している。
第１バリア部５１６と遮光壁６０との間に位置する遮光膜５０の表面のうちの第４部分５１４は絶縁物３１で覆われている。また、第２バリア部５１７と遮光壁６０との間に位置する遮光膜５０の表面のうちの第５部分５１５も絶縁物３１で覆われている。したがってバリア膜５１６の側面と遮光壁６０との間及びバリア膜５１７の側面と遮光壁６０との間には、遮光膜５０、第１バリア部５１６及び第２バリア部５１７を覆っている絶縁物３１が配置されている。
遮光壁６０が、金属部材６２とバリア膜５３とを含み、バリア膜５３が、金属部材６２と絶縁物３１との間及び金属部材６２と遮光膜５０との間に配置されている例について図２（ｃ）により説明する。遮光壁６０を構成する金属部材６２は、タングステン、アルミニウム、チタン、タンタルまたは銅のうち少なくとも一つの材料で構成されうる。バリア膜５１を第１バリア膜（第１バリアメタル膜）と称し、バリア膜５３を第２バリア膜（第２バリアメタル膜）と称することができる。本例でも、図２（ｂ）の例と同様に、遮光壁６０は第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置している。本例では、バリア膜５３が第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置している。また、金属部材６２も第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置している。しかし、遮光壁６０の下面と遮光膜５０の表面との間においてバリア膜５３がバリア膜５１の厚さ以上になると、遮光壁６０のうちの金属部材６２が第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置しなくなる。このときは遮光壁６０のうちのバリア膜５３のみが第１バリア部５１６と第２バリア部５１７との間に位置しうる。
この例でも図２（ｂ）と同様に第１バリア部５１６と遮光壁６０との間の遮光膜５０の表面のうちの第４部分５１４は絶縁物３１で覆われる。また、同様に第２バリア部５１７と遮光壁６０との間の遮光膜５０の表面のうちの第５部分５１５も絶縁物３１で覆われる。このようにバリア膜５１の側面と遮光壁６０との間に絶縁物３１が配置されることにより、バリア膜の側部のアッシングによるバリア膜の部分的な消失を防ぎうる。バリア膜５３は第１バリア部５１６、第２バリア部５１７を含むバリア膜５１と同様にチタンやタンタルなどの金属膜および／または窒化チタンや窒化タンタルなどの金属窒化物膜で構成されうる。このように金属または金属化合物からなるバリア膜５３をバリアメタル膜と称することもできる。バリアメタル膜は遮光材料として機能しうるので、ここではバリア膜５３が遮光材料である場合を前提に遮光壁６０がバリア膜５３を含むことを説明した。しかし、バリア膜５３が遮光材料ではない場合（透光材料）には、遮光壁６０は金属部材６２のみで構成され、金属部材６２と遮光膜５０との間に、遮光材料ではないバリア膜５３が位置することになる。
ここでは光電変換装置を例に、遮光壁の幅とバリア膜に配置された開口部の幅との関係について説明した。しかし、半導体装置においてアルミニウムや銅などの金属層により配線を構成する場合に、バリア膜を、配線を構成する金属層の表面に形成することがある。この場合にコンタクトプラグなどの金属部材を配線と接続するときにも、本構成例１のようにすることにより半導体装置の品質低下を抑制できる。このときは、バリア膜の開口をコンタクトホールの開口よりも大きくする。バリア膜の開口の内側のバリア膜の側部とコンタクトホールとの間に絶縁膜の一部を配置することで、バリア膜の一部消失を防ぎうるので半導体装置の品質低下を抑制できる。
＜構成例１に係る半導体装置の製造方法＞
図３乃至図４を参照して、構成例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図３乃至図４を参照して、構成例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、半導体層１０に第一導電型、第二導電型の半導体領域を画素ごとに形成する。光電変換部１１が第１導電型の場合、周囲のウエルは第２導電型になる。半導体層１０の表面（図３（ａ）中の下側）に、ゲート電極２１、複数の配線層２２、複数層の絶縁膜２３からなる多層の配線構造２０を形成する。半導体層１０の裏面（図中上側）には平坦化膜１２が配置される。平坦化膜１２はＳｉＯ２で構成されうる。
次に図３（ｂ）に示されるように、平坦化膜１２の上が平坦化され、遮光膜５０ならびにバリア膜５１、５２が形成される。遮光膜５０は金属層で形成されうる。アルミニウムで形成するとよい。バリア膜５１、５２はチタンやタンタルもしくはそれらの窒素化合物で構成される。次いでドライエッチングなどにより遮光膜５０及びバリア膜５１、５２に受光画素領域１の複数の第１光電変換部１１ｅにそれぞれ対応する複数の開口５０１が形成される。
次にドライエッチングなどにより、遮光壁６０（６０１Ａ、６０２Ａを例示）が形成される位置に対応してバリア膜５１にバリア膜開口部５１１が形成される。遮光壁６０を形成する場合、バリア膜開口部５１１の幅Ｓ１は遮光壁の幅Ｓ２より大きいことが必須だがＳ１の値は大きすぎないことが望ましい。バリア膜開口部５１１の大きさは遮光壁６０がバリア膜開口部５１１内に位置したときに、バリア膜５１と遮光壁６０とが接しない大きさに開口される。なお、受光画素領域の遮光膜およびバリア膜、前記バリア膜開口部５１１はそれぞれ遮光画素領域に形成するのと一緒に形成することが可能である。
次に平坦化膜となる無機材料を成膜後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などで平坦化することで、遮光膜５０の表面側に平坦化層を形成する。このとき無機材料にはＳｉＯ２が使用されうる。その後にフォトレジストをパターニングし、絶縁膜３１の所定部分をエッチングして開口部６０ａを形成し、開口部６０ａの底部に遮光膜５０を露出させる。エッチングにより、図３（ｃ）に示されるように、絶縁膜３１に対して遮光壁を形成する部分に対応した開口部６０ａが形成される。そして、開口部６０ａにタングステンなどの金属材料を埋め込んだ後、表面全体をＣＭＰすることにより、図３（ｄ）に示されるように、遮光壁６０（６０１Ａ、６０１Ｂ）が開口部６０ａの部分に形成される。なお、開口部６０ａに金属材料を埋め込む際には、図２（ｃ）に示すように密着層としてバリア膜を開口部６０ａの内周面に形成されうるが、この密着層により、遮光層界面の反射低減による乱反射低減効果が期待できる。
遮光壁の開口部６０ａのドライエッチング直後には残留フォトレジストを除去するための反応性イオンアッシングプロセスを行う。前記反応性イオンアッシングプロセスは２００℃以上の温度下でフッ素含有ガスを使用することが好ましい。
反応性イオンアッシングプロセスは上記のプロセス条件以外にも１００℃以下の温度下で行ってもよいし、また、酸素ガスのみでアッシングを行ってもよい。
また、バリア膜５１を形成する工程の後に反射防止層としてＳｉＮ等の絶縁膜を配置してもよい。この反射防止層は受光画素領域への迷光を低減しうる。また反射防止層は遮光壁６０を形成する部分が開口された開口部６０ａを形成する際のエッチングストッパー膜にもなり得る。
次に、図４（ａ）に示されるように、遮光壁６０と絶縁膜３１の表面を平坦化し、顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによってカラーフィルタ層７１が形成される。カラーフィルタ層７１と遮光壁６０との間の隙間は、高入射角時の混色に対する耐性の観点から可能な限り小さくすることが望ましい。
次に、図４（ｂ）に示されるように、カラーフィルタ層７１の上に、マイクロレンズ材料７４とフォトレジスト７５が形成される。マイクロレンズ材料７４には、上述したように、樹脂系の有機材料やＳｉＮなどの無機材料、有機無機ハイブリッド材料などを用いることができる。また、フォトレジスト７５には、ノボラック樹脂を主成分とする感光性材料を用いることができる。
その後、図４（ｃ）のようにフォトレジスト７５を成型してレンズ形状のフォトレジスト７３を形成し、その形状をマイクロレンズ材料７４に転写して図４（ｄ）のようにマイクロレンズ７２を形成する。以上のようにして、図２（ａ）に示した断面構成を有する構成例１に係る半導体装置を製造することができる。
本構成例はコンタクトプラグを形成するときにも適用することができる。半導体装置の配線の場合では、配線の上に絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開口し、コンタクトプラグを形成する。このときに事前に配線の表面のバリア膜にコンタクトホールよりも大きな面積の開口部を形成しておく。その後、この開口部に対応してコンタクトホールを形成する。このときコンタクトホールの大きさはバリア膜の開口の内側とコンタクトホールとの間に隙間ができるようにする。この隙間に絶縁膜の一部が介在することで、バリア膜の一部消失を防ぎうる。
＜構成例２＞
図５の断面図により構成例２に係る半導体装置について光電変換装置の例で説明する。この例では、光電変換装置は遮光壁が１段目の６０１Ａ、６０２Ｂと２段目の６０１Ｂ、６０２Ｂの二段からなる構造となっているが、段数はこれに限らない。またこの例では層内レンズ４２が配置されている。受光画素と遮光画素との平面的な配置は構成例１と同様とする。
図５の断面図により構成例２に係る半導体装置について光電変換装置の例で説明する。この例では、光電変換装置は遮光壁が１段目の６０１Ａ、６０２Ｂと２段目の６０１Ｂ、６０２Ｂの二段からなる構造となっているが、段数はこれに限らない。またこの例では層内レンズ４２が配置されている。受光画素と遮光画素との平面的な配置は構成例１と同様とする。
この例では、１段目の遮光構造３０と平坦化膜の上に、２段目の遮光構造４０が構成され、さらに平坦化膜が配置されている構造となっている。また１段目の遮光構造３０と２段目の遮光構造４０との境界部に層内レンズ４２が配置されている。１段目の遮光壁６０１Ａ、６０２Ａと遮光膜５０とはバリア膜開口部５１１の内側に配置されている。構成例２でもバリア膜開口部５１１の大きさ（幅）Ｓ１は遮光壁の大きさ（幅）Ｓ２よりも大きい、又は幅が広いといえる。バリア膜５１の内側のバリア膜５１の側部は遮光壁６０１Ａとは接しておらず、隙間があり、隙間には絶縁膜３１の一部が配置されている。
図５に係る光電変換装置の製造方法について図６により説明する。１段目の遮光壁６０１Ａを形成するまでは、構成例１に係る製造方法と同様に形成可能である。
次に図６（ａ）に示すように１段目の遮光壁レイヤの上に層内レンズ材料４１が成膜される。層内レンズ材料４１はＳｉＮやＳｉＯＮなどで構成される。次にマイクロレンズ７２の形成方法と同様、フォトレジスト（図示せず）のレンズ形状をパターン転写させることにより、図６（ｂ）に示されるように、層内レンズ４２が形成される。
次に１段目の遮光壁６０１Ａの形成と同様に２段目の遮光壁６０１Ｂ、６０２Ｂが形成される。１段目の遮光壁６０１Ａと２段目の遮光壁６０１Ｂとは光が入射する面に交差する方向に２段の構造になっている。このとき２段目の遮光壁は１段目の遮光壁の上面に対してずらして配置しうる。この時のずれ量は入射される光線の方向に応じて定められる。これにより遮光性の向上、迷光の低減などが期待される。なお、遮光壁は３段以上配置されてもよく、その場合も遮光壁レイヤを同様に形成する。
そして構成例１で説明した形成方法と同様にカラーフィルタ層７１、マイクロレンズ７２が形成される。カラーフィルタ層７１と最上段の遮光壁６０との間の隙間は、高入射角時の混色に対する耐性の観点から可能な限り小さくすることが望ましい。
＜構成例３＞
構成例３について図７により説明する。本例は表面照射型の光電変換装置である。つまり、半導体層１０の表面側（図中上側、半導体層１０とマイクロレンズ７２の間。）に多層の配線構造２０が配置される例である。この例では配線構造２０の間に導波路２４を含むことができる。
構成例３について図７により説明する。本例は表面照射型の光電変換装置である。つまり、半導体層１０の表面側（図中上側、半導体層１０とマイクロレンズ７２の間。）に多層の配線構造２０が配置される例である。この例では配線構造２０の間に導波路２４を含むことができる。
この例でも遮光壁が２段で配置されており、層内レンズ４２が２段目の遮光構造４０内に配置されている。層内レンズ４２は遮光画素領域２に存在してもよいし、受光画素領域１内に層内レンズ４２が存在しなくてもよい。また、層内レンズ４２は１段目の遮光構造３０内に形成されていてもよい。導波路２４はマイクロレンズ７２及び層内レンズ４２を介して入射する光を光電変換部１１へ導く。導波路２４の光が入射する側の面積は、光が出力される、光電変換部１１側の面積より大きく、導波路はテーパ状の形状にしてもよい。
＜機器への適用例＞
図８は、撮像装置１００として構成される光電変換装置を搭載した機器ＥＱＰの模式図である。機器ＥＱＰは、カメラやスマートフォンなどの電子機器（情報機器）、自動車や船舶、飛行機などの輸送機器でありうる。
図８は、撮像装置１００として構成される光電変換装置を搭載した機器ＥＱＰの模式図である。機器ＥＱＰは、カメラやスマートフォンなどの電子機器（情報機器）、自動車や船舶、飛行機などの輸送機器でありうる。
撮像装置１００は、半導体層（半導体チップ）を含む半導体デバイスＩＣの他に、半導体デバイスＩＣを収容するパッケージＰＫＧを含みうる。パッケージＰＫＧは、半導体デバイスＩＣが固定された基体と、半導体デバイスＩＣに対向するガラス等の蓋体と、基体に設けられた端子と半導体デバイスＩＣに設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプ等の接続部材と、を含みうる。半導体デバイスＩＣは撮像装置１００の筐体に収容されうる。
機器ＥＱＰは、光学系ＯＰＴ、制御装置ＣＴＲＬ、処理装置ＰＲＣＳ、表示装置ＤＳＰＬ、記憶装置ＭＭＲＹの少なくともいずれかをさらに備え得る。光学系ＯＰＴは撮像装置１００に光学像を形成するものであり、レンズやシャッタ、ミラーでありうる。制御装置ＣＴＲＬは撮像装置１００の動作を制御するものであり、ＡＳＩＣなどの半導体デバイスで構成されていてもよい。処理装置ＰＲＣＳは撮像装置１００から出力された信号を処理するものであり、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成するための、ＣＰＵやＡＳＩＣなどの半導体デバイスである。表示装置ＤＳＰＬは撮像装置１００で得られた情報（画像）を表示する、ＥＬ表示装置や液晶表示装置である。
記憶装置ＭＭＲＹは、撮像装置１００で得られた情報（画像）を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスである。記憶装置ＭＭＲＹは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリである。機械装置ＭＣＨＮはモーターやエンジン等の可動部あるいは推進部を有する。カメラにおける機械装置ＭＣＨＮはズーミングや合焦、シャッタ動作のために光学系ＯＰＴの部品を駆動することができる。機器ＥＱＰでは、撮像装置１００から出力された信号を表示装置ＤＳＰＬに表示したり、機器ＥＱＰが備える通信装置（不図示）によって外部に送信したりする。そのために、機器ＥＱＰは、撮像装置１００が組み込まれうる制御／信号処理回路などに含まれる記憶回路部や演算回路部とは別に、記憶装置ＭＭＲＹや処理装置ＰＲＣＳを更に備えていてもよい。
上述したように、本発明に係る半導体装置を光電変換装置に適用した場合には、遮光画素領域２の遮光性能の向上と受光画素領域１の光電変換部の性能の向上に有利である。したがって、光電変換装置が組み込まれたカメラは、監視カメラや、自動車や鉄道車両などの輸送機器に搭載される車載カメラなどに使用できる。ここでは、本発明に係る半導体装置として、光電変換装置が組み込まれたカメラを輸送機器に適用した例を図９により説明する。
輸送機器２１００は、図９に示すような車載カメラシステム２１０１を備えた自動車でありうる。図９（ａ）は、輸送機器２１００の外観と主な内部構造を模式的に示している。輸送機器２１００は、撮像装置２１０２、撮像システム用集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）２１０３、警報装置２１１２、制御装置２１１３を備えうる。
撮像装置２１０２には、本発明に係る構造の光電変換装置が用いられる。警報装置２１１２は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。制御装置２１１３は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、輸送機器２１００が制御装置２１１３を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号（ＣＡＮ規格などに準拠しうる。）の送受を行ってもよい。
図９（ｂ）は、輸送機器２１００のシステム構成を示すブロック図である。輸送機器２１００は、本発明に係る構造の光電変換装置を第１撮像装置及び第２撮像装置２１０２として用いる。つまり、本実施形態の車載カメラはステレオカメラである。撮像装置２１０２には、光学部２１１４により被写体像が結像される。撮像装置２１０２から出力された画素信号は、画像前処理部２１１５によって処理され、そして、撮像システム用集積回路２１０３に伝達される。画像前処理部２１１５は、Ｓ−Ｎ演算や、同期信号付加などの処理を行う。上述の信号処理部９０２は、画像前処理部２１１５および撮像システム用集積回路２１０３の少なくとも一部に相当する。
撮像システム用集積回路２１０３は、画像処理部２１０４、メモリ２１０５、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８、異常検出部２１０９、および、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２１１６を備える。画像処理部２１０４は、撮像装置２１０２のそれぞれの画素から出力される信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部２１０４は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ２１０５は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ２１０５は、既知の撮像装置２１０２の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部２１０６は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部２１０７は、視差画像の被写体照合（ステレオマッチング）を行う。物体認知部２１０８は、画像信号を解析して、輸送機器、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部２１０９は、撮像装置２１０２の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部２１０９は、故障や誤動作を検知した場合には、制御装置２１１３へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部Ｉ／Ｆ部２１１６は、撮像システム用集積回路２１０３の各部と、制御装置２１１３あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。
輸送機器２１００は、車両情報取得部２１１０および運転支援部２１１１を含む。車両情報取得部２１１０は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。
運転支援部２１１１は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部２１０６や視差演算部２１０７は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。
運転支援部２１１１が他の物体と衝突しないように輸送機器２１００を制御する場合について説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。
輸送機器２１００は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション、エンジン、モーター、車輪、プロペラ等の、移動あるいはその補助に用いられる駆動装置を具備する。また、輸送機器２１００は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、制御装置２１１３の制御信号に基づいて、対応する駆動装置を制御する。
本実施形態に用いられた撮像システムは、自動車や鉄道車両に限らず、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの機器にも適用することができる。加えて、輸送機器に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）など、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１：受光画素領域、２：遮光画素領域、３：周辺領域、１０：半導体層、１１：光電変換部、２０：配線構造、２１：ゲート電極、２２：配線層、２３：絶縁膜、３０：遮光構造、５０：遮光膜、５１、５２：バリア膜、６０：遮光壁、７１：カラーフィルタ層、７２：マイクロレンズ
Claims (20)
- 半導体層と、
前記半導体層の表面の上に配置された金属層と、
前記金属層の表面のうちの第１部分を覆う第１バリア部と、
前記金属層の表面のうちの第２部分を覆う第２バリア部と、
前記金属層、前記第１バリア部及び前記第２バリア部を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた開口部の中に配置され、前記金属層の表面のうちの前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分の上に位置する金属部材と、を備える半導体装置であって、
前記第１バリア部と前記第２バリア部との間に、前記金属部材が位置し、かつ、前記金属部材と前記第１バリア部との間および前記第２バリア部との間に前記絶縁膜の一部が配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記開口部の中において、前記金属部材と前記絶縁膜との間および前記金属部材と前記金属層との間にバリア膜が配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
- 半導体層と
前記半導体層の表面の上に配置された金属層と、
前記金属層の表面のうちの第１部分を覆う第１バリア部と、
前記金属層の表面のうちの第２部分を覆う第２バリア部と、
前記金属層、前記第１バリア部及び前記第２バリア部を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた開口部の中に配置され、前記金属層の表面のうちの前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分の上に位置する金属部材と、
前記開口部の中において、前記金属部材と前記絶縁膜との間および前記金属部材と前記金属層との間に配置されたバリア膜と、
を備える半導体装置であって、
前記第１バリア部と前記第２バリア部との間に、前記バリア膜が位置し、かつ、前記バリア膜と前記第１バリア部との間および前記第２バリア部との間に前記絶縁膜の一部が配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体層は、それぞれが光電変換部を有する受光画素と遮光画素とを含み、
前記金属層は遮光画素への光の入射を遮光する遮光膜を構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。 - 前記金属部材は前記受光画素及び前記遮光画素の周囲に配置された遮光壁を構成することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
- 前記遮光壁は前記光の入射する面に対して交差する方向に複数の段から構成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
- 前記受光画素及び前記遮光画素が行列状に配置されたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記光電変換部に対応してマイクロレンズが配置されていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記半導体層に対して前記遮光膜を構成する前記金属層とは反対側にゲート電極及び配線層が形成されていることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記半導体層と前記遮光膜を構成する前記金属層との間にゲート電極及び配線層が形成されていることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜に導波路が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜の内部にレンズが配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記金属層は配線を含み、前記金属部材は前記配線に接続されるコンタクトプラグを含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１バリア部および前記第２バリア部はチタン、タンタル、窒化チタン、および窒化タンタルの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記金属部材はタングステンを含み、前記金属層はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
半導体層の表面の上に金属層を形成する工程と、
前記金属層の表面の一部を覆うバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜に開口を形成する工程と、
前記金属層と前記バリア膜を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記開口の上の前記絶縁膜をエッチングして前記金属層を露出するよう開口部を形成する工程と、
金属を前記開口部に埋め込む工程と、を有し、
前記開口部を形成する工程では、前記開口の内側に前記絶縁膜の一部が残るようにすることを特徴とする製造方法。 - 前記金属層及び前記バリア膜に光が入射するための開口を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の製造方法。
- 前記開口部を形成する工程は、
前記絶縁膜にフォトレジストをパターニングする工程と、
前記エッチングした後にアッシングを行う工程と、を含むことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の製造方法。 - 前記アッシングはフッ素含有ガスをもちいることを特徴とする請求項１８に記載の製造方法。
- 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体装置を備える機器であって、
前記半導体装置から出力された信号を処理する処理装置および前記半導体装置で得られた情報を表示する表示装置の少なくともいずれかをさらに備えることを特徴とする機器。
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