JP4686201B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、フォトダイオードとＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型トランジスタを備えると共に銅配線を用いた固体撮像装置及びその製造方法に関する。
ＭＯＳ型の固体撮像装置は、各画素についてＭＯＳトランジスタを含む増幅回路が形成されており、該増幅回路を用いて、各フォトダイオードにおける信号を増幅して読み出すようになっているイメージセンサである。
このような固体撮像装置は、ＭＯＳイメージセンサとよばれ、低電圧且つ低消費電力であり、更に、周辺回路とワン・チップ化ができるという長所を有する。このため、近年、パーソナルコンピュータ用小型カメラ及び携帯機器等の画像入力素子として注目されている。
このようなＭＯＳイメージセンサは、現在は０．３５μｍルール以上のＣＭＯＳルールによって製造され、１画素あたりのサイズは例えば５．６μｍである。しかしながら、固体撮像装置の小型化、低コスト化及び多画素化のニーズの高まりに伴い、今後は画素の微細画素化及び高速化が更に進むと予想される。
そこで、低抵抗であると共に、高速動作及び配線領域の削減に適した銅配線を利用する固体撮像装置が開示されている。
図４は、固体撮像装置における回路構成の一例を示す図である。この固体撮像装置は、同一の半導体基板上に、複数の画素１１が２次元的に配列された撮像領域１２と、配列された複数の画素１１のうちから垂直方向の選択を行なう垂直シフトレジスタ１３と、配列された複数の画素１１のうちから水平方向の選択を行なう水平シフトレジスタ１４と、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４対してパルスを供給するタイミング発生回路１５とを備えている。
また、撮像領域１２中に配列されている画素１１は、それぞれ、フォトダイオードからなる光電変換部３１と、光電変換部３１において発生する電荷を転送する転送トランジスタ３２と、画素１１から電荷を掃き出してリセットするリセットトランジスタ３４と、転送トランジスタによって転送された電荷を検出し、信号を出力する増幅トランジスタ３５と、増幅トランジスタ３５が信号を出力するタイミングを制御する選択トランジスタ３６とを備えている。このように、一つの画素１１に対して４個のＭＯＳトランジスタが形成されている。
次に、図５に、従来のＭＯＳ型固体撮像装置５０の断面図を示す。ここでは、２つの画素（画素ａ及び画素ｂ）に相当する範囲が示されており、該２つの画素は同じ構造であるから、主に画素ａについて説明することにする。
ＭＯＳ型固体撮像装置５０は、シリコン基板５１を用いて形成され、画素ａ等のそれぞれの画素に少なくとも１つのＭＯＳトランジスタ５２と、フォトダイオード（以下、ＰＤと表記する）５３とが形成されている。
ここで、ＭＯＳトランジスタ５２は、シリコン基板５１に対して不純物を導入することによって形成されたソース領域及びドレイン領域（以下、ソース・ドレイン領域５４呼ぶ）と、シリコン基板５１上にゲート絶縁膜５５を介して形成されたゲート電極５６とから構成されている。また、図示は省略しているが、ＭＯＳトランジスタ５２は、素子分離領域によって区画されると共にＰ型又はＮ型のウェルが形成された範囲に形成される。また、これも図示はしてないが、ＭＯＳトランジスタ５２の閾値電圧を調整するためのシリコン基板５１に対する不純物の導入が行なわれている。
また、ＰＤ部５３は、シリコン基板５１に対してＮ型の不純物を導入することによって形成されている。
また、ソース・ドレイン領域５４上にはそれぞれ一層目コンタクト７１が形成され、一層目コンタクト７１は、一層目埋め込み配線７２に接続されている。更に、一層目埋め込み配線７２上には二層目コンタクト７３が形成され、二層目コンタクト７３は、二層目埋め込み配線７４に接続されている。更に、二層目埋め込み配線７４上には三層目コンタクト７５が形成され、三層目コンタクト７５は、三層目埋め込み配線７６に接続されている。
ここで、一層目〜三層目のコンタクト及び埋め込み配線は、全てシリコン基板５１上に形成された層間絶縁膜６０中に形成されている。これらは、次のようにして形成される。尚、層間絶縁膜６０は、合計五層の積層構造となっている。
まず、酸化シリコン材料よりなる一層目下側層間絶縁膜６１を堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）研磨により平坦化する。次に、一層目下側層間絶縁膜６１の所定の位置にコンタクトホールを開口し、該開口にタングステン等を埋め込むことにより、一層目コンタクト７１を形成する。これらは、高さ（膜厚）約０．５μｍに形成する。
続いて、一層目下側層間絶縁膜６１の上に、一層目上側層間絶縁膜６２を約０．４μｍ堆積し、これに対してリソグラフィ技術及びエッチング技術により、一層目埋め込み配線７２を形成するための配線溝を形成する。更に、該配線溝に対し、Ｔａ等からなるバリアメタルとＣｕからなる導電膜とを成膜した後、ＣＭＰ研磨によって平坦化する。これにより、膜厚約０．４μｍの一層目埋め込み配線７２が形成される。
続いて、一層目上側絶縁膜６２の上に、酸化シリコン材料を堆積して膜厚約０．６μｍの二層目層間絶縁膜６３を形成し、ＣＭＰ研磨によって平坦化する。次に、リソグラフィ技術及びエッチング技術により、二層目層間絶縁膜６３に、ビアコンタクト孔と配線溝とを形成する。更に、Ｔａ等からなるバリアメタルとＣｕからなる導電膜とを成膜した後、ＣＭＰによって平坦化することにより、厚さ約０．３μｍの二層目コンタクト７３及び二層目埋め込み配線７４が形成される。
続いて、二層目層間絶縁膜６３、二層目コンタクト７３及び二層目埋め込み配線７４と同様にして、三層目層間絶縁膜６４、三層目コンタクト７５及び三層目埋め込み配線７６を形成する。
更に、ＴｉＮからなるバリアメタルとＡｌ膜とを成膜し、エッチングすることにより、パッド部分（図示せず）が形成される。この後、窒化珪素膜であるパッシベーション膜８１を形成し、更に最上部層間絶縁膜６５を積層する。
続いて、最上部層間絶縁膜６５の上に、カラーフィルタ８２が形成され、更にカラーフィルタ８２上にはオンチップレンズ８３が形成されている。
このような固体撮像装置５０においては、エッチングによって形成するよりも膜厚の薄い配線を形成することができる埋め込み配線を用いることにより、光電変換部上に形成される配線層等からなる積層構造の膜厚を小さくしている。これにより、受光効率の向上を図っている。
また、配線層の材料として銅を用いることにより、配線層の膜厚を抑えることによる配線層の抵抗増加を抑えている。
特開２００３−２６４２８１号公報
しかしながら、図５に示す固体撮像装置５０において、一層目埋め込み配線７１等の配線の材料として用いられているＣｕは、一部が層間絶縁膜６０中を拡散し、シリコン基板５１にまで拡散することがある。このように拡散されたＣｕは、ＰＤ５３において暗電流を増加させる不純物元素として働くため、白キズ特性が悪化する原因となる。
また、配線層のうち最上部の層（図５の場合であれば、三層目埋め込み配線７６）は、ＰＤ部５３以外に対する光の入射を防ぐ遮光膜としての機能を兼用させる目的により、規則正しい格子状の配線パターンとされる。
このような配線層として埋め込み配線を使用した場合、撮像領域部の中央付近においては配線膜厚が薄くなる。これはディッシングと呼ばれ、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）を行なう際に、研磨剤の化学的作用等によって配線の中央部等のパターンが窪む現象である。この現象は、配線寸法の大きな箇所において特に顕著に表れる。
ディッシングによって配線層が薄くなると、断線の原因となると共にＰＤ部５３以外の領域にも入光してＭＯＳトランジスタ５２が誤動作する等の原因にもなる。
以上のような課題に鑑み、本発明の目的は、リーク電流及び白キズ数の低減を容易に実現すると共に、配線の断線及び所定の領域以外に対する入光を抑制することのできる固体撮像装置及びその製造方法を提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板と、基板上に形成され、光電変換部を有する光電変換セルがアレイ状に配置された撮像領域と、基板上に形成され、撮像領域の制御及び撮像領域からの信号の出力を行なう周辺回路領域と、基板上に形成され且つ銅を含む材料よりなる銅含有配線層とを備え、銅の拡散を防止するための拡散防止層として、光電変換部上に第１の拡散防止層が形成されていると共に、銅含有配線層上に第２の拡散防止層が形成されている。
本発明の固体撮像装置によると、第１及び第２の拡散防止層が形成されていることにより、配線層に含まれる銅が拡散によって移動し、基板に（特に、基板上に形成された光電変換部に）入り込むのを防ぐようになっている。このため、光電変換部に拡散した銅を原因とする暗電流の増加を防止し、固体撮像装置の白キズ特性が悪化するのを防ぐことができる。つまり、配線層に銅を用いる固体撮像装置において、白キズの数を減少させることができる。
ここで、光電変換部上に形成された第１の拡散防止層は、光電変換部付近に拡散された銅が光電変換部に入り込むのを防いでいる。また、配線層上に形成された第２の拡散防止層は、それぞれの配線層から銅が拡散して移動するのを抑制する。
尚、第１の拡散防止層と、最下層の銅含有配線層上に形成された第２の拡散防止層とは、連続して一体的に形成されていることが好ましい。
このようにすると、最下層の銅含有配線層、つまり、最も基板に近い銅含有配線層に含まれる銅についても光電変換部に拡散するのを防ぐことができる。このことにより、光電変換部に対する銅の拡散を確実に防ぐことができるため、白キズ数及び暗電流をより確実に低減することができる。
また、光電変換部と、第１の拡散防止層との間に、応力緩和膜を有していることが好ましい。
このようにすると、白キズ特性を向上させることができる。これは、次のような理由による。
光電変換部の直上に、応力緩和膜を介することなく第１の拡散防止層が形成されている場合、拡散防止層を形成する際に光電変換部との間に生じる膜応力によって光電変換部における暗電流が増加し、白キズが増加することになる。
そこで、光電変換部と拡散防止層との間に、膜応力を緩和するための応力緩和膜を形成することにより、暗電流及び白キズの増加を抑制することができる。応力緩和膜としては、具体的には、酸化膜であっても良い。
また、第１の拡散防止層及び第２の拡散防止層は、窒化珪素及び炭化珪素のうち少なくとも一方を含むことが好ましい。
このようにすると、銅が基板（特に光電変換部）に拡散するのを防ぐことができるのに加えて、基板の表面における光の反射を減少させることができ、感度の高い光電変換セルを実現することができる。
また、銅含有配線層を含む複数の配線層を備え、複数の配線層の間には、少なくとも絶縁膜が形成されていることが好ましい。
このようにすると、配線層間のショートを防止することができると共に、寄生容量を削減することができる。
また、銅含有配線層とは別に、入射光を遮る遮光膜として機能すると共に光電変換部に光を入射させるための開口を有する遮光配線層を備え、遮光配線層は、エッチングによってパターニングされていることが好ましい。
配線層を、層間絶縁膜等に対して配線パターンに応じた溝を形成した後、金属膜を形成し、ＣＭＰ等によって研磨することによって形成する埋め込み配線とした場合、ＣＭＰ工程におけるディッシングの影響によって配線の膜厚にばらつきが発生する。
そこで、遮光膜としての機能を兼用する遮光配線層についてはエッチングによって形成することにより、該配線層の膜厚がばらつくのを抑制し、遮光特性の面内におけるばらつきも抑制することができる。この結果、埋め込み配線を用いることによって光電変換部上に形成される配線層等からなる積層構造の膜厚を小さくしている場合等にも、遮光膜の機能を有する配線層については遮光特性の信頼性を向上することができる。
また、遮光配線層は、アルミニウムを含むことが好ましい。
このようにすると、遮光膜としての機能を兼用する配線層を低抵抗の配線層とすることができると共に、エッチングによる配線層の形成が容易にできる。
また、撮像領域に形成されている配線層のうちの最上層配線層は、エッチングによってパターニングされており、制御回路領域に形成されている配線層のうちの最上層配線層は、埋め込み配線であることが好ましい。
このようにすると、撮像領域における一番上の配線層として膜厚にばらつきの小さい配線層を備えると共に、制御回路領域における配線層として微細寸法に加工された配線層を備える固体撮像装置を実現することができる。
また、撮像領域の最上層配線層は、制御回路領域の最上層配線層よりも下に位置することが好ましい。
このようにすると、遮光膜としての機能を兼用する配線層と、光電変換セル等の形成された基板表面との距離を短縮することができる。このため、固体撮像装置に対して斜めに入射する光が、入るべき光電変換セルに隣接した別の光電変換セルに入射するのを抑制し、これによって混色を削減することができる。
また、撮像領域の最上層配線層は、アルミニウムを含むと共に、制御回路領域の最上層配線層は、銅を含むことが好ましい。
このようにすると、撮像領域において最も上に形成されている配線層をエッチングにより確実にパターニングすることができると共に、制御回路領域において最も上に形成されている配線層が高抵抗化するのを抑制することができる。
前記の目的を達成するため、本発明のカメラは、本発明の固体撮像装置を備えている。
本発明のカメラによると、リーク電流の低減、白キズ特性の向上及び混色の低減等の効果を実現した固体撮像装置を備えているため、優れた画質の映像を撮影することができる。
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板上に、光電変換部を有する光電変換セルがアレイ状に配置された撮像領域と、撮像領域の制御及び撮像領域からの信号の出力を行なう周辺回路領域とを形成する第１の工程と、第１の工程の後に、基板上に銅を含む銅含有配線層を形成する第２の工程と、第１の工程の後に、銅の拡散を防止する拡散防止層として、光電変換部上に第１の拡散防止層を形成すると共に、銅含有配線層上に第２の拡散防止層を形成する第３の工程とを備える。
本発明の固体撮像装置の製造方法によると、配線層の材料に含まれる銅が拡散するのを防ぐための拡散防止層として、光電変換部上に第１の拡散防止層を形成すると共に、銅含有配線層上に、第２の拡散防止層を形成するようになっている。このため、基板に（特に、基板上に形成された光電変換部に）銅が入り込むのを防ぐことができる。
この結果、光電変換部に拡散した銅に起因する暗電流の増加を防止し、製造する固体撮像装置の白キズ特性が悪化するのを防ぐことができる。
尚、第３の工程において、第１の拡散防止層と、最下層の銅含有配線層上に形成された第２の拡散防止層とを、連続して一体的に形成することが好ましい。
このようにすると、光電変換部に対する銅の拡散を確実に防ぐことのできる拡散防止層を備えた固体撮像装置を製造することができる。
また、第３の工程において第１の拡散防止層を形成するよりも前に、光電変換部上に、応力緩和膜を形成する工程を更に備えることが好ましい。
このようにすると、光電変換部上に第１の拡散防止層を形成することによって発生する、第一の拡散防止層による光電変換部に対する膜応力を緩和することが出来る。該膜応力は、光電変換部における暗電流の増加及び白キズの増加の原因であるため、緩和することによって白キズ特性等を向上することができる。
ここで、応力緩和膜の具体例としては、酸化膜を形成することができる。
また、第３の工程において、窒化珪素及び炭化珪素のうち少なくとも一方を含む膜として第１の拡散防止層及び第２の拡散防止層を形成することが好ましい。
このようにすると、基板表面における光の反射を減少し、光電変換セルの感度を向上することができる。
また、第２の工程を含む工程により、複数の配線層を形成すると共に、複数の配線層の間に少なくとも絶縁膜を形成する工程を備えていることが好ましい。
このようにすると、固体撮像装置において配線層間のショートを防止し、寄生容量を削減することができる。
また、第１の工程よりも後に、入射光を遮る遮光膜として機能すると共に光電変換部に光を入射させるための開口を有する遮光配線層を形成する第４の工程を更に備え、遮光配線層を形成する工程は、エッチングによってパターニングを行なう工程を含むことが好ましい。
このようにすると、ＣＭＰ技術を利用した埋め込み配線として配線層を形成する場合と異なり、配線層の膜厚がばらつくのを回避することができる。このため、均一な膜厚を有する遮光配線層を形成し、確実な遮光を行なうことができる。
また、第４の工程において、アルミニウムを含む遮光絶縁膜を形成することが好ましい。
このようにすると、エッチングによって確実に配線層のパターン形成を行なうことができる。
また、撮像領域における最上層配線層を、エッチングによってパターニングする工程と、制御回路領域における最上層配線層を、埋め込み配線として形成する工程とを備えることが好ましい。
このようにすると、撮像領域における一番上の配線層として、ばらつきの小さい配線層を形成することができると共に、制御回路領域における最も上の配線層を微細寸法に加工することができる。
また、撮像領域における最上層配線層を、アルミニウムを含む材料により形成すると共に、制御回路領域における最上層配線層を、銅を含む材料により形成することが好ましい。
このようにすると、撮像領域における最も上の配線層を、エッチングにより確実にパターニングすることができると共に、制御回路領域における最も上の配線層を、高抵抗化を回避して形成することができる。
また、撮像領域における最上層配線層を形成する工程は、制御回路領域における最上層配線層を形成する工程よりも先に行なうことが好ましい。
このようにすると、撮像領域における最も上の配線層を、制御回路領域における最も上の配線層よりも基板に近い位置に形成することができる。このため、撮像領域における最も上の配線層と、光電変換セル等が形成された基板表面との距離を短縮することができる。この結果、固体撮像装置に対して斜めに入射する光が、入るべき光電変換セルに隣接した別の光電変換セルに入射するのを抑制し、これによって混色を削減することができる。
また、拡散防止層を形成する工程よりも後、配線層を形成する工程よりも前に、少なくとも水素を含む雰囲気において、最高到達温度が４００℃以上で且つ４８０℃以下である熱処理を行なう工程を備えることが好ましい。
このようにすると、撮像領域及び制御回路領域を形成する際等における基板に対する不純物の注入、熱処理及び素子分離の形成等によって生じた結晶ひずみについて、回復アニールを行なって回復させることができる。これにより、銅のエレクトロマイグレーションによる高抵抗化を抑制することができる。また、銅を含む材料からなる配線を形成する前に熱処理を行なうため、熱処理によって銅配線が断線するのを回避することができる。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法によると、配線層に含まれる銅が基板上に形成された光電変換部に対して拡散するのを防ぐと共に、最も上に形成される配線層の膜厚のばらつきを低減して遮光特性の向上と断線の低減を実現している。これにより、白キズ特性の向上及び暗電流の低減等を実現することができる。
以下、本発明の第１、第２及び第３の実施形態について説明する。いずれの実施形態の固体撮像装置も、図４に示した従来の固体撮像装置と同様に、光電変換部及び複数のトランジスタを備える光電変換セルがアレイ状に配置された撮像領域と、撮像領域撮像領域を制御すると共に撮像領域における信号を出力するための制御回路領域とを有している。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の構造を模式的に表す断面図である。固体撮像装置１００において、撮像領域における光電変換セル一つに相当する領域を領域Ａ、制御回路領域における一つのＭＯＳトランジスタを含む領域を領域Ｂとして代表して示している。
固体撮像装置１００は、シリコン基板１０１を用いて形成され、領域Ａ及び領域ＢにおいてＭＯＳトランジスタ１０２がそれぞれ形成されている。ＭＯＳトランジスタ１０２は、シリコン基板１０１に対して不純物を導入することによって形成されたソース領域及びドレイン領域（以下、ソース・ドレイン領域１０４呼ぶ）と、シリコン基板１０１上にゲート絶縁膜１０５を介して形成されたゲート電極１０６とから構成されている。また、図示は省略しているが、ＭＯＳトランジスタ１０２は、素子分離領域によって区画されると共にＰ型又はＮ型のウェルが形成された範囲に形成される。また、これも図示はしてないが、ＭＯＳトランジスタ１０２の閾値電圧を調整するためのシリコン基板１０１に対する不純物の導入が行なわれている。
また、領域Ａにおいては、光電変換部としてのフォトダイオード（ＰＤ）１０３が形成されている。これは、シリコン基板１０１に対してＮ型の不純物を導入することによって形成される。
また、ソース・ドレイン領域１０４上に、それぞれ一層目コンタクト１３１が形成され、一層目コンタクト１３１は、一層目埋め込み配線１３２に接続されている。更に、一層目埋め込み配線１３２上には二層目コンタクト１３３が形成され、二層目コンタクト１３３は、二層目埋め込み配線１３４に接続されている。
更に、領域Ａにおいて、二層目埋め込み配線１３４上には撮像領域三層目コンタクト１３５が形成され、撮像領域三層目コンタクト１３５は、撮像領域三層目配線１３６に接続されている。
また、領域Ｂにおいて、二層目埋め込み配線１３４上には制御回路領域三層目コンタクト１３７が形成され、制御回路領域三層目コンタクト１３７は、制御回路領域三層目埋め込み配線１３８に接続されている。
また、ＰＤ１０３の上に、ＰＤ部拡散防止層１２１が形成されている。更に、一層目配線層１３２上及び二層目配線層１３４上に、順に一層目拡散防止層１２２及び二層目拡散防止層１２３が形成されている。また、三層目埋め込み配線１３８上に、三層目拡散防止層１２４が形成されている。
ここで、以上の一層目〜三層目のコンタクト、埋め込み配線及び拡散防止層と、ＰＤ部拡散防止層１２１は、全て層間絶縁膜１１０中に形成されている。これらは、以下のように形成される。尚、層間絶縁膜１００は、例えば酸化珪素を用いて形成され、複数の層間絶縁膜よりなる積層構造となっている。
まず、領域Ａ及び領域Ｂにおいて、公知の方法によりＭＯＳトランジスタ１０２及びＰＤ１０３が形成された基板１０１に対し、薄い層間絶縁膜を応力緩和膜１１１として形成する。次に応力緩和膜１１１を介して、ＰＤ１０３上に、ＰＤ部拡散防止層１２１を形成する。本実施形態においては、ＰＤ部拡散防止層１２１としては、窒化珪素膜を用いる。しかし、他の材料、例えば炭化珪素を用いてＰＤ部拡散防止層１２１を形成することもできる。
このように、ＰＤ部拡散防止層１２１が形成されていることにより、配線層等に含まれる銅がＰＤ１０３に対して拡散するのを防ぐことができるため、白キズ特性が向上する。具体的には、従来の固体撮像装置においては１００００個程度であった白キズが、１０００個程度にまで減少する。
尚、ここで言う白キズの個数とは、２００万画素の固体撮像装置について、６０℃雰囲気中で且つ暗状態において測定した際に、規定値以上の出力がある画素の個数を意味している。
ここで、応力緩和膜１１１を形成することなく、ＰＤ１０３上に直接、ＰＤ部拡散防止層１２１を形成した場合、白キズ数は５０００個程度まで減少するのに留まる。これは、ＰＤ１０３に銅が拡散するのを防ぐＰＤ部拡散防止層１２１の効果は発揮されるが、ＰＤ部拡散防止層１２１によってＰＤ１０３に膜応力が加わるためである。
また、ＰＤ部拡散防止層１２１として窒化珪素膜を形成する場合、応力緩和膜１１１の膜厚を５ｎｍ〜２０ｎｍとすると共にＰＤ部拡散防止層１２１の膜厚を４０ｎｍ〜９０ｎｍとする。このような膜厚とすると、ＰＤ１０３上における反射率を低下させ、入射光量を増加させることからＰＤ１０３の感度を約１０％向上することができると共に、ＰＤ１０３に対する膜応力の影響を回避することができる。
また、ＰＤ部拡散防止層１２１として炭化珪素膜を形成する場合、応力緩和膜１１１は前記と同様の５ｎｍ〜２０ｎｍとすると共にＰＤ部拡散防止層１２１の膜厚を５０ｎｍ〜１３０ｎｍとする。このような膜厚とすることにより、感度の向上及び膜応力の緩和を同様に実現することができる。
ＰＤ部拡散防止層１２１を形成した後、熱処理（アニール処理）を行なう。具体的には、例えば、水素雰囲気中において処理温度４００℃〜４８０℃であるアニール処理を行なう。これにより、基板１０１を製造する際に生じていたダメージを削減し、埋め込み配線におけるエレクトロマイグレーションによる高抵抗化を防止することができる。このようなアニール処理により、白キズは１００個以下となる。
続いて、一層目下側層間絶縁膜１１２を形成し、これに対し、エッチングによって一層目コンタクト１３１を形成するためのコンタクトホールを形成する。次に、該コンタクトホールに金属を埋め込むことにより、一層目コンタクト１３１を形成する。本実施形態においては、金属材料として、被覆性に優れたＷを用いた。しかし、これに限るものではない。
更に、一層目下側層間絶縁膜１１２の上に、一層目上側層間絶縁膜１１３を形成する。これに対し、エッチングによって所定の位置に一層目埋め込み配線１３２を形成するための配線溝を形成する。該配線溝に対し、Ｔａ等からなるバリアメタルとＣｕを含む導電膜を成膜した後、ＣＭＰによって平坦化して膜厚０．３〜０．６μｍの一層目埋め込み配線１３２を形成する。
続いて、一層目埋め込み配線１３２を含む一層目上側層間絶縁膜１１３の上に、一層目拡散防止層１２２を形成する。これにより、銅の拡散を防止する効果が得られるが、一層目拡散防止層１２２と、一層目上側層間絶縁膜１１３との境界において、多くの光が反射する。そこで、ＰＤ１０３上の領域については一層目拡散防止層１２２をエッチングによって除去し、ＰＤ１０３に対する入射光量の低下を防止する。
続いて、一層目拡散防止層１２２等を覆うように、二層目層間絶縁膜１１４を形成し、その表面をＣＭＰによって平坦化する。次に、リソグラフィ技術及びエッチング技術により、二層目層間絶縁膜１１４に対し、二層目コンタクト１３３を形成するためのビアコンタクト孔と、二層目埋め込み配線１３４を形成するための配線溝とを形成する。
更に、これらのビアコンタクト孔及び配線溝に対し、Ｔａ等からなるバリアメタルとＣｕを含む導電膜を成膜し、ＣＭＰによって平坦化する。これにより、二層目層間絶縁膜１１４中に、合わせて膜厚０．５〜０．９μｍ程度となっている二層目コンタクト１３３及び二層目埋め込み配線１３４を形成する。
続いて、二層目層間絶縁膜１１４上に、二層目拡散防止層１２３を形成する。更に、一層目の場合と同様に、二層目層間絶縁膜１１４と二層目拡散防止層１２３との境界における光の反射を回避するため、ＰＤ１０３上に位置する領域の二層目拡散防止層１２３をエッチングにより除去する。
続いて、制御回路領域である領域Ｂについて、二層目と同様にして、三層目下側層間絶縁膜１１５、制御回路領域三層目コンタクト１３７、制御回路領域三層目埋め込み配線１３８及び三層目拡散防止層１２４を形成する。
埋め込み配線は平坦性に優れるため、制御回路領域三層目埋め込み配線１３８は、０．１４〜０．２０μｍの微細パターンとして配線パターン形成することができる。
また、撮像領域である領域Ａについて、撮像領域三層目コンタクト１３５と、撮像領域三層目配線１３６とを形成する。これには、まず、三層目下側層間絶縁膜１１５にコンタクト孔形成して金属を埋め込むことによって撮像領域三層目コンタクト１３５を形成する。次に、アルミニウムを堆積して導電膜を形成し、エッチングによってパターン形成することにより、撮像領域三層目配線１３６とする。
層間絶縁膜等に溝を形成し、配線材料を成膜した後にＣＭＰを用いて平坦化することにより形成する埋め込み配線の場合、ＣＭＰ工程において、ディッシングにより配線層が部分的に薄くなる現象が起こる。これに対し、エッチングによって配線をパターン形成する場合、ディッシングは発生しないため、配線の断線を回避できる。また、撮像領域三層目配線１３６を遮光膜としても利用する場合、遮光性を均一化することも可能となる。
また、アルミニウムを材料としているため、銅の拡散を防止する拡散防止層は、撮像領域三層目配線１３６の上には不要である。この結果、製造工程が簡略化でき、使用するマスク枚数も削減できる。
この後、三層目上側層間絶縁膜１１６を形成し、更に、図示は省略するが、パッド部等を形成する。尚、撮像領域三層目配線１３６は、パッド部に対しても接続するように形成される。これによって、パッド部に対するワイヤボンディングが実現している。
尚、撮像領域三層目配線１３６の膜厚は、本実施形態においては、０．４μｍ〜１．０μｍとしたが、これに限るものではない。
続いて、窒化珪素膜であるパッシベーション膜１４１を形成した後に最上部層間絶縁膜１１７を形成する。
続いて、アニール処理を行なう。この際、高温（例えば４５０℃以上）の条件でアニール処理を行なうと、エレクトロマイグレーションが発生し、例えば２０Ωであった埋め込み配線のシート抵抗が例えば４０Ωにまで悪化する。尚、この数値は膜厚０．４μｍの場合の値である。このため、アニール処理は比較的低温（例えば３９０℃）の条件によって行なう。
続いて、最上部層間絶縁膜１１７上にカラーフィルタ１４２を形成し、更に、領域Ａにおいては、カラーフィルタ１４２上にオンチップレンズ１４３を形成する。
以上により、固体撮像装置に銅を材料とする配線（各埋め込み配線）を用いた場合に、光電変換部対する銅の拡散を防止することのできる固体撮像装置が実現する。また、撮像領域において最も上に形成される配線層の断線を防止することができる。
本実施形態の固体撮像装置は、以上により、白キズ特性の向上及び暗電流の低減を実現し、また、配線の断線が防止された固体撮像装置となっている。
尚、本実施形態の固体撮像装置を搭載することにより、高画質な画像を撮影することのできるカメラを製造することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
図２は、第２の実施形態に係る固体撮像装置１００ａの構造を模式的に表す断面図である。
固体撮像装置１００ａは、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００とは共通の構成である部分を有し、一部分の構成のみ異なっている。そこで、共通の構成である部分については図１と同じ符号を付すことによって詳しい説明を省略する。以下には、固体撮像装置１００ａが固体撮像装置１００と異なっている部分について説明する。
固体撮像装置１００ａは、基板１０１を用いて形成され、ＭＯＳトランジスタ１０２及びＰＤ１０３を備えている。また、合計三層のコンタクト及び配線と、二層の拡散防止層と、ＰＤ部拡散防止層１２１とが層間絶縁膜１１０中に形成されている。更に、窒化珪素膜１４０、パッシベーション膜１４１、カラーフィルタ１４２及びオンチップレンズ１４３が形成されている。このような構成は、第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様である。
しかし、第１の実施形態の固体撮像装置１００の場合、撮像領域三層目コンタクト１３５及び撮像領域三層目配線１３６は、制御回路領域三層目コンタクト１３７及び制御回路領域三層目埋め込み配線１３８よりも後に形成される。このため、撮像領域三層目配線１３６は、制御回路領域三層目埋め込み配線１３８よりも基板１０１から遠い位置に形成されている。
これに対し、本実施形態の固体撮像装置１００ａの場合、撮像領域三層目コンタクト２３５及び撮像領域三層目配線２３６は、制御回路領域三層目コンタクト２３７及び制御回路領域三層目埋め込み配線２３８よりも先に形成される。このため、撮像領域三層目配線２３６は、制御回路領域三層目埋め込み配線２３８よりも基板１０１に近い位置に形成されている。
このことから、遮光をより適正に行なうことができるため、固体撮像装置１００ａに入射した光が入射するべきＰＤ１０３の隣のＰＤに入射するのをより確実に防ぐことができる。このため、従来よりも混色が３％程度改善（低減）する。
このように、本実施形態の固体撮像装置１００ａによると、第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様の効果に加えて、混色を低減する効果を実現することができる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
図３は、第３の実施形態に係る固体撮像装置１００ｂの構造を模式的に表す断面図である。
固体撮像装置１００ｂは、図２に示した第２の実施形態の固体撮像装置１００ａとは共通の構成である部分を有し、一部分の構成のみ異なっている。そこで、共通の構成である部分については図２と同じ符号を付すことによって詳しい説明を省略する。以下には、固体撮像装置１００ｂが固体撮像装置１００ａと異なっている部分について説明する。
第２の実施形態の固体撮像装置１００ａの場合、ＰＤ部拡散防止層１２１と、一層目拡散防止層１２２とは別々に形成され、それぞれ独立した拡散防止層となっている。
これに対し、本実施形態の固体撮像装置１００ｂにおいては、ＰＤ１０３上と、一層目埋め込み配線１３２上に、連続した一体の共通拡散防止層２２１が形成されている。ＰＤ１０３上と一層目埋め込み配線１３２とでは基板１０１からの距離が異なっているが、共通拡散防止層２２１は、ＰＤ１０３上の領域において、一層目埋め込み配線１３２上の位置から基板１０１に向かって突出した形状を有している。これにより、切れ目のない連続した一体の拡散防止層として、共通拡散防止層２２１がＰＤ１０３上及び一層目埋め込み配線１３２上に形成されている。
このことにより、基板１０１に形成されたＰＤ１０３に対する銅の拡散をより確実に防止することができるため、白キズ特性がより確実に向上する。具体的には、白キズ数は、従来の固体撮像装置の場合には１００００個、第１の実施形態の固体撮像装置１００の場合には１０００個程度であったのに対し、本実施形態の固体撮像装置１００ｂの場合には１００個程度となっている。
また、以上に説明した構造は、次のようにして形成される。
基板１０１上に、ＭＯＳトランジスタ１０２及びＰＤ１０３を形成するまでの工程は、第２の実施形態の場合と同様である。
その後、第２の実施形態においては形成した応力緩和膜１１１と、ＰＤ部拡散防止層１２１の形成を省略し、第２の実施形態と同様に、一層目下側層間絶縁膜１１２、一層目コンタクト１３１、一層目上側層間絶縁膜１１３及び一層目埋め込み配線１３２を形成する。
続いて、ＰＤ１０３上において、一層目下側層間絶縁膜１１２及び一層目上側層間絶縁膜１１３に対してエッチングを行ない、凹部を形成する。この際、ＰＤ１０３上に薄く層間絶縁膜を残すことにより、応力緩和膜１１１ａとしてもよい。
続いて、共通拡散防止層２２１を成膜する。これにより、一層目上側層間絶縁膜１１３及び一層目埋め込み配線１３２の上と、ＰＤ１０３上と、ＰＤ１０３上に形成されている凹部の側壁とに共通拡散防止層２２１が形成され、連続した一体の拡散防止層となる。
共通拡散防止層２２１が形成されたＰＤ１０３上の凹部は、この後、二層目層間絶縁膜１１４を形成する際に充填される。
二層目以降については、第２の実施形態の場合と同様である。以上のようにして、本実施形態の固体撮像装置１００ｂが製造される。
尚、第１の実施形態の固体撮像装置１００において、共通拡散防止層２２１を形成することも可能であり、銅の拡散を確実に防止することにより白キズを減少する効果が実現される。
尚、第１、第２及び第３の実施形態において、いずれの半導体装置についても配線層を三層設けているが、これに限るものではなく、必要な数の配線層を形成すればよい。そのうちの銅を含む配線層上と、ＰＤ上には拡散防止層を形成することにより、白キズ特性向上等の効果が実現する。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法によると、白キズ特性の向上、暗電流の低減、感度の向上及び混色の低減を実現することができ、イメージセンサデバイスとして有用である。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成及びその製造工程を説明する図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成及びその製造工程を説明する図である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成及びその製造工程を説明する図である。 図４は、従来の固体撮像装置における回路構成の一例を示す図である。 図５は、従来の固体撮像装置の構成及びその製造工程を説明する図である。
符号の説明
１００、１００ａ、１００ｂ 半導体装置
１０１ シリコン基板
１０２ ＭＯＳトランジスタ
１０３ フォトダイオード（ＰＤ）
１０４ ソース領域及びドレイン領域
１０５ ゲート絶縁膜
１０６ ゲート電極
１１０ 層間絶縁膜
１１１、１１１ａ 応力緩和膜
１１２ 一層目下側層間絶縁膜
１１３ 一層目上側層間絶縁膜
１１４ 二層目層間絶縁膜
１１５ 三層目下側層間絶縁膜
１１６ 三層目上側層間絶縁膜
１１７ 最上部層間絶縁膜
１２１ ＰＤ部拡散防止層
１２２ 一層目拡散防止層
１２３ 二層目拡散防止層
１２４、２２４ 三層目拡散防止層
１３１ 一層目コンタクト
１３２ 一層目埋め込み配線
１３３ 二層目コンタクト
１３４ 二層目埋め込み配線
１３５、２３５ 撮像領域三層目コンタクト
１３６、２３６ 撮像領域三層目配線
１３７、２３７ 制御領域三層目コンタクト
１３８、２３８ 制御領域三層目埋め込み配線
１４１ パッシベーション膜
１４２ カラーフィルタ
１４３ オンチップレンズ
２２１ 共通拡散防止層
Ａ 撮像領域
Ｂ 制御回路領域

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成され、光電変換部を有する光電変換セルがアレイ状に配置された撮像領域と、
    前記基板上に形成され、前記撮像領域の制御及び前記撮像領域からの信号の出力を行なう制御回路領域と、
    前記基板上に形成され且つ銅を含む材料よりなる銅含有配線層とを備え、
    前記銅の拡散を防止するための拡散防止層として、前記光電変換部上に第１の拡散防止層が形成されていると共に、前記銅含有配線層上に第２の拡散防止層が形成されており、
    前記撮像領域に形成されている配線層のうちの最上層配線層は、エッチングによってパターニングされており、
    前記制御回路領域に形成されている配線層のうちの最上層配線層は、埋め込み配線であり、
    前記撮像領域の前記最上層配線層は、アルミニウムを含むと共に、
    前記制御回路領域の前記最上層配線層は、銅を含むことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の拡散防止層と、最下層の前記銅含有配線層上に形成された前記第２の拡散防止層とは、連続して一体的に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記光電変換部と、前記第１の拡散防止層との間に、応力緩和膜を有していることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
    前記第１の拡散防止層及び前記第２の拡散防止層は、窒化珪素及び炭化珪素のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
    前記銅含有配線層を含む複数の配線層を備え、前記複数の配線層の間には、少なくとも絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
    前記銅含有配線層とは別に、入射光を遮る遮光膜として機能すると共に前記光電変換部に光を入射させるための開口を有する遮光配線層を備え、
    前記遮光配線層は、エッチングによってパターニングされていることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項６において、
    前記遮光配線層は、アルミニウムを含むことを特徴とする固体撮像装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか一つにおいて、
    前記撮像領域の前記最上層配線層は、前記制御回路領域の前記最上層配線層よりも下に位置することを特徴とする固体撮像装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の固体撮像装置を備えたカメラ。
  10. 基板上に、光電変換部を有する光電変換セルがアレイ状に配置された撮像領域と、前記撮像領域の制御及び前記撮像領域からの信号の出力を行なう制御回路領域とを形成する第１の工程と、
    前記第１の工程の後に、前記基板上に銅を含む銅含有配線層を形成する第２の工程と、
    前記第１の工程の後に、前記銅の拡散を防止する拡散防止層として、前記光電変換部上に第１の拡散防止層を形成すると共に、前記銅含有配線層上に第２の拡散防止層を形成する第３の工程とを備え、
    さらに、前記撮像領域における最上層配線層を、エッチングによってパターニングする工程と、
    前記制御回路領域における最上層配線層を、埋め込み配線として形成する工程とを備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  11. 請求項１０において、
    前記第３の工程において、前記第１の拡散防止層と、最下層の前記銅含有配線層上に形成された前記第２の拡散防止層とを、連続して一体的に形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  12. 請求項１０又は１１において、
    前記第３の工程において前記第１の拡散防止層を形成するよりも前に、前記光電変換部上に、応力緩和膜を形成する工程を更に備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  13. 請求項１０〜１２のいずれか一つにおいて、
    前記第３の工程において、窒化珪素及び炭化珪素のうち少なくとも一方を含む膜として前記第１の拡散防止層及び前記第２の拡散防止層を形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  14. 請求項１０〜１３のいずれか一つにおいて、
    前記第２の工程を含む工程により、複数の配線層を形成すると共に、
    前記複数の配線層の間に少なくとも絶縁膜を形成する工程を備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  15. 請求項１０〜１４のいずれか一つにおいて、
    前記第１の工程よりも後に、入射光を遮る遮光膜として機能すると共に前記光電変換部に光を入射させるための開口を有する遮光配線層を形成する第４の工程を更に備え、
    前記遮光配線層を形成する工程は、エッチングによってパターニングを行なう工程を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  16. 請求項１５において、
    前記第４の工程において、アルミニウムを含む遮光配線層を形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  17. 請求項１６において、
    前記撮像領域における前記最上層配線層を、アルミニウムを含む材料により形成すると共に、
    前記制御回路領域における前記最上層配線層を、銅を含む材料により形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  18. 請求項１０〜１７のいずれか一つにおいて、
    前記撮像領域における前記最上層配線層を形成する工程は、前記制御回路領域における前記最上層配線層を形成する工程よりも先に行なうことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  19. 請求項１０〜１８のいずれか一つにおいて、
    前記第２の工程よりも前に、
    少なくとも水素を含む雰囲気において、最高到達温度が４００℃以上で且つ４８０℃以下である熱処理を行なう工程を備えることを特長とする固体撮像装置の製造方法。
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