JP4697258B2 - 固体撮像装置と電子機器 - Google Patents
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Description
この対策として、オンチップレンズや層内レンズなどを用いて集光を行う構造が開発されて、特に、フォトダイオードの上方における絶縁膜中に、外部から入射する光をフォトダイオードに導波する光導波路を設けた固体撮像装置が開発された。
基板上にマトリクス状に配置された各画素においてフォトダイオードが形成され、フォトダイオードを被覆して絶縁膜が形成され、フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部が設けられ、内部に光導波路が設けられている。
上記の固体撮像装置において、絶縁膜の内部にはダマシン法で形成された銅配線が埋め込まれて形成されており、絶縁膜は銅配線を構成する銅の拡散防止膜や凹部形成時のエッチングストッパ膜を含む構成となっている。
特許文献1及び2においては、光導波路は拡散防止膜やエッチングストッパ膜を貫いて形成されており、このような構成では、固体撮像装置の代表的な特性である暗電流及び白点欠陥が悪化することが知られている。
特許文献3の固体撮像装置においては、基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜に達するように光導波路が形成されている。
特許文献4の固体撮像装置においては、デュアルダマシン法による配線と同一のレイヤーに形成された拡散防止膜に達するように光導波路が形成されている。
特許文献3及び4では、光導波路は基板表面を被覆して形成された窒化シリコン膜や拡散防止膜を貫かないように形成されており、これによって暗電流及び白点欠陥においては特許文献1及び2の固体撮像装置よりも改善されている。
さらに、少なくともフォトダイオードの形成領域を被覆して、配線の内の最下層の配線から半導体基板に近い側に離間して炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜が形成されている。
フォトダイオードの上方部分において絶縁膜に凹部がエッチングストッパ膜に達するように形成されており、凹部に埋め込まれて、絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路が形成されている。
図1は、複数の画素が集積されてなり、本実施形態に係る固体撮像装置であるCMOSセンサの模式断面図であり、画素領域RPXとパッド電極領域RPADを示している。
また、第1絶縁膜15の上層に、少なくともフォトダイオードPDの形成領域を被覆して、炭化シリコン(SiC)からなるエッチングストッパ膜STが形成されている。
上記の第1拡散防止膜20と第2拡散防止膜25は、例えば炭化シリコンから形成されている。
上記の第3拡散防止膜30は、例えば窒化シリコンから形成されている。
また、例えば、第7絶縁膜27においても配線用溝27tの内壁を被覆してバリアメタル層28が形成され、その内側の領域に埋め込まれて第3配線29が形成されている。
上記のように、第1〜第3配線(19,24,29)が、第1絶縁膜15から第8絶縁膜31まで積層して形成された絶縁膜中に埋め込まれた構成となっている。
また、バリアメタル層(18,23,28)は、第1〜第3配線(19,24,29)の側面及び下面を被覆して、銅の拡散を防止する膜である。
上記のようにして、第1〜第3配線(19,24,29)の表面が銅の拡散を防止する膜で被覆されている。
さらに、上記のパッド電極32の上層に酸化シリコンからなる第9絶縁膜33が形成されている。
例えば、凹部Hはエッチングストッパ膜STの途中の深さにまで達しており、エッチングストッパ膜STが凹部Hの底面を構成している。
また、例えば、凹部Hの内側の壁面は基板の主面に垂直な面となっている。あるいは、上方ほど広がる順テーパー状の形状となっていてもよい。
さらに、上記の樹脂中に例えば酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物微粒子が含有されており、屈折率が高められている。
上記のようにして、酸化シリコンより屈折率が高い材料からなるパッシベーション膜36と埋め込み層37から、凹部Hに埋め込まれて光導波路が形成されている。
上記のようにして、本実施形態の固体撮像装置であるCMOSセンサが構成されている。
即ち、フォトダイオードは、その上方に炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜STで覆われた状態であり、暗電流及び白点欠陥などの原因となる不純物がフォトダイオードに達するのを防止する。これにより、暗電流及び白点欠陥などの特性をさらに改善することができる。
また、エッチングストッパ膜STは絶縁膜に埋め込まれた第1〜第3配線(19,24,29)の内の最下層の第1配線19から半導体基板10に近い側に離間して形成されている。
上記のようにして、光導波路のフォトダイオード側の端部をフォトダイオードに近づけることが可能となり、入射した光が光導波路によりフォトダイオードにより近い領域まで導かれて、感度向上及び混色低減を実現できる。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
まず、図2(a)に示すように、例えば、画素領域RPXにおいて、半導体基板10のpウェル領域にn型電荷蓄積層11とその表層のp+型表面層12を形成してpn接合を有するフォトダイオードPDを形成する。また、フォトダイオードに隣接してゲート絶縁膜13及びゲート電極14、並びにフローティングディフュージョンやCCD電荷転送路など、フォトダイオードに生成及び蓄積される信号電荷または前記信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部を形成する。
例えば、第4絶縁膜21、第5絶縁膜22、配線用溝22t、バリアメタル層23、第2配線24及び第2拡散防止膜25を形成する。さらに、第6絶縁膜26、第7絶縁膜27、配線用溝27t、バリアメタル層28及び第3配線29を形成する。
ここで、上記の第3配線は、例えばパッド電極領域RRADまで延伸するように形成する。
また、絶縁膜中に埋め込まれてなる第1〜第3配線(19,24,29)とする。
アルミニウムのパッド電極32を形成した後の工程は、全て400℃以下のプロセスとする。
例えば、オーバーエッチングにより、凹部Hはエッチングストッパ膜STの途中の深さにまで達する形状とする。
これによって、エッチングストッパ膜STに凹部Hの底面を構成させることができる。
上記のようにして、例えば開口直径が0.8μm程度であり、アスペクト比は1〜2程度もしくはそれ以上である凹部Hを開口できる。
さらに、その上層にマイクロレンズ40を形成する。
以上で、図1に示す構成の固体撮像装置であるCMOSセンサを製造することができる。
第1実施形態において、エッチングストッパ膜STを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のCMOSセンサ(a)を作成した。ここでパッシベーション膜はSiN膜とした。
CMOSセンサ(a)に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第1拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるCMOSセンサ(b)を作成した。
上記のCMOSセンサの感度を測定した。結果を図8に示す。
全てのFナンバ領域において、感度が1〜3割程度向上しており、エッチングストッパ膜STを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで感度が向上することが示された。
第1実施形態において、エッチングストッパ膜STを半導体基板にできるだけ近づけて、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけた構成のCMOSセンサ(a)を作成した。ここでパッシベーション膜はSiN膜とした。
CMOSセンサ(a)に対して、パッシベーション膜をSiON膜としたことのみ異なるCMOSセンサ(b)を作成した。
また、CMOSセンサ(a)に対して、エッチングストッパ膜を設けず、光導波路となる凹部を第1拡散防止膜に達するように形成したことのみ異なるCMOSセンサ(c)を作成した。
上記のCMOSセンサの混色率を測定した。結果を図9に示す。
CMOSセンサ(a)及び(b)において、CMOSセンサ(c)よりも混色が低減し、エッチングストッパ膜STを半導体基板に近づけ、フォトダイオードと光導波路の距離を近づけることで混色が低減することが示された。
図10は、本実施形態に係る電子機器であるカメラの概略構成図である。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラの例である。
本実施形態に係るカメラは、イメージセンサ(固体撮像装置)50と、光学系51と、信号処理回路53などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ50として、上記の第1実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
シャッタ装置は、イメージセンサ50への光照射期間および遮光期間を制御する。
また、感度特性のリップルを抑制することができる。
例えば、実施形態においてはCMOSセンサとCCD素子のいずれにも適用できる。
また、第1絶縁膜15は省略することが可能である。即ち、上記の実施形態のように、エッチングストッパ膜STと半導体基板10の間に酸化シリコン膜である第1絶縁膜15が形成されている構成としてもよく、また、エッチングストッパ膜STが半導体基板10上に形成されている構成としてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに隣接して前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記フォトダイオード及び前記ゲート電極を被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された銅を含有する配線と、
前記フォトダイオード及び前記ゲート電極の形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜と、
前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記エッチングストッパ膜に達するように形成された凹部と、
前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路と
を有する固体撮像装置。 - 前記エッチングストッパ膜と前記半導体基板の間に酸化シリコン膜が形成されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記配線の表面が前記銅の拡散を防止する膜で被覆されている
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 前記銅の拡散を防止する膜が、前記配線の下面及び側面を被覆するバリアメタル層と前記配線の上面を被覆する拡散防止膜を有する
請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記光導波路が、前記凹部の内壁を被覆するパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜の上層において前記凹部に埋め込まれて形成された埋め込み層とを有する
請求項1〜4のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の複数の画素が集積された受光面において前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに隣接して前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記フォトダイオード及び前記ゲート電極を被覆して前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜中に埋め込まれて形成された銅を含有する配線と、
前記フォトダイオード及び前記ゲート電極の形成領域を被覆して、前記配線の内の最下層の配線から前記半導体基板に近い側に離間して形成された炭化シリコンからなるエッチングストッパ膜と、
前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に前記エッチングストッパ膜に達するように形成された凹部と、
前記凹部に埋め込まれて形成された、前記絶縁膜より高い屈折率を有する光導波路と
を有する電子機器。
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