JP6200188B2 - 固体撮像装置、その製造方法及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。

デジタルカメラ等に代表される撮像システムには、裏面照射型の固体撮像装置が用いられうる。裏面照射型の固体撮像装置は、例えば、絶縁層と配線層とを含む構造が光の入射側とは反対側に設けられるため、各光電変換部における光感度が向上するという点で表面照射型に比べて有利である。

特許文献１には、裏面照射型の固体撮像装置において、電極（パッド）を設けるために基板の裏面側に形成された開口と、当該開口の側面を覆う保護膜とを含む構造が開示されている。特許文献１によると、開口の側面を保護膜で覆うことによって当該開口からの吸湿を防止することができる。

特開２００５−２０９６７７号公報

ところで、固体撮像装置の裏面側に開口を形成するためにエッチングを行う際にはレジストパターンが設けられうるが、当該レジストパターンを除去する際にマイクロレンズが損傷するおそれがある。また、エッチングを行った後においても、マイクロレンズアレイが外的環境によって損傷するおそれがある。

本発明は、発明者による上記課題の認識を契機として為されたものであり、裏面照射型の固体撮像装置の信頼性の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、前記第２面の側から前記第１面の側に向かって順に、絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第１部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第２部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第３部分と、を具備し、前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第１面の側に第１開口が設けられており、前記固体撮像装置は、前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第１開口の側面を覆わないように設けられた第１の膜と、前記撮像領域において前記第１の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第１開口の前記側面を覆う第２の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるようにパターニングされた第２開口が前記第１開口内に設けられた第２の膜と、を備え、前記第２の膜は、前記第１開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、前記第２の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、裏面照射型の固体撮像装置の信頼性の向上に有利である。

固体撮像装置の回路構成例を説明する図。 固体撮像装置の全体構成例を説明する図。 本発明の固体撮像装置の構造の一例を説明する断面図。 本発明の固体撮像装置の製造方法の例を説明する図。

（固体撮像装置の回路構成例）
図１を参照しながら、本発明にかかる固体撮像装置Ｉ_１の回路構成例を述べる。固体撮像装置Ｉ_１は、複数の画素Ｐと、各画素Ｐから画素信号を読み出すための周辺回路部３０２とを含みうる。複数の画素Ｐは撮像領域Ｒ１に配置されうる。ここでは説明の容易化のため３行×３列で配列された画素Ｐ（Ｐ_１１〜Ｐ_３３）が例示されている。周辺回路部３０２は、垂直走査回路ＶＳＲ、水平走査回路ＨＳＲおよび読出回路ＲＣを含みうる。

各画素Ｐは、公知の回路構成を採りうる。例えば画素Ｐ_１１は、光電変換部ＰＤ（例えば、フォトダイオード）、転送トランジスタＴ１、フローティングディフュージョン容量ＦＤ、ソースフォロワトランジスタＴ２、リセットトランジスタＴ３を含みうる。転送トランジスタＴ１のゲート端子には、制御信号ＴＸが与えられる。制御信号ＴＸが活性化されると、光電変換部ＰＤにおいて受光によって発生し蓄積された電荷が、転送トランジスタＴ１によって、フローティングディフュージョン容量ＦＤに転送される。ソースフォロワトランジスタＴ２に流れる電流量は、フローティングディフュージョン容量ＦＤに転送された電荷量の変動に応じて変化し、当該電流量に応じた画素信号が列信号線ＲＬ１に出力されうる。リセットトランジスタＴ３のゲート端子には、制御信号ＲＥＳが与えられる。制御信号ＲＥＳが活性化されると、リセットトランジスタＴ３はフローティングディフュージョン容量ＦＤの電位をリセットしうる。その他の画素Ｐ（Ｐ_１２〜Ｐ_３３）についても同様である。

垂直走査回路ＶＳＲは、各画素Ｐに電源電圧Ｖ１を供給し、また、前述の各制御信号ＴＸおよびＲＥＳを各画素Ｐに出力しうる。垂直走査回路ＶＳＲからの制御信号に応答して各画素Ｐから行ごとに出力された各画素信号は、水平走査岐路ＨＳＲからの制御信号Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）に応答して読出回路ＲＣによって列ごとに出力され、読み出されうる。

（固体撮像装置の全体構成例）
図２を参照しながら、固体撮像装置Ｉ_１の全体構成例を述べる。図２は、固体撮像装置Ｉ_１の平面レイアウトを模式的に示しており、固体撮像装置Ｉ_１は、複数の画素Ｐが配列された撮像領域Ｒ１と、電極１１５が配置される電極領域Ｒ２とを含みうる。固体撮像装置Ｉ_１は、電極領域Ｒ２の各電極１１５を介して、例えば、外部から電源電圧が供給され、又は外部との間で信号の入出力を行う。なお、前述の周辺回路部３０２は、撮像領域Ｒ１および電極領域Ｒ２以外の領域に配されうる。

（固体撮像装置の断面構造例）
図３は、図２に示されたカットラインＸ−Ｘ’における固体撮像装置Ｉ_１の断面構造を模式的に示している。固体撮像装置Ｉ_１は、裏面照射型の構成を採り、光が入射する側のＡ面（第１面）と、Ａ面とは反対側のＢ面（第２面）とを有する。固体撮像装置Ｉ_１は、Ｂ面からＡ面に向かって順に、基材１０３と、絶縁性の部材ＯＸおよび複数の配線パターン２０を含む部分１０２と、半導体で構成された部分１０１、透光性の部材で構成された部分１０５とを具備する。基材１０３は、部分１０２に貼り合わせられた基板であり、部分１０２を支持する。基材１０３には、例えばシリコンが用いられうる。

部分１０２（第１部分）は、例えば、絶縁層と配線層とが交互に設けられた積層構造で構成されうる。各配線層に設けられた配線パターン２０は、その上又はその下の配線層における配線パターンと、ビアＶｉａを介して電気的に接続されうる。絶縁性の部材ＯＸとしては、例えば酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁体が用いられうる。配線パターンとしては、例えばＡｌやＣｕ等の金属が用いられうる。複数の配線パターン２０のうち電極１１５に接続されるべきものは、撮像領域Ｒ１から電極領域Ｒ２にわたって形成されており、ここでは配線パターン１２０と示す。

部分１０１（第２部分）は、撮像領域Ｒ１において各画素Ｐに対応して設けられた光電変換部ＰＤを含む。部分１０２における複数の配線層のうち部分１０１に最も近い配線層に設けられた配線パターン２０は、コンタクトＣｔを介して、部分１０１の半導体の例えば不純物拡散領域（不図示）に接続されうる。部分１０１を構成する半導体としては、例えばシリコンが用いられうる。

部分１０５（第３部分）は、撮像領域Ｒ１において各画素Ｐに対応して設けられたマイクロレンズ１０６を含む。また、部分１０５は、各画素Ｐに対応して設けられたカラーフィルタＣＦを含みうる。カラーフィルタＣＦは、例えばベイヤ配列にしたがって設けられうる。

ここで、電極領域Ｒ２には、配線パターン１２０が露出するようにＡ面の側に開口１０８が設けられている。固体撮像装置Ｉ_１は、撮像領域Ｒ１において各マイクロレンズ１０６を覆うように設けられた第１の膜１０７を備える。第１の膜１０７には無機材料が用いられ、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等が用いられうる。

また、固体撮像装置Ｉ_１は、撮像領域Ｒ１において第１の膜１０７を覆いつつ電極領域Ｒ２において開口１０８の側面を覆って配線パターン１２０の少なくとも一部１１４を露出させる第２の膜１１７を備える。第２の膜１１７には絶縁性の無機材料が用いられ、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等が用いられうる。

第１の膜１０７と第２の１１７とは、各マイクロレンズ１０６を覆うように積層されており、これらは各マイクロレンズ１０６の保護層として機能しうる。また、第１の膜１０７と第２の１１７とは、これらが反射防止膜として機能するように設けられうる。反射防止膜の反射防止特性は、第１の膜１０７と第２の膜１１７とに、互いに屈折率が異なる部材を用いることによって、同一の部材を用いた場合よりも向上しうる。例えば、第１の膜１０７には、第２の膜１１７よりも屈折率が大きい部材が用いられ、例えば、第１の膜１０７には窒化シリコン（屈折率１．７〜２．０）が用いられ、第２の膜１１７には酸化シリコン（屈折率１．４〜１．５）が用いられうる。

さらに、固体撮像装置Ｉ_１は、電極領域Ｒ２において開口１０８に設けられた電極１１５を備え、電極１１５は、第２の膜１１７の開口によって露出された配線パターン１２０の一部１１４に接触している。電極１１５は、例えばボンディングやバンプやめっきによって形成され、例えば金、銀、銅、アルミニウム等の金属を用いて形成されうる。

固体撮像装置Ｉ_１によると、第１の膜１０７と第２の１１７とは各マイクロレンズ１０６を覆うように積層されており、これらは保護層および反射防止膜として機能しうる。また、第２の膜１１７が開口１０８の側面を覆うことによって電極１１５が部分１０１の半導体から電気的に絶縁されており、即ち、第２の膜１１７が電極１１５−半導体（部分１０１）間のショートを防止している。よって、本発明によると固体撮像装置Ｉ_１の信頼性が向上しうる。

本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為されうる。例えば、配線パターン１２０は、以上においては、部分１０２における複数の配線層のうち基板１０３に最も近い配線層に配された構成を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

（固体撮像装置の製造方法の例）
固体撮像装置Ｉ_１は、公知の半導体製造プロセスを用いて製造されうる。図４を参照しながら、固体撮像装置Ｉ_１の製造方法の例を述べる。

まず、図４（ａ）に例示されるように、例えばシリコンで構成された半導体基板に光電変換部ＰＤを形成し、部分１０１が得られる。ここでは図示しないが、当該半導体基板には光電変換部ＰＤの他、各素子（ＭＯＳトランジスタ）や素子分離（ＳＴＩ等）が設けられうる。次に、部分１０１の上に、絶縁性の部材ＯＸと、絶縁性の部材ＯＸの中に複数の配線パターン２０と、を含む部分１０２が形成される。部分１０２は、例えば絶縁層と配線層とを交互に設けることによって形成されうる。ここでは、３つの配線層を含む構造が示されている。配線層の配線パターンには例えば銅が用いられ、また、配線の形成にはダマシン法が用いられうる。ここで、複数の配線パターン２０のうち、後に電極１１５に接続されるべきもの（ここでは配線パターン１２０）は、例えばアルミニウムで形成されており、撮像領域Ｒ１から電極領域Ｒ２にわたって形成される。

次に、図４（ｂ）に例示されるように、部分１０２の上に、例えばシリコンで構成された基材１０３が設けられる。部分１０２の上面（Ｂ面側）はＣＭＰ等によって平坦化され、また、基材１０３の下面（Ａ面側）も平坦化されており、部分１０２と基材１０３とは貼り合わせによって互いに接合されうる。貼り合わせには接着剤が用いられてもよいし、用いられなくてもよい。貼り合せは、真空中または不活性ガスの雰囲気中において為されるとよい。また、貼り合せの前に、部分１０２の上面および基材１０３の下面に対してプラズマ照射が為されるとよく、部分１０２と基材１０３との接合が強固になりうる。なお、プラズマ照射に代わって、薬液処理が為されてもよい。また、貼り合せに接着剤を用いる場合は、部分１０２の上面および基材１０３の下面は、接着剤を用いない場合に比べて平坦化されていなくてもよい。接着剤として例えばベンゾシクロブテン等が用いられ、２５０℃程度の温度条件下で貼り合せるとよい。なお、基材１０３として、シリコンに代わって、ガラス基板を用いてもよい。

次に、図４（ｃ）に例示されるように、部分１０１の下面（Ａ面側）を研削やＣＭＰ等によって研磨し、部分１０１が薄膜化される。これにより、後に設けられる部分１０５のマイクロレンズ１０６からの入射光が効率的に光電変換部ＰＤに入射しうる。また、部分１０１の厚さは、基材１０３の厚さより小さい。なお、薄膜化された部分１０１の厚さ、および部分１０２（絶縁層および配線層の積層構造）の厚さは、例えば、それぞれ数μｍ程度である。

次に、図４（ｄ）に例示されるように、部分１０１の下面に、撮像領域Ｒ１において各画素Ｐに対応して設けられたマイクロレンズ１０６およびカラーフィルタＣＦを含む部分１０５が形成される。部分１０５は、Ｂ面の側からＡ面の側に向かって、例えば平坦化層（不図示）と、カラーフィルタＣＦと、第２の平坦化層（不図示）と、マイクロレンズ１０６と、を順に形成することによって得られうる。

次に、図４（ｅ）に例示されるように、撮像領域Ｒ１において各マイクロレンズ１０６を覆うように第１の膜１０７が形成される。第１の膜１０７には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の無機材料が用いられうる。その後、電極領域Ｒ２において、部分１０５のＡ面側から開口１０８が形成される。開口１０８は、配線パターン１２０が露出するように、部分１０５と部分１０１と部分１０２の一部とが、例えばドライエッチング法によるエッチングによって除去されて形成されうる。当該エッチングを行うに際して、エッチングを行う領域以外の領域にはレジストパターン（不図示）が設けられうる。

ここで、第１の膜１０７がマイクロレンズ１０６を覆うように形成されており、第１の膜１０７が保護膜として機能し、エッチング後にレジストパターンを除去する時のマイクロレンズ１０６への損傷を回避することができる。特に、配線パターン１２０が露出するように、エッチングによって深い開口１０８を形成するため、当該エッチングによるとレジストパターンへのダメージが大きくなる。よって、レジストパターンのアッシングを行ったり、レジストパターンを剥離する能力の高い剥離液を用いたりする必要があり、レジストパターンの除去が通常の場合と比べて容易ではない。一方、本製造方法によると、第１の膜１０７が保護膜として機能し、レジストパターンの除去によるマイクロレンズ１０６への損傷を回避することができる。

なお、配線パターン１２０は、例えば一辺が５０〜１００μｍ程度の矩形形状で形成されうる。開口１０８は、配線パターン１２０よりも小さいサイズで形成されうる。開口１０８は、例えば配線パターン１２０の一辺が１００μｍの場合には、その一辺が９０μｍ程度のサイズで形成されうる。図２では、配線パターン１２０および開口１０８を正方形の形状で示したが、この構成に限られるものではない。

次に、図４（ｆ）に例示されるように、第１の膜１０７を覆いつつ電極領域Ｒ２の開口１０８を覆うように、第２の膜１１７が形成される。第２の膜１１７には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の絶縁性の無機材料が用いられうる。第２の保護膜１１７は、開口１０８の側面のパッシベーション膜として機能しうるため、窒化シリコン又は酸窒化シリコンが用いられてもよい。

次に、図４（ｇ）に例示されるように、配線パターン１２０の少なくとも一部を露出されるように第２の膜１１７の一部が除去され、開口部１１４が形成される。開口部１１４は、例えばパターニングおよびエッチングによって為されうる。

次に、図４（ｈ）に例示されるように、開口１０８に電極１１５が形成される。電極１１５は、開口部１１４を介して配線パターン１２０に接触するように形成される。電極１１５には、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属が用いられうる。開口１０８の側面を覆うように第２の膜１１７が形成されているため、極１１５が部分１０１の半導体から電気的に絶縁され、電極１１５−半導体（部分１０１）間のショートが防止される。

以上に示された製造方法によって固体撮像装置Ｉ_１が得られる。固体撮像装置Ｉ_１の製造方法は上述の方法に限られるものではなく、公知の半導体製造プロセスを用いた他の方法によっても製造されうる。

（撮像システム）
以上の実施形態は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置Ｉ_１について述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置Ｉ_１と、固体撮像装置Ｉ_１から出力される信号を処理する処理部とを含みうる。この処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (14)

1. 第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、
   前記第２面の側から前記第１面の側に向かって順に、
   絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第１部分と、
   前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第２部分と、
   前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第３部分と、を具備し、
   前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第１面の側に第１開口が設けられており、
   前記固体撮像装置は、
   前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第１開口の側面を覆わないように設けられた第１の膜と、
   前記撮像領域において前記第１の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第１開口の前記側面を覆う第２の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるようにパターニングされた第２開口が前記第１開口内に設けられた第２の膜と、を備え、
   前記第２の膜は、前記第１開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、
   前記第２の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、
   前記第２面の側から前記第１面の側に向かって順に、
   絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第１部分と、
   前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第２部分と、
   前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第３部分と、を具備し、
   前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第１面の側に第１開口が設けられており、
   前記固体撮像装置は、
   前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第１開口の側面を覆わないように設けられた第１の膜と、
   前記撮像領域において前記第１の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第１開口の前記側面を覆う第２の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるように第２開口が前記第１開口内に設けられた第２の膜と、を備えており、
   前記配線パターンが設けられた配線層と前記第２部分との間に、前記配線パターンが設けられた配線層以外の配線層が複数層設けられており、
   前記第２の膜は、前記第１開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、
   前記第２の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記配線パターンが設けられた配線層は、前記第２部分から最も離れた位置にある配線層であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記電極領域において、前記配線パターンの前記少なくとも一部に接触するように前記第１開口に設けられた電極をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１の膜と、前記第２の膜のうち前記第１の膜を覆う部分とは、前記複数のマイクロレンズを覆う反射防止膜を形成している、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１の膜は、前記第２の膜よりも屈折率が大きい、
   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. 前記第１の膜は窒化シリコンで構成されており、前記第２の膜は酸化シリコンで構成されている、
   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. 前記第１の膜および前記第２の膜は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンのうちの少なくとも１つによって構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記第２面と前記第１部分との間に設けられた基材をさらに具備し、
   前記基材は、前記第２部分よりも厚さが大きい、
   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. 前記第１の膜と、前記第２の膜のうち前記第１の膜を覆う部分とは、前記複数のマイクロレンズを覆う反射防止膜を形成しており、
    前記第２の膜の他の部分は、前記第１開口の前記側面を覆っており、前記第１開口の前記側面のためのパッシベーション膜として機能する
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記第２の膜は、前記第１開口において、前記第２部分における半導体領域であって前記複数の光電変換部が配された半導体領域に接触している
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記第１の膜は、前記第１開口の前記側面と同一面上に側面を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
14. 第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置の製造方法であって、
    前記固体撮像装置は、前記第２面の側から前記第１面の側に向かって順に、絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第１部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第２部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第３部分と、を具備し、
    前記固体撮像装置の製造方法は、
    前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように第１の膜を形成する工程と、
    前記第１の膜の一部を除去して、前記電極領域において前記配線パターンが露出するように前記第１面の側に開口を形成する工程と、
    前記撮像領域において残存している前記第１の膜の他の部分を覆いつつ、前記電極領域において前記開口の側面及び前記配線パターンを覆い、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状の上面を有する第２の膜を形成する工程と、
    前記第２の膜のうち前記配線パターンに接触している部分をエッチングによって除去することによって、前記配線パターンの少なくとも一部が露出するように前記第２の膜をパターニングする工程と、を含む、
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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