JP7194918B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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本開示は、固体撮像素子に関し、特に、単位画素に電荷蓄積部を有する固体撮像素子に関する。 The present disclosure relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a charge storage section in each unit pixel.
近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)を利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進んでいる。APDは、所定の逆電圧を印加することにより、光電流が増倍するフォトダイオードである。APDがガイガー増倍モードの場合は、1つのフォトンが光電変換を引き起こすと、アバランシェ降伏が生じ、出力される電流が急激に増大する。このため、アバランシェ降伏によって増倍した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部が必要となる。 In recent years, as one of photodetectors for detecting weak light, photon counting photodetectors using an avalanche photodiode (APD) have been developed. An APD is a photodiode that multiplies photocurrent by applying a predetermined reverse voltage. When the APD is in the Geiger multiplication mode, when one photon causes photoelectric conversion, avalanche breakdown occurs and the output current increases sharply. For this reason, a charge storage unit is required to store the signal charge multiplied by the avalanche breakdown.
しかしながら、電荷蓄積部に十分に大きい容量値を確保するには、該電荷蓄積部の専有面積を大きくする必要があり、その結果、フォトダイオードの面積が小さくなるという問題が生じる。 However, in order to ensure a sufficiently large capacitance value in the charge storage section, it is necessary to increase the area occupied by the charge storage section, resulting in the problem of a reduced area of the photodiode.
そこで、特許文献1に示すように、フォトダイオード等の平面積を小さくすることなく、単位画素内に電荷蓄積部を設けられるように、光電変換部に光を導く導波路に電荷蓄積部を配設する技術が提案されている。 Therefore, as shown in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100000, the charge storage portion is arranged in a waveguide for guiding light to the photoelectric conversion portion so that the charge storage portion can be provided in the unit pixel without reducing the planar area of the photodiode. A technique for setting the
しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、電荷蓄積部を構成する下部電極、容量膜及び上部電極が層間絶縁膜の表面上にまで形成されている。これにより、電荷蓄積部における層間絶縁膜上に形成された部分は、導波路の開口端から上方に突き出すことになるため、この突き出た部分だけ、電荷蓄積部が高くなる。その結果、光電変換部に光を導くための導波路も高く、すなわち深くなるため、光電変換部での集光効率が低くなるという問題がある。 However, in the conventional solid-state imaging device, the lower electrode, capacitive film, and upper electrode, which constitute the charge storage section, are formed even on the surface of the interlayer insulating film. As a result, the portion of the charge storage section formed on the interlayer insulating film protrudes upward from the open end of the waveguide, and the charge storage section is raised by this protruding portion. As a result, the height of the waveguide for guiding light to the photoelectric conversion section is also increased, that is, the depth of the waveguide is increased.
本開示は、前記従来の問題を解決し、単位画素内に設けられた電荷蓄積部の上端の高さを低く、すなわち低背化して、光電変換部での集光効率を向上できるようにすることを目的とする。 The present disclosure solves the above-described conventional problem, and reduces the height of the upper end of the charge storage portion provided in the unit pixel, that is, the height thereof, thereby improving the light collection efficiency in the photoelectric conversion portion. for the purpose.
前記の目的を達成するため、本開示は、単位画素内に設けられた電荷蓄積部において、その容量膜及び上部電極を層間絶縁膜上に設ける構成とする。 In order to achieve the above object, the present disclosure provides a structure in which a capacitor film and an upper electrode are provided on an interlayer insulating film in a charge storage portion provided in a unit pixel.
具体的に、本開示は、固体撮像素子を対象とし、次のような解決手段を講じた。 Specifically, the present disclosure is directed to a solid-state imaging device, and has taken the following solutions.
すなわち、本開示の一態様は、半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換部と、半導体基板の上に設けられた層間絶縁膜と、層間絶縁膜における光電変換部の上に設けられ、光電変換部に受光光を導入する導波路と、導波路の少なくとも側壁上に順次積層された下部電極、容量膜及び上部電極を有する電荷蓄積部と、層間絶縁膜の内部に設けられた複数の配線層とを備えている。下部電極は、複数の配線層のうちの少なくとも一つの配線層と導波路の側壁上で電気的に接続され、容量膜及び上部電極は、層間絶縁膜における前記導波路の上縁部に延伸している。 That is, one aspect of the present disclosure is a semiconductor substrate, a photoelectric conversion unit provided on the semiconductor substrate, an interlayer insulating film provided over the semiconductor substrate, and provided on the photoelectric conversion unit in the interlayer insulating film, A waveguide for introducing received light into a photoelectric conversion portion, a charge storage portion having a lower electrode, a capacitive film, and an upper electrode which are sequentially laminated on at least sidewalls of the waveguide, and a plurality of charge storage portions provided inside the interlayer insulating film. and a wiring layer. The lower electrode is electrically connected to at least one wiring layer of the plurality of wiring layers on the side wall of the waveguide, and the capacitive film and the upper electrode extend to the upper edge of the waveguide in the interlayer insulating film. ing.
本開示によれば、単位画素内に設けられた電荷蓄積部の上端の高さを低背化して、光電変換部での集光効率を向上できるようにする。 According to the present disclosure, the height of the upper end of the charge storage section provided in the unit pixel is reduced to improve the light collecting efficiency in the photoelectric conversion section.
第1実施形態に係る撮像素子は、 半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換部と、半導体基板の上に設けられた層間絶縁膜と、層間絶縁膜における光電変換部の上に設けられ、光電変換部に受光光を導入する導波路と、導波路の少なくとも側壁上に順次積層された下部電極、容量膜及び上部電極を有する電荷蓄積部と、層間絶縁膜の内部に設けられた複数の配線層とを備えている。下部電極は、複数の配線層のうちの少なくとも一つの配線層と導波路の側壁上で電気的に接続され、容量膜及び上部電極は、層間絶縁膜における導波路の上縁部に延伸している。 An imaging device according to the first embodiment includes a semiconductor substrate, a photoelectric conversion section provided on the semiconductor substrate, an interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate, and a photoelectric conversion section provided on the interlayer insulating film. a waveguide for introducing received light into the photoelectric conversion portion; a charge storage portion having a lower electrode, a capacitive film, and an upper electrode sequentially laminated on at least a side wall of the waveguide; wiring layers. The lower electrode is electrically connected to at least one wiring layer of the plurality of wiring layers on the side wall of the waveguide, and the capacitive film and the upper electrode extend to the upper edge of the waveguide in the interlayer insulating film. there is
これによれば、側壁上に順次積層された下部電極、容量膜及び上部電極を有する電荷蓄積部は、少なくとも導波路の側壁上に設けられており、容量膜及び上部電極は、層間絶縁膜における導波路の上縁部に延伸している。一方、下部電極は、複数の配線層のうちの少なくとも一つの配線層と導波路の側壁上で電気的に接続されている。このため、電荷蓄積部は、層間絶縁膜における導波路の上縁部において、容量膜及び上部電極のみの厚さとなるので、電荷蓄積部の上端の配線層の高さを低くすることができる。すなわち、低背化を実現することができるので、光電変換部での集光効率を向上することができる。また、導波路内に電荷蓄積部を設けることにより、レイアウトの微細化が可能となる。 According to this, a charge storage section having a lower electrode, a capacitive film and an upper electrode which are sequentially laminated on the side wall is provided at least on the side wall of the waveguide, and the capacitive film and the upper electrode are formed in the interlayer insulating film. It extends to the upper edge of the waveguide. On the other hand, the lower electrode is electrically connected to at least one wiring layer among the plurality of wiring layers on the side wall of the waveguide. For this reason, the charge storage portion has the thickness of only the capacitor film and the upper electrode at the upper edge of the waveguide in the interlayer insulating film, so that the height of the wiring layer at the upper end of the charge storage portion can be reduced. That is, since the height can be reduced, the light collecting efficiency in the photoelectric conversion section can be improved. Also, by providing the charge storage section in the waveguide, it becomes possible to miniaturize the layout.
第1実施形態において、下部電極は、複数の配線層のうちの下層の配線層と接続され、上部電極は、その上端部が層間絶縁膜の上面において複数の配線層のうちの最上層の配線層と接続されていてもよい。 In the first embodiment, the lower electrode is connected to the lower wiring layer among the plurality of wiring layers, and the upper electrode has its upper end portion connected to the uppermost wiring layer among the plurality of wiring layers on the upper surface of the interlayer insulating film. It may be connected with a layer.
これによれば、下部電極は複数の配線層のうちの下層の配線層と接続されているため、その上端部が層間絶縁膜の上面に設けられていなくても導通が可能となる。また、上部電極は、容量膜と共に層間絶縁膜の上縁部に延伸し且つその上端部が層間絶縁膜の上面において配線層の最上層の配線層と接続されているため、電荷蓄積部の必要な容量を確保することができる。 According to this, since the lower electrode is connected to the lower wiring layer among the plurality of wiring layers, conduction is possible even if the upper end is not provided on the upper surface of the interlayer insulating film. In addition, since the upper electrode extends to the upper edge of the interlayer insulating film together with the capacitor film and the upper end of the upper electrode is connected to the uppermost wiring layer of the wiring layers on the upper surface of the interlayer insulating film, the charge storage section is not required. capacity can be secured.
この場合に、上部電極における最上層の配線層上での厚さは、他の部分での厚さよりも大きくてもよい。 In this case, the thickness of the upper electrode on the uppermost wiring layer may be greater than the thickness of the other portions.
これによれば、電荷蓄積部における上部電極の配線との接続部は、高さを持つ構成要素が上部電極のみであるため、他の部分での厚さより大きくしても、低背化を損ねることがない。その上、この接続部の下方にフローティングディフュージョン部が設けられる構成の場合には、該フローティングディフュージョン部の遮光膜として機能する。 According to this, since the upper electrode is the only component having a height in the connection portion of the upper electrode wiring in the charge storage portion, even if the thickness is made larger than that of other portions, the reduction in height is impaired. never Moreover, in the case of a configuration in which a floating diffusion portion is provided below this connection portion, it functions as a light shielding film for the floating diffusion portion.
第1実施形態において、導波路の側壁上において、下部電極の厚さは、上部電極の厚さよりも大きくてもよい。 In the first embodiment, the thickness of the bottom electrode may be greater than the thickness of the top electrode on the sidewalls of the waveguide.
これによれば、下部電極は層間絶縁膜の上縁部に延伸しないため、側壁上部分で上部電極よりも厚くても低背化を実現することができる。従って、層間絶縁膜上で電荷蓄積部を高くすることなく、集光効率を向上させることが可能となる。 According to this, since the lower electrode does not extend to the upper edge of the interlayer insulating film, it is possible to reduce the height even if the side wall upper portion is thicker than the upper electrode. Therefore, it is possible to improve the light collection efficiency without increasing the height of the charge storage section on the interlayer insulating film.
第1実施形態において、導波路は埋め込み絶縁膜により埋め込まれており、埋め込み絶縁膜は高屈折率絶縁膜であってもよい。 In the first embodiment, the waveguide is embedded with a buried insulating film, and the buried insulating film may be a high refractive index insulating film.
これによれば、導波路への集光効率をさらに向上することができる。 According to this, the efficiency of condensing light to the waveguide can be further improved.
この場合に、高屈折率絶縁膜はシリコン窒化膜であってもよい。 In this case, the high refractive index insulating film may be a silicon nitride film.
これによれば、内部応力が高く、膜剥がれが生じやすいシリコン窒化膜であっても、低背化によって膜剥がれが生じにくくなる。 According to this, even if the silicon nitride film has high internal stress and tends to peel off, film peeling does not easily occur due to the reduction in height.
第1実施形態において、電荷蓄積部は、導波路の底部において半導体基板を露出する開口部を有していてもよい。 In the first embodiment, the charge storage portion may have an opening exposing the semiconductor substrate at the bottom of the waveguide.
これによれば、電荷蓄積部に設けられた開口部の下側には光電変換部が位置しており、電極膜に金属を用いる場合には、電荷蓄積部における底部での入射光の反射がなくなるので、集光効率を上げることができる。 According to this, the photoelectric conversion section is positioned below the opening provided in the charge storage section, and when metal is used for the electrode film, incident light is reflected at the bottom of the charge storage section Therefore, the efficiency of collecting light can be increased.
この場合に、電荷蓄積部における開口部側の端面は、上部電極と容量膜との間、及び容量膜と下部電極との間の少なくとも一方において段差部を形成していてもよい。 In this case, the end surface of the charge storage portion on the side of the opening may form a stepped portion between the upper electrode and the capacitor film and/or between the capacitor film and the lower electrode.
これによれば、電荷蓄積部の開口部側の端面において、上部電極と下部電極とが面一(つらいち)とはならず、ある程度の絶縁距離が確保されるので、上部電極と下部電極とのリークを防止することができる。 According to this, the upper electrode and the lower electrode are not flush with each other at the end face of the charge storage section on the side of the opening, and a certain insulating distance is ensured. can be prevented from leaking.
第1実施形態において、電荷蓄積部は、導波路の底部において下部電極を残して容量膜及び上部電極が除かれていてもよい。 In the first embodiment, the charge storage portion may have the capacitive film and the upper electrode removed, leaving the lower electrode at the bottom of the waveguide.
この場合に、下部電極は透明電極であってもよい。 In this case, the lower electrode may be a transparent electrode.
これによれば、下部電極を残す構成としても、集光効率は低下することがない。 According to this, even if the lower electrode is left, the light collection efficiency does not decrease.
第1実施形態において、半導体基板に設けられ、光電変換部により変換された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部をさらに備え、フローティングディフュージョン部は、上部電極における導波路の上縁部に延伸した部分の下側に配置されていてもよい。 In the first embodiment, the semiconductor substrate further includes a floating diffusion portion that accumulates charges converted by the photoelectric conversion portion. may be placed on the side.
これによれば、電荷蓄積部における導波路の側壁上又は層間絶縁膜上に設けられた上部電極における導波路の上縁部に延伸した部分の下側の領域にフローティングディフュージョン部を配置することにより、上部電極が遮蔽部として機能する。その結果、その結果、フローティングディフュージョン部が受光光による影響を受けにくくなるので、増幅トランジスタ等のトランジスタ特性を確保することができる。 According to this, by arranging the floating diffusion part in the region below the part of the upper electrode provided on the side wall of the waveguide in the charge accumulation part or on the interlayer insulating film, the part extending to the upper edge of the waveguide , the upper electrode functions as a shield. As a result, the floating diffusion portion is less likely to be affected by the received light, so that it is possible to secure the transistor characteristics of an amplifying transistor or the like.
この場合に、フローティングディフュージョン部は、平面視において、上部電極における導波路の上縁部に延伸した部分と重なるように設けられている。 In this case, the floating diffusion portion is provided so as to overlap the portion of the upper electrode extending to the upper edge portion of the waveguide in plan view.
以上により、本開示に係る固体撮像素子によると、導波路内に電荷蓄積部を設けることができるため、高容量化と省スペース化とが可能となる。 As described above, according to the solid-state imaging device according to the present disclosure, since the charge storage section can be provided in the waveguide, it is possible to increase the capacity and save space.
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、その説明を省略する。また、各構成部材の寸法比は便宜上に過ぎず、実寸比を表すものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail based on the drawings. The following description of preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the disclosure, its applicability, or its uses. Moreover, in each drawing, the same code|symbol is attached|subjected to the substantially same structure, and the description is abbreviate|omitted. Also, the dimensional ratios of the constituent members are for convenience only and do not represent actual dimensional ratios.
(第1実施形態)
本開示の第1実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は第1実施形態に係る固体撮像素子の一例を示している。ここでは、固体撮像素子100における単位画素を示している。
FIG. 1 shows an example of a solid-state imaging device according to the first embodiment. Here, a unit pixel in the solid-
図1に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子100は、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板101の内部、及び該半導体基板101の主面上に形成された画素を有している。半導体基板101の導電型は、p型であってもn型であってもよい。また、半導体基板101の主面とは、光が入射される面、すなわち受光面をいう。
As shown in FIG. 1, a solid-
半導体基板101の上部には、フォトダイオードからなる光電変換部102と、該光電変換部によって生じた電荷(電子及び正孔)の一方を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン(FD)部103が光電変換部102と間隔をおいて形成されている。
Above the
半導体基板101の主面上には、複数の層間絶縁膜201、202及び203と、それぞれの間に形成された複数の配線層104、105及び106とが形成されている。層間絶縁膜201、202、203には、例えば、酸化シリコン(SiOx)を用いることができる。また、層間絶縁膜201と層間絶縁膜202との間には、ライナ層202aが形成され、層間絶縁膜202と層間絶縁膜203との間には、ライナ層203aが形成されている。ライナ層202a、203aには、例えば、酸窒化シリコン(SiON)又は炭窒化シリコン(SiCN)を用いることができる。
A plurality of interlayer insulating
配線層104とその上の配線層105とは、仕様に応じて接続孔(以下、ビア:via)105aにより電気的に接続されている。同様に、配線層105とその上の配線層106においても、ビア106aによって電気的に接続されている。各配線層には、ビアを含め、例えば銅(Cu)を用いることができる。
The
半導体基板101における光電変換部102の上側部分には、該半導体基板101の主面を露出する導波路107が形成されている。導波路107の少なくとも側壁上には、光電変換部102によって変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部108が形成されている。
A
電荷蓄積部108は、導波路107の側壁上に順次積層された下部電極109、容量膜110及び上部電極111を有している。下部電極109及び上部電極111には、例えば、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、チタン(Ti)又はタンタル(Ta)等を用いることができる。
The
容量膜110には、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸化ハフニウム(HfO)、又は酸化ジルコニウム(ZrO)等の高誘電体膜(High-k)を用いることができる。
A high dielectric film (High-k) such as silicon nitride (SiN), hafnium oxide (HfO), or zirconium oxide (ZrO) can be used for the
本実施形態の特徴として、下部電極109は、複数の配線層のうちの下層の配線、例えば配線層104と接続されている。一方、上部電極111は、その上端部が層間絶縁膜204の上面において複数の配線層のうちの最上層の配線、例えば配線層106と接続されている。なお、下部電極109は、最下層の配線層104に代えて、例えば中層の配線層105と接続されていてもよい。
A feature of this embodiment is that the
層間絶縁膜204、導波路107及び電荷蓄積部108は、埋め込み絶縁膜としての高屈折率絶縁膜112によって覆われている。ここで、高屈折率絶縁膜112には、例えば窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)又は炭窒化シリコン(SiCN)を用いることができる。なかでも、屈折率が高い窒化シリコン(SiN)が好ましい。
The interlayer insulating film 204, the
以上のように、本実施形態に係る下部電極109は、最上層の配線層106とは接続されておらず、すなわち、最上層の層間絶縁膜204の上面には延伸されていない。これにより、電荷蓄積部108の層間絶縁膜204上での高さを小さくすることが可能となり、電荷蓄積部108の低背化を実現できる。
As described above, the
その上、下部電極109が最上層の配線層106と接続されない構成を採ることにより、従来は少なくとも4層構造の配線層を必要としたが、本実施形態においては3層構造の配線層104、105及び106での構成が可能となる。これにより、3層構造の配線層104、105及び106は、その高さを低くすることができる。このため、従来、複数の配線層の高さが高いことから、該複数の配線層に設けられた深い導波路107を埋め込む埋め込み絶縁膜には、熱熱膨張係数が相対的に大きいオルトケイ酸テトラエチル(Tetraethoxyl Orthosilicate:TEOS)膜を用いざるを得なかった。配線層の高さが高い場合に、埋め込み絶縁膜に高屈折率絶縁膜である窒化シリコン(SiN)を用いると、導波路107を埋め込むのに必要なSiNの膜厚が大きくなる。このため、半導体ウエハの外周部においてSiN膜の高ストレスに起因して膜剥がれが発生する。一方、TEOS膜は、膜剥がれは生じにくいものの、屈折率が小さいため集光効率は低く、光を導く導波路としての特性は著しく乏しい。
In addition, since the
本実施形態においては、配線層自体の低背化を実現できることにより、導波路107を埋め込むためのSiN膜を、膜剥がれが生じる膜厚以下にまで薄膜化することが可能となる。これにより、本実施形態においては、導波路107の埋め込み絶縁膜としてSiN膜の適用が可能となる。すなわち、導波路107を埋め込む高屈折率絶縁膜112として、熱熱膨張係数が小さい窒化シリコンを用いることができる。従って、高屈折率でありながら、膜剥がれが生じ難い窒化シリコンを埋め込み絶縁膜に用いた導波路107により、集光効率を上げることができる。
In this embodiment, since the wiring layer itself can be reduced in height, the SiN film for embedding the
また、図1に示すように、本実施形態に係る電荷蓄積部108には、導波路107の底部において、半導体基板101を露出する開口部108aが設けられている。この開口部108aにより、各電極109、111に金属を用いる場合には、電荷蓄積部108における導波路107の底部上部分での入射光の反射がなくなるので、集光効率をより高めることができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
さらに、電荷蓄積部108における開口部108a側の端面は、上部電極111と容量膜110との間に段差部111aが形成されている。この段差部111aにより、電荷蓄積部108は、その開口部108a側の端面において、下部電極109と上部電極111とが面一とはならない。従って、下部電極109の端面と上部電極111の端面とに、ある程度の絶縁距離(沿面距離)が確保されるので、下部電極109と上部電極111とのリーク電流の発生を抑止することができる。なお、容量膜110と下部電極109との間にも段差部を形成してもよい。すなわち、容量膜110の端面が下部電極109及び上部電極111の各端面の少なくとも一方よりも多く突き出し、絶縁距離が長くなるように構成すればよい。
Further, a
以下、半導体素子100の各構成部材の寸法の一例を列挙する。
An example of the dimensions of each component of the
まず、半導体基板101の主面から最上層の層間絶縁膜204の上面までの高さは、0.78μm程度である。導波路107における上端の開口幅、すなわち、層間絶縁膜204における上端の開口幅は、4.9μm程度である。導波路107の上端の開口長も4.9μm程度としてもよく、この場合の導波路107の上端の開口形状(平面形状)はほぼ正方形となる。
First, the height from the main surface of the
電荷蓄積部108を構成する下部電極109及び上部電極111の厚さは、電極材料に窒化チタン(TiN)を用いる場合には、10nm程度とすることができる。
The thickness of the
なお、下部電極109の厚さは、電荷蓄積部108における集光効率を上げるには、40nm以上であってもよい。これは、上部電極111に、窒化チタン(TiN)を用いる場合には、窒化チタンの光の透過可能な厚さが40nmであるからである。これにより、導波路107における集光効率を上げることができる。
Note that the thickness of the
また、上部電極111の厚さは、層間絶縁膜204上で接続される配線層106との接続部分を除く領域、すなわち導波路107の側壁上及び容量膜110の上では、30nm以下が好ましい。従って、上部電極111における導波路107の側壁上の厚さは、下部電極109における導波路107の側壁上の厚さよりも小さくてもよい。これにより、電荷蓄積部108の低背化を図ることができる。一方、上部電極111における配線層106との接続部分の厚さは、導波路107の側壁上及び容量膜110の上側部分の厚さよりも大きくてもよく、例えば、40nm以上60nm以下程度が好ましい。これにより、低背化とFD部103に対する遮光機能とが供される。
Moreover, the thickness of the
容量膜110には、例えば、厚さが25nm程度の窒化シリコン(SiN)を用いることができる。容量膜110は、必要とする単位容量に合わせて、その膜厚は自由に設定可能である。
Silicon nitride (SiN) having a thickness of about 25 nm, for example, can be used for the
また、導波路107を埋め込む高屈折率絶縁膜112は、窒化シリコンを用いる場合は、最上層の層間絶縁膜204の上で、2.0μm以下が好ましい。これにより、高屈折率絶縁膜112の膜剥がれを抑制することができる。
Further, when silicon nitride is used, the high refractive
(固体撮像素子の製造方法)
以下、第1実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について図2~図10を参照しながら説明する。
(Manufacturing method of solid-state imaging device)
A method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS.
まず、図2に示すように、シリコンからなる半導体基板101の主面側の上部の各画素に、イオン注入法により。光電変換部102及びフローティングディフュージョン(FD)部103をそれぞれ選択的に形成する。
First, as shown in FIG. 2, each pixel on the main surface side of a
続いて、光電変換部102及びFD部103が形成された半導体基板101の主面上にデュアルダマシン(dual damascene)法により、Cu多層配線構造を形成する。デュアルダマシン法では、下層の配線層104を形成し、その後、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、ライナ層202a及び上層の層間絶縁膜202を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、配線溝(トレンチ)及びビアのパターニングを行う。その後、ドライエッチング法により、層間絶縁膜202の内部にトレンチとビアとを形成する。続いて、物理気相成長(Physical Vapor Deposition:PVD)法により、トレンチ及びビアの内壁面にCuの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのCuシード層とを堆積する。その後、Cu電解めっき法により、トレンチ及びビアの中にCu膜を埋め込む。さらに、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法により、配線層上の表面の余剰なCu膜とバリア膜とを除去して、配線層105aを形成する。このプロセスを繰り返し実施することにより、所望の配線数を有する、デュアルダマシン法によるCu多層配線構造を得る。
Subsequently, a Cu multilayer wiring structure is formed by a dual damascene method on the main surface of the
次に、図3において、リソグラフィ法により、層間絶縁膜203の上に、導波路形成用のレジスト(図示せず)を堆積し、堆積したレジスト膜をマスクとするドライエッチングを行う。これにより、下層の配線層104の側面が露出する導波路107が、層間絶縁膜201、202及び203に形成される。この場合のエッチングガスとしては、例えば弗化炭素(CF)系のガスを用いればよい。この後、アッシングを行なってレジスト膜を除去する。
Next, in FIG. 3, a resist (not shown) for forming a waveguide is deposited on the
次に、図4に示すように、PVD法を用いて、導波路107の側壁及び底面を覆うように、電荷蓄積部108の下部電極形成膜109Aを堆積する。ここでは、下部電極形成膜109Aの形成材料として、窒化チタン(TiN)を用いる。これにより、下部電極形成膜109Aは、下層の配線層104と少なくとも2箇所で接続される。なお、下部電極形成膜109Aの成膜には、CVD法を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 4, the PVD method is used to deposit a lower
次に、図5において、リソグラフィ法により、導波路107の側壁上にレジスト(図示せず)を堆積し、堆積したレジスト膜をマスクとするドライエッチングを行う。これにより、層間絶縁膜203の上面及び導波路107の底部上の下部電極形成膜109Aが除去されて、導波路107の側壁と、底面の周縁部との上に、下部電極109が形成される。この際のエッチングガスには、例えば塩素(Cl2)系のガスを用いればよい。この後、アッシングを行なってレジスト膜を除去する。
Next, in FIG. 5, a resist (not shown) is deposited on the side wall of the
次に、図6に示すように、CVD法を用いて、少なくとも導波路107の側壁及び底面を覆うように、電荷蓄積部108を構成する容量膜形成膜110Aを堆積する。ここでは、容量膜形成膜110Aに、窒化シリコン(SiN)を用いる。
Next, as shown in FIG. 6, a capacitive
次に、図7において、リソグラフィ法により、層間絶縁膜203における導波路107の上縁部、導波路107の側壁及び該導波路107の底部の周縁部の上に跨がるようにレジスト(図示せず)を堆積する。その後、堆積したレジスト膜をマスクとするドライエッチングを行って、容量膜形成膜110Aを、層間絶縁膜203上における導波路107の上縁部と、導波路107の側壁上と、導波路107の底部の周縁部の上に残すように除去する。すなわち、導波路107の内部では、容量膜形成膜110Aを下部電極109と対向するように残すことにより、容量膜110が形成される。この際のエッチングガスには、例えば弗化炭素(CF)系のガスを用いればよい。この後、アッシングを行なってレジスト膜を除去する。
Next, in FIG. 7, a resist (FIG. 7) is applied to the
次に、図8に示すように、PVD法を用いて、導波路105の側壁及び底面上を含む、層間絶縁膜203の上面を覆うように、上部電極形成膜111Aを堆積する。なお、上部電極形成膜111Aには、下部電極形成膜109Aと同様に、窒化チタン(TiN)を用いる。なお、上部電極形成膜111Aの成膜には、CVD法を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 8, the PVD method is used to deposit an upper
次に、図9において、図7と同様に、リソグラフィ法により、層間絶縁膜203における導波路107の上縁部、導波路107の側壁及び該導波路107の底部の周縁部の上に跨がるようにレジスト(図示せず)を堆積する。本工程では、堆積したレジスト膜の層間絶縁膜203の上側部分に対して、上層の配線層106と少なくとも2箇所で接続するようにパターニングしている。その後、堆積したレジスト膜をマスクとするドライエッチングを行って、上部電極形成膜111Aを、層間絶縁膜203上における導波路107の上縁部と、導波路107の側壁上と、導波路107の底部の周縁部の上に残すように除去する。これにより、上部電極形成膜111Aから、電荷蓄積部108の上部電極111が形成される。このとき、電荷蓄積部108における開口部108a側の端面は、上部電極111と容量膜110との間に段差部111aが形成される。この際のエッチングガスには、例えば塩素(Cl2)系のガスを用いればよい。この後、アッシングを行なってレジスト膜を除去する。
Next, in FIG. 9, the
ここでは、上部電極111は、最上層の配線層106と接続されることにより、導波路107の内部、すなわち、導波路107の側壁上に電荷蓄積部108が形成される。また、電荷蓄積部108の導波路107の底部には、半導体基板101を露出する開口部108aが形成される。これにより、導波路107と電荷蓄積部108を画素内の同一の領域に形成することができるので、画素レイアウトの微細化が可能となる。また、導波路107への入射光は、電荷蓄積部108の各電極109、111によって反射されるため、光電変換部102の集光効率が向上する。その結果、混色及び迷光等の光学ノイズ成分を抑制することが可能となる。
Here, the
次に、図10に示すように、CVD法を用いて、層間絶縁膜203の上に、導波路107が埋め込まれるように高屈折率絶縁膜112を堆積する。その後、CMP法により、堆積した高屈折率絶縁膜112の表面を平坦化して、高屈折率絶縁膜112が埋め込まれた導波路107を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, a high refractive
以上により、本実施形態に係る固体撮像素子100を製造することができる。このような製造方法によると、下部電極109、容量膜110及び上部電極111を有する電荷蓄積部108は、導波路107の側壁上にのみ下部電極109が設けられる。一方、導波路107の側壁上から最上層の配線層106を有する層間絶縁膜203の上面にかけて容量膜110及び上部電極111が設けられる。これにより、電荷蓄積部108の下部電極109の膜厚分だけ電荷蓄積部108を低背化することができる。
As described above, the solid-
その上、導波路107の底部には、電荷蓄積部108を除去した開口部108aを有する構成としている。これにより、導波路107の内部の光をその底部で反射することなく導くことができる。
In addition, the bottom of the
以上の電荷蓄積部108の低背化と、導波路107内の高屈折率絶縁膜(SiN膜)112と、導波路107の底部に設けた開口部108aにより、集光効率を大きく向上することができる。
The reduction in the height of the
なお、本実施形態においては、下層の配線層104に、銅(Cu)を用いたが、これに限られず、例えばタングステン(W)等の金属を用いることができる。
Although copper (Cu) is used for the
(第1実施形態の一変形例)
以下、第1実施形態の一変形例について図11を参照しながら説明する。
(One modification of the first embodiment)
A modified example of the first embodiment will be described below with reference to FIG.
図11は第1実施形態に係る固体撮像素子の一例を示し、ここでは、固体撮像素子100Aにおける単位画素を示している。
FIG. 11 shows an example of the solid-state imaging device according to the first embodiment, and here shows a unit pixel in the solid-
図11に示すように、本変形例に係る固体撮像素子100Aは、電荷蓄積部108を構成する下部電極109Bに透明電極を用いている。従って、導波路107の底部に開口部108aを設ける必要はなく、下部電極109Bにおける導波路107の底部上部分には、底部109bが露出する。
As shown in FIG. 11, in the solid-
ここで、下部電極109Bには、酸化インジウムスズ (Indium Tin Oxide:ITO)又はアモルファス酸化物半導体であるIn-Ga-ZnO4(いわゆるIGZO)等を用いることができる。下部電極109Bの厚さは、例えば10nm程度であってもよい。
Here, for the
また、上部電極111の厚さは、層間絶縁膜204上で接続される配線層106との接続部分を除く領域、すなわち導波路107の側壁上及び容量膜110の上では、例えば、40nm以上60nm以下程度が好ましい。このように、本変形例においては、下部電極109Bに透明電極を用いているため、上部電極111に窒化チタン(TiN)を用いる場合には、光の透過可能な厚さが40nmであるので、該40nmよりも厚くすれば、集光効率を下げることなく、電荷蓄積部108の低背化を図ることができる。
Further, the thickness of the
一方、上部電極111における配線層106の上側部分の厚さも、例えば40nm以上60nm以下程度が好ましい。これにより、低背化とFD部103に対する遮光効果を得ることができる。
On the other hand, the thickness of the upper portion of the
また、本変形例においても、電荷蓄積部108の容量膜110と上部電極111との底部側の端面同士には段差部111aが形成されていてもよい。これにより、下部電極109と上部電極111との間の電流リークを抑止することができる。
Also in this modification, a stepped
なお、他の変形例として、下部電極109に窒化チタン(TiN)を用いる場合でも、下部電極109の厚さを40nm未満に設定すれば、窒化チタン膜のままでも光を透過するので、下部電極109のみを導波路107の底部に残す構成を得ることができる。
As another modification, even when titanium nitride (TiN) is used for the
(第2実施形態)
以下、本開示の第2実施形態について図面を参照しながら説明する。図12及び図13は第2実施形態に係る固体撮像素子の一例を示している。ここでは、固体撮像素子100Bにおける単位画素を示している。
(Second embodiment)
A second embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. 12 and 13 show an example of a solid-state imaging device according to the second embodiment. Here, a unit pixel in the solid-
第2実施形態においては、半導体基板101に設けられるFD部103を、上部電極111Bにおける上層の配線層106との接続部の下側部分に、平面視において互いに重なるように配置する場合に、上部電極111Bの厚さを最適化する。
In the second embodiment, when the
すなわち、上部電極111Bの配線層106との接続部分の厚さは、例えば、40nm以上60nm以下程度が好ましい。これは、上部電極111Bに、窒化チタン(TiN)を用いる場合には、上述したように、窒化チタンの光の透過可能な厚さが40nmであるからである。一方、上部電極111Bにおける導波路107の側壁上及び容量膜110の上側部分の厚さは、低背化のため30nm以下が好ましい。
That is, the thickness of the connection portion of the
また、下部電極109における導波路107の側壁上部分の厚さは、30nm以下が好ましい。これにより、電荷蓄積部108の低背化を図ることができる。
Moreover, the thickness of the portion of the
なお、第2実施形態においても、電荷蓄積部108の下部電極109に透明電極を用い、且つ、該透明電極における導波路107の底部上部分を残す構成とする変形例を適用することができる。
Also in the second embodiment, a modification can be applied in which a transparent electrode is used for the
本開示は、単位画素に電荷蓄積部を有する固体撮像素子として利用することができ、特に受光感度を向上する方法として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can be used as a solid-state imaging device having a charge storage portion in a unit pixel, and can be used particularly as a method for improving light sensitivity.
100、100A、100B 固体撮像素子
101 半導体基板
102 光電変換層
103 フローティングディフュージョン(FD)部
104 配線層(下層)
106 配線層(上層)
107 導波路
108 電荷蓄積部
108a 開口部
109、109B 下部電極
109A 下部電極形成膜
110 容量膜
110A 容量膜形成膜
111、111B 上部電極
111A 上部電極形成膜
111a 段差部
112 高屈折率絶縁膜(埋め込み絶縁膜)
203 層間絶縁膜(上層)
100, 100A, 100B solid-
106 wiring layer (upper layer)
203 Interlayer insulating film (upper layer)
Claims (10)
前記半導体基板に設けられた光電変換部と、
前記半導体基板の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜における前記光電変換部の上に設けられ、前記光電変換部に受光光を導入する導波路と、
前記導波路の少なくとも側壁上に順次積層された下部電極、容量膜及び上部電極を有する電荷蓄積部と、
前記層間絶縁膜の内部に設けられた複数の配線層とを備え、
前記下部電極は、前記複数の配線層のうちの下層の配線層と前記導波路の側壁上で電気的に接続され、前記層間絶縁膜の上面に延伸しておらず、
前記容量膜及び上部電極は、前記層間絶縁膜の上面に延伸しており、
前記上部電極は、その上端部が前記層間絶縁膜の上面において前記複数の配線層のうちの最上層の配線層と接続されている、
固体撮像素子。 a semiconductor substrate;
a photoelectric conversion unit provided on the semiconductor substrate;
an interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate;
a waveguide provided on the photoelectric conversion section in the interlayer insulating film and introducing received light to the photoelectric conversion section;
a charge storage section having a lower electrode, a capacitive film and an upper electrode, which are sequentially stacked on at least the side wall of the waveguide;
a plurality of wiring layers provided inside the interlayer insulating film,
the lower electrode is electrically connected to a lower wiring layer among the plurality of wiring layers on a side wall of the waveguide and does not extend to the upper surface of the interlayer insulating film ;
the capacitive film and the upper electrode extend to the upper surface of the interlayer insulating film ;
The upper electrode has an upper end connected to the uppermost wiring layer among the plurality of wiring layers on the upper surface of the interlayer insulating film,
Solid-state image sensor.
前記上部電極における前記最上層の配線層上での厚さは、他の部分での厚さよりも大きい、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 1,
The solid-state imaging device, wherein the thickness of the upper electrode on the wiring layer of the uppermost layer is larger than the thickness of other portions.
前記導波路の側壁上において、前記下部電極の厚さは、前記上部電極の厚さよりも大きい、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
A solid-state imaging device, wherein the thickness of the lower electrode is greater than the thickness of the upper electrode on the side wall of the waveguide.
前記導波路は埋め込み絶縁膜により埋め込まれており、
前記埋め込み絶縁膜は、シリコン窒化膜である、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The waveguide is embedded with an embedded insulating film,
The solid-state imaging device, wherein the embedded insulating film is a silicon nitride film.
前記電荷蓄積部は、前記導波路の底部において前記半導体基板を露出する開口部を有している、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The solid-state imaging device, wherein the charge storage section has an opening that exposes the semiconductor substrate at the bottom of the waveguide.
前記電荷蓄積部における前記開口部側の端面は、前記上部電極と前記容量膜との間、及び前記容量膜と前記下部電極との間の少なくとも一方において段差部を形成している、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 5,
A solid-state imaging device, wherein the end surface of the charge storage section on the side of the opening forms a stepped section at least one between the upper electrode and the capacitive film and between the capacitive film and the lower electrode. .
前記電荷蓄積部は、前記導波路の底部において、前記下部電極を残して前記容量膜及び上部電極が除かれている、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The solid-state imaging device, wherein the charge storage section is formed by removing the capacitive film and the upper electrode while leaving the lower electrode at the bottom of the waveguide.
前記下部電極は、透明電極である、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 7,
The solid-state imaging device, wherein the lower electrode is a transparent electrode.
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換部により変換された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部をさらに備え、
前記フローティングディフュージョン部は、前記上部電極における前記層間絶縁膜の前記上面に延伸した部分の下側に配置されている、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 1,
further comprising a floating diffusion portion provided on the semiconductor substrate for accumulating charges converted by the photoelectric conversion portion;
The solid-state imaging device, wherein the floating diffusion portion is arranged below a portion of the upper electrode that extends to the upper surface of the interlayer insulating film .
前記フローティングディフュージョン部は、平面視において、前記上部電極における前記層間絶縁膜の前記上面に延伸した部分と重なっている、固体撮像素子。 In the solid-state imaging device according to claim 9,
The solid-state imaging device, wherein the floating diffusion portion overlaps a portion of the upper electrode extending to the upper surface of the interlayer insulating film in plan view.
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