KR101587898B1 - 고체 촬상 장치 및 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 암전류(暗電流) 및 백점(白点) 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감이 가능한 고체 촬상 장치 및 카메라를 제공한다. 본 발명은, 반도체 기판(10)의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 화소마다 포토다이오드 PD가 형성되고, 포토다이오드를 피복하여 반도체 기판 상에 절연막(15, 16, 17, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 30, 31)이 형성되고, 절연막 중에 매립되어 배선(19, 24, 29)이 형성되고, 적어도 포토다이오드의 형성 영역을 피복하여, 배선 중의 최하층의 배선으로부터 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막 ST가 형성되고, 포토다이오드의 상측 부분에서 절연막에 요부(凹部) H가 에칭 스토퍼막에 이르도록 형성되고, 요부(凹部)에 매립되어 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로(光導波路)(36, 37)가 형성되어 있는 구성으로 한다.
고체 촬상 장치, 카메라, 포토다이오드, 에칭 스토퍼막, 광도파로

Description

고체 촬상 장치 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 발명은 고체 촬상 장치 및 전자 기기에 관한 것이며, 특히, 수광면에 포토다이오드를 가지는 화소가 매트릭스형으로 정렬되어 이루어지는 고체 촬상 장치와, 고체 촬상 장치를 구비한 전자 기기에 관한 것이다.
예를 들면, CMOS 센서 또는 CCD 소자 등의 고체 촬상 장치에서는, 반도체 기판의 표면에 형성된 포토다이오드(광전 변환부)에 광을 입사시켜, 그 포토다이오드에 의해 발생한 신호 전하에 의해 영상 신호를 얻는 구성으로 되어 있다.
CMOS 센서에서는, 예를 들면, 수광면에서 이차원 매트릭스형으로 배열된 화소마다 포토다이오드가 형성되어 있다. 수광 시에 각 포토다이오드에 발생 및 축적되는 신호 전하는 CMOS 회로의 구동에 의해 플로팅 디퓨전(floating diffusion)에 전송된다. 신호 전하는 신호 전압으로 변환하여 판독되는 구성으로 되어 있다.
또한, CCD 소자에서는, 예를 들면, CMOS 센서와 동일하게 수광면에서 이차원 매트릭스형으로 배열된 화소마다 포토다이오드가 형성되어 있다. 수광 시에 각 포토다이오드에 발생 및 축적되는 신호 전하는 CCD 수직 전송로 및 수평 전송로에 의 해 전송되어, 판독되는 구성으로 되어 있다.
상기와 같은 CMOS 센서 등의 고체 촬상 장치는, 예를 들면, 반도체 기판의 표면에 전술한 포토다이오드가 형성되어 있다. 그 상층을 피복하여 산화 실리콘 등의 절연막이 형성되어 있다. 포토다이오드에 대한 광의 입사를 방해하지 않도록 포토다이오드 영역을 제외한 영역에 있어서 절연막 중에 배선이 형성된 구성으로 되어 있다.
그러나, 상기와 같은 고체 촬상 장치에 있어서, 소자의 미세화에 따라 수광면의 면적이 축소되어 가고 있고, 이에 따라 입사광 비율이 저하되어 감도 특성이 악화된다는 문제가 있다.
이에 대한 대책으로서, 온 칩(on-Chip) 렌즈나 층내 렌즈 등을 사용하여 집광을 행하는 구조가 개발되고, 특히, 포토다이오드의 위쪽에 있어서의 절연막 중에, 외부로부터 입사하는 광을 포토다이오드에 도파하는 광도파로를 형성한 고체 촬상 장치가 개발되었다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시된 고체 촬상 장치는, 다음과 같은 구성으로 되어 있다.
기판 상에 매트릭스형으로 배치된 각 화소에 있어서 포토다이오드가 형성되고, 포토다이오드를 피복하여 절연막이 형성되고, 포토다이오드의 상측 부분에서 절연막에 요부(凹部)가 형성되고, 내부에 광도파로가 형성되어 있다.
상기한 고체 촬상 장치에 있어서, 절연막의 내부에는 다마신 프로세스(damascene process)에 의해 형성된 구리 배선이 매립되어 형성되어 있고, 절연 막은 구리 배선을 구성하는 구리의 확산 방지막이나 요부 형성 시의 에칭 스토퍼막을 포함하는 구성으로 되어 있다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 있어서는, 광도파로는 확산 방지막이나 에칭 스토퍼막을 관통하여 형성되어 있고, 이와 같은 구성에서는, 고체 촬상 장치의 대표적인 특성인 암전류 및 백점 결함이 악화되는 것이 알려져 있다.
특허 문헌 3에는, 상기와 동일한 구성의 광도파로가 형성된 고체 촬상 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 3의 고체 촬상 장치에 있어서는, 기판 표면을 피복하여 형성된 질화 실리콘막에 이르도록 광도파로가 형성되어 있다.
또한, 특허 문헌 4에는, 상기와 동일한 구성의 광도파로가 형성된 고체 촬상 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 4의 고체 촬상 장치에 있어서는, 듀얼 다마신법에 의한 배선과 동일한 층에 형성된 확산 방지막에 이르도록 광도파로가 형성되어 있다.
특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에서는, 광도파로는 기판 표면을 피복하여 형성된 질화 실리콘막이나 확산 방지막을 관통하지 않도록 형성되어 있고, 이로써, 암전류 및 백점 결함에 있어서는 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2의 고체 촬상 장치보다도 개선되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허출원 공개번호 2003-324189호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허출원 공개번호 2004-207433호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허출원 공개번호 2006-339339호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허출원 공개번호 2006-190891호 공보
그러나, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에서도, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 또한 감도 향상 및 색혼합 저감이 요구되고 있다.
해결하려고 하는 문제점은, 광도파로를 형성한 고체 촬상 장치에 있어서, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감을 달성하는 것이 곤란한 것이다.
본 발명의 고체 촬상 장치는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 화소마다 형성된 포토다이오드와, 포토다이오드를 피복하여 반도체 기판 상에 형성된 절연막과, 절연막 중에 매립되어 형성된 배선과, 적어도 포토다이오드의 형성 영역을 피복하여, 배선 중의 최하층의 배선으로부터 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 형성된 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막과, 포토다이오드의 상측 부분에서 절연막에 에칭 스토퍼막에 이르도록 형성된 요부와, 요부에 매립되어 형성되고, 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로를 가진다.
상기한 본 발명의 고체 촬상 장치는, 반도체 기판의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 화소마다 포토다이오드가 형성되고, 포토다이오드를 피복하여 반도체 기판 상에 절연막이 형성되고, 절연막 중에 매립되어 배선이 형성되어 있다.
또한, 적어도 포토다이오드의 형성 영역을 피복하여, 배선 중의 최하층의 배선으로부터 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막이 형성되어 있다.
포토다이오드의 상측 부분에서 절연막에 요부가 에칭 스토퍼막에 이르도록 형성되어 있고, 요부에 매립되어 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로가 형성되어 있다.
본 발명의 전자 기기는, 고체 촬상 장치와, 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 안내하는 광학계와, 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하고, 고체 촬상 장치는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 화소마다 형성된 포토다이오드와, 포토다이오드를 피복하여 반도체 기판 상에 형성된 절연막과, 절연막 중에 매립되어 형성된 배선과, 적어도 포토다이오드의 형성 영역을 피복하여, 배선 중의 최하층의 배선으로부터 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 형성된 탄화실리콘으로 이루어지는 스토퍼와, 포토다이오드의 상측 부분에서 절연막에 스토퍼막에 이르도록 형성된 요부와, 요부에 매립되어 형성되고, 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로를 포함한다.
상기한 본 발명의 전자 기기는, 수광면에 복수개의 화소가 집적되어 이루어지는 고체 촬상 장치와, 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 안내하는 광학계와, 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 가지고, 고체 촬상 장치는 상기한 구성의 고체 촬상 장치로 한다.
본 발명의 고체 촬상 장치는, 광도파로가 되는 요부가 에칭 스토퍼막에 이르도록, 즉 에칭 스토퍼막을 관통하지 않도록 하여 형성되어 있다. 또한, 에칭 스토퍼막은 탄화실리콘으로 이루어지고, 절연막에 매립된 배선 중의 최하층의 배선으로부터 이격되어 반도체 기판에 가까운 쪽에 형성되어 있다. 이로써, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감을 달성할 수 있다.
본 발명의 전자 기기는, 전자 기기를 구성하는 고체 촬상 장치에 있어서, 광도파로가 되는 요부가 에칭 스토퍼막에 이르도록, 즉 에칭 스토퍼막을 관통하지 않도록 하여 형성되어 있다. 또한, 에칭 스토퍼막은 탄화실리콘으로 이루어지고, 절연막에 매립된 배선 중의 최하층의 배선으로부터 이격되어 반도체 기판에 가까운 쪽에 형성되어 있다. 이로써, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감을 달성할 수 있다.
이하에, 본 발명에 관한 고체 촬상 장치와 고체 촬상 장치를 구비한 전자 기기의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
제1 실시형태
도 1은, 복수개의 화소가 집적되어 이루어지고, 본 실시형태에 관한 고체 촬상 장치인 CMOS 센서의 모식 단면도이며, 화소 영역 RPX와 패드 전극 영역 RPAD를 나타내고 있다.
예를 들면, 수광면이 되는 화소 영역 RPX에 있어서, 반도체 기판(10)의 p웰 영역에, 화소마다 n형 전하 축적층(11)과 그 표층의 P+형 표면층(12)이 형성되고, pn 접합에 의해 포토다이오드 PD가 구성되어 있다. 또한, 포토다이오드 PD에 인접하여 반도체 기판 상에 게이트 절연막(13) 및 게이트 전극(14)이 형성되어 있다.
예를 들면, 상기한 반도체 기판에는, 플로팅 디퓨전이나 CCD 전하 전송로 등, 포토다이오드 PD에 생성 및 축적되는 신호 전하 또는 신호 전하에 따른 전압을 판독하는 신호 판독부가 형성되어 있다. 이로써, 게이트 전극(14)에 대한 전압의 인가에 의해 신호 전하가 전송되는 구성으로 되어 있다.
예를 들면, 포토다이오드 PD를 피복하여, 반도체 기판 상에, 예를 들면, 산화 실리콘으로 이루어지는 제1 절연막(15)이 형성되어 있다.
또한, 제1 절연막(15)의 상층에, 적어도 포토다이오드 PD의 형성 영역을 피복하여, 탄화실리콘(SiC)으로 이루어지는 에칭 스토퍼막 ST가 형성되어 있다.
에칭 스토퍼막 ST의 상층에, 예를 들면, 제2 절연막(16), 제3 절연막(17), 제4 절연막(21), 제5 절연막(22), 제6 절연막(26), 제7 절연막(27), 제8 절연막(31), 제1 확산 방지막(20), 제2 확산 방지막(25), 및 제3 확산 방지막(30)이 형성되어 있다.
상기한 제2 절연막(16), 제3 절연막(17), 제4 절연막(21), 제5 절연막(22), 제6 절연막(26), 제7 절연막(27), 및 제8 절연막(31)은, 예를 들면, 산화 실리콘으로 형성되어 있다.
상기한 제1 확산 방지막(20)과 제2 확산 방지막(25)은, 예를 들면, 탄화실리콘으로 형성되어 있다.
상기한 제3 확산 방지막(30)은, 예를 들면, 질화 실리콘으로 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 제1 절연막(15)으로부터 제8 절연막(31)까지가 적층되어 절연막이 구성되어 있다.
예를 들면, 상기한 제3 절연막(17)에는 배선용 홈(17t)이 형성되어 있고, 배선용 홈(17t)의 내벽을 피복하여 탄탈/질화 탄탈 등으로 이루어지는 배리어 메탈층(18)이 형성되어 있고, 그 내측의 영역에 있어서 매립되어 구리로 이루어지는 제1 배선(19)이 형성되어 있다.
상기와 동일하게, 예를 들면, 제5 절연막(22)에 있어서도 배선용 홈(22t)의 내벽을 피복하여 배리어 메탈층(23)이 형성되고, 그 내측의 영역에 매립되어 제2 배선(24)이 형성되어 있다.
또한, 예를 들면, 제7 절연막(27)에 있어서도 배선용 홈(27t)의 내벽을 피복하여 배리어 메탈층(28)이 형성되고, 그 내측의 영역에 매립되어 제3 배선(29)이 형성되어 있다.
배리어 메탈층(18, 23, 28)은, 상기한 바와 같이 도전성의 재료로 형성되어 있는 경우에는, 각각 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)의 일부로서 기능한다.
상기한 바와 같이, 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)이, 제1 절연막(15)으로부터 제8 절연막(31)까지 적층하여 형성된 절연막 중에 매립된 구성으로 되어 있다.
여기서, 본 실시형태에 있어서는, 상기한 에칭 스토퍼막 ST는, 제1 ~ 제3 배 선(19, 24, 29) 중의 최하층의 배선인 제1 배선(19)으로부터 반도체 기판(10)에 가까운 쪽으로 이격되어 형성되어 있다.
상기한 제1 ~ 제3 확산 방지막은, 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)의 상면을 피복하여, 구리의 확산을 방지하는 막이다. 또한, 배리어 메탈층(18, 23, 28)은, 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)의 측면 및 하면을 피복하여, 구리의 확산을 방지하는 막이다.
상기와 같이 하여, 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)의 표면이 구리의 확산을 방지하는 막으로 피복되어 있다.
상기한 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29) 및 배리어 메탈막(18, 23, 28)은, 각각, 예를 들면, 다마신 프로세스에 의해 형성된 것이다. 또한, 듀얼 다마신 프로세스에 의한, 배선용 홈의 저면에서 하층 배선으로의 개구부 내에서의 컨택트부와 일체로 형성된 배선 구조라도 된다.
또한, 예를 들면, 패드 전극 영역 RPAD에 있어서 절연막의 상층에 패드 전극(32)이 형성되어 있다. 패드 전극(32)은, 예를 들면, 알루미늄 등으로 이루어지고, 제8 절연막(31) 등에 형성된 개구부(31c) 등을 통하여 제3 배선 등과 접속하여 형성되어 있고, 예를 들면, 직경이 100㎛ 정도의 크기이다.
또한, 상기한 패드 전극(32)의 상층에 산화 실리콘으로 이루어지는 제9 절연막(33)이 형성되어 있다.
여기서, 예를 들면, 포토다이오드 PD의 상측 부분에서, 상기한 바와 같이 적 층하여 형성된 절연막에 있어서, 제2 ~ 제9 절연막 및 제1 ~ 제3 확산 방지막을 관통하고, 에칭 스토퍼막 ST에 이르도록 요부 H가 형성되어 있다.
예를 들면, 요부 H는 에칭 스토퍼막 ST의 도중의 깊이에까지 달하고 있고, 에칭 스토퍼막 ST가 요부 H의 저면을 구성하고 있다.
상기한 요부 H는, 포토다이오드의 면적이나 화소 사이즈, 프로세스 룰 등에도 의하지만, 예를 들면, 개구 직경이 0.8㎛ 정도이며, 아스펙트비는 1~2 정도 또는 그 이상이다.
또한, 예를 들면, 요부 H 내측의 벽면은 기판의 주면(主面)에 수직인 면으로 되어 있다. 또는, 위쪽으로 갈 수록 넓어지는 테이퍼형의 형상으로 되어 있어도 된다.
상기한 요부 H의 내벽을 피복하고, 또한 패드 전극(32)보다 상층에, 산화 실리콘(굴절률 1.45)보다 높은 굴절률을 가지는 패시베이션막(36)이 형성되어 있다. 패시베이션막(36)은, 예를 들면, 질화 실리콘(굴절률 2.0) 등으로 이루어지고, 0.5㎛ 정도의 막두께이다.
또한, 예를 들면, 패시베이션막(36)의 상층에 있어서 요부 H에 매립되어, 산화 실리콘보다 높은 굴절률을 가지는 매립층(37)이 형성되어 있다. 매립층(37)은 요부 H 내를 매립하고 있고, 요부 H의 외부에서의 막두께가 0.5㎛ 정도로 되어 있다.
매립층(37)은, 예를 들면, 실록산계 수지(굴절률 1.7), 또는 폴리이미드 등의 고굴절률 수지로 구성되며, 실록산계 수지가 특히 바람직하다.
또한, 상기한 수지 중에 예를 들면, 산화 티탄, 산화 탄탈, 산화 니오브, 산화 텅스텐, 산화 지르코늄, 산화 아연, 산화 인듐, 산화 하프늄 등의 금속 산화물 미립자가 함유되어 있고, 굴절률이 높여져 있다.
상기와 같이 하여, 산화 실리콘보다 굴절률이 높은 재료로 이루어지는 패시베이션막(36)과 매립층(37)으로부터, 요부 H에 매립되어 광도파로가 형성되어 있다.
상기한 매립층(37)의 상층에, 예를 들면, 접착층로서도 기능하는 평탄화 수지층(38)이 형성되고, 그 상층에, 예를 들면, 청색(B), 녹색(G), 적색(R)의 각 색의 컬러 필터(39a, 39b, 39c)가 화소마다 형성되고, 그 상층에, 마이크로 렌즈(40)가 형성되어 있다.
패드 전극 영역 RPAD에 있어서는, 컬러 필터는 형성되어 있지 않고, 패드 전극(32)의 상층에는 제9 절연막(33), 패시베이션막(36), 매립층(37), 평탄화 수지층(38)과 마이크로 렌즈를 구성하는 수지층(40a)이 적층되고, 패드 전극(32)의 상면을 노출시키도록 개구부 P가 형성되어 있다.
상기와 같이 하여, 본 실시형태의 고체 촬상 장치인 CMOS 센서가 구성되어 있다.
본 실시형태에 관한 CMOS 센서에 있어서는, 광도파로가 되는 요부 H가 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막 ST에 이르도록, 즉 에칭 스토퍼막 ST를 관통하지 않도록 하여 형성되어 있다.
즉, 포토다이오드는, 그 위쪽에 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막 ST로 덮힌 상태이며, 암전류 및 백점 결함 등의 원인으로 되는 불순물이 포토다이오드에 이르는 것을 방지한다. 이로써, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 에칭 스토퍼막 ST는 절연막에 매립된 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29) 중의 최하층의 제1 배선(19)으로부터 반도체 기판(10)에 가까운 쪽으로 이격되어 형성되어 있다.
에칭 스토퍼 ST는 최하층의 제1 배선(19)으로부터 이격되어 있으므로, 에칭 스토퍼 ST의 위치를 최하층의 제1 배선(19)의 아래쪽에 임의의 위치에 설정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 수광부의 바로 위에 SiO/SiN막이 형성되어 있는 경우, 에칭 스토퍼막 ST를 SiN막에 접할 때까지 포토다이오드 측으로 근접시키는 것도 가능하다.
상기와 같이 하여, 광도파로의 포토다이오드 측의 단부를 포토다이오드에 근접시키는 것이 가능해져, 입사한 광이 광도파로에 의해 포토다이오드에 의해 가까운 영역까지 안내되므로, 감도 향상 및 색혼합 저감을 실현할 수 있다.
에칭 스토퍼막 ST는 탄화실리콘으로 이루어지지만, 탄화실리콘은 질화 실리콘보다 열처리에 의해 방출되는 수소의 양이 많다. 여기서, 암전류 및 백점이 발생하는 것은, 센서부의 SiO2/Si 계면 및 Si 중의 당링 본드(dangling bond)가 준위(準位)로 되고, 그로부터 전자가 솟아오르는 것에 기인한다. 이에 대하여, 탄화실 리콘으로부터 방출되는 수소는, 상기한 당링 본드와 결합하여 전자가 솟아오르는 것을 저감시켜, 암전류 및 백점의 발생을 억제한다. 이로써, 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼는 질화 실리콘막과 비교하여 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 감도 특성의 리플(ripple)을 억제할 수 있다.
상기한 본 실시형태의 고체 촬상 장치는, 포토다이오드의 상층에 형성된 절연막에 포토다이오드의 위쪽에 요부가 형성되고, 요부 내에 고굴절률 물질이 매립되어 광도파로가 구성되어 있고, 패드 전극의 상층에 형성되는 패시베이션막이 요부 내에 매립되는 고굴절률 물질로서도 사용된 구성으로 되어 있고, 광도파로를 형성해도, 보다 간단한 공정에 의해 제조 가능한 구성으로 되어 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에 있어서는, 예를 들면, 동일 칩 상에 로직 회로 등이 혼재된 구성으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기한 광도파로를 구성하는 패시베이션막은 로직 등의 다른 영역에 있어서도 패시베이션막으로서 사용되는 막으로 되어 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 2의 (A)에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 화소 영역 RPX에 있어서, 반도체 기판(10)의 p웰 영역에 n형 전하 축적층(11)과 그 표층의 p＋형 표면층(12)을 형성하여 pn 접합을 가지는 포토다이오드 PD를 형성한다. 또한, 포토다이오드 에 인접하여 게이트 절연막(13) 및 게이트 전극(14), 및 플로팅 디퓨전이나 CCD 전하 전송로 등, 포토다이오드에 생성 및 축적되는 신호 전하 또는 신호 전하에 따른 전압을 판독하는 신호 판독부를 형성한다.
다음에, 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, CVD(화학 기상 성장법) 등에 의해, 포토다이오드 PD를 피복하여 화소 영역 RPX와 패드 전극 영역 RRAD의 전체면에, 산화 실리콘을 퇴적시켜, 제1 절연막(15)을 형성한다.
다음에, 예를 들면, 제1 절연막(15)의 상층에 CVD법에 의해 탄화실리콘을 퇴적시킨다. 다음에, 포토리소그래피 공정에 의해 적어도 포토다이오드 PD의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭) 등의 에칭을 행한다. 이같이 하여, 적어도 포토다이오드 PD의 형성 영역을 피복하는 패턴의 에칭 스토퍼막 ST를 형성한다.
다음에, 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 에칭 스토퍼막 ST의 상층에 산화 실리콘을 퇴적시켜 제2 절연막(16)을 형성하고, 또한 산화 실리콘을 퇴적시켜 제3 절연막(17)을 형성한다.
다음에, 예를 들면, 에칭 가공에 의해 제3 절연막(17)에 배선용 홈(17t)을 형성한다. 다음에, 스퍼터링에 의해 배선용 홈(17t)의 내벽을 피복하여 탄탈/산화 탄탈을 성막하여 배리어 메탈층(18)을 형성하고, 구리로 된 시드층(seed layer)을 형성한다. 다음에, 전해 도금 처리에 의해 전체면에 구리를 성막하고, CMP(화학 기계 연마)법 등에 의해 배선용 홈(17t)의 외부에 형성된 구리를 제거하여, 제1 배 선(19)을 형성한다. 이 때, 배선용 홈(17t)의 외부에 형성된 배리어 메탈층(18)도 제거된다.
다음에, 예를 들면, 제1 배선의 상층에 CVD법에 의해 탄화실리콘을 퇴적시켜, 에칭 스토퍼막 ST와 동일하게 패턴 가공하여, 제1 확산 방지막(20)을 형성한다.
다음에, 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 상기한 제2 절연막(16), 제3 절연막(17), 배선용 홈(17t), 배리어 메탈층(18), 제1 배선(19) 및 제1 확산 방지막(20)을 형성하는 프로세스를 반복한다.
예를 들면, 제4 절연막(21), 제5 절연막(22), 배선용 홈(22t), 배리어 메탈층(23), 제2 배선(24) 및 제2 확산 방지막(25)을 형성한다. 또한, 제6 절연막(26), 제7 절연막(27), 배선용 홈(27t), 배리어 메탈층(28) 및 제3 배선(29)을 형성한다.
여기서, 상기한 제3 배선은, 예를 들면, 패드 전극 영역 RRAD까지 뻗도록 형성한다.
또한, 예를 들면, CVD법에 의해 질화 실리콘을 퇴적시켜 제3 확산 방지막(30)을 형성한다.
또한, 그 상층에 제8 절연막(31)을 형성한다.
이상과 같이 하여, 제1 절연막(15), 제2 절연막(16), 제3 절연막(17), 제4 절연막(21), 제5 절연막(22), 제6 절연막(26), 제7 절연막(27), 제8 절연막(31), 제1 확산 방지막(20), 제2 확산 방지막(25), 및 제3 확산 방지막(30)이 적층된 절 연막을 형성한다.
또한, 절연막 중에 매립되어 이루어지는 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)으로 한다.
상기한 제1 ~ 제3 배선(19, 24, 29)으로서는, 각각, 예를 들면, 듀얼 다마신 프로세스에 의해, 배선용 홈의 저면으로부터 하층 배선으로의 개구부 내에서의 컨택트부와 일체로 형성된 배선 구조를 형성해도 된다.
다음에, 도 4의 (A)에 나타낸 바와 같이, 제8 절연막(31) 등에 제3 배선에 이르는 개구부(31c)를 형성하고, 예를 들면, 성막 온도가 300℃ 정도의 스퍼터링법 등에 의해 알루미늄을 성막하여 패턴 가공하고, 예를 들면, 직경이 100㎛ 정도의 패드 전극(32)을 형성한다.
알루미늄의 패드 전극(32)을 형성한 후의 공정은, 모두 400℃ 이하의 프로세스로 한다.
다음에, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 화소 영역 RPX와 패드 전극 영역 RRAD의 전체면에 CVD법에 의해 패드 전극(32)을 피복하여 산화 실리콘을 퇴적시켜, 제9 절연막(33)을 형성한다.
다음에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 포토리소그래피 공정에 의해 요부를 개구하는 패턴의 레지스트막(35)을 패턴 형성하여, RIE 등의 이방성 에칭을 행하고, 제2 ~ 제9 절연막 및 제1 ~ 제3 확산 방지막을 관통하여, 에칭 스토퍼막 ST에 이르도록 요부 H를 형성한다.
상기한 요부 H의 개구에서는, 예를 들면, 산화 실리콘과 질화 실리콘이나 탄화실리콘 등의 재료에 따라 조건을 변경하면서 에칭을 진행시켜, 개구 저부가 에칭 스토퍼막 ST에 도달한 시점에서 에칭이 정지하도록 한다.
예를 들면, 오버 에칭에 의해, 요부 H는 에칭 스토퍼막 ST 도중의 깊이에까지 달하는 형상으로 한다.
이로써, 에칭 스토퍼막 ST에 요부 H의 저면을 구성하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 에칭 스토퍼막 ST를 요부 H의 저면으로 함으로써, 요부 H의 깊이가 안정적으로 결정되므로, 포토다이오드와 광도파로의 거리가 일정하게 되어, 특성이 불균일해 지는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 하여, 예를 들면, 개구 직경이 0.8㎛ 정도이며, 아스펙트비는 1~2 정도 또는 그 이상인 요부 H를 개구할 수 있다.
다음에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 성막 온도가 380℃ 정도의 플라즈마 CVD법에 의해, 요부 H의 내벽을 피복하고, 또한 패드 전극(32)보다 상층에, 산화 실리콘보다 높은 굴절률을 가지는 질화 실리콘을 퇴적시켜, 패시베이션막(36)을 0.5㎛ 정도의 막두께로 형성한다.
다음에, 도 7에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 성막 온도가 400℃ 정도의 스핀 코트법에 의해, 산화 티탄 등의 금속 산화물 미립자를 함유하는 실록산계 수지를 0.5㎛ 정도의 막두께로 성막하고, 패시베이션막(36)의 상층에 있어서 요부 H에 매립한다. 이같이 하여, 산화 실리콘보다 높은 굴절률을 가지는 매립층(37)을 형성한다. 도포 후에, 필요에 따라 예를 들면, 300℃ 정도의 포스트 베이크(post bake) 처리를 행한다. 또한, 폴리이미드 수지의 경우에는, 예를 들면, 350℃ 정도의 온도로 성막할 수 있다.
다음에, 예를 들면, 매립층(37)의 상층에 예를 들면, 접착층으로서도 기능하는 평탄화 수지층(38)을 형성하고, 그 상층에, 예를 들면, 청색(B), 녹색(G), 적색(R)의 각 색의 컬러 필터(39a, 39b, 39c)를 화소마다 형성한다.
또한, 그 상층에 마이크로 렌즈(40)를 설치한다.
상기한 제조 방법에 있어서, 예를 들면, 패드 전극의 형성 공정 후에, 수지의 매립층의 형성 공정 전까지 중 어느 하나에 있어서, 반도체 중의 당링 본드를 종단화하기 위한 수소 처리(신터링(sintering))를 행할 수 있다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 패드 전극 영역 RPAD에 있어서 패드 전극(32)의 상면을 노출시키도록 개구부 P를 형성한다.
이상으로, 도 1에 나타낸 구성의 고체 촬상 장치인 CMOS 센서를 제조할 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감을 실현할 수 있는 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
(실시예 1)
제1 실시예에 있어서, 에칭 스토퍼막 ST를 반도체 기판으로 할 수 있을 만큼 근접시켜, 포토다이오드와 광도파로의 거리를 근접시킨 구성의 CMOS 센서(a)를 제 작하였다. 여기서 패시베이션막은 SiN막으로 하였다.
CMOS 센서(a)에 대하여, 에칭 스토퍼막을 형성하지 않고, 광도파로가 되는 요부를 제1 확산 방지막에 이르도록 형성한 것만 상이한 CMOS 센서(b)를 제작하였다.
상기한 CMOS 센서의 감도를 측정하였다. 결과를 도 8에 나타낸다.
도 8은 상기한 CMOS 센서(a)와 (b)에 있어서의 감도를 F 넘버에 대하여 작성한 도면이다.
모든 F 넘버 영역에 있어서, 감도가 1 ~3할 정도 향상되어 있고, 에칭 스토퍼막 ST를 반도체 기판에 근접시켜 포토다이오드와 광도파로의 거리를 가깝게 함으로써 감도가 향상되는 것이 나타나 있다.
(실시예 2)
제1 실시예에 있어서, 에칭 스토퍼막 ST를 반도체 기판으로 할 수 있을 만큼 근접시켜, 포토다이오드와 광도파로의 거리를 가깝게 한 구성의 CMOS 센서(a)를 제작하였다.
여기서 패시베이션막은 SiN막으로 하였다.
CMOS 센서(a)에 대하여, 패시베이션막을 SiON막으로 한 것만 상이한 CMOS 센서(b)를 제작하였다.
또한, CMOS 센서(a)에 대하여, 에칭 스토퍼막을 형성하지 않고, 광도파로가 되는 요부를 제1 확산 방지막에 이르도록 형성한 것만 상이한 CMOS 센서(c)를 제작하였다.
상기한 CMOS 센서의 색혼합 비율을 측정하였다. 결과를 도 9에 나타낸다.
도 9는 상기한 CMOS 센서(a), (b) 및 (c)에 있어서의 색혼합 비율을 입사각에 대하여 작성한 도면이다.
CMOS 센서(a) 및 (b)에 있어서, CMOS 센서(c)보다 색혼합이 저감되고, 에칭 스토퍼막 ST를 반도체 기판에 가깝게 하여 포토다이오드와 광도파로의 거리를 가깝게 함으로써 색혼합이 저감되는 것이 나타나 있다.
제2 실시형태
도 10은 본 실시형태에 관한 전자 기기인 카메라의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 카메라는, 정지 화상 촬영 또는 동영상 촬영 가능한 비디오 카메라의 예이다. 본 실시형태에 관한 카메라는, 이미지 센서(고체 촬상 장치)(50)와, 광학계(51)와, 신호 처리 회로(53) 등을 가진다. 본 실시형태에 있어서, 상기한 이미지 센서(50)로서 상기한 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치가 내장되어 있다.
광학계(51)는, 피사체로부터의 상광(像光)(입사광)을 이미지 센서(50)의 촬상면 상에 결상시킨다. 이로써, 이미지 센서(50) 내에 일정 기간 신호 전하가 축적된다. 축적된 신호 전하는 출력 신호 Vout로서 꺼내진다. 셔터 장치는, 이미지 센서(50)에 대한 광조사(光照射) 기간 및 차광 기간을 제어한다.
화상 처리부는, 이미지 센서(50)의 전송 동작 및 셔터 장치의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 화상 처리부로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 이미지 센서(50)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(53)는, 이 미지 센서(50)의 출력 신호 Vout에 대하여 각종의 신호 처리를 행하여 영상 신호로서 출력한다. 신호 처리가 행해진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되거나, 또는 모니터에 출력된다.
상기한 본 실시형태에 관한 전자 기기에 의하면, 암전류 및 백점 결함 등의 특성을 더욱 개선하고, 감도 향상 및 색혼합 저감을 달성할 수 있다.
또한, 감도 특성의 리플을 억제할 수 있다.
상기한 실시형태에서는, 가시광의 광량에 따른 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬형으로 배치되어 이루어지는 이미지 센서(50)에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이미지 센서(50)에의 적용에 한정되지 않고, 화소 어레이부의 화소열마다 컬럼 회로를 배치하여 이루어지는 컬럼 방식의 고체 촬상 장치 전반에 대하여 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치로의 적용에 한정되지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치나, 광의의 의미로서 압력이나 정전 용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대하여 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 화소 어레이부의 각 단위 화소를 행 단위로 차례로 주사하여 각 단위 화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체 촬상 장치에 한정되지 않고, 화소 단위로 임의의 화소를 선택하여, 선택 화소로부터 화소 단위로 신호를 판독하는 X－Y 어드레스형의 고체 촬상 장치에 대해서도 적용할 수 있다.
그리고, 고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태라도 되고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 모아져 패키징된 촬상 기능을 가지는 모듈형의 형태라도 된다.
또한, 본 발명은, 고체 촬상 장치에의 적용에 한정되지 않고, 촬상 장치에도 적용할 수 있다. 여기서, 촬상 장치란, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 가지는 전자 기기를 말한다. 그리고, 전자 기기에 탑재되는 모듈형의 형태, 즉 카메라 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.
비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라, 또한 휴대 전화기 등의 모바일 기기를 위한 카메라 모듈 등의 촬상 장치에 있어서, 그 고체 촬상 장치로서 전제로 한 실시형태에 관한 이미지 센서(50)를 사용함으로써, 이미지 센서(50)에서는, 간단한 구성이며, 양질의 화상을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기한 설명에 한정되지 않는다.
예를 들면, 실시형태에 있어서는 MOS 센서와 CCD 소자 모두에 적용할 수 있다.
또한, 제1 절연막(15)은 생략할 수 있다. 즉, 상기한 실시형태와 같이, 에칭 스토퍼막 ST와 반도체 기판(10) 사이에 산화 실리콘막인 제1 절연막(15)이 형성되어 있는 구성으로 해도 되고, 또한 에칭 스토퍼막 ST가 반도체 기판(10) 상에 형성되어 있는 구성으로 해도 된다.
그 외에, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서, 각종의 변경이 가능하 다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 단면도이다.
도 2의 (A) 및 (B)는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 3의 (A) 및 (B)는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 4의 (A) 및 (B)는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 감도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 관한 색혼합 비율을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10: 반도체 기판, 11: n형 전하 축적층, 12: p＋형 표면층, 13: 게이트 절연 막, 14: 게이트 전극, 15: 제1 절연막, 16: 제2 절연막, 17: 제3 절연막, 17t: 배선용 홈, 18: 배리어 메탈층, 19: 제1 배선, 20: 제1 확산 방지막, 21: 제4 절연막, 22: 제5 절연막, 22t: 배선용 홈, 23: 배리어 메탈층, 24: 제2 배선, 25: 제2 확산 방지막, 26: 제6 절연막, 27: 제7 절연막, 27t: 배선용 홈, 28: 배리어 메탈층, 29: 제3 배선, 30: 제3 확산 방지막, 31: 제8 절연막, 31c: 개구부, 32: 패드 전극, 33: 제9 절연막, 35: 레지스트막, 36: 패시베이션막, 37: 매립층, 38: 평탄화 수지층, 39a, 39b, 39c: 컬러 필터, 40: 마이크로 렌즈, 40a: 수지층, 50: 이미지 센서, 51: 광학계, 53: 신호 처리 회로, H: 요부, L: 광, P: 개구부, PD: 포토 다이오드, RPAD: 패드 전극 영역, RPX: 화소 영역, ST: 에칭 스토퍼막

Claims (8)

  1. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 상기 화소마다 형성되어 있는 포토다이오드와,
    포토다이오드에 인접하여 반도체 기판 상에 형성되어 있는 게이트 절연막 및 게이트 전극과,
    상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극을 피복하여 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있는 절연막과,
    상기 절연막 중에 매립되어 형성되어 있으며, 구리를 함유하는 배선과,
    적어도 상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극의 형성 영역을 피복하여, 상기 배선 중의 최하층의 배선으로부터 상기 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 형성된 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막과,
    상기 포토다이오드의 상측 부분에서 상기 절연막에 상기 에칭 스토퍼막에 이르도록 형성되어 있는 요부(凹部)와,
    상기 요부에 매립되어 형성되고, 상기 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로
    를 포함하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 스토퍼막과 상기 반도체 기판의 사이에 산화 실리콘막이 형성되어 있는, 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배선의 표면은 상기 구리의 확산을 방지하는 막으로 피복되어 있는, 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구리의 확산을 방지하는 막은, 상기 배선의 하면 및 측면을 피복하는 배리어 메탈층과 상기 배선의 상면을 피복하는 확산 방지막을 가지는, 고체 촬상 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광도파로(光導波路)는, 상기 요부의 내벽을 피복하는 패시베이션막과, 상기 패시베이션막의 상층에 있어서 상기 요부에 매립되어 형성된 매립층을 가지는, 고체 촬상 장치.
  6. 고체 촬상 장치와,
    상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 안내하는 광학계와,
    상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하고,
    상기 고체 촬상 장치는,
    반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 복수개의 화소가 집적된 수광면에서 상기 화소마다 형성되어 있는 포토다이오드와,
    포토다이오드에 인접하여 반도체 기판 상에 형성되어 있는 게이트 절연막 및 게이트 전극과,
    상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극을 피복하여 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있는 절연막과,
    상기 절연막 중에 매립되어 형성되어 있으며, 구리를 함유하는 배선과,
    적어도 상기 포토다이오드 및 상기 게이트 전극의 형성 영역을 피복하여, 상기 배선 중의 최하층의 배선으로부터 상기 반도체 기판에 가까운 쪽으로 이격되어 형성된 탄화실리콘으로 이루어지는 에칭 스토퍼막과,
    상기 포토다이오드의 상측 부분에서 상기 절연막에 상기 에칭 스토퍼막에 이르도록 형성되어 있는 요부와,
    상기 요부에 매립되어 형성되고, 상기 절연막보다 높은 굴절률을 가지는 광도파로
    를 포함하는 전자 기기.
  7. 삭제
  8. 삭제
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