KR102076422B1 - 고체 촬상 소자와 그 제조 방법, 고체 촬상 장치 및 촬상 장치 - Google Patents

고체 촬상 소자와 그 제조 방법, 고체 촬상 장치 및 촬상 장치 Download PDF

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Abstract

고체 촬상 소자는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 갖는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 구비한다.

Description

고체 촬상 소자와 그 제조 방법, 고체 촬상 장치 및 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, SOLID-STATE IMAGING APPARATUS, AND IMAGING APPARATUS}
본 발명은 고체 촬상 소자와 그 제조 방법, 고체 촬상 장치 및 촬상 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 암전류의 발생을 억제하는 것이 가능한 고체 촬상 소자와 그 제조 방법 및 이러한 고체 촬상 소자를 이용하는 고체 촬상 장치 및 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라 등에서, CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS 이미지 센서로 구성된 고체 촬상 장치가 널리 사용되고 있다. 또한, CMOS형 고체 촬상 장치에는, 도 20에 도시하는 표면 조사형과, 도 21에 도시하는 이면 조사형이 알려져 있다.
표면 조사형 고체 촬상 장치(111)는, 도 20의 모식적 구성도로 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(112)에 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터로 이루어지는 단위 화소(116)가 복수 형성된 화소 영역(113)을 갖고서 구성되어 있다. 화소 트랜지스터는, 도시하지 않지만, 도 20에서는 게이트 전극(114)을 도시하여, 모식적으로 화소 트랜지스터의 존재를 나타내고 있다.
각 포토 다이오드(PD)는 불순물 확산층에 의한 소자 분리 영역(115)으로 분리되어 있고, 반도체 기판(112)의 화소 트랜지스터가 형성된 표면측에 층간 절연막(117)을 통하여 복수의 배선(118)을 배치한 다층 배선층(119)이 형성되어 있다. 배선(118)은, 포토 다이오드(PD)의 위치에 대응하는 부분을 제외하고 형성되어 있다.
다층 배선층(119)상에는, 평탄화막(120)을 통하여 순차적으로 온 칩 컬러 필터(121) 및 온 칩 마이크로 렌즈(122)가 형성되어 있다. 온 칩 컬러 필터(121)는, 예를 들면 적(R), 녹(G), 청(B)의 각 색 필터를 배열하여 구성되어 있다.
표면 조사형의 고체 촬상 장치(111)에서는, 다층 배선층(119)이 형성된 기판 표면을 수광면(123)으로 하여, 광(L)이 이 기판 표면측으로부터 입사하게 된다.
한편, 이면 조사형 고체 촬상 장치(131)는, 도 21의 모식적 구성도로 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(112)에 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터로 이루어지는 단위 화소(116)가 복수 형성된 화소 영역(113)을 갖고서 구성되어 있다. 화소 트랜지스터는, 도시하지 않지만, 기판 표면측에 형성되고, 도 21에서는 게이트 전극(114)을 도시하여, 모식적으로 화소 트랜지스터의 존재를 나타내고 있다.
각 포토 다이오드(PD)는 불순물 확산층에 의한 소자 분리 영역(115)으로 분리되어 있고, 반도체 기판(112)의 화소 트랜지스터가 형성된 표면측에 층간 절연막(117)을 통하여 복수의 배선(118)을 형성한 다층 배선층(119)이 형성되어 있다. 이면 조사형에서는, 배선(118)은 포토 다이오드(PD)의 위치에 관계없이 형성할 수 있다.
또한, 반도체 기판(112)의 포토 다이오드(PD)가 면(臨)하는 이면상에, 순차적으로 절연층(128), 온 칩 컬러 필터(121) 및 온 칩 마이크로 렌즈(122)가 형성되어 있다.
이면 조사형의 고체 촬상 장치(131)에서는, 다층 배선층 및 화소 트랜지스터가 형성된 기판 표면과는 반대측의 기판 이면을 수광면(132)으로 하여, 광(L)이 이 기판 이면측으로부터 입사하게 된다. 또한, 광(L)은 다층 배선층(119)의 제약을 받는 일 없이, 포토 다이오드(PD)에 입사되기 때문에, 포토 다이오드(PD)의 개구를 넓게 취할 수 있고, 고감도화가 실현된다.
그런데, 상기한 바와 같은 고체 촬상 장치는 감도의 향상과 아울러서 노이즈 저감을 도모하는 것이 극히 중요한 과제이다. 특히, 입사광이 없는 상태에서, 광전 변환을 행하는 수광부가 마련된 반도체 기판과 상층막과의 계면에서의 계면준위가 발생원이 되는 암전류는, 고체 촬상 장치로서 저감되어야 할 노이즈이다.
여기서, 암전류란 수광부에 광이 입사하지 않는 상태에서도 포토 다이오드(PD) 및 그 주변에서 전자의 생성이 일어나는 현상이고, 암전류가 많이 발생하면, 고체 촬상 소자의 촬상 성능의 기준이 되는 흑레벨이 악화하여 충분한 계조의 분해능을 얻을 수가 없고, 촬상시의 감도가 저하되어 버린다.
또한, 계면준위란, 반도체 기판 내부의 결정 결함이나 불순물, 산화막 계면과의 결합 결함에 기인한 전자가 존재할 수 있는 에너지 상태이고, 계면준위가 증가하면 암전류의 발생이 조장되게 된다.
또한, 계면준위의 하나의 원인으로서, 광전 변환을 행하는 수광부가 마련된 반도체 기판의 표면과, 이것을 피복하는 산화막과의 계면으로부터 산소 원자(O)가 빼앗김으로써 생기는 계면층의 데미지를 들 수 있다.
이하, 이 점에 관해 도면을 이용하여 설명을 행한다.
도 22는 이면 조사형 고체 촬상 장치의 구조를 도시한 모식도이고, 수광부(도시 생략)가 마련된 반도체 기판(Si 기판)(201)과, 반도체 기판 표면에 형성된 산화막(SiO)(202)을 갖는다. 또한, 산화막(202)의 상층에는 반사 방지막(SiON)(203)이 마련되고, 그 상층에는 절연막(SiO2)(204)이 마련되고, 절연막(204)의 더욱 상층에는 밀착층(Ti)(205)을 통하여 차광막(W)(206)이 마련되어 있다.
여기서, 차광막(W)(206)과 절연막(SiO2)(204)과의 밀착성의 향상을 도모하기 위해 밀착층(Ti)(205)을 형성하고 있는 것인데, Ti는 산소(O)와의 결합력이 강하다. 그리고, 이러한 Ti에 의한 환원 작용에 의해 산화막(202)과 반도체 기판(201)의 계면으로부터 산소 원자(O)가 빼앗기게 되어, 상술한 바와 같이, 산화막(202)과 반동체 기판(201) 사이의 계면에서 데미지가 생기게 되고, 결과로서 암전류의 발생을 조장하여 버리게 된다.
그런데, 암전류를 저감하기 위한 기술의 하나로서, 계면준위의 원인이 되는 결합 결함을 수소 분위기로 열처리함으로써(sintering), 결함에 수반하는 Si의 미결합수(未結合手)를 수소 종단(終端)시키는 방법이 있다.
그러나, 차광막으로 덮여 있는 영역에 대해서는 수소 신터 처리의 효과를 얻기가 어렵기도 하여, 이러하는 기술만으로는 계면준위의 발생을 충분히 저감할 수가 없었다.
그 때문에, 예를 들면 일본 특개 제2010-16128호 공보에서는, 각 화소의 광전 변환 소자의 상부에 수소를 공급하기 위한 수소 공급막을 배치함과 함께, 수소 공급막과 차광 부재의 사이에 수소의 확산을 억제하기 위한 확산 방지막을 형성하는 기술이 제안되어 있다.
또한, 예를 들면 일본 특개 제2003-229556호 공보에서는, 반사 방지막이 티탄을 포함하지 않는 재료에 의해 형성됨과 함께, 배선용 및 콘택트 플러그용의 배리어층 및 밀착층이 티탄을 포함하지 않는 재료에 의해 형성되는 기술이 제안되어 있다.
또한, 일본 특개 제2010-16128호 공보에 기재된 기술에 의해, 광전 변환 소자의 표면이나 게이트 절연막 등에의 수소 공급이 충분히 행하여지게 되고, 계면준위가 종단(terminate)될 수 있기 때문에, 암전류를 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 일본 특개 제2003-229556호 공보에 기재된 기술에 의해, 티탄의 영향에 의한 암전류 노이즈의 증가를 제거하는 것이 가능해진다.
그러나, 수소 공급막을 성막한 경우에는, 상기한 반도체 기판과 산화막의 계면에서 산소 결함에 기인하는 계면 데미지를 회피하는 것은 곤란하다.
또한, 밀착층이나 배리어 메탈에 티탄을 이용하지 않고 배선층이나 차광층을 형성하는 경우에는, 배선의 신뢰성이나 밀착성이 열화된다는 영향이 우려된다.
본 발명은 이상의 점을 감안하여 창안된 것으로, 계면 데미지를 회피함과 함께, 신뢰성이나 밀착성을 열화시키는 일 없이 암전류를 억제할 수 있는 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법, 및 고체 촬상 장치 및 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 갖는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 구비한다.
여기서, 산화물층과 밀착층의 사이에 배치되고, 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층에 의해, 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어지고, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 티탄이나 알루미늄 등의 산소와의 결합력이 강한 재료가 존재하였다고 하여도, 이러한 재료는 반도체 기판 계면의 산화물층으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 산소 공급층으로부터 산소를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있기 때문에, 상술한 바와 같이 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)은 보호되고, 암전류의 발생을 억제할 수 있는 것이다.
또한, 반도체 기판의 수광부가 형성된 영역에 대응하는 영역의 개략 전면에 산소 공급층이 형성된 경우에는, 보다 한층 충분히 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)을 보호할 수 있고, 암전류 발생의 억제에 관해 높은 효과를 기대할 수 있다. 또한, 유효 화소 영역의 상층에 산소 공급층을 형성하는 경우에는, 수광부에 입사광을 도달시킬 필요가 있기 때문에, 산소 공급층은 광투과성에 우수한 재료로 구성될 필요가 있다.
또한, 차광층이 형성된 영역에 대응하는 영역에만 산소 공급층이 형성된 경우에는, 유효 화소 영역의 상층 구조는 통상의 고체 촬상 소자(산소 공급층이 형성되지 않은 고체 촬상 소자)와 같은 구조가 된다. 그 때문에, 산소 공급층을 구성하는 재료의 투과율이나 굴절율은 어떤 것이라도 좋고, 재료 선택이나 성막 조건의 자유도가 높고, 집적화의 제약이 적기 때문에, 보다 프로세스 윈도우가 넓은 조건으로 안정된 제조 프로세스를 구축하는 것이 가능하다.
또한, 산소 공급층의 한 예로서는, 산화 탄탈(Ta2O5), 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2) 또는 산화 몰리브덴(MoO2)을 이용하여 구성하는 경우를 들 수 있다.
또한, 본 발명의 고체 촬상 소자는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 갖는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 배선층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 구비한다.
여기서, 산화물층과 밀착층의 사이에 배치되고, 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층에 의해, 반도체 기판과 산화물층의 계면층(계면 산화물)이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어지고, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 티탄이나 알루미늄 등의 산소와의 결합력이 강한 재료가 존재하였다고 하여도, 이러한 재료는 반도체 기판 계면의 산화물층으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 산소 공급층으로부터 산소를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있기 때문에, 상술한 바와 같이 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)은 보호되고, 암전류의 발생을 억제할 수 있는 것이다.
또한, 반도체 기판의 수광부가 형성된 영역에 대응하는 영역의 개략 전면에 산소 공급층이 형성된 경우에는, 보다 한층 충분히 산화물층(계면 산화물)을 보호할 수 있고, 암전류 발생의 억제에 관해 높은 효과를 기대할 수 있다. 또한, 유효 화소 영역의 상층에 산소 공급층을 형성하는 경우에는, 수광부에 입사광을 도달시킬 필요가 있기 때문에, 산소 공급층은 광투과성에 우수한 재료로 구성될 필요가 있다.
또한, 배선층이 형성된 영역에 대응하는 영역에만 산소 공급층이 형성된 경우에는, 유효 화소 영역의 상층 구조는 통상의 고체 촬상 소자(산소 공급층이 형성되지 않은 고체 촬상 소자)와 같은 구조가 된다. 그 때문에, 산소 공급층을 구성하는 재료의 투과율이나 굴절율은 어떤 것이라도 좋고, 재료 선택이나 성막 조건의 자유도가 높고, 집적화에서의 제약이 적기 때문에, 보다 프로세스 윈도우가 넓은 조건으로 안정된 제조 프로세스를 구축하는 것이 가능하다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법은, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 구비함과 함께, 그 표면에 산화물층이 형성된 반도체 기판의 상층에, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되는 산소 공급층을 형성하는 공정과, 그 산소 공급층보다도 상층에 밀착층을 통하여 차광층을 형성하는 공정을 구비한다.
여기서, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 구비함과 함께, 그 표면에 산화물층이 형성된 반도체 기판의 상층에, 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되는 산소 공급층을 형성하고, 계속해서, 산소 공급층보다도 상층에 밀착층을 통하여 차광층을 형성함에 의해, 결과로서, 산화물층과 밀착층의 사이에 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 형성하게 된다. 그 때문에, 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어지고, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법은, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 구비함과 함께, 그 표면에 산화물층이 형성된 반도체 기판의 상층에, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되는 산소 공급층을 형성하는 공정과, 그 산소 공급층보다도 상층에 밀착층을 통하여 배선층을 형성하는 공정을 구비한다.
여기서, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 구비함과 함께, 그 표면에 산화물층이 형성된 반도체 기판의 상층에, 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되는 산소 공급층을 형성하고, 계속해서, 산소 공급층보다도 상층에 밀착층을 통하여 배선층을 형성함에 의해, 결과로서, 산화물층과 밀착층의 사이에 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 형성하게 된다. 그 때문에, 산화물층과 반도체 기판의 계면층(계면 산화물)이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어지고, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 고체 촬상 장치는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 포함하는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와, 상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계를 구비한다.
또한, 본 발명에 관한 고체 촬상 장치는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 포함하는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 배선층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와, 상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계를 구비한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 촬상 장치는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 포함하는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와, 상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계와, 상기 수광부에서 광전 변환된 신호 전하를 처리하는 신호 처리부를 구비한다.
또한, 본 발명에 관한 촬상 장치는, 입사광을 광전 변환하는 수광부를 포함하는 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 그 산화물층보다도 상층에 밀착층을 통하여 형성된 배선층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와, 상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계와, 상기 수광부에서 광전 변환된 신호 전하를 처리하는 신호 처리부를 구비한다.
본 발명의 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법으로 얻어지는 고체 촬상 소자, 및 고체 촬상 장치 및 촬상 장치에서는, 계면 데미지를 회피하고, 신뢰성이나 밀착성을 열화시키는 일 없이 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 각 실시의 형태에 적용되는 CMOS형 고체 촬상 장치의 한 예의 개략 구성도.
도 2는 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 1의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도.
도 3의 A는 제 1의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도1.
도 3의 B는 제 1의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도2.
도 4의 A 및 B는 제 1의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도1.
도 5의 A 및 B는 제 1의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도2.
도 6은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 2의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도.
도 7의 A 및 B는 제 2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도1.
도 8의 A 및 B는 제 2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도2.
도 9는 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 3의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도.
도 10의 A는 제 3의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도1.
도 10의 B는 제 3의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도2.
도 10의 C는 제 3의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도3.
도 11의 A 내지 C는 제 3의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도1.
도 12의 A 및 B는 제 3의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도2.
도 13은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 4의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도.
도 14의 A 내지 C는 제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도1.
도 15의 A 및 B는 제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도2.
도 16은 본 발명을 적용한 촬상 장치의 한 예인 카메라(77)를 설명하기 위한 모식도.
도 17은 제 1의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도.
도 18의 A 및 B는 유기 광전 변환막과 유기 컬러 필터층의 평면적 배치(코딩)의 한 예를 설명하기 위한 모식도.
도 19는 단위 화소의 회로 구성의 한 예를 설명하기 위한 모식도.
도 20은 종래의 CMOS형 고체 촬상 장치(표면 조사형)를 설명하기 위한 모식도.
도 21은 종래의 CMOS형 고체 촬상 장치(이면 조사형)를 설명하기 위한 모식도.
도 22는 종래의 이면 조사형 고체 촬상 장치의 구조를 설명하기 위한 모식도.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 「실시의 형태」라고 칭한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1.CMOS형 고체 촬상 장치의 개략 구성예
2. 제 1의 실시의 형태(이면 조사형 고체 촬상 장치의 경우1)
3. 제 2의 실시의 형태(이면 조사형 고체 촬상 장치의 경우2)
4. 제 3의 실시의 형태(표면 조사형 고체 촬상 장치의 경우1)
5. 제 4의 실시의 형태(표면 조사형 고체 촬상 장치의 경우2)
6. 제 5의 실시의 형태(촬상 장치의 경우)
7. 변형예
<1.CMOS형 고체 촬상 장치의 개략 구성예>
도 1에, 본 발명의 각 실시의 형태에 적용되는 CMOS형 고체 촬상 장치의 한 예의 개략 구성을 도시한다. 여기서 도시하는 고체 촬상 장치(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(11)(예를 들면 실리콘 기판)에 복수의 광전 변환 소자를 포함하는 화소(2)가 규칙적으로 2차원적으로 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역)(3)과, 주변 회로부를 갖고서 구성되어 있다.
화소(2)는, 광전 변환 소자가 되는 예를 들면 포토 다이오드와, 복수의 화소 트랜지스터(이른바 MOS 트랜지스터)를 갖고 있다. 복수의 화소 트랜지스터는, 예를 들면 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터의 3개의 트랜지스터로 구성할 수 있다. 그 밖에, 선택 트랜지스터를 추가하여 4개의 트랜지스터로 구성할 수도 있다.
도 19는 화소(2)의 단위 화소의 회로 구성의 한 예를 설명하기 위한 모식도이다.
단위 화소는, 광전 변환 소자로서 예를 들면 포토 다이오드(51)를 가지며, 이 1개의 포토 다이오드(51)에 대해, 전송 트랜지스터(52), 증폭 트랜지스터(53), 어드레스 트랜지스터(54), 리셋 트랜지스터(55)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 갖는다.
포토 다이오드(51)는, 입사광을 그 광량에 응한 양의 전하(여기서는 전자)로 광전 변환한다. 전송 트랜지스터(52)는, 포토 다이오드(51)와 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되어 있다. 그리고, 구동 배선(56)을 통하여 전송 트랜지스터의 게이트(전송 게이트)에 구동 신호가 주어짐으로써, 포토 다이오드(51)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다.
플로팅 디퓨전(FD)에는, 증폭 트랜지스터(53)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(53)는, 어드레스 트랜지스터(54)를 통하여 수직 신호선(57)에 접속되고, 화소 부외의 정전류원(I)과 소스 폴로워를 구성하고 있다. 구동 배선(58)을 통하여 어드레스 신호가 어드레스 트랜지스터(54)의 게이트에 주어지고, 어드레스 트랜지스터(54)가 온 하면, 증폭 트랜지스터(53)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 증폭하여 그 전위에 응한 전압을 수직 신호선(57)에 출력한다. 수직 신호선(57)을 통하여, 각 화소로부터 출력된 전압은 S/H·CDS 회로에 출력된다.
리셋 트랜지스터(55)는, 전원(Vdd)과 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되어 있다. 구동 배선(59)을 통하여 리셋 트랜지스터(55)의 게이트에 리셋 신호가 주어짐으로써, 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 전원 전위(Vdd)로 리셋한다.
이들의 동작은, 전송 트랜지스터(52), 어드레스 트랜지스터(54) 및 리셋 트랜지스터(55)의 각 게이트가 행 단위로 접속되어 있기 때문에, 1행분의 각 화소에 관해 동시에 행하여지게 된다.
또한, 화소(2)는, 공유 화소 구조를 채용하는 것도 가능하다. 이 공유 화소 구조란, 복수의 포토 다이오드와, 복수의 전송 트랜지스터와, 공유하는 하나의 플로팅 디퓨전과, 공유하는 하나씩의 다른 화소 트랜지스터로 구성된다.
주변 회로부는, 수직 구동 회로(4)와, 칼럼 신호 처리 회로(5)와, 수평 구동 회로(6)와, 출력 회로(7)와, 제어 회로(8) 등을 갖고서 구성되어 있다.
제어 회로(8)는, 입력 클록과, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한 고체 촬상 장치의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 제어 회로(8)에서는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 이들의 신호를 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등에 입력한다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 화소 구동 배선을 선택하고, 선택된 화소 구동 배선에 화소를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 화소를 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(4)는, 화소 영역(3)의 각 화소(2)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 수직 신호선(9)을 통하여 각 화소(2)의 광전 변환 소자가 되는 예를 들면 포토 다이오드에서 수광량에 응하여 생성한 신호 전하에 의거한 화소 신호를 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2)의 예를 들면 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(2)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 즉, 칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2) 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS나, 신호 증폭, AD 변환 등의 신호 처리를 행한다. 칼럼 신호 처리 회로(5)의 출력단에는 수평 선택 스위치(도시 생략)가 수평 신호선(10)과의 사이에 접속되어 마련된다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(10)에 출력시킨다.
출력 회로(7)는, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 수평 신호선(10)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 흑레벨 조정, 열 편차 보정, 각종 디지털 신호 처리 등이 행하여지는 경우도 있다. 입출력 단자(12)는, 외부와 신호의 교환을 한다.
<2. 제 1의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성예]
도 2는 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 1의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시의 형태의 고체 촬상 장치는, 이면 조사형의 CMOS형 고체 촬상 장치이다. 제 1의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(21)는, 예를 들면 실리콘에 의한 반도체 기판(22)에 복수의 화소가 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역)(23)과, 도시하지 않지만 화소 영역(23)의 주변에 배치된 주변 회로부를 형성하여 구성되어 있다.
단위 화소(24)는, 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터(Tr)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)는, 반도체 기판(22)의 두께 방향의 전역에 걸치도록 형성되고, n형 반도체 영역(25)과 기판의 표리 양면에 면하는 p형 반도체 영역(26)에 따른 pn 접합형의 포토 다이오드로서 구성되어 있다. 또한, 기판의 표리 양면에 면하는 p형 반도체 영역은, 암전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
포토 다이오드(PD) 및 화소 트랜지스터(Tr)로 이루어지는 각 화소(24)는, p형 반도체 영역으로 형성된 소자 분리 영역(27)에 의해 분리되어 있다. 화소 트랜지스터(Tr)는, 반도체 기판(22)의 표면(22A)측에 형성된 p형 반도체웰 영역(28)에, 도시하지 않지만 n형의 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하고, 양 영역 사이의 기판 표면에 게이트 절연막을 통하여 게이트 전극(29)을 형성하여 구성되어 있다. 또한, 동 도면에서는, 복수의 화소 트랜지스터를 하나의 화소 트랜지스터(Tr)로 대표하여 도시함과 함께, 게이트 전극(29)으로 모식적으로 나타내고 있다.
반도체 기판(22)의 표면(22A)상에는, 층간 절연막(31)을 통하여 복수의 배선(32)을 배치하여 이루어지는, 이른바 다층 배선층(33)이 형성되어 있다. 다층 배선층(33)은 광입사되지 않기 때문에, 배선(32)의 레이아웃은 자유롭게 설정할 수 있다.
포토 다이오드(PD)의 수광면(34)이 되는 기판 이면(22B)상에는, 산화막(13)이 형성되어 있고, 산화막(13)상에는, SiON으로 이루어지는 반사 방지막(37)이 형성되어 있다. 또한, 반사 방지막(37)상에는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14), SiO2로 이루어지는 절연층으로서의 산화막(38)이 형성되어 있다. 또한, 제 1의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)은 반사 방지막(37)상의 개략 전면에 형성되어 있다.
또한, 산화막(38)상의 화소 경계에, 즉 화소 경계에 대응하는 부분에 Ti로 이루어지는 밀착층(15)을 통하여 텅스텐(W)으로 이루어지는 차광막(39)이 형성되어 있다. 또한, 차광막(39)은, 광을 차광하는 재료라면 좋은데, 차광성이 강하고, 또한 미세 가공, 예를 들면 에칭으로 정밀도 좋게 가공할 수 있는 재료가 바람직하다.
또한, 밀착층(15) 및 차광막(39)을 포함하는 산화막(38)상에 평탄화막(41)이 형성되고, 이 평탄화막(41)상에 순차적으로 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)가 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(41)은, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있고, 온 칩 컬러 필터(42)로서는, 예를 들면, 베이어 배열의 컬러 필터를 이용할 수 있다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(43)는, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있다.
또한, 광(L)은, 기판 이면(22B)측부터 입사되고, 온 칩 마이크로 렌즈(43)에서 집광되어 각 포토 다이오드(PD)에서 수광하게 된다.
제 1의 실시의 형태에 관한 이면 조사형의 고체 촬상 장치(21)는, 산화막(13)을 구성하는 SiO2의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14)이 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 배치되어 있다. 그리고, 산화막(13)으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 금속 산화막(14)으로부터 산소 원자를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있다. 그 때문에, 밀착층(15)을 구성하는 Ti로부터 산화막(13)이 산소 원자를 빼앗기는 것을 억제하고, 산화막(13)과 기판 이면(22B)과의 계면층이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어짐에 의해, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제 1의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)이 반사 방지막(37)상의 개략 전면에 형성됨에 의해, 보다 한층 충분히 산화막(13)을 보호할 수 있고, 암전류 발생의 억제에 관해 높은 효과를 기대할 수 있다.
[변형예]
제 1의 실시의 형태에서는, 반사 방지막(37)의 상층에 금속 산화막(14)이 형성된 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 금속 산화막(14)은 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 형성되면 충분하고, 반드시 반사 방지막(37)의 바로 위일 필요는 없다. 예를 들면, 도 3의 A에서 도시하는 바와 같이 산화막(13)의 바로 위에 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋고, 도 3의 B에서 도시하는 바와 같이 산화막(38)의 바로 위에 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋다.
또한, 제 1의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)으로서 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용한 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용할 필요는 없다. 즉, 산화막(13)을 구성하는 재료(본 실시의 형태의 경우에는 SiO2)의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면 충분하고, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층으로 구성될 필요는 없다. 예를 들면, 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브덴(MoO2) 등으로 구성되어도 좋다. 또한, 산화막(13)을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면, 산화물일 필요도 없다.
또한, 산화 엔탈피의 대소 관계에 관해서는, 이하와 같다.
Al2O3>HfO2>ZrO2>TiO2>SiO2>Ta2O5>Nb2O5>V2O3>Cr2O3>WO3>MoO2
상기한 바와 같이, 금속 산화막(14)은 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층으로 구성될 필요는 없지만, 본 실시의 형태의 경우에는, 광투과성에 우수한 재료로 구성될 필요가 있다. 즉, 제 1의 실시의 형태에서는, 반사 방지막(37)의 상층의 개략 전면에 금속 산화막(14)이 형성되어 있고, 환언하면, 유효 화소 영역의 상층에도 금속 산화막(14)이 형성되어 있기 때문에, 금속 산화막(14)은 광투과성에 우수한 재료로 구성될 필요가 있다.
여기서, 표 1에 「대표적인 산화물 재료의 광투과 영역」을 표시하고, 표 2에 「대표적인 산화물 재료의 밴드 에너지 갭」을 표시하고 있다. 단, 표 1에 표시하는 수치는 한 예이고, 투과성은 성막 방법이나 성막 조건에 의해서도 다르기 때문에, 일의적으로 정하여지는 수치가 아닌 것을 부언하여 둔다.
Figure 112018093235959-pat00001
Figure 112018093235959-pat00002
물질의 광흡수는 에너지 밴드 갭과의 상관(相關)이 있다. 물질에 광이 입사한 때, 밴드 갭에 상당하는 에너지 이상의 광은 흡수되기 때문에, 밴드 갭이 약 3eV(일렉트론 볼트) 이상의 물질이 투명하게 된다. 표 2에 표시하는 바와 같이, 산화물은 일반적으로 에너지 밴드 갭이 큰 와이드 갭 재료이고, 표 1에서 표시하는 바와 같이 가시광의 대부분을 투과하기 때문에, 투명이라고 생각하여도 좋다. 그 때문에, 상기에 예시한, 산화 탄탈(Ta2O5), 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2) 등의 재료는, 산화 크롬을 제외하고, 모두 광투과성 재료라고 생각하여도 좋다. 또한, 산화 크롬과 같이 가시광 영역에 흡수가 있는 경우에도, 막두께를 최적화하여 포토 다이오드에의 입사광량을 조정함에 의해, 디바이스에 적용하는 것은 가능하다.
또한, 반사 방지막(37)과의 계면에서의 광의 반사를 억제한다는 관점에서, 금속 산화막(14)의 광학적 투과율은 80% 이상이고, 굴절율은 반사 방지막(37) 이하 또는 동등한 것(구체적으로는, 1.5 내지 2.5 정도인 것)이 바람직하다.
또한, 상기에 예시한 각 재료의 굴절율은 표 3에 표시하는 바와 같다. 단, 이하에 나타내는 수치는 한 예이고, 굴절율은 광원 파장이나 성막 조건에 의해서도 다르기 때문에, 일의적으로 정해지는 수치가 아닌 것은, 상술한 투과 영역과 마찬가지이다.
Figure 112018093235959-pat00003
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 예]
도 4 및 도 5에, 제 1의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)의 제조 방법을 도시하고 있다. 도 4 및 도 5에서는, 기판 표면측의 일부를 생략하고 주요부의 단면 구조만을 나타내고 있다. 또한, 생략한 부분의 부호에 관해서는 도 2를 참조하고 있다.
제 1의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)의 제조 방법에서는, 우선, 실리콘의 반도체 기판(22)의 화소 영역을 형성하여야 할 영역에, p형 반도체 영역에 의한 소자 분리 영역(27)으로 분리한 각 화소에 대응한 포토 다이오드(PD)를 형성한다.
또한, 포토 다이오드(PD)는, 두꺼운 기판 방향의 전역에 걸치는 n형 반도체 영역(25)과, n형 반도체 영역(25)에 접하여 기판의 표리 양면(22A, 22B)에 면하는 p형 반도체 영역(26)으로 이루어지는 pn 접합을 갖고서 형성되어 있다.
기판 표면(22A)의 각 화소에 대응하는 영역에는, 각각 소자 분리 영역(27)에 접하는 p형 반도체웰 영역(28)을 형성하고, 이 p형 반도체웰 영역(28) 내에 각 복수의 화소 트랜지스터(Tr)를 형성한다. 또한, 화소 트랜지스터(Tr)는, 각각 소스 영역 및 드레인 영역과, 게이트 절연막과, 게이트 전극(29)에 의해 형성되어 있다.
또한, 기판 표면(22A)의 상부에는, 층간 절연막(31)을 통하여 복수층의 배선(32)을 배치한 다층 배선층(33)을 형성한다.
또한, 기판 이면(22B)은 약액 처리에 의해 케미컬 산화막(산화막(13))이 형성되어 있다.
다음에, 도 4의 A에서 도시하는 바와 같이, 수광면이 되는 기판 이면(22B)상에 반사 방지막(37)으로서 SiON을 CVD법에 의해 형성하고, 또한, 금속 산화막(14)으로서 Ta2O5를 성막한다.
또한, 여기서의 금속 산화막(14)은, 산소 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 이용한 리액티브 스퍼터링법에 의해 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 막두께는 1㎚ 내지 100㎚ 정도이다.
계속해서, 금속 산화막(14)의 상층에 산화막(38)으로서의 SiO2를 CVD법에 의해 형성하고, 또한, 밀착층(15) 및 차광막(39)으로서 티탄/텅스텐의 적층막을 형성한다. 또한, 여기서의 밀착층(15) 및 차광막(39)이 되는 텅스텐 및 티탄은 범용의 스퍼터링법으로 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 티탄의 막두께는 5㎚ 내지 50㎚ 정도, 텅스텐의 막두께는 100㎚ 내지 300㎚ 정도이다.
여기서, 밀착층(15)은 티탄뿐만 아니라, 질화 티탄(TiN)이라도 좋다. 이 경우에는 PVD 성막시에 질소 가스와 아르곤 가스를 혼합한 분위기하에서 리액티브 스퍼터링법에 의해 성막할 수 있다.
계속해서, 포토 다이오드(PD)에 대응하는 영역에 가시광 도입 개구부를 형성하기 위해 패턴 가공을 시행한다(도 4의 B 참조). 여기서의 패턴 가공은, 레지스트 마스크(도시 생략)를 통하여 밀착층(15) 및 차광막(39)을 선택적으로 에칭 제거하여, 각 화소 경계에 밀착층(15) 및 차광막(39)을 형성한다. 또한, 에칭은 웨트 에칭, 또는 드라이 에칭을 이용할 수 있고, 드라이 에칭은 차광막(39)의 미세선 폭을 정밀도 좋게 얻을 수 있다.
다음에, 도 5의 A에서 도시하는 바와 같이, 차광막(39)을 포함하는 산화막(38)상에 평탄화막(41)을 형성한다. 이 평탄화막(41)은, 예를 들면 수지 등의 유기 재료를 도포하여 형성한다.
그 후, 도 5의 B에서 도시하는 바와 같이, 평탄화막(41)상에, 순차적으로, 예를 들면 베이어 배열의 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)를 형성한다. 이와 같이 하여, 도 2에서 도시하는 바와 같은, 제 1의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)를 얻을 수 있다.
<3. 제 2의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성예]
도 6은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 2의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시의 형태의 고체 촬상 장치는, 이면 조사형의 CMOS형 고체 촬상 장치이다. 제 2의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(21)는, 예를 들면 실리콘에 의한 반도체 기판(22)에 복수의 화소가 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역)(23)과, 도시하지 않지만 화소 영역(23)의 주변에 배치된 주변 회로부를 형성하여 구성되어 있다.
단위 화소(24)는, 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터(Tr)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)는, 반도체 기판(22)의 두께 방향의 전역에 걸치도록 형성되고, n형 반도체 영역(25)과 기판의 표리면에 면하는 p형 반도체 영역(26)에 따른 pn 접합형의 포토 다이오드로서 구성되어 있다. 또한, 기판의 표리 양면에 면하는 p형 반도체 영역은, 암전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
포토 다이오드(PD) 및 화소 트랜지스터(Tr)로 이루어지는 각 화소(24)는, p형 반도체 영역으로 형성된 소자 분리 영역(27)에 의해 분리되어 있다. 화소 트랜지스터(Tr)는, 반도체 기판(22)의 표면(22A)측에 형성된 p형 반도체웰 영역(28)에, 도시하지 않지만 n형의 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하고, 양 영역 사이의 기판 표면에 게이트 절연막을 통하여 게이트 전극(29)을 형성하여 구성되어 있다. 또한, 동 도면에서는, 복수의 화소 트랜지스터를 하나의 화소 트랜지스터(Tr)로 대표하여 도시함과 함께, 게이트 전극(29)으로 모식적으로 나타내고 있다.
반도체 기판(22)의 표면(22A)상에는, 층간 절연막(31)을 통하여 복수의 배선(32)을 배치하여 이루어지는, 이른바 다층 배선층(33)이 형성되어 있다. 다층 배선층(33)은 광입사되지 않기 때문에, 배선(32)의 레이아웃은 자유롭게 설정할 수 있다.
포토 다이오드(PD)의 수광면(34)이 되는 기판 이면(22B)상에는, 산화막(13)이 형성되어 있고, 산화막(13)상에는, SiON으로 이루어지는 반사 방지막(37)이 형성되어 있다. 또한, 반사 방지막(37)상에는 절연막으로서 SiO2로 이루어지는 산화막(38)이 형성되어 있다.
또한, 산화막(38)상의 화소 경계에, 즉 화소 경계에 대응하는 부분에 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14) 및 Ti로 이루어지는 밀착층(15)을 통하여 텅스텐(W)으로 이루어지는 차광막(39)이 형성되어 있다. 또한, 제 2의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)은 화소 경계에 대응하는 부분에만 형성되어 있다. 또한, 차광막(39)은, 광을 차광하는 재료라면 좋은데, 차광성이 강하고, 또한 미세 가공, 예를 들면 에칭으로 정밀도 좋게 가공할 수 있는 재료가 바람직하다.
또한, 금속 산화막(14), 밀착층(15) 및 차광막(39)을 포함하는 산화막(38)상에 평탄화막(41)이 형성되고, 이 평탄화막(41)상에 순차적으로 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)가 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(41)은, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있고, 온 칩 컬러 필터(42)로서는, 예를 들면, 베이어 배열의 컬러 필터를 이용할 수 있다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(43)는, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있다.
또한, 광(L)은, 기판 이면(22B)측부터 입사되고, 온 칩 마이크로 렌즈(43)에서 집광되어 각 포토 다이오드(PD)에서 수광하게 된다.
제 2의 실시의 형태에 관한 이면 조사형의 고체 촬상 장치(21)는, 산화막(13)을 구성하는 SiO2의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14)이 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 배치되어 있다. 그리고, 산화막(13)으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 금속 산화막(14)으로부터 산소 원자를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있다. 그 때문에, 밀착층(15)을 구성하는 Ti로부터, 산화막(13)과 반도체 기판(22)의 계면층이 산소 원자를 빼앗기는 것을 억제하고, 산화막(13)이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어짐에 의해, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제 2의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)이 화소 경계에 대응하는 부분에만 형성되어 있고, 유효 화소 영역의 구조는 통상의 고체 촬상 장치(금속 산화막(14)이 형성되지 않은 고체 촬상 장치)와 같은 구조이다. 그 때문에, 금속 산화막(14)을 구성하는 재료의 투과율이나 굴절율은 어떤 것이라도 좋고, 재료 선택이나 성막 조건의 자유도가 높고, 집적화의 제약이 적기 때문에, 보다 프로세스 윈도우가 넓은 조건으로 안정된 제조 프로세스를 구축할 수 있다.
[변형예]
제 2의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)으로서 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용한 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용할 필요는 없다. 즉, 산화막(13)을 구성하는 재료(본 실시의 형태의 경우에는 SiO2)의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면 충분하고, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층으로 구성될 필요는 없다. 예를 들면, 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브덴(MoO2) 등으로 구성되어도 좋다. 또한, 산화막(13)을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면, 산화물일 필요도 없다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 예]
도 7 및 도 8에, 제 2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)의 제조 방법을 도시하고 있다. 도 7 및 도 8에서는, 기판 표면측의 일부를 생략하고 주요부의 단면 구조만을 나타내고 있다. 또한, 생략한 부분의 부호에 관해서는 도 6을 참조하고 있다.
제 2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)의 제조 방법에서는, 우선, 실리콘의 반도체 기판(22)의 화소 영역을 형성하여야 할 영역에, p형 반도체 영역에 의한 소자 분리 영역(27)으로 분리한 각 화소에 대응한 포토 다이오드(PD)를 형성한다.
또한, 포토 다이오드(PD)는, 두꺼운 기판 방향의 전역에 걸치는 n형 반도체 영역(25)과, n형 반도체 영역(25)에 접하여 기판의 표리 양면(22A, 22B)에 면하는 p형 반도체 영역(26)으로 이루어지는 pn 접합을 갖고서 형성되어 있다.
기판 표면(22A)의 각 화소에 대응하는 영역에는, 각각 소자 분리 영역(27)에 접하는 p형 반도체웰 영역(28)을 형성하고, 이 p형 반도체웰 영역(28) 내에 각 복수의 화소 트랜지스터(Tr)를 형성한다. 또한, 화소 트랜지스터(Tr)는, 각각 소스 영역 및 드레인 영역과, 게이트 절연막과, 게이트 전극(29)에 의해 형성되어 있다.
또한, 기판 표면(22A)의 상부에는, 층간 절연막(31)을 통하여 복수층의 배선(32)을 배치한 다층 배선층(33)을 형성한다.
또한, 기판 이면(22B)은 약액 처리에 의해 케미컬 산화막(산화막(13))이 형성되어 있다.
다음에, 도 7의 A에서 도시하는 바와 같이, 수광면이 되는 기판 이면(22B)상에 반사 방지막(37)으로서 SiON 및 산화막(38)으로서 SiO2를 CVD법에 의해 형성하고, 또한, 금속 산화막(14)으로서 Ta2O5를 성막한다.
또한, 여기서의 금속 산화막(14)은, 산소 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 이용한 리액티브 스퍼터링법에 의해 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 막두께는 1㎚ 내지 100㎚ 정도이다.
계속해서, 금속 산화막(14)의 상층에 밀착층(15) 및 차광막(39)이 되는 텅스텐/티탄의 적층막을 형성한다. 또한, 여기서의 밀착층(15) 및 차광막(39)이 되는 텅스텐 및 티탄은 스퍼터링법으로 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 티탄의 막두께는 5㎚ 내지 50㎚ 정도, 텅스텐의 막두께는 100㎚ 내지 300㎚ 정도이다.
여기서, 밀착층(15)은 티탄뿐만 아니라, 질화 티탄(TiN)이라도 좋다. 이 경우에는 PVD 성막시에 질소 가스와 아르곤 가스를 혼합한 분위기하에서 리액티브 스퍼터링법에 의해 성막할 수 있다.
계속해서, 포토 다이오드(PD)에 대응하는 영역에 가시광 도입 개구부를 형성하기 위해 패턴 가공을 시행한다(도 7의 B 참조). 여기서의 패턴 가공은, 레지스트 마스크(도시 생략)을 통하여 금속 산화막(14), 밀착층(15) 및 차광막(39)을 선택적으로 에칭 제거하여, 각 화소 경계에 금속 산화막(14), 밀착층(15) 및 차광막(39)을 형성한다. 또한, 에칭은 웨트 에칭, 또는 드라이 에칭을 이용할 수 있고, 드라이 에칭은 차광막(39)의 미세선 폭이 정밀도 좋게 얻을 수 있다.
다음에, 도 8의 A에서 도시하는 바와 같이, 차광막(39)을 포함하는 산화막(38)상에 평탄화막(41)을 형성한다. 이 평탄화막(41)은, 예를 들면 수지 등의 유기 재료를 도포하여 형성한다.
그 후, 도 8의 B에서 도시하는 바와 같이, 평탄화막(41)상에, 순차적으로, 예를 들면 베이어 배열의 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)를 형성한다. 이와 같이 하여, 도 6에서 도시하는 바와 같은, 제 2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(21)를 얻을 수 있다.
<4. 제 3의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성예]
도 9는 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 3의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시의 형태의 고체 촬상 장치는, 표면 조사형의 CMOS형 고체 촬상 장치이다. 제 3의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(85)는, 예를 들면 실리콘에 의한 반도체 기판(22)에 복수의 화소가 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역)과, 화소 영역의 주변에 배치된 주변 회로부를 형성하여 구성되어 있다.
단위 화소는, 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터(Tr)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)는, n형 반도체 영역(도시 생략)과 p형 반도체 영역(도시 생략)에 따른 pn 접합형의 포토 다이오드로서 구성되어 있다.
포토 다이오드(PD) 및 화소 트랜지스터(Tr)로 이루어지는 각 화소는, p형 반도체 영역으로 형성된 소자 분리 영역(도시 생략)에 의해 분리되어 있다. 화소 트랜지스터(Tr)는, 반도체 기판(22)의 표면측에 형성된 p형 반도체웰 영역에 n형의 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하고, 양 영역 사이의 기판 표면에 게이트 절연막을 통하여 게이트 전극을 형성하여 구성되어 있다.
반도체 기판(22)의 수광면이 되는 표면상에는, 산화막(13)이 형성되어 있고, 산화막(13)상에는, 층간 절연막(36)이 형성되어 있다. 또한, 층간 절연막(36)상에는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14)이 형성되고, 그 상층에 Ti로 이루어지는 밀착층(15)을 통하여 배선(32)이 형성되어 있다. 또한, 층간 절연막(36)을 통하여 복수의 배선(32)이 배치되어 있고, 이른바 다층 배선층이 형성되어 있다. 또한, 제 3의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)은 층간 절연막(36)상의 개략 전면에 형성되어 있다.
또한, 다층 배선층의 상층에 평탄화막(41)이 형성되고, 이 평탄화막(41)상에 순차적으로 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)가 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(41)은, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있고, 온 칩 컬러 필터(42)로서는, 예를 들면, 베이어 배열의 컬러 필터를 이용할 수 있다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(43)는, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있다.
제 3의 실시의 형태에 관한 표면 조사형의 고체 촬상 장치(85)는, 산화막(13)을 구성하는 SiO2의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14)이 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 배치되어 있다. 그리고, 산화막(13)으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 금속 산화막(14)으로부터 산소 원자를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있다. 그 때문에, 밀착층(15)을 구성하는 Ti로부터, 반도체 기판(22)과 산화막(13)의 계면층이 산소 원자를 빼앗기는 것을 억제하고, 반도체 기판(22)과 산화막(13)의 계면층이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어짐에 의해, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제 3의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)이 산화막(13)의 상층의 개략 전면에 형성됨에 의해, 보다 한층 충분히 반도체 기판(22)과 산화막(13)의 계면층을 보호할 수 있고, 암전류 발생의 억제에 관해 높은 효과를 기대할 수 있다.
[변형예]
제 3의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)으로서 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용한 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용할 필요는 없다. 즉, 산화막(13)을 구성하는 재료(본 실시의 형태의 경우에는 SiO2)의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면 충분하고, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층으로 구성될 필요는 없다. 예를 들면, 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브덴(MoO2) 등으로 구성되어도 좋다. 또한, 산화막(13)을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면, 산화물일 필요도 없다.
또한, 제 3의 실시의 형태에서는, 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성된 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 금속 산화막(14)은 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 형성되면 충분하고, 반드시 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래인 필요는 없다. 예를 들면, 도 10의 A에서 도시하는 바와 같이 트랜지스터의 가공 스토퍼막의 상층에 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋다.
또한, 제 3의 실시의 형태에서는, 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래에만 금속 산화막(14)이 형성된 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 적어도 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성되면 좋다. 그 때문에, 예를 들면, 도 10의 B에서 도시하는 바와 같이, 각 층의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋다. 또한, 각 층의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성된 경우에는, 보다 한층 충분히 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제 3의 실시의 형태에서는, 비어 영역에는 금속 산화막(13)이 형성되지 않은 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 예를 들면, 도 10의 C에서 도시하는 바와 같이, 비어의 측면에도 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋다. 또한, 비어의 측벽에 금속 산화막(14)이 형성된 경우에는, 보다 한층 충분히 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 예]
도 11 및 도 12에, 제 3의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)의 제조 방법을 도시하고 있다.
제 3의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)의 제조 방법에서는, 우선, 실리콘의 반도체 기판(22)의 화소 영역을 형성하여야 할 영역에, p형 반도체 영역에 의한 소자 분리 영역으로 분리한 각 화소에 대응하는 포토 다이오드(PD)를 형성한다. 또한, 기판 표면은 CVD법에 의해 산화막(13)이 형성되어 있다.
다음에, 도 11의 A에서 도시하는 바와 같이, 수광면이 되는 기판 표면상에 층간 절연막(36)을 형성하고, 또한, 금속 산화막(14)으로서 Ta2O5를 성막한다.
또한, 여기서의 금속 산화막(14)은, 산소 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 이용한 리액티브 스퍼터링법에 의해 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 막두께는 1㎚ 내지 100㎚ 정도이다.
또한, 범용의 리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 콘택트 플러그용의 콘택트 홀을 형성한다. 계속해서, PVD법에 의해 콘택트 배리어 메탈(61)로서 질화 메탈막을, 또한 CVD법에 의해 콘택트 플러그 메탈(62)로서 텅스텐을 매입하여 형성한다(도 11의 B 참조).
다음에, 티탄/질화 티탄/알루미늄 합금(Al-0.5%Cu)/질화 티탄을 PVD법에 의해 적층하고, 리소그래피 기술과 메탈 드라이 에칭 가공 기술을 이용하여 배선 패터닝을 행하여, 메탈 배선층을 형성한다(도 11의 C 참조).
또한, 산화막을 CVD법에 의해 형성하고, CMP에 의한 평탄화 처리를 경유하여 층간 절연막(36)을 형성한다(도 12의 A 참조). 계속해서, 콘택트 형성과 배선(32) 및 층간 절연막(36)의 형성을 반복하여 다층 배선 구조를 형성한다(도 12의 B 참조).
계속해서, 다층 배선층의 상층에 평탄화막(41)을 형성한다. 이 평탄화막(41)은, 예를 들면 수지 등의 유기 재료를 도포하여 형성한다.
그 후, 평탄화막(41)상에, 순차적으로, 예를 들면 베이어 배열의 온 칩 컬러 렌즈(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)를 형성한다. 이와 같이 하여, 도 9에서 도시하는 바와 같은, 제 3의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)를 얻을 수 있다.
<5. 제 4의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성예]
도 13은 본 발명에 관한 고체 촬상 장치의 제 4의 실시의 형태를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시의 형태의 고체 촬상 장치는, 표면 조사형의 CMOS형 고체 촬상 장치이다. 제 4의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(85)는, 예를 들면 실리콘에 의한 반도체 기판(22)에 복수의 화소가 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역)과, 화소 영역의 주변에 배치된 주변 회로부를 형성하여 구성되어 있다.
단위 화소는, 광전 변환부가 되는 포토 다이오드(PD)와 복수의 화소 트랜지스터(Tr)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)는, n형 반도체 영역(도시 생략)과 p형 반도체 영역(도시 생략)에 따른 pn 접합형의 포토 다이오드로서 구성되어 있다. 또한, 기판의 표리면에 면하는 p형 반도체 영역은, 암전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
포토 다이오드(PD) 및 화소 트랜지스터(Tr)로 이루어지는 각 화소는, p형 반도체 영역으로 형성된 소자 분리 영역(도시 생략)에 의해 분리되어 있다. 화소 트랜지스터(Tr)는, 반도체 기판(22)의 표면측에 형성된 p형 반도체웰 영역에 n형의 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하고, 양 영역 사이의 기판 표면에 게이트 절연막을 통하여 게이트 전극을 형성하여 구성되어 있다.
반도체 기판(22)의 수광면이 되는 표면상에는, 산화막(13)이 형성되어 있고, 산화막(13)상에는, 층간 절연막(36)이 형성되어 있다. 또한, 층간 절연막(36)의 상층에 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14) 및 Ti로 이루어지는 밀착층(15)을 통하여 배선(32)이 형성되어 있다. 또한, 층간 절연막(36)을 통하여 복수의 배선(32)이 배치되어 있고, 이른바 다층 배선층이 형성되어 있다. 또한, 제 4의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)은 배선(32)의 형성 영역에만 형성되어 있다.
또한, 다층 배선층의 상층에 평탄화막(41)이 형성되고, 이 평탄화막(41)상에 순차적으로 온 칩 컬러 필터(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)가 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(41)은, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있고, 온 칩 컬러 필터(42)로서는, 예를 들면, 베이어 배열의 컬러 필터를 이용할 수 있다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(43)는, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료로 형성할 수 있다.
제 4의 실시의 형태에 관한 표면 조사형의 고체 촬상 장치(85)는, 산화막(13)을 구성하는 SiO2의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 Ta2O5로 이루어지는 금속 산화막(14)이 산화막(13)과 밀착층(15)의 사이에 배치되어 있다. 그리고, 산화막(13)으로부터 산소 원자를 빼앗는 것보다도, 금속 산화막(14)으로부터 산소 원자를 빼앗는 쪽이 화학 반응상, 에너지적으로 안정되어 있다. 그 때문에, 밀착층(15)을 구성하는 Ti로부터, 반도체 기판(22)과 산화막(13)의 계면층이 산소 원자를 빼앗기는 것을 억제하고, 반도체 기판(22)과 산화막(13)의 계면층이 보호되어 데미지를 받는 일이 없어짐에 의해, 계면준위의 형성에 의한 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제 4의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)이 배선(32)의 형성 영역에만 형성되어 있고, 포토 다이오드(PD) 상부의 구조는 통상의 고체 촬상 장치(금속 산화막(14)이 형성되지 않은 고체 촬상 장치)와 같은 구조이다. 그 때문에, 금속 산화막(14)을 구성하는 재료의 투과율이나 굴절율은 어떤 것이라도 좋고, 재료 선택이나 성막 조건의 자유도가 높고, 집적화의 제약이 적기 때문에, 보다 프로세스 윈도우가 넓은 조건으로 안정된 제조 프로세스를 구축할 수 있다.
[변형예]
제 4의 실시의 형태에서는, 금속 산화막(14)으로서 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용한 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층을 이용할 필요는 없다. 즉, 산화막(13)을 구성하는 재료(본 실시의 형태의 경우에는 SiO2)의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면 충분하고, 반드시 산화 탄탈(Ta2O5)층으로 구성될 필요는 없다. 예를 들면, 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브덴(MoO2) 등으로 구성되어도 좋다. 또한, 산화막(13)을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성되어 있으면, 산화물일 필요도 없다.
또한, 제 4의 실시의 형태에서는, 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래에만 금속 산화막(14)이 형성된 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 적어도 제 1층째의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성되면 좋다. 그 때문에, 예를 들면, 각 층의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성되어도 좋다. 또한, 각 층의 배선(32)의 바로 아래에 금속 산화막(14)이 형성된 경우에는, 보다 한층 충분히 암전류의 발생을 억제할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 예]
도 14 및 도 15에, 제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)의 제조 방법을 도시하고 있다.
제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)의 제조 방법에서는, 우선, 실리콘의 반도체 기판(22)의 화소 영역을 형성하여야 할 영역에, p형 반도체 영역에 의한 소자 분리 영역으로 분리한 각 화소에 대응하는 포토 다이오드(PD)를 형성한다. 또한, 기판 표면은 CVD법에 의해 산화막(13)이 형성되어 있다.
다음에, 도 14의 A에서 도시하는 바와 같이, 수광면이 되는 기판 표면상에 층간 절연막(36)을 형성하고, 또한, 금속 산화막(14)으로서 Ta2O5를 성막한다.
또한, 여기서의 금속 산화막(14)은, 산소 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 이용한 리액티브 스퍼터링법에 의해 퇴적하고, 그 성막 온도는 실온 내지 400℃, 막두께는 1㎚ 내지 100㎚ 정도이다.
또한, 범용의 리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 콘택트 플러그용의 콘택트 홀을 형성한다. 계속해서, PVD법에 의해 콘택트 배리어 메탈(61)로서 질화 메탈 막을, 또한 CVD법에 의해 콘택트 플러그 메탈(62)로서 텅스텐을 매입하여 형성한다(도 14의 B 참조).
다음에, 티탄/질화 티탄/알루미늄 합금(Al-0.5%Cu)/질화 티탄을 PVD법에 의해 적층하고, 리소그래피 기술과 메탈 드라이 에칭 가공 기술을 이용하여 배선 패터닝을 행하여, 메탈 배선층을 형성한다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 메탈 배선층의 드라이 에칭 가공시에 오버 에칭을 행함으로써, 배선(32)의 형성 영역 이외의 금속 산화막(14)을 에칭 제거한다(도 14의 C 참조).
또한, 산화막을 CVD법에 의해 형성하고, CMP에 의한 평탄화 처리를 경유하여 층간 절연막(36)을 형성한다(도 15의 A 참조). 계속해서, 콘택트 형성과 배선(32) 및 층간 절연막(36)의 형성을 반복하여 다층 배선 구조를 형성한다(도 15의 B 참조).
계속해서, 다층 배선층의 상층에 평탄화막(41)을 형성한다. 이 평탄화막(41)은, 예를 들면 수지 등의 유기 재료를 도포하여 형성한다.
그 후, 평탄화막(41)상에, 순차적으로, 예를 들면 베이어 배열의 온 칩 컬러 렌즈(42) 및 온 칩 마이크로 렌즈(43)를 형성한다. 이와 같이 하여, 도 13에서 도시하는 바와 같은, 제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(85)를 얻을 수 있다.
<6. 제 5의 실시의 형태>
[카메라의 구성]
도 16은 본 발명을 적용한 촬상 장치의 한 예인 카메라(77)를 설명하기 위한 모식도이다. 그리고, 여기서 도시하는 카메라(77)는, 상기한 제 1의 실시의 형태 내지 제 4의 실시의 형태의 고체 촬상 장치를 촬상 디바이스로서 이용한 것이다.
본 발명을 적용한 카메라(77)에서는, 피사체(도시 생략)로부터의 광은, 렌즈(71) 등의 광학계 및 메커니컬 셔터(72)를 경유하여 고체 촬상 장치(73)의 촬상 에어리어에 입사하게 된다. 또한, 메커니컬 셔터(72)는, 고체 촬상 장치(73)의 촬상 에어리어에의 광의 입사를 차단하여 노광 기간을 정하기 위하는 것이다.
여기서, 고체 촬상 장치(73)는, 상기한 제 1의 실시의 형태 내지 제 4의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(1)가 이용되고, 타이밍 발생 회로나 구동계 등을 포함하는 구동 회로(74)에 의해 구동된다.
또한, 고체 촬상 장치(73)의 출력 신호는, 다음단의 신호 처리 회로(75)에 의해, 여러 가지의 신호 처리가 행하여진 후, 촬상 신호로서 외부에 도출되고, 도출된 촬상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되거나, 모니터에 출력된다. 또한, 메커니컬 셔터(72)의 개폐 제어, 구동 회로(74)의 제어, 신호 처리 회로(75)의 제어 등은, 시스템 컨트롤러(76)에 의해 행하여진다.
본 발명을 적용한 카메라에서는, 상술한 본 발명을 적용한 고체 촬상 장치를 채용하고 있기 때문에, 암전류의 발생을 억제할 수 있고, 고화질의 촬상 화상을 얻을 수 있다.
<7. 변형예>
[컬러 필터]
상기한 제 1의 실시의 형태 내지 제 5의 실시의 형태에서는, RGB 베이어 배열된 컬러 필터(42)를 이용한 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 색 재현성을 향상시키고, 고정밀한 고체 촬상 장치를 실현하기 위해, 유기 광전 변환막을 사용하여도 좋다.
도 17은 제 1의 실시의 형태의 변형예를 설명하기 위한 모식도이다. 여기서 도시하는 고체 촬상 장치(21)는, 평탄화막(41)의 상층에 유기 광전 변환막(82)이 형성되고, 또한 분리층(83)을 통하여 유기 컬러 필터층(84)이 형성되어 있다.
유기 컬러 필터층(84)은, 포토 다이오드(PD)에 대응하여 형성되고, 예를 들면, 청(B)과 적(R)을 취출하기 위해, 시안(Cyan)의 유기 컬러 필터층(84C)과 옐로(Yellow)의 유기 컬러 필터층(84Y)을 체크무늬로 배치한 것으로 이루어진다. 또한, 유기 컬러 필터층(84)상에는, 각 포토 다이오드(PD)에 입사광을 집광시키는 온 칩 마이크로 렌즈(43)가 형성되어 있다.
유기 광전 변환막(82)의 녹(G)계의 색소로서는, 한 예로서, 로다민계 색소, 프탈로시아닌 유도체, 퀴나크리돈, 에오신-Y, 메라시아닌계 색소 등이 있다.
본 변형예의 고체 촬상 장치(21)는, 녹(G)을 유기 광전막(82)으로부터 신호를 취출하고, 청(B)과 적(R)을 시안(Cyan)과 옐로(Yellow)의 유기 컬러 필터층(84)의 조합으로 취출하는 것이다.
이하, 유기 광전 변환막(82)과 유기 컬러 필터층(84)의 평면적 배치(코딩)의 한 예를, 도 18의 A 및 B에 의해 설명한다.
도 18의 A에 도시하는 바와 같이, 유기 광전 변환막(82)으로 이루어지는 녹(R)은 전 화소에 배치되어 있다. 또한, 도 18의 B에 도시하는 바와 같이, 시안(Cyan)과 옐로(Yellow)는, 이른바 체크무늬 배열로 되어 있다. 청(B)과 적(R)의 분광은, 이하의 원리로 달성한다.
즉, 청(B)은, 시안(Cyan)의 유기 컬러 필터층(84C)에서의 흡수로 적(R) 성분이 제거되고, 계속된 녹(G)의 유기 광전 변환막(82)에 의한 흡수에 의해, 녹(G) 성분이 제거되고, 남은 청(B) 성분으로 취출할 수 있다.
한편, 적(R)은, 옐로(Yellow)의 유기 컬러 필터층(84Y)에서의 흡수로 청(B) 성분이 제거되고, 계속된 녹색(G)의 유기 광전 변환막(82)에 의한 흡수에 의해 녹(G) 성분이 제거되고, 남은 적(R) 성분으로 취출할 수 있다.
이상의 구성에 의해, 녹(G), 청(B), 적(R)의 분리된 색 신호를 출력할 수 있다.
또한, 시안(Cyan)의 유기 컬러 필터층(84C)과 옐로(Yellow)의 유기 컬러 필터층(84Y)이, 이른바 체크무늬 배열이 되도록 배치함으로써, 공간적인 휘도나 크로마의 해상도는 약간 열화된다. 그러나, 색 재현성은 현저하게 개선하는 것이 가능해진다.
[반도체 기판]
상기한 제 1의 실시의 형태 내지 제 5의 실시의 형태에서는, 반도체 기판이 실리콘으로 구성된 경우를 예로 들어서 설명을 행하고 있지만, 반도체 기판은 반드시 실리콘 기판일 필요는 없고, 그 밖의 반도체 재료에 의해 반도체 기판을 구성하여도 좋다.
본 발명은 2010년 8월 31일자로 일본특허청에 특허출원된 일본특허원 제2010-194181호를 우선권으로 주장한다.
당업자라면, 하기의 특허청구범위 또는 그 등가의 범위 내에서, 설계상의 필요 또는 다른 요인에 따라, 상기 실시의 형태에 대한 여러 가지 변형예, 조합예, 부분 조합예, 및 수정예를 실시할 수 있을 것이다.
1 : 고체 촬상 장치 2 : 화소
3 : 화소 영역 4 : 수직 구동 회로
5 : 칼럼 신호 처리 회로 6 : 수평 구동 회로
7 : 출력 회로 8 : 제어 회로
9 : 수직 신호선 10 : 수평 신호선
11 : 반도체 기판 12 : 입출력 단자
13 : 실리콘 산화막 14 : 금속 산화막
15 : 밀착층 21 : 고체 촬상 장치
22 : 반도체 기판 23 : 화소 영역
24 : 단위 화소 25 : n형 반도체 영역
26 : p형 반도체 영역 27 : 소자 분리 영역
28 : p형 반도체웰 영역 29 : 게이트 전극
31 : 층간 절연막 32 : 배선
33 : 다층 배선층 34 : 수광면
36 : 층간 절연막 37 : 반사 방지막
38 : 산화막 39 : 차광막
41 : 평탄화막 42 : 온 칩 컬러 필터
43 : 온 칩 마이크로 렌즈 51 : 포토 다이오드
52 : 전송 트랜지스터 53 : 증폭 트랜지스터
54 : 어드레스 트랜지스터 55 : 리셋 트랜지스터
56 : 구동 배선 57 : 수직 신호선
58 : 구동 배선 61 : 콘택트 배리어 메탈
62 : 콘택트 플러그 메탈 71 : 렌즈
72 : 메커니컬 셔터 73 : 고체 촬상 장치
74 : 구동 회로 75 : 신호 처리 회로
76 : 시스템 컨트롤러 77 : 카메라
82 : 유기 광전 변환막 83 : 분리층
84 : 유기 컬러 필터층 85 : 고체 촬상 장치

Claims (8)

  1. 입사광을 광전 변환하는 촬영 영역과 광전 변환된 광을 처리하는 주변 영역을 갖는 반도체 기판과;
    상기 촬영 영역 내에, 제1의 포토 다이오드와 상기 제1의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제1의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제1화소와;
    상기 촬영 영역 내에, 제2의 포토 다이오드와 상기 제2의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제2의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제2화소와;
    상기 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과;
    상기 촬상 영역 내에 포함되는 상기 제1화소와 상기 제2화소 사이이며, 또한, 상기 산화물층보다도 상층에 적층된 밀착층과 차광층; 및
    상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 구비하고,
    상기 밀착층은 Ti 또는 TiN으로 이루어지고,
    상기 산소 공급층은, 산화 탄탈(Ta2O5), 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2) 또는 산화 몰리브덴(MoO2)을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은, 광투과성 재료로 구성됨과 함께, 상기 반도체 기판의 수광부가 형성된 영역에 대응하는 영역의 개략 전면에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은, 상기 차광층이 형성된 영역에 대응하는 영역에만 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밀착층 및 차광층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피는, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 큰 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1화소 및 상기 제2화소가 형성된 반도체 기판의 일면측에 배선층을 구비하고, 상기 배선층이 형성되어 있는 면과는 반대측에서 입사되는 광을 상기 수광부에서 수광하는 이면 조사형 고체 촬상 소자인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 입사광을 광전 변환하는 촬상 영역과 광전 변환된 광을 처리하는 주변 영역을 포함하는 반도체 기판과, 상기 촬상 영역 내에, 제1의 포토 다이오드와 상기 제1의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제1의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제1화소와, 상기 촬상 영역 내에, 제2의 포토 다이오드과 상기 제2의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제2의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제2화소와, 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 상기 촬상 영역 내에 포함되는 상기 제1화소와 상기 제2화소 사이이며, 또한, 상기 산화물층보다도 상층에 적층된 밀착층과 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와,
    상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계를 구비하고,
    상기 밀착층은 Ti 또는 TiN의 단일성분으로 이루어지고,
    상기 산소 공급층은, 산화 탄탈(Ta2O5), 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2) 또는 산화 몰리브덴(MoO2)을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 입사광을 광전 변환하는 촬상 영역과 광전 변환된 광을 처리하는 주변 영역을 포함하는 반도체 기판과, 상기 촬상 영역 내에, 제1의 포토 다이오드와 상기 제1의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제1의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제1화소와, 상기 촬상 영역 내에, 제2의 포토 다이오드와 상기 제2의 포토 다이오드의 상층에 마련된 제2의 온 칩 마이크로 렌즈를 포함하는 제2화소와, 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 산화물층과, 상기 촬상 영역 내에 포함되는 상기 제1화소와 상기 제2화소 사이이며, 또한, 상기 산화물층보다도 상층에 적층된 밀착층과 차광층과, 상기 산화물층과 상기 밀착층의 사이에 배치되고, 상기 산화물층을 구성하는 재료의 산화 엔탈피보다도 작은 산화 엔탈피를 나타내는 재료로 구성된 산소 공급층을 갖는 고체 촬상 소자와,
    상기 수광부에 입사광을 집광하는 광학계와,
    상기 수광부에서 광전 변환된 신호 전하를 처리하는 신호 처리부를 구비하고,
    상기 밀착층은 Ti 또는 TiN으로 이루어지고,
    상기 산소 공급층은, 산화 탄탈(Ta2O5), 산화 니오브(Nb2O5), 산화 바나듐(V2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 텅스텐(WO2) 또는 산화 몰리브덴(MoO2)을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  8. 삭제
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