TW201338147A - 固體攝像元件 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種固體攝像元件，其包含具備良好遮光性之遮光部。固體攝像元件所具備之遮光部S係具有積層構造，其包含：下側遮光性材料層R1，其係具有遮光性材料之遮光性材料層；中間高熔點材料層H2，其係具有高熔點材料之高熔點材料層，且形成於下側遮光性材料層R1之上表面；及上側遮光性材料層R2，其係遮光性材料層，且形成於中間高熔點材料層H2之上表面。

Description

固體攝像元件

本發明係以關於CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互補式金屬氧化物半導體)影像感測器等為代表之固體攝像元件。

近年來CCD影像感測器或CMOS影像感測器等固體攝像元件搭載於數位視訊攝像機或數位靜態相機等之攝像裝置或具備配有攝像行動電話機等攝像功能之各種電子機器中。固體攝像元件係例如包含光電二極體之光電轉換部藉由光電轉換形成電荷，且由該電荷放大電位而生成構成圖像之信號。

此類固體攝像元件之目的係防止一度射入像素之光進入鄰接之像素中(混色)，或目的在於設置構造為光不射入光電轉換部中且進行暗電流檢測之遮光像素，而形成遮蔽光之遮光部。另，因例如包含金屬之配線亦具有遮光性，故配線亦有作為遮光部發揮功能之情形。

此類遮光部係以嵌入層間絕緣膜或鈍化膜等之方式形成，故易受到來自外部的壓力。如此，因受到來自外部之壓力，在遮光部內以應力遷移為起因而產生空隙，造成遮光性劣化之問題。

因此，例如專利文獻1中，提案有半導體裝置，其對包含金屬之配線膜之表面設置機械強度比配線膜更劣質且具有微小龜裂之氧化矽膜，且藉由以氧化矽膜吸收或緩和來自外部所受之壓力，以此降低配線膜所受到的壓力並抑制空隙的產生。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2008-294327號公報

從固體攝像元件之感光度提高或防止混色等觀點來看，將遮光部之膜厚設定為較薄，若縮短光從射入後到達受光部為止之距離則甚佳。然而，遮光部之厚膜設定越薄則藉由例如遮光部形成後所進行之各種熱處理步驟，越易產生貫通膜厚方向的空隙。再者，此種貫通遮光部之空隙顯著降低遮光部之遮光性，故成為問題。另，如專利文獻1中提案的配線膜，即便在遮光部表面形成氧化矽膜亦如後述之難以防止貫通膜厚方向之空隙。

因此，本發明之目的在於提供一種包含具備良好遮光性之固體攝像元件。

為達成上述目的，本發明係提供一種固體攝像元件，其包含基板，其係於內部形成有將自上表面射入之光進行光電轉換之光電轉換部；遮光部，其係設置於上述基板之上述上表面之上方；且上述遮光部具有積層構造，該積層構造包含：下側遮光性材料，其係具有遮光性材料之遮光性材料層；中間高熔點材料層，其係具有高熔點材料之高熔點材料層，且形成於上述下側遮光性材料層之上表面；上側遮光性材料層，其係上述遮光性材料層，且形成於上述中間高熔點材料層之上表面。

根據此固體攝像元件，在遮光部中即便假設產生空隙，亦可藉由形成於下側遮光性材料層及上側遮光性材料層之間之中間高熔點材料層來防止朝上下方向之傳播。因此，在下層遮光性材料層所產生的 空隙未傳播至上側遮光性材料層，且在上側遮光性材料層所產生之空隙未傳播至下側遮光性材料層。因此，可防止形成貫通遮光性材料層之空隙。

再者，在上述特徵之固體攝像元件中，上述高熔點材料層具有熔點若為1000℃以上之上述高熔點材料則甚佳。具體舉例，在上述特徵之固體攝像元件中，上述高熔點材料層若包含氮化鈦、鈦、鈦鎢合金、氮化鎢及鎢中至少任一者則甚佳。

根據此固體攝像元件，形成遮光部後即便對固體攝像元件進行熱處理(高達500℃)，亦可將因該熱處理導致之物理性變動縮小至可忽視之程度。

再者，在上述特徵之固體攝像元件中，上述高熔點材料層之膜厚若為5 nm以上且100 nm以下甚佳。

根據此固體攝像元件，藉由將高熔點材料層之膜厚設為5 nm以上，而可輕易進行膜厚之控制，且可防止為進行膜厚之控制而延緩成膜速度造成量產效率降低。又，藉由將高熔點材料層之膜厚設定在100 nm以下，可降低於高熔點材料層所產生的壓力，且可防止因該壓力造成基板較大彎曲使基板中產生缺陷從而增大暗電流。

再者，在上述特徵之固體攝像元件中，上述遮光性材料層若包含鋁則甚佳。進而，在上述特徵之固體攝像元件中，上述遮光性材料層之膜厚若為50 nm以上則甚佳。

根據此固體攝像元件，即便將遮光性材料層之膜厚設定為較薄也可獲得良好的遮光性。具體而言，從固體攝像元件之感光度提高或防止混色等觀點來看，若縮短光從射入後到達受光部為止之距離則甚佳，然而若為包含鋁之遮光性材料層，則可藉由將膜厚設為50 nm以上而可獲得良好的遮光性。

再者，在上述特徵之固體攝像元件中，上述遮光部進而宜包 含：下側高熔點材料層，其係上述高熔點材料層之一，且形成於上述下側遮光性材料層之下表面；上側高熔點材料層，其係上述高熔點材料層之一，且形成於上述上側遮光性材料層之上表面。

根據此固體攝像元件，藉由抑制下側遮光性材料層及上側遮光性材料層所受的壓力，可抑制下側遮光性材料層及上側遮光性材料層之空隙產生。

根據上述特徵之固體攝像元件，藉由在遮光性材料層之內部形成防止空隙傳播之中間高熔點材料層，即使假設產生空隙亦可防止發展為貫通遮光性材料層之空隙。因此，可使固體攝像元件包含之遮光部之遮光性良好。

1‧‧‧固體攝像元件

10‧‧‧基板

11‧‧‧光電轉換部

12‧‧‧浮動擴散部

13‧‧‧元件分離部

14‧‧‧閘極絕緣膜

15‧‧‧傳送閘極電極

16‧‧‧第1層間絕緣膜

17‧‧‧閘極接點

18‧‧‧FD接點

19‧‧‧閘極配線

20‧‧‧FD配線

21‧‧‧第2層間絕緣膜

22‧‧‧像素間遮光部

23‧‧‧第3層間絕緣膜

24‧‧‧鈍化膜

25‧‧‧彩色濾光器

26‧‧‧塗膜

27‧‧‧微透鏡

100‧‧‧比較遮光部

101‧‧‧下側高熔點材料層

102‧‧‧中間遮光性材料層

103‧‧‧上側高熔點材料層

104‧‧‧氧化矽層

111‧‧‧電荷蓄積部

200‧‧‧晶圓

201‧‧‧晶片

C‧‧‧晶片

H1‧‧‧下側高熔點材料層

H2‧‧‧中間高熔點材料層

H3‧‧‧上側高熔點材料層

R1‧‧‧下側遮光性材料層

R2‧‧‧上側遮光性材料層

S‧‧‧遮光部

V‧‧‧空隙

W‧‧‧晶圓

圖1係模式性顯示本發明之實施形態之固體攝像元件之構造例之剖面圖。

圖2係模式性顯示圖1之固體攝像元件所具備之遮光部之構造例之剖面圖。

圖3係模式性顯示比較遮光部之剖面圖。

圖4(a)、(b)係模式性顯示各個產生空隙之遮光部及產生空隙之比較遮光部之剖面圖。

圖5(a)、(b)係模式性顯示在各個實際形成遮光部之晶圓與實際形成比較遮光部之晶圓中，產生空隙之晶片之俯視圖。

圖6(a)、(b)係顯示遮光部及比較遮光部之光學顯微鏡像之圖。

<整體構造>

最初參照圖1說明關於本發明之實施形態之固體攝像元件之構造例。圖1係模式性顯示本發明之實施形態之固體攝像元件之構造例之 剖面圖。另，在圖1中作為本發明實施形態之固體攝像元件1，例示有表面照射型CMOS影像感測器。

如圖1所示，固體攝像元件1係包含：基板10；光電轉換部11，其係形成於基板10中，且將來自基板10之上表面101所射入之光進行光電轉換並生成電荷；電荷蓄積部111，其係光電轉換部11之一部分，蓄積藉由光電轉換所產生之電荷；浮動擴散部12，其係形成於基板10內，且傳送蓄積於電荷蓄積部111之電荷；元件分離部13，其係形成於基板10內鄰接之像素間；閘極絕緣膜14，其係形成於基板10之上表面101上且成為電荷蓄積部111及浮動擴散部12間之位置；傳送閘極電極15，其係形成於閘極絕緣膜14之上表面；第1層間絕緣膜16，其係形成於基板10之上表面101，且埋入傳送閘極電極15；閘極接點17，其係以貫通第1層間絕緣膜16並電性連接傳送閘極電極15之方式形成；FD接點18，其係以貫通第1層間絕緣膜16並電性連接浮動擴散部12之方式形成；閘極配線19，其係與閘極接點17電性連接；FD配線20，其係與FD接點18電性連接；第2層間絕緣膜21，其係形成於第1層間絕緣膜16上，且埋入閘極配線19及FD配線20；像素間遮光部22，其係形成於第2層間絕緣膜21之上表面；第3層間絕緣膜23，其係形成於第2層間絕緣膜21之上表面並埋入像素間遮光部22；鈍化膜24，其係形成於第3層間絕緣膜23之上表面；彩色濾光器25，其係形成於鈍化膜24之上表面且選擇性使特定顏色(波長)之光透射；塗膜26，其係以埋入彩色濾光器25之方式形成；微透鏡27，其係形成於塗膜26之上表面且將射入之光進行集光以透射彩色濾光器25。

光電轉換部11係包含電荷蓄積部111及其周邊之基板10之一部分區域。基板10係包含例如p型或n型之矽，且電荷蓄積部111係例如包含藉由注入離子成為與基板10相反之導電型之矽。即，包含基板10之一部分區域與電荷蓄積部111之光電轉換部11係成為光電二極體。 又，浮動擴散部12亦與電荷蓄積部111相同，例如包含藉由注入離子成為與基板10相反之導電型之矽。

元件分離部13係例如在形成於基板10之槽(溝渠)中填充氧化矽而成之STI(Shallow Trench Isolation：淺溝槽隔離)，且設置於鄰接之2個像素之一方之浮動擴散部12與另一方之電荷蓄積部111之間。閘極絕緣膜14係例如包含氧化矽，而傳送閘極電極15係例如包含多晶矽。

各第1層間絕緣膜16、第2層間絕緣膜21及第3層間絕緣膜23係例如包含氧化矽。又，鈍化膜24係例如包含氮化矽。

閘極接點17係在形成於成為第1層間絕緣膜16之傳送閘極電極15之正上方位置之孔(接觸孔)中填充銅或鋁等導電性材料而成。FD接點18亦同樣，在形成於成為第1層間絕緣膜16之浮動擴散部12之正上方位置之孔(接觸孔)中填充銅或鋁等導電性材料而成。

閘極配線19及FD配線20分別係例如對第1層間絕緣膜16之上表面形成特定膜後藉由蝕刻選擇性去除不需要的部分而形成。像素間遮光部22亦同樣，例如對第2層間絕緣膜21之上表面形成特定膜後藉由蝕刻選擇性去除不需要的部分而形成。

像素間遮光部22係作為用以防止一度射入像素之光進入鄰接之像素中(混色)之遮光部發揮功能。另，閘極配線19及FD配線20並非僅作為與閘極接點17及FD接點18電性連接之配線，亦可與像素間遮光部22相同地作為遮光部發揮功能。又，關於遮光部之詳細說明於後述。

彩色濾光器25係包含例如含有顏料之樹脂，且該顏料具有選擇性使特定顏色(波長)之光透射之性質。微透鏡27係例如包含樹脂，且為將射入之光集光在彩色濾光器25及其下方而成為凸狀。塗膜26係例如包含樹脂，且為提高表面平坦化或第3層絕緣膜23與彩色濾光器25及微透鏡27之密著性而設置。

又，在圖1所示之固體攝像元件1中，微透鏡27、彩色濾光器25及電荷蓄積部111係在與基板10之上表面101垂直之方向(圖中上下方向)排列為一行，且各行構成各個像素。例如該等像素在與基板10之上表面101平行的面內配置為矩陣狀。具體舉例該等像素若著眼於彩色濾光器25所透射的顏色，則以拜耳排列進行配置。

射入固體攝像元件1之光係以微透鏡27集光，且透射塗膜26後透射彩色濾光器25。此時，彩色濾光器25係選擇性地使特定顏色(波長)之光透射。透射過彩色濾光器25之光係分別透射第3層間絕緣膜23、第2層間絕緣膜21及第1層間絕緣膜16，並由上表面101射入基板10內。再者，藉由射入基板10內之光進行光電轉換產生電子及電洞，其中一方蓄積於電荷蓄積部111。例如若基板10為p型，電荷蓄積部111為n型，則藉由光電轉換所產生之電子蓄積於電荷蓄積部111。相反地，若基板10為n型，電荷蓄積部111為p型，則藉由光電轉換所產生之電洞蓄積於電荷蓄積部111。

接著，若經由閘極配線19及閘極接點17對閘極電極15給予特定之電位，則基板10內之閘極電極15下之電位產生變化，且蓄積於電荷蓄積部111之電荷移動至浮動擴散部12進行蓄積。再者，蓄積於浮動擴散部12之電荷之電位經由FD接點18及FD配線20被讀取。

<遮光部>

接著，參照圖2說明關於上述之遮光部。圖2係模式性顯示圖1之固體攝像元件所具備之遮光部之構造例之剖面圖。另，如上述圖2所示之遮光部S係相當於圖1所示之像素間遮光部22。

如圖2所示，遮光部S係具有五層構造，其包含：下側高熔點材料層H1，其係形成於基板10側(圖1中下側)；下側遮光性材料層R1，其係形成於下側高熔點層H1之上表面；中間高熔點材料層H2，其係形成於下側遮光性材料層R1之上表面；上側遮光性材料層R2，其係 形成於中間高熔點材料層H2之上表面；上側高熔點材料層H3，其係形成於上側遮光性材料層R2之上表面。

各下側高熔點材料層H1、中間高熔點材料層H2及上側高熔點材料層H3係包含具有高熔點材料之高熔點材料層。考慮到遮光部S形成後對固體攝像元件1進行之熱處理溫度高達500℃，此高熔點材料層若具有熔點為1000℃以上之高熔點材料者，則因熱處理導致之物理性變動可縮小至可忽視之程度，故甚佳。具體舉例，高熔點材料層若包含氮化鈦、鈦、鈦鎢合金、氮化鎢及鎢中至少任一者則甚佳。

構成各下側高熔點材料層H1、中間高熔點材料層H2及上側高熔點材料層H3之高熔點材料層之膜厚宜為5 nm以上且100 nm以下。藉由將高熔點材料層之膜厚設為5 nm以上，可易於進行膜厚之控制，且可防止為控制膜厚而延遲成膜速度導致的量產效率低下。又，藉由將高熔點材料層之膜厚設為100 nm以下，可降低於高熔點材料層所產生的壓力，且可防止因該壓力造成基板10較大彎曲使基板10中產生缺陷從而增大暗電流。

各下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2包含具有遮光性材料之遮光性材料層。例如，遮光性材料層若為包含鋁者，則即便較薄之膜厚亦可獲得良好的遮光性，故甚佳。具體舉例，遮光性材料層若包含鋁及銅(組成比為未達1%)者則甚佳。

構成各下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2之遮光性材料層之膜厚若為50 nm以上則甚佳。從提高固體攝像元件1之感光度或防止混色等觀點來看，以縮短微透鏡27及基板10間之距離為佳，然而若為包含鋁之遮光性材料層，則可藉由將其膜厚設為50 nm以上以獲得良好的遮光性。

另，關於構成各下側高熔點材料層H1、中間高熔點材料層H2及上側高熔點材料層H3之材料，元素或組成比亦可不同。同樣，關於 構成各下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2之材料，元素或組成比亦可不同。

<比較結果>

接著，關於圖2所示之本發明之實施形態之固體攝像元件所具有的遮光部S(以下與遮光部S進行比較者稱為「比較遮光部」)，藉由與比較例進行對比說明其特色。首先，關於成為比較例之遮光部(以下稱為「比較遮光部」)參照圖3進行說明。圖3係模式性顯示比較遮光部之剖面圖，且相當於顯示關於遮光部S之圖2者。

如圖3所示，比較遮光部100係包含：下側高熔點材料層101，其係上述之高熔點材料層；中間遮光性材料層102，其係上述遮光性材料層，且形成於下側高熔點材料層101之上表面；上側高熔點材料層103，其係上述高熔點材料層，且形成於中間遮光性材料層102之上表面；氧化矽層104，其係包含氧化矽，且形成於上側高熔點材料層103之上表面。

即，圖3所示之比較遮光部100相較於圖2所示之遮光部S，相異點在於比較遮光部100未包含中間高熔點材料層H2，取而代之具備如上述專利文獻1中所記載之氧化矽層104。

接著，關於遮光部S之特色，參照圖4至6並與比較遮光部100進行對比來說明。圖4係分別模式性顯示產生空隙之遮光部及產生空隙之比較遮光部之剖面圖。圖5係分別模式性顯示在實際形成遮光部之晶圓與實際形成比較遮光部之晶圓中產生空隙之晶片之俯視圖。圖6係顯示遮光部及比較遮光部之光學顯微鏡像之圖。另，各圖4至圖6中，(a)為顯示遮光部S者，(b)為顯示比較遮光部100者。又，圖6所示之遮光部S及比較遮光部100之平面係相對圖1至圖4所示之剖面為垂直之面。

如圖4(a)所示，在遮光部S即便假設產生空隙V亦可藉由形成於下 側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2之間之中間高熔點材料層H2來防止朝其上下方向之傳播。因此，在下側遮光性材料層R1產生之空隙係未傳播至上側遮光性材料層R2，且在上側遮光性材料層R2所產生之空隙未傳播至下側遮光性材料層R1。因此在遮光部S中可防止形成貫通遮光性材料層(下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2)之空隙。

另一方面，如圖4(b)所示，在比較遮光部100中一旦產生空隙V則其朝上下方向傳播。因此，在比較遮光部100中會形成貫通遮光性材料層(中間遮光性材料層102)之空隙。

如上所述，本發明之實施形態之固體攝像元件1係藉由於遮光部S形成防止傳播空隙V之中間高熔點材料層H2，即便假設產生空隙V亦可防止發展為貫通遮光性材料層(下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2)之空隙。因此，可使本發明之實施形態之固體攝像元件1所具備之遮光部S之遮光性良好。

又，如圖5(a)所示，在形成有遮光部S之晶片C中，可將含有空隙(光學顯微鏡觀察下所發現的長徑1μm以上者，在以下圖5說明中亦相同)之概率降至非常低。圖5(a)所示之例中，晶圓W內之所有晶片C為未包含空隙者，且形成有遮光部S之晶片C成為含有空隙者之概率未達1%。又，如圖6(a)所示，在遮光部S中未觀察到顯眼且較大之空隙。

另一方面，如圖5(b)所示，在形成比較遮光部100之晶片201含有空隙之概率較高。圖5(b)所示之例中，晶圓200之外邊附近確認到數十個具有空隙之晶片201，且形成比較遮光部100之晶片201含有空隙之概率為11%。又，如圖6(b)所示，在比較遮光部100中觀察到顯眼且較大的空隙V。

如此，遮光部S中藉由採用防止貫通如上述之遮光性材料層(下側 遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2)之空隙形成之構造，可有效降低晶片C內形成明顯且較大之空隙(即，成為降低遮光性之要因之空隙)之概率。因此，可使本發明之實施形態之固體攝像元件1所具備之遮光部S之遮光性良好。

<變形等>

[1]為防止貫通遮光性材料之空隙產生，如圖2及圖4(a)所示之遮光部S，只要為於下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2之間形成有中間高熔點材料層H2之積層構造即可，可未必包含下側高熔點材料層H1及上側高熔點材料層H3。然而，不僅防止貫通遮光性材料之空隙產生，為藉由抑制下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2所受之壓力來抑制在下側遮光性材料層R1及上側遮光性材料層R2產生空隙，如圖2及圖4(a)所示之遮光部S，以設置下側高熔點材料層H1及上側高熔點材料層H3為佳。

[2]圖2所示之遮光部S作為相當於圖1所示之像素間遮光部22而已具體說明，進而亦可將圖1之閘極配線19及FD配線20作為遮光部S。此之情形，可將閘極配線19、FD配線20及像素間遮光部22之全部作為與圖2所示之遮光部S相同之構造，然而構成各部分之各層材料及膜厚無需一定相同。又，例如未具備像素間遮光部22之情形下，可僅將圖1之閘極配線19及FD配線20在遮光部S中構成。再者，亦可僅將圖1所示之閘極配線19及FD配線20之任一者在遮光部S中構成。

[3]已例示關於將圖2所示之遮光部S運用於用以防止一度射入像素之光進入鄰接之像素中(混色)之像素間遮光部22之情形，然而此遮光部S亦可運用於進行暗電流檢測之遮光像素。此情形，遮光部S在遮光像素內設置於光電轉換部111之正上方(例如與像素間遮光部22相同之層內或與閘極配線19及FD配線相同之層內)。

[4]如圖1所示，作為本發明之實施形態之固體攝像元件1，已例 示有所謂表面照射型CMOS影像感測器，然而本發明即便是內面照射型CMOS影像感測器，表面照射型及內面照射型CCD影像感測器、CMOS影像感測器及CCD影像感測器以外之固體攝像元件亦可適用。

〔產業上之可利用性〕

本發明之固體攝像元件係可善加運用於例如搭載於包含攝像功能之各種電子機器之CMOS影像感測器或CCD影像感測器等。

H1‧‧‧下側高熔點材料層

H2‧‧‧中間高熔點材料層

H3‧‧‧上側高熔點材料層

R1‧‧‧下側遮光性材料層

R2‧‧‧上側遮光性材料層

S‧‧‧遮光部

Claims (7)

1. 一種固體攝像元件，其包含：基板，其係於內部形成有將自上表面射入之光進行光電轉換之光電轉換部；遮光部，其係設置於上述基板之上述上表面之上方；且上述遮光部係包含積層構造，該積層構成包含：下側遮光性材料層，其係具有遮光性材料之遮光性材料層；中間高熔點材料層，其係具有高熔點材料之高熔點材料層，且形成於上述下側遮光性材料層之上表面；上側遮光性材料層，其係上述遮光性材料層，且形成於上述中間高熔點材料層之上表面。
2. 如請求項1之固體攝像元件，其中上述高熔點材料層係具有熔點為1000℃以上之上述高熔點材料。
3. 如請求項2之固體攝像元件，其中上述高熔點材料層包含氮化鈦、鈦、鈦鎢合金、氮化鎢及鎢中至少任一者。
4. 如請求項1之固體攝像元件，其中上述高熔點材料層之膜厚為5 nm以上且100 nm以下。
5. 如請求項1之固體攝像元件，其中上述遮光性材料層包含鋁。
6. 如請求項5之固體攝像元件，其中上述遮光性材料層之膜厚為50 nm以上。
7. 如請求項1至6中任一項之固體攝像元件，其中上述遮光部進而包含：下側高熔點材料層，其係上述高熔點材料層之一，且形成於上述下側遮光性材料層之下表面；上側高熔點材料層，其係上述高熔點材料層之一，且形成於上述上側遮光性材料層之上表面。