JP2010041034A - 固体撮像装置とその製造方法および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板11に光電変換部21を備えた画素部12とその周辺に形成された周辺回路部13を有し、半導体基板11上に絶縁膜31を介して形成された配線部41と、配線部41の配線44に接続する金属パッド49と、金属パッド49を被覆するパッド被覆絶縁膜51と、光電変換部21上方の少なくとも配線部41とパッド被覆絶縁膜51に形成された導波路開口部53と、導波路開口部53内面およびパッド被覆絶縁膜51上にパッシベーション膜55を介して形成された導波路材料層57を有し、パッド被覆絶縁膜51の膜厚が50nm以上250nm以下に形成され、パッド被覆絶縁膜51の導波路開口部53の面Sが開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている。
【選択図】図1
Description
さらに、上記光電変換部112上の上記配線部131および上記パッド被覆絶縁膜141には、光導波路151が形成されている。この光導波路151は、上記配線部131の層間絶縁膜の部分に開口された導波路開口部133の内部にパッシベーション膜143を介して導波路材料層153が埋め込まれて形成されている。
さらに、上記光導波路151上には平坦化膜161を介して、カラーフィルター171、集光レンズ181が形成されている(例えば、特許文献1参照。)。
上記パッド被覆絶縁膜141は、パッド被覆絶縁膜141で金属パッド137を被覆することで、上記導波路開口部133をエッチングにより開口する時に上記金属パッド137がエッチングされるのを防いでいる。
また、上記導波路開口部133をエッチングにより開口する時に、エッチングマスクとして用いるレジストが金属パッド137に直接接触するのを防いでいる。もし、上記レジストが直接金属パッド137に接触すると、レジストを再生した時に、金属パッド137が変質することがある。特に金属パッド137がアルミニウム膜もしくはアルミニウム合金膜の場合、変質する可能性が大きい。
したがって、上記パッド被覆絶縁膜141は形成する必要がある。
また、導波路開口部133内の導波路材料層153の埋め込み性が悪化し、導波路材料層153内部にボイド(図示せず)が発生する可能性があった。
光導波路151にボイドが発生すると、ボイドで入射光が散乱されて光電変換部112に到達する入射光量が低下し、受光感度が低下するという問題が生じる。
また、上記パッド被覆絶縁膜の膜厚を50nm以上250nm以下に形成したことから、従来のパッド被覆絶縁膜よりも薄く形成できる。これによって、入射光の光電変換部に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
もしくは、膜厚を薄く形成できた分だけ、従来よりも光導波路を深く形成することができるので、光導波特性が改善され、光電変換部の受光光量が増加されるので、感度が高くなる。
また、最上層の層間絶縁膜は、その上面に金属パッドが形成されていて、金属パッドが形成されている領域下の膜厚よりも、金属パッドが形成されていない領域の膜厚のほうが薄く形成されている。このことから、導波路が形成される領域の層間絶縁膜は従来よりも薄く形成できる。これによって、入射光の光電変換部に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
また、最上層の層間絶縁膜は、その上面に金属パッドが形成されていて、金属パッドが形成されている領域下のみ、最上層の層間絶縁膜が形成されていることから、導波路開口部が形成される領域の層間絶縁膜は従来よりも薄く形成できる。これによって、入射光の光電変換部に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
また、金属パッド下の前記最上層の層間絶縁膜を残して、金属パッドの周囲の最上層の層間絶縁膜の膜厚を薄くする、もしくは完全に除去するエッチングを行う。これによって、入射光の光電変換部に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
[固体撮像装置の構成の第1例]
本発明の第1実施の形態に係る固体撮像装置の第1例を、図1の概略構成断面図によって説明する。
また、周辺回路部13の上記第2素子分離部15は、上記第1素子分離部14より深くすることで分離耐圧を向上させることができる。周辺回路部13は高速動作が重要になることから、深くすることで配線の寄生容量が低減され、素子の高速化が図れる。
このように画素部12と周辺回路部13でSTIの深さを変えることで高性能な固体撮像装置1(1A)を実現することが可能となる。
上記光電変換部21上方の上記層間絶縁膜45、46、47、48と上記パッド被覆絶縁膜51には、導波路開口部53が形成されている。
上記導波路開口部53内面および上記パッド被覆絶縁膜51上には、パッシベーション膜55を介して形成された導波路材料層57が形成されている。
上記パッド被覆絶縁膜51は、50nm以上250nm以下の膜厚に形成されていて、上記パッド被覆絶縁膜51の上記導波路開口部53の面Sが開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている。
このように、導波路開口部53内にパッシベーション膜55を介して導波路材料層57が埋め込まれてなる光導波路59が形成されている。
上記説明したように、上記導波路開口部53の上部の上記パッド被覆絶縁膜51は、上記導波路開口部53の面Sが開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている。
上記傾斜面は、導波路材料の埋め込み性改善などのために必要なものであり、傾斜面をエッチングにて形成する際、上記パッド被覆絶縁膜51の膜厚が50nmよりも少ない場合には傾斜面に加工することが困難になる。
また、上記パッド被覆絶縁膜51の膜厚が50nmあれば、上記導波路開口部53をエッチングにより開口する時の上記金属パッド49のエッチング保護膜として十分である。さらに、レジストを再生した時の金属パッド49の保護膜としての機能を果たすにも十分な膜厚である。特に、成膜の特性上、パッド被覆絶縁膜51は、金属パッド49の側面への成膜が他の領域よりも薄くなる傾向にあるが、上記膜厚が確保されていれば、問題はない。
したがって、上記パッド被覆絶縁膜51の膜厚を50nm以上とした。
このため、パッシベーション膜55と金属パッド49の間を、パッシベーション膜55より埋め込み性の良い上記パッド被覆絶縁膜51で被覆することで、金属パッド49側部のアスペクト比を小さくする。これによって、ボイドの発生を抑制して信頼性懸念を低減させることが可能になる。
そこで、上記パッド被覆絶縁膜51の膜厚は、光電変換部21の感度向上、シェーディングの抑制効果が見込める値として、250nmを上限値とした。
よって、導波路材料層57は、ボイド等を発生がない良好な埋め込み状態で形成されている。
このため、光電変換部21の受光光量が増加されるので、この点からも感度の向上が得られる。
これによって、入射光が光電変換部21に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
これにより、露光マージンが向上する。
したがって、金属パッド49の信頼性が保てる。
そしてこの段差はその上部の配線部41にも影響することになる。
上記段差の影響は、導波路開口部53を開口することが困難な方向に導く。一般に、段差が生じている部分でのリソグラフィおよびエッチングは、段差の高さが高くなるほど困難な方向になる。すなわち、微細な開口が困難になる。
すなわち、上記絶縁膜31表面の平坦性が向上する。
このように、絶縁膜31表面に平坦性を向上させた固体撮像装置1に、上記パッド被覆絶縁膜51を適用することで、導波路開口部53のアスペクト比をさらに小さくできるので、感度の向上をさらに高めることができる。
また、第1素子分離部14の突き出し量が上記値より大きい場合であっても、パッド被覆絶縁膜51の膜厚を薄くすることにより、導波路開口部53の加工容易性が向上される。すなわち、導波路開口部53への埋め込みマージンが高められる。
本発明の第1実施の形態に係る固体撮像装置の構成の第2例を、図4の概略構成断面図によって説明する。
また、周辺回路部13の上記第2素子分離部15は、上記第1素子分離部14より深くすることで分離耐圧を向上させることができる。周辺回路部13は高速動作が重要になることから、深くすることで配線の寄生容量が低減され、素子の高速化が図れる。
このように画素部12と周辺回路部13でSTIの深さを変えることで高性能な固体撮像装置1(1B)を実現することが可能となる。
上記金属パッド49の厚さは、ボンディング耐性を考慮すると厚いほうが好ましく、一方、後に説明するカラーフィルター71を形成する際に塗布むらを発生させないようにするには薄いほうが好ましい。そこで、ボンディング耐性を得るために600nm以上とし、塗布ムラの原因になる段差を低減するために650nm以下とした。
例えば、上記金属パッド49が形成されている領域下の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚d1は、例えば550nm〜600nmの厚さを有する。上記金属パッド49が形成されていない領域の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚d2は、350nm以下となっている。もしくは、図示はしていないが、上記金属パッド49が形成されていない領域の上記最上層の層間絶縁膜48は形成されていなくともよい。
例えば、針当て、測定を繰り返す耐久試験を行った。
その結果、上記金属パッド49が形成されている領域下の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚d1が350nmでは、450nm、550nmの場合と比較して、耐久性が半減した。一方、膜厚d1が450nm、550nmの場合では、同等の耐久性が得られた。
また、膜厚d1が450nm、550nmの最上層の層間絶縁膜48の構造解析を行った結果、層間絶縁膜48にクラックの発生は確認できなかった。しかしながら、膜厚d1が450nmの最上層の層間絶縁膜48では、電流リークが発生していることが認められた。
上記結果より、金属パッド49下の最上層の層間絶縁膜48の膜厚d1は、550nm以上あればよいことがわかった。また、膜厚d1を厚くしすぎると、金属パッド49を被覆する膜のカバレッジが悪化することが懸念されるので、膜厚d1の上限は600nmとした。この値は、上記金属パッド49の膜厚によって適宜変更される。すなわち、後に説明するパッド被覆絶縁膜51、パッシベーション膜55によって、上記金属パッド49が被覆できるように、上記金属パッド49の膜厚および最上層の層間絶縁膜48の膜厚d1の上限は決定される。
上記光電変換部21上方の上記層間絶縁膜45、46、47、48と上記パッド被覆絶縁膜51には、導波路開口部53が形成されている。
上記導波路開口部53内面および上記パッド被覆絶縁膜51上には、パッシベーション膜55を介して形成された導波路材料層57が形成されている。
上記パッド被覆絶縁膜51は、50nm以上250nm以下の膜厚に形成されていて、上記パッド被覆絶縁膜51の上記導波路開口部53の面Sが開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている。
このように、導波路開口部53内にパッシベーション膜55を介して導波路材料層57が埋め込まれてなる光導波路59が形成されている。
よって、導波路材料層57は、ボイド等を発生がない良好な埋め込み状態で形成されている。
このため、光電変換部21の受光光量が増加されるので、この点からも感度の向上が得られる。
さらに、上記金属パッド49が形成されている領域下の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚よりも、上記金属パッド49が形成されていない領域の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚のほうが薄く形成されていることから、従来の層間絶縁膜よりも薄くできる。
または、最上層の層間絶縁膜48は、金属パッド49が形成されている領域下のみ形成されていることから、導波路開口部53が形成される領域の層間絶縁膜45〜48は従来よりも薄く形成できる。これによって、入射光の光電変換部21に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
これらによって、入射光が光電変換部21に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
よって、光導波特性が改善され、光電変換部21の受光光量が増加されるので、感度が向上される。
しかも、金属パッド49の下部の最上層の層間絶縁膜48は、550nm以上の膜厚d1を有しているので、金属パッド49上にボンディングワイヤ(図示せず)をボンディングしても、十分なボンディング耐性を有する。要するに、電流リークを発生させない。
これにより、露光マージンが向上する。
したがって、金属パッド49の信頼性が保てる。
すなわち、上記絶縁膜31表面の平坦性が向上する。
このように、絶縁膜31表面に平坦性を向上させた固体撮像装置1(1B)に、上記パッド被覆絶縁膜51や上記最上層の層間絶縁膜48を適用することで、導波路開口部53のアスペクト比をさらに小さくできるので、感度の向上をさらに高めることができる。
また、第1素子分離部14の突き出し量が上記値より大きい場合であっても、パッド被覆絶縁膜51の膜厚を薄くすることにより、導波路開口部53の加工容易性が向上される。すなわち、導波路開口部53への埋め込みマージンが高められる。
[固体撮像装置の製造方法の一例]
本発明の第2実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を、図5および図6の製造工程断面図によって説明する。
また、上記周辺回路部13の半導体基板11には、STI構造の第2素子分離部15を形成する。
また、周辺回路部13の上記第2素子分離部15は、上記第1素子分離部14より深くすることで分離耐圧を向上させることができる。周辺回路部13は高速動作が重要になることから、深くすることで配線の寄生容量が低減され、素子の高速化が図れる。
このように画素部12と周辺回路部13でSTIの深さを変えて形成することで高性能な固体撮像装置を実現することが可能となる。
例えば、上記層間絶縁膜45〜48は、例えば酸化シリコン膜で形成され、上記最上層の層間絶縁膜48は、例えば550nm以上600nm以下の膜厚に形成される。ここで、上記最上層の層間絶縁膜48を上記膜厚に形成したのは、前記説明したように、後に形成される金属パッドに測定のための針を当てたときに、層間絶縁膜48が十分な耐性を有するようにするためである。
上記金属パッド49を形成する工程は、まず、上記最上層の層間絶縁膜48に、配線44に通じる接続孔48Hを形成する。
次いで、上記最上層の層間絶縁膜48上に、上記接続孔48Hを通じて上記配線44に接続する導電層91を形成する。この導電層91は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等で形成され、その膜厚を、例えば600nm以上650nm以下とする。
なお、上記導電層91を形成する前に、密着層、バリアメタル層等を形成してもよい。例えばチタン膜、窒化チタン膜、タンタル膜、窒化タンタル膜等が挙げられる。
さらに、導電層91上にハードマスク層92を形成する。このハードマスク層92は、例えば無機絶縁膜で形成される。この無機絶縁膜には、例えば酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜を用いる。この膜厚は、例えば酸化シリコン膜の場合、エッチングマスクとして機能する膜厚として、100nm〜550nmの厚さに形成される。
次に、上記ハードマスク層92上にレジストで金属パッドを形成するためのレジストマスク(図示せず)を形成した後、エッチング(例えばドライエッチング)によって、上記ハードマスク層を加工してハードマスク93を形成する。その後、上記レジストマスクを除去する。
さらに、上記ハードマスク93をエッチングマスクに用いて、上記最上層の層間絶縁膜48をエッチングする。このとき、金属パッド49下の最上層の層間絶縁膜48はエッチングされずに残され、金属パッド49が形成されていない領域の最上層の層間絶縁膜48がエッチングされる。そして、エッチング領域の層間絶縁膜48の膜厚が350nm以下になるまでエッチングを行う。
上記導電層91のドライエッチングでは、層間絶縁膜48はエッチングされない。たとえ、オーバエッチングを過剰に行ったとしても、上記製造方法のように、最上層の層間絶縁膜48に200nm以上の段差は形成されない。本願発明の製造方法では、意図的に最上層の層間絶縁膜48をエッチングしていることが特徴となっている。
例えば、上記金属パッド49が形成されている領域下の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚は、550nm〜600nmの厚さを有し、上記金属パッド49が形成されていない領域の上記最上層の層間絶縁膜48の膜厚は、350nm以下となる。
なお、上記プラグ49Pと上記金属パッド49は別々のプロセスで形成することも可能である。すなわち、先にプラグ49Pを形成し、その後上記金属パッド49を形成してもよい。
図5では、最上層の層間絶縁膜48をエッチングした後の状態を示した。
ここで、パッド被覆絶縁膜51の膜厚を50nm以上250nm以下に形成する理由は、前記固体撮像装置の第1例で説明した通りである。
また、パッド被覆絶縁膜51と層間絶縁膜48とが同質の膜の場合には、パッド被覆絶縁膜51に導波路開口部53を形成した後にパッド被覆絶縁膜51を等方性エッチングして、導波路開口部53の面Sを開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成する。その後、層間絶縁膜48〜45に導波路開口部53を形成する。
その後、上記レジストマスクを除去する。
このように、導波路開口部53内にパッシベーション膜55を介して導波路材料層57が埋め込まれてなる光導波路59が形成される。
このようにして、固体撮像装置1(1B)が完成する。
このため、その後に導波路開口部53が埋め込まれる導波路材料層57を形成しても、ボイド等の発生がない良好な埋め込み状態で、導波路材料層57が形成される。
また、パッド被覆絶縁膜51の導波路開口部53の面Sが開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されることから、従来ケラレが生じていた斜め入射光の一部が光電変換部21に入射するようになる。このため、シェーディングが抑制されるとともに、光電変換部21の受光光量が増加されるので、この点からも感度の向上が得られる。
また、金属パッド49下の上記最上層の層間絶縁膜48を残して、金属パッド49の周囲の最上層の層間絶縁膜48の膜厚を薄くする、もしくは完全に除去するエッチングを行う。これによって、入射光が光電変換部21に到達するまでの光路を短くすることができるので、感度を向上させることができる。
[撮像装置の一例]
次に、本発明の第3実施の形態に係る撮像装置の一例を、図7のブロック図によって説明する。この撮像装置は、本発明の固体撮像装置を用いたものである。
ここでいう撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことをいう。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
Claims (8)
- 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線部と、
前記配線部の配線に接続する金属パッドと、
前記金属パッドを被覆するパッド被覆絶縁膜と、
前記光電変換部上方の少なくとも前記配線部と前記パッド被覆絶縁膜に形成された導波路開口部と、
前記導波路開口部内面および前記パッド被覆絶縁膜上に形成されたパッシベーション膜を介して形成された導波路材料層を有し、
前記パッド被覆絶縁膜の膜厚が50nm以上250nm以下に形成され、
前記パッド被覆絶縁膜の前記導波路開口部の面が開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている
固体撮像装置。 - 前記画素部は、
前記光電変換部と、
前記光電変換部から読み出した信号電荷を電圧に変換する画素内トランジスタ部と、
前記光電変換部と前記画素内トランジスタ部を分離するSTI構造の第1素子分離部を有し、
前記周辺回路部は、前記半導体基板に形成されたSTI構造の第2素子分離部を有し、
前記第1素子分離部は、前記半導体基板内に埋め込まれた部分が前記第2素子分離部の前記半導体基板内に埋め込まれた部分より浅い
請求項1記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線部と、
前記配線部の配線に接続する金属パッドと、
前記金属パッドを被覆するパッド被覆絶縁膜と、
前記光電変換部上方の少なくとも前記配線部と前記パッド被覆絶縁膜に形成された導波路開口部と、
前記導波路開口部内面および前記パッド被覆絶縁膜上に形成されたパッシベーション膜を介して形成された導波路材料層を有し、
前記配線部は複数層の層間絶縁膜中に複数層の配線が形成されてなり、
前記複数層の層間絶縁膜のうちの最上層の層間絶縁膜は、その上面に前記金属パッドが形成されていて、前記金属パッドが形成されている領域下の前記最上層の層間絶縁膜の膜厚よりも、前記金属パッドが形成されていない領域の前記最上層の層間絶縁膜の膜厚のほうが薄く形成されていて、
前記パッド被覆絶縁膜の前記導波路開口部の面が開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている
固体撮像装置。 - 前記配線部は複数層の層間絶縁膜中に複数層の配線が形成されてなり、
前記複数層の層間絶縁膜のうちの最上層の層間絶縁膜は、その上面に前記金属パッドが形成されていて、前記金属パッドが形成されている領域下の前記最上層の層間絶縁膜の膜厚よりも、前記金属パッドが形成されていない領域の前記最上層の層間絶縁膜の膜厚のほうが薄く形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線部と、
前記配線部の配線に接続する金属パッドと、
前記金属パッドを被覆するパッド被覆絶縁膜と、
前記光電変換部上方の少なくとも前記配線部と前記パッド被覆絶縁膜に形成された導波路開口部と、
前記導波路開口部内面および前記パッド被覆絶縁膜上に形成されたパッシベーション膜を介して形成された導波路材料層を有し、
前記配線部は複数層の層間絶縁膜中に複数層の配線が形成されてなり、
前記複数層の層間絶縁膜のうちの最上層の層間絶縁膜は、その上面に前記金属パッドが形成されていて、前記金属パッドが形成されている領域下のみ、最上層の層間絶縁膜が形成されていて、
前記パッド被覆絶縁膜の前記導波路開口部の面が開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている
固体撮像装置。 - 前記配線部は複数層の層間絶縁膜中に複数層の配線が形成されてなり、
前記複数層の層間絶縁膜のうちの最上層の層間絶縁膜は、その上面に前記金属パッドが形成されていて、前記金属パッドが形成されている領域下のみ、最上層の層間絶縁膜が形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を形成し、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して複数層の層間絶縁膜中に複数層の配線が形成されてなる配線部を形成した後、
前記配線部の最上層の層間絶縁膜上に前記配線部の配線に接続する金属パッドを形成する工程と、
前記配線部の層間絶縁膜上に前記金属パッドを被覆するパッド被覆絶縁膜を形成する工程と、
前記光電変換部上方の前記配線部の層間絶縁膜と前記パッド被覆絶縁膜に導波路開口部を形成する工程を有し、
前記金属パッドを形成する工程は、
前記最上層の層間絶縁膜にそれよりも下層の配線に接続する接続孔を形成した後、前記接続孔を埋め込むとともに前記最上層の層間絶縁膜上に金属層を主体とする導電層を形成する工程と、
前記導電層をパターニングして、前記接続孔内にプラグを形成するとともに、このプラグに接続する金属パッドを形成する工程と、
前記金属パッド下の前記最上層の層間絶縁膜を残して、前記金属パッドの周囲の前記最上層の層間絶縁膜の膜厚を薄くする、もしくは完全に除去するエッチングを行う工程を有し、
前記導波路開口部を形成する際に、前記パッド被覆絶縁膜の前記導波路開口部の面を開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成する
固体撮像装置の製造方法。 - 入射光を集光する集光光学部と、
前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置を有する撮像部と、
前記撮像部で光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板に、入射光を光電変換して電気信号を得る光電変換部を備えた画素部と前記画素部の周辺に形成された周辺回路部を有し、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線部と、
前記配線部の配線に接続する金属パッドと、
前記金属パッドを被覆するパッド被覆絶縁膜と、
前記光電変換部上方の前記層間絶縁膜と前記配線層の絶縁層部分と前記パッド被覆絶縁膜に形成された導波路開口部と、
前記導波路開口部内面および前記パッド被覆絶縁膜上に形成されたパッシベーション膜を介して形成された導波路材料層を有し、
前記パッド被覆絶縁膜の膜厚が50nm以上250nm以下に形成され、
前記パッド被覆絶縁膜の前記導波路開口部の面が開口部側に向かって広くなる傾斜面に形成されている
撮像装置。
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