JP6200188B2 - 固体撮像装置、その製造方法及びカメラ - Google Patents

固体撮像装置、その製造方法及びカメラ Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。
デジタルカメラ等に代表される撮像システムには、裏面照射型の固体撮像装置が用いられうる。裏面照射型の固体撮像装置は、例えば、絶縁層と配線層とを含む構造が光の入射側とは反対側に設けられるため、各光電変換部における光感度が向上するという点で表面照射型に比べて有利である。
特許文献1には、裏面照射型の固体撮像装置において、電極(パッド)を設けるために基板の裏面側に形成された開口と、当該開口の側面を覆う保護膜とを含む構造が開示されている。特許文献1によると、開口の側面を保護膜で覆うことによって当該開口からの吸湿を防止することができる。
特開2005−209677号公報
ところで、固体撮像装置の裏面側に開口を形成するためにエッチングを行う際にはレジストパターンが設けられうるが、当該レジストパターンを除去する際にマイクロレンズが損傷するおそれがある。また、エッチングを行った後においても、マイクロレンズアレイが外的環境によって損傷するおそれがある。
本発明は、発明者による上記課題の認識を契機として為されたものであり、裏面照射型の固体撮像装置の信頼性の向上に有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、前記第2面の側から前記第1面の側に向かって順に、絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第1部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第2部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第3部分と、を具備し、前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第1面の側に第1開口が設けられており、前記固体撮像装置は、前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第1開口の側面を覆わないように設けられた第1の膜と、前記撮像領域において前記第1の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第1開口の前記側面を覆う第2の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるようにパターニングされた第2開口が前記第1開口内に設けられた第2の膜と、を備え、前記第2の膜は、前記第1開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、前記第2の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有することを特徴とする。
本発明によれば、裏面照射型の固体撮像装置の信頼性の向上に有利である。
固体撮像装置の回路構成例を説明する図。 固体撮像装置の全体構成例を説明する図。 本発明の固体撮像装置の構造の一例を説明する断面図。 本発明の固体撮像装置の製造方法の例を説明する図。
(固体撮像装置の回路構成例)
図1を参照しながら、本発明にかかる固体撮像装置Iの回路構成例を述べる。固体撮像装置Iは、複数の画素Pと、各画素Pから画素信号を読み出すための周辺回路部302とを含みうる。複数の画素Pは撮像領域R1に配置されうる。ここでは説明の容易化のため3行×3列で配列された画素P(P11〜P33)が例示されている。周辺回路部302は、垂直走査回路VSR、水平走査回路HSRおよび読出回路RCを含みうる。
各画素Pは、公知の回路構成を採りうる。例えば画素P11は、光電変換部PD(例えば、フォトダイオード)、転送トランジスタT1、フローティングディフュージョン容量FD、ソースフォロワトランジスタT2、リセットトランジスタT3を含みうる。転送トランジスタT1のゲート端子には、制御信号TXが与えられる。制御信号TXが活性化されると、光電変換部PDにおいて受光によって発生し蓄積された電荷が、転送トランジスタT1によって、フローティングディフュージョン容量FDに転送される。ソースフォロワトランジスタT2に流れる電流量は、フローティングディフュージョン容量FDに転送された電荷量の変動に応じて変化し、当該電流量に応じた画素信号が列信号線RL1に出力されうる。リセットトランジスタT3のゲート端子には、制御信号RESが与えられる。制御信号RESが活性化されると、リセットトランジスタT3はフローティングディフュージョン容量FDの電位をリセットしうる。その他の画素P(P12〜P33)についても同様である。
垂直走査回路VSRは、各画素Pに電源電圧V1を供給し、また、前述の各制御信号TXおよびRESを各画素Pに出力しうる。垂直走査回路VSRからの制御信号に応答して各画素Pから行ごとに出力された各画素信号は、水平走査岐路HSRからの制御信号H(H1〜H3)に応答して読出回路RCによって列ごとに出力され、読み出されうる。
(固体撮像装置の全体構成例)
図2を参照しながら、固体撮像装置Iの全体構成例を述べる。図2は、固体撮像装置Iの平面レイアウトを模式的に示しており、固体撮像装置Iは、複数の画素Pが配列された撮像領域R1と、電極115が配置される電極領域R2とを含みうる。固体撮像装置Iは、電極領域R2の各電極115を介して、例えば、外部から電源電圧が供給され、又は外部との間で信号の入出力を行う。なお、前述の周辺回路部302は、撮像領域R1および電極領域R2以外の領域に配されうる。
(固体撮像装置の断面構造例)
図3は、図2に示されたカットラインX−X’における固体撮像装置Iの断面構造を模式的に示している。固体撮像装置Iは、裏面照射型の構成を採り、光が入射する側のA面(第1面)と、A面とは反対側のB面(第2面)とを有する。固体撮像装置Iは、B面からA面に向かって順に、基材103と、絶縁性の部材OXおよび複数の配線パターン20を含む部分102と、半導体で構成された部分101、透光性の部材で構成された部分105とを具備する。基材103は、部分102に貼り合わせられた基板であり、部分102を支持する。基材103には、例えばシリコンが用いられうる。
部分102(第1部分)は、例えば、絶縁層と配線層とが交互に設けられた積層構造で構成されうる。各配線層に設けられた配線パターン20は、その上又はその下の配線層における配線パターンと、ビアViaを介して電気的に接続されうる。絶縁性の部材OXとしては、例えば酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁体が用いられうる。配線パターンとしては、例えばAlやCu等の金属が用いられうる。複数の配線パターン20のうち電極115に接続されるべきものは、撮像領域R1から電極領域R2にわたって形成されており、ここでは配線パターン120と示す。
部分101(第2部分)は、撮像領域R1において各画素Pに対応して設けられた光電変換部PDを含む。部分102における複数の配線層のうち部分101に最も近い配線層に設けられた配線パターン20は、コンタクトCtを介して、部分101の半導体の例えば不純物拡散領域(不図示)に接続されうる。部分101を構成する半導体としては、例えばシリコンが用いられうる。
部分105(第3部分)は、撮像領域R1において各画素Pに対応して設けられたマイクロレンズ106を含む。また、部分105は、各画素Pに対応して設けられたカラーフィルタCFを含みうる。カラーフィルタCFは、例えばベイヤ配列にしたがって設けられうる。
ここで、電極領域R2には、配線パターン120が露出するようにA面の側に開口108が設けられている。固体撮像装置Iは、撮像領域R1において各マイクロレンズ106を覆うように設けられた第1の膜107を備える。第1の膜107には無機材料が用いられ、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等が用いられうる。
また、固体撮像装置Iは、撮像領域R1において第1の膜107を覆いつつ電極領域R2において開口108の側面を覆って配線パターン120の少なくとも一部114を露出させる第2の膜117を備える。第2の膜117には絶縁性の無機材料が用いられ、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等が用いられうる。
第1の膜107と第2の117とは、各マイクロレンズ106を覆うように積層されており、これらは各マイクロレンズ106の保護層として機能しうる。また、第1の膜107と第2の117とは、これらが反射防止膜として機能するように設けられうる。反射防止膜の反射防止特性は、第1の膜107と第2の膜117とに、互いに屈折率が異なる部材を用いることによって、同一の部材を用いた場合よりも向上しうる。例えば、第1の膜107には、第2の膜117よりも屈折率が大きい部材が用いられ、例えば、第1の膜107には窒化シリコン(屈折率1.7〜2.0)が用いられ、第2の膜117には酸化シリコン(屈折率1.4〜1.5)が用いられうる。
さらに、固体撮像装置Iは、電極領域R2において開口108に設けられた電極115を備え、電極115は、第2の膜117の開口によって露出された配線パターン120の一部114に接触している。電極115は、例えばボンディングやバンプやめっきによって形成され、例えば金、銀、銅、アルミニウム等の金属を用いて形成されうる。
固体撮像装置Iによると、第1の膜107と第2の117とは各マイクロレンズ106を覆うように積層されており、これらは保護層および反射防止膜として機能しうる。また、第2の膜117が開口108の側面を覆うことによって電極115が部分101の半導体から電気的に絶縁されており、即ち、第2の膜117が電極115−半導体(部分101)間のショートを防止している。よって、本発明によると固体撮像装置Iの信頼性が向上しうる。
本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為されうる。例えば、配線パターン120は、以上においては、部分102における複数の配線層のうち基板103に最も近い配線層に配された構成を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
(固体撮像装置の製造方法の例)
固体撮像装置Iは、公知の半導体製造プロセスを用いて製造されうる。図4を参照しながら、固体撮像装置Iの製造方法の例を述べる。
まず、図4(a)に例示されるように、例えばシリコンで構成された半導体基板に光電変換部PDを形成し、部分101が得られる。ここでは図示しないが、当該半導体基板には光電変換部PDの他、各素子(MOSトランジスタ)や素子分離(STI等)が設けられうる。次に、部分101の上に、絶縁性の部材OXと、絶縁性の部材OXの中に複数の配線パターン20と、を含む部分102が形成される。部分102は、例えば絶縁層と配線層とを交互に設けることによって形成されうる。ここでは、3つの配線層を含む構造が示されている。配線層の配線パターンには例えば銅が用いられ、また、配線の形成にはダマシン法が用いられうる。ここで、複数の配線パターン20のうち、後に電極115に接続されるべきもの(ここでは配線パターン120)は、例えばアルミニウムで形成されており、撮像領域R1から電極領域R2にわたって形成される。
次に、図4(b)に例示されるように、部分102の上に、例えばシリコンで構成された基材103が設けられる。部分102の上面(B面側)はCMP等によって平坦化され、また、基材103の下面(A面側)も平坦化されており、部分102と基材103とは貼り合わせによって互いに接合されうる。貼り合わせには接着剤が用いられてもよいし、用いられなくてもよい。貼り合せは、真空中または不活性ガスの雰囲気中において為されるとよい。また、貼り合せの前に、部分102の上面および基材103の下面に対してプラズマ照射が為されるとよく、部分102と基材103との接合が強固になりうる。なお、プラズマ照射に代わって、薬液処理が為されてもよい。また、貼り合せに接着剤を用いる場合は、部分102の上面および基材103の下面は、接着剤を用いない場合に比べて平坦化されていなくてもよい。接着剤として例えばベンゾシクロブテン等が用いられ、250℃程度の温度条件下で貼り合せるとよい。なお、基材103として、シリコンに代わって、ガラス基板を用いてもよい。
次に、図4(c)に例示されるように、部分101の下面(A面側)を研削やCMP等によって研磨し、部分101が薄膜化される。これにより、後に設けられる部分105のマイクロレンズ106からの入射光が効率的に光電変換部PDに入射しうる。また、部分101の厚さは、基材103の厚さより小さい。なお、薄膜化された部分101の厚さ、および部分102(絶縁層および配線層の積層構造)の厚さは、例えば、それぞれ数μm程度である。
次に、図4(d)に例示されるように、部分101の下面に、撮像領域R1において各画素Pに対応して設けられたマイクロレンズ106およびカラーフィルタCFを含む部分105が形成される。部分105は、B面の側からA面の側に向かって、例えば平坦化層(不図示)と、カラーフィルタCFと、第2の平坦化層(不図示)と、マイクロレンズ106と、を順に形成することによって得られうる。
次に、図4(e)に例示されるように、撮像領域R1において各マイクロレンズ106を覆うように第1の膜107が形成される。第1の膜107には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の無機材料が用いられうる。その後、電極領域R2において、部分105のA面側から開口108が形成される。開口108は、配線パターン120が露出するように、部分105と部分101と部分102の一部とが、例えばドライエッチング法によるエッチングによって除去されて形成されうる。当該エッチングを行うに際して、エッチングを行う領域以外の領域にはレジストパターン(不図示)が設けられうる。
ここで、第1の膜107がマイクロレンズ106を覆うように形成されており、第1の膜107が保護膜として機能し、エッチング後にレジストパターンを除去する時のマイクロレンズ106への損傷を回避することができる。特に、配線パターン120が露出するように、エッチングによって深い開口108を形成するため、当該エッチングによるとレジストパターンへのダメージが大きくなる。よって、レジストパターンのアッシングを行ったり、レジストパターンを剥離する能力の高い剥離液を用いたりする必要があり、レジストパターンの除去が通常の場合と比べて容易ではない。一方、本製造方法によると、第1の膜107が保護膜として機能し、レジストパターンの除去によるマイクロレンズ106への損傷を回避することができる。
なお、配線パターン120は、例えば一辺が50〜100μm程度の矩形形状で形成されうる。開口108は、配線パターン120よりも小さいサイズで形成されうる。開口108は、例えば配線パターン120の一辺が100μmの場合には、その一辺が90μm程度のサイズで形成されうる。図2では、配線パターン120および開口108を正方形の形状で示したが、この構成に限られるものではない。
次に、図4(f)に例示されるように、第1の膜107を覆いつつ電極領域R2の開口108を覆うように、第2の膜117が形成される。第2の膜117には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン等の絶縁性の無機材料が用いられうる。第2の保護膜117は、開口108の側面のパッシベーション膜として機能しうるため、窒化シリコン又は酸窒化シリコンが用いられてもよい。
次に、図4(g)に例示されるように、配線パターン120の少なくとも一部を露出されるように第2の膜117の一部が除去され、開口部114が形成される。開口部114は、例えばパターニングおよびエッチングによって為されうる。
次に、図4(h)に例示されるように、開口108に電極115が形成される。電極115は、開口部114を介して配線パターン120に接触するように形成される。電極115には、例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属が用いられうる。開口108の側面を覆うように第2の膜117が形成されているため、極115が部分101の半導体から電気的に絶縁され、電極115−半導体(部分101)間のショートが防止される。
以上に示された製造方法によって固体撮像装置Iが得られる。固体撮像装置Iの製造方法は上述の方法に限られるものではなく、公知の半導体製造プロセスを用いた他の方法によっても製造されうる。
(撮像システム)
以上の実施形態は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置Iについて述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末)も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置Iと、固体撮像装置Iから出力される信号を処理する処理部とを含みうる。この処理部は、例えば、A/D変換器、および、このA/D変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (14)

  1. 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、
    前記第2面の側から前記第1面の側に向かって順に、
    絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第1部分と、
    前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第2部分と、
    前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第3部分と、を具備し、
    前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第1面の側に第1開口が設けられており、
    前記固体撮像装置は、
    前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第1開口の側面を覆わないように設けられた第1の膜と、
    前記撮像領域において前記第1の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第1開口の前記側面を覆う第2の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるようにパターニングされた第2開口が前記第1開口内に設けられた第2の膜と、を備え
    前記第2の膜は、前記第1開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、
    前記第2の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置であって、
    前記第2面の側から前記第1面の側に向かって順に、
    絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第1部分と、
    前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第2部分と、
    前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第3部分と、を具備し、
    前記電極領域において、前記配線パターンが露出するように前記絶縁性の部材のうち前記第1面の側に第1開口が設けられており、
    前記固体撮像装置は、
    前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように、かつ、前記第1開口の側面を覆わないように設けられた第1の膜と、
    前記撮像領域において前記第1の膜を覆いつつ、前記電極領域において前記第1開口の前記側面を覆う第2の膜であって前記配線パターンの少なくとも一部を露出させるように第2開口が前記第1開口内に設けられた第2の膜と、を備えており、
    前記配線パターンが設けられた配線層と前記第2部分との間に、前記配線パターンが設けられた配線層以外の配線層が複数層設けられており、
    前記第2の膜は、前記第1開口の側面を覆う部分から前記配線パターンに沿って延びた部分を含み、
    前記第2の膜の上面は、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状を有する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記配線パターンが設けられた配線層は、前記第2部分から最も離れた位置にある配線層であることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記電極領域において、前記配線パターンの前記少なくとも一部に接触するように前記第1開口に設けられた電極をさらに備えている
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第1の膜と、前記第2の膜のうち前記第1の膜を覆う部分とは、前記複数のマイクロレンズを覆う反射防止膜を形成している、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第1の膜は、前記第2の膜よりも屈折率が大きい、
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記第1の膜は窒化シリコンで構成されており、前記第2の膜は酸化シリコンで構成されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記第1の膜および前記第2の膜は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンのうちの少なくとも1つによって構成されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記第2面と前記第1部分との間に設けられた基材をさらに具備し、
    前記基材は、前記第2部分よりも厚さが大きい、
    ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第1の膜と、前記第2の膜のうち前記第1の膜を覆う部分とは、前記複数のマイクロレンズを覆う反射防止膜を形成しており、
    前記第2の膜の他の部分は、前記第1開口の前記側面を覆っており、前記第1開口の前記側面のためのパッシベーション膜として機能する
    ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  11. 前記第2の膜は、前記第1開口において、前記第2部分における半導体領域であって前記複数の光電変換部が配された半導体領域に接触している
    ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  12. 前記第1の膜は、前記第1開口の前記側面と同一面上に側面を有する
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  13. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
  14. 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有し、複数の画素が配列された撮像領域と、電極領域とを含む固体撮像装置の製造方法であって、
    前記固体撮像装置は、前記第2面の側から前記第1面の側に向かって順に、絶縁性の部材および前記絶縁性の部材の中に設けられた配線パターンを含む第1部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数の光電変換部を含む第2部分と、前記撮像領域において前記複数の画素に対応して設けられた複数のマイクロレンズを含む第3部分と、を具備し、
    前記固体撮像装置の製造方法は、
    前記撮像領域において前記複数のマイクロレンズを覆うように第1の膜を形成する工程と、
    前記第1の膜の一部を除去して、前記電極領域において前記配線パターンが露出するように前記第1面の側に開口を形成する工程と、
    前記撮像領域において残存している前記第1の膜の他の部分を覆いつつ、前記電極領域において前記開口の側面及び前記配線パターンを覆い、前記複数のマイクロレンズの上面に対応した形状の上面を有する第2の膜を形成する工程と、
    前記第2の膜のうち前記配線パターンに接触している部分をエッチングによって除去することによって、前記配線パターンの少なくとも一部が露出するように前記第2の膜をパターニングする工程と、を含む、
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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