WO2013122015A1 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Images
Classifications
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- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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Definitions
- the present invention relates to a solid-state imaging device typified by a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor or a CCD (Charge Coupled Device) image sensor.
- CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
- CCD Charge Coupled Device
- solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors have been mounted on various electronic devices having imaging functions such as imaging devices such as digital video cameras and digital still cameras, and mobile phones with cameras.
- a photoelectric conversion unit including a photodiode generates a charge by photoelectric conversion, and a potential of the charge is amplified to generate a signal constituting an image.
- a light-shielded pixel that detects dark current with a purpose of preventing light that has entered a pixel from entering adjacent pixels (color mixing) and a structure in which light does not enter a photoelectric conversion unit.
- a light shielding portion for shielding light is formed.
- a wiring made of metal also has a light shielding property, so that the wiring may function as a light shielding portion.
- Such a light shielding portion is formed so as to be embedded in an interlayer insulating film, a passivation film or the like, it is susceptible to external stress. Then, due to the stress received from the outside, a void due to stress migration occurs in the light shielding portion, which causes a problem because the light shielding performance deteriorates.
- Patent Document 1 for example, a silicon oxide film having a mechanical crack inferior to that of the wiring film and having microcracks is provided on the surface of the wiring film made of metal, and externally applied stress is absorbed or alleviated by the silicon oxide film.
- a semiconductor device in which the stress applied to the wiring film is reduced and the generation of voids is suppressed.
- the film thickness of the light-shielding portion is reduced, voids penetrating in the film thickness direction are more likely to occur due to various heat treatment processes performed after the light shielding portion is formed, for example.
- Such a void penetrating the light shielding portion causes a problem because the light shielding performance of the light shielding portion is significantly reduced. Note that even if a silicon oxide film is formed on the surface of the light shielding portion as in the wiring film proposed in Patent Document 1, it is difficult to prevent voids penetrating in the film thickness direction as will be described later.
- an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device provided with a light-shielding part having a good light-shielding property.
- the present invention includes a substrate in which a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light incident from the upper surface is provided, and a light shielding unit provided above the upper surface of the substrate,
- the light-shielding portion is a light-shielding material layer having a light-shielding material, which is a lower light-shielding material layer and a refractory material layer having a refractory material, and is formed on the upper surface of the lower light-shielding material layer.
- a solid-state imaging device having a laminated structure including an intermediate refractory material layer and the light shielding material layer, and an upper light shielding material layer formed on an upper surface of the intermediate refractory material layer To do.
- the intermediate refractory material layer formed between the lower light shielding material layer and the upper light shielding material layer causes the upward and downward directions thereof. Propagation is prevented. Therefore, the void generated in the lower light-shielding material layer does not propagate to the upper light-shielding material layer, and the void generated in the upper light-shielding material layer does not propagate to the lower light-shielding material layer. Therefore, it is possible to prevent the formation of a void penetrating the light shielding material layer.
- the refractory material layer has the refractory material having a melting point of 1000 ° C. or higher.
- the high melting point material layer includes at least one of titanium nitride, titanium, titanium tungsten, tungsten nitride, and tungsten.
- this solid-state image pickup device even if heat treatment (at most 500 ° C.) is performed on the solid-state image pickup device after the formation of the light-shielding portion, it is possible to reduce the change in physical properties due to the heat treatment to be negligible.
- the film thickness of the high melting point material layer is 5 nm or more and 100 nm or less.
- this solid-state imaging device it is possible to easily control the film thickness by setting the film thickness of the high melting point material layer to 5 nm or more, and to reduce the film forming speed for film thickness control. It is possible to prevent a decrease in mass production efficiency due to the above.
- by making the film thickness of the refractory material layer 100 nm or less it is possible to reduce the stress generated in the refractory material layer, and the warpage of the substrate is increased by the stress, so that there is a defect in the substrate. It is possible to prevent the dark current from increasing.
- the light-shielding material layer includes aluminum. Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the thickness of the light-shielding material layer is 50 nm or more.
- this solid-state imaging device it is possible to obtain a good light shielding property even if the light shielding material layer is thin. Specifically, from the viewpoint of improving the sensitivity of the solid-state imaging device and preventing color mixing, it is preferable to shorten the distance from the incidence of light until it reaches the light receiving unit, but if it is a light shielding material layer having aluminum, By setting the film thickness to 50 nm or more, it is possible to obtain good light shielding properties.
- the light shielding portion is one of the high melting point material layers, and the lower high melting point material layer formed on the lower surface of the lower light shielding material layer, and the high melting point It is preferable to further include an upper refractory material layer that is one of the material layers and is formed on the upper surface of the upper light-shielding material layer.
- this solid-state imaging device it is possible to suppress the generation of voids in the lower light-shielding material layer and the upper light-shielding material layer by suppressing the stress received by the lower light-shielding material layer and the upper light-shielding material layer. It becomes possible.
- the solid-state imaging device having the above characteristics, by forming an intermediate high melting point material layer that prevents the propagation of voids inside the light shielding material layer, even if a void occurs, the light shielding material layer penetrates. It becomes possible to prevent development into a void. Therefore, it is possible to improve the light shielding property of the light shielding portion provided in the solid-state imaging device.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a light shielding portion provided in the solid-state imaging device of FIG. The typical sectional view showing a comparative light-shielding part.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a light shielding portion where a void has occurred and a comparative light shielding portion where a void has occurred.
- the typical top view which shows the chip
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
- a so-called surface irradiation type CMOS image sensor is illustrated as the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention.
- the solid-state imaging device 1 includes a substrate 10, a photoelectric conversion unit 11 that is formed in the substrate 10 and photoelectrically converts light incident from the upper surface 101 of the substrate 10, and generates photoelectric charges.
- a charge storage unit 111 that is a part of the conversion unit 11 and stores charges generated by photoelectric conversion; a floating diffusion unit 12 that is formed in the substrate 10 and to which charges stored in the charge storage unit 111 are transferred;
- An element isolation portion 13 formed between adjacent pixels in the substrate 10, a gate insulating film 14 formed on the upper surface 101 of the substrate 10 and between the charge storage portion 111 and the free diffusion portion 12, and a gate
- the transfer gate electrode 15 formed on the upper surface of the insulating film 14, the first interlayer insulating film 16 formed on the upper surface 101 of the substrate 10 to embed the transfer gate electrode 15, and the transfer gate through the first interlayer insulating film 16.
- a passivation film 24 formed on the upper surface of the third interlayer insulating film 23 and a color filter formed on the upper surface of the passivation film 24 to selectively transmit light of a predetermined color (wavelength). Includes a 5, a coating film 26 formed so as to fill the color filter 25, a microlens 27 for transmitting color filter 25 a light condensing incident is formed on the upper surface of the coating film 26, the.
- the photoelectric conversion unit 11 includes a charge storage unit 111 and a partial region of the substrate 10 around it.
- the substrate 10 is made of, for example, p-type or n-type silicon
- the charge storage unit 111 is made of, for example, silicon having a conductivity type opposite to that of the substrate 10 by ion implantation. That is, the photoelectric conversion unit 11 including the partial region of the substrate 10 and the charge storage unit 111 is a photodiode.
- the floating diffusion unit 12 is also made of silicon having a conductivity type opposite to that of the substrate 10 by ion implantation, for example.
- the element isolation portion 13 is an STI (Shallow Trench Isolation) formed by filling a trench formed in the substrate 10 with silicon oxide, for example, and the floating diffusion portion 12 in one of two adjacent pixels and the charge in the other. Between the storage unit 111 and the storage unit 111.
- the gate insulating film 14 is made of, for example, silicon oxide, and the transfer gate electrode 15 is made of, for example, polysilicon.
- Each of the first interlayer insulating film 16, the second interlayer insulating film 21, and the third interlayer insulating film 23 is made of, for example, silicon oxide. Further, the passivation film 24 is made of, for example, silicon nitride.
- the gate contact 17 is formed by filling a hole (contact hole) formed at a position directly above the transfer gate electrode 15 of the first interlayer insulating film 16 with a conductive material such as copper or aluminum.
- a hole (contact hole) formed at a position immediately above the floating diffusion portion 12 of the first interlayer insulating film 16 is filled with a conductive material such as copper or aluminum.
- the gate wiring 19 and the FD wiring 20 are formed by, for example, forming a predetermined film on the upper surface of the first interlayer insulating film 16 and then selectively removing unnecessary portions by etching.
- the inter-pixel light-shielding unit 22 functions as a light-shielding unit for preventing light once incident on the pixel from entering adjacent pixels (color mixing).
- the gate wiring 19 and the FD wiring 20 may function not only as a wiring electrically connected to the gate contact 17 and the FD contact 18 but also as a light shielding portion similar to the inter-pixel light shielding portion 22. Details of the light shielding portion will be described later.
- the color filter 25 is made of, for example, a resin containing a pigment, and the pigment has a property of selectively transmitting light of a predetermined color (wavelength).
- the microlens 27 is made of, for example, resin, and has a convex shape to collect incident light on the color filter 25 and the lower side thereof.
- the coating film 26 is made of, for example, a resin, and is provided to improve surface flatness and adhesion between the third interlayer insulating film 23, the color filter 25, and the microlens 27.
- the microlens 27, the color filter 25, and the charge storage unit 111 are aligned in a direction perpendicular to the upper surface 101 of the substrate 10 (up and down direction in the drawing).
- Each column constitutes each pixel.
- these pixels are arranged in a matrix in a plane parallel to the upper surface 101 of the substrate 10.
- these pixels are arranged in a Bayer array when focusing on the color transmitted by the color filter 25.
- the light incident on the solid-state imaging device 1 is collected by the microlens 27, passes through the coat film 26, and passes through the color filter 25.
- the color filter 25 selectively transmits light of a predetermined color (wavelength).
- the light transmitted through the color filter 25 passes through the third interlayer insulating film 23, the second interlayer insulating film 21, and the first interlayer insulating film 16, and enters the substrate 10 from the upper surface 101.
- Electrons and holes are generated by photoelectric conversion by light incident on the substrate 10, and one of them is stored in the charge storage unit 111. For example, if the substrate 10 is p-type and the charge storage unit 111 is n-type, electrons generated by photoelectric conversion are stored in the charge storage unit 111. Conversely, if the substrate 10 is n-type and the charge storage unit 111 is p-type, holes generated by photoelectric conversion are stored in the charge storage unit 111.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the light shielding portion provided in the solid-state imaging device of FIG. As described above, the light shielding portion S shown in FIG. 2 corresponds to the inter-pixel light shielding portion 22 shown in FIG.
- the light-shielding portion S includes a lower refractory material layer H1 formed on the substrate 10 side (lower side in FIG. 1) and a lower side formed on the upper surface of the lower refractory material layer H1.
- an upper refractory material layer H3 formed on the upper surface of the conductive material layer R2.
- Each of the lower refractory material layer H1, the intermediate refractory material layer H2, and the upper refractory material layer H3 is composed of a refractory material layer having a refractory material.
- the refractory material layer has a refractory material having a melting point of 1000 ° C. or higher. If it exists, since the change of the physical property by heat processing can be made small so that it can be disregarded, it is preferable.
- the high melting point material layer has at least one of titanium nitride, titanium, titanium tungsten, tungsten nitride, and tungsten.
- the film thickness of the high melting point material layer constituting each of the lower high melting point material layer H1, the intermediate high melting point material layer H2, and the upper high melting point material layer H3 is 5 nm or more and 100 nm or less.
- the film thickness of the refractory material layer is set to 100 nm or less, it is possible to reduce the stress generated in the refractory material layer, and the warpage of the substrate 10 due to the stress increases, so that It is possible to prevent a defect from occurring and an increase in dark current.
- Each of the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2 includes a light-shielding material layer having a light-shielding material.
- the light-shielding material layer has aluminum because good light-shielding properties can be obtained even with a thin film thickness.
- the light-shielding material layer is made of aluminum and copper (composition ratio is less than 1%).
- the thickness of the light-shielding material layer constituting each of the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2 is 50 nm or more. From the viewpoint of improving the sensitivity of the solid-state imaging device 1 and preventing color mixing, it is preferable to shorten the distance between the microlens 27 and the substrate 10, but if the light-shielding material layer has aluminum, the film thickness is 50 nm or more. By doing so, it is possible to obtain a good light shielding property.
- the elements and composition ratios of the materials forming the lower refractory material layer H1, the intermediate refractory material layer H2, and the upper refractory material layer H3 may be different.
- elements and composition ratios may be different for materials forming the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the comparative light-shielding portion, and corresponds to FIG.
- the comparative light-shielding portion 100 is formed on the lower refractory material layer 101 that is the above-described refractory material layer, and on the upper surface of the lower refractory material layer 101 that is the above-described light-shielding material layer.
- a silicon oxide layer 104 formed on the upper surface of the substrate.
- the comparative light shielding part 100 shown in FIG. 3 is not provided with the intermediate high melting point material layer H2 as compared with the light shielding part S shown in FIG. The difference is that the layer 104 is provided.
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a light shielding part where a void is generated and a comparative light shielding part where a void is generated.
- FIG. 5 is a schematic plan view showing a chip in which a void has occurred in each of a wafer in which a light shielding part is actually formed and a wafer in which a comparative light shielding part is actually formed.
- FIG. 6 is a diagram showing optical microscope images of the light shielding part and the comparative light shielding part. In each of FIGS. 4 to 6, (a) shows the light shielding portion S, and (b) shows the comparative light shielding portion 100. FIG. Further, the planes of the light shielding portion S and the comparative light shielding portion 100 shown in FIG. 6 are surfaces perpendicular to the cross sections shown in FIGS.
- the comparative light shielding unit 100 once the void V is generated, it propagates in the vertical direction. Therefore, in the comparative light shielding part 100, a void penetrating the light shielding material layer (intermediate light shielding material layer 102) is formed.
- the solid-state imaging device 1 As described above, in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention, even if the void V is generated by forming the intermediate high melting point material layer H2 that prevents the propagation of the void V in the light shielding portion S, It is possible to prevent the formation of a void penetrating the light shielding material layer (the lower light shielding material layer R1 and the upper light shielding material layer R2). Therefore, the light shielding property of the light shielding part S provided in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention can be improved.
- the chip C in which the light-shielding portion S is formed has a probability that a void (having a major axis of 1 ⁇ m or more discovered by observation with an optical microscope, the same applies in the description of FIG. 5 below) is included. Can be made very low.
- all the chips C in the wafer W do not include voids, and the probability that the chip C in which the light shielding portion S is formed includes voids is 1%. Less than.
- FIG. 6A in the light shielding portion S, no conspicuous large void is observed.
- the probability that voids are included increases.
- dozens of chips 201 having voids are confirmed near the outer edge of the wafer 200, and the probability that the chips 201 forming the comparative light shielding unit 100 include voids is about 11%. It becomes.
- a noticeably large void V is observed in the comparative light shielding unit 100.
- the light-shielding portion S employs a structure that prevents the formation of voids penetrating the light-shielding material layers (the lower light-shielding material layer R1 and the upper light-shielding material layer R2) as described above. It is possible to effectively reduce the probability that a conspicuously large void (that is, a void that causes a reduction in light shielding property) is formed in C. Therefore, the light shielding property of the light shielding part S provided in the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention can be improved.
- the lower refractory material layer H1 and the upper refractory material layer H3 are provided as in the light-shielding portion S shown in FIG. 2 and FIG. Is preferred.
- the light shielding portion S shown in FIG. 2 is specifically described as corresponding to the inter-pixel light shielding portion 22 shown in FIG. 1, the gate wiring 19 and the FD wiring 20 of FIG. .
- all of the gate wiring 19, the FD wiring 20, and the inter-pixel light shielding portion 22 may have the same structure as the light shielding portion S shown in FIG. 2, but the materials and film thicknesses of the respective layers are not necessarily the same. There is no need.
- the inter-pixel light shielding portion 22 is not provided, it is possible to configure only the gate wiring 19 and the FD wiring 20 in FIG. Further, only one of the gate wiring 19 and the FD wiring 20 shown in FIG.
- the light shielding portion S shown in FIG. 2 is applied to the inter-pixel light shielding portion 22 for preventing the light once incident on the pixels from entering adjacent pixels (color mixing)
- the part S it is also possible to apply the part S to a light-shielded pixel that detects dark current.
- the light shielding part S is provided in the light shielding pixel, directly above the photoelectric conversion unit 111 (for example, in the same layer as the inter-pixel light shielding part 22 or in the same layer as the gate wiring 19 and the FD wiring).
- CMOS image sensor As shown in FIG. 1, a so-called front-illuminated CMOS image sensor is exemplified as the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention.
- the present invention is a back-illuminated CMOS image sensor.
- the present invention can be applied to both front-illuminated and back-illuminated CCD image sensors and solid-state imaging devices other than CMOS image sensors and CCD image sensors.
- the solid-state imaging device according to the present invention can be suitably used for, for example, a CMOS image sensor or a CCD image sensor mounted on various electronic devices having an imaging function.
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Abstract
良好な遮光性を有する遮光部を備えた固体撮像素子を提供する。固体撮像素子が備える遮光部Ｓは、遮光性材料を有する遮光性材料層である下側遮光性材料層Ｒ１と、高融点材料を有する高融点材料層であり下側遮光性材料層Ｒ１の上面に形成される中間高融点材料層Ｈ２と、遮光性材料層であり中間高融点材料層Ｈ２の上面に形成される上側遮光性材料層Ｒ２と、から成る積層構造を有する。
Description
本発明は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどに代表される固体撮像素子に関する。
近年、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機などの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。固体撮像素子は、例えばフォトダイオードから成る光電変換部が光電変換によって電荷を生成し、当該電荷による電位を増幅することで、画像を構成する信号を生成する。
このような固体撮像素子では、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること（混色）を防止する目的や、光電変換部に光が入射しない構造であり暗電流の検出を行う遮光画素を設ける目的で、光を遮蔽する遮光部が形成される。なお、例えば金属から成る配線も遮光性を有するため、配線が遮光部として機能することもある。
このような遮光部は、層間絶縁膜やパッシベーション膜などに埋め込まれるように形成されるため、外部からストレスを受けやすい。すると、外部から受けるストレスによって、遮光部内にストレスマイグレーションに起因するボイドが発生し、遮光性が劣化するため問題となる。
そこで、例えば特許文献１では、金属から成る配線膜の表面に、機械的強度が配線膜よりも劣りかつ微小クラックを有する酸化シリコン膜を設け、外部から受けるストレスを酸化シリコン膜で吸収または緩和することにより、配線膜が受けるストレスを低減してボイドの発生を抑制した半導体装置が提案されている。
固体撮像素子の感度の向上や混色の防止等の観点から、遮光部の膜厚を薄くして、光が入射してから受光部に届くまでの距離を短くすると、好ましい。しかしながら、遮光部の膜厚を薄くするほど、例えば遮光部の形成後に行われる種々の熱処理工程によって、膜厚方向に貫通したボイドが発生しやすくなる。そして、このような遮光部を貫通するボイドは、遮光部の遮光性を著しく低下させるため、問題となる。なお、特許文献１で提案されている配線膜のように、遮光部の表面に酸化シリコン膜を形成したとしても、後述するように膜厚方向に貫通したボイドを防止することは困難である。
そこで、本発明は、良好な遮光性を有する遮光部を備えた固体撮像素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板と、前記基板の前記上面の上方に設けられる遮光部と、を備え、前記遮光部は、遮光性材料を有する遮光性材料層である、下側遮光性材料層と、高融点材料を有する高融点材料層であり、前記下側遮光性材料層の上面に形成される中間高融点材料層と、前記遮光性材料層であり、前記中間高融点材料層の上面に形成される上側遮光性材料層と、から成る積層構造を有することを特徴とする固体撮像素子を提供する。
この固体撮像素子によれば、遮光部において仮にボイドが生じたとしても、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層の間に形成されている中間高融点材料層によって、その上下方向への伝播が防止される。そのため、下側遮光性材料層で発生したボイドは、上側遮光性材料層へは伝播せず、上側遮光性材料層で発生したボイドは、下側遮光性材料層へは伝播しないことになる。したがって、遮光性材料層を貫通するボイドが形成されることを、防止することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層が、融点が１０００℃以上である前記高融点材料を有すると、好ましい。具体的に例えば、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層が、窒化チタン、チタン、チタンタングステン、窒化タングステン及びタングステンの少なくともいずれか１つを有すると、好ましい。
この固体撮像素子によれば、遮光部の形成後に、固体撮像素子に対して熱処理（高々５００℃）を行ったとしても、当該熱処理による物性の変動を無視できるほど小さくすることが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記高融点材料層の膜厚が、５ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であると、好ましい。
この固体撮像素子によれば、高融点材料層の膜厚を５ｎｍ以上にすることで、膜厚の制御を容易にすることが可能になり、膜厚制御のために成膜速度を遅くすることによる量産効率の低下を、防止することが可能になる。また、高融点材料層の膜厚を１００ｎｍ以下にすることで、高融点材料層に発生するストレスを低減することが可能になり、当該ストレスによって基板の反りが大きくなることで基板中に欠陥が生じ暗電流が増大することを、防止することが可能になる。
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光性材料層が、アルミニウムを有すると、好ましい。さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光性材料層の膜厚が、５０ｎｍ以上であると、好ましい。
この固体撮像素子によれば、遮光性材料層の膜厚を薄くしても、良好な遮光性を得ることが可能になる。具体的に、固体撮像素子の感度の向上や混色の防止等の観点から、光が入射してから受光部に届くまでの距離を短くすると好ましいが、アルミニウムを有する遮光性材料層であれば、その膜厚を５０ｎｍ以上とすることで、良好な遮光性を得ることが可能である。
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記遮光部は、前記高融点材料層の１つであり、前記下側遮光性材料層の下面に形成される下側高融点材料層と、前記高融点材料層の１つであり、前記上側遮光性材料層の上面に形成される上側高融点材料層と、をさらに備えると、好ましい。
この固体撮像素子によれば、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層が受けるストレスを抑制することで、下側遮光性材料層及び上側遮光性材料層におけるボイドの発生を抑制することが可能になる。
上記特徴の固体撮像素子によれば、遮光性材料層の内部に、ボイドの伝播を防止する中間高融点材料層を形成することによって、仮にボイドが発生したとしても、遮光性材料層を貫通するボイドに発展することを防止することが可能になる。したがって、固体撮像素子が備える遮光部の遮光性を、良好なものにすることが可能になる。
＜全体構造＞
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例を示す模式的な断面図である。なお、図１では、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１として、いわゆる表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例示している。
最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造例を示す模式的な断面図である。なお、図１では、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１として、いわゆる表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例示している。
図１に示すように、固体撮像素子１は、基板１０と、基板１０中に形成されるとともに基板１０の上面１０１から入射する光を光電変換して電荷を生成する光電変換部１１と、光電変換部１１の一部であり光電変換によって生じた電荷を蓄積する電荷蓄積部１１１と、基板１０内に形成されるとともに電荷蓄積部１１１に蓄積された電荷が転送される浮遊拡散部１２と、基板１０内の隣接する画素間に形成される素子分離部１３と、基板１０の上面１０１上かつ電荷蓄積部１１１及び遊拡散部１２の間となる位置に形成されるゲート絶縁膜１４と、ゲート絶縁膜１４の上面に形成される転送ゲート電極１５と、基板１０の上面１０１に形成されて転送ゲート電極１５を埋め込む第１層間絶縁膜１６と、第１層間絶縁膜１６を貫通して転送ゲート電極１５に電気的に接続するように形成されるゲートコンタクト１７と、第１層間絶縁膜１６を貫通して浮遊拡散部１２に電気的に接続するように形成されるＦＤコンタクト１８と、ゲートコンタクト１７と電気的に接続するゲート配線１９と、ＦＤコンタクト１８と電気的に接続するＦＤ配線２０と、第１層間絶縁膜１６上に形成されてゲート配線１９及びＦＤ配線２０を埋め込む第２層間絶縁膜２１と、第２層間絶縁膜２１の上面に形成される画素間遮光部２２と、第２層間絶縁膜２１の上面に形成されて画素間遮光部２２を埋め込む第３層間絶縁膜２３と、第３層間絶縁膜２３の上面に形成されるパッシベーション膜２４と、パッシベーション膜２４の上面に形成されて所定の色（波長）の光を選択的に透過させるカラーフィルタ２５と、カラーフィルタ２５を埋め込むように形成されるコート膜２６と、コート膜２６の上面に形成されて入射する光を集光してカラーフィルタ２５を透過させるマイクロレンズ２７と、を備える。
光電変換部１１は、電荷蓄積部１１１と、その周辺の基板１０の一部領域とから成る。基板１０は、例えばｐ型またはｎ型のシリコンから成り、電荷蓄積部１１１は、例えばイオン注入によって基板１０とは逆の導電型となったシリコンから成る。即ち、基板１０の一部領域と電荷蓄積部１１１とから構成される光電変換部１１は、フォトダイオードとなっている。また、浮遊拡散部１２も、電荷蓄積部１１１と同様に、例えばイオン注入によって基板１０とは逆の導電型となったシリコンから成る。
素子分離部１３は、例えば基板１０に形成した溝（トレンチ）に酸化シリコンを充填して成るＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）であり、隣接する二つの画素の一方における浮遊拡散部１２と、他方における電荷蓄積部１１１と、の間に設けられている。ゲート絶縁膜１４は、例えば酸化シリコンから成り、転送ゲート電極１５は、例えばポリシリコンから成る。
第１層間絶縁膜１６、第２層間絶縁膜２１及び第３層間絶縁膜２３のそれぞれは、例えば酸化シリコンから成る。また、パッシベーション膜２４は、例えば窒化シリコンから成る。
ゲートコンタクト１７は、第１層間絶縁膜１６の転送ゲート電極１５の直上となる位置に形成した孔（コンタクトホール）に、銅やアルミニウムなどの導電性材料を充填して成る。ＦＤコンタクト１８も同様であり、第１層間絶縁膜１６の浮遊拡散部１２の直上となる位置に形成した孔（コンタクトホール）に、銅やアルミニウムなどの導電性材料を充填して成る。
ゲート配線１９及びＦＤ配線２０は、例えば、第１層間絶縁膜１６の上面に対して所定の膜を形成した後、エッチングによって不要な部分を選択的に除去することでそれぞれ形成される。画素間遮光部２２も同様であり、例えば、第２層間絶縁膜２１の上面に対して所定の膜を形成した後、エッチングによって不要な部分を選択的に除去することで形成される。
画素間遮光部２２は、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること（混色）を防止するための遮光部として機能する。なお、ゲート配線１９及びＦＤ配線２０が、ゲートコンタクト１７及びＦＤコンタクト１８と電気的に接続する配線としてだけでなく、画素間遮光部２２と同様に遮光部として機能するようにしてもよい。また、遮光部の詳細については、後述する。
カラーフィルタ２５は、例えば顔料を含んだ樹脂から成り、当該顔料が所定の色（波長）の光を選択的に透過させる性質を有する。マイクロレンズ２７は、例えば樹脂から成り、入射した光をカラーフィルタ２５及びその下方に対して集光するために、凸形状になっている。コート膜２６は、例えば樹脂から成り、表面の平坦化や第３層間絶縁膜２３とカラーフィルタ２５及びマイクロレンズ２７との密着性を向上させるために設けられる。
また、図１に示す固体撮像素子１において、マイクロレンズ２７、カラーフィルタ２５及び電荷蓄積部１１１は、基板１０の上面１０１に対して垂直な方向（図中の上下方向）に対して一列に並んでおり、それぞれの列がそれぞれの画素を構成している。例えば、これらの画素は、基板１０の上面１０１と平行な面内においてマトリクス状に配置される。具体的に例えば、これらの画素は、カラーフィルタ２５が透過させる色に着目すると、ベイヤ配列で配置される。
固体撮像素子１に入射する光は、マイクロレンズ２７で集光され、コート膜２６を透過してカラーフィルタ２５を透過する。このとき、カラーフィルタ２５は、所定の色（波長）の光を選択的に透過させる。カラーフィルタ２５を透過した光は、第３層間絶縁膜２３、第２層間絶縁膜２１及び第１層間絶縁膜１６をそれぞれ透過して、上面１０１から基板１０内に入射する。そして、基板１０内に入射する光による光電変換によって電子及び正孔が生じ、その一方が電荷蓄積部１１１に蓄積される。例えば、基板１０がｐ型であり、電荷蓄積部１１１がｎ型であれば、光電変換によって生じた電子が電荷蓄積部１１１に蓄積される。反対に、基板１０がｎ型であり、電荷蓄積部１１１がｐ型であれば、光電変換によって生じた正孔が電荷蓄積部１１１に蓄積される。
次に、ゲート配線１９及びゲートコンタクト１７を介してゲート電極１５に所定の電位が与えられると、基板１０内のゲート電極１５下のポテンシャルが変化して、電荷蓄積部１１１に蓄積されている電荷が浮遊拡散部１２に移動して蓄積される。そして、浮遊拡散部１２に蓄積されている電荷による電位が、ＦＤコンタクト１８及びＦＤ配線２０を介して読み出される。
＜遮光部＞
次に、上述した遮光部について、図２を参照して説明する。図２は、図１の固体撮像素子が備える遮光部の構造例を示す模式的な断面図である。なお、上述のように、図２に示す遮光部Ｓは、図１に示した画素間遮光部２２に相当する。
次に、上述した遮光部について、図２を参照して説明する。図２は、図１の固体撮像素子が備える遮光部の構造例を示す模式的な断面図である。なお、上述のように、図２に示す遮光部Ｓは、図１に示した画素間遮光部２２に相当する。
図２に示すように、遮光部Ｓは、基板１０側（図１中下側）に形成される下側高融点材料層Ｈ１と、下側高融点材料層Ｈ１の上面に形成される下側遮光性材料層Ｒ１と、下側遮光性材料層Ｒ１の上面に形成される中間高融点材料層Ｈ２と、中間高融点材料層Ｈ２の上面に形成される上側遮光性材料層Ｒ２と、上側遮光性材料層Ｒ２の上面に形成される上側高融点材料層Ｈ３と、から成る五層構造を有する。
下側高融点材料層Ｈ１、中間高融点材料層Ｈ２及び上側高融点材料層Ｈ３のそれぞれは、高融点材料を有する高融点材料層から成る。遮光部Ｓの形成後に固体撮像素子１に対して行われる熱処理温度が高々５００℃であることを考慮すれば、この高融点材料層が、融点が１０００℃以上である高融点材料を有するものであると、熱処理による物性の変動を無視できるほど小さくすることができるため、好ましい。具体的に例えば、高融点材料層が、窒化チタン、チタン、チタンタングステン、窒化タングステン及びタングステンの少なくともいずれか１つを有するものであると、好ましい。
下側高融点材料層Ｈ１、中間高融点材料層Ｈ２及び上側高融点材料層Ｈ３のそれぞれを成す高融点材料層の膜厚は、５ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下にすると、好ましい。高融点材料層の膜厚を５ｎｍ以上にすることで、膜厚の制御を容易にすることが可能になり、膜厚制御のために成膜速度を遅くすることによる量産効率の低下を、防止することが可能になる。また、高融点材料層の膜厚を１００ｎｍ以下にすることで、高融点材料層に発生するストレスを低減することが可能になり、当該ストレスによって基板１０の反りが大きくなることで基板１０中に欠陥が生じ暗電流が増大することを、防止することが可能になる。
下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２のそれぞれは、遮光性材料を有する遮光性材料層から成る。例えば、遮光性材料層が、アルミニウムを有するものであると、薄い膜厚でも良好な遮光性を得ることができるため、好ましい。具体的に例えば、遮光性材料層が、アルミニウム及び銅（組成比が１％未満）から成るものであると、好ましい。
下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２のそれぞれを成す遮光性材料層の膜厚は、５０ｎｍ以上にすると、好ましい。固体撮像素子１の感度の向上や混色の防止等の観点から、マイクロレンズ２７及び基板１０間の距離を短くすると好ましいが、アルミニウムを有する遮光性材料層であれば、その膜厚を５０ｎｍ以上とすることで、良好な遮光性を得ることが可能である。
なお、下側高融点材料層Ｈ１、中間高融点材料層Ｈ２及び上側高融点材料層Ｈ３のそれぞれを成す材料について、元素や組成比が異なっていてもよい。同様に、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２のそれぞれを成す材料について、元素や組成比が異なっていてもよい。
＜比較結果＞
次に、図２に示した本発明の実施形態に係る固体撮像素子が有する遮光部Ｓ（以下、遮光部Ｓと比較して、比較遮光部と称する）について、比較例と対比させることで、その特長を説明する。まず、比較例となる遮光部（以下、比較遮光部と称する）について、図３を参照して説明する。図３は、比較遮光部を示す模式的な断面図であり、遮光部Ｓについて示した図２に相当するものである。
次に、図２に示した本発明の実施形態に係る固体撮像素子が有する遮光部Ｓ（以下、遮光部Ｓと比較して、比較遮光部と称する）について、比較例と対比させることで、その特長を説明する。まず、比較例となる遮光部（以下、比較遮光部と称する）について、図３を参照して説明する。図３は、比較遮光部を示す模式的な断面図であり、遮光部Ｓについて示した図２に相当するものである。
図３に示すように、比較遮光部１００は、上述の高融点材料層である下側高融点材料層１０１と、上述の遮光性材料層であるとともに下側高融点材料層１０１の上面に形成される中間遮光性材料層１０２と、上述の高融点材料層であるとともに中間遮光性材料層１０２の上面に形成される上側高融点材料層１０３と、酸化シリコンから成るとともに上側高融点材料層１０３の上面に形成される酸化シリコン層１０４と、を備える。
即ち、図３に示す比較遮光部１００は、図２に示す遮光部Ｓと比較して、中間高融点材料層Ｈ２を備えない代わりに、上述の特許文献１に記載されているような酸化シリコン層１０４を備える点で異なる。
次に、遮光部Ｓの特長について、図４～６を参照するとともに比較遮光部１００と対比して説明する。図４は、ボイドが発生した遮光部及びボイドが発生した比較遮光部のそれぞれを示す模式的な断面図である。図５は、実際に遮光部を形成したウエハと、実際に比較遮光部を形成したウエハとのそれぞれにおける、ボイドが発生したチップを示す模式的な平面図である。図６は、遮光部及び比較遮光部の光学顕微鏡像を示す図である。なお、図４～６のそれぞれにおいて、（ａ）は遮光部Ｓを示すものであり、（ｂ）は比較遮光部１００を示すものである。また、図６に示す遮光部Ｓ及び比較遮光部１００の平面は、図１～４に示した断面に対して垂直となる面である。
図４（ａ）に示すように、遮光部Ｓでは、仮にボイドＶが生じたとしても、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２の間に形成されている中間高融点材料層Ｈ２によって、その上下方向への伝播が防止される。そのため、下側遮光性材料層Ｒ１で発生したボイドは、上側遮光性材料層Ｒ２へは伝播せず、上側遮光性材料層Ｒ２で発生したボイドは、下側遮光性材料層Ｒ１へは伝播しないことになる。したがって、遮光部Ｓでは、遮光性材料層（下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２）を貫通するボイドが形成されることを、防止することが可能になる。
一方、図４（ｂ）に示すように、比較遮光部１００では、一度ボイドＶが生じると、それが上下方向に伝播する。そのため、比較遮光部１００では、遮光性材料層（中間遮光性材料層１０２）を貫通するボイドが形成されてしまう。
以上のように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１では、遮光部ＳにボイドＶの伝播を防止する中間高融点材料層Ｈ２を形成することによって、仮にボイドＶが発生したとしても、遮光性材料層（下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２）を貫通するボイドに発展することを防止することが可能になる。したがって、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１が備える遮光部Ｓの遮光性を、良好なものにすることが可能になる。
また、図５（ａ）に示すように、遮光部Ｓを形成したチップＣでは、ボイド（光学顕微鏡の観察で発見される長径１μｍ以上のもの、以下図５の説明において同じ）が含まれる確率を、非常に低くすることができる。図５（ａ）に示す例では、ウエハＷ内の全てのチップＣが、ボイドを含まないものとなっており、遮光部Ｓを形成したチップＣがボイドを含むものとなる確率は、１％未満となる。また、図６（ａ）に示すように、遮光部Ｓにおいては、目立って大きいボイドは観察されない。
一方、図５（ｂ）に示すように、比較遮光部１００を形成したチップ２０１では、ボイドが含まれる確率が高くなる。図５（ｂ）に示す例では、ウエハ２００の外縁近傍に、ボイドを有するチップ２０１が数十個確認されており、比較遮光部１００を形成したチップ２０１がボイドを含む確率は、１１％程度となる。また、図６（ｂ）に示すように、比較遮光部１００においては、目立って大きいボイドＶが観察される。
このように、遮光部Ｓでは、上述のように遮光性材料層（下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２）を貫通するボイドの形成を防止する構造を採用することによって、チップＣ内に目立って大きいボイド（即ち、遮光性を低下させる要因になるボイド）が形成される確率を、効果的に低減することが可能になる。したがって、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１が備える遮光部Ｓの遮光性を、良好なものにすることが可能になる。
＜変形等＞
［１］ 遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するためには、図２及び図４（ａ）で示した遮光部Ｓのように、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２との間に中間高融点材料層Ｈ２が形成された積層構造であればよく、必ずしも下側高融点材料層Ｈ１及び上側高融点材料層Ｈ３を有していなくてもよい。ただし、遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するだけでなく、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２が受けるストレスを抑制することで下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２におけるボイドの発生を抑制するためには、図２及び図４（ａ）で示した遮光部Ｓのように、下側高融点材料層Ｈ１及び上側高融点材料層Ｈ３を設けるのが好ましい。
［１］ 遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するためには、図２及び図４（ａ）で示した遮光部Ｓのように、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２との間に中間高融点材料層Ｈ２が形成された積層構造であればよく、必ずしも下側高融点材料層Ｈ１及び上側高融点材料層Ｈ３を有していなくてもよい。ただし、遮光性材料層を貫通するボイドの発生を防止するだけでなく、下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２が受けるストレスを抑制することで下側遮光性材料層Ｒ１及び上側遮光性材料層Ｒ２におけるボイドの発生を抑制するためには、図２及び図４（ａ）で示した遮光部Ｓのように、下側高融点材料層Ｈ１及び上側高融点材料層Ｈ３を設けるのが好ましい。
［２］ 図２に示す遮光部Ｓが、図１に示す画素間遮光部２２に相当するとして具体的に説明したが、さらに図１のゲート配線１９及びＦＤ配線２０を遮光部Ｓとしてもよい。この場合、ゲート配線１９、ＦＤ配線２０及び画素間遮光部２２の全てを、図２に示す遮光部Ｓと同様の構造としてもよいが、それぞれを成す各層の材料及び膜厚は、必ずしも同じである必要はない。また、例えば画素間遮光部２２を備えない場合には、図１のゲート配線１９及びＦＤ配線２０のみを遮光部Ｓで構成することも可能である。さらに、図１に示すゲート配線１９及びＦＤ配線２０のいずれか一方のみを、遮光部Ｓで構成することも可能である。
［３］ 図２に示す遮光部Ｓを、一旦画素に入射した光が隣接した画素に進入すること（混色）を防止するための画素間遮光部２２に適用する場合について例示したが、この遮光部Ｓを、暗電流の検出を行う遮光画素に適用することも可能である。この場合、遮光部Ｓは、遮光画素内において、光電変換部１１１の直上（例えば、画素間遮光部２２と同じ層内や、ゲート配線１９及びＦＤ配線と同じ層内）に設けられる。
［４］ 図１に示したように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１として、いわゆる表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例示したが、本発明は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサであっても、表面照射型及び裏面照射型のＣＣＤイメージセンサであっても、ＣＭＯＳイメージセンサ及びＣＣＤイメージセンサ以外の固体撮像素子であっても、適用可能である。
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等に、好適に利用され得る。
１ ： 固体撮像素子
１０ ： 基板
１０１ ： 上面
１１ ： 光電変換部
１１１ ： 電荷蓄積部
１２ ： 浮遊拡散部
１３ ： 素子分離部
１４ ： ゲート絶縁膜
１５ ： 転送ゲート電極
１６ ： 第１層間絶縁膜
１７ ： ゲートコンタクト
１８ ： ＦＤコンタクト
１９ ： ゲート配線
２０ ： ＦＤ配線
２１ ： 第２層間絶縁膜
２２ ： 画素間遮光部
２３ ： 第３層間絶縁膜
２４ ： パッシベーション膜
２５ ： カラーフィルタ
２６ ： コート膜
２７ ： マイクロレンズ
Ｓ ： 遮光部
Ｈ１ ： 下側高融点材料層
Ｈ２ ： 中間高融点材料層
Ｈ３ ： 上側高融点材料層
Ｒ１ ： 下側遮光性材料層
Ｒ２ ： 上側遮光性材料層
Ｖ ： ボイド
Ｗ ： ウエハ
Ｃ ： チップ
１０ ： 基板
１０１ ： 上面
１１ ： 光電変換部
１１１ ： 電荷蓄積部
１２ ： 浮遊拡散部
１３ ： 素子分離部
１４ ： ゲート絶縁膜
１５ ： 転送ゲート電極
１６ ： 第１層間絶縁膜
１７ ： ゲートコンタクト
１８ ： ＦＤコンタクト
１９ ： ゲート配線
２０ ： ＦＤ配線
２１ ： 第２層間絶縁膜
２２ ： 画素間遮光部
２３ ： 第３層間絶縁膜
２４ ： パッシベーション膜
２５ ： カラーフィルタ
２６ ： コート膜
２７ ： マイクロレンズ
Ｓ ： 遮光部
Ｈ１ ： 下側高融点材料層
Ｈ２ ： 中間高融点材料層
Ｈ３ ： 上側高融点材料層
Ｒ１ ： 下側遮光性材料層
Ｒ２ ： 上側遮光性材料層
Ｖ ： ボイド
Ｗ ： ウエハ
Ｃ ： チップ
Claims (7)
- 上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板と、
前記基板の前記上面の上方に設けられる遮光部と、を備え、
前記遮光部は、
遮光性材料を有する遮光性材料層である、下側遮光性材料層と、
高融点材料を有する高融点材料層であり、前記下側遮光性材料層の上面に形成される中間高融点材料層と、
前記遮光性材料層であり、前記中間高融点材料層の上面に形成される上側遮光性材料層と、
から成る積層構造を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 前記高融点材料層が、融点が１０００℃以上である前記高融点材料を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記高融点材料層が、窒化チタン、チタン、チタンタングステン、窒化タングステン及びタングステンの少なくともいずれか１つを有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記高融点材料層の膜厚が、５ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記遮光性材料層が、アルミニウムを有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記遮光性材料層の膜厚が、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
- 前記遮光部は、
前記高融点材料層の１つであり、前記下側遮光性材料層の下面に形成される下側高融点材料層と、
前記高融点材料層の１つであり、前記上側遮光性材料層の上面に形成される上側高融点材料層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
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