JP2010177391A - 固体撮像装置、電子機器、固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光信号を配線層から光電変換部まで効率良く伝搬し、十分な信号量を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板２に形成される光電変換部１０と、光電変換部１０の上方に形成される複数層の配線４１から成る配線部４０と、配線部４０の複数層の配線４１を埋め込む材料であって、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部３０とを有する固体撮像装置１である。また、絶縁部３０の材料としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つを用いる。また、この固体撮像装置１を用いた電子機器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置、電子機器、固体撮像装置の製造方法に関する。詳しくは、配線層を介して光電変換部へ光を入射する固体撮像装置、電子機器、固体撮像装置の製造方法に関する。

ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサに代表される半導体イメージセンサは、画素サイズを縮小し、同一イメージエリア内で画素数を多くする多画素化が要求されている。ここで、特許文献１では、半導体基板に形成された光電変換部の上方に光導波路を設けた固体撮像素子が開示されている。

特開２００８−１０９１５３号公報

しかしながら、従来の技術では、光導波路を形成する位置に設けた凹部の内壁に、周辺より屈折率の大きい材料の薄膜を被着した後、埋め込み性の高い材料で凹部を埋め込んでいる。このように、光電変換部の上方に形成する光導波路の形成にあたり、凹部への材料の埋め込み性の観点から、２種類の材料を用いて光導波路を形成しなければならないという問題がある。

本発明は、光信号を配線層を介して光電変換部まで効率良く伝搬し、十分な信号量を得ることができる技術の提供を目的とする。

本発明は、基板に形成される光電変換部と、光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部と、配線部の複数層の配線を埋め込む材料であって、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部とを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。

このような本発明では、光電変換部の上方に形成される配線部の配線を埋め込む絶縁部が酸化シリコンより屈折率の大きい材料になっているため、凹部へ材料を埋め込む光導波路を形成する必要がなくなる。また、この絶縁部を酸化シリコンで形成する場合に比べ、伝搬する光のビームウエスト径を小さくすることができ、光エネルギーを局所的に集めて光電変換部まで伝搬できるようになる。

また、本発明は、基板に形成される光電変換部と、光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部、配線部の複数層の配線を埋め込む酸化シリコンと、光電変換部の上方で、配線部の上から最下層の配線の位置まで酸化シリコン内に埋め込まれ、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部とを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。

このような本発明では、光電変換部の上方で、配線部の上から最下層の配線の位置まで埋め込まれる絶縁部が光導波路となる。この光導波路が酸化シリコンより屈折率の大きい材料の１種類で形成されるため、複数の材料で光導波路を形成する必要がなくなる。

また、本発明は、基板に光電変換部を形成する工程と、基板上に駆動素子を形成し、当該駆動素子の上に絶縁膜を形成して平坦化する工程と、絶縁膜の上に、層間絶縁膜に埋め込まれた配線の形成、光電変換部の上方となる層間絶縁膜の一部に設けられる凹部の形成、当該凹部に層間絶縁膜より屈折率の高い材料を埋め込んで成る導波路部の形成によって、導波路部付き配線層を形成する工程と、導波路部付き配線層の形成を繰り返し、複数層の配線の形成および複数の導波路部の連結による光導波路の形成を行う工程とを有する固体撮像装置の製造方法である。

このような本発明では、１つの配線層を形成するごと光導波路の一部を成す導波路部が形成され、この導波路部付配線層の形成を繰り返すことで、光導波路が構成される。このため、光導波路を１つの材料によって構成できるようになる。

ここで、絶縁部の材料としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つが挙げられる。

本発明によれば、光電変換部の上方に、酸化シリコンを用いた場合より集光性の高い絶縁部を１つの材料で形成することが可能となる。

第１実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。 固体撮像装置内を透過する光のビームウェストの比較例を示す図である。 第１実施形態における固体撮像装置のＲＧＢ各色に対応した感度の比較例を示す図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。 第２実施形態における固体撮像装置のＲＧＢ各色に対応した感度の比較例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態（構造、ビームウェスト、感度比較）
２．第２実施形態（構造、感度比較）
３．固体撮像装置の製造方法（第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の例）
４．電子機器（撮像装置の例）

＜１．第１実施形態＞
［構造］
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。固体撮像装置１は、シリコン等の半導体から成る基板２に形成された光電変換部１０と、基板２上に形成されるトランジスタＴｒとを備えている。また、トランジスタＴｒの上に反射防止膜２１を介して形成される配線部４０と、配線部４０の上に形成されるパッシベーション膜５０およびカラーフィルタ６０と、カラーフィルタ６０の各色に対応して形成されるマイクロレンズ７０とを備えている。

基板２に形成される光電変換部１０は、画素に対応して形成された受光領域であり、マイクロレンズ７０およびカラーフィルタ６０を介して入射する光を電気信号に変換する。基板２上のトランジスタＴｒは、光電変換部１０で取り込んだ電荷を読み出す読み出し用トランジスタ、光電変換部１０の出力を増幅する増幅用トランジスタ、光電変換部１０を選択する選択用トランジスタ、電荷を排出するリセット用トランジスタ等の各種トランジスタが挙げられる。

トランジスタＴｒ上には反射防止膜２１が形成され、さらに、絶縁部３０を介して複数の配線４１が多層構造で形成されて成る配線部４０が形成されている。配線部４０の配線４１は、絶縁部３０に埋め込まれており、層間の絶縁部３０を介して多層構造を構成している。配線部４０における光電変換部１０の上方には配線４１が配置されておりず、マイクロレンズ７０およびカラーフィルタ６０を介して入射した光が絶縁部３０を透過して光電変換部１０まで達するようになっている。

配線部４０の上方には、所定の領域ごとＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタ６０が所定の配列順に形成されている。さらに、各色カラーフィルタに対応してマイクロンレンズ７０が形成されている。本実施形態では、１つの受光領域の開口は、１．４μｍ□となっている。

本実施形態の固体撮像装置１では、配線部４０の配線４１を埋め込む絶縁部３０として、酸化シリコンより屈折率の大きい材料を用いている。

ここで、配線４１を埋め込む絶縁部３０は、配線４１と同一層となる部分のほか、配線４１の層間となる部分を含む。つまり、本実施形態では、配線部４０を構成する複数層の配線４１の全体が絶縁部３０で埋め込まれた状態となっている。

絶縁部３０として用いられる、酸化シリコンより屈折率の大きい材料としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つが挙げられる。

ここで、窒化シリコンは、可視光域での屈折率が約２．０〜２．２であり、一般的な半導体製造装置での形成が容易である。また、酸化窒化シリコンは、可視光域での屈折率が約１．７〜１．８であり、一般的な半導体製造装置での形成が容易である。また、酸化ハフニウムは、可視光域での屈折率が約２．０であり、窒化シリコンに比べて光の吸収が少ないという特徴がある。また、酸化タンタルは、可視光域での屈折率が約２．０であり、窒化シリコンに比べて光の吸収が少ないという特徴がある。

［ビームウェスト］
図２は、固体撮像装置内を透過する光のビームウェストの比較例を示す図である。図２（ａ）は配線を埋め込む絶縁部として酸化シリコンを用いた場合（従来例）、図２（ｂ）は配線を埋め込む絶縁部として窒化シリコンを用いた場合（本実施形態）を示している。この図では、図中縦方向が絶縁部の深さ方向、図中横方向が絶縁部の幅方向である。

この図に示すように、絶縁部として酸化シリコンを用いる場合（図２（ａ））に比べ、絶縁部として窒化シリコンを用いる場合（図２（ｂ））の方が伝搬する光のビームウェスト径が細くなっており、絶縁部の下方に配置される光電変換部へ効率良く集光した伝搬を行うことが可能となる。また、焦点深度も窒化シリコンを用いた本実施形態の方が、酸化シリコンを用いた従来例に比べて大きくなっている。

［感度比較］
図３は、第１実施形態における固体撮像装置のＲＧＢ各色に対応した感度の比較例を示す図である。この図では、絶縁部として酸化シリコンを用いた場合（従来例）のＲＧＢ各色の感度をそれぞれ１００とし、絶縁部とした窒化シリコンを用いた場合（本実施形態）のＲＧＢ各色の感度を相対値としてそれぞれ示している。

絶縁部として窒化シリコンを用いた本実施形態では、絶縁部として酸化シリコンを用いた従来例に比べ、Ｂ（青）の画素の感度が約１２％、Ｇ（緑）の画素の感度が約１５％、Ｒ（赤）の画素の感度が約１８％向上している。これは、図２に示すように、絶縁部として酸化シリコンを用いる場合に比べ窒化シリコンを用いる場合の方が、ビームウェストが細く、焦点深部が大きくなることから、ＲＧＢどの色（波長）についても絶縁部での光の伝搬の効率が高まり、感度向上に寄与するためである。

＜２．第２実施形態＞
［構造］
図４は、第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。固体撮像装置１は、シリコン等の半導体から成る基板２に形成された光電変換部１０と、基板２上に形成されるトランジスタＴｒとを備えている。また、トランジスタＴｒの上に反射防止膜２１を介して形成される配線部４０と、配線部４０の上に形成されるパッシベーション膜５０およびカラーフィルタ６０と、カラーフィルタ６０の各色に対応して形成されるマイクロレンズ７０とを備えている。

基板２に形成される光電変換部１０は、画素に対応して形成された受光領域であり、マイクロレンズ７０およびカラーフィルタ６０を介して入射する光を電気信号に変換する。基板２上のトランジスタＴｒは、光電変換部１０で取り込んだ電荷を読み出す読み出し用トランジスタ、光電変換部１０の出力を増幅する増幅用トランジスタ、光電変換部１０を選択する選択用トランジスタ、電荷を排出するリセット用トランジスタ等の各種トランジスタが挙げられる。

トランジスタＴｒ上には反射防止膜２１が形成され、さらに、複数の配線４１が多層構造で形成されて成る配線部４０が形成されている。配線部４０の配線４１は、酸化シリコンから成る配線用絶縁部４２に埋め込まれており、層間の配線用絶縁部４２を介して多層構造を構成している。配線用絶縁部４２における光電変換部１０の上方となる一部には、酸化シリコンより屈折率の大きい絶縁部３０が設けられている。

絶縁部３０は、配線部４０の上から最下層の配線４１の位置まで配線用絶縁部４２内に埋め込まれている。これにより、絶縁部３０が光導波路の役目を果たすことになる。すなわち、マイクロレンズ７０およびカラーフィルタ６０を介して入射した光はこの絶縁部３０に沿って伝搬し、光電変換部１０まで達するようになっている。

ここで、絶縁部３０として用いられる酸化シリコンより屈折率の大きい材料としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つが挙げられる。各材料の特徴は上記第１実施形態と同様である。

このように、配線４１間および層間に設けられる配線用絶縁部４２として酸化シリコンを用いることで、窒化シリコンを用いる場合に比べて配線４１間の寄生容量を小さくできる。しかも、光の伝搬経路には酸化シリコン膜より屈折率の大きい材料から成る絶縁部３０が埋め込まれているため、図２に示す比較例と同様、酸化シリコンに比べて光のビームウェスト径を小さく、焦点深度を大きくでき、光電変換部１０への集光効率を高めることができる。

［感度比較］
図５は、第２実施形態における固体撮像装置のＲＧＢ各色に対応した感度の比較例を示す図である。この図では、絶縁部として酸化シリコンを用いた場合（従来例）のＲＧＢ各色の感度をそれぞれ１００とし、絶縁部とした窒化シリコンを用いた場合（本実施形態）のＲＧＢ各色の感度を相対値としてそれぞれ示している。また、各配線の横方向に２００ｎｍ、上方向に２００ｎｍの酸化シリコンが設けられている場合を例としている。

絶縁部として窒化シリコンを用いた本実施形態では、絶縁部として酸化シリコンを用いた従来例に比べ、Ｂ（青）の画素の感度が約１２％、Ｇ（緑）の画素の感度が約１４％、Ｒ（赤）の画素の感度が約１８％向上している。これにより、第１実施形態の固体撮像装置と同等の感度を得ていることが分かる。

＜３．固体撮像装置の製造方法＞
図６〜図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図である。図６〜図７に示す固体撮像装置の製造方法は、主として第２実施形態に係る固体撮像装置の構成を例としている。

先ず、図６（ａ）に示すように、シリコン等の基板２の表面に、各色に対応した光電変換部１０を分離する素子分離部２０をＰ型イオン注入で形成し、素子分離部２０の間に各色に対応した光電変換部１０をＮ型およびＰ型不純物イオン注入で形成する。

光電変換部１０を形成した後は、基板２上に画素駆動用等のトランジスタＴｒを形成し、全面に反射防止膜２１を形成する。さらに、その上に、配線用絶縁部４２に埋め込まれた配線４１を形成する。ここで、配線用絶縁部４２に配線４１が埋め込まれた構成を配線層という。配線層の形成は、全面に配線用絶縁部４２である酸化シリコンを成膜し、配線４１の部分だけフォトリソグラフィで除去し、除去した部分に配線材料を埋め込む方法が挙げられる。また、先に配線４１をパターニングしておき、この配線４１を配線用絶縁部４２である酸化シリコンで埋め込んで平坦化する方法も挙げられる。

いずれの方法でも、配線層を形成した後は、配線用絶縁部４２上に感光材料（レジスト）Ｒを塗布し、フォトリソグラフィによって光電変換部１０と対応する位置を開口する。

次に、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）で開口した感光材料Ｒをマスクとして配線用絶縁部４２のエッチングを行う。これにより、感光材料Ｒの開口部分に対応した配線用絶縁部４２がエッチングされる。その後、感光材料Ｒを除去する。

次いで、図６（ｃ）に示すように、配線用絶縁部４２のエッチング部分に絶縁部３０を埋め込む。絶縁部３０は、酸化シリコンより屈折率の大きい材料、例えば、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つを用いる。

配線層に埋め込まれた絶縁部３０は、後に光導波路の一部となる。絶縁部３０を埋め込んだ後は表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化しておく。図６（ａ）〜（ｃ）までの工程で示す配線４１および配線用絶縁部４２の形成、配線用絶縁部のエッチングおよび絶縁部の埋め込み、平坦化で１層分の導波路付き配線層が形成される。

次に、上記のような１層分の導波路付き配線層の形成を複数回繰り返す。すなわち、図７（ａ）に示すように、１層分の導波路付き配線層の上に配線用絶縁部４２を形成し、配線４１およびエッチングによる凹部の形成を行う。そして、図７（ｂ）に示すように、凹部に絶縁部３０を埋め込み、ＣＭＰ等で平坦化する。

導波路付き配線層の形成を重ねるように複数回繰り返すことで、図７（ｃ）に示すような、複数層の配線４１を備えた配線部４０が形成される。配線部４０の上には、絶縁部３０と同じ材料を形成しておく。これにより、配線部４０の上から配線部４０の最下層の配線４１の位置まで配線用絶縁部４２内に絶縁部３０が埋め込まれた状態で連続するようになり、これが光導波路となる。

その後は、絶縁部３０の上にパッシベーション膜５０（図４参照）を形成し、各光電変換部１０に対応してカラーフィルタ６０（図４参照）を形成し、マイクロレンズ７０（図４参照）を形成する。これにより、図４に示すような第２実施形態に係る固体撮像装置１が完成する。

上記説明した製造方法によれば、光電変換部１０の上方に設けられる絶縁部３０が光導波路として構成される。配線部４０の配線４１の層数が多い場合でも、導波路付き配線層の積層によって、絶縁部３０として１つの材料を用いた光導波路構造を構成することが可能となる。

なお、導波路付き配線層の形成で、光導波路の一部となる絶縁部３０の断面形状として下底が短い台形に形成し、上下層で接触する絶縁部３０の長さを合わせるようにすれば、絶縁部３０による光導波路として下側が狭くなるテーパ形状にすることが可能となる。

＜４．電子機器＞
図８は、本実施形態に係る電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図８に示すように、撮像装置９０は、レンズ群９１を含む光学系、固体撮像装置９２、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８等を有している。これらのうち、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８がバスライン９９を介して相互に接続された構成となっている。

レンズ群９１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置９２の撮像面上に結像する。固体撮像装置９２は、レンズ群９１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置９２として、先述した本実施形態の固体撮像装置が用いられる。

表示装置９５は、液晶表示装置や有機ＥＬ(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置９６は、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を、不揮発性メモリやビデオテープ、ＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。

操作系９７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系９８は、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６および操作系９７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。

このような撮像装置９０は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。この固体撮像装置９２として先述した本実施形態に係る固体撮像装置を用いることで、感度の優れた撮像装置を提供できることになる。

１…固体撮像装置、２…基板、１０…光電変換部、２０…素子分離部、３０…絶縁部、４０…配線部、４１…配線、６０…カラーフィルタ、７０…マイクロレンズ

Claims (8)

1. 基板に形成される光電変換部と、
   前記光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部と、
   前記配線部の複数層の配線を埋め込む材料であって、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部と
   を有する固体撮像装置。
2. 前記絶縁部は、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つである
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 基板に形成される光電変換部と、
   前記光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部と、
   前記配線部の複数層の配線を埋め込む酸化シリコンと、
   前記光電変換部の上方で、前記配線部の上から最下層の配線の位置まで前記酸化シリコン内に埋め込まれ、前記酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部と
   を有する固体撮像装置。
4. 前記絶縁部は、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つである
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 受光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力された電気信号を処理する信号処理装置とを有し、
   前記固体撮像装置が、
   基板に形成される光電変換部と、
   前記光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部と、
   前記配線部の複数層の配線を埋め込む材料であって、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部と
   を有する電子機器。
6. 受光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力された電気信号を処理する信号処理装置とを有し、
   前記固体撮像装置が、
   基板に形成される光電変換部と、
   前記光電変換部の上方に形成される複数層の配線から成る配線部と、
   前記配線部の複数層の配線を埋め込む酸化シリコン膜と、
   前記光電変換部の上方で、前記配線部の上から最下層の配線の位置まで埋め込まれ、酸化シリコンより屈折率が大きい絶縁部と
   を有する電子機器。
7. 基板に光電変換部を形成する工程と、
   前記基板上に駆動素子を形成し、当該駆動素子の上に絶縁膜を形成して平坦化する工程と、
   前記絶縁膜の上に、層間絶縁膜に埋め込まれた配線の形成、前記光電変換部の上方となる前記層間絶縁膜の一部に設けられる凹部の形成、当該凹部に前記層間絶縁膜より屈折率の高い材料を埋め込んで成る導波路部の形成によって、導波路部付き配線層を形成する工程と、
   前記導波路部付き配線層の形成を繰り返し、複数層の配線の形成および複数の導波路部の連結による光導波路の形成を行う工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
8. 前記凹部に埋め込む材料は、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化タンタルのうちいずれか１つである
   請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。