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JP4867152B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は、基体の裏面に光電変換部の受光面を配置した裏面照射型の固体撮像素子に関し、特にＭＯＳプロセスを用いて製造するＣＭＯＳ型イメージセンサに有効な固体撮像素子に関する。
近年、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子では、搭載されるデバイスの小型化により、チップ面積の小型化が進んでおり、１画素当たりの面積も縮小せざるを得なくなってきている。それに伴い、チップ基板の電極や配線を配置した表面側より光を入射する固体撮像素子では、電極や配線によって光が遮られ、十分な集光特性が得られなくなってきており、これを解決するための技術として配線や電極のない基板の裏面より光を入射し、基板内部で光電変換を行うことで集光特性を向上させた裏面入射型の固体撮像素子が作製されている（例えば特許文献１参照）。
図１４は従来の裏面入射型の固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）の一般的な構造例を示す断面図である。
この固体撮像素子は、半導体基板１０中に光電変換部（フォトダイオード）の受光部１２、素子分離領域１４が形成され、その半導体基板１０上にＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜１６、ゲート電極１８、コンタクト（図示せず）、配線膜２２、２６、層間絶縁膜２４、２８、カバー絶縁膜３０等が設けられている。
このような裏面入射型構造の場合、裏面より光を入射させて、半導体基板１０中の受光部１２に入射した光を光電変換するが、裏面より入射した光は、基板１０中で完全に光電変換が行われるわけではなく、矢印Ａに示すように、入射した光の一部は基板１０の表面側まで達し、さらに基板１０の表面より上層へと透過するものがある。そして、この基板上層へ透過した光は、基板１０の上層部に配置された金属製の配線膜２２によって反射され、矢印Ｂに示すように、再び光電変換部に入射するものが存在する。
このような反射光が、元々透過してきた光電変換部へ再度戻って入射した場合は大きな問題にはならないが、元の光電変換部とは別の光電変換部へ入射した場合には、色分離特性の悪化やフレア等の問題となることが考えられる。
そこで従来は、ゲート電極またはゲート酸化膜を金属反射膜または誘電体反射膜として反射光による悪影響を防止するものが提案されている。
特開２００３−３３８６１５号公報
しかしながら、ゲート酸化膜を反射膜とすることはＭＯＳプロセスと両立させることが難しく、上述した特許文献１にも開示がなく、実現性に問題がある。
また、ゲート電極を反射膜とすることは可能であるが、それだけでは不十分であり、例えば図１４に示したように、フォトダイオードを光が透過してしまうと、上層の配線膜で反射した光が他の画素へ再入射してしまう可能性が大きい。
そこで本発明は、裏面照射型の固体撮像素子において、基板裏面から光電変換部を透過して配線膜を反射した光が光電変換部に不正に再入射するのを防止でき、高画質の画像を得ることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、画素毎に設けられ基体の第１面より入射した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記基体の第１面の反対側の第２面側に形成され前記光電変換部によって蓄積された信号電荷を読み出す画素トランジスタ回路と、前記基体の第２面上に形成された層間絶縁膜及び複数層の配線膜を含む積層膜とを有し、前記基体と最下層の前記配線膜との間の前記層間絶縁膜が、前記第１面より入射し前記光電変換部を透過した光を吸収するシリコンカーバイトからなる光吸収膜で形成されることを特徴とする。
本発明の固体撮像素子によれば、光電変換部の受光面を基体の第１面（裏面）に配置した裏面照射型の素子において、基体の第２面（表面）上の配線膜を含む積層膜における基体と最下層の配線膜との間の層間絶縁膜を光吸収膜で形成することにより、基体の裏面から入射して基体を透過した光が層間絶縁膜で吸収され、不正な反射による画質の悪化を防止できる。
本発明の実施の形態では、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子において、シリコン基板と積層膜内の最下層配線膜との間に、シリコン基板の裏面から入射してシリコン基板を透過した光が配線膜に至るのを防止する透過防止膜を設け、配線膜から反射した光が他の画素に不正に入射して光電変換されるのを防止する。具体的には、層間絶縁膜に光吸入性の膜を用いるといった構成が可能である。
参考例１
図１は本発明を理解するための参考例１による固体撮像素子の構造例を示す断面図であり、図２は図１に示す固体撮像素子の回路領域（画素トランジスタ回路）の構成例を示す回路図である。また、図３〜図１１は図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。
まず、図２に示すように、固体撮像素子では、画素内に光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）１００と、このフォトダイオード１００の蓄積電荷をリセットするためのリセットトランジスタ１１０と、蓄積電荷量に対応する画素信号を増幅出力するための増幅トランジスタ１２０と、フォトダイオード１００に蓄積された信号電荷を増幅トランジスタ１２０のゲートに転送する転送タイミングを選択する転送トランジスタ１３０と、信号電荷を読み出す画素を選択する選択トランジスタ１４０とを有している。なお、このような画素回路の構成は従来と同様のものであり、また、他の回路構成、例えば転送トランジスタを持たない構成等であってもよいものとする。
次に、図１において、基体としての半導体基板２１０中には素子分離領域２１４によって分離された領域に光電変換部（フォトダイオード）や上述したＭＯＳトランジスタが形成されており、フォトダイオードの受光部２１２は半導体基板２１０の裏面から入射した光を受光し、光電変換を行う。なお、本実施例では、フォトダイオードに電子蓄積領域としてのｎ型層の受光表面に正孔蓄積領域としてのｐ型層を設けたＨＡＤ（Hole Accumulation Diode）構造を採用している。また、フォトダイオードに隣接して転送トランジスタが配置され、ゲート酸化膜２１６を介してゲート電極２１８が設けられ、フォトダイオードで生成した信号電荷をフローティングデフュージョン（ドレイン）部２２０に転送する。
また、半導体基板２１０の上には、ゲート酸化膜２１６及びゲート電極２１８の上面にシリコン層をコバルト等の金属によって合金化したシリサイド膜（ＣｏＳｉ2等）２２２が形成されており、また、その上層にコンタクト（図示せず）、配線膜２２６、２３０、層間絶縁膜２２８、２３２、及びカバー絶縁膜２３４等が設けられている。
このような固体撮像素子では、半導体基板２１０の上面（表面）と配線膜２２６、２３０との間に透過防止膜としてのシリサイド膜２２２を設けたことから、半導体基板２１０の裏面から入射して光電変換部を透過した光は、このシリサイド膜２２２によって光電変換部側に反射する構造となり、配線膜２２６、２３０への透過及び配線膜２２６、２３０からの反射を防止することができる。
次に、図３〜図１１に沿って図１に示すようなシリサイド膜の形成方法について説明する。
まず、図３において、ｎ型シリコン基板３１０にフォトダイオード部やフローティングデフュージョン（ＦＤ）部等となる領域にｐ型のウェル層３２０を作製する。そして、このシリコン基板３１０の上面に素子分離部３３０、ゲート酸化膜３４０及びゲート電極（ポリシリコン膜）３５０を形成した後、フォトレジスト３６０のパターニングを行い、フォトダイオード部にｎ型のイオンを注入してフォトダイオードのｎ型層３７０を形成する。
次に、図４において、フォトレジスト３８０のパターニングを行い、イオン注入によってＦＤ部に薄いｎ層３９０を形成し、さらに図５に示すように、全面に酸化膜４００を堆積し、次いで図６に示すようにエッチバックを行い、サイドウォール４１０を形成する。
この後、図７に示すように、フォトレジスト４８０のパターニングを行い、ＦＤ部に濃いイオン注入を行い、ＬＤＤ構造を形成する。そして、図８に示すように、フォトレジスト４９０のパターニングを行い、フォトダイオード部に浅くｐ型層４２０をイオン注入してＨＡＤ構造のフォトダイオードを形成する。
次に、図９に示すように、全面にＣｏ膜４３０をスパッタリングで形成する。これをアニールすると、図１０に示すように、Ｃｏ膜４３０とシリコン基板３１０のＳｉ、及びゲート電極３５０のPolyＳｉが接触する部分ではＣｏＳｉ2膜４４０が形成される。また、Ｃｏ膜４３０とゲート酸化膜３４０のＳｉＯ2が接触する部分では、ＣｏＳｉ2は形成されない。これによって、Ｓｉ及びPolyＳｉの領域にはシリサイド膜４４０が形成される。その後、図１１に示すようにウェットエッチング処理を行い、ゲート酸化膜３４０上のＣｏを除去する。なお、この後は、従来と同様の工程で固体撮像素子を完成していくものとし、本発明には直接関係しないため、説明は省略する。
これにより、フォトダイオード部、ソース／ドレイン部の表面にシリサイド膜が形成され、矢印Ｃに示すように、基板の裏面から入射した光を遮光することができる。これにより、シリコン基板を透過した光が上部の配線膜で反射され、別の画素の受光部で光電変換されることがなくなり、色分離性の悪化やフレアの発生を防ぐことができる。シリサイド膜としては、上述したコバルトシリサイドに限定されず、タングステンシリサイド膜等でもよいことはもちろんであり、また、シリサイド膜の形成位置及び形成方法についても、上述した例に限定されないものとする。
参考例２
図１２は参考例２による固体撮像素子の構造例を示す断面図である。なお、図１と共通の構成については同一符号を付している。
本参考例２は、光の透過を防止する膜として、上述したシリサイド膜の代わりに遮光用のダミー配線を用いたものである。
図１２に示すように、本来形成される配線膜のうちの最も下層に遮光用のダミー配線５００を配置している。なお、その下層には層間絶縁膜５０１が配置されている。このダミー配線５００は、ポリシリコンのような光を透過する材質ではなく、タングステンやアルミ等の金属膜やその他の合金膜を用いるものとし、図示のように、フォトダイオードの受光領域に対応するパターンで形成されている。このような参考例２においても、矢印Ｄに示すように、基板を裏面側から透過した光をフォトダイオードに近い位置で反射させ、別の画素への不正入射を防止できる。なお、遮光用のダミー配線膜材料としては、上述したタングステンシリサイドやコバルトシリサイドを用いてもよい。
図１３は本発明の実施例１による固体撮像素子の構造例を示す断面図である。なお、図１と共通の構成については同一符号を付している。
本実施例１は、光の透過を防止する膜として、光を吸収する材質を用いた層間膜を設けたものである。
図１３に示すように、シリコン基板と２層の配線膜の間には、それぞれ層間絶縁膜５１０、５２０が配置されており、これら層間絶縁膜５１０、５２０が光吸収膜となっている。具体的には、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いることができる。
このような層間絶縁膜５１０、５２０を設けることで、矢印Ｅに示すように、裏面側から入射した光が基板の表面側へと達しても、そこで吸収してしまうことが可能になり、別の画素への不正入射を防止できる。
なお、上述した参考例１、参考例２及び実施例では、主に透過防止膜を基板と最下層の配線膜との間に設けたが、最下層の配線膜より上層に透過防止膜を配置した場合でも十分な効果が得られる。例えば基板と最下層より上で２層目の配線膜との間に透過防止膜を設けてもよい。
参考例１による固体撮像素子の構造例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の画素トランジスタ回路の構成例を示す回路図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子の製造方法の具体例を示す断面図である。 参考例２による固体撮像素子の構造例を示す断面図である。 本発明の実施例１による固体撮像素子の構造例を示す断面図である。 従来の固体撮像素子の構造例を示す断面図である。
１００……フォトダイオード、１１０……リセットトランジスタ、１２０……増幅トランジスタ、１３０……転送トランジスタ、１４０……選択トランジスタ、２１０……半導体基板、２１２……受光部、２１４……素子分離領域、２１６……ゲート酸化膜、２１８……ゲート電極、２２０……フローティングデフュージョン部、２２２……シリサイド膜、２２４……絶縁膜、２２６、２３０……配線膜、２２８、２３２……層間絶縁膜、２３４……カバー絶縁膜。

Claims (4)

  1. 画素毎に設けられ基体の第１面より入射した光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記基体の第１面の反対側の第２面側に形成され前記光電変換部によって蓄積された信号電荷を読み出す画素トランジスタ回路と、
    前記基体の第２面上に形成された層間絶縁膜及び複数層の配線膜を含む積層膜とを有し、
    前記基体と最下層の前記配線膜との間の前記層間絶縁膜が、前記第１面より入射し前記光電変換部を透過した光を吸収するシリコンカーバイトからなる光吸収膜で形成される
    ことを特徴とする固体撮像素子。
  2. 前記画素トランジスタ回路は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷量に対応する画素信号を増幅出力する増幅トランジスタと、信号電荷を読み出す画素を選択する選択トランジスタと、前記光電変換部に蓄積された電荷をリセットするためのリセットトランジスタとを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  3. 前記画素トランジスタ回路は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記増幅トランジスタに転送する転送トランジスタを含むことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
  4. 前記光電変換部は信号電荷となる電子を蓄積するｎ型層と、前記ｎ型層の表層に設けられて正孔を蓄積するｐ型層とを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
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