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発明の名称 固体撮像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−5437(P2007−5437A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−181753(P2005−181753)
出願日 平成17年6月22日(2005.6.22)
代理人 【識別番号】100112128
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 光威
発明者 勝野 元成 / 宮川 良平
要約 課題
画素アレイ領域周辺における感度シェーディングを抑制する。

解決手段
画素アレイ部1において、半導体基板101内部にフォトダイオード110を形成し、半導体基板101と第1の配線層103間、および第1の配線層103と第2の配線層106間を金属埋め込み層104a,104bを介して接続する。周辺回路部2において、トランジスタを複数個形成し、半導体基板101と第1の配線層116間、および第1の配線層116と第2の配線層106間を金属埋め込み層104a,104bを介して接続する。前記第2の配線層106は第1の配線層103,116よりも上に形成され、各第2の配線層106を同じ厚さにし、画素アレイ部1の第1の配線層103の厚さは、周辺回路部2の第1の配線層116に比べて薄くする。
特許請求の範囲
【請求項1】
半導体基板に、少なくとも光電変換部が含まれる単一画素を2次元的に配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の周辺に配置された周辺回路部とを備え、前記画素アレイ部および前記周辺回路部のそれぞれに、少なくとも第1の配線と第2の配線とからなる複数の配線が設けられ、基板表面を下側として前記第2の配線が前記第1の配線の上に設置されている固体撮像装置であって、
前記画素アレイ部と前記周辺回路部とにおける前記第2の配線の膜厚を同じにし、前記画素アレイ部における前記第1の配線の膜厚を、前記周辺回路部における前記第1の配線の膜厚よりも小さくしたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項2】
前記周辺回路部における前記第1の配線の膜厚が一部異なることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
【請求項3】
前記周辺回路部の前記第1の配線における前記半導体基板からの基板表面に垂直方向の最短距離が、前記画素アレイ部の前記第1の配線における前記半導体基板からの基板表面に垂直方向の最短距離よりも長くなるように設定したことを特徴とする請求項1または2項記載の固体撮像装置。
【請求項4】
前記周辺回路における前記第1の配線を多層設置構造にしたことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の固体撮像装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、光電変換素子などからなる受光部と、信号処理回路などの周辺回路とが同一半導体基板上に混載されてなる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、民生用のデジタルカメラなどに用いられる固体撮像装置においては、高画質に対する要求と共に、携帯性の面において小型化,軽量化に関する要求が高まってきている。これらの要求に対応するため、従来では受光部とは別チップで形成されていたセンサ機能以外の付加機能、例えば信号処理回路,制御回路などを、受光部と共にワンチップ化する、いわゆるSOS(システム オン シリコン)技術の開発がなされている。従来のこの種の固体撮像装置として、特許文献1に記載の技術を例示する。
【0003】
図6,図7は特許文献1に記載の固体撮像装置を示す断面図である。
【0004】
図6において、201は半導体基板、202は受光部、203は周辺回路部であって、204は光電変換素子、205は受光部202内の配線、206は周辺回路部203内の配線、207はカラーフィルタ、208はマイクロレンズ、209はエッチングストッパ層、210は平坦化層、211は層間膜、212は保護膜である。
【0005】
図7に示すように、半導体基板1上には、受光部202において光電変換素子204が形成され、また周辺回路部203において駆動,制御,信号処理などの回路(図示せず)が形成され、続いて一般的な半導体製造技術を用いて信号配線205,206が形成される。
【0006】
ここで、受光部202には、バイアスなどの入力および画像信号の出力が必要とされ、その配線は2〜3層程度である。一方、周辺回路部3では、信号処理回路などにおいて付加機能が増加し、集積化が進むことにより、多層化が必須となると共に、素子の微細化によっても、さらに多層化が必要となる。
【0007】
すなわち、SOS(システム オン シリコン)形態をなす固体撮像装置においては、微細化により周辺信号処理回路などの多層化が一層進み、少なくとも受光部に必要とされる配線層以上の多層化が必要となる。
【特許文献1】特開2000−150846号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
前記従来技術として説明した固体撮像装置は、最下層以外の配線は、通常、コンタクト数が少ないため、シュリンクを行うことができるが、金属配線は電気的接続の機能を果たすため、配置位置を変えることが困難であって、シュリンクを行うことは難しい。
【0009】
したがって、前記従来技術として説明した固体撮像装置は、特に受光部の光電変換素子群からなる画素アレイ部周辺にて、斜めからの入射光が最下層の金属配線に反射しやすくなり、この結果、画素アレイ部における中心と周辺とにおいて、入射光量が異なることによる画質劣化(感度シェーディング)が発生するという課題がある。
【0010】
本発明は、前記従来技術の課題を解決するため、画素アレイ領域周辺における感度シェーディングを抑制した固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
前記目的を達成するため、本発明は、半導体基板に、少なくとも光電変換部が含まれる単一画素を2次元的に配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の周辺に配置された周辺回路部とを備え、前記画素アレイ部および前記周辺回路部のそれぞれに、少なくとも第1の配線と第2の配線とからなる複数の配線が設けられ、基板表面を下側として前記第2の配線が前記第1の配線の上に設置されている固体撮像装置であって、前記画素アレイ部と前記周辺回路部とにおける前記第2の配線の膜厚を同じにし、前記画素アレイ部における前記第1の配線の膜厚を、前記周辺回路部における前記第1の配線の膜厚よりも小さくしたことを特徴とするものである。
【0012】
この構成によって、画素アレイ部における第1の配線の膜厚が比較的薄いため、入射光が反射され難くなり、画素アレイ部周辺でも光電変換部への入射光量の低下が小さくなる。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る固体撮像装置によれば、画素アレイ部周辺における入射光量低下による感度シェーディングを抑制することができ、撮像画質の向上が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明の実施形態に係る固体撮像装置を、図面を参照しながら説明する。
【0015】
図1は本発明の実施形態を説明するための固体撮像装置の回路模式図である。
【0016】
図1において、画像取り込み領域10は、2次元的に配列されている複数のセル11から構成されており、各セル11は、光電変換素子であるフォトダイオード12と、電荷転送トランジスタ13と、電荷を消去するためのリセットトランジスタ14と、増幅トランジスタ15とから構成されている。
【0017】
また、画像取り込み領域10において、光電変換領域は、フォトダイオード12と電荷転送トランジスタ13から構成され、信号検出回路領域は、リセットトランジスタ14と増幅トランジスタ15から構成されている。
【0018】
画像取り込み領域10の周辺領域には、水平シフトレジスタ21,垂直シフトレジスタ22などからなる周辺回路領域が配置されており、水平画素選択配線24とリセット配線23は、水平シフトレジスタ21によりセル位置の水平方向を選択する。さらに、信号電荷を読み出すラインを決定するために、水平画素選択線22は、それぞれの増幅トランジスタ15のゲートに接続される。また、セル位置の垂直方向を選択するため、垂直方向の電圧入力トランジスタ28を電流安定トランジスタ25を介して垂直信号配線26に接続している。
【0019】
図2は本発明に係る固体撮像装置の実施形態1における配線構造を示す断面図である。
【0020】
図2において、図1の2次元的に配列されている複数のセル11に対応する画素アレイ部1は、半導体基板101の内部に形成されたフォトダイオード110の上部に、第1の絶縁層102,第2の配線層103、また第2の絶縁層105,第2の配線層106が形成されることにより構成されている。
【0021】
また、半導体基板101と第1の配線層103とは、第1の金属埋め込み層104aを介して、また第1の配線層103と第2の配線層106とは、第2の金属埋め込み層104bを介して接続され、電気的導通が保たれている。そして、その上部にカラーフィルタ107,第3の絶縁層108が形成され、さらに、その上部に集光レンズ109が形成されている。
【0022】
また、周辺回路部2には、ゲート電極112,サイドウォール111,ドレイン113とソース114から構成されるトランジスタが複数個形成されており、半導体基板101のドレイン113およびソース114と第1の配線層116とは、第1の金属埋め込み層104aを介して、また第1の配線層116と第2の配線層106とは、第2の金属埋め込み層104bを介して接続されている。
【0023】
実施形態1では、画素アレイ部1の第1の配線層103の厚さが、周辺回路部2の第1の配線層116に比べて薄くしてある。このことにより、画素アレイ部1の第1の配線層103において入射光が反射されにくくなり、画素アレイ部1の周辺でもフォトダイオード部110への入射光量の低下が抑制されることになり、したがって、画質が向上する。
【0024】
周辺回路部2では、配線に流れる電流が大きいため、配線は低抵抗であることが好ましく、一方、画素アレイ部1では、第1の配線層103には、ほとんど電流が流れないため、高抵抗であっても問題とはならない。したがって、実施形態1のように、固体撮像装置において、周辺回路部2の第1の配線層116における膜厚を大きくしても、また、画素アレイ部1の第1の配線層116における膜厚を小さくしても、電気特性上の影響はない。
【0025】
なお、実施形態1において、画素アレイ部1の第1の配線層103以外の配線層と、周辺回路部2の第1の配線層116としては、低抵抗金属であるアルミニウム/チタンの積層膜、あるいは銅/チタンの積層膜であることが好ましい。
【0026】
さらに、画素アレイ部1の第1の配線層103としては、タングステンあるいはアルミニウム/チタンの積層膜であることが好ましい。
【0027】
さらに、画素アレイ部1の第1の配線層103は100nm以下とすることが好ましい。また、画素アレイ部1の第1の配線層103以外の配線層と、周辺回路部2の配線層は、100〜500nmであることが好ましい。
【0028】
図3は本発明に係る固体撮像装置の実施形態2における配線構造を示す断面図である。
【0029】
実施形態2では、実施形態1と異なり、周辺回路部2の第1の配線層116が、膜厚の異なる配線層116aと配線層116bとから構成されている。
【0030】
すなわち、第1の配線層116において配線層116aは、配線層116bよりも膜厚が薄く、また画素アレイ部1の第1の配線層103と同じ膜厚であり、かつ配線層103,116a,116bは半導体基板−配線層間の距離が同じである。
【0031】
実施形態2によれば、周辺回路部2にも高抵抗配線を必要とする場合に、画素アレイ部1の第1の配線層103と同じものを用いることが可能となる。すなわち、高抵抗と低抵抗の場合での配線の使い分けが可能となり、設計の自由度が高まる。
【0032】
図4は本発明に係る固体撮像装置の実施形態3における配線構造を示す断面図である。
【0033】
実施形態3では、追加絶縁層117を第1の絶縁層102上に形成し、画素アレイ部1における第1の配線層103と半導体基板101間の距離(基板表面に垂直方向の最短距離)dが、周辺回路部2における第1の配線層116と半導体基板101間の距離(基板表面に垂直方向の最短距離)dに比べて小さくしている。
【0034】
これにより、画素アレイ部1における第1の配線層103の設置高さ(基板表面に垂直方向)を変えることができることになり、さらに画素アレイ部1においてのみ、第1の配線層103と半導体基板101との距離を小さくすることができる。
【0035】
なお、実施形態3において、前記実施形態1と同様に、画素アレイ部1の第1の配線層103以外の配線層と、周辺回路部2の第1の配線層116としては、低抵抗金属であるアルミニウム/チタンの積層膜、あるいは銅/チタンの積層膜であることが好ましい。
【0036】
さらに、画素アレイ部1の第1の配線層103としては、タングステンあるいはアルミニウム/チタンの積層膜であることが好ましい。
【0037】
さらに、画素アレイ部1の第1の配線層103は100nm以下とすることが好ましい。また、画素アレイ部1の第1の配線層103以外の配線層と、周辺回路部2の配線層は、100〜500nmであることが好ましい。
【0038】
さらに、基板表面と配線下面の距離は、画素アレイ部1では100〜500nm程度、また周辺回路部2では400nm〜1μm程度が好ましい。
【0039】
図5は本発明に係る固体撮像装置の実施形態4における配線構造を示す断面図である。
【0040】
実施形態4では、画素アレイ部1と周辺回路部2において金属配線層の層数が異なる。具体的には、画素アレイ部1は2層配線構造であり、周辺回路部2は3層配線構造であって、周辺回路部2の第1の配線層116は、画素アレイ部1の第1の配線層103と同じ膜厚で、かつ基板−配線層間の距離が同じである。そして、周辺回路部2には、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105との間に、中間絶縁層118を形成し、この中間絶縁層118上に補助の第1の配線層として中間配線層120を形成して、第1の配線層116と中間配線層120とを第3の金属埋め込み層119を介して電気的に接続している。
【0041】
実施形態4によれば、中間配線層120の膜厚を第1の配線層116よりも大きくすることにより、中間配線層120を低抵抗配線として、また第1の配線層116を高抵抗配線として使い分けることが可能となり、設計の自由度が高まる。
【0042】
なお、周辺回路の中間配線層120としては、低抵抗金属であるアルミニウム/チタンの積層膜あるいは銅/チタンの積層膜であることが好ましく、膜厚としては400nm〜1μm程度が好ましい。
【0043】
さらに、中間絶縁層118は、第1の絶縁層102と同じ材質である酸化シリコン,窒化シリコンを用いることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、信号処理回路などの周辺回路とが同一半導体基板上に混載された構成であって、受光部周辺における入射光量の低下による感度シェーディングの抑制が要求される、民生用のデジタルカメラなどに搭載される固体撮像装置に用いて有効である。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の実施形態を説明するための固体撮像装置の回路模式図
【図2】本発明に係る固体撮像装置の実施形態1における配線構造を示す断面図
【図3】本発明に係る固体撮像装置の実施形態2における配線構造を示す断面図
【図4】本発明に係る固体撮像装置の実施形態3における配線構造を示す断面図
【図5】本発明に係る固体撮像装置の実施形態4における配線構造を示す断面図
【図6】従来の固体撮像装置を示す断面図
【図7】従来の固体撮像装置を示す断面図
【符号の説明】
【0046】
1 画素アレイ部
2 周辺回路部
10 信号取り出し領域
11 セル
12 フォトダイオード
13 電荷転送トランジスタ
14 リセットトランジスタ
15 増幅トランジスタ
21 水平シフトレジスタ
22 垂直シフトレジスタ
23 水平画素選択配線
24 リセット配線
25 電流安定トランジスタ
26 垂直信号配線
28 電圧入力トランジスタ
101 半導体基板
102 第1の絶縁層
103 第1の配線層
104a 第1の金属埋め込み層
104b 第2の金属埋め込み層
105 第2の絶縁層
106 第2の配線層
107 カラーフィルタ層
108 第3の絶縁層
109 集光レンズ
110 フォトダイオード
111 サイドウォール
112 ゲート電極
113 ドレイン
114 ソース
117 追加絶縁層
118 中間絶縁層
119 第3の金属埋め込み層
120 中間配線層




 

 


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