JP7082019B2

JP7082019B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP7082019B2
Application number: JP2018173795A
Authority: JP
Inventors: 勇人那須; 康板橋
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: CN110911426B; US10777599B2; JP2020047717A; US20200091216A1; CN110911426A

Description

実施形態は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置において、暗時電流を抑制するため配線にバリアメタルを設けない構造が提案されている。

特許第４０４７３２４号公報特開平８－２２２７２１号公報特開２００８－２１８７５５号公報

実施形態は、バリアメタル膜を設けなくても配線層をストレスに強くできる固体撮像装置を提供する。

実施形態によれば、固体撮像装置は、基板と、前記基板の表面に設けられた画素と、前記基板の上に設けられた複数の配線層であって、第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた第２配線層とを含む複数の配線層と、前記複数の配線層の間に設けられた絶縁層と、前記第１配線層の表面に設けられ、前記第２配線層の表面には設けられていないバリアメタル膜と、前記第１配線層と前記第２配線層との間に設けられ、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する少なくとも３つのプラグと、を備えている。前記少なくとも３つのプラグは、前記第２配線層が連続している範囲内において前記第２配線層が延びる長手方向に沿って２００μｍ以下の間隔で配置されている。前記第２配線層の下面に接する前記絶縁層が、前記少なくとも３つのプラグによって前記長手方向に沿って複数の領域に分断されている。

（ａ）は実施形態の固体撮像装置の模式断面図であり、（ｂ）は実施形態の固体撮像装置の配線層の模式平面図。実施形態の固体撮像装置の模式断面図。（ａ）～（ｃ）は、実施形態の固体撮像装置の配線層の模式平面図。比較例の固体撮像装置の模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１（ａ）は実施形態の固体撮像装置の模式断面図であり、図１（ｂ）は実施形態の固体撮像装置の配線層の模式平面図である。

実施形態の固体撮像装置は、基板１０と、基板１０の表面に設けられた画素１１と、複数の配線層２１、２２と、複数のプラグ５１、５２と、絶縁層４０とを有する。複数の配線層２１、２２、複数のプラグ５１、５２、および絶縁層４０は、基板１０の上に設けられている。

画素１１は、光電変換部を含む。基板１０は、例えばシリコン基板である。画素１１は、例えばＮ型シリコンとＰ型シリコンとのＰＮ接合を含む。実施形態の固体撮像装置は、例えばリニアセンサであり、複数の画素１１が一方向に並んだ画素列を有する。

基板１０の表面には絶縁膜１２が設けられている。絶縁膜１２は、例えばシリコン酸化膜である。画素１１に近接する領域の絶縁膜１２上に、電荷転送用のゲート電極１３が設けられている。

配線層２１は、ゲート電極１３よりも上のレイヤーに設けられている。配線層２１は、プラグ５１を通じてゲート電極１３と電気的に接続された配線層を含む。プラグ５１は、ゲート電極１３と配線層２１との間に設けられている。

配線層２１よりも上のレイヤーに、配線層２２が設けられている。図１（ｂ）に示す例では、配線層２１と配線層２２は、基板１０の表面に平行な面内で互いに交差している。

配線層２１と配線層２２との間には複数のプラグ５２が設けられている。プラグ５２は、配線層２１と配線層２２とを電気的に接続している。

配線層２１の表面（上面および下面）に、バリアメタル膜３１が設けられている。配線層２２の表面にはバリアメタル膜は設けられていない。

絶縁層４０は、ゲート電極１３と配線層２１との間、配線層２１と配線層２２との間、配線層２２の上に設けられている。また、絶縁層４０は、プラグ５１、５２の周囲に設けられている。絶縁層４０は、ゲート電極１３、配線層２１、２２、バリアメタル膜３１、およびプラグ５１、５２を覆っている。

配線層２１、２２は、アルミニウムを主成分に含む金属層である。配線層２１、２２は、例えば、アルミニウム層、銅含有アルミニウム層、または銅とシリコンを含有するアルミニウム層である。

プラグ５１、５２は、柱状の金属部材であり、例えばタングステンを含む。

バリアメタル膜３１は、配線層２１、２２とは異なる材料の金属膜であり、例えば、チタンを含む。バリアメタル膜３１は、例えば、チタン膜、または窒化チタン膜である。または、バリアメタル膜３１は、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜である。または、バリアメタル膜３１は、タンタル膜、窒化タンタル膜、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜である。

絶縁層４０は、例えばシリコン酸化膜である。絶縁層４０は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で形成される。そのときのソースガスに起因して、絶縁層４０は水素を含む。

基板１０の表面のシリコン原子のダングリングボンドに電子がトラップされると、電荷転送動作時にその電子が暗電流として流れ、固体撮像装置の暗時特性を低下させる原因となり得る。

実施形態によれば、絶縁層４０中に含まれる水素が、後の熱工程で、基板１０の表面に拡散し、基板１０の表面を水素で終端させることができる。これは、基板１０の表面におけるシリコンのダングリングボンドを抑制する。したがって、基板１０のダングリングボンドへの電子のトラップを抑制し、暗時特性を向上させることができる。

特にチタンを含むバリアメタル膜３１は、水素との密着性が高く、基板１０への水素の供給を阻害し得る。そこで、実施形態によれば、すべての配線層にバリアメタル膜３１を設けるのではなく、バリアメタルを使用しない配線層２２を設けることで、基板１０への水素の供給を阻害するバリアメタルの使用量を減らしている。図１（ａ）に示す例では、最上層の配線層２２にはバリアメタル膜を設けていない。

固体撮像装置の製造工程は、例えば４００℃ほどの熱処理工程を含む。この熱処理工程は、絶縁層４０に引張応力を生じさせ、配線層は絶縁層４０からストレスを受ける。特にバリアメタル膜を設けない配線層２２に対しては、図４に示す比較例のように、絶縁層４０から受ける引張応力により、空孔（ボイド）ｖが発生しやすい。この空孔ｖは、配線層の抵抗増加や断線につながり得る。

これに対して実施形態によれば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、バリアメタル膜を設けない配線層２２と、この配線層２２の下の配線層２１との間に、それら配線層２２と配線層２１とを接続する複数のプラグ５２を設けている。配線層２２と配線層２１とを電気的に接続するために、少なくとも１つのプラグ５２で配線層２２と配線層２１とを接続すればよい。しかしながら、実施形態によれば、バリアメタル膜を設けていない配線層２２のストレスに対する強度を高くするために、複数のプラグ５２を配線層２２の長手方向に沿って配置している。

配線層２２の下面に接する絶縁層４０が、複数のプラグ５２によって、配線層２２の長手方向に沿って複数の領域に分断されている。プラグ５２は、配線層２２の長手方向に沿って引っ張られた絶縁層４０の動きを止めるストッパーとして機能することができる。これにより、配線層２２が絶縁層４０から受けるストレスが低減し、ボイドの発生を抑制することができる。

実験によれば、複数のプラグ５２を、配線層２２の長手方向に沿って２００μｍ以下の間隔で配置した場合に、ボイドの発生を抑制できたことが確認された。したがって、複数のプラグ５２の配置ピッチは２００μｍ以下が望ましい。

図２は、実施形態の固体撮像装置の他の例の模式断面図である。上記実施形態と同じ要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。

基板１０上に複数の配線層２３～２６が設けられている。配線層２４は配線層２３よりも上のレイヤーに設けられ、配線層２５は配線層２４よりも上のレイヤーに設けられ、配線層２６は配線層２５よりも上のレイヤーに設けられている。

基板１０と配線層２３との間に絶縁層４１が設けられている。絶縁層４１はゲート電極１３を覆っている。配線層２３と配線層２４との間に絶縁層４２が設けられている。配線層２４と配線層２５との間に絶縁層４３が設けられている。配線層２５と配線層２６との間に絶縁層４４が設けられている。配線層２６上に絶縁層４５が設けられている。

配線層２５と配線層２４との間に複数のプラグ５３が設けられている。プラグ５３は、配線層２５と配線層２４とを電気的に接続している。配線層２６と配線層２５との間に複数のプラグ５２が設けられている。プラグ５２は、配線層２６と配線層２５とを電気的に接続している。

配線層２３、２４の表面（上面および下面）に、バリアメタル膜３１が設けられている。配線層２５、２６の表面にはバリアメタル膜は設けられていない。

配線層２３～２６は、アルミニウムを主成分に含む金属層であり、例えば、アルミニウム層、銅含有アルミニウム層、または銅とシリコンを含有するアルミニウム層である。プラグ５２、５３は、柱状の金属部材であり、例えばタングステンを含む。

絶縁層４１～４５は、例えばシリコン酸化膜である。絶縁層４１～４５は、例えばＣＶＤで形成される。そのときのソースガスに起因して、絶縁層４１～４５は水素を含む。

図２に示す例においても、すべての配線層にバリアメタル膜３１を設けるのではなく、バリアメタルを使用しない配線層２５、２６を設けることで、基板１０への水素の供給を阻害するバリアメタルの使用量を減らしている。

そして、配線層２５と配線層２４との間に複数のプラグ５３を設け、配線層２６と配線層２５との間に複数のプラグ５２を設けている。すなわち、バリアメタル膜を設けていない配線層２５のストレスに対する強度を高くするために、複数のプラグ５３を配線層２５の長手方向に沿って配置し、バリアメタル膜を設けていない配線層２６のストレスに対する強度を高くするために、複数のプラグ５２を配線層２６の長手方向に沿って配置している。

配線層２５の下面に接する絶縁層４３が、複数のプラグ５３によって、配線層２５の長手方向に沿って複数の領域に分断されている。配線層２５の上面および配線層２６の下面に接する絶縁層４４が、複数のプラグ５２によって、配線層２５、２６の長手方向に沿って複数の領域に分断されている。

プラグ５２、５３は、配線層２５、２６の長手方向に沿って引っ張られた絶縁層４３、４４の動きを止めるストッパーとして機能することができる。これにより、配線層２５、２６が絶縁層４３、４４から受けるストレスが低減し、ボイドの発生を抑制することができる。特に配線層２５については、下の絶縁層４３から受けるストレスと、上の絶縁層４４から受けるストレスの両方を低減でき、ボイドの発生を効果的に抑制できる。

図２に示す例においても、上記実験結果に基づき、複数のプラグ５２、５３を、配線層２５、２６の長手方向に沿って２００μｍ以下の間隔で配置することが望ましい。

図３（ａ）～（ｃ）は、実施形態の固体撮像装置における配線層の他の例の模式平面図である。

図３（ａ）に示す例では、バリアメタル膜を設けていない配線層２２の下に、複数の金属層２７を配置している。複数の金属層２７が、配線層２２の長手方向に沿って配置されている。

配線層２２と金属層２７との間にプラグ５２が設けられている。プラグ５２は、配線層２２と金属層２７とを接続している。

配線層２２の下面に接する絶縁層が、複数のプラグ５２によって、配線層２２の長手方向に沿って複数の領域に分断されている。プラグ５２は、配線層２２の長手方向に沿って引っ張られた絶縁層の動きを止めるストッパーとして機能することができる。これにより、配線層２２が絶縁層から受けるストレスが低減し、ボイドの発生を抑制することができる。

金属層２７は、信号伝達を担わないダミー配線層であり、絶縁層中で島状の孤立パターンとして設けられている。すなわち、複数の金属層２７は、ストレス低減のために設けられた複数のプラグ５２を支える支持体として設けられている。

図３（ｂ）に示す例では、バリアメタル膜を設けていない配線層２２の下に、配線層２２の長手方向に交差した方向に延びる複数本の配線層２１が設けられている。そして、配線層２２と、それぞれの配線層２１との間に、複数のプラグ５２が配線層２１の長手方向に沿って配置されている。

図３（ｃ）に示す例では、バリアメタル膜を設けていない１本の配線層２２の下に、複数の島状の金属層（ダミー配線層）２７が設けられている。そして、１本の配線層２２と、複数の金属層２７との間に、複数のプラグ５２が設けられている。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、１１…画素、２１～２６…配線層、３１…バリアメタル膜、４０～４５…絶縁層、５１～５３…プラグ

Claims

基板と、
前記基板の表面に設けられた画素と、
前記基板の上に設けられた複数の配線層であって、第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた第２配線層とを含む複数の配線層と、
前記複数の配線層の間に設けられた絶縁層と、
前記第１配線層の表面に設けられ、前記第２配線層の表面には設けられていないバリアメタル膜と、
前記第１配線層と前記第２配線層との間に設けられ、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する少なくとも３つのプラグと、
を備え、
前記少なくとも３つのプラグは、前記第２配線層が連続している範囲内において前記第２配線層が延びる長手方向に沿って２００μｍ以下の間隔で配置され、
前記第２配線層の下面に接する前記絶縁層が、前記少なくとも３つのプラグによって前記長手方向に沿って複数の領域に分断されている固体撮像装置。
前記配線層は、前記第２配線層の上に設けられた第３配線層を含み、
前記第３配線層の表面に前記バリアメタル膜は設けられず、
前記少なくとも３つのプラグは、前記第２配線層及び前記第３配線層が連続している範囲内において２００μｍ以下の間隔で前記第２配線層と前記第３配線層との間にも設けられ、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続し、
前記第２配線層の上面及び前記第３配線層の下面に接する前記絶縁層が、前記少なくとも３つのプラグによって前記長手方向に沿って複数の領域に分断されている請求項１記載の固体撮像装置。
前記配線層は、アルミニウムを含む請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記バリアメタル膜は、チタンを含む請求項１～３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記プラグは、タングステンを含む請求項１～４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記絶縁層は、水素を含む請求項１～５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
基板と、
前記基板の表面に設けられた画素と、
前記基板の上に設けられた少なくとも１層の配線層であって、表面にバリアメタル膜が設けられていない配線層と、
前記配線層が連続している範囲内において前記配線層が延びる長手方向に沿って配置され、前記配線層の下に設けられた少なくとも３つの金属層と、
前記配線層と前記少なくとも３つの金属層との間に設けられた絶縁層と、
前記配線層が連続している範囲内において前記長手方向に沿って配置され、前記配線層と前記少なくとも３つの金属層との間に設けられ、前記配線層と前記複数の金属層とを接続する少なくとも３つのプラグと、
を備え、
前記少なくとも３つの金属層は前記絶縁層中で島状に設けられ、
前記配線層の下面に接する前記絶縁層が、前記少なくとも３つのプラグによって前記長手方向に沿って複数の領域に分断されている固体撮像装置。
前記少なくとも３つのプラグは、前記配線層の前記長手方向に沿って２００μｍ以下の間隔で配置されている請求項７記載の固体撮像装置。
前記配線層は、アルミニウムを含む請求項７または８に記載の固体撮像装置。
前記プラグは、タングステンを含む請求項７～９のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記絶縁層は、水素を含む請求項７～１０のいずれか１つに記載の固体撮像装置。