特開 2024-18696 半導体装置及び電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024018696

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】半導体装置及び電子機器

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240201BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H01L27/146 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022122182

(22)【出願日】2022-07-29

(71)【出願人】

【識別番号】308033711

【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷畑 篤史

【テーマコード（参考）】

4M118

【Ｆターム（参考）】

4M118AA10

4M118AB01

4M118BA09

4M118CA02

4M118DD04

4M118FA38

4M118GB03

4M118GB08

4M118GB11

4M118GB15

4M118GD03

(57)【要約】

【課題】画素サイズを増加させることなく従来に比べて容量素子の容量を増加させることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】画素１０は、半導体基板２１上に形成された、フォトダイオード１１が形成される領域を避け、かつ読み出し回路１２が形成される領域に形成された下部メタル電極４１、上部メタル電極４３、及びキャパシタ絶縁膜４２と、下部メタル電極４１と金属配線４０とを電気的に接続する少なくともコンタクト４４、４５と、上部メタル電極４３と金属配線４０とを電気的に接続する少なくともコンタクト４６と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成された受光素子と、
前記受光素子の受光により生じた電荷を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路上を覆うよう形成された第１遮光膜及び第２遮光膜と、
前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間の少なくとも一部の領域で形成されたキャパシタ絶縁膜と、
を備える、半導体装置。

【請求項2】

前記読み出し回路上に形成された第１メタル配線及び第２メタル配線と、
前記第１遮光膜と前記第１メタル配線とを電気的に接続する少なくとも１つの第１コンタクトと、
前記第２遮光膜と前記第２メタル配線とを電気的に接続する少なくとも１つの第２コンタクトと、
を更に備える請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第２メタル配線は、前記第１メタル配線と異なる層に形成された、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第２メタル配線は、前記第１メタル配線と同一の層に形成された、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記受光素子と前記読み出し回路とにより構成された画素を備え、
前記第１遮光膜、前記キャパシタ絶縁膜、及び前記第２遮光膜は、前記画素単位で電気的に独立している、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記受光素子と前記読み出し回路とにより構成された画素を備え、
前記第１遮光膜及び前記第２遮光膜は、前記画素単位で分離して形成された、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１遮光膜及び前記第２遮光膜は、前記受光素子上を避けて形成された、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１遮光膜及び前記第２遮光膜は、導電性を有する金属または金属化合物により形成された、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項9】

請求項１に記載の半導体装置と、
前記半導体装置から読み出した電荷に対する処理を実行する処理装置と、
を備える、電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置及び電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

光センサ素子において、アナログ回路部のトランジスタが誤動作しないように最上層に遮光メタルを形成する構造が採用されている（特許文献１、２参照）。この構造は、表面側から光を入射させ、フォトダイオードで光を受光し、それを光電変換することで電気信号を処理するためである。電気信号を処理するために、センサの画素内にはトランジスタ等を配置し、読み出し用のアナログ回路が構成されるが、トランジスタ部に光が入射すると、トランジスタが誤動作するため、遮光メタルはトランジスタ部に光が入射しないように形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２９４９６３号公報

【特許文献2】特許第６９８６８５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方で、フォトダイオードからの電気信号の蓄積や、ＣＤＳ（相間２重サンプリング）回路等には容量素子が必要であるため、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタ又はＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）キャパシタ等が画素内に搭載される。しかし、これらの素子はシリコン上の面積又は配線領域の面積を必要とするため、画素サイズが大きくなってしまう。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、画素サイズを増加させることなく従来に比べて容量素子の容量を増加させることが可能な半導体装置及び半導体装置を備えた電子機器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】

【0006】

本発明のある観点によれば、基板上に形成された受光素子と、前記受光素子の受光により生じた電荷を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路上を覆うよう形成された第１遮光膜及び第２遮光膜と、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間の少なくとも一部の領域で形成されたキャパシタ絶縁膜と、を備える、半導体装置が提供される。

【0007】

本発明の別の観点によれば、上記半導体装置と、上記半導体装置から読み出した電荷に対する処理を実行する処理装置と、を備える、電子機器が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、画素サイズを増加させることなく従来に比べて容量素子の容量を増加させることが可能な半導体装置及び半導体装置を備えた電子機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る半導体装置に形成された固体撮像素子の１つの画素を切り出して示す平面図である。

【図2】図１のＡ－Ｂ線の断面例を示す断面図である。

【図3】ＭＩＭキャパシタの断面を拡大して示す断面図である。

【図4】図１のＡ－Ｂ線の断面例を示す断面図である。

【図5】ＭＩＭキャパシタの断面を拡大して示す断面図である。

【図6】本実施形態に係る半導体装置に形成された固体撮像素子の４つの画素を切り出して示す平面図である。

【図7】図６のＸ－Ｙ線の断面を示す断面図である。

【図8】本実施形態に係る固体撮像素子を備えた電子機器の機能構成例を示す構成図である。

【図9】図１のＡ－Ｂ線の断面の比較例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0011】

図１は、本実施形態に係る半導体装置に形成された固体撮像素子の１つの画素を切り出して示す平面図である。図１に示した画素１０が二次元状に配列されることで固体撮像素子のイメージエリアが形成される。

【0012】

画素１０は、フォトダイオード１１、フォトダイオード１１から電荷の転送を受けるためのフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１２、フォトダイオード１１が生成した電荷を読み出す読み出し回路１３、ＭＯＳキャパシタ１５が形成されるポリシリコン１４を有する。ＭＯＳキャパシタ１５に蓄積された電荷は、イメージエリアの周囲に形成された読み出し回路により読み出され、同じくイメージエリアの周囲に形成された信号処理回路により所望の信号処理が行われる。ＭＯＳキャパシタ１５は、プレーナ型又はトレンチ型のキャパシタが用いられ得る。

【0013】

光を上部から入射させる固体撮像素子の場合、画素１０のフォトダイオード１１が形成される領域を除いた領域には、読み出し回路１３及びポリシリコン１４への光の入射による誤動作を防ぐためのメタル遮光膜１６（図１中の破線で囲まれた領域）が形成される。メタル遮光膜１６は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＷＮ等の高反射材料で形成されている。

【0014】

ここで、実施形態の比較例を説明する。図９は、図１のＡ－Ｂ線の断面の比較例を示す断面図である。画素１０は、半導体基板２１にフォトダイオード１１と、トランジスタ３０と、が形成される。トランジスタ３０は、フォトダイオード１１が生成した電荷を読み出し回路１３に転送するために形成されている。以下の説明では、入射光が入射する向きを上から下、反射光の向きを下から上として説明する。

【0015】

画素１０には、トランジスタ３０を駆動するための金属配線３２、３４、３６、３８、４０と、各金属配線を接続するためのコンタクト３１、３３、３５、３７、３９と、が形成される。金属配線３２は、層間絶縁膜２２及び２３の上に形成され、金属配線３４、３６、３８、４０は、それぞれ層間絶縁膜２４、２５、２６、２７の上に形成される。さらに、層間絶縁膜２７及び金属配線４０の上には層間絶縁膜２８が形成される。層間絶縁膜２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）等が用いられる。そして、層間絶縁膜２８の、フォトダイオード１１が形成される領域を含まない領域には、メタル遮光膜１６が形成され、メタル遮光膜１６及び層間絶縁膜２８の上には窒化膜４８が形成される。窒化膜４８は、例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜等である。

【0016】

固体撮像素子の感度を高めようとする場合、フォトダイオード１１の面積を広くすることが一般的である。フォトダイオード１１の面積を広くすると、受光により発生する電荷の量も増えるため、電荷を蓄えるためのキャパシタの容量も増やす必要がある。

【0017】

ＭＯＳキャパシタにはプレーナ型とトレンチ型とがある。プレーナ型のキャパシタの場合、表面に電極を形成するために、キャパシタの平面の面積を増やすことで容量を増やすことができるが、一方で平面の面積の増加は画素サイズの増大に繋がってしまう。画素サイズの増大は画素数の減少に繋がるため、解像度が低下してしまう。トレンチ型のキャパシタの場合、トレンチを深くすることで電極の面積を増やせば容量を増やすことができるが、一方でトレンチを深くすることはプロセス加工の難易度が高くなり、物理的な不良による歩留まりの低下を招く。

【0018】

本実施形態に係る画素１０は、メタル遮光膜１６を用いたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）キャパシタを内部に形成する。ＭＩＭキャパシタにメタル遮光膜１６を用いることで、フォトダイオード１１が形成される領域を除いた領域にキャパシタを形成することが出来る。すなわち、本実施形態に係る画素１０は、サイズを増加させることなく、キャパシタの容量を増加させることが可能となる。

【0019】

図２は、図１のＡ－Ｂ線の断面例を示す断面図である。画素１０は、半導体基板２１にフォトダイオード１１と、トランジスタ３０と、が形成される。以下の説明では、入射光が入射する向きを上から下、反射光の向きを下から上として説明する。

【0020】

図９に示した画素１０と同様に、画素１０には、トランジスタ３０を駆動するための金属配線３２、３４、３６、３８、４０と、各金属配線を接続するためのコンタクト３１、３３、３５、３７、３９と、が形成される。金属配線３２は、層間絶縁膜２２及び２３の上に形成され、金属配線３４、３６、３８、４０は、それぞれ層間絶縁膜２４、２５、２６、２７の上に形成される。層間絶縁膜２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）等が用いられる。

【0021】

そして層間絶縁膜２８の上には、下部メタル電極４１、キャパシタ絶縁膜４２及び上部メタル電極４３が形成されている。下部メタル電極４１、キャパシタ絶縁膜４２及び上部メタル電極４３によりＭＩＭキャパシタが形成される。図３は、下部メタル電極４１、キャパシタ絶縁膜４２及び上部メタル電極４３により形成されるＭＩＭキャパシタの断面を拡大して示す断面図である。

【0022】

下部メタル電極４１が、読み出し回路１３及びポリシリコン１４への光の入射による誤動作を防ぐためのメタル遮光膜の機能を有する。また、下部メタル電極４１と金属配線４０との間には下部メタル電極４１と金属配線４０とを接続して、下部メタル電極４１の電位を与えるためのコンタクト４４、４５が形成される。

【0023】

そして、ＭＩＭキャパシタが蓄えた電極を読み出すための金属配線４７が上部メタル電極４３の上に形成される。さらに、上部メタル電極４３と金属配線４７との間には上部メタル電極４３と金属配線４７とを接続して、上部メタル電極４３の電位を与えるためのコンタクト４６が形成される。

【0024】

なお、金属配線４０は本発明の第１メタル配線の一例であり、金属配線４７は本発明の第２メタル配線の一例であり、コンタクト４４、４５は本発明の第１コンタクトの一例であり、コンタクト４６は本発明の第２コンタクトの一例である。

【0025】

本実施形態に係る画素１０は、フォトダイオード１１が形成される領域を除いた領域にＭＩＭキャパシタを形成することが出来る。すなわち、本実施形態に係る画素１０は、フォトダイオード１１が形成される領域を除いた領域にＭＩＭキャパシタが形成されることで、画素のサイズを増加させることなく、キャパシタの容量を増加させることが可能となる。

【0026】

本実施形態に係る画素１０の別の実施例を示す。図４は、図１のＡ－Ｂ線の断面を示す断面図である。画素１０は、半導体基板２１にフォトダイオード１１と、トランジスタ３０と、が形成される。以下の説明では、入射光が入射する向きを上から下、反射光の向きを下から上として説明する。

【0027】

図９に示した画素１０と同様に、画素１０には、トランジスタ３０を駆動するための金属配線３２、３４、３６、３８、４０と、各金属配線を接続するためのコンタクト３１、３３、３５、３７、３９と、が形成される。金属配線３２は、層間絶縁膜２２及び２３の上に形成され、金属配線３４、３６、３８、４０は、それぞれ層間絶縁膜２４、２５、２６、２７の上に形成される。層間絶縁膜２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）等が用いられる。

【0028】

そして層間絶縁膜２８の上には、下部メタル電極５１、キャパシタ絶縁膜５２及び上部メタル電極５３が形成されている。下部メタル電極５１、キャパシタ絶縁膜５２及び上部メタル電極５３によりＭＩＭキャパシタが形成される。

【0029】

図５は、下部メタル電極５１、キャパシタ絶縁膜５２及び上部メタル電極５３により形成されるＭＩＭキャパシタの断面を拡大して示す断面図である。図４に示した断面構造を有する画素１０は、下部メタル電極５１の側壁部分についても、ＭＩＭキャパシタの容量として使用することができる。

【0030】

上部メタル電極５３が、読み出し回路１３及びポリシリコン１４への光の入射による誤動作を防ぐためのメタル遮光膜の機能を有する。また、下部メタル電極５１と金属配線４０との間には下部メタル電極４１と金属配線４０とを接続して、下部メタル電極５１の電位を与えるためのコンタクト４４、４５が形成される。

【0031】

そして、ＭＩＭキャパシタが蓄えた電極を読み出すための金属配線５７が層間絶縁膜２７の上に形成される。さらに、上部メタル電極５３と金属配線５７との間には上部メタル電極５３と金属配線５７とを接続して、上部メタル電極５３の電位を与えるためのコンタクト５６が形成される。

【0032】

なお、金属配線４０は本発明の第１メタル配線の一例であり、金属配線５７は本発明の第２メタル配線の一例であり、コンタクト４４、４５は本発明の第１コンタクトの一例であり、コンタクト５６は本発明の第２コンタクトの一例である。

【0033】

図４に示した断面構造を有する画素１０は、図２に示した断面構造を有する画素１０と比較すると、金属配線４０と金属配線５７とが同一の層に形成されていることで、上部メタルの上に形成されるコンタクト及び金属配線が不要となる。

【0034】

図２又は図４のように画素１０を形成することで、ＭＩＭキャパシタの画素単位の分離ができる。

【0035】

図６は、本実施形態に係る半導体装置に形成された固体撮像素子の４つの画素を切り出して示す平面図である。また、図７は図６のＸ－Ｙ線の断面を示す断面図である。メタル遮光膜として形成される下部メタル電極４１又は上部メタル電極４３は、画素単位で分離して形成されるので、本実施形態に係る画素１０は、ＭＩＭキャパシタを画素単位に分離できる。

【0036】

続いて、本実施形態に係る固体撮像素子を備えた電子機器の構成例を説明する。図８は、本実施形態に係る固体撮像素子を備えた電子機器の機能構成例を示す構成図である。

【0037】

図８に示した電子機器１０００は、撮像部１０１０と、制御部１０２０と、表示部１０３０と、を備える。電子機器１０００は、例えば携帯電話、パーソナルコンピュータ、携帯型情報端末、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、スマートグラス、ゲーム機等の、被写体の撮像機能及び情報の表示機能を備えた機器である。

【0038】

撮像部１０１０は、被写体からの入射光を取り込んで固体撮像素子の撮像面上に結像するレンズ、レンズを通った入射光の光量を画素単位で電気信号に変換する固体撮像素子、固体撮像素子が生成した電気信号に対する信号処理を行う信号処理回路を含む。撮像部１０１０に含まれる固体撮像素子は、上述の実施形態に係る固体撮像素子が用いられる。

【0039】

制御部１０２０は、本発明の処理装置の一例であり、電子機器１０００の動作を制御する。制御部１０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有する。制御部１０２０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、又は図示しないストレージ装置等に記録された各種プログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより、電子機器１０００の動作全般又はその一部を制御する。

【0040】

表示部１０３０は、電子機器１０００の表面に設けられ、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等の表示装置であることができる。表示部１０３０は、制御部１０２０の制御により、電子機器１０００の操作画面を表示したり、上述した撮像部１０１０が取得した撮像画像などを表示したりすることができる。

【0041】

電子機器１０００は、上述の実施形態に係る固体撮像素子を備えることで、撮像部１０１０による撮像時の感度を高め、かつ、個々の画素のサイズの増大を抑えられるので、撮像部１０１０が撮像する撮像画像の解像度の低下を抑えることができる。

【0042】

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これら各種の変更例または修正例についても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0043】

１０ 画素
１１ フォトダイオード
１２ フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１３ 読み出し回路
１４ ポリシリコン
１５ ＭＯＳキャパシタ
２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 層間絶縁膜
３１、３３、３５、３７、３９ コンタクト
３２、３４、３６、３８、４０ 金属配線
４１ 下部メタル電極
４２ キャパシタ絶縁膜
４３ 上部メタル電極
１０００ 電子機器
１０１０ 撮像部
１０２０ 制御部
１０３０ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】