固态成像装置及其制造方法以及电子设备的制作方法

专利名称：固态成像装置及其制造方法以及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态成像装置。具体而言，本发明涉及将信号电荷转移到浮动扩散部 的CMOS固态成像装置，以及用于制造该固态成像装置的方法。本发明还涉及采用该固态成 像装置的电子设备。
背景技术：
固态成像装置通常被分类为CXD (电荷耦合器件)固态成像装置和CMOS (互补金 属氧化物半导体)固态成像装置。相比CMOS固态成像装置，在C⑶固态成像装置中，需要 高驱动电压来转移信号电荷，并且需要高电源电压。因此，考虑到功耗问题，CMOS固态成像 装置优于C⑶固态成像装置。因此，优于CXD固态成像装置的CMOS固态成像装置已经被广泛地用作诸如配备有 相机的移动电话和PDA(个人数字助理)之类的移动设备所用的固态成像装置。CMOS固态成像装置包括光电二极管，并由用于在接收光时产生信号电荷的光电检 测器、接收由光电二极管产生的信号电荷的浮动扩散部、以及多个MOS晶体管构成。MOS晶 体管包括转移晶体管、重置晶体管、放大晶体管，并根据需要还包括选择晶体管。这些MOS 晶体管连接到多层布线层中的预定布线层。在CMOS固态成像装置中，光电检测器中产生并 蓄积的信号电荷基于以像素为单位来由转移晶体管转移到浮动扩散部。由浮动扩散部读取 的信号电荷由放大晶体管放大并选择性地输出到形成在多层布线层中的竖直信号线中的 一个。同时，在这样的CMOS固态成像装置中，更期望具有位于用作光电检测器的光电二 极管上方的较大开口，以有效地收集入射到光电二极管上的光。另一方面，如果浮动扩散部在读取从光电检测器转移的信号电荷的同时接收光， 则也在浮动扩散部中发生光电转换，这导致了噪声。因此，期望对浮动扩散部进行遮光。在根据现有技术的CMOS固态成像装置中，利用布置在衬底上方的多层布线层来 对浮动扩散部进行遮光。但是，与CCD固态成像装置的情况相比，因为使用如同在其他周边 电路的情况下的CMOS处理来形成像素，所以布线层可能不能布置在紧接着浮动扩散部的 上方。因此，不能减小构成遮光膜的布线层与浮动扩散部之间的距离，并且不能防止光泄漏 到浮动扩散部中。考虑到以上问题，日本未经审查的专利申请公开No. 2004-140152揭示了一种CMOS固态成像装置，其中利用多层栅极电极膜来形成遮光部。在此技术中，因为遮光板布置 在紧接着浮动扩散部的上方，所以可以抑制光泄漏到浮动扩散部中。但是，为了形成多层结 构中的栅极电极膜，栅极电极膜由硅化物制成，这导致了复杂的制造处理。此外，由于栅极 电极的不平整，难以形成用于接触区域的小开口。因此，为了形成接触区域，浮动扩散部需 要具有较大面积。此外，由于栅极电极层之间较大的寄生电容导致栅极电极层之间的干扰 也成为所关心的问题。日本未经审查的专利申请No. 2004-71931揭示了 一种技术，其中放大晶体管和浮动扩散部的栅极电极在没有布线的情况下电连接。这提高了布线层的布局方面的 自由度，从而可以增大光电检测器的开口的尺寸。但是，根据日本未经审查的专利申请 No. 2004-71931，利用布置在上层的多层布线层中配置的布线来对浮动扩散部进行遮光。这 使得光在遮光膜和浮动扩散部之间行进，导致不足的遮光效果。

发明内容
已经考虑到以上情况进行了本发明。因此，存在对于能有效地对浮动扩散部进行 遮光从而使图像具有改善的质量的固态成像装置的需求。还存在对于利用该固态成像装置 的电子设备的需求。期望根据本发明的固态成像装置包括光电检测器、浮动扩散部、多个MOS晶体管、 多层布线层、以及遮光膜。光电检测器形成在衬底上，并通过将入射光转换为电来产生信号电荷。浮动扩散 部被配置为接收由所述光电检测器产生的所述信号电荷。MOS晶体管包括将所述信号电荷 转移到所述浮动扩散部的转移晶体管和输出与所述浮动扩散部的电位相对应的像素信号 的放大晶体管。多层布线层形成在高于所述衬底的层中，并且包括经由接触部分与所述MOS 晶体管电连接的多个布线层。遮光膜由布置在高于所述衬底并低于所述多层布线层的层中 的底布线层构成。所述遮光膜形成在对至少所述浮动扩散部进行遮光的区域中，并且经由 接触部分电连接到所述浮动扩散部。
在根据本发明的实施例的固态成像装置中，通过由底布线层构成的遮光膜对浮动 扩散部进行遮光。底布线层布置在低于多层布线层并且靠近衬底的上表面的位置处。因此， 由底布线层构成的遮光膜可以防止光泄漏到浮动扩散部中。在根据本发明的实施例的一种固态成像装置的制造方法中，首先在衬底上形成光 电检测器和浮动扩散部。然后，在所述衬底上形成第一绝缘层。然后，在所述第一绝缘层中 形成开口，使得将所述浮动扩散部暴露。随后，通过用金属材料填充所述开口来形成接触 部分。然后，在包括所述接触部分的所述第一绝缘层上的对所述浮动扩散部进行遮光的区 域处，由底布线层形成遮光膜。此外，在包括所述遮光膜的所述第一绝缘层上形成第二绝缘 层。然后，在所述第二绝缘层上形成具有多个布线层的多层布线层。在根据本发明的实施例的一种固态成像装置的制造方法中，首先在衬底上形成光 电检测器、浮动扩散部和掺杂区域，所述掺杂区域构成MOS晶体管的预定源极或漏极。然 后，通过去除在所述浮动扩散部和所述掺杂区域上方的第一绝缘层的各部分，来形成用于 使所述浮动扩散部和所述掺杂区域暴露的开口。然后，通过用金属材料填充形成在所述第 一绝缘层中的所述开口来形成接触部分。随后，在包括形成在所述浮动扩散部上的所述接 触部分的所述第一绝缘层上的对所述浮动扩散部进行遮光的区域处，由底布线层形成遮光 膜。还在包括形成在所述掺杂区域上的所述接触部分的所述第一绝缘层上形成由所述底布 线层构成的中间膜。然后，在包括所述遮光膜和所述中间膜的所述第一绝缘层上形成第二 绝缘层。随后，在所述第二绝缘层中形成开口使得将所述中间膜暴露。然后，通过用金属 材料填充形成在所述第二绝缘层中的所述开口来形成接触部分。此外，形成具有多个布线 层的多层布线层，所述布线层包括与形成在所述第二绝缘层中的所述接触部分电连接的布 线。
根据本发明的实施例的一种电子设备包括光学透镜、上述固态成像装置和信号处 理电路。根据本发明的实施例，提供了对由噪声引起的图像质量的劣化进行抑制的固态成 像装置，并提供了利用该固态成像装置的电子设备。


图1示意性地图示了根据本发明的第一实施例的固态成像装置的 整体结构的剖 视图；图2是图示根据本发明的第一实施例的固态成像装置中的单个像素的平面视图；图3是沿着线ΙΙΙ-ΙΙΓ所取的剖视图；图4图示了根据本发明的第一实施例的固态成像装置中的单个像素的电路构造；图5是图示遮光膜和栅极电极之间的电连接的示例的剖视图；图6是图示遮光膜和栅极电极之间的电连接的另一个示例的剖视图；图7A至7C图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理；图8D和8E图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理；图9F至9H图示了根据本发明的第一实施例制造固态成像装置的处理；图10是图示根据本发明的第二实施例的单个像素的平面图；图11是沿着图10中的线ΧΙ-ΧΓ所取的剖视图；图12是图示根据本发明的第三实施例的固态成像装置的示意性剖视图；图13A至13C图示了根据本发明的第三实施例制造固态成像装置的处理；图14D和14E图示了根据本发明的第三实施例制造固态成像装置的处理；图15A和15B是分别图示了根据本发明的第四实施例制造固态成像装置的构造的 示意性横截面图；并且图16示意性地图示了根据本发明的第五实施例的电子设备的构造。
具体实施例方式以下，将参照图1至图16详细说明根据本发明的实施例的固态成像装置、固态成 像装置的制造方法以及电子设备。将以下述顺序来对本发明的优选实施例进行说明。注意， 本发明不限于下述示例1.第一实施例固态成像装置1. 1固态成像装置的总体构造1. 2主要部件的构造1. 3固态成像装置的制造方法2.第二实施例固态成像装置3.第三实施例固态成像装置3.1主要部件的构造3. 2固态成像装置的制造方法4.第四实施例固态成像装置5.第五实施例电子设备
1.第一实施例固态成像装置[1. 1固态成像装置的总体构造]图1是图示根据本发明的第一实施例的固态成像装置的总体构造的框图。根据本实施例的固态成像装置1包括由布置在由硅形成的衬底11上的多个像素2形成的像素部分3、竖直驱动电路4、列信号处理电路5、水平驱动电路6、输出电路7和控 制电路8。每个像素2都包括光电检测器，光电检测器包括光电二极管和多个MOS (金属氧 化物半导体)晶体管，并且像素2以规则的二维阵列排列在衬底11上。构成像素2的MOS 晶体管可以由四个MOS晶体管组成，包括转移晶体管、重置晶体管、选择晶体管和放大晶体 管。MOS晶体管还可以由四个晶体管的树(tree)构成(不包括选择晶体管)。像素部分3由排列为规则二维阵列的像素2构成。像素部分3包括有效像素区域 和黑基准像素区域(未示出)。有效像素区域用于接收光、将通过光电转换产生的信号电荷 放大、并将信号电荷转移到列信号处理电路5。黑基准像素区域用于输出作为基准黑电平的 光学黑电平。通常，这样的黑基准像素区域围绕有效像素区域的外周部设置。控制电路8产生诸如时钟信号和控制信号之类的信号，以基于竖直同步信号、水 平同步信号和主时钟信号来控制竖直驱动电路4、列信号处理电路5和水平驱动电路6的操 作。由控制电路8产生的信号被输入到竖直驱动电路4、列信号处理电路5、和水平驱动电 路6等。竖直驱动电路4由例如移位寄存器构成，并选择性地以行为单位相继地沿着竖直 方向扫描像素部分3中的像素2。然后，竖直驱动电路4将像素信号通过竖直信号线供应 到列信号处理电路5。基于在像素2的各个光电二极管中根据接收光的量而产生的信号电 荷，来产生像素信号。列信号处理电路5为像素2的各列设置。每个列信号处理电路5利用来自黑基准 像素区域(其围绕有效像素区域(未示出)的外周部设置)的信号，以列为单位对从像素 2输出的与单行对应的信号执行诸如降噪和信号放大之类的信号处理。水平选择开关(未 示出)设置在列信号处理电路5的输出段和水平信号线10之间。水平驱动电路6由例如移位寄存器构成。水平驱动电路6相继地选择列信号处理 电路5以使各列信号处理电路5将像素信号输出到水平信号线10。输出电路7对从各列信号处理电路5通过水平信号线10相继地供应的信号执行 信号处理，并输出处理后的信号。[1. 2主要部件的构造]以下，将参照图2至图4对根据本实施例的固态成像装置的主要部件的示意性构 造进行说明。图2是图示根据本实施例的固态成像装置1中的单个像素的平面视图。图3 是沿着图2中的线III-III'所取的剖视图。图4图示了在根据本实施例的固态成像装置 1中与单个像素相对应的电路构造。参照图2，根据本实施例的每个像素2具有光电检测器14、浮动扩散部15、以及多 个MOS晶体管。在本实施例中，MOS晶体管包括转移晶体管Trl、重置晶体管Tr2、放大晶体 管Tr3、以及选择晶体管Tr4。在本实施例中，用于覆盖浮动扩散部15的遮光膜24设置在 浮动扩散部15上方。
如图3所示，光电检测器14由布置在由硅制成的衬底13的上表面上的预定位置 处的光电二极管形成。光电检测器14产生与入射光的量相对应的信号电荷，并蓄积信号电 荷。浮动扩散部15布置在衬底13的表面上与光电检测器14相邻的位置处。光电检 测器14和浮动扩散部15之间的区域用作转移晶体管Trl的沟道区。光电检测器14还包括位于衬底13的用作光入射表面的上表面上的预定位置处的 掺杂区域17、18和19，掺杂区域17、18和19形成MOS晶体管的源极/漏极区，其将在下文 进行说明。栅极电极20、21、22和23也隔着绝缘膜16布置在衬底13上。转移晶体管Trl包括由光电检测器14构成的源极、由浮动扩散部15构成的漏极、 以及形成在源极和漏极之间的栅极电极20。如图4所示，转移脉冲CtTRG被供应到转移晶 体管Trl的栅极电极20。结果，光电检测器14中蓄积的信号电荷被转移到浮动扩散部15。重置晶体管Tr2具有由浮动扩散部15构成的源极、由被供应有电源电压VDD的掺 杂区域17构成的漏极、以及形成在源极和漏极之间的栅极电极21。如图4所示，重置脉冲 ΦRST被供应到重置晶体管Tr2的栅极电极21。这使得浮动扩散部15的电位被重置为大 约是电源电压VDD的电位。
放大晶体管Tr3包括由被供应有电源电压VDD的掺杂区域17构成的源极、由掺杂 区域18构成的漏极、以及形成在源极和漏极之间的栅极电极22。如图4所示，浮动扩散部 15的电位被供应到放大晶体管Tr3的栅极电极22。这使得与该电位相对应的像素信号被 输出到用作漏极的掺杂区域18。选择晶体管Tr4包括由掺杂区域18构成的源极、由连接到竖直信号线VSL的掺杂 区域19构成的漏极、以及形成在源极和漏极之间的栅极电极23。用作选择晶体管Tr4的源 极的掺杂区域18也用作放大晶体管Tr3的漏极。如图4所示，选择脉冲CtSEL被供应到选 择晶体管Tr4的栅极电极23。结果，像素信号被输出到竖直信号线VSL。如图3所示，第一绝缘层27形成在包括栅极电极21至23的栅极绝缘膜16上。由 底布线层MO构成的遮光膜24在浮动扩散部15上方的区域中布置在第一绝缘层27上。此 遮光膜24 (底布线层M0)由金属制成，并通过形成在浮动扩散部15中的接触部分25电连 接到浮动扩散部15。在本实施例中，用于形成接触部分25和遮光膜24的金属可以是例如 钨。对于底布线层M0，可以使用诸如钨、铝和铜之类的金属。具体而言，将作为与通常用于 接触部分相同的材料的钨用于底布线层MO提高了制造处理的可靠性。此外，第二绝缘层28形成在包括遮光膜24的第一绝缘层27上。多层布线层29 形成在第二绝缘层28上。在多层布线层29中，形成多个布线层，并且布线层之间形成有中 间绝缘膜。在本实施例中，设置了三个布线层M1、M2和M3。三个布线层Ml到M3中位于最 下层位置的布线层Ml构成竖直信号线VSL。该竖直信号线VSL经由接触部分26 (其形成为 穿过第二绝缘层28、第一绝缘层27和栅极绝缘膜16)电连接到构成选择晶体管Tr4的掺杂 区域19。多层布线层29中的各布线层Ml、M2和M3经由接触部分(未示出)连接到栅极 电极20、21、22和23等，以用作根据需要供应脉冲信号的布线。布线层M1、M2和M3优选地 由诸如铝和铜之类的低阻抗金属形成。接触部分26可以由钨形成。如上所述，在根据本实施例的固态成像装置1中，对浮动扩散部15进行遮光的遮 光膜24由形成在高于衬底13且低于多层布线层29的层中的金属制成。
而且，需要使浮动扩散部15和栅极电极22彼此电连接。图5是图示遮光膜24和栅极电极22之间的电连接的示例的剖视图。在此示例中，利用多层布线层29中的布线层Ml、M2和M3中布置在最下层位置的 布线层Ml使浮动扩散部15连接到放大晶体管Tr3的栅极电极22。在此情况下，如图5所 示，遮光膜24经由接触部分32电连接到布线层Ml，并且栅极电极22经由接触部分33由电 连接到布线层M1，由此浮动扩散部15和栅极电极22彼此电连接。在图6中图示了遮光膜24和栅极电极22之间的电连接的另一个示例。在此示例中，遮光膜24用作用于将浮动扩散部15和栅极电极22连接的布线。在 此示例中，如图6所示，遮光膜24在放大晶体管Tr3的栅极电极22的上方延伸，并经由接 触部分36连接到栅极电极22。利用此配置，浮动扩散部15和栅极电极22彼此电连接。在 本实施例中，遮光膜24由金属形成，以还用作将浮动扩散部15和栅极电极22连接的布线。 这与图5图示的情况相比，可以增大由布线层Ml占用的区域的尺寸，并从而可以增大光电 检测器14的开口的尺寸。在具有以上构造的固态成像装置1中，光电检测器14中的信号电荷通过转移晶体 管Trl转移到浮动扩散部15。由浮动扩散部15读取的信号电荷通过放大晶体管Tr3放大 并通过选择晶体管Tr4选择性地转移到竖直信号线VSL。由浮动扩散部15读取的信号电荷 通过重置晶体管Tr2重置为与大约是电源电压VDD的电位。[1. 3固态成像装置的制造方法]以下，将参照图7A至图9H对根据本实施例的固态成像装置的制造方法进行说明。 图7A至图9H图示了根据本实施例的固态成像装置1的制造方法中的处理。首先，通过离子注入工艺用预定导电类型的杂质对衬底13的上表面(即光入射表 面)进行掺杂。结果，如图7A所示，在衬底13上形成栅极绝缘膜16，并在栅极绝缘膜16上 的预定位置处形成栅极电极20、21、22和23。通过对沉积在栅极绝缘膜16上的多晶硅膜进 行图案化来形成这些栅极电极20、21、22和23。然后，如图7B所示，将栅极电极20至23用作掩模，形成光电检测器14、浮动扩散 部15以及用作各MOS晶体管的源极和漏极的掺杂区域17、18和19。然后，如图7C所示，在包括栅极电极20至23的栅极绝缘膜16的上表面上形成第 一绝缘层27。随后，如图8D所示，形成穿过栅极绝缘膜16和第一绝缘层27的开口 25a，使得将 浮动扩散部15暴露。然后，如图8E所示，用钨填充开口 25a，以形成接触部分25。然后，将由钨制成的 底布线层MO布置在第一绝缘层27上，以位于浮动扩散部15的上方。此底布线层MO构成 遮光膜24。由钨成的金属膜形成在第一绝缘层27的整个上表面上，然后通过对钨金属膜进 行图案化来形成遮光膜24。期望的是，由遮光膜24在第一绝缘层27上占用的区域大于浮 动扩散部15的上表面。此配置提高了对于从各种角度入射的光的遮光效果。随后，如图9F所示，在包括遮光膜24的第一绝缘层27上形成第二绝缘层28。然后，如图9G所示，在第二绝缘层28的预定位置处形成用于提供接触部分26的 开口 26a。在本实施例中，开口 26a穿透第二绝缘层28、第一绝缘层27和栅极绝缘膜16，使 得将用作选择晶体管Tr4的漏极的掺杂区域19暴露。
然后，如图9H所示，用钨填充开口 26a，以形成接触部分26。虽然在图中未示出，将由铝或铜形成的布线层Ml布置在第二绝缘层28上包括接 触部分26的区域。此处理之后跟着如下处理形成布线层M2和M3并且两者之间具有中间 绝缘膜30，以形成具有三个布线层Ml、M2和M3的多层布线层29。期望的是，布线层Ml至 M3具有低阻抗并且由铝或铜制成。随后，利用固态成像装置的通用制造方法，来形成平坦化层、颜色过滤层、片上微 透镜等，从而完成固态成像装置1的制造。在上述制造方法中，当期望如图5所示的情况那样利用布线层Ml将浮动扩散部15 连接到放大晶体管Tr3的栅极电极22时，在如图9G和9H所示的处理中形成接触部分32 和33。然后，通过经由布线层Ml将接触部分32连接到接触部分33，使浮动扩散部15电连 接到放大晶体管Tr3的栅极电极22。在上述制造方法中，当期望如图6所示的情况那样利用遮光膜24将浮动扩散部15 连接到放大晶体管Tr3的栅极电极22时，在如图8D所示的处理中在栅极电极22上方形成 开口。然后，用钨填充设置在栅极电极22上方的开口，从而形成接触部分36。在此情况下， 在如图8E所示的处理中将遮光膜24形成为在接触部分36上方延伸。因此，浮动扩散部15 和放大晶体管Tr3的栅极电极22彼此电连接。在本实施例中，在形成栅极电极20至23之后执行形成光电检测器14、浮动扩散 部15和掺杂区域17至19的处理。但是，可以以各种方式修改处理的顺序，并且可以在形 成栅极电极20至23之前形成光电检测器14、浮动扩散部15和掺杂区域17至19。此外， 在上述实施例中，形成在多层布线层29中的竖直信号线VSL通过接触部分26连接到选择 晶体管Tr4的掺杂区域19。可以使布线层(即，M1、M2和M3)中的其他布线通过由与上述 那些处理相似的处理形成的接触部分来连接到期望的区域。通过以上处理制造固态成像装置1。 根据本实施例的固态成像装置1，用于对浮动扩散部15进行遮光的遮光膜24形成 在低于多层布线层29的层中。结果，衬底13的上表面和遮光膜24之间的距离减小。这使 得可以抑制光从诸如形成在浮动扩散部和液晶面板42之间的绝缘层之类的层间膜泄漏到 浮动扩散部15中。因此，在将信号电荷从光电检测器14转移到浮动扩散部15期间由于入 射到浮动扩散部15上的光引起的噪声可以得到抑制，这提高了图像质量。此外，根据本实施例的固态成像装置1，在浮动扩散部15和遮光膜24之间产生寄 生电容。这表示遮光膜24的使用可以增大浮动扩散部15中的饱和电荷。此外，根据现有技术，当多层布线层29的布线层(例如，布线层Ml)被用于形成遮 光膜时，用于遮光的布线区域和用于其他布线的布线区域两者都是需要的。即，根据现有技 术，需要在相同层中设置大量布线区域。但是，根据本实施例中的固态成像装置1，由设置在 低于多层布线层29的层中的底布线层MO来构成遮光膜24。因此，不需要在多层布线层29 的布线层Ml至M3中制造用于遮光的布线。结果，由多层布线层29中布线层Ml至M3占用 的区域的尺寸减小，允许光电检测器14的开口的尺寸的增大。因此，在每个像素2中入射 到光电检测器14上的光量可以得到增大。根据近年来研发的技术，具有全局快门功能(同时快门功能)的CMOS固态成像装 置可以采用其中将信号电荷较长时间段地存储在浮动扩散部中的驱动系统。在这种CMOS固态成像装置中，通过全部像素的同时曝光产生的信号电荷被同时转移到浮动扩散部，并 接着线顺次地(line-sequentially)输出到竖直信号线VSL。在此情况下，存储在浮动扩散 部中的信号电荷并不立即转移到竖直信号线，泄漏到浮动扩散部中的光引起图像质量的显 著劣化。即使在信号电荷短时间段地存储在浮动扩散部中，高亮度光入射在浮动扩散部中 也将导致图像质量的劣化。与根据现有技术的固态成像装置相比，根据本实施例中的固态成像装置1，可以通 过遮光膜24的效果来对光泄漏到浮动扩散部15中进行抑制。因此，本实施例可以有利地应 用于具有全局快门功能的固态成像装置的制造，在具有全局快门功能的固态成像装置中， 由于信号电荷在浮动扩散部中较长的存储时间段，光泄漏到浮动扩散部中将显著影响图像 质量。此外，固态成像装置1能够抑制由于高亮度的光入射到浮动扩散部15中引起的图像 质量的劣化。在以上实施例中，布置在低于多层布线层29的层中的底布线层MO被用作像素部 分3中的遮光膜24。底布线层MO可以用于像素部分3以及用于像素部分3和周边电路区 域12两者。
当构成遮光膜24的底布线层MO仅用于形成像素部分3时，可以使用具有通用构 造的周边电路区域12。通常，在周边电路区域12中，对于逆变器、NAND和NOR之类的每个 基本部件准备基本布局，并且在多层布线层29中制造这些部件。因此，当底布线层MO仅构 成像素部分3时，可以通过采用根据现有技术的处理来制造周边电路区域12。具体而言，当 底布线层MO构成周边电路区域12时，可能由于与其他布线层相关的寄生电容导致信号延 迟等的发生。如果担心这样的延迟，则底布线层MO可以仅用于制造像素部分3。此外，CMOS固态成像装置可以设置有安装在相同芯片上的各种模拟电路和A/ D(模拟/数字)转换器。这样的电路包括诸如与浮动扩散部相似地电浮动的S/H(采样保 持)电容器之类的节点和元件。理想地，对这些节点和元件进行充分的遮光。根据本实施 例中的固态成像装置1，可以通过将底布线层MO用作由底布线层MO构成的遮光膜，来对在 周边电路区域12中的节点和元件进行遮光。因此，即使在底布线层MO还用作用于周边电 路区域12的遮光膜时，固态成像装置1也可以提高遮光性。此外，构成遮光膜24的底布线层MO也可以用作周边电路区域12中的布线。在此 情况下，底布线层MO用作各模块中的布线，其能够提高各模块的集成程度。因此，每个模块 的尺寸可以得到减小，并且可以实现固态成像装置1的尺寸减小。2.第二实施例固态成像装置以下，将对根据本发明的第二实施例的固态成像装置进行说明。图10是图示在 根据本发明的第二实施例的固态成像装置35中的单个像素的平面视图。图11是沿着线 XI-XI'所取的剖视图。在本实施例中的固态成像装置35的总体构造与如图1所示的固态 成像装置1的总体构造相似，并且将省略其说明。本实施例中的固态成像装置35具有与如 图4所示的第一实施例中的像素2相似地构造的像素2，因此将省略其说明。在图10和图 11中，相同的附图标记用于表示分别与图2和图3中所示的那些部件相同或相应的部件。根据本实施例的固态成像装置35包括遮光膜34，遮光膜34是根据第一实施例的 固态成像装置1中遮光膜24的修改方案的示例。如图10所示，在本实施例的固态成像装置35中，遮光膜34从覆盖浮动扩散部15的区域延伸到围绕光电检测器14的区域，但光电检测器14的开口正上方的区域除外。在 本实施例中，遮光膜34的覆盖浮动扩散部15的部分电连接到遮光膜34的围绕光电检测器 14的部分。但是，这些部分可以彼此分离。在本实施例中的固态成像装置35中，浮动扩散部15和放大晶体管Tr3的栅极电 极22以与如图5或图6所示的示例相同的方式彼此电连接。为了制造根据本实施例的固态成像装置35，在如第一实施例的图8E所示的处理 中，对底布线层MO进行图案化，使得遮光膜34在光电检测器14周围延伸。在固态成像装置35中，遮光膜34形成在低于多层布线层29的层中，使得形成在 光电检测器14周围的遮光膜34更靠近衬底13。此配置防止了入射在相邻像素上的光的混 合。例如，可以防止已经经过像素2中的一个像素的红色过滤器的光进行到构成像素2中 具有绿色过滤器的相邻的一个像素的光电检测器14中。因此，可以避免颜色的混合，从而 可以提高图像质量。在本实施例中，除了以上效果之外，可以获得与第一实施例中相似的效果和优点。3.第三实施例固态成像装置以下，将对根据本发明的第三实施例的固态成像装置进行说明。图12是根据本发明的第三实施例的固态成像装置45的示意性剖视图。固态成像 装置45的总体构造与如图1所示的第一实施例中的固态成像装置1的总体构造相似，因而 将省略其说明。此外，在固态成像装置45中，单个像素的平面布局电路构造与如图2和图4 所示的第一实施例中的那些相似，并将省略其说明。在图12中，相同的附图标记用于表示 与图3中所示的那些部件相同或相应的部件。[3.1主要部件的构造]在根据本实施例的固态成像装置45中，构成选择晶体管Tr4的漏极的掺杂区域19 经由由底布线层MO构成的中间膜44a连接到竖直信号线VSL。即，竖直信号线VSL和掺杂 区域19经由形成在第一绝缘层27中的接触部分47、中间膜44a和形成在第二绝缘层28中 的接触部分46而电连接。[3. 2固态成像装置的制造方法]参照图13A和图14E，将对根据本实施例的固态成像装置45的制造方法进行说明。 图13A至图14E图示了固态成像装置45的制造方法中的各处理。在图13A所示的处理之前执行的处理与如图7A至7C所示的第一实施例中的处理 相似，因此将省略其说明。在如图7C所示形成第一绝缘层27之后，如图13A所示，开口 25a形成为穿过栅极 绝缘膜16和第一绝缘层27，从而暴露浮动扩散部15。同时，开口 47a形成为穿过栅极绝缘 膜16和第一绝缘层27，从而暴露构成选择晶体管Tr4的掺杂区域19。然后，如图13B所示，用钨填充形成在浮动扩散部15上方的开口 25a，使得形成接触部分25。同时，用钨填充形成在掺杂区域19上方的开口 47a，使得形成第一接触部分47。 然后，在第一绝缘层27上覆盖浮动扩散部15的区域和包括第一接触部分47的区域处形成 由钨制成的底布线层M0。形成在覆盖浮动扩散部15的区域处的底布线层MO被用作遮光膜 44，并且形成在第一绝缘层27上包括第一接触部分47的区域处的底布线层MO被用作中间 膜44a。通过对形成在第一绝缘层27的整个上表面上的钨金属膜进行图案化，来形成遮光膜44和中间膜44a。理想地，在第一绝缘层27上由遮光膜44占用的区域大于浮动扩散部 15的上表面。此配置提高了对于从各种角度入射的光的遮光效果。随后，如图13C所示，在包括遮光膜44和中间膜44a的第一绝缘层27上进一步形 成第二绝缘层28。然后，如图14D所示，在第二绝缘层28中形成开口 46a，使得将中间膜44a暴露。此外，如图14B所示，用钨填充开口 46a，使得形成第二接触部分46。同时，在包括 第二接触部分46的第二绝缘层28上的预定位置处，形成由铝或铜制成的布线层Ml。在如 图14E所示的示例中，经由第一接触部分47、中间膜44a和第二接触部分46连接到掺杂区 域19的布线层Ml构成竖直信号线VSL。然后，交替地形成中间绝缘膜30和布线层，使得形成具有多个布线层的多层布线 层29 (在本实施例中为三个布线层Ml、M2和M3)。随后，虽然附图中未图示，但是利用通用的固态成像装置的制造方法，来形成平坦 化层、颜色过滤器层、片上微透镜等，从而完成固态成像装置45的制造。在根据第一实施例中的制造方法的处理(如图9G所示)中，在形成深度等于第一 绝缘层27和第二绝缘层28的合计厚度的开口时，存在开口的直径随着开口深度的增大而 增大的问题。根据本实施例中的固态成像装置的制造方法，将多层布线层29中的布线层Ml (本 实施例中的竖直信号线VSL)连接到形成在衬底13上的期望区域(本实施例中的掺杂区 域19)的接触部分以两个步骤来形成。结果，均在单个步骤中形成的开口 47a和46a每个 可以具有减小的深度。因此，根据本实施例，可以在每个均具有较小厚度的绝缘层中形成开 口 47a和46a，从而可以减小开口 47a和46a每个的高宽比。因此，与根据第一实施例的制 造方法相比，第一接触部分47和第二接触部分46可以形成为非常小，这允许像素尺寸的减 小。当在不试图减小像素尺寸的情况下采用根据本实施例的制造方法时，可以提高每个元 件的集成程度，这允许光电检测器14的开口的尺寸的增大。在本实施例中，连接到衬底13的布线层Ml构成竖直信号线VSL。通过例如以与以 上示例相似的方式形成将栅极电极连接到多层布线层中的布线的接触部分，每个接触部分 的尺寸可以得到进一步减小。在根据本实施例的固态成像装置45中，可以实现与第一实施例中相似的效果。根据本实施例的固态成像装置的制造方法可以应用于根据第二实施例的固态成
像装置。4.第四实施例固态成像装置以下，将描述根据本发明的第四实施例的固态成像装置。图15A是示意性地图示 根据第四实施例的固态成像装置57的构造的剖视图。本实施例中的57的总体构造类似于 如图1所示的固态成像装置1的总体构造，并将省略其说明。在图15A中，相同的附图标记 用于表示与图3中所示的那些部件相同或相应的部件，并将省略其说明。固态成像装置57 具有其中全部像素被同时曝光(信号电荷被同时存储)的全局快门功能，并包括两个浮动 扩散部。固态成像装置57包括形成在衬底13的上侧的光电检测器14、第一浮动扩散部 15a和第二浮动扩散部15b。
构成第一转移晶体管Trla的栅极电极50在光电检测器14和第一浮动扩散部15a之间被布置在形成在衬底13的上表面上的栅极绝缘膜16上。构成第二转移晶体管Trlb 的栅极电极51在第一浮动扩散部15a和第二浮动扩散部15b之间被布置在位于衬底13上 的栅极绝缘膜16上。虽然图15A中未图示，但是同样在本实施例中，如同第一至第三实施例那样，设置 重置晶体管、放大晶体管、选择晶体管等。第一绝缘层27形成在包括栅极电极50和51的栅极绝缘膜16上。由底布线层 MO构成的遮光膜54在包括第一浮动扩散部15a正上方区域的区域处形成在第一绝缘层27 上。相似地，由底布线层MO构成的遮光膜55在包括第二浮动扩散部15b正上方区域的区 域处形成在第一绝缘层27上。遮光膜54经由形成在第一绝缘层27中的接触部分52电连 接到第一浮动扩散部15a。遮光膜55经由形成在第一绝缘层27中的接触部分53电连接到 第二浮动扩散部15b。在本实施例中，遮光膜54和55以及接触部分52和53由钨制成。第二绝缘层28形成在包括遮光膜54和55的第一绝缘层27上。此外，包括多个 布线层(在本实施例中为三个布线层M1、M2和M3)的多层布线层29形成在第二绝缘层28 上。在多层布线层29中的布线层中位于最下层位置的布线层Ml通过形成在第二绝缘层28 中的接触部分56电连接到遮光膜55。虽然图中未示出，但是电连接到第二浮动扩散部15b 的布线层Ml连接到放大晶体管的栅极电极。在具有以上构造的固态成像装置57中，通过同时曝光在每一个像素2的光电检测 器14中产生的信号电荷同时通过第一转移晶体管Trla转移到第一浮动扩散部15a。然后， 在保存在第一浮动扩散部15a中达预定时间段之后，由第二转移晶体管Trlb以像素为单位 将信号电荷转移到第二浮动扩散部15b。由转移到第二浮动扩散部15b的信号电荷引起的 电压波动通过放大晶体管(未示出)放大，并且放大后的像素信号被输出到竖直信号线。在本实施例的固态成像装置57中，通过由布置为靠近衬底13的光接收表面的底 布线层MO构成的遮光膜54来对较长时间地保存信号电荷的第一浮动扩散部15a进行遮 光。即使当信号电荷保存在第一浮动扩散部15a中时，此配置也可以防止入射光泄漏到第 一浮动扩散部15a中，这可以抑制噪声和图像质量的劣化。此外，布置在第一浮动扩散部15a上方的遮光膜54电连接到第一浮动扩散部15a。 因此，通过增大遮光膜54的尺寸，可以利用遮光膜54的寄生电容来增大第一浮动扩散部 15a中的饱和电荷。另一方面，在根据本实施例的固态成像装置57中，布置在第二浮动扩散部15b上 方的遮光膜55连接到多层布线层29中的布线层Ml。因此，期望遮光膜55和布线层Ml之 间的寄生电容较小。因此，期望遮光膜55具有仅足以对第二浮动扩散部15b进行遮光的尺 寸。同时，在本实施例中，不需要将布置在第一浮动扩散部15a上方的遮光膜54连接 到第一浮动扩散部15a。在此情况下，如图15B所示，用于对第一浮动扩散部15a和第二浮 动扩散部15b进行遮光的遮光膜58由位于浮动扩散部15a和15b上方的底布线层MO形 成。因此，当设置两个浮动扩散部时，仅在要连接到放大晶体管的栅极电极的位置处形成接 触部分。这样，根据本实施例，即使在具有全局快门功能的固态成像装置(其中浮动扩散部较长时间段地保存信号电荷)中，也可以防止光泄漏到浮动扩散部中。此外，在本实施例中，可以实现与第一实施例相似的效果。此外，在本实施例中的 构造可以与第二和第三实施例中的那些构造进行组合。在前文中，将包括以矩阵进行排列以用于检测与入射光的量相对应的信号电荷的 像素单元的CMOS固态成像装置作为第一至第四实施例的示例进行了说明。但是，本发明的 应用即不限于CMOS固态成像装置，也不限于通常包括用于以二维矩阵形成的像素部分中 的各像素列的列电路的固态成像装置。此外，本发明的应用不限于被配置通过检测入射可见光的量的分布来拍摄图像的 固态成像装置。本发明还可以以用于被配置为检测红外辐射、X射线、或粒子的分布的固态 成像装置。更宽泛而言，本发明还可以一般地应用于如 下配置的固态成像装置(物理量分 布检测器)检测诸如压力和电容之类的物理量的分布以拍摄图像。此外，本发明的应用不限于被配置为以行为单位相继地扫描像素部分中的像素单 元来从像素单元读取像素信号的固态成像装置。本发明还可以以用于被配置为选择任意像 素并基于以像素为单位从所选择的像素读取信号的X-Y地址固态成像装置。根据本发明的实施例的固态成像装置可以形成为一个芯片或其中封装有信号处 理单元和光学系统的具有图像拍摄功能的模组的形式。此外，本发明的应用不限于固态成像装置，并且本发明可以以用于成像设备。这样 的成像设备包括相机系统(例如数字静态相机)和具有成像功能的电子设备(例如移动电 话)。安装在电子设备内的模组，即相机模具，也可以用作成像设备。5.第五实施例电子设备以下，将对根据本发明的第五实施例的电子设备进行说明。图16示意性地图示了 根据本发明的第五实施例的电子设备200的构造。电子设备200是上述根据第一实施例的固态成像装置1所应用的电子设备(相 机)的示例。图16示意性地图示了根据本实施例的电子设备200的剖视结构。电子设备200 可以是能够拍摄静态图像的数字相机。电子设备200包括固态成像装置1、光学透镜210、快门211、驱动电路212、以及信 号处理电路213。光学透镜210在固态成像装置1的成像平面上形成了与来自成像对象的入射光相 对应的图像。结果，信号电荷被存储在固态成像装置1中达预定的时间段。快门211控制固态成像装置1的曝光时间和遮光时间。驱动电路212供应用于控制固态成像装置1的转移操作和快门211的快门操作的 驱动信号。固态成像装置1根据从驱动电路212供应的驱动信号(定时信号)来转移信号。 信号处理电路213执行各种信号处理。处理后的图像信号被存储在诸如存储器之类的存储 介质中或被输出到监视器。在本实施例的电子设备200中，通过由底布线层构成的遮光膜对固态成像装置1 的浮动扩散部进行有利的遮光，由此抑制了光泄漏到浮动扩散部中。因此，电子设备200可 以抑制由于噪声引起图像质量的劣化。可以应用固态成像装置1的电子设备200不限于相机。电子设备200也可以是诸如数字静态相机之类的成像设备，和用于诸如移动电话之类的移动设备的相机模组。虽然在本实施例中，将固态成像装置1应用于电子设备200，但是根据上述第二至 第四实施例的固态成像装置也可以应用于电子设备200。本申请包含与2009年3月5日递交给日本专利局的日本在先专利申请JP 2009-052324中揭示的主题相关的主题，其全文通过引用结合于此。本领域的技术人员应该理解，只要各种修改、组合、子组合和替换落在所附权利要求或其等同方案内，就可以根据设计要求和其他因素进行这些修改、组合、子组合和替换。
权利要求
一种固态成像装置，包括光电检测器，其形成在衬底上，并被配置为通过将入射光转换为电来产生信号电荷；浮动扩散部，其被配置为接收由所述光电检测器产生的所述信号电荷；多个MOS(金属氧化物半导体)晶体管，其包括将所述信号电荷转移到所述浮动扩散部的转移晶体管和输出与所述浮动扩散部的电位相对应的像素信号的放大晶体管；多层布线层，其形成在高于所述衬底的层中，并且包括经由接触部分与所述MOS晶体管电连接的多个布线层；以及遮光膜，其由布置在高于所述衬底并低于所述多层布线层的层中的底布线层构成，并且形成在对至少所述浮动扩散部进行遮光的区域中，所述遮光膜经由接触部分电连接到所述浮动扩散部。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述遮光膜经由接触部分电连接到所述放大晶体管的栅极电极。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，所述遮光膜被形成为围绕所述光电检测器，但所述光电检测器的开口正上方的 区域除外。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，所述MOS晶体管通过经由由所述底布线层构成的中间膜的接触部分电连接到所 述多层布线层中的所述布线层。
5.一种固态成像装置的制造方法，所述方法包括以下步骤 在衬底上形成光电检测器和浮动扩散部；在所述衬底上形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层中形成开口，使得将所述浮动扩散部暴露； 通过用金属材料填充所述开口来形成接触部分；在包括所述接触部分的所述第一绝缘层上对所述浮动扩散部进行遮光的区域处，由底 布线层形成遮光膜；在包括所述遮光膜的所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；以及 在所述第二绝缘层上形成具有多个布线层的多层布线层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，还包括如下步骤将所述遮光膜形成为围绕所述 光电检测器，但所述光电检测器的开口正上方的区域除外。
7.一种固态成像装置的制造方法，所述方法包括以下步骤在衬底上形成光电检测器、浮动扩散部和掺杂区域，所述掺杂区域构成MOS晶体管的 预定源极或漏极；通过去除在所述浮动扩散部和所述掺杂区域上方的第一绝缘层的各部分，来形成用于 使所述浮动扩散部和所述掺杂区域暴露的开口；通过用金属材料填充形成在所述第一绝缘层中的所述开口来形成接触部分； 在包括形成在所述浮动扩散部上的所述接触部分的所述第一绝缘层上对所述浮动扩 散部进行遮光的区域处由底布线层形成遮光膜，并且在包括形成在所述掺杂区域上的所述 接触部分的所述第一绝缘层上形成由所述底布线层构成的中间膜；在包括所述遮光膜和所述中间膜的所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；在所述第二绝缘层中形成开口使得将所述中间膜暴露；通过用金属材料填充形成在所述第二绝缘层中的所述开口来形成接触部分；以及形成具有多个布线层的多层布线层，所述布线层包括与形成在所述第二绝缘层中的所 述接触部分连接的布线。
8.根据权利要求7所述的制造方法，还包括以下步骤将所述遮光膜形成为围绕所述 光电检测器，但所述光电检测器的开口正上方的区域除外。
9.一种电子设备，包括光学透镜；固态成像装置，其被配置为接收由所述光学透镜收集的光，所述固态成像装置包括光 电检测器，其形成在衬底上，并被配置为通过将入射光转换为电来产生信号电荷；浮动扩散 部，其被配置为接收由所述光电检测器产生的所述信号电荷；多个MOS(金属氧化物半导 体)晶体管，其包括将所述信号电荷转移到所述浮动扩散部的转移晶体管和输出与所述浮 动扩散部的电位相对应的像素信号的放大晶体管；多层布线层，其形成在高于所述衬底的 层中，并且包括经由接触部分与所述MOS晶体管电连接的多个布线层；以及遮光膜，其由布 置在高于所述衬底并低于所述多层布线层的层中的底布线层构成，并且形成在对至少所述 浮动扩散部进行遮光的区域中，所述遮光膜经由接触部分电连接到所述浮动扩散部；以及信号处理电路，其被配置为对从所述固态成像装置输出的信号进行处理。
全文摘要
本发明提供了固态成像装置及其制造方法以及电子设备。固态成像装置包括光电检测器，其形成在衬底上，并被配置为通过光电转换来产生信号电荷；浮动扩散部，其被配置为接收由光电检测器产生的信号电荷；多个MOS晶体管，其包括将信号电荷转移到浮动扩散部的转移晶体管和输出与浮动扩散部的电位相对应的像素信号的放大晶体管；多层布线层，其形成在高于衬底的层中，并且包括经由接触部分与MOS晶体管连接的多个布线层；以及遮光膜，其由布置在高于衬底并低于多层布线层的层中的底布线层构成。
文档编号H01L27/14GK101826537SQ20101012436
公开日2010年9月8日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年3月5日
发明者田浦忠行 申请人:索尼公司