(57)【要約】【課題】対向、近接する拡散層と導体との間の漏れ電流を抑制し、効率を向上が図られた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１を貫通する貫通電極７と、半導体基板１の上部であって、貫通電極７の側方に位置する領域に設けられた拡散層２４と、拡散層２４の上部に設けられた拡散層２２とを備えている。貫通電極７の側面のうち拡散層２４に対向する部分は湾曲しており、拡散層２４の表面のうち貫通電極７に対向する部分は湾曲している。【選択図】図４
2010114320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面から下面まで貫通する貫通孔が形成された半導体基板と、
前記半導体基板を貫通し、前記貫通孔内に埋め込まれた貫通電極と、
前記貫通孔の内壁に設けられ、前記貫通電極の側面を囲む絶縁膜と、
前記半導体基板の上部であって、前記貫通電極の側方に位置する領域に設けられた不純物を含む第１の拡散層と、
前記第１の拡散層と前記半導体基板とを分離するために前記第１の拡散層を囲むように設けられ、前記第１の拡散層よりも低濃度の不純物を含み、前記第１の拡散層よりも電気抵抗が大きい第２の拡散層と、
前記半導体基板の上面上に設けられ、前記貫通電極に接続された接続電極とを備え、
前記貫通電極の側面のうち前記第２の拡散層に対向する部分が貫通孔内側へ湾曲している半導体装置。
【請求項２】
上面から下面まで貫通する貫通孔が形成された半導体基板と、
前記半導体基板を貫通し、前記貫通孔内に埋め込まれた貫通電極と、
前記貫通孔の内壁に設けられ、前記貫通電極の側面を囲む絶縁膜と、
前記半導体基板の上部であって、前記貫通電極の側方に位置する領域に設けられた不純物を含む第１の拡散層と、
前記第１の拡散層と半導体基板を分離するために前記第１の拡散層を囲むように設けられ、前記第１の拡散層よりも低濃度の不純物を含み、前記第１の拡散層よりも電気抵抗が大きい第２の拡散層と、
前記半導体基板の上面上に設けられ、前記貫通電極に接続された接続電極とを備え、
前記第２の拡散層の表面のうち前記貫通電極に対向する部分は湾曲している半導体装置。
【請求項３】
前記第２の拡散層は、動作時に貫通電極との間で電位差を生じることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記貫通孔の開口面積が、前記半導体基板の下面から上面側に向かうにつれて所定の位置まで大きくなっていることによって前記貫通孔の内壁が湾曲していることを特徴とする請求項１または３のうちいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板の上面には複数の受光部が配置されてなる撮像領域が設けられ、
前記半導体基板の上面上であって、前記撮像領域の外側の領域には周辺回路が設けられ、
前記第１の拡散層および前記第２の拡散層は前記周辺回路の一部を構成することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置とそれを用いた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種電子機器に活用されている半導体装置は、概ね次のような構成となっている。すなわち、半導体基板と、この半導体基板の主面の一方（上面と称する）の上部に設けられた不純物拡散層と、この半導体基板の一方の主面から他方の主面（下面と称する）へと貫通する貫通孔に埋め込まれた貫通電極とを備える。また、半導体基板上面には、高濃度の不純物を含む低抵抗の第１の拡散層と、この第１の拡散層と半導体基板とを分離するために第１の拡散層を囲むように設けられた、低濃度の不純物を含む第２の拡散層とが設けられる。貫通電極は、貫通孔内に設けられた導体を有しており、半導体基板の上面上に設けられた接続電極に電気的に接続される。また、貫通電極は、半導体基板の下面上に設けられ外部接続端子と電気的に接続されており、貫通孔の側面には、貫通電極の側面を覆う絶縁膜が設けられている（例えば下記特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−４１４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来例の課題は、貫通電極に近接する半導体基板の上部において、この貫通電極に対して電位差が生ずる第２の拡散層と、この第２の拡散層に近接した貫通電極の導体との間で漏れ電流が発生し、その結果として電流輸送効率が低下するということであった。
【０００４】
すなわち、貫通電極に近接する半導体基板の上部において、この貫通電極に対して電位差が生ずる第２の拡散層と、この第２の拡散層に近接した貫通電極の導体との間には絶縁膜が介在するものの、第２の拡散層と貫通電極の導体との距離は極めて微小であるので、例えば導体と第２の拡散層との電位差が５Ｖ程度であっても極めて大きな影響を受け、漏れ電流が発生してしまうのである。
【０００５】
そこで本発明は、対向、近接する拡散層と貫通電極との間の漏れ電流を抑制し、電流輸送効率を向上が図られた半導体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】
【０００６】
上述の目的を達成するために本発明の第１の半導体装置は、上面から下面まで貫通する貫通孔が形成された半導体基板と、前記半導体基板を貫通し、前記貫通孔内に埋め込まれた貫通電極と、前記貫通孔の内壁に設けられ、前記貫通電極の側面を囲む絶縁膜と、前記半導体基板の上部であって、前記貫通電極の側方に位置する領域に設けられた不純物を含む第１の拡散層と、前記第１の拡散層と前記半導体基板とを分離するために前記第１の拡散層を囲むように設けられ、前記第１の拡散層よりも低濃度の不純物を含み、前記第１の拡散層よりも電気抵抗が大きい第２の拡散層と、前記半導体基板の上面上に設けられ、前記貫通電極に接続された接続電極とを備え、前記貫通電極の側面のうち前記第２の拡散層に対向する部分が貫通孔内側へ湾曲している。
【０００７】
この構成によれば、貫通電極の側面が貫通孔内側に湾曲しているので、湾曲しない場合に比べて貫通電極と第２の拡散層との距離を離すことができる。
このため、貫通電極と第２の拡散層間の電界を緩和できるために耐圧が向上し、微細化により貫通電極と第２の拡散層との距離が近づいた場合や、絶縁膜が薄くなった場合でも貫通電極と半導体層との間に漏れ電流が流れるのを抑えることができる。
【０００８】
本発明の第２の半導体装置は、上面から下面まで貫通する貫通孔が形成された半導体基板と、前記半導体基板を貫通し、前記貫通孔内に埋め込まれた貫通電極と、前記貫通孔の内壁に設けられ、前記貫通電極の側面を囲む絶縁膜と、前記半導体基板の上部であって、前記貫通電極の側方に位置する領域に設けられた不純物を含む第１の拡散層と、前記第１の拡散層と半導体基板を分離するために前記第１の拡散層を囲むように設けられ、前記第１の拡散層よりも低濃度の不純物を含み、前記第１の拡散層よりも電気抵抗が大きい第２の拡散層と、前記半導体基板の上面上に設けられ、前記貫通電極に接続された接続電極とを備え、前記第２の拡散層の表面のうち前記貫通電極に対向する部分は湾曲している。
【０００９】
この構成によれば、第２の拡散層において、前記貫通電極に対向する部分は湾曲しているので、湾曲しない場合に比べて電界集中を緩和することができる。このため、電解集中によるトンネル電流の発生を抑制することができ、微細化により貫通電極と第２の拡散層との距離が近づき、絶縁膜が薄くなった場合でも貫通電極と第２の拡散層との間に漏れ電流が流れるのを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように本発明の第１の半導体装置によれば、貫通電極の不純物拡散層に対向する面が湾曲しているので、近接する不純物拡散層貫通電極との距離が大きくなり、半導体層と貫通電極間に生じる漏れ電流を抑制し、電流輸送効率を向上することができる。
【００１１】
また、本発明の第２の半導体装置によれば、不純物拡散層の貫通電極に対向する面が湾曲しているので、電界集中によるトンネル電流発生を抑制することができ、不純物拡散層と貫通電極間に生じる漏れ電流を抑制し、電流輸送効率を向上させ、消費電力の増大を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置の一例として、電子機器、例えばデジタルカメラ用の固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示す斜視図であり、図２は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、シリコン等からなり、平面外形が四辺形であるｐ型の半導体基板１と、半導体基板１の主面の一方（以下の説明では「上面」と称す）の中央を含む領域に形成され、複数の受光素子（受光部）２がマトリクス状に配置された撮像領域と、半導体基板１の上面上であって撮像領域の周囲あるいは外側に設けられた周辺回路６と、受光素子２ごとに設けられ、受光素子２の上方に設けられたマイクロレンズ３と、半導体基板１の上面に接着され、マイクロレンズ３の上方に配置されたガラス基板４と、半導体基板１の撮像領域を除く領域上に設けられ、半導体基板１とガラス基板４とを接着する接着剤５とを備えている。周辺回路６は、受光素子２の駆動や制御を行うための回路である。例えばフォトダイオード等である受光素子２、及びＭＯＳトランジスタ等で構成される周辺回路６は共に公知の半導体プロセスで製造される。
【００１５】
また、本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板１の上面上であって平面的に見て周辺回路６を囲む位置に設けられた複数の接続電極１０と、半導体基板１の他方の主面（以下、「下面」と称する）上に設けられた外部接続端子１１と、半導体基板１の下方に設けられ、外部接続端子１１に接続されたボール状の外部接続電極１７と、半導体基板１を貫通し、接続電極１０の下面から外部接続端子１１の上面に至る貫通孔８内に埋め込まれ、接続電極１０及び外部接続端子１１に接続された貫通電極７と、貫通孔８の内壁に設けられた第１の絶縁膜１２と、半導体基板１の下面に設けられた第２の絶縁膜１５と、第２の絶縁膜１５の下面上に設けられ、且つ外部接続端子１１の下面を所定の領域を除いて覆う第３の絶縁膜１６を備えている。貫通電極７は、略円柱状の導体９を有している。貫通孔８内に設けられた第１の絶縁膜１２は略円管状に導体９（貫通電極７）を囲んでいる。
【００１６】
図３は、図２に示す部分Ａの構成例を示す拡大断面図であり、図４は、図３に示す部分Ｂの構成を示す拡大断面図である。また、図５は、図４に示す部分Ｃの構成を示す拡大断面図である。
【００１７】
図３、図４に示すように、貫通電極７は、より詳細には、Ｃｕなどからなる導体９と、導体９の上面及び側面を覆うＣｕなどからなる導体膜１４と、導体膜１４の上面及び側面を覆うＴｉからなるバリアメタル１３とで構成されている。バリアメタル１３は、導体９を構成する金属材料が半導体基板１内に拡散するのを防ぐために設けられる。
【００１８】
次に、半導体基板１の上面に設けた周辺回路６について、図３を用いて説明する。図３は、貫通電極７（導体９）の左側に入力回路側の静電保護回路１８Ａが、貫通電極７の右側に受光素子２を駆動するための制御回路１８Ｂがそれぞれ設けられた例を示している。制御回路１８Ｂは周辺回路６の一部である。
【００１９】
このうち、左側の静電保護回路１８Ａは、半導体基板１の上部に設けられ、燐などを1018ｃｍ-3程度で含むｎ型拡散層２０と、拡散層２０の上部に設けられ、Ｂなどを1020ｃｍ-3程度で含むｐ型拡散層１９と、拡散層１９及び拡散層２０を含む半導体基板１上に形成された素子分離用絶縁膜２６とを有している。素子分離用絶縁膜２６はＬＯＣＯＳ（LoCal Oxidation of Silicon)膜であってもよいし、ＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)であってもよい。拡散層１９と接続電極１０は配線層２１を介して接続されている。拡散層１９は半導体基板１の上面側からイオン注入等により導入された不純物を拡散させることで形成する。
【００２０】
拡散層１９は、本実施形態では、静電気等から回路素子を保護する回路の一部を構成する。過電圧が加わると瞬時に抵抗を含む静電保護回路１８Ａが非破壊の放電（パンチスルー）を生じ、過電圧をグランド電位に落とすことにより、保護するものである。したがって、この静電保護回路１８Ａは、電源回路の先頭側に配置されており、図３に示すように貫通電極７の接続電極１０に直接的に接続されているものである。
【００２１】
これに対し、図３において貫通電極７の右側に配置された受光素子２を駆動するための制御回路１８Ｂは接続電極１０に直接的には接続されておらず、静電保護回路１８Ａの後続回路に接続されている。
【００２２】
図３及び図４に示すように、制御回路１８Ｂは、半導体基板１の上部に設けられ、第１導電型の不純物を含む拡散層（第２の拡散層）２４と、拡散層２４の上部に設けられ、第２導電型の不純物を含む拡散層２２、２３と、平面的に見て拡散層（第１の拡散層）２２、２３の間の拡散層２４上にゲート絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、拡散層２２、２３及び拡散層２４を含む半導体基板１上に形成された素子分離用絶縁膜２６を備えている。拡散層２２、２３の不純物濃度は拡散層２４の不純物濃度よりも高く、拡散層２２、２３は低抵抗な領域となっている。拡散層２２、２３は、拡散層２４によって半導体基板１の他の部分から分離されている。
【００２３】
静電保護回路１８Ａ及び制御回路１８Ｂの両方において、素子分離用絶縁膜２６上には配線層２５が設けられた領域を除いて下層層間絶縁膜２７及び上層層間絶縁膜２８が設けられている。
【００２４】
制御回路１８Ｂにおいて、拡散層２２、２３はゲート電極とともに制御回路１８ＢのＭＯＳトランジスタを構成しており、図３、図４からも理解されるように、近接している接続電極１０に直接的には接続されておらず、上述のごとく静電保護回路１８Ａの後続回路に接続されている。具体的には図４に示すように、配線層２５と接続電極１０間は電気的に接続されておらず、絶縁性の表面保護層２９が両者の間及び配線層２５上に設けられている。
【００２５】
このため、拡散層２２、２３に接する拡散層２４と貫通電極７とは、同じ電圧値になっていないことが多く（ある動作タイミングでは、同じ電圧値になっていることもある）、この場合、拡散層２４と貫通電極７のバリアメタル１３との間で電位差が発生することになる。
【００２６】
また、半導体基板１を介して近接する拡散層２４と、貫通電極７のバリアメタル１３との間の距離はわずか数μｍと極小距離となっているので、例えば５Ｖの電位差でも３×１０４〜５×１０４Ｖ/ｃｍの電界が印加される。さらに、第１の絶縁膜１２の膜厚は薄いので、このままでは第１の絶縁膜１２の微小欠陥等を介して漏れ電流が発生するおそれがある。
【００２７】
そこで、本実施形態の固体撮像装置は、貫通電極７の側面（バリアメタル１３の側面）のうち、貫通電極７に近接する制御回路１８Ｂの拡散層２４に対向する部分が湾曲し、拡散層２４の表面のうち貫通電極７に対向する部分も湾曲していることを特徴としている。すなわち、貫通電極７の拡散層２４に対向する部分は、基板面に水平な方向（水平方向）にある曲率を持って湾曲しているだけでなく、図４に示すように、垂直方向にもある曲率を持って湾曲している。また、貫通電極７に合わせて、貫通孔８の内壁のうち拡散層２４に対向する部分も湾曲している。
【００２８】
この構成により、貫通電極７のうち、貫通電極７の近傍に設けられた半導体層（拡散層２４）に対向する部分と拡散層２４との距離を従来の構成よりも遠くすることができる。また、貫通電極７が拡散層２４と対向する側面が湾曲しているので、拡散層２４の貫通電極７への対向面と貫通電極７（あるいはバリアメタル１３）の当該側面とに電界集中が発生しにくく、結果として拡散層２４と貫通電極７（バリアメタル１３）間に、第１の絶縁膜１２を介して漏れ電流が発生するのを抑制することができる。
【００２９】
なお、拡散層２４とバリアメタル１３との間で漏れ電流が発生する状態とは、拡散層２２、２３、拡散層２４と、バリアメタル１３、導体膜１４、導体９との間に、第１の絶縁膜１２を介して漏れ電流が発生している状態である。これに対し、本実施形態の固体撮像装置では、貫通電極７と拡散層２４との間に流れる漏れ電流の発生が抑制されているので、電流輸送効率の低下や動作不良の発生が防がれ、従来の固体撮像装置に比べて信頼性が向上している。
【００３０】
本実施形態の固体撮像装置では、上述のごとく拡散層２４とそれに近接した貫通電極７（バリアメタル１３）において、それぞれが対向する面を図３〜図５に示すごとく湾曲面としたが、そのためにはまず貫通孔８の内壁のうち拡散層２４に対向する部分を湾曲させる必要がある。そのため、本実施形態では、半導体基板１の下面上に貫通孔８の下端を開口するマスクを形成し、このマスクを利用してウエットエッチングとドライエッチングを行う。これにより、貫通孔８の開口面積を、半導体基板１の下面から上面側に向かうにつれて所定の位置（例えば拡散層２４の底面よりも深い位置）まで大きくすることができ、貫通孔８の内壁を垂直方向及び水平方向に湾曲する面とすることができる）。
【００３１】
なお、図５に示すように、上述の工程により、貫通孔８の半導体基板１下面側部分にはオーバーハング３０が形成された状態となるが、このオーバーハング３０は第１の絶縁膜１２、バリアメタル１３、導体膜１４で覆われた状態となるので、破損などは発生しない。
【００３２】
また、貫通孔８に湾曲面を形成するので、その後に貫通孔８の内壁に沿って形成する第１の絶縁膜１２及びバリアメタル１３にも湾曲面が転写される。
【００３３】
一方、拡散層２４については、半導体基板１の上部のうち所定の領域に、導電性の不純物を深さ方向に複数回分割してイオン注入等により導入し、その後熱処理により不純物を拡散及び活性化させる。深さ方向に分割注入するときに、深くなるほど貫通孔から離すようにマスクの開口寸法を変化させることにより、貫通電極７に対向する面を湾曲させることができる。この方法によれば、一度のイオン注入及び熱拡散で拡散層を形成する場合に比べて拡散層の湾曲をより強くすることができる。
【００３４】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、半導体層（拡散層２４）が設けられた半導体基板１の厚みは、５０μｍ未満であれば好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲であれば特に好ましい。これは、半導体基板１の厚みが充分薄くなると拡散層２４と貫通電極７のオーバーハング３０が近接するためである。貫通電極７と拡散層２４との距離を例えば１０μｍ程度にしてもリーク電流は十分に抑えられる。
【００３５】
なお、本実施形態の固体撮像装置においては、半導体層は制御回路１８Ｂ内の拡散層２４に限られず、内部に形成された拡散層が貫通電極７及び接続電極１０に直接電気的に接続されていない半導体層に対向する貫通電極７の側面を湾曲させることで漏れ電流の発生を効果的に抑えることが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態の固体撮像装置の半導体層及び貫通電極７と同様の構成を固体撮像装置の半導体装置に適用しても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように本発明は、カメラ等の撮像装置に用いられる固体撮像装置の他、種々の電子機器に用いられる半導体装置に好ましく利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図３】図２に示す部分Ａの構成例を示す拡大断面図である。
【図４】図３に示す部分Ｂの構成を示す拡大断面図である。
【図５】図４に示す部分Ｃの構成を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      半導体基板
２      受光素子
３      マイクロレンズ
４      ガラス基板
５      接着剤
６      周辺回路
７      貫通電極
８      貫通孔
９      導体
１０      接続電極
１１      外部接続端子
１２      第１の絶縁膜
１３      バリアメタル
１４      導体膜
１５      第２の絶縁膜
１６      第３の絶縁膜
１７      外部接続電極
１８Ａ    静電保護回路
１８Ｂ    制御回路
１９、２２、２３      拡散層
２０、２４      拡散層
２１、２５      配線層
２６      素子分離用絶縁膜
２７      下層層間絶縁膜
２８      上層層間絶縁膜
２９      表面保護層
３０      オーバーハング
【図１】
2010114320.tif 000003
【図２】
2010114320.tif 000004
【図３】
2010114320.tif 000005
【図４】
2010114320.tif 000006
【図５】
2010114320.tif 000007