JP3733891B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばフレームインターライントランスファ（ＦＩＴ）型、インターライントランスファ（ＩＴ）型等のＣＣＤ固体撮像素子においては、図４に示すように、画素となる複数の受光部１がマトリックス状に配列され、各受光部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ２が設けられた撮像部３を有して成り、この撮像部３の有効画素領域４の受光部１を除く少なくとも垂直転送レジスタ２を含む領域上及び黒の基準レベルを規定するための所謂オプティカルブラック領域５の全面上に、斜線で示すように、遮光膜例えばＡｌ遮光膜６を形成して構成される。
【０００３】
図５は、図４の有効画素領域４におけるＡーＡ線上の断面の一例を示す。１１は第１導電形例えばＮ形のシリコン基板を示し、この基板１１上の第１の第２導電形即ちＰ形のウェル領域１２内に、Ｎ形不純物拡散領域１３と垂直転送レジスタ２を構成するＮ形の転送チャネル領域１４並びにＰ形のチャネルストップ領域１５が形成され、上記Ｎ形不純物拡散領域１３上にＰ形の正電荷蓄積領域１６が、Ｎ形の転送チャネル領域１４の真下に第２のＰ形ウェル領域１７が夫々形成される。ここで、Ｎ形不純物拡散領域１３とＰ形ウェル領域１２とのＰＮ接合ｊによるフォトダイオードＰＤによって受光部（光電変換部）１が構成される。
【０００４】
そして、垂直転送レジスタ２を構成する転送チャネル領域１４、チャネルストップ領域１５及び読み出しゲート部７上にゲート絶縁膜１８を介して多結晶シリコンからなる転送電極１９が形成され、転送チャネル領域１４、ゲート絶縁膜１８及び転送電極１９により垂直転送レジスタ２が構成される。
【０００５】
転送電極１９上及び正電荷蓄積領域１６を含む全面上に層間絶縁膜２０が積層され、更に転送電極１９に対応する層間絶縁膜２０上に、スパッタリング等によって例えば８００ｎｍ程度の厚さに成膜したアルミニウム等の金属遮光膜６が選択的に形成される。上層には表面保護膜２２が形成される。
【０００６】
上記Ａｌ遮光膜６によって、直接、垂直転送レジスタ２内に入射される光が阻止され、有効画素領域４ではこの光入射によるスミアの発生が低減され、オプティカルブラック領域５では電気的に黒の基準レベルが規定される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、固体撮像素子の高集積化に伴って、デバイスの平面方向だけでなく、段切れ等を考慮して、厚さ方向にも寸法を小さくする必要が生じてきた。しかし乍ら、金属遮光膜６の膜厚を薄くすると、一層膜で形成されているため、図６に示すように、金属遮光膜６の結晶粒２４の粒界が揃い易く、ピンホール２５が発生すると、そのピンホール２５から光透過してしまい、遮光性を低下させてしまう。従って、有効画素領域４ではこの透過光２６によるスミアが増加し、固体撮像素子の不良を引き起こすという問題点が生じて来た。
【０００８】
一方、オプティカルブラック領域５では光透過により黒の基準レベルが変動する等の不都合が生じるものであった。
【０００９】
本発明は、上述の点に鑑み、遮光膜の膜厚を薄くしても遮光性を確保し、高信頼性を図った固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、有効画素領域の受光部を除く他の領域上に遮光膜が形成されてなる固体撮像素子において、遮光膜は第１の層、第２の層及び第３の層からなる３層膜構造を有し、第１の層及び第３の層が、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により成膜されたアルミニウム薄膜で形成され、第１の層と第３の層の間の前記第２の層が第１の層及び第３の層のアルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有する酸化アルミニウム薄膜で形成されていることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、有効画素領域の受光部を除く他の領域上に遮光膜が形成されてなる固体撮像素子の製造方法において、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により、アルミニウム薄膜による第１の層を形成する工程と、第１の層上に、第１の層のアルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有する酸化アルミニウム薄膜による第２の層を形成する工程と、第２の層上に、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により、第２の層の酸化アルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有するアルミニウム薄膜による第３の層を形成する工程とを有し、第１、第２及び第３の層からなる３層膜構造で遮光膜を形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、遮光膜を３層膜構造で形成すると共に、第１の層と第３の層をＤ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により成膜したアルミニウム薄膜で形成し、第１及び第３の層の間の第２の層を、第１及び第３の層のアルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有する酸化アルミニウム薄膜で形成するので、遮光膜を薄くしたときに遮光膜の結晶配向性の連続性が断ち切られることになり、固体撮像素子の高集積化に伴い遮光膜を薄くしても、遮光膜の遮光性が確保される。従って、スミア成分の低減が図られる。また、オプティカルブラック領域での黒の基準レベルに変動が生ぜず、黒の基準レベルの安定化が図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１及び図２は、本発明をフレームインターライントランスファ（ＦＩＴ）型のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＦＩＴ型のＣＣＤ固体撮像素子３０は、図１に示すように、画素となる複数の受光部１がマトリックス状に配列され、各受光部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ２が設けられた撮像部３１と、撮像部３１の複数の垂直転送レジスタ２に対して１対１で対応するＣＣＤ構造の複数の垂直転送レジスタ３２が設けられた蓄積部３３と、蓄積部３３の一側に配されたＣＣＤ構造の水平転送レジスタ３４と、水平転送レジスタ３４の出力側に接続された出力回路３５とを備えて成る。そして、撮像部３１における有効画素領域３６の受光部１を除く垂直転送レジスタ２を含む他の領域と、黒の基準レベルを規定するための所謂オプティカルブラック領域３７及び水平転送レジスタ３４の全面とには、斜線で示すように、後述の遮光膜４４が形成される。
【００１４】
このＣＣＤ固体撮像素子３０では、各受光部１において受光量に応じて光電変換された信号電荷が垂直転送レジスタ２に読み出され、垂直転送レジスタ２内を転送して一旦蓄積部３３の垂直転送レジスタ３２に蓄積される。そして、１水平ライン毎に信号電荷が水平転送レジスタ３４に転送され、水平転送レジスタ３４内を順次転送して出力回路３５を通じて出力される。
【００１５】
本実施の形態においては、遮光膜３８を図２に示すように構成する。
図２は、有効画素領域３６の断面構造（図１のＢーＢ線上の断面図）を示す。この有効画素領域３６では、第１導電形例えばＮ形のシリコン基板１１上の第１の第２導電形即ちＰ形のウェル領域１２内に、Ｎ形の不純物拡散領域１３と垂直転送レジスタ２を構成するＮ形転送チャネル領域１４並びにＰ形のチャネルストップ領域１５が形成され、上記Ｎ形の不純物拡散領域１３上にＰ形の正電荷蓄積領域１６が、またＮ形の転送チャネル領域１４の直下に第２のＰ形ウェル領域１７が夫々形成される。
【００１６】
ここで、Ｎ形の不純物拡散領域１３とＰ形ウェル領域１２とのＰＮ接合ｊによるフォトダイオードＰＤによって受光部（光電変換部）１が構成される。垂直転送レジスタ２を構成する転送チャネル領域１４、チャネルストップ領域１５及び読み出しゲート部７上に、ゲート絶縁膜１８を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極１９が形成され、この転送チャネル領域１４、ゲート絶縁膜１８及び転送電極１９により垂直転送レジスタ２が構成される。転送電極１９及び正電荷蓄積領域１６上を含む全面に、層間絶縁膜２０が形成される。
【００１７】
そして、本実施の形態では、転送電極１９に対応する部分の層間絶縁膜２０上に、少なくともアルミニウム層及び酸化アルミニウム層を含む複数の膜で遮光膜が形成される。図２の例では、第１層目のアルミニウム（Ａｌ）薄膜４１と、第２層目の酸化アルミニウム薄膜４２と、第３層目のアルミニウム（Ａｌ）薄膜４３とからなる３層膜構造の遮光膜４４が形成される。第２層目の酸化アルミニウム薄膜４２は、第１層目、第３層目のアルミニウム薄膜４１、４３の結晶配向性と異なる結晶配向性を有している。ここで、アルミニウム薄膜４１、４３は、後述するように純Ａｌ、微量のＳｉを含有するＡｌ等を含むものである。
この遮光膜４４は、スパッタリング、酸化処理により成膜される。２２は最上層の表面保護膜である。
【００１８】
かかる遮光膜４４は、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置、酸素プラズマ処理を用いて成膜される。Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタ装置は、中央に真空搬送室を有し、その周囲に予備排気室、Ａｌー１％Ｓｉターゲットを取り付けた処理室等を有して成る。
先ず、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置の処理室に固体撮像素子が作り込まれたシリコン基板を搬送し、ここにおいて、第１層目の薄膜であるＡｌー１％Ｓｉ薄膜４１を２００ｎｍの厚さに成膜する。このときの条件は、アルゴンガスの圧力を８ｍＴｏｒｒ，Ｄ．Ｃ電力を６ＫＷ，スパッタ時間を１８ｓｅｃとした。成膜されたＡｌー１％Ｓｉ薄膜４１は（１１１）の結晶方位をもった柱状晶となる。
【００１９】
次に、シリコン基板を酸素プラズマ処理室に搬送し、第１層目のＡｌー１％Ｓｉ薄膜４１の表面に酸素プラズマ処理を施して第２層目の酸化アルミニウム薄膜４２を成膜する。
【００２０】
次に、再びシリコン基板をＤ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置の処理室に搬送し、第２層目の酸化アルミニウム薄膜４２上に第３層目のＡｌー１％Ｓｉ薄膜４３を２００ｎｍの厚さに成膜する。Ａｌー１％Ｓｉ薄膜４３は、（１１１）の結晶方位をもっており、格子定数が２．８６３Åである。
【００２１】
図３は、成膜された遮光膜４４の模式図である。第１層目のＡｌー１％Ｓｉ薄膜４２１の結晶配向性は、第２層目（中間膜）の酸化アルミニウム薄膜４２で断ち切られる。即ち、第３層目のＡｌー１％Ｓｉ薄膜４３が下層の第１層目のＡｌー１％Ｓｉ薄膜４１の柱状晶をそのまま引き継がないため、光４５の透過する結晶粒界が断ち切られたこととなる。第２層目の酸化アルミニウム薄膜４２は、第３層目のＡｌ薄膜４３の結晶配向性を乱す。
【００２２】
以上の工程により、Ａｌー１％Ｓｉ薄膜４１、酸化アルミニウム薄膜４２及びＡｌー１％Ｓｉ薄膜４３の３層膜構造の遮光膜４４が得られる。その後の工程は、通常と同様の方法を用いて上記３層膜構造の膜を所望のパターンにエッチングをして目的とする固体撮像素子を作成する。
【００２３】
上述の本実施の形態によれば、遮光膜４４を結晶配向性の連続性を断ち切るように、Ａｌー１％Ｓｉ薄膜４１、酸化アルミニウム薄膜４２及びＡｌー１％Ｓｉ薄膜４３からなる積層膜で形成することにより、遮光膜４４の遮光性を向上することができる。従って、固体撮像素子の高集積化に伴って、遮光膜を薄膜化することができ、スミア成分の少ない、また黒の基準レベルが変動しない信頼性の高い高集積固体撮像素子が得られる。
【００２４】
上例では、第１層目の薄膜４１と第３層目の薄膜４３として、同じＡｌー１％Ｓｉ薄膜を用いたが、両薄膜４１及び４３を互いに異ならしてもよい。例えば第１層目がＡｌー１％Ｓｉ薄膜、第２層目が酸化アミニウム薄膜、第３層目がＷ薄膜とすることもできる。
また、２層膜構造で遮光膜を形成することもできる。即ち、第１層目がＡｌー１％Ｓｉ薄膜、第２層目が酸化アルミニウム薄膜とすることができる。
【００２５】
尚、第１層目の薄膜としては、他部におけるシリコン領域にコンタクトをとる際に好適なＡｌー１％Ｓｉを用いたが、その他、例えば第１層目薄膜においてそのシリコン表面に接する下半分をＡｌー１％Ｓｉとし、その上半分を純Ａｌで形成するようにしても可能である。第３層目も純Ａｌで形成することもできる。
【００２６】
上例では、ＦＩＴ型ＣＣＤ固体撮像素子に適用したが、その他、インターライントランスファ（ＩＴ）型のＣＣＤ固体撮像素子等にも適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、膜厚を薄くしても遮光膜の遮光性を向上することができる。従って、遮光膜を薄膜化することができ、信頼性の高い高集積の固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１のＢーＢ線上の断面図である。
【図３】本実施の形態に係る遮光膜の模式図である。
【図４】従来例の説明に供する固体撮像素子の撮像部の構成図である。
【図５】図４のＡーＡ線上の断面図である。
【図６】従来の一層膜構造によるＡｌ遮光膜の模式図である。
【符号の説明】
１・・・受光部、２、３２・・・垂直転送レジスタ、３、３１・・・撮像部、４、３６・・・有効画素領域、５、３７・・・オプティカルブラック領域、６・・・遮光膜、３３・・・蓄積部、３４・・・水平転送レジスタ、３５・・・出力回路、４１・・・第１層目薄膜、４２・・・第２層目薄膜、４３・・・第３層目薄膜、４４・・・遮光膜

Claims (4)

1. 有効画素領域の受光部を除く他の領域上に遮光膜が形成されてなる固体撮像素子において、
   前記遮光膜は第１の層、第２の層及び第３の層からなる３層膜構造を有し、
   前記第１の層及び第３の層が、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により成膜されたアルミニウム薄膜で形成され、
   前記第１の層と第３の層の間の前記第２の層が、前記第１の層及び第３の層のアルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有する酸化アルミニウム薄膜で形成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第２の層が、前記アルミニウム薄膜による第１の層の表面を酸素プラズマ処理して得られる酸化アルミニウム膜で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 有効画素領域の受光部を除く他の領域上に遮光膜が形成されてなる固体撮像素子の製造方法において、
   Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により、アルミニウム薄膜による第１の層を形成する工程と、
   前記第１の層上に、前記第１の層のアルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有する酸化アルミニウム薄膜による第２の層を形成する工程と、
   前記第２の層上に、Ｄ．Ｃマグネトロンスパッタリング装置により、第２の層の酸化アルミニウム薄膜の結晶配向性とは異なる結晶配向性を有するアルミニウム薄膜による第３の層を形成する工程とを有し、
   前記第１、第２及び第３の層からなる３層膜構造で前記遮光膜を形成する
   ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
4. 前記アルミニウム薄膜による第１の層の表面に酸素プラズマ処理を施して前記第２の層の酸化アルミニウム薄膜を形成する
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。

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