JP4734728B2

JP4734728B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4734728B2
Application number: JP2001037904A
Authority: JP
Inventors: 匡雄木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: JP2002246584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、余剰電荷を排出するための電荷抜きコンタクトを有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体撮像素子の画素領域に蓄積された余剰の電荷（正孔）を除去するために、画素領域上に電荷抜きコンタクトを設け、この電荷抜きコンタクトの上部配線部を介して電荷を抜き取るようにしたものが提供されている。
この電荷抜きコンタクトは、半導体基板上の転送電極や遮光膜の上層に設けられる層間絶縁膜にフォトリソグラフィやエッチングによってコンタクト孔を開けた状態で、その上面に配線層を成膜することにより形成されたものであり、例えば、撮像領域の１水平ライン分に相当する複数のフォトセンサ部に対応して複数の電荷抜きコンタクトを配設したものである。
そして、このような電荷抜きコンタクトを固体撮像素子に設ける構造としては、例えば遮光膜に形成される開口部（すなわち受光領域）の内側に小径のコンタクト孔を開け、ここに電荷抜きコンタクトを形成する方法（以下、第１の従来例という）や、遮光膜の一部を含む領域に開口部より太径のコンタクト孔を開け、ここに電荷抜きコンタクトを形成する方法（以下、第２の従来例という）が知られている。
【０００３】
図３は、上述した第１の従来例による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
また、図４は、図３に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図であり、図３のＡ−Ａ’線（水平転送方向）の断面を示している。
図４において、半導体基板１０には、固体撮像素子の撮像画素を構成するフォトセンサ部や電荷転送部である垂直転送レジスタ（共に図示せず）等が形成されている。そして、この半導体基板１０の上面には、絶縁膜１２を介して垂直転送レジスタの転送電極膜１４Ａ、１４Ｂが形成され、その上層に絶縁膜１２を介して遮光膜１６が形成されている。この遮光膜１６は、フォトセンサ部の受光領域に対応して方形状の開口部１６Ａを有する。
【０００４】
また、遮光膜１６や絶縁膜１２の上層には、遮光膜１６等と上層配線（図示せず）とを絶縁するための層間絶縁膜２０が設けられており、この層間絶縁膜２０及び下層の絶縁膜１２にコンタクト孔２２が形成される。このコンタクト孔２２は、上述のように遮光膜１６の開口部１６Ａより小径の方形断面を有するものである。
そして、層間絶縁膜２０の上に上層配線を作成する工程により、コンタクト孔２２を介して電荷抜きコンタクト２４が形成される。この電荷抜きコンタクト２４は、１水平ライン分の各撮像画素毎に設けられている。
また、電荷抜きコンタクト２４の上部には、水平方向に沿ってライン状の上層配線部２４Ａが一体に形成され、撮像領域の外部に導かれている。
【０００５】
次に、図５は、上述した第２の従来例による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
また、図６は、図５に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図であり、図５のＢ−Ｂ’線（水平転送方向）の断面を示している。
図４において、半導体基板３０には、固体撮像素子の撮像画素を構成するフォトセンサ部や電荷転送部である垂直転送レジスタ（共に図示せず）等が形成されている。そして、この半導体基板３０の上面には、絶縁膜３２を介して垂直転送レジスタの転送電極膜３４Ａ、３４Ｂが形成され、その上層に絶縁膜３２を介して遮光膜３６が形成されている。この遮光膜３６は、フォトセンサ部の受光領域に対応して方形状の開口部３６Ａを有する。
【０００６】
また、遮光膜３６や絶縁膜３２の上層には、遮光膜３６等と上層配線（図示せず）とを絶縁するための層間絶縁膜４０が設けられており、この層間絶縁膜４０及び下層の絶縁膜３２にコンタクト孔４２が形成される。このコンタクト孔４２は、上述のように遮光膜３６の開口部３６Ａより大径の方形断面を有するものである。
そして、層間絶縁膜４０の上に上層配線を作成する工程により、コンタクト孔４２を介して電荷抜きコンタクト４４が形成される。この電荷抜きコンタクト４４は、１水平ライン分の各撮像画素毎に設けられている。
また、電荷抜きコンタクト４４の上部には、水平方向に沿ってライン状の上層配線部４４Ａが一体に形成され、撮像領域の外部に導かれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した第１、第２の従来例では、いずれの構造においても、電荷抜きコンタクト２４、４４の上層配線部２４Ａ、４４Ａが層間絶縁膜４０の上に突出した状態で配置されているため、この部分の段差が大きくなる。
このため、層間絶縁膜４０の上にさらに各種の上層膜を形成した場合に、上層配線部２４Ａ、４４Ａによる段差が悪影響を及ぼし、撮像ムラ等の画質劣化を招くという問題が生じる。
例えば、層間絶縁膜４０の上層にはカラーフィルタ膜が形成されるが、上層配線部２４Ａ、４４Ａによる段差によってカラーフィルタ剤の塗布ムラが生じ、画質劣化の原因となる。
なお、上層配線部２４Ａ、４４Ａの膜厚自体を小さく形成することは、他の配線膜の膜厚にも影響し、配線の信頼性の劣化等につながるので容易でない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、電荷抜きコンタクトの上層配線部による段差を低減して上層膜に及ぼす悪影響を軽減でき、画質の向上を図ることが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数のフォトセンサ部及び信号電荷転送部とを設けた半導体基板と、半導体基板上に設けられた転送電極と、転送電極を貫通するコンタクト孔と、転送電極上及びコンタクト孔の内壁に設けられ、フォトセンサ部の受光領域に対応した位置において、コンタクト孔に連通した開口を有する遮光膜と、を含む。
また、転送電極上に設けられた層間絶縁膜と、コンタクト孔の上部に連通して層間絶縁膜を貫通して設けられた埋設凹部と、コンタクト孔及び埋設凹部に充填された電荷抜きコンタクトと、を含む。そして、埋設凹部には、電荷抜きコンタクトの上層配線部のみが配置されたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像素子において、層間絶縁膜には電荷抜きコンタクトを設けるためのコンタクト孔と、このコンタクト孔の上部に連通された埋設凹部が形成される。
したがって、この層間絶縁膜の上面から電荷抜きコンタクトを形成すると、電荷抜きコンタクトの上層配線部は、埋設凹部に埋め込まれた状態で形成されることになり、その埋め込み量の分だけ、層間絶縁膜上における上層配線部の突出量は小さいものとなる。
この結果、層間絶縁膜上において電荷抜きコンタクトの上層配線部による段差を低減でき、層間絶縁膜の上に上層膜を形成する場合に、上層膜に及ぼす悪影響を軽減でき、画質の向上を図ることが可能となる。
なお、層間絶縁膜の埋設凹部は、例えばコンタクト孔を形成する場合のパターニング等を用いて形成することが可能であり、製造工程を複雑化することなく実現することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
図１は、本発明の実施の形態による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
また、図２（Ａ）（Ｂ）は、図１に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図であり、図２（Ａ）は図１のＣ−Ｃ’線（水平転送方向）の断面を示し、図２（Ｂ）は図１のＤ−Ｄ’線（垂直転送方向）の断面を示している。
【００１２】
本実施の形態において、半導体基板１１０には、固体撮像素子の撮像画素を構成するフォトセンサ部や電荷転送部である垂直転送レジスタ（共に図示せず）等が形成されている。
そして、この半導体基板１１０の上面には、絶縁膜１１２を介して垂直転送レジスタの転送電極膜１１４Ａ、１１４Ｂが形成されている。なお、転送電極膜１１４Ａ、１１４Ｂは、上下２層で形成されたものであり、Ｃ−Ｃ’線の断面では、上層の転送電極膜１１４Ｂだけが単層で配置された状態であり、Ｄ−Ｄ’線の断面では、上下の転送電極膜１１４Ａ、１１４Ｂが絶縁膜１１２を介して重なり合った状態で配置されている。
また、このような転送電極膜１１４Ａ、１１４Ｂの上層には、絶縁膜１１２を介して遮光膜１１６が形成されている。この遮光膜１１６は、フォトセンサ部の受光領域に対応して方形状の開口部１１６Ａを有する。
【００１３】
また、遮光膜１１６の上層には、遮光膜１１６等と上層配線（図示せず）とを絶縁するための層間絶縁膜１２０が設けられており、この層間絶縁膜１２０には電荷抜きコンタクト１２４の上層配線部１２４Ａが配置される埋設凹部１２２Ａが形成されている。
すなわち、この埋設凹部１２２Ａは、電荷抜きコンタクト１２４の上層配線部１２４Ａが配置される１水平ライン方向に沿ってライン状に形成されたものであり、水平転送方向の断面では、図２（Ａ）に示すように、遮光膜１１６の上面を底面とする真直ぐな長手の溝状に形成され、垂直転送方向の断面では、図２（Ｂ）に示すように、遮光膜１１６の開口部１１６Ａの上方に位置する層間絶縁膜１２０を所定の幅で除去した孔状に形成されている。
【００１４】
また、本例において、電荷抜きコンタクト１２４を形成するためのコンタクト孔１２２は、遮光膜１１６の開口部１１６Ａを含む階段状のエッジ部１１６Ｂで挟まれた部分と、この遮光膜１１６の開口部１１６Ａ内に露出した絶縁膜１１２の一部を除去して形成される貫通孔１１２Ａより構成されている。
したがって、本例における電荷抜きコンタクト１２４は、遮光膜１１６のエッジ部１１６Ｂや開口部１１６Ａ、及び絶縁膜１１２の貫通孔１１２Ａを充填する状態で形成されている。したがって、この電荷抜きコンタクト１２４は、下端部が半導体基板１１０に接触し、また、外周部が遮光膜１１６に接触しており、半導体基板１１０と遮光膜１１６とを短絡している。
また、電荷抜きコンタクト１２４の上層配線部１２４Ａは、埋設凹部１２２Ａに埋め込まれた状態で形成されており、この上層配線部１２４Ａの上部は、やや埋設凹部１２２Ａより上に突出した状態となっている。
【００１５】
このような構造においては、層間絶縁膜１２０をライン状に除去して埋設凹部１２２Ａを設け、この埋設凹部１２２Ａに電荷抜きコンタクト１２４の上層配線部１２４Ａが埋め込まれる状態で設けたことから、層間絶縁膜１２０に対する上層配線部１２４Ａの突出量が図３や図４に示した従来例に比べて、大幅に小さくなり、この部分における段差を小さくすることができる。
例えば、数値例を挙げると、従来の段差が６００μｍ〜１０００μｍ程度であったのに対し、本例では、２００μｍ程度に縮小することが可能である。
したがって、上層配線部１２４Ａの膜厚を薄くすることなく平坦化を図ることができ、層間絶縁膜１２０の上層に形成される各種の膜に対し、段差による悪影響を軽減することが可能となる。
【００１６】
次に、このような固体撮像素子における電荷抜きコンタクト１２４等の製造方法について簡単に説明する。
まず、半導体基板１１０上に転送電極膜１１４Ａ、１１４Ｂや遮光膜１１６等を形成した後、全面に層間絶縁膜１２０を形成する。
そして、この層間絶縁膜１２０の上面にフォトリソグラフィやエッチングを用いて、コンタクト孔１２２及び埋設凹部１２２Ａを形成する。なお、この場合、遮光膜１１６がエッチングによって受けるダメージはエッチング選択比によるが、仮にダメージを受けた場合にも、その上層に配線層がレイアウトされるため、遮光性能の劣化は無視できるものである。
この後、所定の配線材料を用いて電荷抜きコンタクト１２４や上層配線部１２４Ａを形成する。
すなわち本例では、コンタクト孔１２２の形成時に埋設凹部１２２Ａを形成するだけで、従来とほぼ同様の工程によって製造することが可能である。したがって、各製造工程や材料等は従来と同様のものを用いることが可能であり、詳細は省略する。
【００１７】
また、電荷抜きコンタクト１２４、コンタクト孔１２２、埋設凹部１２２Ａ等の具体的形状は、上記例に限定されることなく種々変形が可能である。
例えば、遮光膜１１６の上面やエッジ部を完全に露出させないような状態でコンタクト孔１２２や埋設凹部１２２Ａを形成するような構成も可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、半導体基板上の層間絶縁膜に半導体基板に達するコンタクト孔を形成し、このコンタクト孔に余剰電荷排出用の電荷抜きコンタクトを設ける場合に、層間絶縁膜に電荷抜きコンタクトの上層配線部を埋め込む埋設凹部を形成し、上層配線部を埋設凹部に埋め込んむことにより、層間絶縁膜上における上層配線部の突出量を小さくするようにした。
したがって、層間絶縁膜上において電荷抜きコンタクトの上層配線部による段差を低減でき、層間絶縁膜上に形成される上層膜への悪影響を軽減でき、画質の向上を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図である。
【図３】第１の従来例による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
【図４】図３に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図である。
【図５】第２の従来例による電荷抜きコンタクトを設けた固体撮像素子を示す部分平面図である。
【図６】図５に示す固体撮像素子の層構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１１０……半導体基板、１１２……絶縁膜、１１４Ａ、１１４Ｂ……転送電極膜、１１６……遮光膜、１１６Ａ……開口部、１１６Ｂ……エッジ部、１２０……層間絶縁膜、１２２……コンタクト孔、１２２Ａ……埋設凹部、１２４……電荷抜きコンタクト、１２４Ａ……上層配線部。

Claims

複数のフォトセンサ部及び信号電荷転送部とを設けた半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた転送電極と、
前記転送電極を貫通するコンタクト孔と、
前記転送電極上及び前記コンタクト孔の内壁に設けられ、前記フォトセンサ部の受光領域に対応した位置において、前記コンタクト孔に連通した開口を有する遮光膜と、
前記転送電極上に設けられた層間絶縁膜と、
前記コンタクト孔の上部に連通して前記層間絶縁膜を貫通して設けられた埋設凹部と、
前記コンタクト孔及び前記埋設凹部に充填された電荷抜きコンタクトと、
を含み、
前記埋設凹部には、前記電荷抜きコンタクトの上層配線部のみが配置された
固体撮像素子。
前記埋設凹部は、前記電荷抜きコンタクトの上層配線部が配置されるライン状領域に沿って前記層間絶縁膜をライン状に全て除去することにより形成した請求項１記載の固体撮像素子。
前記埋設凹部は、前記電荷抜きコンタクトの上層配線部の膜厚より小さい深さを有する凹部である請求項１記載の固体撮像素子。
前記電荷抜きコンタクトは、撮像領域の１水平ラインに沿って複数設けられ、前記埋設凹部は前記１水平ラインに沿ってライン状に形成され、前記電荷抜きコンタクトの上層配線部は前記埋設凹部に沿ってライン状に配置されている請求項１記載の固体撮像素子。
前記電荷抜きコンタクトは、前記１水平ラインの各画素部に対応して設けられている請求項４記載の固体撮像素子。
前記電荷抜きコンタクトは、前記半導体基板の上面に形成された絶縁膜を貫通する状態で形成され、前記絶縁膜上に配置された遮光膜と前記半導体基板とを短絡する請求項１記載の固体撮像素子。
前記遮光膜は、各画素部に対応して方形状の開口部を有し、前記電荷抜きコンタクトは前記遮光膜の開口部の形状に対応する角柱状に形成されている請求項１記載の固体撮像素子。