JP5040088B2

JP5040088B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP5040088B2
Application number: JP2005263453A
Authority: JP
Inventors: 和伸桑沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: JP2007080918A

Description

本発明は、Ｘ−Ｙアドレス型のイメージセンサ、特にラインセンサ等に好適な固体撮像素子に関する。

近年、撮像デバイスとして、ＣＭＯＳイメージセンサが普及してきている。ＣＭＯＳイメージセンサは、通常のＣＭＯＳ技術以外の特殊な製造技術を必要としないため、ＣＭＯＳ周辺回路を受光部分と同一のチップに集積化し易く、安価に製造することが可能である。また、消費電力、及び動作電圧が小さいという特長を有する。

このようなＣＭＯＳイメージセンサ等のＸ−Ｙアドレス型イメージセンサにおいては、比較的素子構成が複雑であり、複数の金属配線層を用いた多層構造を有する。

このようなＣＭＯＳイメージセンサは、２次元アレイ状に配列された画素毎に受光部が分離形成される。受光部を構成する受光ダイオード上には受光窓が形成され、受光窓を介して各画素に光が入射するようになっている。なお、混色を抑制するために、最上層の金属層等を遮光層として兼用し、フォトダイオード上の受光窓以外には、光が入射しないようにしている。
特開２００３−２８２８５０号公報

ところが、受光窓を介して斜めに光が入射することがある。この斜めに入射した光は、多層の配線層間で反射を繰り返し、他の画素の受光部に入射してしまうことがあり、混色の原因となってしまう。

近年、マイクロレンズや層内レンズの開発により、斜めに入った光であっても受光ダイオードに集光するような構造も考えられているが、光の物理的特性上、干渉波が発生するため、混色の原因となる他の画素からの光の入射を完全に防ぐことはできない。

そこで、本件出願人は、先に出願した特許文献１において、層間絶縁膜内に受光領域上方の空間を囲むように遮光壁を形成することで、混色を防止するようにした固体撮像素子を提案している。

しかしながら、特許文献１の装置においても、入射光の傾斜が比較的大きい場合には、受光領域以外の基板表面から入射光が隣接画素の受光領域に侵入することがあった。

特に、固体撮像素子を密着型のラインセンサ用デバイスとして利用した場合には、原稿に当たった光が乱反射し、しかもマイクロレンズが使用されないので、傾斜が比較的大きい入射光が入りやすく、混色が生じやすい。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、傾斜が比較的大きい入射光についても、他の画素へ光の侵入を確実に防止して、画質を向上させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像素子は、
基板に形成される複数の受光領域によって構成される複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子において発生した光発生電荷に基づく出力を発生する光信号検出素子
と、
前記基板及び前記複数の受光領域上に形成される層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内において前記受光領域上方の空間を囲み前記層間絶縁膜の下端から上
端まで形成された遮光壁と、
前記受光領域相互間の前記基板上を覆うと共に、前記遮光壁に接する遮光膜と、
を具備前記層間絶縁膜上に形成されて前記遮光壁に接する配線層と、
を具備し、
前記遮光壁は、前記層間絶縁膜に形成された溝状のコンタクトホールに前記配線層が延
設されることで設けられることを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、受光領域は基板に配列される。基板及び複数の受光領域
上には層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜内には受光領域上方の空間を囲み層間絶縁膜の
下端から上端まで延びた遮光壁が形成されている。入射した光の大部分は受光領域に進行
して、光発生電荷を生じさせる。入射した光のうちの一部は、層間絶縁膜内を乱反射して
進行する。しかし、遮光壁によって、層間絶縁膜内に入射された光の水平方向の進行が阻
止される。これにより、所定の画素に入射された光が他の画素に侵入することはない。ま
た、受光領域相互間の基板上には、遮光壁に接する遮光膜が形成される。この遮光膜によ
って、受光領域相互間の基板から他の画素の受光領域に光が侵入することが防止される。
更に、遮光膜と遮光壁とによって、所定角度傾斜した光は、反射して素子外に出射される
。これにより、この斜光に基づく光発生電荷が生じることを防止して、光信号の検出出力
に斜光成分が含まれることを抑制することができる。これにより、画像が不鮮明になるこ
とを防止すると共に、色の再現性が劣化することを防止することができる。また、配線層を延設することで、遮光壁を構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を示す説明図である。図１（ａ）は隣り合う３画素についての平面形状を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した断面を示している。

＜第１の実施の形態＞
図１に示す画素１０をライン状に配列することで、ラインセンサを構成することができる。各画素１０は、周辺側に光電変換素子としての受光ダイオードＰＤを有し、中央側に光信号検出用の変調トランジスタＴＭを有する構成である。受光ダイオードＰＤは、シリコン基板１１上に形成された受光領域１２を有している。

なお、図１においては、光電変換素子として受光ダイオードＰＤを採用した例を説明するが、受光ダイオードＰＤの構成は特に限定されるものではなく、また、光電変換素子として受光ダイオード以外の素子を用いたものにも適用可能である。

図１では光信号検出用の素子として変調トランジスタＴＭを用いた例を示している。基板１１の表面にはゲート絶縁膜１３が形成されており、画素１０の略中央のゲート絶縁膜１３上には、リング状のゲート（リングゲート）２３が形成されている。リングゲート２３の中央の開口部分の基板１１表面近傍領域には、ソース領域２４が形成されている。リングゲート２３の周囲には基板表面にドレイン領域が形成されている。

ドレイン領域とソース領域２４との間のチャネルをリングゲート２３によって制御することにより、光電変換して得た光信号の読出しが可能である。

本実施の形態においては、シリコン基板１１上の受光領域１２相互間には、ゲート電極２３と同層で、遮光膜１４が形成されている。遮光膜１４上には層間絶縁膜１５が設けられる。層間絶縁膜１５上には配線層１７が形成され、この配線層１７上には層間絶縁膜１８を介して配線層２０が形成される。配線層２０上にはパッシベーション膜２１が形成される。

本実施の形態においては、層間絶縁膜１５，１８には、各画素の受光領域を区画して光の通過を阻止するための遮光壁２５が形成されている。即ち、遮光壁２５は、層間絶縁膜１５，１８に形成されたコンタクトホールに、例えばタングステンプラグによる遮光部１６，１９を形成し、これらの遮光部１６，１９及び配線層１７，２０を接続することで形成される。

遮光壁２５は、図１（ｂ）に示すように、遮光膜１４に接して、層間絶縁膜１５，１８の下端から上端まで形成されている。また、平面的には、遮光壁２５は、層間絶縁膜１５，１８内において受光領域１２の縁辺の全てを囲むように設けられる。こうして、遮光壁２５は、受光領域１２上方の空間を区画するように、壁状に形成される。これにより、遮光壁２５は、各受光領域１２相互間の光の入出射を阻止するようになっている。

図２は遮光壁２５の一部の構成を示す断面図である。図２は遮光膜１４、遮光壁２５中の遮光部１６及び配線層１７の構成を示している。遮光壁２５の遮光部１９及び配線層２０の構成は、夫々遮光部１６及び配線層１７と同様である。

図２において、基板１１上にはゲート絶縁膜１３が形成されている。基板１１の表面には受光領域１２が設けられ、受光領域１２以外のゲート絶縁膜１３上には、遮光膜１４が形成されている。遮光膜１４は変調トランジスタＴＭのリングゲート２３と同一層に、リングゲート２３と同一工程で形成される。例えば、遮光膜１４としては、タングステンシリサイド等のシリサイド系の材料によって構成される。これにより、遮光膜１４は入射した光を反射する。なお、遮光膜１４としては光を吸収する材料を用いてもよい。

遮光膜１４及びゲート絶縁膜１３上には層間絶縁膜１５が形成される。遮光膜１４上の層間絶縁膜１５は開口されてコンタクトホール３７が形成される。このコンタクトホール３７は、受光領域１２の縁辺を囲むように、溝状に形成される。このコンタクトホール３７を埋めるように、Ｔｉ（チタン）／ＴｉＮ（窒化チタン）／Ｗ（タングステン）プラグによる遮光部１６を形成する。

即ち、コンタクトホール３７の内壁に、Ｔｉ薄膜３１及びＴｉＮ薄膜３２を積層形成する。Ｔｉ薄膜３１は密着性を向上させるためのものであり、ＴｉＮ薄膜３２はタングステンプラグによる層間絶縁膜１５に対する侵食を防止するためのバリアとして機能する。これらのＴｉ／ＴｉＮ薄膜３１，３２上において、コンタクトホール３７を埋めるように、タングステン３３を堆積させる。

こうして、形成された遮光部１６及び層間絶縁膜１５上に、配線層１７となるアルミニウム−銅合金３４を形成する。なお、アルミニウム−銅合金３４上にはＴｉＮ薄膜３５を形成する。

遮光部１９及び配線層２０についても、図２の遮光部１６及び配線層１７と同一構造である。このように、遮光部１６、配線層１７、遮光部１９及び配線層２０による遮光壁２５は、受光領域１２の縁辺を囲む壁状に形成されて、他の画素からの光の入出射を阻止する。

本実施の形態においては、上述したように、受光領域１２相互間の基板１１表面には、ゲート絶縁膜を介して遮光膜１４が形成されている。遮光膜１４は、図１（ａ）の斜線部に示すように、受光領域１２相互間の全領域に形成されており、受光領域１２相互間の基板１１表面からの他の画素領域への光の入射を阻止するようになっている。

このように構成された実施の形態においては、入射光の大部分は、各画素毎にパッシベーション膜２１を介して受光領域１２に取込まれる。こうして、受光領域１２において、光量に応じた光発生電荷が発生する。

入射光の一部は、光軸に対して所定の入射角で入射する。このように傾斜した入射光は、各画素に入射した後、配線層等で反射されて、層間絶縁膜１５，１８を通過して他の画素方向に進行しようとすることがある。しかし、この場合でも、乱反射して層間絶縁膜１５，１８内を進行した光は、受光領域１２の周辺に立設された遮光壁２５によって反射されて、隣接画素に入射されることはない。

更に、本実施の形態においては、入射光が受光領域１２相互間の基板１１表面に入射した場合でも、この入射光が他の画素に入射することを阻止する。また、自画素に入射した光であっても、所定角度傾斜した入射光を素子外に反射させて、斜光成分を抑制する。図３はこの様子を説明するための説明図である。

図３に示すように、遮光壁２５の図面右側の画素に傾斜して入射した光が、基板表面１１近傍において、受光素子１２相互間に到達するものとする。この入射光は、基板表面１１上の受光素子１２相互間に形成された遮光膜１４の表面で反射する。この反射光は、更に、遮光壁２５を構成する遮光部１６において上方に反射する。こうして、斜めに入射した光が受光素子１２相互間の基板１１表面から、隣接画素に進行することを防止することができる。

また、図３の矢印の逆方向に進む入射光がある場合でも、この入射光は遮光膜１４によって反射して素子外に出射される。これにより、自画素に入射した光の斜光成分が抑制される。

なお、遮光膜１４として、光を吸収する材料を選択した場合でも、上記と同様の効果が得られることは明らかである。

このように本実施の形態においては、遮光壁は基板の表面の遮光膜から最上層の配線層まで達しており、且つ、受光領域の周辺の全域を囲っており、層間絶縁膜内を乱反射した光が他の画素に侵入することを阻止することができる。更に、隣接する画素の受光素子相互間の基板表面にも遮光膜が形成されており、受光素子相互間の基板表面から他の画素に光が侵入することも阻止することができる。また、この基板表面の遮光膜によって、斜光成分を抑圧することもできる。

これにより、イメージセンサからの出力画像を用いて画像表示を行った場合には、鮮明な画像を表示することができ、また、色の再現性も良好である。

なお、遮光部１６と基板１１との間にはゲート絶縁膜１３及び遮光膜１４が配置されている。つまり、遮光部１６を形成するためのコンタクトホール３７のエッチング時に、基板１１上には、ゲート電極２３と同層の遮光膜１４が介在しており、遮光膜１４はコンタクトエッチング時のストッパとしての機能も有する。また、ゲート絶縁膜１３は遮光膜１４形成時に基板１１に欠陥が発生することを阻止するという機能を有する。

また、上記実施の形態においては、コンタクトホール内にタングステンを完全に埋め込む例について説明したが、必ずしも、コンタクトホール内に完全にタングステンを埋め込む必要はない。タングステンがコンタクトホールに埋め込まれない場合でも、配線層のアルミニウムがコンタクトホールに埋め込まれるので、問題はない。また、コンタクトホールに完全に金属材料が埋め込まれない場合でも、コンタクトホールの壁面を完全に覆うことができれば、遮光機能上は問題はない。

＜第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。図４は第２の実施の形態に係る固体撮像素子の遮光壁の一部の構成を示している。図４において図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態はＣｕダマシンの素子に適用したものである。

遮光膜１４及びゲート絶縁膜１３上には層間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５には、コンタクトホール４５が形成されている。コンタクトホール４５が受光領域１２の縁辺を囲むように、溝状に形成される点は図２のコンタクトホール３７と同様である。本実施の形態においては、コンタクトホール４５上の層間絶縁膜１５を更に開口して、配線部分にコンタクトホール４６を形成する。

そして、コンタクトホール４５，４６の内壁に、Ｔｉ薄膜４１及びＴｉＮ薄膜４２を積層形成する。これらのＴｉ／ＴｉＮ薄膜４１，４２上において、コンタクトホール４５，４６を埋めるように、Ｃｕ４３を堆積させる。Ｃｕ４３は、遮光部１６及び配線層１７を兼ねる。こうして、コンタクトホール４５，４６にＣＵ４３を埋め込むことによって、遮光部１６及び配線層１７を同時に形成することができる。

他の構成、作用及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

＜第３の実施の形態＞
図５は本発明の第３の実施の形態を示す断面図である。図５は第３の実施の形態に係る固体撮像素子の遮光壁の一部の構成を示している。図５において図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は配線層を利用して遮光部１６を形成したものである。

遮光膜１４及びゲート絶縁膜１３上には層間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５には、コンタクトホール５５が形成されている。コンタクトホール５５が受光領域１２の縁辺を囲むように、溝状に形成される点は図２のコンタクトホール３７と同様である。

コンタクトホール５５の内壁に、Ｔｉ薄膜４１及びＴｉＮ薄膜４２を積層形成する。次に、コンタクトホール５５の内壁の全域に、配線層１７を構成するアルミニウム５３を形成する。即ち、アルミニウム５３による配線が、コンタクトホール５５内まで引き込まれて形成され、アルミニウム５３によって、コンタクトホール５５の内壁が全て覆われる。コンタクトホール５５内のアルミニウム５３によって遮光部１６が構成される。

＜第４の実施の形態＞
図６及び図７は本発明の第４の実施の形態に係り、図６は隣り合う３画素についての断面図である。図６は図１（ｂ）に対応したものであり、図１（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した断面図に相当する。図７は入射光が反射する様子を説明するための説明図である。図６において図１（ｂ）と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は遮光壁２５に代えて遮光壁６０を採用した点が第１の実施の形態と異なる。遮光壁６０は配線層１７に代えて配線層６１を採用した点が遮光壁２５と異なる。

配線層６１は、平面的には、遮光膜１４と同一形状に形成される。即ち、配線層６１は、平面的には、受光領域１２相互間の全領域に形成されている。

このように構成された実施の形態においても、遮光膜１４によって、受光素子１２相互間の基板表面から、隣接画素に光が侵入することが防止される。また、遮光膜１４によって、自画素に入射した斜光成分が素子外に反射されるので、検出信号に斜光成分が含まれることを防止することができる。

更に、本実施の形態においては、配線層６１も、平面的には、受光領域１２相互間の全領域に形成されていることから、自画素に入射した斜光成分を効果的に素子外に反射させることができる。

図７は画素に入射した斜光の進行を示している。図７の例では入射した斜光が遮光部１９において反射し、更に、配線層６１で反射して素子外に出射される様子を示している。

このように本実施の形態においては、配線層を受光領域相互間の全領域に形成していることから、斜光成分を効果的に抑制することができる。

＜第５の実施の形態＞
図８は本発明の第５の実施の形態を示す断面図である。図８は図７に対応したものである。

本実施の形態は配線層６１に代えて配線層６５，６６を採用した点が第４の実施の形態と異なる。上記各実施の形態は、配線層を遮光壁として兼用した例である。本実施の形態は、配線層６５を遮光壁の一部として形成し、配線層６６は実際の配線として用いる。

配線層６６は、所望の配線パターンに形成されている。配線層６５は、配線層６６と同一工程で形成されて、平面的には、受光領域１２相互間の配線層６６が形成されていない領域に形成されるダミー配線である。

このような構成によれば、配線層６５，６６によって、図７の配線層６１と同様の遮光、反射効果が得られる。配線層６６は、所望の配線パターンに形成されて、電気信号の伝送に用いられる。

このように、本実施の形態では、遮光用の配線層と信号伝送用の配線層とを同層に構成することができる。

他の構成、作用及び効果は第４の実施の形態と同様である。

なお、上記実施の形態は、ラインセンサに適用した例について説明したが、画素がマトリクス状に配置された２次元センサにも適用することができることは明らかである。また、受光ダイオード及び光信号を検出する部分の構成は、種々選択することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を示す説明図。遮光壁２５の一部の構成を示す断面図。入射光の反射の様子を説明するための説明図。本発明の第２の実施の形態を示す断面図。本発明の第３の実施の形態を示す断面図。本発明の第４の実施の形態を示す断面図。入射光の反射の様子を説明するための説明図。本発明の第５の実施の形態を示す断面図。

符号の説明

１０…画素、１１…シリコン基板、１２…受光領域、１４…遮光膜、１５，１８…層間絶縁膜、１６，１９…遮光部、１７，２０…配線層、２３…リングゲート、２４…ソース領域、２５…遮光壁。

Claims

基板に形成される複数の受光領域によって構成される複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子において発生した光発生電荷に基づく出力を発生する光信号検出素子
と、
前記基板及び前記複数の受光領域上に形成される層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内において前記受光領域上方の空間を囲み前記層間絶縁膜の下端から上
端まで形成された遮光壁と、
前記受光領域相互間の前記基板上を覆うと共に、前記遮光壁に接する遮光膜と、
前記層間絶縁膜上に形成されて前記遮光壁に接する配線層と、
を具備し、
前記遮光壁は、前記層間絶縁膜に形成された溝状のコンタクトホールに前記配線層が延
設されることで設けられることを特徴とする固体撮像素子。