(57)【要約】【課題】遮光層を金属で形成する際に発生する段差や突起、それに起因する感度劣化や遮光不十分を防止できる固体撮像装置を提供する。【解決手段】撮像領域20とその周辺に形成された黒基準画素領域30などの遮光領域とを有する基板1と、前記基板1上に形成された配線層11,12,13および層間絶縁膜4と、前記遮光領域を遮光する金属材料からなる第１の遮光層15および第２の遮光層16とを備え、前記第１の遮光層15は層間絶縁膜4内に撮像領域20に対し平面視で隣接して形成され、前記第２の遮光層16は層間絶縁膜4上に第１の遮光層15に対し平面視で隣接して或いは一部重なって形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像領域とその周辺に形成された遮光領域とを有する半導体基板と、前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して形成された配線層および外部接続用のコンタクトパッドと、前記遮光領域を遮光する金属材料からなる第１および第２の遮光層とを備え、前記第１の遮光層は前記配線層と同一層をなす金属層によって前記撮像領域に対し平面視で隣接して形成され、前記第２の遮光層は前記コンタクトパッドと同一層をなす金属層によって前記第１の遮光層に対し平面視で隣接して或いは一部重なって形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の遮光層は銅よりなり、前記第２の遮光層はアルミニウムあるいはアルミニウム合金よりなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の遮光膜は幅１０μｍ以下であり、前記第２の遮光膜は幅２０μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の遮光層と同一層をなす金属層であって前記第１の遮光層よりも前記撮像領域から離間する側に形成された第３の遮光膜と、前記第２の遮光層と同一層をなす金属層であって前記第２の遮光層よりも前記撮像領域から離間する側に形成された第４の遮光膜とをさらに備え、前記第２の遮光膜と前記第３の遮光膜と前記第４の遮光膜とは平面視で一部ずつが重なっていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記層間絶縁膜内であって前記第１の遮光層よりも上層に、前記第１の遮光層および前記第２の遮光層に対し平面視で一部ずつが重なった第５の遮光層をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に黒基準画素などの遮光を行う構造を備える固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は一般に、画像の撮像を行うための撮像領域と、信号レベルの基準となる信号を得るための、遮光された黒基準画素領域とを備えている。撮像画素で受光量に応じて発生した信号電荷による電気信号を得る際に、熱的電荷が発生し信号電荷に混入するため、遮光された黒基準画素を設けて、黒基準レベル信号を得、熱的電荷等による信号レベルを検出し、受光信号の補正を行うようにしているのである。
【０００３】
図７に従来の固体撮像装置の撮像領域および黒基準画素領域の構成を示す。シリコン基板１の表面にフォトダイオード２や浮遊拡散層３を持った撮像画素Ｐ１および黒基準画素Ｐ２を形成し、これらの上層にトランスファーゲート１０や配線層１１，１２，１３を形成し、黒基準画素Ｐ２の領域に遮光層１４を形成している。配線層１１，１２，１３は従来、ＡｌあるいはＡｌＣｕなどのＡｌ合金で形成しているため、配線層１３と同一層の金属層を黒基準画素Ｐ２の上に大面積に形成して遮光層１４とするのが一般的な手法であった。
【０００４】
近年、固体撮像装置の配線層に、導電性の高い金属であるＣｕが一般的に用いられている。しかしＣｕ配線層と同一層の金属層で従来と同様に大面積のＣｕ遮光層を形成すると、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化を行うときに、Ｃｕ遮光層の中央部分の研磨量が大きくなり、ディッシングと呼ばれる大きな段差を生じる現象が起こる。ディッシング量（段差）は配線幅２０μｍに対して数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。黒基準画素領域上の遮光層にこのような段差があると、黒基準画素領域上も含めて形成されるオンチップレンズの構造に歪みが生じ、撮像領域の外周部分のオンチップレンズの歪み、それによる感度劣化などの影響が及ぼされると考えられる。
【０００５】
このような理由から、たとえば特許文献１に、Ｃｕ配線層と同一層で遮光層を形成するのでなく、外部接続用に形成されるコンタクトパッドと同一層で遮光層を形成することが提案されている。コンタクトパッドについては、Ｃｕではリード線などのボンディングが良好になされないことから、依然としてＡｌやＡｌＣｕなどのＡｌ合金（以下単にＡｌという）が用いられているので、このＡｌを材料として遮光層を形成するのである。
【特許文献１】特開２００７−１８４３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、遮光層という大面積の金属層をＡｌで形成する場合、図８（ａ）に示すように、金属層１０１の上に平坦化膜１０２等を形成する際の熱処理工程でヒロック１０３と呼ばれる半球状の突起物が形成される。このヒロック１０３は、金属層１０１の面積が大きいほど、膜堆積後の加熱処理の繰り返しに応じて大きく成長する。
【０００７】
この状態で平坦化を行うと、ヒロック１０３上の平坦化膜１０２が薄くなるに伴って、図８（ｂ）に示すようにヒロック１０３の頂部が露出することもある。ヒロック１０３の頂部が露出すると、平坦化後の洗浄工程で洗浄液によって露出部分から次第に溶かされ、金属層１０１が部分的に消失する。その結果、消失部分で遮光できずに光漏れが起き、正確な黒基準レベルを検出できないことになる。かかるヒロック１０３は、長さ（あるいは幅）２０ｕｍ以上のＡｌ配線において顕著に発生している。上述の黒基準画素は数列〜数十列程度設けられるため、遮光層は幅数十ｕｍ程度、長さ数ｍｍ程度となり、コンタクトパッドと同じ金属層（Ａｌ）を用いる場合にヒロック１０３の発生する可能性、遮光不十分になる可能性は十分高い。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み、遮光層を金属で形成する際に発生する段差や突起、それに起因する感度劣化や遮光不十分を防止できる固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、撮像領域とその周辺に形成された遮光領域とを有する半導体基板と、前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して形成された配線層および外部接続用のコンタクトパッドと、前記遮光領域を遮光する金属材料からなる第１および第２の遮光層とを備え、前記第１の遮光層は前記配線層と同一層をなす金属層によって前記撮像領域に対し平面視で隣接して形成され、前記第２の遮光層は前記コンタクトパッドと同一層をなす金属層によって前記第１の遮光層に対し平面視で隣接して或いは一部重なって形成されていることを特徴とする。
【００１０】
前記第１の遮光層は銅よりなり、前記第２の遮光層はアルミニウムあるいはアルミニウム合金よりなることを特徴とする。前記第１の遮光膜は幅１０μｍ以下であり、前記第２の遮光膜は幅２０μｍ以下であるのが好ましい。
【００１１】
前記第１の遮光層と同一層をなす金属層であって前記第１の遮光層よりも前記撮像領域から離間する側に形成された第３の遮光膜と、前記第２の遮光層と同一層をなす金属層であって前記第２の遮光層よりも前記撮像領域から離間する側に形成された第４の遮光膜とをさらに備え、前記第２の遮光膜と前記第３の遮光膜と前記第４の遮光膜とは平面視で一部ずつが重なっているのが好ましい。
【００１２】
前記層間絶縁膜内であって前記第１の遮光層よりも上層に、前記第１の遮光層および前記第２の遮光層に対し平面視で一部ずつが重なった第５の遮光層をさらに備えるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置の構造によると、遮光領域の遮光を大面積の金属層を設けることなく行うことができ、大面積の金属層で発生しやすい段差や突起、それに起因する感度劣化や遮光不十分を防止することが可能となる。たとえば、第１の遮光層が銅よりなり、第２の遮光層がアルミニウムあるいはアルミニウム合金よりなるときに、第１の遮光層の段差、第２の遮光層の突起の発生を防止できる。
【００１４】
前記配線層と前記第１の遮光層とを同一層をなす金属層とすれば、双方を同時に形成することがきるため、工程数の増加を来たすことがない。前記第２の遮光層を、外部接続用に形成されたコンタクトパッドと同一層をなす金属層とする場合も同様である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、図１を用いて、従来よりある固体撮像装置、ここではＣＭＯＳ固体撮像装置（イメージセンサ）の概略全体構成を説明する。
【００１６】
シリコン基板などの基板１上に、撮像画素Ｐ１がマトリックス状に配列された撮像画素領域２０が設けられ、撮像画素領域２０の近傍に、黒基準画素Ｐ２が配列された黒基準画素領域３０が設けられている。
【００１７】
撮像画素領域２０および黒基準画素領域３０の周辺に、周辺回路部４０（垂直シフトレジスタ４１、カラムアンプ４２、水平シフトレジスタ４３、出力回路４４、カラムＡＤコンバータ４５等）が設けられ、周辺回路部４０よりもさらに基板外周寄りに、コンタクトパッド５１が配列されたパッド部５０が設けられている。
【００１８】
撮像画素Ｐ１は、図示しないが、光電変換素子を構成するフォトダイオードおよびｎチャネルＭＯＳトランジスタなどの各種のＭＯＳトランジスタを有している。黒基準画素Ｐ２は、撮像画素Ｐ１と同様の構成を有するが、外部からの光が極力入射されることがないように遮光されている。
【００１９】
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態の固体撮像装置について説明する。図１の固体撮像装置と同様の全体構成を有しているため、図１と同じ部材に同じ符号を付している。
【００２０】
基板１上に、フォトダイオード２や浮遊拡散層３を持った撮像画素Ｐ１が配列された撮像画素領域２０（図中で撮像領域２０と表示）と、黒基準画素Ｐ２が配列された黒基準画素領域３０と、周辺回路部４０と、パッド部５０とを有している。
【００２１】
基板１の上層には、トランスファーゲート１０、導電性に優れたＣｕなどの金属による配線層１１，１２，１３が層間絶縁膜４を介して所要のパターンに形成され、相互に所定位置で接続されている。配線層１３の上の層間絶縁層４の表面は平坦化されている。
【００２２】
パッド部５０には、配線層１１，１２，１３の一部が延長して形成されていて、層間絶縁層４の平坦面上に、配線層１１，１２，１３の延長部にコンタクトしたコンタクトパッド５１が形成されている。コンタクトパッド５１の材料には、外部リード線等が良好にコンタクトされるように、ＡｌもしくはＡｌＣｕなどのＡｌ合金が用いられる。
【００２３】
コンタクトパッド５１よりも上層であって撮像画素Ｐ１の上には、例えば赤Ｒ、緑Ｇ，青Ｂのカラーフィルタ、微小レンズいわゆるオンチップレンズ１７が形成されている。
ここで、この固体撮像装置の大きな特徴は、黒基準画素領域２０および周辺回路部４０の上層に、第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とが形成されている点である。第１の遮光層１５は、撮像画素領域２０のすぐ外側に隣接して、配線層１３と同一材料で同一層として形成されている。第２の遮光層１６は、第１の遮光層１５に隣接して、コンタクトパッド５１と同一材料で同一層として形成されている。
【００２４】
製造に際しては、基板１上に、撮像画素Ｐ１、黒基準画素Ｐ２、トランスファーゲート１０、配線層１１，１２，１３、層間絶縁膜４などを、拡散、フォトリソグラフィ、スパッタなどの手法で形成する。このときに配線層１３と同時に第１の遮光層１５を形成する。また配線層１１、配線層１２、配線層１３（および第１の遮光層１５）を形成する各層Ｃｕ配線プロセスでは、配線層となる溝と必要箇所のビアとを形成し、Ｃｕの埋め込みを行い、ＣＭＰを実施する。
【００２５】
そして配線層１３と第１の遮光層１５の上の層間絶縁層４の最表面を平坦化し、その層間絶縁層４にパッド部５０の配線層１３を露出させる開口を形成し、層間絶縁層４の全面（開口内を含めて）にＡｌあるいはＡｌ合金による金属層を形成し、形成した金属層をエッチングすることにより、コンタクトパッド５１と同時に第２の遮光層１６を形成する。その後に、平坦化膜４´を形成し、カラーフィルタＲＧＢ、オンチップレンズ１７を形成する。
【００２６】
この固体撮像装置の構造によると、遮光領域全面をＣｕあるいはＡｌで遮光する場合に比べて、以下の利点がある。
Ｃｕによる第１の遮光層１５の面積が小さくなるのでディッシング（段差）を低減できる。つまり、遮光領域全面を遮光するＣｕ遮光層を形成する場合に比べて、第１の遮光層１５の線幅を数μｍとする場合は、ディッシング量を２０〜３０ｎｍ程度低減することができる。そしてディッシングを低減できることにより、撮像画素領域２０においてもオンチップレンズ１７の歪みを抑えることができ、感度向上・感度ムラ低減となる。なお第１の遮光層１５の長辺側の寸法はチップサイズに依り異なるが、長辺側の長さはたとえば数ｍｍである（以下同様）。
【００２７】
同様に、Ａｌによる第２の遮光層１６の面積が小さくなるので、ヒロック（突起）を低減することができ、それに起因する遮光不十分を防止できる。この第２の遮光層１６はコンタクトパッド５１に必要とされる充分な厚さを有するため、完全な遮光効果をも有する。
【００２８】
撮像画素領域２０のすぐ外側を配線層１３と同一層をなす第１の遮光層１５としたため、この位置にコンタクトパッド５１と同一層をなす（つまり配線層１３よりも上層に位置する）第２の遮光層１６を配置するのに比べて、フォトダイオード２に近い位置で遮光を行うので、斜めから入射する光に対する遮光の精度を向上させることができる。
【００２９】
コンタクトパッド形成の金属層で黒基準画素の遮光を行っている領域に関して、遮光膜の下の配線金属層を有効に活用する際に、つまり遮光膜より下層の配線金属層により回路を組む場合に、コンタクトパッドおよび遮光膜に印加する電圧と異なる電位を遮光膜下の回路に使用することを可能にできる。
【００３０】
第１の遮光層１５および第２の遮光層１６はそれぞれ、配線層１３およびコンタクトパッド５１と同時に形成するので、これら第１および第２の遮光層１５，１６を形成するために特に工程数の増加を来たすこともない。
【００３１】
第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とは、互いに一部分が二次元的に重なる（オーバーラップする）ように配置するのが望ましい。斜めからの入射光を精度よく遮光するためである。
【００３２】
図３は遮光層の配置の第一例を示す。撮像画素領域（図中では撮像領域と表示する）を囲むように、撮像画素領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置し、その外側に第２の遮光層１６を配置している。
【００３３】
第１の遮光層１５に上述のように配線層１３と同一のＣｕ層を用いているので、オンチップレンズの歪みに対する影響を低減するために、Ｃｕ−ＣＭＰによるディッシング量を１０〜２０ｎｍ以下に抑えるように、線幅をたとえば１０μｍ以下とする。Ａｌで構成する第２の遮光層１６はヒロックが発生しない程度の線幅、たとえば２０μｍ以下とする。
【００３４】
第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とは、互いに一部分が二次元的に重なる（オーバーラップする）ように配置するのが望ましい。フォトダイオード２（図２参照）に入射する光の最大の入射角は２０〜３０度程度であるため、最上層にある配線層１３（第１の遮光層１５と同一層）とコンタクトパッド５１を形成する金属層（第２の遮光層１６と同一層）との層間が５００ｎｍであれば、第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とのオーバーラップ量は２００〜３００ｎｍ程度が適当であると考えられる。１画素分のオーバーラップ部分を設けることが望ましい。
【００３５】
図４は遮光層の配置の第二例を示す。図３と同様に、撮像画素領域を囲むように、撮像画素領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置し、その外側に第２の遮光層１６を配置している。撮像領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置しているのは、斜めからの入射光を遮光する精度のためである。
【００３６】
さらにこの第二例では、第１の遮光層１５と第２の遮光層１６のそれぞれの線幅を細くして、撮像領域を囲むように交互に複数ずつ配置している。言い換えると第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とを交互に配置することで、各々の線幅を細くし、Ｃｕ，Ａｌの加工の問題が生じないようにしている。Ｃｕで構成される第１の遮光層１５についてはディッシングが発生しない程度の線幅、たとえば１０μｍ以下が望ましく、Ａｌで構成される第２の遮光層１６についてはヒロックが発生しない程度の線幅、たとえば２０μｍ以下が望ましい。第１の遮光層１５と第２の遮光層１６とは、オーバーラップさせること、オーバーラップが大きいことが好ましい。
【００３７】
図５は遮光層の配置の第三例を示す。図３と同様に、撮像画素領域を囲むように、撮像画素領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置し、その外側に第２の遮光層１６を配置している。撮像領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置しているのは、斜めからの入射光を遮光する精度のためである。
【００３８】
さらにこの第三例では、第１の遮光層１５は、撮像領域の１対の対辺の外側で幅狭く、もう１対の対辺の外側で幅広い。幅狭い第１の遮光層１５の外側にはさらに、第２の遮光層１６、第１の遮光層１５、第２の遮光層１６、第１の遮光層１５をそれぞれ線幅を細くして交互に配置している。
【００３９】
これは、Ｃｕで構成される第１の遮光層１５を大面積に形成すると上述のディッシングが生じるので、ディッシングの可能性のある側については、第１の遮光層１５および第２の遮光層１６を線幅を細くして交互に配置する一方で、ディッシングの可能性の低い側については第１の遮光層１５のみとしたものである。たとえば、周辺回路部分が広い側についてのみ、２層以上の配線層を利用して第１の遮光層１５を線幅を小さく形成することが該当する。
【００４０】
周辺回路部４０（図１、２参照）の遮光に関しては、容量等の配置の仕方によって配線層が途切れる部分が生じるのであるが、つまり第１の遮光層１５を形成できない部分が生じるのであるが、そのような途切れ部分の上方に第２の遮光層１６を形成することで遮光を確実にできる。
【００４１】
図６は遮光層の配置の第四例を示す。図３と同様に、撮像画素領域を囲むように、撮像画素領域のすぐ外側に第１の遮光層１５を配置し、その外側に第２の遮光層１６を配置している。
【００４２】
さらにこの第四例では、第１の遮光層１５と第２の遮光層１６のそれぞれの線幅を細くして、撮像領域を囲むように交互に配置している。つまり、撮像領域のすぐ外側には、最上層でない配線層（図２で１層目の配線層１１、または２層目の配線層１２）による第１の遮光層１５′を形成し、その外側に順に、最上層の配線層（図２で３層目の配線層１３）による第１の遮光層１５、第２の遮光層１６、第１の遮光層１５を形成している。
【００４３】
このように最上層ではない配線層と同一層を第１の遮光層１５′に使用することで、フォトダイオード２（図２参照）により近い部分での遮光が可能になり、斜めからの入射光の遮光だけでなく、配線で反射する迷光の遮光効果を高めることが可能である。
【００４４】
第１の遮光層１５，１５′の各々の線幅は既述したように１０μｍ以下が望ましい。第１の遮光層１５，１５′、第２の遮光層１６の各層は、斜め光に対して十分に遮光できるようにオーバーラップ部分の幅を定める。
【００４５】
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、使用態様、目的等に応じて変形変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の固体撮像装置は銅配線プロセスで製造する構造として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来および本発明の固体撮像装置の概略全体構成を示す平面図
【図２】本発明の一実施形態の固体撮像装置の一部を拡大して模式的に示す断面図
【図３】本発明の固体撮像装置における遮光層の配置の第一例を示す平面図
【図４】本発明の固体撮像装置における遮光層の配置の第二例を示す平面図
【図５】本発明の固体撮像装置における遮光層の配置の第三例を示す平面図
【図６】本発明の固体撮像装置における遮光層の配置の第四例を示す平面図
【図７】従来の固体撮像装置の撮像領域および黒基準画素領域の構成を示す断面図
【図８】遮光層とされる金属層上に熱処理工程で生じる突起物を説明する断面図
【符号の説明】
【００４８】
１    基板
２    フォトダイオード
３    浮遊拡散層
１１  配線層
１２  配線層
１３  配線層
１５  第１の遮光層
１６  第２の遮光層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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