(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体基板上に、受光部と複数のトランジスタで構成された画素セルがマトリックス状に配置され、上記複数のトランジスタを駆動するための駆動回路を備えた固体撮像装置において、
上記受光部をフェンス状に囲む少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層が積層され、この金属層の最上部において上記受光部上以外の総ての部分が遮光用の金属層で覆われ、最下層の上記溝状の埋め込み金属層は、上記受光部の周囲を囲む素子分離絶縁膜上に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】
請求項１に記載の固体撮像装置において、上記最下層の溝状の埋め込み金属層は、一部が切断されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、上記最下層以外の溝状の埋め込み金属層は、全周に亘って連続していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、最下層の上記溝状の埋め込み金属層の下部にフローティングゲートが設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、上記少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層の間に、上記受光部を囲む遮光用の金属層が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像装置において、上記溝状の埋め込み金属層と上記遮光用の金属層は、上記受光部を囲う面積が上層になるほど大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の固体撮像装置において、上記遮光用の金属層の側面は、テーパ形状を呈していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、上記遮光用の金属層は、上記トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線用金属膜と同時に形成され、かつこの配線用金属膜と電気的に接続していないことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、上記溝状の埋め込み金属層として、Ｃu・Ｗ・ＴiＷの単層膜、またはＣu・Ｗ・ＴiＷとＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の固体撮像装置において、上記遮光用の金属層として、Ａl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜、またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
一導電型の半導体基板上に、受光部と複数のトランジスタで構成された画素セルがマトリックス状に配置され、上記複数のトランジスタを駆動するための駆動回路を備えた固体撮像装置の製造方法において、
上記受光部を囲むように受光部上の絶縁膜を少なくとも２回以上溝状に除去し、この溝内に金属層を埋め込む工程を少なくとも２回以上含み、最下層の上記金属層を、上記受光部の周囲を囲む素子分離絶縁膜上に形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法において、
上記最下層の金属層の一部を切断することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法において、上記溝内に埋め込まれる金属層は、上記トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線接続孔用の金属層と同時に形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、より詳しくは、駆動用回路への光の入射によるノイズの発生を抑えることのできる固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置、特に、受光部と各受光部をドライブするためのトランジスタをアレイ状に配置し、さらに受光領域周辺に駆動用回路を配置したＣＭＯＳ型(相補型金属酸化膜半導体)固体撮像装置の受光部は、図１１,図１２,図１３に示すような構造を有する。
これらのＣＭＯＳ型固体撮像装置は、アレイ状に配置した受光部の夫々が複数のドライブ用トランジスタをもつ構造となっており、その場合、ドライブ用トランジスタに接続する配線層と、トランジスタへの光入射によるノイズを抑える遮光用の金属膜層との双方を受光領域内に配置する必要がある。ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、一般に２層以上の多層メタルプロセスを用いて製造されており、例えば３層メタルプロセスによるものは、図１１に示すような構造を有する。
【０００３】
図１１のＣＭＯＳ型固体撮像装置は、Ｐ型半導体(シリコン)の基板２１上に、Ｎ型不純物層からなる受光部２３と、この受光部２３とドライブ用のトランジスタを分離するためのシリコン酸化膜２２を形成し、これらの上に形成した絶縁膜２４にドライブ用トランジスタや周辺回路に接続する接続孔(図示せず)を設け、この接続孔内にＷ・ＴiＮ・ＴiＷ等の高融点金属層を単層または多層で埋め込んだ後、配線として使用する１層目メタル２６をＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu等の単層膜またはこれらとＴiＮ・Ｔi・ＴiＷ等との多層膜により形成する。さらに、１層目メタル２６および絶縁膜２４の上にシリコン酸化膜等の絶縁膜２７を形成し、ＣＭＰ(メカノケミカルポリッシング)等により平坦化した後、ドライブ用トランジスタや周辺回路での多層配線を行うための接続孔(図示せず)を同様に設け、この接続孔内にＷ・ＴiＮ・ＴiＷ等の高融点金属層を単層または多層で埋め込んだ後、遮光用(トランジスタ部では配線用)として使用する２層目メタル２９をＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu等の単層膜またはこれらとＴiＮ・Ｔi・ＴiＷとの多層膜により受光部２３上を除いて全面を覆うように形成する。
【０００４】
次いで、シリコン酸化膜等の絶縁膜３０を形成し、ＣＭＰ等により平坦化後、この上にＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu等の単層膜またはこれらとＴiＮ・Ｔi・ＴiＷとの多層膜により３層目メタルを形成するが、この例では、３層目メタルは受光部領域周辺での駆動回路のみで用いられ、受光部２３上では総て取り除かれるので、図１１には示されていない。また、２層目メタル２９を遮光に用いているのは、３層目メタルで遮光を行なうと、後に形成するマイクロレンズ３６との距離が短くなって、集光上不利になるため、できるだけ基板２１に近い低い位置のメタルで遮光するためである。
最後に、絶縁膜３０上に表面保護膜３３,３４としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を単層または多層で形成し、さらに平坦化膜３５およびアクリル系材料からなるマイクロレンズ３６を形成して、ＣＭＯＳ型固体撮像装置としている。
【０００５】
一方、最近の画素の高精細化に伴い１つの画素面積が小さくなり、トランジスタ駆動用の配線が１層目メタル２６だけでは不足し、配線が困難になりつつあるため、図１２に示す２層目メタル２９も配線に用いる方法や、図１３に示す１層目メタル２６および２層目メタル２９を配線に用い、３層目メタル３７を遮光に用いる方法も採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示す１層目メタル２６と２層目メタル２９の双方を配線に用いる構造では、配線用金属膜を遮光用金属膜と兼用する構造であるため、所々で金属膜が開いていて、マイクロレンズ３６で集光していても、斜めからの入射光や乱反射光があった場合、受光部２３のドライブ用トランジスタに光が入射して、撮像画像にノイズ成分が現われるという問題がある。
また、上面からみて完全に遮光されている図１１や図１３の構造においても、各メタル２６,２９間には500〜1000nmの層間絶縁膜２７が存在するため、斜め入射光や乱反射光のドライブ用トランジスタヘの入射は避けられず、その結果、撮像画像にノイズ成分が現われる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、製造プロセスにおいて工程数を増加することなく、トランジスタ部への入射光を完全に防ぐことができ、撮像画像のノイズを無くし、将来の画素微細化にも対応できる固体撮像装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、一導電型の半導体基板上に、受光部と複数のトランジスタで構成された画素セルがマトリックス状に配置され、上記複数のトランジスタを駆動するための駆動回路を備えた固体撮像装置において、上記受光部をフェンス状に囲む少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層が積層され、この金属層の最上部において上記受光部上以外の総ての部分が遮光用の金属層で覆われ、最下層の上記溝状の埋め込み金属層は、上記受光部の周囲を囲む素子分離絶縁膜上に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１の固体撮像装置では、受光部をフェンス状に囲む少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層が積層されている。つまり、上記受光部は、上方を除く周辺部が遮光用の金属膜で単に平面的に覆われた従来の受光部と異なり、マイクロレンズから受光部へ垂直に入射する光の光路以外の部分が総て遮光用金属膜で３次元的にフェンス状に覆われた構造によって、受光部以外の領域への光の入射を完全に防いだものである。より詳しくは、従来から配線接続孔の埋め込み用として用いていた高融点金属膜層などの埋め込み金属層を、受光部を囲むパターンでフェンス状に形成した溝に埋め込み、これをメタル層の数だけ垂直上方へ連続するように繰り返した後、最後のメタル層を受光部上以外の総ての部分を覆うパターンで形成して、受光部以外の領域の遮光を完全にしたものである。
【００１０】
受光部上以外の総ての部分を覆う遮光パターンを最後(最上)のメタル層で形成することは、既に述べたマイクロレンズの集光上、遮光用金属膜をできるだけ下層に形成した方がよいという事実と反しない。なぜなら、従来のように受光部２３以外を遮光膜のみで遮光する場合は、遮光膜を、図１(Ｃ)の３７のように上層に形成すると、マイクロレンズ３６で収束された斜め入射光が遮光膜３７で反射され、受光部２３への入射光量が減少するが、図１(Ｂ)の２９のように下層に形成すると、斜め入射光も受光部２３に達して入射光量が増加するので、遮光膜をできるだけ基板２１に近い下層に形成する必要があった。しかし、本発明では、図１(Ａ)に示すように、遮光用として受光部３を３次元的に囲むように形成したフェンス状の金属膜層１９が斜め入射光を反射し、受光部３に導く導波効果をもたらすので、遮光膜(遮光メタル層)１２をマイクロレンズ１６と略同じ上層に形成しても入射光量が減少しないのである。従って、マイクロレンズ１６の集光をマイクロレンズ１６から近い位置に設計することが可能になり、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも対応できるという利点をもつことになる。
【００１１】
つまり、請求項１の固体撮像装置によれば、受光部以外のトランジスタ部に入射する光を完全に防いで、過剰な光や斜め入射光によるノイズの発生をなくすとともに、マイクロレンズによる光の集光を基板から高い位置に設計することができ、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも充分に対応できるのである。
【００１２】
請求項２の固体撮像装置は、上記最下層の溝状の埋め込み金属層の一部が、切断されていることを特徴とする。
また、請求項３の固体撮像装置は、上記最下層以外の溝状の埋め込み金属層が、全周に亘って連続していることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の固体撮像装置では、受光部をフェンス状に囲む埋め込み金属層の下部にフローティングゲートが設けられているので、請求項１の作用効果に加えて、埋め込み用の溝を形成する際のエッチングをフローティングゲート上で止めることができ、溝形成エッチングを容易に行なうことができる。なお、フローティングゲートの形成は、トランジスタ部におけるゲート電極の形成と同時に行なうことができるので、これによって製造プロセスの工程数が増加することはない。
【００１４】
請求項５の固体撮像装置は、上記少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層の間に、上記受光部を囲む遮光用の金属層が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
受光部をフェンス状に囲む少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層を半導体基板上に重ね合わす場合、金属層の幅が同じであることから、相互の位置合わせが難しい。しかし、請求項３の固体撮像装置では、これらの金属層の間に受光部を囲む遮光用の金属層が設けられているので、請求項１の作用効果に加えて、この遮光用の金属層の幅を上記金属層の幅よりも大きくすることによって、上下の金属層を容易に位置合わせしつつ連続的に接続することができる。
【００１６】
請求項６の固体撮像装置は、請求項５の溝状の埋め込み金属層と遮光用の金属層は、上記受光部を囲う面積が上層になるほど大きいことを特徴とする。
【００１７】
請求項５で述べたように幅の大きい遮光用の金属層を介して上下の埋め込み金属層を重ね合わすと、マイクロレンズなどで集光した光の受光部への導波効果が乱反射等の影響によって低下するが、請求項６の固体撮像装置では、上記埋め込み金属層および遮光用の金属層の受光部を囲む面積が上層になるほど大きくなっているので、導波効果をもつフェンス状のこれら金属層が上に向かってテーパ状に広がる。従って、請求項１の作用効果に加えて、マイクロレンズで集光された斜め入射光が妨げられたり乱反射されにくくなって、受光部への入射光量を一層増すことができる。
【００１８】
請求項７の固体撮像装置は、請求項５または６の遮光用金属層の側面が、テーパ形状を呈していることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の固体撮像装置では、上下の埋め込み金属層間の遮光用金属層の側面がテーパ形状を呈しているので、請求項１の作用効果に加えて、導波効果をもつフェンス状の金属層の内周面に直角の突起がなくなるので、マイクロレンズで集光された斜め入射光が妨げられたり乱反射されにくくなって、受光部への入射光量を一層増すことができる。
【００２０】
請求項８の固体撮像装置は、請求項５乃至７の遮光用の金属層が、トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線用金属膜と同時に形成され、かつこの配線用金属膜と電気的に接続していないことを特徴とする。
【００２１】
請求項８の固体撮像装置では、上下の埋め込み金属層を繋ぐ遮光用の金属層が、トランジスタやその駆動回路の配線金属膜と同時に形成、つまり配線金属膜の形成と同一工程で行なわれるので、遮光用の金属層の形成で製造プロセスの工程数が増加することはなく、製造工程数を増やすことなく請求項５乃至７の作用効果を奏することができる。
【００２２】
請求項９の固体撮像装置は、上記溝状の埋め込み金属層として、Ｃu・Ｗ・ＴiＷの単層膜、またはＣu・Ｗ・ＴiＷとＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いることを特徴とする。
【００２３】
請求項９の固体撮像装置では、導波効果をもつフェンス状の埋め込み金属層として、受光部をドライブ用トランジスタや周辺回路に接続するために接続孔に埋め込まれる一般的な高融点金属であるＣu・Ｗ・ＴiＷの単層膜、またはＣu・Ｗ・ＴiＷとＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いているので、導波効果をもつフェンス状の埋め込み金属層を、接続孔への高融点金属の埋め込み工程と同一工程で形成でき、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【００２４】
請求項１０の固体撮像装置は、上記遮光用の金属層として、Ａl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜、またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０の固体撮像装置では、上下の埋め込み金属層を繋ぐ遮光用の金属層として、ドライブ用のトランジスタや周辺回路部のトランジスタの配線に一般的に用いられるＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜、またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いているので、上記遮光用の金属層を、トランジスタの配線工程と同一工程で形成でき、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【００２６】
請求項１１の発明は、一導電型の半導体基板上に、受光部と複数のトランジスタで構成された画素セルがマトリックス状に配置され、上記複数のトランジスタを駆動するための駆動回路を備えた固体撮像装置の製造方法において、上記受光部を囲むように受光部上の絶縁膜を少なくとも２回以上溝状に除去し、この溝内に金属層を埋め込む工程を少なくとも２回以上含み、最下層の上記金属層を、上記受光部の周囲を囲む素子分離絶縁膜上に形成することを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、上記最下層の金属層の一部を切断することを特徴とする。
【００２７】
請求項１１の固体撮像装置の製造方法では、受光部を囲むように受光部上の絶縁膜を少なくとも２回以上溝状に除去し、この溝内に金属層を埋め込むので、製造された固体撮像装置の受光部は、マイクロレンズから受光部へ垂直に入射する光の光路以外の部分が総て遮光用金属膜で３次元的にフェンス状に覆われた構造になって、受光部以外の領域への光の入射が完全に防がれる。従って、請求項１で述べたように、過剰な光や斜め入射光によるノイズの発生をなくすとともに、マイクロレンズによる光の集光を基板から高い位置に設計することができ、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも充分に対応できる。
【００２８】
請求項１３の固体撮像装置の製造方法は、上記溝内に埋め込まれる金属層が、上記トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線接続孔用の金属層と同時に形成されることを特徴とする。
【００２９】
請求項１３の固体撮像装置の製造方法では、溝内に埋め込まれる金属層が、トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線接続孔用の金属層と同時に形成されるので、受光部をフェンス状に囲み、導波効果をもつ金属層を、トランジスタやその駆動回路の配線接続孔用の金属層と同時、つまり同一工程で形成できるから、導波効果をもつフェンス状の金属層の形成で製造プロセスの工程数が増加することはなく、製造工程数を増やすことなく請求項９の作用効果を奏することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
本発明の固体撮像装置は、一導電型の半導体基板上に受光部と複数のトランジスタで構成された画素セルをマトリックス状に配置し、その周辺に上記トランジスタを駆動するための駆動回路を配置してなり、図２は、請求項１,６〜８に記載の固体撮像装置の一実施形態である固体撮像素子(画像セル)の断面図を示している。
上記固体撮像素子は、Ｐ型の半導体基板１表面に燐,砒素などのＮ型不純物をドープして設けられた受光部３と、この受光部３の両側をドライブ用トランジスタと分離する素子分離絶縁膜２と、受光部３および素子分離絶縁膜２の表面を覆う第１絶縁膜４と、この第１絶縁膜４に受光部３をフェンス状に囲むように設けられた溝に遮光のために埋め込まれた第１埋め込み金属層５と、受光部上方を除く第１絶縁膜４上にドライブ用または周辺回路のトランジスタとの配線のために設けられた１層目メタル６を備えている。
【００３１】
上記固体撮像素子は、次に上記第１絶縁膜４および１層目メタル６を覆う第２絶縁膜７と、この第２絶縁膜７に受光部３をフェンス状に囲むように設けられた溝に上記第１埋め込み金属層５の上方に連続するように埋め込まれた第２埋め込み金属層８と、受光部上方を除く第２絶縁膜７上にトランジスタとの配線のために設けられた２層目メタル９を備え、更に第２絶縁膜７および２層目メタル９を覆う第３絶縁膜１０と、この第３絶縁膜１０に同様にフェンス状に設けられた溝に埋め込まれた第３埋め込み金属層１１と、第３絶縁膜１０上にフェンス状の埋め込み金属層５,７,１０の外側を総て覆う遮光膜としての３層目メタル１２と、第３絶縁膜１０および３層目メタルを覆う２層の表面保護膜１３,１４と、表面保護膜１４上の平坦化膜１５と、集光のため最上部に設けられたマイクロレンズ１６を備えている。
【００３２】
上記第１,第２,第３絶縁膜４,７,１０は、夫々１層目,２層目,３層目メタル６,９,１２の下地となるため、メタルの微細化を促す平坦性をもった燐,硼素を含むシリコン酸化(ＢＰＳＧ)膜からなる。第１,第２,第３埋め込み金属層５,７,１０には、接続,配線用に一般的な高融点金属であり、遮光にも用いることができるＣu・Ｗ・ＴiＷの単層膜、またはＣu・Ｗ・ＴiＷとＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用い、各絶縁膜４,７,１０に設けられるフェンス状の溝は、ドライブ用トランジスタや周辺回路への接続孔の形成と同一工程で形成される。
上記１層目,２層目,３層目メタル６,９,１２には、トランジスタの配線用に一般的で遮光性をもつＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜、またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いる。
上記表面保護膜１３,１４には、シリコン窒化膜・シリコン酸化膜・燐を含んだシリコン酸化膜(ＰＳＧ膜)・ＳiＯＮ膜などの単層膜または多層膜を用いることができるが、本実施の形態では、ＰＳＧ膜と表面の安定性に優れるシリコン窒化膜との多層膜を用いた。また、マイクロレンズ１６およびその下地である平坦化膜１５は、アクリル系材料からなる。
【００３３】
請求項９,１０の製造方法の一例の説明を兼ねて、図２で述べた固体撮像素子の製造方法について図３〜図５を参照しつつ説明する。
まず、図３(Ａ)に示すように、Ｐ型シリコンの半導体基板１上に受光部３とドライブ用トランジスタや周辺回路トランジスタとを分離する絶縁膜２をシリコンの熱酸化により形成する。酸化条件として、950〜1100℃の炉中に水素と酸素ガスを導入して、炉内の半導体基板１の表面に200〜600nmのシリコン酸化膜を形成する。なお、受光部３の周辺のトランジスタ等は示されていない。次に、受光部となる部分にリン・砒素等のＮ型不純物をイオン注入して受光部３を形成する。
次に、図３(Ｂ)に示すように、１層目メタル６(図３(Ｃ)参照)の下地となる第１絶縁膜４をシリコン酸化膜により形成するが、シリコン酸化膜４には、配線用の１層目メタル６を微細化させるため平坦性をもったものが望ましいので、燐・硼素を含んだシリコン酸化膜(ＢＰＳＧ膜)を用いた。半導体基板１を収容した常圧ＣＶＤ装置に、ＳiＨ4ガスを70〜100cc／min.、ＰＨ3ガスを150〜250cc／min.、Ｂ2Ｈ6ガスを150〜250cc／min.、Ｏ2ガスを２〜３１／min.で夫々導入し、400〜500℃の温度で成膜を行ない、膜中に含まれる燐の濃度を3.0〜3.5mol％、硼素の濃度を3.0〜3.5wt％として、900〜1000℃の温度で熱処理を行なって平坦化された第１絶縁膜４を得た。
【００３４】
その後、図３(Ｂ)の右側の平面図に示すように、受光部３を囲むパターンでフェンス状の遮光膜となる埋め込み金属層５用の溝を形成するが、受光部３の不要電荷を吐き出すためのリセットトランジスタを隣接して設ける必要上、上記溝は、平面図に５aで示すように一部切断されたパターンとしている。溝の一部が切断されているのは、溝の形成をドライエッチングで行なうため、厚い絶縁膜２が形成された部分ではエッチングを止めることができるが、絶縁膜２がない引出し部５aに溝を作るとエッチングを止めることができず、半導体基板１へダメージを与えるからである。
上記溝の形成および後の埋め込み金属層５の埋め込みは、受光部３のドライブ用トランジスタや周辺回路部トランジスタヘの接続孔の形成、およびコンタクト抵抗を下げるためのコンタクトの埋め込みと同一工程で行なえるので、製造プロセスの工程数が増加することはない。
【００３５】
ここで、受光部周辺のフェンス状の溝への埋め込み金属層５の埋め込みは、トランジスタ部でのコンタクト用の高融点金属膜のＣＶＤ成長,エッチバックと同一工程になるので、上記溝をコンタクト径以下の幅にする必要がある。そのため、上記溝およびトランジスタ部でのコンタクトのエッチングは、ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)を用い、処理室の圧力を100〜300Ｐa、ＣＨＦ3ガス流量を２０〜100sccm、ＣＦ4ガス流量を５〜５０sccm、Ａrガス流量を500〜1000sccm、電極のＲＦパワーを500〜1000Ｗにして、受光部周辺の厚い絶縁膜４の途中でエッチングが止まるようなエッチング時間で処理する。
そして、溝およびコンタクト内への高融点金属膜５の埋め込みは、ＴiＮ等の材料をスパッタリング等の方法で成膜した後、六弗化タングステン(ＷＦ6)とアルゴン・水素(Ｈ2)・窒素(Ｎ2)を原料ガスに用いた減圧ＣＶＤ法等により、5000〜10000Ｐaの圧力、250〜650℃の成長温度でタングステンの成膜を行う。
【００３６】
次に、別のＲＩＥチャンバにウェハを移し、処理室の圧力を１５〜５０Ｐa、ＳＦ6ガス流量を５０〜200sccm、Ａrガス流量を５０〜150sccm、Ｈeガス流量を２〜２０sccm、電極のＲＦパワーを300〜700Ｗにして、タングステン下のＴiＮ膜が露出するまで高融点金属膜をエッチングした後、例えばＥＣＲ(電子サイクロトロン共鳴)型プラズマエッチング装置等を用い、処理室の圧力を0.1〜３Ｐa、ＢＣl3ガス流量を２０〜100sccm、ＳＦ6ガス流量を１０〜５０sccm、マイクロ波のパワーを200〜500Ｗ、バイアスＲＦのパワーを２０〜100Ｗとして、絶縁膜４が露出するまでＴiＮのエッチングを行なう。こうして、図３(Ｂ)に示すように、フェンス状の遮光膜としての埋め込み金属層５が形成される。
続いて、受光部３のドライブ用や周辺回路部用のトランジスタで配線として用いる１層目メタル６をＡl・Ａl-Ｓi・Ａl・Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl・Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜としてスパッタリング等の方法で成膜した後、フォト・ドライエッチングによって配線６を形成する。ドライエッチングの条件は、例えばＥＣＲ型プラズマエッチング装置を用い、処理室の圧力を0.1〜３Ｐa、ＢＣl3ガス流量を２０〜100sccm、Ｃl2ガス流量を２０〜100sccm、マイクロ波のパワーを200〜500Ｗ、バイアスＲＦのパワーを２０〜100Ｗとした。なお、本実施の形態では、図３(Ｃ)に示すように、受光部３上方の１層目メタルは全面除去されている。なお、図３(Ｃ)の右側の平面図では、配線６は省略している。
【００３７】
その後、２層目メタル９(図４(Ｅ)参照)の下地となる第２絶縁膜７としてのシリコン酸化膜を、ＣＶＤ等で成膜した後、ＣＭＰ(メカノケミカルポリッシング)等で平坦化し、受光部を囲む上記埋め込み金属層５上に重なるように２層目のフェンス状の埋め込み金属層８およびトランジスタ部でのメタル層間接続用の接続孔を、上述の埋め込み金属層５および１層目の接続孔の形成と同様の方法で形成して、図３(Ｄ)に示すようなフェンス状の埋め込み金属層８が得られる。なお、２層目の埋め込み金属層８は、受光部３から引き出されるリセットトランジスタへの配線の問題がないので、図３(Ｄ)の平面図に示すように、図３(Ｂ)のような切断部５aのない全周に亘って連続したパターンとなっている。
【００３８】
さらに、既に述べたと同様の処理の繰り返しにより、図４(Ｅ)に示すように、第２絶縁膜７上に２層目メタル９(トランジスタ部での配線に使用,右側の平面図では図示せず)を形成し、図４(Ｆ)に示すように、その表面に第３絶縁膜１０と接続孔(図示せず)を形成し、この第３絶縁膜１０にフェンス状に設けた溝に３層目の埋め込み金属層１１を、上記接続孔にコンタクトメタル(図示せず)を夫々埋め込む。次いで、第３絶縁膜１０上の埋め込み金属層１１の外側、つまり受光部３の真上を除く総てを覆うように、図４(Ｇ)の如く遮光膜としての３層目メタル１２(右側の平面図では図示せず)を形成する。これによって、受光部３以外の部分への光の入射を完全に防ぐことができる。なお、上記３層目メタル１２は、受光部３がアレイ状に並んだ受光領域外側の図示しない周辺回路部においては、遮光用のみならず配線用としても用いられる。
【００３９】
その後、図５(Ｈ)に示すように、第３絶縁膜１０および３層目メタル１２を覆うようにシリコン窒化膜および燐を含んだシリコン酸化膜により表面保護膜１３,１４およびレンズ下地としてのアクリル系材料からなる平坦化膜１５を順次形成し、最後に、図５(Ｉ)に示すように、マイクロレンズ１６をアクリル系材料で形成して固体撮像素子を完成する。
【００４０】
上記構成の固体撮像素子は、次のように動作する。
固体撮像素子の受光部３は、図１(Ｂ),(Ｃ)で述べた受光部２３の真上以外を平面的な金属膜２９,３７で覆われた従来のものと異なり、図１(Ａ)に示すように、マイクロレンズ１６から受光部３へ垂直に入射する光の光路以外の部分が、埋め込み金属層１９と遮光用の３層目メタル１２で３次元的にフェンス状に覆われた構造となっていて、受光部３以外の領域を完全に遮光している。しかも、埋め込み金属層１９は、図１(Ａ)の矢印の如くマイクロレンズ１６を経て入射した光を反射して受光部３に導く導波効果をもつ。
従って、斜めからの入射光や乱反射光が受光部３以外のドライブ用トランジスタ等に入射しないから、このような光によって撮像画像に現れるノイズを無くすことができる。また、遮光用のメタル１２を半導体基板１から離れた３層目に設けても、受光部３への入射光量が減少しないので、マイクロレンズ１６に近い位置で集光することができ、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも対応することができる。
【００４１】
図６は、請求項２,３に記載の固体撮像装置の一実施形態としての固体撮像素子の断面図である。この固体撮像素子は、図２の固体撮像素子では、図３(Ｂ)で述べた第１埋め込み金属層５のための溝を第１絶縁膜４にエッチングで形成する場合、受光部３周辺の素子分離絶縁膜２が薄いと、エッチングを素子分離絶縁膜２中で止める制御が難しくなる点、および図３(Ｄ);(Ｆ)で上下の埋め込み金属層５,８;８,１１を位置合わせして重ね合わすのが難しい点を改善したものである。
上記固体撮像素子は、第１埋め込み金属層５の下部にフローティングゲート１７が設けられ、第１,第２埋め込み金属層５,８および第２,第３埋め込み金属層８,１１の間に受光部３を囲む遮光用の金属層として夫々１層目メタル６,２層目メタル９が設けられている点のみが図２の固体撮像素子と異なるので、同一構成部材には、同一番号を付して説明を省略する。
【００４２】
上記フローティングゲート１７は、受光部３から出力される電流信号のオン・オフを制御、あるいは電流信号を増幅するトランジスタのフローティングゲート電極であり、上部の絶縁膜を介して第１埋め込み金属層５に連続するとともに、第１埋め込み金属層５の溝よりも広い幅を有し、上記トランジスタのゲート電極形成と同一工程で形成される。
上記遮光用の金属層としての１層目メタル６および２層目メタル９は、具体的にはフローティング配線用の金属膜からなり、夫々上部に連続する第２埋め込み金属層８および第３埋め込み金属層１１の溝よりも広い幅を有し、同層で外側にあるトランジスタの配線用メタル６または９と同一工程でこれら配線用メタルに電気的に接続されないように形成される。
【００４３】
図７(Ａ)〜(Ｄ),図８(Ｅ)〜(Ｇ),図９(Ｈ)〜(Ｊ)は、図６の固体撮像素子の製造工程を順に示しており、この製造工程は、図７(Ｂ)でフローティングゲート１７が設けられ、図７(Ｄ),図８(Ｆ)で遮光用の１層目,２層目メタル６,９が設けられる点のみが図３〜図５の製造工程と異なるので、同一工程の説明は省略する。
図７(Ｃ)の受光部３をフェンス状に囲む第１埋め込み金属層５のための溝を第１絶縁膜４にエッチングで形成する際、これに先立つ図７(Ｂ)の工程で素子分離絶縁膜２上にフローティングゲート１７が形成されている。従って、受光部３周辺の素子分離絶縁膜２が薄い場合でも、溝のエッチングをフローティングゲート１７上で確実に止めることができ、過剰エッチングで半導体基板１がダメージを受けることがなくなる。なお、フローティングゲート１７は、トランジスタ部でのゲート電極の形成と同時に形成されるので、これによって製造プロセスの工程数が増加することはない。
【００４４】
図８(Ｅ)の第２埋め込み金属層８を下方の第１埋め込み金属層５に位置合わせして重ね合わす場合、第１埋め込み金属層５の上には、先立つ図７(Ｄ)の工程で遮光用の幅広の１層目メタル６が形成されているので、第２絶縁膜７に設ける埋め込み用の溝の位置精度が多少悪くても、第２埋め込み金属層８と第１埋め込み５を１層目メタル６を介して連続的に接続することができ、上下の埋め込み金属層８,５を容易に位置合わせできる。
また、図８(Ｇ)の第３埋め込み金属層１１の第２埋め込み金属層８との重ね合わせにおいても、遮光用の２層目メタル９により同様に位置合わせを容易にすることができる。なお、遮光用の１層目,２層目メタル６,９は、トランジスタ部での配線金属膜の形成と同時に形成されるので、これによって製造プロセスの工程数が増加することはない。
【００４５】
図１０は、請求項４,５に記載の固体撮像装置の一実施形態としての固体撮像素子の断面図である。この固体撮像素子は、図６の固体撮像素子では、図示の如く受光部３をフェンス状に囲む各埋め込み金属層５,８,１１の間に遮光用の広幅の１,２層目メタル６,９があって、その直角隅部が内周面から突出しているため、マイクロレンズ１６で集光された光が図１(Ａ)の如く上記内周面で反射されて受光部３へ導かれるとき、上記直角隅部で乱反射されて受光光量が減少するという不具合があるので、これを改善したものである。
上記固体撮像素子は、溝(フェンス)状の各埋め込み金属層５,８,１１および遮光用の１,２層目メタル６,９の受光部３を囲う面積が、上層になるほど大きく、１,２層目メタル６,９の側面がテーパ状を呈する点を除いて図６で述べた固体撮像素子と同じ構成であるので、同一構成部材には同一番号を付して説明を省略する。
第１,第２,第３埋め込み金属層５,８,１１の間隔は、この順に上層にいくに伴って層幅の２倍程度ずつ増え、１,２層目メタル６,９は、上記層幅の２倍程度の幅をもつ等脚台形状の断面を呈するとともに、２層目メタル９の間隔が、１層目メタル６の間隔より上記層幅の２倍程度大きく、これらによって上方に向かってテーパ状に広がる連続的な導光面が形成されている。
【００４６】
１,２層目メタル６,９の等脚台形断面は、これらメタルのエッチング時に側壁保護膜生成(反応生成物)を多くすることによって形成でき、具体的には、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置等を用い、処理室の圧力を１〜５Ｐa、ＢＣl3ガス流量を５０〜１５０sccm、Ｃl2ガス流量を１０〜５０sccm、マイクロ波のパワーを300〜500Ｗ、バイアスＲＦのパワーを５〜５０Ｗにすれば実現することができる。
こうして、第１〜３埋め込み金属層５,８,１１および第１,２層目メタル６,９によって上に向かってテーパ状に広がる導波面が形成されるので、マイクロレンズ１６で集光された斜め入射光が妨げられたり乱反射されることなく受光部３に達して、受光光量を一層増すことができ、撮像画像の画質を一層向上させることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の発明は、半導体基板上の固体撮像素子の受光部が少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層によってフェンス状に囲まれているので、マイクロレンズから受光部へ垂直に入射する光の光路以外の部分を総て遮光用金属膜で覆うことで、受光部以外のトランジスタ部等に入射する光を完全に防いで、過剰な光や斜め入射光によるノイズの発生をなくすことができ、撮像画像の画質を向上できるうえ、フェンス状の埋め込み金属層が入射光を反射して受光部へ導く導波効果をもつので、集光をマイクロレンズに近い位置で行なうことができ、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも対応することができる。
【００４８】
請求項４の固体撮像装置は、受光部をフェンス状に囲む埋め込み金属層の下部にフローティングゲートが設けられているので、請求項１の作用効果に加えて、埋め込み用の溝を形成する際のエッチングをフローティングゲート上で止めることができ、製造プロセスの工程数を増加させることなく溝形成エッチングを容易化することができる。
【００４９】
請求項５の固体撮像装置は、受光部をフェンス状に囲む少なくとも２層以上の溝状の埋め込み金属層の間に受光部を囲む遮光用の金属層が設けられているので、請求項１の作用効果に加えて、この遮光用の金属層の幅を上記金属層の幅よりも大きくすることによって、上下の金属層を容易に位置合わせしつつ連続的に接続することができる。
【００５０】
請求項６の固体撮像装置は、上記埋め込み金属層および遮光用の金属層の受光部を囲む面積が上層になるほど大きくなっているので、導波効果をもつフェンス状のこれら金属層が上に向かってテーパ状に広がって、マイクロレンズで集光された斜め入射光が妨げられたり乱反射されたりせずに受光部へ達するから、受光光量をさらに増すことができ、撮像画像の画質を一層向上させることができる。
【００５１】
請求項７の固体撮像装置は、上下の埋め込み金属層間の遮光用金属層の側面がテーパ形状を呈しているので、導波効果をもつフェンス状の金属層の内周面に直角の突起がなくなるから、マイクロレンズで集光された斜め入射光が妨げられたり乱反射されずに受光部へ達し、その結果、受光光量をさらに増すことができ、撮像画像の画質を一層向上させることができる。
【００５２】
請求項８の固体撮像装置は、上下の埋め込み金属層を繋ぐ遮光用の金属層が、トランジスタやその駆動回路の配線金属膜の形成と同一工程で行なわれるので、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【００５３】
請求項９の固体撮像装置は、上記溝状の埋め込み金属層として、接続孔の埋め込みに一般的に用いられる高融点金属であるＣu・Ｗ・ＴiＷの単層膜、またはＣu・Ｗ・ＴiＷとＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いるので、導波効果をもつフェンス状の埋め込み金属層を、接続孔への高融点金属の埋め込み工程と同一工程で形成でき、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【００５４】
請求項１０の固体撮像装置は、上記遮光用の金属層として、トランジスタの配線に一般的に用いられるＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・Ｗの単層膜、またはＡl・Ａl-Ｓi・Ａl-Ｃu・Ｃu・ＷとＷ・ＴiＮ・ＴiＷ・Ｔiとの複合膜を用いるので、遮光用の金属層を、トランジスタの配線工程と同一工程で形成でき、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【００５５】
請求項１１の固体撮像装置の製造方法は、上記受光部を囲むように受光部上の絶縁膜を少なくとも２回以上溝状に除去し、この溝内に金属層を埋め込む工程を含むので、マイクロレンズから受光部へ垂直に入射する光の光路以外の部分を総て遮光用金属膜で覆うことで、受光部以外のトランジスタ部等に入射する光を完全に防いで、過剰な光や斜め入射光によるノイズの発生をなくすことができ、撮像画像の画質を向上できるうえ、フェンス状の埋め込み金属層が入射光を反射して受光部へ導く導波効果をもつので、集光をマイクロレンズに近い位置で行なうことができ、将来の画素微細化に伴うアスペクト比の増大にも対応することができる。
【００５６】
請求項１３の固体撮像装置の製造方法は、溝内に埋め込まれる金属層が、トランジスタおよびトランジスタを駆動するための駆動回路の配線接続孔用の金属層と同時に形成されるので、受光部をフェンス状に囲み、導波効果をもつ金属層を、トランジスタやその駆動回路の配線接続孔の形成と同一工程で形成できるから、製造工程数を増やすことなく上記作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明と従来の固体撮像装置による集光軌跡を比較して示す断面図である。
【図２】  本発明の固体撮像装置の一実施形態の要部を示す断面図である。
【図３】  図２の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図４】  図２の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図５】  図２の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図６】  本発明の固体撮像装置の他の実施形態の要部を示す断面図である。
【図７】  図６の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図８】  図６の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図９】  図６の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図１０】  本発明の固体撮像装置の他の実施形態の要部を示す断面図である。
【図１１】  従来の固体撮像装置の一例を示す要部断面図である。
【図１２】  従来の固体撮像装置の他の例を示す要部断面図である。
【図１３】  従来の固体撮像装置の他の例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  素子分離絶縁膜
３  受光部
４  第１絶縁膜
５  第１埋め込み金属層
６  １層目メタル
７  第２絶縁膜
８  第２埋め込み金属層
９  ２層目メタル
１０  第３絶縁膜
１１  第３埋め込み金属層
１２  ３層目メタル
１３,１４  表面保護膜
１５  平坦化膜
１６  マイクロレンズ
１７  フローティングゲート
１９  フェンス状の金属膜層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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