JPH03248560A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は入力画像データを二次元的に読取る固体撮像素
子に係わり、特に、感光層以外の電荷転送路層に入射す
る光を遮光する遮光層を改良した固体撮像素子に関する
。

（従来の技術） 例えば携帯型のＴＶカメラには固体撮像素子が組込まれ
ている。この固体撮像素子は例えば第３図に示すように
構成されている。すなわち受光面１にマトリックス状に
多数の感光部２が配列され、マトリックスの各列に垂直
電荷転送路３が形成されている。そして、各垂直電荷転
送路３の一端は１本の水平電荷転送路４に接続されてい
る。

さらに、水平電荷転送路４の一方端に出力部５が形成さ
れている。

そして、マトリックス配列された各感光部２でもって同
一タイミングで受光した画素データに対応する電荷は一
斉に右隣の垂直電荷転送路３へ移動される。各垂直電荷
転送路３へ移動された電荷は外部クロックに同期して順
次水平電荷転送路４へ繰出される。水平電荷転送路４へ
繰出された横１列分の電荷は出力部５を介してシリアル
信号として外部の画像処理装置へ送信される。

第４図は固体撮像素子における感光部２とその両側に位
置する垂直電荷転送路３の断面模式図である。例えばＰ
型Ｓｔ（シリコン）で形成された半導体基板６上にＮ＋
層からなる垂直電荷転送路層７ａ、７ｂと、例えば１１
層８ａとＮ−層８ｂとで構成されたフォトダイオードか
らなる感光層８が設けられている。そして、それらの上
側にゲート酸化膜９を設け、さらにこのゲート酸化膜９
上における前記各垂直電荷転送路層７ａ、７ｂに対向す
る位置に転送ゲート電極用のポリＳｉ層１０ａが配置さ
れている。そして、各ポリＳｉ層１０ａ、１０ｂを透光
性を有した層間電気絶縁層１１で覆っている。

さらに、この層間電気絶縁層１１の上面における前記各
垂直電荷転送路層７ａ、７ｂに対向する位置に遮光層１
２ａ、１２ｂが形成されている。

そして、この遮光層１２ａ、１２ｂおよび前記層間電気
絶縁層１１はパッシベーション（表面保護膜）層１３に
て共通に覆われている。

前記遮光層１２ａ、１２ｂは、前記各垂直電荷転送路層
７ａ、７ｂに光が照射されるのを防止する機能を有し、
例えば、光反射率の良いＡＮ　　（アルミ）系材料で形
成されている。

しかしながら第４図に示すように構成された固体撮像素
子においてもまだ次のような問題があった。

すなわち、遮光層１２ａ、１２ｂに使用されるＡｇ　（
アルミ）系材料においては、このＡＩ　　（アルミ）系
材料を配線に使用した場合に問題になるように、電極配
線表面に突起が生ずるヒロックや、この遮光層１２ａ、
１２ｂ上に形成されているパッシベーション層１３の応
力や、熱処理工程におけるアルミ自身の熱応力でＡｌ原
子が粒界拡散して消失して、配線ショートに至るストレ
スマイグレーションが発生する懸念がある（日経マイク
ロデバイス１９８６年１２月号、同１９８８年６月号）
。その結果、十分な遮光効果が得られない問題がある。

このような不都合を解消するために、アルミ層の膜厚を
非常に厚くしたり、アルミ層を多層構造にすることが提
唱されている。

しかし、アルミ層の膜厚を厚くすると、遮光層１２ａ、
１２ｂと層間電気絶縁層１１との間における段差が大き
くなるので、その上側から遮光層１２ａ、１２ｂおよび
層間電気絶縁層１１を共通に覆うパッシベーション層１
３や色フィルタのカバレッジ機能が低下する懸念がある
。また、アルミ層を多層にすると、リソグラフィ工程を
何回も行う必要があるので、製造工程数が増大する問題
がある。

（発明が解決しようとする課題） このように、遮光層として一般のアルミ系材料を使用す
ると、良好な遮光性能を得るためには、遮光層の厚みを
増大する必要がある。そして、遮光層の厚みを増大する
と、パッシベーション層や色フィルタ層によるカバレッ
ジ機能が低下したり、製造工程が複雑化する問題がある
。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
遮光層をたとえ薄膜に形成したとしても従来の厚いアル
ミ系材料と同等以上の遮光特性を有した材料を使用する
ことにより、遮光層を薄膜に形成でき、遮光層と層間絶
縁層との間の段差を軽減でき、パッシベーション層や色
フィルタ層によるカバレッジ機能を向上でき、かつ製造
工程を簡素化できる固体撮像素子を提供することを目的
とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解消するために本発明は、半導体基板上に電
荷転送路層と感光層とを設け、これらの上面を透光性を
有する層間電気絶縁層で覆い、この層間電気絶縁層の上
面における電荷転送路層に対向する位置に遮光層を形成
し、さらにこの遮光層および層間絶縁層の上面をパッシ
ベーション層で共通に覆った固体撮像素子において、遮
光層をＡｊ！　−３ｉ−Ｃｕ／Ｔ　ｉ　Ｎ／Ｔ　ｉ膜構
造にしたものである。

（作用） このように構成された固体撮像素子においては、遮光層
を従来のアルミ系材料の膜構造からＡＮ　−５ｉ−Ｃｕ
／Ｔ　ｉ　Ｎ／Ｔ　ｉ膜構造へ変更している。

アルミ系材料を用いた配線における、局所的なボイドが
発生するために配線の抵抗が増大したり断線するエレク
トロマイグレーション現象や前述したストレスマイグレ
ーション現象等の発生を抑制する対策として、粒界拡散
によるＡｌ原子の消失を防止する目的で、Ａｌ７−８ｉ
−Ｃｕ配線や、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＴｉＷ等のバリヤメタル
が使用され、良好な結果が得られることが実証されてい
る（日経マイクロデバイス１９８６年１２月号２月刊セ
ミコンダクタ１９８７年３月号）。

すなわち、ＡＮ　−８１−Ｃｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ膜構造を
本願発明の固体撮像素子における遮光層に採用すること
によって、ストレスマイグレーション現象の発生が抑制
できるので、十分な遮光性能を維持したままで薄膜に形
成できる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は実施例の固体撮像素子の要部を取出して示す断
面模式図である。第４図と同一部分には同一符号が付し
である。なお、固体撮像素子全体の構成は第３図と同じ
である。

すなわち、Ｐ型Ｓｉ（シリコン）で形成された半導体基
板６上にＮ＋層からなる垂直電荷転送路層７ａ、７ｂと
、２４層８ａとＮ−層８ｂとで構成されたフォトダイオ
ードからなる感光層８が設けられている。そして、それ
らの上側にゲート酸化膜９が設けられ、さらにこのゲー
ト酸化膜９上における前記各垂直電荷転送路層７ａ、７
ｂに対向する位置に転送ゲート電極用のポリＳｔ電極１
０ａ、１０ｂが配置されている。そして、各ポリＳｔ電
極１０ａ、１０ｂを層間電気絶縁層１１で覆っている。

さらに、この層間電気絶縁層１１の上面における前記各
垂直電荷転送路層７ａ、７ｂに対向する位置に遮光層２
１ａ、２１ｂが形成されている。

そして、この遮光層２１ａ、２１ｂおよび層間電気絶縁
層１１がパッシベーション層１３にて共通に覆れている
。

そして、この実施例においては、前記遮光層２１ａ、２
１ｂをＡｌ７−３１−Ｃｕ／ＴｉＮ／Ｔ１膜構造に形成
している。

次に、この遮光層２１ａ、２１ｂを形成する手順を説明
する。

まず最初に、層間電気絶縁層１１上にＴｉ（チタン）層
を敷く。次に（、Ａ　ｒ　＋　Ｎ　２　）の混合ガス雰
囲気中でＴｉターゲットを反応性スパッタリングして、
第１図に示すＴｉＮ（チタンナイトライド）／Ｔｉ膜２
２ａ、２２ｂを形成する。次に、そのＴ　ｉ　Ｎ　／　
Ｔ　ｉ膜２２ａ、２２ｂ上にＡＮ−８ｉ−Ｃｕ膜２３ａ
、２３ｂをスパッタリングする。よって、Ｔ　ｉ　Ｎ　
／　Ｔ　ｉ膜２２ａ、２２ｂとＡＮ−５ｉ−Ｃｕ膜２３
ａ、２３ｂとで遮光層２１ａ　　２１ｂを形成する。

このように構成された遮光層２１ａ、２１ｂにおいて、
Ａｌ７−８ｉ−Ｃｕ膜２３ａ、２３ｂを用いることによ
って、内部に溶解しているＣｕ（銅）原子が、上方に位
置するパッシベーション層１３や熱処理工程によって生
ずる前述したＡ１１粒界の空孔と結合して、空孔の拡散
を押さえる働きをする。

また、一般に、接触部におけるＳｉ析出を防止するため
の析出防止用のバリヤメタルとして使用されるＴｉＮ／
Ｔｉ膜２２ａ、２２ｂは、膜中に含まれるＯ（酸素）原
子やＮ（窒素）原子が前記Ａｆ！粒界に析出されて粒界
拡散されることを防止できる。

すなわち、上述した２つの作用効果により、ＡＮ膜への
応力は緩和され、ＡＮ原子消失による空孔形成が大幅に
抑制される。このように、ＴｉＮ／Ｔｉ膜２２ａ、２２
ｂを敷くことによってストレスマイグレーション寿命が
大幅に延びる。

したがって、たとえ遮光層２１ａ、２１ｂを薄膜に形成
したとしても十分な遮光性能を得ることができる。

第２図は従来のアルミ系材料（ＡＮ−ＳＬ）とこのアル
ミ系材料ＣＡＲ−ＳＬ）にバリヤメタル（ＴｉＮ／Ｔｉ
）を積層した場合における各波長における光の透過率と
の関係を示す特性図である。

この特性図からも理解できるように、バリャメタル（Ｔ
ｉＮ／Ｔｉ）膜を付加することによって、遮光性能を大
幅に向上させることが可能となる。

さらに、遮光層２１ａ、２１ｂをＡｌ−５ｉ−Ｃｕ／Ｔ
ＩＮ／Ｔｉの３層構造としているので、たとえ各層に前
述した空孔が発生したとしても、各層に亘って同一位置
に発生する確率は小さいので、前記遮光性能をさらに向
上できる。

また、バリヤメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜２２ａ、２
２ｂの厚みを０．１５μｍ程度に設定すれば、Ａｆｉ原
子のＰ型Ｓｉからなる半導体基板６への拡散を防止する
バリヤ効果を十分に得られるので、遮光層２１ａ、２１
ｂ全体を十分に薄く設定できる。よって、遮光層２１ａ
、２１ｂと層間電気絶縁層１１との間の段差を軽減でき
る。したがって、遮光層２１ａ、２１ｂの上側からこの
遮光層２１ａ、２１ｂおよび層間電気絶縁層１１を共通
に覆うバッシベシーヨン層１３や色フィルタのカバレッ
ジ機能を向上させることが可能となる。

さらに、３層からなるＡＩ　−Ｓ　１−Ｃｕ／ＴｉＮ／
Ｔｉ膜は一括してエツチング可能であるので、リソグラ
フィ工程は１回実行すればよい。

したがって、遮光層１２ａ、１２ｂを厚くするために１
膜を多層構造にする必要があった第４図に示す従来の固
体撮像素子に比較して、リソグラフィ工程数を大幅に低
減できるので、製造費を低下できる。

また、ＡＩ！　　５ｉ−Ｃｕ膜２３ａ、２３ｂは、本来
、エレクトロンマイグレーション対策として用いられ、
かツＴ　ｉ　Ｎ／Ｔ　ｉ膜２２ａ、２２ｂは接触抵抗を
低減させるためのバリヤメタルとして用いられるので、
遮光層２１ａ、２１ｂをＡｇＳ　ｉ−Ｃｕ／Ｔ　ｉ　Ｎ
／Ｔ　ｉの３層構造とすることによって、固体撮像素子
における各配線の信頼性を向上できる。

また、Ｔｉ系材料をＡｊｌ−８ｉ−Ｃｕ膜に重ねた積層
構造により、ヒロックを抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例においては、感光層をＰ＋層８ａとＮ−層８
ｂとからなるフォトダイオードで構成したが、とくにフ
ォトダイオードに限定されるものではなく、他の光電気
変換素子であってもよい。すなわち、感光層の周囲を光
遮蔽する必要がある全ての固体撮像素子に適用できる。

さらに、１層目にＡｌ−５Ｌ−Ｃｕ膜を形成し、２層目
、３層目にＴｉＮ／Ｔｉ膜を形成するようにしてもよい
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、遮
光層をＡＭ　−Ｓ　１−Ｃｕ／Ｔ　ｉＮ／Ｔｉの３層構
造としている。したがって、たとえ薄膜に形成したとし
ても従来の厚く形成されたアルミ系材料と同等以上の遮
光特性を有することが可能となる。よって、遮光層を薄
膜に形成でき、遮光層と眉間絶縁層との間の段差を軽減
でき１．（ッシベーシラン層や色フィルタのカバレッジ
機能を向上でき、かつ製造工程を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる固体撮像素子の要部
を取出して示す断面模式図、第２図は遮光層の遮光特性
を示す図、第３図は一般的な固６・・・半導体基板、７
ａ、７ｂ・・・垂直電荷転送路層、８・・・感光層、９
・・・ゲート酸化膜、１０ａ。 １０ｂ・・・ポリＳｔ電極、１１・・・層間絶縁層、１
３−９．パッシベーション層、２１ａ、２１ｂ−遮光層
、２２　ａ、　　２２　ｂ−Ｔ　ｉ　Ｎ／Ｔ　ｉ膜、２
３ａ。 ２３ｂ−・−Ａｌｌ　−５Ｌ−Ｃｕ膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板上に電荷転送路層と感光層とを設け、これら
   の上面を透光性を有する層間電気絶縁層で覆い、この層
   間電気絶縁層の上面における前記電荷転送路層に対向す
   る位置に遮光層を形成し、さらにこの遮光層および前記
   層間絶縁層の上面をパッシベーション層で共通に覆った
   固体撮像素子において、 前記遮光層はＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ膜構造で
   あることを特徴とする固体撮像素子。