JP2004363375A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光の効果は損なうことなく、製造過程において生じる水素基を有効に活用して、リーク電流の発生源となる基板表面の準位を終端化させた固体撮像素子を得る。
【解決手段】フォトダイオードＰＤを構成するＮ型ソース領域１０４およびＰ型不純物領域１０５の上部に対応する層間絶縁膜１の主面上には、遮光体２１が網目状に配設されて網目状構造を有する遮光膜２が配設されている。遮光膜２の平面視形状は、矩形の遮光体２１が１つ置きにマトリックス状に配設されて網目状構造をなしている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関し、特に、光学的黒を検出する無効画素領域を有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子の１つとして、特許文献１に開示されるようなＣＣＤ（電荷結合素子）が挙げられる。特許文献１においては、被写体の光情報を検出する有効画素領域と、光学的黒を検出する無効画素領域とで黒レベルに差のない固体撮像素子を得るために、有効画素領域および無効画素領域において遮光膜を設け、受光部の上部に対応する部分には遮光膜に開口部を設ける構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３０４０２号公報（図１、２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に固体撮像素子等の半導体装置の製造過程においては、半導体基板表面は種々の工程、例えばゲート電極のエッチング時にプラズマに曝されることによってダメージを受け、リーク電流の発生源となる準位が形成されることがある。この準位は同じく半導体装置の製造過程で水素、もしくは水素を含むイオンに曝されることによって終端化することが可能であり、その場合にはリーク電流の発生を抑えることが可能となる。
【０００５】
ところが、一般に、遮光膜はＴｉＷ等の水素基を吸収もしくは遮蔽する効果を有する材料で構成されるため、遮光膜を形成した領域ではリーク電流の発生源となる準位を終端化する効果が十分に得られない。
【０００６】
そして、固体撮像素子では、有効画素領域には遮光膜を設けず、無効画素領域にのみ遮光膜を設けることが一般的であるので、無効画素領域ではリーク電流の発生源となる準位を終端化する効果が十分に得られず、無効画素領域と有効画素領域とで半導体基板表面の準位の終端化率が異なることとなる。この結果、無効画素領域と有効画素領域とで遮光状態でのリーク電流レベルが異なって、一方の出力が大きくあるいは小さくなり過ぎてしまう。
【０００７】
一般に、固体撮像素子における画像の黒レベル（光が照射されない状態での素子出力）は、無効画素領域の出力が基準となり、実際に撮像する際には、有効画素領域の出力から無効画素領域の出力を差し引くことによって、信号のノイズ成分を除去している。このため、光を照射しない状態においては、無効画素領域の出力と有効画素領域の出力とが一致していることが望ましい。
【０００８】
しかし、無効画素領域と有効画素領域とで遮光状態でのリーク電流レベルが異なる場合、例えば、無効画素領域の出力が大きい場合、有効画素領域の出力から無効画素領域の出力を差し引くと、有効な信号成分までも除去されてしまい、画質が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、遮光の効果は損なうことなく、製造過程において生じる水素基を有効に活用して、リーク電流の発生源となる基板表面の準位を終端化させた固体撮像素子を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１記載の固体撮像素子は、入射光を電気信号に変換し、生成された電荷を蓄積する光電変換蓄積部と、前記光電変換蓄積部の上方に配設された少なくとも１層の遮光膜とを備え、前記少なくとも１層の遮光膜の平面構造は、遮光体とスペース部分とが規則的に配設された構造を有している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
近年、固体撮像素子の１つとして、増幅型センサを用いたものが提案されている。この素子は、光電変換蓄積部で検出した光の信号を、光電変換蓄積部のごく近傍で増幅するという特徴を有している。実施の形態の説明においては、固体撮像素子として増幅型センサを例に採って説明するものであり、実施の形態の説明に先立って増幅型センサの回路構成の一例について説明する。
【００１２】
＜増幅型センサの回路構成例＞
図１は、固体撮像素子としてＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサを備えた半導体装置の回路構成を示す図である。図１に示すように、単位画素あるいは単位セルＣがマトリックス状に配置され、各セルＣの各々が垂直シフトレジスタＶＳおよび水平シフトレジスタＨＳに接続されている。
【００１３】
各単位セルＣは、フォトダイオードＰＤと、転送スイッチＭ１と、リセットスイッチＭ２と、アンプ（増幅器）Ｍ３と、選択スイッチＭ４とを有している。
【００１４】
フォトダイオードＰＤは、入射光を電気信号に変換し、生成された電荷を蓄積する光電変換蓄積部たる役割を有している。転送スイッチＭ１は、この変換された電気信号をアンプＭ３へと転送する役割を有し、その制御は垂直シフトレジスタＶＳからの信号により行われる。リセットスイッチＭ２は、信号電荷をリセットする役割を有しており、アンプＭ３は電気信号を増幅する役割を有している。
【００１５】
なお、転送スイッチＭ１、リセットスイッチＭ２、アンプＭ３および選択スイッチＭ４の各々は、ＭＯＳトランジスタで構成されている。
【００１６】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．装置構成＞
以下、本発明に係る実施の形態１として、ＣＭＯＳ型イメージセンサを備えた半導体装置の構成について、図１を参照しつつ、図２（ａ）、（ｂ）および図３を用いて説明する。
【００１７】
図２（ａ）は、図１に示す回路構成のうち、光学的黒（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ：ＯＢ）を検出する無効画素領域の代表として選択した領域Ｒの構成を示す平面図であり、図３は、図２（ａ）におけるＸ−Ｘ線での矢視断面図である。
【００１８】
図２（ａ）および図３に示すように、Ｐ型半導体基板１０２の表面には、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法により形成された素子分離絶縁層１０３が配設されている。さらに、Ｐ型半導体基板１０２上には、フォトダイオードＰＤ、転送スイッチＭ１およびリセットスイッチＭ２が配設されている。
【００１９】
フォトダイオードＰＤは、Ｐ型半導体基板１０２と、その主面内に配設されたＮ型不純物領域１０４（Ｎ型活性領域）とのＰＮ接合により構成されている。そして、Ｎ型不純物領域１０４に重なるように、Ｐ型半導体基板１０２の主面内にはＮ型不純物領域１０４よりも浅いＰ型不純物領域１０５（Ｐ型活性領域）が配設されている。
【００２０】
このＰ型不純物領域１０５は、Ｐ型半導体基板１０２とＮ型不純物領域１０４とのＰＮ接合の空乏層が到達しないような深さに形成されている。
【００２１】
転送スイッチＭ１は、Ｎ型ソース領域１０４、Ｎ型ドレイン領域１０６ａ（Ｎ型活性領域）およびゲート電極層１０８ａを有している。Ｎ型ドレイン領域１０６ａは、動作中に浮遊状態となるときがあるのでＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）と表示する。
【００２２】
Ｎ型ソース領域１０４とＮ型ドレイン領域１０６ａとは、所定の距離だけ間隔を開けてＰ型半導体基板１０２の表面内に配設されている。そして、ゲート電極層１０８ａが、Ｐ型半導体基板１０２のＮ型ソース領域１０４とＮ型ドレイン領域１０６ａとで挟まれる領域上にゲート絶縁層１０７を介して配設されている。なお、フォトダイオードＰＤのＮ型不純物領域１０４と転送スイッチＭ１のＮ型ソース領域１０４とは同一の領域であり、各素子を区別する観点から別個に呼称している。
【００２３】
リセットスイッチＭ２は、一対のＮ型ソース／ドレイン領域１０６ａと、ゲート電極層１０８ｂとを有している。一対のＮ型ソース／ドレイン領域１０６ａは、互いに所定の距離を隔てるように半導体基板１０２の表面内に配設されている。
【００２４】
そして、ゲート電極層１０８ｂは、Ｐ型半導体基板１０２の一対のＮ型ソース／ドレイン領域１０６ａに挟まれる領域上にゲート絶縁層（図示せず）を介して配設されている。なお、転送スイッチＭ１のＮ型ドレイン領域１０６ａとリセットスイッチＭ２のＮ型ソース／ドレイン領域１０６ａの一方とも同一の領域であり、各素子を区別する観点から別個に呼称しているにすぎない。
【００２５】
図３に示すように、Ｐ型半導体基板１０２の主面全面に層間絶縁膜１が配設され、ゲート電極層１０８ａ等が層間絶縁膜１によって覆われている。そして、図２（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤを構成するＮ型ソース領域１０４およびＰ型不純物領域１０５の上部に対応する層間絶縁膜１の主面上には、遮光体２１が網目状に配設されて網目状構造を有する遮光膜２が配設されている。
【００２６】
遮光膜２は、層間絶縁膜１の主面上に配設される第１配線層（図示せず）と同じ材質で、当該第１配線層と同じ工程で形成される。
【００２７】
なお、図２（ａ）においては、遮光膜２の平面視形状として、独立した矩形の遮光体２１が１つ置きにマトリックス状に配設されて網目状構造をなす例を示したが、遮光体とスペース部分とが規則的に配設された構造であれば図２（ａ）の構造に限定されない。
【００２８】
例えば、図２（ｂ）に示される遮光膜２０のように、矩形のスペース部分２２が連続する遮光体２１１で囲まれ、矩形のスペース部分２２の４辺において隣り合うスペース部分２２との間には遮光体２１１が存在し、各スペース部分２２は４辺の方向において等間隔で配設された構成を採ることで網目状構造をなすように配設しても良い。
【００２９】
そして、図３に示すように、層間絶縁膜１の主面全面に層間絶縁膜３が配設され、遮光膜２が層間絶縁膜３によって覆われている。なお、被写体の光情報を検出する有効画素領域の構成は基本的には無効画素領域の構成と同じであるが、有効画素領域のフォトダイオードＰＤの上方には遮光膜２が配設されていない。
【００３０】
ここで、層間絶縁膜３はプラズマ酸化膜で形成され、層間絶縁膜３を形成した後、水素雰囲気中でのアニール処理（水素アニール）を行って、製造過程で生じたシリコンのダングリングボンドの終端化を行う。なお、水素アニールの条件は、４００〜４５０℃の温度条件下で、１００％の水素雰囲気中に半導体ウエーハを１５〜３０分間曝すことで実行される。
【００３１】
＜Ａ−２．作用および効果＞
層間絶縁膜３をプラズマ酸化膜で形成する際に、中間生成物として生じるＳｉＯＨ基やＳｉＨ基から水素基が脱離する。すなわち、プラズマ酸化ではシラン（ＳｉＨ_４）を使用するが、ＳｉＨ_４＋Ｏ_２→ＳｉＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＋Ｈの反応によりＳｉＯＨ基や水素基が生じ、さらに、ＳｉＯＨ基から水素基が脱離して、層間絶縁膜３中には水素基が多数存在することになる。
【００３２】
しかし、遮光膜２がフォトダイオードＰＤの上方に網目状をなすように配設されているので、図３に示すように、層間絶縁膜３中の水素基が遮光体２１間のスペース部分２２を通ってフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができる。
【００３３】
また水素アニールの際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進する。この結果、無効画素領域におけるフォトダイオードＰＤの表面におけるリーク電流の発生を抑制することができ、遮光膜２が存在しない有効画素領域とのリーク電流の差を解消することができ、有効画素領域の出力から無効画素領域の出力を差し引いて信号のノイズ成分を除去する際に、有効な信号成分が除去されることがなく、撮影画像の画質が低下することを防止できる。
【００３４】
なお、水素基を通過させるという観点に立てば、必ずしも遮光体とスペース部分とが規則的に配設されていなくても良く、遮光体のところどころに不規則にスペース部分が設けられた構成であっても良い。
【００３５】
＜Ａ−３．変形例１＞
以上説明した実施の形態１の構成においては、フォトダイオードＰＤの上方に網目状の遮光膜２を配設した構成を示したが、図４に示すように網目状の遮光膜２の上方に、さらに同様の遮光膜４を配設した多層構造としても良い。なお、図４においては、図３に示した構成と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３６】
図４に示すように遮光膜２の上部に対応する層間絶縁膜３の主面上には、遮光膜２と同じようにフォトダイオードＰＤの上方を覆う、網目状に形成された遮光膜４が配設されている。遮光膜４は、遮光膜２と同様に遮光体４１が１つ置きにマトリックス状に配設され、遮光体４１および遮光体４１間のスペース部分４２の配設位置が、それぞれ遮光膜２の遮光体２１およびスペース部分２２の配設位置と一致するように形成されている。
【００３７】
そして、層間絶縁膜３の主面全面に層間絶縁膜５が配設され、遮光膜４が層間絶縁膜５によって覆われている。ここで、層間絶縁膜５はプラズマ酸化膜で形成される。
【００３８】
なお、遮光膜４は、層間絶縁膜３の主面上に配設される第２配線層（図示せず）と同じ材質で、当該第２配線層と同じ工程で形成される。
【００３９】
このような構成を採ることで、層間絶縁膜５をプラズマ酸化膜で形成する際に、中間生成物として生じるＳｉＯＨ基やＳｉＨ基から脱離する水素基を、層間絶縁膜５中の水素基が遮光膜４のスペース部分４２および遮光膜２のスペース部分２２を通してフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達させることができ、水素基を有効に利用してフォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができる。
【００４０】
特に、遮光膜４の遮光体４１およびスペース部分４２の配設位置が、それぞれ遮光膜２の遮光体２１およびスペース部分２２の配設位置と一致するように形成されているので、水素基が通過しやすく、水素基を効率良くフォトダイオードＰＤの表面に到達させることができる。
【００４１】
なお、このように層間絶縁膜３上にさらに層間絶縁膜５を形成する場合は、層間絶縁膜３の形成後ではなく層間絶縁膜５の形成後に水素アニールを行うが、その際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進して、リーク電流低減の効果を高めることができる。
【００４２】
＜Ａ−４．変形例２＞
また、上述した変形例１においては、遮光膜４の遮光体４１およびスペース部分４２の配設位置が、それぞれ遮光膜２の遮光体２１およびスペース部分２２の配設位置と一致するように形成された構成を示したが、図５に示すように、遮光膜４の遮光体４１およびスペース部分４２が、それぞれ遮光膜２のスペース部分２２および遮光体２１の上部に重なるような構成としても良い。
【００４３】
すなわち、図５においては、遮光膜２のスペース部分２２の上方に遮光膜４の遮光体４１が存在し、遮光膜２の遮光体２１の上方に遮光膜４のスペース部分４２が存在するように遮光膜４が配設されている。
【００４４】
このような構成を採ることで、半導体基板１０２に対して垂直な方向から入射する光を遮光体２１および４１によってほぼ遮ることができ、フォトダイオードＰＤに到達する光を低減して、遮光効果を飛躍的に高めることができる。
【００４５】
一方、層間絶縁膜３および５中の水素基は、遮光膜２のスペース部分２２および遮光膜４のスペース部分４２を通ってフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができるので、遮光効果を損なうことなく、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができ、リーク電流低減の効果を高めることできる。
【００４６】
なお、以上の説明においては、遮光膜２および４は、それぞれ第１配線層および第２配線層と同じ工程で形成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、第ｎ配線層と同じ工程で遮光膜２を形成し、第ｎ配線層よりも１層上の第（ｎ＋１）配線層と同じ工程で遮光膜４を形成するということであれば、上述した効果を得ることができる。
【００４７】
ここで、図６および図７を用いて、遮光膜２を第ｎ配線層と同じ工程で形成し、遮光膜４を第（ｎ＋１）配線層と同じ工程で形成するものとして、半導体基板１０２に対して斜め方向から入射する光を遮蔽可能な遮光体２１および４１の配設条件について説明する。なお図６および図７においては遮光体４１の配置位置がスペース部分２２の上部に完全には一致していないが、これは斜め方向から入射した光の遮蔽を説明するための便宜的な表現である。
【００４８】
図６は、斜め方向から入射した光を、主として第（ｎ＋１）配線層と同じ工程で形成された遮光膜４によって遮るための遮光体２１および４１の配設条件を示す図である。
【００４９】
図６においては、遮光体２１と遮光体４１との間の層間絶縁膜３の厚さＨｎを薄くしており、この場合の条件式は以下の数式（１）および（２）で表される。
【００５０】
Ｘ：（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）＝Ｓ：Ｔｎ＋１・・・（１）
Ｘ＜２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１・・・（２）
【００５１】
上記数式（１）および（２）において、Ｘは特定の遮光体４１の端縁部から垂直に延在する直線が層間絶縁膜１と交わる位置から、上記特定の遮光体４１から入射光の進行方向側に数えて２つ目の遮光体２１の端縁部が層間絶縁膜１と交わる位置までの長さを表し、Ｔｎは遮光体２１の厚さ、Ｔｎ＋１は遮光体４１の厚さ、ｄｎ＋１は遮光体４１と遮光体２１との水平方向のずれの長さ、Ｌは遮光体２１および４１の幅、Ｓはスペース部分２２および４２の幅である。上記条件式に基づけば、以下の数式（３）を得ることができる。
【００５２】
｛Ｓ（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／Ｔｎ＋１｝＜（２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）・・・（３）
【００５３】
上記数式（３）を満たすように遮光体２１および４１を配設することで、斜め方向から入射した光を、主として第（ｎ＋１）配線層と同じ工程で形成された遮光膜４によって遮ることができる。
【００５４】
なお、真上からの入射光を遮るために、基本的には遮光体４１の配置位置がスペース部分２２の上部に一致するように配設するので、ｄｎ＋１＝Ｌとなり、数式（３）は、以下の数式（４）に書き直すことができる。
【００５５】
｛Ｓ（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／Ｔｎ＋１｝＜２Ｓ・・・（４）
【００５６】
図７は、斜め方向から入射した光を、主として第ｎ配線層と同じ工程で形成された遮光膜２によって遮るための遮光体２１および４１の配設条件を示す図である。
【００５７】
図７においては、遮光体２１と遮光体４１との間の層間絶縁膜３の厚さＨｎを厚くしており、この場合の条件式は以下の数式（５）および（６）で表される。
【００５８】
Ｘ：（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）＝Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１：Ｔｎ＋１＋Ｈｎ・・・（５）
Ｘ＞２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１・・・（６）
【００５９】
上記条件式に基づけば、以下の数式（７）を得ることができる。
【００６０】
｛（Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／（Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）｝＞（２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）・・・（７）
【００６１】
なお、上記数式（５）および（６）において、Ｘは、特定の遮光体４１の端縁部から垂直に延在する直線が層間絶縁膜１と交わる位置から、上記特定の遮光体４１の上部角部Ａと上記特定の遮光体４１から入射光の進行方向側に数えて１つ目の遮光体２１の上部角部Ｂとを結ぶ直線（図では直線状の入射光として表している）が層間絶縁膜１と交わる位置までの長さを表している。その他のパラメータについては数式（１）、（２）と同じである。
【００６２】
上記数式（７）を満たすように遮光体２１および４１を配設することで、斜め方向から入射した光を、主として第ｎ配線層と同じ工程で形成された遮光膜２によって遮ることができる。
【００６３】
なお、真上からの入射光を遮るために、基本的には遮光体４１の配置位置がスペース部分２２の上部に一致するように配設するので、ｄｎ＋１＝Ｌとなり、数式（７）は、以下の数式（８）に書き直すことができる。
【００６４】
｛Ｓ（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／（Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）｝＞２Ｓ・・・（８）
【００６５】
＜Ａ−５．変形例３＞
以上説明した実施の形態１およびその変形例１、２においては、遮光膜２および４は、それぞれ第１配線層および第２配線層と同じ工程で形成されるものとして説明したが、少なくともフォトダイオードＰＤに最も近い遮光膜２については、配線層とは異なる工程で形成しても良い。
【００６６】
すなわち、配線層はアルミニウム配線層（ＡｌＣｕなど）を中心層として、それをチタン（Ｔｉ）層やＴｉＮ層で挟んで構成されているが、Ｔｉは水素を吸収する性質を有しているので、少なくともフォトダイオードＰＤに最も近い遮光膜２についてはＴｉを含む層を有さない構成とすることで、水素の吸収を防止して、より多くの水素をフォトダイオードＰＤの表面に到達させて、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を効率的に終端化させることができる。なお、遮光膜４についても同様の構造としても良いことは言うまでもない。
【００６７】
製造方法の一例としては、配線層の形成において、中心層以外の配線層を形成する際には遮光膜の形成領域は保護のためのレジスト膜等で全面的に覆い、中心層を形成する場合には当該レジスト膜を除去し、中心層を形成するためのパターンに遮光膜のパターンを加えたマスクを用いて中心層を形成し、中心層形成後は遮光膜の形成領域は保護のためのレジスト膜等で全面的に覆うことで所望の遮光膜を得る。
【００６８】
＜Ｂ．実施の形態２＞
本発明に係る実施の形態２として、図８および図９において、フォトダイオードＰＤの上方にストライプ状の遮光膜２ａを間隔を開けて配設した構成を示す。なお、図８および図９においては、図２（ａ）および図３に示した構成と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
＜Ｂ−１．装置構成＞
図８は、図１に示す回路構成のうち、光学的黒を検出する無効画素領域の代表として選択した領域Ｒの構成を示す平面図であり、図９は、図８におけるＹ−Ｙ線での矢視断面図である。
【００７０】
図９に示すように、フォトダイオードＰＤを構成するＮ型ソース領域１０４およびＰ型不純物領域１０５の上部に対応する層間絶縁膜１の主面上には、複数のストライプ状の遮光体２１ａがストライプ状のスペース部分２２ａを間に挟んで互いに平行に配列されたストライプ状構造を有する遮光膜２ａが配設されている。なお、図９では遮光体２１ａの幅をＬ、スペース部分２２ａの幅をＳとして示す。
【００７１】
遮光膜２ａは、層間絶縁膜１の主面上に配設される第１配線層（図示せず）と同じ材質で、当該第１配線層と同じ工程で形成される。
【００７２】
なお、図８および図９では、遮光体２１ａの配列方向はゲート電極層１０８ａのゲート長方向に平行な方向となっているが、ゲート長方向に垂直に配列するようにしても良い。
【００７３】
そして、図９に示すように、層間絶縁膜１の主面全面に層間絶縁膜３が配設され、遮光膜２が層間絶縁膜３によって覆われている。
【００７４】
ここで、層間絶縁膜３はプラズマ酸化膜で形成され、層間絶縁膜３を形成した後、水素雰囲気中でのアニール処理（水素アニール）を行って、製造過程で生じたシリコンのダングリングボンドの終端化を行う。なお、水素アニールの条件は、４００〜４５０℃の温度条件下で、１００％の水素雰囲気中に半導体ウエーハを１５〜３０分間曝すことで実行される。
【００７５】
＜Ｂ−２．作用および効果＞
層間絶縁膜３をプラズマ酸化膜で形成する際に、中間生成物として生じるＳｉＯＨ基やＳｉＨ基から水素基が脱離して、層間絶縁膜３中には水素基が多数存在することになるが、フォトダイオードＰＤの上方には、複数のストライプ状の遮光体２１ａが間隔を開けて互いに平行に配列されたストライプ状構造の遮光膜２ａが配設されているので、図９に示すように、層間絶縁膜３中の水素基が遮光体２１ａ間のスペース部分２２ａを通ってフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができる。なお、遮光体２１ａをストライプ状とすることで、形成が容易にできる。
【００７６】
また水素アニールの際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進する。この結果、無効画素領域におけるフォトダイオードＰＤの表面におけるリーク電流の発生を抑制することができ、遮光膜２が存在しない有効画素領域とのリーク電流の差を解消することができ、有効画素領域の出力から無効画素領域の出力を差し引いて信号のノイズ成分を除去する際に、有効な信号成分が除去されることがなく、撮影画像の画質が低下することを防止できる。
【００７７】
＜Ｂ−３．変形例１＞
以上説明した実施の形態２の構成においては、フォトダイオードＰＤの上方にストライプ状構造の遮光膜２ａを配設した構成を示したが、図１０に示すように遮光膜２ａの上方に、さらに同様の遮光膜４ａを配設した多層構造としても良い。なお、図１０においては、図９に示した構成と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７８】
図１０に示すように遮光膜２ａの上部に対応する層間絶縁膜３の主面上には、遮光膜２ａと同じようにフォトダイオードＰＤの上方を覆う、ストライプ状の遮光膜４ａが配設されている。遮光膜４ａは、遮光膜２ａと同様に複数のストライプ状の遮光体４１ａがストライプ状のスペース部分４２ａを間に挟んで互いに平行に配列され、遮光体４１ａおよび遮光体４１ａ間のスペース部分４２ａの配設位置が、それぞれ遮光膜２ａの遮光体２１ａおよびスペース部分２２ａの配設位置と一致するように形成されている。
【００７９】
そして、層間絶縁膜３の主面全面に層間絶縁膜５が配設され、遮光膜４ａが層間絶縁膜５によって覆われている。ここで、層間絶縁膜５はプラズマ酸化膜で形成される。
【００８０】
なお、遮光膜４ａは、層間絶縁膜３の主面上に配設される第２配線層（図示せず）と同じ材質で、当該第２配線層と同じ工程で形成される。
【００８１】
このような構成を採ることで、層間絶縁膜５をプラズマ酸化膜で形成する際に、中間生成物として生じるＳｉＯＨ基やＳｉＨ基から脱離する水素基を、層間絶縁膜５中の水素基が遮光膜４ａのスペース部分４２ａおよび遮光膜２ａのスペース部分２２ａを通してフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達させることができ、水素基を有効に利用してフォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができる。
【００８２】
なお、このように層間絶縁膜３上にさらに層間絶縁膜５を形成する場合は、層間絶縁膜３の形成後ではなく層間絶縁膜５の形成後に水素アニールを行うが、その際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進して、リーク電流低減の効果を高めることができる。
【００８３】
＜Ｂ−４．変形例２＞
図１０では、遮光膜２ａの上方に配設する遮光膜４ａの遮光体４１ａの配列方向は、遮光膜２ａと同様にゲート電極層１０８ａのゲート長方向に平行な方向とした例を示したが、図１１に示すようにゲート長方向に垂直な方向に配列するようにしても良い。
【００８４】
すなわち、図１１に示すように、遮光膜４ａの遮光体４１ａは、遮光膜２ａの遮光体２１ａの配列方向と平面視的に直交するように配列されている。
【００８５】
このような構成を採ることで、層間絶縁膜５および３中の水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができる。また、水素アニールの際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進して、リーク電流低減の効果を高めることができる。
【００８６】
さらに、遮光膜４ａの遮光体４１ａを、遮光膜２ａの遮光体２１ａの配列方向と平面視的に直交するように配列することで、遮光体４１ａによって遮光膜２ａのスペース部分２２ａが覆われる部分が形成され、半導体基板１０２に対して垂直な方向から入射する光の大部分を遮光体２１ａおよび４１ａによって遮ることができ、フォトダイオードＰＤに到達する光を低減して、遮光効果を高めることができる。
【００８７】
＜Ｂ−５．変形例３＞
変形例１においては、遮光膜４ａの遮光体４１ａおよびスペース部分４２ａの配設位置が、それぞれ遮光膜２ａの遮光体２１ａおよびスペース部分２２ａの配設位置と一致するように形成された構成を示したが、図１２に示すように、遮光膜４ａの遮光体４１ａおよびスペース部分４２ａが、それぞれ遮光膜２ａのスペース部分２２ａおよび遮光体２１ａの上部に重なるような構成としても良い。
【００８８】
すなわち、図１２においては、遮光膜２ａのスペース部分２２ａの上方に遮光膜４ａの遮光体４１ａが存在し、遮光膜２ａの遮光体２１ａの上方に遮光膜４ａのスペース部分４２ａが存在するように遮光膜４ａが配設されている。
【００８９】
このような構成を採ることで、半導体基板１０２に対して垂直な方向から入射する光を遮光体２１ａおよび４１ａによってほぼ遮ることができ、フォトダイオードＰＤに到達する光を低減して、遮光効果を飛躍的に高めることができる。
【００９０】
一方、層間絶縁膜３および５中の水素基は、遮光膜２ａのスペース部分２２ａおよび遮光膜４ａのスペース部分４２ａを通ってフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができるので、遮光効果を損なうことなく、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を終端化することができ、リーク電流低減の効果を高めることできる。
【００９１】
なお、以上の説明においては、遮光膜２ａおよび４ａは、それぞれ第１配線層および第２配線層と同じ工程で形成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、第ｎ配線層と同じ工程で遮光膜２を形成し、第ｎ配線層よりも１層上の第（ｎ＋１）配線層と同じ工程で遮光膜４を形成するということであれば、上述した効果を得ることができる。
【００９２】
また、斜め方向から入射した光を遮るための遮光体２１ａおよび４１ａの配設条件については、数式（１）〜（８）を用いて説明した遮光体２１および４１の配設条件と同様である。
【００９３】
＜Ｂ−６．変形例４＞
図１３に示すように、遮光膜４ａの遮光体４１ａを、遮光膜２ａの遮光体２１ａの配列方向と平面視的に直交するように配列した構成において、層間絶縁膜５の主面上に、遮光膜４ａの上方を覆うようにストライプ状構造の遮光膜６ａを配設しても良い。遮光膜６ａは、遮光膜２ａおよび４ａと同様に複数のストライプ状の遮光体６１ａがストライプ状のスペース部分６２ａを間に挟んで互いに平行に配列されたストライプ状構造を有している。ここで、遮光膜６ａは、遮光体６１ａおよびスペース部分６２ａの配設位置が、それぞれ遮光膜２ａのスペース部分２２ａおよび遮光体２１ａの上部に重なるように配設されている。
【００９４】
遮光膜６ａは、層間絶縁膜５の主面上に配設される第３配線層（図示せず）と同じ材質で、当該第３配線層と同じ工程で形成される。なお、層間絶縁膜５の主面全面に層間絶縁膜７が配設され、遮光膜６ａが層間絶縁膜７によって覆われている。ここで、層間絶縁膜７はプラズマ酸化膜で形成される。
【００９５】
このような構成を採ることで、半導体基板１０２に対して垂直な方向から入射する光を遮光体２１ａ、４１ａおよび６１ａによってほぼ遮ることができ、フォトダイオードＰＤに到達する光を低減して、遮光効果を飛躍的に高めることができる。
【００９６】
なお、このように層間絶縁膜５上にさらに層間絶縁膜７を形成する場合は、層間絶縁膜７の形成後に水素アニールを行うが、その際にも、水素基がフォトダイオードＰＤの表面に容易に到達することができ、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位の終端化をさらに促進して、リーク電流低減の効果を高めることができる。
【００９７】
＜Ｂ−７．変形例５＞
以上説明した実施の形態２およびその変形例１〜４においては、遮光膜２ａ、４ａおよび６ａは、それぞれ第１配線層、第２配線層および第３配線層と同じ工程で形成されるものとして説明したが、少なくともフォトダイオードＰＤに最も近い遮光膜２ａについては、配線層とは異なる工程で形成しても良い。
【００９８】
すなわち、配線層はアルミニウムを含む合金層（ＡｌＳｉＣｕ，ＡｌＣｕ等）を中心層として、それをチタン（Ｔｉ）層やチタン化合物（ＴｉＮ、ＴｉＷ等）層で挟んで構成されているが、Ｔｉは水素を吸収する性質を有しているので、少なくともフォトダイオードＰＤに最も近い遮光膜２についてはＴｉを含む層を有さない構成とすることで、水素の吸収を防止して、より多くの水素をフォトダイオードＰＤの表面に到達させて、フォトダイオードＰＤの表面に存在する準位を効率的に終端化させることができる。なお、遮光膜４ａおよび４ｂについても同様の構造としても良いことは言うまでもない。なお、この構成は実施の形態１において説明した遮光膜２において採用しても良いことは言うまでもない。
【００９９】
製造方法の一例としては、配線層の形成において、中心層以外の配線層を形成する際には遮光膜の形成領域は保護のためのレジスト膜等で全面的に覆い、中心層を形成する場合には当該レジスト膜を除去し、中心層を形成するためのパターンに遮光膜のパターンを加えたマスクを用いて中心層を形成し、中心層形成後は遮光膜の形成領域は保護のためのレジスト膜等で全面的に覆うことで所望の遮光膜を得る。
【０１００】
【発明の効果】
本発明に係る請求項１記載の固体撮像素子によれば、光電変換蓄積部上に配設された少なくとも１層の遮光膜の平面構造が、遮光体とスペース部分とが規則的に配設された構造を有するので、少なくとも１層の遮光膜を覆う層間絶縁膜中の水素基が遮光体間のスペース部分を通って光電変換蓄積部の表面に容易に到達することができ、光電変換蓄積部の表面に存在する準位を終端化することができる。また水素アニールの際にも、水素基が光電変換蓄積部の表面に容易に到達することができ、光電変換蓄積部の表面に存在する準位の終端化をさらに促進する。従って、当該遮光膜を有する固体撮像素子を、光学的黒を検出する無効画素領域に用いた場合、無効画素領域における光電変換蓄積部の表面におけるリーク電流の発生を抑制することができ、被写体の光情報を検出する有効画素領域とのリーク電流の差を解消することができ、有効画素領域の出力から無効画素領域の出力を差し引いて信号のノイズ成分を除去する際に、有効な信号成分が除去されることがなく、撮影画像の画質が低下することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＯＳ型イメージセンサを備えた半導体装置の回路構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１の固体撮像素子の構成を示す平面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態１の変形例１の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の変形例２の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態１の変形例２の固体撮像素子の遮光膜の配設条件を説明するための図である。
【図７】本発明に係る実施の形態１の変形例２の固体撮像素子の遮光膜の配設条件を説明するための図である。
【図８】本発明に係る実施の形態２の固体撮像素子の構成を示す平面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態２の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態２の変形例１の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態２の変形例２の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態２の変形例３の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態２の変形例４の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２，４，２ａ，４ａ，６ａ 遮光膜、２１，４１，２１ａ，４１ａ，６１ａ 遮光体、２２，４２，２２ａ，４２ａ，６２ａ スペース部分。

Claims (12)

1. 入射光を電気信号に変換し、生成された電荷を蓄積する光電変換蓄積部と、
   前記光電変換蓄積部の上方に配設された少なくとも１層の遮光膜とを備え、
   前記少なくとも１層の遮光膜の平面構造は、
   遮光体とスペース部分とが規則的に配設された構造を有する固体撮像素子。
2. 前記遮光体は、独立した複数の遮光体を含み、
   前記少なくとも１層の遮光膜の平面構造は、
   前記遮光体間に前記スペース部分が配設されるように、前記遮光体が網目状に配設された網目状構造を有する、請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記少なくとも１層の遮光膜は、
   それぞれ層間絶縁膜を間に挟んで配設された多層の遮光膜であって、全ての層が前記網目状構造を有する、請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記遮光体は、ストライプ状の複数の遮光体を含み、
   前記スペース部分は、ストライプ状の複数のスペース部分を含み、
   前記少なくとも１層の遮光膜の平面構造は、
   前記遮光体間に前記スペース部分を挟むように、前記遮光体が互いに平行に配列されたストライプ状構造を有する、請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記少なくとも１層の遮光膜は、それぞれ層間絶縁膜を間に挟んで配設された多層の遮光膜であって、
   全ての層が前記ストライプ状構造を有する、請求項４記載の固体撮像素子。
6. 前記多層の遮光膜は、
   第ｎ層目の遮光膜の遮光体およびスペース部分の上方をそれぞれ覆うように、第（ｎ＋１）層目の遮光膜の遮光体およびスペース部分が配設される、請求項３または請求項５記載の固体撮像素子。
7. 前記多層の遮光膜は、
   第ｎ層目の遮光膜の遮光体およびスペース部分の上方をそれぞれ覆うように、第（ｎ＋１）層目の遮光膜のスペース部分および遮光体が配設される、請求項３または請求項５記載の固体撮像素子。
8. 前記第ｎ層目の遮光膜および前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜は、それぞれの前記スペース部分の寸法Ｓが同一で、それぞれの前記遮光体の寸法Ｌが同一であって、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体の高さをＴｎ、
   前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体の高さをＴｎ＋１、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体と前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体との間の前記層間絶縁膜の厚さをＨｎ、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体と前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体との水平方向のずれの長さをｄｎ＋１とした場合、
   前記第ｎ層目の遮光膜および前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜は、
   ｛Ｓ（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／Ｔｎ＋１｝＜（２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）を満たすように配設される、請求項７記載の固体撮像素子。
9. 前記第ｎ層目の遮光膜および前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜は、それぞれの前記スペース部分の寸法Ｓが同一で、それぞれの前記遮光体の寸法Ｌが同一であって、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体の高さをＴｎ、
   前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体の高さをＴｎ＋１、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体と前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体との間の前記層間絶縁膜の厚さをＨｎ、
   前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体と前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜の前記遮光体との水平方向のずれの長さをｄｎ＋１とした場合、
   前記第ｎ層目の遮光膜および前記第（ｎ＋１）層目の遮光膜は、
   ｛（Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）（Ｔｎ＋Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）／（Ｔｎ＋１＋Ｈｎ）｝＞（２Ｓ＋Ｌ−ｄｎ＋１）を満たすように配設される、請求項７記載の固体撮像素子。
10. 前記多層の遮光膜は、
    第（ｎ＋１）層目の遮光膜の遮光体およびスペース部分の配列方向が、第ｎ層目の遮光膜の遮光体およびスペース部分の配列方向と平面視的に直交するように配設される、請求項５記載の固体撮像素子。
11. 前記多層の遮光膜は、
    第（ｎ＋２）層目の遮光膜は、そのスペース部分および遮光体が、前記第ｎ層目の遮光膜の前記遮光体および前記スペース部分の上方に対応する部分をそれぞれ覆うように配設される、請求項１０記載の固体撮像素子。
12. 前記少なくとも１層の遮光膜は、それぞれ層間絶縁膜を間に挟んで配設された多層の遮光膜であって、
    前記光電変換蓄積部の真上の第１層目の遮光膜はチタン層を含まない構造を有する、請求項２または請求項４記載の固体撮像素子。

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