JP2002246583A

JP2002246583A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2002246583A
Application number: JP2001036640A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujita; 博明藤田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP4714998B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡素で、少ない工程数で作製でき、さ
らに光の入射方向による感度差が少なく、かつ感度ムラ
が生じにくい、集光率の高い固体撮像素子を実現する。【解決手段】フォトダイオードである光電変換素子４
は、ｐ型の半導体基板６の表面部にｐ型領域８およびｎ
型領域１０を局所的に積層して形成されている。光電変
換素子４の両側の基板表面部には、垂直電荷転送レジス
ター１２を構成すべくｎ型不純物を含む垂直転送路１１
８が形成され、その上に凹部１４が形成されている。そ
して、凹部１４の内側に絶縁膜１６を介して転送電極１
８が形成され、転送電極１８の上面は基板表面と同じ高
さとなっており、その上に遮光膜２０が形成されてい
る。そのため、光電変換素子４に斜めに入射する光１４
０は、従来のように遮光膜２０によって遮られることな
く光電変換素子４に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の固体撮像素子の一例を示す
平面図、図３は図２における直線Ａに沿った断面を示す
部分断面側面図である。図２に示した固体撮像素子１０
２は、インターライン型の固体撮像素子であり、シリコ
ンから成る半導体基板１０４上に多数の光電変換素子１
０６を相互に間隔をおきマトリクス状に近接配置して構
成されている。そして光電変換素子１０６の各列ごとに
ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃ
ｅ）構造の垂直電荷転送レジスター１０８が、光電変換
素子１０６の列方向（矢印Ｖ）に延設され、垂直電荷転
送レジスター１０８の一端部側に同じくＣＣＤ構造の水
平電荷転送レジスター１１０が、光電変換素子１０６の
行方向（矢印Ｈ）に延設されている。水平電荷転送レジ
スター１１０の一方の端部にはアンプ部１１２が形成さ
れている。

【０００３】このような構成において、各列の各光電変
換素子１０６が光を受けて生成した信号電荷は、光電変
換素子１０６と垂直電荷転送レジスター１０８との間に
介在する読み出し領域を経て、対応する垂直電荷転送レ
ジスター１０８に出力され、垂直電荷転送レジスター１
０８はこの信号電荷を順次、水平電荷転送レジスター１
１０に向けて転送する。水平電荷転送レジスター１１０
は各垂直電荷転送レジスター１０８から信号電荷を受け
取ってアンプ部１１２に転送し、アンプ部１１２は転送
されてきた信号電荷にもとづき出力端子１１３を通じて
映像信号を出力する。

【０００４】断面図を参照して光電変換素子１０６周辺
を詳しく説明すると、図３に示したように、光電変換素
子１０６はｐ型の半導体基板１０４の表面部に局所的に
積層されたｐ型領域（図示せず）およびｎ型領域（図示
せず）から成り、図３ではその左側の半導体基板表面部
に、対応する垂直電荷転送レジスター１０８が形成され
ている。垂直電荷転送レジスター１０８は、その延在方
向（図３では紙面に垂直な方向）に延在する垂直転送路
１１８と、垂直転送路１１８の上に絶縁膜１２０を介し
て、垂直転送路１１８の延在方向に配列された複数の転
送電極１２２とを含んで構成されている。

【０００５】また、光電変換素子１０６と、光電変換素
子１０６に隣接して同光電変換素子が生成した信号電荷
を転送する垂直転送路１１８とは、それらの間に介在す
る、高濃度のｐ型不純物を含む読み出しゲート１２４に
より分離され、一方、光電変換素子１０６と、光電変換
素子１０６に隣接する他の垂直転送路１１８とは、それ
らの間に介在する、高濃度のｐ型不純物を含むチャンネ
ルストップ領域１２６により分離されている。

【０００６】そして、半導体基板１０４の表面は、光電
変換素子１０６の上部の箇所を除いて遮光膜１２８で覆
われ、その上に、透明な絶縁層１３０を介して、下に凸
で上面が平坦な層内レンズ１３２が各光電変換素子１０
６ごとに形成されている。層内レンズ１３２上には、各
光電変換素子１０６ごとに赤、青、緑のいずれかの色の
光を選択的に透過させるカラーフィルター１３４が配置
され、その上に、各光電変換素子１０６ごとにオンチッ
プレンズ１３６が配置されている。

【０００７】このような構成において、オンチップレン
ズ１３６に入射した光１３８は、オンチップレンズ１３
６および層内レンズ１３２により集光されて光電変換素
子１０６に入射し、光電変換素子１０６は入射光により
信号電荷を生成する。光電変換素子１０６で生成された
信号電荷は、対応する垂直電荷転送レジスター１０８に
供給され、垂直転送路１１８を水平電荷転送レジスター
１１０（図２）に向けて転送される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
固体撮像素子１０２では、オンチップレンズ１３６の中
央部に入射した光１３８はオンチップレンズ１３６およ
び層内レンズ１３２の作用により効果的に集光されて光
電変換素子１０６に入射するものの、周辺部に入射した
光１４０は、図３に示したように、レンズの作用により
光電変換素子１０６方向に屈折しても、遮光膜１２８の
エッジ部１４２で遮られてしまい、光電変換素子１０６
に到達することができない。

【０００９】このような現象は、近年の画素サイズの縮
小傾向とともに顕著となってきている。すなわち、光電
変換素子１０６の幅Ｗが小さくなるほど、転送電極１２
２上の遮光膜１２８の高さＨの影響が大きくなり、光電
変換素子１０６に斜めから入射する光は遮光膜１２８に
よっていそう遮られ易くなる。そのため、集光率が低下
し、固体撮像素子１０２の感度が低下する結果となって
いる。

【００１０】また、オンチップレンズ１３６に対して最
初から斜めに入射した光は、オンチップレンズ１３６に
対して正面から入射した光、すなわち光電変換素子１０
６に対し垂直に入射した光より、遮光膜１２８のエッジ
部１４２で遮られる割合が多くなる。したがって、従来
の固体撮像素子１０２では、固体撮像素子１０２に対
し、光が正面から入射する場合と、斜めの方向から入射
する場合とで、固体撮像素子１０２の感度に差が生じて
いる。

【００１１】上記層内レンズ１３２はこれら問題を緩和
すべく設けられているが、層内レンズ１３２だけでは不
十分である。また、層内レンズ１３２の形成には熱処理
などを含め多くの工程が必要であり、さらに層内レンズ
１３２を設けることにより基板上層部の構造が複雑にな
っている。

【００１２】また、入射光が遮光膜１２８のエッジ部１
４２で遮られる割合は、転送電極１２２の位置や高さに
より変化する。そのため、製造時の誤差によって転送電
極１２２の位置や高さにバラツキが生じた場合、固体撮
像素子１０２の感度が固体撮像素子１０２上の位置によ
り異なってしまい、製造歩留まりが低下する結果となっ
ている。

【００１３】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、構造が簡素で、少ない工
程数で作製でき、さらに光の入射方向による感度差が少
なく、かつ感度ムラが生じにくい、集光率の高い固体撮
像素子を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、第１導電型の半導体基板上に相互に近接して
マトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、前記
光電変換素子の各列に沿って前記半導体基板上に形成さ
れたＣＣＤ構造の電荷転送レジスターとを備え、前記電
荷転送レジスターは、前記半導体基板の表面部に、前記
光電変換素子の列方向に延設された第２導電型の電荷転
送路と、同電荷転送路上に配列された複数の転送電極と
を含んで前記光電変換素子が受光して生成した信号電荷
を転送する固体撮像素子であって、前記電荷転送路の上
に凹部が形成され、前記転送電極は、前記凹部内に配設
されていることを特徴とする。

【００１５】すなわち、本発明の固体撮像素子では、転
送電極が、電荷転送路の上に形成された凹部内に配設さ
れているので、その上部は基板表面から突出しないか、
あるいは突出しても突出量はわずかである。したがっ
て、光電変換素子に斜めに入射する光は、転送電極ある
いは転送電極上に形成された遮光膜によって遮られるこ
とがなく、その結果、層内レンズを設けなくとも集光率
を充分に高めて固体撮像素子の感度を向上させることが
できる。

【００１６】そして、光電変換素子に斜めに入射する光
が、転送電極や遮光膜などによって遮られないことか
ら、固体撮像素子に対し正面から入射する光と、斜めか
ら入射する光とに対して感度差が小さく、さらに、転送
電極の位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像
素子上の位置による感度変動も低減できる。また、凹部
の形成や、凹部内への転送電極形成は容易であって必要
な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要となること
から、全体として工程数を削減することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明による固体撮
像素子の一例を示す部分断面側面図である。図中、図
２、図３と同一の要素には同一の符号が付されている。
ここで説明する実施の形態例としての固体撮像素子は、
インターライン型の固体撮像素子であり、光電変換素
子、垂直電荷転送レジスター、水平電荷転送レジスター
の配置などの基本的な構成は図２に示した固体撮像素子
と同じである。すなわち、シリコンから成る半導体基板
上に多数の光電変換素子を相互に間隔をおきマトリクス
状に配列して構成され、光電変換素子の各列ごとにＣＣ
Ｄ構造の垂直電荷転送レジスターが、光電変換素子の列
方向に延設され、垂直電荷転送レジスターの一端部側に
ＣＣＤ構造の水平電荷転送レジスターが配置されてい
る。また水平電荷転送レジスターの一方の端部にはアン
プ部が形成されている。

【００１８】図１は図３と同様、光電変換素子の行方向
における光電変換素子周辺の詳しい断面を示し、図１に
示したように、本実施の形態例の固体撮像素子２では、
フォトダイオードである光電変換素子４は、ｐ型（本発
明に係わる第１導電型）の半導体基板６の表面部にｐ型
領域８およびｎ型（本発明に係わる第２導電型）の領域
（ｎ型領域１０）を局所的に積層して形成され、ｐ型領
域８はｎ型領域１０より半導体基板６の表面側に形成さ
れている。

【００１９】光電変換素子４の両側の基板表面部には、
垂直電荷転送レジスター１２を構成すべくｎ型不純物を
含む垂直転送路１１８が形成され、本実施の形態例で
は、その上に凹部１４が形成されている。凹部１４の光
電変換素子４側の側壁は、本実施の形態例では、図１に
示したように傾斜しており、凹部１４の幅は浅い位置ほ
ど広くなっている。凹部１４の内面には、たとえばシリ
コンの酸化物による絶縁膜１６が被着され、そして、こ
の絶縁膜１６を介し凹部１４の内側に、たとえばポリシ
リコンを充填して複数の転送電極１８が、垂直転送路１
１８の延在方向（図１の紙面に垂直な方向）に所定ピッ
チで形成されている。

【００２０】転送電極１８の上面は、本実施の形態例で
は、半導体基板６の表面、すなわちｐ型領域８の上面と
同じ高さとなっている。そして、半導体基板６の表面は
絶縁膜１６により覆われ、絶縁膜１６の上には光電変換
素子４の箇所を除いて、遮光膜２０が形成されている。
遮光膜２０および絶縁膜１６の上にはカラーフィルター
１３０が配置され、その上にオンチップレンズ１３２が
形成されている。

【００２１】また、光電変換素子４と、光電変換素子４
に隣接して同光電変換素子４が生成した信号電荷を転送
する垂直転送路１１８とは、それらの間に介在する、高
濃度のｐ型不純物を含む読み出しゲート２１により分離
され、一方、光電変換素子４と、光電変換素子４に隣接
する他の垂直転送路１１８とは、それらの間に介在す
る、高濃度のｐ型不純物を含むチャンネルストップ領域
２２により分離されている。

【００２２】上記凹部１４は、たとえば、半導体基板６
上にシリコンの窒化物による膜を形成して、凹部１４の
箇所で開口させるべくパターン化し、このシリコン窒化
物の膜をマスクとして、たとえばドライエッチングを行
って形成することができる。また、絶縁膜１６は、シリ
コンの熱酸化などにより形成でき、転送電極１８は、凹
部１４の内面に絶縁膜１６を形成した後、凹部１４内に
ポリシリコンを堆積させて形成することができる。

【００２３】このように構成された固体撮像素子２で
は、転送電極１８が垂直転送路１１８の上に形成された
凹部１４の内側に配設され、その上部は基板表面から突
出していないので、オンチップレンズ１３２により屈折
して光電変換素子４に斜めに入射する光１４０は、従来
のように遮光膜によって遮られることなく光電変換素子
４に入射する。したがって、固体撮像素子２では、層内
レンズは不要であり、しかも層内レンズを用いた従来の
固体撮像素子より高い集光率が得られ、固体撮像素子２
の感度が向上する。

【００２４】そして、光電変換素子４に斜めに入射する
光が遮光膜２０によって遮られないことから、固体撮像
素子２に対し正面から入射する光と、斜めから入射する
光とに対して感度差が小さくなる。さらに、転送電極の
位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像素子２
上の位置による感度変動も低減できる。また、凹部１４
の形成や、凹部１４内への転送電極の形成は容易であっ
て必要な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要とな
ることから、全体として工程数を削減することができ
る。

【００２５】なお、本実施の形態例では、凹部１４の側
壁は上述のように傾斜させるとしたが、側壁を傾斜させ
ない構成とすることも可能であり、その場合にも本発明
は有効である。ただし、側壁が傾斜した構造とする方
が、転送電極１８の上部が光電変換素子４側に迫り出
し、転送電極１８と光電変換素子４との距離が短くなる
ため、光電変換素子４により生成された信号電荷を効率
よく垂直転送路１１８に移行させることができる。した
がって、この点では、凹部１４の側壁を傾斜させる構造
とすることが好ましい。

【００２６】また、本実施の形態例では、転送電極１８
の上面はｐ型領域８の上面と同じ高であるとしたが、転
送電極１８の上部は、半導体基板６の表面から若干突出
していてもよく、その場合にも、斜めに入射した光が遮
られないか、あるいは遮られてもその量を僅かなものと
できる。さらに、転送電極１８の上部が半導体基板６の
表面より低い位置となる構造とすることも可能である。

【００２７】本実施の形態例では、転送電極１８はポリ
シリコンにより形成するとしたが、転送電極１８をアル
ミニウムやタングステンなどの金属材料により形成する
ことも可能である。その場合には、入射光は転送電極１
８により遮られるため、斜光膜２０は不要となり、入射
角の大きい光も光電変換素子４に到達するので、集光率
はいっそう向上する。また、斜光膜を形成するための工
程が不要となるので、製造コストの削減にも有利であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子では、転送電極が、電荷転送路の上に形成された凹部
内に配設されているので、その上部は基板表面から突出
しないか、あるいは突出しても突出量はわずかである。
したがって、光電変換素子に斜めに入射する光は、転送
電極あるいは転送電極上に形成された遮光膜によって遮
られることがなく、その結果、層内レンズを設けなくと
も集光率を充分に高めて固体撮像素子の感度を向上させ
ることができる。

【００２９】そして、光電変換素子に斜めに入射する光
が、転送電極や遮光膜などによって遮られないことか
ら、固体撮像素子に対し正面から入射する光と、斜めか
ら入射する光とに対して感度差が小さく、さらに、転送
電極の位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像
素子上の位置による感度変動も低減できる。また、凹部
の形成や、凹部内への転送電極形成は容易であって必要
な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要となること
から、全体として工程数を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断
面側面図である。

【図２】従来の固体撮像素子の一例を示す平面図であ
る。

【図３】図２における直線Ａに沿った断面を示す部分断
面側面図である。

【符号の説明】

２……固体撮像素子、４……光電変換素子、６……半導
体基板、８……ｐ型領域、１０……ｎ型領域、１２……
垂直電荷転送レジスター、１４……凹部、１６……絶縁
膜、１８……転送電極、２０……遮光膜、２２……チャ
ンネルストップ領域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板上に相互に近接
してマトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子の各列に沿って前記半導体基板上に形
成されたＣＣＤ構造の電荷転送レジスターとを備え、前
記電荷転送レジスターは、前記半導体基板の表面部に、
前記光電変換素子の列方向に延設された第２導電型の電
荷転送路と、同電荷転送路上に配列された複数の転送電
極とを含んで前記光電変換素子が受光して生成した信号
電荷を転送する固体撮像素子であって、前記電荷転送路の上に凹部が形成され、前記転送電極は、前記凹部内に配設されていることを特
徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記転送電極の上面と、前記光電変換素
子の上面とはほぼ同一の高さに形成されていることを特
徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記凹部の内面に絶縁膜が被着され、前
記凹部の内面と前記転送電極との間に前記絶縁膜が介在
していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素
子。
【請求項４】前記転送電極および前記光電変換素子の
上面は絶縁膜により覆われていることを特徴とする請求
項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】前記凹部の前記光電変換素子側の側壁
は、前記凹部の幅が浅い位置ほど広くなるように傾斜し
て形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体
撮像素子。
【請求項６】各光電変換素子ごとに入射光を前記光電
変換素子に集めるオンチップレンズが各光電変換素子の
上方に形成されていることを特徴とする請求項１記載の
固体撮像素子。
【請求項７】各光電変換素子ごとに入射光を前記光電
変換素子に集める層内レンズが、各光電変換素子とオン
チップレンズとの間に形成されていることを特徴とする
請求項６記載の固体撮像素子。
【請求項８】前記光電変換素子の上方にカラーフィル
ターが設けられ、前記カラーフィルターはオンチップレ
ンズの下に配置されていることを特徴とする請求項６記
載の固体撮像素子。
【請求項９】前記光電変換素子は、前記半導体基板の
表面部に局所的に積層された第１導電型および第２の導
電型の領域を含むフォトダイオードにより構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。