JP2003078826A

JP2003078826A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2003078826A
Application number: JP2001269722A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shiiba; 智宏椎葉
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトセンサの感度向上と垂直転送レジスタ
のダイナミックレンジ向上を両立する。【解決手段】垂直転送レジスタの転送電極１３が、フ
ォトセンサの受光領域１９の深部に埋め込まれており、
垂直転送レジスタの垂直電荷転送領域１６もフォトセン
サの受光領域１９の深部に形成されている。フォトセン
サの受光領域１９に蓄積した信号電荷は、読み出しゲー
ト領域１８を介して単結晶Ｓｉ基板１１の深さ方向に読
み出される。このような構造により、受光領域１９も垂
直電荷転送領域１６もほぼ単位画素（ユニットセル）と
ほぼ同等の大きさまで面積を拡大することができるよう
になり、感度向上とダイナミックレンジ向上を同時に達
成することができることになる。さらに、転送電極１３
が埋め込まれていることで、受光領域１９の両側の構造
物による感度低下の問題も解決できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトセンサ部に
蓄積した信号電荷をインタライン転送方式またはフレー
ムインタライン転送方式によって転送する垂直電荷転送
領域を有する固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＣＣＤを用いた固体撮像素子
として、半導体基板上に２次元マトリクス状に配列され
た複数のフォトセンサと、このフォトセンサの各列毎に
設けられた複数の垂直転送レジスタと、この垂直転送レ
ジスタからの信号電荷を出力部に転送する水平転送レジ
スタと、信号電荷を電圧信号に変換する出力部とを設け
たものが知られている。そして、このような固体撮像素
子では、フォトセンサで受光量に応じた信号電荷を生成
し、この信号電荷を垂直転送レジスタに読み出して水平
転送レジスタに順次転送し、さらに、この信号電荷を水
平転送レジスタから出力部に順次転送することで、信号
電荷を順次電圧信号に変換し、撮像信号として出力す
る。

【０００３】なお、上述のように２次元マトリクス状に
配列されたフォトセンサの各列に沿って垂直転送レジス
タを配置し、この垂直転送レジスタに転送電荷を読み出
して転送する方式をインタライン転送方式といい、さら
に、フォトセンサの各列と垂直転送レジスタとの間に電
荷の蓄積部を設けた方式をフレームインタライン転送方
式という。また、垂直転送レジスタ及び水平転送レジス
タは、それぞれ電荷転送領域を半導体基板の表面部に形
成し、その上面に絶縁膜を介して転送電極を配置したも
のであり、転送電極に所定の転送クロックを印加するこ
とにより、電荷転送領域中の信号電荷を順次次段に転送
する構造となっている。

【０００４】図４は、このような従来の固体撮像素子に
おけるフォトセンサと垂直転送レジスタの具体的構造例
を示す概略断面図である。図示のように、この固体撮像
素子においては、単結晶Ｓｉ基板１の上層部にフォトセ
ンサの受光領域２、チャネルストップ領域３、垂直転送
レジスタの垂直電荷転送領域４、読み出しゲート領域５
がほぼ並列に形成されている。また、単結晶Ｓｉ基板１
の上面には、絶縁膜６を介して垂直転送レジスタの２層
の転送電極８が設けられ、その上部に遮光膜９が設けら
れている。さらに、その上層に平坦化膜を兼ねた絶縁膜
７が設けられ、その上にマイクロレンズ１０が配置され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
固体撮像素子においては、半導体基板の表面領域（ある
いは表面近傍領域）にフォトセンサの受光領域と垂直転
送レジスタの垂直電荷転送領域を並べて形成し、受光領
域から垂直電荷転送領域へは読み出しゲート領域を介し
て半導体基板のほぼ板面方向に信号電荷を読み出す構造
となっている。従って、撮像部全体の面積に対し、フォ
トセンサの受光領域の面積と垂直転送レジスタの垂直電
荷転送領域の面積とがトレードオフの関係となり、それ
らに対応した特性値である感度とダイナミックレンジも
トレードオフの関係となってしまう。つまり、感度の向
上を図るために受光領域を拡大すると、垂直電荷転送領
域が小さくなってダイナミックレンジが犠牲となり、逆
に、ダイナミックレンジの向上ために垂直電荷転送領域
を拡大すると、受光領域が小さくなって感度が犠牲とな
るという問題が生じる。

【０００６】また、上記従来の固体撮像素子において
は、フォトセンサの受光領域と垂直転送レジスタの垂直
電荷転送領域を並べて形成した構造であるが故に、受光
領域の両側に転送電極やスミア抑圧のための遮光膜が積
み上げられることとなる。しかし、このような構造の場
合には、マイクロレンズの集光状態によっては入射光の
一部が受光領域の両側の積層物に遮られ、感度低下を招
く恐れもある。

【０００７】そこで本発明の目的は、撮像部全体の面積
に対してフォトセンサの受光領域の面積と垂直転送レジ
スタの垂直電荷転送領域の面積の双方を拡大でき、フォ
トセンサの感度向上と垂直転送レジスタのダイナミック
レンジ向上を両立でき、さらに半導体基板の表面部にお
ける積層物の平坦化を図り、フォトセンサへの入射効率
を改善できる固体撮像素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板に２次元マトリクス状に配列され
てそれぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する複数のフ
ォトセンサと、前記フォトセンサに蓄積された信号電荷
をインタライン転送方式またはフレームインタライン転
送方式によって転送する垂直電荷転送領域とを設けた固
体撮像素子において、前記垂直電荷転送領域及びその転
送電極が半導体基板中の前記フォトセンサの受光領域の
深部に埋め込み形成され、半導体基板中で信号電荷の転
送を行うようにしたことを特徴とする。

【０００９】本発明の固体撮像素子では、フォトセンサ
の受光領域と垂直転送レジスタの垂直電荷転送領域が半
導体基板の深さ方向に別れて配置され、同一面内で干渉
しない構造を有する。このため、撮像部全体の面積に対
して受光領域と垂直電荷転送領域とを独立に拡大するこ
とができ、感度及びダイナミックレンジの特性を同時に
最適化することが可能となる。また、転送電極の埋め込
みによって、受光領域の両側の構造物（転送電極や遮光
膜）が無くなるため、マイクロレンズの集光状態にかか
わらず、効率的に入射光を受光領域に取り込むことがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
の実施の形態例について説明する。なお、以下に説明す
る実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的
に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲
は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記
載がない限り、これらの態様に限定されないものとす
る。

【００１１】図１は、本発明の実施の形態による固体撮
像素子におけるフォトセンサと垂直転送レジスタの具体
的構造例を示す概略断面図である。図示のように、この
固体撮像素子においては、垂直転送レジスタの転送電極
１３が、フォトセンサの受光領域１９の深部に埋め込ま
れており、垂直転送レジスタの垂直電荷転送領域１６も
フォトセンサの受光領域１９の深部（図示の例では転送
電極１３の上層）に形成されている。そのため、フォト
センサの受光領域１９に蓄積した信号電荷は、読み出し
ゲート領域１８を介して単結晶Ｓｉ基板１１の深さ方向
に読み出される。このような構造を採用した場合、受光
領域１９も垂直電荷転送領域１６もほぼ単位画素（ユニ
ットセル）とほぼ同等の大きさまで面積を拡大すること
ができるようになり、感度向上とダイナミックレンジ向
上を同時に達成することができることになる。さらに、
転送電極１３が埋め込まれていることで、受光領域１９
の両側の構造物による感度低下の問題も解決できる。

【００１２】また、本実施の形態における固体撮像素子
は、電子シャッタ機能を有するものであり、この電子シ
ャッタ機能を実現するためのシャッタ電極１５も埋め込
まれている。そして、このシャッタ電極１５に対して個
々にシャッタ電圧を印加する手段を有している。例え
ば、フォトセンサの各列方向あるいは各行方向のライン
単位でシャッタ電極１５がパターン形成されており、こ
のラインを選択して個別にシャッタ電圧を印加してシャ
ッタ動作を行うという特殊な構成となっている。なお、
共通のシャッタ電圧を印加するシャッタ電極１５の組み
合わせは、シャッタ電極のパターンにより可変である。
このような機能により、各ユニットセルについて列方向
や行方向のライン単位で異なるシャッタ電圧と異なるタ
イミングでシャッタ動作を行うことができ、例えば色成
分毎に最適なシャッタ動作を行える構成となっている。

【００１３】なお、転送電極１３及びシャッタ電極１５
は、単結晶Ｓｉ基板１１の中層に設けられた絶縁膜１４
中に設けられ、この絶縁膜１４の上層に垂直電荷転送領
域１６、チャネルストップ領域１７、シャッタ電極コン
タクト用拡散層１２が設けられており、垂直電荷転送領
域１６と受光領域１９との間が読み出しゲート領域１８
となっている。また、シャッタ電極コンタクト用拡散層
１２は絶縁膜１４の下層にも設けられている。さらに、
各ユニットセルの間には、画素分離領域２０が設けられ
ている。

【００１４】次に、以上のような固体撮像素子の製造方
法について説明する。図２及び図３は、本例における固
体撮像素子の製造工程の具体例を示す概略断面図であ
る。なお、ここでは前述の通り、一例としてシャッタ機
能を有する固体撮像素子のＮ型単結晶Ｓｉ基板上への作
製プロセスについて説明する。まず、図２（Ａ）におい
て、単結晶Ｓｉ基板２３上に絶縁膜を形成後、垂直電荷
転送のための転送電極２５を形成する。なお、電極材料
に関しては特に限定しないが、その後の熱プロセス中の
コンタミネーションを避けるため、あるいは良好な層間
膜を得るために、金属電極よりも多結晶Ｓｉ電極の方が
好ましい。また、この時の転送電極の形成方法として
は、垂直電荷転送領域までの距離を一定に保つために、
転送電極同士の重なりのない、いわゆる単層電極構造で
あることが望ましい。なお、この単層電極構造は公知の
技術であるので説明は省略する。次に、転送電極２５を
形成後、絶縁膜２６を例えばＣＶＤ（化学気相堆積法）
により堆積する。その後、絶縁膜２６の一部を除去し、
下層のシャッタ電極コンタクト用拡散層２４を例えばＮ
型不純物のイオン注入法により形成する。

【００１５】次に、このシャッタ電極２７の形成後、図
２（Ｂ）に示すように、一度、半導体基板表面全体を例
えばＣＭＰ（化学的機械研磨法）により平坦化する。こ
こで、絶縁基板上にＳｉ単結晶膜を成長させる方法とし
て、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏ
ｒ）技術を利用する。まず、平坦化された絶縁膜２６上
に、多結晶Ｓｉ膜２９を一様に堆積する。なお、膜厚と
して例えば０．５〜１．０μｍ程度とする。この時、多
結晶Ｓｉ膜２９は素子チップの周辺部で単結晶Ｓｉ基板
２３と接している必要がある。その後、堆積された多結
晶Ｓｉ膜を可動熱源３０によって溶融する。熱源として
は、ヒータ、白熱ランプ、レーザ、あるいは電子ビーム
など様々なものが知られている。可動熱源３０によって
溶融された多結晶Ｓｉ膜２９のＳｉ結晶は、熱源３０の
移動方向（図中矢印ａ方向）に動き、素子チップの周辺
部で接している単結晶Ｓｉ基板２３が種結晶となって成
長し、平坦化された絶縁膜２６上に単結晶Ｓｉ膜２８が
形成される。

【００１６】次に、図２（Ｃ）において、上記の方法に
よって絶縁膜２６上に成長した単結晶Ｓｉ膜２８を種結
晶として、さらに厚い単結晶Ｓｉ膜をエピタキシャル成
長させる。そして、このようにして絶縁膜２６上に堆積
した単結晶Ｓｉ膜に対し、画素分離領域３５を形成す
る。この画素分離領域３５の形成方法としては、Ｐ型不
純物をイオン注入法により導入し、濃いＰ型領域を形成
する方法や、あるいは、非常に深いトレンチ溝を形成
し、絶縁物を埋め込む方法などが考えられる。もし、加
工精度が保証されるのであれば、受光領域３４への不純
物拡散の影響が無視でき、かつ画素分離能力が高いと思
われる後者を採用することが望ましい。

【００１７】次に、画素分離領域３５を形成後、受光領
域３４、垂直電荷転送領域３１、シャッタ電極コンタク
ト用拡散層２４といったＮ型領域を、例えばイオン注入
法によりＮ型不純物を導入することで形成する。その
後、垂直電荷転送領域３１とシャッタ電極コンタクト用
拡散層２４との間にＰ型領域のチャネルストップ領域３
２を、例えばイオン注入法によりＰ型不純物を導入する
ことで形成する。なお、この時に読み出しゲート領域３
３に読み出し電圧の調整のために不純物を導入しても良
い。また、本例においては、画素分離領域３５を形成後
に受光領域３４、垂直電荷転送領域３１などを形成する
方法を採用しているが、合わせずれを無視するのであれ
ば、逆の順番で形成しても良い。このようにして、本実
施の形態で特徴となる受光領域３４と垂直電荷転送領域
３１が同一面内で干渉しない構造を形成することができ
る。

【００１８】次に、上層に関しては、従来と全く同様の
工程で形成することができる。つまり、図２（Ｃ）に示
す構造を形成後、図２（Ｄ）に示すように、絶縁膜３６
及びマイクロレンズ３７を形成する。なお、先に述べた
ように、上層は従来技術を用いることが可能であるた
め、カラーフィルタ（図示せず）を形成することも可能
である。

【００１９】なお、本実施の形態による構造で最も注意
を要するのがスミア特性である。やはり、受光領域の奥
深くに垂直電荷転送領域が形成されるために、受光領域
を透過した光が垂直電荷転送領域に直接入射する可能性
があることは容易に想像される。しかし、固体撮像素子
は一般的には色作りの観点から赤外光を遮断するフィル
タ（いわゆるＩＲカットフィルタ）と併用されることが
殆どである。そして、このＩＲカットフィルタを透過し
た光の波長は、長くても６００〜６５０ｎｍであり、こ
のような光の単結晶Ｓｉ基板に対する吸収長は２．５〜
３．０μｍであることから、少なくともそれ以上の深さ
を有する受光領域を形成すれば良い。また、さらに長い
波長の光が入射するようなシステム構成であったとして
も、同様の考え方で対処できるものである。さらに、こ
の考え方を利用すれば、入射光の波長領域に合わせて受
光領域を形成することにより、スミアの無い固体撮像素
子が実現できる可能性がある。

【００２０】次に、本発明の変形例について説明する。
まず、上述した例では、受光領域の下層にシャッタ電極
を設け、シャッタ動作により基板の深さ方向に信号電荷
の排出を行う構造について説明したが、受光領域の隣に
信号電荷排出用のドレインを設けた構造であっても良
い。このような構造を採用した場合、上述したシャッタ
電極コンタクト用拡散層とチャネルストップ領域のため
に用いた領域を全て垂直電荷転送領域にすることができ
るため、さらにダイナミックレンジを拡大できる。ただ
し、受光領域の面積を削らざるを得ず、感度の特性が制
限されることになる。

【００２１】また、メカニカルシャッタと併用するとい
う前提で、シャッタ電極を形成しない構造としても良
い。この場合にも、上述したシャッタ電極コンタクト用
拡散層とチャネルストップ領域のために用いた領域を全
て垂直電荷転送領域にすることができるため、さらにダ
イナミックレンジを拡大できる。また、基板について
も、Ｎ型単結晶Ｓｉ基板に限定されるものではなく、Ｐ
型単結晶Ｓｉ基板であっても構わない。ただし、Ｐ型単
結晶Ｓｉ基板を用いた場合には、シャッタ動作により基
板の深さ方向に信号電荷を排出することが困難であるた
め、受光領域の隣に信号電荷排出用のドレインを形成し
たり、メカニカルシャッタと併用するといった工夫が必
要となる。

【００２２】

【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、フォトセンサの受光領域と垂直転送レジスタの
垂直電荷転送領域が同一面内で干渉しない構造を有する
ことから、受光領域と垂直電荷転送領域とを独立に拡大
することができ、感度及びダイナミックレンジの特性を
同時に最適化できる。また、垂直転送レジスタの転送電
極を半導体基板中に埋め込むことで、受光領域の両側の
構造物（転送電極や遮光膜）が無くなるため、マイクロ
レンズの集光状態にかかわらず、効率的に入射光を受光
領域に取り込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による固体撮像素子におけ
るフォトセンサと垂直転送レジスタの具体的構造例を示
す概略断面図である。

【図２】図１に示す固体撮像素子の製造工程の具体例を
示す概略断面図である。

【図３】図１に示す固体撮像素子の製造工程の具体例を
示す概略断面図である。

【図４】従来の固体撮像素子におけるフォトセンサと垂
直転送レジスタの具体的構造例を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】１、１１、２３……単結晶Ｓｉ基板、９……遮光膜、１
２、２４……シャッタ電極コンタクト用拡散層、８、１
３、２５……転送電極、６、７、１４、２１、２６、３
６……絶縁膜、１５、２７……シャッタ電極、４、１
６、３１……垂直電荷転送領域、３、１７、３２……チ
ャネルストップ領域、５、１８、３３……読み出しゲー
ト領域、２、１９、３４……受光領域、２０、３５……
画素分離領域、１０、２２、３７……マイクロレンズ、
２８……再結晶化された単結晶Ｓｉ膜、２９……多結晶
Ｓｉ膜、３０……可動熱源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に２次元マトリクス状に配列
されてそれぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する複数
のフォトセンサと、前記フォトセンサに蓄積された信号
電荷をインタライン転送方式またはフレームインタライ
ン転送方式によって転送する垂直電荷転送領域とを設け
た固体撮像素子において、前記垂直電荷転送領域及びその転送電極が半導体基板中
の前記フォトセンサの受光領域の深部に埋め込み形成さ
れ、半導体基板中で信号電荷の転送を行うようにした、ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記垂直電荷転送領域の下層に転送電極
が埋め込ま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】電子シャッタ用の電極が半導体基板中に
埋め込まれ、前記フォトセンサ部に対する電子シャッタ
動作を行う手段を有す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】前記半導体基板中に埋め込まれた電子シ
ャッタ用の電極に対して個々にシャッタ電圧を印加する
手段を有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像
素子。
【請求項５】前記電子シャッタ用の電極は前記転送電
極と並列に設けられていることを特徴とする請求項３記
載の固体撮像素子。