JP2006278539A - Ｍｏｓ型固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高Ｓ／ＮのＭＯＳ型固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板の内部に形成された受光部２の表面に、絶縁膜６を介して、受光部２の表面積よりも小さい面積の反射防止膜１０を設ける。この反射防止膜１０は、受光部２とその周辺領域との境界部分は覆わないように形成する。反射防止膜１０とゲート電極７との隙間Ｓ１および、反射防止膜１０と素子分離領域５との隙間は、いずれも０．２μｍ以上になっていることが望ましい。また、反射防止膜１０の面積が、受光部２の表面積の７０％以上になっていれば、レンズ交換型カメラに使用した場合にも、画素毎の感度バラツキを抑制できる。
【選択図】 図１Ａ
【解決手段】 半導体基板の内部に形成された受光部２の表面に、絶縁膜６を介して、受光部２の表面積よりも小さい面積の反射防止膜１０を設ける。この反射防止膜１０は、受光部２とその周辺領域との境界部分は覆わないように形成する。反射防止膜１０とゲート電極７との隙間Ｓ１および、反射防止膜１０と素子分離領域５との隙間は、いずれも０．２μｍ以上になっていることが望ましい。また、反射防止膜１０の面積が、受光部２の表面積の７０％以上になっていれば、レンズ交換型カメラに使用した場合にも、画素毎の感度バラツキを抑制できる。
【選択図】 図１Ａ
Description
本発明はＭＯＳ型固体撮像装置に関する。
従来から、固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）固体撮像装置やＭＯＳ型固体撮像装置が知られている。ＣＣＤ固体撮像装置は、高感度・低暗出力であるために、Ｓ／Ｎが高いという利点を有している。このような利点のために、ＣＣＤ固体撮像装置は、従来のカメラ市場を席巻してきた。ただし、ＣＣＤ固体撮像装置は、画素の受光部に蓄積された信号電荷を、垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤで最終出力部まで順次転送した後で電気信号に変換する構造になっているために、画像信号の読み出しに時間を要するという欠点があった。
図８Ａ、図８Ｂには、別な固体撮像装置である、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の一例を示している。図８Ａは画素部の上面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ｂ線断面図である。この画素部は、Ｐ型シリコン基板である半導体基板１０１内に、Ｎ−型の受光部１０２、Ｐ＋＋型の受光部表面層１０３、Ｎ＋型のドレイン領域１０４、素子分離領域１０５、および、Ｎ型のＬＤＤ（Light Doped Drain）部１０８を備えている。半導体基板１０１の表面にはシリコン酸化膜の絶縁膜１０６が形成されている。この絶縁膜１０６上には、ゲート電極１０７、シリコン酸化膜のサイドウォール１０９、層間絶縁膜１１１、および、遮光膜１１２等が形成されている。受光部１０２、ドレイン領域１０４、ゲート電極１０７によって転送トランジスタが構成されている。図示していないが、遮光膜１１２上には、層間絶縁膜、カラーフィルタ、マイクロレンズなどが形成されている。受光部１０２に蓄積された電荷は、ゲート電極１０７に所定電圧が印加されたときに半導体基板１０１表面に現れるチャネルを通って、ドレイン領域１０４に転送される。
図９は、画素部が備える回路の一例を示している。転送トランジスタのドレイン領域１０４は、増幅トランジスタ１１８やリセットトランジスタ１１９といった読み出し回路に接続されている。垂直信号線ＶＳＬ上には、受光部１０２からドレイン領域１０４に転送された電荷量に応じた電気信号が現れ、この電気信号が、最終出力部に読み出される。ＭＯＳ型固体撮像装置は、垂直ＣＣＤや水平ＣＣＤといった電荷転送部を備えていないために、これらを備えているＣＣＤ固体撮像装置よりも、画像の読み出しに要する時間が短いという利点がある。
ただし、従来のＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＭＯＳロジックプロセスをそのまま使用して製造するために、感度向上や暗出力を低減するための施策が十分になされておらず、Ｓ／Ｎが低かった。よって、ＭＯＳ型固体撮像装置の課題は、Ｓ／Ｎを向上させることであった。
Ｓ／Ｎを向上させる方法として、図１０に示す固体撮像装置のように、受光部１０２の表面全面を覆うように反射防止膜１１０を設けることが提案されている（特許文献１参照）。反射防止膜１１０を設ければ、絶縁膜１０６と半導体基板１０１との屈折率の違いによって発生していた受光部１０２表面での反射を低減でき、ひいては高Ｓ／Ｎが得られると考えられていた。
特開平１０−２５６６１０号公報
しかしながら、実際には、受光部１０２の全面に反射防止膜１１０を設けることによって受光量を増大させても、所望のＳ／Ｎを得るには至らないことがわかった。
そこで、本発明は、より高Ｓ／ＮのＭＯＳ型固体撮像装置を提供することを目的としている。
本発明に係るＭＯＳ型固体撮像装置は、転送トランジスタと、当該転送トランジスタから信号配線に信号を読み出す読み出し回路とを画素部に備えたＭＯＳ型固体撮像装置であって、転送トランジスタは、半導体基板に形成されて、受光量に応じた電荷を蓄積する受光部と、半導体基板に形成されて、受光部から転送された電荷を一時的に蓄積するドレイン領域と、受光部とドレイン領域との間の半導体基板上に形成されて、所定電圧の印加によって、受光部からドレイン領域に電荷を転送するゲート電極と、受光部上に受光部の表面積未満の面積で形成された反射防止膜とを含み、ゲート電極および反射防止膜が形成された半導体基板上に、受光領域の表面積以上の面積の開口を有する層間絶縁膜を備える。
本発明に係るＭＯＳ型固体撮像装置は、ゲート電極の下方を除く前記受光部の周囲に形成された素子分離領域をさらに備え、素子分離と反射防止膜との間の隙間の幅が０．２μｍ以上であることが望ましい。
また、ゲート電極と反射防止膜との間の隙間の幅が０．２μｍ以上であることが望ましい。
また、反射防止膜の面積が、受光部の表面積の７０％以上であることが望ましい。
本発明に係る固体撮像装置では、受光部とゲート電極との境界や、受光部と素子分離領域との境界上に反射防止膜を形成しないように、反射防止膜を、受光部の表面積よりも小さい面積で形成している。このように反射防止膜を形成しておけば、半導体基板の表面欠陥数の増大を抑制できるために、暗出力の増大も抑制することができる。
なお、受光領域の上方にマイクロレンズを設けることが一般的になっており、集光レンズで集光した光は、受光領域内にピンポイントで集光される。よって、受光領域のうち、マイクロレンズで集光された光の入射位置にさえ反射防止膜が設けられていれば、受光領域の全面に反射防止膜を設けた場合と比較して受光量が低下することもない。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高感度でかつ暗出力な、高Ｓ／Ｎの固体撮像装置となる。
また、受光領域の面積に対する反射防止膜の面積が７０％以上になっていれば、固体撮像装置をレンズ交換型カメラに使用した場合の画素の感度バラツキを抑制できるために、高画質な固体撮像装置となる。
（第１の実施形態）
図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置の画素部の上面図、および、図１ＡのＡ−Ｂ線断面図を示している。この画素部は、Ｐ型シリコン基板である半導体基板１内に、Ｎ−型の受光部２、Ｐ＋＋型の受光部表面層３、Ｎ＋型のドレイン領域４、素子分離領域５、および、Ｎ型のＬＤＤ（Light Doped Drain）部８を備えている。また、半導体基板１の表面には、シリコン酸化膜である絶縁膜６が形成されている。そして、絶縁膜６上には、反射防止膜１０、ゲート電極７、シリコン酸化膜のサイドウォール９、層間絶縁膜１１、および、遮光膜１２等が形成されている。反射防止膜１０の面積は、受光部２の表面積よりも小さくなっている。図１Ａに示す太線の内側が遮光膜１２の開口部である。遮光膜１２の開口部の面積は、受光部２の表面積よりも広くなっている。
図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像装置の画素部の上面図、および、図１ＡのＡ−Ｂ線断面図を示している。この画素部は、Ｐ型シリコン基板である半導体基板１内に、Ｎ−型の受光部２、Ｐ＋＋型の受光部表面層３、Ｎ＋型のドレイン領域４、素子分離領域５、および、Ｎ型のＬＤＤ（Light Doped Drain）部８を備えている。また、半導体基板１の表面には、シリコン酸化膜である絶縁膜６が形成されている。そして、絶縁膜６上には、反射防止膜１０、ゲート電極７、シリコン酸化膜のサイドウォール９、層間絶縁膜１１、および、遮光膜１２等が形成されている。反射防止膜１０の面積は、受光部２の表面積よりも小さくなっている。図１Ａに示す太線の内側が遮光膜１２の開口部である。遮光膜１２の開口部の面積は、受光部２の表面積よりも広くなっている。
この固体撮像装置では、受光部２、ドレイン領域４、ゲート電極７によって転送トランジスタが構成されている。受光部２に蓄積された電荷は、ゲート電極７に所定電圧が印加されたときに半導体基板１表面の現れるチャネルを通って、ドレイン領域４に転送される。ドレイン領域４には、転送された電荷が一時的に蓄積される。図示していないが、遮光膜１２上には、層間絶縁膜、カラーフィルタ、マイクロレンズなどが形成されている。
画素部は、受光部２、ドレイン領域４およびゲート電極７でなる転送トランジスタ以外に、増幅トランジスタやリセットトランジスタなどの読み出し回路を備える（図９参照）。増幅トランジスタのゲートには、ドレイン領域４が保持する電荷量に応じた電圧が印加され、増幅トランジスタは、ゲートに印加された電圧の大きさに応じた増幅度で増幅した信号を垂直信号線ＶＳＬに出力する。垂直信号線ＶＳＬ上に現れた信号は、最終出力部に読み出されて外部に出力される。これを実現するために、増幅トランジスタは、そのソース電極が負荷ＭＯＳトランジスタおよび負荷抵抗を介してＧＮＤに接続され、ソースフォロア回路を形成している。リセットトランジスタは、ドレイン領域４が保持している信号電荷を、一定期間毎に電源へと排出するために設けられる。
ここで、各部の不純物濃度の一例を挙げる。受光部２は光電変換を行えるように形成されていればよく、その不純物濃度は、好ましくは１０15〜１０16ｃｍ-3程度である。受光部２の深さ（Ｎ型不純物の拡散深さ）は、０．５〜２．０μｍ程度が好ましい。図１Ｂに示すように、受光部２の表面に浅いＰ型不純物層（受光部表面層１０３）を形成して埋め込み型フォトダイオードにしておけば、より暗出力を低減することができる。ただし、受光部表面層３は、本発明に係る固体撮像装置の必須の構成要素ではない。
ドレイン領域４の不純物濃度は、金属配線とのオーミック接続が可能な濃度であればよく、好ましくは１０20ｃｍ-3以上である。また、ドレイン領域４の深さ（Ｎ型不純物の拡散深さ）は、０．２〜０．４μｍ程度が適当である。ＬＬＤ部８は、ドレイン領域４よりも低濃度の不純物濃度の領域であって、そのＮ型不純物濃度は、例えば１０18〜１０19ｃｍ-3程度が適当である。
反射防止膜１０の材料は、その屈折率が、半導体基板１の屈折率と絶縁膜６の屈折率との間にあり、かつ、成膜が可能な材料であればよい。半導体基板１が、屈折率約３．４９のシリコン基板であり、絶縁膜６が、屈折率約１．４６のシリコン酸化膜である場合には、反射防止膜１０として適当な材料は、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、セリウム酸化膜、チタン酸化膜、タンタル酸化膜、ジリコニウム酸化膜または、これらの混合物からなる膜などである。この中でも特に、シリコン窒化膜を含む材料が好適である。遮光膜１２は、遮光性を有する物質であれば特に限定されないが、アルミニウム、タングステンシリサイドなどが一般的である。
反射防止膜１０は、単層構造になっていても多層構造になっていてもよい。多層構造にする場合には、上述した材料で形成した複数種類の膜を積層してもよいし、これらの膜とシリコン酸化膜とを積層したものであってもよい。反射を防止できる波長は、反射防止膜１０の材料と膜厚とによって異なるために、反射防止膜１０の膜厚は一律に限定されるものではない。例えば、絶縁膜６がシリコン酸化膜であり、反射防止膜１０をシリコン窒化膜とする場合には、絶縁膜６の膜厚を１０〜３０ｎｍとし、反射防止膜１０の膜厚を４０〜６０ｎｍとすれば、５５０ｎｍの波長の反射を最も効果的に抑制することができる。
先述のように、本発明に係る固体撮像装置は、受光部２上に受光部２の表面積よりも小さい反射防止膜１０を備えている。反射防止膜１０は、受光部２の領域の中央部に形成し、受光部２とその周囲との境界上には形成しない。
図２には、図１Ａ及び図１Ｂに示す反射防止膜１０と素子分離領域５との間の隙間の距離Ｓ１（μｍ）と、暗出力との関係を示している。距離Ｓ１が０．２μｍ以上であれば、反射防止膜１０と素子分離領域５とを重ねて形成した場合（図１０参照）の暗出力の５％以下にまで、暗出力を抑制することができる。この結果から、距離Ｓ１は、０．２μｍ以上にすることが望ましい。
同様に、図３には、反射防止膜１０とゲート電極との間の隙間Ｓ２（μｍ）と、暗出力との関係を示している。距離Ｓ２が０．２μｍ以上であれば、反射防止膜１０をゲート電極７上にも形成した場合の暗出力の５％以下にまで、暗出力を抑制することができる。この結果から、距離Ｓ２は、０．２μｍ以上にすることが望ましい。
従来は、受光部２の全面を覆うように反射防止膜１０を形成しておけば、開口１３から入射した光の受光部２表面での反射を、最も効果的に抑制できると考えられていた（図１０参照）。そのために、開口１３よりも広い面積の反射防止膜１０を設けるようにしていた。そして、このような反射防止膜１０を設けることによって、受光量の向上、ひいてはＳ／Ｎの向上に繋がると考えられていた。
しかしながら、本願発明者らは、受光部２の全面を覆うように反射防止膜１０を形成すると、反射防止膜１０を形成したことによるストレス（応力）によって、半導体基板１上の、受光部２と素子分離領域５の境界や、受光部２とゲート電極７との境界で表面欠陥が増大し、これにより暗出力が増大してしまうことを突き止めた。具体的には、表面欠陥が増大すると、表面欠陥中の自由電子が暗電子として受光部２に流れ込み、結果として暗出力が増大してしまう。
よって、本発明に係る固体撮像装置では、受光部２とゲート電極１０との境界や、受光部２と素子分離領域５との境界上に反射防止膜１０を形成しないように、反射防止膜１０を受光部２の表面積よりも小さい面積で形成している。このように反射防止膜１０を形成しておけば、半導体基板１の表面欠陥数の増大を防止できるために、暗出力の増大も抑制することができる。
なお、受光部２の上方にマイクロレンズを設けることが一般的になっているために、受光部２には、マイクロレンズで集光された光がピンポイントで入射する。よって、受光部２のうち、マイクロレンズで集光された光の入射位置にさえ反射防止膜１０が設けられていれば、受光部２の全面に反射防止膜１０を設けた場合と比較して受光量が低下することもない。よって、本発明に係る固体撮像装置は、高感度でかつ低暗出力な、高Ｓ／Ｎの固体撮像装置となる。
なお、本実施形態では半導体基板１がＰ型基板であるとしたが、Ｎ型基板にＰ型不純物を注入したＰ型ウェル内に、Ｎ型の受光部２およびドレイン領域４を備えるようになっていてもよい。
なお、本発明に係る固体撮像装置は、転送トランジスタを備えたＭＯＳ型固体撮像装置であれば、各画素部の読み出し回路に増幅トランジスタを備えたアクティブ型であっても、増幅トランジスタを備えていないパッシブ型であってもよい。
（第２の実施形態）
本実施形態では、レンズ交換型カメラへの使用に適したサイズの反射防止膜１０を備えた固体撮像装置を説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態で説明し、図１Ａ、図１Ｂに示した固体撮像装置と同じ構造をしている。ただし、本実施形態に係る固体撮像装置における反射防止膜１０の面積は、受光部２の表面積の７０％以上の面積になっている。
本実施形態では、レンズ交換型カメラへの使用に適したサイズの反射防止膜１０を備えた固体撮像装置を説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態で説明し、図１Ａ、図１Ｂに示した固体撮像装置と同じ構造をしている。ただし、本実施形態に係る固体撮像装置における反射防止膜１０の面積は、受光部２の表面積の７０％以上の面積になっている。
図４は、上方にマイクロレンズ１５ａ，１５ｂと受光部２ａ，２ｂとを備えた画素部と、カメラレンズ２０とを示している。図４において、位置Ａおよび位置Ｂの画素部は、図５に示すチップの画素領域３０にマトリクス状に配置された画素部のうちの、中心画素及び最外周画素である。なお、図５における画素領域３０の周辺領域は、画素部の周辺回路（垂直走査回路、水平走査回路等）が設けられる周辺回路領域４０である。図４中に太線矢印で示すように、カメラレンズ２０を通して各画素部に入射する光の角度は、画素部が配置されている位置によって異なっている。より具体的には、外周部に配置されたマイクロレンズほど入射光の垂直方向からの傾きが大きくなっている。
レンズ交換型カメラでは、使用目的に合わせてカメラレンズ２０が取り替えられる。カメラレンズ２０を取り替えることによる影響は、特に画素領域３０の最外周画素ほど顕著になる。図６は、図５の位置Ｂの画素部を示している。図示していない第１のカメラレンズ２０ａによってマイクロレンズ１５ｂに入射する光を太実線で、また、第１のカメラレンズとは異なる第２のカメラレンズ２０ｂによってマイクロレンズ１５ｂに入射する光を太破線で示している。
図６において、第１のカメラレンズ２０ａを透過してマイクロレンズ１５ｂで集光された光は、受光部２の中心に集光される。受光部２の表面の中央部分には反射防止膜１０が設けられているので、第１のカメラレンズ２０ａを使用した場合には、反射防止膜１０を設けていない場合と比較して受光量が高くなる。
一方、第２のカメラレンズ２０ｂを使用した場合には、第２のカメラレンズ２０ｂを透過してマイクロレンズ１５ｂに集光された光は、受光部２の端の方に集光される。受光部２の端の方に反射防止膜８が設けられていない場合には、第２のカメラレンズ２０ｂを使用しているときの受光量は、反射防止膜１０を設けていない場合とほぼ同じになり、第１のカメラレンズ２０ａを使用しているときの受光量よりも劣ってしまうことになる。
一般的なレンズ交換型一眼レフカメラのレンズの種類を考慮すると、最外周画素への入射光の、標準光束角に対する変化は、±５°以下である。そして、このような入射角度の変化がある場合にも、一般的には、位置Ａの画素の受光量に対する位置Ｂの画素の受光量が９０％以上となることが要求される。図７は、この要求を満たすようにできる反射防止膜１０のサイズを調べた実験結果である。図７の縦軸は、最外周画素（位置Ｂの画素部）の、中心画素（位置Ａの画素部）に対する感度比率を示している。そして、横軸は、反射防止膜の、受光部２表面に対する面積比を示している。また、図７において、位置Ｂへの入射角が標準角度（基準時角度）であるときを実線で、また、±５％である時を破線で示している。
この実験結果から、位置Ａの画素部の感度に対する位置Ｂの画素部の感度比率を９０％以上にするためには、反射防止膜１０の面積が、受光部２の表面積の７０％以上の大きさになっていればよいことが分かる。本実施形態に係る固体撮像装置は、この条件を満たしているために、画素毎の感度バラツキが抑制された、高画質な固体撮像装置になる。本実施形態に係る固体撮像装置は、低照度時にも高Ｓ／Ｎな高画質が要求されるカメラ、例えば高級一眼レフタイプディジタルスチルカメラを始め、民生用、プロ用ディジタルスチルカメラ用固体撮像装置、ハイビジョン動画撮像を主体とする放送用固体撮像装置などに有用である。
本発明に係る固体撮像装置は、低照度時にもＳ／Ｎが高い、高精度の画質が要求される高級一眼レフタイプディジタルスチルカメラを始め、民生用、プロ用ディジタルスチルカメラ用固体撮像装置、ハイビジョン動画撮像を主体とする放送用固体撮像装置などに特に有用である。
１ 半導体基板
２ 受光部
３ 受光部表面層
４ ドレイン領域
５ 素子分離領域
６ 絶縁膜
７ ゲート電極
８ ＬＤＤ部
９ サイドウォール
１０ 反射防止膜
１１ 層間絶縁膜
１２ 遮光膜
１３ 開口
１４ 層間絶縁膜
１５ マイクロレンズ
２０ カメラレンズ
３０ 画素領域
４０ 周辺回路領域
５０ チップ
１０１ 半導体基板
１０２ 受光部
１０３ 受光部表面層
１０４ ドレイン領域
１０５ 素子分離領域
１０６ 絶縁膜
１０７ ゲート電極
１０８ ＬＤＤ部
１０９ サイドウォール
１１０ 反射防止膜
１１１ 層間絶縁膜
１１２ 遮光膜
１１３ 開口
１１４ 層間絶縁膜
１１５ マイクロレンズ
１２０ カメラレンズ
２ 受光部
３ 受光部表面層
４ ドレイン領域
５ 素子分離領域
６ 絶縁膜
７ ゲート電極
８ ＬＤＤ部
９ サイドウォール
１０ 反射防止膜
１１ 層間絶縁膜
１２ 遮光膜
１３ 開口
１４ 層間絶縁膜
１５ マイクロレンズ
２０ カメラレンズ
３０ 画素領域
４０ 周辺回路領域
５０ チップ
１０１ 半導体基板
１０２ 受光部
１０３ 受光部表面層
１０４ ドレイン領域
１０５ 素子分離領域
１０６ 絶縁膜
１０７ ゲート電極
１０８ ＬＤＤ部
１０９ サイドウォール
１１０ 反射防止膜
１１１ 層間絶縁膜
１１２ 遮光膜
１１３ 開口
１１４ 層間絶縁膜
１１５ マイクロレンズ
１２０ カメラレンズ
Claims (4)
- 転送トランジスタと、当該転送トランジスタから信号配線に信号を読み出す読み出し回路とを画素部に備えたＭＯＳ型固体撮像装置であって、
前記転送トランジスタは、
前記半導体基板に形成されて、受光量に応じた電荷を蓄積する受光部と、
前記半導体基板に形成されて、前記受光部から転送された電荷を一時的に蓄積するドレイン領域と、
前記受光部と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板上に形成されて、所定電圧の印加によって、前記受光部から前記ドレイン領域に電荷を転送するゲート電極と、
前記受光部上に前記受光部の表面積未満の面積で形成された反射防止膜とを含み、
前記ゲート電極および反射防止膜が形成された前記半導体基板上に、前記受光領域の表面積以上の面積の開口を有する層間絶縁膜を備えたＭＯＳ型固体撮像装置。 - 前記ゲート電極の下方を除く前記受光部の周囲に形成された素子分離領域をさらに備え、
前記素子分離と前記反射防止膜との間の隙間の幅が０．２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。 - 前記ゲート電極と前記反射防止膜との間の隙間の幅が０．２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
- 前記反射防止膜の面積が、前記受光部の表面積の７０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
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