JP2006344916A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＯＳ型固体撮像装置のフローティングディフュージョン部の遮光性を向上すること。
【解決手段】 入射光量に応じて電荷を発生するフォトダイオード（１）と、電荷を一時的に保持するフローティングディフュージョン部（３）と、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する電荷転送トランジスタ（２）と、前記フローティングディフュージョン部に一時的に保持された電荷を外部に読み出す読み出し回路（５〜８）と、を有する画素を有する固体撮像装置であって、前記電荷転送トランジスタのゲート電極（３０４）の、前記光電変換部側の側壁上を覆って配置された遮光部材（４２７ａ、４２７ｂ）とを有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、より具体的にはＭＯＳ型固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は近年ディジタルスチルカメラ、ビデオカメラを中心とする画像入力用の撮像装置として、急速に需要が高まっている。

これらの固体撮像装置として、ＣＣＤやＭＯＳ型センサが広く用いられている。前者は後者と比較して、感度が高くノイズが小さいために、高画質の撮像装置として普及している。しかし、反面、消費電力が大きく、駆動電圧が高く、また、汎用の半導体製造プロセスにより製造することができないためにコストが高い。更に、駆動回路等の周辺回路を集積することが困難であるといった課題がある。これに対し、ＭＯＳ型センサは上記の弱点をカバーすることができるという特徴がある。

ＭＯＳ型固体撮像装置の代表としてＣＭＯＳ固体撮像装置が実用化されている。ＣＭＯＳ固体撮像装置の１画素分の回路図を図１１に、平面レイアウト図を図１２に、断面構造を図１３に示す。

図１１において、１はフォトダイオード（ＰＤ）、２はフォトダイオードの電荷を転送する転送ＭＯＳトランジスタ、３は転送された電荷を一時的に蓄えておくフローティングディフュージョン（ＦＤ）部、４はＦＤ部３およびＰＤ１をリセットするためのリセットＭＯＳトランジスタ、５は固体撮像装置の画素アレイ中の任意の1行を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ、６はＦＤ３に蓄積された電荷を電圧に変換してソースフォロワー型増幅器で増幅するソースフォロワーＭＯＳトランジスタ、７は１つの列で共通化され画素電圧信号を読み出す読み出し線、８は読み出し線７を定電流とするための定電流源である。

次に、図１１に示すＣＭＯＳ固体撮像装置の動作を簡単に説明する。入射光はＰＤ１により電荷に変換され、変換された電荷は転送ＭＯＳトランジスタ２により、ＦＤ部３に転送され、蓄えられる。ＦＤ部３および、ＰＤ１は予めリセットＭＯＳトランジスタ４および転送ＭＯＳトランジスタ２をＯＮとすることで一定電位にリセットされているので、ＦＤ部３の電位は入射光により発生した電荷に応じて変化する。ＦＤ部３の電位はソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６により増幅され、読み出し線７に出力される。当該画素は選択ＭＯＳトランジスタ５をＯＮとすることで選ばれる。不図示の出力回路ではＦＤ部３のリセット電位と光信号蓄積後の電位の差分演算を行うことで、光信号分を検出する。

図１２は図１１に示す画素回路のレイアウトの一例を示す図である。１０はＰＤ１が形成されているアクティブ領域、１１は選択ＭＯＳトランジスタ５およびソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６が形成されているアクティブ領域を示す。２０は転送ＭＯＳトランジスタ２の領域、２１は転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート線を示している破線で囲まれた領域、３０はＦＤ部３のうち半導体のＰＮ接合で形成されている部分を示している。また３１はＦＤ部３の拡散領域３０から電極を引き出すためのコンタクト、３２はＦＤ部３の引き出しのための金属電極である。３４はＦＤ部３の電極となると共に増幅ＭＯＳトランジスタ６のゲート電極となるポリシリコン、３３は金属電極３２からポリシリコン電極３４に接続するためのコンタクトである。

４０はリセットＭＯＳトランジスタ４の領域、４１はリセット電源との接続のためのコンタクトを示す。５０は選択ＭＯＳトランジスタ５のゲート領域、５１はＶＤＤ電源と接続するためのコンタクト、６０はソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６の領域を示しており、ＦＤ部３と電気的に接続されているポリシリコン電極３４をゲート電極としている。７０は第一層目の配線からなる信号出力線で金属電極で構成される。また７１は信号出力線７０とソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６の領域６０のソース電極を接続するコンタクトである。

図１２に示すレイアウトにおけるＣＣ’の断面図を図１３に示す。３０１はｎ型シリコン基板、３０２ａはＰ型ウエル、３０２ｂはＰ型埋め込み層、３０３ａは転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート酸化膜、３０３ｂは受光部上の薄い酸化膜である。３０４は転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極、３０５はＰＤ１のＮ型カソード、３０６はＰＤ１を埋め込み構造とするための表面Ｐ型領域である。３０７ａは素子分離のためのＬＯＣＯＳ酸化膜、３０７ｂはＰ型チャネルストップ層、３０８はＦＤ部３を形成し，転送ＭＯＳトランジスタ２のドレイン領域ともなっているＮ型高濃度領域である。また、３０９はゲート電極３０４とメタル第一層３２１を絶縁する層間絶縁膜、３２０はコンタクトプラグ、３２１はメタル第一層でＦＤ部３の引き出し電極となっている。３２２はメタル第一層３２１とメタル第二層３２３を絶縁する層間絶縁膜、３２３はメタル第二層、３２４はメタル第二層３２３とメタル第三層３２５を絶縁する層間絶縁膜、３２５はメタル第三層、３２６はパッシベーション膜である。カラー用光電変換装置では、パッシベーション膜３２６の上層に更に不図示のカラーフィルター層、さらに感度向上のためのマイクロレンズを形成する。

表面から入射した光は、メタル第三層３２５の無い開口部を通して、ＰＤ１に入る。光はＰＤ１のＮ型カソード３０５或いはＰ型ウエル３０２ａ内で吸収され、電子・ホール対が生成される。このうち電子はＮ型カソード領域に蓄積されてゆく。

しかしながら上記の従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置では入射光により発生した信号電子がＦＤ部３に混入し、出力電圧を変化させてしまうという課題があった。図１３に示すように、斜方入射した光線３３０ａにより、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極３０４下で発生した電子・正孔対３３０ｂのうち、電子は、ＰＤ１のＮ型カソード３０５より、ＦＤ部３を構成するＮ型高濃度層３０８に引き寄せられる。

更に、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極３０４上に入射した光３３１ａは図１３に示すように反射を繰り返し、Ｎ型高濃度層３０８直下で電子・正孔対３３１ｂが発生する。この内、電子はＮ型高濃度層３０８に引き寄せられる。これを防ぐために、メタル第一層３２１を開口側に引き伸ばして遮光性を向上すると、ＦＤ部３の静電容量が増大し、電荷変換係数が低下することで、Ｓ／Ｎが劣化するという問題を生じていた。

以上の様にして、ＰＤ１を介することなく、直接ＦＤ部３に捉えられた電子は、擬信号となり、固体撮像装置のノイズの増加、ダイナミックレンジの縮小、暗時出力の増大、暗時のシェーディングの増大等の問題を引き起こす。特に、ＰＤ１から全ＦＤ部３に同時に電荷を転送し、その電荷を順次信号線に読み出す、所謂電子シャッター動作を行う場合、ＦＤ部３に電荷が保持されている時間が長いほど疑信号が多く重畳される。したがって、シェーディングやＳ／Ｎの面内分布という現象を引き起こす。このため、ＦＤ部３の遮光性を向上させることが従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置の課題であった。

ＣＣＤ型固体撮像装置でも、読み出し回路の最終段にフローティングディフュージョンを用いたソースフォロワー型増幅回路が一般に使用されている。特許文献１には、ソースフォロワー増幅器への電極引き出しをポリシリコンで行う例が示されている。しかし特許文献１の発明には遮光性の向上については触れられておらず、先の従来例で示したような、シリコン内部で発生した電子がフローティングディフュージョンに流入することに関しても考慮していない。更にＣＣＤ型固体撮像装置では、フローティングディフュージョン増幅回路は水平ＣＣＤの後段に１つあるだけであるので、画素部から遠くに、画素面積に制約されることなくレイアウトできるので、あまり工夫は必要ではない。

一方ＭＯＳ型固体撮像装置では、画素毎にフローティングディフュージョン部が存在するので、フォトダイオードとフローティングディフュージョン部が近接している。また、遮光の役目を果たす金属電極は回路の配線としても使用するので、どうしても隙間をつくる必要があること、などがＣＣＤ型固体撮像装置と事情が異なるため、構造上の新たな工夫が必要であった。

ＭＯＳ型固体撮像装置でフローティングディフュージョン部の遮光を強化する方策が特許文献２に示されている。図１４はこの発明に係る断面構造である。図１４に示すように、遮光部材１００９はフォトダイオードの上に開口部を円筒状に覆うように配置されている。

特開平０３-１１６８４０号公報 特開２０００−１２４４３８号公報

上記特許文献２の構成では、遮光性は期待できるが、微細な画素において遮光部材の側面だけに残すプロセスは困難を極める上に、遮光部材と第一層配線１００６、第二層配線１００７と絶縁するために横方向のマージンも必要となり、実際の開口は極めて狭くなり、感度を低下させるので、現実的な対策とはならない。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、ＭＯＳ型固体撮像装置のフローティングディフュージョン部の遮光性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じて電荷を発生し、蓄積する光電変換部と、電荷を一時的に保持するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する電荷転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部に一時的に保持された電荷を外部に読み出す読み出し回路と、前記電荷転送トランジスタのゲート電極を遮光する遮光部材とを有する。

本発明によれば、ＭＯＳ型固体撮像装置のフローティングディフュージョン部の遮光性を向上することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

図１は、本実施の形態における、固体撮像装置を用いたデジタルカメラの構成を示すブロック図である。図１において、１０１はシャッター、１０２は撮影レンズであり、シャッター１０１は撮影レンズ１０２の手前に配置されて露出を制御する。シャッター１０１及び撮影レンズ１０２を通過した光は、絞り１０３により必要に応じてその光量が制御されて、固体撮像装置１０４上に結像される。固体撮像装置１０４から入射した光量に応じて出力された電気信号は、アナログ信号処理回路１０５で処理された後、Ａ／Ｄ変換器１０６によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号はさらにデジタル信号処理部１０７で演算処理され、メモリ１１０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ１１３を通して外部の機器に送られる。

固体撮像装置１０４、アナログ信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、デジタル信号処理部１０７の処理タイミングはタイミング発生部１０８により制御される他、システム全体は全体制御・演算部１０９により制御される。なお、Ａ／Ｄ変換器１０６から出力されるディジタル信号を記録媒体１１２に記録する場合には、全体制御・演算部１０９により制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１を通して、記録される。

次に、図１の固体撮像装置１０４の概略構成について、図２を参照して説明する。図２は固体撮像装置１０４として、ＮＭＯＳトランジスタを、画素を構成するトランジスタとする撮像装置の一部を示す図である。図２に示すように、従来例において図１１を参照して説明したものと同様の構成を有する画素が２次元配置される。図２では構成をわかりやすく示すために２×２の４画素分のみを示しているが、実際には数十万〜数百万個の画素が２次元配置される。また、ＰＭＯＳトランジスタを用いることも可能である。

各画素１００は、ＰＤ１、転送ＭＯＳトランジスタ２、ＦＤ部３、リセットＭＯＳトランジスタ４，選択ＭＯＳトランジスタ５、ソースフォロワ−ＭＯＳトランジスタ６を有している。同じ行の選択ＭＯＳトランジスタ５のゲートは、選択線ＳＥＬ（ｉ）に、リセットＭＯＳトランジスタ４のゲートはリセット線ＲＥＳ（ｉ）に、そして転送ＭＯＳトランジスタ５のゲートは転送線ＴＸ（ｉ）にそれぞれ接続されている。そして、垂直走査回路１２０により走査・選択される。同じ列の出力線７には電流源８が接続されており、出力線７の電位をソースフォロワー動作で読み出すことができる。

１２３は光信号転送ＭＯＳトランジスタで、ゲートが光信号読み出し線ＴＳに接続され、出力線７に光信号が現れているときに光信号読み出し線ＴＳを介してゲートがＯＮして、出力線７上の光信号を電荷蓄積部１２８に転送する。また、１２４はノイズ信号転送ＭＯＳトランジスタで、ゲートがノイズ信号読み出し線ＴＮに接続され、画素１００のリセット後、出力線１２１に光信号が現れる前に、出力線７上の信号（ノイズ）を電荷蓄積部１２８に転送する。電荷蓄積部１２８に蓄積された光信号及びノイズ信号は、水平走査回路１２７で順次走査・読み出され、不図示の差動増幅回路により、光信号とノイズ信号との差分を取って出力される。

なお、図２に示す回路では、ＰＤ１、転送ＭＯＳトランジスタ２、ソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６の他に選択ＭＯＳトランジスタ５、リセットＭＯＳトランジスタ４などが記載されている。このうち、リセットＭＯＳトランジスタ４と選択ＭＯＳトランジスタ５は一つのトランジスタにより構成される場合がある。あるいは、複数の画素により、ソースフォロワーＭＯＳトランジスタ６、選択ＭＯＳトランジスタ５、リセットＭＯＳトランジスタ４の少なくともいずれか１つを共有する場合もある。

次に、図２に示す構成を有する固体撮像装置１０４における全画素同時蓄積動作制御について、図３のタイミング図を参照して説明する。なお、図３においては、図２に示す信号線に与えられる信号を「Φ」を用いて示している。まず、全画素のＰＤ１をリセットするために、全行のリセットパルスΦＲＥＳと、全行の転送パルスΦＴＸを同時にＯＮする。これらの両パルスをＯＦＦにした瞬間から、全画面で同時にＰＤ１による光電変換が行われ、蓄積動作が始まる。所望の時間だけ蓄積を行った後、全行の転送パルスΦＴＸをＯＮし、再びＯＦＦすることで、各画素の信号電荷が一斉に各画素のＦＤ部３に転送される。次に、行ごとに選択パルスをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、ＦＤ部３に転送された電荷が、行ごとに順次読み出される。ここで読み出された信号は、光信号とノイズ信号とから成る「Ｓ＋Ｎ」信号で、図２の電荷蓄積部１２８に蓄えられ、水平走査回路１２７による操作に応じて、順次読み出される。全ての行の画素に蓄えられた電荷が読み出されると、信号蓄積・読み出し期間の終了となる。

次に、全行のリセットパルスをＯＮとすることで、全画素のＦＤ部３が一斉にリセットされる。リセットパルスをＯＦＦとしたのち、各行のＦＤ部３の電位を順次読み出す。読み出された信号はノイズ信号であり、「Ｎ」信号として、電荷蓄積部１２８に「Ｓ＋Ｎ」信号用の容量部と併設された容量部に蓄えられる。蓄えられた「Ｓ＋Ｎ」信号と「Ｎ」信号を不図示の差動増幅器の入力とすることにより、「Ｓ」信号を取り出す。

この動作ではＦＤ部３に電荷が保持される時間が行ごとに異なるので、従来の構造では、保持時間が短い行（この場合は第一行）に比して、保持時間が長い行（この場合は最終行）はＦＤ部３に入り込む偽信号により、出力電位がシェーディングする。本発明ではＦＤ部３に流入するが抑制されるので、このようなシェーディングは出ないか、あるいは問題にならないレベルとなる。

＜第１の実施形態＞
次に、上記構成を有する撮像装置などで用いられる、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の各画素の詳細構成について説明する。

図４は、本第１の実施形態における画素回路のレイアウトを示す。なお、上述した図１２と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。

図４において、７３は転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極の遮光部材である。遮光部材７３は転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極のポリシリコンを、チャネル長方向に対してはポリシリコン２１を覆うようにレイアウトし、またチャネル幅方向にはＦＤ部３直下に入射光が入らないように、チャネル幅より若干大きくレイアウトしてある。ここで、遮光膜のチャネル長方向のゲート電極からの延在する長さ、チャネル幅方向の延在する長さに関して述べる。

チャネル長方向には、ＰＤ部、ＦＤ部が配され、遮光膜がＰＤ部側に延在する量が大きい場合には、ＰＤの開口率が下がり、同様にＦＤ側においても、ＦＤ部からのコンタクトを形成するのが困難となる。それに対して、チャネル幅方向は、チャネル長方向に比べて自由度が高い。したがって、延在する長さはチャネル長方向に比べてチャネル幅方向に大きくするのが良い。
図５は、図４のＡＡ’断面を示す図である。なお、上述した図１３と同様の構成には同じ参照番号を付し、ここでは説明を省略する。

本実施形態においては、ゲート電極３０４上を被覆するように、薄いシリコン酸化膜３２８ａ、シリコン酸化膜側壁３２８ｂを介して、遮光部材３２７ａ、３２７ｂを配していることを特徴とする。遮光部材３２７ａ、３２７ｂはゲート電極３０４を構成するポリシリコンよりも薄い膜厚であることが望ましく、また薄い膜厚でも十分に遮光できる必要がある。更に、光を反射しない素材であることが好ましい。好適な材料としてはタングステン、タングステン合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、モリブデン、モリブデン合金などがある。その中でもタングステンが遮光性、材料の安定性、加工性に優れている。またこれらの材料とゲート電極を形成するポリシリコンとのシリサイドを遮光材として用いることもできる。

表面から入射した光のうち、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極３０４近傍に入射した光は遮光部材３２７ａ、３２７ｂによって遮られるので、ＦＤ部３（Ｎ型高濃度領域３０８）近傍には電荷を発生させない。

このように、本実施形態によれば、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極３０４に遮光部材３２７ａ、３２７ｂを設けることで、ＦＤ部３の遮光性を向上することができ、偽信号の影響を排除することができる。また、暗時のシェーディングが無く、ダイナミックレンジ、Ｓ／Ｎを高くすることができるため、全画素同時蓄積型の電子シャッター制御による画像読み出しをした場合にも、高画質な画像を得ることができる。

次に、ゲート電極３０４を形成後、シリコン酸化膜３０９を形成するまでの製造方法について説明する。

ゲート電極３０４を形成後、酸化性ガス雰囲気中でゲート電極３０４を酸化して表面を薄い絶縁膜で覆う。その後、ＣＶＤ法またはスパッタリング法で遮光部材を全面に堆積した後、パターニングにより、所望の個所だけ遮光部材を残す。タングステンの場合、膜厚は50nm〜250nmが好適である。あまり薄いと遮光性が損なわれ、あまり厚いとフォトダイオードへの光入射量が低下し、感度を落とすことになる。また図５のように側壁部分の被覆性をよくするためにはスパッタリング法よりＣＶＤ法の方が好適である。その後、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜３０９を堆積する。充分な膜厚を堆積したのち、表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化する。シリコン酸化膜３０９は、熱リフロー性を有するＢＰＳＧ（Boron-Phosphorus-Silicate-Glass）を使用してもよい。この場合はＣＶＤ後に８５０℃以上の熱を加え、ＢＰＳＧ膜をリフローさせたのち、ＣＭＰ法で表面を研磨する。リフローをした方が、ＣＭＰによりシリコン絶縁膜表面の平坦化が容易である。

なお、各構成の導電型を全て反転することにより、ホール蓄積型画素を構成した場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。

＜第２の実施形態＞
図６は本発明の第２の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。なお、図６において、上記第１の実施形態で説明した図５と同様の構成については同じ参照番号を付し、説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態における遮光部材４２７ａ、４２７ｂの形状は、上記第１の実施形態で図５に示す遮光部材３２７ａ、３２７ｂの形状と異なる。本実施形態においてもゲート電極３０４上を被覆するように、薄いシリコン酸化膜３２８を介して遮光部材４２７ａ、４２７ｂを配している。しかしゲート電極３０４のうち、ＰＤ１に面した側は側面及び上面は遮光部材４２７ａ、４２７ｂで覆い、ＦＤ部３に面した側の側面及び上面は遮光部材で覆わない。これは、遮光部材が必要なのは光が入射するＰＤ１側であり、ＦＤ部３は電極を引き出す必要上、遮光部材により覆われていない方が都合がよいからである。

このように、転送ＭＯＳトランジスタ２のチャネル長方向に対して左右非対称に遮光部材を設けることで、より小さな画素に適した遮光構造を提供することができる。

なお、本実施形態では、ゲート電極３０４の内、ＰＤ１に面した側の側面及び上面を遮光部材で覆うものとしているが、ＰＤ１に面した側の側面だけを覆った場合にも、相当の遮光効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図７は本発明の第３の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。なお、図７において、上記第１の実施形態で説明した図５と同様の構成については同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態においては、第２の実施形態で示した非対称な遮光部材４２７ａ、４２７ｂの形状において、図６に示すようなゲート電極３０４上を被覆する薄いシリコン酸化膜３２８が無く、ゲート電極３０４と遮光部材５２７ａ、５２７ｂが側面及び上面で直に接している例を示している。

本実施形態では、図７に示すように遮光部材５２７ａ、５２７ｂは２層の金属より成り、ゲート電極３０４と直接接する層５２７ｂには、もう一層５２７ａの金属原子がゲート電極３０４のポリシリコンに拡散することを防止できるバリアメタルを使用している。遮光部材５２７ａの一例としてタングステンを用いた場合、チタンシリサイドまたはチタンシリサイドとチタンを積層したものがバリアメタル５２７ｂとして好適である。

また、このようにポリシリコンを金属で「裏打ち」することにより、ポリシリコンの抵抗を著しく小さくすることができる。一行あたりの画素数が増大したり、画素寸法が小さくなることによりゲート線の幅が小さくなるにつれ、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート遅延は各画素からの信号読み出し時間を長くする要因となるので、低抵抗化により、より微細な画素にも高速で動作する固体撮像装置を提供することができる。

また、バリアメタルにより、遮光部材５２７ａとして使用されている重金属が熱処理によりポリシリコンのゲート電極３０４に拡散することを防止できる。したがって、低抵抗化しても転送トランジスタの仕事関数に影響を与えたり、拡散した重金属がゲート絶縁膜を通して、シリコン中に侵入することによる点欠陥の増大を防止することができる。

＜第４の実施形態＞
図８は本発明の第４の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。なお、図８において、上記第１の実施形態で説明した図５と同様の構成については同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態においては、２層の金属より成る遮光部材６２７ａ、６２７ｂとゲート電極３０４との間にシリコン酸化膜３２８を設け、シリコン酸化膜３２８にコンタクト孔６２９を構成し、このコンタクト孔６２９を介して遮光部材６２７ａ、６２７ｂがゲート電極３０４に接続するように構成したところが、上述した第３の実施形態と異なる。

この時の平面レイアウトを図９に示す。図９において、図４と同様の構成には同じ参照番号を付している。図９においては、コンタクト孔７７４はフィールド酸化膜上に開口されている。

本実施形態のように、ポリシリコンから成るゲート電極３０４と遮光部材６２７ａの接続をアクティブ領域上で行わないことにより、バリアメタルがない場合でも重金属の拡散による転送ＭＯＳトランジスタ２のしきい値変化を最低限に抑えることができる。しかしながら微細な画素故に、コンタクト孔７７４とアクティブ領域の距離がとれない場合は本実施形態のように、遮光部材６２７ａの下にはバリアメタルを敷くことが望ましい。

このように、本実施形態によれば、第３の実施形態と同様の効果に加え、遮光部材の重金属の半導体基板への拡散を最小限にすることができる。

＜第５の実施形態＞
図１０は本発明の第５の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。なお、図１０において、上記第１の実施形態で説明した図５と同様の構成については同じ参照番号を付し、説明を省略する。

本実施形態では、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極を遮光部材８２７で遮光するとともに、転送ＭＯＳトランジスタ２下近傍で発生した電荷がＦＤ部３に拡散しないようにするためのポテンシャル障壁をシリコン内部に設ける。また同時に、ＦＤ部３からの電極引き出しをポリシリコンからの直接引き出しとすることにより、ＦＤ部３の直上をメタル第一層で遮光しているので、ＦＤ部３の遮光性を総合的により高めた構造を提供することが可能となっている。

図１０において、８０２は埋め込みＰ型高濃度層、８０３ａはＮ型エピタキシャル層、８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃはＰ型分離層、８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃはＰ型ウエル層である。また、８０６ａ、８０６ｂはフィールド酸化膜下のチャンネルストップＰ型層である。８１４はＰＤ１からＦＤ部３への電荷転送路を規定し、転送ＭＯＳトランジスタ２直下のポテンシャル障壁を形成するためのフィールドストップ層、８１２はＮ型高濃度領域と直接コンタクトをとっているポリシリコン引き出し電極、８２７は遮光部材である。

本実施形態では、転送ＭＯＳトランジスタ２のゲート電極３０４のうち、ＰＤ１側の側壁及びＰＤ１の表面の一部を遮光すると同時に、Ｐ型分離層８０４ｂ、Ｐ型ウエル層８０５ｂ、フィールドストップ層８１４を設けている。これによって、斜め入射光８３１ａによりＰＤ１端部で発生した電子・ホール対８３１ｂのうち、電子がＦＤ部３側に拡散せずにＰＤ１のＮ型カソード３０５に集まるようにしている。

このように本実施形態では、シリコン内部からのＦＤ部３へ拡散を抑制することができる。このように本実施形態では、遮光部材とポテンシャル障壁の組み合わせにより、より効果的に偽信号を排除できる。

本発明の実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置を用いたカメラシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の部分回路図の一例である。 本発明の実施の形態のＭＯＳ型固体撮像装置における全画素同時蓄積動作制御のタイミング図である。 本発明の第１の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素レイアウトを示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素レイアウトの一例を示す図である。 本発明の第５の実施形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 従来のＭＯＳ型固体撮像装置の画素回路を示す図である。 従来のＭＯＳ型固体撮像装置の画素レイアウトの一例を示す図である。 従来のＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の一例を示す図である。 従来のＭＯＳ型固体撮像装置の画素断面の他の一例を示す図である。

符号の説明

１：フォトダイオード、２：転送ＭＯＳトランジスタ、３：フローティングディフュージョン部、４：リセットＭＯＳトランジスタ、５：選択ＭＯＳトランジスタ、６：ソースフォロワーＭＯＳトランジスタ、７：読み出し線、８：定電流源、１００：画素、１０１：シャッター、１０２：撮影レンズ、１０３：絞り、１０４：固体撮像装置、１０５：アナログ信号処理回路、１０６：Ａ／Ｄ変換器、１０７：デジタル信号処理部、１０８：タイミング発生部、１０９：全体制御・演算部、１１０：メモリ、１１１：記録媒体制御Ｉ／Ｆ部、１１２：記録媒体、１１３：外部Ｉ／Ｆ部、１２０：垂直走査回路、１２３：光信号転送ＭＯＳトランジスタ、１２４：ノイズ信号転送ＭＯＳトランジスタ、１２７：水平走査回路、１２８：電荷蓄積部、３０１：ｎ型シリコン基板、３０２ａ：Ｐ型ウエル、３０２ｂ：Ｐ型埋め込み層、３０３ａ：ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜、３０３ｂ：受光部上の薄い酸化膜、３０４：転送ＭＯＳトランジスタのゲート電極、３０５：フォトダイオードのＮ型カソード、３０６：表面Ｐ型領域、３０７ａ：素子分離のためのＬＯＣＯＳ酸化膜、３０７ｂ：Ｐ型チャネルストップ層、３０８：Ｎ型高濃度領域、３０９：シリコン酸化膜、３２０：コンタクトプラグ、３２１：メタル第一層、３２２：層間絶縁膜、３２３：メタル第二層、３２４：層間絶縁膜、３２５：メタル第三層、３２６：パッシベーション膜、３２７ａ、４２７ａ：遮光部材、３２７ｂ、４２７ｂ：遮光部材、３２８ａ：絶縁膜、３２８ｂ：ゲート電極側壁酸化膜、３３０ａ、３３１ａ：斜め入射光、３３０ｂ、３３１ｂ：電子正孔対、５２７ａ、６２７ａ：バリアメタル、５２７ｂ、６２７ｂ：遮光部材、６２８ａ：絶縁膜、６２８ｂ：側壁酸化膜、６２９：コンタクト孔、７７４：ゲート電極と遮光部材を接続するコンタクト孔、８０３：Ｎ型エピタキシャル層、８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ：Ｐ型分離層、８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃ：Ｐ型ウエル層、８０６ａ、８０６ｂ：チャンネルストップＰ型層、８１２：ポリシリコン引き出し電極、８１４：フィールドストップ層、８２７：遮光部材、８２８：ゲート電極を覆う絶縁膜、８３１ａ：斜め入射光、８３１ｂ：電子・ホール対

Claims (10)

1. 入射光量に応じて電荷を発生する光電変換部と、
   電荷を一時的に保持するフローティングディフュージョン部と、
   前記光電変換部から前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する電荷転送トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン部に一時的に保持された電荷を外部に読み出す読み出し回路と、
   を有する画素を有する固体撮像装置であって、
   前記電荷転送トランジスタのゲート電極の、前記光電変換部側の側壁上を覆って配置された遮光部材を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記遮光部材の前記ゲート電極の前記フローティングディフュージョン側の側壁上に配置された一部は除去されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記遮光部材は、前記電荷転送トランジスタのゲート電極側面から前記光電変換部の上に延在していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記遮光部材は、複数の金属層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の金属層のうち、前記ゲート電極側に配された金属層は、バリアメタルにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記遮光部材と前記ゲート電極は、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記遮光部材と前記ゲート電極とを、薄い絶縁膜で隔てたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記絶縁膜に、前記遮光部材と前記ゲート電極とを電気的に接続するコンタクトホールを設けたことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 前記コンタクトホールを電荷転送トランジスタのアクティブ領域外の上に開口したことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記フローティングディフュージョン部から直接電極を引き出した構成を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の固体撮像装置。

Images