JP2007165792A - 固体撮像装置およびその製造方法、その駆動方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷転送電極間のギャップ下に生じる電位ポテンシャルの窪みを抑制し、低電圧駆動時および高速駆動時時にも高い転送効率で信号電荷を転送する。
【解決手段】第１層電荷転送電極１０５上に第２絶縁膜１０７を形成後、第２層電荷転送電極１０８形成前に、低電圧駆動および高速駆動が要求される水平転送部１００Ａのみ、第２絶縁膜１０７の膜厚が薄くなるように除去して第２絶縁膜１０７Ａとし、その後で第２層電荷転送電極１０８を形成する。このようにして、水平転送部１００Ａでは、電荷転送不良を引き起こす電荷転送電極１０５，１０８間ギャップを小さくできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被写体を撮像可能とするＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサなどの固体撮像素子が設けられた固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器に関する。

近年、例えばデジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話装置など、画素数が多く、携帯性が必要とされる画像入力デバイスの開発が盛んに行われている。このため、固体撮像装置の高速動作化および低消費電力化が重要な課題となっている。

一般に、従来の固体撮像装置の撮像領域には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部、この光電変換部から信号電荷を読み出す電荷読み出し部、この読み出された信号電荷を所定方向（垂直方向）に電荷転送する電荷転送部（以下、垂直転送部という）、さらに素子分離部などが配置されている。また、撮像領域外には、垂直転送部に接続されて信号電荷を別の所定方向（水平方向）に転送する別の電荷転送部（以下、水平転送部という）が設けられている。この水平転送部により転送された信号電荷は、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）などの電荷検出部を通して撮像データとして外部に出力される。

ここで、水平転送部は、垂直転送部に比べて、数千倍程度という高速な信号転送動作が必要とされるため、通常、電荷転送方式として、２層電極２相駆動方式が用いられている。一方、垂直転送部は、水平転送部に比べて転送部の面積が小さく、転送電荷量を確保することが重要になるため、２層電極４相駆動方式または４相を超える駆動方式が用いられている。例えば、全画素部から読出しが必要とされる固体撮像装置では、３層電極３相駆動方式または４相以上の駆動方式が用いられている。

図７は、従来の固体撮像装置における２層電極２相駆動方式の水平転送部の要部縦断面図である。なお、このような２層電極２層駆動方式の水平転送部は、例えば特許文献１に開示されている。

図７に示すように、従来の固体撮像装置の２層電極２相駆動方式における水平転送部１００は、半導体基板１０１の主表面上部におけるＰ型半導体領域１０２中にＮ型半導体領域１０３が設けられ、その表面に第１絶縁膜１０４を介して、複数の第１層電荷転送電極１０５が互いに所定間隔を開けて配置されている。Ｎ型半導体領域１０３には、第１層電荷転送電極１０５をマスクとしてＮ型と反対導電型の不純物がイオン注入されたＮ−型半導体領域１０６が設けられている。また、第１層電荷転送電極１０５上には第２絶縁膜１０７が設けられ、隣り合う２つの第１層電荷転送電極１０５間のＮ−型半導体領域１０６の表面並びに第１層電荷転送電極１０５の側面および表面の一部に、それぞれ第１絶縁膜１０４並びに第２絶縁膜１０７を介して、その両端が第１層電荷転送電極１０５と平面視で重畳するように、複数の第２層電荷転送電極１０８が並列配置されている。さらに、この基板部上を覆うように層間絶縁膜１０９が設けられている。

この水平転送部１００では、第１層電荷転送電極１０５とその右側に隣接する第２層電荷転送電極１０８を一対として、一対の電極置きに２本の金属配線１１１および１１２に接続されている。

図８は、図７の固体撮像装置における２層電極４相駆動方式の垂直転送部の要部縦断面図である。なお、このような垂直転送部について、４相を超える駆動方式では金属配線の引き出し方法が異なるが、縦断面構造は図８の場合と変わらない。

図８に示すように、従来の固体撮像装置の２層電極４相駆動方式における垂直転送部２００は、図７の水平転送部１００の場合と同様に、半導体基板１０１の主表面上部におけるＰ型半導体領域１０２中にＮ型半導体領域１０３が設けられ、その表面に第１絶縁膜１０４を介して、複数の第１層電荷転送電極１０５が互いに所定間隔を開けて配置されている。この第１層電荷転送電極１０５上には第２絶縁膜１０７が設けられ、隣接する二つの第１層電荷転送電極１０５間のＮ型半導体領域１０３の表面並びに第１層電荷転送電極１０５の側面および表面の一部に、それぞれ第１絶縁膜１０４並びに第２絶縁膜１０７を介して、その両端が第１層電荷転送電極１０５と重畳するように、複数の第２層電荷転送電極１０８が並列配置されている。その基板部上を覆うように層間絶縁膜１０９が設けられている。

この図８の垂直転送部２００では、図７の水平転送部１００の場合と異なり、第１電荷転送電極１０５および第２電荷転送電極１０８が４個おきに４本の金属配線２１１〜２１４に接続されている。

以下に、従来の固体撮像装置における水平転送部１００および垂直転送部２００の製造工程について、図９および図１０を用いてその工程順に説明する。

図９は、従来の固体撮像装置の２層電極２相駆動方式における水平転送部の製造工程をその工程順に説明するための要部縦断面図、図１０は、図９の固体撮像装置の２層電極４相駆動方式における垂直転送部の製造工程をその工程順に説明するための要部縦断面図である。

まず、図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように、不純物濃度が１×１０^１４ｃｍ^−３程度であるシリコンなどからなるＮ型半導体基板１０１内に、不純物濃度が５×１０^１４ｃｍ^−３程度でＮ型半導体基板１０１の表面からの深さが３μｍ程度で不純物濃度が５×１０^１４ｃｍ^−３程度のＰ型半導体領域１０２を形成する。さらに、そのＰ型半導体領域１０２内に、その表面からの深さが０．５μｍ程度で不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のＮ型半導体領域１０３を形成する。その後、Ｎ型半導体領域１０３上に、熱酸化法および減圧ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜をそれぞれ２０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍ程度、順次堆積して多層構造の第１絶縁膜１０４を形成する。

次に、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、第１絶縁膜１０４上に、減圧ＣＶＤ法、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて、厚さ３００ｎｍ程度の多結晶シリコンからなる第１層電荷転送電極１０５を所定パターンに形成する。

続いて、図９（ｃ）および図１０（ｃ）に示すように、熱酸化法を用いて、第１電荷転送電極１０５上に厚さ７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなる第２絶縁膜１０７を形成する。

その後、図示しないフォトレジストを形成して、水平転送部１００には、第１層電荷転送電極１０５をマスクとしてＮ型と反対導電型の不純物として例えばボロンを自己整合的にイオン注入法を用いて導入することにより、キャリア濃度が７×１０^１６ｃｍ^−３程度のＮ−型半導体領域１０６を形成する。

さらに、図９（ｄ）および図１０（ｄ）に示すように、第１絶縁膜１０４および第２絶縁膜１０７上に、減圧ＣＶＤ法、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて、厚さ３００ｎｍ程度の多結晶シリコンからなる第２層電荷転送電極１０８を形成する。

続いて、図９（ｅ）および図１０（ｅ）に示すように、基板上全面を覆うように層間絶縁膜１０９を形成する。

その後、層間絶縁膜１０９に図示しないスルーホールを設けて、アルミニウム膜などを堆積させ、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて所定形状の配線パターンにパターンニングする。これにより、図９（ｆ）に示すように、水平転送部１００では、第１層電荷転送電極１０５とその右側に隣接する第２層電荷転送電極１０８を一対として、一対の電極置きに２本の金属配線１１１および１１２に接続される。

また、図１０（ｆ）に示すように、垂直転送部２００では、第１電荷転送電極１０５および第２電荷転送電極１０８が４個の電極置きに４本の金属配線２１１〜２１４に接続される。なお、駆動方式が変わった場合、例えば６相駆動方式の場合には、６個の電極置きに６本の金属配線に接続される。

次に、従来の固体撮像装置における水平転送部１００および垂直転送部２００の駆動方法について説明する。

水平転送部１００においては、上記２本の金属配線１１１および１１２に互いに１８０度位相が異なる振幅５Ｖ程度のクロックパルスφ１およびφ２を印加することにより、信号電荷を図９（ｆ）の右側から左側に順次転送することができる。

また、垂直転送部２００においては、４本の金属配線２１１〜２１４の少なくとも１本がロウレベルである振幅８Ｖ程度のクロックパルスφＶ１〜φＶ４を印加することにより、信号電荷を図１０（ｆ）の右側から左側に順次転送することができる。
特開平１１−１７１６３号公報

上記従来の固体撮像装置の水平転送部１００では、垂直転送部２００の場合と比較して高速駆動が行われ、その消費電力は水平転送部１００を駆動するクロックパルスの振幅に大きく依存する。よって、消費電力を低減するためには、このクロックパルスの振幅を小さくする必要がある。

しかしながら、上記従来の固体撮像装置では、図１１に示すように、第１層電荷転送電極１０５と隣り合う第２層電荷転送電極１０８との間（ギャップＧ）に存在する第２絶縁膜１０７が第１絶縁膜１０４と接する基板半導体層の表面下に、その左右どちらかの電荷転送電極下と同じキャリア濃度のＮ型半導体領域が形成されている。このため、例えばクロックパルスの振幅を３Ｖ程度に小さくすると、このギャップＧ下の基板半導体層領域では、電荷転送電極１０８下の第１絶縁膜１０４の厚さが実効的に厚く（図１１で第２絶縁膜１０７の厚さを示す矢印Ｄ）なったように作用するため、この各電荷転送電極１０５，１０８間のギャップＧ下の基板半導体層ではポテンシャル電位に窪みＰが発生しやすくなる。これは、この電荷転送電極１０５，１０８に印加される駆動電圧が低いほど顕著になる。

このように、各電荷転送電極１０５，１０８間のギャップＧ下の基板半導体層に電位ポテンシャルに窪みが生じると、信号電荷の転送方向に対して逆向きの電界として作用するため、信号電荷の転送効率が低下するという問題があった。

また、この各電荷転送電極１０５，１０８間のギャップＧ下の基板半導体層における電位ポテンシャルの窪みの周辺では、電荷転送方向への電界（フリンジ電界）が低い領域となるため、電荷転送のドリフト成分が減少して、高速転送時または低電圧駆動時に電荷転送不良が生じるという不具合がある。

この電位ポテンシャルの窪みは、互いに隣り合う電荷転送電極１０５，１０８間のギャップＧ（ギャップ幅）、即ち絶縁膜厚を薄くすることによって改善される。

しかしながら、垂直転送部２００の電荷転送電極では、光電変換部からの信号読み出し用電極を兼ねていること、垂直転送部２００と水平転送部１００との電位の関係、および撮像領域で生じるノイズ成分の問題などから、垂直転送部２００では、隣り合う電荷転送電極１０５，１０８間で最低でも２０Ｖ〜３０Ｖの安定した絶縁耐圧（振幅が例えば８Ｖ程度のクロックパルスに対する絶縁耐圧）が必要であり、絶縁膜厚をこれ以上薄くすることは困難であった。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、各電荷転送電極間のギャップ下に生じる電位ポテンシャルの窪みを抑制し、低電圧駆動時および高速駆動時にも高い電荷転送効率で信号電荷を転送できる固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部からの各信号電荷を電荷転送する第１電荷転送部と、該第１電荷転送部からの信号電荷を出力部側に電荷転送する第２電荷転送部とが設けられた固体撮像装置において、該第１電荷転送部および該第２電荷転送部はそれぞれ、基板半導体層の表面上に第１絶縁膜を介して複数の電荷転送電極が所定方向に並べられて設けられ、互いに隣り合う電荷転送電極間には第２絶縁膜が設けられ、該第２電荷転送部の第２絶縁膜の膜厚が該第１電荷転送部の第２絶縁膜の膜厚よりも薄く設定されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。即ち、 本発明の固体撮像装置は、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部からの各信号電荷を電荷転送する第１電荷転送部と、該第１電荷転送部からの信号電荷を出力部側に電荷転送する第２電荷転送部とが設けられた固体撮像装置において、該第２電荷転送部は、基板半導体層の表面上に第１絶縁膜を介して複数の電荷転送電極が所定方向に並べられて設けられ、互いに隣り合う電荷転送電極間には第２Ａ絶縁膜が設けられ、該第１電荷転送部は、基板半導体層の表面上に第１絶縁膜を介して複数の電荷転送電極が所定方向に並べられて設けられ、互いに隣り合う電荷転送電極間には第２Ｂ絶縁膜が設けられ、該第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚が該第１電荷転送部の第２Ｂ絶縁膜の膜厚よりも薄く設定されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚は、該第２電荷転送部の絶縁耐圧のみを満足する膜厚に設定されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１電荷転送部は垂直転送部であり、前記第２電荷転送部は該垂直転送部よりも低電圧駆動の水平転送部であって、該水平転送部の前記第２Ａ絶縁膜および該垂直転送部の前記第２Ｂ絶縁膜の各膜厚はそれぞれ、前記互いに隣り合う電荷転送電極間に印加される駆動電圧に対する絶縁耐圧に対応してそれぞれ設定されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚が１０ｎｍ〜３０ｎｍ、前記第１電荷転送部の第２Ｂ絶縁膜の膜厚が５０ｎｍ〜８０ｎｍに設定されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における垂直転送部は２層電極４相駆動方式であり、前記水平転送部は２層電極２相駆動方式である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部はそれぞれ、半導体基板の主表面上部における第１導電型半導体層中に形成された前記基板半導体層としての第２導電型半導体層の表面上に、前記第１絶縁膜を介して、互いに所定間隔を開けて並べられて配置された複数の第１層電荷転送電極と、互いに隣り合った二つの第１層電荷転送電極間に設けられ、該第１層電荷転送電極から前記第２Ａ絶縁膜または前記第２Ｂ絶縁膜を介して、両端が該第１層電荷転送電極に対して一部重畳するようにそれぞれ配置された複数の第２層電荷転送電極とを有している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における第１絶縁膜は、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜からなる多層構造であり、前記第２Ａ絶縁膜および前記第２Ｂ絶縁膜は、熱酸化法によりシリコン酸化膜から形成されている。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、本発明の上記固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法であって、前記基板半導体層上に前記第１絶縁膜を介して前記第１層電荷転送電極を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部の該第１層電荷転送電極上および側面に前記第２Ｂ絶縁膜を形成する工程と、該第２電荷転送部における該第２Ｂ絶縁膜のみを薄膜化して前記第２Ａ絶縁膜とした後に、隣り合う第１層電荷転送電極の間に該第２Ａ絶縁膜または該第２Ｂ絶縁膜を介して前記第２層電荷転送電極を形成する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、本発明の上記固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法であって、前記基板半導体層上に前記第１絶縁膜を介して前記第１層電荷転送電極を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部の該第１層電荷転送電極上および側面に前記第２Ａ絶縁膜を形成する工程と、該第１電荷転送部における該第２Ａ絶縁膜上にのみ絶縁膜を積層して厚膜化して前記第２Ｂ絶縁膜とした後に、隣り合う第１層電荷転送電極の間に該第２Ａ絶縁膜または該第２Ｂ絶縁膜を介して前記第２層電荷転送電極を形成する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、本発明の上記固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法であって、前記垂直転送部では、前記第１層電荷転送電極および前記第２層電荷転送電極がそれぞれ、連続して配置されたｍ個の電極毎にｍ本の金属配線のそれぞれに接続されて、該ｍ本の金属配線に印加されるクロックパルスのうち少なくとも１本のクロックパルスがロウレベルであり、該水平転送部よりも振幅が大きいクロックパルスを駆動電圧として印加することにより信号電荷を所定方向に転送し、前記水平転送部では、前記第１層電荷転送電極および該第２層電荷転送電極を一対とし、該一対の電極毎に２本の金属配線のそれぞれを該第１層電荷転送電極および該第２層電荷転送電極にそれぞれ接続して、該２本の金属配線に互いに１８０度位相が異なるクロックパルスを印加することにより、該垂直転送部から電荷転送された信号電荷を出力部側に電荷転送するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を撮像部に用いて得た画像データを信号処理した後に記録するメモリと、該画像データを信号処理した後に表示画面上に表示する表示手段と、該画像データを信号処理した後に通信処理する通信手段と、該画像データを信号処理した後に印刷処理する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、電荷転送電極（第１層電荷転送電極）上に第２絶縁膜を形成後、別の電荷転送電極（第２層電荷転送電極）を形成する前に、低電圧駆動および高速駆動が要求される第２電荷転送部（水平転送部）においてのみ、第２絶縁膜をエッチバック処理などにより表面部分を除去して薄膜化し、その後、別の電荷転送電極（第２層電荷転送電極）を形成する。

例えば、第１絶縁膜を形成した後にフォトリソグラフィー法により水平転送部以外の部分をフォトレジストで被覆し、希フッ酸などのＷＥＴエッチャントに浸液して、適切な膜厚に時間コントロールにて薄膜化した後に、フォトレジストを除去することにより、同一の固体撮像装置内で、第１層電荷転送電極と第２層電荷転送電極間に、その動作方法の違い（駆動電圧の違い）に応じた異なる絶縁膜厚を形成することが可能となる。

これにより、高い絶縁耐圧が必要な第１電荷転送部（垂直転送部）においては、従来通り７０ｎｍ程度の絶縁膜厚を確保する一方、それほど高い絶縁耐圧は必要とされず、低消費電力化および高速駆動化のために絶縁膜を薄くして電荷転送電極間のギャップを小さくする方が好ましい第２電荷転送部（水平転送部）では、第１電荷転送部（垂直転送部）よりも薄い例えば３０ｎｍ程度の絶縁膜厚とすることが可能となる。

以上により、本発明によれば、駆動条件が異なる２種類の電荷転送部（第１電荷転送部と第２電荷転送部）を含む固体撮像装置において、電荷転送電極間の駆動電位差が小さくかつ高速転送動作を要する場合に、電荷転送不良を引き起こす電荷転送電極間のギャップを小さくすることができる。これによって、第２電荷転送部（水平転送部）において、従来のように信号電荷の電荷転送不良を引き起こすことなく駆動電圧を低減できて、低消費電力で高速駆動を行うことができる。また、高い絶縁耐圧が必要な第１電荷転送部では、必要な絶縁膜厚を確保し、撮像領域でのノイズを低減して信頼性を向上させることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の要部構成例を示す上面図である。なお、図１では、図７および図８の構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。

図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部１１が２次元状（またはマトリクス状）に配置されて設けられ、この光電変換部１１で変換された信号電荷を図中の上から下方向（垂直方向）に電荷転送可能とする第１電荷転送部としての垂直転送部２００が、複数並んだ光電変換部１１に隣接して設けられて、各光電変換部１１から信号電荷が読み出される。また、この複数の光電変換部１１と複数本の垂直転送部２００が設けられた撮像領域の図１中の下方位置には、垂直転送部２００から転送されてきた複数の信号電荷を出力部１２まで、後述する図３中の左から右方向に電荷転送する第２電荷転送部としての水平転送部１００Ａが設けられている。

図２は、図１の水平転送部１００ＡのＡ−Ａ’線縦断面図である。なお、図２では、図７の構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。

図２に示すように、本実施形態の水平転送部１００Ａは、２層電極２相駆動方式であって低電圧駆動および高速駆動が要求されており、Ｎ型半導体基板１０１の主表面上部における第１導電型半導体層のＰ型半導体領域１０２中に第２導電型半導体層のＮ型半導体領域１０３（基板半導体層）が設けられ、その表面に第１絶縁膜１０４を介して、複数の第１層電荷転送電極１０５が互いに所定間隔を開けて所定方向に並んで配置されている。また、Ｎ型半導体領域１０３には、第１層電荷転送電極１０５をマスクとしてＮ型とは反対導電型の不純物がイオン注入（ここではボロンイオン注入）されたＮ−型半導体領域１０６が設けられている。第１層電荷転送電極１０５上には薄い第２絶縁膜１０７Ａ（第２Ａ絶縁膜）が設けられ、隣り合う二つの第１層電荷転送電極１０５間のＮ−型半導体領域１０６の表面上、並びに第１層電荷転送電極１０５の側面および表面に、それぞれ第１絶縁膜１０４並びに第２絶縁膜１０７Ａを介して、その両端が第１層電荷転送電極１０５の端部とそれぞれ一部重畳するように、複数の第２層電荷転送電極１０８がそれぞれ配置されている。この基板部上を覆うように層間絶縁膜１０９が設けられて平坦化されている。

この水平転送部１００Ａでは、第１層電荷転送電極１０５とその右側に隣接する第２層電荷転送電極１０８とを一対として、その一対置きに２本の金属配線１１１および１１２が接続されている。

図３は、図１の垂直転送部２００のＢ−Ｂ’線縦断面図である。なお、図３では、図８の構成部材と同一の作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。

図３に示すように、本実施形態の垂直転送部２００は、前述した水平転送部１００Ａの場合と同様に２層電極４相駆動方式であり、半導体基板１０１の主表面上部における第１導電型半導体層のＰ型半導体領域１０２中に第２導電型半導体層のＮ型半導体領域１０３（基板半導体層）が設けられ、その表面上に第１絶縁膜１０４を介して、複数の第１層電荷転送電極１０５が互いに所定間隔を開けて並んで配置されている。この第１層電荷転送電極１０５上には厚い第２絶縁膜１０７（第２Ｂ絶縁膜）が設けられ、隣り合う二つの第１層電荷転送電極１０５間のＮ型半導体領域１０３の表面並びに、第１層電荷転送電極１０５の側面および表面に、それぞれ第１絶縁膜１０４並びに第２絶縁膜１０７を介して、その両端が第１層電荷転送電極１０５の端部とそれぞれ一部重畳するように、複数の第２層電荷転送電極１０８が並んで配置されている。その基板部全体上を覆うように層間絶縁膜１０９が設けられて平坦化されている。

この垂直転送部２００では、水平転送部１００Ａとは異なり、第１電荷転送電極１０５および第２電荷転送電極１０８を含む４個の電極毎に４本の金属配線２１１〜２１４のそれぞれが各電極にそれぞれ接続されている。

本実施形態では、各電荷転送電極１０５，１０８間のギャップ下に生じる電位ポテンシャルの窪みを抑制するために、水平転送部１００Ａの第２絶縁膜１０７Ａは、垂直転送部２００の第２絶縁膜１０７に比べて厚みが薄く形成されていることを特徴構成としている。 この水平転送部１００Ａの第２絶縁膜１０７Ａの膜厚は、垂直転送部２００の絶縁耐圧は満足していないが、水平転送部１００Ａの絶縁耐圧は満足している膜厚に設定されている。即ち、水平転送部１００Ａおよび垂直転送部２００の各第２絶縁膜１０７Ａ，１０７の膜厚はそれぞれ、互いに隣り合う電荷転送電極１０５，１０８間に印加される駆動電圧に対する絶縁耐圧に対応してそれぞれ設定されている。

上記構成により、以下に、本実施形態の水平転送部１００Ａおよび垂直転送部２００の各製造工程について、図４および図５を用いて各工程順に詳細に説明する。

図４（ａ）〜図４（ｇ）はそれぞれ、図２の２層電極２相駆動方式の水平転送部の各製造工程を工程順に説明するための縦断面図、図５（ａ）〜図５（ｇ）はそれぞれ、図３の２層電極４相駆動方式の垂直転送部の各製造工程を工程順に説明するための縦断面図である。

まず、図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、不純物濃度が１×１０^１４ｃｍ^−３程度であるシリコンなどからなるＮ型半導体基板１０１内に、不純物濃度が５×１０^１４ｃｍ^−３程度でＮ型半導体基板１０１の表面上からの深さが３μｍ程度で不純物濃度が５×１０^１４ｃｍ^−３程度のＰ型半導体領域１０２を形成する。さらに、そのＰ型半導体領域１０２内に、その表面上からの深さが０．５μｍ程度で不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のＮ型半導体領域１０３を形成する。その後、Ｎ型半導体領域１０３上に、熱酸化法および減圧ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜をそれぞれ２０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍ程度順次堆積して第１絶縁膜１０４を形成する。この場合に、シリコン窒化膜で覆われた層には熱酸化処理が及ばない。

次に、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように、第１絶縁膜１０４上に、減圧ＣＶＤ法、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて、厚さ３００ｎｍ程度の多結晶シリコンからなる各第１層電荷転送電極１０５を所定間隔空けて形成する。

続いて、図４（ｃ）および図５（ｃ）に示すように、９５０度程度の熱酸化法を用いて、第１電荷転送電極１０５上に厚さ７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなる第２絶縁膜１０７を形成する。このときの第２絶縁膜厚１０７は、固体撮像装置１において、隣接する電荷転送電極間に印加される電位差に対して絶縁破壊が生じない程度の膜厚とする。なお、この第２絶縁膜厚１０７の膜厚の誤差は、数パーセント〜１０パーセント程度のオーダで形成できることから７０ｎｍ±１０ｎｍ程度で形成できる。したがって、この第２絶縁膜厚１０７の膜厚の最小値を５０ｎｍとすると、第２絶縁膜厚１０７の膜厚範囲は５０ｎｍ〜８０ｎｍ程度で形成されている。

その後、図４（ｄ）および図５（ｄ）に示すように、垂直転送部２００にフォトレジスト１１０を形成し、水平転送部１００Ａに第１層電荷転送電極１０５をマスクとしてＮ型とは反対導電型の不純物として例えばボロンを自己整合的にイオン注入法を用いて導入することにより、キャリア濃度が７×１０^１６ｃｍ^−３程度のＮ−型半導体領域１０６を形成することができる。

さらに、前述した同じフォトレジストマスク１１０を用いて、基板を１％ＨＦに８００秒程度浸液してエッチバック処理（時間で除去膜厚を制御；膜厚の１割以内に制御可能）し、水平転送部１００Ａの部分のみ、第２絶縁膜１０７を３０ｎｍ程度の厚みにエッチングして第２絶縁膜１０７よりも薄い膜厚の第２絶縁膜１０７Ａとする。このときの第２絶縁１０７Ａの膜厚は、水平転送部１００Ａにおいて隣接する電荷転送電極１０５，１０８間に印加される電位差（３Ｖ〜５.５Ｖｍａｘ）に対して絶縁破壊が生じない程度の膜厚としている。この場合、第２絶縁１０７Ａの膜厚範囲は、駆動電圧の耐圧に見合う膜厚として、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度である。

また、このとき、Ｎ型半導体領域１０３と第１電荷転送電極１０５との間の第１絶縁膜１０４、およびＮ−型半導体領域１０６と第２電荷転送電極１０８との間の第１絶縁膜１０４の構成を揃えるために、減圧ＣＶＤ法などを用いて層間絶縁膜形成を複数回の工程に分割する場合には、これらを合わせた電極間絶縁耐圧が、水平転送部１００Ａにおいて隣り合う電荷転送電極間に印加される電位差に対して絶縁破壊を生じない膜厚となるようにする。

ここで、上記したように、Ｎ型半導体領域１０３と第１電荷転送電極１０５との間の第１絶縁膜１０４、およびＮ−型半導体領域１０６と第２電荷転送電極１０８との間の第１絶縁膜１０４の構成（膜厚）を揃えることについて図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。図４（ｃ）の要部に対応した図１２（ａ）において、第１絶縁膜１０４は、下から順に、熱酸化膜１０４ａ、シリコン窒化膜１０４ｂ（減圧ＣＶＤ）およびシリコン酸化膜１０４ｃ（減圧ＣＶＤ）が積層されて形成されている。このうちの最上層のシリコン酸化膜１０４ｃについては、その上の第１電荷転送電極１０５を加工する際に、エッチング工程および洗浄工程を経て除去されて、第１電荷転送電極１０５下以外の領域の第１絶縁膜１０４の膜厚が減少する。このまま、その領域に第２電荷転送電極１０８を形成すると、第１電荷転送電極１０５下と第２電荷転送電極１０８下とで、第１絶縁膜１０４の膜厚が異なることになるため、これを防止するために、図１２（ｂ）に示すように追加のシリコン酸化膜１０４ｄを、減少した第１絶縁膜１０４上に堆積させるかまたは、ウェットエッチング法などを用いて、一度、第２電荷転送電極１０８下となる第１絶縁膜１０４の最上層のシリコン酸化膜１０４ｃを完全に除去した後に、再度、減圧ＣＶＤ法でシリコン酸化膜１０４ｄを形成する。このときの第１絶縁膜１０４Ａの膜厚は、熱酸化膜１０４ａ、シリコン窒化膜１０４ｂおよびシリコン酸化膜１０４ｄからなっており、第１電荷転送電極１０５下と第２電荷転送電極１０８下とで、前述したような第１絶縁膜１０４Ａの膜厚が異なるようなことはない。

次に、図４（ｅ）および図５（ｅ）に示すように、第１絶縁膜１０４および第２絶縁膜１０７、１０７Ａ上に、減圧ＣＶＤ法、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて、厚さ３００ｎｍ程度の多結晶シリコンからなる第２層電荷転送電極１０８を形成する。

続いて、図４（ｆ）および図５（ｆ）に示すように、基板部上全面を覆うように層間絶縁膜１０９を形成する。

その後、この層間絶縁膜１０９に、図示しないスルーホールを設けて、アルミニウム膜などを堆積させ、リソグラフィー法、ドライエッチング法などを用いて所定の配線パターンにパターンニングする。

これにより、図４（ｇ）に示すように、水平転送部１００Ａでは、第１層電荷転送電極１０５とその右側に隣接する第２層電荷転送電極１０８を一対として、この一対の電極置きに２本の金属配線１１１および１１２に接続される。

また、図５（ｇ）に示すように、垂直転送部２００では、第１電荷転送電極１０５および第２電荷転送電極１０８が４個の電極置きに４本の金属配線２１１〜２１４に接続される。なお、駆動方式が変わった場合、例えば６相駆動方式の場合には、６個の電極置きに６本の金属配線に接続される。

次に、本実施形態の固体撮像装置１における水平転送部１００Ａおよび垂直転送部２００の駆動方法について説明する。

水平転送部１００Ａでは、第２絶縁膜１０７Ａの膜厚が、垂直転送部２００の第２絶縁膜１０７の膜厚に比べてその厚みを薄くした分だけ、隣接する電荷転送電極１０５，１０８間のギャップが従来の固体撮像装置の場合に比べて小さくなっているため、上記２本の金属配線１１１および１１２に互いに１８０度位相が異なる振幅３Ｖ程度のクロックパルスφ１およびφ２を印加することにより、信号電荷を、図１のＡ−Ａ’線に沿って図２（ｆ）の右側から左側に安定して電荷転送することができる。

一方、垂直転送部２００では、従来の固体撮像装置の場合と同様に、図３および図６に示すように、４本の金属配線２１１〜２１４の少なくとも１本のクロックパルスがロウレベルである振幅８Ｖ程度のクロックパルスφＶ１〜φＶ４を印加することにより、信号電荷を安定して電荷転送することができる。

以上のように、本実施形態によれば、第１層電荷転送電極１０５上に第２絶縁膜１０７を形成後、第２層電荷転送電極１０８形成前に、低電圧駆動および高速駆動が要求される水平転送部１００Ａのみ、第２絶縁膜１０７の膜厚が薄くなるように除去し、その後で第２層電荷転送電極１０８を形成する。このようにして、水平転送部１００Ａでは、電荷転送不良を引き起こす電荷転送電極１０５，１０８間ギャップを小さくできて、信号電荷の転送不良を引き起こすことなく駆動電圧を低減でき、低消費電力で高速駆動を行うことができる。一方、高い絶縁耐圧が必要な垂直転送部２００では、第２絶縁膜１０７を薄くせず、その絶縁膜厚を確保し、撮像領域でのノイズを低減して信頼性を向上させることができる。したがって、電荷転送電極１０５，１０８間のギャップＧ下に生じる電位ポテンシャルの窪みを抑制できて、低電圧駆動時および高速駆動時時にも高い転送効率で信号電荷を転送することができる。

なお、上記実施形態では、Ｎ型半導体基板１０１中にＰ型半導体領域１０２を形成し、さらにそのＰ型半導体領域１０２中にＮ型半導体領域１０３を形成したが、Ｐ型半導体基板を用いて電荷転送部となるＮ型半導体領域を形成した構成についても、同様に本発明を適用可能である。

また、上記実施形態の図４（ｃ）では、第２絶縁膜１０７を形成した後にボロンイオン注入を行って電位障壁となるＮ−型半導体領域１０６を形成したが、これに限らず、ボロンイオン注入と第２絶縁膜１０７の形成の順序は逆であってもよい。

さらに、上記実施形態の図４（ｄ）のボロンイオン注入の代わりに、Ｎ型半導体を形成するための他のイオン種を注入してもよい。その場合には、図４（ｇ）において、第１層電荷転送電極１０５が障壁電極、第２層電化転送電極１０８が蓄積電極として役目が逆転するため、対をなす第１層電荷転送電極１０５と第２層電荷転送電極１０８の組み合わせが、図の紙面左が第２層電荷転送電極１０８、紙面右が第１層電荷転送電極１０５となる。よって、この対が金属配線１１１（電位φ１）もしくは１１２（電位φ２）に接続されることが異なるだけで、その他の構造は上記実施形態の場合と同様である。

さらに、上記実施形態では、固体撮像装置１の製造方法として、基板半導体層上に第１絶縁膜１０４を介して第１層電荷転送電極１０５を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、第１電荷転送部としての垂直転送部２００および第２電荷転送部としての水平転送部１００Ａの第１層電荷転送電極１０５上および側面に第２絶縁膜１０７を形成する工程と、この水平転送部１００Ａの第２絶縁膜１０７のみを薄膜化して第２絶縁膜１０７Ａとした後に、隣り合う第１層電荷転送電極１０５の間に第２絶縁膜１０７または１０７Ａを介して第２層電荷転送電極１０８を形成する工程とを有するように、第２絶縁膜１０７を薄膜化する構成としたが、これに限らず、基板半導体層上に第１絶縁膜１０４を介して第１層電荷転送電極１０５を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、第１電荷転送部としての垂直転送部２００および第２電荷転送部としての水平転送部１００Ａの第１層電荷転送電極１０５上および側面に薄い第２絶縁膜１０７Ａを形成する工程と、この垂直転送部２００側に形成した薄い第２絶縁膜１０７Ａ上にのみ絶縁膜を積層して厚膜化した第２絶縁膜１０７を形成した後に、隣り合う第１層電荷転送電極１０５の間に、第２絶縁膜１０７または１０７Ａを介して第２層電荷転送電極１０８を形成する工程とを有するように、第２絶縁膜１０７Ａを厚膜化する構成としてもよい。

さらに、上記実施形態では、特に説明しなかったが、本実施形態の固体撮像装置１を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態の固体撮像装置１を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体を撮像可能とするＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置の駆動方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器の分野において、隣接する各電荷転送電極間の駆動電位差が小さく、高速転送動作を要する場合に、電荷転送不良を引き起こす隣接電荷転送電極間ギャップを小さくすることができる。これにより、信号電荷の転送不良を引き起こすことなく駆動電圧を低減し、低消費電力で高速駆動を行うことができる。一方、高い絶縁耐圧が必要な電荷転送部では絶縁膜厚を確保し、撮像領域でのノイズを低減して信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の要部構成例を示す上面図である。 図１の水平転送部のＡ−Ａ’線縦断面図である。 図１の垂直転送部のＢ−Ｂ’線縦断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、図２の２層電極２相駆動方式の水平転送部の各製造工程を工程順に説明するための縦断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、図３の２層電極４相駆動方式の垂直転送部の各製造工程を工程順に説明するための縦断面図である。 本発明および従来の固体撮像装置における垂直転送部の駆動電圧について説明するための信号波形図である。 従来の固体撮像装置における２層電極２相駆動方式の水平転送部の要部縦断面図である。 図７の固体撮像装置における２層電極４相駆動方式の垂直転送部の要部縦断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、従来の固体撮像装置の２層電極２相駆動方式における水平転送部の製造工程をその工程順に説明するための要部縦断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図９の固体撮像装置の２層電極４相駆動方式における垂直転送部の製造工程をその工程順に説明するための要部縦断面図である。 各電荷転送電極のギャップ下の基板半導体層に電位ポテンシャルに窪みについて説明するための図７の固体撮像装置の要部縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図４のＮ型半導体領域１０３と第１電荷転送電極１０５との間の第１絶縁膜１０４、およびＮ−型半導体領域１０６と第２電荷転送電極１０８との間の第１絶縁膜１０４の膜厚を揃えることについて説明するための一例を示す積層構造図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
１１ 光電変換部
１２ 出力部
１０１ 半導体基板
１０２ Ｐ型半導体領域（第１導電型半導体層）
１０３ Ｎ型半導体領域（第２導電型半導体層）
１０４，１０４Ａ 第１絶縁膜
１０５ 第１層電荷転送電極
１０６ Ｎ−型半導体領域
１０７Ａ 第２絶縁膜（第２Ａ絶縁膜）
１０７ 第２絶縁膜（第２Ｂ絶縁膜）
１０８ 第２層電荷転送電極
１０９ 層間絶縁膜
１１１，１１２，２１１〜２１４ 金属配線
１００Ａ 水平転送部（第２電荷転送部）
２００ 垂直転送部（第１電荷転送部）

Claims (11)

1. 入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部からの各信号電荷を電荷転送する第１電荷転送部と、該第１電荷転送部からの信号電荷を出力部側に電荷転送する第２電荷転送部とが設けられた固体撮像装置において、
   該第２電荷転送部は、基板半導体層の表面上に第１絶縁膜を介して複数の電荷転送電極が所定方向に並べられて設けられ、互いに隣り合う電荷転送電極間には第２Ａ絶縁膜が設けられ、
   該第１電荷転送部は、基板半導体層の表面上に第１絶縁膜を介して複数の電荷転送電極が所定方向に並べられて設けられ、互いに隣り合う電荷転送電極間には第２Ｂ絶縁膜が設けられ、
   該第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚が該第１電荷転送部の第２Ｂ絶縁膜の膜厚よりも薄く設定されている固体撮像装置。
2. 前記第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚は、該第２電荷転送部の絶縁耐圧のみを満足する膜厚に設定されている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１電荷転送部は垂直転送部であり、前記第２電荷転送部は該垂直転送部よりも低電圧駆動の水平転送部であって、該水平転送部の前記第２Ａ絶縁膜および該垂直転送部の前記第２Ｂ絶縁膜の各膜厚はそれぞれ、前記互いに隣り合う電荷転送電極間に印加される駆動電圧に対する絶縁耐圧に対応してそれぞれ設定されている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２電荷転送部の第２Ａ絶縁膜の膜厚が１０ｎｍ〜３０ｎｍ、前記第１電荷転送部の第２Ｂ絶縁膜の膜厚が５０ｎｍ〜８０ｎｍに設定されている請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記垂直転送部は２層電極４相駆動方式であり、前記水平転送部は２層電極２相駆動方式である請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部はそれぞれ、半導体基板の主表面上部における第１導電型半導体層中に形成された前記基板半導体層としての第２導電型半導体層の表面上に、前記第１絶縁膜を介して、互いに所定間隔を開けて並べられて配置された複数の第１層電荷転送電極と、互いに隣り合った二つの第１層電荷転送電極間に設けられ、該第１層電荷転送電極から前記第２Ａ絶縁膜または前記第２Ｂ絶縁膜を介して、両端が該第１層電荷転送電極に対して一部重畳するようにそれぞれ配置された複数の第２層電荷転送電極とを有している請求項１または３に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１絶縁膜は、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜からなる多層構造であり、
   前記第２Ａ絶縁膜および前記第２Ｂ絶縁膜は、熱酸化法によりシリコン酸化膜から形成されている請求項１または６に記載の固体撮像装置。
8. 請求項６に記載の固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記基板半導体層上に前記第１絶縁膜を介して前記第１層電荷転送電極を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、
   前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部の該第１層電荷転送電極上および側面に前記第２Ｂ絶縁膜を形成する工程と、
   該第２電荷転送部における該第２Ｂ絶縁膜のみを薄膜化して前記第２Ａ絶縁膜とした後に、隣り合う第１層電荷転送電極の間に該第２Ａ絶縁膜または該第２Ｂ絶縁膜を介して前記第２層電荷転送電極を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
9. 請求項６に記載の固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記基板半導体層上に前記第１絶縁膜を介して前記第１層電荷転送電極を所定間隔置きに複数並べて形成する工程と、
   前記第１電荷転送部および前記第２電荷転送部の該第１層電荷転送電極上および側面に前記第２Ａ絶縁膜を形成する工程と、
   該第１電荷転送部における該第２Ａ絶縁膜上にのみ絶縁膜を積層して厚膜化して前記第２Ｂ絶縁膜とした後に、隣り合う第１層電荷転送電極の間に該第２Ａ絶縁膜または該第２Ｂ絶縁膜を介して前記第２層電荷転送電極を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
10. 請求項６に記載の固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記垂直転送部では、前記第１層電荷転送電極および前記第２層電荷転送電極がそれぞれ、連続して配置されたｍ個の電極毎にｍ本の金属配線のそれぞれに接続されて、該ｍ本の金属配線に印加されるクロックパルスのうち少なくとも１本のクロックパルスがロウレベルであり、前記水平転送部よりも振幅が大きいクロックパルスを駆動電圧として印加することにより信号電荷を所定方向に転送し、
    該水平転送部では、該第１層電荷転送電極および該第２層電荷転送電極を一対とし、該一対の電極毎に２本の金属配線のそれぞれを該第１層電荷転送電極および該第２層電荷転送電極にそれぞれ接続して、該２本の金属配線に互いに１８０度位相が異なるクロックパルスを印加することにより、該垂直転送部から電荷転送された信号電荷を出力部側に電荷転送する固体撮像装置の駆動方法。
11. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置を撮像部に用いて得た画像データを信号処理した後に記録するメモリと、該画像データを信号処理した後に表示画面上に表示する表示手段と、該画像データを信号処理した後に通信処理する通信手段と、該画像データを信号処理した後に印刷処理する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している電子情報機器。

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