JP2009272338A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過大光をあてた場合でも壊れることのない、信頼性の高い固体撮像素子を提供する。
【解決手段】ｎ型の半導体基板１０と、半導体基板１０内に形成されたｐウェル層１１ａと、半導体基板１０内に形成され且つｐウェル層１１ａとは分離されたｐウェル層１１ｂとを備える固体撮像素子１００であって、ｐウェル層１１ａとｐウェル層１１ｂには、それぞれ異なる電圧を印加するための端子４１，４２が接続され、半導体基板１０のｐウェル層１１ａとｐウェル層１１ｂの間の分離領域に入射してくる光を減少させる機能を有する機能膜３１が、該分離領域を覆って設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された前記半導体基板と反対導電型の第一の領域と、前記半導体基板内に形成され且つ前記第一の領域とは分離された前記半導体基板と反対導電型の第二の領域とを備える固体撮像素子に関する。

従来、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を直接読み出して垂直方向に転送するＣＣＤ（Charge Coupled Device）からなる垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部を転送されてきた電荷を出力アンプまで転送するＣＣＤからなる水平電荷転送部とを備えたＣＣＤ型の固体撮像素子において、ＣＣＤとそのＣＣＤを駆動する入力部とをそれぞれ異なるｐウェル層内に形成することで、静電保護回路を形成して素子の信頼性を向上させる技術が知られている（特許文献１参照）。

図５は、静電保護回路を有するＣＣＤ型の固体撮像素子の一般的な構成例を示す断面模式図である。
図５に示す固体撮像素子は、ｎ型シリコン基板Ｎと、ｎ型シリコン基板Ｎ内に形成されたｐウェル層Ｐ１及びｐウェル層Ｐ２とを備える。ｐウェル層Ｐ１とｐウェル層Ｐ２は分離されている。

ｎ型シリコン基板Ｎにはオーバーフロードレインパルスを印加するための端子ＯＦＤが接続されている。ｐウェル層Ｐ１には接地端子ＧＮＤが接続され、ｐウェル層Ｐ２には、垂直電荷転送部を駆動するパルスのうち最も低い電圧（例えば−８Ｖ）のパルスを印加するための端子ＰＷが接続されている。

ｐウェル層Ｐ１内には、フォトダイオード（ＰＤ）と、ＰＤに隣接して設けられた電荷転送チャネルＣとが形成されている。ＰＤと電荷転送チャネルＣとの間は、ＰＤから電荷転送チャネルＣに電荷を読み出すための読み出しゲートとなっている。読み出しゲートと電荷転送チャネルＣの上方には、図示しない絶縁膜を介して電荷転送電極Ｇが設けられている。電荷転送チャネルＣと電荷転送電極Ｇとにより、垂直電荷転送部が構成されている。

電荷転送電極Ｇとｐウェル層Ｐ２の各々には、電荷転送チャネルＣでの電荷転送動作を制御するための駆動パルスを電荷転送電極Ｇに印加するための端子Ｖが接続されている。この駆動パルスには、電荷転送チャネルＣに、電荷を蓄積するパケットを形成するためのローレベル（例えば−８Ｖ）のパルスと、パケットのバリアを形成するためのミドルレベル（例えば０Ｖ）のパルスと、ＰＤから読み出しゲートを介して電荷転送チャネルＣに電荷を読み出すためのハイレベル（例えば１５Ｖ）のパルスとが含まれる。

このような構成の固体撮像素子では、例えばその検査工程において、デジタルカメラに用いられるフラッシュ等の強い光を固体撮像素子に当てたときの特性を検査するといったことが行われる。図５に示す従来の構成の固体撮像素子では、この検査を行った際に、何らかの原因で固体撮像素子が壊れてしまうことがあった。

特開昭６０−１２５０７７号公報

本発明者は、上記原因を追究し、以下に示す新規の課題を発見した。

図５に示す固体撮像素子に過大光をあてると、この過大光により、ｐウェル層Ｐ１とｐウェル層Ｐ２の分離領域には多数の電子正孔対が発生する。このうち、正孔は、隣接するｐウェル層Ｐ１及びｐウェル層Ｐ２を介して速やかに分離領域から排出される。一方、電子は、ｎ型シリコン基板Ｎを介してＯＦＤ端子に排出される。この際、電子は、分離領域という狭い領域に集中するため、この分離領域の電位が低下する。その結果、ｐウェル層Ｐ１と、分離領域と、ｐウェル層Ｐ２とで形成される寄生のＰＮＰトランジスタがオンし、ｐウェル層Ｐ１の電位がマイナス方向に変動する。

このときに、電荷転送電極Ｇにハイレベルのパルスが印加されると、読み出しゲートに通常以上の電位差（最大、例えば１５Ｖ＋８Ｖ＝２３Ｖの電位差）がかかってしまう。この電位差が、ｐウェル層Ｐ１と電荷転送電極Ｇの間の絶縁膜の耐圧を超えた場合には、この絶縁膜が破壊されてしまう。近年では、画素サイズの微細化に伴い、この絶縁膜が薄膜化され、絶縁膜の耐圧が低下する傾向にある。このため、上記のようなｐウェル層Ｐ１の電位変動による絶縁破壊が発生しやすい状況となっており、この電位変動を防ぐことが、固体撮像素子の信頼性を高めるためで重要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、過大光をあてた場合でも壊れることのない、信頼性の高い固体撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された前記半導体基板と反対導電型の第一の領域と、前記半導体基板内に形成され且つ前記第一の領域とは分離された前記半導体基板と反対導電型の第二の領域とを備える固体撮像素子であって、前記第一の領域と前記第二の領域には、それぞれ異なる電圧を印加するための端子が接続され、前記半導体基板の前記第一の領域と前記第二の領域の間の分離領域に入射してくる光を減少させるための光減少手段を備える。

本発明によれば、固体撮像素子に強い光を当てた場合でも、分離領域に入射される光が光減少手段によって減少されるため、第一の領域と分離領域と第二の領域とで構成されるトランジスタがオンされるのを防ぐことができ、第一の領域と第二の領域の電位を安定させることができる。この結果、絶縁破壊等を防ぐことができ、素子の信頼性を向上させることができる。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の領域内に形成された光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部であって、前記第一の領域内に形成された電荷転送チャネルと前記電荷転送チャネルでの電荷転送動作を制御するための電荷転送電極とを含む電荷転送部と、前記第二の領域と前記電荷転送電極とに接続され、前記電荷転送動作を制御するための転送パルスを前記電荷転送電極に印加するための入力端子とを備える。

本発明によれば、固体撮像素子に強い光を当てた場合でも、第一の領域と電荷転送電極との間の絶縁膜にかかる電圧を、その絶縁膜の耐圧以下に抑えることが可能となり、その結果、素子の信頼性を向上させることができる。

本発明の固体撮像素子は、前記電荷転送部が、前記光電変換素子から電荷が直接読み出されるものである。

本発明によれば、第一の領域と電荷転送電極との間の絶縁膜にかかる電圧が、光電変換素子から電荷転送部に電荷を読み出すときに特に大きくなるため、第一の領域と第二の領域の電位を安定させることのできる光減少手段を設けることが特に有効となる。

本発明の固体撮像素子は、前記電荷転送部を遮光する遮光膜を備え、前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記遮光膜と同じ材料の膜である。

本発明によれば、例えば、電荷転送電極と入力端子とを接続する配線層が分離領域上方にある場合でも、その配線層の下に光減少手段を形成することができる。このため、分離領域を完全に覆う膜を構成することが可能となり、分離領域に入射してくる光を確実に減少させることができる。又、光減少手段を遮光膜の形成と同時に形成することができるため、製造コストの増大を防ぐことができる。

本発明の固体撮像素子は、前記電荷転送電極と前記入力端子とを接続するための配線層を備え、前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記配線層と同じ材料の膜である。

本発明によれば、光減少手段を配線層の形成と同時に形成することができるため、製造コストの増大を防ぐことができる。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の領域上方に設けられたカラーフィルタを備え、前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記カラーフィルタと同じ材料の膜である。

本発明によれば、光減少手段をカラーフィルタの形成と同時に形成することができるため、製造コストの増大を防ぐことができる。

本発明の撮像装置は前記固体撮像素子を備える。

本発明によれば、非常に明るい被写体を撮影した場合でも壊れることのない、撮像装置を提供することができる。

本発明によれば、過大光をあてた場合でも壊れることのない、信頼性の高い固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子のｐウェル層１１ａに形成される構成要素を詳細に示した平面模式図である。図３は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図である。

図１に示す固体撮像素子１００は、シリコン基板等の半導体基板１０（以下では、その導電型をｎ型とするがｐ型であっても良い）と、半導体基板１０内に形成された半導体基板１０と反対導電型（ｐ型）の第一の領域であるｐウェル層１１ａと、半導体基板１０内に形成され且つｐウェル層１１ａとは分離された半導体基板１０と反対導電型（ｐ型）の第二の領域であるｐウェル層１１ｂとを備える。

図３に示すように、半導体基板１０には、オーバーフロードレインパルスを印加するための端子４０が接続されている。ｐウェル層１１ａには固定の電圧（例えば０Ｖ）を印加するための端子４１と、端子３３とが接続されている。ｐウェル層１１ｂには、端子４１に印加される電圧とは異なる固定の電圧（例えば−８Ｖ）を印加するための端子４２と、端子３２とが接続されている。

端子３２，３３には、固体撮像素子１００を搭載する撮像装置の駆動部から、固体撮像素子１００を駆動するための各種信号が入力されるようになっている。

図２に示すように、ｐウェル層１１ａ内には、その表面に二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成された多数の光電変換素子（フォトダイオード（ＰＤ））１２と、各フォトダイオード列に対応してその側部に形成され、対応するフォトダイオード列の各フォトダイオード１２に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送するｎ型半導体層からなる垂直電荷転送路１３と、各フォトダイオード１２と垂直電荷転送路１３との間に設けられた読出ゲート１４とが形成されている。

垂直電荷転送路１３の上には、絶縁膜３５を介して、垂直電荷転送路１３での電荷転送動作を制御するための垂直転送電極１３ａが設けられている。垂直転送電極１３ａは、１フォトダイオード当たり４つ設けられ、４枚の各垂直転送電極１３ａには配線層３４を介して端子３２が接続され、この端子３２に、垂直電荷転送路１３による電荷の垂直転送を行うための垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加される構成（４相駆動の場合）になっている。垂直電荷転送路１３と、垂直転送電極１３ａとによって垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）が構成される。垂直転送パルスには、垂直電荷転送路１３に、電荷を蓄積するパケットを形成するためのローレベル（例えば−８Ｖ）のパルスと、パケットのバリアを形成するためのミドルレベル（例えば０Ｖ）のパルスと、ＰＤ１２から読み出しゲート１４を介して垂直電荷転送路１３に電荷を読み出すためのハイレベル（例えば１５Ｖ）のパルスとが含まれる。

ｐウェル層１１ｂには、端子４２から、垂直転送パルスのうちの最も低い電圧（−８Ｖ）が印加されているため、ｐウェル層１１ｂと半導体基板１０とによるｐｎ接合を、端子３２と半導体基板１０との間に形成することができる。このｐｎ接合が静電保護回路として機能する。

ｐウェル層１１ａには、垂直電荷転送路１３の電荷転送方向下流側の端部に設けられた水平電荷転送路１５と、水平電荷転送路１５の出力部に設けられたフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）１６及び出力アンプ１７とが形成されている。

水平電荷転送路１５上には、絶縁膜３５を介して、１垂直電荷転送路当たり２枚の水平転送電極が設けられている。各水平転送電極には端子３３が接続され、この端子３３から、２枚の各電極に、水平電荷転送路１５による電荷の水平転送を行うための水平転送パルスφＨ１，φＨ２が夫々印加される構成（２相駆動の場合）になっている。水平電荷転送路１５と、水平転送電極とによって水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）が構成される。

ｐウェル層１１ａ内には、各垂直電荷転送路１３と水平電荷転送路１５との境界部分に、各垂直電荷転送路１３によって転送されてきた電荷を受け取って一時蓄積し、垂直電荷転送路１３の駆動とは独立に駆動されるバッファ用のラインメモリ１８を備える。このラインメモリ１８は省略しても良い。

尚、ここでは「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、固体撮像素子１００の受光面に沿う「１方向」「この１方向に略直交する方向」という意味に過ぎない。又、フォトダイオード１２の配列は正方格子状としたが、これに限らず、公知の様々な配列を適用可能である。又、垂直電荷転送路や水平電荷転送路の駆動方法（駆動相数）についても公知の様々な方法を適用可能である。

ここまでの構成は、従来とほぼ同様であるが、本実施形態の固体撮像素子１００では、半導体基板１０のうちのｐウェル層１１ａとｐウェル層１１ｂの間の領域（以下、分離領域という）上方に、この分離領域を覆う機能膜３１を設けたことを特徴としている。

この機能膜３１は、分離領域に入射してくる光を減少させることができる機能を持つ膜であれば良い。例えば、タングステンやアルミニウム等の光を吸収又は反射する材料によって構成された膜や、ＮＤフィルタやカラーフィルタ等の光を減衰可能な材料によって構成された膜等を用いることができる。

一般的に、ＣＣＤ型の固体撮像素子には、水平電荷転送部や垂直電荷転送部に光が入らないようにするためのタングステン等からなる遮光膜（例えば、特開２００６−３１０８２６号公報の図４の符号７、以下、第一の遮光膜という）が設けられるが、この第一の遮光膜を形成する際に、分離領域上方にもこの第一の遮光膜の材料を残すプロセスを採用することで、機能膜３１を形成することができる。

配線層３４は、特開２００６−３１０８２６号公報にも記載されているように、固体撮像素子１００の第一の遮光膜よりも上の位置に形成されるのが一般的である。つまり、分離領域上方の第一の遮光膜と同じ高さの位置には、配線層３４等の障害物があまり存在しない。このため、第一の遮光膜と同時に機能膜３１を形成する方法を採用すれば、障害物を避けながら機能膜３１を作らなくてすむようになり、分離領域を機能膜３１によって完全に覆うことが可能となる。この結果、分離領域への光の入射量を極力減らすことができる。

又、例えばアルミニウム等の導電性材料によって配線層３４を形成する際に、分離領域上方にもこの導電性材料を残すプロセスを採用することで、機能膜３１を形成することもできる。尚、図１に示すように、配線層３４が分離領域を跨って形成されている場合、配線層３４同士の導通を避ける必要があるため、図４に示すように、配線層３４を避けて機能膜３１を形成する必要がある。図４の構成の場合、配線層３４と機能膜３１との間には若干の隙間を設け、この隙間を絶縁材料で埋めるプロセスを採用すれば良い。この場合、絶縁材料を光を反射又は吸収するものにすれば、分離領域への光の入射量を極力減らすことができる。

又、一般的に、固体撮像素子には、光電変換素子の上方にカラーフィルタ（例えば、特開２００６−３１０８２６号公報の図４の符号５０）が設けられるが、このカラーフィルタを形成する際に、分離領域上方にもこのカラーフィルタの材料を残すプロセスを採用することで、機能膜３１を形成することができる。固体撮像素子に用いられるカラーフィルタとしては、原色系や補色系があるが、いずれのカラーフィルタも、入射光の一部しか透過しないため、機能膜３１として利用することができる。又、分離領域上方のカラーフィルタと同じ高さの位置には、障害物がほとんど存在しないため、分離領域を機能膜３１によって完全に覆うことが可能となる。この結果、分離領域への光の入射量を極力減らすことができる。

このように構成された固体撮像素子１００に過大光をあてると、機能膜３１により、分離領域には少量の光しか入射されないか、又は、全く光が入射されない。少量の光が入射した場合、分離領域では、入射した光によって電子正孔対が発生するが、その発生量は微量であるため、正孔と電子は分離領域から速やかに排出される。したがって、少量の光が入射してしまった場合も、そうでない場合も、ｐウェル層１１ａと、分離領域と、ｐウェル層１１ｂとで形成される寄生のＰＮＰトランジスタはオンとはならず、ｐウェル層１１ａの電位は接地電位のまま安定する。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子１００によれば、強い光を当てた場合でも、分離領域に入射してくる光が機能膜３１によって減少されるため、ｐウェル層１１ａと、分離領域と、ｐウェル層１１ｂとで構成されるトランジスタがオンされるのを防ぐことができ、ｐウェル層１１ａ及びｐウェル層１１ｂの電位を安定させることができる。この結果、絶縁膜３５の破壊を防ぐことができ、素子の信頼性を向上させることができる。

尚、機能膜３１は、固体撮像素子１００の構成要素（第一の遮光膜、配線層３４、カラーフィルタ等）と兼用ではなく、専用の材料を使って形成しても良い。固体撮像素子１００の構成要素と兼用で形成することで、機能膜３１を形成するためだけの製造工程を追加する必要がなく、製造コストを抑えることができる。

又、図３に示す半導体基板１０内に別のｐウェル層を設け、このｐウェル層に端子４１や端子４２に印加する電圧とは異なる電圧を印加する構成を採用した場合でも、この別のｐウェル層とｐウェル層１１ａの間の領域上方や、この別のｐウェル層とｐウェル層１１ｂの間の領域上方に機能膜３１を設けることで、それぞれのｐウェル層の電位を安定させることができ、固体撮像素子１００の部分的な破壊等を防ぐことができる。

又、以上の説明では、固体撮像素子１００をＣＣＤ型としているが、これはＭＯＳ型であっても良い。ＭＯＳ型の場合、ｐウェル層１１ａに形成されたＭＯＳ回路を駆動するための端子をｐウェル層１１ｂに接続しておくことで静電保護回路を形成しつつ、過大光による絶縁破壊を防止することができる。

又、以上の説明では、水平転送電極に接続する端子３３を、水平電荷転送路１５が形成されるｐウェル層１１ａとは別のｐウェル層１１に接続し、ｐウェル層１１ａとこの別のｐウェル層の分離領域上方に機能膜３１を設ける構成としても良い。この場合も、水平電荷転送路１５とその上方の水平転送電極との間の絶縁膜の破壊を防ぐことができる。

本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図１に示す固体撮像素子のｐウェル層１１ａに形成される構成要素を詳細に示した平面模式図 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図 図１に示す機能膜３１の変形例を示す図 静電保護回路を有するＣＣＤ型の固体撮像素子の一般的な構成例を示す断面模式図

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ａ，１１ｂ ｐウェル層
３１ 機能膜
４１，４２ 端子
１００ 固体撮像素子

Claims (7)

1. 半導体基板と、前記半導体基板内に形成された前記半導体基板と反対導電型の第一の領域と、前記半導体基板内に形成され且つ前記第一の領域とは分離された前記半導体基板と反対導電型の第二の領域とを備える固体撮像素子であって、
   前記第一の領域と前記第二の領域には、それぞれ異なる電圧を印加するための端子が接続され、
   前記半導体基板の前記第一の領域と前記第二の領域の間の分離領域に入射してくる光を減少させるための光減少手段を備える固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の領域内に形成された光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部であって、前記第一の領域内に形成された電荷転送チャネルと前記電荷転送チャネルでの電荷転送動作を制御するための電荷転送電極とを含む電荷転送部と、
   前記第二の領域と前記電荷転送電極とに接続され、前記電荷転送動作を制御するための転送パルスを前記電荷転送電極に印加するための入力端子とを備える固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記電荷転送部が、前記光電変換素子から電荷が直接読み出されるものである固体撮像素子。
4. 請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
   前記電荷転送部を遮光する遮光膜を備え、
   前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記遮光膜と同じ材料の膜である固体撮像素子。
5. 請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
   前記電荷転送電極と前記入力端子とを接続するための配線層を備え、
   前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記配線層と同じ材料の膜である固体撮像素子。
6. 請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の領域上方に設けられたカラーフィルタを備え、
   前記光減少手段が、前記分離領域上方に設けられた、前記カラーフィルタと同じ材料の膜である固体撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。

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