JP2010016017A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】転送効率を向上させるとともに、消費電力を抑えることを目的とする。
【解決手段】単層構造の転送電極を備える固体撮像装置1において、垂直転送部3上の垂直転送電極11間のギャップ5、さらには、垂直転送電極11と水平転送電極12との間のギャップ6の埋め込み絶縁膜16として、絶縁耐圧の高い絶縁膜を用いて形成し、垂直転送部3以外の垂直転送電極11間のギャップ5に用いる埋め込み絶縁膜15に、誘電率が低い絶縁膜を用いることにより、垂直転送部3における垂直転送電極11間のポテンシャルディップを浅くして転送効率を向上させると共に、垂直転送部3以外の垂直転送電極11間のカップリング容量を減らして、消費電力を削減することが可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置に関するものである。
まず、図4〜図8を用いて従来の固体撮像装置について説明する。
図4は従来の2層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図、図5は従来の2層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図、図6は従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図、図7は従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図、図8は従来の単層電荷転送電極構造における垂直転送部のポテンシャル図である。
ここで、図4及び図6は、従来の固体撮像装置における電荷結合素子(Charge Coupled Device,CCD)の撮像部を示す平面図の一例である。また、図5は、図4のような従来のCCDにおける、2層構造の電荷転送電極のC−C’間で切った断面図の一例を示す。また、図7は、図6のような従来のCCDにおける、単層構造の電荷転送電極のD−D’間で切った断面図の一例を示す。
図4及び図6に示すように、従来の固体撮像装置101では、光電変換部102が2次元的に配列されており、光電変換部102の各列に隣接した垂直転送部103が設けられている。そして、垂直転送部103上には、電荷転送を行うための電極が設けられており、パルス電圧を印加することで、光電変換部102で光電変換された垂直転送部103の信号電荷を転送する。
従来、固体撮像装置101の電荷転送電極の配置パターンとしては、図5に示すような隣接する第1層の垂直転送電極121と第2層の垂直転送電極122との一部を重ね合わせた状態で配置した多層構造を有するものと、図7に示すような隣接する垂直転送電極111を重ね合わせない状態で配置した単層構造を有するものが作られてきた。
すなわち、半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介してポリシリコン等から成る電荷転送電極を単層あるいは多層構造で形成されてきた。
図7のような単層の電極構造においては、隣接する垂直転送電極111間の間隔(ギャップ)105を狭くしないと、垂直転送電極111によってできるポテンシャルに、隣接する垂直転送電極111間のギャップ105でポテンシャルのくぼみ(ディップ)が生じて、信号電荷の転送残りが発生してしまい、転送効率を悪化させるという問題点があった。
図8に、ポテンシャルディップの例として、単層の電極構造に対応するポテンシャル図31を用いて示している。垂直転送電極111間のギャップ部のポテンシャルにくぼみが生じている。このポテンシャルディップ34が生じないように、隣接する垂直転送電極111のギャップ105を0.2〜0.3μm以下にする必要があった。しかし、当初のリソグラフィの解像限界は、それを大幅に上回るものであり、上記のような加工が困難であった。
そこで、図5のような隣接する電荷転送電極同士を重ね合わせた2層構造にすることにより、隣接する垂直転送電極間のポテンシャルディップ34を小さくして、転送効率の悪化を抑制していた。
但し、この2層構造においては、転送電極同士が重なり合っているので構造上高さが高くなり、また、2度の電極形成の工程を経ることから、製造コストが高くなるなどの問題があった。
ところで、近年、微細加工技術の進展により、0.2μm以下の電荷転送電極の加工が可能となり、電極間ギャップを狭くすることが可能になったので、電荷転送電極に図6のような単層構造をもつ垂直転送電極111が用いられるようになった。単層構造になったことから、電極間の重なり合いがなくなり、また転送電極の形成も容易となった。
ただ、単層構造においては、先述のように垂直転送電極111間のギャップ105を狭くしないと転送効率の悪化に繋がったため、垂直転送電極111間のポテンシャルディップをできるだけ浅くする目的で、従来の層間絶縁膜として使われてきたシリコン酸化膜に代わって、シリコン酸化膜よりも絶縁耐圧の高いシリコン窒化膜を含む絶縁膜を使い、必要な絶縁耐圧を確保しつつ垂直転送電極111間のギャップを狭くし、転送効率を確保していた(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−299597号公報
一方、近年のCCDの高画素化に伴い、転送しなければならない信号電荷のパケット数が増加したり、垂直転送部内の暗電流やスミアを除去するための高速掃き出し駆動が多用されており、CCD全体での消費電力が増大する傾向にある。その消費電力を抑える目的で、転送パルスの低電圧化が図られている。
しかしながら、従来のギャップに絶縁耐圧の高いシリコン窒化膜を含む絶縁膜を形成した場合、カップリング容量が増加し、消費電力が高くなるという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するために、転送効率を向上させるとともに、消費電力を抑え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、半導体基板上に2次元的に配列されて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部に隣接して形成されて前記光電変換部で変換された前記信号電荷を垂直転送するための垂直転送部と、前記垂直転送部上を含む領域に単層構造で形成されて前記信号電荷を転送させるためのパルス電圧が印加される複数の垂直転送電極と、前記垂直転送部から移された前記信号電荷を水平転送する水平転送部と、水平転送部上に単層構造で形成されて前記信号電荷を水平転送させるためのパルス電圧を印加する複数の水平転送電極と、前記垂直転送部上の前記垂直転送電極間に埋め込まれる第1の絶縁膜と、前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極間に埋め込まれる前記第1の絶縁膜より誘電率の低い第2の絶縁膜とを有することを特徴とする。
また、前記第1の絶縁膜が前記垂直転送部上の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成され、前記第2の絶縁膜が前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成されることを特徴とする。
また、前記第1の絶縁膜としてシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用い、前記第2の絶縁膜としてシリコン酸化膜の絶縁膜を用いることを特徴とする。
以上により、転送効率を向上させながら、消費電力を抑えることができる。
以上のように、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置において、垂直転送部上の垂直転送電極間のギャップ、さらには、垂直転送電極と水平転送電極との間のギャップの埋め込み絶縁膜として、絶縁耐圧の高い絶縁膜を用いて形成し、垂直転送部以外の垂直転送電極間のギャップに用いる埋め込み絶縁膜に、誘電率が低い絶縁膜を用いることにより、垂直転送部における垂直転送電極間のポテンシャルディップを浅くして転送効率を向上させると共に、垂直転送部以外の垂直転送電極間のカップリング容量を減らして、消費電力を削減することが可能となる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
まず、図1〜図3を用いて第1の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図1は本発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図である。なお、図1では、主に転送電極構造のみを示しており、その他の層の構成は省略している。図2は発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の垂直転送部の構造を示す要部断面図、図3は発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の光電変換部の構造を示す要部断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置1は、2次元的に配列された光電変換部2と、光電変換部2に隣接した垂直転送部3と、水平転送部4とを有する。他に、図示はしていないが、信号電荷を電圧に変換して出力する、出力部も備えている。
光電変換部2は、例えばフォトダイオードから成り、被写体から入射した光を、その光量に応じた信号電荷に変換する。
半導体基板上には、各光電変換部2に隣接して配置された垂直転送部3上に、ゲート絶縁膜14(図2参照)を介した状態で複数の垂直転送電極11を有しており、パルス電圧を垂直転送電極11に印加することで、垂直転送部3のポテンシャル井戸を変化させ、信号電荷を垂直方向(図中、下方向)へ転送する。
水平転送部4上には複数の水平転送電極12が設けられており、パルス電圧を水平転送電極12に印加することにより、垂直転送部3から運ばれてきた信号電荷を、水平転送部4のポテンシャル井戸を変化させることで、水平方向(図中、左方向)へ転送する。
図2は、図1のA−A’線における断面図である。
例えば、N型シリコンから成る半導体基板13上に、信号電荷を転送する垂直転送部3が形成されている。光電変換部から読み出された信号電荷は、垂直転送部3を一方向(図中、右方向)に転送され、水平転送部4へと送り出される。
半導体基板13上には、例えばシリコン酸化膜から成るゲート絶縁膜14が形成されている。垂直転送部3及び水平転送部4上には、それぞれゲート絶縁膜14を介して、垂直転送電極11及び水平転送電極12が形成されている。垂直転送電極11及び水平転送電極12は、例えばポリシリコンから成る電極である。また、垂直転送電極11間にはギャップ5が存在し、垂直転送部3のギャップ5には、埋め込み絶縁膜16が形成されている。埋め込み絶縁膜16は、ポテンシャルディップを浅くするために、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁膜が用いられている。
垂直転送電極11及び水平転送電極12上には、例えば、シリコン酸化膜から成る被覆絶縁膜17が形成されている。シリコン酸化膜としては、例えば、シリコン高温酸化膜(High Temperature Oxide,HTO)が形成されている。
なお、被覆絶縁膜17の上層には、全面を覆った層間絶縁膜などが形成されているが、ここでは図示していない。
図3は、図1のB−B’線における断面図である。
半導体基板13上に、被写体から入射した光を、その光量に応じた信号電荷に変換する光電変換部であるフォトダイオード18が形成されている。また、フォトダイオード18上にはシリコン窒化膜から成る反射防止膜19が形成されている。図3に示す垂直転送部3以外の垂直転送電極11間のギャップ5には埋め込み絶縁膜として、シリコン窒化膜より誘電率が低く、電極間のカップリング容量の削減が可能な、シリコン酸化膜を用いている。
垂直転送部3上では、単層構造の転送電極の垂直転送効率を高めるために、垂直転送電極11間のポテンシャルディップを極力浅くする目的で、垂直転送電極11間にシリコン窒化膜を含む絶縁膜16を埋め込み絶縁膜として形成している。しかし、垂直転送電極11間の距離が短くなると、電極間のカップリング容量が増加してしまい、結果的に転送効率の悪化に繋がる。
そこで、垂直転送部3以外の領域の電極間埋め込み絶縁膜には、シリコン窒化膜よりも誘電率が低く、カップリング容量を抑えることが可能な、シリコン酸化膜を絶縁膜15として用いて形成している。それにより、カップリング容量を抑えて、低消費電力化に繋がる。
以上のように、垂直転送部3上における垂直転送電極11間にシリコン窒化膜を含む絶縁膜16を埋め込み絶縁膜として形成して転送効率を向上させるとともに、垂直転送部3以外の領域における垂直転送電極11間にシリコン酸化膜を絶縁膜15として形成してカップリング容量を抑えることにより、低消費電力化を実現している。
(第2の実施形態)
次に、図1〜図3を用いて第2の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
第1の実施形態と同様に、本実施形態に係る固体撮像装置1は、2次元的に配列された光電変換部2と、光電変換部2に隣接した垂直転送部3と、水平転送部4とを有する。他に、図示はしていないが、信号電荷を電圧に変換して出力する、出力部も備えている。
図1において、垂直転送部3と水平転送部4との間で、信号電荷を転送する繋ぎ部分7が存在し、また電荷を転送しない垂直転送電極11と水平転送電極12との繋ぎ部分に、垂直転送電極11と水平転送電極12との間のギャップ6が存在する。
垂直転送部3を垂直方向(図中、下方向)へ転送されてきた信号電荷は、水平転送部4との繋ぎ部分7を通って、水平転送部4へ信号電荷が送られる。送られた信号は、水平転送電極12へパルス電圧を印加することで、水平方向(図中、左方向)へ転送する。
垂直転送電極11及び水平転送電極12上には、例えば、シリコン酸化膜から成る被覆絶縁膜17が形成されている。シリコン酸化膜としては、例えば、HTOが形成されている。
なお、被覆絶縁膜17の上層には、全面を覆った層間絶縁膜などが形成されているが、ここでは図示していない。
垂直転送部3と水平転送部4との間の繋ぎ部分7に関しても、画素セルの微細化が進むにつれ、繋ぎ部分7の幅が短くなり、垂直転送電極11と水平転送電極12との間のカップリング容量が増大する傾向にある。
よって、第1の実施形態と同様に、垂直転送部3から水平転送部4に信号電荷が移る、繋ぎ部分7においても、ポテンシャルディップを浅くすることが可能なシリコン窒化膜を含む絶縁膜16を用いてギャップ6に埋め込み絶縁膜を形成して転送効率の悪化を防ぐと共に、電荷転送が行われない垂直転送部3以外の垂直転送電極・水平転送電極間のギャップ6には、シリコン窒化膜より誘電率が低く、カップリング容量の低減が可能なシリコン酸化膜15を用いて埋め込み絶縁膜を形成することで、消費電力の削減が可能になる。
(まとめ)
以上説明したように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、消費電力を抑えるために、垂直転送電極間のギャップの埋め込み絶縁膜を現在使われているシリコン窒化膜を含む絶縁膜よりも、誘電率の低い材料、例えばシリコン酸化膜に変更することで、転送電極間のカップリング容量を従来より低くし、結果的に消費電力の増大を抑制することが可能となる。
一方、シリコン酸化膜のみで埋め込み絶縁膜を形成した場合、垂直転送電極間のギャップ下におけるポテンシャルのディップが深くなり、転送残りが生じる場合があり、電荷転送部分においては、埋め込み絶縁膜にシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用いて、ポテンシャルディップを極力防ぐことで転送効率を確保することが必要である。
そこで、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、電荷転送部(垂直転送部3)の電極間ギャップ5の埋め込み絶縁膜には、ポテンシャルディップを抑えるシリコン窒化膜を含む埋め込み絶縁膜16などを用いることにより転送効率を向上させ、電荷転送部(垂直転送部3)以外の部分における電極間ギャップ5には、シリコン窒化膜より誘電率が低く、カップリング容量を抑えることが可能なシリコン酸化膜15などを用いて埋め込み絶縁膜を形成することで、垂直転送電極11間のカップリング容量を従来に比べて抑えて、消費電力の低減を行うことが出来る。
さらに、垂直転送部3から水平転送部4へ電荷を転送する繋ぎ部分7も同様のことが言え、垂直転送電極・水平転送電極間の繋ぎ部分7には、電荷転送部はポテンシャルディップを抑えるために、シリコン窒化膜を含む埋め込み絶縁膜16などを用いるが、電荷転送部以外の垂直転送電極・水平転送電極間のギャップ6には、従来のシリコン窒化膜より誘電率の低いシリコン酸化膜を用いることで、電極間のカップリング容量を抑え、消費電力の低減を図ることができる。
本発明は、転送効率向上させながら、消費電力を抑えることができ、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置等に有用である。
発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図 発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の垂直転送部の構造を示す要部断面図 発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の光電変換部の構造を示す要部断面図 従来の2層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図 従来の2層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図 従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図 従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図 従来の単層電荷転送電極構造における垂直転送部のポテンシャル図
符号の説明
1…固体撮像装置
2…光電変換部
3…垂直転送部
4…水平転送部
5…ギャップ
6…ギャップ(繋ぎ部分)
7…繋ぎ部分
11…垂直転送電極
12…水平転送電極
13…半導体基板
14…ゲート絶縁膜
15…埋め込み絶縁膜(シリコン酸化膜)
16…埋め込み絶縁膜(シリコン窒化膜を含む絶縁膜)
17…被覆絶縁膜
18…フォトダイオード
19…反射防止膜
31…ポテンシャル図
34…ポテンシャルディップ
101…固体撮像装置
102…光電変換部
103…垂直転送部
105…ギャップ
111…垂直転送電極
121…垂直転送電極(第1層)
122…垂直転送電極(第2層)

Claims (3)

  1. 半導体基板上に2次元的に配列されて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部に隣接して形成されて前記光電変換部で変換された前記信号電荷を垂直転送するための垂直転送部と、
    前記垂直転送部上を含む領域に単層構造で形成されて前記信号電荷を転送させるためのパルス電圧が印加される複数の垂直転送電極と、
    前記垂直転送部から移された前記信号電荷を水平転送する水平転送部と、
    水平転送部上に単層構造で形成されて前記信号電荷を水平転送させるためのパルス電圧を印加する複数の水平転送電極と、
    前記垂直転送部上の前記垂直転送電極間に埋め込まれる第1の絶縁膜と、
    前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極間に埋め込まれる前記第1の絶縁膜より誘電率の低い第2の絶縁膜と
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第1の絶縁膜が前記垂直転送部上の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成され、前記第2の絶縁膜が前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記第1の絶縁膜としてシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用い、前記第2の絶縁膜としてシリコン酸化膜の絶縁膜を用いることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の固体撮像装置。
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