JP2012015133A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現することを目的とする。
【解決手段】電荷転送電極５の水平方向の端部に膜厚を薄くした薄膜領域Ｌ５ａを設け、遮光膜７を薄膜領域Ｌ５ａの側面に形成せずに電荷転送電極５上に形成することにより、フォトダイオード２上の開口幅Ｌ６を確保しながら、遮光膜７と半導体基板１との距離を短縮することができるので、スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電荷転送電極と、電荷転送電極の上方に形成される遮光膜とを備える固体撮像装置およびその製造方法に関する。

ＣＣＤ型固体撮像装置に代表される固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置の撮像素子として広く利用されており、その需要は益々増加している。また、近年、高解像度化および多画素化の要求により益々セルの小型化が進んでいる。一方で、固体撮像装置の感度特性は従来と同レベルが要求されている。

以下、従来の固体撮像装置について、図８〜図１１を用いて説明する。
図８は特許文献１における固体撮像装置の構造を示す断面図、図９は固体撮像装置の構造を示す平面概略図、図１０は従来の固体撮像装置の構造を示す平面図である。図１１は従来の固体撮像装置の構造を示す断面図であり、図１０のＡ−Ａ’における断面図である。

図９に示す固体撮像装置はＣＣＤイメージセンサであり、行列上に配置された複数のフォトダイオード２と、列毎に設けられた複数の垂直転送チャネル３、水平転送チャネル１４とを備える。

複数のフォトダイオード２は、入射光を信号電荷に光電変換する。垂直転送チャネル３は、対応する列に配置される複数のフォトダイオード２により光電変換された信号電荷を垂直方向（列方向）に転送する。水平転送チャネル１４は、複数の垂直転送チャネル３により転送された信号電荷を水平方向に転送する。

図１０および図１１に示すように、従来の固体撮像装置は、半導体基板１と、フォトダイオード２と、垂直転送チャネル３と、ゲート絶縁膜４と、電荷転送電極５と、層間絶縁膜６および８と、遮光膜７と、反射防止膜１１と、カラーフィルター層９と、マイクロレンズ１０とを備える。

マイクロレンズ１０を通過した光１３は、遮光膜７の開口部７ａを通過してフォトダイオード２に入射する。フォトダイオード２は、入射した光１３を信号電荷に変換する。
ここで、遮光膜７の開口部７ａの幅Ｌ６が狭いと、斜め入射光１３ａおよび１３ｂは遮光膜７で反射されてフォトダイオード２に入らない。つまり、固体撮像装置の高感度を実現させるためには開口幅Ｌ６を大きくすることが必要となっている。

そのため、図８に示す特許文献１のように、開口幅Ｌ６を大きくすることにより、入射光量を増大させる技術が開示されている。
特許文献１記載の固体撮像装置では、図８に示すように、遮光膜７を、電荷転送電極５の側面には形成せず、電荷転送電極５上のみに形成していた。これにより、開口幅Ｌ６を大きくしていた。

しかし、特許文献１記載の固体撮像装置では、電荷転送電極５の側面に遮光膜７を形成せず、遮光膜７と半導体基板１との距離ｔ７が大きくなることにより、垂直転送チャネル３に入射する光１３ｃ、１３ｄが増加する。これにより、スミアが発生する。

そのため、特許文献１では、スミア成分の増加に対して、フレーム・インターライン・トランスファー構造を採用することを提案している。

特開２００４−３１１７７８号公報

上記特許文献１の構造（フレーム・インターライン・トランスファー（ＦＩＴ）構造）を用いた場合、電荷蓄積領域を設ける必要がありチップ面積が増加するという別の問題が生じる。

つまり、従来の固体撮像装置では、高感度化を実現するために、スミアおよびチップ面積を増大させる必要があるという問題点を有していた。
本発明は、スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現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、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に形成される複数の光電変換部と、前記光電変換部の行間に、列方向に伸びて形成される電荷転送チャネルと、前記半導体基板上全面に形成される絶縁膜と、前記電荷転送チャネル上方の前記絶縁膜上に形成される電荷転送電極と、少なくとも前記電荷転送電極の上に形成される層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を介して前記電荷転送電極上に形成される遮光膜とを有し、前記電荷転送電極が中央部の第１の領域と前記第１の領域より膜厚の薄い第２の領域とを備え、前記第２の領域が前記電荷転送電極の水平方向の端部のうち、前記電荷転送電極が読み出しを行う前記光電変換部の形成領域側に形成されることを特徴とする。

また、前記第２の領域の膜厚は、２０〜５０ｎｍであることが好ましい。
また、前記第２の領域の水平方向の幅は１４０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、前記第１の領域を介して前記第２の領域と対抗する前記電荷転送電極の水平方向の端部にも、前記第１の領域より膜厚の薄い第３の領域を形成することが好ましい。

また、前記遮光膜は金属膜であっても良い。
また、前記電荷転送電極が前記電荷転送電極上で前記遮光膜と導通しても良い。
さらに、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に複数の光電変換部を行列状に形成する工程と、前記半導体基板の前記複数の光電変換部の行間に、列方向に伸びる電荷転送チャネルを形成する工程と、前記半導体基板上全面に絶縁膜を形成する工程と、前記電荷転送チャネルの上方の前記絶縁膜上に電荷転送電極を形成する工程と、前記電荷転送電極の水平方向の端部のうち、前記電荷転送電極が読み出しを行う前記光電変換部の形成領域側を薄膜化する工程と、少なくとも前記電荷転送電極の上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜を介して前記電荷転送電極上に遮光膜を形成する工程とを有することを特徴とする。

また、前記電荷転送電極を薄膜化する工程では、前記電荷転送電極の水平方向の端部の両方を同時に薄膜化することが好ましい。
以上により、スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現することが可能となる。

以上のように、電荷転送電極の水平方向の端部に膜厚を薄くした薄膜領域を設け、遮光膜を薄膜領域の側面に形成せずに電荷転送電極上に形成することにより、フォトダイオード上の開口幅を確保しながら、遮光膜と半導体基板との距離を短縮することができるので、スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現することが可能となる。

本発明の固体撮像装置の構造を示す平面図 本発明の固体撮像装置の構造を示す断面図 本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図 特許文献１における固体撮像装置の構造を示す断面図 固体撮像装置の構造を示す平面概略図 従来の固体撮像装置の構造を示す平面図 従来の固体撮像装置の構造を示す断面図

以下に、本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法について、図面を参照して具体的に説明する。
まず、図１，図２を用いて本発明の固体撮像装置の構造について説明する。

図１は本発明の固体撮像装置の構造を示す平面図であり、明りょう化のため、上層に形成されている層間絶縁膜８，カラーフィルター層９およびマイクロレンズ１０を透視的に示している。図２は本発明の固体撮像装置の構造を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’部分の断面図である。

図１，図２に示すように、本発明に係る固体撮像装置の特徴は、遮光膜７を電荷転送電極５上のみに形成する。これにより、遮光膜７の開口幅Ｌ６を広くできるので、フォトダイオード２への入射光を増加できる。さらに、本発明の固体撮像装置は、遮光膜７と電荷転送電極５とを並列に配置してシャント配線構造とすることにより、電荷転送電極５に印加される電荷転送パルスの経路の抵抗値を低減できるので、垂直転送速度を向上できる。これにより、本発明の固体撮像装置は、スミアの増加を抑制できる。

さらに、本発明の固体撮像装置は、遮光膜７の底面と半導体基板１の表面との距離を短くすることにより、垂直転送チャネル３への光漏れを低減でき、スミアの増加を抑制できる。

以下、具体的に説明する。
図１および図２に示すように、本発明の固体撮像装置は、半導体基板１と、光電変換部であるフォトダイオード２と、垂直転送チャネル３と、ゲート絶縁膜４と、電荷転送電極５と、層間絶縁膜６および８と、遮光膜７と、カラーフィルター層９と、マイクロレンズ１０と、必要な場合には反射防止膜１１とを備える。

半導体基板１は、例えば、シリコン基板である。
フォトダイオード２は、半導体基板１内に行列状に形成される受光部であり、光を信号電荷に光電変換する。

垂直転送チャネル３は、フォトダイオード２により光電変換された信号電荷を垂直方向に水平転送チャネルまで転送するための垂直電荷転送チャネルである。垂直転送チャネル３は、フォトダイオード２の列間に形成され、フォトダイオード２が形成される１列に沿って形成される。

絶縁膜４は、半導体基板１の表面上の少なくとも電荷転送電極５上に形成され、例えば、シリコン酸化膜である。
電荷転送電極５は、垂直転送を行なうための転送ゲート電極であり、絶縁膜４上に形成される。つまり、電荷転送電極５は、垂直転送チャネル３の上方に絶縁膜４を介して形成される。この電荷転送電極５は、例えば、多結晶シリコンで形成される。本発明では、電荷転送電極５の行方向である水平方向の両端部分を中央部分に比べて薄く形成することが特徴である。これにより、電荷転送電極５は、膜厚の厚い中央部分の厚膜領域Ｌ５ｂと両端の薄膜領域Ｌ５ａとを備える構造となる。

層間絶縁膜６は、電荷転送電極５を覆うように、電荷転送電極５上に形成される。例えば、層間絶縁膜６はシリコン酸化膜である。
遮光膜７は、垂直転送チャネル３への光の入射を防止するための金属膜等の膜であり、電荷転送電極５の上方のみに層間絶縁膜６を介して形成される。遮光膜７の水平方向の幅Ｌ６ｂは、電荷転送電極５の水平方向の幅Ｌ６ａより短い。つまり、水平方向に於いて、遮光膜７の両端部は、電荷転送電極５が形成される領域上に形成され、電荷転送電極５の厚膜領域Ｌ５ｂ上およびその側面並びに薄膜領域Ｌ５ａ上を覆うが、薄膜領域Ｌ５ａの側面を覆わない。

ここで、電荷転送電極５の水平方向両側の薄膜領域Ｌ５ａの部分を１４０ｎｍの幅であらかじめ２０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚に形成し、薄膜領域Ｌ５ａ上まで遮光膜７を形成する。このことにより、遮光膜７と半導体基板１との距離ｔ１は１５０ｎｍ以下とすることができ、遮光膜７の開口部から入射される斜め光が垂直転送チャネル３に入射することを抑制でき、スミア特性の低下を抑制できる。

なお、今回の説明では、電荷転送電極５の薄膜領域Ｌ５ａ部を電荷転送電極５の両端に形成しているが、斜め入射光によるスミア特性の劣化が発生しにくい端においては、薄膜に形成する必要はない。つまり、電荷転送電極５の薄膜領域Ｌ５ａは、転送電荷を光電変換するフォトダイオード２の片方だけに形成してもよい。このことにより、薄膜化される領域が低減され電荷転送電極５の断面積が大きくなるため、電荷転送電極５の抵抗値が低減され、高速転送駆動が実現できる。

遮光膜７には、電荷転送電極５を駆動する電荷転送パルスが印加される。コンタクト１２は、層間絶縁膜６を貫通し、遮光膜７と電荷転送電極５とを電気的に接続する。なお、コンタクト１２は、電荷転送パルスが印加される遮光膜７と、それに対応する電荷転送電極５とを接続する構成の場合に用いられ、遮光膜７と電荷転送電極５とを接続しない構成の場合には設ける必要がない。

例えば、４相の電荷転送パルスが用いられる場合には、各列の遮光膜７には、４相の電荷転送パルスのうちいずれかが印加される。また、複数の電荷転送電極５はそれぞれ４相の電荷転送パルスのいずれかに対応し、対応する電荷転送パルスが印加される遮光膜７とコンタクト１２を介して接続される。つまり、各遮光膜７には、四つの電荷転送電極５毎に一つのコンタクト１２が形成される。

層間絶縁膜８は、層間絶縁膜６および遮光膜７上に形成され、上面が平坦化されている。
カラーフィルター層９は、層間絶縁膜８上に形成され、所定の波長領域の光を透過する。
マイクロレンズ１０は、フォトダイオード２の上方、かつカラーフィルター層９上に形成され、入射光をフォトダイオード２に集光する。つまり、マイクロレンズ１０によって集光された入射光は、カラーフィルター層９および遮光膜７の開口部７ａを通過してフォトダイオード２に入射される。

ここで、遮光膜７は電荷転送電極５の最外周の側面である薄膜領域Ｌ５ａの側面を覆わない構造である。よって、遮光膜７の開口幅Ｌ６と電荷転送電極５の幅とは相互に依存しないで決定できるため、開口幅Ｌ６と電荷転送電極５の幅は各々の最適値に設定でき、開口幅Ｌ６を大きくして高感度化図りながら、薄膜領域Ｌ５ａで電荷転送電極５の垂直転送チャネル３と対向する部分の面積を確保すると共に、薄膜領域Ｌ５ａ上まで遮光膜７を形成して薄膜領域Ｌ５ａの側面には遮光膜を形成しないことにより、電荷転送電極５と遮光膜７とを合わせた平面積を抑制しながら、斜め入射光が垂直転送チャネル３に入射することを抑制できる。

また、図１１に示す従来の構造と比べて電荷転送電極５の側面を覆っている遮光膜７の張り出し部を省略することによって、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、同一セルサイズであれば開口面積を従来構造と比べて拡大できる。つまり、おおよそ遮光膜７の厚みの２倍だけ開口幅Ｌ６を広くできる。例えば、一般的なサイズの固体撮像装置の場合、遮光膜７の厚みが１００ｎｍであれば、開口幅Ｌ６を約４００ｎｍとすることができ、本発明の実固体撮像装置は、従来の構造と比べて、感度特性を１．５倍にできる。

ここで、図８に示す特許文献１の構造では、遮光膜７が電荷転送電極５上のみに形成された場合、遮光膜７と半導体基板１との間の距離が大きくなり遮光膜７の端部における斜め入射光漏れによるスミア増加が課題になっていた。

一方、本発明に係る固体撮像装置では、遮光膜７の底面と半導体基板１の表面との間の距離ｔ１を図１１に示す従来の構造と同等以下にすることにより、斜め入射光漏れを防止できるので、スミアの増加を抑制できる。

具体的には、本発明に係る固体撮像装置では、遮光膜７の底面と半導体基板表面の距離ｔ１は、薄膜領域Ｌ５ａの膜厚を２０ｎｍ〜５０ｎｍにすることにより、従来と同等の１５０ｎｍ以下となるように設定している。

詳細には、距離ｔ１は、電荷転送電極５下の絶縁膜４と、電荷転送電極５の薄膜領域Ｌ５ａと、薄膜領域Ｌ５ａ上の層間絶縁膜６との膜厚総和である。本発明に係る固体撮像装置では、絶縁膜４の膜厚は従来構造と同等であり約４０ｎｍである。

また、電荷転送電極５上の層間絶縁膜６は、遮光膜７との耐圧から決定される。具体的には、遮光膜７および電荷転送電極５に最大２１Ｖ印加される場合、遮光膜７と電荷転送電極５との間の耐圧は５ｍＶ／ｃｍ以上に確保する必要がある。このため、層間絶縁膜６の膜厚は約４２ｎｍ以上とすることが望ましい。

また、薄膜領域Ｌ５ａの膜厚を２０〜５０ｎｍに形成しているため、遮光膜７の底面と半導体基板１の表面の距離ｔ１の最大値は４０＋４２＋５０＝１３２ｎｍとなり１５０ｎｍ以下を実現できる。

このように、本発明に係る固体撮像装置では、遮光膜７を電荷転送電極５上から電荷転送電極５の薄膜領域Ｌ５ａ上までに形成し、薄膜領域Ｌ５ａの側面には形成しないことにより、遮光膜７と半導体基板１との距離ｔ１を従来と同等にすることができ、スミアの増加を抑制できる。これにより、スミアを低減するために、電荷蓄積領域の面積が画素部の１／３を占めるＦＩＴ構造を用いる必要がないので、特許文献１記載の固体撮像装置と比較して、チップサイズを約３／４にできる。

次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法について図３〜図７を参照して具体的に説明する。
図３〜図７は本発明の固体撮像装置の製造方法を示す図であり、図３（ａ），図３（ｃ），図４（ａ），図４（ｃ），図５（ａ），図５（ｃ），図６（ａ），図６（ｃ），図７（ａ）は順に本発明の固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図である。図３（ｂ），図３（ｄ），図４（ｂ），図４（ｄ），図５（ｂ），図５（ｄ），図６（ｂ），図６（ｄ），図７（ｂ）はそれぞれ図３（ａ），図３（ｃ），図４（ａ），図４（ｃ），図５（ａ），図５（ｃ），図６（ａ），図６（ｃ），図７（ａ）に対応する平面図であり、これらの平面図のＡ−Ａ’部分の断面図が前述の工程断面図である。

まず、半導体基板１内にフォトダイオード２および電荷転送チャネル３を形成する。次に、半導体基板１上の全面に絶縁膜４を形成し、絶縁膜４上に、多結晶シリコン膜１５を成膜する（図３（ａ），図３（ｂ））。

次に、レジストパタ−ンニングを行い、ドライエッチング法により、電荷転送電極５の形成領域に多結晶シリコン膜１５が残存するようにエッチングを行なう。エッチング後レジストは除去する（図３（ｃ），図３（ｄ））。

次に、残存した多結晶シリコン膜１５の水平方向の両端部分を開口するようにレジストパターン５ａの形成を行なう。垂直方向のマスク開口スペース幅Ｌ５ａは１４０ｎｍにする（図４（ａ），図４（ｂ））。

次に、ドライエッチング法により多結晶シリコン膜１５のエッチングを行なう。エッチング量は多結晶シリコン膜１５の膜厚ｔ２が２０ｎｍ〜５０ｎｍ残るように制御する。エッチング後レジストは除去する（図４（ｃ），図４（ｄ））。これにより、水平方向の両端部分の膜厚が薄い形状の電荷転送電極５が形成される。

次に、反射防止膜１１を形成する場合には、所定の領域にＣＶＤ法により窒化膜を成膜した後、レジストパターニングを行い、ドライエッチング法によりフォトダイオード２の上部の絶縁膜４上に反射防止膜１１を形成する。エッチング後レジストは除去する（図５（ａ），図５（ｂ））。

次に、ＣＶＤ法により層間絶縁膜６を少なくとも電荷転送電極５上に成膜する。さらに、コンタクト１２を形成する必要がある場合には、レジストパターニングを行ない、ドライエッチング法により、電荷転送電極５上の層間絶縁膜６にコンタクト１２を形成する（図５（ｃ），図５（ｄ））。ここで、図５（ｄ）においては、構成を明りょうにするために層間絶縁膜６の図示を省略している。

次に、スパッタ法およびＣＶＤ法により前面に遮光性材料１７を成膜する。この時、遮光性材料１７はコンタクト１２内にも充填され、コンタクト１２内で電荷転送電極５と接触する（図６（ａ），図６（ｂ））。

次に、遮光性材料１７上にレジストパターンニングを行ない、ドライエッチング法により、遮光膜７を形成する。このとき、遮光膜７の両端は、電荷転送電極５の薄膜化された薄膜領域上に形成する。そのため、電荷転送電極５の薄膜領域の側面を覆わないように遮光膜７を形成する。エッチング後レジストは除去する（図６（ｃ），図６（ｄ））。

最後に、必要に応じて、全面に層間絶縁膜８を成膜し、カラーフィルター９およびマイクロレンズ１０を形成する（図７（ａ），図７（ｂ））。
以上のような製造方法で製造された固体撮像装置によれば、遮光膜７を電荷転送電極５上から電荷転送電極５の薄膜領域Ｌ５ａ上までに形成し、薄膜領域Ｌ５ａの側面には形成しないことができるため、遮光膜７と半導体基板１との距離ｔ１を、入射された斜め光が垂直転送チャネル３に入射することができる程度の距離にすることができるためスミアの発生を抑制することができる。また、遮光膜７を電荷転送電極５の最外周の側面に形成しないため、チップ面積を増加させることなくフォトダイオード２上の開口幅Ｌ６を確保することができるため、高感度化を実現することができる。

本発明は、スミアおよびチップ面積を増大させずに、高感度化を実現することができ、電荷転送電極と、電荷転送電極の上方に形成される遮光膜とを備える固体撮像装置およびその製造方法等に有用である。

１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３ 垂直転送チャネル
４ 絶縁膜
５ 電荷転送電極
５ａ レジストパターン
６ 層間絶縁膜
７ 遮光膜
７ａ 開口部
８ 層間絶縁膜
９ カラーフィルター層
１０ マイクロレンズ
１１ 反射防止膜
１２ コンタクトホール（遮光膜−転送電極間）
１３ 光
１３ａ、ｂ、ｃ、ｄ 入射光
１４ 水平転送チャネル
１５ 多結晶シリコン膜
１７ 遮光性材料

Claims (8)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に行列状に形成される複数の光電変換部と、
   前記光電変換部の行間に、列方向に伸びて形成される電荷転送チャネルと、
   前記半導体基板上全面に形成される絶縁膜と、
   前記電荷転送チャネル上方の前記絶縁膜上に形成される電荷転送電極と、
   少なくとも前記電荷転送電極の上に形成される層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜を介して前記電荷転送電極上に形成される遮光膜と
   を有し、前記電荷転送電極が中央部の第１の領域と前記第１の領域より膜厚の薄い第２の領域とを備え、前記第２の領域が前記電荷転送電極の水平方向の端部のうち、前記電荷転送電極が読み出しを行う前記光電変換部の形成領域側に形成されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２の領域の膜厚は、２０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２の領域の水平方向の幅は１４０ｎｍ以下であ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。
4. 前記第１の領域を介して前記第２の領域と対抗する前記電荷転送電極の水平方向の端部にも、前記第１の領域より膜厚の薄い第３の領域を形成することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記遮光膜は金属膜であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷転送電極が前記電荷転送電極上で前記遮光膜と導通することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 半導体基板に複数の光電変換部を行列状に形成する工程と、
   前記半導体基板の前記複数の光電変換部の行間に、列方向に伸びる電荷転送チャネルを形成する工程と、
   前記半導体基板上全面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記電荷転送チャネルの上方の前記絶縁膜上に電荷転送電極を形成する工程と、
   前記電荷転送電極の水平方向の端部のうち、前記電荷転送電極が読み出しを行う前記光電変換部の形成領域側を薄膜化する工程と、
   少なくとも前記電荷転送電極の上に層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記層間絶縁膜を介して前記電荷転送電極上に遮光膜を形成する工程と
   を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記電荷転送電極を薄膜化する工程では、前記電荷転送電極の水平方向の端部の両方を同時に薄膜化することを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。

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