JP2013026587A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】出力ムラの発生を抑制し、低スミアの固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板に設けられた受光部と、半導体基板に設けられた転送チャネルと、受光部を垂直方向に挟むように配置され、水平方向に延びるように設けられた第1の転送電極と、転送チャネルの上に配置され、隣接する前記第1の転送電極間に挟まれるように配置された第2の転送電極と、第1の転送電極の上に配置され、複数の第2のコンタクトを介して第1の転送電極と接続する第2の遮光膜と、第2の転送電極の上に配置され、複数の第1のコンタクトを介して第2の転送電極と接続する第1の遮光膜とを有し、第1の遮光膜には、第1の転送電極の上において、第1の開口部と第2の開口部が設けられており、第1の開口部には、第2のコンタクトが配置されており、第2の開口部には、第2のコンタクトが配置されていないことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板に設けられた受光部と、半導体基板に設けられた転送チャネルと、受光部を垂直方向に挟むように配置され、水平方向に延びるように設けられた第1の転送電極と、転送チャネルの上に配置され、隣接する前記第1の転送電極間に挟まれるように配置された第2の転送電極と、第1の転送電極の上に配置され、複数の第2のコンタクトを介して第1の転送電極と接続する第2の遮光膜と、第2の転送電極の上に配置され、複数の第1のコンタクトを介して第2の転送電極と接続する第1の遮光膜とを有し、第1の遮光膜には、第1の転送電極の上において、第1の開口部と第2の開口部が設けられており、第1の開口部には、第2のコンタクトが配置されており、第2の開口部には、第2のコンタクトが配置されていないことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【選択図】図1
Description
本発明は、受光部から読み出した信号電荷を、転送チャネルを有する垂直電荷転送部により転送する固体撮像素子に関する。
CCD(Charge coupled device)に代表される固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどにおける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。
ここで、特許文献1には、シャント配線と転送電極とを、垂直方向に延びる遮光膜を介して接続する技術が開示されている。ここで、シャント配線に接続する遮光膜全てに対して、同時に同レベルの電圧が印加される構造とはなっていない。つまり、隣接する遮光膜間において印加される電圧のレベルは異なっている。また、遮光膜は、垂直方向に配列された画素ごとに設けられている。そのため、遮光膜から半導体基板の表面に印加される電圧レベルは隣接する画素ごとに異なっている。その結果、固体撮像素子の出力ムラが生じる可能性がある。
一方、特許文献2においては、上記課題を解決するために、水平方向にシャント配線を形成する技術が開示されている。具体的には、受光部に相当する領域以外が繋がれた遮光膜と第1の転送電極が電気的に接続している。そのため、受光部から垂直転送部(第2の転送電極(第1の転送電極と第1の転送電極の間に配置))へ電荷を読み出す際には、遮光膜から半導体基板の表面に印加される電圧レベルが隣接する画素間において同一となる。その結果、固体撮像素子の出力ムラが生じにくくなる。
しかしながら、特許文献2によると、受光部に相当する領域以外が繋がれた遮光膜は、第1の転送電極全てとコンタクトにより接続されている。そのため、コンタクト周りに設けられた開口部を介して、不要な入射光が転送チャネルに伝播し、スミアが発生してしまう可能性がある。
本発明は上記課題を鑑みて提案されたものであって、出力ムラを発生させることなく、スミアの発生を抑制できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板にマトリクス状に配置して設けられた受光部と、半導体基板に設けられ、受光部を水平方向に挟むように配置され、垂直方向に延びるように設けられた転送チャネルと、受光部を垂直方向に挟むように配置され、水平方向に延びるように設けられた第1の転送電極と、転送チャネルの上に配置され、隣接する第1の転送電極間に挟まれるように配置された第2の転送電極と、第1の転送電極の上に配置され、複数の第2のコンタクトを介して第1の転送電極と接続する第2の遮光膜と、第2の転送電極の上に配置され、複数の第1のコンタクトを介して第2の転送電極と接続する第1の遮光膜とを有し、第1の遮光膜には、第1の転送電極の上において、第1の開口部と第2の開口部が設けられており、第1の開口部には、第2のコンタクトが配置されており、第2の開口部には、第2のコンタクトが配置されておらず、絶縁膜が埋め込まれていることを特徴とする。
なお、第2の開口部の開口径は、第1の開口部の開口径よりも小さいことが好ましい。
また、お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、3つの受光部のみがそれぞれ1つのみの第2のコンタクトを有し、残り1つの受光部は第2のコンタクトを有しないように配置されていることが好ましい。
また、お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、4つの受光部はそれぞれが1つのみの第2のコンタクトを有するように配置されていることが好ましい。
また、お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、4つの受光部はそれぞれが2つのみの第2のコンタクトを有するように配置されていることが好ましい。
本発明に係る固体撮像素子によれば、第1の遮光膜(受光部に相当する領域以外が繋がれた遮光膜)における第2の開口部に第2のコンタクトが形成されていないため、第2の開口部を第1の開口部よりも狭く形成できるという効果がある。そして、第2の開口部を狭く形成できるために、入射光が転送チャネルに漏れこむのを抑制することができるという効果がある。
本発明の実施形態に係る固体撮像素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に係る固体撮像素子として、1.3×1.3μm2以細のCCD型固体撮像素子を例に説明する。なお、実施形態中で説明する材料や、数値は好ましい範囲を示しているに過ぎず、これらに限定されることはない。
(固体撮像素子についての説明)
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図1(a)〜図1(d)を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図1(a)〜図1(d)を参照しながら説明する。
図1(a)は本実施形態における固体撮像素子の一部分を拡大した平面図であり、図1(b)は図1(a)のY1−Y1における断面図であり、図1(c)は図1(a)のY2−Y2における断面図であり、図1(d)は図1(a)のX−Xにおける断面図である。
まず、図1(a)に示すように、垂直方向(横方向)と水平方向(縦方向)にマトリクス形状となるように、複数の受光部11が配置されている。ここで、受光部11は入射光を信号電荷に変換する機能を有している。そして、受光部11を水平方向に挟むように、垂直方向に延びるように転送チャネル12が形成されている。そして、受光部11を垂直方向に挟むように、水平方向に延びるように第1の転送電極3aが形成されている。そして、第1の遮光膜5と第2の遮光膜7がそれぞれ水平方向に延びるように形成されており、第1の遮光膜5中には受光部11が見えるように開口部14が設けられており、第1の遮光膜は開口部14を除き、ほぼ全面に渉って繋がっている(ただし、第1の転送電極上など繋がっていない領域も存在する)。なお、第1の転送電極3aと第1の転送電極3aとの間には第2の転送電極3bが配置され、転送チャネル12、第1の転送電極3a、第2の転送電極3bは、垂直電荷転送部13を構成する。ここで、垂直電荷転送部13は、受光部11から得られた信号電荷を読み出して垂直方向に転送する機能を有している。
また、図1(b)に示すように、シリコン基板などの半導体基板1内にマトリクス状に複数の受光部11が配置されている。そして、第1の転送電極3aが半導体基板1上にゲート絶縁膜などとして機能する絶縁膜2を介して形成されている。また、第1の転送電極3a上には絶縁膜4を介して第1の遮光膜5が形成されている。また、第1の遮光膜5の上には絶縁膜6を介して第2の遮光膜7が形成されている。ここで、第1の遮光膜5、第2の遮光膜7は、垂直電荷転送部13(特に、転送チャネル12)へ入射光が漏れるのを抑制するための機能を有している。
また、図1(c)に示すように、半導体基板1内には、転送チャネル12が形成されており、転送チャネル12の上には、絶縁膜2を介して第1の転送電極3aと第2の転送電極3bが複数形成されている。ここで、第1の転送電極3aと第1の転送電極3aの間には第2の転送電極3bが形成されている。そして、第1の転送電極3aと第2の転送電極3bの上には、絶縁膜4、6が形成されている。そして、絶縁膜4中に配置された複数の第1のコンタクト16を介して第2の転送電極3bに接続するような第1の遮光膜5が形成されている。そして、絶縁膜4、6中に配置された複数の第2のコンタクト18を介して第1の転送電極3aに接続するような第2の遮光膜7が形成されている。なお、第1の遮光膜5には第1の開口部と第2の開口部が形成されており、第1の開口部には第2のコンタクト18が配置されており(図1(c)左側参照)、第2の開口部には第2のコンタクト18が配置されておらず、絶縁膜6が埋め込まれている(図1(c)右側参照)。また、第2の遮光膜7の上には層間絶縁膜21、マイクロレンズ22が順次配置されている。
また、図1(d)に示すように、図1(c)ですでに説明したように転送チャネル12、第2の転送電極3b、第1の遮光膜5などが配置されている。
なお、図1(a)〜図1(d)には示されていないが、垂直電荷転送部13によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部もさらに設けられている。
なお、半導体基板1は、n型のシリコン基板であり、受光部11、転送チャネル12はn+型の拡散層であることが好ましい。
なお、第1の転送電極3a、第2の転送電極3bの膜厚は、例えば100〜200nm程度であり、第1の転送電極3aにおける、受光部11と受光部11との間の幅は400nm程度であり、第1の遮光膜5の高さは300nm程度であり、第1の遮光膜5における第1の転送電極3a上に乗り上げている部分の幅は、150nm程度である。第2の遮光膜の幅は400nm程度であり、第1の遮光膜5、第2の遮光膜7は第2の転送電極3bと第1の転送電極3aにそれぞれ電気的に接続しているのでシャント配線としても機能している。
本実施形態に係る固体撮像素子によると、図1(a)、図1(c)に示すように、第1の遮光膜5に形成された開口部に、第2のコンタクト18が配置されている箇所と配置されていない箇所がある。このように、第2のコンタクト18が配置されない箇所を設けることにより、第2のコンタクト18が全て配置されている場合と比較して、第2の遮光膜7と第1の遮光膜の開口部の間から入射する光が転送チャネル12に漏れ込むことを抑制することができる。
ここで、第2のコンタクト18が配置されない第2の開口部の開口径は、第2のコンタクト18が配置される第1の開口部の開口径よりも小さいことが好ましい。第2の遮光膜7と第2の開口部の間から入射する光が転送チャネル12に漏れこむ光量をさらに抑制しやすくなるからである。
また、図1(a)に示すように、単位セル辺りの第1のコンタクト16の数と第2のコンタクト18の数を比較すると、第2のコンタクト18の数の方が少ない方が好ましい。第2のコンタクト18の数を少なくすることで、電流ショートによる不良発生を抑制でき、歩留を向上することが可能となる。
ここで、図1(c)に示したマイクロレンズ22の曲率について、図2(a)、図2(b)を用いて、さらに詳しく説明する。
図2(a)は、第1の遮光膜5に形成された開口部全てに、第2のコンタクト18が配置されている状態を示している。一方、図2(b)は、第1の遮光膜5に形成された開口部全てに、第2のコンタクト18が配置されていない状態を示している。図2(a)と図2(b)とを比較して分かるように、図2(b)におけるマイクロレンズ22の曲率の方が、第1の遮光膜5に形成された開口部側において大きいことが分かる。つまり、第2の開口部(第2のコンタクトが配置されていない開口部)側の方が、第1の開口部(第2のコンタクトが配置されている開口部)側よりも、曲率が大きくなるのである。このように、マイクロレンズ22の曲率を大きくすることにより、受光部11への入射光の集光率を高めることができるという効果もある。
(第2の開口部の配置について)
次に、第2の開口部の配置について図3〜図5を用いてさらに詳しく説明する。
次に、第2の開口部の配置について図3〜図5を用いてさらに詳しく説明する。
図3〜図5は、お互いに隣接する4つの受光部11a、11b、11c、11dを一つの単位としたときに第2のコンタクト18がどこに配置されているかを示している。なお、縦横に伸びる線は、第1の転送電極3aを表し、点線部は、第2の遮光膜7の一部を強調して示している。
まず、図3に示すように、右上隅の4つの受光部11a、11b、11c、11dにおける第2のコンタクト18の配置について検討する。受光部11aは右上に第2のコンタクト18を有し、受光部11bは左上に第2のコンタクト18を有し、受光部11cは左下に第2のコンタクト18を有し、受光部11dは第2のコンタクト18を有していない。ここで、受光部11aと受光部11bは1つの第2のコンタクト18を共有している。以上のように、お互いに隣接する4つの受光部11a、11b、11c、11dを一つの単位としたときに、3つの受光部11a、11b、11cのみがそれぞれ1つのみの第2のコンタクト18を有し、残り1つの受光部11dは第2のコンタクト18を有しないように配置されていることは好ましい。このように配置することで、転送チャネル12への入射光の漏れこみを抑制できるだけでなく、曲率が大きいマイクロレンズ22の数を増やすことができるという効果がある。
また、図4に示すように、右上隅の4つの受光部11a、11b、11c、11dにおける第2のコンタクト18の配置について検討する。受光部11aは左下に第2のコンタクト18を有し、受光部11bは右上に第2のコンタクト18を有し、受光部11cは左上に第2のコンタクト18を有し、受光部11dは右下に第2のコンタクト18を有している。ここで、受光部11aと受光部11cは1つの第2のコンタクト18を共有している。以上のように、お互いに隣接する4つの受光部11a、11b、11c、11dを一つの単位としたときに、4つの受光部11a、11b、11c、11dはそれぞれが1つのみの第2のコンタクト18を有するように配置されていることは好ましい。このように配置することで、転送チャネル12への入射光の漏れこみを抑制できるだけでなく、曲率が大きいマイクロレンズの数を増やすことができるという効果がある。
また、図5に示すように、右上隅の4つの受光部11a、11b、11c、11dにおける第2のコンタクト18の配置について検討する。受光部11aは左下、右上に第2のコンタクト18を2つ有し、受光部11bは左上、右下に第2のコンタクト18を2つ有し、受光部11cは左上、右下に第2のコンタクト18を2つ有し、受光部11dは左下、右上に第2のコンタクト18を2つ有している。以上のように、お互いに隣接する4つの受光部11a、11b、11c、11dを一つの単位としたときに、4つの受光部11a、11b、11c、11dはそれぞれが2つのみの第2のコンタクト18を有するように配置されていることは好ましい。このように配置することで、転送チャネル12への入射光の漏れこみを抑制できるだけでなく、曲率が大きいマイクロレンズの数を増やすことができるという効果がある。ただし、第2のコンタクト18の数がなるべく少ないほうが好ましいので、図3又は図4のような配置の方が好ましい。
なお、図3〜図5に示すように、第2のコンタクト18の配置は、周期性を持って、規則的に配置されている。そのため、第2のコンタクト18の有無によるマイクロレンズ22の形状の違いに起因する感度差が生じにくくなるという効果がある。
なお、上述の例の他にも、ある繰り返し単位において受光部に対するコンタクトの配置が均一になるような配置であれば、同様の効果を得ることができる。
(製造方法についての説明)
次に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について、図6(a)〜図6(c)、図7(a)〜図7(c)、図8(a)〜図8(c)、図9(a)〜図9(c)、図10(a)〜図10(c)を用いて説明する。
次に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について、図6(a)〜図6(c)、図7(a)〜図7(c)、図8(a)〜図8(c)、図9(a)〜図9(c)、図10(a)〜図10(c)を用いて説明する。
なお、各図(b)は各図(a)のY1−Y1における断面に対応しており、なお、各図(c)は各図(a)のY2−Y2における断面に対応している。
まず、図6(a)〜図6(c)に示すように、半導体基板1の表面に熱酸化法によって例えば、20nm〜40nm程度の膜厚からなる絶縁膜2を形成する。その後、半導体基板1にn型不純物をイオン注入し、受光部11と転送チャネル12を形成する。その後、ポリシリコン等の導電膜を堆積し、パターニングすることにより第1の転送電極3a、第2の転送電極3bを形成する。その後、熱酸化法により第1の転送電極3a、第2の転送電極3bの上面及び側面を覆う絶縁膜4を形成する。なお、絶縁膜2、4の形成方法は熱酸化法に限定されるものではなく、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などでも構わない。
次に、図7(a)〜図7(c)に示すように、第2の転送電極3bに接続するように、絶縁膜4内に第1のコンタクト16を形成する。その後、半導体基板1の上全面を被覆するように、60nm〜120nm程度の膜厚からなる導電膜17をCVD法やスパッタリング法などを用いて形成する。なお、導電膜17は、タングステンなどの遮光性金属膜であることが好ましい。
次に、図8(a)〜図8(c)に示すように、半導体基板1全面に形成された導電膜17をパターニングし、第1の遮光膜5を形成する。ここで、第1の遮光膜5を形成する工程は、第1の転送電極3a上に配置された導電膜17を水平方向にエッチングする工程と、受光部11上に配置された導電膜17をエッチングして開口部14を形成する工程とからなることが好ましい。微細なフォトレジストパターンをなるべく形成しないようにし、歩留を向上させるためである。
ここで、第1の転送電極3aの上には、開口径の大きい第1の開口部と開口径の小さい第2の開口部が形成されることとなる。
次に、図9(a)〜図9(c)に示すように、第1の遮光膜5、第1の転送電極3a、第2の転送電極3bを含む半導体基板1の上全面を被覆するように、絶縁膜6を形成する。その後、第1の遮光膜5における第1の開口部に対応する箇所に開口部を設け、第2のコンタクト18を形成するように、半導体基板1の上全面に60nm〜120nm程度の膜厚からなる導電膜19を堆積する。なお、導電膜19は、タングステンなどの遮光性金属膜であることが好ましい。
次に、図10(a)〜図10(c)に示すように、半導体基板1全面に形成された導電膜19をパターニングし、第2の遮光膜7が形成される。ここで、図10(b)に示すように、第2の遮光膜7の側面が、第1の遮光膜5における第2の遮光膜7側の側面と受光部11側の側面との間(言い換えれば、第1の遮光膜5における転送電極3a上の開口と開口部14の間)に位置するように形成されることが好ましい。その後、絶縁膜6と第2の遮光膜7の上面全体を被覆するように、CVD法などにより層間絶縁膜21を形成する。なお、層間絶縁膜21は、NSG(NonDoped Silicate Glass)膜又は、BPSG(Boron Phosphorous Silicate Glass)膜、FSG(Fluorine Silicate Glass)膜、PSG(Phosphorous Silicate Glass)膜などの燐、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜などからなることが好ましい。その後、層間絶縁膜21の上で、受光部11の上方にマイクロレンズ22を形成する。なお、図10(a)、図10(b)においては、層間絶縁膜21、マイクロレンズ22の図示を省略している。
以上、本実施形態について説明してきたが、本発明は、以上に記載した実施形態の説明に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。また、本実施形態で挙げた数値や材料等は一例であり、これらに限定されるものではない。
また、本発明は複数の水平転送チャネルを有する構造においても適用できる。
本発明によると、高感度、低スミアでの高速撮影を可能とする固体撮像素子を提供でき、デジタルスチルカメラや、デジタルビデオカメラなどに有用である。
1 半導体基板
2,4,6 絶縁膜
3a 第1の転送電極
3b 第2の転送電極
5 第1の遮光膜
7 第2の遮光膜
11,11a,11b,11c,11d 受光部
12 転送チャネル
13 垂直電荷転送部
14 開口部
16 第1のコンタクト
17,19 導電膜
18 第2のコンタクト
21 層間絶縁膜
22 マイクロレンズ
2,4,6 絶縁膜
3a 第1の転送電極
3b 第2の転送電極
5 第1の遮光膜
7 第2の遮光膜
11,11a,11b,11c,11d 受光部
12 転送チャネル
13 垂直電荷転送部
14 開口部
16 第1のコンタクト
17,19 導電膜
18 第2のコンタクト
21 層間絶縁膜
22 マイクロレンズ
Claims (8)
- 半導体基板にマトリクス状に配置して設けられた受光部と、
前記半導体基板に設けられ、前記受光部を水平方向に挟むように配置され、垂直方向に延びるように設けられた転送チャネルと、
前記受光部を垂直方向に挟むように配置され、水平方向に延びるように設けられた第1の転送電極と、
前記転送チャネルの上に配置され、隣接する前記第1の転送電極間に挟まれるように配置された第2の転送電極と、
前記第1の転送電極の上に配置され、複数の第2のコンタクトを介して前記第1の転送電極と接続する第2の遮光膜と、
前記第2の転送電極の上に配置され、複数の第1のコンタクトを介して前記第2の転送電極と接続する第1の遮光膜とを有し、
前記第1の遮光膜には、前記第1の転送電極の上において、第1の開口部と第2の開口部が設けられており、
前記第1の開口部には、前記第2のコンタクトが配置されており、前記第2の開口部には、前記第2のコンタクトが配置されておらず、絶縁膜が埋め込まれていることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第2の開口部の開口径は、前記第1の開口部の開口径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第2のコンタクトの数は、前記第1のコンタクトの数よりも少ないことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
- 前記受光部の上には、層間絶縁膜を介して、マイクロレンズが配置されており、
前記マイクロレンズは、前記第1の開口部側よりも前記第2の開口部側で曲率が大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の固体撮像素子。 - お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、3つの受光部のみがそれぞれ1つのみの第2のコンタクトを有し、残り1つの受光部は第2のコンタクトを有しないように配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
- お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、4つの受光部はそれぞれが1つのみの第2のコンタクトを有するように配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
- お互いに隣接する4つの受光部を一つの単位としたときに、4つの受光部はそれぞれが2つのみの第2のコンタクトを有するように配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
- 前記受光部は入射光を信号電荷に変換する機能を有し、
前記転送チャネルを有する垂直電荷転送部は、前記受光部から前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する機能を有し、
前記第1の遮光膜及び前記第2の遮光膜は、前記入射光が前記転送チャネルへ到達するのを抑制する機能を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
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2011
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