JP3241335B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置又は
その製造方法に関し、特に、インターライン転送型の固
体撮像装置又はその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】スチルカメラのデジタル化が推進されて
いる。デジタルスチルカメラには、固体撮像装置が用い
られる。固体撮像装置としては、特に、ＣＣＤイメージ
センサが好適である。このようなカメラの高解像度化の
ために、その画素サイズの縮小化が急速に推進されてい
る。電池で動作するデジタルスチルカメラは、ＣＣＤの
低消費電力化が重要な課題である。

【０００３】一般的なインターライン転送型ＣＣＤイメ
ージセンサは、図７に示されるように、２次元的に配置
される多数の単位画素により形成されている。単位画素
は、フォトダイオード１０１、トランスファゲート１０
２、垂直レジスタ１０３とからなる。イメージセンサに
は、更にチャネルストップが含まれている。このように
複数・単位画素が２次元面上に配置されて撮像領域が形
成されている。イメージセンサは、更に、複数列の垂直
レジスタ１０３を接続する水平レジスタ１０４と出力ア
ンプ１０５とを備えている。

【０００４】図８が図７のＡ−Ａ’に沿った画素の断面
模式を示しているように、単位画素領域は、Ｎ型シリコ
ン基板１１０、第１Ｐウェル１１１、フォトダイオード
・Ｎ層１１２、表面の高濃度Ｐ層１１３、チャネルスト
ッパ１１４、トランスファゲート領域１１５、第２Ｐウ
ェル１１６、垂直レジスタ・転送チャネルを形成するＮ
ウェル１１７、シリコン酸化膜（以下、単に酸化膜とい
う）あるいは酸化膜とシリコン窒化膜（以下、単に窒化
膜という）を組み合せたゲート絶縁膜１１８、多結晶シ
リコンで形成される転送電極１１９、酸化膜などで形成
された層間膜１２０、アルミニウムなどの金属、タング
ステンなどの高融点金属あるいはこれらの積層膜であり
その電位が固定された（通常は接地されている）遮光膜
１２１、酸化膜又は窒化膜あるいは両者の中間の組成を
持つパッシベーション膜１２２とから形成されている。

【０００５】通常、遮光膜は周辺の配線と同一工程で形
成される。一般には、このような構造体の上に更にカラ
ーフィルタやマイクロレンズが形成される。図９が図７
のＢ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’に沿った垂直レジスタ１０３
と水平レジスタ１０４の断面模式を示しているように
（簡単のために基板内部のウェルは省略されてい
る。）、既述の画素領域と同様に、転送電極１１９上に
は層間膜１２０を介して遮光膜１２１とパッシベーショ
ン膜１２２とが形成されている。

【０００６】所定期間に遮光膜１２１の開口から入射し
た光によってフォトダイオード１２２で光電変換・蓄積
された信号電荷（この場合は電子）は、垂直レジスタ１
０３の転送電極１１９をハイレベルにすることによっ
て、垂直レジスタ１０３の転送チャネル１１７に読み出
されると同時に、フォトダイオード１０１は所定の電位
にリセットされ次の期間の光電変換・電荷蓄積を開始す
る。垂直レジスタ１０３に読み出された電荷は、次の期
間に垂直レジスタ１０３、水平レジスタ１０４を転送さ
れた後、出力アンプ１０５を通って外部に電圧として出
力される。

【０００７】インターライン転送型ＣＣＤイメージセン
サでは、既述のように垂直レジスタ１０３上で信号電荷
が転送されている間にも、フォトダイオード１０１には
光が当たっている。そのため、高輝度の被写体を撮影す
る際に、光の一部が垂直レジスタ１０３に漏れ込んで電
荷を発生させたり、あるいは垂直レジスタ１０３の近傍
で光電変換された電荷が拡散によって垂直レジスタ１０
３に漏れ込み、スミアと呼ばれる偽信号が生じて、画面
上には高輝度被写体の上下に白線が現れる。このような
スミアを低減させるには、図８に示される構造体に関し
て、フォトダイオードの上面側の開口を規定する遮光膜
端の高さを低くすることが有効であることが知られてい
る（１９８５年テレビジョン学会全国大会講演予稿集、
４９−５０頁）。

【０００８】そのような高さを低くするためには、転送
電極１１９と遮光膜１２１との間の層間膜２０の膜厚が
薄い方が望ましい。一方、インターライン転送型ＣＣＤ
イメージセンサの消費電力は、動作周波数が高い水平レ
ジスタのそれが占める割合が大きい。消費電力は、電極
容量、駆動電圧の２乗、駆動周波数に比例するため、駆
動周波数が決まっている場合には、電極容量及び駆動電
圧の低減が必要になってくる。電極容量は、基板及び遮
光膜に対する容量と、異なる相のパルスが印加される電
極間の容量からなる。

【０００９】そのうち、遮光膜に対する容量を低減する
ためには、転送電極１１９と遮光膜１２１との間の層間
膜１２０の膜厚を厚くすることが必要である。このよう
に、スミアの低減と水平レジスタの消費電力の低減と
は、層間膜の膜厚に関して望ましい方向が逆である。一
般的には、垂直レジスタと水平レジスタのそれぞれの転
送電極、層間膜、遮光膜は同一の工程で形成されること
が多く、転送電極１１９と遮光膜１２１との間の層間膜
１２０の膜厚も両者で同一である。このため、スミアを
低減しようとすると、水平レジスタの消費電力が増加
し、逆に水平レジスタの消費電力を低減しようとすると
スミアが劣化することになり、スミアの低減と水平レジ
スタの消費電力の低減を同時に満たすことは困難であ
る。

【００１０】垂直レジスタ上の遮光膜と水平レジスタ上
の遮光膜を別の工程、例えば垂直レジスタ上の遮光膜を
形成した後に、層間膜１２０を堆積し、その後水平レジ
スタ上の遮光膜を形成すれば、水平レジスタの転送電極
と遮光膜との間の層間膜を垂直レジスタより厚くするこ
とは可能である。このような工程を採択すれば、２つの
遮光膜の間から光が漏れ込み、水平レジスタで偽信号を
発生させる可能性がある。また、一般に２層メタルプロ
セスでは、十分に平坦化した後に２層目の金属膜を堆積
しており、更に、２層の遮光膜が重なる箇所がある場合
には、その部分の段差が、１層の金属で遮光膜及び配線
を形成する場合に比べて大きくなる。

【００１１】フォトダイオード上にマイクロレンズを形
成する際には、配線などによる凹凸をなくすために平坦
化膜を形成するが、２層の遮光膜を用いる構造では、上
述した理由によりフォトダイオード表面から平坦化膜表
面までの高さが高くなってしまう。マイクロレンズを用
いてフォトダイオードの遮光膜開口に集光する場合に、
撮影レンズの絞りを開く（絞値を小さくする）とフォト
ダイオードへの入射角度が大きくなり、遮光膜端で入射
が遮られる、いわゆる「ケラレ」が生じて感度が低下す
るという問題が派生する。特に、画素サイズが小さくな
ることにともなって、遮光膜の開口寸法が小さくなる
と、このケラレ現象が顕著になってくる。このような現
象を抑制するためには、できるだけフォトダイオード表
面から平坦化膜表面までの高さを低くすることが有効で
あることが知られているが、垂直レジスタ上の遮光膜と
水平レジスタ上の遮光膜を別の工程で形成する構造で
は、前述のようにこれが困難になってくるという問題点
が解消されえない。

【００１２】垂直レジスタ及び水平レジスタ上に遮光膜
と転送電極とをそれぞれに同一の工程で形成し、且つ、
スミアの低減と水平レジスタの消費電力低減とを同時に
実現することが望まれる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、垂直
レジスタ及び水平レジスタ上に遮光膜と転送電極とをそ
れぞれに同一の工程で形成し、且つ、スミアの低減と水
平レジスタの消費電力低減とを同時に実現することがで
きる固体撮像装置及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が請求項に対応して表現される次の記載中に現れ
る（）つきの数字、文字、記号は、請求項の記載事項が
詳しく後述される実施の複数の形態のうちの少なくとも
１つの形態の部材、工程、動作に対応することを示す
が、本発明の解決手段がそれらの数字が示す実施の形態
の部材、工程、動作に限定して解釈されるためのもので
はなく、その対応関係を明白にするためのものである。

【００１５】本発明による固体撮像装置は、基板（６）
と、ゲート絶縁膜（１８）を介して基板（６）の上面側
に第１転送電極（１９，水平レジスタ側）が規則的に配
列された第１レジスタ（４，水平レジスタ）と、光電変
換素子（公知例の部材１０１に一致対応）とゲート絶縁
膜（１８）を介して基板（６）に第２転送電極（１９，
垂直レジスタ側）が規則的に配列された第２レジスタ
（３，垂直レジスタ）を備える画素が２次元に配置され
た撮像領域と、第１転送電極（１９）の上面側及び第２
転送電極（１９）の上面側に形成される層間絶縁膜（２
０）の上面側に同一工程で形成される遮光膜（２１）と
からなり、遮光膜（２１）には光電変換素子（１０１）
の上面側に開口が形成されている固体撮像装置におい
て、第１転送電極（１９）と遮光膜（２１）との間の層
間絶縁膜（２０”）の膜厚は、第２転送電極（１９）と
遮光膜（２１）との間の層間絶縁膜（２０’）の膜厚よ
りも厚いことを特徴としている。

【００１６】転送電極（１９）と遮光膜（２１）は同一
ステップで形成されうる。第１転送電極（１９）と遮光
膜（２１）との間の層間絶縁膜（２０”）の膜厚は、第
２転送電極（１９）と遮光膜（２１）との間の層間絶縁
膜（２０’）の膜厚よりも厚いことにより、その課題が
解決されている。

【００１７】本発明による固体撮像装置の製造方法は、
このような固体撮像装置を製造するための製造方法であ
り、第１転送電極（１９）と第２転送電極（１９）を同
時的に形成するためのステップと、遮光膜（２１）を形
成するためのステップと、層間絶縁膜（２０）の上面側
に膜厚調整膜（３１）を形成するためのステップと、第
１転送電極（１９）と第２転送電極（１９）を形成した
後に、且つ、遮光膜（２１）を形成する前に、層間絶縁
膜（２０）の補充層になるように膜厚調整膜（３１）を
処理することにより層間絶縁膜（２０）の厚みを増加さ
せるためのステップとからなる。

【００１８】第１レジスタ側の層間絶縁膜の最終的な膜
厚から第２レジスタ側の最終的な層間絶縁膜の膜厚を引
いた膜厚の約１／２の膜厚で膜厚調整膜（３１）を形成
する。両膜の膜厚の差は、膜厚調整膜（３１）の膜厚を
調整することにより自由に変動させることができる。

【００１９】膜厚調整層は多結晶シリコン膜又は非晶質
シリコン膜であることが好ましい。更に、膜厚調整膜の
処理は熱酸化であることが製造工程を簡単にする点で好
ましい。

【００２０】本発明による固体撮像装置の製造方法は、
更に、膜厚調整膜（３１）を第１レジスタ側で残存させ
第２レジスタの側で除去するステップとからなることが
好ましい。更に、膜厚調整膜（３１）の上面側に耐酸化
性膜（３４）を形成するステップと、耐酸化性膜（３
４）を第２レジスタの側で残存させ第１レジスタの側で
除去するステップとからなることが、製造工程を簡略化
させる点で特に好ましい。そのような工程で、その耐酸
化性膜はシリコン窒化膜であることが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
固体撮像装置の実施の形態は、一般的なインターライン
転送型ＣＣＤイメージセンサとして提供され、２次元的
に配置される多数の単位画素により形成されている。図
１に示されるように、そのイメージセンサは、２次元的
に配置される多数の単位画素により形成されている。単
位画素は、フォトダイオード１、トランスファゲート
２、垂直レジスタ３とから構成されている。複数・単位
画素が２次元面上に配置されて撮像領域が形成されてい
る。イメージセンサは、更に、複数列の垂直レジスタ３
を接続する水平レジスタ４と出力アンプ５とを備えてい
る。

【００２２】図２は、図１のＢ−Ｂ’線断面の垂直レジ
スタと、図１のＣ−Ｃ’線断面の水平レジスタのそれぞ
れの一部分をその左右に対比させて示している。簡単の
ために基板内部のウェルは省略されている。本発明の断
面構造が図８に示した従来技術の断面構造と異なる点
は、本発明が、垂直レジスタ３の転送電極と遮光膜との
間の層間膜２０’の膜厚よりも、水平レジスタの転送電
極と遮光膜との間の層間膜２０”の膜厚が厚い断面構造
を有していることである。これによって、スミアの低減
と水平レジスタの消費電力の低減とを同時に実現するこ
とが可能である。

【００２３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明に
よる固体撮像装置の製造プロセスのステップスを示して
いる。シリコン基板６の上面に、酸化膜、又は、酸化膜
と窒化膜を組み合せたゲート絶縁膜１８が形成されてい
る。図３（ａ）に示されるように、多結晶シリコンなど
で構成される転送電極１９、酸化膜などで形成される層
間膜２０をゲート絶縁膜１８の上面側に形成した後に、
層間膜２０の表面の全面に、多結晶シリコン膜又は非晶
質シリコン膜３１を堆積する。このときに堆積する多結
晶シリコン膜又は非晶質シリコン膜３１の膜厚は、後に
形成される垂直レジスタの層間膜の膜厚と後に形成され
る水平レジスタの層間膜の膜厚との差の約１／２とす
る。

【００２４】実施例に関していえば、図２に示される垂
直レジスタ３の層間膜２０’の膜厚を２００ｎｍに形成
したとき、水平レジスタの層間膜２０”の膜厚を４００
ｎｍに形成したいときには、シリコン膜３１の膜厚を１
００ｎｍ程度に形成する。このような非晶質シリコン膜
３１の膜厚を選ぶ理由は、シリコン膜３１を熱酸化した
際に形成される酸化膜の膜厚が元のシリコン膜３１の約
２倍になることにある。

【００２５】次に、図３に示されるように、フォトリソ
グラフィー技術によって水平レジスタ４の側の非晶質シ
リコン膜３１の上面をレジスト層３２で覆い、且つ、撮
像領域上は覆わないようにフォトレジスト３２のパター
ンを形成する。このときのマスクパターンは、図４に示
されるように、水平レジスタ３、及び、撮像領域と水平
レジスタ４の間の垂直レジスタ（垂直レジスタの一部
３’）をカバーしている。この場合、出力アンプ部５を
覆うパターンを採択することができる。

【００２６】次に、一般的な反応性イオンエッチング技
術などによって、図３（ｂ）に示されるように、フォト
レジスト３２で覆われずに露出している部分の垂直レジ
スタ側のシリコン膜３１を選択的に除去する。その後、
フォトレジスト３２を剥離し、８５０から９５０℃程度
の温度の熱酸化工程によって、図３（ｃ）に示されるよ
うに、シリコン膜３１をすべて酸化膜に変える。このよ
うな工程によって、水平レジスタ側の層間膜２０”の膜
厚は、垂直レジスタ側の層間膜２０’の膜厚よりも、図
３（ａ）に示すステップで堆積したシリコン膜３１の膜
厚の約２倍分だけ厚くなっている。

【００２７】この後、従来と全く同じステップスによ
り、図２に示されるように、同一の工程で、アルミニウ
ム、高融点金属、あるいはこれらの積層膜からなる遮光
膜２１、及び、酸化膜又は窒化膜あるいは両者の中間の
組成を持つパッシベーション膜２２を垂直レジスタ側及
び水平レジスタ側に形成して、図２に示される断面構造
を得る。

【００２８】図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、
本発明による固体撮像装置の製造方法の他の実施の形態
を示している。シリコン基板６の上面に、酸化膜、又
は、酸化膜と窒化膜を組み合せたゲート絶縁膜１８が形
成されている。図５（ａ）に示されるように、多結晶シ
リコンなどで構成される転送電極１９、酸化膜などで形
成される層間膜２０をゲート絶縁膜１８の上面側に形成
した後に、層間膜２０の表面の全面に、多結晶シリコン
膜又は非晶質シリコン膜３１を堆積する。このときに堆
積する多結晶シリコン膜又は非晶質シリコン膜３１の膜
厚は、後に形成される垂直レジスタの層間膜の膜厚と後
に形成される水平レジスタの層間膜の膜厚との差の約１
／２とする。

【００２９】熱酸化の工程でシリコン膜３１が酸化され
るのを防止するための耐酸化性を有する膜、例えば窒化
膜３４を気相成長法などを用いて２０から１００ｎｍ程
度の膜厚で堆積する。このとき、後のエッチングの際に
シリコン膜との選択比を確保するために、窒化膜３４を
堆積する前に、図５（ａ）に示されるように、窒化膜と
エッチングの選択性のある膜、例えば２０から１００ｎ
ｍ程度の酸化膜３３を気相成長法、又は、シリコン膜の
熱酸化によって形成する。

【００３０】次に、フォトリソグラフィー技術によって
撮像領域の上面を覆い、且つ、水平レジスタの上面は覆
わないようにフォトレジスト３５のパターンを形成す
る。このときのマスクパターンは、図６に示すように、
撮像領域をカバーしている。このとき、出力アンプ部を
覆うパターンを採択することができる。この後、一般的
な反応性イオンエッチング技術などによって、図５
（ｂ）に示されるように、フォトレジスト３５で覆われ
ずに露出している部分の窒化膜３４及び酸化膜３３を選
択的に除去する。

【００３１】その後、フォトレジスト３５を剥離し、８
５０から９５０℃程度の温度の熱酸化工程によって、図
５（ｃ）に示されるように、水平レジスト側のシリコン
膜３１をすべて酸化膜にする。次に、図５（ｄ）に示さ
れるように、撮像領域上に残っている窒化膜３４、酸化
膜３３及びシリコン膜３１を除去する。これらの一連の
工程によって、既述のように、水平レジスタ側の層間膜
２０”の膜厚は、垂直レジスタ側の層間膜２０’の膜厚
よりも、図５（ａ）で堆積したシリコン膜３１の約２倍
の膜厚だけ厚くなっている。

【００３２】この後、従来と全く同じステップスによ
り、図２に示されるように、同一の工程で、アルミニウ
ム、高融点金属、あるいはこれらの積層膜からなる遮光
膜２１、及び、酸化膜又は窒化膜あるいは両者の中間の
組成を持つパッシベーション膜２２を垂直レジスタ側及
び水平レジスタ側に形成して、図２に示される断面構造
を得る。図３に示した実施の形態では、シリコン膜３１
を酸化する際に、シリコン膜で覆われていないフォトダ
イオード表面のシリコン、垂直レジスタの転送電極も若
干酸化されうる。これによりフォトダイオード上では遮
光膜下の膜厚が厚くなりスミアが劣化する可能性がある
が、図５に示される実施の形態では、シリコン膜を酸化
する工程の撮像領域は耐酸化性の窒化膜で覆われている
ため、スミアが劣化することはない。

【００３３】このような工程により形成される固体撮像
装置では、垂直レジスタ上の遮光膜と水平レジスタ上の
遮光膜を別の工程で形成する場合のように、２つの遮光
膜の間から漏れ込んだ光によって水平レジスタで偽信号
が発生したり、フォトダイオード表面からマイクロレン
ズ下の平坦化膜表面までの高さが高くなって、撮影レン
ズの絞りを開けたときにケラレが生じて感度が低下す
る、という不具合は起こらない。

【００３４】

【発明の効果】本発明による固体撮像装置及びその製造
方法は、垂直レジスタおよび水平レジスタ上に同一の工
程で形成される遮光膜と転送電極との間の層間膜厚を、
垂直レジスタ側より水平レジスタ側で厚くすることによ
り、スミアの低減と水平レジスタの消費電力低減とを同
時に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の固体撮像装置の実施の形態を
示す平面図である。

【図２】図２は、図１のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線断面を
水平レジスト側と垂直レジスト側とで対照してそれぞれ
に示す断面図である。

【図３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、その実施の形
態の製造プロセスを示す各断面図である。

【図４】図４は、その１ステップのフォトレジストパタ
ーンを示す平面である。

【図５】図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、その
実施の形態の製造プロセスを示す各断面図である。

【図６】図６は、その１ステップのフォトレジストパタ
ーンを示す平面である。

【図７】図７は、公知のインターライン転送型ＣＣＤイ
メージセンサを示す平面図である。

【図８】図８は、図７のＡ−Ａ’線断面図である。

【図９】図９は、図７のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線断面を
水平レジスト側と垂直レジスト側とで対照してそれぞれ
に示す断面図である。

【符号の説明】

３…第２レジスタ（垂直レジスタ） ４…第１レジスタ（水平レジスタ） ６…基板 １８…ゲート絶縁膜 １９…第１，第２転送電極（水平，垂直レジスタ） ２０…層間絶縁膜 ２０’…層間絶縁膜（垂直レジスタ側） ２０”…層間絶縁膜（水平レジスタ側） ２１…遮光膜 ３１…膜厚調整層 ３４…耐酸化性膜 １０１…光電変換素子

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、ゲート絶縁膜を介して前記基板の
   上面側に第１転送電極が規則的に配列された第１レジス
   タと、光電変換素子と前記ゲート絶縁膜を介して前記基
   板に第２転送電極が規則的に配列された第２レジスタと
   を備える画素が２次元に配置された撮像領域と、 前記第１転送電極の上面側及び前記第２転送電極の上面
   側に形成される層間絶縁膜の上面側に同一工程で形成さ
   れる遮光膜とからなり、 前記遮光膜には前記光電変換素子の上面側に開口が形成
   され、 前記第１転送電極と前記遮光膜との間の前記層間絶縁膜
   の膜厚は、前記第２転送電極と前記遮光膜との間の前記
   層間絶縁膜の膜厚よりも厚い固体撮像装置を製造するた
   めの固体撮像装置の製造方法であり、 前記第１転送電極と前記第２転送電極を同時的に形成す
   るためのステップと、前記層間絶縁膜を形成するステッ
   プと、 前記層間絶縁膜の上面側に膜厚調整膜を形成するための
   ステップと、 前記層間絶縁膜の補充層になるように前記膜厚調整膜を
   処理することにより前記層間絶縁膜の厚みを増加させる
   ためのステップと、 前記層間絶縁膜の厚みを増加させるステップの後に前記
   遮光膜を形成するステップとを含むことを特徴とする固
   体撮像装置の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記膜厚調整膜は多結晶シリコン膜又は非晶質シリコン
   膜であり、 前記膜厚調整膜の処理は熱酸化であることを特徴とする
   固体撮像装置の製造方法。
3. 【請求項３】請求項２において、更に、 前記膜厚調整膜を前記第１レジスタの側で残存させ前記
   第２レジスタの側で除去するステップとからなることを
   特徴とする固体撮像装置の製造方法。
4. 【請求項４】請求項１において、更に、 前記膜厚調整膜の上面側に耐酸化性膜を形成するステッ
   プと、 前記耐酸化性膜を前記第２レジスタの側で残存させ前記
   第１レジスタの側で除去するステップとからなることを
   特徴とする固体撮像装置の製造方法。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記耐酸化性膜はシリコン窒化膜であることを特徴とす
   る固体撮像装置の製造方法。