JP4479436B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、特に、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像装置およびその製造方法に関する。
デジタルスチルカメラ用の撮像装置として、CCD固体撮像装置が多く使用されており、多くはインターライン・トランスファー型(いわゆるIT型)CCDである。IT型CCDのなかにも、インターレース読み出し型と全画素読み出し(ノンインターレース)型がある。
インターレース読み出しでは、2回以上にわけて全部の画素情報を読み出すことで、垂直転送部(垂直CCD)のダイナミックレンジによる制限を回避できるなどのメリットがある。しかし、数回に分けて読み出すゆえに、信号電荷の熱的流出やフィールド間の暗電流差の問題などのデメリットがある。
全画素読み出しでは、全画素を同時に読み出すことができるために高精度の光シャッタ(多くはメカニカルシャッタ)を必要としないなどのメリットがある。しかし、転送電極が、3層以上のポリシリコン電極構造となり、プロセスは複雑で工程は多くなる。また、垂直転送部の凹凸が顕著になり、光入射のけられ(本来受光部に入射すべき光が遮光膜によって遮られてしまうことを称する)がこの凹凸に起因して発生しやすくなる。従って、感度シェーディングやレンズ開放側感度低下の原因になりやすい。
全画素読み出し型の固体撮像装置として、単層電極構造の転送電極を用い、当該転送電極のうち浮島状に分離した転送電極に対して、当該転送電極の上層の金属配線により駆動パルスを供給するようにした固体撮像装置が開示されている(特許文献1参照)。
特許第2878546号
しかしながら、上記特許文献1に記載の固体撮像装置では、上層の金属配線が遮光膜を兼ねており、当該金属配線が転送電極の略全面を覆うように形成されていることから、受光部と転送電極との間に大きな段差が依然として存在する。この結果、上記したような入射光のけられを低減することができない。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、全画素読み出しに適用することができる電極構成をもち、かつ、受光部の周縁部での入射光の遮りを低減することができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、水平方向および垂直方向に配置された複数の受光部と、前記各受光部間に配置された、垂直方向に伸びる複数の転送チャネルと、前記各転送チャネル上において同一平面に繰り返し配置された、第1転送電極、第2転送電極、および第3転送電極と、前記第1転送電極と同一平面に配置され、前記水平方向に並ぶ複数の前記第1転送電極を接続する画素間配線と、前記第1転送電極および前記画素間配線上において水平方向に伸び、水平方向に並ぶ複数の前記第2転送電極にそれぞれ接続された第2転送電極駆動用配線と、前記第1、第2および第3転送電極上において前記垂直方向に伸び、垂直方向に並ぶ前記第3転送電極にそれぞれ接続された第3転送電極駆動用配線を有する。
上記の本発明の固体撮像装置では、1つの受光部に対して3種類の転送電極が配置されている。第2転送電極駆動用配線、第3転送電極駆動用配線のうち少なくともいずれかに読み出しパルスを供給することにより、全ての受光部に蓄積された信号電荷が、転送チャネルへと読み出される。読み出し後、垂直方向に配列した第1、第2、第3転送電極に位相の異なる転送パルスが供給されて、信号電荷は垂直方向に転送される。このように、本発明の固体撮像装置は、全画素読み出しに適用可能である。
第2転送電極を駆動するための第2転送電極駆動用配線は、第1転送電極および画素間配線上において水平方向に伸びて配置されている。また、第3転送電極を駆動するための第3転送電極駆動用配線は、第1、第2、第3転送電極上において垂直方向に伸びる。
このように水平方向および垂直方向に第2転送電極駆動用配線および第3転送電極駆動用配線を配置したことから、受光部の周縁における段差が緩和される。
本発明によれば、全画素読み出しに適用することができる電極構成をもち、かつ、受光部の周縁部での入射光の遮りを低減した固体撮像装置を実現することができる。
以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部の要部平面図である。本実施形態では、全画素読み出しに適用可能であって、3相駆動の固体撮像装置について説明する。
画素部には、画素を構成する受光部1が配置されている。受光部1は、水平方向Hおよび垂直方向Vに複数配置されている。受光部1は、フォトダイオードからなり、入射光量に応じた信号電荷を生成し、一定期間蓄積する。
水平方向Hに並ぶ2つの受光部1間に、垂直方向Vに伸びる転送チャネル2が配置されている。転送チャネル2は、信号電荷を垂直方向Vに転送するポテンシャル分布を生成する。
垂直方向Vに伸びる転送チャネル2上には、位相の異なる転送パルスΦV1,ΦV2、ΦV3がそれぞれ供給される3種類の転送電極3が配列している。転送電極3は、転送パルスΦV1が供給される第1転送電極3−1と、転送パルスΦV2が供給される第2転送電極3−2と、転送パルスΦV3が供給される第3転送電極3−3とに分けられる。なお、特に第1転送電極3−1と、第2転送電極3−2と、第3転送電極3−3とを区別する必要がない場合には、単に転送電極3と称する。
本実施形態では、第1転送電極3−1と、第2転送電極3−2と、第3転送電極3−3が同一平面に形成された単層転送電極構造を採用している。転送電極3は、例えばポリシリコンにより形成される。
第3転送電極3−3、第2転送電極3−2、第1転送電極3−1が垂直方向Vに繰り返し配列している。上記の転送電極3と転送チャネル2とにより、垂直方向Vに並ぶ受光部1の列毎に共通配置されたいわゆる垂直転送部(垂直CCD)が構成される。
水平方向Hに並ぶ複数の第1転送電極3−1は、画素間配線3−1aにより連結されている。画素間配線3−1aは、垂直方向Vに並ぶ受光部1の間隙において水平方向Hに伸び、転送電極3−1と同一平面に形成されている。すなわち、画素間配線3−1aは、第1転送電極3−1と一体形成されたポリシリコンからなる。
第2転送電極3−2は、転送チャネル2上において浮島状、すなわち水平方向Hに連結されずに分離した形状となっている。転送電極3−2は、受光部1に隣接して配置されている。
第3転送電極3−3は、転送チャネル2上において浮島状、すなわち水平方向Hに連結されずに分離した形状となっている。第3転送電極3−3は、受光部1に隣接して配置されている。
第1転送電極3−1および画素間配線3−1a上には、絶縁膜を介して水平方向Hに伸びるシャント配線(第2転送電極駆動用配線)4が配置されている。シャント配線4は、各第1転送電極3−1上において垂直方向Vに張り出しており、コンタクト部4aにおいて第2転送電極3−2に接続されている。1本のシャント配線4は、水平方向Hに並ぶ複数の第2転送電極3−2に接続されている。シャント配線4の幅は、画素間配線3−1aの幅よりも狭い。
シャント配線4は、ポリシリコン、あるいはタングステン等の金属材料により形成される。シャント配線4として、金属材料を用いる場合には、ポリシリコンを用いる場合に比べて、膜厚や幅を小さくしても同等の抵抗値が得られるため、受光部1の周縁に発生する段差を緩和できるという利点がある。
シャント配線4よりも上層であって、垂直方向Vに配列された転送電極3上に、絶縁膜を介して垂直方向Vに伸びるシャント配線(第3転送電極駆動用配線)5が配置されている。シャント配線5は、コンタクト部5aにおいて第3転送電極3−3に接続されている。1本のシャント配線5は、垂直方向Vに並ぶ複数の第3転送電極3−3に接続されている。シャント配線5の幅は、転送電極3の幅Wよりも狭い。
シャント配線5は、ポリシリコン、あるいはタングステン等の金属材料により形成される。シャント配線5として、金属材料を用いる場合の利点については、シャント配線4と同様である。
上記の固体撮像装置では、1つの受光部1に対して、3つの転送電極3−1,3−2,3−3が設けられている。1つの受光部1に対して、3つの転送電極が配置されていることにより、全画素読み出しに適用可能となる。
本実施形態は3相駆動の固体撮像装置の例である。画素間配線3−1aを通じて水平方向に並ぶ全ての第1転送電極3−1に転送パルスΦV1が供給される。シャント配線4を通じて水平方向に並ぶ全ての第2転送電極3−2に転送パルスΦV2が供給される。シャント配線5を通じて垂直方向に並ぶ全ての第3転送電極3−3に転送パルスΦV3が供給される。転送パルスΦV1,ΦV2、ΦV3は例えば−7V〜0Vである。
受光部1に隣接する浮島状の第2転送電極3−2および第3転送電極3−3には、シャント配線4,5を通じて、転送パルスΦV2、ΦV3の他に受光部1に蓄積された信号電荷を転送チャネル2へ転送するための読み出しパルスΦRが供給される。読み出しパルスΦRは、例えば+12V〜+15Vである。なお、第2転送電極3−2あるいは第3転送電極3−3のいずれかのみに、読み出しパルスΦRを供給してもよい。
図2(a)は図1のA−A‘線における断面図であり、図2(b)は図1のB−B’線における断面図である。
本実施形態では、例えばn型シリコンからなる半導体基板10を用いる。半導体基板10には、p型ウェル11が形成されている。p型ウェル11内には、n型領域12が形成され、n型領域12よりも表面側にはp型領域13が形成されている。n型領域12とp型ウェル11とのpn接合によるフォトダイオードによって受光部1が構成される。n型領域12の表面側にp型領域13が形成されていることにより、暗電流を低減した埋め込みフォトダイオードが構成される。
n型領域12に隣接して、p型ウェル14が形成されており、p型ウェル14内にn型領域からなる転送チャネル2が形成されている。転送チャネル2に隣接して、隣接する受光部1間での信号電荷の流出入を防止するためのp型のチャネルストップ部16が形成されている。図示する例では、受光部1と、受光部1の左側の転送チャネル2との間が、読み出しゲート部17となる。従って、転送電極3(より詳細には、第2転送電極3−2、第3転送電極3−3の双方、あるいはいずれか)により、読み出しゲート部17のポテンシャル分布が制御されて、受光部1の信号電荷は左側の転送チャネル2に読み出される。
種々の半導体領域が形成された半導体基板10上には、ゲート絶縁膜20を介してポリシリコンからなる転送電極3(図示する例では第2転送電極3−2)および画素間配線3−1aが形成されている。
転送電極3および画素間配線3−1aを被覆するように、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜21が形成されている。画素間配線3−1a上には、絶縁膜21を介してポリシリコン、あるいはタングステンなどの金属材料からなるシャント配線4が形成されている。シャント配線4は、第2転送電極3−2上にも形成されている。絶縁膜21には、コンタクト部4aにおいて開口が形成されており、コンタクト部4aにおいてシャント配線4と第2転送電極3−2とが接続されている。なお、シャント配線4として、タングステンなどの金属材料を用いる場合には、コンタクト部4aにおいてシャント配線4を構成する金属材料と第2転送電極3−2とを直接接続せずに、バリアメタルを介在させてもよい。
シャント配線4を被覆するように、酸化シリコンなどからなる絶縁膜22が形成されている。転送電極3上には、絶縁膜22を介してポリシリコン、あるいはタングステンなどの金属材料からなるシャント配線5が形成されている。図示はしないが、絶縁膜22には、コンタクト部5a(図1参照)において開口が形成されており、コンタクト部5aにおいてシャント配線5と第3転送電極3−3とが接続されている。なお、シャント配線5として、タングステンなどの金属材料を用いる場合には、コンタクト部5aにおいてシャント配線5と第3転送電極3−3とを直接接続せずに、バリアメタルを介在させてもよい。
シャント配線5を被覆するように、酸化シリコンなどからなる絶縁膜23が形成されている。絶縁膜21,22,23を介在させた状態で、転送電極3、画素間配線3−1a、シャント配線4,5を被覆する遮光膜6が形成されている。遮光膜6には、受光部1の上方に開口部6aが形成されている。
図示はしないが、遮光膜6の上層には必要に応じて、平坦化膜、カラーフィルタ、およびオンチップレンズが形成される。
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。
受光部1に光が入射すると、光電変換により入射光量に応じた信号電荷(本例では電子)が生成され、受光部1のn型領域12内で一定期間蓄積される。
シャント配線4,5を通じて、第2転送電極3−2および第3転送電極3−3に読み出しパルスΦRが供給されると、読み出しゲート部17のポテンシャル分布が制御されて、全ての受光部1に蓄積された信号電荷が転送チャネル2に読み出される。なお、第2転送電極3−2あるいは第3転送電極3−3のいずれかにのみ読み出しパルスΦRを供給してもよい。
信号電荷が転送チャネル2に読み出された後、画素間配線3−1a、シャント配線4,5を通じて、垂直方向に並ぶ転送電極3−1,3−2,3−3に、3相の転送パルスΦV1〜ΦV3が供給される。3相の転送パルスΦV1〜ΦV3により、転送チャネル2のポテンシャル分布が制御されて、信号電荷が垂直方向Vに転送される。
図示はしないが、信号電荷が垂直方向Vに転送された後、水平転送部により水平方向Hに信号電荷が転送されて出力部に送られる。出力部では、信号電荷は信号電荷量に応じた電圧に変換されて出力される。
なお、上記構成の固体撮像装置は、インターレース読み出しを行うことも可能である。この場合には、シャント配線4を通じて第2転送電極3−2のみに読み出しパルスΦRを供給し、かつ、例えば第1フィールドにおいて奇数ラインのシャント配線4にのみ読み出しパルスΦRを供給し、第2フィールドにおいて偶数ラインのシャント配線4にのみ読み出しパルスΦRを供給すればよい。
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の効果について説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置では、単層転送電極構造の3種の転送電極3−1,3−2,3−3の上層には、当該転送電極の幅Wよりも細い幅のシャント配線4,5が水平方向Hおよび垂直方向Vに形成されている。
水平方向Hに配置された、第2転送電極3−2に転送パルスΦV2を供給するためのシャント配線4は、画素間配線3−1a上に形成されている。このため、垂直方向Vに配列した受光部1の間隙を配線1本分だけ確保すれば良く、受光部1の垂直方向Vの寸法を大きくすることができる。垂直方向Vの寸法を大きくできることから、画素間配線3−1aおよびシャント配線4を被覆する遮光膜6による、垂直方向Vからの入射光のけられが低減される。
垂直方向Vに配置された、第3転送電極3−3に転送パルスΦV3を供給するためのシャント配線5は、転送電極3上に形成されており、さらに、転送電極3の幅Wよりも幅が狭い。このため、受光部1の周縁に急峻な段差が発生することが防止される。この結果、転送電極3およびシャント配線5を被覆する遮光膜6によって、水平方向Hから入射する光のけられが低減される。
上記のように、画素間において水平方向Hにシャント配線4を配置し、転送電極3の上層において垂直方向Vにシャント配線5を配置することにより、入射光のけられが低減されることから、受光部1の感度やダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、受光部1に隣接して浮島状の第2転送電極3−2および第3転送電極3−3を配置しているため、この第2転送電極3−2および第3転送電極3−3の双方に読み出しパルスΦRを供給する場合には、読み出し幅RWを大きくすることができる。この結果、狭チャネル効果(読み出し幅RWが大きくなることによりしきい値が高くなる現象)を抑えて、読み出しパルスΦRの電圧を低減することができる。
また、画素間部において、シャント配線4,5の下層には、第1転送電極3−1および画素間配線3−1aが配置されている。このため、シャント配線4,5に読み出しパルスΦRが供給されても、第1転送電極3−1および画素間配線3−1aによる遮蔽効果により、画素間部における半導体基板10のポテンシャルへの影響はない。このため、信号電荷が隣接する受光部1へ流れ込むことが防止され、すなわち混色が防止される。
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図3〜図6の工程断面図を参照して説明する。図3〜図6の工程断面図は、図2(a)に相当する断面図である。
図3(a)に示すように、n型シリコンからなる半導体基板10に、イオン注入法により、各種の半導体領域を形成する。これにより、p型ウェル11、n型領域12、p型領域13、n型の転送チャネル2、p型ウェル14、チャネルストップ部16が形成される。なお、p型領域13は、転送電極を形成した後にイオン注入により形成してもよい。ここで、n型領域12と図中左側の転送チャネル2との間のp型領域が、読み出しゲート部17となる。
次に、図3(b)に示すように、たとえば熱酸化法により、半導体基板10の表面に例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜20を形成する。続いて、ゲート絶縁膜20上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、ポリシリコンを堆積し、ドライエッチングにより加工することにより、転送電極3および画素間配線3−1a(図示では第2転送電極3−2)を形成する。
次に、図4(a)に示すように、熱酸化法により転送電極3を覆う酸化シリコンなどの絶縁膜21を形成する。続いて、コンタクト部4aとなる位置の絶縁膜21を除去して、第2転送電極3−2の一部を露出させる。
次に、図4(b)に示すように、CVD法により、絶縁膜21上にポリシリコン膜を堆積し、ドライエッチングによりポリシリコン膜を加工して、シャント配線4を形成する。なお、スパッタリング法により、窒化チタンなどのバリアメタルと、タングステンなどの金属膜を堆積した後に、ドライエッチングによりバリアメタルと金属膜を加工して、シャント配線4を形成してもよい。シャント配線4は、コンタクト部4aにおいて第2転送電極3−2と接続される。
次に、図5(a)に示すように、熱酸化法あるいはCVD法により酸化シリコン膜などを堆積させて、シャント配線4を覆う絶縁膜22を形成する。続いて、コンタクト部5a(図1参照)となる位置の絶縁膜22を除去して、第3転送電極3−3の一部を露出させる。
次に、図5(b)に示すように、CVD法により、絶縁膜22上にポリシリコン膜を堆積し、ドライエッチングによりポリシリコン膜を加工して、シャント配線5を形成する。なお、スパッタリング法により、窒化チタンなどのバリアメタルと、タングステンなどの金属膜を堆積した後に、ドライエッチングによりバリアメタルと金属膜を加工して、シャント配線5を形成してもよい。シャント配線5は、コンタクト部5aにおいて第3転送電極3−3と接続される。
次に、図6(a)に示すように、熱酸化法あるいはCVD法により酸化シリコン膜などを堆積させて、シャント配線5を覆う絶縁膜23を形成する。
次に、図6(b)に示すように、スパッタリング法あるいはCVD法により、例えばタングステン膜を成膜し、ドライエッチングによりタングステン膜を加工して、転送電極3、画素間配線3−1aおよびシャント配線4,5を被覆し、受光部1の上方に開口部6aをもつ遮光膜6を形成する。
以降の工程としては、遮光膜6の上層に、必要に応じて平坦化膜を形成し、平坦化膜上にカラーフィルタを形成し、カラーフィルタ上にオンチップレンズを形成することにより、固体撮像装置が製造される。
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本発明の固体撮像装置は、インターライン転送型や、フレームインターライン転送型の固体撮像装置に適用することができる。遮光膜6よりも上層の構造は種々の変更が可能である。
その他、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。
本実施形態に係る固体撮像装置における画素部の要部平面図である。 (a)は図1のA−A‘線における断面図であり、(b)は図1のB−B’線における断面図である。 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第1実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。
符号の説明
1…受光部、2…転送チャネル、3…転送電極、3−1…第1転送電極、3−1a…画素間配線、3−2…第2転送電極、3−3…第3転送電極、4…シャント配線、4a…コンタクト部、5…シャント配線、5a…コンタクト部、6…遮光膜、6a…開口部、10…半導体基板、11…p型ウェル、12…n型領域、13…p型領域、14…p型ウェル、16…チャネルストップ部、17…読み出しゲート部、20…ゲート絶縁膜、21…絶縁膜、22…絶縁膜、23…絶縁膜、H…水平方向、V…垂直方向

Claims (12)

  1. 水平方向および垂直方向に配置された複数の受光部と、
    前記各受光部間に配置され、ゲート絶縁膜の下層に形成される垂直方向に伸びる複数の転送チャネルと、
    前記各転送チャネル上において同一平面に繰り返し配置された、第1転送電極、第2転送電極、および第3転送電極と、
    前記第1転送電極と同一平面に配置され、前記水平方向に並ぶ複数の前記第1転送電極を接続する画素間配線と、
    前記第1転送電極および前記画素間配線上において水平方向に伸び、水平方向に並ぶ複数の前記第2転送電極にそれぞれ接続された第2転送電極駆動用配線と、
    前記第1、第2および第3転送電極上において前記垂直方向に伸び、垂直方向に並ぶ前記第3転送電極にそれぞれ接続された第3転送電極駆動用配線と、
    前記第3転送電極駆動用配線の上層に、前記各受光部を開口するタングステンの遮光膜とを有し、
    前記第2転送電極駆動用配線の幅は、前記画素間配線の幅よりも狭く、
    前記第3転送電極駆動用配線の幅は、前記第1転送電極の幅よりも狭い
    固体撮像装置。
  2. 前記第2および第3転送電極は、前記受光部に隣接して配置された
    請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記第2転送電極駆動用配線は、ポリシリコンあるいは金属材料により形成された
    請求項1記載の固体撮像装置。
  4. 前記第3転送電極駆動用配線は、ポリシリコンあるいは金属材料により形成された
    請求項1記載の固体撮像装置。
  5. 前記第2転送電極は、それぞれ水平方向に分離した形状となっている
    請求項1記載の固体撮像装置。
  6. 前記第3転送電極は、それぞれ水平方向に分離した形状となっている
    請求項1記載の固体撮像装置。
  7. 基板に不純物を導入して、水平方向および垂直方向に配置した複数の受光部と、各受光部間に配置され垂直方向に伸びる複数の転送チャネルをゲート絶縁膜の下層に形成する工程と、
    前記基板上に導電層を堆積する工程と、
    前記導電層を加工して、前記各転送チャネル上に同一平面に繰り返し配置された第1転送電極、第2転送電極、第3転送電極を形成し、かつ、前記水平方向に並ぶ複数の前記第1転送電極を接続する画素間配線を形成する工程と、
    前記第1転送電極および前記画素間配線の上層に、水平方向に並ぶ複数の前記第2転送電極に接続される第2転送電極駆動用配線を、前記画素間配線の幅よりも狭い幅で形成する工程と、
    前記第1、第2および前記第3転送電極の上層に、垂直方向に並ぶ複数の前記第3転送電極に接続される第3転送電極駆動用配線を、前記第1転送電極の幅よりも狭い幅で形成する工程と
    前記第3転送電極駆動用配線の上層に、前記各受光部を開口するタングステンの遮光膜を形成する工程と
    を有する固体撮像装置の製造方法。
  8. 前記導電層を加工する工程において、前記受光部に隣接して配置される前記第2転送電極および前記第3転送電極を形成する
    請求項記載の固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記第2転送電極用駆動配線を形成する工程において、ポリシリコンあるいは金属材料をパターン加工して前記第2転送電極用駆動配線を形成する
    請求項記載の固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記第3転送電極用駆動配線を形成する工程において、ポリシリコンあるいは金属材料をパターン加工して前記第3転送電極駆動用配線を形成する
    請求項記載の固体撮像装置の製造方法。
  11. 前記導電層を加工する工程において、水平方向に分離した形状をもつ前記第2転送電極を形成する
    請求項記載の固体撮像装置の製造方法。
  12. 前記導電層を加工する工程において、水平方向に分離した形状をもつ前記第3転送電極を形成する
    請求項記載の固体撮像装置の製造方法。
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