JP4639116B2 - Ｃｃｄ型固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Ｃｃｄ型固体撮像装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明はＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像装置に係り、特に、低消費電力化を図るのに好適なＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法に関する。
例えば下記特許文献１に記載されている様に、ＣＣＤ型固体撮像装置は、受光量に応じて光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出し第１方向に転送する垂直転送路（ＶＣＣＤ）と、この垂直転送路によって転送されてきた信号電荷を受け取り第２方向に転送して固体撮像装置から出力する水平転送路（ＨＣＣＤ）とを備える。
図１７（ａ）は、従来の水平転送路（ＨＣＣＤ）の一部断面模式図であり、図１７（ｂ）は、従来の垂直転送路（ＶＣＣＤ）の一部断面模式図である。水平転送路と垂直転送路とは、共に、半導体基板１上にゲート絶縁膜２を介して形成された転送電極を備える。図示する例は、２層構造の転送電極であり、水平転送路（図１７（ａ））では、絶縁膜２の上にポリシリコンでなる複数の第１転送電極膜３が離間して形成され、第１転送電極膜３の表面に酸化絶縁膜４が形成された後、第１転送電極膜３間を埋める様にポリシリコンでなる第２転送電極膜５が形成され、その表面に酸化絶縁膜６が形成される。
垂直転送路（図１７（ｂ））でも同様であり、ゲート絶縁膜２上に、複数の第１転送電極膜８が離間して形成され、第１転送電極膜８の表面に酸化絶縁膜９が形成された後、第１転送電極膜８間を埋める様にポリシリコンでなる第２転送電極膜１０が形成され、その表面に酸化絶縁膜１１が形成される。
従来のＣＣＤ型固体撮像装置の水平転送路及び垂直転送路は、同一製造工程で製造されるため、水平転送路の層間絶縁膜４と垂直転送路の層間絶縁膜９とは同じ膜厚になっている。
特開平２―６２１７０号公報
ＣＣＤ型固体撮像装置を駆動する場合、水平転送路と平行に並ぶ光電変換素子横一行の信号電荷を水平転送路に転送させた後、この横一行の信号電荷に応じた信号を全て固体撮像装置から出力させる様に水平転送路を転送駆動させた後、次行の横一行の光電変換素子の信号電荷を水平転送路に転送させるという動作を繰り返すため、垂直転送路の転送駆動に比較して、水平転送路の転送駆動を高速に行う必要がある。
水平転送路は、通常１２〜３６ＭＨｚ程度の高い周波数で駆動され、固体撮像装置の構成要素の中で、最も消費電力の多い部分の一つである。水平転送路における消費電力は、水平転送路の駆動電圧（通常は、低レベル０Ｖ，高レベル３．３Ｖ）の二乗に比例するので、駆動電圧を下げることができれば、ＣＣＤ型固体撮像装置の低消費電力化を図ることが可能である。
発明者らの実験によると、図１７（ａ）に示す層間絶縁膜４を薄膜化することで、水平転送路の駆動電圧を下げることができることが分かった。しかし、従来のＣＣＤ型固体撮像装置の製造工程上、水平転送路の層間絶縁膜４と垂直転送路の層間絶縁膜９とが同一膜厚になるため、駆動電圧のより大きい垂直転送路（駆動電圧は、通常、低レベル−８Ｖ，高レベル０Ｖ）の電極膜８，１０間の耐圧によって、層間絶縁膜４の薄膜化の限界が制限されてしまうという問題が存在することが判明した。
本発明の目的は、水平転送路の駆動電圧の低減を図り、低消費電力化を図ることができるＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法を提供することにある。
本発明のＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の表面部に二次元的に配列形成された複数の光電変換素子であって第１方向に並ぶ前記光電変換素子の列が該第１方向に対して直角の第２方向に複数列形成された光電変換素子と、前記第１方向に並ぶ光電変換素子列の各々に沿って形成された複数の第１転送路であって前記第１方向に離散的に形成された第１層転送電極膜及び該第１層転送電極膜の間に形成され両端部分が該第１層転送電極膜の端部分に絶縁膜を介して積層された第２層転送電極膜とを有する第１転送路と、該第１転送路によって転送されてきた前記光電変換素子の受光電荷を受け取り前記第２方向に転送する第２転送路であって該第２方向に離散的に形成された第１層転送電極膜及び該第１層転送電極膜の間に形成され両端部分が該第１層転送電極膜の端部分に絶縁膜を介して積層された第２層転送電極膜とを有する第２転送路とを備え、前記第２転送路を構成する前記第１層転送電極膜と前記第２層転送電極膜との間の前記絶縁膜の厚さを、前記第１転送路を構成する前記第１転送電極膜と前記第２層転送電極膜との間の絶縁膜の厚さより薄くしたＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法であって、半導体基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜の上に前記第１転送路及び前記第２転送路を構成する複数の離間する第１層転送電極膜を形成し、第１酸化工程により前記第１層転送電極膜の表面に第１酸化膜を形成し、前記第１転送路及び前記第２転送路を覆う第２絶縁膜を形成し、フォトリソ工程により前記第１転送路上の前記第２絶縁膜を除去し、前記第１転送路上の前記第１層転送電極膜の表面の前記第１酸化膜を成長させ、次に前記第２転送路上の前記第２絶縁膜を除去し、前記第１層転送電極膜間を埋め両端部が隣接する前記第１層転送電極膜の端部分に重なる複数の第２層転送電極膜を形成することを特徴とする。
本発明の製造方法で作成したＣＣＤ型固体撮像装置は、第２転送路の転送電極膜間の絶縁膜が薄いため、第２転送路の転送駆動電圧を下げることができ、低消費電力化を図ることが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像装置２０は、マトリクス状に配列形成された多数の光電変換素子２１と、下辺部に設けられた１本の水平転送路２２と、垂直方向に並ぶ光電変換素子２１の右側に隣接して設けられた複数本の垂直転送路２３とを備える。
図２（ａ）は、水平転送路２２の一部断面模式図であり、図２（ｂ）は、垂直転送路２３の一部断面模式図である。水平転送路２２と垂直転送路２３とは、共に、半導体基板３０上にゲート絶縁膜３１を介して形成された転送電極を備える。図示する例は、２層構造の転送電極であり、水平転送路２２では、絶縁膜３１の上にポリシリコンでなる複数の第１転送電極膜３２が離間して形成され、第１転送電極膜３２の表面に薄い酸化絶縁膜３４が形成された後、第１転送電極膜３２間を埋める様にポリシリコンでなる複数の第２転送電極膜３５が形成され、その表面に酸化絶縁膜３６が形成される。
垂直転送路２３も同様であり、半導体基板３０の表面に形成されたゲート絶縁膜３１上に、複数の第１転送電極膜３２が離間して形成され、第１転送電極膜３２の表面に、酸化絶縁膜３４より厚手の酸化絶縁膜３７が形成された後、第１転送電極膜３２間を埋める様にポリシリコンでなる第２転送電極膜３５が形成され、その表面に酸化絶縁膜３６が形成される。
この様に、本実施形態では、水平転送路２２の電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３４の膜厚ｂを、垂直転送路２３における電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３７の膜厚ａより薄くしたため、水平転送路２２の転送を制御する駆動電圧を低電圧化することができ、ＣＣＤ型固体撮像装置２０の消費電力の低減を図ることができる。以下、図２（ａ）（ｂ）の水平転送路，垂直転送路の製造方法について述べる。
図３〜図９は、水平転送路と垂直転送路の製造手順を示す工程図である。図示する転送路範囲は、図１のIII―III線断面位置に相当する。尚、図３〜図９（後述の図１０〜図１５も同様）では、垂直転送路２３と水平転送路２２とは連続して接続される様に図示しているが、これは層間絶縁膜３４，３７の膜厚が異なるように製造するところを図示するためであり、実際には垂直転送路２３と水平転送路２２との接続部の構造は図示するより複雑であるが、その部分は省略している。
先ず、図３に示す様に、半導体基板３０の上にＯＮＯ（酸化膜・窒化膜・酸化膜）構造のゲート絶縁膜３１を形成し、その上に、ポリシリコンでなる第１転送電極膜３２を離間して形成し、その表面に薄い熱酸化膜３４を形成する。そして、基板全体にＳｉ３Ｎ４膜４５を形成する。
次に、図４に示す様に、水平転送路２２上にフォトレジスト４６を塗り、図５に示す様に、フォトリソ工程を実施して垂直転送路２３上のＳｉ３Ｎ４膜４５を除去する。そして、図６に示す様に、フォトレジスト４６を除去する。
次に、図７に示す様に、酸化工程を実施すると、垂直転送路２３の第１転送電極膜３２表面の酸化膜が厚く成長して図２（ｂ）に示す酸化膜３７となる。その後、図８に示す様に、水平転送路２２上のＳｉ３Ｎ４膜４５を除去し（図３〜図４で垂直転送路２３上のＳｉ３Ｎ４膜４５を除去した方法と同様の方法で除去可能である。）、図９に示すように、第１転送電極膜３２間に第２転送電極膜３５を形成し、表面を熱酸化して酸化膜３６を形成する。
以上の製造方法により、垂直転送路２３の高い駆動電圧に耐えるように垂直転送路２３上の第１，第２転送電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３７を厚くして耐圧を高めることができると共に、水平転送路２２上の第１，第２転送電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３４を薄くして水平転送路２２の駆動電圧を下げ、水平転送路２２の駆動電力の省電力化を図ることが可能となる。
（第２の実施形態）
図１０〜図１５は、本発明の第２の実施形態に係る水平転送路及び垂直転送路の製造手順を示す工程図である。先ず、図１０に示す様に、半導体基板３０の上にＯＮＯ（酸化膜・窒化膜・酸化膜）構造のゲート絶縁膜３１を形成し、その上に、ポリシリコンでなる第１転送電極膜３２を離間して形成し、その表面に熱酸化膜４０を形成する。
次に、図１１に示す様に、垂直転送路２３上にフォトレジスト４６を塗り、図１２に示す様に、フォトリソ工程を実施して水平転送路２２上の熱酸化膜４０を除去する。そして、図１３に示す様に、フォトレジスト４６を除去する。
次に、図１４に示す様に、酸化工程を実施すると、水平転送路２２では、第１転送電極膜３２表面に新たに薄い酸化膜３４が成長し、垂直転送路２３では、図１３に示す酸化膜４０の上に新たな酸化膜が成長して厚手の酸化膜３７となる。
その後、図１５に示す様に、第１転送電極膜３２間に第２転送電極膜３５を形成し、表面を熱酸化して酸化膜３６を形成する。
以上の製造方法によっても、垂直転送路２３の高い駆動電圧に耐えるように垂直転送路２３上の第１，第２転送電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３７を厚くして耐圧を高めることができると共に、水平転送路２２上の第１，第２転送電極膜３２，３５間の層間絶縁膜３４を薄くして水平転送路２２の駆動電圧を下げ、水平転送路２２の駆動電力の省電力化を図ることが可能となる。
（第３の実施形態）
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る単層構造の水平転送路（図１６（ａ））及び垂直転送路（図１６（ｂ））の一部断面模式図である。本実施形態では、半導体基板５０の表面にＯＮＯ構造のゲート絶縁膜５１が形成され、その上に、微小隙間を開けながら、複数の転送電極膜５２が隣接して形成される。そして、各転送電極膜５２の上を絶縁膜５３で覆うことで、転送電極膜５２間の隙間が絶縁膜５３で埋められる構成になっている。
転送電極膜５２間の隙間は、垂直転送路（図１６（ｂ））における隙間ａが、高い駆動電圧に対して耐圧を持つように広く、水平転送路（図１６（ａ））における隙間ｂは、駆動電圧を下げて低消費電力化を図ることができるように狭く形成される。
斯かる構成の単層構造の転送路を持つＣＣＤ型固体撮像装置でも、ＣＣＤ型固体撮像装置の水平転送路の駆動電力の省電力化を図ることが可能となる。
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像装置は、水平転送路の駆動電力の省電力を図ることが可能なため、例えばデジタルスチルカメラや携帯電話機等の様に小容量のバッテリしか持たない電子機器に搭載するＣＣＤ型固体撮像装置として有用である。
本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の表面模式図である。 （ａ）は図１に示すＣＣＤ型固体撮像装置の水平転送路の一部断面模式図である。 （ｂ）は図１に示すＣＣＤ型固体撮像装置の垂直転送路の一部断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図３に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図４に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図５に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図６に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図７に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図８に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 本発明の第２の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図１０に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図１１に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図１２に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図１３に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 図１４に続く、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造手順を示す工程図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の水平転送路の一部断面模式図である。 （ｂ）は本発明の第３の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像装置の垂直転送路の一部断面模式図である。 （ａ）は従来のＣＣＤ型固体撮像装置の水平転送路の一部断面模式図である。 （ｂ）は従来のＣＣＤ型固体撮像装置の垂直転送路の一部断面模式図である。
符号の説明
２０ ＣＣＤ型固体撮像装置
２１ 光電変換素子（受光素子）
２２ 水平転送路
２３ 垂直転送路
３０，５０ 半導体基板
３１，５１ ゲート絶縁膜
３２ 第１転送電極膜
３４ 薄い絶縁膜
３５ 第２転送電極膜
３７ 厚い絶縁膜
５２ 転送電極膜
５３ 絶縁膜
ａ 転送電極膜間の広い隙間
ｂ 転送電極膜間の狭い隙間

Claims (1)

  1. 半導体基板の表面部に二次元的に配列形成された複数の光電変換素子であって第１方向に並ぶ前記光電変換素子の列が該第１方向に対して直角の第２方向に複数列形成された光電変換素子と、前記第１方向に並ぶ光電変換素子列の各々に沿って形成された複数の第１転送路であって前記第１方向に離散的に形成された第１層転送電極膜及び該第１層転送電極膜の間に形成され両端部分が該第１層転送電極膜の端部分に絶縁膜を介して積層された第２層転送電極膜とを有する第１転送路と、該第１転送路によって転送されてきた前記光電変換素子の受光電荷を受け取り前記第２方向に転送する第２転送路であって該第２方向に離散的に形成された第１層転送電極膜及び該第１層転送電極膜の間に形成され両端部分が該第１層転送電極膜の端部分に絶縁膜を介して積層された第２層転送電極膜とを有する第２転送路とを備え、前記第２転送路を構成する前記第１層転送電極膜と前記第２層転送電極膜との間の前記絶縁膜の厚さを、前記第１転送路を構成する前記第１転送電極膜と前記第２層転送電極膜との間の絶縁膜の厚さより薄くしたＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法であって、半導体基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜の上に前記第１転送路及び前記第２転送路を構成する複数の離間する第１層転送電極膜を形成し、第１酸化工程により前記第１層転送電極膜の表面に第１酸化膜を形成し、前記第１転送路及び前記第２転送路を覆う第２絶縁膜を形成し、フォトリソ工程により前記第１転送路上の前記第２絶縁膜を除去し、前記第１転送路上の前記第１層転送電極膜の表面の前記第１酸化膜を成長させ、次に前記第２転送路上の前記第２絶縁膜を除去し、前記第１層転送電極膜間を埋め両端部が隣接する前記第１層転送電極膜の端部分に重なる複数の第２層転送電極膜を形成することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法。
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