JP4714998B2

JP4714998B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4714998B2
Application number: JP2001036640A
Authority: JP
Inventors: 博明藤田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002246583A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の固体撮像素子の一例を示す平面図、図３は図２における直線Ａに沿った断面を示す部分断面側面図である。
図２に示した固体撮像素子１０２は、インターライン型の固体撮像素子であり、シリコンから成る半導体基板１０４上に多数の光電変換素子１０６を相互に間隔をおきマトリクス状に近接配置して構成されている。そして光電変換素子１０６の各列ごとにＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）構造の垂直電荷転送レジスター１０８が、光電変換素子１０６の列方向（矢印Ｖ）に延設され、垂直電荷転送レジスター１０８の一端部側に同じくＣＣＤ構造の水平電荷転送レジスター１１０が、光電変換素子１０６の行方向（矢印Ｈ）に延設されている。水平電荷転送レジスター１１０の一方の端部にはアンプ部１１２が形成されている。
【０００３】
このような構成において、各列の各光電変換素子１０６が光を受けて生成した信号電荷は、光電変換素子１０６と垂直電荷転送レジスター１０８との間に介在する読み出し領域を経て、対応する垂直電荷転送レジスター１０８に出力され、垂直電荷転送レジスター１０８はこの信号電荷を順次、水平電荷転送レジスター１１０に向けて転送する。水平電荷転送レジスター１１０は各垂直電荷転送レジスター１０８から信号電荷を受け取ってアンプ部１１２に転送し、アンプ部１１２は転送されてきた信号電荷にもとづき出力端子１１３を通じて映像信号を出力する。
【０００４】
断面図を参照して光電変換素子１０６周辺を詳しく説明すると、図３に示したように、光電変換素子１０６はｐ型の半導体基板１０４の表面部に局所的に積層されたｐ型領域（図示せず）およびｎ型領域（図示せず）から成り、図３ではその左側の半導体基板表面部に、対応する垂直電荷転送レジスター１０８が形成されている。
垂直電荷転送レジスター１０８は、その延在方向（図３では紙面に垂直な方向）に延在する垂直転送路１１８と、垂直転送路１１８の上に絶縁膜１２０を介して、垂直転送路１１８の延在方向に配列された複数の転送電極１２２とを含んで構成されている。
【０００５】
また、光電変換素子１０６と、光電変換素子１０６に隣接して同光電変換素子が生成した信号電荷を転送する垂直転送路１１８とは、それらの間に介在する、高濃度のｐ型不純物を含む読み出しゲート１２４により分離され、一方、光電変換素子１０６と、光電変換素子１０６に隣接する他の垂直転送路１１８とは、それらの間に介在する、高濃度のｐ型不純物を含むチャンネルストップ領域１２６により分離されている。
【０００６】
そして、半導体基板１０４の表面は、光電変換素子１０６の上部の箇所を除いて遮光膜１２８で覆われ、その上に、透明な絶縁層１３０を介して、下に凸で上面が平坦な層内レンズ１３２が各光電変換素子１０６ごとに形成されている。層内レンズ１３２上には、各光電変換素子１０６ごとに赤、青、緑のいずれかの色の光を選択的に透過させるカラーフィルター１３４が配置され、その上に、各光電変換素子１０６ごとにオンチップレンズ１３６が配置されている。
【０００７】
このような構成において、オンチップレンズ１３６に入射した光１３８は、オンチップレンズ１３６および層内レンズ１３２により集光されて光電変換素子１０６に入射し、光電変換素子１０６は入射光により信号電荷を生成する。光電変換素子１０６で生成された信号電荷は、対応する垂直電荷転送レジスター１０８に供給され、垂直転送路１１８を水平電荷転送レジスター１１０（図２）に向けて転送される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像素子１０２では、オンチップレンズ１３６の中央部に入射した光１３８はオンチップレンズ１３６および層内レンズ１３２の作用により効果的に集光されて光電変換素子１０６に入射するものの、周辺部に入射した光１４０は、図３に示したように、レンズの作用により光電変換素子１０６方向に屈折しても、遮光膜１２８のエッジ部１４２で遮られてしまい、光電変換素子１０６に到達することができない。
【０００９】
このような現象は、近年の画素サイズの縮小傾向とともに顕著となってきている。すなわち、光電変換素子１０６の幅Ｗが小さくなるほど、転送電極１２２上の遮光膜１２８の高さＨの影響が大きくなり、光電変換素子１０６に斜めから入射する光は遮光膜１２８によっていそう遮られ易くなる。そのため、集光率が低下し、固体撮像素子１０２の感度が低下する結果となっている。
【００１０】
また、オンチップレンズ１３６に対して最初から斜めに入射した光は、オンチップレンズ１３６に対して正面から入射した光、すなわち光電変換素子１０６に対し垂直に入射した光より、遮光膜１２８のエッジ部１４２で遮られる割合が多くなる。したがって、従来の固体撮像素子１０２では、固体撮像素子１０２に対し、光が正面から入射する場合と、斜めの方向から入射する場合とで、固体撮像素子１０２の感度に差が生じている。
【００１１】
上記層内レンズ１３２はこれら問題を緩和すべく設けられているが、層内レンズ１３２だけでは不十分である。また、層内レンズ１３２の形成には熱処理などを含め多くの工程が必要であり、さらに層内レンズ１３２を設けることにより基板上層部の構造が複雑になっている。
【００１２】
また、入射光が遮光膜１２８のエッジ部１４２で遮られる割合は、転送電極１２２の位置や高さにより変化する。そのため、製造時の誤差によって転送電極１２２の位置や高さにバラツキが生じた場合、固体撮像素子１０２の感度が固体撮像素子１０２上の位置により異なってしまい、製造歩留まりが低下する結果となっている。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、構造が簡素で、少ない工程数で作製でき、さらに光の入射方向による感度差が少なく、かつ感度ムラが生じにくい、集光率の高い固体撮像素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、第１導電型の半導体基板上に相互に近接してマトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子の各列に沿って前記半導体基板上に形成されたＣＣＤ構造の電荷転送レジスターとを備え、前記電荷転送レジスターは、前記半導体基板の表面部に、前記光電変換素子の列方向に延設された第２導電型の電荷転送路と、同電荷転送路上に配列された複数の転送電極とを含んで前記光電変換素子が受光して生成した信号電荷を転送する固体撮像素子であって、前記電荷転送路の上に凹部が形成され、前記凹部の前記光電変換素子側の側壁は、前記凹部の幅が浅い位置ほど広くなるように傾斜して形成され、前記転送電極は、前記凹部内に配設され、前記凹部の内面に絶縁膜が被着され、前記凹部の内面と前記転送電極との間に前記絶縁膜が介在しており、前記転送電極の上面と、前記光電変換素子の上面とは、同一の高さに形成され、前記転送電極および前記光電変換素子の上面は同一の絶縁膜により覆われており、各光電変換素子ごとに入射光を前記光電変換素子に集めるオンチップレンズが各光電変換素子の上方に形成され、前記光電変換素子の上方で、かつ前記オンチップレンズの下に、カラーフィルターが設けられ、前記光電変換素子は、前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型の領域と、前記第１導電型の領域の下の第２導電型の領域とを含むフォトダイオードにより構成され、前記光電変換素子の前記第２導電型の領域と第２導電型の前記電荷転送路との間に、深さ方向に延びて形成された、第１導電型のチャネルストップが設けられていることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明の固体撮像素子では、転送電極が、電荷転送路の上に形成された凹部内に配設され、その上部は基板表面から突出していない。したがって、光電変換素子に斜めに入射する光は、転送電極あるいは転送電極上に形成された遮光膜によって遮られることがなく、その結果、層内レンズを設けなくとも集光率を充分に高めて固体撮像素子の感度を向上させることができる。
【００１６】
そして、光電変換素子に斜めに入射する光が、転送電極や遮光膜などによって遮られないことから、固体撮像素子に対し正面から入射する光と、斜めから入射する光とに対して感度差が小さく、さらに、転送電極の位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像素子上の位置による感度変動も低減できる。
また、凹部の形成や、凹部内への転送電極形成は容易であって必要な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要となることから、全体として工程数を削減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面図である。図中、図２、図３と同一の要素には同一の符号が付されている。
ここで説明する実施の形態例としての固体撮像素子は、インターライン型の固体撮像素子であり、光電変換素子、垂直電荷転送レジスター、水平電荷転送レジスターの配置などの基本的な構成は図２に示した固体撮像素子と同じである。すなわち、シリコンから成る半導体基板上に多数の光電変換素子を相互に間隔をおきマトリクス状に配列して構成され、光電変換素子の各列ごとにＣＣＤ構造の垂直電荷転送レジスターが、光電変換素子の列方向に延設され、垂直電荷転送レジスターの一端部側にＣＣＤ構造の水平電荷転送レジスターが配置されている。また水平電荷転送レジスターの一方の端部にはアンプ部が形成されている。
【００１８】
図１は図３と同様、光電変換素子の行方向における光電変換素子周辺の詳しい断面を示し、図１に示したように、本実施の形態例の固体撮像素子２では、フォトダイオードである光電変換素子４は、ｐ型（本発明に係わる第１導電型）の半導体基板６の表面部にｐ型領域８およびｎ型（本発明に係わる第２導電型）の領域（ｎ型領域１０）を局所的に積層して形成され、ｐ型領域８はｎ型領域１０より半導体基板６の表面側に形成されている。
【００１９】
光電変換素子４の両側の基板表面部には、垂直電荷転送レジスター１２を構成すべくｎ型不純物を含む垂直転送路１１８が形成され、本実施の形態例では、その上に凹部１４が形成されている。凹部１４の光電変換素子４側の側壁は、本実施の形態例では、図１に示したように傾斜しており、凹部１４の幅は浅い位置ほど広くなっている。凹部１４の内面には、たとえばシリコンの酸化物による絶縁膜１６が被着され、そして、この絶縁膜１６を介し凹部１４の内側に、たとえばポリシリコンを充填して複数の転送電極１８が、垂直転送路１１８の延在方向（図１の紙面に垂直な方向）に所定ピッチで形成されている。
【００２０】
転送電極１８の上面は、本実施の形態例では、半導体基板６の表面、すなわちｐ型領域８の上面と同じ高さとなっている。そして、半導体基板６の表面は絶縁膜１６により覆われ、絶縁膜１６の上には光電変換素子４の箇所を除いて、遮光膜２０が形成されている。遮光膜２０および絶縁膜１６の上にはカラーフィルター１３０が配置され、その上にオンチップレンズ１３２が形成されている。
【００２１】
また、光電変換素子４と、光電変換素子４に隣接して同光電変換素子４が生成した信号電荷を転送する垂直転送路１１８とは、それらの間に介在する、高濃度のｐ型不純物を含む読み出しゲート２１により分離され、一方、光電変換素子４と、光電変換素子４に隣接する他の垂直転送路１１８とは、それらの間に介在する、高濃度のｐ型不純物を含むチャンネルストップ領域２２により分離されている。
【００２２】
上記凹部１４は、たとえば、半導体基板６上にシリコンの窒化物による膜を形成して、凹部１４の箇所で開口させるべくパターン化し、このシリコン窒化物の膜をマスクとして、たとえばドライエッチングを行って形成することができる。また、絶縁膜１６は、シリコンの熱酸化などにより形成でき、転送電極１８は、凹部１４の内面に絶縁膜１６を形成した後、凹部１４内にポリシリコンを堆積させて形成することができる。
【００２３】
このように構成された固体撮像素子２では、転送電極１８が垂直転送路１１８の上に形成された凹部１４の内側に配設され、その上部は基板表面から突出していないので、オンチップレンズ１３２により屈折して光電変換素子４に斜めに入射する光１４０は、従来のように遮光膜によって遮られることなく光電変換素子４に入射する。したがって、固体撮像素子２では、層内レンズは不要であり、しかも層内レンズを用いた従来の固体撮像素子より高い集光率が得られ、固体撮像素子２の感度が向上する。
【００２４】
そして、光電変換素子４に斜めに入射する光が遮光膜２０によって遮られないことから、固体撮像素子２に対し正面から入射する光と、斜めから入射する光とに対して感度差が小さくなる。さらに、転送電極の位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像素子２上の位置による感度変動も低減できる。
また、凹部１４の形成や、凹部１４内への転送電極の形成は容易であって必要な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要となることから、全体として工程数を削減することができる。
【００２５】
なお、本実施の形態例では、凹部１４の側壁は上述のように傾斜させるとしたが、側壁を傾斜させない構成とすることも可能であり、その場合にも本発明は有効である。ただし、側壁が傾斜した構造とする方が、転送電極１８の上部が光電変換素子４側に迫り出し、転送電極１８と光電変換素子４との距離が短くなるため、光電変換素子４により生成された信号電荷を効率よく垂直転送路１１８に移行させることができる。したがって、この点では、凹部１４の側壁を傾斜させる構造とすることが好ましい。
【００２６】
また、本実施の形態例では、転送電極１８の上面はｐ型領域８の上面と同じ高であるとしたが、転送電極１８の上部は、半導体基板６の表面から若干突出していてもよく、その場合にも、斜めに入射した光が遮られないか、あるいは遮られてもその量を僅かなものとできる。さらに、転送電極１８の上部が半導体基板６の表面より低い位置となる構造とすることも可能である。
【００２７】
本実施の形態例では、転送電極１８はポリシリコンにより形成するとしたが、転送電極１８をアルミニウムやタングステンなどの金属材料により形成することも可能である。その場合には、入射光は転送電極１８により遮られるため、斜光膜２０は不要となり、入射角の大きい光も光電変換素子４に到達するので、集光率はいっそう向上する。また、斜光膜を形成するための工程が不要となるので、製造コストの削減にも有利である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、転送電極が、電荷転送路の上に形成された凹部内に配設され、その上部は基板表面から突出していない。したがって、光電変換素子に斜めに入射する光は、転送電極あるいは転送電極上に形成された遮光膜によって遮られることがなく、その結果、層内レンズを設けなくとも集光率を充分に高めて固体撮像素子の感度を向上させることができる。
【００２９】
そして、光電変換素子に斜めに入射する光が、転送電極や遮光膜などによって遮られないことから、固体撮像素子に対し正面から入射する光と、斜めから入射する光とに対して感度差が小さく、さらに、転送電極の位置や高さのバラツキが原因で生じる、固体撮像素子上の位置による感度変動も低減できる。
また、凹部の形成や、凹部内への転送電極形成は容易であって必要な工程数も少なく、一方、層内レンズは不要となることから、全体として工程数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面図である。
【図２】従来の固体撮像素子の一例を示す平面図である。
【図３】図２における直線Ａに沿った断面を示す部分断面側面図である。
【符号の説明】
２……固体撮像素子、４……光電変換素子、６……半導体基板、８……ｐ型領域、１０……ｎ型領域、１２……垂直電荷転送レジスター、１４……凹部、１６……絶縁膜、１８……転送電極、２０……遮光膜、２２……チャンネルストップ領域。

Claims

第１導電型の半導体基板上に相互に近接してマトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子の各列に沿って前記半導体基板上に形成されたＣＣＤ構造の電荷転送レジスターとを備え、前記電荷転送レジスターは、前記半導体基板の表面部に、前記光電変換素子の列方向に延設された第２導電型の電荷転送路と、同電荷転送路上に配列された複数の転送電極とを含んで前記光電変換素子が受光して生成した信号電荷を転送する固体撮像素子であって、
前記電荷転送路の上に凹部が形成され、
前記凹部の前記光電変換素子側の側壁は、前記凹部の幅が浅い位置ほど広くなるように傾斜して形成され、
前記転送電極は、前記凹部内に配設され、
前記凹部の内面に絶縁膜が被着され、前記凹部の内面と前記転送電極との間に前記絶縁膜が介在しており、
前記転送電極の上面と、前記光電変換素子の上面とは、同一の高さに形成され、前記転送電極および前記光電変換素子の上面は同一の絶縁膜により覆われており、
各光電変換素子ごとに入射光を前記光電変換素子に集めるオンチップレンズが各光電変換素子の上方に形成され、
前記光電変換素子の上方で、かつ前記オンチップレンズの下に、カラーフィルターが設けられ、
前記光電変換素子は、前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型の領域と、前記第１導電型の領域の下の第２導電型の領域とを含むフォトダイオードにより構成され、
前記光電変換素子の前記第２導電型の領域と第２導電型の前記電荷転送路との間に、深さ方向に延びて形成された、第１導電型のチャネルストップが設けられている
固体撮像素子。
前記絶縁膜がシリコンの酸化物から成る請求項１記載の固体撮像素子。
前記絶縁膜の上面が平坦であり、前記絶縁膜の前記転送電極の上方の部分上に遮光膜が形成されている請求項１記載の固体撮像素子。
前記転送電極がアルミニウム又はタングステンにより形成されている請求項１記載の固体撮像素子。