JP4797302B2

JP4797302B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP4797302B2
Application number: JP2001269879A
Authority: JP
Inventors: 耕一原田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003078126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元イメージセンサ等として用いられる固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の固体撮像素子では、２次元マトリクス状に配列された多数のフォトセンサによって被写体を撮像し、各フォトセンサ列毎に設けられた垂直転送レジスタによって各フォトセンサに蓄積された信号電荷を垂直方向に順次転送する。
そして、この垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平転送レジスタに順次読み出し、これを水平方向に順次転送して出力部に送り、この出力部で信号電荷を電圧信号に変換して出力する。
各転送レジスタは、半導体基板内に信号電荷を転送するチャネル層を設け、その上に転送方向に沿って２層の重ね合わせ転送電極を順次配置したものであり、各転送電極に２相または４相の転送クロックを印加することにより、読み出しゲートからチャネル層中に読み出された信号電荷を順次転送するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような構成の固体撮像素子において、高精細な画像を得るための多画素化が進むと、高速駆動が必要となり、フォトセンサによる単位画素（ユニットセル）の微細化も必要となる。
しかし、転送電極をポリシリコン膜によって形成した場合、ユニットセルを微細化すると、加工上の制限から転送電極の薄膜化が必要となり、また、各画素間の転送電極の幅を小さくすることも必要となることから、薄膜で幅の小さいポリシリコン膜で転送電極を形成することが必要となり、ポリシリコン膜内の抵抗が増大し、伝播遅延によってレジスタの取り扱い電荷量Ｑｖが低下するという問題が生じる。
一方、ポリシリコン膜の代わりに抵抗の小さいタングステン等のメタル電極を用いた場合には、酸化等の熱処理によって白点現象の発生率が大きくなり、画質が悪化するという問題が生じる。また、メタル電極を酸化できないために、上層の層間絶縁膜の形成が困難（形成できたとしても層間耐圧が低い）であるという問題が生じる。
【０００４】
そこで、このような問題を解決する方法として、単層電極ＣＣＤが提案されている（特開平５−３１５５号公報参照）。
しかし、この場合、水平転送レジスタのバリア層をセルフアラインで形成できないという欠点があった。
また、水平転送レジスタを単層電極で構成する方法としては、信号電荷の転送を行うストレージ部とトランスファ部のゲート酸化膜厚を変える試みがなされているが（映像情報メディア学会技術報告「単層ｐｏｌｙＳｉ電極で形成したＦＴ−ＣＣＤイメージセンサの構造と特徴」ITE Technical Report Vol.23,No.49,PP.31 〜36 IPU'99-50(Jul,1999)参照）、ＬＯＣＯＳ部のエッジで結晶欠陥が発生し、水平転送効率が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、撮像部における受光感度及び画質の向上、水平転送レジスタにおける転送効率の向上を図りつつ、ユニットセルの微細化を可能とした固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、２次元マトリクス状に配列されたフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを備えた固体撮像素子において、前記垂直転送レジスタは単層構造の転送電極を有し、前記水平転送レジスタは下層の転送電極と上層の転送電極よりなる２層構造の転送電極を有し、少なくとも前記水平転送レジスタの下層の転送電極がポリシリコン電極またはシリサイド電極より形成され、前記垂直転送レジスタの転送電極と前記水平転送レジスタの上層の転送電極が同層のメタル電極で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、垂直方向と水平方向の２次元マトリクス状に配列されたフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを備えた固体撮像素子の製造方法において、前記水平転送レジスタの２層構造の転送電極を構成する下層の転送電極をポリシリコンまたはシリサイドによって形成する工程と、前記垂直転送レジスタの単層構造の転送電極と前記水平転送レジスタの２層構造の転送電極を構成する上層の転送電極とを形成する工程とを有し、前記垂直転送レジスタの転送電極と前記水平転送レジスタの上層の転送電極は同層のメタル電極で形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像素子では、垂直転送レジスタの転送電極を単層構造とし、水平転送レジスタの転送電極を下層の転送電極と上層の転送電極よりなる２層構造とし、少なくとも水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコン電極またはシリサイド電極より形成するようにしたので、撮像部内に配置される垂直転送レジスタでは単層で薄型の転送電極によって薄膜化や微細化が可能となり、水平転送レジスタでは、２層構造の転送電極によって高い転送効率を確保でき、高速駆動が可能となる。
また、水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコン電極またはシリサイド電極としたことで、この下層の転送電極を用いてセルフアラインによる不純物添加によるバリア層の形成を行うことができ、水平転送レジスタの転送効率の向上に寄与できる。
【０００９】
また、本発明の製造方法では、垂直転送レジスタの単層構造の転送電極と水平転送レジスタの２層構造の転送電極とを作製する場合に、水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコンまたはシリサイドによって形成し、その上層に、垂直転送レジスタの転送電極と水平転送レジスタの上層の転送電極を形成することから、水平転送レジスタの下層のポリシリコンまたはシリサイドの転送電極を用いてセルフアラインによる水平転送レジスタのバリア層を形成することができ、水平転送レジスタの転送効率を容易に向上することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態による固体撮像素子の一例を示す概略平面図である。
この固体撮像素子は、２次元イメージセンサとして構成されており、被写体を撮像する撮像部１００と、この撮像部１００による撮像信号を外部に出力する出力部２００とを有する。
撮像部１００は、垂直（Ｖ）方向と水平（Ｈ）方向の２次元マトリクス状に配列された多数の単位画素（ユニットセル）を構成するフォトセンサ１１０と、垂直方向の各フォトセンサ列毎に配置され、各フォトセンサ１１０の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタ１２０とを有している。
また、撮像部１００の側部には、各垂直転送レジスタ１２０から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ１３０が配置され、この水平転送レジスタ１３０の終端部に出力部２００が設けられている。
また、撮像部１００の上面には、図示しないオンチップレンズ（ＯＣＬ）やカラーフィルタ等が配置され、各フォトセンサ１１０の受光部に対する光の入射を制御している。
【００１２】
このような固体撮像素子では、フォトセンサ１１０によって蓄積された信号電荷を読み出しゲート（図示せず）を介して垂直転送レジスタ１２０に読み出し、この信号電荷を垂直方向に順次転送する。
そして、この垂直転送レジスタ１２０から転送された信号電荷を水平転送レジスタ１３０に順次読み出し、これを水平方向に順次転送して出力部２００に送る。
出力部２００では、水平転送レジスタ１３０によって転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換して出力する。
【００１３】
図２は、本例における垂直転送レジスタ１２０の構造を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線断面を示している。
また、図３は、垂直転送レジスタ１２０の転送電極１２２の形状を示す平面図である。
この垂直転送レジスタ１２０は埋め込みＣＣＤ構造を有し、ｎ型Ｓｉ基板１０内にｐ型ウエル領域２０を形成し、その上層に信号電荷を転送するチャネル層としてｎ型層３０を設けたものである。
そして、このチャネル層の上面に絶縁膜４０を介して単層構造のメタル電極よりなる転送電極１２２を設け、この転送電極１２２に垂直転送クロックを供給してチャネル層のゲート電圧を制御することにより、信号電荷の転送を行う。
本例の転送電極１２２は、例えばタングステン（Ｗ）によって形成されており、図３に示すように、フォトセンサの受光部１１０Ａを避けるようなパターンに形成され、信号電荷の転送方向（Ｖ）に重複しない状態で設けられている。
なお、垂直転送レジスタ１２０のｎ型層３０には、各転送電極１２２の間隙部分に、転送電極がないことによる電荷溜り（いわゆるディップ）を打ち消すためのポテンシャル調整用に、ボロン等の不純物をイオン注入したｐ−領域３２が設けられている。
【００１４】
図４は、本例における水平転送レジスタ１３０の各電極製造工程における積層構造を示す断面図であり、図１のＢ−Ｂ線断面を示している。
この水平転送レジスタ１３０も垂直転送レジスタ１２０と同様に埋め込みＣＣＤ構造を有し、ｎ型Ｓｉ基板１０内にｐ型ウエル領域２０を形成し、その上層に信号電荷を転送するチャネル層としてｎ型層３０を設けたものである。なお、ｐ型ウエル領域２０及びｎ型層３０は、垂直転送レジスタ１２０と水平転送レジスタ１３０で共通のものであっても、共通のものであってもよい。
そして、この水平転送レジスタ１３０は、チャネル層の上に絶縁膜４０を介して２層構造で転送電極を設けたものであり、ポリシリコン電極よりなる下層転送電極１３２と、メタル電極よりなる上層転送電極１３３を設け、これら転送電極１３２、１３３に水平転送クロックを供給してチャネル層のゲート電圧を制御することにより、信号電荷の転送を行う。
【００１５】
下層転送電極１３２はポリシリコン膜よりなり、上層転送電極１３３は上述した垂直転送レジスタ１２０の転送電極１２２と共通のタングステン（Ｗ）によって形成され、共通の工程で形成されている。
また、水平転送レジスタ１３０の下層転送電極１３２は、チャネル層の信号電荷を蓄積する各ストレージ部に対応して配置され、上層転送電極１３３は、各ストレージ部に蓄積された信号電荷を次のストレージ部に転送するトランスファ部に対応して配置されている。
また、トランスファ部の上層には、ｐ型の不純物によりバリア層１３４が形成されている。このバリア層１３４は、下層転送電極１３２のポリシリコン膜をマスクとしたセルフアラインによってボロン等の不純物をイオン注入されたものである。
【００１６】
次に、以上のような垂直転送レジスタ１２０及び水平転送レジスタ１３０の製造工程について説明する。
まず、Ｓｉ基板１０にフォトセンサ１１０や各レジスタ１２０、１３０のチャネル層等を作製後、絶縁膜４０を形成し、その上層に、図４（Ａ）に示すように、ポリシリコン膜による水平転送レジスタ１３０の下層転送電極１３２を形成する。
次に、この下層転送電極１３２のセルフアラインによってボロン等をイオン注入し、バリア層１３４を形成する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、その上層に下層転送電極１３２の熱酸化等によってポリシリコン酸化膜１４０を設け、図２及び図４（Ｃ）に示すように、垂直転送レジスタ１２０の転送電極１２２と水平転送レジスタ１３０の上層転送電極１３３を同時工程によって形成する。
なお、水平転送レジスタ１３０の上層転送電極１３３は、下層転送電極１３２に対して一部重なるように形成され、水平転送レジスタ１３０の転送効率を向上するものである。
【００１７】
以上のような本例の固体撮像素子においては、以下のような効果を得ることが可能である。
（１）タングステンの抵抗率はポリシリコンの抵抗率よりも１桁以上小さいため、垂直転送レジスタの転送電極を単層構造としても十分な転送特性を得ることができ、撮像部における画素間の幅を従来と同等か、それ以下に抑えることが可能となる。
（２）タングステンのメタル電極の形成後は、酸化等の熱処理を行う必要がないので、白点現象等の画質悪化を抑えることが可能となる。
（３）撮像部における垂直転送レジスタの転送電極の高さを低減できるため、その上層に設けられるオンチップレンズの集光効率が改善し、受光感度を向上することが可能となる。
（４）水平転送レジスタにおいては、バリア層のイオン注入をセルフアラインで形成でき、水平転送効率の低下を防止できる。
（５）水平転送レジスタのストレージ部の転送電極よりトランスファ部の転送電極の方が抵抗が小さいので、ストレージ部よりトランスファ部の方が先に立ち上がり、さらに転送効率を改善できる。
【００１８】
なお、以上の例では、水平転送レジスタの下層転送電極として、ポリシリコンを用いたが、その代わりにタングステン等のシリサイドを用いても良い。
また、垂直転送レジスタの転送電極及び水平転送レジスタの上層転送電極としては、タングステンのメタル電極を用いたが、その他にもＭｏ等のメタル電極を用いてもよく、さらにポリシリコンやシリサイドを用いることも可能である。
【００１９】
【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、垂直転送レジスタの転送電極を単層構造とし、水平転送レジスタの転送電極を下層の転送電極と上層の転送電極よりなる２層構造とし、少なくとも水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコン電極またはシリサイド電極より形成するようにした。
このため、撮像部内に配置される垂直転送レジスタでは単層で薄型の転送電極によって薄膜化や微細化が可能となり、水平転送レジスタでは、２層構造の転送電極によって高い転送効率を確保でき、高速駆動が可能となる。
また、水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコン電極またはシリサイド電極としたことで、この下層の転送電極を用いてセルフアラインによる不純物添加によるバリア層の形成を行うことができ、水平転送レジスタの転送効率の向上に寄与できる。
【００２０】
また、本発明の製造方法では、垂直転送レジスタの単層構造の転送電極と水平転送レジスタの２層構造の転送電極とを作製する場合に、水平転送レジスタの下層の転送電極をポリシリコンまたはシリサイドによって形成し、その上層に、垂直転送レジスタの転送電極と水平転送レジスタの上層の転送電極を形成するようにした。
このため、水平転送レジスタの下層のポリシリコンまたはシリサイドの転送電極を用いてセルフアラインによる水平転送レジスタのバリア層を形成することができ、水平転送レジスタの転送効率を容易に向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による固体撮像素子の一例を示す概略平面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の垂直転送レジスタの構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す垂直転送レジスタの転送電極の形状を示す平面図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子の水平転送レジスタの各電極製造工程における積層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……ｎ型Ｓｉ基板、２０……ｐ型ウエル領域、３０……ｎ型層、４０……絶縁膜、１００……撮像部、１１０……フォトセンサ、１１０Ａ……受光部、１２０……垂直転送レジスタ、１２２……転送電極、１３０……水平転送レジスタ、１３２……下層転送電極、１３３……上層転送電極、１３４……バリア層、１４０……ポリシリコン酸化膜、２００……出力部。

Claims

２次元マトリクス状に配列されたフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを備えた固体撮像素子において、
前記垂直転送レジスタは単層構造の転送電極を有し、前記水平転送レジスタは下層の転送電極と上層の転送電極よりなる２層構造の転送電極を有し、
少なくとも前記水平転送レジスタの下層の転送電極がポリシリコン電極またはシリサイド電極より形成され、前記垂直転送レジスタの転送電極と前記水平転送レジスタの上層の転送電極が同層のメタル電極で形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記水平転送レジスタは、下層の転送電極のセルフアラインによってトランスファ部のバリア層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
垂直方向と水平方向の２次元マトリクス状に配列されたフォトセンサと、前記フォトセンサの信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから転送された信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタとを備えた固体撮像素子の製造方法において、
前記水平転送レジスタの２層構造の転送電極を構成する下層の転送電極をポリシリコンまたはシリサイドによって形成する工程と、前記垂直転送レジスタの単層構造の転送電極と前記水平転送レジスタの２層構造の転送電極を構成する上層の転送電極とを形成する工程と、を有し、
前記垂直転送レジスタの転送電極と前記水平転送レジスタの上層の転送電極は同層のメタル電極で形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記水平転送レジスタのトランスファ部のバリア層を前記下層の転送電極のセルフアラインによって形成する工程を有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。
前記水平転送レジスタの下層の転送電極の熱酸化によって上層の転送電極との間の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子の製造方法。