JP4807719B2 - Ｃｃｄ型撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はＣＣＤ型撮像装置に関し、特に高解像度に優れたＣＣＤイメージセンサに関する。

固体撮像装置、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像装置における背景技術によるＣＣＤイメージセンサの概略図を図１３に示す。フォトダイオード１０１に隣接して読み出しゲート電極１０２が設けられており、その反対側にはＣＣＤレジスタ１０３が設けられている。ＣＣＤレジスタ１０３の一端には電荷検出部１０４が設けられており、電荷検出部は出力回路１０５に接続されている。

フォトダイオード１０１で光電変換された信号電荷は、読み出しゲート電極１０２によりＣＣＤシフトレジスタ１０３に読み出される。読み出された信号電荷は、ＣＣＤレジスタ１０３により電荷検出部１０４に転送され、電荷が電圧に変換される。電荷検出部１０４の電位変化は、ソースホロアアンプやインバータ等からなる出力回路１０５を介して外部に出力される。

図９には従来例の撮像部における複数画素分のユニットセル（単位画素）について示されている。複数画素分のユニットセルは、入射光を光電変換するフォトダイオード１０１、このフォトダイオード１０１から電荷を読み出すための読み出しゲート電極１０２、読み出された信号電荷を転送するＣＣＤシフトレジスタ１０３、および画素分離のためのＰ＋型拡散層１０６によって構成されている。

図１０には、図９のＣ−Ｃ´矢視断面が示されている。図１０を参照すると、Ｎ型シリコン基板１０７の一主面上にＰ型ウェル１０８が形成されている。各フォトダイオード１０１は、素子分離領域となるＰ＋型拡散層１０６により分離され、Ｐ型ウェル１０８内には、フォトダイオードの電荷蓄積層となるＮ−型拡散層１０９が設けられている。Ｎ−型拡散層１０９の表面には、暗電流低減のためのＰ＋型拡散層１０９が設けられている。各フォトダイオード１０１の上部には酸化膜１１１があり、その上部には層間膜１１２がある。一般に固体撮像素子の受光部としての各フォトダイオード１０１の周囲の上層には、フォトダイオード１０１以外の部位に入射するスミア（ｓｍｅａｒ）等の疑信号を低減するための金属遮光膜１１３が設けられ、金属遮光膜１１３の上部には保護膜１１５がある。

特許文献１には、遮光電極とフォトダイオード表面とを電気的に接続しているＣＣＤ型固体撮像装置が開示されている。

特許文献２には、少なくとも１列分設けられた複数個のセンサ部と、前記センサ部から読出しゲート部を介して読み出された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記センサ部の少なくとも前記読出しゲート部と反対側に設けられた素子分離部と、前記センサ部、前記電荷転送部及び前期素子分離部が形成された基板の少なくとも前記転送部及び前記読出しゲート部上に絶縁膜を介して配された転送電極と、前記電荷転送部への外部光の入射を遮断すべく前記転送電極の外側及び前記センサ部の開口を除く領域に配されかつ前記センサ部上において前記基板に接触して設けられた遮光膜とを具備した固体撮像装置であって、前記遮光膜に所定の電位を与える電位付与手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置が開示されている。

特許文献３には、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素を二次元配列した第１の色画素群と、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を有する光電変換素子を有する画素を二次元配列した第２の色画素群とが、基体の表面に並置された固体撮像装置において、前記第１の色画素群と前記第２の色画素群が、それらに共通の共通ウェルを備えていることを特徴とする固体撮像装置が開示されている。

特開平６−１５１７９２号公報 特開平７−１５３９３２号公報 特開２００２−０４３５５５号公報

図９、図１０を参照して説明された背景技術においては、隣接フォトダイオード１０１に入射した光の一部が素子分離領域となるＰ＋型拡散層１０６の上部にある酸化膜１１１から導波管の伝波効果により進入して、本来は光が入射していないはずの画素にも光が漏れ込んでクロストークとなり、その光が入っていない画素にもあたかも信号が入っているかのようなノイズが発生する。その結果、ＣＣＤイメージャの根本的機能特性の一つである変調伝達関数（ＭＴＦ，ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が劣化する。

ＣＣＤ画像生成システムの主要なＭＴＦは、開口ＭＴＦ、電荷転送ＭＴＦ、及び拡散ＭＴＦの３つの固有ＭＴＦに特性分類される。開口ＭＴＦは、セルデザイン及びセルの開口のサイズの関数である。電荷転送ＭＴＦは、電荷転送効率（ＣＴＥ，ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と、イメージ信号の転送回数の関数である。拡散ＭＴＦは、セルのデザイン及びサイズの関数であり、初期材料、ゲッタリング、酸化物層及びドーピング層の厚さを含むセル構造に依存する。隣接画素間のクロストークにより、この拡散ＭＴＦが劣化することで、各画素の画像がぼやける等の不具合が生じる。

ところで、最近、ＣＣＤ固体撮像装置に対して小型化および多画素化が強く望まれている。更なる小型化のために、固体撮像素子の画素ピッチはさらに小さいものが要求されるが、画素ピッチが小さくなると、隣接画素間のクロストークが大きくなるため、クロストークを抑制することが必要となる。

図１１には、図９よりも隣接画素間のクロストークを抑制させたフォトダイオードの構造を示す背景技術が示されている。図１１には、フォトダイオード１０１における複数画素分のユニットセル（単位画素）について示されている。図１２には、図１１のＤ−Ｄ´矢視断面が示されている。

図１２を参照すると、Ｎ型シリコン基板１０７の一主面上にはＰ型ウェル１０８が形成されている。各フォトダイオード１０１は、素子分離領域となるＰ＋型拡散層により分離され、Ｐ型ウェル内には、フォトダイオードの電荷蓄積層となるＮ−型拡散層１０９が設けられている。Ｎ−型拡散層１０９の表面には、暗電流低減のためのＰ＋型拡散層１１０が設けられている。各フォトダイオード１０１の上部には酸化膜１１１があり、その上部には層間膜１１２がある。各フォトダイオード１０１の周囲の上層には、金属遮光膜１１３が設けられ、Ｐ＋型拡散層１１０とコンタクト１１４で接続されている。金属遮光膜１１３の上部には保護膜１１５がある。

図１１、図１２を参照して説明された背景技術においては、前述したクロストークの課題を解決するため、金属遮光膜１１３は、フォトダイオード１０１の上部のＰ＋型拡散層１１０の内部を取り囲むようにコンタクト１１４で接続されている。このため、隣接のフォトダイオード１０１に入射した光の進入は金属遮光膜１１３のコンタクト１１４領域で遮断され、クロストークが低減する効果がある。

しかしながら、図１２に示された技術や特許文献２に開示された発明では、フォトダイオード１０１に金属遮光膜１１３を接続してコンタクト１１４をとる構造のため、コンタクト形成時に、酸化膜１１１のエッチング等の製造過程でフォトダイオード下のＰ＋型拡散層１１０やＮ−型拡散層１０９などフォトダイオードの電荷を蓄積する領域にダメージを与え、キズ等の欠陥を形成させる可能性が高く、高品質の製品を製造することが困難となる欠点があった。

本発明の目的は、画素間のクロストークを低減するＣＣＤ型撮像装置を提供することである。

本発明の他の目的は、製造過程でフォトダイオード領域に対して与えられるダメージを低減するＣＣＤ型撮像装置を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による固体撮像装置は、撮像される光が入射する受光部と、受光部に周期的に設けられる金属遮光膜（１１）と、光から光電変換により電荷を取り出す複数のフォトダイオード（１）と、複数のフォトダイオード（１）の間を分離するチャネルストップ領域（４）と、金属遮光膜（１１）とチャネルストップ領域（４）とに接触し、フォトダイオード（１）とは接触しないコンタクト電極（１２）とを備えている。

本発明による固体撮像装置において、コンタクト電極（１２）は、金属遮光膜（１１）とチャネルストップ領域（４）とを電気的に接続し、フォトダイオード（１）とは電気的に接続しない。

本発明による固体撮像装置において、金属遮光膜（１１）は、一定の電位に保たれている。

本発明による固体撮像装置において、コンタクト電極（１２）は、読み出し電極（３）のある側を除く三方からコの字状にフォトダイオード（１）を囲んでチャネルストップ領域（４）と接続している。

本発明によれば、画素間のクロストークを低減するＣＣＤ型撮像装置が提供される。

さらに本発明によれば、製造過程でフォトダイオード領域に対して与えられるダメージを低減するＣＣＤ型撮像装置が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明による固体撮像素子について詳細に説明する。

図１を参照すると、本発明の実施の形態における固体撮像素子の一部を上面から見た図が示されている。固体撮像素子は、入射光を光電変換するフォトダイオード１、このフォトダイオード１から電荷を読み出すための読み出しゲート電極３、読み出された信号電荷を転送するＣＣＤシフトレジスタ２、および画素分離のためのＰ＋型拡散層４によって構成されている。導電体であるコンタクト１２は、読み出しゲート電極３のある側を除く三方からコの字状にフォトダイオード１を囲んでいる。

図２を参照すると、図１のＡ−Ａ´矢視断面が示されている。図２を参照すると、Ｎ型シリコン基板５の一主面上にＰ型ウェル６が形成されている。各フォトダイオード１は、素子分離領域となるＰ＋型拡散層４（チャネルストップ拡散層）により分離され、Ｐ型ウェル６内には、フォトダイオードの電荷蓄積層となるＮ−型拡散層７が設けられている。Ｎ−型拡散層７の表面には、暗電流低減のためのＰ＋型拡散層８が設けられている。各フォトダイオード１の上部には酸化膜９があり、その上部には層間膜１０がある。

固体撮像素子の受光部としての各フォトダイオード１の周囲の上層には、フォトダイオード１以外の部位に入射するスミア（ｓｍｅａｒ）等を低減するための金属遮光膜１１が設けられ、金属遮光膜１１の上部には保護膜１３がある。

Ｐ＋拡散層４と、コンタクト１２が接するコンタクト部は、コンタクト部の形成時に、コンタクト領域を酸化エッチング時、高濃度のＰ＋層を注入して電気的にオーミック接続されている。コンタクト電極１２の上層部の金属遮光膜１１は、一定の電位を付与する手段（図示せず）によって、一定の電位を保っている。好ましくはＧＮＤ配線と接続されていることにより０Ｖレベルが保持されている。

金属遮光膜１１はフォトダイオード１を分離しているＰ＋型拡散層にコンタクト電極１２を介して接続されている。コンタクト電極１２は、フォトダイオード１を囲むように壁状に形成されているため、隣接のフォトダイオード１に入射した光の進入は金属遮光膜１１のコンタクト電極１２の領域で遮断され、光が漏れこむ原因となっていた酸化膜９からの導波管の伝波効果がなくなり、クロストークが低減する。

さらに、Ｐ＋型拡散層４に金属遮光膜１１を接続してコンタクト１２をとる構造のため、コンタクト形成時に、酸化膜９のエッチング等の製造過程でフォトダイオード下のＰ＋型拡散層８やＮ−型拡散層７などフォトダイオードの電荷を蓄積する領域にダメージを与えることがなく、キズ等の欠陥を形成させる可能性が低い。

さらに、金属遮光膜１１がフォトダイオード部のチャンネルストップ領域で電極を一定電圧に抑えているため、製造時のイオン注入ムラ等で生じる全体のフォトダイオード間の感度ムラを抑える効果がある。

Ｐ＋型拡散層４に金属遮光膜１１を接続するコンタクト１２はフォトダイオードの境界にあり、複数のフォトダイオードで共用されているのに対し、従来例では各フォトダイオード１０１に対してコンタクト１１４が１個必要となるため、本実施例では撮像部全体でコンタクト面積が小さくなる効果がある。

電気的オーミック接続をするためのコンタクトのＰ＋型拡散層面積をＰ＋型拡散層４に確保するスペースがない場合、コンタクト１２を電気的オーミック接続にする必要はない。従って、コンタクト領域の酸化膜をエッチングするとき、高濃度のＰ＋層を注入して電気的にオーミック接続する必要がなくなり、コンタクト部が物理的にＰ＋型拡散層４の領域に接続される構造となる。この構造でも、隣接画素から進入してくる光はＰ＋型拡散層４のコンタクト１１で遮断されるため、ＭＴＦの劣化の原因となるクロストーク特性は改善される。

図３から図６までを参照すると、図１、２に示された固体撮像素子の製造プロセスが示されている。

図３を参照して、Ｎ型シリコン基板５の一主面上にＰ型ウェル６が形成される。Ｐ型ウェル６の表面に多数のＮ−型拡散層７が形成され、隣接するＮ−型拡散層の間にＰ＋型拡散層４が形成される。Ｎ−型拡散層７の表面には、薄いＰ＋型拡散層が形成される。Ｎ−型拡散層とＰ＋型拡散層との表面には酸化膜９が形成される。

図４を参照して、酸化膜９の表面を覆って層間膜１０が形成される。図５を参照して、Ｐ＋型拡散層４の上方（Ｎ型シリコン基板５の主面に垂直で、Ｐ＋型拡散層４から見てＮ型シリコン基板とは反対の方向）に、層間膜１０と酸化膜９とを貫通するコンタクトホールが空けられる。コンタクトホールに金属のコンタクト１２が嵌め込まれる。図６を参照して、コンタクト１２の上端に接して、金属遮光膜１１が設けられる。

更に、金属遮光膜１１と、層間膜１０の表面で金属遮光膜１１に覆われていない部分との表面を覆う保護膜１３が形成されることにより、図１、２に示された固体撮像素子が製造される。

図７を参照すると、本実施の形態の変形例が示されている。図８は、図７のＢ−Ｂ´矢視断面を示す。図８を参照すると、Ｎ型シリコン基板５の一主面上にＰ型ウェル６が形成されている。各フォトダイオード１は、素子分離となるＰ＋型拡散層４より分離され、Ｐ型ウェル６の内部には、フォトダイオードの電荷蓄積層となるＮ−型拡散層７が設けられている。Ｎ−型拡散層７の表面には、Ｐ＋型拡散層８が設けられている。各フォトダイオード１周囲の上層には金属遮光膜１１が設けられ、Ｐ＋型拡散層４とコンタクト１２で接続されている。

この変形例においては、コンタクト電極を金属遮光膜が兼用しているため、製造工程が削減され、低コストで上記実施例と同様の効果を奏する固体撮像装置が提供される。

本発明の実施の形態、およびその変形例は、ＣＣＤ型固体撮像素子に適用した場合を例に説明がなされたが、これに限られるものではなく、例えばＭＯＳ型固体撮像素子など固体撮像素子全般に対して本構造は適用可能である。

図１は、本発明の第１実施例による固体撮像装置の上面図を示す。 図２は、本発明の第１実施例による固体撮像装置の側面からの断面図を示す。 図３は、本発明の第１実施例の製造プロセスを説明するための断面図である。 図４は、本発明の第１実施例の製造プロセスを説明するための断面図である。 図５は、本発明の第１実施例の製造プロセスを説明するための断面図である。 図６は、本発明の第１実施例の製造プロセスを説明するための断面図である。 図７は、実施の形態における固体撮像装置の上面図を示す。 図８は、実施の形態における固体撮像装置の側面からの断面図を示す。 図９は、背景技術における固体撮像装置の上面図を示す。 図１０は、背景技術における固体撮像装置の側面からの断面図を示す。 図１１は、背景技術における固体撮像装置の上面図を示す。 図１２は、背景技術における固体撮像装置の側面からの断面図を示す。 図１３は、固体撮像装置の概略図である。

符号の説明

１…フォトダイオード
２…ＣＣＤシフトレジスタ
３…読み出しゲート電極
４…Ｐ＋型拡散層
５…Ｎ型シリコン基板
６…Ｐ型ウェル
７…Ｎ−型拡散層
８…Ｐ＋型拡散層
９…酸化膜
１０…層間膜
１１…金属遮光膜
１２…コンタクト
１３…保護膜

Claims (7)

1. 周期的に設けられ、入射した光から光電変換により電荷を取り出す複数のフォトダイオードと、
   前記複数のフォトダイオードの間を分離するチャネルストップ領域と、
   前記複数のフォトダイオードの間に設けられた金属遮光膜と、
   前記複数のフォトダイオードの間に設けられ、前記金属遮光膜と前記チャネルストップ領域とに接触し、前記フォトダイオードとは接触しないコンタクト電極と、
   前記複数のフォトダイオードの傍らに延設された読み出し電極とを具備し、
   前記複数のフォトダイオードの各々は１辺が読み出し電極の方向を向くように列をなして配列され、
   前記コンタクト電極は前記複数のフォトダイオードの各々の周囲のうち、前記読み出し電極のある側の前記１辺を除く場所に配置され、前記チャネルストップ領域と接続している
   固体撮像装置。
2. 請求項１に記載された固体撮像装置であって、
   前記フォトダイオードは基板と法線を共にする四辺形をなし、
   前記コンタクト電極は、前記フォトダイオードの周囲の４辺のうち、前記読み出し電極に向いていない３辺のうちの少なくとも１辺に沿って設けられている
   固体撮像装置。
3. 請求項１に記載された固体撮像装置であって、
   前記コンタクト電極は、読み出し電極のある側を除く三方からコの字状に前記フォトダイオードを囲んで前記チャネルストップ領域と接続している
   固体撮像装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された固体撮像装置であって、
   前記コンタクト電極は、前記チャネルストップ領域の表面上に形成される
   固体撮像装置。
5. 請求項１に記載された固体撮像装置であって、
   前記コンタクト電極は、前記金属遮光膜と前記チャネルストップ領域とを電気的に接続し、前記フォトダイオードとは直接的に接続していない
   固体撮像装置。
6. 請求項５に記載された固体撮像装置であって、
   前記金属遮光膜は、一定の電位に保たれている
   固体撮像装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された固体撮像装置であって、
   前記チャネルストップ領域と前記コンタクト電極とは、電気的にオーミック接続されるようにドープされる
   固体撮像装置。

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