JP5406537B2 - 光電変換装置、撮像システム、及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、撮像システム、及び光電変換装置の製造方法に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサに代表されるアクティブピクセル型の光電変換装置は、複数の画素が行列状に並べられた画素配列と、画素配列から信号線へ読み出された信号を処理して出力する出力回路とを備える。この光電変換装置には、電荷蓄積動作の開始タイミングと終了タイミングとのそれぞれを、画素配列における全画素で同時に行うグローバル電子シャッター機能を有するものが存在している。

ここで、ＣＭＯＳイメージセンサは、その構造上、画素配列における全行の画素の信号を信号線へ同時に読み出すことができない。グローバル電子シャッター機能を有する光電変換装置では、各画素において、フォトダイオード（ＰＤ）により蓄積された電荷を電荷蓄積動作の終了タイミングで直ちにフローティングディフュージョン（ＦＤ）へ転送せずにキャリアポケット（ＣＰ）へ転送する。各行の画素におけるＣＰに転送され保持された電荷は、行単位で順次にＣＰからＦＤへ転送されて、ＦＤへ転送された電荷に応じた信号が画素の増幅トランジスタにより信号線へ読み出される。

ここで、ＣＰは、ある画素の蓄積終了後から読み出しが行われるまで、電荷を保持する役割を担う。ゆえに、ＣＰに光が入射し、ＣＰに接するＰＮ接合で光電変換による電荷が発生すると、光の漏れ込みノイズがＣＰに保持された信号に混入する。この結果、得られた画像の画質が悪化する。

上記の課題を解決するために、特許文献１では、ＰＤからＣＰへ電荷を転送するための第１の転送ゲートでＣＰを覆うとともに、ＣＰからＦＤへ電荷を転送するための第２の転送ゲートで第１の転送ゲートを覆っている。これにより、特許文献１によれば、ＣＰへの光の侵入が抑制できるとされている。
特開２００７−１１５８０３号公報

特許文献１の技術では、半導体基板の上に第１の転送ゲートのパターンを形成し、第１の転送電極を覆うように絶縁膜を形成した後、その絶縁膜の上に第２の転送ゲートのパターンを形成していると考えられる。このような製造方法では、第１の転送ゲート及び第２の転送ゲートを形成するための工程が複雑になると考えられる。

本発明の目的は、光電変換部で発生した電荷を一時的に保持すべき電荷保持部を遮光する構成を形成するための工程を単純化することに有利な光電変換装置を提供することにある。

本発明の第１の側面に係る光電変換装置は、半導体基板に配された光電変換部と、前記半導体基板に配されており、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に保持する電荷保持部と、前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷保持部へ転送するように前記半導体基板の上に配された第１の転送電極と、前記半導体基板に配されており、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記電荷保持部によって保持された電荷を前記電荷電圧変換部へ転送するように前記半導体基板の上に配された第２の転送電極と、前記第１、第２の転送電極を制御するための転送制御線と、前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う遮光膜と、を備え、前記遮光膜は、前記転送制御線よりも前記半導体基板に近接し、前記第１の転送電極は、前記電荷保持部を遮光するように前記電荷保持部を覆い且つ前記第２の転送電極に重ならないように配されていることを特徴とする。

本発明の第２側面に係る撮像システムは、本発明の第１側面に係る光電変換装置と、前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第３の側面に係る光電変換装置の製造方法は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に保持する電荷保持部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とが配された半導体基板を有する光電変換装置の製造方法であって、前記半導体基板の上における前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷保持部へ転送するための第１の転送電極を形成すべき領域に第１のポリシリコン層を形成することと、前記半導体基板の上における前記電荷保持部の電荷を前記電荷電圧変換部へ転送するための第２の転送電極を形成すべき領域に第２のポリシリコン層を形成することとを同時に行う第１の工程と、前記第１のポリシリコン層及び前記第２のポリシリコン層を覆うように第１の絶縁膜を形成する第２の工程と、前記第１のポリシリコン層の上面及び前記第２のポリシリコン層の上面が露出するように前記第１の絶縁膜をエッチングする第３の工程と、前記第１のポリシリコン層、前記第２のポリシリコン層、及び前記エッチングされた前記第１の絶縁膜を覆うように金属層を形成する第４の工程と、熱処理を行って前記第１のポリシリコン層の上部及び前記第２のポリシリコン層の上部をそれぞれ第１の金属シリサイド層及び第２の金属シリサイド層に変えることにより、前記第１のポリシリコン層の下部と前記第１の金属シリサイド層とを含む前記第１の転送電極と、前記第２のポリシリコン層の下部と前記第２の金属シリサイド層とを含む前記第２の転送電極とを同時に形成する第５の工程と、前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜を介して前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う遮光膜と、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極を制御するための転送制御線を形成する第６の工程と、を含み、前記第１の工程では、前記第１のポリシリコン層が、前記電荷保持部を覆い且つ前記第２のポリシリコン層に重ならないように形成され、前記第５の工程では、前記第１の転送電極が、前記電荷保持部を遮光するように前記電荷保持部を覆い且つ前記第２の転送電極に重ならないように形成され、前記第６の工程では、前記遮光膜は、前記転送制御線よりも前記半導体基板に近接して形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光電変換部で発生した電荷を一時的に保持すべき電荷保持部を遮光する構成を形成するための工程を単純化することに有利な光電変換装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の概略構成を、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の概略構成を示す図である。図２は、本発明の第１実施形態における画素の構成を示す図である。

光電変換装置１００は、画素配列ＰＡ、垂直走査回路１０、及び出力回路２０を備える。

画素配列ＰＡには、複数の画素Ｐ１１〜Ｐｍｎが２次元状に配列されている。各画素Ｐ１１〜Ｐｍｎは、図２に示すように、光電変換部１、第１の転送部２、電荷保持部３、第２の転送部４、電荷電圧変換部５、リセット部６、出力部７、及び選択部８を含む。

光電変換部１は、後述する第１のリセット動作が完了した後に、光に応じた電荷を発生させて蓄積する電荷蓄積動作を行う。光電変換部１は、例えば、フォトダイオードである。

第１の転送部２は、光電変換部１の電荷を電荷保持部３へ転送する。第１の転送部２は、例えば、転送トランジスタであり、垂直走査回路１０からアクティブレベルの転送制御信号φＴＸ１がゲートに供給された際にオンすることにより、光電変換部１の電荷を電荷保持部３へ転送する。

電荷保持部３は、光電変換部１で発生し第１の転送部２により転送された電荷を一時的に保持する。

第２の転送部４は、電荷保持部３の電荷を電荷電圧変換部５へ転送する。第２の転送部４は、例えば、転送トランジスタであり、垂直走査回路１０からアクティブレベルの転送制御信号φＴＸ２がゲートに供給された際にオンすることにより、電荷保持部３の電荷を電荷電圧変換部５へ転送する。

電荷電圧変換部５は、第２の転送部４により転送された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部５は、例えば、フローティグディフュージョンである。

リセット部６は、第１の転送部２及び第２の転送部４がともにオンした状態で、光電変換部１、電荷保持部３、及び電荷電圧変換部５をリセットする第１のリセット動作を行う。リセット部６は、第１の転送部２及び第２の転送部４がともにオフした状態で、電荷電圧変換部５をリセットする第２のリセット動作を行う。リセット部６は、例えば、リセットトランジスタであり、垂直走査回路１０からアクティブレベルのリセット制御信号φＲＥＳがゲートに供給された際にオンすることにより、電荷電圧変換部５をリセットする。

出力部７は、電荷電圧変換部５の電圧に応じた信号を信号線ＳＬへ出力する。出力部７は、例えば、増幅トランジスタであり、信号線ＳＬに接続された電流源負荷９とともにソースフォロワ動作を行うことにより、電荷電圧変換部５の電圧に応じた信号を信号線ＳＬへ出力する。すなわち、出力部７は、リセット部６により電荷電圧変換部５がリセットされた状態（第２のリセット動作が完了した状態）で電荷電圧変換部５の電圧に応じたノイズ信号を信号線ＳＬへ出力する。出力部７は、第２の転送部４により電荷保持部３の電荷が電荷電圧変換部５へ転送された状態で電荷電圧変換部５の電圧に応じた光信号を信号線ＳＬへ出力する。

選択部８は、画素を選択状態／非選択状態にする。選択部８は、例えば、選択トランジスタであり、垂直走査回路１０からアクティブレベルの選択制御信号φＳＥＬがゲートに供給された際にオンすることにより、画素を選択状態にする。選択部８は、垂直走査回路１０からノンアクティブレベルの選択制御信号φＳＥＬがゲートに供給された際にオフすることにより、画素を非選択状態にする。

垂直走査回路１０は、各画素が電荷蓄積動作を行うように、画素配列ＰＡを駆動する。具体的には、垂直走査回路１０は、画素配列ＰＡの全画素における第１のリセット動作を同時に完了させることにより、全画素の間で光電変換部による電荷蓄積動作を同時に開始させる。また、垂直走査回路１０は、画素配列ＰＡの全画素における第２の転送部４をオフした状態で第１の転送部２をオンする第１の転送動作を同時に行うことにより、全画素の間で光電変換部による電荷蓄積動作を同時に完了させる。これにより、グローバル電子シャッター機能が実現される。

また、垂直走査回路１０は、画素配列ＰＡを垂直方向に走査することにより、画素配列ＰＡにおける信号を読み出すべき読み出し行を選択する。垂直走査回路１０は、その選択した読み出し行の画素において、第１の転送部２をオフした状態で第２の転送部４をオンする第２の転送動作を行う。これにより、読み出し行の画素において、電荷保持部３に保持された電荷が電荷電圧変換部５へ転送され電圧に変換された後、出力部７が、電荷電圧変換部５の電圧に応じた光信号を信号線ＳＬへ出力する。また、垂直走査回路１０は、異なるタイミングで第２のリセット動作を行って完了させる。これにより、読み出し行の画素において、出力部７が、電荷電圧変換部５の電圧に応じたノイズ信号を信号線ＳＬへ出力する。すなわち、垂直走査回路１０は、画素配列ＰＡの各行の画素における第２の転送動作及び第２のリセット動作を順次に行うことにより、各行の画素からの信号の読み出し動作を順次に行わせる。

出力回路２０は、画素配列ＰＡにおける読み出し行の画素から出力された信号を処理して、処理して信号を出力する。具体的には、出力回路２０は、読み出し行の画素から出力されたノイズ信号と光信号との差分をとることにより、画像信号を生成して出力する。

次に、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００のレイアウト構成例を、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の４画素分のレイアウト構成例を示す図である。以下では、図３における一点鎖線で囲った画素Ｐ２１（図１参照）のレイアウト構成を中心に説明するが、他の画素のレイアウト構成も画素Ｐ２１と同様である。なお、図３は、半導体基板ＳＢ（図４参照）の上面に垂直な方向から各要素を透視した図に相当する。ただし、図３では、説明に不要な構成要素の図示を省略している。

画素Ｐ２１では、光電変換部１に対して図面の上方向に隣接した位置に、第１の転送部（転送トランジスタ）２のゲートである第１の転送電極２１が配されている。第１の転送電極２１には、垂直走査回路１０（図１参照）から第１の転送制御線１１１を介して第１の転送制御信号φＴＸ１が供給される。

第１の転送制御線１１１は、第１の転送電極２１と交差するように図面の左右方向に延びている。第１の転送制御線１１１は、第１の転送電極２１と交差する位置において、コンタクトプラグ１１５を介して第１の転送電極２１と電気的に接続されている。

光電変換部１に対して図面の上方向の位置であって第１の転送電極２１が配された領域に含まれた領域に、二点鎖線で示すように、電荷保持部３が配されている。すなわち、第１の転送電極２１は、半導体基板ＳＢの上面に垂直な方向から見た場合に、電荷保持部３を覆うように延びている。

第１の転送電極２１及び電荷保持部３に対して図面の右方向に隣接した位置に、第２の転送部（転送トランジスタ）４のゲートである第２の転送電極４１が配されている。第２の転送電極４１には、垂直走査回路１０（図１参照）から第２の転送制御線１１２を介して第２の転送制御信号φＴＸ２が供給される。

第２の転送制御線１１２は、第２の転送電極４１と交差するように図面の左右方向に延びている。第２の転送制御線１１２は、第２の転送電極４１と交差する位置において、コンタクトプラグ１１６を介して第２の転送電極４１と電気的に接続されている。

第２の転送電極４１に対して図面の右方向に隣接した位置に、電荷電圧変換部５が配されている。電荷電圧変換部５は、横Ｌ字型に延びている。

電荷電圧変換部５に対して図面の上方向に隣接した位置に、リセット部（リセットトランジスタ）６のゲート６１が配されている。ゲート６１には、垂直走査回路１０（図１参照）からリセット制御線１１３を介してリセット制御信号φＲＥＳが供給される。

リセット制御線１１３は、ゲート６１と交差するように図面の左右方向に延びている。リセット制御線１１３は、ゲート６１と交差する位置において、コンタクトプラグ１１７を介してゲート６１と電気的に接続されている。

電荷電圧変換部５に対して図面の下方向には、出力部（増幅トランジスタ）７のゲート７１が配されている。ゲート７１は、図示しない配線を介して電荷電圧変換部５と電気的に接続されている。ゲート７１には、電荷電圧変換部５の電圧が入力される。

ゲート７１に対して図面の下方向には、選択部（選択トランジスタ）８のゲート８１が配されている。ゲート８１には、垂直走査回路１０（図１参照）から選択制御線１１４を介して選択制御信号φＳＥＬが供給される。

選択制御線１１４は、ゲート８１と交差するように図面の左右方向に延びている。選択制御線１１４は、ゲート８１と交差する位置において、コンタクトプラグ１１８を介してゲート８１と電気的に接続されている。

このように、第１の転送電極２１と第２の転送電極４１とを電気的に分離されたコンタクトプラグにて異なる配線（第１の転送制御線１１１及び第２の転送制御線１１２）に接続することにより、独立して電位を制御することが可能となる。

次に、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の断面構成を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の断面構成を示す図である。図４の４Ａは、図３のＡ−Ｂ−Ｃ断面図であり、図４の４Ｂは、図３のＤ−Ｂ断面図である。以下の説明では、キャリアが電子であり、キャリアにより運ばれる電荷が負電荷である場合について例示するが、キャリアが正孔であり、キャリアにより運ばれる電荷が正負電荷である場合についてはｎ型とｐ型とを入れ替えれば同様に適用できる。

図４の４Ｂに示すように、半導体基板ＳＢにおけるｐ型のウエル３０の中には、光電変換部１が配されている。光電変換部１は、電荷を蓄積するための電荷蓄積領域１ａと、電荷蓄積領域１ａを保護するための保護層１ｂとを含む。電荷蓄積領域１ａは、ｎ型の不純物を高濃度で含む。保護層１ｂは、ｐ型の不純物を高濃度で含む。

図４の４Ｂに示すように、半導体基板ＳＢにおけるｐ型のウエル３０の中において、電荷蓄積領域１ａ及び電荷保持部３の間には、第１の転送部（転送トランジスタ）２のチャネル領域２２が配されている。チャネル領域２２は、ｐ型の不純物を含む半導体領域である。第１の転送制御線１１１及びコンタクトプラグ１１５を介して第１の転送電極２１にアクティブレベルの第１の転送制御信号が供給されると、チャネル領域２２に電荷蓄積領域１ａと電荷保持部３とを電気的に接続するチャネルが形成される。第１の転送電極２１にノンアクティブレベルの第１の転送制御信号が供給されると、チャネル領域２２により電荷蓄積領域１ａと電荷保持部３とが電気的に遮断される。

第１の転送電極２１は、第１の層２１ａ及び第２の層２１ｂを含む。第１の層２１ａは、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａに沿って延びている。第２の層２１ｂは、第１の層２１ａの上に配されており、第１の層２１ａより光の透過率が低い。第１の層２１ａは、例えば、ポリシリコンで形成されている。第２の層２１ｂは、例えば、金属をシリサイド化した材料で形成されている。第２の層２１ｂは、例えば、コバルト、タングステン、ニッケル、チタンのような高融点金属をシリサイド化した材料で形成されている。第１の層２１ａがポリシリコンで形成され第２の層２１ｂが金属シリサイドで形成されている場合、第２の層２１ｂは、第１の層２１ａより光の透過率が低くなる。

一方、図４の４Ａに示すように、半導体基板ＳＢにおけるｐ型のウエル３０の中には、電荷保持部３及び電荷電圧変換部５の間には、第２の転送部（転送トランジスタ）４のチャネル領域４２が配されている。チャネル領域４２は、ｐ型の不純物を含む半導体領域である。第２の転送制御線１１２及びコンタクトプラグ１１６（図３参照）を介して第２の転送電極４１にアクティブレベルの第２の転送制御信号が供給されると、チャネル領域２２に電荷保持部３と電荷電圧変換部５とを電気的に接続するチャネルが形成される。第１の転送電極２１にノンアクティブレベルの第２の転送制御信号が供給されると、チャネル領域２２により電荷保持部３と電荷電圧変換部５とが電気的に遮断される。

第２の転送電極４１は、第１の転送電極２１における第１の層２１ａと同じ材料で形成されている。第２の転送電極４１は、例えば、ポリシリコンで形成されている。第２の転送電極４１は、第１の転送電極２１と独立して電位制御される。

ここで、仮に、第２の転送電極が第１の転送電極を完全に覆うように配されている場合を考える。この場合、第２の転送電極を供給される第２の転送制御信号と異なる第１の転送制御信号を第１の転送電極へ供給するためには、第１の転送電極の上面の一部を露出するように第２の転送電極に開口を形成する必要がある。そして、その開口径より小さい寸法で第１の転送制御電極に接続されるようにコンタクトプラグを形成する必要がある。これにより、第１の転送電極及び第２の転送電極とそれらに制御信号を供給するためのコンタクトプラグとを含む層構成が複雑になる。

また、この場合、第２の転送電極が第１の転送電極を完全に覆うように光電変換部の受光面上まで延在することになってしまう。これにより、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送すべきタイミングで光電変換部に意図しない電位障壁を形成する可能性があり、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送効率が悪化する可能性がある。

それに対して、本実施形態では、第１の転送電極２１は、半導体基板ＳＢの上面に垂直な方向から見た場合に、電荷保持部３を遮光するように電荷保持部３を覆い且つ第２の転送電極に重ならないように延びている。これにより、第１の転送電極及び第２の転送電極とそれらに制御信号を供給するためのコンタクトプラグとを含む層構成を簡略化することができる。また、第２の転送電極が光電変換部の受光面上まで延在することがないので、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送効率が悪化しにくい。

さらに、本実施形態では、第１の転送電極２１が、第１の層２１ａと、第１の層２１ａより光の透過率が低い第２の層２１ｂとを含む。すなわち、第１の転送電極２１自体が遮光性能を有している。これにより、電荷保持部３の近傍に入射した光ＰＢ１、ＰＢ２は、第２の層２１ｂの表面すなわち第１の転送電極２１の上面２１ｃで容易に反射されたり吸収されたりする。このように、電荷保持部３への光入射が抑制されるので、第２の転送電極が第１の転送電極を完全に覆うように配されていなくても、電荷保持部３を十分に遮光することができる。

なお、入射光ＰＢ２については、仮に第１の転送電極２１自体が遮光性能が有しない場合、第１の転送電極下の素子分離領域上に光が入射することになり、直接電荷保持部へ入射するわけではない。しかしながら、素子分離上に入射した光は迷光成分となり、その一部は電荷保持部へ漏れこむこととなってしまう。また、素子分離領域の下部にて生じた電荷が電荷保持部へ混入してしまう可能性がある。グローバル電子シャッター機能により、機械シャッターによる遮光性能に匹敵する性能を得ようとすると、このようなわずかな漏れこみ成分及び混入成分を抑制することが重要となる。

また、第１の転送電極２１の上面２１ｃと第２の転送電極４１の上面４１ｃとは、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａからの高さがほぼ同一である。第１の転送電極２１の上面２１ｃの高さＨ１は、第２の転送電極４１の上面４１ｃの高さＨ２にほぼ等しい。また、第１の転送電極２１及び第２の転送電極４１とは同一高さの下面を有し、同一高さに配されているといえる。第１の転送電極２１及び第２の転送電極４１となるべきポリシリコン層を同一の工程で同時に形成しているためである。そして、そのポリシリコン層を第１の転送電極２１及び第２の転送電極４１のパターンにパターニングした後、第１の転送電極２１のパターンを選択的に金属シリサイド化する。これにより、第１の転送電極２１及び第２の転送電極４１を同時に形成することができる。すなわち、同一高さに配されている構成は、簡易な工程で形成することに適した構成である。ここで、ポリシリコン層のパターニングは同一の工程であっても別の工程であってもよい。

したがって、本実施形態によれば、光電変換部で発生した電荷を一時的に保持すべき電荷保持部を遮光する構成を形成するための工程を単純化することに有利な光電変換装置を提供することができる。また、第１の転送電極と第２の電極電極とが同一高さに配されているため、第１の転送電極及び第２の転送電極の上部に厚い絶縁膜を設けることなく、容易に平坦化することが可能となる。

なお、図４の４Ｂに示す電荷蓄積領域１ａと電荷保持部３との間には、チャネル領域２２に代えて、埋め込みチャネル領域が形成されていてもよい。この埋め込みチャネル領域は、半導体基板ＳＢの表面ＳＢａから所定の深さの領域にｎ型の不純物を注入することにより形成されたｎ型の半導体領域である。この埋め込みチャネルとは、電荷蓄積領域１ａにて電荷を蓄積する蓄積期間中に、電荷蓄積領域１ａからあふれた電荷が電荷保持部３へ流入するようなポテンシャルを有するチャネルのことを言う。この場合、電荷蓄積領域１ａからあふれた電荷を利用することができるため、ダイナミックレンジを大きくすることが可能となる。ここで、光電変換部１にて生じた電荷を電荷保持部３にて保持する時間が長くなるため、十分な遮光が必要となる。よって、第１の転送電極自体が遮光性能を有する構成が望ましい。

また、第１の転送電極自体が遮光性能を有するように、第１の転送電極を、所謂メタルゲート電極としても、本発明の効果を得ることが可能である。

次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図５に示す。

撮像システム９０は、図５に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置１００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。

シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。

撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置１００の撮像面に被写体の像を形成する。

絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と光電変換装置１００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に光電変換装置１００へ導かれる光の量を調節する。

撮像装置８６の光電変換装置１００は、光電変換装置１００の撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６は、その画像信号を光電変換装置１００から読み出して出力する。

撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。

Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）を画像信号（デジタル信号）へ変換する。

画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。

メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。

外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。

タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。

全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。

記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。

以上の構成により、光電変換装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置２００を、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置２００の断面構成を示す図である。以下では、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

光電変換装置２００は、第２の転送電極２４１の構成が第１実施形態と異なる。第２の転送電極２４１は、第３の層２４１ａ及び第４の層２４１ｂを含む。第３の層２４１ａは、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａからの高さが第１の転送電極２１における第１の層２１ａと同じであり、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａに沿って延びている。第４の層２４１ｂは、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａからの高さが第１の転送電極２１における第２の層２１ｂと同じであり、第３の層２４１ａの上に配されており、第３の層２４１ａより光の透過率が低い。第３の層２４１ａは、第１の層２１ａと同じ材料、例えばポリシリコンで形成されている。第４の層２４１ｂは、第２の層２１ｂと同じ材料、例えば金属をシリサイド化した材料で形成されている。第４の層２４１ｂは、例えば、コバルト、タングステン、ニッケル、チタンのような高融点金属をシリサイド化した材料で形成されている。第３の層２４１ａがポリシリコンで形成され第４の層２４１ｂが金属シリサイドで形成されている場合、第４の層２４１ｂは、第３の層２４１ａより光の透過率が低くなる。

本実施形態の構成によれば、第２の転送電極２４１上に入射される光をその上面２４１ｃで反射又は吸収することにより、電荷保持部３への光の漏れこみをさらに抑制することができる。

また、第１の転送電極２１及び第２の転送電極２４１となるべきポリシリコン層を同一の工程で同時に形成することができる。そして、そのポリシリコン層を第１の転送電極２１及び第２の転送電極２４１のパターンにパターニングした後、第１の転送電極２１のパターンに加えて第２の転送電極２４１のパターンを選択的に金属シリサイド化すれば、第１の転送電極２１及び第２の転送電極２４１を同時に形成することができる。すなわち、本実施形態の構成は、簡易な工程で形成することに適した構成である。したがって、本実施形態によっても、光電変換部で発生した電荷を一時的に保持すべき電荷保持部を遮光する構成を形成するための工程を単純化することに有利な光電変換装置を提供することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る光電変換装置３００を、図７に示す。図７は、本発明の第３実施形態に係る光電変換装置３００の構成を示す図である。図７の７Ａは、光電変換装置３００のレイアウト構成例を示し、図７の７Ｂは、光電変換装置３００の断面構成を示している。以下では、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点を中心に説明する。

グローバル電子シャッター機能を実現するために要求される性能によっては、第１の転送電極の上部及び第２の転送電極の上部を金属シリサイドで形成することによっても、電荷保持部を十分に遮光しきれない可能性がある。

それに対して、本実施形態では、光電変換装置３００において、絶縁膜３６０及び遮光膜３５０がさらに配されている。絶縁膜３６０は、第１の転送電極２１及び第２の転送電極２４１を覆うように延びている。遮光膜３５０は、絶縁膜３６０を介して第１の転送電極２１の上に配されている。遮光膜３５０は、絶縁膜３６０を介して第２の転送電極２４１の上まで延在している。遮光膜３５０の材質としては、例えばタングステン、タングステンシリサイド、アルミニウムなどの遮光性能が高い材料である。

また、本実施形態では、コンタクトプラグ１１５と遮光膜３５０とが電気的に接続されないように、所定の間隔を確保している（図７の７Ａ参照）。同様に、コンタクトプラグ１１６とも電気的に接続されないように、間隔を確保している（図７の７Ａ参照）。すなわち、第１の転送電極と第２の転送電極とが独立して電位制御可能となっている。

なお、コンタクトプラグ１１５、１１６近傍に光が入射した場合、遮光膜３５０による遮光は期待できないが、第１の転送電極の上部及び第２の転送電極の上部（金属シリサイド）が遮光性能を有するために、光の電荷保持部への漏れこみを抑制することができる。

また、図７では、遮光膜３５０の電位は固定されていないフローティング状態になっているが、これに限らず遮光膜３５０の電位が制御可能であるように構成されていても良い。

本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００を、図８に示す。図８は、本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００の構成を示す図である。図８の８Ａは、光電変換装置４００のレイアウト構成例を示し、図８の８Ｂは、光電変換装置４００の断面構成を示している。以下では、第１実施形態〜第３実施形態と異なる点を中心に説明する。

光電変換装置４００では、遮光膜４５０が、コンタクトプラグ４１５を介して第１の転送制御線１１１と接続されており、コンタクトプラグ４５１を介して第１の転送電極２１と接続されている。これにより、遮光膜４５０は、第１の転送電極２１に接続されたコンタクトプラグ４５１の近傍も遮光することができる。すなわち、第１の転送電極上のさらに広い領域について、遮光膜４５０を配置することができるので、電荷保持部への光の漏れをさらに抑制できる。また、第１の転送電極２１の駆動性能を向上させることが可能となる。

なお、コンタクトプラグ１１６と遮光膜４５０とが電気的に分離している点は第３実施形態と同様である。これにより、第１の転送電極の電位と第２の転送電極の電位とは独立して制御可能となっている。

また、本実施形態では、第１の転送電極と遮光膜とを接続して、第２の転送電極と遮光膜とを分離しているが、この構成に限定されるものではない。つまり、遮光膜は第１の転送電極と第２の転送電極との一方と電気的に接続されており、他方と電気的に分離されていてもよい。第２の転送電極と遮光膜とを接続して、第１の転送電極と遮光膜とを分離している場合、その遮光膜は、第２の転送電極に接続されたコンタクトプラグの近傍も遮光することができる。すなわち、第２の転送電極上のさらに広い領域について、遮光膜を配置することができるので、電荷保持部への光の漏れをさらに抑制できる。ここで、遮光膜を第１の転送電極と第２の転送電極とのどちらと接続するかについては、画素内レイアウトを考慮して、遮光性能がより向上するように選択すれば良い。また、遮光膜と接続された転送電極の駆動性能を向上させることが可能となる。

次に、本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００の製造方法について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００の製造方法を示す工程断面図である。図９の９Ａ〜９Ｅにおいて、左側の図が、図８のＤ１−Ｂ１断面に対応し、右側の図が、図８のＡ１−Ｂ１−Ｃ１断面に対応している。なお、ここでは周辺回路部領域は省略している。

図９の９Ａに示す工程では、半導体基板ＳＢに、ｎ型のウエル（不図示）とｐ型のウエル３０とを形成し、その後、ＳＴＩ型又はＬＯＣＯＳ型の素子分離部３０１を形成する。半導体基板ＳＢは、例えば、シリコンで形成されている。

次に、所定のレジストパターンをマスクとして半導体基板ＳＢにｎ型の不純物を導入（イオン注入）することにより、電荷保持部３を形成する。さらに、必要に応じて電子シャッター機能を有するために各種不純物注入を行ってもよい。

続いて、半導体基板ＳＢの上における第１の転送電極２１を形成すべき領域に第１のポリシリコン層１０３を形成することと、半導体基板ＳＢの上における第２の転送電極２４１を形成すべき領域に第２のポリシリコン層１０４を形成することとを同時に行う。ここ（第１の工程）で、第１のポリシリコン層１０３は、半導体基板ＳＢの上面ＳＢａに垂直な方向から見た場合に、電荷保持部３を覆い且つ第２のポリシリコン層１０４に重ならないように形成される。

その後、ｎ型不純物を導入して、光電変換部１の電荷蓄積領域１ａを形成する。次に、ｐ型不純物を導入して、光電変換部（フォトダイオード）１を埋め込み構造とするための保護層３０２を形成する。

次に、ゲート電極をマスクにしたイオン注入によりｎ型不純物を導入し、ゲート電極側面に自己整合した低不純物濃度のソース、ドレインの一部を構成する半導体領域例えば電荷電圧変換部５を形成する。さらにここで、電子シャッター機能を有するための各種不純物注入工程を行っても良い。

図９の９Ｂに示す工程（第２の工程）では、第１のポリシリコン層１０３及び第２のポリシリコン層１０４を覆うように絶縁膜３０３を形成する。絶縁膜３０３は、例えば、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層構造で形成する。この場合、シリコン窒化膜を光電変換部１の受光表面の反射防止膜や、セルフアラインコンタクトのライナー膜に用いることができるが、これに限定されるものではない。少なくとも、絶縁膜３０３は、第１のポリシリコン層１０３及び第２のポリシリコン層１０４を覆うことに加えて、光電変換部１を覆うように形成される。これにより、光電変換部１は、後のエッチング工程においてエッチングダメージを受けないように保護される。

次に、絶縁膜３０３をパターニングしてシリサイドプロテクションを形成する。光電変換部１を含む非シリサイド領域を選択的に覆うレジストパターンＲＰ１を形成する。続いて（第３の工程）、レジストパターンＲＰ１をマスクとして、第１のポリシリコン層１０３の上面及び第２のポリシリコン層１０４の上面が露出するように、絶縁膜３０３をエッチングする。このとき、画素内のトランジスタのソース、ドレインの表面を露出しても良い。ここで、光電変換部１と第１の転送電極２１との境界よりも光電変換部１側にレジストパターンＲＰ１の境界を設定すれば良い。第１のポリシリコン層１０３の側壁上にも絶縁膜３０３が成膜されているため、光電変換部１側にレジストパターンＲＰ１の境界が張り出していても、光電変換部１がシリサイド化されることはなく、又、次工程のドライエッチングにより光電変換部１の表面が露出される可能性も少ないからである。また、第１のポリシリコン層１０３と第２のポリシリコン層１０４との間隔が例えば０.２μｍ程度に小さければレジストパターンを形成しなくても両者の隙間を形成するギャップ部はシリサイド化されにくい。そこで、この場合は、第１のポリシリコン層１０３と第２のポリシリコン層１０４との間のギャップ部にはレジストパターンを形成しなくても良い。

また、本製造方法のフローでは、レジストパターンＲＰ１は、例えば画素内のトランジスタの活性領域などの非シリサイド領域をも覆っている。このレジストパターンＲＰ１を利用して、周辺回路部のトランジスタと画素内のトランジスタの構造を変えても良い。例えば、周辺回路部には不純物濃度の低い領域と高い領域とからなるソース、ドレインを有するＬＤＤ構造のトランジスタを設け、画素内には不純物濃度の低い領域のみで構成されたトランジスタを設けることが出来る。その構造は、周辺回路部の不純物濃度の高い領域を形成する際に、レジストパターンＲＰ１をマスクに用いて形成することで得られる。これにより、工程が短縮できるメリットがある。

また、画素内のトランジスタもＬＤＤ構造を有する構成にする場合には、再度別マスクを用いて光電変換部１の保護とトランジスタのＬＤＤ構造の形成とを行った後に、レジストパターンＲＰ１を形成しシリサイドプロテクションを形成しても良い。なお、画素内の第１、第２の転送電極の表面をシリサイド化する目的は遮光性能を高めるためであるが、周辺回路部のシリサイド化を同一工程で行っても良い。

続いて（第４の工程）、第１のポリシリコン層１０３、第２のポリシリコン層１０４、及びエッチングされた絶縁膜３０３を覆うように金属層（図示せず）を形成する。金属層は、例えば、コバルト、タングステン、ニッケル、チタンのような高融点金属で形成する。その後（第５の工程）、熱処理を行って第１のポリシリコン層１０３の上部及び第２のポリシリコン層１０４の上部をそれぞれ第２の層（第１の金属シリサイド層）２１ｂ及び第４の層（第２の金属シリサイド層）２４１ｂに変える。これにより、第１の層（第１のポリシリコン層１０３の下部）２１ａと第２の層（第１の金属シリサイド層）２１ｂとを含む第１の転送電極２１を形成する。それとともに、第３の層（第２のポリシリコン層の下部）２４１ａと第４の層（第２の金属シリサイド層）２４１ｂとを含む第２の転送電極２４１を形成する。すなわち、第１の転送電極２１と第２の転送電極２４１とを同時に形成する。

図９の９Ｃに示す工程では、金属層における未反応の高融点金属をエッチオフすることにより除去する。なお、ここでは周辺回路部領域は図示していないが、必要に応じて周辺回路部のポリシリコンや活性領域を同時にシリサイド化しても良い。

図９の９Ｄに示す工程では、第１の転送電極２１及び第２の転送電極２４１を覆うように絶縁膜３６０が形成される。その後、絶縁膜３６０にコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールにタングステンなどの金属を埋め込むことにより、コンタクトプラグ４５１を形成する。そして、コンタクトプラグ４５１の上面を覆うとともに絶縁膜３６０を介して第１の転送電極２１の上から第２の転送電極２４１の上まで延在するように遮光膜４５０を形成する。遮光膜４５０は、例えば、タングステン、タングステンシリサイド、アルミニウムなどの遮光性能が高い材料で形成する。

なお、コンタクトプラグ４５１の形成と遮光膜４５０の形成とを同一の材料で同時に行っても良い。これにより、コンタクトプラグ４５１と遮光膜４５０との形成工程を簡略化できる。また、遮光膜４５０は、金属層がパターニングされる代わりに、絶縁膜にパターニングされた溝への埋め込みによって形成されてもよい。

図９の９Ｅに示す工程では、遮光膜４５０を覆うように層間絶縁膜４１６を形成する。層間絶縁膜４１６は、例えばＢＰＳＧ膜などを用いる。そして、所定の位置にコンタクトホールを形成して、そのコンタクトホールにタングステンなどの金属を埋め込むことにより、コンタクトプラグ４１５を形成する。その後、第１の転送制御線１１１や第２の転送制御線１１２などを含む配線パターン１１０を形成する。

さらに、図示しないが、他の層間絶縁膜、他の配線層、層内レンズ、カラーフィルター、マイクロレンズなどを形成するが、ここでは説明を省略する。

なお、光電変換装置を用いてセミグローバル電子シャッター機能を実現する場合、画素内のトランジスタのソース、ドレイン、及びゲートには、コンタクトプラグを介して配線を接続する必要がある。また、画素内の各トランジスタのゲートは、独立して電位制御することが必要である。このような光電変換装置では、遮光膜４５０を配する場合、各コンタクトプラグと遮光膜４５０とが電気的に分離されるように両者に間隔を設ける必要がある。光電変換部以外の領域については、遮光膜で完全に覆うことが理想的であるが、上述の問題のため、実現は困難である。そこで、本実施形態では、シリサイド層を、第１の転送電極、第２の転送電極、遮光膜が配されていない活性領域の少なくとも一部に形成している。但し、電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョンは電荷を保持するため、シリサイド層を設けない方が好ましい。

具体的には、電荷電圧変換部５は、第１の領域と、半導体基板ＳＢの上面の一部を形成するように第１の領域の上に配されており、金属をシリサイド化した材料で形成されている第２の領域とを含むように形成する。これにより、電荷電圧変換部５に入射した光における電荷保持部への光漏れを低減できる。

また、リセット部（リセットトランジスタ）６のゲート６１、出力部（増幅トランジスタ）７のゲート７１、選択部（選択トランジスタ）８のゲート８１、各トランジスタの活性領域の一部をシリサイド化する。これにより、シリサイド化された領域に入射した光における電荷保持部への光漏れをさらに低減できる。

本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の概略構成を示す図。 本発明の第１実施形態における画素の構成を示す図。 本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００のレイアウト構成例を示す図。 本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の断面構成を示す図。 第１実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。 本発明の第２実施形態に係る光電変換装置２００の断面構成を示す図。 本発明の第３実施形態に係る光電変換装置３００の構成を示す図。 本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００の構成を示す図。 本発明の第４実施形態に係る光電変換装置４００の製造方法を示す工程断面図。

９０ 撮像システム
１００、２００、３００、４００ 光電変換装置

Claims (12)

1. 半導体基板に配された光電変換部と、
   前記半導体基板に配されており、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に保持する電荷保持部と、
   前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷保持部へ転送するように前記半導体基板の上に配された第１の転送電極と、
   前記半導体基板に配されており、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
   前記電荷保持部によって保持された電荷を前記電荷電圧変換部へ転送するように前記半導体基板の上に配された第２の転送電極と、
   前記第１、第２の転送電極を制御するための転送制御線と、
   前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う絶縁膜と、
   前記絶縁膜を介して前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う遮光膜と、を備え、
   前記遮光膜は、前記転送制御線よりも前記半導体基板に近接し、
   前記第１の転送電極は、前記電荷保持部を遮光するように前記電荷保持部を覆い且つ前記第２の転送電極に重ならないように配されている
   ことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第１の転送電極は、
   前記半導体基板の上面に沿って延びた第１の層と、
   前記第１の層を遮光するように前記第１の層の上に配された第２の層と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１の転送電極は、金属で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記第２の層は、金属をシリサイド化した材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
5. 前記第１の転送電極と前記第２の転送電極とは、前記半導体基板の上面からの高さが同一になるように配されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第２の転送電極は、
   前記半導体基板の上面からの高さが前記第１の層と同じであり、前記半導体基板の上面に沿って延びた第３の層と、
   前記半導体基板の上面からの高さが前記第２の層と同じであり、前記第３の層を遮光するように前記第３の層の上に配された第４の層と、を含む
   ことを特徴とする請求項２又は４に記載の光電変換装置。
7. 前記第４の層は、金属をシリサイド化した材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記電荷電圧変換部は、
   第１の領域と、
   前記半導体基板の上面の一部を形成するように前記第１の領域の上に配されており、金属をシリサイド化した材料で形成されている第２の領域と、
   を含む
   ことを特徴とする請求項４又は７に記載の光電変換装置。
9. 前記遮光膜は、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極の一方と電気的に接続されており、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極の他方と電気的に分離されている
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、を備えたことを特徴とする撮像システム。
11. 光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に保持する電荷保持部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部とが配された半導体基板を有する光電変換装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の上における前記光電変換部で発生した電荷を前記電荷保持部へ転送するための第１の転送電極を形成すべき領域に第１のポリシリコン層を形成することと、前記半導体基板の上における前記電荷保持部の電荷を前記電荷電圧変換部へ転送するための第２の転送電極を形成すべき領域に第２のポリシリコン層を形成することとを同時に行う第１の工程と、
    前記第１のポリシリコン層及び前記第２のポリシリコン層を覆うように第１の絶縁膜を形成する第２の工程と、
    前記第１のポリシリコン層の上面及び前記第２のポリシリコン層の上面が露出するように前記第１の絶縁膜をエッチングする第３の工程と、
    前記第１のポリシリコン層、前記第２のポリシリコン層、及び前記エッチングされた前記第１の絶縁膜を覆うように金属層を形成する第４の工程と、
    熱処理を行って前記第１のポリシリコン層の上部及び前記第２のポリシリコン層の上部をそれぞれ第１の金属シリサイド層及び第２の金属シリサイド層に変えることにより、前記第１のポリシリコン層の下部と前記第１の金属シリサイド層とを含む前記第１の転送電極と、前記第２のポリシリコン層の下部と前記第２の金属シリサイド層とを含む前記第２の転送電極とを同時に形成する第５の工程と、
    前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜を介して前記第１の転送電極の上と前記第２の転送電極の上を覆う遮光膜と、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極を制御するための転送制御線を形成する第６の工程と、
    を含み、
    前記第１の工程では、前記第１のポリシリコン層が、前記電荷保持部を覆い且つ前記第２のポリシリコン層に重ならないように形成され、
    前記第５の工程では、前記第１の転送電極が、前記電荷保持部を遮光するように前記電荷保持部を覆い且つ前記第２の転送電極に重ならないように形成され、
    前記第６の工程では、前記遮光膜は、前記転送制御線よりも前記半導体基板に近接して形成されることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
12. 前記第２の工程では、前記第１の絶縁膜が、さらに前記光電変換部を覆うように形成されることを特徴とする請求項１１に記載の光電換装置の製造方法。

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