JPH0294664A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体撮像素子に関し、特にスミアノイズの小
さい固体撮像素子に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、ＣＯＤイメージセンサ等の固体撮像素子は、１
次元あるいは２次元に配列した複数の光電変換素子上に
像を投影し、その像の明るさに比例した電気信号を各光
電変換素子からの出力として検出することで撮像を行う
。

第４図は第１の従来例である固体撮像素子のインターラ
インＣＯＤイメージセンサの画素部断面図である０図に
おいて、■はＮ−９１域からなる光検出部を構成するフ
ォトダイオード、２はフォトダイオード１で発生した信
号電荷を転送するためのＮ−領域からなる垂直ＣＯＤ、
３はフォトダイオード１とＣＣＤ２を分離するためのＰ
＋分離領域、４はＣＣＤ２の転送電極、４ａ、４ｂは転
送電極４を構成する第１．及び第２のポリシリコン層、
５はＣＣＤ２に光が漏れ込むのを防止するアルミ等で作
られた遮光膜、６はリンガラス等で作られた層間膜、７
はＳ　Ｉ　Ｏを等でつくられた保護膜、８はゲート酸化
膜、９はＰ型半導体基板、１０は反射防止膜である。

次に動作について説明する。

基板となるＰ型の半導体基板９の表面にはＮ型の不純物
領域からなる光電変換部１が形成され、この部分のｐｎ
接合型フォトダイオード構造により入射光量に応じた電
荷を生成し、蓄積する。さらにこの蓄積された信号電荷
は基板９の表面にＰ型の不純物を拡散したＰ゛分離領域
を介して形成されたＮ型の不純物拡散層からなる垂直Ｃ
ＣＤ２に読み出される。

このような構成のイメージセンサに対し、第４図のＣに
示すようなフォトダイオード１部に対して斜めの経路で
光が入射すると、光はＳｉ基板９の表面、続いてアルミ
遮光膜５で反射され、受光部であるフォトダイオード１
から外れてＣＣＤ　２に到達してしまう、ここで、ＣＣ
Ｄ２とＳｉ基板９の関係はフォトダイオード１と基板９
との関係と同様にｐｎ接合となっているのでこれらの部
分に光が入射すると、そこで光電変換されて不必要な電
荷（図中、■と表記）を発生させる結果となる。そして
この不必要な電荷がフォトダイオード１から読み出され
た信号電荷に混入されると正確な像の情報が得られなく
なる。つまり、この不必要な電荷はスミアノイズという
にせ信号として作用し、これにより画像が正しい境界か
らはみ出して水平方向に拡がりを持つこととなり、像に
ぼやけやにじみを生じさせ、撮像画の画質を著しく劣化
させることとなる。

このようなスミアノイズ発生の問題点を改良する構造の
固体盪像素子として、従来、特開昭６２−１５６８６０
号公報に記載されたものがあり、これを第２の従来例と
して第５図に示す。

図において、２０は半導体基板（図示せず）上に設けら
れたＰウェル、２１．２２はＮ型不純物拡散領域、２３
はゲート絶縁膜である窒化物ＮＣ８１３Ｎ４）、２４は
転送電極、２５は化学気相成長により形成された酸化物
（ＣＶＤ　　Ｓ　ｔ　Ｏｘ　）層、２６はボロンリンガ
ラスＪｉｉ　（ＰＢＳＧ）　、２７はアルミニウム等の
光シールド層、２８は光シールド層２７を覆うように形
成された窒化物層（Ｓ１ｓＮ４）、２９は受光部、３０
は開口部である。

半導体基板の表面には高屈折率（ｎ　＝２．ＯＯ）の窒
化物層２３が形成され、受光部２９に対応する位置のＣ
ＶＤ酸化物層２５がエツチングにより除去され、フォト
ダイオード１上の開口部３０には窒化物層２３．２８の
みが形成されている。

本素子の動作は上記第１の従来例と同様であるので省略
する。

本固体撮像素子は光シールド層２７に設けられた開口部
３０を受光部２９に極めて近接して配置した構造となっ
ており、また、上記第１の従来例ではフォトダイオード
１上には５ｌＯｔよりなるゲート酸化膜８１層間膜であ
るリンガラス層６゜及び保護膜としての５ｉＯｚ７を有
していたが、本構造では受光部２９上には高屈折率のＳ
ｔ、Ｎ４層のみを有しているので、開口部３０での入射
光の水平方向の拡がりを防止できるとともに入射光を垂
直に近い角度でフォトダイオード２２に入射させること
ができ、斜めの入射光が受光部２９を外れるのを防止で
き、上記第１の従来例に比し、スミアの低減を図ること
ができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記第２の従来例の固体盪像素子は、上記第１
の従来例に比しスミアを低減させることができるものの
、製造面、及び構造面で以下のような問題点があった。

即ち、製造面では、光シールド１ｉ２７をフォトダイオ
ード２２上に近接して設けようとしても、これは写真製
版工程の技術的な問題から極めて困難で、この光シール
ド７１２７はフォトダイオード２２上から離れた位置に
形成されたり、また、逆にフォトダイオード２２内に埋
まるように形成されてしまうこととなり、所望の構造を
形成できない。

また、構造面では開口部３０より入射した外光は第５図
のＤに示すような経路でボロンリンガラス層（ＢＰＳＧ
）２６とゲート窒化膜２３との界面で全反射されたり、
あるいは点線Ｅに示すような経路をとることによりフォ
トダイオード２２以外部分に入射したりし、完全に迷光
成分を遮断することができず、これにより撮像画の画質
は大きく劣化することとなる。また、さらに第５図に示
すような構造では光シールド層２７を受光部２９上に張
り出させる構造としているため、受光部２９上のみかけ
上の面積が小さくなって十分な応答が得られなくなり、
感度が低下することとなっていた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、素子のスミアノイズを低減できるとともに高
感度化を図れる固体撮像素子を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上に、−次
元あるいは二次元に配置された光検出部と、光検出部で
発生した信号電荷を読み出して転送する手段と、光検出
器上以外の部分に形成した層間膜と、層間膜の上表面に
形成された遮光膜と、光検出器上と遮光膜上にこれを覆
うように形成された保護膜とを設けるとともに、保護膜
の屈折率を層間膜の屈折率より大きくし、しかも層間膜
と保護膜の界面は光検出部表面に対して垂直になるよう
にしたものである。

〔作用〕

この発明においては、電荷転送部上のみに層間膜を形成
し、層間膜と光検出部とを覆うように保護膜を形成し、
しかも保護膜の屈折率を層間膜の屈折率よりも大きくし
たので、光検出器上の開口部から基板に対して斜めに入
射した外光は層間膜の臨界角以上では保護膜と層間膜と
の界面において光は層間膜に入射することなく全反射さ
れるので、電荷転送部へ外光が入射することを防止でき
、これにより迷光成分によるスミアを防止できる。

また、遮光膜は光検出部の上方には存在しない構造とし
たので、光検出部の見掛は上の面積を大きくすることが
でき、素子の感度が良好になる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による固体撮像素子を示す断
面図である。

図において、１はＮ−領域からなる光検出部を構成する
フォトダイオード、２はフォトダイオードｌで発生した
信号電荷を転送するためのＮ−８１域からなる垂直ＣＯ
Ｄ、３はフォトダイオード１とＣＣＤ２を分離するため
のＰ゛分離領域、４はＣＣＤ２の転送電極、４ａ、４ｂ
は転送電極４を構成する第１．及び第２のポリシリコン
層、５はＣＣＤ２に光が漏れ込むのを防止するアルミ等
でつくられた遮光膜、８はＳｉｎ、からなるゲート酸化
膜、９はＰ型半導体基板、１０はＳｉＯあるいはＭｇＦ
からなる反射防止膜、６は屈折率ｎ２（−１，４６）の
リンガラスから形成される層間膜、１７は層間膜６より
も大きい屈折率ｎ　、　　（＝２．００）を有するＳ　
ｉ　ｓ　Ｎａよりなる保護膜である。また、Ａ、及びＢ
はそれぞれ受光部であるフォトダイオード１に入射する
光の経路を示したものである。

次に第１図の固体撮像素子の製造方法について説明する
。

第２図（ａｌ〜（ｇ）は第１図に示す固体撮像素子の製
造方法の一例を示したものであり、図において、第１図
と同一符号は同一部分を示す。

まず、Ｐ型シリコン領域９の表面に写真製版工程、イオ
ン注入工程と熱処理工程により光電変換部としてＮ−型
シリコン領域１．垂直ＣＯＤの転送チャネル領域として
Ｎ−型シリコン領域２．及び素子分離領域としてＰ°型
分離領域３をそれぞれ形成する（第２図（ａ））。

続いて、基板全面に熱酸化によりｓｔｏｗよりなるゲー
ト酸化膜を形成し、ゲート酸化膜上全面に多結晶シリコ
ンを堆積し、これらをパターニングするごとにより垂直
ＣＣＤＺ上にのみに第１層目の多結晶シリコン層４ａと
ゲート酸化膜８を形成する（第２図世））。

そしてさらに基板全面を熱酸化してゲート酸化膜８を形
成し、このゲート酸化膜上に多結晶シリコンを堆積し、
パターニングにより第１層目の多結晶シリコン層４ａ上
に第２層目の多結晶シリコン層４ｂを形成して２層多結
晶シリコン構造の転送電極４を形成する（第２図（Ｃ１
）。

次に、リンガラス（ＰＳＧ：屈折率ｆｉｔ　−１，４６
）を基板全面に堆積して層間膜６を形成し、続いてアル
ミニウムを堆積して遮光膜５を形成する（第２図（ｄ）
）。

そして、写真製版によりフォトダイオード１上に相当す
る部分の遮光膜５を除くようにパターニングを行う　（
第２図（１１））。

次に、遮光膜５をマスクに層間膜であるリンガラス層６
及びゲート酸化膜８に異方性のドライエツチングを施し
、これにより、エツチングされる壁がフォトダイオード
１に対して垂直になるようにする（第２図（ｆ））。

最後に、基板全面に窒化シリコン（Ｓｉ＊Ｎａ；屈折率
ｎｇ　＝２．００）を堆積して窒化膜を成膜し、さらに
その全面に薄くフッ化マグネシウムあるいは酸化シリコ
ンなどからなる反射防止膜１０を設けて本素子を完成す
る（第２図（唖）。

ここで、第３図は屈折率の異なる物質に入射する光の屈
折の様子を示した図である。一般に、屈折率ｎ１の物質
から屈折率ｎ８の物質に光が入射する場合、スネルの法
則に従い、屈折角は、の関係で示される。ここで、０ｍ
−９０＠となる時が臨界角と呼ばれ、これは Ｉ で与えられる。この臨界角０１以上になると、光はｎ、
の物質には入らず、全反射される（第３図の点ｖＡｂで
示す矢印参照）、従って、第１図のような層間膜６をフ
ォトダイオード１上で垂直にエツチングし、フォトダイ
オード１を窒化膜の保護膜１７で覆うような構造とした
場合、層間膜６と保護膜１７の界面での光の反射につい
て考えると、その臨界角θ、は、 Ｉ 但し、ｎｔ　；ＰＳＧ−１，４６ ｎ　１　　；Ｓ　　ｉ　３　　Ｎａ　　”　２−　００
となり、入射角が４７°以上でリンガラス部６に入ろう
とする光はリンガラス６と窒化膜１７の界面で全反射さ
れることとなる。すなわち、フォトダイオード１上の受
光面に対して斜めに入射する外光はほとんど保護膜１７
と層間膜６の界面で全反射され、フォトダイオード１に
入射することになる。従って、これによりフォトダイオ
ード１以外のＣＣＯ２等のｐｎ接合部に外光が漏れこむ
ことが防止される（第１図Ａ、Ｈの経路参照）。

このような本実施例によれば、受光部に斜めに入射した
光が受光部を外れてＣＣＤ部２に到達することがなくな
り、従来問題となっていたスミアノイズを低減させるこ
とができる。また、上記実施例の構成によればアルミ遮
光膜５は受光部であるフォトダイオード１上には設けな
いようにしたので、フォトダイオード１上の開口部を広
（とることができ、みかけ上の受光面積が大きくなり、
有効に外光を回収することができ、感度の良好な素子を
提供できるという利点がある。

なお、上記実施例では保護膜１７に屈折率の大きいもの
を使用したため、保護膜１７と空気（屈折率−１，００
）との界面の表面での反射成分が増加するようになるが
、この現象は保護膜１７上に設けた反射防止膜１０によ
り防止することができ、なんら問題はない。

なお、上記実施例では遮光膜５にアルミ膜を用いている
が、これは他の金属膜でもよい。

また、上記実施例では層間膜６．保護膜１７にそれぞれ
リンガラス及び窒化膜を用いたが、これは保護膜１７の
屈折率が層間膜６の屈折率より大きければよく、これら
の材質はともに上記実施例のものに限定されるものでは
ない、ただし、層間膜６と保護膜１７の界面での全反射
を有効に生じさせるためには臨界角θ１が小さいほどよ
く、これは上記０式かられかるように、層間膜６と保護
膜１７との屈折率の比を大きくすることにより達成でき
る。

また、上記実施例ではインターラインのＣＣＤセンサに
ついて説明したが、本発明は例えば、ＭＯＳイメージセ
ンサ等の他の方式のイメージセンサについても適用でき
、その場合においても上記実施例と同様の効果が得られ
る。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、電荷転送部上のみにそ
の上表面に遮光膜を備えた層間膜を設け、遮光膜上と光
検出部上にこれらを覆うように保護膜を形成し、光検出
部に対して層間膜と保！！膜との界面が垂直になるよう
にし、しかも保護膜の屈折率は層間膜の屈折率よりも大
きくしたので、光検出器上の開口部から基板に対して斜
めに入射した外光は、保護膜と層間膜との界面において
臨界角以上では光は層間膜に入射することなく全反射さ
れ、電荷転送部へ外光が入射することを防止でき、これ
により迷光成分によるスミアを防止できる。また、遮光
膜はフォトダイオード上には存在しない構造としたので
、フォトダイオード上の外光が入射する開口部は広くな
り、みかけ上のフォトダイオード面積を大きくとること
ができ、高感度のセンサが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による固体撮像素子を示す画
素部の断面図、第２図（ａ）〜（勢は第１図の固体撮像
素子の各製造工程を示す断面図、第３図は屈折率の異な
る物質に光が入射する際の様子を示す図、第４図は第１
の従来例による固体撮像素子を示す画素部の断面図、第
５図は第２の従来例による固体撮像素子を示す画素部の
断面図である。 １はフォトダイオード、２は垂直ＣＣＤ、３はＰ・分離
領域、４は転送電極、４ａ、４ｂはそれぞれ転送電極４
を構成する第１及び第２のポリシリコン層、５は遮光膜
、６は層間膜、８はゲート絶縁膜、９はＰ型半導体基板
、１０は反射防止膜、１７は保護膜である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に一次元あるいは二次元に配置され
   た光検出部と、 該光検出部で発生した信号電荷を読み出して転送する電
   荷転送部と、 該電荷転送部の転送電極を覆うように設けられ、その側
   面が上記光検出部に対し垂直とされている層間膜と、 該層間膜の上表面に設けられた遮光膜と、 上記光検出部及び上記遮光膜上にこれらを覆うように設
   けられた保護膜とを備え、かつ、 該保護膜の屈折率は上記層間膜の屈折率よりも大きいこ
   とを特徴とする固体撮像素子。