JPH04333282A - 固体撮像装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送（ＣＣＤ）型
固体撮像装置の構造に関し、特に、暗電流を低減する手
段を具備した装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ型固体撮像装置は、例えば図４に
示す如き構成であり、同図は２次元インターライン型固
体撮像装置の画素の断面構造を示す図である。図に於て
、１はｎ型半導体基板、２１は第１のｐ型ウェル、２２
は第２のＰ型ウェル、３はｎ型不純物領域からなるフォ
トダイオード、４はｎ型不純物領域からなるＣＣＤチャ
ネル、５は素子分離のためのｐ＋　領域、６は絶縁膜、
７は転送電極、８は光を遮断する遮光膜、９はトランジ
スタのゲート部、１０は光路、をそれぞれ示す。

【０００３】当該構造の固体撮像装置による動作原理は
次の通りである。まず、フォトダイオード３に入射した
光により電子−正孔対が発生し、このうちの電子がフォ
トダイオードに蓄積される。所定時間経過後に転送電極
７に正のパルス電圧を印加し、トランジスタのゲート部
９を導電状態にすることでフォトダイオード３内の蓄積
電荷とＣＣＤチャネル４に移す。しかる後にトランジス
タのゲート部９が導通しない程度の定電圧パルス列と転
送電極７に加え、ＣＣＤチャネル４内を紙面に垂直な方
向に電荷転送する。

【０００４】フォトダイオード３の周辺部の電極７の側
壁部および電極７の上部には絶縁膜６を介して遮光膜８
が設けられ、フォトダイオード３以外の領域に光が入射
するのを防いでいる。また、フォトダイオード３に蓄積
された電荷があふれ出すブルーミング現象を防止するた
めに、第１Ｐウェル２１とＮ型半導体基板１との間に逆
バイアスを加え、フォトダイオード３に蓄えられた電荷
を基板１に引きぬくこと（縦型オーバーフロードレイン
方式）も行われる。さらに、この逆バイアスの電圧値と
加える時間を選ぶことで、フォトダイオード中の電荷を
所望の時間だけ基板１に引きぬくことにより標準の撮像
時間よりも短い時間の撮像、即ちシャッタ動作をさせる
ことも行われる。

【０００５】上述した固体撮像装置では、フォトダイオ
ード３に電荷を蓄積するにはフォトダイオード３は空乏
化された状態に保つ必要がある。このため、フォトダイ
オード３と絶縁膜６とが接するＳｉ／ＳｉＯ２　界面に
存在するトラップ準位（界面準位）が空乏化され、従っ
て当該準位を通じて熱的に発生する電子がフォトダイオ
ード３に流入するため暗電流が多いという欠点がある。 これを改善する従来例として、図５に示す構造の固体撮
像装置がある。図５に於て、図４と同記号は同一機能を
有する物質を示す。また、５５はｐ型の不純物層である
。 図５の例ではフォトダイオード３の表面部分にｐ型不純
物層５５が設けられる点が図４の例と異っている。ｐ型
不純物５５が設けられると、トランジスタのゲート部９
の近傍を除いてはフォトダイオード３と絶縁膜６とが直
接接することがなく、また、前記したＳｉ／ＳｉＯ２　
界面の空乏化が防止されるため、界面準位を通じての暗
電流が著しく低減できる効果がある。しかし、ｐ型不純
物層５５を設けることは、当該不純物層５５での光吸収
のためにフォトダイオード３の光感度、特に青感度が低
下する欠点を持つ。従って、不純物層５５は極力薄く形
成する必要がある。一方、Ｓｉ／ＳｉＯ２　界面の空乏
化を充分に防止するにはＰ型不純物層５５の表面濃度は
１０１８ｃｍ−３以上と高濃度にする必要がある。しか
し、濃度を高めると当該不純物層５５の厚さを０．２μ
ｍ以下に形成することは困難である。

【０００６】図６はかかる欠点を防止した従来例の断面
図である。図に於て、図４と同記号は同一機能を有する
物質である。また、７５は光を透過する透明電極である
。この例では図４に示した例と似ているがフォトダイオ
ード３上を含む絶縁膜６の表面に透明電極７５が形成さ
れている点が異る。透明電極７５は、通常はポリシリコ
ンからなり、数１０ｎｍの厚さで設けられ、負電圧パル
スを加えることによりＳｉ／ＳｉＯ２　界面の準位が空
乏化されるのを防止する。この図６の装置では透明電極
７５の厚さは図５に示した装置のｐ型不純物層５５の厚
さに比べ約１／５に薄く出来るため、吸収される光量は
少く、従って感度の低下量が少いという利点をもつ。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図６の例では透明電極
７５は厚さ数１０ｎｍの薄いポリシリコン膜が設けられ
るが、一方、透明電極を設けたことによりフォトダイオ
ード３上の絶縁膜６の厚さおよび透明電極７５の厚さと
に依存して光の干渉が生じ、図７の曲線Ｂに示す如く、
可視域での感度が特定波長で増加・減少を生ずる欠点が
ある。このような分光感度の変化が安定で再現性が良け
れば固体撮像装置としては大きな問題とはならない。し
かし現実には絶縁膜６や透明電極７５の膜厚バラツキを
１％以内におさえることが要求され、装置製造上極めて
困難となっている。

【０００８】また、光の減衰を低減するべく透明電極７
５をより薄膜化すると透明電極の層抵抗が高くなり、パ
ルス電圧の波形がなまってしまう。このため、透明電極
７５は通常厚さ１μｍ程度のＡｌ膜で形成される遮光膜
８と接触させたい。透明電極７５は通常はポリシリコン
膜が使用されており、このポリシリコン膜は４００℃程
度の低温でＡｌと合金化反応が生じる。この結果、Ａｌ
膜中にポリシリコンが拡散し、Ａｌ膜の結晶粒界にシリ
コンが偏析し光が局所的に透過するため、遮光膜として
の性能が劣化するという欠点を持つ。

【０００９】

【課題を解決するための手段】フォトダイオード上に形
成される透明電極としては、従来は屈折率が３．３５で
あるポリシリコン膜を用いていたが、本発明は屈折率を
２．０程度に低減するべく酸素を含ませたポリシリコン
膜を用いる。さらに、かかる膜は高抵抗体となるため低
抵抗の電極である遮光膜を当該膜に接して設ける必要が
あるが、遮光膜としては従来はＡｌが用いられるのに対
し本発明はＷ，Ｍｏ，Ｔａ等の高融点金属を用いた構成
になっている。

【００１０】

【作用】波長に対する感度の増加・現象は、図８に示す
ように、フォトダイオード上の絶縁膜６と透明電極とな
るポリシリコン膜７５との光路差で生ずる干渉に起因す
る。フォトダイオード３に入射する光が干渉を生ずる条
件は、膜の屈折率をｎ、膜厚をｄとすると、一般に次式
で示される。

【００１１】３ｄｎ＝（２ｋ−１）λ／２ここで、λは
光の波長、ｋは整数を示す。即ち、光の干渉は膜の屈折
率が高いと薄い膜厚で干渉をおこす。フォトダイオード
３上の絶縁膜６は通常ＳｉＯ２が用いられ、これは屈折
率は１．４６である。これに対し、ポリシリコン膜７５
は屈折率が３．３５と大きいため当該膜の膜厚の選択が
重要となる。一例として波長５００ｎｍの場合に第１の
干渉を生ずる時のポリシリコン膜の膜厚を計算すると４
９．８ｎｍとなり、干渉による感度の変化を低減するに
は少くとも３０ｎｍ以下のポリシリコン膜とする必要が
ある。さらに、かかる膜厚を精度良く、また再現性良く
形成する必要があり、製造に対する要求は厳しい。

【００１２】上記問題点を解決する策として本発明はポ
リシリコン膜の屈折率がＳｉＯ２　並に下げられれば光
の干渉を生ぜしめる膜厚を厚く形成でき、また、ＳｉＯ
２　膜とポリシリコン膜との界面での反射光強度も低減
できると考えた。ポリシリコン膜の屈折率を低減する手
法としては、ポリシリコンに酸素を添加することにより
可能である。図９はこの結果を示す。酸素の添加量を増
加すると屈折率は大きく現象するが、一方では膜の抵抗
が高くなり電極としての機能が失われることになる。し
かし、本発明者の実験によれば数％〜１０％の酸素添加
量により屈折率は２程度となり、干渉をおこす膜厚を８
３ｎｍにすることが可能となる。かかる条件では、例え
ば膜厚を２０〜３０ｎｍの範囲で設けても感度の変化に
対するマージンが大きいため制御が容易となる。なお、
この時の膜の層抵抗は数ＭΩ／□〜数１０ＭΩ／□であ
り、当該膜はそれ自体では電極としては使用が難しい。 しかし、固体撮像装置では抵抗の低い遮光膜８と接触さ
せて設けることができるため、５μｍ×５μｍ程度のフ
ォトダイオードの開口部分に対してはパルス電圧のなま
りは実用上ほとんど問題とはならない。

【００１３】さらに、本発明では遮光膜として従来のＡ
ｌの代りにＷ，Ｍｏ，Ｔ等の高融点金属を用いる。これ
ら高融点金属は５００℃でもポリシリコン膜と合金反応
を生じない。従って遮光特性の劣化が生じない利点を有
する。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例を説明するための断
面構造図である。図に於て図６と同記号は同一機能を有
する物質であり、７６は透明導電体膜である。当該実施
例では、図６の透明電極７５が酸素を含むポリシリコン
膜からなる透明電極７６に、また遮光膜８としてはＷ等
の高融点金属膜８６が使用される。酸素を含むポリシリ
コン膜７６は３０〜５０ｎｍが設けられる。この膜の形
成方法としては、例えば気相成長法によりＳｉＨ４　等
のＳｉを含むガスとＮ２　ＯやＣＯ２　等の酸素を含む
ガスとの混合ガスで膜を堆積する。ポリシリコン膜７６
の屈折率を低減せしめる上からは酸素の添加量を多くす
る必要がある。一方、酸素の添加量が多すぎると絶縁体
となるため制約がある。固体撮像装置を駆動する周波数
を３３ｋＨｚとすると、当該膜７６を低抵抗電極である
Ｗ等の遮光膜８６と接触させた場合には当該膜の抵抗値
としては層抵抗が数１０ＭΩ／□を越えない程度の値で
あれば支障はない。この時のポリシリコン膜中の酸素の
含有量は数％〜１０％である。この時、膜の屈折率は２
程度となるため、前記したように当該膜および絶縁膜６
による光の干渉の問題を低減することができる。図１に
示す構造は、透明導電体膜となる酸素を含むポリシリ膜
７６とＷ等の金属からなる遮光膜８６とを順次形成した
のちにフォトエッチング技術を用いてＷ膜のみを選択的
に除去することで形成できる。

【００１５】当該固体撮像装置は、フォトダイオード３
と絶縁膜６との界面に存在する界面準位が空乏化される
のを防ぐ上からは透明導電体膜７６に負の電圧を加える
必要がある。この電圧の加え方としては、（１）常時負
電圧を加える場合、（２）フォトダイオードに電荷を蓄
積する期間には空乏化を防ぐに充分な第１レベルの波高
値を有する負電圧を印加し、電荷をフォトダイオード３
からＣＣＤチャネル４に移す期間には第１レベルの波高
値よりも高い第２レベルの負電圧パルスを印加する場合
などが考えられる。後者の場合には、フォトダイオード
３からＣＣＤチャネル４に電荷を移すために電極７に印
加するパルスの波高値を低くできる利点がある。

【００１６】さらに、透明導電体膜７６を設けたことに
よる利点としては、シャッター動作のために印加するパ
ルスの波高値を低く出来る事にある。即ち、フォトダイ
オード３に蓄積される電荷を所望の時間だけｎ型半導体
基板１にはき出すために、ｐ型ウェル２１とｎ型半導体
基板１との間に２５〜４０Ｖの逆バイアスパルスを印加
する。当該パルスを印加するタイミングで透明導電体膜
７６に加える負バイアスをさらに深くすれば、前記パル
スの波高値を低減することが出来る。原理的には透明導
電体膜７６に加えるパルスの増加分だけシャッター動作
のためのパルスを低下させることが可能である。

【００１７】図２は本発明の他の実施例を説明するため
の断面構造図である。図に於て、図１と同記号は同一機
能を有する物質である。本実施例は、図５の構造に透明
電極を設けた構造になっており、酸素を含むポリシリコ
ン膜からなる透明導電体膜７６と、遮光膜としてＷ等の
高融点金属８６が使用される。本実施例では、Ｐ型不純
物５５の濃度を１０１７〜１０１８ｃｍ−３程度とひか
えることで当該不純物層の厚さを０．１μｍ程度におさ
える。 不純物層５５の濃度が低いことによりＳｉ／ＳｉＯ２　
界面準位の空乏化を完全には防止できない状態となるが
、透明導電体膜７６に負電圧を加えてこれを補う。当然
のことながら透明導電体膜７６に印加する電圧は実施例
１の場合に比べて低くできるため、回路構成上および消
費電力の低減の上で利点となる。

【００１８】図３は本発明の他の実施例を説明するため
の断面構造図である。当該実施例では、透明導電体膜７
６と高融点金属膜８６の部分の構造が図２と異っており
、製造工程的には高融点貴金属膜８６のパターンを形成
したのちに透明導電体膜７６を形成する。この場合、透
明導電体膜７６の形成をＣＶＤ法で形成する場合には成
膜温度が５５０℃を越えると、下層に設けられたＷ等の
高融点金属膜８６のパターン表面がシリサイド反応を生
ずるため、成膜温度は５００℃以下で行う必要がある。 なお、透明導電体膜７６を形成する手法としては、酸素
やドーピングガスを微量含ませた雰囲気での反応性スパ
ッタ蒸着法などを採用するのも一法であり、この場合に
は高々３００℃の温度で形成できる利点がある。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明はフォトダイ
オード上に絶縁膜を介して形成する透明導電体を、従来
のポリシリコン膜に代える酸素を含むポリシリコン膜に
することにより、特定波長で生ずる感度特性の増加−減
少を低減することができる。また、当該膜の膜厚変化に
対する感度特性・変化のマージンが拡大するため、感度
特性の精度や再現性が向上し、装置製造上容易となる利
点がある。

【００２０】ポリシリコン膜が高低抗体となる欠点を補
うべく当該膜に金属材料からなる遮光膜を接触せしめる
必要があるが、遮光膜として従来用いられたＡｌの代り
にＷ等の高融点金属を用いることで透明電極と遮光膜の
反応を防止できる効果を持つ。さらに、本発明を適用し
た固体撮像装置は、駆動パルス電圧を低下させることが
出来るため、回路構成が容易となる上に消費電力が低減
するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図３】本発明の更に他の実施例を示す断面図。

【図４】従来例の断面図。

【図５】従来例の断面図。

【図６】従来例の断面図。

【図７】分光感度のデータを示す図。

【図８】入射した光の干渉の様子を説明する図。

【図９】ポリシリコン膜の酸素含有量と屈折率の変化の
データを示す図。

【符号の説明】

１　　　　Ｎ型半導体基板 ２１　　　　第１Ｐウェル ２２　　　　第２Ｐウェル ３　　　　フォトダイオード ４　　　　ＣＣＤチャネル ５　　　　Ｐ＋　領域 ５５　　　　Ｐ型不純物層 ６　　　　絶縁膜 ７　　　　転送電極 ７５　　　　透明電極 ７６　　　　透明導電体膜 ８　　　　遮光膜 ９　　　　トランジスタのゲート部 １０　　　　光路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　フォトダイオードとＣＣＤチャネルと
   が２次元的に配列されてなる固体撮像装置に於て、フォ
   トダイオード上に絶縁膜を介して設けられる電極が酸素
   を含むポリシリコン膜からなり、フォトダイオード以外
   の領域に入る光を遮断するべく設けられる遮光膜がＷ，
   Ｍａ，Ｔａ等の高融点貴金属膜からなり、かつ両膜が電
   気的に接触されていることを特徴とする固体撮像装置。