JPH053313A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電荷転送路の近傍にて発生するスミア電流の
減少を図る。また、感度の向上を図る。さらに、加工さ
れた表面の平坦化を図る。 【構成】 Ｐ−Ｎ接合部に電荷を蓄える受光素子と、こ
の受光素子に蓄えられた電荷を転送する電荷転送路と、
透明絶縁膜を介し前記受光素子を露呈させて形成された
遮光膜とを備える固体撮像素子において、前記受光素子
の形成領域は前記遮光膜側に近接するように前記電荷転
送路形成領域との間に段差を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体撮像素子は、半導体基板の
表面に複数のフォトダイオードが形成され、光照射によ
って得られる電荷を該フォトダイオード（複数の）の近
傍に形成されたＣＣＤ素子によって順次転送され、この
転送された電荷を電圧に変換して順次出力として取り出
すような構成になっている。

【０００３】図５は、従来の固体撮像素子の一例を示す
断面図である。

【０００４】同図において、Ｎ型半導体基板５１があ
り、このＮ型半導体基板５１の表面には濃度の低いＰ型
半導体層からなるＰ型ウェル層５２が形成されている。
そして、このＰ型ウェル層５２の表面には、Ｎ型拡散層
５３が形成され、前記Ｐ型ウェル層５２とともにフォト
ダイオードを構成している。

【０００５】また、このフォトダイオードを構成するＮ
型拡散層５３の表面には、濃度の高いＰ型拡散層５４が
形成されている。このＰ型拡散層５４は、いわゆる暗電
流を防止するための拡散層となっている。

【０００６】さらに、フォトダイオードを構成するＮ型
拡散層５３に近接して、垂直シフトレジスタ２の電荷転
送路であるＮ型拡散層５５が形成されている。なお、こ
のＮ型拡散層５５は、Ｐ型ウェル層５２に形成された濃
度の高いＰ型拡散層５６の表面に形成されたものとなっ
ている。

【０００７】そして、このように種々の拡散層が形成さ
れた主表面には、透明絶縁膜である半導体酸化膜５７を
介して、一層目の転送電極５８Ｂが形成されている。こ
の一層目の転送電極５８Ｂは、その一部がＮ型拡散層５
３（フォトダイオードを構成する）の一部に重畳するよ
うに延在されたものとなっており、フォトダイオードに
て発生した電荷を垂直シフトレジスタの電荷転送路（Ｎ
型拡散層５５）に読みだすようになっている。

【０００８】すなわち、前記一層目の転送電極５８Ｂに
電圧が印加された場合、その直下におけるＰ型拡散層５
６の表面にＮ型反転層が形成され、このＮ型反転層がフ
ォトダイオードを構成するＮ型拡散層５５と垂直シフト
レジスタ２の電荷転送路（Ｎ型拡散層５５）とを導通状
態とするようになっている。

【０００９】そして、前記一層目の転送電極５８Ｂと一
部重複して二層目の転送電極５８Ａが形成されている。
この二層目の転送電極５８Ａはフォトダイオードから読
みだした電荷を垂直レジスタ２の方向へ転送するための
電極となっている。

【００１０】さらに、転送電極５８およびフォトダイオ
ードの領域を覆って透明絶縁である半導体酸化膜５７が
形成され、この半導体酸化膜５７の上面には、前記フォ
トダイオードの形成領域を除いて（したがって開口が形
成されて）たとえばアルミニュウムからなる遮光膜５９
が形成されている。

【００１１】このような構成からなる固体撮像素子は、
たとえば「映像情報ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ．５月号．１
９８６．産業開発機構ＫＫ発行」等において知られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された固体撮像素子によれば、受光素子を露呈
させる遮光膜の開口部からの光のうち特に斜めから照射
される光（図５中、矢印で示す）は、前記受光素子の形
成領域を通過して電荷転送路の近傍へ至るようになる
が、この際、この光によって電荷転送路の近傍にスミア
電流が多量に発生するという問題点が残されていた。

【００１３】それ故、本発明はこのような事情に基づい
てなされたものであり、その目的とするとことろのもの
は、電荷転送路の近傍にて発生するスミア電流の減少を
図った固体撮像素子を提供することにある。

【００１４】また、本発明の他の目的は、感度の向上を
図った固体撮像素子を提供することにある。

【００１５】さらに、本発明の他の目的は、加工された
表面の平坦化を図った固体撮像素子を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基本的には、Ｐ−Ｎ接合部に電荷
を蓄える受光素子と、この受光素子に蓄えられた電荷を
転送する電荷転送路と、透明絶縁膜を介し前記受光素子
を露呈させて形成された遮光膜とを備える固体撮像素子
において、前記受光素子の形成領域は前記遮光膜側に近
接するように前記電荷転送路形成領域との間に段差を設
けてなることを特徴とするものである。

【００１７】

【作用】このように構成した固体撮像素子は、遮光膜側
からは受光素子が近接し、また電荷転送路が遠退く構成
となる。

【００１８】このため、受光素子を露呈させる遮光膜の
開口部からの光のうち特に斜めから照射される光は、前
記受光素子の形成領域を通過して電荷転送路の近傍へ至
る道程が従来より長くなる。

【００１９】光減衰は、半導体基板内を通過する場合、
大幅に大きくなることから、上述のように受光素子の形
成領域を通過して電荷転送路の近傍へ至る道程が長くな
ることは、該電荷転送路の近傍においてスミア電流の発
生を大幅に減少させることになる。

【００２０】そして、このようにスミア電流の発生を大
幅に減少させることができることから、受光素子を露呈
させる遮光膜の開口部を大きくすることが可能となり、
感度を向上させることができるようになる。

【００２１】また、電荷転送路の上面には電荷転送のた
めの転送電極等を多層に配置しなければならないが、こ
の領域は受光素子に対して凹陥部として形成されている
ことから、最上面は凹凸の少ない平坦面として構成する
ことができる。

【００２２】

【実施例】図２は、本発明による固体撮像装置の一実施
例を示す概略構成図である。

【００２３】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード１がマトリックス状に配
列されて形成されている。

【００２４】また、列方向に配列されたフォトダイオー
ド１の群毎に該列方向に沿って形成された垂直レジスタ
２があり、これら各垂直レジスタ２はＣＣＤ素子から構
成されている。

【００２５】これら垂直レジスタ２は、それぞれ列方向
に配列された各フォトダイオード１にて発生した電荷を
読出すとともに列方向に沿って前記光像投影領域外に転
送させるものとなっている。

【００２６】なお、各フォトダイオード１から垂直レジ
スタ２への電荷読出しは、図示しない電荷読出しゲート
によりなされるようになっている。

【００２７】さらに、各垂直レジスタ２からそれぞれ転
送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ４に出力さ
れ、この水平シフトレジスタ４によって水平方向に転送
されるようになっている。この水平シフトレジスタ４
は、前記各垂直シフトレジスタ２と同様にＣＣＤ素子に
より構成されている。

【００２８】水平シフトレジスタ４からの出力は、出力
回路５に入力され、この出力回路５において例えば電圧
に変換され、外部に取り出されるようになっている。

【００２９】そして、このように各素子が形成された半
導体基板の主表面には、各フォトダイオード１が形成さ
れている領域において開口が形成されることにより、各
フォトダイオード１のみを露呈させる遮光膜（図示せ
ず）が形成されている。

【００３０】図１は、図２のI−I線における断面を示す
構成図である。

【００３１】同図において、まず、Ｎ型半導体基板１１
があり、このＮ型半導体基板１１の表面にはＰ型ウェル
層１２が形成されている。このＰ型ウェル層１２の主表
面側は、光像投影領域となっており、この光像投影領域
側の前記Ｐ型半導体基板面３１には、複数のＮ型拡散層
１３が散在的に（平面的に観た場合、マトリックス状
に）形成されている。

【００３２】これらＮ型拡散層１３は、それぞれ、Ｐ型
ウェル層１２との間にＰＮ接合面を形成し、フォトダイ
オードを構成するようになっている。

【００３３】そして、フォトダイオードを構成する前記
Ｎ型拡散層１３の表面には暗電流発生防止のために濃度
の濃いＰ型拡散層１４が形成されている。

【００３４】また、この実施例では、特に、Ｎ型拡散層
１３の間であるＣＣＤ素子形成領域には、凹陥部が形成
されたものとなっている。

【００３５】この凹陥部の底面には、ＣＣＤ素子の電荷
転送路である濃度の小さいＮ型拡散層１５が形成されて
いる。

【００３６】このＮ型拡散層１５は、また濃度の濃いＰ
型拡散層１６の表面に形成されたものとなっている。Ｐ
型拡散層１６は、電荷吐き出しのためにＮ型半導体基板
１１にパルスを印加した（いわゆる電子シャッタ）際、
Ｎ型拡散層２５内に転送されている電荷がＮ型半導体基
板１１側に移動するのを妨げる層となるものである。

【００３７】さらに、フォトダイオードを構成するＮ型
拡散層１３に対し電荷が転送される側のＮ型拡散層１５
と逆側に位置づけられるＮ型拡散層１５との間には、ア
イソレーション層となる濃度の濃いＰ型拡散層１７が形
成されている。

【００３８】このように各拡散層が形成された表面には
透明な半導体酸化膜１８が形成され、この半導体酸化膜
１８の表面には、たとえばポリシリコン層からなる転送
電極１９（ＣＣＤ素子の）が形成されている。この転送
電極１９は、一つのフォトダイオード２１に対して異な
る層に形成された他の転送電極２０とともに２相駆動電
極構造を構成するようになっている。

【００３９】このうち、転送電極１９は、フォトダイオ
ードを構成するＮ型拡散層１３の領域にまで延在され、
電荷読出電極を兼ねているようになっている。すなわ
ち、転送電極１９に電圧が印加されるとＮ型拡散層１３
とＮ型拡散層１５を接続させるＮチャンネル層が形成さ
れることになり、フォトダイオード側の電荷がＣＣＤ素
子側に読みだされるようになる。

【００４０】そして、転送電極１９、２０が形成された
半導体酸化膜１８面には、前記転送電極１９、２０をも
覆って半導体酸化膜１８Ａが形成され、この半導体酸化
膜１８Ａ面には、フォトダイオードの上方領域を除いて
たとえばアルミニュウからなる遮光膜２１が形成されて
いる。これにより、この遮光膜２１からは前記半導体酸
化膜を通してフォトダイオードが露呈されるようになっ
ている。

【００４１】さらに、遮光膜２１が形成された半導体酸
化膜１８Ａ面には、前記遮光膜２１をも覆って有機性透
明保護膜２２Ａが形成され、この有機性透明保護膜２２
Ａ面には、フォトダイオードの上方の領域に色分解用フ
ィルタ膜２３が形成されている。

【００４２】色分解用フィルタ膜２３が形成された有機
性透明保護膜２２Ａ面には、前記色分解用フィルタ膜２
３をも覆って有機性透明保護膜２２Ｂが形成され、この
有機性透明保護膜２２Ｂ面には、フォトダイオードの上
方の領域に、すなわち、前記色分解用フィルタ膜２３に
重畳させてマイクロレンズ２４が形成されている。

【００４３】このマイクロレンズ２４は有機樹脂などを
熱軟化して、図示のように曲率をもたせて形成されたも
のとなっている。

【００４４】このように構成した固体撮像素子は、遮光
膜２１側からはフォトダイオードが近接し、それに対し
電荷転送路であるＮ型拡散層１５が遠退く構成となる。

【００４５】このため、フォトダイオードを露呈させる
遮光膜２１の開口部からの光のうち特に斜めから照射さ
れる光は、前記フォトダイオードの形成領域を通過して
電荷転送路であるＮ型拡散層１５の近傍へ至る道程が従
来より長くなる。電荷転送路がフォトダイオードに対し
て下側に位置づけられているからである。

【００４６】また、斜めから照射される光は、本実施例
の場合のようにマイクロレンズ２４を形成した素子の場
合、そうでない素子と比べて多いことが判っている。

【００４７】光減衰は、前記フォトダイオードおよび電
荷転送路であるＮ型拡散層１５が形成されている半導体
基板内を通過する場合、大幅に大きくなることから、上
述のようにフォトダイオードの形成領域を通過して電荷
転送路であるＮ型拡散層１５の近傍へ至る道程が長くな
ることは、該電荷転送路の近傍においてスミア電流の発
生を大幅に減少させることになる。

【００４８】そして、このようにスミア電流の発生を大
幅に減少させることができることから、特に斜めからの
光の影響を無視でき、フォトダイオードを露呈させる遮
光膜２１の開口部を大きくすることが可能となる。この
ため、フォトダイオード側への光量を従来よりも多量に
取り入れることができ、感度を向上させることができる
ようになる。

【００４９】また、電荷転送路であるＮ型拡散層１５の
上面には電荷転送のための転送電極等を多層に配置しな
ければならないが、この領域はフォトダイオードに対し
て凹陥部として形成されていることから、最上層面は凹
凸の少ない平坦面として構成することができる。

【００５０】したがって、たとえば、色分解用フィルタ
２３、マイクロレンズ２４等の形成が極めてやりやすく
なる。そして、特に、遮光膜２１を形成する場合におい
て、その開口部の端辺を各フォトダイオード毎に寸法の
ばらつきがなく形成することができるようになる。この
ことは、各フォトダイオード毎の感度ばらつきをなくす
効果を奏することができる。

【００５１】次に、上述した固体撮像素子の製造方法の
一実施例を図３（ａ）ないし図３（ｇ）を用いて説明す
る。

【００５２】工程１ （ａ）に示すように、Ｎ型半導体基板１１の表面にたと
えばイオン打ち込み方法を用いてＰ型ウェル層１２を形
成する。このＰ型ウェル層１２の表面は適当な処理が施
されて表面ダメージがないものとなっている。

【００５３】工程２ （ｂ）に示すように、Ｐ型ウェル層１２の表面におい
て、電荷転送路を含むＣＣＤ素子の形成領域を選択エッ
チングし、凹陥部３０を形成する。

【００５４】工程３ （ｃ）に示すように、前記凹陥部３０の表面に不純物を
拡散し、電荷転送路となるＮ型拡散層１５を形成し、そ
の後、Ｐ型拡散層１６を形成する。

【００５５】そしてアイソレーション層であるＰ型拡散
層１７を形成する。

【００５６】さらに、フォトダイオード形成領域にＰ型
拡散層１４、さらにＮ型拡散層１３を形成する。

【００５７】このようにして各拡散層を形成することに
より表面には酸化膜が形成されるが、この酸化膜を除去
し、新たに酸化膜１８を熱処理によって形成する。

【００５８】工程４ （ｄ）に示すように、ＣＣＤ素子形成領域に転送電極１
９、２０をポリシリコンで形成する。この転送電極１
９、２０は二層構造となっており、半導体酸化膜１８Ａ
を介して形成する。そして、上層の転送電極１９の上面
に該転送電極１９を含んでさらに半導体酸化膜１８Ａを
形成する。

【００５９】工程５ （ｅ）に示すように、フォトダイオード形成領域を露呈
させるようにしてアルミニゥムからなる遮光膜２１を前
記半導体酸化膜１８Ａ面に形成する。この場合、遮光膜
２１のフォトダイオード形成領域を露呈させる開口部３
１は従来と比較して大きく形成することができる。

【００６０】工程６ （ｆ）に示すように、遮光膜２１を形成した半導体酸化
膜１８Ａ面に、該遮光膜２１を含んで有機性透明保護膜
２２Ａを形成する。さらに、この有機性透明保護膜２２
Ａの上面に色分解用フィルタ２３を形成する。

【００６１】工程７ （ｇ）に示すように、前記有機性透明保護膜２２Ａの上
面に前記色分解用フィルタ２３を含んで有機性透明保護
膜２２Ｂを形成する。そして、この有機性透明保護膜２
２Ｂの上面に樹脂層を形成し、この樹脂層を溶融するこ
とにより、マイクロレンズを形成する。

【００６２】このような工程で製造された固体撮像素子
は、工程２で示すように、フォトダイオードの形成領域
をエッチングせず、電荷転送路の形成領域をエッチング
して凹陥部３０を形成していることから、特性上極めて
良好なものとなる。すなわち、フォトダイオードは、エ
ッチングによる表面ダメージの存在により、蓄積された
電荷が放出されてしまうからである。一方、電荷転送路
においては、電荷が常時転送されている状態であること
から、表面ダメージによる影響は大きなものとならな
い。

【００６３】上述した実施例では、各フォトダイオード
の上面にマイクロレンズ２４を形成した固体撮像素子に
ついて説明したものである。しかし、これに限定される
ことはなく、マイクロレンズが形成されていないものに
おいても適用できることはいうまでもない。図４は、マ
イクロレンズの形成されていない固体撮像素子を示す断
面図である。図４における各符号は、上述した図５と対
応させている。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明による固体撮像素子によれば、電荷転送路の近傍
にて発生するスミア電流の減少を図ることができる。

【００６５】また、感度の向上を図ることができる。

【００６６】さらに、加工された表面の平坦化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の一実施例を示す構
成図で、図２のＩ−Ｉ線における断面図である。

【図２】本発明による固体撮像素子の一実施例を示す概
略平面図である。

【図３（ａ）ないし図３（ｇ）】本発明による固体撮像
素子の製造方法の一実施例を示す断面工程図である。

【図４】本発明による固体撮像素子の他の実施例を示す
断面図である。

【図５】従来の固体撮像素子の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１２…Ｐ型ウェル層、１３…Ｎ型拡散層（フォトダイオ
ードを構成する）、１５…Ｎ型拡散層（電荷転送路）、
２１…遮光膜、２３…色分解用フィルタ、２４…マイク
ロレンズ、３０…凹陥部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｐ−Ｎ接合部に電荷を蓄える受光素子
   と、この受光素子に蓄えられた電荷を転送する電荷転送
   路と、透明絶縁膜を介し前記受光素子を露呈させて形成
   された遮光膜とを備える固体撮像素子において、前記受
   光素子の形成領域は前記遮光膜側に近接するように前記
   電荷転送路形成領域との間に段差を設けてなることを特
   徴とする固体撮像素子。