JPH07240512A - 固体撮像素子及びその膜厚の最適化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多層構造を有する転送電極の受光感度を向上
する。 【構成】 シリコン基板１１上に、１層目の転送電極１
５が一定の間隔をおいて互いに並行に配置され、この転
送電極１５の間隙を覆うようにして２層目の転送電極１
６が配置される。それぞれの転送電極１５、１６の膜厚
は、約５０ｎｍから約１００ｎｍまでの間に形成され、
それぞれの転送電極１５、１６の下のシリコン酸化膜１
４の膜厚は、約１２０ｎｍから約１８０ｎｍの間に形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像領域が転送電極で
覆われた固体撮像素子及びその膜厚の最適化方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】フレームトランスファ型のＣＣＤ固体撮
像素子において、被写体からの光を受ける撮像部は、照
射された光に応答して発生する情報電荷を蓄積すると同
時に、所定の期間に蓄積された情報電荷を蓄積部へ転送
出力する構成となっている。このため、光の受光領域で
あっても情報電荷を転送出力するための転送電極が設け
られている。この転送電極については、その側辺部が隣
どうしオーバーラップされており、転送経路のポテンシ
ャル作用の連続性が確保されて電荷の転送効率の低下防
止が図られている。

【０００３】図８は、フレームトランスファ型のＣＣＤ
固体撮像素子の撮像部を示す平面図で、図９は、そのＸ
−Ｘ線断面図である。この図面では、過剰な電荷を基板
側に吸収させる縦型オーバーフロードレイン構造のもの
を示している。Ｎ型のシリコン基板１の一面には、素子
領域となるＰ型の拡散層２が形成され、この拡散層２内
に高濃度のＰ型領域や厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）等から
なる複数の分離領域３が互いに平行に形成される。これ
らの分離領域３に挟まれたチャネル領域４には、表面部
分にＮ型の不純物が拡散されて埋め込みチャネル層５が
設けられている。そして、酸化シリコン膜６を介して１
層目の転送電極７がチャネル領域４と交差するようにし
て互いに平行に配列され、さらに２層目の転送電極８が
１層目の転送電極７の間隙を覆うようにして配列され
る。これらの転送電極７、８には、蓄積期間中にそれぞ
れ固定電位が与えられ、これにより、４本の転送電極
７、８を１単位とした受光画素が分離領域３の間に設定
される。そして、所定の受光期間を経過した後には、各
転送電極７、８に、４相のクロックパルスが印加され、
各受光画素に蓄積された情報電荷がチャネル領域４に沿
って蓄積部側に転送される。なお、チャネル領域４に過
剰な情報電荷が発生した場合には、その過剰電荷がシリ
コン基板１と拡散層２との間のポテンシャル障壁を越え
てシリコン基板１側に吸収される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなＣＣＤ固
体撮像素子の受光部については、チャネル領域４に入射
する光の光電効果によって情報電荷を得ているため、チ
ャネル領域４上の転送電極７、８に開口部を設けること
や、転送電極７、８の膜厚を薄くすること等、チャネル
領域４への光の入射効率を高くする対策が講じられてい
る。特に、解像度の向上に対応するために各部の微細化
が図られると、１つの受光画素の面積が小さくなり、入
射効率の向上による受光感度の改善が課題となる。

【０００５】各部が微細化された固体撮像素子では、転
送電極７、８やチャネル領域４の幅を考慮すると、通常
は、転送電極７、８に開口部を設けることは実質的に困
難であることから、転送電極７、８の膜厚を薄くして光
の入射効率を向上するようにしている。しかし、転送電
極７、８の膜厚については、光の干渉による透過率の低
下が問題となるため、単に薄くするのみでは光の入射効
率を向上することはできない。

【０００６】そこで本発明は、転送電極及びこの転送電
極の下の酸化膜の膜厚を最適化することにより、光の入
射効率、即ち受光感度を向上することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、第１の特徴とするとこ
ろは、半導体基板に入射される光に応答して発生する情
報電荷を、半導体基板上に配置された複数の転送電極の
作用により基板の表面領域に形成されるポテンシャル井
戸に蓄積する固体撮像素子において、情報電荷の移動を
阻止する複数の分離領域が互いに平行に配列された半導
体基板と、この半導体基板の表面を被う絶縁膜と、この
絶縁膜上で上記分離領域と交差する方向に延在し、互い
に一定の間隔を空けて平行に配列される複数の第１の転
送電極と、これらの第１の転送電極の各間隙を覆うよう
にして配置される複数の第２の転送電極と、を備え、上
記半導体基板上の絶縁膜の膜厚が約１２０ｎｍ乃至約１
８０ｎｍの範囲に形成されると共に、上記第１及び第２
の転送電極の膜厚が約５０ｎｍ乃至約１００ｎｍの範囲
に形成されることにある。

【０００８】そして、第２の特徴とするところは、半導
体基板の表面領域に情報電荷の移動を阻止する複数の分
離領域が互いに平行に配列され、上記半導体基板上に上
記分離領域と交差する方向に延在する複数の転送電極が
絶縁膜を介して平行に配列される固体撮像素子におい
て、固体撮像素子の分光感度が所望の波長で極大値を示
すように上記転送電極の膜厚を設定し、その転送電極の
膜厚で固体撮像素子の分光感度が所望の特性を示すよう
に上記絶縁膜の膜厚を設定することによって固体撮像素
子の膜厚を最適化することにある。

【０００９】

【作用】本発明の第１の特徴によれば、転送電極の下の
絶縁膜を１２０ｎｍから１８０ｎｍの間に設定し、各転
送電極の膜厚を５０ｎｍから１００ｎｍの間に設定する
ことで、撮像素子の分光感度の極大値が可視光領域に位
置するようになる。従って、可視光領域の波長を有する
光が最も効率よく転送電極を透過して転送電極の下に位
置するチャネル領域に到達し、可視光領域の光に対する
受光感度が向上される。

【００１０】本発明の第２の特徴によれば、分光感度の
極大値を示す波長を転送電極の膜厚によって設定し、分
光感度の特定範囲の特性を転送電極の下の絶縁膜の膜厚
制御により設定することで、所望の分光感度特性を容易
に得ることができる。従って、短波長の光の感度がよ
く、バランスのよい分光感度特性を有する固体撮像素子
を実現できる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の固体撮像素子の撮像部を示
す断面図で、図２は、その転送電極部分を拡大した図で
ある。Ｎ型のシリコン基板１１の一面には、Ｐ型の不純
物が拡散された拡散層１２が形成され、この拡散層１２
内に高濃度のＰ型領域または厚い酸化膜よりなる複数の
分離領域（図示せず）が互いに平行に配置される。分離
領域に挟まれるチャネル領域には、表面領域にＮ型の不
純物が拡散された埋め込みチャネル層１３が形成され
る。シリコン基板１１上には、熱酸化による酸化シリコ
ン膜１４ａを介して多結晶シリコンを材料とする複数の
転送電極１５が、チャネル領域と交差し、互いに一定の
間隔をおいて配置される。ここで、酸化シリコン膜１４
ａの膜厚は約１６０ｎｍ、転送電極１５の膜厚は約７５
ｎｍに形成される。

【００１２】１層目の転送電極１５上には、熱酸化によ
る酸化シリコン膜１４ｂ、１４ｃ及び気相成長による酸
化シリコン膜１４ｄからなる２層構造の絶縁膜を介し、
１層目の転送電極１５の間隙部分を覆うようにして２層
目の転送電極１６が配置される。熱酸化によって転送電
極１５の間隙部分に形成される酸化シリコン膜１４ｂは
約１０ｎｍ、気相成長による酸化シリコン膜１４ｄは約
１５０ｎｍの膜厚に形成され、転送電極１６は約７５ｎ
ｍの膜厚に形成される。これにより、２層目の転送電極
１６の下に形成される酸化シリコン膜１４ｂ、１４ｄの
膜厚が、１層目の転送電極１５の下に形成される酸化シ
リコン膜１４ａの膜厚と等しくなる。そして、転送電極
１６上には絶縁膜としてＰＳＧ膜１７が形成され、各転
送電極１５、１６に電力を供給するアルミニウム等の配
線が撮像部の周辺領域でＰＳＧ膜１７上に配置される。

【００１３】以上の構造の固体撮像素子においては、可
視光領域内（波長５５０ｎｍ前後）に分光感度の極大値
を有していると共に、可視光領域の短波長側、即ち、青
色部分（波長５００ｎｍ前後）における受光感度が良好
である。ここで示した各膜厚の値は、各種の条件を設定
したシミュレーション結果及び実際に製造された固体撮
像素子を用いた測定結果に基づいて決定される。次に、
各膜厚値の最適化方法について説明する。

【００１４】まず、転送電極の下の酸化膜厚を一定値
（１５０ｎｍ）としたとき、転送電極の膜厚をａ：４０
ｎｍ、ｂ：６０ｎｍ、ｃ：８０ｎｍ及びｄ：１００ｎｍ
とすると、それぞれの場合での固体撮像素子の分光感度
特性は、シミュレーションによれば図３に示すようにな
る。この図において、横軸は入射する光の波長、縦軸は
入射する光の相対的な感度をそれぞれ表している。各分
光感度特性は、ａを除いて、入射光の波長が４００ｎｍ
程度で立ち上がり、８００ｎｍ程度で収束している。そ
して、分光感度のピーク位置は、転送電極の膜厚が厚く
なるに従って長波長側へずれる傾向にあることが確認で
きる。ここで、可視光領域（波長が約４００ｎｍ〜約８
００ｎｍの範囲）での分光感度の様子をみると、可視光
領域の中間から短波長側にかけてピークを有するｂ及び
ｃが理想に近い特性であることが分かる。このように、
絶対感度のピークが可視光領域の中間から相対的に感度
不足となりやすい短波長側にあれば、短波長側と長波長
側とでバランスのとれた分光感度特性となる。

【００１５】一方、転送電極の膜厚と感度との関係は、
実測値及びシミュレーションの結果より、図４に示すよ
うになる。この図において、横軸は転送電極の膜厚、縦
軸は相対的な感度を表している。尚、この感度について
は、転送電極の膜厚のそれぞれの値に対して計算される
分光感度を全波長領域で積分して得られた値に基づくも
のである。

【００１６】シミュレーション結果によると、転送電極
の膜厚が７５ｎｍ付近で感度がピークとなり、この値以
上に転送電極が薄くなっても光の透過率が良くならない
ことが分かる。また、膜厚が１６０ｎｍ付近でも再びピ
ークが現れるが、膜厚が７５ｎｍ付近に現れるピークよ
りは値が小さくなっている。そこで、実際に製造された
固体撮像素子を用いて測定した実測値をシミュレーショ
ン結果に重ね合わせると、シミュレーション結果と略一
致することが確認でき、このシミュレーション結果が実
際の感度特性を表しているものと判断できる。これらの
結果から、転送電極の膜厚は、５０ｎｍから１００ｎｍ
の範囲、好ましくは感度がピークとなる膜厚７５ｎｍに
対して±１０％程度の範囲であれば、ピーク時の９０％
以上の感度を確保できるため、最適となる。この最適値
は、図３に示すシミュレーション結果から得られる転送
電極の膜厚の最適値とも略一致している。図１に示す固
体撮像素子においては、感度がピークとなるときの条件
を採用し、転送電極１５、１６の膜厚を７５ｎｍに設定
している。

【００１７】以上のようにして分光感度が所望の波長で
ピークとなるように転送電極の膜厚を決定した後には、
転送電極の下の酸化膜の膜厚を最適化する。まず、転送
電極を一定値（７５ｎｍ）としたとき、転送電極の下の
酸化膜の膜厚をａ：１００ｎｍ、ｂ：１４０ｎｍ、ｃ：
１６０ｎｍ及びｄ：１８０ｎｍとすると、それぞれの場
合での固体撮像素子の分光感度特性は、シミュレーショ
ンによれば図５に示すようになる。この図において、横
軸は入射する光の波長、縦軸は入射する光の相対的な感
度をそれぞれ表している。各分光感度特性は、入射光の
波長が６００ｎｍ以上では何れの場合も同じ傾向を示し
ているが、波長が４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲では酸
化膜厚によって大きく異なった傾向を示している。一般
に、波長が５００ｎｍ前後の光、即ち、青色付近の光に
ついては、シリコンを基板とする固体撮像素子において
感度不足となりやすく、この青色感度の確保が膜厚の設
定において重要になる。従って、波長が５００ｎｍの入
射光に対する感度が良好なｂ、ｃが理想に近い特性であ
ることが分かる。図１に示す固体撮像素子においては、
４００ｎｍに近い波長の光に対しても良好な感度を示す
ｃの場合の条件を採用し、転送電極１５、１６の下の酸
化膜１４の膜厚を１６０ｎｍに設定している。

【００１８】一方、転送電極下の酸化膜の膜厚と感度と
の関係は、シミュレーション結果によると、図４に示す
とおりである。この図において、横軸は標準値を１５０
ｎｍとした転送電極の膜厚の相対値で、縦軸は全波長領
域に対する感度の相対値を表している。この感度につい
ては、分光感度を全波長領域で積分して得られた値に基
づくものであることから、感度がピークとなる膜厚に近
い値が最適値であるとは判断できないが、相対値が１．
０〜１．６の範囲では標準値以上の感度が確保されてい
ることが分かる。これらの結果から、転送電極の膜厚が
７５ｎｍのとき、酸化膜の膜厚は、１２０ｎｍ〜１８０
ｎｍの範囲、好ましくは、１６０ｎｍに対して±１０％
程度の範囲が最適となる。尚、この酸化膜の膜厚は、転
送電極の膜厚が７５ｎｍのときの最適値であり、転送電
極の膜厚が変われば変化することになる。

【００１９】以下で、転送電極及び酸化膜を所望の膜厚
に形成するための製造方法について説明する。図７は、
固体撮像素子の製造方法を示す工程別の断面図で、図１
と同一部分を示している。 （１）第１工程 始めに、Ｎ型のシリコン基板１１の一面にボロンイオン
等のＰ型の不純物を注入して拡散層１２を形成し、この
拡散層１１内に分離領域として高濃度のＰ型領域（図示
せず）を複数本平行に形成する。これらの分離領域に挟
まれたチャネル領域には、リンイオン等のＮ型の不純物
を注入して埋め込みチャネル層１３を形成する。以上の
注入工程は、周知のフォトリソグラフィ技術によって得
られる所望の形状のレジストマスクを用いて行われる。
そして、分離領域及びチャネル領域が形成されたシリコ
ン基板１１上に、ゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜２
１を、熱酸化によって膜厚１６０ｎｍに形成する。さら
に、ＣＶＤ法により、転送電極となる多結晶シリコン膜
２２を膜厚７５ｎｍ、層間絶縁膜となる酸化シリコン膜
２２を膜厚１６０ｎｍ以上に形成する。ここで重要とな
るのは、酸化シリコン膜２１及び多結晶シリコン膜２２
の膜厚であり、それぞれ処理温度、処理時間等の制御に
よって正確な値に形成する。 （２）第２工程 次に、所定の形状にパターニングされたレジストマスク
２４を酸化シリコン膜２３上に形成し、このレジストマ
スク２４に従って酸化シリコン膜２３及び多結晶シリコ
ン膜２２をエッチングして１層目の転送電極１５を形成
する。この転送電極１５は、拡散層１１に設けられるチ
ャネル領域と交差する方向に延在し、且つそれぞれが一
定の距離を隔てて互いに平行となるように形成される。
さらに、レジストマスク２４を除去した後にＲＩＥ法に
て酸化シリコン膜２１をエッチングし、シリコン基板１
１の表面を露出させる。このエッチングの際には、転送
電極１５上に残された酸化シリコン膜２３が転送電極１
５の保護膜となる。このように、レジストマスク２４を
除去した後に酸化シリコン膜２１を除去してシリコン基
板１１の表面を露出させるようにすれば、レジストマス
ク２４の除去によって発生する不純物がシリコン基板１
１の表面に付着するの防止できる。 （３）第３工程 転送電極１５の側面と転送電極１５の間隙部分に露出す
るシリコン基板１１の表面とを薄く熱酸化し、ゲート絶
縁膜の一部となる酸化シリコン膜１４ｃを膜厚１０ｎｍ
に形成する。ここでの熱酸化工程については、転送電極
１５の膜厚の変化を最小限とすると共に、転送電極１５
の下の酸化シリコン膜１４ａの端部の酸化が進んで膜厚
が不均一となるのを防止するため、短時間で完了するこ
とが好ましい。そして、ＣＶＤ法による別の酸化シリコ
ン膜１４ｄを酸化シリコン膜１４ｃを覆うようにして膜
厚１５０ｎｍに形成する。この酸化シリコン膜１６の形
成は、ＴＥＯＳ(Tetraethyl Orthosilicate)を用いた減
圧ＣＶＤ法が好適である。ＴＥＯＳは、室温でアルコー
ル状の液体で、加熱により分解され、反応式 Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₄ → ＳｉＯ₂＋４Ｃ₂Ｈ₄＋２Ｈ₂Ｏ に従って酸化シリコンを成長させるもので、このＴＥＯ
Ｓを利用して成長される酸化シリコン膜は、段差被覆性
が良く層間絶縁膜に適している。 （４）第４工程 酸化シリコン膜１４ｄを形成した後、酸化シリコン膜１
４ｄ上に転送電極となる多結晶シリコン膜２５をＣＶＤ
法により膜厚７５ｎｍに形成する。そして、この多結晶
シリコン膜２５の転送電極１５と重なる部分を周知のエ
ッチング工程により除去し、転送電極１５の間隙部分を
覆う２層目の転送電極１６を形成する。この転送電極１
６は、１層目の転送電極１４と同様に、チャネル領域と
交差する方向に延在し、側辺部が隣り合う転送電極１４
と重なり合うように配置される。この転送電極１６とシ
リコン基板１１との間には、膜厚１０ｎｍの酸化シリコ
ン膜１４ｃと膜厚１５０ｎｍの酸化シリコン膜１４ｄと
が介在しており、シリコン基板１１との間の距離は、１
層目の転送電極１５と同じ１６０ｎｍとなる。

【００２０】さらに、これらの転送電極１６上には、絶
縁膜を介してアルミニウム等の配線が各転送電極１５、
１６の端部に接続されるようにして形成され、情報電荷
の蓄積時及び転送時には、その配線から転送電極１５、
１６に所定の電位が供給される。以上の製造工程による
と、各転送電極１５、１６が形成された後に熱酸化の工
程が少ないことから、始めに形成した多結晶シリコン膜
２２、２５の膜厚をそのまま転送電極１５、１６の膜厚
とすることがで、転送電極１５、１６の膜厚の制御が容
易になる。また、２層目の転送電極１６の下でシリコン
基板１１と接している酸化シリコン膜１４ｃは、１層目
の転送電極１５の下でシリコン基板１１と接している酸
化シリコン膜１４ａと同じ方法（熱酸化法）によって形
成されたものであるため、それぞれの領域でシリコン／
酸化シリコン界面の界面準位が等しくなる。このため、
各転送電極１５、１６の特性が均一になり、転送効率の
劣化が抑圧される。

【００２１】なお、以上の実施例においては、Ｎ型のシ
リコン基板１１にＰ型の拡散層１２を形成した縦型オー
バーフロードレイン構造を例示したが、Ｐ型のシリコン
基板を用い、分離領域内にオーバーフロードレインを設
けた横型オーバーフロードレン構造でも同様に実施可能
である。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、転送電極及びその下の
酸化膜における干渉の影響がなくなり、各転送電極を効
率よく光が透過してチャネル領域に入射することになる
ため、受光画素のサイズが小さくなった場合でも十分な
受光感度を得ることができる。また、短波長の光に対し
ても十分な感度を確保できることから、最適な分光感度
特性を得ることができ、カラー固体撮像素子に適してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の撮像部の断面図であ
る。

【図２】本発明の固体撮像素子の転送電極部分の拡大図
である。

【図３】固体撮像素子の分光感度のシミュレーション結
果を示す図である。

【図４】固体撮像素子の転送電極の膜厚と感度との関係
のシミュレーション結果及び実測値を示す図である。

【図５】固体撮像素子の分光感度のシミュレーション結
果を示す図である。

【図６】固体撮像素子の転送電極の膜厚と感度との関係
のシミュレーション結果を示す図である。

【図７】本発明の固体撮像素子の製造方法を示す工程別
の断面図である。

【図８】従来の固体撮像素子の撮像部を示す平面図であ
る。

【図９】図８のＸ−Ｘ線の断面図である。

【符号の説明】

１、１１ シリコン基板 ２、１２ 拡散層 ３ 分離領域 ４ チャネル領域 ５、１３ 埋め込みチャネル層 ６、１４、２３ 酸化シリコン膜 ７、８、１５、１６ 転送電極 ２２、２５ 多結晶シリコン膜 ２４ レジストマスク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に入射される光に応答して発
   生する情報電荷を、半導体基板上に配置された複数の転
   送電極の作用により基板の表面領域に形成されるポテン
   シャル井戸に蓄積する固体撮像素子において、情報電荷
   の移動を阻止する複数の分離領域が互いに平行に配列さ
   れた半導体基板と、この半導体基板の表面を被う絶縁膜
   と、この絶縁膜上で上記分離領域と交差する方向に延在
   し、互いに一定の間隔を空けて平行に配列される複数の
   第１の転送電極と、これらの第１の転送電極の各間隙を
   覆うようにして配置される複数の第２の転送電極と、を
   備え、上記半導体基板上の絶縁膜の膜厚が約１２０ｎｍ
   乃至約１８０ｎｍの範囲に形成されると共に、上記第１
   及び第２の転送電極の膜厚が約５０ｎｍ乃至約１００ｎ
   ｍの範囲に形成されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 半導体基板の表面領域に情報電荷の移動
   を阻止する複数の分離領域が互いに平行に配列され、上
   記半導体基板上に上記分離領域と交差する方向に延在す
   る複数の転送電極が絶縁膜を介して平行に配列される固
   体撮像素子において、固体撮像素子の分光感度が所望の
   波長で極大値を示すように上記転送電極の膜厚を設定
   し、その転送電極の膜厚で固体撮像素子の分光感度が所
   望の特性を示すように上記絶縁膜の膜厚を設定すること
   を特徴とする膜厚の最適化方法。
3. 【請求項３】 半導体基板の表面領域に情報電荷の移動
   を阻止する複数の分離領域が互いに平行に配列され、上
   記半導体基板上に上記分離領域と交差する方向に延在す
   る複数の転送電極が絶縁膜を介して平行に配列される固
   体撮像素子において、固体撮像素子の分光感度が可視光
   領域の特定の波長で極大値を示すように上記転送電極の
   膜厚を設定し、その転送電極の膜厚で固体撮像素子の分
   光感度が可視光領域の短波長側で高い感度を示すように
   上記絶縁膜の膜厚を設定することを特徴とする膜厚の最
   適化方法。