JPH09135016A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 転送電極の周縁における遮光膜のＡｌのカバ
レージを改善し、遮光膜の遮光性の向上を図る。 【解決手段】 有効画素領域と光学的黒領域とに分離さ
れるセンサ部を備えてなり、センサ部が、Ｓｉ基板１１
の縦横に、縦横それぞれに所定間隔をあけて島状に配設
された多数の光電変換部１２と、Ｓｉ基板１１上に、光
電変換部１２を外方に臨ませるよう開口した状態に形成
された転送電極４と、転送電極４を覆ってＳｉ基板１１
上に形成され、有効画素領域における光電変換部１２以
外への光の入射を遮断する遮光膜とを有して構成される
固体撮像素子において、転送電極４の開口部５の周縁
を、外方に湾曲する曲線からなる曲線部または鈍角をな
す２辺からなる直線部によって形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像素子に関
し、特に有効画素領域外に光学的黒（ＯＰＢ；optical
black)領域を有する構成の固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にＣＣＤ型の固体撮像素子（以下、
ＣＣＤ固体撮像素子と記す）は、有効画素領域とその周
辺に設けられたＯＰＢ領域とに分離されたセンサ部と、
センサ部から転送される電荷を水平転送する水平転送レ
ジスタとを備えて構成されている。センサ部では、図４
（ａ）および図５に示すようにシリコン（Ｓｉ）基板１
１の縦横に、縦横それぞれに所定間隔をあけて島状に多
数の光電変換部１２が配設されており、光電変換部１２
の横方向の所定間隔部内に、光電変換部１２の縦方向に
沿ってライン状に垂直レジスタ部１３が形成配置されて
いる。またＳｉ基板１１上には、各光電変換部１２を外
方に臨ませるように開口した状態に第１電極１４ａと第
２電極１４ｂとからなる転送電極１４が形成されてい
る。この光電変換部１２位置の転送電極１４の開口部１
７は、平面視略矩形状となっている。

【０００３】ところでＣＣＤ固体撮像素子では、有効画
素領域において光電変換部１２のみに撮像光を取り込
み、垂直レジスタ部１３等のその他の領域への入射を遮
断する必要がある。またＯＰＢ領域がＣＣＤ固体撮像素
子の出力信号の黒信号レベルを決める領域、すなわち有
効画素領域の出力の相対的な信号レベルを決定する基準
を決める領域であるため、ＯＰＢ領域への撮像光の入射
を完全に遮断する必要がある。このためセンサ部では図
４（ａ）に示すように、転送電極を覆ってＳｉ基板１１
上に、有効画素領域における光電変換部１２位置のみを
開口した状態でアルミニウム（Ａｌ）からなる遮光膜１
５が形成されている。そして、有効画素領域における光
電変換部１２の上方にオンチップマイクロレンズ（ＯＣ
Ｌ）１６が設けられている。

【０００４】このように構成されたＣＣＤ固体撮像素子
では、上記遮光膜１５の遮光性の向上が重要な課題とな
っている。有効画素領域の垂直レジスタ部１３に光が入
射するとスミアが発生し、画質が低下する等の不具合が
生じるためである。またＯＰＢ領域を完全に遮光する
と、黒信号レベルがＯＰＢ領域の暗電流成分のみを信号
とした基準レベルとなるが、遮光が不完全であると、大
光量の光がＯＰＢ領域に照射された場合に、黒信号レベ
ルが浮くことで大幅なセットアップズレを起こし、有効
画素領域の正確な信号が得られなくなり、いわゆる色ズ
レが発生することになるからである。よって特にＯＰＢ
領域では、ＣＣＤ固体撮像素子にいかなる光量の光が入
射しても完全に遮光することが必要である。

【０００５】しかしながら、遮光膜１５の遮光性を向上
すべく単純にその膜厚を厚くすると、ＣＣＤ固体撮像素
子の小型化に伴う２次元方向の縮小化に相反することに
なり、有効画素領域において遮光膜１５上方に形成され
るＯＣＬ１６の集光位置が変化して、図４（ｂ）に示す
ごとくＯＣＬ１６形状の最適化のみでは最適な集光状態
を得られない。この結果、感度低下やスミア等の悪影響
を引き起こすことになる。また、ＣＣＤ固体撮像素子の
小型化が進むにつれて、図４（ｃ）に示すように膜厚方
向の縮小化も要求されてきている。したがって、遮光膜
１５の膜厚以外で有効画素領域における光電変換部１２
以外への光透過を抑制する工夫が必要となってきてい
る。

【０００６】現在、遮光膜１５の膜厚以外でその遮光性
を向上させる工夫として、遮光膜１５の下層に酸窒化チ
タン（ＴｉＯＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等
を介在させ、遮光膜１５のＡｌの柱状グレインを断ち切
る方法や、ＯＰＢ領域への光透過のみを抑制するために
ＯＰＢ領域のみの遮光膜を２層構造にして厚くする方法
が検討されている。また遮光膜１５の遮光性を悪化させ
る大きな原因は、Ａｌ遮光膜１５のカバレージ不足にあ
ることから、Ａｌのグレインサイズを微小化したり、遮
光膜１５をスパッタリング法で形成するにあたってのス
パッタリング温度やスパッタリング装置のカソードを変
更することによりＡｌの膜質の改善し、このことにより
Ａｌカバレージの改善を図る方法等も検討されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、Ａｌ遮光膜
のカバレージ不足に起因する遮光性の悪化は、Ａｌの膜
質とともに図５に示す転送電極１４の形状、段差が大き
く影響している。特に、転送電極１４の平面視略矩形状
の開口部１７の周縁でのＡｌカバレージ不足が認めら
れ、中でも開口部１７の略直角の隅部にスパッタ粒子が
回り込んでいかず付着し難いことによりＡｌカバレージ
が悪化している。このため、Ａｌの膜質の改善を図るだ
けではＡｌカバレージの改善には不十分である。

【０００８】また、前述した遮光膜１５の下層にＴｉＯ
ＮやＡｌ₂ Ｏ₃ 等を介在させる方法は、転送電極１４の
形状、段差の影響を考慮していないことから、上記Ａｌ
カバレージを改善する対策としてはあまり効果がなく、
しかもプロセス工程数が増加するという難点がある。さ
らにＯＰＢ領域のみ遮光膜を厚くする方法は、有効画素
領域におけるＡｌカバレージの改善が図られておらず、
結果としてスミアが発生してしまうという不具合が生じ
る。またプロセス工程数が増加する難点があり、さらに
ＯＰＢダーク段差、つまり有効画素領域の暗電流レベル
とＯＰＢ領域の暗電流レベルとの差を増大させることに
なって、画質の低下にもつながってしまう。

【０００９】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、転送電極の周縁における遮光膜のＡｌ
のカバレージを改善でき、このことにより遮光膜の遮光
性の向上を図れる固体撮像素子を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る固体撮像素子では、有効画素領域と光学的黒領域とに
分離されるセンサ部を備えてなり、センサ部が、基体の
縦横に、縦横それぞれに所定間隔をあけて島状に配設さ
れた多数の光電変換部と、基体上に、光電変換部を外方
に臨ませるよう開口した状態に形成された転送電極と、
転送電極を覆って基体上に形成され、有効画素領域にお
ける光電変換部以外への光の入射を遮断する遮光膜とを
有して構成される固体撮像素子において、転送電極の開
口部の周縁が、外方に湾曲する曲線からなる曲線部また
は鈍角をなす２辺からなる直線部によって形成されてな
ることを上記課題の解決手段とした。

【００１１】請求項２記載の発明に係る固体撮像素子で
は、有効画素領域と光学的黒領域とに分離されるセンサ
部を備えてなり、センサ部が、有効画素領域にて基体の
縦横に、縦横それぞれに所定間隔をあけて島状に配設さ
れた多数の光電変換部と、基体上に形成された転送電極
と、転送電極を覆って前記基体上に形成され、有効画素
領域における光電変換部以外への光の入射を遮断する遮
光膜とを有して構成される固体撮像素子において、転送
電極が、有効画素領域における光電変換部位置が開口
し、光学的黒領域においては光電変換部を形成すること
なく基体を覆った状態に形成されていることを上記課題
の解決手段とした。

【００１２】請求項１記載の発明では、転送電極の開口
部の周縁が、外方に湾曲する曲線部または鈍角をなす２
辺からなる直線部によって形成されていることから、ス
パッタリング法によって遮光膜を成膜するに際して、開
口部の隅部へもスパッタ粒子が回り込み易く、付着し易
くなる。よって、開口部の周縁における遮光膜のカバレ
ージが改善される。また転送電極の開口部のみの変更で
あることから、転送電極を加工する際に用いるマスクパ
ターンを変更するだけで製造可能であり、工程数が増え
ない。

【００１３】請求項２記載の発明では、ＯＰＢ領域にお
いて転送電極が光電変換部を形成することなく基体を覆
った状態に形成されており、転送電極の開口部が形成さ
れないことから開口部の周縁の段差もできないため、開
口部の周辺の段差、形状に起因する遮光膜のカバレージ
の悪化が防止され、カバレージの良好な遮光膜が得られ
る。また転送電極を加工する際に用いるマスクパターン
をＯＰＢ領域のみ変更するだけで製造可能であり、工程
数が増えない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体撮像素子
の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本
発明に係る第１実施形態の要部を示す概略平面図であ
り、センサ部におけるＯＰＢ領域を示したものである。
図１に示すようにこのＣＣＤ固体撮像素子は、ＯＰＢ領
域領域において、転送電極４によって形成される開口部
５の形状が前述した従来例と相違している。すなわちこ
の固体撮像素子において、有効画素領域とその周辺に設
けられたＯＰＢ領域とに分離されたセンサ部では、本発
明の基体となるＳｉ基板１１の縦横に、従来と同様、縦
横それぞれに所定間隔をあけて島状に多数の光電変換部
１２が配設されているとともに、光電変換部１２の縦方
向の列に沿ってライン状に垂直レジスタ部１３が形成配
置されている。

【００１５】またＳｉ基板１１上には、垂直レジスタ部
１３の直上位置と光電変換部１２の縦方向の所定間隔部
の直上位置とに連続して、つまり光電変換部１２を外方
に臨ませるよう開口した状態にポリシリコン（Poly−Ｓ
ｉ）からなる転送電極４が形成されている。なお、転送
電極４とＳｉ基板１１との間には、例えば酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）からなるゲート絶縁膜（図示略）が介装さ
れている。

【００１６】この転送電極４は有効画素領域、ＯＰＢ領
域のいずれにおいても、横方向に配列された光電変換部
１２の列の一列毎に第１電極４ａと第２電極４ｂとを有
して構成されている。第１電極４ａ、第２電極４ｂはそ
れぞれ、光電変換部１２の横方向の列に沿って連続して
形成されてなり、また光電変換部１２の縦方向に交互に
形成されている。このとき第２電極４ｂは、光電変換部
１２の縦方向の辺の略中間位置と光電変換部１２の縦方
向の所定間隔部位置にて、絶縁膜（図示略）を介して前
後の第１電極４ａ上にオーバーラップするように設けら
れている。また有効画素領域において、これら第１電極
４ａ、第２電極４ｂはそれぞれ、従来と同様に転送電極
４の開口部５の周辺をなす辺が直線状であり、かつ隣接
する２辺がなす開口部５側の角度が直角となるように形
成されている。つまり有効画素領域において転送電極４
の開口部５は、平面視略矩形状に形成されている。

【００１７】一方、ＯＰＢ領域において第１電極４ａ、
第２電極４ｂはそれぞれ、転送電極４の開口部５の周縁
を形成する辺が直線状であり、かつ隣接する２辺がなす
開口部５側の角度が鈍角となるように形成されている。
つまり転送電極４の開口部５の周縁は、鈍角をなす２辺
からなる直線部によって形成されている。ここでは図１
に示すように、開口部５の平面形状が８角形となるよう
に形成されている。そして、有効画素領域およびＯＰＢ
領域の転送電極４を覆うようにしてＳｉ基板１１上に
は、従来と同様、有効画素領域における光電変換部１２
以外への光の入射を遮断するようにＡｌの遮光膜（図示
略）が層間絶縁膜（図示略）を介して形成されている。

【００１８】上記のごとく構成されたＣＣＤ固体撮像素
子を形成する場合には、転送電極４の第１電極４ａおよ
び第２電極４ｂを加工する際に用いるマスクパターンを
ＯＰＢ領域の部分のみ変更する以外は従来と同様のプロ
セスを踏む。すなわち、まずイオン注入法等によってＳ
ｉ基板１１に垂直レジスタ部１３を形成し、次いでＳｉ
基板１１表面に例えば熱酸化法によってゲート絶縁膜を
形成する。

【００１９】続いてＣＶＤ法によってＳｉ基板１１全面
にPoly−Ｓｉ膜を形成し、リソグラフィおよびエッチン
グによりPoly−Ｓｉ膜をパターニングして第１電極４ａ
を形成する。前述したようにこの加工に用いるマスクに
は、ＯＰＢ領域において上記した開口部５が形成される
ようなパターンを有するマスクを用いる。続いて第１電
極４ａの表面に絶縁膜を形成した後、Ｓｉ基板１１上に
Poly−Ｓｉ膜を形成し、その後リソグラフィおよびエッ
チングによりこのPoly−Ｓｉ膜をパターニングして第２
電極４ｂを形成する。ここでも、加工に用いるマスクに
は、ＯＰＢ領域において上記した開口部５が形成される
ようなパターンを有するマスクを用いる。

【００２０】次に、イオン注入法等によって転送電極４
に対してセルフアラインでＳｉ基板１１に不純物を打ち
込んで光電変換部１２を形成し、この後、Ｓｉ基板１１
全面に層間絶縁膜を形成する。そしてスパッタリング法
によって層間絶縁膜上にＡｌを成膜した後、有効画素領
域における光電変換部１２位置のＡｌ膜に開口を形成し
て遮光膜を形成する。

【００２１】このように形成されるＣＣＤ固体撮像素子
では、ＯＰＢ領域における転送電極４の開口部５の周縁
が、鈍角をなす２辺からなる直線部によって形成されて
いるため、スパッタリング法によってＡｌ膜を成膜する
際、従来の略直角な隅部を有する開口部に比較して、Ａ
ｌのスパッタ粒子が開口部５の隅部に容易に回り込んで
付着する。その結果、開口部５の周縁においてカバレー
ジの良好な遮光膜を形成できる。よって、ＯＰＢ領域で
の遮光膜の遮光性を向上することができるので、ＯＰＢ
領域の暗電流成分のみを信号とした黒信号レベルを安定
して得ることができ、有効画素領域の信号を常に正確に
処理できる。

【００２２】またＯＰＢ領域のみ転送電極４の開口部５
の形状を変更しているため、ＣＣＤ固体撮像素子の基本
特性を変化させることなく、ＯＰＢ領域への光透過を抑
制することができる。またＯＰＢ領域において暗電流
は、その多くが光電変換部１２よりも垂直レジスタ部１
３にて発生することから、ＯＰＢ領域の垂直レジスタ部
１３上に転送電極４が形成されていれば、上記のごとく
開口部５の形状を変更しても暗電流成分を信号とした黒
信号レベルを得ることができる。さらに、プロセスの大
幅な変更および追加工程が不要であり、第１電極４ａお
よび第２電極４ｂを加工する際に用いるマスクパターン
を変更する以外は従来と同様のプロセスで製造できる。
したがって、この実施形態のＣＣＤ固体撮像素子は、工
程数を増加させることなく形成でき、しかも色ズレ等が
発生しない画質の優れたものとなる。

【００２３】なお、上記実施形態では転送電極４の開口
部５の周縁が、鈍角をなす２辺からなる直線部によって
形成されている場合について説明したが、Ａｌのカバレ
ージを改善できれば、この例に限定されないのはもちろ
んである。ＯＰＢ領域は、有効画素領域のように光電変
換部１２と垂直レジスタ部１３との間に形成されるリー
ドアウトゲート（ＲＯＧ）長の変化による読み出し電圧
の変動やブルーミングマージンの変動等に対する考慮を
行わなくてよいので、開口部５の形状を選択する自由度
が高い。

【００２４】例えば図２に示すように、転送電極４の開
口部５の周縁が、外方に湾曲する曲線からなる曲線部と
鈍角をなす２辺からなる直線部とによって形成されてい
てもよく、外方に湾曲する曲線からなる曲線部によって
のみ形成されていてもよい。転送電極４の開口部５の周
縁が曲線部によって形成されれば、Ａｌのスパッタ粒子
がより付着し易くなるので、ＯＰＢ領域おけるＡｌのカ
バレージを一層改善することができる。

【００２５】また上記実施形態では、本発明をゲート絶
縁膜がＳｉＯ₂ からなるＭＯＳ構造のＣＣＤ固体撮像素
子に適用した例を説明したが、その他の構造のＣＣＤ固
体撮像素子に適用することもできる。例えば水素を透過
しない窒化シリコン（ＳｉＮ）膜をゲート絶縁膜に有し
ていることから、Ｓｉ界面準位低減のための水素アニー
ルの邪魔にならないよう、転送電極を形成するPoly−Ｓ
ｉとともにゲート絶縁膜を除去して、転送電極の開口部
を形成することが必要である、いわゆるＭＯＮＯＳ構造
のＣＣＤ固体撮像素子にも好適である。この素子の場合
には、ＯＰＢ領域における転送電極の開口部の面積を最
適化することでダーク段差を相殺することができる。

【００２６】さらに上記実施形態では、ＯＰＢ領域のみ
転送電極４の開口部５の形状を変更する場合を説明した
が、ＯＰＢ領域とともに有効画素領域においても開口部
の形状を同様に変更してもよい。ただし、この場合に
は、光電変換部１２の受光量や垂直レジスタ部１３の取
り扱い電荷量等に考慮して開口部５の形状を設定する。
有効画素領域における転送電極４の開口部５の形状を、
ＯＰＢ領域と同様に変更した場合には、有効画素領域に
おいても遮光膜の遮光性を向上できるので、光が遮光膜
を透過して有効画素領域の垂直レジスタ部１３に入射す
ることによるスミアの発生を防止することができる。ま
た第１電極４ａおよび第２電極４ｂを加工する際に用い
るマスクパターンをＯＰＢ領域とともに有効画素領域に
おいても変更すればよいので、工程数を増加させること
なく製造することができる。

【００２７】ところで、前述したようにＯＰＢ領域は、
読み出し電圧の変動やブルーミングマージンの変動等に
対する考慮を行わなくてよい領域であるので、例えばゲ
ート絶縁膜が水素アニールの邪魔をしないＭＯＳ構造の
ＣＣＤ固体撮像素子であれば、本発明の第２実施形態を
示す図３のように、転送電極４を、ＯＰＢ領域において
は開口部５を形成することなくＳｉ基板１１を完全に覆
った状態に形成し、有効画素領域においては光電変換部
１２位置が従来と同様に開口した状態に形成することも
できる。転送電極４をこのように形成すると、転送電極
４の形成後に行うイオン注入の際に、ＯＰＢ領域に不純
物が導入されず光電変換部１２が形成されないが、前述
のごとくＯＰＢ領域において暗電流は、その多くが光電
変換部１２よりも垂直レジスタ部１３にて発生すること
から、Ｓｉ基板１１を完全に覆った状態に転送電極４を
形成しても必要とする黒信号レベルを得ることができ
る。

【００２８】図３に示した構造のＣＣＤ固体撮像素子で
は、転送電極４の開口部が形成されないことから開口部
の周縁の段差ができず、電荷を垂直転送するために必要
とされる第１電極４ａと第２電極４ｂとのオーバーラッ
プによって発生する段差を有するのみである。したがっ
て、転送電極４の開口部に起因するＡｌのカバレージの
悪化を確実に防止できるので、ＯＰＢ領域での遮光膜の
遮光性を一層向上させることができる。また第１実施形
態と同様、第１電極４ａおよび第２電極４ｂを加工する
際に用いるマスクパターンを変更するだけでよいので、
工程数の増加を防止することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
に係る固体撮像素子によれば、転送電極の開口部の周縁
が、外方に湾曲する曲線部または鈍角をなす２辺からな
る直線部によって形成されているので、開口部の隅部に
おいてもスパッタ粒子を容易に付着させることができ、
遮光性が向上した遮光膜を得ることができる。よってＯ
ＰＢ領域において、暗電流成分のみを信号とした黒信号
レベルを安定して得ることができることから、有効画素
領域の信号を常に正確に処理できるので、色ズレ等の発
生を防止することができる。また有効画素領域におい
て、光が遮光膜を透過して有効画素領域の垂直レジスタ
部に入射することによるスミアの発生を防止することが
できるので、画質の低下を防止することができる。また
転送電極の開口部のみの変更であることから、転送電極
を加工する際に用いるマスクパターンを変更するだけ
で、工程数を増やすことなく製造することができる。

【００３０】請求項２記載の発明では、ＯＰＢ領域にお
いて転送電極が光電変換部を形成することなく基体を覆
った状態に形成されており、開口部が形成されないこと
からその周縁の段差ができないため、遮光性が一層向上
した遮光膜を得ることができる。したがって、画質の優
れた固体撮像素子となる。また転送電極を加工する際に
用いるマスクパターンをＯＰＢ領域のみ変更するだけ
で、工程数を増やすことなく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の第１実施形態の要
部を示す概略平面図である。

【図２】第１実施形態の変形例の要部を示す概略平面図
である。

【図３】本発明に係る固体撮像素子の第２実施形態の要
部を示す概略平面図である。

【図４】従来の固体撮像素子を説明するための要部断面
図である。

【図５】従来の固体撮像素子を示す要部平面図である。

【符号の説明】

４ 転送電極 ５ 開口部 １１ Ｓｉ基板 １２ 光電変換部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有効画素領域と光学的黒領域とに分離さ
   れるセンサ部を備えてなり、 前記センサ部が、基体の縦横に、縦横それぞれに所定間
   隔をあけて島状に配設された多数の光電変換部と、 前記基体上に、前記光電変換部を外方に臨ませるよう開
   口した状態に形成された転送電極と、 前記転送電極を覆って前記基体上に形成され、前記有効
   画素領域における光電変換部以外への光の入射を遮断す
   る遮光膜とを有して構成される固体撮像素子において、 前記転送電極の開口部の周縁が、外方に湾曲する曲線か
   らなる曲線部または鈍角をなす２辺からなる直線部によ
   って形成されてなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 有効画素領域と光学的黒領域とに分離さ
   れるセンサ部を備えてなり、 前記センサ部が、前記有効画素領域にて基体の縦横に、
   縦横それぞれに所定間隔をあけて島状に配設された多数
   の光電変換部と、 前記基体上に形成された転送電極と、 前記転送電極を覆って前記基体上に形成され、前記有効
   画素領域における光電変換部以外への光の入射を遮断す
   る遮光膜とを有して構成される固体撮像素子において、 前記転送電極は、前記有効画素領域における前記光電変
   換部位置が開口し、前記光学的黒領域においては光電変
   換部を形成することなく基体を覆った状態に形成されて
   いることを特徴とする固体撮像素子。