JPH10189936A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 面積効率の高い素子レイアウトを採用し、さ
らに加工ダメージやスミアを防止することにより、素子
の小型化を図っても充分な感度が得られ、かつ良好な画
質が得られる固体撮像素子及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 転送電極１２ａ，１２ｂの全部を覆って
遮光膜を兼ねる読み出しゲート電極１７が、半導体領域
１１内に入り込んで形成され、読み出しゲート電極１７
に、転送電極１２ａ，１２ｂとは独立の読み出し電圧を
印加する固体撮像素子２１を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＣＣＤ型の
固体撮像素子等の固体撮像素子及びその製造方法に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の１種として、従来ＣＣＤ
型の固体撮像素子が広く用いられており、このＣＣＤ型
の固体撮像素子としては、半導体基板上にマトリックス
状に受光部を形成し、この受光部の各垂直列に対応して
各垂直転送レジスタが設けられる構造のインターライン
転送型等の固体撮像素子が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなＣＣＤ型の
固体撮像素子では、以下のような欠点を有している。固
体撮像素子の小型化と画素の高密度化に伴い、受光部の
面積が縮小されて感度低下などの特性劣化を招いてい
る。

【０００４】また、垂直転送レジスタのゲート電極（い
わゆる転送電極）内に、受光部から信号を読み出す読み
出しゲート部を形成しているために、垂直転送レジスタ
を３値駆動させて信号電荷の転送を行うためには１０Ｖ
以上の高電圧や、マイナス電源を必要としていた。この
ため、消費電力や電源数が増加する問題があり、また電
位差が大きいため絶縁耐圧を確保することが困難になっ
ていた。

【０００５】これに対して、まず感度低下対策として、
例えば受光部上のオンチップレンズの集光性を向上した
構造等が提案されている。しかしながら、転送電極によ
る段差があるために、遮光膜やその上層のカラーフィル
ター等の加工均一性が悪化して、オンチップレンズによ
る垂直方向及び水平方向の集光性が、受光部の小型化に
追い付けず、いわゆるスミアや微小感度ムラの増大につ
ながっている。また、受光部の開口も段差のために均一
に加工することができず、画素毎のバラツキが生じて微
小感度ムラを生じていた。

【０００６】また、スミアを抑制するために、例えば遮
光膜を受光部上内部まで覆うように形成すると、受光部
の開口が小さくなるので、今後ますます素子の小型化が
図られるに従って感度が低下してしまう。一方、スミア
を抑制するために、例えば遮光膜を極端に低い位置まで
持ってくると、遮光膜を加工する際に、受光部を形成す
る基板内に例えば白点等結晶欠陥を発生させてしまうよ
うな加工ダメージ等を生じることにより、固体撮像素子
の画質が劣化している。

【０００７】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、面積効率の高い素子レイアウトを採用し、さら
に加工ダメージやスミアを防止することにより、素子の
小型化を図っても充分な感度が得られ、かつ良好な画質
が得られる固体撮像素子及びその製造方法を提供するも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、転送電極の全部を覆って遮光膜を兼ねる読み出しゲ
ート電極が、半導体領域内に入り込んで形成され、読み
出しゲート電極に、転送電極とは独立の読み出し電圧を
印加する構成である。

【０００９】上述の本発明の固体撮像素子の構成によれ
ば、転送電極の全部を覆って遮光膜を兼ねる読み出しゲ
ート電極が、半導体領域内に入り込んで形成されること
により、転送電極への上面及び側面からの光の入射が遮
光膜により遮断され、スミアを防止することができる。
従って、従来のようにスミアを抑制するために遮光膜を
受光部側に張り出して形成する必要が無くなる。また、
この読み出しゲート電極に転送電極とは独立の読み出し
電圧を印加することにより、マイナス電源を必要とせ
ず、また消費電力の低減や絶縁耐圧の確保ができるよう
に、転送電極の電位と読み出しゲート電極の電位を制御
することができる。

【００１０】本発明の固体撮像素子の製造方法は、転送
電極形成後にセンサ部を含んで平坦化膜を形成する工程
と、平坦化膜の読み出しゲート部を含むセンサの周縁部
に対応する部分に溝を形成する工程と、溝内を含み、転
送電極を覆う読み出しゲート電極を形成する工程とを有
するものである。

【００１１】上述の本発明の固体撮像素子の製造方法に
よれば、センサの周縁部に対応する部分に溝を形成する
工程と、溝内を含み、転送電極を覆う読み出しゲート電
極を形成することにより、センサ部の周縁部に読み出し
ゲート電極が転送電極を覆って形成して転送電極への光
の入射を防止する構造に形成することができる。また、
転送電極形成後にセンサ部を含んで平坦化膜を形成した
後に、溝及び遮光膜を形成することにより、溝を形成す
る工程や、後の遮光膜のセンサ部に対応する開口を形成
する工程において、下層の段差の影響による加工の不均
一性が生じないので、画素毎の加工の均一性が向上す
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、転送電極の全部を覆っ
て遮光膜を兼ねる読み出しゲート電極が、半導体領域内
に入り込んで形成され、読み出しゲート電極に、転送電
極とは独立の読み出し電圧を印加する固体撮像素子であ
る。

【００１３】本発明は、転送電極形成後にセンサ部を含
んで平坦化膜を形成する工程と、平坦化膜の読み出しゲ
ート部を含むセンサの周縁部に対応する部分に溝を形成
する工程と、溝内を含み、転送電極を覆う読み出しゲー
ト電極を形成する工程とを有する固体撮像素子の製造方
法である。

【００１４】また本発明は、上記固体撮像素子の製造方
法において、平坦化膜の読み出しゲート部を含むセンサ
の周縁部に対応する部分に溝を形成する工程において、
溝は半導体領域内の所定深さまで形成するものである。

【００１５】以下、図面を参照して本発明の固体撮像素
子及びその製造方法の実施例を説明する。図１及び図２
は、本発明の固体撮像素子の実施例、本例ではＣＣＤ固
体撮像素子の例であり、図１は平面図、図２は図１のＡ
−Ａ′における断面図を示す。このＣＣＤ固体撮像素子
２１は、第１導電型例えばｎ型のシリコンからなる半導
体基板１上の第２導電型即ちｐ型半導体ウエル領域２内
にｎ型の不純物拡散領域３と、垂直転送レジスタ５を構
成するｎ型の転送チャネル領域６、並びにｐ型のチャネ
ルストップ領域７が形成され、ｎ型の不純物拡散領域３
上にｐ型の正電荷蓄積領域８がそれぞれ形成される。ま
た、ｎ型の転送チャネル領域６の直下に第２のｐ型半導
体ウエル領域４が形成されている。

【００１６】ここで、ｎ型の不純物拡散領域３とｐ型半
導体ウエル領域２とのｐｎ接合によるフォトダイオード
ＰＤによって受光部（光電変換部）９が構成される。こ
の受光部９は画素に対応して形成される。受光部９と垂
直転送レジスタ５との間は、一方がｐ型のチャネルスト
ップ領域７、他方がｐ型の低濃度の読み出しゲート部１
０となっている。

【００１７】そして、垂直転送レジスタ５を構成する転
送チャネル領域６、チャネルストップ領域７及び読み出
しゲート部１０上に、ＳｉＯ₂ 膜，ＳｉＮ膜等によるゲ
ート絶縁膜１１が形成される。このゲート絶縁膜１１上
に第１層の多結晶シリコン層からなる第１の転送電極１
２ａが形成され、転送チャネル領域６、ゲート絶縁膜１
１及び第１の転送電極１２ａ及び第２の転送電極１２ｂ
によりＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ５が構成される。

【００１８】転送電極１２の表面にはＳｉＯ₂ 膜からな
る層間絶縁膜１３が形成され、受光部９の正電荷蓄積領
域８上に、ＰＳＧ（リン珪酸ガラス）等の透明な絶縁体
からなる平坦化膜１４が形成される。

【００１９】そして、本例においては、特に、第１の転
送電極１２ａ及び第２の転送電極１２ｂより高い位置か
らゲート絶縁膜１１を貫通し、読み出しゲート部１０及
びチャネルストップ領域７の深さより浅い位置の半導体
基板１内にまで延長された溝１５が形成されており、こ
の溝１５の内側に遮光膜下層間絶縁膜１６を介して、Ａ
ｌやＷ等の金属による遮光膜１７が形成されてなる。こ
の遮光膜１７は、第１の転送電極１２ａ及び第２の転送
電極１２ｂを覆って形成され、読み出しゲート電極を兼
ねている。

【００２０】この遮光膜１７を含む全面上には、例えば
プラズマＳｉＮ膜及び平坦化膜等からなるパッシベーシ
ョン膜１８が形成され、このパッシベーション膜１８の
上にカラーフィルター１９が形成され、これの上にオン
チップレンズ２０が形成されてなる。

【００２１】このように、半導体基板内１に延長されて
形成された溝１５内に遮光膜１７が形成され、この遮光
膜１７が読み出しゲート電極を兼ねることにより、読み
出しゲート部１０の微小化が図られる。

【００２２】また、溝１５内に形成された遮光膜１７
は、図１の平面図に示すように受光部９の周囲を囲って
形成される。即ち、溝１５の内面が受光部９の開口とな
る。また、第１の転送電極１２ａ及び第２の転送電極１
２ｂ上にも図示しないが遮光膜が形成されている。

【００２３】このように受光部９の周囲に形成された溝
１５内に遮光膜１７が形成されていることにより、斜め
の入射光が遮光膜１７により遮られて、光が漏れ込んで
転送電極１２ａ，１２ｂに入射することがなく、スミア
を抑制することができる。従って、従来のようにスミア
を抑制するために遮光膜を受光部側に張り出して形成す
る必要が無くなる。この遮光膜の張り出し部のように、
従来はスミア対策として用いていて、回路動作としては
無効であった領域をセンサや垂直転送レジスタなどに振
り分けることができる。即ち、上述の構造を採ることに
より固体撮像素子の小型化に適した素子レイアウトとな
る。

【００２４】また、この遮光膜１７の側壁が入射光を受
光部９へ導く導波管としても働くため、受光部９上への
集光効率が上がり、その結果感度が向上する。

【００２５】そして、さらにこのＣＣＤ固体撮像素子２
１によれば、読み出しゲート部のゲート電極を兼ねる遮
光膜１７に、転送電極１２ａ、１２ｂとは独立した電圧
を印加する。例えば、転送電極１２ａ，１２ｂに０〜５
Ｖ、遮光膜１７に０〜１０Ｖを印加する。（場合によっ
てはマイナス電源を使用することもありうる。）

【００２６】これら電極１２ａ，１２ｂ及び１７に印加
する駆動電圧は、例えば半導体基板１内の読み出しゲー
ト部１０及び垂直転送レジスタ５における不純物濃度を
設定することにより決定することができる。このように
すれば、マイナス電源をなくすと共に、電源の数も少な
くすることができ、消費電力の低減や絶縁耐圧の確保が
容易にできる。

【００２７】また、垂直転送レジスタの電位にとらわれ
ず、読み出しゲート部の電位を自由に設定できる。さら
に、蓄積された信号電荷が隣接する画素に漏れ出る、い
わゆるブルーミングを防止するためのマージンを確保で
きるように電位を設定することができる。

【００２８】このＣＣＤ固体撮像素子２１は、例えば次
のようにして製造する。まず、図３Ａに示すように、例
えばｎ型のシリコンからなる半導体基板１に、ｐ型半導
体ウエル領域２を形成し、イオン注入等により、受光部
のｎ型の不純物拡散領域３及びｐ型の正電荷蓄積領域
８、ｎ型の転送チャネル領域６、第２のｐ型半導体ウエ
ル領域４等の所望の不純物拡散層を形成した後に、熱酸
化やＣＶＤ法により半導体基板１の表面にゲート絶縁膜
１１を堆積させる。このゲート絶縁膜１１は、酸化膜−
窒化膜−酸化膜の積層構造とした、いわゆるＯＮＯ構造
をとることもできる。

【００２９】次に、図３Ｂに示すように、第１層の多結
晶シリコン層をＣＶＤ法により堆積させ、フォトリソグ
ラフィとドライエッチング工程等により必要なパターン
を形成して第１の転送電極１２ａを形成する。続いて、
図示しないが電極間の層間絶縁膜を、例えば転送電極１
２の熱酸化あるいはＣＶＤによる堆積等により形成した
後、第２層の多結晶シリコン層をＣＶＤ法等により堆積
し、これを加工して第２の転送電極１２ｂを形成する。

【００３０】さらに、図３Ｃに示すように、２層の転送
電極１２ａ，１２ｂ上に、転送電極表面の熱酸化又は転
送電極表面へのＣＶＤによる堆積等により層間絶縁膜１
３を形成する。また、図４Ｄに示すように、受光部９の
上に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）系ＣＶＤによ
り形成したＢＰＳＧ（ボロン・リン珪酸ガラス）やバイ
アス高密度プラズマＣＶＤ法等により形成したＳｉＯ₂
等による平坦化膜１４を堆積させ、これをＣＭＰ（化学
的機械的研磨）法やエッチバック等により表面を平坦化
する。

【００３１】次に、図４Ｅに示すように、この後、フォ
トリソグラフィとドライエッチングにより、転送電極の
高さから半導体基板１内に延長された溝１５を形成す
る。まず平坦化膜１４をＲＩＥ等により掘った後に、引
き続き半導体基板１へのＲＩＥを行うことにより溝１５
を形成する。

【００３２】このとき、センサ上のエッチングストッパ
としてはセンサ上のゲート絶縁膜１１を用いる。（低反
射化の目的を兼ねるＳｉＮ膜の場合もある。）

【００３３】次に、図４Ｆに示すように、減圧ＣＶＤ法
によるＨＴＯ（高温酸化膜；ＣＶＤ膜としては比較的高
温で形成した酸化膜）等による遮光膜下層間絶縁膜１６
を、溝１５の内面に形成する。

【００３４】次に、図５Ｇに示すように、溝１５を通じ
て、読み出しゲート部１０及びチャネルストップ領域７
をそれぞれ形成するイオン注入を所望の条件で行う。好
ましくは読み出しゲート部１０の方がより低濃度になる
ように、イオン注入を行う。従って、読み出しゲート部
１０のイオン注入工程と、チャネルストップ領域７のイ
オン注入工程と、２回に分けてイオン注入を行うのが好
ましい。

【００３５】このとき、垂直にイオン注入を行うと、溝
１５とほぼ同じ幅に読み出しゲート部１０及びチャネル
ストップ領域７が形成される。一方、特に読み出しゲー
ト部１０とチャネルストップ領域７との界面のシリコン
側壁においては、低角度の斜めイオン注入を施すことに
より、側壁部へもイオン注入をすることができ、図示の
例のように、有効チャネル長を溝１５の幅以上に確保
し、また３次元的にチャネル長を稼ぐこともできる。こ
れにより、より水平方向の縮小化を図ることが可能とな
る。

【００３６】次に、図５Ｈに示すように、溝１５内を埋
めて、表面に遮光膜１７としてタングステン又はアルミ
等からなる金属膜をＣＶＤ等で堆積させる。続いて、図
６Ｉに示すように、フォトリソグラフィとドライエッチ
ング工程で遮光膜１７に対して、受光部９のセンサに対
応する開口を形成する。

【００３７】この遮光膜１７の形成及びその加工工程
は、別の方法として、図５Ｈと同様に堆積した遮光膜
を、エッチバック又はＣＭＰ法により溝１５内の部分の
みを残すように加工した後、再び金属膜からなる遮光膜
１７を最初と同じ膜厚で堆積させて、これにフォトリソ
グラフィとドライエッチング工程で受光部９の開口を形
成する方法を採ってもよい。

【００３８】このとき、平坦化膜１４によって平坦化し
た上に遮光膜１７を形成しているため、受光部９の開口
を形成するときに、下層の段差の影響がない。従って、
画素毎の加工の均一性が向上し、微小感度ムラを抑制す
ることができる。また、溝１５の中に埋め込んで遮光膜
１７を形成し、かつ受光部９は平坦化膜１４により覆わ
れているため、受光部９上にエッチング残渣等の微小異
物を生じることがなく、この異物によって半導体基板に
欠陥が生じることに起因する感度低下を抑制することが
できる。

【００３９】次に、図６Ｊに示すように、遮光膜１７を
マスクとしてｎ型及びｐ型のイオン注入をそれぞれ行っ
て、受光部９を構成するｐ型の正電荷蓄積領域８及びｎ
型の不純物拡散領域３を形成する。この場合、金属膜か
らなる遮光膜１７をマスクとするので、従来の例えば多
結晶シリコン層をマスクとする場合のようにマスク内を
注入イオンが通過することがない。

【００４０】ここで、簡単な熱処理を行った後、図示し
ないが配線形成工程として、撮像素子周辺部の配線を加
工するプロセスを挿入する場合と、遮光膜１７をそのま
ま配線部として活用する場合がある。

【００４１】さらに、図７Ｋに示すように、リンをドー
プしたＳｉＮ膜等からなるパッシベーション膜１８を堆
積形成し、続いて染色法やカラーレジスト塗布によりカ
ラーフィルター１９を堆積形成し、これを加工する。

【００４２】次に、これの上に、図７Ｌに示すように、
例えば熱溶融性透明樹脂膜或いは常温無加熱でＣＶＤ法
が可能な高密度プラズマによるＳｉＮ膜によるマイクロ
レンズ２０となる透明絶縁層２０′を堆積させる。そし
て、この透明絶縁層２０′上部において、例えば図示し
ないがレジストを形成して、これを熱リフローさせてド
ーム形状を形成し、これをエッチバックして透明絶縁層
２０′に転写する等の方法により、マイクロレンズ２０
を形成する。

【００４３】このようにして、図１及び図２に示すＣＣ
Ｄ固体撮像素子２１を製造することができる。

【００４４】本発明の固体撮像素子及びその製造方法
は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨
を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

【００４５】

【発明の効果】上述の本発明による固体撮像素子によれ
ば、読み出しゲート電極を遮光膜と兼ねて形成し、転送
電極とは独立の電圧を印加することにより、読み出し電
圧及び垂直転送レジスタの駆動電圧が自由に選択設定で
きる。これにより、低電圧化、マイナス電圧の廃止及び
電源数の低減、並びにブルーミングのためのマージン確
保ができる。

【００４６】また、読み出しゲート部を遮光部として兼
ねることにより、固体撮像素子の小型高密度化に対し
て、従来はスミア対策として用いていて無効であった領
域をセンサや垂直転送レジスタなどに振り分けられ、水
平・垂直方向の縮小化が達成できる。

【００４７】また本発明の固体撮像素子によれば、遮光
膜の半導体領域即ち基板内へ入り込んだ埋め込み構造を
採ることにより、遮光膜の側壁が入射光を受光部へ導く
導波管として働くため、受光部上への集光効率が上がり
感度が向上する。さらに、この遮光膜の側壁により、垂
直転送レジスタへの斜め光成分の入射がなくなりスミア
が大幅に減少する。

【００４８】本発明の固体撮像素子の製造方法によれ
ば、平坦化膜を形成した後に遮光膜を形成することか
ら、遮光膜の開口工程における微小加工ムラや、センサ
部上の微小異物（エッチング残渣）によって半導体基板
における欠陥等に起因する感度ムラが抑制される。

【００４９】また、半導体領域内の所定深さまで溝を形
成したときには、この溝からの斜めイオン注入を行うこ
とにより、溝の側壁にもイオン注入を行うことができ、
これにより形成される読み出しゲート部やチャネルスト
ップ領域を３次元的にチャネル長を稼ぐことができる。
これにより、より水平方向の縮小化が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の実施例の概略構成
図（平面図）である。

【図２】図１のＡ−Ａ′断面図である。

【図３】Ａ〜Ｃ 本発明による固体撮像素子の実施例の
製造工程図である。

【図４】Ｄ〜Ｆ 本発明による固体撮像素子の実施例の
製造工程図である。

【図５】Ｇ、Ｈ 本発明による固体撮像素子の実施例の
製造工程図である。

【図６】Ｉ、Ｊ 本発明による固体撮像素子の実施例の
製造工程図である。

【図７】Ｋ、Ｌ 本発明による固体撮像素子の実施例の
製造工程図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板、２ ｐ型半導体ウエル領域、３ 不純
物拡散領域、４ 第２のｐ型半導体ウエル領域、５ 垂
直転送レジスタ、６ 転送チャネル領域、７ チャネル
ストップ領域、８ 正電荷蓄積領域、９ 受光部、１０
読み出しゲート部、１１ ゲート絶縁膜、１２ａ 第
１の転送電極、１２ｂ 第２の転送電極、１３ 層間絶
縁膜、１４ 平坦化膜、１５ 溝、１６ 遮光膜下層間
絶縁膜、１７ 遮光膜、１８ パッシベーション膜、１
９ カラーフィルター、２０ オンチップレンズ、２
０′ 透明絶縁層、２１ ＣＣＤ固体撮像素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転送電極の全部を覆って遮光膜を兼ねる
   読み出しゲート電極が、半導体領域内に入り込んで形成
   され、 上記読み出しゲート電極に、上記転送電極とは独立の読
   み出し電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 転送電極形成後にセンサ部を含んで平坦
   化膜を形成する工程と、 上記平坦化膜の読み出しゲート部を含むセンサの周縁部
   に対応する部分に溝を形成する工程と、 上記溝内を含み、転送電極を覆う読み出しゲート電極を
   形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像素子
   の製造方法。
3. 【請求項３】 上記平坦化膜の読み出しゲート部を含む
   センサの周縁部に対応する部分に溝を形成する工程にお
   いて、上記溝は半導体領域内の所定深さまで形成するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子の製造方
   法。