JP2002231929A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイズの小さい光電変換素子を高密度で配列
する場合でも、各光電変換素子を容易かつ確実に分離し
て解像度の低下や混色を防止する。 【解決手段】 固体撮像素子２は、シリコンから成る半
導体基板１０４上に相互に近接して配列された複数の光
電変換素子１０６を備え、各光電変換素子１０６は半導
体基板１０４の表面部に局所的に積層されたｐ型領域１
１５およびｎ型領域１１６を含んで構成されている。そ
して、光電変換素子１０６のそれぞれの周囲の半導体基
板表面部に、ｎ型領域１１６の底部６より深い位置に至
るトレンチ８が形成されている。トレンチ８は、対応す
る垂直電荷転送レジスター１０８側を除き、光電変換素
子１０６を囲んで形成されている。トレンチ８の内面に
はシリコン酸化膜１０が被着され、トレンチ８内には光
を反射させるための金属材料１２が充填されている。

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す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の固体撮像素子の一例を示す
平面図、図３は図２における点線の矩形領域Ｒを詳しく
示す部分拡大平面図、図４の（Ａ）は図３におけるＡ−
Ａ’線に沿った部分断面側面図、図４の（Ｂ）は図３に
おけるＢ−Ｂ’線に沿った部分断面側面図である。

【０００３】図２に示した固体撮像素子１０２は一例と
してインターライン型の固体撮像素子であり、シリコン
から成る半導体基板１０４上に多数の光電変換素子１０
６を相互に間隔をおきマトリクス状に配列して構成され
ている。そして光電変換素子１０６の各列ごとに垂直電
荷転送レジスター１０８が、光電変換素子１０６の列方
向（矢印Ｖ）に延設され、垂直電荷転送レジスター１０
８の一端部に水平電荷転送レジスター１１０が、光電変
換素子１０６の行方向（矢印Ｈ）に延設されている。水
平電荷転送レジスター１１０の一方の端部にはアンプ部
１１２が形成されている。

【０００４】このような構成において、各列の各光電変
換素子１０６が光を受けて生成した電荷は、光電変換素
子１０６と垂直電荷転送レジスター１０８との間に介在
する不図示の読み出し領域を経て、対応する垂直電荷転
送レジスター１０８に出力され、垂直電荷転送レジスタ
ー１０８はこの電荷を順次、水平電荷転送レジスター１
１０に向けて転送する。水平電荷転送レジスター１１０
は各垂直電荷転送レジスター１０８から電荷を受け取っ
てアンプ部１１２に転送し、アンプ部１１２は転送され
てきた電荷にもとづき出力端子１１４を通じて映像信号
を出力する。

【０００５】断面図を参照して光電変換素子１０６周辺
を詳しく説明すると、図４の（Ｂ）に示したように、光
電変換素子１０６はｐ型の半導体基板１０４の表面部に
局所的に積層されたｐ型領域１１５およびｎ型領域１１
６を含み、図４の（Ｂ）ではその左側の半導体基板表面
部に、対応する垂直電荷転送レジスター１０８が形成さ
れている。垂直電荷転送レジスター１０８の上には第２
層目の転送電極１１８が絶縁膜１２０を介して形成さ
れ、その上には絶縁膜１２０を介して遮光膜１２２が形
成されている。

【０００６】また、図４の（Ｂ）において光電変換素子
１０６の右側にはチャネルストップ領域として高濃度の
ｐ型不純物をたとえばイオン注入法により導入したｐ型
領域１２４が形成されている。このｐ型領域１２４は、
図３に示したように、平面視では各光電変換素子１０６
を、垂直電荷転送レジスター１０８側を除いて囲む形で
形成されている。

【０００７】したがって、光電変換素子１０６の列方向
の断面では、図４の（Ａ）に示したように、隣接する光
電変換素子１０６の間にチャネルストップ領域としての
ｐ型領域１２４が配置されている。また、図４の（Ａ）
に示した断面位置では、ｐ型領域１２４の上に第１層目
の転送電極１２６、および第２層目の転送電極１１８が
絶縁膜１２０を介して積層され、その上を遮光膜１２２
が覆っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように各光電変
換素子１０６の周囲、すなわち画素の周囲に高濃度の不
純物によるｐ型領域１２４を形成することで画素間に高
いポテンシャルバリアが生成され、各画素が分離され
る。その結果、各光電変換素子１０６が受光して生成し
た信号電荷は各光電変換素子１０６ごとに独立して垂直
電荷転送レジスター１０８に供給されることになる。

【０００９】しかしながら、このｐ型領域１２４による
ポテンシャルバリアは基板表面から深い位置へ向かうに
したがってしだいに均一化される。そのため、光電変換
素子１０６のｎ型領域１１６が深く形成されるような構
造の場合には、ｐ型領域１２４が充分に作用せず、隣接
する光電変換素子１０６間で信号電荷が混合する結果と
なる。このような信号電荷の混合が発生すると固体撮像
素子１０２の解像度が低下し、またカラー画像を撮影す
る固体撮像素子の場合には、隣接する光電変換素子１０
６は相互に異なる色に対応しているため画素間の混色が
発生してしまう。

【００１０】この問題は、高エネルギーでｐ型不純物を
導入し、ｐ型領域１２４を深く形成することで回避でき
る。しかし、高エネルギーのイオン注入は制御性が悪
く、横方向への広がりも大きいことから、光電変換素子
１０６が高密度で配列され個々の光電変換素子１０６の
サイズが小さい場合には、この手法を用いることは困難
である。さらに、イオン注入時のマスキングのためのレ
ジスト層は、高エネルギーのイオン注入に耐えられるよ
う厚く形成しなければならず、この点からも微細加工が
難しくなり、光電変換素子１０６のサイズが小さい場合
にはｐ型領域１２４を深く形成することは困難である。

【００１１】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、サイズの小さい光電変換
素子を高密度で配列する場合でも、各光電変換素子を容
易かつ確実に分離して信号電荷の混合にともなう解像度
の低下や混色を防止できる固体撮像素子を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、半導体基板上に相互に近接して配列された複
数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子は前記半導
体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型および
第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は前記
半導体基板の表面側に形成されている固体撮像素子であ
って、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前
記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチ
が形成されていることを特徴とする。

【００１３】このように本発明の固体撮像素子では、各
光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導
電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成さ
れているので、各光電変換素子により生成された信号電
荷は、このトレンチにより阻止されて、隣接する他の光
電変換素子による信号電荷と混合することがない。その
結果、解像度が低下したり画素間で混色が起こるといっ
た問題は発生しない。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１の（Ａ）および（Ｂ）
は本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面
図である。図中、図２ないし図４と同一の要素には同一
の符号が付されている。ここで説明する実施の形態例と
しての固体撮像素子は、一例としてインターライン型の
固体撮像素子であり、基本的な構成は図２に示した固体
撮像素子１０２と同様の構成となっている。すなわち、
シリコンから成る半導体基板上に多数の光電変換素子を
相互に間隔をおきマトリクス状に配列して構成され、光
電変換素子の各列ごとに垂直電荷転送レジスターが、光
電変換素子の列方向に延設され、垂直電荷転送レジスタ
ーの一端部に水平電荷転送レジスターが配置されてい
る。また水平電荷転送レジスターの一方の端部にはアン
プ部が形成されている。なお、光電変換素子はここでは
フォトダイオードであるとする。

【００１５】そして、図１の（Ａ）は図４の（Ａ）と同
様、光電変換素子の列方向における光電変換素子周辺の
詳しい断面を示し、図１の（Ｂ）は図４の（Ｂ）と同
様、光電変換素子の行方向における光電変換素子周辺の
詳しい断面を示している。本実施の形態例は、チャネル
ストップ領域としてトレンチを形成する点で、従来の固
体撮像素子と異なっている。すなわち、図１の（Ａ）、
（Ｂ）に示したように、実施の形態例の固体撮像素子２
では、ｎ型領域１１６（本発明に係わる第１導電型の領
域）およびｐ型領域１１５（本発明に係わる第２導電型
の領域）から成る光電変換素子１０６のそれぞれの周囲
の半導体基板表面部に、ｎ型領域１１６の底部６より深
い位置に至るトレンチ８が形成されている。

【００１６】トレンチ８は、従来の固体撮像素子におけ
るｐ型領域１２４と同様の位置に形成されており、した
がって平面視においても図３に示した従来の固体撮像素
子１０２のｐ型領域１２４と同様、垂直電荷転送レジス
ター１０８と、同垂直電荷転送レジスター１０８に対応
する光電変換素子１０６との間の箇所を除いて、光電変
換素子１０６を囲む形で形成されている。

【００１７】トレンチ８の内面には、図１の（Ａ）およ
び（Ｂ）に示したように、本実施の形態例では絶縁膜１
０が被着され、そして内側に金属材料１２が充填されて
いる。トレンチ８の内面に被着させる上記絶縁膜１０
は、たとえば、半導体基板１０４の熱酸化によるシリコ
ンの酸化膜として形成することができ、トレンチ８内に
充填する金属材料１２はたとえばアルミニウムを堆積さ
せることで形成することができる。

【００１８】また、光電変換素子１０６と、隣接するト
レンチ８との間における半導体基板表面部に、高濃度の
不純物を含むｐ型領域１４（本発明に係わる第２導電型
の領域）が比較的浅く形成されている。このｐ型領域１
４は、光電変換素子１０６と、対応する垂直電荷転送レ
ジスター１０８との間の箇所を除いて、光電変換素子１
０６の周囲に形成されている。

【００１９】電極や遮光膜に関しては従来の固体撮像素
子と同様であり、図１の（Ｂ）に示したように、垂直電
荷転送レジスター１０８の上に第２層目の転送電極１１
８が絶縁膜１２０を介して形成され、その上に絶縁膜１
２０を介して遮光膜１２２が形成されている。また、図
１の（Ａ）に示した断面位置では、トレンチ８およびｐ
型領域１４の上に転送電極１２６、１１８が絶縁膜１２
０を介して積層され、その上を遮光膜１２２が覆ってい
る。

【００２０】このように本実施の形態例の固体撮像素子
２では、光電変換素子１０６のそれぞれの周囲の半導体
基板表面部に、光電変換素子１０６を構成するｎ型領域
１１６の底部６より深い位置に至るトレンチ８が形成さ
れているので、各光電変換素子１０６により生成された
信号電荷は、このトレンチ８により阻止されて、隣接す
る他の光電変換素子１０６による信号電荷と混合するこ
とがない。そのため、解像度が低下したり画素間で混色
が起こるといった問題は発生しない。

【００２１】また、本実施の形態例では、トレンチ８内
に金属材料１２が充填されているので、受光部１６に斜
めに入射した光、あるいは光電変換素子１０６内などで
散乱した光は、光電変換素子１０６の側部から出射した
後、金属材料１２の側面で反射されて再度光電変換素子
１０６内に入射し、その結果、光電変換素子１０６の感
度が向上する。

【００２２】このようなトレンチ８は、エッチングなど
従来から広く用いられている技術により容易に形成する
ことができる。具体的には、たとえば、転送電極１２
６、１１８や斜光膜１２２を形成する前の段階で、まず
従来通り、たとえばイオン注入法によってｐ型領域１４
を形成する。その後、半導体基板表面にたとえばシリコ
ン窒化膜を形成し、パターン化してトレンチ８の形成箇
所のみ開口させ、そしてこのパターン化したシリコン窒
化膜をマスクとして選択的エッチング（たとえばドライ
エッチング）を行い、トレンチ８を必要な深さに形成す
る。

【００２３】本実施の形態例の固体撮像素子２では、ト
レンチ８の形成がこのように容易であることから、サイ
ズの小さい光電変換素子１０６を高密度で配列するよう
な場合でも、各光電変換素子１０６を確実に分離して解
像度の低下や混色を防止することができる。

【００２４】なお、本実施の形態例では、トレンチ８内
に金属材料１２を充填するとしたが、金属材料１２を充
填せず、絶縁材料を充填したり、あるいは空洞構造とす
ることも可能である。その場合にも、トレンチ８はチャ
ネルストップ領域としての機能を果たすため、各光電変
換素子１０６により生成された信号電荷は、トレンチ８
により阻止されて、隣接する他の光電変換素子１０６に
よる信号電荷と混合することがない。そのため、解像度
が低下したり画素間で混色が起こるといった問題は発生
しない。ただし、光電変換素子１０６の側部などから出
射した光がトレンチ部で反射して再度光電変換素子１０
６内に入射するという作用は得られないか、あるい弱ま
るので、この点では、高い光反射率を得るためにトレン
チ８内に金属材料１２を充填する構造とすることが望ま
しい。

【００２５】本実施の形態例では、トレンチ８とともに
ｐ型領域１４をも形成するとしたが、このｐ型領域１４
を形成する目的は画素を分離することではなく、光電変
換素子１０６を構成するｎ型領域１１６の下方に溜まっ
た正孔を速やかに排出するためのものである。したがっ
て、特に深いものとする必要はなく、その形成は容易で
ある。トレンチ８を形成する際にシリコン窒化膜による
マスクを用いるとしたが、マスクの材料としては、エッ
チングの際に半導体基板１０４よりエッチングレートが
低い材料であれば、必ずしもシリコン窒化膜でなくても
よい。

【００２６】また、本実施の形態例では、光電変換素子
１０６はマトリクス状に配列されているとしたが、リニ
アイメージセンサーなどのように、光電変換素子が直線
的に配列されている場合にも本発明は有効であり、各光
電変換素子１０６の周囲にトレンチを形成することで同
様の効果を得ることができる。本実施の形態例では、固
体撮像素子２は、インターライン型であるとしたが、以
上の説明から明らかなように本発明が各光電変換素子１
０６周辺の構造に係わるものであるため、電荷の転送方
式がインターライン型以外の方式であっても本発明は適
用可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子では、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、
光電変換素子を構成する第１導電型の領域の底部より深
い位置に至るトレンチが形成されているので、各光電変
換素子により生成された信号電荷は、このトレンチによ
り阻止されて、隣接する他の光電変換素子による信号電
荷と混合することがない。その結果、解像度が低下した
り画素間で混色が起こるといった問題は発生しない。そ
して、上記トレンチはエッチングなど従来から広く用い
られている技術により容易に形成することができるの
で、サイズの小さい光電変換素子を高密度で配列するよ
うな場合でも解像度の低下や混色を確実に防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は本発明による固体撮像素
子の一例を示す部分断面側面図である。

【図２】従来の固体撮像素子の一例を示す平面図であ
る。

【図３】図２の固体撮像素子の一部を詳しく示す部分拡
大平面図である。

【図４】（Ａ）は図３におけるＡ−Ａ’線に沿った部分
断面側面図、（Ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ’線に沿った
部分断面側面図である。

【符号の説明】

２……固体撮像素子、６……底部、８……トレンチ、１
０……絶縁膜、１２……金属材料、１４……ｐ型領域、
１６……受光部、１０２……固体撮像素子、１０４……
半導体基板、１０６……光電変換素子、１０８……垂直
電荷転送レジスター、１１０……水平電荷転送レジスタ
ー、１１２……アンプ部、１１４……出力端子、１１５
……ｐ型領域、１１６……ｎ型領域、１１８……転送電
極、１２０……絶縁膜、１２２……遮光膜、１２４……
ｐ型領域、１２６……転送電極。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に相互に近接して配列され
   た複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子は前記
   半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型お
   よび第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は
   前記半導体基板の表面側に形成されている固体撮像素子
   であって、 各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１
   導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成
   されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記トレンチの内面に絶縁膜が被着され
   ていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記トレンチの内側に金属材料が充填さ
   れていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素
   子。
4. 【請求項４】 前記トレンチの内側に絶縁材料が充填さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素
   子。
5. 【請求項５】 前記半導体基板はシリコンから成り、前
   記絶縁膜はシリコンの酸化物により形成されていること
   を特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記金属材料はアルミニウムであること
   を特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
7. 【請求項７】 前記光電変換素子と、同光電変換素子に
   隣接する前記トレンチとの間の半導体基板表面部に、高
   濃度の第２導電型の不純物を含む領域が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
8. 【請求項８】 前記光電変換素子は前記半導体基板上に
   マトリクス状に配列され、前記光電変換素子の各列ごと
   に垂直電荷転送レジスターが前記光電変換素子の列方向
   に延設され、前記垂直電荷転送レジスターは対応する列
   の前記光電変換素子から電荷を取り込んで転送し、前記
   トレンチは、前記垂直電荷転送レジスターと、同垂直電
   荷転送レジスターに対応する前記光電変換素子との間の
   箇所を除いて、前記光電変換素子の周囲に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。