JP2011205031A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特性劣化を防止しながら、スミアの発生を抑制できる構造を備えた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、表面近傍に、垂直方向に延伸する複数の転送チャネル領域３と複数の受光部９とを有する半導体基板１と、半導体基板１の上に、複数の転送チャネル領域３を覆うように形成された複数の垂直転送電極１１ａと、複数の垂直転送電極１１ａの上を覆うと共に複数の受光部９の上を開口するように形成された遮光膜１３とを備えている。複数の転送チャネル領域３は、少なくともその一部が、複数の受光部９よりも上側に位置するように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明に開示の技術は、例えばＣＣＤ（charge-coupled device）型の固体撮像素子等の固体撮像装置及びその製造方法に関する。特に、スミアの発生を抑制できる構造を備えた固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来から、固体撮像素子の一種としてＣＣＤ型の固体撮像装置が広く用いられている。ＣＣＤ型の固体撮像素子としては、複数の受光部が半導体基板上にマトリクス状に形成され、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た構造を有するインターライン転送型等の固体撮像装置が知られている。

特開平１０−１４４９０７号公報

このような従来のＣＣＤ型の固体撮像素子では、以下のような問題を有している。

すなわち、現在主流となっている小型デジタルスチルカメラ向けのＣＣＤ型の固体撮像装置では、固体撮像装置の小型化及び画素の高密度化に伴って、例えば太陽のように非常に強い光を放つものが被写体中にある場合に、いわゆるスミアが発生しやすくなる。これは、転送チャネルが受光部に隣接して同じ深さに位置するため、光の入射によって受光部以外の領域で発生した電荷が転送チャネルへ容易に到達してしまうからである。このようなスミアの発生を抑制するために、画素を露出する開口部のサイズを縮小する等の対策が取られているが、開口部のサイズを縮小することは一方で、感度の低下等の特性劣化を招くことになる。

前記に鑑み、本発明の目的は、特性劣化を防止しながら、スミアの発生を抑制できる構造を備えた固体撮像装置及びその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の一側面の固体撮像装置は、表面近傍に、各々が垂直方向に延伸する複数の転送チャネル領域と、マトリクス状に互いに間隔を置いて設けられると共に前記複数の転送チャネル領域の各々と隣り合って設けられた複数の受光部とを有する半導体基板と、半導体基板の上に、複数の転送チャネル領域の各々を覆うように形成された複数の垂直転送電極と、複数の垂直転送電極の各々の上を覆うと共に複数の受光部の各々の上を開口するように形成された遮光膜とを備えており、複数の転送チャネル領域の各々は、少なくともその一部が、複数の受光部の各々よりも上側に位置するように形成されている。

このように、複数の転送チャネル領域の各々は、少なくともその一部が、複数の受光部の各々よりも上側に位置するように形成されているため、光の入射によって受光部以外の領域で電荷の発生する領域と転送チャネル領域との距離を大きくできる。このため、例えば斜に入射する光などにより、半導体基板における受光部以外の領域にて発生した電荷が、転送チャネル領域に入ることが抑制され、スミアの発生が抑制される。

本発明の一側面の固体撮像装置において、複数の垂直転送電極の各々は、複数の転送チャネル領域の各々の側面及び上面を断面形状コの字状に囲んでいてもよい。

このように、垂直転送電極によってコの字状に立体的に転送チャネル領域を囲んでいるため、通常の平面形状の垂直転送電極で転送チャネル領域上を覆っている場合と比較して、転送チャネルとして機能する領域が実効的に大きくなる。これにより、転送チャネル領域の面積を小さくすることが可能となる分、受光部の面積を広げることによって感度を向上させることができる。

本発明の一側面の固体撮像装置において、遮光部は、複数の転送チャネル領域の各々の側面及び上面を断面形状コの字状に囲んでいてもよい。

このように、遮光膜によってコの字状に立体的に転送チャネル領域を囲んでいるため、転送チャネル領域への斜め方向からの入射光が遮断される。その結果、スミアの発生を抑制することができる。さらに、遮光膜は、その側壁部分が入射光を受光部へ導く導波管としても働くため、受光部上への集光効率が上昇する。その結果、感度が向上する。

本発明の一側面の固体撮像装置において、複数の転送チャネル領域の各々と複数の垂直転送電極の各々との間には、ゲート絶縁膜が形成されていてもよい。

本発明の一側面の固体撮像装置において、複数の垂直転送電極の各々と遮光膜との間、及び、複数の受光部の上には、透明絶縁膜が形成されていてもよい。

本発明の一側面の固体撮像装置及びその製造方法によると、感度低下を防止しながらスミアを抑制できる。また、面積効率の高いレイアウトが可能となり、固体撮像素子の小型化を実現できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構造を示す平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構造を示す断面図であって、具体的には、図１のII-II線に対応する拡大された断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構造を示す断面図であって、具体的には、図１のIII-III線に対応する拡大された断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図であって、具体的には、図２の断面図に対応する断面における工程断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図であって、具体的には、図２の断面図に対応する断面における工程断面図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図であって、具体的には、図２の断面図に対応する断面における工程断面図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図であって、具体的には、図２の断面図に対応する断面における工程断面図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。

まず、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造について、図１〜図３を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の平面構造を示している。

図１に示すように、半導体基板１の表面近傍には、複数の受光部９がマトリクス状（垂直方向（列方向）及び水平方向（行方向））に互いに間隔を置いて形成されている。垂直方向に並んだ複数の受光部９同士の間には、垂直方向に延伸するように転送チャネル領域３が形成されていると共に、該転送チャネル領域３をゲート絶縁膜１０（図１では図示せず）を介して覆うように、垂直転送電極１１ａ及び１１ｂが互いに間隔を置いて垂直方向に交互に並んで形成されている。なお、転送チャネル領域３、ゲート絶縁膜１０、垂直転送電極１１ａ及び１１ｂにより、ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１８が構成される。また、半導体基板１の全面上には、図示するように垂直転送電極１１ａ及び１１ｂ間、並びに垂直転送電極１１ａ及び１１ｂの上面及び底面を覆うように、層間絶縁膜１２が形成されている。さらに、層間絶縁膜１２の上には、複数の受光部９の各々の上部を層間絶縁膜１２を介して開口する一方で垂直転送レジスタ１８を覆うように、遮光膜１３が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、半導体基板１上に遮光膜１３までが形成された状態を示しており、後述で詳述する図２及び図３に示す構成要素は適宜省略して図示している。

図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の構造断面図であり、図２は、図１のII-II線に対応する断面を拡大して示しており、図３は、図１のIII-III線に対応する断面を拡大して示している。

図２及び図３に示すように、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上には、第２導電型、例えばｐ型の半導体ウェル領域２が形成されている。ｐ型の半導体ウェル領域２内には、図２に示すように、ｎ型の不純物拡散領域７が形成されており、該ｎ型の不純物拡散領域７上には、ｐ型の正電荷蓄積領域８が形成されている。ここで、ｐ型の半導体ウェル領域２とｎ型の不純物拡散領域７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が構成されており、該受光部９は画素に対応するように形成されている。

また、図２及び図３に示すように、ｐ型の半導体ウェル領域２の上には、上述した列方向に延伸する垂直転送レジスタ１８を構成するｎ型の転送チャネル領域３が形成されており、該ｎ型の転送チャネル領域３の直下には、ｐ型の半導体ウェル領域２の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するｐ型の半導体ウェル領域４が形成されている。ここで、転送チャネル領域３は、その一部が受光部９よりも半導体基板１の上側に位置するように形成されている。但し、転送チャネル領域３の全部が受光部９よりも半導体基板１の上側に位置するように形成されていてもよい。また、図２に示すように、ｎ型の半導体ウェル領域２上における垂直転送レジスタ１８と各受光部９との間の領域には、垂直転送レジスタ１８の一方側にｐ型のチャネルストップ領域５が形成されており、その他方側にｐ型の低濃度の読み出しゲート領域６が形成されている。

また、図２及び図３に示すように、垂直転送レジスタ１８を構成する転送チャネル領域３、ｐ型のチャネルストップ領域５、及びｐ型の低濃度の読み出しゲート領域６の上には、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２ ）膜又はシリコン窒化（ＳｉＮ）膜からなるゲート絶縁膜１０が形成されている。なお、ゲート絶縁膜１０の代わりに、酸化膜、窒化膜、及び酸化膜がこの順で積層された構造を有するいわゆるＯＮＯ膜を形成することもできる。

また、図２及び図３に示すように、ゲート絶縁膜１０の上には、例えば多結晶シリコン層からなる垂直転送電極１１ａ及び１１ｂが互いに間隔を置いて垂直方向に並んで形成されており、半導体基板１の全面上に、該垂直転送電極１１ａ及び１１ｂの各々の上面及び側面を覆うように、例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの透明絶縁膜材料からなる層間絶縁膜（透明絶縁膜）１２が形成されている。ここで、図２に示すように、転送チャネル領域３の側面及び上面は、断面形状コの字状の垂直転送電極１１ａによって覆われている。なお、転送チャネル３、ゲート絶縁膜１０、垂直転送電極１１ａ及び１１ｂにより、ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１８が構成される。さらに、複数の受光部９の各々の上部を層間絶縁膜１２を介して開口する一方で垂直転送レジスタ１８を覆うように、層間絶縁膜１２の上には、例えばタングステン（Ｗ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属膜からなる遮光膜１３が形成されている。また、ここで、図２に示すように、転送チャネル領域３の側面及び上面は、断面形状コの字状の遮光膜１３によって覆われている。

また、図２及び図３に示すように、半導体基板１の全面上に、層間絶縁膜１２及び遮光膜１３を覆うように、例えばＢＰＳＧ膜などからなる層間絶縁膜１４、及び、該層間絶縁膜１４よりも屈折率の高い高屈折率膜１５がこの順に形成されている。なお、層間絶縁膜１４及び高屈折率膜１５により層内レンズが構成される。さらに、図２に示すように、高屈折率膜１５の上には、カラーフィルタ１６及びオンチップレンズ１７が形成されている。

次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４〜図７を参照しながら説明する。図４（ａ）及び（ｂ）、図５（ａ）及び（ｂ）、図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図であって、具体的には、図２の断面図に対応する断面における工程断面を示している。

まず、図４（ａ）に示すように、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にｐ型の半導体ウェル領域２を形成した後、該ｐ型の半導体ウェル領域２における上部に、後述の転送チャネル領域３を構成するｎ型の半導体領域３ａを形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング技術等を用いて、パターン化されたｎ型の半導体領域３ｂを形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びイオン注入法等を用いて、ｐ型の半導体ウェル領域２又はｎ型の半導体領域３ｂに、ｎ型の不純物拡散領域７、ｐ型の正電荷蓄積領域８、ｐ型の半導体ウェル領域４、チャネルストップ領域５、及び、読み出しゲート領域６を形成する。なお、これにより、ｎ型の半導体領域からなり、上述の転送レジスタ１８を構成する転送チャネル領域３が形成される。また、ｎ型の不純物拡散領域７及びｐ型の正電荷蓄積領域８により受光部９が構成される。このように、転送チャネル領域３は、その一部が受光部９よりも半導体基板１の上側に位置するように形成されている。但し、転送チャネル領域３の全部が受光部９よりも半導体基板１の上側に位置するように形成されていてもよい。なお、ｐ型の半導体ウェル領域４は、その濃度がｐ型の半導体ウェル領域２の濃度よりも高くなるように形成され、チャネルストップ領域５は、その濃度が読み出しゲート領域６の濃度よりも高くなるように形成される。

次に、図５（ｂ）に示すように、熱酸化法又はＣＶＤ法を用いて、半導体基板１の全面上に、転送チャネル領域３を覆うように、例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜１０を形成する。なお、ゲート絶縁膜１０の代わりに、酸化膜、窒化膜、及び酸化膜がこの順で積層された構造を有するいわゆるＯＮＯ膜を形成することもできる。続いて、ゲート絶縁膜１０の上に、ＣＶＤ法等を用いて、後述する垂直転送電極１１ａ及び１１ｂを構成する多結晶シリコン膜１１ｃを堆積する。なお、多結晶シリコン膜１１ｃの代わりに、タングステンなどの金属膜を用いることもできる。

次に、図６（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング技術などを用いて、多結晶シリコン膜１１ｃ及びゲート絶縁膜１０における受光部９上の部分を除去して、垂直転送電極１１ａを形成する。なお、図示していないが、上述の図１及び図３に示した垂直転送電極１１ｂも本工程にて形成される。このようにして、図６（ａ）に示すように、転送チャネル領域３の側面及び上面は、断面形状コの字状の垂直転送電極１１ａ又は１１ｂによって覆われる。

次に、図６（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いて、半導体基板１の全面上に、垂直転送電極１１ａを覆うように、例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの透明絶縁膜材料からなる層間絶縁膜１２を形成し、続いて、例えばタングステン（Ｗ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属膜からなる遮光膜１３を形成する。

次に、図７（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング技術等を用いて、遮光膜１３における受光部９上の部分を除去して、受光部７の上面を層間絶縁膜１２を介して開口させる。このようにして、図６（ｂ）に示すように、転送チャネル領域３の上面及び側面は、断面形状コの字状の遮光膜１３によって覆われる。なお、簡単な熱処理を行った後、図示していないが、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１３をそのまま配線部として活用する場合とがある。

次に、図７（ｂ）に示すように、半導体基板１の全面上に、層間絶縁膜１２及び遮光膜１３を覆うように、例えばＢＰＳＧ膜などからなる層間絶縁膜１４を形成し、続いて、層間絶縁膜１４の上に、該層間絶縁膜１４よりも屈折率の高い高屈折率膜１５を形成する。その後、高屈折率膜１５の上にフォトレジスト膜を形成し、高屈折率膜１５及びフォトレジスト膜をエッチバックすることにより、層間絶縁膜１４及び高屈折率膜１５からなる層内レンズを形成する。その後、公知の方法により、カラーフィルタ１６、及びオンチップレンズ１７を形成する。

このようにして、図１、図２及び図３に示した本発明の一実施形態に係る固体撮像装置が製造される。

以上のように、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法によると、転送チャネル領域３の一部が受光部９よりも半導体基板１の上側に位置している。このため、光の入射によって受光部９以外の領域で電荷の発生する領域と転送チャネル領域３との距離が大きくなる。したがって、例えば斜めに入射する光などにより、受光部９以外の領域、つまり、例えばｐ型の半導体ウェル領域４の下側におけるｐ型の半導体ウェル領域２にて発生した電荷が、転送チャネル領域３に入ることが抑制され、スミアの発生が抑制される。

また、転送チャネル領域３の上面及び側面は、断面形状コの字状の垂直転送電極１１ａ及び１１ｂによって覆われている。このように、垂直転送電極１１ａ及び１１ｂによってコの字状に立体的に転送チャネル領域３を囲んでいるため、通常の平面形状の垂直転送電極で転送チャネル領域３上を覆っている場合と比較して、転送チャネルとして機能する領域が実効的に大きくなる。これにより、転送チャネル領域３の平面面積を一定として見た場合に、通常の平面形状の垂直転送電極で転送チャネル領域３上を覆っている場合と比較して、多量の電荷を転送することができる。したがって、転送チャネル領域３の面積（領域）を小さくすることが可能となる分、受光部９の面積（領域）を広げることによって感度を向上させることができる。

さらに、転送チャネル領域３の側面及び上面は、断面形状コの字状の遮光膜１３によって覆われている。このように、遮光膜１３によってコの字状に転送チャネル領域３を囲んでいるため、転送チャネル領域３への斜め方向からの入射光が遮断される。その結果、スミアの発生を抑制することができる。

さらに、遮光膜１３は、その側壁部分が入射光を受光部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昇する。その結果、感度が向上する。

このように、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法によると、スミアの発生を抑制しながら感度の向上により良好な画質を実現することができると共に、面積効率の高いレイアウトが可能となって固体撮像素子の小型化を実現することができる。

本発明は、感度低下を防止しながらスミアを抑制できる固体撮像装置の構造及びその製造方法にとって有用である。

１ 半導体基板
２ ｐ型の半導体ウエル領域
３ 転送チャネル領域
４ ｐ型の半導体ウエル領域
５ チャネルストップ領域
６ 読み出しゲート領域
７ 不純物拡散領域
８ 正電荷蓄積領域
９ 受光部
１０ ゲート絶縁膜
１１ａ、１１ｂ 垂直転送電極
１２ 層間絶縁膜（透明絶縁膜）
１３ 遮光膜
１４ 層間絶縁膜
１５ 高屈折率膜
１６ カラーフィルタ
１７ オンチップレンズ
１８ 垂直転送レジスタ

Claims (5)

1. 表面近傍に、各々が垂直方向に延伸する複数の転送チャネル領域と、マトリクス状に互いに間隔を置いて設けられると共に前記複数の転送チャネル領域の各々と隣り合って設けられた複数の受光部とを有する半導体基板と、
   前記半導体基板の上に、前記複数の転送チャネル領域の各々を覆うように形成された複数の垂直転送電極と、
   前記複数の垂直転送電極の各々の上を覆うと共に前記複数の受光部の各々の上を開口するように形成された遮光膜とを備えており、
   前記複数の転送チャネル領域の各々は、少なくともその一部が、前記複数の受光部の各々よりも上側に位置するように形成されている、固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記複数の垂直転送電極の各々は、前記複数の転送チャネル領域の各々の側面及び上面を断面形状コの字状に囲んでいる、固体撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
   前記遮光部は、前記複数の転送チャネル領域の各々の側面及び上面を断面形状コの字状に囲んでいる、固体撮像装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか１記載の固体撮像装置において、
   前記複数の転送チャネル領域の各々と前記複数の垂直転送電極の各々との間には、ゲート絶縁膜が形成されている、固体撮像装置。
5. 請求項１〜３のうちのいずれか１記載の固体撮像装置において、
   前記複数の垂直転送電極の各々と前記遮光膜との間、及び、前記複数の受光部の上には、透明絶縁膜が形成されている、固体撮像装置。

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