JP2011205031A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
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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
【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。
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。
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(SiO2 )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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010073313A JP2011205031A (ja) | 2010-03-26 | 2010-03-26 | 固体撮像装置及びその製造方法 |
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JP2010073313A Pending JP2011205031A (ja) | 2010-03-26 | 2010-03-26 | 固体撮像装置及びその製造方法 |
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