JP2757624B2 - 赤外線固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
赤外線固体撮像素子及びその製造方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、二次元像情報を時系列
電気信号に変換する赤外線固体撮像素子及びその製造方
法に関する。
電気信号に変換する赤外線固体撮像素子及びその製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の赤外線固体撮像素子の平
面構造を図5に示す。これは画素2×2個分である。垂
直電荷結合素子のゲート電極と駆動信号を供給する信号
線とは駆動信号の同一のもの同士が一体となっており、
図5のゲート電極兼信号線(第1層ポリシリコン)25
及びゲート電極兼信号線(第2層ポリシリコン)26の
構造をしている。各光電変換層1と各ゲート電極兼信号
線とは互いに回避する形状で設けられている。
面構造を図5に示す。これは画素2×2個分である。垂
直電荷結合素子のゲート電極と駆動信号を供給する信号
線とは駆動信号の同一のもの同士が一体となっており、
図5のゲート電極兼信号線(第1層ポリシリコン)25
及びゲート電極兼信号線(第2層ポリシリコン)26の
構造をしている。各光電変換層1と各ゲート電極兼信号
線とは互いに回避する形状で設けられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】電荷結合素子のゲート
電極は半導体基板との間に大きな静電容量を持つため、
信号線の電気抵抗が高いと駆動信号が遅延及び変形して
しまい、垂直電荷結合素子が正常な電荷転送を行なえな
くなってしまう。そのため、従来のこの種の赤外線固体
撮像素子では、正常な電荷転送ができる程度に信号線の
太さを確保しなければならず、受光部面積対画素面積の
比率を大きくできないという欠点がある。この欠点を解
決する方法としては、ゲート電極に駆動信号を供給する
信号線を、ゲート電極とは別に金属で形成して配線する
ことが挙げられるが、従来の赤外線固体撮像素子の受光
部を構成する裏面照射型赤外線検出素子は、光電変換層
を透過した赤外線を反射して光電変換層へ再度入射させ
る金属反射鏡を表面側に具備するため、金属信号線は垂
直電荷結合素子上をその転送方向に沿って這わせるか、
あるいは金属反射鏡上に絶縁膜を介して這わせなければ
ならない。前者では垂直電荷結合素子の幅として金属信
号線全てが乗るだけのものが必要となり、受光部面積対
画素面積の比率を大きくできないという欠点が依然残っ
てしまう。一方後者では、光電変換層/絶縁膜/金属反
射鏡で構成された積層構造上を絶縁膜で覆った上に金属
信号線を設けるため、ゲート電極と金属信号線とを接続
するためのコンタクトホールを深くする必要があり、微
細に形成することができないという欠点が新たに発生し
てしまう。
電極は半導体基板との間に大きな静電容量を持つため、
信号線の電気抵抗が高いと駆動信号が遅延及び変形して
しまい、垂直電荷結合素子が正常な電荷転送を行なえな
くなってしまう。そのため、従来のこの種の赤外線固体
撮像素子では、正常な電荷転送ができる程度に信号線の
太さを確保しなければならず、受光部面積対画素面積の
比率を大きくできないという欠点がある。この欠点を解
決する方法としては、ゲート電極に駆動信号を供給する
信号線を、ゲート電極とは別に金属で形成して配線する
ことが挙げられるが、従来の赤外線固体撮像素子の受光
部を構成する裏面照射型赤外線検出素子は、光電変換層
を透過した赤外線を反射して光電変換層へ再度入射させ
る金属反射鏡を表面側に具備するため、金属信号線は垂
直電荷結合素子上をその転送方向に沿って這わせるか、
あるいは金属反射鏡上に絶縁膜を介して這わせなければ
ならない。前者では垂直電荷結合素子の幅として金属信
号線全てが乗るだけのものが必要となり、受光部面積対
画素面積の比率を大きくできないという欠点が依然残っ
てしまう。一方後者では、光電変換層/絶縁膜/金属反
射鏡で構成された積層構造上を絶縁膜で覆った上に金属
信号線を設けるため、ゲート電極と金属信号線とを接続
するためのコンタクトホールを深くする必要があり、微
細に形成することができないという欠点が新たに発生し
てしまう。
【0004】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため本発明は、光電変換層を透過した赤外線を反射して
光電変換層へ再度入射させる金属反射鏡を表面側に具備
する裏面照射型赤外線検出素子から成る受光部が2次元
に配列され、これら受光部から垂直電荷結合素子と水平
電荷結合素子の組み合わせにより、2次元情報の光信号
電荷を時系列信号として出力する赤外線固体撮像素子に
おいて、前記金属反射鏡が前記垂直電荷結合素子の各ゲ
ート電極に駆動信号を供給する金属信号線群から構成さ
れることを特徴とする。
ため本発明は、光電変換層を透過した赤外線を反射して
光電変換層へ再度入射させる金属反射鏡を表面側に具備
する裏面照射型赤外線検出素子から成る受光部が2次元
に配列され、これら受光部から垂直電荷結合素子と水平
電荷結合素子の組み合わせにより、2次元情報の光信号
電荷を時系列信号として出力する赤外線固体撮像素子に
おいて、前記金属反射鏡が前記垂直電荷結合素子の各ゲ
ート電極に駆動信号を供給する金属信号線群から構成さ
れることを特徴とする。
【0005】第2の発明ではさらに、金属反射鏡を構成
する金属信号線群の間隙部に絶縁膜を介して第2の金属
反射鏡を具備することを特徴とする。
する金属信号線群の間隙部に絶縁膜を介して第2の金属
反射鏡を具備することを特徴とする。
【0006】第3の発明では金属反射鏡を構成する金属
信号線群の間隙が少なくとも使用波長帯の短波長端波長
以下であることを特徴とする。
信号線群の間隙が少なくとも使用波長帯の短波長端波長
以下であることを特徴とする。
【0007】本発明の製造方法は、金属反射鏡を構成す
る金属信号線群を、赤外線固体撮像素子上に堆積させた
金属膜をドライエッチングでパターニングすることによ
り形成し、このドライエッチングの際に下地絶縁膜にオ
ーバーエッチングを掛け、次に下地絶縁膜のオーバーエ
ッチング分と光学的に等価な厚さの絶縁膜を形成し、そ
の上に第2の金属反射鏡を成す金属膜を堆積させること
を特徴とする。
る金属信号線群を、赤外線固体撮像素子上に堆積させた
金属膜をドライエッチングでパターニングすることによ
り形成し、このドライエッチングの際に下地絶縁膜にオ
ーバーエッチングを掛け、次に下地絶縁膜のオーバーエ
ッチング分と光学的に等価な厚さの絶縁膜を形成し、そ
の上に第2の金属反射鏡を成す金属膜を堆積させること
を特徴とする。
【0008】
【作用】本発明の赤外線固体撮像素子では、ゲート電極
に駆動信号を供給する信号線を、垂直電荷結合素子のゲ
ート電極とは別に金属で形成して配線し、しかも、それ
ら複数の金属信号線すなわち金属信号線群を受光部の光
電変換層上に、絶縁膜を介して這わせることにより、金
属反射鏡として機能させるので、受光部を回避させたり
垂直電荷結合素子の幅を金属信号線全てが乗るだけのも
のにする必要は無くなり、受光部面積対画素面積の比率
を大きくすることができる。また垂直電荷結合素子のゲ
ート電極と金属信号線群との間が絶縁膜一層だけなの
で、ゲート電極と金属信号線とを接続するためのコンタ
クトホールも深くならないで済む。
に駆動信号を供給する信号線を、垂直電荷結合素子のゲ
ート電極とは別に金属で形成して配線し、しかも、それ
ら複数の金属信号線すなわち金属信号線群を受光部の光
電変換層上に、絶縁膜を介して這わせることにより、金
属反射鏡として機能させるので、受光部を回避させたり
垂直電荷結合素子の幅を金属信号線全てが乗るだけのも
のにする必要は無くなり、受光部面積対画素面積の比率
を大きくすることができる。また垂直電荷結合素子のゲ
ート電極と金属信号線群との間が絶縁膜一層だけなの
で、ゲート電極と金属信号線とを接続するためのコンタ
クトホールも深くならないで済む。
【0009】第2の発明では、金属反射鏡を構成する金
属信号線群の間隙部に絶縁膜を介して第2の金属反射鏡
を具備するため、金属信号線群の間隙部から洩れる赤外
光を無くし、光利用効率を高めることができる。
属信号線群の間隙部に絶縁膜を介して第2の金属反射鏡
を具備するため、金属信号線群の間隙部から洩れる赤外
光を無くし、光利用効率を高めることができる。
【0010】第3の発明では、金属反射鏡を構成する金
属信号線群の間隙が少なくとも使用波長帯の短波長端波
長以下であるので、使用波長帯の赤外光にとっては、金
属信号線群に間隙が無いのとほとんど等価となり、第2
の金属反射鏡無しでも光利用効率を高くすることができ
る。さらに積層構造が単純になるので、製造工程の負担
を軽減することができる。
属信号線群の間隙が少なくとも使用波長帯の短波長端波
長以下であるので、使用波長帯の赤外光にとっては、金
属信号線群に間隙が無いのとほとんど等価となり、第2
の金属反射鏡無しでも光利用効率を高くすることができ
る。さらに積層構造が単純になるので、製造工程の負担
を軽減することができる。
【0011】また本発明の製造方法は、金属反射鏡を構
成する金属信号線群を、赤外線固体撮像素子上に堆積さ
せた金属膜をドライエッチングでパターニングすること
により形成し、このドライエッチングの際に下地絶縁膜
にオーバーエッチングを掛け、次に下地絶縁膜のオーバ
ーエッチング分と光学的に等価な厚さの絶縁膜を形成
し、その上に第2の金属反射鏡を成す金属膜を堆積させ
るので、金属信号線群の光電変換層側表面と第2の金属
反射鏡の光電変換層側表面を光電変換層から光学的に同
一の距離に設けることができ、金属反射鏡の効果を最適
にすることができる。
成する金属信号線群を、赤外線固体撮像素子上に堆積さ
せた金属膜をドライエッチングでパターニングすること
により形成し、このドライエッチングの際に下地絶縁膜
にオーバーエッチングを掛け、次に下地絶縁膜のオーバ
ーエッチング分と光学的に等価な厚さの絶縁膜を形成
し、その上に第2の金属反射鏡を成す金属膜を堆積させ
るので、金属信号線群の光電変換層側表面と第2の金属
反射鏡の光電変換層側表面を光電変換層から光学的に同
一の距離に設けることができ、金属反射鏡の効果を最適
にすることができる。
【0012】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例を示しており、
(a)が平面構造図、(b)(c)が縦断面構造図であ
り、(b)がA−A’断面、(c)がB−B’断面であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。
(a)が平面構造図、(b)(c)が縦断面構造図であ
り、(b)がA−A’断面、(c)がB−B’断面であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。
【0013】まず平面構造について述べる。図1(a)
は本赤外線固体撮像素子の画素2×2個分である。単位
画素は赤外線検出素子15、垂直電荷結合素子17、そ
の間で信号電荷を移送するトランスファゲート16及び
素子分離領域5等から成り立っている。垂直電荷結合素
子のゲート電極3及び4は第1層及び第2層のポリシリ
コンから一部重なりを持って形成されており、島状にな
っている。水平方向に並ぶ単位画素で共通の駆動信号が
供給されるべき垂直電荷結合素子のゲート電極間が金属
信号線7及び8で接続されている。本実施例では金属信
号線は2種類のパターンA、Bを持ち、金属信号線群は
この2本から成るが、垂直電荷結合素子としてより多相
駆動方式のものを採用し、それに伴って金属信号線群が
さらに多数の金属信号線から成り立っていてもかまわな
い。これは他の実施例についても同様である。金属信号
線群は光電変換層1上を通っており、金属反射鏡として
機能する。赤外線に対して不感となる領域面積を、垂直
電荷結合素子17と素子分離領域5とを加えた程度に抑
えられるので、受光部面積対画素面積の比率を大きくす
ることができる。
は本赤外線固体撮像素子の画素2×2個分である。単位
画素は赤外線検出素子15、垂直電荷結合素子17、そ
の間で信号電荷を移送するトランスファゲート16及び
素子分離領域5等から成り立っている。垂直電荷結合素
子のゲート電極3及び4は第1層及び第2層のポリシリ
コンから一部重なりを持って形成されており、島状にな
っている。水平方向に並ぶ単位画素で共通の駆動信号が
供給されるべき垂直電荷結合素子のゲート電極間が金属
信号線7及び8で接続されている。本実施例では金属信
号線は2種類のパターンA、Bを持ち、金属信号線群は
この2本から成るが、垂直電荷結合素子としてより多相
駆動方式のものを採用し、それに伴って金属信号線群が
さらに多数の金属信号線から成り立っていてもかまわな
い。これは他の実施例についても同様である。金属信号
線群は光電変換層1上を通っており、金属反射鏡として
機能する。赤外線に対して不感となる領域面積を、垂直
電荷結合素子17と素子分離領域5とを加えた程度に抑
えられるので、受光部面積対画素面積の比率を大きくす
ることができる。
【0014】次に断面構造について述べる。電光変換層
1と金属信号線7及び8との間の絶縁膜12は、使用波
長帯の中心波長をλ、絶縁膜12の屈折率をnとする
と、t=λ/4nとなる厚さt程度になっている。赤外
線が裏面(図では下方)から入射すると、光電変換層1
を透過したものは金属信号線群で反射され、干渉効果に
より特に前記波長λ付近の赤外線が光電変換層1付近で
強められて吸収されるので、高感度の赤外線検出素子と
することができる。
1と金属信号線7及び8との間の絶縁膜12は、使用波
長帯の中心波長をλ、絶縁膜12の屈折率をnとする
と、t=λ/4nとなる厚さt程度になっている。赤外
線が裏面(図では下方)から入射すると、光電変換層1
を透過したものは金属信号線群で反射され、干渉効果に
より特に前記波長λ付近の赤外線が光電変換層1付近で
強められて吸収されるので、高感度の赤外線検出素子と
することができる。
【0015】図2は本発明の第2の実施例を示してお
り、(a)が平面構造図、(b)が縦断面構造図であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。この
実施例では金属信号線群の間隙部に層間絶縁膜19を介
して第2金属反射鏡18が設けられている。この第2金
属反射鏡18は、(a)図に示すように間隙部毎に分離
して形成されていてもよいし、全て一体に形成されてい
てもかまわない。第2金属反射鏡18の作用により、金
属信号線群の間隙部からの赤外線洩れが無くなり、光利
用効率を高くすることができる。
り、(a)が平面構造図、(b)が縦断面構造図であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。この
実施例では金属信号線群の間隙部に層間絶縁膜19を介
して第2金属反射鏡18が設けられている。この第2金
属反射鏡18は、(a)図に示すように間隙部毎に分離
して形成されていてもよいし、全て一体に形成されてい
てもかまわない。第2金属反射鏡18の作用により、金
属信号線群の間隙部からの赤外線洩れが無くなり、光利
用効率を高くすることができる。
【0016】図3は本発明の第3の実施例を示してお
り、(a)が平面構造図、(b)が縦断面構造図であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。この
実施例では、金属信号線群の間隙部が少なくとも使用波
長帯短波長端の波長以下の間隙20となっている。例え
ば赤外線固体撮像素子の代表的な使用波長帯に3〜5μ
m帯があるが、この場合間隙20≦3μmで金属信号線
群が形成される。使用波長帯の短波長端波長より間隙が
狭くなると、光のゆらぎの作用により間隙部が間隙とし
て作用しにくくなるため、第2の金属反射鏡無しでも赤
外線洩れを減少させることができる。
り、(a)が平面構造図、(b)が縦断面構造図であ
る。(a)の平面構造図は画素2×2個分である。この
実施例では、金属信号線群の間隙部が少なくとも使用波
長帯短波長端の波長以下の間隙20となっている。例え
ば赤外線固体撮像素子の代表的な使用波長帯に3〜5μ
m帯があるが、この場合間隙20≦3μmで金属信号線
群が形成される。使用波長帯の短波長端波長より間隙が
狭くなると、光のゆらぎの作用により間隙部が間隙とし
て作用しにくくなるため、第2の金属反射鏡無しでも赤
外線洩れを減少させることができる。
【0017】図4は本発明の赤外線固体撮像素子の製造
方法の一実施例を示す製造工程図である。赤外線固体撮
像素子は上記第2の実施例のものである。光電変換層
1、素子分離領域5、トランスファゲート及び垂直電荷
結合素子等を形成した後、t=λ/4nなる厚さtの絶
縁膜12を堆積させた段階が図4(a)である。絶縁膜
12にコンタクトホールを開け、バリアメタル等を施し
た後、金属信号線群を形成するための金属膜21を堆積
する[同図(b)]。この金属膜21をドライエッチン
グでパターニングするが、ドライエッチング(図中プラ
ズマ衝撃23として記載)の際に下地絶縁膜12にオー
バーエッチングを掛ける[同図(c)]。次に下地絶縁
膜12のオーバーエッチング分と光学的に等価な厚さの
層間絶縁膜19を形成する。すなわち、下地絶縁膜12
のオーバーエッチング分をt’、層間絶縁膜19の屈折
率をn”とするとき、t’’=nt’/n”なる厚さ
t”程度を層間絶縁膜19の形成厚とする。その上に第
2金属反射鏡を形成するための金属膜24を堆積させる
[同図(d)]。この後金属膜24のパターニングや保
護膜等施して赤外線固体撮像素子が完成する。
方法の一実施例を示す製造工程図である。赤外線固体撮
像素子は上記第2の実施例のものである。光電変換層
1、素子分離領域5、トランスファゲート及び垂直電荷
結合素子等を形成した後、t=λ/4nなる厚さtの絶
縁膜12を堆積させた段階が図4(a)である。絶縁膜
12にコンタクトホールを開け、バリアメタル等を施し
た後、金属信号線群を形成するための金属膜21を堆積
する[同図(b)]。この金属膜21をドライエッチン
グでパターニングするが、ドライエッチング(図中プラ
ズマ衝撃23として記載)の際に下地絶縁膜12にオー
バーエッチングを掛ける[同図(c)]。次に下地絶縁
膜12のオーバーエッチング分と光学的に等価な厚さの
層間絶縁膜19を形成する。すなわち、下地絶縁膜12
のオーバーエッチング分をt’、層間絶縁膜19の屈折
率をn”とするとき、t’’=nt’/n”なる厚さ
t”程度を層間絶縁膜19の形成厚とする。その上に第
2金属反射鏡を形成するための金属膜24を堆積させる
[同図(d)]。この後金属膜24のパターニングや保
護膜等施して赤外線固体撮像素子が完成する。
【0018】上述の製造方法によれば、図4(d)に示
すように金属信号線群の光電変換層側表面と第2金属反
射鏡の光電変換層側表面を光電変換層から光学的に同一
の距離に設けることができ、金属反射鏡の効果を最適に
することができる。
すように金属信号線群の光電変換層側表面と第2金属反
射鏡の光電変換層側表面を光電変換層から光学的に同一
の距離に設けることができ、金属反射鏡の効果を最適に
することができる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線固体
撮像素子では、容易な製造工程で受光部面積対画素面積
の比率を大きくすることができる。
撮像素子では、容易な製造工程で受光部面積対画素面積
の比率を大きくすることができる。
【0020】また、本発明の製造方法では、金属信号線
群及び第2金属反射鏡の光学的効果を最適にすることが
できる。
群及び第2金属反射鏡の光学的効果を最適にすることが
できる。
【図1】本発明の第1の実施例を示しており、(a)が
平面構造図、(b)(c)が縦断面構造図であり、
(b)がA−A’断面、(c)がB−B’断面である。
平面構造図、(b)(c)が縦断面構造図であり、
(b)がA−A’断面、(c)がB−B’断面である。
【図2】本発明の第2の実施例を示しており、(a)が
平面構造図、(b)が縦断面構造図である。
平面構造図、(b)が縦断面構造図である。
【図3】本発明の第3の実施例を示しており、(a)が
平面構造図、(b)が縦断面構造図である。
平面構造図、(b)が縦断面構造図である。
【図4】本発明の赤外線固体撮像素子の製造方法の一実
施例を示す製造工程図である。
施例を示す製造工程図である。
【図5】従来の赤外線固体撮像素子の平面構造図であ
る。
る。
1 光電変換層 2 ソース領域 3 ゲート電極(第1層ポリシリコン) 4 ゲート電極(第2層ポリシリコン) 5 素子分離領域 6 コンタクト 7 金属信号線(パターンA) 8 金属信号線(パターンB) 9 ガードリング 10 素子分離酸化膜 11 半導体基板 12 絶縁膜 13 保護膜 14 垂直電荷結合素子チャネル領域 15 裏面照射型赤外線検出素子 16 トランスファゲート 17 垂直電荷結合素子 18 第2金属反射鏡 19 層間絶縁膜 20 使用波長帯短波長端の波長以下の間隙 21 金属信号線群を形成するための金属膜 22 エッチングマスク 23 プラズマ衝撃(ドライエッチング) 24 第2金属反射鏡を形成するための金属膜 25 ゲート電極兼信号線(第1層ポリシリコン) 26 ゲート電極兼信号線(第2層ポリシリコン)
Claims (4)
- 【請求項1】 光電変換層を透過した赤外線を反射して
光電変換層へ再度入射させる金属反射鏡を表面側に具備
する裏面照射型赤外線検出素子から成る受光部が2次元
に配列され、これら受光部から垂直電荷結合素子と水平
電荷結合素子の組み合わせにより、2次元情報の光信号
電荷を時系列信号として出力する赤外線固体撮像素子に
おいて、前記金属反射鏡が前記垂直電荷結合素子の各ゲ
ート電極に駆動信号を供給する金属信号線群から構成さ
れることを特徴とする赤外線固体撮像素子。 - 【請求項2】 金属反射鏡を構成する金属信号線群の間
隙部に絶縁膜を介して第2の金属反射鏡を具備すること
を特徴とする請求項1記載の赤外線固体撮像素子。 - 【請求項3】 金属反射鏡を構成する金属信号線群の間
隙が少なくとも使用波長帯の短波長端波長以下であるこ
とを特徴とする請求項1記載の赤外線固体撮像素子。 - 【請求項4】 金属反射鏡を構成する金属信号線群を、
赤外線固体撮像素子上に堆積させた金属膜をドライエッ
チングでパターニングすることにより形成し、このドラ
イエッチングの際に下地絶縁膜にオーバーエッチングを
掛け、次に下地絶縁膜のオーバーエッチング分と光学的
に等価な厚さの絶縁膜を形成し、その上に第2の金属反
射鏡を成す金属膜を堆積させることを特徴とする赤外線
固体撮像素子の製造方法。
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