JP2007299840A - Ｃｃｄ型固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の電位を安定に保ち且つ受光領域の遮光膜印加電圧を任意に制御する。
【解決手段】半導体基板表面の受光領域１２に形成された複数のフォトダイオード（ＰＤ）１３と、各ＰＤ列毎に並列に形成された垂直転送路１４と、転送路１４の電荷転送方向端部に形成され転送路１４から移動された電荷を出力端側に転送する水平転送路１５と、ＰＤ列及び転送路１４の組を隣接する前記組と区画する線状に形成された高濃度不純物領域でなるチャネルストップ３１，３３と、受光領域１２に積層され各ＰＤ１３上に開口が設けられ制御パルス電圧φＭＶが印加される遮光膜２１と、転送路１５と受光領域１２との接続箇所を覆い遮光膜２１と離間して設けられた遮光膜２２と、チャネルストップ３１，３３と遮光膜２２とを接続しチャネルストップ３１，３３に基準電位を印加する高濃度不純物領域でなるコンタクト部３４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子及びその製造方法に係り、特に、素子のグランド電位を良好にとることができ、しかも、読み出し電圧の低電圧化やスミア低減等を図るのに好適なＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法に関する。

ＣＣＤ型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板表面部のｐウェル層に多数のフォトダイオード（ｎ領域）がアレイ状に配列して形成され、各フォトダイオード列の側部に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）が併設されている。また、フォトダイオード列と垂直電荷転送路の組を、隣接するフォトダイオード列及び垂直電荷転送路の組から分離するために、半導体基板表面部に、垂直方向に平行に延びる多数のチャネルストップが設けられている。

ＣＣＤ型固体撮像素子では、このチャネルストップを利用し、チャネルストップ端部をグランド電位（基準電位：以下、ＧＮＤ電位という。）に接続している。しかし、チャネルストップは高濃度不純物領域（ｐ^＋領域）で構成され抵抗を持っているため、垂直電荷転送路の読出電極兼用の転送電極に高圧の読出電圧（例えば＋１５Ｖ）が印加されると、チャネルストップのグランド接続端から離れた受光領域中央位置では、そのＧＮＤ電位が局所的に変動してしまい、信号電荷の読み出しが不完全となり信号電荷の読み残しが生じてしまう。

そこで、下記特許文献１記載の従来技術では、受光領域に近い場所、即ち、垂直電荷転送路が水平電荷転送路に接続される場所で、チャネルストップを遮光膜に接続し、この遮光膜をＧＮＤ電位に接続し、受光領域におけるＧＮＤ電位の変動を抑制する様にしている。

この接続を実現するため、特許文献１では、水平電荷転送路に近い場所（水平電荷転送路が遮光膜に覆われる場所）の各フォトダイオード形成領域の夫々の全域をｐ^＋領域で埋めてしまい、このｐ^＋領域を遮光膜に接続している。即ち、水平電荷転送路に近い場所における垂直電荷転送路は、両脇が夫々広いｐ^＋領域で挟まれることになる。

受光領域で検出されたフォトダイオードの信号電荷は、垂直電荷転送路に読み出され、垂直電荷転送路上を転送されて水平電荷転送路に至ることになるが、この転送の初期では、フォトダイオード（これはｐウェル層内に設けられたｎ領域で構成される。）で挟まれた垂直電荷転送路上を転送され、転送終期（水平電荷転送路に移される直前）では、広いｐ^＋領域で挟まれた垂直電荷転送路上を転送されることになる。つまり、転送初期と終期とでは、垂直電荷転送路周囲の物理的条件が異なってしまう。

近年のＣＣＤ型固体撮像素子は、多画素化が進展し、数百万画素を搭載するのが普通になってきており、垂直電荷転送路の幅は極めて細くなっている。このため、垂直電荷転送路の物理的転送条件が転送初期と転送終期とで異なると、信号電荷の転送に不具合が生じる虞がある。

また、ＣＣＤ型固体撮像素子で遮光膜を一律にＧＮＤ電位に接続すると、次の様な問題も生じる。例えば下記特許文献２記載の固体撮像素子では、フォトダイオードを構成するｎ型半導体層の表面に逆導電型（ｐ型）の高濃度不純物表面層を形成すると共に、半導体基板表面に積層される絶縁層にコンタクトホールを設け、遮光膜と高濃度不純物表面層とをコンタクトホールを介して電気的に接続している。

そして、遮光膜に所定電位を印加することで、フォトダイオード表面電位を高濃度不純物表面層の擬フェルミレベル以下に設定し、あるいは、フォトダイオードの表面電位よりも低い電位を遮光膜に印加することで、光電変換により発生した小数キャリア（正孔）を遮光膜に逃がし、信号電荷（電子）と小数キャリアとの再結合を減少させている。

この様に、従来のＣＣＤ型固体撮像素子では、遮光膜に印加する電位を制御することで、スミア低減等を図っている。つまり、遮光膜を一律にＧＮＤ電位に接続してしまうと、スミア低減などの他の制御のために遮光膜への印加電圧制御ができなくなってしまう。

特開平１１―１７７０７８号公報 特開平７―１５３９３２号公報

本発明の目的は、チャネルストップに安定に基準電位を印加して半導体基板の電位を基準電位に保ち、しかも、スミア低減、読み出し電圧低電圧化等の素子性能の改善を図るための遮光膜への印加電圧制御も行うことができるＣＣＤ型固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板表面の受光領域にアレイ状に配列形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオード列毎に並列に形成された複数の第１電荷転送路と、該第１電荷転送路の電荷転送方向端部に形成され該第１電荷転送路から移動された電荷を出力端側に転送する第２電荷転送路と、前記フォトダイオード列及び前記第１電荷転送路の組を隣接する前記組と区画する線状に形成された高濃度不純物領域でなるチャネルストップと、前記受光領域に積層され各フォトダイオード上に開口が設けられ制御パルス電圧が印加される金属製の第１遮光膜と、前記第２電荷転送路と前記受光領域との接続箇所を覆い前記第１遮光膜と離間して設けられた金属製の第２遮光膜と、前記チャネルストップと前記第２遮光膜とを接続し前記チャネルストップに基準電位を印加する高濃度不純物領域でなるコンタクト部とを備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間の隙間を覆い該第２遮光膜と接続される金属製の第３遮光膜を備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、前記コンタクト部を、前記チャネルストップに連続し該コンタクト部の外周囲をリング形状に囲った高濃度不純物領域の内側に該高濃度不純物領域から離間した島状に形成すると共に、該島状の前記コンタクト部と前記外周囲の前記高濃度不純物領域とを線状の高濃度不純物領域でなる接続部で接続したことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の線状の前記接続部は、前記コンタクト部から前記第１電荷転送路が延びる方向に並行に延びて前記リング形状の前記高濃度不純物領域に接続されることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の線状の前記接続部は、前記コンタクト部から前記第２電荷転送路が延びる方向に並行に延びて前記リング形状の前記高濃度不純物領域に接続されることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、偶数行の前記フォトダイオードが奇数行の前記フォトダイオードに対して１／２ピッチづつずらして形成され、前記第１電荷転送路が蛇行して形成されていることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法は、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜とを同時に積層して該第１遮光膜と該第２遮光膜との間に間隙を設けたことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法は、イオン化金属プラズマ法により前記コンタクト部を含む前記高濃度不純物領域を前記半導体基板の表面部に形成し、該半導体基板表面に積層された絶縁層に前記コンタクト部に達するコンタクトホールを開けた後、前記第２遮光膜を積層して該第２遮光膜と前記コンタクト部とを電気的に接続することを特徴とする。

本発明によれば、チャネルストップに基準電位を印加する第２遮光膜を、受光領域を覆う第１遮光膜で分離して設けたため、半導体基板を安定的に基準電位に保ちながら、第１遮光膜への任意制御パルス電圧を印加しスミア低減等を図ることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像素子１０の半導体基板１１には、受光領域（撮像領域）１２が設けられており、この受光領域１２上に、多数のフォトダイオード（光電変換素子：画素）１３が二次元アレイ状に配列形成されている。図示するＣＣＤ型固体撮像素子１０では、奇数行のフォトダイオード１３に対して偶数行のフォトダイオード１３が１／２ピッチづつずらして配置（所謂、ハニカム画素配列）されている。

各フォトダイオード１３上に図示した「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（赤＝Ｒ，緑＝Ｇ，青＝Ｂ）を表しており、各フォトダイオード１３は、３原色のうちの１色の受光量に応じた信号電荷を蓄積する。尚、原色系カラーフィルタを搭載した例を図示するが、補色系カラーフィルタを搭載することでも良い。

半導体基板１１の水平方向には、各フォトダイオード１３を避けるように蛇行して図示しない垂直転送電極が敷設されている。また、半導体基板１１には垂直方向に並ぶフォトダイオード列の側部に図示しない埋め込みチャネルが、フォトダイオード１３を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。

この埋め込みチャネルと、この上に設けられ垂直方向に蛇行して配置される垂直転送電極とで、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１４が形成される。垂直電荷転送路１４に外部から読出パルスや垂直転送パルスφＶ１〜φＶ８（図示する例は、８相駆動の例である。）が供給されると、フォトダイオード１３の蓄積電荷が垂直電荷転送路１４に読み出され、転送される。

半導体基板１１の下辺部には、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１５が設けられている。この水平電荷転送路１５も、埋め込みチャネルとその上に設けられた水平転送電極とで構成される。水平電荷転送路１５は、外部から供給される水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって２相駆動される。

水平電荷転送路１５の出力端部には、出力アンプ１６が設けられる。出力アンプ１６は、水平電荷転送路１５の端部まで転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を画像信号として出力する。

半導体基板１１の受光領域１２及び水平電荷転送路１５等を避けた任意箇所には、接続パッド１７，１８が設けられる。接続パッド１７にはＧＮＤ電位が接続され、接続パッド１８には外部から制御パルスφＭＶが印加される。

尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１０における遮光膜の存在領域を示す図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１０は、３つの遮光膜２１，２２，２３が設けられる。

遮光膜２１は、矩形形状を成し、例えばタングステン金属膜で形成される。この遮光膜２１は、受光領域１２の全域を覆うが、勿論、各フォトダイオード上に開口を有する。遮光膜２１の水平電荷転送路１５側の縁は、水平電荷転送路１５と受光領域１２の境界部分に設けられる。

遮光膜２２は、例えばタングステン金属膜で形成される。遮光膜２２は、水平電荷転送路１５に沿う長手の矩形形状を成し、水平電荷転送路１５の上辺側（受光領域１２側）の一部を覆い、受光領域１２側の縁は、遮光膜２１と若干離間し、且つ、水平電荷転送路１５と受光領域１２の境界部分に設けられる。

遮光膜２３は、矩形形状を成し、例えばアルミニウム膜で形成される。遮光膜２３は水平電荷転送路１５の全域を覆い、受光領域１２側の縁が受光領域１２の縁と一致する位置に設けられる。図２では、遮光膜２３が受光領域１２を一部覆うように図示しているが、これは、線の重なりを避けるために図示したに過ぎず、遮光膜２３がフォトダイオード１３を覆うことはない。

ＧＮＤ電位に接続される接続パッド１７は、遮光膜２３に電気的に接続され、遮光膜２３は、後述する様に遮光膜２２に電気的に接続される。制御パルスφＭＶが印加される接続パッド１８は、遮光膜２１に電気的に接続され、後述するように、遮光膜２１は遮光膜２３に対して離間して形成される。

図３は、図２の点線矩形枠III内の拡大模式図であり、水平電荷転送路１５と受光領域１２との境界部分における拡大模式図である。フォトダイオード１３及び図示する例では右側の垂直電荷転送路１４との組は、夫々、垂直方向に延びるチャネルストップ３１によって区画されており、各フォトダイオード１３は、このチャネルストップ３１及び該チャネルストップ３１に連設された画素分離領域３１ａによって区画されている。

チャネルストップ３１及び画素分離領域３１ａは、ｐ^＋領域で形成される。図示する例で、各フォトダイオード１３の右斜め上位置にはｐ^＋領域を設けない信号読出部３１ｂが設けられており、この信号読出部３１ｂから、隣接垂直電荷転送路１４に、フォトダイオード１３の信号電荷が読み出される。尚、各チャネルストップ３１の水平電荷転送路１５と反対側の図示しない端部は、従来と同様に、ＧＮＤ電位に接続される。

垂直電荷転送路１４は、ｎ型半導体基板１１表面部のｐウェル層に設けた埋め込みチャネル（ｎ領域）と、その上に設けられたポリシリコン膜で成る転送電極とで構成され、転送電極は、図３に示す様に、１フォトダイオードの大きさに対して２枚設けられる大きさとなっている。

本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１０では、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１５に最も近いフォトダイオード形成領域３２を、ＧＮＤ電位接続部３２としている。各々のＧＮＤ電位接続部３２は、周囲全周を、チャネルストップ３１及び画素分離領域３１ａと同一幅のｐ^＋領域３３によって囲まれ、内部に、周囲のｐ^＋領域３３から離間した島状のｐ^＋領域（コンタクト部）３４が設けられている。そして、島状コンタクト部３４は、垂直方向に延びるｐ^＋領域（接続部）３５によって、外周囲のｐ^＋領域３３に接続されている。ｐ^＋領域３５の幅は、図示する例では、チャネルストップ３１と同一幅としている。

尚、「島状」という用語は、外周囲にリング形状に形成されたチャネルストップ３３から離間しているという意味で使っている。

ＧＮＤ電位接続部３２は、信号電荷を蓄積するフォトダイオード１３と比較して垂直方向に長手に形成されている。これは、各垂直電荷転送路１４の水平電荷転送路１５との接続位置を当ピッチにするためである。

尚、図示する例では、垂直電荷転送路１４を、直接、水平電荷転送路１５に接続する例を示しているが、垂直電荷転送路１４と水平電荷転送路１５との間に信号電荷を一時蓄積して画素混合等を行う信号電荷のバッファ領域（メモリ部）を設ける場合もある。

図４は、図３のIV―IV線位置における断面模式図であり、ＧＮＤ電位接続部３２の垂直方向の断面模式図である。ｎ型半導体基板の表面部に形成されたｐウェル層１１ａに設けられるＧＮＤ電位接続部３２は、チャネルストップ（ｐ^＋領域）３３によって外周囲がリング形状（図３参照：図４には図示されない）に区画されており、その水平方向外側に、垂直電荷転送路１４のｎ型埋め込みチャネルが設けられる（図４には図示されない。）。また、ＧＮＤ電位接続部３２の中央部には、チャネルストップ３３と離間したｐ^＋領域でなる島状のコンタクト部３４が形成されている。このコンタクト部３４に、ｐ^＋領域でなる接続部３５が連設される。

斯かる構成の半導体基板の表面には、ＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造の絶縁層３７が積層され、その絶縁層３７の上に、酸化シリコン膜でなる絶縁層３８が積層される。

絶縁層３７，３８のコンタクト部３４上には、コンタクトホール３９が開けられており、その上面にタングステンＷでなる遮光膜２２が積層されることで、遮光膜２２はコンタクト部３４に電気的に接続される。遮光膜２２の積層時に同時に遮光膜２１も積層される。このとき、遮光膜２２と遮光膜２１との間には離間部４０が設けられる。

遮光膜２１，２２の上面には、酸化シリコン膜４１が積層される。遮光膜２２の上部位置における適宜箇所の酸化シリコン膜４１には遮光膜２２に達するコンタクトホール４２が開けられる。そして、酸化シリコン膜４１の上面にアルミニウム膜が積層されることで、遮光膜２３が形成される。遮光膜２３は、コンタクトホール４２を通して遮光膜２２に電気的に接続される。

遮光膜２３は接続パッド１７に電気的に接続され、これにより、コンタクト部３４すなわち半導体基板１１は、コンタクトホール３９／遮光膜２２／コンタクトホール４２／遮光膜２３を介して、ＧＮＤ電位に接続される。

遮光膜２１は接続パッド１８に電気的に接続され、これにより、詳細は後述するように、遮光膜２１の印加電圧制御が行われる。

図５は、図４に示すＧＮＤ電位接続部の製造工程説明図である。先ず図５（ａ）に示す様に、イオン化金属プラズマ法（IMP：Ion Metal Plasma）により、ｐウェル層１１ａにチャネルストップ３１と同時に接続部３５が形成される。尚、接続部３５を「ｐ領域」と図示しているが、これは、コンタクト部３４より不純物濃度が若干低いことを示しているだけであり、ｐウェル層１１ａの不純物濃度よりは高濃度不純物領域となっている。また、半導体基板１１の表面には、ＯＮＯ構造の絶縁層３７が積層される。

次に、図５（ｂ）に示す様に、コンタクト部３４がＩＭＰにより形成され、また、絶縁層３７の上に、酸化シリコン膜でなる絶縁層３８が積層される。

次に、図５（ｃ）に示す様に、絶縁層３７，３８にコンタクトホール３９がエッチングにより開けられ、その上に、タングステン膜２２，２１が積層される。これにより、遮光膜２２とコンタクト部３４とが電気的に接続される。

次に、図５（ｄ）に示す様に、上面に酸化シリコン膜４１が積層され、酸化シリコン膜４１の適宜箇所にコンタクトホール４２が開けられる。その上面にアルミニウム膜が積層されることで、図４に示す状態となる。

斯かる構造のＣＣＤ型固体撮像素子１０では、図３に示す様に、垂直電荷転送路１４の水平電荷転送路１５近傍においても、垂直電荷転送路１４は、幅狭のチャネルストップ３１，３３に挟まれた状態は変わらないため、信号電荷の転送の物理的条件は転送初期と転送終期とで同じになる。

また、遮光膜２１と遮光膜２２は離間しているため、別々の電位を印加でき、また、遮光膜２１と遮光膜２２との間の離間部４０はその上部に設けられる遮光膜２３によって遮光されるため、遮光が不完全になることはない。

図６は、図３に示すVI―VI線位置における断面模式図であり、受光領域上に配列形成された略１画素分の固体撮像素子の断面模式図である。受光領域上の各画素は、ｎ型半導体基板表面部に形成されたｐウェル層１１ａに形成される。ｐウェル層１１ａの表面部にｎ型領域部５１が設けられることで、ｐウェル層１１ａとの間で光電変換を行う図１に示すフォトダイオード１３（以下、“５１”をフォトダイオードともいう。）が形成される。

ｎ型領域部（フォトダイオード）５１の隣接画素側にはチャネルストップ（素子分離領域：ｐ^＋領域）３１が設けられ、フォトダイオード５１の反対側には読み出しゲート部（ｐ−領域）５２を介してｎ領域５３が設けられる。このｎ領域５３が、垂直電荷転送路１４の埋め込みチャネルを構成する。

ｎ型領域部５１の表面部には、逆導電型（ｐ型）の高濃度不純物表面層５４が設けられる。この高濃度不純物表面層５４が設けられることで、暗電流として発生した自由電子が高濃度不純物表面層５４のホールに捕捉され、暗電流成分が白キズとして画像中に現れるのが阻止される。

本実施形態の高濃度不純物表面層５４は、ｎ型領域部５１の表面の中央高濃度部（ｐ^＋領域）５４ａと、その周辺部の低濃度部（ｐ⁻領域）５４ｂとに分けて設けられる。周辺を低濃度部５４ｂとすることで周辺部の電界を弱め、フォトダイオード（ｎ型領域部）５１の蓄積電荷を垂直転送路の埋め込みチャネル５３に読み出すときの電圧を下げることが可能となるためである。

フォトダイオード５１や埋め込みチャネル５３等が形成されたｐウェル層１１ａの最表面はＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造の絶縁層３７で被覆され、その表面が更に酸化シリコン等の単層の絶縁層３８で被覆される。絶縁層３８の上の埋め込みチャネル５３直上には、垂直転送電極膜（例えばポリシリコン膜）５６が積層される。

垂直転送電極膜５６の上には、絶縁層５７を介してタングステン金属膜でなる図２，図３で説明した遮光膜２１が積層される。遮光膜２１の各フォトダイオード５１直上には開口２１ａが設けられ、入射光はこの開口２１ａを通り、ｎ型領域部５１内に入射される。

また、本実施形態の固体撮像素子１０では、遮光膜開口２１ａの端部が、高濃度不純物表面層５４のうち低濃度部５４ｂを覆う位置まで延設されている。この遮光膜２１に、図２に示すパッド（外部パルスφＭＶの入力端子）１８が接続される。

遮光膜２１の上には、図示しない透明な平坦化層が積層され、表面が平坦に形成された平坦化層の表面に、図示しないカラーフィルタ層が積層され、その上に、マイクロレンズが積層される。

斯かる構成の固体撮像素子１０を用いて画像を撮像する場合、入射してきた被写界からの入射光が、固体撮像素子１０の受光領域１２（図１）に照射される。各フォトダイオード１３（図６の“５１”）に光が入射すると、各フォトダイオード５１には、夫々の入射光量に応じた信号電荷（この例では電子）が蓄積される。

固体撮像素子１０に対して図示しない撮像制御部が読み出しパルスを出力すると、この読み出しパルスは読み出し電極兼用の垂直転送電極５６に印加される。これにより、フォトダイオード５１内の蓄積電荷（信号電荷）は、読み出しゲート部５２を介して埋め込みチャネル５３に読み出される。

図示しない撮像制御部が固体撮像素子１０に対して垂直転送パルスφＶ，水平転送パルスφＨを出力すると、図１に示す垂直電荷転送路１４上の各信号電荷は１転送電極毎に転送され、フォトダイオード１行分の信号電荷が水平電荷転送路１５に転送されると、この１行分の信号電荷が水平電荷転送路１５上を転送され、各信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号がアンプ１６によって読み出される。

この様な信号電荷の読み出し動作において、本実施形態の固体撮像素子１０では、撮像制御部が遮光膜２１に印加するパルス電圧φＭＶの制御を行う。以下、遮光膜２１への印加電圧制御について説明する。

図７（ａ）は、垂直転送電極（読み出し電極兼用）に印加するパルス波形を示す図であり、図７（ｂ）は、遮光膜２１に印加するパルス波形を示す図である。

垂直電荷転送路にフォトダイオード５１から信号電荷を読み出す前に、垂直電荷転送路１４を高速掃き出しパルス（例えば、Ｖmid＝０Ｖ，Ｖlow＝−８Ｖ）６０で駆動する。これにより、垂直電荷転送路１４上の不要電荷が垂直電荷転送路１４から掃き出される。

次に、読み出し電極兼用の垂直転送電極に読み出しパルス（例えばＶhigh＝１５Ｖ）６１を印加すると、フォトダイオード５１の蓄積電荷が垂直電荷転送路１４の埋め込みチャネル５３に読み出される。そして、垂直電荷転送路１４を転送パルス６２によって駆動することで、信号電荷の水平電荷転送路１５方向への転送が行われる。

このとき、パルス電圧（φＭＶ）６５を遮光膜２１にパッド１８を介して印加する。このパルス電圧６５は、読み出しパルス６１に同期する様なパルス電圧であり、高レベル電位が読み出しパルス６１と同極性の電位、この例では所定の正電位，低レベル電位が読み出しパルス６１の反対極性の電位、この例では所定の負電位に制御される。

遮光膜２１は、信号電荷をフォトダイオード５１から埋め込みチャネル５３に読み出す時以外では、常に、所定の負電位に制御される。そして、読み出しパルス６１を読み出し電極兼用の垂直転送電極に印加するとき、本実施形態では、読み出しパルス６１に所定時間ｔ１だけ先行して、遮光膜２１に所定の正電位が印加される。読み出しパルス６１が終了したときは、この終了時点に所定時間ｔ２だけ遅れて、遮光膜２１は所定の負電位に戻される。ｔ１＝ｔ２でも、ｔ１≠ｔ２でもよい。

尚、図７（ｂ）では、遮光膜２１への印加電圧６５のパルス波形を方形波としているが、台形波とすることでも良い。

図８は、本実施形態に係る固体撮像素子１０におけるスミア特性の改善を示す実測データのグラフである。遮光膜２１の印加電圧を常時「０Ｖ」に固定した場合、入射光の入射角度に対して、スミア絶対量は特性線Ｉ，IIのグラフとなる。特性線Ｉは、赤色（Ｒ）または青色（Ｂ）の信号電荷に含まれるスミア特性を示し、特性線IIは、緑色（Ｇ）の信号電荷に含まれるスミア特性を示す。

これに対し、本実施形態の固体撮像素子１０の様に、遮光膜２１の印加電圧を所定の負電位（例えば−８Ｖ）に制御すると、図８に示す特性線III（ＲまたはＢのスミア特性），IV（Ｇのスミア特性）の様に、特性線Ｉ，IIと比較して、スミア特性が２０％程改善されることが分かる。

これは、遮光膜２１の開口２１ａ端部とｐウェル層１１ａとの間の絶縁層３７，３８を通って埋め込みチャネル５３に侵入する電子を、遮光膜２１に負電位を印加することで阻止することができるためと考えられる。遮光膜２１に印加する負電位を更に大きくすることで、スミア改善率を向上させることができると期待できる。

図９は、遮光膜２１の印加電圧に対する空乏化電圧の変化を示す実測データのグラフである。図９の実測点のデータの並びから、遮光膜２１の印加電圧を高圧側にすればするほど、空乏化が改善されることが分かる。データから、空乏化電圧を１０Ｖ以下にしたいときは、遮光膜の印加電圧を＋３Ｖ以上にすれば良いことが分かる。

信号電荷をフォトダイオードから垂直電荷転送路に読み出すときに、本実施形態では、遮光膜２１に所定の正電位を印加する。図９のデータに基づき、所定の正電位を「＋３Ｖ」以上とすることで、空乏化電圧を１０Ｖ以下にすることができ、フォトダイオードから垂直電荷転送路への信号電荷（電子）の移動を容易にすることができる。つまり、電子移動をアシストすることができる。

このとき、本実施形態では、図６に示す様に、高濃度不純物表面層５４の低濃度部５４ｂを覆う位置に遮光膜２１を設けているため、遮光膜２１がゲート電極の役目を果たし、より容易に、ｎ型領域部５１の信号電荷を埋め込みチャネル５３に移動させることができる。

図１０は、遮光膜２１の印加電圧に対する読み出しゲートオフ電圧の変化を示す実測データのグラフである。本実施形態の固体撮像素子１０では、フォトダイオードから垂直電荷転送路に信号電荷を読み出すタイミングを除いた全タイミングで遮光膜２１への印加電圧を所定の負電圧に制御する。これにより、信号電荷の読み出し時以外で読み出しゲート５２の電位が低くなり、オフ電圧を高くすることが可能になる。

図１０によれば、オフ電圧を０Ｖ以上にしたい場合には、遮光膜２１への印加電圧を−５Ｖ以下にすればよいことが分かる。即ち、信号電荷の読み出し時以外に、遮光膜２１に負電圧を印加することで、信号電荷の読み出しに関係ないタイミングでフォトダイオード５１から埋め込みチャネル５３に信号電荷（電子）が移動してしまう事態を防止することができる。遮光膜２１の印加電圧を更に下げることで、オフ電圧特性が更に良くなることが期待される。

図１１は、遮光膜２１の印加電圧に対するブレークダウン電圧の変化を示す実測値データのグラフである。上述した様に、遮光膜２１に、常時、負電圧を印加しておくと、スミアを低減することができる。しかし、信号電荷の読み出し時に遮光膜２１の電位を負電位にしたままだと、遮光膜２１と読み出し電極（例えば、＋１５Ｖが印加される。）との間の電位差が大きくなってしまい、隣接画素との間に設けた素子分離領域３１におけるブレークダウンが懸念される。

図１１に示すデータによれば、遮光膜２１の印加電圧が低いほど、ブレークダウンを発生させるブレークダウン電圧も低くなり、ブレークダウンが発生し易くなることを示している。

そこで、本実施形態の固体撮像素子１０では、信号電荷をフォトダイオード５１から垂直電荷転送路１４の埋め込みチャネル５３に読み出す時、読み出しパルス６１のオンに所定時間ｔ１だけ先行し読み出しパルス６１のオフに所定時間ｔ２だけ遅れて、遮光膜２１の印加電圧を所定の正電圧に制御する。

これにより、信号電荷の読み出し時に、遮光膜―隣接画素電極間の電位差を小さくすることができ、ブレークダウンの発生が回避される。図１１のデータによれば、ブレークダウンが発生する電圧の特性曲線は、遮光膜印加電圧「＋３Ｖ」を境にして、大きく変化している。従って、遮光膜２１の印加電圧を少なくとも「＋３Ｖ」以上とすることで、ブレークダウンの発生を効果的に抑制することができる。また、遮光膜２１に印加する正電圧を更に高くすることで、ブレークダウンに対する更なるマージンアップを図ることも可能である。

以上述べた様に、本実施形態によれば、遮光膜２１に印加するパルス電圧を読み出しパルスに合わせて印加し、また、このパルス電圧の高レベル電位，低レベル電位を上述した様に調整したため、撮像素子のスミア特性が改善でき、ブレークダウン電圧が改善でき、空乏化電圧が改善でき、読み出しゲートオフ電圧が改善できるという効果が得られる。

即ち、本実施形態では、遮光膜２１を遮光膜２２，２３と分離して設け、遮光膜２２，２３はＧＮＤ電位に接続し、遮光膜２１に対しては独自の印加電圧制御を行う構成としたことにより実現される。

また、本実施形態では、絶縁層３７，３８等にスルーホールを開け半導体基板表面に形成されている素子（高濃度不純物表面層５４等）を金属プラグで遮光膜２１に直接接触させる構成をとっていないため、半導体基板表面を金属元素で汚染することがなく、微細化が進んだ固体撮像素子の動作に支障を来す虞がないという効果もある。

以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子では、図３に図示する様に、水平電荷転送路１５に一番近い場所に、細いチャネルストップ３３で外周囲が囲まれたＧＮＤ電位接続部３２を１行分設け、このＧＮＤ電位接続部３２内の島状に設けられたコンタクト部３４に、遮光膜２１と分離された遮光膜２２をコンタクト（スルーホール）３９を介して接続し、この遮光膜２２にコンタクト（スルーホール）４２を介してアルミニウム遮光膜２３を接続し、遮光膜２３をＧＮＤ電位に接続されたパッド１７に接続し、遮光膜２１を印加電圧制御端子となるパッド１８に接続したため、垂直電荷転送路の物理的転送条件を転送初期と転送終期とで同一に保ったままチャネルストップに安定なＧＮＤ電位を印加でき、しかも、スミア低減、読み出し電圧低電圧化等の素子性能の改善を図るための遮光膜２１への印加電圧制御も行うことが可能となる。

図３に図示する実施形態では、１行分のＧＮＤ電位接続部３２を設けたが、複数行分のＧＮＤ電位接続部３２を設けることも可能である。例えば、図３のＧＮＤ電位接続部３２に一番近いカラーフィルタＧを積層したフォトダイオード１３を設ける領域もＧＮＤ電位接続部とし、計２行分のＧＮＤ接続部を設ける。

この場合、この領域１３内に設けるコンタクト用ｐ^＋領域は周囲のチャネルストップ３１から離間させて島状とし、垂直方向に延びる細いｐ^＋領域によってチャネルストップ３１と接続する。これにより、各列のチャネルストップ３１に遮光膜２２，２３を介してＧＮＤ電位を印加可能となる。勿論、受光領域１２が水平電荷転送路１５から１行分後退するため、遮光膜２１を設ける範囲の水平電荷転送１５側の縁も１行分だけ反水平電荷転送路側に後退させることになる。

尚、遮光膜２２と遮光膜２３とを接続するコンタクト４２を設ける位置は遮光膜２２と遮光膜２３とが重なっている場所であれば任意であり、また、ＧＮＤ電位接続部内に島状に設けたコンタクト部３４と外周囲のチャネルストップ３３とを接続する接続部３５を設ける位置も任意である。例えば図１２，図１３とすることでも良い。

図３の実施形態では接続部３５を受光領域側から垂直方向に延ばしてコンタクト部３４に接続しているのに対し、図１２の実施形態では接続部３５を水平電荷転送路１５側から垂直方向に延ばしており、また、図１３の実施形態では接続部３５を水平方向に延ばしている。尚、図１３では、遮光膜２２，２３間を接続するコンタクト４２を２箇所設けているが、１箇所でも、更に多数箇所でも良い。図１２，図３の実施形態でも同様である。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板へのＧＮＤ電圧印加を安定的に行うことができ、しかも、信号電荷の垂直電荷転送路への読み出しと転送が良好に行われるため、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子における受光領域（撮像領域）と各遮光膜との位置関係を示す図である。 図２に示す点線矩形枠III内の拡大模式図である。 図３に示すIV―IV線位置における断面模式図である。 図４に示す構造部分の製造手順を示す図である。 図３に示すIV―IV線位置における断面模式図である。 図２に示す受光領域上に積層される遮光膜への印加電圧制御を説明する電圧波形図である。 図２に示す受光領域上に積層される遮光膜に印加する電圧を変化させたときのスミア―入射光角度依存性の関係を示すグラフである。 図２に示す受光領域上に積層される遮光膜への印加電圧と空乏化電圧との関係を示すグラフである。 図２に示す受光領域上に積層される遮光膜への印加電圧と読み出しゲートオフ電圧との関係を示すグラフである。 図２に示す受光領域上に積層される遮光膜への印加電圧とブレークダウン電圧との関係を示すグラフである。 本発明の別実施形態におけるＧＮＤ電位接続部の表面模式図である。 本発明の更に別実施形態におけるＧＮＤ電位接続部の表面模式図である。

符号の説明

１０ ＣＣＤ型固体撮像素子
１１ 半導体基板
１１ａ ｐウェル層
１２ 受光領域（撮像領域）
１３ フォトダイオード
１４ 垂直電荷転送路
１５ 水平電荷転送路
１７ ＧＮＤ電位接続パッド
１８ 外部パルス（φＭＶ）入力パッド
２１ 受光領域上の遮光膜
２１ａ 遮光膜開口部
２２，２３ 水平電荷転送路及び垂直電荷転送路との接続箇所上の遮光膜
３１，３３ チャネルストップ（ｐ^＋領域）
３２ ＧＮＤ電位接続部
３４ コンタクト部（ｐ^＋領域）
３５ 接続部（ｐ^＋領域）
３９，４２ コンタクト
５１ ｎ領域（フォトダイオード）

Claims (8)

1. 半導体基板表面の受光領域にアレイ状に配列形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオード列毎に並列に形成された複数の第１電荷転送路と、該第１電荷転送路の電荷転送方向端部に形成され該第１電荷転送路から移動された電荷を出力端側に転送する第２電荷転送路と、前記フォトダイオード列及び前記第１電荷転送路の組を隣接する前記組と区画する線状に形成された高濃度不純物領域でなるチャネルストップと、前記受光領域に積層され各フォトダイオード上に開口が設けられ制御パルス電圧が印加される金属製の第１遮光膜と、前記第２電荷転送路と前記受光領域との接続箇所を覆い前記第１遮光膜と離間して設けられた金属製の第２遮光膜と、前記チャネルストップと前記第２遮光膜とを接続し前記チャネルストップに基準電位を印加する高濃度不純物領域でなるコンタクト部とを備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
2. 前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間の隙間を覆い該第２遮光膜と接続される金属製の第３遮光膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
3. 前記コンタクト部を、前記チャネルストップに連続し該コンタクト部の外周囲をリング形状に囲った高濃度不純物領域の内側に該高濃度不純物領域から離間した島状に形成すると共に、該島状の前記コンタクト部と前記外周囲の前記高濃度不純物領域とを線状の高濃度不純物領域でなる接続部で接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
4. 線状の前記接続部は、前記コンタクト部から前記第１電荷転送路が延びる方向に並行に延びて前記リング形状の前記高濃度不純物領域に接続されることを特徴とする請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
5. 線状の前記接続部は、前記コンタクト部から前記第２電荷転送路が延びる方向に並行に延びて前記リング形状の前記高濃度不純物領域に接続されることを特徴とする請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
6. 偶数行の前記フォトダイオードが奇数行の前記フォトダイオードに対して１／２ピッチづつずらして形成され、前記第１電荷転送路が蛇行して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法において、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜とを同時に積層して該第１遮光膜と該第２遮光膜との間に間隙を設けたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。
8. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法において、イオン化金属プラズマ法により前記コンタクト部を含む前記高濃度不純物領域を前記半導体基板の表面部に形成し、該半導体基板表面に積層された絶縁層に前記コンタクト部に達するコンタクトホールを開けた後、前記第２遮光膜を積層して該第２遮光膜と前記コンタクト部とを電気的に接続することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の製造方法。

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