(57)【要約】【課題】固体撮像装置において、光電変換された信号電荷の蓄積時間を制御してダイナミックレンジを拡大させる。【解決手段】光電変換部（２）から供給される電荷を蓄積し、制御信号に応答して電荷をＣＣＤ部（４）に供給する電荷蓄積部（３）と、光電変換部（２）と電荷蓄積部（３）との間に設けられた第１電荷転送部（５）と、電荷蓄積部（３）とＣＣＤ部（４）との間に設けられた第２電荷転送部（６）とを具備する固体撮像装置（１）を構成する。電荷蓄積部（３）は、電荷蓄積ゲート電極（３−１）と、電荷蓄積ゲート電極（３−１）と基板との間に設けられたゲート絶縁膜（９）とを備えることが好ましい。そして、ゲート絶縁膜（９）は、第１領域（１１）と、第１領域（１１）と第２電荷転送部（６）との間に設けられ、第１領域（１１）の膜厚よりも厚い膜厚で形成された第２領域（１２）とを含むものが好ましい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部から供給される電荷を蓄積し、制御信号に応答して前記電荷をＣＣＤ部に供給する電荷蓄積部と、
前記光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられた第１電荷転送部と、
前記電荷蓄積部と前記ＣＣＤ部との間に設けられた第２電荷転送部と
を具備し、
前記電荷蓄積部は、
電荷蓄積ゲート電極と、
前記電荷蓄積ゲート電極と基板との間に設けられたゲート絶縁膜と
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、
第１領域と、
前記第１領域と前記第２電荷転送部との間に設けられ、前記第１領域の膜厚よりも厚い膜厚で形成された第２領域と
を含む
固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積ゲート電極は、
前記第１領域の上に設けられる第１部分と、
前記第２領域の上に設けられる第２部分と
を含み、
前記第１部分と前記第２部分とが、一体的に形成されている
固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域の前記ゲート絶縁膜の膜厚は、概ね１０００Åであり、
前記第２領域の前記ゲート絶縁膜の膜厚は、概ね１１００Åである
固体撮像装置。
【請求項４】
（ａ）電荷蓄積部が設けられる領域に、第１絶縁膜を形成するステップと、
（ｂ）前記第１絶縁膜を選択的に除去して、基板の表面を部分的に露出するステップと、
（ｃ）露出している前記基板の前記表面と、残留している前記第１絶縁膜の上とを覆う第２絶縁膜を形成するステップと、
（ｄ）前記第２絶縁膜の上に、電荷蓄積ゲート電極を形成するステップと
を具備する
固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記（ａ）ステップは、
前記基板の上に、第１層ゲート絶縁膜と第１層ゲート電極とを順番に形成するステップと、
前記第１層ゲート絶縁膜と前記第１層ゲート電極と前記基板の表面とを覆うように、前記第１絶縁膜を形成するステップと
を含む
固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記（ｂ）ステップは、
前記第１領域の前記第１絶縁膜を覆うレジストマスクを形成するステップと、
前記第１領域以外の前記第１絶縁膜を除去するステップと
を含む
固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記（ｃ）ステップは、
前記第１領域の前記第１絶縁膜に積層するように、前記第２絶縁膜を形成するステップ
を含む
固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカス用センサ、スキャナなどの画像取り込み装置に使用するリニアセンサには、固体撮像装置が搭載されている。固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサとも呼ばれ、受光した光を光電変換するフォトダイオードと、光電変換された電荷の蓄積制御を行うストレージ部とを備えている。ＣＣＤイメージセンサにおいて、蓄積時間が長くなると暗電流が増加して画像の劣化が著しくなることがある。暗電流を低減することができる固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１（特開２００８−２５８５７１号公報）には、暗電流を低減することができる固体撮像装置が開示されている。図１は、特許文献１に記載の固体撮像装置の構成を示す平面図である。固体撮像装置１０１は、光電変換部１０２と、予備電荷蓄積部１０３と、第１制御部１０４と、電荷蓄積部１０５と、第２制御部１０６と、電荷転送部１０８とを含んでいる。図２は、固体撮像装置１０１の動作を示す断面図である。
【０００４】
固体撮像装置１０１において、光電変換部１０２に光が入射することによって発生した信号電荷は、予備電荷蓄積部１０３の電位井戸に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷は、第１制御ゲートを開く（φＴＧ１が“Ｈ”となる）ことにより、第１制御部１０４に移動する。そして、第１制御ゲートを閉じる（φＴＧ１が“Ｌ”となる）ことにより、第１制御部１０４にそれまで蓄積されていた信号電荷は、電荷蓄積部１０５の電位井戸に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷は、第２制御ゲートを開く（φＴＧ２が“Ｈ”となる）ことにより、電荷転送部１０８のゲート電極１８２下に転送される。
【０００５】
このように、第１制御部１０４よりも電荷転送部１０８側の第２制御部１０６の方がポテンシャルが高く、第１制御部１０４が第１領域１１１と第２領域１１２にまたがって形成されているため、光電変換部１０２、予備蓄積部１０３、第１制御部１０４、電荷蓄積部１０５、第２制御部１０６、電荷転送部１０８への信号電荷の流れをスムーズにすることができる。また、動作時において、半導体基板の表面がＰ型となるピンニング状態となるため、暗電流の発生を抑制することができる。これは以下のように説明される。
【０００６】
予備蓄積部１０３の第１蓄積ゲート電極１３２には、一定の負電圧が印加される。このため、第１領域１１１と第１蓄積ゲート絶縁膜１３１との界面がＰ型に反転するピンニング状態となり、表面ポテンシャルはＧＮＤ電位となる。したがって、ゲート酸化膜界面に多く発生する結晶欠陥部で発生する熱電子は、反転状態にあるＰ型半導体内にあるホールと再結合することにより、蓄積されている信号電荷へ影響を及ぼしにくくなる。
【０００７】
このため、暗電流による信号の劣化が少なく、長時間または高温化での信号電荷の蓄積が可能となる。光電変換部１０２はシリコン基板１１０よりも濃度が高いＰ＋型領域１２１とＮ型の第１領域１１１によりいわゆるＰＩＮフォトダイオード構造であり、既に第１領域１１１とほぼ同等の特性を持つことが可能となっている。他方、電荷蓄積部１０５の蓄積ゲート電極１５２にも、一定の負電圧が印加されることで、第２領域１１２の第２蓄積ゲート絶縁膜１５１との界面がＰ型に反転するピンニング状態となる。
【０００８】
図３、図４は、特許文献３（特開平４−１３７７６３号公報）に記載の固体撮像装置の構成を示す図である。特許文献３では、フレーム・インターライン・トランスファー（ＦＩＴ）型固体撮像素子において、受光部２０１のゲート酸化膜を薄くし、蓄積部２０２のゲート酸化膜を厚くすることで、蓄積部の電界強度を抑えるようにして、蓄積部の暗電流が発生しないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５８５７１号公報
【特許文献２】特公平８−１０７６０号公報
【特許文献３】特開平４−１３７７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電荷蓄積部を有する固体撮像装置は各種の応用分野に適用されているが、特にオートフォーカス用のイメージセンサでは、夜景から太陽光下での撮影まで非常に幅広い光量差の下でピントを合わせる必要性から、蓄積時間を幅広く変えられる必要がある。さらに、暗くなるほど被写体からの信号量は少なくなるので、光電変換部や電荷蓄積部で発生する暗電流、すなわちセンサ自身が発生するノイズ成分を小さくすることが求められている。
【００１１】
しかしながら、光電変換部で得られた信号電荷を出力回路で増幅させるので、電荷蓄積部で発生するリーク電流が１〜１０ｆＡ程度であってもノイズとして問題になっている。上述した特許文献１に記載の固体撮像装置１０１の構造では、蓄積ゲート電極に例えば−１０Ｖ程度の電圧が印加されるため、蓄積ゲートと半導体基板表面との間、また、蓄積ゲートと蓄積ゲートに隣接する制御ゲートとの間の電界により、ノイズとして現れるリーク電流が発生する。電界を緩和するために−１０Ｖから０Ｖの方向へ近づけていくと、ゲート酸化膜界面のピンニング状態が保てなくなり、暗電流特性が悪化する。
【００１２】
また、特許文献３の場合、蓄積部のＶレジスタのゲート酸化膜を厚くすることは、Ｈレジスタへの電荷転送速度が遅くなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１４】
上記の課題を解決するために、光電変換部（２）から供給される電荷を蓄積し、制御信号に応答してその電荷をＣＣＤ部（４）に供給する電荷蓄積部（３）と、その光電変換部（２）とその電荷蓄積部（３）との間に設けられた第１電荷転送部（５）と、その電荷蓄積部（３）とそのＣＣＤ部（４）との間に設けられた第２電荷転送部（６）とを具備する固体撮像装置（１）を構成する。その電荷蓄積部（３）は、電荷蓄積ゲート電極（３−１）と、その電荷蓄積ゲート電極（３−１）と基板との間に設けられたゲート絶縁膜（９）とを備えることが好ましい。そして、そのゲート絶縁膜（９）は、第１領域（１１）と、その第１領域（１１）とその第２電荷転送部（６）との間に設けられ、その第１領域（１１）の膜厚よりも厚い膜厚で形成された第２領域（１２）とを含むものが好ましい。
【００１５】
電荷蓄積部の同一ゲート電極下のゲート酸化膜の厚さを、制御部と電荷転送部のゲート酸化膜の厚さより部分的に厚く形成する。それによって、蓄積ゲートと基板表面及び隣接する制御ゲートとの間の電界を緩和することでノイズとなるリーク電流を減少させている。また、一部のゲート酸化膜を厚くすることで電荷転送方向に電界を発生させることにより、電荷転送速度の低下を回避させている。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、固体撮像装置において、光電変換された信号電荷の蓄積時間を制御してダイナミックレンジを拡大させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、特許文献１に記載の固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、固体撮像装置１０１の動作を示す断面図である。
【図３】図３は、従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態の固体撮像装置１の構成を例示する図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程の第１段階を例示する断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程の第２段階を例示する断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程の第３段階を例示する断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程の第４段階を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
図５は、本実施形態の固体撮像装置１の構成を例示する図である。図５の（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置１の断面の構成を例示している。図５の（ｂ）は、固体撮像装置１の動作を例示するポテンシャル図である。
【００２０】
図５の（ａ）を参照すると、本実施形態の固体撮像装置１は、受光部２と、電荷蓄積部３と、ＣＣＤ部４と、第１電荷転送部５と、第２電荷転送部６とを備えている。第１電荷転送部５は、第１電荷転送第１ゲート電極５−１と第１電荷転送第２ゲート電極５−２とを含んでいる。第１電荷転送第１ゲート電極５−１とＳｉ基板との間には、第２ゲート絶縁膜９が形成されている。また、第１電荷転送第２ゲート電極５−２とそのＳｉ基板との間には、第１ゲート絶縁膜７が形成されている。
【００２１】
第２電荷転送部６は、第２電荷転送部第１ゲート電極６−１と、第２電荷転送部第２ゲート電極６−２とを含んでいる。第２電荷転送部第１ゲート電極６−１とＳｉ基板との間には、第１ゲート絶縁膜８が形成されている。また、第２電荷転送部第２ゲート電極６−２とそのＳｉ基板との間には、第２ゲート絶縁膜９が形成されている。
【００２２】
図５に示されているように、本実施形態における２層のゲート電極構成の固体撮像装置において、電荷蓄積部３は、電荷蓄積部の第２層電極として形成された電荷蓄積部ゲート電極３−１を含んでいる。その電荷蓄積部ゲート電極３−１は、第１領域１１と第２領域１２とに対応して形成されている。また、電荷蓄積部ゲート電極３−１とＳｉ基板との間には、第２ゲート絶縁膜９が設けられている。その第２ゲート絶縁膜９の厚さを、電荷転送方向の一部分において、他の第２層電極のゲート酸化膜の厚さより厚く形成している。換言すると、第１領域１１の第２ゲート絶縁膜９の膜厚よりも、第２領域１２の第２ゲート絶縁膜９の膜厚のほうが厚くなるように形成されている。
【００２３】
図５の（ｂ）を参照すると、固体撮像装置１は、電荷蓄積部ゲート電極３−１に−１０Ｖ（＝ＶＳＴ１）程度の電圧を印加し、チャネルの電位を５Ｖ程度にすることで、信号電荷である電子を蓄積させている。このとき第２層電極のゲート酸化膜と半導体基板との界面付近は、Ｐ型に反転するピンニング状態となり、表面ポテンシャルはＧＮＤ電位となっている。電荷蓄積部３の同一ゲート電極のゲート酸化膜の厚さが電荷転送方向に向かって厚くなっていることで、その方向への電界が生じている。
【００２４】
電荷蓄積部のゲート酸化膜の厚さを一部領域で厚くし、蓄積ゲートと基板表面及び隣接する制御ゲートとの間の電界を緩和することでノイズとなるリーク電流を減少させる。また、電荷蓄積部のゲート酸化膜の厚さを電荷転送方向に向かって厚くしているので、ゲート電極内で電界が生じることにより、電荷転送速度の低下を回避できる。制御部と電荷転送部のゲート酸化膜の厚さは従来通りであり、他の性能を保つことができる。
【００２５】
以下に、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程について説明を行う。図６Ａは、本実施形態の固体撮像装置１の製造工程の第１段階を例示する断面図である。その第１段階においては、基板２１の上に、第１ゲート絶縁膜７、第１ゲート絶縁膜８となるゲート酸化膜を８００Åの厚さで形成した後、第１層ゲート電極となる下層ゲート用ポリシリコン膜２２、下層ゲート用ポリシリコン膜２３を形成する、その下層ゲート用ポリシリコン膜２２を形成した後、厚さ２００Åの第１酸化膜２４を形成する。
【００２６】
図６Ｂは、固体撮像装置１の製造工程の第２段階を例示する断面図である。その第２段階において、フォトレジスト工程により、電荷蓄積部３の一部分を除き、第１酸化膜２４をエッチングする。これによって、電荷蓄積部３の一部分に残留酸化膜２４ａを形成する。
【００２７】
図６Ｃは、固体撮像装置１の製造工程の第３段階を例示する断面図である。その第３段階において、基板２１表面上に、厚さ１０００Åの第２酸化膜２５を形成する。その第２酸化膜２５は、電荷蓄積部３の一部分に形成されている残留酸化膜２４ａの上にも形成される。この工程によって、電荷蓄積部３一部分の酸化膜の厚さを１１００Åにする。
【００２８】
図６Ｄは、固体撮像装置１の製造工程の第４段階を例示する断面図である。その第４段階において、第２層ゲート電極である第１電荷転送第１ゲート電極５−１、電荷蓄積部ゲート電極３−１及び第２電荷転送部第２ゲート電極６−２を形成する。第２層ゲート電極の第２ゲート絶縁膜９は、電荷蓄積部３の一部分のみ１１００Åの厚さになり、他では１０００Åの厚さになる。
【００２９】
上述のように、本実施形態の固体撮像装置１は、光電変換部（画素部）から電荷転送部（ＣＣＤ部）までの間に、電荷蓄積部を備えている。その固体撮像装置１において、電荷蓄積部の同一のゲート電極のゲート絶縁膜の一部の厚さを電荷転送方向に向かって他のゲート絶縁膜の厚さより厚い構成（厚さを異ならせる構成）にしている。これによって、蓄積時間を幅広く変え、高い増幅率の出力回路を搭載した場合でも、暗電流の少ない固体撮像装置を提供することが可能である。
【００３０】
以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、ゲート電極間隔の設計ルールを縮小することで、単層のゲート電極構成が可能であり、蓄積ゲートのゲート酸化膜の厚さのみ部分的に厚くすることで、同様の効果を得られる。
【符号の説明】
【００３１】
１…固体撮像装置
２…受光部
３…電荷蓄積部
３−１…電荷蓄積部ゲート電極
４…ＣＣＤ部
５…第１電荷転送部
５−１…第１電荷転送第１ゲート電極
５−２…第１電荷転送第２ゲート電極
６…第２電荷転送部
６−１…第２電荷転送部第１ゲート電極
６−２…第２電荷転送部第２ゲート電極
７…第１ゲート絶縁膜
８…第１ゲート絶縁膜
９…第２ゲート絶縁膜
１１…第１領域
１２…第２領域
２１…基板
２２…下層ゲート用ポリシリコン膜
２３…下層ゲート用ポリシリコン膜
２４…第１酸化膜
２４ａ…残留酸化膜
２５…第２酸化膜
１０１…固体撮像装置
１０２…光電変換部
１０３…予備電荷蓄積部
１０４…第１制御部
１０５…電荷蓄積部
１０６…第２制御部
１０８…電荷転送部
１１０…シリコン基板
１１１…第１領域
１１２…第２領域
１２１…Ｐ＋型領域
１３２…第１蓄積ゲート電極
１３１…第１蓄積ゲート絶縁膜
１５１…第２蓄積ゲート絶縁膜
１５２…蓄積ゲート電極
１８２…ゲート電極
２０１…受光部
２０２…蓄積部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2010283202.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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