(57)【要約】【課題】転送効率を向上させるとともに、消費電力を抑えることを目的とする。【解決手段】単層構造の転送電極を備える固体撮像装置１において、垂直転送部３上の垂直転送電極１１間のギャップ５、さらには、垂直転送電極１１と水平転送電極１２との間のギャップ６の埋め込み絶縁膜１６として、絶縁耐圧の高い絶縁膜を用いて形成し、垂直転送部３以外の垂直転送電極１１間のギャップ５に用いる埋め込み絶縁膜１５に、誘電率が低い絶縁膜を用いることにより、垂直転送部３における垂直転送電極１１間のポテンシャルディップを浅くして転送効率を向上させると共に、垂直転送部３以外の垂直転送電極１１間のカップリング容量を減らして、消費電力を削減することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に２次元的に配列されて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、
前記光電変換部に隣接して形成されて前記光電変換部で変換された前記信号電荷を垂直転送するための垂直転送部と、
前記垂直転送部上を含む領域に単層構造で形成されて前記信号電荷を転送させるためのパルス電圧が印加される複数の垂直転送電極と、
前記垂直転送部から移された前記信号電荷を水平転送する水平転送部と、
水平転送部上に単層構造で形成されて前記信号電荷を水平転送させるためのパルス電圧を印加する複数の水平転送電極と、
前記垂直転送部上の前記垂直転送電極間に埋め込まれる第１の絶縁膜と、
前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極間に埋め込まれる前記第１の絶縁膜より誘電率の低い第２の絶縁膜と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜が前記垂直転送部上の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成され、前記第２の絶縁膜が前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜としてシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用い、前記第２の絶縁膜としてシリコン酸化膜の絶縁膜を用いることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、図４〜図８を用いて従来の固体撮像装置について説明する。
図４は従来の２層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図、図５は従来の２層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図、図６は従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図、図７は従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図、図８は従来の単層電荷転送電極構造における垂直転送部のポテンシャル図である。
【０００３】
ここで、図４及び図６は、従来の固体撮像装置における電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ，ＣＣＤ）の撮像部を示す平面図の一例である。また、図５は、図４のような従来のＣＣＤにおける、２層構造の電荷転送電極のＣ−Ｃ’間で切った断面図の一例を示す。また、図７は、図６のような従来のＣＣＤにおける、単層構造の電荷転送電極のＤ−Ｄ’間で切った断面図の一例を示す。
【０００４】
図４及び図６に示すように、従来の固体撮像装置１０１では、光電変換部１０２が２次元的に配列されており、光電変換部１０２の各列に隣接した垂直転送部１０３が設けられている。そして、垂直転送部１０３上には、電荷転送を行うための電極が設けられており、パルス電圧を印加することで、光電変換部１０２で光電変換された垂直転送部１０３の信号電荷を転送する。
【０００５】
従来、固体撮像装置１０１の電荷転送電極の配置パターンとしては、図５に示すような隣接する第１層の垂直転送電極１２１と第２層の垂直転送電極１２２との一部を重ね合わせた状態で配置した多層構造を有するものと、図７に示すような隣接する垂直転送電極１１１を重ね合わせない状態で配置した単層構造を有するものが作られてきた。
【０００６】
すなわち、半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介してポリシリコン等から成る電荷転送電極を単層あるいは多層構造で形成されてきた。
図７のような単層の電極構造においては、隣接する垂直転送電極１１１間の間隔（ギャップ）１０５を狭くしないと、垂直転送電極１１１によってできるポテンシャルに、隣接する垂直転送電極１１１間のギャップ１０５でポテンシャルのくぼみ（ディップ）が生じて、信号電荷の転送残りが発生してしまい、転送効率を悪化させるという問題点があった。
【０００７】
図８に、ポテンシャルディップの例として、単層の電極構造に対応するポテンシャル図３１を用いて示している。垂直転送電極１１１間のギャップ部のポテンシャルにくぼみが生じている。このポテンシャルディップ３４が生じないように、隣接する垂直転送電極１１１のギャップ１０５を０．２〜０．３μｍ以下にする必要があった。しかし、当初のリソグラフィの解像限界は、それを大幅に上回るものであり、上記のような加工が困難であった。
【０００８】
そこで、図５のような隣接する電荷転送電極同士を重ね合わせた２層構造にすることにより、隣接する垂直転送電極間のポテンシャルディップ３４を小さくして、転送効率の悪化を抑制していた。
【０００９】
但し、この２層構造においては、転送電極同士が重なり合っているので構造上高さが高くなり、また、２度の電極形成の工程を経ることから、製造コストが高くなるなどの問題があった。
【００１０】
ところで、近年、微細加工技術の進展により、０．２μｍ以下の電荷転送電極の加工が可能となり、電極間ギャップを狭くすることが可能になったので、電荷転送電極に図６のような単層構造をもつ垂直転送電極１１１が用いられるようになった。単層構造になったことから、電極間の重なり合いがなくなり、また転送電極の形成も容易となった。
【００１１】
ただ、単層構造においては、先述のように垂直転送電極１１１間のギャップ１０５を狭くしないと転送効率の悪化に繋がったため、垂直転送電極１１１間のポテンシャルディップをできるだけ浅くする目的で、従来の層間絶縁膜として使われてきたシリコン酸化膜に代わって、シリコン酸化膜よりも絶縁耐圧の高いシリコン窒化膜を含む絶縁膜を使い、必要な絶縁耐圧を確保しつつ垂直転送電極１１１間のギャップを狭くし、転送効率を確保していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２９９５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一方、近年のＣＣＤの高画素化に伴い、転送しなければならない信号電荷のパケット数が増加したり、垂直転送部内の暗電流やスミアを除去するための高速掃き出し駆動が多用されており、ＣＣＤ全体での消費電力が増大する傾向にある。その消費電力を抑える目的で、転送パルスの低電圧化が図られている。
【００１３】
しかしながら、従来のギャップに絶縁耐圧の高いシリコン窒化膜を含む絶縁膜を形成した場合、カップリング容量が増加し、消費電力が高くなるという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するために、転送効率を向上させるとともに、消費電力を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に２次元的に配列されて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部に隣接して形成されて前記光電変換部で変換された前記信号電荷を垂直転送するための垂直転送部と、前記垂直転送部上を含む領域に単層構造で形成されて前記信号電荷を転送させるためのパルス電圧が印加される複数の垂直転送電極と、前記垂直転送部から移された前記信号電荷を水平転送する水平転送部と、水平転送部上に単層構造で形成されて前記信号電荷を水平転送させるためのパルス電圧を印加する複数の水平転送電極と、前記垂直転送部上の前記垂直転送電極間に埋め込まれる第１の絶縁膜と、前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極間に埋め込まれる前記第１の絶縁膜より誘電率の低い第２の絶縁膜とを有することを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１の絶縁膜が前記垂直転送部上の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成され、前記第２の絶縁膜が前記垂直転送部以外の前記垂直転送電極と前記水平転送電極との間にも形成されることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の絶縁膜としてシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用い、前記第２の絶縁膜としてシリコン酸化膜の絶縁膜を用いることを特徴とする。
以上により、転送効率を向上させながら、消費電力を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置において、垂直転送部上の垂直転送電極間のギャップ、さらには、垂直転送電極と水平転送電極との間のギャップの埋め込み絶縁膜として、絶縁耐圧の高い絶縁膜を用いて形成し、垂直転送部以外の垂直転送電極間のギャップに用いる埋め込み絶縁膜に、誘電率が低い絶縁膜を用いることにより、垂直転送部における垂直転送電極間のポテンシャルディップを浅くして転送効率を向上させると共に、垂直転送部以外の垂直転送電極間のカップリング容量を減らして、消費電力を削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、図１〜図３を用いて第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図である。なお、図１では、主に転送電極構造のみを示しており、その他の層の構成は省略している。図２は発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の垂直転送部の構造を示す要部断面図、図３は発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の光電変換部の構造を示す要部断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、２次元的に配列された光電変換部２と、光電変換部２に隣接した垂直転送部３と、水平転送部４とを有する。他に、図示はしていないが、信号電荷を電圧に変換して出力する、出力部も備えている。
【００２１】
光電変換部２は、例えばフォトダイオードから成り、被写体から入射した光を、その光量に応じた信号電荷に変換する。
半導体基板上には、各光電変換部２に隣接して配置された垂直転送部３上に、ゲート絶縁膜１４（図２参照）を介した状態で複数の垂直転送電極１１を有しており、パルス電圧を垂直転送電極１１に印加することで、垂直転送部３のポテンシャル井戸を変化させ、信号電荷を垂直方向（図中、下方向）へ転送する。
【００２２】
水平転送部４上には複数の水平転送電極１２が設けられており、パルス電圧を水平転送電極１２に印加することにより、垂直転送部３から運ばれてきた信号電荷を、水平転送部４のポテンシャル井戸を変化させることで、水平方向（図中、左方向）へ転送する。
【００２３】
図２は、図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
例えば、Ｎ型シリコンから成る半導体基板１３上に、信号電荷を転送する垂直転送部３が形成されている。光電変換部から読み出された信号電荷は、垂直転送部３を一方向（図中、右方向）に転送され、水平転送部４へと送り出される。
【００２４】
半導体基板１３上には、例えばシリコン酸化膜から成るゲート絶縁膜１４が形成されている。垂直転送部３及び水平転送部４上には、それぞれゲート絶縁膜１４を介して、垂直転送電極１１及び水平転送電極１２が形成されている。垂直転送電極１１及び水平転送電極１２は、例えばポリシリコンから成る電極である。また、垂直転送電極１１間にはギャップ５が存在し、垂直転送部３のギャップ５には、埋め込み絶縁膜１６が形成されている。埋め込み絶縁膜１６は、ポテンシャルディップを浅くするために、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁膜が用いられている。
【００２５】
垂直転送電極１１及び水平転送電極１２上には、例えば、シリコン酸化膜から成る被覆絶縁膜１７が形成されている。シリコン酸化膜としては、例えば、シリコン高温酸化膜（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ，ＨＴＯ）が形成されている。
【００２６】
なお、被覆絶縁膜１７の上層には、全面を覆った層間絶縁膜などが形成されているが、ここでは図示していない。
図３は、図１のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【００２７】
半導体基板１３上に、被写体から入射した光を、その光量に応じた信号電荷に変換する光電変換部であるフォトダイオード１８が形成されている。また、フォトダイオード１８上にはシリコン窒化膜から成る反射防止膜１９が形成されている。図３に示す垂直転送部３以外の垂直転送電極１１間のギャップ５には埋め込み絶縁膜として、シリコン窒化膜より誘電率が低く、電極間のカップリング容量の削減が可能な、シリコン酸化膜を用いている。
【００２８】
垂直転送部３上では、単層構造の転送電極の垂直転送効率を高めるために、垂直転送電極１１間のポテンシャルディップを極力浅くする目的で、垂直転送電極１１間にシリコン窒化膜を含む絶縁膜１６を埋め込み絶縁膜として形成している。しかし、垂直転送電極１１間の距離が短くなると、電極間のカップリング容量が増加してしまい、結果的に転送効率の悪化に繋がる。
【００２９】
そこで、垂直転送部３以外の領域の電極間埋め込み絶縁膜には、シリコン窒化膜よりも誘電率が低く、カップリング容量を抑えることが可能な、シリコン酸化膜を絶縁膜１５として用いて形成している。それにより、カップリング容量を抑えて、低消費電力化に繋がる。
【００３０】
以上のように、垂直転送部３上における垂直転送電極１１間にシリコン窒化膜を含む絶縁膜１６を埋め込み絶縁膜として形成して転送効率を向上させるとともに、垂直転送部３以外の領域における垂直転送電極１１間にシリコン酸化膜を絶縁膜１５として形成してカップリング容量を抑えることにより、低消費電力化を実現している。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、図１〜図３を用いて第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る固体撮像装置１は、２次元的に配列された光電変換部２と、光電変換部２に隣接した垂直転送部３と、水平転送部４とを有する。他に、図示はしていないが、信号電荷を電圧に変換して出力する、出力部も備えている。
【００３２】
図１において、垂直転送部３と水平転送部４との間で、信号電荷を転送する繋ぎ部分７が存在し、また電荷を転送しない垂直転送電極１１と水平転送電極１２との繋ぎ部分に、垂直転送電極１１と水平転送電極１２との間のギャップ６が存在する。
【００３３】
垂直転送部３を垂直方向（図中、下方向）へ転送されてきた信号電荷は、水平転送部４との繋ぎ部分７を通って、水平転送部４へ信号電荷が送られる。送られた信号は、水平転送電極１２へパルス電圧を印加することで、水平方向（図中、左方向）へ転送する。
【００３４】
垂直転送電極１１及び水平転送電極１２上には、例えば、シリコン酸化膜から成る被覆絶縁膜１７が形成されている。シリコン酸化膜としては、例えば、ＨＴＯが形成されている。
【００３５】
なお、被覆絶縁膜１７の上層には、全面を覆った層間絶縁膜などが形成されているが、ここでは図示していない。
垂直転送部３と水平転送部４との間の繋ぎ部分７に関しても、画素セルの微細化が進むにつれ、繋ぎ部分７の幅が短くなり、垂直転送電極１１と水平転送電極１２との間のカップリング容量が増大する傾向にある。
【００３６】
よって、第１の実施形態と同様に、垂直転送部３から水平転送部４に信号電荷が移る、繋ぎ部分７においても、ポテンシャルディップを浅くすることが可能なシリコン窒化膜を含む絶縁膜１６を用いてギャップ６に埋め込み絶縁膜を形成して転送効率の悪化を防ぐと共に、電荷転送が行われない垂直転送部３以外の垂直転送電極・水平転送電極間のギャップ６には、シリコン窒化膜より誘電率が低く、カップリング容量の低減が可能なシリコン酸化膜１５を用いて埋め込み絶縁膜を形成することで、消費電力の削減が可能になる。
（まとめ）
以上説明したように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、消費電力を抑えるために、垂直転送電極間のギャップの埋め込み絶縁膜を現在使われているシリコン窒化膜を含む絶縁膜よりも、誘電率の低い材料、例えばシリコン酸化膜に変更することで、転送電極間のカップリング容量を従来より低くし、結果的に消費電力の増大を抑制することが可能となる。
【００３７】
一方、シリコン酸化膜のみで埋め込み絶縁膜を形成した場合、垂直転送電極間のギャップ下におけるポテンシャルのディップが深くなり、転送残りが生じる場合があり、電荷転送部分においては、埋め込み絶縁膜にシリコン窒化膜を含む絶縁膜を用いて、ポテンシャルディップを極力防ぐことで転送効率を確保することが必要である。
【００３８】
そこで、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、電荷転送部（垂直転送部３）の電極間ギャップ５の埋め込み絶縁膜には、ポテンシャルディップを抑えるシリコン窒化膜を含む埋め込み絶縁膜１６などを用いることにより転送効率を向上させ、電荷転送部（垂直転送部３）以外の部分における電極間ギャップ５には、シリコン窒化膜より誘電率が低く、カップリング容量を抑えることが可能なシリコン酸化膜１５などを用いて埋め込み絶縁膜を形成することで、垂直転送電極１１間のカップリング容量を従来に比べて抑えて、消費電力の低減を行うことが出来る。
【００３９】
さらに、垂直転送部３から水平転送部４へ電荷を転送する繋ぎ部分７も同様のことが言え、垂直転送電極・水平転送電極間の繋ぎ部分７には、電荷転送部はポテンシャルディップを抑えるために、シリコン窒化膜を含む埋め込み絶縁膜１６などを用いるが、電荷転送部以外の垂直転送電極・水平転送電極間のギャップ６には、従来のシリコン窒化膜より誘電率の低いシリコン酸化膜を用いることで、電極間のカップリング容量を抑え、消費電力の低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、転送効率向上させながら、消費電力を抑えることができ、単層構造の転送電極を備える固体撮像装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図
【図２】発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の垂直転送部の構造を示す要部断面図
【図３】発明に係る単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の光電変換部の構造を示す要部断面図
【図４】従来の２層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図
【図５】従来の２層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図
【図６】従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部平面図
【図７】従来の単層電荷転送電極構造を有する固体撮像装置の構成を示す要部断面図
【図８】従来の単層電荷転送電極構造における垂直転送部のポテンシャル図
【符号の説明】
【００４２】
１…固体撮像装置
２…光電変換部
３…垂直転送部
４…水平転送部
５…ギャップ
６…ギャップ（繋ぎ部分）
７…繋ぎ部分
１１…垂直転送電極
１２…水平転送電極
１３…半導体基板
１４…ゲート絶縁膜
１５…埋め込み絶縁膜（シリコン酸化膜）
１６…埋め込み絶縁膜（シリコン窒化膜を含む絶縁膜）
１７…被覆絶縁膜
１８…フォトダイオード
１９…反射防止膜
３１…ポテンシャル図
３４…ポテンシャルディップ
１０１…固体撮像装置
１０２…光電変換部
１０３…垂直転送部
１０５…ギャップ
１１１…垂直転送電極
１２１…垂直転送電極（第１層）
１２２…垂直転送電極（第２層）
【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６】
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【図７】
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【図８】
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