(57)【要約】【課題】電荷転送電極周辺と電荷転送電極間の低浮遊容量化を実現させ低消費電力化を実現できることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像装置は、半導体基板に設けられた電荷転送チャネル２と、電荷転送チャネル２を覆う、半導体基板表面の絶縁膜３と、絶縁膜３を挟んで電荷転送チャネル２上に配列された複数の電荷転送電極４ａ、４ｂと、複数の電荷転送電極を覆う層間絶縁膜６、７と、層間絶縁膜６、７の上から電荷転送チャネル２を覆う遮光膜８と、複数の電荷転送電極４ａ、４ｂと層間絶縁膜６、７の間に設けられたエアギャップ層５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられた電荷転送チャネルと、
前記電荷転送チャネルを覆う、半導体基板表面の絶縁膜と、
前記絶縁膜を挟んで前記電荷転送チャネル上に配列された複数の電荷転送電極と、
前記複数の電荷転送電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上から前記電荷転送チャネルを覆う遮光膜と、
前記複数の電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間に設けられたエアギャップ層と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間におよび前記電荷転送電極間に繋がって存在する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記絶縁膜の最上部はシリコン酸化膜である
こと特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の直上に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の直上に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記エアギャップ層は、前記複数の電荷転送電極の配列に沿って、前記電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間に設けられた複数の空間部からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
各空間部は、１つ以上の前記電荷転送電極と層間絶縁膜の間および電荷転送電極の間に設けられる
ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の配列に沿って、２列以上に配列された複数の空間部からなる
ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板に電荷転送チャネルを形成する工程と、
半導体基板表面の前記電荷転送チャネルを覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を挟んで前記電荷転送チャネル上に複数の電荷転送電極を形成する工程と、
前記電荷転送電極を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記電荷転送電極を含む領域の前記層間絶縁膜を除去し、前記電荷転送電極表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記複数の電荷転送電極を部分的に覆うシリコン窒化膜を形成し、その上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜にコンタクトホールを形成し、シリコン窒化膜のみ除去する工程と、
前記コンタクトホールを埋め込む層間絶縁膜を形成する工程と、
を有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記電荷転送電極を覆っている形成される層間絶縁膜を除去する工程において、前記電荷転送電極上部の層間絶縁膜を除去する工程を備える請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記電荷転送電極を含む領域の層間絶縁膜を除去した後に、前記電荷転送電極を覆うシリコン酸化膜を形成する工程を省略した請求項９に記載の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、固体撮像装置において水平ＣＣＤレジスタの浮遊容量を低減し、水平ＣＣＤの低消費電力を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年固体撮像素子は、高解像度化や多画素化の要求が高まっている。フレームレートが一定であっても多画素化が進むと電荷転送スピードも速くなり転送周波数も高くなる傾向にある。また、シャッタースピードやフレームレートを高め高機能化も進んでいるため、センサーに求められる電荷転送スピードはますます速くなり、転送周波数も高くなっている。転送周波数が高くなると、パルス電圧が一定であっても電荷転送時の消費電力が比例して大きくなる。このため、水平ＣＣＤレジスタを構成する電荷転送電極の浮遊容量を小さくし、消費電力を低減することが求められている。
【０００３】
図１１は、特許文献１に示された従来の固体撮像装置の水平ＣＣＤの断面模式図である。従来の固体撮像装置は図１１において、シリコン基板１、電荷転送チャネル２、シリコン酸化膜３ａ、シリコン窒化膜３ｂ、シリコン酸化膜３ｃ、電荷転送電極４ａ、電荷転送電極４ｂ、層間絶縁膜（シリコン酸化膜）９、遮光膜８で構成されている。
【０００４】
電荷転送チャネルの電荷は電荷転送電極４ａと４ｂにかかるパルス電圧で電荷転送チャネルに沿って転送される。電荷転送電極に掛かる浮遊容量は、シリコン基板１との間の浮遊容量と、遮光膜８との間の浮遊容量Ｃ'と、電荷転送電極間の浮遊容量Ｃ'Gがある。電荷転送速度が上がると電荷転送チャネルのディップを解消するために電荷転送電極間距離は狭くなる方向であり、また、層間絶縁膜９はセル小型化のため薄膜化している方向である。このため、シリコン基板１との間の浮遊容量が同じであっても、遮光膜８との間の浮遊容量Ｃ'と、電荷転送電極間の浮遊容量Ｃ'Gはますます増加する方向であり、低消費電力化のためには、各々の浮遊容量の低減が必要となっている。
【特許文献１】特開平２−１３３９６３号公報（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の水平ＣＣＤレジスタにおいて、電荷転送電極と遮光膜間の浮遊容量と、電荷転送電極間の浮遊容量を低減することができない。近年の多画素化に伴って、これらの浮遊容量が小さい構造の固体撮像装置が必要とされている。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電荷転送電極周辺と電荷転送電極間の低浮遊容量化を実現させ低消費電力化を実現する固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板に設けられた電荷転送チャネルと、前記電荷転送チャネルを覆う、半導体基板表面の絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで前記電荷転送チャネル上に配列された複数の電荷転送電極と、前記複数の電荷転送電極を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上から前記電荷転送チャネルを覆う遮光膜と、前記複数の電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間に設けられたエアギャップ層とを備える。この構成によれば、電荷転送電極と遮光膜との間の浮遊容量を大幅に低減することができ、低消費電力化を実現することができる。
【０００８】
ここで、前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間におよび前記電荷転送電極間に繋がって存在するようにしてもよい。この構成によれば、さらに、電荷転送電極同士の間の浮遊容量も大幅に低減することができ、より一層の低消費電力化を実現することができる。
【０００９】
ここで、前記絶縁膜の最上部はシリコン酸化膜であってもよい。
ここで、前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の直上に設けられていてもよい。
【００１０】
ここで、前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の直上に設けられていてもよい。
ここで、前記エアギャップ層は、前記複数の電荷転送電極の配列に沿って、前記電荷転送電極と前記層間絶縁膜の間に設けられた複数の空間部からなる構成としてもよい。この構成によれば、エアギャップ層は複数の空間部からなるので、機械的な強度を十分に確保することができる。
【００１１】
ここで、各空間部は、１つ以上の前記電荷転送電極と層間絶縁膜の間および電荷転送電極の間に設けられる構成としてもよい。
【００１２】
ここで、前記エアギャップ層は、前記電荷転送電極の配列に沿って、２列以上に配列された複数の空間部からなる構成としてもよい。
【００１３】
また本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に電荷転送チャネルを形成する工程と、半導体基板表面の前記電荷転送チャネルを覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を挟んで前記電荷転送チャネル上に複数の電荷転送電極を形成する工程と、前記電荷転送電極を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、前記電荷転送電極を含む領域の前記層間絶縁膜を除去し、前記電荷転送電極表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記複数の電荷転送電極を部分的に覆うシリコン窒化膜を形成し、その上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜にコンタクトホールを形成し、シリコン窒化膜のみ除去する工程と、前記コンタクトホールを埋め込む層間絶縁膜を形成する工程とを有する。これにより、浮遊容量を低減し、かつ、低消費電力化を実現するためのエアギャップ層を有する上記固体撮像装置を製造することができる。
【００１４】
ここで、前記電荷転送電極を覆っている形成される層間絶縁膜を除去する工程において、前記電荷転送電極上部の層間絶縁膜を除去する工程を備えるようにしてもよい。
【００１５】
ここで、前記電荷転送電極を含む領域の層間絶縁膜を除去した後に、前記電荷転送電極を覆うシリコン酸化膜を形成する工程を省略してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法によれば、低浮遊容量の水平ＣＣＤレジスタができ、固体撮像装置の低消費電力化を実現できる。具体的には、電荷転送電極と遮光膜との間の浮遊容量を大幅に低減することができ、低消費電力化を実現することができる。さらに、電荷転送電極同士の間の浮遊容量も大幅に低減することができ、より一層の低消費電力化を実現することができる。さらに、エアギャップ層を設けながらも、機械的な強度を十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１の実施の形態）
以下に本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１８】
本実施の形態における固体撮像装置は、水平ＣＣＤレジスタの電荷転送電極をエアギャップで覆う構造を採用することによって、浮遊容量を低減している。
【００１９】
図１は本実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。図２Ａは、同固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの上面図である。図１は図２ＡのＡ−Ａ‘の断面図である。
【００２０】
シリコン基板１に電荷転送チャネル２が形成されており、シリコン基板１上にシリコン酸化膜３ａとシリコン窒化膜３ｂとシリコン酸化膜３ｃからなるゲート絶縁膜を介して電荷転送電極４ａと電荷転送電極４ｂが形成されている。
【００２１】
電荷転送電極４ａおよび４ｂおよび電荷転送電極間および電荷転送電極間を覆うようにエアギャップ層５が形成されている。エアギャップ層５を覆うように層間絶縁膜（シリコン酸化膜）６が形成され、層間絶縁膜６の一部に、コンタクトホール７ａが形成され層間絶縁膜７で埋め込まれている。層間絶縁膜７上に遮光膜８が形成されている。エアギャップ形成時に電荷転送電極を保護するために、電荷転送電極を覆うようにシリコン酸化膜９ａが形成されている。
【００２２】
なお、さらに電荷転送電極間の浮遊容量を低減させるために、前記シリコン酸化膜９ａは省略しても構わない。その例を図３に示す。
【００２３】
エアギャップ層５は図２Ａからも判るように、電荷転送電極の一部を覆うように形成されている。また、機械的強度を保つためエアギャップ層は複数の空間部を形成している。
【００２４】
なお、各々の電荷転送電極上のエアギャップ層の空間部の面積を同じにして、各々の電荷転送電極に掛かる容量を同じにし、波形鈍りを各端子で同じにするため、図２Ｂのようにエアギャップ層を配置することが望ましい。図２Ｂの例では複数の空間部が２列に並ぶ。各空間部の中心位置は、隣の列の空間部の中心位置と横並びにならないように、ずれている。
【００２５】
また、コンタクトホール７ａの位置は任意であるが、機械的強度と考慮して電荷転送電極上に形成されることが望ましい。
【００２６】
電荷転送電極と遮光膜間および電荷転送電極間はエアギャップ層で構成されるため、各々の浮遊容量が低減できる。
【００２７】
図４Ａは、本実施形態における固体撮像装置の電荷転送電極と浮遊容量を示す説明図である。図４Ｂは、対比のために、従来技術における固体撮像装置の電荷転送電極と浮遊容量を示す説明図である。図４Ａ、図４Ｂを用いて、電荷転送電極と遮光膜間の浮遊容量Ｃの比を算出する。ε0は真空の誘電率、εairはエアギャップの比誘電率で約１．０、εSiO2は酸化膜の比誘電率で約３．９である。また、ｄSiO2はシリコン酸化膜の厚さ、ｄairはエアギャップの厚さ、ｄ'SiO2はシリコン酸化膜の厚さとすると従来構造の電荷転送電極と遮光膜間の単位面積あたりの浮遊容量Ｃ' 遮光膜間は次式で表される。
（数１）Ｃ'遮光膜間＝(ε0・εSiO2)／ｄ'SiO2
【００２８】
また、本発明のエアギャップ構造における電荷転送電極と遮光膜間の単位面積あたりの浮遊容量Ｃ遮光膜間は、エアギャップ層の浮遊容量ＣairとＣSiO2で表される。
（数２）Ｃ遮光膜間＝(Ｃair・ＣSiO2)／(Ｃair+ＣSiO2)
（数３）Ｃair＝(ε0・εair)／ｄair
（数４）ＣSiO2＝(ε0・εSiO2)／ｄSiO2
【００２９】
ここで、ｄSiO2は３×１０-7［ｍ］、ｄairは２×１０-7［ｍ］、ｄ'SiO2は１×１０-7［ｍ］、ε0は８．８５４×１０-12［Ｆ・ｍ-1］の場合、Ｃ' 遮光膜間、Ｃ遮光膜間は次のようになる。
Ｃ' 遮光膜間＝１１５×１０-6［Ｆ・ｍ-2］
Ｃ遮光膜間＝４０×１０-6［Ｆ・ｍ-2］
【００３０】
したがって、従来構造と比較してエアギャップ構造の電荷転送電極と遮光膜間の浮遊容量は３４％に低減することができる。同様に電荷転送電極間の浮遊容量についても（数１）、（数２）によって算出できる。ここで、電極間距離が１×１０-7［ｍ］、ｄairは８×１０-6［ｍ］の場合、単位面積あたりのＣ'電極間およびＣ電極間は次のようになる。
Ｃ' 電極間＝３４５×１０-6［Ｆ・ｍ-2］
Ｃ電極間＝１０４×１０-6［Ｆ・ｍ-2］
【００３１】
したがって、従来構造と比較してエアギャップ構造の電荷転送電極と遮光膜間の浮遊容量は３０％に低減することができる。
【００３２】
図５は、隣接する２つの電荷転送電極の端子容量Ｃ1と隣接する端子容量Ｃ2、電極間容量Ｃ12を示す等価回路を示す図である。図５に示すように、各々の電荷転送電極に掛かる単位面積あたりの容量Ｃは、該当端子容量Ｃ1と隣接する端子容量Ｃ2、お互いの電極間容量Ｃ12を用いて次式で表され、電荷転送電極の消費電力Ｐは容量Ｃに比例する。Ｖは電荷転送電極にかかるパルス電圧、ｆは転送周波数である。
（数５）Ｃ＝（Ｃ1＋Ｃ2＋４Ｃ12）
（数６）Ｐ＝ＣＶ2ｆ
【００３３】
（数５）を用いて従来構造と本発明構造のそれぞれの電荷転送電極の単位面積あたりの
容量を算出すると、従来構造は２３６０×１０-6［Ｆ・ｍ-2］、本発明構造は１３２０×１０-6［Ｆ・ｍ-2］となり、５６％の容量に低減できることが判る。消費電力が従来構造の５６％となる。
【００３４】
図６Ａ、図６Ｂは、エアギャップの膜厚に対する、従来構造と本実施形態の構造の容量比を示す図である。図６Ａ、図６Ｂに示したように電荷転送電極を覆う膜厚が一定であれば、エアギャップ層の割合が多いほど容量比を低くすることできる。エアギャップ層の厚みは機械的強度を考慮して、２００ｎｍまでに設定することが望ましい。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。電荷転送電極間の層間絶縁膜が除かれていない点が図１と異なる点であり、それ以外の構造は図１と同様である。この場合、電荷転送電極間の浮遊容量は従来構造と同一となるが、電荷転送電極上部のみにエアギャップ層が設けられるため機械的強度を強くできる。例えば、図３の場合、エアギャップ層は４００ｎｍまで設定することができる。さらに浮遊容量を低減させるために、前記シリコン酸化膜９ａは省略しても構わない。その例を図８に示す。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜のみで構成されている点が、図８と異なる点である。電荷転送電極間が層間絶縁膜で埋め込まれているので、エアギャップ層を形成する時の影響を受けないため、ゲート絶縁膜の材質および構成は任意に設定が可能である。図９はその一例である。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施の形態の製造方法について、図面を参照して具体的に説明する。図１０Ａ〜図１０Ｄは本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの製造工程を示す図である。製造される固体撮像装置の構成は図１と同様である。
【００３８】
まず、図１０Ａに示すように、シリコン基板１上にシリコン酸化膜３ａとシリコン窒化膜３ｂとシリコン酸化膜３ｃからなるゲート絶縁膜を形成し、電荷転送電極４ａと電荷転送電極４ｂを形成した後、層間絶縁膜９を形成する。
【００３９】
その後、図１０Ｂに示すように電荷転送電極間の層間絶縁膜９を除去し、電荷転送電極４ａおよび４ｂの表面およびゲート絶縁膜上にシリコン酸化膜９ａを形成する。例えば、電荷転送電極として多結晶ポリシリコン膜を用いた場合、その酸化膜としてシリコン酸化膜を形成することができる。
【００４０】
次に、図１０Ｃに示すように、エアギャップ層を形成する箇所にシリコン窒化膜９ｂを形成し、シリコン窒化膜９ｂ上に層間絶縁膜６を形成する。層間絶縁膜６の一部にコンタクトホール７ａを形成する。図１０Ｄに示すように、このコンタクトホール７ａより選択的にシリコン窒化膜９ｂを除去する。例えば、リン酸ボイルでシリコン窒化膜を除去すれば、リン酸ボイルのシリコン酸化膜に対する選択比はほぼ無限大に近いため、シリコン窒化膜のみ除去が可能である。この時、電荷転送電極表面およびゲート絶縁膜表面はシリコン酸化膜９ａで覆われているためリン酸ボイルではエッチングされない。シリコン窒化膜が除去された領域がエアギャップ層５となり、次にコンタクトホール７ａを埋め込むために層間絶縁膜７を形成し、その上に遮光膜８を形成する。
【００４１】
また、エアギャップ層５を電荷転送電極上のみに形成する場合、電荷転送電極間の層間絶縁膜９は除去されないため、ゲート絶縁膜はリン酸ボイルでエッチングする時に影響を受けない。このため、シリコン酸化膜９ａで保護する必要がないため省略することができる。電荷転送電極上はリン酸ボイルで表面が荒れるが電極構造としての機能は失われない。
【００４２】
なお、本発明のエアギャップ層は固体撮像装置のアンプを構成するトランジスタにも適用でき、トランジスタの浮遊容量を低減させ、変換効率を向上させ、周波数応答を良化させることができる。
【００４３】
以上のように本発明の実施の形態の固体撮像装置及びその製造方法によれば、電荷転送電極周辺と電荷転送電極間をエアギャップで覆う構造により、低浮遊容量を低減でき、消費電力の小さい固体撮像装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子を有する固体撮像装置、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。
【図２Ａ】固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの上面図である。
【図２Ｂ】他の固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの上面図である。
【図３】電荷転送電極を覆うシリコン酸化膜を省略した場合の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。
【図４Ａ】本実施形態における電荷転送電極と浮遊容量を示す説明図である。
【図４Ｂ】従来技術における電荷転送電極と浮遊容量を示す説明図である。
【図５】隣接する２つの電荷転送電極の端子容量Ｃ１と隣接する端子容量Ｃ２、電極間容量Ｃ１２を示す等価回路を示す図である。
【図６Ａ】エアギャップの膜厚に対する、従来構造と本実施形態の構造の容量比を示す図である。
【図６Ｂ】エアギャップの膜厚に対する、従来構造と本実施形態の構造の容量比を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。
【図８】電荷転送電極を覆うシリコン酸化膜を省略した場合の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの断面図である。
【図１０Ａ】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの製造工程を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの製造工程を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの製造工程を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の水平ＣＣＤレジスタの製造工程を示す図である。
【図１１】従来の固体撮像装置の水平ＣＣＤの断面模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  シリコン基板
２  電荷転送チャネル
３ａ  シリコン酸化膜
３ｂ  シリコン窒化膜
３ｃ  シリコン酸化膜
４ａ  電荷転送電極
４ｂ  電荷転送電極
５  エアギャップ層
６  層間絶縁膜（シリコン酸化膜）
７  層間絶縁膜
７ａ  コンタクトホール
８  遮光膜
９  層間絶縁膜（シリコン酸化膜）
９ａ  シリコン酸化膜
９ｂ  シリコン窒化膜
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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