(57)【要約】【課題】画素の光電変換領域以外を遮光した構造の固体撮像素子において、光電変換領域の遮光膜開口部から遮光膜下に回折光が回り込むことにより、遮光膜下の素子に発生する光起因ノイズに基づく撮像ノイズを防止する。【解決手段】光電変換領域３１の遮光膜６０の開口部６１の側壁に、入射光の位相をずらす位相シフト膜７０を装備することにより、遮光膜６０下領域への回折光に減殺的干渉を発生させ、効果的に遮光膜６０の下領域の遮光性能を向上させ、前記回折光に起因する撮像ノイズを効果的に防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェル領域内に光電変換領域と電荷転送領域とを備えた半導体基板と、
前記半導体基板の前記電荷転送領域上に第１の絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極および前記半導体基板上に形成された第２の絶縁膜と、
前記半導体基板の前記電荷転送領域における前記第２の絶縁膜上に形成された遮光膜と、
前記遮光膜の側面に設けた位相シフト膜と、
前記遮光膜と前記位相シフト膜と前記半導体基板との上に形成された第３の絶縁膜を備え、
前記位相シフト膜が、前記第３の絶縁膜とは異なる屈折率を持ち、かつ前記位相シフト膜の側壁方向の膜厚は前記電荷転送領域で光電変換する光を４分の１波長以上の位相をシフトさせる膜厚であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記位相シフト膜によりシフトされる位相が、ほぼ２分の１波長であ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】
前記位相シフト膜がシリコン窒化膜を主とし、前記第３の絶縁膜がシリコン酸化膜を主とすることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記遮光膜がアルミニウムまたはタングステンを主とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項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、固体撮像装置に係り、特に、光電変換領域以外への光入射を防ぐ遮光膜を具備する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板上に複数の受光素子を配置した固体撮像装置として、例えばインターライン型ＣＣＤが提供されている。
【０００３】
前記固体撮像装置の単体受光素子（単体画素）には、光電変換領域の他、電荷転送領域などが備えられているが、光電変換部では入射光を受ける必要があるのに対し、それ以外の部分への光入射は撮像信号へのノイズを発生する要因となるため、その光入射を防止する遮光膜を備えている。
【０００４】
以下、上記の構成に基づくインターライン型ＣＣＤの画素構成を備えた従来の固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図３は従来の固体撮像装置の要部断面図であり、半導体基板１０内にｐ型ウェル領域２０が形成され、更に、このｐ型ウェル領域２０内にｎ型の光電変換領域３１、ｎ型の電荷転送領域３２、ｐ型の電荷読み出しチャネル３３、ｐ型のチャネルストップ領域３４が形成されており、また光電変換領域３１の基板表面近傍にはｐ型の正孔蓄積領域３５が形成されている。
【０００６】
電荷転送領域３２及び電荷読み出しチャネル３３上にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）によるゲート絶縁膜４０を介して多結晶シリコンから成るゲート電極４１が形成され、更に基板全面に形成された層間絶縁膜５０を介して、電荷転送領域への光入射を防ぐようにアルミニウムやタングステン等からなる遮光膜６０が形成されている。
【０００７】
ここで電荷転送領域３２の遮光が不完全であった場合、光電変換領域３１で生成された撮像信号に電荷転送領域３２で光電変換されたノイズ信号が加算されることになり、スミアと呼ばれる撮像画の上下方向に縞状の明るい縦縞が発生する。このスミアは撮像品質の劣化を招き大きな課題となっている。
【０００８】
前記課題に対し、特許文献１ではチャネルストップ領域３４側の遮光膜６０を電荷転送領域３２側の遮光膜６０よりも長くし、非対称の位置に開口部を設けることでスミアを低減することが記載されている。
【特許文献１】特開２００７−２１４３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら近年、固体撮像装置を搭載したデジタルカメラなどの飛躍的な発展に伴い、限られた撮像素子面積の中に、より多数の画素を搭載することによる撮像高精細化が求められており、これに応えるために画素サイズの縮小化が進展し、画素の設計寸法の縮小化が急速に進んでいる。
【００１０】
これに伴い、遮光に対するマージン設計寸法（図３におけるａまたはb部の寸法：遮光膜６０，開口部６１からｎ型電荷転送領域３２までの距離）も縮小化が進んでいるが、特許文献１に記載された固体撮像装置は、チャネルストップ領域３４側の遮光膜を張り出させるため、光電変換領域３１に入射する入射光が少なくなり、感度低下を起こし、近年の微細化の要求にはこたえることができない。
【００１１】
そして、図３のａ，ｂの寸法を小さくすることで、従来問題とならなかった回折光の影響の顕在化、即ち、遮光膜開口部で回折し遮光膜下に回り込んだ光が十分に減衰されないまま電荷転送領域に達し、実効的に遮光能力を低下させてスミア特性の劣化を引き起こしている。
【００１２】
本発明は、上述の点に鑑み、感度を低下させることなくスミアを低減し、さらには半導体基板内部での回折光の挙動を制御し、遮光膜下に配置された素子部の実効的な遮光能力を向上させ、回折光起因ノイズを抑制した固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、ウェル領域内に光電変換領域と電荷転送領域とを備えた半導体基板と、前記半導体基板の前記電荷転送領域上に第１の絶縁膜を介して形成された転送電極と、前記電荷転送電極および前記半導体基板上に形成された第２の絶縁膜と、前記半導体基板の前記電荷転送領域における前記第２の絶縁膜上に形成された遮光膜と、前記遮光膜の側面に位相シフト膜と、前記遮光膜と前記位相シフト膜と前記半導体基板との上に形成された第３の絶縁膜を備え、前記位相シフト膜が、前記第３の絶縁膜とは異なる屈折率を持ち、かつ前記位相シフト膜の側壁方向の膜厚は前記電荷転送領域で光電変換する光を４分の１波長以上の位相をシフトさせる膜厚であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、画素の光電変換領域以外への光入射を防ぐ遮光膜を備えた固体撮像装置において、遮光膜下への入射光回折（回り込み）の影響を抑制し、実効的に遮光性能の劣化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明固体撮像装置の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明固体撮像装置の一実施の形態における要部断面図であり、インターライン型ＣＣＤの例を示している。なお、図３に示す従来装置と同一の部分については同一符号を用いるものとする。
【００１７】
図１において、半導体基板１０は、ＣＺ(Ｃzochoralski)法により製造されたｎ型単結晶シリコン基板の上にｎ型エピタキシャル層を成長した構成となっており、この半導体基板１０のエピタキシャル層内に第１のｐ型ウェル領域２０を形成し、このｐ型ウェル内にｎ型の光電変換領域３１、ｎ型の電荷転送領域３２、ｐ型の電荷読み出しチャネル３３、ｐ型のチャネルストップ領域３４を形成する。
【００１８】
ｎ型の光電変換領域３１の基板表面近傍にはｐ型の正孔蓄積領域３５が形成され、光電変換領域内の電荷への基板表面（界面）の影響を抑制する構成を採用している。
【００１９】
電荷転送領域３２及び電荷読み出しチャネル３３上にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）による第１の絶縁膜となるゲート絶縁膜４０を介して多結晶シリコンから成るゲート電極４１が形成され、更に半導体基板１０全面に形成された第２の絶縁膜となる層間絶縁膜５０を介して、転送電極４１の上方及び側面を覆うようにアルミニウムやタングステン等からなる遮光膜６０が形成されている。
【００２０】
ここで遮光膜６０は、光電変換領域３１上では光入射窓が開口され入射光を半導体基板１０中に導く他、電荷転送領域３２への光入射を防ぐ役割を持ち、更に、この遮光膜６０の開口部６１の側壁に隣接し、かつ光電変換領域３１の上方にある領域にシリコン窒化膜から成る位相シフト膜７０が形成される。
【００２１】
前記構造は、基板全面にシリコン窒化膜を堆積し、基板全面に異方性を持つ条件でエッチバックを行うことで得られる。
【００２２】
なお、本実施の形態では堆積した膜厚分全てをエッチバックし、遮光膜６０の側壁部のみに位相シフト膜７０を残す構造を示しているが、位相シフト膜は主入射光と光路差を形成することが目的であるため、シリコン窒化膜をハーフエッチとし遮光膜６０の開口部全面にシリコン窒化膜が残る構造でもよく、遮光膜６０側壁部にシリコン窒化膜厚差が作りこめれば問題はない。
【００２３】
その後、基板全面に第３の絶縁膜となるシリコン酸化膜８０を堆積し、主入射光路をシリコン酸化膜で満たす構造を作りこむ。
【００２４】
前記シリコン酸化膜表面は熱フローまたはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化されて構成される。
【００２５】
本実施の形態では位相シフト膜７０の設計寸法としては、入射光波長５５０ｎｍ、回折角４５°を前提に基板表面に鉛直方向の寸法が２３０ｎｍ、遮光膜開口部断面方向で６８ｎｍとしている。これはシリコン窒化膜の屈折率を１．４６、シリコン酸化膜の屈折率を２．０４、半導体基板の屈折率を３．８５を前提として設計された値である。
【００２６】
ここで、固体撮像装置が発揮する効果を図面を参照しながら論理的に説明する。
【００２７】
図２は図１に示す固体撮像装置の効果を説明するための要部断面図である。
【００２８】
図２中の２つの入射光ａ，ｂの回折光が減殺的干渉を起こすための要件とは、次式（１）で表される遮光膜下の任意の点（撮像特性に影響が大きいと考えられる点）での上記２つの経路での回折光の位相差が、おおよそπ（１／２波長）となることであり、更に望ましくは全ての回折角θに於いて回折光位相差が１／２π〜３／２πの間の値を取ることである。
【００２９】
Δ≒２π／λ｛ｄ・ｎbody・sinθ＋ｌ・［１／ｎiso−１／ｎshift］｝…（１）
ただし、Δ：遮光膜下の半導体基板内の任意の地点での、上記２経路の入射光の回折光の位相差
λ：入射光波長
ｄ：位相シフト膜の遮光膜側壁部での基板表面に鉛直方向の寸法
ｌ：位相シフト膜の遮光膜側壁部の膜厚
ｎbody：半導体基板材料の屈折率
ｎiso：主入射光経路の透明絶縁膜の屈折率
ｎshift：位相シフト膜の屈折率
θ：半導体基板内での入射光回折角
である。
【００３０】
この場合、図２で示されたような、位相シフト膜７０の中の遮光膜６０の側壁近辺を経由した入射光と、位相シフト膜７０の側壁と層間絶縁膜２の界面近傍を経由する入射光の間には適切な位相差が生まれ、半導体基板１０内のＡ地点では両経路からの回折光には減殺的干渉を起こし、実効的な光強度は著しく減衰される。
【００３１】
このＡ地点は、光入射があった場合に光電変換されたノイズ信号が電荷転送路に流れ込みスミア特性劣化を引き起こす領域であり、この領域の実効光強度を抑制することで撮像特性向上を図ることができる。
【００３２】
このように本固体撮像装置では、遮光特性が求められる領域の実効光強度を抑制するように、位相シフト膜７０を形成し、その材料（屈折率）とサイズを選定することが特徴であり、固体撮像装置に入射した光の半導体基板１０中での挙動を制御することにより、上部に形成した遮光膜６０の半導体基板１０内部での実効的な遮光効果を改善し、遮光能力不足に起因する撮像ノイズを効果的に低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る固体撮像装置は、感度の低下を伴わずにスミアを低減させることができるため、信頼性が高く、かつ、高画素化にも対応できる固体撮像装置として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態における要部断面図
【図２】図１に示す固体撮像装置の効果を説明する要部断面図
【図３】従来の固体撮像装置の要部断面図
【符号の説明】
【００３５】
１０  半導体基板
２０  ｐ型ウェル領域
３１  光電変換領域
３２  電荷転送領域
３３  電荷読み出しチャネル
３４  チャネルストップ領域
３５  正孔蓄積領域
４０  ゲート絶縁膜
５０  層間絶縁膜
６０  遮光膜
６１  開口部
７０  位相シフト膜
８０  層間絶縁膜
【図１】
2009239171.tif 000003
【図２】
2009239171.tif 000004
【図３】
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