JP2006024799A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオードの受光面積を増加させかつ、垂直ＣＣＤチャネルの面積を増加させて高画質化を図る。
【解決手段】 ｐ型シリコン基板１０上に凸状の柱状半導体層１０ａを設けて、その上にフォトダイオード１１を設け、凸状の柱状半導体層１０ａの側壁に垂直ＣＣＤチャネル１２および転送電極１５を設ける。フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２が基板表面に対して垂直方向に配置されるため、フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２が基板上に二次元的に配置されている場合に比べてフォトダイオード１１の受光面積増加と共に垂直ＣＣＤチャネル１２の面積増加を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどの撮像部に用いられるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ;電荷結合素子）型の固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、高画質化および小型化が図られたＣＣＤ型の固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年、撮像管に代わるものとして、撮像管よりも小型で軽量かつ長寿命という特長を有するＣＣＤ型の固体撮像装置が広く用いられている。特に、最近では、このようなＣＣＤ型の固体撮像装置が例えば家庭用ビデオカメラ、放送用ビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどに広く用いられる他、携帯電話器および、いわゆるデジタル家電と言われる家電製品などにも広く用いられている。

図１４は、従来の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。

図１４に示すように、固体撮像装置１００は、半導体基板としてのｐ型Ｓｉ基板１０１上に、ｎ型拡散層からなるフォトダイオード１０２が設けられ、そのフォトダイオード１０２に隣接してその一方側にｎ型領域からなる垂直ＣＣＤチャネル１０３が設けられ、その他方側にオーバーフロードレイン１０４が設けられている。このフォトダイオード１０２と垂直ＣＣＤチャネル１０３との間の上方位置にはゲート絶縁膜１０５を介して読み出し電極としての機能を兼ね備えた転送電極１０６が設けられ、また、フォトダイオード１０２とオーバーフロードレイン１０４との間の上方位置にはゲート絶縁膜１０５を介してオーバーフロー電位制御電極１０７が設けられている。この基板部上を覆うように平坦化用絶縁膜１０８が設けられ、更にその上にフォトダイオード１０２上方に開口部を有する遮光膜１０９が設けられている。

上記構成により、この遮光膜１０９の開口部を通過した入射光ｈｒは、フォトダイオード１０２に入射して光電変換され、信号電荷として蓄積される。この信号電荷は、転送電極１０６下のフィールドシフトゲート１１０を通ってフォトダイオード１０２から垂直ＣＣＤチャネル１０３内に移送され、垂直ＣＣＤチャネル１０３内を順次転送する。また、強い入射光ｈｒにより発生した過剰電荷は、オーバーフロー電位制御電極１０７下のオーバーフローゲート１１１を介してオーバーフロードレイン１０４側に排出される。

図１５は、従来の他の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。なお、図１５では図１４の場合と同じ作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。

図１５に示すように、固体撮像装置１２０は、半導体基板としてのｎ型Ｓｉ基板１０１Ａ上に、フォトダイオード１０２の下では薄く、垂直ＣＣＤチャネル１０３の下では厚いｐ型ウェル拡散層１０１Ｂが設けられている。強い入射光ｈｒにより発生した過剰電荷が、ウェル拡散層１０１Ｂを通って基板１０１Ａに排出される構造になっている。この過剰電荷排出構造は、いわゆる縦形オーバーフロードレイン構造と言われている。

図１６は、図１４のＸ−Ｙ方向におけるポテンシャル図である。

図１６において、横軸はＸ−Ｙ方向の位置、縦軸はポテンシャルを示している。また、実線は信号蓄積時、破線は信号読み出し時のポテンシャルをそれぞれ表わしている。さらに、矢印Ａの高さはフィールドシフトゲート１１０の読み出し時のポテンシャルとオーバーフローゲート１１１のポテンシャルとのポテンシャル差を示している。

実線の信号蓄積時における過剰電荷は、オーバーフローゲート１１１のポテンシャルを越えてオーバーフロードレイン１０４側に排出されるようになっている。

図１７は、図１４の画素部の入出力特性を示すグラフである。なお、図１７では、横軸は入射光量、縦軸は出力電流を示している。

図１７に示すように、入射光が弱い場合には、入射光量に対する出力電流の入出力特性カーブは、直線１３０の状態で、ある入射光量１３１を越えると、入出力特性カーブは実線１３２で示すように曲って出力電流が抑えられて圧縮されてくる。

この理由は、入射光により発生された電荷の一部がオーバーフローゲート１１１のポテンシャルを越えてオーバーフロードレイン１０４側に排出されるためである。入出力特性カーブが直線状である直線１３０の領域は、フィールドシフトゲート１１０の読み出し時のポテンシャルとオーバーフローゲート１１１のポテンシャルとのポテンシャル差Ａで決定される。

ところが、フィールドシフトゲート１１０とオーバーフローゲート１１１とは全く異なるゲートであり、各画素部毎にそのポテンシャル差Ａは異なっている。このため、ポテンシャル差Ａが小さい画素部では直線１３０の領域が狭く、入出力特性カーブが図１７の１３２Ａのようになり、一方、ポテンシャル差Ａが大きい画素部では直線１３０の領域が広く、入出力特性カーブが１３２Ｂのようになる。このようなばらつきがある領域では、再生画面上に表示むらが表われるため、使用することができない。したがって、使用領域が図１７に矢印Ｂで示す領域（入出力特性カーブ１３２Ａまでの直線１３０の領域）に限られることになり、ダイナミックレンジが狭くなる。

このように、従来の構成では、各画素部毎に、フィールドシフトゲート１１０とオーバーフローゲート１１１との間のポテンシャル差Ａが異なるため、再生画面に表示むらが発生するという問題があった。

上記課題を解決する手段として、例えば特許文献１には図１８に示すような構造の固体撮像装置が開示されている。

図１８は、従来の更に他の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。なお、図１８において、図１４および図１５と同じ作用効果を奏する部材には同一の符号を付している。

図１８に示すように、固体撮像装置１４０は、図１４に示す従来の固体撮像装置１００の場合とは異なり、オーバーフロードレイン１０４が垂直ＣＣＤチャネル１０３に対して、入射光ｈｒから信号電荷を読み出すべきフォトダイオード１０２の反対側に設けられている。

この固体撮像装置１４０において、遮光膜１０９の開口部１０９ａを通過した入射光ｈｒは、フォトダイオード１０２で光電変換されて信号電荷として蓄積される。この信号電荷は、転送電極１０６下のフィールドシフトゲート１１０を通ってフォトダイオード１０２から垂直ＣＣＤチャネル１０３内に移送され、垂直ＣＣＤチャネル１０３内を順次転送される。

また、強い入射光ｈｒにより発生された過剰電荷は、フィールドシフトゲート１１１、垂直ＣＣＤチャネル１０３の埋め込みチャネルおよびオーバーフローゲート１１１を通って垂直ＣＣＤチャネル１０３からオーバーフロードレイン１０４側に排出される。

この構成によれば、図１７に示す入出力カーブが曲がる点の入射光量１３１が電荷蓄積時におけるフィールドシフトゲート１１１のポテンシャルのみで決定されることになるため、飽和特性をほぼ均一化させることができる。したがって、過剰電荷を排出することに起因する画素部間の出力むらを少なくして、ダイナミックレンジを拡大化することができる。
特開平０５−１３７０７２号公報

しかしながら、上述した従来の構成では、いずれも、入射光ｈｒを光電変換して信号電荷を発生させるフォトダイオード１０２と、その発生させた信号電荷を転送させるための転送電極１０６および垂直ＣＣＤチャネル１０３とが半導体基板上で２次元的な平面状に配置されている。このため、より大きな受光面積を確保することができず、より多量の入射光ｈｒを光電変換して高画質化を図ることが困難であった。

また、高画質化の他の方法としては、フォトダイオード１０２により光電変換した信号電荷を蓄積する垂直ＣＣＤチャネル１０３に蓄積可能な信号電荷の量を大きくする方法も考えられる。これは、垂直ＣＣＤチャネル１０３の面積および垂直ＣＣＤチャネル１０３の転送電極１０６に印加される電圧を大きくすることによって可能となる。しかしながら、垂直ＣＣＤチャネル１０３の面積を大きくすると、半導体基板表面上に占める垂直ＣＣＤチャネル１０３の面積が大きくなってフォトダイオード１０２の受光面積を小さくせざるを得ないことから、フォトダイオード１０２で光電変換用の入射光ｈｒの量が少なくなるため、高画質化を図ることが困難であった。また、垂直ＣＣＤチャネル１０３の転送電極に印加される電圧を大きくすると、半導体回路内の動作電圧が大きくなり、消費電力および固体撮像装置の微細化の観点から好ましくない。

以上のように、フォトダイオード１０２と転送電極１０６および垂直ＣＣＤチャネル１０３とが半導体基板上で２次元的な平面状に配置された従来の固体撮像装置１００，１２０，１４０の構成では、フォトダイオード１０２への入射光ｈｒの光量増加および光電変換された信号電荷の蓄積量増加は困難であって、固体撮像装置１００，１２０，１４０の高画質化を図ることが困難であった。

本発明は、上記従来の事情を鑑みてなされたもので、フォトダイオードの受光面積を増加させて入射光量を増加させる共に、垂直ＣＣＤチャネルの面積をも増加させて信号電荷の蓄積量を増加させて高画質化を図ることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する一または複数の光電変換部と、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送するための垂直電荷転送部とを有し、該垂直電荷転送部は該光電変換部下の該半導体基板側に配置されており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板上に設けられた少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を備え、前記垂直電荷転送部は該柱状半導体層の側壁の全部または一部に設けられ、前記光電変換部は該柱状半導体層の上面部に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における垂直電荷転送部は、垂直方向に並んだ複数の前記光電変換部の配置に沿って配列されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記垂直電荷転送部の前記半導体基板側に設けられたオーバーフロードレインを更に有し、前記光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能となっている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるオーバーフロードレインは、前記半導体基板の上面部および前記柱状半導体層の側壁部のうちの少なくともいずれかに設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記垂直電荷転送部の電荷転送を制御する電荷転送電極が、前記垂直電荷転送部上および該垂直電荷転送部と前記光電変換部間上に絶縁膜を介して設けられ、該オーバーフロードレインへの電荷排出を制御するオーバーフロー電位制御電極が、該垂直電荷転送部と前記オーバーフロードレイン間上に絶縁膜を介して設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における柱状半導体層の側壁に段部が設けられ、前記電荷転送電極とオーバーフロー電位制御電極とがそれぞれ、間に該段部を有する各側壁部にそれぞれ設けられている。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置された固体撮像装置の製造方法であって、該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、該柱状半導体層の上面部に該光電変換部を形成する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置され、該垂直電荷転送部の該半導体基板側にオーバーフロードレインが配置されて、該光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能とされる固体撮像装置の製造方法であって、該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなるオーバーフロー電位制御電極を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、該半導体基板または該柱状半導体層に該オーバーフロードレインを形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、該柱状半導体層の上面部に該光電変換部を形成する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置され、該垂直電荷転送部の該半導体基板側にオーバーフロードレインが配置されて、該光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能とされる固体撮像装置の製造方法であって、該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、該半導体基板および柱状半導体層上に酸化膜を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部に対して所定の不純物を導入してオーバーフローゲート部分の不純物濃度の調整を行う工程と、該酸化膜上の所定位置にオーバーフロー電位制御電極を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部への該酸化膜上からのイオン注入により該垂直電荷転送部、オーバーフロードレインおよび、光電変換部となる領域をそれぞれ形成する工程と、該オーバーフロー電位制御電極を絶縁層で埋め込む工程と、該絶縁層で埋め込まれていない該酸化膜上の所定位置に電荷転送電極を形成する工程と、該柱状半導体層の側壁部に所定の不純物を導入して、該該垂直電荷転送部と光電変換部となる領域との間にフィールドシフトゲートを形成する工程と、該柱状半導体層の上面部に所定の不純物を導入して光電変換部を形成する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

従来技術では、光電変換部としてのフォトダイオードと垂直電荷転送部としての垂直ＣＣＤチャネルが半導体基板面に対して２次元的な平面状に形成されているため、フォトダイオードの受光面積を増加させて入射光量を増加させることと、垂直ＣＣＤチャネルの面積を増加させて信号電荷の蓄積量を増加させることを両立させることが困難であった。

そこで、本発明にあっては、垂直ＣＣＤチャネルをフォトダイオード下の半導体基板側に配置して、フォトダイオードと垂直ＣＣＤチャネルとを半導体基板表面に対して垂直方向に３次元的に立体配置する。これにより、光電変換される入射光の光量を増加させるためにフォトダイオードの受光面積を大きくしても、垂直ＣＣＤチャネルの面積を小さくする必要がない。よって、フォトダイオードの受光面積を大きくして光電変換される入射光量を増加させると共に、垂直ＣＣＤチャネルの面積をも大きくして信号電荷の蓄積量を増加させることが可能となって、固体撮像装置の高画質化を図ることが可能となる。

具体的には、例えば半導体基板に凸状の柱状半導体層を設けて、その上面部にフォトダイオードを設け、側壁部に垂直ＣＣＤチャネルを設けることにより、フォトダイオードの受光面積の増加と共に、垂直ＣＣＤチャネルの面積増加が可能となる。この場合に、側壁の高さをより高くすることによって、垂直ＣＣＤチャネルの面積を大きくできて信号電荷の蓄積量を更に増加させることも可能となる。

さらに、フォトダイオードと、垂直ＣＣＤチャネルおよびオーバーフロードレインとを基板表面に対して垂直方向に配置することにより、過剰電荷が垂直ＣＣＤチャネルを介してオーバーフロードレインから排出される。この場合、垂直ＣＣＤチャネルのフィールドシフトゲートとオーバーフローゲートとがフォトダイオードの両側に設けられている従来の構成に比べて、画素間の出力むらを小さくしてダイナミックレンジを広くすることが可能となる。

例えば、オーバーフロードレインを半導体基板側に設けてもよく、柱状半導体層の側壁側に設けてもよく、その両方に設けてもよい。さらに、柱状半導体層の側壁に段差部を設けて転送電極とオーバーフロー電位制御電極とをそれぞれ、段差部を介して各側壁にそれぞれ設けてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光電変換部としてのフォトダイオードと垂直電荷転送部としての垂直ＣＣＤチャネルとを半導体基板表面に対して垂直方向に３次元的に立体配置するため、光電変換される入射光の光量を増加させるためにフォトダイオードの受光面積を大きくしても、垂直ＣＣＤチャネルの面積を小さくする必要がなく、フォトダイオードの受光面積を増加させて入射光量を増加させると共に、垂直ＣＣＤチャネルの面積を増加させて信号電荷の蓄積量を増加させることができて、高画質化した固体撮像装置を得ることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の固体撮像装置の一実施形態における１画素分の要部構成例を示す断面図である。なお、本実施形態では、ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板を用いた固体撮像装置について示している。

図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、半導体基板としてのｐ型シリコン基板１０上に凸状の柱状半導体層１０ａが設けられ、この柱状半導体層１０ａの上面部の少なくとも一部にｎ型拡散層からなる光電変換部としてのフォトダイオード１１が設けられている。

また、この柱状半導体層１０ａの側壁の少なくとも一部に、垂直電荷転送部としての垂直ＣＣＤチャネル１２が設けられており、この垂直ＣＣＤチャネル１２上の少なくとも一部に、例えば熱酸化により形成されたゲート絶縁膜１４が設けられている。さらに、このゲート絶縁膜１４の少なくとも一部を覆うように、例えば多結晶シリコンからなる垂直ＣＣＤチャネル１２の電荷転送電極１５が設けられている。

さらに、ｐ型シリコン基板１０上の少なくとも一部に、オーバーフロードレイン１３が設けられ、柱状半導体層１０ａの側壁の少なくとも一部に、上記ゲート絶縁膜１４を介して、例えば多結晶シリコンからなるオーバーフロー電位制御電極１６が設けられている。

その上を覆うように平坦化用の絶縁膜１７が設けられ、さらにその上にフォトダイオード１１上に開口部１８ａを有する遮光膜１８が設けられている。

フォトダイオード１１は、半導体基板としてのｐ型シリコン基板１０上に複数個が縦列方向（図１の紙面に垂直な前後方向）および横方向（左右方向）に基板面に対して２次元的に配置（またはマトリクス状に配置）されており、垂直電荷転送部としての垂直ＣＣＤチャネル１２と電荷転送電極１５は、各垂直電荷転送部に対応する、垂直方向（縦列方向；図１の紙面に垂直な前後方向）に並んだ複数のフォトダイオード１１の配置に沿って配列されている。

以上のように、フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２とを半導体基板表面に対して垂直方向に３次元的に立体配置することにより、光電変換される入射光の光量を増加させるためにフォトダイオード１１の受光面積を大きくしても、垂直ＣＣＤチャネル１２の面積を小さくする必要がない。

このように構成された本実施形態の固体撮像装置１の製造方法について、図２〜図１１を用いて詳細に説明する。なお、図２〜図１１は、本実施形態の固体撮像装置の各製造工程を説明するための要部断面図である。

まず、半導体基板として例えばｐ型シリコン基板１０を用いて、その表面上にマスク層となる第１絶縁膜として例えばシリコン酸化膜を厚み２００〜２０００ｎｍに堆積させる。公知のフォトリソグラフィ技術により、このシリコン酸化膜上でパターンニングされたレジスト膜（図示せず）をマスクとして用いて、反応性イオンエッチングによりシリコン酸化膜をエッチングすることによって、図２に示すような第１絶縁膜２１を形成する。

なお、この第１絶縁膜２１は、シリコン酸化膜に限らず、例えばシリコン窒化膜であってもよく、また、導電膜でってもよい。さらに、２種類以上の材料からなる積層膜であってもよい。第１絶縁膜２１の材料は、ｐ型シリコン基板１０に対する反応性エッチング時において、エッチングされないか、またはエッチング速度がシリコンよりも遅くなるような材料であれば、いずれも用いることが可能であり、特に限定されるものではない。

次に、第１絶縁膜２１をマスク層として用いて、反応性イオンエッチングにより半導体基板であるｐ型シリコン基板１０を厚み１ｎｍ〜５０００ｎｍエッチングした後、第１絶縁膜２１を選択的に除去することによって、図３に示すような柱状半導体層１０ａを形成する。

続いて、ｐ型シリコン基板１０および柱状半導体層１０ａに対して、例えば熱酸化を行うことによって、図４に示すように第２絶縁膜となるシリコン酸化膜１４ａを形成する。なお、第２絶縁膜となるシリコン酸化膜１４ａは、例えばＣＶＤ法による堆積によって形成してもよく、特にその形成方法には限定されない。

その後、柱状半導体層１０ａの側壁に対して不純物導入を行って、オーバーフローゲート２０の部分の不純物濃度調整を行う。例えば、イオン注入法により、０°〜６０°程度傾斜した方向から、注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、硼素を１×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２程度のドーズ量で導入する。なお、ここで、オーバーフローゲート２０への不純物導入は行わなくてもよく、所望の不純物濃度が得られる限りにおいては、不純物導入の有無および注入方法については、特に限定されない。

さらに、図４に示すように、シリコン酸化膜１４ａ上に、第１導電膜として例えば多結晶シリコン膜１６ａを厚み２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度に堆積させた後、例えばイオン注入法により、多結晶シリコン膜１６ａへの不純物の導入を行う。例えば、砒素もしくは燐を注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで１×１０^１２／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２のドーズ量で導入する。なお、第１導電膜となる多結晶シリコン膜１６ａへの不純物導入は、イオン注入法に限らず、例えば堆積中での不純物導入など、その方法は限定されない。また、多結晶シリコン膜１６ａを堆積させた直後に不純物導入を行わなくてもよく、後の工程において行ってもよい。

続いて、例えば反応性イオンエッチング法により、上記多結晶シリコン膜１６ａの異方性エッチングを行って、図５に示すようなオーバーフロー電位制御電極１６を形成する。なお、多結晶シリコン膜２２のエッチング方法は、反応性イオンエッチング法に限らず、所望の形状が得られる限りにおいては特に限定されない。例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを堆積し、異方性エッチングを行ってハードマスクを形成した後、ＣＤＥなどの等方性エッチング法などを用いてエッチングを行ってもよい。

その後、例えばイオン注入法により、柱状半導体層１０ａの側壁、上部およびｐ型シリコン基板１０に不純物を導入することによって、図６に示すように、垂直ＣＣＤチャネル１２、オーバーフロードレイン１３およびフォトダイオード１１をそれぞれ形成する。例えば、０°〜６０°程度傾斜した方向から注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、燐または砒素を１×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２程度のドーズ量で導入する。なお、不純物の導入方法は、イオン注入法に限らず、所望の不純物濃度分布が得られれば、その方法は限定されない。また、この不純物導入工程により、垂直ＣＣＤチャネル１２、オーバーフロードレイン１３およびフォトダイオード１１に対して同時に不純物導入が可能となるが、ここでは垂直ＣＣＤチャネル１２への不純物導入が第１の目的であるため、フォトダイオード１１への不純物導入は必ずしも所望の不純物濃度となっている必要はない。また、オーバーフロードレイン１３への不純物導入は、この工程の前に行っておいてもよい。さらに、上記多結晶シリコン膜２２への不純物導入についても、本工程で行ってもよい。

さらに、例えばＣＶＤ法により絶縁膜を堆積し、例えばウェットエッチング法などの等方性エッチングによりエッチバックを行って、図７に示すように、オーバーフロー電位制御電極１６となる多結晶シリコン膜を埋め込むように絶縁膜１７ａを形成する。なお、本工程においても、所望の形状が得られれば、その方法は特に限定されない。

続いて、図８に示すように、第２導電膜として例えば多結晶シリコン膜１５ａを厚み２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度に堆積させた後、例えばイオン注入法により、多結晶シリコン膜１５ａへの不純物の導入を行う。例えば、砒素若しくは燐を注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで１×１０^１２／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２のドーズ量で導入する。なお、第２導電膜となる多結晶シリコン膜１５ａへの不純物導入は、イオン注入法に限らず、例えばｉｎ−ｓｉｔｕでの導入（例えば堆積中での不純物導入）など、その方法は限定されない。また、多結晶シリコン膜１５ａを堆積させた直後に不純物導入を行わなくてもよく、後の工程において行ってもよい。

その後、例えば反応性イオンエッチング法により、上記多結晶シリコン膜１５ａの異方性エッチングを行って、図９に示すような電荷転送電極１５を形成する。なお、多結晶シリコン膜１５ａのエッチング方法は、反応性イオンエッチング法に限らず、所望の形状が得られる限り、特に限定されない。例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等などを堆積し、異方性エッチングを行ってハードマスクを形成した後、ＣＤＥなどの等方性エッチング法等を用いてエッチングを行ってもよい。

さらに、例えばイオン注入法により、柱状半導体層１０ａの側壁に不純物を導入することによって、図１０に示すように、フィールドシフトゲート１９を形成する。例えば、０°〜６０°程度傾斜した方向から注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、砒素を１×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２程度のドーズ量で導入する。なお、不純物の導入方法は、イオン注入法に限らず、所望の不純物濃度分布が得られれば、その方法は限定されない。

続いて、例えばイオン注入法により、柱状半導体層１０ａの上部に不純物を導入することによって、フォトダイオード１１を形成する。例えば、注入エネルギー５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、砒素若しくは燐を１×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１７／ｃｍ^２程度のドーズ量で導入する。なお、不純物の導入方法は、イオン注入法に限らず、所望の不純物濃度分布が得られれば、その方法は限定されない。

その後、図１１に示すように、絶縁膜１７を埋め込んで、公知の技術を用いて表面を平坦化させる。上面に遮光膜１８を堆積させ、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行ってエッチングすることによって、フォトダイオード１１上に開口部１８ａを形成する。

以上により、ｐ型シリコン基板１０などの半導体基板上に柱状半導体層１０ａが設けられ、柱状半導体層１０ａの上部の少なくとも一部にｎ型拡散層からなるフォトダイオード１１が設けられ、柱状半導体層１０ａの側壁の少なくとも一部に垂直ＣＣＤチャネル１２が設けられ、垂直ＣＣＤチャネル１２の少なくとも一部に、例えば熱酸化によりゲート絶縁膜１４が設けられ、ゲート絶縁膜１４の少なくとも一部を覆うように、例えば多結晶シリコンからなる電荷転送電極１５が配置され、ｐ型シリコン基板１０上の少なくとも一部にオーバーフロードレイン１３が設けられ、柱状半導体層１０ａの側壁の少なくとも一部にゲート絶縁膜１４を介して例えば多結晶シリコンからなるオーバーフロー電位制御電極１６が設けられた固体撮像装置１が作製される。この固体撮像装置１は、フォトダイオード１１、垂直ＣＣＤチャネル１２およびオーバーフロードレイン１３がｐ型シリコン基板１０の表面に対して垂直方向に配置されている。

上記構成により、本実施形態の固体撮像装置１の動作について説明する。

本実施形態の固体撮像装置１において、遮光膜１８の開口部１８ａから入射された入射光ｈｒは、フォトダイオード１１で光電変換され、信号電荷として蓄積される。この信号電荷は、フィールドシフトゲート１９を通って、垂直ＣＣＤチャネル１２内に移送され、垂直ＣＣＤチャネル１２内を順次電荷転送される。

強い入射光ｈｒによりフォトダイオード１１内で発生された過剰電荷は、フィールドシフトゲート１９、垂直ＣＣＤチャネル１２およびオーバーフローゲート２０を通って、オーバーフロードレイン１３側に排出される。

なお、本実施形態の固体撮像装置１では、垂直ＣＣＤチャネル１２は、信号電荷転送と過剰電荷の排出経路という二つの役割を有する。そこで、本実施形態では、フォトダイオード１１などで構成される感光領域と、これに隣接してメモリＣＣＤにより構成されるメモリ部と、さらに垂直ＣＣＤチャネル１２に接続される図示しない水平ＣＣＤチャネルおよび出力アンプとを備えたフレームインタライン方式の構成とすることが好ましい。

これにより、垂直ブランキング期間に電荷転送を行うと共に、垂直有効期間内にオーバーフロー電荷の排出経路として垂直ＣＣＤチャネルを用いることが可能となる。垂直ブランキング期間内には、まず、垂直ＣＣＤチャネルの残留電荷が排出され、フォトダイオード１１の蓄積電荷が垂直ＣＣＤチャネルに読み出されて、垂直ＣＣＤチャネルからメモリＣＣＤに信号電荷が転送される。フォトダイオード１１によって、次の垂直ブランキングまで信号電荷が蓄積される。この間に、強い入射光ｈｒによりフォトダイオード１１で発生した過剰電荷は、フィールドシフトゲート１９を介して垂直ＣＣＤチャネル１２に移送される。また、垂直ブランキング期間を除く期間において、メモリＣＣＤの信号電荷が水平ＣＣＤチャネルに読み出され、出力アンプを通して出力される。

本実施形態の固体撮像装置１によれば、フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２とが２次元的な平面上に配置された従来の構成に比べて、フォトダイオード１１への入射光ｈｒによって光電変換された信号電荷の蓄積量を増加させることができる。この理由は、以下の通りである。

信号電荷の蓄積量は、垂直ＣＣＤチャネル１２の面積と、垂直ＣＣＤチャネル１２とオーバーフロードレイン１３とのポテンシャル差Ａにより決定される。本実施形態の固体撮像装置１では、柱状半導体層１０ａの高さを高くすることによって、実効的な２次元的面積を増加させることなく、垂直ＣＣＤチャネル１２の面積を増加させて、信号電荷の蓄積量を増加させることができる。

また、フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２とを半導体基板表面に対して垂直方向に３次元的に配置することにより、従来のようにフォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２とを２次元的な平面状に配置した場合に比べて、フォトダイオード１１の受光面積を大きく取ることができる。このため、弱い入射光ｈｒに対しても光電変換が可能となるように、フォトダイオード１１の受光面積を増加させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、ｐ型シリコン基板１０上に凸状の柱状半導体層１０ａを設けて、その上面部にフォトダイオード１１を設け、凸状の柱状半導体層１０ａの側壁部に垂直ＣＣＤチャネル１２および電荷転送電極１５を設けている。フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２が基板表面に対して垂直方向に３次元的に配置されている。このため、フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２が基板上に２次元的に配置されている従来の場合に比べてフォトダイオード１１の受光面積増加と共に垂直ＣＣＤチャネル１２の面積増加を図ることができる。さらに、オーバーフロードレイン１３をｐ型シリコン基板１０または柱状半導体層１０ａの側壁に設ける。フォトダイオード１１と垂直ＣＣＤチャネル１２とオーバーフロードレイン１３とが基板表面に対して垂直方向に配置されている。このため、過剰電荷が垂直ＣＣＤチャネル１２を介してオーバーフロードレイン１３から排出され、各画素部間の出力むらを小さくしてダイナミックレンジを広くすることができる。これによって、高画質化を図ることができる。

なお、図１では、オーバーフロードレイン１３がｐ型シリコン基板１０上に設けられた事例を示したが、図１２に示すように、他の実施形態の固体撮像装置２において、オーバーフロードレイン１３を柱状半導体層１０ａの側壁に設けてもよい。また、図１３に示すように、更に他の実施形態の固体撮像装置３において、電荷転送電極１５とオーバーフロー電位制御電極１６とがそれぞれ柱状半導体層１０ａに形成された段部１０ｂを介して各側壁にそれぞれ形成されていてもよい。本発明の固体撮像装置１〜３の構成は、フォトダイオード１１、電荷転送電極１５および垂直ＣＣＤチャネル１２、さらにはオーバーフロードレイン１３が半導体基板表面に対して垂直方向に立体的に配置されている限り、特に限定されない。

さらに、本実施形態では、ｐ型シリコン基板１０に対して柱状半導体層１０ａを設けているが、ｎ型シリコン基板１０に対して柱状半導体層１０ａを設けて各不純物拡散層の導電型を反対導電型にしてもよく、各不純物拡散層の導電型は特に限定されない。

さらに、本実施形態では、本発明の固体撮像装置１の製造方法として、半導体基板としてのｎ型シリコン基板１０上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層１０ａを形成する工程と、このｎ型シリコン基板１０および柱状半導体層１０ａ上に酸化膜１４を形成する工程と、この柱状半導体層１０ａの側壁部に対して所定の不純物を導入してオーバーフローゲート２０の不純物濃度の調整を行う工程と、この酸化膜１４上の所定位置にオーバーフロー電位制御電極１６を形成する工程と、この柱状半導体層１０ａの側壁部への酸化膜１４上からのイオン注入により垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤチャネル１２）、オーバーフロードレイン１３および光電変換部としてのフォトダイオード１１となる領域をそれぞれ形成する工程と、オーバーフロー電位制御電極１６を絶縁層１７で埋め込む工程と、この絶縁層１７で埋め込まれていない該酸化膜１４上の所定位置に電荷転送電極１５を形成する工程と、この柱状半導体層１０ａの側壁部に所定の不純物を導入して、垂直電荷転送部（垂直ＣＣＤチャネル１２）と光電変換部としてのフォトダイオード１１となる領域との間にフィールドシフトゲート１９を形成する工程と、柱状半導体層１０ａの上面部に所定の不純物を導入して光電変換部としてのフォトダイオード１１を形成する工程とを有している。この固体撮像装置１の製造方法は次のように簡略化できる。

この固体撮像装置１の製造方法は、好ましくは、半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、この柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、この柱状半導体層の側壁部の全部または一部に導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、この柱状半導体層の上面部に光電変換部を形成する工程とを有する。

また、固体撮像装置１の製造方法は、好ましくは、半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、この柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなるオーバーフロー電位制御電極を形成する工程と、この柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、これらの半導体基板または柱状半導体層にオーバーフロードレインを形成する工程と、この柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、この柱状半導体層の上面部に光電変換部を形成する工程とを有する。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、例えばビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ機能付き携帯電話器およびデジタル家電製品などの撮像部に用いられるＣＣＤ型の固体撮像装置およびその製造方法の分野において、フォトダイオードの受光面積を増加させて入射光量を増加させると共に、垂直ＣＣＤチャネルの面積を増加させて信号電荷の蓄積量を増加させて、高画質化した固体撮像装置を得ることができる。

本発明の固体撮像装置の一実施形態における１画素部分の要部構成例を示す断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（第１絶縁膜形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（柱状半導体層形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（第２絶縁膜および第１導電膜形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（オーバーフロー電位制御電極形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（垂直ＣＣＤチャネル、オーバーフロードレインおよびフォトダイオード形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（オーバーフロー電位制御電極埋め込み用の絶縁膜形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（第２導電膜堆積後の不純物導入工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（電荷転送電極形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（不純物導入によるフィールドシフトゲート形成工程と不純物導入によるフォトダイオード形成工程）を説明するための要部断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の製造工程（絶縁膜埋め込み工程と遮光膜開口部形成工程）を説明するための要部断面図である。 本発明の固体撮像装置の他の実施形態における１画素部分の要部構成例を示す断面図である。 本発明の固体撮像装置の更に他の実施形態における１画素部分の要部構成例を示す断面図である。 従来の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。 従来の他の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。 図１４のＸ−Ｙ方向におけるポテンシャル図である。 図１４の画素部の入出力特性を示すグラフである。 従来の更に他の固体撮像装置の１画素分の要部構成例を示す断面図である。

符号の説明

１〜３ 固体撮像装置
１０ ｐ型シリコン基板（半導体基板）
１０ａ 柱状半導体層
１０ｂ 柱状半導体層に形成された段部
１１ フォトダイオード
１２ 垂直ＣＣＤチャネル
１３ オーバーフロードレイン
１４ ゲート絶縁膜
１５ 垂直ＣＣＤチャネルの電荷転送電極
１６ オーバーフロー電位制御電極
１７ 平坦化用絶縁膜
１８ 遮光膜
１８ａ 遮光膜の開口部
１９ フィールドシフトゲート
２０ オーバーフローゲート

Claims (10)

1. 半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する一または複数の光電変換部と、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送するための垂直電荷転送部とを有し、
   該垂直電荷転送部は該光電変換部下の該半導体基板側に配置されている固体撮像装置。
2. 前記半導体基板上に設けられた少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を備え、
   前記垂直電荷転送部は該柱状半導体層の側壁の全部または一部に設けられ、
   前記光電変換部は該柱状半導体層の上面部に設けられている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直電荷転送部は、垂直方向に並んだ複数の前記光電変換部の配置に沿って配列されている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記垂直電荷転送部の前記半導体基板側に設けられたオーバーフロードレインを更に有し、
   前記光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能となっている請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記オーバーフロードレインは、前記半導体基板の上面部および前記柱状半導体層の側壁部のうちの少なくともいずれかに設けられている請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記垂直電荷転送部の電荷転送を制御する電荷転送電極が、前記垂直電荷転送部上および該垂直電荷転送部と前記光電変換部間上に絶縁膜を介して設けられ、該オーバーフロードレインへの電荷排出を制御するオーバーフロー電位制御電極が、該垂直電荷転送部と前記オーバーフロードレイン間上に絶縁膜を介して設けられている請求項４または５に記載の固体撮像装置。
7. 前記柱状半導体層の側壁に段部が設けられ、前記電荷転送電極とオーバーフロー電位制御電極とがそれぞれ、間に該段部を有する各側壁部にそれぞれ設けられている請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置された固体撮像装置の製造方法であって、
   該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、
   該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、
   該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、
   該柱状半導体層の上面部に該光電変換部を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
9. 半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置され、該垂直電荷転送部の該半導体基板側にオーバーフロードレインが配置されて、該光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能とされる固体撮像装置の製造方法であって、
   該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、
   該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなるオーバーフロー電位制御電極を形成する工程と、
   該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に垂直電荷転送部を形成する工程と、
   該半導体基板または該柱状半導体層に該オーバーフロードレインを形成する工程と、
   該柱状半導体層の側壁部の全部または一部に、導電膜からなる電荷転送電極を形成する工程と、
   該柱状半導体層の上面部に該光電変換部を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
10. 半導体基板上に、入射光を信号電荷に光電変換する光電変換部が複数配置され、該光電変換部の該半導体基板側に、該光電変換部で光電変換されて蓄積された信号電荷を電荷転送する垂直電荷転送部が配置され、該垂直電荷転送部の該半導体基板側にオーバーフロードレインが配置されて、該光電変換部で発生した過剰電荷が該垂直電荷転送部を介して該オーバーフロードレインから排出可能とされる固体撮像装置の製造方法であって、
    該半導体基板上に、少なくとも一つの凸状の柱状半導体層を形成する工程と、
    該半導体基板および柱状半導体層上に酸化膜を形成する工程と、
    該柱状半導体層の側壁部に対して所定の不純物を導入してオーバーフローゲート部分の不純物濃度の調整を行う工程と、
    該酸化膜上の所定位置にオーバーフロー電位制御電極を形成する工程と、
    該柱状半導体層の側壁部への該酸化膜上からのイオン注入により該垂直電荷転送部、オーバーフロードレインおよび、光電変換部となる領域をそれぞれ形成する工程と、
    該オーバーフロー電位制御電極を絶縁層で埋め込む工程と、
    該絶縁層で埋め込まれていない該酸化膜上の所定位置に電荷転送電極を形成する工程と、
    該柱状半導体層の側壁部に所定の不純物を導入して、該該垂直電荷転送部と光電変換部となる領域との間にフィールドシフトゲートを形成する工程と、
    該柱状半導体層の上面部に所定の不純物を導入して光電変換部を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。

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