JPH01295458A - 積層型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像素子チップ上に光導電体膜を積層し
て構成される積層型固体撮像装置に係わり、特に画素電
極間に光シールド層を設けた積層型固体撮像装置に関す
る。

（従来の技術） 固体撮像素子チップ上に先導電体膜を積層した２階建て
構造の固体撮像装置は、光導電体膜で入射光を光電変換
して、得られた信号電荷を下地の撮像素子チップ（例え
ばＣＣＤ素子）で転送し、増幅して信号として取り出す
ものである。この積層型固体撮像装置は、感光部の開口
面積を広くすることができるため、高感度という優れた
特性を持っている。従って、各種監視用テレビジョンや
高品位テレビジョン等のカメラ用として有望視されてい
る。

光導電体膜は、その上部を透明電極、下部を可視光を反
射する金属薄膜からなる画素電極で挟まれた構造となっ
ている。画素電極は各画素毎に分離されており、光導電
体膜として例えば水素化アモルファス・シリコン等の高
抵抗な半導体薄膜を用いることにより、画素分離のため
の特別な構造は必要でない。従って、この画素電極が各
画素を定義する。入射光は透明電極を通過し光導電体膜
で吸収される。これにより電子正孔対が生成するが、上
部と下部の電極間に印加された電圧により正孔は透明電
極へ、電子は画素電極へ運ばれる。

そして、画素電極に到達した電子が信号電荷として下地
のＣＣＤ素子によって転送される。

先導電体膜に入射した光の一部は吸収されず、各画素電
極の間を通り、下地ＣＣＤ素子に入り、そこで吸収され
て生成した電子が信号電荷に混入してノイズとなる。こ
のような光の漏れ込みによるノイズは、スミアと呼ばれ
ている。この光の漏れ込みを抑制するためには、画素電
極と基板の間に可視光を反射する金属薄膜等からなる光
シールド層を設ける方法が有効である。

ところが、光シールド層を設けると、スミアとは別に残
像の問題が生じる。残像とは、−度撮像したものの像そ
のものが消えた後も長く残る現象であり、次のように説
明される。即ち、蓄積ダイオード部からＣＣＤ素子への
信号電荷の転送は不完全転送モードと呼ばれる不完全な
転送であり、この転送は蓄積ダイオード部の静電容量が
大きい程より不良となる。この転送不良により残像が生
じるが、この残像は静電容量に依存するための容量性残
像と呼ばれている。光シールド層を設けた場合には、光
シールド層と画素電極との間に静電容量が形成される。

蓄積ダイオードと画素電極とは金属配線等で電気的に接
続されており、画素電極の静電容量も蓄積ダイオードと
同じく容量性残像に影響を与える。従って、光シールド
層を画素電極と基板の間に形成して画素電極の静電容量
が増すと、容量性残像が大きくなる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の積層型固体撮像装置では、光の漏れ込
みにより生じるノイズであるスミアを防ぐために光シー
ルド層を画素電極と基板の間に形成すると、画素電極に
おける静電容量が増し容量性残像が大きくなるという問
題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、光シールド層を設けることによる容
量性残像の増大を防止することができ、スミアの低減と
共に容量性残像の低減をはかり得る積層型固体撮像装置
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光シールド層を分離構造とすることに
より、光シールド層の付加による画素電極の静電容量の
増大を防止することにある。

即ち本発明は、半導体基板に信号電荷蓄積ダイオード及
び信号電荷読出し部が配列形成され、且つ最上部に蓄積
ダイオードに電気的に接続された画素電極が形成された
固体撮像チップと、このチップ上に積層された光導電体
膜と、画素電極と半導体基板の間に画素電極間の間隙を
塞ぐように形成された光シールド層とを備えた固体撮像
装置において、前記先シールド層を、画素電極間の隙間
の全てを覆うに全面につながるように形成するのでなく
、一部を分離するように形成したものである。

（作用） 本発明によれば、光シールド層を画素電極と画素電極の
隙間の全てを覆うように全面につながるようにして形成
するのでなく、一部を分離するようにして形成すること
で、光シールド層の付加による画素電極の静電容量増大
を極めて小さくすることができる。このため、画素電極
の容量増大に起因する容量性残像を大きくすることなく
、光シールド層でスミアを防ぐことが可能となる。なお
、光シールド層を分離構造とすることにより、分離部に
おいて入射光が基板側に侵入することになるが、これは
分離幅を十分狭くしておけば殆ど問題とならない。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の一実施例に係わる
積層型ＣＣＤ撮像装置の概略構成を説明するためのもの
で、第１図は画素電極及び先シールド層の配置関係を示
す平面図、第２図は素子構造を示す断面図である。第２
図において、１１はｐ＋型Ｓｉ基板であり、この基板１
１上にｐウェル１２が形成されたウェーハを用いて、イ
ンターライン転送型ＣＣＤ撮像素子チップ１が構成され
ている。即ち、ｐウェル１２の表面に、信号電荷を蓄積
する蓄積ダイオード１３がマトリックス状に形成され、
蓄積ダイオード１３の列に隣接してｎ＋型の埋込みチャ
ネルＣＣＤからなる垂直ＣＣＤ１４が形成されている。

１５はチャンネル・ストッパとしてのｐ＋型層であり、
これにより分離されて同様の構成の蓄積ダイオード列と
垂直ＣＣＤの組が繰返し配列形成されている。

１６、．１６２は垂直ＣＣＤ１４の転送ゲート電極であ
り、その一部は蓄積ダイオード１３からＣＣＤチャネル
への電荷転送ゲート電極を兼ねている。転送ゲート電極
１６１．１６２が形成された基板上は層間絶縁膜１８．
．１８□で覆われ、その上に光シールド層１９が形成さ
れている。この先シールド層１９が形成された基板上は
層間絶縁膜２０で覆われ、且つ蓄積ダイオード１３に接
続される引出し電極１７が形成されて、平坦化されてい
る。第１の層間絶縁膜１８．は、例えばＣＶＤによるＳ
ｉＯ□膜であり、第２の層間絶縁膜１８゜及び第３の層
間絶縁膜２０は熱ＣＶＤによるＢＰＳＧ膜である。

この構造を得るには、まず多結晶シリコン膜電極１７．
を各蓄積ダイオード１３上に立てた後、第２の層間絶縁
膜１８□としてＢＰＳＧ膜を被着してこれを溶融し基板
表面を平坦化した後、反応性イオンエツチング法でＢＰ
ＳＧ膜をエツチングして多結晶シリコン電極１７□の表
面を露出させる。その後、Ｍｏシリサイド膜をスパッタ
リング法により全面に被着し、反応性イオンエツチング
法でエツチングして所定の形状に加工することにより、
光シールド層１９及びＭｏシリサイド電極１７□が形成
される。この光シールド層１９及びＭｏシリサイド電極
１７２が形成された後、第３の層間絶縁膜１９としてＢ
ＰＳＧ膜が被管される。

これを溶融し基板表面を平坦化した後、反応性イオンエ
ツチング法でＢＰＳＧ膜をエツチングしてＭｏシリサイ
ド電極１７□を露出させる。ここで、多結晶シリコン電
極１７１とＭｏシリサイド電極１７□は、蓄積ダイオー
ド１３と画素電極２１とを電気的に接続する引出し電極
１７を構成している。

このように表面が平坦化されたＣＣＤ撮像素子チップ１
上に、各引出し電極１７に接続される画素電極２１が形
成されている。この画素電極２１は、スパッタリング法
により例えばＭｏシリサイド膜等の導電膜を全面に被着
した後に、反応性イオンエツチング法でエツチングして
所定の形状に形成される。

光導電体膜２は、正孔注入阻止層としてのｉ型のａ−３
ＩＣ：Ｉｔ　（水素化アモルファスシリコン・カーバイ
ド）膜２２、主として充電変換が行われる高抵抗のａ−
８ｌ：ＩＩ膜２３及び電子注入阻止層となるｐ型のａ−
８ｉＣ：ＩＩ膜２４の３層構造からなる。これらの膜は
、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスを主成分とするガスのグロー放電分
解法により形成される。ａ−８ｉＣ：ｔｌ膜２２は、暗
導電率σＤ〜１０−”／Ω■で厚さ　１００人程度とす
る。高抵抗ａ−８ｉ：Ｉ（膜２３は、暗導電率σＤ〜１
０−＋２／Ω印で光電変換に必要な十分な厚さとする。

ｐ型ａ−８ＩＣ：Ｈ膜２４は厚さ約　２００人程度とす
る。また、光導電体膜２上には透明電極として、例えば
ＩＴＯ電極２５が形成されている。

このようにして形成された積層型ＣＣＤ撮像装置の平面
図を第１図に示す。第１図においては、画素電極２１と
光シールド層１９の配置の関係をはっきりと示すため他
の構造は省略している。比較のために、従来の積層型Ｃ
ＣＤ撮像装置の画素電極２１と光シールド層１９の配置
を第６図に示す。第１図と第６図を比較して判るように
、従来例では光シールド層１９を画素電極２１の間隙を
全て覆い、ＣＣＤチップ上全面につながるように形成さ
れている。これに対し本実施例では、各画素電極２１の
４辺で分離しており、十字型の同一形状をした４つの光
シールド層１９の単位が１つの画素電極２１を囲む形と
なっている。このように光シールド層１９を分離するこ
とにより、光シールド層１９を画素電極２１と基板の間
に挿入しても、画素電極２１の静電容量を増すことがな
いために、容量性残像が大きくなることはない。

本実施例の光シールド層１９の構造では、画素電極２１
の静電容量が増すことがなく容量性残像が大きくなるこ
とがないが、この理由を以下に詳しく述べる。

第３図（ａ）に従来例の１画素の画素電極２１゜蓄積ダ
イオード１３及び引出し電極１７に付随する静電容量を
簡単な等価回路で示す。第３図（ａ）でａの端子は、１
画素の画素電極２１．蓄積ダイオード１３及び引出し電
極１７の部分に当る。静電容ＱＣ８は、光導電体膜２を
挟む画素電極２１と透明電極２５との間の静電容量、引
出し電極１７及び蓄積ダイオード１３と多結晶シリコン
電極１６．．１６□との間の静電容量、さらに蓄積ダイ
オード１３の静電容量の総和を表わしている。

端子すは光シールド層１９に当たる。従って静電容量Ｃ
１は、１画素の画素電極２１．蓄積ダイオード１３及び
引出し電極１７と光シールド層１９との間の静電容量と
なる。第１図及び第２図の配置から考えてこの静電容ｆ
ｆ１ｃ、は、１画素の画素電極２１と光シールド層１９
との間の静電容量と考えてよい。静電容量Ｃ２は、１画
素の画素電極２１に隣接する転送ゲート電極１６１゜１
６□と光シールド層１９との間の静電容量を表わしてい
る。静電容Ｑ　Ｃ３は、それ以外の転送ゲート電極１６
１．１６□と光シールド層１９との間の静電容量を表わ
している。従って、静電容量Ｃ２と静電容ｉ１　Ｃ３の
大きさを比較すると、Ｃ３）Ｃ２となっている。また、
Ｃ，＞Ｃ，である。

従って、端子ａに付随する静電容量は となるが、ｃ、＞Ｃ，、Ｃ２であるからＣｏ十〇、とな
る。

第３図（ｂ）には本実施例の場合についての１画素の画
素電極２１．蓄積ダイオード１３及び引出し電極１７に
付随する静電容量を簡単な等価回路で示した。第３図（
ａ）と略同じであり、同一記号を付して詳細な説明を省
略する。第３（ａ）と異なる点は、光シールド層１９が
各画素電極２１の４辺で分離されているので、１画素の
画素電極２１に隣接していない多結晶シリコン１６１．
１６□とその画素電極２１間の静電容量は無いことであ
る。従って、第３（ｂ）に第３図（ａ）の０３はない。

その結果、本実施例での１画素の画素電極２１゜蓄積ダ
イオード１３及び引出し電極１７に付随する静電容量は となる。第２図の配置から考えて静電容Ｑ　Ｃ２の大き
さは、静電容量ＣＩと比べ同じか或いは小さい。同じだ
と仮定すると、端子ａに付随する静電容量はＣ８＋Ｃ１
／２となり、従来例に比べてＣ１／２だけ小さくなって
いる。Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ＋　十Ｃ２）は光シールド層１
９がない場合の画素電極２１と転送ゲート電極１６１．
１６２間の静電容量に等しい。従って、本実施例では光
シールド層１９を挿入したにも拘らず、画素電極２１、
蓄積ダイオード１３及び引出し電極１７に付随する静電
容量は増すことはない。

次に、端子ａに付随した静電容量が容量性残像に寄与す
る理由を述べる。第２図において光導電体膜２で入射光
が光電変換され、生じた電子は蓄積ダイオード１３に蓄
積される。蓄積された電子は転送ゲート電極１６、に基
板１１に対して正の電圧、例えば７Ｖのフィールド・シ
フトと呼ばれるパルス電圧を加えられた期間に垂直ＣＣ
Ｄ１４に転送される。この期間に蓄積ダイオード１３の
電位は転送ゲート電極１６１の電圧で決まる電位に規定
される。７ｖの場合は約５．６ｖである。即ち、電子の
蓄積によって低下した蓄積ダイオード１３の電位をフィ
ールド・シフトで決まる電位に戻すまで、電子が蓄積ダ
イオード１３から垂直ＣＣＤ１４に転送される。容量性
残像は、この蓄積ダイオード１３から垂直ＣＣＤ１４へ
の電子の転送の不良によって生じる。

この転送不良は文献（寺西他：テレビ技報、４，４１．
ＥＤ−５５７ｐｐ、２５−３０．（Ｆｅｂ、１９８１）
　）にあるように、光導電体膜を積層することなく、Ｓ
ｔ基板内に光電変換部としてフォト・ダイオードを形成
している通常のＣＣＤ撮像装置の場合にも起こる。

これは、フォト・ダイオード部がフィールド・シフトを
加えた期間に完全に空乏化されないために生じる。

先導電体膜積層型固体撮像装置の場合、ＣＣＤ撮像装置
のフォト・ダイオードに引出し電極をコンタクトして蓄
積ダイオード１３としている。電極をコンタクトしてい
るために蓄積ダイオード１３は完全空乏化することはな
く、積層型ＣＣＤ装置の場合は必ず空量性残像が存在す
る。容量性残像を引き起こす転送不良は蓄積ダイオード
１３の電位がフィールド・シフトで規定される電位との
差が３０ｍＶ以下の状態の時に生じる。蓄積ダイオード
１３は電子が蓄積されると電位が低下しフィールド・シ
フトにより電子が垂直ＣＣＤ１４に転送されてフィール
ド・シフトで規定される電位に向って高くなり、フィー
ルド・シフトで規定される電位六蓄積ダイオード１３の
電位が３０ｍＶ以下に近ずくと蓄積ダイオード１３から
垂直ＣＣＤ１４への転送不良が生じる。一定量の電子を
蓄積ダイオード１３から垂直ＣＣＤ１４へ転送する場合
には、蓄積ダイオード１３の電位の変化は蓄積ダイオー
ド１３の静電容量で決まる。この静電容量が大きいと蓄
積ダイオード１３の電位の変化は小さくなるため、容量
性残像が大きくなる。

蓄積ダイオード１３は引出し電極１７及び画素電極２１
と電気的に接続されているので、蓄積ダイオード１３の
電位の変化を決定する静電容量は第３図の端子ａに付随
する静電容量である。従って、この静電容量を小さくす
るほど容量性残像は減少する。本実施例の光導電体膜の
積層型ＣＣＤ撮像装置では光シールド層を挿入したにも
拘らず、この静電容量を大きくすることがないので、容
量性残像が大きくなることがないのである。

このように本実施例の積層型ＣＣＤ撮像装置は、画素電
極２１と基板１との間に光シールド層１９を挿入したに
も拘らず、容量性残像が増すことはない。また、光シー
ルド層１９を設けているため垂直ＣＣＤ１４への光の漏
れ込みに起因するノイズであるスミアは低減される。な
お、従来例と異なり本実施例の光シールド層１９は画素
間隙の全部分を光シールド層１９によって覆っているの
ではなく、一部画素間隙は開いているので従来例と比べ
てスミアは多くなる。しかしながら、この画素間隙の開
口部は本実施例においても光シールド層１９がない場合
に比べて１／１０程度に小さくでき、光シールド層１９
がない場合に比べ原理的に１／１０にスミアを低減でき
る。

第４図及び第５図はそれぞれ本発明の他の実施例の概略
構成を説明するためのもので、画素電極及び光シールド
層の配置例を示す平面図である。

なお、第１図と同一部分には同一記号を付して、その詳
しい説明は省略する。この実施例が先に説明した実施例
と異なる点は、光シールド層１９の形状である。第４図
では、先シールド層１９を各画素の４辺の端部で分離す
る構造となっている。

この構造においても、先の実施例と同じ効果を得ること
ができる。第５図の実施例の光シールド層１９は、第１
図の実施例の光シールド層１９の２単位をつないだ形を
光シールド層１９の１単位としている。この実施例にお
いては画素間隙での光シールド層１９の開口部が小さく
なるので、前述した第１図の実施例よりもスミア低減の
効果は大きくなる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記光シールド層はＭ。

シリサイドに限るものではな（、Ｗ、Ｃｒ、その他の金
属又はそのシリサイド等を用いることができる。また、
光シールド層の分離形状は第１図。

第４図及び第５図に同等限定されるものではなく、前述
した静電容ｆｆ１Ｃ３を無視できる範囲（例えばＣ２よ
り小さい）であれば、適当な形状に分離することが可能
である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、先シールド層を分
離構造としているので、光シールド層の付加による画素
電極の静電容量増大を極めて小さくすることができ、従
ってスミアの防止と共に容量性残像の低減をはかること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の一実施例に係わる
積層型ＣＣＤ撮像装置の概略構成を説明するためのもの
で第１図は平面図、第２図は断面図、第３図は実施例及
び従来例の１画素における静電容量の様子を示す模式的
に示す等価回路図、第４図及び第５図はそれぞれ他の実
施例の概略構成を示す平面図、第６図は従来の積層型Ｃ
ＣＤ撮像装置の概略構成を示す平面図である。 １・・・ＣＣＤ撮像素子チップ、２・・・光導電体膜、
１１・・・ｐ＋型Ｓｔ基板、１２・・・ｐウェル、１３
・・・蓄積ダイオード、１４・・・垂直ＣＣＤ。 １５・・・チャネルストッパ、１６１，１６２・・・転
送ゲート電極、１７・・・引出し電極、１７１・・・ｎ
＋型型詰結晶シリコン電極１７□・・・ＭＯシリサイド
電極、１８１，１８□、２０・・・層間絶縁膜、１９・
・・光シールド層、２０・・・層間絶縁膜、２１・・・
画素電極、２２・・・ｉ型ａ−３ｉＣ：ＩＩ膜、２３・
・・高抵抗ａ−３ｉ：Ｉｆ膜、２４−ｐ型ａ−８ｉＣ：
Ｉｔ膜、２５、−Ｉ　Ｔ　Ｏ膜。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第３図 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板に信号電荷蓄積ダイオード及び信号電
   荷読出し部が配列形成され、且つ最上部に蓄積ダイオー
   ドに電気的に接続された画素電極が形成された固体撮像
   素子チップと、このチップ上に積層された光導電体膜と
   、画素電極と半導体基板の間に画素電極間の間隙を塞ぐ
   ように形成された光シールド層とを備えた固体撮像装置
   において、前記光シールド層を分離構造としてなること
   を特徴とする積層型固体撮像装置。
2. （２）前記光シールド層は、個々の画素電極の４辺にお
   いてそれぞれが分離していることを特徴とする請求項１
   記載の積層型固体撮像装置。
3. （３）前記光シールド層は、マトリックス配置された画
   素電極間に配置され、個々の形状が十字型であることを
   特徴とする請求項１記載の積層型固体撮像装置。