JPH06342897A - 単板カラーカメラ用固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高強度光の入射時における多重反射による偽
信号の発生を抑制するようにした単板カラーカメラ用固
体撮像装置を提供する。 【構成】 ＣＭＤ受光素子を画素として用いた単板カラ
ーカメラ用固体撮像装置において、画素を構成するＣＭ
Ｄ受光素子のゲート電極７上の絶縁膜25中に、各画素の
受光波長に対応した透過波長をもつ窒化チタン膜よりな
る選択透光性フィルター26を設ける。これにより各画素
の受光波長以外の迷光を遮断し、混色を防止し偽信号の
発生を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＭＩＳ型受光部を有
する増幅型受光素子を画素として用いた単板カラーカメ
ラ用固体撮像装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体撮像装置としては、ＣＣＤ等
の電荷転送素子を用いたものや、ＭＯＳトランジスタを
用いたものなどが用いられている。ところが、これらの
固体撮像装置は電荷転送時の電荷漏れのあることなどの
問題点がある。

【０００３】この欠点を解決するものとして、ＭＩＳ型
受光部を有し、且つ内部増幅機能を有する受光素子を用
いた固体撮像装置がある。その一例として、本件出願人
が提案した電荷変調素子（Charge Modulation Device：
以下ＣＭＤと略称する）を用いた固体撮像装置があり、
特開昭６０−１４０７５２号公報、特開昭６０−２０６
０６３号公報、及びJapanese Journal of Applied Phys
ics Vol. No. 5, 1985の“A New MOS Phototransistor
Operating in a Non-Destructive Readout Mode ”とい
う題名の論文等で、その内容について開示がなされてい
る。

【０００４】次に、従来のＣＭＤ受光素子を用いた固体
撮像装置について説明する。図３は、ｎチャネルＣＭＤ
受光素子を用いた固体撮像装置における単位画素の断面
構造を示す図である。図３において、１はｐ^- 型の基板
であり、この基板１の濃度は約10¹²〜10¹⁵cm^-3の範囲で
ある。２は基板１上にエピタキシャル法等により堆積し
たｎ^- 型エピタキシャル層で、ｎ^- 型チャネル領域を形
成する。このｎ^- 型エピタキシャル層２の厚さは約５〜
10μｍ程度で、その濃度は約１〜５×10¹³cm^-3程度であ
る。前記ｎ^- 型エピタキシャル層２の表面には、浅い拡
散層で形成されるｎ⁺ 型ドレイン領域３と、深い拡散層
で形成された画素分離の役割を果たすｎ⁺ 型ドレイン領
域４と、浅い拡散層で形成されるｎ⁺ 型ソース領域５が
設けられている。なお前記ｎ⁺ 型ドレイン領域３とｎ⁺
型ソース領域５は、後述するゲート電極に対して自己整
合的に形成されている。

【０００５】前記ｎ⁺ 型ドレイン領域３及びｎ⁺ 型ソー
ス領域５の拡散の深さは、約0.５μｍ以下である。６は
前記ｎ^- 型エピタキシャル層２の表面に形成したゲート
絶縁膜であり、その厚さは約200 〜1000Å程度である。
７は、このゲート絶縁膜６上に形成したゲート電極で、
このゲート電極７に対して前記ｎ⁺ 型ドレイン領域３及
びｎ⁺ 型ソース領域５が自己整合的に形成されている。
ゲート電極７はポリシリコン等により約1000Å以下の膜
厚で形成されている。８はゲート電極７上に形成した絶
縁膜であり、９はｎ⁺ 型ソース領域５上に形成されたソ
ース電極である。

【０００６】次に、ＣＭＤ受光素子を画素として用いて
構成した固体撮像装置の平面構成を図４に基づいて説明
する。図４において、11ａ，11ｂは水平方向に配列され
た画素であり、隣接するＣＭＤ受光素子で構成されてい
る。12はソース領域、13ａ，13ｂは前記画素11ａ，11ｂ
のソース領域12を囲むように形成されたポリシリコンか
らなるゲート電極である。これらのゲート電極13ａ，13
ｂの延長部13ａ′，13ｂ′は、それぞれ斜め方向に延長
されて、ゲート電極結合部14が形成されている。15は２
層目のアルミニウム膜からなるゲートラインで、前記画
素11ａ，11ｂに列間に沿って、前記ゲート電極結合部14
上を通るように配置されている。ゲートライン15は、一
つのゲートコンタクト16を介して前記ゲート電極結合部
14に接続されている。

【０００７】また、17は浅い拡散領域で形成されている
ドレイン領域であり、18は深い拡散領域で形成されてい
るドレイン領域で、各画素間の分離領域を構成してい
る。19は１層目のアルミニウム膜よりなるソースライン
で、垂直方向に配列された各画素の各ソース領域12上を
通るように配置されている。前記ソースライン19は、各
画素のソース領域12とソースコンタクト20を介して接続
されている。21は１層目のアルミニウム膜よりなるドレ
インラインで、前記ゲート電極結合部14の配置されてい
ない画素間において垂直方向に配置されている。前記ド
レインライン21は、ドレインコンタクト22を介して前記
ドレイン領域18と接続されている。

【０００８】次に、このような構成のＣＭＤ受光素子を
用いた固体撮像装置の動作を簡単に説明する。図３にお
いて、ゲート電極７に負の電位を印加し、このゲート電
極７の上方から入射される入射光10により、信号電荷
（ｎチャネルＣＭＤでは正孔）を発生させる。この信号
電荷はゲート電極７の直下のｎ^- 型エピタキシャル層２
内のｎ^- 型チャネル領域の表面に蓄積される。この信号
電荷の蓄積により、ｎ^-型チャネル領域内を流れるｎ⁺
型ソース領域５とｎ⁺ 型ドレイン領域３及び４間の電子
電流を変調するものである。そして、この変調された電
子電流を読み取ることにより、増幅された光信号が得ら
れるようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に構成されたＣＭＤ受光素子を画素として用いた固体撮
像装置において、ゲートライン15やドレインライン21
は、２層目アルミニウム膜や１層目アルミニウム膜によ
り形成されている。したがって、高強度の光が入射した
際、半導体表面と各ラインを形成しているアルミニウム
膜の下面との間の多重反射により、当該画素以外に光伝
播し、単板カラーカメラ用固体撮像装置として用いた場
合には、混色が生じ、偽信号が発生する。

【００１０】この偽信号の抑制対策としては、前記１層
目及び２層目のアルミニウム膜、更には３層目のアルミ
ニウム膜（ＣＭＤプロセスにおいては、１，２層目のア
ルミニウム膜に加え、３層目のアルミニウム膜を形成
し、走査回路を構成するシフトレジスタ等のＣＭＤ形成
領域外を遮光することがある。）の上面及び又は下面を
TiＮ等の薄膜で覆うことが、特願平４−５１５２号に開
示されている。

【００１１】しかしながら、このようにTiＮ等の薄膜を
設けても、650 ｎｍ付近より長波長側においては、絶対
反射率は20％を越え、更に800 ｎｍ付近では、絶対反射
率が35％（TiＮの膜厚ｔ≒1000Åとした場合）から70％
（TiＮの膜厚ｔ≒250 Åとした場合）に達する。したが
って、高強度の光入射時においては、１，２，３層目の
各アルミニウム膜をTiＮ薄膜で覆うだけでは、偽信号抑
制対策は十分でないことは明らかである。

【００１２】本発明は、従来の単板カラーカメラ用固体
撮像装置における上記問題点を解消するためになされた
もので、高強度光が入射した際の多重反射による偽信号
の発生を抑制できるようにした単板カラーカメラ用固体
撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、ＭＩＳ型受光部を有する増幅型
受光素子を画素として用い、該画素を半導体基板上にマ
トリクス状に形成してなる単板カラーカメラ用固体撮像
装置において、画素を構成する受光素子のゲート電極上
であって且つパッシベーション膜下に、各画素の受光波
長に対応した透過波長をもつ選択透光性フィルターを設
けるものである。

【００１４】このように受光素子のゲート電極上に選択
透光性フィルターを設けた場合に、選択透光性フィルタ
ーは各画素に入射する各色受光波長の中心付近にピーク
透過率をもっているので、各画素の受光波長光以外の迷
光を遮断し、混色の生じない偽信号を抑制した単板カラ
ーカメラ用固体撮像装置の実現が可能となる。

【００１５】また、上記選択透光性フィルターを各画素
を構成する受光素子に対して選択的に配置し、高強度光
入射の際は選択透光性フィルターを設けた受光素子の信
号を読み出し、微弱光入射の際は選択透光性フィルター
を設けない受光素子の信号を読み出す手段を設けること
により、微弱光に対しては高感度を有し、高強度光の入
射時のブルーミング又はスミアの発生を防止した単板カ
ラーカメラ用固体撮像装置を実現することができる。

【００１６】

【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明に係る単板カラーカメラ用固体撮像装置の第１実施例
を示す断面図で、図３に示した従来例と同一又は対応す
る構成要素には同一符号を付して示し、その説明を省略
する。図１において、25はＣＭＤ受光素子からなる画素
を形成した半導体基板１の上部に設けたSiＯ₂ からなる
絶縁膜で、該絶縁膜25中には、TiＮからなる反射防止膜
23を上下面に設けた２層目アルミニウム（又はアルミニ
ウム−シリコン）膜からなるゲートライン15が配置され
ており、更に本発明においては、ＣＭＤ画素のゲート電
極７上に選択透光性のフィルター26が設けられている。
なお、上記絶縁膜25は１層目アルミニウム膜と２層目ア
ルミニウム膜の間の絶縁膜、及び表面保護のためのパッ
シベーション膜を含むものである。単板カラーカメラ用
固体撮像装置においては、絶縁膜25上に画素単位で３種
類の異なったカラーフィルター（図示せず）が積層され
ており、前記選択透光性フィルター26は、各色カラーフ
ィルターを設けた各画素の受光波長に対応した透過波長
をもつ窒化チタン（Ti_x Ｎ_y ）膜で、各画素毎に形成さ
れている。

【００１７】一般に、Ｒ，Ｇ，Ｂ３原色カラーフィルタ
ー方式の単板カラーＴＶカメラに使用されているＲ，
Ｇ，Ｂの各波長は、青（Ｂ）が450 ｎｍ、緑（Ｇ）が55
0 ｎｍ、赤（Ｒ）が610 ｎｍ付近を中心に設定されてい
る。そこで、本件発明者は、窒化チタン膜の膜厚を種々
変更し、Ｒ，Ｇ，Ｂ３原色を選択的に透過する膜厚を実
験により算出した結果、窒化チタン膜の膜厚を550 Åと
した時、青（波長λ＝410 ｎｍ）に対する透過率が最も
大きく、同様に膜厚を740 Åとした時、緑（波長λ＝55
0 ｎｍ）に対する透過率が最も大きく、膜厚を880 Åと
した時、赤（波長λ＝650 ｎｍ）に透過率のピークを示
すことが判明した。なお、この場合の窒化チタン膜の下
部の絶縁膜（SiＯ₂ ）の膜厚は、2000Å〜１μｍであ
る。

【００１８】以上の結果から、具体的には本実施例にお
けるゲート電極７上に設ける選択透光性フィルター26と
して、青色用画素に対しては550 Åの膜厚の窒化チタン
膜を、緑色用画素に対しては740 Åの膜厚の窒化チタン
膜を、赤色用画素に対しては880 Åの膜厚の窒化チタン
膜を配置するものである。

【００１９】このように構成することにより、従来のも
のに比べ、高強度光が入射した際でも、各画素の受光波
長光以外の迷光は選択透光性フィルターにより確実に遮
断され、混色が生ぜず偽信号の発生を抑制した単板カラ
ーカメラ用固体撮像装置が得られる。

【００２０】上記第１実施例においては、各色用画素に
対する選択透光性フィルターを、膜厚を異ならせた窒化
チタン膜で構成したものを示したが、窒化チタン（Ti_x
Ｎ_y）の組成を変化させる等の手法によって透過波長を
異ならせるようにしたもので、選択透光性フィルターを
構成することも可能である。

【００２１】次に、第２実施例を図２に基づいて説明す
る。図２は、第２実施例におけるＣＭＤ受光素子からな
る画素の配列の一部を示す図であり、ＣＭＤ画素群は、
ゲート電極上に選択透光性フィルターを設けた画素31
と、ゲート電極上に選択透光性フィルターを設けない画
素32とで構成されている。

【００２２】図１に示した第１実施例のように、全ての
画素のゲート電極上に選択透光性フィルターを設けて構
成した場合には、窒化チタン膜からなる選択透光性フィ
ルターは一部の入射光を吸収するため、微弱光に対して
感度低下をきたす。これに対して、上記第２実施例のよ
うに選択透光性フィルターを画素群に対して選択的に配
置した場合、高強度な光を受光する際には、ゲート電極
上に選択透光性フィルターを設けた画素31を選択して読
み出し、微弱光を受光する際には、ゲート電極上に選択
透光性フィルターを設けない画素32を選択して読み出す
手段を設けて、画素信号を読み出すことにより、微弱光
に対する感度を低下させずに、高強度の光が入射した際
に生ずる偽信号の増加現象（ブルーミング又はスミア）
を十分に抑制することが可能となる。

【００２３】上記各実施例において、選択透光性フィル
ターの形成は、次のようにして行われる。すなわち、図
１において、２層目アルミニウムからなるゲートライン
15の下面に形成されるTiＮからなる反射防止膜23を絶縁
膜25中に形成する際に、同時に窒化チタン膜からなる選
択透光性フィルター26を、膜厚を調整しながら形成す
る。このような製法を採用することにより、処理時間の
調整等の極めて簡単な手法で、ゲート電極上に膜厚を調
整した選択透光性フィルター26を形成することができ
る。

【００２４】なお、上記製造方法では、２層目アルミニ
ウム膜の反射防止膜の形成時に選択透光性フィルターを
形成するようにしたものを示したが、選択透光性フィル
ターの形成方法としては、上記方法以外にも、１層目又
は３層目アルミニウム膜形成時に設けられる窒化チタン
膜よりなる反射防止膜の形成時に、同時に形成するよう
にしてもよく、また選択透光性フィルターの形成のみを
独立に行い、所望個所に設けるようにしてもよい。

【００２５】また上記各実施例においては、ＣＭＤ受光
素子を画素として用いた単板カラーカメラ用固体撮像装
置に本発明を適用したものを示したが、本発明は、ＣＭ
Ｄ受光素子以外のＦＧＡ（Floating Gate Array ）等の
ＭＩＳ型受光部を有する増幅型受光素子を画素として用
いた単板カラーカメラ用固体撮像装置にも、もちろん適
用できるものである。

【００２６】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、画素を構成する受光素子のゲート電極
上に、各画素の受光波長に対応した透過波長をもつ選択
透光性フィルターを設けたので、混色抑制効果の優れた
単板カラーカメラ用固体撮像装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単板カラーカメラ用固体撮像装置
の第１実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の第２実施例の画素配列を示す図であ
る。

【図３】従来のＣＭＤを画素として用いた固体撮像装置
の単位画素部の主要部の断面構成例を示す図である。

【図４】図３に示したＣＭＤ固体撮像装置の平面構造を
示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ エピタキシャル層 ３ 浅いドレイン領域 ４ 深いドレイン領域 ５ ソース領域 ６ ゲート絶縁膜 ７ ゲート電極 ９ ソース電極 10 入射光 15 ゲートライン 23 反射防止膜 25 絶縁膜 26 選択透光性フィルター

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭＩＳ型受光部を有する増幅型受光素子
   を画素として用い、該画素を半導体基板上にマトリクス
   状に形成してなる単板カラーカメラ用固体撮像装置にお
   いて、画素を構成する受光素子のゲート電極上であって
   且つパッシベーション膜下に、各画素の受光波長に対応
   した透過波長をもつ選択透光性フィルターを設けたこと
   を特徴とする単板カラーカメラ用固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記選択透光性フィルターを各画素を構
   成する受光素子に対して選択的に配置したことを特徴と
   する請求項１記載の単板カラーカメラ用固体撮像装置。
3. 【請求項３】 高強度光入射の際は前記選択透光性フィ
   ルターを設けた受光素子の信号を読み出し、微弱光入射
   の際は前記選択透光性フィルターを設けない受光素子の
   信号を読み出す手段を備えたことを特徴とする請求項２
   記載の単板カラーカメラ用固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記選択透光性フィルターは窒化チタン
   膜で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれか１項に記載の単板カラーカメラ用固体撮像装置。
5. 【請求項５】 青色光を受光する受光素子上に設ける選
   択透光性フィルターの膜厚を550 Å付近に、緑色光を受
   光する受光素子上に設ける選択透光性フィルターの膜厚
   を740 Å付近に、赤色光を受光する受光素子上に設ける
   選択透光性フィルターの膜厚を880 Å付近に設定したこ
   とを特徴とする請求項４記載の単板カラーカメラ用固体
   撮像装置。
6. 【請求項６】 ＭＩＳ型受光部を有する増幅型受光素子
   を画素として用い該画素をマトリクス状に形成した半導
   体基板と、該半導体基板上であって且つパッシベーショ
   ン膜下に配置した光反射防止膜を備えたアルミニウム又
   はアルミニウム−シリコンからなる多層配線と、前記画
   素を構成する受光素子上であって且つパッシベーション
   膜下に設けた、各画素の受光波長に対応した透過波長を
   もつ選択透光性フィルターとを設けた単板カラーカメラ
   用固体撮像装置の製造方法において、前記選択透光性フ
   ィルターを、前記多層配線を構成する光反射防止膜の形
   成時に同時に積層形成することを特徴とする単板カラー
   カメラ用固体撮像装置の製造方法。