JP2002198508A

JP2002198508A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2002198508A
Application number: JP2000395700A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shizukuishi; 誠雫石
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】スメア特性が著しく改善されると共に、駆動電
圧、消費電力及びノイズが低減されたＣＣＤ型の固体撮
像素子を提供する。【解決手段】フォトダイオード１４の間を通過するよう
に水平方向に延びた転送電極３２は、異なる位相で駆動
する電極を狭いギャップ３４を介して同一平面状に形成
した単層電極で構成されている。転送電極３２を単層電
極とすることで絶縁膜が不要となり、多層電極構造とす
る場合に比べて駆動電圧が低下し、消費電力が低減され
る。また、転送電極３２上には、フォトダイオード１４
の受光領域に受光される光を透過させる開口部４０を備
え、樹脂材料等の非導電性材料で構成された遮光膜３８
が、表面保護膜３６を介して形成されている。遮光膜を
非導電性としたことにより、転送電極３２と遮光膜３８
との間の寄生容量が無視でき、消費電力やノイズを低減
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子に係
り、特に、複数の光電変換素子を所定間隔で所定方向に
配列した光電変換素子列を複数列並列配置し、光電変換
素子列の各々の間に転送路を配列した固体撮像素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図８（ａ）〜（ｃ）を参照して、従来の
プログレッシブ走査方式のインターライン型ＣＣＤの構
成について説明する。このインターライン型ＣＣＤは、
図８（ａ）に示すように、チャネルストップ１０８で相
互に分離されたフォトダイオード１０６、垂直電荷転送
路１００、この垂直電荷転送路１００上にフォトダイオ
ード１０６を避けて水平方向に延びるように互いに平行
に配設された電荷転送電極１０２ａ、１０２ｂ、及び１
０２ｃを備えている。これらの電荷転送電極上には、平
坦化膜等を介して遮光膜１１０が設けられ、遮光膜１１
０には、外部からの光をフォトダイオード１０６に入射
させるための開口１１２が設けられている。

【０００３】また、電荷転送電極１０２ａ、１０２ｂ、
１０２ｃは、プログレッシブ走査を行うために、３つで
１転送段１０２を構成する３相駆動とされている。この
ように３相駆動とするために、図８（ｂ）に示すよう
に、垂直画素間では、互いに平行に配設された電荷転送
電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、ポリシリコン酸
化膜などの絶縁膜１０４を介して３層に積層されてい
る。また、図８（ｃ）に示すように、垂直電荷転送路１
００上においても、電荷転送電極１０２ａ、１０２ｂ、
１０２ｃは、絶縁膜１０４を介して部分的に重ね合わさ
れている。この多層電極構造では、電極を酸化して得ら
れるポリシリコン酸化膜を絶縁膜１０４として使用する
ことにより、電極同士を絶縁膜１０４の厚さ分の「狭い
ギャップ」を介して近接させることができ、電荷転送路
１０８内で電荷をスムーズに移動させることができると
いう利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電極材料として使用さ
れる低抵抗ポリシリコンは、光に対して活性で、且つ光
透過性であるため、電荷転送電極を完全に遮光する必要
がある。しかしながら、電荷転送電極を多層化した場合
には、図８（ｂ）に示すように、大きな段差が形成され
る。多層電極構造を採用した場合には、この凹凸のある
多層電極の側面を遮光膜で被覆しなけらばならず、完全
に遮光することが困難になり、電荷転送電極を透過した
光が電荷転送路に入りスメアが発生する。

【０００５】また、多層化された電荷転送電極を遮光膜
で側壁まで完全に覆うために、遮光膜には、薄膜化が可
能なアルミニウム（Ａｌ）膜やタングステン（Ｗ）膜等
の金属膜が使用されている。このように遮光膜を導電性
材料で構成する場合には、電荷転送電極と遮光膜との間
に電気的リークの無い絶縁膜が必要となり、通常は、２
０００Åの厚さで形成したポリシリコン酸化膜を絶縁膜
として使用しているが、それでもなお、電荷転送電極と
遮光膜との間の寄生容量が大きく、ＣＣＤ型の固体撮像
素子の高速駆動を行う場合には、この寄生容量の大きさ
がノイズ発生や消費電力増大の原因になる、という問題
がある。

【０００６】また、ＣＣＤ型の固体撮像素子の駆動電圧
は、ＭＯＳ型の固体撮像素子よりも高い。これはＣＣＤ
型の固体撮像素子のゲート酸化膜が、ＭＯＳ型の固体撮
像素子のゲート酸化膜より厚く形成されるために、ＣＣ
Ｄ型の固体撮像素子の駆動電圧が、例えば５ボルト以上
の高電圧となるからである。更にＣＣＤ型の固体撮像素
子では、容量成分の大きな複数の転送電極を高速に駆動
するため、消費電力が大きくなることが指摘されてい
る。

【０００７】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みな
されたものであり、本発明の目的は、スメア特性が著し
く改善されると共に、駆動電圧、消費電力及びノイズが
低減されたＣＣＤ型の固体撮像素子を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、複数の光電変換素子を所定間隔
で所定方向に配列した光電変換素子列を複数列並列配置
し、前記光電変換素子列の各々の間に転送路を配列した
固体撮像素子であって、前記光電変換素子間を通過して
前記所定方向と交差する方向に延び、且つ前記転送路に
沿って前記光電変換素子で発生した信号電荷を転送する
ように所定のギャップを介して配列された複数の単層電
極と、該単層電極の上方に形成され、前記光電変換素子
の受光領域に受光される光を透過する光透過部が設けら
れた非導電性遮光膜と、を備えたことを特徴とする。

【０００９】請求項１の固体撮像素子では、転送電極を
単層電極で構成しているので、固体撮像素子の撮像部の
表面の凹凸が緩和されて平坦化が容易になり、スメアが
顕著に改善される。また、多層電極構造において層間に
設けられる絶縁膜が不要となり、寄生容量成分を低減す
ることができ、多層電極構造とする場合に比べて、駆動
電圧を低下させて消費電力を低減することができる。更
に、単層電極は段差が小さく電極の側壁を遮光する必要
がないことから、遮光膜にＡｌやＷのような金属薄膜を
使用する必要がなく、遮光膜に非導電性材料を使用する
ことができるが、遮光膜を非導電性としたことにより、
転送電極と遮光膜との間の寄生容量が無視でき、消費電
力やノイズを低減することができる。

【００１０】請求項２の発明は、複数の光電変換素子を
所定間隔で所定方向に配列した光電変換素子列と、複数
の光電変換素子を前記所定間隔で前記所定方向に配列
し、且つ前記光電変換素子列に対して前記所定方向に所
定量ずらして配置した光電変換素子列と、で構成された
素子列の組を複数組並列配置し、前記光電変換素子列の
各々の間に隣り合う光電変換素子列の各光電変換素子間
に侵入し、且つ相互に接触しないように転送路を配列し
た固体撮像素子であって、前記光電変換素子間を通過し
て前記所定方向と交差する方向に延び、且つ前記転送路
に沿って前記光電変換素子で発生した信号電荷を転送す
るように所定のギャップを介して配列された複数の単層
電極と、該単層電極の上方に形成され、前記光電変換素
子の受光領域に受光される光を透過する光透過部が設け
られた非導電性遮光膜と、を備えたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の固体撮像素子では、転送路が、
光電変換素子列の各々の間に隣り合う光電変換素子列の
各光電変換素子間に侵入し、且つ相互に接触しないよう
に配列されるので、各光電変換素子間は転送路として有
効に活用されている。従って、光電変換素子間を通過す
るように所定方向と交差する方向に延びた複数の単層電
極が、転送路に沿って光電変換素子で発生した信号電荷
を転送するように所定のギャップを介して配列されてい
ても、電極配線のみに占有される無効領域は発生せず、
受光部の面積を圧迫することもない。

【００１２】また、転送電極を単層電極で構成している
ので、固体撮像素子の撮像部の表面の凹凸が緩和されて
平坦化が容易になり、スメアが顕著に改善される。ま
た、多層電極構造において層間に設けられる絶縁膜が不
要となり、寄生容量成分を低減することができ、多層電
極構造とする場合に比べて、駆動電圧を低下させて消費
電力を低減することができる。更に、単層電極は段差が
小さく電極の側壁を遮光する必要がないことから、遮光
膜にＡｌやＷのような金属薄膜を使用する必要がなく、
遮光膜に非導電性材料を使用することができるが、遮光
膜を非導電性としたことにより、転送電極と遮光膜との
間の寄生容量が無視でき、消費電力やノイズを低減する
ことができる。

【００１３】非導電性遮光膜は、単層電極の上方に形成
されていればよく、単層電極を覆うように形成されてい
てもよく、平坦化膜を介して単層電極上に形成されてい
てもよい。また、非導電性遮光膜を平坦化膜を介して単
層電極上に形成する場合には、非導電性遮光膜の同一平
面上に、光電変換素子の受光領域に受光される所定波長
の光を透過する光透過部と光透過部を取り囲む遮光部と
を設けてもよく、また、非導電性遮光膜の上層または下
層に、所定波長の光を透過するフィルタ層を形成しても
よい。

【００１４】上記の固体撮像素子においては、非導電性
遮光膜の縁部は、その全部または一部を、光電変換素子
の受光領域の中心方向に延在させることで、スメアが更
に改善される。

【００１５】非導電性遮光膜は、樹脂材料で構成するこ
とができる。樹脂材料としては、感光性樹脂またはゼラ
チンを含むものが好ましい。感光性樹脂またはゼラチン
等の樹脂材料で構成された非導電性材料に遮光性を付与
するために、光を反射または吸収するカーボン粉末や各
種顔料を非導電性材料中に分散させるか、光を反射また
は吸収する染料により非導電性材料を染色する。

【００１６】光電変換素子の受光領域に受光される光を
透過する光透過部は、その中心位置の配列ピッチを光電
変換素子の中心位置の配列ピッチと異ならせてもよく、
例えば、光透過部の中心位置の配列ピッチを、光電変換
素子の中心位置の配列ピッチより小さくすることができ
る。光透過部の中心位置の配列ピッチを光電変換素子の
中心位置の配列ピッチと異ならせることで、入射光を有
効に受光領域に導くことができ、固体撮像素子の感度均
一性が向上する。光透過部の中心位置の配列ピッチと同
様に、遮光膜上に設けられるマイクロレンズの光軸中心
の配列ピッチを、光電変換素子の中心位置の配列ピッチ
より小さくすることにより、更に固体撮像素子の感度均
一性が向上する。また、光透過部の平面形状は、４角形
以上の多角形、円形、または楕円形とすることができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態に係る
ＣＣＤイメージセンサは、図１に示すように、半導体基
板（図示せず）上に、光電変換素子としてのフォトダイ
オード１４を所定間隔（垂直画素ピッチＶＰ）で垂直方
向に複数配列した第１の光電変換素子列１６と、複数の
フォトダイオード１４を第１の光電変換素子列１６と同
じ間隔で垂直方向に配列し、且つ第１の光電変換素子列
１６に対して垂直方向に垂直画素ピッチＶＰに対して１
／２ずらして配置された第２の光電変換素子列１８と、
で構成された素子列の組を水平方向に複数組並べて構成
されている。

【００１８】隣り合う第１の光電変換素子列１６及び隣
り合う第２の光電変換素子列１８は、垂直画素ピッチと
同じ間隔（水平画素ピッチＨＰ）で配置され、第１の光
電変換素子列１６に含まれるフォトダイオード１４によ
り構成される光電変換素子行に対して、第２の光電変換
素子列１８に含まれるフォトダイオード１４により構成
される光電変換素子行は、水平方向に水平画素ピッチＨ
Ｐに対して１／２ずらして配置されている。即ち、フォ
トダイオード１４は、いわゆるハニカム状に配列されて
いる。

【００１９】相互に接近して配列された第１の光電変換
素子列１６と第２の光電変換素子列１８との間には、フ
ォトダイオード１４で発生した信号電荷を読み出して垂
直方向に転送する垂直電荷転送チャネル２０が各々設け
られている。垂直電荷転送チャネル２０は、両側に位置
する光電変換素子列の各フォトダイオード間に侵入した
侵入部２０Ａと非侵入部２０Ｂとが交互に位置するよう
に連続して構成され、ハニカム状に配列したフォトダイ
オード１４の間を蛇行しながら垂直方向に延びている。
また、隣り合う侵入部２０Ａ間には、後述するチャネル
ストップ２８が設けられ、垂直電荷転送チャネル２０が
相互に接触しないように構成されている。これにより、
フォトダイオード１４の周辺領域全体は、チャネルスト
ップ２８を除いて垂直電荷転送チャネル２０として使用
されることになり、転送電極の配線のみに使用される
「無効領域」は発生しなくなる。この点で従来のインタ
ーライン型ＣＣＤとは大きく異なり、従来のインターラ
イン型ＣＣＤと比較して、フォトダイオード１４の周辺
領域が有効利用されることになる。

【００２０】各垂直電荷転送チャネル２０の転送方向下
流側の端部は、垂直電荷転送チャネル２０から転送され
た信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置（Ｈ
ＣＣＤ）２２に接続されており、このＨＣＣＤ２２の転
送電極は、後述する垂直電荷転送装置３３と同様に単層
電極構造とされている。ＨＣＣＤ２２の転送方向下流側
の端部は、信号電荷の電荷量に応じた電圧を出力する出
力部２４に接続されている。

【００２１】図２は、本実施の形態に係るＣＣＤイメー
ジセンサの撮像部のマイクロレンズ及び色フィルタ等を
除いた構成を示す部分拡大図であり、図３は、図２のＶ
１−Ｖ２線におけるマイクロレンズ及び色フィルタ等を
付加した断面図である。図２及び図３に示すように、半
導体基板１２は、大きく分けてシリコン等のｎ型半導体
基板１２ａとｐ型不純物添加領域（ｐ−ウエル）１２ｂ
とから構成されている。フォトダイオード１４は、この
ｐ型不純物添加領域１２ｂ内に埋込型のフォトダイオー
ドとして形成され、既に述べた通り、電荷蓄積領域とし
て機能するｎ型不純物添加領域１４ａ、及びｎ型不純物
添加領域１４ａ上に形成されたｐ⁺型不純物添加領域１
４ｂから構成されている。

【００２２】また、垂直電荷転送チャネル２０は、ｐ型
不純物添加領域１２ｂ内にｎ型不純物添加領域として形
成されている。垂直電荷転送チャネル２０と、この垂直
電荷転送チャネル２０に信号電荷を読み出す側のフォト
ダイオード１４との間には、ｐ型不純物添加領域で形成
された読み出しゲート用チャネル２６が設けられてい
る。また、半導体基板１２の表面には、この読み出しゲ
ート用チャネル２６に沿ってｎ型不純物添加領域１４ａ
が露出している。そして、フォトダイオード１４で発生
した信号電荷は、ｎ型不純物添加領域１４ａに一時的に
蓄積された後、読み出しゲート用チャネル２６を介して
例えば矢印Ａ方向に読み出される。

【００２３】一方、垂直電荷転送チャネル２０と他のフ
ォトダイオード１４との間には、ｐ ⁺型不純物添加領域
であるチャネルストップ２８が設けられている。このチ
ャネルストップ２８により、フォトダイオード１４と垂
直電荷転送チャネル２０とが電気的に分離されると共
に、垂直電荷転送チャネル２０同士も相互に接触しない
ように分離される。

【００２４】半導体基板１２の表面には、ゲート酸化膜
３０を介して、フォトダイオード間を通過するように水
平方向に延びた転送電極３２が形成されている。また、
転送電極３２は、読み出しゲート用チャネル２６を覆う
と共に、ｎ型不純物添加領域１４ａが露出し、チャネル
ストップ２８の一部が露出するように形成されている。
なお、転送電極３２のうち読み出し信号が印加される電
極の下方にある読み出しゲート用チャネル２６から信号
電荷が転送される。

【００２５】転送電極３２は、垂直電荷転送チャネル２
０と共に、フォトダイオード１４で発生した信号電荷を
垂直方向に転送する垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）３３
を構成している。ＶＣＣＤ３３は４相駆動（φ１〜φ
４）とされ、各フォトダイオード１４に対して異なる位
相で駆動する４つの転送電極３２を１組として、垂直方
向に複数組配列されている。これによりフォトダイオー
ド１４で発生した信号電荷を垂直方向に転送する。異な
る位相で駆動する転送電極３２の各々は、狭いギャップ
（転送電極の配列方向の間隔）３４を介して同一平面状
に形成した単層電極で構成されている。このように単層
の転送電極とすることで、ゲート酸化膜を薄くでき、更
に多層電極構造において層間に設けられる絶縁膜が不要
となり、多層電極構造と比較して容量成分を低下させる
ことができるので、駆動電圧が低下し、消費電力が低減
される。また、既に述べた通り、フォトダイオード１４
の周辺領域は、垂直電荷転送チャネル２０として使用さ
れ、チャネルストップ２８を除いて「無効領域」は発生
していないので、転送電極３２を単層電極構造としても
受光部の面積を圧迫することにはならない。

【００２６】ギャップ３４は、水平方向に延びた水平ギ
ャップ部と、水平ギャップ部間に配置され且つ斜め方向
に延びた斜行ギャップ部とを連続させて構成されてい
る。ギャップ３４の大きさ、即ち、転送電極３２間の距
離は、全ての部分で同じであり、電荷の流れをスムーズ
にするために、約０．３μｍ以下とすることが好まし
く、約０．１μｍ〜約０．２μｍとすることが特に好ま
しい。

【００２７】転送電極３２は、半導体製造プロセスある
いは固体デバイスで一般に使用される電極材料を用いて
構成することができる。転送電極３２を単層電極構造と
したことにより、電極層間を絶縁する絶縁膜（高抵抗シ
リコン酸化膜）は不要になり、電極材料の選択の幅が広
くなる。また、電極幅、電極厚さ等の電極形状について
も、電極材料に応じて設計の幅が広くなる。

【００２８】単層電極を例えばアルミニウムや銅などの
ポリシリコン以外の金属で構成することも可能になる
が、電極表面の反射率が高いと、製造工程ではハレーシ
ョンによりフォトリソグラフィ工程に悪影響を及ぼした
り、使用時には反射光がＣＣＤパッケージあるいは光学
レンズ系との間で不要な迷光となり、撮影した画像の画
質を低下させる可能性があるため、電極表面の反射率を
金属アルミニウム自体の表面反射率より低く（例えば、
金属アルミニウム自体の表面反射率の５０％以下）する
ために、表面処理を加えることが好ましい。また、光吸
収性材料等、遮光性の電極材料を使用することにより、
不要な外部入射光を遮蔽する効果が期待できる。更に、
不純物が多量に含まれている場合には、ゲート酸化膜、
シリコン基板を汚染し白キズ等の画像欠陥を誘起する可
能性があるため、抵抗が低く且つ低不純物の電極材料を
使用することが望ましい。

【００２９】アルミニウムより低反射率の電極材料とし
ては、低抵抗ポリシリコン、低抵抗の金属、及び各種シ
リサイド等の低抵抗材料が好ましく、例えば、低抵抗ポ
リシリコン、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉ）、チタンシリサイド（ＴｉＳ
ｉ）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉ）、及び銅シリサ
イド（ＣｕＳｉ）を挙げることができる。このうち、タ
ングステンは、例えば、波長５００ｎｍの光に対して
は、アルミニウムの５０％以下の反射率を示す。また、
転送電極３２は、これらの電極材料を、絶縁膜を介在さ
せることなく複数積層して形成されていてもよい。

【００３０】転送電極３２が形成された半導体基板１２
の表面は、透明樹脂等で構成された表面保護膜３６によ
り覆われ、この表面保護膜３６上には、遮光膜３８が形
成されている。遮光膜３８は、各フォトダイオード１４
毎に、受光領域であるｐ⁺型不純物添加領域１４ｂに受
光される光を透過させる光透過部として、例えば八角形
状の開口部４０を有している。遮光膜３８の縁部は、受
光領域の中心方向に延在させられており、遮光膜３８に
よりフォトダイオード１４の開口形状が画定されてい
る。遮光膜３８は、樹脂材料等の非導電性材料から形成
されている。樹脂材料としては、感光性樹脂またはゼラ
チンを主基材として含むものが好ましい。例えば、可視
光を吸収または反射する顔料を樹脂に分散すること、ま
たは可視光を吸収または反射する染料で樹脂を染色する
ことにより遮光性が付与された樹脂材料を使用すること
ができるが、光吸収性（低反射率）材料であることが好
ましく、例えば、黒色の顔料を樹脂に分散させた樹脂材
料、または黒色の染料で樹脂を染色した樹脂材料を使用
することができる。開口部４０は、非導電性材料からな
る薄膜上にパターニングにより遮光部分にレジストマス
クを形成し、このレジストマスクを用いたエッチングに
より非導電性材料を取り除いて形成することができる。

【００３１】遮光膜３８及び遮光膜３８から露出してい
る表面保護膜３６上には、透明樹脂で形成された平坦化
膜４４を介して、赤色（Ｒ）フィルタ４６Ｒ、緑色
（Ｇ）フィルタ４６Ｇ及び青色（Ｂ）フィルタ４６Ｂを
備えた色フィルタアレイが形成されている。Ｒフィルタ
４６Ｒ、Ｇフィルタ４６Ｇ及びＢフィルタ４６Ｂは、個
々のフォトダイオード１４に対応して、所定のパターン
で配置されている。色フィルタの配列パターンについて
は、詳細な説明を省略するが、図３においては、Ｒフィ
ルタ４６Ｒ、Ｇフィルタ４６Ｇ及びＢフィルタ４６Ｂが
１個ずつ示されている。このような色フィルタアレイ
は、例えば、所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹
脂（カラーレジン）領域を、フォトリソグラフィ法等を
用いて所定箇所に形成することによって作製することが
できる。

【００３２】色フィルタアレイ上には、平坦化膜４８を
介して、複数のマイクロレンズ５０を備えたマイクロレ
ンズアレイが形成されている。マイクロレンズ５０は、
個々のフォトダイオード１４に対応して配列されてい
る。これらマイクロレンズ５０は、例えば、屈折率が略
１．３〜２．０の透明樹脂（フォトレジストを含む）か
らなる層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に
区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融
させ、表面張力によって角部を丸めた後に冷却すること
等により形成することができる。

【００３３】以上説明した通り、本実施の形態に係るＣ
ＣＤイメージセンサでは、転送電極を単層電極で構成し
ているので、多層電極構造において層間に設けられる絶
縁膜が不要となる。これにより寄生容量成分を低減する
ことができるので、多層電極構造とする場合に比べて、
駆動電圧を低下させて消費電力を低減することができ
る。

【００３４】特に、単層電極は段差が小さく電極の側壁
を遮光する必要がないことから、遮光膜にＡｌやＷのよ
うな金属薄膜を使用する必要がない。このため、遮光膜
に非導電性材料を使用することができ、電極と遮光膜間
の寄生容量が無視できるので、消費電力やノイズを低減
することができる。また、単層電極表面に絶縁膜を形成
する必要もない。

【００３５】また、転送電極を単層電極で構成したこと
により、ＣＣＤイメージセンサの撮像部の表面、特にマ
イクロレンズ、色フィルタ（カラーフィルタ）を積層す
る前の表面の凹凸が緩和され、平坦化が容易になり集光
効率やスメアが改善される。

【００３６】また、垂直電荷転送チャネルが、両側に設
けられた光電変換素子列の各光電変換素子間に侵入する
ように、ハニカム状に配列した光電変換素子の間を蛇行
しながら垂直方向に延びているので、光電変換素子の周
辺領域（例えば、水平・垂直方向の画素間および斜め４
５°方向の画素間といった領域）は、垂直電荷転送チャ
ネルとして使用されることになり、転送電極の配線のみ
に使用される「無効領域」は発生しない。従って、転送
電極を単層電極構造としても、受光部の面積を圧迫する
ことにはならず、ＣＣＤイメージセンサの多画素化、微
細化を阻害しない。

【００３７】また、多層電極構造においては層間リーク
電流に起因する歩留まりの低下が問題となるが、単層電
極構造としたことにより、このような問題は発生しな
い。また、多層電極構造においては、絶縁膜形成のため
のポリシリコンの高温熱酸化工程により結晶欠陥が誘起
されるという問題があるが、単層電極構造としたことに
より、ポリシリコンの高温熱酸化工程が不要となり、結
晶欠陥の発生が抑制され、ＣＣＤ型の固体撮像装置で問
題となる画面上の白キズ等を低減することができる。さ
らに、単層電極構造は多層電極構造に比べて少ない工程
で形成することができるので、ＣＣＤイメージセンサの
製造プロセスを簡略化することができるというメリット
もある。

【００３８】また、転送電極に遮光性のある電極材料
（タングステン等）を使用する場合には、遮光性の電極
材料がシリコン基板に近い部分に配置されることにな
り、更に不要な外部入射光を遮蔽する効果が期待でき
る。

【００３９】また、色フィルタアレイを遮光膜の上方に
形成する、即ち、色フィルタを光電変換素子から離して
配置するので、色フィルタのパターンを精度良く作成す
る必要がなく、顔料を含む色フィルタを使用した場合に
も顔料粒状性の問題が回避される。

【００４０】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態に係るＣＣＤイメージセンサは、転送電極を覆う
ように遮光膜を形成せず、平坦化膜を介して遮光膜を形
成すると共に、遮光膜の光透過部に色フィルタを設けた
以外は、第１の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ
と同様であるため、同一部分については同じ符号を付し
て説明を省略し、相違点のみ説明する。

【００４１】図４に示すように、半導体基板１２の表面
は、酸化膜３０の上に転送電極３２が形成された後、平
坦化膜としての役割も果たす表面保護膜３６により被覆
されている。この表面保護膜３６上には、各フォトダイ
オード１４毎に、受光領域であるｐ⁺型不純物添加領域
１４ｂに受光される所定波長の光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を透過
させる光透過部としての、例えば八角形状の赤色（Ｒ）
フィルタ５４Ｒ、緑色（Ｇ）フィルタ５４Ｇ及び青色
（Ｂ）フィルタ（図示せず）を備えた遮光膜５６が形成
されている。即ち、遮光膜５６の開口部にはＲフィルタ
５４Ｒ、Ｇフィルタ５４Ｇ及びＢフィルタが形成される
と共に、これらＲフィルタ５４Ｒ、Ｇフィルタ５４Ｇ及
びＢフィルタの各色フィルタを取り囲む領域が遮光部と
されている。

【００４２】遮光膜５６は、樹脂材料等の非導電性材料
から形成されている。樹脂材料としては、感光性樹脂ま
たはゼラチンを主基材として含むものが好ましい。例え
ば、可視光を吸収または反射する顔料を樹脂に分散する
こと、または可視光を吸収または反射する染料で樹脂を
染色することにより遮光性が付与された樹脂材料を使用
することができるが、光吸収性（低反射率）材料である
ことが好ましく、例えば、黒色の顔料を樹脂に分散させ
た樹脂材料、または黒色の染料で樹脂を染色した樹脂材
料を使用することができる。なお、遮光膜５６はフォト
ダイオード１４の上方に延在しており、マイクロレンズ
５０により集光された光のみが有効にフォトダイオード
１４に入射するように形成され、それ以外の不要な光が
フォトダイオード１４に入射することを抑制している。

【００４３】Ｒフィルタ５４Ｒ、Ｇフィルタ５４Ｇ及び
Ｂフィルタは、個々のフォトダイオード１４に対応し
て、所定のパターンで配置されている。色フィルタの配
列パターンについては、詳細な説明を省略するが、図４
においては、Ｒフィルタ５４Ｒ及びＧフィルタ５４Ｇが
１個ずつ示されている。

【００４４】この色フィルタを備えた遮光膜５６は、例
えば、所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹脂（カ
ラーレジン）領域を、フォトリソグラフィ法等の方法に
よって所定箇所に形成することによって作製することが
できる。遮光部分は、光吸収性の樹脂材料で形成され、
遮光部分の色は黒色が一般的であるが、スメア低減が可
能なレベルの光吸収を示す樹脂材料であればよく黒色に
は限らない。

【００４５】遮光膜５６上には、平坦化膜４８を介し
て、複数のマイクロレンズ５０を備えたマイクロレンズ
アレイが形成されている。マイクロレンズ５０は、上記
で説明したように、個々のフォトダイオード１４に対応
して配列されている。

【００４６】第２の実施の形態に係るＣＣＤイメージセ
ンサは、転送電極を覆うように遮光膜を形成せず、平坦
化膜を介して遮光膜を形成すると共に、遮光膜の光透過
部に色フィルタが設けられているので、遮光膜と色フィ
ルタとを同時に形成することができ、製造工程が簡略化
される。

【００４７】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態に係るＣＣＤイメージセンサは、転送電極を覆う
ように遮光膜を形成せず、平坦化膜を介して遮光膜を形
成すると共に、遮光膜の上層に色フィルタを設けた以外
は、第１の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサと同
様であるため、同一部分については同一符号を付して説
明を省略し、相違点のみ説明する。

【００４８】図５に示すように、転送電極３２が形成さ
れた半導体基板１２の表面は、平坦化膜としての役割も
果たす表面保護膜３６により被覆されている。この表面
保護膜３６上には、各フォトダイオード１４毎に、受光
領域であるｐ⁺型不純物添加領域１４ｂに受光される光
を透過させる光透過部としての、例えば八角形状の開口
部５８を備えた遮光膜６０が形成されている。この遮光
膜６０はフォトダイオード１４の上方に延在しており、
マイクロレンズ５０により集光された光のみが有効にフ
ォトダイオード１４に入射するように形成され、それ以
外の不要な光がフォトダイオード１４に入射することを
抑制している。

【００４９】遮光膜６０は、樹脂材料等の非導電性材料
から形成されている。樹脂材料としては、感光性樹脂ま
たはゼラチンを主基材として含むものが好ましい。例え
ば、可視光を吸収または反射する顔料を樹脂に分散する
こと、または可視光を吸収または反射する染料で樹脂を
染色することにより遮光性が付与された樹脂材料を使用
することができるが、光吸収性（低反射率）材料である
ことが好ましく、例えば、黒色の顔料を樹脂に分散させ
た樹脂材料、または黒色の染料で樹脂を染色した樹脂材
料を使用することができる。なお、遮光部分の色は黒色
が一般的であるが、スメア低減が可能なレベルの光吸収
を示す樹脂材料であればよく黒色には限らない。また、
開口部５８は透明樹脂で形成される。

【００５０】遮光膜６０上には、赤色（Ｒ）フィルタ４
６Ｒ、緑色（Ｇ）フィルタ４６Ｇ及び青色（Ｂ）フィル
タ４６Ｂを備えた色フィルタアレイが形成されている。
Ｒフィルタ４６Ｒ、Ｇフィルタ４６Ｇ及びＢフィルタ４
６Ｂは、個々のフォトダイオード１４に対応して、所定
のパターンで配置されている。色フィルタの配列パター
ンについては、詳細な説明を省略するが、図５において
は、Ｒフィルタ４６Ｒ、Ｇフィルタ４６Ｇ及びＢフィル
タ４６Ｂが１個ずつ示されている。

【００５１】色フィルタアレイ上には、平坦化膜４８を
介して、複数のマイクロレンズ５０を備えたマイクロレ
ンズアレイが形成されている。マイクロレンズ５０は、
上記で説明したように、個々のフォトダイオード１４に
対応して配列されている。

【００５２】第３の実施の形態に係るＣＣＤイメージセ
ンサは、転送電極を覆うように遮光膜を形成せず、平坦
化膜を介して遮光膜を形成すると共に、遮光膜の上層に
色フィルタを設けたので、色フィルタを光電変換素子か
ら離して配置することができ、色フィルタのパターンを
精度よく作成する必要がない。また、遮光膜内に複数色
の樹脂領域を形成する必要が無いため、混食や色滲みの
問題は発生せず、遮光膜の作製が容易である。なお、色
フィルタは遮光膜の下層に設けることもできる。

【００５３】上記第１〜第３の実施の形態では、同一列
または同一行に位置するフォトダイオードの中心位置の
配列ピッチ（画素ピッチ）は撮像部の全領域で均一と
し、開口部の中心位置の配列ピッチも、画素ピッチに合
せて全領域で均一とした例について説明したが、以下で
説明するように開口部の中心位置のピッチと画素ピッチ
とを異ならせてもよい。

【００５４】一般に、電子スチルカメラにおいてカメラ
レンズの絞りが開いているときは、ＣＣＤ型固体撮像素
子の撮像部（受光面）上に到達する入射光の行路長およ
び入射角度は、撮像部の中心部（光軸部）と周辺部とで
異なり、撮像した画像の感度が画像の中心付近から周辺
部に向かうに従って悪くなることが知られている。

【００５５】このため、図６に示す例では、開口部４０
の中心位置の配列ピッチを、固体撮像素子の中心部（カ
メラレンズの光軸中心位置）から、固体撮像素子の周辺
部（カメラレンズの光軸中心位置から離れた位置）に向
かって異なるようにした。即ち、開口部４０の中心位置
の配列ピッチは、固体撮像素子の撮像部の中心部から周
辺部に向かうに従って、フォトダイオード１４の中心位
置の配列ピッチＶＰ（＝ＨＰ）よりも、徐々にまたは一
定距離だけ小さくしてある。

【００５６】なお、図６において座標（ｘ，ｙ）は、対
応するフォトダイオード１４の中心位置を原点としたと
きの開口部４０の中心位置の座標である。カメラレンズ
とＣＣＤ型固体撮像素子の撮像部との交点である撮像部
の中心においては、座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）であ
り、開口部４０の中心位置が対応するフォトダイオード
１４の中心位置と一致していることを示している。一
方、撮像部周辺においては、座標（ｘ，ｙ）＝（ｘ_m，
ｙ_n）であり、開口部４０の中心位置が対応するフォト
ダイオード１４の中心位置よりＸ方向、Ｙ方向にそれぞ
れｘ_m、ｙ_nずれていることを示している。即ち、開口部
４０の中心位置は、撮像部の中心（光軸中心）から撮像
部の周辺部に向かうに従って、対応するフォトダイオー
ド１４の中心位置より光軸に近くなる。

【００５７】単層電極を使用して段差による「けられ」
を低減すると共に、以上の通り開口部４０の中心位置の
配列ピッチを小さくすることで、撮像部の周辺部に向か
うに従って、開口部の中心位置がフォトダイオードの中
心位置より撮像部の中心部に近づき、フォトダイオード
の中心位置より光軸側の光線を受光領域に入射させるこ
とができるので、入射光を有効に受光領域に導くことが
できる。これにより、画素が光学的に等方的になり、固
体撮像素子全体の感度均一性が向上する。

【００５８】更に、図７に示すように、マイクロレンズ
５０を、マイクロレンズ５０の光軸中心の配列ピッチＬ
Ｐが、画素ピッチＶＰより小さくなるように配置するこ
とで、さらに均一な光感度を得ることができる。

【００５９】また、上記第１〜第３の実施の形態では、
八角形状の開口部を設ける例について説明したが、開口
部の平面形状はこれに限定される訳ではなく、開口部の
平面形状は、４角形以上の多角形、円形、または楕円形
でもよい。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、信号電荷を転送する転送電極を単層電極で
構成したのでスメア特性を著しく改善することができる
と共に、受光領域を画定する開口部を備えた遮光膜を非
導電性部材で構成したので、寄生容量成分を低減して駆
動電圧、消費電力及びノイズを低減することができる、
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ
の概略構成図である。

【図２】第１の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ
の撮像部の部分拡大平面図である。

【図３】図２に示す係るＣＣＤイメージセンサの撮像部
におけるＶ１−Ｖ２線断面図である。

【図４】第２の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ
の断面図である。

【図５】第３の実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ
の断面図である。

【図６】本発明の変形例における光電変換素子の位置及
び開口部の位置を説明するための断面図である。

【図７】本発明の他の変形例における開口部の位置及び
マイクロレンズの位置を説明するための断面図である。

【図８】（ａ）は、従来のプログレッシブ走査方式のイ
ンターライン型ＣＣＤの撮像部の部分拡大平面図であ
り、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図であり、
（ｃ）は（ａ）のＢ１−Ｂ２線断面図である。

【符号の説明】

１２半導体基板１４フォトダイオード１６第１の光電変換素子列１８第２の光電変換素子列２０垂直電荷転送チャネル２２水平電荷転装置（ＨＣＣＤ）２４出力部２６読出ゲート用チャネル２８チャネルストップ３０絶縁膜３２転送電極３３垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）３４ギャップ３６表面保護膜（平坦化膜）３８、５６、６０遮光膜４０、５８開口部４４、４８平坦化膜４６Ｒ、５４Ｒ赤色（Ｒ）フィルタ４６Ｇ、５４Ｇ緑色（Ｇ）フィルタ４６Ｂ、５４Ｂ青色（Ｂ）フィルタ５０マイクロレンズ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光電変換素子を所定間隔で所定方向
に配列した光電変換素子列を複数列並列配置し、前記光
電変換素子列の各々の間に転送路を配列した固体撮像素
子であって、前記光電変換素子間を通過して前記所定方向と交差する
方向に延び、且つ前記転送路に沿って前記光電変換素子
で発生した信号電荷を転送するように所定のギャップを
介して配列された複数の単層電極と、該単層電極の上方に形成され、前記光電変換素子の受光
領域に受光される光を透過する光透過部が設けられた非
導電性遮光膜と、を備えた固体撮像素子。
【請求項２】複数の光電変換素子を所定間隔で所定方向
に配列した光電変換素子列と、複数の光電変換素子を前
記所定間隔で前記所定方向に配列し、且つ前記光電変換
素子列に対して前記所定方向に所定量ずらして配置した
光電変換素子列と、で構成された素子列の組を複数組並
列配置し、前記光電変換素子列の各々の間に隣り合う光電変換素子
列の各光電変換素子間に侵入し、且つ相互に接触しない
ように転送路を配列した固体撮像素子であって、前記光電変換素子間を通過して前記所定方向と交差する
方向に延び、且つ前記転送路に沿って前記光電変換素子
で発生した信号電荷を転送するように所定のギャップを
介して配列された複数の単層電極と、該単層電極の上方に形成され、前記光電変換素子の受光
領域に受光される光を透過する光透過部が設けられた非
導電性遮光膜と、を備えた固体撮像素子。
【請求項３】前記非導電性遮光膜に、前記光電変換素子
の受光領域に受光される所定波長の光を透過する光透過
部と、該光透過部を取り囲む遮光部と、が同一平面状に
設けられた請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】前記非導電性遮光膜の上層または下層に、
所定波長の光を透過するフィルタ層が形成された請求項
１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】前記非導電性遮光膜縁部の全部または一部
を、前記光電変換素子の受光領域の中心方向に延在させ
た請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】前記非導電性遮光膜を、樹脂材料で構成し
た請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】前記樹脂材料は、感光性樹脂またはゼラチ
ンを含む請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】前記樹脂材料は、可視光を吸収または反射
する顔料を樹脂に分散させた材料、または可視光を吸収
または反射する染料で樹脂を染色した材料である請求項
６または７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】前記光透過部の中心位置の配列ピッチを、
前記光電変換素子の中心位置の配列ピッチと異ならせた
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】前記光透過部の中心位置の配列ピッチ
を、前記光電変換素子の中心位置の配列ピッチより小さ
くした請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素
子。
【請求項１１】前記遮光膜上に設けられるマイクロレン
ズの光軸中心の配列ピッチを、前記光電変換素子の中心
位置の配列ピッチより小さくした請求項１０に記載の固
体撮像素子。
【請求項１２】前記光透過部の平面形状を、４角形以上
の多角形、円形、または楕円形にした請求項１〜１１の
いずれか１項に記載の固体撮像素子。