JP2003243641A

JP2003243641A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2003243641A
Application number: JP2002036727A
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: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】全画素読み出し可能な固体撮像素子におい
て、微細化した場合でも転送電極の電気抵抗を下げ、電
荷の高速転送を可能にする。【解決手段】ある受光部１０５に隣接する受光部を水
平及び垂直方向の画素ピッチの半分ずらした位置に配
し、受光部１０５の画素配列をハニカム状にしたいわゆ
るハニカムＣＣＤにおいて、２層のポリシリコン電極に
よる転送電極１１１〜１１４に対して、より比抵抗の小
さい電極材料である金属配線１２５をそれぞれ転送電極
１１１〜１１４と交差して横切るように各ＶＣＣＤ１２
２に沿って縦方向に積層して配設し、各転送電極１１１
〜１１４に対応してコンタクトホール１２６で接続する
ように構成する。これにより、転送電極１１１〜１１４
のポリシリコン層を厚くすることなく、電気抵抗を下げ
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置に関
し、特に固体撮像装置における信号電荷転送電極の構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子スチルカメラ等によって静止画の撮
像を行う場合には、テレビジョン信号に対応させたいわ
ゆる飛び越し走査を行うものではなく、全画素（プログ
レッシブ）読み出し方式の固体撮像素子が撮像素子とし
て適している。

【０００３】ＣＣＤ型の固体撮像素子としては、図１４
に示すようにＰ型低濃度不純物領域（P-well）とＮ型高
濃度不純物層５１ａ及び表面のＰ型高濃度不純物層５１
ｂからなる埋め込みフォトダイオードを有する受光部５
１を正方格子状に配置した正方格子配列のＣＣＤ撮像素
子（以下、正方格子ＣＣＤという）が広く用いられてい
る。従来のインターライン転送型ＣＣＤ（以下、ＩＴ−
ＣＣＤという）において、正方格子配列のもので全画素
読み出しを行うためには、一画素あたり少なくとも３つ
の電極（３相の転送パルスφ１，φ２，φ３）を必要と
する。このため、正方格子配列の全画素読み出し型のＩ
Ｔ−ＣＣＤでは、転送電極に第１層６１、第２層６２、
第３層６３のポリシリコン電極を積層形成した３層ポリ
シリコン構造を採用し、画素間の無効領域（電極配線部
分）をできるだけ小さくしてこれを実現している。

【０００４】従来の正方格子ＣＣＤにおいては、各受光
部の縦方向の境界、即ち素子分離領域上は、ポリシリコ
ン電極の配線のためのスペースであり、感度を犠牲にし
ないためにはできる限りその幅を狭くすることが求めら
れる。この素子分離領域の幅を狭くすると、ポリシリコ
ン電極の幅が狭まり、電気抵抗の増大をもたらす。その
ため、従来はこの素子分離領域のポリシリコン電極の幅
を狭くし、逆に厚さを増加させて電気抵抗を下げるよう
にしている。一般に、このポリシリコン電極の厚さは
０．４μｍ〜０．７μｍ程度であり、この厚さによって
転送電極の電気抵抗を許容されるレベルに下げている。
しかし、ポリシリコン電極の膜厚を厚くすることは微細
化の妨げになり、厚さを増加させるのにも限界がある。
将来ＣＣＤの多画素化（例えば５００万画素以上）ある
いはＣＣＤイメージサイズの大型化（ＡＰＳサイズや１
３５サイズなど）が進むと、このポリシリコン電極によ
る転送電極の電気抵抗成分が問題となり、電荷転送時に
高い転送効率を維持することが困難になっている。

【０００５】また、全画素読み出し可能な固体撮像素子
を用いて、機械的なシャッタを使わないいわゆるメカレ
ス電子シャッタの実現が求められている。このようなメ
カレス電子シャッタの場合は、固体撮像素子に常に光が
当たっているため、機械的なシャッタを使用する場合に
比べてスミア（太陽等の高輝度被写体を撮影したときに
画像中に現れる縦方向の光のにじみ等）を抑制すること
が重要である。スミアレベルを下げることを目的に、図
１５に示すようなフレームインターライン転送型ＣＣＤ
（以下、ＦＩＴ−ＣＣＤという）が開発されている。Ｆ
ＩＴ−ＣＣＤは、受光部５１及び垂直ＣＣＤ（ＶＣＣ
Ｄ）５２が配設された受光領域５３の隣接領域、すなわ
ちＶＣＣＤの端部に遮光された蓄積部を有する蓄積領域
５４を設けた構造のものである。このようなＦＩＴ−Ｃ
ＣＤでは、高速に電荷を蓄積領域５４へ移動させること
でスミアの低減を図るようになっている。そのためＶＣ
ＣＤの高速動作が求められるので、高速駆動に対応した
転送電極の低抵抗化の必要がある。

【０００６】固体撮像素子における転送電極の電気抵抗
を下げるには、前述したポリシリコン電極の厚さを増加
させることの他には、ポリシリコン電極中のリンやヒ素
のドーパントを増加させて比抵抗を下げることも考えら
れる。しかし、この方法では不純物の固溶限界以上に濃
度を高めても比抵抗は下がらないため、厚さ増加の場合
と同様に多画素化や大型化、高速駆動などの対応におい
て限界がある。そこで、転送電極の電気抵抗を減少させ
る他の方法として、特開２００１−２２３３５２号公報
などに開示されているようなポリシリコン電極上に裏打
金属配線、いわゆるメタル裏打ちを設けた構造が提案さ
れている。

【０００７】正方格子ＣＣＤにメタル裏打ちを設ける場
合、図１６に示すように、ＶＣＣＤ５２の上部に縦方向
に金属配線５５を延設し、コンタクトホール５６を介し
て金属配線５５と各相のポリシリコン電極とを接続する
構造となる。このような正方格子ＣＣＤでは、構造的に
金属配線の配置及び金属配線とポリシリコン電極とを電
気接続するコンタクトホールの配置が限定されてしま
う。また、全画素読み出し可能な３層ポリシリコン構造
の転送電極では、３層の電極が重なっており、各層の電
極を十分に露呈させることが困難なため、全ての層の電
極に対してメタル裏打ちを設けるのは困難である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の固体撮像素子では、転送電極の電気抵抗を減少させる
ために、ポリシリコン電極の厚さを増加させたり、ポリ
シリコン電極中のリンやヒ素のドーパントを増加させる
などの方法が採られていたが、これらの方法ではさらな
る多画素化や大型化、高速駆動などに対応させるのは困
難であった。また、メタル裏打ちを用いる場合、正方格
子ＣＣＤではその構造上、金属配線の配置及び金属配線
とポリシリコン電極とを電気接続するコンタクトホール
の配置が限定されてしまい、多画素化に対応するための
微細化（高密度化）が困難であった。特に、全画素読み
出し可能な３層ポリシリコン構造の転送電極では、構造
的に全層の電極にメタル裏打ちを設けるのは困難であっ
た。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、全画素読み出し可能な固体撮像素子に
おいて、微細化した場合でも転送電極の等価的な電気抵
抗を下げることができ、電荷の高速転送を可能とした固
体撮像装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に一定のピッチで行方向とこれに直交する列方向とに配
列された多数個の受光部であって、ある受光部の画素に
隣接する受光部の画素を前記行方向及び列方向における
画素ピッチの約半分それぞれずれた位置に配置した受光
部と、前記受光部に隣接して前記列方向に延設され前記
受光部で発生した電荷を転送する垂直電荷転送路と、前
記垂直電荷転送路上を覆うように前記行方向に延設され
前記垂直電荷転送路の電位を制御するための転送パルス
を供給するポリシリコン電極からなる転送電極とを有す
る垂直電荷転送部と、前記転送電極の上部に各電極に対
応して設けられ、前記垂直電荷転送部に沿うように前記
列方向に延設された金属配線と、前記ポリシリコン電極
と前記金属配線とを電気的に接続するコンタクト部と、
を備えたことを特徴とする。

【００１１】また本発明は、前記転送電極は、２層のポ
リシリコン電極により構成されることを特徴とする。

【００１２】本発明では、転送電極において、複数相の
転送パルスに対応するそれぞれの層の電極に対して、こ
れらの全ての電極に対応して垂直電荷転送部に沿ってそ
れぞれ列方向（例えば縦方向）に金属配線を配設するこ
とが可能となる。また、転送電極と金属配線とを電気的
に接続するコンタクト部は、配置するレイアウト上の自
由度が高く、例えば受光部の１画素あたりに１つ設ける
ことが可能である。このため、全画素読み出し可能な固
体撮像素子においても、転送電極の電気抵抗を容易かつ
確実に低減させることが可能となり、微細化にも容易に
対応可能である。

【００１３】また本発明は、前記転送電極は、一つの受
光部に対して４本のポリシリコン電極が対応し、それぞ
れ２本ずつのポリシリコン電極が受光部を取り囲むよう
に形成されるものであり、前記金属配線は前記各ポリシ
リコン電極に対して設けられることを特徴とする。

【００１４】また本発明は、前記転送電極は、前記垂直
電荷転送路に４ｎ相（ただし、ｎは１以上の整数）の転
送パルスを供給して駆動するものであることを特徴とす
る。

【００１５】本発明では、金属配線を全てのポリシリコ
ン電極に対してそれぞれ同様のパターンで設けることが
可能であるため、全画素読み出し可能な固体撮像素子に
おいても各相の転送パルスに対応する転送電極の電気抵
抗を容易かつ確実に低減可能となる。

【００１６】また本発明は、前記受光部及び前記垂直電
荷転送部を含む撮像領域の一端部に、前記垂直電荷転送
路によって転送された電荷を蓄積する蓄積部を備えたこ
とを特徴とする。

【００１７】本発明では、蓄積部を備えた全画素読み出
し型のフレームインターライン転送型ＣＣＤ（ＦＩＴ−
ＣＣＤ）を容易に構成可能であり、この固体撮像装置に
おける転送電極の電気抵抗を容易かつ確実に低減可能と
なる。

【００１８】また本発明は、前記転送電極は、前記受光
部の前記行方向１画素ごとに電気的に分離する分離部を
有し、２つの前記受光部列ごとに独立に駆動可能に構成
されることを特徴とする。あるいは、前記転送電極は、
前記受光部の前記行方向２画素ごとに電気的に分離する
分離部を有し、４つの前記受光部列ごとに独立に駆動可
能に構成されることを特徴とする。

【００１９】また本発明は、前記金属配線は、前記分離
部により分離された転送電極に対応する前記受光部列の
一単位毎に前記垂直電荷転送部において逆方向に電荷を
転送する転送パルスを供給するように前記転送電極と接
続されることを特徴とする。

【００２０】本発明では、垂直電荷転送部の所定単位ご
とに交互に逆方向に電荷を転送することが可能であり、
この構成によって、特に高画素化した場合の水平電荷転
送部の水平方向における配置の制限が緩和され、さら
に、消費電力の大半を占める水平電荷転送部の低消費電
力化に有効である。

【００２１】また本発明は、前記受光部及び前記垂直電
荷転送部を含む撮像領域の両端部に、前記垂直電荷転送
部によって転送された電荷をそれぞれ蓄積する蓄積部を
備えたことを特徴とする。

【００２２】本発明では、垂直電荷転送部の所定単位ご
とに交互に逆方向に電荷を転送する構成においても、蓄
積部を備えた全画素読み出し型のフレームインターライ
ン転送型ＣＣＤ（ＦＩＴ−ＣＣＤ）を容易に構成可能で
あり、この固体撮像装置における転送電極の電気抵抗を
容易かつ確実に低減可能となる。

【００２３】また本発明は、前記金属配線は、前記撮像
領域と前記蓄積部とにおいて同じ転送パルスによって垂
直電荷転送部を駆動するように同一配線のもので構成さ
れることを特徴とする。

【００２４】本発明では、金属配線を撮像領域と蓄積部
とで共通とすることにより、金属配線の敷設、接続など
のレイアウト構成を簡略化できる。

【００２５】また本発明は、前記金属配線は、Ａｌ、
Ｗ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこ
れらの窒化物、シリサイド、合金、化合物、複合物によ
り構成されることを特徴とする。

【００２６】本発明では、２層のポリシリコン電極から
なる転送電極に対してそれぞれ金属配線を配設すること
が可能であるため、ポリシリコン電極の厚さを厚くする
必要がなく、微細化にも有効である。金属配線としてＡ
ｌの代わりにＷを用いた場合は、ポリシリコンとの間で
合金が形成されにくくなる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の実施形態に用いる
ＣＣＤ撮像素子の概略構成を示す図である。本実施形態
では、フォトダイオードなどの光電変換素子による受光
部を備えた撮像領域（受光領域）において、ある受光部
に隣接する受光部を水平及び垂直方向の画素ピッチの半
分ずらした位置に配した、すなわち受光部の画素配列を
ハニカム状に配置したいわゆるハニカム配列のＣＣＤ撮
像素子（以下、ハニカムＣＣＤという）を固体撮像素子
として用いる。このハニカムＣＣＤの詳細構成は、特開
平１０−１３６３９１号公報などに開示されている。

【００２８】受光部１０５は、隣接する受光部に対して
水平及び垂直方向において画素ピッチの半分ずらした状
態で配列される。すなわち、ある受光部において水平及
び垂直方向に形成される正方格子の中心点の位置にそれ
ぞれ隣接する受光部が配置される。これにより、水平及
び垂直方向における画素ピッチの１／√２のピッチの正
方格子を４５度傾けた状態に受光部が配列された撮像領
域が構成される。

【００２９】これらの受光部１０５は、Ｐ型低濃度不純
物領域（P-well）とＮ型高濃度不純物層１０５ａ及び表
面のＰ型高濃度不純物層１０５ｂからなる埋め込みフォ
トダイオードにより構成される。受光部１０５の周囲の
隣接した領域には、垂直方向（図中縦方向）に蛇行して
延在した形で、受光部１０５において蓄積した電荷を転
送するＮ型高濃度不純物による電荷転送路１０６が配設
されている。電荷転送路１０６の上部には、第１層１０
１と第２層１０２の２層構造のポリシリコン電極による
転送電極１１１，１１２，１１３，１１４が形成されて
いる。２層ポリシリコン電極は、第１層１０１を形成し
た後、端部が重なるように絶縁膜１０９を介して第２層
１０２を形成したものである。これらの転送電極１１
１，１１２，１１３，１１４によって例えばφ１，φ
２，φ３，φ４の４相の転送パルスを印加して電荷転送
路１０６を駆動し、全画素読み出しが可能である。

【００３０】受光部１０５の外周の一側部には、光電変
換により蓄積された電荷を電荷転送路１０６へ読み出す
読み出しゲート１０７が設けられ、他方の側部には上下
方向にわたって隣の画素列の電荷転送路に電荷が流れな
いように堰き止めるＰ型高濃度不純物による素子分離領
域（チャネルストップ）１０８が形成されている。ま
た、受光部１０５及び電荷転送路１０６、第１層ポリシ
リコン電極１０１、第２層ポリシリコン電極１０２の表
面には、それぞれＳｉＯ₂ 等の酸化膜による絶縁膜１０
９が形成され、この絶縁膜１０９によって互いに電気的
に絶縁されている。

【００３１】このようなハニカムＣＣＤでは、転送電極
を２層ポリシリコン構造としても全画素読み出しに対応
できるため、製造プロセスを簡略化できる。また、一画
素あたり４電極を配置することができる。この場合、４
相の転送パルスで駆動することによって、扱う電荷量を
３相駆動の場合の約１．５倍大きくすることができる。
ハニカムＣＣＤの構造では、従来の正方格子ＣＣＤに比
べて、受光部の面積を相対的に大きくでき、しかも水平
・垂直の解像度が高いことから、微細化（高密度化、多
画素化）していった場合でも高感度の固体撮像素子が得
られる。

【００３２】しかし、固体撮像素子の多画素化、チップ
の大型化に伴い、ＶＣＣＤの転送電極長が電極幅、電極
厚に対し相対的に長くなると、その電気抵抗が無視でき
なくなる。従来の固体撮像素子は、外部より転送パルス
を供給する場合、撮像領域を水平方向に伸びる転送電極
に対しては端部のみから給電する構成となり、途中で給
電する部分は設けられていない。そのため、特に撮像領
域の大きさ（イメージサイズ）の大きなＣＣＤあるい
は、単位画素を微細化した高画素のＣＣＤでは、最初の
給電箇所から離れた場所における転送パルスは横方向に
長い電極の抵抗成分及び容量成分によりパルスの波形が
なまり、また駆動電圧が低下するため、転送効率が低下
するという問題がある。

【００３３】そこで、本実施形態では、転送電極の電気
抵抗を下げるために、ポリシリコン等からなる転送電極
に対して、より比抵抗の小さい電極材料を絶縁膜を介し
て転送電極と交差して横切るような縦方向に積層するこ
とにより、転送電極のポリシリコン層を厚くすることな
く、電気抵抗を下げるようにする。また、ポリシリコン
電極自体の膜厚を薄くできるので、ゲート酸化膜、ポリ
シリコン層間酸化膜等の厚さを従来より薄くすることが
でき、結果的にＣＣＤ撮像素子の駆動電圧を下げること
ができる。

【００３４】図２は本発明の第１実施形態に係る固体撮
像装置の撮像部の構成を拡大して示す平面図、図３は第
１実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す構成説
明図、図４はポリシリコン電極と金属配線とを電気接続
するコンタクト部の構成を示す断面図である。

【００３５】本実施形態におけるハニカムＣＣＤは、前
述したように、受光部１０５と、それに隣接する電荷転
送路１０６及び転送電極１１１〜１１４からなる垂直電
荷転送部（ＶＣＣＤ）１２２とが二次元平面状に配置さ
れている。受光部１０５における一水平画素行は隣接す
る画素行に対して水平方向に水平画素ピッチの１／２だ
け互いにずれており、また一垂直画素列は隣接する画素
列に対して垂直方向（縦方向）に垂直画素ピッチの１／
２だけずれて配列されていわゆるハニカム配列を構成し
ている。ＶＣＣＤ１２２は、一画素に対して４相の転送
パルスφ１〜φ４を供給するための転送電極１１１〜１
１４が配設されている。各転送電極１１１〜１１４は水
平方向（横方向）に延在しており、受光部１０５を避け
るようにしながら蛇行して形成されている。

【００３６】入射光を受光することにより受光部１０５
で発生した信号電荷は、図において右下方に設けられた
読み出しゲート１０７から電荷転送路１０６に読み出さ
れる。各画素の受光部１０５に隣接する電荷転送路１０
６は、図において上部から下部に向かって縦方向に連な
っており、ハニカム状に配列した受光部１０５の間を蛇
行しながら垂直方向（縦方向）に延在し、転送電極１１
１〜１１４とともにＶＣＣＤ１２２を形成している。

【００３７】図３に示すように、受光部１０５及びＶＣ
ＣＤの電荷転送路１０６などが設けられる撮像領域１３
５の下部には、遮光された２相駆動の水平電荷転送部
（ＨＣＣＤ）１２３が設けられ、各ＶＣＣＤの端部がＨ
ＣＣＤ１２３に接続されている。さらにＨＣＣＤ１２３
の末端には、フローティングディフュージョンアンプ
（ＦＤＡ）等を有してなる信号読み出し回路１２４が接
続され、この信号読み出し回路１２４より信号電荷がＣ
ＣＤ素子外部に読み出される。

【００３８】本実施形態では、ＶＣＣＤの転送電極１１
１〜１１４として使用しているポリシリコン電極の電気
抵抗を下げるために、ポリシリコンより比抵抗が小さい
電極材料、例えばＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングス
テン）を金属配線１２５としてポリシリコン電極上に絶
縁膜を介して積層したいわゆるメタル裏打ち構造を形成
している。この金属配線１２５はコンタクトホール１２
６を介してそれぞれの転送電極１１１〜１１４に電気接
続されている。金属配線１２５は、２層構造のポリシリ
コン電極に対して交差して横切るように、すなわち図に
おいて縦方向に電荷転送路１０６に沿うように蛇行しな
がら各転送路ごとに１本ずつ敷設され、４本ずつの金属
配線１２５が各相の転送電極１１１〜１１４に対応して
それぞれポリシリコン電極と接続される。

【００３９】図４に示すように、各転送電極１１１〜１
１４の間、及び転送電極１１１〜１１４の上部にはＳｉ
Ｏ₂ による絶縁膜１６０が設けられ、その上部に金属配
線１２５が配設されている。絶縁膜１６０の所定位置に
はコンタクトホール１２６が形成され、このコンタクト
ホール１２６によって転送電極１１１〜１１４と金属配
線１２５とをそれぞれ導通させて電気的に接続してい
る。コンタクトホール１２６の位置は、対応するポリシ
リコン電極上に１個または複数個設けられる。この金属
配線１２５は、図において縦方向に延出され、撮像領域
上部においてその末端が素子外部より供給される駆動用
の転送パルスφ１〜φ４を伝送するための配線パターン
１３０と電気接続されている。

【００４０】なお図示しないが、本実施形態の固体撮像
素子の表面には保護膜（平坦化膜）が設けられる。この
表面保護膜上には、通常のＣＣＤ撮像素子と同様に遮光
膜、カラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成されてお
り、高感度のカラー固体撮像素子を構成している。

【００４１】従来の固体撮像素子においても、メタル裏
打ち構造として金属材料を積層した例があるが、正方格
子ＣＣＤの場合は空いたスペースが受光部の横のＶＣＣ
Ｄの上部にしかないため、図１６に示したように金属材
料の配置に大きな制約があった。また、全画素読み出し
型の正方格子ＣＣＤではポリシリコン電極が３層構造と
なるため、全ての相の転送電極に対して金属材料を設け
てコンタクトをとって接続するのは困難であり、メタル
裏打ち構造を設ける場合はインターレース読み出し型の
２層ポリシリコン電極から構成されるＦＩＴ−ＣＣＤに
限られていた。これに対し、本実施形態のようなハニカ
ムＣＣＤでは、全画素読み出し型のＣＣＤであっても転
送電極を２層ポリシリコン構造にでき、容易に全ての相
（層）の転送電極に対して金属材料を縦方向に延在させ
て設けることができる。また、ポリシリコン電極と金属
配線とを導通させて電気接続するためのコンタクトホー
ルの位置も自由に設定できる。

【００４２】電極材料としては、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ
（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニ
ッケル）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、あるい
はこれらの窒化物（ＷＳｉ（タングステンシリコン）な
ど）、シリサイド（ＴｉＳｉ（チタンシリコン）な
ど）、合金、化合物、複合物が適する。Ａｌは加工が容
易で扱いやすく、電気抵抗が小さいので裏打金属配線に
よく用いられる。電極材料にＷ（タングステン）、Ｗと
ＷＮ（窒化タングステン）あるいはＷとＴｉＮ（チタン
ナイトライド）の積層膜を用いることで、ポリシリコン
との間で合金を形成しないので、合金によるポテンシャ
ルシフト（ポテンシャルの部分的な変化）が起こりにく
く、ＶＣＣＤにおいて効率の良い電荷転送が可能であ
る。また、Ｗは固体撮像素子の遮光膜に用いられるた
め、遮光膜部分と合わせて使用すればよい。

【００４３】このメタル裏打ち構造によって、転送電極
の抵抗成分を低下させつつも、ポリシリコン電極自体の
膜厚は厚くする必要がなくなる。従来のＣＣＤにおいて
ポリシリコン電極の厚さは０．４μｍ〜０．７μｍ程度
であったが、本実施形態の構成によれば、ポリシリコン
電極の膜厚を０．３μｍ以下とした場合においても正常
な高速電荷転送が可能である。ポリシリコン電極の厚さ
を薄くすることにより、電極形成時のエッチング精度を
向上でき、微細化が容易である。

【００４４】２層、あるいは３層ポリシリコン電極を転
送電極とする多層ポリシリコンＣＣＤでは、各ポリシリ
コン電極形成のためにポリシリコン膜のデポジション、
フォトリソグラフィー、エッチング等の加工プロセスを
少なくとも積層すべき層数だけ繰り返す必要がある。こ
のとき、各ポリシリコン電極を互いに絶縁するために、
ポリシリコン表面を熱酸化しシリコン酸化膜を形成す
る。このためＣＣＤの場合には、シリコン基板表面に形
成するゲート酸化膜はＣＭＯＳ論理ＩＣ等に比べて厚く
形成されている。これは、ポリシリコンのエッチング工
程において、シリコン表面を保護するゲート酸化膜が減
少するために予めゲート酸化膜を厚く形成する必要があ
るためである。ゲート酸化膜が厚くなると、転送電極に
加える転送パルスの印加電圧は高く設定する必要があ
る。従って、ポリシリコン電極の厚さを薄くすることが
できれば、相対的にゲート酸化膜を薄くでき、これによ
ってＣＣＤの駆動電圧を下げることができる。

【００４５】このように本実施形態では、ＶＣＣＤに転
送パルスを供給するための２層ポリシリコン電極からな
る転送電極の厚さを増大させることなく、全画素読み出
し可能な固体撮像素子においても転送電極の電気抵抗を
容易に低減できる。したがって、ＣＣＤを大型化、高密
度化した場合でも各画素の受光部が配列された撮像領域
全体にわたって駆動パルスの電位をほぼ同レベルで変化
させることができ、高速駆動に十分に対応可能となる。
また、各受光部上の段差形状が緩和されると同時に、熱
酸化および拡散工程処理時間が短くなり、微細化が容易
になる効果も得られる。

【００４６】図５は本発明の第２実施形態に係る固体撮
像装置の全体構成を示す構成説明図である。第２実施形
態は、第１実施形態の構成に加えて蓄積領域を設けた例
を示す。

【００４７】受光部１０５及びＶＣＣＤの電荷転送路１
０６などが設けられる撮像領域１３５の下部には、遮光
された蓄積部を有する蓄積領域１３６が設けられ、ハニ
カム構造の全画素読み出し型ＦＩＴ−ＣＣＤを構成して
いる。蓄積領域１３６は、例えば全画素数に対応した電
荷蓄積容量を有しており、この蓄積領域１３６の端部に
遮光された２相駆動のＨＣＣＤ１２３が接続され、さら
にＨＣＣＤ１２３の末端にＦＤＡ等を有してなる信号読
み出し回路１２４が接続されている。この蓄積領域１３
６は、フォトダイオードが無い構造であるので、ＶＣＣ
Ｄは蛇行せず従来の正方格子ＣＣＤと同様に直線状に形
成されたものとなっている。

【００４８】また、詳細は図示しないが、蓄積領域のＶ
ＣＣＤに転送パルスを供給するポリシリコン電極には、
撮像領域と同様に電気抵抗の小さい金属配線が積層され
ている。この金属配線は縦方向または横方向に延在させ
て配設され、撮像領域のＶＣＣＤと同様に末端が外部か
らの転送パルスを伝送する配線パターン１３７と接続さ
れ、例えば４相の転送パルスφｓ１〜φｓ４で駆動され
る。なお、撮像領域のＶＣＣＤと蓄積領域のＶＣＣＤと
は同じ駆動パルスで駆動することも可能であり、この場
合は双方の領域の金属配線は互いに同一配線で共通とす
ることができる。

【００４９】前述したように、本実施形態のようなハニ
カムＣＣＤでは、ポリシリコン電極による転送電極の電
気抵抗を下げるために、全画素読み出し可能な固体撮像
素子においても全層（相）の転送電極に対して容易に金
属配線を設けることができ、電荷の高速転送が可能であ
る。このため、全画素読み出し型のＦＩＴ−ＣＣＤを構
成した場合でも、撮像領域から高速に電荷を移動させ、
遮光された蓄積領域に信号電荷を一時収容できるので、
スミアを大幅に低減させることができる。

【００５０】図６は本発明の第３実施形態に係る固体撮
像装置の撮像部の構成を拡大して示す平面図、図７は転
送パルス供給源に接続される配線パターンと金属配線と
を電気接続するコンタクト部の構成を示す断面図、図８
は第３実施形態に係るポリシリコン電極の平面構成を拡
大して示す平面図、図９は第３実施形態に係る固体撮像
装置の全体構成を示す構成説明図である。第３実施形態
は、撮像領域におけるＶＣＣＤの所定単位毎に転送電極
を分離して交互に上下方向に電荷を転送するようにした
第１の例を示す。

【００５１】電荷転送路１０６は、受光部１０５に隣接
して図において縦方向に延設されて転送電極１１１〜１
１４とともにＶＣＣＤ１２２を構成している。転送電極
１１１〜１１４を構成するポリシリコン電極１４１は、
ＶＣＣＤ１２２の２本おきにチャネルストップ１０８の
位置において分離部１４２が形成され、ＶＣＣＤ２本ず
つ、すなわち受光部１０５の垂直画素列において１画素
ごとに電気的に分離されている。これにより、各画素の
受光部１０５を取り囲む電荷転送路１０６上のポリシリ
コン電極１４１を独立に駆動することができる。

【００５２】ＶＣＣＤ１２２のポリシリコン電極１４１
上には、１本のＶＣＣＤに対してそれぞれ２本の金属配
線１４３が絶縁膜を介してポリシリコン電極１４１を横
断する方向に設けられている。すなわち、金属配線１４
３は、２層構造のポリシリコン電極１４１に対して交差
して横切るように、図において縦方向にＶＣＣＤ１２２
に沿うように蛇行しながら各転送路ごとに２本ずつ敷設
され、４本ずつの金属配線１４３が各転送電極１１１〜
１１４に対応してそれぞれポリシリコン電極１４１と接
続される。そして、これらの金属配線１４３は、図にお
いて縦方向に延出され、その末端が素子外部より供給さ
れる駆動用の転送パルスφ１〜φ４を伝送するための配
線パターン１３０と電気接続されている。

【００５３】なお、配線パターン１３０は、図６のよう
に撮像領域下部に配設してもよいし、図３のように撮像
領域上部に配設したり、図９のように撮像領域の上下両
端部に分けて配設するなど、適宜構成可能である。この
図６の例では、金属配線１４３をＷ、配線パターン１３
０をＡｌで形成している。この場合、図７に示すよう
に、金属配線１４３を形成した後、その上にプラズマＣ
ＶＤ膜（例えばＳｉＯ₂）などの絶縁膜１６１を積層す
る。そして、配線パターン１３０と電気的なコンタクト
をとるためにコンタクトホール１６２を形成する。さら
に、絶縁膜１６１の上に配線パターン１３０を形成する
ことにより、金属配線１４３と配線パターン１３０とを
導通させ、配線パターン１３０から必要な駆動パルスを
ＶＣＣＤ１２２の転送電極１１１〜１１４に供給できる
ようにする。

【００５４】ＶＣＣＤ２列ごとに分離独立したポリシリ
コン電極各４本の組は、図６に示すように、横方向に隣
り合う組で転送パルスの相φ１〜φ４が反転するように
金属配線１４３と接続されており、隣接する各組交互に
異なる位相で駆動される。したがってこの場合、電荷転
送方向がＶＣＣＤ２列ごとに互いに逆方向になるよう
に、金属配線とポリシリコン電極とを接続するコンタク
ト部１４４が形成される。図８は、分離されたポリシリ
コン電極１４１の各組の単位をわかりやすくするため
に、金属配線等を除いてポリシリコン電極１４１（転送
電極１１１〜１１４）のみを示したものである。

【００５５】図９に示すように、受光部１０５及びＶＣ
ＣＤの電荷転送路１０６などが設けられる撮像領域１３
５の上下両端部には、それぞれ遮光された２相駆動のＨ
ＣＣＤ１４５，１４６が設けられ、各ＶＣＣＤの転送方
向の端部がそれぞれのＨＣＣＤ１４５，１４６に接続さ
れている。そして、各ＨＣＣＤ１４５，１４６の末端に
はＦＤＡ等を有してなる信号読み出し回路１４７，１４
８が接続されている。すなわち、ＶＣＣＤ２本おきに上
側または下側のＨＣＣＤに接続され、上下方向に交互に
転送電荷が読み出されるように構成されている。その他
の部分の構成は第１実施形態と同様である。

【００５６】このように本実施形態では、ハニカムＣＣ
Ｄにおいて縦方向に金属配線を配設したメタル裏打ち構
造によって、ＶＣＣＤ２本ずつで電気的に分離して異な
る位相で駆動し、信号電荷を上下方向へ交互に逆方向に
転送することができる。上下両端部のそれぞれのＨＣＣ
Ｄにおいては、一端のみにＨＣＣＤを設ける場合に比べ
て転送周波数が約１／２になるため、ＶＣＣＤの高速転
送に伴うＨＣＣＤの高速駆動の要求が緩和され、低消費
電力、高転送効率が得られる。また、動画モード等の間
引画像の読み出しにも適しており、この場合、一方のＨ
ＣＣＤのみからの出力を読み出し、他方のＨＣＣＤを休
止することができる。

【００５７】また、本実施形態の構成によれば、固体撮
像素子を多画素化、高密度化した場合にＨＣＣＤの水平
方向における集積密度が緩和され、さらに、消費電力の
大半を占めるＨＣＣＤの低消費電力化に有効である。

【００５８】図１０は本発明の第４実施形態に係る固体
撮像装置の撮像部の構成を拡大して示す平面図、図１１
は第４実施形態に係るポリシリコン電極の平面構成を拡
大して示す平面図、図１２は第４実施形態に係る固体撮
像装置の全体構成を示す構成説明図である。第４実施形
態は、撮像領域におけるＶＣＣＤの所定単位毎に転送電
極を分離して交互に上下方向に電荷を転送するようにし
た第２の例を示す。

【００５９】第４実施形態は、第３実施形態の変形例で
あり、転送電極をＶＣＣＤの４本ずつで分離した構成と
なっている。２層のポリシリコン電極１４１は、ＶＣＣ
Ｄ１２２の４本おきにチャネルストップ１０８の位置に
おいて分離部１４２が形成され、ＶＣＣＤ４本ずつ、す
なわち受光部１０５の垂直画素列において２画素ごとに
電気的に分離されている。よって、第４実施形態は第３
実施形態に比べて、ポリシリコン電極の横方向の長さが
約２倍長くなっている。

【００６０】ＶＣＣＤ１２２のポリシリコン電極１４１
上には、第１実施形態と同様に、１本のＶＣＣＤに対し
てそれぞれ１本の金属配線１２５が絶縁膜を介してポリ
シリコン電極１４１を横断する方向に設けられている。
すなわち、金属配線１２５は、２層構造のポリシリコン
電極１４１に対して交差して横切るように、図において
縦方向にＶＣＣＤ１２２に沿うように蛇行しながら各転
送路ごとに１本ずつ敷設され、４本ずつの金属配線１２
５が各転送電極１１１〜１１４に対応してそれぞれポリ
シリコン電極と接続される。

【００６１】ＶＣＣＤ４列ごとに分離独立したポリシリ
コン電極各４本の組は、図１０に示すように、第１実施
形態と同様に各組で４相の転送パルスφ１〜φ４により
駆動される。したがってこの場合、電荷転送方向がＶＣ
ＣＤ４列ごとに互いに逆方向になるように、金属配線と
ポリシリコン電極とを接続するコンタクト部１４４が形
成される。図１１は、分離されたポリシリコン電極１４
１の各組の単位をわかりやすくするために、金属配線等
を除いてポリシリコン電極１４１（転送電極１１１〜１
１４）のみを示したものである。

【００６２】図１２に示すように、受光部１０５及びＶ
ＣＣＤの電荷転送路１０６などが設けられる撮像領域１
３５の上下両端部には、第３実施形態と同様、それぞれ
遮光された２相駆動のＨＣＣＤ１４５，１４６が設けら
れ、各ＶＣＣＤの転送方向の端部がそれぞれのＨＣＣＤ
１４５，１４６に接続されている。第４実施形態では、
ＶＣＣＤ４本おきに上側または下側のＨＣＣＤに接続さ
れ、上下方向に交互に転送電荷が読み出されるように構
成されている。その他の部分の構成は第３実施形態と同
様である。

【００６３】このように本実施形態では、ＶＣＣＤ４本
ずつで電気的に分離して信号電荷を上下方向へ交互に逆
方向に転送することができるため、第３実施形態と同様
に、ＶＣＣＤの高速転送に伴うＨＣＣＤの高速駆動の要
求が緩和され、低消費電力、高転送効率が得られる。ま
た、動画モード等の間引画像の読み出しにも適してお
り、この場合、一方のＨＣＣＤのみからの出力を読み出
し、他方のＨＣＣＤを休止することができる。加えて、
各ＶＣＣＤ上に配置される金属配線は２本から１本にな
るため、電極形成か容易になる。

【００６４】図１３は本発明の第５実施形態に係る固体
撮像装置の全体構成を示す構成説明図である。第５実施
形態は、第３実施形態または第４実施形態の構成に加え
て第２実施形態と同様に蓄積領域を設けた例を示す。

【００６５】受光部１０５及びＶＣＣＤの電荷転送路１
０６などが設けられる撮像領域１３５の上部及び下部に
は、遮光された蓄積領域１５１，１５２がそれぞれ設け
られ、ハニカム構造の全画素読み出し型ＦＩＴ−ＣＣＤ
を構成している。各蓄積領域１５１，１５２は、例えば
全画素数の約半分に対応した電荷蓄積容量を有してお
り、これらの蓄積領域１５１，１５２の端部にそれぞれ
遮光された２相駆動のＨＣＣＤ１５３，１５４が接続さ
れ、さらに各ＨＣＣＤ１５３，１５４の末端にＦＤＡ等
を有してなる信号読み出し回路１５５，１５６が接続さ
れている。その他の部分の構成は第２〜第４実施形態と
同様である。

【００６６】この第５実施形態では、第３及び第４実施
形態と同様に、ＨＣＣＤの高速駆動の要求が緩和され、
低消費電力、高転送効率が得られる。また、動画モード
等の間引画像の読み出しにも適しており、この場合、一
方のＨＣＣＤのみからの出力を読み出し、他方のＨＣＣ
Ｄを休止することができる。加えて、全画素読み出し型
のＦＩＴ−ＣＣＤを構成した場合でも、フレームインタ
ーライン転送動作により、撮像領域から高速に電荷を移
動させて蓄積領域に一時収容できるので、低スミアの撮
像が可能になる。

【００６７】上述したように、本実施形態の構成によれ
ば、全画素読み出し可能な固体撮像素子において、微細
化等を行った場合でもＶＣＣＤを構成する２層ポリシリ
コン電極からなる転送電極の厚さを増大させることな
く、転送電極の等価的な電気抵抗を容易に下げることが
可能である。これにより、ＶＣＣＤ等において電荷の高
速転送が可能であり、スミア特性を改善することができ
る。また、ポリシリコン電極、ゲート酸化膜、ポリシリ
コン層間酸化膜等を薄くできるので、素子の微細化及
び、ＣＣＤの低電圧駆動、低消費電力駆動、及び高速駆
動が可能であり、多画素化、高密度化にも容易に対応で
きる。

【００６８】さらに、ＶＣＣＤの所定単位ごとに交互に
逆方向に電荷を転送することにより、動画モード等にお
ける間引き読み出しに適したＣＣＤを構成できる。ま
た、ＨＣＣＤの駆動周波数を低減し、低消費電力の駆動
が可能となる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、全
画素読み出し可能な固体撮像素子において、微細化した
場合でも転送電極の等価的な電気抵抗を下げることがで
き、電荷の高速転送を可能とした固体撮像装置を提供で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に用いるハニカムＣＣＤの概
略構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−
Ａ断面図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の撮
像部の構成を拡大して示す平面図である。

【図３】第１実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を
示す構成説明図である。

【図４】ポリシリコン電極と金属配線とを電気接続する
コンタクト部の構成を示す断面図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の全
体構成を示す構成説明図である。

【図６】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の撮
像部の構成を拡大して示す平面図である。

【図７】転送パルス供給源に接続される配線パターンと
金属配線とを電気接続するコンタクト部の構成を示す断
面図である。

【図８】第３実施形態に係るポリシリコン電極の平面構
成を拡大して示す平面図である。

【図９】第３実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を
示す構成説明図である。

【図１０】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の
撮像部の構成を拡大して示す平面図である。

【図１１】第４実施形態に係るポリシリコン電極の平面
構成を拡大して示す平面図である。

【図１２】第４実施形態に係る固体撮像装置の全体構成
を示す構成説明図である。

【図１３】本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の
全体構成を示す構成説明図である。

【図１４】従来の正方格子ＣＣＤの主要部を示す図であ
り、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

【図１５】従来のフレームインターライン転送型ＣＣＤ
の構成を示す平面図である。

【図１６】従来の正方格子ＣＣＤに設けられるメタル裏
打ち構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１０１第１層（ポリシリコン電極）１０２第２層（ポリシリコン電極）１０５受光部１０６電荷転送路１０７読み出しゲート１０８素子分離領域（チャネルストップ）１０９絶縁膜１１１，１１２，１１３，１１４転送電極（ポリシリ
コン電極）１２２垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）１２３，１４５，１４６，１５３，１５４水平電荷転
送部（ＨＣＣＤ）１２４，１４７，１４８，１５５，１５６信号読み出
し回路１２５，１４３金属配線１２６コンタクトホール１３０，１３７配線パターン１３５撮像領域１３６，１５１，１５２蓄積領域１４１ポリシリコン電極１４２分離部１４４コンタクト部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AB01 BA12 BA13 CA02 CA03 DB06 DB08 DD09 FA06 FA07 FA26 FA33 GB03 GC07 5C024 AX01 CY33 GX03 GX18 GY05 GY06 GY07 GZ01 GZ11 HX35 JX25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に一定のピッチで行方向と
これに直交する列方向とに配列された多数個の受光部で
あって、ある受光部の画素に隣接する受光部の画素を前
記行方向及び列方向における画素ピッチの約半分それぞ
れずれた位置に配置した受光部と、前記受光部に隣接して前記列方向に延設され前記受光部
で発生した電荷を転送する垂直電荷転送路と、前記垂直
電荷転送路上を覆うように前記行方向に延設され前記垂
直電荷転送路の電位を制御するための転送パルスを供給
するポリシリコン電極からなる転送電極とを有する垂直
電荷転送部と、前記転送電極の上部に各電極に対応して設けられ、前記
垂直電荷転送部に沿うように前記列方向に延設された金
属配線と、前記ポリシリコン電極と前記金属配線とを電気的に接続
するコンタクト部と、を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記転送電極は、２層のポリシリコン電
極により構成されることを特徴とする請求項１に記載の
固体撮像装置。
【請求項３】前記転送電極は、一つの受光部に対して
４本のポリシリコン電極が対応し、それぞれ２本ずつの
ポリシリコン電極が受光部を取り囲むように形成される
ものであり、前記金属配線は前記各ポリシリコン電極に対して設けら
れることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮
像装置。
【請求項４】前記転送電極は、前記垂直電荷転送路に
４ｎ相（ただし、ｎは１以上の整数）の転送パルスを供
給して駆動するものであることを特徴とする請求項３に
記載の固体撮像装置。
【請求項５】前記受光部及び前記垂直電荷転送部を含
む撮像領域の一端部に、前記垂直電荷転送部によって転
送された電荷を蓄積する蓄積部を備えたことを特徴とす
る請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記転送電極は、前記受光部の前記行方
向１画素ごとに電気的に分離する分離部を有し、２つの
前記受光部列ごとに独立に駆動可能に構成されることを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項７】前記転送電極は、前記受光部の前記行方
向２画素ごとに電気的に分離する分離部を有し、４つの
前記受光部列ごとに独立に駆動可能に構成されることを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項８】前記金属配線は、前記分離部により分離
された転送電極に対応する前記受光部列の一単位毎に前
記垂直電荷転送部において逆方向に電荷を転送する転送
パルスを供給するように前記転送電極と接続されること
を特徴とする請求項６または７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】前記受光部及び前記垂直電荷転送部を含
む撮像領域の両端部に、前記垂直電荷転送部によって転
送された電荷をそれぞれ蓄積する蓄積部を備えたことを
特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項１０】前記金属配線は、前記撮像領域と前記
蓄積部とにおいて同じ転送パルスによって垂直電荷転送
部を駆動するように同一配線のもので構成されることを
特徴とする請求項５または９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】前記金属配線は、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、Ｔ
ｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの窒化
物、シリサイド、合金、化合物、複合物により構成され
ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の
固体撮像装置。