JP2007142040A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】画像データの生成に利用しない電荷の掃き出し処理を速やかに且つ低コストで行うことが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】多数の光電変換素子１と、光電変換素子１から読み出された電荷をＹ方向に転送する複数の垂直転送チャネル２と、垂直転送チャネル２を転送されてきた電荷をＸ方向に転送する水平転送チャネル６とを有するＣＣＤ型の固体撮像素子であって、光電変換素子１と垂直転送チャネル２との間に形成される電荷読み出し領域ＴＧを除く光電変換素子１の周囲に形成された素子分離領域３と、接地された遮光膜１５とを、水平転送チャネル６近傍にて電気的に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像素子に関する。

多数の光電変換素子と、多数の光電変換素子から読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送路と、垂直転送路を転送されてきた電荷を垂直方向に交差する水平方向に転送する水平転送路とを有するＣＣＤ型の固体撮像素子では、画像データ生成に用いる電荷として電子を利用する場合、光電変換素子において電子と共に発生した正孔（ホール）を掃き出す必要がある。

一般に、ＣＣＤ型の固体撮像素子では、光電変換素子と垂直転送路との間に形成される電荷読み出し領域を除く光電変換素子の周囲に形成された素子分離領域と、接地された遮光膜とを、半導体基板の水平転送路が形成される側とは反対側の端部において電気的に接続することで、正孔の掃き出しを行っている。

又、特許文献１には、各光電変換素子の表面に形成される素子分離領域と接続されたｐ＋型不純物領域上に透明電極を形成し、この透明電極上に、接地された遮光膜を形成し、光電変換素子で発生した正孔を、該透明電極を介して遮光膜に移動させることで、正孔の掃き出しを実現する構成が記載されている。

特開平７−９４６９９号公報

光電変換素子で発生した電子と正孔は、基本的に、同じ方向に流れようとする。又、シリコン基板内では、正孔の移動度は電子の移動度よりも非常に低い。このため、従来のように、電子が流れようとする方向の反対側まで正孔を移動させて、正孔を掃き出す方法では、ただでさえ移動度の低い正孔を流れに逆らって移動させることになり、正孔の掃き出しを速やかに行うことが困難である。光を大量に受光した場合等に、正孔の掃き出し処理が遅れると、素子分離領域による電子のストッパー効果が低下し、光電変換素子で発生した電子が、その光電変換素子に隣接する転送路に溢れてしまう可能性がある。又、正孔の掃き出し処理が遅れると、電子と正孔が再結合されて、感度が低下してしまう。

特許文献１記載の構成によれば、各光電変換素子で発生した正孔をほとんど移動させずに掃き出すことができるため、正孔の掃き出しを速やかに行うことが可能である。しかし、透明電極として酸化バナジウム錫等の特殊な材料を使用する必要があり、製造工程における汚染防止処理が必要となる等のコストアップにつながる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、画像データの生成に利用しない電荷の掃き出し処理を速やかに且つ低コストで行うことが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、多数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を所定方向に転送する複数の第一転送路と、前記第一転送路を転送されてきた電荷を前記所定方向に交差する方向に転送する第二転送路とを有するＣＣＤ型の固体撮像素子であって、前記光電変換素子と前記第一転送路との間に形成される電荷読み出し領域を除く前記光電変換素子の周囲に形成された素子分離領域と、接地された接地部材とを、前記第二転送路近傍にて電気的に接続したものである。

本発明の固体撮像素子は、前記素子分離領域に接続された前記素子分離領域と同一導電型の導電領域によって、前記第一転送路を転送されてきた電荷が蓄積される蓄積領域が分離されるラインメモリを有し、前記接地部材が前記導電領域に接続されたものである。

本発明の固体撮像素子は、同一の前記第一転送路に電荷が読み出される光電変換素子のうち、前記第二転送路の近傍にある光電変換素子を、被写体光を検出させない無効光電変換素子とし、前記接地部材が、前記無効光電変換素子の表面に接続されたものである。

本発明の固体撮像素子は、前記無効光電変換素子が、同一の前記第一転送路に電荷が読み出される光電変換素子のうち、前記第二転送路に最も近い位置にある光電変換素子である。

本発明の固体撮像素子は、前記接地部材が遮光膜である。

本発明によれば、画像データの生成に利用しない電荷の掃き出し処理を速やかに且つ低コストで行うことが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するためのＣＣＤ型の固体撮像素子の半導体基板上方の積層物を除く部分の平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、半導体基板９の所定方向である行方向（図中のＸ方向）と、行方向に交差（ここでは直交）する方向である列方向（図中のＹ方向）に正方格子状に配設された多数の光電変換素子１と、光電変換素子１から読み出された電荷（ここでは電子とする）を列方向に転送するための複数本の垂直転送チャネル（ＶＣＣＤ）２と、各垂直転送チャネル２に接続され、各垂直転送チャネル２を転送されてきた電子を一時的に蓄積するｎ型不純物からなる蓄積領域４ａ及び隣接する蓄積領域４ａ同士を分離するためのｐ型不純物からなるメモリ分離領域４ｂからなるラインメモリ（ＬＭ）４と、蓄積領域４ａに蓄積されている電子を読み出して行方向に転送するための水平転送チャネル（ＨＣＣＤ）６と、水平転送チャネル６を転送されてきた電子を信号に変換する出力アンプ７とを備える。

垂直転送チャネル２は、特許請求の範囲の第一転送路に相当する。水平転送チャネル６は、特許請求の範囲の第二転送路に相当する。メモリ分離領域４ｂは、特許請求の範囲の導電領域に相当する。

図２は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図である。図２では、半導体基板上方の一部の積層物についても図示している。
半導体基板９は、ｎ型半導体層９ａと、ｎ型半導体層９ａ上に形成されたｐウェル層９ｂとから構成される。ｐウェル層９ｂの表面部には、ｐ＋型半導体領域（以下、ｐ＋領域と略す）１ａが形成され、ｐ＋領域１ａの下にｎ型半導体領域（以下、ｎ領域と略す）１ｂが形成されている。ｎ領域１ｂとｐウェル層９ｂとのｐｎ接合で光電変換されて発生した電荷（電子及び正孔）がｎ領域１ｂに蓄積される。ｐ＋領域１ａは、暗電流を防ぐためのものである。ｐ＋領域１ａとｎ領域１ｂとによって光電変換素子１が構成される。

ｐ＋領域１ａ及びｎ領域１ｂの右隣には、少し離間してｎ領域からなるＶＣＣＤ２が形成されている。ｐ＋領域１ａ及びｎ領域１ｂとＶＣＣＤ２との間のｐウェル層９ｂには、光電変換素子１で発生してｎ領域１ｂに蓄積された電子をＶＣＣＤ２に読み出すための電荷読み出し領域ＴＧが形成される。ＶＣＣＤ２上方には、ＯＮＯ膜等からなるゲート絶縁膜１１を介して、ＶＣＣＤ２を駆動するための駆動電極と電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極１２が形成されている。電極１２上には透明な絶縁膜１６を介して、タングステンやアルミニウム等からなる遮光膜１３が形成されている。遮光膜１３には、光電変換素子１上方において開口が形成されている。ＶＣＣＤ２上方に形成される遮光膜１３は、通常、タングステンが用いられる。

各光電変換素子１の周囲には、その光電変換素子１に蓄積された電子を読み出すＶＣＣＤ２との間に形成される電荷読み出し領域ＴＧを除く部分に、その光電変換素子１に蓄積された電子が読み出されない隣接するＶＣＣＤ２や、その光電変換素子１に隣接する光電変換素子等の他の素子との分離を図るためのｐ＋領域からなる素子分離領域３が形成されている。尚、図１では、素子分離領域３を一部だけ図示している。

光電変換素子１の周囲に形成される素子分離領域３は、その光電変換素子１のｐ＋領域１ａとｎ領域１ｂに接続されている。又、素子分離領域３は、同一のＶＣＣＤ２に電子が読み出される多数の光電変換素子からなる光電変換素子群に対応して１つ形成されている。

図３は、図１に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図である。図３では、半導体基板上方の一部の積層物についても図示している。図３において図２と同様の構成には同一符号を付してある。
図３に示すように、ｐウェル層９ｂの表面部には、蓄積領域４ａを構成するｎ領域４ａと、メモリ分離領域４ｂを構成するｐ＋領域４ｂとが、行方向に向かって交互に形成されている。各ｐ＋領域４ｂには、１つの素子分離領域３が接続されている。ｎ領域４ａ上方には、ゲート絶縁膜１１を介して、ラインメモリを駆動するための駆動電極１４が形成されている。ｎ領域４ａ及びｐ＋領域４ｂの上方には、タングステンやアルミニウム等からなる接地された遮光膜１５が形成されている。ラインメモリ４及びＨＣＣＤ６上方に形成される遮光膜１５は、通常、抵抗が小さいアルミニウムが用いられる。

通常、遮光膜１５は、ゲート絶縁膜１１上方に形成されるが、本実施形態の固体撮像素子では、素子分離領域３と、接地された遮光膜１５とを、ＨＣＣＤ６になるべく近い位置にて電気的に接続するために、図３に示したように、各ｐ＋領域４ｂ上のゲート絶縁膜１１及び絶縁膜１６の一部に開口を形成し、この開口において、各ｐ＋領域４ｂと遮光膜１５とを接続した構成となっている。各ｐ＋領域４ｂと遮光膜１５とが接続されている領域が、図１の符号８で示した領域に相当する。このような構成により、素子分離領域３と、接地された遮光膜１５とが、メモリ分離領域４ｂを介して電気的に接続される。つまり、遮光膜１５の各ｐ＋領域４ｂとの接続部分が、正孔ドレインとして機能することになる。

次に、以上のような構成の固体撮像素子の動作を説明する。
撮像によって発生した電子は、光電変換素子１のｎ領域１ｂに蓄積された後、電荷読み出し領域ＴＧからＶＣＣＤ２に読み出され、ここから転送されて信号に変換されて出力される。一方、撮像によって発生した正孔は、光電変換素子１のｎ領域１ｂに蓄積された後、このｎ領域１ｂに接続されている素子分離領域３に移動し、素子分離領域３に接続されているメモリ分離領域４ｂに到達する。又、ｎ領域１ｂに蓄積された正孔はｐ＋領域１ａにも移動するが、この正孔も、ｐ＋領域１ａに接続された素子分離領域３に移動して、メモリ分離領域４ｂに到達する。そして、メモリ分離領域４ｂに到達した正孔は、接地された遮光膜１５へと掃き出される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子は、素子分離領域３と、接地された部材である遮光膜１５とを、メモリ分離領域４ｂにて電気的に接続した構成となっている。この構成によれば、撮像によって発生した正孔が、メモリ分離領域４ｂまで移動してから遮光膜１５に掃き出される。このため、従来のように、正孔を、その流れやすい方向とは逆方向に移動させて遮光膜に掃き出す構成に比べると、正孔を高速で掃き出すことが可能となる。したがって、電子の溢れや感度の低下を防ぐことができる。

又、本実施形態の固体撮像素子は、従来のラインメモリを有するＣＣＤ型の固体撮像素子の製造プロセスにおいて、遮光膜１５を形成する前に、メモリ分離領域４ｂ上方のゲート絶縁膜１１及び絶縁膜１６の一部に開口を形成しておくプロセスを追加するのみで、このような効果を得ることができる。したがって、コストの上昇を抑えることができる。

尚、近年の多画素化や微細化等によって、素子分離領域３の幅は非常に細くなっており、ＨＣＣＤ６の近傍にて、素子分離領域３に遮光膜１５を直接接続することは困難である。そこで、本実施形態のように、素子分離領域３よりも幅の広いメモリ分離領域４ｂを有効利用することで、課題の解決を容易に行うことができる。

各光電変換素子１で発生した正孔の全てが、その流れやすい方向に移動することができれば、正孔の高速掃き出しが可能である。このような理由から、本実施形態では、各光電変換素子１で発生した正孔の全てが、その流れやすい方向に移動するように、ＨＣＣＤ６の直前のメモリ分離領域４ｂに正孔ドレインを設けている。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態を説明するためのＣＣＤ型の固体撮像素子の半導体基板上方の積層物を除く部分の平面模式図である。図４において図１と同様の構成には同一符号を付してある。
図４に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子において、メモリ分離領域４ｂに遮光膜１５を直接接続する代わりに、同一のＶＣＣＤ２に電子が読み出される多数の光電変換素子１のうち、ＨＣＣＤ６に最も近い光電変換素子１を被写体からの光を検出させない無効光電変換素子（スミアレベル検出用の光電変換素子や、黒レベル検出用の光電変換素子等）とし、この無効光電変換素子の表面のｐ＋領域１ａに、接地された遮光膜１３を直接接続する構成とした点のみが異なる。

図５は、図４に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図である。図５において、図２と同様の構成には同一符号を付してある。
図５に示すように、無効光電変換素子１が通常の光電変換素子１と異なる点は、無効光電変換素子１上方の遮光膜１３に開口が形成されていない点である。通常、被写体からの光を検出させない無効光電変換素子は、図５に示すように、無効光電変換素子１上方の遮光膜１３に開口が形成されておらず、又、遮光膜１３は、絶縁膜１６上に形成される。しかし、本実施形態の固体撮像素子では、素子分離領域３と遮光膜１３とを、ＨＣＣＤ６になるべく近い位置にて電気的に接続するために、図５に示したように、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａ上のゲート絶縁膜１１及び絶縁膜１６の一部に開口を形成し、この開口において、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａと遮光膜１３とを接続した構成となっている。無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａと遮光膜１３とが接続されている領域が、図４の符号１０で示した領域に相当する。このような構成により、素子分離領域３と遮光膜１３とが、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａを介して電気的に接続される。つまり、遮光膜１３の無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａとの接続部分が、正孔ドレインとして機能することになる。

以上のような構成の固体撮像素子の動作を説明する。
各光電変換素子１で撮像によって発生した電子は、光電変換素子１のｎ領域１ｂに蓄積された後、電荷読み出し領域ＴＧからＶＣＣＤ２に読み出され、ここから転送されて信号に変換されて出力される。一方、各光電変換素子１で撮像によって発生した正孔は、光電変換素子１のｎ領域１ｂに蓄積された後、このｎ領域１ｂに接続されている素子分離領域３に移動し、素子分離領域３に接続されている無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａに到達する。又、光電変換素子１のｎ領域１ｂに蓄積された正孔はｐ＋領域１ａにも移動するが、この正孔も、ｐ＋領域１ａに接続された素子分離領域３に移動して、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａに到達する。そして、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａに到達した正孔は、接地された遮光膜１３へと掃き出される。

以上のような構成の固体撮像素子でも、第一実施形態と同様に、各光電変換素子１で発生した正孔の全てが、その流れやすい方向に移動して掃き出される。このため、正孔を高速に掃き出すことができる。又、ＣＣＤ型の固体撮像素子には、スミアレベル検出用の光電変換素子や、黒レベル検出用の光電変換素子等の被写体からの光を検出させない無効光電変換素子を作っておくのが一般的である。このため、このような無効光電変換素子を利用することで、ラインメモリを有していないような固体撮像素子であっても、正孔の高速掃き出しを実現することができる。

尚、光電変換素子１のｐ＋領域１ａの厚さは非常に薄いため、このｐ＋領域１ａ上のゲート絶縁膜１１及び絶縁膜１６に開口を形成する際に、ｐ＋領域１ａの厚さが更に薄くなってしまい、正孔掃き出し効果が低減する可能性もある。そこで、同一のＶＣＣＤ２に電子が読み出される多数の光電変換素子１のうち、ＨＣＣＤ６に最も近い光電変換素子１については、表面のｐ＋領域１ａを厚くし、その下のｎ領域１ｂを省略した図６に示すような構成とする。そして、この光電変換素子１は、欠陥素子として、後の信号処理で欠陥補正処理を行うようにする。このように、無効光電変換素子１のｐ＋領域１ａを厚くしておくことで、正孔掃き出し効果の低減を防ぐことができる。

第一実施形態及び第二実施形態では、画像データを生成するために用いる電荷が電子である場合を例にしたが、画像データを生成するために用いる電荷が正孔であっても構わない。この場合は、上述したｐの導電型をｎに変更し、ｎの導電型をｐに変更すれば良い。

尚、第二実施形態では、同一のＶＣＣＤ２に電子が読み出される多数の光電変換素子１のうち、ＨＣＣＤ６に最も近い光電変換素子１を無効光電変換素子としたが、無効光電変換素子を配置する場所は、ＨＣＣＤ６近傍であれば良い。この場合、ＨＣＣＤ６の近傍とは、各光電変換素子１で発生した正孔の掃き出し処理によって、電子の溢れ度合いや感度の低下度合いが許容範囲内となる位置のことを言う。

上述した遮光膜１３と遮光膜１５は別のものとしたが、これらは同一の遮光膜であっても構わない。又、遮光膜１３と遮光膜１５は、特許請求の範囲の接地部材に相当する。

本発明の第一実施形態を説明するためのＣＣＤ型の固体撮像素子の半導体基板上方の積層物を除く部分の平面模式図 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図 図１に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線の断面模式図 本発明の第二実施形態を説明するためのＣＣＤ型の固体撮像素子の半導体基板上方の積層物を除く部分の平面模式図 図４に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の断面模式図 図４に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線の別構成を示す断面模式図

符号の説明

１ 光電変換素子
２ 垂直転送チャネル
３ 素子分離領域
４ ラインメモリ
４ａ 蓄積領域
４ｂ メモリ分離領域
６ 水平転送チャネル
７ 出力アンプ

Claims (5)

1. 多数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を所定方向に転送する複数の第一転送路と、前記第一転送路を転送されてきた電荷を前記所定方向に交差する方向に転送する第二転送路とを有するＣＣＤ型の固体撮像素子であって、
   前記光電変換素子と前記第一転送路との間に形成される電荷読み出し領域を除く前記光電変換素子の周囲に形成された素子分離領域と、接地された接地部材とを、前記第二転送路近傍にて電気的に接続した固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記素子分離領域に接続された前記素子分離領域と同一導電型の導電領域によって、前記第一転送路を転送されてきた電荷が蓄積される蓄積領域が分離されるラインメモリを有し、
   前記接地部材が前記導電領域に接続された固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   同一の前記第一転送路に電荷が読み出される光電変換素子のうち、前記第二転送路の近傍にある光電変換素子を、被写体光を検出させない無効光電変換素子とし、
   前記接地部材が、前記無効光電変換素子の表面に接続された固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記無効光電変換素子が、同一の前記第一転送路に電荷が読み出される光電変換素子のうち、前記第二転送路に最も近い位置にある光電変換素子である固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか記載の固体撮像素子であって、
   前記接地部材が遮光膜である固体撮像素子。

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