JP2008004818A - 固体撮像素子及びこれを備えたデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】微細化と多画素化の両方に対応することができる製造の容易な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】列方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を、列方向に直交する行方向に複数配列した配置の多数の光電変換素子１０と、光電変換素子１０からの電荷を列方向に転送する第１の電荷転送部を有し、多数の光電変換素子１０は、隣接する２つの光電変換素子列を、互いにその光電変換素子列に含まれる光電変換素子の配列ピッチの約１／２列方向にずらして配置したものであり、第１の電荷転送部は、複数の光電変換素子列の各々に含まれる光電変換素子１０に対応して半導体基板内に形成された電荷転送チャネルであって、対応する光電変換素子１０が含まれる光電変換素子列に沿って列方向に延びて形成された直線形状の複数本の電荷転送チャネル２０と、複数本の電荷転送チャネル２０の各々を平面視上交差するように形成された電極Ｖ１〜Ｖ４とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板内の行方向とこれに直交する列方向に配設された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子からの電荷を前記列方向に転送する第１の電荷転送部と、前記第１の電荷転送部を転送されてきた電荷を前記行方向に転送する第２の電荷転送部と、前記第２の電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子に関する。

従来、列方向に一定のピッチで配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を、列方向に直交する行方向に一定のピッチで複数配列した配置となっている多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、隣接する２つの光電変換素子列を、互いに、その光電変換素子列に含まれる光電変換素子の配列ピッチの約１／２、列方向にずらして配置した固体撮像素子が知られている（例えば特許文献１参照）。

このような固体撮像素子によれば、各光電変換素子からの電荷を列方向に転送するための電荷転送チャネルを、各光電変換素子列の間を光電変換素子を避けるように蛇行させて形成することで、光電変換素子の開口率を大きくすることが可能となり、この結果、感度を向上させることができる。

特開２００１−１１１０２７号公報

しかし、近年、固体撮像素子は微細化が進んでおり、これ以上の微細化が進むと、蛇行形状の電荷転送チャネルを有する固体撮像素子においては、その製造が容易ではなくなる。製造が困難になることで、製造時に電荷転送チャネルの電位を安定させることも困難となり、この結果、電荷転送効率を上げることが難しくなるため、これも微細化が進んだときの懸念材料となる。一方では、多画素化の要望もあり、微細化しながら、多画素化を進める必要がある。特許文献１に記載されたような固体撮像素子は、信号処理によって光電変換素子の数の２倍の解像度を得られることから、多画素化を進める上で有利な構成である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細化と多画素化の両方に対応することができる製造の容易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、半導体基板内の行方向とこれに直交する列方向に配設された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子からの電荷を前記列方向に転送する第１の電荷転送部と、前記第１の電荷転送部を転送されてきた電荷を前記行方向に転送する第２の電荷転送部と、前記第２の電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子は、前記列方向に一定のピッチで配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を、前記行方向に一定のピッチで複数配列した配置となっており、隣接する２つの前記光電変換素子列の各々に含まれる前記光電変換素子は、前記光電変換素子列に含まれる前記光電変換素子の前記列方向の配列ピッチの約１／２、前記列方向に互いにずれて配置されており、前記第１の電荷転送部は、前記複数の光電変換素子列の各々に含まれる前記光電変換素子に対応して前記半導体基板内に形成された複数本の電荷転送チャネルであって、対応する前記光電変換素子が含まれる前記光電変換素子列に沿って前記列方向に延びて形成された直線形状の複数本の電荷転送チャネルと、前記複数本の電荷転送チャネルの各々を平面視上交差するように形成された複数本の電極とを含む。

本発明の固体撮像素子は、前記電荷転送チャネル上に形成される前記複数本の電極同士の境界の少なくとも一部が、前記行方向と交差する方向に延びて形成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記電荷転送チャネルと平面視上重なる前記複数本の電極の各々の形状が略台形となっている。

本発明のデジタルカメラは、前記固体撮像素子を備える。

本発明によれば、微細化と多画素化の両方に対応することができる製造の容易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。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子１００は、半導体基板内の行方向とこれに直交する列方向に配設された多数の光電変換素子１０と、多数の光電変換素子１０からの電荷を列方向に転送する第１の電荷転送部である垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部を転送されてきた電荷を行方向に転送する第２の電荷転送部である水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）３０と、ＨＣＣＤ３０を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部４０とを備える。

多数の光電変換素子１０は、列方向に一定のピッチで配列された複数の光電変換素子１０からなる光電変換素子列を、行方向に一定のピッチで複数配列した配置となっている。

隣接する２つの光電変換素子列の各々に含まれる光電変換素子１０は、当該光電変換素子列に含まれる光電変換素子１０の列方向の配列ピッチの約１／２、列方向に互いにずれて配置されており、多数の光電変換素子１０の配列は、いわゆるハニカム配列となっている。多数の光電変換素子１０の配列は、特許文献１に記載の素子とほぼ同様となっている。

半導体基板内には、複数の光電変換素子列の各々に含まれる光電変換素子１０に対応して形成された複数本の電荷転送チャネル２０であって、対応する光電変換素子１０が含まれる光電変換素子列に沿って列方向に延びて形成された直線形状の複数本の電荷転送チャネル２０が形成されている。複数本の電荷転送チャネル２０上には、図示しないゲート絶縁膜を介して、電極Ｖ１〜Ｖ４が、複数本の電荷転送チャネル２０の各々を平面視上交差するように形成されている。この複数本の電荷転送チャネル２０と、その上にある電極Ｖ１〜Ｖ４とにより、垂直電荷転送部が構成されている。

図１の例では、各光電変換素子列に対応して、各光電変換素子列の右隣に電荷転送チャネル２０が形成されており、各電荷転送チャネル２０には、対応する光電変換素子列に含まれる光電変換素子１０から電荷が読み出されるようになっている。

各光電変換素子１０には、電極Ｖ１〜Ｖ４の４つの電極が対応して設けられており、行方向に配列された複数の光電変換素子１０からなる光電変換素子行同士の間には、電極Ｖ１及び電極V２、又は、電極Ｖ３及び電極Ｖ４の２つの電極が、光電変換素子１０を避けるように行方向に蛇行して形成されている。

各光電変換素子１０と、それに対応する電荷転送チャネル２０との間の半導体基板内には、図示しない電荷読み出し領域が形成されている。電極Ｖ１及び電極Ｖ３は、この電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための読み出し電極も兼ねており、電極Ｖ１及びＶ３に読み出しパルスを印加することで、各光電変換素子１０からそれに対応する電荷転送チャネル２０に電荷が読み出されるようになっている。電荷転送チャネル２０に電荷が読み出された後は、電極Ｖ１〜Ｖ４に所定の転送パルスを印加することで、電荷が列方向に転送される。

固体撮像素子１００では、図１に示したように、電荷転送チャネル２０と平面視上重なる電極Ｖ１〜Ｖ４の各々の形状が略台形となっている。つまり、各電荷転送チャネル２０上にある電極Ｖ１〜Ｖ４を見たときに、電極Ｖ１と電極Ｖ２との境界が行方向と交差する方向に延びて形成され、電極Ｖ２と電極Ｖ３との境界が行方向に延びて形成され、電極Ｖ３と電極Ｖ４との境界が行方向と交差する方向に延びて形成され、電極Ｖ４と電極Ｖ１との境界が行方向に延びて形成されるように、各電極の形状が決められている。このように、電極Ｖ１〜Ｖ４同士の境界が、行方向と交差する方向に延びる境界を含むことで、電荷転送効率を向上させることが可能である。

図２は、行方向と交差する方向に電極同士の境界を形成した場合に電荷転送効率が向上することを証明するためのシミュレーション結果を示す図である。
図２（ａ）は、各電荷転送チャネル２０上にある電極Ｖ１〜Ｖ４を見たときに、各電極同士の境界が行方向に延びて形成されるように、各電極の形状を決めた場合の電荷転送チャネル２０内のＡ−Ｂ線断面におけるポテンシャル分布をシミュレーションした結果を示す図である。図２（ｂ）は、各電荷転送チャネル２０上にある電極Ｖ１〜Ｖ４を見たときに、電極Ｖ１と電極Ｖ２との境界が行方向に延び、電極Ｖ２と電極Ｖ３との境界が行方向と交差する方向に延び、電極Ｖ３と電極Ｖ４との境界が行方向に延びて形成されるように、各電極の形状を決めた場合の電荷転送チャネル２０内のＣ−Ｄ線断面におけるポテンシャル分布をシミュレーションした結果を示す図である。いずれの結果も、電極Ｖ１には−８Ｖ、電極Ｖ２には−５Ｖ、電極Ｖ３には−２Ｖ、電極Ｖ４には０Ｖの電圧を印加したものとして、シミュレーションを行った結果である。

図２から明らかなように、電極Ｖ２と電極Ｖ３の境界を行方向と交差する方向に形成することで、ポテンシャルスロープが階段状からスロープ状に変化しており、この変化によって電荷移動が容易になることが分かる。

以上のような構成の固体撮像素子１００によれば、光電変換素子１０がハニカム配列となっているため、行方向に並ぶ２つの光電変換素子１０同士の中間位置と、列方向に並ぶ２つの光電変換素子１０同士の中間位置とに、信号処理によって仮想的な画素を生成して解像度を上げることができ、多画素化にも十分に対応することができる。

又、固体撮像素子１００によれば、電荷転送チャネル２０が直線形状となっているため、電荷転送チャネル形成のためのイオン注入時のレジスト形状不均一性によるイオン注入量のムラがなくなり、電荷転送チャネル２０が蛇行形状となっている場合に比べて電荷転送効率を向上させることができる。又、固体撮像素子１００の製造が容易となり、製造コストの削減が可能となる。又、電極Ｖ１と電極Ｖ２との境界、及び、電極Ｖ３と電極Ｖ４との境界がそれぞれ行方向と交差する方向に延びて形成されているため、電荷転送効率を更に向上させることができる。

又、固体撮像素子１００によれば、光電変換素子列に含まれる光電変換素子１０同士の間のスペースを有効活用することができるため、このスペースを利用して光電変換素子１０の開口率を大きくすることが可能である。特許文献１記載のように、電荷転送チャネルを蛇行形状にし、空いたスペースを用いて光電変換素子の開口率を広げる場合、光電変換素子の開口形状は菱形に近いものとなっており、これも、微細化が進むと製造が困難となる。これに対し、固体撮像素子１００において光電変換素子１０の開口率を広げる場合は、光電変換素子１０の開口形状を列方向に細長い長方形とすれば良く、開口形状に斜め方向の辺を存在させずに済むため、製造を容易に行うことができる。

尚、以上の説明では、電荷転送チャネル２０上にある電極Ｖ１〜Ｖ４を見たときに、電極Ｖ２と電極Ｖ３との境界、及び、電極Ｖ１と電極Ｖ４との境界がそれぞれ行方向に延びて形成されるものとしたが、これらの境界が、行方向と交差する方向に延びて形成されるように、各電極の形状を決定しても良い。

本実施形態で説明した固体撮像素子１００を搭載するデジタルカメラを製造することで、低コスト且つ高解像度のカメラを実現することができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 行方向と交差する方向に電極の境界を設けた場合に電荷転送効率が向上することを証明するためのシミュレーション結果を示す図

符号の説明

１０ 光電変換素子
２０ 電荷転送チャネル
３０ 水平電荷転送部
４０ 出力部
Ｖ１〜Ｖ４ 電極
１００ 固体撮像素子

Claims (4)

1. 半導体基板内の行方向とこれに直交する列方向に配設された多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子からの電荷を前記列方向に転送する第１の電荷転送部と、前記第１の電荷転送部を転送されてきた電荷を前記行方向に転送する第２の電荷転送部と、前記第２の電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、
   前記多数の光電変換素子は、前記列方向に一定のピッチで配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を、前記行方向に一定のピッチで複数配列した配置となっており、
   隣接する２つの前記光電変換素子列の各々に含まれる前記光電変換素子は、前記光電変換素子列に含まれる前記光電変換素子の前記列方向の配列ピッチの約１／２、前記列方向に互いにずれて配置されており、
   前記第１の電荷転送部は、前記複数の光電変換素子列の各々に含まれる前記光電変換素子に対応して前記半導体基板内に形成された複数本の電荷転送チャネルであって、対応する前記光電変換素子が含まれる前記光電変換素子列に沿って前記列方向に延びて形成された直線形状の複数本の電荷転送チャネルと、前記複数本の電荷転送チャネルの各々を平面視上交差するように形成された複数本の電極とを含む固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記電荷転送チャネル上に形成される前記複数本の電極同士の境界の少なくとも一部が、前記行方向と交差する方向に延びて形成されている固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記電荷転送チャネルと平面視上重なる前記複数本の電極の各々の形状が略台形となっている固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子を備えるデジタルカメラ。

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