JP2011243791A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオード間の信号電荷漏れ、混色やノイズ発生を防止し、また高感度、高ダイナミックレンジを実現できる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 複数のフォトダイオード１の列と垂直転送領域２が交互に形成され、垂直方向に互いに隣接するフォトダイオード１間には素子分離が形成される。各素子分離上には電気的にフローティングとされた中間電極４が設けられ、また垂直転送領域２上には垂直転送電極３が設けられる。さらに素子分離上の中間電極４の上層を通ると共にコンタクト孔７を通じて垂直転送電極３に電気的接続され、信号電荷の読み出しおよび転送を行うためにクロックパルスが印加される配線５が形成される。また、１画素において１つのフォトダイオードに対し、１つの垂直転送電極３と１本の配線５が割り当てられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体撮像素子、特にＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子の構造に関するものである。

従来から固体撮像素子、例えばインターライン型のＣＣＤはビデオカメラやデジタルカメラに広く採用されている。このインターライン型ＣＣＤは複数の光電変換素子（フォトダイオード）と半導体基板に形成された電荷転送領域を含む垂直転送ＣＣＤを一列ごとに交互に配置し、各垂直転送ＣＣＤ列の端部を水平転送ＣＣＤに接続した構成を有している。また水平転送ＣＣＤはアンプ部に接続されている。

図８は従来のＣＣＤ型固体撮像素子における一画素の代表的な構成を示す平面レイアウト図である。図８において、フォトダイオード４１に隣接して垂直転送ＣＣＤを構成すると共に信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送領域４２が半導体基板に設けられている。そして１画素内においては、フォトダイオード４１の１個に対して垂直転送ＣＣＤを駆動するための垂直転送用電極がフォトダイオード４１を取り囲むように２本（第１垂直転送電極４３ａおよび第２垂直転送電極４３ｂ）設けられている。

このような画素セルを有するＣＣＤは例えば各垂直転送電極に４相のクロックパルス電圧を印加して駆動することができる。この駆動方式の場合、例えば第１垂直転送電極４３ａにハイレベルのクロックパルス電圧が印加され、同時に第２垂直転送電極４３ｂにはミドルレベルまたはローレベルのクロックパルス電圧が印加される。これによりフォトダイオード４１で生成された信号電荷は第１垂直転送電極４３ａ直下の垂直転送領域４２に読み出され、一方第２垂直転送電極４３ｂ下の垂直転送領域４２にはポテンシャルウエルの電位障壁が形成され、第２垂直転送電極４３ｂによっては信号電荷の読み出しは行われない。

以上のような垂直転送電極を有するＣＣＤでは、第１垂直転送電極４３ａに対応して形成できるポテンシャルウエルの長さが１個のフォトダイオード４１の垂直転送方向の長さの約半分となるため、ポテンシャルウエルに読み出して転送時に取り扱うことのできる飽和電荷量が小さく、固体撮像素子のＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを向上させることが困難であるという問題がある。

これを改善するための方法は例えば特許文献１に開示されている。図９は特許文献１が開示するＣＣＤ構造と同一概念を有する、一画素を中心とする領域のレイアウト図である。図９が示す画素では、１画素内に１個のフォトダイオード４１とそのフォトダイオード４１を取り囲むような形状を有する一本の垂直転送電極４４が設けられる。垂直転送電極を図９のような構成とすることにより、図８に示す画素が有する２本分の垂直転送電極４３ａ、４３ｂを用いて垂直転送領域４２に信号電荷を読み出すことと等価となり、図８に示す画素と比較して約２倍の信号電荷を読み出すことができるようになる。すなわち転送時の飽和電荷量の増大を図ることができる。そして４相クロックパルス電圧で駆動させることも可能となっている。これに類する技術は特許文献２にも記載されている。

特開平３−９７３８１号公報 特開２００２−１１８２４７号公報

ＣＣＤなどの固体撮像素子ではフォトダイオードに蓄積された信号電荷を垂直転送領域に読み出す場合、垂直転送電極に例えば＋１２Ｖのような高い電圧を印加して行う。一方図８および図９に示したように、垂直転送電極４３ａ、４３ｂあるいは４４は、垂直方向に互いに隣接する２個のフォトダイオード４１の間にあり、それらフォトダイオード４１を垂直方向に電気的に分離する半導体基板に形成された分離領域上を通るように設けられる。しかもそれら垂直転送電極はゲート絶縁膜程度の薄い絶縁膜を介して分離領域から電気的に絶縁されているだけであるので、信号電荷の読み出しを行うときに上記分離領域中のキャリアが垂直転送電極からの強い電界の影響を受けることになる。

図９に示した画素における垂直転送電極４４はフォトダイオード４１を垂直方向に分離する分離領域のほぼ全域を通るように配置されるので、信号電荷を読み出すための高いクロックパルス電圧が垂直転送電極４４に印加されると、場合によっては分離領域の表面に反転層が形成され、フォトダイオード４１に蓄積された信号電荷の一部が隣接する他のフォトダイオード４１に漏れることによっていわゆる混色が発生したり、ノイズの原因となる。図９に示した垂直転送電極の配置は信号電荷転送時の飽和電荷量が改善できる効果は有するのであるが上記のような課題があった。

これに対して図８に示した画素においては互いに隣接するフォトダイオード４１の１つの分離領域上に第１垂直転送電極４３ａおよび第２垂直転送電極４３ｂの２本を通す構造となっている。従って第１垂直転送電極４３ａにハイレベルのクロックパルス電圧を印加してフォトダイオード４１から信号電荷を読み出している期間であっても、第２垂直転送電極４３ｂにはミドルレベルもしくはローレベルのクロックパルス電圧が印加された状態となっている。このためフォトダイオード４１間の分離領域の、第１垂直転送電極４３ａによる高電界の影響を受ける領域が制限され、混色などの問題が発生しにくいと考えられる。しかしながらすでに述べたように垂直転送領域４２における取り扱い飽和電荷量が小さいという課題は残されたままになっている。

本発明は上記課題を解決するものであって、フォトダイオードからの信号電荷読み出し動作のような固体撮像素子の駆動中に発生する強電界などにより問題が生ずることを防止できる固体撮像素子の構造を提供することを目的とする。またそれと共に垂直転送時における取り扱い飽和電荷量の増大を実現できる固体撮像素子の構造を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板に行および列をなすようにマトリックス状に配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成するための複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部からなる列の間に設けられ、前記列が延びる方向に沿って延びる、前記信号電荷を転送するための垂直転送領域と、前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間の前記半導体基板に設けられた素子分離と、前記素子分離上に絶縁膜を介して形成された中間電極と、前記複数の光電変換部からなる行が延びる方向に沿って延びると共に前記中間電極上を通り、前記信号電荷を前記垂直転送領域に読み出して転送するための垂直転送電極配線とを備えたものである。

この固体撮像素子においては、前記垂直転送電極配線の上層に形成され、前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記行が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有するパターン層を備えるようにすることができる。

あるいは、前記垂直転送電極配線の上層に形成され、前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記行が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有する第１の部分と、前記垂直転送電極配線より上層に形成され、前記行が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記列が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有する第２の部分とを組み合わせた網目状のパターン層を備えるようにすることができる。

この固体撮像素子の望ましい形態では、前記中間電極を電気的にフローティングとする、また前記パターン層が導電材料からなり、前記中間電極に電気的に接続する構成とする。

また前記垂直転送電極配線は、さらに具体的には前記垂直転送領域上に設けられた垂直転送電極と、前記行が延びる方向に沿って延びると共に前記中間電極上を通り、前記垂直転送電極に電気的に接続する配線からなるようにすることができる。この場合において前記垂直転送電極と前記中間電極とを同一の導電膜から形成されたものとすることが望ましい。

前記配線は、前記光電変換部の、前記列が延びる方向への配列ピッチより小さく、且つ前記光電変換部の、前記列が延びる方向の幅より大きい一定の幅を有すると共に、前記光電変換部の表面を露出させる開口を有するようにできる。

また前記パターン層あるいは前記配線は、前記入射光に対して遮光性を有する膜からなる構成にもできる。特にこのようなパターン層は、前記パターン層の上層に、前記光電変換部に前記入射光を集光するためのレンズを備えた固体撮像装置に適用することが有益である。

本発明に係る固体撮像素子は、上に説明したように光電変換部の列が延びる方向に互いに隣接する当該光電変換部の間に設けられた素子分離上に中間電極が形成され、その中間電極上を通るように垂直転送電極配線が形成されたものである。中間電極上のような半導体基板の表面から高い位置に垂直転送電極配線を形成したことにより、垂直転送電極配線と素子分離との距離が大きくなるので、垂直転送電極配線からの強電界が素子分離に及びにくくなる。また垂直転送電極配線の下の中間電極によって強電界を遮蔽することが可能となる。

従って素子分離における上記強電界に起因して発生する混色やノイズ発生を防止することができる。また、本発明に係る固体撮像素子における上述の種々の構成によって他の様々な効果を奏することができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子における画素の平面レイアウト図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子における、図１のＡ−Ａ‘方向の断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子における、図１のＢ−Ｂ‘方向の断面図。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子における画素の平面レイアウト図。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子における、図４のＤ−Ｄ‘方向の断面図。 インターライン型ＣＣＤの概略構成図。 本発明に係る固体撮像素子の駆動方法の一例を説明する図。 従来の固体撮像素子における画素の平面レイアウト図。 従来の固体撮像素子における画素の平面レイアウト図。

以下、本発明の固体撮像素子に係る実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施形態においてはインターライン型ＣＣＤを例にとる。図６はインターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図である。図６を参照すると、固体撮像素子（ＣＣＤ）３０には撮像領域３１が設けられており、入射光を光電変換し信号電荷を生成するためのフォトダイオード（光電変換部）３２、フォトダイオード３２で生成された信号電荷を垂直方向に転送するための垂直転送領域（垂直電荷転送領域）３３、垂直転送領域３３によって転送されてきた信号電荷を水平方向に転送するための水平転送領域（垂直電荷転送領域）３４からなる。

複数個のフォトダイオード３２は半導体基板の表面部にマトリックス状に配列され、フォトダイオード３２の各列間にその列が延びる方向に沿って平行に垂直転送領域３３が配置されている。図６には垂直転送電極配線は記載していないが、複数の垂直転送電極配線のそれぞれは撮像領域３１の右端領域から左端領域まで水平方向、すなわち複数のフォトダイオード３２からなる行が延びる方向に沿って平行に延びている。また水平転送領域３４で転送されてきた信号電荷は出力アンプ３５を介して電気信号として出力される。以降、フォトダイオード配列の１列が延びる方向を垂直方向、フォトダイオードの１行が延びる方向を水平方向ということにして説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の固体撮像素子に係る第１の実施形態における１画素とその周囲に配置された他の画素の一部分までを表示する平面レイアウト図である。また、図２は図１のＡ−Ａ‘線に沿う断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。まず、図１および図２により、固体撮像素子の平面構成およびＡ−Ａ‘線方向の断面構成を説明する。図２において、Ｎ型シリコン基板（半導体基板）９上にＰ型ウエル１０が形成されるが、このＰ型ウエル１０はＮ型シリコン基板９に熱拡散により形成されてもよいし、Ｎ型シリコン基板９上にエピタキシャル成長にて形成されたエピタキシャル層であってもよい。本発明の実施形態ではＰ型ウエル１０が半導体基板からなるか、エピタキシャル層からなるかに係らず半導体層と見なすことができる。

Ｐ型ウエル１０にはＮ型不純物層１１およびその上の高不純物濃度のＰ型不純物層１２が形成され、この２つの不純物層により、入射光を光電変換し信号電荷を蓄積するフォトダイオード（光電変換部）１を構成する。フォトダイオード１は図１において点線で囲まれる矩形領域として表示される。フォトダイオード１の領域の左側にはＮ型の転送チャネル１３およびその下にＰ型不純物層１４が形成されており、これら２つの層がフォトダイオード１で生成された信号電荷を転送する垂直転送領域（垂直電荷転送領域）２を構成する。垂直転送領域２は図１の点線で示すようにストライプ状であって垂直方向に延びる。

フォトダイオード１と垂直転送領域２との間には、図１には示さないがＰ型の読み出しゲート層１５が設けられ、そのＰ型の不純物濃度はＰ型ウエル１０よりも高い所定の濃度に設定されており、フォトダイオード１で生成された信号電荷は読み出しゲート層１５を通じて転送チャネル１３へ読み出すことができる。また、図１には示さないが転送チャネル１３の左およびＰ型不純物層１２およびＮ型不純物層１１（フォトダイオード１）の右に隣接して高不純物濃度を有するＰ型の素子分離１６が形成されている。この素子分離１６は、注目する画素に属するフォトダイオード１および垂直転送領域２と、隣接する画素に属するフォトダイオードおよび垂直転送領域とを電気的に絶縁するものである。

Ｐ型ウエル１０の表面上、すなわち転送チャネル１３および読み出しゲート層１５、素子分離１６の一部表面上にはゲート絶縁膜としての薄い絶縁膜１７を介して例えばシリコン膜からなる垂直転送電極３が形成され、図１に示すようにその水平方向の幅は、水平方向に互いに隣接するフォトダイオード１間の幅より小さく、また垂直方向の長さはフォトダイオード１の垂直方向への配列ピッチｐ（図１参照）より小さく、矩形形状を有する。また垂直転送電極３の垂直方向の配列間隔は信号電荷の転送効率を確保するためにできるだけ微小にされる。

垂直転送電極３の上層には配線５が形成され、垂直転送電極３を被覆すると共にシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜１８に開孔されたコンタクト孔７を通じて垂直転送電極３と電気的に接続されている。この配線５は、撮像領域３１（図６参照）の右端領域から左端領域まで水平方向に連続的に延びるように設けられ、固体撮像素子を駆動するための駆動信号（クロックパルス電圧）が印加されるものである。このようにして垂直転送電極３および配線５の組み合わせは図６に関して説明した垂直転送電極配線をなすものであり、駆動信号が印加されて、フォトダイオード１で生成された信号電荷を転送チャネル１３に読み出し、または該信号電荷の垂直転送を行う機能を担うものである。

また配線５はフォトダイオード１の表面に近いという理由で遮光性を有する膜で構成し、遮光膜の機能も兼ね備えるようにしているため、強い入射光により垂直転送領域２への電荷漏れによりスミアが発生することも抑制する。配線５の平面パターンとしては、図１に示すようにその幅ｗはフォトダイオード１の垂直方向への配列ピッチｐより小さく、フォトダイオード１の垂直方向の幅より大きい。このため、フォトダイオード１上の表面領域をほとんど露出させる大きい開口６が形成され、フォトダイオード１上をできる限り回避すると同時に互いに隣接するフォトダイオード１間の領域を通る幅の狭い部分を有する。そして隣接する別の配線５とはフォトダイオード１間の上で狭いギャップｇをもって分離されている。配線５にはタングステンのような高融点金属、高融点金属とそのシリサイドの積層膜、アルミニウムやその合金を材料として使用することができる。

配線５の上層にはシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜１９を介してパターン層８が形成されるが、固体撮像素子のどの部分にも電気的に接続されていない。このパターン層８は互いに隣接するフォトダイオード１の水平方向および垂直方向の間の領域上を通り、水平方向および垂直方向に延びるストライプ形状のパターンの組み合わせ、すなわち網目状パターンを有し、撮像領域３１（図６）全面に渡って配置されている。パターン層８は図１に示すように特に垂直方向に隣接すると共に遮光膜として働く配線５間のギャップｇ上を覆うので、パターン層８が遮光性を有する膜とすればこの部分の遮光性を補償する役目を果たすことができる。従ってパターン層８には配線５と同様な材料を用いることが望ましい。

パターン層８上にはシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜２０が形成され、さらにその上にはＢＰＳＧ等からなる厚い層間絶縁膜２１が形成されその表面が平坦化されている。さらに層間絶縁膜２１上で且つフォトダイオード１の直上の領域には、フォトダイオード１の領域に入射光を効率的に集光するための層内レンズ２２が設けられる。

次に図１および図３により固体撮像素子のＢ−Ｂ‘線方向の断面構成を中心に説明する。図３においては図２と同一部分には同一符号を付加しているので、それらの部分の詳細な説明は省略する。まずＮ型不純物層１１およびＰ型不純物層１２からなるフォトダイオード１の間には前述のＰ型の素子分離１６が形成される。そしてＰ型ウエル１０の表面上、すなわち素子分離１６からＮ型不純物層１２の一部分の表面上にかけて、前述のゲート絶縁膜としての薄い絶縁膜１７を介して中間電極４が形成されている。

この中間電極４は例えば垂直転送電極３を構成する材料膜と同一の膜、例えばシリコン膜などを用いて垂直転送電極３と同時に形成される。その平面パターンは図１に示すように矩形であり、その幅は隣接するフォトダイオード１を垂直方向に分離する素子分離１６の部分の幅より僅かに大きく、また水平方向の長さはフォトダイオード１の水平方向の一辺の長さより僅かに長く設定される。そして中間電極４は垂直転送電極３の垂直方向への配列によって分断されていると共に垂直転送電極３との間隔を例えば５０ｎｍ〜２００ｎｍに設定することができる。さらに中間電極４は固体撮像素子のどの部分とも電気的に接続されず、電気的にフローティングの状態とされる。

中間電極４の上層には層間絶縁膜１８を介して配線５が形成されている。そして隣接する配線５間の分離ギャップｇは中間電極４の直上に位置する。配線５の上層、特に配線５の前記分離ギャップｇ上には上に述べたパターン層８が形成され、配線５と共に遮光膜の一部として働く。パターン層８上には層間絶縁膜２０および２１、層内レンズ２２が形成されている。そして図２および図３には図示を省略しているが、層内レンズ２２上に入射光に対して透過率の高い樹脂からなる平坦化層が形成され、さらにその上に例えばカラーフィルタが設けられ、カラーフィルタ上にはオンチップレンズが形成される。

以上説明したように本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における１個の画素は、１個のフォトダイオード１と、垂直転送電極３および駆動用のクロックパルス電圧が印加される配線５とが電気的に一体となった１本の垂直転送電極配線と、垂直転送電極３と対向する垂直転送領域２と、電気的にフローティングの中間電極４とを含む構成を有するものである。特に電気的にフローティング状態にある中間電極４を、フォトダイオード１を垂直方向に分離する素子分離１６上に設けたことによって、フォトダイオード１で生成された信号電荷を垂直転送電極３により転送チャネル１３に読み出すために配線５に１２Ｖというような高い電圧のクロックパルスを配線５に印加しても、配線５からの強電界が中間電極４によって遮蔽される。また中間電極４と配線５とを絶縁するために必要な層間絶縁膜１８が存在することによって配線５と素子分離１６との距離が大きくなる。この２つの要因で配線５の下の素子分離１６に強電界の影響が極めて及びにくくすることができる。このため素子分離１６の表面の反転層などの形成を抑制でき、隣接するフォトダイオード１間の信号電荷漏れがなくなり混色やノイズ発生を防止することができる。

また、１画素あたり一本の垂直転送電極配線が割り当てられる構成であるので、垂直転送電極３の特に垂直転送方向の長さをフォトダイオード１あるいは画素の一辺の長さと同程度に大きくすることができ、これによって垂直転送領域２における取り扱い飽和電荷量が向上し、固体撮像素子を高感度化することができる。

本発明に係る固体撮像素子の画素構成は上記の効果の他にも利点を有する。例えばフォトダイオード１を取り囲むように配置される垂直転送電極３および中間電極４を同一の材料膜から形成する場合には同一膜厚を有するので両電極の高さが同一となる。また配線５はフォトダイオード１を水平および垂直方向に均等に取り囲む開口６を有し、さらにパターン層８もフォトダイオード１を水平および垂直方向に均等に取り囲む網目状パターンを有している。遮光膜として働く配線５およびパターン膜８と共に垂直転送電極３および中間電極４も遮光性を有する材料とするとき、フォトダイオード１はその周囲をほぼ均一の高さを有する前記複数の遮光性の膜でほぼ均等に囲まれることになる。

一方、層内レンズ２２はフォトダイオード１の領域へ入射光を集中させて入射させ、高い入射効率を達成するために水平面上での異なる方向、すなわち水平および垂直方向の曲率が異なるように形成することは設計上においても製造上においても複雑な過程を要するものであるが、本発明によれば上に述べたようにフォトダイオード１の周囲をほぼ同一の高さを有する遮光性の膜で水平方向および垂直方向にほぼ均等に囲まれるようにすることができるので、層内レンズ２２の表面曲率も水平面上での異なる方向に対して均一に近づけて形成できると共に固体撮像素子の高感度化が図れ、また垂直転送電極３および中間電極４、配線５、パターン膜８という３重の遮光性膜により高強度の入射光が原因となるスミアの低減や混色が防止できる。また層内レンズは、層間絶縁膜２１上に、上に凸の形状を有する層内レンズ２２（図２、図３を参照）として設けることができるだけでなく、図２および図３に示すように、層間絶縁膜２１の、上記３重の遮光性膜からなる構造の間の凹部に形成された部分が下に凸のレンズ形状となっているので、この部分も層内レンズとして採用することができる。

（実施形態２）
図４は本発明の固体撮像素子に係る第２の実施形態における１画素とその周囲に配置された他の画素の一部分までを表示する平面レイアウト図である。また図５は図４のＤ−Ｄ‘線に沿う断面図である。第２の実施形態による固体撮像素子の大部分は第１の実施形態による固体撮像素子と同様の構成を有する。すなわち、フォトダイオード１、垂直転送領域２、垂直転送電極３、コンタクト孔７、Ｎ型シリコン基板９、Ｐ型ウエル１０、Ｎ型不純物層１１、Ｐ型不純物層１２、Ｎ型の転送チャネル１３、Ｐ型不純物層１４、読み出しゲート層１５、素子分離１６、絶縁膜１７、層間絶縁膜１８、１９，２０、２１、層内レンズ２２は第１の実施形態の固体撮像素子のものと同一の形状、寸法、相対的配置、構成材料からなり、また同一の機能を有するものとする。

また図４のＣ−Ｃ‘線に沿う断面も第１の実施形態の固体撮像素子におけるＡ−Ａ’線に沿う断面構造と同一であるから説明を省略する。従って図４に示す平面レイアウトおよび図５に示すＤ−Ｄ‘線に沿う断面について第１の実施の形態と異なる部分を中心として説明する。

図５において互いに隣接するフォトダイオード１間を垂直転送方向に分離する素子分離１６上、およびフォトダイオード１を構成するＰ型不純物層１２の一部領域上に薄い絶縁膜１７を介し、第１の実施形態と同様に導電材料からなる中間電極４が形成される。中間電極４は例えば垂直転送電極３を構成する材料膜と同一の膜、例えばシリコン膜などを用いて同時に形成される。中間電極４は矩形であり、その幅は隣接するフォトダイオード１を垂直方向に分離する素子分離１６の部分の幅より僅かに大きく、また水平方向の長さはフォトダイオード１の水平方向の一辺の長さより僅かに長く設定される。そして中間電極４と垂直転送電極３との間隔を例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍに設定することができる。

中間電極４の直上には、互いに隣接する画素のそれぞれに属する配線５間のギャップ領域ｇ（図４参照）を被覆するように入射光に対して遮光性を有する導電材料からなるパターン層８が形成されている。そして中間電極４を被覆する層間絶縁膜１８および１９を貫通し中間電極４の表面に達するコンタクト孔２３を通じて中間電極４とパターン層８が電気的に接続されている。パターン層８は図４に示すように網目状パターンを有し、撮像領域３１（図６参照）全面に渡って配置される。

中間電極４とパターン層８を接続するコンタクト孔２３は互いに隣接する配線５間の狭いギャップ領域ｇに形成しなければならないので、図４に示すように配線５のパターンはコンタクト孔２３に対向する端部に切り欠きを形成し、配線５の間隔を大きくする。それと共にコンタクト孔２３の寸法はコンタクト孔７の寸法より小さくする必要がある。このため図５に示すようにコンタクト孔２３にタングステンなどからなるプラグを埋め込み、プラグを介して中間電極４とパターン層８とを電気接続することが望ましい。しかしながら許されるならばコンタクト孔２３内に直接パターン層８を構成する導電材料の膜を形成し、中間電極４に直接接触させるようにすることも可能である。

このように第２の実施の形態に係る固体撮像素子は中間電極４とパターン層８との接続部分を除き同様の構成を有する。この固体撮像素子において、フォトダイオード１で生成された信号電荷を垂直転送電極３により転送チャネル１３に読み出す動作を行うときは、パターン層８から中間電極に例えば常時０Ｖの駆動信号を与えた上で、配線５に１２Ｖというような高い電圧のクロックパルスを印加する。これにより配線５からの強電界が中間電極４によって遮蔽され、第１の実施の形態と同様に互いに垂直転送方向に隣接するフォトダイオード１間に位置する素子分離１６の表面の反転層などの形成を抑制でき、当該フォトダイオード１間の信号電荷漏れがなくなり混色やノイズ発生を防止する効果を奏することができる。

なお中間電極４に駆動信号を与えるタイミングは、上に述べたように常時印加すること以外に、少なくとも配線５に信号電荷読み出し用のクロックパルスを印加している期間とすることができる。またパターン層８を電気的にフローティングとすれば第１の実施の形態と同様、中間電極４をフローティング状態とすることができる。このような意味で本実施の形態ではパターン層８は配線として機能するものである。

また垂直転送電極３および中間電極４、配線５、パターン膜８の高さを均一にできるので、第１の実施形態と同様に層内レンズ２２の表面曲率を水平面における異なる方向に対して均一に近づけて形成でき、固体撮像素子の高感度化が図れると共にスミアの低減や混色が防止できることは言うまでもない。

以上第１および第２の実施の形態に係る固体撮像素子について説明したが、これらの固体撮像素子は共に例えば以下のように駆動することができる。図７は固体撮像素子、特にインターライン型ＣＣＤを４相駆動方式で駆動する方法を説明する概略模式図である。図７はＣＣＤにおけるマトリックス状画素アレイのうち垂直転送方向に配列された画素４個分に対応する領域を選択して示すものである。４個のフォトダイオード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに隣接して垂直転送領域が設けられるが、各フォトダイオードが属する画素に対応して垂直転送領域２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに分けられる。

まず、フォトダイオード１ａ〜１ｄ上に形成された開口部６（図１、図４参照）を通じて入射した入射光をフォトダイオード１ａ〜１ｄにて光電変換し発生したそれぞれの信号電荷の蓄積を行う。次にフォトダイオード１ａに対応する配線５（図１、図４参照）を通じて読み出し用クロックパルス電圧φ１（例えば＋１２Ｖ：ハイレベル）を垂直転送電極３（図１、図４参照）に印加し、フォトダイオード１ａに蓄積された信号電荷を垂直転送領域２ａに読み出す。この時、フォトダイオード１ｂ、１ｃに対応する配線５および垂直転送電極３にはそれぞれφ２（例えば０Ｖ：ミドルレベル）、φ３（例えば０Ｖ：ミドルレベル）、フォトダイオード１ｄに対応する配線５および垂直転送電極３にはφ４（例えば−６Ｖ：ローレベル）のクロックパルス電圧が印加される。

これにより垂直転送領域２ａにはフォトダイオード１ａから読み出された信号電荷が一時的に蓄積された深いポテンシャルウエルが形成され、垂直転送領域２ｂ、２ｃには電荷転送可能状態の比較的浅いポテンシャルウエルが形成され、垂直転送領域２ｄにはポテンシャル障壁が形成される。次にφ１のみに例えばローレベル（−６Ｖ）のクロックパルス電圧を印加すると垂直転送領域２ａにはポテンシャル障壁が生じてポテンシャルウエルは垂直転送領域２ｂ、２ｃ内だけとなり、垂直転送領域２ａに蓄積された前記信号電荷がこのポテンシャルウエルに転送される。

これ以降クロックパルス電圧φ１〜φ４のレベルを適宜順次切り替えることによって２個分の垂直転送領域のポテンシャルウエルを移動させ、信号電荷を垂直転送領域（例えば図６の符号３３）に沿って水平転送領域３４まで転送する。このような駆動方法はインターレース方式に属するものであるが、当該４相駆動方式に限らず一般的にはＮ（Ｎ≧３）相駆動以上の駆動方式を採用することができる。その場合垂直インターレース数はＮとなる。

本発明に係る固体撮像素子では上に述べたように、１画素あたり一本の垂直転送電極配線が割り当てられるので垂直転送電極の寸法を大きく取ることができ、各画素に対応する垂直転送領域２ａ〜２ｄにおける取り扱い飽和電荷量が向上し、固体撮像素子のＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを改善することができる。またインターレース方式を採用して低い駆動周波数で高解像度の映像を得ることができる。さらに駆動方法としてインターレース方式だけでなくプログレッシブなど任意の駆動方式を採用できる。

以上固体撮像素子として第１および第２の実施形態によるものを示したが、本発明に係る固体撮像素子の構造はそれらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、中間電極４の垂直方向の幅は配線５に印加されるクロックパルス電圧による高電界を十分に遮蔽するため、垂直方向に隣接するフォトダイオード１間に位置する素子分離１６の幅以上であることが望ましいが、層内レンズ２２の表面曲率、形状や配線５の開口６の寸法の最適化と連動して任意に決定してもよい。配線５はその下部に層間絶縁膜１８が存在するために素子分離１６から比較的離れているという要因からだけでも配線５の強電界が素子分離１６に及ぼす影響がかなり軽減されるからである。

また、パターン層８は垂直転送電極３上を通る垂直方向のストライプ形状パターンと中間電極４上を通る水平方向のストライプ形状パターンとの合成からなる網目状パターンとしたが、画素内でのパターン層８の配置均一性を無視し、パターン層８の表面高さの不均一性が許容され、また層内レンズ２２の水平面内の異なる方向において表面曲率が異なることが許容されるならば、中間電極４上を通り水平方向に延びるストライプ形状パターン部のみからなるパターンであってもよい。

また、配線５は一本の配線５がフォトダイオード１の上下両側を水平方向に延びると共に開口６を有するものとしたが、図９に示す垂直転送電極４４のようにフォトダイオード１の上下いずれか片側を水平方向に延び、他方の側は開放された形状とすることもできる。この場合配線５はフォトダイオード１付近を通る部分で片側が開放されているので遮光性は若干劣るが、隣接する配線５間のギャップを、垂直方向に互いに隣接するフォトダイオード１間の領域に設ける必要がなくなるので、配線５のフォトダイオード１間を通る部分の幅を狭くしてフォトダイオード１の占有面積を増加させることができる。あるいはフォトダイオード１間の占有面積を一定に保ちつつその間隔を狭くし、固体撮像素子全体の寸法を縮小することができる。

本発明に係る固体撮像素子によれば高感度化、低スミア化、混色防止、垂直転送時の飽和電荷容量の増大が実現でき、さらにノイズ低減できるので、各種のカメラ等に採用して有用なものである。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、３２ フォトダイオード
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３３ 垂直転送領域
３ 垂直転送電極
４ 中間電極
５ 配線
６ 開口
７、２３ コンタクト孔
８ パターン層
９ Ｎ型シリコン基板
１０ Ｐ型ウエル
１１ Ｎ型不純物層
１２、１４ Ｐ型不純物層
１３ 転送チャネル
１５ 読み出しゲート層
１６ 素子分離
１７ 絶縁膜
１８、１９、２０、２１ 層間絶縁膜
２２ 層内レンズ
３０ 固体撮像素子
３１ 撮像領域
３４ 水平転送領域
３５ 出力アンプ

Claims (11)

1. 半導体基板に行および列をなすようにマトリックス状に配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成するための複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部からなる列の間に設けられ、前記列が延びる方向に沿って延びる、前記信号電荷を転送するための垂直転送領域と、
   前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間の前記半導体基板に設けられた素子分離と、
   前記素子分離上に絶縁膜を介して形成された中間電極と、
   前記複数の光電変換部からなる行が延びる方向に沿って延びると共に前記中間電極上を通り、前記信号電荷を前記垂直転送領域に読み出して転送するための垂直転送電極配線と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記垂直転送電極配線の上層に形成され、前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記行が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有するパターン層を備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記垂直転送電極配線の上層に形成され、前記列が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記行が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有する第１の部分と、前記垂直転送電極配線より上層に形成され、前記行が延びる方向に互いに隣接する前記光電変換部の間を通って、前記列が延びる方向に沿って延びるストライプ形状を有する第２の部分とを組み合わせた網目状のパターン層を備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記中間電極は電気的にフローティングとされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記パターン層は導電材料からなり、前記中間電極に電気的に接続していることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
6. 前記垂直転送電極配線は、前記垂直転送領域上に設けられた垂直転送電極と、前記行が延びる方向に沿って延びると共に前記中間電極上を通り、前記垂直転送電極に電気的に接続する配線からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 前記垂直転送電極と前記中間電極は同一の導電膜から形成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記配線は、前記光電変換部の、前記列が延びる方向への配列ピッチより小さく、且つ前記光電変換部の、前記列が延びる方向の幅より大きい一定の幅を有すると共に、前記光電変換部の表面を露出させる開口を有することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
9. 前記パターン層は前記入射光に対して遮光性を有する膜からなることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
10. 前記配線は前記入射光に対して遮光性を有する膜からなることを特徴とする請求項６または８に記載の固体撮像素子。
11. 前記パターン層の上層に、前記光電変換部に前記入射光を集光するためのレンズを備えたことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子。

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