JP2590745B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JP2590745B2
JP2590745B2 JP6176383A JP17638394A JP2590745B2 JP 2590745 B2 JP2590745 B2 JP 2590745B2 JP 6176383 A JP6176383 A JP 6176383A JP 17638394 A JP17638394 A JP 17638394A JP 2590745 B2 JP2590745 B2 JP 2590745B2
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幸也 川上
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】図4(a)は従来の固体撮像素子の主要
部を示す平面図、図4(b)は図4(a)のX−X線断
面図、図4(c)は図4(a)のY−Y線に沿ったポテ
ンシャル図である。
【0003】この固体撮像素子はN型シリコン基板1の
表面部のP型ウエル領域2の表面部に形成されたN型拡
散層5およびN型拡散層5の表面部に形成された表面暗
電流抑制用のP+ 型拡散層6を有する光電変換・電荷蓄
積領域が複数個列状に配置された光電変換素子列と、光
電変換・電荷蓄積領域(5)にそれぞれ近接したP型の
電荷読出し領域8と、電荷読出し領域8に近接し前述の
光電変換素子列と平行に配置された電荷転送領域(N型
拡散層4、底面にP型ウエル領域3が設けられている)
および電荷転送領域(4)とゲート絶縁膜9を介して交
差する読出兼転送ゲート電極10−1(第2層目のポリ
シリコン膜よりなる。)と転送ゲート電極10−2(第
1層目のポリシリコン膜よりなる。)との対を有する垂
直シフトレジスタとを含む画素列を複数個並列配置した
構成を有している。
【0004】各画素列の読出兼転送ゲート電極10−1
は読出兼転送ゲート連結線10−1a(第2層目のポリ
シリコン膜よりなる。)により行方向に連結されてい
る。同様に転送ゲート電極10−2は転送ゲート連結線
10−2a(第1層目のポリシリコン膜よりなる。)に
より行方向に連結されている。読出兼転送ゲート連結線
10−1aおよび転送ゲート連結線10−2aはP型素
子分離領域7(チャネルストッパ)の上部にオーバラッ
プして設けられている。
【0005】また、読出兼転送ゲート電極10−1およ
び転送ゲート電極10−2は、図5に模式的に示すよう
に、それぞれコンタクト孔C1およびC2により、列方
向に走るアルミニウム配線12(遮光膜を兼ねているの
で実際にはもっと複雑な平面形状を有しているが、ここ
では単純化して図示してある。図1,図3においても同
様である。)に接続され転送パルスφ1,φ3およびφ
2,φ4が印加される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図4に示した従来の固
体撮像素子では光電変換・電荷蓄積領域(5)、電荷読
出し領域8および読出兼転送ゲート電極下の電荷転送領
域(4)がそれぞれの列方向寸法の中心(+印A1,A
2およびA3で表示)が行方向に揃えて配置されていな
い。つまりこれらの3領域が真横に並んでいない。N型
拡散層(4)から電荷を電荷転送領域4へ読出す場合、
電荷Qを完全に読出すためには、光電変換・電荷蓄積領
域5と電荷読出し領域4に生じる電位バリアδが消える
まで、読出し兼転送ゲート電極10−1に電圧を印加し
なければならないが光電変換・電荷蓄積領域5で電位の
最も深いところは、中心部A1付近にあり、斜め横から
読出すため、真横から読出す場合(パンチスルーを起こ
さないも短チャネル効果がきいている)に比べて電位バ
リアが大きくなり、余分に電圧を印加する必要がある。
つまり、読出し電圧が高くなる。
【0007】これらの問題はA1,A2およびA3を行
方向に揃えて配置すれば改善することができる。そのた
めには、読出兼転送ゲート電極10−1の列方向寸法を
大きくし電荷読出し領域8の位置をずらせばよいが、そ
うすると転送ゲート電極10−2が10−2aの両側へ
張り出した形状となり読出兼転送ゲート電極10−1と
転送ゲート電極10−2とがオーバラップする面積が大
きくなりこれらがオーバラップしていない部分(コンタ
クト孔C2を設ける部分)の面積が小さくなってしま
う。従って、単位セルの微細化、高密度化が進行すると
コンタクト孔C2を設けるのが、困難ないし不可能にな
り、転送ゲート電極配線の寄生抵抗が大きくなり、垂直
レジスタの高速動作が困難ないし不可能になる。
【0008】本発明の目的は、高速動作およびより低い
電圧で電荷の読出しが可能な固体撮像素子を提供するこ
とにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板の
表面部の第1導電型領域の表面部に形成された第2導電
型拡散層および前記第2導電型拡散層の表面部に形成さ
れた高濃度第1導電型拡散層を有する光電変換・電荷蓄
積領域が複数個列状に配置された光電変換素子列と、前
記光電変換・電荷蓄積領域にそれぞれ近接した第1導電
型の電荷読出し領域と、前記電荷読出し領域に近接し前
記光電変換素子列と平行に配置された電荷転送領域およ
び前記電荷転送領域とゲート絶縁膜を介して交差する読
出兼転送ゲート電極と転送ゲート電極との対を有する垂
直シフトレジスタとを含む画素列を複数個並列配置した
固体撮像素子において、前記光電変換・電荷蓄積領域、
電荷読出し領域および読出兼転送ゲート電極下の電荷転
送領域がそれぞれの列方向寸法の中点を行方向に揃えて
配置され、前記読出兼転送ゲート電極を行方向に連結し
た読出兼転送ゲート電極線が前記光電変換・電荷蓄積領
域と交差しかつ透明導電膜からなるというものである。
【0010】光電変換・電荷蓄積領域がP型ウエル領域
に設けられたN型拡散層(PN接合ホトダイオード)の
場合、N型拡散層の表面部にP+ 型拡散層を設け、その
ピーク不純物濃度は少なくとも2×1017cm-3にする
のが好ましい。
【0011】また、任意の画素列の光電変換・電荷蓄積
領域上部から隣接する画素列の電荷転送領域側へかけて
透明導電膜に開口を設けることも可能である。
【0012】
【作用】読出兼転送ゲート電極を行方向に連結した読出
兼転送ゲート電極が透明導電膜であるので光電変換・電
荷蓄積領域上を走らせることができ、転送ゲート電極と
大きくオーバラップさせなくても光電変換・電荷蓄積領
域、電荷読出し領域および読出兼転送ゲート電極下の電
荷転送領域を真横に並べることが可能となり、光電変換
・電荷蓄積領域の電位の最も深いところにある電荷を、
短チャネル効果の利いた電荷読出し領域の中央部を横断
して電荷転送領域へ効率よく読出すことができる。
【0013】前述のP+ 型拡散層のピーク不純物濃度を
少なくとも2×1017cm-3にすればP+ 型拡散層の電
位固定作用が確実になる。
【0014】また読出兼転送ゲート電極に前述の開口を
ければ、前述の電荷読出し効率および電位固定作用を一
層確実に確保できる。
【0015】
【実施例】図1(a)は本発明の第1の実施例の主要部
を示す平面図、図1(b)は図1(a)のX−X線断面
図である。
【0016】この実施例は、N型シリコン基板1の表面
部のP型ウエル領域2の表面部に形成されたN型拡散層
5およびN型拡散層5の表面部に形成されたP+ 型拡散
層6を有する光電変換・電荷蓄積領域が複数個列状に配
置された光電変換素子列と、光電変換・電荷蓄積領域
(5)にそれぞれ近接したP型の電荷読出し領域8と、
電荷読出し領域8に近接し前記光電変換素子列と平行に
配置された電荷転送領域(N型拡散層4、底面にP型ウ
エル領域3が設けられている。)および電荷転送領域
(4)とゲート絶縁膜9を介して交差する読出兼転送ゲ
ート電極10−1Aと転送ゲート電極10−2Aとの対
を有する垂直シフトレジスタとを含む画素列を複数個並
列配置した固体撮像素子において、光電変換・電荷蓄積
領域(5)、電荷読出し領域8および読出兼転送ゲート
電極10−1A下の電荷転送領域4がそれぞれの列方向
寸法の中点A1,A2,A3を行方向に揃えて配置さ
れ、読出兼転送ゲート電極10−1Aを行方向に連結し
た読出兼転送ゲート電極線(10−1Aと連結部10−
1Aaとを有している。)が光電変換・電荷蓄積領域5
と交差しかつITO膜からなるというものである。転送
ゲート電極10−2Aおよび転送ゲート電極の連結部1
0−2Aaはポリシリコン膜からなり、その表面は熱酸
化による酸化シリコン膜で被覆され読出兼転送ゲート電
極10−1Aなどとの間を絶縁する。
【0017】読出兼転送ゲート電極10−1Aおよび転
送ゲート電極10−2Aは、図2に示すように、それぞ
れコンタクト孔C1およびC2を介してアルミニウム配
線12に接続され転送パルスφ1,φ3およびφ2,φ
4が印加される。
【0018】P+ 型拡散層6は、光電変換素子(PN接
合ダイオード)の暗電流を抑制するためのものである
が、P型素子分離領域7(チャネルストッパ)に接続さ
れ接地される。P+ 型拡散層6の濃度が十分高く例えば
ピーク不純物濃度で2×1017cm-3以上あればその電
位は上方にある読出兼転送ゲート電極連結部(10−1
Aa)の電位の影響を受けず常に接地電位に維持され
る。従って、電荷読出し電圧は一定になる。
【0019】なお、ITO(インジウム・ティン・オキ
サイド(Indium Tin Oxide))膜は、
例えば、スパッタ法で厚さ50nm程度被着しリソグラ
フィー技術を利用してドライエッチング法でパターニン
グする。
【0020】読出兼転送ゲート電極の連結部10−1A
aはN型拡散層5の上方に設けられているので転送ゲー
ト電極10−2Aとアルミニウム配線12とを結ぶコン
タクト孔C2を設ける場所の面積を圧迫することはな
い。従って、単位セルを微細化し、高密度化してもアル
ミニウム配線に接続できないことによる寄生抵抗の増大
を回避することができる。また、N型拡散層5の電位の
最も深いところ(A1)にたまった電荷は最短距離でパ
ンチスルーを起さないまでも短チャネル効果の利いた領
域(A2)を通って読み出すことができ、読出し電圧が
低くなる。
【0021】図3(a)は本発明の第2の実施例の主要
部を示す平面図、図3(b)は図3(a)のX−X線断
面図である。
【0022】この実施例は読出兼転送ゲート電極の連結
部10−1Aaに、開口13が設けられている以外は第
1の実施例と同じである。開口13はN型拡散層5の中
心(A1)の上部とその近傍から隣接する画素列側のP
型素子分離領域7の上部へかけて設けられる。P+ 型拡
散層6の濃度が工程上のばらつきにより十分濃くなくて
もN型拡散層5の中央部(A1とその近傍)の電位が読
出兼転送ゲート電極10−1Aの電位の影響をこうむる
のを避けることができ、低い読出し電圧を確実に実現で
きる効果がある。
【0023】以上透明導電膜としてITO膜を用いた例
について説明したが、これに限らず、SnO2 膜、金膜
もしくはポリシリコン膜などを用いてもよい。ポリシリ
コン膜の場合厚さを0.1μm以下にすれば、青色光に
対する感度を実用可能な程度にすることができる。ま
た、転送ゲート電極を形成してから読出兼転送ゲート電
極を形成する例について説明したが、順序は逆にしても
よい。その場合、透明導電膜を形成しパターニングした
後CVD法で酸化シリコン膜を全面に堆積してからポリ
シリコン膜を形成しパターニングすればよい。更にま
た、転送ゲート電極も透明導電膜で形成してもよいがそ
の必要はない。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子は、読出兼転送ゲート電極を透明導電膜で構成し行方
向に連結して光電変換・電荷蓄積領域の上方を走行させ
て、単位セル内で光電変換・電荷蓄積領域および電荷転
送領域を真横に並べて配置することにより、電荷読出し
電圧を低くでき駆動回路の低消費電力化を達成できる。
また、読出兼転送ゲート電極と転送ゲート電極とを単位
セル内で大きくオーバラップさせる必要がないのでアル
ミニウムなどの上層配線と接続することができ、垂直レ
ジスタの高速動作を阻害することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の主要部を示す平面図
(図1(a))および図1(a)のX−X線断面図(図
1(b))である。
【図2】第1の実施例における転送ゲート電極等とアル
ミニウム配線との接続関係を示す平面模式図である。
【図3】本発明の第2の実施例の主要部を示す平面図
(図3(a))および図3(a)のX−X線断面図(図
3(b))である。
【図4】従来例の主要部を示す平面図(図4(a)),
図4(a)のX−X線断面図(図4(b))およびY−
Y線に沿ったポテンシャル図(図4(c))である。
【図5】従来例における転送ゲート電極等とアルミニウ
ム配線との接続関係を示す平面模式図である。
【符号の説明】 1 P型シリコン基板 2 P型ウエル領域 3 P型ウエル領域 4 N型拡散層 5 N型拡散層 6 P+ 型拡散層 7 P型素子分離領域 8 電荷読出し領域 9 ゲート絶縁膜 10−1,10−1A 読出兼転送ゲート電極 10−1a 読出兼転送ゲート電極連結線 10−1Aa 読出兼転送ゲート電極の連結部 10−2,10−2A 転送ゲート電極 10−2a 転送ゲート電極連結線 10−2Aa 転送ゲート電極の連結部 11 層間絶縁膜 12 アルミニウム配線 13 開口 C1,C2 コンタクト孔 φ1,φ2,φ3,φ4 転送パルス

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面部の第1導電型領域の
    表面部に形成された第2導電型拡散層および前記第2導
    電型拡散層の表面部に形成された高濃度第1導電型拡散
    層を有する光電変換・電荷蓄積領域が複数個列状に配置
    された光電変換素子列と、前記光電変換・電荷蓄積領域
    にそれぞれ近接した第1導電型の電荷読出し領域と、前
    記電荷読出し領域に近接し前記光電変換素子列と平行に
    配置された電荷転送領域および前記電荷転送領域とゲー
    ト絶縁膜を介して交差する読出兼転送ゲート電極と転送
    ゲート電極との対を有する垂直シフトレジスタとを含む
    画素列を複数個並列配置した固体撮像素子において、前
    記光電変換・電荷蓄積領域、電荷読出し領域および読出
    兼転送ゲート電極下の電荷転送領域がそれぞれの列方向
    寸法の中点を行方向に揃えて配置され、前記読出兼転送
    ゲート電極を行方向に連結した読出兼転送ゲート電極線
    が前記光電変換・電荷蓄積領域と交差しかつ透明導電膜
    からなることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】 高濃度第1導電型拡散層のピーク不純物
    濃度が少なくても2×1017cm-3である請求項1記載
    の固体撮像素子。
  3. 【請求項3】 任意の画素列の光電変換・電荷蓄積領域
    上部から隣接する画素列の電荷転送領域側へかけて透明
    導電膜に開口が設けられている請求項1または2記載の
    固体撮像素子。
  4. 【請求項4】 透明導電膜がITO膜である請求項1,
    2または3記載の固体撮像素子。
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