JP3890381B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【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８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５１ｂからなる埋め込みフォトダイオードを有する受光部５１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ＩＴ−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１３５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９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。ＦＩＴ−ＣＣＤは、受光部５１及び垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）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−ＣＣＤ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ＶＣＣＤ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１０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かつ前記行方向に蛇行して延設され、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、前記転送電極に沿って前記行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、前記金属配線は、対応する前記転送電極に絶縁膜を介して積層されていることを特徴とする。
【００１１】
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転送電極に沿ってそれぞれ行方向（例えば横方向）に金属配線を配設することが可能となる。また、ポリシリコン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。
【００１２】
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。前記転送電極は、例えば２層のポリシリコン電極により構成される。また、前記転送電極は、前記垂直電荷転送路に例えば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。
【００１３】
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。
【００１４】
また本発明は、前記コンタクト部は、前記金属配線及び前記ポリシリコン電極の長手方向に沿った領域に延設されることを特徴とする。あるいは、前記コンタクト部は、隣接する前記垂直電荷転送路を分離する素子分離領域上に配設されることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、コンタクト部を金属配線及びポリシリコン電極の長手方向に沿って延設したり、素子分離領域上に配設したりなど、配設する位置選択が容易であり、コンタクト部形成による撮像領域上の無効領域の増加を防止可能である。
【００１６】
また本発明は、前記金属配線は、延設された前記行方向の少なくとも一方向に延出し、複数の前記金属配線が前記行方向の両方向に延出されるよう構成され、前記転送パルスの供給源と接続されることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、金属配線を行方向（例えば横方向）の両方向に延出して取り出すことが可能であるため、固体撮像素子の半導体基板上での配置効率が良く、小型化が可能で、また水平電荷転送部が設けられる領域を避けて転送パルスの供給源に接続される金属配線を取り出すことが可能である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。また、前記ポリシリコン電極の厚さが０．２５μｍ以下であることを特徴とする。また、前記ポリシリコン電極と前記金属配線との間に絶縁膜が設けられ、この絶縁膜の厚さが０．２μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
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Ａｌ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。また、金属配線が他の信号線（他の層（相）のポリシリコン電極）をまたがない構成であるので、ポリシリコン電極と金属配線との間に厚い絶縁膜を設ける必要もなくなる。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１０１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１１１，１１２，１１３，１１４によって例えばφ１，φ２，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。
【００２５】
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１０９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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。この転送電極の抵抗成分及び容量成分により、駆動パルスの「なまり」による転送効率の劣化が問題となる。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に沿って横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。
【００２８】
図２は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。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１１１〜１１４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。
【００２９】
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１０６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１１１〜１１４とともにＶＣＣＤ１２２を形成している。各ＶＣＣＤ１２２の端部は、遮光された水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）１２３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ＣＣＤ素子外部に読み出される。
【００３０】
本実施形態では、ＶＣＣＤの転送電極１１１〜１１４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１２６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。本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、従来の正方格子ＣＣＤとは異なり、２層構造のポリシリコン電極の長手方向に沿って、すなわち図において横方向に蛇行しながら全ての相（層）の転送電極１１１〜１１４に対応して金属配線１２５を敷設することができる。
【００３１】
この金属配線１２５は、図において横方向に延出され、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。この図２の例では、金属配線１２５及び配線パターン１３０をＡｌで形成し、金属配線１２５と他の位相の配線パターン１３０とが交わる部分はポリシリコン電極の上に絶縁膜を介して配線パターン１３０を形成して配線し、金属配線１２５及び配線パターン１３０とポリシリコン電極とをコンタクト部で電気的に導通させる構成を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
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ＶＣＣＤの上部にしかないため、金属材料は図１０に示したようにポリシリコン電極の長手方向に対して直角の方向（図において縦方向）にのみ敷設することが可能であった。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った。これに対し、本実施形態では、ポリシリコン電極に沿って金属材料を横方向に延在させて設けることができる。さらに、金属材料が他の位相の転送電極（異なるポリシリコン電極）をまたぐことなく積層できるので、異なる位相の駆動パルスとの間で問題となる相互干渉あるいはリークの発生を防止できる。したがって、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。
【００３４】
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。ＷはＡｌに比べて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。
【００３５】
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０．２５μｍ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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、金属配線が他の配線（異なるポリシリコン電極）上をまたがないように配設できるため、金属配線の層と下地のポリシリコン電極の層との間に厚い層間絶縁膜を設ける必要がない。金属配線が他の配線をまたぐような場合は、例えば０．５〜１．０μｍ程度の層間絶縁膜が必要である。本実施形態では、金属配線とポリシリコン電極との間の絶縁膜をＳｉＯ2 とし、その膜厚を０．２μｍ以下とすることができる。
【００３８】
図３は第１実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す平面図及び断面図である。本実施形態では、電荷転送路１０６を垂直画素列ごとに分離する素子分離領域であるチャネルストップ１０８上にコンタクトホール１２６を配設し、このコンタクトホール１２６によってポリシリコン電極１２７と金属配線１２５とを電気的に接続している。金属配線１２５とポリシリコン電極１２７との間にはＳｉＯ2 による絶縁膜１２９が設けられ、その膜厚ｄは０．２μｍ以下となっている。コンタクトホール１２６はこの絶縁膜１２９を貫通して金属配線１２５がポリシリコン電極１２７と導通するように形成される。
【００３９】
本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、ポリシリコン電極１２７において上方に露呈可能な空き領域が広く存在するため、正方格子ＣＣＤに比べてコンタクトホール１２６の位置の選択幅が大きく、素子分離領域上に形成することが容易である。また、チャネルストップ１０８上に設けることによって、コンタクトホール１２６による無効領域の増加を防止できる。さらに、コンタクトホール１２６はそれぞれの相（層）のポリシリコン電極１２７に対して水平方向（横方向）において一画素あたり一つ設けることができる。
【００４０】
従来の正方格子ＣＣＤでは、コンタクトホールの位置が電荷転送路上のみに限られるため、コンタクトホール形成部において金属配線とポリシリコン電極との間で合金が形成され、その結果電荷転送路に対するＶＣＣＤ電極のポテンシャルが変動してこの部分でポテンシャルの山（または谷）ができてしまい、電荷転送に支障をきたすことがあった。これを解決するために、金属配線とポリシリコン電極の中間にバッファポリシリコンあるいは金属を挟むことが考えられているが、この方法は構造の複雑化や配設スペースの増大を招いてしまう。これに対し、本実施形態では、素子分離領域上にコンタクトホールを形成することによって、追加の部材やスペースを必要とせずに上記合金形成による問題を解決できる。
【００４１】
図４は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す平面図及び断面図である。第２実施形態は、コンタクトホール部の形状を変更した他の構成例を示したものである。
【００４２】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて転送電極となる２層構造のポリシリコン電極１２７が水平方向（横方向）に延在して形成され、受光部１０５を避けながら蛇行して配設されている。そして、このポリシリコン電極１２７の長手方向に沿って各相の転送電極に対応して金属配線１２５が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。各ポリシリコン電極１２７の間、及びポリシリコン電極１２７の上部にはＳｉＯ2 による絶縁膜１２９が設けられ、その上部に金属配線１２５が配設されている。この金属配線１２５とポリシリコン電極１２７との間の絶縁膜１２９の膜厚ｄは０．２μｍ以下となっている。この図４の例では、金属配線１２５をＷで形成した構成を示している。
【００４３】
第２実施形態では、ポリシリコン電極１２７と金属配線１２５とを電気接続するコンタクトホールとして、ポリシリコン電極１２７及び金属配線１２５の長手方向に沿っていわゆるベタの状態で長く形成されたコンタクト部１３２が延設されている。すなわち、絶縁膜１２９の所定位置にはコンタクト部１３２が形成され、このコンタクト部１３２によってポリシリコン電極１２７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。本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、微小開口により形成したコンタクトホールに限らず、広範囲に酸化膜等の絶縁膜を開口したコンタクト領域を形成できる。
【００４４】
メタル裏打ち構造では、前述したように、金属配線とポリシリコン電極との間で形成される合金部分がコンタクトホール形成部以外の電気的ポテンシャルと差が生じ、ポテンシャルに山または谷ができて電荷転送に支障をきたすことがあった。これに対し、本実施形態の構成では、金属配線に使用する電極材料に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合金の形成が防止される。さらに金属配線に沿って長く形成したコンタクト部１３２によって、コンタクト不良発生の確率が低下し、微小なコンタクトホールを限られた数だけ配置する場合に比べて、金属配線との接続面積が多くなるため、ポリシリコン電極及びコンタクト部の電気抵抗低下の効果が優れている。
【００４５】
図５は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図、図６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である。第３実施形態は、金属配線の末端の接続経路を変更した他の構成例を示したものである。
【００４６】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて水平方向（横方向）に蛇行しながら延設された２層構造のポリシリコン電極１３５，１３６，１３７，１３８の長手方向に沿って、各相の転送電極に対応して金属配線１４１，１４２，１４３，１４４が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。この金属配線の末端は、転送パルスφ１，φ３をそれぞれ伝送する金属配線１４１，１４３が図において固体撮像素子の左側に延出され、転送パルスφ２，φ４をそれぞれ伝送する金属配線１４２，１４４が右側に延出され、両側部においてそれぞれ配線パターン１４５，１４６と電気接続されている。この図５の例では、金属配線１４１〜１４４をＷ、配線パターン１４５，１４６をＡｌで形成している。この場合、図６に示すように、金属配線１４１〜１４４を形成した後、その上にプラズマＣＶＤ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１４５，１４６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１４５，１４６を形成することにより、金属配線１４１〜１４４と配線パターン１４５，１４６とを導通させ、配線パターン１４５，１４６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。なお、左右両方に転送パルスφ１〜φ４に対応する金属配線１４１〜１４４の末端を延出して取り出す構成としてもよい。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４７】
従来の正方格子ＣＣＤにおいてメタル裏打ち構造を設ける場合、前述したように金属配線は縦方向に配設することになり、また受光領域の下部にはＨＣＣＤその他が設けられるため、金属配線は上部から取り出して転送パルスの信号源と接続する必要があった。これに対し、本実施形態の構成では、金属配線１４１〜１４４の末端を左右に分けて撮像領域の両側から取り出し、転送パルス伝送用の配線パターン１４５，１４６と接続することができる。すなわち、固体撮像装置における配線やその他の部材のレイアウト上の自由度が高く、第１実施形態のように片側のみから金属配線を取り出してもよいし、撮像領域の左右両側から直接金属配線を取り出すことも容易である。よって、撮像領域の下部に設けられるＨＣＣＤなどを避けて自由に金属配線を取り出すことができる。また、本実施形態では、撮像領域以外の占有面積が小さくなり、素子の小型化が可能になる。
【００４８】
図７は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。第４実施形態は、第１実施形態の構成に加えて撮像領域の一端部に蓄積領域を設けてフレームインターライン転送型ＣＣＤ（ＦＩＴ−ＣＣＤ）を構成した例を示したものである。
【００４９】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて水平方向（横方向）に蛇行しながら延設された２層構造のポリシリコン電極１２７の長手方向に沿って、各相の転送電極に対応して金属配線１２５が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。この金属配線１２５は末端が図において横方向に延出され、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。
【００５０】
また、撮像領域１５０の下部には遮光された蓄積部を有する蓄積領域１５１が設けられ、この蓄積領域１５１においてＶＣＣＤにより高速転送された電荷を一旦蓄積し、その後ＨＣＣＤ１２３にへ転送するようになっている。この蓄積領域１５１においても撮像領域１５０と同様に金属配線１５２が配設され、転送パルスφｓ１〜φｓ４を伝送するための配線パターン１５３と電気接続されている。この図７の例では、金属配線１２５，１５２をＷ、配線パターン１３０，１５３をＡｌで形成し、金属配線１２５，１５２の上に絶縁膜を介して配線パターン１３０，１５３を形成して配線し、金属配線１２５，１５２と配線パターン１３０，１５３とをそれぞれコンタクト部で電気的に導通させる構成を示している。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００５１】
本実施形態では、ＶＣＣＤにおける転送電極の低抵抗化により、高速駆動が可能であるため、ハニカムＣＣＤを用いて全画素読み出し可能な固体撮像装置をＦＩＴ−ＣＣＤとして構成することが容易である。ハニカムＣＣＤでは、従来の正方格子ＣＣＤと比較してコンタクトホールの位置や数に自由度があり、コンタクトホール形成部の面積も拡大できるので、高速転送パルスによるポテンシャルの変動が少なく、高い転送効率が実現する。
【００５２】
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、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。さらに、全画素読み出し型のＦＩＴ−ＣＣＤを容易に構成でき、高性能のＣＣＤを実現可能である。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、素子の微細化にも適している。
【００５３】
【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ＣＣＤ撮像素子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構成を示す平面図である。
【図３】第１実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図６】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７】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図８】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９】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１０】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 水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）
１２４ 信号読み出し回路
１２５，１４１，１４２，１４３，１４４，１５２ 金属配線
１２６ コンタクトホール
１２７，１３５，１３６，１３７，１３８ ポリシリコン電極
１２９ 絶縁膜
１３０，１４５，１４６，１５３ 配線パターン
１３２ コンタクト部
１５０ 撮像領域
１５１ 蓄積領域
【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８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５１ｂからなる埋め込みフォトダイオードを有する受光部５１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ＩＴ−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１３５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９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。ＦＩＴ−ＣＣＤは、受光部５１及び垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）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−ＣＣＤ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ＶＣＣＤ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１０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かつ前記行方向に蛇行して延設され、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、前記転送電極に沿って前記行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、前記金属配線は、対応する前記転送電極に絶縁膜を介して積層されていることを特徴とする。
【００１１】
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転送電極に沿ってそれぞれ行方向（例えば横方向）に金属配線を配設することが可能となる。また、ポリシリコン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。
【００１２】
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。前記転送電極は、例えば２層のポリシリコン電極により構成される。また、前記転送電極は、前記垂直電荷転送路に例えば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。
【００１３】
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。
【００１４】
また本発明は、前記コンタクト部は、前記金属配線及び前記ポリシリコン電極の長手方向に沿った領域に延設されることを特徴とする。あるいは、前記コンタクト部は、隣接する前記垂直電荷転送路を分離する素子分離領域上に配設されることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、コンタクト部を金属配線及びポリシリコン電極の長手方向に沿って延設したり、素子分離領域上に配設したりなど、配設する位置選択が容易であり、コンタクト部形成による撮像領域上の無効領域の増加を防止可能である。
【００１６】
また本発明は、前記金属配線は、延設された前記行方向の少なくとも一方向に延出し、複数の前記金属配線が前記行方向の両方向に延出されるよう構成され、前記転送パルスの供給源と接続されることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、金属配線を行方向（例えば横方向）の両方向に延出して取り出すことが可能であるため、固体撮像素子の半導体基板上での配置効率が良く、小型化が可能で、また水平電荷転送部が設けられる領域を避けて転送パルスの供給源に接続される金属配線を取り出すことが可能である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。また、前記ポリシリコン電極の厚さが０．２５μｍ以下であることを特徴とする。また、前記ポリシリコン電極と前記金属配線との間に絶縁膜が設けられ、この絶縁膜の厚さが０．２μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
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Ａｌ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。また、金属配線が他の信号線（他の層（相）のポリシリコン電極）をまたがない構成であるので、ポリシリコン電極と金属配線との間に厚い絶縁膜を設ける必要もなくなる。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１０１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１１１，１１２，１１３，１１４によって例えばφ１，φ２，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。
【００２５】
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１０９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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。この転送電極の抵抗成分及び容量成分により、駆動パルスの「なまり」による転送効率の劣化が問題となる。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に沿って横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。
【００２８】
図２は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。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１１１〜１１４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。
【００２９】
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１０６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１１１〜１１４とともにＶＣＣＤ１２２を形成している。各ＶＣＣＤ１２２の端部は、遮光された水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）１２３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ＣＣＤ素子外部に読み出される。
【００３０】
本実施形態では、ＶＣＣＤの転送電極１１１〜１１４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１２６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。本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、従来の正方格子ＣＣＤとは異なり、２層構造のポリシリコン電極の長手方向に沿って、すなわち図において横方向に蛇行しながら全ての相（層）の転送電極１１１〜１１４に対応して金属配線１２５を敷設することができる。
【００３１】
この金属配線１２５は、図において横方向に延出され、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。この図２の例では、金属配線１２５及び配線パターン１３０をＡｌで形成し、金属配線１２５と他の位相の配線パターン１３０とが交わる部分はポリシリコン電極の上に絶縁膜を介して配線パターン１３０を形成して配線し、金属配線１２５及び配線パターン１３０とポリシリコン電極とをコンタクト部で電気的に導通させる構成を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
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ＶＣＣＤの上部にしかないため、金属材料は図１０に示したようにポリシリコン電極の長手方向に対して直角の方向（図において縦方向）にのみ敷設することが可能であった。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った。これに対し、本実施形態では、ポリシリコン電極に沿って金属材料を横方向に延在させて設けることができる。さらに、金属材料が他の位相の転送電極（異なるポリシリコン電極）をまたぐことなく積層できるので、異なる位相の駆動パルスとの間で問題となる相互干渉あるいはリークの発生を防止できる。したがって、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。
【００３４】
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。ＷはＡｌに比べて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。
【００３５】
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０．２５μｍ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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、金属配線が他の配線（異なるポリシリコン電極）上をまたがないように配設できるため、金属配線の層と下地のポリシリコン電極の層との間に厚い層間絶縁膜を設ける必要がない。金属配線が他の配線をまたぐような場合は、例えば０．５〜１．０μｍ程度の層間絶縁膜が必要である。本実施形態では、金属配線とポリシリコン電極との間の絶縁膜をＳｉＯ2 とし、その膜厚を０．２μｍ以下とすることができる。
【００３８】
図３は第１実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す平面図及び断面図である。本実施形態では、電荷転送路１０６を垂直画素列ごとに分離する素子分離領域であるチャネルストップ１０８上にコンタクトホール１２６を配設し、このコンタクトホール１２６によってポリシリコン電極１２７と金属配線１２５とを電気的に接続している。金属配線１２５とポリシリコン電極１２７との間にはＳｉＯ2 による絶縁膜１２９が設けられ、その膜厚ｄは０．２μｍ以下となっている。コンタクトホール１２６はこの絶縁膜１２９を貫通して金属配線１２５がポリシリコン電極１２７と導通するように形成される。
【００３９】
本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、ポリシリコン電極１２７において上方に露呈可能な空き領域が広く存在するため、正方格子ＣＣＤに比べてコンタクトホール１２６の位置の選択幅が大きく、素子分離領域上に形成することが容易である。また、チャネルストップ１０８上に設けることによって、コンタクトホール１２６による無効領域の増加を防止できる。さらに、コンタクトホール１２６はそれぞれの相（層）のポリシリコン電極１２７に対して水平方向（横方向）において一画素あたり一つ設けることができる。
【００４０】
従来の正方格子ＣＣＤでは、コンタクトホールの位置が電荷転送路上のみに限られるため、コンタクトホール形成部において金属配線とポリシリコン電極との間で合金が形成され、その結果電荷転送路に対するＶＣＣＤ電極のポテンシャルが変動してこの部分でポテンシャルの山（または谷）ができてしまい、電荷転送に支障をきたすことがあった。これを解決するために、金属配線とポリシリコン電極の中間にバッファポリシリコンあるいは金属を挟むことが考えられているが、この方法は構造の複雑化や配設スペースの増大を招いてしまう。これに対し、本実施形態では、素子分離領域上にコンタクトホールを形成することによって、追加の部材やスペースを必要とせずに上記合金形成による問題を解決できる。
【００４１】
図４は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す平面図及び断面図である。第２実施形態は、コンタクトホール部の形状を変更した他の構成例を示したものである。
【００４２】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて転送電極となる２層構造のポリシリコン電極１２７が水平方向（横方向）に延在して形成され、受光部１０５を避けながら蛇行して配設されている。そして、このポリシリコン電極１２７の長手方向に沿って各相の転送電極に対応して金属配線１２５が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。各ポリシリコン電極１２７の間、及びポリシリコン電極１２７の上部にはＳｉＯ2 による絶縁膜１２９が設けられ、その上部に金属配線１２５が配設されている。この金属配線１２５とポリシリコン電極１２７との間の絶縁膜１２９の膜厚ｄは０．２μｍ以下となっている。この図４の例では、金属配線１２５をＷで形成した構成を示している。
【００４３】
第２実施形態では、ポリシリコン電極１２７と金属配線１２５とを電気接続するコンタクトホールとして、ポリシリコン電極１２７及び金属配線１２５の長手方向に沿っていわゆるベタの状態で長く形成されたコンタクト部１３２が延設されている。すなわち、絶縁膜１２９の所定位置にはコンタクト部１３２が形成され、このコンタクト部１３２によってポリシリコン電極１２７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。本実施形態のようなハニカムＣＣＤでは、微小開口により形成したコンタクトホールに限らず、広範囲に酸化膜等の絶縁膜を開口したコンタクト領域を形成できる。
【００４４】
メタル裏打ち構造では、前述したように、金属配線とポリシリコン電極との間で形成される合金部分がコンタクトホール形成部以外の電気的ポテンシャルと差が生じ、ポテンシャルに山または谷ができて電荷転送に支障をきたすことがあった。これに対し、本実施形態の構成では、金属配線に使用する電極材料に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合金の形成が防止される。さらに金属配線に沿って長く形成したコンタクト部１３２によって、コンタクト不良発生の確率が低下し、微小なコンタクトホールを限られた数だけ配置する場合に比べて、金属配線との接続面積が多くなるため、ポリシリコン電極及びコンタクト部の電気抵抗低下の効果が優れている。
【００４５】
図５は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図、図６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である。第３実施形態は、金属配線の末端の接続経路を変更した他の構成例を示したものである。
【００４６】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて水平方向（横方向）に蛇行しながら延設された２層構造のポリシリコン電極１３５，１３６，１３７，１３８の長手方向に沿って、各相の転送電極に対応して金属配線１４１，１４２，１４３，１４４が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。この金属配線の末端は、転送パルスφ１，φ３をそれぞれ伝送する金属配線１４１，１４３が図において固体撮像素子の左側に延出され、転送パルスφ２，φ４をそれぞれ伝送する金属配線１４２，１４４が右側に延出され、両側部においてそれぞれ配線パターン１４５，１４６と電気接続されている。この図５の例では、金属配線１４１〜１４４をＷ、配線パターン１４５，１４６をＡｌで形成している。この場合、図６に示すように、金属配線１４１〜１４４を形成した後、その上にプラズマＣＶＤ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１４５，１４６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１４５，１４６を形成することにより、金属配線１４１〜１４４と配線パターン１４５，１４６とを導通させ、配線パターン１４５，１４６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。なお、左右両方に転送パルスφ１〜φ４に対応する金属配線１４１〜１４４の末端を延出して取り出す構成としてもよい。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４７】
従来の正方格子ＣＣＤにおいてメタル裏打ち構造を設ける場合、前述したように金属配線は縦方向に配設することになり、また受光領域の下部にはＨＣＣＤその他が設けられるため、金属配線は上部から取り出して転送パルスの信号源と接続する必要があった。これに対し、本実施形態の構成では、金属配線１４１〜１４４の末端を左右に分けて撮像領域の両側から取り出し、転送パルス伝送用の配線パターン１４５，１４６と接続することができる。すなわち、固体撮像装置における配線やその他の部材のレイアウト上の自由度が高く、第１実施形態のように片側のみから金属配線を取り出してもよいし、撮像領域の左右両側から直接金属配線を取り出すことも容易である。よって、撮像領域の下部に設けられるＨＣＣＤなどを避けて自由に金属配線を取り出すことができる。また、本実施形態では、撮像領域以外の占有面積が小さくなり、素子の小型化が可能になる。
【００４８】
図７は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。第４実施形態は、第１実施形態の構成に加えて撮像領域の一端部に蓄積領域を設けてフレームインターライン転送型ＣＣＤ（ＦＩＴ−ＣＣＤ）を構成した例を示したものである。
【００４９】
第１実施形態と同様に、ハニカムＣＣＤにおいて水平方向（横方向）に蛇行しながら延設された２層構造のポリシリコン電極１２７の長手方向に沿って、各相の転送電極に対応して金属配線１２５が配設されてメタル裏打ち構造が形成されている。この金属配線１２５は末端が図において横方向に延出され、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。
【００５０】
また、撮像領域１５０の下部には遮光された蓄積部を有する蓄積領域１５１が設けられ、この蓄積領域１５１においてＶＣＣＤにより高速転送された電荷を一旦蓄積し、その後ＨＣＣＤ１２３にへ転送するようになっている。この蓄積領域１５１においても撮像領域１５０と同様に金属配線１５２が配設され、転送パルスφｓ１〜φｓ４を伝送するための配線パターン１５３と電気接続されている。この図７の例では、金属配線１２５，１５２をＷ、配線パターン１３０，１５３をＡｌで形成し、金属配線１２５，１５２の上に絶縁膜を介して配線パターン１３０，１５３を形成して配線し、金属配線１２５，１５２と配線パターン１３０，１５３とをそれぞれコンタクト部で電気的に導通させる構成を示している。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００５１】
本実施形態では、ＶＣＣＤにおける転送電極の低抵抗化により、高速駆動が可能であるため、ハニカムＣＣＤを用いて全画素読み出し可能な固体撮像装置をＦＩＴ−ＣＣＤとして構成することが容易である。ハニカムＣＣＤでは、従来の正方格子ＣＣＤと比較してコンタクトホールの位置や数に自由度があり、コンタクトホール形成部の面積も拡大できるので、高速転送パルスによるポテンシャルの変動が少なく、高い転送効率が実現する。
【００５２】
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、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。さらに、全画素読み出し型のＦＩＴ−ＣＣＤを容易に構成でき、高性能のＣＣＤを実現可能である。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、素子の微細化にも適している。
【００５３】
【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ＣＣＤ撮像素子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構成を示す平面図である。
【図３】第１実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の主要部の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図６】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７】本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図８】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９】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１０】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 水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）
１２４ 信号読み出し回路
１２５，１４１，１４２，１４３，１４４，１５２ 金属配線
１２６ コンタクトホール
１２７，１３５，１３６，１３７，１３８ ポリシリコン電極
１２９ 絶縁膜
１３０，１４５，１４６，１５３ 配線パターン
１３２ コンタクト部
１５０ 撮像領域
１５１ 蓄積領域
Claims (9)
- 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かつ前記行方向に蛇行して延設され、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、前記転送電極に沿って前記行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、
前記金属配線は、対応する前記転送電極に絶縁膜を介して積層されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 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に記載の固体撮像装置。 - 前記コンタクト部は、前記金属配線及び前記ポリシリコン電極の長手方向に沿った領域に延設さ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。
- 前記コンタクト部は、隣接する前記垂直電荷転送路を分離する素子分離領域上に配設さ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。
- 前記金属配線は、延設された前記行方向の少なくとも一方向に延出し、複数の前記金属配線が前記行方向の両方向に延出されるよう構成され、前記転送パルスの供給源と接続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。
- 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１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 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請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記ポリシリコン電極の厚さが０．２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記ポリシリコン電極と前記金属配線との間に絶縁膜が設けられ、この絶縁膜の厚さが０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像装置。
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