JP4457570B2

JP4457570B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP4457570B2
Application number: JP2003091697A
Authority: JP
Inventors: 信浩唐澤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004303773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号電荷を転送する電荷転送部を有する固体撮像素子及びその製造方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ固体撮像素子に代表される、信号電荷を転送する電荷転送部を有する固体撮像素子においては、信号電荷が各画素の受光センサ部（光電変換部・電荷蓄積部）から電荷転送部（転送レジスタ等）へ一度に又は複数回に分けて読み出され、電荷転送部中で前後の信号電荷と混合しないように転送される。
【０００３】
従来のＣＣＤ固体撮像素子の概略断面図（平面図）を図８に示す。
縦横に配設された受光センサ部６１の各列に対応して垂直転送レジスタ６２が設けられている。この垂直転送レジスタ６２では、対応する列の各受光センサ部６１からの信号電荷を読み出して垂直方向（図中上下方向）に転送する。
垂直転送レジスタ６２には、信号電荷を転送する駆動を行うための転送電極６３として、第１層の多結晶シリコン層による転送電極５３と、第２層の多結晶シリコン層による転送電極５４とが設けられている。第１層の多結晶シリコン層による転送電極５３は、垂直方向に隣接する受光センサ部６１間を水平方向（図中左右方向）に延びるように形成され、垂直転送レジスタ６２上において図中下方に櫛歯状に延びる部分を有する平面形状（パターン）となっている。第２層の多結晶シリコン層による転送電極５４は、垂直方向に隣接する受光センサ部６１間を水平方向（図中左右方向）に延びるように形成され、垂直転送レジスタ６２上において図中上方に櫛歯状に延びる部分を有する平面形状（パターン）となっている。そして、これら転送電極５３，５４により、各受光センサ部６１が囲繞されている。
第２層の転送電極５４は、その櫛歯状の部分が各受光センサ部６１から垂直転送レジスタ６２へ信号電荷を読み出す読み出し駆動をする読み出しゲート部となるものである。
【０００４】
また、垂直転送レジスタ６２の転送先側には、この垂直転送レジスタ６２により垂直転送されてきた信号電荷を水平転送方向に転送する水平転送レジスタ（通常１個、複数の場合もある。）が設けられ、この水平転送レジスタの転送先側には、信号電荷を電圧に変換して出力する電荷検出部（図示せず）が設けられる。
【０００５】
転送電極６３（５３，５４）に対して、基本的には４相の垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加され、それによって垂直転送レジスタ６２における信号電荷の転送が行われる。第１層の転送電極５３には垂直転送パルスφＶ２又はφＶ４が印加され、第２層の転送電極５４には垂直転送パルスφＶ１又はφＶ３が印加される。このうち、第２層の転送電極５４に印加される垂直転送パルスφＶ１及びφＶ３には、読み出し時には読み出しパルスが印加されるように構成される。これにより、読み出し時には、図８において矢印７１で示すように、受光センサ部６１から信号電荷が読み出される。
受光センサ部６１から信号電荷が読み出された後には、４相の垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４の印加により信号電荷の転送が行われる。
【０００６】
第１層の転送電極５３及び第２層の転送電極５４は、垂直転送レジスタ６２における断面図を図９Ａに示すように、半導体基板例えばシリコン基板５１上に、ゲート絶縁膜５２を介して形成されている。また、これら転送電極５３及び５４は、図８及び図９Ａに示すように、垂直転送レジスタ６２においては、端部が互いに上下に重なっていると共に、絶縁膜５５により互いに絶縁されている。
そして、各転送電極５３及び５４に垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４を印加することにより、図９Ｂ〜図９Ｈに示すように、信号電荷５６が図中右方向に転送されていく。
【０００７】
従来は、このように、信号電荷が各画素の受光センサ部（光電変換部・電荷蓄積部）から垂直転送レジスタ等の電荷転送部へ一度に又は複数回に分けて読み出される構成となっていた（例えば特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−７７４５０号公報（図７）
【特許文献２】
特開２００２−２７０８１１号公報（図７、図８）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像素子は、受光センサ部、電荷読み出し部、電荷転送部の各領域が、上述した平面配置とされているため、受光センサ部の面積を大きくすると電荷転送部が小さくなり、電荷転送部の面積を大きくすると受光センサ部が小さくなってしまう。
【００１０】
このことから、従来の固体撮像素子においては、単位画素サイズを縮小すると、電荷転送部の縮小による飽和出力の低下、又は受光センサ部の縮小による感度の低下の少なくともいずれかの問題が避けられないものとなっていた。
【００１１】
さらに、電荷転送部に複数の転送電極が設けられ、各転送電極間に各電極を絶縁するための絶縁膜による隙間が存在しているため、電荷転送を妨げるポテンシャルギャップが形成され、高速電荷転送の実現が困難になってしまっていた。
【００１２】
上述した問題の解決のために、本発明においては、画素サイズが縮小化されたときでも、充分な飽和出力及び感度を有すると共に信号電荷を高速で転送することが可能である固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、画素を構成する受光センサ部が多数マトリクス状に配置され、この受光センサ部の各列に対して、それぞれ垂直方向に延びる垂直電荷転送部が設けられ、各垂直電荷転送部が、半導体基体内に形成された転送領域と、この転送領域が形成された部分の半導体基体上に絶縁膜を介して形成された１枚の垂直転送電極とにより構成され、垂直電荷転送部の転送領域と垂直転送電極とが同じ幅に形成され、各垂直電荷転送部の受光センサ部と対向する部分に、受光センサ部から信号電荷を読み出すための読み出し用電極が、垂直電荷転送部の垂直転送電極とは独立して設けられ、この読み出し用電極が受光センサ部の各行毎に電気的に接続され、垂直転送電極に一定間隔で電圧供給部が設けられ、この電圧供給部を通じて、垂直転送電極の一部分に電圧が供給されるものである。
【００１４】
上記本発明の固体撮像素子において、さらに受光センサ部の表面に透明電極が接続され、この透明電極が受光センサ部の各行毎に連続して形成されている構成とすることが可能である。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、画素を構成する受光センサ部が多数マトリクス状に配置され、この受光センサ部の各列に対して、それぞれ垂直方向に延びる垂直電荷転送部が設けられ、各垂直電荷転送部が１枚の垂直転送電極により構成された固体撮像素子を製造する際に、半導体基体上に絶縁層を形成し、垂直電荷転送部となる部分の絶縁層を除去する工程と、この絶縁層をマスクとして用いて、半導体基体にイオン注入により垂直電荷転送部の転送領域となる半導体領域を形成する工程と、その後、絶縁層の除去された部分に垂直電荷転送部の垂直転送電極を形成する工程と、絶縁層を除去する工程とを少なくとも有するものである。
【００１６】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、各垂直電荷転送部が１枚の垂直転送電極により構成されていることにより、垂直電荷転送部の転送領域において、ポテンシャル障壁を生じない。
従って、受光センサ部から読み出した信号電荷を、垂直電荷転送部の広い領域に蓄積させることが可能になり、垂直電荷転送部の最大電荷転送量を大きくすることが可能になる。しかも、ポテンシャル障壁を生じないので、垂直電荷転送部において、信号電荷を高速で転送することができる。
【００１７】
また、各垂直電荷転送部の受光センサ部と対向する部分に、受光センサ部から信号電荷を読み出すための読み出し用電極が、垂直電荷転送部の垂直転送電極とは独立して設けられ、この読み出し用電極が受光センサ部の各行毎に電気的に接続されていることにより、受光センサ部の各行毎に信号電荷の読み出しを行うことができ、信号電荷の読み出しと信号電荷の転送とをそれぞれ独立して制御することが可能になる。
【００１８】
特に、受光センサ部の表面に透明電極が接続され、この透明電極が受光センサ部の各行毎に連続して形成されている構成としたときには、この透明電極から受光センサ部において生じた余剰電荷を排出することができ、この透明電極が受光センサ部の各行毎に連続して形成されているため、各行毎に余剰電荷の排出を行うことができる。
そして、読み出し用電極が各行毎に電気的に接続され、各行毎に読み出しが行われるので、読み出しと余剰電荷の排出を各行毎に行って、各行の受光センサ部の蓄積時間を揃えることが可能になる。
【００１９】
上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、絶縁層をマスクとして用いて、半導体基体にイオン注入により垂直電荷転送部の転送領域となる半導体領域を形成した後に、絶縁層の除去された部分に垂直電荷転送部の垂直転送電極を形成し、絶縁層を除去することにより、同じ絶縁層の除去された部分に上下に垂直転送電極と転送領域が形成される。従って、垂直転送電極と転送領域を自己整合して形成することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の固体撮像素子は、画素を構成する受光センサ部が多数マトリクス状に配置され、この受光センサ部の各列に対して、それぞれ垂直方向に延びる垂直電荷転送部が設けられた固体撮像素子であって、各垂直電荷転送部が、半導体基体内に形成された転送領域と、この転送領域が形成された部分の半導体基体上に絶縁膜を介して形成された１枚の垂直転送電極とにより構成され、垂直電荷転送部の転送領域と垂直転送電極とが同じ幅に形成され、各垂直電荷転送部の受光センサ部と対向する部分に、受光センサ部から信号電荷を読み出すための読み出し用電極が、垂直電荷転送部の垂直転送電極とは独立して設けられ、この読み出し用電極が受光センサ部の各行毎に電気的に接続され、垂直転送電極に一定間隔で電圧供給部が設けられ、この電圧供給部を通じて、垂直転送電極の一部分に電圧が供給されるものである。
【００２２】
また、上記本発明の固体撮像素子において、受光センサ部の表面に透明電極が接続され、この透明電極が受光センサ部の各行毎に連続して形成されている構成を可能とする。
【００２３】
また、上記本発明の固体撮像素子において、垂直転送電極に設けられた電圧供給部が、受光センサ部と同一基板に形成されたシフトレジスタに電気的に接続されている構成を可能とする。
【００２５】
図１は、本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を示す。本実施の形態は、本発明をＣＳＤ構造の電荷転送部を有する固体撮像素子に適用したものである。
この固体撮像素子１は、受光センサ部２がマトリクス状に配置され、受光センサ部２の各列の一側に、垂直電荷転送部として、垂直方向（図中上下方向）Ｖに延びる垂直転送レジスタ３が設けられている。
【００２６】
受光センサ部２は、それぞれが画素を構成するものであり、光を電荷に変換する光電変換部と、変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。
【００２７】
本実施の形態の固体撮像素子１においては、特に、各垂直転送レジスタ３の転送電極（垂直転送電極）４を、単一の電極層（１枚の電極層）により構成している。
この転送電極４は、例えば高抵抗の多結晶シリコン膜により構成され、例えばノンドープの多結晶シリコン膜を形成した後に、低濃度の不純物のドープを行うことにより形成することができる。
この転送電極４により、ＣＳＤ構造の垂直転送レジスタ３が構成されている。転送電極４の下にある、半導体基板又は半導体層には、信号電荷が転送される転送領域として、信号電荷が転送される転送チャネル（図示せず）が、転送電極４と自己整合して形成されている。
【００２８】
高抵抗の転送電極４は、例えば数ｋΩ／□程度のシート抵抗とすればよい。
高抵抗にすることから、転送電極４を細くして抵抗が高くなっても問題ない。従って、垂直転送レジスタ３の幅を狭くして、その分受光センサ部２の面積の割合を大きくすることが可能になり、受光センサ部２の面積を１画素の領域の面積の７０％程度にすることも可能になる。
【００２９】
転送電極４は、各画素に対応する一定間隔のコンタクト部５において、それぞれ水平方向に延びる電圧供給線（配線）６とコンタクトさせることにより、転送電極４に電位の分布を与えて、転送電極４下の転送チャネル領域において、一般的なＣＣＤ構造の電荷転送部と同様に信号電荷の転送を行うことが可能な構成とする。
【００３０】
電圧供給線６は、水平方向（図中左右方向）Ｈに延びる導線部と、垂直転送レジスタ３に沿って櫛歯状に垂直方向Ｖに延びる遮光部とを有している。
電圧供給線６の材料としては、光を遮ることができる、例えばアルミニウム、タングステン等の金属が用いられ、特に垂直転送レジスタ３に沿って形成された遮光部により、転送電極４の下の転送チャネルに光が入射することを抑制することができる。
そして、導線部は、垂直方向Ｖの画素間の部分に配置形成されている。
また、下方向に延びる遮光部に、前述した転送電極４と接続するためのコンタクト部５が設けられている。
【００３１】
また、本実施の形態の固体撮像素子１においては、各画素に対して、垂直転送レジスタ３を構成する転送電極（垂直転送電極）４とは独立して、読み出し用電極７を設けている。
即ち、この読み出し用電極７は、転送電極４とは図示しない絶縁膜により絶縁され、それぞれ独立して電圧を印加することができるように構成されている。
そして、読み出し用電極７は、画素（受光センサ部２）の各列毎に、水平方向Ｈに延びる配線部８に連結されている。配線部８は、垂直方向Ｖの画素間の部分に配置され、電圧供給線６の導線部の下層に形成されている。
【００３２】
この読み出し用電極７の材料としては、例えば多結晶シリコンやタングステンシリサイド等の導電性の物質が挙げられる。
そして、読み出し用電極７は、垂直転送レジスタ３の図中右側の受光センサ部２から垂直転送レジスタ３の転送電極４に亘って形成され、転送電極４上に一部重なりをもって形成されている。
また、読み出し用電極７は、電圧供給線６の遮光部よりは下層（半導体基体側）に形成されている。
【００３３】
配線部８を通じて、各読み出し用電極７に、それぞれ読み出し電圧を印加することにより、受光センサ部２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ３の転送チャネルに読み出すことができる。
各配線部８は、画素（受光センサ部２）の各行に１本ずつ形成されているため、画素（受光センサ部２）の行（ライン）毎に信号電荷の読み出しを行うことができる。
【００３４】
そして、配線部８を通じて読み出し用電極７に印加する読み出し電圧の態様を変えることにより、垂直方向Ｖに隣接する画素における信号電荷の混合、信号電荷の間引き、信号電荷を加算しない全画素読み出しのいずれにも対応することが可能になる。
【００３５】
受光センサ部２は、図中斜線で示す領域に形成されている。左右方向は転送電極４又は読み出し用電極７の端部まで、上下方向は電圧供給線６の下を除いた部分に形成されている。
【００３６】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子１においては、受光センサ部２の表面上に透明電極９を設け、この透明電極９をコンタクト部１０を介して受光センサ部２と電気的に接続している。
この透明電極９は、各行（各ライン）毎に余剰電荷を排出するためのものであり、それぞれ受光センサ部２の各行毎に１本ずつ互いに独立して設けられている。
【００３７】
従来のＣＣＤ固体撮像素子では、例えば基板側に余剰電荷を排出する縦型オーバーフロードレイン構造が採られている。この縦型オーバーフロードレイン構造を採用すると、全画素に対して一度に余剰電荷の排出が行われる。従来のＣＣＤ固体撮像素子では、信号電荷の読み出しが全画素で一度に行われたり、一行おきに二度にわたって行われたりするため、信号電荷の読み出しの回数が少ない。このため、全画素の余剰電荷の排出が一度に行われても蓄積時間にほとんど差を生じないため、問題にはならない。
【００３８】
これに対して、本実施の形態の固体撮像素子１の構成においては、各ライン毎に設けられた読み出し用電極７によりライン毎に受光センサ部２の信号電荷の読み出しを行うため、一度に全画素に対して余剰電荷の排出を行ってしまうと、ライン毎に受光センサ部２の蓄積時間に差ができてしまい、読み出し順序の早いラインと読み出し順序の遅いラインとで蓄積時間が大きく違ってしまう。
そこで、本実施の形態の固体撮像素子１では、受光センサ部２の各ライン毎に１本ずつ互いに独立して透明電極９を設けており、これにより、各ラインの受光センサ部２の蓄積時間を同一にするように駆動することが可能になっている。
【００３９】
そして、透明電極９を、例えば読み出し用電極７と同期させて駆動することも可能である。
【００４０】
一方、受光センサ部２内の電荷蓄積部に蓄積される電荷量は、受光センサ部２の表面に接続された透明電極９の電位を任意の電圧とすることで制御される。
この透明電極９の電位を電荷蓄積部の電位より大きくすることにより、電荷蓄積部に蓄えられた電荷を全て排出することも可能である。
【００４１】
さらに、必要に応じて、カラーフィルタやオンチップマイクロレンズ等が配置されて固体撮像素子１が構成される。
【００４２】
なお、図示しない水平転送レジスタの構成は、従来の固体撮像素子と同様である。
【００４３】
次に、本実施の形態の固体撮像素子１の動作について説明する。
ここで、本実施の形態の固体撮像素子１の模式的平面図を図２に示す。
【００４４】
まず、受光センサ部２に入射した光は、受光センサ部２の光電変換部において電荷に変換され、電荷蓄積部に蓄積される。
次に、読み出し時に、受光センサ部２の電荷蓄積部に蓄積された信号電荷が、ライン毎に隣接した読み出し用電極７を経由して電荷転送路である転送チャネル（転送領域）に読み出される。
具体的には、配線部８を通じて読み出し用電極７に読み出しパルスが印加されることにより、同一ラインにある各受光センサ部２において、図２中矢印で示すように、受光センサ部２から垂直転送レジスタ３の転送電極４下にある転送チャネルに信号電荷の読み出しが行われる。
【００４５】
続いて、垂直転送レジスタ３の転送チャネルに読み出された信号電荷が順次水平転送レジスタへ転送される。
具体的には、転送電極４に接続された電圧供給線６に、図２中右側にあるシフトレジスタ１１から順次電圧を印加することにより、転送電極４下の転送チャネルの電位が変動して、読み出された信号電荷が転送される。
シフトレジスタ１１は、各電圧供給線６と接続されており、例えば固体撮像素子１と同一基板上に形成される。
なお、シフトレジスタ１１の代わりに、外部基板に設けられた同様の機能を有する回路を用いて、電圧供給線６に電圧を供給するようにしてもよい。
電圧供給線６は、シフトレジスタ１１もしくは外部基板からの電圧供給を受けて、高速に動作される。
【００４６】
このときの垂直転送レジスタ３の転送チャネル内における電荷転送を模式的に図３に示す。
まず、図３Ａに示すように、信号電荷１２が左端部にある状態から、電圧供給により、図３Ｂに示すように信号電荷１２が移動し始める。
さらに、電圧供給を、各電圧供給線６から順次行っていくことにより、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、図中右側、実際には水平転送レジスタ側に、信号電荷を転送していくことができる。
【００４７】
また、電圧供給線６を通じて供給される電圧パルスの一形態を図４に示す。本実施の形態の固体撮像素子１では、電圧供給線６を画素（受光センサ部２）のライン毎に１本ずつ設けているので、図４では、第１ライン、第２ライン、第３ライン、・・・第ｎライン（水平転送レジスタ側の最終ライン）というように、「ライン」という記載にしている。
【００４８】
一番水平転送レジスタから遠い第１ラインでは、最初に低いレベルの電圧Ｖ１から高いレベルの電圧Ｖ２にパルスが立ち上がる。このときシフトレジスタ１１において電流Ｉが流れる。
以後は高いレベルの電圧Ｖ２がしばらく保持される。この間は電流が流れないので、トータルの電流量を少なくすることができる。
そして、水平転送レジスタに信号電荷１２が転送されると、低いレベルの電圧Ｖ１に下がる。このときもシフトレジスタ１１において電流Ｉが流れる。
【００４９】
第２ラインでは、第１ラインよりもある時間遅れて低いレベルの電圧Ｖ１から高いレベルの電圧Ｖ２にパルスが立ち上がる。以後高いレベルの電圧Ｖ２がしばらく保持され、第１ラインと同じく水平転送レジスタに信号電荷１２が転送されると、低いレベルの電圧Ｖ１に下がる。この第２ラインでも、電圧の上下の際にシフトレジスタ１１において電流が流れるが、この第２ライン以降は図示を省略する。
【００５０】
また、第３ラインでは、第２ラインよりもある時間遅れて低いレベルの電圧Ｖ１から高いレベルの電圧Ｖ２にパルスが立ち上がる。以後高いレベルの電圧Ｖ２がしばらく保持され、第１ラインと同じく水平転送レジスタに信号電荷１２が転送されると、低いレベルの電圧Ｖ１に下がる。
そして、最終の第ｎラインでは、一番遅くに低いレベルの電圧Ｖ１から高いレベルの電圧Ｖ２にパルスが立ち上がり、第１ラインと同じく、水平転送レジスタに信号電荷１２が転送されると低いレベルの電圧Ｖ１に下がる。
このように第１ラインから第ｎラインの各電圧供給線６にパルス電圧が供給されることにより、図３に示したような信号電荷１２の転送が行われる。
【００５１】
このようなパルス電圧により信号電荷１２の転送を行うことにより、電圧パルスの上下の回数が低減されるため、信号電荷を転送する駆動に必要な電流が低減される。これは、前述したように、電圧パルスの立ち上がりの所と電圧パルスが下がる所だけ電流Ｉが流れるためであり、従来の１ライン送る毎に上下していた電圧パルスと比較して、大幅に電流量を低減することができる。
【００５２】
具体的に印加する電圧としては、例えば、低いレベルの電圧Ｖ１を０Ｖ（接地電位）に、高いレベルの電圧Ｖ２を＋５Ｖに、それぞれ設定することができる。
【００５３】
上述の本実施の形態の固体撮像素子１の構成によれば、垂直転送レジスタ３が１枚の転送電極４により構成されていることにより、画素毎の信号電荷が１枚の長い転送電極４で転送されるため、垂直転送レジスタ３の最大電荷転送量を大きくすることができる。また、垂直転送レジスタ３において、ポテンシャルギャップ（ポテンシャル障壁）が存在しなくなり、高速、低振幅で信号電荷を転送することができる。
特に、図２に示したように電圧供給線６への電圧供給を固体撮像素子１と同一基板上に形成されたシフトレジスタ１１を用いることにより、電圧供給を高速で行い、信号電荷の転送を高速に行うことができる。
このように、信号電荷の転送を高速に行うことができるため、転送中の信号電荷に偽信号（スミア）が混入されにくくなり、信号／雑音比を向上することが可能になる。
【００５４】
また、電圧供給線６への電圧供給をシフトレジスタ１１により行って、シフトレジスタ１１から電圧供給線６に供給する電圧パルスを、図４に示したように、最初に高い電圧レベルＶ２に立ち上がり、高い電圧レベルＶ２を維持した後、垂直転送レジスタ３から水平転送レジスタに転送するときに低い電圧レベルＶ１に立ち下がる電圧パルスとすることが可能になる。
これにより、電流が流れるのが、パルスの立ち上げ時と立ち下げ時との合わせて２回だけになり、従来のＣＣＤ固体撮像素子の信号電荷の転送と比較して、電流量を大幅に低減することができる。
従って、固体撮像素子１の消費電力を低減することができる。
【００５５】
また、転送電極４とは独立して、各受光センサ部２に対して読み出し用電極７を設けたことにより、各受光センサ部２から垂直転送レジスタ３への信号電荷の読み出しと、垂直転送レジスタ３における信号電荷の転送とをそれぞれ独立して制御することができる。
【００５６】
また、読み出し用電極７を配線部８により、画素（受光センサ部２）のライン毎に接続していることにより、配線部８を通じて読み出し電圧を読み出し用電極７に印加して、ライン毎に受光センサ部２の信号電荷を読み出すことができる。このように、ライン毎に信号電荷を読み出すことにより、最大電荷転送量を大きくした垂直転送レジスタ３を利用して、各ラインの信号電荷を多く転送することができるため、受光センサ部２に蓄積される信号電荷を多くしても、読み出した信号電荷を転送することができる。
【００５７】
さらに、読み出し電圧が印加される読み出し用電極７を適宜選択することにより、読み出しを行う画素の間引きや信号電荷の加算、並びに飛び越し走査等を任意に行うことができる。
【００５８】
また、転送電極４が１枚の電極層で形成され、電圧供給線６から電圧が供給されている構成としているため、転送電極４を高抵抗の電極層とすることが可能になり、転送電極４の幅を縮小して抵抗が高くなることが許容される。これにより、転送電極４の幅の縮小に従って、電荷転送路である転送チャネルの幅も縮小される。
さらに、転送チャネルと転送電極４とを自己整合させて形成したことにより、特に転送チャネルの幅を縮小することができる。
従って、転送電極４及び転送チャネルの幅を縮小し、受光センサ部２の面積の相対的割合を増大させて、感度の向上を図ることができる。
【００５９】
従来のＣＣＤ固体撮像素子では、遮光膜を転送電極の側面側も覆うように形成していた。
これに対して、本実施の形態の固体撮像素子１では、転送電極４が狭くなっている分、遮光膜となる電圧供給線６の遮光部の幅も小さくなっている。これにより、受光センサ部２上の開口を相対的に広くすることができ、これによっても、感度の向上を図ることができる。
【００６０】
そして、前述したように、垂直転送レジスタ３の最大電荷転送量を大きくしているため、飽和出力も大きくすることができることから、固体撮像素子１を縮小化したときでも、充分な飽和出力と感度を得ることが可能になる。
【００６１】
また、受光センサ部２の表面に、受光センサ部２のライン毎に接続された透明電極９を接続したことにより、この透明電極９を用いて信号電荷の掃き捨て動作をライン毎に行うことが可能になる。これにより、各ラインの受光センサ部２の蓄積時間を揃えることができる。
【００６２】
本実施の形態の固体撮像素子１は、例えば次のようにして製造することができる。製造工程の工程図を図５Ａ〜図７Ｊに示すが、図５Ａ〜図７Ｉは図１のＡ−Ａにおける断面図を示し、図７Ｊは図１のＢ−Ｂにおける断面図を示している。
【００６３】
まず、図５Ａに示すように、Ｎ型のシリコン基板２１の深部にＰ型領域２２を形成し、シリコン基板２１の表面側にＮ型領域２３を形成する。なお、図５Ａにおいて、シリコン基板２１の表面には表面保護のための熱酸化膜２４が形成されている。
【００６４】
その後、表面を覆って絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）２５を厚く（例えば、膜厚３０ｎｍ〜５００ｎｍ）成膜し、図５Ｂに示すように、電荷転送路、即ち垂直転送レジスタ３となる部分のみ、絶縁膜２５及び熱酸化膜２４を除去する。
【００６５】
次に、熱酸化等の方法を用いて、電荷転送路となる部分に、絶縁膜２６を例えば膜厚５ｎｍ〜９０ｎｍで形成し、図５Ｃに示すように、垂直転送レジスタ３とならない部分の絶縁膜２５を利用して、自己整合的に絶縁膜２６の下方のシリコン基板に対して、Ｐ型領域２７と、その上層のＮ型領域２８とをそれぞれ形成する。
なお、図５Ｃ以降は熱酸化膜２４の図示を省略している。
【００６６】
次に、図５Ｄに示すように、この電荷転送路となる部分を充分に埋める膜厚（例えば、１００ｎｍ〜８００ｎｍ）の多結晶シリコン膜２９を成膜する。この多結晶シリコン膜２９は、成膜時に微量の不純物ドーピングを行う、または成膜後に不純物のイオン注入を行う、等の方法を用いて高抵抗の多結晶シリコン膜２９とする。従来の固体撮像素子の転送電極の多結晶シリコン膜と比較して不純物濃度を充分小さく、例えば１００分の１程度とする。
【００６７】
続いて、図６Ｅに示すように、成膜された多結晶シリコン膜が電荷転送路とならない部分から完全に除去されるまで、エッチバック法やＣＭＰ（化学的機械的研磨）法等により、表面を平坦化する。これにより、電荷転送路となる部分に、多結晶シリコン膜２９から成る転送電極４が形成される。
【００６８】
次に、図６Ｆに示すように、転送電極４となった多結晶シリコン膜２９を利用して、自己整合的に電荷転送路とならない部分の絶縁膜２５を、ドライエッチング法等を用いて除去する。
【００６９】
次に、図６Ｇに示すように、絶縁膜３０を形成した後に、多結晶シリコン膜を成膜し、エッチングによりパターニングして読み出し用電極７を形成する。
このとき、パターニングにより、読み出し用電極７と共に、読み出し用電極７に連続した配線部８も同時に形成される。
【００７０】
さらに、図６Ｈに示すように、この読み出し用電極７及び転送電極４を用いて、自己整合的にシリコン基板２１の表面にイオン注入を行って、Ｐ⁺領域を形成し、受光センサ部２の光電変換部３１を形成する。
このＰ⁺領域から成る光電変換部３１の直下のＮ型領域２３が、受光センサ部２の電荷蓄積部となる。また、読み出し用電極７の下に残ったＮ型領域２３が読み出し領域となる。そして、転送電極４とＰ型領域２７とＮ型領域２８により垂直転送レジスタ３が構成される。
【００７１】
次に、表面に絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）３２を成膜し、続いて光電変換部３１の最表面に接続可能な部分の絶縁膜３２を除去する。
続いて、透明導電材料を成膜した後に、図７Ｉに示すように、エッチング法等により所望の形状の透明電極９を形成する。
【００７２】
次に、表面を覆って厚く絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）３３を成膜する。
続いて、転送電極４とのコンタクト部５となる所定の部分の絶縁膜３３のみ、エッチングにより除去する。
その後に、転送電極４に接続して配線層（例えばアルミニウム、タングステン）を成膜し、これをパターンエッチングして、電圧供給線６及びその転送電極４とのコンタクト部５を形成する。
さらに、上層に保護絶縁膜（例えばシリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜）３４を成膜し、図７Ｊに断面図を示す画素構造を得ることができる。
【００７３】
上述した製造方法によれば、垂直転送レジスタ３となる部分の厚い絶縁膜２５を除去して、この絶縁膜２５をマスクとして用いてイオン注入により垂直転送レジスタ３の転送領域等となるＰ型領域２７及びＮ型領域２８を形成し、その後絶縁膜２５の除去された部分に転送電極４を形成し、絶縁膜２５を除去していることにより、転送電極４と垂直転送レジスタ３の転送領域等となるＰ型領域２７及びＮ型領域２８とを自己整合して形成することができる。
これにより、これら転送電極４と垂直転送レジスタ３の転送領域等となるＰ型領域２７及びＮ型領域２８とを、共に狭い幅に形成することができる。
【００７４】
なお、上述の製造工程の説明では、転送電極４や読み出し用電極７等の電極層を、多結晶シリコン膜により形成する、として説明を行っているが、タングステンシリサイド等の金属材料を用いて形成してもよい。また、各絶縁膜は、シリコン酸化膜以外のシリコン窒化酸化膜、シリコン窒化膜等でもよい。
【００７５】
また、上述の製造工程の説明では、シリコン基板２１の表面付近に垂直転送レジスタ３のＮ型領域２８や光電変換部３１のＰ⁺領域を形成しているが、シリコン基板２１の代わりにその他の半導体基板を用いたり、また半導体基板上に半導体エピタキシャル層を形成した半導体基体を用いたりすることが可能である。
これらの半導体基板や半導体基体を用いた場合も、受光センサ部や垂直転送レジスタ等の各半導体領域を形成して、固体撮像素子を形成することができる。
【００７６】
なお、上述した実施の形態では、転送電極４と転送領域が自己整合して形成され、また受光センサ部２が転送電極４や読み出し用電極７と自己整合して形成されていたが、本発明の固体撮像素子では、これらが必ずしも自己整合して形成されている構成に限定されているものではなく、それぞれ個別に形成されている場合も含まれる。
【００７７】
また、上述した実施の形態では、電圧供給線６が画素（受光センサ部２）の１ラインに１本ずつ設けられていたが、１ラインに２本以上設けられた構成も可能である。このように電圧供給線６の本数を多くすると、信号電荷の転送をより細かく制御することが可能になる。ただし、画素間に複数の電圧供給線６を配置することが必要になるため、画素間が厚くなる。
いずれの本数にする場合においても、電圧供給線６と転送電極４とのコンタクト部５の間隔は、ほぼ一定間隔にすることが望ましい。
【００７８】
上述の実施の形態では、受光センサ部２の最終ラインからすぐに水平転送レジスタに信号電荷が転送される構成、即ちＩＴ（インターライン）方式の固体撮像素子の構成として、信号電荷の転送の説明を行ったが、ＩＴ方式に限らず、受光センサ部２の最終ラインと水平転送レジスタとの間に電荷蓄積領域が設けられている構成、即ちＦＩＴ（フレームインターライン）方式の固体撮像素子にも、同様に本発明を適用することができる。
【００７９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００８０】
【発明の効果】
上述の本発明の固体撮像素子によれば、最大電荷転送量を減少させることなく、単位画素面積に対する電荷転送路の面積を小さくすることができる。
これにより、受光センサ部（光電変換領域、電荷蓄積領域）を拡大して、感度の向上を図ることができるため、最大電荷蓄積量が大きく、かつ感度が高い固体撮像素子を実現することができる。
【００８１】
また、垂直電荷転送部を１枚の電荷転送電極により構成しているため、電荷転送効率を低下させることなく、高速で信号電荷の転送を行うことが可能となるため、電荷転送中に偽信号（スミア）が混入されにくくなり、信号／雑音比を向上することができる。
このように高速で信号電荷の転送を行うことができ、スミアが少なくなるため、遮光膜を従来の固体撮像素子よりも小さくすることが可能になる。
【００８２】
さらに、各受光センサ部の表面に透明電極が接続され、この透明電極が受光センサ部の各行毎に連続して形成されている構成としたときには、読み出し用電極と透明電極とによって、信号電荷の読み出し及び余剰電荷の掃き出しを任意の行毎に行うことができるため、飛び越し走査、信号電荷の加算、間引き読み出し等の特殊な走査を容易に行うことができる。
【００８３】
上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、垂直電荷転送部の転送電極と転送領域とを自己整合して形成することができ、これらを共に狭い幅に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図（平面図）である。
【図２】図１の固体撮像素子の模式的平面図である。
【図３】Ａ〜Ｄ図１の固体撮像素子の垂直転送レジスタにおける信号電荷の転送を示す図である。
【図４】転送電極へ各ラインの電圧供給線を通じて供給される電圧パルスの一形態を示す図である。
【図５】Ａ〜Ｄ図１の固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【図６】Ｅ〜Ｈ図１の固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【図７】Ｉ、Ｊ図１の固体撮像素子の製造工程を示す工程図である。
【図８】従来の固体撮像素子の模式的平面図である。
【図９】Ａ図８の固体撮像素子の垂直転送レジスタに沿った断面図である。
Ｂ〜Ｈ図８の固体撮像素子の垂直転送レジスタにおける信号電荷の転送を示す図である。
【符号の説明】
１固体撮像素子、２受光センサ部、３垂直転送レジスタ、４転送電極、５，１０コンタクト部、６電圧供給線、７読み出し用電極、９透明電極、１１シフトレジスタ、１２信号電荷

Claims

画素を構成する受光センサ部が多数マトリクス状に配置され、
前記受光センサ部の各列に対して、それぞれ垂直方向に延びる垂直電荷転送部が設けられた固体撮像素子であって、
各前記垂直電荷転送部が、半導体基体内に形成された転送領域と、前記転送領域が形成された部分の前記半導体基体上に絶縁膜を介して形成された１枚の垂直転送電極とにより構成され、
前記垂直電荷転送部の転送領域と前記垂直転送電極とが同じ幅に形成され、
各前記垂直電荷転送部の前記受光センサ部と対向する部分に、前記受光センサ部から信号電荷を読み出すための読み出し用電極が、前記垂直電荷転送部の前記垂直転送電極とは独立して設けられ、
前記読み出し用電極が、前記受光センサ部の各行毎に電気的に接続され、
前記垂直転送電極に一定間隔で電圧供給部が設けられ、前記電圧供給部を通じて、前記垂直転送電極の一部分に電圧が供給される
固体撮像素子。
各前記受光センサ部の表面に透明電極が接続され、前記透明電極が前記受光センサ部の各行毎に連続して形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
前記垂直転送電極に設けられた前記電圧供給部が、前記受光センサ部と同一基板に形成されたシフトレジスタに電気的に接続されている請求項１に記載の固体撮像素子。
画素を構成する受光センサ部が多数マトリクス状に配置され、
前記受光センサ部の各列に対して、それぞれ垂直方向に延びる垂直電荷転送部が設けられ、
各前記垂直電荷転送部が１枚の垂直転送電極により構成された固体撮像素子を製造する方法であって、
半導体基体上に絶縁層を形成し、前記垂直電荷転送部となる部分の前記絶縁層を除去する工程と、
前記絶縁層をマスクとして用いて、前記半導体基体にイオン注入により前記垂直電荷転送部の転送領域となる半導体領域を形成する工程と、
その後、前記絶縁層の除去された部分に、前記垂直電荷転送部の前記垂直転送電極を形成する工程と、
前記絶縁層を除去する工程とを少なくとも有する
固体撮像素子の製造方法。