JP4583115B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）シフトレジスタが受光画素を構成する固体撮像素子に関し、特に、入射光に対する画素分離に関する。

フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサにおいて、撮像部は、チャネル領域上に入射光に対する開口が設けられたＣＣＤシフトレジスタを複数配列することで構成され、それらＣＣＤシフトレジスタの各ビットが受光画素を構成する。すなわち、露光時には、各ビットに対応して配置された転送電極群に印加するクロック電圧を制御して、当該各ビット毎に電位井戸を形成することにより、当該ビットに入射した光に応じて発生した信号電荷を当該ビットに蓄積することができる。一方、露光期間が終了すると、各ビットに蓄積された信号電荷は、ＣＣＤシフトレジスタを駆動することにより蓄積部に移送され順次読み出される。

撮像部のＣＣＤシフトレジスタ上にて列方向に並ぶ受光画素は、連続したチャネル領域上に構成されるため、基本的に互いに接する。ここで、受光画素を構成する半導体基板領域上にはカラーフィルタや層間膜等が積層される。受光画素が列方向に関して互いに接していることにより、画素境界部分にて光が斜め入射すると、カラーフィルタを通過した光が、当該カラーフィルタが対応付けられた受光画素ではなく、その隣の異なる色のカラーフィルタを対応付けられた受光画素に入射し、これに起因して混色を生じやすくなる。また、画素境界部分に入射する光は、層間膜等での屈折等によって画素間のクロストークを生じるおそれもある。

この問題への対策として、画素境界部分に遮光グリッドを配置することが提案されている。図３は、この従来提案されている撮像部の構造を示す平面図である。半導体基板表面の撮像部に対応する領域には、列方向に延びる複数のＣＣＤシフトレジスタのチャネル２がチャネルストップ（素子分離領域）４により相互に分離されて形成される。半導体基板上には、チャネル２に直交し、かつ列方向に配列された複数の転送電極６が積層形成される。転送電極６は、ポリシリコン等の光透過性を有する材料で形成される。転送電極６の上には、アルミ（Ａｌ）等の遮光性を有する金属層が積層され、これをパターニングして、チャネルストップ４上に沿って延びるクロック配線８が形成される。クロック配線８はコンタクト１０を介して転送電極６に電気的に接続され、転送電極６に転送クロックを印加することができる。

ここでは撮像部を構成するＣＣＤシフトレジスタは、転送クロックφ1〜φ3を用いた３相駆動であり、列方向に連なる３本の転送電極６-1〜６-3がシフトレジスタの１ビットを構成する。そして、このビットが撮像部の受光画素に対応付けられる。例えば、転送クロックφ1を印加される転送電極６-1から転送クロックφ3を印加される転送電極６-3までを１ビットとすると、転送電極６-1と転送電極６-3との間に受光画素の境界が位置する。各受光画素の上にはカラーフィルタが配置される。例えば、ここではカラーフィルタはベイヤー配列であり、各列には異なる色のカラーフィルタ１２-1，１２-2が交互に配置される。

画素境界部分に配置される遮光グリッド１４は、上記遮光性金属層をパターニングする際に、クロック配線８と同時に形成される。

遮光グリッド１４は、チャネル２上に位置し、チャネル両側のいずれのクロック配線８からも分離したパターンとして形成される。すなわち、遮光グリッド１４と両側のクロック配線８との間にそれぞれ遮光性金属層の間隙が設けられる。この間隙部分に斜め入射した光は、列方向に隣接する画素間での混色等を生じ得る。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、ＣＣＤシフトレジスタのチャネルに配置された受光画素の境界部分の遮光を良好として、画素間のクロストークを抑制し混色等が軽減される固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像素子は、行列配置された複数の受光画素と、前記受光画素毎に発生する信号電荷の列方向の転送を行う複数のシフトレジスタとが構成された撮像領域を有し、前記シフトレジスタが、列方向に複数配列され、当該シフトレジスタでの前記信号電荷の転送を担う複数の転送電極と、前記受光画素の列間にそれぞれ列方向に延在され、前記転送電極に複数相の転送クロックの各相を供給する複数のクロック配線と、を有し、前記クロック配線が、遮光性材料で形成され、前記列方向に並ぶ前記受光画素相互間の境界上に沿って延びる突起部を有するものである。

本発明によれば、受光画素相互間の境界上の遮光されない間隙が１箇所のみとなり、遮光度合いが向上する。これにより、画素間の混色等が低減される。

本発明の好適な態様は、前記境界それぞれに、前記受光画素列の両側の前記クロック配線のいずれか一方から延びる単独の前記突起部が配置される固体撮像素子である。

他の本発明に係る固体撮像素子においては、前記各受光画素列にて前記列方向に並ぶ複数の前記突起部が、当該受光画素列の両側の前記クロック配線から交互に延びる。

さらに他の本発明に係る固体撮像素子においては、前記各シフトレジスタがそれぞれ、前記受光画素列を構成し、前記複数のクロック配線が、前記複数のシフトレジスタ相互間を分離する素子分離領域上に沿って形成される。

本発明の好適な態様は、前記列方向に隣接する前記受光画素上には互いに異なる色透過特性を有したカラーフィルタが配置される固体撮像素子である。

本発明によれば、ＣＣＤシフトレジスタのチャネルに配置された受光画素の境界部分の遮光に生じる間隙が縮小され、画素間のクロストークが抑制され混色等が軽減される。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
本実施形態に係る固体撮像素子は、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサである。このイメージセンサは、半導体基板表面に形成された撮像部、蓄積部、水平転送部及び出力部を備えて構成される。

撮像部及び蓄積部はそれぞれ行方向に複数配列された垂直ＣＣＤシフトレジスタを備える。撮像部を構成する垂直ＣＣＤシフトレジスタは、チャネル領域上に開口が設けられ各ビットが受光画素を構成し、入射光に応じた信号電荷を発生、蓄積することができる。撮像部の垂直ＣＣＤシフトレジスタの出力端は、蓄積部の垂直ＣＣＤシフトレジスタの入力端に接続され、露光期間が終了すると撮像部に蓄積された信号電荷が、蓄積部にフレーム転送される。蓄積部は遮光膜で覆われ、撮像部から転送された信号電荷を蓄積する。水平転送部は、蓄積部から１行ずつ読み出される信号電荷を出力部へ水平転送し、出力部は信号電荷を電圧信号に変換し、画像信号として出力する。

図１は、本発明の第１の実施形態であるフレーム転送型ＣＣＤイメージセンサの撮像部の構造を示す模式的な平面図である。半導体基板表面の撮像部に対応する領域には、列方向に延びる複数のＣＣＤシフトレジスタのチャネル２２がチャネルストップ２４により相互に分離されて形成される。半導体基板上には、チャネル２２に直交し、かつ列方向に配列された複数の転送電極２６が積層形成される。転送電極２６は、ポリシリコン等の光透過性を有する材料で形成される。転送電極２６の上には遮光性を有する金属膜からなる配線層、例えばＡｌ層が積層され、これをパターニングして、チャネルストップ２４上に沿って延びるクロック配線２８が形成される。クロック配線２８はコンタクト３０を介して転送電極２６に電気的に接続され、転送電極２６に転送クロックを印加することができる。

ここでは撮像部を構成するＣＣＤシフトレジスタは、転送クロックφ1〜φ3を用いた３相駆動であり、列方向に連なる３本の転送電極２６がシフトレジスタの１ビットを構成する。そして、このビットが撮像部の受光画素に対応付けられる。例えば、転送クロックφ1を印加される転送電極２６-1から転送クロックφ3を印加される転送電極２６-3までを１ビットとすると、転送電極２６-1と転送電極２６-3との間に受光画素の境界が位置する。

クロック配線２８は、受光画素の境界位置に水平に延びた突起部３２を有する。各垂直ＣＣＤシフトレジスタのチャネル２２において、突起部３２は両側のクロック配線２８から交互に延びる。すなわち、例えば、第（２ｉ−１）行（ｉは整数）と第２ｉ行との間の画素境界では、チャネル２２の一方側から突起部３２が延び、第２ｉ行と第（２ｉ＋１）行との間の画素境界では、チャネル２２の他方側から突起部３２が延びる。

配線層の上に、各受光画素に対応した色透過特性を有するカラーフィルタが配置される。例えば、ここではカラーフィルタはベイヤー配列であり、各列には異なる色のカラーフィルタ３４-1，３４-2が交互に配置される。

さて、行方向に隣り合うクロック配線２８は、転送クロックφ1〜φ3のうち互いに異なる相を供給するため、突起部３２は反対側のクロック配線２８には接続されず、その先端とクロック配線２８との間には間隙が設けられる。この間隙は、そこへの斜め入射光により画像信号の混色成分を生じる原因ともなり得るため、できるだけ小さく形成される。さらに、本実施形態のように、当該間隙をチャネル２２の端、すなわちチャネルストップ２４に隣接して配置することにより、間隙への斜め入射光がチャネルストップ２４の領域で吸収される確率が高まり、混色を抑制、軽減することができる。

また、上述のように、突起部３２を一方のクロック配線２８のみからだけでなく、両側のクロック配線２８から交互に延びるように構成することで、入射光の向きに応じた混色成分量の変動の抑制を期待でき、画質の安定化が図られる。

突起部３２の幅は、突起部３２と半導体基板との間隔及び想定される入射光の角度に基づく幾何学的考察等によって、斜め入射光に対する隣接画素間の分離が好適に行われるように決定される。その際、斜め入射光に対する隣接画素間の好適な分離が実現される範囲にて突起部３２の幅をできる限り狭めることにより、クロック配線２８の寄生容量の増加を抑制し、転送クロックの波形の鈍りを回避することができる。

ＣＣＤイメージセンサの小型化、高画素化によって画素サイズは縮小化の途を辿っているが、当該間隙の幅は、必ずしも画素サイズに連動して小さくすることはできない。すなわち、間隙の幅には、遮光性金属層のエッチング等の加工技術によって規定される下限が存在し、一般的に、画素サイズの縮小に伴って、間隙が画素境界部分に占める割合は大きくなりがちである。

そのため、図３に示すような遮光グリッドを配置する従来技術では、各画素の信号電荷に占める混色成分の増大が顕著となり得るという問題があった。しかし、本実施形態に係る固体撮像素子では、画素サイズが縮小化されたＣＣＤイメージセンサにおいても混色成分の増大を抑制することができる。

［実施形態２］
本実施形態に係る固体撮像素子は、インターライン転送型ＣＣＤイメージセンサである。このイメージセンサは、半導体基板表面に形成された撮像部、水平転送部及び出力部を備えて構成される。

撮像部は、列方向に配列された複数の受光画素（受光画素列）と垂直ＣＣＤシフトレジスタとが行方向に交互に配列される。垂直ＣＣＤシフトレジスタは、その転送チャネル及び両側の素子分離領域の上を金属膜で遮光され、隣接する受光画素から転送された信号電荷を垂直転送する。水平転送部は、垂直ＣＣＤシフトレジスタ群から１行ずつ読み出される信号電荷を出力部へ水平転送し、出力部は信号電荷を電圧信号に変換し、画像信号として出力する。

図２は、本発明の第２の実施形態であるインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサの撮像部の構造を示す模式的な平面図である。撮像部の半導体基板表面には、受光画素領域５０及び、列方向に延びるＣＣＤシフトレジスタのチャネル５２がチャネルストップ５４により相互に分離されて形成される。半導体基板上には、チャネル５２に直交し、かつ列方向に配列された複数の転送電極５６が積層形成される。転送電極５６は、ポリシリコン等の光透過性を有する材料で形成される。転送電極５６の上には遮光性を有する金属膜からなる配線層、例えばＡｌ層が積層され、これをパターニングして、垂直ＣＣＤシフトレジスタのチャネル５２に沿って延びる遮光膜５８が形成される。本イメージセンサでは、この遮光膜５８を転送電極５６に転送クロックを供給するクロック配線として利用している。遮光膜５８は例えば、チャネルストップ５４上に配置されるコンタクト６０を介して転送電極５６に電気的に接続され、転送電極５６に転送クロックを印加することができる。

転送電極５６-1は第１ポリシリコン層を用いて形成され、転送電極５６-2はその上に積層される第２ポリシリコン層を用いて形成される。各転送電極の下のチャネル５２には不純物注入によりストレージ領域とバリア領域とが形成され、垂直ＣＣＤシフトレジスタは、転送クロックφ1，φ2を用いた２相駆動に構成される。

列方向に並ぶ受光画素は、それらの境界位置に水平に配置されたチャネルストップ５４により分離される。遮光膜５８はこの受光画素間の境界位置のチャネルストップ５４上に水平に延びた突起部６２を有する。各受光画素列において、突起部６２は両側の遮光膜５８から交互に延びる。すなわち、例えば、第（２ｉ−１）行（ｉは整数）と第２ｉ行との間の画素境界では、受光画素列の一方側に隣接する垂直ＣＣＤシフトレジスタの遮光膜５８から突起部６２が延び、第２ｉ行と第（２ｉ＋１）行との間の画素境界では、他方側に隣接する垂直ＣＣＤシフトレジスタの遮光膜５８から突起部６２が延びる。

各受光画素に対応して所定の色透過特性を有するカラーフィルタが配置される。例えば、ここではカラーフィルタはベイヤー配列であり、各列には異なる色のカラーフィルタが交互に配置される。

行方向に隣り合う遮光膜５８に上述のように突起部６２を設けることで、各遮光膜５８を互いに異なる相の転送クロックを供給するクロック配線として利用しつつ、斜め入射光による受光画素間の混色の発生を抑制、軽減することができる。

本発明の第１の実施形態であるフレーム転送型ＣＣＤイメージセンサの撮像部の構造を示す模式的な平面図である。 本発明の第２の実施形態であるインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサの撮像部の構造を示す模式的な平面図である。 従来提案されている撮像部の構造を示す平面図である。

符号の説明

２２，５２ チャネル、２４，５４ チャネルストップ、２６，５６ 転送電極、２８ クロック配線、３０，６０ コンタクト、３２，６２ 突起部、３４ カラーフィルタ、５８ 遮光膜。

Claims (3)

1. 行列配置された複数の受光画素と、前記受光画素毎に発生する信号電荷の列方向の転送を行う複数のシフトレジスタとが構成された撮像領域を有し、
   前記シフトレジスタは、
   列方向に複数配列され、当該シフトレジスタでの前記信号電荷の転送を担う複数の転送電極と、
   前記受光画素の列間にそれぞれ列方向に延在され、前記転送電極に複数相の転送クロックの各相を供給する複数のクロック配線と、
   を有し、
   前記クロック配線は、遮光性材料で形成され、前記列方向に並ぶ前記受光画素相互間の境界上に沿って、前記各受光画素列の両側の前記クロック配線から交互に延びる突起部を有すること、
   を特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記各シフトレジスタはそれぞれ、前記受光画素列を構成し、
   前記複数のクロック配線は、前記複数のシフトレジスタ相互間を分離する素子分離領域上に沿って形成されること、を特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１から請求項２のいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
   前記列方向に隣接する前記受光画素上には互いに異なる色透過特性を有したカラーフィルタが配置されること、を特徴とする固体撮像素子。

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