JP4655407B2

JP4655407B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4655407B2
Application number: JP2001141373A
Authority: JP
Inventors: 康丸山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002343955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）構造による固体撮像素子は、一般に、多数の光電変換素子、垂直電荷転送レジスター、ならびに水平電荷転送レジスターを半導体基板上に形成して構成され、垂直電荷転送レジスターは光電変換素子の各グループごとに設けられて対応する光電変換素子グループから電荷を受け取って転送し、水平電荷転送レジスターは垂直電荷転送レジスターにより転送された電荷を垂直電荷転送レジスターから受け取って転送する。
【０００３】
そして、垂直電荷転送レジスターおよび水平電荷転送レジスターはそれぞれ、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜、ならびにゲート絶縁膜上に形成された複数の第１および第２の電極を含み、第１および第２の電極は電荷の転送方向に交互に配置され、第１および第２の電極の間に層間絶縁膜が介在している。
垂直電荷転送レジスターおよび水平電荷転送レジスターのゲート絶縁膜は通常、同一の工程で形成されるため、共に同一の厚さとなっている。また、層間絶縁膜についても同様であり、垂直電荷転送レジスターおよび水平電荷転送レジスターの上記層間絶縁膜は同一の厚さに形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の固体撮像素子には次のような欠点があった。
（１）垂直電荷転送レジスターにおいては、光電変換素子からの電荷読み出しに必要な電圧に耐えられるように層間絶縁膜の膜厚が設定され、そのため水平電荷転送レジスターにおいても層間絶縁膜はその膜厚に設定される。しかし、水平電荷転送レジスターは電荷転送のみを担うので、通常、垂直電荷転送レジスターより低い電圧で駆動される。その結果、層間絶縁膜の膜厚に対して駆動電圧が低すぎる傾向にあり、第１および第２の電極間の層間絶縁膜下のチャネル部分でポテンシャルディップが形成されやすく、電荷を完全に転送することが難しくなる。水平電荷転送レジスターにおいて電荷転送が不完全になると、撮影画像に縦筋が現れるなどの異常が生じ、固体撮像素子の製造歩留まりが低下してしまう。
【０００５】
（２）また、上述のように水平電荷転送レジスターの駆動電圧が層間絶縁膜の膜厚に対して低すぎる傾向にあることから、電荷の完全転送が可能な駆動周波数が低下している。
（３）水平電荷転送レジスターの駆動電圧を高くすることで、水平電荷転送レジスターにおける電荷転送の性能向上を図ることも可能であるが、その場合には消費電力が増大し、また不要輻射も増加する。
【０００６】
（４）固体撮像素子では、転送可能な最大電荷量は、水平電荷転送レジスターの方が垂直電荷転送レジスターより大きくなるように設計され、また、垂直電荷転送レジスターの転送可能な最大電荷量は光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量より大きくなるように設計される。そして、従来の固体撮像素子ではゲート絶縁膜の厚さは垂直電荷転送レジスターおよび水平電荷転送レジスターで同じであるから、水平電荷転送レジスターにおける転送電荷量を大きくするために、水平電荷転送レジスターの面積、具体的には幅を垂直電荷転送レジスターより広く設計している。しかしその結果、電荷転送レジスターや各種素子、配線などの基板上での配置が制限され、レイアウトの自由度が低下し、さらには固体撮像素子の小型化にも不利となっている。
【０００７】
固体撮像素子に対しては、いっそうの性能向上を図るべく画素数（光電変換素子の数）の増加、高フレームレート化、低消費電力化を同時に達成することが強く求められているが、これらを実現する上で上記（１）〜（４）の欠点を解消することが特に重要である。
【０００８】
なお、特開昭６２−２３１５７号公報には、垂直電荷転送レジスターおよび水平電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚が相互に異なっている固体撮像素子が開示されているが、この固体撮像素子では垂直電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚の方が薄くなっているため、上記（４）の欠点はいっそう顕著になる。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、製造歩留まりの向上、高駆動周波数化、消費電力の低減、不要輻射の防止、レイアウトにおける自由度の向上、ならびに小型化を可能とする固体撮像素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、多数の光電変換素子、垂直電荷転送レジスター、ならびに水平電荷転送レジスターを半導体基板上に形成して構成され、前記垂直電荷転送レジスターは前記光電変換素子の各グループごとに設けられて対応する光電変換素子グループから電荷を受け取って転送し、前記水平電荷転送レジスターは前記垂直電荷転送レジスターにより転送された電荷を前記垂直電荷転送レジスターから受け取って転送し、前記垂直電荷転送レジスターおよび前記水平電荷転送レジスターはそれぞれ、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜、ならびに前記ゲート絶縁膜上に形成された複数の第１および第２の電極を含み、前記第１および第２の電極は電荷の転送方向に交互に配置され、前記第１および第２の電極の間に層間絶縁膜が介在している固体撮像素子であって、前記水平電荷転送レジスターの駆動電圧が前記垂直電荷転送レジスターの駆動電圧よりも低く、前記水平電荷転送レジスターの前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜の両方が前記垂直電荷転送レジスターの対応する膜より薄く形成されていることを特徴とする。
【００１１】
このように、本発明の固体撮像素子では、水平電荷転送レジスターの層間絶縁膜の膜厚が、垂直電荷転送レジスターの層間絶縁膜の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスターを低電圧で駆動しても第１および第２の電極間の層間絶縁膜下のチャネル部分にポテンシャルディップが形成されることがない。したがって、電荷は完全に転送され、撮影画像に縦筋が現れるなどの異常は発生せず、固体撮像素子の製造歩留まりが向上する。
【００１２】
また、同じ理由により水平電荷転送レジスターの駆動周波数を高めることができる。
さらに、電荷を完全転送するために水平電荷転送レジスターの駆動電圧を高める必要がないので、消費電力を削減でき、不要輻射も抑制できる。
そして、本発明の固体撮像素子では、水平電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚が垂直電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスターにおいて転送可能な最大電荷量を多くするために水平電荷転送レジスターの面積を広くする必要がなく、したがって基板上のレイアウトの自由度が増し、さらに固体撮像素子の小型化にも有利である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は本発明による固体撮像素子の一例を示す要部断面側面図、図２は実施の形態例の固体撮像素子を示す平面図、図３の（Ａ）ないし（Ｃ）は実施の形態例の固体撮像素子を作製するための各工程を示す部分断面側面図、図４の（Ａ）ないし（Ｃ）は図３につづく各工程を示す部分断面側面図である。
【００１４】
図２に示したように、本実施の形態例の固体撮像素子２では、シリコンから成る半導体基板４上の撮像領域６に多数の光電変換素子８が相互に間隔をおいてマトリクス状に配列されている。そして光電変換素子８の各列ごとにＣＣＤ構造を有する垂直電荷転送レジスター１０が、光電変換素子８の列方向に延設され、垂直電荷転送レジスター１０の一端部にＣＣＤ構造を有する水平電荷転送レジスター１２が、垂直電荷転送レジスター１０の延在方向に直交して延設されている。
また、水平電荷転送レジスター１２の一方の端部には出力部１３が形成されている。なお、図２では、各電荷転送レジスターの電極は省略されている。
【００１５】
このような構成において、各光電変換素子８が光を受光して生成した電荷は対応する垂直電荷転送レジスター１０に出力され、垂直電荷転送レジスター１０はこの電荷を順次、水平電荷転送レジスター１２に向けて転送する。水平電荷転送レジスター１２は各垂直電荷転送レジスター１０から電荷を受け取って出力部１２に転送し、出力部１２から映像信号が出力される。
【００１６】
そして、本実施の形態例では、垂直電荷転送レジスター１０および水平電荷転送レジスター１２は詳しくは図１に示したような構造となっている。なお、図１において垂直電荷転送レジスター部１４および水平電荷転送レジスター部１６はそれぞれ各レジスターの延在方向（電荷の転送方向）に沿った各レジスターの部分断面を示している。
【００１７】
図１に示したように、垂直電荷転送レジスター１０および水平電荷転送レジスター１２はそれぞれ、シリコンから成る第１導電型（たとえばｎ型）の半導体基板４上に、シリコンの酸化物により形成されたゲート絶縁膜１８、２０、ならびにゲート絶縁膜１８、２０上に形成されたポリシリコンによる複数の第１および第２の電極２２、２４を含み、第１および第２の電極２２、２４は電荷の転送方向に交互に配置され、第１および第２の電極２２、２４の間にシリコンの酸化物による層間絶縁膜２６、２８が介在している。
なお、半導体基板４の表面部には、第２導電型（たとえばｐ型）のチャネル（図示せず）が形成されている。また、第２の電極２４は、図１に示したように、一部が第１の電極２２の上に重ねて形成されている。
【００１８】
そして、水平電荷転送レジスター１２のゲート絶縁膜２０および層間絶縁膜２８は、本実施の形態例ではともに垂直電荷転送レジスター１０の対応する膜１８、２６より薄く形成されている。
このような固体撮像素子２は、図３および図４に示した工程により作製することができる。
まず、図３の（Ａ）に示したように、半導体基板４上に絶縁膜３０を形成し、つづいて、図３の（Ｂ）に示したように、フォトリソグラフィーにより水平電荷転送レジスター１２の箇所の絶縁膜３０のみ除去し、その上でさらに全体に絶縁膜を形成して、それぞれ垂直電荷転送レジスター１０の厚いゲート絶縁膜１８および水平電荷転送レジスター１２の薄いゲート絶縁膜２０とする。
【００１９】
その後、図３の（Ｃ）に示したように、ゲート絶縁膜１８の上に、相互に間隔をおいて第１の電極２２を形成し、さらに、図４の（Ａ）に示したように、第１の電極２２の箇所に層間絶縁膜２６を形成する。
次に、図４の（Ｂ）に示したように、水平電荷転送レジスター１２の箇所においてゲート絶縁膜２０の上に、相互に間隔をおいて第１の電極２２を形成するとともに、垂直電荷転送レジスター１０の箇所においてゲート絶縁膜１８上の隣接する２つの第１の電極２２の間にそれぞれ第２の電極２４を形成する。
【００２０】
その後、図４の（Ｃ）に示したように、水平電荷転送レジスター１２の箇所において、第１の電極２２の箇所に層間絶縁膜２６より膜厚の薄い層間絶縁膜２８を形成する。そして、水平電荷転送レジスター１２の箇所においてゲート絶縁膜２０上の隣接する２つの第１の電極２２の間にそれぞれ第２の電極２４を形成し、さらに垂直電荷転送レジスター１０および水平電荷転送レジスター１２の第２の電極２４の上に層間絶縁膜３２を形成して工程を終了する。
【００２１】
このように、本実施の形態例の固体撮像素子２では、水平電荷転送レジスター１２の層間絶縁膜２８の膜厚が、垂直電荷転送レジスター１０の層間絶縁膜２６の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスター１２を低電圧で駆動しても第１および第２の電極２２、２４間の層間絶縁膜２８下のチャネル部分にポテンシャルディップが形成されることがない。したがって、電荷は完全に転送され、撮影画像に縦筋が現れるなどの異常は発生せず、固体撮像素子２の製造歩留まりが向上する。
【００２２】
また、同じ理由により水平電荷転送レジスター１２の駆動周波数を高めることができる。
さらに、電荷を完全転送するために水平電荷転送レジスター１２の駆動電圧を高める必要がないので、消費電力を削減でき、不要輻射も抑制できる。
そして、本実施の形態例の固体撮像素子２では、水平電荷転送レジスター１２のゲート絶縁膜２０の膜厚が垂直電荷転送レジスター１０のゲート絶縁膜１８の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスター１２において転送可能な最大電荷量を多くするために水平電荷転送レジスター１２の面積を広くする必要がなく、したがって基板上のレイアウトの自由度が増し、さらに固体撮像素子２の小型化にも有利である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、水平電荷転送レジスターの層間絶縁膜の膜厚が、垂直電荷転送レジスターの層間絶縁膜の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスターを低電圧で駆動しても第１および第２の電極間の層間絶縁膜下のチャネル部分にポテンシャルディップが形成されることがない。したがって、電荷は完全に転送され、撮影画像に縦筋が現れるなどの異常は発生せず、固体撮像素子の製造歩留まりが向上する。
【００２４】
また、同じ理由により水平電荷転送レジスターの駆動周波数を高めることができる。
さらに、電荷を完全転送するために水平電荷転送レジスターの駆動電圧を高める必要がないので、消費電力を削減でき、不要輻射も抑制できる。
そして、本発明の固体撮像素子では、水平電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚が垂直電荷転送レジスターのゲート絶縁膜の膜厚より薄く形成されているので、水平電荷転送レジスターにおいて転送可能な最大電荷量を多くするために水平電荷転送レジスターの面積を広くする必要がなく、したがって基板上のレイアウトの自由度が増し、さらに固体撮像素子の小型化にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像素子の一例を示す要部断面側面図である。
【図２】実施の形態例の固体撮像素子を示す平面図である。
【図３】（Ａ）ないし（Ｃ）は実施の形態例の固体撮像素子を作製するための各工程を示す部分断面側面図である。
【図４】（Ａ）ないし（Ｃ）は図３につづく各工程を示す部分断面側面図である。
【符号の説明】
２……固体撮像素子、４……半導体基板、６……撮像領域、８……光電変換素子、１０……垂直電荷転送レジスター、１２……水平電荷転送レジスター、１３……出力部、１４……垂直電荷転送レジスター部、１６……水平電荷転送レジスター部、１８……ゲート絶縁膜、２０……ゲート絶縁膜、２２……第１の電極、２４……第２の電極、２６……層間絶縁膜、２８……層間絶縁膜、３０……絶縁膜、３２……層間絶縁膜。

Claims

多数の光電変換素子、垂直電荷転送レジスター、ならびに水平電荷転送レジスターを半導体基板上に形成して構成され、前記垂直電荷転送レジスターは前記光電変換素子の各グループごとに設けられて対応する光電変換素子グループから電荷を受け取って転送し、前記水平電荷転送レジスターは前記垂直電荷転送レジスターにより転送された電荷を前記垂直電荷転送レジスターから受け取って転送し、前記垂直電荷転送レジスターおよび前記水平電荷転送レジスターはそれぞれ、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜、ならびに前記ゲート絶縁膜上に形成された複数の第１および第２の電極を含み、前記第１および第２の電極は電荷の転送方向に交互に配置され、前記第１および第２の電極の間に層間絶縁膜が介在している固体撮像素子であって、
前記水平電荷転送レジスターの駆動電圧が前記垂直電荷転送レジスターの駆動電圧よりも低く、前記水平電荷転送レジスターの前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜の両方が前記垂直電荷転送レジスターの対応する膜より薄く形成されている固体撮像素子。
前記第２の電極は、一部が前記第１の電極の上に重ねて形成されている請求項１記載の固体撮像素子。
前記垂直電荷転送レジスターおよび前記水平電荷転送レジスターはＣＣＤ構造を有している請求項１記載の固体撮像素子。
前記光電変換素子は前記半導体基板上にマトリクス状に配列され、前記垂直電荷転送レジスターは前記光電変換素子の各列ごとに列方向に延設され、各垂直電荷転送レジスターは対応する列の前記光電変換素子から電荷を取り込んで転送する請求項１記載の固体撮像素子。
前記水平電荷転送レジスターは、前記垂直電荷転送レジスターの一方の端部側に前記垂直電荷転送レジスターの延在方向にほぼ直交して延設されている請求項１記載の固体撮像素子。
前記半導体基板はシリコンから成り、前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜はシリコンの酸化物により形成され、前記第１および第２の電極はポリシリコンにより形成されている請求項１記載の固体撮像素子。