JP4710305B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に転送電極パターンを有するＣＣＤ固体撮像素子に関する。

半導体基板に電荷転送部を形成するとともに、この電荷転送部の上層に絶縁膜を介して転送電極を配置し、この転送電極に駆動パルスを印加することで、電荷転送部による信号電荷の転送を行うようにした各種のＣＣＤ固体撮像素子が提供されている。そして、このようなＣＣＤ固体撮像素子の転送電極の配置パターンとしては、隣接する転送電極の一部を重ね合わせた状態で配置した多層構造を有するものと、隣接する転送電極を重ね合わせない状態で配置した単層構造を有するものが知られている。

例えば、図９は、単層構造の転送電極を有するＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の要部及び電極パターンを示す平面図であり、図１０は、図９に示す固体撮像素子のＡ−Ａ断面図である。図示の例は、固体撮像素子の受光部で受光した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ用の転送電極を示している。

図１０において、シリコン基板１１０の内部には受光部や電荷転送部（図示せず）が設けられており、その上層に酸化シリコン等の絶縁膜１１１を介して多結晶シリコン等による転送電極１０７、１０８が設けられている。転送電極１０８は、受光部に蓄積された信号電荷を電荷転送部に読み出すための読み出し電圧が印加される読み出し電極、すなわち読み出しゲート部のゲート電極を兼ねている。

図９に示すように、各転送電極１０７，１０８は、それぞれ固体撮像素子の受光部１０２を避けるようなパターンで形成されており、垂直転送レジスタ１０３の電荷転送部に沿う部分は、各転送電極１０７，１０８が互いに近接して配置されている。また、垂直方向に隣り合う受光部１０２（画素）の間には、隣り合う垂直転送レジスタ１０３同士を連結するように転送電極１０７，１０８が配置されている。

一方、ＣＣＤ固体撮像素子において、垂直転送レジスタに読み出された信号電荷を高速で駆動する方法として、シート抵抗の小さいアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）等を用いたシャント配線を転送電極に接続させるシャント配線構造を形成する技術が知られている。
特開２００２−１５８９２５号 特開２００３−７９９７号

図９に示した固体撮像素子においては、受光部１０２に入射した光によって発生した信号電荷を垂直転送レジスタ１０３へ読み出す場合には、読み出し電極を兼ねる転送電極１０８に、読み出し電圧（３値パルスのうち高レベルのパルス）Ｖ１を印加する。そして、この読み出し電圧Ｖ１により、受光部１０２に蓄積された信号電荷が垂直転送レジスタ１０３に読み出される。

しかし、上述したように、読み出し電極を兼ねる転送電極１０８は、垂直方向に隣り合う受光部１０２（画素）間に延長して配置されているので、この部分にも読み出し電圧Ｖ１が印加される。垂直方向に隣合う受光部１０２（画素）間には画素分離のためにチャネルストップ層が形成されているが、この読出し電圧Ｖ１の印加で電極直下のチャネルストップ層のポテンシャルバリアが崩れ（いわゆる変調し）、受光部１０２に蓄積されていた信号電荷が垂直方向にも移動し、垂直方向に隣接する受光部１０２間において、垂直方向で混色が生じるという問題が発生する。即ち、垂直転送レジスタ１０３に読みださなければならない信号電荷が、垂直方向に隣り合う他の受光部（画素）１０２へ一部もれてしまう現象が生じる。特に、画素サイズを微細化するために、垂直方向に隣り合う受光部（画素）の間隔を狭くしたり、また、チャンネルストップ領域の幅を狭くしたりする場合には、このような混色の問題がさらに発生しやすくなる。

上述した混色を防止するため、垂直方向に隣合う画素間のチャネルストップ層の不純物濃度を高くしたり、不純物を多段にイオン注入してチャネルストップ層をさらに深く形成することで、このチャネルストップ層でのポテンシャルバリアを強化することが可能である。しかし、イオン注入後の活性化にためのアニール処理で、チャネルストップ層の不純物の横方向への拡散などにより、受光部１０２の領域が縮小したり、イオン注入の追加で工程数が増加するという問題も発生する。

本発明は、上述に点に鑑み、読出し電圧による垂直方向に隣合う画素間での混色を防止できるようにした固体撮像素子を提供するものである。

本発明に係る固体撮像素子は、垂直転送レジスタ内に配された読み出し電極を兼ねる転送電極を、水平方向に隣り合う読み出し電極を兼ねる転送電極及び他の転送電極から分離した構成とする。

好ましくは、読出し電極を兼ねる転送電極が、垂直方向に隣合う受光部の間に配置されたシャント配線に接続された構成とする。
好ましくは、シャント配線が他の転送電極上に形成された構成とする。
好ましくは、シャント配線の垂直方向に幅が、シャント配線が設けられた他の転送電極の垂直方向の幅よりも狭い幅で形成された構成とする。

好ましくは、読出し電極を兼ねる転送電極と他の転送電極とが、単層構造により形成された構成とする。
さらに好ましくは、垂直転送レジスタ内の読出し電極を兼ねる転送電極の垂直方向の幅と、他の転送電極の垂直方向の幅とが、同じ幅になるように形成された構成とする。

本発明の固体撮像素子では、読み出し電圧が印加される読み出し電極を兼ねる転送電極の範囲が制限されるため、読み出し電圧の印加時に、垂直方向に隣り合う画素間へ直接的に読み出し電圧が印加されることがなく、画素間における混色を防止することができる。

本発明の固体撮像素子によれば、垂直方向に隣り合う画素間の混色を防止し、解像度及び分光特性を向上させることができる。また、垂直方向に隣り合う画素間へ追加のチャンネルストップ領域を形成するための形成工程を削減することができる。

読出し電極を兼ねる転送電極が、垂直方向に隣り合う受光部の間に配置されたシャント配線に接続されるときは、水平方向の各読出し電極を兼ねる転送電極に同時に所要の駆動パルスを印加することができる。
このシャント配線が他の転送電極上に形成されるときは、電荷を読み出す際の垂直方向に隣り合う受光部間におけるチャネルストップ層への読出し電圧の影響を回避することができる。

シャント配線の垂直方向の幅が、シャント配線が設けられた転送電極の垂直方向の幅よりも狭い幅で形成されるときは、受光時にシャント配線による入射光の蹴られを避けることができ、集光効率を上げることができる。

垂直転送レジスタ内の読出し電極を兼ねる転送電極の垂直方向の幅と、他の転送電極の垂直方向の幅とが、同じ幅になるように形成するときは、垂直転送レジスタ内での信号電荷の転送効率を向上することができる。

本発明は、特に、読出し電極を兼ねる転送電極と他の転送電極とを単層構造により形成した固体撮像素子に適用して好適である。

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〜図８は、本発明の一実施の形態の固体撮像素子に関するもので、インターライン転送（ＩＴ）型ＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を示している。

図1は、第１実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子１の概略構成を示したものである。このＣＣＤ固体撮像素子１は、マトリックス状に配列された光電変換を行う複数の受光部２と各受光部列に対応したＣＣＤ構造の複数の垂直転送レジスタ３からなる撮像領域４と、撮像領域４の一端に配され、垂直転送レジスタ３からの信号電荷が転送されるＣＣＤ構造の水平転送レジスタ５と、水平転送レジスタ５の最終段に接続された出力部６とからなる。
各受光部２は、後述するように画素分離領域となるチャネルストップ層により区画されている。なお、複数の受光部２は、規則的に配列されているものであれば、特にマトリックス状の配列に限定されるものではない。

このＣＣＤ固体撮像素子１では、受光部２に入射した光により発生した信号電荷が、垂直転送レジスタ3に読み出された後、例えば、後述する４相の駆動パルスφ１〜φ４により水平転送レジスタ５に転送され、さらに、その信号電荷が水平転送レジスタ5内を、例えば２相の駆動パルスで転送され、出力部６から信号として出力される。

図２は、本実施の形態による転送電極を有する固体撮像素子の撮像領域の要部及びその電極パターンを示す平面図である。すなわち、受光部２で受光した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ３の転送電極パターンを示す平面図である。

先ず、図５（図２のＣーＣ′線上の拡大断面）を用いて、単位画素の断面構造を説明する。本実施の形態においては、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板３１に第２導電型の例えばｐ型の第１の半導体ウェル領域３２が形成され、この第１のｐ型半導体ウェル領域３２の受光部２を形成する領域にｎ型の電荷蓄積領域３３及びその表面に暗電流を抑制するためのｐ＋アキミュレーション層３４が形成されてなる受光部２となるフォトダイオードが形成される。この受光部２はＨＡＤセンサ（Ｈｏｌｅ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｉｏｄｅデンサ）と呼ばれる。第１のｐ型半導体ウェル領域３２は、オーバーフローコントロールゲート領域となる。一方、第１のｐ型半導体ウェル領域３２の垂直転送レジスタ３を形成する領域には、第２のｐ型半導体ウェル領域３５が形成され、第２のｐ型半導体ウェル領域３５上にｎ型転送チャネル領域（以下、電荷転送部という）３６が形成される。このｎ型半導体基板３１、第１のｐ型半導体ウェル領域３２、その他の各領域を含むシリコン基体１０のｎ型転送チャネル領域３６上に参加シリコン等によるゲート絶縁膜１１を介して例えば多結晶シリコン層からなる転送電極７、８（この図では転送電極８）が形成される。この電荷転送部３６、ゲート絶縁膜１１及び転送電極７、８により、垂直転送レジスタ３が構成される。

転送電極８は、読出しゲート部４１及び単位画素を区画する画素分離領域となるｐ＋チャネルストップ層３７上に延長して形成される。即ち、この転送電極８は読出しゲート部４１の読出し電極（ゲート電極）を兼ねている。さらに、後述するようにこの転送電極８に絶縁膜１３の開口を通じてシャント配線９が接続される。まお、図示しないが、受光部２を除いて垂直転送レジスタ３を含むタブ全面上に層間絶縁膜を介して遮光膜が形成され、さらに平坦化膜を介してカラーフィルタが形成され、カラーフィルタ上に各受光部２に対応するオンチップレンズが形成される。

そして、図２に示すように、垂直転送レジスタ３の電荷転送部に沿う部分は、転送電極７と読み出し電極を兼ねる転送電極８が、互いに近接して配置されている。多結晶シリコン層からなる転送電極７と、転送電極８とが、電荷転送方向、即ち、垂直方向に交互に繰り返えすように配列されている。転送電極７は、垂直転送レジスタ３内で、電荷転送部に沿って隣接する読み出し電極を兼ねる転送電極８と近接するように設けられた縁部７ａと、受光部２を避けるように設けられた縁部７ｂと、これらの縁部と反対側に設けられた縁部７ｃとを有するように形成されている。即ち、転送電極７は、垂直方向に隣り合う受光部２（画素）間に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ３内に配置された対応する転送電極７同士が一体的に連結されるように、櫛歯状に形成されている。

図２に示すように、読み出し電極を兼ねる転送電極８は、垂直転送レジスタ３内に配置するように形成されており、電荷転送方向に沿って隣接する転送電極７と近接するように設けられた縁部８ａと縁部８ｂを有するように形成されている。縁部８ａは、転送電極７の縁部７ａと近接するように形成されており、縁部８ｂは、転送電極７の縁部７ｃと近接するように形成されている。図２に示すように、縁部８ａと縁部７ａ、縁部８ｂと縁部７ｃとの間は、互いに所定の間隔を有するように形成されている。すなわち、読み出し電極を兼ねる転送電極８は、いずれの電極に連結されることなく分離された状態で形成されており、いわゆる浮島状の電極として形成されている。

垂直転送レジスタ３内の転送電極７には、転送電極８に対向するように延長部が形成されている。この延長部の水平方向の幅Ｗ１は、対向する転送電極８の水平方向の幅Ｗ２と同じ幅になるように形成されている。同一の垂直転送レジスタ３内に存在する転送電極７、８の水平方向の幅Ｗ１，Ｗ２は、同じ幅になるように形成されている。このように、同一の垂直転送レジスタ３内に配置された転送電極の水平方向の幅をそろえることにより、垂直転送レジスタ３内の信号電荷の転送を効率よく行うことができる。
また、同一の垂直転送レジスタ３内における転送電極８の形状は、他の転送電極８の形状と同じ形状となるように形成されている。このように、垂直転送レジスタ３内の転送電極の形状をそろえることで、垂直転送レジスタ３内の信号電荷の転送を効率よく行うことができる。

本実施の形態の場合は、隣り合う垂直転送レジスタ同士を連結するのは、転送電極７のみであり、その結果、垂直方向に隣り合う受光部２間には、読み出し電極を兼ねていない転送電極７のみが配置されるように形成されている。また、前述したように、読み出し電極を兼ねていない転送電極７が、各垂直転送レジスタ列３で共通に使用されている。

垂直方向に隣り合う受光部２間に設けられた転送電極７上には、その水平方向に渡って、抵抗の小さい材質で作られた、例えば、多結晶シリコンからなるシャント配線９が形成されている。そして、シャント配線９は、図２に示すように、その一部が垂直方向に延長し、読み出し電極を兼ねる各転送電極８上に延びるように延長部９ａが形成されている。その延長部９ａにはコンタクト部１２が形成されている。このコンタクト部１２において、シャント配線９が、層間絶縁膜１３に設けられたコンタクトホール１３ａを介して、転送電極８に接続されている（図３参照）。

また、図に示されるように、シャント配線９の垂直方向の幅ｔ２は、転送電極７の垂直方向の幅ｔ１よりも狭くなるように形成されている。また、転送電極８上に延びるシャント配線９の延長部９ａは、その水平方向の幅ｗ3 が転送電極８の水平方向の幅ｗ2 よりも狭くなるように形成される（図４参照）。
受光部２に蓄積された信号電荷が垂直転送レジスタ３に読み出されると、垂直転送レジスタに読み出された信号電荷は、４相の駆動パルスφ１〜φ４によって垂直転送レジスタ内３を転送される。

図３は、図２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線上の拡大断面図である。
シリコン基体１０の上に、酸化シリコン等によるゲート絶縁膜１１を介して、多結晶シリコン層からなる転送電極７と転送電極８が、単層構造により形成されている。さらに、詳しくは、シャント配線９が、酸化シリコン等による層間絶縁層１３を介して、転送電極７と読み出し電極を兼ねる転送電極８の上方に配置される。転送電極８上には、層間絶縁層１３の一部を除去することによりコンタクトホール１３ａが形成されており、このコンタクトホール１３ａを通じて、シャント配線９が、読み出し電極を兼ねる転送電極８に接続されている。なお、転送電極７と転送電極８は、互いの端部が一部重なるような多層構造で形成されてもよい。

図４は、図２に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線上の拡大断面図である。
詳しくは、シリコン基体１０の上に、酸化シリコン等によるゲート絶縁膜１１を介して、多結晶シリコン層からなる転送電極７が形成されており、その上に、層間絶縁膜１３を介してシャント配線９が形成される。図示されるように、シャント配線９の垂直方向の幅ｔ２は、転送電極７の垂直方向の幅ｔ１よりも狭くなるように形成されている。

上述の第１実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子１によれば、垂直方向に隣り合う受光部２（画素）間に読み出し電極を兼ねる転送電極８が配置されていないので、垂直方向に隣り合う受光部２間に対応するｐ＋チャネルストップ層３７への読出し電圧の印加が避けられ、ｐ＋チャネルストップ層３７のポテンシャルバリアを変調することがない。すなわち、読み出し電圧Ｖ１を印加した場合に、垂直方向に隣り合う受光部２間における混色を防止することができる。また、シャント配線９を用いることにより、確実に読み出し電圧Ｖ１を読み出し電極を兼ねる転送電極８に印加することができる。さらに、シャント配線９を転送電極７上に設けたので、シャント配線９に印加された読出し電圧Ｖ１が、その直下のｐ＋チャネルストップ層３７に影響を及ぼすことがなく、ｐ＋シャネルストップ層３７のポテンシャルバリアを変調させることがない。また、受光部２間でのシャント配線９の幅ｔ2 を転送電極７の幅ｔ1 より狭くし、垂直転送レジスタ３内のシャント配線９の幅ｗ3 を転送電極８の幅ｗ2 より狭くすることにより、受光時に入射光がシャント配線９に蹴られることがなく、受光部２への集光効率を向上することができる。さらに、チャネルストプ層３７の形成の際に、イオン注入工程を減らすことができ、また、不純物濃度を抑制することができるので、イオン注入後の活性化のアニール工程でチャネルストップ層３７の不純物が横方向に拡散することが抑えられる。従って、受光部２の領域を大きくすることができ、高感度化が図れる。特に、単層構造で転送電極を形成した場合に、垂直方向に隣り合う画素間の混色を防止することができる。

図６は、本発明の第２実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子５１を示すものである。第１実施の形態と同じ構成に対応する部分は、同一の符号を付して重複説明を省略する。本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子５１においては、読み出し電極を兼ねる転送電極１８の垂直方向、すなわち電荷転送方向の幅Ｌ２と、転送電極１７の垂直方向の幅Ｌ１が同じ幅となるように形成されている。垂直転送レジスタ３内に設けられた転送電極１７に電荷転送方向へ延びる延長部を設け、この延長部の垂直方向の幅と、垂直方向に隣り合う受光部２間に配されている転送電極１７の垂直方向の幅とを足した長さＬ１が、転送電極１８の垂直方向の幅Ｌ２と同じになるように形成されている。なお、上記延長部の長さは、転送電極１８の中心から上下に同じ長さが延長されるように形成されている。

第２実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子５１によれば、垂直転送レジスタ３内で転送電極１７（Ｌ１）と転送電極１８の垂直方向の幅（Ｌ２）が同じ幅なので、垂直転送レジスタ３内で信号電荷を転送する際の転送バランスをよくすることができる。
また、読み出し電極を兼ねる転送電極１８の中心位置が、受光部２の中心位置と一致するように形成されているので、受光部２からの信号電荷の読み出し効率を向上できる。その他、混色防止、製造工程数の削減、受光部２の領域を大きくできる等、第１実施の形態と同様の効果を有している。

図７は、本発明の第３実施の形態に係るＣＣＤ撮像素子５２を示すものである。第１実施の形態と同じ構成に対応する部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子５２においては、転送電極２７が垂直方向へのびる延長部を有しておらず、撮像領域４において、転送電極２７の垂直方向の幅Ｌ３が総て同じ幅となるように形成されている。同図に示すように垂直転送レジスタ３内の読み出し電極を兼ねる転送電極２８の垂直方向、すなわち電荷転送方向の幅Ｌ４が、垂直方向に隣り合う転送電極２７間の間隔とほぼ同じ長さになるように形成されている。つまり、転送電極２７の垂直方向の幅の長さＬ４が、受光部２領域と同じ長さになるように形成されている。

第３実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子５２によれば、読み出し電極を兼ねる転送電極２８の垂直方向、すなわち電荷転送方向へ幅Ｌ４の長さを大きくしたので、転送電極２８に読み出し電圧を印加する際の間口を広くすることができる。つまり、低い読み出し電圧で受光部２から信号電荷を読み出すことができる。また、転送電極２７は垂直方向の延長部を有していないので、製造を容易にできる。その他、混色防止、製造工程数の削減、受光部２の領域を大きくできる等、第１実施の形態と同様の効果を有している。

図８は、読み出し電極を兼ねる転送電極８上に延長されたシャント配線９の延長部９ａの他の例を示すものである。転送電極８上で、シャント配線９の延長部９ａの水平方向の幅Ｗ４が大きくなるように延長部１９ａが形成されている。この幅Ｗ４は、転送電極８の水平方向の幅Ｗ２よりも狭くなるように形成されている。これにより、転送電極８上でのシャント配線９の面積を大きくすることができるので、コンタクトのマージンを大きくすることができる。即ち、転送電極８上におけるコンタクト部を作成するための加工作業が容易にできる。

上例では、本発明をインターライン転送（ＩＴ）型ＣＣＤ固体撮像素子に適用して説明したが、その他、フレームインターライン転送（ＦＩＴ）型ＣＣＤ固体撮像素子に適用することができる。

本発明に係る固体撮像素子の概略構成図である。 本発明の第１実施の形態による転送電極を有する固体撮像そしの撮像領域の要部及びその電極パターンを示す平面図である。 図２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線上の拡大断面図である。 図２に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線上の拡大断面図である。 図２に示す固体撮像素子のＣ−Ｃ線上の拡大断面図である。 本発明の第２実施の形態による転送電極を有する固体撮像そしの撮像領域の要部及びその電極パターンを示す平面図である。 本発明の第３実施の形態による転送電極を有する固体撮像素子の要部及びその電極パターンを示す平面図である。 読み出し電極を兼ねる転送電極上のシャント配線の他の実施形態である。 従来の転送電極を有する固体撮像素子の撮像領域の要部及びその電極パターンを示す平面図である。 図９に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線上の拡大断面図である。

符号の説明

５１，５２ 固体撮像素子、２，１０２ 受光部、３，１０３ 垂直転送レジスタ、４ 撮像領域、５ 水平転送レジスタ、６ 出力部、７，１，２７，１０７ 転送電極、８，１８，２８，１０８ 読み出し電極を兼ねる転送電極、９ シャント配線、９ａ，１９ａ 延長部、１０ シリコン基体、１１ ゲート絶縁膜、１２ コンタクト部、１２ａ コンタクトホール、１３ 層間絶縁膜、φ１〜φ４ 駆動パルス、Ｖ１ 読み出し電圧、３１ シリコン基板、３２ 第１の半導体ウエル領域、３３ 電荷蓄積領域、３４ アキュミュレーション領域、３５ 第２の半導体ウエル領域、３６ 転送チャネル領域、３７ チャネルストップ層、４１ 読み出しゲート部

Claims (2)

1. 複数の受光部と、
   読み出し電極を兼ねる転送電極と他の転送電極とを含む複数の転送電極を有する各受光部列毎に配された垂直転送レジスタと、を有した撮像領域を備え、
   前記垂直転送レジスタ内に配された他の転送電極が、垂直方向に隣り合う前記受光部間にも延長して設けられ、水平方向に隣り合う他の転送電極同士が一体的に連結され、前記垂直転送レジスタ内に配された前記読み出し電極を兼ねる各転送電極が、水平方向に隣り合う読み出し電極を兼ねる転送電極及び他の転送電極から分離されているとともに、
   前記他の転送電極上に水平方向に渡って形成されたシャント配線から垂直方向に延びた延長部に接続されており、
   前記延長部は、前記他の転送電極上に形成されたシャント配線から垂直方向に延びた第１の延長部と、
   前記第１の延長部から垂直方向に延び、前記読み出し電極を兼ねる転送電極上に設けられた第２の延長部とからなり、
   前記第２の延長部の水平方向の幅が、前記読み出し電極を兼ねる転送電極の水平方向の幅よりも狭く、かつ前記第１の延長部の水平方向の幅よりも広い
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記読み出し電極を兼ねる転送電極と他の転送電極とが、単層構造により形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

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