JP6106382B2

JP6106382B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器

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Publication number: JP6106382B2
Application number: JP2012185854A
Authority: JP
Inventors: 千絵徳満
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP2014045040A

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成され、全画素読み出し方式などに適用される固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

この種の従来の全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子が特許文献１に開示されている。

図６は、特許文献１に開示されている従来の全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。図６では、例えばインターライン転送（ＩＴ）型として構成された全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の要部を示している。図７（ａ）は、図６のＡ-Ａ’線縦断面図、図７（ｂ）は、図６のＢ-Ｂ’線縦断面図である。

図６において、従来のＣＣＤ固体撮像素子１００は、マトリックス状に配列された複数の受光部１０１と、列方向の複数の受光部毎に対応してその信号電荷読出側に形成されたＣＣＤ構造の複数の垂直転送レジスタ１０２とを有する撮像領域１０３と、複数の垂直転送レジスタ１０２から電荷転送された各信号電荷を出力部側に電荷転送するためのＣＣＤ構造の水平転送レジスタ（図示せず）とを有している。

垂直転送レジスタ１０２は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、シリコン半導体基体１０４の転送チャネル領域上に、ゲート絶縁膜１０５を介して３層構造の転送電極１０６、即ち、第１層目の多結晶シリコン層からなる第１転送電極１０６Ａおよび第３転送電極１０６Ｃと、第２層目の多結晶シリコン層からなる第２転送電極１０６Ｂと、第３層目の多結晶シリコン層からなる第４転送電極１０６Ｄが電荷転送方向（矢印Ｙ）に沿って繰り返し配列されて構成されている。

図６に示すように、ゲート絶縁膜１０５は、単層膜または多層膜で形成可能であり、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜を順次積層した３層構造で形成することができる。これらの第１転送電極１０６Ａ、第２転送電極１０６Ｂ、第３転送電極１０６Ｃおよび第４転送電極１０６Ｄの各間には層間絶縁膜１０７が形成されている。

これらの第１〜第４転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄは、夫々複数列の垂直転送レジスタ１０２に対して共通となるように、垂直方向に隣り合う受光部１０１間を横方向に横切って帯状に形成されている。

１画素（受光部１０１）当たり４つの転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄが対応するように垂直転送レジスタ１０２を形成しているが、この４つの転送電極１０６のうち１つ置きの第１および第３の転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃを第１層目の多結晶シリコン層で形成し、一方の１つ置きの第１層目電極間、即ち、第１および第３の転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃ間に第２層目の多結晶シリコン層からなる第２転送電極１０６Ｂを形成し、他方の１つ置きの第１層目転送電極間、即ち第３および第１の転送電極１０６Ｃおよび１０６Ａ間に第３層目の多結晶シリコン層からなる第４転送電極１０６Ｄを形成している。

また、垂直方向に隣り合う受光部１０１間では、図６および図７（ｂ）に示すように、第１層目の多結晶シリコン層による２つの転送電極、即ち第１転送電極１０６Ａと第３転送電極１０６Ｃが間隙ｄ₁を置いて互に並列するようにして左右方向に形成され、この並列する２つの転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃ上に跨がるように、第２転送電極１０６Ｂおよびその上の第４転送電極１０６Ｄが重ねられて形成されている。

この従来の固体撮像素子１００では、垂直転送レジスタ１０２の１画素に対応する４つの転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄに図８に示す４相の垂直駆動パルスφＶ₁，φＶ₂，φＶ₃およびφＶ₄が印加されて、４相駆動によって全画素読み出しが行われている。

以上のように、３層の転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄで４相駆動の全画素読み出し方式に適用される従来の固体撮像素子１００において、第１層目の転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃが垂直電荷転送方向に沿って１つ置きに配列され、受光部１０１間で第１層目の転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃが並列して横方向に形成される構造とすることにより、転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄの加工ばらつきにかかわらず２相分の各転送領域の蓄積電荷容量の均一化、受光部面積の増大化などを図ることができる。

図９は、特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。図９では、電荷転送方向に直交する方向に伸びる電極および配線部分の断面構成図である。

図９において、従来のＣＣＤ固体撮像素子２００は、ｎ型のシリコン基板（以下、基板２０１という）の上部にｐ型ウェル２０２が形成されている。ｐ型ウェル２０２はオーバーフローバリアを形成している。ｐ型ウェル２０２内の表面側には受光部２０３が設けられている。受光部２０３はｎ型の信号電荷蓄積領域２０４とその上のｐ^＋型の正孔蓄積領域２０５で構成されている。信号電荷蓄積領域２０４に対して読み出し側とは反対側にｐ型のチャネルストップ領域２０６が形成されている。

隣接する信号電荷蓄積領域２０４間のｐ型のチャネルストップ領域２０６上にはゲート絶縁膜２０７を介して第１転送電極２０８、第１駆動配線２０９および第２駆動配線２１０の３層が重ねられて形成されている。これらの第１転送電極２０８、第１駆動配線２０９および第２駆動配線２１０の各間および上部には絶縁膜２１１がそれぞれ形成されている。第１駆動配線２０９は第２転送電極と接続されて兼用されており、第２駆動配線２１０は第３転送電極と接続されて兼用されている。

この絶縁膜２１１上を覆うように遮光膜２１２が形成されており、信号電荷蓄積領域２０４の上方を光入射窓として遮光膜２１２に開口部２１２ａが形成されている。

特開２０００−２３２２１７号公報特開２００７−３５９５０号公報

１つの画素を３枚の転送電極で構成する３相駆動方式において転送電極の加工ばらつきにより、取り扱い電荷量が減ることが問題となっていたが、特許文献１に開示されている上記従来のＣＣＤ固体撮像素子１００では、４相駆動の４つの転送電極１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄのうち、第１層目で１つ置きに２つの転送電極１０６Ａおよび１０６Ｃを配置する構造によって、その上に配置されるその他の２つの転送電極１０６Ｂおよび１０６Ｄの加工工程が複雑化して加工ばらつきにもかかわらず蓄積電荷容量の均一化、受光部面積の増大化を図っている。ところが、３層の転送電極０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄを重ね合わせているために寄生容量が増大している。特に、高速駆動時に、３層の転送電極０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃおよび１０６Ｄに４相の垂直駆動パルスφＶ₁，φＶ₂，φＶ₃およびφＶ₄を印加しても、増大した寄生容量のために電圧の立ち上がりタイミングが遅れてバリアの立ち下がりが遅れて垂直電荷転送で電荷残りが生じるなどの波形なまりによる電荷転送劣化が起こるという問題があった。

特許文献２に開示されている上記従来のＣＣＤ固体撮像素子２００においても、第１転送電極２０８、第１駆動配線２０９および第２駆動配線２１０の３層が重ねられて形成されているため寄生容量が増大している。特に、高速駆動時に、増大した寄生容量のために電圧の立ち上がりタイミングが遅れてバリアの立ち下がりが遅れて垂直電荷転送で電荷残りが生じるなどの波形なまりによる電荷転送劣化が起こる。また、第１転送電極２０８、第１駆動配線２０９および第２駆動配線２１０の３層の加工工程についても数回に分けて加工する必要があって加工工程が複雑化している。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、４相駆動の４つの転送電極を１層構造にして並べることにより４つの転送電極の加工工程を簡略化すると共に、転送電極を重ねないことから寄生容量を低減して、高速駆動時の電荷転送部の駆動波形なまりによる転送劣化を改善することができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、行列方向にマトリクス上に配列され、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部と、該複数の受光部から読み出された各信号電荷を電荷転送する電荷転送手段とを有し、該電荷転送手段の複数の転送電極を列方向の複数の受光部毎に該列方向に順次並べて第１層目として配設し、１つの受光部に対応する列方向の複数の転送電極は１単位を構成しており、該１単位を構成する複数の転送電極にそれぞれ接続される第２層目の各金属駆動配線を該列方向と直交する行方向の横長で該列方向の縦並びに配設した固体撮像素子において、前記電荷転送手段の複数の転送電極は、複数列の受光部に対応して、複数列に配列され、列方向に隣り合う２つの受光部の間の領域を挟んで行方向に隣り合う転送電極同士は互いに離間しており、前記１単位を構成する複数の転送電極にそれぞれ接続される金属駆動配線は前記領域を通って行方向に延びており、前記領域における該金属駆動配線は、平面視において転送電極に重なっていないものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２層目の各金属駆動配線は、ポリシリコン層からなる前記第１層目の各転送電極よりも抵抗値の低い材質で構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２層目の各金属駆動配線のシート抵抗は、前記第１層目のポリシリコン層の１／２から１／１０以下の抵抗値である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２層目の各金属駆動配線の平面視配線幅はポリシリコン層で形成された従来の配線幅の１／２から１／１０で形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２層目の各金属駆動配線の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）およびタングステン（Ｗ）のいずれかで構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送手段の単位構成の複数の転送電極を前記第１層目のみで繰り返し構成し、これらにそれぞれ対応した前記第２層目の単位構成の複数の金属駆動配線であって、前記行方向の該複数の金属駆動配線が順次列方向に繰り返し並べられて配置されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送手段は、半導体基板の上部に平面視所定幅で配設され、各信号電荷を垂直方向に電荷転送するための垂直電荷転送部と、該垂直電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して順次繰り返し並べられた前記第１層目の複数の転送電極と、該複数の転送電極にそれぞれ対応して接続されて繰り返し並べられた前記第２層目の複数の金属駆動配線とを有している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における前記列方向に見て受光部の平面視左右側に前記電荷転送手段がそれぞれ設けられ、前記列方向に見て該受光部の平面視上下側に前記金属駆動配線がそれぞれ設けられて、該受光部の平面視左右および上下を囲う平面視４角形状の光入射窓が構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送手段は、前記第１層目の各転送電極上に各コンタクトプラグをそれぞれ介して前記２層目の各金属駆動配線がそれぞれ設けられた２層構造である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、縦方向に隣接する前記受光部の間の画素分離部上にゲート絶縁膜を介した層間絶縁膜上に、前記２層目の各金属駆動配線が行方向に設けられた単層構造で列方向の縦並びで順次設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における前記列方向に見て受光部の平面視左右にある前記電荷転送手段の高さは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介した前記第１層目の転送電極上にコンタクトプラグを介して前記２層目の金属駆動配線が形成された２層構造の高さである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における前記列方向に見て受光部の平面視上下にある金属駆動配線層の高さは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介した層間絶縁膜上に、前記２層目の金属駆動配線が形成された単層構造の高さである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるＣＣＤ固体撮像素子である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記固体撮像素子を製造する方法において、前記電荷転送手段の複数の転送電極を列方向の複数の受光部毎に該列方向に順次並べて第１層目の単層構造で形成する転送電極形成工程と、該複数の転送電極にそれぞれ接続される第２層目の各金属駆動配線を該列方向と直交する行方向の横長で該列方向の縦並びに形成する金属駆動配線形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部と、複数の受光部から読み出された各信号電荷を電荷転送する電荷転送手段とを有した固体撮像素子において、電荷転送手段の複数の転送電極を列方向の複数の受光部毎に列方向に順次並べて第１層目として配設し、複数の転送電極にそれぞれ接続される第２層目の各金属駆動配線を該列方向と直交する行方向の横長で該列方向の縦並びに配設している。

これによって、４相駆動の４つの転送電極を１層構造にしてそれらを並べ、これに接続される４つの金属駆動配線をも１層構造にしてそれらを並べることにより、４つの転送電極および金属駆動配線の各加工工程を各１回のエッチング加工工程に簡略化することが可能といなると共に、転送電極および金属駆動配線を重ねないことから寄生容量を低減して、特に、高速駆動時の電荷転送部の駆動波形なまりによる転送劣化を改善することが可能となる。

また、第２層目の金属駆動配線の抵抗値は、第１層目のポリシリコンの転送電極の抵抗値に比べて大幅に低抵抗であるので、駆動配線の幅を狭くして受光部の上方の開口部が面積的に拡大できることから、受光部の光感度を向上させることが可能となり、転送電極および駆動配線を２層構造または１層構造で低く構成することによって、斜めの入射光が受光部に届き易くなって光感度の向上に貢献している。

以上により、本発明によれば、４相駆動の４つの転送電極を並べて１層構造にし、これに接続される４つの金属駆動配線をも並べて１層構造にすることにより４つの転送電極および金属駆動配線の各加工工程を簡略化すると共に、転送電極および金属駆動配線を従来のように上下に重ねないことから寄生容量を低減して、高速駆動時の電荷転送部の駆動波形なまりによる転送劣化を改善することができる。

また、第２層目の金属駆動配線の抵抗値は、第１層目のポリシリコンの転送電極の抵抗値に比べて大幅に低抵抗であるため、駆動配線の幅を狭くして受光部の上方の開口部を拡大することができる。これによって、受光部の光感度を向上させることができて、従来のものよりも転送電極および金属駆動配線を２層構造または１層構造で低く構成することにより、斜めの入射光をも受光部に届き易くすることができて、受光部の光感度を向上させることができる。

本発明の実施形態１における全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す平面図である。（ａ）は、図１のＡ-Ａ’線縦断面図、（ｂ）は、図１のＢ-Ｂ’線縦断面図である。図１のＣ-Ｃ’線縦断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、図１のＣＣＤ固体撮像素子における各転送電極を第１層目のポリシリコン層で形成した直後からの製造方法の各工程を示すＡ−Ａ’線断面図である。本発明の実施形態２として、本発明の実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。特許文献１に開示されている従来の全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。（ａ）は、図６のＡ-Ａ’線縦断面図、（ｂ）は、図６のＢ-Ｂ’線縦断面図である。図６の従来の全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の４相駆動のタイミングチャートである。特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。

以下に、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態１および、この固体撮像素子の実施形態１を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態２について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。また、転送電極の個数も実際のデバイスと一致していなくてもよく、図示および説明の便宜を考慮した個数としたものであり、図示する構成に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す平面図である。図２（ａ）は、図１のＡ-Ａ’線縦断面図、図２（ｂ）は、図１のＢ-Ｂ’線縦断面図である。

図１、図２（ａ）および図２（ｂ）において、本実施形態１のＣＣＤ固体撮像素子１０は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換部（フォトダイオード）としての複数の受光部１が２次元で行列方向にマトリクス状に配列されている。縦方向で列方向の複数の受光部１毎に隣接するように縦方向で列方向に、列方向（垂直方向）の複数の受光部１から読み出された各信号電荷を垂直方向（図１中に矢印で示す垂直ＣＣＤ転送方向）に電荷転送する垂直電荷転送レジスタ２が配置されている。複数本の垂直電荷転送レジスタ２によって電荷転送されてきた各信号電荷は１本の水平電荷転送レジスタ（図示せず）によってその終端部の出力部で信号電荷毎に順次増幅された後に撮像信号として出力されるようになっている。複数本の垂直電荷転送レジスタ２と１本の水平電荷転送レジスタ（図示せず）によって、複数の受光部１から読み出された各信号電荷を電荷転送する電荷転送手段が構成されている。

要するに、本実施形態１のＣＣＤ固体撮像素子１０は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部１と、列方向の複数の受光部１から読み出された信号電荷を垂直方向に電荷転送するための複数本の垂直ＣＣＤである複数本の垂直電荷転送レジスタ２と、複数本の垂直電荷転送レジスタ２から電荷転送された各信号電荷を、水平方向に電荷転送するための水平ＣＣＤである水平電荷転送レジスタ（図示せず）とを有している。この全画素読み出し方式に適用されるＣＣＤ固体撮像素子１０において、垂直電荷転送レジスタ２の４つの転送電極３１〜３４を第１層目のみで構成し、これらにそれぞれ対応した第２層目の駆動配線４１〜４４を、垂直転送方向と直交する横方向に順次繰り返し並べて単層構造で配置している。即ち、電荷転送手段としての垂直電荷転送レジスタ２の単位構成の複数（４個）の転送電極３１〜３４を第１層目のみで構成し、これらにそれぞれ対応した第２層目の単位構成の複数（４個）の駆動配線４１〜４４であって、電荷転送方向と直交する横方向の複数（４個）の駆動配線４１〜４４を順次縦方向に繰り返し並べて単層構造で配置している。

上記第２層目の各駆動配線４１〜４４は、第１層目の各転送電極３１〜３４よりも抵抗値の低い材質で構成されている。即ち、第２層目の駆動配線４１〜４４は、ポリシリコン層からなる第１層目の転送電極３１〜３４よりも抵抗値の低い金属などの材質で構成されている。

垂直電荷転送レジスタ２は、半導体基板５の上部側に、平面視所定幅で配設され、各信号電荷を垂直方向に電荷転送するための垂直電荷転送部６と、平面視所定幅の垂直電荷転送部６上にはゲート絶縁膜７を介して４相駆動用の４つの転送電極３１〜３４が所定間隔開けて順次繰り返し並べられている。４つの転送電極３１〜３４上を覆うように層間絶縁膜８が設けられている。層間絶縁膜８にはコンタクトプラグ９が形成されて各転送電極３１〜３４にそれぞれ接続するように金属材料からなる駆動配線４１〜４４がそれぞれ受光部１の上下を通過するように形成されている。受光部１の左右側に垂直電荷転送レジスタ２が設けられ、受光部１の上下側に金属の駆動配線４１〜４４が設けられて、受光部１を左右および上下方向に囲う平面視４角形状の光入射窓が構成されている。

即ち、電荷転送手段としての垂直電荷転送レジスタ２は、半導体基板５の上部側に、平面視所定幅で配設され、各信号電荷を垂直方向に電荷転送するための垂直電荷転送部６と、垂直電荷転送部６上にゲート絶縁膜７を介して順次繰り返し並べられた第１層目の単位構成の複数の転送電極３１〜３４と、単位構成の複数の転送電極３１〜３４にそれぞれ対応して接続されて繰り返し並べられた第２層目の単位構成の複数の駆動配線４１〜４４とを有している。

転送電極３１〜３４は、第１のポリシリコン層で形成され、それぞれの電極に電圧を印加するために、転送電極３１には駆動配線４１が、転送電極３２には駆動配線４２が、転送電極３３には駆動配線４３が、転送電極３４には駆動配線４４がそれぞれ、Ａｌなどの金属材料からなるコンタクトプラグ９によってそれぞれ接続されている。これらの駆動配線４１〜４４はそれぞれ第２層目の金属配線層で形成されている。

駆動配線４１〜４４を形成する第２層目の金属配線層のシート抵抗は、第１層目のポリシリコン層の１／２〜１／１０以下の低抵抗であって、駆動配線４１〜４４はその低抵抗の材質で構成されている。このため、駆動配線４１〜４４の配線幅は従来のポリシリコン層で形成されていたとき幅の１／２〜１／１０で形成することができる。これによって、駆動配線４１〜４４の幅を１／２〜１／１０に細くすることができ、その分、受光部１を広く取ることもできる。即ち、駆動配線４１〜４４の配線幅を細く形成できるために、各受講部１のＹ方向（縦方向）の開口部（光入射窓）を広げることができて、受光部１を広く構成して受光感度を向上させることができる。金属配線層の材質として従来のポリシリコン層よりも低抵抗値のものを用いる。金属配線層の材質としては、例えばアルミニュウム（Ａｌ）の他にチタン（Ｔｉ）やチタンナイトライド（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）などを用いることができる。

上記駆動配線４１〜４４の配線幅を細く形成することにより、これまで３層のポリシリコン層が重なった部分のポリシリコン層−ポリシリコン層間の寄生容量と、ポリシリコン層と半導体基板５との寄生容量、ポリシリコン層とその上の遮光膜（図示せず）との寄生容量が大幅に減って、波形なまりが大幅に改善される。

さらに、図２（ａ）に示すように、横並び（図２では横並びであるが図１の平面視では縦並び）に順次形成された第１層目の転送電極３１〜３４の上にコンタクトプラグ９を介して２層目の駆動配線４１〜４４が単層構造で横並び（図２では横並びであるが図１の平面視では縦並び）に順次形成されている２層構造であるから、これまで３層のポリシリコン層が重なっていた従来の３層構造に比べて寄生容量が大幅に低減されている。また、図２（ｂ）に示すように、縦方向に隣接する受光部１の間の画素分離部上にゲート絶縁膜７を介した層間絶縁膜８ａ上に、２層目の駆動配線４１〜４４が単層構造で横方向に配置されて横並び（図２では横並びであるが図１の平面視では縦並び）に順次形成されている。これまでの３層のポリシリコン層および金属配線層が重なっていた従来の３層構造に比べて寄生容量が大幅に低減されている。この場合、これらの寄生容量は少なくとも半分以下になるし、駆動配線４１〜４４の低抵抗の金属配線層を用いることからその幅を従来に比べて狭くしたとしても抵抗値についても、従来に比べて低減されて波形なまりを大幅に改善することができる。

また、受光部１の平面視左右方向（横方向）にある垂直電荷転送レジスタ２の高さは、図２（ａ）に示すように第１層目の転送電極３１〜３４の上にコンタクトプラグ９を介して２層目の駆動配線４１〜４４が形成された２層構造の高さであるから、これまで３層のポリシリコン層が重なっていた従来の３層構造に比べて大幅にその高さが低く構成されている。また、受光部１の平面視上下方向（縦方向）の駆動配線層の高さは、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜８ａ上に、２層目の駆動配線４１〜４４が形成された単層構造の高さであるから、これまでの３層のポリシリコン層および金属配線層が重なっていた従来の３層構造に比べて大幅にその高さが低く構成されている。このように、受光部１の左右および上下の周囲の高さが従来に比べて低く構成できるために、斜めの入射光が受光部１に入りやすくなって受光感度を向上させることができる。

寄生容量による波形なまりについて、図２（ａ）に示すように、第１層目の転送電極３１〜３４と第２層目の駆動配線４１〜４４の金属配線層との間はコンタクトプラグ９で接続されているため、ゲート絶縁膜７および遮光膜（図示せず）との間の絶縁膜の膜厚を厚くするほど寄生容量が少なくなって波形なまりが緩和されるものの、受光部１の周囲の高さがその膜厚を厚くした分だけ高くなるため、トレードオフの関係である。

また同様に、図２（ｂ）に示すように、第２層目の駆動配線４１〜４４の金属配線層と半導体基板５との間のゲート絶縁膜７および層間絶縁膜８ａの膜厚を厚くするほど寄生容量が少なくなって波形なまりが緩和されるものの、受光部１の周囲の高さが高くなるため、トレードオフの関係である。ところが、図２（ｂ）に示す第２層目の駆動配線４１〜４４の下方には第１層目の転送電極３１〜３４が存在しない分だけ高さが低いため、ゲート絶縁膜７および層間絶縁膜８ａの膜厚は厚くして寄生容量を少なくすることができて波形なまりを緩和することができる。

ここで、受光部１の周辺部の断面構造についても説明する。

図３は、図１のＣ-Ｃ’線縦断面図である。

図３において、本実施形態１のＣＣＤ固体撮像素子１０の各画素部には、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部１が設けられ、各受光部１の一方側に隣接して受光部１からの信号電荷を電荷転送するための垂直電荷転送レジスタ２の垂直電荷転送部６が配設されている。この上にゲート絶縁膜７を介してこれを電荷転送制御するためのポリシリコン層の転送電極３１〜３４が順次縦方向に均等に並べられて配置されている。この転送電極３１〜３４上およびその上の駆動配線４１〜４４上には、入射光が転送電極３１〜３４および駆動配線４１〜４４により反射してノイズが発生するのを防ぐために、絶縁膜１２を介して遮光膜１３が形成されている。

また、受光部１の上方には、遮光膜１３の開口部１３ａからゲート絶縁膜７を介して、受光部１に光を集光させるためのマイクロレンズ（図示せず）が配置されている。さらに、マイクロレンズの下方には所定色配列（例えばベイヤ配列）のカラーフィルタ（図示せず）が配置されている。

上記構成により、複数の受光部１が２次元状に配置された撮像領域に入射した光は、まず、図示しないマイクロレンズおよびカラーフィルタを通過して集光された後に、遮光膜１３の開口部１３ａから受光部１に入射される。

次に、受光部１に入射された光は、受光部１で光電変換されて信号電荷となる。この信号電荷は垂直電荷転送部６に読み出されて所定方向の垂直方向に順次電荷転送される。

このとき、垂直転送レジスタ２の１画素に対応する４つの転送電極３１〜３４に、図８に示すように、４相の垂直駆動パルスφＶ₁，φＶ₂，φＶ₃およびφＶ₄が印加されて、４相駆動によって全画素読み出しが行われるようになっている。

次に、本実施形態１のＣＣＤ固体撮像素子１０の製造方法について説明する。

図４（ａ）〜図４（ｅ）は、図１のＣＣＤ固体撮像素子１０における転送電極３１〜３４を第１層目のポリシリコン層で形成した直後からの製造方法の各工程を示すＡ−Ａ’線断面図である。

まず、図４（ａ）のＡ１−Ａ１’線断面図に示すように、半導体基板５の上部側に垂直電荷転送部６を形成し、その上にゲート絶縁膜７を介してポリシリコン膜を成膜する。ホトリソ技術によりポリシリコン膜を所定幅で所定サイズに順次並べて、１画素に対応する４つの転送電極３１〜３４を繰り返して連続するように形成する。受光部１に隣接する位置に転送電極３１、３２が形成される。

次に、図４（ｂ）のＡ２−Ａ２’線断面図に示すように、繰り返し連続した転送電極３１〜３４上を覆うように、ＳｉＯ_２膜またはＳｉＮ膜からなる層間絶縁膜８を成膜することにより、転送電極３１〜３４の各間を埋め込む。その後、化学機械研磨（ＣＭＰ、ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）などで表面を平坦化する。

続いて、図４（ｃ）のＡ３−Ａ３’線断面図に示すように、層間絶縁膜８に、その下の転送電極３１〜３４と接続する位置に所定サイズのコンタクト穴を転送電極３１〜３４に至るまで開け、転送電極３１〜３４上の各コンタクト穴内にＡｌなどの金属材料を埋め込むように転送電極３１〜３４上に金属材料を成膜する。その後、金属膜が各コンタクト穴内だけに残るように、転送電極３１〜３４上の金属膜をエッチングなどで取り除く。

その後、図４（ｄ）のＡ４−Ａ４’線断面図に示すように、層間絶縁膜８および、各コンタクト穴内に埋め込まれた金属膜上に、第２層目のシート抵抗値の低いＡｌなどの金属配線膜４を成膜する。

さらに、図４（ｅ）のＡ５−Ａ５’線断面図に示すように、ホトリソ技術により金属膜４の横長の所定形状を順次縦方向に並べて、駆動配線４１〜４４を繰り返して連続するようにエッチングして形成する。

以上により、ＣＣＤ固体撮像素子１の製造方法は、電荷転送手段としての垂直電荷転送レジスタ２の複数の転送電極３１〜３４を列方向の複数の受光部１毎に列方向に順次並て第１層目の単層構造で形成する転送電極形成工程と、複数の転送電極３１〜３４にそれぞれ接続される第２層目の各金属の駆動配線４１〜４４を列方向と直交する行方向の横長で列方向の縦並びに形成する金属駆動配線形成工程とを有している。

以上の全画素読出し方式のＣＣＤ固体撮像素子１の製造方法において、第１層目の転送電極３１〜３４と、その上の第２層目のシート抵抗が低く配線幅の細い駆動配線４１〜４４とを形成するため、第１層目のポリシリコン層と、第２層目の金属配線層とで、垂直転送部を４相駆動で構成するができる。即ち、垂直転送部の転送電極３１〜３４を第１層目で構成し、第１層目よりもシート抵抗の低い第２層目の駆動配線４１〜４４を、垂直転送方向と直交するよう横長形状を縦並びにして、配線幅を細く配置することにより、波形なまりによる転送劣化を低減することができ、フレームレートが高く、光感度の良いＣＣＤ固体撮像素子１を得ることができる。なお、本実施形態１と同じ作用効果を奏する構造であれば、どのような材質や、層数、パターンでも構わない。

以上により、本実施形態１によれば、垂直電荷転送レジスタ２は、半導体基板５の上部側に、平面視所定幅で配設され、各信号電荷を垂直方向に電荷転送するための垂直電荷転送部６と、垂直電荷転送部６上にゲート絶縁膜７を介して順次繰り返し並べられた第１層目の単位構成の複数の転送電極３１〜３４と、単位構成の複数の転送電極３１〜３４にそれぞれ対応して接続されて繰り返し並べられた第２層目の単位構成の複数の駆動配線４１〜４４とを有している。

これによって、４相駆動の４つの転送電極３１〜３４を並べて１層構造にし、これに接続される４つの金属の駆動配線４１〜４４をも並べて１層構造にすることにより、４つの転送電極３１〜３４および金属駆動配線４１〜４４の各加工工程を各１回のエッチング工程に簡略化すると共に、転送電極３１〜３４および金属駆動配線４１〜４４を従来のように上下に重ねないことから寄生容量を低減して、高速駆動時の電荷転送部の駆動波形なまりによる転送劣化を改善することができる。

また、第２層目の金属の駆動配線４１〜４４の抵抗値は、第１層目のポリシリコンの転送電極３１〜３４の抵抗値に比べて大幅に低抵抗であるため、駆動配線４１〜４４の幅を狭くして受光部１の上方の開口部を拡大することができる。これによって、受光部１の光感度を向上させることができて、従来のものよりも転送電極３１〜３４および金属の駆動配線４１〜４４を２層構造または１層構造で低く構成することにより、斜めの入射光をも受光部１に届き易くすることができて、受光部１の光感度を向上させることができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２として、本発明の実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図５において、本実施形態２の電子情報機器９０は、上記実施形態１の固体撮像素子１０からの撮像信号に対して所定の信号処理を行ってカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

なお、本実施形態１、２では、としたが、これに限らず、としてもよい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１、２を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１、２に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１、２の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成され、全画素読み出し方式などに適用される固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、４相駆動の４つの転送電極を並べて１層構造にし、これに接続される４つの金属駆動配線をも並べて１層構造にすることにより４つの転送電極および金属駆動配線の各加工工程を簡略化すると共に、転送電極および金属駆動配線を従来のように上下に重ねないことから寄生容量を低減して、高速駆動時の電荷転送部の駆動波形なまりによる転送劣化を改善することができる。また、第２層目の金属駆動配線の抵抗値は、第１層目のポリシリコンの転送電極の抵抗値に比べて大幅に低抵抗であるため、駆動配線の幅を狭くして受光部の上方の開口部を拡大することができる。これによって、受光部の光感度を向上させることができて、従来のものよりも転送電極および金属駆動配線を２層構造または１層構造で低く構成することにより、斜めの入射光をも受光部に届き易くすることができて、受光部の光感度を向上させることができる。

１受光部
２垂直電荷転送レジスタ
３１〜３４転送電極
４１〜４４駆動配線
５半導体基板
６垂直電荷転送部
７ゲート絶縁膜
８層間絶縁膜
９コンタクトプラグ
１０ＣＣＤ固体撮像素子
１１ストップ層
１２絶縁膜
１３遮光膜
１３ａ開口部
９０電子情報機器
９１固体撮像装置
９２メモリ部
９３表示部
９４通信部
９５画像出力部

Claims

行列方向にマトリクス上に配列され、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部と、該複数の受光部から読み出された各信号電荷を電荷転送する電荷転送手段とを有し、
該電荷転送手段の複数の転送電極を列方向の複数の受光部毎に該列方向に順次並べて第１層目として配設し、１つの受光部に対応する列方向の複数の転送電極は１単位を構成しており、該１単位を構成する複数の転送電極にそれぞれ接続される第２層目の各金属駆動配線を該列方向と直交する行方向の横長で該列方向の縦並びに配設した固体撮像素子において、
前記電荷転送手段の複数の転送電極は、複数列の受光部に対応して、複数列に配列され、列方向に隣り合う２つの受光部の間の領域を挟んで行方向に隣り合う転送電極同士は互いに離間しており、
前記１単位を構成する複数の転送電極にそれぞれ接続される金属駆動配線は前記領域を通って行方向に延びており、前記領域における該金属駆動配線は、平面視において転送電極に重なっていないことを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記第２層目の各金属駆動配線は、ポリシリコン層からなる前記第１層目の各転送電極よりも抵抗値の低い材質で構成されている固体撮像素子。
請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記第２層目の各金属駆動配線のシート抵抗は、前記第１層目のポリシリコン層の１／２から１／１０以下の抵抗値である固体撮像素子。
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記第２層目の各金属駆動配線の平面視配線幅はポリシリコン層で形成された従来の配線幅の１／２から１／１０で形成されている固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記第２層目の各金属駆動配線の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）およびタングステン（Ｗ）のいずれかで構成されている固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記電荷転送手段は、半導体基板の上部に平面視所定幅で配設され、各信号電荷を垂直方向に電荷転送するための垂直電荷転送部と、該垂直電荷転送部上にゲート絶縁膜を介して順次繰り返し並べられた前記第１層目の複数の転送電極と、該複数の転送電極にそれぞれ対応して接続されて繰り返し並べられた前記第２層目の複数の金属駆動配線とを有している固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記列方向に見て前記受光部の平面視左右側に前記電荷転送手段がそれぞれ設けられ、前記列方向に見て該受光部の平面視上下側に前記金属駆動配線がそれぞれ設けられて、該受光部の平面視左右および上下を囲う平面視４角形状の光入射窓が構成されている固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記電荷転送手段は、前記第１層目の各転送電極上に各コンタクトプラグをそれぞれ介して前記２層目の各金属駆動配線がそれぞれ設けられた２層構造である固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
縦方向に隣接する前記受光部の間の画素分離部上にゲート絶縁膜を介した層間絶縁膜上に、前記２層目の各金属駆動配線が行方向に設けられた単層構造で列方向の縦並びで順次設けられている固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記列方向に見て前記受光部の平面視左右にある前記電荷転送手段の高さは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介した前記第１層目の転送電極上にコンタクトプラグを介して前記２層目の金属駆動配線が形成された２層構造の高さである固体撮像素子。
請求項１または１０に記載の固体撮像素子において、
前記列方向に見て前記受光部の平面視上下にある金属駆動配線層の高さは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介した層間絶縁膜上に、前記２層目の金属駆動配線が形成された単層構造の高さである固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、
ＣＣＤ固体撮像素子である固体撮像素子。
請求項１から１２のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する方法において、
前記電荷転送手段の複数の転送電極を列方向の複数の受光部毎に該列方向に順次並べて第１層目の単層構造で形成する転送電極形成工程と、該複数の転送電極にそれぞれ接続される第２層目の各金属駆動配線を該列方向と直交する行方向の横長で該列方向の縦並びに形成する金属駆動配線形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
請求項１から１２のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。