JPH09219506A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フレームインターライン方式等のＣＣＤ固体撮
像素子に適用して、電極構造の高さを低減し、その分感
度を向上する。 【解決手段】従来、垂直シフトレジスタ３に沿って形成
されていたシャント配線１１を、高さに余裕のある垂直
シフトレジスタ３と直交する方向に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子に関
し、フレームインターライン型等のＣＣＤ固体撮像素子
に適用して、垂直シフトレジスタのシャント配線をゲー
ト電極に沿って水平方向に形成することにより、電極構
造の高さを低減し、その分感度を向上する。

【０００２】

【従来の技術】従来、蓄積電荷を高速度で転送するＣＣ
Ｄ固体撮像素子においては、垂直シフトレジスタのシャ
ント配線を垂直シフトレジスタに沿って垂直方向に形成
することにより、ゲート電極の配線抵抗を低減して高速
動作を可能とし、またこのシャント配線を遮光金属膜と
兼用してスミヤを低減するようになされている。また、
さらにスミヤを低減して高品質の撮像を目的とするＣＣ
Ｄ固体撮像素子においては、垂直方向にこの種のシャン
ト配線を形成した後、絶縁膜を間に挟んで、改めて遮光
金属膜を形成することにより、フォトセンサ部間の受光
に不必要な部分をこの遮光金属膜で完全に覆うようにな
されている。

【０００３】すなわち図４は、インターライン型のＣＣ
Ｄ固体撮像素子について、垂直シフトレジスタ部の電極
の配置を詳細に示す平面図である。ＣＣＤ固体撮像素子
１は、半導体チップのチップ表面に形成されたオンチッ
プマイクロレンズにより、マトリックス状に配置された
フォトセンサ部２にそれぞれ入射光が集光され、ここで
光電変換により蓄積電荷が生成される。さらにＣＣＤ固
体撮像素子１は、所定の読み出し周期で、奇数ライン、
偶数ライン毎に、各蓄積電荷を垂直シフトレジスタ部３
に読み出し、図面にて垂直シフトレジスタ部３の下側に
配置された水平シフトレジスタに向かって順次転送す
る。さらにＣＣＤ固体撮像素子１は、この水平シフトレ
ジスタにおいて、順次転送される蓄積電荷を水平方向に
転送し、１ライン分の転送が完了すると、続く蓄積電荷
を垂直シフトレジスタ部より入力する。これによりＣＣ
Ｄ固体撮像素子１は、ラスタ走査の順序で、順次蓄積電
荷を出力する。

【０００４】これらの構成のうち、垂直シフトレジスタ
部３は、間にフォトセンサ部２を形成できるように、所
定間隔で、垂直方向に延長するチャンネル領域を半導体
チップ上に形成した後、絶縁層を間に挟んで、各チャン
ネル領域上に順次ゲート電極を配置して形成される。

【０００５】すなわち垂直シフトレジスタ部３は、垂直
方向に連続するフォトセンサ部２の間に、水平方向に延
長する第１のゲート電極１ＰＳがポリシリコンにより形
成され、絶縁層を間に挟んで、この第１のゲート電極１
ＰＳに積層して第２のゲート電極２ＰＳが同様にポリシ
リコンにより形成される。ここで第１のゲート電極１Ｐ
Ｓは、垂直シフトレジスタ部３の形成領域において、水
平シフトレジスタの方向に、電極幅が拡大して形成され
る。これに対して第２のゲート電極２ＰＳは、垂直シフ
トレジスタ部３の形成領域において、第１のゲート電極
１ＰＳとは逆方向に電極幅が拡大して、その拡大した電
極幅により第１のゲート電極１ＰＳと一部が重なり合う
ように形成される。

【０００６】これにより垂直シフトレジスタ部３は、チ
ャンネル領域上に、第１及び第２のゲート電極１ＰＳ及
び２ＰＳが順次配列されて形成され、第２の電極２ＰＳ
に所定の電圧を印加して、この第２のゲート電極２ＰＳ
の下層のチャンネル領域に、隣接するフォトセンサ部よ
り蓄積電荷を転送できるようになされている。このフォ
トセンサ部より蓄積電荷を転送する際に、垂直シフトレ
ジスタ部３は、始めの読み出し周期においては、偶数ラ
インに対応する第２のゲート電極２ＰＳに電圧を印加し
て対応するフォトセンサ部２より蓄積電荷を転送し、ま
た続く読み出し周期では、奇数ラインに対応する第２の
ゲート電極２ＰＳに電圧を印加して対応するフォトセン
サ部２より蓄積電荷を転送する。さらに垂直シフトレジ
スタ部３は、各読み出し周期において、続いて２組の第
１及び第２のゲート電極１ＰＳ及び２ＰＳを単位にし
て、所定の電圧を順次循環的に印加し（いわゆる４相駆
動方式でなる）、フォトセンサ部２より読み出した蓄積
電荷を、順次水平シフトレジスタに向かって転送する。

【０００７】シャント配線を遮光金属膜と兼用するＣＣ
Ｄ固体撮像素子においては、この第１及び第２のゲート
電極１ＰＳ及び２ＰＳに続いて、シャント配線が形成さ
れる。このときこのＣＣＤ固体撮像素子では、フォトセ
ンサ部間の水平方向にシャント配線を形成する場合に比
して、フォトセンサ部間の垂直方向にシャント配線を形
成する場合の方がスミヤ低減効果が高いことにより、絶
縁層をバッファ層の上下に挟んで、接続用のバッファー
層、シャント配線６を垂直シフトレジスタ部３に順次形
成する。さらにこのＣＣＤ固体撮像素子においては、こ
のシャント配線を所定位置でバッファー層に接続し、さ
らにこのバッファー層を第１又は第２のゲート電極１Ｐ
Ｓ又は２ＰＳに接続する。

【０００８】これに対してシャント配線と遮光金属膜と
を別体に形成するＣＣＤ固体撮像素子においては、さら
にこのシャント配線の上に絶縁層が形成された後、遮光
金属膜が形成される。すなわち図５にＡ−Ａ断面を取っ
て示すように、第１及び第２のゲート電極１ＰＳ及び２
ＰＳが重なり合う垂直シフトレジスタ部３においては、
絶縁層を間に挟んで、第１及び第２のゲート電極１ＰＳ
及び２ＰＳが形成された後、続いてバッファー層７、シ
ャント配線６が形成される。さらに続いてフォトセンサ
部２の開口を避けるように、遮光金属膜８が形成され、
続いてフォトセンサ部２が形成された後、全体を覆うよ
うに上部保護層９が形成されるようになされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところでシャント配線
を遮光金属膜と兼用するＣＣＤ固体撮像素子において
は、第１及び第２のゲート電極１ＰＳ及び２ＰＳが重な
り合う垂直シフトレジスタ部３において、絶縁層を間に
挟んで、４層の配線が配置されることになる。またシャ
ント配線と遮光金属膜とを別体に形成するＣＣＤ固体撮
像素子においては、これらに加えて絶縁層と遮光金属膜
とが配置されることになる。

【００１０】これによりこの種のＣＣＤ固体撮像素子で
は、水平方向に連続するフォトセンサ部２間において、
配線構造の高さが高くなる欠点がある。この場合オンチ
プマイクロレンズにより入射光をフォトセンサ部２に集
光しても、入射光が遮光金属膜等によりケラレ易くな
り、その分レンズのＦ値が小さくなると感度が低下し、
またスミヤも悪化する問題がある。

【００１１】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、電極構造の高さを低減し、その分感度を向上するこ
とができる固体撮像素子を提案しようとするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、マトリックス状に配置された光電
変換部と垂直シフトレジスタ部とを有する固体撮像素子
に適用する。この固体撮像素子において垂直シフトレジ
スタ部が、光電変換部の間を水平方向に延長するように
積層して形成された複数の電極を、半導体基板に形成さ
れたチャンネルに対して、順次循環的に配置して形成さ
れているときに、これら複数の電極に対して、光電変換
部の間を水平方向に延長するようにシャント配線を形成
し、このシャント配線より駆動信号を供給する。

【００１３】これらの手段により、光電変換部の間に水
平方向に延長するシャント配線より駆動信号を供給すれ
ば、垂直シフトレジスタ部にシャント配線を形成してい
た従来構成に比して、このシャント配線を水平方向に配
置した分、垂直シフトレジスタ部における電極構造の高
さを低減することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳述する。

【００１５】図１は、本発明の実施の形態に係るＣＣＤ
固体撮像素子の電極の配置を、図４との対比により示す
平面図である。このＣＣＤ固体撮像素子１０では、シャ
ント配線１１を水平方向に配置する。なおこの図１に示
す構成において、図４と同一の構成は、対応する符号を
付して示し、重複した説明は省略する。

【００１６】すなわちこのＣＣＤ固体撮像素子１０は、
半導体チップ上に垂直シフトレジスタ部３のチャンネル
等が形成された後、酸化シリコンによる絶縁層が形成さ
れ、続いてポリシリコンによる第１のゲート電極１Ｐ
Ｓ、図示しない絶縁膜、ポリシリコンによる第２のゲー
ト電極２ＰＳが形成される。続いて絶縁膜が形成された
後、この絶縁膜を選択的に除去することによりコンタク
ト１３が形成され、ポリシリコンにより接続用の中間層
１２が形成される。

【００１７】ここでこのＣＣＤ固体撮像素子１０は、４
相駆動の手法を適用して、順次位相の異なるクロックφ
１〜φ４により垂直シフトレジスタ部３を駆動して蓄積
電荷を転送するように形成され、これに対応して４本の
中間層１２を順次循環的に第１〜第４のクロックφ１〜
φ４に割り当てる。このため垂直シフトレジスタ部３の
形成領域においては、４本のゲート電極１ＰＳ、２ＰＳ
毎に、コンタクト１３が形成される。さらに隣接する中
間層１２間では、コンタクト形成位置が、１本のゲート
電極を単位にして垂直方向に順次変位して形成される。
これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、垂直方向に延
長する中間層１２を順次循環的に第１〜第４のクロック
φ１〜φ４に割り当て、水平方向に延長する各ゲート電
極１ＰＳ、２ＰＳに対してほぼ等しい条件によりクロッ
クφ１〜φ４を供給できるようになされている。なおこ
の関係を明示するために、図１においては、各コンタク
ト１３内に記載した数字１〜４により、対応する第１〜
第４のクロックφ１〜φ４を示す。

【００１８】このようにして中間層１２が形成される
と、ＣＣＤ固体撮像素子１０においては、絶縁膜が形成
された後、この絶縁膜が局所的にエッチングされること
によりシャント配線１１と中間層１２との間のコンタク
ト１４が形成され、続いて金属膜を堆積してシャント配
線１１が形成される。ここでシャント配線１１は、フォ
トセンサ部２間を水平方向に延長するように形成され
る。これに対してコンタクト１４は、水平方向に延長す
るシャント配線１１と、垂直方向に延長する中間層１２
との複数の交点において、選択的に形成され、中間層１
２に対応するクロックを供給できるようになされてい
る。

【００１９】これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、図
２にＢ−Ｂ断面で取って図５との対比により示すよう
に、垂直シフトレジスタ部３を、シャント配線を取り除
いた３層の層構造により形成し、その分高さを低減する
ようになされている。すなわちシャント配線とこのシャ
ント配線を形成するために必要な絶縁層の分、従来のＣ
ＣＤ固体撮像素子１に比して高さを低減するようになさ
れている。これに対して図３にＣ−Ｃ断面で取って垂直
方向に連続するフォトセンサ部２間を示すように、垂直
シフトレジスタ部３と直交する方向については、垂直シ
フトレジスタ部３と類似の３層の層構造により形成され
るようになされている。

【００２０】これによりＣＣＤ固体撮像素子１０は、従
来、垂直シフトレジスタ部３に沿って形成されていたシ
ャント配線を、余裕のある垂直シフトレジスタ部３と直
交する方向に配置して、その分半導体チップ上における
電極構造の高さを低減するようになされている。なおこ
のように垂直シフトレジスタ部３と直交する方向にシャ
ント配線１１を配置する場合、図３及び図５の対比によ
り判るように、シャント配線１１を配置したことにより
従来に比してより高さが高くなる水平方向についても、
バッファー層７が無い分、従来の垂直シフトレジスタ部
３の上部構造と比較して高さを低減することができる。
これによりＣＣＤ固体撮像素子１０では、オンチップマ
イクロレンズを半導体基板に近接して形成して、遮光金
属膜等によるケラレを低減することができ、その分レン
ズのＦ値が小さくなった場合でも感度の低下を有効に回
避し、またスミヤの劣化を有効に回避できるようになさ
れている。

【００２１】ところでこのようにシャント配線１１を水
平方向に延長するように形成しても、中間層１２及びシ
ャント配線１１の交差部分は、４層の層構造のままに保
持される。従ってこの部分においては、従来と同様にケ
ラレが発生する。しかしながらフォトセンサ部２の四隅
は、オンチップマイクロレンズによる集光の効果が少な
いことにより、この部分のケラレによる感度の低下は、
実用上充分に無視することができる。これによりこの実
施の形態においては、この四隅の部分に併せてコンタク
トを形成して、配線構造の最も高い部分をこの四隅の部
分に割り当てるようになされ、この最も高い部分による
感度の低下等を低減するようになされている。

【００２２】このように水平方向に形成されるシャント
配線１１は、中間層１２に比して配線幅が狭く形成され
る。すなわちシャント配線１１は、金属膜により形成さ
れることにより、配線幅を低減してもポリシリコンによ
る配線に比して抵抗値の増大が少ない特徴がある。これ
によりＣＣＤ固体撮像素子１０では、フォトセンサ部２
の上部において、垂直方向に幅広の開口を形成し、垂直
方向について、ケラレをさらに一段と低減するようにな
されている。

【００２３】ＣＣＤ固体撮像素子１０は、上述のような
シャント配線１１を形成し、絶縁層によりチップ全面が
覆われた後、この絶縁層が選択的に除去され、これによ
り垂直シフトレジスタ部３とシャント配線１１とが絶縁
層により覆われる。続いてＣＣＤ固体撮像素子１０は、
遮光金属膜８が堆積された後、フォトセンサ部２に開口
が形成される。この遮光金属膜８に開口を形成する処理
において、このＣＣＤ固体撮像素子１０では、シャント
配線１１を水平方向に走らせて配線構造の高さが低下し
たことにより、簡易な作業で、精度の高い開口を形成す
ることができ、その分加工性を向上することができる。

【００２４】ＣＣＤ固体撮像素子１０は、続いて上部保
護層９が形成された後、配線のためのパッド、オンチッ
プマイクロレンズ等が形成され、パッケージングされて
完成する。

【００２５】以上の構成において、このＣＣＤ固体撮像
素子１０に入射する入射光は、素子面に形成されたオン
チップマイクロレンズにより集光されて、各フォトセン
サ部２に入射され、ここで光電変換されて蓄積電荷が生
成され、この蓄積電荷が垂直シフトレジスタ部３に出力
される。この蓄積電荷は、フォトセンサ部２の間を水平
方向に走るシャント配線１１より供給されるクロックφ
１〜φ４が、中間層１２を介して所定のゲート電極１Ｐ
Ｓ、２ＰＳに供給されることにより、４相駆動の手法に
より垂直シフトレジスタ部３を順次水平シフトレジスタ
の方向に転送され、この水平シフトレジスタを介してラ
スタ走査の順序で出力される。

【００２６】このような基本的な動作において、ＣＣＤ
固体撮像素子１０の入射光は、オンチップマイクロレン
ズにより集光されることにより、その分効率良くフォト
センサ部２に入射するものの、このオンチップマイクロ
レンズの後方の、各フォトセンサ部２の周囲に形成され
た配線構造によるケラレにより、光量が低減してフォト
センサ部２に入射する。特にレンズのＦ値が小さくなる
と、オンチップマイクロレンズより入射する入射光の入
射角もその分拡大することにより、全体の光量に対して
ケラレにより失われる光量が大きくなり、その分感度の
低下が著しくなる。

【００２７】しかしながらこの実施の形態においては、
従来、垂直シフトレジスタ部３に沿って形成されていた
シャント配線が、高さに余裕のある垂直シフトレジスタ
部３と直交する方向に配置されて、その分半導体チップ
上における電極構造の高さが低減されていることによ
り、オンチップマイクロレンズを近接して形成して、遮
光金属膜等によるケラレが低減される。さらに電極構造
の高さが低減されたことにより、遮光金属膜に開口を形
成する際の加工性が向上される。

【００２８】以上の構成によれば、従来、垂直シフトレ
ジスタ部３に沿って形成されていたシャント配線を、高
さに余裕のある垂直シフトレジスタ部３と直交する方向
に配置したことにより半導体チップ上における電極構造
の高さを低減することができ、その分オンチップマイク
ロレンズを近接して形成して感度を向上し、またスミヤ
の悪化を有効に回避することができる。またこれに伴
い、金属遮光膜の加工を容易にすることができる。

【００２９】さらにシャント配線１１の線幅を小さく形
成することにより、フォトセンサ部２の垂直方向の開口
を拡大でき、その分感度を向上することができる。

【００３０】なお上述の実施の形態においては、４相駆
動方式によるインターライン型のＣＣＤ固体撮像素子に
本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれ
に限らず、３相駆動方式による全画素駆動型のＣＣＤ固
体撮像素子等に広く適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、従来、垂
直シフトレジスタに沿って形成されていたシャント配線
を、高さに余裕のある垂直シフトレジスタと直交する方
向に配置したことにより半導体チップ上における電極構
造の高さを低減することができ、その分感度を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子
の電極構造を示す平面図である。

【図２】図１のＣＣＤ固体撮像素子をＢ−Ｂ断面で取っ
て示す断面図である。

【図３】図１のＣＣＤ固体撮像素子をＣ−Ｃ断面で取っ
て示す断面図である。

【図４】従来のＣＣＤ固体撮像素子の電極構造を示す平
面図である。

【図５】図４のＣＣＤ固体撮像素子をＡ−Ａ断面で取っ
て示す断面図である。

【符号の説明】

１、１０……ＣＣＤ固体撮像素子、２……フォトセンサ
部、３……垂直シフトレジスタ、６、１１……シャント
配線、７……バッファ層、８……遮光金属膜、９……上
部保護層、１２……中間層、１３、１４……コンタクト

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直及び水平方向に、マトリックス状に
   配置されて、入射光を光電変換して蓄積電荷を生成する
   光電変換部と、 前記光電変換部の間の垂直方向に配置されて、隣接する
   光電変換部より前記蓄積電荷を受け、前記蓄積電荷を垂
   直方向に順次転送する垂直シフトレジスタ部とを有する
   固体撮像素子において、 前記垂直シフトレジスタ部は、 前記光電変換部の間を水平方向に延長するように積層し
   て形成された複数の電極を、半導体基板に形成されたチ
   ャンネルに対して、順次循環的に配置して形成され、 前記複数の電極は、 前記光電変換部の間を水平方向に延長するように前記複
   数の電極上に形成されたシャント配線より、駆動信号が
   供給されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記シャント配線の上層を絶縁層により
   絶縁した後、遮光膜を形成したことを特徴とする請求項
   １に記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記シャント配線は、 前記各垂直シフトレジスタ部上に、各垂直シフトレジス
   タ部に沿って形成された中間層の交点において、選択的
   に前記中間層に接続され、 前記各中間層は、 前記複数の電極のうちの、対応する電極に接続されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記シャント配線の幅を、前記中間層の
   幅より狭くしたことを特徴とする請求項３に記載の固体
   撮像素子。