JPH10189942A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＣＤ水平レジスタの水平方向のビツト配置
ピッチが狭くてもエッチング等のプロセスを安定して実
行することができ、結果的に小形化、高画素密度化が可
能な固体撮像素子の実現を課題とする。 【解決手段】 水平レジスタを構成するＣＣＤを、信号
電荷転送方向にほぼ等間隔に配置された複数の第１のポ
リシリコン電極１と、この第１のポリシリコン電極の１
一つおきのもの１−１とそれに隣接する第１のポリシリ
コン電極１−２との間を埋める第２のポリシリコン電極
２と、第１のポリシリコン電極１−１の第２のポリシリ
コン電極２に覆われていない側と、第２のポリシリコン
電極２とは逆側の隣接する第１のポリシリコン電極１−
２との間を、第２のポリシリコン電極２の一部を覆うよ
うに埋める第３のポリシリコン電極３とを設け、一つお
きの第１のポリシリコン電極１−１と第２のポリシリコ
ン電極に第１のクロック信号を、一つおきの第１のポリ
シリコン電極１−１に隣接する第１のポリシリコン電極
と第３のポリシリコン電極に第２のクロック信号を交互
に与えて信号電荷を転送することを特徴とする。

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、特にＣＣＤ（Chage Coupled Device）を用いた固体
撮像素子の水平レジスタの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ型固体撮像素子は民生用ビデオカ
メラ、放送・業務用カメラを初めとして、監視用、ＯＡ
機器、ＦＡ機器、医療用、車載用などの分野で電子画像
の入力デバイスとして幅広く利用されている。最近は特
にコンピュータとのマッチングの良さからパソコン取り
込み用、ディジタルスチルカメラ用としての使用要望が
高まっており、さらに個人用途としてもマルチメディア
機器等で大きな市場が予測されている。このような目的
に対しては、機器のサイズ及びコスト面から、特に小型
化、多画素密度化が強く望まれている。

【０００３】図２にＣＣＤ型固体撮像素子の概念図を示
す。図２において、１１は水平レジスタ、１２は撮像領
域、１３は水平レジスタ出力部である。撮像領域１２は
マトリックス状に配置された受光素子群１２−１と、受
光素子１２−１の垂直列に対応して設けられる垂直レジ
スタ１２−２から構成されている。撮像領域１２ではマ
トリクス状に配置された受光素子１２−１で受光によっ
て発生した電荷は垂直レジスタ１２−２で垂直方向に転
送された後、その信号電荷は水平レジスタ１１で水平方
向に転送され、水平レジスタ出力部１３の出力端子から
出力される。これにより、撮像された２次元的な光信号
を、１次元的な電気信号としてに受けとることができ
る。

【０００４】ＣＣＤ型固体撮像素子は図３に示すよう
に、Ｎ型半導体基板２１上にＰ型不純物層（Ｐウェル）
２２を形成し、その上にフォト・ダイオード２３とＣＣ
Ｄ２４を形成して構成する。このフォト・ダイオード２
３は受光した光信号を電子に変換し、パルス電圧をゲー
ト電極に加えることによって生じる空乏層（ポテンシャ
ル井戸）に電荷として蓄積する。このポテンシャル井戸
の深さが充分大きいと、信号電荷はアナログ量として蓄
えられることになる。

【０００５】さらに、隣の電極により大きいパルス電圧
を加えて深い井戸を作ると初めの井戸にあった電荷はこ
の深い井戸に転送される。ＣＣＤ２４はこれにより、こ
の電荷を１電極ずつ順番に転送して受光した光に相当す
る信号を転送することができる。すなわちＣＣＤ２４
は、光信号の大きさを電荷量に変換して移動させるアナ
ログ・シフト・レジスタとして機能する。Ｐウェル２２
は不要な電荷をＮ型基板２１に掃き出す役割を果たす。

【０００６】このような構成で、水平レジスタに要求さ
れる条件としては、 １．電荷蓄積能力が充分あること。 ２．個々の水平レジスタの水平方向への電荷転送効率が
充分であり、かつ転送速度が大きいこと。等である。

【０００７】ところで、最近の固体撮像素子の小型化お
よび多画素化に伴い、水平方向のビツト配置ピッチが微
細になり過ぎ、水平レジスタの半導体領域や転送電極の
形成が困難になるという問題が生まれた。ことに、水平
レジスタの製造上の問題として、２層電極の上層電極の
素子間を分離するギャップがフォトレジストの露光精度
やエッチングにおける選択比の問題に左右され、ある限
界点以上に微細化することが困難であるという問題が発
生した。

【０００８】従来のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平
レジスタの構成を図４に示す。この構成は、Ｎ型基板の
Ｐウェル上にまず第１のポリシリコン電極１を形成し、
次に、その上に第２のポリシリコン電極２を構成するた
めにポリシリコン膜を積層し、その後、図５に示すよう
に、第１のポリシリコン電極１上の第２ポリシリコン膜
の図４および図５で“Ｃ”で示した部分をエッチングし
て２層２相電極構造を構成している。

【０００９】しかし、固体撮像素子の小型化および多画
素化に伴い、水平方向のビツト配置ピッチが狭くなって
くると、このエッチングが十分にできず、図５（ｂ）の
ようにエッチングの仕残しが残り、これによって駆動ク
ロック信号の短絡が発生するなどという問題が生まれ
た。ＣＣＤ水平レジスタのビツト配置ピッチを十分に狭
くすることができないと、ＣＣＤ型固体撮像素子の小形
化、高画素密度化を実現するためには問題になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
２層２相電極構造のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平
レジスタの構成では、第１のポリシリコン電極上のポリ
シリコン膜をエッチングして第２のポリシリコン電極を
分離しているが、水平方向のビツト配置ピッチが狭くな
ってくると、エッチングの仕残し等が発生しクロック信
号短絡などの原因になっていた。

【００１１】本発明はこの点を解決して、ＣＣＤ水平レ
ジスタの水平方向のビツト配置ピッチが狭くてもエッチ
ング等のプロセスを安定して実行することができ、結果
的に小形化、高画素密度化が可能な固体撮像素子の実現
を課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、受光素子で発生した信号電荷を転送する
ＣＣＤで構成された水平レジスタを具備する固体撮像素
子において、前記水平レジスタを構成するＣＣＤは、信
号電荷転送方向にほぼ等間隔に配置された複数の第１の
電極と、一つおきの第１の電極と該一つおきの第１の電
極に隣接する第１の電極との２つの第１の電極のそれぞ
れ一部を覆い、かつ該隣接する２つの第１の電極間を埋
める第２の電極と、前記第１の電極の前記第２の電極に
覆われていない側と、前記第２の電極とは逆側の隣接す
る第１の電極との間を、前記第２の電極の一部を覆うよ
うに埋める第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の
電極と前記第３の電極とのそれぞれの間を絶縁する絶縁
膜と、前記一つおきの第１の電極と前記第２の電極に第
１のクロック信号を与える第１のクロック印加手段と、
前記一つおきの第１の電極に隣接する第１の電極と前記
第３の電極に第２のクロック信号を与える第２のクロッ
ク印加手段とを具備し、前記第１のクロック信号と前記
第２のクロック信号を交互に繰り返す２相クロック駆動
で信号電荷を転送することを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる固体撮像素
子を添付図面を参照にして詳細に説明する。図１は、本
発明のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平レジスタの一
実施形態を示す構成図である。このＣＣＤ水平レジスタ
は、３層２相電極構造に構成されている。図１におい
て、１は第１のポリシリコン電極、２は第２のポリシリ
コン電極、３は第３のポリシリコン電極である。

【００１４】図１から分かるように、このＣＣＤ水平レ
ジスタは、３層のポリシリコン電極で構成されている。
このＣＣＤ水平レジスタを構成するには、まず、Ｎ型半
導体基板上にＰ型不純物層（Ｐウェル）を形成しその上
に第１のポリシリコン層を設け、この第１のポリシリコ
ン層をエッチングして信号電荷転送方向にほぼ等間隔に
配置された複数の第１のポリシリコン電極１を設ける。
さらに、その上に酸化絶縁膜４を構成する。

【００１５】次に、第１のポリシリコン電極１を含めて
基板を覆うように第２のポリシリコン膜を堆積する。そ
うして、図１の“Ａ”で示した領域の第２のポリシリコ
ン膜をエッチングして、第１のポリシリコン電極１の一
つおきのもの１−１と、この一つおきの第１のポリシリ
コン電極１−１に隣接する第１のポリシリコン電極１−
２との２つの第１のポリシリコン電極１−１、１−２の
上に、それぞれの第１のポリシリコン電極１−１、１−
２の一部を覆い、かつこの隣接する２つの第１のポリシ
リコン電極１−１および１−２の間を埋める第２のポリ
シリコン電極２を作成する。その第２のポリシリコン電
極２上にも酸化絶縁膜４を構成する。

【００１６】次に、この第１のポリシリコン電極１、第
２のポリシリコン電極２を含めて基板を覆うように第３
のポリシリコン膜を堆積する。そうして、図１の“Ｂ”
で示した領域の第３のポリシリコン膜をエッチングし
て、第１のポリシリコン電極１−２の第２のポリシリコ
ン電極２に覆われていない側に、第２のポリシリコン電
極２の一部を覆いかつ第２のポリシリコン電極２とは逆
側に隣接する第１のポリシリコン電極１−１との間を埋
める第３のポリシリコン電極３とを設け、その上にも酸
化絶縁膜４を構成する。こうして図１に示すような３層
のポリシリコン電極が構成される。

【００１７】このような３相構成のポリシリコン電極に
対して、一つおきの第１のポリシリコン電極１−１と第
２のポリシリコン電極２を導通させて第１のクロック信
号を与え、一つおきの第１のポリシリコン電極１−１に
隣接する第１のポリシリコン電極１−２と第３のポリシ
リコン電極３を導通させて第２のクロック信号を与え
る。ここで、例えば、第１のポリシリコン電極１の下に
形成されるポテンシャル井戸と、第２のポリシリコン電
極２またはの第３のポリシリコン電極３の下に形成され
るポテンシャル井戸の深さが異なり、例えば同一の電圧
を与えたときに第２のポリシリコン電極２またはの第３
のポリシリコン電極３の下に形成されるポテンシャル井
戸の深さが第１のポリシリコン電極１の下に形成される
ポテンシャル井戸の深さよりも深いとすると、第１のク
ロック信号と第２のクロック信号を交互に繰り返す２相
クロック駆動によって、電荷は図１の左から右に転送さ
れることになる。

【００１８】ところで、このようにしたことによって、
図１の“Ａ”で示したエッチング領域や“Ｂ”で示した
エッチング領域は、図４で“Ｃ”で示したエッチング領
域よりも遥かに幅が広く取れる。例えば、第１のポリシ
リコン電極１の幅を基準に比較すると、従来例のエッチ
ング幅はせいぜい第１のポリシリコン電極１の幅の半分
までの幅しか取れない。一方、本実施の形態でのエッチ
ング領域の幅はこれに対して、第１のポリシリコン電極
１の幅の１．５倍から３倍程度になり、図４の場合のエ
ッチング幅から考えると数倍以上になる。

【００１９】これにより、エッチング時における選択比
が取れないなどの問題や、エッチング液が十分入り込め
ないことによるエッチング残りなどのプロセス上の問題
によって、目的とする構成が実現できずパルス信号の短
絡などの問題が生じるといった問題が解決される。この
ことは、見方を変えると、従来のエッチング技術の基づ
いて、従来の数倍以上の密度で、多数の電極を限られた
範囲に構築できることになり、固体撮像素子を一層小型
に構成することができ、より画素密度を向上することが
できるようになる。

【００２０】本実施の形態では、第３のポリシリコン電
極３のパターン形成時に、下地の段差が大きくなる問題
があるが、このための微細加工エッチング技術はすでに
開発されている。また、ポリシリコン電極の配線パター
ンによっては電極間のカップリング容量が大きくなるこ
とがあり、転送効率が低下したり取扱い電荷量の特性に
影響を及ぼすことがある。このためには電極パターンの
オーバラップ部分はできるだけ少なくすることが望まし
い。

【００２１】以上、本発明を実施の形態に付いて説明し
たが、本発明の主旨を逸脱しない限り、これに限られる
ものではない。例えば、上記の説明では電極をすべてポ
リシリコン電極として説明したが、第１の電極をＡｌ電
極にし、第２、第３の電極をポリシリコン電極とすると
か、あるいは逆に、第１の電極をポリシリコン電極に
し、第２、第３の電極をＡｌ電極にする等のことも可能
である。また、本実施の形態では本発明を固体撮像素子
の水平レジスタＣＣＤに使用する形で説明したが、ＣＣ
Ｄ記憶素子や、２相構造を取る他の信号転送素子、表示
装置等のデバイスにも有効に用いることができることは
いうまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１の
発明は、受光素子で発生した信号電荷を転送するＣＣＤ
で構成された水平レジスタを具備する固体撮像素子にお
いて、水平レジスタを構成するＣＣＤは、信号電荷転送
方向にほぼ等間隔に配置された複数の第１の電極と、一
つおきの第１の電極と該一つおきの第１の電極に隣接す
る第１の電極との２つの第１の電極のそれぞれ一部を覆
い、かつ該隣接する２つの第１の電極間を埋める第２の
電極と、第１の電極の第２の電極に覆われていない側
と、第２の電極とは逆側の隣接する第１の電極との間
を、第２の電極の一部を覆うように埋める第３の電極
と、第１の電極と第２の電極と第３の電極とのそれぞれ
の間を絶縁する絶縁膜と、一つおきの第１の電極と第２
の電極に第１のクロック信号を与える第１のクロック印
加手段と、一つおきの第１の電極に隣接する第１の電極
と第３の電極に第２のクロック信号を与える第２のクロ
ック印加手段とを具備し、第１のクロック信号と第２の
クロック信号を交互に繰り返す２相クロック駆動で信号
電荷を転送することを特徴とする。このように構成する
ことにより、固体撮像素子の水平レジスタを、３層構成
・２相駆動で構築することができる。これによって、上
層電極の電極間ギャップを従来の数倍程度にまで広くす
ることができるため、フォトレジストの露光精度やエッ
チングの選択比が十分にとれないために起こる問題を容
易に解決することができる。また、一定のエッチングの
加工精度に対して素子間の間隔を従来の数分の１に狭め
ることが可能で、これにより固体撮像素子の小型化、高
画素密度化が可能になる。さらに、駆動クロックが２相
構成であるため、転送クロック信号の作成が容易である
という利点も有している。

【００２３】本発明の請求項２の発明は、第１の電極、
第２の電極および第３の電極はポリシリコン電極である
ことを特徴とする。これにより、従来にすでに確立され
たプロセス手法を用いて容易に電極を構成することがで
き、製造価格を廉価にすることができる。

【００２４】本発明の請求項３の発明は、第２の電極お
よび第３の電極の下の基板内に形成されるポテンシャル
の井戸の深さは、第１の電極の下の基板内に形成される
ポテンシャルの井戸の深さとは異なることを特徴とす
る。これにより、電荷を一方向に転送することができ、
２相駆動によっても転送効率を低下させることなく転送
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平レ
ジスタの一実施形態を示す構成図。

【図２】ＣＣＤ型固体撮像素子の概念図。

【図３】ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す図。

【図４】従来のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平レジ
スタの構成を示す図。

【図５】従来のＣＣＤ型固体撮像素子のＣＣＤ水平レジ
スタの２層２相電極生成のプロセスを示す説明図。

【符号の説明】

１……第１のポリシリコン電極、２……第２のポリシリ
コン電極、３……第３のポリシリコン電極、１１……水
平レジスタ、１２……撮像領域、１２−１……受光素
子、１２−２……垂直レジスタ、１３……水平レジスタ
出力部、２１……Ｎ型半導体基板、２２……Ｐ型不純物
層（Ｐウェル）、２３……フォト・ダイオード、２４…
…ＣＣＤ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光素子で発生した信号電荷を転送する
   ＣＣＤで構成された水平レジスタを具備する固体撮像素
   子において、 前記水平レジスタを構成するＣＣＤは、 信号電荷転送方向にほぼ等間隔に配置された複数の第１
   の電極と、 一つおきの第１の電極と該一つおきの第１の電極に隣接
   する第１の電極との２つの第１の電極のそれぞれ一部を
   覆い、かつ該隣接する２つの第１の電極間を埋める第２
   の電極と、 前記第１の電極の前記第２の電極に覆われていない側
   と、前記第２の電極とは逆側の隣接する第１の電極との
   間を、前記第２の電極の一部を覆うように埋める第３の
   電極と、 前記第１の電極と前記第２の電極と前記第３の電極との
   それぞれの間を絶縁する絶縁膜と、 前記一つおきの第１の電極と前記第２の電極に第１のク
   ロック信号を与える第１のクロック印加手段と、 前記一つおきの第１の電極に隣接する第１の電極と前記
   第３の電極に第２のクロック信号を与える第２のクロッ
   ク印加手段とを具備し、 前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号を交
   互に繰り返す２相クロック駆動で信号電荷を転送するこ
   とを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記第１の電極、前記第２の電極および
   前記第３の電極はポリシリコン電極であることを特徴と
   する請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記第２の電極および前記第３の電極の
   下の基板内に形成されるポテンシャルの井戸の深さは、
   前記第１の電極の下の基板内に形成されるポテンシャル
   の井戸の深さとは異なることを特徴とする請求項１また
   は請求項２記載の固体撮像素子。