JP2008166845A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充分な感度を確保することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】受光センサ部１の各列の一側に設けられた電荷転送部２の転送電極が、第１層の電極層３Ａ，３Ｃから成る第１の転送電極と、第１層の電極層（多結晶シリコン）３Ｂ，３Ｄ及び第２層の電極層（多結晶シリコン）４がコンタクト層５により電気的に接続されて成る第２の転送電極とにより構成され、コンタクト層５及び第２の電極層４が同一の導電材料で形成され、第２の転送電極の第１層の電極層３Ｂ，３Ｄが電荷転送部２毎に独立して形成され、電荷転送部２の方向において隣接する画素間部においては、第１の転送電極３Ａ，３Ｃと第２の転送電極の第２層の電極層４とが積層形成されている固体撮像素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子等の電荷転送部を有する固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に係わる。

ＣＣＤ固体撮像素子では、電荷転送部として、ＣＣＤ構造を有する転送レジスタが設けられ、フォトダイオードから成る受光センサ部で光電変換され蓄積された信号電荷を転送レジスタに読み出して、転送レジスタにおいて信号電荷が転送されるように構成されている。

そして、転送レジスタは、信号電荷が転送される転送チャネルの上に、絶縁膜を介して転送電極が形成されて構成される。信号電荷を転送するためには、隣接する転送電極に互いに位相の異なる電圧パルスを印加する必要があり、またチャネルに断絶を生じないようにする必要がある。そのため、転送電極を第１層及び第２層の２層の電極層により構成すると共に、第１層の転送電極に、第２層の転送電極の端部が少しオーバーラップするようにしている（例えば特許文献１参照。）。

このように転送電極を２層の電極層により構成したＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（平面図）を図３に示す。
図３に示すように、このＣＣＤ固体撮像素子は、受光センサ部５１がマトリクス状に配置され、受光センサ部５１の各列の一側に、電荷転送部として垂直方向（図中上下方向）に延びる垂直転送レジスタ５２が設けられている。垂直転送レジスタ５２の一端には、図示しないが水平転送レジスタが接続される。

また、図３のＣＣＤ固体撮像素子において、垂直転送レジスタ５２の断面図を図４Ａに示し、垂直方向に隣接する受光センサ部５１間、即ち画素間部の断面図を図４Ｂに示す。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、半導体基体内の半導体領域（受光センサ部の各領域や転送チャネル領域等）は記載を省略している。

垂直転送レジスタ５２は、転送電極５３と、半導体基体５４内に形成された転送チャネル領域（図示せず）により構成され、ＣＣＤ構造の電荷転送部となっている。
また、転送電極５３は、第１層の電極層から成る転送電極５３Ｂ，５３Ｄと、第２層の電極層から成る転送電極５３Ａ，５３Ｃとが、垂直方向に交互に配置されている。
そして、垂直転送レジスタ５２では、第１層の転送電極５３Ｂ，５３Ｄに、第２層の転送電極５３Ａ，５３Ｃの端部が少しオーバーラップして形成されている。

ところで、デジタルカメラの多画素化や小型化に対応して、固体撮像素子の画素セルの微細化が進んできている。
そして、固体撮像素子の画素セルの微細化を図ると共に、高い感度を有することも要望されるため、光の取り込み効率をいかに上げていくかが大きな課題となる。

しかしながら、図３及び図４に示した、２層の電極層から成る転送電極５３がオーバーラップした構成のＣＣＤ固体撮像素子では、受光センサ部６１の周囲の凹凸が、転送電極５３のオーバーラップ部で大きくなり、この部分で入射光が一部遮られてしまう。
このため、光の取り込み効率を向上させることが困難である。
転送電極５３のオーバーラップ部では、厚さが通常１μｍ以上にもなるため、特に画素セルのサイズが３μｍ以下となり、受光センサ部５１上の開口幅が１μｍ程度に縮小されると、オーバーラップ部により入射光が一部遮られてしまうことが問題になる。
特開平９−３１２３９０号公報

これに対して、転送電極のオーバーラップをなくして、単層の電極層から転送電極を構成したＣＣＤ固体撮像素子も提案されている。

このように転送電極を単層の電極層により構成したＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（平面図）を図５に示す。
図５に示すように、このＣＣＤ固体撮像素子は、受光センサ部６１がマトリクス状に配置され、受光センサ部６１の各列の一側に、電荷転送部として垂直方向（図中上下方向）に延びる垂直転送レジスタ６２が設けられている。垂直転送レジスタ６２の一端には、図示しないが水平転送レジスタが接続される。

また、図５のＣＣＤ固体撮像素子において、垂直転送レジスタ６２の断面図を図６Ａに示し、垂直方向に隣接する画素間の断面図を図６Ｂに示す。なお、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、半導体基体内の半導体領域（受光センサ部の各領域や転送チャネル領域等）は記載を省略している。

垂直転送レジスタ６２は、転送電極６３と、半導体基体６４内に形成された転送チャネル領域（図示せず）により構成され、ＣＣＤ構造の電荷転送部となっている。
また、転送電極６３は、いずれも第１層の電極層から成る、４つの転送電極６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄから構成されている。
そして、転送電極６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄが、同一層の電極層で形成されているため、オーバーラップ部がない。

しかしながら、この構造のＣＣＤ固体撮像素子においては、図６Ｂに示すように、垂直方向（電荷転送方向）に隣接する画素の画素間部において、２本の電極６３Ａ，６３Ｂを渡す構造を採るために、画素間幅が比較的大きくなってしまう。
そのため、受光センサ部６１の面積が小さくなってしまう、という欠点がある。例えば、同じ画素セルサイズで比較すると、２層の電極層から成る構造から３０％程度も面積が小さくなってしまう。

このように受光センサ部の面積が小さくなると、受光センサ部に蓄積できる電荷量が小さくなるため、感度が低下し、ダイナミックレンジが小さくなる。また、シェーディングの影響を大きく受けるようになる。
特に、画素サイズが縮小化されることにより、この問題が顕著になる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、充分な感度を確保することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を提供するものである。

本発明の固体撮像素子、並びに、その駆動方法に係る固体撮像素子は、それぞれ画素を構成する受光センサ部が行列状に配置され、受光センサ部の各列の一側に電荷転送部が設けられ、電荷転送部の転送電極が、第１層の電極層から成る第１の転送電極と、第１層の電極層及び第２層の電極層が電気的に接続されて成る第２の転送電極とにより構成され、第１層の電極層及び第２層の電極層が多結晶シリコンであり、第２の転送電極の第１層の電極層及び第２層の電極層をコンタクトするコンタクト層と、第２層の電極層とが、同一の導電材料で形成され、第２の転送電極の第１層の電極層は、電荷転送部毎に独立して形成され、電荷転送部の方向において隣接する画素間部においては、第１の転送電極と第２の転送電極の第２層の電極層とが積層形成されているものである。

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、電荷転送部の転送電極が、第１層の電極層から成る第１の転送電極と、第１層の電極層及び第２層の電極層が電気的に接続されて成る第２の転送電極とにより構成され、第１層の電極層及び第２層の電極層が多結晶シリコンであり、第２の転送電極の第１層の電極層及び第２層の電極層をコンタクトするコンタクト層と、第２層の電極層とが、同一の導電材料で形成され、第２の転送電極の第１層の電極層は、電荷転送部毎に独立して形成されていることにより、電荷転送部においては、第２の転送電極が主として第１層の電極層により構成され、一部第２層の電極層があるだけとなるため、従来の２層の電極層がオーバーラップした構造と比較して、転送電極によって入射光が遮られる度合いが大幅に少なくなる。
また、電荷転送部の方向において隣接する画素間部においては、（第１層の電極層から成る）第１の転送電極と、第２の転送電極の第２層の電極層とが、積層形成されていることにより、第１層の電極層のみで転送電極を構成した場合（単層電極構造）と比較して、画素間部の幅を狭くすることが可能になる。これにより、電荷転送部の方向における受光センサ部の寸法を大きく設定することが可能になる。

上述の本発明によれば、受光センサ部の寸法を大きく設定して、受光センサ部の面積を広く確保することが可能になる。
従って、本発明によれば、受光センサ部の取り扱い電荷量が充分であり、充分な感度やダイナミックレンジを有し、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することが可能になる。

そして、本発明により、固体撮像素子の微細化に伴って顕著に生じる問題（感度の低下やダイナミックレンジの低下等）を解決することができるため、固体撮像素子の微細化を可能にして、固体撮像素子の多画素化や高密度化を図ることができる。また、固体撮像素子の小型化を図ることも可能になる。

本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（平面図）を図１に示す。
本実施の形態は、本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合である。
この固体撮像素子は、マトリクス状（行列状）に配置された受光センサ部１の各列の一側に、垂直転送レジスタ２が形成されて、撮像領域が構成されている。
受光センサ部１は、それぞれ画素を構成するものであり、本実施の形態では、１画素に１つずつ設けられている。
撮像領域外においては、図示しないが垂直転送レジスタ２の一端に接続して水平転送レジスタが設けられ、水平転送レジスタの一端に出力部が設けられる。

また、図１の固体撮像素子の垂直転送レジスタ２部の断面図を図２Ａに示し、図１の固体撮像素子の垂直方向（垂直転送レジスタ２の電荷転送方向）に隣接する受光センサ部１間、即ち画素間部の断面図を図２Ｂに示す。
垂直転送レジスタ２は、半導体基体１１内に形成された図示しない転送チャネル領域及びゲート絶縁膜と、転送電極とにより構成される。

また、図示しないが、転送電極の上を覆って遮光膜が形成される。この遮光膜は、受光センサ部１に光が入射するように、受光センサ部１上に開口を有する構成とされる。
さらに遮光膜よりも上方には、必要に応じて、図示しないが、遮光膜を覆う絶縁層、カラーフィルタ、オンチップレンズ等が設けられる。

本実施の形態の固体撮像素子は、特に、垂直転送レジスタ２を構成する転送電極の構成に特徴を有する。

第１相の転送パルスφＶ１が印加される転送電極３Ａ及び第３相の転送パルスφＶ３が印加される転送電極３Ｃは、図１に示すように、垂直転送レジスタ２に沿って延びる電極部と、垂直方向（図中上下方向）に隣接する受光センサ部１間の部分（画素間部）に延びる配線部とを有している。
また、これら第１相の転送パルスφＶ１が印加される転送電極３Ａ及び第３相の転送パルスφＶ３が印加される転送電極３Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１層の電極層により形成されている。これら転送電極３Ａ及び転送電極３Ｃは、配線部により、同一行の画素と共通に形成されている。

第２相の転送パルスφＶ２が印加される転送電極３Ｂ及び第４相の転送パルスφＶ４が印加される転送電極３Ｄは、図１に示すように、各垂直転送レジスタ２毎に独立して形成され、垂直転送レジスタ２に沿う電極部だけを有している。
また、これら第２相の転送パルスφＶ２が印加される転送電極３Ｂ及び第４相の転送パルスφＶ４が印加される転送電極３Ｄは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１層の電極層により形成されている。
さらに、第２相の転送パルスφＶ２が印加される転送電極３Ｂ及び第４相の転送パルスφＶ４が印加される転送電極３Ｄには、図１及び図２Ａに示すように、コンタクト層５を介して、第２層の電極層により形成された転送電極４が接続されている。
この第２層の電極層から成る転送電極（以下、第２層の転送電極とする）４は、垂直転送レジスタ２に沿って延びると共にコンタクト層５と接続される部分と、垂直方向（電荷転送方向）に隣接する受光センサ部１間の部分（画素間部）に延びる配線部とを有している。
この転送電極４の配線部によって、各垂直転送レジスタ２毎に独立して形成された転送電極３Ｂ及び転送電極３Ｄが、同一行毎に電気的に接続されると共に、それぞれの垂直転送パルスφＶ２，φＶ４が供給される。

このように転送電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，４が構成されているため、垂直方向に隣接する受光センサ部１間の部分、即ち画素間部では、図２Ｂに示すように、２層の転送電極３Ａ，４が層間絶縁膜を介して積層形成されている。
従って、図４Ｂに示した単層の電極層により転送電極を構成した場合と比較して、画素間部の転送電極の幅を狭くすることができる。

例えば、画素セルのサイズが２．０μｍのＣＣＤ固体撮像素子において、垂直転送レジスタの転送電極が単層の電極層から成る構成（単層電極構造）では、画素間部が０．７μｍ程度の幅を占めるのに対して、本実施の形態の積層構造とすると０．３μｍ程度の幅で形成することが可能になるため、０．４μｍを受光センサ部のフォトダイオードの寸法を増やすために当てることができる。これにより、フォトダイオードの寸法が、単層電極構造の１．０μｍ×１．３μｍから、１．０μｍ×１．７μｍにまで拡げることが可能になるため、受光センサ部の取り扱い電荷量が約３０％増加し、充分な感度が得られることが期待できる。

一方、垂直転送レジスタ２では、基本的に、第１層の電極層から成る転送電極（以下、第１層の転送電極とする）３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄから構成される、単層電極構造を採り、コンタクト部５付近に第２層の転送電極４があるだけであるため、従来の２層電極構造と比較して、転送電極によって入射光が遮られる度合いが大幅に少なくなる。

第１層の転送電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの材料には、多結晶シリコン、ＷＳｉ等のシリサイド、Ｗ等の金属等の各種導電材料を用いることができる。

第２層の転送電極４の材料にも、各種導電材料を用いることができる。第１層の電極層から成る転送電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄと同じ材料を用いて形成してもよいが、異なる材料を用いることも可能である。本実施の形態の構成では、従来の２層の電極層により転送電極を構成した場合とは異なり、第２層の転送電極４がゲート絶縁膜の直上には形成されないため、第２層の転送電極４の材料についての制約が少なくなる。

そして、垂直転送レジスタ２において、垂直方向に隣接する転送電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄに対して、それぞれ異なる垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加される。これにより、４相駆動による信号電荷の垂直転送が行われる。

コンタクト層５は、第１層の転送電極３Ｂ，３Ｄと第２層の転送電極４との間の層間絶縁層１３を貫通して形成されたコンタクトホールに、導電材料が埋め込まれて形成されている。
なお、コンタクト層５と第２層の転送電極４とは、同一の導電材料で形成しても、それぞれ別々の導電材料で形成しても、いずれの構成も可能である。

上述の本実施の形態の固体撮像素子によれば、画素間部の転送電極が、第１層の電極層から成る転送電極３Ａ，３Ｃと、第２層の電極層から成る転送電極４との、積層構造となっていることにより、第１層の電極層のみで転送電極を構成した場合（単層電極構造）と比較して、画素間部の幅を縮小することができる。

従って、単層電極構造と比較して、受光センサ部１の垂直方向の寸法を大きく設定し、受光センサ部の面積を広く確保することが可能になる。
これにより、受光センサ部１の取り扱い電荷量が充分確保されることから、充分な感度やダイナミックレンジを有し、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することが可能になる。

また、本実施の形態の固体撮像素子によれば、垂直転送レジスタ２においては、基本的に、第１層の転送電極３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄから構成される、単層電極構造を採り、コンタクト層５によるコンタクト部付近に第２層の転送電極４があるだけであるため、従来の２層電極構造と比較して、転送電極によって入射光が遮られる度合いが大幅に少なくなる。

なお、上述の実施の形態では、垂直転送レジスタ２の転送電極３に、垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加されて４相駆動がなされる構成であったが、本発明では、４相駆動に限らず、他の駆動にも対応させることが可能である。
そして、上述の実施の形態と同様に、行毎に接続された第１層の電極層から成る（第１のステージの）転送電極と、垂直転送レジスタ毎（画素毎）に独立して形成された第１層の電極層と行毎に接続された第２層の電極層とから成る（第２のステージの）転送電極とを、１画素の垂直ピッチにそれぞれ設けることにより、１相駆動、２相駆動、４相駆動、８相駆動、１６相駆動の各駆動に対応させることが可能である。

また、上述の実施の形態では、ＣＣＤ構造の電荷転送部を有するＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用した場合であったが、その他の構造の電荷転送部を有する固体撮像素子にも本発明を適用することができる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（平面図）である。 Ａ 図１の固体撮像素子の垂直転送レジスタ部の断面図である。Ｂ 図１の固体撮像素子の画素間部の断面図である。 転送電極が２層構造のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（平面図）である。 Ａ 図３のＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送レジスタ部の断面図である。Ｂ 図３のＣＣＤ固体撮像素子の画素間部の断面図である。 転送電極が単層構造のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（平面図）である。 Ａ 図５のＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送レジスタ部の断面図である。Ｂ 図５のＣＣＤ固体撮像素子の画素間部の断面図である。

符号の説明

１ 受光センサ部、２ 垂直転送レジスタ、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 第１層の（電極層から成る）転送電極、４ 第２層の（電極層から成る）転送電極、５ コンタクト層

Claims (6)

1. それぞれ画素を構成する受光センサ部が、行列状に配置され、
   前記受光センサ部の各列の一側に電荷転送部が設けられ、
   前記電荷転送部の転送電極が、第１層の電極層から成る第１の転送電極と、第１層の電極層及び第２層の電極層が電気的に接続されて成る第２の転送電極とにより構成され、
   前記第１層の電極層及び前記第２層の電極層が、多結晶シリコンであり、
   前記第２の転送電極の前記第１層の電極層及び前記第２層の電極層をコンタクトするコンタクト層と、前記第２層の電極層とが、同一の導電材料で形成され、
   前記第２の転送電極の前記第１層の電極層は、前記電荷転送部毎に独立して形成され、
   前記電荷転送部の方向において隣接する画素間部においては、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極の前記第２層の電極層とが積層形成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の転送電極は、前記垂直転送部に沿って延びる電極部と前記垂直転送部が電荷を垂直転送する方向に隣接する前記受光センサ部間の画素間に延びる配線部を有し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。
3. 前記第２の転送電極の前記第２層の電極層は、前記垂直転送部に沿って延びると共に前記コンタクト層と接続される部分と、前記垂直転送部が電荷を垂直転送する方向に隣接する受光センサ部の画素間部に延びる配線部とを有し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。
4. 前記第２の転送電極が有する前記第１層の電極層は、前記第２層の電極層により同一行毎に電気的に接続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。
5. それぞれ画素を構成する受光センサ部が、行列状に配置され、
   前記受光センサ部の各列の一側に電荷転送部を形成され、
   前記電荷転送部の転送電極が、第１層の電極層から成る第１の転送電極と、第１層の電極層及び第２層の電極層が電気的に接続されて成る第２の転送電極とにより構成され、
   前記第２の転送電極の前記第１層の電極層は、前記電荷転送部毎に独立して形成され、
   前記電荷転送部の方向において隣接する画素間部においては、前記第１の転送電極と前記第２の転送電極の前記第２層の電極層とが積層形成されている固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記第１層の電極層及び前記第２層の電極層が、多結晶シリコンであり、
   前記第２の転送電極の前記第１層の電極層及び前記第２層の電極層をコンタクトするコンタクト層と、前記第２層の電極層とが、同一の導電材料で形成され、
   前記第１層の電極層から成る第１の転送電極の一つには第１相の転送パルスが印加され、
   前記第１層の電極層から成る第１の転送電極の他方には第３相の転送パルスが印加される
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
6. 前記第２の転送電極の前記第１層の電極層の一つには第２相の転送パルスが印加され、前記第２の転送電極の前記第１層の電極層の他方には第４相の転送パルスが印加されることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法。
   

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