JP3518212B2

JP3518212B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP3518212B2
Application number: JP33234796A
Authority: JP
Inventors: 耕一原田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2004-04-12
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: JPH10173163A

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、特
にＣＣＤ固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９及び図１０は従来のＣＣＤ固体撮像
素子の構成例、特にユニットセル部分を示す。従来のＣ
ＣＤ固体撮像素子１は、図９に示すように、複数のセン
サ部２がマトリックス状に配列され、各センサ部列の一
側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が設けられて成
る。垂直転送レジスタ３の転送電極４は、各センサ部２
に例えば第１層ポリシリコンからなる第１電極５と第２
層ポリシリコンからなる第２電極６が対応するように、
之等第１電極５及び第２電極６が垂直方向に沿って繰り
返し配列形成される。また之等第１電極５及び第２電極
６は、垂直方向に隣り合うセンサ部２の間を通って各垂
直転送レジスタ３に共通に形成される。

【０００３】そして、センサ部２と之に対応する垂直転
送レジスタ３間に例えば第２電極６をゲート電極とする
読み出しゲート部７、即ちセンサ部２から信号電荷を垂
直転送レジスタ３へ読み出すための読み出しゲート部が
形成される。またセンサ部２と反対側の垂直転送レジス
タ３間にはチャネルストップ領域８が形成される。

【０００４】図１０は、図９のＡ−Ａ線上の断面におけ
る半導体構造を示す。この半導体構造は、第１導電型例
えばｎ型のシリコン基板１１に第２導電型例えばｐ型の
第１のウエル領域１２が形成され、この第１のｐ型ウエ
ル領域１２内にセンサ部２と、垂直転送レジスタ３を構
成するｎ型の転送領域１３と、ｐ型のチャネルストップ
領域８が夫々形成される。センサ部２は、ｐ型ウエル領
域１２と、之に形成されたｎ型不純物領域１５と、ｎ型
不純物領域１５の表面に形成された電荷蓄積層、本例で
はホール蓄積層となる高濃度のｐ型不純物領域１６とに
よる、いわゆるホール・アキュミュレイテッド・センサ
として構成される。読み出しゲート部７ではｐ^-領域１
７が形成される。ｎ型転送領域１３下には第２のｐ型ウ
エル領域１８が形成される。

【０００５】そして、ｎ型転送領域１３及び読み出しゲ
ート部７のｐ^-領域１７上にわたってゲート絶縁膜１９
を介してポリシリコンによる転送電極４が形成され、こ
の転送電極４上を含む全面に層間絶縁膜２０が形成さ
れ、更にこの上にセンサ部２の直上位置に対応する開口
部２２を除いて全面に例えばＡｌ等による遮光膜２１が
形成される。

【０００６】このＣＣＤ固体撮像素子１では、転送電極
４の第２電極６に電圧を印加すると図９中矢印ａで示す
ようにセンサ部２にて光電変換されて蓄積された信号電
荷が読み出しゲート部７を通じて垂直転送レジスタ３に
読み出される。更に転送された信号電荷は転送電極４の
駆動で垂直転送レジスタ３内を垂直方向に転送される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のＣＣ
Ｄ固体撮像素子１においては、遮光膜２１の開口部２２
の端部から光が入射して遮光膜２１とシリコン基板との
間で多重反射し、垂直転送レジスタ３に入ることによる
スミアの発生を低減するため、遮光膜２１の転送電極４
のセンサ部２側の端部位置から開口部２２までの部分
（以下、張り出し部と記す）を長く形成する対策がとら
れている。

【０００８】しかしながら、上記のＣＣＤ固体撮像素子
１では、センサ部２の幅がセンサ部を挟む転送電極４間
の間隔となっていることから、ユニットセルの微細化を
進めていくと、読み出し特性やブルーミングが悪化する
ので、読み出しゲート部７の幅を縮小することが難し、
また素子特性の悪化やスミアの劣化につながっていた。
その為、遮光膜２１の開口部２２が形成できにくくな
り、ユニットセルサイズの微細化は５μｍ平方程度で頭
打ちになっていた。

【０００９】本発明は、上述の点に鑑み、ユニットセル
の微細化を可能にし、且つフレーム読み出し、及びフィ
ールド読み出しを可能にした固体撮像素子を提供するも
のである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子は、各センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の
読み出しを一方の側のセンサ部間を通して行うように構
成する。

【００１１】この構成によれば、従来の読み出しゲート
部が省略され、その分ユニットセルサイズの微細化が可
能となる。また、読み出しゲート部が省略された分を、
遮光膜のセンサ部側への張り出しに振り向けられるの
で、スミアの低減が可能となる。垂直方向のセンサ部間
において、読み出しゲート部と垂直方向の隣のセンサ部
との間の距離が、第２電極下の領域と電荷蓄積層のセン
サ部からの張り出し部との合計の距離となり、信号電荷
の読み出し時の垂直方向の隣のセンサ部への電荷の漏れ
が、より確実に阻止できる。更に、一方の側のセンサ部
間を通じて信号電荷の読み出しを行うので、フレーム読
み出し、及びフィールド読み出しのいずれもが可能とな
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る固体撮像素子は、複
数のセンサ部と、各センサ部列に対応した垂直転送レジ
スタを備え、垂直転送レジスタの転送電極を各センサ部
に対向する第１電極と第２電極の繰り返しで形成すると
共に、垂直方向に隣り合うセンサ部の間に連続して形成
し、第１電極及び第２電極は、垂直方向に隣り合うセン
サ部間において、互いに一部重なるように垂直方向に２
分するように形成され、各センサ部は、表面に電荷蓄積
層を有し、夫々一方の側のセンサ部間の読み出しゲート
部に接する部分を除く他部全周が所要距離だけ電荷蓄積
層より内方に形成され、各センサ部の信号読み出しが夫
々一方の側のセンサ部間の第１電極下を通して行なわれ
る構成とする。

【００１３】本発明は、上記固体撮像素子において、セ
ンサ部が垂直転送レジスタより所定距離だけ離れ（いわ
ゆるオフセットされ）、一方の側のセンサ部間の少なく
とも読み出しゲート部を除く第１電極下にチャネルスト
ップ領域が形成された構成とする。

【００１４】本発明は、上記固体撮像素子において、一
方の側のセンサ部間の読み出し部を除く第１電極下と第
２電極下にチャネルストップ領域が形成された構成とす
る。

【００１５】本発明は、上記固体撮像素子において、表
面に電荷蓄積層を有する前記センサ部の該電荷蓄積層
が、センサ部と垂直転送レジスタとの間のチャネルスト
ップ領域を兼用した構成とする。

【００１６】本発明は、上記固体撮像素子において、セ
ンサ部の一方の側のセンサ部間側の端辺が読み出しゲー
ト部を除いて第１電極より離間され、センサ部の読み出
しゲート部を除く他部周辺にチャネルストップ領域を兼
ねるセンサ部表面の電荷蓄積層が形成された構成とす
る。

【００１７】以下、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。

【００１８】図１〜図３は、本発明に係るＣＣＤ固体撮
像素子の一実施例を示すもので、特にその２ユニットセ
ル部分のみを示す。本実施例のＣＣＤ固体撮像素子３１
は、図１に示すように、複数のセンサ部３２がマトリッ
クス状に配列され、各センサ部列の一側にＣＣＤ構造の
垂直転送レジスタ３３が設けられる。垂直転送レジスタ
３３の転送電極３４は、各センサ部３２に例えば第１層
ポリシリコンからなる第１電極３５と第２層ポリシリコ
ンからなる第２電極３６が対応するように、之等第１電
極３５及び第２電極３６が垂直方向に沿って繰り返し配
列形成される。之等第１電極３５及び第２電極３６は垂
直方向に隣り合うセンサ部３２の間を通って各垂直転送
レジスタ３３に共通に形成される。このとき、各センサ
部３２間においては、第１電極３５と第２電極３６が夫
々垂直方向に２分するような上半分と下半分とに形成さ
れる。

【００１９】各センサ部３２は、その垂直方向の上側端
の一部、即ち信号電荷が読み出される側の垂直転送レジ
スタ３５に寄った図１において左半分の上側端がセンサ
部３２間の第１電極３５に隣接すると共に、その他の周
縁、即ち上側端の右半分、垂直転送レジスタ３７に対向
する両側端及び下側端が転送電極３４より所定の距離ｄ
₁，ｄ₂だけオフセットされて形成される。

【００２０】さらに、本例では、各センサ部３２間にお
いて、第１電極３５の読み出しゲート部となる部分３８
を除く図１において右半分の部分と第２電極３６下に斜
線で示すチャネルストップ領域３９が形成される。尚、
第２電極３６下のチャネルストップ領域３９は省略する
こともできる。

【００２１】図２は図１のＢ−Ｂ線上の断面、図３は図
１のＣ−Ｃ線上の断面における半導体構造を示す。この
半導体構造は、第１導電型例えばｎ型シリコン半導体基
板４１に第２導電型例えばｐ型の第１のウエル領域４２
が形成され、この第１のｐ型ウエル領域４２内に垂直転
送レジスタ３３を構成するｎ型の転送領域４３が形成さ
れる。このｎ型転送領域４３の直下には第２のｐ型ウエ
ル領域４４が形成される。ｎ型転送領域４３上にはゲー
ト絶縁膜４７を介してポリシリコンの第１電極３５及び
第２電極３６による転送電極３４が形成される。

【００２２】また、この転送電極３４をマスクにしたイ
オン注入によるセルフアラインにてセンサ部３２の表面
を構成する電荷蓄積層、本例ではホール蓄積層となる高
濃度のｐ型不純物領域４５が形成される。さらに、第１
のｐ型ウエル領域４２には、転送電極３４から距離ｄ₁
及びｄ₂だけオフセットされるように、フォトレジスト
マスクを介したイオン注入にてｐ型不純物領域、即ちホ
ール蓄積層４５下に対応した位置にｎ型不純物領域４６
が形成され、ここに第１のｐ型ウエル領域４２とｎ型不
純物領域４６とホール蓄積層４５とによる、いわゆるホ
ール・アキュミュレイテッド・センサと呼ばれるセンサ
部３２が形成される。

【００２３】また第１のｐ型ウエル領域４２には、その
垂直方向の隣り合うセンサ部３２間の第１電極３５の一
部から第２電極３６にわたる領域においてｐ型のチャネ
ルストップ領域３９が形成される。さらに読み出しゲー
ト部を構成する領域には低濃度のＰ型領域４０が形成さ
れている。

【００２４】そして、転送電極３４上を含む全面に層間
絶縁膜４８が形成され、更に、この上にセンサ部３２の
上位置に対応する開口部４９を除いて全面に例えばＡｌ
等による遮光膜５０が形成される。

【００２５】なお、センサ部３２と転送電極３４間にお
いては、その距離ｄ₁，ｄ₂のオフセットされた領域
（即ちセンサ部３２と転送電極３４との間の離間領域）
に延在するセンサ部３２表面のホール蓄積層４５がチャ
ネルストップ領域を兼ねた構成となっている。

【００２６】垂直転送レジスタ３３は、本例では４相駆
動パルスにて駆動するようにしている。垂直転送レジス
タ３３に読み出された信号電荷は、転送電極３４の駆動
で垂直転送レジスタ３３内を垂直方向に転送されるよう
になる。

【００２７】かかる構成のＣＣＤ固体撮像素子３１によ
れば、転送電極３４の第１電極３５に高レベルの電圧を
印加することにより、センサ部３２にて光電変換されて
蓄積された信号電荷は、図１中矢印ｂで示すように、一
方の即ち上側のセンサ部３２間の第１電極３５で形成さ
れる読み出しゲート部３８を通じて対応する一方の垂直
転送レジスタ３３に読み出される。このとき、上側のセ
ンサ部３２間の第１電極３５の右半分の部分下には、チ
ャネルストップ領域３９が設けられているので、センサ
部３２の信号電荷が反対側の垂直転送レジスタ３３に読
み出されることがない。

【００２８】また、センサ部３２と之を挟む両側の垂直
転送レジスタ３３間には距離ｄ₁のオフセットされた領
域があるため、その間での信号電荷の漏れは生じない。

【００２９】また、垂直方向に隣り合うセンサ部３２間
の第２電極３６下にはチャネルストップ領域３９が形成
されているので、より確実に垂直方向に隣り合うセンサ
部３２の相互間での信号電荷の漏れは生じない。即ち、
各センサ部３２は確実に他部と分離されて独立した状態
になっている。従って、従来のセンサ部と垂直転送レジ
スタ間に設けられていた読み出しゲート部が省略される
ので、その分ユニットセルサイズを微細化することがで
きる。同時に、遮光膜５０のはり出し長も十分得られ、
スミアの低減が図れる。

【００３０】また、センサ部３２の開口部と垂直転送レ
ジスタ３３の位置関係を従来例と同じにしたときには、
上記従来の読み出しゲート部が省略された分、遮光膜５
０のセンサ部側へのはり出し長さをより大きくすること
ができ、スミアの更なる低減が図れる。逆に、従来の読
み出しゲート部が省略された分センサ部３２の開口を広
げることができるので、感度の向上が図れる。

【００３１】各センサ部３２の信号電荷が夫々独立に一
方のセンサ部３２間の第１電極３５による読み出しゲー
ト部３８を通して読み出されるので、フレーム読み出し
動作及びフィールド読み出し動作の双方が可能になる。

【００３２】即ちフレーム読み出し動作では、奇数ライ
ンのセンサ部の信号電荷（第１フィールド）を読み出し
た後、次に偶数ラインのセンサ部の信号電荷（第２フィ
ールド）を読み出すようになされる。フィールド読み出
し動作では、一旦、各センサ部の信号電荷を垂直転送レ
ジスタ３３に読み出した後、垂直転送レジスタ３３内で
垂直方向に隣り合う一方の２画素分の信号電荷を混合し
て第１フィールドとして読み出し、再び各センサ部の信
号電荷を垂直転送レジスタ３３に読み出して、垂直転送
レジスタ内で垂直方向に隣り合う他方の２画素分の信号
電荷を混合して第２フィールドとして読み出すようにな
される。

【００３３】図４〜図６は、本発明に係る固体撮像素子
の他の実施例を示す。本例の固体撮像素子５２は、前述
の図１の構成において、チャネルストップ領域３９を省
略し、他は図１と同様にした構成である。図１と対応す
る部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

【００３４】即ち、センサ部３２は上側端の左半分が突
出した方形をなし、その上側端の突出した左半分がセン
サ部３２間の第１電極３５に隣接すると共に、その他の
周縁、即ち上側端の右半分、垂直転送レジスタ３３に対
向する両側端及び下側端が転送電極３４より所定の距離
ｄ₁，ｄ₂だけオフセットされる。そして、そのオフセ
ット領域に図４の斜線で示すように、延長したセンサ部
３２のホール蓄積層４５をチャネルストップ領域として
兼用させた構成とする。

【００３５】この構成によれば、センサ部３２はセンサ
部３２間の読み出しゲート部３８を除く他部全周がオフ
セット領域とチャネルストップ領域を兼ねるホール蓄積
層４５により分離される。従って、転送電極３４の第１
電極３５に高レベルの電圧を印加することにより、セン
サ部３２にて光電変換されて蓄積された信号電荷は、図
４中矢印ｂで示すように、一方の即ち上側のセンサ部３
２間の第１電極３５で形成される読み出しゲート部３８
を通じて対応する一方の垂直転送レジスタ３３に読み出
される。

【００３６】このとき、センサ部３２間の第１電極に沿
うＦ−Ｆ線上でのポテンシャルを見ると、右半分の領域
ではチャネルストップ領域を兼ねるホール蓄積層４５で
挟まれているために狭チャネル効果で図７に示すよう
に、ポテンシャル５４がもち上げられ、右側の垂直転送
レジスタ３３から電荷読み出しすべき左側の垂直転送レ
ジスタ３５へ向かってポテンシャルが深くなるようなポ
テンシャル勾配が生ずる。これによって、センサ部３２
からの信号電荷は反対側（右側）の垂直転送レジスタ３
３に誤読み出しされることはない。

【００３７】従って、この図４の構成においても、前述
の図１の場合と同様の効果を奏することができる。同時
に、別個に設けるチャネルストップ領域３９が省略され
るので、その分、構成が簡略化されると共に、製造工程
の削減が可能となる。

【００３８】尚、図４の例では、センサ部３２として上
側端を階段状に形成したが、その他、図８に示すように
センサ部３２の上側端をその読み出しゲート部３８に接
する部分から斜めに後退するように傾斜した形状とする
こともでき、この場合も、図４と同様の効果を奏する。

【００３９】

【発明の効果】本発明に係る固体撮像素子によれば、セ
ンサ部と垂直転送レジスタ間の読み出しゲート部が省略
され、センサ部からの信号電荷はセンサ部間を通して垂
直転送レジスタに読み出されるので、ユニットセルサイ
ズをより微細化することができる。上記読み出しゲート
部の省略された分、遮光膜のセンサ部側への張り出し長
さを大きくするときには、スミアを更に低減することが
できる。逆に、上記読み出しゲート部の省略された分、
センサ部の開口を広げるときは、より感度を向上するこ
とができる。

【００４０】センサ部から垂直転送レジスタへ信号電荷
を読み出す時、垂直方向の隣合うセンサ部間では、読み
出しゲート部と垂直方向に隣合うセンサ部間の距離が第
２電極下の領域と電荷蓄積層の張り出し部の合計の距離
になるので、垂直方向に隣合うセンサ部への電荷の漏れ
をより確実に阻止することができる。そして、各センサ
部の信号電荷を一方のセンサ部間を通して独立に垂直転
送レジスタに読み出すので、フレーム読み出し動作又は
フィールド読み出し動作のいずれも可能となる。

【００４１】センサ部を構成する表面の電荷蓄積層をセ
ンサ部と垂直転送レジスタ間のチャネルストップ領域に
兼用するときは、構成の簡略化が図られ、且つ製造工程
の削減を可能にする。

【００４２】センサ部の一方の側のセンサ部間側の端辺
が読み出しゲート部を除いて第１電極より離間され、セ
ンサ部の読み出しゲート部を除く他部周辺にチャネルス
トップ領域を兼ねるセンサ部表面の電荷蓄積層が形成さ
れるときは、センサ部間において、電荷蓄積層による狭
チャネル効果でセンサ部からの信号電荷が反対側の垂直
転送レジスタへの誤読み出しされるを阻止し、対応する
垂直転送レジスタへ確実に信号電荷を読み出すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施例を示す要
部の構成図である。

【図２】図１のＢ−Ｂ線上の断面図である。

【図３】図１のＣ−Ｃ線上の断面図である。

【図４】本発明に係る固体撮像素子の他の実施例を示す
要部の構成図である。

【図５】図４のＤ−Ｄ線上の断面図である。

【図６】図４のＥ−Ｅ線上の断面図である。

【図７】図４のＦ−Ｆ線上のポテンシャル図である。

【図８】本発明に係る固体撮像素子の他の実施例を示す
要部の構成図である。

【図９】従来の固体撮像素子を示す構成図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ線上の断面図である。

【符号の説明】

３１ＣＣＤ固体撮像素子、３２センサ部、３３垂
直転送レジスタ、３４転送電極、３５第１電極、３６
第２電極、３８読み出しゲート部、３９チャネルス
トップ領域、４５センサ部表面のホール蓄積層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のセンサ部と、各センサ部列に対応した垂直転送レジスタを備え、前記垂直転送レジスタの転送電極は前記各センサ部に対
応する第１電極と第２電極の繰り返しで形成されると共
に、垂直方向に隣り合うセンサ部の間に連続して形成さ
れ、第１電極及び第２電極は、垂直方向に隣り合うセンサ部
間において、互いに一部重なるように垂直方向に２分す
るように形成され、各センサ部は、表面に電荷蓄積層を有し、夫々一方の側
のセンサ部間の読み出しゲート部に接する部分を除く他
部全周が所要距離だけ電荷蓄積層より内方に形成され、前記各センサ部の信号読み出しが夫々前記一方の側のセ
ンサ部間の前記第１電極下を通して行われて成ることを
特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記センサ部が前記垂直転送レジスタよ
り所定距離だけ離れ、前記一方の側のセンサ部間の少なくとも読み出しゲート
部を除く第１電極下にチャネルストップ領域が形成され
て成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素
子。
【請求項３】前記一方の側のセンサ部間の読み出しゲ
ート部を除く第１電極下と第２電極下にチャネルストッ
プ領域が形成されて成ることを特徴とする請求項２に記
載の固体撮像素子。
【請求項４】表面に電荷蓄積層を有する前記センサ部
の該電荷蓄積層が前記センサ部と前記垂直転送レジスタ
との間のチャネルストップ領域を兼用して成ることを特
徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】前記センサ部の前記一方の側のセンサ部
間側の端辺が前記読み出しゲート部を除いて前記第１電
極より離間され、前記センサ部の読み出しゲート部を除く他部周辺にチャ
ネルストップ領域を兼ねるセンサ部表面の電荷蓄積層が
形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載の固体
撮像素子。