(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板に形成された受光部及び垂直シフトレジスタと、前記半導体基板の上に形成された絶縁膜と、前記受光部に蓄積された信号電荷を前記垂直シフトレジスタに読み出すための読み出し電極と、前記垂直シフトレジスタに読み出された電荷の転送を行う転送電極とを有する固体撮像装置であって、
前記転送電極は前記絶縁膜上に第１層目電極として形成され、前記読み出し電極は少なくとも前記転送電極間の前記絶縁膜上を含む第２層目電極として形成されており、前記読み出し電極は電荷読み出し時にハイレベルとなり、電荷転送時にはローレベルに固定されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記転送電極の間隔が、０．５以上１．２μｍ以下の範囲である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記転送電極の間に信号電荷に対するポテンシャルを上昇させる不純物が導入されている請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子式カメラ等に広く使用される固体撮像装置に関する。さらに詳しくは、２電源ならびに単一電源ＣＣＤ素子を備えた固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在主流のインターライン固体撮像素子は、製造の容易さから２層ポリシリコンで形成されており、駆動の工夫（３電源：読み出しはハイレベル（１５Ｖ）で行い、ＣＣＤ転送はミドルレベル（０Ｖ）、ローレベル（−７Ｖ））で特性を満足させていたが、駆動システムの簡素化の要望から負電源を用いない２電源（ハイ、ロー）ＣＣＤが求められている。しかしながら、従来の２電源ＣＣＤの単位画素は、製造面の問題から図３（ａ）（ｂ）に示す様な３層ポリシリコン２８、２９、１１を用いて形成されている。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分断面図である。単位画素はひとつのフォトダイオードと第１、第２層目電極の重ね合わせ構造で形成した２つの転送電極（垂直ＣＣＤ）２８、２９とフォトダイオードから垂直ＣＣＤへの電荷を読み出すための第三層目電極で形成したシフト電極１１で構成されている。読み出した電荷の転送は、シフト電極１１をローレベルに固定し、垂直ＣＣＤは２画素単位の４電極構成の４相駆動を行うことにより行われる（図３（ｃ））。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構造においては、３層ポリシリコンプロセスを用いていることにより画素の最大高さが３層分となる。このことにより感度向上のために採用しているオンチップマイクロレンズ効果に大きな影響を及ぼすフォトダイオード表面とレンズ底部までの距離の縮小化に制約を生じ感度の向上に制限を与えていた。具体的には、ポリシリコンを１層増やすと約０．５μｍ高さが高くなりその結果感度が約２０％減少してしまうという問題がある。また、３層ポリシリコンプロセスは２層ポリシリコンプロセスに比較して歩留まりが約１０〜２０％減少するなどの製造上の困難があった。この原因は、２層目ポリシリコンのエッチング残りとゲート絶縁膜残膜という相反する特性を満足させることの難しさにあった。
【０００４】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、２電源駆動可能な画素構造を２層電極プロセスで形成することにより、素子高さを抑制し、高感度、高歩留まりを同時に満足する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に形成された受光部および垂直シフトレジスタと、半導体基板の上に形成された絶縁膜と、受光部に蓄積された信号電荷を垂直シフトレジスタに読み出すための読み出し電極と、垂直シフトレジスタに読み出された電荷の転送を行う転送電極（ＣＣＤ(charge coupled device)転送電極）とを有する固体撮像装置であって、転送電極は絶縁膜上に第１層目電極として形成され、読み出し電極は少なくとも転送電極間の絶縁膜上を含む第２層目電極として形成されており、読み出し電極は電荷読み出し時にハイレベルとなり、電荷転送時にはローレベルに固定されることを特徴とする。
【０００６】
前記構成においては、垂直シフトレジスタの主たるＣＣＤ転送電極の間隔が、０．５以上１．２μｍ以下の範囲であることが好ましい。
【０００７】
また前記構成においては、垂直シフトレジスタを構成する主たるＣＣＤ転送電極の間に信号電荷に対するポテンシャルを上昇させる不純物が導入されていることが好ましい。前記において、信号電荷に対するポテンシャルを上昇させる不純物とは、たとえばリン、ヒ素、アンチモン等である。その導入量は１０１１〜１０１２ｃｍ−２程度が好ましい。
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、垂直シフトレジスタの構成において主たるＣＣＤ転送電極を第一層目電極で形成し、前記主たるＣＣＤ電極間の電荷の転送は第二層目電極である信号電荷のシフト電極と兼ねた固定電極で行うことにより２電源対応画素構造を２層電極プロセスで形成するものである。前記構成により、単位画素は１フォトダイオードと３電極ＣＣＤで構成される。そのため、実効的な素子高さは２層電極と同一となるため感度の制限は大幅に除かれる。より好ましくは、垂直転送部（ＶＣＣＤ）の主たる電極を第１層目ポリシリコンを用いて、しかもＣＣＤ電極間隔を０．５〜０．６μｍとして選択的に形成し、第２層目ポリシリコンで画素部の読み出し電極とＶＣＣＤの電極を形成することにより、２電源駆動可能な画素構造を２層電極プロセスで形成できるため構造的に素子高さを抑制可能となり高感度、高歩留まりを同時に満足する固体撮像装置を提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明をさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態を図１（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。図１（ａ）は本実施の形態の固体撮像装置の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線断面図で、垂直ＣＣＤの部分を示す。図１（ａ）（ｂ）に示すように、半導体基板１にＮ形領域２、ゲート絶縁膜３を形成した後、第１層目ポリシリコンで水平シフトレジスタ（ＨＣＣＤ）の蓄積電極４と垂直転送部（ＶＣＣＤ）の主たる電極５、６を間隔０．５〜０．６μｍとして選択的に形成し、ＨＣＣＤの２相駆動のためのバリア領域７を形成した後、第２層目ポリシリコンでＨＣＣＤのバリア電極８と画素部の読み出し電極９とＶＣＣＤの電極１０を形成した。ただし電極９と電極１０は、図１（ａ）に示すように接続された形状となっている。
【００１０】
水平シフトレジスタは、２層ポリシリコンプロセスで形成された構造となり、一方単位画素は一つのフォトダイオードと第１層目ポリシリコン５、６で形成された主たるＣＣＤ転送電極と第２層目ポリシリコンで形成されたＣＣＤ電極１０と読み出し電極９で構成された固体撮像装置となった。その結果、本実施の形態の固体撮像装置の高さは、２層ポリシリコンと同様の高さになり、２電源駆動の使いやすさと感度向上を両立できた。
【００１１】
次に、動作の一例を説明する。フォトダイオードに蓄積された信号電荷は電極９をハイレベルとすることにより読み出される。その時ハイレベルとなっている電極５，６に蓄積される。読み出しが完了すると電極９、１０はローレベルに固定され、転送は、電極５、６を二組とした４電極と電気的に接続された２組の電極１０を一つの単位として、実効的には電極５−１，６−１，５−２，６−２の４相駆動で転送される。以下図１（ｃ）を用いてポテンシャルの説明を行う。電極５−１，６−１がハイで、電極５−２，６−２ではローであり、読み出しが完了した後、電極６−２がハイになり、次に電極６−１がローとなることにより電荷は左に移動する。後は同様に電極５−２がハイ、次に５−１がローと順次繰り返すことにより、水平ＣＣＤに電荷が転送される。
【００１２】
なお、この構造において電極５と６の間隔は電荷の転送に際して重要な一実施例では、前記間隔を０．５〜０．６μｍとしたが（図１（ｃ））、電極加工上は間隔が広い方がよいが、広すぎると信号電荷の転送不良を引き起こす。この間隔は、信号電荷の通り道であるＮ形領域２の深さに依存し、実験において前記深さの２倍までは問題ないことを確認した。Ｎ形領域２の深さは、０．３〜０．６μｍ程度である。よって、前記電極間隔は、０．５〜１．２μｍとするのが好ましい。
【００１３】
また、電極間隔を０．３μｍ以下にすることにより、第２層目ポリシリコンで形成した主たるＣＣＤ電極５、６間の電極１０をなくした構造とすることが可能となり、より一層段差が緩和され、歩留まりの向上が期待される。
【００１４】
（実施の形態２）
次に第２の実施の形態として図２に示すように電極１０の下にポテンシャルを上昇させる不純物を導入することにより電極５、６に加える電圧を低減しても完全転送が可能となる。ポテンシャルを上昇させるためにｎ型不純物、たとえばリンを３×１０１１ｃｍ−２イオン注入で導入することにより、１Ｖ程度ポテンシャルを上昇させた。これにより図２（ｂ）に示すように電極６−１と５−１間のポテンシャルに段差を設けることができ、これにより転送しやすくなった。
【００１５】
なお、本発明は出発基板をＰ形半導体基板としたが、Ｐ形ウェルとしても同様の効果が得られる。また、ＣＣＤの電極材料はポリシリコンとしたが他の導電性材料でも同様の効果が得られることは明白である。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２電源駆動可能な画素構造を２層電極プロセスで形成できるため構造的に素子高さを抑制可能となり高感度、高歩留まりを同時に満足する固体撮像装置を提供でき、その実用的効果は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１の固体撮像装置の平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線断面図、（ｃ）は図１（ｂ）のポテンシャルを示す図。
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態２の固体撮像装置の断面図、（ｂ）は図２（ａ）のポテンシャルを示す図。
【図３】（ａ）は従来例の固体撮像装置の平面図、（ｂ）は図３（ａ）の部分断面図、（ｃ）は図３（ｂ）のポテンシャルを示す図。
【符号の説明】
１，２１  Ｐ形半導体基板
２，２２  Ｎ形領域
３，２３  絶縁膜
７  バリア領域
５，６，２８  第１層目ポリシリコン
８，１０，２９  第２層目ポリシリコン
１１  第３層目ポリシリコン
【図１】
0003586323.tif 000002
【図２】
0003586323.tif 000003
【図３】
0003586323.tif 000004