(57)【要約】【課題】２層の垂直転送電極において、第２層目の転送電極の電極幅を広く確保して受光部から信号電荷を読み出すものでは、画素数の増加に伴う画素サイズの縮小化に適切に対応することができない。【解決手段】半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により生成した信号電荷を蓄積する受光部１と、この受光部１から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極６，７を有する垂直転送レジスタとを備える固体撮像素子の構成として、２層の垂直転送電極６，７のうち、第１層目の転送電極６を受光部１から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、かつ受光部１に対する第１層目の転送電極６の電極幅Ｗ１を２層目の転送電極７の電極幅Ｗ２よりも大とする。【選択図】図２
2006049451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により生成した信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極を有する垂直転送手段とを備える固体撮像素子であって、
前記２層の垂直転送電極のうち、第１層目の転送電極を前記受光部から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、かつ前記受光部に対する前記第１層目の転送電極の電極幅を２層目の転送電極の電極幅よりも大としてなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記垂直転送電極上にシャント配線を形成してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
垂直方向で隣り合う前記受光部間で前記第１層目の転送電極と前記第２層目の転送電極を垂直方向に位置をずらして形成してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極を有する垂直転送手段とを備え、前記２層の垂直転送電極のうち、前記受光部に対する第１層目の転送電極の電極幅を２層目の転送電極の電極幅よりも大としてなる固体撮像素子を駆動する際に、
前記第１層目の転送電極に読み出しパルスを印加して前記受光部から信号電荷を読み出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ等に用いられる固体撮像素子とその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種のイメージセンサやデジタルカメラ等として、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子が提供されている。ＣＣＤ固体撮像素子は、２次元的に配列された複数の受光部と、これらの受光部の各列毎に設けられた複数の垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ）とによって撮像領域を構成し、この撮像領域の外側に水平転送レジスタ（水平ＣＣＤ）及び出力部を設けたものである。このようなＣＣＤ固体撮像素子において、例えば、大型画面を有する映像機器に用いられるＣＣＤ固体撮像素子、特に、ＨＤＴＶ（High Definition Television）に用いられる固体撮像素子のように高い出カレートを要求されるものでは、垂直転送レジスタを高速に駆動する必要があるため、低抵抗のシャント配線を用いて垂直転送レジスタにクロックを供給する構成が多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５はシャント配線を有する従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示すもので、図中（Ａ）はその要部平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＰ−Ｐ’断面図である。図においては、半導体基板（不図示）の表面に受光部５１が設けられている。この受光部５１は半導体基板上に２次元的に複数配列されるものである。また、半導体基板上にはゲート絶縁膜５２を介して２層の垂直転送電極が形成されている。垂直転送電極は、第１層目の転送電極５３と、第２層目の転送電極５４とによって構成されている。
【０００４】
また、第１層目の転送電極５３及び第２層目の転送電極５４の上にはシャント配線５５が形成されている。シャント配線５５は、低抵抗材料を用いて構成されるもので、垂直方向に沿って形成されている。また、水平方向で隣り合う２つのシャント配線５５のうち、一方のシャント配線５５には、当該シャント配線５５と第１層目の転送電極５３とを電気的に接続するコンタクト部５６が形成され、他方のシャント配線５５には、当該シャント配線５５と第２層目の転送電極５４とを電気的に接続するコンタクト部５７が形成されている。また、受光部５１は、Ｐ+型半導体領域とＮ型半導体領域を接合（ＰＮ接合）させたフォトダイオードＰＤを用いて構成され、このフォトダイオードＰＤの周囲にチャネルストップＣＳが形成されている。
【０００５】
上記構成の垂直転送レジスタを４層の駆動パルスで駆動するものとすると、垂直方向で隣り合う第１層目の転送電極５３及び第２層目の転送電極５４に対しては、それぞれに対応するシャント配線５５及びコンタクト部５６，５７を介して、上記図５（Ａ）に示すように駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４が個別に印加される。従来では、図６に示す波形図にしたがって駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４を印加することにより、受光部５１の信号電荷を第２層目の転送電極５４で読み出すようにしている。また、第２層目の転送電極５４に印加する読み出し電圧を低く抑えるために、受光部５１に対する第２層目の転送電極５４の電極幅（読み出し電極幅）Ｗ２を第１層目の転送電極５３の電極幅Ｗ１と同等レベルに広く確保している。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６８１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年では、単位面積あたりの画素数の増加によって画素サイズが縮小化している。そうした場合、上記従来技術のように第２層目の転送電極５４の電極幅Ｗ２を広く確保すると、その分だけ受光部５１に対する第１層目の転送電極５３の電極幅Ｗ１を狭めることになるため、コンタクト部５６を設けるためのスペースが狭くなる。したがって、コンタクト部５６の孔加工が困難になるとともに、コンタクト抵抗が増加して垂直転送の劣化を招く恐れがある。また、これとは逆に、図７に示すように、第１層目の転送電極５３の電極幅Ｗ１を広く確保すると、第２層目の転送電極５４の電極幅Ｗ２が狭くなるため、受光部５１から信号電荷を読み出す際に第２層目の転送電極５４に印加する読み出し電圧を高く設定する必要が生じるとともに、信号電荷の読み残しを招く恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により生成した信号電荷を蓄積する受光部と、この受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極を有する垂直転送手段とを備える固体撮像素子であって、２層の垂直転送電極のうち、第１層目の転送電極を受光部から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、かつ受光部に対する第１層目の転送電極の電極幅を２層目の転送電極の電極幅よりも大としたものである。
【０００９】
本発明に係る固体撮像素子においては、１層目の転送電極を受光部から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、かつ受光部に対する第１層目の転送電極の電極幅を第２層目の転送電極の電極幅よりも大とすることにより、垂直転送電極上にシャント配線を形成する場合に、受光部から信号電荷を読み出すための読み出し電極幅を広く確保したうえで、第１層目の転送電極とシャント配線とのコンタクトを形成する構造的スペースを広く確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、受光部から信号電極を読み出す読み出し電極幅の拡大とコンタクト形成のための構造的スペースの拡大を両立させることができる。そのため、画素サイズの縮小化に適切に対応することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明が適用されるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す概略図である。図においては、ＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域に複数の受光部１，…が二次元的に配列されている。各々の受光部１は、入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換機能と光電変換によって生成した信号電荷を蓄積する電荷蓄積機能を有するものである。また、撮像領域には、各々の受光部１に対して、複数の垂直転送レジスタ２が垂直方向に沿って設けられている。垂直転送レジスタ２は、図示しない複数のＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタを垂直方向に隣接した構造を有し、各々のＭＯＳキャパシタに対して個別に駆動パルスを印加し得る構成となっている。また、垂直転送レジスタ２は、それぞれ列毎に受光部１に隣接して設けられている。この垂直転送レジスタ２は、各行の受光部１から読み出された信号電荷を垂直方向に順次転送するもので、垂直ＣＣＤによって構成されている。
【００１３】
また、各々の垂直転送レジスタ２の終端部には、水平方向に沿って水平転送レジスタ３が設けられている。水平転送レジスタ３は、各々の垂直転送レジスタ２によって垂直方向に転送された信号電荷を水平方向に転送するもので、水平ＣＣＤによって構成されている。水辺転送レジスタ３による信号電荷の転送先には出力アンプ４が設けられている。出力アンプ４は、水平転送レジスタ３によって転送された信号電荷を電圧に変換して出力するものである。
【００１４】
また、撮像領域の周辺には、垂直転送用の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４、電源電圧ＶDD、信号出力Ｖout、グランドＧＮＤ、リセットゲート駆動パルスφＲＧ、水平転送用の駆動パルスＨφ１，Ｈφ２、電子シャッタパルスφＳＵＢ、静電保護ＶLに対応する複数のパッドが設けられている。このうち、垂直転送用の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４は、垂直転送レジスタ２の転送電極（後述）に供給されるもので、水平転送用の駆動パルスＨφ１，Ｈφ２は、水平転送レジスタ３の転送電極に供給されるものである。
【００１５】
図２は本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示すもので、図中（Ａ）はその要部平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＱ−Ｑ’断面図である。図において、受光部１は、Ｐ型のシリコン基板からなる半導体基板（不図示）の表面に２次元的に配列されるもので、水平方向及び垂直方向で１画素ごとに１つずつ設けられる。受光部１は、Ｐ+型半導体領域とＮ型半導体領域を接合（ＰＮ接合）させたフォトダイオードＰＤを用いて構成され、このフォトダイオードＰＤの周囲にチャネルストップＣＳが形成されている。
【００１６】
また、半導体基板上には、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜５を介して２層の垂直転送電極が形成されている。この垂直転送電極は、上記垂直転送レジスタ２を構成するもので、第１層目の転送電極６とその後に形成される第２層目の転送電極７とによって構成されている。各々の転送電極６，７は、多結晶シリコンによって構成されたもので、平面的に見て受光部１を取り囲む状態に形成されている。また、各々の転送電極６，７の表面は絶縁膜で覆われている。
【００１７】
また、上記第１層目の転送電極６及び第２層目の転送電極７の上にはシャント配線８が形成されている。シャント配線８は、多結晶シリコンよりもシート抵抗が小さい材料（例えば、アルミニウム、タングステンなど）を用いて構成されるもので、垂直方向に沿って垂直転送レジスタ３内に形成されている。また、シャント配線８は、水平方向に所定の間隔で並ぶ各々の受光部１間に１つずつ形成されている。水平方向で隣り合う２つのシャント配線８のうち、一方のシャント配線８には、当該シャント配線８と第１層目の転送電極６とを電気的に接続するコンタクト部９が形成され、他方のシャント配線８には、当該シャント配線８と第２層目の転送電極７とを電気的に接続するコンタクト部１０が形成されている。コンタクト部９，１０の位置は、垂直方向に約１／２画素分ずれている。各々のコンタクト部９，１０は、上記図１に示すように垂直転送レジスタ２を４相の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４で駆動するものとすると、それぞれ水平方向に４画素おきに形成されることになる。
【００１８】
なお、上記図２は固体撮像素子の基本的な構成を示すもので、実際には遮光膜が形成される。図３は遮光膜形成後の固体撮像素子の構成を示すもので、図中（Ａ）はその要部平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＲ−Ｒ’断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＳ−Ｓ’断面図である。図示のように遮光膜１１は、受光部１を開口する状態で形成されている。また、図３（Ｃ）のＳ−Ｓ’断面図において、フォトダイオードＰＤの両側には、チャネルストップＣＳと読み出しゲートＴＧを介して垂直ＣＣＤ１２が設けられている。垂直ＣＣＤ１２はＮ型半導体領域とＰ型半導体領域とを接合（ＰＮ接合）した構成となっている。
【００１９】
ここで、本実施形態においては、上記第１層目の転送電極６を、受光部１から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、この読み出し電極となる第１層目の転送電極６の電極幅Ｗ１を第２層目の転送電極７の電極幅Ｗ２よりも大としている。また、各々の転送電極６，７に対して上記図２（Ａ）に示すように垂直転送用の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４を印加するとともに、各々の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４の波形を図４のような波形として、第１層目の転送電極６に読み出しパルスを供給することにより、受光部１から垂直転送レジスタ２に信号電荷を読み出す構成となっている。すなわち、垂直転送用の駆動パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４として、例えば、１５Ｖ，０Ｖ，−７Ｖの３値のパルスを用い、このうち信号電荷の転送に０Ｖと−７Ｖのパルス、信号電の読み出しに１５Ｖのパルスを用いるものとすると、垂直方向で隣り合う第１層目の転送電極６に印加される駆動パルスＶφ２，Ｖφ４はそれぞれ所定のタイミングで１５Ｖの読み出しパルスとなり、この読み出しパルスにしたがって受光部１から垂直転送レジスタ２に信号電荷が読み出される。
【００２０】
ちなみに、第１層目の転送電極６の電極幅Ｗ１とは、受光部１に隣接する部分でゲート酸化膜５に接する第１層目の転送電極６の垂直方向の電極長さをいう。同様に、第２層目の転送電極７の電極幅Ｗ２とは、受光部１に隣接する部分でゲート酸化膜５に接する第２層目の転送電極７の垂直方向の電極長さをいう。第２層目の転送電極７は、第１層目の転送電極６の上に積層して形成されているため、第１層目の転送電極６とオーバーラップする部分はゲート酸化膜５に接しない部分となる。
【００２１】
このような電極構成を採用することにより、受光部１から信号電極を読み出すための電極幅は第１層目の転送電極６の電極幅Ｗ１に相当するものとなり、この電極幅Ｗ１が第２層目の転送電極７の電極幅Ｗ１に比べて相対的に広く確保されるため、信号電荷の読み出し時に印加される読み出しパルスの電圧を低減することができる。また、第１層目の転送電極６とシャント配線８とを電気的に接続するコンタクト部９を形成するためのスペースが広く確保されるため、コンタクト部９の孔加工が容易になるとともに、コンタクト抵抗を低減することができる。したがって、画素サイズの縮小化に適切に対応することが可能となる。
【００２２】
また、垂直方向で隣り合う受光部１間の部分で、第１層目の転送電極６の上に第２層目の転送電極７の位置を垂直方向にずらして形成し、これによって第２層目の転送電極７の一部をゲート酸化膜５に接する構成としたので、垂直方向の受光部１間で第２層目の転送電極７の電極幅（断面積）を広く確保して電極抵抗を低減することができる。さらに、かかる構成においては、上記図４の波形図に示すように、第１層目の転送電極６にプラスの読み出しパルスを印加したときに、第２層目の転送電極７に０Ｖ又はマイナスの電圧パルスを印加することにより、垂直方向の受光部１間に電位の障壁が形成されるため、垂直方向での画素間の信号電荷の混ざり（混色）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明が適用されるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す図である。
【図３】遮光膜形成後の固体撮像素子の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態で採用した垂直転送用の駆動パルスの波形図である。
【図５】従来のＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す図である。
【図６】従来における垂直転送用の駆動パルスの波形図である。
【図７】ＣＣＤ固体撮像素子の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…受光部、２…垂直転送レジスタ、５…ゲート酸化膜、６…第１層目の転送電極、７…第２層目の転送電極、８…シャント配線、９，１０…コンタクト部、Ｖφ１，Ｖφ２，Ｖφ３，Ｖφ４…垂直転送用の駆動パルス、Ｗ１，Ｗ２…電極幅
【図１】
2006049451.tif 000003
【図２】
2006049451.tif 000004
【図３】
2006049451.tif 000005
【図４】
2006049451.tif 000006
【図５】
2006049451.tif 000007
【図６】
2006049451.tif 000008
【図７】
2006049451.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月4日(2005.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により生成した信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極を有する垂直転送手段とを備える固体撮像素子であって、
前記２層の垂直転送電極のうち、第１層目の転送電極を前記受光部から信号電荷を読み出すための読み出し電極とし、かつ前記受光部に対する前記第１層目の転送電極の電極幅を２層目の転送電極の電極幅よりも大としてなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記垂直転送電極上にシャント配線を形成してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
垂直方向で隣り合う前記受光部間で前記第１層目の転送電極と前記第２層目の転送電極を垂直方向に位置をずらして形成してなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記シャント配線は、多結晶シリコンよりもシート抵抗が小さい材料からなる
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記シャント配線は、水平方向に所定の間隔で並ぶ各々の受光部間に１つずつ形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項６】
水平方向で隣り合う２つのシャント配線のうち、一方のシャント配線には、当該シャント配線と前記１層目の転送電極との電気的に接続するコンタクト部が形成され、他方のシャント配線には、当該シャント配線と前記２層目の転送電極とを電気的に接続するコンタクト部が形成されている
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
半導体基板上に二次元的に配列されて光電変換により信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する２層の垂直転送電極を有する垂直転送手段とを備え、前記２層の垂直転送電極のうち、前記受光部に対する第１層目の転送電極の電極幅を２層目の転送電極の電極幅よりも大としてなる固体撮像素子を駆動する際に、
前記第１層目の転送電極に読み出しパルスを印加して前記受光部から信号電荷を読み出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。