(57)【要約】【課題】付随容量の小さな出力アンプを備えたＣＣＤ型固体撮像装置を提供する。【解決手段】ＣＣＤ型固体撮像装置は、半導体基板に行列状に形成された多数個の光電変換素子と、光電変換素子の各列に沿って形成された縦方向チャネル領域とその上方に形成された電荷転送電極とを含む複数のＶＣＣＤと、複数のＶＣＣＤの一端に結合された横方向チャネル領域とその上方に形成された電荷転送電極とを含むＨＣＣＤと、ＨＣＣＤの一端に結合され、半導体基板に形成されたフローティングディフュージョンと、出力アンプの入力ゲート電極であって、フローティングディフュージョンの少なくとも近傍まで延在する部分を有し、電荷転送電極よりも薄い入力ゲート電極と、を有する。【選択図】　図１
2004079781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に形成された多数個の光電変換素子と、
前記光電変換素子の各列に沿って、前記半導体基板に形成された縦方向チャネル領域とその上方に形成された第１組の電荷転送電極とを含む複数のＶＣＣＤと、
前記複数のＶＣＣＤの一端に結合され、前記半導体基板に形成された横方向チャネル領域とその上方に形成された第２組の電荷転送電極とを含むＨＣＣＤと、
前記ＨＣＣＤの一端に結合され、前記半導体基板に形成されたフローティングディフュージョンと、
一対のソース／ドレイン領域と、その間の領域上方を横断する入力ゲート電極であって、前記フローティングディフュージョンの少なくとも近傍まで延在する部分を有し、前記第１組及び第２組の電荷転送電極よりも薄い入力ゲート電極と、を有する出力アンプと、
を有するＣＣＤ型固体撮像装置。
【請求項２】
さらに前記光電変換素子上方に開口を有し、前記ＶＣＣＤ、ＨＣＣＤ上を覆う遮光膜を有し、
前記入力ゲート電極が前記遮光膜と同一の膜から形成されている請求項１記載のＣＣＤ型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関し、特に電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体撮像装置として、種々のものが提案されている。半導体基板を用いる場合、光電変換素子は主にホトダイオードで形成される。ホトダイオードに蓄積された電荷を検出する方式として、主に電荷結合素子（ＣＣＤ）型と、ＭＯＳ型とが知られている。ＣＣＤ型は、複数の電荷を同時に転送でき、ある瞬間の画像を検出するのに適しているＭＯＳ型は、低電圧駆動に適している。
【０００３】
高分解能を実現するため画素数が増加すると、光電変換素子の大きさは小さくなり、蓄積できる電荷量は減少している。減少した電荷量で十分大きな出力を提供するためには、出力アンプの増幅度を増大することが望まれる。
【０００４】
図３（Ａ）は、ＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図である。ホトダイオードＰＤは、受光領域に行列状に配置されている。ホトダイオードＰＤの各列に沿って、垂直電荷転送路ＶＣＣＤが配置されている。垂直電荷転送路ＶＣＣＤの一端には、水平電荷転送路ＨＣＣＤが配置され、その一端には出力ゲートＯＧを介してフローティングディフュージョンＦＤが結合されている。垂直電荷転送路ＶＣＣＤ，水平電荷転送路ＨＣＣＤを覆い、ホトダイオード上方に開口１１を有するＷ等の遮光膜１２が配置されている。
【０００５】
ホトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを、例えば４相駆動により、縦方向に転送され、１行づつ水平電荷転送ＨＣＣＤに供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、１行分の電荷を受け取ると、例えば２相駆動により、電荷を転送し、出力ゲートＯＧを介して信号電荷ごとにフローティングディフュージョンＦＤに供給する。フローティングディフュージョンＦＤは、その容量Ｃと、受け取った電荷量Ｑとに応じた電圧Ｖ＝Ｑ／Ｃを発生する。この電圧が、出力アンプトランジスタのゲートに伝えられ、出力トランジスタの信号出力を生成する。
【０００６】
図３（Ｂ）は、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ、水平電荷転送路ＨＣＣＤの構成を概略的に示す。半導体基板内に例えばｎ型のチャネル領域ＣＨが形成され、その表面上にゲート絶縁膜ＧＩが形成される。ゲート絶縁膜ＧＩの上に、第１多結晶シリコン層Ｐ１により、１つおきの転送電極が形成される。
【０００７】
第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１の表面が酸化され、その上に第２多結晶シリコン層が形成され、パターニングされて第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２が形成される。水平電荷転送路ＨＣＣＤにおいては、作り付けのポテンシャルウェルとポテンシャルバリアとを作成するため、チャネルＣＨ内に１つおきの電極に対応する不純物添加が行われる。
【０００８】
第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２の表面も酸化され、絶縁層が形成される。各ホトダイオードＰＤ上方に開口１１を有し、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ，水平電荷転送路ＨＣＣＤを覆う遮光膜１２が、多結晶シリコン転送電極の上方に形成される。
【０００９】
図３（Ｃ）は、水平電荷転送路ＨＣＣＤ出力端から、出力アンプへかけての構成を概略的に示す断面図である。
【００１０】
水平電荷転送路ＨＣＣＤにおいては、第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１とその１方に隣接する第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２とが共通結線され、駆動信号Ｈ１（Ｈ２）が供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤの最終段の隣には、図の構成では第２多結晶シリコン層で形成された出力ゲートＯＧが形成されている。
【００１１】
フローティングディフュージョンＦＤは、ＨＣＣＤから出力ゲートＯＧを介して供給される電荷を受け取れるように配置された高濃度ｎ型領域とその周辺のチャネル領域ＣＨを含む。
【００１２】
出力アンプのトランジスタは、フィールド酸化膜４により囲まれており、ゲート電極７が出力アンプのトランジスタのチャネル領域を横断するように形成され、フローティングディフュージョンＦＤ近傍まで延在している。アルミニウム層３が、ゲート電極７とフローティングディフュージョンＦＤの高濃度領域とを電気的に接続する。アルミニウム層３は、転送電極の配線にも用いられる。
【００１３】
ゲート電極７は、多結晶シリコン転送電極と同一の多結晶シリコン層から形成され、ほぼ同一の厚さを有する。すなわち、ゲート電極の厚さｄ１、第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１の厚さｄ３、第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２の厚さをｄ２とすると、ｄ１≒ｄ２≒ｄ３となる。例えば、各多結晶シリコン電極の厚さは約０．４μｍである。ゲート電極７の寸法は例えば、幅０．４〜２μｍ、長さ２〜１０μｍである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
フローティングディフュージョンＦＤに一定の電荷が蓄積された時、出力アンプのゲート電極に大きな電圧を発生させるためには、フローティングディフュージョンＦＤに伴う付随容量を小さくすることが望まれる。フローティングディフュージョン領域ＦＤ及びゲート電極７の面積を小さくすることにより、容量を減少させることが可能である。しかしながら、このような付随容量の減少にも限界が見えてきている。
【００１５】
本発明の目的は、付随容量の小さな出力アンプを備えたＣＣＤ型固体撮像装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に形成された多数個の光電変換素子と、前記光電変換素子の各列に沿って、前記半導体基板に形成された縦方向チャネル領域とその上方に形成された第１組の電荷転送電極とを含む複数のＶＣＣＤと、前記複数のＶＣＣＤの一端に結合され、前記半導体基板に形成された横方向チャネル領域とその上方に形成された第２組の電荷転送電極とを含むＨＣＣＤと、前記ＨＣＣＤの一端に結合され、前記半導体基板に形成されたフローティングディフュージョンと、一対のソース／ドレイン領域と、その間の領域上方を横断する入力ゲート電極であって、前記フローティングディフュージョンの少なくとも近傍まで延在する部分を有し、前記第１組及び第２組の電荷転送電極よりも薄い入力ゲート電極と、を有する出力アンプと、を有するＣＣＤ型固体撮像装置が提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例によるＣＣＤ型固体撮像装置の出力アンプ周辺部の構成を概略的に示す断面図及び平面図である。ホトダイオードＰＤ、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ、水平電荷転送路ＨＣＣＤの構成は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示した構成と同様である。
【００１８】
図１（Ａ）は、水平電荷転送路ＨＣＣＤ出力端から、出力アンプ側への構成を示す概略平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の線ａーａ’に沿う断面図である。水平電荷転送路ＶＣＣＤのチャネル領域ＣＨは、次第に幅を減少させ、やがて一定の幅となってフローティングディフュージョンＦＤの高濃度領域１を囲むように続く。チャネル領域ＣＨの上方には、第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１、第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２が配置されている。
【００１９】
左端の第１多結晶転送電極Ｐ１の左側には、第２多結晶シリコン層によって出力ゲートＯＧが形成されている。出力ゲートＯＧから一定距離離れた位置のチャネル領域ＣＨ内にフローティングディフュージョンＦＤのｎ＋型高不純物濃度領域１が形成されている。シリコン基板表面上の酸化シリコン層ＧＩは、ｎ＋型領域１上に開口２を有し、ｎ＋型領域１を露出している。
【００２０】
チャネル領域ＣＨと離れた位置に、フィールド酸化膜４に開口が形成され、出力アンプ（トランジスタ）用の活性領域ＡＲが画定されている。フィールド酸化膜４は、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）により酸化シリコン層を堆積し、テーパエッチすることにより形成される。出力アンプ用のゲート電極７が、活性領域ＡＲを横断し、フローティングディフュージョンＦＤのｎ＋型領域１近傍まで延びている。アルミニウム層３は、ゲート電極７の上から露出したｎ＋型領域１上に延在し、ゲート電極をフローティングディフュージョンに電気的に接続する。
【００２１】
なお、フローティングディフュージョン領域ＦＤに転送された電荷を廃棄するため、出力アンプの下方にリセットトランジスタが形成されている。すなわち、チャネル領域ＣＨが延在され、チャネル領域ＣＨを横断するようにリセットゲートＲＳが形成されている。リセットゲートＲＳの左側にリセットドレインＲＤが形成される。リセットドレインＲＤに正極性の電圧を印加し、リセットゲートＲＳに正極性の電圧を印加してフローティングディフュージョンＦＤの電荷を引き抜くことにより、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がクリアされる。
【００２２】
ゲート電極７は、例えば幅０．４μｍ〜２μｍ、長さ２μｍ〜１０μｍである。フローティングディフュージョンの付随容量は、フローティングディフュージョン領域ＦＤ自身の容量よりも、ゲート電極７の容量の方が大きくなる。さらに、ゲート電極７が基板と対向する面積によって画定される容量と共に、ゲート電極７の側面が周辺領域と対向することにより画定される容量が相対的に大きくなる。
【００２３】
図１（Ｂ）に示すように、本実施例においてはゲート電極７を形成する多結晶シリコン層を、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ、水平電荷転送路ＨＣＣＤの転送電極とは別に形成し、その厚さｄ４を小さくする。例えば、転送電極の厚さがｄ２、ｄ３である時、ゲート電極７の厚さｄ４を転送電極の厚さｄ２、ｄ３の１／３以下、例えば約１／４程度まで減少させる。
【００２４】
図１（Ｃ）は、ゲート電極７の厚さを減少させたことによる付随容量の減少を説明する断面図である。ゲート電極７の厚さを小さくすることにより、破線の状体から実線の状態となる。ゲート電極７の側面と周辺部表面との間に結ばれる電気力線が、ゲート電極７の高さの減少と共に減少する。すなわち、ゲート電極側面が周辺領域と対向する面積が減少し、ゲート電極の付随容量が減少する。例えば、ゲート電極の面積によって決まる容量と、側面によって決まる容量とがほぼ同じ場合、ゲート電極の高さを１／４に減少することにより、ゲート電極の容量を約２／３に減少させることが可能であろう。
【００２５】
ホトダイオードの配置は図３（Ａ）に示した正方配列に限定されない。ゲート電極７も多結晶シリコン以外の導電性材料で形成することもできる。その他、種々の変更が可能である。
【００２６】
図２（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の他の実施例によるＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図及び断面図である。
【００２７】
図２（Ａ）は、ハニカム型ＣＣＤ固体撮像装置の構成を示す。ホトダイオードＰＤは、１行おき及び１列おきに約１／２ピッチづつずれた位置に配置されている。ＶＣＣＤは、各ホトダイオートＰＤ列に沿って蛇行しながら全体として垂直方向に形成されている。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、図３（Ａ）と同様に形成される。
【００２８】
図２（Ｂ）は、出力アンプ近傍の構成を概略的に示す断面図である。図中右側には水平電荷転送路ＨＣＣＤの出力部分が示されている。水平電荷電荷転送路ＨＣＣＤは、第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１、第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２を含んで形成されている。第１多結晶シリコン転送電極Ｐ１、第２多結晶シリコン転送電極Ｐ２表面には酸化膜が形成されている。これらの酸化膜上に、Ｗ等の金属の遮光膜１２が形成されている。遮光膜１２は、各ホトダイオードＰＤ上に開口１１を有する。
【００２９】
図２（Ｂ）左側部分に出力アンプのゲート電極の構成が示されている。ゲート電極７は、遮光膜１２と同一層から形成される。例えば、遮光膜１２及びゲート電極７は、図２（Ｃ）に示すように、Ｔｉ層７ａ、ＴｉＮ層７ｂ、Ｗ層７ｃの積層から形成される。遮光膜１２及びゲート電極７の厚さは、例えば１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。多結晶シリコン転送電極の厚さ約０．４μｍより薄い。従って、転送電極と同一の導電層からゲート電極を作成する場合と比べ、容量を減少することができる。
【００３０】
遮光膜と同一層でゲート電極を作成することにより、工程数を増加させること無く付随容量の小さなゲート電極を作成することができる。
【００３１】
以上実施異例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、出力トランジスタのゲートを薄くし、付随容量を低減できるため、出力アンプの増幅率を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の他の実施例によるＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図及び断面図である。
【図３】従来の技術によるＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概略的に示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１　　（フローティングディフージョンの）高濃度領域
２　　開口
３　　アルミニウム層
４　　フィールド酸化膜
ＣＨ　　チャネル領域
ＰＤ　　ホトダイオード
ＶＣＣＤ　垂直電荷転送路
ＨＣＣＤ　水平電荷転送路
ＦＤ　　フローティングディフージョン
７　　ゲート電極
１１　　開口
１２　　遮光膜
ＡＲ　　活性領域
ＯＤ　　出力ドレイン
ＯＧ　　出力ゲート
ＲＳ　　リセットゲート
ＲＤ　　リセットドレイン
ＧＩ　　ゲート絶縁層
【図１】
2004079781.tif 000003
【図２】
2004079781.tif 000004
【図３】
2004079781.tif 000005