(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に複数行、複数列に亘って行列状に画素ずらし配置された多数個の光電変換素子と、
１列の光電変換素子列に１本ずつ、前記半導体基板の表面に形成され、対応する光電変換素子列に沿って蛇行している垂直電荷転送チャネルであって、相互に隣接する２本の垂直電荷転送チャネルは、第１の行においては光電変換素子の両側に配置され、前記第１の行に隣接する第２の行においては隣接する光電変換素子の間に配置されている垂直電荷転送チャネルと、
１行の光電変換素子行に１本ずつ、前記半導体基板の表面上に電気的絶縁膜を介して形成されて光電変換素子行方向に延在する読出し兼用転送電極であって、各々が、前記垂直電荷転送チャネルと平面視上交差して配置され、対応する光電変換素子行中の光電変換素子それぞれを平面視上取り囲む読出し兼用転送電極とを有する固体撮像装置であって、
さらに、前記光電変換素子の各々に１つずつ、該光電変換素子と対応する垂直電荷転送チャネルとの間の前記半導体基板の表面に形成された読出しゲート用チャネル領域を有し、
前記光電変換素子の各々が、平面視上、八角形状であり、
前記読出しゲート用チャネル領域の各々が、平面視上、対応する光電変換素子の三辺において該光電変換素子に隣接する固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換素子列方向に隣接する２本の前記読出し兼用転送電極が、間に他の転送電極を介さない請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記読出し兼用転送電極と前記垂直電荷転送チャネルとを平面視したとき、前記垂直電荷転送チャネルが光電変換素子列方向から斜行している部分を定める４つの角によって画定される四角形の領域上において、前記読出し兼用転送電極の側面が、前記四角形状の領域の１つの対角線上に位置する請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記読出し兼用転送電極の各々が、１つの導電層をパターニングすることによって形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
さらに、前記光電変換素子の各々に１つずつ、該光電変換素子と対応する垂直電荷転送チャネルとの間の前記半導体基板の表面に形成された読出しゲート用チャネル領域を有し、該読出しゲート用チャネル領域の各々が、対応する光電変換素子の平面視上の外周の１／４以上の領域において該光電変換素子に隣接する請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に複数行、複数列に亘って行列状に画素ずらし配置された多数個の光電変換素子と、
１列の光電変換素子列に１本ずつ、前記半導体基板の表面に形成され、対応する光電変換素子列に沿って蛇行している垂直電荷転送チャネルであって、相互に隣接する２本の垂直電荷転送チャネルは、第１の行においては光電変換素子の両側に配置され、前記第１の行に隣接する第２の行においては隣接する光電変換素子の間に配置されている垂直電荷転送チャネルと、
１行の光電変換素子行に１本ずつ、前記半導体基板の表面上に電気的絶縁膜を介して形成されて光電変換素子行方向に延在する読出し兼用転送電極であって、各々が、前記垂直電荷転送チャネルと平面視上交差して配置され、対応する光電変換素子行中の光電変換素子それぞれを平面視上取り囲む読出し兼用転送電極とを有する固体撮像装置であって、
光電変換素子列方向に隣接する２本の前記読出し兼用転送電極が、間に他の転送電極を介さず、
前記読出し兼用転送電極と前記垂直電荷転送チャネルとを平面視したとき、前記垂直電荷転送チャネルが光電変換素子列方向から斜行している部分を定める４つの角によって画定される四角形の領域上において、前記読出し兼用転送電極の側面が、前記四角形状の領域の１つの対角線上に位置する固体撮像装置。
【請求項７】
前記読出し兼用転送電極の各々が、１つの導電層をパターニングすることによって形成されている請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
さらに、前記光電変換素子の各々に１つずつ、該光電変換素子と対応する垂直電荷転送チャネルとの間の前記半導体基板の表面に形成された読出しゲート用チャネル領域を有し、該読出しゲート用チャネル領域の各々が、対応する光電変換素子の平面視上の外周の１／４以上の領域において該光電変換素子に隣接する請求項６または７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
さらに、前記光電変換素子の各々に１つずつ、該光電変換素子と対応する垂直電荷転送チャネルとの間の前記半導体基板の表面に形成された読出しゲート用チャネル領域を有し、
前記光電変換素子の各々が、平面視上、八角形状であり、
前記読出しゲート用チャネル領域の各々が、平面視上、対応する光電変換素子の三辺において該光電変換素子に隣接する請求項６〜請求項８のいずれか１項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ＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像装置に係り、特に、インターライン転送方式のＣＣＤ型固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤの量産技術が確立されて以来、ＣＣＤ型の固体撮像装置、特にインターライン転送方式のＣＣＤ型固体撮像装置（以下、この固体撮像装置を単に「固体撮像装置」と略記する。）をエリア・イメージセンサとして利用した電子スチルカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器が急速に普及している。以下、インターライン転送方式（フレームインターライン転送方式を含むものとする。）のＣＣＤ型固体撮像装置を、単に「固体撮像装置」と略記する。
【０００３】
固体撮像装置は、例えば、１枚の半導体基板の表面に複数行、複数列に亘って行列状に形成された多数個の光電変換素子と、１列の光電変換素子列に１つずつ配置された垂直電荷転送素子と、これらの垂直電荷転送素子に電気的に接続された１つの水平電荷転送素子と、水平電荷転送素子の一端に電気的に接続された出力アンプとを具備する。
【０００４】
光電変換素子は、一般にフォトダイオードによって構成され、その総数は、例えば数１０万〜数１００万個である。多数個の光電変換素子が正方行列状（本明細書においては、行数と列数とが異なるものを含むものとする。）に配置された固体撮像装置と、多数個の光電変換素子が画素ずらし配置された固体撮像装置とが知られている。
【０００５】
ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、奇数番目に当たる光電変換素子列中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子列中の光電変換素子の各々が、光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当たる光電変換素子行中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子行中の光電変換素子の各々が、光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２、行方向にずれ、光電変換素子列の各々が奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含むような、多数個の光電変換素子の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【０００６】
上記の「光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２からはずれてはいるものの、得られる固体撮像装置の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２」についても同様である。
【０００７】
固体撮像装置を構成する垂直電荷転送素子の各々はＣＣＤによって構成され、対応する光電変換素子列に沿って延在する１本の垂直電荷転送チャネルと、この垂直電荷転送チャネルを平面視上横切る多数本の垂直転送電極とを有する。垂直電荷転送チャネルは、前述した半導体基板に形成され、垂直転送電極の各々は、電気的絶縁膜を介して半導体基板上に形成される。
【０００８】
通常、１行の光電変換素子行あたり１本または２本の垂直転送電極が配置される。個々の垂直転送電極は、対応する光電変換素子行に沿って、光電変換素子の上流側または下流側に延在する。光電変換素子の各々は、上流側および下流側の２本の垂直転送電極によって平面視上囲まれる。
【０００９】
本明細書においては、光電変換素子から出力アンプへ転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定するものとする。
【００１０】
図７は、従来の固体撮像装置における光電変換素子と垂直転送電極との平面配置の例を概略的に示す。同図に示した固体撮像装置５００は、多数個の光電変換素子５１０が画素ずらし配置されたタイプの固体撮像装置である。
【００１１】
１行の光電変換素子行に１本ずつ、垂直転送電極５２５または５２６が形成されている。これらの垂直転送電極５２５、５２６は、対応する光電変換素子行に沿ってその下流側を蛇行しつつ、個々の電極全体では光電変換素子行方向に延在する。また、垂直転送電極５２５、５２６の各々は、対応する光電変換素子行の直ぐ下流側の光電変換素子行に対しては、この光電変換素子行に沿ってその上流側を蛇行する。光電変換素子５１０の各々は、上流側および下流側の２本の垂直転送電極５２５、５２６によって平面視上囲まれている。
【００１２】
固体撮像装置では、光電変換によって光電変換素子に蓄積された電荷を、この光電変換素子に対応する垂直電荷転送素子へ読み出す。光電変換素子から垂直電荷転送素子への電荷の読み出しを制御するために、１個の光電変換素子に１個ずつ、読出しゲートが配設される。一般に、１個の光電変換素子を平面視上取り囲む２本の垂直転送電極の一方が、読出しゲートにおけるゲート電極を兼ねる。このゲート電極を兼ねる垂直転送電極を、本明細書では「読出し兼用転送電極」と称する。
【００１３】
垂直電荷転送素子の各々は、例えば４相の垂直駆動信号によって駆動され、光電変換素子から読み出した電荷を水平電荷転送素子へ転送する。
【００１４】
水平電荷転送素子は、垂直電荷転送素子から電荷を受け取り、この電荷を出力アンプへ転送する。水平電荷転送素子は、例えば２相駆動型のＣＣＤによって構成される。
【００１５】
出力アンプは、水平電荷転送素子から受け取った電荷を画像信号（信号電圧）に変換し、所定の回路へ出力する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像装置の普及に伴い、その性能の更なる向上が求められていると共に、製造コストの低減が求められている。
【００１７】
本発明の目的は、性能の向上または低コスト化を図り易い構造を有する固体撮像装置を提供することである。
【００１８】
【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、前記半導体基板の表面に複数行、複数列に亘って行列状に画素ずらし配置された多数個の光電変換素子と、１列の光電変換素子列に１本ずつ、前記半導体基板の表面に形成され、対応する光電変換素子列に沿って蛇行している垂直電荷転送チャネルであって、相互に隣接する２本の垂直電荷転送チャネルは、第１の行においては光電変換素子の両側に配置され、前記第１の行に隣接する第２の行においては隣接する光電変換素子の間に配置されている垂直電荷転送チャネルと、１行の光電変換素子行に１本ずつ、前記半導体基板の表面上に電気的絶縁膜を介して形成されて光電変換素子行方向に延在する読出し兼用転送電極であって、各々が、前記垂直電荷転送チャネルと平面視上交差して配置され、対応する光電変換素子行中の光電変換素子それぞれを平面視上取り囲む読出し兼用転送電極とを有する固体撮像装置であって、さらに、前記光電変換素子の各々に１つずつ、該光電変換素子と対応する垂直電荷転送チャネルとの間の前記半導体基板の表面に形成された読出しゲート用チャネル領域を有し、前記光電変換素子の各々が、平面視上、八角形状であり、前記読出しゲート用チャネル領域の各々が、平面視上、対応する光電変換素子の三辺において該光電変換素子に隣接する固体撮像装置が提供される。
また、本発明の他の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の表面に複数行、複数列に亘って行列状に画素ずらし配置された多数個の光電変換素子と、１列の光電変換素子列に１本ずつ、前記半導体基板の表面に形成され、対応する光電変換素子列に沿って蛇行している垂直電荷転送チャネルであって、相互に隣接する２本の垂直電荷転送チャネルは、第１の行においては光電変換素子の両側に配置され、前記第１の行に隣接する第２の行においては隣接する光電変換素子の間に配置されている垂直電荷転送チャネルと、１行の光電変換素子行に１本ずつ、前記半導体基板の表面上に電気的絶縁膜を介して形成されて光電変換素子行方向に延在する読出し兼用転送電極であって、各々が、前記垂直電荷転送チャネルと平面視上交差して配置され、対応する光電変換素子行中の光電変換素子それぞれを平面視上取り囲む読出し兼用転送電極とを有する固体撮像装置であって、光電変換素子列方向に隣接する２本の前記読出し兼用転送電極が、間に他の転送電極を介さず、前記読出し兼用転送電極と前記垂直電荷転送チャネルとを平面視したとき、前記垂直電荷転送チャネルが光電変換素子列方向から斜行している部分を定める４つの角によって画定される四角形の領域上において、前記読出し兼用転送電極の側面が、前記四角形状の領域の１つの対角線上に位置する固体撮像装置が提供される。
【００１９】
この固体撮像装置では、各行の光電変換素子が１本の垂直転送電極（読出し兼用転送電極）によって平面視上取り囲まれる。このため、光電変換素子の集積度が同じであれば、個々の光電変換素子を２本の垂直転送電極によって平面視上囲んで一方の垂直転送電極を読出し兼用転送電極とする従来の固体撮像装置に比べて、個々の読出し兼用転送電極の線幅を広くすることができる。
【００２０】
その分、読出し兼用転送電極の形成が容易になり、固体撮像装置自体の製造も容易になる。また、従来と同等の微細加工精度の下では、加工可能な読出し兼用転送電極の線幅によって光電変換素子の集積度が制限される、ということも起こりづらくなる。その結果として、光電変換素子を高集積化し易くなる。光電変換素子を高集積化することにより、固体撮像装置の解像度を向上させ易くなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例による固体撮像装置における光電変換素子、垂直電荷転送素子、水平電荷転送素子および出力アンプの平面配置を概略的に示す。
【００２２】
図示の固体撮像装置１００においては、半導体基板１の一表面に多数個の光電変換素子１０が画素ずらし配置されている。個々の光電変換素子１０は例えば埋込型のｐｎフォトダイオードによって構成され、平面視上、八角形を呈す。光電変換素子１０に光が入射すると、この光電変換素子１０に電荷が蓄積される。
【００２３】
１つの光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿って垂直電荷転送素子２０が配設されている。
【００２４】
個々の垂直電荷転送素子２０は、半導体基板１に形成された１本の垂直電荷転送チャネル２１と、光電変換素子列方向ＤV に並列配置された多数本の第１〜第２読出し兼用転送電極２５〜２６と、最も下流の読出し兼用転送電極２５の下流側に並列配置された補助転送電極２７とを含む。第１〜第２読出し兼用転送電極２５〜２６の各々および補助転送電極２７は、全ての垂直電荷転送素子２０について、その一部を構成する。
【００２５】
補助転送電極２７側から数えて奇数番目に当たる光電変換素子行の各々に１本ずつ第１読出し兼用転送電極２５が配置され、偶数番目に当たる光電変換素子行の各々に１本ずつ第２読出し兼用転送電極２６が配置されている。
【００２６】
第１〜第２読出し兼用転送電極２５〜２６の各々は、対応する光電変換素子行中の光電変換素子１０の各々を平面視上取り囲みながら、光電変換素子行方向ＤH に延在している。各第１〜第２読出し兼用転送電極２５〜２６は、対応する光電変換素子１０上に開口部２５ａまたは２６ａを有する。光電変換素子１０の各々は、平面視上、ほぼ開口部２５ａ内または２６ａ内に位置する。
【００２７】
これらの垂直転送電極（第１読出し兼用転送電極２５、第２読出し兼用転送電極２６および補助転送電極２７）は、いずれも、半導体基板１上に電気的絶縁膜（図示せず。）を介して形成されている。第１読出し兼用転送電極２５の各々および補助転送電極２７は、例えば第１ポリシリコン層によって形成される。第２読出し兼用転送電極２６の各々は、例えば第２ポリシリコン層によって形成される。
【００２８】
互いに隣り合う第１および第２読出し兼用転送電極２５および２６は、重ね合わせ転送電極構造をなす。第２読出し兼用転送電極２６の線幅方向の縁部が、その隣の第１読出し兼用転送電極２５の線幅方向の縁部に重なっている。同様に、互いに隣り合う第１読出し兼用転送電極２５と補助転送電極２７も、重ね合わせ転送電極構造をなす。垂直転送電極２５〜２７は、個々の表面に形成された電気的絶縁膜（熱酸化膜）によって互いに絶縁されている。
【００２９】
垂直電荷転送素子２０の各々には、１行おきに１個の光電変換素子２０が対応する。個々の垂直電荷転送素子２０は、１個の光電変換素子１０あたり２本の垂直転送電極を有し、例えば４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動される。垂直転送電極２５〜２７の各々が４つのグループに分けられ、グループ毎に異なる垂直駆動信号φＶ１、φＶ２、φＶ３またはφＶ４の供給を受ける。個々のグループは、３本おきに選択された垂直転送電極によって構成される。
【００３０】
４相の垂直駆動信号φＶ１〜φＶ４それぞれの波形を適宜選定することにより、光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０への電荷の読出し、および、各垂直電荷転送素子２０へ読み出した電荷の水平電荷転送素子４０への転送を行うことができる。水平電荷転送素子４０の詳細については、後述する。
【００３１】
光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０への電荷の読出しを制御するために、光電変換素子１０の各々に１つずつ、読出ゲート３０が隣接配置されている。個々の読出ゲート３０は、半導体基板１に形成された読出ゲート用チャネル領域（図示せず。）と、その上に配置されている第１または第２読出し兼用転送電極２５または２６の一領域とを含む。個々の読出ゲート３０（読出しゲート用チャネル領域）は、平面視上、対応する光電変換素子１０の３つの辺と、対応する垂直電荷転送チャネル２１との間に配置されている。
【００３２】
図１においては、読出しゲート３０の位置を判りやすくするために、各読出しゲート３０にハッチングを付してある。
【００３３】
１つの光電変換素子列を構成する光電変換素子１０の各々は、読出ゲート３０を介して、同じ１つの垂直電荷転送素子２０に電気的に接続可能である。第１または第２読出し兼用転送電極２５または２６に読出パルスを印加することにより、光電変換素子１０からこの光電変換素子１０に対応する垂直電荷転送素子２０へ電荷を読み出すことができる。
【００３４】
光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０への電荷の読出しは、光電変換素子行単位で行われる。光電変換素子行単位で各垂直電荷転送素子２０へ読み出された電荷は、同じ位相の下に水平電荷転送素子４０へ転送される。
【００３５】
水平電荷転送素子４０は、例えば２相の水平駆動信号φＨ１、φＨ２によって駆動される２相駆動型ＣＣＤによって構成される。
【００３６】
この水平電荷転送素子４０は、半導体基板１に形成された１本の水平電荷転送チャネル４１と、この水平電荷転送チャネル４１を平面視上横断する多数本の水平転送電極（図示せず。）とを有する。
【００３７】
１個の垂直電荷転送素子２０あたり、例えば４本の水平転送電極が配設される。例えば、第１ポリシリコン層によって形成された水平転送電極と、第２ポリシリコン層によって形成された水平転送電極とが、水平電荷転送素子４０の上流端から下流端にかけて交互に繰り返し配置される。各水平転送電極の表面には、例えばシリコン酸化膜（熱酸化膜）によって構成された電気的絶縁膜が形成されている。隣接する２個の水平転送電極が共通配線されて、１個の垂直電荷転送素子２０あたり２個の水平電荷転送電極が構成される。
【００３８】
２相の水平駆動信号φＨ１〜φＨ２それぞれの波形を適宜選定することにより、垂直電荷転送素子２０の各々から電荷を受け取り、受け取った電荷を出力アンプ５０へ順次転送することができる。
【００３９】
出力アンプ５０は、水平電荷転送素子４０から送られてきた電荷を例えばフローティング容量（図示せず。）によって信号電圧に変換し、この信号電圧をソースホロワ回路（図示せず。）等を利用して増幅して画像信号を生成する。検出（変換）された後のフローティング容量の電荷は、図示を省略したリセットトランジスタを介して電源（図示せず。）に吸収される。出力アンプ５０は、例えば、特願平１１−２８７３２６号明細書の第００８４段〜００９１段において図４（ｂ）を参照しつつ説明されている出力部と同様にして構成することができる。
【００４０】
図１に示した固体撮像装置１００では、上述したように、個々の垂直電荷転送素子２０が、１本の垂直電荷転送チャネル２１と、１行の光電変換素子行に１本ずつ形成された第１または第２読出し兼用転送電極２５または２６と、１本の補助転送電極２７とによって構成されている。各行中の光電変換素子１０の各々は、対応する１本の読み出し兼用転送電極２５または２６によって平面視上取り囲まれている。
【００４１】
このため、個々の光電変換素子を２本の垂直転送電極によって平面視上囲んで一方の垂直転送電極を読出し兼用転送電極とする従来の固体撮像装置に比べて、読出し兼用転送電極２５、２６それぞれの線幅を従来よりも広くすることができる。その分、読出し兼用転送電極２５、２６の形成が容易になり、固体撮像装置自体の製造も容易になる。また、加工可能な読出し兼用転送電極の線幅によって光電変換素子の集積度が制限される、ということも起こりづらくなる。その結果として、光電変換素子を高集積化し易くなる。光電変換素子を高集積化することにより、固体撮像装置の解像度を向上させ易くなる。
【００４２】
後述するように、固体撮像装置１００をエリア・イメージセンサとして実用に供する際には、個々の光電変換素子１０以外の領域で無用の光電変換が行われないように、光遮蔽膜が設けられる。この光遮蔽膜には、個々の光電変換素子１０上に１つずつ開口部が形成される。個々の光電変換素子１０における受光面積は、光遮蔽膜に形成された開口部の平面視状の面積にほぼ一致する。
【００４３】
固体撮像装置１００においては、光電変換素子１０を取り囲んでいる電極が１個のみである。２個の電極によって光電変換素子１０を取り囲む場合に比べ、光電変換素子１０の周辺に段差が形成される箇所数が低減し、光電変換素子１０から前記開口部を見込む立体角が大きくとれる。入射角が大きな光も光電変換素子１０へ入射することが可能になり、光電変換素子１０への入射光量が増大する。その結果として、固体撮像装置１００の感度と後述する撮像光学系のＦ値とのリニアリティが向上する。
【００４４】
個々の読出ゲート３０（読出しゲート用チャネル領域）が、平面視上、対応する光電変換素子１０の３つの辺に隣接していることから、例えば１つの辺にのみ隣接している場合に比べて、光電変化素子１０に蓄積された電荷を全て垂直電荷転送素子２０へ読み出す際に必要となる読出し電圧（フォトダイオードを空乏化させる空乏化電圧）を低減させることができる。固体撮像装置１００の消費電力を低減させることができる。
【００４５】
読出し電圧（空乏化電圧）を低減させる代わりに、個々の光電変換素子１０における不純物濃度を増やして、ｐｎ接合の単位面積あたりの容量を増やすこともできる。固体撮像装置１００のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４６】
さらに、固体撮像装置１００においては、第１読出し兼用転送電極２５と垂直電荷転送チャネル２１とが以下に説明する特定の関係を有することから、個々の垂直電荷転送素子２０の転送効率も高い。
【００４７】
図２（Ａ）は、図１の一部を拡大して示す。同図に示すように、固体撮像装置１００においては、垂直電荷転送チャネル２１上における第１読出し兼用転送電極２５の側面が、この垂直電荷転送チャネル２１の線幅方向に対して斜行するように、垂直電荷転送チャネル２１と第１読出し兼用転送電極２５との形状および大きさが選定されている。
【００４８】
より具体的には、第１読出し兼用転送電極２５と垂直電荷転送チャネル２１とを平面視したときに、垂直電荷転送チャネル２１が光電変換素子列方向ＤV から斜行している四角形の領域上において、第１読出し兼用転送電極２５の側面が前記四角形状の領域の１つの対角線上にほぼ位置する。
【００４９】
垂直電荷転送チャネル２１と第１読出し兼用転送電極２５との形状および大きさを上述のように選定すると、垂直電荷転送チャネル２１における上記四角形状の領域内に、電荷の転送に有利なポテンシャルスロープを形成することが可能になる。
【００５０】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した垂直電荷転送チャネル２１上の地点Ａから地点Ｅにかけての領域でのポテンシャルプロファイルを概略的に示す。
【００５１】
このポテンシャルプロファイルは、図２（Ａ）において垂直駆動信号φＶ１が供給されている第１読出し兼用転送電極２５下に分布している電荷を、垂直駆動信号φＶ４が供給されている第２読出し兼用転送電極２６下に転送させる際のものである。垂直駆動信号φＶ４はハイレベルＨ（例えば０Ｖ）にあり、垂直駆動信号φＶ１はローレベルＬ（例えば−８Ｖ）にある。垂直駆動信号φＶ３は、例えばハイレベルＨにある。
【００５２】
図２（Ｂ）から判るように、第１読出し兼用転送電極２５下に分布している電荷を第２読出し兼用転送電極２６下に転送させる際に、ポテンシャルスロープが形成される。このポテンシャルスロープは、地点Ａから地点Ｅに向かって下降するように傾斜している。
【００５３】
後述するように、光電変換素子１０の平面視上の周囲には、読出しゲート３０の形成箇所を除き、チャネルストップ領域が形成されている。同様に、２本の垂直電荷転送チャネル２１が光電変換素子１０を介することなく隣り合う領域においても、これら２本の垂直電荷転送チャネル２１の間にチャネルストップ領域が形成されている。これらのチャネルストップ領域は、垂直電荷転送チャネル２１とは逆の導電型を有する。個々の垂直電荷転送チャネル２１には、隣接するチャネルストップ領域の存在により、ナローチャネル効果が発現する。
【００５４】
しかしながら、垂直電荷転送チャネル２１と第１読出し兼用転送電極２５との形状および大きさを前述のように選定すると、ナローチャネル効果の影響を地点Ａから地点Ｅに向かうに従って徐々に低減させることができる。その結果として、図２（Ｂ）に示したようなポテンシャルスロープを形成することができる。
【００５５】
このため、第１読出し兼用転送電極２５下に分布している電荷を第２読出し兼用転送電極２６下に転送する際に、第１読出し兼用転送電極２５下にポテンシャル溜まりが生じにくくなる。転送不良を起こすことなく、高い転送効率の下に電荷を転送することができる。
【００５６】
第２読出し兼用転送電極２６下に分布している電荷を第１読出し兼用転送電極２５下に転送する際にも、同様の理由から転送不良が防止され、高い転送効率を得ることができる。
【００５７】
個々の垂直電荷転送素子２０において電荷の転送不良が起こりにくいので、固体撮像装置１００からの画像信号に基づいて再生される映像に固定パターンノイズが生じにくくなる。再生映像の画質を高め易い。
【００５８】
固体撮像装置１００によって例えば動画を撮像しようとする場合には、例えば１／２間引き走査の下に各垂直電荷転送素子２０が駆動される。全光電変換素子行の１／２の光電変換素子行を対象に、光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０へ電荷が読み出され、これらの電荷に基づいて画像信号が生成される。
【００５９】
例えば、垂直駆動信号φＶ１またはφＶ２が供給される第１ないし第２読出し兼用転送電極２５、２６に対応する各光電変換素子行（以下、これらの光電変換素子行を「Ａフィールド」と総称する。）中の光電変換素子１０の各々から、各垂直電荷転送素子２０へ電荷を読み出す。そして、これらの電荷に基づいて画像信号を生成する。光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０へ電荷を読み出す際には、対応する第１または第２読出し兼用転送電極２５または２６に高い読出し電圧（例えば１５Ｖ）が印加される。
【００６０】
勿論、垂直駆動信号φＶ３またはφＶ４が供給される第１または第２読出し兼用転送電極２５、２６に対応する各光電変換素子行（以下、これらの光電変換素子行を「Ｂフィールド」と総称する。）中の光電変換素子１０の各々から各垂直電荷転送素子２０へ電荷を読み出して、１／２間引き走査を行うことも可能である。
【００６１】
高速で動画表示を行うには、ＡフィールドおよびＢフィールドの一方のみからの画像信号を利用する。ＡフィールドとＢフィールドとから交互に電荷を読み出して、動画表示を行うことも可能である。
【００６２】
固体撮像装置１００によって例えば静止画を撮像しようとする場合には、例えば、ＡフィールドおよびＢフィールドのそれぞれから別々に電荷を読み出し、各フィールドからの画像信号を合成して１フレームの映像データを生成する。
【００６３】
また、例えば『PHILIPS TECHNICAL REVIEW VOL. 43, No. 1/2, 1986』（A. J. P. Theuwissen および C. H. L. Weijitens）に記載されている電荷転送方式、いわゆるアコーディオン転送方式に基づいて各垂直電荷転送素子２０を駆動させることにより、光電変換素子１０の各々からこれに対応する垂直電荷転送素子２０へ同時に電荷を読出し、これらの電荷に基づいて静止画用の画像信号を生成することもできる。
【００６４】
同時に電荷を読み出すべき光電変換素子１０の選択方法、および垂直電荷転送素子２０による電荷の転送方法に関しては、上記の他、種々の公知の方法が採用可能である。
【００６５】
次に、第２の実施例による固体撮像装置について、図３を用いて説明する。
【００６６】
図３は、第２の実施例による固体撮像装置２００における光電変換素子１０と垂直電荷転送素子２０との平面配置を概略的に示す。
【００６７】
この固体撮像装置２００では、読出し兼用転送電極以外の構成が、図１に示した固体撮像装置１００と同様である。このため、図３においては一部の光電変換素子１０と、これらに対応する垂直電荷転送素子２０の一部とを示し、他の図示を省略する。図３に示した構成要素のうち、図１に示した構成要素と共通するものについては図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００６８】
固体撮像装置２００においては、個々の読出し兼用転送電極１２５が、同じ１つの導電層を例えばフォトリソグラフィや電子線リソグラフィを用いてパターニングすることによって形成される。読出し兼用転送電極１２５の各々は、例えばポリシリコン、アルミニウム等の導電材料からなる。
【００６９】
隣り合う読出し兼用転送電極１２５同士の平面視上のギャップを概ね０．１μｍ程度以下にすることにより、重ね合わせ転送電極構造を採らなくても、実用的な転送効率を有する垂直電荷転送素子２０を構成することが可能である。図２（Ｂ）に示したようなポテンシャルスロープを形成することも可能である。
【００７０】
図１に示した固体撮像装置１００と同様の理由から、固体撮像装置２００においても、垂直転送電極（読出し兼用転送電極）の形成が容易になり、固体撮像装置自体の製造も容易になる。また、光電変換素子１０を高集積化し易くなると共に、固体撮像装置２００の感度と後述する撮像光学系のＦ値とのリニアリティを向上させ易くなる。光電変化素子１０の読出し電圧（空乏化電圧）の低減、あるいは、光電変換素子１０におけるｐｎ接合の単位面積あたりの容量の増大も図り易い。さらに、１回の導電層形成と１回のパターニング工程で垂直転送電極の全てを形成することができるので、製造工程が簡略化される。
【００７１】
次に、第３の実施例による固体撮像装置について、図４を用いて説明する。
【００７２】
図４は、第３の実施例による固体撮像装置３００における光電変換素子２１０と垂直電荷転送素子２２０との平面配置を概略的に示す。
【００７３】
この固体撮像装置３００は、下記(i) 〜(iv)の点で、図１に示した固体撮像装置１００と異なる。
(i) 多数個の光電変換素子２１０が、半導体基板２０１の表面に複数行、複数列に亘って正方行列状に配置される。
(ii)個々の光電変換素子２１０が、平面視上、矩形を呈する。
(iii) 個々の垂直電荷転送チャネル２２１が、対応する光電変換素子列に沿って、光電変換素子列方向ＤV に直線的に延在する。
(iii) 第１読出し兼用転送電極２２５の線幅が、光電変換素子２１０上に開口部２２５ａが形成されていないとみなしたときに、ほぼ一定である。第２読出し兼用転送電極２２６についても同様である。
(iv)個々の読出ゲート２３０（読出しゲート用チャネル領域）が、平面視上、対応する光電変換素子２１０の１つの辺の全域に亘って隣接する。
【００７４】
上記(i) 〜(iv)の各点を除けば、固体撮像装置３００は固体撮像装置１００と同様の構成を有する。このため、図４においては、一部の光電変換素子２１０と、これらに対応する垂直電荷転送素子２２０の一部とを示し、他の図示を省略している。図４に示した構成要素のうち、図１に示した構成要素と機能上共通するものについては図１で用いた参照符号に２００を加えた参照符号を付して、その説明を省略する。
【００７５】
多数個の光電変換素子が正方行列状に配置された従来の固体撮像装置に比べると、図１に示した固体撮像装置１００と同様の理由から、垂直転送電極（読出し兼用転送電極）の形成が容易になり、固体撮像装置自体の製造も容易になる。また、光電変換素子２１０を高集積化し易くなると共に、固体撮像装置３００の感度と後述する撮像光学系のＦ値とのリニアリティを向上させ易くなる。光電変化素子２１０の読出し電圧（空乏化電圧）の低減、あるいは、光電変換素子２１０におけるｐｎ接合の単位面積あたりの容量の増大も図り易い。
【００７６】
次に、第４の実施例による固体撮像装置について、図５を用いて説明する。
【００７７】
図５は、第４の実施例による固体撮像装置４００における光電変換素子３１０と垂直電荷転送素子３２０との平面配置を概略的に示す。
【００７８】
この固体撮像装置４００は、下記(i) 〜(ii)の点で、図４に示した固体撮像装置３００と異なる。
(i) 個々の垂直電荷転送チャネル３２１が、対応する光電変換素子列中の光電変換素子３１０同士の間を縫って蛇行する。個々の垂直電荷転送チャネル３２１は、全体では光電変換素子列方向ＤV に延在する。
(ii)個々の読出ゲート３３０（読出しゲート用チャネル領域）が、平面視上、対応する光電変換素子３１０の３つの辺に亘って隣接する。
【００７９】
上記(i) 〜(ii)の各点を除けば、固体撮像装置４００は固体撮像装置３００と同様の構成を有する。このため、図５においては一部の光電変換素子３１０と、これらに対応する垂直電荷転送素子３２０の一部とを示し、他の図示を省略している。図５に示した構成要素のうち、図４に示した構成要素と機能上共通するものについては図４で用いた参照符号に１００を加えた参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８０】
多数個の光電変換素子が正方行列状に配置された従来の固体撮像装置に比べると、図１に示した固体撮像装置１００と同様の理由から、垂直転送電極（読出し兼用転送電極）の形成が容易になり、固体撮像装置自体の製造も容易になる。また、光電変換素子２１０を高集積化し易くなると共に、固体撮像装置４００の感度と後述する撮像光学系のＦ値とのリニアリティを向上させ易くなる。光電変化素子３１０の読出し電圧（空乏化電圧）の低減、あるいは、光電変換素子３１０におけるｐｎ接合の単位面積あたりの容量の増大も図り易い。
【００８１】
固体撮像装置をエリア・イメージセンサとして実用に供する際には、個々の光電変換素子以外の領域で無用の光電変換が行われないように、光遮蔽膜が設けられる。カラー撮像用の単板式固体撮像装置を得ようとする場合には、個々の光電変換素子の上方（光の入射経路での前方）に色フィルタが設けられる。個々の光電変換素子の上方にマイクロレンズを１個ずつ設けることにより、各光電変換素子での光利用効率を高めることができる。
【００８２】
次に、第５の実施例による固体撮像装置について、図６を用いて説明する。
【００８３】
図６は、第５の実施例による固体撮像装置１００Ｃの断面を概略的に示す。この固体撮像装置１００Ｃは、図１に示した固体撮像装置１００に光遮蔽膜、色フィルタおよびマイクロレンズ等を付設することによって得られるカラー撮像用の単板式固体撮像装置である。固体撮像装置１００Ｃにおける個々の垂直転送電極の配置および形状ならびに各読出しゲート用チャネル領域の平面視上の形状をそれぞれ除いた構成は、一般的なものである。
【００８４】
図６における半導体基板１から垂直電荷転送素子２０までの構成は、図１に示したVI−VI線に沿って固体撮像装置１００を切ったときの断面に相当する。図６に示した構成要素のうち、図１において既に示した構成要素については図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８５】
図６に示した単板式固体撮像装置１００Ｃでは、半導体基板１が、ｎ型半導体基板１ａと、その一表面に形成されたｐ型不純物添加領域１ｂとによって構成されている。
【００８６】
光電変換素子１０の各々は、ｐ型不純物添加領域１ｂに形成されたｎ型不純物添加領域１０ａとその表面に形成されたｐ+ 型不純物添加領域１０ｂとを含む。ｐ+ 型不純物添加領域１０ｂにおけるｐ型不純物の濃度は、ｐ型不純物添加領域１ｂにおけるｐ型不純物の濃度よりも高い。
【００８７】
個々の光電変換素子１０の平面視上の周囲には、読出しゲート用チャネル領域３０ａの形成箇所を除き、チャネルストップ領域１２が形成される。チャネルストップ領域１２は、例えばｐ+ 型不純物添加領域によって構成される。
【００８８】
読出しゲート用チャネル領域３０ａの各々は、対応する光電変換素子１０の図６での右側縁部に沿って配置される。読出しゲート用チャネル領域３０ａは、ｐ型不純物添加領域１ｂの一部によって構成される。
【００８９】
光電変換素子１０とこれに対応する垂直電荷転送チャネル２１とは、１つの読出しゲート用チャネル領域３０ａを介して隣接する。垂直電荷転送チャネル２１の各々は、ｐ+ 型不純物添加領域１０ｂに形成されたｎ型不純物添加領域によって構成される。
【００９０】
２本の垂直電荷転送チャネル２１が間に光電変換素子１０を介することなく隣り合う領域には、これら２本の垂直電荷転送チャネル２１の間にチャネルストップ領域２３が形成される。チャネルストップ領域２３は、例えばｐ+ 型不純物添加領域によって構成される。
【００９１】
各不純物添加領域の表面上にシリコン酸化物等によって構成された電気的絶縁膜１５が形成され、その上に第１読出し兼用転送電極２５、第２読出し兼用転送電極２６、補助転送電極２７および水平転送電極が形成される。
【００９２】
第１〜第２読出し兼用転送電極２５〜２６の各々は、対応する光電変換素子行中の光電変換素子それぞれに隣接している読出しゲート用チャネル領域３０ａの各々も覆い、これらの読出しゲート用チャネル領域３０ａと共に読出しゲート３０を構成する。図６においては、第１読出し兼用転送電極２５のみが見えている。各転送電極の表面には、電気的絶縁膜ＥＩが形成される。
【００９３】
パッシベーション膜３２が、各転送電極および電気的絶縁膜１５の露出面を覆う。このパッシベーション膜３２は、例えば、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ＰＳＧ（ホスホシリケートガラス）、ＢＰＳＧ（ボロホスホシリケートガラス）、ポリイミド等によって形成される。
【００９４】
光遮蔽膜３３が、パッシベーション膜３２上に設けられる。この光遮蔽膜３３は、垂直電荷転送素子２０の各々を平面視上覆うと共に、これらの垂直電荷転送素子２０に近接する光電変換素子１０の内縁部を平面視上覆う。
【００９５】
光遮蔽膜３３は、個々の光電変換素子１０の上方に開口部３３ａを１つずつ有する。個々の光電変換素子１０において、平面視上、開口部３３ａ内に位置する領域が、この光電変換素子１０における光入射面となる。
【００９６】
光遮蔽膜３３は、例えばアルミニウム、クロム、タングステン、チタン、モリブデン等の金属からなる薄膜や、これらの金属の２種以上からなる合金薄膜、あるいは、前記の金属同士または前記の金属と前記の合金とを含む群から選択された２種以上を組み合わせた多層金属薄膜等によって形成される。
【００９７】
第１の平坦化膜３４が、光遮蔽膜３３と、開口部３３ａから露出しているパッシベーション膜３２とを覆う。第１の平坦化膜３４はマイクロレンズ３７用の焦点調節層としても利用される。必要に応じて、第１の平坦化膜３４中にインナーレンズが形成される。
【００９８】
第１の平坦化膜３４は、例えばフォトレジスト等の透明樹脂を例えばスピンコート法によって所望の厚さに塗布することによって形成される。
【００９９】
色フィルタアレイ３５が、第１の平坦化膜３４上に形成される。この色フィルタアレイ３５は、カラー撮像を可能にする複数種の色フィルタを所定のパターンで形成したものである。カラー撮像用の色フィルタアレイとしては、原色系の色フィルタアレイ、および、補色系の色フィルタアレイがある。
【０１００】
原色型の色フィルタアレイおよび補色型の色フィルタアレイのいずれにおいても、個々の光電変換素子１０の上方に色フィルタが１個ずつ配設される。図６においては、１個の赤色フィルタ３５Ｒと、２個の青色フィルタ３５Ｂとが示されている。
【０１０１】
色フィルタアレイ３５は、例えば、所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹脂（カラーレジン）の層を、フォトリソグラフィ法等の方法によって所定箇所に形成することによって作製することができる。
【０１０２】
第２の平坦化膜３６が色フィルタアレイ３５上に形成されて、マイクロレンズアレイ３７を形成するための平坦面を形成している。第２の平坦化膜３６は、例えばフォトレジスト等の透明樹脂を例えばスピンコート法によって所望の厚さに塗布することによって形成される。
【０１０３】
第２の平坦化膜３６上に形成されるマイクロレンズアレイ３７は、個々の光電変換素子１０の上方に１個ずつ配設されたマイクロレンズ３７ａによって構成される。
【０１０４】
これらのマイクロレンズ３７ａは、例えば、屈折率が概ね１．３〜２．０の透明樹脂（フォトレジストを含む。）からなる層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部を丸め込ませた後に冷却すること等によって得られる。
【０１０５】
図６に示した固体撮像装置１００Ｃは、第１の実施例による固体撮像装置１００を基に作製することができるカラー撮像用の単板式固体撮像装置であるので、固体撮像装置１００と同様の効果を奏する。
【０１０６】
図３〜図５に示した各固体撮像装置２００、３００、４００に、上記と同様にして光遮蔽膜、色フィルタアレイおよびマイクロレンズアレイを設けることにより、カラー撮像用の単板式固体撮像装置を得ることができる。
【０１０７】
固体撮像装置をエリア・イメージセンサとして利用した電子スチルカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器では、固体撮像装置の前方（光の入射経路での前方）に撮像光学系が配置される。この撮像光学系は、例えば光学レンズ、絞り、オプティカルローパスフィルタ等を含んで構成され、固体撮像素子上に光学像を結像する。固体撮像装置は、撮像光学系が結像した光学像を電気信号（画像信号）に変換し、映像信号処理回路へ出力する。映像信号処理回路は、固体撮像装置から供給された画像信号を利用して、映像を再生するための多数の画素信号を生成する。これらの画素信号は、例えば表示装置、記憶素子等へ出力される。
【０１０８】
以上、実施例による固体撮像装置について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。
【０１０９】
特に、対応する光電変換素子の各々を平面視上取り囲む読出し兼用転送電極を１行の光電変換素子行あたり１本のみ設ける点を除いた装置構成は、読出し兼用転送の平面視上の形状や、読出し兼用転送に設けられる開口部の平面視上の形状等も含めて、種々変更可能である。
【０１１０】
例えば、転送専用の垂直転送電極を１行の光電変換素子行あたり１〜２本増設し、個々の垂直電荷転送素子が１個の光電変換素子あたり３〜４本の垂直転送電極を有するように構成することにより、全画素読出し型の固体撮像装置を得ることができる。転送専用の垂直転送電極は、例えば、対応する光電変換素子行の下流側または上流側において、この光電変換素子行に対応する読出し兼用転送電極に隣接する。
【０１１１】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは、当業者に自明であろう。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、性能の向上または低コスト化を図り易い構造を有する固体撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による固体撮像装置における光電変換素子、垂直電荷転送素子、水平電荷転送素子および出力アンプの配置を概略的に示す平面図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１の部分拡大図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した垂直電荷転送チャネル上の地点Ａから地点Ｅにかけての領域でのポテンシャルプロファイルを概略的に示すポテンシャル図である。
【図３】第２の実施例による固体撮像装置における光電変換素子と垂直電荷転送素子との配置を概略的に示す平面図である。
【図４】第３の実施例による固体撮像装置における光電変換素子と垂直電荷転送素子との配置を概略的に示す平面図である。
【図５】第４の実施例による固体撮像装置における光電変換素子と垂直電荷転送素子との配置を概略的に示す平面図である。
【図６】第５の実施例によるカラー撮像用の単板式固体撮像装置を概略的に示す断面図である。
【図７】多数個の光電変換素子が画素ずらし配置された従来の固体撮像装置における光電変換素子と垂直転送電極との配置を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
１、２０１、３０１…半導体基板、  １０、２１０、３１０…光電変換素子、２０、２２０、３２０…垂直電荷転送素子、  ２１、２２１、３２１…垂直電荷転送チャネル、  ２５、２２５、３２５…第１読出し兼用転送電極、  ２６、２２６、３２６…第２読出し兼用転送電極、  ２５ａ…読出し兼用転送電極、  ３０、２３０、３３０…読出しゲート、  ３０ａ…読出しゲート用チャネル領域、  １００、２００、３００…固体撮像装置、  １００Ｃ…カラー撮像用の単板式固体撮像装置。
【図１】
0003928840.tif 000002
【図２】
0003928840.tif 000003
【図３】
0003928840.tif 000004
【図４】
0003928840.tif 000005
【図５】
0003928840.tif 000006
【図６】
0003928840.tif 000007
【図７】
0003928840.tif 000008