JPH0198258A - 固体撮像装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チャージ・スイープ・デバイスから成る固体
撮像装置に関し、特に転送電極の構造を改良した固体撮
像装置。

［従　来　例］ チャージ・スイープ・デバイスは電荷結合デバイス（Ｃ
ＯＤ）の一種であり、かかるチャージ・スイープ・デバ
イスから成る固体撮像装置は第１１図に示す構造のもの
が知られている。即ち、受光領域△は所謂インターライ
ン転送方式に類似したデバイス構成をしており、電荷転
送ラインの出力側には水平方向の１列分の信＠電荷を一
時的に蓄積する蓄積部Ｂが設けられ、更に蓄積部Ｂより
転送された信号電荷を水平方向に直列転送する電荷転送
デバイス（水平ＣＯＤという）Ｃが形成されでいる。更
に第１２図に基づいて受光領ｍＡの構造を述べると、半
導体基板の表面側に形成されたＰ形不細物層（Ｐウェル
）内に複数のｎ形不細物層をマトリクス状に形成するこ
とにより、複数のフォトダイオードＰｄ　　−Ｐｄ　　
、Ｐｄ２１〜１１　　　　１ｎ Ｐｄ　　、Ｐｄ　　−Ｐｄ　　、・・・が形成されてい
る。

２ｎ　　　　３１　　　３ｎ これらのフォトダイオード（以下、Ｐｄ・、とする。

Ｊ 但しｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）の間には電荷転送方向に
信号電荷を転送するための複数の電荷転送チャネルＬ　
　、Ｌ　　、Ｌ　　・・・（以下、これらをり、とする
、但しｊ＝＝１〜ｎ）が形成され、夫々のフォトダイオ
ードＰｄ　、、と電荷転送チャネＪ ルし、を除く図中の点線で囲ま−れた斜線部分がチャネ
ルストップとなっている。

電荷転送チャネルＬｊの上面には、水平方向に延びるポ
リシリコン層から成る複数の転送電極Ｇ　　、Ｇ２．Ｇ
３．・・・（以下、これらをＣ１とすす る、但しｉ＝１〜ｍ）が並設され、トランスファゲート
Ｔ　　　、　Ｔｇ、２．・・・Ｔｇ□を介して特定の電
荷転送チャネルし・へ出力される信号電荷を転送電極Ｇ
、Ｇ２．Ｇ３．・・・に印加される所定りイミングの駆
動信号φ　〜φ４に従って読み出す。

ここでチャージ・スイープ・デバイス（以下、Ｃ８Ｄと
いう）と、通常のインターライン方式の電荷結合デバイ
ス（以下ＩＬＴ　　ＣＣＤという）との相違点は、ＩＬ
Ｔ　　ＣＣＤに較べてＣ８Ｄの電荷転送ラインＬ・の夫
々の幅が非常に狭く（例えば１，５〜２μｍ）設計して
あり、その分フォトダイオードＰｄ　、、の開口率の向
上を図った点にあＪ る。又、この様に電荷転送ラインＬ　の幅が狭いと、１
回の電荷転送で転送し得る信号電荷の予がフォトダイオ
ードＰｄ　、、で発生する信号電荷の帝Ｊ より少ないため、複数回の電荷転送を繰り返すことによ
って信号の読出しを行なう。即ち、第１１図において、
まず最も蓄積部Ｂに近い第ｎ列目のフォトダイオード群
の信号電荷を数回の繰り返し転送によって蓄積部Ｂの各
蓄積エレメントへ蓄え、当該ｎ列目の全信号電荷の蓄積
が完了すると水平ＣＧＤ　　Ｃを介して直列に信号を読
出す。次に、第ｎ−１列目のフォトダイオード群の信号
電荷を同様に複数回の転送動作で蓄積部Ｂへ移し、水平
ＣＣＤ　　Ｃを介して読出゛す。この動作を更に繰り返
し、第１列目のフォトダイオード群についての信号電荷
の読出しで処理が完了する。

この様に、通常のＩＬＴ　　ＣＯＤと類似した構造であ
るが、転送電極Ｇ・へ印加する駆動信号φ１〜φ４のタ
イミングを上記の転送動作が行なえる様に設定して優れ
た効果を得ている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながらこの様な従来のチャージ・スイープ・デバ
イスから成る固体撮像装置にあっては次の問題があった
。フォトダイオードに発生した全信号電荷を読出すのに
各列毎に複数回の転送の繰り返しが必要であるため、転
送周波数を極めて高くしなければならない。例えば、周
知のＮＴＳＣ方式に順じた読出しを行なう場合、１水平
走査期間（１日）当りの転送周波数を少なくとも転送の
繰り返し回数だけ高くする必要がある、従来、この高速
動作を可能にするため、ポリシリコン層で形成される通
常の転送電極群Ｇｊに相対向するメタル層より成るメタ
ル配線を積層し、適宜の箇所で並列接続することによっ
て、ポリシリコン層から成る転送電極群Ｇ・の抵抗率を
低減し、転送電極群の時定数を下げることで高速動作を
行なわせるという試みが成された。即ち、第１２図中の
Ｘｌ−Ｘ１線における断面構造を示す第１３図の様に、
第１のポリシリコン層から成る偶数番目の転送電極Ｇ２
の上面に第２のポリシリコン層から成る奇数番目の転送
電極Ｇ３を積層し、更に該偶数番目の転送電極Ｇ２と同
一パターンのメタル配線へ１２を第１のメタル層で形成
すると共に、最上部に奇数番目の転送電極Ｇ３と同一パ
ターンのメタル配線Ａｊ３を第２のメタル層で形成する
。

そして、偶数番目の転送電極Ｇ２とメタル配線ＡｆＪ２
を適宜の位置で並列接続し、奇数番目の転送電極Ｇ　と
メタル配線Δｇ３を同様に並列接続することにより、配
線の抵抗率を低減しようとするものである。

ところが、第１２図に示す構造から明らかな様に、フォ
トダイオードＰｄ　、、が形成されている受光領Ｊ 域内で上記のメタル配線と転送電極とを並列接続するこ
とは面積的に困難であり、実際には抵抗率の低減を図る
ことができなかった。又、電荷転送ラインＬｊ上におい
てコンタクトを形成して接続する試みも成されたが、該
コンタクト形成の際に不純物が電極転送ラインし・内に
侵入し、信号電荷への雑音の混入等の問題を生じるので
有効な手段ではなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はこの様な問題点に鑑みて成されたものであり、
チャージ・スイープ・デバイスから成る固体撮像装置に
おいて、転送電極の抵抗率を低減して高速な電荷転送動
作を行ない得る構造の固体撮像装置を提供することを目
的とする。

この目的を達成するため本発明は、フォトダイオード等
から成る複数の受光素子と、これらの受光素子の間を通
って所定の電荷転送方向に延設された電荷転送チャネル
と、該電荷転送チャネルの上面に該電荷転送方向に沿っ
て並設され所定のクロック信号が印加される複数の転送
電極と、夫々の受光素子間及び電荷転送チャネル間を電
気的に分離するアイソレーションを有する固体撮像装置
において、前記転送Ｎ極の上面において前記電荷転送チ
ャネルに沿って配線される第１のメタル配線群と、該第
１のメタル配線群と電気的に絶縁され前記アイソレーシ
ョンの上面に沿って配線される第２のメタル配線群を備
え、前記夫々の転送電極は、夫々の受光素子の両側に位
置する１対の電荷転送チャネルの上面を覆うように形成
された１対の端部と夫々の端部を前記アイソレーション
の上面を通って継ぐ中間部とから成り、夫々の中間部に
設けられた所定のコンタクトを介して上記メタル配線群
の特定のメタル配線に接続されることを特徴とする。

又、かかる固体撮像装置を形成するため、該固体搬像装
置を形成するための半導体基板内に形成された電荷転送
チャネルの上面にシリコン酸化膜を介して第１ポリシリ
コン層及び窒化膜を順次に＠層し、更に、形成されるべ
き転送電極の形状に合う形状の第２ポリシリコン層を該
窒化膜の上面に形成する第１の製造工程と、該第２ポリ
シリコン層の表面にポリ酸化膜を形成する第２の製造工
程と、該ポリ酸化膜の上端面を露出させ他の表面をホト
レジスト層にて被覆する第３の製造工程と、該ポリ酸化
膜の上端部及び上記第２ポリシリコン層をエッチングに
て除去し、該ポリ酸化膜の側端部を上記窒化膜の表面に
残す第４の製造工程と、異方性エッチングにより、該ポ
リ酸化膜の側端部に被覆された部分を除く窒化膜を除去
する第５の製造工程と、残された窒化膜に被覆された部
分を除く上記第１ポリシリコン層の表面にシリコン酸化
膜を形成する第６の製造工程と、残された上記窒化膜及
びポリ酸化膜をエッチングにより除去し、該窒化膜にて
被覆されていた第１ポリシリコン層の一部分を露出させ
る第７の製造工程と、異方性エッチングにより、上記第
１ポリシリコン層の露出部分を除去することにより、第
１ポリシリコン層を複数の転送電極に分離する第８の製
造工程の各製造工程を経て、上記転送電極群を形成する
。

し実　施　例］ 以下、本発明の一実施例を図面と共に説明する。

まず第１図に基づいて構造を述べると、同図は第１２図
に対応して受光領域の一部分を示すものであり、Ｐウェ
ル内に複数のｎ形不細物層をマトリクス状に形成するこ
とにより複数のフォトダイオードＰｄ−（ｉ＝１〜ｍ、
ｊ＝１〜ｎ）が形成Ｊ され、夫々のフォトダイオードＰｄ、ｊの間には垂直方
向に信号電荷を転送するだめの複数の電荷転送チャネル
Ｌｊ　　（ｊ＝１〜ｎ）が形成されている。

そして、同図中の点線で囲まれた斜線部分がアイソレー
ションとなっており、夫々のフォトダイオードＰｄ　、
、で発生した信号電荷はトランスファＪ ゲートＴｇ−（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）を介しＪ て所定の電荷転送チャネルＬｊに出力される。

次に、第１２図に示す従来例との相違点を述べると、上
面側から見て凹状に形成されたポリシリコン層から成る
転送電極群が設けられている。

これらの転送電極の上面には、電荷転送チャネルＬ、Ｌ
、Ｌ３・・・Ｌｏに沿って延びる第１のメタル層より成
る複数のメタル配線ａｉ　、ａ２．・・・ａ２ｎ及び、
横方向のアイソレーション上面に沿って形成されこれら
のメタル配線ａ、ａ２．・・・。

ａｎと交叉する第２メタル層より成る複数のメタル配線
す、ｂ２．・・・ｂｌが積層されている。これらの転送
電極、はフォトダイオードの配列に対して同一パターン
で整然と設けられているので、転送電極ｇ１９ｇ２２ｇ
　１ｇ４を代表して説明する。転送電極ｇ１は両端部が
電荷転送チャネルＬ、Ｌ２の上面に配置され、これらの
両端部を継いでいる中間部分がフォトダイオードＰｄ１
２゜Ｐｄ２２を分離するアイソレーションの上面に配置
されている。転送電極ｑ２は両端部が電荷転送電極チャ
ネルＬ、Ｌ３の上面に位置し、これらの両端部を継いで
いる中間部分がフォトダイオードＰｄ　　、Ｐｄ２３を
分離するアイソレーションの上面に配置されている。又
、転送電極ｇ３は転送電極ｇ１と同様にフォトダイオー
ドＰｄ２２．Ｐｄ３２間に、転送電極ｇ４は転送電極ｇ
２と同様にフォトダイオードＰｄ　　、Ｐｄ３３間に配
置されている。

電荷転送チャネル上２上における転送電極ｇ１〜ｑ４の
一端は極めて狭い間隔△Ｗ（約０．２μｍ）でもって電
気的に分離されている。そして、転送電極ｇ１はコンタ
クトＣ１を介してメタル配線ｂ　１転送電極ｇ２はコン
タクトＣ２を介してメタル配線ａ　１転送電極ｇ３はコ
ンタクトＣ３を介してメタル配線ｂ２、転送電極ｇ４は
コンタクトＣ４を介しメタル配線ａ３に夫々接続されて
いる。そして、他の転送電極についても同様な接続によ
りクロック信号φ１〜φ４が印加され、それぞれの電荷
転送チャネルＬ、に所謂ポテンシャル井戸が形成されて
信号電荷の転送を行なうようになっている。

第２図は第１図中のＸ　−×２線矢視断面を示し、半導
体基板のＰウェル内に形成された電荷転送チャネルＬ、
の表面をシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１で被覆し、その
表面に転送電極ｇ１１ｇ２　、・・・を構成するポリシ
リコン層２が積層されている。更にその上面がシーリコ
ン酸化膜（Ｓｉ　０２　）３で被覆され、部分的にコン
タクトＣ４・・・用に設けられた貫通部を介して所定の
ポリシリコン層２とメタル配線ａ　、ａ３・・・が接続
されている。そして更に上面をシリコン酸化膜の層４で
被覆し、その上面に設けられたメタル配線とポリシリコ
ン層２より成る他の転送電極がコンタクトＣ３を介して
接続している。ここで、相互に隣接する転送電極の間隔
△Ｗは前述したように約０゜２μｍと極めて狭いので、
転送電極間にポテンシャル障壁を生ずることがなく、信
号電荷を安定に転送することができる。

次にかかる構造の固体撮像装置の製造工程−を第３図な
いし第１０図に基づいて説明する。尚、これらの図は第
２図に対応した断面構造を概略的に示し、又、これらの
図（ｂ）は第２図に対応した部分の近傍を上面から示し
た平面図である。

第３図（ａ）　、　（ｂ）に示す第１工程に−おいて、
半導体基板の表面側にＰウェル、フォトダイオード用の
ｎ形不細物層及びアイソレーション等を形成した後、シ
リコン酸化膜１、第１のポリシリコン層２及び窒化膜（
Ｓｉ３Ｎ４）５を積層する。これらの層２，５は形成す
べき受光領域のほぼ全面にわたって覆うように形成され
、後述するように第１のポリシリコン層２を加工して転
送電極ｑ。

■ （ｉ＝１〜ｍ）を形成するようになっている。

更に、窒化膜５の表面に凹状の転送電極とほぼ同形の第
２のポリシリコン層６を形成する。ここで、夫々のポリ
シリコン層６はとびとびに位置する転送電極例えば、Ｇ
’、Ｑ３．Ｑ５・・・の形状に合わせて形成し、他方の
転送電極０　　、ｇ２　４・ ９６、・・・に相当する部分は第３図（ｂ）において点
線で示すように隙間として開けておく。更に本発明にお
いて特に重要な点は、電荷転送チャネル上の転送電極を
極めて狭い間隔△Ｗで並設することにあるので、同図（
ｂ）中において斜線で示す部分がこの間隔△Ｗとなるよ
うに予めポリシリコン層６と上記隙間７が隣接する部分
の寸法精度を十分良く設計する。尚、他の部分について
は、適宜の形状に設計する。

第４図に示す第２工程では、気相成長（ＣＶＤ）等によ
り第２ポリシリコン層６の表面にポリ酸化膜７を堆積さ
せ、更に上面にフォトレジスト層８を積層する。ここで
−例として、シリコン酸化膜１を２５０Ａ、第１ポリシ
リコン層２を５０００Ａ　、窒化膜５を１５００Ａ　、
第２ポリシリコン層６を５０００Ａ　。

ポリシリコン層７を０．２μｍ程度の厚さに設計する。

第５図（ａ）　、　（ｂ）に示す第３工程では、フォト
レジスト層８のうち夫々の第２ポリシリコン層６の幅と
同程度の範囲をエッチングにより除去し、ポリ酸化膜７
の上端面を露出させる。

第６図（ａ）　、　（ｂ）に示す第４工程では、ポリ酸
化膜７の上端部をエッチングにより除去し、更に第２ポ
リシリコン層６もエッチングにより除去し、窒化膜５を
露出させる。これによりポリ酸化膜７の側端部が約０．
２μｍの幅で窒化膜５の上面に残る。

第７図に示す第５工程では、ＣＦ４＋１０％程度の酸素
から成るガスを用いて異方性エッチングを行ない、窒化
膜５のうちの露出部分を除去する。

これにより、ポリ酸化膜７の下に約０．２μｍの幅で窒
化膜５が残る。

第８図に示す第６エ程では、ウェット酸化等により第１
ポリシリコン層２の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
９を形成する。この時、窒化膜５で被覆されている部分
にはシリコン酸化膜９が形成されない。

第９図に示す第７エ程では、エッチングにより窒化膜５
及びポリ酸化膜７を除去する。この時、シリコン酸化膜
９の表面が若干エッチングされるが図示するように残り
、第１ポリシリコン層２のうちのシリコン酸化膜９で被
覆されていない部分が露出する。

第１０図に示す第８工程では、異方性エッチングにより
第１ポリシリコン層２のうちの露出部分を除去し、約０
．２μｍの幅△Ｗの溝部１０を形成する。

この溝部１０が形成されたことにより、転送電極、ｇ　
、・・・の相互分離が達成される。

ｇｌ　・　ｇ２　　　３ そして、シリコン酸化膜９を除去した後、第１ポリシリ
コン層２のうち例えばフォトダイオード等の上面に残っ
た不要部分等をエッチングにより除去し第１図に示すよ
うな凹形状の転送電極群を形成する。

次の最終工程では、転送電極群の上面をシリコン酸化膜
で被覆した後、第２図に示すようなメタル配線及びコン
タクトを形成し、夫々の所定の転送電極にクロック信号
φ１〜φ４を印加することができるようにする。

このように、この実施例によれば、−層のポリシリコン
層２を極めて狭い間隔△Ｗで分離することにより転送電
極を形成することができるため、従来のような転送電極
の重なり部分が不要となり、歩留りの向上と、高集積化
が可能となる。

更に、メタル配線群と転送電極群を接続するコンタクト
をアイソレーション領域上に設けることができる構造と
なっており、例えば電荷転送チャネル上においてコンタ
クトを設けるような構造ではないので、安定な高速転送
動作を行なわせることができると共に歩留りを向上する
ことができる。

尚、この実施例では、第１の工程（第３図参照）におい
て、まず転送電極Ｑ、ｇ３．Ｑ５．・・・に対応するよ
うに第２ポリシリコン層６を設けたが、逆に他方の転送
電極Ｇ　　、Ｃ４、ｇ６　、・・・に対応するように第
２ポリシリコン層６を設けるようにしても同様の転送電
極群を形成することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、同一平面上に配設
されるポリシリコン層を極めて狭い間隔で分離して複数
の転送電極を形成することができるので、集積度を向上
させることができ、更に従来のような重なり部分が無い
ため耐圧の問題が解消されて歩留りの向上を図ることが
できる。更に転送電極とメタル配線をアイソレーション
の上面のコンタクトで接続することができるので、電荷
転送ラインに悪影響を及ぼすことなく、転送電極の抵抗
率を低減して高速の電荷転送を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の構造を
上面側より示した平面図、第２図は第１図の×２−Ｘ２
ＷＡ矢視断面図、第３図ないし第１０図は第１図に示す
固体撮像装置の製造工程を説明するために第２図の断面
図に対応して示した断面図及びその近傍の構造を上面側
より見たときの平面図、第１１図は従来のＣ８Ｄ構造の
固体撮像装置の構成を概略的に示すブロック図、第１２
図は従来の固体撮像装置の構造を上面側から示した平面
図、第１３図は第１２図のｘｌ−ｘ１ｍ矢視断面図であ
る。 Ｐｄ　　、Ｐｄ　　、Ｐｄ　　、・・・：フォトダイオ
ードｇ１　、０２　、　ｇＱ　　　・・弓転送電極３　
・　　　４　・ Ｌ　　、Ｌ　　、Ｌ　　、・・・　　　：電荷転送チャ
ネルａｌ　・　ａ２・　ａ３・　°°°・ ｂ　　、ｂ　　、ｂ　　、ｂ４．・・弓メタル配線Ｃ、
Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４・・弓コンタクト１．３，９：シリコ
ン酸化膜 ２：第１ポリシリコン層 ４：配線層 ５：窒化膜 ６：第２ポリシリコン層 ７：ポリ酸化膜 ８：フォトレジスト層 １０：満部 ［・：　　５　　図　　　　　　　　　　（ｂ）第　　
７　　図 第８０ ３．５９図 箒１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の受光素子と、これら受光素子の間を通って
   所定の電荷転送方向に延設された電荷転送チャネルと、
   該電荷転送チャネルの上面に該電荷転送方向に沿って並
   設され所定のクロック信号が印加される複数の転送電極
   と、夫々の受光素子間及び電荷転送チャネル間を電気的
   に分離するアイソレーションを有するチャージ・スイー
   プ・デバイスから成る固体撮像装置において、 前記転送電極の上面において前記電荷転送 チャネルに沿って配線される第１のメタル配線群と、該
   第１のメタル配線群と電気的に絶縁され前記アイソレー
   ションの上面に沿って配線される第２のメタル配線群を
   備え、 前記夫々の転送電極は、夫々の受光素子の両側に位置す
   る１対の電荷転送チャネルの上面を覆うように形成され
   た１対の端部と夫々の端部を前記アイソレーションの上
   面を通って継ぐ中間部とから成り、夫々の中間部に設け
   られた所定のコンタクトを介して上記第１、第２のメタ
   ル配線群の特定のメタル配線に接続されることを特徴と
   する固体撮像装置。
2. （２）前記夫々の転送電極は、夫々の受光素子の両側に
   位置する１対の電荷転送チャネルの上面を覆うように形
   成された１対の端部と夫々の端部を前記アイソレーショ
   ンの上面を通つて継ぐ中間部とから成り、夫々の中間部
   に設けられた所定のコンタクトを介して上記メタル配線
   群の特定のメタル配線に接続される固体撮像装置におい
   て、該固体撮像装置を形成するための半導体基板内に形
   成された電荷転送チャネルの上面にシリコン酸化膜を介
   して第１ポリシリコン層及び窒化膜を順次に積層し、更
   に、形成されるべき転送電極の形状に合う形状の第２ポ
   リシリコン層を該窒化膜の上面に形成する第１の製造工
   程と、 該第２ポリシリコン層の表面にポリ酸化膜を形成する第
   ２の製造工程と、 該ポリ酸化膜の上端面を露出させ他の表面をホトレジス
   ト層にて被覆する第３の製造工程と該ポリ酸化膜の上端
   部及び上記第２ポリシリコン層をエッチングにて除去し
   、該ポリ酸化膜の側端部を上記窒化膜の表面に残す第４
   の製造工程と、 異方性エッチングにより、該ポリ酸化膜の側端部に被覆
   された部分を除く窒化膜を除去する第５の製造工程と、 残された窒化膜に被覆された部分を除く上記第１ポリシ
   リコン層の表面にシリコン酸化膜を形成する第６の製造
   工程と、 残された上記窒化膜及びポリ酸化膜をエッ チングにより除去し、該窒化膜にて被覆されていた第１
   ポリシリコン層の一部分を露出させる第７の製造工程と
   、 異方性エッチングにより上記第１ポリシリ コン層の露出部分を除去することにより、第１ポリシリ
   コン層を複数の転送電極に分離する第８の製造工程によ
   り形成されて成ることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。