JPH0724304B2 - 固体撮像装置および製造方法 - Google Patents

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（CC
D）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Ａ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列分の信号電荷を一時的
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CCDという）Ｃが形成されている。更に第12
図に基づいて受光領域Ａの構造を述べると、半導体基板
の表面側に形成されたＰ形不純物層（Ｐウェル）内に複
数のｎ形不純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Pd₁₁〜Pd_1n,Pd₂₁〜Pd_2n,Pd
₃₁〜Pd_3n，…が形成されている。これらのフォトダイオ
ード（以下、Pd_ijとする。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L₁,L₂,L₃…（以下、これらをL_j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_ijと電荷転送チャネルL_jを除く図中の点線で囲ま
れた斜線部分がチャンネルストップとなっている。

電荷転送チャネルL_j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G₁,G₂,G₃，…（以
下、これらをG_iとする、但しｉ＝１〜ｍ）が並設され、
トランスファゲートT_g11,T_g12，…T_gmnを介して特定の
電荷転送チャネルL_jへ出力される信号電荷を転送電極
G₁,G₂,G₃，…に印加される所定タイミングの駆動信号φ
₁〜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、CSD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、ILT CCDに較べてCSDの電荷転送ラインL_j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_ijの開口率の向上を図っ
た点にある。又、この様に電荷転送ラインL_jの幅が狭い
と、１回の電荷転送で転送し得る信号電荷の量がフォト
ダイオードPd_ijで発生する信号電荷の量より少ないた
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CCD 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 CCDと類似した構造であるが、転
送電極G_j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（1H）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G_jに相対向するメタル層より成るメタル配線
を積層し、適宜の箇所で並設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_j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X₁-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
Al₂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Al₃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Al₂を適宜の位置で並列接続し、奇数番
目の転送電極G₃とメタル配線Al₃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_ijが形成されている受光領域内で上記のメ
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L_j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
際に不純物が電荷転送ラインL_j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
て互いに重ならないように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のメタル配線群と相互に交差し且つ相互に電
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に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。

［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形不純物層をマトリッ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_ij（ｉ＝１〜m,j＝
１〜ｎ）が形成され、夫々のフォトダイオードPd_ijの間
には垂直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_j（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_ijで発生し
た信号電荷はトランスファゲートTg_ij（ｉ＝１〜m,j＝
１〜ｎ）を介して所定の電荷転送チャネルL_j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L₁,L₂,L₃…L_n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a₁,a₂，…a_2n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a₁,a₂，…，a_nと交叉する第２メタル
層より成る複数のメタル配線b₁,b₂，…b_m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g₁,g₂,g₃,g₄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L₁,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P
d₁₂,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g₂は両端部が電荷転送電極チャネル
L₂,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Pd₁₃,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g₂と同様にフォトダイオードP
d₂₃,Pd₃₃間に配置されている。電荷転送チャネルL₂上に
おける転送電極g₁〜g₄の一端は極めて狭い間隔ΔＷ（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b₁、転送
電極g₂はコンタクトC₂を介してメタル配線a₂、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_j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X₂-X₂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_j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g₁,g₂，…を構成するポリシリコン層２が積層されて
いる。更にその上面がシリコン酸化膜(SiO₂)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a₁,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
ΔＷ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
純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g_i（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、
g₁,g₃,g₅…の形状に合わせて形成し、他方の転送電極
g₂,g₄,g₆，…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ΔＷ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ΔＷ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
一例として、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工程では、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工程では、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0.2
μｍの幅ΔＷ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g₁,g₂,g₃，…の相互分離が達
成される。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、一層のポリシリコン
層２を極めて狭い間隔ΔＷ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g₁,g₃,g₅，…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g₂,g₄,
g₆，…に対応するように第２ポリシリコン層６を設ける
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X₂-X₂線矢
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CSD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X₁-X₁線矢視断面図である。 Pd₁₁,Pd₁₂,Pd₁₃，…：フォトダイオード g₁,g₂,g₃,g₄，…：転送電極 L₁,L₂,L₃，…：電荷転送チャネル a₁,a₂,a₃，…，b₁,b₂,b₃,b₄，…：メタル配線 C₁,C₂,C₃,C₄，…：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:溝部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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
   沿って互いに重ならないように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
   配線群と相互に交差し且つ相互に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. 【請求項２】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
   沿って互いに重ならないように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
   ションと、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、 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固体撮像装置の製造方法。