JP2910648B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【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、特に信号電荷の転送効率を改善し、低照度被写体を
撮像した場合の転送効率の劣化を防止した固体撮像装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電荷転送装置を備える固体撮像装
置は、光電変換素子において光信号から得られる信号電
荷を蓄積し、この信号電荷を垂直転送レジスタで転送
し、さらに複数の垂直転送レジスタから転送される信号
電荷を水平転送レジスタで転送し、浮遊拡散容量部から
出力アンプに出力させている。例えば、図９に垂直転送
レジスタ１０と水平転送レジスタ２との結合部の不純物
濃度のレイアウトを示すように、水平転送レジスタ２０
には第１ゲート３と第２ゲート４からなる転送電極が配
列されている。図１０（ａ），（ｂ）はこれら第１及び
第２の各ゲートを含む構造の断面図であり、図９のＩ
Ｉ，ＪＪ線に相当する断面図である。Ｐ型基板１にＮ層
５とＮ^- 層６からなる障壁領域が形成されており、Ｎ層
５上に第１ゲート３が、Ｎ^- 層６上に第２ゲート４がそ
れぞれゲート絶縁膜２を介して形成されている。そし
て、この転送電極には交互に図１１（ａ）のようなタイ
ミングでφＨ１，φＨ２の駆動パルスが印加される。こ
れにより、同図のｔ＝ｔ１における線分ＩＩとＪＪの各
電位は図１１（ｂ），（ｃ）のようになる。なお、水平
転送レジスタ２０の転送電極の出力端はアウトプットゲ
ートとして構成され、これには直流電圧が印加され、出
力アンプへのノイズ侵入を防止している。

【０００３】このように駆動パルスφＨ１，φＨ２が印
加される転送電極は交互に配置され、それぞれの電極内
で障壁領域により電極分離されている。このため、転送
電界が強化され信号電荷が転送され易くなる。そして、
垂直転送レジスタを転送されてきた信号電荷は図９に矢
印線Ｌ３で示す信号転送経路のように水平転送レジスタ
２０の転送領域内を転送され、浮遊拡散容量部３０に蓄
積され、この浮遊拡散容量部３０の電位変動が出力アン
プ４０で増幅され、図外の外部信号処理回路へ出力され
る。この場合、水平転送レジスタ２０の幅は最大転送電
荷量によって決められる。また、信号電荷が少ない場合
は、水平転送レジスタ２０内で最もポテンシャルが深い
経路、すなわち図１１（ｃ）に示した電位の中心を通っ
ていくと考えられており、前記信号電荷転送経路Ｌ３は
これを示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体撮像装置の電荷転送レジスタにおいては、信号電荷が
少ない場合に電位の低い経路の中心を通るため、垂直転
送レジスタ１０から水平転送レジスタ２０に転送される
信号電荷は、図９に矢印線Ｌ３で示したように、水平転
送レジスタ２０の中心に向かうべくいわゆる大回りの状
態で転送されることになり、信号電荷転送の経路が長く
なる。したがって、信号電荷が少ない低照度被写体を撮
像したときには信号電荷の経路が長くなり、その分だけ
転送時間がかかり転送劣化を引き起こし、画質が劣化さ
れる。また、高周波数駆動の場合は電極数あるいは１電
極の長さで転送電界が制限されるため、転送劣化が生
じ、低照度被写体撮像時には解像度が劣化するという問
題が生じる。さらに、水平転送レジスタの転送幅が広い
場合には浮遊拡散容量部の直線で転送速度が劣化し、解
像度が劣化するという問題が生じる。また、これらの問
題を解決するために、水平転送レジスタの駆動電圧を上
げると、駆動回路の消費電力が増大し、発熱およびこれ
に伴う素子の結晶欠陥の活性化により画像欠陥が見えだ
してしまうという問題がある。

【０００５】本発明の目的は、転送効率を改善し、特に
低照度被写体を撮像した場合のような信号電荷が少ない
場合の転送効率を改善した固体撮像装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、光電変換によ
り得られた信号電荷を転送するための複数列の垂直転送
レジスタと、これら垂直転送レジスタの一端部において
直交状態で結合された水平転送レジスタとを備え、前記
水平転送レジスタの転送領域を構成する不純物層には、
少なくとも前記水平転送方向と垂直な方向において分割
され、かつ前記垂直転送レジスタ側に近い側の分割領域
が遠い側の分割領域よりもポテンシャルが深くなるよう
に構成されるとともに、前記垂直転送レジスタに近い側
の領域が前記垂直転送レジスタの一端部領域内にまで延
長された不純物濃度の異なる複数の領域が存在すること
を特徴とする。

【０００７】ここで、前記水平転送レジスタの転送電極
により転送された信号電荷を電圧信号に変換する浮遊拡
散容量部と、この電圧信号を増幅して出力する出力アン
プとを備え、前記浮遊拡散容量部は前記垂直転送レジス
タに近い側の分割領域の端部に配置される。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形
態の平面図、特に垂直転送レジスタ１０の一部と水平転
送レジスタ２０の結合部における不純物濃度レイアウト
の平面構成図であり、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）はそ
れぞれ図１のＡＡ，ＢＢ，ＣＣ線に相当する断面図であ
る。Ｐ型半導体基板１の主面上にゲート絶縁膜２を介し
て第１ゲート３と第２ゲート４が交互に配列形成されて
いる点はこれまでと同じである。また、前記Ｐ型半導体
基板１の主面にＮ層５が形成され、かつ前記第２ゲート
４の直下にＮ^2-層７が形成されて障壁領域が形成されて
いる点も同じである。しかしながら、前記第１のゲート
３の直下の領域では、ゲート幅方向、すなわち水平転送
レジスタ２０の信号電荷の転送方向と垂直な方向に二つ
に区画され、垂直転送レジスタ１０側の領域ではＮ層５
として構成されるが、垂直転送レジスタから遠い側の領
域では、これよりも不純物濃度が低いＮ^- 層６として構
成されている。したがって、この水平転送レジスタで
は、Ｎ層５、Ｎ^- 層６、Ｎ^2-層７のように不純物濃度の
異なるＮ型領域が存在しているため、障壁領域は２段に
構成されることになる。また、水平転送レジスタ２０の
信号電荷が転送される側にある浮遊拡散容量部３０は垂
直転送レジスタに近い側の端部に配置されている。

【０００９】このような水平転送レジスタ２０の製造方
法を図３に示す。なお、図３は図１のＸ領域のみについ
て示してある。先ず、図３（ａ）のように、Ｐ型半導体
基板１にＮ型不純物を注入し、更に図３（ｂ）のように
Ｐ型不純物を注入して素子分離５０を行う。また、ゲー
ト絶縁膜２を形成する。次いで、図３（ｃ）のように、
第１ゲート３を形成する領域のうち、垂直転送レジスタ
２０側の領域のみをマスクしてＰ型不純物を低濃度に注
入し、Ｎ^- 層６を形成する。次いで、図３（ｄ）のよう
にポリシリコンを選択形成して第１ゲート３を形成し、
かつこれを絶縁膜で覆う。さらに、図３（ｅ）のように
この第１ゲート３をマスクにしてＰ型不純物を低濃度に
注入し、第２ゲートを形成する領域にＮ^2-層７を形成す
る。しかる上で図３（ｆ）のようにポリシリコンを選択
形成して第２ゲート４を形成し、これにより図１及び図
２の水平転送レジスタ２０が構成される。

【００１０】この場合、２段に形成される障壁領域で
は、それぞれが従来の１段の障壁領域の不純物濃度の半
分となるように設定される。例えば、１段形成時のＰ型
不純物注入量が８Ｅ１１ｃｍ^-2ならば、前記各低濃度の
Ｐ型不純物の注入時の注入量は４Ｅ１１ｃｍ^-2となる。
したがって、Ｐ型不純物が１回注入される前記Ｎ^- 層６
は４Ｅ１１ｃｍ^-2であり、２回注入されるＮ^2-層７は８
Ｅ１１ｃｍ^-2となり、前記した２段の障壁領域が形成さ
れる。

【００１１】したがって、この水平転送レジスタ２０の
各転送電極に図１１（ａ）に示したようなφＨ１，φＨ
２の駆動パルスを印加すると、図１のＡＡ，ＢＢ，ＣＣ
線のそれぞれに対応する信号電荷の電位図は図４（ａ）
〜（ｃ）のようになる。これを図１１（ｃ）に示した障
壁領域号が１段の従来のポテンシャルと比較すると、ポ
テンシャルの深い領域が垂直転送レジスタ１０側に偏位
されていることが判る。そして、前記したように少ない
信号電荷はポテンシャルが最も深い領域の中心位置を通
るため、信号電荷転送経路は図１に矢印線Ｌ１で示すよ
うに、垂直転送レジスタ１０側に寄った位置となり、い
わゆる小回り状態となり、その状態のまま浮遊拡散容量
部３０にまで転送され、ここから出力アンプ４０に出力
されることになる。したがって、水平転送レジスタ２０
における信号電荷はその転送距離が大幅に短縮されるこ
とになり、これにより、転送距離が短縮された分だけ転
送時間も短縮され、転送効率が改善されて画質の劣化が
防止される。また、実質的な転送幅が狭められるため、
浮遊拡散容量部３０の直前で転送速度が低下されるよう
なことも防止できる。

【００１２】また、図４（ｃ）に示したポテンシャル深
さの差により水平転送レジスタ２０の転送方向と垂直方
向に電界が生じることになるため、水平転送レジスタ２
０の出力側では転送方向の電界及び狭チャネル効果によ
る電界の和に加えて、この転送方向に垂直な電界が加わ
ることになり、信号電荷の転送速度がさらに増大され
る。この電界は図４（ａ），（ｂ）の各ポテンシャルを
比較することからも明らかである。これにより、信号電
荷全体の転送速度を向上し、転送効率を上げて画質や解
像度を改善することが可能となる。信号電荷の転送時間
は転送電界値の逆数を転送区間で積分することで得られ
るため、信号電荷転送経路の短縮及び転送電界の強化に
より、信号電荷の総合的な転送速度が改善される。

【００１３】図５は本発明の第２の実施形態の垂直転送
レジスタと水平転送レジスタの結合部の不純物濃度レイ
アウトの平面図である。この実施形態では、第１ゲート
３の直下において水平転送レジスタ２０の転送方向と垂
直な方向に障壁領域を形成している点は第１実施形態と
同じであるが、第２ゲート４の直下においては水平転送
レジスタ２０の転送方向にも障壁領域を形成している。
すなわち、図６（ａ）〜（ｅ）にＤＤ，ＥＥ，ＦＦ，Ｇ
Ｇ，ＨＨ線に相当する各断面構造を示すように、垂直転
送レジスタ１０に近い側では第１ゲート３の直下にＮ層
５、Ｎ^- 層６が転送方向と垂直な方向に並んで形成さ
れ、第２ゲート４の直下にはＮ^2-層７とＮ^3-層８が転送
方向に並んで形成される。また、垂直転送レジスタに遠
い側では第１ゲートの直下にＮ^2-層が形成され、第２ゲ
ートの直下にＮ^3-層が形成される。したがって、水平転
送レジスタの転送方向と垂直な方向の断面構造では第１
ゲート３の直下において、Ｎ層５、Ｎ^- 層６、Ｎ^2-層７
が形成される。これにより、この構造では、水平転送レ
ジスタの転送方向には２段の障壁領域が構成され、垂直
方向には３段の障壁領域が構成されることになる。

【００１４】この第２の実施形態の水平転送レジスタの
製造方法を、図７に示す。同図は図５のＸの領域につい
て示してある。先ず、図７（ａ）のように、Ｐ型半導体
基板１にＮ型不純物を注入し、更にＰ型不純物を注入し
て素子分離５０を行う。また、ゲート絶縁膜２を形成す
る。次いで、図７（ｂ）のように、第１ゲート３を形成
する領域のうち、垂直転送レジスタ１０側の略１／２の
領域のみをマスクしてＰ型不純物を低濃度に注入し、Ｎ
^- 層６を形成する。次いで、図７（ｃ）のように、前記
マスクを含みこれよりも転送方向と垂直な方向には幾分
広めで、転送方向には第２ゲートを形成する領域の略１
／２の領域をそれぞれ覆うようにマスクしてＰ型不純物
を低濃度に注入し、Ｎ^2-層７を形成する。次いで、図７
（ｄ）のようにポリシリコンを選択形成して第１ゲート
３を形成し、かつこれを絶縁膜で覆う。さらに、図７
（ｅ）のようにこの第１ゲート３をマスクにしてＰ型不
純物を低濃度に注入する。これにより、第２ゲートを形
成する領域にはＮ^2-層７とＮ^3-層８が形成される。を形
成する。しかる上で図７（ｆ）のようにポリシリコンを
選択形成して第２ゲート４を形成し、これにより図５の
水平転送レジスタ２０が構成される。

【００１５】したがって、この水平転送レジスタ２０の
各転送電極に図１１（ａ）に示したようなφＨ１，φＨ
２の駆動パルスを印加すると、図５のＤＤ，ＥＥ，Ｆ
Ｆ，ＧＧ線のそれぞれに対応する信号電荷の電位図は図
８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）のようになり、３段
のポテンシャル差が生じる。これを図１１に示した障壁
領域が１段の従来のもの、或いは図４に示した障壁領域
が２段の第１の実施形態の電位と比較すると、ポテンシ
ャルが最も深い領域がさらに垂直転送レジスタ側に偏位
されていることが判る。したがって、信号電荷転送経路
は図５に矢印線Ｌ２で示すように、さらに垂直転送レジ
スタ側に寄った小さい回り状態となり、その転送距離が
一層大幅に短縮されることになる。これにより、第２の
実施形態よりもさらに転送距離が短縮された分だけ転送
時間も短縮され、転送効率が改善されることなり、画質
の劣化が防止される。また、実質的な転送幅が狭められ
るため、浮遊拡散容量部の直前で転送速度が低下される
ようなことも防止できる。

【００１６】また、図８（ｄ）に示したポテンシャルの
差により水平転送レジスタ２０の転送方向と垂直方向に
電界が生じることになるため、水平転送レジスタ２０の
出力側では転送方向の電界及び狭チャネル効果による電
界の和に加えて、この転送方向に垂直な電界が加わるこ
とになり、信号電荷の転送速度がさらに増大されること
は第１の実施形態と同じである。この第２の実施形態で
は、電界は図８（ａ），（ｂ），（ｃ）の各電界を比較
することからも明らかである。これにより、信号電荷全
体の転送速度を向上し、転送効率を上げて画質や解像度
を改善することが可能となる。

【００１７】さらに、この実施形態では転送方向とこれ
に垂直な方向のそれぞれで障壁領域の段数が増大されて
いるため、電極数が等価的に増大されることになる。こ
のため、転送方向に対して電位が平坦な箇所、すなわち
電界の弱い箇所が低減され、かつこれと共に個々の電極
長が短くなったことになり、隣接電極によるフリンジ電
界によりそれぞれの電極下で転送電界が向上され、転送
効率が改善される。

【００１８】なお、前記各実施形態では、本発明を水平
転送レジスタに適用した例を示しているが、垂直転送レ
ジスタや、その他のＣＣＤ型電荷転送レジスタであれば
同様に適用することができ、転送効率を改善することが
できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、前記水平
転送レジスタの転送領域を構成する不純物層には、少な
くとも水平転送方向と垂直な方向において分割され、か
つ前記垂直転送レジスタ側に近い側の分割領域が遠い側
の分割領域よりもポテンシャルが深くなるように構成さ
れるとともに、前記垂直転送レジスタに近い側の領域が
前記垂直転送レジスタの一端部領域内にまで延長された
不純物濃度の異なる複数の領域が存在する構成としてい
るので、信号電荷の転送方向電界を強化することがで
き、かつ転送方向と垂直な方向にも電界が形成されるの
で、信号電荷を小回り状態で転送することが可能となっ
て信号電荷の転送速度を向上することができる。これよ
り転送効率が改善され、低照度被写体を撮像した場合の
信号電荷、すなわち極少の信号電荷の場合にも転送効率
が劣化されることはなく、画質や解像度が改善される。
また、転送レジスタの駆動電圧を増大させることもな
く、消費電力の増大や画像欠陥の発生を未然に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の不純物濃度のレイア
ウトを示す平面図である。

【図２】図１のＡＡ，ＢＢ，ＣＣ線に相当する各断面構
成図である。

【図３】図１の転送領域を製造する工程を示す平面図で
ある。

【図４】図１のＡＡ，ＢＢ，ＣＣ線のそれぞれにおける
電位図である。

【図５】本発明の第２の実施形態の不純物濃度レイアウ
トの平面図である。

【図６】図５のＤＤ，ＥＥ，ＦＦ，ＧＧ，ＨＨ線に相当
する各断面構成図である。

【図７】図５の転送領域を製造する工程を示す平面図で
ある。

【図８】図５のＤＤ，ＥＥ，ＦＦ，ＧＧ線のそれぞれに
おける電位図である。

【図９】従来の転送レジスタの不純物濃度レイアウトの
平面図である。

【図１０】図９のＩＩ，ＪＪ線に相当する各断面構成図
である。

【図１１】図９のＩＩ，ＪＪ線のそれぞれにおける電位
図である。

【符号の説明】

１ Ｐ型半導体基板 ２ ゲート絶縁膜 ３ 第１ゲート ４ 第２ゲート ５ Ｎ層 ６ Ｎ^- 層 ７ Ｎ^2-層 ８ Ｎ^3-層 １０ 垂直転送レジスタ ２０ 水平転送レジスタ ３０ 浮遊拡散容量部 ４０ 出力アンプ ５０ 素子分離

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換により得られた信号電荷を転送
   するための複数列の垂直転送レジスタと、これら垂直転
   送レジスタの一端部において直交状態で結合された水平
   転送レジスタと、この水平転送レジスタの転送電極によ
   り転送された信号電荷を電圧信号に変換する浮遊拡散容
   量部と、この電圧信号を増幅して出力する出力アンプと
   を備え、前記水平転送レジスタの転送領域を構成する不
   純物層には、少なくとも前記水平転送方向と垂直な方向
   において分割され、かつ前記垂直転送レジスタ側に近い
   側の分割領域が遠い側の分割領域よりもポテンシャルが
   深くなるように構成されるとともに、前記垂直転送レジ
   スタに近い側の領域が前記垂直転送レジスタの一端部領
   域内にまで延長された不純物濃度の異なる複数の領域が
   存在し、前記浮遊拡散容量部は前記垂直転送レジスタに
   近い側の分割領域の端部に配置されていることを特徴と
   する固体撮像装置。