JPH0570947B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板内に形成されている受光
部で受光された光によつて上記受光部に生じた信
号電荷を上記半導体基板内に形成されている第１
導電型の第１のレジスタに読み込み、この読み込
まれた上記信号電荷を上記半導体基板内に形成さ
れている上記第１導電型の第２のレジスタに転送
して、この第２のレジスタから上記信号電荷を出
力信号として読み出すようにした半導体装置に関
する。

〔背景技術とその問題点〕

近年、VTRの普及に伴つて、CCD撮像素子を
用いた固体カラーカメラの開発が進められてい
る。上記のCCD撮像素子には、信号電荷の転送
方式に応じて種々のものがあるが、そのうちの一
つにインターライン転送方式と称される転送方式
のCCD撮像素子がある。このインターライン転
送方式のCCD撮像素子は、第１図に示すように、
例えばｐ型シリコン基板内に受光部１、互いに平
行に延びかつそれぞれｎ層２とｐ基板７とから成
る複数個の垂直レジスタ及びこれらの垂直レジス
タに共通の水平レジスタ３等を形成したものであ
つて、受光部１で受光された光によつてこの受光
部１に生じた多数の電子から成る信号電荷を、読
み出しゲート４を開くことによつて上記垂直レジ
スタに読み込み、この読み込まれた上記信号電荷
をトランスフア・ゲート（図示せず）を開くこと
によつて上記水平レジスタ３に転送して、この水
平レジスタ３から上記信号電荷を出力信号５とし
て読み出すものである。なお上記垂直レジスタ及
び水平レジスタ３に沿つての上記信号電荷の転送
は、これらの垂直レジスタ及び水平レジスタ３に
沿つて絶縁膜を介して設けられている多数の転送
電極（図示せず）にクロツク・パルスを印加する
ことによつて行われる。

上記のインターライン転送方式のCCD撮像素
子をTVカメラに用いる場合には、スミアと称さ
れる現象が発生するため実用上問題がある。この
現象は、第１図のＡ−Ａ線の断面を示す第２図に
おいて、n⁺層６とｐ型シリコン基板７とで形成
されるpn接合から成る受光部１で受光された光
８によつてｐ型シリコン基板７内の例えばＢで示
す部分に生じた光電荷の一部が矢印Ｃで示す向き
に拡散移動して垂直レジスタ２に入り込むことに
よつて生じるものであつて、転送されるべき本来
の信号電荷にこの電荷が加わるために偽信号が検
出され、その結果画像がぼけてくる現象である。
特に、長波長光によつて上記ｐ型シリコン基板７
の比較的深い部分に生じた光電荷は上記垂直レジ
スタに入り込む確率が高いので、スミアの発生が
著しい。

本発明者等は、上記スミアの発生を抑制するた
めに特願昭58−123617号において、第３図及び第
４図に示すようなインターライン転送方式の
CCD撮像素子を提案した。このCCD撮像素子に
おいては、第３図に示すように、例えばｐ型不純
物濃度が3.5×10¹⁴cm^-3の高抵抗のｐ型シリコン基
板（以下においてはp^-基板と称する）１１内に、
例えばｐ型不純物濃度が２×10¹⁶cm^-3のｐ層（以
下においてはｐウエルと称する）１２が形成され
ている。またこのｐウエル１２内にはさらに表面
濃度が例えば１×10¹⁷cm^-3のｎ層１３を有する垂
直レジスタが形成されている。なお上記ｐウエル
１２及び上記垂直レジスタは、実際には第１図の
垂直レジスタと同様に、紙面に垂直な方向に互い
に平行に延びて複数個形成されているが、第３図
においてはこれらのうちのそれぞれ一つのみを示
した。

また上記p^-基板１１内の上記垂直レジスタと
は異なる部分には、上記垂直レジスタの上記ｎ層
１３よりもｎ型不純物濃度が高いn⁺層１４が形
成されている。このn⁺層１４と上記p^-基板１１
とで形成されているpn接合が受光部１５を構成
している。なお上記n⁺層１４及び受光部１５は、
第１図と同様に、垂直レジスタのｎ層１３に沿つ
て複数個形成されている。また上記p^-基板１１
の上面には絶縁膜としてのSiO₂膜１６が全面に
亘つて形成されていて、このSiO₂膜１６の上に
はさらに多結晶シリコン膜から成る読み出しゲー
ト１７が形成されている。

第４図は第３図のＤ−Ｄ線の断面を示す断面図
である。第４図において、上記複数の垂直レジス
タに共通の水平レジスタのｎ層１８がp^-基板１
１内に形成されている。この水平レジスタ１８は
紙面に垂直な方向に第１図に示すように長く延び
て形成されており、上記方向に信号電荷が転送さ
れるようになつている。また上記p^-基板１１内
には、上記水平レジスタの上記ｎ層１８に隣接し
て、p⁺層から成るチヤネル・ストツパ１９が形
成されている。上記水平レジスタのｎ層１８の上
部には、SiO₂膜１６を介して、多結晶シリコン
膜から成る互いに分離された多数の転送電極２０
が上記水平レジスタの上記ｎ層１８に沿つて形成
されている。また垂直レジスタのｎ層１３に沿つ
ても、上記水平レジスタの上記ｎ層１８の場合と
同様に、多結晶シリコン膜から成る互いに分離さ
れた多数の転送電極２１が形成されている。上記
転送電極２０及び転送電極２１の間には、多結晶
シリコン膜から成るトランスフア・ゲート２２が
形成されている。なお上記転送電極２０及び転送
電極２１の上面及び側面にはSiO₂膜２３がそれ
ぞれ形成されているので、上記転送電極２０，２
１と上記トランフアー・ゲート２２とは互いに電
気的に絶縁されている。

なお第３図及び第４図におけるｐウエル１２、
垂直レジスタを構成するｎ層１３、受光部１５の
n⁺層１４及び水平レジスタのｎ層１８並びにチ
ヤネル・ストツパ１９を構成するp⁺層は、イオ
ン注入法、拡散法等によつて、またSiO₂膜１６，
２３は熱酸化法、CVD法等によつてさらに転送
電極２０，２１、読み出しゲート１７及びトラン
スフア・ゲート２２はCVD法等によつてそれぞ
れ形成することができる。

上述のCCD撮像素子は、垂直レジスタのｎ層
１３をｐウエル１２内に形成しているためこの垂
直レジスタへの光電荷の漏れ込みが防止され、
TVカメラに用いた場合スミアの発生を効果的に
抑制することができると共に、水平レジスタをｐ
ウエル１２の外部に形成しているため水平レジス
タにおける信号電荷の転送効率の劣化を生ずるこ
とがないという利点を有している。しかしなが
ら、このCCD撮像素子は次のような欠点を有し
ている。即ち、第４図において、垂直レジスタの
ｎ層１３内を矢印Ｅの向きに転送されてｐウエル
１２の左端部１２ａに到達した信号電荷は、不純
物濃度変化に起因してこの左端部１２ａ付近に存
在するポテンシヤル障壁によつて上記水平レジス
タへの転送が円滑に行われないので、信号電荷を
上記垂直レジスタから上記水平レジスタに完全転
送するのが難しい。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の問題にかんがみ、第１のレジ
スタとしての垂直レジスタへの光電荷の漏れ込み
が防止され、スミアの発生を効果的に抑制するこ
とができ、また第１のレジスタとしての垂直レジ
スタから第２のレジスタとしての水平レジスタへ
の信号電荷の転送が極めて円滑に行われて信号電
荷の完全転送を行うことができると共に、上記第
２のレジスタとしての水平レジスタにおける上記
信号電荷の転送効率の劣化を防止することができ
るインターライン転送方式のCCD撮像素子等の
半導体装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明に係る半導体装置は、半導体基板内に形
成されている受光部で受光された光によつて上記
受光部に生じた信号電荷を上記半導体基板内に形
成されている第１導電型の第１のレジスタに読み
込み、この読み込まれた上記信号電荷を上記半導
体基板内に形成されている上記第１導電型の第２
のレジスタに転送して、この第２のレジスタから
上記信号電荷を出力信号として読み出すようにし
た半導体装置において、上記半導体基板内に形成
されかつ上記半導体基板よりも高い不純物濃度を
有する第２導電型の層を設け、この第２導電型の
層内に上記第１のレジスタ及び上記第２のレジス
タをそれぞれ形成すると共に、上記第２導電型の
層のうちの上記第２のレジスタに対応する部分の
一部を上記第２導電型の層の他の部分よりも低い
不純物濃度に構成している。このように構成する
ことによつて、第１のレジスタへの光電荷の漏れ
込みが防止され、スミアの発生を効果的に抑制す
ることができ、また第１のレジスタから第２のレ
ジスタへの信号電荷の転送が極めて円滑に行われ
て信号電荷の完全転送を行うことができると共
に、第２のレジスタにおける上記信号電荷の転送
効率の劣化を防止することができる。

〔実施例〕

以下本発明に係る半導体装置の一実施例として
のインターライン転送方式のCCD撮像素子につ
き図面を参照しながら説明する。なお本実施例に
よるCCD撮像素子の垂直レジスタに垂直な方向
の断面構造は、第３図に示す既提案のCCD撮像
素子と同様であるので説明を省略する。

第５図に示すように、本実施例によるCCD撮
像素子は、第４図に示す既提案のCCD撮像素子
と同様に、例えばｐ型不純物濃度が５×10¹⁴cm^-3
のp^-基板１１、例えばｐ型不純物濃度が（第６
図N_A）が１×10¹⁶cm^-3のｐウエル１２、それぞれ
表面濃度が例えば１×10¹⁷cm^-3のｎ層１３及び１
８を有する垂直レジスタ及び水平レジスタ、チヤ
ネル・ストツパ１９、SiO₂膜１６、転送電極２
０，２１、読み出しゲート１７、トランスフア・
ゲート２２等をそれぞれ有している。

なお上記ｐウエル１２は、第４図に示す既提案
のCCD撮像素子と異なつて、垂直レジスタのｎ
層１３及び水平レジスタのｎ層１８を包含するよ
う一体的に形成されている。さらにこのｐウエル
１２の水平レジスタのｎ層１８に対応する部分の
一部には、水平レジスタからp^-基板１１へとｐ
ウエル１２を貫通しかつ例えばｐ型不純物濃度
（第６図N_A′）が２×10¹⁵cm^-3であつて他の部分よ
りも不純物濃度が低い領域１２ｂが形成されてい
る。なお上記領域１２ｂは、例えば次のようにし
て形成することができる。即ち、まず上記領域１
２ｂの不純物濃度と同一不純物濃度のｐウエル１
２を拡散法で形成し、次に上記領域１２ｂの上部
に例えばSiO₂膜を選択的に形成する。この後、
このSiO₂膜を拡散マスクとして不純物の拡散を
再度行つて、上記領域１２ｂ以外のｐウエル１２
の不純物濃度を所定の値にすればよい。なお第６
図に第５図の水平レジスタのｎ層１８、ｐウエル
１２及びp^-基板１１における不純物濃度分布を
SiO₂膜１６とp^-基板１１との間の界面を原点と
してＦ−Ｆ線及びＧ−Ｇ線に沿つて示す。

なお第５図に示すCCD撮像素子のレジスタ２
４は、ｎチヤネルBCCD（埋め込みチヤネルCCD）
と称され、上記垂直レジスタ及び水平レジスタが
それぞれ有するｎ層１３及び１８内に形成される
チヤネル中の信号電荷が転送される。このため、
このｎチヤネルBCCDは、電極、絶縁膜、ｎ層及
びｐ基板から構成される。

次に上述のように構成されたCCD撮像素子２
４の動作につき説明する。

第３図及び第５図において、まず受光部１５で
光２５が受光されると、この受光部１５を構成す
るpn接合に形成されている空乏層付近において
上記光２５によつて発生した多数の電子から成る
信号電荷が、受光部１５のn⁺層１４内に生じる。
次に読み出しゲート１７にp^-基板１１に対して
正の電圧を印加することによつて、SiO₂膜１６
直下のp^-基板１１内にｎチヤネルを形成する。
このｎチヤネルを通して上記信号電荷を受光部１
５から上記垂直レジスタに送ることによつて、上
記信号電荷を上記垂直レジスタに読み込む。

次に上述のようにして上記垂直レジスタに読み
込まれた上記信号電荷を、p^-基板１１に対して
正の電圧から成るクロツク・パルスを転送電極２
１に印加することによつて、上記垂直レジスタ内
を第４図の矢印Ｅの向きに転送する。このように
して上記垂直レジスタの先端１３ａ（第５図）に
転送されてきた上記信号電荷を、トランスフア・
ゲート２２に電圧を与えることによつて上記トラ
ンスフア・ゲート２２の下のSiO₂膜１６ａ直下
のp^-基板１１内に形成されるｎチヤネル内を通
過させて、上記水平レジスタに転送する。

次に上記水平レジスタに転送された上記信号電
荷を、クロツク・パルスを転送電極２０に印加す
ることによつて上記水平レジスタ内を転送させ、
この水平レジスタから上記信号電荷を出力信号と
して読み出す。なお上記水平レジスタ内を転送さ
れる上記信号電荷は、チヤネル・ストツパ１９に
よつて上記転送中に上記水平レジスタから流出す
るのが防止されるようになつている。

上述の実施例においては、上記垂直レジスタ及
び水平レジスタを共にｐウエル１２内に形成して
いるので、上記垂直レジスタへの光電荷の漏れ込
みが防止され、上記CCD撮像素子２４をTVカメ
ラに用いた場合スミアの発生を効果的に抑制する
ことができるのは勿論、上記垂直レジスタから上
記水平レジスタへの信号電荷の転送経路におい
て、ポテンシヤル井戸の深さが同一となり、ポテ
ンシヤル障壁等が全く存在しない。このため、既
提案のCCD撮像素子のようにポテンシヤル障壁
によつて上記水平レジスタへの信号電荷の転送が
妨げられることがなく、上記垂直レジスタから上
記水平レジスタへの信号電荷の転送が極めて円滑
に行われるので、信号電荷の完全転送を行うこと
ができる。

また上述の実施例においては、ｐウエル１２の
上記水平レジスタに対応する部分の一部の領域１
２ｂの不純物濃度を２×10¹⁵cm^-3に選定し、他の
部分の不純物濃度１×10¹⁶cm^-3よりも低くしてい
る。このため、次に述べる理由により上記水平レ
ジスタにおける信号電荷の転送効率の劣化を防止
することができる。即ち、上記水平レジスタにお
ける信号電荷の転送方向に対して垂直な方向のポ
テンシヤル分布は、第７Ａ図及び第７Ｂ図の実線
で示す曲線のようにない、ｐウエル１２の不純物
濃度が低い領域１２ｂのポテンシヤルは他の部分
のポテンシヤルよりも深い。そして、信号電荷の
転送初期（または信号電荷量が大きい時）には、
第７Ａ図に示すように上記水平レジスタの幅方向
全体に亘つて信号電荷が分布する。一方、信号電
荷の転送末期（または信号電荷量が小さい時）に
は、第７Ｂ図に示すように、ポテンシヤルが低い
部分のみに信号電荷が分布する。また上記水平レ
ジスタの信号電荷の転送方向に沿つてのポテンシ
ヤル分布は第８図に示すようになり、第５図のＦ
−Ｆ線の断面方向のポテンシヤル分布及びＧ−Ｇ
線の断面方向のポテンシヤル分布はそれぞれ実線
及び破線で示すグラフのようになる。この第８図
から明らかなように、ｐウエル１２の不純物濃度
が低い領域１２ｂ内の上記水平レジスタにおいて
は、転送電極２０内に転送方向に沿つてのポテン
シヤル勾配が存在し、従つてフリンジング電界
E_yが存在する。このため、第７Ｂ図に示すよう
に、転送末期において信号電荷がポテンシヤルが
低い部分に存在する場合において、信号電荷の転
送が上記フリンジング電界E_yの作用によつて加
速される結果、転送効率の劣化が殆んど生じな
い。

なお上述の実施例においては、上記水平レジス
タに対応する部分のｐウエル１２に、不純物濃度
が低い領域１２ｂを１箇所のみ設けたが、２箇所
以上設けてもよい。また上記領域１２ｂの不純物
濃度はp^-基板１１の不純物濃度と実質的に同一
であつてもよい。さらに上記領域１２ｂは水平レ
ジスタのｎ層１８からp^-基板１１へとｐウエル
１２を貫通している必要は必ずしもなく、p^-基
板１１に達する少し上方まで延びているだけでも
よい。

また上述の実施例においては、ｐウエル１２の
上記水平レジスタのｎ層１８に対応する部分の一
部に不純物濃度が低い領域１２ｂを形成している
が、ｐウエル１２の上記垂直レジスタに対応する
部分にも上記領域１２ｂと同様な低不純物濃度の
領域を形成してもよい。このようにすれば、上記
垂直レジスタへの光電荷の漏れ込みが防止され、
TVカメラに用いた場合スミアの発生を効果的に
抑制することができると共に、上記垂直レジスタ
における信号電荷の転送効率の劣化も防止するこ
とができる。

また上述の実施例においては、半導体基板とし
てｐ型シリコン基板を用いたが、ｎ型シリコン基
板を用いてもよい。この場合には、上述の実施例
で用いた上記ｐ型シリコン基板のｐ型不純物濃度
と等しいｐ型不純物濃度を有する大きなｐウエル
を上記ｎ型シリコン基板内に形成して、この大き
なｐウエル内に上述の実施例において形成したの
と同様な第２のｐウエルを形成すればよい。垂直
レジスタ及び水平レジスタをこの第２のｐウエル
内に形成することも上述の実施例と同様である。

応用例 上述の実施例においては、本発明に係る半導体
装置をインターライン転送方式のCCD撮像素子
に適用した場合につき説明したが、例えばフレー
ム転送方式のCCD撮像素子等の他の半導体装置
にも本発明に係る半導体装置を適用することがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明に係る半導体装置によれば、半導体基板
内に形成されかつ上記半導体基板よりも高い不純
物濃度を有する第２導電型の層を設け、この第２
導電型の層内に上記第１のレジスタ及び上記第２
のレジスタをそれぞれ形成すると共に、上記第２
導電型の層のうちの上記第２のレジスタに対応す
る部分の一部を上記第２導電型の層の他の部分よ
りも低い不純物濃度に構成しているので、第１の
レジスタへの光電荷の漏れ込みが防止され、スミ
アの発生を効果的に抑制することができ、また第
１のレジスタから第２のレジスタへの信号電荷の
転送が極めて円滑に行われて信号電荷の完全転送
を行うことができると共に、第２のレジスタにお
ける上記信号電荷の転送効率の劣化を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインターライン転送方式の
CCD撮像素子の概略的な構成を示す平面図、第
２図は垂直レジスタ及び受光部の構造を示す第１
図のＡ−Ａ線の断面図、第３図は特願昭58−
123617号において本発明者等によつて提案された
インターライン転送方式のCCD撮像素子におけ
る垂直レジスタ及び受光部の構造を示す第２図と
同様な断面図、第４図は第３図のＤ−Ｄ線の断面
図、第５図は本発明に係る半導体装置の一実施例
としてのインターライン転送方式のCCD撮像素
子を示す第４図と同様な断面図、第６図は第５図
の水平レジスタ、ｐウエル及びp^-基板における
不純物濃度の深さ方向分布をＦ−Ｆ線及びＧ−Ｇ
線に沿つてSiO₂膜と上記p^-基板との間の界面を
原点として示したグラフ、第７Ａ図及び第７Ｂ図
は水平レジスタにおける信号電荷の転送方向に垂
直な方向のポテンシヤル分布及び信号電荷分布を
それぞれ転送初期及び転送末期について示す模式
図、第８図は水平レジスタにおける信号電荷の転
送方向のポテンシヤル分布を第５図のＦ−Ｆ線の
断面及びＧ−Ｇ線の断面についてそれぞれ示す模
式図である。 なお図面に用いた符号において、１……受光
部、２……垂直レジスタ（第１のレジスタ）のｎ
層、３……水平レジスタ（第２のレジスタ）、４
……読み出しゲート、１１……p^-基板、１２…
…ｐウエル、１３……垂直レジスタのｎ層、１５
……受光部、１７……読み出しゲート、１８……
水平レジスタのｎ層、２０，２１……転送電極、
２２……トランスフア・ゲート、２４……CCD
撮像素子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板内に形成されている受光部で受光
   された光によつて上記受光部に生じた信号電荷を
   上記半導体基板内に形成されている第１導電型の
   第１のレジスタに読み込み、この読み込まれた上
   記信号電荷を上記半導体基板内に形成されている
   上記第１導電型の第２のレジスタに転送して、こ
   の第２のレジスタから上記信号電荷を出力信号と
   して読み出すようにした半導体装置において、上
   記半導体基板内に形成されかつ上記半導体基板よ
   りも高い不純物濃度を有する第２導電型の層を設
   け、この第２導電型の層内に上記第１のレジスタ
   及び上記第２のレジスタをそれぞれ形成すると共
   に、上記第２導電型の層のうちの上記第２のレジ
   スタに対応する部分の一部を上記第２導電型の層
   の他の部分よりも低い不純物濃度に構成したこと
   を特徴とする半導体装置。