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発明の名称 固体撮像装置およびその駆動方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−96084(P2007−96084A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−284902(P2005−284902)
出願日 平成17年9月29日(2005.9.29)
代理人 【識別番号】100110928
【弁理士】
【氏名又は名称】速水 進治
発明者 工藤 弘儀 / 打矢 聡 / 山本 淳一 / 二村 文章
要約 課題
低電圧で電荷の蓄積および転送を制御する。

解決手段
固体撮像装置100は、N型半導体基板102と、N型半導体基板102内の表面部に設けられたN型埋込領域106と、N型埋込領域106内に形成された光電変換部150と、N型埋込領域106内に形成されるとともに光電変換部150に接して設けられ、光電変換部150で発生した電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部152と、N型埋込領域106内に形成されるとともに電荷蓄積部152に接して設けられ、電荷蓄積部152に電荷を蓄積させる電荷保持領域154(障壁部)と、電荷蓄積部152に設けられた電荷蓄積用電極120と、を含む。N型埋込領域106の表面部は、電荷蓄積部152および電荷保持領域154が形成された領域においてN型とされる。
特許請求の範囲
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板内の表面部に設けられた第1導電型の埋込領域と、
前記埋込領域内に形成された光電変換部と、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記光電変換部に接して設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記電荷蓄積部に接して設けられ、前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる障壁部と、
前記電荷蓄積部に設けられた第1の電極と、
を含み、
前記埋込領域の表面部は、前記電荷蓄積部および前記障壁部が形成された領域において前記第1導電型を有する固体撮像装置。
【請求項2】
請求項1に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部は、前記第1の電極にハイレベルおよびロウレベルのいずれの信号が入力された場合でも、前記光電変換部よりもポテンシャルが深い構成とされた固体撮像装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部は、前記第1の電極に入力される信号に基づき、前記障壁部に対する相対的なポテンシャルの深さが切り替えられる構成とされた固体撮像装置。
【請求項4】
請求項1から3いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記障壁部は、前記電荷蓄積部に接して設けられた第1の領域と、前記第1の領域よりもポテンシャルの深い第2の領域とを含む固体撮像装置。
【請求項5】
請求項4に記載の固体撮像装置において、
前記障壁部の前記第1の領域は、前記電荷蓄積部と実質的に同じ不純物濃度を有する固体撮像装置。
【請求項6】
請求項1から5いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記障壁部に接して設けられた電荷読出部と、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記電荷読出部に接して設けられた電荷転送部と、
前記電荷読出部に設けられた読出電極と、
をさらに含み、
前記障壁部は、前記読出電極に入力される信号のレベルに応じて、前記電荷蓄積部から転送された電荷を一時的に保持可能に構成された電荷保持部であって、
前記埋込領域の表面部は、前記電荷蓄積部、前記障壁部、前記電荷読出部および前記電荷転送部が形成された領域にわたって前記第1導電型を有する固体撮像装置。
【請求項7】
請求項1から6いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記光電変換部は、前記第1導電型の第1不純物層と、前記第1不純物層上に形成されるとともに前記埋込領域の表面部に形成され、前記第1導電型とは異なる第2の導電型の第2不純物層とを含む固体撮像装置。
【請求項8】
請求項1から7いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記障壁部に設けられた第2の電極を含む固体撮像装置。
【請求項9】
請求項8に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部および前記障壁部は、前記第1の電極および前記第2の電極にそれぞれ入力される信号に基づき、互いの相対的なポテンシャルの深さが切り替えられる構成とされた固体撮像装置。
【請求項10】
請求項8または9に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部は、前記第2の電極に入力される信号よりもハイレベルの信号を前記第1の電極に入力することにより前記電荷を蓄積する第1の状態と、前記第2の電極に入力される信号よりもロウレベルの信号を前記第1の電極に入力することにより蓄積した前記電荷を前記障壁部に転送させる第2の状態と、に切り替え可能とされた固体撮像装置。
【請求項11】
請求項1から10いずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第1の電極にハイレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積する工程と、
前記第1の電極にロウレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記障壁部に転送する工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。
【請求項12】
請求項8から10いずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法において、
前記第1の電極にハイレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積する工程と、
前記第1の電極にロウレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記障壁部に転送する工程と、
を含み、
前記電荷を蓄積する工程および前記電荷を転送する工程において、前記第2の電極に、前記ハイレベルの信号と前記ロウレベルの信号の信号値の間の定電位を付与する固体撮像装置の駆動方法。
【請求項13】
請求項8から10いずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法において、
前記第1の電極にハイレベルの信号を入力するとともに前記第2の電極にロウレベルの信号を入力して前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積する工程と、
前記第1の電極にロウレベルの信号を入力するとともに前記第2の電極にハイレベルの信号を入力して前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記障壁部に転送する工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、半導体基板内に形成され、入射光に応じて信号電荷を発生する光電変換部と、半導体基板内に光電変換領域に隣接して設けられ、信号電荷を一時的に蓄積しておく電荷蓄積部と、該電荷蓄積部からの信号電荷を受け、これを転送するトランスファーゲート部と、CCDとを含む固体撮像装置が開示されている。
【0003】
図6に、特許文献1に記載された固体撮像装置の断面図を示す。ここで、光電変換部、電荷蓄積部17、トランスファーゲート部18およびCCDにわたってN型領域12が共通に形成されている。電荷蓄積部17の基板表面には、光電変換部上の表面P型領域(4)に接続して、その領域より浅いところにpn接合を有するP型領域14が形成されている。また、トランスファーゲート8の下の基板表面にP型領域15が形成されている。このように、電荷蓄積部17の方が光電変換部よりもN型領域が厚く形成されているので、電荷蓄積部17の電位井戸の深さが深くなっている。
【0004】
図7に、特許文献2に記載された固体撮像装置の断面図を示す。
この固体撮像装置は、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する不純物拡散領域1002(光電変換部)と、該不純物拡散領域1002に蓄積された信号電荷が読み出される読み出し領域1007と、不純物拡散領域1002に蓄積された信号電荷の読み出し領域への読み出しを制御する電荷読み出しゲート1008とを含む。ここで、不純物拡散領域1002と電荷読み出しゲート1008との間に、不純物拡散領域1002よりもポテンシャルが低く設定され、蓄積期間中に信号電荷が不純物拡散領域1002から流入して蓄積される高濃度不純物拡散領域1009が形成されている。また、高濃度不純物拡散領域1009の上に蓄積用ゲート電極1011が形成されている。
【0005】
このように構成された固体撮像装置において、信号電荷は以下のように読み出される。まず、信号電荷の蓄積期間中、蓄積用ゲート電極1011および読み出し用ゲート電極1003はロウ(low)とされる。このとき、信号電荷は高濃度不純物拡散領域1009に蓄積される。つづいて、読み出し用ゲート電極1003のみをハイ(high)にすると、高濃度不純物拡散領域1009に蓄積された信号電荷は電荷読み出しゲート1008に流入する。この後、蓄積用ゲート電極1011に負の電圧を印加すると、高濃度不純物拡散領域1009に蓄積された信号電荷が高速に電荷読み出しゲート1008に流入する。
【特許文献1】特開平2−50480号公報
【特許文献2】特開平6−236987号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献2に記載の固体撮像装置は、高濃度不純物拡散領域1009と読み出し領域1007との間の半導体基板1001表面部により電荷読み出しゲート1008が構成されている。このような構成においては、高濃度不純物拡散領域1009に蓄積された電荷を読み出し領域1007に読み出す際に、半導体基板表面の表面チャネルにより電荷が転送される。そのため、高濃度不純物拡散領域1009に蓄積された電荷を読み出し領域1007に読み出すために、読み出し用ゲート電極1003に高電圧を印加しないと、電荷読み出しゲート1008のポテンシャルが深くならない。とくに、高濃度不純物拡散領域1009と電荷読み出しゲート1008との界面でポテンシャルが高くなり、転送効率が劣化する。
【0007】
同様に、特許文献1に記載の固体撮像装置は、トランスファーゲート部18が光電変換部や電荷蓄積部の導電型(N型)と異なるP型領域15により構成されている。そのため、この構成においても、電荷蓄積部17から電荷を読み出す場合、トランスファーゲート8に高電圧を印加しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板内の表面部に設けられた第1導電型の埋込領域と、
前記埋込領域内に形成された光電変換部と、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記光電変換部に接して設けられ、前記光電変換部で発生した電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、
前記埋込領域内に形成されるとともに前記電荷蓄積部に接して設けられ、前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる障壁部と、
前記電荷蓄積部に設けられた第1の電極と、
を含み、
前記埋込領域の表面部は、前記電荷蓄積部および前記障壁部が形成された領域において前記第1導電型を有する固体撮像装置が提供される。
【0009】
このような構成とすることにより、光電変換部で発生した電荷を転送する際に、埋込チャネルにより、同じ導電型の領域内を電荷が転送されるため、低電圧で電荷の蓄積および転送を制御することができる。
【0010】
本発明によれば、
上記固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第1の電極にハイレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に前記電荷を蓄積する工程と、
前記第1の電極にロウレベルの信号を入力して、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記障壁部に転送する工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法が提供される。
【0011】
このような構成とすることにより、電荷蓄積部に電荷を蓄積する際に、光電変換部に対する電荷蓄積部の相対的なポテンシャルを深くしているので、光電変換部で発生した電荷を電荷蓄積部に効率よく転送することができる。これにより、光電変換部の残像を低減することができる。
【0012】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、低電圧で電荷の蓄積および転送を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。以下の実施の形態において、第1導電型がN型である場合を例として説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
本実施の形態における固体撮像装置100は、たとえばスキャナーやMFP(Multi Function Peripheral:複合機)で使用されるCIS(Contact Image Sensor:コンタクトイメージセンサ)等の密着型センサに適用することができる。
【0016】
固体撮像装置100は、光電変換部150、光電変換部150で発生した電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部152、電荷蓄積部152から転送される電荷を一時的に保持する電荷保持領域154(障壁部)、電荷読出部156および電荷転送部158を含む。
【0017】
固体撮像装置100は、N型半導体基板102と、N型半導体基板102内に形成されたPウェル104と、Pウェル104内の表面部に形成されたN型埋込領域106とを含む。本実施の形態において、光電変換部150、電荷蓄積部152、電荷保持領域154、電荷読出部156および電荷転送部158は、N型埋込領域106内に形成される。電荷蓄積部152、電荷保持領域154、電荷読出部156および電荷転送部158の表面部は、すべてN型不純物層とされる。
【0018】
光電変換部150は、N型埋込領域106内に形成された第1のN型不純物層112およびその上に形成された第2のP型不純物層114を含む。第1のN型不純物層112は、N型埋込領域106よりもキャリア濃度の高いN不純物拡散領域である。第1のP型不純物層110は、Pウェル104よりもキャリア濃度が高いP不純物拡散領域である。このように、第1のN型不純物層112の上に第2のP型不純物層114を形成することにより、光電変換部150におけるシリコン−酸化膜界面の界面順位からのリーク電流が第1のN型不純物層112に流れ込むのを防ぐことができる。
【0019】
また、固体撮像装置100は、N型埋込領域106内に形成されるとともに、光電変換部150に接して設けられた第2のN型不純物層116を含む。本実施の形態において、電荷蓄積部152は、第2のN型不純物層116の一部により構成される。第2のN型不純物層116は、N型埋込領域106よりもキャリア濃度が低いN不純物拡散領域である。
【0020】
本実施の形態において、光電変換部150および電荷蓄積部152がN型埋込領域106内に形成されている。また、第1のN型不純物層112と同じ導電型の第2のN型不純物層116が光電変換部150に接して設けられている。そのため、光電変換部150で発生した電荷が埋込チャネルにより電荷蓄積部152に転送され、低電圧で転送を行うことができる。これにより、低電圧で、光電変換部150の残像を低減することができ、ほとんどなくすことができる。
【0021】
固体撮像装置100は、N型埋込領域106内に形成されるとともに、第2のN型不純物層116から離隔して設けられた第3のN型不純物層118を含む。本実施の形態において、電荷保持領域154は、第2のN型不純物層116の残りの一部および第2のN型不純物層116と第3のN型不純物層118との間の領域(N型埋込領域106)とにより構成される。つまり、電荷保持領域154は、電荷蓄積部152に接して設けられた第1の領域154a(第2のN型不純物層116)と、第2のN型不純物層116よりもポテンシャルの深い第2の領域154b(N型埋込領域106)とを含む。これにより、電荷保持領域154に転送された電荷を電荷転送部158の方向に転送することができる。
【0022】
第3のN型不純物層118は、電荷読出部156の一部を構成するように形成される。本実施の形態において、電荷読出部156は、第3のN型不純物層118およびN型埋込領域106の一部により構成される。第3のN型不純物層118は、N型埋込領域106よりもキャリア濃度が低いN不純物拡散領域である。電荷読出部156の第3のN型不純物層118は、電荷保持領域154の第2の領域154bよりもポテンシャルが浅くなる。そのため、電荷読出用電極126に入力する信号のレベルを調整することにより、電荷保持領域154に電荷を保持させたり、電荷保持領域154から電荷を読み出したりすることができる。
【0023】
電荷転送部158は、N型埋込領域106の一部により構成される。
【0024】
また、固体撮像装置100は、Pウェル104内に形成されるとともに、光電変換部150に接して設けられた第1のP型不純物層110と、その上に形成された電極130とを含む。第1のP型不純物層110は、チャネルストップ領域として機能する。
【0025】
固体撮像装置100は、電荷蓄積部152に設けられた電荷蓄積用電極120(第1の電極)、電荷保持領域154に設けられた第1の電荷保持用電極122(第2の電極)および第2の電荷保持用電極124(第2の電極)、電荷読出部156に設けられた電荷読出用電極126(第3の電極)および電荷転送部158に設けられた電荷転送用電極128をさらに含む。ここで、電荷蓄積用電極120および第1の電荷保持用電極122は、分離した構成となっているが、これらは一体に形成することもできる。なお、図示していないが、各電極と半導体基板表面との間には、ゲート絶縁膜が形成されている。
【0026】
本実施の形態において、電荷蓄積用電極120には、第1クロック信号φTG1が入力される。第1クロック信号φTG1のハイレベルは3.3V、ロウレベルは0Vである。電荷読出用電極126には、第2クロック信号φTG2が入力される。第2クロック信号φTG2のハイレベルは3.3V、ロウレベルは0Vである。電荷転送用電極128には、第3クロック信号φ1が入力される。第3クロック信号φ1のハイレベルは3.3V、ロウレベルは0Vである。
【0027】
本実施の形態において、電荷蓄積部152は、第1の電荷保持用電極122(および第2の電荷保持用電極124)に入力される信号よりもハイレベルの信号を電荷蓄積用電極120に入力することにより電荷を蓄積する第1の状態と第1の電荷保持用電極122(および第2の電荷保持用電極124)に入力される信号よりもロウレベルの信号を電荷蓄積用電極120に入力することにより蓄積した電荷を電荷保持領域154に転送させる第2の状態と、に切り替え可能に構成される。本実施の形態において、固体撮像装置100は、電荷蓄積用電極120にハイレベルの第1クロック信号φTG1を入力して電荷蓄積部152に電荷を蓄積する工程と、電荷蓄積用電極120にロウレベルの第1クロック信号φTG1を入力して電荷蓄積部152に蓄積された電荷を電荷保持領域154に転送する工程とにより駆動される。この電荷を蓄積する工程および電荷を転送する工程において、第1の電荷保持用電極122および第2の電荷保持用電極124に、電荷蓄積用電極120に入力するハイレベルの信号とロウレベルの信号の信号値の間の定電位を付与しておくことができる。第1の電荷保持用電極122および第2の電荷保持用電極124は、電気的に接続されており、これらには定電位信号MEM1が入力される。定電位信号MEM1は、1Vとすることができる。
【0028】
本実施の形態において、電荷保持領域154の第1の領域154aと電荷蓄積部152は、第2のN型不純物層116により構成されており、実質的に同じ不純物濃度(キャリア濃度)を有する。このような構成とすることにより、電荷蓄積用電極120および第1の電荷保持用電極122に信号が入力されていない状態において、これらのポテンシャルが実質的に同じになる。そのため、電荷蓄積用電極120に入力する信号のレベルの高低幅を大きくしなくても、電荷蓄積部152と電荷保持領域154との間の相対的なポテンシャルの深さを切り替えることができる。これにより、電荷蓄積用電極120に入力される第1クロック信号φTG1のハイレベルとロウレベルの電位差を3V程度としても、電荷蓄積部152への電荷の蓄積および電荷蓄積部152からの電荷の読み出しを制御よく行うことができる。
【0029】
図2は、以上のように構成された固体撮像装置100のポテンシャルを示す図である。本図において、下にいくほどポテンシャルが低く(深く)なっている。また、電荷はポテンシャルの低い方(深い方)に移動する。本実施の形態において、電荷蓄積部152は、電荷蓄積用電極120に入力される信号に基づき、電荷保持領域154に対する相対的なポテンシャルの深さ(高低)が切り替えられる構成とされる。
【0030】
電荷蓄積部152に電荷を蓄積する際には、電荷蓄積用電極120に入力される第1クロック信号φTG1をハイレベル(3.3V)にする。また、第1の電荷保持用電極122および第2の電荷保持用電極124には定電位信号MEM1(1V)が入力される。このとき、電荷蓄積用電極120に第1の電荷保持用電極122よりも高い電圧が印加されるため、電荷蓄積部152のポテンシャルが電荷保持領域154のポテンシャルより深くなる。これにより、電荷蓄積部152に電荷が蓄積される。
【0031】
つづいて、電荷蓄積用電極120に入力される第1クロック信号φTG1をロウレベル(0V)とするとともに電荷読出用電極126に入力される第2クロック信号φTG2をロウレベル(0V)にする。第1の電荷保持用電極122および第2の電荷保持用電極124には、1Vの定電位信号MEM1が入力されたままである。これにより、電荷蓄積用電極120に第1の電荷保持用電極122よりも低い電圧が印加されるため、電荷蓄積部152のポテンシャルが電荷保持領域154のポテンシャルより浅くなる。また、電荷読出部156のポテンシャルは電荷保持領域154のポテンシャルより浅くなる。これにより、電荷蓄積部152に蓄積されていた電荷が電荷保持領域154に転送され、電荷保持領域154に保持される。
【0032】
その後、電荷読出用電極126に入力される第2クロック信号φTG2と電荷転送用電極128に入力されるφ1をハイレベル(3.3V)にする。これにより、電荷保持領域154に保持されていた電荷が電荷読出部156に転送され、次いで第2クロック信号φTG2をロウレベル(0V)にすることにより電荷転送部158に転送される。
【0033】
本実施の形態における固体撮像装置100は、電荷蓄積部152に電荷を蓄積する際に、電荷蓄積部152のポテンシャルが深くなるように構成されている。そのため、光電変換部150で発生した電荷を効率よく電荷蓄積部152に転送して蓄積することができる。これにより、光電変換部150の残像を低減することができ、ほとんどなくすことができる。
【0034】
次に、図1に示した構成の固体撮像装置100の製造手順を説明する。
まず、N型基板102の表面にボロン注入(たとえばドーズ量1.0×1012〜5.0×1012cm−2)により、Pウェル104を選択形成する。つづいて、光電変換部150、電荷蓄積部152、電荷保持領域154、電荷読出部156および電荷転送部158が形成される領域に、リン注入(たとえばドーズ量1.0×1012〜5.0×1012cm−2)により、N型埋込領域106を形成する。次いで、N型埋込領域106の光電変換部150を形成する領域の隣に、ボロン注入(たとえばドーズ量1.0×10〜5.0×1013cm−2)により、第1のP型不純物層110を形成する。
【0035】
その後、光電変換部150および電荷蓄積部152を形成する領域および電荷保持領域154の一部にボロン注入(たとえばドーズ量1.0×1011〜1.0×1012cm−2)により、N型不純物層を形成する。これにより、第2のN型不純物層116が形成される。
【0036】
つづいて、N型基板102表面全面にゲート絶縁膜(不図示)を形成する。次いで、ゲート絶縁膜上全面に第1の電極層をたとえばCVD法により形成する。その後、光電変換部150上の第1の電極層を選択的にエッチング除去する。つづいて、第1の電極層をマスクとして、光電変換部150に、リン注入(たとえばドーズ量1.0×1012〜5.0×1012cm−2)およびボロン注入(たとえばドーズ量1.0×1013〜5.0×1013cm−2)により、第1のN型不純物層112および第2のP型不純物層114を形成する。ここで、第2のN型不純物層116は、電荷蓄積用電極120に第1クロック信号φTG1のハイレベルおよびロウレベルのいずれの信号が入力された場合でも、光電変換部150よりもポテンシャルが深くなるように構成することができる。
【0037】
次に、エッチング技術により、第1の電極層9を所定形状にパターニングして、電極120、124、128、および130を形成する。その後、電荷読出部156の一部の領域を開口させたマスクで、ボロン注入(たとえばドーズ量1.0×1011〜1.0×1012cm−2)することにより電荷読出部156に第3のN型不純物層118を形成する。
【0038】
その後、露出しているゲート絶縁膜を除去して、第2のゲート絶縁膜を形成する。つづいて、第2の電極層をたとえばCVD法により形成する。その後、エッチング技術により、第2の電極層を所定形状にパターニングする。その後、N型半導体基板102上全面に層間絶縁膜を形成する。次いで、層間絶縁膜に、各電極と接続するコンタクトホールをそれぞれ形成し、コンタクトホールを金属配線(不図示)で埋め込むことにより、固体撮像装置100が形成される。また、図示していないが、固体撮像装置100の光電変換部150以外の領域は、遮蔽膜で覆われる。
【0039】
以上のように、本実施の形態における固体撮像装置100によれば、光電変換部150で発生した電荷が、N型埋込領域106に形成されたN型不純物層内を転送される。そのため、表面チャネルが形成されることなく、低電圧で電荷の蓄積、保持、転送を制御することができる。
【0040】
図3は、本実施の形態における固体撮像装置100の他の例を示す断面図およびそのポテンシャルを示す図である。図3(a)は固体撮像装置100の断面図、図3(b)は、図3(a)に示した固体撮像装置100のポテンシャルを示す。
【0041】
ここで、電荷蓄積部152の構成が図1に示した固体撮像装置100と異なる。図3(a)に示すように、電荷蓄積部152は、光電変換部150に接して設けられた第4のN型不純物層117をさらに含む。また、電荷蓄積部152において、第4のN型不純物層117上には第1の電荷蓄積用電極120aが、その他の領域上には第2の電荷蓄積用電極120bが設けられる。第1の電荷蓄積用電極120aおよび第2の電荷蓄積用電極120bは、電気的に接続され、これらには第1クロック信号φTG1が入力される。ここで、第1の電荷蓄積用電極120aおよび第2の電荷蓄積用電極120bは、分離した構成となっているが、これらは一体に形成することもできる。第4のN型不純物層117は、N型埋込領域106や第2のN型不純物層116よりもキャリア濃度が低いN型不純物層である。
【0042】
図3(b)に示したように、第4のN型不純物層117は第2のN型不純物層116よりもポテンシャルが浅くなる。そのため、電荷蓄積部152において、ポテンシャル段差が生じた状態とすることができる。これにより、電荷転送部158方向への電荷の移動をスムーズにすることができる。この場合も、図1に示した構成と同様、低電圧で電荷の蓄積、保持、転送を制御することができる。
【0043】
図4は、本実施の形態における固体撮像装置100のまた他の例を示す断面図である。
ここで、光電変換部150の構成が図1に示した固体撮像装置100と異なる。光電変換部150は、電荷蓄積部152と接する領域において、N型半導体基板102表面部に第1のN型不純物層112が露出した構成とされる。これにより、光電変換部150に蓄積された電荷をスムーズに転送することができる。この場合も、図1に示した構成と同様、低電圧で電荷の蓄積、保持、転送を制御することができる。
【0044】
(第2の実施の形態)
図5は、本実施の形態における固体撮像装置の断面図およびそのポテンシャルを示す図である。
本実施の形態において、固体撮像装置100が電荷保持領域154および電荷読出部156を有しない点で、第1の実施の形態の固体撮像装置100と異なる。
【0045】
図5(a)は、固体撮像装置100の断面図を示す。固体撮像装置100は、光電変換部150と、光電変換部150に隣接して設けられた電荷蓄積部162と、電荷蓄積部162に隣接して設けられた電荷転送部168(障壁部)とを含む。電荷蓄積部162には電荷蓄積用電極140が設けられ、電荷転送部168には電荷転送用電極142が設けられる。
【0046】
本実施の形態においても、固体撮像装置100は、N型半導体基板102と、N型半導体基板102内に形成されたPウェル104と、Pウェル104内の表面部に形成されたN型埋込領域106とを含む。本実施の形態において、光電変換部150、電荷蓄積部162および電荷転送部168は、N型埋込領域106内に形成される。電荷蓄積部162および電荷転送部168の表面部は、すべてN型不純物層とされる。
【0047】
電荷転送部168は、N型埋込領域106に形成された第3のN型不純物層118およびN型埋込領域106の一部により構成される。第3のN型不純物層118は、N型埋込領域106よりもキャリア濃度が低いN不純物拡散領域である。電荷蓄積部162は、光電変換部150と第3のN型不純物層118との間のN型埋込領域106により構成される。
【0048】
本実施の形態において、電荷蓄積用電極140には、第1クロック信号φTG1が入力される。第1クロック信号φTG1のハイレベルは3.3V、ロウレベルは0Vである。電荷転送用電極142には、第3クロック信号φ1が入力される。第3クロック信号φ1のハイレベルは3.3V、ロウレベルは0Vである。
【0049】
本実施の形態において、固体撮像装置100は、電荷蓄積用電極140にハイレベルの信号を入力するとともに電荷転送用電極142にロウレベルの信号を入力して電荷蓄積部162に電荷を蓄積する工程と、電荷蓄積用電極140にロウレベルの信号を入力するとともに電荷転送用電極142にハイレベルの信号を入力して電荷蓄積部162に蓄積された電荷を電荷転送部168に転送する工程とにより駆動することができる。
【0050】
図5(b)は、図5(a)に示した固体撮像装置100のポテンシャルを示す図である。
本実施の形態において、電荷蓄積部162および電荷転送部168は、電荷蓄積用電極140および電荷転送用電極142にそれぞれ入力される信号に基づき、互いの相対的なポテンシャルの深さが切り替えられる構成とされる。
【0051】
電荷蓄積部162に電荷を蓄積する際には、電荷蓄積用電極140に入力される第1クロック信号φTG1をハイレベル(3.3V)にする。これにより、電荷蓄積部162に電荷が蓄積される。このとき、電荷転送用電極142には、ハイレベルおよびロウレベルが交互に繰り返すパルス状の第3クロック信号φ1が入力される。本実施の形態において、電荷転送部168には第3のN型不純物層118が設けられており、電荷転送用電極142にハイレベルの信号が入力された場合でも、電荷転送部168の第3のN型不純物層118のポテンシャルは電荷蓄積部162のポテンシャルよりも浅くなる。そのため、電荷蓄積用電極140にハイレベルの第1クロック信号φTG1が入力されている間は、電荷蓄積部162に電荷が蓄積される。
【0052】
つづいて、電荷蓄積用電極140に入力される第1クロック信号φTG1をロウレベル(0V)とする。これにより、電荷蓄積部162のポテンシャルが浅くなる。このとき、電荷転送用電極142に、ハイレベルの第3クロック信号φ1を入力すると、電荷転送部168のポテンシャルが電荷蓄積部162のポテンシャルよりも深くなる。これにより、電荷蓄積部162に蓄積されていた電荷が電荷転送部168に転送される。
【0053】
本実施の形態における固体撮像装置100においても、表面チャネルが形成されることなく、低電圧で電荷の蓄積および転送を制御することができる。
【0054】
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明した。この実施の形態および実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【0055】
第1の実施の形態において、第1の電荷保持用電極122および第2の電荷保持用電極124に定電位を入力する例を示したが、これも制御してもよい。
【0056】
また、以上の実施の形態において、N型半導体基板102にPウェル104を設けた構成を示したが、P型の半導体基板を用い、半導体基板にN型埋込領域を設けた構成とすることもできる。また、以上の実施の形態においては、第1導電型がN型である場合を例として示したが、反対の導電型とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態における固体撮像装置のポテンシャルを示す図である。
【図3】本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す断面図およびポテンシャルを示す図である。
【図4】本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す断面図およびポテンシャルを示す図である。
【図6】従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図7】従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0058】
100 固体撮像装置
102 N型半導体基板
104 Pウェル
106 N型埋込領域
110 第1のP型不純物層
112 第1のN型不純物層
114 第2のP型不純物層
116 第2のN型不純物層
117 第4のN型不純物層
118 第3のN型不純物層
120 電荷蓄積用電極
120a 第1の電荷蓄積用電極
120b 第2の電荷蓄積用電極
122 第1の電荷保持用電極
124 第2の電荷保持用電極
126 電荷読出用電極
128 電荷転送用電極
130 電極
140 電荷蓄積用電極
142 電荷転送用電極
150 光電変換部
152 電荷蓄積部
154 電荷保持領域
156 電荷読出部
158 電荷転送部
162 電荷蓄積用電極
168 電荷転送用電極




 

 


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