(57)【要約】【課題】単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大しながら、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる電荷転送装置を提供することを目的とする。【解決手段】半導体基板表面の少なくともｎ型領域５を高濃度に、且つｎ型領域５、ｐ型領域４ともに浅く形成して単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大した場合であっても、ゲート電極（７〜１０，１７〜２０）をくの字形状に折り曲げることにより、電界強度を局所的に高めることができるため、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる。【選択図】図１
2010182759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷の転送に用いる電荷転送装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板表面に選択的に形成される第１導電型の第１の不純物領域と、
前記第１導電型の第１の不純物領域直下の前記半導体基板中に形成される第２導電型の第１の不純物領域と、
前記第１導電型の第１の不純物領域上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して前記第１導電型の第１の不純物領域上に形成される１または複数のストレージ用ゲート電極と、
前記絶縁膜を介して前記第１導電型の第１の不純物領域上に前記ストレージ用ゲート電極と交互に形成される１または複数のバリア用ゲート電極と、
前記バリア用ゲート電極直下の前記第１導電型の第１の不純物領域表面に形成される１または複数の第２導電型の第２の不純物領域と
を有し、前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極が前記信号電荷の転送方向に突出するように屈曲されており、突出する頂点部分が前記第１導電型の第１の不純物領域の前記転送方向に対する幅における中心線上近傍にあることを特徴とする電荷転送装置。
【請求項２】
前記中心線上近傍以外にも頂点部分があることを特徴とする請求項１記載の電荷転送装置。
【請求項３】
前記第１導電型の第１の不純物領域内部で、前記中心線上近傍の前記半導体基板表面に前記第１導電型の第１の不純物領域の不純物濃度よりも高く、前記バリア用ゲート電極、あるいは前記ストレージバリア用ゲート電極のうち少なくとも１つのゲート直下に、前記転送方向のゲート電極端に一致するか、または前記転送方向に伸延するように前記第１導電型の第３不純物領域が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項４】
前記第１導電型の第１の不純物領域内部で、前記中心線上近傍の前記半導体基板表面に前記第１導電型の第１の不純物領域の不純物濃度よりも高く、前記バリア用ゲート電極、あるいは前記ストレージバリア用ゲート電極の全てのゲート直下に、前記転送方向のゲート電極端に一致するか、または前記転送方向に伸延するように前記第１導電型の第３不純物領域が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項５】
前記第１導電型の第３の不純物領域の平面形状が前記中心線上近傍の前記頂点部分が１つの頂点と一致する三角形であることを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項６】
前記前記ストレージ用ゲート電極と前記バリア用ゲート電極を２相、３相、あるいは４相で駆動することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項７】
光電変換素子で変換された信号電荷を垂直転送および水平転送して電子−電圧変換部に読み出す固体撮像装置の水平転送装置として用いることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項８】
前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極を前記電子−電圧変換部の直前まで形成することを特徴とする請求項７記載の電荷転送装置。
【請求項９】
前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極のいずれかが、屈曲を開始する位置の少なくとも一つが前記水平転送装置の端に等しいか、前記水平転送装置の内側に形成されることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の電荷転送装置。
【請求項１０】
前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極の屈曲を開始する位置全てが、前記水平転送装置の端に等しいか、前記水平転送装置の内側に形成されることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の電荷転送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号電荷を複数相駆動により転送する電荷転送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
民生用や業務用でのビデオカメラのフルＨＤ化（１９２０Ｈ）や、デジタルスチルカメラに用いられるＣＣＤ固体撮像素子の１０００万画素クラス以上の高解像度化に対応するカメラの小型化、高画素化に伴い、単位面積当たりの取り扱い電子数を向上させながら、画素セルを縮小するセル微細化の進展が著しい。加えて、これらＣＣＤでは、動画での撮像が必須機能であったり、連写での撮像枚数の要望が高まっているために、水平ＣＣＤ駆動周波数を５０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚにするという高速化との両立を図らなければ商品として成り立たなくなっている。単位面積当たりの取り扱い電子数の向上を図りながら、画素セルの微細化を実現するには、ＣＣＤチャネルを形成するｎ、ｐ型拡散層をシャロー化、高濃度化して形成する事が有効である。
【０００３】
しかしながら、この技術では、高濃度で且つシャローとなるようにＣＣＤチャネルを形成するために、転送時にはポテンシャル変化が局所的にしか起こらず、チャネル全体での転送電界が低下して、ますます水平ＣＣＤでの転送劣化が顕著になる。
【０００４】
また、垂直ＣＣＤは−７．０Ｖ／０．０Ｖの駆動電圧差で信号を転送するが、水平ＣＣＤは３．０Ｖ以下／０．０Ｖの駆動電圧差で転送しなければならないので、水平ＣＣＤチャネルの幅は大凡２０μｍ以上必要になる。そのため、転送ゲート下に蓄積される信号電子は水平ＣＣＤチャネル幅一杯に広がって分布するので、広範囲に渡って水平ＣＣＤチャネルの不純物濃度、ゲート絶縁膜厚、ゲート間ギャップを均一に維持しなければ水平ＣＣＤでの転送劣化を引き起こすことになる。特に、この現象は低照度時での信号電子が少ない場合の転送で顕著に発生する。
【０００５】
そこで、今後のセル微細化と水平高速駆動との両立を図っていくために、水平ＣＣＤにおいて新規にウェル構造やレイアウトを導入する必要がある。
以下、図９，図１０を用いて、水平転送効率改善を目的とした、従来の固体撮像素子の構造を説明する。
【０００６】
図９は従来の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図、図１０は従来の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図である。ここで、図９においては、透視的に主要構成部についてのみ図示している。
【０００７】
図９，図１０において、ｐ型領域９４、水平ＣＣＤチャネルであるｎ型領域９５の上部にゲート絶縁膜９６を介して、転送用ゲート電極である、ゲート電極１０６、ゲート電極９７、ゲート電極１０７、ゲート電極９８、ゲート電極１０８、ゲート電極９９、ゲート電極１０９、ゲート電極１００、ゲート電極１１０が形成されているのが水平ＣＣＤである。方向１１３は、これら転送ゲート電極を含む信号電子転送方向を示している。ゲート電極９７からゲート電極１００、ゲート電極１０６からゲート電極１１０は信号電子の転送方向１１３に対して斜めの角度で配置されており、隣り合ったゲートとの距離を短くして電子の転送時間を短時間化して転送効率の向上を意図している。
【０００８】
転送方向１１３に平行な断面である図１０を用いて構成を詳細に説明する。
図１０において、半導体基板９１内に形成されたｐ型ウェル９２の半導体基板９１の表面側にｐ型領域９４がｐ型ウェル９２に接して形成されている。半導体基板９１の表面にｎ型領域９５がｐ型領域９４に接して形成されている。ｎ型領域９５、ｐ型領域９４は水平ＣＣＤチャネルでの取り扱い電荷量拡大のために、高濃度で且つ浅く形成されている。ｎ型領域９５を含む半導体基板９１の表面にはゲート絶縁膜９６が形成されている。ゲート絶縁膜９６を介して、転送ゲート電極９７、ゲート電極９８、ゲート電極９９、ゲート電極１００がそれぞれ形成されている。これらゲート電極は、水平ＣＣＤで転送時に信号電子を蓄積するストレージゲートである。絶縁膜１１１を介して、ゲート電極９７とゲート電極９８に隣接するように、ゲート絶縁膜９６上にゲート電極１０７が形成されている。絶縁膜１１１を介して、ゲート電極９８とゲート電極９９に隣接するように、ゲート絶縁膜９６上にゲート電極１０８が形成されている。絶縁膜１１１を介して、ゲート電極９９とゲート電極１００に隣接するように、ゲート絶縁９６膜上にゲート電極１０９が形成されている。絶縁膜１１１を介して、ゲート電極１０９と接していない方のゲート電極１００の端に接するようにゲート絶縁膜９６上にゲート電極１１０が形成されている。絶縁膜１１１を介して、ゲート電極１０７と接していない方のゲート電極９７の端に接するようにゲート絶縁膜９６上にゲート電極１０６が形成されている。ｎ型領域９５の内部で、ゲート電極１０６の直下にｐ型領域１０１が、ゲート電極１０７の直下にｐ型領域１０２が、ゲート電極１０８の直下にｐ型領域１０３が、ゲート電極１０９の直下にｐ型領域１０４が、ゲート電極１１０の直下にｐ型領域１０５が、それぞれ半導体基板９１の表面に形成されている。ｐ型領域１０１からｐ型領域１０５は、水平ＣＣＤを２相のパルスで駆動して信号転送行う時に、信号電子の逆流を抑制し、且つ転送を促進するバリアとして機能する。水平ＣＣＤは、ｎ型領域９５、ｐ型領域９４、ｐ型領域１０１、ｐ型領域１０２、ｐ型領域１０３、ｐ型領域１０４、ｐ型領域１０５で構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−１６２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の構成では、ゲート電極を斜めに配置して、隣合うゲート電極間の垂直距離を短くしても、実行的な転送長を短く出来ない。その理由は、例えばゲート電極９８直下からゲート電極９９直下に信号を転送する時、水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域９５の空乏化ポテンシャルは、水平ＣＣＤチャネル周辺部が低く中央部が高くなり、転送方向１１３に沿ったチャネル中央部を通るように転送電界が形成されるので、ゲート電極を斜めに配置しても実行転送長は以前と変わらず元のまま長く、転送効率は改善できない。また、斜め方向の転送電界成分は強くなるが、図９の上から下に向かう方向に形成されるので、さらに実効転送長が長くなる方向であり、転送効率改善することはない。加えて、ゲート電極を斜めに配置することにより、転送方向と平行でないゲート電極の周辺長は長くなってしまうので、不純物濃度、ゲート絶縁膜厚、ゲート間ギャップ等のプロセス変動によって、ゲート間の信号転送が影響を受けやすくなり、転送効率劣化を引き起こしてしまう。以上のように、単位面積当たりの取り扱い電子数を向上し、拡散層のシャロー化や高濃度化による転送電界の低下を抑制できたとしても、プロセス変動の影響により転送効率を劣化させる場合があると言う問題点があった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大しながら、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる電荷転送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の電荷転送装置は、信号電荷の転送に用いる電荷転送装置であって、半導体基板と、前記半導体基板表面に選択的に形成される第１導電型の第１の不純物領域と、前記第１導電型の第１の不純物領域直下の前記半導体基板中に形成される第２導電型の第１の不純物領域と、前記第１導電型の第１の不純物領域上に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第１導電型の第１の不純物領域上に形成される１または複数のストレージ用ゲート電極と、前記絶縁膜を介して前記第１導電型の第１の不純物領域上に前記ストレージ用ゲート電極と交互に形成される１または複数のバリア用ゲート電極と、前記バリア用ゲート電極直下の前記第１導電型の第１の不純物領域表面に形成される１または複数の第２導電型の第２の不純物領域とを有し、前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極が前記信号電荷の転送方向に突出するように屈曲されており、突出する頂点部分が前記第１導電型の第１の不純物領域の前記転送方向に対する幅における中心線上近傍にあることを特徴とする。
【００１２】
また、前記中心線上近傍以外にも頂点部分があることを特徴とする。
また、前記第１導電型の第１の不純物領域内部で、前記中心線上近傍の前記半導体基板表面に前記第１導電型の第１の不純物領域の不純物濃度よりも高く、前記バリア用ゲート電極、あるいは前記ストレージバリア用ゲート電極のうち少なくとも１つのゲート直下に、前記転送方向のゲート電極端に一致するか、または前記転送方向に伸延するように前記第１導電型の第３不純物領域が形成されることを特徴とする。
【００１３】
また、前記第１導電型の第１の不純物領域内部で、前記中心線上近傍の前記半導体基板表面に前記第１導電型の第１の不純物領域の不純物濃度よりも高く、前記バリア用ゲート電極、あるいは前記ストレージバリア用ゲート電極の全てのゲート直下に、前記転送方向のゲート電極端に一致するか、または前記転送方向に伸延するように前記第１導電型の第３不純物領域が形成されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第１導電型の第３の不純物領域の平面形状が前記中心線上近傍の前記頂点部分が１つの頂点と一致する三角形であることを特徴とする。
また、前記前記ストレージ用ゲート電極と前記バリア用ゲート電極を２相、３相、あるいは４相で駆動することを特徴とする。
【００１５】
また、光電変換素子で変換された信号電荷を垂直転送および水平転送して電子−電圧変換部に読み出す固体撮像装置の水平転送装置として用いることを特徴とする。
また、前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極を前記電子−電圧変換部の直前まで形成することを特徴とする。
【００１６】
また、前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極のいずれかが、屈曲を開始する位置の少なくとも一つが前記水平転送装置の端に等しいか、前記水平転送装置の内側に形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、前記ストレージ用ゲート電極および前記バリア用ゲート電極の屈曲を開始する位置全てが、前記水平転送装置の端に等しいか、前記水平転送装置の内側に形成されることを特徴とする。
【００１８】
以上により、単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大しながら、転送効率を向上させ、高速駆動を実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の電荷転送装置は、半導体基板表面の少なくともｎ型領域を高濃度に、且つｎ型領域、ｐ型領域ともに浅く形成して単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大した場合であっても、ゲート電極をくの字形状に折り曲げることにより、電界強度を局所的に高めることができるため、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施の形態１）
まず、図１〜図４を用いて実施の形態１における電荷転送装置の例として、固体撮像素子における水平電荷転送構造について説明する。
【００２１】
図１に実施の形態１の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図を示す。また、図２は実施の形態１の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図であり、水平ＣＣＤでの信号電子転送方向２４に平行な方向の断面である。ここで、図１においては、透視的に主要構成部についてのみ図示している。図１，図２を用いて構成を説明する。
【００２２】
図１，図２において、ｐ型領域４、水平ＣＣＤチャネルであるｎ型領域５の上部にゲート絶縁膜６を介して、転送用ゲート電極である、ゲート電極１６、ゲート電極７、ゲート電極１７、ゲート電極８、ゲート電極１８、ゲート電極９、ゲート電極１９、ゲート電極１０、ゲート電極２０が形成されているのが水平ＣＣＤである。方向２４は、これら転送ゲート電極を含む信号電子転送方向を示し、信号電子はゲート電極１６からゲート電極２０の方向に転送される。ゲート電極７からゲート電極１０、ゲート電極１６からゲート電極２０までに渡る水平転送ゲート電極は、信号電子の転送方向２４に対して水平ＣＣＤチャネルの中央にある領域は転送側に、水平ＣＣＤチャネルの端にある領域を転送側と反対側にくるようなくの字形状とし、そのくの字に曲がる頂点位置を水平ＣＣＤチャネルの転送方向に平行な中心線上付近に配置する。これにより、信号電子を水平転送チャネルの中央部に集めることができ、且つ水平転送チャネルの中央部の電界強度を局所的に高めることができるので転送効率の向上を実現し、高速駆動を可能とする。
【００２３】
転送方向２４に平行な断面である図２を用いて構成を詳細に説明する。
図２において、ｎ型の半導体基板１の上に低濃度のｐ型ウェル２が形成されている。ｐ型ウェル２は、半導体基板１からの電子の逆流を抑制するために、不純物は約１×１０１４ｃｍ−３以上の濃度に設定されている。この濃度に設定することで、例えば、電源電圧１５Ｖ、または１２Ｖを印可しても半導体基板１からの電子の逆流を起こすことがない。また、ｐ型ウェル２の半導体基板１のＳｉ表面側にｐ型領域４がｐ型ウェル２に接して選択的に形成されており、ｐ型領域４の半導体基板１の表面側にｎ型領域５がｐ型領域４に接して形成されている。ｎ型領域５、ｐ型領域４は水平ＣＣＤでの取り扱い電子数を拡大するために、少なくともｎ型領域５は高濃度に、且つｎ型領域５、ｐ型領域４ともに浅く形成されている。これにより、水平ＣＣＤチャネル内での空乏化時のポテンシャルを低く抑えながら、単位面積当たりの蓄積できる電子数を増大させて、取り扱い電荷量を拡大できる。ｎ型領域５の半導体基板１の表面にはゲート絶縁膜６が形成されている。ゲート絶縁膜６を介して、ゲート電極７、ゲート電極８、ゲート電極９、ゲート電極１０がそれぞれ形成されている。これらゲート電極は、水平ＣＣＤで転送時に信号電子を蓄積するストレージゲートである。絶縁膜２１を介して、ゲート電極７とゲート電極８に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極１７が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極８とゲート電極９に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極１８が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極９とゲート電極１０に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極１９が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極１９と接していない方のゲート電極１０の端に接するようにゲート絶縁膜６上にゲート電極２０が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極１７と接していない方のゲート電極７の端に接するようにゲート絶縁膜６上にゲート電極１６が形成されている。ゲート電極１６、ゲート電極１７、ゲート電極１８、ゲート電極１９、ゲート電極２０はバリア電極として機能する。絶縁膜２１に接して上部に層間絶縁膜２２が形成されている。ｎ型領域５の内部で、ゲート電極１６の直下にｐ型領域１１が、ゲート電極１７の直下にｐ型領域１２が、ゲート電極１８の直下にｐ型領域１３が、ゲート電極１９の直下にｐ型領域１４が、ゲート電極２０の直下にｐ型領域１５が、それぞれ半導体基板１の表面に形成されている。ｐ型領域１１からｐ型領域１５は、水平ＣＣＤを２相のパルスで駆動して信号転送行う時に、信号電子の逆流を抑制し、且つ転送を促進するバリアとして機能する。水平ＣＣＤは、ｎ型領域５、ｐ型領域４、ｐ型領域１１、ｐ型領域１２、ｐ型領域１３、ｐ型領域１４、ｐ型領域１５で構成されている。
【００２４】
以上のようにして、少なくともｎ型領域５は高濃度に、且つｎ型領域５、ｐ型領域４ともに浅く形成して単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大した場合であっても、ゲート電極をくの字形状に折り曲げることにより、電界強度を局所的に高めることができるため、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる電荷転送装置が作製できる。
【００２５】
次に、図３、図４を用いて、水平ＣＣＤでの取り扱い電荷量拡大を図りながら、転送効率向上できるメカニズムについて説明する。
図３は実施の形態１の電荷転送装置における転送電界が発生する様子を説明する図であり、本発明の実施の形態１での電荷転送装置の水平ＣＣＤにおいて、水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域５にある信号電子をゲート電極８直下からゲート電極９直下に送る信号転送シミュレーションを実施した結果である。図３中での等高線はポテンシャルを示しており、密になっている所は転送電界が強くなっていることを示す。図３では、２つのゲート電極を組とし、ひとつおきのゲートの組を同じ組として交互に電圧がＨレベル（例えば、３．０Ｖ）、Ｌレベル（例えば、０．０Ｖ）となるようなパルスを使って、水平転送ゲートの組を２相で駆動している。所謂、水平２相駆動の例で示している。図４は実施の形態１の電荷転送装置におけるポテンシャル分布を示す図であり、図３でのシミュレーション結果において、水平転送方向２４に沿って信号電子転送時に形成されるポテンシャル分布を示す。実線４０は本発明の実施の形態１、点線１３０は従来例でのポテンシャル分布である。
【００２６】
図３では、ゲート電極８、ゲート電極１７、ゲート電極１０、ゲート電極１９に０．０Ｖを印加し、ゲート電極９、ゲート電極１８に３．０Ｖを印加している。これにより、方向２４に沿って転送電界が形成され、ゲート電極８直下に蓄積されていた信号電子３０は、ゲート電極８からゲート電極１８を通りゲート電極９の信号電子３２の所へ転送される。ゲート電極１８直下の信号電子３１がゲート電極９直下の信号電子３２へ転送される場合、ゲート電極１８下にはゲート電極９へ転送を促進するためにｐ型領域１３を形成しているので、転送電界３３が形成される。
【００２７】
さらに、ゲート電極９、ゲート電極１８は、転送方向２４に対して頂点が突出するようなくの字形状として、頂点が水平ＣＣＤチャネルの中央部付近に配置されているので、水平ＣＣＤチャネル端から中央に向かって電界３４、電界３５が形成できる。これら電界が互いに強め合うことで、ゲート電極９とゲート電極１８の間で転送方向２４に向かって転送電界３３に加えて、新たな転送電界３６を局所的に生み出すことができる。ゲート電極９とゲート電極１８の間となる図４の領域４３で、従来例でのポテンシャル分布を示す点線１３０は平坦部が局所的に現れているが、本発明の実施の形態１でのポテンシャル分布を示す実線４０では転送電界３６を発生できるので、ポテンシャルの平坦部が消失し転送電界を強化できる。新たに発生できた転送電界３６は、転送電極をくの字形状にすることで得ることができるので、ゲート電極１８とゲート電極８との間の領域４２、ゲート電極８とゲート電極１７との間の領域４１にも作り出すことができる。そのため、本発明の実施の形態１での実線４０で示されるポテンシャル分布は、領域４１、領域４２において点線１３０で示される従来例のポテンシャル分布で起こる平坦部分を全て消滅できて、なだらかな形状を得ることができ、水平ＣＣＤチャネル全体に渡って転送電界を強化できる。従って、取り扱い電荷量を向上するためにｎ型領域５、ｐ型領域４を高濃度且つシャローに形成しても、転送効率を向上させ高速駆動を実現できる。
【００２８】
なお、信号電子を電子―電圧変換するためのＦＤ部に送り込む水平ＣＣＤ最終段の信号出口部では、幅広い水平ＣＣＤチャネルで転送した信号を信号電荷変換効率を高めるための狭い幅で形成されたＦＤ部に転送残りなく信号を運ぶ必要がある。本発明の実施の形態でのゲート電極７からゲート電極１０、ゲート電極１６からゲート電極２０をくの字形状にする構成を用いれば、水平ＣＣＤ最終段において、チャネルの周辺部から中央部に信号電子を集める事ができ、転送方向の電界を高める事ができるのでＦＤ部への信号転送を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明の実施の形態では、全てのゲート電極をくの字形状に形成した場合を示したが、複数形成されるゲート電極の内の１または複数のゲート電極をくの字形状に形成する構成でも良い。さらに、ゲート電極の中心線上付近の１箇所を転送方向に屈曲させるくの字形状に限らず、ゲート電極の中心線上付近の１箇所を含む複数個所に転送方向に頂点を備える屈曲部を形成してもかまわない。この場合、屈曲部の数は、転送側に形成される屈曲部頂点数をその反対側での頂点数よりも多くする必要があるため、合計頂点数は奇数個となる。また、それぞれの屈曲部は中心線に対して対象の位置にあることが望ましい。
【００３０】
なお、図１での水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域５の図中の上側、または下側に垂直ＣＣＤが形成される。つまり、垂直ＣＣＤでは、転送効率を向上させ且つ、取り扱い電子数を最大化するために、転送長を最も短くし且つゲート面積を最大化しなければならない。そのためには、垂直ＣＣＤの転送ゲート形状は、正方形または垂直ＣＣＤチャネル幅に比例した長方形にしなければならない。これを実現するには、水平ＣＣＤゲート電極での屈曲が始まる位置、つまり転送方向に対する垂線とずれ始める位置を水平ＣＣＤチャネルの端に等しいか、水平ＣＣＤ内部に配置する必要がある。
【００３１】
なお、本発明の実施の形態では、水平２相駆動で説明しているが、転送ゲート電極に屈曲部を形成することで転送電界を強化できる構造であるから、その他の水平駆動形態、例えば、４つおきにゲートの組を作り、４つの位相で駆動する水平４層駆動で実施してもよい。
（実施の形態２）
次に、図５〜図８を用いて実施の形態２における電荷転送装置の例として、固体撮像素子における水平電荷転送構造について説明する。
【００３２】
図５に実施の形態２の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図を示す。また、図６は実施の形態２の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図である。ここで、図５においては、透視的に主要構成部についてのみ図示している。図５、図６を用いて構成を説明する。但し、図１、図２と同じ構成番号は同じものであり、ここでの説明は省略する。
【００３３】
図５において、ｐ型領域４、水平ＣＣＤチャネルであるｎ型領域５の上部にゲート絶縁膜６を介して、転送用ゲート電極である、ゲート電極６７、ゲート電極５０、ゲート電極６８、ゲート電極５１、ゲート電極６９、ゲート電極５２、ゲート電極７０、ゲート電極５３、ゲート電極７１が形成されている所が水平ＣＣＤである。方向７３は、これら転送ゲート電極を含む信号電子転送方向を示している。ゲート電極５０からゲート電極５３、ゲート電極６７からゲート電極７１までに渡る水平転送ゲート電極は、信号電子の転送方向７３に対して水平ＣＣＤチャネルの中央にある領域は転送側に、水平ＣＣＤチャネルの端にある領域を転送側と反対側にくるようなくの字形状とし、そのくの字に曲がる頂点位置を水平ＣＣＤチャネルの転送方向に平行な中心線付近上に配置する。これにより、水平転送チャネルの中央部の電界強度を局所的に高めることができるので転送効率の向上を実現し、高速駆動を可能とする。また、ｎ型領域５４はゲート電極５０の下部で、ｎ型領域５５はゲート電極５１の下部で、ｎ型領域５６はゲート電極５２の下部で、ｎ型領域５７はゲート電極５３の下部で、ｎ型領域５８はゲート電極６７の下部で、ｎ型領域５９はゲート電極６８の下部で、ｎ型領域６０はゲート電極６９の下部で、ｎ型領域６１はゲート電極７０の下部で、それぞれｎ型領域５の内部で水平ＣＣＤチャネル中央部に位置し、くの字になるゲート電極の頂点と一致するように三角形状で形成されている。水平ＣＣＤチャネル中央部にｎ型領域５よりも高濃度となるようにｎ型領域５４、ｎ型領域５５、ｎ型領域５６、ｎ型領域５７、ｎ型領域５８、ｎ型領域５９、ｎ型領域６０、ｎ型領域６１を形成することで、水平ＣＣＤチャネルの中央部に信号電子を集めることができるため、チャネル形成時に発生するゲート酸化膜厚、ゲート長、不純物濃度の局所的なバラツキによる転送残りの影響を受けにくくすることができ、水平転送効率を高めることができる。
【００３４】
転送方向７３に平行な断面である図６を用いて構成を詳細に説明する。
図６において、ｐ型領域４の半導体基板１の表面側にｎ型領域５がｐ型領域４に接して形成されている。ｎ型領域５、ｐ型領域４は水平ＣＣＤでの取り扱い電子数を拡大するために、少なくともｎ型領域５は高濃度に、且つｎ型領域５、ｐ型領域４ともに浅く形成されている。これにより、水平ＣＣＤチャネル内での空乏化時のポテンシャルを低く抑えながら、単位面積当たりの蓄積できる電子数を増大させて、取り扱い電荷量を拡大できる。ｎ型領域５の半導体基板１の表面に形成されたゲート絶縁膜６を介して、ゲート電極５０、ゲート電極５１、ゲート電極５２、ゲート電極５３がそれぞれ形成されている。これらゲート電極は、水平ＣＣＤで転送時に信号電子を蓄積するストレージゲートである。絶縁膜２１を介して、ゲート電極５０とゲート電極５１に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極６８が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極５１とゲート電極５２に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極６９が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極５２とゲート電極５３に隣接するように、ゲート絶縁膜６上にゲート電極７０が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極７０と接していない方のゲート電極５３の端に接するようにゲート絶縁膜６上にゲート電極７１が形成されている。絶縁膜２１を介して、ゲート電極６８と接していない方のゲート電極５０の端に接するようにゲート絶縁膜６上にゲート電極６７が形成されている。ｎ型領域５の内部で、ゲート電極６８と接するゲート電極５０の端を含むようにゲート電極５０の直下にｎ型領域５４が、ゲート電極６９と接するゲート電極５１の端を含むようにゲート電極５１の直下にｎ型領域５５が、ゲート電極７０と接するゲート電極５２の端を含むようにゲート電極５２の直下にｎ型領域５６が、ゲート電極７１とゲート電極５３の接する端を含むようにゲート電極５３の直下にｎ型領域５７が、それぞれ半導体基板１の表面に形成されている。また、ゲート電極５１と接するゲート電極６８の一方の端を含むようにゲート電極６８の直下にｎ型領域５９が形成され、ゲート電極５０と接するゲート電極６８の他方の端を含むようにゲート電極６８の直下にｐ型領域６３がｎ型領域５９とｎ型領域５４を結ぶように、それぞれｎ型領域５の内部で半導体基板１の表面に形成されている。ゲート電極５２と接するゲート電極６９の一方の端を含むようにゲート電極６９の直下にｎ型領域６０が形成され、ゲート電極５１と接するゲート電極６９の他方の端を含むようにゲート電極６９の直下にｐ型領域６４がｎ型領域６０とｎ型領域５５を結ぶように、それぞれｎ型領域５の内部で半導体基板１の表面に形成されている。ゲート電極５３と接するゲート電極７０の一方の端を含むようにゲート電極７０の直下にｎ型領域６１が形成され、ゲート電極５２と接するゲート電極７０の他方の端を含むようにゲート電極７０の直下にｐ型領域６５がｎ型領域６１とｎ型領域５６を結ぶように、それぞれｎ型領域５の内部で半導体基板１の表面に形成されている。ゲート電極５３と接するゲート電極７１の一方の端を含むようにゲート電極７１の直下にｐ型領域６６がｎ型領域６１と接するように、ｎ型領域５の内部で半導体基板１の表面に形成されている。ゲート電極５０と接するゲート電極６７の一方の端を含むようにゲート電極６７の直下にｎ型領域５８が形成され、ゲート電極６７の他方の端を含むようにゲート電極６７の直下にｐ型領域６２がｎ型領域５８と接するように、それぞれｎ型領域５の内部で半導体基板１の表面に形成されている。ｐ型領域６２からｐ型領域６６は、水平ＣＣＤを２相のパルスで駆動して信号転送行う時に、信号電子の逆流を抑制し、且つ転送を促進するバリアとして機能する。ｎ型領域５４からｎ型領域６１は、各々のゲート電極の下部で、転送方向の位置にあるゲート電極の端と一致するか、またはゲート電極よりも転送方向にはみ出すように伸延させて形成することで転送方向での電界強度を高め、且つゲート電極直下で信号電子を転送方向の位置に常に保持することができるので、図５で示す水平ＣＣＤチャネル中央部に形成する効果に加えて、さらに水平転送効率を向上させる機能を有している。従って、ゲート電極よりも転送方向にはみ出して形成した場合、平面形状は任意であるが、転送方向の位置にあるゲート電極の端と一致させるために、上述のように中心線近傍の頂点部分が１つの頂点と一致する三角形状に形成することが好ましい。水平ＣＣＤは、ｎ型領域５、ｎ型領域５４からｎ型領域６１、ｐ型領域４、ｐ型領域６２からｐ型領域６６で構成されている。
【００３５】
以上のようにして、少なくともｎ型領域５は高濃度に、且つｎ型領域５、ｐ型領域４ともに浅く形成して単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大した場合であっても、ゲート電極をくの字形状に折り曲げ、且つ少なくとも一つのゲート電極下部のｎ型領域をくの字形状の電極の頂点と一致させるようにゲート電極の端と一致するか、またはゲート電極よりも伸延させることで電界強度を局所的に高めることができるため、転送効率を向上させ、高速駆動が実現できる電荷転送装置が作製できる。
【００３６】
図７、図８を用いて、水平ＣＣＤでの取り扱い電荷量拡大を図りながら、転送効率向上できるメカニズムについて説明する。
図７は実施の形態２の電荷転送装置における転送電界が発生する様子を説明する図であり、本発明の実施の形態２での電荷転送装置の水平ＣＣＤにおいて、水平ＣＣＤチャネル内を信号電子が転送ゲート電極５１直下から電極５２直下に転送される状況を示す模式図である。図８は実施の形態２の電荷転送装置におけるポテンシャル分布を示す図であり、図７での信号転送時の水平転送方向７３に沿って信号電子転送時に形成されるポテンシャル分布模式図を示す。実線８１は本発明の実施の形態２、点線１３０は従来例でのポテンシャル分布模式図を示す。
【００３７】
図７において、ゲート電極５１直下に蓄積されていた信号電子７４、信号電子７５を、ゲート電極５１からゲート電極６９を通りゲート電極５２直下に転送する場合には、ゲート電極５１、ゲート電極６８、ゲート電極５３、ゲート電極７０に０．０Ｖを印加し、ゲート電極５２、ゲート電極６９、ゲート電極５０、ゲート電極６７、ゲート電極７１に３．０Ｖを印加する。この駆動で、ゲート電極５１からゲート電極６９に向かって転送電界８０が形成される。加えてｎ型領域５５を水平ＣＣＤチャネル中央部に形成することで、水平ＣＣＤチャネルであるｎ型領域５の中央部で且つゲート電極６９と接するゲート電極５１の端部のポテンシャルを局所的に深くすることができ、これによって、ゲート電極５１直下で水平転送チャネル中央部に向かう電界７７、電界７８を形成することができる。これによって水平ＣＣＤ中央部に信号電子を集めることができ、チャネル形成時に発生するゲート酸化膜厚、ゲート長、不純物濃度の局所的なバラツキによる転送残りの影響を受けにくくすることができる。また、電界７７、電界７８が、水平転送方向７３に向かって互いに強め合うことで、新たに転送電界７９を形成できる。さらに、ｎ型領域５５をゲート電極５１のくの字形状の頂点と一致させるように、水平転送方向であるゲート電極５１の端と一致するか、またはゲート電極５１の端よりも伸延するように形成することで、転送方向に発生するポテンシャルディップを抑制するとともに、ゲート電極５１の下部で信号電子７４、信号電子７５を転送方向に近い領域で保持できるので、隣接するゲート電極６９への転送時間を短くできる。これによって、水平転送効率を良好にできる転送電界、転送時間を得ることができる。ゲート電極５１とゲート電極６９の間である図８の領域８３で、従来例での点線１３０で示すポテンシャル分布では平坦部が局所的に現れているが、本発明の実施の形態２での実線８１で示すポテンシャル分布では転送電界７９を発生できるので、ポテンシャルの平坦部が消失し転送電界を強化できる。新たに発生できた転送電界７９は、ｎ型領域５５を水平チャネル中央部に形成することで得ることができるので、ゲート電極５１とゲート電極６８との間の領域８２、ゲート電極５２とゲート電極６９との間の領域８４にも作り出すことができる。そのため、本発明の実施の形態２での実線８１で示すポテンシャル分布は、領域８２、領域８４において従来例の点線１３０で示すポテンシャル分布で起こる平坦部分を全て消滅できて、なだらかな形状を得ることができ、水平ＣＣＤチャネル全体に渡って転送電界を強化できる。従って、取り扱い電荷量を向上するためにｎ型領域５、ｐ型領域６を高濃度且つシャローに形成しても、転送効率を向上させ高速駆動を実現できる。
【００３８】
なお、本発明の実施の形態では、水平２相駆動で説明しているが、水平転送効率を向上させるためにｎ型領域５４からｎ型領域６１を設けることが特徴であり、その他の水平駆動形態、例えば、４つおきにゲートの組を作り、４つの位相で駆動する水平４層駆動で実施してもよい。
【００３９】
また、上記各実施の形態では、ｎ型半導体基板上に電荷転送装置を形成する場合を例に説明したが、ｐ型半導体基板上にも同様に形成することができる。
また、固体撮像装置以外における、電荷転送装置についても用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、単位面積当たりの取り扱い電荷量を拡大しながら、転送効率を向上させ、高速駆動を実現することができ、信号電荷を複数相駆動により転送する電荷転送装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態１の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図
【図２】実施の形態１の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図
【図３】実施の形態１の電荷転送装置における転送電界が発生する様子を説明する図
【図４】実施の形態１の電荷転送装置におけるポテンシャル分布を示す図
【図５】実施の形態２の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図
【図６】実施の形態２の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図
【図７】実施の形態２の電荷転送装置における転送電界が発生する様子を説明する図
【図８】実施の形態２の電荷転送装置におけるポテンシャル分布を示す図
【図９】従来の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す概略平面図
【図１０】従来の固体撮像素子における水平電荷転送構造を示す断面図
【符号の説明】
【００４２】
１    半導体基板
２    ｐ型ウェル
４、１１、１２、１３、１４、１５    ｐ型領域
５    ｎ型領域
６    ゲート絶縁膜
１６、１７、１８、１９、２０    ゲート電極
７、８、９、１０    ゲート電極
２１    絶縁膜
２２    層間絶縁膜
２４    方向
３０、３１、３２    信号電子
３４、３５    電界
３３、３６    転送電界
４０    実線
４１、４２、４３    領域
５０、５１、５２、５３    ゲート電極
６７、６８、６９、７０、７１    ゲート電極
５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０、６１    ｎ型領域
６２、６３、６４、６５、６６    ｐ型領域
７３    方向
７４、７５    信号電子
７７、７８    電界
７９、８０    転送電界
８１    実線
８２、８３、８４    領域
９１    半導体基板
９２    ｐ型ウェル
９４    ｐ型領域
９５    ｎ型領域
９６    ゲート絶縁膜
９７、９８、９９、１００    ゲート電極
１０６、１０７、１０８、１０９、１１０    ゲート電極
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５    ｐ型領域
１１１    絶縁膜
１３０    点線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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