(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを有する光電変換部と、
電荷蓄積部と、
電荷転送部と、
前記光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への信号電荷の移動を制御する第１制御ゲート部と、
前記電荷蓄積部と前記電荷転送部との間に設けられ、前記電荷蓄積部から前記電荷転送部への前記信号電荷の移動を制御する第２制御ゲート部と
を具備し、
前記電荷蓄積部は、
前記第１制御ゲート部に近い位置に形成された第１領域と、
前記第２制御ゲート部に近い位置に形成され、前記第１領域よりもチャネル電位が増加するように構成された第２領域と
を備え、
前記第２領域は、
ピンニング状態で前記信号電荷を保持するように構成されており、
前記第１領域と前記第２領域との各々は基板に設けられ、
前記電荷蓄積部は、さらに、
前記基板の上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して前記第１領域と前記第２領域との上方に設けられた電荷蓄積ゲート電極と
を含み、
前記第１領域は、第１の深さであり、前記第２領域は、前記第１の深さより深い第２の深さであり、
前記第１領域は、
前記絶縁膜と前記第１領域との間の界面において、第１の界面不純物濃度を有し、
前記第２領域は、
前記絶縁膜と前記第２領域との間の界面において、前記第１の界面不純物濃度より薄い第２の界面不純物濃度を有し、
前記電荷蓄積ゲート電極には、
前記第２領域のピンニング開始電圧以下のゲート電圧が印加される
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、
前記第１領域は、
前記界面から第１ピーク濃度深さで最大不純物濃度となる第１の不純物濃度分布を有し、
前記第２領域は、
前記第１ピーク濃度深さよりも深い第２ピーク濃度深さで最大不純物濃度となる第２の不純物濃度分布を有する
固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域は、
第１チャネル長を有し、
前記第２領域は、
前記第１チャネル長と実質的に同一の長さの第２チャネル長を有する
固体撮像装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域のピンニング開始電圧と前記第２領域のピンニング開始電圧とは、実質的に同一であり、
前記第１領域のピンニング電位は、前記第２領域のピンニング電位よりも低い
固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部は、さらに、
前記第２領域と前記第２制御ゲート部との間に第３の深さで形成された第３領域を備え、
前記電荷蓄積ゲート電極は、さらに、
前記絶縁膜を介して前記第３領域の上方に設けられ、
前記第３の深さは、前記第２の深さよりも深く、
前記第３領域は、
前記絶縁膜と前記第３領域との間の界面において、第３の界面不純物濃度を有し、
前記第３の界面不純物濃度は、前記第２の界面不純物濃度よりも薄い
固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像装置において、
前記第３領域は、
前記第２ピーク濃度深さよりも深い第３ピーク濃度深さで最大不純物濃度となる第３の不純物濃度分布を有する
固体撮像装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域のピンニング開始電圧と、前記第２領域のピンニング開始電圧と、前記第３領域のピンニング開始電圧は実質的に同一であり、
前記第１領域のピンニング電位は、前記第２領域のピンニング電位よりも低く、前記第２領域のピンニング電位は、前記第３領域のピンニング電位よりも低い
固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域は、
第１濃度の不純物を含み、
前記第２領域は、
前記第１濃度よりも濃い第２濃度の不純物を含み、
前記電荷蓄積部に設けられた電荷蓄積ゲート電極には、
前記第２領域のピンニング開始電圧以下のゲート電圧が印加される
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、
前記第１領域の第１不純物濃度は、
前記電荷転送部の不純物濃度よりも濃い
固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域のピンニング開始電圧は、前記第２領域のピンニング開始電圧よりも高く、
前記第１領域のピンニング電位は、前記第２領域のピンニング電位よりも低い
固体撮像装置。
【請求項１１】
請求項８から１０の何れか一項に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域は、
第１チャネル長を有し、
前記第２領域は、
前記第１チャネル長と実質的に同一の長さの第２チャネル長を有する
固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項１、８から１１の何れか一項に記載の固体撮像装置において、
前記電荷蓄積部は、さらに、
前記第２領域と前記第２制御ゲート部との間で形成された第３領域を備え、
前記第３領域は、
前記第２領域よりもチャネル電位が増加するように構成され、
前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域は、
ピンニング状態で前記信号電荷を保持するように構成されている
固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域は、
第１チャネル長を有し、
前記第２領域は、
第２チャネル長を有し、
前記第３領域は、
第３チャネル長を有し、
前記第１、第２および第３チャネル長は、実質的に同一であり、
前記電荷蓄積部に設けられた電荷蓄積ゲート電極には、
前記第３領域がピンニングする電圧以下のゲート電圧が印加される
固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の固体撮像装置において、
前記第１領域のピンニング開始電圧は、前記第２領域のピンニング開始電圧よりも高く、
前記第２領域のピンニング開始電圧は、前記第３領域のピンニング開始電圧よりも高く、
前記第１領域のピンニング電位は、前記第２領域のピンニング電位よりも低く、
前記第２領域のピンニング電位は、前記第３領域のピンニング電位よりも低い
固体撮像装置。
【請求項１５】
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制御ゲート部との境界から、前記第２制御ゲート部との境界まで、単純に増加するチャネル幅を有する
固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置の一構造として、フォトダイオードとＣＣＤ部との間に、電荷を一時的に蓄積制御する電荷蓄積部（メモリ）が設けられている構造がある。電荷蓄積部を持つイメージセンサでは、電荷蓄積部に電荷を保持している時間に比例して暗電流が増加するため、長時間の蓄積をすればするほど画像の劣化が著しくなる。また、暗電流は８〜１０℃の温度上昇により、約２倍に増加する。これらのことから、上述のような電荷蓄積部を有する固体撮像装置においては、電荷蓄積部上のゲート電極に負の電圧を印加し、酸化膜とシリコン基板との界面をＧＮＤ電位にピンニングさせることで、界面準位に起因する暗電流を抑制する方法が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、任意に制御された受光時間に応じた信号電荷を保持すると共に、暗電流の発生を抑制し且つ残像を生じることなく信号電荷の転送を行うことができる固体撮像装置に関する技術が記載されている。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載の固体撮像装置１００の断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図１の（ａ）は、固体撮像装置１００の断面を例示している。図１の（ｂ）は、その断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また図１の（ｂ）における実線と点線は、各電極に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。その固体撮像装置１００は、光電変換部（フォトダイオード）１０１と電荷蓄積部１０３との間に電荷転送ゲート部１０２が設けられている。また、電荷蓄積部１０３とＣＣＤ部１０５との間に電荷転送ゲート部１０４が設けられている。ｐ型半導体基板１１８内に、不純物濃度ｎ１のｎ型拡散層１１２が設けられ、その表面側にｐ＋型拡散層１１３が設けられている。固体撮像装置１００は、これらにより光電変換部（フォトダイオード）１０１を構成している。
【０００５】
電荷転送ゲート部１０２〜ＣＣＤ部１０５に渡ってｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１１が設けられている。電荷転送ゲート電極１０６の下部には、不純物濃度ｐ１のｐ型拡散層１１４が設けられている。電荷転送ゲート電極１０８の下部には、不純物濃度ｐ２のｐ型拡散層１１６が設けられている。光電変換部（フォトダイオード）１０１およびＣＣＤ部１０５の片側には、それぞれ素子分離用のｐ＋型拡散層１１０およびｐ＋型拡散層１１７が設けられている。電荷転送ゲート電極１０６には、駆動パルスΦＴＧ１が印加され、電荷転送ゲート電極１０８には、駆動パルスΦＴＧ２が印加され、ＣＣＤ部ゲート電極１０９には、駆動パルスΦ１が印加され、電荷蓄積ゲート電極１０７には、ＤＣ電圧Ｖ２が印加されている。また、図示していないが、ｐ型半導体基板１１８は、通常、ＧＮＤ電位に設定されている。
【０００６】
光電変換部（フォトダイオード）１０１に蓄積された電荷は駆動パルスΦＴＧ１がＯＮ、駆動パルスΦＴＧ２がＯＦＦのときに、電荷蓄積ゲート電極１０７の下に転送され、転送終了後、駆動パルスΦＴＧ１はＯＦＦになる。次に、電荷蓄積部１０３で電荷が一時蓄積された後、駆動パルスΦＴＧ２がＯＮになり、さらに、駆動パルスΦ１もＯＮになると、ＣＣＤ部１０５に電荷は転送され、転送終了後に駆動パルスΦＴＧ２がＯＦＦになる。その後、ＣＣＤ部１０５に蓄積された電荷は、ＣＣＤをパルス駆動することにより、出力アンプ（図示しない）に転送される。
【０００７】
光電変換部（フォトダイオード）１０１からＣＣＤ部１０５に渡ってｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１１が形成されていることにより、電荷転送路がＳｉ表面を通らない、いわゆる埋め込み型チャネルとなっている。図２は、電荷蓄積部１０３における断面と、その断面における電位を例示する図であり、図１のＣ−Ｃ’断面図および深さ方向へのポテンシャルを示している。図２は、電荷蓄積ゲート電極１０７にピンニング電圧以下の負の電圧が印加された状態のポテンシャル図であり、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１１とゲート酸化膜１１９との界面が、ｐ型半導体基板１１８と同電位のＧＮＤ電位となっている。これにより界面準位起因の暗電流の発生を抑制している。
【０００８】
昨今のイメージセンサの解像度向上の流れにより、画素ピッチは大幅に縮小される傾向にあり、電荷蓄積部のチャネル幅も同様に縮小される傾向にある。画素ピッチが縮小しても、感度や飽和電荷量などの特性はフォトダイオード構造の改善や面積の拡大によりある程度の大きさに維持されるため、電荷蓄積部でも相応の電荷蓄積容量が必要となる。したがって、必然的に電荷蓄積部を転送方向に向かって長くしなければならなくなり、電荷の転送効率が悪くなるという問題が生じることがある。電荷の転送効率を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）
【０００９】
特許文献２には、転送電極の長さを変え、かつ長い方の転送電極下のチャンネル部を不純物濃度の異なる領域に分割することにより、信号電荷の転送速度を向上させる技術が記載されている。特許文献２に記載の技術は、一定の転送周波数のもとでは、信号電荷の取り残しを減少させ、転送品質を向上させている。また、特許文献２に記載の技術は、同一品質の転送であれば、転送周波数を高くすることができる。
【００１０】
図３は、特許文献２に記載の固体撮像装置の概略構成図である。これを固体撮像装置２００とする。図３の（ａ）は、固体撮像装置２００の断面の構成を示している。図３の（ｂ）は、その断面における各ゲート電極下のポテンシャルを示している。図３の（ｂ）における実線と点線は、各電極に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。図３の（ａ）を参照すると、固体撮像装置２００のｐ型半導体基板１３３内に、不純物濃度ｎ−のｎ型拡散層１３２が設けられている。第２層ゲート電極１２８および第２層ゲート電極１３０の下部には、不純物濃度ｎのｎ型拡散層１３１が設けられている。これにより、電荷転送路がＳｉ表面を通らない、いわゆる埋め込み型チャネルとなっている。シリコン基板の一主面上に酸化膜を介して第１層ゲート電極１２７、第１層ゲート電極１２９、および第２層ゲート電極１２８、第２層ゲート電極１３０が設けられている。それぞれのゲート電極には、電荷転送のための駆動パルスΦ４、駆動パルスΦ２、駆動パルスΦ１、駆動パルスΦ３が印加されている。
【００１１】
第２層ゲート電極１２８、第２層ゲート電極１３０の下部の一部には、ｎ型拡散層１３１が設けられており、これにより図３の（ｂ）に示されているように、同一ゲート電極下部でチャネル電位差を形成し、転送電界を強化することにより電荷転送効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２５８５７１号公報
【特許文献２】特許第３３６６６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
昨今のイメージセンサの解像度向上の流れにより、画素ピッチは大幅に縮小される傾向にあり、電荷蓄積部のチャネル幅も同様に縮小される傾向にある。狭い配列ピッチに対応するように電荷蓄積部の電荷蓄積容量を確保するためには、電荷蓄積部を転送方向に長くしなければならない。電荷蓄積部を転送方向に長くすると、電荷の転送効率が劣化することになる。転送効率を向上させるために、単純に特許文献２に記載の技術を、特許文献１に記載の技術に適用した場合、抑制されていた暗電流が発生し、画像の劣化が生じてしまうことがある。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、解像度の向上に対応した高解像度の固体撮像装置において、暗電流の発生を抑制しつつ、電荷の転送効率を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
上記の課題を解決するために、フォトダイオードを有する光電変換部（１）と、電荷蓄積部（３）と、電荷転送部（５）と、その光電変換部（１）とその電荷蓄積部（３）との間に設けられた第１制御ゲート部（２）と、その電荷蓄積部（３）とその電荷転送部（５）との間に設けられた第２制御ゲート部（４）とを具備する固体撮像装置を構成する。その第１制御ゲート部（２）は、その光電変換部（１）からその電荷蓄積部（３）への信号電荷の移動を制御する。その第２制御ゲート部（４）は、その電荷蓄積部（３）からその電荷転送部（５）への電荷の移動を制御する。その電荷蓄積部（３）は、その第１制御ゲート部（２）に近い位置に形成された第１領域（１１）と、その第２制御ゲート部（４）に近い位置に形成され、その第１領域（１１）よりもチャネル電位が増加するように構成された第２領域（１５）とを備える。そして、その第１領域（１１）とその第２領域（１５）は、ピンニング状態でその信号電荷を保持する。
【００１７】
電荷蓄積ゲート電極下部において、不純物濃度の異なる領域を設けたり、チャネル幅に変化をつけたりするなどして、第２制御ゲート電極側のチャネル電位が増加するようにする。このとき、その全領域がピンニングするような電圧設定範囲を規定する。
【発明の効果】
【００１８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、解像度の向上に対応した高解像度の固体撮像装置において、暗電流の発生を抑制しつつ、電荷の転送効率を向上させる技術を提供することが可能となる。
【００１９】
電荷蓄積ゲート電極下部において、不純物濃度の異なる領域を設け、その全領域がピンニングするような電圧設定範囲を規定することにより、暗電流の発生を抑制しつつ、電荷転送効率を向上させることができ、高解像度化に対応することが可能となる。
また、電荷蓄積ゲート電極下部において、チャネル幅に変化を設け、その全領域がピンニングするような電圧設定範囲を規定することにより、暗電流の発生を抑制しつつ、電荷転送効率を向上させることができ、高解像度化に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、従来の固体撮像装置１００の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の固体撮像装置１００の断面図および深さ方向へのポテンシャル図である。
【図３】図３は、従来の固体撮像装置２００の構成を例示する図である。
【図４】図４は、第１実施形態の固体撮像装置４０の構成を例示する平面図である。
【図５】図５は、固体撮像装置４０の断面を例示する断面図である。
【図６】図６は、固体撮像装置４０の断面を例示する断面図である。
【図７】図７は、第１実施形態の固体撮像装置４０の動作を例示するタイミングチャートおよび電荷の遷移を例示するブロック図である。
【図８】図８は、電荷蓄積ゲート電極下部の不純物濃度の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するグラフである。
【図９】図９は、固体撮像装置４０の断面の深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。
【図１０】図１０は、固体撮像装置４０の断面の深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。
【図１１】図１１は、比較例の固体撮像装置の構成を例示する断面図である。
【図１２】図１２は、電荷蓄積ゲート電極１０７の下部の不純物濃度の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。
【図１３】図１３は、固体撮像装置３００において、電荷蓄積ゲート電極１０７にゲート電圧Ｖ２が印加されている時の深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。
【図１４】図１４は、固体撮像装置３００において、電荷蓄積ゲート電極１０７にゲート電圧Ｖ２が印加されている時の深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。
【図１５】図１５は、第２実施形態の固体撮像装置４０の構成を例示する断面図である。
【図１６】図１６は、第２実施形態の固体撮像装置４０の電荷蓄積ゲート電極７の下部の不純物濃度の異なる３箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。
【図１７】図１７は、第３実施形態の固体撮像装置４０の断面の構成を例示する断面図である。
【図１８】図１８は、第４実施形態の固体撮像装置４０の構成を例示する図である。
【図１９】図１９は、第４実施形態の固体撮像装置４０における、電荷蓄積ゲート電極７の下部のチャネル幅の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。
【図２０】図２０は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの構成を例示する平面図である。
【図２１】図２１は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。
【図２２】図２２は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおける第１注入エネルギーｎ型拡散層５０の断面と、その断面における電位を例示する図である。
【図２３】図２３は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおける第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の断面と、その断面における電位を例示する図である。
【図２４】図２４は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの動作を例示する図である。
【図２５】図２５は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位特性を例示するグラフである。
【図２６】図２６は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図２７】図２７は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図２８】図２８は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図２９】図２９は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３０】図３０は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３１】図３１は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３２】図３２は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位特性を例示するグラフである。
【図３３】図３３は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図３４】図３４は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図３５】図３５は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。
【図３６】図３６は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３７】図３７は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３８】図３８は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。
【図３９】図３９は、第６実施形態の固体撮像装置４０ａの断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１実施形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２２】
図４は、第１実施形態の固体撮像装置４０の構成を例示する平面図である。固体撮像装置４０は、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）１２を含む光電変換部（フォトダイオード）１と、電荷転送ゲート電極６を含む電荷転送ゲート部２と、電荷蓄積ゲート電極７を含む電荷蓄積部３と、電荷転送ゲート電極８を含む電荷転送ゲート部４と、ＣＣＤ領域２１を含むＣＣＤ部５とを備えている。その固体撮像装置４０において、光電変換部（フォトダイオード）１と電荷蓄積部３との間に電荷転送ゲート部２が設けられている。その電荷蓄積部３とＣＣＤ部５との間に電荷転送ゲート部４が設けられている。ＣＣＤ部５には、ＣＣＤ部ゲート電極９、ＣＣＤ部ゲート電極２０、ＣＣＤ部ゲート電極２５およびＣＣＤ部ゲート電極２６が繰り返して配置されており、その一端に出力アンプ２２が設けられている。
【００２３】
図５は、上述の平面図におけるＸ−Ｘ’断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図５の（ａ）は、図４の平面図におけるＸ−Ｘ’断面を例示している。図５の（ｂ）は、そのＸ−Ｘ’断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また、図５の（ｂ）における実線と点線は、各電極（電荷転送ゲート部２、電荷転送ゲート部４、ＣＣＤ部５）に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。
【００２４】
図５に示されているように、固体撮像装置４０は、Ｘ−Ｘ’断面において、ｐ型半導体基板１８内に、不純物濃度ｎ１のｎ型拡散層１２を備えている。そのｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）１２の表面側には、ｐ＋型拡散層１３が設けられている。光電変換部（フォトダイオード）１は、そのｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）１２とｐ＋型拡散層１３を含んで構成されている。
【００２５】
また、固体撮像装置４０は、電荷転送ゲート部２〜ＣＣＤ部５に渡ってｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１を備えている。電荷転送ゲート電極６の下部には、不純物濃度ｐ１のｐ型拡散層１４が設けられている。電荷転送ゲート電極８の下部には、不純物濃度ｐ２のｐ型拡散層１６が設けられている。そして、本実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積ゲート電極７の下部のＣＣＤ部５側の一部に、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層１５を備えている。
【００２６】
ここで、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層１５の形成方法としては、例えば１回目のイオン注入で電荷転送ゲート部２〜ＣＣＤ部５まで開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎ相当を形成する。そして、２回目のイオン注入によりｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５部分のみ開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎａを追加注入する。すなわち、ｎ２＝ｎ＋ｎａとなり、ｎ＜ｎ２となる。これは一例であり、ｎ＜ｎ２であれば製造方法は問わない。各ゲート電極とシリコン基板との間には、絶縁するためのゲート酸化膜１９が形成されている。光電変換部（フォトダイオード）１およびＣＣＤ部５の片側にはそれぞれ素子分離用のｐ＋型拡散層１０およびｐ＋型拡散層１７が設けられている。
【００２７】
図６は、上述の平面図におけるＹ−Ｙ’断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図６の（ａ）は、図４の平面図におけるＹ−Ｙ’断面を例示している。図６の（ｂ）は、そのＹ−Ｙ’断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。図６に示されているように、固体撮像装置４０は、ｐ型半導体基板１８内に、不純物濃度ｎのｎ型拡散層１１が設けられている。シリコン基板の一主面上には、ゲート酸化膜１９を介してＣＣＤ部ゲート電極９、ＣＣＤ部ゲート電極２０、ＣＣＤ部ゲート電極２５およびＣＣＤ部ゲート電極２６が設けられている。ＣＣＤ部ゲート電極２０およびＣＣＤ部ゲート電極２６の下部には、不純物濃度ｎ−のｎ型拡散層２３が設けられている。第１層ゲート電極は、２電極毎（ＣＣＤ部ゲート電極９とＣＣＤ部ゲート電極２６の組み合わせ、および、ＣＣＤ部ゲート電極２５とＣＣＤ部ゲート電極２０の組み合わせ）に配線で接続され、それぞれ駆動パルスΦ１および駆動パルスΦ２が印加されている。
【００２８】
各拡散層のイオン注入エネルギー、イオン注入量の一例を以下に記載する。
ｐ＋型拡散層１０・・・３０ｋｅＶ、５．０×１０１３／ｃｍ２
ｐ＋型拡散層１７・・・３０ｋｅＶ、５．０×１０１３／ｃｍ２
ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１・・・１５０ｋｅＶ、２．０×１０１２／ｃｍ２
ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）１２・・・３００ｋｅＶ、１．５×１０１２／ｃｍ２
ｐ＋型拡散層１３・・・３０ｋｅＶ、１．０×１０１３／ｃｍ２
ｐ型拡散層１４・・・５０ｋｅＶ、４．０×１０１０１２／ｃｍ２
ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５・・・１５０ｋｅＶ、３．０×１０１２／ｃｍ２
ｐ型拡散層１６・・・５０ｋｅＶ、４．０×１０１２／ｃｍ２
なお、ｐ型半導体基板１８の不純物濃度は２．０×１０１５／ｃｍ３程度であり、酸化膜厚は５００〜１０００Å程度である。また、電荷転送ゲート電極６には駆動パルスΦＴＧ１が印加される。電荷転送ゲート電極８には駆動パルスΦＴＧ２が印加される。ＣＣＤ部ゲート電極９には駆動パルスΦ１が印加される。電荷蓄積ゲート電極７にはＤＣ電圧Ｖ１が印加される。また、図示していないが、ｐ型半導体基板１８はＧＮＤ電位に設定されている。
【００２９】
以下に、第１実施形態の固体撮像装置４０の動作について説明を行う。図７は、第１実施形態の固体撮像装置４０の動作を例示する図である。図７の（ａ）は、固体撮像装置４０の動作を例示するタイミングチャートである。図７の（ｂ）は、そのタイミングチャートに応じて動作するときの電荷の遷移の状態を例示するブロック図である。図７の（ａ）を参照すると、時刻ｔ１おいて、光入射により光電変換部（フォトダイオード）１で発生した電荷が蓄積されている。時刻ｔ２において、駆動パルスΦＴＧ１がＯＮとなり、電荷が電荷蓄積部３に転送される。時刻ｔ３において、駆動パルスΦＴＧ２がＯＮとなり、ＣＣＤ部５に電荷が転送される。ＣＣＤ部５に転送された電荷は、２相の駆動パルスΦ１、駆動パルスΦ２によりＣＣＤ領域２１を転送され、出力アンプ２２を介して出力される。
【００３０】
印加電圧の一例を以下に記載する。
ΦＴＧ１・・・ＬＯＷ  ０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ  ５［Ｖ］のパルス
ＳＴ    ・・・  −１０Ｖ［Ｖ］のＤＣ電圧
ΦＴＧ２・・・ＬＯＷ  ０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ  １０［Ｖ］のパルス
Φ１    ・・・ＬＯＷ  ０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ  ５［Ｖ］のパルス
Φ２    ・・・Φ１の逆相パルス
【００３１】
一般に、拡散によってのみ全信号電荷を転送する場合、その転送時間は転送電極のゲート長の２乗に比例する。また、フリンジ電界によってのみ全信号電荷を転送する場合、その転送時間はゲート長の３乗に比例する。
【００３２】
本実施形態の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７のゲート長をＬと仮定し、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５がＬ／２の長さで均等に設けられているとした場合、実効的なゲート長がＬ／２の電極が２つ直列にあることと等価となる。仮に、電荷転送がすべて拡散で行われるとし、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５のない場合の電荷転送時間を１とした場合、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５のある場合の電荷転送時間は１／２となる。
【００３３】
実際には、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５の境界にはフリンジ電界がかかりフリンジ電界による転送が行われるため、転送時間がさらに短くなることは容易に推測できる。次に、このフリンジ電界を形成する元となるチャネル電位について説明する。
【００３４】
図８は、電荷蓄積ゲート電極下部の不純物濃度の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するグラフである。曲線３４は、電荷蓄積ゲート電極７の下部の不純物濃度ｎの領域に対応するチャネル電位特性を例示している。曲線３５は、不純物濃度ｎ２の領域に対応するチャネル電位特性を例示している。曲線３４におけるピンニング電圧は、ピンニング電圧Ｖ２ｐとして示されている。曲線３４におけるピンニング電位はピンニング電位ψｖ２ａとして示されている。一方、曲線３５におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ１ｐとして示されている。曲線３５におけるピンニング電位はピンニング電位ψｖ１で示されている。
【００３５】
本実施形態の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７に印加するＤＣ電圧Ｖ１は、ピンニング電圧Ｖ１ｐ以下に設定されている。電荷蓄積ゲート電極７に、ＤＣ電圧Ｖ１を印加することにより、不純物濃度ｎのｎ型拡散層１１部分のチャネル電位は、ピンニング電位ψｖ２ａとなり、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層１５部分のチャネル電位はピンニング電位ψｖ１となる。これにより、電荷蓄積ゲート電極７下部のｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５との境界近傍でチャネル電位差（ψｖ１−ψｖ２ａ）が生じる。そのためフリンジ電界が生じ、転送効率が改善される。
【００３６】
図９は、電荷蓄積部３における断面と、その断面における電位を例示する図であり、図５の断面図におけるＡ−Ａ’断面と、その深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。図１０は、電荷蓄積部３における断面と、その断面における電位を例示する図であり、図５の断面図におけるＢ−Ｂ’断面と、その深さ方向のポテンシャルを例示するポテンシャル図である。図９に示されているように、ゲート電圧Ｖ１をピンニング電圧Ｖ１ｐ以下に設定することにより、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とゲート酸化膜１９との界面は、ポテンシャルがｐ型半導体基板１８と同電位のＧＮＤレベルになっている。また、図１０に示されているように、ゲート電圧Ｖ１をピンニング電圧Ｖ１ｐ以下に設定することにより、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５とゲート酸化膜１９との界面もポテンシャルがｐ型半導体基板１８と同電位のＧＮＤレベルになっている。したがって、酸化膜−シリコン基板界面の界面準位に起因する暗電流の発生が約１／５に抑制される。
【００３７】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置４０の構成および動作により、１電極下部で２つのピンニング電位の差を利用してフリンジ電界を発生させることで、転送効率を向上させると同時に暗電流の低減も可能となる。
【００３８】
［比較例］
以下に、本願発明の比較例について説明を行う。図１１は、上述の特許文献１に記載の技術と、特許文献２に記載の技術を単純に組み合わせた場合の固体撮像装置３００の断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図１１の（ａ）は、固体撮像装置３００の断面を例示している。図１１の（ｂ）は、その断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また図１１の（ｂ）における実線と点線は、各電極に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。図１１に示されているように、比較例の固体撮像装置３００は、図１に示す固体撮像装置１００と異なり、電荷蓄積ゲート電極１０７の下部のＣＣＤ側の一部に、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層２１５が設けられている。ここで不純物濃度はｎ＜ｎ２とする。
【００３９】
図１２は、電荷蓄積ゲート電極１０７の下部の不純物濃度の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。不純物濃度ｎおよび不純物濃度ｎ２の領域に対応するチャネル電位特性は、それぞれ曲線１３４、曲線１３５で示されている。曲線１３４において、ゲート電圧がピンニング電圧Ｖ２ｐ以下では、チャネル電位が一定値のピンニング電位ψｖ２ａとなっている。この電圧をピンニング電圧Ｖ２ｐと呼ぶ。また、対応する電位をピンニング電位ψｖ２ａと呼ぶ。
【００４０】
通常、ピンニング電位ψｖ２ａの値は、光電変換部から電荷転送ゲート電極１０６を介して電荷蓄積部１０３（ここでは特に不純物濃度ｎの部分）に電荷を転送する際に支障のない値に設計される。また、電荷蓄積ゲート電極１０７に印加するＤＣ電圧は、
ピンニング電圧Ｖ２ｐ〜（ピンニング電圧Ｖ２ｐ−１［Ｖ］）
程度に設定される。
ここでは、電荷蓄積ゲート電極１０７のゲート電圧をＤＣ電圧Ｖ２とする。ゲート電圧Ｖ２の時の曲線１３５におけるチャネル電位はチャネル電位ψｖ２ｂである。上述の図１１に示される固体撮像装置３００のような構成にすることにより、電荷蓄積ゲート電極１０７の下部のｎ型拡散層１１１と、ｎ型拡散層２１５との境界近傍で
チャネル電位差（ψｖ２ｂ−ψｖ２ａ）
が生じる。そのため、転送電界が強化され、転送効率が改善される。しかし、固体撮像装置３００のような構成および設定の場合、界面準位起因の暗電流が発生する場合がある。
【００４１】
図１３および図１４は、固体撮像装置３００の電荷蓄積部１０３の断面において、電荷蓄積ゲート電極１０７にゲート電圧Ｖ２が印加されている時の深さ方向のポテンシャルを例示する図である。図１３は、図１１におけるＤ−Ｄ’断面と、その深さ方向のポテンシャルを例示している。図１４は、図１１におけるＥ−Ｅ’断面と、その深さ方向のポテンシャルを例示している。
【００４２】
図１３に示されているように、ｎ型拡散層１１１とゲート酸化膜１１９との界面がｐ型拡散層１１８と同電位のＧＮＤ電位となっている。これにより、固体撮像装置３００における不純物濃度ｎの領域では、界面準位起因の暗電流の発生が抑制されている。
【００４３】
しかしながら、上述した曲線１３５におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ１ｐであり、
Ｖ２＞Ｖ１ｐ
である。そのため、図１４に示されているように、ｎ型拡散層２１５とゲート酸化膜１１９との界面はピンニング状態ではなく、ＧＮＤ電位よりも高い電位となっている。したがって、界面準位起因の暗電流が発生してしまうことになる。
【００４４】
比較例の固体撮像装置３００と異なり、本実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積ゲート電極下部において、不純物濃度の異なる領域を設け、その全領域がピンニングするような電圧設定範囲を規定することにより、暗電流の発生を抑制しつつ、電荷転送効率を向上させることができ、高解像度化に対応することが可能となる。換言すると、本実施形態の固体撮像装置４０は、高解像度化により電荷蓄積部が転送方向に長く形成される場合においても、電荷蓄積ゲート電極下部の転送電界を強化することができ、かつ、電荷蓄積ゲート電極下部の酸化膜とｎ型拡散層との界面をすべてＧＮＤ電位にピンニングすることができるため、界面準位起因の暗電流も低減できる。
【００４５】
［第２実施形態］
以下に、本願発明の第２実施形態について説明を行う。図１５は、第２実施形態の固体撮像装置４０の断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図１５の（ａ）は、第２実施形態の固体撮像装置４０の断面を例示している。図１５の（ｂ）は、その断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また図１５の（ｂ）における実線と点線は、各電極に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。なお、第２実施形態の固体撮像装置４０の平面図は、第１実施形態の平面図と同様である。図１５に示されているように、第２実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積ゲート電極７の下部に、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａの３つの領域を備えている。ｎ型拡散層１１は、不純物濃度ｎの領域である。ｎ型拡散層１５は、不純物濃度ｎ２の領域である。ｎ型拡散層１５ａは不純物濃度ｎ３の領域である。また、第２実施形態の固体撮像装置４０において、
不純物濃度ｎ＜不純物濃度ｎ２＜不純物濃度ｎ３
を満たすものとする。
【００４６】
ここで、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層１５および不純物濃度ｎ３のｎ型拡散層１５ａの形成方法としては、例えば１回目のイオン注入で電荷転送ゲート部２〜ＣＣＤ部５まで開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎ相当を形成する。そして、２回目のイオン注入によりｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａの部分の開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎａを追加注入する。そして、３回目のイオン注入によりｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａ部分のみ開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎｂを追加注入する。
【００４７】
すなわち、
ｎ２＝ｎ＋ｎａ、ｎ３＝ｎ＋ｎａ＋ｎｂ
となり、
ｎ＜ｎ２＜ｎ３
となる。これは一例であり、ｎ＜ｎ２＜ｎ３であれば製造方法は問わない。第２実施形態の固体撮像装置４０の動作は、第１実施形態の固体撮像装置４０と同様である。
【００４８】
図１５に示す電荷蓄積ゲート電極７の電極長をＬと仮定し、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａがＬ／３の長さで均等に設けられているとした場合、実効的なゲート長は、Ｌ／３の電極が３つ直列にあることと等価となる。仮に、電荷転送がすべて拡散で行われるとし、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａのない場合の電荷転送時間を１とした場合、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａのある場合の電荷転送時間は１／３となり、第１実施形態の固体撮像装置４０に比べてさらに転送効率が向上する。
【００４９】
なお、実際には、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５との境界、およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａとの境界にはフリンジ電界がかかる。そのため、フリンジ電界による転送が行われ、転送時間がさらに短くなることは容易に推定できる。次に、このフリンジ電界を形成する元となるチャネル電位について説明する。
【００５０】
図１６は、第２実施形態の固体撮像装置４０の電荷蓄積ゲート電極７の下部の不純物濃度の異なる３箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。不純物濃度ｎの領域に対応するチャネル電位特性は、曲線４１で表されている。不純物濃度ｎ２の領域に対応するチャネル電位特性は、曲線４２で表されている。不純物濃度ｎ３の領域に対応するチャネル電位特性は曲線４３で表されている。
【００５１】
曲線４１におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ２ｐで示されている。曲線４１におけるピンニング電位はピンニング電位ψｖ２ａで示されている。曲線４２におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ１ｐで示されている。曲線４２におけるピンニング電位はピンニング電位ψｖ１で示されている。曲線４３におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ３ｐで示されている。曲線４３におけるピンニング電位はピンニング電位ψｖ３で示されている。
【００５２】
第２実施形態の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７に印加するＤＣ電圧Ｖ３は、ピンニング電圧Ｖ３ｐ以下に設定されている。第２実施形態の固体撮像装置４０の電荷蓄積ゲート電極７に、ＤＣ電圧Ｖ３を印加することにより、不純物濃度ｎのｎ型拡散層１１部分のチャネル電位は、ピンニング電位ψｖ２ａとなる。また、不純物濃度ｎ２のｎ型拡散層１５部分のチャネル電位は、ピンニング電位ψｖ１となる。そして、不純物濃度ｎ３のｎ型拡散層１５ａ部分のチャネル電位は、ピンニング電位ψｖ３となる。
【００５３】
これにより、電荷蓄積ゲート電極７下部のｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５との境界近傍で
チャネル電位差（ψｖ１−ψｖ２ａ）
が生じ、さらにｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５とｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａとの境界近傍、で
チャネル電位差（ψｖ３−ψｖ１）
が生じる。そのためフリンジ電界が生じ、転送効率が改善される。
【００５４】
第２の実施例においても、不純物濃度の最も高いｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａとゲート酸化膜１９との界面がピンニングするように、ＤＣ電圧Ｖ３をピンニング電圧Ｖ３ｐ以下に設定することにより、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５およびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）１５ａとゲート酸化膜１９との界面はすべてＧＮＤレベルにピンニングする。したがって、暗電流は第１実施形態の固体撮像装置４０と同様に約１／５に抑制される。
【００５５】
［第３実施形態］
以下に、本願発明の第３実施形態について説明を行う。図１７は、第３実施形態の固体撮像装置４０の断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図１７の（ａ）は、第３実施形態の固体撮像装置４０の断面を例示している。図１７の（ｂ）は、その断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また図１７の（ｂ）における実線と点線は、各電極に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。なお、第３実施形態の固体撮像装置４０の平面図は、第１実施形態または第２実施形態の平面図と同様である。図１７に示されているように、第３実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積ゲート電極７の下部に、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ４）１５ｂおよびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ５）１５ｃの２つの領域を備えている。ｎ型拡散層１５ｂは、不純物濃度ｎ４の領域である。ｎ型拡散層１５ｃは、不純物濃度ｎ５の領域である。その不純物濃度ｎ４、不純物濃度ｎ５は、
不純物濃度ｎ４＜不純物濃度ｎ５
を満たすものとする。
【００５６】
ここで、不純物濃度ｎ４および不純物濃度ｎ５のｎ型拡散層（不純物濃度ｎ４）１５ｂおよびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ５）１５ｃの形成方法としては、例えば１回目のイオン注入で電荷転送ゲート部２〜ＣＣＤ部５まで開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎ相当を形成する。２回目のイオン注入によりｎ型拡散層（不純物濃度ｎ４）１５ｂおよびｎ型拡散層（不純物濃度ｎ５）１５ｃ部分の開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎｃを追加注入する。３回目のイオン注入によりｎ型拡散層（不純物濃度ｎ５）１５ｃ部分のみ開口されたマスクを用いて不純物濃度ｎｄを追加注入する。
すなわち、
ｎ４＝ｎ＋ｎｃ、ｎ５＝ｎ＋ｎｃ＋ｎｄ
となり、
ｎ４＜ｎ５
となる。これは一例であり、ｎ４＜ｎ５であれば製造方法は問わない。
【００５７】
第３実施形態の固体撮像装置４０の動作は、第１実施形態または第２実施形態の固体撮像装置４０の動作と同様である。上述した第１実施形態および第２実施形態では、電荷蓄積ゲート電極７の下部のｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１部分の不純物濃度は、ＣＣＤ部５のｎ型拡散層と同一の不純物濃度としていた。第３実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積ゲート電極７下部のｎ型拡散層の不純物濃度をＣＣＤ部５とは異ならせている。これにより、電荷蓄積ゲート電極７下部のポテンシャルを独立に制御することができ、設計の自由度が向上する。
【００５８】
［第４実施形態］
以下に、本願発明の第４実施形態について説明を行う。図１８は、第４実施形態の固体撮像装置４０の構成を例示する図である。図１８の（ａ）は、第４実施形態の固体撮像装置４０の断面の構成を例示している。図１８の（ｂ）は、その断面に対応する部分の平面図を例示している。
【００５９】
図１８の（ｂ）に示されているように、第４実施形態の固体撮像装置４０は、電荷蓄積部３の下部のチャネル形状がテーパー状に形成されている。図１９は、第４実施形態の固体撮像装置４０における、電荷蓄積ゲート電極７の下部のチャネル幅の異なる２箇所のチャネル電位特性を例示するチャネル電位特性図である。
【００６０】
曲線４４は、チャネル幅Ｗ１の領域に対応するチャネル電位特性を例示している。曲線４５はチャネル幅Ｗ２の領域に対応するチャネル電位特性を例示している。曲線４４におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ４ｐで示されている。ピンニング電位はピンニング電位ψｖ４で示されている。一方、曲線４５におけるピンニング電圧はピンニング電圧Ｖ５ｐで示されている。ピンニング電位はピンニング電位ψｖ５で示されている。
【００６１】
第４実施形態の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７に印加するＤＣ電圧Ｖ５は、ピンニング電圧Ｖ５ｐ以下に設定する。電荷蓄積ゲート電極７にＤＣ電圧Ｖ５を印加することにより、チャネル幅Ｗ１を有するｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１部分のチャネル電位はピンニング電位ψｖ４となる。チャネル幅Ｗ２を有するｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１部分のチャネル電位はピンニング電位ψｖ５となる。なお、第４実施形態では、本願発明の理解を容易にするために、２点のチャネル幅について示している。
【００６２】
上述の図１８に示されているように、第４実施形態の固体撮像装置４０は、チャネル幅がテーパーにより徐々に大きくなっている。そのため、チャネル電位はそれに伴って徐々に増加する。これにより、電荷蓄積ゲート電極７下部のｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１下部で電位勾配が生じるので転送効率が改善される。ゲート電圧Ｖ５をピンニング電圧Ｖ５ｐ以下に設定することにより、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１とゲート酸化膜１９との界面は、ポテンシャルがｐ型半導体基板１８と同電位のＧＮＤレベルにピンニングされる。したがって、酸化膜−シリコン基板界面の界面準位に起因する暗電流の発生が約１／５に抑制される。
【００６３】
なお、上述の複数の実施形態において、電荷転送ゲート部２〜電荷転送ゲート部４に渡ってｐ型不純物を追加イオン注入することも可能である。それにより、ＣＣＤ部５に対してポテンシャルを全体的に低く設定することができるため、設計自由度を向上させることもできる。また、本発明の実施例の説明を通して記載したｐ型半導体基板は、ｎ型半導体基板内部のｐウェルでも構わない。基板の材質は、たとえばシリコンである。ゲート電極の材質は、ポリシリコンなどの一般的にゲート電極材料として使用されるものであれば何でも良い。また、ゲート電極はすべて単層で記載したが、必ずしも単層である必要はない。
【００６４】
［第５実施形態］
以下に、図面を参照して本願発明の第５実施形態について説明を行う。図２０は、本願発明の固体撮像装置４０ａの第５実施形態の構成を例示する平面図である。第５実施形態の固体撮像装置４０ａは、上述の第１〜第４実施形態の固体撮像装置４０と同様に、光電変換部１と電荷蓄積部３との間に電荷転送ゲート部２が設けられており、電荷蓄積部３とＣＣＤ部５との間に電荷転送ゲート部４が設けられている。また、ＣＣＤ部５には、ＣＣＤ部ゲート電極９、ＣＣＤ部ゲート電極２０、ＣＣＤ部ゲート電極２５およびＣＣＤ部ゲート電極２６が繰り返して配置されており、その一端に出力アンプ２２が設けられている。ここにおいて、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの電荷蓄積部３は、電荷蓄積ゲート電極７の下の基板領域に、後述する第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と第２注入エネルギーｎ型拡散層５１とを備えている。
【００６５】
図２１は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図２１の（ａ）は、図２０の平面図におけるＸ−Ｘ’断面を例示している。図２１の（ｂ）は、そのＸ−Ｘ’断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また、図２１の（ｂ）における実線と点線は、各電極（電荷転送ゲート部２、電荷転送ゲート部４、ＣＣＤ部５）に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。
【００６６】
図２１を参照すると、第５実施形態の固体撮像装置４０ａは、ｐ型半導体基板１８内に、不純物濃度ｎ１のｎ型拡散層１２が設けられ、その表面側にｐ＋型拡散層１３が設けられている。これらにより、光電変換部１が構成されている。また、電荷転送ゲート部２〜ＣＣＤ部５に渡ってｎ型拡散層１１が設けられており、電荷転送ゲート電極６の下部には不純物濃度ｐ１のｐ型拡散層が設けられている。電荷転送ゲート電極８の下部には不純物濃度ｐ２のｐ型拡散層が設けられている。各ゲート電極とシリコン基板との間には、絶縁するための酸化膜１９が形成されている。光電変換部１およびＣＣＤ部５の片側にはそれぞれ素子分離用のｐ＋型拡散層１０およびｐ＋型拡散層１７が設けられている。
【００６７】
電荷蓄積ゲート電極７の下部のＣＣＤ側の一部に、不純物濃度ｎの第２注入エネルギーｎ型拡散層５１が設けられている。その第２注入エネルギーｎ型拡散層５１は、注入エネルギーＥ２まで加速された不純物イオンが注入されることによって形成される。また、電荷蓄積ゲート電極７の下部のＴＧ１側の一部に、不純物濃度ｎの第１注入エネルギーｎ型拡散層５０が設けられている。その第１注入エネルギーｎ型拡散層５０は、注入エネルギーＥ１まで加速された不純物イオンが注入されることによって形成される。第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおいて、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０および第２注入エネルギーｎ型拡散層５１を形成するときの注入エネルギーの大小関係として、
Ｅ１＜Ｅ２
とする。
【００６８】
各拡散層のイオン注入エネルギー、イオン注入量の一例を以下に記載する。
ｎ型拡散層１１の第１注入エネルギーｎ型拡散層５０・・・１５０ｋｅＶ、２．０×１０１２／ｃｍ２
ｎ型拡散層１１の第２注入エネルギーｎ型拡散層５１・・・２５０ｋｅＶ、２．０×１０１２／ｃｍ２
ｎ型拡散層１２・・・３００ｋｅＶ、１．５×１０１２／ｃｍ２
ｐ＋型拡散層１３・・・３０ｋｅＶ、１．０×１０１３／ｃｍ２
ｐ型拡散層１４・・・５０ｋｅＶ、４．０×１０１２／ｃｍ２
ｐ型拡散層１６・・・５０ｋｅＶ、４．０×１０１２／ｃｍ２
ｐ＋型拡散層１０・・・３０ｋｅＶ、５．０×１０１３／ｃｍ２
ｐ＋型拡散層１７・・・３０ｋｅＶ、５．０×１０１３／ｃｍ２
なお、ｐ型半導体基板１８の不純物濃度は２．０×１０１５／ｃｍ３程度であり、酸化膜厚は５００〜１０００Å程度である。
【００６９】
また、図２１を参照すると、電荷転送ゲート電極６には駆動パルスΦＴＧ１が印加される。電荷転送ゲート電極８には駆動パルスΦＴＧ２が印加される。ＣＣＤ部ゲート電極９には駆動パルスΦ１が印加される。電荷蓄積ゲート電極７にはＤＣ電圧Ｖ６が印加されている。また、図示していないが、ｐ型半導体基板１８はＧＮＤ電位に設定されている。
【００７０】
なお、図２１に例示した固体撮像装置４０ａは、駆動パルスΦＴＧ１が印加される領域（電荷転送ゲート部２）、駆動パルスΦＴＧ２が印加される領域（電荷転送ゲート部４）、駆動パルスΦ１が印加される領域（ＣＣＤ部５）の下のｎ型拡散層の濃度は、電荷蓄積ゲート電極７下と同じ濃度ｎになっている。この構成は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａに対する理解を容易にするためのものである。第５実施形態においては、これらの領域の不純物濃度や注入エネルギーは、電荷蓄積ゲート電極７の下部の領域と関連を有することを意味するものではない。それによって、固体撮像装置４０ａの電位設計に自由度を持たせることが可能となる。
【００７１】
図２２は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおける第１注入エネルギーｎ型拡散層５０の断面と、その断面における電位を例示する図である。また、図２３は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおける第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の断面と、その断面における電位を例示する図である。
【００７２】
図２２は、図２１のＡ−Ａ’断面に対応する。また、図２３は、図２１のＢ−Ｂ’断面に対応する。
【００７３】
第１注入エネルギーｎ型拡散層５０および第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の両方とも、ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）１１の表面はＧＮＤ電位にピンニングされている。また、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と第２注入エネルギーｎ型拡散層５１を形成する際の注入エネルギーを比較すると、
注入エネルギーＥ１＜注入エネルギーＥ２
という条件で形成されている。そのため、第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の電位のピーク位置は、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０の電位のピーク位置より深さ方向に深くなっている。ここで、転送される電荷は、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０から第２注入エネルギーｎ型拡散層５１に転送する。そのため、電位のピーク値は、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０より第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の方が大きくなっている。
【００７４】
図２４は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの動作を例示する図である。図２４の（ａ）は、固体撮像装置４０ａの動作を例示するタイミングチャートである。図２４の（ｂ）は、そのタイミングチャートに応じて動作するときの電荷の遷移の状態を例示するブロック図である。時刻ｔ１おいて、光入射により光電変換部１で発生した電荷が蓄積されている。時刻ｔ２において、ΦＴＧ１がＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）となる。図２４の（ｂ）に示されているように、そのとき、光電変換部１で発生した電荷が電荷蓄積部３に転送される。時刻ｔ３において、ΦＴＧ２がＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）となる。図２４の（ｂ）に示されているように、そのとき、電荷蓄積部３に蓄積されていた電荷が、ＣＣＤ部５に電荷が転送される。その後、ＣＣＤ部５に転送された電荷は、２相駆動パルスΦ１、Φ２によりＣＣＤ内を転送され、出力アンプ２２を介して出力される。
【００７５】
印加電圧の一例を以下に記載する。
ΦＴＧ１・・・ＬＯＷ：０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ：５［Ｖ］のパルス
ＳＴ・・・−１０Ｖ［Ｖ］のＤＣ電圧
ΦＴＧ２・・・ＬＯＷ：０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ：１０［Ｖ］のパルス
Φ１・・・ＬＯＷ：０［Ｖ］〜ＨＩＧＨ：５［Ｖ］のパルス
Φ２・・・Φ１の逆相パルス
【００７６】
上述した第１〜第４実施形態の固体撮像装置４０においては、電荷蓄積ゲート電極７の直下は、不純物濃度を変えて注入打ち分けを行うことにより電位差をつけて転送速度の問題を解決していた。第５実施形態の固体撮像装置４０ａでは、電荷蓄積ゲート電極７の直下の不純物濃度は同じｎで、注入エネルギーを変えて電位差をつけている。
【００７７】
第５実施形態の固体撮像装置４０ａおいては、例えば、電荷蓄積ゲート電極７の駆動パルスΦＴＧ２側（第２注入エネルギーｎ型拡散層５１）を２５０ｋｅＶで注入し、駆動パルスΦＴＧ１側（第１注入エネルギーｎ型拡散層５０）は１５０ｋｅＶ等で注入する。このとき、第１〜第４実施形態での不純物濃度の打ち分け時と同じ様に、注入エネルギーの最も高い側（駆動パルスΦＴＧ２側）が、ピンニングするような電荷蓄積ゲート電極電圧、注入エネルギーを設定する。そうすることにより駆動パルスΦＴＧ１側もピンニングし、暗電流の問題が解決される。
【００７８】
一般に、熱エネルギー的な拡散によってのみ全信号電荷を転送する場合、その転送時間は転送電極のゲート長の２乗に比例し、フリンジ電界によってのみ全信号電荷を転送する場合、その転送時間はゲート長の３乗に比例する。第５実施形態の固体撮像装置４０ａにおいて、電荷蓄積ゲート電極７のゲート長をＬと仮定し、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と第２注入エネルギーｎ型拡散層５１との各々が、Ｌ／２の長さで均等に設けられているとした場合、電荷蓄積ゲート電極７は、実効的なゲート長がＬ／２の電極が２つ直列にあることと等価となる。ここで、電荷転送がすべて拡散で行われるとした場合、電荷蓄積ゲート電極７の下部に第２注入エネルギーｎ型拡散層５１が設けられていない固体撮像装置４０ａの電荷転送時間を１とすると、第２注入エネルギーｎ型拡散層５１が設けられている場合の電荷転送時間は、１／２となる。実際には、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と第２注入エネルギーｎ型拡散層５１の境界にはフリンジ電界がかかり、フリンジ電界による転送が行われるため、転送時間がさらに短くなる。
【００７９】
以下に、このフリンジ電界を形成する元となるチャネル電位をもちいて、第５実施形態の固体撮像装置４０ａの作用効果について説明する。図２５は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位特性を例示するグラフである。図２５において、ドーズ量は１．８５×１０１２／ｃｍ２、一定で注入エネルギーを１５０ｋｅＶ、２５０ｋｅＶ、３５０ｋｅＶと振っている。チャネル電位特性の曲線４６は、注入エネルギーを１５０ｋｅＶにした時のチャネル電位特性を例示している。チャネル電位特性の曲線４７は、注入エネルギーを２５０ｋｅＶにした時のチャネル電位特性を例示している。チャネル電位特性の曲線４８は、注入エネルギーを３５０ｋｅＶにした時のチャネル電位特性を例示している。それぞれのピンニング開始電圧はＶ６ｐ周辺である。またそれぞれのピンニング電位はΨＶ６、ΨＶ７、ΨＶ８である。なお、図２５に例示したグラフでは、本実施形態の理解を容易にするために、それぞれのピンニング電位の差は約２Ｖになるように設定している。
【００８０】
ここで、図２５のチャネル電位特性のグラフを参照すると、ピンニング開始電圧Ｖ６ｐは、チャネル電位特性の曲線４６、チャネル電位特性の曲線４７およびチャネル電位特性の曲線４８とも、ほぼ同一である。したがって、例えば、注入エネルギーを１５０ｋｅＶ（チャネル電位特性の曲線４６）と２５０ｋｅＶ（チャネル電位特性の曲線４７）のチャネル電位特性の固体撮像装置４０ａを構成した場合、電荷蓄積ゲート電極電圧は−７Ｖ等に設定することができる。
【００８１】
本実施形態の固体撮像装置４０ａにおいて、ピンニング開始電圧は、電荷蓄積ゲート電極下部の酸化膜−ｎ型拡散層界面の電位（ＧＮＤ電位）に酸化膜にかかる電圧を加えたものと等価である。酸化膜中の電界をＥｏｘ、誘電率をεｏｘ、酸化膜との境界部分のｎ型拡散層内の電界をＥｓｉ、誘電率をεｓｉとした場合、境界部分では電束一定の法則により、Ｅｏｘとεｏｘの積は、Ｅｓｉとεｓｉの積に等しい。したがって、ＥｏｘはＥｓｉに比例する。酸化膜中の電界は一定であり、酸化膜厚も一定であるため、ピンニング開始電圧の大小関係は、Ｅｓｉの大小関係に置き換えて考えることができる。すなわち、Ｅｓｉが大きいほどピンニング開始電圧の絶対値は大きくなる。
【００８２】
まず、ピンニングしていない領域（例えばＶＧ＝−２Ｖ）での電気力線を考えると、チャネル電位のピーク位置より酸化膜側の空乏層内にあるドナー（正電荷）から負電圧の印加されたゲート電極（負電荷）に電気力線が終端する。ピンニング開始電圧までは同様に考えることができ、ゲート電圧をピンニング開始電圧よりさらにマイナス側にした場合、それに伴って増加するゲート電極の負電荷には、ピンニングしている酸化膜−半導体基板界面に同量発生する正電荷からの電気力線が終端する。つまり、ピンニング開始電圧はチャネル電位のピーク位置より酸化膜側の空乏層内にあるドナーの量で決定される。
【００８３】
図２６、図２７および図２８は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。図２６は、注入エネルギーを１５０ｋｅＶにしたときの不純物濃度分布を例示している。図２７は、注入エネルギーを２５０ｋｅＶにしたときの不純物濃度分布を例示している。図２８は、注入エネルギーを３５０ｋｅＶにしたときの不純物濃度分布を例示している。また、図２９、図３０および図３１は、ドーズ量を一定にして注入エネルギーを変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。図２９は、注入エネルギーを１５０ｋｅＶにしたときのチャネル電位分布を例示している。図３０は、注入エネルギーを２５０ｋｅＶにしたときのチャネル電位分布を例示している。図３１は、注入エネルギーを３５０ｋｅＶにしたときのチャネル電位分布を例示している。
【００８４】
上述の図２５に例示したように、注入ドーズ量一定で注入エネルギーを変化させたとき、注入エネルギーが大きいほどチャネル電位のピーク位置が深くなる。また、注入ドーズ量一定で注入エネルギーを変化させたとき、注入エネルギーが大きいほどチャネル電位が大きくなる。ここで、図２６〜図３１を参照すると、注入エネルギーの増加に伴い、ドナーのプロファイルが広がり、かつ、ピーク濃度は低下している。
【００８５】
このように、注入ドーズ量一定で注入エネルギーを増加させた場合、半導体基板内のドナーの量は一定で基板深さ方向の広がりは異なるが、ピンニング開始電圧という特異な点においては、ｎ型拡散層の酸化膜側とｐ型半導体基板側がいずれもＧＮＤ電位となるため、注入エネルギーを変えてもチャネル電位のピーク位置より酸化膜側にあるドナーの量はほぼ同一となる。別の見方として、酸化膜界面近傍のチャネル電位の傾き（すなわち電界Ｅｓｉ）は、注入エネルギーを変化させても同等であることがわかる。したがって、注入エネルギーを変化させてもピンニング開始電圧は、ほぼ一定となる。
【００８６】
［参考例］
上述の第５実施形態の固体撮像装置４０ａは、不純物濃度は同じｎで注入エネルギーを変えて電位差をつけ、転送速度の問題を解決している。先に述べたように、第１〜第４実施形態の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７の直下は、不純物濃度を変えて注入打ち分けを行うことにより電位差をつけて転送速度の問題を解決していた。具体的には、第１〜第４実施形態の固体撮像装置４０は、注入エネルギー一定で注入ドーズ量を変化させている。注入ドーズ量が大きいほど空乏化した際のドナーの数も増加するため、チャネル電位が高くなる。ピンニング状態では、表面電位がＧＮＤレベルに固定されていることから、Ｅｓｉは注入ドーズ量の増加に伴い大きくなる。以下に、不純物濃度を変える場合と注入エネルギーを変える場合のピンニング開始電圧の違いについて説明する。
【００８７】
図３２は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位特性を例示するグラフである。図３２において、注入エネルギーは１５０ｋｅＶ一定で、注入ドーズ量を１．８５×１０１２／ｃｍ２、３．００×１０１２／ｃｍ２、４．００×１０１２／ｃｍ２、と振っている。チャネル電位特性の曲線４１ａは、ドーズ量が１．８５×１０１２／ｃｍ２のときのチャネル電位特性を例示している。チャネル電位特性の曲線４２ａは、ドーズ量が３．００×１０１２／ｃｍ２のときのチャネル電位特性を例示している。チャネル電位特性の曲線４３ａは、ドーズ量が４．００×１０１２／ｃｍ２のときのチャネル電位特性を例示している。それぞれのピンニング開始電圧はＶ９ｐ、Ｖ１０ｐ、Ｖ１１ｐである。また、それぞれのピンニング電位はΨＶ９、ΨＶ１０、ΨＶ１１である。図３２のグラフは、図２５と同様に、本実施形態の理解を容易にするために、それぞれのピンニング電位の差は約２Ｖになるように設定している。
【００８８】
図３２に示されているように、
Ｖ９ｐ＜Ｖ１０ｐ＜Ｖ１１ｐ
のように、ピンニング開始電圧の絶対値が大きくなっている。図３２に例示したグラフでは、ピンニング電位がΨＶ９、ΨＶ１０、ΨＶ１１に対し、ピンニング開始電圧がＶ９ｐからＶ１１ｐに６Ｖも変化している。
【００８９】
図３３、図３４および図３５は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときの不純物濃度分布（ドナーおよびアクセプタのプロファイル）を例示するグラフである。図３３は、ドーズ量を１．８５×１０１２／ｃｍ２にしたときの不純物濃度分布を例示している。図３４は、３．００×１０１２／ｃｍ２にしたときの不純物濃度分布を例示している。図３５は、４．００×１０１２／ｃｍ２にしたときの不純物濃度分布を例示している。また、図３６、図３７および図３８は、注入エネルギーを一定にしてドーズ量を変化させたときのチャネル電位分布を例示するグラフである。図３６は、１．８５×１０１２／ｃｍ２にしたときのチャネル電位分布を例示している。図３７は、３．００×１０１２／ｃｍ２にしたときのチャネル電位分布を例示している。図３８は、４．００×１０１２／ｃｍ２にしたときのチャネル電位分布を例示している。図３３〜図３８に示されているように、注入エネルギー一定で注入ドーズ量を変化させた場合、酸化膜界面近傍のチャネル電位の傾き（すなわち電界Ｅｓｉ）が、注入ドーズ量の増加につれて大きくなっていることがわかる。
【００９０】
上述の図３２を参照すると、例えば、ドーズ量、１．８５×１０１２／ｃｍ２、注入エネルギー１５０ｋｅＶの場合、ピンニング電位は約２Ｖである。これを電荷蓄積ゲート電極７の駆動パルスΦＴＧ１側電位と考える。次に、電荷蓄積ゲート電極７の駆動パルスΦＴＧ２側電位を約４Ｖにして電荷蓄積ゲート電極７の直下で電位差をつけ転送速度を改善しようとする。
【００９１】
図３２に例示されたグラフに基づいて不純物濃度を変化させる場合、３．００×１０１２／ｃｍ２、１５０ｋｅＶに設定してｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）１５を形成すれば良い。この場合の固体撮像装置４０において、電荷蓄積ゲート電極７の下をピンニングさせるには、電荷蓄積ゲート電極電圧をＶ１０ｐ以下、例えば、約−１０Ｖ以下にしなければならない。これに対し、注入エネルギーを変化させる場合、図２５に示されているように、１．８５×１０１２／ｃｍ２、２５０ｋｅＶに設定して第２注入エネルギーｎ型拡散層５１を形成すればよい。この場合、電荷蓄積ゲート電極７の下をピンニングさせるには電荷蓄積ゲート電極電圧をＶ６ｐ以下、例えば、約−７Ｖ以下にすればよい。
【００９２】
電荷蓄積ゲート電極の直下に、約２Ｖのチャネル電位の差をつける場合において、注入エネルギーが異なる領域を設ける場合と、不純物濃度が異なる領域を設ける場合とでは、ピンニング電圧に、
（−７Ｖ）−（−１０Ｖ）＝３Ｖ
の違いが存在する。注入エネルギーが異なる領域を設けることで、ピンニング開始電圧の変化が小さい固体撮像装置４０ａを構成することができる。また、電荷蓄積ゲート電極７のピンニング電圧が、＋側に大きい値に設定された固体撮像装置４０ａを構成することができる。
【００９３】
上述のようなピンニング動作をさせる場合、電荷蓄積ゲート電極７には、−の電圧が与えられ、電荷蓄積ゲート電極７の直下が＋の電位となり、電荷蓄積ゲート電極の隣にある電荷転送ゲート電極６の駆動パルスΦＴＧ１と、電荷転送ゲート電極８の駆動パルスΦＴＧ２とにも、通常、＋の電圧が与えられる。このような電圧配置は、電荷蓄積ゲート電極７と基板間の耐圧、電荷蓄積ゲート電極７と駆動パルスΦＴＧ１を与える電荷転送ゲート電極６間の耐圧、および、電荷蓄積ゲート電極７と駆動パルスΦＴＧ２を与える電荷転送ゲート電極８間の耐圧などに影響を与えることになる。第５実施形態のように、ピンニング電圧を＋側にし、また、ピンニング開始電圧のばらつきが小さい固体撮像装置４０ａを構成することによって、耐圧に対する性能を向上させることが可能となり、製品の信頼性を向上させることができる。
【００９４】
また、第１〜第４実施形態の固体撮像装置４０と同様に、電荷蓄積ゲート電極電圧をピンニング開始電圧以下に設定することにより、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と酸化膜１９との界面、および、第２注入エネルギーｎ型拡散層５１と酸化膜１９との界面は、いずれもポテンシャルがｐ型半導体基板１８と同電位のＧＮＤレベルになっている。したがって、酸化膜−シリコン基板界面の界面準位に起因する暗電流の発生が約１／５に抑制される。以上のように、第５実施形態の固体撮像装置４０ａのような構成および駆動方法により、１電極下部で２つのピンニング電位の差を利用してフリンジ電界を発生させることで、転送効率を向上させると同時に暗電流の低減も可能となる。
【００９５】
［第６実施形態］
以下に、図面を参照して、本願発明の第６実施形態について説明を行う。図３９は、第６実施形態の固体撮像装置４０ａの断面と、その断面におけるポテンシャルを例示する図である。図３９の（ａ）は、第６実施形態の固体撮像装置４０ａの断面を例示している。図３９の（ｂ）は、その断面におけるポテンシャルの井戸の状態を例示している。また、図３９の（ｂ）における実線と点線は、各電極（電荷転送ゲート部２、電荷転送ゲート部４、ＣＣＤ部５）に印加される電圧に対応したポテンシャルの遷移の様子を例示している。なお、第６実施形態における固体撮像装置４０ａの平面図は、第５実施形態と同様である。
【００９６】
図３９を参照すると、第６実施形態の固体撮像装置４０ａでは、電荷蓄積ゲート電極７下部に、第１注入エネルギーｎ型拡散層５０と、第２注入エネルギーｎ型拡散層５１と、第３注入エネルギーｎ型拡散層５２とを備えている。第１注入エネルギーｎ型拡散層５０、第２注入エネルギーｎ型拡散層５１および第３注入エネルギーｎ型拡散層５２は、それぞれ不純物濃度が同じで、注入エネルギーの異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、およびＥ３が与えられることで形成される。それ以外の構成は、第５実施形態の固体撮像装置４０ａと同様である。ここで、注入エネルギーの関係は
Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３
である。
【００９７】
第６実施形態の固体撮像装置４０ａにおいては、図３９では、本実施形態の理解を容易にするために、駆動パルスΦＴＧ１を受ける電荷転送ゲート電極６の下のｎ型拡散層、駆動パルスΦＴＧ２を受ける電荷転送ゲート電極８の下のｎ型拡散層および駆動パルスΦ１を受けるＣＣＤ部ゲート電極９の下のｎ型拡散層の各々は、電荷蓄積ゲート電極７の下と同じ濃度ｎになっている。本実施形態の固体撮像装置４０ａは、このような構成に限定されるものではない。本実施形態においては、電位設計に自由度を持たせるためにも、これらの領域の不純物濃度、注入エネルギーが必ずしも電荷蓄積ゲート電極７下と関連をもたなくともよい。
【００９８】
以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。また、上述の複数の実施形態は、その構成・動作に矛盾が生じない範囲において組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１…光電変換部（フォトダイオード）
２…電荷転送ゲート部
３…電荷蓄積部
４…電荷転送ゲート部
５…ＣＣＤ部
６…電荷転送ゲート電極
７…電荷蓄積ゲート電極
８…電荷転送ゲート電極
９…ＣＣＤ部ゲート電極
１０…ｐ＋型拡散層
１１…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）
１２…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）
１３…ｐ＋型拡散層
１４…ｐ型拡散層
１５…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）
１５ａ…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ３）
１５ｂ…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ４）
１５ｃ…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ５）
１６…ｐ型拡散層
１７…ｐ＋型拡散層
１８…ｐ型半導体基板
１９…ゲート酸化膜
２０…ＣＣＤ部ゲート電極
２１…ＣＣＤ領域
２２…出力アンプ
２３…ＣＣＤ部ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ−）
２５…ＣＣＤ部ゲート電極
２６…ＣＣＤ部ゲート電極
３４…曲線
３５…曲線
４０…固体撮像装置
４０ａ…固体撮像装置
４１…チャネル電位特性の曲線
４１ａ…チャネル電位特性の曲線
４２…チャネル電位特性の曲線
４２ａ…チャネル電位特性の曲線
４３…チャネル電位特性の曲線
４３ａ…チャネル電位特性の曲線
４４…チャネル電位特性の曲線
４５…チャネル電位特性の曲線
４６…チャネル電位特性の曲線
４７…チャネル電位特性の曲線
４８…チャネル電位特性の曲線
５０…第１注入エネルギーｎ型拡散層
５１…第２注入エネルギーｎ型拡散層
５２…第３注入エネルギーｎ型拡散層
Ｖ１ｐ…ピンニング電圧
Ｖ２ｐ…ピンニング電圧
Ｖ３ｐ…ピンニング電圧
Ｖ４ｐ…ピンニング電圧
Ｖ５ｐ…ピンニング電圧
Ｖ６ｐ…ピンニング電圧
Ｖ９ｐ…ピンニング電圧
Ｖ１０ｐ…ピンニング電圧
Ｖ１１ｐ…ピンニング電圧
ψｖ１…ピンニング電位
ψｖ２ａ…ピンニング電位
ψｖ２ｂ…チャネル電位
ψｖ３…ピンニング電位
ψｖ４…ピンニング電位
ψｖ５…ピンニング電位
ΨＶ６…ピンニング電位
ΨＶ７…ピンニング電位
ΨＶ８…ピンニング電位
ΨＶ９…ピンニング電位
ΨＶ１０…ピンニング電位
ΨＶ１１…ピンニング電位
１００…固体撮像装置
１０１…光電変換部（フォトダイオード）
１０２…電荷転送ゲート部
１０３…電荷蓄積部
１０４…電荷転送ゲート部
１０５…ＣＣＤ部
１０６…電荷転送ゲート電極
１０７…電荷蓄積ゲート電極
１０８…電荷転送ゲート電極
１０９…ＣＣＤ部ゲート電極
１１０…ｐ＋型拡散層
１１１…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ）
１１２…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ１）
１１３…ｐ＋型拡散層
１１４…ｐ型拡散層
１１６…ｐ型拡散層
１１７…ｐ＋型拡散層
１１８…ｐ型半導体基板
１１９…ゲート酸化膜
１２７…第１層ゲート電極
１２８…第２層ゲート電極
１２９…第１層ゲート電極
１３０…第２層ゲート電極
１３１…ｎ型拡散層
１３２…ｎ−型拡散層
１３３…ｐ型拡散層
１３４…チャネル電位特性の曲線
１３５…チャネル電位特性の曲線
２００…固体撮像装置
２１５…ｎ型拡散層（不純物濃度ｎ２）
３００…固体撮像装置
ΦＴＧ１…駆動パルス
ΦＴＧ２…駆動パルス
Φ１…駆動パルス
Φ２…駆動パルス
Φ３…駆動パルス
Φ４…駆動パルス
Ｖ１…ＤＣ電圧
Ｖ２…ＤＣ電圧
Ｖ３…ＤＣ電圧
Ｖ４…ＤＣ電圧
Ｖ５…ＤＣ電圧
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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