(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向と水平方向にマトリックス状に配列された受光素子を有し、該受光素子はｎ型不純物拡散領域と正電荷蓄積領域とからなり、該正電荷蓄積領域に接するように垂直方向に設けられたチャネルストップ領域と、前記マトリックス状に配列された受光素子からなる受光素子領域の、垂直方向に配列された各前記受光素子列の一側に設けられた垂直転送レジスタと、各前記垂直転送レジスタの終端に接続されて設けられた水平転送レジスタとを有する固体撮像素子において、前記受光素子領域に、有効画素領域と、遮光膜で覆われたダミービット領域とを設け、該ダミービット領域を前記有効画素領域と前記水平転送レジスタとの間に配置し、前記各受光素子列に対応する前記チャネルストップ領域の両端にグランド電位を印加してなることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
グランド電位が印加される前記チャネルストップ領域の両端のうち、前記水平転送レジスタ側に位置する端部には、前記ダミービット領域の遮光膜及び前記正電荷蓄積領域を介して前記グランド電位が印加されてなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子、特にＣＣＤ固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の概略的構成を示す。このＣＣＤ固体撮像素子１は、画素となる複数の受光素子２がマトリックス状に配列され、各受光素子列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が設けられ、各垂直転送レジスタ３の終端に接続するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ４が設けられて成る。
【０００３】
図６は、図５のＡ−Ａ線上の断面、即ち受光素子２及び垂直転送レジスタ３を含む部分の断面構造を示す。
この例では、ｎ型シリコン半導体基板１１に第１のｐ型半導体ウエル領域１２が形成され、この第１のｐ型半導体ウエル領域１２内に受光素子２の構成要素となるｎ型不純物拡散領域１３と垂直転送レジスタ３を構成するｎ型転送チャネル領域１４並びにｐ型のチャネルストップ領域１５が形成され、ｎ型不純物拡散領域１３上にｐ型の正電荷蓄積領域１６が、ｎ型の転送チャネル領域１４の直下に第２のｐ型半導体ウエル領域１７が夫々形成されている。
ｐ型の正電荷蓄積領域１６はｐ型のチャネルストップ領域１５に電気的に接して形成される。
【０００４】
ここで、第１のｐ型半導体ウエル領域１２と、ｎ型不純物拡散領域１３と、ｐ型の正電荷蓄積領域１６とによってＨＡＤ（ホール・アキュミュレイテッド・ダイオード）センサと呼ばれる受光素子２が構成される。
【０００５】
垂直転送レジスタ３を構成する転送チャネル領域１４、チャネルストップ領域１５及び読み出しゲート部７上にゲート絶縁膜１８を介して第１層及び第２層の多結晶シリコンからなる転送電極１９が形成され、転送チャネル領域１４、ゲート絶縁膜１８及び転送電極１９により、垂直転送レジスタ３が構成される。さらに、層間絶縁膜２０を介して、受光素子２を除く垂直転送レジスタ３等の他部に例えばＡｌ膜による遮光膜２１が被着形成される。
【０００６】
チャネルストップ領域１５はその撮像領域の上端に対応する端部においてコンタクトされてグランド（ＧＮＤ）電位が印加される。
【０００７】
このＣＣＤ固体撮像素子１では、受光素子２で発生した信号電荷が読み出しゲート部７を通して垂直転送レジスタ３に読み出された後、垂直転送レジスタ３内を垂直方向に転送され、更にその信号電荷が水平転送レジスタ４に転送され、水平転送レジスタ４内を水平方向に転送されて、出力回路５を通して出力されるようになされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＣＣＤ固体撮像素子１において、光電変換で発生した信号電荷（即ち電子）のうち、受光素子毎の規定量ＱS 以上の電荷（電子）は、図７のポテンシャル図で示すように、オーバーフローバリアＯＦＢを超えて基板電圧Ｖsub が印加された基板１１に掃き捨てられるが、掃き捨て電荷量の増加に伴いオーバーフローバリアのポテンシャルが浅くなり、即ち、φOFB からφOFBdへと浅くなり、前記規定量ＱS がＱSdに増えてしまう。
【０００９】
増加後の受光素子毎の規定量をＱSdとすると、ＱSd−ＱS がニー（ＫＮＥＥ）成分と言われるものである。
【００１０】
受光素子に入射される光量（いわゆる像面照度）と、規定の電荷量ＱS の増加分、即ちニー成分の関係を図９に示す。
入射光量、即ち像面照度が大になるに従って、ニー成分が増加する。
【００１１】
上述では単体の受光素子での問題を考えた場合であり、受光素子が２次元的に配列されている場合は、更に別の要素が働く。
即ち、光電変換されたことによって発生した他方の電荷、即ちホール（正孔）は、正電荷蓄積領域１６からチャネルストップ領域１５を介して排出される。このホールの排出の際に、チャネルストップ領域１６のグランド（ＧＮＤ）電位が印加されたコンタクト端部（即ち、通常、有効画素領域の上端に対応する端部）から垂直方向に離れた場所の受光素子では、図８のポテンシャル図に示すように、電圧降下があるため、受光素子２のミニマムポテンシャルφSENSが深くなってしまうことに起因してＱSdが更に上昇し（ＱSd1 ＜ＱSd2 ）、ニー成分としても増えることになる。
【００１２】
図１０は、図５のＫ−Ｋ′線上に関するグランド（ＧＮＤ）からの距離と受光素子の正電荷蓄積領域１６の電位との関係を示す。
図１０において、Ｒ1 は配線等の内部抵抗、Ｒ2 は１画素当たりの抵抗を示す。ＧＮＤ電位が与えられる上端からの距離に応じて電圧降下によって漸次電位が増加する。
【００１３】
上述のニー成分の増加は、信号電荷の初期規定量ＱS の抑制を招き、ダイナミックレンジ、リニアリティを阻害し、またブルーミングを発生させる等の不都合を生じる。
【００１４】
本発明は、上述の点に鑑み、特に、電圧降下に起因するニー成分を抑制することができる固体撮像素子を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、垂直方向と水平方向にマトリックス状に配列された受光素子を有し、該受光素子はｎ型不純物拡散領域と正電荷蓄積領域とからなり、該正電荷蓄積領域に接するように垂直方向に設けられたチャネルストップ領域と、前記マトリックス状に配列された受光素子からなる受光素子領域の、垂直方向に配列された各前記受光素子列の一側に設けられた垂直転送レジスタと、各前記垂直転送レジスタの終端に接続されて設けられた水平転送レジスタとを有する固体撮像素子において、前記受光素子領域に、有効画素領域と、遮光膜で覆われたダミービット領域とを設け、該ダミービット領域を前記有効画素領域と前記水平転送レジスタとの間に配置し、前記各受光素子列に対応する前記チャネルストップ領域の両端にグランド電位を印加する構成とする。
【００１６】
この構成によれば、チャネルストップ領域の垂直方向の両端にグランド電位を印加することにより、ホール電流が２方向に流れ、電圧降下が半分に抑えられる。これによって電圧降下に起因するニー成分が抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体撮像素子は、マトリックス状に配列された受光素子を有し、この受光素子に接するチャネルストップ領域が設けられてなる固体撮像素子において、撮像領域の垂直方向の両端に対応するチャネルストップ領域の両端にグランド電位を印加した構成とする。
【００１８】
本発明は、上記固体撮像素子において、チャネルストップ領域の一方の端は遮光膜を介してグランド電位が印加された構成とする。
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係るインターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の概略的構成を示す。
このＣＣＤ固体撮像素子３１は、画素となる複数の受光素子３２がマトリックス状に配列され、各受光素子列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３３が設けられ、各受光素子列の他側及び垂直方向に隣り合う受光素子間に受光素子３２に接するようにチャネルストップ領域３４が形成され、撮像領域の有効画素領域３５を除いて遮光膜３６が形成され、さらに各垂直転送レジスタ３３の終端に接続するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ３７が設けられてなる。３８は水平転送レジスタ３７の出力端に接続された出力回路を示す。ここで、チャネルストップ領域３４は、少なくとも有効画素領域３５、ダミービット領域の受光素子３２に対して垂直転送レジスタ３３と同様に垂直方向に並設し、前記受光素子３２に設けたＰ型の正電荷蓄積領域５６と接続するよう設けられ、垂直方向で水平転送レジスタ３７が設けられた端と対極の端部をＧＮＤに接地されたＰ型領域をいう。
【００２１】
図１において、３９は絵画素領域を示し、この絵画素領域３９は、有効画素領域３５と、遮光膜３６で覆われた光学的黒を決めるいわゆるオプティカルブラック領域４０とを含む。
そして、遮光膜３６で覆われるも、絵画素領域３９に含まれない領域４１が、ダミービット領域と呼ばれる領域である。上述した撮像領域は、有効画素領域３５、オプティカルブラック領域４０及びダミービット領域４１とから成る。ここで、有効画素領域３５とは、層間絶縁膜６０を介し、受光素子３２を除いて遮光膜６１で覆われている領域をいう。また、オプティカルブラック領域４０とは、全面を遮光膜６１で覆われ、有効画素領域３５とダミービット領域４１との間に位置し、光学的黒を決める領域をいう。さらに、ダミービット領域４１とは、正電荷蓄積領域５６上に直接Ａｌ遮光膜を接続し、絵画素領域３９の受光素子３２上に層間膜絶縁膜６０を有さずに、全面に遮光膜６１を有する領域をいう。
【００２２】
図２は、図１のＢ−Ｂ線上の断面、即ち受光素子３２及び垂直転送レジスタ３３を含む部分の断面構造を示す。
本例では、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板５１に第１の第２導電型、例えばｐ型の半導体ウエル領域５２が形成され、この第１のｐ型半導体ウエル領域５２内に受光素子３２の構成要素となるｎ型不純物拡散領域５３と垂直転送レジスタ３３を構成するｎ型転送チャネル領域５４並びにｐ型のチャネルストップ領域３４が形成され、ｎ型不純物拡散領域５３上にｐ型の正電荷蓄積領域５６が、ｎ型の転送チャネル領域５４の直下に第２のｐ型半導体ウエル領域５７が夫々に形成されている。ｐ型の正電荷蓄積領域５６は、ｐ型のチャネルストップ領域１５に電気的に接して形成される。
【００２３】
ここで、第１のｐ型半導体ウエル領域５２と、ｎ型不純物拡散領域５３とｐ型の正電荷蓄積領域５６とによってＨＡＤ（ホール・アキュミュレイテッド・ダイオード）センサと呼ばれる受光素子３２が構成される。
【００２４】
垂直転送レジスタ３３を構成する転送チャネル領域５４、チャネルストップ領域３４及び読み出しゲート部４３上にゲート絶縁膜５８を介して第１層及び第２層の多結晶シリコンからなる転送電極５９が形成され、転送チャネル領域５４、ゲート絶縁膜５８及び転送電極５９により、垂直転送レジスタ３３が構成される。さらに、層間絶縁膜６０を介して受光素子３２を除く垂直転送レジスタ３３等の他部に例えばＡｌ膜による遮光膜６１が被着形成されて成る。
【００２５】
尚、図示せざるも、更にその上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルター層及びオンチップマイクロレンズが形成される。
【００２６】
しかして、本実施例においては、特に、チャネルストップ領域３４の上端及び下端、即ち撮像領域の上下両端、従って有効画素領域３５の上下両端に対応する上端及び下端に、コンタクトをとってグランド（ＧＮＤ）電位を印加するようになす。
【００２７】
この場合、チャネルストップ領域３４の下端では、Ａｌ遮光膜３６を介してグランド（ＧＮＤ）電位を印加することができる。この為、例えば図３（図１のＣ−Ｃ線上の断面）に示すように、ダミービット領域４１の画素部（受光部に相当する）において、その正電荷蓄積領域５６に直接Ａｌ遮光膜３６を接続し、このＡｌ遮光膜３６にグランド（ＧＮＤ）電位を印加することができる。これによって、Ａｌ遮光膜３６及びｐ型の正電荷蓄積領域５６を通してｐ型のチャネルストップ領域３４の下端にグランド電位が印加される。
【００２８】
この実施例のＣＣＤ固体撮像素子３１では、受光素子で発生した信号電荷（この例では電子）が読み出しゲート部４３を通して垂直転送レジスタ３３に読み出され、垂直転送レジスタ３３内を垂直方向に転送された後、水平転送レジスタ３７に転送され、さらに水平転送レジスタ３７内を水平方向に転送されて、出力回路３８を通して出力される。
【００２９】
一方、光電変換で発生した他方の電荷、即ちホール（正孔）は、正電荷蓄積領域５６からグランド電位のチャネルストップ領域３４を通して排出される。このとき、チャネルストップ領域３４の垂直方向の両端にコンタクトをとってグランド電位が印加されているので、いわゆるホール電流はチャネルストップ領域３４の両端に向かって流れる。これによって、チャネルストップ領域３４での電圧降下、従ってグランド電位の端部から離れた受光素子のｐ型の正電荷蓄積領域５６での電圧降下が抑制され、ニー特性が抑制される。
【００３０】
即ち、今、撮像領域の垂直方向の中央の受光素子に着目する。ホール電流がチャネルストップ領域３４の両端に向かって同じだけ流れる様な理想的なモデルを想定した場合には、簡単なオームの法則から数１、数２が導き出せる。
【００３１】
【数１】
0003711678.tif 000002
但し、Ｖは電圧、Ｉは電流、Ｒは抵抗、ρは比抵抗、Ｌは長さ、Ｓは断面積を示す。
【００３２】
【数２】
従って、
Ｖ／４＝（０．５×Ｉ）×〔ρ×（０．５×Ｌ）／Ｓ〕
【００３３】
数２で明らかなように、電圧降下は１／４に抑えることができる。
【００３４】
図４は、図１のＫ−Ｋ′線上の各受光素子の正電荷蓄積領域での電位関係を示す。この図４から明らかなように電圧降下が抑制されるのが理解できる。
【００３５】
上述したように、本実施例によれば、ホール電流を２方向に流すことで電圧降下を抑えることができ、ホール電流の増加によるニー特性を抑制することができる。
これによって、信号電荷の初期規定量であるＱS を多く取ることが出来、ダイナミックレンジ、リニアリティの高いＣＣＤ固体撮像素子を設計できる。
【００３６】
また、大きな光量が撮像領域に当たった際、基板側にオーバーフローせずに垂直転送レジスタ側にオーバーフローする、いわゆるブルーミングに対するマージンを大きく取ることができる。
【００３７】
チャネルストップ領域３４の下端にＡｌ遮光膜３６を介してグランド電位を与えるときは、配線等を不要として簡潔にチャネルストップ領域３４の下端へのグランド電位の印加を容易にする。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像素子によれば、ニー成分を抑制することができる。これによって、受光素子における信号電荷の初期規定量を多く取ることができ、ダイナミックレンジ、リニアリティの高い固体撮像素子を得ることができる。
【００３９】
また、ブルーミングに対するマージンを大きく取ることができ、大きな光量が撮像領域に入射された際にも、ブルーミングの発生を阻止することができる。
【００４０】
チャネルストップ領域の一方の端に遮光膜を介してグランド電位を印加するときは、配線等を不要にして簡潔にチャネルストップ領域の一方端にグランド電位を印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の実施例を示す構成図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線上の断面図である。
【図４】本発明に係るグランド（ＧＮＤ）からの距離と受光素子内のグランド（ＧＮＤ）電位の変化の関係を示すグラフである。
【図５】従来のインターライン転送方式の固体撮像素子の構成図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図７】オーバーフローバリアの変化によるＱS 変化を示すポテンシャル図である。
【図８】受光素子内のグランド電位の変化によるＱSd変化を示すポテンシャル図である。
【図９】ニー（ＫＮＥＥ）特性の説明に供するグラフである。
【図１０】従来例に係るグランド（ＧＮＤ）からの距離と受光素子内のグランド（ＧＮＤ）電位変化の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３１  インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子、３２  受光素子、３３垂直転送レジスタ、３４  チャネルストップ領域、３６  遮光膜、３９  画素領域、４１  ダミービット領域、５６  正電荷蓄積領域
【図１】
0003711678.tif 000003
【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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