(57)【要約】      （修正有）【課題】転送効率を維持しつつ、感度及び飽和電荷量を向上させた固体撮像装置及びカメラを提供する。【解決手段】電荷蓄積領域２２を有し、入射光に応じて発生した電荷を電荷蓄積領域２２に蓄積する光電変換部ＰＤと、電荷蓄積領域２２に蓄積された電荷を電荷蓄積領域２２から転送する転送部２６とを有し、電荷蓄積領域２２には複数の段差を有するポテンシャル分布が形成され、複数の段差の大きさは転送部２６から遠くにある段差ほど大きい。【選択図】図２
2014003243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積領域を有し、入射光に応じて発生した電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積する光電変換部と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記電荷蓄積領域から転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、
前記電荷蓄積領域には複数の段差を有するポテンシャル分布が形成され、前記複数の段差の大きさは前記転送部から遠くにある段差ほど大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の段差によって分割されたポテンシャル分布の複数の部分に対応する前記電荷蓄積領域の複数の部分領域の面積は、前記転送部から遠くにある部分領域ほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記転送部は転送電極で覆われたチャネル領域を含み、
前記複数の段差によって分割されたポテンシャル分布の複数の部分に対応する前記電荷蓄積領域の複数の部分領域の少なくとも１つにおいて、チャネル領域の幅方向における当該部分領域の幅は、前記転送部から遠ざかるほど狭くなることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換部は、前記電荷蓄積領域の上に前記電荷蓄積領域とは逆の導電型の半導体領域を更に有し、
前記半導体領域の不純物濃度分布は複数の段差を有し、前記不純物濃度分布の複数の段差の大きさは前記転送部から遠くにある段差ほど大きく、それによって前記電荷蓄積領域に前記ポテンシャル分布が形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電荷蓄積領域の不純物濃度分布は複数の段差を有し、前記不純物濃度分布の複数の段差の大きさは前記転送部から遠くにある段差ほど大きく、それによって前記電荷蓄積領域に前記ポテンシャル分布が形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記電荷蓄積領域の前記ポテンシャル分布は平坦な部分を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
電荷を電気信号に変換する信号変換部を更に有し、
前記転送部は、前記電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷を前記信号変換部へ転送することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と
を備えることを特徴とするカメラ。
【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カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は様々な用途に用いられており、一眼レフカメラや天体望遠鏡では光電変換部の面積が大きな固体撮像装置が用いられる。光電変換部の面積が大きい場合に、光電変換部で発生した信号電荷（電子又はホール）を完全に転送する技術が求められる。このような技術は電荷の読み出しを短時間で完了するためにも有用である。このような要望に対して、特許文献１は、光電変換部で発生した電荷を電界ドリフトによって転送電極へ高速且つ完全に転送するように、光電変換部の電荷蓄積領域の各点においてポテンシャル勾配を形成する技術を提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２３６０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、固体撮像装置では効率的な電荷転送だけでなく、高感度であり、高飽和電荷量（すなわち高ダイナミックレンジ）であることも求められる。以下に詳細に説明するように、特許文献１の技術は転送効率の向上を実現するものの、感度及び飽和電荷量については十分な性能が得られない。そこで、本発明は、転送効率を維持しつつ、感度及び飽和電荷量を向上するための技術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】
【０００５】
上記課題に鑑みて、本発明の１つの実施形態では、電荷蓄積領域を有し、入射光に応じて発生した電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積する光電変換部と、電荷を電気信号に変換する信号変換部と、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記電荷蓄積領域から転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、前記電荷蓄積領域には複数の段差を有するポテンシャル分布が形成され、前記複数の段差の大きさは前記転送部から遠くにある段差ほど大きいことを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上記手段により、転送効率を維持しつつ、感度及び飽和電荷量を向上するための技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による固体撮像装置の画素の回路構成例を説明する図。
【図２】本発明の実施形態による固体撮像装置の画素の構造例を説明する図。
【図３】本発明の実施形態による固体撮像装置の画素の製造方法例を説明する図。
【図４】本発明の実施形態による固体撮像装置の画素の変形例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。図面を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。本発明の一部の実施形態は固体撮像装置に係り、特に大面積の画素を有する固体撮像装置に係る。
【０００９】
図１は本発明の一部の実施形態に係る固体撮像装置の有する画素１０の回路構成例を説明する。画素１０を構成する素子は半導体基板に配されうる。例えば、半導体基板に配された画素１０の面積は５０〜１０００００μｍ2であってもよく、更に１００〜１０００μｍ2であってもよい。以下の例において画素１０の１辺の長さは約２０μｍである。本明細書において、ある領域の面積は半導体基板を光の入射方向からみた平面での当該領域の面積である。言い換えると、ある領域の面積は、当該領域が半導体基板の主面に平行な平面に正射影された領域の面積である。固体撮像装置は複数の画素１０がアレイ上に配置された画素アレイを有しうる。画素１０は、フォトダイオードＰＤ及び複数のＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４を備えうる。フォトダイオードＰＤは入射光に応じた電荷を発生する光電変換部として機能する。フォトダイオードＰＤはＭＯＳトランジスタＭ１を介してフローティングディフュージョンＦＤに接続される。ＭＯＳトランジスタＭ１は信号ＰＴＸによって導通状態又は非導通状態に制御され、導通状態である場合に、フォトダイオードＰＤで発生した電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。すなわち、ＭＯＳトランジスタＭ１はフォトダイオードＰＤから電荷を転送する転送部として機能する。フローティングディフュージョンＦＤは転送された電荷を電圧信号に変換する。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤは電荷を電気信号に変換する信号変換部として機能する。変換された電圧信号はソースフォロアとして動作するＭＯＳトランジスタＭ２によって増幅され、信号ＰＳＥＬによって導通状態が制御されるＭＯＳトランジスタＭＯＳ４を介して垂直信号線ＶＬへ読み出される。フローティングディフュージョンＦＤの電位は信号ＰＲＥＳによって導通状態が制御されるＭＯＳトランジスタＭ２によって所定の電位にリセットされる。すなわちＭＯＳトランジスタＭ２はフローティングディフュージョンＦＤ及びフォトダイオードＰＤをリセットするリセット部として機能する。
【００１０】
次に、図２のレイアウト図及び断面図を参照しつつ画素１０の構成例を説明する。図２（ａ）は画素１０を入射方向からみた平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線断面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ´線に沿ったポテンシャル分布を示す。このポテンシャル分布はＭＯＳトランジスタＭ１を導通状態とし、フローティングディフュージョンＦＤをリセット電圧Ｖｒｅｓにリセットした場合に形成される状態を示す。
【００１１】
図２に示す例では、フォトダイオードＰＤはＰ型の半導体基板２０に形成された埋め込みフォトダイオードである。これに代えて、フォトダイオードＰＤはＮ型の半導体基板に形成されたＰ型のウェル領域に形成されてもよい。フォトダイオードＰＤはＮ＋型の電荷蓄積領域２２と、その上に形成されたＰ＋型の表面領域２３とを含む。フォトダイオードＰＤで発生した電荷は電荷蓄積領域２２に蓄積される。図２の例において、フォトダイオードＰＤの１辺の長さは約１６μｍである。画素１０は素子分離領域２４（図２（ａ）では不図示）によって囲まれており、隣接する他の画素から電気的に分離される。フォトダイオードＰＤの外周は素子分離領域２４により規定されうる。また、素子分離領域２４の下にはＰ＋型のチャネルストップ領域２５（図２（ａ）では不図示）が形成されうる。フォトダイオードＰＤとＮ＋型のフローティングディフュージョンＦＤとの間の領域はＭＯＳトランジスタＭ１のチャネル領域として機能し、ＭＯＳトランジスタＭ１の転送電極２６で覆われる。ＭＯＳトランジスタＭ１が導通状態にされた場合に、チャネル領域に電荷の転送路であるチャネルが形成される。そのため、転送電極２６の電圧を制御することで、電荷蓄積領域２２に蓄積された電荷が電荷蓄積領域２２からフローティングディフュージョンＦＤへ転送される。
【００１２】
表面領域２３は互いの異なる不純物濃度を有する３つの半導体領域を含んでおり、転送電極２６に近い方から順に表面領域２３ｃ、表面領域２３ｂ、表面領域２３ａと表す。この表面領域２３の形状に合わせてフォトダイオードＰＤも３つの領域２１ａ〜２１ｃに分割され、電荷蓄積領域２２も３つの部分領域に分割される。表面領域２３の不純物濃度の相違によって、各領域２１ａ〜２１ｃにおいて電荷蓄積領域２２は異なるポテンシャルを有する。電荷蓄積領域２２のポテンシャルは転送電極２６から遠い位置にあるほど小さな値を有する。そして、ポテンシャル分布は、領域２１ａ〜２３ｃの境界に対応する位置において段差を有する。この段差は転送電極２６に近い側が大きな値となる勾配を有する。そのため、ポテンシャルが勾配を有する位置にある電子は電界ドリフトによって、転送電極２６に近づく方向に移動する。ポテンシャルは正電荷にとってのポテンシャルである。ある領域のポテンシャルが小さいとは、その領域に配された正電荷のポテンシャルエネルギーが小さいことである。本実施形態では、電気信号に変換するための電荷として、負電荷である電子を扱っている。そのため、図２では、電子にとってのポテンシャルの大きさを直感的に理解しやすいように、縦軸に沿って上に行くほどポテンシャルが小さくなることを示している。
【００１３】
本実施形態では、電荷蓄積領域２２の各領域はポテンシャルが平坦な部分を含んでおり、この平坦な部分のポテンシャルの値を各領域におけるポテンシャルの値とする。他の実施形態では、フォトダイオードＰＤの各領域における中央部分のポテンシャルの値や当該領域のポテンシャルの平均値を各領域におけるポテンシャルの値としてもよい。図２（ｃ）に示すように、電荷蓄積領域２２のポテンシャルは、領域２１ａに含まれる部分おいてＶａであり、領域２１ｂに含まれる部分においてＶｂであり、領域２１ｃに含まれる部分においてＶｃである。
【００１４】
図２に示す例では、領域２１ａと領域２１ｂとの境界は台形の上底及び２つの斜辺をなす。この台形の下底（ＭＯＳトランジスタＭ１のチャネル幅に平行な方向の幅）は例えば１４μｍであり、高さ（ＭＯＳトランジスタＭ１のチャネル幅に直交する方向の幅）は例えば１２μｍである。同様に、領域２１ｂと領域２１ｃとの境界は台形の上底及び２つの斜辺をなす。この台形の下底（ＭＯＳトランジスタＭ１のチャネル幅に平行な方向の幅）は例えば６μｍであり、高さ（ＭＯＳトランジスタＭ１のチャネル幅に直交する方向の幅）は例えば４μｍである。
【００１５】
ポテンシャル分布の段差は、ポテンシャル分布が平坦な２つの部分のポテンシャル値の差である。領域２１ａと領域２１ｂとの間に形成されるポテンシャル分布の段差の大きさをΔＶａｂとすると、ΔＶａｂ＝Ｖｂ−Ｖａとなる。領域２１ｂと領域２１ｃとの間に形成されるポテンシャル分布の段差の大きさをΔＶｂｃとすると、ΔＶｂｃ＝Ｖｃ−Ｖｂとなる。本実施形態の固体撮像装置では、ΔＶａｂ＞ΔＶｂｃを満たすポテンシャル分布が形成されるように、フォトダイオードＰＤが形成される。例えば、リセット電圧Ｖｒｅｓが約５Ｖである場合に、ΔＶａｂが１．０〜３．０Ｖとなり、ΔＶｂｃが０．０５〜１．０Ｖとなるようなポテンシャル分布が形成される。また、転送電極２６から最も遠い位置にある領域２１ａにおける電荷蓄積領域２２のポテンシャルＶａは、約０Ｖとしてもよく、更には−０．１〜−０．３Ｖとしてもよい。Ｖａの値を小さくすることにより、この領域２１ａにおける感度を維持するとともに、ΔＶａｂを大きくできる。本実施形態に係る固体撮像装置では、ΔＶａｂ＞ΔＶｂｃを満たすことによって、後述するように飽和電荷量及び感度を向上しつつ、転送効率を向上することが可能になる。
【００１６】
続いて、図３を用いて、画素１０を有する固体撮像装置の製造方法例を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、フローティングディフュージョンＦＤ、素子分離領域２４、チャネルストップ領域２５及び転送電極２６が形成された半導体基板２０を準備する。この工程は既存の手法を用いて実現できるので、その説明を省略する。
【００１７】
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤが形成される領域と転送電極２６の一部とを露出し、他の部分を覆うレジストパターン３１を形成する。そして、このレジストパターン３１の開口を通じて半導体基板２０にヒ素イオンを注入して、不純物濃度が１ｅ１７［ｃｍ-3］であるＮ＋型の半導体領域３２を形成する。
【００１８】
次に、図３（ｃ）に示すように、レジストパターン３１を除去した後に、フォトダイオードＰＤが形成される領域と転送電極２６の一部とを露出し、他の部分を覆うレジストパターン３３を形成する。そして、このレジストパターン３３の開口を通じて半導体基板２０にボロンイオンを加速エネルギー１５ｋｅＶ、注入角度２５°で注入して、不純物濃度が３ｅ１８ｃｍ-3であるＰ＋型の半導体領域３４を形成する。注入角度は半導体基板２０に注入されたボロンイオンが転送電極２６から離れる方向に進む向きに設定される。これにより、ＭＯＳトランジスタＭ１のチャネルと半導体領域３４との間にオフセットが設けられ、電荷の転送経路にポテンシャルポケットが形成されることを防ぐことができる。
【００１９】
次に、図３（ｄ）に示すように、レジストパターン３３を除去した後に、フォトダイオードＰＤの領域２１ａ、２１ｂが形成される領域を露出し、フォトダイオードＰＤの領域２１ｃが形成される領域を含む他の部分を覆うレジストパターン３５を形成する。そして、このレジストパターン３５の開口を通じて半導体基板２０にボロンイオンを加速エネルギー１５ｋｅＶ、注入角度０°で注入して、不純物濃度が５ｅ１８ｃｍ-3であるＰ＋型の半導体領域３６を形成する。このとき、半導体領域３４のうち、ボロンイオンが注入されなかった部分がフォトダイオードＰＤの表面領域２３ｃとなる。
【００２０】
最後に、図３（ｅ）に示すように、レジストパターン３５を除去した後に、フォトダイオードＰＤの領域２１ａが形成される領域を露出し、フォトダイオードＰＤの領域２１ｂ、２１ｃが形成される領域を含む他の部分を覆うレジストパターン３７を形成する。そして、このレジストパターン３７の開口を通じて半導体基板２０にボロンイオンを加速エネルギー２５ｋｅＶ、注入角度０°で注入して、不純物濃度が１ｅ１９ｃｍ-3であるＰ＋型の表面領域２３ａを形成する。このとき、半導体領域３６のうち、イオンが注入されなかった部分がフォトダイオードＰＤの表面領域２３ｂとなる。また、半導体領域３２のうち、表面領域２３ａ〜２３ｃ以外の領域が電荷蓄積領域２２となる。これにより、表面領域２３ａと表面領域２３ｂとの不純物濃度の差が、表面領域２３ｂと表面領域２３ｃとの不純物濃度の差よりも大きくなるので、ΔＶａｂ＞ΔＶｂｃを満たすポテンシャル分布が形成される。
【００２１】
表面領域２３ａ、２３ｂは注入角度０°、すなわち半導体基板２０の表面に対して直角にイオンが注入されるので、半導体領域３２の深い位置までＰ＋型の半導体領域を形成できる。また、半導体領域３２及び半導体領域３４は転送電極２６をマスクの一部として用いて形成されるので、転送電極２６と電荷蓄積領域２２との位置合わせ及び転送電極２６と表面領域２３ｃとの位置合わせの精度が向上する。また、表面領域２３ｃを形成するためのボロンイオンを表面領域２３ｂが形成される領域にも注入しているので、表面領域２３ｂと表面領域２３ｃとを途切れることなく形成できる。表面領域２３ａと表面領域２３ｂとについても同様である。以上のように製造した結果として、画素間での転送特性のばらつきが低減される。
【００２２】
上述のように注入時の加速エネルギーや角度を調整することで、ΔＶａｂ＞ΔＶｂｃを満たすポテンシャル分布が形成されるようにフォトダイオードＰＤを形成できる。以下に、このようにフォトダイオードＰＤを形成することによる効果を説明する。
【００２３】
固体撮像装置では、蓄積動作を始める前に、リセット動作を行ってフォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域２２を完全空乏化する。フォトダイオードＰＤで発生した電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送するためには、以下に定義されるΔＶが正の値となる必要がある。
ΔＶ＝（Ｖｒｅｓ−Ｑｓａｔ／Ｃｆｄ）−Ｖｄｅｐ
ここで、Ｖｒｅｓはリセット電圧であり、ＱｓａｔはフォトダイオードＰＤの飽和電荷量であり、ＣｆｄはフローティングディフュージョンＦＤの容量であり、Ｖｄｅｐは電荷蓄積領域２２の空乏化電圧である。また、電荷がポテンシャルポケットに捕獲されず、高速且つ完全に転送されるためには、ΔＶの値をできるだけ大きくして電荷の転送効率を上げる必要がある。
【００２４】
上述の式において、リセット電圧Ｖｒｅｓ及び容量Ｃｆｄは製品の仕様によって決まる場合が多い。そのため、ΔＶを大きくするためには、空乏化電圧Ｖｄｅｐを小さくするか、飽和電荷量Ｑｓａｔを小さくすることになる。空乏化電圧Ｖｄｅｐは、電荷蓄積領域２２内の不純物濃度と空乏層の幅とによって決まる。電荷蓄積領域２２の不純物濃度が低いと、空乏層が広がりやすいため、結果として空乏化電圧Ｖｄｅｐは小さくなる。また、所定のバイアス条件における、電荷蓄積領域２２内の空乏層の幅は、電荷蓄積領域２２とＰＮ接合を形成する逆の導電型の半導体領域の不純物濃度によって決まる。逆の導電型の半導体領域の不純物濃度が高いほど、電荷蓄積領域２２内の空乏層の幅は広くなる。一方で、飽和電荷量Ｑｓａｔは空乏層内の不純物濃度によって決まる。空乏層内の不純物濃度が高いほど飽和電荷量Ｑｓａｔは大きくなる。そのため、電荷蓄積領域２２の不純物濃度を低くすれば空乏化電圧Ｖｄｅｐは小さくなるが、飽和電荷量Ｑｓａｔも小さくなる。または、飽和電荷量Ｑｓａｔを大きくするために電荷蓄積領域２２の不純物濃度を高くし、それに伴って、電荷蓄積領域２２内の空乏層が広がりにくくなることを補うように、電荷蓄積領域２２とＰＮ接合を形成する逆の導電型の半導体領域の不純物濃度を高くする。これにより、大きな飽和電荷量Ｑｓａｔと小さな空乏化電圧Ｖｄｅｐを両立できる。例えば、電荷蓄積領域２２の導電型とは逆の導電型のイオンを電荷蓄積領域２２の下部に注入することで、空乏層の幅の広がりを抑えつつ、電荷蓄積領域２２の導電型の不純物濃度を増加できる。しかし、このように注入されたイオンは深い位置における電荷収集の障壁を引き起こし、感度が低下する。また、電荷蓄積領域２２の導電型とは逆の導電型のイオンを注入すると、飽和電荷量は減少する。このように、電荷の転送効率の向上と飽和電荷量の向上とはトレードオフの関係にある。
【００２５】
フォトダイオードＰＤのうち、転送電極２６の近くにある領域で発生した電荷は、電荷転送時にフローティングディフュージョンＦＤの高いリセット電圧Ｖｒｅｓによる高電界の影響を受けて転送されやすい。従って、この領域のポテンシャルが大きくても転送効率への影響は少ない。フォトダイオードＰＤのうち、転送電極２６から遠くにある領域で発生した電荷は、電荷転送時にフローティングディフュージョンＦＤの高いリセット電圧Ｖｒｅｓによる高電界の影響を受けにくい。一般に、転送特性は転送電極２６からの距離に対して指数関数的に悪化する。そのため、この領域で発生した電荷を転送電極２６へ向けて効率的に移動するためには、飽和電荷量を犠牲にしてでもポテンシャルを小さくする。
【００２６】
発明者らは、電荷蓄積領域２２のポテンシャルの段差の大きさがΔＶａｂ＞ΔＶｂｃを満たすようにフォトダイオードＰＤを形成することによって、フォトダイオードＰＤの飽和電荷量の向上と転送効率の向上とのバランスが良好になることを見出した。具体的には、転送電極２６に近い領域２１ｂ、２１ｃではポテンシャルを大きくして飽和電荷量を向上させるとともに、転送電極２６から遠い領域２１ａではポテンシャルを小さくして転送効率を向上させ、感度を向上させる。
【００２７】
上述の実施形態の構成とは異なり、特許文献１の構成では、表面領域の不純物濃度が異なる領域間のポテンシャルの段差の大きさは一定である。すなわち、図２の例では、ΔＶａｂ＝ΔＶｂｃとなるようにポテンシャル分布が形成される。そのため、転送電極に近い領域において、十分に飽和電荷量を向上できないので、固体撮像装置全体の飽和電荷量も本発明の実施形態に比べて劣る。図２の構成において、領域２１ｂにおける電荷蓄積領域２２のポテンシャルを（Ｖａ＋Ｖｃ）／２とした場合を比較例として、本願発明の上述の実施形態との性能を比較した実験結果を以下に示す。
2014003243.tif 000003
この表から読み取れるように、どちらの構成も転送効率は１００％であるが、本実施形態の方が比較例よりも飽和電子量及び感度の両面で優れている。
【００２８】
また、特許文献１の構成では、電荷蓄積領域のすべての点においてポテンシャルが勾配を有するようにフォトダイオードが形成される。そのため、表面領域の不純物濃度が異なる領域の面積を大きくできない。面積を大きくした場合には、ポテンシャルが平坦な部分が生じてしまう。しかしながら、本実施形態の構成によれば、電荷蓄積領域２２にポテンシャルが平坦な部分が生じたとしても、十分な効率で電荷を転送できる。
【００２９】
上述のように、転送電極２６の近くにある領域２１ｂ、２１ｃにおいて発生した電荷は、リセット電圧Ｖｒｅｓによる高電界の影響を受けて転送されやすいので、電荷蓄積領域２２のポテンシャルが平坦であっても十分な効率で電荷を転送できる。また、転送電極２６から遠くにある領域２１ａにおいて発生した電荷は、ポテンシャルが平坦な部分において主に拡散によって移動し、領域２１ａと領域２１ｂとの境界において主に電位差ΔＶａｂによる電界ドリフトによって移動する。そのため、領域２１ａで発生した電荷が領域２１ｂまで移動するまでにかかる時間Ｔｍは以下の式で表される。
【００３０】
Tm = (X12/μe）×q/kT  ＋  X22/(μe×ΔVab)
ここで、図２（ｃ）に示すように、Ｘ１は電荷が発生した場所から平坦なポテンシャルが傾斜し始める部分までの距離であり、Ｘ２は領域２１ａと領域２１ｂとの境界のポテンシャルが傾斜した部分の幅である。μｅは電子の移動度である。この式に従う電荷の移動は、電荷のＭＯＳトランジスタＭ１が非導通状態にある蓄積期間においても発生する。そのため、ΔＶａｂの値を十分に大きくすれば、領域２１ａで発生した電荷を、蓄積期間の後の読出し期間の開始前に、領域２１ｂまで移動することができ、電荷の転送効率を向上でき、読出し期間における電荷の完全転送を実現できる。
【００３１】
続いて、図４を用いてフォトダイオードＰＤの領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃの形状の変形例を説明する。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃの境界の形状は三角形であってもよいし、四角形であってもよいし、それ以上の多角形であってもよい。また、図４（ｄ）に示すように、各領域の境界が曲線であってもよいし、図４（ｅ）に示すように、領域２１ａと領域２１ｂとの境界と、領域２１ｂと領域２１ｃとの境界とが異なる形状であってもよい。特に、図４（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、フォトダイオードＰＤの何れかの領域において、チャネル領域の幅方向における領域の幅が、転送電極２６から遠ざかるほど狭くなるような形状とすることで、電荷の転送効率を一層向上できる。例えば、図４（ａ）において、ある位置における領域２１ｂのチャネル幅方向４１に平行な幅４２は、転送電極２６から遠ざかるほど狭くなる。
【００３２】
上述の例ではフォトダイオードＰＤが３つの領域に分かれていたが、図４（ｆ）に示すように、フォトダイオードＰＤは４つの領域２１ａ〜２１ｄに分かれていてもよいし、それより多く分かれていてもよい。図４（ｆ）において、領域２１ｃにおける電荷蓄積領域２２のポテンシャルと領域２１ｄにおける電荷蓄積領域２２のポテンシャルとの差をΔＶｃｄとおくと、ΔＶｃｄ＜ΔＶｂｃ＜ΔＶａｂが成り立つ。
【００３３】
フォトダイオードＰＤの領域２１ａ〜２１ｃの面積を、転送電極２６から遠くにあるほど大きくなるように構成してもよい。すなわち、（領域２１ａの面積）＞（領域２１ｂの面積）＞（領域２１ｃの面積）となるようにフォトダイオードＰＤを形成してもよい。本実施形態では転送電極２６から遠くにあるほど電荷蓄積領域２２のポテンシャルの段差が大きくなるので、転送電極２６から遠くにある領域ほど面積を大きくすることによって、この領域における電荷の転送効率が向上する。
【００３４】
上述の例では、ドーズ量を調整することによって、フォトダイオードＰＤの各領域２１ａ〜２１ｃにおける表面領域２３の不純物濃度を設定したが、イオン注入の加速電圧やイオン注入回数を調整することで不純物濃度を異ならせてもよい。また、表面領域２３の不純物濃度を調整する代わりに、電荷蓄積領域２２の不純物濃度分布を調整して、図２（ｃ）に示すポテンシャル分布を実現してもよい。この場合には、領域２１ａと領域２１ｂとの電荷蓄積領域２２の不純物濃度の差が、領域２１ｂと領域２１ｃとの電荷蓄積領域２２の不純物濃度の差よりも大きくなるように設定する。さらに、チャネルストップ領域２５をフォトダイオードＰＤへ部分的に延在させることによって、図２（ｃ）に示すポテンシャル分布を実現してもよい。また、転送電極２６の直近で飽和電荷を確保するために、表面領域２３ｂ、２３ｃで飽和を確保すべく、表面領域２３ｂ、２３ｃをシリコン表面深くに形成し、表面領域２３ａを浅くに形成してもよい。上記の実施形態ではフォトダイオードＰＤとして埋め込みフォトダイオードを用いたが、光電変換部として機能する他のフォトダイオードやフォトトランジスタを用いてもよい。また、半導体領域の導電型を入れ替えても本発明を同様に実施できる。上述の実施形態では領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃの何れの領域においてもポテンシャル分布に平坦な部分を有するが、これらの領域の一部又は全部において、平坦な部分を含まなくてもよい。また、電荷蓄積領域の電荷が転送される先は、信号変換部に限られず、電荷排出部や電荷保持部などであってもよい。
【００３５】
以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、この固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサとを含みうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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