(57)【要約】【課題】マイクロレンズによる高感度化と、高いＭＴＦを同時に実現することができるＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供する。【解決手段】画素をＮ相（Ｎは３以上の整数）のＣＣＤで構成したＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、画素を構成するＮ相のＣＣＤの転送ゲート全てについて、ゲート開口部１０と、ＴＤＩ転送チャネル１５として機能するゲート非開口部が形成される。ゲート開口部１０に集光するために複数のマイクロレンズ群１０２，１０４が形成される。マイクロレンズ群１０２を構成する単一または複数のストライプ型マイクロレンズ１０１，マイクロレンズ群１０４を構成する単一または複数のストライプ型マイクロレンズ１０３のうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素をＮ相（Ｎは３以上の整数）のＣＣＤで構成したＴＤＩ方式リニアイメージセンサであって、
画素を構成するＮ相のＣＣＤの転送ゲート全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネルとして機能するゲート非開口部が形成され、
前記ゲート開口部に集光するために複数のストライプ型マイクロレンズが形成され、
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置される、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項２】
前記異なる各平面に含まれるストライプ型マイクロレンズは、すべて平行であることを特徴とする、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項３】
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも１つが、ＴＤＩ転送方向に垂直に配置される、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項４】
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも１つが、ＴＤＩ転送方向に平行に配置される、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項５】
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも１つが、プラズマＣＶＤで成膜したシリコン窒化膜で形成されている、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項６】
前記複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも１つが、樹脂膜で形成されている、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項７】
隣接する２つの画素のゲート開口部どうしは、いずれの箇所においても繋がっていない、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項８】
各相の転送ゲートに形成されたゲート開口部内に埋め込みフォトダイオードが形成され、前記埋め込みフォトダイオードは、シリコン基板表面に形成される第１の導電型の高濃度不純物領域と、前記第１の導電型の高濃度不純物領域と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第２の導電型の不純物領域からなる、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項９】
前記埋め込みフォトダイオードの前記第１の導電型の高濃度不純物領域は、前記ゲート開口部と隣接画素のゲート非開口部の間に形成される第１の導電型の不純物領域と、任意の箇所で接している、請求項８に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１０】
隣接する２つの相のゲート開口部内に形成された埋込みフォトダイオードの間に、第１の導電型の不純物領域が形成されている、請求項８に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１１】
隣接する２つの画素の転送ゲートは、切断され、
前記ＴＤＩ転送チャネルの真上に設けられる金属配線と、
前記金属配線と前記転送ゲートとを接続するゲートコンタクトとを備え、
前記金属配線と前記ゲートコンタクトを通じて電圧が供給される、請求項８に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１２】
前記Ｎは４であり、
列方向となるＴＤＩ転送方向、および行方向となる前記ＴＤＩ転送と垂直な方向において、画素ピッチの１／２のピッチにて、前記ゲート開口部が形成され、
互いに隣り合う前記ゲート開口部の列は、前記ＴＤＩ転送方向に画素ピッチの１／４だけずれて配置され、
２行２列の前記ゲート開口部で１画素が構成され、
前記２列のゲート開口部を挟んでＴＤＩ転送方向に転送チャネルが延伸する、請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１３】
前記列方向および前記行方向において、画素ピッチの１／２のピッチにて、ストライプ型マイクロレンズ群が形成され、
互いに隣り合う前記ストライプ型マイクロレンズ群の列は、前記ＴＤＩ転送方向に画素ピッチの１／４だけずれて、前記ゲート開口部に集光されるように配置される、請求項１２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１４】
各相の転送ゲートに形成された前記ゲート開口部内に埋め込みフォトダイオードが形成され、
前記埋め込みフォトダイオードは、シリコン基板表面に形成される第１の導電型の高濃度不純物領域と、前記第１の導電型の高濃度不純物領域と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第２の導電型の不純物領域とからなる、請求項１２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１５】
各相のＴＤＩ転送ゲートは、それぞれ、前記ゲート開口部の近傍のみ転送方向のゲート長が拡大されている、請求項１２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１６】
互いに隣り合う２列のゲート開口部の間には、前記転送チャネルと第２の導電型の不純物領域が、交互に前記ＴＤＩ転送方向に延伸して形成される、請求項１２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１７】
前記転送チャネルと前記第２の導電型の不純物領域とで挟まれたＴＤＩ転送ゲートの領域のうち、前記ゲート開口部が形成されていないＴＤＩ転送ゲート領域に対して、その直下に、第１の導電型の不純物領域が形成される、請求項１６に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１８】
前記ゲート開口部、前記転送チャネル、前記第２の導電型の不純物領域、および前記第１の導電型の不純物領域の４つの領域を除いた領域には、第１の導電型の高濃度不純物領域が形成される、請求項１７に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項１９】
前記ゲート開口部および前記転送チャネルを除いた領域には、第１の導電型の不純物領域が形成されている、請求項１２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リモートセンシングなどの分野で用いられるＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を１次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星などに搭載して、アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の２次元画像を撮影する。
【０００３】
画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、光検出器の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、Ｓ／Ｎが劣化するという課題がある。
【０００４】
Ｓ／Ｎを改善するための巧妙な手段としてＴＤＩ方式（Time  Delay  and  Integration）のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式は、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（フル・フレーム・トランスファ）型ＣＣＤ（Charge  Coupled  Devices）を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでＳ／Ｎを改善する読出し方式である。リモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作が実現できる。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作を行うと、蓄積時間が実効的にＭ倍となるため、感度がＭ倍向上し、Ｓ／Ｎは√Ｍ倍に改善される。
【０００５】
多くの場合、可視イメージセンサはチップの表面側から光を入射させて撮像を行う。入射した光は、シリコン基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させるが、ＦＦＴ型ＣＣＤでは垂直電荷転送を制御するポリシリコン電極越しに光が入射するため、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収されてしまい感度が低下するといった課題がある。
【０００６】
この対策として、一部の垂直転送ゲート電極を仮想電極で置き換えた、いわゆるＶＰＣＣＤ（バーチャルフェーズＣＣＤ）構造にすることによって感度を改善したイメージセンサが提案されている。ＶＰＣＣＤは、ポリシリコン電極を仮想電極に置き換えることで電極部での光吸収を抑えることができ、感度が向上する。
【０００７】
ところで、特開２００１−１０２５６０号公報（特許文献１）には、個々の画素における受光部の面積低下を抑制しつつ画素密度を向上させるとともに、相隣る２つの画素行同士の間で画素の集光効率や感度に差が生じないようにすることを目的とした固体撮像装置が開示されている。
【０００８】
特開２００１−１０２５６０号公報（特許文献１）の固体撮像装置では、垂直転送ＣＣＤ用の電荷転送チャネルの平面視上の形状を蛇行形状とし、該垂直転送ＣＣＤ用の転送電極として第１の転送電極と第２の転送電極を用い、奇数番目の電荷転送チャネルに隣接する読み出しゲート領域の各々を、第１および第２の転送電極のうちの一方の転送電極と電荷転送チャネルとの平面視上の交差部に隣接させて形成し、偶数番目の電荷転送チャネルに隣接する読み出しゲート領域の各々を、第１および第２の転送電極のうちの他方の転送電極と電荷転送チャネルとの平面視上の交差部に隣接させて形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１０２５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像素子では、マイクロレンズにより１相の電極に集光を行う場合に、入射した光により発生した電荷が、全て被写体の直下にあるＣＣＤチャネルポテンシャル井戸に集められず、後段の隣接のＣＣＤチャネルポテンシャル井戸へ流れてしまう。この現象によって、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦ（Modulation Transfer Function）が低下し、撮像画像にぼけが生じる。
【００１１】
それゆえに、本発明の目的は、マイクロレンズによる高感度化と、高いＭＴＦを同時に実現することができるＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、画素をＮ相（Ｎは３以上の整数）のＣＣＤで構成したＴＤＩ方式リニアイメージセンサであって、画素を構成するＮ相のＣＣＤの転送ゲート全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネルとして機能するゲート非開口部が形成される。ゲート開口部に集光するために複数のストライプ型マイクロレンズが形成される。複数のストライプ型マイクロレンズのうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＴＤＩ方式リニアイメージセンサによれば、マイクロレンズによる高感度化と、高いＭＴＦを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】入射光が仮想電極上に集光されるようにマイクロレンズを形成した、ＶＰＣＣＤ構造を用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサの画素平面図である。
【図２】ＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＴＤＩ動作を説明した模式図である。
【図３】ＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズによる１相の電極に集光を行わない場合における、光の進路と電荷の動きを説明した模式図である。
【図４】ＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズによる１相の電極に集光を行った場合における、光の進路と電荷の動きを説明した模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。
【図７】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図８】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図９】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、ＴＤＩ転送方向とそれに垂直な方向でマイクロレンズ系が分離している場合の例を示す立体図である。
【図１０】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、ＴＤＩ転送方向とそれに垂直な方向でマイクロレンズ系が入れ子になっている場合の例を示す立体図である。
【図１１】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズの構成材料を説明するための立体図である。
【図１２】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面でのポテンシャル図である。
【図１３】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面でのポテンシャル図である。
【図１４】本発明のＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおける、光の進路と電荷の動きを説明した模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態１の変形例によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１の変形例によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図１７】本発明の実施の形態１の変形例によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図１８】本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図２０】本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図２１】本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面でのポテンシャル図である。
【図２２】本発明の実施の形態３によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図２３】本発明の実施の形態３によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図２４】本発明の実施の形態３によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図２５】本発明の実施の形態４によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図２６】本発明の実施の形態４によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図２７】本発明の実施の形態４によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図２８】本発明の実施の形態５によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図２９】本発明の実施の形態５によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図３０】本発明の実施の形態５によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図３１】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図３２】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子拡大図である。
【図３３】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図３４】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【図３５】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面でのポテンシャル図である。
【図３６】本発明の実施の形態６によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面でのポテンシャル図である。
【図３７】本発明の実施の形態７によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図３８】本発明の実施の形態８によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図３９】本発明の実施の形態９によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図４０】本発明の実施の形態１０によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図４１】本発明の実施の形態１１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【図４２】本発明の実施の形態１１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＡ断面での断面構造図である。
【図４３】本発明の実施の形態１１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＢ断面での断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
（従来の問題）
ＶＰＣＣＤ構造を用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、感度を向上させるべく、特許文献１の手法を適用して、図１に示すように、仮想電極上に入射光が集光されるように、１画素に１個のマイクロレンズを形成した場合について考える。
【００１６】
図１には、第１のＴＤＩ転送ゲート１、第２のＴＤＩ転送ゲート２、ＶＰＣＣＤ仮想電極３、第３のＴＤＩ転送ゲート４、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５、第２の導電型の高濃度不純物領域からなる電荷排出ドレイン６、第１の導電型の不純物領域７、マイクロレンズ８、および光軸９が示されている。
【００１７】
図１の構成では、画素に入射した光は、ＶＰＣＣＤ仮想電極３に集光される。仮想電極３にはポリシリコン電極が無いことからポリシリコン電極部での光吸収を回避でき、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサの感度が著しく向上する。
【００１８】
しかしながら、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、マイクロレンズにより１相の電極に集光した場合、ＴＤＩ転送方向の解像度指標ＭＴＦの低下が起きてしまう。図２、図３、図４を用いて、１相の電極に集光した場合に起こる、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下について説明する。
【００１９】
図２は、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＴＤＩ動作を説明した模式図である。簡単のため、ＶＰＣＣＤ構造を用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサではなく、第１〜第４のＴＤＩ転送ゲートを有する一般的な４相ＣＣＤを例にして説明する。ここでは、１画素長の明パターンの被写体を考え、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦを考える際に妥当なケースとして、１画素長の被写体中心と、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸の中心が等しい状況を想定する。
【００２０】
図２では、４相駆動の状態１〜４におけるチャネルポテンシャルが表わされている。
４相駆動の状態１は、第１のＴＤＩ転送ゲートと第２のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをＨｉｇｈレベルとする電圧が印加され、第１のＴＤＩ転送ゲートと第２のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる状態である。
【００２１】
４相駆動の状態２は、第２のＴＤＩ転送ゲートと第３のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをＨｉｇｈレベルとする電圧が印加され、第２のＴＤＩ転送ゲートと第３のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる状態である。
【００２２】
４相駆動の状態３は、第３のＴＤＩ転送ゲートと第４のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをＨｉｇｈレベルとする電圧が印加され、第３のＴＤＩ転送ゲートと第４のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる状態である。
【００２３】
４相駆動の状態４は、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをＨｉｇｈレベルとする電圧が印加され、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる状態である。
【００２４】
ＴＤＩ方式は、前述のように、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでＳ／Ｎを改善する読出し方式である。図２には、ポテンシャル井戸の移動と同期して、被写体パターンが移動する様子も示されている。
【００２５】
この４相駆動の４つの状態のうち、状態４においては、１画素長の被写体の中心が注目画素と後段の隣接画素の境界、より具体的には、注目画素の第４のＴＤＩ転送ゲートと後段の隣接画素の第１のＴＤＩ転送ゲートの境界に位置する。
【００２６】
ＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズにより１相の電極に集光を行わない場合に、この状態４において、どのように光が入射し、光電効果により発生した電荷が蓄積される位置について、模式図で説明したものが図３である。ここでも、同様に、簡単のため、ＶＰＣＣＤ構造を用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサではなく、第１〜第４のＴＤＩ転送ゲートを有する一般的な４相ＣＣＤを例にとって説明するが、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の現象については、ＶＰＣＣＤ構造を用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいても全く同様に説明できる。
【００２７】
マイクロレンズにより１相の電極に集光を行わない場合に、１画素長の被写体の中心が注目画素と後段の隣接画素の境界に位置したときに、入射した光は図３の実線矢印に示されるように進む。図３では、光電効果により発生する電荷の水平方向（つまり、ＴＤＩ転送方向と平行の方向）の位置を示している。発生した電荷は、点線矢印で示すように、水平方向において、最も近いＣＣＤチャネルポテンシャル井戸へと流れる。ここでは、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦを考える際、１画素長の被写体中心と、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸の中心が等しい状況を考えるのが妥当であるため、図３のように、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをＨｉｇｈレベルとする電圧が印加され、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られるケースを示している。
【００２８】
図３に示すように、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズにより１相の電極に集光を行わない場合では、入射した光により発生した電荷が全て、被写体の直下にあるＣＣＤチャネルポテンシャル井戸に集められることがわかる。
【００２９】
一方、図４に示すように、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサで、マイクロレンズにより１相の電極に集光を行う（ここでは各画素において第３のＴＤＩ転送ゲートに集光している）場合では、入射した光により発生した電荷が、全て被写体の直下にあるＣＣＤチャネルポテンシャル井戸に集められず、後段の隣接のＣＣＤチャネルポテンシャル井戸へ流れてしまう。この現象によって、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦが低下し、ＴＤＩ転送方向における解像度の低下となる。その結果、撮像画像にぼけが生じる。
【００３０】
［実施の形態１］
（構成）
本発明の実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図５〜図１３を用いて説明する。
【００３１】
図５は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。図６は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。
図７は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図８は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【００３２】
図５を参照して、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１００では、半導体基板３０の表面に画素Ｐと転送用画素ＴＰとが各々行列状に設けられている。半導体基板３０は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板である。
【００３３】
画素Ｐおよび転送用画素ＴＰが行列状に配置された画素領域は、受光部３９と転送部４０に分けられる。受光部３９は、画素Ｐを行列状に配置した領域で、図５中に矢印で示した範囲が受光部３９の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。転送部４０は、転送用画素ＴＰを行列状に配置した領域で、図５中に矢印で示した範囲が転送部４０の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。受光部３９と転送部４０は半導体基板３０上に隣接して設けられている。図５においては、画素Ｐと転送用画素ＴＰに相当する部分を、各々１画素分、太線の四角形で示している。図５に示した例としては、受光部３９には、垂直６画素×水平１０画素の画素Ｐが行列状に配置され、転送部４０には、垂直２画素×水平１０画素の転送用画素ＴＰが行列状に配置される。
【００３４】
画素Ｐは、入射光を光電変換して信号電荷を発生する光検出器からなる。
画素Ｐは、水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極４９を有する。転送電極４９は、画素Ｐに発生した信号電荷を電荷蓄積部４４に転送する垂直転送ゲートを構成する。転送電極４９は、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４を有する。これにより、４相駆動にすることができる。第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４の各々は、図６に示されるＴＤＩ転送チャネル１５を形成するゲート非開口部と、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０とを有する。
【００３５】
転送用画素ＴＰは、水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極５０を有する。転送電極５０は、画素Ｐに発生した信号電荷を電荷蓄積部４４に転送する垂直転送ゲートを構成する。転送電極５０は、第１の転送ゲート電極３５、第２の転送ゲート電極３６、第３の転送ゲート電極３７、第４の転送ゲート電極３８を有する。図示されていないが、転送用画素ＴＰの上方には被写体からの光が入射しないように遮光膜が設けられている。転送用画素ＴＰは、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０を有していない点で画素Ｐと異なる。
【００３６】
第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第１の転送ゲート電極３５、第２の転送ゲート電極３６、第３の転送ゲート電極３７、第４の転送ゲート電極３８は、たとえば、ポリシリコン（多結晶シリコン）などで形成される。本実施の形態では、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第２の転送ゲート電極３６、第４の転送ゲート電極３８は、１層目のポリシリコン層で形成される。また、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第１の転送ゲート電極３５、第３の転送ゲート電極３７は、２層目のポリシリコン層で形成される。
【００３７】
入力ピン５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄから与えられる駆動用の垂直転送クロックφ１、φ２、φ３、φ４は、配線５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、コンタクト５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、配線５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを介して、画素Ｐおよび転送用画素ＴＰに与えられる。ここでは、添え字のａ、ｂ、ｃ、ｄが一致する配線、コンタクト、および入力ピンがそれぞれ接続される。
【００３８】
配線５４ａは、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第１の転送ゲート電極３５と電気的に接続される。配線５４ｂは、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第２の転送ゲート電極３６と電気的に接続される。配線５４ｃは、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第３の転送ゲート電極３７と電気的に接続される。配線１４ｄは、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第４の転送ゲート電極３８と電気的に接続される。
【００３９】
行列状に設けられた画素Ｐおよび転送用画素ＴＰの各画素列間に画素分離領域４１が形成される。受光部３９と転送部４０とを含む画素領域の転送部４０側の端には水平ＣＣＤ４３が設けられ、画素領域と水平ＣＣＤ４３との間には電荷蓄積部４４が設けられている。水平ＣＣＤ４３と反対側の端には、過剰電荷を排出するための電荷排出部４５が設けられている。水平ＣＣＤ４３には出力アンプ４６が接続される。
【００４０】
主に図６を参照して、画素Ｐの構造を説明する。画素Ｐは、第１のＴＤＩ転送ゲート１１、第２のＴＤＩ転送ゲート１２、第３のＴＤＩ転送ゲート１３、第４のＴＤＩ転送ゲート１４から成る４相のＣＣＤで構成される。第１〜第４のＴＤＩ転送ゲート１１〜１４は、それぞれ、１画素ピッチ内に、直下にＴＤＩ転送チャネル１５が形成されるゲート非開口部領域とゲート開口埋め込みフォトダイオード１０を有する。
【００４１】
また、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０と隣接画素のＴＤＩ転送チャネル１５（ゲート非開口部）の間に、画素分離領域４１が形成される。画素分離領域４１には横型オーバーフロードレインが形成される。画素分離領域４１として、第２の導電型の高濃度不純物領域からなる電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５および第１の導電型の不純物領域７が形成される。
【００４２】
画素を構成する４相ＣＣＤの４つのＴＤＩ転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネル１５となるゲート非開口部を形成する。ゲート開口部内には、埋め込みフォトダイオード１０が形成される。埋め込みフォトダイオード１０は、シリコン基板表面に形成される第１の導電型の高濃度不純物領域１６と、第１の導電型の高濃度不純物領域１６と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第２の導電型の不純物領域１７とからなる（図７参照）。
【００４３】
ＴＤＩ転送と平行なＢ断面方向に延在し、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたりＣＣＤの画素構成相数と同じ４本のストライプ型マイクロレンズ１０１を有するマイクロレンズ群１０２が形成される。簡単のため、図６では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０２はマイクロレンズ１０１と同じである。
【００４４】
また、ＴＤＩ転送と垂直なＡ断面方向に、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたり１本のストライプ型マイクロレンズ１０３を有するマイクロレンズ群１０４が形成される。簡単のため、図６では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０４はマイクロレンズ１０３と同じである。
【００４５】
マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は全体として、各画素の各相ごとに設けられたマイクロレンズ系１０７を構成する。このマイクロレンズ系１０７による集光の動作を図７、図８を用いて説明する。図７の１０５はマイクロレンズ系１０７による入射光のＡ断面における屈折の様子を示し、図８の１０６はマイクロレンズ系１０７による入射光のＢ断面における屈折の様子を示す。これらの図に示されるように、マイクロレンズ群１０２はＡ断面においてはレンズとして働くが、Ｂ断面ではレンズとして働かない。また、マイクロレンズ群１０４はＢ断面においてはレンズとして働くが、Ａ断面ではレンズとして働かない。したがって、マイクロレンズ系１０７をマイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４で構成することにより、Ａ断面とＢ断面で屈折力を独立に変えることができる。したがって、Ｂ断面方向への光の漏れ出しを防ぎつつ、Ａ断面方向のより広い範囲から、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０への集光を行うマイクロレンズ系を容易に設計し、作製できる。これにより、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生することなく、マイクロレンズ系によるゲート開口部への効率的な集光により感度を向上させることができる。
【００４６】
また、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の第１の導電型の高濃度不純物領域１６は、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５と任意の箇所で接している。これによって低ノイズ化が実現できる。
【００４７】
また、隣接する２つの画素のゲート開口部どうしは、いずれの箇所においても繋がっていない。
【００４８】
半導体基板３０としてＰ型Ｓｉ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、第１の導電型の高濃度不純物領域１６として高濃度Ｐ型不純物領域、第２の導電型の不純物領域１７としてＮ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【００４９】
マイクロレンズ群１０２およびマイクロレンズ群１０４と、それを構成する各ストライプ型マイクロレンズ１０１および１０３の形状は、隣接画素への迷光を防ぎつつ、より広い範囲の光をゲート開口部に集光するという目的に沿って自由に設計できる。
【００５０】
たとえば、マイクロレンズ群１０２を構成するストライプ型マイクロレンズ１０１の層数は、１層であってもよく、複数層であってもよい。マイクロレンズ群１０４を構成するストライプ型マイクロレンズ１０３の層数も、１層であってもよく、複数層であってもよい。
【００５１】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、画素Ｐと独立して作成し、画素Ｐの上部に貼り付けても良い。
【００５２】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、半導体技術により画素Ｐの上部に直接形成しても良い。
【００５３】
また、たとえば、任意の２つのストライプ型マイクロレンズの上下面は、互いに接していてもよく、離れていてもよい。
【００５４】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は、図９に示すように分離していてもよく、図１０に示すように入れ子になっていてもよい。分離している場合、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４のいずれが上に来てもよい。入れ子になっている場合、マイクロレンズ群１０２を構成するマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成するマイクロレンズ１０３は、どのような順番で構成してもよい。図９ではマイクロレンズ群１０４がマイクロレンズ群１０２の上にある例を示し、図１０では下からマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３、マイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３の順に構成した例を示している。
【００５５】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３の両表面形状は、曲面、平面のいずれでもよい。
【００５６】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズは、曲率半径の大きい（平面の場合は曲率半径が無限大とみなす）ほうが表面側、基板側のいずれになってもよい。
【００５７】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズを構成する材料の屈折率は、いずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【００５８】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４の屈折力はいずれが大きくてもよく、同じであってもよい。個々のストライプ型マイクロレンズに関しても、屈折力はいずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【００５９】
なお、この形態を構成するには、マイクロレンズ群１０２を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０３のうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置されていればよい。さらに、異なる各平面に含まれるマイクロレンズがすべて平行であればよい。
【００６０】
（集光の動作）
図７中の１０５は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＡ断面での光線の屈折を示している。また、図８中の１０６は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＢ断面での光線の屈折を示している。また、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４はそれぞれ２層のストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３からなる場合を示している。
【００６１】
まずＡ断面における集光動作について説明する。図７に示されるように、ストライプ型マイクロレンズ１０１は、各相の開口部に集光するレンズとして働く。しかし、ストライプ型マイクロレンズ１０２は、Ａ断面においては一様な厚さを持っていることから、レンズとして働かない。
【００６２】
次にＢ断面における集光動作について説明する。図８から明らかなように、ストライプ型マイクロレンズ１０２は各相の開口部に集光するレンズとして働く。しかし、ストライプ型マイクロレンズ１０１は、Ｂ断面においては一様な厚さを持っていることから、レンズとして働かない。
【００６３】
以上を総合すると、Ａ断面における光線の屈折はストライプ型マイクロレンズ１０１の形状のみで決まり、Ｂ断面における光線の屈折はストライプ型マイクロレンズ１０２の形状のみで決まる。よって、Ａ断面とＢ断面とを分けて、前者に対してはより広い範囲からの集光が可能なようにストライプ型マイクロレンズ１０１の形状を、後者に対しては隣接画素への迷光が起きないようにストライプ型マイクロレンズ１０２の形状を、それぞれ個別に最適化することができ、設計が非常に容易になる。また工程上も両者の形成を分離することができるので、画素個別の単体楕円形レンズと比較して、作製が非常に容易である。これらの特徴によって、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの劣化を防ぎつつ感度の向上を容易に図ることができる。
（画素の動作）
図１２は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＡ断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。図１３は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図６の図中に記載のＢ断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。ここで、図１２、図１３のポテンシャル分布図は、半導体基板３０としてＰ型Ｓｉ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域を適用した場合について示している。
【００６４】
図１２、図１３を参照して、画素Ｐのポテンシャル図から、本実施形態の画素の動作を説明する。マイクロレンズ系１０７によって画素に入射した光は、相毎の、対応するゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０にそれぞれ集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０では、光電変換により電荷が発生する。
【００６５】
ここで、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＨｉｇｈレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＨｉｇｈレベルの電圧が印加された時）のポテンシャルより浅くなるよう設定される。一方、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＬｏｗ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅く設定されても良いし、深く設定されても良い。
【００６６】
したがって、水平方向Ｄ２では、図１２に示すように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷が、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。図１３の垂直方向Ｄ１での断面一次元分布図ポテンシャル図からわかるように、ゲート開口部に隣接するゲート狭窄部２０では、ＴＤＩ転送チャネル１５と同一の不純物濃度で形成されるが、ゲート幅が狭いことから、狭チャネル効果が起こり、ポテンシャルが浅くなっている。従って、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ゲート狭窄部２０へ流れず、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【００６７】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時のポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより浅く設定されている場合は、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＬｏｗレベルとなっているときは、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０がポテンシャル井戸となり、発生した電荷は、このポテンシャル井戸にとどまり、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＨｉｇｈレベルになったタイミングで、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込む。Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込んだ電荷は、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、４相駆動ＣＣＤの転送動作によって、ＴＤＩ転送される。
【００６８】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時のポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより深く設定されている場合は、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、Ｌｏｗレベル時のＴＤＩ転送チャネルに流れ込み、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、４相駆動ＣＣＤの転送動作によって、ＴＤＩ転送される。
（転送動作）
次に、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１００の転送動作について説明する。再び図５を参照して、入射光の光電変換により画素Ｐの内部に発生した信号電荷は、時間遅延積分（ＴＤＩ）動作により垂直方向Ｄ１へ転送される。受光部３９において時間遅延積分（ＴＤＩ）された信号電荷は、転送部４０において電荷蓄積部４４へ向かって垂直方向Ｄ１へと転送される。電荷蓄積部４４に一旦蓄積された信号電荷は、１水平期間ごとに水平ＣＣＤ４３へと転送され、次に、水平ＣＣＤ４３内を水平方向Ｄ２へと転送されて、出力アンプ４６から読み出される。
【００６９】
（状態４の電荷の流れ）
次に、４相駆動の４つの状態のうち、従来技術で問題となった状態４において、本実施の形態では、どのように光が入射し、光電効果により発生した電荷が蓄積されるかを説明する。
【００７０】
図１４は、本実施の形態における４相駆動の状態４におけるチャネルポテンシャルと電化の流れを表わす図である。
【００７１】
ＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、マイクロレンズ系が相毎に形成されるため、各相の電極領域上部に入射した光は、それぞれ、各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオードに集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオードで、光電効果で発生した電荷は、ポテンシャル勾配により、同一相のゲート非開口部のＴＤＩ転送チャネルポテンシャル井戸へ流れる。したがって、入射した光により発生した電荷は、全て被写体の直下にあるＣＣＤチャネルポテンシャル井戸に集められ、隣接のＣＣＤチャネルポテンシャル井戸へ流れる問題は発生せず、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下は起こらないことがわかる。
（効果）
以上のように、本実施の形態は、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサにマイクロレンズを搭載した際に、１相の電極に集光することにより発生する、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下という、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ固有の課題をマイクロレンズによる感度向上という効果を損なうことなく解決することができる。すなわち、本実施の形態によれば、各相において形成されたマイクロレンズ系によって、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
（変形例）
なお、本実施の形態では、画素を構成する４相ＣＣＤの４つのＴＤＩ転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネル１５となるゲート非開口部を形成しているが、もちろん、画素を構成する４相ＣＣＤの一部のＴＤＩ転送ゲート電極について、ゲート開口部を形成してもよい。その場合は、ＴＤＩ転送ゲート電極全てについてゲート開口部を形成する場合に比べて、感度向上の効果の度合いは若干低下するものの、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および感度の向上という効果は維持することができる。
【００７２】
図１１は、本実施の形態のうちマイクロレンズ系１０７を構成する部分について、最も単純な構造を示す。この構成ではＴＤＩ転送方向のマイクロレンズ群１０２が単一層からなり、それに垂直な方向のマイクロレンズ群１０４も単一層からなっている。このように１０７を構成する層数を減らすことにより、界面での反射や層内での吸収を最低限に抑えることができ、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦ低下防止と感度向上が可能である。
【００７３】
また、本実施の形態では、マイクロレンズ系１０７を構成するストライプ型マイクロレンズのうち、少なくとも１本のストライプ型マイクロレンズを、プラズマＣＶＤ法を用いたシリコン窒化膜で形成することができる。イメージセンサにおいては、プラズマＣＶＤ法でシリコン窒化膜を堆積すると、堆積中の水素ラジカルによる界面準位除去効果および膜の水分遮断効果によって暗電流が減少することが、たとえば特開昭６３−１８５０５９などに示されている。したがって、この構成にすることにより、ＭＴＦ劣化防止と感度向上の効果を維持したまま、暗時出力を減少させることが可能である。具体的には、たとえば図１１において、下側のストライプ型マイクロレンズ１０１はプラズマＣＶＤ法を用いたシリコン窒化膜で形成すればよい。
【００７４】
また、本実施の形態では、マイクロレンズ系１０７を構成するストライプ型マイクロレンズのうち、少なくとも１本のストライプ型マイクロレンズを樹脂膜で形成することができる。前述のとおりプラズマＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜は暗電流低減に効果があるが、可視光、特に青色光の吸収が比較的多い。これに対し、一般に樹脂膜の透過率はシリコン窒化膜より高いことから、少なくとも１本に樹脂膜を使うことにより、すべてをシリコン窒化膜で構成した場合に比べ、吸収を抑えて感度を上げることができる。具体的には、たとえば図１１において、上側のストライプ型マイクロレンズ１０２を樹脂膜で形成すればよい。
【００７５】
さらに、画素分離領域４１に、横型オーバーフロードレインを形成しない構成を用いても良い。横型オーバーフロードレインを形成しない構成について、図１５は拡大平面図を、図１６は、図１５の図中に記載のＡ断面での断面構造図、図１７は、図１５の図中に記載のＢ断面での断面構造図を示している。
【００７６】
また、本実施の形態では、１層１画素ピッチにつきＣＣＤの画素構成相数と同じ４本のマイクロレンズ１０１を、各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０に集光するように形成したが、１層１画素ピッチにつき１本、２本または３本のマイクロレンズ１０１を各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０に集光するように形成するものとしてもよい。さらに、これと交差するマイクロレンズ１０３についても、本実施の形態では１層１画素ピッチにつき１本形成したが、ゲート開口部を複数設置した場合などは１層１画素当たり２本以上と増してもよく、逆にたとえば１層２画素あたり１本、１層３画素当たり１本などと一部の画素は覆わないように形成してもよい。これらのレンズ構成に関連した形態は、すべて撮像素子の光学系に求められている特性に合わせて構成すればよい。
【００７７】
［実施の形態２］
（構成）
本発明の実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図１８〜図２１を用いて説明する。図１８は、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図１９は、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図１８の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図２０は、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図１８の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【００７８】
実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサと実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサとが相違する点は、実施の形態２では、図１８および図２０に示されるように、ゲート狭窄部２０の下部に、チャネルストップ５が延在している点である。
【００７９】
すなわち、本実施の形態では、隣接する２つの層のゲート開口部内に形成された埋込みフォトダイオード１０の間に、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５が形成される。
【００８０】
図２１は、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図１８の図中に記載のＢ断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。ここで、図２１のポテンシャル分布図は、半導体基板３０としてＰ型ＳＩ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域を適用した場合について示している。また、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図１８の図中に記載のＡ断面でのポテンシャル断面一次元分布図は、実施の形態１の図１２と同じである。
【００８１】
（画素の動作）
主に図１２と図２１を参照して、画素Ｐのポテンシャル図から、本実施形態の画素の動作を説明する。
【００８２】
１画素内の相毎に形成されたマイクロレンズ系１０７によって、画素に入射した光は、相毎の、対応するゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０にそれぞれ集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０では、光電変換により電荷が発生する。
【００８３】
ここで、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＨｉｇｈレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＨｉｇｈ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅くなるよう設定される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＬｏｗ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅く設定されても良いし、深く設定されても良い。従って、水平方向Ｄ２では、図１２に示すように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷が、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【００８４】
本実施の形態では、垂直方向Ｄ１での断面一次元分布図ポテンシャル図は、図２１に示すように、ゲート開口部に隣接するゲート狭窄部２０の下では、チャネルストップ５が形成され、ポテンシャルが浅くなっている。従って、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ゲート狭窄部２０へ流れず、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
（効果）
以上のように、本実施の形態では、第１の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズ系によって、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
【００８５】
［実施の形態３］
（構成）
本発明の実施の形態３のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図２２〜図２４を用いて説明する。図２２は、実施の形態３のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図２３は、実施の形態３のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２２の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図２４は、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２２の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【００８６】
以下では、実施の形態１と相違する点を中心に説明する。
主に図２２を参照して、画素Ｐの構造を説明する。
【００８７】
画素Ｐは、第１のＴＤＩ転送ゲート２１、第２のＴＤＩ転送ゲート２２、第３のＴＤＩ転送ゲート２３から成る３相のＣＣＤで構成される。第１〜第３のＴＤＩ転送ゲート２１〜２３は、それぞれ、１画素ピッチ内に、直下にＴＤＩ転送チャネル１５が形成されるゲート非開口部領域とゲート開口埋め込みフォトダイオード１０を有する。また、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０と隣接画素のＴＤＩ転送チャネル１５（ゲート非開口部）の間に、画素分離領域４１が形成されており、画素分離領域に横型オーバーフロードレインが形成される。画素分離領域４１として、第２の導電型の高濃度不純物領域からなる電荷排出ドレイン６、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５および第１の導電型の不純物領域７が形成される。上述において、半導体基板３０としてＰ型ＳＩ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、電荷排出ドレイン６として高濃度Ｎ型不純物領域、チャネルストップ５として高濃度Ｐ型不純物領域、第１の導電型の不純物領域７としてＰ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【００８８】
なお、実施の形態１の変形例で説明したように画素分離領域に、横型オーバーフロードレインを形成しない構成でももちろん良い。
【００８９】
画素を構成する３相ＣＣＤの３つのＴＤＩ転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネル１５となるゲート非開口部を形成する。そのゲート開口部には、シリコン基板表面に第１の導電型の高濃度不純物領域１６を形成するとともに、その第１の導電型の高濃度不純物領域１６に接し、シリコン基板のより深い領域に設けた第２の導電型の不純物領域１７を設け（図２３を参照）、埋め込みフォトダイオード１０を形成する。
【００９０】
そして、ＴＤＩ転送と平行なＢ断面方向に延在し、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたりＣＣＤの画素構成相数と同じ３本のストライプ型マイクロレンズ１０１を有するマイクロレンズ群１０２を形成する。図２２では構成層数が１層の場合、図２３と図２４では２層の場合を示している。
【００９１】
また、ＴＤＩ転送と垂直なＡ断面方向に、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたり１本のストライプ型マイクロレンズ１０３を有するマイクロレンズ群１０４を形成する図２２では構成層数が１層の場合、図２３と図２４では２層の場合を示している。
【００９２】
マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は全体として、各画素の各相ごとに設けられたマイクロレンズ系１０７を構成する。このマイクロレンズ系１０７による集光の動作を図２３、図２４を用いて説明する。図２３の１０５はマイクロレンズ系１０７による入射光のＡ断面における屈折の様子を示し、図２４の１０６はマイクロレンズ系１０７による入射光のＢ断面における屈折の様子を示す。これらの図に示されるように、マイクロレンズ群１０２はＡ断面においてはレンズとして働くが、Ｂ断面ではレンズとして働かない。また、マイクロレンズ群１０４はＢ断面においてはレンズとして働くが、Ａ断面ではレンズとして働かない。したがって、マイクロレンズ系１０７をマイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４で構成することにより、Ａ断面とＢ断面で屈折力を独立に変えることができる。したがって、Ｂ断面方向への光の漏れ出しを防ぎつつ、Ａ断面方向のより広い範囲から、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０への集光を行うマイクロレンズ系を容易に設計し、作製できる。これにより、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生することなく、マイクロレンズ系によるゲート開口部への効率的な集光により感度を向上させることができる。
【００９３】
ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の第１の導電型の高濃度不純物領域１６は、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５と、任意の箇所で接している。
【００９４】
上述において、半導体基板３０としてＰ型ＳＩ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、高濃度不純物領域１６として高濃度Ｐ型不純物領域、不純物領域１７としてＮ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【００９５】
マイクロレンズ群１０２およびマイクロレンズ群１０４と、それを構成する各ストライプ型マイクロレンズ１０１および１０３の形状は、隣接画素への迷光を防ぎつつ、より広い範囲の光をゲート開口部に集光するという目的に沿って自由に設計できる。
【００９６】
たとえば、マイクロレンズ群１０２を構成するストライプ型マイクロレンズ１０１の層数は、１層であってもよく、複数層であってもよい。マイクロレンズ群１０４を構成するストライプ型マイクロレンズ１０３の層数も、１層であってもよく、複数層であってもよい。
【００９７】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、画素Ｐと独立して作成し、画素Ｐの上部に貼り付けても良い。
【００９８】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、半導体技術により画素Ｐの上部に直接形成しても良い。
【００９９】
また、たとえば、任意の２つのストライプ型マイクロレンズの上下面は、互いに接していてもよく、離れていてもよい。
【０１００】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は、図９に示すように分離していてもよく、図１０に示すように入れ子になっていてもよい。分離している場合、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４のいずれが上に来てもよい。入れ子になっている場合、マイクロレンズ群１０２を構成するマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成するマイクロレンズ１０３は、どのような順番で構成してもよい。図９ではマイクロレンズ群１０４がマイクロレンズ群１０２の上にある例を示し、図１０では下からマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３、マイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３の順に構成した例を示している。
【０１０１】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３の両表面形状は、曲面、平面のいずれでもよい。
【０１０２】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズは、曲率半径の大きい（平面の場合は曲率半径が無限大とみなす）ほうが表面側、基板側のいずれになってもよい。
【０１０３】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズを構成する材料の屈折率は、いずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１０４】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４の屈折力はいずれが大きくてもよく、同じであってもよい。個々のストライプ型マイクロレンズに関しても、屈折力はいずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１０５】
なお、この形態を構成するには、マイクロレンズ群１０２を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０３のうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置されていればよい。さらに、異なる各平面に含まれるマイクロレンズがすべて平行であればよい。
【０１０６】
（画素の動作）
本実施の形態の画素Ｐのポテンシャル図は、第１の実施形態と同じであるから、図１２、図１３を参照して、本実施形態の画素の動作を説明する。
【０１０７】
図１２を参照して、１画素内の相毎に形成されたマイクロレンズ系１０７によって、画素に入射した光は、相毎の、対応するゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０にそれぞれ集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０では、光電変換により電荷が発生する。
【０１０８】
ここで、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＨｉｇｈレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＨｉｇｈ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅くなるよう設定される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＬｏｗ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅く設定されても良いし、深く設定されても良い。従って、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込む。
【０１０９】
図１３を参照して、ゲート開口部に隣接するゲート狭窄部２０では、ＴＤＩ転送チャネル１５と同一の不純物濃度で形成されるが、ゲート幅が狭いことから、狭チャネル効果が起こり、ポテンシャルが浅くなっている。従って、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ゲート狭窄部２０へ流れず、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【０１１０】
なお、実施の形態２と同様に、ゲート狭窄部２０の下部に、チャネルストップ５を延在させても良い。この場合も、ゲート狭窄部２０の下では、チャネルストップ５により、ポテンシャルが浅くなっており、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ゲート狭窄部２０へ流れず、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【０１１１】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベルポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより浅く設定されている場合は、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＬｏｗレベルとなっているときは、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０がポテンシャル井戸となり、発生した電荷は、このポテンシャル井戸にとどまることとなり、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＨｉｇｈレベルになったタイミングで、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込む。ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込んだ電荷は、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、３相駆動ＣＣＤの転送動作により、電荷がＴＤＩ転送される。
【０１１２】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベルポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより深く設定されている場合は、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ＬｏｗレベルＴＤＩ転送チャネルに流れ込み、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、３相駆動ＣＣＤの転送動作により、電荷がＴＤＩ転送される。
【０１１３】
（効果）
本実施の形態によれば、各相において形成されたマイクロレンズ系により、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、実施の形態１の４相ＣＣＤの場合と同様、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
【０１１４】
（変形例）
なお、本実施の形態では、画素を構成する３相ＣＣＤの３つのＴＤＩ転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネル１５となるゲート非開口部を形成しているが、もちろん、画素を構成する３相ＣＣＤの一部のＴＤＩ転送ゲート電極について、ゲート開口部を形成してもよい。その場合は、ＴＤＩ転送ゲート電極全てについてゲート開口部を形成する場合に比べて、感度向上の効果の度合いは若干低下するものの、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および感度の向上という効果を有する。
【０１１５】
また、本実施の形態では、１層１画素ピッチにつきＣＣＤの画素構成相数と同じ３本のマイクロレンズ１０１を、各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０に集光するように形成したが、１層１画素ピッチにつき１本または２本のマイクロレンズ１０１を各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０に集光するように形成するものとしてもよい。
【０１１６】
さらに、これと交差するマイクロレンズ１０３についても、本実施の形態では１層１画素ピッチにつき１本形成したが、ゲート開口部を複数設置した場合などは１層１画素当たり２本以上と増してもよく、逆にたとえば１層２画素あたり１本、１層３画素当たり１本などと一部の画素は覆わないように形成してもよい。これらのレンズ構成に関連した形態は、すべて撮像素子の光学系に求められている特性に合わせて構成すればよい。
【０１１７】
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図２５〜図２７を用いて説明する。図２５は、実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図２６は、実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２５の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図２７は、実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２５の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【０１１８】
実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサと実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサとが相違する点は、実施の形態４では、画素Ｐの各ＴＤＩ転送ゲートは、隣接画素の各ＴＤＩ転送ゲートと完全に切断されており、実施の形態１〜３のように、ゲート狭窄部２０によって接続されていない点である。
【０１１９】
実施の形態２においてゲート狭窄部２０の直下にチャネルストップ５が形成されたのと同様に、本実施の形態では、ゲート狭窄部２０は除去されるものの、実施の形態２においてゲート狭窄部２０直下に形成されるチャネルストップ５は本実施の形態でも除去せず形成される。
【０１２０】
画素Ｐの各ＴＤＩ転送ゲートは、隣接画素の各ＴＤＩ転送ゲートと完全に切断されているから、図２６に示すように、各画素ピッチ毎に、アルミ配線２４とゲートコンタクト２５が形成され、第１〜第４のＴＤＩ転送ゲートに印加電圧を供給する。マイクロレンズ系１０７により集光が行われるため、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の領域の直上にアルミ配線が形成されなければ、本実施の形態のように、ＴＤＩ転送チャネル１５の直上にアルミ配線２４を形成しても、アルミ配線による光の入射の妨げにより、感度が低下するということは起きない。
【０１２１】
（画素の動作）
実施の形態４のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２５の図中に記載のＡ断面でのポテンシャル断面一次元分布図は、実施の形態１の図１２と同じであり、図２５の図中に記載のＢ断面でのポテンシャル断面一次元分布図は、実施の形態２の図２１と同じであるから、図１２および図２１を参照して、本実施形態の画素の動作を説明する。
【０１２２】
１画素内の相毎に形成されたマイクロレンズ系１０７により、画素に入射した光は、相毎の、対応するゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０にそれぞれ集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０では、光電変換により電荷が発生する。
【０１２３】
ここで、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＨｉｇｈレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＨｉｇｈ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅くなるよう設定される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＬｏｗ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅く設定されても良いし、深く設定されても良い。従って、水平方向Ｄ２では、図１２に示すように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷が、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【０１２４】
本実施の形態では、垂直方向Ｄ１では、図２１に示すように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷が、垂直方向Ｄ１には流れず（チャネルストップ５によりポテンシャルが浅くなっている）、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
（効果）
以上のように、本実施の形態では、第１の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズ系により、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
【０１２５】
［実施の形態５］
本発明の実施の形態５のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図２８〜図３０を用いて説明する。図２８は、実施の形態５のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図２９は、実施の形態５のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２８の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図３０は、実施の形態５のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図２８の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【０１２６】
主に図２８を参照して、画素Ｐの構造を説明する。
画素Ｐは、第１のＴＤＩ転送ゲート１１、第２のＴＤＩ転送ゲート１２、第３のＴＤＩ転送ゲート１３、第４のＴＤＩ転送ゲート１４から成る４相のＣＣＤで構成される。第１〜第４のＴＤＩ転送ゲート１１〜１４は、それぞれ、１画素ピッチ内に、直下にＴＤＩ転送チャネル１５が形成されるゲート非開口部領域とゲート開口埋め込みフォトダイオード１０を有する。
【０１２７】
ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０は、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるゲート開口チャネルストップ６０を介して、隣接画素のゲート開口埋め込みフォトダイオード１０と接続される。ゲート開口チャネルストップ６０は、チャネルストップ５において、直上のゲートが開口している領域である。従って、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０と、隣接画素のゲート開口埋め込みフォトダイオード１０は、ゲート開口チャネルストップ６０で分離されることとなる。
【０１２８】
一方、ＴＤＩ転送チャネル１５（ゲート非開口部）は、隣接画素のＴＤＩ転送チャネル１５（ゲート非開口部）と、１対の第１の導電型の不純物領域７と、それらに挟まれて形成された第２の導電型の高濃度不純物領域からなる電荷排出ドレイン６で、分離される。
【０１２９】
上述において、半導体基板３０としてＰ型ＳＩ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、電荷排出ドレイン６として高濃度Ｎ型不純物領域、チャネルストップ５として高濃度Ｐ型不純物領域、第１の導電型の不純物領域７としてＰ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【０１３０】
図２９に示すように、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０には、シリコン基板表面に第１の導電型の高濃度不純物領域１６を形成するとともに、その第１の導電型の高濃度不純物領域１６に接し、シリコン基板のより深い領域に設けた第２の導電型の不純物領域１７を設け、埋め込みフォトダイオードを形成する。
【０１３１】
チャネルストップ５を介して互いに隣接する１対の２画素内において、ＴＤＩ転送と平行なＢ断面方向に延在し、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたりＣＣＤの画素構成相数と同じ４本のストライプ型マイクロレンズ１０１を有するマイクロレンズ群１０２を形成する。簡単のため、図２８では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０２はマイクロレンズ１０１と同じである。
【０１３２】
また、チャネルストップ５を介して互いに隣接する１対の２画素内において、ＴＤＩ転送と垂直なＡ断面方向に、１層または複数層からなり、２画素ピッチ・１層あたり１本のストライプ型マイクロレンズ１０３を有するマイクロレンズ群１０４を形成する。簡単のため、図２８では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０４はマイクロレンズ１０３と同じである。
【０１３３】
マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は全体として、チャネルストップ５を介して互いに隣接する１対の２画素の各相ごとに設けられたマイクロレンズ系１０７による集光の動作を図２９、図３０を用いて説明する。図２９の１０５はマイクロレンズ系１０７による入射光のＡ断面における屈折の様子を示し、図３０の１０６はマイクロレンズ系１０７による入射光のＢ断面における屈折の様子を示す。これらの図に示されるように、マイクロレンズ群１０２はＡ断面においてはレンズとして働くが、Ｂ断面ではレンズとして働かない。また、マイクロレンズ群１０４はＢ断面においてはレンズとして働くが、Ａ断面ではレンズとして働かない。したがって、マイクロレンズ系１０７をマイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４で構成することにより、Ａ断面とＢ断面で屈折力を独立に変えることができる。したがって、Ｂ断面方向への光の漏れ出しを防ぎつつ、Ａ断面方向のより広い範囲から、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０への集光を行うマイクロレンズ系を容易に設計し、作製できる。これにより、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生することなく、マイクロレンズ系によるゲート開口部への効率的な集光により感度を向上させることができる。
【０１３４】
また、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の第１の導電型の高濃度不純物領域１６は、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５と任意の箇所で接している。これによって低ノイズ化が実現できる。
【０１３５】
上述において、半導体基板３０としてＰ型Ｓｉ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、高濃度不純物領域１６として高濃度Ｐ型不純物領域、不純物領域１７としてＮ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【０１３６】
マイクロレンズ群１０２およびマイクロレンズ群１０４と、それを構成する各ストライプ型マイクロレンズ１０１および１０３の形状は、隣接画素への迷光を防ぎつつ、より広い範囲の光をゲート開口部に集光するという目的に沿って自由に設計できる。
【０１３７】
たとえば、マイクロレンズ群１０２を構成するストライプ型マイクロレンズ１０１の層数は、１層であってもよく、複数層であってもよい。マイクロレンズ群１０４を構成するストライプ型マイクロレンズ１０３の層数も、１層であってもよく、複数層であってもよい。
【０１３８】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、画素Ｐと独立して作成し、画素Ｐの上部に貼り付けても良い。
【０１３９】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、半導体技術により画素Ｐの上部に直接形成しても良い。
【０１４０】
また、たとえば、任意の２つのストライプ型マイクロレンズの上下面は、互いに接していてもよく、離れていてもよい。
【０１４１】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は、図９に示すように分離していてもよく、図１０に示すように入れ子になっていてもよい。分離している場合、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４のいずれが上に来てもよい。入れ子になっている場合、マイクロレンズ群１０２を構成するマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成するマイクロレンズ１０３は、どのような順番で構成してもよい。図９ではマイクロレンズ群１０４がマイクロレンズ群１０２の上にある例を示し、図１０では下からマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３、マイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３の順に構成した例を示している。
【０１４２】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３の両表面形状は、曲面、平面のいずれでもよい。
【０１４３】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズは、曲率半径の大きい（平面の場合は曲率半径が無限大とみなす）ほうが表面側、基板側のいずれになってもよい。
【０１４４】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズを構成する材料の屈折率は、いずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１４５】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４の屈折力はいずれが大きくてもよく、同じであってもよい。個々のストライプ型マイクロレンズに関しても、屈折力はいずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１４６】
なお、この形態を構成するには、マイクロレンズ群１０２を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０３のうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置されていればよい。さらに、異なる各平面に含まれるマイクロレンズがすべて平行であればよい。
【０１４７】
（効果）
以上のように、本実施の形態では、第１の実施形態と同様に、各相において形成されたマイクロレンズにより、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。また、同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
【０１４８】
［実施の形態６］
（構成）
本発明の実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの構成について、図３１〜図３４を用いて説明する。図３１は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。図３２は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図３３は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図３２の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図３４は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図３２の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【０１４９】
図３１を参照して、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１００では、半導体基板３０の表面に画素Ｐと転送用画素ＴＰとが各々行列状に設けられている。半導体基板３０は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板である。
【０１５０】
画素Ｐおよび転送用画素ＴＰが行列状に配置された画素領域は、受光部３９と転送部４０に分けられる。受光部３９は、画素Ｐを行列状に配置した領域で、図３１中に矢印で示した範囲が受光部３９の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。転送部４０は、転送用画素ＴＰを行列状に配置した領域で、図３１中に矢印で示した範囲が転送部４０の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。受光部３９と転送部４０は半導体基板３０上に隣接して設けられている。図３１においては、画素Ｐと転送用画素ＴＰに相当する部分を、各々１画素分、太線の四角形で示している。図３１に示した例としては、受光部３９には、垂直６画素×水平１０画素の画素Ｐが行列状に配置され、転送部４０には、垂直２画素×水平１０画素の転送用画素ＴＰが行列状に配置される。
【０１５１】
画素Ｐは、入射光を光電変換して信号電荷を発生する光検出器からなる。画素Ｐは、水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極４９を有する。転送電極４９は、画素Ｐに発生した信号電荷を電荷蓄積部４４に転送する垂直転送ゲートを構成する。転送電極４９は、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４を有する。これにより、４相駆動にすることができる。第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４の各々は、図３２に示されるＴＤＩ転送チャネル１５を形成するゲート非開口部と、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０とを有する。
【０１５２】
転送用画素ＴＰは、水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極５０を有する。転送電極５０は、画素Ｐに発生した信号電荷を電荷蓄積部４４に転送する垂直転送ゲートを構成する。転送電極５０は、第１の転送ゲート電極３５、第２の転送ゲート電極３６、第３の転送ゲート電極３７、第４の転送ゲート電極３８を有する。図示されていないが、転送用画素ＴＰの上方には被写体からの光が入射しないように遮光膜が設けられる。
【０１５３】
転送用画素ＴＰは、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０を有していない点で画素Ｐと異なる。
【０１５４】
第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第１の転送ゲート電極３５、第２の転送ゲート電極３６、第３の転送ゲート電極３７、第４の転送ゲート電極３８は、たとえば、ポリシリコン（多結晶シリコン）などで形成される。本実施の形態では、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第２の転送ゲート電極３６、第４の転送ゲート電極３８は、１層目のポリシリコン層で形成される。また、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第１の転送ゲート電極３５、第３の転送ゲート電極３７は、２層目のポリシリコン層で形成される。
【０１５５】
入力ピン５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄから与えられる駆動用の垂直転送クロックφ１、φ２、φ３、φ４は、配線５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、コンタクト５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、配線５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを介して、画素Ｐおよび転送用画素ＴＰに与えられる。ここでは、添え字のａ、ｂ、ｃ、ｄが一致する配線、コンタクト、および入力ピンがそれぞれ接続される。
【０１５６】
配線５４ａは、第１のＴＤＩ転送ゲート電極３１、第１の転送ゲート電極３５と電気的に接続される。配線５４ｂは、第２のＴＤＩ転送ゲート電極３２、第２の転送ゲート電極３６と電気的に接続される。配線５４ｃは、第３のＴＤＩ転送ゲート電極３３、第３の転送ゲート電極３７と電気的に接続される。配線１４ｄは、第４のＴＤＩ転送ゲート電極３４、第４の転送ゲート電極３８と電気的に接続される。
【０１５７】
受光部３９と転送部４０とを含む画素領域の転送部４０側の端には水平ＣＣＤ４３が設けられ、画素領域と水平ＣＣＤ４３との間には電荷蓄積部４４が設けられている。水平ＣＣＤ４３と反対側の端には、過剰電荷を排出するための電荷排出部４５が設けられている。水平ＣＣＤ４３には出力アンプ４６が接続される。
【０１５８】
主に図３２を参照して、画素Ｐの構造を説明する。画素Ｐは、第１のＴＤＩ転送ゲート１１、第２のＴＤＩ転送ゲート１２、第３のＴＤＩ転送ゲート１３、第４のＴＤＩ転送ゲート１４から成る４相のＣＣＤで構成される。第１〜第４のＴＤＩ転送ゲート１１〜１４は、それぞれ、１画素ピッチ内に、直下にＴＤＩ転送チャネル１５が形成されるゲート非開口部領域とゲート開口埋め込みフォトダイオード１０を有する。
【０１５９】
列方向となるＴＤＩ転送方向、および行方向となるＴＤＩ転送と垂直な方向において、画素ピッチの１／２のピッチにて、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０が形成される。互いに隣り合うゲート開口埋め込みフォトダイオード１０の列は、ＴＤＩ転送方向に、画素ピッチの１／４だけずれて配置される。２行２列のゲート開口埋め込みフォトダイオード１０で１画素が構成される。２列のゲート開口埋め込みフォトダイオード１０を挟んで、ＴＤＩ転送方向に転送チャネル１５が延伸する。
【０１６０】
また、互いに隣り合う２列のゲート開口埋め込みフォトダイオード１０の間には、転送チャネル１５と、第２の導電型の高濃度不純物領域からなる電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６が、交互に、ＴＤＩ転送方向に延伸して形成される。転送チャネル１５と、電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６で挟まれた、ＴＤＩ転送ゲート１１〜１４の領域のうち、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０が形成されていないＴＤＩ転送ゲート領域に対して、その直下に、第１の導電型の不純物領域７が形成される。さらに、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０、転送チャネル１５、電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６、および第１の導電型の不純物領域７の４つの領域を除いた領域には、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５が形成される。
【０１６１】
また、各相のＴＤＩ転送ゲート１１〜１４は、夫々、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０の近傍のみ、ＴＤＩ転送方向のゲート長が拡大される。
【０１６２】
画素を構成する４相ＣＣＤの４つのＴＤＩ転送ゲート電極全てについて、ゲート開口部と、ＴＤＩ転送チャネル１５となるゲート非開口部を形成する。ゲート開口部内には、埋め込みフォトダイオード１０が形成される。図３３に示すように、埋め込みフォトダイオード１０は、シリコン基板表面に形成される第１の導電型の高濃度不純物領域１６と、第１の導電型の高濃度不純物領域１６と接してシリコン基板のより深い領域に形成される第２の導電型の不純物領域１７とからなる。
【０１６３】
ＴＤＩ転送と平行なＢ断面方向に延在し、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたりＣＣＤの画素構成相数と同じ４本のストライプ型マイクロレンズ１０１を有するマイクロレンズ群１０２を、ＴＤＩ転送方向に画素ピッチの１／４、それと垂直な方向に画素ピッチの１／２ずつずらしながら形成する。簡単のため、図３２では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０２はマイクロレンズ１０１と同じである。図３３と図３４では２層の場合を示している。
【０１６４】
また、ＴＤＩ転送と垂直なＡ断面方向に、１層または複数層からなり、１画素ピッチ・１層あたり２本のストライプ型マイクロレンズ１０３を有するマイクロレンズ群１０４を形成する。簡単のため、図３２では構成層数が１層の場合を示している。この場合、マイクロレンズ群１０４はマイクロレンズ１０３と同じである。
【０１６５】
マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は全体として、各画素の各相ごとに設けられたマイクロレンズ系１０７を構成する。このマイクロレンズ系１０７は、図３３の１０５および図３４の１０６に示すように、Ａ断面とＢ断面で屈折力を独立に変えることができる。したがって、Ｂ断面方向への光の漏れ出しを防ぎつつ、Ａ断面方向のより広い範囲から、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０への集光を行うマイクロレンズ系を容易に設計し、作製できる。これにより、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生することなく、マイクロレンズ系によるゲート開口部への効率的な集光により感度を向上させることができる。
【０１６６】
また、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の第１の導電型の高濃度不純物領域１６は、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５と任意の箇所で接している。これによって低ノイズ化が実現できる。
【０１６７】
また、隣接する２つの画素のゲート開口部どうしは、いずれの箇所においても繋がっていない。
【０１６８】
また、各相のＴＤＩ転送ゲートは、図３２に示すように、夫々、ゲート開口部の近傍のみ、転送方向のゲート長が拡大されている。これにより、ゲート開口部のＴＤＩ転送方向の開口長を長く取ることができ、感度が向上する。電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６は、図３３に示すように、ＴＤＩ転送方向に直線状に形成されず、各相のＴＤＩ転送ゲートの直下において、ＴＤＩ転送方向と垂直な方向へ、ゲート開口部から離れるように形成される。これにより、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０と電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６に挟まれて形成される第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５の幅が長く確保可能となり、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０と電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６の間の耐圧が向上する。
【０１６９】
また、各相のゲート開口部は、図３２に示すように、電荷転送チャネルと接しない辺については、角が面取りされた形状になっている。これにより、ゲート開口部と電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６に挟まれて形成される第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５の幅が長く確保可能となり、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０と電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６の間の耐圧が向上する。
【０１７０】
上述において、半導体基板３０としてＰ型Ｓｉ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域、第１の導電型の高濃度不純物領域１６として高濃度Ｐ型不純物領域、第２の導電型の不純物領域１７としてＮ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【０１７１】
マイクロレンズ群１０２およびマイクロレンズ群１０４と、それを構成する各ストライプ型マイクロレンズ１０１および１０３の形状は、隣接画素への迷光を防ぎつつ、より広い範囲の光をゲート開口部に集光するという目的に沿って自由に設計できる。
【０１７２】
たとえば、マイクロレンズ群１０２を構成するストライプ型マイクロレンズ１０１の層数は、１層であってもよく、複数層であってもよい。マイクロレンズ群１０４を構成するストライプ型マイクロレンズ１０３の層数も、１層であってもよく、複数層であってもよい。
【０１７３】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、画素Ｐと独立して作成し、画素Ｐの上部に貼り付けても良い。
【０１７４】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３は、半導体技術により画素Ｐの上部に直接形成しても良い。
【０１７５】
また、たとえば、任意の２つのストライプ型マイクロレンズの上下面は、互いに接していてもよく、離れていてもよい。
【０１７６】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４は、図９に示すように分離していてもよく、図１０に示すように入れ子になっていてもよい。分離している場合、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４のいずれが上に来てもよい。入れ子になっている場合、マイクロレンズ群１０２を構成するマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成するマイクロレンズ１０３は、どのような順番で構成してもよい。図９ではマイクロレンズ群１０４がマイクロレンズ群１０２の上にある例を示し、図１０では下からマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３、マイクロレンズ１０１、マイクロレンズ１０３の順に構成した例を示している。
【０１７７】
また、たとえば、ストライプ型マイクロレンズ１０１と１０３の両表面形状は、曲面、平面のいずれでもよい。
【０１７８】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズは、曲率半径の大きい（平面の場合は曲率半径が無限大とみなす）ほうが表面側、基板側のいずれになってもよい。
【０１７９】
また、たとえば、各ストライプ型マイクロレンズを構成する材料の屈折率は、いずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１８０】
また、たとえば、マイクロレンズ群１０２とマイクロレンズ群１０４の屈折力はいずれが大きくてもよく、同じであってもよい。個々のストライプ型マイクロレンズに関しても、屈折力はいずれが高くても、あるいは低くてもよい。
【０１８１】
なお、この形態を構成するには、マイクロレンズ群１０２を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０１、マイクロレンズ群１０４を構成する単一または複数のマイクロレンズ１０３のうち少なくとも２つが、光の入射方向から見ると交差し、かつ異なる平面上に配置されていればよい。さらに、異なる各平面に含まれるマイクロレンズがすべて平行であればよい。
【０１８２】
（画素の動作）
図３５は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図３２の図中に記載のＡ断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。図３６は、実施の形態６のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図３２の図中に記載のＢ断面でのポテンシャル断面一次元分布図である。ここで、図３５、図３６のポテンシャル分布図は、半導体基板３０としてＰ型Ｓｉ基板、ＴＤＩ転送チャネル１５としてＮ型不純物領域を適用した場合について示している。
【０１８３】
図３５、図３６を参照して、画素Ｐのポテンシャル図から、本実施形態の画素の動作を説明する。１画素内の相毎に形成されたマイクロレンズ系１０７により、画素に入射した光は、相毎の、対応するゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０にそれぞれ集光される。ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０では、光電変換により電荷が発生する。
【０１８４】
ここで、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＨｉｇｈレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＨｉｇｈレベルの電圧が印加された時）のポテンシャルより浅くなるよう設定される。一方、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルは、ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時（ＴＤＩ転送ゲートにＬｏｗ電圧が印加された時）のポテンシャルより浅く設定されても良いし、深く設定されても良い。
【０１８５】
したがって、水平方向Ｄ２では、図３５に示すように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷が、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。図３６の垂直方向Ｄ１での断面一次元分布図ポテンシャル図からわかるように、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、ポテンシャルが浅くなっている、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５へ流れず、全て、ＨｉｇｈレベルＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込むこととなる。
【０１８６】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時のポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより浅く設定されている場合は、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＬｏｗレベルとなっているときは、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０がポテンシャル井戸となり、発生した電荷は、このポテンシャル井戸にとどまり、対応するＴＤＩ転送チャネル１５がＨｉｇｈレベルになったタイミングで、Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込む。Ｈｉｇｈレベル時のＴＤＩ転送チャネルのポテンシャル井戸に流れ込んだ電荷は、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、４相駆動ＣＣＤの転送動作によって、ＴＤＩ転送される。
【０１８７】
ＴＤＩ転送チャネル１５のＬｏｗレベル時のポテンシャルが、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０のポテンシャルより深く設定されている場合は、ゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０で発生した電荷は、Ｌｏｗレベル時のＴＤＩ転送チャネルに流れ込み、ゲート非開口部の直下のＴＤＩ転送チャネル内で、４相駆動ＣＣＤの転送動作によって、ＴＤＩ転送される。
【０１８８】
（転送動作）
次に、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１００の転送動作について説明する。再び図３１を参照して、入射光の光電変換により画素Ｐの内部に発生した信号電荷は、時間遅延積分（ＴＤＩ）動作により垂直方向Ｄ１へ転送される。受光部３９において時間遅延積分（ＴＤＩ）された信号電荷は、転送部４０において電荷蓄積部４４へ向かって垂直方向Ｄ１へと転送される。電荷蓄積部４４に一旦蓄積された信号電荷は、１水平期間ごとに水平ＣＣＤ４３へと転送され、次に、水平ＣＣＤ４３内を水平方向Ｄ２へと転送されて、出力アンプ４６から読み出される。
【０１８９】
（効果）
本実施の形態は、実施の形態１と同様、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサにマイクロレンズを搭載した際に、１相の電極に集光することにより発生する、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下という、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ固有の課題をマイクロレンズによる感度向上という効果を損なうことなく解決することができる。
【０１９０】
すなわち、本実施の形態によれば、各相において形成されたマイクロレンズ系によって、ゲート開口部埋め込みフォトダイオードに入射光が集光され、ゲート電極であるポリシリコン層による光吸収が抑制され、感度の著しい向上が実現される。これと同時に、各相の電極領域上部に入射した光は、各相の領域にそれぞれ集光されるため、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下が発生せず、高性能なＴＤＩ方式リニアイメージセンサを提供できる。
【０１９１】
［実施の形態７］
図３７は、本発明の実施の形態７によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【０１９２】
実施の形態６では、各相のＴＤＩ転送ゲートは、図３２に示すように、夫々、ゲート開口部の近傍のみ転送方向のゲート長が拡大される。
【０１９３】
これに対して、実施の形態７では、図３７に示すように、各相のＴＤＩ転送ゲートは、ＴＤＩ転送方向と垂直な方向へ直線状に形成される。この構成では、実施の形態６のようにゲート開口部の近傍のみ転送方向のゲート長が拡大される構成に比べて、ゲート開口部におけるＴＤＩ転送ゲートの狭窄部のゲート長が短くなる。その結果、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および感度の向上という効果を有する。
【０１９４】
［実施の形態８］
図３８は、本発明の実施の形態８によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【０１９５】
実施の形態６では、図３３に示すように、電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６は、ＴＤＩ転送方向に直線状に形成されず、各相のＴＤＩ転送ゲートの直下において、ＴＤＩ転送方向と垂直な方向へゲート開口部から離れるように形成される。
【０１９６】
これに対して、実施の形態８では、図３８に示すように、電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６は、ＴＤＩ転送方向に直線状に形成される。この構成では、実施の形態６のように、各ＴＤＩ転送ゲートの直下において、ＴＤＩ転送方向と垂直な方向へゲート開口部から離れるように形成される場合に比べて、ＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および感度の向上という効果を有する。
【０１９７】
［実施の形態９］
実施の形態６では、図３３に示すように、第１の導電型の不純物領域７は、行となるＴＤＩ転送と垂直な方向において、画素ピッチの１／２のピッチにて形成され、互いに隣り合う第１の導電型の不純物領域７の列は、ＴＤＩ転送方向に、画素ピッチの１／４だけずれて配置される。
【０１９８】
しかしながら、４相ＣＣＤの動作において、各相のＴＤＩ転送ゲートは同時に２つのＴＤＩ転送ゲートがＨｉｇｈレベルとなるため、第１の導電型の不純物領域７は、各相のＴＤＩ転送ゲート全てに対して形成する必要は無く、各相のＴＤＩ転送ゲート１つおきに、第１の導電型の不純物領域７を形成しても良い。
【０１９９】
図３９は、本発明の実施の形態９によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【０２００】
図３９では、図３３において、行となるＴＤＩ転送と垂直な方向において、画素ピッチの１／２のピッチにて形成されていた第１の導電型の不純物領域７を、１列おきに、第１の導電型の不純物領域７ではなく、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５に置き換えている。
【０２０１】
図３９において、ゲート開口埋め込みフォトダイオード１０および転送チャネル１５および電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６および第１の導電型の不純物領域７を除いた領域には、第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５が形成される。図３９の場合においても、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および感度の向上という効果を有する。
【０２０２】
［実施の形態１０］
図４０は、本発明の実施の形態１０によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの素子平面図である。
【０２０３】
実施の形態６では、図３２に示すように、各相のゲート開口部は、電荷転送チャネルと接しない辺については、角が面取りされた形状になっている。
【０２０４】
これに対して、実施の形態１０では、図４０に示すように、各相のゲート開口部埋め込みフォトダイオード１０の電荷転送チャネルと接しない辺について、角が面取りされない形状となる。この構成では、ゲート開口部と電荷排出（オーバーフロー）ドレイン６に挟まれて形成される第１の導電型の高濃度不純物領域からなるチャネルストップ５の幅が若干短くなる。その結果、ＴＤＩ転送方向のＭＴＦの低下の回避、および、感度の向上という効果を有する。
【０２０５】
［実施の形態１１］
図４１は、実施の形態１１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの拡大平面図である。図４２は、実施の形態１１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図４１の図中に記載のＡ断面での断面構造図である。図４３は、実施の形態１１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサに関して、図４１の図中に記載のＢ断面での断面構造図である。
【０２０６】
図４１〜図４３に示すように、実施の形態１１では、横型オーバーフロードレインを形成しない構成を用いる。
【０２０７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０２０８】
１，１１，２１  第１のＴＤＩ転送ゲート、２，１２，２２  第２のＴＤＩ転送ゲート、３  ＶＰＣＣＤ仮想電極、４，１３，２３  第３のＴＤＩ転送ゲート、５  チャネルストップ、６  電荷排出ドレイン、７  第１の導電型の不純物領域、８  マイクロレンズ、９  光軸、１０  ゲート開口埋め込みフォトダイオード、１４  第４のＴＤＩ転送ゲート、１５  ＴＤＩ転送チャネル領域、１６  第１の導電型の高濃度不純物領域、１７  第２の導電型の不純物領域、１９  ゲート酸化膜、２０  ゲート狭窄部、２４  ゲート杭打ちアルミ配線、２５  ゲートコンタクト、３０  半導体基板、３１  第１のＴＤＩ転送ゲート電極、３２  第２のＴＤＩ転送ゲート電極、３３  第３のＴＤＩ転送ゲート電極、３４  第４のＴＤＩ転送ゲート電極、３５  第１の転送ゲート電極、３６  第２の転送ゲート電極、３７  第３の転送ゲート電極、３８  第４の転送ゲート電極、３９  受光部、４０  転送部、４１  画素分離領域、４２  転送用画素、４３  水平ＣＣＤ、４４  電荷蓄積部、４５  電荷排出部、４６  出力アンプ、４９  転送電極、５０  転送電極、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ  配線、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ  コンタクト、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ  配線、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ  入力ピン、５６  画素、６０  ゲート開口チャネルストップ、１００  ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ、１０１，１０３  ストライプ型マイクロレンズ、１０２，１０４  マイクロレンズ群、１０５，１０６  入射光の経路、１０７  マイクロレンズ系。
【図１】
2014207316.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014207316.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014207316.tif 000009
【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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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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