(57)【要約】  イオン濃度センサにおいて、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させる。イオンセンサ（１００）において、センシング部（１）は、ｎ型基板（２１）からｐウェル（２２）を介して注入される電子を信号電荷として蓄積する。ｐウェル（２２）は、ｎ型基板（２１）の上に積層されている。センシング部（１）とｎ型基板（２１）との間に位置するｐウェル（２２）には不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェル（２２）における不純物濃度の最大値Ｃ１は、０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３である。
2017090322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンに感応するセンシング部の表面の電位変化に基づき、測定対象のイオン濃度を検出するイオン濃度センサであって、
不純物としてドナーが添加された基板と、
不純物としてアクセプタが添加され、上記基板の上に積層されたｐウェルと、を備え、
上記センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルを介して上記基板から注入される電子を信号電荷として蓄積し、
上記センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ１は、以下の式（Ａ１）
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３  …（Ａ１）
を満たしていることを特徴とするイオン濃度センサ。
【請求項２】
上記センシング部に蓄積された上記信号電荷を読み出して転送する垂直転送部をさらに備え、
上記垂直転送部には、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記垂直転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ２ａは、以下の式（Ａ２）
１．５×１０１６ｃｍ−３≦Ｃ２ａ≦３．５×１０１６ｃｍ−３    …（Ａ２）
を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のイオン濃度センサ。
【請求項３】
上記垂直転送部から転送された上記信号電荷を、上記イオン濃度センサの出力部へと転送する水平転送部をさらに備え、
上記水平転送部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記水平転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルの不純物濃度には、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の２つのピーク値のうち、小さい方のピーク値をＣ３ｂとすると、
ピーク値Ｃ３ｂは、以下の式（Ａ３）および（Ａ４）
Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ２ａ            …（Ａ３）
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３    …（Ａ４）
を満たしていることを特徴とする請求項２に記載のイオン濃度センサ。
【請求項４】
光電変換により生じる電子を信号電荷として蓄積する第２センシング部をさらに備え、
上記第２センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記第２センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ４は、以下の式（Ａ５）
Ｃ１＜Ｃ４  …（Ａ５）
を満たしていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンに感応するセンシング部の表面の電位変化に基づき、イオン濃度を検出するイオン濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、物理現象または化学現象を定量的に測定するために、様々な測定装置が提案されている。イオン濃度センサは、このような測定装置の１つとして、盛んに開発が行われている。【０００３】
一例として、特許文献１には、測定の応答性の向上（高速化）を一目的とした測定装置（イオン濃度センサ）が開示されている。特許文献１の測定装置では、センシング部への信号電荷（例えば電子）の供給が、複数の電荷供給部によって分担して行われている。これにより、センシング部への電荷供給が高速化され、当該測定装置による測定の応答性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国公開特許公報「特開２００５−３３７８０６号公報（２００５年１２月８日公開）」
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“半導体デバイスの要点”、[online]、廣瀬文彦、２０１３年１月６日、[平成２７年１１月１９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://fhirose.yz.yamagata-u.ac.jp/text/kiso1.pdf＞
【非特許文献２】DANIEL L. MEIER, JEONG-MO HWANG, and ROBERT B. CAMPBELL, “The Effect of Doping Density and Injection Level on Minority-Carrier Lifetime as Applied to Bifacial Dendritic Web Silicon Solar Cells”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-35, NO. I, JANUARY 1988.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年ではイオン濃度センサの高集積化が進んでいるため、イオン濃度センサの高集積化に起因して生じる問題点に対処することが必要となる。【０００７】
特に、高密度に集積された微細なセル（例えば１０μｍ以下のセル）を有するイオン濃度センサでは、セルの微細化のためにセンシング部の面積が非常に小さい。このため、センシング部からの信号電荷の読み出しを複数回（１０〜１００回程度）繰り返すことにより、イオンセンサの出力のＳＮ比を向上させることが必要となる。しかしながら、信号電荷の読み出しを繰り返した場合には、応答性が悪化してしまうという問題が生じることとなる。【０００８】
このように、イオン濃度センサの高集積化に適切に対処するためには、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させることが望まれる。【０００９】
本発明の目的は、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させることが可能なイオン濃度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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るイオン濃度センサは、イオンに感応するセンシング部の表面の電位変化に基づき、測定対象のイオン濃度を検出するイオン濃度センサであって、不純物としてドナーが添加された基板と、不純物としてアクセプタが添加され、上記基板の上に積層されたｐウェルと、を備え、上記センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルを介して上記基板から注入される電子を信号電荷として蓄積し、上記センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ１は、以下の式（Ａ１）
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３  …（Ａ１）
を満たしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様に係るイオン濃度センサによれば、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させることが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１に係るイオンセンサの一部を拡大して示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線の矢視断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の矢視断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおいて、第１ゲート電極〜第４ゲート電極およびｎ型基板に印加されている電圧の関係を示すタイミングチャートである。
【図４】（ａ）は、図２のＸ１−Ｘ２線における不純物濃度プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図５】（ａ）は、図２のＹ１−Ｙ２線における電位プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおける、電子の注入時間と注入された電子数との間の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおける、信号読み出し回数とフレームレートとの間の関係を示す図である。
【図８】半導体材料における不純物濃度を拡散係数との間の関係を示す図である。
【図９】半導体材料におけるキャリア濃度とキャリア寿命との間の関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態１および２におけるイオンセンサの駆動パターンをそれぞれ示す図であって、（ａ）は、実施形態１における駆動パターン（駆動パターン１）を示す図であり、（ｂ）は、実施形態２における駆動パターン（駆動パターン２）を示す図である。
【図１１】駆動パターン１および２のそれぞれの場合における、図２のＹ１−Ｙ２線における電位プロファイルを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態３に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図１３】図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルの一例を示す図である。
【図１４】（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図１５】（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの別の一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図１６】（ａ）は、本発明の実施形態１〜３に係るイオンセンサの全体構成を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部の断面図である。
【図１７】図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルを示す図であって、（ａ）は、図１６の位置Ｒｃにおける電位プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、図１６の位置Ｒｏにおける電位プロファイルを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態４に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図１９】（ａ）は、本発明の実施形態５に係るイオンセンサの構成の全体構成を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における領域Ｐの拡大図である。
【図２０】本発明の実施形態５に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図２１】（ａ）は、図２０のＷ１−Ｗ２線における不純物濃度プロファイルの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態５に係るイオンセンサを使用した測定の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、図１〜図９に基づいて詳細に説明する。以下に示すように、本発明の一態様に係るイオン濃度センサは、イオンに感応するセンシング部の表面の電位変化に基づき、測定対象のイオン濃度を検出するイオン濃度センサである。
【００１４】
なお、本発明の一態様に係るイオン濃度センサは、測定対象のイオン濃度の変化を伴う化学現象または物理現象を検出する化学・物理現象検出装置として利用されてよい。
【００１５】
（イオンセンサ１００の概要）
はじめに、図１を参照して、イオンセンサ１００（イオン濃度センサ）の概要について説明する。図１の（ａ）は、実施形態１のイオンセンサ１００の一部を拡大して示す平面図である。図１の（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線の矢視断面図であり、図１の（ｃ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の矢視断面図である。
【００１６】
イオンセンサ１００は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサを活用したフォトダイオード型のイオン濃度センサである。なお、イオンセンサ１００の全体構成については、後述の図１６の（ａ）を参照されたい。
【００１７】
後述の図１６の（ａ）に示されるように、イオンセンサ１００は、画素領域９１を備えている。画素領域９１は、凹部をなしており、当該凹部の底には多数のセンシング構造（以下に示すセンシング部１）がマトリクス状に配置されている。イオン濃度を測定する対象（測定対象）となる溶液は、画素領域９１に注入される。
【００１８】
なお、後述の実施形態５において述べるように、画素領域を受光領域として機能させることもできる（参照：図１９の画素領域９５）。また、画素領域９１の周囲には、受光に寄与しない部分である非受光領域１０１が形成されている。この非受光領域１０１には、後述する水平転送部７などが含まれている。
【００１９】
図１の（ａ）に示されるように、イオンセンサ１００は、センシング部１、第１ゲート電極２ａ、第２ゲート電極２ｂ、第３ゲート電極２ｃ、第４ゲート電極２ｄ、垂直転送部４、加算部６、水平転送部７、出力ゲート８、フローティングディフュージョン部９、リセットゲート１０、リセットドレイン１１、および出力トランジスタ１２を備えている。
【００２０】
なお、図１の（ａ）において、センシング部１、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄ、および垂直転送部４が形成される領域を、測定領域５と呼称することとする。この測定領域５は、センサアレイ領域と称されてもよい。
【００２１】
また、イオンセンサ１００において、加算部６、水平転送部７、出力ゲート８、フローティングディフュージョン部９、リセットゲート１０、リセットドレイン１１および出力トランジスタ１２は、非受光領域１０１に形成されている。
【００２２】
また、図１の（ｂ）および（ｃ）に示すように、イオンセンサ１００は、参照電極１３、電圧制御部１４、ｎ型基板２１（基板）、ｐウェル２２、電極２６、シリコン酸化膜２７、遮光膜２８、絶縁膜２９、およびイオン感応膜３０を備えている。
【００２３】
センシング部１は、受光した光を電荷に変換する（光電変換を行う）光電変換部である。このセンシング部１は、例えば、フォトダイオード等の光電変換素子によって形成されており、変換した電荷を蓄積するダイオードを有している。センシング部１は、イオンセンサ１００に複数備えられている。ただし、本発明の一態様に係るイオンセンサにおいて、センシング部が１つだけ設けけられていてもよい。
【００２４】
第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄは、センシング部１に蓄積された電荷を読み出す制御のためのゲート電極である。なお、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄは、垂直転送部４上に形成されている。
【００２５】
後述の図３等に示されるように、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄに印加される電圧（電圧ΦＶ１〜ΦＶ４（制御電圧））、および、ｎ型基板２１に印加される電圧（電圧ΦＯＦＤ）に応じて、電荷の読み出しが制御される。
【００２６】
より具体的には、第１ゲート電極２ａには、電荷の読み出しを行うための電圧ΦＶ１が印加される。また、第２ゲート電極２ｂ〜第４ゲート電極２ｄには、電荷の転送を行うための電圧ΦＶ２〜ΦＶ４が印加される。
【００２７】
なお、本実施形態では、１つのセンシング部１に対して、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄが設けられる構成が例示されているが、１つのセンシング部１に対して設けられるゲート電極の個数は４つに限定されない。一例として、１つのセンシング部１に対して、第１ゲート電極２ａおよび第２ゲート電極２ｂの２つのゲート電極が設けられてもよい。
【００２８】
すなわち、１つのセンシング部１には、電荷の読み出しを行うための電圧が印加される少なくとも１つのゲート電極と、電荷の転送を行うための電圧が印加される少なくとも１つのゲート電極が設けられていればよい。
【００２９】
垂直転送部４（電荷転送部，第１電荷転送部）は、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄに印加される電圧に応じて、読み出された電荷を垂直方向に転送する。ここで、垂直方向とは、後述する水平転送部７の長手方向に対して垂直な方向である。
【００３０】
垂直転送部４は、垂直方向に沿って平行に複数設けられている。但し、垂直転送部４の個数は１つであってもよい。垂直転送部４は、イオンセンサ１００に設けられた２種類の電荷転送部のうち、後述の出力部からより離れた（出力部に直接的に接続されていない）電荷転送部であると理解されてよい。また、垂直転送部４は、複数のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）キャパシタが隣接するように配置されることにより形成されている。
【００３１】
加算部６は、複数の垂直転送部４の末端部分が接合されてなる部分であり、接合された垂直転送部４のそれぞれによって転送された電荷量を加算する。
【００３２】
１つのセンシング部１と、当該センシング部１に対応する第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄと、当該センシング部１に対応する垂直転送部４の部分とにより、セルが構成されている。
【００３３】
水平転送部７（電荷転送部，第２電荷転送部）は、垂直転送部４と同様の構成によって、加算部６から出力される電荷を水平方向に転送する。ここで、水平方向とは、水平転送部７の長手方向である。水平転送部７は、イオンセンサ１００に設けられた２種類の電荷転送部のうち、出力部により近い（出力部に直接的に接続されている）電荷転送部であると理解されてよい。
【００３４】
出力ゲート８は、水平転送部７から転送されてきた電荷をフローティングディフュージョン部９に出力するためのゲート回路であり、ＯＮ電圧が印加されたときのみ、電荷を出力する。
【００３５】
フローティングディフュージョン部９は、ｎ型領域からなるキャパシタを有しており、出力ゲート８から出力された荷電粒子の電荷量をキャパシタの容量値に応じた電圧として取り出すことにより、電荷量を電圧として検出する検出部である。
【００３６】
リセットゲート１０は、フローティングディフュージョン部９が出力を完了したセルについての電圧を、次のセルについての電圧が出力される前にリセットするための部分である。
【００３７】
リセットドレイン１１は、フローティングディフュージョン部９のリセット電圧を印加する部分である。リセットゲート１０は、フローティングディフュージョン部９が電荷を検出している状態ではオフ状態であるが、リセット動作時にオン状態になる。これにより、フローティングディフュージョン部９がリセットドレイン１１に印加される電圧にリセットされる。
【００３８】
出力トランジスタ１２は、入力抵抗が非常に高いアンプとして機能する。これにより、出力トランジスタ１２は、フローティングディフュージョン部９から出力された電圧を緩衝増幅して、信号電圧として出力する。
【００３９】
なお、出力ゲート８、リセットゲート１０、フローティングディフュージョン部９および出力トランジスタ１２は、出力部を構成している。この出力部は、１箇所に限らず複数箇所に設けられていてもよい。
【００４０】
参照電極１３は、イオン濃度を測定される対象となる溶液の電位を決定するための、基準となる電位を与える。参照電極１３は、画素領域９１内に注入された上記溶液と接するように配されている。
【００４１】
電圧制御部１４は、参照電極１３に印加される電圧（参照電極電圧）を制御する。電圧制御部１４は、参照電極電圧を高速パルス駆動で変化させることができる駆動電源を備える。また、電圧制御部１４は、第１ゲート電極２ａに印加される電圧を検出するセンサ素子を備え、第１ゲート電極２ａへの電圧の印加に連動して参照電極電圧を変化させることができる。
【００４２】
参照電極電圧が増加すると、センシング部１のポテンシャルが深くなり、センシング部１に蓄積される電荷量の上限が大きくなる。従って、電圧制御部１４によって参照電極電圧が適切に制御されることにより、イオン濃度測定時の精度低下を抑制することができる。なお、「センシング部１のポテンシャルが深い」とは、「センシング部１の電位が高い」ことを意味している。
【００４３】
ｎ型基板２１は、イオンセンサ１００を構成する各素子が設けられている基板である。ｎ型基板２１は、ｎ型半導体によって形成されている。ｎ型基板２１には、例えばＰ（リン）またはＡｓ（ヒ素）等の不純物（ドーパント）が、ドナーとして添加されてよい。
【００４４】
ｐウェル２２は、ｐ型半導体によって形成された層である。ｐウェル２２は、ｎ型基板２１上に積層されている。ｐウェル２２には、例えばＢ（ホウ素）またはＡｌ（アルミニウム）等の不純物が、アクセプタとして添加されてよい。なお、後述するように、ｐウェル２２は、ｐ型の拡散領域である。拡散領域とは、不純物の不均一な濃度分布が存在している領域を意味する。
【００４５】
また、センシング部１および垂直転送部４はそれぞれ、ｐウェル２２のｎ型基板２１から離隔した側に、間隔を置いて形成されている。後述するように、センシング部１および垂直転送部４はそれぞれ、ｎ型の拡散領域である。
【００４６】
電極２６は、電源ライン（図示せず）に接続される電極である。電極２６は、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄに接合して形成されている。電極２６は、ＴｉＮ（窒化チタン）、またはＷ（タングステン）といった高融点金属膜またはそのシリサイドによって構成されている。これにより、高温熱処理が可能であるため、界面準位抑制ができ、ノイズが抑えられる。
【００４７】
また、電極２６は、材料である高融点金属膜またはそのシリサイドの抵抗が低いことにより信号遅延が減少するので、高速動作が可能となる。しかも、高融点金属膜またはそのシリサイドは、遮光性が高い材料であるので、ｎ型基板２１への光ノイズの侵入を防止することができる。なお、イオンセンサ１００に含まれる電極２６以外の電極や配線についても、電極２６と同じ上記の材料で形成されていることが好ましい。
【００４８】
ポリシリコン電極２５は、垂直転送部４上に設けられた電極である。ポリシリコン電極２５は、電極２６と接続されている。ポリシリコン電極２５は、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄを総称的に表した電極であると理解されてよい。
【００４９】
遮光膜２８は、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄおよび電極２６を覆うように形成されている遮光膜である。絶縁膜２９は、遮光膜２８を覆う絶縁膜である。
【００５０】
シリコン酸化膜２７は、センシング部１上に形成されている。シリコン酸化膜２７は、イオン感応膜３０がｐウェル２２と直接的に接触することにより発生する欠陥の発生を抑制し、特性劣化を防いでいる。また、シリコン酸化膜２７は、下層の部分への水分の浸入を防ぐ耐水性膜としての機能をも有している。
【００５１】
イオン感応膜３０は、特定のイオンに接触すると、センシング部１におけるイオン感応膜３０近傍の電位をイオン濃度に応じて変化させるイオン感応性を有する。このため、イオン感応膜３０に接触する上記特定のイオンの濃度によって、センシング部１に蓄積可能な信号電荷の量が変化する。
【００５２】
なお、図１の（ｂ）に示されるように、イオンセンサ１００では、ｎ型基板２１からｐウェル２２を介してセンシング部１へ注入された電子が、信号電荷として蓄積される。上述のように、ｎ型基板２１には、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入を制御するための電圧ΦＯＦＤが印加される（後述の図１６の（ｂ）も参照）。
【００５３】
また、図１の（ｂ）では、特定のイオンとして、水素イオン（Ｈ＋）が例示されている。一例として、イオンセンサ１００によって溶液の水素イオン濃度を測定することにより、当該溶液のｐＨ（水素イオン指数）を測定することができる。但し、上述の特定のイオンの種類は、水素イオンのみに限定されない。
【００５４】
（電荷の読み出し方法）
続いて、イオンセンサ１００における、センシング部１から垂直転送部４への電荷の読み出し（垂直転送）方法について説明する。この垂直転送の方法は、従来のＣＣＤにおいて行われる垂直転送の動作と同様である。
【００５５】
図２は、イオンセンサ１００の一部の断面図である。図２には、イオンセンサ１００の一画素分の構成が概略的に示されている。なお、図２では、ポリシリコン電極２５の図示を省略している。
【００５６】
図３は、第１ゲート電極２ａ〜第４ゲート電極２ｄおよびｎ型基板２１に印加されている電圧の関係を示すタイミングチャートである。以下、第１ゲート電極２ａに印加されている電圧をΦＶ１、第２ゲート電極２ｂに印加されている電圧をΦＶ２、第３ゲート電極２ｃに印加されている電圧をΦＶ３、第４ゲート電極２ｄに印加されている電圧をΦＶ４、ｎ型基板２１に印加されている電圧をΦＯＦＤと称する。なお、電圧ΦＶ１〜ΦＶ４およびΦＯＦＤの波形は、例えばパルスジェネレータによって生成されてよい。
【００５７】
なお、図３には、各電圧のレベルを表す記号として、「Ｈ」（High，高）、「Ｍ」（Middle，中）、「Ｌ」（Low，低）という記号が付されている。
【００５８】
図３において、時刻ｔ１は、電荷の読み出しが開始される初期時刻である。また、時刻ｔ２は、電圧ΦＯＦＤの立下り時刻である。また、時刻ｔ３は、電圧ΦＯＦＤの立上り時刻である。また、時刻ｔ４は、電圧ΦＶ１の立上り時刻である。また、時刻ｔ５は、電圧ΦＶ１の立下り時刻である。
【００５９】
図３において、時間ｂは、ｂ＝ｔ２−ｔ１として表される。この時間ｂは、初期状態（電荷の読み出しが開始される前の状態）が持続される時間であると理解されてよい。時間ｂは、例えば１μｓ〜１００μｓ程度であってよい。
【００６０】
時間ｂにおいて、電圧ΦＶ１およびΦＶ２は、Ｍｉｄｄｌｅ（０Ｖ）である。また、電圧ΦＯＦＤは、Ｍｉｄｄｌｅ（５Ｖ〜２０Ｖ）である。なお、電圧ΦＶ３およびΦＶ４は、全ての時間範囲において、Ｌｏｗ（−７Ｖ〜−６Ｖ）のまま一定に維持されている。
【００６１】
また、時間ｃは、ｃ＝ｔ３−ｔ２として表される。この時間ｃは、ｎ型基板２１からセンシング部１へ電子が注入される時間である。時間ｃは、電圧ΦＯＦＤのパルス幅に等しい。なお、この時間ｃは、注入時間と称されてもよい。
【００６２】
時間ｃでは、電圧ΦＯＦＤが、Ｌｏｗ（−０．２Ｖ〜０Ｖ）となる。当該電圧は、注入電圧と称されてもよい。時間ｃでは、ｎ型基板２１の電位（ポテンシャル）が低下するため、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が行われる。
【００６３】
また、時間ｄは、ｄ＝ｔ４−ｔ３として表される。この時間ｄは、電圧ΦＯＦＤがＭｉｄｄｌｅに戻り、かつ、電圧ΦＶ１がＨｉｇｈ（１３Ｖ〜１４Ｖ）に変化するまでの（Ｍｉｄｄｌｅのまま維持されている）時間である。
【００６４】
時間ｄでは、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が停止され、センシング部１に所定量の電荷が蓄積された状態が維持される。時間ｄは、例えば１μｓ〜１００μｓ程度であってよい。
【００６５】
また、時間ｅは、ｅ＝ｔ５−ｔ４として表される。この時間ｅは、センシング部１から垂直転送部４への電荷の読み出しが行われる時間である。時間ｅは、電圧ΦＶ１のパルス幅に等しい。なお、時間ｅは、例えば５μｓ〜２０μｓ程度であってよい。
【００６６】
時間ｅでは、電圧ΦＶ１が、Ｈｉｇｈとなるため、センシング部１と垂直転送部４との間のポテンシャル障壁の高さが下がる。このため、電荷がセンシング部１から垂直転送部４に読み出される。
【００６７】
また、時間ａは、ａ＝ｔ５−ｔ１として表される。なお、時間ａは、ａ＝ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅとも表される。時間ａは、センシング部１から垂直転送部４への電荷の読み出しを１回行うために必要な時間である。この時間ａは、読み出し時間と称されてもよい。
【００６８】
イオンセンサ１００では、上述の電荷の読み出しが複数回（例えば１００回）繰り返し行われ、読み出された電荷は垂直転送部４に蓄積されていく。これにより、イオンセンサ１００の出力（信号電圧）のＳＮ比を向上させることができる。
【００６９】
なお、垂直転送部４に読み出された電荷（換言すれば電子）は、水平転送部７を経由して上述の出力部へと転送される。この転送に要する時間は、転送時間と称される。そして、転送時間と読み出し時間（上述の時間ａ）との和は、１フレーム時間と称される。また、１フレーム時間の逆数は、フレームレートと称される。
【００７０】
一般的なＣＣＤにおいて、１回読み出し時のフレームレートは３０ｆｐｓ（frame per second）〜６０ｆｐｓ程度である。換言すれば、一般的なＣＣＤにおける１フレーム時間は、１７ｍｓ〜３３ｍｓ程度である。
【００７１】
（注入時間とｎ型基板２１に対する印加電圧との関係）
続いて、図４および図５を参照し、イオンセンサ１００における、注入時間とｎ型基板２１に対する印加電圧との関係について説明する。
【００７２】
図４の（ａ）は、図２のＸ１−Ｘ２線における不純物濃度プロファイルを示す図である。また、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）に対応した電位プロファイル（すなわち、図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイル）を示す図である。
【００７３】
また、図５の（ａ）は、図２のＹ１−Ｙ２線における不純物濃度プロファイルを示す図である。また、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に対応した電位プロファイル（すなわち、図２のＹ１−Ｙ２線における電位プロファイル）を示す図である。
【００７４】
なお、図４および図５において、「深さ」とは、Ｘ１−Ｘ２線およびＹ１−Ｙ２線に並行な方向の位置を表す。「深さ」の正方向は、ｐウェル２２からｎ型基板２１に向かう方向である。なお、ｐウェル２２の上面（ｎ型基板２１とは反対の面）を、深さ０とする。
【００７５】
図４の（ａ）において、左側のｎ型領域はセンシング部１を、中央のｐ型領域はｐウェル２２を、右側のｎ型領域はｎ型基板２１を、それぞれ表している。図４の（ａ）に示すように、図２におけるＸ１−Ｘ２線上（すなわちセンシング部１の近傍）では、ｐウェル２２の不純物濃度の最大値は、当該不純物濃度のピーク値Ｃ１である。以降、不純物濃度のピーク値を、ピーク濃度とも称する。
【００７６】
図５の（ａ）において、左側のｎ型領域は垂直転送部４を、中央のｐ型領域はｐウェル２２を、右側のｎ型領域はｎ型基板２１を、それぞれ表している、図５の（ａ）に示すように、図２におけるＹ１−Ｙ２線上（すなわち垂直転送部４の近傍）では、ｐウェル２２において、２つの異なるピーク濃度Ｃ２ａおよびＣ２ｂ（不純物濃度の極大値）が存在している。
【００７７】
その理由は、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入時に、垂直転送部４に電子の注入が発生しないように、垂直転送部４の近傍におけるｐウェル２２は２段に分けて形成されているためである。
【００７８】
具体的には、ピーク濃度Ｃ２ｂ（ｎ型基板２１により近い位置のピーク濃度）は、ピーク濃度Ｃ１に等しくなるように設計されている。なお、ピーク濃度Ｃ２ｂの好適な数値範囲は、後述の式（１）と同様である。
【００７９】
他方、ピーク濃度Ｃ２ａ（ｎ型基板２１からより遠い位置のピーク濃度）は、ピーク濃度Ｃ１に比べて１桁または２桁大きいオーダとなるように設計されている。なお、ピーク濃度Ｃ２ａの好適な数値範囲については、後述の式（２）に示されている。
【００８０】
すなわち、本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２ｂ＜Ｃ２ａとなるように、垂直転送部４の近傍におけるｐウェル２２は形成されている。このため、図２におけるＹ１−Ｙ２線上では、ｐウェル２２の不純物濃度の最大値は、ピーク濃度Ｃ２ａである。
【００８１】
これにより、垂直転送部４の近傍におけるｐウェル２２では、多数キャリアであるホールの数が十分に多くなるため、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入時にも、少数キャリアである電子（自由電子）の注入が抑制される。このようにｐウェル２２が形成されていることにより、上述の電荷読み出し時の処理を適切に行うことが可能となる。
【００８２】
ところで、ｐウェル２２とｎ型基板２１との間の接合は、ｐｎ接合であると理解することができる。従って、ｐウェル２２とｎ型基板２１との間に、大きい順方向バイアス電圧を印加することにより、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入を、例えばｎｓオーダまで高速化することが可能であると考えられる。
【００８３】
一例として、ｐウェル２２の電位が０Ｖである場合には、電圧ΦＯＦＤを十分小さい負の電圧とすることにより、ｐウェル２２とｎ型基板２１との間に、大きい順方向バイアス電圧を印加することができる。
【００８４】
すなわち、電圧ΦＯＦＤの値を十分に小さくすることより、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入を高速化することが期待される。ここで、図４の（ｂ）において、ｐウェル２２の電位のピーク値（以下、ピーク電位とも称する）をＥ１とする。また、図４の（ｂ）および後述の図５では、電圧ΦＯＦＤを、電位Ｅｓｕｂとして表している、
図４の（ｂ）に示されるように、ｎ型基板２１の電位Ｅｓｕｂを、ピーク電位Ｅ１より小さくすれば、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入が、ピーク電位Ｅ１によるポテンシャル障壁に阻害されない。このように、Ｅｓｕｂ＜Ｅ１とすれば、電子注入を好適に行うことができる。
【００８５】
しかしながら、イオンセンサ１００では、電圧ΦＯＦＤの下限値には、制約が存在している。このため、電圧ΦＯＦＤの値を十分に小さくすることは困難である。その理由について、以下に述べる。
【００８６】
上述のように、垂直転送部４は、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入時に、ｎ型基板２１からの電子の注入が発生しないように形成される必要がある。ここで、図５の（ｂ）において、ｐウェル２２のピーク電位をＥ２とする。なお、Ｅ１＞Ｅ２である。
【００８７】
しかしながら、図５の（ｂ）に示されるように、電位Ｅｓｕｂを十分に小さくした場合には、Ｅｓｕｂ＞Ｅ２となる。この場合、ｎ型基板２１から垂直転送部４への電子の注入が、ピーク電位Ｅ２によるポテンシャル障壁に阻害されない。
【００８８】
従って、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入時に、ｎ型基板２１から垂直転送部４へも電子の注入が発生してしまい、電荷読み出し時の処理を適切に行うことができないという問題が生じる。この問題を防止するためには、Ｅｓｕｂ＞Ｅ２とすることが必要である。
【００８９】
それゆえ、イオンセンサ１００では、電位Ｅｓｕｂの範囲は、Ｅ２＜Ｅｓｕｂ＜Ｅ１という関係が満たされるように設定される必要がある。このため、電圧ΦＯＦＤの値を十分に小さくすることで、電子注入を高速化することはできない。
【００９０】
（ピーク濃度Ｃ１と注入時間との関係）
そこで、本願の発明者は、電圧ΦＯＦＤの値を十分に小さくする以外の方法によって、電子注入を高速化することを検討した。その結果、ピーク濃度Ｃ１を十分に小さくすることにより、注入時間の短縮が可能であることが新たに見出された。
【００９１】
より具体的には、本願の発明者は、以下の式（１）、すなわち、
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３  …（１）
を満たすようにＣ１の値を設定することにより、注入時間の短縮が可能であることを見出した。
【００９２】
（実験的検討）
本願の発明者は、イオンセンサ１００において、様々なＣ１の値に対して、電子（信号電荷）の注入時間と注入された電子数との間の関係を実験によって確認した。図６は、電子（信号電荷）の注入時間と注入された電子数との間の関係を示すグラフ（実験結果）である。なお、当該実験において、ΦＯＦＤ＝−０．１Ｖであり、ｎ型基板２１の不純物濃度は、２．０×１０１４ｃｍ−３であった。
【００９３】
図６において、グラフの横軸は注入時間であり、グラフの縦軸は、センシング部１（フォトダイオード）に注入された電子数である。図６には、「Ｃ１＝１．５×１０１４ｃｍ−３」、「Ｃ１＝３．０×１０１４ｃｍ−３」、「Ｃ１＝４．０×１０１４ｃｍ−３」、「Ｃ１＝５．０×１０１４ｃｍ−３」の４通りのＣ１の値に対する実験結果が示されている。
【００９４】
図６に示されるように、Ｃ１の値が大きくなるにつれて、一定の電子数を注入するための注入時間が増加することが確認された。例えば、Ｃ１＝５．０×１０１４ｃｍ−３の場合、１０００個の電子を注入するための注入時間は、約５５０μｓであった。
【００９５】
他方、Ｃ１＝１．５×１０１４ｃｍ−３の場合、１０００個の電子を注入するための注入時間は、約１５０ｎｓであった。すなわち、Ｃ１＝５．０×１０１４ｃｍ−３の場合に比べて、約３６００倍以上の注入時間の低減を実現することができた。また、Ｃ１＝３．０×１０１４ｃｍ−３の場合にも、１０００個の電子を注入するための注入時間は約３μｍであり、十分な注入時間の低減を実現することができた。
【００９６】
なお、いずれもＣ１の値においても、注入時間を長くした場合には、注入電子数が飽和することが確認された。これは、センシング部１が飽和容量（フルキャパシティ）に達したためである。なお、飽和容量とは、センシング部１において、ｎ型基板２１からの電子を収容できる量の上限を意味する。
【００９７】
加えて、本願の発明者は、イオンセンサ１００において、上述の４通りのＣ１の値に対して、信号読み出し回数とフレームレートとの間の関係についても、実験によって確認した。図７は、信号読み出し回数とフレームレートとの間の関係を示すグラフ（実験結果）である。
【００９８】
図７において、グラフの横軸は信号読み出し回数（センシング部１に蓄積された１０００個の電子を繰り返し読み出した回数）である。また、グラフの縦軸は、フレームレートである。なお、１回読み出し時のフレームレートは６０ｆｐｓであった。
【００９９】
図７に示されるように、Ｃ１が比較的大きい場合（すなわち、Ｃ１＝４．０×１０１４ｃｍ−３またはＣ１＝５．０×１０１４ｃｍ−３の場合）には、信号読み出し回数の増加に伴ってフレームレートが低下してしまうことが確認された。
【０１００】
他方、Ｃ１が十分に小さい場合（すなわち、Ｃ１＝１．５×１０１４ｃｍ−３またはＣ１＝３．０×１０１４ｃｍ−３の場合）には、信号読み出し回数が増加した場合にも、フレームレートの低下が十分に抑制されていることが確認された。
【０１０１】
以上のように、本願の発明者は、実験的検討により、上述の式（１）に示されたピーク濃度Ｃ１の数値範囲の妥当性を確認した。
【０１０２】
（理論的検討）
また、本願の発明者は、上述の式（１）に示されるように、ピーク濃度Ｃ１を十分に小さくすることにより、電子注入が高速化される理由について、理論的検討を行った。その結果、以下の（第１の理由）および（第２の理由）が得られた。
【０１０３】
（第１の理由）
上述の通り、センシング部１の近傍において、ｐウェル２２とｎ型基板２１との間の接合は、ｐｎ接合であると理解することができる。従って、ｎ型基板２１とｐウェル２２と間の内蔵電位（拡散電位）ΔＶは、以下の式（Ａ）によって表される。なお、式（Ａ）において、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、ＮＡはアクセプタ不純物濃度、ＮＤはドナー不純物濃度、ｎｉは真性キャリア密度である。
【数１】
2017090322.tif 000003
ここで、ピーク濃度Ｃ１はアクセプタが不純物として添加された、ｐウェル２２の不純物濃度であるから、ピーク濃度Ｃ１が十分に小さいことは、式（Ａ）においてアクセプタ不純物濃度ＮＡが十分に小さいことに相当する。
【０１０４】
このため、ピーク濃度Ｃ１が十分に小さい場合には、内蔵電位ΔＶも十分に小さくなる。従って、電圧ΦＯＦＤが一定であれば、ピーク濃度Ｃ１を十分に小さくすることにより、ｐウェル２２の電位Ｖｐを高くすることができる。Ｖｐ＝ΦＯＦＤ−ΔＶと表せるためである。
【０１０５】
従って、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入が、ピーク電位Ｅ１によるポテンシャル障壁に阻害されにくくなり、高速な電子注入が可能となる。
【０１０６】
（第２の理由）
また、ｎ型基板２１とｐウェル２２と間に大きい順方向バイアス電圧が印加されている場合、ｐウェル２２（ｐ型領域）における電子（すなわち少数キャリア）の拡散長Ｌｎは、以下の式（Ｂ）によって表される。なお、式（Ｂ）において、Ｄｎは電子の拡散係数であり、τｎは電子の寿命である。
【数２】
2017090322.tif 000004
図８は、半導体材料における不純物濃度を拡散係数との間の関係を示す図である。なお、図８のグラフは、上述の非特許文献１を出典としている。図８によれば、ピーク濃度Ｃ１（不純物濃度）が１０１４ｃｍ−３オーダである場合には、拡散係数Ｄｎは、ピーク濃度Ｃ１の値によらずほぼ一定となることが理解される。
【０１０７】
また、図９は、半導体材料におけるキャリア濃度とキャリア寿命との間の関係を示す図である。なお、図９のグラフは、上述の非特許文献２を出典としている。図９によれば、ピーク濃度Ｃ１（不純物濃度）が小さくなるにつれて、寿命τｎが大きくなることが理解される。
【０１０８】
従って、上述の式（１）に示されるように、ピーク濃度Ｃ１を十分に小さくした場合には、拡散係数Ｄｎはほぼ一定のままであり、寿命τｎは十分に大きくなる。このため、式（Ｂ）によれば、ピーク濃度Ｃ１を十分に小さくすることにより、拡散長Ｌｎを十分に長くすることができる。
【０１０９】
従って、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入が、より容易に行われるため、高速な電子注入が可能となる。
【０１１０】
（Ｃ１の下限値について）
なお、上述の式（１）を参照すれば、Ｃ１＝０ｃｍ−３は、ピーク濃度Ｃ１の好適な数値範囲に含まれないことが理解される。これは、Ｃ１＝０ｃｍ−３とした場合には、ｐウェル２２が中性領域となってしまうためである。この場合、電圧ΦＯＦＤ＝Ｍｉｄｄｌｅである時間（図３の時間ｂ以外の各時間）においても、ｎ型基板２１から中性領域を経由して、センシング部１への意図しない電子の注入が発生し得るためである。
【０１１１】
（イオンセンサ１００の効果）
以上のように、本実施形態のイオンセンサ１００では、上述の式（１）を満たすように、ピーク濃度Ｃ１が設定されている。すなわち、ｐウェル２２内の不純物濃度が最適化されている。このため、電圧ΦＯＦＤの値を十分に小さくすることなく、センシング部１への電子の注入を高速化することが可能となる。
【０１１２】
それゆえ、イオンセンサ１００では、出力のＳＮ比を向上させるために、センシング部１からの電荷の読み出しが複数回繰り返し行われる場合においても、高い応答性を実現することができる。このように、イオンセンサ１００によれば、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させることが可能となる。
【０１１３】
（ピーク濃度Ｃ２ａの好適な数値範囲）
上述のように、ピーク濃度Ｃ２ａは、Ｃ２ａ＞Ｃ２ｂ＝Ｃ１の関係を満たすように設定されている。本願の発明者は、ピーク濃度Ｃ２ａの好適な数値範囲についても検討を行った。
【０１１４】
その結果、ピーク濃度Ｃ２ａの好適な数値範囲は、以下の式（２）、すなわち、
１．５×１０１６ｃｍ−３≦Ｃ２ａ≦３．５×１０１６ｃｍ−３  …（２）
として表されることが見出された。以下、当該数値範囲の根拠について述べる。
【０１１５】
はじめに、「Ｃ２ａ＝３．５×１０１６ｃｍ−３」という上限値は、垂直転送部４の転送効率を考慮して設定されたものである。ピーク濃度Ｃ２ａがこの上限値を超えた場合、電圧ΦＶ１〜ΦＶ４の変化に対して、垂直転送部４の表面のｎ型領域において、空乏層が形成されにくくなる。
【０１１６】
一例として、垂直転送部４に印加される電圧ΦＶ１〜ΦＶ４を例えば周波数４５ｋＨｚにて動作させた場合、垂直転送部４における転送不良が発生してしまう。ピーク濃度Ｃ２ａを上述の上限値を超えないように設定することにより、このような転送不良を防止することができる。
【０１１７】
また、「Ｃ２ａ＝１．５×１０１６ｃｍ−３」という下限値は、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入時（例えばΦＯＦＤ＝−０．１Ｖの場合）に、垂直転送部４への電子の注入が発生しないように設定されたものである。
【０１１８】
ピーク濃度Ｃ２ａがこの下限値を下回った場合、電圧ΦＶ１〜ΦＶ４の変化に対して、垂直転送部４に電子への注入が開始されてしまう。ピーク濃度Ｃ２ａを上述の下限値以上に設定することにより、垂直転送部４への電子への注入を防止することができる。
【０１１９】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図１０および図１１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【０１２０】
図１０は、上述の実施形態１および本実施形態におけるイオンセンサ１００の駆動パターン（電圧ΦＶ１〜ΦＶ４およびΦＯＦＤの波形）をそれぞれ示す図である。図１０の（ａ）は、実施形態１における駆動パターンを示す図である。なお、便宜上、当該駆動パターンを駆動パターン１と称する。
【０１２１】
図１０の（ａ）は、上述の図３における時間ｃ（注入時間）付近を示した図であると理解されてよい。図１０の（ａ）に示されるように、駆動パターン１では、時間ｃにおいて、電圧ΦＶ１およびΦＶ２はＭｉｄｄｌｅ（０Ｖ）であり、電圧ΦＶ３およびΦＶ４はＬｏｗ（−７Ｖ〜−６Ｖ）である。
【０１２２】
図１０の（ｂ）は、本実施形態における駆動パターンを示す図である。上述の駆動パターン１との区別のため、当該駆動パターンを駆動パターン２と称する。図１０の（ｂ）に示されるように、駆動パターン２では、時間ｃにおいて、電圧ΦＶ１およびΦＶ２も、Ｌｏｗ（−７Ｖ〜−６Ｖ）に変化している。すなわち、駆動パターン２では、時間ｃにおいて、電圧ΦＶ１〜ΦＶ４の全てがＬｏｗとなる。駆動パターン２は、この点において駆動パターン１と異なる。
【０１２３】
すなわち、駆動パターン２では、垂直転送部４には、信号電荷の読み出しおよび転送を制御するための複数の制御電圧（電圧ΦＶ１〜ΦＶ４）が印加されており、ｎ型基板２１からセンシング部１に電子が注入されている間（すなわち時間ｃ，注入時間）において、複数の上記制御電圧の全ては、所定の複数の電位レベル（Ｈｉｇｈ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｌｏｗ）のうち、最も低い電位レベル（Ｌｏｗ）となるように制御されている。
【０１２４】
図１１は、駆動パターン１および２のそれぞれの場合における、図２のＹ１−Ｙ２線における電位プロファイルを示す図である。以下、図１１を参照し、駆動パターン２の利点について説明する。
【０１２５】
ここで、図１１において、駆動パターン１の電位プロファイルにおけるピーク電位は、上述のピーク電位Ｅ２である（上述の図５の（ｂ）を参照）。他方、駆動パターン２の電位プロファイルにおけるピーク電位Ｅ２ｌは、ピーク電位Ｅ２よりも小さいものとなる。
【０１２６】
すなわち、駆動パターン２を採用することにより、駆動パターン１に比べて、ピーク電位の値を低下させることができる。これは、駆動パターン２では、Ｌｏｗである電圧ΦＶ１〜ΦＶ４が、垂直転送部４の上部に設けられたポリシリコン電極２５に印加されるためである。このため、ｐウェル２２の電位は、電圧ΦＶ１〜ΦＶ４の影響を受けて、駆動パターン１に比べて低下することとなる。
【０１２７】
従って、駆動パターン２を採用することにより、ｎ型基板２１から垂直転送部４への電子注入を、ピーク電位Ｅ２ｌによるポテンシャル障壁によって好適に阻害することができる。それゆえ、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子注入時における、ｎ型基板２１から垂直転送部４への電子の注入をより確実に防止することが可能となる。
【０１２８】
なお、駆動パターン２では、時間ｃにおいて垂直転送部４に電荷を蓄積することができない。このため、センシング部１から垂直転送部４への複数回の電荷の読み出しはできない点に留意されたい。
【０１２９】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図１２〜図１５に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【０１３０】
図１２は、イオンセンサ１００の一部の断面図である。図１２には、イオンセンサ１００における水平転送部７付近の構成が概略的に示されている。なお、水平転送部７の上部には、不図示のポリシリコン電極が設けられている。
【０１３１】
図１４の（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの一例を示す図である。図１４の（ａ）において、左側のｎ型領域は水平転送部７を、中央のｐ型領域はｐウェル２２を、右側のｎ型領域はｎ型基板２１を、それぞれ表している、
図１４の（ａ）に示すように、図１２におけるＺ１−Ｚ２線上（すなわち水平転送部７の近傍）では、ｐウェル２２において、２つの異なるピーク濃度Ｃ３ａおよびＣ３ｂ（不純物濃度の極大値）が存在している。
【０１３２】
従来、ピーク濃度Ｃ３ｂ（ｎ型基板２１により近い位置のピーク濃度）は、ピーク濃度Ｃ１に等しくなるように設計されている。また、ピーク濃度Ｃ３ａ（ｎ型基板２１からより遠い位置のピーク濃度）は、ピーク濃度Ｃ１に比べて１桁または２桁大きいオーダとなるように設計されている。すなわち、従来では、ピーク濃度は、Ｃ１＝Ｃ３ｂ＜Ｃ３ａとして設定されていた。
【０１３３】
図１３は、図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルの一例を示す図である。具体的には、図１３には、Φｏｆｄ＝ＭｉｄｄｌｅであるＸ１−Ｘ２線における場合の電位プロファイルが示されている。図１３を参照すれば、上述のように、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合には、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が生じないことが理解される。
【０１３４】
他方、図１４の（ｂ）は、図１４の（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。具体的には、図１４の（ｂ）には、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合のＺ１−Ｚ２線における電位プロファイルが示されている。
【０１３５】
ここで、図１４の（ｂ）と図１３とを対比すれば、水平転送部７の近傍におけるｐウェル２２の電位は、垂直転送部４の近傍におけるｐウェル２２の電位よりも高いことが理解される。
【０１３６】
これは、水平転送部７では、飽和容量をセンシング部１および垂直転送部４よりも大きくするために、センシング部１および垂直転送部４に比べて不純物濃度がより高く設定されているためである。
【０１３７】
このため、水平転送部７の近傍では、センシング部１および垂直転送部４の近傍に比べて、ｐウェル２２内の正孔密度が減少することとなる。それゆえ、水平転送部７の近傍では、センシング部１および垂直転送部４の近傍に比べて、ｐウェル２２の電位が高くなる。
【０１３８】
従って、図１４の（ｂ）に示されるように、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合にも、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が生じ得る。すなわち、Ｃ３ｂ＝Ｃ１という従来の設計では、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合にも、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が生じ得る。
【０１３９】
上述のように、センシング部１から垂直転送部４への読み出し時（垂直転送時）において、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅ（５Ｖ〜２０Ｖ）である。しかしながら、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が発生してしまうと、センシング部１から垂直転送部４を経由して水平転送部７に転送された電子が、ｎ型基板から水平転送部７に注入された電子と混ざってしまう。
【０１４０】
このため、イオン濃度の変化に応じてセンシング部１に蓄積された電荷量を、イオンセンサ１００の出力として得ることができなくなってしまう。このように、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が発生してしまうと、イオンセンサ１００の適切な動作が阻害されるという可能性があった。
【０１４１】
以上の点を踏まえ、本願の発明者は、Ｃ３ｂ＞Ｃ１としてピーク濃度を設定することにより、イオンセンサ１００の動作の信頼性を向上させることが可能であることを新たに見出した。以下、図１５を参照し、当該構成について説明する。
【０１４２】
図１５の（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの別の一例を示す図である。図１５の（ａ）は、Ｃ３ｂ＞Ｃ１としてピーク濃度が設定されている点において、上述の図１４の（ａ）と異なる。すなわち、本実施形態では、ピーク濃度は、Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ３ａとして設定されている。
【０１４３】
なお、ピーク濃度Ｃ３ａは、上述のピーク濃度Ｃ２ａと等しくなるように設定されている。従って、ピーク濃度Ｃ３ａの好適な数値範囲は、上述の式（２）と同様である。このように、図１２におけるＺ１−Ｚ２線上では、ｐウェル２２の不純物濃度の最大値は、ピーク濃度Ｃ３ａである。
【０１４４】
図１５の（ｂ）は、図１５の（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。具体的には、図１５の（ｂ）には、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合のＺ１−Ｚ２線における電位プロファイルが示されている。
【０１４５】
Ｃ３ｂ＞Ｃ１とすることにより、Ｃ３ｂ＝Ｃ１とした場合に比べて、水平転送部７の近傍におけるｐウェル２２内の正孔密度を増加させることができる。それゆえ、図１５の（ｂ）に示されるように、図１４の（ｂ）の場合に比べて、水平転送部７の近傍におけるｐウェル２２の電位を低くすることができる。
【０１４６】
従って、図１５の（ｂ）に示されるように、Ｃ３ｂ＞Ｃ１とすることにより、Φｏｆｄ＝Ｍｉｄｄｌｅである場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入を抑制することが可能となる。
【０１４７】
このように、Ｃ３ｂ＞Ｃ１としてピーク濃度を設定することにより、ｎ型基板２１から水平転送部７への意図しない電子の注入を防止することができるので、イオン濃度の変化に応じてセンシング部１に蓄積された電荷量を、イオンセンサ１００の出力として得ることができる。すなわち、イオンセンサ１００の動作の信頼性を向上させることが可能となる。
【０１４８】
なお、上述のように、Φｏｆｄ＝Ｌｏｗ（−０．２Ｖ〜０Ｖ）である場合には、垂直転送は行われない。従って、Φｏｆｄ＝Ｌｏｗである場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が生じたとしても、当該電子を水平転送部７から出力部へ吐き出してしまえばよい。当該吐き出し操作の後、垂直転送を行うことにより、イオン濃度の変化に応じてセンシング部１に蓄積された電荷量を、イオンセンサ１００の出力として得ることができる。
【０１４９】
（ピーク濃度Ｃ３ｂの好適な数値範囲）
上述のように、ピーク濃度Ｃ３ｂは、Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ３ａの関係を満たすように設定されている。本願の発明者は、ピーク濃度Ｃ３ｂの好適な数値範囲についても検討を行った。
【０１５０】
その結果、ピーク濃度Ｃ３ｂの好適な数値範囲は、以下の式（３）、すなわち、
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３  …（３）
として表されることが見出された。以下、当該数値範囲の根拠について述べる。
【０１５１】
「Ｃ３ｂ＝２．５×１０１４ｃｍ−３」という下限値は、ΦＯＦＤ＝ＭＩＤＤＬＥの場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が発生しないように設定されたものである。当該下限値は、ΦＯＦＤ＝１０Ｖである場合に、ｎ型基板２１から水平転送部７への電子の注入が発生しないＣ３ｂの値の下限値である。
【０１５２】
すなわち、ΦＯＦＤ＝ＭＩＤＤＬＥである場合に、Ｃ３ｂの値が当該下限値を下回ると、水平転送部７への電子の注入が発生してしまうことが理解される。ピーク濃度Ｃ３ｂを当該下限値以上に設定することにより、ΦＯＦＤ＝ＭＩＤＤＬＥである場合に、水平転送部７への電子への注入を防止することができる。
【０１５３】
（各ピーク濃度の関係についてのまとめ）
以上の実施形態１〜３をまとめると、ピーク濃度Ｃ１、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ａ、およびＣ３ｂは、以下の（条件Ａ）および上述の式（１）〜（３）、すなわち、
Ｃ１＝Ｃ２ｂ＜Ｃ３ｂ＜Ｃ３ａ＝Ｃ３ｂ                  …（条件Ａ）
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３                        …（１）
１．５×１０１６ｃｍ−３≦Ｃ２ａ≦３．５×１０１６ｃｍ−３    …（２）
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３                          …（３）
の全ての関係を満たしていればよい。
【０１５４】
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について、図１６〜図１８に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、上述のイオンセンサ１００との区別のために、本実施形態のイオンセンサを、イオンセンサ４００（イオン濃度センサ）と称する。
【０１５５】
はじめに、イオンセンサ４００の説明に先立ち、イオンセンサ１００の改善可能な点について述べる。図１６の（ａ）は、イオンセンサ１００の全体構成を概略的に示す図である。イオンセンサ１００は、画素領域９１およびｎ型基板コンタクト部９２を備える。
【０１５６】
画素領域９１は、センシング部１がマトリクス状に交互に配置された領域である。画素領域９１は、例えば矩形状の領域であってよい。ｎ型基板コンタクト部９２は、ｎ型基板２１を外部の電源（不図示）と接続するために設けられたコンタクト部である。
【０１５７】
なお、ｎ型基板コンタクト部９２は、画素領域９１の外周に形成されている。その理由は、画素領域９１のサイズの都合上、ｎ型基板コンタクト部９２を画素領域９１内に形成することが困難であるためである。
【０１５８】
なお、図１６の（ｂ）は、ｎ型基板コンタクト部９２の部分断面図である。図１６の（ｂ）に示されるように、ｎ型基板２１には、ｎ＋領域９３を介して、電圧ΦＯＦＤが印加される。ｎ＋領域９３は、ｎ型基板コンタクト部９２の一部分であり、不純物濃度が、例えば１．０×１０１９ｃｍ−３以上である領域である。
【０１５９】
このように、ｎ＋領域９３は、ｎ型基板２１よりも有意に大きい不純物濃度を有しているため、ｎ型基板コンタクト部９２の抵抗は、ｎ型基板２１よりも十分に小さくなる。このため、ｎ型基板コンタクト部９２の抵抗による電圧降下を低減することができる。
【０１６０】
ここで、図１６の（ａ）を再び参照する。図１６の（ａ）において、画素領域９１の中央付近の領域を、領域Ｒｃと表す。また、画素領域９１の外周付近の領域を、領域Ｒｏと表す。
【０１６１】
図１７の（ａ）は、領域Ｒｃでの、図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルを示す図である。また、図１７の（ｂ）は、領域Ｒｏでの、図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルを示す図である。
【０１６２】
上述の通り、領域Ｒｏは、画素領域９１の外周付近に位置しているため、ｎ型基板コンタクト部９２との距離が比較的近い。従って、図１７の（ｂ）に示される通り、領域Ｒｃでは、ｎ型基板２１の抵抗による電圧降下が比較的少ない。このため、領域Ｒｏでは、ΦＯＤＦ＝Ｌｏｗとした場合に、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が適切に行われる。
【０１６３】
他方、領域Ｒｃは、画素領域９１の中央付近に位置しているため、領域Ｒｏに比べて、ｎ型基板コンタクト部９２との距離が離れている。従って、図１７の（ａ）に示される通り、領域Ｒｃでは、ｎ型基板２１の抵抗による電圧降下の影響が顕著となる。
【０１６４】
このため、領域Ｒｃでは、ΦＯＤＦ＝Ｌｏｗとした場合であっても、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が行われないという不利益が生じ得る。また、領域Ｒｃにおいて、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が行われたとしても、領域Ｒｏに比べて注入時間が長くなってしまう。
【０１６５】
続いて、本実施形態のイオンセンサ４００について述べる。以下に示すように、イオンセンサ４００は、領域Ｒｃにおけるｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入を改善することを目的として構成されている。図１８は、本実施形態のイオンセンサ４００におけるｎ型基板コンタクト部９２の部分断面図である。
【０１６６】
図１８に示されるように、本実施形態のイオンセンサ４００では、ｎ型基板２１にｎ＋層４４（ドーピング層）が設けられている。なお、図１８では、ｎ型基板２１の下面にｎ＋層４４が設けられた構成が例示されているが、ｎ＋層４４が設けられる位置は、これに限定されない。
【０１６７】
ｎ＋層４４は、ｎ型基板２１よりも高い不純物（ドナー）濃度を有する層である。換言すれば、ｎ＋層４４は、ｎ型基板２１に比べて不純物としてのドナーが過剰に添加された層である。
【０１６８】
より具体的には、ｎ＋層４４の不純物濃度は、１．０×１０１９ｃｍ−３以上である。以下に示すように、ｎ＋層４４がｎ型基板２１に設けられることにより、ｎ型基板２１の抵抗が減少する。
【０１６９】
例えば、実施形態１〜３において、ｎ型基板２１の不純物濃度は、２．０×１０１４ｃｍ−３であった。この場合、ｎ型基板２１の抵抗率は約２０Ω・ｃｍとなる。従って、ｎ型基板２１のｎ型領域幅が１０μｍの場合、ｎ型基板２１の抵抗（シート抵抗）は、約２０ＭΩとなる。
【０１７０】
他方、本実施形態における一例として、ｎ型基板２１に設けられたｎ＋層４４の不純物濃度が、１．０×１０１９ｃｍ−３である場合を考える。この場合、ｎ＋層４４の抵抗率は、約５．０×１０−３Ω・ｃｍとなる。このように、ｎ＋層４４は、ｎ型基板２１に比べて非常に高い不純物濃度を有しているため、ｎ型基板２１に比べて十分に低い抵抗率を有することとなる。
【０１７１】
そして、ｎ＋層４４の厚さが５ｎｍであるとすれば、ｎ型基板２１の抵抗（シート抵抗）は、約１ｋΩとなる。このように、ｎ＋層４４が設けられることにより、ｎ型基板２１の抵抗を大幅に（約５．０×１０−５倍に）低減させることができる。
【０１７２】
従って、イオンセンサ４００によれば、領域Ｒｃにおいて、ｎ型基板２１の抵抗による電圧降下の影響を十分に低減することができる。従って、イオンセンサ４００では、領域Ｒｃにおいても、領域Ｒｏと同様の電位のプロファイル（上述の図１７の（ａ）を参照）が得られる。
【０１７３】
このため、ΦＯＤＦ＝Ｌｏｗとした場合に、領域Ｒｃにおいても、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入を確実に行うことが可能となる。また、領域Ｒｃにおける電子の注入時間を短縮することも可能となる。以上のように、本実施形態のイオンセンサ４００によれば、領域Ｒｃにおけるｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入を改善することができる。
【０１７４】
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５について、図１９〜図２１に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１９の（ａ）は、本実施形態のイオンセンサ５００（イオン濃度センサ）の全体構成を概略的に示す図である。イオンセンサ５００は、上述の図１６の（ａ）のイオンセンサ１００において、画素領域９１を画素領域９５に置き換えることによって得られる。
【０１７５】
図１９の（ｂ）は、図１９の（ａ）における領域Ｐの拡大図である。ここで、領域Ｐは、画素領域９５内の一部の領域である。なお、領域Ｐの位置は特に限定されない。図１９の（ｂ）に示されるように、画素領域９５には、上述のセンシング部１および以下に示すセンシング部５０（第２センシング部）が、マトリクス状に交互に配置されている。
【０１７６】
なお、センシング部１とセンシング部５０との区別のため、（ｉ）センシング部１は基板注入画素と、（ｉｉ）センシング部５０は光照射画素と、それぞれ称されてもよい。
【０１７７】
図２０は、センシング部５０の構造を示す断面図である。図２０には、イオンセンサ５００の一画素分の構成が概略的に示されている。図２０に示されるように、センシング部５０の周囲の構成は、上述の図３と概ね同様である。なお、上述の図３との区別のため、センシング部５０に接触するｐウェルを、ｐウェル５２として表す。
【０１７８】
ｐウェル５２は、ピーク濃度Ｃ４の値（不純物濃度の最大値）が、ｐウェル２２のピーク濃度Ｃ１の値よりも大きい点において、ｐウェル２２と異なる。すなわち、ｐウェル５２は、ｐウェル２２に比べてより高い不純物濃度を有するように形成されたｐ型の拡散領域である。
【０１７９】
このように、本実施形態では、Ｃ４は以下の式（４）
Ｃ１＜Ｃ４  …（４）
を満たすように設定されている。一例として、Ｃ４＝８．０×１０１４ｃｍ−３である。
【０１８０】
センシング部５０は、上述のセンシング部１と同様のｎ型の拡散領域である。従って、センシング部５０を、光電変換部として機能させることができる。このため、センシング部５０は、光Ｌを受光して、当該光Ｌを電荷に変換することができる。
【０１８１】
従って、イオンセンサ５００において、センシング部５０をマトリクス状に配置することにより、光Ｌに応じた像（例えば、カラー画像または白黒画像）を得ることができる。すなわち、光Ｌを受光して像を撮像する撮像素子としてセンシング部５０を機能させることができる。このように、センシング部５０が設けられることによって、イオンセンサ５００に、検査対象を光学的に撮像する機能を付加することが可能となる。
【０１８２】
図２１の（ａ）は、図２０のＷ１−Ｗ２部における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。また、図２１の（ｂ）は、図２１の（ａ）に対応した電位プロファイル（すなわち、図２０のＷ１−Ｗ２線における電位プロファイル）を示す図である。
【０１８３】
図２１の（ａ）と上述の図４の（ａ）とを比較すれば、上述の式（４）が満たされていることが理解される。式（４）に示されるように、Ｃ４をＣ１よりも大きくすることにより、以下の（利点１）および（利点２）が得られる。
【０１８４】
（利点１）：ｐウェル５２の電位をｐウェル２２の電位よりも低くすることができる。このため、ｎ型基板２１からセンシング部１への電子の注入が行われた場合にも、ｎ型基板２１からセンシング部５０への電子の注入は行われない。従って、センシング部５０によって得られる画像が、ｎ型基板２１からの電子の注入によって悪影響を受けることを防止することが可能となる。
【０１８５】
なお、図２１の（ｂ）と上述の図１３とを比較すれば、ｐウェル５２の電位がｐウェル２２の電位よりも低いことが理解できる。
【０１８６】
（利点２）：ｐウェル５２の電位を低くすることができるため、センシング部５０の飽和容量を大きくすることが可能となる。なお、センシング部０５の飽和容量とは、センシング部５０において、光を変換して生成した電荷（電子）を収容できる量の上限を意味する。従って、センシング部５０によって得られる画像の精度を向上させることが可能となる。
【０１８７】
図２２は、イオンセンサ５００の動作の一例を示す図である。なお、図２２では、測定対象として、画素領域９５の上に配置された細胞が例示されている。一例として、細胞等の生体から分泌される液体のイオン濃度分布（例えば、ｐＨの空間的な分布）を測定することにより、当該細胞の生体活動の様子を確認することが可能である。
【０１８８】
上述のように、イオンセンサ５００では、センシング部１およびセンシング部５０（すなわち、基板注入画素および光照射画素）がマトリクス状に交互に配置されている。
【０１８９】
このため、図２２に示されるように、マトリクス状に配置されたセンシング部１によって、検査対象のイオン濃度分布ＭＡＰ１を検出することができる。加えて、マトリクス状に配置されたセンシング部５０によって、検査対象の像ＩＭＧ１を撮像することができる。
【０１９０】
すなわち、イオンセンサ５００によれば、検査対象に対して、イオン濃度分布ＭＡＰ１と像ＩＭＧ１とを同時に取得することができる。また、イオン濃度分布ＭＡＰ１とほぼ一致した位置における像ＩＭＧ１を取得することができる。
【０１９１】
それゆえ、ユーザに像ＩＭＧ１を確認させながら、イオン濃度分布ＭＡＰ１を観察させることが容易となる。このため、測定対象を観察するユーザの利便性を向上させることができる。
【０１９２】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るイオン濃度センサ（イオンセンサ１００）は、イオンに感応するセンシング部（１）の表面の電位変化に基づき、測定対象のイオン濃度を検出するイオン濃度センサであって、不純物としてドナーが添加された基板（ｎ型基板２１）と、不純物としてアクセプタが添加され、上記基板の上に積層されたｐウェル（２２）と、を備え、上記センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルを介して上記基板から注入される電子を信号電荷として蓄積し、上記センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ１（ピーク濃度Ｃ１）は、以下の式（Ａ１）
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３  …（Ａ１）
を満たしている。
【０１９３】
上記の構成によれば、センシング部と基板との間に位置するｐウェル（上述の図２のＸ１−Ｘ２線の近傍に位置するｐウェル）の不純物濃度の最大値Ｃ１が、十分に小さい。上述のように、本願の発明者は、実験的検討および理論的検討により、式（Ａ１）を満たすようにＣ１の値を設定することにより、基板からセンシング部への信号電荷（電子）の注入が高速化されることを見出した（特に、図６および図７を参照）。
【０１９４】
従って、当該構成によれば、ｐウェル内の不純物濃度を最適化することにより、センシング部への信号電荷の供給を高速化することが可能となる。それゆえ、イオン濃度センサにおいて、出力のＳＮ比を向上させるために、センシング部からの信号電荷の読み出しが複数回繰り返し行われる場合においても、高い応答性を実現することができる。
【０１９５】
以上のように、本発明の一態様に係るイオン濃度センサによれば、出力のＳＮ比の向上と高い応答性とを両立させることが可能となるという効果を奏する。
【０１９６】
本発明の態様２に係るイオン濃度センサは、上記態様１において、上記センシング部に蓄積された上記信号電荷を読み出して転送する垂直転送部（４）をさらに備え、上記垂直転送部には、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、上記垂直転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ２ａ（ピーク濃度Ｃ２ａ）は、以下の式（Ａ２）
１．５×１０１６ｃｍ−３≦Ｃ２ａ≦３．５×１０１６ｃｍ−３    …（Ａ２）
を満たしていることが好ましい。
【０１９７】
上記の構成によれば、垂直転送部と基板との間に位置するｐウェル（上述の図４のＹ１−Ｙ２線の近傍に位置するｐウェル）の不純物濃度の最大値Ｃ２ａが、式（Ａ２）を満たすように設定されている。このため、上述のように、垂直転送部の転送不良を防止するとともに、基板から垂直転送部への電子への注入を防止することが可能となるという効果を奏する。
【０１９８】
本発明の態様３に係るイオン濃度センサは、上記態様２において、上記垂直転送部には、上記信号電荷の読み出しおよび転送を制御するための複数の制御電圧（電圧ΦＶ１〜ΦＶ４）が印加されており、上記基板から上記センシング部に上記電子が注入されている間において、複数の上記制御電圧の全ては、所定の複数の電位レベルのうち、最も低い電位レベルとなるように制御されていることが好ましい。
【０１９９】
上記の構成によれば、複数の制御電圧の全てが最も低い電位レベルとなるので、垂直転送部と基板との間に位置するｐウェル（上述の図４のＹ１−Ｙ２線の近傍に位置するｐウェル）におけるピーク電位を低下させることができる。このため、基板からセンシングへの電子の注入時において、基板から垂直転送部への電子の注入をより確実に防止することが可能となるという効果を奏する。
【０２００】
本発明の態様４に係るイオン濃度センサは、上記態様２または３において、上記垂直転送部から転送された上記信号電荷を、上記イオン濃度センサの出力部へと転送する水平転送部（７）をさらに備え、上記水平転送部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、上記水平転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルの不純物濃度には、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の２つのピーク値のうち、小さい方のピーク値をＣ３ｂ（ピーク濃度Ｃ３ｂ）とすると、ピーク値Ｃ３ｂは、以下の式（Ａ３）および（Ａ４）
Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ２ａ            …（Ａ３）
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３    …（Ａ４）
を満たしていることが好ましい。
【０２０１】
上記の構成によれば、水平転送部と基板との間に位置するｐウェル（上述の図１２のＺ１−Ｚ２線の近傍に位置するｐウェル）の不純物濃度のピーク値Ｃ３ｂ（小さいほうのピーク値）が、式（Ａ３）および（Ａ４）を満たすように設定されている。このため、上述のように、基板から水平転送部への電子の注入を抑制することが可能となる。
【０２０２】
従って、イオン濃度の変化に応じてセンシング部に蓄積された電子の電荷量を、イオンセンサの出力として得ることができる。すなわち、イオンセンサの動作の信頼性を向上させることが可能となるという効果を奏する。
【０２０３】
本発明の態様５に係るイオン濃度センサは、上記態様１から４のいずれか１つにおいて、上記基板には、当該基板に比べて不純物としてのドナーが過剰に添加されたドーピング層（ｎ＋層４４）が設けられており、上記ドーピング層の不純物濃度は、１．０×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【０２０４】
上記の構成によれば、基板の抵抗を十分に低減することができる。このため、基板の抵抗による電圧降下の影響を十分に低減することができ、基板からセンシング部への電子の注入を改善することが可能となるという効果を奏する。
【０２０５】
本発明の態様６に係るイオン濃度センサは、上記態様１から５のいずれか１つにおいて、光電変換により生じる電子を信号電荷として蓄積する第２センシング部（センシング部５０）をさらに備え、上記第２センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、上記第２センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ４（ピーク濃度Ｃ４）は、以下の式（Ａ５）
Ｃ１＜Ｃ４  …（Ａ５）
を満たしていることが好ましい。
【０２０６】
上記の構成によれば、光を受光して像（画像）を撮像する撮像素子として、第２センシング部を機能させることができる。加えて、第２センシング部と基板との間に位置するｐウェル（上述の図２０のＷ１−Ｗ２線の近傍に位置するｐウェル）の不純物濃度の最大位置Ｃ４が、式（Ａ５）を満たすように設定されている。このため、上述のように、基板からセンシング部への電子の注入が行われた場合にも、基板から第２センシング部への電子の注入は行われない。
【０２０７】
従って、第２センシング部によって得られる画像が、基板からの電子の注入によって悪影響を受けることを防止することが可能となるという効果を奏する。
【０２０８】
本発明の態様７に係るイオン濃度センサは、上記態様６において、上記センシング部および上記第２センシング部は、マトリクス状に交互に配置されていることが好ましい。
【０２０９】
上記の構成によれば、センシング部によって、検査対象のイオン濃度分布を検出することができる。また、第２センシング部によって、検査対象の像を撮像することができる。さらに、センシング部および第２センシング部が、マトリクス状に交互されていることにより、イオン濃度分布とほぼ一致した位置における像を得ることができる。それゆえ、測定対象を観察するユーザの利便性を向上させることが可能となるという効果を奏する。
【０２１０】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【０２１１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、2015年11月27日に出願された日本国特許出願：特願2015-232215に対して優先権の利益を主張するものであり、それを参照することにより、その内容の全てが本書に含まれる。
【符号の説明】
【０２１２】
１  センシング部
４  垂直転送部
７  水平転送部
２１  ｎ型基板（基板）
２２，５２  ｐウェル
４４  ｎ＋層（ドーピング層）
５０  センシング部（第２センシング部）
１００，４００，５００  イオンセンサ（イオン濃度センサ）
Ｃ１、Ｃ２ａ、Ｃ３ａ、Ｃ４  ピーク濃度（不純物濃度の最大値）
Ｃ２ｂ、Ｃ３ｂ  ピーク濃度（不純物濃度のピーク値）
ΦＶ１〜ΦＶ４  電圧（制御電圧）
【図１】
2017090322.tif 000005
【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】
2017090322.tif 000012
【図９】
2017090322.tif 000013
【図１０】
2017090322.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2017090322.tif 000016
【図１３】
2017090322.tif 000017
【図１４】
2017090322.tif 000018
【図１５】
2017090322.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2017090322.tif 000021
【図１８】
2017090322.tif 000022
【図１９】
2017090322.tif 000023
【図２０】
2017090322.tif 000024
【図２１】
2017090322.tif 000025
【図２２】
2017090322.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月5日(2018.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンに感応するセンシング部の表面の電位変化に基づき、測定対象のイオン濃度を検出するイオン濃度センサであって、
不純物としてドナーが添加された基板と、
不純物としてアクセプタが添加され、上記基板の上に積層されたｐウェルと、を備え、
上記センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルを介して上記基板から注入される電子を信号電荷として蓄積し、
上記センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ１は、以下の式（Ａ１）
０＜Ｃ１≦３．０×１０１４ｃｍ−３  …（Ａ１）
を満たしていることを特徴とするイオン濃度センサ。
【請求項２】
上記センシング部に蓄積された上記信号電荷を読み出して転送する垂直転送部をさらに備え、
上記垂直転送部には、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記垂直転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ２ａは、以下の式（Ａ２）
１．５×１０１６ｃｍ−３≦Ｃ２ａ≦３．５×１０１６ｃｍ−３    …（Ａ２）
を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のイオン濃度センサ。
【請求項３】
上記垂直転送部から転送された上記信号電荷を、上記イオン濃度センサの出力部へと転送する水平転送部をさらに備え、
上記水平転送部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記水平転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の２つのピーク値のうち、小さい方のピーク値をＣ３ｂとすると、
ピーク値Ｃ３ｂは、以下の式（Ａ３）および（Ａ４）
Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ２ａ            …（Ａ３）
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３    …（Ａ４）
を満たしていることを特徴とする請求項２に記載のイオン濃度センサ。
【請求項４】
光電変換により生じる電子を信号電荷として蓄積する第２センシング部をさらに備え、
上記第２センシング部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、
上記第２センシング部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の最大値Ｃ４は、以下の式（Ａ５）
Ｃ１＜Ｃ４  …（Ａ５）
を満たしていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン濃度センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１に係るイオンセンサの一部を拡大して示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線の矢視断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の矢視断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおいて、第１ゲート電極〜第４ゲート電極およびｎ型基板に印加されている電圧の関係を示すタイミングチャートである。
【図４】（ａ）は、図２のＸ１−Ｘ２線における不純物濃度プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図５】（ａ）は、図２のＹ１−Ｙ２線における不純物濃度プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおける、電子の注入時間と注入された電子数との間の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るイオンセンサにおける、信号読み出し回数とフレームレートとの間の関係を示す図である。
【図８】半導体材料における不純物濃度を拡散係数との間の関係を示す図である。
【図９】半導体材料におけるキャリア濃度とキャリア寿命との間の関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態１および２におけるイオンセンサの駆動パターンをそれぞれ示す図であって、（ａ）は、実施形態１における駆動パターン（駆動パターン１）を示す図であり、（ｂ）は、実施形態２における駆動パターン（駆動パターン２）を示す図である。
【図１１】駆動パターン１および２のそれぞれの場合における、図２のＹ１−Ｙ２線における電位プロファイルを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態３に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図１３】図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルの一例を示す図である。
【図１４】（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図１５】（ａ）は、図１２のＺ１−Ｚ２線における不純物濃度プロファイルの別の一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図１６】（ａ）は、本発明の実施形態１〜３に係るイオンセンサの全体構成を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部の断面図である。
【図１７】図２のＸ１−Ｘ２線における電位プロファイルを示す図であって、（ａ）は、図１６の位置Ｒｃにおける電位プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、図１６の位置Ｒｏにおける電位プロファイルを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態４に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図１９】（ａ）は、本発明の実施形態５に係るイオンセンサの構成の全体構成を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における領域Ｐの拡大図である。
【図２０】本発明の実施形態５に係るイオンセンサの一部の断面図である。
【図２１】（ａ）は、図２０のＷ１−Ｗ２線における不純物濃度プロファイルの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応した電位プロファイルを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態５に係るイオンセンサを使用した測定の一例を示す図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８２】
図２１の（ａ）は、図２０のＷ１−Ｗ２線における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。また、図２１の（ｂ）は、図２１の（ａ）に対応した電位プロファイル（すなわち、図２０のＷ１−Ｗ２線における電位プロファイル）を示す図である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２００】
本発明の態様４に係るイオン濃度センサは、上記態様２または３において、上記垂直転送部から転送された上記信号電荷を、上記イオン濃度センサの出力部へと転送する水平転送部（７）をさらに備え、上記水平転送部は、不純物としてドナーが添加されており、かつ、上記ｐウェルの上記基板から離隔した側に形成されており、上記水平転送部と上記基板との間に位置する上記ｐウェルには、不純物の濃度分布が存在し、当該ｐウェルにおける不純物濃度の２つのピーク値のうち、小さい方のピーク値をＣ３ｂ（ピーク濃度Ｃ３ｂ）とすると、ピーク値Ｃ３ｂは、以下の式（Ａ３）および（Ａ４）
Ｃ１＜Ｃ３ｂ＜Ｃ２ａ            …（Ａ３）
Ｃ３ｂ≧２．５×１０１４ｃｍ−３    …（Ａ４）
を満たしていることが好ましい。
【国際調査報告】
2017090322.tif 000027
2017090322.tif 000028
2017090322.tif 000029
2017090322.tif 000030