(57)【要約】【課題】出力信号の検出感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】この固体撮像装置は、ｎ型シリコン基板１上に形成された出力ゲート電極６と、ｎ型シリコン基板１に出力ゲート電極６と距離Ｌ１を隔てて形成され、信号電荷が流入されるフローティングディフュージョン領域８と、フローティングディフュージョン領域８と距離Ｌ２を隔てて形成され、フローティングディフュージョン領域８から電圧信号が取り出された後の不要な信号電荷を排出させるためのリセットゲート電極１１とを備えている。また、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ１は、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離Ｌ２よりも大きい。【選択図】図１
2006108634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１ゲート電極と、
前記半導体基板に前記第１ゲート電極と第１の距離を隔てて形成され、信号電荷が流入される第１不純物領域と、
前記第１不純物領域と第２の距離を隔てて形成され、前記第１不純物領域から電圧信号が取り出された後の不要な前記信号電荷を排出させるための第２ゲート電極とを備え、
前記第１不純物領域と前記第１ゲート電極との間の前記第１の距離は、前記第１不純物領域と前記第２ゲート電極との間の第２の距離よりも大きい、固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板に形成され、前記信号電荷を蓄積する機能を有する電荷蓄積部をさらに備え、
前記第１ゲート電極は、前記電荷蓄積部から前記信号電荷を出力させるための機能を有しており、
前記第１不純物領域には、前記電荷蓄積部から出力された前記信号電荷が流入される、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１不純物領域と前記第１ゲート電極との間の前記第１の距離は、前記第１不純物領域と前記第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されており、
前記第１不純物領域と前記第２ゲート電極との間の前記第２の距離は、前記第１不純物領域と前記第２ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記半導体基板の前記第１不純物領域と前記第１ゲート電極との間の領域の一部に、前記第１ゲート電極と第３の距離を隔てて形成された第２不純物領域をさらに備え、
前記第２不純物領域は、前記半導体基板の前記第１不純物領域と前記第１ゲート電極との間に位置する前記第２不純物領域以外の領域の不純物濃度よりも高く、かつ、前記第１不純物領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２不純物領域は、前記第１不純物領域と連続して形成されている、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２不純物領域と前記第１ゲート電極との間の前記第３の距離は、前記第２不純物領域と前記第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている、請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記電荷蓄積部は、前記信号電荷を蓄積しながら転送する転送チャネルを含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記電荷蓄積部は、光電変換により信号電荷を生成するとともに蓄積する光電変換部を含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光電変換部により光電変換が行われている際には、前記第１ゲート電極をオフ状態にするとともに、前記光電変換部から前記信号電荷を前記第１不純物領域へ転送する際には、前記第１ゲート電極をオン状態にする、請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記光電変換部の表面に形成され、前記光電変換部の表面近傍における空乏化を抑制するための表面シールド層をさらに備える、請求項８または９に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、信号電荷が流入されるとともに、電圧信号が取り出される不純物領域を備えた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、信号電荷が流入されるとともに、電圧信号が取り出される不純物領域を備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２４は、上記特許文献１に開示された固体撮像装置と同様の構造を有する従来の一例による固体撮像装置の構造を示した断面図である。図２５は、図２４に示した従来の一例による固体撮像装置のポテンシャル図である。図２４を参照して、従来の一例による固体撮像装置は、ｎ型シリコン基板１０１を備えている。このｎ型シリコン基板１０１の上面から所定の深さまでの領域には、ｐ型ウェル領域１０２が形成されている。このｐ型ウェル領域１０２の表面には、信号電荷を蓄積しながら転送するためのＮ−型の転送チャネル領域１０３が形成されている。また、転送チャネル領域１０３上には、ゲート絶縁膜１０４を介して複数段の転送ゲート電極１０５および出力ゲート電極１０６が所定の距離を隔てて形成されている。複数段の転送ゲート電極１０５は、それぞれ、１層目の転送ゲート電極１０５ａと、２層目のゲート電極１０５ｂとによって構成されている。
【０００４】
また、１層目の転送ゲート電極１０５ａと、２層目の転送ゲート電極１０５ｂとは、絶縁膜１０７を介して隣接するように設けられている。また、出力ゲート電極１０６は、最終段の１層目の転送ゲート電極１０５ａと絶縁膜１０７を介して隣接するように設けられている。また、各段の転送ゲート電極１０５には、図２５に示すように、２相のクロックパルス信号ΦＨ１およびΦＨ２が交互に印加されている。この２相のクロックパルス信号ΦＨ１およびΦＨ２により、各段の転送ゲート電極１０５下の転送チャネル領域１０３に形成されるポテンシャル井戸のチャネルポテンシャルを上下させることによって、転送チャネル領域１０３内の信号電荷を出力ゲート電極１０６下の領域へ転送するように構成されている。また、出力ゲート電極１０６には、出力ゲート電極１０６をオン状態に保持するための所定の直流電圧ＶＯＧが印加される。
【０００５】
また、ｎ型シリコン基板１０１のｐ型ウェル領域１０２上には、図２２に示すように、Ｎ＋＋型のフローティングディフュージョン領域１０８が転送チャネル領域１０３と連続して形成されている。このフローティングディフュージョン領域１０８には、転送チャネル領域１０３から出力された信号電荷が流入するとともに、蓄積されるように構成されている。また、ｎ型シリコン基板１０１のｐ型ウェル領域１０２上には、Ｎ＋＋型のドレイン領域１０９が、フローティングディフュージョン領域１０８との間にＮ−型のチャネル領域１１０を挟むように形成されている。また、このチャネル領域１１０上には、ゲート絶縁膜１０４を介して、リセットゲート電極１１１が形成されている。このリセットゲート電極１１１には、リセットゲート電極１１１をオン状態およびオフ状態に切り換えるためのリセットパルス信号ΦＲが入力される。上記のフローティングディフュージョン領域１０８、ドレイン領域１０９、チャネル領域１１０、ゲート絶縁膜１０４およびリセットゲート電極１１１によって、フローティングディフュージョン領域１０８から電圧信号Ｖｏｕｔを取り出した後の不要な信号電荷を排出するためのリセット用ＭＯＳトランジスタが構成されている。すなわち、フローティングディフュージョン領域１０８から電圧信号を取り出した後、リセットゲート電極１１１をオン状態にするリセットパルス信号ΦＲをリセットゲート電極１１１に入力することによって、オン状態のリセットゲート電極１１１下のチャネル領域１１０を介して、不要な信号電荷がフローティングディフュージョン領域１０８からドレイン領域１０９へ排出されるように構成されている。
【０００６】
また、フローティングディフュージョン領域１０８は、出力ゲート電極１０６と所定の距離Ｌを隔てて形成されている。これにより、フローティングディフュージョン領域１０８と出力ゲート電極１０６との間の容量が低減されている。また、２層目の転送ゲート電極１０５ｂ、絶縁膜１０７、出力ゲート電極１０６、リセットゲート電極１１１およびゲート絶縁膜１０４上を覆うように、層間絶縁膜１１２が形成されている。また、層間絶縁膜１１２およびゲート絶縁膜１０４のフローティングディフュージョン領域１０８に対応する領域には、フローティングディフュージョン領域１０８の表面に達するコンタクトホール１１２ａが形成されている。また、コンタクトホール１１２ａを埋め込むとともに、層間絶縁膜１１２上に延びるように、配線層１１３が形成されている。また、配線層１１３は、ソースフォロワ型の出力増幅回路１１４（図２５参照）に接続されている。このソースフォロワ型の出力増幅回路１１４は、フローティングディフュージョン領域１０８に蓄積された信号電荷を配線層１１３を介して取り出すとともに、その取り出した信号電荷を増幅して電圧信号Ｖｏｕｔに変換するために設けられている。そして、この変換された電圧信号Ｖｏｕｔが出力増幅回路１１４から外部へ出力される。
【０００７】
なお、フローティングディフュージョン領域１０８から出力増幅回路１１４へ取り出される信号の電圧は、フローティングディフュージョン領域１０８の全容量Ｃｆｄに応じて変化する。すなわち、フローティングディフュージョン領域１０８の全容量Ｃｆｄが大きくなるにつれて、フローティングディフュージョン領域１０８から出力増幅回路１１４へ取り出される信号の電圧は低下する。一方、フローティングディフュージョン領域１０８の全容量Ｃｆｄが小さくなるにつれて、フローティングディフュージョン領域１０８から出力増幅回路１１４へ取り出される信号の電圧は増加する。フローティングディフュージョン領域１０８の全容量Ｃｆｄは、以下の式（１）によって表される。
【０００８】
Ｃｆｄ＝Ｃｄ＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃｇ・・・（１）
この式（１）において、Ｃｄは、フローティングディフュージョン領域１０８とｐ型ウェル領域１０２との間の容量であり、Ｃ１は、フローティングディフュージョン領域１０８と出力ゲート電極１０６との間の容量である。また、Ｃ２は、フローティングディフュージョン領域１０８とリセットゲート電極１１１との間の容量であり、Ｃｇは、フローティングディフュージョン領域１０８と出力増幅回路１１４との間の容量である。
【０００９】
【特許文献１】特許第３２６３１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図２４に示した従来の一例による固体撮像装置では、フローティングディフュージョン領域１０８と出力ゲート電極１０６との間に所定の距離Ｌを設けることによって、フローティングディフュージョン領域１０８と出力ゲート電極１０６との間の容量Ｃ１を低減しているが、それだけでは、フローティングディフュージョン領域１０８の全容量Ｃｆｄを十分に低減するのは困難であると考えられる。これにより、フローティングディフュージョン領域１０８から出力増幅回路１１４へ取り出す信号の電圧を十分に増加させるのが困難になるので、出力増幅回路１１４においてフローティングディフュージョン領域１０８から取り出した信号を検出するのが困難になる場合があるという不都合がある。その結果、出力信号の検出感度が低下するという問題点がある。
【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、出力信号の検出感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１２】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体撮像装置は、半導体基板上に形成された第１ゲート電極と、半導体基板に第１ゲート電極と第１の距離を隔てて形成され、信号電荷が流入される第１不純物領域と、第１不純物領域と第２の距離を隔てて形成され、第１不純物領域から電圧信号が取り出された後の不要な信号電荷を排出させるための第２ゲート電極とを備えている。また、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の第１の距離は、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の第２の距離よりも大きい。
【００１３】
この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、第１不純物領域を第１ゲート電極と第１の距離を隔てて形成するとともに、第２ゲート電極を第１不純物領域と第２の距離を隔てて形成することによって、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量と、第２ゲート電極と第１不純物領域との間の容量との両方を小さくすることができるので、第１不純物領域と第１ゲート電極との間にのみ所定の距離を設けた場合に比べて、第１不純物領域に関する容量をより小さくすることができる。これにより、第１不純物領域から取り出される信号の電圧を大きくすることができるので、出力信号の検出感度を向上させることができる。
【００１４】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、半導体基板に形成され、信号電荷を蓄積する機能を有する電荷蓄積部をさらに備え、第１ゲート電極は、電荷蓄積部から信号電荷を出力させるための機能を有しており、第１不純物領域には、電荷蓄積部から出力された信号電荷が流入される。このように構成すれば、第１ゲート電極により、容易に、電荷蓄積部から信号電荷を出力させるとともに、その出力させた電荷を第１不純物領域に流入させることができる。また、電荷蓄積部の信号電荷の蓄積容量を確保するために電荷蓄積部の平面積を大きくすることに起因して、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量に比べて、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量が大きくなる場合にも、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の第１の距離を、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の第２の距離よりも大きくすれば、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量の低減量を、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量の低減量よりも大きくすることができるので、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量を有効に低減することができる。
【００１５】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の第１の距離は、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されており、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の第２の距離は、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている。このように構成すれば、第１不純物領域と第１ゲート電極との間に第１の距離を設けた場合にも、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成されないので、第１不純物領域への信号電荷の流入がポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。これにより、第１不純物領域と第１ゲート電極との間に第１の距離を設けた場合にも、第１不純物領域への信号電荷の転送効率が低下するのを抑制することができる。また、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の第２の距離を、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定することによって、第１不純物領域と第２ゲート電極との間に第２の距離を設けた場合にも、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成されない。これにより、第１不純物領域から第１不純物領域と第２ゲート電極との間の領域を介して不要な信号電荷を排出するのが、ポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。このため、第１不純物領域と第２ゲート電極との間に第２の距離を設けた場合にも、第１不純物領域から不要な信号電荷を十分に排出することができる。
【００１６】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、半導体基板の第１不純物領域と第１ゲート電極との間の領域の一部に、第１ゲート電極と第３の距離を隔てて形成された第２不純物領域をさらに備え、第２不純物領域は、半導体基板の第１不純物領域と第１ゲート電極との間に位置する第２不純物領域以外の領域の不純物濃度よりも高く、かつ、第１不純物領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する。このように構成すれば、第２不純物領域により、半導体基板の第１不純物領域と第１ゲート電極との間の一部の領域のチャネルポテンシャルを低下させることができるので、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成されるのを抑制することができる。これにより、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の第１の距離をより大きくすることができるので、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量をより小さくすることができる。また、第２不純物領域を、第１不純物領域よりも低い不純物濃度を有するように形成し、かつ、第１ゲート電極と第３の距離を隔てて形成することによって、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の領域に第２不純物領域を形成する場合にも、第２不純物領域と第１ゲート電極との間の容量が大きくなるのを抑制することができる。なお、この場合において、第２不純物領域は、第１不純物領域と連続して形成されていてもよい。
【００１７】
上記第２不純物領域と第１ゲート電極との間に第３の距離が設けられている構成において、好ましくは、第２不純物領域と第１ゲート電極との間の第３の距離は、第２不純物領域と第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている。このように構成すれば、第２不純物領域と第１ゲート電極との間の領域にポテンシャル障壁が形成されないので、第２不純物領域を介して第１不純物領域へ信号電荷が流入されるのがポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。これにより、第１不純物領域への信号電荷の転送効率が低下するのを抑制することができる。
【００１８】
上記電荷蓄積部を含む構成において、好ましくは、電荷蓄積部は、信号電荷を蓄積しながら転送する転送チャネルを含む。このように構成すれば、転送チャネルから出力された信号電荷が流入される第１不純物領域に関する容量をより小さくすることができるので、その第１不純物領域から取り出される信号の電圧を大きくすることができる。これにより、転送チャネルを含む固体撮像装置において、転送チャネルから第１不純物領域を介して出力される出力信号の検出感度を向上させることができる。また、転送チャネルの信号電荷の蓄積容量を確保するために転送チャネルの平面積を大きくすることに起因して、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量に比べて、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量が大きくなる場合にも、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量の低減量を、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量の低減量よりも大きくすることができるので、転送チャネルからの信号電荷が流入される第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量を有効に低減することができる。
【００１９】
上記電荷蓄積部を含む構成において、好ましくは、電荷蓄積部は、光電変換により信号電荷を生成するとともに蓄積する光電変換部を含む。このように構成すれば、光電変換部から出力された信号電荷が流入される第１不純物領域に関する容量を小さくすることができるので、その第１不純物領域から取り出される信号の電圧を大きくすることができる。これにより、光電変換部を含む固体撮像装置において、光電変換部から第１不純物領域を介して出力される出力信号の検出感度を向上させることができる。また、光電変換部の信号電荷の蓄積容量を確保するために光電変換部の平面積を大きくすることに起因して、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量に比べて、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量が大きくなる場合にも、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量の低減量を、第１不純物領域と第２ゲート電極との間の容量の低減量よりも大きくすることができるので、光電変換部からの信号電荷が流入される第１不純物領域と第１ゲート電極との間の容量を有効に低減することができる。
【００２０】
上記電荷蓄積部が光電変換部を含む構成において、好ましくは、光電変換部により光電変換が行われている際には、第１ゲート電極をオフ状態にするとともに、光電変換部から信号電荷を第１不純物領域へ転送する際には、第１ゲート電極をオン状態にする。このように構成すれば、光電変換部により光電変換が行われている際には、オフ状態の第１ゲート電極下の領域を介して信号電荷が出力されるのを抑制することができるとともに、光電変換部から信号電荷を第１不純物領域へ転送する際には、信号電荷をオン状態の第１ゲート電極下の領域を介して光電変換部へ出力させることができる。これにより、容易に、光電変換時に信号電荷を光電変換部に蓄積することができるとともに、転送時に信号電荷を光電変換部から第１不純物領域へ転送することができる。
【００２１】
上記電荷蓄積部が光電変換部を含む構成において、光電変換部の表面に形成され、光電変換部の表面近傍における空乏化を抑制するための表面シールド層をさらに備えていてもよい。
【００２２】
なお、本発明では以下のような構成も考えられる。すなわち、上記第２不純物領域を含む構成において、好ましくは、第２不純物領域の幅は、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の距離の約１／２の幅に設定されている。このように構成すれば、容易に、第１ゲート電極との間に、第１不純物領域と第１ゲート電極との間の距離の約１／２に相当する第３の距離を隔てて、第２不純物領域を形成することができる。
【００２３】
また、上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、半導体基板に第１不純物領域と第２ゲート電極下の領域を介して形成され、第１不純物領域から不要な信号電荷が排出される第３不純物領域をさらに備え、第１不純物領域から電圧信号が取り出された後、第２ゲート電極をオン状態にすることにより、不要な信号電荷を第１不純物領域から第２ゲート電極下の領域を介して第３不純物領域に排出する。このように構成すれば、第２ゲート電極を用いて、容易に、第１不純物領域から第３不純物領域へ不要な信号電荷を排出することができる。
【００２４】
また、上記第１不純物領域から電圧信号が取り出された後、第２ゲート電極をオン状態にする構成において、好ましくは、第２ゲート電極には、第２ゲート電極をオン状態およびオフ状態に切り換えるための第１信号を入力する。このように構成すれば、第１信号により、第１不純物領域から電圧信号が取り出された後、第２ゲート電極をオン状態に切り換えることによって、容易に、第１不純物領域から電圧信号が取り出された後の不要な信号電荷が第１不純物領域から第３不純物領域へ排出されるように制御することができる。
【００２５】
また、上記電荷蓄積部が転送チャネルを含む構成において、好ましくは、転送チャネル上に形成された複数段の転送ゲート電極をさらに備え、各段の転送ゲート電極に２相の転送信号が交互に印加されることにより、転送チャネル内の信号電荷が転送される。このように構成すれば、複数段の転送ゲート電極により、容易に、転送チャネルの信号電荷を転送することができる。
【００２６】
また、上記複数段の転送ゲート電極を含む構成において、好ましくは、転送チャネルにより転送された信号電荷を外部に取り出すための第１出力部をさらに備え、第１出力部は、最終段の転送ゲート電極に隣接して設けられ、最終段の転送ゲート電極に対応する転送チャネルから信号電荷を出力するための第１ゲート電極と、最終段の転送ゲート電極に対応する転送チャネルから出力された信号電荷が流入される第１不純物領域と、第１不純物領域に接続され、第１不純物領域から信号電荷を外部に取り出すための配線とを含む。このように構成すれば、第１出力部により、容易に、最終段の転送ゲート電極に対応する転送チャネルから第１不純物領域を介して外部に信号電荷を取り出すことができる。
【００２７】
また、この場合において、好ましくは、配線に接続され、第１不純物領域から取り出される信号電荷を増幅するとともに電圧信号に変換する出力増幅部をさらに備える。このように構成すれば、出力増幅部により、転送チャネルから第１不純物領域を介して取り出される信号電荷を増幅した電圧信号を得ることができるので、転送チャネルからの信号電荷が小さい場合にも、大きな電圧信号を得ることができる。
【００２８】
また、上記最終段の転送ゲート電極に対応する転送チャネルから出力された信号電荷が流入される第１不純物領域を含む構成において、好ましくは、第１ゲート電極には、第１ゲート電極をオン状態に保持するための所定の電圧を印加する。このように構成すれば、容易に、オン状態の第１ゲート電極下の領域を介して、最終段の転送ゲート電極に対応する転送チャネルから第１不純物領域に信号電荷を流入させることができる。
【００２９】
また、上記電荷蓄積部が光電変換部を含む構成において、好ましくは、光電変換部は、複数設けられており、１つの光電変換部毎に設けられ、光電変換部により生成された信号電荷を外部に取り出すための第２出力部をさらに備え、第２出力部は、光電変換部に隣接して設けられ、光電変換部から信号電荷を出力するための第１ゲート電極と、光電変換部から出力された信号電荷が流入される第１不純物領域と、第１不純物領域に接続され、第１不純物領域から信号電荷を外部に取り出すための配線とを含む。このように構成すれば、第２出力部により、容易に、複数の光電変換部からそれぞれ第１不純物領域を介して外部に信号電荷を取り出すことができる。
【００３０】
また、上記信号電荷を外部に取り出すための配線を含む構成において、好ましくは、配線に接続され、第１不純物領域から取り出される信号電荷を増幅するとともに電圧信号に変換する出力増幅部をさらに備える。このように構成すれば、出力増幅部により、光電変換部から第１不純物領域を介して取り出される信号電荷を増幅した電圧信号を得ることができるので、光電変換部からの信号電荷が小さい場合にも、大きな電圧信号を得ることができる。
【００３１】
また、上記光電変換部により光電変換が行われている際には、第１ゲート電極をオフ状態にするとともに、光電変換部から信号電荷を第１不純物領域へ転送する際には、第１ゲート電極をオン状態にする構成において、好ましくは、第１ゲート電極には、第１ゲート電極をオン状態およびオフ状態に切り換えるための第２信号を入力する。このように構成すれば、第２信号により、容易に、光電変換部により光電変換が行われている際には、第１ゲート電極をオフ状態にするとともに、光電変換部から信号電荷を第１不純物領域へ転送する際には、第１ゲート電極をオン状態にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を示した断面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置のポテンシャル図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。
【００３４】
第１実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、ｎ型シリコン基板１を備えている。なお、このｎ型シリコン基板１は、本発明の「半導体基板」の一例である。また、ｎ型シリコン基板１の上面から約０．５μｍ以上約４μｍ以下の深さの領域には、ｐ型ウェル領域２が形成されている。また、ｐ型ウェル領域２の表面には、約１０１６ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ−型の転送チャネル領域３が形成されている。この転送チャネル領域３は、本発明の「電荷蓄積部」の一例である。また、転送チャネル領域３は、ｎ型シリコン基板１の上面から約０．５μｍの深さまでの領域に形成されている。また、転送チャネル領域３は、信号電荷を蓄積しながら転送する機能を有する。また、転送チャネル領域３上には、約５０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜４を介して複数段の転送ゲート電極５および出力ゲート電極６が所定の距離を隔てて形成されている。なお、この出力ゲート電極６は、本発明の「第１ゲート電極」の一例である。また、複数段の転送ゲート電極５および出力ゲート電極６は、ポリシリコンによって形成されている。また、複数段の転送ゲート電極５は、それぞれ、約７０ｎｍの厚みを有する１層目の転送ゲート電極５ａと、約３００ｎｍの厚みを有する２層目のゲート電極５ｂとによって構成されている。また、出力ゲート電極６は、約３００ｎｍの厚みを有している。
【００３５】
また、１層目の転送ゲート電極５ａと、２層目の転送ゲート電極５ｂとは、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７を介して隣接するように設けられている。また、出力ゲート電極６は、最終段の１層目の転送ゲート電極５ａと、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７を介して隣接するように設けられている。なお、絶縁膜７は、１層目の転送ゲート電極５ａの上面および側面を覆うように形成されている。また、各段の転送ゲート電極５には、図２に示すように、２相のクロックパルス信号ΦＨ１およびΦＨ２が交互に印加されている。なお、このクロックパルス信号ΦＨ１およびΦＨ２は、本発明の「転送信号」の一例である。また、２相のクロックパルス信号ΦＨ１およびΦＨ２により、各段の転送ゲート電極５下の転送チャネル領域３に形成されるポテンシャル井戸のチャネルポテンシャルを上下させることによって、転送チャネル領域３内の信号電荷を各段の転送ゲート電極５下の領域で蓄積しながら、出力ゲート電極６下の領域へ順次転送するように構成されている。また、出力ゲート電極６には、出力ゲート電極６をオン状態に保持するための所定の直流電圧ＶＯＧが印加される。これにより、転送ゲート電極５により転送された信号電荷は、出力ゲート電極６下の転送チャネル領域３を介して、後述するフローティングディフュージョン領域８へ転送されるように構成されている。
【００３６】
また、ｎ型シリコン基板１のｐ型ウェル領域２上には、約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８が転送チャネル領域３と連続して形成されている。なお、このフローティングディフュージョン領域８は、本発明の「第１不純物領域」の一例である。また、フローティングディフュージョン領域８には、転送チャネル領域３から出力された信号電荷が流入するとともに、蓄積されるように構成されている。また、ｎ型シリコン基板１のｐ型ウェル領域２上には、約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のドレイン領域９が、フローティングディフュージョン領域８との間にＮ−型のチャネル領域１０を挟むように形成されている。なお、このドレイン領域９は、本発明の「第３不純物領域」の一例である。また、Ｎ−型のチャネル領域１０は、約１０１６ｃｍ−３の不純物濃度を有している。また、チャネル領域１０上には、ゲート絶縁膜４を介して、約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコンからなるリセットゲート電極１１が形成されている。なお、このリセットゲート電極１１は、本発明の「第２ゲート電極」の一例である。また、リセットゲート電極１１には、リセットゲート電極１１をオン状態およびオフ状態に切り換えるためのリセットパルス信号ΦＲが入力される。上記のフローティングディフュージョン領域８、ドレイン領域９、チャネル領域１０、ゲート絶縁膜４およびリセットゲート電極１１によって、フローティングディフュージョン領域８から電圧信号を取り出した後の不要な信号電荷を排出させるためのリセット用ＭＯＳトランジスタが構成されている。すなわち、フローティングディフュージョン領域８から電圧信号を取り出した後、リセットゲート電極１１をオン状態にするリセットパルス信号ΦＲをリセットゲート電極１１に入力する。これにより、オン状態のリセットゲート電極１１下のチャネル領域１０を介して、不要な信号電荷がフローティングディフュージョン領域８からドレイン領域９へ排出されるように構成されている。なお、上記のリセットパルス信号ΦＲは、本発明の「第１信号」の一例である。
【００３７】
ここで、第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８は、出力ゲート電極６と距離Ｌ１を隔てて形成されるとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成されている。なお、この距離Ｌ１は、本発明の「第１の距離」の一例であり、距離Ｌ２は、本発明の「第２の距離」の一例である。これにより、フローティングディフュージョン領域８および出力ゲート電極６間の容量と、フローティングディフュージョン領域８およびリセットゲート電極１１との間の容量とが低減されている。また、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ１は、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離Ｌ２よりも大きくなるように構成されている。
【００３８】
また、第１実施形態では、図２のポテンシャル図に示すように、距離Ｌ１およびＬ２は、それぞれ、フローティングディフュージョン領域８および出力ゲート電極６間の領域と、フローティングディフュージョン領域８およびリセットゲート電極１１間の領域とにポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている。また、図１に示すように、２層目の転送ゲート電極５ｂ、絶縁膜７、出力ゲート電極６、リセットゲート電極１１およびゲート絶縁膜４上を覆うように、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２が形成されている。また、層間絶縁膜１２およびゲート絶縁膜４のフローティングディフュージョン領域８に対応する領域には、フローティングディフュージョン領域８の表面に達するコンタクトホール１２ａが形成されている。また、コンタクトホール１２ａを埋め込むとともに、層間絶縁膜１２上に延びるように、タングステンからなる配線層１３が形成されている。これにより、配線層１３は、フローティングディフュージョン領域８に接続されており、配線層１３を介して、フローティングディフュージョン領域８から外部へ信号電荷を取り出すことが可能なように構成されている。なお、上記した出力ゲート電極６、フローティングディフュージョン領域８および配線層１３によって、転送チャネル領域３により転送された信号電荷を外部に取り出すための出力部５０が構成されている。なお、この出力部５０は、本発明の「第１出力部」の一例である。
【００３９】
また、配線層１３は、ソースフォロワ型の出力増幅回路１４（図２参照）に接続されている。このソースフォロワ型の出力増幅回路１４は、フローティングディフュージョン領域８に蓄積された信号電荷を配線層１３を介して取り出すとともに、その取り出した信号電荷を増幅して電圧信号Ｖｏｕｔに変換するために設けられている。そして、この変換された電圧信号Ｖｏｕｔが出力増幅回路１４から外部へ出力される。なお、フローティングディフュージョン領域８から出力増幅回路１４へ取り出される信号の電圧Ｖｏｕｔａは、以下の式（２）によって表される。
【００４０】
Ｖｏｕｔａ＝Ｑｓ／Ｃｆｄａ・・・（２）
なお、上記式（２）において、Ｑｓは、フローティングディフュージョン領域８に蓄積された信号電荷の電荷量である。また、Ｃｆｄａは、フローティングディフュージョン領域８の全容量であり、以下の式（３）によって表される。
【００４１】
Ｃｆｄａ＝Ｃｄａ＋Ｃ１ａ＋Ｃ２ａ＋Ｃｇａ・・・（３）
なお、この式（３）において、Ｃｄａは、フローティングディフュージョン領域８とｐ型ウェル領域２との間の容量であり、Ｃ１ａは、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量である。また、Ｃ２ａは、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量であり、Ｃｇａは、フローティングディフュージョン領域８と出力増幅回路１４との間の容量である。
【００４２】
第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８を出力ゲート電極６と距離Ｌ１を隔てて形成することにより、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間に距離を設けない場合に比べて、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量Ｃ１は小さくなる。また、フローティングディフュージョン領域８をリセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成することにより、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間に距離を設けない場合に比べて、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量Ｃ２は小さくなる。これにより、フローティングディフュージョン領域８の全容量Ｃｆｄａが小さくなるので、フローティングディフュージョン領域８から出力増幅回路１４へ取り出される信号の電圧Ｖｏｕｔａは大きくなる。
【００４３】
次に、図２を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の動作について説明する。第１実施形態による固体撮像装置では、各段の転送ゲート電極５に交互に２相のクロックパルスΦＨ１およびΦＨ２がそれぞれ印加される。これにより、各段の転送ゲート電極５下の転送チャネル領域３に形成されるポテンシャル井戸のチャネルポテンシャルが上下されることによって、転送ゲート電極５下の転送チャネル領域３内の信号電荷が出力ゲート電極６下の転送チャネル領域３に順次転送される。そして、出力ゲート電極６には、出力ゲート電極６をオン状態に保持する直流電圧ＶＯＧが印加されることにより、信号電荷は、出力ゲート電極６下の転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８へ流入する。この際、出力ゲート電極６とフローティングディフュージョン領域８との間の距離Ｌ１は、ポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されているので、信号電荷は、出力ゲート電極６下の転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８へポテンシャル障壁に阻害されることなく流入する。そして、フローティングディフュージョン領域８に流入した信号電荷は、フローティングディフュージョン領域８に蓄積される。そして、フローティングディフュージョン領域８に蓄積された信号電荷は、配線層１３を介して出力増幅回路１４へ取り出される。これにより、信号電荷は、出力増幅回路１４によって増幅されるとともに電圧信号Ｖｏｕｔに変換される。そして、その変換された電圧信号Ｖｏｕｔが、出力増幅回路１４から外部へ出力される。
【００４４】
次に、フローティングディフュージョン領域８から電圧信号Ｖｏｕｔを取り出した後、Ｈレベルのリセットパルス信号ΦＲがリセットゲート電極１１に印加される。これにより、リセットゲート電極１１下のチャネル領域１０のチャネルポテンシャルが図２中のＡレベルからＢレベルまで低下する。このため、フローティングディフュージョン領域８に蓄積された信号電荷は、チャネル領域１０を介してドレイン領域９へ排出される。この際、第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離Ｌ２は、ポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されているので、信号電荷は、フローティングディフュージョン領域８からドレイン領域９へポテンシャル障壁に阻害されることなく排出される。
【００４５】
第１実施形態では、上記のように、フローティングディフュージョン領域８を出力ゲート電極６と距離Ｌ１を隔てて形成するとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成することによって、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量と、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量との両方を小さくすることができるので、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間にのみ所定の距離を設けた場合に比べて、フローティングディフュージョン領域８に関する容量をより小さくすることができる。これにより、フローティングディフュージョン領域８から取り出される信号の電圧を大きくすることができるので、出力信号の検出感度を向上させることができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ１を、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離Ｌ２よりも大きくすることによって、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量の低減量を、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量の低減量よりも大きくすることができるので、転送チャネル領域３の信号電荷の蓄積容量を確保するために転送チャネル領域３の平面積を大きくすることに起因して、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量に比べて、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量が大きくなる場合にも、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量を有効に低減することができる。
【００４７】
また、第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ１を、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定することによって、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成されないので、転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８への信号電荷の流入がポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。これにより、転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８への信号電荷の転送効率が低下するのを抑制することができる。
【００４８】
また、第１実施形態では、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離Ｌ２を、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定することによって、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の領域にポテンシャル障壁が形成されないので、フローティングディフュージョン領域８からドレイン領域９に不要な信号電荷を排出するのが、ポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。これにより、フローティングディフュージョン領域８から不要な信号電荷を十分に排出することができる。
【００４９】
なお、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の距離を、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離以上の距離Ｌ３に設定した場合には、図３に示すように、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の領域にポテンシャル障壁が形成される。この場合には、リセットゲート電極１１下のチャネル領域１０のチャネルポテンシャルを図３中のＡレベルからＢレベルまで低下させた場合にも、フローティングディフュージョン領域８からドレイン領域９への信号電荷の排出がポテンシャル障壁によって阻害されるので、信号電荷の排出が十分に行われない。
【００５０】
図４〜図８は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１、図２および図４〜図８を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。
【００５１】
第１実施形態では、まず、図４に示すように、ｎ型シリコン基板１にｐ型の不純物をイオン注入することによって、ｎ型シリコン基板１の上面から約４μｍの深さまでｐ型ウェル領域２を形成する。その後、ｐ型ウェル領域２に、注入エネルギ：約５０ｋｅＶ、ドーズ量：約１×１０１２ｃｍ−２の条件下でリン（Ｐ）をイオン注入する。これにより、ｎ型シリコン基板１の上面から約０．５μｍの深さまでの領域に、約１０１６ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ−型の不純物領域３ａが形成される。そして、ＣＶＤ法を用いて、Ｎ−型の不純物領域３ａ上に、約５０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜４を形成する。
【００５２】
次に、図５に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ゲート絶縁膜４上の所定領域にポリシリコンからなる複数の１層目の転送ゲート電極５ａを所定の距離を隔てて形成する。この際、１層目の転送ゲート電極５ａは、約７０ｎｍの厚みを有するように形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、１層目の転送ゲート電極５ａの上面および側面を覆うように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７を形成する。
【００５３】
次に、図６に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ゲート絶縁膜４上に複数の２層目の転送ゲート電極５ｂと、出力ゲート電極６と、リセットゲート電極２とを所定の距離を隔てて形成する。この際、２層目の転送ゲート電極５ｂ、出力ゲート電極６およびリセットゲート電極１１は、全て、ポリシリコンによって約３００ｎｍの厚みを有するように形成する。また、複数の２層目の転送ゲート電極５ｂは、それぞれ、１層目の各転送ゲート電極５ａ間の領域に、１層目の転送ゲート電極５ａと絶縁膜７を介して隣接するように形成する。また、出力ゲート電極６は、最終段の１層目の転送ゲート電極５ａに絶縁膜７を介して隣接するように形成する。
【００５４】
次に、図７に示すように、フローティングディフュージョン領域８およびドレイン領域９の形成される領域以外の領域を覆うようにレジスト膜１５を形成する。この際、第１実施形態では、レジスト膜１５を、ゲート絶縁膜４上の出力ゲート電極６およびリセットゲート電極１１間の領域において、出力ゲート電極６から距離Ｌ１までの領域と、リセットゲート電極１１から距離Ｌ２までの領域とを覆うように形成する。その後、レジスト膜１５をマスクとして、注入エネルギ：約６０ｋｅＶ、ドーズ量：約３×１０１５ｃｍ−２の条件下で、ｎ型シリコン基板１にヒ素（Ａｓ）をイオン注入する。これにより、ｎ型シリコン基板１の出力ゲート電極６およびリセットゲート電極１１間に対応する領域に、約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８が形成される。また、ｎ型シリコン基板１に、フローティングディフュージョン領域８との間にＮ−型のチャネル領域１０を介して約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のドレイン領域９が形成される。また、フローティングディフュージョン領域８は、出力ゲート電極６と距離Ｌ１を隔てて形成されるとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成される。また、ｎ型シリコン基板１の転送ゲート電極５および出力ゲート電極６下の領域には、約１０１６ｃｍ−３の不純物濃度を有する転送チャネル領域３がフローティングディフュージョン領域８と連続して形成される。この後、レジスト膜１５を除去する。
【００５５】
次に、図８に示すように、ＣＶＤ法を用いて、全面を覆うように、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２を形成する。最後に、図１に示したように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜１２およびゲート絶縁膜４のフローティングディフュージョン領域８に対応する領域に、フローティングディフュージョン領域８の表面に達するコンタクトホール１２ａを形成する。その後、コンタクトホール１２ａ埋め込むとともに、層間絶縁膜１２の表面上に延びるタングステンからなる配線層１３を形成する。そして、この配線層１３にソースフォロワ型の出力増幅回路１４（図２参照）を接続する。上記のようにして、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００５６】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の構造を示した断面図である。図１０は、図９に示した第２実施形態による固体撮像装置のポテンシャル図である。次に、図９および図１０を参照して、第２実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。
【００５７】
図９に示した第２実施形態による固体撮像装置では、上記した第１実施形態による固体撮像装置と異なり、ｎ型シリコン基板１のフローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域に約１０１８ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ＋型の不純物領域１６が形成されている。なお、このＮ＋型の不純物領域１６は、本発明の「第２不純物領域」の一例である。つまり、ｎ型シリコン基板１のフローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域に、Ｎ−型の転送チャネル領域３の不純物濃度（約１０１６ｃｍ−３）よりも高く、かつ、Ｎ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８の不純物濃度（約１０２０ｃｍ−３以上）よりも低い不純物濃度（約１０１８ｃｍ−３）を有するＮ＋型の不純物領域１６が形成されている。これにより、図１０に示すように、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間のＮ＋型の不純物領域１６に対応する部分のチャネルポテンシャルが低減されている。また、Ｎ＋型の不純物領域１６は、フローティングディフュージョン領域８と連続して形成されている。また、Ｎ＋型の不純物領域１６の幅は、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との距離Ｌ４の約１／２の幅に設定されている。また、Ｎ＋型の不純物領域１６は、出力ゲート電極６と距離Ｌ５を隔てて設けられている。なお、この距離Ｌ５は、本発明の「第３の距離」の一例である。また、距離Ｌ５は、Ｎ＋型の不純物領域１６と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定されている。第２実施形態による固体撮像装置の上記以外の構成は、上記第１実施形態による固体撮像装置の構成と同様である。
【００５８】
第２実施形態では、上記のように、フローティングディフュージョン領域８を出力ゲート電極６と距離Ｌ４を隔てて形成するとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成することによって、第１実施形態と同様、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量と、フローティングディフュージョン領域８とリセットゲート電極１１との間の容量との両方を小さくすることができるので、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間にのみ所定の距離を設けた場合に比べて、フローティングディフュージョン領域８に関する容量をより小さくすることができる。これにより、フローティングディフュージョン領域８から取り出される信号の電圧を大きくすることができるので、出力信号の検出感度を向上させることができる。
【００５９】
また、第２実施形態では、ｎ型シリコン基板１のフローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域に、転送チャネル領域３の不純物濃度よりも高く、かつ、フローティングディフュージョン領域８の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有するＮ＋型の不純物領域１６を形成することによって、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域のチャネルポテンシャルを低下させることができるので、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成されるのを抑制することができる。これにより、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ４をより大きくすることができるので、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の容量をより小さくすることができる。また、Ｎ＋型の不純物領域１６を、フローティングディフュージョン領域８よりも低い不純物濃度を有するように形成し、かつ、出力ゲート電極６と距離Ｌ５を隔てて形成することによって、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域にＮ＋型の不純物領域１６を形成する場合にも、Ｎ＋型の不純物領域１６と出力ゲート電極６との間の容量が大きくなるのを抑制することができる。
【００６０】
なお、距離Ｌ４を隔てて設けたフローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域に、Ｎ＋型の不純物領域１６を形成しない場合には、図１１に示すように、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成される場合がある。この場合には、転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８へ信号電荷が流入するのがポテンシャル障壁により阻害されるので、信号電荷の転送効率が低下する。
【００６１】
また、第２実施形態では、Ｎ＋型の不純物領域１６と出力ゲート電極６との間の距離Ｌ５を、Ｎ＋型の不純物領域１６と出力ゲート電極６との間の領域にポテンシャル障壁が形成される距離よりも小さい距離に設定することによって、転送チャネル領域３からＮ＋型の不純物領域１６を介してフローティングディフュージョン領域８へ信号電荷が流入されるのがポテンシャル障壁により阻害されるのを抑制することができる。これにより、転送チャネル領域３からフローティングディフュージョン領域８への信号電荷の転送効率が低下するのを抑制することができる。
【００６２】
図１２および図１３は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図９、図１２および図１３を参照して、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。
【００６３】
この第２実施形態の製造プロセスでは、まず、図４〜図６に示した上記第１実施形態による製造プロセスと同様のプロセスを用いて、図６の構造を形成する。その後、第２実施形態では、図１２に示すように、フローティングディフュージョン領域８（図１０参照）、ドレイン領域９およびＮ＋型の不純物領域１６が形成される領域以外の領域を覆うように、レジスト膜１７を形成する。この際、第２実施形態では、レジスト膜１７は、ゲート絶縁膜４上の出力ゲート電極６およびリセットゲート電極１１間の領域において、出力ゲート電極６から距離Ｌ５までの領域と、リセットゲート電極１１から距離Ｌ２までの領域とを覆うように形成する。その後、レジスト膜１７をマスクとして、注入エネルギ：約３０ｋｅＶ、ドーズ量：約２×１０１２ｃｍ−２の条件下で、ｎ型シリコン基板１にリン（Ｐ）をイオン注入する。これにより、最終的にフローティングディフュージョン領域８（図１０参照）およびＮ＋型の不純物領域１６が形成される領域に、約１０１８ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ＋型の不純物領域１６ａが形成されるとともに、最終的にドレイン領域９（図１０参照）が形成される領域に、約１０１８ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ＋型の不純物領域９ａが形成される。また、Ｎ＋型の不純物領域１６ａは、出力ゲート電極６と距離Ｌ５を隔てて形成されるとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成される。また、ｎ型シリコン基板１の転送ゲート電極５および出力ゲート電極６下の領域には、約１０１６ｃｍ−３の不純物濃度を有する転送チャネル領域３がＮ＋型の不純物領域１６ａと連続して形成される。この後、レジスト膜１７を除去する。
【００６４】
次に、図１３に示すように、フローティングディフュージョン領域８（図１０参照）およびドレイン領域９が形成される領域以外の領域を覆うように、レジスト膜１８を形成する。この際、距離Ｌ４は、距離Ｌ５の約２倍に設定する。また、レジスト膜１８は、ゲート絶縁膜４上の不純物領域９ａ（図１２参照）に対応する領域は覆わないように形成する。その後、レジスト膜１８をマスクとして、注入エネルギ：約６０ｋｅＶ、ドーズ量：約３×１０１５ｃｍ−２の条件下で、ｎ型シリコン基板１にヒ素（Ａｓ）をイオン注入する。これにより、ｎ型シリコン基板１のＮ＋型の不純物領域１６ａ（図１２参照）内に約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８が形成される。このフローティングディフュージョン領域８は、出力ゲート電極６と距離Ｌ４を隔てて形成されるとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成される。また、フローティングディフュージョン領域８に連続して約１０１８ｃｍ−３の不純物濃度を有するＮ＋型の不純物領域１６が形成される。このＮ＋型の不純物領域１６は、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極６との距離Ｌ４の約１／２の幅を有するように形成される。また、Ｎ＋型の不純物領域１６は、出力ゲート電極６と距離Ｌ５を隔てて形成される。また、ｎ型シリコン基板１にフローティングディフュージョン領域８との間にＮ−型のチャネル領域１０を挟むように、約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のドレイン領域９が形成される。この後、第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の製造プロセスによって、層間絶縁膜１２および配線層１３を形成することにより、図９に示した第２実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００６５】
図１４〜図１７は、本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１４〜図１７を参照して、本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。なお、この第２実施形態の変形例では、コンタクト注入を用いてフローティングディフュージョン領域８ａを形成する製造プロセスについて説明する。
【００６６】
まず、上記第２実施形態による製造プロセスと同様のプロセスを用いて、図１２に示した製造プロセスまでを行うことによって、Ｎ＋型の不純物領域１６ａおよびＮ＋型の不純物領域９ａを形成する。
【００６７】
次に、図１４に示すように、ドレイン領域９が形成される領域以外の領域を覆うように、レジスト膜１９を形成する。その後、レジスト膜１９をマスクとして、注入エネルギ：約６０ｋｅＶ、ドーズ量：約３×１０１５ｃｍ−２の条件下で、ｎ型シリコン基板１にヒ素（Ａｓ）をイオン注入する。これにより、約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のドレイン領域９が形成される。この後、レジスト膜１９を除去する。
【００６８】
次に、図１５に示すように、ＣＶＤ法を用いて、全面を覆うようにＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２を形成する。次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜１２およびゲート絶縁膜４のＮ＋型の不純物領域１６ａに対応する領域に、コンタクトホール１２ｂを形成する。このコンタクトホール１２ｂは、出力ゲート電極６からＬ４の距離を隔てて形成するとともに、リセットゲート電極１１から距離Ｌ２を隔てて形成する。その後、層間絶縁膜１２およびゲート絶縁膜４をマスクとして、注入エネルギ：約６０ｋｅＶ、ドーズ量：約３×１０１５ｃｍ−２の条件下で、ｎ型シリコン基板１にヒ素（Ａｓ）をイオン注入する。これにより、コンタクトホール１２ｂを介してヒ素（Ａｓ）がｎ型シリコン基板１に導入される。このため、ｎ型シリコン基板１に約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を有するＮ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８が形成される。このフローティングディフュージョン領域８は、出力ゲート電極６とＬ４の距離を隔てて形成されるとともに、リセットゲート電極１１と距離Ｌ２を隔てて形成される。また、フローティングディフュージョン領域８に連続してＮ＋型の不純物領域１６が形成される。このＮ＋型の不純物領域１６は、出力ゲート電極６とＬ５の距離を隔てて形成される。
【００６９】
最後に、図１７に示すように、コンタクトホール１２ｂを埋め込むとともに、層間絶縁膜１２上に延びるようにタングステンからなる配線層１３ａを形成する。上記のようにして、第２実施形態の変形例による固体撮像装置が形成される。
【００７０】
（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造を示した断面図である。図１９は、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサのポテンシャル図である。次に、図１８および図１９を参照して、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造について説明する。
【００７１】
第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサでは、図１８に示すように、上記第１実施形態による固体撮像装置と異なり、ｎ型シリコン基板１のｐ型ウェル領域２の表面に図１に示した転送チャネル領域３の代わりに、Ｎ−型のフォトダイオード層２３が形成されている。なお、このフォトダイオード層２３は、本発明の「光電変換部」および「電荷蓄積部」の一例である。フォトダイオード層２３は、光を受光して光電変換を行うことにより信号電荷を生成するとともに、生成した信号電荷を蓄積する機能を有している。また、フォトダイオード層２３は、ｐ型ウェル領域２の表面にマトリックス状に複数形成されている。また、第３実施形態では、１つのフォトダイオード層２３毎に、フォトダイオード層２３により生成された信号電荷を外部へ取り出すための出力部６０が設けられている。なお、この出力部６０は、本発明の「第２出力部」の一例である。また、出力部６０は、出力ゲート電極２６、フローティングディフュージョン領域８および配線層１３によって構成されている。なお、出力ゲート電極２６は、本発明の「第１ゲート電極」の一例である。また、フォトダイオード層２３は、出力ゲート電極２６に対して自己整合的に形成されている。すなわち、フォトダイオード層２３の端部の横方向の位置と出力ゲート電極２６の端部の横方向の位置とが同じ位置になるように構成されている。また、出力ゲート電極２６下には、ｐ型ウェル領域２が位置することにより、ｐ型のチャネル領域２７が形成されている。また、チャネル領域２７との間に距離Ｌ１を隔ててＮ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８が形成されている。このチャネル領域２７とフローティングディフュージョン領域８との間の領域には、フォトダイオード層２３と同じ不純物濃度を有するＮ−型の不純物領域２８が形成されている。
【００７２】
また、第３実施形態では、図１９に示すように、出力ゲート電極２６をオン状態およびオフ状態に切り換えるための信号ΦＯＧが出力ゲート電極２６に入力されるように構成されている。なお、この信号ΦＯＧは、本発明の「第２信号」の一例である。この信号ΦＯＧにより、光電変換部２３において光電変換が行われる際には、出力ゲート電極２６をオフ状態にすることによって、出力ゲート電極２６下の領域のポテンシャルを上昇させる。また、光電変換部２３から信号電荷をフローティングディフュージョン領域８へ転送する際には、出力ゲート電極２６をオン状態に切り換えることによって、出力ゲート電極２６下の領域のポテンシャルを低下させる。これにより、光電変換時には、図１９に示すように、出力ゲート電極２６下の領域にポテンシャルバリアが形成されることによって、フォトダイオード層２３に信号電荷が蓄積されるように構成されている。また、信号電荷の転送時には、フォトダイオード層２３に蓄積された信号電荷が出力ゲート電極２６下の領域を介してフローティングディフュージョン領域８へ転送されるように構成されている。また、第３実施形態では、リセットゲート電極１１下には、ｐ型ウェル領域２が位置することにより、ｐ型のチャネル領域３０が形成されている。
【００７３】
第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの上記以外の構造は、上記第１実施形態による固体撮像装置の構造と同様である。
【００７４】
第３実施形態では、上記のように構成することによって、フォトダイオード層２３を含むＣＭＯＳイメージセンサにおいて、フォトダイオード層２３からフローティングディフュージョン領域８を介して出力される出力信号の検出感度を向上させることができるとともに、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極２６との間の容量を有効に低減することができるなどの上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
（第４実施形態）
図２０は、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造を示した断面図である。図２１は、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサのポテンシャル図である。次に、図２０および図２１を参照して、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造について説明する。
【００７６】
第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサは、図２０に示すように、上記第２実施形態による固体撮像装置において、ｎ型シリコン基板１のｐ型ウェル領域２の表面に図９に示した転送チャネル領域３の代わりに、Ｎ−型のフォトダイオード層２３が形成された構造を有している。また、第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサは、上記第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサと同様に構成されたフォトダイオード層２３と出力ゲート電極２６、フローティングディフュージョン領域８および配線層１３からなる出力部６０とを有している。
【００７７】
また、第４実施形態では、図２１に示すように、上記第３実施形態と同様、出力ゲート電極２６をオン状態およびオフ状態に切り換えるための信号ΦＯＧが出力ゲート電極２６に入力されるように構成されている。これにより、光電変換時には、オフ状態の出力ゲート電極２６下の領域にポテンシャルバリアが形成されることによって、フォトダイオード層２３に信号電荷が蓄積されるとともに、信号電荷の転送時には、オン状態の出力ゲート電極２６下の領域を介して、フォトダイオード層２３に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン領域８へ転送されるように構成されている。また、第４実施形態では、上記第３実施形態と同様、出力ゲート電極２６およびリセットゲート電極１１下には、ｐ型ウェル領域２が位置することにより、それぞれ、ｐ型のチャネル領域２７および３０が形成されている。また、Ｎ＋＋型のフローティングディフュージョン領域８と連続して形成されたＮ＋型の不純物領域１６と、出力ゲート電極２６下のｐ型のチャネル領域２７との間の距離Ｌ５に対応する領域に、フォトダイオード層２３と同じ不純物濃度を有するＮ−型の不純物領域２９が形成されている。
【００７８】
第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの上記以外の構造は、上記第２実施形態による固体撮像装置の構造と同様である。
【００７９】
第４実施形態では、上記のように構成することによって、フォトダイオード層２３を含むＣＭＯＳイメージセンサにおいて、フォトダイオード層２３からフローティングディフュージョン領域８を介して出力される出力信号の検出感度を向上させることができるとともに、フローティングディフュージョン領域８と出力ゲート電極２６との間の容量を有効に低減することができるなどの上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許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。
【００８１】
たとえば、上記第２および第４実施形態では、Ｎ＋型の不純物領域をフローティングディフュージョン領域と連続して形成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、Ｎ＋型の不純物領域をフローティングディフュージョン領域と所定の距離を隔てて形成してもよい。
【００８２】
また、上記第１〜第４実施形態では、タングステンを用いて配線層を形成したが、本発明はこれ限らず、タングステン以外の材料を用いて配線層を形成してもよい。たとえば、タングステン以外の種々の金属材料や、ポリシリコンなどを用いて配線層を形成してもよい。
【００８３】
また、上記第３および第４実施形態では、Ｎ−型の不純物領域のみからなるフォトダイオード層を形成したが、本発明はこれに限らず、フォトダイオード層の表面近傍における空乏化を抑制するために、フォトダイオード層の表面にＰ＋型の表面シールド層を設けてもよい。たとえば、図２２に示すような第３実施形態の変形例によるＣＭＯＳイメージセンサおよび図２３に示すような第４実施形態の変形例によるＣＭＯＳイメージセンサのように、Ｎ−型のフォトダイオード層２３の表面に、ｐ型不純物を高濃度でイオン注入することにより、Ｐ＋型の表面シールド層２３ａを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置のポテンシャル図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の効果を説明するための比較例のポテンシャル図である。
【図４】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の構造を示した断面図である。
【図１０】図９に示した第２実施形態による固体撮像装置のポテンシャル図である。
【図１１】図９に示した第２実施形態による固体撮像装置の効果を説明するための比較例のポテンシャル図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図１９】本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサのポテンシャル図である。
【図２０】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図２１】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサのポテンシャル図である。
【図２２】本発明の第３実施形態の変形例による固体撮像装置の構造を示した断面図である。
【図２３】本発明の第４実施形態の変形例による固体撮像装置の構造を示した断面図である。
【図２４】従来の一例による固体撮像装置の構造を示した断面図である。
【図２５】図２４に示した従来の一例による固体撮像装置のポテンシャル図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  ｎ型シリコン基板（半導体基板）
３  転送チャネル領域（電荷蓄積部）
６  出力ゲート電極（第１ゲート電極）
８  フローティングディフュージョン領域（第１不純物領域）
１１  リセットゲート電極（第２ゲート電極）
１６  不純物領域（第２不純物領域）
２３  フォトダイオード層（光電変換部、電荷蓄積部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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