(57)【要約】【課題】  読出し電圧低減とブルーミング耐性向上の両立を可能にしたＣＣＤ固体撮像素子を提供する。【解決手段】  複数の受光センサ３と、垂直転送レジスタ４と、受光センサ３と垂直転送レジスタ４との間に形成された読出しゲート部７とを備え、読出しゲート部７の半導体領域表面に読出し電圧を設定するための第１の不純物領域２５が形成され、読出しゲート部７の半導体領域において、受光センサ３から所要距離だけ離れて、且つ第１の不純物領域２５より深い位置に、ブルーミング耐性向上のための第２の不純物領域２６が形成されて成る。【選択図】      図２
2006108443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光センサと、垂直転送レジスタと、前記受光センサと前記垂直転送レジスタとの間に形成された読出しゲート部とを備え、
前記読出しゲート部の半導体領域表面に読出し電圧を設定するための第１の不純物領域が形成され、
前記読出しゲート部の半導体領域において、前記受光センサから所要距離だけ離れて、且つ前記第１の不純物領域より深い位置に、ブルーミング耐性向上のための第２の不純物領域が形成されて成る
ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。
【請求項２】
前記第２の不純物領域は、前記第１の不純物領域と同じ幅で且つ前記垂直転送レジスタ側にずれて形成され、
さらに、前記第２の不純物領域は、前記垂直転送レジスタの転送チャネル領域より深い位置に形成されて成る
ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像素子。
【請求項３】
前記第２の不純物領域は、前記第１の不純物領域の濃度以下の濃度である
ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子に関し、特に読出し電圧低減とブルーミング耐性向上の両立に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子は、撮像領域に画素となる複数の受光センサと、各受光センサ列に対応する複数のＣＣＤ構造の垂直転送レジスタと、各受光センサ及び垂直転送レジスタ間の読出しゲート部とが配置され、さらに水平転送レジスタなどを有して構成される。このＣＣＤ固体撮像素子では、受光量に応じて光電変換された信号電荷が受光センサに蓄積され、所定のタイミングで読出しゲート部を介して信号電荷が垂直転送レジスタへ読み出され、転送電極に印加される駆動パルスに基いて転送動作が行われる。受光センサでは、受光量が大きくなると、余剰の電荷をオーバーフローバリアを越えて半導体基板側へ排出するようになされる。
【０００３】
このようなＣＣＤ固体撮像素子においては、受光量が大きくなり受光センサでの蓄積電荷量が大きくなると、この蓄積電荷の一部が不正に読出しゲート部を越えて垂直転送レジスタへ漏れ込むブルーミング現象が生じることが知られている。このブルーミング現象は、受光センサの蓄積電荷量が大きくなると、この受光センサの電位に影響されてオーバーフローバリアも影響を受けて変動し、読出しゲート部とオーバーフローバリアとのポテンシャル差が小さくなるために発生する。
【０００４】
ブルーミングを防止するための対策の１つとして、読出しゲート部直下の半導体基板の一定深さ領域に、ポテンシャルを浅くするように不純物濃度の高いブルーミングストッパ部を形成した固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６８２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、読出しゲート部のゲート電極は、通常垂直転送レジスタの転送電極と共通に形成されている。このゲート電極の読出しゲートとしての領域では、決められた電圧範囲において、読出し電圧とブルーミング耐性が要求される。一方、ＣＣＤ固体撮像素子では、画素セルの微細化と共に、読出し電圧の低減と、受光センサに蓄積する電荷量の増大時の耐ブルーミング性が今まで以上に要求されてきている。これまでの、読出しゲート部の読出し電圧、すなわち閾値電圧Ｖｔｈを決めるための不純物導入では、双方の動作マージンの両立が困難であった。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑み、読出し電圧低減とブルーミング耐性向上の両立を可能にしたＣＣＤ固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子は、複数の受光センサと、垂直転送レジスタと、前記受光センサと前記垂直転送レジスタとの間に形成された読出しゲート部とを備え、読出しゲート部の半導体領域表面に読出し電圧を設定するための第１の不純物領域が形成され、読出しゲート部の半導体領域において、受光センサから所要距離だけ離れて且つ第１の不純物領域より深い位置に、ブルーミング耐性向上のための第２の不純物領域が形成されて成ることを特徴とする。
【０００８】
第２の不純物領域は、第１の不純物領域と同じ幅で且つ垂直転送レジスタ側にずれて形成され、さらに、垂直転送レジスタの転送チャネル領域より深い位置に形成されることが望ましい。
第２の不純物領域は、第１の不純物領域の濃度以下の濃度であることが望ましい。
【０００９】
ＣＣＤ固体撮像素子では、ブルーミング時（いわゆる受光蓄積時）のポテンシャルバリア（いわゆる鞍部に対応したポテンシャル）の形成位置と、読出し時のポテンシャル（いわゆる鞍部に対応したポテンシャル）が形成される位置とがずれ、ブルーミング時のポテンシャルバリアの形成位置は、垂直転送レジスタ側に寄っている。
本発明のＣＣＤ固体撮像素子では、読出しゲート部の半導体基板表面に形成した第１の不純物領域により、読出し電圧を制御できる。また、読出しゲート部の半導体領域の第１の不純物領域より深い位置で且つ受光センサから離れて垂直転送レジスタ側に寄った位置に、第２の不純物領域が形成されるので、受光蓄積時の読出しゲート部下のポテンシャルバリアが浅くなり、ブルーミング防止に対処できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子によれば、第１及び第２の不純物領域を設けることにより、読出し電圧の上昇度を抑制し、かつブルーミング耐性を向上することができる。すなわち、読出し電圧と、ブルーミング耐性のそれぞれの動作マージンを、第１及び第２の不純物領域及びによって、それぞれ制御することができる。
【００１１】
また、第２の不純物領域を垂直転送レジスタの転送チャネル領域より深い位置に形成することにより、垂直転送レジスタの駆動時に垂直転送レジスタのポテンシャルに影響を与えることがなく、信号電荷の垂直転送を良好にする。
第２の不純物領域の濃度を、第１の不純物領域の濃度以下の低い濃度にすることにより、上述の読出し電圧の上昇の抑制と、ブルーミング耐性の向上を可能にする。
【００１２】
従って、画素セルの微細化に伴う、読出し電圧の低減と、耐ブルーミング性の向上を両立させるこが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１〜図２に、本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す。本例はインターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合である。
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子１は、図１に示すように、撮像領域２内に画素となる複数の受光センサ３がマトリックス状に配列されると共に、各受光センサ列に対応して信号電荷を垂直方向へ転送するＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ４が配置され、さらに各垂直転送レジスタ４に接続されて信号電荷を水平方向へ転送するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ５が配置され、この水平転送レジスタ５の終段に電荷電圧変換して出力する出力部６が接続されて成る。このＣＣＤ固体撮像素子１では、撮像領域２で受光した光を各受光センサ３で信号電荷に変換して蓄積し、この各受光センサ３の信号電荷を読出しゲート部を介して垂直転送レジスタ４へ読み出して垂直方向へ転送する。また、垂直転送レジスタ４から１ライン毎に水平転送レジスタ５に読み出した信号電荷は、水平方向へ転送して出力部６により電圧信号に変換して撮像信号として出力する。
【００１５】
図２は、図１の単位画素の断面構造を示す。本実施の形態においては、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板１１に第２導電型の例えばｐ型の第１の半導体ウェル領域１２が形成され、この第１のｐ型半導体ウェル領域１２の受光センサ３を形成する領域にｎ型の電荷蓄積領域１３及びその表面にｐ＋アキューミュレーション層１４が形成されて受光センサ３となるフォトダイオードＰＤが形成される。この受光センサ３はＨＡＤセンサ（Ｈｏｌｅ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｉｏｄｅセンサ）と呼ばれる。一方、第１のｐ型半導体ウェル領域１２の垂直転送レジスタ４を形成する領域には、第２のｐ型半導体ウェル領域１５が形成され、第２のｐ型半導体ウェル領域１５上にｎ型転送チャネル領域１６が形成される。このｎ型転送チャネル領域１６上にゲート絶縁膜１７を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極１８が形成される。ｎ型転送チャネル領域１６、ゲート絶縁膜１７及び転送電極１７により、垂直転送レジスタ４が構成される。
【００１６】
転送電極１８は、読出しゲート部７及びｐ＋チャネルストップ領域１９上に延長して形成される。すなわち、転送電極１８は、読出しゲート部７のゲート電極２２と共通に形成される。受光センサ３を除いて垂直転送レジスタ４を含む他部全面上に層間絶縁膜２１を介して、図示せざるも遮光層が形成され、平坦化膜を介してカラーフィルタが形成され、カラーフィルタ上にオンチップマイクロレンズが形成される。
【００１７】
本発明者らは、ブルーミング時に読出しゲート部７下の半導体基板であるｐ型半導体ウェル領域１２に形成されるポテンシャルバリア（いわゆるポテンシャルの鞍部）の形成ポイントと、受光センサ３から垂直転送レジスタ４へ信号電荷を読み出す際に、読出しゲート部７下のｐ型半導体ウェル領域１２に形成されるポテンシャル（いわゆるポテンシャルの鞍部）の形成ポイントとがずれていることを見出した。すなわち、読出しゲート部７におけるブルーミング時のポテンシャルバリアは、基板表面から一定の深さ位置で、且つ受光センサ３から離れるように中心より垂直転送レジスタ４側に寄った位置に形成される。これに対して読出しゲート部７における電荷読出し時におけるポテンシャルは、基板表面から一定の深さ位置で、且つ中心より受光センサ側に寄った位置に形成される。このブルーミング時の読出しゲート部下のポテンシャルバリアは、受光蓄積時の読出しゲート部下のポテンシャルバリアに対応するものである。
【００１８】
本実施の形態においては、特に上記の検証に基づき、図２に示すように、読出しゲート部７のゲート電極２２直下のｐ型半導体ウェル領域１２の表面に、読出しゲート部全域にわたって読出し電圧、いわゆる閾値電圧Ｖｔｈを設定するための第１のｐ型不純物領域２５を形成する。また、読出しゲート部７下のｐ型半導体ウェル領域１２の一定の深さ位置で且つ中心より垂直転送レジスタ４側に寄った位置、すなわちブルーミング時に形成されるポテンシャルバリアに対応する位置、もしくはその近傍の位置に、ポテンシャルを浅くしてブルーミング耐性を向上させるための第２のｐ型不純物領域２６を形成する。
【００１９】
第２のｐ型不純物領域２６は、第１のｐ型不純物領域２５と同じ幅ｄで垂直転送レジスタ４のｎ型転送チャネル領域１６より深い位置に形成することが望ましい。すなわち、第２のｐ型不純物領域２６は、フォトダイオードＰＤから所要距離ｓだけ離れるようにして、第１のｐ型半導体ウェル領域１２と第２のｐ型半導体ウェル領域１５に跨がって形成される。第２のｐ型不純物領域２６の濃度は、第１のｐ型不純物領域２５の濃度以下の低い濃度に設定することができる。
【００２０】
具体的な条件として、第２のｐ型不純物領域２６の水平方向の位置は、読出しゲート長の１／２以上の距離ｓだけ垂直転送レジスタ４側にオフセットさせる。第２のｐ型不純物領域２６の深さ方向の位置は、ｎ型転送チャネル領域１６より深い位置、例えば不純物がボロン（Ｂ）であれば、半導体基板表面から０．２μｍ以上の深さ位置がよい。第１及び第２のｐ型不純物領域２５及び２６は、イオン注入により形成することができる。この際の第１及び第２のｐ型不純物領域２５及び２６の打ち込みエネルギーと不純物濃度の関係は、次のように設定することができる。打ち込みエネルギー比としては、第１のｐ型不純物領域：第２のｐ型不純物領域を、およそ１：５〜１：２にすることができる。不純物濃度比としては、第１のｐ型不純物領域：第２のｐ型不純物領域を、およそ１：１〜３：１にすることができる。
【００２１】
図３は、第２のｐ型不純物領域２６の有無による動作時のＡーＡ線上のポテンシャル分布を示す。このポテンシャル分布図で示すように、第２のｐ型不純物領域２６が形成されないときは、受光蓄積時における読出しゲート部下のポテンシャルバリアφｂ１が深くなりブルーミングが発生し易くなる（破線３１参照）。これに対して、本実施の形態の第２のｐ型不純物領域２６が形成されるときは、受光蓄積時における読出しゲート部下のポテンシャルバリアφｂ2 がφｂ1 より浅くなり、ブルーミングの発生を抑制することができる（実線３２参照）。
【００２２】
一方、第２の不純物領域２６が垂直転送レジスタ４側に寄って形成されるので、読出し時には、読出しゲート部下のポテンシャル（いわゆる鞍部）φｂ3 が第２のｐ型不純物領域２６に影響されず、第１のｐ型不純物領域により設定された所要の読出し電圧で読出し可能なポテンシャル深さになる（実線３３参照）。
【００２３】
このように、本実施の形態によれば、第２のｐ型不純物領域２６を設けることにより、読出し電圧の上昇度を抑制し、かつブルーミング耐性を向上することができる。すなわち、読出し電圧と、ブルーミング耐性のそれぞれの動作マージンを、第１及び第２のｐ型不純物領域２５及び２６によって、それぞれ制御することができる。つまり、１つの読出しゲートでの制御性を向上することができる。シミュレーション結果では、例えばブルーミング耐性向上にために、第１のｐ型不純物領域２５のみの構成で、ｐ型不純物領域２５の濃度を上げた場合、ブルーミング耐性が１Ｖ上昇するが、読出し電圧が２Ｖ上昇する。これに対して、第１及び第２の不純物領域２５及び２６を有した構成の場合、ブルーミング耐性が２Ｖ上昇させるが、読出し電圧は１Ｖ以下の上昇に抑制できる結果が得られている。
【００２４】
また、第２のｐ型不純物領域２６をｎ型転送チャネル領域１６より深い位置に形成することにより、垂直転送レジスタ４の駆動時に垂直転送レジスタ４のポテンシャルに影響を与えることがなく、信号電荷の垂直転送を良好にする。
第２の不純物領域２６の濃度を、第１の不純物領域２５の濃度以下の低い濃度にすることにより、上述した読出し電圧の上昇を抑制し、かつブルーミング耐性の向上を可能にする。
【００２５】
従って、本実施の形態では、画素セルの微細化に伴う、読出し電圧の低減と、耐ブルーミング性の向上を両立させるこが可能になる。
【００２６】
上例では、本発明をインターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用したが、その他、フレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す単位画素部分の断面図である。
【図３】本発明の説明に供する読出しゲート部下を含むＡーＡ線上のポテンシャル分布図である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・ＣＣＤ固体撮像素子、２・・撮像領域、３・・受光センサ、４・・垂直転送レジスタ、５・・水平転送レジスタ、６・・出力部、７・・読出しゲート部、１１・・半導体基板、１２・・第１の半導体ウェル領域、１３・・電荷蓄積領域、１４・・アキューミュレーション層、ＰＤ・・フォトダイオード、１５・・第２の半導体ウェル領域、１６・・転送チャネル領域、１７・・ゲート絶縁膜、１８・・転送電極、２１・・層間絶縁膜、２２・・読出しゲート電極、１９・・チャネルストップ領域、２５・・第１の不純物領域、２６・・第２の不純物領域
【図１】
2006108443.tif 000003
【図２】
2006108443.tif 000004
【図３】
2006108443.tif 000005