(57)【要約】【課題】高速転送駆動と高輝度被写体撮影時の画質不良抑制による高品質画像の実現を両立する固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  第１水平転送レジスタ２０４と第２水平転送レジスタ２０５と水平転送レジスタ間転送ゲートＨＨＧ２０６とを具備した固体撮像装置において、第１水平転送レジスタ２０４と第２水平転送レジスタ２０５と水平転送レジスタ間転送ゲートＨＨＧ２０６に囲まれた領域に、水平ＣＣＤ転送蓄積容量を超えた過剰電子を排出するようポテンシャルバリア２１０とオーバーフロードレイン領域２１１を形成する。【選択図】図２
2011258860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向および水平方向に２次元配列され、入射光を信号電荷に光電変換する複数個の受光素子と、前記受光素子にて光電変換された信号電荷を垂直列ごとに垂直転送する複数本の垂直転送レジスタと、前記複数本の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平転送する複数本の水平転送レジスタとを具備した固体撮像装置において、
前記複数本の水平転送レジスタの間に信号電荷を排出するドレイン領域を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
第１の水平転送レジスタからそれと隣り合って並走する第２の水平転送レジスタへ信号電荷を転送する水平転送レジスタ間転送ゲートを更に具備し、前記ドレイン領域は、前記第１と第２の水平転送レジスタと前記水平転送レジスタ間転送ゲートの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記ドレイン領域は、第１と第２の水平転送レジスタのうち、少なくとも一方の水平転送レジスタから信号電荷を排出することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１と第２の水平転送レジスタの間にバリア領域が形成され、そのポテンシャル深さと、前記ドレイン領域のポテンシャル深さとが、前記水平転送レジスタによる信号電荷の水平転送時の２種類のポテンシャル深さの間の深さとなるよう設定されていることを特徴とする請求項２、３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記バリア領域は、平面視においてドレイン領域を囲む形態で設けられていると共に、バリア領域とドレイン領域のポテンシャル深さが、同一深さであることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記バリア領域は、平面視においてドレイン領域を囲む形態で設けられていると共に、バリア領域とドレイン領域のポテンシャル深さが、両側に配置された第１、第２の水平転送レジスタの飽和電荷蓄積容量が同一となるようそれぞれ調整されていることを特徴とする請求項１〜４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記複数本の水平転送レジスタのうち、前記複数本の垂直転送レジスタ側に配置された水平転送レジスタのゲート幅が、垂直転送レジスタから離れた側に配置された水平転送レジスタのゲート幅より短いことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記ドレイン領域は信号電荷を基板へ排出する領域であることを特徴とする請求項１〜７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
半導体基板に光電変換を行う受光素子を形成する工程と、信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタを形成する工程と、信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを形成する工程と、前記複数本の水平転送レジスタの間に不純物注入によりポテンシャルバリア領域と過剰発生信号電荷を排出するドレイン領域を形成する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ドレイン領域と両側に配置された前記水平転送レジスタの間に形成された２つのバリア領域のポテンシャル深さが、両側に配置された前記水平転送レジスタの飽和電荷蓄積容量が同一となるようそれぞれ不純物注入量を調整して形成する工程とを含むことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記複数本の水平転送レジスタのうち、前記垂直転送レジスタ側に配置された水平転送レジスタのゲート幅が、垂直転送レジスタと逆側に配置された水平転送レジスタのゲート幅より短く形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数本の水平転送レジスタを有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置の分野では、デジタルスチルカメラ・デジタルビデオカメラ・カメラつき携帯電話等の普及により、多画素化とともに動画対応が求められている。そこで、従来の１本の水平転送レジスタではなく、高精細な動画画質を実現するために、多画素化された信号電荷を高速転送し出力することが可能な、複数本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
以下、２本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置について説明する。
【０００３】
図６に従来の固体撮像装置の構成図を示す。
図６に示すように、画素単位で垂直方向および水平方向に２次元配列された複数個のフォトセンサ６０１と、これら複数個のフォトセンサ６０１の垂直列ごとに配置されてフォトセンサ６０１にて発生した信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送レジスタ６０２とによって、イメージ領域６０３が構成されている。
垂直転送レジスタ６０２は、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって４相駆動される。また、垂直転送レジスタ６０２の出力側には、垂直転送レジスタ６０２から転送された信号電荷を水平転送する第１、第２水平転送レジスタ６０４、６０５が並置されている。第１、第２水平転送レジスタ６０４、６０５は、水平転送クロックφＨ１、φＨ２によって２相駆動される。 
具体的には、第１水平転送レジスタ６０４は、垂直転送レジスタ６０２から転送された信号電荷のうち偶数ラインの信号電荷を水平転送する。第２水平転送レジスタ６０５は、第１水平転送レジスタ６０４と第２水平転送レジスタ６０５との間に配置された水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域６０６により、第１水平転送レジスタ６０４から第２水平転送レジスタ６０５へ転送された奇数ラインの信号電荷を水平転送する。ＨＨＧ領域６０６に形成されたＨＨＧ電極（図示せず）には、水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧが印加される。 
また、第１、第２水平転送レジスタ６０４、６０５の出力側には、第１、第２水平転送レジスタ６０４、６０５から転送された信号電荷を検出して信号電圧に変換する、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の第１、第２出力部６０７、６０８が設けられており、これら第１、第２出力部６０７、６０８の各々からライン単位の画素信号が出力される。すなわち、第１出力部６０７からは偶数ラインの画素信号が出力され、第２出力部６０８からは奇数ラインの画素信号が出力される。 
以上、説明した構成により、垂直転送レジスタから転送された信号電荷をライン単位で２本の水平転送レジスタへ振り分け、１フィールド期間内に全画素の信号電荷を読み出し、出力する全画素読出し方式の固体撮像装置が構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１６３８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の１本の水平転送レジスタを具備する固体撮像装置においては、図７に示すように、高輝度被写体の撮像時など、高輝度の光が入射したことにより発生した、水平ＣＣＤ蓄積容量を超えた過剰電子が、隣接水平ＣＣＤおよび黒基準を決定するオプティカルブラック（ＯＢ）領域７０９に流れ込むことがないよう、水平転送レジスタ７０４のイメージ領域７０３と逆側にポテンシャルバリア７１０を介してオーバーフロードレイン７１１を形成し、過剰電子を排出している。しかしながら、特許文献１のような、高速転送が可能となる、図８に示すような複数本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置においては、水平ＣＣＤ蓄積容量を超えた過剰電子が垂直転送レジスタ８０２から水平転送レジスタ８０４に転送された場合、過剰電子を排出できないため、水平転送レジスタ８０４の転送段前後へ電子が流れ込み、ノイズ成分となるだけでなく、ＯＢ領域８０９へ電子が流れ込むと黒基準が変動するため、画像全体が白浮きし、画質不良となる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、水平転送レジスタと水平転送レジスタ間転送ゲートに囲まれる領域に発生過剰電子を排出するドレイン領域を配することにより、高速転送駆動と高輝度被写体撮影時の画質不良抑制による高品質画像の実現を両立する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置は、垂直方向および水平方向に２次元配列された、入射光を信号電荷に光電変換する複数個の受光素子と、前記受光素子にて光電変換された信号電荷を垂直列ごとに垂直転送する複数本の垂直転送レジスタと、前記複数本の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平転送する複数本の水平転送レジスタとを具備した固体撮像装置において、前記複数本の水平転送レジスタの間に信号電荷を排出するドレイン領域を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に光電変換を行う受光素子を形成する工程と、信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタを形成する工程と、信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを形成する工程と、前記複数本の水平転送レジスタの間に不純物注入によりポテンシャルバリア領域と過剰発生信号電荷を排出するドレイン領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数本の水平転送レジスタを具備することによる高速転送駆動の実現と、水平転送レジスタと水平転送レジスタ間転送ゲートに囲まれる領域に発生過剰電子を排出するドレイン領域を配することによる、高輝度被写体撮影時の画質不良抑制と高品質画像の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の一部を拡大した平面図
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の断面図
【図４】第１の実施形態に係る固体撮像装置の信号電荷転送動作を表すポテンシャル図
【図５】第１の実施形態に係る固体撮像装置の信号電荷転送動作を表すポテンシャル図
【図６】従来の複数本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置の概略構成図
【図７】従来の１本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置の概略構成図
【図８】従来の複数本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置の課題を説明する概略構成図
【図９】第２の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の一部を拡大した平面図
【図１０】第２の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の断面図
【図１１】第２の実施形態に係る固体撮像装置の信号電荷転送動作を表すポテンシャル図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。図１に示すように、画素単位で垂直方向および水平方向に２次元配列された複数個のフォトセンサ（受光素子）１０１と、これら複数個のフォトセンサ１０１の垂直列ごとに配置されてフォトセンサ１０１にて発生した信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送レジスタ１０２とによって、イメージ領域１０３が構成されている。垂直転送レジスタ１０２は、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４によって４相駆動される。 
また、垂直転送レジスタ１０２の出力側には、垂直転送レジスタ１０２から転送された信号電荷を水平転送する第１、第２水平転送レジスタ１０４、１０５が並置されている。第１、第２水平転送レジスタ１０４、１０５は、水平転送パルスφＨ１〜φＨ４、φＨ１’〜φＨ４’によって４相駆動される。 
垂直転送レジスタ１０２から第１、第２水平転送レジスタ１０４，１０５への信号電荷転送の具体的な一例としては、第１水平転送レジスタ１０４は、各垂直転送レジスタ１０２から転送された信号電荷のうち奇数列の垂直転送レジスタ１０２からの信号電荷を水平転送する。第２水平転送レジスタ１０５は、第１水平転送レジスタ１０４と第２水平転送レジスタ１０５との間に配置された水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域１０６により、第１水平転送レジスタ１０４から第２水平転送レジスタ１０５へ転送された偶数列の垂直転送レジスタ１０２からの信号電荷を水平転送する。ＨＨＧ領域１０６に形成されたＨＨＧ電極（図示せず）には、水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧが印加される。
【００１３】
続いて、第１、第２水平転送レジスタ１０４、１０５の出力側には、第１、第２水平転送レジスタ１０４、１０５から転送された信号電荷を検出して信号電圧に変換する、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の第１、第２出力部１０７、１０８が設けられており、これら第１、第２出力部１０７、１０８の各々から画素信号が出力される。すなわち、上述の具体的一例に即すると、第１出力部１０７からは奇数列の垂直転送レジスタ１０２からの信号電荷に応じた画素信号が出力され、第２出力部１０８からは偶数列の垂直転送レジスタ１０２からの信号電荷に応じた画素信号が出力される。
【００１４】
以上、説明した構成により、垂直転送レジスタから転送された１ライン分の信号電荷を２本の水平転送レジスタへ振り分け、１フィールド期間内に全画素の信号電荷を読み出し、出力する全画素読出し方式の固体撮像装置が構成される。
【００１５】
図２は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の一部を拡大した平面図、図３Ａ〜図３Ｃは図２に示す平面図の（Ａ）−（Ａ’）、（Ｂ）−（Ｂ’）、（Ｃ）−（Ｃ’）断面図である。図２、図３Ａ〜図３Ｃを参照しながら、本発明の特徴をなす構成について、詳細に説明する。なお、図1中の各構成要素の参照符号は１００番台で示し、同一構成要素について、図２においては参照番号２００番台で示し、図３においては３００番台で示す。例えば図１では、水平転送レジスタは１０４、１０５で示しているが、図２では２０４、２０５で示している。このように参照番号が図毎に異なっているが、下２桁の数字が同じものは同じ構成要素を指している点を留意されたい。
さて、図２に示すように、垂直転送レジスタ２０２の出力側に、垂直転送レジスタ２０２から転送された信号電荷を水平転送する第１、第２水平転送レジスタ２０４、２０５が並置されている。そして、垂直転送レジスタ２０２と第１水平転送レジスタ２０４の間には、垂直転送レジスタ２０２から第１水平転送レジスタ２０４へ信号電荷を転送する、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート（ＶＨＧ）領域２０９が形成されている。垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート（ＶＨＧ）領域２０９には、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート（ＶＨＧ）電極２２２が形成されている。また、第１水平転送レジスタ２０４と第２水平転送レジスタ２０５の間には、第１水平転送レジスタ２０４から第２水平転送レジスタ２０５へ信号電荷を転送する、水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域２０６が形成されている。水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域２０６には、水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）電極２２４が形成されている。第１、第２水平転送レジスタ２０４、２０５と水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域２０６に囲まれる領域には、第１、第２水平転送レジスタ２０４、２０５の信号電荷を水平転送する際、高輝度被写体撮影時の高輝度光の入射などにより発生した、水平ＣＣＤ蓄積容量を超えた過剰電子を、水平ＣＣＤ転送初段時に排出するよう、不純物注入などにより形成されたポテンシャルバリア２１０とオーバーフロードレイン領域２１１が形成されている。
【００１６】
次に、図３Ａ〜図３Ｃを参照しながら、更に詳細な構成を説明する。
図３Ａは図２中の（Ａ）−（Ａ’）断面を示し、丁度、偶数列目の垂直転送レジスタを通る線分に沿う断面図である。図３Ａにおいて、シリコン基板にＰウェル３１３が形成され、その表面側にＰ＋領域３１５、Ｎ＋領域３１４とＰ＋＋領域３２０、Ｎ＋＋領域３１９が図示のような配列状態で形成されて、転送チャネルが形成されている。
【００１７】
水平転送レジスタシリコン基板上にはゲート絶縁膜３１８を介して、垂直転送レジスタゲート電極３２１、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート電極３２２、第１水平転送レジスタゲート電極３２３、水平転送レジスタ間転送ゲート電極３２４、第２水平転送レジスタゲート電極３２５が形成されている。本構成では、垂直転送レジスタ側より、水平転送レジスタ側のポテンシャルが深くなるように形成されている。
【００１８】
図３Ｂは図２中の（Ｂ）―（Ｂ‘）断面を示している。この断面は、先程説明した（Ａ）―（Ａ’）断面より水平転送方向１段下流の転送チャンネルを示している。図３Ｂにおいて、シリコン基板に形成したＰウェル３１３の表面側にＰ＋領域３１５、Ｎ＋領域３１４が形成され、転送チャネルが形成されている。また、垂直転送レジスト側には、Ｐ＋＋領域３２０によりポテンシャルバリアが形成されている。第１水平転送レジスタ３０４と第２水平転送レジスタ３０５間の基板内には、Ｐ＋＋領域３１６とＮ＋＋領域３１７が形成され、水平ＣＣＤ蓄積容量を超えた過剰電子を排出するようポテンシャルバリア３１０とオーバーフロードレイン３１１が形成されている。シリコン基板上にはゲート絶縁膜３１８を介して、第１水平転送レジスタゲート電極３２３と第２水平転送レジスタゲート電極３２５が形成されている。
【００１９】
水平転送では、水平転送パルスにより２種類のポテンシャル深さを形成して、信号電荷を水平転送するが、本構成では、Ｐ＋＋領域３１６により形成されるポテンシャルバリアは、その２種類のポテンシャル深さの間の深さとなるように形成されている。また、第１水平転送レジスタゲート電極３２３のゲート幅と第２水平転送レジスタゲート電極３２５のゲート幅が同一のため、第１水平転送レジスタ３０４と第２水平転送レジスタ３０５の水平ＣＣＤ蓄積容量が同一となるよう、第１水平転送レジスタ側と第２水平転送レジスタ側のＰ＋＋領域３１６により形成されるポテンシャルバリア３１０は、同一深さとなるように形成されている。
【００２０】
図３Ｃは図２中の、（Ｃ）−（Ｃ’）断面を示している。丁度、水平転送方向に並ぶ複数の水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域２０６・・・を切断した断面を示している。図３Ｃにおいて、シリコン基板に形成したＰウェル３１３の表面側にＰ＋領域３１５、Ｎ＋領域３１４が形成され、転送チャネルが形成されている。隣り合う水平転送レジスタ間転送ゲート２０６と２０６との間の基板内には、Ｐ＋＋領域３１６とＮ＋＋領域３１７が形成され、水平ＣＣＤ蓄積容量を超えた過剰電子を排出するようポテンシャルバリアとオーバーフロードレインが形成されている。シリコン基板上にはゲート絶縁膜３１８を介して、水平転送レジスタ間転送ゲート電極３２４が形成されている。本構成では、Ｐ＋＋領域３１６により形成されるポテンシャルバリア３１０は、第１水平転送レジスタ２０４から第２水平転送レジスタ２０５へ信号電荷を読み出し転送時、信号電荷がオーバーフロードレイン３１１に排出されないように形成されている。
図４、図５は、図２に示す平面図の（Ａ）−（Ａ’）、（Ｄ）−（Ｄ’’’）間の信号電荷転送時のポテンシャル図である。ここで、（Ａ）−（Ａ’）間は、既に示した図３Ａの断面と同じである。（Ｄ）−（Ｄ’’’）間は、図２において、（Ｄ）−（Ｄ’）間の断面、（Ｄ‘）−（Ｄ’’）間の断面、（Ｄ’‘）−（Ｄ’’’）間の断面を連結した断面である。
【００２１】
まず、（Ａ）−（Ａ’）間の断面である図４を参照しながら、垂直転送レジスタ４０２から、第１水平転送レジスタ４０４、第２水平転送レジスタ４０５への信号電荷転送動作について説明する。垂直転送レジスタ４０２により転送された信号電荷（フェーズ４−１にＱで示す）は、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート（ＶＨＧ）領域４０９に形成された垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート電極４２２より第１水平転送レジスタ４０４へ転送される（４−２参照）。この時、垂直−水平転送レジスタ間転送パルスφＶＨＧおよび第１水平転送パルスφＨ１は、フェーズ４−２に示すようにそれぞれにおける高電圧Ｈレベルが、順に印加される。
【００２２】
次に、第１水平転送レジスタ４０４と第２水平転送レジスタ４０５の間に配置された水平転送レジスタ間転送ゲート（ＨＨＧ）領域４０６に形成された水平転送レジスタ間転送ゲート電極４２４より、第１水平転送レジスタ４０４から第２水平転送レジスタ４０５へ、偶数列の垂直転送レジスタからの信号電荷を転送する。この転送動作は、フェーズ４−３から４−４を経て、４−５へと、各電極の電圧レベルを切り替えることにより行われる。先ず、水平転送レジスタ間転送ゲートＨＨＧ領域４０６に形成された水平転送レジスタ間転送ゲート電極４２４の内、偶数列の垂直転送レジスタ４０２の出力側に並ぶゲートに対しては、水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧ１が高電圧Ｈレベルに変化し、奇数列の垂直転送レジスタ４０２の出力側に並ぶゲートに対しては、水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧ２は印加されない。次いで、垂直−水平転送レジスタ間転送パルスφＶＨＧに超低電圧ＬＬレベルが印加され、第２水平転送パルスφＨ１’に高電圧Ｈレベルが印加される。これによって、電荷は、フェーズ４−３に示すように第１水平転送レジスタ４０４から第２水平転送レジスタ４０５まで跨って存在する。
【００２３】
最後に、第１水平転送パルスφＨ１に、φＨ１における低電圧Ｌレベルが印加されて、電荷分布をフェーズ４−４に示すように変更した後、水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧ１に、φＨＨＧ１における超低電圧ＬＬレベルを印加することにより、偶数列の垂直転送レジスタからの信号電荷を第２水平転送レジスタへ完全に転送する。（４−５参照）
なお、例えば次フィールドを出力する際、水平転送レジスタ間転送パルスを切り替えて出力することにより、具体的には、奇数列の垂直転送レジスタ４０２の出力側に並ぶゲートに対してのみ水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧ２を印加し、偶数列の垂直転送レジスタ４０２の出力側に並ぶゲートに対して水平転送レジスタ間転送パルスφＨＨＧ１を印加しないようにすることにより、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成に代表される出力部の性能差を排除することが可能となり、より高精細な画像出力が実現できる。
【００２４】
ちなみに、φＨ１、φＨ３は、垂直転送レジスタから第１水平転送レジスタへ信号電荷を読み出しする高電圧Ｈレベルと信号電荷を水平転送する中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルの３電源を持ち、φＨ１’、φＨ３’は第１水平転送レジスタから第２水平転送レジスタへ信号電荷を読み出しする高電圧Ｈレベルと信号電荷を水平転送する中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルの３電源を持つ。φＨ２、φＨ４とφＨ２’、φＨ４’は、信号電荷を水平転送する中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルの２電源を持つ。
次に、図２における（Ｄ）−（Ｄ’’’）間の断面である図５を参照しながら、第２水平転送レジスタ５０５での、過剰信号電荷の排出動作について説明する。
先ず、垂直転送レジスタ（図示せず）から第２水平転送レジスタ５０５まで、先程図４を用いて説明した通り信号電荷が転送さたとする（５−１）。転送された信号電荷は、第２水平転送レジスタ転送パルスφＨ１’〜φＨ４’に、中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルを順次印加することにより、４相駆動で出力部（図示せず）へ水平転送される。最初、φＨ２’に中電圧Ｍレベルが印加され（５−２）、次いでφＨ１’に中電圧Ｍレベルが印加される。この時、信号電荷は２ゲートでの蓄積となるが、その電荷が過剰信号電荷であった場合、水平転送パルスにより形成される信号電荷を水平転送するための２種類のポテンシャル深さの間の深さに形成されたポテンシャルバリアＢａを介して、ドレイン領域から基板へ過剰信号電荷の余剰部分が排出する。この時、基板電圧φＳｕｂは＋バイアスに印加されている。（５−３）
以上の説明では簡略的に片側１本の水平転送レジスタ５０５からの過剰信号電荷排出動作を説明したが、同様の仕様により、ドレイン領域は、両側２本の水平転送レジスタ５０４、５０５のいずれからも過剰信号電荷を排出することが可能である。
また、簡略的に２本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置に関して説明したが、同様の仕様により、複数本の水平転送レジスタを具備した固体撮像装置に関しても、同様の構成を採用することにより、それぞれの水平転送レジスタから過剰信号電荷を排出することが出来る。
【００２５】
本構成によれば、複数本の水平転送レジスタを具備することによる高速転送駆動の実現と、水平転送レジスタと水平転送レジスタ間転送ゲートに囲まれる領域に発生過剰電子を排出するドレイン領域を配することによる、高輝度被写体撮影時の画質不良抑制と高品質画像の実現を可能とする。
【００２６】
また、本構成によれば、主に動画対応時の駆動に使用される、信号電荷の画素加算方式や、信号電荷間引き方式などのあらゆる駆動方式に対応が可能となる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、シリコン基板の基板表面にＰ型の不純物を注入し、Ｐウェル３１３を形成する。次に公知のリソグラフィ技術を用い、所定の位置にＮ型の不純物３１９とＰ型の不純物３２０を注入し、垂直転送チャネルを、Ｎ型の不純物３１４とＰ型の不純物３１５を注入し、水平転送チャネルを形成する。更に、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、Ｎ型の不純物３１７とＰ型の不純物３１６を注入し、過剰電子を排出するオーバーフロードレインを形成する。
【００２７】
本実施では、Ｐ型の不純物３１６を形成するため、リング状に幅１００〜３００ｎｍの範囲で、ドーズ量２．０〜７．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のボロン種を３０〜２０００ｋｅＶのエネルギーで段階的に注入した。また、Ｎ型の不純物３１７を形成するため、方形状に一辺幅４００〜８００ｎｍの範囲で、ドーズ量１．０〜９．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のヒソ種を５０〜５００ｋｅＶの深さに、ドーズ量１．０Ｅ１１〜２．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のリン種を５００〜４０００ｋｅＶのエネルギーで段階的に注入した。
【００２８】
次に、シリコン基板の表面に熱酸化法またはＣＶＤ法によりシリコン酸化膜等の絶縁膜３１８およびポリシリコン膜を順次形成した後、ポリシリコン膜を公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングする。そして、図２、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、垂直転送レジスタゲート電極３２１、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート電極３２２、第１水平転送レジスタゲート電極３２３、水平転送レジスタ間転送ゲート電極３２４、第２水平転送レジスタゲート電極３２５を形成する。
【００２９】
次に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜等の絶縁膜を堆積し、各ゲート電極に公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりコンタクトホールを形成する。スパッタ及びＣＶＤ法等によりアルミニウム及びタングステン等の金属膜を堆積させた後、公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によってパターニングして、配線パターンを形成し、前述のコンタクトを介して、各ゲート電極と導通させる。（不図示）
本製造方法によれば、複数本の水平転送レジスタを具備することによる高速転送駆動の実現と、水平転送レジスタと水平転送レジスタ間転送ゲートに囲まれる領域に発生過剰電子を排出するドレイン領域を配することによる、高輝度被写体撮影時の画質不良抑制と高品質画像の実現を可能とする固体撮像装置が製造できる。
また、以上の製造方法によれば、過剰電子を排出するドレイン領域を、水平転送レジスタ間および、水平転送レジスタ間転送ゲート間の空きスペースに形成することによりデバイスの小型化を実現している。また、既存半導体プロセスの使用により容易に実現可能である。
【００３０】
図９は本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置が具備する水平転送レジスタ部の一部を拡大した平面図、図１０Ａ〜図１０Ｃは図９に示す平面図の（Ａ）−（Ａ’）、（Ｂ）−（Ｂ’）、（Ｃ）−（Ｃ’）断面図である。図９、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
図９に示すように、垂直転送レジスタ９０２、第１、第２水平転送レジスタ９０４、９０５、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲートＶＨＧ領域９０９、水平転送レジスタ間転送ゲートＨＨＧ領域９０６、ポテンシャルバリア９１０、オーバーフロードレイン領域９１１等が形成されており、その構成は、第１の実施形態と同等であるため、詳細の説明は省略する。第２の実施形態では、第１水平転送レジスタ９０４のゲート幅が、第２水平転送レジスタ９０５のゲート幅より短く形成されている。
【００３１】
図１０Ａに示すように、（Ａ）−（Ａ’）断面において、シリコン基板表面にＰウェル１０１３、Ｐ＋領域１０１５、Ｎ＋領域１０１４、Ｐ＋＋領域１０２０、Ｎ＋＋領域１０１９、ゲート絶縁膜１０１８、各種ゲート電極１０２６、１０２７，１０２８，１０２９，１０３０，１０３１等が形成されている。基本的な構成は、第１の実施形態と同等であるため、詳細な説明は省略する。第２の実施形態では、第１水平転送レジスタ電極１０２８のゲート幅が、第２水平転送レジスタ電極１０３０のゲート幅より短く形成されており、第１水平転送レジスタ電極下の基板内には、Ｎ＋領域１０１４より、不純物濃度が濃いＮ＋領域１０２３が形成されている。
【００３２】
図１０Ｂに示すように、（Ｂ）−（Ｂ’）断面において、シリコン基板表面にＰウェル１０１３、Ｐ＋領域１０１５、Ｎ＋領域１０１４、Ｐ＋＋領域１０２０、Ｐ＋＋領域１０１６、Ｎ＋＋領域１０１７、ゲート絶縁膜１０１８、各種ゲート電極等が形成されている。図１０Ａと同様に、この図に示す断面においても、第１水平転送レジスタ電極１０２８のゲート幅が、第２水平転送レジスタ電極１０３０のゲート幅より短く形成されており、第１水平転送レジスタ電極下の基板内には、Ｎ＋領域１０１４より、不純物濃度が濃いＮ＋領域１０２３が形成されている。また、Ｐ＋＋領域１０１６より、不純物濃度が濃いＰ＋＋領域１０３２が形成されている。
【００３３】
水平転送では、水平転送パルスにより２種類のポテンシャル深さを形成して、信号電荷を水平転送するが、Ｐ＋＋領域１０１６により形成されるポテンシャルバリアは、第２水平転送レジスタにおける水平転送時の２種類のポテンシャル深さの間の深さとなるように、また、Ｐ＋＋領域１０３２により形成されるポテンシャルバリアは、第１水平転送レジスタにおける水平転送時の２種類のポテンシャル深さの間の深さとなるように形成されている。また、第１水平転送レジスタと第２水平転送レジスタの水平ＣＣＤ飽和蓄積容量が同一となるよう、Ｐ＋＋領域１０１６およびＰ＋＋領域１０３２により形成されるポテンシャルバリア深さがそれぞれ調整されている。
【００３４】
図１０Ｃに示すように、（Ｃ）−（Ｃ’）断面において、シリコン基板表面にＰウェル１０１３、Ｐ＋領域１０１５、Ｎ＋領域１０１４、Ｐ＋＋領域１０１６、Ｎ＋＋領域１０１７、ゲート絶縁膜１０１８、各種ゲート電極１０２９、１０３１等が形成されており、その構成は、第１の実施形態と同等であるため、詳細の説明は省略する。
図１１は、図９に示す平面図の（Ｄ）−（Ｄ’’’）および（Ｅ）−（Ｅ’’’）間の水平転送初段における、過剰信号電荷の排出動作時のポテンシャル図である。
垂直転送レジスタから第１水平転送レジスタへ転送された信号電荷は、第１水平転送レジスタ転送パルスφＨ１〜φＨ４に、中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルを順次印加することにより、４相駆動で出力部へ転送され、垂直転送レジスタから第２水平転送レジスタへ転送された信号電荷は、第２水平転送レジスタ転送パルスφＨ１’〜φＨ４’に、中電圧Ｍレベル、低電圧Ｌレベルを順次印加することにより、４相駆動で出力部へ転送される。
第１水平転送レジスタでは、水平ＣＣＤ初段転送時、まずφＨ４に中電圧Ｍレベルが印加され、次いでφＨ３に中電圧Ｍレベルが印加される。第２水平転送レジスタでは、水平ＣＣＤ初段転送時、まずφＨ２’に中電圧Ｍレベルが印加され、次いでφＨ１’に中電圧Ｍレベルが印加される。
【００３５】
この時、第１水平転送レジスタおよび第２水平転送レジスタの信号電荷はそれぞれ２ゲートでの蓄積となるが、過剰信号電荷が存在した場合、水平転送パルスにより形成される信号電荷を水平転送するための２種類のポテンシャル深さの間の深さに形成されたポテンシャルバリアを介して、それぞれドレイン領域から基板へ過剰信号電荷を排出する。この時、基板電圧φＳｕｂは＋バイアスに印加されている。（１１−３）
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１水平転送レジスタ電極のゲート幅が、第２水平転送レジスタ電極のゲート幅より短く形成されているため、第１水平転送レジスタから第２水平転送レジスタへ信号電荷をより円滑に転送することが可能となり、画像出力がより高速化し、動画駆動に有利となる。
【００３６】
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、シリコン基板の基板表面にＰ型の不純物を注入し、Ｐウェル１０１３を形成する。次に公知のリソグラフィ技術を用い、所定の位置にＮ型の不純物１０１９とＰ型の不純物１０２０を注入し、垂直転送チャネルを、Ｎ型の不純物１０１４、Ｎ型の不純物１０２３とＰ型の不純物１０１５を注入し、水平転送チャネルを形成する。第２の実施形態では、第１水平転送レジスタに対応するＮ型の不純物１０２３の不純物濃度が、第２水平転送レジスタに対応するＮ型の不純物１０１４の不純物濃度より濃くなるように注入している。これにより、第１水平転送レジスタの方が、第２水平転送レジスタより信号電荷水平転送時のポテンシャルが深く形成されている。
【００３７】
更に、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように、Ｎ型の不純物１０１７とＰ型の不純物１０１６、Ｐ型の不純物１０２４を注入し、過剰電子を排出するオーバーフロードレインを形成する。第２の実施形態では、第１水平転送レジスタ側のＰ型の不純物１０３２の不純物濃度が、第２水平転送レジスタ側のＰ型の不純物１０１６の不純物濃度より濃くなるように注入している。これにより、第１水平転送レジスタ側の水平ＣＣＤ飽和蓄積容量と第２水平転送レジスタ側の水平ＣＣＤ飽和蓄積容量が等しくなるよう形成されている。
本実施では、Ｐ型の不純物１０１６を形成するため、コの字状に幅１００〜３００ｎｍの範囲で、ドーズ量２．０〜７．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のボロン種を３０〜２０００ｋｅＶのエネルギーで段階的に注入した。また、Ｐ型の不純物１０３２を形成するため、ドレイン領域と第１水平転送レジスタの間に、幅１００〜３００ｎｍの範囲で、４．０〜９．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のボロン種を３０〜２０００ｋｅＶのエネルギーで段階的に注入した。また、Ｎ型の不純物１０１７を形成するため、方形状に一辺幅４００〜８００ｎｍの範囲で、ドーズ量１．０〜９．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のヒソ種を５０〜５００ｋｅＶの深さに、ドーズ量１．０Ｅ１１〜２．０Ｅ１２ｅｌｅ／ｃｍ２のリン種を５００〜４０００ｋｅＶのエネルギーで段階的に注入した。
【００３８】
次に、シリコン基板の表面に熱酸化法またはＣＶＤ法によりシリコン酸化膜等の絶縁膜１０１８およびポリシリコン膜を順次形成した後、ポリシリコン膜を公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングする。そして、図９、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、垂直転送レジスタゲート電極１０２６、垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート電極１０２７、第１水平転送レジスタゲート電極１０２８、水平転送レジスタ間転送ゲート電極１０２９，１０３１、第２水平転送レジスタゲート電極１０３０を形成する。第２の実施形態では、第１水平転送レジスタ電極１０３０のゲート幅を、第２水平転送レジスタ電極１０２８のゲート幅より短く形成する。
以降のコンタクトホールおよび配線の製造方法は、第１の実施形態の製造方法と同等であるため、説明を省略する。
【００３９】
以上の製造方法によれば、第１水平転送レジスタ電極のゲート幅を、第２水平転送レジスタ電極のゲート幅より短く形成するため、第１水平転送レジスタから第２水平転送レジスタへ信号電荷をより円滑に転送することが可能となり、画像出力をより高速化し、動画駆動に有利な固体撮像装置が製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したように、本発明は、複数本の水平転送レジスタと発生過剰電子を排出するドレイン領域を具備することにより、高速転送駆動と高輝度被写体撮影時の画質不良抑制による高品質画像の実現を両立でき、ＣＣＤ型固体撮像装置等に有用である。
【符号の説明】
【００４１】
２０２  垂直転送レジスタ
２０４  第１水平転送レジスタ
２０５  第２水平転送レジスタ
２０６  水平転送レジスタ間転送ゲート領域
２０９  垂直−水平転送レジスタ間転送ゲート領域
２１０  ポテンシャルバリア
２１１  オーバーフロードレイン領域
【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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