(57)【要約】【課題】任意の大きさの画素でも、読み出し不良を発生させずに信号電荷を読み出すことができる技術を提供する。【解決手段】上記の課題を解決するために、素子分離領域（４）で区画された１つのフォトダイオード領域と、転送ゲート（２）を介して１つのフォトダイオード領域に接続するＣＣＤレジスタ（３）とを具備するＣＣＤイメージセンサを構成する。ここで、１つのフォトダイオード領域は、複数のテーパ状領域（１ａ、１ｂ、１ｃ）を備えることが好ましい。その、複数のテーパ状領域（１ａ、１ｂ、１ｃ）の各々は、転送ゲートに近づくにしたがって幅が広くなるように形成されていることが好ましい。【選択図】図６
2011054596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離領域で区画された１つのフォトダイオード領域と、
転送ゲートを介して前記１つのフォトダイオード領域に接続するＣＣＤレジスタと
を具備し、
前記１つのフォトダイオード領域は、
複数のテーパ状領域を備え、
前記複数のテーパ状領域の各々は、
前記転送ゲートに近づくにしたがって幅が広くなるように形成されている
ＣＣＤイメージセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＣＤイメージセンサにおいて、
前記複数のテーパ状領域の各々は、
同一の形状で形成されている
ＣＣＤイメージセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＣＣＤイメージセンサにおいて、
前記複数のテーパ状領域の各々は、
前記転送ゲートの近傍での幅が、１０μｍ以下である
ＣＣＤイメージセンサ。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載のＣＣＤイメージセンサにおいて、
前記複数のテーパ状領域は、
狭チャネル効果が効く範囲で、前記１つのフォトダイオード領域の幅方向に配置される
ＣＣＤイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ付き携帯電話やデジタルカメラなど、ＣＣＤイメージセンサを搭載する電子機器が広く普及してきている。ＣＣＤイメージセンサは、入射光に応じた電荷を発生し、蓄積する受光部と、その電荷を転送する電荷転送部とを備えている。受光部の画素に蓄積された電荷は、読出し用の転送ゲートを介して読み出される。読出し用の転送ゲートは、印加される電圧に応じてポテンシャルの勾配をつける。蓄積された電荷は、その勾配に対応して転送され読み出される。
【０００３】
ＣＣＤイメージセンサでは、一般的に、画素サイズが大きくなると読出し時間がかかる。画素の大きさは、搭載する製品を製造する顧客に指定されることがある。したがって、大きな画素サイズを指定された場合、通常の構造では読出しに時間がかかり、読出し残りが発生するという問題があった。読出しにかかる時間を短縮し、読出し残りが発生することを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載のＣＣＤイメージセンサの構造を示す図である。図１は、１画素の幅が１０μｍ、長さが２０μｍのＣＣＤイメージセンサの構造を示している。図１の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの平面図である。図１の（ｂ）は、そのＣＣＤイメージセンサを、Ａ１−Ａ２に沿って切断したときの断面図である、図１の（ｃ）は、Ａ１−Ａ２に沿ったポテンシャルを示す図である。
【０００５】
画素列１０１で光電変換され、蓄積した電荷は、転送ゲート１０２によりＣＣＤレジスタ１０３に読み出される。画素−画素間の分離は、ｐ形の不純物拡散による素子分離領域１０４を用いている。特許文献１に記載の技術では、画素に階段状にイオン注入を行っている。図１は、２回のイオン注入を行い、３段のポテンシャル構造を有するＣＣＤイメージセンサの構造を示している。このような構造にすることで、転送ゲート側に勾配がつくので読み出しが改善する。
【０００６】
また、図２は、特許文献２に記載のＣＣＤイメージセンサの構造を示す図である。図２は、１画素の幅が１０μｍ、長さが２０μｍのＣＣＤイメージセンサの構造を示している。図２の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの平面図である。図２の（ｂ）は、その平面図におけるＡ１−Ａ２に沿ったポテンシャルを示している。図２の（ｃ）は、その平面図におけるＢ１−Ｂ２に沿った断面図である。図２の（ｄ）は、その平面図におけるＣ１−Ｃ２に沿った断面図である。
【０００７】
図２を参照すると、画素の読出し方向にポテンシャル勾配がつくように、テーパ状にｐ形の不純物拡散によるイオン注入をしている。このようにすることで狭チャネル効果により転送ゲート側に勾配がつくので読み出し時間が改善する。
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、ポテンシャル勾配がつくが、１段で勾配がつく範囲は限られている。そのため、画素長が長くなると、段数を増やして勾配をつけることになる。そうすると、１段につきフォトレジスト用のマスクが１枚必要になる。そのため画素長が長くなる分コスト増大を招く。
【０００９】
また、特許文献３には、電荷転送効率を極大化させた固体撮像素子に関する技術が開示されている。その固体撮像素子は、フォトダイオードを両端部の幅が異なる細長い台形状としている。それにより、フォトダイオード領域とＨＣＣＤ領域とで、傾斜した電位分布が得られるので、電荷転送側面では転送効率を改善させ、第１ポリゲート電極及び第２ポリゲート電極に印加されるクロック周波数が高くなっても転送効率を保持することが可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２３６０８１号公報
【特許文献２】特開平５−２８３６７０号公報
【特許文献３】特開平７−２４０５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、１画素の幅が１０μｍ、長さが２０μｍの製品や、１画素の幅、長さが１０μｍ以下の製品では、１画素に１つのテーパ領域で問題が無かった。しかしながら、１画素の幅が１０μｍよりも大きな寸法を指定されたときに、１画素に１つのテーパの製品では、読み出し時間が長くなることが判明した。これは、従来存在していなかった課題であり、その原因は、幅が広くなったことで狭チャネル効果が効かなくなったためと考えられる。
【００１２】
図３は、特許文献１に記載の技術を、幅が１０μｍ、長さが６０μｍの画素のＣＣＤイメージセンサに適用した場合の構造を示す図である。図３には、階段状にイオン注入した場合の構造を示している。図３の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの構成を示す平面図である。図３の（ｂ）は、その平面図におけるＡ１−Ａ２に沿った断面図である。図３の（ｃ）は、そのＡ１−Ａ２断面に沿ったポテンシャルを示す図である。図３に示されるＣＣＤイメージセンサは、３段のポテンシャル構造であるが、画素長が長いため、勾配がつく範囲が狭い、したがってこのままでは、読出しに時間がかかるという問題がある。
【００１３】
図４は、特許文献２に記載の技術を、１画素の幅が２０μｍ、長さ１０μｍの画素に適用した場合のＣＣＤイメージセンサの構成を示す図である。図４は、そのＣＣＤイメージセンサにテーパ状にイオン注入したときの構造を示している。図４の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの構造を示す平面図である。図４の（ｂ）は、その平面図におけるＡ１−Ａ２に沿ったポテンシャルを示す図である。
【００１４】
特許文献２に記載の技術は、画素の幅が広くなった場合、チャネル幅が広くなり、狭チャネル効果が低くなる。そのため、ポテンシャル勾配はつかなくなり、読み出しに時間がかかる。対策として、テーパ状のイオン注入のドーズ量を高めると、読み出し特性はある程度改善する。図５は、上述の図４に示すＣＣＤイメージセンサにおいて、テーパ状のイオン注入を高くした場合の構造を示す図である。図５の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの平面図である。図５の（ｂ）は、その平面図のＢ１−Ｂ２に沿った断面図である。図５の（ｃ）は、その平面図のＣ１−Ｃ２に沿った断面図である。
【００１５】
図５に示されているように、Ｐ＋で表示したテーパ状のイオン注入が光電変換のｐ−ｎ接合を打ち消している。しかしながら、不純物の注入を高めすぎると、画素の光電変換のｐ−ｎ接合を打ち消してしまう。そうなると、画素全体に亘り一様な感度を持つことができないという問題が生じることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
上記の課題を解決するために、素子分離領域（４）で区画された１つのフォトダイオード領域と、転送ゲート（２）を介して前記１つのフォトダイオード領域に接続するＣＣＤレジスタ（３）とを具備するＣＣＤイメージセンサを構成する。ここで、前記１つのフォトダイオード領域は、複数のテーパ状領域（１ａ、１ｂ、１ｃ）を備えることが好ましい。その、前記複数のテーパ状領域（１ａ、１ｂ、１ｃ）の各々は、前記転送ゲートに近づくにしたがって幅が広くなるように形成されていることが好ましい。
【００１８】
このように、画素内にテーパ状にイオン注入することで、読出し方向にポテンシャル勾配をつけている。このテーパは、狭チャネル効果が効く範囲で画素の幅方向に任意の数に設定可能で、そのドーズ量は画素の光電変換のｐ−ｎ接合を打ち消さない程度に抑えられている。
【発明の効果】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、任意の大きさの画素でも、読み出し不良を発生させずに信号電荷を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、従来のＣＣＤイメージセンサの構造を示す図である。
【図２】図２は、従来のＣＣＤイメージセンサの構造を示す図である。
【図３】図３は、従来のＣＣＤイメージセンサの構造を示す図である。
【図４】図４は、従来のＣＣＤイメージセンサに、テーパ状にイオン注入したときの構造を示す図である。
【図５】図５は、従来のＣＣＤイメージセンサのテーパ状のイオン注入を高くした場合の構造を示す図である。
【図６】図６は、本願発明のＣＣＤイメージセンサの第１実施形態の構成を例示する図である。
【図７】図７は、第２実施形態のＣＣＤイメージセンサの構成を例示する平面図である。
【図８】図８は、第３実施形態のＣＣＤイメージセンサの構成を例示する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１実施形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。図６は、本願発明のＣＣＤイメージセンサの第１実施形態の構成を例示する図である。図６の（ａ）は、そのＣＣＤイメージセンサの平面図を例示している。図６の（ｂ）は、その平面図におけるＡ１−Ａ２に沿ったポテンシャルを示す図である。図６は、１画素の幅が２０μｍ、長さ１０μｍのＣＣＤイメージセンサの構成を例示している。
【００２２】
図６に示されているように、第１実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０は、その１画素に、画素列第１部分１ａと画素列第２部分１ｂとを備えている。また、ＣＣＤイメージセンサ１０は、その１画素にテーパ状注入領域５ａ、テーパ状注入領域５ｂ、テーパ状注入領域５ｃを備えている。画素列第１部分１ａと画素列第２部分１ｂとは、単一の転送ゲート２を介してＣＣＤレジスタ３に接続されている。換言すると、そのＣＣＤイメージセンサ１０には、狭チャネル効果が効く範囲でテーパを形成するため、１画素にテーパを２個形成している。
【００２３】
第１実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０は、画素の幅が広くても、テーパの数を２個にすることで狭チャネル効果を確保するので、適切なポテンシャル勾配をつけることができる。具体的には、１つのテーパの幅を１０μｍ以下とするように分割すれば、注入条件を変えることなくマスク変更だけで、狭チャネル効果が効く範囲に収まる画素を構成している。そのため、読み出し不良なく動作できる。
【００２４】
また、第１実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０の構造であれば、画素長が長くなっても追加のマスクは１枚で済む。上述の特許文献１のように、画素長に比例してコスト増大を招くことは無い。また、幅広い画素でもテーパを複数個つけることでポテンシャル勾配がつくので、テーパ状のイオン注入のドーズ量を高める必要がない。そのため、光電変換のｐ−ｎ接合を打ち消さずに済むので１画素全体に亘り一様な感度とすることができる。
【００２５】
［第２実施形態］
以下に、図面を参照して、本願発明の第２実施形態について説明を行う。図７は、第２実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０の構成を例示する平面図である。上述の第１実施形態では、テーパを２個備えた構造であった。図７に示されているように、第２実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０は、画素列第１部分１ａと、画素列第２部分１ｂと、画素列第３部分１ｃとが、画素の幅に応じて配置されている。このように、画素の幅が広くなれば、その幅に応じて複数個にすれば、第１実施形態と同様の狭チャネル効果を確保するので、適切なポテンシャル勾配をつけることができる。
【００２６】
［第３実施形態］
以下に、図面を参照して、本願発明の第３実施形態について説明を行う。図８は、第３実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０の構成を例示する平面図である。上述の第１、第２実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０は、ｐ形の不純物拡散によりテーパを形成していた。第３実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０は、チャネル部に、ｎ形の不純物が注入されている。このような構造のＣＣＤイメージセンサ１０を構成することで、第１、第２実施形態と同様のＣＣＤイメージセンサ１０を構成することが可能である。
【００２７】
以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は、大型の画素を有するＣＣＤイメージセンサで、読出し不良が無い動作を実現する。また、本願発明は、１画素全体に亘り、一様に光検出可能である。具体的には、テーパの数を１個ではなく、複数個にすることで幅広い画素でも狭チャネル効果が効くので読出し改善が可能になる。テーパの数を増やして読出し改善を図るため、イオン注入のドーズ量を高める必要はない。そのため、画素全体に亘り一様な感度になる。
【００２８】
なお、本願発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。また、上述の複数の実施形態は、その構成・動作に矛盾が生じない範囲において組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１ａ…画素列第１部分
１ｂ…画素列第２部分
１ｃ…画素列第３部分
２…転送ゲート
３…ＣＣＤレジスタ
４…素子分離領域
５…テーパ状注入領域
５ａ…テーパ状注入領域
５ｂ…テーパ状注入領域
５ｃ…テーパ状注入領域
６…テーパ状注入領域（ｎ型）
１０…ＣＣＤイメージセンサ
１０１…画素列
１０２…転送ゲート
１０３…ＣＣＤレジスタ
１０４…素子分離領域
１０５…第１階段状注入領域
１０６…第２階段状注入領域
２０１…画素列
２０２…転送ゲート
２０３…ＣＣＤレジスタ
２０４…素子分離領域
２０５…テーパ状注入領域
３０１…画素列
３０２…転送ゲート
３０３…ＣＣＤレジスタ
３０４…素子分離領域
３０５…第１階段状注入領域
３０６…第２階段状注入領域
４０１…画素列
４０２…転送ゲート
４０３…ＣＣＤレジスタ
４０４…素子分離領域
４０５…テーパ状注入領域
５０１…画素列
５０２…転送ゲート
５０３…ＣＣＤレジスタ
５０４…素子分離領域
５０５…テーパ状注入領域
【図１】
2011054596.tif 000003
【図２】
2011054596.tif 000004
【図３】
2011054596.tif 000005
【図４】
2011054596.tif 000006
【図５】
2011054596.tif 000007
【図６】
2011054596.tif 000008
【図７】
2011054596.tif 000009
【図８】
2011054596.tif 000010