(57)【要約】【課題】任意に制御された受光時間に応じた信号電荷を保持すると共に、暗電流の発生を抑制し且つ残像を生じることなく信号電荷の転送を行うことができる固体撮像素子を提供すること。【解決手段】光電変換部２から得られた光量に応じた電荷は、（予備蓄積部３を介して）制御ゲート４による制御の下で電荷蓄積部５に蓄積される。かくして蓄積された信号電荷は、制御ゲート６による制御の下で電荷転送部８に供給される。電荷蓄積部５は、例えばN型領域の表面を所定のバイアス電圧が印加された蓄積制御電極で覆うことにより、あるいはN型領域の表面部分にP型領域を形成することにより、動作状態時においてピンニング状態とされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、電荷蓄積部と、電荷転送部と、前記光電変換部および前記電荷蓄積部間に設けられ前記光電変換部から前記電荷蓄積部への信号電荷の移動を制御する第１制御ゲート部と、前記電荷蓄積部および前記電荷転送部間に設けられ前記電荷蓄積部から前記電荷転送部への電荷の移動を制御する第２制御ゲート部とを備え、前記電荷蓄積部がピンニング状態で前記信号電荷を保持するように構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電荷蓄積部は一導電型領域とこの領域上を絶縁膜を介して覆う電極とを有し、前記電極には所定のバイアス電圧が印加されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電荷蓄積部は一導電型領域とこの領域の表面部分に形成された他導電型領域とを有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換領域に連続して予備電荷蓄積領域が設けられ、前記信号電荷は前記予備電荷蓄積領域から前記第１制御ゲートを介して前記電荷蓄積領域に移動されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記電荷蓄積領域および前記予備電荷蓄積領域の各々は、一導電型領域とこの領域上を絶縁膜を介して覆う電極とを有し、前記電極には所定のバイアス電圧が印加されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
光電変換部と、電荷蓄積部と、電荷転送部と、前記光電変換部および前記電荷蓄積部間に設けられ前記光電変換部から前記電荷蓄積部への信号電荷の移動を制御する第１制御ゲート部と、前記電荷蓄積部および前記電荷転送部間に設けられ前記電荷蓄積部から前記電荷転送部への電荷の移動を制御する第２制御ゲート部とを備え、前記電荷蓄積部がピンニング状態で前記信号電荷を保持するように構成されており、さらに、前記光電変換部、前記電荷蓄積部、前記電荷転送部、前記第１制御ゲート部および前記第２制御ゲート部は、一導電型の半導体基体層の表面部に形成された他導電型の半導体領域を基体として形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記半導体領域は、前記光電変換部が形成された第１領域と、前記電荷蓄積領域部および前記第２制御ゲート部が形成された第２領域とを有し、前記第２領域は前記第１領域よりも不純物濃度が高く、前記第１制御ゲート部は前記第１および第２領域に跨って形成されている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】
前記第１および第２制御ゲート部の各々は、前記第１および前記第２領域よりも不純物濃度が低く且つ前記他導電型を有する第３領域とこの第３領域を絶縁膜を介して覆うゲート電極とを有することを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１および第２制御ゲート部の各々は、前記半導体領域よりも不純物濃度が低く且つ前記他導電型を有する低濃度領域とこの低濃度領域を絶縁膜を介して覆うゲート電極とを有し、前記第１制御ゲート部が有する前記低濃度領域の表面部の前記光電変換部側の部分は前記電荷蓄積部側の部分よりも低不純物濃度となっている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１０】
前記電荷蓄積部は、前記第２領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられ、一定の電圧が印加される蓄積ゲート電極を備える請求項６乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記電荷蓄積部は、前記第２領域の表面部に選択的に形成された前記一導電型の第４領域を備える請求項６乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１領域を基体として予備電荷蓄積領域が前記光電変換部と前記第１制御ゲート部との間にさらに設けられ、この予備電荷蓄積領域は前記第１領域上にゲート絶縁膜を介して設けられ一定の電圧が印加された予備蓄積ゲート電極を備える請求項７、８、１０および１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記半導体領域を基体として予備電荷蓄積領域が前記光電変換部と前記第１制御ゲート部との間にさらに設けられ、この予備電荷蓄積領域が形成された前記半導体領域の部分の表面不純物濃度は低くなっていることを特徴とする請求項６、９、１１および１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記電荷蓄積部に隣接して形成され、前記電荷蓄積部から信号電荷を排出するリセット部を備える請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記電荷蓄積部に隣接して形成され、前記電荷蓄積部および前記予備電荷蓄積部から信号電荷を排出するリセット部を備える請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記光電変換部の信号電荷をリセットするリセットゲートをさらに備える請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記光電変換部のためのオーバーフロードレインをさらに備える請求項１４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、光電変換部と電荷転送部との間に設けられ、光電変換部で光電変換された電荷を蓄積する蓄積部を有するCCDイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、この種の固体撮像装置として、受光した光を光電変換するフォトダイオードと、光電変換された電荷の蓄積制御を行うストレージ部とを備えたＣＣＤイメージセンサが開示されている。この従来のＣＣＤイメージセンサでは、フォトダイオードとストレージ部のシリコン基板表面は、動作状態でＮ型になっている。このため、これらの部分で発生する暗電流が多く、長時間の蓄積を行った場合に画像の劣化が著しい。特に、温度が高い場合には、蓄積時間を十分に長くすることができないという問題があった。例えば、オートフォーカス用のイメージセンサでは、夜景から太陽光下での撮影まで非常に幅広い光量差の下でピントをあわせる必要がある。このため、蓄積時間を幅広く変えられる必要があるが、この構造では、使用できる明るさ、温度の範囲が限定されてしまっていた。
【０００３】
また、フォトダイオードとストレージ部との間には、バリアゲートが設けられている。バリアゲートには、プラスの一定電圧が印加されており、フォトダイオードで発生する信号電荷の蓄積制御は行われない。さらに、ストレージ部にも、プラスの一定電圧が印加されており、動作状態で基板表面までＮ型となっているため、この部分でも暗電流が多く発生する。
【０００４】
図１６は、単一のＣＣＤ８に対し、それぞれ複数のフォトダイオード２からなる複数のイメージエリア２−１、２−２が設けられた従来の固体撮像装置の例を示している。各イメージエリア２−１、２−２には異なった映像信号が入力され、それぞれ信号電荷が発生する。制御ゲート４−１、４−２はそれぞれ独立に蓄積時間を制御し、発生した信号電荷がストレージ部５に蓄積される。このように蓄積制御を用いることで、光量の少ない環境下でも十分な信号量を得ることが可能であり、また、光量の多い環境下では、蓄積時間を短くすることにより飽和の無い画像情報を得ることができる。
【０００５】
特許文献２には、暗電流を低減することができる固体撮像装置が開示されている。図１７は、特許文献２に記載の固体撮像装置の構成を示す図である。図１７に示すように、特許文献２に記載の固体撮像素子１は、フォトダイオード２で発生した電荷をストレージゲート５で蓄積する構造を有している。この構造では、フォトダイオード２から、ＣＣＤ８までの電荷転送に障害となるポテンシャルのバリア等が発生しないため、スムーズに電荷の読み出しが可能である。また、ストレージゲート５に負電圧を印加して、動作状態で基板表面がＰ型となるピンニング状態とすることにより、長時間の蓄積を行った場合の画像劣化が少ない特色を持っている。
【０００６】
ここで図１７に示す固体撮像装置１の動作について、図１８及び図１９を参照して説明する。図１８（ａ）は図１７の固体撮像素子１のＸ−Ｘ'断面図であり、図１８（ｂ）は各部のポテンシャルを示している。また、図１９は、固体撮像装置１の各部（フォトダイオード部、ストレージ部、トランスファゲート部）の深さ方向の電位プロファイルを示す図である。フォトダイオード２で発生した電荷は全てストレージゲート５に蓄積される。図１９に示すように、ストレージゲート５には、基板表面がＰ型に反転するように負電圧が印加されている。ピンニング状態のストレージゲート５では、半導体とゲート酸化膜との界面はＰ型半導体に反転した状態であり、表面ポテンシャルはＧＮＤ電位となる。
【０００７】
このため、ゲート酸化膜界面に多く発生する結晶欠陥部で発生する熱電子は、反転状態にあるＰ型半導体内のホールと再結合することにより、蓄積されている信号電荷へ影響を及ぼしにくくなる。従って、通常の埋め込みチャネルタイプのストレージゲートよりも暗電流により信号の劣化が少なく、長時間又は高温化での信号電荷の蓄積が可能となる。フォトダイオードは、基板表面がＰ型であるため既にピンニング状態であり、ストレージゲート部分とほぼ同等の性能を持つことが可能となっている。このように、ピンニング状態となるストレージゲートを用いることにより、暗電流を低減させ、信号電荷の蓄積を実現している。また、従来の固体撮像装置１では、フォトダイオード２からＣＣＤ９に至る部分を全て同一のＮウェル内に形成することにより、電荷を完全に転送させ、残像のないフォトダイオードの読み出しの実現も可能としている。
【０００８】
また、電荷蓄積部を備えた構造の応用例として、特許文献３に記載の固体撮像装置もある。これは、受光部と電荷転送部としてのシフトレジスタとの間にアナログメモリを設けることにより、複数の受光部の空間的なライン差を補正している。
【０００９】
電荷蓄積部を備えた構造の他の応用例としては、特許文献４に示されるように、測定対象との間の距離を光学的に測定する装置がある。これは、特に、デジタルカメラのAF（オートフォーカス）機能のためのセンサとして用いられる。
【００１０】
【特許文献１】特許第２９３７１９２号公報
【特許文献２】特開平６−２１６３６３号公報
【特許文献３】特開２００４−１１２７９７号公報
【特許文献４】特開２０００−２４９９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、電荷蓄積部を有する固体撮像装置は各種の応用分野に適用されているが、特にオートフォーカス用のイメージセンサでは、夜景から太陽光下での撮影まで非常に幅広い光量差の下でピントをあわせる必要性から、蓄積時間を幅広く変えられる必要がある。さらに、暗くなるほど被写体からの信号量派少なくなるので、フォトダイオードやストレージ部で発生する暗電流、すなわちセンサ自身が発生するノイズ成分を小さくすることが求められている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１〜３に開示のイメージセンサは勿論のこと、オートフォーカス用センサを主に開示する特許文献４のイメージセンサすら、これら二つの要求事項を同時に満足するような構成は示されていない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部と、電荷蓄積部と、電荷転送部と、光電変換部および電荷蓄積部間に設けられ光電変換部から電荷蓄積部への電荷の移動を制御する第１制御ゲートと、電荷蓄積部および電荷転送部間に設けられ電荷蓄積部から電荷転送部への電荷の移動を制御する第２制御ゲートとを備え、電荷蓄積部がピンニング（PIN-ing）状態で電荷を保持するように構成されていることを特徴している。
【００１４】
ここで、電荷蓄積部がピンニング（PIN-ing）状態で電荷を保持するように構成するためには、電荷蓄積部としての一導電型領域（N型領域が典型的）上を所定のバイアス電圧が印加された電極で覆うか又は、一導電型領域の表面に他導電型領域（したがって、P型領域）を形成することが好ましい。後者の構造は、所謂PINダイオードとして光電変換部の構造として広く採用されている。
【００１５】
なお、光電変換領域に連続して予備電荷蓄積領域を設けてもよく、この場合は、この予備電荷蓄積領域を電極で覆い且つ所定のバイアスを印加してピンニング状態とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
かかる構成よれば、第１制御ゲートおよび第２制御ゲートにより、光電変換時間および電荷蓄積時間を任意に制御することが可能となり、夜景から太陽光下での撮影まで非常に幅広い光量差に対して必要な光量に相当する電荷を任意の時間に渡り保持することが出来る。しかも、これら第１および第２制御ゲートの存在により、電荷蓄積領域を光電変換部や電荷転送部からの影響を受けないでピンニング状態とすることができ、暗電流の発生を抑制することができる。かくして、暗電流の発生を抑制し、残像を生じることなく信号電荷の転送を行うことができる固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明の実施形態につき詳細に説明する。なお、一般に固体撮像装置において、光電変換部であるフォトダイオードの受光面を除く部分は、光が入らないように金属からなる遮光膜で覆われるが、以下の説明や図においてはそれらの簡略化のための遮光膜の図示を省略しているものがある。また、表面保護酸化膜、出力回路の構成などの従来の構成と同様のものについては、説明を省略する。さらにまた、本発明の各実施の形態にかかる固体撮像装置は、出力信号が基準レベルを超え無い様に自動調整する機能（ＡＧＣ：Auto Gain Control）などを利用した蓄積制御機能を有していても良い。また、各実施の形態において、同一の構成部は同じ参照番号で示し、それらの重複説明は省略する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を説明する模式的平面図である。また、図２（ａ）は図１のＸ−Ｘ'断面図であり、同図（ｂ）は各部のポテンシャルを説明する図である。図３（ａ）は図１のＹ−Ｙ'断面図であり、同図（ｂ）は各部のポテンシャルを説明する図である。図４（ａ）は図１のＺ−Ｚ'断面図であり、同図（ｂ）は各部のポテンシャルを説明する図である。
【００１９】
図１に示すように本実施の形態に係る固体撮像装置１は、光電変換部２、光電変換部２に連続して形成された予備電荷蓄積部３、電荷蓄積部５、これら蓄積部３，５の間に設けられた第１制御ゲート部４、電荷転送部８、蓄積部５と転送部８との間に設けられた第２制御ゲート部６、蓄積部５をリセットするリセット部７、ならびに、電荷転送部８からの電荷を増幅出力する出力アンプ９を備えている。
【００２０】
図１のX−X′線に沿った断面である図２（ａ）を参照すると、本実施の形態においては、例えばシリコンでなるＰ型の半導体基板（半導体基体層ともいう）１０の表面部に、Ｎ型領域１１とN型領域１２（それぞれの不純物濃度関係は後述）が選択的に形成されている。第１領域１１と第２領域１２とは、隣接して形成されている。Ｎ型の第１領域１１の表面部には、シリコン基板１０よりも濃度が高いＰ＋型領域２１が選択的に形成されている。このＰ＋型領域２１とＮ型の第１領域１１により所謂PINフォトダイオード構造の光電変換部２が形成されている。光電変換部２は、受光した光に応じて信号電荷を発生する。P＋型のチャネルストップ部１３は、光電変換部２で発生した信号電荷が第１蓄積部３以外の方向へ流れ出すことを防ぐ。
【００２１】
また、第１領域１１のチャネルストップ部とは反対側の部分は予備の電荷蓄積部３となり、光電変換部２において発生した信号電荷を受け取る。すなわち、光電変換部２で光の入射により発生した電荷は、一次的に蓄積部３に蓄積される。この蓄積部３は、第１領域１１の上に第１蓄積ゲート絶縁膜３１を介して設けられた第１蓄積ゲート電極３２を有している。第１蓄積ゲート電極３２には、動作時には一定の負電圧が印加される。このため、第１領域１１と第１蓄積ゲート絶縁膜３１との界面がＰ型に反転するピンニング状態となる。
【００２２】
一方、第２領域１２には、第１蓄積部３に隣接して電荷蓄積部５が設けられている。この蓄積部５は、蓄積部３から信号電荷を受け取る。蓄積部５は、第２領域１２の上に蓄積ゲート絶縁膜５１を介して設けられた第２蓄積ゲート電極５２を有している。蓄積ゲート電極５２には、動作時には一定の負電圧が印加される。このため、第２領域１２の第２蓄積ゲート絶縁膜５１との界面がＰ型に反転するピンニング状態となる。すなわち、電荷蓄積部５もピンニング状態で電荷を蓄積することになる。また、第２領域１２には、蓄積部５に隣接して電荷転送部８が形成されている。電荷転送部８は、Ｎ型の第２領域の上にゲート絶縁膜８１を介して、ゲート電極８２を有している。電荷転送部８は、所定のタイミングで第２蓄積部５から信号電荷を受け取る。
【００２３】
蓄積部３と５との間には、第１制御ゲート部４が形成されている。この制御部４は、予備蓄積部３に蓄積された信号電荷を電荷蓄積部５に受け渡すことを制御し、第１領域１１の表面部と第２領域の１３の表面部とにまたがって形成されている。具体的には、この制御部４は、第１領域１１の表面部と第２領域１２の表面部とにまたがり、第１領域１１及び第２領域１２と同一の導電型で第１領域１１及び第２領域１２よりも低不純物濃度を持って形成された第１不純物層４１上に、絶縁膜４２を介して設けられたゲート電極４３を有している。第１不純物層４１は、例えば、５０ＫｅＶで９．０×１０１１／ｃｍ２となるようにボロンを注入することで、N型領域１１，１２の表面の一部が低濃度のＮ−層となる。
【００２４】
また、第１不純物層４１の上に第１制御ゲート絶縁膜４２を介して形成された第１制御ゲート電極４３には、所定のクロックパルスが印加される。これにより、蓄積部３から蓄積部５への電荷の受け渡しが制御される。ゲート電極４３の一部は、その両側の第１蓄積ゲート電極３２及び第２蓄積ゲート電極５２とオーバーラップしている。
【００２５】
電荷蓄積部５と電荷転送部８との間には、第２制御部６が形成されている。第２制御部６は、第２蓄積部５に蓄積された信号電荷を電荷転送部８に受け渡す。第２制御部６は、第２領域１２の表面部に選択的に形成され、第１領域１１及び第２領域１２と同一の導電型で第１領域１１及び第２領域１２よりも低濃度の第２不純物層６１を有している。第２不純物層６１としては、例えば、第１不純物層４１と同様に５０ＫｅＶで９．０×１０１１／ｃｍ２となるようにボロンを注入することで、シリコン基板１０の表面に薄いＮ−層を形成することができる。
【００２６】
また、第２不純物層６１上には、第２制御ゲート絶縁膜６２を介して第２制御ゲート電極６３が形成されている。第２制御ゲート電極６３には、所定のクロックパルスが印加される。これにより、蓄積部５から転送部８への電荷の受け渡しが制御される。第２制御ゲート電極６３の一部は、その両側の第２蓄積ゲート電極５２及びＣＣＤレジスタのゲート電極８２とオーバーラップしている。
【００２７】
N型領域１２は、N型領域１１よりも不純物濃度が高い。すなわち、蓄積部３のＮ層の不純物濃度よりも蓄積部５のＮ層の不純物濃度のほうが高くなっている。このため、蓄積部３よりも電荷転送部８側の蓄積部５のほうが、ポテンシャルが高く、その結果、、蓄積部３から蓄積部５そして電荷転送部８への信号電荷の流れをスムーズにすることができる。
【００２８】
なお、第１領域１１と第２領域１２の不純物濃度差は、２重注入により製造することが可能である。例えば、１回目に第１領域１１及び第２領域１２において８０ＫｅＶで１．４×１０１２／ｃｍ２の条件でＮ（リン）を注入し、２回目に第２領域１２において８０ＫｅＶで４×１０１１／ｃｍ２の条件でＮ（リン）注入することができる。あるいは、図５に示すように、１回目に第１領域１１及び第２領域１２において５０ＫｅＶで４×１０−１１／ｃｍ２の条件でＰ（ボロン）を注入し、２回目に第１領域１１において８０ＫｅＶで４×１０１１／ｃｍ２の条件でＮ（リン）注入することも可能である。
【００２９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した固体撮像装置１のシリコン基板１０及びチャネルストップ領域１３に０Ｖ（ＧＮＤ）電位が、第１制御ゲート電極４３にクロックパルスφＴＧ１が、第２制御ゲート電極６３にクロックパルスφＴＧ２が、ゲート電極８２にクロックパルスφ１がそれぞれ印加された場合の基板表面の電位プロファイルを示している。図２（ｂ）中実線はクロックパルスφＴＧ１、φＴＧ２、φ１がそれぞれ"Ｌ"レベルであるときの状態を示しており、破線はこれらが"Ｈ"レベルである状態を示している。また、図２（ｂ）において、ψＰＤは光電変換部２の電位井戸の深さ、ψＳＴ１は第１蓄積部３の電位井戸の深さ、ψＳＴ２は第２蓄積部５の電位井戸の深さを示している。
【００３０】
本実施の形態に係る固体撮像装置１において、光電変換部２に光が入射することによって発生した信号電荷は、予備電荷蓄積部３の電位井戸に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷は、第１制御ゲート４を開く（φＴＧ１が"Ｈ"となる）ことにより、第１制御部４に移動する。そして、第１制御ゲート４を閉じる（φＴＧ１が"Ｌ"となる）ことにより、第１制御部４にそれまで蓄積されていた信号電荷は、電荷蓄積部２８の電位井戸に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷は、第２制御ゲート６を開く（φＴＧ２が"Ｈ"となる）ことにより、電荷転送部８のゲート電極８２下に転送される。このように、第１制御部４よりも電荷転送部８側の第２制御部６の方がポテンシャルが高く、第１制御部４が第１領域１１と第２領域１２とにまたがって形成されているため、光電変換部２、予備蓄積部３、第１制御部４、電荷蓄積部５、第２制御部６、電荷転送部８への信号電荷の流れをスムーズにすることができる。
【００３１】
図１のY−Y′線にそった断面図を示す図３（ａ）に示すように、電荷蓄積部５に隣接するように、リセット部７が形成されている。リセット部７は、第２制御部６から不要な信号電荷を排出する。リセット部７は、第２領域１２の表面部に選択的に形成された、第１領域１１及び第２領域１２と同一のＮ型で、第１領域１１及び第２領域１２よりも低濃度の第３不純物層７１を有している。第３不純物層７１は、例えば、第１不純物層４１、第２不純物層６１と同様に５０ＫｅＶで９．０×１０１１／ｃｍ２となるようにボロンを注入することで、シリコン基板１０の表面に薄いＮ−層を形成することができる。また、第３不純物７１上には、ゲート絶縁膜７２を介して第１リセットゲート電極７３が形成されている。第１リセットゲート電極７３には、所定のクロックパルスが印加される。第１リセットゲート電極７３の一部は、第２蓄積ゲート電極５２とオーバーラップしている。また、シリコン基板１０上には、Ｎ＋領域からなるリセットドレイン７４が設けられている。第２制御部１５に残存する不要電荷は、第１リセットゲート電極７３を介してリセットドレイン７４へ排出される。  
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した固体撮像装置１のシリコン基板１０及びチャネルストップ領域１３に０Ｖ（ＧＮＤ）電位が、第１制御ゲート電極４３にクロックパルスφＴＧ１が、第１リセットゲート電極７３にクロックパルスφＲ１がそれぞれ印加された場合の基板表面の各部のポテンシャルを示している。図３（ｂ）中実線はクロックパルスφＴＧ１、φＲ１がそれぞれ"Ｌ"レベルであるときの状態を示しており、破線はこれらが"Ｈ"レベルである状態を示している。
【００３２】
本実施の形態にかかる固体撮像装置においては、第２蓄積部５に残存する不要電荷を第２制御部４から第１リセットゲート電極７３を介してリセットドレイン７４に電荷を排出する。すなわち、第１制御ゲート電極４３に印加されるφＴＧ１及び第２制御ゲート電極６３に印加されるφＴＧ２を"Ｌ"レベルとし、φＲ１を"Ｈ"レベルとすることにより、第２制御ゲート電極６３と光電変換部２とを分離した状態で、第２蓄積部５のリセット動作が可能である。このため、不要電荷を完全にリセットすることができる。
【００３３】
図４に示すように、図１の電荷転送部８は、従来からよく知られている２相駆動のＣＣＤであり、第２制御部６を介して転送された信号電荷は、順次転送され、出力アンプ９を介して出力される。
【００３４】
ここで図５を参照して、実施の形態１に係る固体撮像装置１の動作について説明する。図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置に印加される各信号のタイミングの一例を示す図であり、電荷蓄積部５に蓄積された不要電荷を排出するリセット期間、予備蓄積部３に信号電荷を蓄積する第１蓄積期間、電荷蓄積部５に信号電荷を蓄積する第２蓄積期間、電荷転送部８において信号電荷を転送する電荷転送期間を有している。
【００３５】
リセット期間においては、φＲ１が"Ｈ"レベルであり、φＴＧ１及びφＴＧ２は"Ｌ"レベルである。この間、蓄積部５に蓄積された不要電荷は、リセットドレイン７４へ完全に排出される。そして、第１蓄積期間においては、φＲ１が"Ｌ"レベルとなり、光電変換部２から蓄積部３へ信号電荷が転送される（Ｔ１）。そして、第１蓄積期間においては、φＴＧ１が"Ｈ"レベルになることにより、蓄積部３に蓄積された信号電荷が蓄積部５へ転送される（Ｔ２）。その後、φＴＧ１を"Ｌ"レベルとし、全てのイメージエリアでの読み出しが終了するまで、信号電荷は蓄積部５に保持される。電荷転送期間においては、全てのイメージエリアでの読み出しが完了した時点で、φＴＧ２を"Ｈ"レベルとし、蓄積部５に保持された第２信号電荷を電荷転送部８に転送する（Ｔ３）。そして、電荷転送部８において転送された信号電荷は、順次出力アンプ９を介して取り出される。
【００３６】
このように本発明によれば、光電変換部のみならず、予備蓄積部、第１制御部、電荷蓄積部、第２制御部及び電荷転送部が同一導電型の半導体領域に形成されているため、電荷の移動が円滑に行われる。また、動作時において、半導体基板の表面がＰ型となるピンニング状態となるため、暗電流の発生を抑制することができる。第２蓄積部の不要電荷をリセットドレインへ完全に排出することができるため、残像の発生を抑制することができる。
【００３７】
本発明の実施の形態２につき、図６を用いて説明する。なお、図６は、図３に光電変換部２からリセット部６までの構成に対応している。本実施の形態では、光電変換部２、予備電荷蓄積部３、第１制御ゲート部４、信号電荷蓄積部５、第２制御ゲート部６、電荷転送部８、リセット部７等が、単層として半導体領域１１０を基体として形成されている。さらに、単層の半導体領域１１０を採用していることから、このままでは、第１制御ゲート部４や電荷保持部３、６に所定のポテンシャルの差が生じないため、半導体領域１１０の、光電変換部２、予備電荷蓄積部３および制御ゲート部４の一部に相当する部分１２０の表面不純物濃度を他の部分に比して低くしている。これは、該当部分１２０にボロン等のＰ型不純物を選択的にイオン注入することで実現される。
【００３８】
すなわち、チャネルストップ領域１３、半導体領域１１０、光電変換部２のP＋領域２１を形成した後に、該当部分１２０のP月不純物を選択的にイオン注入する。その後、第１ゲート電極層として例えばポリシリコンでなるゲート電極３２、５２およびCCD部の一層目ゲート電極を形成し、不所望な部分にマスクをかけて、ボロン等のP型不純物を再度イオン注入し、不純物層４１、７１を形成する。
【００３９】
本実施の形態でも、前実施の形態と同様の動作、効果が得られることは容易に理解されるので、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
次に、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置について図７及び図８を参照して説明する。図７は、本実施の形態に係る固体撮像装置１００の構成を示す平面図であり、図８（ａ）は図７のＵ−Ｕ'断面図、同図（ｂ）は各部のポテンシャルを示す図である。本実施の形態において、実施の形態１と異なる点はリセット部７の構成であり、他の構成については説明を省略する。
【００４１】
図７及び図８（ａ）に示すように、本実施の形態に係るリセット部７は、電荷蓄積部５から不要電荷を排出する機能に加えて、予備蓄積部３から不要電荷を排出する機能を有する。リセット部７は、第１領域の表面部に選択的に形成された、第１領域１１と同一のＮ型で、第１領域１１よりも低濃度の第４不純物層７５を有している。第４不純物層７５は、例えば、第３不純物層７１と同様に５０ＫｅＶで９．０×１０１１／ｃｍ２となるようにボロンを注入することで、シリコン基板１０の表面に薄いＮ−層を形成することができる。また、第４不純物層７５上には、ゲート絶縁膜７６を介して第２リセットゲート電極７７が形成されている。第２リセットゲート電極７７には、所定のクロックパルスが印加される。第２リセットゲート電極７７の一部は、蓄積ゲート電極３２とオーバーラップしている。また、シリコン基板１０上には、Ｎ＋領域からなるリセットドレイン７４が設けられている。リセットドレイン７４は、第２リセットゲート電極７３と第２リセットゲート電極７７とで共有されている。蓄積部３から、第２リセットゲート電極７７を介してリセットドレイン７４へ信号電荷を排出することができる。
【００４２】
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した固体撮像装置１のシリコン基板１０及びチャネルストップ領域１３に０Ｖ（ＧＮＤ）電位が、第２リセットゲート電極７７にクロックパルスφＲ２が印加された場合の基板表面の各部のポテンシャルを示している。図８（ｂ）中実線はクロックパルスφＲ２が"Ｌ"レベルであるときの状態を示しており、破線は"Ｈ"レベルである状態を示している。
【００４３】
本実施の形態にかかる固体撮像装置において、光電変換部２に光が入射することによって発生した信号電荷は、予備蓄積部３の電位井戸に蓄積される。光量の多い環境下では、光電変換部２から信号電荷があふれてしまうことにより、蓄積部３に蓄積された信号電荷に影響を及ぼしてしまうことがある。このとき、第２制御ゲート電極６３に印加されるφＴＧ２を"Ｌ"レベルとしたままで、φＲ２を"Ｈ"レベルとすることにより、第２制御部６と分離した状態であふれた信号電荷をリセットドレイン７４へ排出することができる。これにより、飽和の無い良好な画像情報を得ることができる。
【００４４】
図９を参照して、実施の形態３に係る固体撮像装置１００の動作について説明する。図９に示すように、リセット期間、第１蓄積期間、第２蓄積期間、電荷転送期間を有している。
【００４５】
リセット期間においては、φＲ１及びφＲ２が"Ｈ"レベルであり、φＴＧ１及びφＴＧ２は"Ｌ"レベルである。この間、蓄積部３及び５の不要電荷は、リセットドレイン７４へ完全に排出される。そして、第１蓄積期間においては、φＲ１及びφＲ２が"Ｌ"レベルとなり、光電変換部２から蓄積部３へ信号電荷が転送される（Ｔ１）。そして、第１蓄積期間においては、φＴＧ１が"Ｈ"レベルになることにより、第１蓄積部３に蓄積された信号電荷が第２蓄積部５へ転送される（Ｔ２）。その後、φＴＧ１を"Ｌ"レベルとし、全てのイメージエリアでの読み出しが終了するまで、信号電荷は蓄積部５に保持される。電荷転送期間においては、全てのイメージエリアでの読み出しが完了した時点で、φＴＧ２を"Ｈ"レベルとし、蓄積部５に保持された第２信号電荷を電荷転送部８に転送する（Ｔ３）。そして、電荷転送部８において転送された信号電荷は、順次出力アンプ９を介して取り出される。
【００４６】
本発明の実施の形態４による固体撮像装置を図１０および図１１を用いて説明する。なお、図１１(a)は図１０のX−X′線に沿った断面図であり、同図(b)は(a)の各部のポテンシャルである。本実施の形態の特徴は、図１等の予備電荷蓄積部３を介することなく、光電変換部２での信号電荷が制御ゲート４の制御の下で電荷蓄積部５に供給され蓄積されることにある。また、光電変換部２としてのフォトダイオードの制御ゲート電荷を設けた側とは反対側にリセットドレイン９０が設けられている。このリセットドレイ９０は、N−領域９０１（領域４１、６１と同時形成）とその上のリセットゲート電極９０２を有する。また、N＋型のドレイン領域が領域１１と接して制御ゲート４とは反対側に形成されている。電極９０２にリセットパルスφＲ２が印加されることにより、フォトダイオードの電荷がリセットされる。なお、図１１には、遮光膜２００が示されているが、この遮光膜２００は実施形態１〜３でも同様に設けられている。
【００４７】
図１２および１３は本発明の実施形態５による固体撮像装置を示すものであり。本実施形態では、図１１のリセットドレインの代わりにシャッタ構造８５を設けて、電荷蓄積部５側への不所望な電荷を防止したものである。シャッタ構造８５は、図１３に示すように、領域１１と接して制御ゲート４とは反対側に設けられたN＋ドレイン領域７５（本領域は各フォトダイオード間で連続するように形成）と、フォトダイオードのP＋領域２と接し且つ深いP＋領域８５１を有して構成される。
【００４８】
図１４および１５に本発明実施の形態６による固体撮像装置を示す。本形態では、伝家蓄積領域が、これまでの実施形態とは違って、フォトダイオード２と同様にP型領域とN型領域とにより構成されている。すなわち、図１５に示すように、電荷蓄積部５の相当するN型領域１２の表面部分にP＋型領域１０５２が形成されている。また、所望のポテンシャルを得るために、この部分にはN型領域１０５１が付加されており、全体として、領域１１、１２に比して深くなっている。本実施形態は、これまでの実施形態のように蓄積電極にマイナス電圧を加えることで表面をP型に反転させるピンニングゲートタイプではないので、P＋領域１０５２を覆う蓄積制御電極は不要となる。
【００４９】
なお、実施形態４〜６それぞれの動作は、各実施の形態１乃至３から容易に理解されることであるので、省略する。
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換部のみならず、各蓄積部、各制御部及び電荷転送部が同一の導電型領域に形成されているため、電荷の移動が円滑に行われ、残像の発生を抑制することができる。また、蓄積部ではピンニング制御あるいはデバイス構造そのものにより、動作時において、半導体基板の表面がＰ型となる状態となるため、暗電流の発生を抑制することができる。そして、第１制御電極及び第２制御電極により、蓄積時間を制御することが可能であり、光量の少ない環境下でも十分な信号量を得ることが可能であり、また、光量の多い環境下では、蓄積時間を短くすることにより飽和の無い画像情報を得ることができる。
【００５１】
本発明は、暗電流を低減した蓄積時間の制御可能な構造の実現が目的であり、光電変換部、蓄積部、リセット部、電荷転送部及び各部の制御に関する以外の部分は、上述の例以外の方法を用いることも可能である。例えば、上述の実施の形態においては、２相駆動の電荷転送部を用いた例について説明したが、電荷転送部の駆動方法は、４相駆動など他の方法を用いることも可能である。また、上述の実施の形態では２層ポリシリコンゲート構造の例を示しているが、単層構造、３層構造など他の構造でも実現可能である。また、動作状態で基板の表面がＰ型となるピンニング状態とし、蓄積部を２段としてそれぞれの出口に制御ゲート電極を設ける構成とすれば、リセット部の有無については選択可能である。さらに、各実施形態の特徴を適宜組合わせた固体撮像装置も構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図４】図１のＺ−Ｚ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図５】実施形態１の固体撮像装置を動作させるためのタイミングの一例である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図８】図７のＵ−Ｕ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図９】実施形態３の固体撮像装置を動作させるためのタイミングの一例である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図１１】図１０のＸ−Ｘ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図１３】図１２のＸ−Ｘ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図１５】図１４のＸ−Ｘ'断面図及び、動作時のポテンシャル図である。
【図１６】従来のイメージセンサを示す平面図である。
【図１７】他の従来のイメージセンサを示す平面図である。
【図１８】図１７のＸ−Ｘ'断面図及び動作時のポテンシャルを示す図である。
【図１９】従来の固体撮像装置の基板深さ方向の電位プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  固体撮像装置
２  光電変換部
３  予備蓄積部
４  第１制御ゲート部
５  電荷蓄積部
６  第２制御ゲート部
７  リセット部
８  電荷転送部
９  出力アンプ
【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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