(57)【要約】      （修正有）【課題】低電圧駆動による高速かつロスの少ない高効率な信号電荷転送を実現する固体撮像装置を提供する。【解決手段】信号電荷転送チャネル領域は、信号電荷を蓄えておくためのストレージ電極としての第１のポリシリコンゲート電極と、これらの第１のポリシリコンゲート電極下に蓄えられた信号電荷を隣接する第１のポリシリコンゲート電極下に転送するためのバリア電極としての第２のポリシリコンゲート電極を備えており、前記複数の第１および第２のポリシリコンゲート電極は、それらの両端部が信号電荷の転送方向に対して垂直かつ交互に配置され、それらの中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めかつ交互に配置され、かつ、前記複数の第２のポリシリコンゲート電極下の半導体層は、信号電荷の転送方向に対して水平方向に順次Ｐ＋拡散層の深さの異なる第１の拡散層、第２の拡散層、第３の拡散層で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に１次元もしくは２次元配列される複数の光電変換素子と、
これらの光電変換素子から得られた信号電荷を読み出すための複数の信号電荷読み出しゲート電極と、
これらの信号電荷読み出しゲートによって読み出された信号電荷をチャネル領域に転送するための複数の転送ゲート電極と、
これらの転送ゲートを介して転送された信号電荷を蓄えておくための複数のストレージ電極と、
これらのストレージ電極下に蓄えられた信号電荷を隣接するストレージ電極下に転送するための複数のバリア電極とを備えており、
前記複数のストレージ電極および前記複数のバリア電極の両端部が信号電荷の転送方向に対して垂直かつ交互に配置され、前記複数のストレージ電極および前記複数のバリア電極の中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めかつ交互に配置され、かつ、前記複数のバリア電極下の半導体層は、信号電荷の転送方向に対して水平方向に順次拡散層の深さが異なり、前記複数のバリア電極下の両端部の半導体層が信号電荷の転送方向に対して垂直に配置され、前記複数のバリア電極下の半導体層の中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めに配置されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板はＮ型半導体であり、バリア電極下はＰ＋型半導体層であるチャネル領域において、信号電荷が転送される方向の隣接チャネル領域のストレージ電極下から、当該チャネルストレージ電極下に向かって順に深さが深くなるＰ＋型半導体層であ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】
前記チャネル領域のストレージ電極およびバリア電極は、ポリシリコンを材料とすることを特徴とする請求項１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、光電変換部により生成された信号電荷を転送する信号電荷転送部において、低電圧駆動であっても、高速かつロスが少なく、高い効率で信号電荷を転送することができる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、光電変換素子を用いることで、受光した光をその光量に応じた量の信号電荷として出力し、出力された信号電荷を画像出力回路に転送することで画像を出力している。
【０００３】
従来の固体撮像装置は、半導体基板上に１次元もしくは２次元配列され、素子分離領域で区切られる複数の光電変換素子と、これらの光電変換素子から得られた信号電荷を読み出すための複数の信号電荷読み出しゲート電極と、これらの信号電荷読み出しゲートによって読み出された信号電荷をチャネル領域に転送するための複数の転送ゲート電極と、チャネル領域に引きこまれた信号電荷を他チャネルおよび画像出力回路に転送するためのチャネル領域からなる。チャネル領域は、転送ゲートを介して転送された信号電荷をチャネル領域に蓄えるための複数のストレージ電極と、これらのストレージ電極下の半導体層に蓄えられた信号電荷を隣接するストレージ電極下の半導体層に転送するための複数のバリア電極を備えており、これらストレージ電極とバリア電極は、信号電荷の転送方向に対して垂直、かつ、交互に配列されている。さらに、ストレージ電極下の半導体層の両端は、一方が前記転送ゲートに接続され、他方はチャネルストップ領域に接続される。これらストレージ電極およびバリア電極に電圧パルスを印加し、電極下部の電圧を周囲に比べて高電圧にすることで、信号電荷を転送している。
【０００４】
ストレージ電極およびバリア電極が、信号電荷の転送方向に対して垂直に形成されるチャネル領域を持つ固体撮像装置に対して、多チャネル出力を実現するために、出力チャネル数と同数のチャネル領域を備え、チャネル領域間において、信号電荷を転送させるためのチャネル領域間転送電極が、信号電荷の出力方向への転送方向に対して斜めに形成される例（特許文献１）や、ストレージ電極およびバリア電極を信号電荷の転送方向に対して斜めに形成し、隣接するストレージ電極間における信号電荷の転送距離を短くすることで、信号電荷を高速に転送する例がある。
【０００５】
しかし、上記のような、ストレージ電極およびバリア電極を信号電荷の転送方向に対して斜めに配置する構成からなるチャネル領域において、信号電荷を高速かつ高効率に転送させる場合、両電極には高い電圧パルスを印加する必要があり、信号電荷は、ストレージ電極およびバリア電極に対して垂直に転送されることから、信号電荷が転送される軌道は、チャネルストップ領域近傍を通るか、もしくは、チャネルストップ領域に衝突することとなり、この様な状況下での低い電圧パルスの転送では大きな損失になる。このため、低電圧パルス印加時であっても、高速かつ高効率な信号電荷の転送は、困難であった。
【特許文献１】特開２００４−３１２６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、高速かつロスの少ない高効率に転送する固体撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に１次元もしくは２次元配列される複数の光電変換素子と、これらの光電変換素子から得られた信号電荷を読み出すための複数の信号電荷読み出しゲート電極と、これらの信号電荷読み出しゲートによって読み出された信号電荷をチャネル領域に転送するための複数の転送ゲート電極と、これらの転送ゲートを介して転送された信号電荷を蓄えておくための複数のストレージ電極と、これらのストレージ電極下に蓄えられた信号電荷を隣接するストレージ電極下に転送するための複数のバリア電極を備えており、前記複数のストレージ電極および前記複数のバリア電極の両端部が信号電荷の転送方向に対して垂直かつ交互に配置され、前記複数のストレージ電極および前記複数のバリア電極の中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めかつ交互に配置され、かつ、前記複数のバリア電極下の半導体層は、信号電荷の転送方向に対して水平方向に順次拡散層の深さが異なり、前記複数のバリア電極下の両端部の半導体層が信号電荷の転送方向に対して垂直に配置され、前記複数のバリア電極下の半導体層の中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めに配置されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上に述べたように本発明によれば、光電変換素子から得た信号電荷を高速かつロスが少なく高効率に転送することが可能な固体撮像装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施例について図１〜図４を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例に係る固体撮像装置の要部の構造を説明する上面図である。また、図２は、図１に示す固体撮像装置のＡ−Ａ’断面図を表す。
【００１１】
Ｎ型半導体基板１１上にＰ型半導体層２２が形成され、光電変換素子１２としての機能を持つＰ型半導体層２２内に埋め込まれたＮ型半導体層２１とその表面を覆うＰ＋型半導体層が、１次元もしくは２次元的に配列形成される。光電変換素子１２のそれぞれに接続される信号電荷読み出しゲート電極１３は、光電変換素子１２によって生成された信号電荷を読み出し、かつ、信号電荷読み出しゲート電極１３下の半導体層に信号電荷を蓄えるために配置されている。これらの信号電荷読み出しゲート電極１３とチャネル領域間には、信号電荷読み出しゲート電極１３下の半導体層に蓄えられた信号電荷をチャネル領域に転送するために転送ゲート電極１４が配置される。
【００１２】
各転送ゲートには、各転送ゲートを介して転送された信号電荷をＰ型半導体層２２内に埋め込まれたＮ型半導体層２１のチャネル領域に蓄えておくためのストレージ電極として、第１のポリシリコンゲート電極１５が接続されている。隣接する第１のポリシリコンゲート電極１５間には、これらの第１のポリシリコンゲート電極１５下に蓄えられた信号電荷を隣接する第１のポリシリコンゲート電極１５下に転送するためのバリア電極として、第２のポリシリコンゲート電極１６が配置されている。
【００１３】
複数の第１のポリシリコンゲート電極１５および第２のポリシリコンゲート電極１６は、それらの両端部１５−１、１５−２、１６−１、１６−２が信号電荷の転送方向に対して垂直かつ交互に配置され、それらの中央部１５−３、１６−３が信号電荷の転送方向に対して斜めかつ交互に配置される。複数の第２のポリシリコンゲート電極１６下の半導体層は、信号電荷の転送方向に対して水平方向に順次Ｐ＋拡散層の深さの異なる第１の拡散層１７、第２の拡散層１８、第３の拡散層１９で構成され、電荷の転送方向とは逆方向に向かうほど拡散層の深さが深くなっている。よって、第１、第２、第３の拡散層１７、１８、１９は、拡散濃度も異なっており、信号電荷の転送方向とは逆方向に向かうほど不純物濃度が濃くなっている。また、各光電変換部およびチャネル領域の両端部は、チャネルストップ領域２０で区切られている。前記第１、第２、第３の拡散層１７、１８、１９は、それらの両端部が信号電荷の転送方向に対して垂直に配置され、それらの中央部が信号電荷の転送方向に対して斜めに配置される。
【００１４】
次に、以上のように構成された固体撮像装置の動作を説明する。
【００１５】
光電変換素子１２から得られた信号電荷は、信号電荷読み出しゲート電極１３に電圧パルスを印加することで、信号電荷読み出しゲート電極１３下の半導体層に信号電荷を蓄えておく。
【００１６】
信号電荷読み出しゲート電極１３下に蓄えられた信号電荷は、転送ゲート電極１４にパルス電圧を印加することで、転送ゲート下の半導体層と第１のポリシリコンゲート電極１５下の半導体層との間に電位差を生じさせ、信号電荷は転送ゲート電極１４下の半導体層を移動し、第１のポリシリコンゲート電極１５下の半導体層に転送される。
【００１７】
第１および第２のポリシリコンゲート電極１５および１６にパルスが印加されると、Ｎ型半導体層２１が最も高電位となり、第２のポリシリコンゲート電極１６下のＰ＋型拡散層１７、１８、１９の電位は、電荷の進む方向とは逆向きに階段状に低電位になる。このように電位勾配を多段化することで低電圧パルスの入力においてでも、信号電荷を容易に次第１のポリシリコンゲート電極１５下へと転送可能となる。
【００１８】
図３は、図１に示す固体撮像装置を用いた場合に転送される信号電荷２３および、転送される信号電荷の軌跡２４を示している。転送される信号電荷の軌跡２４は、チャネル領域の中央部に、斜めに配置された第１のポリシリコンゲート電極１５−３および第２のポリシリコンゲート電極１６−３対して垂直方向に、チャネル領域端部に向かって進むが、チャネル領域端部においては、信号電荷が進むべき方向に向かって垂直に配置された第１のポリシリコンゲート電極１５−２および第２のポリシリコンゲート電極１６−２および第２のポリシリコンゲート電極１６−２下拡散層１７−２、１８−２、１９−２に対して垂直方向に進むため、本来進むべき方向へと軌道修正される。また、この軌道修正は、チャネル領域端部の信号電荷が進むべき方向に対して垂直に配置された第１のポリシリコンゲート電極１５−２および第２のポリシリコンゲート電極１６−２および第２のポリシリコンゲート電極１６−２下拡散層１７−２、１８−２、１９−２の垂直領域の長さや幅を調整することにより軌道を容易に変えられる。図３は、チャネル領域端部に進んだ信号電荷２３をチャネル領域中央部へ軌道修正しながら転送している例を示している。
【００１９】
図４は、本発明による固体撮像装置と、従来例による固体撮像装置を用いて信号電荷を転送する場合において、電極に印加する電圧の大きさと、そのときの信号電荷の転送効率の関係を示す実施例である。図４においては、参考として、ストレージ電極およびバリア電極が、信号電荷の転送方向に対して垂直に配置されたチャネル領域をもつ固体撮像装置を用いて信号電荷を転送した場合の実施例も示している。図４から、本発明によれば、低電圧パルスの印加時であっても、従来の、ストレージ電極およびバリア電極が、信号電荷の転送方向に対して斜めに配置される固体撮像装置と比較して、信号電荷の転送効率が劣化しにくいことがわかる。さらに、図示はしないが、本発明による固体撮像装置を用いた信号電荷転送速度は、従来例と比較しておよそ１４％程度の高速化が可能であることがシミュレーション結果から確認されている。以上から、本発明による固体撮像装置は、従来例と比較して、低駆動電圧であっても高速、かつ高効率な信号電荷の転送が可能であることがわかる。さらに、本発明による固体撮像装置は、低駆動電圧であることから、ＥＭＩノイズを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による固体撮像装置の実施例を示す上面図である。
【図２】図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図３】図１に示す本発明の固体撮像装置の動作を説明するための上面図である。
【図４】本発明による固体撮像装置と、従来のストレージ電極およびバリア電極が、信号電荷の転送方向に対して斜めに配置される固体撮像装置とを用いて信号電荷を転送する場合において、電極に印加する電圧の大きさと、そのときの信号電荷の転送効率の関係を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００２１】
１１：Ｎ型半導体基板、１２：光電変換素子、１３：信号電荷読み出しゲート電極、１４：転送ゲート電極、１５：第１のポリシリコンゲート電極、１５−１、１５−２：第１のポリシリコンゲート電極の両端部、１５−３：第１のポリシリコンゲート電極の中央部、１６：第２のポリシリコンゲート電極、１６−１、１６−２：第２のポリシリコンゲート電極の両端部、１６−３：第２のポリシリコンート電極の中央部、１７：第１の拡散層、１７−２：第１の拡散層の端部、１８：第２の拡散層、１８−２：第２の拡散層の端部、１９：第３の拡散層、１９−２：第３の拡散層の端部、２０：チャネルストップ領域、２１：転送チャネルとなるＮ型半導体層、２２：Ｐ型半導体層、２３：転送される信号電荷、２４：転送される信号電荷の軌跡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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