(57)【要約】【課題】電荷検出部で高電圧を使用すると、後段のＭＯＳトランジスタとして高耐圧のものを使用せざるを得ないため、周辺回路の微細化、高速化および低消費電力化を図る上で不利になる。【解決手段】水平ＣＣＤ構造のＣＣＤ撮像素子において、水平ＣＣＤ１４を製造するに当たって、少なくとも出力部分、好ましくは画素部１１の領域外の転送部分について、その転送チャネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成し、電荷検出部１５のＦＤ部のポテンシャルを浅く設定することで、ＦＤ部で十分な特性を確保しながら、電荷検出部１５の低電圧化を実現できるようにする。【選択図】        図３
2004273792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光を光電変換する画素部と、
出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を少なくとも出力部分に持ち、前記画素部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部によって転送された信号電荷を電気信号に変換する電荷検出部と
を具備することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記電荷転送部は、前記チャネル構造の出力部分において、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広くなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷転送部は、前記チャネル構造の出力部分を前記画素部の領域外に持つ
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電荷転送部は、前記チャネル構造の出力部分において、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広く、かつ転送方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に狭くなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記電荷転送部は、前記チャネル構造の出力部分を前記画素部の領域外に持つ
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記電荷転送部は、前記画素部で光電変換された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記電荷転送部は、前記垂直転送部で転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部である
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記電荷転送部は、前記画素部で光電変換された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部で転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部の双方である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記電荷転送部は、ＣＣＤ構造を含む
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
受光した光を光電変換する画素部と、
前記画素部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部によって転送された信号電荷を電気信号に変換する電荷検出部とを具備する固体撮像素子の製造方法であって、
前記電荷転送部の少なくとも出力部分について、その転送チャンネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記電荷転送部の少なくとも出力部分の転送チャンネルを形成する不純物に対して当該不純物の濃度を下げるように逆導電型の不純物を導入するとともに、当該逆導電型の不純物のドーズ量を出力側に行くにつれて徐々に変える
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法に関し、特に撮像素子と同じ半導体基板上に周辺回路を搭載してなる固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型撮像素子（以下、「ＣＣＤ撮像素子」と略称する）に代表される固体撮像素子では、近年、多機能化等を目的として、撮像素子と同じ半導体基板（チップ）上に種々の周辺回路を搭載する傾向にある。周辺回路としては、例えば、電荷検出部で電荷から電圧に変換された信号を受けるＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロア回路構成の出力回路が挙げられる。
【０００３】
ＣＣＤ撮像素子では、一般的に、受光した光を信号電荷に光電変換するセンサ部において、光電変換した信号電荷を蓄積するためにはポテンシャルを深く確保しておく必要がある。このセンサ部の構造上、当該センサ部から信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、読み出した信号電荷を転送する電荷転送部のポテンシャルについても、センサ部のポテンシャルに対応させてある程度深く設定されている。
【０００４】
そして、電荷転送部によって転送された信号電荷を電圧信号に変換して出力する例えばフローティングディフュージョン（ＦＤ）構成の電荷検出部において、ＦＤ部で十分な電荷を確保するためには、即ちダイナミックレンジを確保するためには、ＦＤ部でも電荷転送部と同様な深さのポテンシャルを実現する必要がある。したがって、電荷検出部においても、図７に示すように、電荷転送部と同程度の深さのポテンシャルを実現するために高電圧、例えば１２Ｖ程度の電圧を用いるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２１４９６１号公報（特に、段落０００７、００２６および図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来例に係るＣＣＤ撮像素子では、センサ部の構造上決まったポテンシャルのままで信号電荷を転送するのに対応して電荷検出部でも高電圧を使用していたため、当該電荷検出部の後段に配され、電荷検出部で発生した電圧を受ける出力回路では高耐圧のＭＯＳトランジスタ、例えば１２Ｖ程度の高電圧に耐え得るＭＯＳトランジスタを使わざるを得なかった。このように、高耐圧のＭＯＳトランジスタを用いると、周辺回路の微細化、高速化および低消費電力化を図る上で不利になる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、周辺回路の微細化、高速化および低消費電力化の実現を可能にした固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像素子は、受光した光を光電変換する画素部と、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を少なくとも出力部分に持ち、前記画素部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部によって転送された信号電荷を電気信号に変換する電荷検出部とを具備する構成となっている。
【０００９】
固体撮像素子において、電荷検出部のポテンシャルは、電荷転送部のポテンシャルによって決まる。電荷転送部の少なくとも出力部分のチャネル構造が、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるということは、最終転送段部分のポテンシャルが転送開始部分のポテンシャルよりも浅いことを意味する。したがって、電荷検出部のポテンシャルを浅く設定できる。これにより、電荷検出部で使用する電圧を、ポテンシャルが浅く設定できる分だけ下げることができ、しかもその後段に配置する出力回路を構成するのに、耐圧の低いＭＯＳトランジスタを用いることができる。
【００１０】
本発明による固体撮像素子の製造方法は、受光した光を光電変換する画素部と、前記画素部で光電変換された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部によって転送された信号電荷を電気信号に変換する電荷検出部とを具備する固体撮像素子の製造に当たり、前記電荷転送部の少なくとも出力部分について、その転送チャンネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成する。
【００１１】
固体撮像素子において、電荷検出部のポテンシャルは、電荷転送部のポテンシャルによって決まる。したがって、電荷転送部の少なくとも出力部分の転送チャネルを、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成することで、最終転送段部分のポテンシャルを転送開始部分のポテンシャルよりも浅く設定できる。その結果、電荷検出部のポテンシャルを浅く設定できる。これにより、電荷検出部で使用する電圧を、ポテンシャルが浅く設定できる分だけ下げることができ、しかもその後段に配置する出力回路を構成するのに、耐圧の低いＭＯＳトランジスタを用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、画素部１１の各センサ部（画素）１２で光電変換された信号電荷を垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１３で垂直方向に転送し、さらに水平ＣＣＤ（水平転送部）１４で水平方向に転送し、水平ＣＣＤ１４の後段に設けられた電荷検出部１５で電圧信号に変換し、出力回路１６を介して出力する、いわゆる水平ＣＣＤ構造のＣＣＤ撮像素子に適用した場合を例に挙げている。
【００１４】
図１において、センサ部１２はフォトダイオード等の光電変換素子からなり、半導体基板１０上に行列状に多数二次元配置されて画素部１１を構成しており、受光した光を露光期間に亘って光電変換し、光電変換によって発生する信号電荷を蓄積する。垂直ＣＣＤ１３は、センサ部１２の垂直画素列ごとに配され、センサ部１２の各々から読み出される信号電荷を、例えば４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４によって駆動されることにより垂直方向に転送する。
【００１５】
垂直ＣＣＤ１３の各々からは、水平ＣＣＤ１４に対して信号電荷が１行（１ライン）単位で転送される。水平ＣＣＤ１４は、垂直ＣＣＤ１３の各々から転送される１ライン分の信号電荷を、例えば２相のクロックパルスφＨ１，φＨ２によって駆動されることにより水平方向に転送する。本実施形態ではこの水平ＣＣＤ１４の構造を特徴としており、その詳細については後述する。
【００１６】
電荷検出部１５は、水平ＣＣＤ１４の転送先側の端部に配されて当該水平ＣＣＤ１４によって転送される信号電荷を電圧信号に変換して出力する。電荷検出部１５としては、例えば、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）１５１、リセットドレイン部（ＲＤ部）１５２およびリセットゲート部（ＲＧ部）１５３を有するフローティングディフュージョン構成のものが用いられる。
【００１７】
このフローティングディフュージョン構成の電荷検出部１５において、ＲＤ部１５２にはそのポテンシャルが、水平ＣＣＤ１４の最終転送段のポテンシャルに対応したポテンシャルになるように、具体的には当該最終転送段の深いときのポテンシャルよりもさらに深いポテンシャルになるように、所定のリセットドレイン電圧ＶＲＤが印加されている。また、ＲＧ部１５３のゲート電極には、クロックパルスφＨ１，φＨ２に同期し、かつ例えば当該クロックパルスφＨ１，φＨ２とほぼ同振幅のリセットゲートパルスφＲＧが所定のタイミングで与えられる。これにより、ＦＤ部１５１の電位がリセットゲートパルスφＲＧの周期でリセットドレイン電圧ＶＲＤにリセットされる。
【００１８】
電荷検出部１５で電圧変換されて得られる電圧信号は、出力回路１６を介してＣＣＤ撮像信号として半導体基板１０外に出力される。出力回路１６は、画素部１１、垂直ＣＣＤ１３、水平ＣＣＤ１４および電荷検出部１５と同じ半導体基板１０に搭載される周辺回路の一つであり、例えばソースフォロア回路構成となっている。
【００１９】
具体的には、図１から明らかなように、出力回路１６は、ソース電極とドレイン電極が接続された駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１および負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ１からなる１段目のソースフォロアと、ソース電極とドレイン電極が接続された駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ２および負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ２からなる２段目のソースフォロアと、ソース電極とドレイン電極が接続された駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ３および負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ３からなる３段目のソースフォロアとを有する３段のソースフォロア回路構成となっている。
【００２０】
この３段ソースフォロア構成の出力回路１６において、１段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１のゲート電極は、電荷検出部１５のＦＤ部１５１に接続されている。２段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ２のゲート電極は、１段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１のソース電極に接続されている。３段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ３のゲート電極は、２段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ２のソース電極に接続されている。
【００２１】
駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１，ＤＭ２，ＤＭ３の各ドレイン電極は、正側電源ＶＤＤに接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ１，ＬＤ２，ＬＤ３の各ソース電極は、負側電源ＶＳＳに接続されている。また、負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ１，ＬＤ２，ＬＤ３の各ゲート電極には、バイアス電圧ＶＧＧが共通に印加されている。そして、３段目のソースフォロアの駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ３のソース電極から、出力回路１６の出力信号Ｖｏｕｔ  がＣＣＤ撮像信号として導出されることになる。
【００２２】
なお、駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１〜ＤＭ３および負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ１〜ＬＤ３はＮｃｈのトランジスタであり、Ｐウェルが接地されている。また、１段目の駆動ＭＯＳトランジスタＤＭ１はエンハンスメントモードのトランジスタ、他の駆動ＭＯＳトランジスタＭＤ２，ＭＤ３および負荷ＭＯＳトランジスタＬＭ１〜ＬＤ３はデプレッションモードのトランジスタである。
【００２３】
ここでは、出力回路１６として、３段のソースフォロア回路構成のものを用いるとしたが、これに限られるものではなく、２段以下あるいは４段以上のソースフォロア回路構成のものであっても良いことは勿論である。
【００２４】
次に、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子において特徴とする水平ＣＣＤ１４の構造について具体的に説明する。
【００２５】
図２は水平ＣＣＤ１４の構成の一例を示す平面パターン図、図３は図２のＸ−Ｘ′線に沿った断面でのポテンシャル図である。
【００２６】
先述したように、ＣＣＤ撮像素子では、センサ部１１の構造上の制約から、垂直ＣＣＤ１３および水平ＣＣＤ１４では転送チャネルのポテンシャルが、センサ部１１のポテンシャルに対応して深く設定されているのが現状である。これに対して、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子では、水平ＣＣＤ１４の少なくとも出力部分、好ましくは画素部１１の領域外の出力部分が、図３のポテンシャル図から明らかなように、出力側（電荷検出部１５側）に向けてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を有している。
【００２７】
ただし、垂直ＣＣＤ１３から水平ＣＣＤ１４へ転送された１ライン分の信号電荷の水平転送への移行を円滑に行うためには、水平ＣＣＤ１４における画素部１１の領域内に位置する転送部分のポテンシャルについては、垂直ＣＣＤ１３と同様に、センサ部１１のポテンシャルに対応して深く設定しておく方が好ましい。この場合、画素部１１の領域外の転送部分（出力部分）のポテンシャルは、画素部１１の領域内に位置する転送部分のポテンシャルから出力側に行くにつれて徐々に浅くなることになる。また、最終転送段のポテンシャルは、ＦＤ部１５１で従来よりも低い電圧を使って実現できるポテンシャルとする。
【００２８】
この水平ＣＣＤ１４の製造に当たって、転送チャンネルのポテンシャルを徐々に浅くするには、転送チャンネルを形成する不純物（例えば、Ｎ型不純物）に対して当該不純物の濃度を下げるように逆導電型の不純物（例えば、Ｐ型不純物）を導入するとともに、当該逆導電型の不純物のドーズ量を出力側に行くにつれて徐々に変えるようにすれば良い。
【００２９】
なお、図３では、ポテンシャルの変化を３段で示しているが、これに限られるものではなく、ポテンシャルを変化させる段数は水平ＣＣＤ１４の転送段の数や面積などに応じて自由に設定することが可能である。
【００３０】
水平ＣＣＤ１４における画素部１１の領域外の転送部分において、転送チャンネルのポテンシャルが浅くなることにより、画素部１１の領域外の転送部分における各転送段ごとの取り扱い電荷量が減少する可能性がある。この取り扱い電荷量の減少分を補うためには、画素部１１の領域外の転送部分における各転送段の平面視面積を、画素部１１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じになるようにすれば良い。
【００３１】
画素部１１の領域外の転送部分における各転送段の平面視面積を、画素部１１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じにするために、画素部１１の領域外の転送部分について、図２の平面パターン図から明らかなように、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法（幅）が出力側に行くにつれて徐々に広くなるように、好ましくは各転送段の平面視面積が画素部１１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じになるように形成している。
【００３２】
このように、水平ＣＣＤ１４において、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を有する出力部分については、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広くなるように形成することで、各転送段の平面視面積を画素部１１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じにできるので、ポテンシャルが徐々に浅くなったとしても、各転送段ごとの取り扱い電荷量が減少することはない。
【００３３】
特に、画素部１１の領域外の転送部分において、各転送段の幅を拡張する構成を採ることで、図１から明らかなように、画素部１１の領域外では各転送段の幅の拡張を阻害する要素が存在しないため、各転送段を転送方向に垂直な方向に自由に拡張することができる。したがって、各転送段の幅を任意に設定することが可能になり、１段当たりの転送方向の長さを短く設定できるため、水平ＣＣＤ１４が転送方向に極端に長くなるのを回避できる。
【００３４】
さらに、各転送段の平面視面積を同じに設定するとした場合、各転送段を転送方向に対して垂直な方向に拡張することによって十分な電荷を確保できる場合には、その分だけ１段当たりの転送方向の長さを短く設定できることになる。すなわち、画素部１１の領域外の転送部分において、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広く、かつ転送方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に狭くなるように形成することで、各転送段ごとの取り扱い電荷量として画素部１１の領域内の転送部分の取り扱い電荷量とほぼ同じ量を確保でき、しかも転送方向の１段当たりの長さを短くできることで、信号電荷の水平転送がより行いやすくなる。
【００３５】
なお、水平ＣＣＤ１４において、画素部１１の領域外の転送部分を駆動する２相のクロックパルスφＨ１，φＨ２としては、画素部１１の領域内の転送部分を駆動するクロックパルスと同振幅のもの、あるいは振幅の異なるもののいずれを用いるようにしても良い。ただし、同振幅のものを用いるようにした方が、別途クロックパルスを生成する必要がないため有利である。
【００３６】
上述したように、水平ＣＣＤ構造のＣＣＤ撮像素子において、水平ＣＣＤ１４を製造するに当たって、少なくとも出力部分、好ましくは画素部１１の領域外の転送部分について、その転送チャネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成することで、最終転送段部分のポテンシャルを転送開始部分のポテンシャルよりも浅く設定できるため、電荷検出部１５のＦＤ部１５１のポテンシャルを浅く設定できる。これにより、電荷検出部１５で使用する電圧をポテンシャルが浅く設定できる分だけ下げることができるため、従来の水平ＣＣＤの構造を大きく変えずに、しかもＦＤ部１５１で十分な特性を確保しながら、電荷検出部１５で用いる電圧を下げることができる。
【００３７】
また、電荷検出部１５を低電圧化できることにより、周辺回路、本例では出力回路１６の低電圧化を実現できるため、当該出力回路１６を構成するＭＯＳトランジスタとして耐圧の低いトランジスタを用いることができるとともに、出力回路１６での省電力化を実現できる。しかも、低耐圧のＭＯＳトランジスタを用いることができることで、ＭＯＳトランジスタの微細化が可能になるため、周辺回路の微細化、高速化、ひいてはＣＣＤ撮像素子の小型化、高速化も同時に実現できる。また、周辺回路での省電力化は同時に周辺回路で発生する熱の低減にもつながるため、熱の影響によるＣＣＤ撮像素子の特性悪化を防ぐこともできる。
【００３８】
なお、本実施形態では、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を、水平ＣＣＤ１４に適用する場合を例に挙げて説明したが、水平ＣＣＤ１４への適用に限られるものではなく、垂直ＣＣＤ１３の各々の出力部分に適用することも可能であり、また垂直ＣＣＤ１３および水平ＣＣＤ１４の双方の出力部分に適用することも可能である。垂直ＣＣＤ１３の各々の出力部分に適用する場合には、以下に説明する第２実施形態と同様の構造にすれば良い。
【００３９】
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、画素部２１の各センサ部（画素）２２で光電変換された信号電荷を垂直ＣＣＤ（垂直転送部）２３で垂直方向に転送し、垂直ＣＣＤ２３の各々の後段に設けられた電荷検出部２４で電圧信号に変換し、出力回路２５を介して出力される信号を水平走査にて順次読み出す、いわゆる水平スキャン方式のＣＣＤ撮像素子に適用した場合を例に挙げている。
【００４０】
図４において、センサ部２２はフォトダイオード等の光電変換素子からなり、半導体基板２０上に行列状に多数二次元配置されて画素部２１を構成しており、受光した光を露光期間に亘って光電変換し、光電変換によって発生する信号電荷を蓄積する。垂直ＣＣＤ２３は、センサ部２２の垂直画素列ごとに配され、センサ部２２の各々から読み出される信号電荷を、例えば４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４によって駆動されることにより垂直方向に転送する。本実施形態ではこの垂直ＣＣＤ２３の構造を特徴としており、その詳細については後述する。
【００４１】
垂直ＣＣＤ２３の各々からは、対応する電荷検出部２４に対して信号電荷が１行（１ライン）単位で転送される。電荷検出部２４は、垂直ＣＣＤ２３の転送先側の端部に配されて当該垂直ＣＣＤ２３によって転送される信号電荷を電圧信号に変換して出力する。電荷検出部２４としては、第１実施形態の電荷検出部１５と同様に、例えば、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）、リセットドレイン部（ＲＤ部）およびリセットゲート部（ＲＧ部）を有するフローティングディフュージョン構成のものが用いられる。
【００４２】
このフローティングディフュージョン構成の電荷検出部２４において、ＲＤ部にはそのポテンシャルが、垂直ＣＣＤ２３の最終転送段のポテンシャルに対応したポテンシャルになるように、具体的には当該最終転送段の深いときのポテンシャルよりもさらに深いポテンシャルになるように、所定のリセットドレイン電圧が印加されている。また、ＲＧ部のゲート電極には、クロックパルスφＶ１〜φＶ４に同期し、かつ例えば当該クロックパルスφＶ１〜φＶ４とほぼ同振幅のリセットゲートパルスが所定のタイミングで与えられる。これにより、ＦＤ部の電位がリセットゲートパルスの周期でリセットドレイン電圧にリセットされる。
【００４３】
垂直画素列の各々に対応して設けられた各電荷検出部２４の出力信号（電圧信号）は、対応する出力回路２５を介して１ライン分の信号として水平出力回路２６に供給される。出力回路２５は、画素部２１、垂直ＣＣＤ２３および電荷検出部２４と同じ半導体基板２０に搭載される周辺回路の一つであり、例えばソースフォロア回路構成となっている。この出力回路２５としては、第１実施形態の出力回路１６と同じものを用いることができる。
【００４４】
水平出力回路２６も同じ半導体基板２０に搭載される周辺回路の一つであり、当該水平出力回路２６と共に基板２０上に搭載され、シフトレジスタ等からなる水平走査回路２７から順次出力される水平走査パルスに同期して、出力回路２５を通して供給される１ライン分の信号を画素単位で順次選択してＣＣＤ撮像信号として半導体基板２０外に出力する。
【００４５】
次に、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子において特徴とする垂直ＣＣＤ２３の構造について具体的に説明する。
【００４６】
図５は、垂直ＣＣＤ２３の構成の一例を示す平面パターン図であり、ある２本の垂直ＣＣＤについて示している。また、図６は、図５のＹ−Ｙ′線に沿った断面でのポテンシャル図である。
【００４７】
先述したように、ＣＣＤ撮像素子では、センサ部２１の構造上の制約から、垂直ＣＣＤ２３では転送チャネルのポテンシャルが、センサ部２１のポテンシャルに対応して深く設定されているのが現状である。これに対して、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子では、垂直ＣＣＤ２３の少なくとも出力部分、好ましくは画素部２１の領域外の出力部分が、図６のポテンシャル図から明らかなように、出力側（電荷検出部２４側）に向けてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を有している。
【００４８】
ただし、センサ部２１から読み出された信号電荷の垂直転送への移行を円滑に行うためには、垂直ＣＣＤ２３における画素部２１の領域内に位置する転送部分のポテンシャルについては、センサ部２１のポテンシャルに対応して深く設定しておく方が好ましい。この場合、画素部２１の領域外の転送部分（出力部分）のポテンシャルは、画素部２１の領域内に位置する転送部分のポテンシャルから出力側に行くにつれて徐々に浅くなることになる。また、最終転送段のポテンシャルは、電荷検出部１２４のＦＤ部で従来よりも低い電圧を使って実現できるポテンシャルとする。
【００４９】
この垂直ＣＣＤ２３の製造に当たって、転送チャンネルのポテンシャルを徐々に浅くするには、転送チャンネルを形成する不純物（例えば、Ｎ型不純物）に対して当該不純物の濃度を下げるように逆導電型の不純物（例えば、Ｐ型不純物）を導入するとともに、当該逆導電型の不純物のドーズ量を出力側に行くにつれて徐々に変えるようにすれば良い。
【００５０】
なお、図６では、ポテンシャルの変化を３段で示しているが、これに限られるものではなく、ポテンシャルを変化させる段数は垂直ＣＣＤ２３の転送段の数や面積などに応じて自由に設定することが可能である。
【００５１】
垂直ＣＣＤ２３における画素部２１の領域外の転送部分において、転送チャンネルのポテンシャルが浅くなることにより、画素部２１の領域外の転送部分における各転送段ごとの取り扱い電荷量が減少する可能性がある。この取り扱い電荷量の減少分を補うためには、画素部２１の領域外の転送部分における各転送段の平面視面積を、画素部２１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じになるようにすれば良い。
【００５２】
画素部２１の領域外の転送部分における各転送段の平面視面積を、画素部２１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じにするために、画素部２１の領域外の転送部分について、図５の平面パターン図から明らかなように、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法（幅）が出力側に行くにつれて徐々に広くなるように、好ましくは各転送段の平面視面積が画素部２１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じになるように形成している。
【００５３】
このように、垂直ＣＣＤ２３において、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるチャネル構造を有する出力部分については、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広くなるように形成することで、各転送段の平面視面積を画素部２１の領域内の転送部分における各転送段の平面視面積と同じにできるので、ポテンシャルが徐々に浅くなったとしても、各転送段ごとの取り扱い電荷量が減少することはない。
【００５４】
特に、画素部２１の領域外の転送部分において、各転送段の幅を拡張する構成を採ることで、図４から明らかなように、画素部２１の領域外では各転送段の幅を、１つのセンサ部２１とそれに対応する垂直ＣＣＤ２３の転送段の組み合わせを単位とするユニットセルのサイズの範囲内において、各転送段を転送方向に垂直な方向に自由に拡張することができる。したがって、各転送段の幅を任意に設定することが可能になり、１段当たりの転送方向の長さを短く設定できるため、垂直ＣＣＤ２３が転送方向に極端に長くなるのを回避できる。
【００５５】
さらに、各転送段の平面視面積を同じに設定するとした場合、各転送段を転送方向に対して垂直な方向に拡張することによって十分な電荷を確保できる場合には、その分だけ１段当たりの転送方向の長さを短く設定できることになる。すなわち、画素部２１の領域外の転送部分において、各転送段の転送方向に垂直な方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に広く、かつ転送方向の寸法が出力側に行くにつれて徐々に狭くなるように形成することで、各転送段ごとの取り扱い電荷量として画素部２１の領域内の転送部分の取り扱い電荷量とほぼ同じ量を確保でき、しかも転送方向の１段当たりの長さを短くできることで、信号電荷の垂直転送がより行いやすくなる。
【００５６】
なお、垂直ＣＣＤ２３において、画素部２１の領域外の転送部分を駆動する４相のクロックパルスφＶ１〜φＶ４としては、画素部２１の領域内の転送部分を駆動するクロックパルスと同振幅のもの、あるいは振幅の異なるもののいずれを用いるようにしても良い。ただし、同振幅のものを用いるようにした方が、別途クロックパルスを生成する必要がないため有利である。
【００５７】
上述したように、水平スキャン方式のＣＣＤ撮像素子において、垂直ＣＣＤ２３を製造するに当たって、少なくとも出力部分、好ましくは画素部２１の領域外の転送部分について、その転送チャネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成することで、最終転送段部分のポテンシャルを転送開始部分のポテンシャルよりも浅く設定できるため、電荷検出部２４のＦＤ部のポテンシャルを浅く設定できる。これにより、電荷検出部２４で使用する電圧をポテンシャルが浅く設定できる分だけ下げることができるため、従来の垂直ＣＣＤの構造を大きく変えずに、しかもＦＤ部で十分な特性を確保しながら、電荷検出部２４で用いる電圧を下げることができる。
【００５８】
また、電荷検出部２４を低電圧化できることにより、出力回路２５を含む周辺回路の低電圧化を実現できるため、出力回路２５を構成するＭＯＳトランジスタとして耐圧の低いトランジスタを用いることができるとともに、出力回路２５での省電力化を実現できる。しかも、低耐圧のＭＯＳトランジスタを用いることができることで、ＭＯＳトランジスタの微細化が可能になるため、周辺回路の微細化、高速化、ひいてはＣＣＤ撮像素子の小型化、高速化も同時に実現できる。また、周辺回路での省電力化は同時に周辺回路で発生する熱の低減にもつながるため、熱の影響によるＣＣＤ撮像素子の特性悪化を防ぐこともできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体撮像素子によれば、電荷転送部の少なくとも出力部分のチャネル構造が、出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなっていることにより、電荷検出部のポテンシャルを浅く設定でき、その分だけ当該電荷検出部を低電圧化できるため、電荷検出部の後段の出力回路を含む周辺回路の微細化、高速化および低消費電力化を実現できる。
【００６０】
また、本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、電荷転送部の出力部分について、その転送チャネルを出力側に行くにつれてポテンシャルが徐々に浅くなるように形成することにより、電荷検出部のポテンシャルを浅く設定でき、その分だけ当該電荷検出部を低電圧化できるため、電荷検出部の後段の出力回路を含む周辺回路の微細化、高速化および低消費電力化の実現に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図２】水平ＣＣＤの構成の一例を示す平面パターン図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ′線に沿った断面でのポテンシャル図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図５】垂直ＣＣＤの構成の一例を示す平面パターン図である。
【図６】図５のＹ−Ｙ′線に沿った断面でのポテンシャル図である。
【図７】従来技術の課題を説明するためのポテンシャル図である。
【符号の説明】
１０，２０…半導体基板、１１，２１…画素部、１２，２２…センサ部、１３，２３…垂直ＣＣＤ、１４…水平ＣＣＤ、１５，２４…電荷検出部、１６，２５…出力回路、２６…水平出力回路、２７…水平走査回路
【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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