(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ユニットセルに生じた信号電子を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域より下部の半導体領域との間に、前記電荷蓄積領域から深さ方向への信号電荷の流れに対する電位障壁をなす第２導電型の半導体領域を有する縦形オーバーフローバリア構造を持つ固体撮像装置であって、
前記電荷蓄積領域の下部における前記第２導電型の半導体領域の周囲に、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域が形成され、
前記電位変動抑制半導体領域は、前記第２導電型の半導体領域よりも高濃度の第２導電型で形成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
第１の前記電位変動抑制半導体領域は、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域と兼用されている
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】
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部と、前記信号電荷読出部により読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記信号電荷読出部の下部において、前記第２導電型の半導体領域の一部を囲むように、第２の前記電位変動抑制半導体領域が形成されており、
前記第２の前記電位変動抑制半導体領域は、前記第１の電位変動抑制半導体領域と繋がっており、
前記電荷蓄積領域の下部において、前記第１の電位変動抑制半導体領域と前記第２電位変動抑制半導体領域とで、前記第２導電型の半導体領域の全周囲を取り囲んでいる
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】
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部と、前記信号電荷読出部により読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記信号電荷読出部の下部において、前記第２導電型の半導体領域の一部を囲むように、第２の前記電位変動抑制半導体領域が形成されており、
前記第２の前記電位変動抑制半導体領域は、前記第１の電位変動抑制半導体領域と離間している
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５】
前記素子分離領域と兼用されている前記第１の電位変動抑制半導体領域は、前記電荷蓄積領域の下部において、前記第２導電型の半導体領域の全周囲を取り囲んでいる
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６】
前記電位変動抑制半導体領域は、第２導電型の不純物濃度が空乏化しない濃度に設定されている
請求項１〜５の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記電位変動抑制半導体領域は、接地電位とされる
請求項１〜６の何れか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、過剰電荷を半導体の深さ方向に排出する縦型オーバーフローバリア構造を持つ固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像部内に複数の光電変換素子（フォトダイオードなど）から成る電荷生成部（センサ部）を備えた固体撮像素子（固体撮像装置やイメージセンサとも言われる）が、画像を取り込む手段として様々な分野で利用されている。
【０００３】
一般に、固体撮像素子は、フォトダイオードなどで構成された各受光素子で受光面から入射した入射光を受光して光電変換を行ない、発生した電荷を検出回路によって検出し、その後増幅し、順次出力する。
【０００４】
固体撮像素子の一構成例として、Ｎ型シリコン基板（第１導電型の半導体基板）上に、第２導電型の半導体層としてのＰ型不純物（Ｐウェル）が形成されており、第２導電型の半導体層に第１導電型の不純物をイオン注入することによって形成された電荷蓄積層（以下第１センサ領域ともいう）を具備したセンサ部（受光部）が形成される。光を受光し光電変換して得た信号電荷が、この電荷蓄積層に蓄積される。
【０００５】
ところで、一般的な固体撮像素子では、被写体の高照度部分からの強い光によって過剰電荷が発生し、その過剰電荷によって再生画像が損なわれ、ブルーミング現象やスメア現象が発生する。
【０００６】
この問題を解消する手法の一例として、隣接するチャンネル間にオーバーフロードレインを設け、このオーバーフロードレインによって過剰電荷を吸収するようにする手法や、センサの深さ方向にオーバーフロードレインを設けた縦形のオーバーフローバリア（ＯＦＢ：Over Flow Barrier ）構造とし、縦形（深さ方向）のオーバーフロードレインによって過剰電荷を吸収するようにする手法などが考えられている（たとえば特許文献１〜３を参照）。
【０００７】
隣接チャンネル間にオーバーフロードレインを設ける前者の手法では、開口率を低くしてしまうという問題を生じるのに対して、縦形オーバーフローバリア構造とする後者の手法では、開口率を低くすることなく過剰電荷を吸収できる利点がある。
【０００８】
【特許文献１】特許第２５７６８１３号公報
【特許文献２】特開２００１−１８５７１１号公報
【特許文献３】特開２０００−０９１５５０号公報
【０００９】
図７は、縦形オーバーフローバリア構造を有する従来のＣＣＤ固体撮像素子を説明する図である。ここで、図７（Ａ）は、ユニットセルのセンサ水平方向断面の不純物構成を示す図である。また、図７（Ｂ）は、ユニットセルにおける深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図であり、図７（Ｃ）は、信号電荷の蓄積特性を示す図である。
【００１０】
図７（Ａ）に示すように、ユニットセルは、たとえばＮ- 型シリコンからなる半導体基板ＮＳＵＢの表面にＰ型半導体ウェルの第１Ｐウェル領域ＰＷ１が製膜され、この第１Ｐウェル領域ＰＷ１上にて、第１導電型の半導体領域で構成された感光部ＳＥＮＳ、感光部ＳＥＮＳに蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部ＲＯ、転送レジスタＣＣＤ（Charge Coupled Device ）、および素子分離部としてのチャネルストップＣＳが、この順に水平方向に形成されており、下地の構造はＩＴ（インターライン）−ＣＣＤのそれと同じである。
【００１１】
第１Ｐウェル領域ＰＷ１は、感光部ＳＥＮＳの第１導電型とは異なる第２導電型の半導体領域であり、その接合深さが、感光部ＳＥＮＳの下部において浅く、かつ転送領域である転送レジスタＣＣＤ下において深くされており、これによって感光部ＳＥＮＳの下部全体にオーバーフローバリア領域ＯＦＢが形成されるようになっている。
【００１２】
感光部ＳＥＮＳは、フォトダイオード型の感光素子で、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の接合深さの浅い領域の表面に選択的に形成された第１導電型としてのＮ+ 型の半導体領域からなり、信号電荷の生成と蓄積を行なう電荷蓄積領域としての機能を持つ。
【００１３】
チャネルストップ部ＣＳは、第１Ｐウェル領域ＰＷ１表面において、感光部ＳＥＮＳを囲繞するように形成され、Ｐ+ 型半導体領域からなる。
【００１４】
転送レジスタＣＣＤは、第１Ｐウェル領域ＰＷ１上に形成された第２Ｐウェル領域ＰＷ２上に埋込チャネルＢＣが設けられた構造となっている。センサ表面部分における埋込チャネルＢＣと感光部ＳＥＮＳとの間には、第２Ｐウェル領域ＰＷ２が介在することで、感光部ＳＥＮＳと転送レジスタＣＣＤとの間を結ぶ信号電荷読出部ＲＯが形成されるようになっている。
【００１５】
信号電荷読出部ＲＯの第２Ｐウェル領域ＰＷ２は、チャネルストップ部ＣＳの不純物濃度よりも低い濃度のＰ- 型半導体領域からなる。
【００１６】
センサ表面には、半導体表面を被覆する図示を割愛したシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜を挟んで、埋込チャネルＢＣと信号電荷読出部ＲＯを覆うように、読出電極と転送電極を兼用する電極ＥＬが形成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来の縦型オーバーフロードレインでは、基板電位でオーバーフローバリアの高さを調整し電子一括シャッタを行なっている。また、オーバーフローバリアの位置が基板深くに形成されるため、薄く水平に一様な濃度で形成される。加えて、電荷転送のためにも、垂直転送路とフォトダイオード下は完全空乏化させた状態にしている。
【００１８】
このため、ＧＮＤ（接地）レベルである表面のＰ＋とオーバーフローバリアとの結合が弱く、フォトダイオードに電荷が飽和レベルを超えて溜まるようになると、電荷が空のときに比べて、徐々にオーバーフローバリア領域の障壁電位が変動してしまう（たとえば特許文献１の段落６〜１２を参照）。その結果として、電子濃度に追従して実行的な飽和が大きくなる。
【００１９】
縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子においての電荷蓄積と光量の依存性は、図７（Ｃ）に示すように、光りの量に応じて一定の割合、通常比例の関係で増加していき、ある一定のところで飽和レベルに達する。そこでは、過剰な電子は基板に掃き捨てられる。
【００２０】
ところが、ポテンシャルプロファイルは不変でなく、感光部ＳＥＮＳに蓄積される信号電荷の量によって変化し、信号電荷の量が増加するとそれに応じて障壁電位も図７（Ｂ）における上側に移動してしまう。つまり、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの電位障壁が上昇するのである。
【００２１】
その結果、オーバーフローが開始されても、電荷蓄積開始時点における障壁を越える信号電荷の全てが半導体基板ＮＳＵＢに吸収されてしまうわけではなく、一部は感光部ＳＥＮＳ内に蓄積されてしまうことになる。つまり、実際には、飽和レベルよりも光量が増え続けると、信号電荷は飽和レベルを超えて溜まり続ける。
【００２２】
このため、過剰電荷の全てを完全に感光部ＳＥＮＳから半導体基板ＮＳＵＢへ排除することができるわけではなく、その結果として、図７（Ｃ）に示すように、光量の増加とともに、飽和レベルを超えて信号電荷が少し上昇してしまう。そして、このような特性が存在すると、この特性に関係する様々な問題も生じてくる。なお、このような特性を一般にニー特性と呼んでいる。
【００２３】
すなわち、このように、一般に、被写体となる像には飽和信号レベルを遙かに上回る強い光りも存在しており、フォトダイオードに蓄積された飽和信号レベル以上の光りを電荷転送路（転送レジスタＣＣＤ）で運ぶ必要がある。もし、運べないと、電荷転送路の上と下の画素に溢れることになり、ブルーミングと似た現象を電荷転送路で起してしまう。
【００２４】
一方、飽和信号レベル以上の信号電荷は、実際の画像として使われることは殆どなく、出力信号のダイナミックレンジを越えるため、後段の信号処理で強制的にクリッピングしている。このように、ニー特性による電荷蓄積は無駄な電荷である。
【００２５】
しかしながら、実際には、その無駄な電荷も電荷転送路で溢れてはいけないので、電荷転送路で電荷を運べる能力を、たとえば飽和レベルの２倍も取ることが一般的になっている。
【００２６】
そのため、ニー成分の信号電荷も運ぶための電荷転送路の能力向上のため、電荷転送路の幅を広く取る必要がある。これは、結果的に、フォトダイオードの面積を低下させることになり、微細化の妨げになっている。また、電極の振幅を大きくすることで、転送能力を上げることも採り得るが、この場合、消費電力の増加を引き起こしてしまう。
【００２７】
これらの電荷転送路に関する問題は、垂直転送レジスタＶ−ＣＣＤだけでなく、水平転送レジスタＨ−ＣＣＤにも言えることである。
【００２８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、縦形オーバーフローバリア構造を有する固体撮像素子において、過剰電荷時のニー特性を改善することのできる仕組み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】
【００２９】
本発明に係る仕組みにおいては、電荷蓄積領域の下部における第２導電型の半導体領域でなるオーバーフローバリア領域の周囲に、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷量に依存するオーバーフローバリア領域の電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造とした。この電位変動抑制半導体領域は、第２導電型の半導体領域でなるオーバーフローバリア領域よりも高濃度の第２導電型で形成された領域である。
【００３０】
このような電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造とするに当たっては、様々なデバイス構造を採り得るが、第１には、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域が電位変動抑制半導体領域を兼用する構造とするのがよい。こうすることで、素子分離領域とは別に電位変動抑制半導体領域を設けなくてもよくなるので、素子面積の増大を招かずに、本願発明のデバイス構造を実現できる。
【００３１】
また、電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成してもよいが、電位変動を抑制する上では、電位変動抑制半導体領域をオーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成するのが効果的である。
【００３２】
このためには、素子分離領域と兼用されている第１の電位変動抑制半導体領域のみで、電荷蓄積領域の下部において、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成する手法を取ることができる。
【００３３】
この場合、ＣＣＤ型の固体撮像素子の場合には、電位変動抑制半導体領域が信号電荷の読出しや転送に与える影響を少なくするべく、電荷蓄積領域の下部のみで、素子分離領域と兼用されている第１の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むようにするのがよい。
【００３４】
あるいは、２種類の電位変動抑制半導体領域を設けることにし、素子分離領域と兼用されている第１の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の片側の周囲を囲み、かつ、信号電荷読出部や電荷転送部の下部にも、第２の電位変動抑制半導体領域を設け、第２の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域のもう片側の周囲を囲むようにすることも考えられる。
【００３５】
なお、この場合、第２の電位変動抑制半導体領域が信号電荷の読出しや電荷転送に与える影響を少なくするには、第２の電位変動抑制半導体領域は、電荷転送部の下部には延在せず、信号電荷読出部の下部までに留めておくのがよい。
【００３６】
また、２種類の電位変動抑制半導体領域を設ける場合、第２の電位変動抑制半導体領域を第１の電位変動抑制半導体領域と繋ぐことで、実質的に、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成する手法を取ることもできるし、第２の電位変動抑制半導体領域を第１の電位変動抑制半導体領域と離間させて繋がないようにすることで、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成する手法を取ることもできる。もちろん、素子分離領域と兼用されている第１の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成する手法を取ることもできる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、オーバーフローバリア領域の周囲に、信号電荷の蓄積量に依存した電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造としたので、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域付近の電位が電位変動抑制半導体領域による電位の影響を受けて、障壁電位が変動しようとすることを、従来に比べて抑制することができる。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を抑制することができる。ニー特性を抑制することができるので、ニー特性に関係する様々な問題も解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３９】
＜撮像装置の全体構成＞
図１は、電子機器の一例である撮像装置（カメラシステム）の一実施形態を示す構成図である。なお、ここでは、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子を用いた事例で示す。垂直転送電極としては、２フィールド読出方式の場合で示す。
【００４０】
ここで一般的なＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子は、多数のセンサ部（フォトセル、受光センサ）が２次元マトリクス（行列）状に配され、各垂直列のフォトセルの間にそれぞれ複数の垂直転送ＣＣＤ（Ｖレジスタ）が配列され、最後の行の垂直転送ＣＣＤに隣接して水平転送ＣＣＤが通常１ライン分設けられた構造となっている。以下具体的に説明する。
【００４１】
図示するように、本実施形態の撮像装置１は、ＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子１０と、このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動する駆動装置の一例である駆動制御部５０とを備えている。
【００４２】
なお、図示しないが、撮像装置１は、図示したＣＣＤ固体撮像素子１０や駆動制御部５０の他に、たとえば図示しない撮像レンズを含めて撮像装置モジュールが構成され、さらに、この撮像装置モジュールの他に、たとえば撮像装置モジュールにより得られる撮像信号に基づいて映像信号を生成しモニタ出力したり所定の記憶メディアに画像を格納したりする本体ユニットが設けられ、全体として、たとえばビデオカメラやデジタルスチルカメラなどが構成される。撮像装置モジュールは、ＣＣＤ固体撮像素子１０と駆動制御部５０とが、１枚の回路基板上に配されたものとして提供されるものであるのがよい。
【００４３】
撮像装置１の処理系統は、大別して、光学系、画像処理部やＣＯＤＥＣ（Code/Decode あるいはCompression/Decompression の略）を主要部とする信号処理系、ＣＯＤＥＣによりデータ圧縮した画像データを所定の記憶媒体に記録する記録系、画像を液晶表示装置（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）などの所定の表示デバイスに表示する表示系、および撮像装置１の各部を制御する制御系から構成される。なお、撮像装置モジュールおよび本体ユニットが、図示しない外装ケースに収容されて、実際の製品（完成品）が仕上がるのは言うまでもない。
【００４４】
光学系は、シャッタ、被写体の光画像を集光するレンズ、および光画像の光量を調整する絞りを有する撮像レンズと、集光された光画像を光電変換して電気信号に変換するＣＣＤ固体撮像素子１０とから構成される。被写体からの光は、シャッタおよび撮像レンズを透過し、絞りにより調整されて、適度な明るさでＣＣＤ固体撮像素子１０に入射する。このとき、撮像レンズは、被写体からの光からなる映像が、ＣＣＤ固体撮像素子１０上で結像されるように焦点位置を調整する。
【００４５】
制御系は、駆動制御部５０の他に、ディスク駆動装置を制御して磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリに記憶されている制御用プログラムを読み出し、読み出した制御用プログラム、あるいはユーザからのコマンドなどに基づいて撮像装置１の全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit ）などよりなる中央制御部を備える。
【００４６】
また制御系は、画像処理部に送られた画像の明るさが適度な明るさを保つようにシャッタや絞りを制御する露出コントローラ、ＣＣＤ固体撮像素子１０から画像処理部やＣＯＤＥＣまでの各機能部の動作タイミングを制御するタイミング信号生成部（タイミングジェネレータ；ＴＧ）を具備した駆動制御部５０やユーザがシャッタタイミングやその他のコマンドを入力する操作部を有する。
【００４７】
中央制御部は、撮像装置１のバスに接続された画像処理部、ＣＯＤＥＣ、メモリ、露出コントローラ、およびタイミング信号生成部を制御する。
【００４８】
ここで、駆動制御部５０には、ＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するための各種のパルス信号であるクロックパルスを生成するタイミング信号生成部５２と、このタイミング信号生成部５２からのパルス信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバ（駆動部）５４と、ＣＣＤ固体撮像素子１０やドライバ５４などに電源供給する駆動電源５６が設けられている。
【００４９】
タイミング信号生成部５２は、一例として、センサ部（受光センサ）１１から垂直転送レジスタ１３に信号電荷を読み出すための読出クロックＲＯＧや、ＣＣＤ固体撮像素子１０を垂直方向に４相で駆動するための４種類の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ４や、水平方向に２相で駆動するための２種類の水平転送クロックＨ１，Ｈ２や、電子シャッタパルスＸＳＧなどをドライバ５４に供給するようになっている。
【００５０】
ドライバ５４は、タイミング信号生成部５２から受け取った読出クロックＲＯＧと垂直転送クロックＶ１〜Ｖ４とに基づき、垂直転送レジスタ１３を垂直転送駆動するための２値レベルもしくは３値レベルのドライブパルス（垂直転送パルス）ΦＶ１〜ΦＶ４や水平転送レジスタ１５を水平転送駆動するためのドライブパルス（水平転送パルス）ΦＨ１，ΦＨ２を生成する。なお、Ｌ（ロー）／Ｈ（ハイ）／ＳＨ（超ハイ）の３値レベルを持つドライブパルス（垂直転送パルス）ΦＶ１，ΦＶ３のうち、読出クロックＲＯＧに対応するＳＨレベルのドライブパルス部分を特に読出パルスΦＲＯＧと呼ぶ。
【００５１】
ＣＣＤ固体撮像素子１０は、画素となる複数のセンサ部１１が２次元マトリクス（行列）状に配列され、また各受光センサ列に対応して図の上下方向に延在する複数のＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ（第１電荷転送部の一例）１３が形成された撮像部（受光部）１０ａを備えている。センサ部１１は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。図示しないが、カラー撮像に対応するべく、センサ部１１の受光面にはオンチップカラーフィルタが設けられる。
【００５２】
撮像部１０ａにおいては、さらに垂直転送レジスタ１３と各センサ部１１との間に、電荷蓄積領域としてのセンサ部１１に蓄積された信号電荷を電荷転送路としての垂直転送レジスタ１３に読み出す信号電荷読出部としての読出ゲート部ＲＯＧが介在し、また各画素（ユニットセル）の境界部分には、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域としてのチャネルストップ部が設けられている。特に、隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部をチャネルストップ部ＣＳ１とする。
【００５３】
撮像部１０ａの外側には、各垂直転送レジスタ１３の最終段に接続するように、図の左右方向に延在するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ１５が１ライン分形成されている。そして、水平転送レジスタ１５の後段には電荷信号を電気信号（通常は電圧信号）に変換する電荷検出部（あるいは出力部）としての出力アンプ部１７が接続されている。
【００５４】
出力アンプ部１７は、水平転送レジスタ１５から順に注入される信号電荷を図示しないフローティングディフュージョンに蓄積し、この蓄積した信号電荷を信号電圧に変換して、たとえば図示しないソースフォロア構成のトランジスタ回路で構成された出力回路を介してＣＣＤ出力信号Ｓout として出力端子ｔout から素子外部に出力する。
【００５５】
列（垂直）方向に延在した垂直転送レジスタ１３の上（受光面側）には、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ１３に共通となるように、４種類の垂直転送電極１２（それぞれに参照子_1，_2，_3，_4を付して示す）が、垂直方向に所定の順序で、センサ部１１の受光面に開口部（後述する図２を参照）を形成するように配置されている。
【００５６】
４種類の垂直転送電極１２は、概ね、１つのセンサ部１１に１つの垂直転送電極１２の全体が対応し、その両側の垂直転送電極１２の一部も対応するように形成され、かつ駆動制御部５０から供給される４種類の垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_2，ΦＶ_3，ΦＶ_4で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成されている。
【００５７】
すなわち、４種類の垂直転送電極１２のうちの２種類はほぼ１つのセンサ部１１のみに対応し、この１つのセンサ部１１のみに対応する垂直転送電極１２の両隣に配される２種類の垂直転送電極１２は、両側のセンサ部１１に対応するように配置されている。また、２つのセンサ部１１を１組にして（水平転送レジスタ１５側の最終段も含めて）、４つの垂直転送電極１２にそれぞれ垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_2，ΦＶ_3，ΦＶ_4が駆動制御部５０から印加されるようになっている。
【００５８】
図示した例では、水平転送レジスタ１５側において、垂直方向に４つの垂直転送レジスタ１３の一組に対応して、組ごとに垂直転送電極１２が設けられ、その中で、垂直方向の最上部に位置するセンサ部１１_1は、３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1が印加される読出電極兼用の第１垂直転送電極１２_1に対応している。さらに１段前（より水平転送レジスタ１５側）の第２垂直転送電極１２_2には２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2が印加される。さらに垂直方向の２段目に位置するセンサ部１１_3は、さらに１段前（より水平転送レジスタ１５側）の３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_3が印加される読出電極兼用の第３垂直転送電極１２_3に対応し、最も水平転送レジスタ１５側の第４垂直転送電極１２_4には２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_4が印加される。
【００５９】
以下２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2，ΦＶ_4が印加される垂直転送電極１２_2，１２_4を読出電極兼用の垂直転送電極１２_1，１２_3と区別するため専用転送電極（あるいは非読出電極）１２Ａともいい、読出パルスΦＲＯＧをも含む３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_1，ΦＶ_3が印加される垂直転送電極１２_1，１２_3を読出転送電極１２Ｂともいう。
【００６０】
垂直転送レジスタ１３は、最終段の１組分の垂直転送電極１２（ΦＶ_1〜ΦＶ_4が印加される転送電極）１２_1〜１２_4を介してさらに水平転送レジスタ１５に引き継がれる。
【００６１】
水平転送レジスタ１５は、各垂直転送レジスタ１３に対応して２つの水平転送電極１６（それぞれに参照子_1，_2を付して示す）が対応するように形成され、駆動制御部５０から供給される２相の水平駆動パルスΦＨ_1，ΦＨ_2で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成されている。
【００６２】
このような構成の撮像装置１の動作概要を纏めると以下の通りである。すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子１０のセンサ部１１の各々に蓄積された信号電荷が、駆動制御部５０から発せられた読出パルスΦＲＯＧが読出ゲート部ＲＯＧのゲート電極に印加されそのゲート電極下のポテンシャルが深くなることにより、当該読出ゲート部ＲＯＧを通して垂直転送レジスタ１３に読み出される。
【００６３】
撮像部１０ａの垂直転送レジスタ１３は４種類の垂直転送電極１２に対応する４種類の垂直転送パルスΦＶ_1〜ΦＶ_4によって転送駆動される。これにより、各センサ部１１から読み出された信号電荷は、１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送され水平転送レジスタ１５に送られる。
【００６４】
水平転送レジスタ１５は、駆動制御部５０から発せられた２相の水平転送パルスΦＨ_1，ΦＨ_2に基づいて、複数本の垂直転送レジスタ１３の各々から垂直転送された１ラインに相当する信号電荷を順次出力アンプ部１７側に水平転送する。
【００６５】
出力アンプ部１７は、水平転送レジスタ１５から順に注入される信号電荷を信号電圧に変換してＣＣＤ出力信号Ｓout として出力端子ｔout から出力する。このＣＣＤ出力信号Ｓout は、図示しない信号処理系に引き継がれ、所定の信号処理が施された後に、表示デバイスにて表示されたり記憶媒体に記録されたりする。
【００６６】
たとえば、信号処理系の初段には、ＣＣＤ固体撮像素子１０からのアナログ撮像信号（ＣＣＤ出力信号Ｓout ）を増幅する増幅アンプや、増幅された撮像信号をサンプリングすることによってノイズを低減させるＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング）回路などを有するプリアンプ部が配される。さらにその後段には、プリアンプ部が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換部、Ａ／Ｄ変換部から入力されるデジタル信号に所定の画像処理を施すＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成された画像処理部が配される。
【００６７】
＜垂直転送電極の配線構造＞
図２は、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子１０の４種類の垂直転送電極１２の配置構造の一例を示す図である。
【００６８】
図２に示すように、本実施形態のＣＣＤ固体撮像素子１０では、２次元マトリクスに配されたセンサ部１１の各垂直列のセンサ部１１の間にそれぞれ複数の垂直転送レジスタ（Ｖ−ＣＣＤ）１３が配列され、各センサ部１１と垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域１３ａとの間には読出ゲート部ＲＯＧが介在している。また各画素（ユニットセル）の水平方向の境界部分にはチャネルストップ部ＣＳ１が設けられている。
【００６９】
垂直転送レジスタ１３の受光面（紙面の前面）側には、薄膜化した多結晶シリコン膜（Poly）などでなる４種類の垂直転送電極１２が、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ１３に共通となり、またセンサ部１１の受光面にセンサ開口部１１８を形成し、撮像部１０ａ（図１参照）のほぼ全面を覆うように配置されている。
【００７０】
垂直転送電極１２は、垂直転送専用の第２および第４の垂直転送電極１２_2，１２_4（専用転送電極１２Ａ）がたとえば１層目（紙面の奥側）の多結晶シリコン膜で形成され、読出電極１４をも兼ねる第１および第３の垂直転送電極１２_1，１２_3（読出転送電極１２Ｂ）がたとえば２層目（紙面の手前側）の多結晶シリコン膜で形成される。
【００７１】
なお、ここでは、画素間１１ａで、２層配線となるように、各垂直転送電極１２を形成しているが、画素間１１ａに、第１と第２の垂直転送電極１２_1，１２_2の組合せおよび第３と第４の垂直転送電極１２_3，１２_4の組合せで２本配置した単層の構造でもかまわない。単層構造で配線すると、１本当たりの配線幅が狭くなり線抵抗が大きくなるので、一般的には、１本当たりの配線幅を画素間幅と略同幅にできる２層配線が採用される。
【００７２】
垂直転送レジスタ１３の各垂直転送電極１２は、各センサ部１１に対して２つの転送電極が対応してセンサ開口部１１８をセンサ部１１部分に形成するように配列される。たとえば１つおきの水平ラインのセンサ部１１Ａではこれに接するように第１および第４の垂直転送電極１２_1，１２_4が対応し、他の１つおききの水平ラインのセンサ部１１Ｂではこれに接するように第２および第３の垂直転送電極１２_2，１２_3が対応するようになされる。この例の垂直転送レジスタ１３では、垂直転送電極１２_1〜３２_4に４相の駆動パルスΦＶ１，ΦＶ２，ΦＶ３，ΦＶ４を印加する４相駆動方式が採用される。
【００７３】
ここで、２値レベルの垂直転送パルスΦＶ_2，ΦＶ_4が供給される専用の垂直転送電極１２_2，１２_4（専用転送電極１２Ａ）は、センサ部１１の垂直転送方向間（画素間１１ａ）を介して水平方向に延在するように形成されている。これら第２垂直転送電極１２_2と第４垂直転送電極１２_4とは、パターン形状が殆ど同じ構造である。
【００７４】
概略的には、専用転送電極１２Ａは、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間（画素間１１ａ）に水平方向に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ１３内に配置された対応する専用転送電極１２Ａ同士が一体的に連結されるように、下側辺が櫛歯状に形成されている。
【００７５】
これに対して、３値レベルの垂直転送パルスΦＶ_１，ΦＶ_3が供給され、読出電極１４（それぞれに対応する参照子_1，_3を付して示す）としても機能するようになっている垂直転送電極１２_1，１２_3（読出転送電極１２Ｂ）は、センサ部１１の垂直転送方向間（画素間１１ａ）を介して水平方向に延在するように形成されている。これら第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3とは、パターン形状が殆ど同じ構造である。
【００７６】
概略的には、読出転送電極１２Ｂは、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間（画素間１１ａ）に水平方向に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ１３内に配置された対応する読出転送電極１２Ｂ同士が一体的に連結されるように、上側辺が櫛歯状に形成されている。
【００７７】
垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域３３ａと各センサ部１１間には読出ゲート部ＲＯＧが形成される。読出ゲート部ＲＯＧのゲート電極（読出電極１４という）は、第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3の延長部で形成されるようになっている。つまり、このＣＣＤ固体撮像素子１０では、第１垂直転送電極１２_1と第３垂直転送電極１２_3は、垂直転送レジスタ１３用の転送電極として機能するだけでなく、読出電極１４としても機能するようになっているのである。
【００７８】
また、センサ部１１の垂直列の他側と、垂直方向に隣り合うセンサ部１１間とには、センサ部１１を分離するためのチャネルストップ部ＣＳ１が形成される。
【００７９】
＜センサの構造：第１実施形態＞
図３は、第１実施形態のユニットセルの構造の一例を示す図である。ここで、図３（Ａ）は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるｚ−ｚ線の平面図、図３（Ｃ）は、センサ水平方向の断面の電位分布を示した図である。
【００８０】
本実施形態のセンサ部１１としては、Ｎ+ 型不純物領域からなるＮＰダイオードの表面側の電荷蓄積層１１ｘ上にさらに、Ｐ+ 型不純物領域からなる正孔蓄積層（第２センサ領域ともいう）１１ｙが積層された、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulated Diode)構造となっている（たとえば特開平５−３３５５４８号公報や特開２００３−７８１２５号公報を参照）。
【００８１】
ここで、第１実施形態のユニットセルは、図７に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを有するセンサ構造において、センサ表面に設けられている素子分離領域としてのチャネルストップ部ＣＳ１が、電位的に連続してオーバーフローバリア領域ＯＦＢに隣接する所まで延長されている構造となっている点に特徴を有する。
【００８２】
特に、この第１実施形態のセンサ構造は、後述する第２実施形態のセンサ構造との相違点として、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの全周囲が電位変動抑制半導体領域で囲まれている構造となっている点に特徴を有する。
【００８３】
すなわち、先ず、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、隣接するユニットセルと間のチャネルストップ部ＣＳ１は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ近くまで、表面のＧＮＤ（接地）電位を供給できるように、第１Ｐウェル領域ＰＷ１および第２Ｐウェル領域ＰＷ２とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_1で繋がれている。
【００８４】
一方、読出ゲート部ＲＯＧ下部の第１Ｐウェル領域ＰＷ１上にも、センサ表面よりも所定の深さで、かつ、半導体領域EPCR_1と繋がるように、第１Ｐウェル領域ＰＷ１および第２Ｐウェル領域ＰＷ２とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_2が設けられている。
【００８５】
半導体領域EPCR_1および半導体領域EPCR_2は、何れも、電荷蓄積領域としてのセンサ部１１の下部における第２導電型の半導体領域であるオーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲に、電荷蓄積領域としてのセンサ部１１に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域EPCR（Electric Potential Change Repression）として機能するものである。半導体領域EPCR_1が第１の電位変動抑制半導体領域EPCRであり、半導体領域EPCR_2が第２の電位変動抑制半導体領域EPCRである。
【００８６】
半導体領域EPCR_2は、垂直転送レジスタ１３における信号電荷の転送効率に与える影響が少なくなるように、読出ゲート部ＲＯＧの下部程度で留まり、電荷垂直転送レジスタ１３を構成する埋込チャネルＢＣの下部までは延在しないようにしておくのがよい。
【００８７】
読出ゲート部ＲＯＧの下部に半導体領域EPCR_2が存在することで、半導体領域EPCR_2による垂直転送レジスタ１３へのＧＮＤ電位の変調を受け易くなり転送効率が低下し得るが、これに加えて、半導体領域EPCR_2が垂直転送レジスタ１３（埋込チャネルＢＣ）の下部まで存在するようになると、その影響度合いが増し、転送効率の低下が増大してしまうからである。
【００８８】
ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）のようなＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子の場合、画素を囲むＰウェルは電位を接地ＧＮＤにでき、しかも、オーバーフローバリア領域ＯＦＢをも接地ＧＮＤにすることは可能である。
【００８９】
しかしながら、ＣＣＤ型の固体撮像素子では、垂直転送レジスタ１３を構成する第２Ｐウェル領域ＰＷ２の下側（半導体基板ＮＳＵＢ側）を空乏化し、かつ転送効率の低下を抑制するべく、接地ＧＮＤより正電位としておくことが肝要となる。
【００９０】
このため、第２Ｐウェル領域ＰＷ２の下側が空乏化して、かつ転送効率が悪化することがないように、半導体領域EPCR_2の延在範囲は、読出ゲート部ＲＯＧの下部までに留めるのが好ましいのである。
【００９１】
つまり、ＣＣＤ型の固体撮像素子では、第２Ｐウェル領域ＰＷ２の下側が、空乏化していることが必須であり、かつ、図３（Ａ）のＤ１−Ｄ２線で示す基板方向に、ポテンシャルが傾斜する必要があるのである。
【００９２】
半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部ＣＳ１の全体が構成され、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とが、センサ部１１の深層領域で、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを一周して取り囲むようにすることで、センサ部１１の下部にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを構成するようにしている。つまり、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲に、チャネルストップ部ＣＳ１を兼用する半導体領域EPCR_1と、この半導体領域EPCR_1と繋がれた半導体領域EPCR_2とが設けられたデバイス構造を採用しているのである。
【００９３】
なお、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とは、全く異なる不純物濃度のものとしてもよいし、両者を同一の不純物濃度として、事実上一体的なものとしてもよい。
【００９４】
何れにしても、この第１実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを、従来のように、センサ部１１の下部における第１Ｐウェル領域ＰＷ１の全体ではなく、電位変動抑制半導体領域EPCR（本例では半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2）で周囲の全体を取り囲むことで、センサ部１１下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。
【００９５】
図３（Ｃ）に示すように、チャネルストップ部ＣＳ１を兼用する半導体領域EPCR_1は、接地電位とされる。その結果、半導体領域EPCR_1に繋がれた半導体領域EPCR_2も接地電位とされる。こうすることで、露光蓄積状態時において、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの近くまでを、確実にＧＮＤ電位にすることができる。
【００９６】
第１実施形態のセンサ構造では、センサ部１１の下部で、電位変動抑制半導体領域EPCRでオーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲の全体を取り囲むように形成しているので、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの全体を囲むようにＧＮＤ電位が形成されることになる。
【００９７】
後述する第３実施形態のセンサ構造との相違点として、センサ部１１の下部のみでなく、垂直転送レジスタ１３に隣接する読出ゲート部ＲＯＧの下部に設けられた半導体領域EPCR_2をも使って、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを一周して取り囲むようにしている点に特徴を有する。
【００９８】
なお、露光電荷蓄積時間中は、少なくともチャネルストップ部ＣＳ１が空乏化しないようにし、また、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを空乏化しておく。
【００９９】
たとえば、センサ部１１と、隣接するユニットセルの垂直転送レジスタ１３とを分離するチャネルストップ部ＣＳ１を、センサ表面から、従来のオーバーフローバリア領域ＯＦＢを構成するための第１Ｐウェル領域ＰＷ１まで連続的に繋げる。
【０１００】
ここで、チャネルストップ部ＣＳ１を兼用する半導体領域EPCR_1は、一般的に、表面付近には、１Ｅ１２〜１Ｅ１４／ｃｍ2のＢを注入し形成する。オーバーフローバリア領域ＯＦＢへ向かって濃度は減らしていってもよいが、露光蓄積動作期間にセンサ表面からオーバーフローバリア領域ＯＦＢまで空乏化しない程度のＰ＋濃度に設定する。たとえば、５Ｅ１５／ｃｍ3以上の濃度とする。ここで、オーバーフローバリア領域ＯＦＢは、実効的に、周りより低濃度のＰ層で形成する。
【０１０１】
従来は、図７に示したように、オーバーフローバリア領域ＯＦＢをセンサ部１１の下部の全面に設けたが、この第１実施形態のセンサ構造では、以下の条件を満たせば、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ以外は、相対的に濃度が濃くなる。
【０１０２】
ここで、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの条件は、露光蓄積動作期間にＮ- 型シリコンからなる半導体基板ＮＳＵＢに一定の電圧（たとえば５Ｖ）を印加したとき、空乏化する程度に濃度が薄く、かつ半導体基板ＮＳＵＢに電荷掃捨ての電子シャッタの電圧としてたとえば１５Ｖが加わったときに、オーバーフローバリア領域ＯＦＢが完全にバリアが潰れる条件とする。
【０１０３】
その条件は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを囲む第２Ｐウェル領域Ｗ２やチャネルストップ部ＣＳ１の電位とオーバーフローバリア領域ＯＦＢの広さによって、最適な濃度は異なるが、たとえば、０．５μ□のオーバーフローバリア領域ＯＦＢの領域であった場合、５Ｅ１４〜１Ｅ１６／ｃｍ2にすればよい。
【０１０４】
＜ニー特性の改善について＞
図４は、図３に示したデバイス構造を適用することによる、ニー特性の改善を説明する図である。ここで、図４（Ａ）は、ユニットセルにおける深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図であり、図４（Ｂ）は、信号電荷の蓄積特性を示す図である。
【０１０５】
図４（Ａ）において、実線ａは図３（Ａ）のＣ１−Ｃ２線で示すセンサ部１１のオーバーフローバリア領域ＯＦＢを通る中央部分におけるセンサ部１１に信号電荷が全く蓄積されていない状態のポテンシャルを示す。実線ｂは図３（Ａ）のＣ１−Ｃ２線で示すセンサ部１１の中央部分におけるセンサ部１１に信号電荷が飽和レベルまで蓄積された状態のポテンシャルを示す。
【０１０６】
点線ｃは図３（Ａ）のＢ１−Ｂ２線で示すセンサ部１１のオーバーフローバリア領域ＯＦＢ近傍の半導体領域EPCR_1側のチャネルストップ部ＣＳ１を通る部分におけるポテンシャルを示す。点線ｄは図３（Ａ）のＡ１−Ａ２線で示す半導体領域EPCR_1側のチャネルストップ部ＣＳ１を貫く部分におけるポテンシャルを示す。
【０１０７】
図４（Ａ）から明らかなように、センサ部１１と第１Ｐウェル領域ＰＷ１との間に、ある高さの電位障壁が形成される。
【０１０８】
ここで、第１実施形態のセンサ構造において、信号電荷がセンサ部１１の受光素子（フォトダイオードなど）に蓄積されたとき、飽和レベルを超える光りが照射され続けて、電位障壁を越える量の信号電荷がセンサ部１１に生じると、その電位障壁を越える分の電荷が半導体基板ＮＳＵＢの深さ方向に流れる。
【０１０９】
したがって、センサ部１１に蓄積される過剰電荷は第１Ｐウェル領域ＰＷ１を越えて半導体基板ＮＳＵＢに流れ、半導体基板ＮＳＵＢに吸収されることになり、隣接チャンネル間にオーバーフロードレインを設ける必要性がなく、その結果、開口率を小さくすることなく過剰電荷を吸収できる。ところが、このとき、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの障壁電位が変化しようとする。
【０１１０】
しかしながら、第１実施形態のセンサ構造では、空乏化してない半導体領域EPCR_1によって、センサ表面からオーバーフローバリア領域ＯＦＢ近傍までＧＮＤ電位を延ばしておくような電位分布が形成されているので、障壁電位の変化が抑制される。このため、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ付近の電位が自己上昇し信号電荷が余分に蓄積されるというニー特性を抑制することができる。すなわち、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲の電位変動抑制半導体領域EPCRによるＧＮＤ電位の影響を受けて、障壁電位が変動しようとすることを、従来に比べて大幅に抑制することができる。
【０１１１】
この結果、図４（Ｂ）に示すように、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。
【０１１２】
このように、本実施形態のセンサ構造を採ることで、センサ部１１の下部の基板深くに設けたオーバーフローバリア領域ＯＦＢが、電子蓄積の影響を受けず、その結果として電位障壁が変動しないので、ニー特性を大幅に改善できるのである。特に、第１実施形態のセンサ構造では、センサ表面に繋がった半導体領域EPCR_1に接続されて半導体領域EPCR_2が設けられ、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの全周囲を取り囲むようにしているので、後述の第２実施形態のセンサ構造と比べて、障壁電位変動に対する抑制効果が高い。
【０１１３】
つまり、露光電荷蓄積期間中にオーバーフローバリア領域ＯＦＢがセンサ表面のＧＮＤ電位に繋がるように、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲に不純物を配置して空乏化した半導体層を形成するようにした本実施形態のセンサ構造を採ることで、センサ部１１の信号電荷が、飽和信号レベル以上に蓄積され続けるといったニー特性を改善することができる。
【０１１４】
また、ニー特性が抑制されることから、以下のような付加的な効果も享受できるようになる。すなわち、ニー成分の電荷を転送する要がなくなるので、飽和信号量以上に運ばなければいけない電荷量（飽和＋ニー成分）が減るため、電荷転送領域（垂直転送レジスタ１３だけでなく水平転送レジスタ１５も）は、転送幅を狭くできる。その分、センサ部１１のフォトダイオードなどの受光素子の面積を大きく取れるため、結果的に、感度を向上させることができる。あるいは、同じ受光感度とする場合には、微細化すなわち高解像度化を実現することもできる。
【０１１５】
また、ニー成分の電荷を転送する要がなくなるので、垂直転送レジスタ１３および水平転送レジスタ１５の何れについても、転送電極に印加する電圧振幅を小さくすることができるため、すなわち垂直転送振幅を低下させることができるため、消費電力を低減できる。加えて、垂直転送電極１２下のゲート膜に加わる電圧ストレスも減るため、長期信頼性上の特性の安定性も改善される。
【０１１６】
さらに、垂直転送レジスタ１３を構成する埋込チャネルＢＣをさらに微細化することができるし、これによって垂直転送幅が狭くなるため、スミア成分を減らすこともできる。
【０１１７】
また、本実施形態のデバイス構造では、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの信号電荷量に依存した障壁電位変動を抑制するための半導体領域EPCR_1を素子分離領域としてのチャネルストップ部ＣＳ１と兼用した構造を採用しており、本実施形態のデバイス構造を実現する際に、面積増大を招くことがない。
【０１１８】
手法としては、素子分離領域（チャネルストップ部ＣＳ１）とは別に、障壁電位変動を抑制するための半導体領域EPCR_1をオーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲に設けることも考えられるが、この場合、面積増大を招いてしまうので、半導体領域EPCR_1が隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部ＣＳ１を兼ねる本実施形態のデバイス構造の方が有利である。
【０１１９】
＜センサの構造：第２実施形態＞
図５は、第２実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。ここで、図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、第２実施形態の第１例を示し、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、第２実施形態の第２例を示す。なお、図５（Ａ）は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるｚ−ｚ線の平面図である。同様に、図５（Ｃ）は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図５（Ｄ）は、図５（Ｃ）におけるｚ−ｚ線の平面図である。
【０１２０】
第２実施形態のセンサ部１１も、基本的には、第１実施形態のセンサ構造と同様に、図７に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを有するセンサ構造において、センサ表面に設けられている素子分離領域としてのチャネルストップ部ＣＳ１が、電位的に連続してオーバーフローバリア領域ＯＦＢに隣接する所まで延長されている構造となっている点に特徴を有する。
【０１２１】
特に、この第２実施形態のセンサ構造は、前述の第１実施形態のセンサ構造との相違点として、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの一部が電位変動抑制半導体領域EPCRに接している、つまりオーバーフローバリア領域ＯＦＢの一部が電位変動抑制半導体領域EPCRで囲まれている構造となっている点に特徴を有する。
【０１２２】
すなわち、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す第２実施形態の第１例のセンサ構造および図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示す第２実施形態の第２例のセンサ構造では、先ず、隣接するセンサ部１１と間のチャネルストップ部ＣＳ１は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ近くまで、表面のＧＮＤ（接地）電位を供給できるように、第１Ｐウェル領域ＰＷ１および第２Ｐウェル領域ＰＷ２とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_1で繋がれている。
【０１２３】
一方、第１例のセンサ構造では、読出ゲート部ＲＯＧの下部の第１Ｐウェル領域ＰＷ１上に、センサ表面よりも所定の深さで、かつ、図５（Ｂ）に示すように、半導体領域EPCR_1とは離間して繋がらないように、第１Ｐウェル領域ＰＷ１および第２Ｐウェル領域ＰＷ２とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_2が設けられている。第１実施形態のセンサ構造との比較では、半導体領域EPCR_2が、半導体領域EPCR_1とは離間して繋がらないようになっている点に特徴を有するのである。
【０１２４】
なお、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とは、全く異なる不純物濃度のものとしてもよいし、両者を同一の不純物濃度としてもよい。
【０１２５】
この第２実施形態のデバイス構造でも、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部ＣＳ１の全体が構成され、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とが、センサ部１１の深層領域で、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の一部分を取り囲むようにすることで、センサ部１１の下部にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを構成するようにしているのである。
【０１２６】
つまり、図５（Ｂ）に示すように、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを挟むように、半導体領域EPCR_2が半導体領域EPCR_1と対向し、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを通る垂直方向の上下には、第２Ｐウェル領域ＰＷ２が存在するのである。
【０１２７】
これに対して、第２例のセンサ構造では、読出ゲート部ＲＯＧ下部の第１Ｐウェル領域ＰＷ１上には、チャネルストップ部ＣＳ１をなす半導体領域EPCR_2を設けていない点に特徴を有する。
【０１２８】
半導体領域EPCR_1のみで水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部ＣＳ１の全体が構成され、このチャネルストップ部ＣＳ１（半導体領域EPCR_1）が、センサ部１１の深層領域で、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の一部分を取り囲むようにすることで、センサ部１１の下部にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを構成するようにしているのである。
【０１２９】
つまり、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示すように、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを通る垂直方向の上下には、第２Ｐウェル領域ＰＷ２が存在するのである。
【０１３０】
何れにしても、この第２実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを、従来のように、センサ部１１の下部における第１Ｐウェル領域ＰＷ１の全体ではなく、チャネルストップ部ＣＳ１で周囲の一部分を取り囲むことで、センサ部１１下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。
【０１３１】
このような第２実施形態のセンサ構造でも、チャネルストップ部ＣＳ１を兼用される半導体領域EPCR_1は、接地電位とされる。半導体領域EPCR_2は半導体領域EPCR_1と繋がっていないので、チャネルストップ部ＣＳ１を兼用する半導体領域EPCR_1が接地電位とされても、半導体領域EPCR_2はフローティング状態とされている。こうすることでも、露光蓄積状態時において、第１実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの近くまでを、確実にＧＮＤ電位にすることができる。
【０１３２】
したがって、第１実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲のチャネルストップ部ＣＳ１によるＧＮＤ電位の影響を受けて、障壁電位が変動することが、大幅に従来に比べ抑制される。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。
【０１３３】
ただし、この第２実施形態のセンサ構造では、センサ部１１の深層領域で、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の一部分だけを取り囲むようにしているので、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の全周囲を取り囲むようにしている第１実施形態のセンサ構造と比べた場合、障壁電位変動の抑制効果は若干劣る。
【０１３４】
しかしながら、第２実施形態の第２例のセンサ構造では、垂直転送レジスタ１３に隣接する読出ゲート部ＲＯＧの下部に空乏化していない半導体領域EPCR_2を設けていないので、第１実施形態や第２実施形態の第１例のセンサ構造に比べて、素子の製造が容易である利点がある。
【０１３５】
加えて、半導体領域EPCR_2による垂直転送レジスタ１３へのＧＮＤ電位の変調をなくすことで垂直転送レジスタ１３の下部を常に空乏化しておけるため、電荷転送期間にも、垂直転送レジスタ１３の下部の第２Ｐウェル領域ＰＷ２が空乏化した状態を確実に維持することができ、垂直転送動作で転送効率の低下が行ならない状態で垂直転送動作をさせることができるという利点もある。
【０１３６】
＜センサの構造：第３実施形態＞
図６は、第３実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。ここで、図６（Ａ）は、センサ垂直方向のセンサ表面の平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるｙ−ｙ線のセンサ垂直方向断面の不純物構成を示した図、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）におけるｚ−ｚ線の平面図である。
【０１３７】
第２実施形態のセンサ部１１は、図７に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを有するセンサ構造において、オーバーフローバリア領域ＯＦＢにＧＮＤ電位を与えるＰ型半導体層でなるチャネルストップ部ＣＳ２を画素間１１ａに設けることにより、第１実施形態や第２実施形態のセンサ構造と同じ効果を持たせるようにした点に特徴を有する。図示を割愛するが、センサ水平方向断面の不純物構成は、従来例と同様である。
【０１３８】
すなわち、先ず、図６（Ａ）に示すように、画素間１１ａのチャネルストップ部ＣＳ２は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ近くまで、表面のＧＮＤ（接地）電位を供給できるように、第１Ｐウェル領域ＰＷ１および第２Ｐウェル領域ＰＷ２とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_3で繋がれている。
【０１３９】
半導体領域EPCR_3は、第１実施形態や第２実施形態の半導体領域EPCR_1，EPCR_2と同様に、電荷蓄積領域としてのセンサ部１１の下部における第２導電型の半導体領域であるオーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲に、電荷蓄積領域としてのセンサ部１１に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための第１の電位変動抑制半導体領域EPCRとして機能するものである。
【０１４０】
半導体領域EPCR_3で、画素間１１ａのチャネルストップ部ＣＳ２の全体が構成されている。つまり、半導体領域EPCR_3が画素間１１ａ間のチャネルストップ部ＣＳ２を兼用するデバイス構造となっているのである。この点は、第１実施形態の半導体領域EPCR_1が、隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部ＣＳ１を兼用するのと同様である。
【０１４１】
そして、このチャネルストップ部ＣＳ２を兼用する半導体領域EPCR_3が、センサ部１１の深層領域で、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを一周して取り囲むようにすることで、センサ部１１の下部にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを構成するようにしている。
【０１４２】
この第３実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域ＯＦＢを、従来のように、センサ部１１の下部における第１Ｐウェル領域ＰＷ１の全体ではなく、半導体領域EPCR_3で周囲の全体を取り囲むことで、センサ部１１下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域ＯＦＢを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。
【０１４３】
特に、第１実施形態のセンサ構造との相違点として、図６（Ｃ）に示すように、センサ部１１の下部のみで、半導体領域EPCR_3によりオーバーフローバリア領域ＯＦＢを一周して取り囲むようにしている点に特徴を有するのである。この場合、図６（Ｃ）に示すように、画素間１１ａの深い位置まで、半導体領域EPCR_3を、空乏化しない程度の濃さで形成することになる。
【０１４４】
このような第３実施形態のセンサ構造でも、画素間１１ａのチャネルストップ部ＣＳ２を兼用する半導体領域EPCR_3は、接地電位とされる。こうすることで、露光蓄積状態時において、第１実施形態や第２実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの近くまでを、確実にＧＮＤ電位にすることができる。
【０１４５】
したがって、第１実施形態や第２実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域ＯＦＢの周囲の半導体領域EPCR_3によるＧＮＤ電位の影響を受けて、障壁電位が変動することが、大幅に従来に比べ抑制される。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。
【０１４６】
センサ部１１の深層領域で、第１Ｐウェル領域ＰＷ１の全周囲を半導体領域EPCR_3で取り囲むようにしているので、第１実施形態のセンサ構造と同程度の障壁電位変動の抑制効果を享受できる。
【０１４７】
加えて、第１実施形態のセンサ構造とは異なり、垂直転送レジスタ１３に隣接する読出ゲート部ＲＯＧの下部には、半導体領域EPCR_2を設けていないので、第２実施形態の第２例のセンサ構造と同様に、第１実施形態や第２実施形態の第１例のセンサ構造に比べて、垂直転送レジスタ１３へのＧＮＤ電位の変調を少なくできるため、垂直転送レジスタ１３を容易に空乏化しておけるという利点がある。
【０１４８】
なお、上述の第１〜第３実施形態の仕組みは、空乏化していないＰ型半導体層よって、センサ表面からオーバーフローバリア領域ＯＦＢ近傍までＧＮＤ電位を延ばしておくような電位分布を素子構造の側面から形成することで、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域ＯＦＢ付近の電位が自己上昇し信号電荷が余分に蓄積されるというニー特性を抑制するようにしていた。
【０１４９】
これに対して、別の手法としては、デバイス構造としては概ね従来と同様のものを使用しつつ、電荷蓄積期間に前述のような電位分布が形成され、その後の読出期間や転送期間には、それぞれの動作に適した電位分布となるように、駆動電圧や駆動タイミングを制御することも考えられる。
【０１５０】
しかしながら、従来のデバイス構造のままで、駆動電圧や駆動タイミングを制御することにより、電荷蓄積期間に前述のような電位分布にしたり、その後の読出期間や転送期間にそれぞれの動作に適した電位分布にしたりすることは、読出効率や転送効率の低下を招いたり、この問題を解消するための新たな仕組みを考える必要が生じるなど、困難性を伴うことになる。
【０１５１】
これに比べて、デバイス構造の側面から、読出効率や転送効率に大きな悪影響を与えない範囲で、電荷蓄積期間に前述のような電位分布が形成されるような構造とすれば、困難性を伴うことがない。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】電子機器の一例である撮像装置（カメラシステム）の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示したＣＣＤ固体撮像素子の４種類の垂直転送電極の配置構造の一例を示す図である。
【図３】第１実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。
【図４】図３に示したデバイス構造を適用することによる、ニー特性の改善を説明する図である。
【図５】第２実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。
【図６】第３実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。
【図７】縦形オーバーフローバリア構造を有する従来の固体撮像素子を説明する図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１…撮像装置、１０…ＣＣＤ固体撮像素子、１０ａ…撮像部、１１…センサ部、１１８…センサ開口部、１１ａ…画素間、１２…垂直転送電極、１２Ａ…専用転送電極、１２Ｂ…読出転送電極、１３…垂直転送レジスタ、１５…水平転送レジスタ、１７…出力アンプ部、５０…駆動制御部、５２…タイミング信号生成部、５４…ドライバ、５６…駆動電源、ＢＣ…埋込チャネル、ＣＳ１，ＣＳ２…チャネルストップ部、ＲＯＧ…読出ゲート部、ＰＷ１…第１Ｐウェル領域、ＰＷ２…第２Ｐウェル領域、EPCR…電位変動抑制半導体領域、EPCR_1，EPCR_2，EPCR_3…半導体領域、ＯＦＢ…オーバーフローバリア領域、ＮＳＵＢ…半導体基板
【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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