(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に２次元状に配列されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電荷結合素子（ＣＣＤ）と、
前記垂直転送ＣＣＤで転送された信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送ＣＣＤと、
前記水平転送ＣＣＤを挟んで前記垂直転送ＣＣＤとは反対側に位置し、不要電荷を排出する不要電荷排出部と、
前記水平転送ＣＣＤと前記不要電荷排出部との間の電位障壁部とを備える固体撮像装置であって、
前記電位障壁部は、前記半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、
前記水平転送ＣＣＤと前記第一のｎ型拡散層の間であって、前記水平転送ＣＣＤの端および前記第一のｎ型拡散層の端に接し、且つ前記第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高く、前記水平転送ＣＣＤよりも不純物濃度が低い第二のｎ型拡散層と、
前記不要電荷排出部と前記第一のｎ型拡散層の間であって、前記不要電荷排出部の端および前記第一のｎ型拡散層の端に接し、且つ前記第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高く、前記不要電荷排出部よりも不純物濃度が低い第三のｎ型拡散層とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第三のｎ型拡散層は１×１０15ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の不純物濃度である請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第三のｎ型拡散層は水平方向に伸びており、垂直方向の幅は０．２μｍから１μｍである請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記水平転送ＣＣＤの上には遮光膜が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記遮光膜がアルミニウムである請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記遮光膜がタングステンである請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第一のｎ型拡散層は１×１０14ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下の不純物濃度である請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第二のｎ型拡散層は１×１０15ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の不純物濃度である請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第一のｎ型拡散層は水平方向に伸びており、垂直方向の幅は０．５μｍから２μｍである請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第二のｎ型拡散層は水平方向に伸びており、垂直方向の幅は０．２μｍから１μｍである請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第一のｎ型拡散層および前記第二のｎ型拡散層の深さは０．４μｍ以内である請求項１〜１０のいずれか１項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、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子に関し、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、水平ＣＣＤの不要電荷排出部での不要電子の排出能力を高め、大光量信号時でも画像出力を容易に実現するＣＣＤを有する固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
民生用や業務用でのビデオカメラ、近年めざましい発展を遂げているデジタルスチルカメラに用いられるＣＣＤ固体撮像素子では、カメラの小型化、高画素化の進展に伴い、微細セル化によるＣＣＤ画素部の取り扱い電荷量の向上が目覚ましい。一方、アンプ部に信号電荷を送り出す水平ＣＣＤ部は、電池でも駆動できるレベルの低電圧化を実現しなければならず、取り扱い電荷量の著しい向上は遂げられていない。そのため、屋内、屋外等の撮影において、高輝度の被写体撮像時のような大光量の信号を電荷転送する時には、画像がでなくなるという事態が発生する。この現象について、図９を用いて説明する。図９は、一般的なＣＣＤ固体撮像素子の模式図である。高輝度被写体撮像時には、画素部９３のフォトダイオード９１で大光量による大量の電子が発生し、垂直ＣＣＤ９２に溢れだす。垂直ＣＣＤ９２は常時、水平ＣＣＤ９５へ転送動作を行っているため、画素部に対応した領域３３の水平ＣＣＤ９５は電子で一杯になる。この電子は、信号として取り扱えるレベルを越えており不要電子と呼ばれる。この時、水平ＣＣＤ９５に接して作り込まれた不要電子排出部９６に速やかに不要電子を排出出来なければ、信号電荷（＝電子）が遮光部（Optical Black部、以後「ＯＢ部」という。）９４に対応した領域３４の水平ＣＣＤ９５を埋め尽くすので、カメラで基準信号となる０レベルを検出できなくなり、画像が出なくなる。前記の０レベルを検出できなくなる現象は、一般的に「ＯＢクランプハズレ」と呼ばれる。
【０００３】
ＣＣＤ固体撮像素子における水平ＣＣＤの電荷排出部の形成は、例えば下記特許文献１に提案されている。図１０は、前記特許文献１に記載された従来の水平ＣＣＤにおける水平ＣＣＤと不要電荷排出部の断面模式図を示すものである。図１０において、ｎ-半導体基板１０１とｐ型ウェル１０２と、水平ＣＣＤ部であるｎ型領域１０３と、電位障壁部の埋め込みチャンネルであるｎ型領域１０４と不要電荷排出部であるｎ型領域１０５と素子分離を構成するｐ+領域１０６と第一の水平電荷転送電極となる多結晶シリコン１０７とゲート絶縁膜１０８、厚膜酸化膜１３１、絶縁膜１３０とで構成され、水平電荷転送部の埋め込みチャンネル及び不要電荷排出部は同一不純物プロファイルで形成されている。点線１０９は、領域１０４〜１０６内の基板表面に水平な方向を示す。
【特許文献１】特開平９−２２３７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の構成では、水平ＣＣＤ部であるｎ型領域１０３と、電位障壁部の埋め込みチャンネルであるｎ型領域１０４と不要電荷排出部であるｎ型領域１０５を同一不純物プロファイルで形成するだけでは、画素部から流入してくる不要電子の掃き出し能力が低下し、画像がでなくなったり、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量が低下するという問題があった。この問題を図１１Ａ〜Ｃを用いて説明する。図１１Ａ〜Ｃは、図１０に示す特許文献１に提案されている従来の水平ＣＣＤにおける水平ＣＣＤ、不要電荷掃き出し部の断面模式図におけるｎ型領域１０３、ｎ型領域１０４、ｎ型領域１０５内を通り基板１に水平な方向である点線１０９に沿った領域の不純物分布、及び電位分布を示す。ｎ型領域１０４が比較的に低濃度である場合には次のような不具合が発生する。ｎ型領域１０４が比較的低濃度である場合は、図１１Ａの不純物分布１１１になる。ＣＣＤ固体撮像素子の周辺から印可された電源電圧により、ｎ型領域１０３、ｎ型領域１０４が空乏化し、ｎ型領域１０５が非空乏化した状態の電位分布は、図１１Ｂの電位１１３になる。大光量信号時に画素部から不要電子１１４が流入すると電位は、電位１１３から電位１１５に上昇する。しかし、不要電子１１４を排出するためには、ｎ型領域１０４内の電子排出距離１１６が長いので不要電子１１４を排出できなくなり、画素部に対応する水平ＣＣＤが不要電子１１４で溢れ返る。そのため、ＯＢ部の水平ＣＣＤまで不要電子１１４で一杯になって、大光量信号時に画像が出なくなってしまう。
【０００５】
次に、ｎ型領域１０４が比較的高濃度である場合には次のような不具合が発生する。ｎ型領域１０４が比較的に高濃度である時には、図１１Ａの不純物分布１１２になる。ＣＣＤ固体撮像素子の周辺から印可された電源電圧により、ｎ型領域１０３、ｎ型領域１０４が空乏化し、ｎ型領域１０５が非空乏化した状態の電位分布は、図１１Ｃの電位１１７になる。画素部から大光量信号時に余剰電子１１８が流入すると、電位は、電位１１７から電位１１９に上昇する。このとき、余剰電子１１８を排出するためのｎ型領域１０４内の電子排出距離１２０は、距離１１６と比べて短くでき、電子の排出には問題がない。しかし、水平ＣＣＤで信号電子を蓄積できる電位は、電位１１９までしかないので、水平ＣＣＤでの取り扱い電荷量が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、不要電荷排出部の不要電子排出能力を向上し、大光量信号に画像出力可能なＣＣＤ固体撮像素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基板上に２次元状に配列されたフォトダイオードと、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電荷結合素子（ＣＣＤ）と、前記垂直転送ＣＣＤで転送された信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送ＣＣＤと、前記水平転送ＣＣＤを挟んで前記垂直転送ＣＣＤとは反対側に位置し、不要電荷を排出する不要電荷排出部と、前記水平転送ＣＣＤと前記不要電荷排出部との間の電位障壁部とを備える固体撮像装置であって、前記電位障壁部は、前記半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、前記水平転送ＣＣＤと前記第一のｎ型拡散層の間であって、前記水平転送ＣＣＤの端および前記第一のｎ型拡散層の端に接し、且つ前記第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高く、前記水平転送ＣＣＤよりも不純物濃度が低い第二のｎ型拡散層と、前記不要電荷排出部と前記第一のｎ型拡散層の間であって、前記不要電荷排出部の端および前記第一のｎ型拡散層の端に接し、且つ前記第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高く、前記不要電荷排出部よりも不純物濃度が低い第三のｎ型拡散層とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、不要電荷排出部への不要電子の排出能力を向上し、大光量信号時でも画像出力可能なＣＣＤを有する固体撮像装置を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、第一のｎ型拡散層の一方の端に接して半導体基板表面に形成され、且つ第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高い第二のｎ型拡散層と第一のｎ型拡散層の他方の端に接して半導体基板表面に形成され、且つ第一のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高い第三のｎ型拡散層とを有することにより、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、水平ＣＣＤの不要電荷排出部での不要電子の排出能力を向上し、大光量信号時でも画像出力ができる。
【００１５】
前記第１〜３番目のＣＣＤ固体撮像素子においては、前記第一のｎ型拡散層は１×１０14ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下、前記第二のｎ型拡散層は１×１０15ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下、前記第三のｎ型拡散層は１×１０15ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の不純物濃度であることが好ましい。
【００１６】
また、前記第４番目のＣＣＤ固体撮像素子においては、前記第一のｎ型拡散層が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下、前記第二のｎ型拡散層が１×１０17ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００１７】
また、前記第四のｎ型拡散層は遮光領域にあり、前記第四のｎ型拡散層は前記第三のｎ型拡散層よりも不純物濃度が高くなるように形成されていることが好ましい。
【００１８】
前記第５〜６番目のＣＣＤ固体撮像素子においては、前記第四のｎ型拡散層は、画像での黒レベルを決定する遮光部に存在することが好ましい。
【００１９】
また、前記第三のｎ型拡散層は１×１０14ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下、前記第四のｎ型拡散層は１×１０15ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の不純物濃度であることが好ましい。
【００２０】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態において、画素部のフォトダイオードは図９に示したものと同様であるので説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１におけるＣＣＤ固体撮像素子の不要電荷排出部を含めた水平ＣＣＤ部の断面模式図を示す。図１は、水平ＣＣＤでの信号電荷転送方向に垂直な断面である。図１において、ｎ型半導体基板１の上に低濃度のｐ型ウェル４が形成されている。ｐ型ウェル４は、基板１からの電子の逆流を抑制するために、不純物は約１×１０14ｃｍ-3以上の濃度に設定されている。この濃度に設定することで、基板１からの電子の逆流を起こす水平駆動電圧を３．６Ｖ以上にすることができる。不純物自体は、従来から使用されているものを使用できる。水平ＣＣＤ転送チャンネルは、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されたｎ型領域６である。大光量信号時に画素部から水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子を排出するための排出部は、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されたｎ型領域１２である。水平ＣＣＤの最大取り扱い電荷量と大光量信号時に水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子との閾値を決めるための電位障壁を決定するためにｎ型領域１０が形成されている。ｎ型領域１０は、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されている。水平ＣＣＤであるｎ型領域６と電位障壁決定のｎ型領域１０の一方の端との間を結ぶようにｎ型領域９が、ｐ型ウェルのｎ型半導体基板１の表面に選択的に形成されている。また、電位障壁決定のｎ型領域１０の他方の端と不要電子を排出するための排出部であるｎ型領域１２との間を結ぶようにｎ型領域１１が、ｐ型ウェルのｎ型半導体基板１の表面に選択的に形成されている。ｎ型領域１０は、ｎ型領域９、ｎ型領域１１よりも低濃度である。ｎ型領域９は、ｎ型領域６よりも低濃度である。ｎ型領域１１は、ｎ型領域１２よりも低濃度である。水平ＣＣＤであるｎ型領域６に接してｎ型領域９を配置することにより、ｎ型領域６からの電位的なナロー効果を抑制する事ができ、不要電子を排出するためのｎ型領域１０での電位障壁を保つことができる。不要電子排出部であるｎ型領域１２に接してｎ型領域１１を配置することにより、ｎ型領域１２からの電位的なナロー効果を抑制することができ、ｎ型領域１０での電位障壁を保つ事ができる。ｎ型領域６、ｎ型領域１２からの電位的なナロー効果を抑制できるので、不要電子排出を目的とした電位障壁を形成するためのｎ型領域１０の幅は小さくできる。また、ｎ型領域９、ｎ型領域１１は、ｎ型領域６、ｎ型領域１２でのそれぞれのナロー効果を抑制するだけで良いので、ｎ型領域１０よりも高濃度にでき抵抗値を低く抑える事ができる。従って、水平ＣＣＤであるｎ型領域６と排出部であるｎ型領域１２との間にｎ型領域９，ｎ型領域１０、ｎ型領域１１を配置することにより電子排出時間を短くすることができ、不要電子排出能力を改善し、大光量信号時でも画像を出力にできる。また、ｎ型領域１０での電位障壁は高く保てるので、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量は低下する事はない。
【００２２】
また、ここでは基板１とｎ型領域を分離するためにｐ型領域７が、ｎ型領域６，ｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１、ｎ型領域１２の直下部に形成されている。基板１の表面に素子分離のための厚膜酸化膜３が選択的に形成されている。厚膜酸化膜３の直下部に基板１内の素子分離のためにｐ型領域２が選択的に形成されている。ｎ型領域１２と基板１との分離を図るために、ｐ型領域２の直下で且つｐ型領域２と接するようにｐ型領域５がｐ型領域７と接しｎ型領域１２の下部に選択的に形成されている。水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域６上で、ゲート絶縁膜８を介して、第一の水平転送ゲート電極１３が形成されている。転送ゲート電極１３の上に絶縁膜１４が形成されている。その上に、水平ＣＣＤ転送チャンネルであるｎ型領域６に光が混入するのを防ぐため、遮光膜１５が設けられている。遮光膜１５は、アルミニウム（ＡＬ）膜や、さらに遮光性の良好な高融点金属であるチタン（Ｔｉ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、タングステン（Ｗ）膜を使用することができる。さらに全面に保護膜１６が形成されている。保護膜１６は例えば酸化膜、窒化膜、酸化窒化膜、チタン窒化膜、酸化タンタル膜、酸化ニオブ膜の単層かあるいは複数の層で、100nm〜2000nmで形成される。点線１７は、水平ＣＣＤ、不要電荷排出部の断面でのｎ型領域６、ｎ型領域９、型領域１０、ｎ型領域１１、ｎ型領域１２の内部で且つ基板１表面に水平な方向を示す。
【００２３】
第一のｎ型拡散層１０は、０．５μｍから２μｍの幅で水平ＣＣＤ転送チャンネル全体に渡って形成する。厚さは、水平ＣＣＤ転送チャンネルより深くならない範囲であり、０．４μｍ以内である。
【００２４】
第二のｎ型拡散層９は、０．２μｍから１μｍの幅で水平ＣＣＤ転送チャンネル全体に渡って形成する。厚さは、水平ＣＣＤ転送チャンネルより深くならない範囲であり、０．４μｍ以内である。
【００２５】
第三のｎ型拡散層１１は、０．２μｍから１μｍの幅で水平ＣＣＤ転送チャンネル全体に渡って形成する。厚さは、水平ＣＣＤ転送チャンネルより深くならない範囲であり、０．４μm以内である。
【００２６】
図２Ａ〜Ｂを用いて、不要電子排出能力、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量の改善について説明する。図２Ａ〜Ｂでは、図１と同じ構成要素であるところは同じ符号を用いて説明を省略する。図２Ａに、図１中の点線１７に沿った領域での本実施の形態１でのＣＣＤ固体撮像素子の不要電子排出部を含めた水平ＣＣＤ部の不純物分布２１を示す。図２Ｂに図１中の点線１７に沿った領域での電位分布模式図を示す。水平ＣＣＤであるｎ型領域６、不要電子排出部であるｎ型領域１２には、ＣＣＤ固体撮像素子の周辺より電源電位が印加されており、信号電子がない場合は、ｎ型領域６、ｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１が空乏化した状態である。ｎ型領域１２は、不要電子を排出するため常時非空乏化状態となっている。電位２２は、水平ＣＣＤであるｎ型領域６、ｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１が空乏化状態、不要電子排出部であるｎ型領域１２が非空乏化状態となっている。空乏化状態でのｎ型領域６とｎ型領域１２との間のｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１の電位φは、次式の関係が成り立つ。
φ＝ｋＴ／ｑ×ｌｎ（Ｎd／ｎｉ）
ただし、ｋ：ボルツマン係数、ｑ：素電荷量、Ｎｄ：ドナー濃度、ｎｉ：真性濃度である。
【００２７】
水平ＣＣＤであるｎ型領域６の電位は、ｎ型領域１０に向かって緩やかに電位障壁を形成する。ｎ型領域６からの電位変調は、ｎ型領域９で吸収できるので、ｎ型領域１０での電位障壁が変調され低下することは起こらない。同様に、ドレインであるｎ型領域１２の電位は、ｎ型領域１０に向かって電位障壁を形成する。ｎ型領域１２からの電位変調は、ｎ型領域１１で吸収できるので、ｎ型領域１０での電位障壁が変調され低下することは起こらない。ｎ型領域６、ｎ型領域１２からの電位変調を受けることがないので、ｎ型領域１０の幅を小さくでき、ｎ型領域１０の電位障壁の距離２８は短くできる。
【００２８】
水平ＣＣＤであるｎ型領域６で信号電子２５を転送している時は、電位２３になる。大光量信号時に画素部から不要電子２６が流入してくると、電位は電位２４になる。電位障壁の距離２８は短いので不要電子２６を排出部であるｎ型領域１２に矢印２７のように瞬時に掃き出しが可能となり、排出能力を高めることができる。また、ｎ型領域６、ｎ型領域９、ｎ型領域１０の間では、段階的にｎ濃度を低くするため、電位障壁ができるｎ型領域１０までの間で抵抗値を大きく増加させることなく、不要電子２６をｎ型領域１０まで送り込むことができるので、不要電子２６の排出能力の向上を図ることができる。
【００２９】
また、ｎ型領域１０の障壁電位は、ナロー効果を低減することができ、電子の排出を高め、障壁電位を高く設定できるので、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることはない。
【００３０】
以上のように本実施の形態１によれば、半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、第一のｎ型拡散層の一方の端に接して半導体基板表面に形成され、且つ第一のｎ型拡散層よりも高濃度である第二のｎ型拡散層と第一のｎ型拡散層の他方の端に接して半導体基板表面に形成され、且つ第一のｎ型拡散層よりも高濃度である第三のｎ型拡散層とを有することにより水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、水平ＣＣＤの不要電荷排出部での不要電子の排出能力を高め、大光量信号時でも画像出力できる。
【００３１】
なお、図１においては、１０が第１のｎ型拡散層、１１が第２のｎ型拡散層、１２が第３のｎ型拡散層に相当する。
【００３２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２のＣＣＤ固体撮像素子の水平ＣＣＤでの不要電荷排出部を含めた平面図である。領域３３は、画素部での水平ＣＣＤチャンネル、不要電荷排出部を示す。領域３４は、ＯＢ(Optical Black)部での水平ＣＣＤチャンネル、不要電荷排出部を示す。点線３５は、領域３３の画素部に対応する水平ＣＣＤでの信号電子転送方向に垂直な断面であり図１に示している。点線３６は、領域３４のＯＢ部に対応する水平ＣＣＤでの信号電子転送方向に垂直な断面であり、図４に示している。図３、図４において、図１と同じ構成要素については説明を省略する。
【００３３】
図３、図４、図１において、水平ＣＣＤ転送チャンネルは、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されたｎ型領域６である。大光量信号時に水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子を排出するための排出部は、画素部に対応した領域２２ではｎ型領域１２であり、ＯＢ部に対応した領域２３ではｎ型領域３２である。ｎ型領域１２、ｎ型領域３２は、ｎ型領域３２の方がｎ型領域１２よりも高濃度であり、且つお互いにその一方の端を接してｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されている。水平ＣＣＤの最大取り扱い電荷量と大光量信号時に画素部から水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子との閾値となる電位障壁を決定するためにｎ型領域１０が形成されている。ｎ型領域１０は、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されている。水平ＣＣＤであるｎ型領域６と電位障壁決定のｎ型領域１０の一方の端との間を結ぶようにｎ型領域９が、ｐ型ウェルのｎ型半導体基板１の表面に選択的に形成されている。また、電位障壁決定のｎ型領域１０の他方の端と不要電子を排出するための排出部であるｎ型領域１２、ｎ型領域３２とのそれぞれの間を結ぶようにｎ型領域１１が、領域３３、領域３４でｐ型ウェルのｎ型半導体基板１の表面に選択的に形成されている。基板１とｎ型領域を分離するためにｐ型領域７が、ｎ型領域６、ｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１、ｎ型領域１２の直下部に形成されている。基板１の表面に素子分離のための厚膜酸化膜３が選択的に形成されている。厚膜酸化膜３の直下部に基板１内の素子分離のためにｐ型領域２が選択的に形成されている。領域３３の画素部でのｎ型領域１２、領域３４のＯＢ部でのｎ型領域３２と基板１との分離を図るために、ｐ型領域２の直下で且つｐ型領域２と接するようにｐ型領域５がｐ型領域７と接しｎ型領域１２、ｎ型領域３２の下部に選択的に形成されている。水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域６上で、ゲート絶縁膜８を介して、第一の水平転送ゲート電極１３、第２の水平転送ゲート電極３１が形成されている。
【００３４】
領域３４のＯＢ部でのｎ型領域３２は、領域３３の画素部でのｎ型領域１２よりも高濃度とすることにより、領域３３の画素部に対応した排出部であるｎ型領域１２に排出された不要電子、領域３４のＯＢ部での電位障壁を形成するｎ型領域９、ｎ型領域１０、ｎ型領域１１を乗り越えて排出された不要電子を素早く排出できる。そのため、排出部での不要電子の排出能力を高めることができ、大光量信号時でも画像を出力できる。加えて、ｎ型領域１２、ｎ型領域３２は、電位障壁を決めるｎ型領域１０の電位に影響を与えないので、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることがない。
【００３５】
また、不要電子の排出能力の高いｎ型領域３２を領域３４のＯＢ部から領域３３の画素部に対応した水平ＣＣＤ、排出部まで伸遠させると、ＣＣＤ固体撮像素子全体に高濃度のｎ型領域３２が配置され、半導体基板１との間の耐圧不良を起こす。例えば、４００万画素のデジタルスチル用途ＣＣＤ固体撮像素子では、画素部に対応した水平ＣＣＤは、約２３００ビット、ＯＢ部に対応した水平ＣＣＤは、約５０ビットであり、画素部の方が４０倍以上面積として大きい。そのため、領域３４でのＯＢ部にのみｎ型領域３２を配置した場合よりも、領域３３の画素部に対応した領域まで伸遠した方が、耐圧劣化が著しい。基板１との間の耐圧不良を防ぐには、ｐ型領域４、ｐ型領域５，ｐ型領域７を高濃度とするか、ｎ型領域３２と基板１との間の深さを拡大するしかない。ｐ型領域４、ｐ型領域５，ｐ型領域７を高濃度すると、水平ＣＣＤであるｎ型領域６での全体の転送効率劣化を引き起こす。ｎ型領域３２と基板１との間の深さを拡大すると画素部でのフォトダイオードから基板１への電荷掃き出し電圧の上昇を引き起こす。従って、ｎ型領域３２は、領域３４のＯＢ部に対応した領域内にとどめなければならない。
【００３６】
以上のように本実施の形態２によれば、半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、第一のｎ型拡散層の一方の端に接して半導体基板表面に形成され、且つ第一のｎ型拡散層よりも高濃度である第二のｎ型拡散層と、半導体基板表面に形成された第三のｎ型拡散層と、第一のｎ型拡散層と第二のｎ型拡散層と一方の端で接し、第三のｎ型拡散層と、他方の端で接し第３のｎ型拡散層よりも高濃度である半導体基板表面に形成された第四の拡散層とを有することにより水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、不要電荷排出部での不要電子の排出能力を高めることができ、大光量信号時でも画像を出力できる。
【００３７】
なお、図３において、１０が第１のｎ型拡散層、１１が第２のｎ型拡散層、１２が第３のｎ型拡散層、３２が第４のｎ型拡散層に相当する。
【００３８】
なお、図３においてｎ型領域３２の端は、領域３４と領域３３の接する位置に配置されているが、不要電子を速やかに排出でき、且つ領域３４の水平ＣＣＤであるｎ型領域６が不要電子で一杯にならなければよいので、領域３４内であればどこでも良い。
【００３９】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３のＣＣＤ固体撮像素子の水平ＣＣＤでの不要電子排出部を含めた平面図である。図５での画素部に対応した水平ＣＣＤ、不要排出部の領域３３における点線５３に沿った水平ＣＣＤ信号電子転送方向に垂直な断面模式図が図６である。図５でのＯＢ部に対応した水平ＣＣＤ、排出部の領域３３における点線５４に沿った水平ＣＣＤ信号電子転送方向に垂直な断面模式図が図７である。図５、図６、図７において、図１から図４までで同じ構成要素については説明を省略する。
【００４０】
図５、図６、図７において、水平ＣＣＤ転送チャンネルは、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されたｎ型領域６である。大光量信号時に水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子を排出するための排出部は、ｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されたｎ型領域１２である。水平ＣＣＤの最大取り扱い電荷量と大光量信号時に画素部から水平ＣＣＤチャンネルに余剰に流入する不要電子との閾値となる電位障壁を決定するためにｎ型領域５１、ｎ型領域５２が形成されている。画素部に対応した水平ＣＣＤ及び不要電荷排出部のある領域３３では前述電位障壁を決定する領域はｎ型領域５１であり、ｎ型領域６と一方の端を接し、その反対側の端をｎ型領域１２と接してｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されている。ＯＢ部に対応した水平ＣＣＤ及び不要電荷排出部のある領域３４では前述電位障壁を決定する領域はｎ型領域５２であり、ｎ型領域６と一方の端を接し、その反対側の端をｎ型領域１２と接してｐ型ウェル４の表面上に選択的に形成されている。前述の電位障壁を決定する領域は、水平ＣＣＤ、排出部内で連続するものであるから、ｎ型領域５１とｎ型領域５２は残りの面のうちのひとつで接し、領域３３では水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を確保し、領域３４では不要電子の排出能力を向上させるためｎ型領域５２よりもｎ型領域５１の方が低濃度となるように形成されている。また、ｎ型領域６とｎ型領域１２との電位障壁を形成するため、ｎ型領域６、ｎ型領域１２よりもｎ型領域５１、ｎ型領域５２の方が低濃度になるように形成される。基板１とｎ型領域を分離するためにｐ型領域７が、ｎ型領域６、ｎ型領域５１、ｎ型領域５２、ｎ型領域１２の直下部に形成されている。基板１の表面に素子分離のための厚膜酸化膜３が選択的に形成されている。厚膜酸化膜３の直下部に基板１内の素子分離のためにｐ型領域２が選択的に形成されている。ｎ型領域１２と基板１との分離を図るために、ｐ型領域２の直下で且つｐ型領域２と接するようにｐ型領域５がｐ型領域７と接しｎ型領域１２の下部に選択的に形成されている。水平ＣＣＤチャンネルであるｎ型領域６上で、ゲート絶縁膜８を介して、第一の水平転送ゲート電極１３、第２の水平転送ゲート電極３１が形成されている。図６の点線６１は、領域６，１２，５１内における基板１に表面に水平な方向を示す。図７の点線７１は、領域６，１２，５２内における基板１に表面に水平な方向を示す。
【００４１】
図８Ａ〜Ｂを用いて、水平ＣＣＤ取り扱い電荷量の改善と余剰電荷の掃き出し能力の改善について説明する。図８Ａ〜Ｂでは、図１から図７までと同じ構成要素については説明を省略する
図８Ａに、図６の点線６１に沿った領域での不純物分布８０、図７中の点線７１に沿った領域での不純物分布８１を示す。ここでは、ｎ型領域６，ｎ型領域１２との間の電位障壁を決定するための領域の不純物濃度は、分布８０の方が分布８１よりも低くなっており、画素部での領域３３の方がＯＢ部での領域３４よりも低濃度であることが判る。図２Ｂに図６中の点線６１に沿った領域、図７中の点線７１に沿った領域でのそれぞれの電位分布模式図を示す。水平ＣＣＤであるｎ型領域６、不要電子排出部であるｎ型領域１２には、ＣＣＤ固体撮像素子の周辺より電源電位が印加されており、信号電子がない場合は、ｎ型領域６、ｎ型領域５１、ｎ型領域５２が空乏化した状態である。ｎ型領域１２は、不要電荷を排出するため常時非空乏化状態となっている。画素部に対応した領域３３での信号電子のない状態の電位分布は、電位分布８２になる。ＯＢ部に対応した領域３４での信号電子のない状態の電位分布は、電位分布８６になる。画素部に対応した領域３３内の低濃度であるｎ型領域５１中の電位障壁電位は、電位８３になり高い障壁を得ることができる。そのため、水平ＣＣＤで後ろビットにあふれ出すような転送劣化の起こらない最大の取り扱い電荷量を向上する事ができる。次に、さらに大光量信号時になり画素部より不要電子８４が水平ＣＣＤであるｎ型領域６に流入すると、電位が上昇し電位分布８５になる。この時、不要電子８４は、画素部に対応する水平ＣＣＤであるｎ型領域６内で一杯になると、後ろビットに溢れだし、ＯＢ部に対応する領域３４に達する。しかしながら、ＯＢ部に対応する領域３４でのｎ型領域５２内の障壁電位は、電位８３よりも小さくなるように電位８７に設定しているので、不要電子８８がＯＢ部に対応する領域３４に達すると同時に、排出部であるｎ型領域１２に排出でき、ＯＢ部に対応した領域３４の水平ＣＣＤを不要電子８８で埋め尽くすことはなく、大光量信号時でも画像出力できる。合わせて、ｎ型領域５２の障壁電位８７が小さいために、ｎ型領域６、ｎ型領域１２からの電位のナロー効果が大きく現れ、不要電子８８の排出距離は距離９０のように小さくできる。そのため、不要電子を排出部であるｎ型領域１２へ排出する能力はさらに向上できる。
【００４２】
以上のように本実施の形態３によれば、半導体基板表面に選択的に形成された第一のｎ型拡散層と、半導体基板表面に選択的に形成された第二のｎ型拡散層と、一方の端で第一のｎ型拡散層と接し、その反対側の端で第二のｎ型拡散層と接するように半導体基板表面に選択的に形成された第三のｎ型拡散層と、一方の端で第一のｎ型拡散層と接し、その反対側の端で第二のｎ型拡散層と接し、残りのうちの一つの端で第三のｎ型拡散層と接し第三の拡散層よりも低濃度となるように半導体基板表面に選択的に形成された第四のｎ型拡散層を有することにより、水平ＣＣＤの取り扱い電荷量を低下させることなく、水平ＣＣＤでの不要電荷排出部への不要電子の排出能力を高め、大光量信号時でも画像出力できる。
【００４３】
なお、図５において、６が第１のｎ型拡散層、１２が第２のｎ型拡散層、５２が第３のｎ型拡散層、５１が第４のｎ型拡散層に相当する。
【００４４】
なお、本実施の形態３では、ｎ型領域５１、ｎ型領域５２を画素部、ＯＢに対応した領域３３、領域３４に配置する構造を示したが、本質は電位障壁を画素部である領域３３よりＯＢである領域３４の方を小さくすることである。従って、ｎ型領域５１、ｎ型領域５２の濃度を同じくしてｎ型領域６とｎ型領域１２との間の距離をｎ型領域５２の方を短くしても同様の効果が得られる。
【００４５】
なお、図５においてｎ型領域５１、ｎ型領域５２の境界は、領域３３と領域３４の境界位置に配置されているが、不要電子を速やかに排出でき、且つ領域３４の水平ＣＣＤであるｎ型領域６が不要電子で一杯にならなければよいので、領域３４内であればどこでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＣＣＤ固体撮像素子の水平ＣＣＤ部の断面模式図。
【図２】Ａ〜Ｂは、図１中の点線１７に沿った領域における本発明の実施の形態１でのＣＣＤ固体撮像素子の不要電荷排出部を含めた水平ＣＣＤ部の不純物分布、電位分布模式図。
【図３】本発明の実施の形態２におけるＣＣＤ固体撮像素子の水平ＣＣＤ部の断面模式図。
【図４】図３中の点線３６で示すＯＢに対応した領域３４における水平ＣＣＤの信号電子転送方向に垂直な断面模式図。
【図５】本発明の実施の形態３におけるＣＣＤ固体撮像素子の水平ＣＣＤ部の断面模式図。
【図６】図５中の点線５３で示す画素部に対応した領域３３における水平ＣＣＤの信号電子転送方向に垂直な断面模式図。
【図７】図５中の点線５４で示すＯＢ部に対応した領域３４における水平ＣＣＤの信号電子転送方向に垂直な断面模式図。
【図８】Ａ〜Ｂは、図６、図７中の点線６１、点線７１に沿った領域における本発明の実施の形態３でのＣＣＤ固体撮像素子の不要電荷排出部を含めた水平ＣＣＤ部の不純物分布、電位分布図。
【図９】従来及び本発明のＣＣＤ固体撮像素子の模式図
【図１０】従来の水平ＣＣＤでの水平ＣＣＤ、不要電荷排出部の断面模式図。
【図１１】Ａ〜Ｃは、図１０中の基板１に水平な方向である点線１０９に沿った領域の不純物分布、電位分布図。
【符号の説明】
【００４７】
１  ｎ型半導体基板
２，５，７  ｐ型領域
３  厚膜酸化膜
４  ｐ型ウェル
６  水平ＣＣＤ転送チャンネルｎ型領域
８  ゲート絶縁膜
９，１０，１１  ｎ型領域
１２  不要電荷排出部ｎ型領域
１３  転送ゲート電極
１４  絶縁膜
１５  遮光膜
１６  保護膜
１７  領域６，９，１０，１１，１２の内部で且つ基板表面に水平な方向
【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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