(57)【要約】【課題】  ＣＣＤにおいて、暗電流低減のため基板表面を反転させる際の蓄積相及びバリア相を不純物の濃度差により形成すると、駆動回路が複雑化する。【解決手段】  半導体基板３０の表面側に、転送時にクロック駆動されるゲート電極４４を設ける。一方、Ｐ−ｓｕｂ３２に電荷転送方向に沿って配列された電極領域３６，３８を交互に設ける。チャネルに電荷パケットを停留させる際には、ゲート電極４４の印加電圧により、Ｎ−ｗｅｌｌ４０表面を反転させる一方で、電極領域３６，３８に互いに異なる電圧を印加する。電極領域３６に電極領域３８より高い電圧を印加することで、電極領域３６の上のチャネル電位が深く、電極領域３８の上のチャネル電位は相対的に浅く形成され、蓄積相及びバリア相が形成される。【選択図】        図２
2005243840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に形成された第１導電型の上部半導体層及び当該上部半導体層の下に位置する第２導電型の下部半導体層により埋め込み型のチャネルを形成する電荷転送領域と、当該電荷転送領域上に電荷転送方向に沿って配列される複数の転送電極とを有し、前記転送電極により前記チャネルの電位を制御して電荷パケットを当該チャネル内にて転送する電荷結合装置において、
前記チャネル下に前記電荷転送方向に沿って配列され、外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる複数の下部電極を有すること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電荷結合装置において、
前記下部電極は、互いに別々に外部から電位を制御される第１下部電極と第２下部電極を含み、
前記第１下部電極及び前記第２下部電極は、所定の配列順序で互いに混在して前記電荷転送方向に配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電荷結合装置において、
前記第１下部電極及び前記第２下部電極は、前記チャネル内での電荷パケット列の配列周期を繰り返し周期として、それぞれ所定数ずつ交互に配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電荷結合装置において、
前記下部電極の下に前記電荷転送領域に沿って配置され、当該下部電極とは独立して外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる背部電極層を有し、
前記下部電極は、前記電荷転送方向に所定間隔置きに設けられた各電極形成位置にそれぞれ所定数ずつ配置されること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電荷結合装置において、
前記電極形成位置は、前記チャネルにて前記電荷パケットを停留させる停留位置又は停留された前記電荷パケット間を分離する分離位置のいずれか一方の下に設けられること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の電荷結合装置において、
前記背部電極層は、第１導電型の半導体領域で形成されること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の電荷結合装置において、
前記下部電極は、前記下部半導体層の内部に形成された第１導電型の半導体領域であること、
を特徴とする電荷結合装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電荷結合装置を駆動する方法であって、
前記転送電極に印加するクロックを停止して、前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【請求項９】
請求項２又は請求項３に記載の電荷結合装置を駆動する方法であって、
前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記第１下部電極に印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置に電位井戸を形成し、かつ前記第２下部電極に印加する電圧を制御して、隣接する前記電位井戸同士を分離する電位障壁を形成する電位井戸列形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の駆動方法において、
前記転送電極に前記クロックを印加して前記電荷パケットを転送する場合には、前記第１下部電極と前記第２下部電極とを互いに同電位とすることを特徴とする電荷結合装置の駆動方法。
【請求項１１】
請求項４又は請求項５に記載の電荷結合装置を駆動する方法であって、
前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極及び前記背部電極層それぞれに印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置となる電位井戸及び前記電位井戸同士を分離する電位障壁のいずれか一方を、前記チャネルのうち前記電極形成位置に対応した位置に形成し、他方を前記電極形成位置相互間の間隙に対応した位置に形成する電位井戸列形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を有することを特徴とする駆動方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電荷結合装置で構成されたシフトレジスタと、
前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する複数の受光画素と、
を有し、
前記信号電荷を前記シフトレジスタで転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電荷結合装置で構成された複数の垂直シフトレジスタと、
前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する行列配置された複数の受光画素と、
を有し、
前記複数の垂直シフトレジスタは、一行分の前記信号電荷の読み出し周期に同期して、前記信号電荷を列に沿った方向に順次転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の固体撮像装置を駆動する方法において、
前記垂直シフトレジスタの前記読み出し周期毎の転送動作の合間にて、前記信号電荷からなる前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電荷結合装置からなる複数の垂直シフトレジスタによって複数の受光画素が構成された撮像部を有するフレーム転送型の固体撮像装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の固体撮像装置を駆動する方法において、
受光光量に応じて発生する信号電荷を前記各受光画素毎に前記電荷パケットとして前記チャネル内に蓄積する露光動作に、
前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記各受光画素毎に、前記信号電荷を蓄積する電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、
前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号電荷等の転送に用いられる電荷結合装置及びそれを用いた固体撮像装置に関し、特に暗電流の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合装置（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）は、表面に酸化膜を形成した半導体基板の内部の電位を、当該酸化膜上に配置したゲート電極に印加する電圧に応じて制御する。これにより、半導体基板表面近傍に電位井戸、及びそれら電位井戸相互間を分離する電位障壁を形成することができ、電位井戸に信号電荷を電荷パケットとして蓄積することができる。また、複数のゲート電極を一定方向に配列し、それらに印加する電圧を順番に変化させることにより、電位井戸と共に電荷パケットをゲート電極の配列方向に沿って転送することができる。
【０００３】
このＣＣＤは固体撮像装置であるＣＣＤイメージセンサにおいて、行列配置された受光画素にて生じた信号電荷を出力部へ読み出す手段として利用されている。ＣＣＤイメージセンサでは、ＣＣＤは、各列の信号電荷を垂直方向（列に沿った方向）に転送する複数の垂直シフトレジスタ及び、これら複数の垂直シフトレジスタから１行ずつ出力される信号電荷を水平方向（行に沿った方向）に転送する水平シフトレジスタを構成する。また、フレーム転送型のＣＣＤイメージセンサにおいては、撮像部の各列毎に設けたＣＣＤ自体が各列の受光画素を構成し、受光光量に応じた信号電荷を発生する。
【０００４】
さて、ＣＣＤでは、半導体基板表面と酸化膜との境界には界面準位が多く形成され、それにより発生する電荷が暗電流ノイズとして、電位井戸に蓄積された信号電荷に混入することが問題となる。これに対応するために、現在、一般的にＣＣＤは、例えば、ｐ型半導体基板の表面にｎ型半導体層を形成した埋め込みチャネル型に構成される。この構成では、基板垂直方向（基板厚み方向）に関する電位井戸の位置を、界面準位が存在する半導体基板表面を避けて、半導体基板内部にシフトさせることができ、それにより、暗電流ノイズを低減することができる。
【０００５】
しかしながら、電位井戸を形成する空乏層が界面まで延び、界面の空乏化によって界面準位で発生した電荷は電位井戸に流れ込む。そのため、電位井戸に蓄積される時間が長いと、暗電流によるＳＮ比（signal to noise ratio）の劣化がやはり問題となる。
【０００６】
また、同様に、界面準位は、固体撮像装置の受光画素を構成するフォトダイオードでも問題となる。フォトダイオードでは、この問題を解決するために、例えば、ｐ型基板表面にｎ型不純物領域を形成して構成されるフォトダイオードでは、表面にｐ＋層を形成して界面準位が存在する半導体基板表面近傍が空乏化しないようにした埋め込み型フォトダイオード構造が採用される。
【０００７】
この埋め込み型フォトダイオードと同様に、埋め込みチャネル型ＣＣＤにおいても表面を空乏化させないことにより、暗電流の一層の低減が可能である。具体的には、ＣＣＤのゲート電極の電圧を制御することにより、半導体基板表面に反転層を形成する。例えば、上述のｐ型層の表面にｎ型層を形成した埋め込みチャネル型ＣＣＤでは、ゲート電圧を所定の負電圧とすると、基板表面が素子分離領域のｐ＋層から供給されたホールによって反転状態となる。
【０００８】
ちなみに、反転状態となると、電圧の絶対値をさらに大きくしても表面電位は固定されたままの状態（ピンニング状態）となる。すなわち、反転状態では、ゲート電圧によるチャネル電位の制御ができなくなる。そのため、ＣＣＤの転送方向に沿って、電位井戸となる部分（蓄積相）と電位障壁となる部分（バリア相）との相互間に、予め不純物プロファイルの差異を設けることによって、蓄積相とバリア相とにポテンシャル差を生じさせる。これにより、蓄積相よりバリア相のポテンシャルが浅く形成され、このバリア相によって電荷パケット同士を分離することができる。
【０００９】
この構造により、ＣＣＤにおいて反転状態とした場合においても、チャネルに電荷パケットを保持することができる。一方、保持された電荷パケットをチャネルに沿って転送するためには、反転状態を解除する。そして、ゲート電圧の制御により、各ゲート電極下のチャネルの状態を所定の順序、周期で変化させて、交互に蓄積相及びバリア相とすることにより電荷パケットを所定方向に転送することができる。
【００１０】
図８は、従来技術によるＣＣＤの転送方向に沿った模式的な断面図である。このＣＣＤは、ｎ型シリコン基板（Ｎ−ｓｕｂ２）の表面に、電荷転送領域を構成するｐ型半導体層（Ｐ−ｗｅｌｌ４）、ｎ型半導体層（Ｎ−ｗｅｌｌ６）が、それぞれイオン注入工程及び熱拡散工程により順次形成された埋め込み型チャネル構造である。すなわち、Ｐ−ｗｅｌｌ４及びＮ−ｗｅｌｌ６に形成される空乏層の電位は基板表面から離れた位置に極値を有し、当該位置近傍が信号電荷を蓄積、転送するチャネルとなる。基板表面上には酸化膜８が形成され、これを絶縁膜として間に介して、Ｎ−ｗｅｌｌ６の上に複数のゲート電極１０が配列される。ゲート電極群にクロック（この例では３相クロックφ１〜φ３とする）を印加して、チャネル電位を制御することにより、ゲート電極１０の配列方向に沿ってチャネル内を電荷パケットが転送される。一方、転送を停止してチャネルに信号電荷からなる電荷パケットを停留、保持する場合には、その停留期間中の基板（Ｎ−ｗｅｌｌ６）と酸化膜８との界面での暗電流の発生を抑制するために、各ゲート電極１０に負電圧を印加してＮ−ｗｅｌｌ６の表面にホールを集めて反転層を誘起する。この反転状態での蓄積相とバリア相とのチャネル電位差を設けるために、ゲート電極１０−２，１０−３の下に追加のｎ型不純物を拡散し、Ｎ−ｗｅｌｌ６内に濃度の高いｎ型半導体領域１２を形成する。これにより、表面がピンニングした状態において、ゲート電極１０−２，１０−３下のチャネル電位は、ゲート電極１０−１下より深くなり、ここが蓄積相として電荷パケットを停留し、一方、ゲート電極１０−１下のチャネル電位が浅い部分が隣接する電荷パケット間を分離するバリア相を構成する。
【００１１】
なお、下記特許文献１は、ｎ型、ｐ型各半導体層で形成されるチャネル領域の不純物プロファイル及びゲート電極に印加する電圧を調整することにより、電荷井戸のポテンシャルプロファイルが界面においてフラットバンドとなるようにして、界面での空乏化を防止する構成を提案している。
【特許文献１】特許第２６０４２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように反転状態にてチャネルに電荷パケットを保持するために、蓄積相とバリア相とに対応させて不純物プロファイルが異なる部分を設けると、電荷パケットの転送動作時にこれら不純物プロファイルの異なる部分を互いに異なるゲート電圧で駆動しなければならなくなる。そのため、駆動回路が複雑になるという問題があった。例えば、図８に示す例では、ゲート電極１０−２，１０−３に印加するクロックφ２，φ３の振幅を０〜−８Ｖとする場合、ゲート電極１０−１に印加するクロックφ１はφ２，φ３より正電圧方向にシフトした振幅、例えば＋３〜−５Ｖとする必要が生じる。
【００１３】
また、ＣＣＤの取り扱い電荷量を多くするために、蓄積相に相当する部分を大きくすることが要求され、それに伴い、バリア相に相当する部分のチャネル方向の長さが短縮される。ここで、一対の蓄積相及びバリア相のチャネル長は、ＣＣＤイメージセンサにおいては画素サイズに応じたものとなる。そのため、ＣＣＤイメージセンサの高画素化と共に、それに用いられるＣＣＤの一対の蓄積相及びバリア相のチャネル長は縮小される。その結果、特に不純物の拡散に起因して、各バリア相をばらつきなく精度良く形成することが難しいという問題があった。また、例えば、蓄積相やバリア相を構成する各不純物領域が、隣接するゲート電極下にまで広がると、転送動作時にチャネル方向にポテンシャルの窪み等が生じ転送効率の劣化を生じ得る。
【００１４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、反転状態にてチャネル内に電荷パケットを保持できる一方、駆動回路が簡単で、かつ良好な電荷転送が実現される電荷結合装置及びそれを用いた固体撮像装置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】
【００１５】
（１）本発明に係る電荷結合装置は、半導体基板の表面に形成された第１導電型の上部半導体層及び当該上部半導体層の下に位置する第２導電型の下部半導体層により埋め込み型のチャネルを形成する電荷転送領域と、当該電荷転送領域上に電荷転送方向に沿って配列される複数の転送電極とを有し、前記転送電極により前記チャネルの電位を制御して電荷パケットを当該チャネル内にて転送するものにおいて、前記チャネル下に前記電荷転送方向に沿って配列され、外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる複数の下部電極を有する。
【００１６】
本発明によれば、下部電極に印加する電圧に応じて、下部半導体層の電位を変化させ、さらにその下部半導体層の電位変化の影響により、チャネルの電位の深さを変化させる。これにより、チャネルの電位の深さが電荷転送方向に関して空間的に変調され、埋め込み型チャネルの基板深さ方向に関する電位井戸に深い部分と浅い部分とを形成することができる。深い部分は電荷パケットを蓄積する蓄積相を形成し、浅い部分は隣接する電荷パケットを分離するバリア相を形成する。下部電極は、例えば、下部半導体層の内部に埋め込んで配置することができる。一方、下部電極は、下部半導体層に接して配置されていてもよく、特に、下部半導体層が半導体基板の裏面まで連続する場合には、下部電極を当該半導体基板の裏面に配置することができる。
【００１７】
（２）他の本発明に係る電荷結合装置においては、前記下部電極が、互いに別々に外部から電位を制御される第１下部電極と第２下部電極を含み、前記第１下部電極及び前記第２下部電極が、所定の配列順序で互いに混在して前記電荷転送方向に配置される。本発明によれば、第１下部電極と第２下部電極とを互いに異なる電位に制御することにより、チャネルの電位の深さが電荷転送方向に関して空間的に変調され、蓄積相とバリア相とが形成される。
【００１８】
さらに他の本発明に係る電荷結合装置においては、前記第１下部電極及び前記第２下部電極が、前記チャネル内での電荷パケット列の配列周期を繰り返し周期として、それぞれ所定数ずつ交互に配置される。本発明によれば、α個の第１下部電極Ａとβ個の第２下部電極Ｂとが交互に配置される。α、βはそれぞれ自然数であり、１を含む。例えば、αが２、βが１の場合には、第１下部電極及び第２下部電極はＡ，Ａ，Ｂ，Ａ，Ａ，Ｂ，…というパターンで配置される。チャネル領域には、Ａ，Ｂの一方の上の位置に対応して蓄積相が形成され、他方の上の位置に対応してバリア相が形成される。そこで本発明においては、電荷パケット列の配列周期に応じたチャネル長毎に、（α＋β）個の下部電極が配置される。例えば、当該電荷結合装置が３相駆動である場合には、転送電極３個分に相当するチャネル長が電荷パケットの配列周期となり、その各周期内にα個の第１下部電極とβ個の第２下部電極とが配置される。
【００１９】
これら電荷結合装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記第１下部電極に印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置に電位井戸を形成し、かつ前記第２下部電極に印加する電圧を制御して、隣接する前記電位井戸同士を分離する電位障壁を形成する電位井戸列形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。チャネルに電荷パケットを停留させる際の暗電流を抑制するために転送電極の電位を制御して上部半導体層の表面に反転層を形成する場合、転送電極はチャネルの電位を制御できなくなるが、本発明によれば、第１下部電極と第２下部電極とにより、チャネル電位を制御して、電荷転送方向に沿って電位井戸と電位障壁とを形成し、電荷パケットを当該電位井戸に保持することができる。
【００２０】
さらに本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に前記クロックを印加して前記電荷パケットを転送する場合には、前記第１下部電極と前記第２下部電極とを互いに同電位とする。本発明によれば、電荷パケットの転送時には第１下部電極と第２下部電極とを同電位とすることで、それら下部電極による電荷転送方向のチャネル電位の変動が抑制される。よって、各転送電極は、同じ振幅のクロックで駆動することができる。
【００２１】
（３）別の本発明に係る電荷結合装置は、前記下部電極の下に前記電荷転送領域に沿って配置され、当該下部電極とは独立して外部から印加される電圧に応じて前記下部半導体層を介して前記チャネルの電位を変化させる背部電極層を有し、前記下部電極が、前記電荷転送方向に所定間隔置きに設けられた各電極形成位置にそれぞれ所定数ずつ配置される。
【００２２】
さらに別の本発明に係る電荷結合装置においては、前記電極形成位置が、前記チャネルにて前記電荷パケットを停留させる停留位置又は停留された前記電荷パケット間を分離する分離位置のいずれか一方の下に設けられる。本発明によれば、電荷転送方向に沿って、チャネルの下に下部電極及び背部電極層が配置される領域と、下部電極がなく背部電極層だけが配置される領域とが交互に設けられる。これら異なる２種類の領域により、上述の第１下部電極及び第２下部電極と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
本発明の好適な態様は、前記背部電極層が、第１導電型の半導体領域で形成される電荷結合装置である。
【００２４】
これら電荷結合装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、複数の前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極及び前記背部電極層それぞれに印加する電圧を制御して、前記各電荷パケットの停留位置となる電位井戸及び前記電位井戸同士を分離する電位障壁のいずれか一方を、前記チャネルのうち前記電極形成位置に対応した位置に形成し、他方を前記電極形成位置相互間の間隙に対応した位置に形成する電位井戸列形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を有する。
【００２５】
（４）本発明に係る電荷結合装置の他の好適な態様においては、前記下部電極が、前記下部半導体層の内部に形成された第１導電型の半導体領域である。
【００２６】
本発明に係る電荷結合装置の駆動方法は、前記転送電極に印加するクロックを停止して、前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。
【００２７】
（５）本発明に係る固体撮像装置は、上記本発明に係る電荷結合装置で構成されたシフトレジスタと、前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する複数の受光画素と、を有し、前記信号電荷を前記シフトレジスタで転送する。
【００２８】
（６）他の本発明に係る固体撮像装置は、上記本発明に係る電荷結合装置で構成された複数の垂直シフトレジスタと、前記半導体基板上に形成され受光光量に応じた信号電荷を発生する行列配置された複数の受光画素と、を有し、前記複数の垂直シフトレジスタは、一行分の前記信号電荷の読み出し周期に同期して、前記信号電荷を列に沿った方向に順次転送する。垂直シフトレジスタでの信号電荷の転送速度は比較的ゆっくりであり、電荷パケットがチャネル内の同じ位置にある停留時間が比較的長い。本発明によれば、その停留時間に下部電極を用いて電荷転送方向に沿ってチャネルに電位井戸と電位障壁とを形成し、当該電位井戸に電荷パケットを保持しつつ、基板表面を反転状態とすることができる。これにより、当該停留時間での暗電流を抑制することができる。
【００２９】
当該固体撮像装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、前記垂直シフトレジスタの前記読み出し周期毎の転送動作の合間にて、前記信号電荷からなる前記電荷パケットを前記チャネル内に停留させる動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記電荷パケットの停留位置となる電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。
【００３０】
（７）別の本発明に係る固体撮像装置は、上記電荷結合装置からなる複数の垂直シフトレジスタによって複数の受光画素が構成された撮像部を有するフレーム転送型の固体撮像装置である。フレーム転送型の固体撮像装置では、垂直シフトレジスタのチャネルに沿って形成された電位井戸に、露光期間にて入射光量に応じて発生する信号電荷が蓄積され、露光期間終了後、転送電極にクロックを印加して電荷パケットの転送が行われる。この露光期間は、同じ位置に比較的長い時間、電荷パケットが保持される。そこで、本発明によれば、露光期間に下部電極を用いて電荷転送方向に沿ってチャネルに電位井戸と電位障壁とを形成しつつ、基板表面を反転状態とすることができる。これにより、露光期間に電位井戸に信号電荷を蓄積する間の暗電流を抑制することができる。
【００３１】
当該固体撮像装置を駆動する方法であって、本発明に係る駆動方法は、受光光量に応じて発生する信号電荷を前記各受光画素毎に前記電荷パケットとして前記チャネル内に蓄積する露光動作に、前記下部電極に印加する電圧を制御して、前記各受光画素毎に、前記信号電荷を蓄積する電位井戸を形成する電位井戸形成ステップと、前記転送電極に所定の反転電圧を印加して、前記上部半導体層の表面に反転層を誘起させる反転層形成ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の構成によれば、下部電極に印加する電圧に応じて、チャネルに沿った電位変動の発生、消滅を制御することができる。この構成により、基板表面を反転状態としてチャネルに電荷パケットを停留させる場合に、チャネルに沿った電位井戸（蓄積相）と電位障壁（バリア相）とが形成される。すなわち、チャネルの不純物濃度を操作することなく蓄積相とバリア相とを形成することができる。チャネル内にて電荷パケットを転送する際には、下部電極に起因する電位変動が消滅するように制御することで、各転送電極は同じ振幅のクロックで駆動することができ、駆動回路の簡素化が図られる。また、蓄積相とバリア相とをチャネルへの不純物の拡散により形成する必要がないので、不純物拡散のばらつきの影響を受けることがなく、良好な電荷転送が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施形態に係るＣＣＤイメージセンサの模式的な平面図である。このＣＣＤイメージセンサはフレーム転送型であり、撮像部２０は行列配置された受光画素を備える。蓄積部２２は撮像部２０で得られた１画面分の信号電荷を蓄積し、水平転送部２４は、蓄積部２２から１行単位で読み出される信号電荷を出力部２６へ高速に水平転送する。
【００３５】
撮像部２０及び蓄積部２２は、それぞれ行方向（行に沿った方向、すなわち水平方向）に複数配列された垂直シフトレジスタで構成され、各垂直シフトレジスタはＣＣＤで構成される。撮像部２０を構成する各垂直シフトレジスタ２０ｖは、１列の受光画素を構成する。すなわち、垂直シフトレジスタ２０ｖは、その電荷転送チャネルに光が入射可能に構成され、入射した光がチャネルの空乏層にて生じる電荷を、画素に対応して形成される電位井戸に蓄積する。蓄積部２２の各列の垂直シフトレジスタ２２ｖは、そのチャネルが同じ列の垂直シフトレジスタ２０ｖに連続している。露光期間が終了すると、撮像部２０から蓄積部２２へ信号電荷が高速に垂直転送（フレーム転送）される。蓄積部２２は遮光膜で覆われており、露光期間に得られた信号電荷を保持することができる。蓄積部２２は、水平走査期間に同期して信号電荷を１行ずつ垂直転送（ライン転送）し、その最終段から出力された１行分の信号電荷が上述のように水平転送部２４に渡される。
【００３６】
本装置の垂直シフトレジスタ２０ｖ，２２ｖは、本発明に係るＣＣＤにより構成される。垂直シフトレジスタ２０ｖ，２２ｖは、別個に駆動できる必要があるため、互いに独立したクロックを印加されるが、ここでは、いずれも３相クロックであるので、簡単のためにそれらを共通の記号φ１〜φ３で表す。クロックφ１〜φ３は互いに２π／３ずつ位相がずれたクロックであり、電圧振幅は互いに同じであり、いずれも２つの電圧ＶＬ，ＶＨ（ＶＬ＜ＶＨ）を相互に遷移する。
【００３７】
図２は、垂直シフトレジスタ２０ｖ，２２ｖを構成するＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。このＣＣＤの電荷転送領域の半導体基板３０は、Ｐ−ｓｕｂ層（以下、単にＰ−ｓｕｂ）３２とＰ−ｗｅｌｌ層（以下、単にＰ−ｗｅｌｌ）３４とからなるｐ型半導体領域と、その内部に転送方向に沿って複数配列された電極領域３６，３８と、半導体基板の表面に位置しＰ−ｗｅｌｌ３４の上に設けられるｎ型半導体層であるＮ−ｗｅｌｌ層（以下、単にＮ−ｗｅｌｌ）４０とが形成される。半導体基板３０の表面には酸化膜４２が絶縁膜として形成され、その上に転送電極として複数のゲート電極４４が転送方向に沿って配列される。
【００３８】
このＣＣＤは埋め込み型チャネル構造である。つまり、Ｎ−ｗｅｌｌ４０及びＰ−ｗｅｌｌ３４に形成される空乏層の電位は基板表面から離れた位置に極値を有し、当該位置近傍が信号電荷を蓄積、転送するチャネルとなる。
【００３９】
また本ＣＣＤは上述のように３相駆動され、これに対応してゲート電極４４はクロックφ１を印加されるゲート電極４４−１、クロックφ２を印加されるゲート電極４４−２、クロックφ３を印加されるゲート電極４４−３を含み、これらゲート電極４４−１〜４４−３が周期的に配置される。
【００４０】
電極領域３６，３８は上述のように高濃度に不純物を導入されており、これにより低抵抗に形成されている。電極領域３６，３８は互いに独立に電位を制御される。電極領域３６，３８は交互に配置され、転送方向に関する電極領域３８の位置はゲート電極４４−１の位置に対応しており、また電極領域３６の位置はゲート電極４４−２，４４−３の中間位置に対応している。
【００４１】
図３は、本ＣＣＤの電荷転送領域の模式的な平面図である。電極領域３６，３８は、いずれもＮ−ｗｅｌｌ４０が形成される電荷転送領域５０を電荷転送方向に直交して横断するように形成される。ここでは電極領域３６を電荷転送領域５０の一方の外側領域に長く突出させ、電極領域３８を他方の外側領域に長く突出させている。電極領域３６，３８はそれぞれその突出部分にて、例えば半導体基板３０の表面に設けられる配線と接続される。
【００４２】
図４は、本ＣＣＤの電荷転送方向に直交する模式的な垂直断面図であり、図３に示す位置Ｙ−Ｙ’での断面を示している。電極領域３８はＮ−ｗｅｌｌ４０の外側のＰ−ｗｅｌｌ３４に垂直に形成されたブリッジ部６０により基板表面に導かれ、酸化膜４２に設けられたコンタクト孔を介して配線６２に接続される。電極領域３６についても同様にして配線に接続される。電極領域３６，３８はそれら配線を介して外部回路に接続され、当該外部回路から電圧を印加される。
【００４３】
例えば、本ＣＣＤの上述の構造は、Ｐ−ｓｕｂ３２を構成するシリコン半導体基板を土台として形成することができる。このシリコン半導体基板の表面にｎ型不純物をイオン注入等により導入することにより、電極領域３６，３８を形成する。その後に、当該基板表面にシリコン層をエピタキシャル成長させる。この成長膜には例えば、Ｐ−ｗｅｌｌ３４の濃度に応じたｐ型不純物を予め導入することができる。形成されたエピタキシャル層の表面にｎ型不純物をイオン注入及び熱拡散等の工程によって導入して、撮像部２０及び蓄積部２２のＣＣＤを構成するＮ−ｗｅｌｌ４０を形成する。またエピタキシャル層の表面には、水平転送部２４、出力部２６及び素子分離領域（チャネルストップ領域）等を構成する他の不純物領域の形成も行われる。また、エピタキシャル層の表面には酸化膜４２が形成される。例えば酸化膜４２は熱酸化により形成される。酸化膜４２の上には例えばポリシリコン層が堆積され、これをパターニングしてゲート電極４４を含む電極及び配線が形成される。電極や配線を形成するためには、複数層のポリシリコン層及びアルミニウムやタングステン等の金属層が必要に応じて用いられる。例えば、ゲート電極４４はその上層に形成される金属配線にコンタクト孔を介して接続され、その金属配線によりφ１〜φ３を外部から供給されるクロック端子に接続される。また、電極領域３６，３８も上述のようにブリッジ部６０を介して配線６２に接続され、この配線により外部回路から電圧を供給される端子に接続される。ブリッジ部６０は、例えば、不純物のイオン注入により形成したｎ＋領域や、ドライエッチングで開けた孔にポリシリコンを堆積して形成したｎ＋領域で構成される。
【００４４】
図５は、本ＣＣＤの基板深さ方向の電位プロファイルを示す模式図である。図５（ａ）は垂直転送動作時、図５（ｂ）は蓄積動作時を表している。なお、撮像部２０の垂直シフトレジスタでは、露光期間において蓄積動作が行われ、蓄積部２２の垂直シフトレジスタでは、１水平走査期間周期のライン転送の合間において蓄積動作が行われる。図において縦軸は電位であり、下向きが正である。横軸は基板表面に垂直な位置であり、左が基板表面側、右側が基板裏面側に対応する。各軸は任意スケールである。
【００４５】
転送動作時には、ゲート電極４４には３相クロックφ１〜φ３が印加される。電位曲線７０は、ゲート電極４４にクロック電圧ＶＨを印加したときの電位プロファイル、電位曲線７２は、ゲート電極４４にクロック電圧ＶＬを印加したときの電位プロファイルをそれぞれ示している。ゲート電極４４に印加するクロック電圧ＶＨ，ＶＬはＣＣＤの最大取り扱い電荷量の設定値、不純物プロファイル等に応じて定められるが、通常、電圧ＶＨは数ボルト程度の正電圧、一方、電圧ＶＬは、０又は数ボルト程度の負電圧となるように設計される。ここでは、ＶＬは酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面に反転層が形成される負電位とする。電極領域３６，３８に印加する電圧は、互いに同電位であり、Ｐ−ｗｅｌｌ３４に対して逆バイアス又は平衡状態となる所定の電圧Ｖｔｒに設定される。また、Ｐ−ｓｕｂ３２には所定電圧Ｖｓｕｂが印加される。
【００４６】
ちなみに、図５には、参考のために、電極領域３６，３８を通らない垂直断面での電位プロファイルを表す電位曲線７４を示している。この電位曲線７４は、例えば電極領域３６，３８から十分に離れた位置のように、電極領域３６，３８の影響を無視できる状況を表している。
【００４７】
転送動作時の駆動では、ゲート電極４４に印加されるクロックの電圧に応じて各ゲート電極４４下のチャネル電位が制御される。ここでチャネル電位を、Ｐ−ｗｅｌｌ３４及びＮ−ｗｅｌｌ４０での深さ方向の極値（電位の深さの極大値）と定義する。ＶＨを印加されたゲート電極４４の下のチャネル電位は、ＶＬを印加されたゲート電極４４の下より大きく（深く）なり、このチャネル電位の深い部分（電位井戸）に電荷パケットが保持される。転送動作時には、ゲート電極４４−１〜４４−３の少なくともいずれか１つはＶＬを印加され、そのＶＬを印加されたゲート電極４４の下のチャネル電位が浅い部分（電位障壁）が、隣接するゲート電極４４下に蓄積された電荷パケット相互を分離する。３相クロックにより、電位井戸が形成される蓄積相の位置と、電位障壁が形成されるバリア相の位置とが順次、切り換えられることにより、電荷パケットがチャネルに沿って移動される。
【００４８】
一方、蓄積動作時には、酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面を基本的に常時、反転状態とする。そのため、各ゲート電極４４にＶＬが印加される。その一方で、電極領域３６，３８に電位差を与えることで、チャネルに電位井戸（蓄積相）と電位障壁（バリア相）とを形成する。電位曲線７６は、電極領域に電圧Ｖｓｔを印加して、当該電極領域の上のチャネルのチャネル電位を深くしたときの電位プロファイル、電位曲線７８は、電極領域に電圧Ｖｓｔより低い電圧Ｖｂｒを印加して、当該電極領域の上のチャネル電位を浅くしたときの電位プロファイルをそれぞれ示している。ここでは、ＶｂｒをＶｔｒと同じ値に設定し、ＶｓｔをＶｔｒより高い電圧に設定する場合を示しており、電位曲線７８は基本的に電位曲線７２に一致する。なお、逆にＶｓｔをＶｔｒと同じ値に設定し、ＶｂｒをＶｔｒより低い電圧に設定してもよく、また、Ｖｓｔ、ＶｂｒをいずれもＶｔｒとは異なる値に設定することもできる。
【００４９】
ここでは、３相駆動される３つのゲート電極４４の組のうち２つの下に電位井戸を形成し、残り１つの下に電位障壁を形成する。さて、本ＣＣＤでは図２に示すように、電極領域３６を２つのゲート電極４４−２，４４−３の中間位置の下に配置し、電極領域３８をゲート電極４４−１の下に配置している。これは、電極領域３６によりゲート電極４４−２，４４−３の下のチャネル電位を制御し、ここに電荷パケットを保持させ、一方、電極領域３８によりゲート電極４４−１の下のチャネル電位を制御し、ここの電位障壁を形成するためである。よって、転送動作から蓄積動作への移行は、ゲート電極４４−２，４４−３の下に電荷パケットが蓄積された状態にて行われる。ゲート電極４４−２，４４−３にＶＨが印加され、それらゲート電極４４の下に電荷パケットが保持された状態にて転送が停止される。そして、電極領域３６の電圧が電圧Ｖｓｔ、電極領域３８の電圧がＶｂｒとされる。しかる後、ゲート電極４４−２，４４−３に対応するクロックφ２，φ３の電圧レベルがＶＨからＶＬに切り換えられる。これにより、各ゲート電極４４−１〜４４−３に電圧ＶＬが印加され、各ゲート電極４４下の酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面が反転状態とされる。この状態での電極領域３６に対応する位置、例えば図２に示す位置Ｚ１−Ｚ１’に沿った断面での電位プロファイルが電位曲線７６に相当し、位置Ｚ２−Ｚ２’に沿った断面での電位プロファイルが、電位曲線７８に相当する。
【００５０】
ここで、電極領域３６，３８はオーバーフロードレインを兼ねることができる。例えば、撮像部２０において電子シャッタ動作を行う場合には、従来、基板裏面に電圧を印加して、チャネルに保持される信号電荷を基板裏面に排出することが行われている。それと同じように、本ＣＣＤでは、撮像部２０又は蓄積部２２に蓄積された信号電荷を出力部２６に読み出すことなく一括して排出する場合には、電極領域３６，３８に高い正電圧を印加して、チャネルと電極領域３６，３８との間にＰ−ｗｅｌｌ３４が形成する電位障壁を低下させる。これにより、チャネルに保持された信号電荷はＰ−ｗｅｌｌ３４を越えて電極領域３６，３８へ吸引され排出される。
【００５１】
なお、転送動作時には、既に述べたように電極領域３６，３８は同電位とされる。電極領域３６，３８は電荷転送方向に対して間にｐ型領域を挟んで離散的に配置されており、これら電極領域３６，３８を含む水平面ではそれら電極領域３６，３８の配列方向に沿って電位は周期的に変動し得る。しかし、その電位変動は、チャネルと電極領域３６，３８との間に距離があることにより、チャネル上では平滑化され緩和される。その一方で、さらに好適にチャネル上での電極領域３６，３８に起因する電位変動を抑制したい場合には、電極領域３６，３８を含む水平面上での電位変動自体を低減すればよい。そのためには、電極領域３６，３８の電位を周辺のｐ型領域（Ｐ−ｓｕｂ３２及びＰ−ｗｅｌｌ３４）の電位に応じて下げる（図５において上に移動させることに相当）。ここで、電極領域３６，３８の電位を下げると、それに引きずられていた周辺のｐ型領域の電位も連動して下がるが、電極領域３６，３８の電位を電極領域３６，３８の影響が無い場合の電位曲線７４上での電位に近づけるにつれて、電極領域３６，３８を含む水平面上での電位変動の振幅を小さくできる。この電位変動は基本的に転送動作時の電荷パケットの転送効率の劣化を生じる点で問題となり得るが、蓄積動作時には特段、問題とならない。よって、電極領域３６，３８によりチャネル電位を制御する必要がない転送動作時には、上述のように電極領域３６，３８の電位を変化させて当該電位変動を低減させ、蓄積動作時にのみ電極領域３６，３８に印加する電圧によりチャネル電位を制御するように駆動することが可能である。
【００５２】
なお、蓄積動作から転送動作への移行は、転送動作から蓄積動作への移行と逆の手順で行われる。すなわち、まず、ゲート電極４４−２，４４−３にＶＨを印加し、その後、電極領域３６と電極領域３８とを同電位とする。しかる後、クロックφ１〜φ３の駆動を開始することにより、電荷パケットの転送が開始される。
【００５３】
また、上述のＣＣＤイメージセンサはフレーム転送型であったが、インターライン型ＣＣＤイメージセンサのＣＣＤも同様に構成することができる。例えば、インターライン型ＣＣＤイメージセンサの垂直シフトレジスタを構成するＣＣＤを上述のＣＣＤの構成とすることにより、ライン転送の合間に酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面を反転状態として暗電流を低減することが、駆動回路の複雑化等の不都合を伴うことなく可能となる。
【００５４】
さらに、３相駆動以外のＣＣＤ、水平転送部２４を構成するＣＣＤに上述の本発明を適用することもできる。また、各半導体領域のｎ型、ｐ型を反転させた構成や、電極領域３６，３８に相当しチャネル下に配置される電極を金属で形成する構成も可能である。
【００５５】
蓄積動作時において酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面を反転状態としつつチャネル電位を制御する電極領域の配置は、上述のもの以外に様々な構成が可能である。以下にそのいくつかを実施例として示す。これら実施例において、上述の構成と同様の構成要素には同一の符号を付して、説明を簡素化している。
【実施例１】
【００５６】
図６は、本実施例に係るＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。この構成が、図２に示す構成と相違する点は、各ゲート電極４４それぞれの下に電極領域３６又は電極領域３８が１つずつ配置される点である。例えば、蓄積動作時に電荷パケットを保持されるゲート電極４４−２，４４−３の下にはそれぞれ電極領域３６が１つずつ配置され、一方、ゲート電極４４−１の下には電極領域３８が配置される。すなわち、電極領域３６を記号“Ａ”、電極領域３８を記号“Ｂ”で表すと、ゲート電極４４の配列周期に同期して、電極領域がＡ，Ａ，Ｂ，Ａ，Ａ，Ｂ，…というパターンで配置される。
【００５７】
転送動作時には電極領域３６，３８は同電位Ｖｔｒとされる。一方、蓄積動作時には電極領域３６はＶｓｔを印加され、その上のチャネルを蓄積相とし、電極領域３８はＶｂｒを印加され、その上のチャネルをバリア相とする。
【実施例２】
【００５８】
図７は、本実施例に係るＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。この構成が、図２に示す構成と相違する点は、電極領域３６のみで電極領域３８が形成されない点、及びＰ−ｓｕｂ３２のさらに下に電荷転送領域全体に亘ってｎ型半導体層であるＮ−ｓｕｂ層（以下、単にＮ−ｓｕｂ）９０が設けられる点である。Ｎ−ｓｕｂ９０は外部回路から電圧を印加される。
【００５９】
転送動作時には電極領域３６は、それが設けられない場合のＰ−ｓｕｂ３２の電位に応じた電圧を印加される。一方、蓄積動作時には、電極領域３６にＶｓｔを印加し、Ｎ−ｓｕｂ９０に所定の正電圧Ｖｓｔ’を印加する。電極領域３６は、ゲート電極４４−２，４４−３の下のチャネルに対する影響が強く、ゲート電極４４−１の下のチャネルに対しては相対的に影響が弱い。すなわち、Ｖｓｔ，Ｖｓｔ’を制御することにより、ゲート電極４４−２，４４−３の下のチャネル電位を相対的に深く、ゲート電極４４−１の下のチャネル電位を相対的に浅くすることができ、酸化膜４２とＮ−ｗｅｌｌ４０との界面を反転状態とした蓄積動作において、ゲート電極４４−２，４４−３の下に電荷パケットを保持することができる。
【００６０】
なお、単に蓄積動作時にチャネルに蓄積相とバリア相とを形成するためだけならば、Ｎ−ｓｕｂ９０を省くこともできる。一方、本構成のようにＮ−ｓｕｂ９０を設けることで、各ゲート電極４４下のチャネルに対して一様なオーバーフロードレインを実現することができる。すなわち、撮像部２０又は蓄積部２２の信号電荷を一括して排出する際には、Ｎ−ｓｕｂ９０に大きな正電圧を印加することで、電極領域３６の配置にかかわらずチャネル上の信号電荷が一様に排出される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＣＤイメージセンサの模式的な平面図である。
【図２】実施形態に係るＣＣＤイメージセンサの垂直シフトレジスタを構成するＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。
【図３】本ＣＣＤの電荷転送領域の模式的な平面図である。
【図４】本ＣＣＤの電荷転送方向に直交する模式的な垂直断面図である。
【図５】本ＣＣＤの基板深さ方向の電位プロファイルを示す模式図である。
【図６】第１の実施例に係るＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。
【図７】第２の実施例に係るＣＣＤの電荷転送方向に沿った模式的な垂直断面図である。
【図８】従来技術によるＣＣＤの転送方向に沿った模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
２０  撮像部、２２  蓄積部、２４  水平転送部、２６  出力部、３０  半導体基板、３２  Ｐ−ｓｕｂ層、３４  Ｐ−ｗｅｌｌ層、３６，３８  電極領域、４０  Ｎ−ｗｅｌｌ層、４２  酸化膜、４４  ゲート電極、５０  電荷転送領域、６０  ブリッジ部、６２  配線、９０  Ｎ−ｓｕｂ層。
【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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