(57)【要約】【課題】微細化により垂直転送部の列間が狭くなっても電荷排出部を作りやすい固体撮像素子を提供する【解決手段】半導体基板１１内に形成された第１導電型のドレイン領域１０と、半導体基板１１内のドレイン領域１０よりも主面側に形成された第２導電型のウェル領域２０と、ウェル領域２０内に形成された第１導電型の複数の受光部１２１と、ウェル領域２０内に形成され受光部１２１で発生した電荷を転送する第１導電型の垂直転送部１３１と、ウェル領域２０内に形成され垂直転送部１３１の電荷転送方向の最下流から電荷を受け取り転送する第１導電型の水平転送部１４１とを備え、半導体基板１１内のウェル領域２０内の垂直転送部１３１の最下流の箇所を、半導体基板１１の厚み方向に見たときに、垂直転送部１３１よりも深い領域に、第１導電型の電荷排出部２２が形成されることを特徴とする固体撮像素子。【選択図】図１
2013038325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に形成された第１導電型のドレイン領域と、
半導体基板内の前記ドレイン領域よりも主面側に形成された、前記第１導電型と反対の第２導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域内に形成された、第１導電型の複数の受光部と、
前記ウェル領域内に形成され、前記受光部で発生した電荷を転送する第１導電型の垂直転送部と、
前記ウェル領域内に形成され、前記垂直転送部の電荷転送方向の最下流から電荷を受け取り転送する第１導電型の水平転送部と
を備え、
前記半導体基板内のウェル領域内の前記垂直転送部の最下流の箇所を、前記半導体基板の厚み方向に見たときに、前記垂直転送部よりも深い領域に、第１導電型の電荷排出部が形成される
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記電荷排出部の底部が前記ドレイン領域の最上面よりも浅い位置にあり、
前記電荷排出部と前記ドレイン領域との間に、第２導電型のオーバーフローバリア領域をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷排出部の底部が前記ドレイン領域の最上面よりも浅い位置にあり、
前記電荷排出部と前記ドレイン領域との間に、前記ウェル領域が拡がっている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電荷排出部の底部の前記半導体基板最上面からの深さは、０．１μｍ〜２μｍであり、
前記垂直転送部の底部の前記半導体基板最上面からの深さは、０．１μｍ〜０．２μｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記電荷排出部は、前記垂直転送部よりも低い不純物濃度を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた固体撮像素子における信号電荷の画素間引き技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤ固体撮像素子を撮像デバイスとして用いたデジタルスチルカメラでは、静止画だけでなく、動画（ＨＤ：Ｈｉｇｈ  Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）の記録機能が求められている。動画撮影時には、動画の画質を維持できる程度に水平ＣＣＤの駆動周波数を維持するため、水平方向の画素情報数を減らす必要がある。水平方向の画素情報数を減らす技術の一つとして、水平方向の複数同色画素情報を加算してひとつの画素情報とする画素混合技術がある。しかしながら、画素混合技術を用いた場合、近年の固体撮像素子の多画素化に伴い、水平方向に加算する画素数は増える傾向にある。ここで、ＣＣＤ固体撮像素子固有のノイズであるスミアは画素毎に発生するため、水平方向に加算する画素数が増えると、固体撮像素子全体におけるスミア量が増加する。そのため、スミアを抑制できるよう、水平方向の加算画素数を減らす技術、所謂、水平方向の画素間引き技術が必要とされている。
【０００３】
水平方向の画素間引き技術を利用した従来の固体撮像素子として、例えば、図９（ａ）に示すような、全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子９００がある。ここで、水平方向を矢印Ｘの方向、垂直方向を矢印Ｙの方向とする。固体撮像素子９００は、センサ部９２１、読み出しゲート部９２２、垂直ＣＣＤ９３１、水平ＣＣＤ９４１、及び電荷電圧変換部９５０を備える。センサ部９２１で生成した信号電荷は、読み出しゲート部９２２を介して垂直ＣＣＤ９３１に読み出され、さらに水平ＣＣＤ９４１に転送され、その後、電荷電圧変換部９５０で電圧に変換され外部に出力される。
【０００４】
水平方向（Ｘ方向）の画素間引きを行うため、固体撮像素子９００は、信号電荷を垂直ＣＣＤ９３１から水平ＣＣＤ９４１へ転送するＶＨ転送段部分に、電荷排出制御部９１４を備えている。垂直ＣＣＤ９３１のＶＨ転送段部分に送り込まれた信号電荷は、間引きモードが設定されると電荷排出制御部９１４に排出され、間引きモードが設定されないと水平ＣＣＤ９４１に転送される。上記のように、ＶＨ転送段部分において、垂直方向及び水平方向の画素情報を選択的に間引くことができる。
【０００５】
図９（ｂ）を用いて、電荷排出制御部９１４について説明する。Ｎ型領域９１０上にＰ型ウェル領域９２０が形成され、隣り合う２本の垂直ＣＣＤ９３１の間のＰ型ウェル領域９２０に、Ｎ＋型のドレイン部９３４が形成されている。垂直ＣＣＤ９３１は、Ｎ型の転送チャネル９３０、及び転送チャネル９３０の上方に形成された転送電極９４０で構成される。ドレイン部９３４と転送チャネル９３０との間には、Ｎ型の埋め込みチャネル９３２が形成されている。埋め込みチャネル９３２の上方には、転送電極９４０と電気的に独立したゲート電極９４２、及び転送チャネル９３２内の信号電荷を選択的にドレイン部９３４に排出する掃き出しゲート部９４４が、それぞれ形成されている。掃きだしゲート部９４４に印加する電圧は、”Ｌ”レベル、”Ｈ”レベルの二種類であり、”Ｌ”レベルはドレイン部９３４に印加される固定電圧よりも低くし、”Ｈ”レベルはドレイン部９３４に印加される固定電圧よりも高くすれば良い。
【０００６】
掃きだしゲート部９４４に”Ｌ”レベルが印加されると、埋め込みチャネル９３２が転送チャネル９３０とドレイン部９３４との間の電位障壁となるため、垂直ＣＣＤ９３１内の信号電荷はドレイン部９３４に掃き出されず、転送チャネル９３０内にとどまる。一方、掃きだしゲート部９４４に”Ｈ”レベルが印加されると、埋め込みチャネル９３２のポテンシャルが深い状態になり、転送チャネル９３０とドレイン部９３４との間の電位障壁が無くなる。その結果、垂直ＣＣＤ９３１内の信号電荷は、掃きだしゲート部９４４を介して、ドレイン部９３４へ掃き出される。
【０００７】
このように、選択的に信号電荷を排出することで、垂直方向及び水平方向の画素間引きを実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２３８１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記従来の固体撮像素子では、多画素化がさらにすすみ画素寸法がさらに微細化し、垂直転送部の列間が狭くなった場合に、電荷排出部を作ることが困難であるという問題がある。
従来の固体撮像素子では、ＶＨ転送段部分にドレイン領域が設けられている。ここで、ドレイン領域と転送ゲート電極及び埋め込みチャネルとは、それぞれ固有の寸法を必要とするため、画素寸法が微細化し画素セルサイズが１μｍ程度まで微細化した場合、これらを作り込むことが困難になってしまう。また、垂直ＣＣＤのチャネルストップ領域を構成するＰ型半導体領域とドレイン領域を構成するＮ＋型半導体領域とのＰＮ接合部が、ブレークダウンすることを避けるため、垂直転送部をドレイン領域から十分に隙間を空けて配置する必要がある。具体的には、例えば、ドレイン領域に対応する部分の垂直転送部が折れ曲がる形とすれば良いが、この構成を採ると、垂直転送部の折れ曲がった部分で、信号電荷を転送する能力が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記問題の解決を図るべくなされたものであって、微細化により垂直転送部の列間が狭くなっても、電荷排出部を作りやすい固体撮像素子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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板内に形成された第１導電型のドレイン領域と、半導体基板内のドレイン領域よりも主面側に形成された、第１導電型と反対の第２導電型のウェル領域と、ウェル領域内に形成された、第１導電型の複数の受光部と、ウェル領域内に形成され、受光部で発生した電荷を転送する第１導電型の垂直転送部と、ウェル領域内に形成され、垂直転送部の電荷転送方向の最下流から電荷を受け取り転送する第１導電型の水平転送部とを備え、半導体基板内のウェル領域内の垂直転送部の最下流の箇所を、半導体基板の厚み方向に見たときに、垂直転送部よりも深い領域に、第１導電型の電荷排出部が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る固体撮像素子では、電荷排出部が垂直転送部よりも深い領域に形成され、それよりも深い領域にドレイン領域が形成されている。この構成により、垂直転送部内の電荷は電荷排出部を介してドレイン領域に排出される。このように、電荷排出部は、垂直転送部の列間に形成されるのではなく、垂直転送部より深い領域に形成されているので、垂直転送部の列間の幅を確保する必要が無い。すなわち、垂直転送部の列間の幅が狭くなっても、電荷排出部及びドレイン領域をつくる領域には影響しない。
【００１３】
従って、本発明に係る固体撮像素子では、微細化により垂直転送部の列間が狭くなっても、電荷排出部を作りやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における各構成要素のレイアウト図である。
【図２】図１に示した固体撮像素子のＶＨ転送段部分の拡大図である。
【図３】図１に示した固体撮像素子の一部の概略断面図である。
【図４】図１に示した固体撮像素子の動作を説明するポテンシャル図である。
【図５】図１に示した固体撮像素子の動作を説明する図である。
【図６】図１に示した固体撮像素子の動作を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の一部の概略断面図である。
【図８】図７に示した固体撮像素子の動作を説明するポテンシャル図である。
【図９】従来の固体撮像素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態１］
１．固体撮像素子１００の全体構成
図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子１００における各構成要素のレイアウト図である。固体撮像素子１００のセルサイズは、例えば、１μｍである。ここで、水平方向を矢印Ｘの方向、垂直方向を矢印Ｙの方向とする。
【００１６】
図１に示すように、撮像部（撮像エリア）１１０は、半導体基板上に行列状に配置された複数のセンサ部（画素）１２１、これらセンサ部１２１の垂直方向に隣り合う列の間に設けられた垂直ＣＣＤ１３１、各センサ部１２１と垂直ＣＣＤ１３１との間に設けられ、センサ部１２１から垂直ＣＣＤ１３１へ信号電荷を読み出す読み出しゲート部１２２を有する。さらに、垂直ＣＣＤ１３１の電荷転送方向の最下流から信号電荷を受け取り水平方向（Ｘ方向）に転送する水平ＣＣＤ１４１が配置されている。撮像部１１０と水平ＣＣＤ１４１との間には、ＶＨ転送段１１２と電荷排出転送段１１４とが設けられている。ＶＨ転送段１１２は、信号電荷を電荷排出転送段１１４へと転送する順番を、列ごとに制御する。
【００１７】
センサ部１２１では入射光により信号電荷が生成され、信号電荷は読出しゲート部１２２を介して垂直ＣＣＤ１３１へと転送される。垂直ＣＣＤ１３１は、垂直転送パルスによって転送駆動され、信号電荷をライン（行）単位で順に垂直方向（Ｙ方向）に転送する。その後、信号電荷は、水平ＣＣＤ１４１を経由し出力部１５０へと転送される。動画モード時のみ、固体撮像素子１００では、水平方向の画素信号を水平ＣＣＤ１４１にて加算する。
２．ＶＨ転送段１１２及び電荷排出転送段１１４の構成      
図２は、図１に示した固体撮像素子１００のＶＨ転送段１１２及び電荷排出転送段１１４の拡大図である。撮像部１１０及びＶＨ転送段１１２において、垂直ＣＣＤ１３１は、１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃの３列に分類され、電荷排出転送段１１４において１つに束ねられる。
【００１８】
ＶＨ転送段１１２において、垂直ＣＣＤ１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃの上方には、それぞれ転送電極４２ａ，４３ａ，４２ｂ，４３ｂ，４２ｃ，４３ｃがそれぞれ別個に形成されている。ＶＨ転送段１１２における信号電荷の転送及び蓄積は、転送電極４２ａ，４３ａ，４２ｂ，４３ｂ，４２ｃ，４３ｃにより制御される。より具体的には、転送電極４２ａ，４３ａ，４２ｂ，４３ｂ，４２ｃ，４３ｃは、異なる配線に接続されており、異なる電圧を印加できる。また、ａ列の転送電極４２ａは全て同じ配線に接続されており、それぞれの転送電極４２ａには同じ電圧が印加される。これは、転送電極４３ａ，４２ｂ，４３ｂ，４２ｃ，４３ｃでも同様である。このように、電荷排出転送段１１４では、ａ，ｂ，ｃ列ごとに、別個に電荷を転送及び蓄積できる。
【００１９】
電荷排出転送段１１４において、垂直ＣＣＤ１３１の上方には、転送電極４４，４５が形成されている。電荷排出転送段１１４における信号電荷の転送及び蓄積は、転送電極４４，４５により制御される。転送電極４４，４５は、それぞれ異なる配線に接続されているが、ａ，ｂ，ｃ列のすべてに同じ電圧が印加されることとなる。そのため、転送電極４４の下方にある垂直ＣＣＤ１３１は、ａ，ｂ，ｃ列に対応する領域すべてで等しく制御される。転送電極４５の下方にある垂直ＣＣＤ１３１でも同様である。
【００２０】
図３は、ＶＨ転送段１１２及び電荷排出転送段１１４の概略断面図であり、図１、及び、図２のＡ−Ａ´矢視断面を示している。
図３に示すように、固体撮像素子１００における半導体基板１１は、Ｎ型のドレイン領域１０、ドレイン領域１０上に形成されたＰ型ウェル領域２０、Ｐ型ウェル領域２０を介してその主面側に形成されたＮ−型の電荷排出部２２、Ｎ型不純物からなり信号電荷を垂直方向（Ｙ方向）に転送する転送チャネル３０を備える。より具体的には、半導体基板１１内のＰ型ウェル領域２０内の垂直ＣＣＤ１３１の転送チャネル３０最下流の箇所を、半導体基板１１の厚み方向に見たときに、垂直ＣＣＤ１３１の転送チャネル３０よりも深い領域に、Ｎ−型の電荷排出部２２が形成される。
【００２１】
転送チャネル３０の上方には、転送電極４２，４３，４４，４５が配置されている。転送電極４２，４３，４４，４５には転送制御信号ΦＶが印加される。転送制御信号ΦＶを、”Ｈ”レベルまたは”Ｌ”レベルに制御することで、転送チャネル３０内の信号電荷の蓄積及び転送を制御している。
Ｎ型ドレイン領域１０にはＶＬＳＵＢ、ＶＭＳＵＢ、ＶＨＳＵＢと異なる電圧が印加される。ＶＬＳＵＢは通常の信号電荷転送を行う際の電圧であり、ＶＨＳＵＢはＶＬＳＵＢより高く、電子シャッター駆動を行う際の電圧である。ＶＭＳＵＢは、ＶＬＳＵＢとＶＨＳＵＢとの間の基板排出パルス電圧である。
【００２２】
ＶＨ転送段１１２において、転送チャネル３０は０．１μｍ程度の深さ位置に形成され、Ｐ型ウェル領域２０は０．１μｍ〜３μｍ程度の深さ位置に形成される。
電荷排出転送段１１４において、転送チャネル３０とＰ型ウェル領域２０との間に、電荷排出部２２が形成されている。これにより、電荷排出転送段１１４におけるＰ型ウェル領域２０の厚みは、ＶＨ転送段１１２におけるＰ型ウェル領域２０よりも薄くなっている。言い換えると、電荷排出部２２の底部の半導体基板１１の主面からの深さＬ１は、転送チャネル３０の底部の半導体基板１１の主面からの深さＬ２よりも深い。具体的には、転送チャネル３０の底部は０．１μｍ〜０．２μｍ程度の深さ位置に形成され、電荷排出部２２の底部は転送チャネル３０よりも深く、かつ、０．１μｍ〜２μｍ程度の深さ位置に形成され、Ｐ型ウェル領域２０の底部は２μｍ〜３μｍ程度の深さ位置に形成される。なお、水平ＣＣＤ１４１の断面構造は、電荷排出転送段１１４と同じで良い。
【００２３】
Ｐ型ウェル領域２０の不純物濃度は、例えば、５×１０１４／ｃｍ３以上１×１０１７／ｃｍ３未満の範囲内で適宜選択でき、転送チャネル３０の不純物濃度は、例えば、１×１０１３／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満の範囲で適宜選択できる。電荷排出部２２の不純物濃度は、例えば、１×１０１１／ｃｍ３以上１×１０１６／ｃｍ３未満の範囲で適宜選択できる。電荷排出部２２の不純物濃度は、転送チャネル３０の不純物濃度よりも、低いことが望ましい。
３．ＶＨ転送段１１２及び電荷排出転送段１１４の駆動
（１）信号電荷のＮ型ドレイン領域１０への排出動作
図４（ａ）、（ｂ）を参照して、電荷排出転送段１１４の信号電荷のＮ型ドレイン領域１０への排出動作について、詳細に説明する。図６（ａ）はＶＨ転送段１１２、図６（ｂ）は電荷排出転送段１１４について、それぞれの断面図における電位分布を、電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）印加時と電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加してないときに対応して示した図である。図中、実線で示す電位曲線は、電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加してないときの分布であり、破線で示す電位曲線は、電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）印加時の分布を示している。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、ＶＨ転送段１１２では、転送チャネル３０とＮ型ドレイン領域１０との間には、Ｐ型ウェル領域２０が形成されている。そのため、転送チャネル３０とＰ型ウェル領域２０との電位障壁は高くなっている。また、Ｐ型ウェル領域２０のポテンシャルは、１μｍ〜３μｍの範囲で０Ｖとなっている。そのため、ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加してもＰ型ウェル領域２０は空乏化せず、転送チャネル３０とＰ型ウェル領域２０との間の電位障壁は高いまま変わらないため、転送チャネル３０内の信号電荷が、Ｎ型ドレイン領域１０に排出されることはない。
【００２５】
図４（ｂ）に示すように、電荷排出転送段１１４では、転送チャネル３０とその下方に形成された電荷排出部２２とが接続されており、Ｐ型ウェル領域２０の厚みが薄くなっている。そのため、転送チャネル３０からＰ型ウェル領域２０にかけて電位曲線はゆるやかに浅くなっており、転送チャネル３０とＰ型ウェル領域２０の電位障壁は低くなっている。この電位曲線分布のために転送チャネル３０とＰ型ウェル領域２０による結合容量は小さくなっており、Ｐ型ウェル領域２０による電位障壁はドレイン領域１０のバイアス変調の影響を受けやすくなっている。そのため、Ｎ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加すると、Ｐ型ウェル領域２０による電位障壁はなくなり、転送チャネル３０中の信号電荷はＮ型ドレイン領域１０に排出される。電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）は信号電荷を適切に制御できるよう設定すればよく、例えば、１０Ｖであれば良い。
【００２６】
上述のように、ＶＨ転送段１１２から電荷排出転送段１１４に信号電荷が転送されたとき、電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）をドレイン領域１０に印加すると、電荷排出転送段１１４に蓄積されている信号電荷はドレイン領域１０に排出される。
（２）電荷転送時／電荷排出時の駆動
図５、図６を参照して、電荷転送時／電荷排出時の駆動を具体的に説明する。
【００２７】
図５（ａ）は、ＶＨ転送段から電荷排出転送段へ信号電荷が転送された時の模式図である。ここで、転送電極４２，４３，４４，４５の転送制御信号は、順に”Ｌ”“Ｌ”“Ｈ”“Ｌ”となっている。そのため、転送電極４４に対応する転送チャネル３０のポテンシャルが深くなり、ここに信号電荷が蓄積される。信号電荷を転送するには、図５（ｂ）に示すように、転送電極４２，４３，４４，４５の転送制御信号を、順に”Ｌ”“Ｌ”“Ｌ”“Ｈ”とすれば良い。すると、ポテンシャルが深い領域が、転送電極４４に対応する転送チャネル３０から、転送電極４５に対応する転送チャネル３０へ変わり、それに伴い信号電荷が転送電極４５に対応する転送チャネル３０へ転送される。
【００２８】
図６（ａ）は、図５（ａ）と同じく、ＶＨ転送段１１２から電荷排出転送段１１４へ信号電荷が転送された時の模式図である。ここで、信号電荷を排出するには、図６（ｂ）に示すように、転送電極４２，４３，４４，４５の転送制御信号は、順に”Ｌ”“Ｌ”“Ｈ”“Ｌ”に維持しつつ、Ｎ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加すれば良い。すると、図４（ｂ）で示したように、信号電荷がＮ型ドレイン領域１０に排出される。
（３）各モード（静止画モード/動画モード）の動作
次に、固体撮像素子１００の各モード（静止画モード/動画モード）の動作について、図２を用いて説明する。ここでは、３列の中の１列ごとに水平ＣＣＤ１４１による水平転送を行い、１ラインを出力するのに水平ＣＣＤ１４１を３度転送させる駆動方式、所謂、水平３分割駆動方式を例に挙げて説明する。
（３−１）静止画モード時の動作
まず、静止画モード時の動作について説明する。
【００２９】
垂直ＣＣＤ１３１に読み出された信号電荷は、垂直ＣＣＤ１３１内を垂直転送され、ＶＨ転送段１１２に蓄積される。その後、ＶＨ転送段１１２のａ列の転送電極４２ａ,４３ａを転送駆動させて、４２ａ,４３ａに蓄積されている信号電荷を電荷排出転送段１１４に転送する。さらに、電荷排出転送段１１４における電極４４、４５を転送駆動させて信号電荷を水平ＣＣＤ１４１へ転送する。水平ＣＣＤ１４１に蓄積された信号電荷は、水平ＣＣＤ１４１の転送動作によって順次水平転送し、電荷電圧変換部１５０で信号電圧に変換して出力される。以下、ＶＨ転送段１１２のｂ列、ｃ列も同じ処理を繰り返すと、１ライン分の出力が完了する。ライン毎の動作を全垂直ライン分繰り返すことで、静止画モードの出力は完了する。
（３−２）動画モード時の動作
動画モード時の動作について説明する。ここでは、水平ＣＣＤ１４１へ転送される３画素の情報うち、１画素の情報を間引く駆動方式について説明する。
【００３０】
まず、センサ部１２１に信号電荷が蓄積されている状態で、半導体基板１１のＮ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加する。電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）は、静止画モード時に用いる電子シャッターパルスとは電圧が異なり、一定量を上回る信号電荷のみをＮ型ドレイン領域１０に排出する効果がある。なお、電子シャッターパルスとは、センサ部１２１に蓄積されている信号電荷をすべてＮ型ドレイン領域１０に排出できる電圧である。例えば、電子シャッターパルスが２２Ｖであるのに対し、電荷排出パルスは１０Ｖである。そのため、Ｎ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）が印加されても、センサ部１２１に蓄積されている信号電荷のすべてがＮ型ドレイン領域１０に排出されるわけではなく、一定量に満たない蓄積信号電荷に対しては、電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加しても影響がない。
【００３１】
電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）ですり切られた信号電荷は垂直ＣＣＤ１３１へと読み出され、垂直ＣＣＤ１３１にて同色の複数画素と加算し、ＶＨ転送段１１２へと転送される。
以下、水平画素間引きについて、具体例として、間引き対象の水平画素をａ列とした場合を説明する。ＶＨ転送段１１２における転送電極４２ａ,４３ａを転送駆動させ、ａ列の信号画素を電荷排出転送段１１４へ転送する。このとき、ｂ、ｃ列のＶＨ転送電極は４２ｂ、４２ｃが”Ｈ”レベル、４３ｂ、４３ｃが”Ｌ”レベルとなっており、該転送段中の信号電荷は蓄積状態で待機している。電荷排出転送段１１４における転送電極４４を”Ｈ”レベル、転送電極４５を”Ｌ”レベルとした蓄積状態時に、Ｎ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加すると、上述の「信号電荷の基板への排出動作」の項で説明したように、電荷排出転送段１１４における転送チャネル３０に蓄積されていた信号電荷は、ドレイン領域１０へ排出される。このように、水平３画素情報のうち１画素情報の間引きができる。その後、ｂ列を水平ＣＣＤ１４１へと転送させ、水平ＣＣＤ１４１を１ｂｉｔ分駆動させ、ｃ列の信号電荷を水平ＣＣＤ１４１へ転送させることで、水平２画素加算が完成する。
４．固体撮像素子１００の製造方法
まず、Ｎ型半導体基板１１の表面にＡｓ（ヒ素）を注入し、転送チャネル３０を形成する転送チャネル３０は０．１μｍ程度の深さ位置に、形成される。イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーは１００ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで、ドーズ量は１×１０１２ｃｍ−２〜１×１０１３ｃｍ−２である。
【００３２】
転送チャネル３０の下方に、Ｐ型ウェル領域２０を、高エネルギーイオン注入によって形成する。注入エネルギーは２００ｋｅＶ〜３ＭｅＶで、イオン種はＢであり、注入ドーズ量は１×１０１０ｃｍ−２〜１×１０１２ｃｍ−２である。ここで、半導体基板１１の深さ方向にＰ型領域の隙間ができないよう、多段注入を行う。Ｐ型ウェル領域２０は、０．３μｍ〜２μｍ程度の深さ位置に形成される。転送チャネル３０の上方に、転送電極４２，４３，４４，４５はポリシリコンで形成される。
【００３３】
電荷排出部２２はＰ型ウェル領域２０を形成するＢの多段注入の一部、注入エネルギー４００ＫｅＶ〜２ＭｅＶの注入を省略することで形成される。
上述のように、電荷排出転送段１１４における転送チャネル３０の下方に電荷排出部２２を形成することで、電荷排出転送段１１４におけるＰ型ウェル領域２０が薄くなる。その結果、電荷排出転送段１１４の転送チャネル３０からドレイン領域１０にかけて、電位曲線分布がなだらかに浅くなっていく構造が形成される。
５．効果
本発明に係る固体撮像素子１００では、半導体基板１１内のＮ型ドレイン領域１０よりも主面側にＰ型ウェル領域２０が形成され、Ｐ型ウェル領域２０に転送チャネル３０が形成されている。そのため、転送チャネル３０と同じ層レベルにはドレイン領域１０が形成されておらず、垂直ＣＣＤ１３１の列の間にはドレイン領域１０が形成されていない。また、新たな構成である電荷排出部２２も、垂直ＣＣＤ１３１の列の間には形成されていない。従って、本発明に係る固体撮像素子１００では、ドレイン領域１０及び電荷排出部２２を垂直ＣＣＤ１３１の列の間に設けずに水平方向の画素情報間引きが実現できる。そのため、微細化により垂直ＣＣＤ１３１の列間が狭くなっても電荷排出部２２及びドレイン領域１０を作りやすい。
【００３４】
電荷排出段１１４において、電荷排出部２２の底部がドレイン領域１０の最上面よりも浅い位置にあり、電荷排出部２２とドレイン領域１０との間に、Ｐ型ウェル領域２０が拡がっている。そのため、ドレイン領域１０に基板排出パルスが印加されていない時には、信号電荷がＰ型ウェル領域２０を越えてドレイン領域１０に入り込むことが抑制されている。その結果、間引きモードで無いときは、転送チャネル３０から水平ＣＣＤ１４１へと信号電荷を転送することができる。
【００３５】
また、Ｐ型ウェル領域２０の不純物濃度が転送チャネル３０の不純物濃度よりも低いため、信号電荷は転送時に、より不純物濃度の高い転送チャネル３０を通ることとなる。そのため、信号電荷が転送チャネル３０からＰ型ウェル領域２０全体に拡がりにくい。その結果、水平ＣＣＤ１４１に信号電荷が転送しづらくなることを抑制でき、信号電荷が転送されずに残り、残像が生じることを抑制できる。
［実施の形態２］
１．固体撮像素子２００の構成
図７は、実施の形態２に係る固体撮像素子２００の構造を示す図である。下記以外の構成は、固体撮像素子１００と同じなので説明を省略する。
【００３６】
転送チャネル２３０の下に、転送チャネル２３０のオーバーフローバリアとなる第１オーバーフローバリア２２６が形成されている。また、Ｎ型ドレイン領域１０の最上面から深さ２μｍ〜３μｍに、センサ部１２１のオーバーフローバリアとなる第２オーバーフローバリア２１２が形成されている。
図８（ａ）、（ｂ）を参照して、電荷排出転送段１１４の信号電荷のＮ型ドレイン領域１０への排出動作について、詳細に説明する。下記以外は、固体撮像素子１００と同じなので説明を省略する。
【００３７】
図８（ａ）に示すように、ＶＨ転送段１１２では、転送チャネル２３０とＮ型ドレイン領域１０との間には、第１オーバーフローバリア２２６及びＰ型ウェル領域２０が形成されている。第１オーバーフローバリア２２６及びＰ型ウェル領域２０のポテンシャルは、０Ｖとなっている。そのため、ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加しても転送チャネル２３０内の信号電荷が、Ｎ型ドレイン領域１０に排出されにくい。さらに、第１オーバーフローバリア２２６が形成されているため、転送チャネル２３０内の信号電荷が、Ｎ型ドレイン領域１０に排出されにくくなっている。
【００３８】
図８（ｂ）に示すように、電荷排出転送段１１４では、転送チャネル３０の下方に第１オーバーフローバリアが形成され、さらに電荷排出部２２が形成されており、Ｐ型ウェル領域２０の厚みが薄くなっている。そのため、Ｐ型ウェル領域２０による電位障壁はドレイン領域１０のバイアス変調の影響を受けやすくなっている。そのため、Ｎ型ドレイン領域１０に電荷排出パルス（ＶＭＳＵＢ）を印加すると、Ｐ型ウェル領域２０による電位障壁はなくなり、転送チャネル３０中の信号電荷はＮ型ドレイン領域１０に排出される。なお、第１オーバーフローバリア２２６が形成されているため、間引きモードを除いて、転送チャネル２３０内の信号電荷が、Ｎ型ドレイン領域１０に排出されにくくなっている。
３．固体撮像素子２００の製造方法
Ｎ型半導体基板の最上面から深さ２μｍ〜３μｍに、センサ部１２１のオーバーフローバリアとなる第２オーバーフローバリア２１２を、高エネルギーイオン注入等により形成する。イオン注入条件は、例えば、ドーズ量が１×１０１０ｃｍ―２、加速エネルギーが２ＭｅＶ〜３ＭｅＶで、イオン種はＢである。
【００３９】
二層構造の埋め込み転送チャネルを形成するには、Ｎ型半導体基板１１の表面にＡｓ（ヒ素）及びＢを注入し、転送チャネル２３０、及び第１オーバーフローバリア２２６を形成する。転送チャネル２３０は、０．１μｍ程度の深さ位置に形成される。イオン注入条件は、例えば、Ａｓの注入エネルギーは１００ｋｅＶ〜２００ｋｅＶで、Ｂの注入エネルギーは２００ｋｅＶ〜３００ｋｅＶ、Ａｓのドーズ量は１×１０１２ｃｍ−２〜１×１０１３ｃｍ−２、Ｂのドーズ量は１×１０１１ｃｍ−２〜１×１０１２ｃｍ−２である。
４．効果
転送チャネル２３０の下に第２オーバーフローバリア２２６が形成されている。そのため、Ｎ型転送チャネル２３０からＮ型ドレイン領域１０方向へ信号電荷が広がりにくく、信号電荷の転送漏れを抑制することとなり、固体撮像素子２００の感度を向上できる。
【００４０】
また、転送チャネル２３０及び電荷排出部２２とドレイン領域１０との間に障壁となるオーバーフローバリア２１２が形成されている。そのため、電荷転送時に転送チャネル２３０から信号電荷がドレイン領域１０へ流れ込むことを抑制できる。これにより、さらに信号電荷の転送漏れを抑制することとなり、固体撮像素子２００の感度をさらに向上できる。
［変形例］
１．静止画モードの動作について
実施の形態等では、ＶＨ転送段１１２のａ,ｂ,ｃ列を、ａ,ｂ,ｃの順で転送したが、これに限らず、ａ,ｂ,ｃ列の転送順は入れ替わってもよい。
２．半導体基板に注入する不純物について
実施の形態等では、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型としたが、これに限らず、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても良い。
３．その他
本発明に係る固体撮像素子の構成などは、上記実施の形態及び変形例に係る固体撮像素子の構成に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。そして、技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各工程で使用したプロセスを他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、工程順を入れ替えることも、材料種を変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、監視カメラ、車載カメラなどに搭載される撮像デバイスとしての固体撮像素子を実現するのに有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ドレイン領域
１１  半導体基板
２１２  第２オーバーフローバリア
２０  Ｐ型ウェル領域
２２  電荷排出部
２２６  第１オーバーフローバリア
３０，２３０，９３０  転送チャネル
９３２  埋め込みチャネル
９３４  ドレイン部
４２，４３，４４，４５，９４０  転送電極
９４４  掃き出しゲート部
１１２  ＶＨ転送段
１１４  電荷排出段
９１４  電荷排出制御部
１２１，９２１  センサ部
１２２  ゲート部
９２２  読み出しゲート部
１３１，９３１  垂直ＣＣＤ
１４１，９４１  水平ＣＣＤ
１５０  出力部
９５０  電荷電圧変換部
１００，２００，９００  固体撮像素子
【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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