(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に垂直方向及び水平方向に整列した行列状に配置され、各々が光電変換素子と該光電変換素子の電荷を読み出すトランスファーゲートとを含む複数の画素と、
垂直方向に整列した複数の画素を含む画素列に近接して形成され、前記画素列の下端から突出する複数本の垂直電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路の所定領域上に形成された複数の垂直電荷転送電極と、
ポテンシャルウェルとポテンシャルバリアとが交互に配置されて水平方向に延び、隣接する前記ポテンシャルウェルが隣接する前記垂直電荷転送路の下端において各々接続されるとともに、前記垂直電荷転送路が接続されているポテンシャルウェル間に前記ポテンシャルバリアが１つだけ形成されている水平電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路の電荷を多重化して前記水平電荷転送路に転送するマルチプレクス部と
を含み、
前記マルチプレクス部は、
前記垂直電荷転送路のポテンシャルを制御するため、前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記画素の最終段から順に設けられた蓄積電極、第１転送電極及び第２転送電極と、
前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に先送りされる第１群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記蓄積電極側から転送された電荷が前記蓄積電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記蓄積電極側に設けた第１電荷転送部と、
前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に後から送る第２群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記第１転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第２電荷転送部と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
さらに、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記第２転送電極に隣接して形成された第３及び第４の転送電極と、
該第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第２転送電極側から転送された電荷が前記第２転送電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記第２転送電極側に設けた第３電荷転送部が形成された第３群の垂直電荷転送路と、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第３の転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第４電荷転送部が形成された第４群の垂直電荷転送路と
を含む請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
さらに、
前記第２群の垂直電荷転送路の前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記第２転送電極に隣接して形成された第３及び第４の転送電極と、
前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第２転送電極側から転送された電荷が前記第２転送電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記第２転送電極側に設けた第５電荷転送部が形成された第５群の垂直電荷転送路と、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第３の転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第６電荷転送部が形成された第６群の垂直電荷転送路と
を含む請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
さらに、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記第２転送電極に隣接して形成された第３及び第４の転送電極と、該第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第２転送電極側から転送された電荷が前記第２転送電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記第２転送電極側に設けた第３電荷転送部が形成された第３群の垂直電荷転送路と、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第３の転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第４電荷転送部が形成された第４群の垂直電荷転送路；又は、前記第２群の垂直電荷転送路の前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記第２転送電極に隣接して形成された第３及び第４の転送電極と、
前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第２転送電極側から転送された電荷が前記第２転送電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記第２転送電極側に設けた第５電荷転送部が形成された第５群の垂直電荷転送路と、
前記第１群の垂直電荷転送路の前記第３の転送電極下の半導体領域に形成され、前記第３の転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第６電荷転送部が形成された第６群の垂直電荷転送路と
を含む請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
半導体基板表面に垂直方向及び水平方向に整列した行列状に配置され、各々が光電変換素子と該光電変換素子の電荷を読み出すトランスファーゲートとを含む複数の画素と、垂直方向に整列した複数の画素を含む画素列に近接して形成され、前記画素列の下端から突出する複数本の垂直電荷転送路と、前記垂直電荷転送路の所定領域上に形成された複数の垂直電荷転送電極と、前記垂直電荷転送路の下端において各々接続され電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路と、前記垂直電荷転送路からの電荷を多重化して前記水平電荷転送路に転送するマルチプレクス部とを含み、該マルチプレクス部は、前記垂直電荷転送路のポテンシャルを制御するため、前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記画素の最終段から順に設けられた蓄積電極、第１転送電極及び第２転送電極と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に先送りされる第１群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記蓄積電極側から転送された電荷が前記蓄積電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記蓄積電極側に設けた第１電荷転送部と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に後から送る第２群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記第１転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第２電荷転送部とを有する固体撮像装置の制御方法であって、
ａ）前記第１電荷転送部を含む前記第１群の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の第１のポテンシャルウェルのポテンシャルを基準電位よりも低くし、前記第２電荷転送部を含む第２群の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の第２のポテンシャルウェルのポテンシャルを基準電位とする工程と、
ｂ）前記蓄積電極の電位を基準電位よりも高くして前記蓄積電極直下の垂直電荷転送路領域に蓄積された電荷を前記第１転送電極下の領域に向けて転送する工程と、
ｃ）前記蓄積電極の電位を基準電位に戻し、前記第２群の垂直電荷転送路の電荷を前記蓄積電極直下の領域に戻す工程と、
ｄ）前記第２転送電極の電位を基準電位よりも高い電位から基準電位に変化させた後、前記第１転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させて、電荷を、前記第１群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の領域から前記水平電荷転送路に転送する工程と、
ｅ）前記水平電荷転送路に転送された電荷をアンプ側に向けて転送し外部信号を取り出す工程と、
ｆ）前記第１群の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の電位を基準電位とし、前記第２群の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の電位を基準電位よりも低くする工程と、
ｇ）前記第１転送電極の電位を基準電位にした後に前記蓄積電極の電位を基準電位からそれよりも高い電位に変化させ、前記第２群の垂直電荷転送路において、前記蓄積電極直下の領域に蓄積されていた電荷を前記第１転送電極直下の領域に転送させる工程と、
ｈ）前記第２転送電極の電位を基準電位よりも高い電位から基準電位に変化させ、前記第１転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させ、次いで前記第２転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させて、前記第１転送電極の直下の領域に蓄積されていた電荷を前記水平電荷転送路のポテンシャルウェルが形成されている領域に転送する工程と、
ｉ）前記水平電荷転送路に転送された電荷を、前記水平電荷転送路に沿ってアンプ側に向けて転送し、該アンプで増幅して外部に信号を取り出す工程と、
ｊ）前記画素のうち前記（ａ）の工程で読み出されなかった別の行の画素の電荷を前記蓄積電極下の領域に転送し、前記ａ）からｉ）までの工程を繰り返すことにより前記画素の電荷を読み出して外部に出力する工程と
を含む固体撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、より詳細には、ＣＣＤ固体撮像装置において、水平方向に電荷を転送する水平電荷転送路上に形成される１画素列当たりの水平電荷転送電極数の低減に関する。
【０００２】
尚、本明細書において、例えば、「電極の電位を基準電位よりも高くする」との表現は、例えばキャリアが電子の場合には、電極に負の電圧を印加して電極下のｎ型半導体領域の伝導帯のポテンシャルを高くすることを意味する。キャリアが正孔の場合には、電極に正の電圧を印加して電極下のｐ型半導体領域の価電子帯のポテンシャルを高くすることを意味するものとする。
【０００３】
【従来の技術】
固体撮像装置、たとえば静止画を撮像するためのＣＣＤ固体撮像装置において、画素の高密度化が望まれている。
【０００４】
図１１は、一般的なインターライン型ＣＣＤ固体撮像装置の平面図である。
【０００５】
固体撮像装置は、たとえばシリコン等の半導体基板１上に形成されている。
【０００６】
画素３、垂直電荷転送路５、水平電荷転送路７、出力アンプ１１が半導体基板１上に形成され、全体として一つのＣＣＤ固体撮像装置を構成する。複数の画素３が半導体基板１上において、垂直方向及び水平方向に整列配置されている。
【０００７】
画素３は、フォトダイオード（光電変換素子）３ａとトランスファーゲート３ｂを含む。フォトダイオード３ａは、受光した光を電荷に変換して蓄積する。トランスファーゲート３ｂは、フォトダイオード３ａに蓄積されている電荷を垂直電荷転送路５に読み出すための読み出しゲートである。
【０００８】
複数の画素３、３，３が垂直方向に整列して配置された各画素列の間には、１画素列に対応して各１本の垂直電荷転送路５が配置されている。垂直電荷転送路５は、例えば半導体基板のｐウェルに形成されたｎ型導電層である。垂直電荷転送路５の下端には、水平電荷転送路７が設けられている。
【０００９】
図１２に、水平電荷転送路７の模式的な断面図を示す。図中下方にポテンシャル分布を併せて示す。
【００１０】
水平電荷転送路７は、半導体基板１中に形成されるｐウェル層１８と、ｐウェル層１８中に形成されるｎ型導電層１７と、半導体基板１上に形成される２層のポリシリコン（１ポリ、２ポリ）からなる水平電荷転送電極２１とを主要構成要素とする。
【００１１】
ｎ型導電層１８は、ｎ型不純物濃度の低い低濃度領域１８ａと、ｎ型不純物濃度の高い高濃度領域１８ｂとが交互に設けられている。低濃度領域１８ａは、ポテンシャルエネルギーの高いポテンシャルバリアＢを形成する。高濃度領域１８ｂは、ポテンシャルエネルギーの低いポテンシャルウェルＷを形成する。ポテンシャルバリアＢとポテンシャルウェルＷとが水平方向に交互に並ぶ。１つのポテンシャルバリアＢと１つのポテンシャルウェルＷとを１組とし、この１組が連続して２回繰り返された構造により、１つの電荷を転送する電荷の１転送単位（以下「１パケット」という。）を形成する。パケットが水平方向に多数形成されている。
【００１２】
低濃度領域１８ａ（ポテンシャルバリアＢ）上に第一層目のポリシリコン電極（水平転送電極２１−１、２１−３、２１−５、・・・）が、高濃度領域１８ｂ（ポテンシャルウェルＷ）上に第二層目のポリシリコン電極（水平転送電極２１−０、２１−２、２１−４、２１−６、・・・）が形成されている。
【００１３】
水平電荷転送電極２１−０と水平電荷転送電極２１−１とが接続され、そこに電圧波形φ１が印加されている。水平転送電極２１−２と水平転送電極２１−３とが接続され、そこに電圧波形φ２が印加される。同様に、水平転送電極２１−４と水平転送電極２１−５とが接続され、そこに電圧φ１が印加される。
【００１４】
図１３に示すように、行方向に並ぶ画素間の垂直電荷転送路５上には、２本の垂直電荷転送電極１５が順次設けられている。
【００１５】
垂直電荷転送電極１５−１、１５−２、１５−３、１５−４に対して、Ｖ１からＶ４までの電圧波形が印加される。垂直転送電極１５−５から１５−８まで、垂直転送電極１５−９から１５−１２までについても同様にＶ１からＶ４までの電圧波形が印加される。電圧波形Ｖ１からＶ４は、各々、例えば垂直電荷転送路中にポテンシャルバリアを形成する場合に０Ｖ、電荷転送用ポテンシャルウェルを形成する場合に８Ｖに設定される。Ｖ１からＶ４までのうちの２波形、例えばＶ１、Ｖ３は、画素から電荷を読み出す場合に１５Ｖに設定される。
【００１６】
垂直電荷転送路５は、水平電荷転送路７の各パケットごとに１本づつの割合でポテンシャルウェルＷが形成されている領域と電気的に接続されている。
【００１７】
以下に図１１〜図１３を参照して上記の固体撮像装置の動作を説明する。
【００１８】
Ｖ１を正の高い電圧、例えば１５Ｖにすると、Ｖ１に接続された全画素のフォトダイオード３ａに蓄積されている電荷は、トランスファーゲート３ｂを介して垂直電荷転送路５に読み出される。Ｖ１、Ｖ２を正の電圧にすると、電荷は２電極（例えば１５−１、１５−２）下に分布する。
【００１９】
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を正の比較的低い電圧、例えば８Ｖとし、Ｖ４を０Ｖとすると、読み出された電荷は、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が印加される３つの垂直電荷転送電極下に分布する。
【００２０】
Ｖ１を０Ｖに戻すと、電荷はＶ２、Ｖ３の電極下に閉じ込められる。Ｖ４を８Ｖにすると、電荷はＶ２、Ｖ３、Ｖ４の電極下に拡がる。この動作を繰り返すことにより、垂直電荷転送路５内を４相駆動方式で水平電荷転送路に向かって電荷を転送する。
【００２１】
水平電荷転送電極のφ１を例えば０Ｖに、φ２を例えば８Ｖとすると、φ１の電極下の電荷は右側のφ２の電極下に転送される。この時、φ１の電極下の左側領域にはポテンシャルバリアが形成され、電荷の逆流を防止する。
【００２２】
従って、画素混合を起こさずに、２相駆動で水平電荷転送路７中において電荷を一定方向に転送できる。
【００２３】
以上のようにφ１とφ２との２層駆動方式により、水平電荷転送路中を電子がアンプ方向へ転送される。
【００２４】
以上の動作により、１行分の画素からの電荷を読み出す。
【００２５】
次いで、他の行の画素からの電荷を垂直電荷転送路から水平電荷転送路へ転送し、同様の方法で読み出す。全電荷を読み出した後、Ｖ３に読み出しパルスを印加してＶ３に接続された画素の電荷を読み出す。
【００２６】
この方法により、インターレース方式で全画素の画素情報の読み出しが可能である。
【００２７】
上記構造のＣＣＤ固体撮像装置では、１の画素列に対応して、水平電荷転送路にポテンシャルウェルＷとポテンシャルバリアＢとが交互に２づつ並んだ構造を設ける必要がある。水平電荷転送路上の電荷を転送するためには１列当たり４つの水平転送電極を設ける必要がある。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像装置における画素の高密度化の要求に伴って、画素サイズ自体が微細化されてきている。
【００２９】
ＣＣＤ固体撮像装置内の画素の微細化に伴って、水平電荷転送路（水平電荷転送電極）も微細化する必要がある。現状では、画素サイズが３ミクロン程度である。水平転送電極の、ピッチは画素サイズの１／４程度、すなわち０．７５ミクロン程度まで微細化する必要がある。
【００３０】
将来、固体撮像装置の高画素化が進むと、画素サイズをさらに微細化する必要が生じる。その場合には、水平電荷転送電極の一層の微細化が必要となる。
【００３１】
本発明の目的は、水平電荷転送電極の加工精度を緩和することができるＣＣＤ固体撮像装置を提供することにある。
【００３２】
本発明の他の目的は、上記のＣＣＤ固体撮像装置の制御方法を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板表面に垂直方向及び水平方向に整列した行列状に配置され、各々が光電変換素子と該光電変換素子の電荷を読み出すトランスファーゲートとを含む複数の画素と、垂直方向に整列した複数の画素を含む画素列に近接して形成され、前記画素列の下端から突出する複数本の垂直電荷転送路と、前記垂直電荷転送路の所定領域上に形成された複数の垂直電荷転送電極と、ポテンシャルウェルとポテンシャルバリアとが交互に配置されて水平方向に延び、隣接する前記ポテンシャルウェルが隣接する前記垂直電荷転送路の下端において各々接続されるとともに、前記垂直電荷転送路が接続されているポテンシャルウェル間に前記ポテンシャルバリアが１つだけ形成されている水平電荷転送路と、前記垂直電荷転送路の電荷を多重化して前記水平電荷転送路に転送するマルチプレクス部とを含み、前記マルチプレクス部は、前記垂直電荷転送路のポテンシャルを制御するため、前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記画素の最終段から順に設けられた蓄積電極、第１転送電極及び第２転送電極と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に先送りされる第１群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記蓄積電極側から転送された電荷が前記蓄積電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記蓄積電極側に設けた第１電荷転送部と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に後から送る第２群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記第１転送電極下の垂直電荷転送路内の全域にわたって均一なポテンシャルを有する第２電荷転送部とを有する固体撮像装置が提供される。
【００３４】
本発明の他の観点によれば、半導体基板表面に垂直方向及び水平方向に整列した行列状に配置され、各々が光電変換素子と該光電変換素子の電荷を読み出すトランスファーゲートとを含む複数の画素と、垂直方向に整列した複数の画素を含む画素列に近接して形成され、前記画素列の下端から突出する複数本の垂直電荷転送路と、前記垂直電荷転送路の所定領域上に形成された複数の垂直電荷転送電極と、前記垂直電荷転送路の下端において各々接続され電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路と、前記垂直電荷転送路からの電荷を多重化して前記水平電荷転送路に転送するマルチプレクス部とを含み、該マルチプレクス部は、前記垂直電荷転送路のポテンシャルを制御するため、前記画素の最終段と前記水平電荷転送路との間の垂直電荷転送路上に前記画素の最終段から順に設けられた蓄積電極、第１転送電極及び第２転送電極と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に先送りされる第１群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記蓄積電極側から転送された電荷が前記蓄積電極下の領域内に逆流するのを防止するポテンシャルバリアを前記蓄積電極側に設けた第１電荷転送部と、前記画素からの電荷が前記水平電荷転送路に後から送る第２群の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の半導体領域に形成され、前記第１転送電極下の垂直電荷転送路内のほぼ全域にわたって均一なポテンシャルを有する第２電荷転送部とを有する固体撮像装置の制御方法であって、ａ）前記第１の電荷転送部を含む前記第１群の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の第１のポテンシャルウェルのポテンシャルを基準電位よりも低くし、前記第２の電荷転送段を含む第２の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の第２のポテンシャルウェルのポテンシャルを基準電位とする工程と、ｂ）前記蓄積電極の電位を基準電位よりも高くして前記蓄積電極直下の垂直電荷転送路領域に蓄積された電荷を前記第１転送電極下の領域に向けて転送する工程と、ｃ）前記蓄積電極の電位を基準電位に戻し、前記第２の垂直電荷転送路の電荷を前記蓄積電極直下の領域に戻す工程と、ｄ）前記第２転送電極の電位を基準電位よりも高い電位から基準電位に変化させた後、前記第１転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させて、電荷を、前記第１の垂直電荷転送路の前記第１転送電極下の領域から前記水平電荷転送路に転送する工程と、ｅ）前記水平電荷転送路に転送された電荷をアンプ側に向けて転送し外部信号を取り出す工程と、ｆ）前記第１の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の電位を基準電位とし、前記第２の垂直電荷転送路と接続された前記水平電荷転送路の電位を基準電位よりも低くする工程と、ｇ）前記第１転送電極の電位を基準電位にした後に前記蓄積電極の電位を基準電位からそれよりも高い電位に変化させ、前記第２の垂直電荷転送路において、前記蓄積電極直下の領域に蓄積されていた電荷を前記第１転送電極直下の領域に転送させる工程と、ｈ）前記第２転送電極の電位を基準電位よりも高い電位から基準電位に変化させ、前記第１転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させ、次いで前記第２転送電極の電位を基準電位から基準電位よりも高い電位に変化させて、前記第１転送電極の直下の領域に蓄積されていた電荷を前記水平電荷転送路のポテンシャルウェルが形成されている領域に転送する工程と、ｉ）前記水平電荷転送路に転送された電荷を、前記水平電荷転送路に沿ってアンプ側に向けて転送し、該アンプで増幅して外部に信号を取り出す工程と、ｊ）前記画素のうち前記（ａ）の工程で読み出されなかった別の行の画素の電荷を前記蓄積電極下に領域に転送し、前記ａ）からｉ）までの工程を繰り返すにより前記画素の電荷を読み出して外部に出力する工程とを含む固体撮像素子の制御方法が提供される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００３６】
図１から図４までを参照して、本発明の一実施の形態による固体撮像装置について説明する。
【００３７】
図１に示すように、固体撮像装置Ａは、たとえばシリコン等の半導体基板１０１上に形成されている。画素１０３、垂直電荷転送路１０５、水平電荷転送路１０７、出力アンプ１１１が半導体基板１０１上に形成され、全体として一つのＣＣＤ固体撮像装置を構成する。複数の画素１０３は、半導体基板１０１上において、垂直方向及び水平方向に整列され、行列状に配置されている。
【００３８】
各画素列に隣接して１本の垂直電荷転送路１０５が配置される。複数の垂直電荷転送路の１端はマルチプレクス部Ｔを介して水平電荷転送路１０７に接続される。
【００３９】
複数の画素１０３、１０３、１０３が垂直方向に整列して配置された各画素列の間には、１画素列に対応して各１本の垂直電荷転送路１０５が配置されている。
【００４０】
画素１０３は、フォトダイオード（光電変換素子）１０３ａとトランスファーゲート１０３ｂを含む。フォトダイオード１０３ａは、例えば上下面をｐ型層で挟まれたｎ型領域を有し受光した光を電荷に変換して蓄積する。
【００４１】
トランスファーゲート１０３ｂは、例えばｐ-型領域で形成され、フォトダイオード１０３ａのｎ型領域中に蓄積された電荷（電子）に対してポテンシャルバリアを形成する。トランスファーゲート１０３ｂ上の電極に十分高い電圧を印加することによりポテンシャルバリアは消滅し、フォトダイオード１０３ａに蓄積されている電荷を垂直電荷転送路５に読み出すことができる。
【００４２】
垂直電荷転送路１０５は、例えば半導体基板のｐ層中に形成されたｎ型導電層である。例えば、垂直電荷転送路１０５上の４相電極の電圧を変化させることにより、電荷を所望の方向に転送できる。
【００４３】
水平電荷転送路１０７には、ｎ+型のウェル領域Ｗとｎ-型のバリア領域Ｂとが、交互に形成されている。
【００４４】
各垂直電荷転送路１０５の延長上に、ウェル領域Ｗが配置され、これらのウェル領域Ｗ間に１つのバリア領域Ｂが配置される。この配置では、ウェル領域Ｗ、バリア領域Ｂの数は従来の半分である。１組のバリア領域Ｂ、ウェル領域Ｗの上に電極ＨＴが形成される。電極ＨＴは、交互に電圧波形φ１、φ２に接続される。すなわち水平電荷転送路は、従来と同様に２相駆動される。
【００４５】
図２に、水平電荷転送路１０７の模式的な断面図を示す。
【００４６】
水平電荷転送路１０７は、半導体基板１０１中に形成されるｐウェル層１１８と、ｐウェル層１１８中に形成されるｎ型導電層１１７と、半導体基板１０１上に絶縁膜を介して形成される２層のポリシリコン（１ポリ、２ポリ）からなる水平電荷転送電極１２１とを有する。
【００４７】
ｎ型導電層１１８は、ｎ型不純物濃度の低い低濃度領域１１８ａと、ｎ型不純物濃度の高い高濃度領域１１８ｂとが交互に設けられている。低濃度領域１１８ａは、ポテンシャルエネルギーの高い水平電荷転送路用ポテンシャルバリアＢを形成する。高濃度領域１１８ｂは、ポテンシャルエネルギーの低い水平電荷転送路用ポテンシャルウェルＷを形成する。水平電荷転送路用ポテンシャルバリアＢと水平電荷転送路用ポテンシャルウェルＷとが水平方向に交互に並ぶ。１つの水平電荷転送路用ポテンシャルバリアＢと１つの水平電荷転送路用ポテンシャルウェルＷとを１組とし、この１組により、電荷の１転送単位（以下「１パケット」という。）を形成する。
【００４８】
１パケットを構成する水平電荷転送路用ポテンシャルウェルＷに転送された電荷は、水平電荷転送路上に形成されている水平電荷転送電極に電荷転送のための電圧を印加することにより、次の１パケットを構成するポテンシャルウェルＷに転送される。水平電荷転送電極に電荷転送のための電圧を印加するまでは、１つのポテンシャルウェルに蓄積された電荷は、そのポテンシャルウェルに留まる。パケットは水平方向に所定の段数だけ形成されている。
【００４９】
低濃度領域１１８ａ（ポテンシャルバリアＢ）上に第一層目のポリシリコン電極（水平転送電極１２１−０、１２１−２、１２１−４、１２１−６、・・・）が、高濃度領域１８ｂ（ポテンシャルウェルＷ）上に第二層目のポリシリコン電極（水平転送電極１２１−１、１２１−３、１２１−５、・・・）が形成されている。
【００５０】
水平電荷転送電極１２１−０と水平電荷転送電極１２１−１とが接続され、そこに電圧波形φ１が印加されている。水平転送電極１２１−２と水平転送電極１２１−３とが接続され、そこに電圧波形φ２が印加される。同様に、水平転送電極１２１−４と水平転送電極１２１−５とが接続され、そこに電圧φ１が印加される。
【００５１】
図３に示すように、行方向に並ぶ画素間の垂直電荷転送路１０５上には、例えば１行当たり２本の垂直電荷転送電極１１５が設けられている。
【００５２】
垂直電荷転送電極１１５−１、１１５−２、１１５−３、１１５−４に対して、Ｖ１からＶ４までの４相駆動の電圧波形が印加される。垂直転送電極１１５−５から１１５−８まで、垂直転送電極１１５−９から１１５−１２までについても同様にＶ１からＶ４までの４相駆動の電圧波形が印加される。電圧波形Ｖ１からＶ４は、例えば垂直電荷転送路中に電荷分離用のポテンシャルバリアを形成する場合は０Ｖ、電荷蓄積用ポテンシャルウェルを形成する場合は８Ｖに設定される。Ｖ１からＶ４のうちの２つ、例えばＶ１、Ｖ３は、画素から電荷を読み出す場合に１５Ｖに設定される。
【００５３】
垂直電荷転送路１０５は、水平電荷転送路７の各パケットごとに１本づつの割合でポテンシャルウェルＷが形成されている領域と電気的に接続されている。
【００５４】
以下に図１〜図３を参照して上記の固体撮像装置の動作を説明する。
【００５５】
Ｖ１を１５Ｖにすると、Ｖ１に接続された全画素のフォトダイオード１０３ａに蓄積されている電荷は、トランスファーゲート１０３ｂを介して垂直電荷転送路１０５に読み出される。
【００５６】
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を正の比較的低い電圧、例えば８Ｖとし、Ｖ４を０Ｖとする。読み出された電荷は、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が印加される３つの垂直電荷転送電極下に分布する。
【００５７】
Ｖ１を０Ｖに戻すと、電荷はＶ２、Ｖ３の電極下に閉じ込められる。Ｖ４を８Ｖにすると、電荷はＶ２、Ｖ３、Ｖ４の電極下に拡がる。この動作を繰り返すことにより、垂直電荷転送路５内を４相駆動方式で水平電荷転送路に向かって電荷を転送する。
【００５８】
垂直電荷転送路１０５と水平電荷転送路１０７の間に、例えば２つの転送電極（図３の転送電極ＣＳ、ＣＧ）が設けられる。転送電極に画素方向から順に正の電圧を印加することにより、電荷は垂直電荷転送路１０５から水平電荷転送路１０７へ向けて転送される。
【００５９】
水平電荷転送電極のφ１を例えば０Ｖに、φ２を例えば８Ｖとすると、φ１の電極下の電荷は右側のφ２の電極下に転送される。この時、φ１の電極下の左側領域にはポテンシャルバリアが形成され、電荷の逆流を防止する。画素混合を起こさずに、２相駆動で水平電荷転送路７中において電荷をアンプの方向へ転送する。
【００６０】
以上の動作により、１行分の画素からの電荷を読み出す。
【００６１】
次いで、他の行の画素からの電荷を同様の方法で読み出す。全電荷を読み出した後、Ｖ３に読み出しパルスを印加してＶ３に接続された画素の電荷を読み出す。
【００６２】
この方法により、画素部の全画素の画素情報を読み出すことが可能である。
【００６３】
上記構造のＣＣＤ固体撮像装置では、１の画素列に対応して、水平電荷転送路にポテンシャルウェルＷと第１のポテンシャルバリアＢとが１づつ並んだ構造を設ければよい。水平電荷転送路１０７上の電荷を転送するためには１列当たり２つの水平転送電極を設ければ良い。
【００６４】
図１に示すように、第１の垂直電荷転送路群１０５ａ、１０５ａ、１０５ａと第２の垂直電荷転送路群１０５ｂ、１０５ｂ、１０５ｂとが１列毎に配置されている。垂直電荷転送路１０５の下端には、マルチプレクス部Ｔが設けられている。垂直電荷転送路１０５と水平電荷転送路１０７とはマルチプレクス部Ｔを介して接続されている。
【００６５】
マルチプレクス部Ｔは、垂直電荷転送電極１１５−１２側から水平電荷転送路１０７へ向けて、順に、蓄積電極ＳＴ、第１転送電極ＣＳ、第２転送電極ＣＧとを含む。
【００６６】
マルチプレクス部Ｔを中心とした詳細な構成について説明する。
【００６７】
図４に、図１及び図３のＡ−Ａ’線断面のポテンシャル分布とＢ−Ｂ’線断面のポテンシャル分布とを電極配置とともに示す。Ａ−Ａ‘線断面を付したポテンシャル分布は、第１の垂直電荷転送路１０５ａのポテンシャル形状を示す。
【００６８】
第１の垂直電荷転送路１０５ａにおいては、画素からの電荷を水平電荷転送路１０７に先送りするための第１電荷転送部Ｔ１を有する。
【００６９】
Ｂ−Ｂ‘線断面に付したポテンシャル分布は第２の垂直電荷転送路１０５ｂのポテンシャル形状を示す。第２の垂直電荷転送路１０５ｂにおいては、画素からの電荷を水平電荷転送路１０７に後から送るための第２電荷転送部Ｔ２を有する。
【００７０】
尚、上記のポテンシャル形状は、垂直電荷転送電極１１５−１１（Ｖ３）、１１５−１２（Ｖ４）、蓄積電極ＳＴ、第１転送電極ＣＳ、第２転送電極ＣＧが全て同電位と仮定した場合のポテンシャル形状である。
【００７１】
第１電荷転送部Ｔ１は、第１の垂直電荷転送路１０５ａの蓄積電極ＳＴと第１転送電極ＣＳとの境界近傍の第１転送電極ＣＳに隣接する側の半導体領域に厚さの薄いポテンシャルバリア（第１のポテンシャルバリア）１５１を含む。
【００７２】
第１のポテンシャルバリア１５１は、第２転送電極ＣＧ下の第１の垂直電荷転送路１０５ａ内に転送された電荷が蓄積電極ＳＴ下の領域内に逆流するのを防止する。
【００７３】
第２電荷転送部Ｔ２は、第２の垂直電荷転送路１０５ｂの第１転送電極ＣＳ下のほぼ全域にわたって均一なポテンシャルにより形成されている。例えば、図４に示すように、厚いポテンシャルバリア（第２のポテンシャルバリア）１５３が形成されている。
【００７４】
第２電荷転送部Ｔ２は、第２のポテンシャルバリア１５３を越えて第１転送電極ＣＳ下の第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内に転送された電荷が蓄積電極下の領域内に逆流するのを防止する機能を有しない。
【００７５】
上記の構成により、第２の垂直電荷転送路１０５ｂに逆流可能転送段が形成される。
【００７６】
第１のポテンシャルバリア１５１と第２のポテンシャルバリア１５３とのバリア高さは、ｎ型不純物のドーピング量により調整できる。ｎ型不純物のドーピング量を低くすれば、ポテンシャルの高さは高くなる。ポテンシャル形状を制御するその他の方法としてｐ型の不純物を導入する方法がある。ｐ型の不純物を導入することによりポテンシャルバリアの高さを一層高くすることもできる。
【００７７】
以下に上記固体撮像装置の製造工程を示す。
【００７８】
図５から図７までに、垂直電荷転送路１０５ａと垂直電荷転送路１０５ｂの形成方法の一例を示す。
【００７９】
図５（ａ）に示すように、熱酸化法によりｐ型シリコン基板（またはｎ型シリコン基板に形成したｐ型ウェル）３０１の表面を酸化して第１の酸化膜３０３を形成する。
【００８０】
図５（ｂ）に示すように、シリコン基板３０１中にＰをイオン注入する。イオン注入のドーズ量は１×１０12ｃｍ-2である。イオン注入のマスクは、垂直方向に延びるストライプ状の開口を複数本含む。図は、開口部の断面を示す。イオン注入及び熱処理により、ストライプ状に形成され垂直方向に延びるｎ型不純物領域３０５が形成される。このようにして形成されたストライプ状のｎ型不純物領域３０５が垂直電荷転送路を形成する。
【００８１】
図５（ｃ）に示すように、第一層目のポリシリコン層３１１を形成する。フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジストマスクＲ1、Ｒ2、Ｒ3を形成する。
【００８２】
図５（ｄ）に示すように、フォトレジストマスクＲ1、Ｒ2、Ｒ3をマスクとして、エッチングにより第一層目のポリシリコン層３１１をパターニングし、垂直電荷転送電極３１１ａ（Ｖ３）、蓄積電極３１１ｂ（ＳＴ）、第２転送電極３１１ｃ（ＣＧ）を形成する。電極３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの表面を熱酸化する。
【００８３】
図６（ｅ）に示すように、蓄積電極３１１ｂと第１転送電極３１１ｃとの間の領域のうち蓄積電極３１１ｂ（ＳＴ）近傍の領域にのみ開口３１７を有するフォトレジストパターンＲ4を形成する。
【００８４】
フォトレジストパターンＲ4をマスクとして、ｐ型不純物であるＢ（ボロン）をイオン注入する。イオン注入のドーズ量は３×１０11ｃｍ-2である。イオン注入により、ｎ型不純物領域３０５のうち開口３１７が形成されている領域３３１の不純物の濃度が低くなる。その後、フォトレジストパターンＲ4を除去する。
【００８５】
図６（ｆ）に示すように、第二層目のポリシリコン層３２１を堆積する。フォトリソグラフィー技術を用いて、第二層目のポリシリコン層３２１上にフォトレジストマスクＲ5、Ｒ6、Ｒ7を形成する。
【００８６】
図６（ｇ）に示すように、フォトレジストマスクＲ5、Ｒ6、Ｒ7をマスクとして、第二層目のポリシリコン層３２１をエッチングすることにより第二層目のポリシリコンにより形成される垂直電荷転送電極３２１ａ（Ｖ４）、第１転送電極３２１ｂ（ＣＳ）、水平電荷転送電極３２１ｃ（φ１）を形成する。その後、フォトレジストマスクＲ5、Ｒ6、Ｒ7を除去する。
【００８７】
以上の工程により、第１転送電極３２１ｂ（ＣＳ）下の蓄積電極３１１ｂ（ＳＴ）側の領域３３１に第１のポテンシャルバリア１５１（図４）が形成される。
【００８８】
第２の垂直電荷転送路３０５ｂに関しては、図６（ｅ）の工程において図７（ｈ）に示すように、フォトレジストパターンＲ4を蓄積電極３１１ｂ（ＳＴ）と第２転送電極３１１ｃ（ＣＧ）の間のほぼ全領域（第１転送電極ＣＳが形成されるべき領域）が開口するように形成した後、上記の図７（ｉ）及び図７（ｊ）のように図６（ｆ）、図６（ｇ）に示す工程と同時にイオン注入及びエッチング等を行えば、第２の垂直電荷転送路３０５ｂのうち電極３２１ｂ（ＣＳ）下の全領域３３３に第２のポテンシャルバリア１５３（図４）が形成される。
【００８９】
以下に上記の固体撮像装置Ａの動作を説明する。
【００９０】
図３に示す垂直転送電極１１５−１、１１５−５、１１５−９（Ｖ１）に対して、例えば１５Ｖの高電圧を印加する。高電圧が印加された行に含まれる画素のフォトダイオード１０３ａに蓄積されている電荷は、各画素に対応するトランスファーゲート１０３ｂを介して垂直電荷転送路１０５に転送される。
【００９１】
垂直転送電極１１５−１に正の比較的低い電圧、例えば８Ｖの電圧を印加し、垂直転送電極１１５−２にも８Ｖの電圧を印加し、垂直転送電極１１５−３にも８Ｖの電圧を印加する。垂直転送電極１１５−１の電圧を０Ｖに戻し、垂直転送電極１１５−４に８Ｖの電圧を印加する。同様の動作を繰り返すことにより、垂直電荷転送路１０５中の電荷を４相駆動方式で水平電荷転送路１０７の方向に転送する。
【００９２】
垂直電荷転送路１０５のうち第１の垂直電荷転送路１０５ａと第２の垂直電荷転送路１０５ｂを転送される電荷を、２回に分けて水平電荷転送路１０７に転送する方法について以下に説明する。
【００９３】
前述のように、垂直電荷転送路１０５に転送された電荷は、４相駆動方式で最下端の垂直転送電極１１５−１２下に転送される。蓄積電極ＳＴに正の電圧を印加し、電荷を蓄積電極ＳＴ直下の垂直電荷転送路領域に転送する。
【００９４】
蓄積電極ＳＴ直下の垂直電荷転送路１０５に転送された電荷は、一時的に蓄積電極ＳＴ直下の垂直電荷転送路内に蓄積される。この時間をｔ1とする。
【００９５】
図８を用いて垂直転送路１０５中を転送されて蓄積電極ＳＴに蓄積されている電荷のうち、まず一部の電荷を水平電荷転送路１０７に転送し、次いで残りの電荷を水平電荷転送路１０７へ転送するマルチプレクス部Ｔの動作原理を説明する。第１の垂直電荷転送路１０５ａと第２の垂直電荷転送路１０５ｂとのポテンシャルの変化を時間ｔ1から時間ｔ11まで順を追って示す。
【００９６】
図８（ａ）は第１の垂直電荷転送路１０５ａに関するポテンシャル図であり、図８（ｂ）は第２の垂直電荷転送路１０５ｂにおけるポテンシャル図である。
【００９７】
以下、基準電位を０Ｖとし、基準電位（０Ｖ）よりも高い電位を−Ｖとし、基準電位よりも低い電位を＋Ｖとする。Ｖは、例えば８Ｖである。
【００９８】
時間ｔ1において、最終段の垂直転送電極１１５−１２（図では電極Ｖ４で示される）の電位を−Ｖとする。
【００９９】
第１の垂直電荷転送路１０５ａにおいて、蓄積電極ＳＴと第１転送電極ＣＳ１の電位を０とする。第２転送電極ＣＧ１の電位を−Ｖとする。水平電荷転送電極１２１−１（φ１）の電位を＋Ｖとする。
【０１００】
垂直電荷転送路１０５ｂ上における蓄積電極ＳＴと第１転送電極ＣＳ１の電位を０とする。第２転送電極ＣＧ１の電位を−Ｖとする。水平転送電極１２１−１（φ２）の電位を０Ｖとする。
【０１０１】
時間ｔ1において、蓄積電極ＳＴ下の第１及び第２の垂直電荷転送路１０５ａ、１０５ｂには、電荷（第１の垂直電荷転送路１０５ａ内の電荷を白抜きの四角で示し、第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷を白抜きの丸で示す。）が蓄積される。
【０１０２】
尚、第２転送電極ＣＧ１の電位は−Ｖであるため、第２転送電極ＣＧ１下の半導体領域のポテンシャルが持ち上がっており、第１転送電極ＣＳ１領域下の半導体領域にポテンシャル井戸が形成されている。
【０１０３】
時間ｔ2において、蓄積電極ＳＴの電位を−Ｖにする。
【０１０４】
蓄積電極ＳＴ下のポテンシャルが持ち上がり、第１のポテンシャルバリア１５１のうち蓄積電極ＳＴ側のポテンシャル障壁よりも高くなる。蓄積電極ＳＴ下に蓄積されている電荷は、よりポテンシャルの低い第１転送電極ＣＳ１下の領域に向けて転送される。
【０１０５】
第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷に関しても、同様に蓄積電極ＳＴ下のポテンシャルが持ち上がり、第２のポテンシャルバリア１５３の高さよりも高くなると、蓄積されている電荷は、よりポテンシャルの低い第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域に向けて転送される。
【０１０６】
時間ｔ3において、蓄積電極ＳＴの電位を０に戻す。ポテンシャルは時間ｔ1の時と同様の形状になる。
【０１０７】
第１の垂直電荷転送路１０５ａ内において第１転送電極ＣＳ１下の領域に転送された電荷は、第１のポテンシャルバリア１５１の第２転送電極ＣＧ１側のエネルギー障壁の存在により蓄積電極ＳＴの方向に逆流することはできない。
電荷は、そのまま第１転送電極ＣＳ１領域下の半導体領域に形成されたポテンシャル井戸中に留まる。
【０１０８】
第２の垂直電荷転送路１０５ｂにおいて第１転送電極ＣＳ１下の領域に転送された電荷は、第２のポテンシャルバリア１５３の第２転送電極ＣＧ１側にエネルギー障壁が存在しないため、蓄積電極ＳＴの方向に逆流する。第１転送電極ＣＳ１の下の領域に電荷を蓄積するためのポテンシャルウェルは存在せず、階段状のポテンシャルの傾斜に沿って、電荷はポテンシャルの高い第１転送電極ＣＳ１下の領域からポテンシャルの低い蓄積電極ＳＴ直下の領域に逆流する。
【０１０９】
時間ｔ3までの工程で、第１の垂直電荷転送路１０５ａの電荷は、蓄積電極ＳＴから第１転送電極ＣＳ１下の領域に転送されたことになる。それに対して、第２の垂直電荷転送路１０５ｂの電荷は蓄積電極ＳＴ下の領域に蓄積されたままである。
【０１１０】
時間ｔ4において、第２転送電極ＣＧの電位を−Ｖから０に変化させる。第２転送電極ＣＧ１直下の半導体領域に形成されていたポテンシャルバリアのポテンシャルが下がり、電荷の水平電荷転送路側への移動を妨げなくなる。
【０１１１】
さらに、時間ｔ5において、第１転送電極ＣＳ１のポテンシャルを−Ｖ近くまで上げる。
【０１１２】
第１の垂直電荷転送路１０５ａ内において、第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域に蓄積されていた電荷は、水平電荷転送路へ向けて下り勾配の階段状のポテンシャル傾斜に沿って、第２転送電極ＣＧ１直下の半導体領域を通り水平電荷転送電極１２１（φ１）の直下の半導体領域まで転送される。
【０１１３】
水平電荷転送路（φ１）に転送された電荷は、水平電荷転送路内を２相駆動方式によりアンプ側に向けて転送される。電荷信号は、アンプで増幅されて外部に読み出される。
【０１１４】
時間ｔ4および時間ｔ5において、第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷は、第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域のほぼ全域にわたって形成された第２のポテンシャルバリア１５３を越えられず、蓄積電極ＳＴ下に蓄積されたままである。
【０１１５】
次いで、第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の蓄積電極ＳＴ直下の領域に蓄積されていた残りの電荷を読み出す。
第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷を読み出す期間（ｔ6からｔ11までの期間）内において、第１の垂直電荷転送路１０５ａと接続される水平電荷転送電極（φ１）の電位は０Ｖの状態が維持される。但し、この動作期間（ｔ6からｔ11までの期間）内には、第１の垂直電荷転送路１０５ａには電荷は存在しない。
【０１１６】
第１の垂直電荷転送路１０５ａのポテンシャルの変化についての説明は省略する。
【０１１７】
時間ｔ6からｔ11までの第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷の読み出し動作期間内に、垂直電荷転送路１０５ｂに接続される水平電荷転送電極（φ２）に、Ｖの電圧が継続して印加される。
【０１１８】
時間ｔ6において、第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷は、蓄積電極ＳＴ直下の領域に蓄積された状態にある。
【０１１９】
時間ｔ7において、第１転送電極ＣＳ１の電位を０まで下げる。
【０１２０】
時間ｔ7においても、第２のポテンシャルバリア１５３が存在する。第２の垂直電荷転送路１０５ｂの電荷は、依然として蓄積電極ＳＴ直下の領域に蓄積された状態にある。
【０１２１】
時間ｔ8において、蓄積電極ＳＴの電位を０から−Ｖに上げる。蓄積電極ＳＴ直下のポテンシャルが高くなるため、第２のポテンシャルバリア１５３がエネルギー障壁として機能しなくなる。
【０１２２】
蓄積電極ＳＴ直下の領域に蓄積されていた電荷は、第１転送電極ＣＳ１の直下の領域に転送される。第１転送電極ＣＳ１の直下の領域に転送された電荷は、第２転送電極ＣＧ１の直下の領域に存在する第２転送電極ＣＧ１に−Ｖが印加されているため、第２転送電極下の半導体領域に形成されるポテンシャルバリアにより第１転送電極ＣＳ１の直下の領域に留まる。
【０１２３】
時間ｔ9において、第２転送電極ＣＧ１の電位を−Ｖから０に変化させる。第２転送電極ＣＧ１の直下の領域に存在したポテンシャルバリアが消滅しエネルギー障壁として機能しなくなる。第１転送電極ＣＳ１下の電荷は、水平電荷転送路（φ２）の下の半導体領域まで転送される。
【０１２４】
時間ｔ10において、第１転送電極ＣＳ１の電位を０から−Ｖに変化させる。
【０１２５】
時間ｔ11において、第２転送電極ＣＧ１の電位を０から−Ｖに変化させる。
【０１２６】
時間ｔ9からｔ11の間に、第１転送電極ＣＳ１の直下の領域に留まっていた電荷は、φ２が印加される水平転送電極直下の水平電荷転送路１０７に転送される。
【０１２７】
水平電荷転送路１０７に転送された電荷は、φ１とφ２との２相駆動により、水平電荷転送路をアンプ側に向けて転送され、アンプで増幅されて読み出される。
【０１２８】
以上のように、蓄積電極ＳＴに蓄積された電荷の半分を水平転送電極に転送した後、水平電荷転送路を駆動して信号を全て外部に読み出す。次いで、蓄積電極ＳＴに残っている残り半分の信号電荷を水平電荷転送路に向けて転送する。水平電荷転送路を駆動して水平電荷転送路に存在する信号を全て外部に読み出す。
【０１２９】
以上の動作を繰り返すことにより、全画素読み出しを行うことができる。
【０１３０】
図９は、上記の動作原理に基づいて動作する固体撮像装置の垂直電荷転送電極（Ｖ１からＶ４）、蓄積電極ＳＴ、第１転送電極ＣＳ１、第２転送電極ＣＧ１及び水平電荷転送電極（φ１、φ２）のそれぞれの電極に各電圧波形を与えた場合のタイミングチャートを示す。
【０１３１】
図８の場合と同様に、白抜きの四角は第１の垂直電荷転送路１０５ａを通る電荷を、白抜きの丸は第２の垂直電荷転送路１０５ｂを通る電荷を模式的に示したものである。
【０１３２】
まず時間ｔ0において、垂直電荷転送電極（Ｖ１）にＨＩＧＨの電圧（例えば８Ｖ）を印加する。その状態のままで、さらに読み出しパルス（例えば１５Ｖ）を印加して、対応する行に存在するフォトダイオードに蓄積された電荷を第１及び第２の垂直電荷転送路１０５ａ、１０５ｂに転送する。ここで、第１の垂直電荷転送路１０５ａに接続される水平電荷転送電極のφ１はＨＩＧＨ（例えば８Ｖ）に、第２の垂直電荷転送路１０５ｂに接続される水平電荷転送電極のφ２はＬＯＷ（例えば０Ｖ）に設定する。
【０１３３】
次に、時間ｔv1間において、垂直電荷転送電極（Ｖ２）から垂直電荷転送電極（Ｖ４）に対して順次正の電圧（例えば８Ｖ）を印加し、フォトダイオードから読み出した電荷を水平電荷転送路１０７の方向に転送する。第１及び第２の垂直電荷転送路１０５ａ、１０５ｂの電荷は、一時的に蓄積電極ＳＴ下の半導体領域に蓄積される。
【０１３４】
ｔs11間の時間ｔ1においても、第１及び第２の垂直電荷転送路１０５ａ、１０５ｂ内の電荷は、一時的に蓄積電極ＳＴ下の半導体領域に蓄積されている。
【０１３５】
時間ｔ2において、第１転送電極ＣＳ１の電位をＨＩＧＨ（８Ｖ）にしたまま蓄積電極ＳＴの電位をＬＯＷ（０Ｖ）にすると、蓄積電極ＳＴに蓄積されている電荷は第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域に転送される。
【０１３６】
時間ｔ3において、第１転送電極ＣＳ１の電位をＨＩＧＨ（８Ｖ）にしたまま蓄積電極ＳＴの電位を再びＨＩＧＨ（８Ｖ）にすると、第１の垂直電荷転送路１０５ａ内の電荷は、第１転送電極ＣＳ１に転送されてその領域下に残る。
【０１３７】
第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷は、第１転送電極ＣＳ１から蓄積電極ＳＴの領域下に戻る。
【０１３８】
時間ｔ4において、第２転送電極ＣＧ１の電位をＬＯＷ（０Ｖ）からＨＩＧＨ（８Ｖ）にして、さらに時間ｔ5において、第１転送電極ＣＳ１の電位をＨＩＧＨ（８Ｖ）からＬＯＷ（０Ｖ）にすると、第１の垂直電荷転送路１０５ａ上の電荷は、第２転送電極ＣＧ１領域に転送される。第２の転送電極ＣＧの電位をＨＩＧＨからＬＯＷにすると、電荷は水平電荷転送路１０７に転送される。
【０１３９】
水平電荷転送路に転送された電荷は、時間ｔh11間に、２相駆動方式によりアンプに転送される。電荷信号が外部に読み出される。
【０１４０】
次いで、水平電荷転送電極のφ１をＬＯＷ（０Ｖ）に、φ２をＨＩＧＨ（８Ｖ）に設定する。
【０１４１】
時間ｔs12間において、時間ｔ6からｔ7の間に蓄積電極ＳＴ下に蓄積されている電荷は、時間ｔ7からｔ8の間に第２転送電極ＣＧ１をＬＯＷからＨＩＧＨにし、時間ｔ8からｔ9の間に第１転送電極ＣＳ１をＨＩＧＨからＬＯＷにすることにより、蓄積電極ＳＴ下の半導体領域から第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域、第２転送電極ＣＧ１下の半導体領域へと順次、転送されていく。
【０１４２】
時間ｔ10とｔ11との間において、第２転送電極ＣＧ１の電位をＨＩＧＨからＬＯＷにすると、第２の垂直電荷転送路１０５ｂ内の電荷は、水平電荷転送路１０７（φ２）へと転送される。
【０１４３】
水平電荷転送路１０７に転送された電荷は、２相駆動によりアンプ方向に転送され外部に読み出される。
【０１４４】
図９（ｂ）に、水平電荷転送路内での２相駆動パルス（φ１、φ２）のパルス電圧の波形を示す。φ１とφ２とが交互にＨＩＧＨレベル、ＬＯＷレベルに変化し、電荷を２相駆動方式によりアンプの方向へ転送する。
【０１４５】
全画素の画素情報を読み出すことが可能である。
【０１４６】
上記の実施の形態による固体撮像装置を用いれば、垂直電荷転送路１本に対して水平電荷転送電極を２つ設ければよい。
【０１４７】
従って、高画素化に伴って生じる水平電荷転送電極の加工精度の要求を緩くすることが可能である。
【０１４８】
全画素読み出しの固体撮像装置を容易に製造することができる。
例えば、静止画を撮影するデジタルカメラなどの場合には、撮影の構図を決めるためのビデオモニタにプレ画像信号を得る必要がある。少ない水平転送電極数で多くの画像信号を得ることができるという利点がある。
【０１４９】
画素を微細化した場合、例えば、画素サイズを３ミクロン程度とした現状のＣＣＤ固体撮像装置において、水平電荷転送電極の微細化の程度は通常の固体撮像装置の場合の１／２程度で良い。すなわち１．５ミクロン程度までの微細化を行えば良い。
【０１５０】
もう一方の観点からみれば、将来、画素サイズをさらに微細化した場合でも、従来のＣＣＤ固体撮像装置と比較してＨＣＣＤ電極自体の微細化の程度が少なくてすむ。
【０１５１】
次に本発明の実施の形態による固体撮像装置の変形例について説明する。
【０１５２】
図１０（ａ）は、垂直電荷転送路４本を一単位として選択的に読み出す構成の固体撮像装置Ｃの垂直電荷転送路３０５上の電極配置を示す。
【０１５３】
垂直電荷転送路３０５上には、画素部から水平電荷転送路（φ）側に向けて、蓄積電極ＳＴ、第１転送電極ＣＳ１、第２転送電極ＣＧ１、第３転送電極ＣＳ２、第４転送電極ＣＧ２が形成されている。
【０１５４】
垂直電荷転送路３０５は、第３から第６までの４種類の垂直電荷転送路に分類できる。第３の垂直電荷転送路３０５ａと、第３の垂直電荷転送路３０５ａと水平方向の第１の方向に隣接する第４の垂直電荷転送路３０５ｂと、第４の垂直電荷転送路３０５ｂと水平方向の第１の方向に隣接する第５の垂直電荷転送路３０５ｃと、第５の垂直電荷転送路３０５ｃと水平方向の第１の方向に隣接する第６の垂直電荷転送路３０５ｄとの４種類の異なる第３から第６までの電荷転送部Ｔ３からＴ６までを有する垂直電荷転送路３０５が繰り返し配置される。
【０１５５】
第３から第６までの垂直電荷転送路３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄが一組となり、このような垂直電荷転送路の組が水平方向に交互に形成されている。
【０１５６】
図１０（ｂ）から（ｅ）までに、第３から第６までの垂直電荷転送路３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄの電極の配置とポテンシャル形状とを示す。
【０１５７】
図１０（ｂ）は、第３の垂直電荷転送路３０５ａのポテンシャル形状を示す。
【０１５８】
第３の垂直電荷転送路３０５ａのうち、蓄積電極ＳＴと第１転送電極ＣＳ１との境界の蓄積電極ＳＴ側に存在する半導体領域には、厚さの薄い第１のポテンシャルバリア３５１が形成され第１電荷転送段Ｔ１を形成する。
【０１５９】
第３の垂直電荷転送路３０５ａのうち、第３転送電極ＣＳ２下の領域であって、第２転送電極ＣＧ１と第３転送電極ＣＳ２との境界の第２転送電極ＣＧ１側に存在する半導体領域には、厚さの薄い第１のポテンシャルバリア３５２が形成され、第３電荷転送部Ｔ３を形成する。
【０１６０】
図１０（ｃ）は、第４の垂直電荷転送路３０５ｂのポテンシャル形状を示す。
【０１６１】
蓄積電極ＳＴと第１転送電極ＣＳ１との境界の蓄積電極ＳＴ側に存在する半導体領域には、厚さの薄い第１のポテンシャルバリア３５３が形成され第１電荷転送段Ｔ１を形成する。
【０１６２】
第４の垂直電荷転送路３０５ｂのうち、第３転送電極ＣＳ２下の半導体領域のほぼ全域には、電荷を後から送るための、厚さの厚い第２のポテンシャルバリア３５４が形成され、第４電荷転送部Ｔ４を形成する。
【０１６３】
図１０（ｄ）は、第５の垂直電荷転送路３０５ｃのポテンシャル形状を示す。
【０１６４】
第５の垂直電荷転送路３０５ｃのうち、第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域のほぼ全域には、厚さの厚い第２のポテンシャルバリア３５５が形成され、第２電荷転送部Ｔ２を形成する。
【０１６５】
第３転送電極ＣＳ２下の、第２転送電極ＣＧ１と第３転送電極ＣＳ２との境界の第２転送電極ＣＧ１側に存在する半導体領域には、厚さの薄い第１のポテンシャルバリア３５６が形成され、第５電荷転送部Ｔ５を形成する。
【０１６６】
図１０（ｅ）は、第６の垂直電荷転送路３０５ｄのポテンシャル形状を示す。
【０１６７】
第６の垂直電荷転送路３０５ｄのうち、第１転送電極ＣＳ１下の半導体領域のほぼ全域には、厚さの厚い第２のポテンシャルバリア３５７が形成され、第２電荷転送部Ｔ２を形成する。
【０１６８】
第３転送電極ＣＳ２下の半導体領域のほぼ全域には、厚さの厚い第２のポテンシャルバリア３５８が形成され、第６電荷転送部Ｔ６を形成する。
【０１６９】
上記の垂直電荷転送路をｎ形半導体層で形成する場合には、上記のポテンシャルバリアの高さは、ｎ型不純物のドーピング量により調整すればよい。
【０１７０】
ｎ型不純物のドーピング量を他の領域に比べて低くすればするほど、ポテンシャルバリアの高さは高くなる。
【０１７１】
第３から第６までの垂直電荷転送路３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄから水平電荷転送路に向けて転送する際、一時的に蓄積電極ＳＴ下に電荷を蓄積し、所定の垂直電荷転送路３０５に蓄積されている電荷だけをまず先に水平電荷転送路へ転送し、次いで残りの電荷を水平電荷転送路へと転送する。
【０１７２】
第３から第６までの垂直電荷転送路において、電荷の転送を行う原理に関しては、第１の実施の形態において説明したのものと同様であるため説明を省略する。
【０１７３】
尚、第４の垂直電荷転送路３０５ｂと第５の垂直電荷転送路３０５ｃとは、２つの垂直電荷転送路３０５ｂ、３０５ｃのうちのいずれかの構造のみを用いても良い。この場合には、垂直電荷転送路３０５ａ、（３０５ｂ又は３０５ｃのいずれか）、３０５ｄから水平電荷転送路に向けて、１番目から３番目までの電荷転送を行う。
【０１７４】
上記の実施の形態においては、垂直電荷転送路２本又は３、４本を１組として、各垂直電荷転送路からの電荷を所定の順序で水平電荷転送路に転送する構成について説明したが、垂直電荷転送路５組以上に分けて水平電荷転送路に読み出す構造としても良い。
【０１７５】
尚、上記の実施の形態においては、画素として水平方向及び垂直方向に整列配置された構造を示したが、画素の配置は、水平方向に隣接する画素が垂直方向にずれて配置されるいわゆる画素ずらしの配置であっても良い。
【０１７６】
また、画素の形状としては、正方形の形状を有するものについて説明したが、多角形、例えば正六角形の画素に適用しても良い。
【０１７７】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【０１７８】
【発明の効果】
高密度の画素を有する固体撮像装置において、水平電荷転送路、水平転送電極の加工精度を緩くすることができ、製造歩留まりが向上する。
【０１７９】
同じ加工精度であれば、固体撮像装置の高画素化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置を示す平面図であり、主として半導体基板内の構造を示す。
【図２】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置のうち水平電荷転送路に沿う模式的な断面図と対応するエネルギーバンドを示す。
【図３】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置を示す平面図であり、主として電荷転送電極の構造を示す。
【図４】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置のうち垂直電荷転送路に沿う模式的な断面図と対応するエネルギーバンドを示す。
【図５】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の動作原理を示すポテンシャルダイアグラムである。（ａ）は第１の垂直電荷転送路、（ｂ）は第２の垂直電荷転送路に関する。
【図９】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャート図である。（ａ）は全体のタイミングチャートであり、（ｂ）は水平転送電極に印加するパルス電圧を示す。
【図１０】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置の変形例の垂直電荷転送路に沿う模式的な断面図と対応するエネルギーバンドを示す。
【図１１】従来の固体撮像装置を示す平面図であり、主として半導体基板内の構造を示す。
【図１２】従来の固体撮像装置のうち水平電荷転送路に沿う模式的な断面図と対応するエネルギーバンドを示す。
【図１３】従来の固体撮像装置を示す平面図であり、主として電極の構造を示す。
【符号の説明】
Ａ  固体撮像装置
Ｂ  ポテンシャルバリア
Ｗ  ポテンシャルウェル
ＳＴ  蓄積電極
ＣＳ１  第１転送電極
ＣＧ１  第２転送電極
ＨＴ、１２１  水平電荷転送電極
Ｔ  マルチプレクス部
Ｔ１  第１電荷転送部
Ｔ２  第２電荷転送部
Ｔ３  第３電荷転送部
Ｔ４  第４電荷転送部
Ｔ５  第５電荷転送部
Ｔ６  第６電荷転送部
１０１  半導体基板
１０３  画素
１０３ａ  フォトダイオード
１０３ｂ  トランスファーゲート
１０５  垂直電荷転送路
１０５ａ  第１の垂直電荷転送路
１０５ｂ  第２の垂直電荷転送路
１０７  水平電荷転送路
１０７ａ  高濃度ｎ型半導体層
１０７ｂ  低濃度ｎ型半導体層
１１５  垂直電荷転送電極
１５１，３５１，３５３，３５５，３５７  第１のポテンシャルバリア
１５３，３５２，３５４，３５６，３５８  第２のポテンシャルバリア
【図１】
0004216970.tif 000002
【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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【図１２】
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【図１３】
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