JP3645585B2 - オーバフロードレイン構造を有する電荷結合素子型固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電荷結合素子（Charge Coupled Device:以下ＣＣＤと称する）型固体撮像装置に係り、特にオーバフロードレインが半導体基板の表面近傍に形成されたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は光電変換機能及び信号蓄積機能を有する固体要素を１画素とする多画素撮像面を形成し、各画素に蓄積された信号電荷を電気信号に変換することにより、外部映像情報を電気信号に変換させる装置である。
【０００３】
これは各画素の信号を読み出す方式（走査方式）によりＸ−Ｙアドレス方式の固体撮像装置と信号伝送方式の固体撮像装置とに大別される。Ｘ−Ｙアドレス方式の固体撮像装置は、各画素の信号電荷を選択的に読み出して出力を得る方式でありＭＯＳ型固体撮像装置が製品化されており、信号伝送方式の固体撮像装置は各画素の信号電荷を画素以外の素子に一時的に伝送累積しておき、後にその信号を順に読み出す方式であって主としてＣＣＤ型固体撮像装置である。
【０００４】
このＣＣＤ型固体撮像装置は伝送方式により再びフレーム伝送（Frame Transfer；ＦＴ）方式のＣＣＤ型固体撮像装置とインターライン伝送（Interline Transfer；ＩＴ）方式のＣＣＤ型固体撮像装置とに分類される。前者は入射光を信号電荷に変換する撮影部、信号電荷を蓄積する蓄積部及び信号電荷を垂直伝送する垂直伝送用ＣＣＤより構成されており、後者は入射される光の強さに応じた信号電荷を発生する光ダイオード、信号電荷を垂直方向へ伝送する垂直伝送ＣＣＤ、垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を水平方向へ伝送する水平伝送ＣＣＤ及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を検出する出力回路部より構成される。
【０００５】
図１は通常のＣＣＤ型固体撮像装置のレイアウト図であり、より具体的にはインターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の画素セルアレーの一部を示したものである。
【０００６】
マスクパターン１０は光電変換領域、即ち光ダイオードを形成するためのものであり、マスクパターン１１は前記マスクパターン１０の間に配置され垂直伝送ＣＣＤを構成するチャネル領域を形成するためのものであり、前記マスクパターン１３は垂直伝送ＣＣＤを構成する第１伝送電極を形成するためのものであり、マスクパターン１４は前記垂直伝送ＣＣＤを構成する第２伝送電極を形成するためのものであり、マスクパターン１２はマスクパターン１０と前記マスクパターン１１の間に存し前記マスクパターン１３と重なり光電変換領域の信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送する伝送チャネルを形成するためのものである。
【０００７】
この時、水平伝送ＣＣＤ及び出力回路部は、前記画素セルアレーの周辺に形成されているので示されていない。
【０００８】
図２は前記図１のII−II線を切った断面図である。
【０００９】
前記図１及び図２を参照し、通常のインターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する。
【００１０】
まず、前記インターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の構成を説明すると、これは前記図１及び図２に示したように、Ｎ型半導体基板３７に形成されたＰ型ウェル３８、このＰ型ウェルに形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積されるＮ型領域４０とウェル３８から構成される光ダイオード、この光ダイオードと他の光ダイオードの間で縦方向（図１のマスクパターン１１参照）へ形成され、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域４１、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル４２、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスが印加される前記垂直伝送ＣＣＤの第１伝送電極４３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスが印加される前記垂直伝送ＣＣＤの第２伝送電極（図１のマスクパターン１４参照）、画素セルアレーの周辺で横方向へ形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）、及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力回路部（図示せず）より構成されている。
【００１１】
図２において、図面符号‘３６’はセルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層を、‘４５’は絶縁膜を、そして‘４６’は遮光膜を示す。
【００１２】
次に、前記インターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の動作原理を述べると次の通りである。
【００１３】
可視光線が前記光ダイオードに入射されればこの光ダイオードには光子効果により発生した信号電荷が蓄積される。この時、蓄積される信号電荷は光ダイオードに入射される光の強さに比例するので、入射される光の強さにより蓄積される信号電荷の量は異なる。これは任意の強さの光信号を任意の大きさの電気的信号電荷に転換する過程を意味する。
【００１４】
光ダイオードに入射された光信号は、前述したような原理により電気的信号電荷に変換／蓄積されており、フィールドシフト期間の間に、前記光ダイオードと垂直伝送ＣＣＤのチャネル領域４１の間に形成された伝送チャネル４２を通じて前記チャネル領域４１に伝送される。
【００１５】
次いで、垂直伝送ＣＣＤのチャネル領域４１上に形成された複数の伝送電極、即ち第１伝送電極４３と第２伝送電極（図１のマスクパターン１４）に印加されるクロックパルスにより、前記チャネル領域４１に伝送された信号電荷は水平伝送ＣＣＤの形成されている方向へ伝送され、その端に形成されている水平伝送ＣＣＤ（図示せず）に伝送される。
【００１６】
水平伝送ＣＣＤに伝送された信号電荷は、前記垂直伝送ＣＣＤのような原理により水平に順に伝送され出力回路部に送られてから、電圧レベルに検出され信号出力として外部に取り出される。
【００１７】
しかしながら、前記のような固体撮像装置は、各光ダイオードに対応する電位ウェルに蓄積され得る信号電荷量に限界があるため、固体撮像装置の一部受光面に強い照度の光線が入射されれば、この光線の強さに比例して発生した信号電荷は前記電位ウェルの蓄積容量を超えて周囲に流出される。
【００１８】
流出された前記信号電荷が周辺の各光ダイオードに入るとハイライト部の像が何倍かに拡張されて現れるブルーミング現象を誘発し、流出された信号電荷が隣接の垂直及び水平伝送ＣＣＤへ流れ込めば、スミヤ現象を招く。
【００１９】
それで余分の信号電荷が周辺の光ダイオード伝送ＣＣＤに流出される前に、周期的にこれらを外部回路に取り出させる必要がある。
【００２０】
余分の信号電荷を外部回路に取り出させるための一方法として、光ダイオードの下部に縦形オーバフロードレインを形成させた（参照、エイジ・オダら(Eiji Oda et al.) の、縦型オーバフロードレインをもつインター・ラインＣＣＤイメージセンサのためのブルーミング圧縮メカニズム(Blooming Suppression Mechanism for an Interline CCD Image Sensor with a Vertical Overflow Drain),ＩＥＤＭ 83, pp501-504）ＣＣＤ型固体撮像装置が紹介されて以来、様々な改良が成されている。
【００２１】
図３は前記図２と同様の部分を切った従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像構造を示した断面図であり、ＰＮＰＮ構造のオーバフロードレイン構造を示す（参照、ジュンイチ・ホウジョウら(Junichi Hojo et al.) のミラー・イメージ機能をもつ１／３インチ・５１０（Ｈ）×４９２（Ｖ）・ＣＣＤイメージセンサ (A 1/3-inch 510(H) ×492(V) CCD Image Sensor with Mirror Image Function),ＩＥＥＥ転送電子装置(IEEE Trans-electron Device),Vol.38, No.5, May 1991, pp954-959）。
【００２２】
前記オーバフロードレイン構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置は図３に示したように、Ｎ- 型半導体基板５７の表面方向へ形成され、ブルーミングを抑制するためにオーバフローに対する障壁として作用するＰ- 型第１ウェル５８、この第１ウェルの表面方向へ形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積されるＮ型領域６０とウェル５８から構成される光ダイオード、暗電流減少、ブルーミング抑制及び可変速電子シャッターに有利な構造として光ダイオードにボロンイオンを高濃度で注入して形成したＰ+ 型暗電流抑制層５９、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域６１、このチャネル領域の下部に形成されたＰ型第２ウェル５５、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル６２、セルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層５６、光ダイオードが形成されていない領域の半導体基板上に形成された遮光層６６、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第１伝送電極６３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第２伝送電極（図示せず）、画素セルアレーの周辺に形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力回路部（図示せず）より構成されている。
【００２３】
図４は前記図３のIV−IV線を切った電位分布図である。
【００２４】
前記図３と図４を参照し、従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン動作及びシャッター動作を調べると次の通りである。
【００２５】
光電変換部である光ダイオードに可視光線が入射されれば、入射光のエネルギーに比例し、励起された電子などの信号電荷が前記光ダイオードに蓄積される。光ダイオードの電位ウェルに蓄積された信号電荷がその蓄積容量を超えれば、前記Ｐ- 型第１ウェル５８の電位障壁を越えて半導体基板５７側へのみ流れ込むが、これは信号電荷が周辺の光ダイオード及び伝送ＣＣＤに流れ込むことを防止する役割をする。
【００２６】
Ｎ- 型半導体基板５７がオーバフローに対してドレインとして作用する場合、前記Ｎ- 型半導体基板５７に加えられるオーバフロー動作電圧ＶOFD による前記図３のIV−IV線を切った断面図の電位分布は前記図４で実線で表示された通りである。
【００２７】
この際、図５を参照すれば、オーバフロー動作が始まる前までは光励起され前記光ダイオードに蓄積される信号電荷の量が光の入射照度に比例するが、オーバフロー動作が始まってからは前記光ダイオードに蓄積される信号電荷の量は一定になることが分かる。
【００２８】
従って、過剰の信号電荷は隣接した光ダイオードや伝送ＣＣＤ等に流出されず半導体基板５７に取り出されるので、ブルーミング現象及びスミヤ発生が防止できる。
【００２９】
一方、従来の固体撮像装置は光ダイオードにおける信号電荷蓄積時間が１フィールド時間（１６．７ｍｓ）に等しかったが、被写体に対する解像度を向上させるためには信号電荷蓄積時間が１フィールド時間より小さく維持されるべきである。したがって可変速シャッター動作をすることにより、信号電荷蓄積時間を調節する電子シャッター機能が固体撮像装置に適用されるようになった（米国特許第５，０１４，１３２号（発明の名称；ＣＣＤ撮像装置(CCD imager)、発明者；クメサマ・テツロウ(Kumesama ，Tetsuro)、出願番号；３８３，１７９、出願日；１９８９年７月２１日）、第５，０４５，９０６号（発明の名称；ショットキー障壁を通る光−電変換領域と接する光シールドプレートをもつ固体画像ピックアップ装置 (SOLID STATE IMAGE PICKUP DEVICE HAVING PHOTO-SHIELD PLATE IN CONTACT WITH PHOTO-ELECTRIC CONVERTING REGION VIA SCHOTTKY BARRIER)、発明者；カズヒサ・ナガヤ(Kazuhisa Nagaya) 、出願番号；５５９，０３５、出願日；１９９０年７月３０日）、及び第４，８７５，１００号（発明の名称；ＣＣＤイメージ・センサ用電子シャッター (ELECTRONIC SHUTTER FOR A CCD IMAGE SENSOR)、発明者；カズヤ・ヨネモト(Kazuya Yonemoto) ら、出願番号；１１０，８４４、出願日；１９８７年１０月２１日））。
【００３０】
前記米国特許第４，８７５，１００号で詳細に説明された通り、前記Ｎ- 型半導体基板５７に電子シャッター電圧が加えられると、加えられるシャッター電圧ΔＶSHT により前記図４に示したように電位分布が点線模様に変わる。したがって、電位ウェルに蓄積された信号電荷は全部消去される。
【００３１】
図６は電子シャッター動作の簡単なタイムチャートである。即ち、通常光ダイオードに信号電荷を蓄積する時間が１フィールド時間である１／６０秒であるが、電子シャッター動作をする場合（即ち、時間Ｔ0 の間にＯＦＤ動作電圧ＶOFD にシャッター電圧ΔＶSHT ほどパルスが続けて印加されれば）、結局〔１／６０−Ｔ0 〕秒間のみ信号電荷が蓄積され蓄積電荷量が調節できる。
【００３２】
しかしながら、前記従来のＯＦＤ構造を持つＣＣＤ型固体撮像装置は下記のような問題点を有する。
【００３３】
第１、縦形ＯＦＤ動作をするＮ- 型半導体基板５７は低濃度の不純物をドープして形成されるので、ＯＦＤ動作を遂行する場合、前記半導体基板に高電圧が印加されるべきである。
【００３４】
第２、縦形ＯＦＤ構造でシャッター動作を遂行する場合にも、同様にＰ- 型第１ウェル５８の電位障壁を調節するためには、高電圧のシャッターパルスを要する。
【００３５】
第３、ＯＦＤ動作をするＮ- 型半導体基板が全チップにかけて形成されているため、固体撮像装置の映像面の外部に別のＰＭＯＳ，ＣＭＯＳ回路等を具現したオン・チップ回路が実現し難い。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はオーバフロードレイン（ＯＦＤ）動作及び電子シャッター動作を低電圧下でも可能にしたＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置を提供することである。
【００３７】
本発明の他の目的はオン・チップ回路具現を可能にしたＯＦＤ構造を有するＣＣＤ形固体撮像装置を提供することである。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は半導体基板の表面近傍にオーバフロードレインが存在し、オーバフロードレインの下部に受光部が形成され、前記オーバフロードレインが第１導電型の第１不純物拡散領域である電荷結合素子型固体撮像装置において、半導体基板である第１導電型の第５不純物拡散領域の上に、ウエルである第２導電型の第４不純物拡散領域、前記第４不純物拡散領域の上に光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域、前記第３不純物拡散領域の上に暗電流抑制のための第２導電型の第２不純物拡散領域が順次形成されて受光部が構成され、前記第２不純物拡散領域の上にオーバフロードレインが形成されていることを特徴とする。
【００４０】
更に望ましくは、前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第３不純物拡散領域の不純物濃度は前記第４不純物拡散領域の不純物濃度よりは高く、前記第４不純物拡散領域の不純物濃度は前記第５不純物拡散領域の不純物濃度より高い。
【００４１】
望ましい第１実施例として、前記オーバフロードレインは受光領域を除いた前記半導体基板上に形成されている導電性遮光膜の一部と接続し、前記遮光膜はアルミニウム又は多結晶シリコンで形成されている。
【００４２】
望ましい第２実施例として、前記受光部は光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域、第２導電型の第４不純物拡散領域及び第１導電型の第５不純物拡散領域で構成される。
【００４３】
望ましい第３実施例として、前記オーバフロードレイン上には前記オーバフロードレインとオーミックコンタクトを成し得る物質、例えば透明なＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム・スズ酸化物）または多結晶シリコンより構成されたバイアス印加手段層が形成されている。
【００４４】
望ましい第４実施例として、前記受光部は暗電流抑制のための第２導電型の第２不純物拡散領域、光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域及び第２導電型の第４不純物拡散領域より構成される。このとき、前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高い。
【００４５】
【作用】
オーバフロードレインを半導体基板の各光ダイオードの上部にそれぞれ形成させるため、半導体基板を一定電圧に保つことが可能になり、固体撮像装置の映像面の周囲にＰＭＯＳ等各種トランジスタ、ダイオードを形成して周辺回路を具現することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に説明する。
【００４７】
（第１実施例）
図７は本発明の第１実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示す断面図である。
【００４８】
本発明の第１実施例により製造された前記オーバフロードレイン構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置は、一定電圧ＤＣの印加される第１導電型の第５不純物拡散領域であるＮ- 型半導体基板７、前記半導体基板の表面方向へ形成され、オーバフローに対する電位障壁として作用しブルーミングを抑制するために形成された第２導電型の第４不純物拡散領域であるＰ- 型第１ウェル８、前記第１ウェルの表面に形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域であるＮ型領域１０とウェル８から構成される光ダイオード、暗電流減少、ブルーミング抑制及び可変速電子シャッターに有利な構造として前記光ダイオードにボロンイオンを高濃度で薄く注入して形成した第２導電型の第２不純物拡散領域であるＰ+ 型暗電流抑制層９より構成された受光部、前記Ｐ+ 型暗電流抑制層にＮ型不純物を高濃度で注入して形成し、オーバフローに対するドレインとして作用する第１導電型の第１不純物拡散領域であるＮ++型オーバフロードレイン（以下‘ＯＦＤ’と称する）４、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域１１、このチャネル領域の下部に形成されたＰ型第２ウェル５、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル１２、セルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層６、受光部を除いた領域で入射光を遮断する目的として形成され前記ＯＦＤ４と部分的に連結されＯＦＤ電圧を印加する手段となる遮光膜１６、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第１伝送電極１３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第２伝送電極（図示せず）、画素セルアレーの周辺に形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力部（図示せず）より構成されている。
【００４９】
このとき、望ましくは前記遮光膜１６はアルミニウムや多結晶シリコン等で形成され、前記ＯＦＤ４にドープされている不純物の濃度は前記暗電流抑制層９にドープされている不純物の濃度より更に高い。更に望ましくは、前記暗電流抑制層９にドープされている不純物の濃度は前記光ダイオードのＮ型領域１０にドープされている不純物の濃度より更に高く、前記Ｎ型領域１０にドープされている不純物の濃度は前記第１ウェル８にドープされている不純物の濃度より更に高く、前記第１ウェル８にドープされている不純物の濃度は前記半導体基板７にドープされている不純物の濃度より更に高い。
【００５０】
図８は前記図７のVIII−VIII線による電位分布図である。
【００５１】
一定容量の信号電荷（図８の“Ｃ”）が蓄積できる電位ウェルが光ダイオード領域１０に形成されているＮ型基板領域７に一定なＤＣ電圧を印加し、ＯＦＤ動作の障壁として作用するＰ+ 型第１ウェル９が空乏となるようにＮ++型ＯＦＤ領域４にＯＦＤ電圧ＶOFD が印加されれば、前記第１ウェル領域及び暗電流抑制層領域が形成する電位分布は実線のようになり、光ダイオード領域に蓄積されている前記信号電荷は電位障壁の低いＮ++型ＯＦＤ領域４側へ放電される。
【００５２】
これはオーバフロードレイン領域４が高濃度の不純物でドープされているため、低いオーバフロードレイン電圧ＶOFD が加えられても容易に前記暗電流抑制層領域９の電位障壁が低くなり、光ダイオード領域１０に蓄積された信号電荷のオーバフローを可能にするからである。
【００５３】
前記図８において、点線で表示されたものは電子シャッター電圧ΔＶSHT が加えられる時の電位を表す。電子シャッター動作も、前記オーバフロードレイン動作と同様の理由から低い電圧下で可能である。
【００５４】
従って、本発明の第１実施例によると、固体撮像装置の各光ダイオード１０上にそれぞれ高濃度のＯＦＤ４を形成するので、従来とは異なり、Ｎ型半導体基板７には常に一定のバイアスが印加できるので、セルアレー領域（即ち、映像面）以外の周辺回路部にＰＭＯＳ，ＣＭＯＳ回路等を信頼性よく具現でき、固体撮像装置のオン・チップ回路化が実現できる。また、ＯＦＤ４をＰ+ 型暗電流抑制層９の不純物濃度より高濃度の不純物をドープして形成するので、低電圧のＯＦＤ電圧及び電子シャッター電圧でも十分にＰ+ 型暗電流抑制層９の電位障壁が調節できる。
【００５５】
（第２実施例）
図９は本発明の第２実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図である。
【００５６】
本発明の第２実施例は、ＯＦＤを各光ダイオードの上部にそれぞれ形成し前記第１実施例の効果をそのまま保ちながら、前記第１実施例ではＯＦＤ下部に形成していた暗電流抑制層を半導体基板の最上部に形成することにより暗電流発生を容易に抑制しようとした。
【００５７】
半導体基板の表面から発生する暗電流を抑制するために、前記光ダイオード１０の上部の大部分にＰ+ 型の暗電流抑制層９を形成し、Ｎ++型ＯＦＤ４は前記光ダイオード１０の上部の縁部、例えばチャネルストッパー６の側部に形成する。この際、Ｎ型光ダイオード１０とＮ++型ＯＦＤ４の間の電位障壁を容易に調節するために、Ｐ型の障壁層３を前記光ダイオード１０とＯＦＤ４の間に形成させる。受光部を除いた領域に形成された前記遮光膜１６は前記Ｎ++型ＯＦＤ４と電気的に連結されＯＦＤ電圧及び電子シャッター電圧を印加する手段となる。
【００５８】
図９において、前記Ｎ++型ＯＦＤ４、Ｐ型障壁層３、光ダイオード１０、第１ウェル領域８及び半導体基板７による電位分布図を前記図８のような模様となるようにＯＦＤに電圧を印加すれば、Ｎ++型ＯＦＤ４はオーバフローに対するドレインとして作用する。
【００５９】
（第３実施例）
図１０は本発明による第３実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図であり、ＯＦＤ電圧を印加する手段であり、前記ＯＦＤ４とオーミックコンタクトが形成できる物質をＮ++型ＯＦＤ４の光線入射面に形成しオーミック層２を形成させた点のみを除いて前記第１実施例とほぼ同一である。
【００６０】
前記オーミック層２を構成する物質としては光透過率の優れたＩＴＯや薄いポリシリコンが使用でき、遮光膜１６を形成する前に基板全面に形成させる。
【００６１】
この際、前記図１０のVIII−VIII線による電位分布図を前記図８と同じ模様となるようにＯＦＤに電圧を印加すれば、Ｎ++型ＯＦＤ４はオーバフローに対するドレインとして作用することは無論である。
【００６２】
（第４実施例）
図１１は本発明の第４実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図であり、前記第１実施例ではＮ- 型半導体基板７を使用したが、本実施例では第１実施例の前記Ｐ- 型第１ウェル８を半導体基板として使用したことを除いては前記第１実施例と同一である。
【００６３】
【発明の効果】
以上、本発明によるＯＦＤ構造によると、オーバフロードレインを半導体基板の各光ダイオードの上部にそれぞれ形成させるため、半導体基板を一定電圧に保つことが可能になり、固体撮像装置の映像面の周囲にＰＭＯＳ等で周辺回路を具現することができる。これは固体撮像装置をオン・チップ回路で製造できるということを意味する。また、前記オーバフロードレイン領域を高濃度で不純物をドープして形成させるので、ＯＦＤ動作及び電子シャッター動作を低電圧下で実現できる。
【００６４】
本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的な思想範囲内で多くの変形が可能であることは無論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な電荷結合素子型固体撮像素子の画素レイアウト図である。
【図２】 前記図１のII−II線を切った通常のインターライン方式のＣＣＤ型固体撮像装置の断面図である。
【図３】 従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置の断面図であり、前記図２に対応する。
【図４】 前記図３のIV−IVによる電位分布図である。
【図５】 光ダイオードに入射される入射光の照度と信号電荷との関係を示した図面である。
【図６】 オーバフロードレイン構造で電子シャッター動作を説明するために示したタイミングチャートである。
【図７】 本発明の第１実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図８】 前記図７及び図１０のVIII−VIIIによる電位分布図である。
【図９】 本発明の第２実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図１０】 本発明の第３実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図１１】 本発明の第４実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【符号の説明】
４ Ｎ++型オーバフロードレイン、５ Ｐ型第２ウェル、６ チャネルストッパー層、７ Ｎ- 型半導体基板、８ Ｐ- 型第１ウェル、９ Ｐ+ 型暗電流抑制層、１０ Ｎ型領域、１１ Ｎ型チャネル領域、１２ 伝送チャネル、１３ 第１伝送電極、１６ 遮光膜、３６ チャネルストッパー層、３７ Ｎ型半導体基板、３８ Ｐ型ウェル、４０ Ｎ型領域、４１ Ｎ型チャネル領域、４２ 電送シャネル、４３ 第１伝送電極、４５ 絶縁膜、４６ 遮光膜、５５ Ｐ型第２ウェル、５６ チャネルストッパー層、５７ Ｎ- 型半導体基板、５８ Ｐ- 型第１ウェル、５９ Ｐ+ 型暗電流抑制層、６０ Ｎ型領域、６１ Ｎ型チャネル領域、６２ 伝送チャネル、６３ 第１伝送電極、６６ 遮光層
【産業上の利用分野】
本発明は電荷結合素子（Charge Coupled Device:以下ＣＣＤと称する）型固体撮像装置に係り、特にオーバフロードレインが半導体基板の表面近傍に形成されたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は光電変換機能及び信号蓄積機能を有する固体要素を１画素とする多画素撮像面を形成し、各画素に蓄積された信号電荷を電気信号に変換することにより、外部映像情報を電気信号に変換させる装置である。
【０００３】
これは各画素の信号を読み出す方式（走査方式）によりＸ−Ｙアドレス方式の固体撮像装置と信号伝送方式の固体撮像装置とに大別される。Ｘ−Ｙアドレス方式の固体撮像装置は、各画素の信号電荷を選択的に読み出して出力を得る方式でありＭＯＳ型固体撮像装置が製品化されており、信号伝送方式の固体撮像装置は各画素の信号電荷を画素以外の素子に一時的に伝送累積しておき、後にその信号を順に読み出す方式であって主としてＣＣＤ型固体撮像装置である。
【０００４】
このＣＣＤ型固体撮像装置は伝送方式により再びフレーム伝送（Frame Transfer；ＦＴ）方式のＣＣＤ型固体撮像装置とインターライン伝送（Interline Transfer；ＩＴ）方式のＣＣＤ型固体撮像装置とに分類される。前者は入射光を信号電荷に変換する撮影部、信号電荷を蓄積する蓄積部及び信号電荷を垂直伝送する垂直伝送用ＣＣＤより構成されており、後者は入射される光の強さに応じた信号電荷を発生する光ダイオード、信号電荷を垂直方向へ伝送する垂直伝送ＣＣＤ、垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を水平方向へ伝送する水平伝送ＣＣＤ及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を検出する出力回路部より構成される。
【０００５】
図１は通常のＣＣＤ型固体撮像装置のレイアウト図であり、より具体的にはインターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の画素セルアレーの一部を示したものである。
【０００６】
マスクパターン１０は光電変換領域、即ち光ダイオードを形成するためのものであり、マスクパターン１１は前記マスクパターン１０の間に配置され垂直伝送ＣＣＤを構成するチャネル領域を形成するためのものであり、前記マスクパターン１３は垂直伝送ＣＣＤを構成する第１伝送電極を形成するためのものであり、マスクパターン１４は前記垂直伝送ＣＣＤを構成する第２伝送電極を形成するためのものであり、マスクパターン１２はマスクパターン１０と前記マスクパターン１１の間に存し前記マスクパターン１３と重なり光電変換領域の信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送する伝送チャネルを形成するためのものである。
【０００７】
この時、水平伝送ＣＣＤ及び出力回路部は、前記画素セルアレーの周辺に形成されているので示されていない。
【０００８】
図２は前記図１のII−II線を切った断面図である。
【０００９】
前記図１及び図２を参照し、通常のインターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する。
【００１０】
まず、前記インターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の構成を説明すると、これは前記図１及び図２に示したように、Ｎ型半導体基板３７に形成されたＰ型ウェル３８、このＰ型ウェルに形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積されるＮ型領域４０とウェル３８から構成される光ダイオード、この光ダイオードと他の光ダイオードの間で縦方向（図１のマスクパターン１１参照）へ形成され、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域４１、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル４２、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスが印加される前記垂直伝送ＣＣＤの第１伝送電極４３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスが印加される前記垂直伝送ＣＣＤの第２伝送電極（図１のマスクパターン１４参照）、画素セルアレーの周辺で横方向へ形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）、及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力回路部（図示せず）より構成されている。
【００１１】
図２において、図面符号‘３６’はセルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層を、‘４５’は絶縁膜を、そして‘４６’は遮光膜を示す。
【００１２】
次に、前記インターライン伝送方式のＣＣＤ型固体撮像装置の動作原理を述べると次の通りである。
【００１３】
可視光線が前記光ダイオードに入射されればこの光ダイオードには光子効果により発生した信号電荷が蓄積される。この時、蓄積される信号電荷は光ダイオードに入射される光の強さに比例するので、入射される光の強さにより蓄積される信号電荷の量は異なる。これは任意の強さの光信号を任意の大きさの電気的信号電荷に転換する過程を意味する。
【００１４】
光ダイオードに入射された光信号は、前述したような原理により電気的信号電荷に変換／蓄積されており、フィールドシフト期間の間に、前記光ダイオードと垂直伝送ＣＣＤのチャネル領域４１の間に形成された伝送チャネル４２を通じて前記チャネル領域４１に伝送される。
【００１５】
次いで、垂直伝送ＣＣＤのチャネル領域４１上に形成された複数の伝送電極、即ち第１伝送電極４３と第２伝送電極（図１のマスクパターン１４）に印加されるクロックパルスにより、前記チャネル領域４１に伝送された信号電荷は水平伝送ＣＣＤの形成されている方向へ伝送され、その端に形成されている水平伝送ＣＣＤ（図示せず）に伝送される。
【００１６】
水平伝送ＣＣＤに伝送された信号電荷は、前記垂直伝送ＣＣＤのような原理により水平に順に伝送され出力回路部に送られてから、電圧レベルに検出され信号出力として外部に取り出される。
【００１７】
しかしながら、前記のような固体撮像装置は、各光ダイオードに対応する電位ウェルに蓄積され得る信号電荷量に限界があるため、固体撮像装置の一部受光面に強い照度の光線が入射されれば、この光線の強さに比例して発生した信号電荷は前記電位ウェルの蓄積容量を超えて周囲に流出される。
【００１８】
流出された前記信号電荷が周辺の各光ダイオードに入るとハイライト部の像が何倍かに拡張されて現れるブルーミング現象を誘発し、流出された信号電荷が隣接の垂直及び水平伝送ＣＣＤへ流れ込めば、スミヤ現象を招く。
【００１９】
それで余分の信号電荷が周辺の光ダイオード伝送ＣＣＤに流出される前に、周期的にこれらを外部回路に取り出させる必要がある。
【００２０】
余分の信号電荷を外部回路に取り出させるための一方法として、光ダイオードの下部に縦形オーバフロードレインを形成させた（参照、エイジ・オダら(Eiji Oda et al.) の、縦型オーバフロードレインをもつインター・ラインＣＣＤイメージセンサのためのブルーミング圧縮メカニズム(Blooming Suppression Mechanism for an Interline CCD Image Sensor with a Vertical Overflow Drain),ＩＥＤＭ 83, pp501-504）ＣＣＤ型固体撮像装置が紹介されて以来、様々な改良が成されている。
【００２１】
図３は前記図２と同様の部分を切った従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像構造を示した断面図であり、ＰＮＰＮ構造のオーバフロードレイン構造を示す（参照、ジュンイチ・ホウジョウら(Junichi Hojo et al.) のミラー・イメージ機能をもつ１／３インチ・５１０（Ｈ）×４９２（Ｖ）・ＣＣＤイメージセンサ (A 1/3-inch 510(H) ×492(V) CCD Image Sensor with Mirror Image Function),ＩＥＥＥ転送電子装置(IEEE Trans-electron Device),Vol.38, No.5, May 1991, pp954-959）。
【００２２】
前記オーバフロードレイン構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置は図３に示したように、Ｎ- 型半導体基板５７の表面方向へ形成され、ブルーミングを抑制するためにオーバフローに対する障壁として作用するＰ- 型第１ウェル５８、この第１ウェルの表面方向へ形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積されるＮ型領域６０とウェル５８から構成される光ダイオード、暗電流減少、ブルーミング抑制及び可変速電子シャッターに有利な構造として光ダイオードにボロンイオンを高濃度で注入して形成したＰ+ 型暗電流抑制層５９、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域６１、このチャネル領域の下部に形成されたＰ型第２ウェル５５、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル６２、セルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層５６、光ダイオードが形成されていない領域の半導体基板上に形成された遮光層６６、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第１伝送電極６３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第２伝送電極（図示せず）、画素セルアレーの周辺に形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力回路部（図示せず）より構成されている。
【００２３】
図４は前記図３のIV−IV線を切った電位分布図である。
【００２４】
前記図３と図４を参照し、従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン動作及びシャッター動作を調べると次の通りである。
【００２５】
光電変換部である光ダイオードに可視光線が入射されれば、入射光のエネルギーに比例し、励起された電子などの信号電荷が前記光ダイオードに蓄積される。光ダイオードの電位ウェルに蓄積された信号電荷がその蓄積容量を超えれば、前記Ｐ- 型第１ウェル５８の電位障壁を越えて半導体基板５７側へのみ流れ込むが、これは信号電荷が周辺の光ダイオード及び伝送ＣＣＤに流れ込むことを防止する役割をする。
【００２６】
Ｎ- 型半導体基板５７がオーバフローに対してドレインとして作用する場合、前記Ｎ- 型半導体基板５７に加えられるオーバフロー動作電圧ＶOFD による前記図３のIV−IV線を切った断面図の電位分布は前記図４で実線で表示された通りである。
【００２７】
この際、図５を参照すれば、オーバフロー動作が始まる前までは光励起され前記光ダイオードに蓄積される信号電荷の量が光の入射照度に比例するが、オーバフロー動作が始まってからは前記光ダイオードに蓄積される信号電荷の量は一定になることが分かる。
【００２８】
従って、過剰の信号電荷は隣接した光ダイオードや伝送ＣＣＤ等に流出されず半導体基板５７に取り出されるので、ブルーミング現象及びスミヤ発生が防止できる。
【００２９】
一方、従来の固体撮像装置は光ダイオードにおける信号電荷蓄積時間が１フィールド時間（１６．７ｍｓ）に等しかったが、被写体に対する解像度を向上させるためには信号電荷蓄積時間が１フィールド時間より小さく維持されるべきである。したがって可変速シャッター動作をすることにより、信号電荷蓄積時間を調節する電子シャッター機能が固体撮像装置に適用されるようになった（米国特許第５，０１４，１３２号（発明の名称；ＣＣＤ撮像装置(CCD imager)、発明者；クメサマ・テツロウ(Kumesama ，Tetsuro)、出願番号；３８３，１７９、出願日；１９８９年７月２１日）、第５，０４５，９０６号（発明の名称；ショットキー障壁を通る光−電変換領域と接する光シールドプレートをもつ固体画像ピックアップ装置 (SOLID STATE IMAGE PICKUP DEVICE HAVING PHOTO-SHIELD PLATE IN CONTACT WITH PHOTO-ELECTRIC CONVERTING REGION VIA SCHOTTKY BARRIER)、発明者；カズヒサ・ナガヤ(Kazuhisa Nagaya) 、出願番号；５５９，０３５、出願日；１９９０年７月３０日）、及び第４，８７５，１００号（発明の名称；ＣＣＤイメージ・センサ用電子シャッター (ELECTRONIC SHUTTER FOR A CCD IMAGE SENSOR)、発明者；カズヤ・ヨネモト(Kazuya Yonemoto) ら、出願番号；１１０，８４４、出願日；１９８７年１０月２１日））。
【００３０】
前記米国特許第４，８７５，１００号で詳細に説明された通り、前記Ｎ- 型半導体基板５７に電子シャッター電圧が加えられると、加えられるシャッター電圧ΔＶSHT により前記図４に示したように電位分布が点線模様に変わる。したがって、電位ウェルに蓄積された信号電荷は全部消去される。
【００３１】
図６は電子シャッター動作の簡単なタイムチャートである。即ち、通常光ダイオードに信号電荷を蓄積する時間が１フィールド時間である１／６０秒であるが、電子シャッター動作をする場合（即ち、時間Ｔ0 の間にＯＦＤ動作電圧ＶOFD にシャッター電圧ΔＶSHT ほどパルスが続けて印加されれば）、結局〔１／６０−Ｔ0 〕秒間のみ信号電荷が蓄積され蓄積電荷量が調節できる。
【００３２】
しかしながら、前記従来のＯＦＤ構造を持つＣＣＤ型固体撮像装置は下記のような問題点を有する。
【００３３】
第１、縦形ＯＦＤ動作をするＮ- 型半導体基板５７は低濃度の不純物をドープして形成されるので、ＯＦＤ動作を遂行する場合、前記半導体基板に高電圧が印加されるべきである。
【００３４】
第２、縦形ＯＦＤ構造でシャッター動作を遂行する場合にも、同様にＰ- 型第１ウェル５８の電位障壁を調節するためには、高電圧のシャッターパルスを要する。
【００３５】
第３、ＯＦＤ動作をするＮ- 型半導体基板が全チップにかけて形成されているため、固体撮像装置の映像面の外部に別のＰＭＯＳ，ＣＭＯＳ回路等を具現したオン・チップ回路が実現し難い。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はオーバフロードレイン（ＯＦＤ）動作及び電子シャッター動作を低電圧下でも可能にしたＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置を提供することである。
【００３７】
本発明の他の目的はオン・チップ回路具現を可能にしたＯＦＤ構造を有するＣＣＤ形固体撮像装置を提供することである。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は半導体基板の表面近傍にオーバフロードレインが存在し、オーバフロードレインの下部に受光部が形成され、前記オーバフロードレインが第１導電型の第１不純物拡散領域である電荷結合素子型固体撮像装置において、半導体基板である第１導電型の第５不純物拡散領域の上に、ウエルである第２導電型の第４不純物拡散領域、前記第４不純物拡散領域の上に光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域、前記第３不純物拡散領域の上に暗電流抑制のための第２導電型の第２不純物拡散領域が順次形成されて受光部が構成され、前記第２不純物拡散領域の上にオーバフロードレインが形成されていることを特徴とする。
【００４０】
更に望ましくは、前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第３不純物拡散領域の不純物濃度は前記第４不純物拡散領域の不純物濃度よりは高く、前記第４不純物拡散領域の不純物濃度は前記第５不純物拡散領域の不純物濃度より高い。
【００４１】
望ましい第１実施例として、前記オーバフロードレインは受光領域を除いた前記半導体基板上に形成されている導電性遮光膜の一部と接続し、前記遮光膜はアルミニウム又は多結晶シリコンで形成されている。
【００４２】
望ましい第２実施例として、前記受光部は光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域、第２導電型の第４不純物拡散領域及び第１導電型の第５不純物拡散領域で構成される。
【００４３】
望ましい第３実施例として、前記オーバフロードレイン上には前記オーバフロードレインとオーミックコンタクトを成し得る物質、例えば透明なＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム・スズ酸化物）または多結晶シリコンより構成されたバイアス印加手段層が形成されている。
【００４４】
望ましい第４実施例として、前記受光部は暗電流抑制のための第２導電型の第２不純物拡散領域、光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域及び第２導電型の第４不純物拡散領域より構成される。このとき、前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高い。
【００４５】
【作用】
オーバフロードレインを半導体基板の各光ダイオードの上部にそれぞれ形成させるため、半導体基板を一定電圧に保つことが可能になり、固体撮像装置の映像面の周囲にＰＭＯＳ等各種トランジスタ、ダイオードを形成して周辺回路を具現することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に説明する。
【００４７】
（第１実施例）
図７は本発明の第１実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示す断面図である。
【００４８】
本発明の第１実施例により製造された前記オーバフロードレイン構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置は、一定電圧ＤＣの印加される第１導電型の第５不純物拡散領域であるＮ- 型半導体基板７、前記半導体基板の表面方向へ形成され、オーバフローに対する電位障壁として作用しブルーミングを抑制するために形成された第２導電型の第４不純物拡散領域であるＰ- 型第１ウェル８、前記第１ウェルの表面に形成され入射光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域であるＮ型領域１０とウェル８から構成される光ダイオード、暗電流減少、ブルーミング抑制及び可変速電子シャッターに有利な構造として前記光ダイオードにボロンイオンを高濃度で薄く注入して形成した第２導電型の第２不純物拡散領域であるＰ+ 型暗電流抑制層９より構成された受光部、前記Ｐ+ 型暗電流抑制層にＮ型不純物を高濃度で注入して形成し、オーバフローに対するドレインとして作用する第１導電型の第１不純物拡散領域であるＮ++型オーバフロードレイン（以下‘ＯＦＤ’と称する）４、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに伝送する垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域１１、このチャネル領域の下部に形成されたＰ型第２ウェル５、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤのＮ型チャネル領域に伝送する伝送チャネル１２、セルとセルとを分離するためのチャネルストッパー層６、受光部を除いた領域で入射光を遮断する目的として形成され前記ＯＦＤ４と部分的に連結されＯＦＤ電圧を印加する手段となる遮光膜１６、光ダイオードに蓄積されている信号電荷を垂直伝送ＣＣＤに伝送するためのパルス及び光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第１伝送電極１３、光ダイオードから伝送された信号電荷を水平伝送ＣＣＤに順次に伝送するためのパルスの印加される第２伝送電極（図示せず）、画素セルアレーの周辺に形成され多数の垂直伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力部に伝送する水平伝送ＣＣＤ（図示せず）及び水平伝送ＣＣＤから伝送された信号電荷を出力する出力部（図示せず）より構成されている。
【００４９】
このとき、望ましくは前記遮光膜１６はアルミニウムや多結晶シリコン等で形成され、前記ＯＦＤ４にドープされている不純物の濃度は前記暗電流抑制層９にドープされている不純物の濃度より更に高い。更に望ましくは、前記暗電流抑制層９にドープされている不純物の濃度は前記光ダイオードのＮ型領域１０にドープされている不純物の濃度より更に高く、前記Ｎ型領域１０にドープされている不純物の濃度は前記第１ウェル８にドープされている不純物の濃度より更に高く、前記第１ウェル８にドープされている不純物の濃度は前記半導体基板７にドープされている不純物の濃度より更に高い。
【００５０】
図８は前記図７のVIII−VIII線による電位分布図である。
【００５１】
一定容量の信号電荷（図８の“Ｃ”）が蓄積できる電位ウェルが光ダイオード領域１０に形成されているＮ型基板領域７に一定なＤＣ電圧を印加し、ＯＦＤ動作の障壁として作用するＰ+ 型第１ウェル９が空乏となるようにＮ++型ＯＦＤ領域４にＯＦＤ電圧ＶOFD が印加されれば、前記第１ウェル領域及び暗電流抑制層領域が形成する電位分布は実線のようになり、光ダイオード領域に蓄積されている前記信号電荷は電位障壁の低いＮ++型ＯＦＤ領域４側へ放電される。
【００５２】
これはオーバフロードレイン領域４が高濃度の不純物でドープされているため、低いオーバフロードレイン電圧ＶOFD が加えられても容易に前記暗電流抑制層領域９の電位障壁が低くなり、光ダイオード領域１０に蓄積された信号電荷のオーバフローを可能にするからである。
【００５３】
前記図８において、点線で表示されたものは電子シャッター電圧ΔＶSHT が加えられる時の電位を表す。電子シャッター動作も、前記オーバフロードレイン動作と同様の理由から低い電圧下で可能である。
【００５４】
従って、本発明の第１実施例によると、固体撮像装置の各光ダイオード１０上にそれぞれ高濃度のＯＦＤ４を形成するので、従来とは異なり、Ｎ型半導体基板７には常に一定のバイアスが印加できるので、セルアレー領域（即ち、映像面）以外の周辺回路部にＰＭＯＳ，ＣＭＯＳ回路等を信頼性よく具現でき、固体撮像装置のオン・チップ回路化が実現できる。また、ＯＦＤ４をＰ+ 型暗電流抑制層９の不純物濃度より高濃度の不純物をドープして形成するので、低電圧のＯＦＤ電圧及び電子シャッター電圧でも十分にＰ+ 型暗電流抑制層９の電位障壁が調節できる。
【００５５】
（第２実施例）
図９は本発明の第２実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図である。
【００５６】
本発明の第２実施例は、ＯＦＤを各光ダイオードの上部にそれぞれ形成し前記第１実施例の効果をそのまま保ちながら、前記第１実施例ではＯＦＤ下部に形成していた暗電流抑制層を半導体基板の最上部に形成することにより暗電流発生を容易に抑制しようとした。
【００５７】
半導体基板の表面から発生する暗電流を抑制するために、前記光ダイオード１０の上部の大部分にＰ+ 型の暗電流抑制層９を形成し、Ｎ++型ＯＦＤ４は前記光ダイオード１０の上部の縁部、例えばチャネルストッパー６の側部に形成する。この際、Ｎ型光ダイオード１０とＮ++型ＯＦＤ４の間の電位障壁を容易に調節するために、Ｐ型の障壁層３を前記光ダイオード１０とＯＦＤ４の間に形成させる。受光部を除いた領域に形成された前記遮光膜１６は前記Ｎ++型ＯＦＤ４と電気的に連結されＯＦＤ電圧及び電子シャッター電圧を印加する手段となる。
【００５８】
図９において、前記Ｎ++型ＯＦＤ４、Ｐ型障壁層３、光ダイオード１０、第１ウェル領域８及び半導体基板７による電位分布図を前記図８のような模様となるようにＯＦＤに電圧を印加すれば、Ｎ++型ＯＦＤ４はオーバフローに対するドレインとして作用する。
【００５９】
（第３実施例）
図１０は本発明による第３実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図であり、ＯＦＤ電圧を印加する手段であり、前記ＯＦＤ４とオーミックコンタクトが形成できる物質をＮ++型ＯＦＤ４の光線入射面に形成しオーミック層２を形成させた点のみを除いて前記第１実施例とほぼ同一である。
【００６０】
前記オーミック層２を構成する物質としては光透過率の優れたＩＴＯや薄いポリシリコンが使用でき、遮光膜１６を形成する前に基板全面に形成させる。
【００６１】
この際、前記図１０のVIII−VIII線による電位分布図を前記図８と同じ模様となるようにＯＦＤに電圧を印加すれば、Ｎ++型ＯＦＤ４はオーバフローに対するドレインとして作用することは無論である。
【００６２】
（第４実施例）
図１１は本発明の第４実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のＯＦＤ構造を示した断面図であり、前記第１実施例ではＮ- 型半導体基板７を使用したが、本実施例では第１実施例の前記Ｐ- 型第１ウェル８を半導体基板として使用したことを除いては前記第１実施例と同一である。
【００６３】
【発明の効果】
以上、本発明によるＯＦＤ構造によると、オーバフロードレインを半導体基板の各光ダイオードの上部にそれぞれ形成させるため、半導体基板を一定電圧に保つことが可能になり、固体撮像装置の映像面の周囲にＰＭＯＳ等で周辺回路を具現することができる。これは固体撮像装置をオン・チップ回路で製造できるということを意味する。また、前記オーバフロードレイン領域を高濃度で不純物をドープして形成させるので、ＯＦＤ動作及び電子シャッター動作を低電圧下で実現できる。
【００６４】
本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的な思想範囲内で多くの変形が可能であることは無論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な電荷結合素子型固体撮像素子の画素レイアウト図である。
【図２】 前記図１のII−II線を切った通常のインターライン方式のＣＣＤ型固体撮像装置の断面図である。
【図３】 従来のＯＦＤ構造を有するＣＣＤ型固体撮像装置の断面図であり、前記図２に対応する。
【図４】 前記図３のIV−IVによる電位分布図である。
【図５】 光ダイオードに入射される入射光の照度と信号電荷との関係を示した図面である。
【図６】 オーバフロードレイン構造で電子シャッター動作を説明するために示したタイミングチャートである。
【図７】 本発明の第１実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図８】 前記図７及び図１０のVIII−VIIIによる電位分布図である。
【図９】 本発明の第２実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図１０】 本発明の第３実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【図１１】 本発明の第４実施例により製造されたＣＣＤ型固体撮像装置のオーバフロードレイン構造を示した断面図である。
【符号の説明】
４ Ｎ++型オーバフロードレイン、５ Ｐ型第２ウェル、６ チャネルストッパー層、７ Ｎ- 型半導体基板、８ Ｐ- 型第１ウェル、９ Ｐ+ 型暗電流抑制層、１０ Ｎ型領域、１１ Ｎ型チャネル領域、１２ 伝送チャネル、１３ 第１伝送電極、１６ 遮光膜、３６ チャネルストッパー層、３７ Ｎ型半導体基板、３８ Ｐ型ウェル、４０ Ｎ型領域、４１ Ｎ型チャネル領域、４２ 電送シャネル、４３ 第１伝送電極、４５ 絶縁膜、４６ 遮光膜、５５ Ｐ型第２ウェル、５６ チャネルストッパー層、５７ Ｎ- 型半導体基板、５８ Ｐ- 型第１ウェル、５９ Ｐ+ 型暗電流抑制層、６０ Ｎ型領域、６１ Ｎ型チャネル領域、６２ 伝送チャネル、６３ 第１伝送電極、６６ 遮光層
Claims (8)
- 半導体基板の表面近傍にオーバフロードレインが存在し、オーバフロードレインの下部に受光部が形成され、前記オーバフロードレインが第１導電型の第１不純物拡散領域である電荷結合素子型固体撮像装置において、
半導体基板である第１導電型の第５不純物拡散領域の上に、ウエルである第２導電型の第４不純物拡散領域、前記第４不純物拡散領域の上に光により励起された信号電荷が蓄積される第１導電型の第３不純物拡散領域、前記第３不純物拡散領域の上に暗電流抑制のための第２導電型の第２不純物拡散領域が順次形成されて受光部が構成され、前記第２不純物拡散領域の上にオーバフロードレインが形成されていることを特徴とするオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。 - 前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高いことを特徴とする請求項１記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第３不純物拡散領域の不純物濃度は前記第４不純物拡散領域の不純物濃度よりは高く、前記第４不純物拡散領域の不純物濃度は前記第５不純物拡散領域の不純物濃度より高いことを特徴とする請求項２記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記第３不純物拡散領域はＮ型不純物がドープされ形成されたことを特徴とする請求項１記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記オーバフロードレインは受光領域を除いた前記半導体基板上に形成されている遮光膜の一部と接続することを特徴とする請求項１記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記遮光膜はアルミニウムあるいは多結晶シリコンで形成されたことを特徴とする請求項５記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記オーバフロードレイン上の光線入射面を含む基板前面に前記オーバフロードレインとオーミックコンタクトを形成できる物質より構成されたオーミック層が形成され、前記オーミック層の上には受光領域を除いた基板全面に遮光膜が形成され、前記オーミック層は透明なＩＴＯ（Indium Tin Oxide）または多結晶シリコンで形成されたことを特徴とする請求項１記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
- 前記第２不純物拡散領域の不純物濃度は前記第３不純物拡散領域の不純物濃度より高く、前記第１不純物拡散領域の不純物濃度は前記第２不純物拡散領域の不純物濃度より高いことを特徴とする請求項１記載のオーバフロードレインを有する電荷結合素子型固体撮像装置。
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