JPH0277158A

JPH0277158A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0277158A
Application number: JP63229406A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Ikeda; 勝己池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-13
Filing date: 1988-09-13
Publication date: 1990-03-16
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH07112057B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は固体撮像装置、特にインクライン転送方式の固
体撮像装置に関する。

（従来の技術）前記固体撮像装置は、一般に第７図乃至第９図に示すよ
うに構成されていた。

即ち、半導体基板としてのｎ型基板１の上面には、薄層
部分２ａを備えたｐ型ウェル層２が形成され、この薄層
部分２ａの上方にｎ型不純物層３を積層することにより
、入射した光を光電変換して所定期間蓄積するｐｎ接合
の光電変換素子（フォトダイオード）が形成されている
。

前記ｐ型ウェル層２の薄層部分２ａは浅く形成され、こ
れとｎ型基板１間に逆バイアス電圧４を印加することに
より、前記ｎ型不純物層３おいて発生した過剰な信号電
荷を排除する縦形オーバーフロードレインが形成されて
いる。

また、前記ｐ型ウェル層２の上面にｎ型不純物層５が形
成され、この上面に絶縁膜６を介して信転送電極７（７
ａ〜７ｄ）を形成することにより、信号電荷を転送する
電荷転送部が構成されている。

この転送電極７（７ａ〜７ｄ）は、前記フォトダイオー
ド３において発生し蓄積された信号電荷を前記電荷転送
部のｎ型不純物層５に転送するためのゲート電極を兼ね
ており、ｎ型不純物層３，５の間の読み出しチャンネル
８まで延びてこの上方を覆っている。前記ｎ型不純物層
３．５の側方のチャンネルスナップ９は、素子分離層で
ある。

第１０図は、前記電荷転送部の転送電極７ａ〜７ｄに印
加される入力パルスのタイミング図であり、φ　は転送
電極７ａに、φ５は転送電極７ｂに、φ　は転送電極７
Ｃに、φ６は転送電極７ｄに夫々印加される周知の４相
駆動方式である。

この第１０図に示す１１．１２及びｔ３時に対応する第
８図のＹ　１−　Ｙ　２　　Ｙ　３部所面のポテンシャ
ル図を第１１図に示す。

同図において、ｔ１時は、フォトダイオード３に入射し
た光が充電変換されて信号電荷が蓄積されている状態を
示し、Ｑ　　　は、縦形オーバーＰＤａ＋ａｘフロードレインのポテンシャルによって決まるフォトダ
イオードの最大蓄積容量である。１２時は、第１０図に
示すｖＨが印加され、読み出しチャンネル８が高いポテ
ンシャルとなって、フォトダイオード３に蓄積された信
号電荷が電荷転送部に読み出されている状態を示す（以
下、この動作をフィールドシフト動作という）。ｔ　時
は、ｖＭが印加され、読み出しチャンネル８のポテンシ
ャルが低くなり、信号電荷が電荷転送部に読み出されて
しまった状態を示す。ｔ３時の後は、周知の４相駆動の
動作により、第７図に示す垂直方向に信号電荷が転送さ
れる。

第１２図に、第９図に示すＰｌ−２２部における、第１
０図に示す１１　　及びｔ５のタイミ３′　　４ジグ時におけるポテンシャル図を示す。

この図は、４相駆動の基本的な転送動作を示すものであ
り、同図においてＱＴｆｆｌａｘは、転送電荷の最大転
送容量である。このＱＴｍａｘは、同図から明らかなよ
うに、隣合う２つの電極にｖＭが印加された時のポテン
シャルΦＭと、その２つの電極を挾む電極にＶＬが印加
された時のポテンシャルΦ、との差に比例する。即ち、
４相駆動における最大転送容量Ｑ１１．ｌａｘはＶＭ−
Ｖ、に比例する。

（発明が解決しようとする課題）第１３図に、ゲート電圧■６に対する読み出しチャンネ
ル８のポテンシャルの静特性グラフを（ａ）に、ｎ型不
純物層５のそれを（ｂ）に夫々示す。

従来、前記最大転送容量ＱＴ１．ｌａＸを増やすために
、■、の値を低くしたとしても、（ｂ）のグラフを見て
解るように、このポテンシャルはＶＴＨ以下では低くな
らない。また、逆にｖＭの値を高くした□としても、（
ａ）に示す読み出しチャンネル８のポテンシャルΦ　（
第１４図）もｖＧ〉０の領域Ｓでは、ｖ６に比例して高くなってくる。そして、第１４
図に示すように、このポテンシャルΦＦＳが縦形オーバ
フロードレインのポテンシャルΦＯＦＤを越えると、例
えば、信号電荷の転送時にフォトダイオード３で光電変
換された信号電荷が転送電極７（７ａ）の下で転送され
ている信号電荷に混入してしまう。従って、このＶＭの
値は、ΦＯＰＤの値に相当する電圧ｖＭＯＦＤ以上にす
ることはできない。しかるに、前記ＱＴ、ａｘは、ｖＭ
　−ＶＭＯＦＤ’ＶＬ”ｖＴｌｌの時が最大である。

以上のように、前記従来例における、４相駆動のような
転送時の印加電圧の振幅に前記最大転送容量ＱＴｌｌａ
ｘが比例する場合にも限りがあり、それ以上の転送容量
が必要な場合には、ｎ型不純物層５の領域を広くする等
といった微細化に適さない手段が必要になってしまう。

また、第１３図に示すように、ｎ型不純物層５において
は、ｖＧく０の領域では変調度（ポテンシャル／ｖＧ）
がＶＧ〉０の領域より低いため、変調度の高い領域をｖ
Ｍ＜ＶＭｏＤＦでしか使用できない。第１５図に前記Ｑ
ＴＩｌｌａｘのＶＬ依存性のグラフを示す。

第１６図に、前記固体撮像装置の接地等の電気的等価回
路図を示す。チャンネルストップ９は、この装置の周辺
でしか接地されていないため、ｐ型ウェル層２には、抵
抗ＲＰａ’　ＲＰｂ・・・が存在し、また転送電極７ａ
、７ｂ・・・とｐ型ウェル層２との間に容量ＣＧａ、Ｃ
Ｇｂ・・・が、ｐ型ウェル層２とｎ型基板１との間に容
”ｐａ−’Ｃｐｂ・・・が夫々存在することになる。

ところで、転送電極７（７ａ）に前記フィールドシフト
動作の時ＶＨレベルのパルスが加わると、瞬時に前記容
量によってｐ型ウェル層２のポテンシャルが、 ΔＶ　ｐｖ　−Ｃｃ、／　（Ｃｃ、＋　Ｃｐ、）　Ｘｖ
Ｈ・・・（１）だけ変動する。

フィールドシフト動作が始まってから、この変動量Δｖ
Ｐｗは接地レベルに回復するが、その回復時間は、各々
ｐ型ウェル層２の位置と接地点からの距離に関係する分
布定数回路による定時数で決定される。従って、フォト
ダイオード３の位置によって回復時間が異なってしまう
ことになる。

第１７図にｐ型ウェル層２のポテンシャルの変化に伴っ
て、残留電荷Ｑ　　が生じ、Ｑ　　　がＬＡＧ　　　　
　　ＰＤｍａｘＱ′　　　　に減少した場合を示す。

ＰＤｍａｘこの場合は、第１０図に示すフィールドシフト時間ｔＦ
ｓが前記定時数に比べ短かったため、ｐ型ウェル層２が
十分に回復できず残留電荷ＱＬＡＧが生じたのである。

第１８図にフィールドシフト時間ｔＦｓに対する前記Ｑ
′　　　の関係を示し、フォトダイオードＤｍａｘ３の位置によってこの回復時間が異なることを示す。こ
のようにフィールドシフト時間ｔＦＳが充分でない場合
には、フォトダイオード３の位置によって、ＱＰ、ａｘ
が得られないことがあり、これが原因で、例えばフォト
ダイオードに−様な量の強い光が入射した場合でも、−
様な出力が得られない場合、即ちシェーディングを生じ
ることがあった。

更に、製造プロセル上、電荷転送部の口型不純物層５は
、一般にフォトマスクによる不純物イオンの注入によっ
て形成されるが、その場合、転送電極７との合わせずれ
量によっては、読み出しチャンネル８の領域のゲート長
に誤差が生じてしまい、例えばこのゲート長が短くなっ
て周知のショートチャンネル効果により、ポテンシャル
静特性に異状が生じる場合がある。

第１９図にｎ型不純物層５が読み出しチャンネル８側に
寄り、読み出しチャンネル８のゲート長が短（なった状
態を示す。そして、この時における転送電極７の電圧が
０■の時のポテンシャル図を第２１図に示す。同図に示
すように、読み出しチャンネル８には、シラートチヤン
ネル効果により、ΔΦ８のポテンシャル低下が生じてし
まう。

また、第２０図に前記第１３図と同様のポテンシャル静
特性を示す。同図に示すように、読み出しチャンネル８
の静特性（ａ）は、ショートチャンネル効果によりデイ
プレッションタイプの特性となっている。こういった特
性の構造の場合、ΦＯＰＤとなる”　ＭＯＦＤの値は低
くなり、最大転送容量ＱＴｍａｘの最大値は低くなって
、前記と同様の問題が生じてしまう。

本発明は前記に鑑み、信号電荷を転送する電荷転送部の
平面的な面積を増大することなく、転送容量の増大して
、ダイナミックレンジの拡大を図るとともに、最大読み
出し電荷量のフォトダイオードの位置毎の不均一を抑制
して、シェーディングの低減を図ったものを提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課頴を解決するための手段）前記目的を達成するため、本発明にかかる固体撮像装置
は、複数の光電変換素子と、この光電変換素子で発生し
た信号電荷を一時蓄積して転送する該光電変換素子に隣
接したＭＯ５ＩＪ１電極によって形成された電荷転送部
と、前記光電変換素子で発生した過剰電荷を半導体基板
に排出するオーバーフロードレインとを備えた固体撮像
装置において、前記光電変換素子で発生した信号電荷を
前記電荷転送部に読み出す読み出しゲート電極を、この
電荷転送部の不純物層の上方を覆う転送電極と電気的に
分離された電極によって構成したものである。

また、前記信号電荷を電荷転送部に読み出すゲート電極
を予め形成し、この電極のセルフ・アラインによる不純
物イオンの注入により、前記電荷転送部の不純物層を形
成するようにすることもできる。

（作　用）前記のように構成した本発明によれば、読み出しゲート
電極と転送電極とは電気的に分離されて形成されている
ため、読み出しゲート電極と転送電極に夫々異なる任意
のパルスを印加することができ、これにより、読み出し
ゲート電極下の読み出しチャンネルのポテンシャルΦＦ
ｓを任意に設定するとともに、転送電極にパルスが印加
された時のこの下の電気転送部のｎ型不純物層のポテン
シャルΦ　及びΦ　をこのポテンシャルΦＦｓとは無Ｍ関係に任意に設定することができる。これによって信号
電荷の混入を防止しつつ、電荷転送容量を大きくすると
ともに、振幅効率を向上させることができる。

また、フィールドシフト時に印加するパルスを読み出し
ゲート電極のみとすることができ、これにより転送電極
とウェル層との間に生じる容量を減少させることができ
る。

更に、読み出しゲート電極を予め形成し、この電極のセ
ルフ中アラインによる不純物イオンの注入により、電荷
転送部のｎ型不純物層を形成することにより、このｎ型
不純物層の読み出しチャンネルへの食い込みを極力防止
して、ゲート長が常にほぼ一定となるようにすることが
できる。

（実施例）以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図乃至第５図は第１の実施例を示し、前記従来例と
同様に、半導体基板としてのｎ型基板１の上面には、薄
層部分２ａを備えたｐ型ウェル層２が形成され、この薄
層部分２ａの上方にｎ型不純物層３を積層することによ
り、入射した光を光電変換して所定期間蓄積するｐｎ接
合の光電変換素子（フォトダイオード）が形成されてい
る。

また、前記ｐ型ウェル層２の上面にｎ型不純物層５が形
成され、この上面に絶縁膜６を介して信転送電極７（７
ａ〜７ｄ）を形成することにより、信号電荷を転送する
電荷転送部が形成されている。

ここまでは、前記従来例と同様であるが、本実施例は以
下のような構成が備えられている。

即ち、転送電極７　（７ａ）は、電荷転送部のｎ型不純
物層５の上方のみを覆い、また読み出しチャンネル８の
上方には、この転送電極７　（７ａ）とは電気的に分離
された読み出しゲート電極１０が形成されている。

第２図に、前記第１０図に対応する入力パルスのタイミ
ング図を示す。同図において、す、は読み出しゲート電
極１０に印加される入力パルスであり、第１０図におけ
るφ　及びφ　に存在したａ　　　　　　　　Ｃフィールドシフト期間のＶＨのみが読み出しゲート電極
１０に印加され、このφ　及びφ　にはａ　　　　　　
　　ＣＶａは存在しない。

この図に示すｔ　及びｔ３のタイミング時における第１
図のＹ　ｉ　−Ｙ　２−　Ｙ　３部所面のポテンシャル
図を第３図に示す。

同図において、ｔ２時は、フィールドシフト期間であり
、読み出しゲート電極１０にＶＨが印加され、読み出し
チャンネル８が深くなって、電荷転送部に信号電荷が読
み出された状態を示す。

ｔ３時は、読み出しチャンネル８が浅くなり、電荷転送
部に信号電荷が一時蓄積された状態を示す。

第４図に信号電荷が転送されている状態を前記第１４図
相当図を示す。

同図に示すように、読み出しゲート電極１０の電圧を、
読み出しチャンネル８のポテンシャルがΦＯＰＤよりよ
＜、且つΦ□より浅くなるように設定することにより、
電荷転送時の転送電極７の下の／、を号電荷にフォトダ
イオード３中の信号電荷が混入してしまうことを防止す
ることができる。

また、転送電極７（７ａ）は読み出しゲート電極１０と
電気的に分離されているため、前記ＶＭの値をΦ。Ｆ、
の値にとられれることなく高くすることができ、これに
よって信号の混入を防止しつつ転送容量を大きくするこ
とができる。

そして、■　の値をＶ　Ｍ＞　Ｖ　ｏｐｏで使用できる
ため、変調度の高い領域Ｖ。〉０を多く使用でき、振幅
効率を高くすることができる。

更に、読み出しゲート電極１０と転送電極７（７ａ）と
は、電気的に分離されているため、フィールドシフト時
にＶｎが印加されるのは、読み出しゲート電極１０のみ
となる。そして、この読み出しゲート電極１０は、読み
出しチャンネル８の上のみを覆っているため、転送電極
７　（７ａ）とｐ型ウェル層２との間の容ｉ　ｃ　Ｇａ
’　は、従来の容量ｃＧ、（第１６図）より小さくなる
。よって、ｐ型ウェル層２のフィールドシフト時の前記
ポテンシャル変動△ＶＰＷは、この容量ＣＧａに比例す
るために小さくなる。すると、前記第１８図に相当する
Ｑ′　　　のフィールドシフト時間ｔＦＳの依Ｄｍａｘ存性のグラフは、第５図のようになる。

同図に示すように、Ｑ′　　　　のフォトダイオＰＤＩ
Ｉｌａｘ −ド３の位置による差が小さくなるので、前記シェーデ
ィングを発生を低減することができる。

第６図は、第２の実施例を示すもので、前記第１の実施
例を異なる点は、読み出しゲート電極１０′を第１層の
ゲートで形成するとともに、転送電極７’　　（７’　
ａ＞が形成される以前の成形プロセスで、この読み出し
ゲート電極１０′のセルフ・アライン法による不純物イ
オンの注入により、電荷転送部のｎ型不純物層５を形成
した点にある。

このように構成することにより、ｎ型不純物層５の読み
出しチャンネル８への食い込みを、ある一定量の不純物
の横拡散量のみに抑えることができ、これによってｎ型
不純物層５のフォトマスクの合わせずれに読み出しチャ
ンネル８のゲート長が短くなってショートチャンネル効
果が生じてしまうことを防止するようにすることができ
る。

なお、ｎ型不純物層５を読み出しゲート電極１０’のセ
ルフ・アライン法によって形成できるならば、読み出し
ゲート１０′は、第１層目のゲートと限る必要はない。

また、前記各実施例は、ｎ型基板の上にｐウェル層を設
けた構造を示しているが、これに限ることはなく、更に
縦形オーバーフロードレインの代りに横形オーバーフロ
ードレインであっても良いことは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明は前記のような構成であるので、信号電荷を転送
する電荷転送部の平面的な面積を増すことなく、しかも
電荷転送部への印加パルスの振幅を大きくすることなく
、電荷転送部の最大転送容量を大きくすることができる
。

しかも、信号電荷を読み出す時のウェルのポテンシャル
の変動を小さくして、信号電荷の最大読み出し電荷量の
フォトダイオードの位置毎の不均一を低減して、シェー
ディングを低減することができる。

また、信号電荷を読み出すゲート電極のセルフ・アライ
ンで電荷転送部の不純物層を形成するようにすることに
より、読み出しチャンネルがショートしてしまうことを
防止して、電荷転送部への信号電荷の混入を防止するこ
とができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の第１の実施例を示し、第１
図は縦断面図（第８図相当図）、第２図は駆動パルスの
タイミング図、第３図（イ）及び（ロ）は第２図に示す
ｔ　及びｔ３時における第１図のＹｌ−Ｙ２−Ｙ３部断
面のポテンシャル図、第４図は転送動作時における前記
Ｙ１−Ｙ２−Ｙ３部断面のポテンシャル図、第５図はポ
テンシャルＱ′　　　　のフィールドシフト時間’ＰＳ
へのＤｍａｘ依存性を示すグラフ、第６図は第２の実施例を示す第１
図相当図、第７図乃至第１８図は従来例を示し、第７図
は平面図、第８図は第７図のＸｌ−Ｘ２断面図、第９図
は第７図の２１−２２断面図、第１０図は駆動パルスの
タイミング図、第１１図（イ）（ロ）及び（ハ）は第１
０図に示すｔｉ。ｔ　及びｔ３時における第８図のＹＩ　　Ｙ２−Ｙ３部
断面のポテンシャル図、第１２図（イ）（ロ）及び（ハ
）は第１０図に示すｔ４”５及びｔ６時における第９図
のＰ　Ｉ　　Ｆ　２部のポテンシャ１１図、第１３図は
ゲート電圧■Ｇに対する読み出しチャンネル（ａ）及び
ｎ型不純物層（ｂ）の静特性を夫々示すグラフ、第１４
図は第４図相当図、第１５図はポテンシャルＱＴＩｌｌ
ａｘｏｖＬへの依存性を示すグラフ、第１６図は電気的
等価回路、第１７図はｐ型ウェル層が変動した時の第１
１図（ロ）相当図、第１８図は第５図相当図、第１９図
乃至第２１図は他の異なる従来例を示し、第１９図は第
８図相当図、第２０図は第１３図相当図、第２１図は転
送電極の電圧がＯｖの時の第１４図相当図である。１・・・ｎ型基板（半導体基板）、２・・・ｐ型ウェル
層、２ａ・・・同薄層部分、３・・・ｎ型不純物層（フ
ォトダイオード）、５・・・ｎ型不純物層（電荷転送部
）、７（７ａ〜７ｄ）・・・転送電極（電荷転送部）、
８・・・読み出しチャンネル、１０・・・読み出しゲー
ト電極。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ΦＭ為１図　　　　　　　　第４図蔦２　図（ｔｚｌ　　　　　　　　　　　　　　　　（１３）（
イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（０
）罠３図Ｑ’ＰＯｒｍｘ為５図　　　　　　　　嶌６図罠９図（イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ロ）（ｌり嶌１２図ｊｌ’）１６図晃旧図　　　　　為１９図地２Ｑ図

Claims

【特許請求の範囲】１、複数の光電変換素子と、この光電変換素で発生した
信号電荷を一時蓄積して転送する該光電変換素に隣接し
たＭＯＳ型電極によって形成された電荷転送部と、前記
光電変換素子で発生した過剰電荷を半導体基板に排出す
るオーバーフロードレインとを備えた固体撮像装置にお
いて、前記光電変換素子で発生した信号電荷を前記電荷
転送部に読み出す読み出しゲート電極を、この電荷転送
部の不純物層の上方を覆う転送電極と電気的に分離され
た電極によって構成したことを特徴とする固体撮像装置
。２、前記信号電荷を電荷転送部に読み出す読み出しゲー
ト電極を予め形成し、この電極のセルフ・アラインによ
る不純物イオンの注入により、前記電荷転送部の不純物
層を形成したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像
装置。