JPH0465164A - 電荷転送装置 - Google Patents

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、電荷転送装置に係り、特に、その電荷転送電
極の構造に関するものである。

（従来の技術） 電荷転送装置は、アナログ信号としての電荷量を周期構
造を有する電極により蓄積または転送動作を制御する装
置であり、ＣＣＤ　（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄ　ｄ
ｅｖｉｃｅ）、Ｂ　Ｂ　Ｄ　（ｂｕｃｋｅｔ　ｂｒｉｇ
ａｄｅｄｅｖｉｃｅ）等が代表的なものである。ＣＣＤ
は、固体撮像素子、メモリ素子、プロセッサ、遅延線お
よびこの遅延線を利用したくし形フィルタ等に利用され
ているが、特に、撮像素子に多く使われている。ＣＣＤ
が出現して以来、光電変換、蓄積。

転送等の機能を搭載した撮像素子の開発が活発化してい
る。その素子が必要な機能としては基本的に光電変換お
よび走査の機能をあげることができる。固体撮像素子で
は、これらの機能を−っのチップ上につくり付けること
ができるために、数ある光電変換方式や、走査方式の組
合せにより、さまざまな特長を有するデバイスの開発が
進められている。

ＣＯＤは、撮像素子の走査方式に利用されるが。

これには次の二つの方法がある。

■　フレームトランスファ形（Ｆ　Ｔ　：　ｆｒａｍｅ
ｔｒａｎｓｆｅｒ）。

■　インタライントランスファ形（ＩＴ：１ｎｔｅｒｌ
ｉｎｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ）。

■の方式では、転送部をそのままＭＯＳキャパシタ形の
受光部として利用しているため、垂直ブランキング期間
に蓄積部に転送（フレームトランスファ）され、次に蓄
積部から走査線１本ずつ水平読出し部に転送される。

■の方式は、受光部と転送部とを隣り合せにレイアウト
してあり、−度に転送部へ信号電荷を移した後、順次転
送して読み出す。このため、フレームトランスファに比
ベスミアは少ない。更にスミアを少なくするために、フ
レームインタライントランスファ　（Ｆ　Ｉ　Ｔ　：　
ｆｒａｍｅ　１ｎｔｅｒｉｎｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ）も
考えられている。インタライントランスファの転送部の
下に蓄積部を設は高速で蓄積部へ転送することにより、
スミア成分が転送部へ漏れ込む時間を短くしている。

ＣＣＤ等の電荷転送装置の転送電極の構成方法には、現
在までいくつかの手段が提案され、実用化されている。

第８図（ａ）は、その−例の部分断面図である。図にお
いて、ｎ形シリコン半導体基板９上に５ｉ０２ゲート絶
縁膜１０が形成され、その上に金属電極などの転送電極
１１が周期的に形成されている。第８図の電荷転送装置
では、隣接する転送電極に順次クロック・パルスを印加
することにより、信号電荷の転送を行う。このような転
送電極の構成方法において問題になるのは、隣接する転
送電極間にギャップが存在するため、第８図（ｂ）に示
すように、転送チャネルにポテンシャル障壁が生じるこ
とである。このように転送チャネルのポテンシャル障壁
が生じると、電荷転送時に完全に信号電荷を転送するこ
とができず、信号電荷のとり残しを生じ、転送効率が劣
化することになる。第９図（ａ）はこのような問題を解
決するために発明された電荷転送装置の一例の断面図を
示している。

図において、ｎ形半導体基板９上にＳｉＯ２などのゲー
ト絶縁膜１０を設け、その上にポリシリコンなどの一層
目の転送電極１１、その上に一部重なるようにＳｉＯ□
膜を介して二層目の転送電極１１−２を形成している。

この場合、第二層目の転送電極が第一層目の転送電極に
オーバーラツプする構造になっているため、隣接する転
送電極間、すなわち、第一層目と第二層目の転送電極間
のギャップは、電極間の層間絶縁膜の厚さに等しくなる
。通常、電極間の層間絶縁膜の厚さは、およそ２０００
人程度層上るため、このような構造の場合、前回に示し
た電極構造の場合に比べ、電極間ギャップは小さくなる
。このため現在では、第９図（ａ）のような、転送電極
がオーバーラツプする構造が最も多く採用されている。

しかし、このような電極構造の場合には、次のような問
題がある。

すなわち、第９図（ａ）のような電極構造の場合には、
前述したように、電極間の層間絶縁膜の厚さはおよそ２
０００人程度層上るため、層間絶縁膜が極めて絶縁破壊
を起こしやすい。特に現在では、ＬＳＩ製造における高
温の熱工程に適合するなどの理由から、通常転送電極は
多結晶シリコンにより形成されるが、多結晶シリコンは
酸化工程により凹凸ができやすく、その結果、電極間の
層間絶縁膜中で電界集中が生じるため、絶縁破壊が生じ
やすい、また、電荷転送装置が固体撮像装置の信号走査
部として用いられる場合には、転送電極がオーバーラツ
プする面積の総計はきわめて大きく、そのために特に絶
縁破壊を生じやすい。このように、第９図（ａ）のよう
な電極構造の場合には、電極間ギャップを２０００人程
度層上さくすることができる一方、電極が互いにオーバ
ーラツプする構造になっているため、隣接する電極間が
電気的にショートしやすいという欠点がある。また、近
年リソグラフィー技術の進展に伴い、第８図に示した電
極構造の場合においても、電極間ギャップが７０００人
程度層上ることが可能になりつつあるが、この程度の電
極間ギャップ長でも転送チャネルにポテンシャル障壁を
生じてしまう。そのため、この電極構造の場合には、電
極間のショートという問題は少ないものの、現在のリソ
グラフィー技術においては、転送効率の高い電荷転送装
置を実現することはできない。

また、近年微細化が進むに伴い、電極のエツチングを反
応性イオン・エツチング等の非等方性工ッチングで行う
場合が多いが、そのために電極下の絶縁膜と電極材料と
のエツチング選択性が小さくなり絶縁膜に損傷が生じる
等の問題が生じている。また、電極材料を堆積した後に
その一部をエツチングするため、基板またはゲート絶縁
膜が露出し、重金属等の不純物に汚染されやすいという
問題もある。このような問題は第８図・第９図のような
電極構造の場合に共通の問題である。たとえば、この重
金属等の不純物は、ＣＣＤを固体撮像装置に用いる場合
に白キズとなって表われる。

これまで知られているＣＣＤによる電荷転送装置の他の
例としては、転送電極とこの電極間を隔離する分離領域
とをそれぞれ導電型が互いに異なる半導体層を用いたも
のがある。この例における電極間の分離性は、半導体接
合の特性に依存し、この接合は容易に再現可能である。

しかし、分離領域は転送電極と同じ程度の長さを持って
おり、分離領域を短縮することは困難である。

（発明が解決しようとする課題） このように、電荷転送装置においては転送効率を劣化さ
せないよう隣接する転送電極間のギャップを小さくする
必要があり、かつ隣接する転送電極間の電気的絶縁性を
保つ必要があるが、従来の技術ではそれらを両立させる
ことは困難であった。また従来では、電極を分離するた
めに電極のエツチングを行う必要があるが、そのために
ゲート絶縁膜の損傷が生じる、基板が不純物に汚染され
る等の問題があった。本発明は、上記事情に鑑みてなさ
れたものであり、転送電極間のギャップを）Ｊｚさくす
ると同時に転送電極間の電気絶縁性を十分保持する電荷
転送装置を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、半導体基板と、この半導体基板上に形成され
た絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された電荷転送電極よ
りなる電荷転送装置に関するものであり、電荷転送電極
が分離されず一体で形成され、かつ電荷転送電極はｎ型
半導体領域とＰ型半導体領域とからなり、ｐｎ接合によ
って転送電極の電気的分離がなされることを特徴として
いる。

（作用） 電荷転送電極のうち一方の導電型の領域とそれに隣接す
るそれと反対の導電型の領域により形成されるｐｎ接合
に、逆バイアスが印加されるが、またはわずかな順バイ
アスが印加されるように駆動することにより各導電型の
領域で定義される電極の電気的分離をおこなう。

（実施例） 実施例１ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の電荷転送装置（Ｃ
ＯＤ）の断面図を示している。図において、Ｐ型シリコ
ン基板１に埋め込みチャネルを形成するためのｎ型拡散
層領域２を形成し、基板表面にはゲート絶縁膜（ＳｉＯ
２）３を設ける。ゲート絶縁ＩＩ３上には転送電極４を
設ける。これはシリコン酸化物等の絶縁膜５で被覆され
ている。転送電極４はｎ型の導電型の領域４−１、ｐ型
の導電型の領域４−２からなっている。またこの例では
、各導電型の領域には、電極６−１．６−２．６−３．
６−４が接続されている。この例では、転送電極の各導
電型領域が従来の転送電極の一電極分に相当している。

またこの例では、第１図（ｂ）に示したように、転送チ
ャネルのポテンシャルに段差をつけるために、　ｎ−型
の拡散層領域７が形成されている。なお、第１図（ｂ）
は、各転送電極に同じ電位を印加したときの転送電極の
電位および転送チャネルポテンシャルの電位である。

転送電極の電気的分離を第２図を用いて説明する。第２
図（ａ）は第１図に示した一実施例の電荷転送装置の一
部分の断面拡大図を、また第２図（ｂ）は第２図（ａ）
の転送電極のｎ型領域とｐ壁領域に逆バイアスが印加さ
れた場合の転送電極のバンド図を示している。また第２
図（ｃ）はそのときの基板中の転送チャネルのポテンシ
ャルを示している。ただし、この場合ｎ−領域７はない
ものとして説明している。第２図（ｂ）に示したように
、転送電極のｎ型領域とｐ壁領域に逆バイアスが印加さ
れると、ｐｎ接合が形成されている領域にはｎ型領域と
ｎ型領域中の不純物濃度に応じた幅で空乏層ができ、Ｐ
型領域とｎ型領域との間になめらかな電位勾配ができる
。そのときの転送チャネルのポテンシャルは転送電極中
の電位勾配に応じ。

第２図（ｃ）のようにポテンシャル障壁のないなめらか
な形状になる。また、ｐｎ接合が逆バイアスになってい
るためｎ型領域とｎ型領域とを流れる電流は十分に小さ
い。そのため、ｎ型領域またはｎ型領域で定義される転
送電極間の電気的分離を行うことができる。一方、第２
図（ｄ）はｐｎ接合に順バイアスが印加された場合の転
送電極のバンド図を、また第２図（ｅ）はそのときの基
板中の転送チャネルのポテンシャルを示している。第２
図（ｄ）に示したように、ｐｎ接合に順バイアスが印加
された場合にも、ｐｎ接合に形成されている空乏層によ
り、転送電極しこは連続的な電位勾配が形成されるため
、基板中の転送チャネルのポテンシャルも第２図（ｅ）
のようにポテンシャル障壁のないなめらかな形状になる
。ただし、ｐｎ接合に順バイアスが印加された場合には
ｐｎ接合を流れる電流は大きいため、わずかな順バイア
ス、たとえば１．０ｖ程度までの電位をｐｎ接合間に印
加する・ことが望ましい。

次に第１図に示した一実施例の動作を第３図（ａ）〜（
ｄ）乃至第５図を用いて説明する。第３図では転送電極
に形成されたｐｎ接合に逆バイアスのみが印加されるよ
うに駆動する場合についての一例を示している。第１図
（ｂ）に示したように転送チャネルのポテンシャルには
段差がついているが、これは逆バイアスのみで駆動でき
るよう、第１図（ａ）に示したようにあらかじめ基板中
にポテンシャル段差づけのための　ｎ−拡散層領域７が
設けられているためである。第３図（ａ）〜（ｄ）は転
送電極の各導電型の領域に接続された電極６−１〜６−
４に印加されるクロック・パルスのタイミング図を示し
ている。第４図は、第３図で示した時間ｔ工ｌ　ｔ、で
の転送電極のポテンシャル、第５図は、前記時間ｔ工ｌ
　ｔ、での転送チャネルのポテンシャルを示している。

まず、第３図（ａ）〜（ｄ）に示すようにクロック・パ
ルスが電極６−１〜６−４に印加される。印加電圧は、
ｖ、、ｖ２．ｖ、、ｖ、であり、Ｖ、＞Ｖ、Ｉ＞Ｖ、＞
Ｖ、であるとする。時間ｔ□において、電極６−１には
■い電極６−２には■２、電極６−３にはＶ、そして電
極６−４にはｖ４をそれぞれ印加することになり、電極
６−１〜６−４につながる転送電極のポテンシャルは、
第４図の実線で示すとおりになる。従って、時間ｔ１に
おける転送チャネルポテンシャルは、第１図（ａ）、（
ｂ）に示すようにあらかじめ半導体基板中にポテンシャ
ル段差づけのための　ｎ−拡散領域７が設けられている
ので、電極６−１下の領域から電極６−４下の領域まで
４領域の中で右へ行く程ポテンシャルが深くなっていく
パターンを有し、かつ４領域で一つのポテンシャルのパ
ターンを示しており、以下このパターンが繰り返される
（第５図）。このような状態において、ＰＮ接合からの
注入や光によって生じた電荷は、第５図に示す４領域の
うち右はしの一番深いポテンシャル井戸に蓄えられる。

つぎに、時間ｔ２になると、電極６−１にはＶｌ、電極
６−２にはＶ□、電極６−３には■９．電極６−４には
■２をそれぞれ印加することになり、電極６−１〜６−
４につながる転送電極のポテンシャルは、第４図の点線
で示す通りになる。したがって、時間ｔ２における転送
チャネルポテンシャルでは第５図の点線に示すように、
深いポテンシャル井戸が二領域右へづれるので、電荷も
井戸に弓かれて右へ二領域分転送されることになる。時
間ｔ、には、電極６−１〜６−４に時間ｔ１と同じ電圧
を印加するので、転送チャネルポテンシャルパターンは
時間ｔ１　と同じになる。電荷はパルスにしたがって、
電極ごとにつぎつぎに転送されることになる。　ｎ−型
不純物を形成することによってポテンシャル段差が形成
できる。また、転送電極は、分離領域として実質的な空
間領域を必要としていないので、連設することができる
。

この実施例では、転送電極に形成されたｐｎ接合に逆バ
イアスが印加される場合について示したが、第２図（ｄ
）（ｅ）に示したように駆動上許容できる範囲のリーク
電流が流れる程度に順バイアスになるよう駆動すること
ができる。

次に、第１図に示した一実施例の製造工程の一例を第６
図（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。

まずｐ型シリコン基板を熱酸化することによりゲート絶
縁膜３を形成する（第６図（ａ））。その後、素子分離
領域を形成するためにボロンのイオン注入を、また転送
チャネル２を形成するためにヒ素のイオン注入を行う（
第６図（ｂ））。その後転送電極を形成するために例え
ば多結晶シリコン層４をたとえばＣＶＤで堆積する（第
６図（ｃ））。

その後、例えばレーザー等で多結晶シリコン層４をアニ
ールするなどの、多結晶シリコンの結晶性を高める工程
をいれても良い。次に、電極材料にｐｎ接合を形成する
ために、レジスト等をマスク１２としてイオン注入を行
う。まず多結晶シリコン層４にボロンのイオン注入を行
いｎ型領域４−２を形成する（第６図（ｄ））。次に、
ｎ型領域４−１を形成するために多結晶シリコン層４に
ヒ素のイオン注入を行う（第６図（ｅ））。その際、転
送チャネルにポテンシャル段差をつけるために、同じマ
スク１３を用いて基板内のチャネル領域にボロンのイオ
ン注入を行い　ｎ−領域７を形成する（第６図（ｆ））
。その後、電極材料中の不純物を活性化するため、およ
び電極材料の表面に絶縁膜５を形成するために熱酸化を
行う（第６図（ｇ））。その後、図示しないが、転送電
極の各拡散領域に配線を行い、第１図に示した一実施例
の電荷転送装置が完成する。

実施例２ この例では電極材料は多結晶シリコンであったが、電極
材料はこれに限らずその他ｐｎ接合を形成することので
きる半導体材料であれば適用することができる。例えば
結晶のエピタキシャル成長技術を用いた次のような工程
によっても本発明の電荷転送装置を形成することができ
る６例えば、第７図のようにゲート絶縁膜３を形成後（
第７図（ａ））、素子領域とはならない部分の絶縁膜を
除去しシリコン基板を露出させる（第７図（ｂ））。

その後、露出したシリコン基板１からエピタキシャル成
長をおこない絶縁膜上に結晶シリコン８を堆積させる（
第７図（Ｃ））。次に電極にイオン注入を行うなど第６
図（ｄ−ｆ）に示した工程を行った後に、素子領域とは
ならない部分の絶縁膜上の結晶シリコンを除去し熱酸化
を行って酸化膜５を形成する。その後、図示しないが、
転送電極の各拡散層領域に配線を行うことにより本発明
の一実施例の他の電荷転送装置が完成する。本発明をｎ
型半導体基板で説明したがｎ型半導体基板を用いること
も可能である。そのときは、領域２は、基板と反対の導
電型となる。

第１０図は、本発明の電荷転送装置を用いて、フレーム
トランスファ形エリアセンサを構成した例である。この
方式では、垂直方向に複数列設けられた電荷転送チャネ
ルが受光部および信号を一時蓄積する蓄積部の二領域に
分かれている。蓄積部は遮光膜で覆われている。受光部
に入射した光により生成された信号電荷は一定時間集積
された後蓄積部に転送される。つぎに、各ラインごとに
水平ＣＣＤを介して順次出力される。この出力期間中に
つぎの光照射による信号の集積が行われる。

ここに示す各部のＣＣＤが、本発明の電荷転送装置の構
造になっている。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、転送電極を一体
で形成し転送電極中にｐｎ接合を形成することにより電
極の電気的分離を行うことのできる構造であるため、転
送効率が良く、かつ電極間の電気的絶縁性が良い電荷転
送装置を実現することができる。また本発明の電荷転送
装置では電極のエツチングを行わないため、ゲート絶縁
膜が損傷したり基板に不純物が混入する等の問題も生じ
ることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の電荷転送装置の断面
図、第１図（ｂ）は同装置において各転送電極に同じ電
位を印加したときの転送電極および転送チャネルポテン
シャルの電位を示す図、第２図（ａ）は第１図の電荷転
送装置の部分断面図、第２図（ｂ）は転送電極のｎ型領
域とＰ型頭域に逆バイアスが印加されたときの転送電極
のバンド図。 第２図（ｃ）はそのときの半導体基板中の転送チャネル
のポテンシャル図、第２図（ｄ）は順バイアスが印加さ
れたときの転送電極のバンド図、第２図（ｅ）はそのと
きの半導体基板中の転送チャネルのポテンシャル図、第
３図（ａ）〜（ｄ）は第１図（ａ）のそれぞれ電極６−
１〜６−４に印加されるクロ２・・・ｎ型拡散層領域、
３．ｌＯ・・・ゲート絶縁膜、４・・・多結晶シリコン
転送電極、 ４−１・・・ｎ型領域、　４−２・・・ｐ型頭域、５・
・・熱酸化絶縁膜、 ６−１．６−２．６−３．６−４・・電極、７・・ｎ−
型拡散層領域、　８・・・結晶シリコン、１１・・・転
送電極、　１１−１・・・１層目の転送電極、１１−２
・・・２層目の転送電極、１２．１３・・・レジスト。 第５図は前記ｔ工＋　ｊ２での転送チャネルのポテンシ
ャル図、第６図（ａ）〜（ｇ）は第１図（ａ）の電荷転
送装置の製造工程図、第７図は実施例２の電荷転送装置
の製造工程図、第８図（ａ）は従来の電荷転送装置の部
分断面図、第８図（ｂ）は同装置の転送チャネルポテン
シャル図、第９図（ａ）は従来の他の例の電荷転送装置
の部分断面図、第９図（ｂ）は同装置の転送チャネルポ
テンシャル図、第１０図は本発明の電荷転送装置をエリ
アセンサに用いた応用例を示す概略図である。 １．９・・・シリコン半導体基板、 代理人　弁理士　猪股祥晃（ほか１名）第１図 第４図 第 図 （ｂ） 第８図 （ＣＩ） （ｂ） 第 図 第 図 第１０ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁膜と
   、この絶縁膜上に形成された複数の電荷転送電極とを備
   えた電荷転送装置において、前記複数の電荷転送電極は
   分離されず一体に形成され、かつこの電荷転送電極はｎ
   型半導体領域とｐ型半導体領域とからなり、ｐｎ接合に
   よって電荷転送電極間の電気的分離が為されることを特
   徴とする電荷転送装置。