JP2001077351A - 電荷転送デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低照明時にも電荷を効率よく転送させること
ができるＣＣＤを提供すること。 【解決手段】 電荷転送領域を転送方向に平行な複数の
領域に分けてそれぞれの領域が異なる電位差を有するよ
うにしたことを特徴とする。本電荷転送デバイスは、Ｈ
ＣＣＤを電荷転送方向に細長い複数の領域に分け、電荷
転送時にそれぞれの領域の電位を異なるようにし、最大
電位のチャネル側に電荷が集まった状態で転送するよう
にしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電荷転送デバイスに
関し、特に電荷転送効率を高くすることができるよう
に、電荷転送領域を複数の領域に分けて各領域が電位差
を持つようにした電荷転送デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、添付図面を参照して従来の技術の
電荷転送デバイスを説明する。図１は一般な固体撮像素
子の平面構成図であり、図２は従来の技術の水平電荷転
送チャネルの平面構成図である。一般に、電荷転送デバ
イスを用いた撮像素子は、図１に示すように、光に関す
る信号を電気的な信号に変換して出力するものであり、
光電変換を行い、そこで生成された電荷を蓄積するフォ
トダイオード領域１１と、ここで生成された信号電荷を
転送する電荷転送チャネルのＶＣＣＤ１２ａ、ＨＣＣＤ
１２ｂと、電荷転送チャネルを介して転送された信号電
荷をセンシングするセンスアンプ１３とを備えている。

【０００３】電荷転送チャネルは、複数のフォトダイオ
ード領域１１から生成された電荷を垂直方向に転送する
垂直電荷転送領域ＶＣＣＤ１２ａと、垂直に転送された
電荷を水平方向に転送する水平電荷転送領域ＨＣＣＤ１
２ｂとから構成される。いずれも転送チャネルは、図２
に示すように、半導体基板の表面部に形成されるｐ型ウ
ェル領域内にＡｓなどのイオン注入によりチャネル領域
２１が形成され、チャネル領域２１上に電荷の転送のた
めに電位差を発生させるゲート電極２２がそれぞれ分離
されて繰り返して構成されている。

【０００４】このように構成された電荷転送領域の電荷
転送について水平電荷転送領域ＨＣＣＤ１２ｂを例とし
て説明する。図３Ａ、図３Ｂは図２のＡ−Ａ’線及びＢ
−Ｂ’線上の断面構成図である。なお、ゲート電極２２
は除いてある。均一の濃度に形成されたチャネル領域
（ＨＣＣＤ）２１は、ゲート電極２２にクロック信号を
加えない状態では均一な電位分布を有する。このチャネ
ル領域２１は、半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）内にｐ型不純
物イオンを均一に注入してｐ型ウェルを形成し、ｐ型ウ
ェル領域内にｎ型不純物を均一に注入して形成する。こ
のように構成された電荷転送デバイスの水平電荷転送領
域上の各ゲート電極２２にレベル差のあるクロック信号
が印加されると、電圧差によりチャネル領域２１に電位
差が形成される。この電位差により電荷は一方向に移動
する。逆に言えば、電荷が一方方向に移動するようにゲ
ート電極に電圧を加える。ここで、電荷は、信号量に係
わらずに、チャネル領域２１の全体に均一に広がって移
動する。水平電荷転送領域は垂直電荷転送領域から転送
された電荷を短時間で全て読み出さなければならないの
で、垂直電荷転送領域は４位相クロッキングで動作する
に対して水平電荷転送領域は２位相クロッキングで動作
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の技術の電
荷転送デバイスは、チャネル領域を移動する電荷量が多
い場合には問題ないが、電荷量の少ない場合には次のよ
うな問題点があった。 （１）ゲート電極の下側のチャネル領域全体にわたって
電荷が広がって移動するため、チャネル領域自体の欠陥
により電荷の流失が発生することがある。 （２）水平電荷転送領域のチャネル領域が広いため、非
常に少ない電荷の場合には、ゲート電極に印加される電
圧によりその電位を維持することができず失われること
もある。 （３）チャネル領域を狭くすればするほど電荷転送効率
を高めるのに有利である。しかし、最大電荷量を考慮し
て水平電荷転送領域を設計するため、その幅が広い。こ
れは少ない電荷量の転送時の電荷転送効率の低下を意味
する。

【０００６】本発明はこのような従来の技術の電荷転送
デバイスの問題を解決するためになされたものであり、
その目的は、電荷転送効率を高くできる電荷転送デバイ
スを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の電荷転送デバイスは、複数の光電変換領域
と、光電変換領域の間に構成し、光電変換領域から生成
された電荷を第１方向に転送する複数の垂直電荷転送領
域と、垂直電荷転送領域から転送された電荷を第２方向
に転送する水平電荷転送領域とを含み、水平電荷転送領
域を転送方向に平行な複数のチャネルに分け、電荷転送
時に、最大電位を有するあるチャネルを基準としてその
隣接のチャネルの電位が順に低くなるように構成したこ
とを特徴とするものである。それによって、電荷の転送
時に最大電位のチャネルに電荷が集まった状態で転送す
ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の電荷転送デバイスを詳しく説明する。図４は本発明に
よる水平電荷転送チャネルのｐ型ウェル領域の形成後の
平面構成図であり、図５Ａ、図５Ｂは図４のＣ−Ｃ’線
及びＤ−Ｄ’線上の断面構成図である。本発明は、水平
電荷転送領域の電荷転送効率を高めるために、半導体基
板内に形成されるウェル領域を水平電荷転送領域の形成
される全幅にわたって一定に形成するのではなく、ウェ
ル領域を電荷転送方向に並列な複数の部分に分離して形
成したものである。このように、ウェル領域を分離して
形成する場合、ウェル領域間の離隔距離、すなわち一つ
のウェル領域とそれに隣接する他のウェル領域との間の
幅の差に起因して水平電荷転送領域のポテンシャルは幅
方向に差を有するようになる。

【０００９】まず、本発明の実施形態による電荷転送デ
バイスの平面構成におけるウェル領域は次のように形成
される。水平電荷転送領域４４の形成される半導体基板
４１の表面部にウェル領域を、図４に示すように、転送
方向に平行な複数の領域に分離して形成させる。分離さ
れた個々の領域の幅とその領域の間の間隔共に異なるよ
うにしている。図５Ａに示すように、ウェル領域の形成
深さは同一である。そして、ｐ型ウェル領域の幅は図５
Ｂに示すように４３ａ＞４３ｂ＞４３ｃ＞４３ｄ＞４３
ｅの順に大きさになり、ｐ型ウェル領域間の離隔距離は
ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄの順に大きさになる。図４に示すように
４３ｅが垂直電荷転送領域ＶＣＣＤ側である。垂直電荷
転送領域４２の形成される領域のｐ型ウェル領域は分離
形成せずに従来通り一体型に形成する。

【００１０】上記のような水平電荷転送領域４４が形成
される領域のｐ型ウェル領域間の離隔距離は、前述した
ように、本実施形態では垂直電荷転送領域側のものとそ
の次のものとの間が最も広く、反対側に行くに従って狭
くなるように形成している。しかし、もちろんこれにこ
だわるわけではなく、逆に垂直電荷転送領域側を最も狭
くして順次広くなるようにしても良く、さらには中央部
分を最も狭くしても良い。また、中央部分を最も広くし
て両側に行くに従って順次狭くなるようにしても良い。
また、個々のウェル領域の幅についても、実施形態に限
定されるわけではなく、垂直電荷転送領域側を幅広とし
てもよく、中央部分のものを最も幅広、最も幅狭として
もよい。さらには、個々の領域の幅それ自体は一定とし
てその離間距離だけを順次異なるようにしても良い。逆
に離間距離を一定として幅だけを異なるようにしても良
い。このように、ウェル領域を分離して形成し、離隔距
離及びウェルの形成幅を異ならせるのは、水平電荷転送
領域の一部分を中心としてその部分の電位を最も高くし
て互いに電位差を有するようにするためである。最も高
い電位を有する部分を、フローティング拡散領域を基準
として設定しても良い。

【００１１】また、ウェル領域間の離隔距離及びウェル
の形成幅の調整により、水平電荷転送領域の電位が電荷
転送方向に垂直な方向に階段状に異なって現れるか、又
は電位井戸が分離された形態で現れる。図１０Ｂ、図１
１Ａ、図１１Ｂは各々の領域内でポケットが発生しない
形態の電位を示し、図１１Ｃは電位井戸が分離され、各
々の領域でポケットがある形態の電位を示す。

【００１２】このようなｐ型ウェル領域を形成した後の
工程は次の通りである。図６は本実施形態による水平電
荷転送デバイスのチャネル領域の形成後の平面構成図で
あり、図７Ａ、図７Ｂは図６のＥ−Ｅ’線及びＦ−Ｆ’
線上の断面構成図である。水平電荷転送領域が形成され
る領域のウェル領域を一つのマスクを用いて一度のイオ
ン注入工程で前述したように形成した後、図６に示すよ
うにｎ型の不純物イオンを注入して水平電荷転送領域４
４を形成する。図示してないが、この際に垂直電荷転送
領域も同時に形成する。このように形成された水平電荷
転送領域４４は、図７Ａ、図７Ｂに示すように形成深さ
は同一である。しかし、このように均一の濃度に形成さ
れた水平電荷転送領域４４は、下部のｐ型ウェル４３
ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅを等間隔又は異な
る間隔で、形成幅を異ならせて又は異ならせないで前述
のように形成しているので、実質的なポテンシャルの大
きさは位置に応じて異なる。

【００１３】次に、ゲート電極を形成する。図８は本実
施形態による水平電荷転送デバイスのチャネルゲート電
極の形成後の平面構成図であり、図９Ａ、図９Ｂは図８
のＧ−Ｇ’線及びＨ−Ｈ’線上の断面構成図である。こ
のように水平電荷転送領域４４を形成した後、その上側
に電荷転送のためのゲート電極４５ａ、４５ｂを形成す
る。ゲート電極４５ａ、４５ｂはそれぞれ電気的に絶縁
され、一定部分オーバーラップされ、繰り返して形成さ
れる。このように形成されたゲート電極４５ａ、４５ｂ
にクロックが印加されると、その下側の水平電荷転送領
域４４に電位差が発生して電荷が一方向に移動する。ゲ
ート電極の形状並びに配置は従来のものと特に変える必
要はない。一定の方向に電荷を移動させることができる
ように形成させればよい。

【００１４】このように構成された本発明による電荷転
送デバイスの動作は以下の通りである。図１０Ａ、図１
０Ｂは、図８のＧ−Ｇ’線及びＨ−Ｈ’線上の電位分布
図である。図１１Ａは電位の最も高い部分が中央に位置
する場合における水平電荷転送領域のポテンシャルプロ
ファイルであり、図１１Ｂは電位の最も高い部分がＶＣ
ＣＤから遠い場合における水平電荷転送領域でのポテン
シャルプロファイルである。図１１Ｃは電位井戸が分離
された形態の水平電荷転送領域のポテンシャルプロファ
イルである。

【００１５】図１０Ａは電荷がフローティング拡散領域
に向かって移動することを示す。このような電位差はゲ
ート電極４５ａ、４５ｂによって発生する。そして、図
１０ＢはＶＣＣＤに近い側が最大電位を有するように形
成させた水平電荷転送領域４４での電荷移動状態を示
し、低い照明で撮影されたときに生成された電荷は水平
電荷転送領域４４の全体にわたって分散して移動せず、
ｐウェル領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ
により電位差を有する水平電荷転送領域４４の最大電位
部分に全て集まることを示している。その集まった状態
でフローティング拡散領域に移動する。このように、生
成された電荷量が少ない場合には、水平電荷転送領域４
４の全体領域を用いて電荷を転送するのでなく、一部分
だけを用いて電荷を転送するので、電荷の流失がない。

【００１６】図１１Ａは水平電荷転送領域４４の断面位
置で最大電位が中央部分になっている状態を示し、階段
状の電位プロファイルを有する。図１１Ｂは同様に階段
状の電位プロファイルを有し、ＶＣＣＤから遠い側が最
大電位を有する。そして、図１１Ｃはｐ型ウェル領域の
離隔距離を調整して電位井戸が分離された形態になるよ
うにしたものを示している。この実施形態では最大電位
部分を中央部分にしてある。

【００１７】

【発明の効果】上記したような本発明の電荷転送デバイ
スは次のような効果がある。電荷転送領域を複数のチャ
ネル領域に分離し、それらを均一の電位を有するように
形成せず、領域別に異なる電位を有するように形成した
ので、低照明時の撮影において生成される少ない量の電
荷を電荷転送領域の全体領域でなく一部分を用いて転送
する。従って、電荷の流失を抑制することができ、電荷
転送効率を高め、画質を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般な固体撮像素子の平面構成図。

【図２】従来の技術の水平電荷転送デバイスの平面構成
図。

【図３】図２のＡ−Ａ’線（ａ）及びＢ−Ｂ’線（ｂ）
上の断面構成図。

【図４】本発明による水平電荷転送デバイスのｐウェル
領域の形成後の平面構成図。

【図５】図４のＣ−Ｃ’線（ａ）及びＤ−Ｄ’（ｂ）線
上の断面構成図。

【図６】本発明による水平電荷転送デバイスのチャネル
領域の形成後の平面構成図。

【図７】図６のＥ−Ｅ’線（ａ）及びＦ−Ｆ’線（ｂ）
上の断面構成図。

【図８】本発明による水平電荷転送デバイスのチャネル
ゲート電極の形成後の平面構成図。

【図９】図８のＧ−Ｇ’線（ａ）及びＨ−Ｈ’線（ｂ）
上の断面構成図。

【図１０】図８のＧ−Ｇ’線（ａ）及びＨ−Ｈ’（ｂ）
線上の電位分布図。

【図１１】電位の最も高い部分が中央に位置する場合に
おける水平電荷転送領域のポテンシャルプロファイル
（ａ）、Ｂは電位の最も高い部分がＶＣＣＤから遠い場
合における水平電荷転送領域のポテンシャルプロファイ
ル（ｂ）、Ｃは電位の最も高い部分が中央に位置する場
合における水平電荷転送領域の他のポテンシャルプロフ
ァイル（ｃ）。

【符号の説明】

４１ 半導体基板 ４２ 垂直電荷転送領域 ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ ｐ型ウェ
ル ４４ 水平電荷転送領域

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直方向、水平方向に多数配置された光
   電変換領域と、 前記光電変換領域の間に構成し、前記光電変換領域から
   生成された電荷を第１方向に転送する複数の垂直電荷転
   送領域と、 前記垂直電荷転送領域から転送された電荷を第２方向に
   転送する水平電荷転送領域とを含み、 前記水平電荷転送領域は電荷転送方向に並列な複数のチ
   ャネルに分け、電荷転送時に最大電位を有する特定のチ
   ャネルを基準としてそれに並ぶ他のチャネルの電位が順
   に低くなるように構成したことを特徴とする電荷転送デ
   バイス。
2. 【請求項２】 水平電荷転送領域の電位差は電荷移動方
   向の垂直方向に異なるように維持されることを特徴とす
   る請求項１記載の電荷転送デバイス。
3. 【請求項３】 水平電荷転送領域を構成している複数の
   チャネルの幅は等間隔か等間隔でないかいずれかである
   ことを特徴とする請求項１記載の電荷転送デバイス。
4. 【請求項４】 半導体基板と、 前記半導体基板の表面部に形成されたウェル領域に形成
   される光電変換領域と、 前記光電変換領域から生成された電荷を第１方向に転送
   する垂直電荷転送領域と、 前記垂直電荷転送領域から転送された電荷を第２方向に
   転送する水平電荷転送領域とを含み、 前記水平電荷転送領域の形成される部分のウェル領域は
   複数に分けられてそれぞれ分離して構成されることを特
   徴とする電荷転送デバイス。
5. 【請求項５】 前記水平電荷転送領域の下側に構成され
   る複数のウェル領域は、それぞれ形成幅が同じで、離隔
   距離が異なることを特徴とする請求項４記載の電荷転送
   デバイス。
6. 【請求項６】 前記水平電荷転送領域の下側に構成され
   る複数のウェル領域は、それぞれ形成幅が異なり、離隔
   距離が同じであることを特徴とする請求項４記載の電荷
   転送デバイス。
7. 【請求項７】 前記水平電荷転送領域の下側に構成され
   る複数のウェル領域は、それぞれ形成幅及び離隔距離が
   共に異なることを特徴とする請求項４記載の電荷転送デ
   バイス。