JP2005174965A - Charge transfer device and its fabricating process - Google Patents

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Kazuhisa Tajima
一久 田島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for simplifying the fabrication process of a charge transfer device. <P>SOLUTION: The charge transfer device 100 comprises a semiconductor substrate (not shown), a photoelectric conversion element (not shown) provided on the semiconductor substrate, and a charge transfer passage 120 provided on the semiconductor substrate and transferring charges generated in the photoelectric conversion element. The charge transfer passage 120 is shaped such that a wide part 120a and a narrow part 120b having different width in the in-plane direction of the semiconductor substrate are provided alternately along the charge transfer direction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電荷転送装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a charge transfer device and a method for manufacturing the same.

従来、ＣＣＤ（charge coupled device）等の電荷転送素子を含む電荷転送装置において、電荷転送路には、信号電荷と逆符号の不純物が高濃度に注入されることにより、障壁領域が形成されている（特許文献１）。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a charge transfer device including a charge transfer device such as a CCD (charge coupled device), a barrier region is formed in a charge transfer path by injecting an impurity having a sign opposite to that of a signal charge at a high concentration. (Patent Document 1).

図７および図８を参照してＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する。
図７（ａ）は、従来の電荷転送路２０の構成を示す上面図である。電荷転送路２０は、以下のようにして形成される。まず、信号転送路となるＮウェルを図中２０で示した領域全体に形成する。つづいて、転送ゲート電極１０を形成し、転送ゲート電極１０をマスクとして図中２０ｂで示した領域にボロン等の不純物を注入する。これにより、２０ｂで示した領域のポテンシャルが高くなり、電荷転送路２０に電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂが形成される。 The charge transfer mechanism in the CCD will be described with reference to FIGS.
FIG. 7A is a top view showing a configuration of a conventional charge transfer path 20. The charge transfer path 20 is formed as follows. First, an N well serving as a signal transfer path is formed in the entire region indicated by 20 in the figure. Subsequently, the transfer gate electrode 10 is formed, and an impurity such as boron is implanted into the region indicated by 20b in the figure using the transfer gate electrode 10 as a mask. As a result, the potential of the region indicated by 20 b is increased, and the charge accumulation region 20 a and the barrier region 20 b are formed in the charge transfer path 20.

図７（ｂ）は、電荷転送路２０の上に形成された転送ゲート電極１０および転送ゲート電極１１を示す。ここで、隣接する転送ゲート電極１０および転送ゲート電極１１は一対の電極として電気的に接続される。図７（ｃ）は、電荷転送路２０のポテンシャル電位を示す図である。   FIG. 7B shows the transfer gate electrode 10 and the transfer gate electrode 11 formed on the charge transfer path 20. Here, the adjacent transfer gate electrode 10 and transfer gate electrode 11 are electrically connected as a pair of electrodes. FIG. 7C is a diagram showing the potential potential of the charge transfer path 20.

図８（ａ）に示すように、転送ゲート電極１０ａおよび転送ゲート電極１１ａにより構成される一対の電極、およびこれに隣接する転送ゲート電極１０ｂおよび転送ゲート電極１１ｂにより構成される一対の電極にそれぞれ互いに１８０度位相がずれた信号電圧Φ１およびΦ２をそれぞれ印加する。   As shown in FIG. 8A, a pair of electrodes constituted by the transfer gate electrode 10a and the transfer gate electrode 11a, and a pair of electrodes constituted by the transfer gate electrode 10b and the transfer gate electrode 11b adjacent thereto are respectively provided. Signal voltages Φ1 and Φ2 that are 180 degrees out of phase with each other are applied.

図８（ｂ）は、このような信号電圧Φ１およびΦ２を印加したときの電荷転送路２０のポテンシャル電位を示す図である。図８（ｂ）の実線は、信号電圧Φ１がハイ（ＯＮ）、信号電圧Φ２がロー（ＯＦＦ）のときのポテンシャル電位を示し、破線は、信号電圧Φ１がロー、信号電圧Φ２がハイのときのポテンシャル電位を示す。   FIG. 8B is a diagram showing the potential potential of the charge transfer path 20 when such signal voltages Φ1 and Φ2 are applied. The solid line in FIG. 8B indicates the potential potential when the signal voltage Φ1 is high (ON) and the signal voltage Φ2 is low (OFF), and the broken line indicates when the signal voltage Φ1 is low and the signal voltage Φ2 is high. The potential potential of

図示したように、信号電圧Φ１をハイ、信号電圧Φ２をローとすると、ポテンシャル電位は実線で示したようになり、実線で囲んだ信号が矢印に従って図中左方向に移動する。つづいて、信号電圧Φ１をロー、信号電圧Φ２をハイとすると、ポテンシャル電位は破線で示したようになり、破線で囲んだ信号が矢印に従って図中左方向に移動する。このようにして、信号電荷は、図中左方向に順次転送される。
特開平２−３０３１３５号公報 As shown in the figure, when the signal voltage Φ1 is high and the signal voltage Φ2 is low, the potential potential is as shown by a solid line, and the signal surrounded by the solid line moves to the left in the figure according to the arrow. Subsequently, when the signal voltage Φ1 is low and the signal voltage Φ2 is high, the potential potential is as indicated by a broken line, and the signal surrounded by the broken line moves to the left in the figure according to the arrow. In this way, signal charges are sequentially transferred in the left direction in the figure.
JP-A-2-303135

従来の方法では、電荷転送路２０の電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂのポテンシャルの段差を各領域に注入するイオンの濃度差により形成していた。そのため、電荷転送のためのポテンシャルの段差が必要な部位毎にフォトリソグラフ工程およびイオン注入工程が必要となり、製造工程が長くなるという課題があった。また、イオン注入を複数回行うことによりポテンシャル電位を形成するため、注入ばらつきが生じやすいという課題もあった。   In the conventional method, the potential difference between the charge accumulation region 20a and the barrier region 20b of the charge transfer path 20 is formed by the concentration difference of ions implanted into each region. Therefore, there has been a problem that a photolithographic process and an ion implantation process are required for each portion where a potential step for charge transfer is required, resulting in a long manufacturing process. In addition, since the potential potential is formed by performing ion implantation a plurality of times, there is a problem in that implantation variation is likely to occur.

本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、電荷転送装置の製造工程を簡略化する技術を提供することにある。また、本発明の目的は、電荷転送装置を安定的に製造する技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for simplifying the manufacturing process of a charge transfer device. Another object of the present invention is to provide a technique for stably manufacturing a charge transfer device.

本発明によれば、半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換素子と、半導体基板に設けられ、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含み、半導体基板の面内方向において、電荷転送路は、電荷を転送する第一方向に対して実質的に垂直な第二方向の幅が異なる幅広部と幅狭部が第一方向に沿って交互に設けられた形状を有することを特徴とする電荷転送装置が提供される。   According to the present invention, the semiconductor substrate includes a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element provided on the semiconductor substrate, and a charge transfer path provided on the semiconductor substrate for transferring a charge generated by the photoelectric conversion element. In the direction, the charge transfer path has a shape in which wide portions and narrow portions having different widths in the second direction substantially perpendicular to the first direction in which charges are transferred are alternately provided along the first direction. A charge transfer device is provided.

電荷転送路の幅とは、電荷が転送される領域の物理的な幅である。光電変換素子は、たとえばフォトダイオードとすることができる。ここで、光電変換素子は、半導体基板上に、ライン状またはマトリクス状に規則的に配置される。光電変換素子は、光の照射を受けてその光を入射光量に比例した電荷に変換し、電荷を発生する。また、電荷転送路は、光電変換素子に並置される。電荷転送路は、幅寸法が異なる形状を一対として、電荷転送方向に沿って交互に設けられた形状を有する。光電変換素子に蓄積された電荷は、トランスファーゲートにより電荷転送路に転送される。   The width of the charge transfer path is the physical width of the region where charges are transferred. The photoelectric conversion element can be a photodiode, for example. Here, the photoelectric conversion elements are regularly arranged in a line shape or a matrix shape on the semiconductor substrate. The photoelectric conversion element receives light irradiation, converts the light into a charge proportional to the amount of incident light, and generates a charge. The charge transfer path is juxtaposed with the photoelectric conversion element. The charge transfer path has a shape in which a pair of shapes having different width dimensions is provided alternately along the charge transfer direction. The charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred to the charge transfer path by the transfer gate.

このように、幅広部に対して幅が狭い幅狭部を設けることにより、ナローチャネル効果により、幅狭部のポテンシャルを幅広部のポテンシャルより高くすることができる。これにより、一度のリソグラフ工程により、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく製造することができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を大幅に簡略化することができる。また、幅の差異により、ポテンシャル段差を規定することができるので、リソグラフ精度でポテンシャル段差のばらつきを管理することができる。これにより、ばらつきを低減することができ、電荷転送装置を精度よく作製することができる。   As described above, by providing the narrow portion having a narrow width with respect to the wide portion, the potential of the narrow portion can be made higher than the potential of the wide portion due to the narrow channel effect. Thus, a charge transfer path having a desired potential step can be accurately manufactured by a single lithographic process. Thereby, the manufacturing process of the charge transfer device can be greatly simplified. Further, since the potential step can be defined by the difference in width, the variation in potential step can be managed with lithographic accuracy. Thereby, variation can be reduced and a charge transfer device can be manufactured with high accuracy.

本発明の電荷転送装置において、幅広部は、当該幅広部に隣接して設けられた幅狭部に向かうにつれて第二方向の幅が徐々に狭まる形状に形成することができる。とくに、幅広部は、電荷転送方向側において当該幅広部に隣接して設けられた幅狭部に向かうにつれて徐々に幅が狭まる形状に形成することができる。   In the charge transfer device according to the present invention, the wide portion can be formed in a shape in which the width in the second direction gradually narrows toward the narrow portion provided adjacent to the wide portion. In particular, the wide portion can be formed in a shape that gradually decreases in width toward the narrow portion provided adjacent to the wide portion on the charge transfer direction side.

幅広部と幅狭部との間に、このように第二方向の幅が緩やかに変化する幅遷移部を設けることにより、幅の広い幅広部から幅の狭い幅狭部へ信号電荷が転送される際に、転送効率が低減することなく、転送時間を短縮することができ、電荷転送路全体における信号の転送をより良好にすることができる。   By providing a width transition portion in which the width in the second direction gradually changes in this manner between the wide portion and the narrow portion, signal charges are transferred from the wide wide portion to the narrow narrow portion. In this case, the transfer time can be shortened without reducing the transfer efficiency, and the signal transfer in the entire charge transfer path can be made better.

本発明の電荷転送装置において、電荷転送路は、複数の幅狭部が、互いに間隔を隔てて第一方向に沿って並行して配置された形状を有することができる。言い換えると、これら複数の幅狭部は、第二方向に配設された構成を有する。   In the charge transfer device of the present invention, the charge transfer path may have a shape in which a plurality of narrow portions are arranged in parallel along the first direction at intervals. In other words, the plurality of narrow portions have a configuration arranged in the second direction.

このような構成とすることにより、隣接する幅広部から転送された信号電荷を複数の幅狭部を介して次の幅広部に転送することができるので、幅狭部における電荷転送効率を低減することがなく、電荷転送路全体における信号の転送をより良好にすることができる。   By adopting such a configuration, the signal charge transferred from the adjacent wide portion can be transferred to the next wide portion through the plurality of narrow portions, so that the charge transfer efficiency in the narrow portion is reduced. Thus, the signal transfer in the entire charge transfer path can be improved.

本発明の電荷転送装置は、一の幅広部の上部と、当該幅広部に隣接する一の幅狭部の上部とにわたって一体に形成された電荷転送電極をさらに含むことができる。本発明においては、一度のリソグラフ工程およびイオン注入工程により電荷転送路を形成することができるので、幅広部および幅狭部上に一度に電荷転送電極を設けることができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を簡易にすることができる。   The charge transfer device of the present invention may further include a charge transfer electrode formed integrally over the upper portion of the one wide portion and the upper portion of the one narrow portion adjacent to the wide portion. In the present invention, since the charge transfer path can be formed by a single lithographic process and ion implantation process, the charge transfer electrodes can be provided at once on the wide and narrow portions. Thereby, the manufacturing process of the charge transfer device can be simplified.

本発明によれば、半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換素子と、半導体基板に設けられ、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含み、電荷転送路は、半導体基板の面内方向における幅を異ならせることにより、電気的ポテンシャルの差異が生じるように構成されたことを特徴とする電荷転送装置が提供される。電荷転送路は、２値以上の幅寸法を形成することにより、電荷転送路内にその幅寸法により規定された電気的ポテンシャル値を形成する構造を有する。   According to the present invention, a semiconductor substrate, a photoelectric conversion element provided on the semiconductor substrate, and a charge transfer path provided on the semiconductor substrate for transferring charges generated by the photoelectric conversion element, the charge transfer path is There is provided a charge transfer device characterized in that a difference in electrical potential is generated by varying the width in the in-plane direction of a semiconductor substrate. The charge transfer path has a structure in which an electric potential value defined by the width dimension is formed in the charge transfer path by forming a width dimension of two or more values.

本発明によれば、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含む電荷転送装置の製造方法であって、幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられたマスクを用いて半導体基板に不純物を注入する工程を含み、半導体基板の面内方向において不純物が注入された領域の幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられた形状の電荷転送路を形成することを特徴とする電荷転送装置の製造方法が提供される。ここで、電荷転送路は、一度のイオン注入により形成することができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を大幅に短縮することができる。   According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a charge transfer device including a photoelectric conversion element and a charge transfer path for transferring charges generated in the photoelectric conversion element, wherein wide portions and narrow portions having different widths are alternately arranged. A charge having a shape in which a wide portion and a narrow portion having different widths in regions in which impurities are implanted in an in-plane direction of the semiconductor substrate are alternately provided, including a step of implanting impurities into the semiconductor substrate using a provided mask There is provided a method of manufacturing a charge transfer device characterized by forming a transfer path. Here, the charge transfer path can be formed by one ion implantation. Thereby, the manufacturing process of the charge transfer device can be greatly shortened.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of the above-described components, and a conversion of the expression of the present invention between a method and an apparatus are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、電荷転送装置の製造工程を簡略化することができる。また、本発明によれば、電荷転送装置を安定的に製造することができる。   According to the present invention, the manufacturing process of the charge transfer device can be simplified. Further, according to the present invention, the charge transfer device can be stably manufactured.

図１は、本発明の実施の形態における電荷転送装置１００の構成を示す断面図である。
本実施の形態において、電荷転送装置１００は、２相駆動のＣＣＤ等のリニアイメージセンサである。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a charge transfer device 100 according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the charge transfer device 100 is a linear image sensor such as a two-phase drive CCD.

電荷転送装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に設けられたＰウェル１０２と、Ｐ＋領域１０４と、電荷転送路１２０と、フォトダイオード１２２と、Ｐ＋領域１０４に設けられた素子分離領域１０６と、ゲート酸化膜１０８と、転送ゲート電極１１０と、トランスファーゲート１１１と、第一の層間絶縁膜１１２と、第一の金属配線層１１４と、第二の層間絶縁膜１１６と、第二の金属配線１１８とを有する。ここで、半導体基板１００はＮ型である。また、第二の層間絶縁膜１１６は、たとえばプラズマＣＶＤにより形成される。第二の金属配線１１８は、遮光膜として機能する。フォトダイオード１２２に蓄積された電荷は、トランスファーゲート１１１を介して電荷転送路１２０に転送される。 The charge transfer device 100 includes a semiconductor substrate 101, a P well 102 provided in the semiconductor substrate 101, a P + region 104, a charge transfer path 120, a photodiode 122, and an element isolation provided in the P + region 104. Region 106, gate oxide film 108, transfer gate electrode 110, transfer gate 111, first interlayer insulating film 112, first metal wiring layer 114, second interlayer insulating film 116, second Metal wiring 118. Here, the semiconductor substrate 100 is N-type. The second interlayer insulating film 116 is formed by, for example, plasma CVD. The second metal wiring 118 functions as a light shielding film. The charges accumulated in the photodiode 122 are transferred to the charge transfer path 120 via the transfer gate 111.

図２は、図１に示した電荷転送路１２０および転送ゲート電極１１０を示す図である。
図２（ａ）は、電荷転送路１２０の形状を示す上面図である。図１は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図に該当する。 FIG. 2 is a diagram showing the charge transfer path 120 and the transfer gate electrode 110 shown in FIG.
FIG. 2A is a top view showing the shape of the charge transfer path 120. FIG. 1 corresponds to the AA ′ cross-sectional view of FIG.

本実施の形態において、電荷転送路１２０は、半導体基板１０１の面内方向における幅が異なる幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂとを有する。ここで、電荷転送路１２０は、半導体基板１０１にリン等のｎ型不純物をイオン注入することにより形成されるが、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂには、同型のｎ型不純物が注入される。幅広部１２０ａの幅Ｌ１に対し、幅狭部１２０ｂの幅Ｌ２を狭くすると、ナローチャネル効果により、幅狭部１２０ｂのポテンシャルが高くなるという現象が生じる。幅広部１２０ａの幅Ｌ１に対する幅狭部１２０ｂの幅Ｌ２は、目的のポテンシャル段差が得られる寸法を予め実験により求め、設計段階へフィ−ドバックすることにより決定することができる。 In the present embodiment, the charge transfer path 120 includes a wide portion 120 a and a narrow portion 120 b that have different widths in the in-plane direction of the semiconductor substrate 101. Here, the charge transfer path 120 is formed by ion-implanting an n-type impurity such as phosphorus into the semiconductor substrate 101, and the same type n-type impurity is implanted into the wide portion 120a and the narrow portion 120b. . To the width L 1 of the wide portion 120a, when narrowing the width L 2 of the narrow portion 120b, the narrow channel effect, a phenomenon that the potential of the narrow portion 120b becomes higher occurs. Width L 2 of the narrow portion 120b to the width L 1 of the wide portion 120a is determined by experiment dimensions potential level difference of interest is obtained, Fi to the design stage - may be determined by Dobakku.

電荷転送路１２０の幅広部１２０ａおよび幅狭部１２０ｂは、従来のフォトリソグラフ技術により形成することができる。本実施の形態において、目的のポテンシャル段差が得られる寸法を予め実験により求め、そのようなパターンを有するマスクを用いて電荷転送路１２０を形成することにより、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく安定的に製造することができる。このように、本実施の形態における電荷転送路１２０は、マスクパターンの形状のみで電荷転送路１２０の電荷蓄積領域と障壁領域のポテンシャル段差を設定することができる。そのため、従来の複数回のイオン注入で決定していたポテンシャル電位を１回のイオン注入とリソグラフパターンの精度で決定することができ、不純物の注入時の注入濃度のばらつきの影響を低減することができる。これにより、電荷転送装置の精度を高めることができる。   The wide portion 120a and the narrow portion 120b of the charge transfer path 120 can be formed by a conventional photolithography technique. In the present embodiment, a dimension capable of obtaining a target potential step is experimentally obtained in advance, and a charge transfer path 120 having a desired potential step is formed by forming the charge transfer path 120 using a mask having such a pattern. It can be manufactured accurately and stably. Thus, the charge transfer path 120 in the present embodiment can set the potential step between the charge accumulation region and the barrier region of the charge transfer path 120 only by the shape of the mask pattern. Therefore, the potential potential determined by a plurality of conventional ion implantations can be determined by the accuracy of one ion implantation and a lithographic pattern, and the influence of variation in implantation concentration at the time of impurity implantation can be reduced. it can. Thereby, the accuracy of the charge transfer device can be increased.

図２（ｂ）は、電荷転送路１２０上に設けられた転送ゲート電極１１０と電荷転送路１２０との関係を示す図である。ここで、転送ゲート電極１１０は、ひとつの幅広部１２０ａの上部とその幅広部１２０ａに隣接する幅狭部１２０ｂの上部とにわたって一体に設けられる。従来、図７に示したように、不純物の濃度差により電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂを形成していたため、信号転送路を形成した後、電荷蓄積領域２０ａ上に転送ゲート電極１０を形成し、転送ゲート電極１０をマスクとして再度逆型のイオンを注入して障壁領域２０ｂを形成する必要があった。そのため、電荷蓄積領域２０ａの上部と障壁領域２０ｂの上部に転送ゲート電極を別々に設ける必要があった。そのため、これらの転送ゲート電極間を電気的に絶縁する絶縁膜を介して接続するための転送電極間コンタクトを形成する必要もあった。本実施の形態において、転送ゲート電極をマスクとしたイオン注入を行う必要がないため、転送ゲート電極１１０を一体に形成することができ、電荷転送装置１００の製造工程を大幅に削減することができる。また、幅を異ならせることによりポテンシャル電位を規定するため、リソグラフィ精度によりポテンシャル段差を設定することができる。これにより、ばらつきを抑えて精度よく所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を製造することができる。   FIG. 2B is a diagram showing the relationship between the transfer gate electrode 110 provided on the charge transfer path 120 and the charge transfer path 120. Here, the transfer gate electrode 110 is integrally provided over the upper part of one wide part 120a and the upper part of the narrow part 120b adjacent to the wide part 120a. Conventionally, as shown in FIG. 7, since the charge accumulation region 20a and the barrier region 20b are formed by the impurity concentration difference, the transfer gate electrode 10 is formed on the charge accumulation region 20a after forming the signal transfer path. The barrier region 20b must be formed by implanting reverse ions again using the transfer gate electrode 10 as a mask. Therefore, it is necessary to separately provide transfer gate electrodes above the charge storage region 20a and above the barrier region 20b. Therefore, it is also necessary to form a contact between transfer electrodes for connecting these transfer gate electrodes via an insulating film that electrically insulates. In this embodiment, since it is not necessary to perform ion implantation using the transfer gate electrode as a mask, the transfer gate electrode 110 can be integrally formed, and the manufacturing process of the charge transfer device 100 can be greatly reduced. . Further, since the potential potential is defined by varying the width, the potential step can be set with lithography accuracy. Thereby, it is possible to manufacture a charge transfer path having a desired potential step with high accuracy while suppressing variations.

図２（ｃ）は、電荷転送路１２０のポテンシャル電位を示す図である。電荷転送路１２０の幅狭部１２０ｂは幅広部１２０ａよりも高いポテンシャル電位を有する。このように、電荷転送路１２０にチャネル幅の異なる幅広部１２０ａおよび幅狭部１２０ｂを設けることにより、これらをそれぞれ電荷蓄積領域および障壁領域とすることができる。   FIG. 2C is a diagram showing the potential potential of the charge transfer path 120. The narrow portion 120b of the charge transfer path 120 has a higher potential potential than the wide portion 120a. In this way, by providing the charge transfer path 120 with the wide portion 120a and the narrow portion 120b having different channel widths, these can be used as a charge accumulation region and a barrier region, respectively.

図３は、電荷転送路１２０における電荷転送のメカニズムを示す図である。
図３（ａ）は、図２に示したように構成された電荷転送路１２０および転送ゲート電極１１０において、隣接する第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂに互いに１８０度位相がずれた信号電圧Φ１およびΦ２をそれぞれ印加する様子を示す。 FIG. 3 is a diagram showing a charge transfer mechanism in the charge transfer path 120.
FIG. 3A shows the charge transfer path 120 and the transfer gate electrode 110 configured as shown in FIG. 2 in which the adjacent first transfer gate electrode 110a and second transfer gate electrode 110b are 180 degrees out of phase with each other. A state in which the signal voltages Φ1 and Φ2 that are shifted from each other is applied is shown.

図３（ｂ）は、第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂに電圧が印加されたときの信号の移動状態を示す図である。図３（ｂ）の実線は、信号電圧Φ１がハイ、信号電圧Φ２がローのときのポテンシャル電位を示し、破線は、信号電圧Φ１がロー、信号電圧Φ２がハイのときのポテンシャル電位を示す。   FIG. 3B is a diagram illustrating a signal movement state when a voltage is applied to the first transfer gate electrode 110a and the second transfer gate electrode 110b. The solid line in FIG. 3B indicates the potential potential when the signal voltage Φ1 is high and the signal voltage Φ2 is low, and the broken line indicates the potential potential when the signal voltage Φ1 is low and the signal voltage Φ2 is high.

図示したように、信号電圧Φ１をハイ、信号電圧Φ２をローとすると、ポテンシャル電位は実線で示したようになり、ａの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｂの位置に移動する。つづいて、信号電圧Φ１をロー、信号電圧Φ２をハイとすると、ポテンシャル電位は破線で示したようになり、ｂの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｃの位置に移動する。このようにして、信号電荷は、図中左方向に順次転送される。   As shown in the figure, when the signal voltage Φ1 is high and the signal voltage Φ2 is low, the potential potential is as shown by a solid line, and the signal charge at the position a moves to the position b according to the arrow. Subsequently, when the signal voltage Φ1 is low and the signal voltage Φ2 is high, the potential potential is as shown by a broken line, and the signal charge at the position b moves to the position c according to the arrow. In this way, signal charges are sequentially transferred in the left direction in the figure.

以上のように、本実施の形態における電荷転送装置は、一度のフォトリソグラフ工程のみで電荷転送路１２０の電荷蓄積領域および障壁領域を形成することができる。このため、不純物注入時のばらつきを低減することができる。   As described above, the charge transfer device according to the present embodiment can form the charge accumulation region and the barrier region of the charge transfer path 120 by only one photolithography process. For this reason, the dispersion | variation at the time of impurity implantation can be reduced.

図４は、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂの形状の他の例を示す図である。
図４（ａ）に示したように、幅広部１２０ａは、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に進むにつれて幅が徐々に狭くなるような曲面を有する形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。 FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the shapes of the wide portion 120a and the narrow portion 120b.
As shown in FIG. 4A, the wide portion 120a has a curved surface that gradually decreases in width as it proceeds in the charge transfer direction between the wide portion 120a and the narrow portion 120b ahead of the signal transfer direction. Can be formed. In this way, when the signal charge is transferred from the wide part 120a having a large width to the narrow part 120b having a narrow width, the signal transfer in the entire charge transfer path 120 is not reduced without reducing the signal charge transfer efficiency. Can be improved.

また、幅広部１２０ａは、信号転送方向の手前にある幅狭部１２０ｂとの間において、信号転送方向に進むにつれて幅が徐々に広くなるような形状とすることができる。このようにすることによって、電荷転送路１２０における信号の転送をより良好にすることができる。ここで、幅狭部１２０ｂの電荷転送方向における長さｃは、ポテンシャルバリアの高さを確保するのに必要最低限の幅とすることができる。幅狭部１２０ｂの長さｃをできるだけ短くすることにより、幅狭部１２０ｂの配線抵抗を低く抑えることができる。   In addition, the wide portion 120a can be shaped so that the width gradually increases with the progress in the signal transfer direction between the wide portion 120a and the narrow portion 120b in front of the signal transfer direction. By doing so, signal transfer in the charge transfer path 120 can be made better. Here, the length c of the narrow portion 120b in the charge transfer direction can be set to a minimum width necessary for securing the height of the potential barrier. By making the length c of the narrow portion 120b as short as possible, the wiring resistance of the narrow portion 120b can be kept low.

また、幅広部１２０ａは、図４（ｂ）に示したような形状とすることもできる。ここでも、幅広部１２０ａは、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に進むにつれて幅が徐々に狭くなる曲面を有する形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。   Moreover, the wide part 120a can also be made into the shape as shown in FIG.4 (b). Here too, the wide portion 120a can be formed in a shape having a curved surface whose width gradually narrows as it proceeds in the charge transfer direction with the narrow portion 120b ahead of the signal transfer direction. In this way, when the signal charge is transferred from the wide part 120a having a large width to the narrow part 120b having a narrow width, the signal transfer in the entire charge transfer path 120 is not reduced without reducing the signal charge transfer efficiency. Can be improved.

また、幅広部１２０ａは、信号転送方向の手前にある幅狭部１２０ｂとの間において、信号転送方向に進むにつれて、幅が徐々に広くなるようなテーパ形状とすることができる。このようにすることによって、電荷転送路１２０における信号の転送をより良好にすることができる。   In addition, the wide portion 120a can have a tapered shape such that the width gradually increases with the progress in the signal transfer direction between the wide portion 120a and the narrow portion 120b in front of the signal transfer direction. By doing so, signal transfer in the charge transfer path 120 can be made better.

さらに、幅広部１２０ａは、図４（ｃ）に示すように、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるテーパ形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。   Further, as shown in FIG. 4C, the wide portion 120a is formed in a taper shape with the width gradually narrowing toward the charge transfer direction between the wide portion 120a and the narrow portion 120b ahead of the signal transfer direction. be able to. In this way, when the signal charge is transferred from the wide part 120a having a large width to the narrow part 120b having a narrow width, the signal transfer in the entire charge transfer path 120 is not reduced without reducing the signal charge transfer efficiency. Can be improved.

図５は、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂの形状のまた他の例を示す図である。
ここでは、幅狭部１２０ｂは、不純物が注入された領域の中に、不純物が注入されていない領域１３０を島状に設けることにより形成される。このような領域１３０は、電荷転送路１２０に不純物をイオン注入する際に、この領域に不純物がイオン注入されないようなマスクパターンを用いることにより、工程を増やすことなく形成することができる。これにより、幅狭部１２０ｂにおける幅は幅広部１２０ａにおける幅よりも狭くなり、図２（ａ）や図４に示した例と同様に、幅狭部１２０ｂのポテンシャルを幅広部１２０ａよりも高くすることができる。このようにすれば、複数の幅狭部１２０ｂが間隔を隔てて信号転送方向に並行して設けられた構成とすることができ、幅狭部１２０ｂの本数を増やすことができるので、幅狭部１２０ｂにおける電気抵抗を低く抑えることができ、電荷転送効率を向上することができる。 FIG. 5 is a diagram showing still another example of the shapes of the wide portion 120a and the narrow portion 120b.
Here, the narrow portion 120b is formed by providing, in an island shape, a region 130 where impurities are not implanted in a region where impurities are implanted. Such a region 130 can be formed without increasing the number of steps by using a mask pattern in which impurities are not ion-implanted into the charge transfer path 120 when the ions are implanted into the charge transfer path 120. As a result, the width of the narrow portion 120b is narrower than the width of the wide portion 120a, and the potential of the narrow portion 120b is made higher than that of the wide portion 120a, as in the example shown in FIGS. be able to. In this way, a plurality of narrow portions 120b can be provided in parallel in the signal transfer direction at intervals, and the number of narrow portions 120b can be increased. The electrical resistance at 120b can be kept low, and the charge transfer efficiency can be improved.

図６は、図２および図５に示した電荷転送路１２０の断面図およびそのときのポテンシャル形状を示す図である。
図６（ａ）は、図２のＡ−Ａ’断面図である。なお、図５のＣ−Ｃ’断面図も図６（ａ）と同様になる。図６（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ’断面図である。図６（ｃ）は、図５のＤ−Ｄ’断面図である。 FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge transfer path 120 shown in FIGS. 2 and 5 and a diagram showing a potential shape at that time.
FIG. 6A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 5 is the same as that shown in FIG. 6A. FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. FIG.6 (c) is DD 'sectional drawing of FIG.

なお、以上の実施の形態で説明した電荷転送路１２０の形状は一例であり、電荷転送路１２０は、種々の形状とすることができる。
また、図５に示した例では、領域１３０に不純物を注入しないとして説明したが、たとえば幅広部１２０ａにｎ型不純物を注入し、ｐ型不純物を領域１３０に注入する等、領域１３０は、他の領域と異なる導電型とすることもできる。このようにした場合も、電荷転送路１２０の幅を適宜制御することにより、目的のポテンシャル段差を設計することができる。これにより、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく製造することができる。 Note that the shape of the charge transfer path 120 described in the above embodiment is an example, and the charge transfer path 120 can have various shapes.
In the example shown in FIG. 5, the description has been made on the assumption that no impurity is implanted into the region 130. The conductivity type may be different from that of the region. Even in this case, the target potential step can be designed by appropriately controlling the width of the charge transfer path 120. Thereby, a charge transfer path having a desired potential step can be manufactured with high accuracy.

本発明の実施の形態における電荷転送装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the charge transfer apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電荷転送装置の電荷転送路を示す図である。It is a figure which shows the charge transfer path of the charge transfer apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電荷転送路の電荷転送のメカニズムを示す図である。It is a figure which shows the mechanism of the charge transfer of the charge transfer path in embodiment of this invention. 電荷転送路の形状の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the shape of a charge transfer path. 電荷転送路の形状のまた他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the shape of a charge transfer path. 図２および図５に示した電荷転送路の断面図およびそのポテンシャル形状を示す図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the charge transfer path illustrated in FIGS. 2 and 5 and a diagram illustrating a potential shape thereof. ＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of the charge transfer in CCD. ＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of the charge transfer in CCD.

符号の説明Explanation of symbols

１００ 電荷転送装置
１０１ 半導体基板
１０２ Ｐウェル
１０４ Ｐ＋領域
１０６ 素子分離領域
１０８ ゲート酸化膜
１１０ 転送ゲート電極
１１１ トランスファーゲート
１１２ 第一の層間絶縁膜
１１４ 第一の金属配線層
１１６ 第二の層間絶縁膜
１１８ 第二の金属配線
１２０ 電荷転送路
１２２ フォトダイオード
１２０ａ 幅広部
１２０ｂ 幅狭部
１２４ シリコン酸化膜
１３０ 不純物が注入されていない領域

100 charge transfer device 101 semiconductor substrate 102 P well 104 P + region 106 element isolation region 108 gate oxide film 110 transfer gate electrode 111 transfer gate 112 first interlayer insulating film 114 first metal wiring layer 116 second interlayer insulating film 118 Second metal wiring 120 Charge transfer path 122 Photodiode 120a Wide portion 120b Narrow portion 124 Silicon oxide film 130 Region in which no impurity is implanted

Claims (6)

半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、
を含み、
前記半導体基板の面内方向において、前記電荷転送路は、前記電荷を転送する第一方向に対して実質的に垂直な第二方向の幅が異なる幅広部と幅狭部が前記第一方向に沿って交互に設けられた形状を有することを特徴とする電荷転送装置。 A semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element provided on the semiconductor substrate;
A charge transfer path provided on the semiconductor substrate for transferring charges generated by the photoelectric conversion element;
Including
In the in-plane direction of the semiconductor substrate, the charge transfer path has a wide portion and a narrow portion having different widths in a second direction substantially perpendicular to the first direction for transferring the charge in the first direction. A charge transfer device having a shape alternately provided along the same. 請求項１に記載の電荷転送装置において、
前記幅広部は、当該幅広部に隣接して設けられた前記幅狭部に向かうにつれて前記第二方向の幅が徐々に狭まる形状に形成されたことを特徴とする電荷転送装置。 The charge transfer device according to claim 1,
The charge transfer device according to claim 1, wherein the wide portion is formed in a shape in which the width in the second direction gradually decreases toward the narrow portion provided adjacent to the wide portion. 請求項１または２に記載の電荷転送装置において、
前記電荷転送路は、複数の前記幅狭部が、互いに間隔を隔てて前記第一方向に沿って並行して配置された形状を有することを特徴とする電荷転送装置。 The charge transfer device according to claim 1 or 2,
The charge transfer device, wherein the charge transfer path has a shape in which a plurality of the narrow portions are arranged in parallel along the first direction at intervals. 請求項１乃至３いずれかに記載の電荷転送装置において、
ひとつの前記幅広部の上部と、当該幅広部に隣接するひとつの前記幅狭部の上部とにわたって一体に形成された電荷転送電極をさらに含むことを特徴とする電荷転送装置。 The charge transfer device according to any one of claims 1 to 3,
The charge transfer device further comprising: a charge transfer electrode formed integrally over an upper part of the one wide part and an upper part of the one narrow part adjacent to the wide part. 半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、
を含み、
前記電荷転送路は、前記半導体基板の面内方向における幅を異ならせることにより、電気的ポテンシャルの差異が生じるように構成されたことを特徴とする電荷転送装置。 A semiconductor substrate;
A photoelectric conversion element provided on the semiconductor substrate;
A charge transfer path provided on the semiconductor substrate for transferring charges generated by the photoelectric conversion element;
Including
The charge transfer device according to claim 1, wherein the charge transfer path is configured such that a difference in electrical potential is generated by varying a width in an in-plane direction of the semiconductor substrate. 光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含む電荷転送装置の製造方法であって、
幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられたマスクを用いて半導体基板に不純物を注入する工程を含み、前記半導体基板の面内方向において前記不純物が注入された領域の幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられた形状の前記電荷転送路を形成することを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
A charge transfer device manufacturing method including a photoelectric conversion element and a charge transfer path for transferring charges generated in the photoelectric conversion element,
Including a step of implanting impurities into the semiconductor substrate using a mask in which wide portions and narrow portions having different widths are alternately provided, and the width of the region into which the impurities are implanted differs in the in-plane direction of the semiconductor substrate. Forming the charge transfer path having a shape in which a portion and a narrow portion are alternately provided.
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