JP2008193050A - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】列方向の間引きをするための電荷排出部の構造に着目して、レイアウトを簡単化し、品質の向上を図ることを可能とする。
【解決手段】行列状に光電変換部１１が配列されたセンサ部１２と、前記センサ部１２から読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部１４と、前記垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部１５と、前記垂直電荷転送部１４から前記水平電荷転送部１５への信号電荷の転送を列単位で選択的に阻止しかつその信号電荷を排出する電荷排出部１８とを備え、前記電荷排出部１８は前記水平電荷転送部１５側の前記センサ部１２に形成され、前記センサ部１２より濃度が高い高濃度領域４２を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置および撮像装置に関する。

デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）における列方向の間引き方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、列方向を間引くために電荷排出部に専用のゲート電極を設けかつ信号電荷を排出するためのドレイン電圧を印加する必要がある。近年、ＤＳＣは多画素に伴う微細化、および信号電荷の間引きや信号加算等の多機能化により、配線パターンを密にさせている。そのため、レイアウトが難しくなっている。また、前記の電荷排出部用ゲートを設けること、およびドレイン電圧を印加することで、さらにレイアウトを煩雑化させている。このことが、品質劣化の一要因となる、もしくはレイアウト工数を増大させる恐れがある。さらに、前記電荷排出部のゲートおよびドレインに、信号およびＤＣバイアスを外部から加える必要があることから、そのためのパッドを設けることが必要となる。このことが、チップサイズを拡大させ、理収を低下させることの原因となっていた。

また、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間に電荷排出部を備えた固体撮像素子が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この固体撮像素子によれば、垂直電荷転送部の電極構造が２層構造となっているため、配線の引き回しが非常に煩雑化する。このことが、レイアウト工数の増大になると共に、品質劣化の要因になり得る。

また、電荷排出部に隣接するオーバーフローバリアの形状が長方形で電荷排出部の左右にあるのみであるため、オーバーフローバリアを形成する際に用いるレジストマスクのできあがり形状が、角部が丸くなってしまい、そのレジストマスクを用いて形成されたオーバーフローバリアは、その機能が低下する恐れがある。また、水平電荷転送部のゲート長（Ｌ）が水平方向のユニットセルサイズの１／２となることで水平取り扱い電荷量が少なくなる。それを補うためにはゲート幅（Ｗ）方向を長くする必要がある。このことが、チップサイズの増大に繋がる。さらに、垂直信号電荷を蓄積加算する電荷蓄積部がないため、列方向の垂直信号電荷を蓄積加算することができない。

特開２００１−２３８１３４号公報 特開２００１−５３２６７号公報

解決しようとする問題点は、多画素に伴う微細化、および信号電荷の間引きや信号加算等の多機能化により、配線パターンを密にさせている。そのため、レイアウトが難しくなっている。垂直電荷転送部の電極構造が２層構造となっているため、配線の引き回しが非常に煩雑化する。このことが、レイアウト工数の増大になると共に、品質劣化の要因になり得る。

本発明は、列方向の間引きをするための電荷排出部の構造に着目して、レイアウトを簡単化し、理収の向上、品質の向上を図ることを課題とする。

請求項１に係る本発明は、行列状に光電変換部が配列されたセンサ部と、前記センサ部から読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から前記水平電荷転送部へ転送される信号電荷を列単位で選択的に阻止したその信号電荷を排出する電荷排出部とを備え、前記電荷排出部は前記水平電荷転送部側の前記センサ部に形成され、前記センサ部より濃度が高い高濃度領域を有することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、電荷排出部が水平電荷転送部側のセンサ部に形成され、センサ部より濃度が高い高濃度領域を有することから、固体撮像装置の列方向間引きを行うことができ、チップサイズを拡大することなく、電荷排出部を備えることができる。また、電荷排出に必要なゲート電極およびドレイン端子を別に設ける必要がない。

請求項１６に係る本発明は、入射光を集光する集光光学部と、前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、前記固体撮像装置は、行列状に光電変換部が配列されたセンサ部と、前記センサ部から読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から前記水平電荷転送部へ転送される信号電荷を列単位で選択的に阻止したその信号電荷を排出する電荷排出部とを備え、前記電荷排出部は前記水平電荷転送部側の前記センサ部に形成され、前記センサ部より濃度が高い高濃度領域を有することを特徴とする。

請求項１６に係る本発明では、固体撮像装置のチップサイズを拡大することなく、電荷排出に必要なゲート電極およびドレイン端子を別に設ける必要がないのでレイアウトが簡単になる電荷排出部を備えた本発明の固体撮像装置を備えたことから、列方向間引きが行える。

請求項１に係る本発明によれば、チップサイズを拡大する必要がないので、理収を高めることができる。また、別途にゲート電極やドレイン端子を設ける必要がないので、レイアウトの煩雑さやレイアウト工数の増大を抑え、それに伴う品質劣化を抑え、品質の向上を図ることができるという利点がある。

請求項１６に係る本発明によれば、本願発明の固体撮像素子を備えていることから、固体撮像装置の品質が向上されるため、撮像装置の撮像画質を向上させることができるという利点がある。

請求項１に係る本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第１実施例）を、図１の平面レイアウト図、図２のＡ−Ａ’線断面図、図３のＢ−Ｂ’線断面図、図４のポテンシャル図、図５の電荷転送の動作イメージ図によって説明する。

図１に示すように、固体撮像装置１は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１１が行列状に配列されたセンサ部１２を有している。また、このセンサ部１２から読み出しゲート部１３により読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部１４が設けられている。

上記垂直電荷転送部１４端には、各垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部１５が設けられている。この水平電荷転送部１５には水平電荷転送ゲート（図示せず）を有する。この水平電荷転送部１５の出力端には出力部１６が設けられている。また、上記垂直電荷転送部１４から上記水平電荷転送部１５への信号電荷の転送を列単位で選択的に阻止するホールドゲート部１７を有する。このホールドゲート部１７の前段、すなわち、従来構造では上記水平電荷転送部１５側の上記光電変換部が形成される位置に、上記ホールドゲート部１７で阻止された信号電荷を排出する電荷排出部１８が形成されている。すなわち、電荷排出部１８は、センサ部１２の光電変換部１１の一つを利用して形成されている。上記電荷排出部１８は、上記センサ部１２の光電変換部１１よりも濃度が高い高濃度領域（図２参照）を有する。

また、上記光電変換部１１と垂直電荷転送部１４の垂直方向の各列毎に電気的に分離するチャネルストップ領域１９が形成されている。

次に、上記固体撮像装置１の断面構造を図２および図３によって説明する。

図２に示す断面構造は、上記電荷排出部１８を含む領域の断面構造であり、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）にＰ型ウエル領域３２が形成され、そのＰ型ウエル領域３２に、センサ部１２の光電変換部１１が形成されている。この光電変換部１１の一方側には、読み出しゲート部１３、垂直電荷転送部１４、チャネルストップ領域１９が形成され、さらに隣接する光電変換部１１が形成されている。他方側にもチャネルストップ領域１９が形成されている。

上記電荷排出部１８は、従来の固体撮像装置では光電変換部が形成される領域であり、Ｎ型不純物領域４１と、その上部に形成されたＮ型不純物領域４１よりも高濃度でＮ型の高濃度領域４２、Ｐ型正孔蓄積領域４３とから構成されている。

また、上記垂直電荷転送部１４は、上記Ｐ型ウエル領域３２よりも高濃度の第２Ｐ型ウエル領域４５と、この第２Ｐ型ウエル領域４５の上部に形成されたＮ型転送チャネル４６とで構成されている。また、Ｎ型転送チャネル４６上にはゲート絶縁膜５１を介して電極５２が形成されている。この電極５２は、垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる。

また、上記電極５２を被覆するように絶縁膜５３が形成され、さらに遮光膜５４が形成されている。上記遮光膜５４は、例えばタングステン、アルミニウム等の金属膜で形成されている。この遮光膜５４にはセンサ部１２の光電変換部１１上に開口部５５が形成されている。さらにパッシベーション膜５６、平坦化膜５７で被覆され、上記平坦化膜５７上にカラーフィルター層６１が形成されている。そして、入射光が効率よく光電変換部１１に集光するように、上記カラーフィルター層６１上に集光レンズ６５が設けられている。

一方、センサ部１２の光電変換部１１は、図３に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）にＰ型ウエル領域３２が形成され、そのＰ型ウエル領域３２に、センサ部１２の光電変換部１１が形成されている。この光電変換部１１の一方側には、読み出しゲート部１３、垂直電荷転送部１４、チャネルストップ領域１９が形成され、さらに隣接する光電変換部１１が形成されている。他方側にもチャネルストップ領域１９が形成されている。

上記光電変換部１１は、Ｎ型不純物領域４１と、その上部に形成されたＰ型正孔蓄積領域４３とから構成されている。

また、上記垂直電荷転送部１４は、上記Ｐ型ウエル領域３２よりも高濃度の第２Ｐ型ウエル領域４５と、この第２Ｐ型ウエル領域４５の上部に形成されたＮ型転送チャネル４６とで構成されている。また、Ｎ型転送チャネル４６上にはゲート絶縁膜５１を介して電極５２が形成されている。この電極５２は、垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる。

また、上記電極５２を被覆するように絶縁膜５３が形成され、さらに遮光膜５４が形成されている。上記遮光膜５４は、例えばタングステン、アルミニウム等の金属膜で形成されている。この遮光膜５４にはセンサ部１２の光電変換部１１上に開口部５５が形成されている。さらにパッシベーション膜５６、平坦化膜５７で被覆され、上記平坦化膜５７上にカラーフィルター層６１が形成されている。そして、入射光が効率よく光電変換部１１に集光するように、上記カラーフィルター層６１上に集光レンズ６５が設けられている。

上記固体撮像装置１では、上記ホールドゲート部１７をＬｏｗレベルとすることで、信号電荷の転送が阻止され、上記電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷が所定量を越えると、上記電荷排出部１８に排出され、また電荷排出部１８において信号電荷が所定量を越えると、オーバフローが行われるＰ型ウエル領域３２（オーバーフローバリア）を通って基板１０側に排出される。このときの上記電荷排出部１８、上記ホールドゲート部１７、上記電荷排出部１８の前段のＬｏｗレベルゲート（読み出しゲート）およびオーバーフローバリアそれぞれのポテンシャルの関係を、図４によって説明する。

図４では、電荷排出部１８のポテンシャル（実線で示した）と、この電荷排出部１８に光電変換部１１が形成された場合の光電変換部１１のポテンシャル（破線で示した）を示した。

図４に示すように、電荷排出部１８では、Ｎ型不純物領域４１よりも高濃度でＮ型の高濃度領域４２が形成されていることから、垂直電荷転送部１４のポテンシャルよりも深く形成されている。したがって、電荷排出部１８のポテンシャルが深くなり、３次元変調により読み出しゲート下も深くなる。例えば、電荷排出部１８の直後段のゲート、例えばホールドゲート部１７（前記図１参照）をＬｏｗレベルにすると、信号転送が阻止され、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３からセンサ部１２に信号電荷が移動し、センサ部１２でも所定量を越えるとオーバーフローバリア（Ｐ型ウエル領域３２）から基板１０に排出される。またセンサ部１１に取り残された信号電荷は、例えば電子シャッター動作時に基板１０に排出される。

次に、上記固体撮像装置１における電荷転送および電荷排出のイメージを、図５に示す電荷転送、排出のイメージ図によって説明する。

図５に示すように、例えばホールドゲート部１７をＬｏｗレベルにすると、垂直電荷転送部１４の信号転送が阻止され、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３から電荷排出部１８に信号電荷が移動し、電荷排出部１８でも所定量を越えるとオーバーフローバリア（Ｐ型ウエル領域３２）から基板に排出される。一方、ホールドゲート部１７が設けられていない各垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷は、水平電荷転送部１５より列配列方向に転送され、この水平電荷転送部１５の出力端の出力部１６より出力される。このように、選択されたホールドゲート部１７により行配列方向に転送される信号電荷の一部を、電荷排出部１８を利用して排出することにより、信号電荷の列方向の間引きが可能となる。

次に、本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第２実施例）を、図６の平面レイアウト図、図６中のＡ−Ａ’線断面図（前記図２と同様図面となるので前記図２参照）、図６中のＢ−Ｂ’線断面図（前記図３と同様図面となるので前記図３参照）、ポテンシャル図（前記図４と同様図面となるので前記図４参照）、図７の電荷転送の動作イメージ図によって説明する。

先ず、図６に示すように、固体撮像装置２は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１１が行列状に配列されたセンサ部１２を有している。また、このセンサ部１２から読み出しゲート部１３により読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部１４が設けられている。

上記垂直電荷転送部１４端には、各垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部１５が設けられている。この水平電荷転送部１５には水平電荷転送ゲート２０を有する。この水平電荷転送部１５の出力端には出力部１６が設けられている。この水平電荷転送ゲート２０の前段、すなわち、従来構造では上記水平電荷転送部１５側の上記光電変換部が形成される位置に、上記水平電荷転送ゲート２０で阻止された信号電荷を排出する電荷排出部１８が形成されている。すなわち、電荷排出部１８は、センサ部１２の光電変換部１１の一つを利用して形成されている。上記電荷排出部１８は、上記センサ部１２の光電変換部１１よりも濃度が高い高濃度領域（図２参照）を有する。

また、上記光電変換部１１と垂直電荷転送部１４の垂直方向の各列毎に電気的に分離するチャネルストップ領域１９が形成されている。

次に、上記固体撮像装置２の電荷排出部および光電変換部における断面構造は、前記図２および図３によって説明したのと同様となる。

すなわち、電荷排出部における断面構造は、前記図２に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）にＰ型ウエル領域３２が形成され、そのＰ型ウエル領域３２に、センサ部１２の光電変換部１１が形成されている。この光電変換部１１の一方側には、読み出しゲート部１３、垂直電荷転送部１４、チャネルストップ領域１９が形成され、さらに隣接する光電変換部１１が形成されている。他方側にもチャネルストップ領域１９が形成されている。

上記電荷排出部１８は、従来の固体撮像装置では光電変換部が形成される領域であり、Ｎ型不純物領域４１と、その上部に形成されたＮ型不純物領域４１よりも高濃度でＮ型の高濃度領域４２、Ｐ型正孔蓄積領域４３とから構成されている。

また、上記垂直電荷転送部１４は、上記Ｐ型ウエル領域３２よりも高濃度の第２Ｐ型ウエル領域４５と、この第２Ｐ型ウエル領域４５の上部に形成されたＮ型転送チャネル４６とで構成されている。また、Ｎ型転送チャネル４６上にはゲート絶縁膜５１を介して電極５２が形成されている。この電極５２は、垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる。

また、上記電極５２を被覆するように絶縁膜５３が形成され、さらに遮光膜５４が形成されている。上記遮光膜５４は、例えばタングステン、アルミニウム等の金属膜で形成されている。この遮光膜５４にはセンサ部１２の光電変換部１１上に開口部５５が形成されている。さらにパッシベーション膜５６、平坦化膜５７で被覆され、上記平坦化膜５７上にカラーフィルター層６１が形成されている。そして、入射光が効率よく光電変換部１１に集光するように、上記カラーフィルター層６１上に集光レンズ６５が設けられている。

一方、センサ部１２の光電変換部１１における断面構造は、前記図３に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）にＰ型ウエル領域３２が形成され、そのＰ型ウエル領域３２に、センサ部１２の光電変換部１１が形成されている。この光電変換部１１の一方側には、読み出しゲート部１３、垂直電荷転送部１４、チャネルストップ領域１９が形成され、さらに隣接する光電変換部１１が形成されている。他方側にもチャネルストップ領域１９が形成されている。

上記光電変換部１１は、Ｎ型不純物領域３１と、その上部に形成されたＰ型正孔蓄積領域３３とから構成されている。

また、上記垂直電荷転送部１４は、上記Ｐ型ウエル領域２２よりも高濃度の第２Ｐ型ウエル領域４５と、この第２Ｐ型ウエル領域４５の上部に形成されたＮ型転送チャネル４６で構成されている。また、Ｎ型転送チャネル４６上にはゲート絶縁膜５１を介して電極５２が形成されている。この電極５２は、垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる。

また、上記電極５２を被覆するように絶縁膜５３が形成され、さらに遮光膜５４が形成されている。上記遮光膜５４は、例えばタングステン、アルミニウム等の金属膜で形成されている。この遮光膜５４にはセンサ部１２の光電変換部１１上に開口部５５が形成されている。さらにパッシベーション膜５６、平坦化膜５７で被覆され、上記平坦化膜５７上にカラーフィルター層６１が形成されている。そして、入射光が効率よく光電変換部１１に集光するように、上記カラーフィルター層６１上に集光レンズ６５が設けられている。

上記固体撮像装置２では、上記ホールドゲート部１７をＬｏｗレベルとすることで、信号電荷の転送が阻止され、上記電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に蓄積される。そして、蓄積された信号電荷が所定量を越えると、上記電荷排出部１８に排出され、また電荷排出部１８において信号電荷が所定量を越えると、オーバフローが行われるＰ型ウエル領域４５（オーバーフローバリア）を通って基板１０側に排出される。このときの上記電荷排出部１８、上記ホールドゲート部１７、上記電荷排出部１８の前段のＬｏｗレベルゲート（読み出しゲート）およびオーバーフローバリアそれぞれのポテンシャルの関係を、前記図４によって説明する。

前記図４に示すように、電荷排出部１８では、Ｎ型不純物領域４１よりも高濃度でＮ型の高濃度領域４２が形成されていることから、垂直電荷転送部１４のポテンシャルよりも深く形成されている。したがって、電荷排出部１８のポテンシャルが深くなり、３次元変調により読み出しゲート下も深くなる。例えば、電荷排出部１８の直後段のゲート、例えばホールドゲート部１７をＬｏｗレベルにすると、信号転送が阻止され、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３からセンサ部１２に信号電荷が移動し、センサ部１２でも所定量を越えるとオーバーフローバリア（Ｐ型ウエル領域３２）から基板１０に排出される。またセンサ部１１に取り残された信号電荷は、例えば電子シャッター動作時に基板１０に排出される。

次に、上記固体撮像装置２における電荷転送および電荷排出のイメージを、図７に示す電荷転送、排出のイメージ図によって説明する。

図７に示すように、例えば水平電荷転送部１５の水平電荷転送ゲート２０をＬｏｗレベルにすると、垂直電荷転送部１４の信号転送が阻止され、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３から電荷排出部１８に信号電荷が移動し、電荷排出部１８でも所定量を越えるとオーバーフローバリア（Ｐ型ウエル領域２２）から基板１０に排出される。一方、Ｌｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート２０には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が転送され、水平電荷転送部１５より列配列方向に転送されて、この水平電荷転送部１５の出力端の出力部１６より出力される。このように、選択された水平電荷転送ゲート２０により行配列方向に転送される信号電荷の一部を、電荷排出部１８を利用して排出することにより、信号電荷の列方向の間引きが可能となる。

次に、上記第１実施例および第２実施例の各固体撮像装置１、２における上記電荷排出部１８の製造方法の一例を説明する。

上記電荷排出部１８の製造方法では、電荷排出機能を持たせるため、従来のセンサ構造に対して、電極５２をマスクにして、Ｎ型不純物領域４１とＰ型正孔蓄積領域４３との間にＮ⁺型不純物を追加導入して、高濃度領域４２を形成する。この不純物導入には、例えばイオン注入法が用いられる。その際、上記高濃度領域４２を形成するイオン注入工程では、電荷排出部１８の後段のゲートのＬｏｗレベル時のポテンシャル関係が、ポテンシャルが深い順に、オーバフロードレイン部＞電荷排出部の読み出しゲート部＞電荷排出部直後段のゲート部（例えばホールドゲートもしくは水平電荷転送部の水平電荷転送ゲート２０）となるように、追加するＮ⁺型不純物の注入エネルギーおよびドーズ量を設定する。

したがって、従来構造に対して、電極５２をセルフアラインに電極排出用Ｎ型不純物を追加でイオン注入しているため、従来構造に対して特別の加工プロセスは必要としない。

なお、電荷排出部１８の前段にＬｏｗレベルが与えられているとき、そのＬｏｗレベルが与えられているゲート下のポテンシャルよりも、電荷排出部１８の読み出しゲート部１３下のポテンシャルが深くなる。また、ポテンシャル調整用として必要があれば、他に追加でイオン注入工程を行うこともできる。例えば、読み出しゲート部に専用のイオン注入工程を追加することもできる。

上記固体撮像装置１、２では、列方向の間引きを行うための電荷排出部１８において、電荷排出に必要なゲート電極およびドレイン端子を別に設ける必要がないため、外部からの信号およびＤＣバイアスを取り込むためのパッドが不要となる。このため、チップサイズの拡大を抑えることができるので、理収を高めることができる。それとともに、レイアウトの煩雑さを抑え、レイアウト工数の増大およびレイアウトの煩雑さにともなう品質劣化を抑えることができるので、品質の向上が図れる。さらに、上記電荷排出部１８を形成するには、電荷５２をマスクにした自己整合的なイオン注入工程を行えばよいので、特別な加工は必要ない。また、上記イオン注入が電極４２に対してセルフアラインでイオン注入することができるため、非常に精度よく電荷排出部１８を形成することができるようになり、電荷排出部１８の品質バラツキを抑えることができる。

次に、本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第３実施例）を、図８の平面レイアウト図、図９の垂直電荷転送部と水平電荷転送部の接続部（ＶＨ部）の拡大平面レイアウト図、図１０の電荷転送の動作イメージ図によって説明するこの第３実施例の固体撮像装置３では、一例として、垂直電荷転送がＶ８相駆動、ホールドゲートΦ１、Φ２、およびストレージゲートΦ１、Φ２を具備するものを挙げている。また、電荷排出部および光電変換部の構造は、前記図２および図３によって説明したのと同様である。

図８に示すように、固体撮像装置３は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１１が行列状に配列されたセンサ部１２を有している。また、このセンサ部１２から読み出しゲート部１３により読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部１４が設けられている。この垂直電荷転送部１４の電極構造は、例えば１層のポリシリコン電荷層のみで構成されている。

上記垂直電荷転送部１４端には、各垂直電荷転送部１４から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部１５が設けられている。この水平電荷転送部１５の出力端には出力部１６が設けられている。また、上記垂直電荷転送部１４から上記水平電荷転送部１５への信号電荷の転送を列単位で選択的に阻止するホールドゲート部１７を有する。また、このホールドゲート部１７によって転送阻止された信号電荷を蓄積するストレージゲート部２１が備えられている。

上記ホールドゲート部１７の前段、すなわち、従来構造では上記水平電荷転送部１５側の上記光電変換部１１が形成される位置に、上記ホールドゲート部１７で阻止された信号電荷を排出する電荷排出部１８が形成されている。すなわち、電荷排出部１８は、センサ部１２の光電変換部１１の一つを利用して形成されている。上記電荷排出部１８は、上記センサ部１２の光電変換部１１よりも濃度が高い高濃度領域（前記図２参照）を有する。

また、上記ホールドゲート部１７の後段には、例えば、列配列方向に一列置きの垂直信号電荷を蓄積加算する電荷蓄積部ＶＯＧを有するとともに、電荷蓄積部ＶＯＧの前段にＤＣバイアスのＬＯＷレベルが与えられるゲートΦＬＶを有している。

また、光電変換部１１と垂直電荷転送部１４との間に読み出しゲート部１３が形成され、上記光電変換部１１と垂直電荷転送部１４の垂直方向の各列毎に電気的に分離するチャネルストップ領域１９が形成されている。

上記固体撮像装置３のＶＨ部の配線構成について、図９によって説明する。なお、図面では、垂直転送電極Ｖ４〜Ｖ８、最終垂直転送電極ＶＬ、水平転送電極Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の境界は太線で示した。

図９に示すように、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８（図面ではＶ４〜Ｖ８が示されている）、最終垂直転送電極ＶＬ、水平転送電極Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３等は、１層目のポリシリコン層で形成されている。

また、上記ホールドゲート部１７とストレージゲート部２１および電荷蓄積部ＶＯＧは、例えば２層目のポリシリコンシャントで配線、すなわち、ストレージゲート用のシャント配線７１、７２、垂直転送用のシャント配線７３、ホールドゲート〜ウエルのシャント配線７４、７５、最終段の垂直転送電極用のシャント配線７６が引き回されている。これらのシャント配線７１〜７６は、２層目のポリシリコン層で形成されている。したがって、固体撮像装置３では、２層のポリシリコン層を用いている。また遮光で兼用されているアルミニウム配線ＡＬにより前記電荷排出部にドレインバイアスが与えられている。すなわち、電荷排出部１８はアルミニウム配線ＡＬから直接シリコン（Ｓｉ）基板にコンタクト８３Ｃを取っている。

さらに、水平方向に、上記シャント配線７１、７２にそれぞれに接続するストレージゲート用の配線８１、８２、上記電荷排出部１８に接続する電荷排出用の配線８３（ＡＬ）、上記シャント配線７４、７５にそれぞれに接続するホールドゲート用の配線８４、８５、上記シャント配線７６に接続する最終段の垂直転送電極用の配線８６が設けられている。これらの配線は、例えば金属配線（例えば、アルミニウム配線、銅配線、タングステン配線等、半導体装置に用いられる金属配線材料を用いることができる。）で形成されている。よって、遮光を兼ねている。

上記説明したように、垂直転送電極および水平転送電極を単層電極構造でかついわゆる浮島状の構造にしているために、上記接続したように、垂直電極転送部および水平電極転送部上では、金属配線とシャント配線のポリシリコン配線を用いている。

また上記電荷排出部１８において、オーバーフローバリアを目的に、上記電荷排出部１８の周囲をＰ型領域２２で囲んでいる。オーバーフローバリアの領域のみにＰ型領域２２を配置しない理由は、オーバーフローバリアを形成する際に用いるレジストマスク（図示せず）の形状にある。オーバーフローバリア領域にのみにレジストマスクパターン（開口パターン）を形成する場合は、その形状が長方形となり、できあがりのレジストマスク形状では角部が丸くなり、そのようなレジストマスクを用いて形成したオーバーフローバリアでは所望の機能が満たせない恐れがある。

上記固体撮像装置３では、電荷転送シーケンスが全画素を３分割で転送する３ラインシーケンスとしている。すなわち、ＨΦ１、ＨΦ２、ＨΦ３を有した水平３相駆動としており、その転送イメージを図１０に示す。また、図１１、図１２に水平駆動タイミングイメージを示す。

図１０〜図１２に示すように、時間ｔ１では、Ｈ１、Ｈ３のホールドゲート部１７をＬｏｗレベルにすると、垂直転送方向の信号電荷の転送が阻止され、前記説明したのと同様に、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３から電荷排出部１８に信号電荷が移動し、電荷排出部１８でも所定量を越えるとオーバーフローバリアから基板に排出される。一方、Ｌｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート（Ｈ２）には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が転送され、水平電荷転送部１５より列配列方向に転送されて、この水平電荷転送部１５の出力端の出力部１６より出力される。

時間ｔ１から時間ｔ２に経過すると、時間ｔ２では、Ｈ１のホールドゲート部１７のみにＬｏｗレベルが与えられているので、そこの垂直転送方向の電荷転送が阻止され、前記説明したのと同様に、電荷排出部１８の垂直電荷転送部１４に溜まり、所定の量を超えると読み出しゲート部１３から電荷排出部１８に信号電荷が移動し、電荷排出部１８でも所定量を越えるとオーバーフローバリアから基板に排出される。一方、Ｌｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート（Ｈ３）には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が転送され、水平電荷転送部１５より列配列方向に転送されて、この水平電荷転送部１５の出力端の出力部１６より出力される。また、時間ｔ２でＬｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート（Ｈ２）には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が時間ｔ１で転送されているので、信号電荷が無い状態となっている。

時間ｔ２から時間ｔ３に経過すると、時間ｔ３では、ホールドゲートにはＬｏｗレベルが与えられていないので、そこの垂直転送方向の電荷転送は阻止されていない。よって、Ｌｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート（Ｈ１）には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が転送され、水平電荷転送部１５より列配列方向に転送されて、この水平電荷転送部１５の出力端の出力部１６より出力される。また、時間ｔ３でＬｏｗレベルの信号が与えられていない水平電荷転送ゲート（Ｈ２、Ｈ３）には、そこに対応する各垂直電荷転送部１４から信号電荷が時間ｔ１、ｔ２で転送されているので、信号電荷が無い状態となっている。

このように、選択された水平電荷転送ゲートにより行配列方向に転送される信号電荷の一部を、電荷排出部１８を利用して排出することにより、信号電荷の列方向の間引きが可能となる。また、実施例２の固体撮像装置２では、ホールドゲート１８の代わりに水平電荷転送部１５の水平電荷転送ゲートが用いられる。

上記固体撮像装置３では、前記固体撮像装置１、２と同様なる作用効果を得ることができる。それとともに、以下のような利点がある。

垂直電荷転送部１４と水平電荷転送部１５との間（ＶＨ部）に電荷排出部１８を備え、ＶＨ部の垂直電荷転送部１４と水平電荷転送部１５の電極構造を単層構造としているため、配線の引き回しが容易となりレイアウト工数の増大および品質劣化を抑えることができる。また電荷排出部１８に隣接するオーバーフローバリアが電荷排出部１８の周囲に形成されていることから、オーバーフローバリア機能を低下させることがない。さらに水平電荷転送部１５の電極構造を単層構造としているため、水平電荷転送部のゲート幅（Ｌ長）を従来の２倍程度に拡大することができることから、水平取扱電荷量をおよそ２倍にすることができる。よって、水平取扱電荷量を増やすために水平電荷転送部を拡大する必要がなくなるので、チップサイズ増大を抑えることができる。さらに、垂直信号電荷を蓄積加算する電荷蓄積部ＶＯＧおよび電荷蓄積部ＶＯＧの前段にＤＣバイアスのＬＯＷレベルが与えられるゲートΦＬＶを設けていることにより、列方向の垂直信号電荷を蓄積加算することができるようになる。

上記電荷排出部１８ではアルミニウム配線ＡＬから直接基板１０（シリコン基板）にコンタクト８３Ｃを取り、電荷排出部１８に一定のバイアスがかかるようにして、運ばれてきた間引き電荷をシリコン（Ｓｉ）基板から電流としてはきだす効果を得ている。

上記電荷排出部１８のコンタクト構造の第１例としては、図１３に示すように、アルミニウム配線ＡＬからコンタクト部９１を介して基板１０（シリコン基板）に形成された電荷排出部１８にコンタクトをとる構造がある。上記コンタクト部９１は、例えば絶縁膜５３、ゲート絶縁膜５１に形成された接続孔５９の内面に形成されたバリアメタル９２と、それを介して形成されたタングステン電極９３からなる。このコンタクト構造では、オーミックなコンタクトをとるために電荷排出部１８の上層に、例えば、予め、イオン注入法によって、Ｎ型不純物の高濃度領域９３を形成しておく必要がある。そのため、コンタクト部９１と高濃度領域９５とのマスク合わせ余裕（以下、合わせ余裕という）が必要であり、コンタクト径の縮小化に限界がある。

そこで、高濃度領域９５の形成方法をイオン注入に頼らない、上記電荷排出部１８のコンタクト構造について、以下に説明する。まずコンタクト構造の第２例を、図１４の概略構成断面図によって説明する。

図１４に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）に形成されたＰ型ウエル領域３２に、電荷排出部１８が形成されている。前記説明したように、電荷読み出し領域および電荷転送領域の基板１０上には、ゲート絶縁膜５１を介して垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる電極５２が形成されている。そして、電荷排出部１８上には、ゲート絶縁膜５１に形成された開口部５８を通じて、電荷排出部１８に接続されるかさ上げ部９６が形成されている。このかさ上げ部９６は、例えば、上記電極５２と同様に、ポリシリコンで形成され、例えば、２００ｎｍ〜３００ｎｍの高さに形成されている。

上記電荷排出部１８の上層には、上記かさ上げ部９６中に導入されているＮ型不純物（例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）もしくはアンチモン（Ｓｂ））が拡散してなる高濃度領域９５が形成されている。

また上記電極５２、かさ上げ部９６等を被覆するように絶縁膜５３が形成され、この絶縁膜５３に形成された上記電荷排出部１８に通じる接続孔５９にはコンタクト部９１が形成されている。上記絶縁膜５３は、例えば酸化シリコン膜からなる。このコンタクト部９１は、例えば接続孔５９の内面に形成されたバリアメタル９２と、それを介して形成されたタングステン電極９３からなる。さらに、コンタクト部９１上部に接続するアルミニウム配線ＡＬが形成されている。

上記コンタクト構造では、ポリシリコンからなるかさ上げ部９６が形成されていることから、アルミニウム配線ＡＬから電荷排出部１８に電気的接続を取る接続孔５９の深さを浅くすることができるため、その分、アスペクト比を小さくできるので、コンタクト径を小さくできる。さらに、かさ上げ部９６からの拡散により高濃度領域９５が形成されていることから、従来のようなイオン注入による高濃度領域の形成工程が不要となるので、コンタクト部９１と高濃度領域９５との重ね合わせマージンが不要となる。よって、合わせ余裕分、コンタクト径の縮小化が図れる。さらに、コストのかかるイオン注入工程を削減できるというプロセス上の利点もある。また、かさ上げ部９６からの拡散により高濃度領域９５が自己製合的に形成できるので、高濃度領域９５に対する合わせ余裕を考慮する必要もない。

以上、説明したように、コンタクト径の縮小化によりＣＣＤの画素部をより微細化した際でもＶＨ部をもつ高フレームレートなＣＣＤを得ることができる。

次に、上記電荷排出部１８のコンタクト構造の第３例について、図１５の概略構成断面図によって説明する。

図１５に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）に形成されたＰ型ウエル領域３２に、電荷排出部１８が形成されている。上記説明したように、電荷読み出し領域および電荷転送領域の基板１０上には、ゲート絶縁膜５１を介して垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる電極５２が形成されている。また、電荷排出部１８上には、ゲート絶縁膜５１に形成された開口部５８を通じて、電荷排出部１８に接続されるかさ上げ部９６が形成されている。例えば、上記電極５２が２層ポリシリコン構造の場合、上記かさ上げ部９６は、例えば、上記電極５２の２層目のポリシリコン層で形成することができる。上記かさ上げ部９６を２層目のポリシリコン層で形成することにより、隣接する電極５２上の一部にオーバラップする状態に形成することもできるので、後に説明するコンタクト部９１との接続領域を広く取ることができるようになり、コンタクト部９１との合わせ余裕を考慮する必要がない。

上記電荷排出部１８の上層には、上記かさ上げ部９６中に導入されているＮ型不純物（例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等）が拡散してなる高濃度領域９５が形成されている。

また上記電極５２、かさ上げ部９６等を被覆するように絶縁膜５３が形成され、この絶縁膜５３に形成された上記電荷排出部１８に通じる接続孔５９にはコンタクト部９１が形成されている。上記絶縁膜５３は、例えば酸化シリコン膜からなる。このコンタクト部９１は、例えば接続孔５９の内面に形成されたバリアメタル９２と、それを介して形成されたタングステン電極９３からなる。さらに、コンタクト部９１上部に接続するアルミニウム配線ＡＬが形成されている。

次に、上記電荷排出部１８のコンタクト構造の第４例について、図１６の概略構成断面図によって説明する。

図１６に示すように、基板１０（例えばＮ型シリコン基板）に形成されたＰ型ウエル領域３２に、電荷排出部１８が形成されている。この電荷排出部１８上には、かさ上げ部９６が形成されている。上記かさ上げ部９６は、例えば、Ｎ型不純物（例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等）を含むポリシリコン層で形成することができる。また、電荷読み出し領域および電荷転送領域の基板１０上には、ゲート絶縁膜５１を介して垂直転送電極とともに読み出しゲート電極も兼ねる電極５２が形成されている。このゲート絶縁膜５１は、かさ上げ部９６表面にも形成されている。すなわち、かさ上げ部９６を形成した後、ゲート絶縁膜５１が形成されている。また、かさ上げ部９６を形成する際に基板１０にエッチングダメージが生じている場合には、上記ゲート絶縁膜５１を形成する前に、そのダメージ層を除去することもできる。また、かさ上げ部９６のエッチング加工では、基板１０へのダメージのないウエットエッチングを用いることもできる。したがって、基板１０へのダメージがない状態でゲート絶縁膜５１を形成することができ、またゲート絶縁膜５１に汚染等のダメージを与えることなく電極５２の形成が可能となる。

上記電荷排出部１８の上層には、上記かさ上げ部９６中に導入されているＮ型不純物が拡散してなる高濃度領域９５が形成されている。

また上記電極５２、かさ上げ部９６等を被覆するように絶縁膜５３が形成され、この絶縁膜５３に形成された上記電荷排出部１８に通じる接続孔５９にはコンタクト部９１が形成されている。上記絶縁膜５３は、例えば酸化シリコン膜からなる。このコンタクト部９１は、例えば接続孔５９の内面に形成されたバリアメタル９２と、それを介して形成されたタングステン電極９３からなる。さらに、コンタクト部９１上部に接続するアルミニウム配線ＡＬが形成されている。

上記第３例、第４例についても、上記説明した作用、効果とともに、上記図１４によって説明したコンタクト構造の第２例と同様なる作用、効果を得ることができる。

次に、請求項１６の発明に係る撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を、図１７のブロック図によって説明する。

図１７に示すように、撮像装置１００は、撮像部１０１に固体撮像装置（図示せず）を備えている。この撮像部１０１の集光側には像を結像させる結像光学系１０２が備えられ、また、撮像部１０１には、それを駆動する駆動回路、固体撮像装置で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部１０３が接続されている。また上記信号処理部によって処理された画像信号は画像記憶部（図示せず）によって記憶させることができる。このような撮像装置１００において、上記固体撮像素子には、前記実施の形態で説明した固体撮像装置１または固体撮像装置２を用いることができる。

本発明の撮像装置１００では、本願発明の固体撮像装置１または固体撮像装置２を用いることから、固体撮像装置１、２に上記説明したのと同様な効果を得ることができ、高画質化が可能になるという利点がある。

なお、本発明の撮像装置１００は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像装置を用いる撮像装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。

上記固体撮像装置１、２はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、高画質化の効果が得られる。ここで、撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。

請求項１に係る本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第１実施例）を示した平面レイアウト図である。 図１中のＡ−Ａ’線断面図である。 図１中のＢ−Ｂ’線断面図である。 ポテンシャル図である。 電荷転送の動作イメージ図である。 請求項１に係る本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第２実施例）を示した平面レイアウト図である。 電荷転送の動作イメージ図である。 請求項１に係る本発明の固体撮像装置の一実施の形態（第３実施例）を示した平面レイアウト図である。 第３実施例の固体撮像装置のＶＨ部を示した拡大平面レイアウト図である。 電荷転送の動作イメージ図である。 水平３層駆動の動作タイミング図である。 水平３層駆動の動作タイミング図である。 電荷排出部のコンタクト構造の第１例を示した概略構成断面図である。 電荷排出部のコンタクト構造の第１例を示した概略構成断面図である。 電荷排出部のコンタクト構造の第２例を示した概略構成断面図である。 電荷排出部のコンタクト構造の第３例を示した概略構成断面図である。 請求項１４に係る本発明の撮像装置の一実施の形態（実施例）を示したブロック図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１１…光電変換部、１２…センサ部、１４…垂直電荷転送部、１５…水平電荷転送部、１８…電荷排出部、４２…高濃度領域

Claims (16)

1. 行列状に光電変換部が配列されたセンサ部と、
   前記センサ部から読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部と、
   前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部と、
   前記垂直電荷転送部から前記水平電荷転送部へ転送される信号電荷を列単位で選択的に阻止したその信号電荷を排出する電荷排出部とを備え、
   前記電荷排出部は前記水平電荷転送部側の前記センサ部に形成され、
   前記センサ部より濃度が高い高濃度領域を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記電荷排出部の後段にゲート部を有し、
   前記ゲート部は、所定の電圧が与えられたきに、転送されてきた信号電荷を阻止し、該信号電荷が所定量を越えたときに該信号電荷を前記電荷排出部に排出する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記電荷排出部の後段にゲート部を有し、
   前記ゲート部に所定の電圧が与えられたきに、前記ゲート部下のポテンシャルおよび前記電荷排出部に隣接して形成されたチャネルストップ下のポテンシャルよりも、前記電荷排出部のゲート下のポテンシャルが深い
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記電荷排出部の後段にゲート部を有し、
   前記ゲート部は、前記垂直電荷転送部から前記水平電荷転送部への信号電荷の転送を阻止するホールドゲートからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記電荷排出部の後段にゲート部を有し、
   前記ゲート部は、前記水平電荷転送部の転送ゲートからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷排出部に排出された信号電荷は、前記電荷排出部の下部に設けられたオーバーフローバリアを越えて、前記オーバーフローバリアが形成されている基板に排出される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記信号電荷を取り出す時間を制御する電子シャッター動作を有し、
   前記オーバーフローバリアを乗り越えずに前記電荷排出部に残った信号電荷が前記電子シャッター動作時に前記基板に排出される
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記電荷排出部のゲート部は前記垂直電荷転送部のゲート部と同工程で形成されたものからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
9. 前記水平電荷転送部の信号電荷の転送方法が全画素を３分割して水平転送する３ラインシーケンスである
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
10. 前記垂直電荷転送部の電極構造が単層構造である
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
11. 前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられた信号電荷の転送を選択的に阻止するホールドゲート部と、
    前記ホールドゲート部によって転送阻止された信号電荷を蓄積するストレージ部と、
    前記ホールドゲートの後段に配置されて、一列置きの垂直信号電荷を蓄積加算する電荷蓄積部と、
    前記ホールドゲートの後段で前記電荷蓄積部の前段に、ＤＣバイアスの所定レベルの電圧が与えられたゲートを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
12. 前記ストレージ部と前記ホールドゲート部と前記電荷蓄積部に接続される配線は、２層目の配線層で形成されている
    ことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
13. 前記電荷排出部の周囲が前記電荷排出部とは異なる導電型の領域で囲まれている
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
14. 前記電荷排出部に接続される配線は、
    前記電荷排出部上に形成されていて前記電荷排出部に電気的に接続するかさ上げ部に、前記配線がコンタクト部を介して接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
15. 前記かさ上げ部は前記電荷排出部と同一導電型の不純物を含み、
    前記かさ上げ部中の前記不純物が前記電荷排出部の上層に拡散して前記電荷排出部より高濃度の不純物領域が形成されている
    ことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置。
16. 入射光を集光する集光光学部と、
    前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
    光電変換された信号を処理する信号処理部とを備え、
    前記固体撮像装置は、
    行列状に光電変換部が配列されたセンサ部と、
    前記センサ部から読み出された信号電荷を行配列方向に転送する垂直電荷転送部と、
    前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を列配列方向に転送する水平電荷転送部と、
    前記垂直電荷転送部から前記水平電荷転送部へ転送される信号電荷を列単位で選択的に阻止したその信号電荷を排出する電荷排出部とを備え、
    前記電荷排出部は前記水平電荷転送部側の前記センサ部に形成され、
    前記センサ部より濃度が高い高濃度領域を有する
    ことを特徴とする撮像装置。

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