JP2015026677A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置１０は、画素部１１ｂ（１１ｃ）、電荷蓄積部１２ｂ（１２ｃ）、画素部１１ｂ（１１ｃ）と電荷蓄積部１２ｂ（１２ｃ）との間に設けられた第１の転送ゲート部１３、電荷検出部１６、および電荷蓄積部１２ｂ（１２ｃ）と電荷検出部１６との間に設けられた第２の転送ゲート部１５、を具備する。電荷蓄積部１２ｂ（１２ｃ）は、画素部１１ｂ（１１ｃ）において発生した電荷を蓄積する。この電荷蓄積部１２ｂ（１２ｃ）は、第２の転送ゲート部１５に接するように平面状に設けられた第１の電荷蓄積層２１と、第１の電荷蓄積層２１の表面に、第２の転送ゲート部１５から離間するように設けられ、一部に開口部を有するリング状の第２の電荷蓄積層２２と、によって構成される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

従来の固体撮像装置として、解像度の切替えを可能にするために、各画素部とオフセットゲート部との間にそれぞれ電荷蓄積部が設けられた固体撮像装置が知られている。

この固体撮像装置において、電荷蓄積部は、画素部において発生した電荷を一時的に蓄積する領域であり、半導体基板表面のＰ型のウェル層の表面に設けられたＮ型の電荷蓄積層を有する。電荷蓄積層は、ウェル層の表面に、広範囲にわたって不純物を注入することにより設けられる。

しかし、上記のように電荷蓄積層が広い面積を有する場合、電荷蓄積部の中央付近に、電荷蓄積部の電位ポテンシャルの最深部が設けられる。電荷蓄積部に蓄積される電荷は、電荷蓄積部とオフセットゲート部との間の転送ゲート部に電圧を印加することにより、オフセットゲート部に転送されるが、電荷蓄積部の中央付近に電位ポテンシャルの最深部が形成されると、電荷は、電荷蓄積部の中央付近に蓄積されやすくなる。このように、転送ゲート部から離れた場所に電荷が蓄積されるため、電荷を転送するために転送ゲート部に印加する電圧が大きくなる。その結果、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンが小さく、低電圧での読み出しが困難である、という問題がある。

特開２００５−５０９５１号公報

実施形態は、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る固体撮像装置は、画素部、電荷蓄積部、第１の転送ゲート部、電荷検出部、および第２の転送ゲート部、を具備する。前記画素部は、半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第１の受光層、を有する。前記電荷蓄積部は、前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第１の電荷蓄積層、を有する。前記第１の転送ゲート部は、前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する。前記電荷検出部は、前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる。前記第２の転送ゲート部は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する。前記画素部の前記第１の受光層または前記電荷蓄積部の前記第１の電荷蓄積層のうち、少なくとも一方の表面には、開口部を有するリング状の不純物層が設けられている。

また、実施形態に係る固体撮像装置は、画素部、電荷検出部、および転送ゲート部、を具備する。前記画素部は、第１の受光層および第２の受光層を有する。前記第１の受光層は、半導体基板の表面に平面状に設けられており、入射光の受光量に応じて電荷を発生する。前記第２の受光層は、前記第１の受光層の表面に、前記転送ゲート部に接するように設けられており、開口部を有するリング形状の不純物層である。前記電荷検出部は、前記画素部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる。前記転送ゲート部は、前記画素部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。 図１の一点鎖線Ａ−Ａ´に沿った固体撮像装置の断面図である。 第２の電荷蓄積部およびその周辺を模式的に示す平面図である。 第１の電荷蓄積部およびその周辺を模式的に示す平面図である。 図４の一点鎖線Ｂ−Ｂ´に沿った第１の電荷蓄積部およびその周辺の断面図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、図２に示す固体撮像装置の断面図、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す断面における電位ポテンシャルを示す図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の第２の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、図３に示す第２の電荷蓄積部の平面図、同図（ｂ）は、図７（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図（ｃ）は、図７（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図（ｄ）は、図７（ｄ）の一点鎖線Ｅ−Ｅ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。 従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部の平面図、同図（ｂ）は、図８（ａ）の一点鎖線ｃ−ｃ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図（ｃ）は、図８（ａ）の一点鎖線ｄ−ｄ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図（ｄ）は、図８（ｄ）の一点鎖線ｅ−ｅ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の第１の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、第１の電荷蓄積部の平面図、同図（ｂ）は、図９（ａ）の一点鎖線Ｆ−Ｆ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図（ｃ）は、図９（ａ）の一点鎖線Ｇ−Ｇ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の図２に対応する断面図である。 第２の画素部およびその周辺を模式的に示す平面図である。 第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。 図１２の一点鎖線Ｈ−Ｈ´に沿った固体撮像装置の断面図である。 画素部およびその周辺を模式的に示す平面図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置を適用したラインセンサを示す斜視図である。 図１５に示すラインセンサに適用される一つの固体撮像装置の回路ブロック図である。 第２、第３の電荷蓄積部に設けられる第２の電荷蓄積層の変形例を示す平面図である。

以下に、実施形態に係る固体撮像装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の要部を模式的に示す平面図である。なお、本実施形態の固体撮像装置１０は、４画素を１セルとする複数のセルが一列に配列されたものであるが、実施形態は４画素１セルタイプの固体撮像装置に限定されず、１セル中に含まれる画素数は、４画素以上、例えば８画素であってもよい。

図１に示す固体撮像装置１０において、４個の画素部（ＰＤ）１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、一列に配列されている。以下の説明において、４個の画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを、図面左側から順に、第１の画素部１１ａ、第２の画素部１１ｂ、第３の画素部１１ｃ、第４の画素部１１ｄ、と称する。また、画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの列に対して平行な方向をＸ方向、Ｘ方向に対して垂直な方向をＹ方向と称し、第１の画素部１１ａから第２の画素部１１ｄに向かう方向をＸ（＋）方向と称する。そして、Ｘ方向に対して垂直な方向をＹ方向と称し、各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから離れる方向をＹ（＋）方向と称する。すなわち、４個の画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、Ｘ（＋）方向に向かってこの順で、Ｘ方向に沿って配列されている。なお、それぞれの画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの長手方向がＸ方向に向くように設けられているとする。

各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞれ、この領域に照射される光（入射光）を受光し、受光量に応じた量の電荷を発生させる。

なお、実際の各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞれ、Ｘ方向を長手方向とする多角形状であるが、Ｘ方向を長手方向とする長方形に近似した多角形状である。従って、上述の図１および以下に説明する各図において、各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは長方形状であるものとして示している。そして、以下、各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは長方形状であるものとして説明する。

第１の画素部１１ａに対してＹ（＋）方向に離間した位置には、第１の電荷蓄積部（ＳＴ）１２ａが設けられている。同様に、第２の画素部１１ｂに対してＹ（＋）方向に離間した位置には、第２の電荷蓄積部（ＳＴ）１２ｂが設けられており、第３の画素部１１ｃに対してＹ（＋）方向に離間した位置には、第３の電荷蓄積部（ＳＴ）１２ｃが設けられており、第４の画素部１１ｄに対してＹ（＋）方向に離間した位置には、第４の電荷蓄積部（ＳＴ）１２ｄが設けられている。これらの電荷蓄積部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、Ｘ（＋）方向に向かってこの順で、画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの配列方向（Ｘ方向）に沿って一列に設けられている。

各電荷蓄積部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２はそれぞれ、対応する画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにおいて発生した電荷が転送され、転送された電荷を一時的に蓄積する。このような領域を設けることにより、解像度の切替えが可能となる。

互いに対応する画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと電荷蓄積部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとの間にはそれぞれ、第１の転送ゲート部（ＰＤＳＨ）１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられている。

第１の転送ゲート部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはそれぞれ、画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにおいて発生した電荷を読み出し、各画素部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに対応する電荷蓄積部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに転送する。

第２の電荷蓄積部１２ｂおよび第３の電荷蓄積部１２ｃに対してＹ（＋）方向に離間した位置には、Ｘ方向を長手方向とする形状のオフセットゲート部（ＯＧ）１４が設けられているとする。

オフセットゲート部１４には、所定の定電圧Ｖ０（例えばＶ０＝０Ｖ）が印加されている。このように定電圧が印加されることにより、オフセットゲート部１４は、後述する電荷検出部１６における信号電圧の読み出し精度を向上させる。電荷検出部１６における信号電圧の読み出し精度が許容範囲内であれば、オフセットゲート部１４は、設けられなくてもよい。

なお、実際のオフセットゲート部１４は、Ｘ方向を長手方向とする多角形状であるが、長方形に近似した多角形状である。従って、上述の図１および以下に説明する各図において、オフセットゲート部１４は長方形状であるものとして示している。そして、以下、オフセットゲート部１４は長方形状であるものとして説明する。

オフセットゲート部１４の形状を構成する一方の長辺と第２の電荷蓄積部１２ｂおよび第３の電荷蓄積部１２ｃとの間にはそれぞれ、第２の転送ゲート部（ＳＨ）１５ｂ、１５ｃが設けられている。また、オフセットゲート部１４の形状を構成する一方の短辺と第１の電荷蓄積部１２ａとの間には、第２の転送ゲート部（ＳＨ）１５ａが設けられており、オフセットゲート部１４の一方の短辺に対向する他方の短辺と第４の電荷蓄積部１２ｄとの間には、第２の転送ゲート部（ＳＨ）１５ｄが設けられている。

すなわち、第２の電荷蓄積部１２ｂおよび第３の電荷蓄積部１２ｃは、オフセットゲート部１４の長辺に、第２の転送ゲート部１５ｂ、１５ｃを介して接続されており、第１の電荷蓄積部１２ａおよび第３の電荷蓄積部１２ａは、オフセットゲート部１４の短辺に、第２の転送ゲート部１５ａ、１５ｄを介して接続されている。

第２の転送ゲート部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄはそれぞれ、電荷蓄積部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに蓄積された電荷を読み出し、オフセットゲート部１４を介して後述する電荷検出部１６に転送する。

オフセットゲート部１４の一方の長辺に対向する他方の長辺に隣接する位置には、フローティングジャンクションである電荷検出部（ＦＪ）１６が設けられている。

電荷検出部１６は、この領域に転送された電荷の電荷量に応じて電圧降下を発生させ、発生した電圧降下分を信号電圧として読み出す領域である。

図２は、図１の一点鎖線Ａ−Ａ´に沿った固体撮像装置１０の断面図である。なお、図２においては、本実施形態に係る固体撮像装置１０の断面図の一例として、第２の画素部１１ｂおよび第２の電荷蓄積部１２ｂを通る断面を示している。

図２に示すように、第２の画素部（ＰＤ）１１ｂ、第１の転送ゲート部（ＰＤＳＨ）１３ｂ、第２の電荷蓄積部（ＳＴ）１２ｂ、第２の転送ゲート部（ＳＨ）１５ｂ、オフセットゲート部（ＯＧ）１４、電荷検出部（ＦＪ）１６、はそれぞれ、例えばＮ型の半導体基板１７に設けられたＰ型のウェル層１８に設けられている。

第２の画素部１１ｂにおいて、ウェル層１８の表面には、第１の転送ゲート部１３ｂに接するように、受光層１９が設けられている。受光層１９は、例えばＮ＋型の不純物層である。

この受光層１９の表面には、受光層１９をシールドするシールド層２０が設けられている。シールド層２０は、例えばＰ＋型の不純物層である。

なお、図示は省略するが、第２の画素部１１ｂにおいて、受光層１９の一部には、例えばＮ＋＋型の不純物層である平面状の第２の受光層を、第１の転送ゲート部１３ｂから離間するように設けてもよい。

次に、第２の電荷蓄積部１２ｂにおいて、ウェル層１８の表面には、第２の転送ゲート部１５に接するように、平面状に第１の電荷蓄積層２１が設けられている。また、第１の電荷蓄積層２１の表面の一部には、第２の転送ゲート部１５と離間するように、第２の電荷蓄積層２２が設けられている。第１の電荷蓄積層２１は、例えばＮ＋型の受光層１９より高濃度のＮ＋型の不純物層であり、第２の電荷蓄積層２２は、例えば第１の電荷蓄積層２１より高濃度のＮ＋＋型の不純物層である。

この第２の電荷蓄積層２２の表面には、一部が第１の電荷蓄積層２１にはみ出すように、シールド層２３が設けられている。シールド層２３は、少なくとも第２の電荷蓄積層２２をシールドする不純物層であって、例えばＰ＋型の不純物層である。このシールド層２３および上述の第２の画素部１１ｂのシールド層２０は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

なお、シールド層２０、２３の濃度を調整（下げる）ことで、第２の画素部１１ｂ、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルを調整（上げる）ことも可能である。

ここで、第２の電荷蓄積部１２ｂの第２の電荷蓄積層２２について、さらに詳細に説明する。図３は、第２の電荷蓄積部１２ｂおよびその周辺を模式的に示す平面図である。なお、図３において、後述する第１の転送電極２５および第２の転送電極２９は、点線で示している。また、シールド層２３は省略している。

図３に示すように、第２の電荷蓄積部１２ｂの第２の電荷蓄積層２２は、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第２の電荷蓄積層２２の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば３：１程度である。

この第２の電荷蓄積層２２は、例えば、第１の電荷蓄積層２１を設けた後に、例えばリング状のＮ型の不純物層を、第１の電荷蓄積層２１の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図２および図３に示すように、リング状の第２の電荷蓄積層２２が設けられるとともに、第２の電荷蓄積層２２の開口部からは、第１の電荷蓄積層２１が露出する。

このように、第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、この層２２を含む第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置は、第２の転送ゲート部１５ｂに近付くが、詳細については後述する。

図２を参照する。第１の転送ゲート部１３ｂにおいて、ウェル層１８の表面には、第１の転送用不純物層２４が設けられている。第１の転送用不純物層２４は、ウェル層１８の表面において、受光層１９から離間し、かつ第２の電荷蓄積層２２に接するように設けられている。第１の転送用不純物層２４は、例えば第１の電荷蓄積層２１より低濃度のＮ型の不純物層である。この第１の転送用不純物層２４は、第１の転送ゲート部１３において、電荷を良好に転送させるための不純物層である。従って、第１の転送ゲート部１３ｂにおける電荷の転送効率が許容範囲内であるならば、第１の転送用不純物層２４は設けられなくてもよい。

なお、第１の転送用不純物層２４は、第２の電荷蓄積層２２を設ける際に、Ｎ型の不純物層の一部を、第１の転送ゲート部１３ｂにはみ出すように設けることにより、第２の電荷蓄積層２２と一括して設けることができる。

この第１の転送用不純物層２４の表面上を含むウェル層１８の表面上には、第１の転送電極２５が設けられている。第１の転送電極２５は、この電極２５に所定の電圧Ｖ１を印加することにより、第１の転送電極２５の直下の電位ポテンシャルの深さを制御する。

次に、オフセットゲート部１４において、ウェル層１８の表面には、オフセットゲート層２６が設けられている。オフセットゲート層２６は、例えばＮ＋型の不純物層であって、オフセットゲート部１４および電荷検出部１６を含む広範囲に設けられている。

このオフセットゲート層２６の表面上の一部には、オフセットゲート電極２７が設けられている。オフセットゲート電極２７には、オフセットゲート部１４の電位ポテンシャルが、少なくとも第２の電荷蓄積部１２ｂより深いポテンシャルにおいて固定されるように、所定の定電圧Ｖ０（例えばＶ０＝０Ｖ）が印加されている。このように定電圧を印加しておくことにより、第２の転送ゲート部１５の電位ポテンシャルの変動による電荷検出部１６の電位ポテンシャルの変動が抑制され、電荷検出部１６による信号電圧の読み出し精度が向上する。

第２の転送ゲート部１５ｂにおいて、ウェル層１８の表面には、第２の転送用不純物層２８が設けられている。第２の転送用不純物層２８は、ウェル層１８の表面において、第１の電荷蓄積層２１から離間し、かつオフセットゲート層２６に接するように設けられている。第２の転送用不純物層２８は、例えば第１の転送用不純物層２４と同程度の不純物濃度のＮ型の不純物層である。この第２の転送用不純物層２８は、第１の転送用不純物層２４と同様に、第２の転送ゲート部１５ｂにおいて、電荷を良好に転送させるための不純物層である。従って、第１の転送ゲート部１３ｂと同様に、第２の転送ゲート部１５ｂにおいても、電荷の転送効率が許容範囲内であるならば、第２の転送用不純物層２８は設けられなくてもよい。

この第２の転送用不純物層２８の表面上を含むウェル層１８の表面上には、第２の転送電極２９が設けられている。第２の転送電極２９は、この電極２９に所定の電圧Ｖ２を印加することにより、第２の転送電極２９の直下の電位ポテンシャルの深さを制御する。

次に、電荷検出部１６において、電荷検出部１６に設けられたオフセットゲート層２６の表面には、電荷検出層３０が設けられている。電荷検出層３０は、例えばオフセットゲート層２６より高濃度のＮ＋＋型の不純物層である。また、この電荷検出層３０の表面上の一部には、電荷検出層３０に発生する電圧を信号電圧として読み出すための読み出し電極３１が設けられている。電荷検出層３０に電荷が蓄積されると、電荷検出部１６の電位は、電荷の蓄積量に応じた所定電圧降下が発生するが、この電圧降下分が信号電圧として読み出し電極３１によって読み出される。

以上に、本実施形態に係る固体撮像装置１０の断面構造について説明したが、第３の画素部１１ｃおよび第３の電荷蓄積部１２ｃを通る断面構造も、図２および図３に示す構造と同様である。

また、第１の画素部１１ａおよび第１の電荷蓄積部１２ａを通る断面構造、第４の画素部１１ｄおよび第４の電荷蓄積部１２ｄを通る断面構造も、各電荷蓄積部１２ａ、１２ｄの第２の電荷蓄積層２２´がリング状に設けられていない点を除いて、図２に示す構造と同様である。

図４は、第１の電荷蓄積部１２ａおよびその周辺を模式的に示す平面図である。また、図５は、図４の一点鎖線Ｂ−Ｂ´に沿った第１の電荷蓄積部１２ａおよびその周辺の断面図である。なお、図４において、第１の転送電極２５および第２の転送電極２９は、点線で示している。また、シールド層２３は省略している。

図４および図５に示すように、第１の電荷蓄積部１２ａの第１の電荷蓄積層２１は、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって斜めに設けられていると同時に、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって、幅が広くなるように設けられている。

そして、第２の電荷蓄積層２２´は、平面状であって、第１の電荷蓄積層２１と同様に、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって斜めに設けられている。さらに、第２の電荷蓄積層２２´は、第１の電荷蓄積層２１と同様に、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって、幅が広くなるように設けられている。なお、第２の電荷蓄積層２２´が第２の転送ゲート部１５ａと離間するように設けられている点においては、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２と同様である。このように、第１の電荷蓄積部１２ａにおいて、第２の電荷蓄積層２２´は、リング状には設けられておらず、平面状に設けられている。この理由については後述する。

なお、第４の電荷蓄積部１２ｄの構造は、図４に示す構造を左右反転させた形状であり、その断面構造は図５に示す構造と同様であるため、詳細な説明は省略する。

次に、上述のように設けられた固体撮像装置１０の図２に示す断面における電位ポテンシャルについて説明する。図６は、固体撮像装置１０に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、図２に示す固体撮像装置１０の断面図、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図６（ｂ）において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

図６（ａ）に示すように、第２の画素部１１ｂには受光層１９が設けられており、第２の電荷蓄積部１２ｂには第１の電荷蓄積層２１および第２の電荷蓄積層２２が設けられている。そして、受光層１９と第１の電荷蓄積層２１および第２の電荷蓄積層２２とは、互いに離間している。また、図６（ｂ）に示すように、第２の画素部１１ｂおよび第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルは、これらの間の第１の転送ゲート部１３ｂの電位ポテンシャルより深くしている。

第２の電荷蓄積部１２ｂにおいて、第１の電荷蓄積層２１および第２の電荷蓄積層２２は、第２の画素部１１ｂの受光層１９より高濃度に設けられている。従って、図６（ｂ）に示すように、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルは、第２の画素部１１ｂの電位ポテンシャルより深くなる。

さらに、第２の電荷蓄積部１２ｂにおいて、第１の電荷蓄積層２１より高濃度の第２の電荷蓄積層２２は、第１の電荷蓄積層２１の表面において、第２の転送ゲート部１５から離間するように設けられている。従って、図６（ｂ）に示すように、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルは、第１の転送ゲート部１３ｂから第２の転送ゲート部１５ｂに向かって深くなる。

なお、第１の転送ゲート部１３ｂには、第１の転送用不純物層２４が設けられている。この不純物層２４を設けることにより、図６（ｂ）に示すように、第１の転送ゲート部１３ｂの電位ポテンシャルは、第２の画素部１１ｂから第２の電荷蓄積部１２ｂに向かって階段状に深くなる。このような電位ポテンシャルにより、第１の転送ゲート部１３ｂにおける電荷転送を良好にしている。

また、図６（ａ）に示すように、第２の電荷蓄積部１２ｂには第１の電荷蓄積層２１および第２の電荷蓄積層２２が設けられており、オフセットゲート部１４および電荷検出部１６にはオフセットゲート層２６が設けられている。そして、第１の電荷蓄積層２１とオフセットゲート層２６とは、互いに離間している。また、第２の電荷蓄積部１２ｂおよびオフセットゲート部１４の電位ポテンシャルは、これらの間の第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルより深くしている。

オフセットゲート部１４において、オフセットゲート層２６の表面上の一部にはオフセットゲート電極２７が設けられており、この電極２７には、オフセットゲート部１４の電位ポテンシャルが第２の電荷蓄積部１２ｂより深い位置において固定されるように、所定の定電圧Ｖ０（例えばＶ０＝０Ｖ）が印加されている。図６（ｂ）に示すように、オフセットゲート部１４の電位ポテンシャルは、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルより深くなっている。

なお、第２の転送ゲート部１５ｂには、第２の転送用不純物層２８が設けられている。この不純物層２８を設けることにより、図６（ｂ）に示すように、第２の転送ゲート部１５の電位ポテンシャルは、第２の電荷蓄積部１２ｂからオフセットゲート部１４に向かって階段状に深くなる。このような電位ポテンシャルにより、第２の転送ゲート部１５における電荷転送を良好にしている。

また、電荷検出部１６において、オフセットゲート層２６の表面には、オフセットゲート層２６より高濃度の電荷検出層３０が設けられている。従って、電荷検出部１６の電位ポテンシャルは、オフセットゲート部１４より深くなっている。これにより、オフセットゲート部１４に転送された電荷は、電荷蓄積部１５に集まる。

以下に、図６を参照して、固体撮像装置１０の動作について説明する。

第２の画素部１１ｂに光が入射されると、光電変換によって受光層１９において電荷が発生する。発生した電荷は、第１の転送ゲート部１３ｂの電位ポテンシャルが障壁となり、第２の画素部１１ｂに蓄積される。

第１の転送ゲート部１３ｂの第１の転送ゲート電極２５に所定電圧Ｖ１を印加し、第１の転送ゲート部１３ｂの電位ポテンシャルを、第２の画素部１１ｂの電位ポテンシャルより深くすると、第２の画素部１１ｂにおいて発生した電荷は第１の転送ゲート部１３ｂを転送され、第２の電荷蓄積部１２ｂに到達する。転送された電荷は、第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルが障壁となり、第２の電荷蓄積部１２ｂに蓄積される。

第２の転送ゲート部１５ｂの第２の転送電極２９に所定電圧Ｖ２を印加し、第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルを、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルより深くすると、第２の電荷蓄積部１２ｂにおいて蓄積された電荷は第２の転送ゲート部１５を転送され、オフセットゲート部１４に到達し、最終的に電荷検出部１６に集まる。

電荷が電荷検出部１６に集まると、電荷検出部１６には、この部分に蓄積された電荷の電荷量に応じた電圧降下が発生する。この電圧降下分が信号電圧として、読み出し電極３１によって読み出される。固体撮像装置１０は、このように読み出された信号電圧に基づいて画像を形成する。

なお、上述のように、第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルは、電荷を転送するために変動する。従って、仮に電荷検出部１６が第２の転送ゲート部１５ｂに接続されると、第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルの変動に応じて、電荷検出部１６の電位ポテンシャルも変動する。電荷検出部１６の電位ポテンシャルが変動すると、信号電圧の読み出し精度が低下する。

これに対して、本実施形態のように、第２の転送ゲート部１５ｂと電荷検出部１６との間に、電位ポテンシャルが固定されたオフセットゲート部１４を設けた場合、第２の転送ゲート部１５ｂの電位ポテンシャルが変動しても、オフセットゲート部１４の電位ポテンシャルが固定されているため、電荷検出部１６の電位ポテンシャルの変動は抑制される。この結果、信号電圧の読み出し精度が向上する。このような理由により、オフセットゲート部１４には、定電圧が印加されている。

このように動作する固体撮像装置１０において、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２の転送電極２９に印加する電圧は、低電圧化される。以下に、この理由について具体的に説明する。

図７は、実施形態に係る固体撮像装置１０の第２の電荷蓄積部１２ｂに形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、図３に示す第２の電荷蓄積部１２ｂの平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、第２の電荷蓄積部１２ｂの各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図７（ｃ）は、図７（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図７（ｄ）は、図７（ａ）の一点鎖線Ｅ−Ｅ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

図７（ａ）に示すように第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２の電荷蓄積層２２の中央領域の幅Ｗ１は、第２の電荷蓄積層２２全体の幅Ｗより狭くなる。第２の電荷蓄積層２２の第２の転送ゲート部１５ｂ側の端部領域においては、第２の電荷蓄積層２２が十分に広い幅Ｗを有するため、狭チャネル効果の影響を受けにくい。このときに、第２の電荷蓄積層２２の端部領域を含む第２の電荷蓄積層２２の電位ポテンシャルをＶとする（図７（ｄ））。

一方、第２の電荷蓄積層２２の中央領域においては、第２の電荷蓄積層２２の外周から露出する第１の電荷蓄積層２１の幅Ｗ１、および第２の電荷蓄積層２２の幅Ｗ２、Ｗ３が、端部領域の幅Ｗより狭くなっており、第２の電荷蓄積層２２の第２の電荷蓄積部１２ｂにおいては、狭チャネル効果の影響を受けやすく、電位ポテンシャルが浅くなる。従って、第２の電荷蓄積層２２の中央領域を含む第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルは、Ｖより浅くなる（図７（ｂ）、（ｃ））。

このように、第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置α（図７（ａ））を、第２の電荷蓄積層２２の中央部Ｏより第２の転送ゲート部１５ｂの方向にずらすことができる。すなわち、電位ポテンシャルの最深部の位置αを、第２の転送ゲート部１５ｂに近付けることができる。

次に、従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部について説明する。図８は、従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部の平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、同図（ａ）に示す第２の電荷蓄積部の各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）の一点鎖線ｃ−ｃ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図８（ｃ）は、図８（ａ）の一点鎖線ｄ−ｄ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図８（ｄ）は、図８（ａ）の一点鎖線ｅ−ｅ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図８（ａ）において、図７（ａ）に示す構造と同一の箇所については、図７（ａ）と同一符号を付している。また、図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

図８（ａ）に示すように、第２の電荷蓄積部１１２ｂに平面状の第２の電荷蓄積層１２２を設けると、第２の電荷蓄積層１２２の中央領域の幅Ｗ、および第２の電荷蓄積層１２２の端部領域の幅Ｗはともに、第２の電荷蓄積層１２２全体の幅Ｗに一致し、十分に広い幅Ｗを有する。このため、第２の電荷蓄積層１２２全体において狭チャネル効果の影響を受けにくくなる。従って、第２の電荷蓄積部１１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置は、第２の電荷蓄積層１２２の中央Ｏにほぼ一致した位置となる（図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ））。すなわち、従来の固体撮像装置の第２の電荷蓄積部１１２ｂにおいて、電位ポテンシャルの最深部の位置は、本実施形態と比較して、第２の転送ゲート部１５ｂから遠い位置となる。

以上に図７および図８を参照して説明したように、第２の電荷蓄積部１２ｂの第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部を、第２の転送ゲート部１５ｂに近づけることができる。この結果、第２の転送ゲート部１５ｂの第２の転送電極２９に印加する電圧Ｖ２を低電圧化すことができる。

すなわち、上述のように、この領域に蓄積される電荷は、第２の転送ゲート部１５ｂの第２の転送電極２９に電圧Ｖ２を印加することにより転送される。ここで、図８各図に示すように、第２の電荷蓄積部１１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置が第２の電荷蓄積層１２２の中央部にある場合、この第２の電荷蓄積層１２２の中央部に電荷がトラップされる。このように電荷がトラップされる位置は、第２の転送ゲート部１５ｂから遠いため、トラップされた電荷を転送するために（所定の残像特性を満足させるために）、第２の転送電極２９に高電圧を印加する必要がある。

これに対して本実施形態においては、図７各図に示すように、第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置αが第２の電荷蓄積層２２の端部領域にあり、この領域に電荷がトラップされる。しかし、このように電荷がトラップされる位置は、従来の固体撮像装置と比較して、第２の転送ゲート部１５ｂから近い位置となる。従って、トラップされた電荷を転送するために（所定の残像特性を満足させるために）第２の転送電極２９に印加する電圧を、低電圧化することができる。

なお、本実施形態に係る固体撮像装置１０において、第３の電荷蓄積部１２ｃの第２の電荷蓄積層２２についても、同様の理由により、リング状に設けられている。しかしながら、第１、第４の電荷蓄積部１２ａ、１２ｄの第２の電荷蓄積層２２´は、リング状には設けられず、平面状に設けられている。以下に、この理由について説明する。

図９は、実施形態に係る固体撮像装置１０の第１の電荷蓄積部１２ａに形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図（ａ）は、第１の電荷蓄積部１２ａの平面図、同図（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、第２の電荷蓄積部１２ａの各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図９（ｂ）は、図９（ａ）の一点鎖線Ｆ−Ｆ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図９（ｃ）は、図９（ａ）の一点鎖線Ｇ−Ｇ´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図９（ｂ）、（ｃ）において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

図９（ａ）に示すように、第１の電荷蓄積部１２ａの第２の電荷蓄積層２２´は、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって、幅広になるように設けられている。第２の電荷蓄積層２２´の第２の転送ゲート部１５ａ側の端部領域（以下、この領域を第１の段部領域と称する）においては、第２の電荷蓄積層２２´が十分に広い幅を有するため、狭チャネル効果の影響を受けにくい。このときに、第２の電荷蓄積層２２´の第１の段部領域を含む第２の電荷蓄積部１２ａの電位ポテンシャルをＶとする（図９（ｃ））。

一方、第２の電荷蓄積層２２´の第１の転送ゲート部１３ａ側の端部領域（以下、この領域を第２の段部領域と称する）においては、第２の電荷蓄積層２２´の第１の端部領域と比較して狭い幅となっているため、狭チャネル効果の影響を受け易くなっている。このため、第２の電荷蓄積層２２´の第２の段部領域を含む第２の電荷蓄積部１２ａの電位ポテンシャルは、第２の電荷蓄積層２２´の第１の段部領域を含む第２の電荷蓄積部１２ａの電位ポテンシャル（Ｖ）より浅くなる（図９（ｂ））。

このように、第２の電荷蓄積層２２´を含む第１の電荷蓄積部１２ａの電位ポテンシャルは、第１の転送ゲート部１３ａに近い位置ほど狭チャネル効果の影響を強く受け、浅くなる（図９（ｂ）、（ｃ））。従って、第２の電荷蓄積層２２´をリング状に設けなくとも、第１の電荷蓄積部１２ａの電位ポテンシャルは、第１の転送ゲート部１３ａから第２の転送ゲート部１５ａに向かって、深くなるように形成される。このように、第１の電荷蓄積部１２ａにおいては、この領域を転送される電荷がスムーズに転送されるような電位ポテンシャルの勾配が設けられるため、第２の電荷蓄積層２２´をリング状に設けていない。

なお、第４の電荷蓄積部１２ｄの第２の電荷蓄積層２２´においても、同様の理由により、リング状に設けられていない。

ここで、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２も、第１、第４の電荷蓄積部１２ａ、１２ｄの第２の電荷蓄積層２２´と同様の電位ポテンシャルの勾配を持たせるために、第１の転送ゲート部１３ｂ、１３ｃから第２の転送ゲート部１５ｂ、１５ｃに向かって、幅が広くなるように設ければよい、とも考えられる。しかしながら、図１に示すように、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃは、第１、第４の電荷蓄積部１２ａ、１２ｄと比べて、Ｙ方向における距離が短い。従って、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２を、第１、第４の電荷蓄積部１２ａ、１２ｄの第２の電荷蓄積層２２´のように、電荷の転送方向に向かって幅が広くなるように設けても、電荷の転送方向に向かって深くなる電位ポテンシャルを得ることは困難である。従って、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２においては、上述のようにリング状に設ける必要がある。

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置１０によれば、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２は、リング状に設けられている。従って、図８（ａ）に示すような平面状の第２の電荷蓄積層１２２が設けられた従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第２の転送電極２９に印加する電圧を低電圧化することができる。この結果、この電極２９に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

また、本実施形態に係る固体撮像装置１０によれば、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃに蓄積される電荷量が少ない場合（低照度時）であっても、第２の転送電極２９に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域に蓄積される電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部１１ａ〜１１ｄにおける受光量と、電荷検出部１６において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

なお、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの電位ポテンシャルの最深部の位置を、第２の転送ゲート部１５ｂ、１５ｃに近付けることにより、上述のような効果を奏するものである。ここで、第２、第３の電荷蓄積部の電位ポテンシャルの最深部の位置を第２の転送ゲート部に近付ける手段として、他に、第２の電荷蓄積部の表面において、第２の転送ゲート部に近接する一部に、さらに不純物層を別途設ける手段が考えられる。しかし、この手段は、製造工程数を増加させるだけでなく、別途設ける不純物層と第２の電荷蓄積層との位置ずれによって、第２の転送ゲート部に近接する位置に、電位障壁若しくはディップが発生する場合がある。この場合、所定の残像特性を維持するためには、第２の転送ゲート部に高電圧を印加する必要がある。従って、この手段においては、必ずしも第２の転送ゲート電極に印加する電圧の電圧マージンを拡大することはできない。従って、この手段は本実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、歩留まりが低下するため、好ましい手段ではない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、第２の実施形態に係る固体撮像装置の全体構造の平面図は図１と同様であり、動作についても、図６を参照して説明した動作と同様である。従って、これらについての説明は省略し、以下に、第１の固体撮像装置１０と比較して異なる部分について説明する。

図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の図２に対応する断面図であり、図１１は、この固体撮像装置の第２の画素部を拡大して示す平面図である。なお、図１１において、第１の転送電極２５は点線で示している。また、シールド層３４は省略している。

図１０および図１１に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置においては、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、第２の画素部３１ｂの構造が異なっておる。すなわち、第２の画素部３１ｂにおいて、ウェル層１８の表面には、例えばＮ＋型の不純物層である平面状の第１の受光層３２が設けられている。この第１の受光層３２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の受光層１９（図２）と同様に設けられている。

この第１の受光層３２の表面には、例えばＮ＋＋型の不純物層である第２の受光層３３が、第１の転送ゲート部１３ｂから離間するように設けられている。図１１に示すように、第２の受光層３３は、第２の電荷蓄積部１２ｂの第２の電荷蓄積層２２と同様に、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第２の受光層３３の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば３：１程度である。

この第２の受光層３３は、例えば、第１の受光層３２を設けた後に、例えばリング状のＮ型の不純物層を、第１の受光層３２の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図１０および図１１に示すように、リング状の第２の受光層３３が設けられるとともに、第２の受光層３３の開口部からは、第１の受光層３２が露出する。

このように、第２の受光層３３をリング状に設けることにより、この層３３を含む第２の画素部３１ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置を、第１の転送ゲート部１３ｂに近付けることができる。なお、この理由については、第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることによって第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置を第２の転送ゲート部１５ｂに近付けることができる理由と同様であるため、ここではその説明を省略する。

図１０を参照する。このような第１、第２の受光層３２、３３を有する第２の画素部３１ｂにおいて、第２の受光層３３の表面には、一部が第１の受光層３２にはみ出すように、シールド層３４が設けられている。シールド層３４は、少なくとも第２の受光層３３をシールドする不純物層であって、例えばＰ＋型の不純物層である。なお、このシールド層３４は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

以上に、第２の画素部３１ｂの構造について説明したが、他の画素部（第１、第３、第４の画素部）においても第２の画素部３１ｂと同様に、リング状の第２の受光層３３を設けてもよい。

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置においても、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２は、リング状に設けられている。従って、従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第２の転送電極２９に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極２９に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

また、本実施形態に係る固体撮像装置においても、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることにより、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃに蓄積される電荷量が少ない場合（低照度時）であっても、第２の転送電極２９に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域に蓄積される電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部における受光量と、電荷検出部１６において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

さらに、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、第２の画素部３１ｂに、リング状の第２の受光層３３が設けられており、その他の各画素部においても同様に、リング状の第２の受光層が設けられている。従って、従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第１の転送電極２５に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極２５に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、さらに残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

そして、第２の画素部３１ｂを含む各画素部にリング状の第２の受光層を設けることにより、各画素部において発生する電荷の電荷量が少ない場合（低照度時）であっても、第１の転送電極２５に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域において発生する電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部における受光量と、電荷検出部１６において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することがでる。従って、低受光量であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、さらに良好な画像を形成することができる。

なお、第２の実施形態においては、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃにリング状の第２の電荷蓄積層２２が設けられていることに加えて、第２の画素部３１ｂを含む各画素部にも、リング状の第２の受光層３３が設けられている。しかしながら、第２の受光層３３は、所定の画素部にのみ設けられてもよい。また、各画素部にリング状の第２の受光層３３を設け、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃにはリング状の第２の電荷蓄積層２２を設けなくてもよい。すなわち、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃには、平面状の第２の電荷蓄積層が設けられてもよいし、第２の電荷蓄積層２２自体が設けられなくてもよい。

以上に説明した第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサに関するものであったが、本願発明は、ＣＭＯＳイメージセンサに対しても適用可能である。

（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。なお、図１２に示す固体撮像装置は、ＣＭＯＳイメージセンサの一部である。実際のＣＭＯＳイメージセンサは、図１２に示す構造が、格子状に複数個配列形成されたものである。

図１２に示すように、この固体撮像装置６０は、画素部（ＰＤ）６１と電荷検出部（ＦＪ）６２との間に、転送ゲート部（ＳＨ）６３が形成されたものである。画素部６１および電荷検出部６２についてはそれぞれ、第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置の各画素部１１ａ〜１１ｄ、３１ｂおよび電荷検出部１６と同様に動作する。これに対して、転送ゲート部（ＳＨ）６３は、画素部６１において発生した電荷を読み出し、読み出した電荷を、電荷検出部６２に転送する。

図１３は、図１２の一点鎖線Ｈ−Ｈ´に沿った固体撮像装置６０の断面図である。図１３に示すように、画素部６１、転送ゲート部６３、および電荷検出部６２はそれぞれ、例えばＮ型の半導体基板６４に設けられたＰ型のウェル層６５に設けられている。

画素部６１において、ウェル層６５の表面には、転送ゲート部６３に接するように、第１の受光層６６が設けられている。第１の受光層６６は、平面状に設けられた、例えばＮ＋型の不純物層である。そして、この第１の受光層６６の表面には、例えばＮ＋＋型の不純物層である第２の受光層６７が、転送ゲート部６３から離間するように設けられている。また、半導体基板６４はＰ型であり、ウェル層６５をＮ型層とすることも可能である。

図１４は、画素部６１およびその周辺を模式的に示す平面図である。なお、図１４において、転送電極７２は点線で示している。また、シールド層６８は省略している。

図１４に示すように、第２の受光層６７は、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第２の受光層６７の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば３：１程度である。

この第２の受光層６７は、例えば、第１の受光層６６を設けた後に、例えばリング状のＮ型の不純物層を、第１の受光層６６の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図１３および図１４に示すように、リング状の第２の受光層６７が設けられるとともに、第２の受光層６７の開口部からは、第１の受光層６６が露出する。

このように、第２の受光層６７をリング状に設けることにより、この層６７を含む画素部６１の電位ポテンシャルの最深部の位置を、転送ゲート部６３に近付けることができる。なお、この理由については、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、第２の電荷蓄積層２２をリング状に設けることによって第２の電荷蓄積部１２ｂの電位ポテンシャルの最深部の位置を第２の転送ゲート部１５ｂに近付けることができる理由と同様であるため、ここではその説明を省略する。

図１３を参照する。このような第１、第２の受光層６６、６７を有する画素部６１において、第２の受光層６７の表面には、一部が第１の受光層６６にはみ出すように、シールド層６８が設けられている。シールド層６８は、少なくとも第２の受光層６７をシールドする不純物層であって、例えばＰ＋型の不純物層である。なお、このシールド層６７は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

次に、電荷検出部６２において、ウェル層６５の表面には、例えばＮ型の不純物層である第１の電荷検出層６９が設けられている。そして、この第１の電荷検出層６９の表面の一部には、第１の電荷検出層６９より高濃度の不純物層である第２の電荷検出層７０が設けられている。また、第２の電荷検出層７０の表面上には、読み出し電極７１が設けられている。

このような画素部６１と電荷検出部６２との間の転送ゲート部６３において、ウェル層６５の表面上には、転送電極７２が設けられている。

なお、本実施形態に係る固体撮像装置６０においては、オフセットゲート部が設けられていないが、転送ゲート部６３と電荷検出部６２との間に、オフセットゲート部を設けてもよい。

このような固体撮像装置６０においても、基本的には第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置と同様に動作する。すなわち、転送電極７２に所定の電圧を印加し、転送ゲート部６３の電位ポテンシャルを画素部６１の電位ポテンシャルより深くすることにより、画素部６１において発生した電荷は、電荷検出部６２に転送される。電荷検出部６２に転送された電荷は、電荷検出部６２の電位を降下させる。この電圧降下分が信号電圧として、読み出し電極７１によって読み出される。固体撮像装置６０は、このようにして、画像を形成するための信号電圧を形成する。

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置６０においては、画素部６１にリング状の第２の受光層６７が設けられているため、画素部に平面状の第１の受光層のみが設けられた従来のＣＭＯＳ型の固体撮像装置、または平面状の第１の受光層の表面に、平面状の第２の受光層が設けられた従来のＣＭＯＳ型の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、転送電極７２に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極７２に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

また、本実施形態に係る固体撮像装置６０においては、画素部６１にリング状の第２の受光層６７が設けられているため、画素部６１において発生する電荷の電荷量が少ない場合（低照度時）であっても、転送電極７２に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域において発生する電荷を良好に転送することができる。この結果、画素部６１における受光量と、電荷検出部６２において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

以上に説明した第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置は、例えばラインセンサに適用される。以下に、応用例として、例えば第１の実施形態に係る固体撮像装置１０を適用したラインセンサを説明する。

（応用例）
図１５は、第１の固体撮像装置１０を適用したラインセンサを示す斜視図である。ラインセンサ８０は、回路基板８１、複数の固体撮像装置１０、セルフォック（登録商標）レンズアレー８２、および導光体８３を有する。図示は省略するが、これらは、筺体内に配置される。

複数の固体撮像装置１０は、互いに隣接して、一直線状に回路基板８１上に配置される。各固体撮像装置１０は、その受光面がセルフォック（登録商標）レンズアレー８２の出力面に対して対向するように、回路基板８１上に配置され、回路基板８１に設けられた配線と電気的に接続される。

なお、図示は省略するが、回路基板８１は、各固体撮像装置１０から出力される信号電圧に基づいて画像を形成する画像処理回路を有する。

セルフォック（登録商標）レンズアレー８２、および導光体８３は、回路基板８１の上方にそれぞれ配置され、筺体（図示せず）により支持される。導光体８３は、この端部に配置されたＬＥＤ等の光源（図示せず）から出射された光を、原稿に向けて出射するための出射面８３ａを有する。

セルフォック（登録商標）レンズアレー８２は、回路基板８１の上方にて、原稿にて反射された光を固体撮像装置１０において結像するように配置されている。従って、導光体８３の出射面８３ａから出射された光は、原稿にて反射された後、セルフォック（登録商標）レンズアレー８２に入射され、固体撮像装置１０で結像する。

図１６は、このようなラインセンサ８０に適用される一つの固体撮像装置１０の回路ブロック図を示している。なお、図１６に示す回路ブロック図は、固体撮像装置１０に設けられた一セル分の回路ブロック図であって、実際の固体撮像装置においては、図１６に示される回路ブロック図が配列されている。

図１６に示すように、各第１の転送ゲート部１３ａ〜１３ｄおよび各第２の転送ゲート部１５ａ〜１５ｄは、シフトレジスタ９１に接続されている。各第１の転送ゲート部１３ａ〜１３ｄには、シフトレジスタ９１から出力されるゲートパルスＶ１が所望のタイミングで入力され、各第２の転送ゲート部１５ａ〜１５ｄには、シフトレジスタ９１から出力されるゲートパルスＶ２が所望のタイミングで入力される。

例えば４つの第１の転送ゲート部１３ａ〜１３ｄに同一タイミングでゲートパルスＶ１を入力し、４つの第２の転送ゲート部１５ａ〜１５ｄに同一タイミングでゲートパルスＶ２を入力すると、各画素部１１ａ〜１１ｄにおいて発生する電荷は全て、電荷検出部１６に転送され、蓄積される。これにより、４つの画素部１１ａ〜１１ｄを一つの画素とみなせるため、セルの感度は高感度化される。

他方、４つの第１の転送ゲート部１３ａ〜１３ｄに異なるタイミングでゲートパルスＶ１を入力し、４つの第２の転送ゲート部１５ａ〜１５ｄに異なるタイミングでゲートパルスＶ２を入力すると、画素１１ａ〜１１ｄ毎の電荷がそれぞれ異なるタイミングで、電荷検出部１６に転送され、蓄積される。これにより、４つの画素部１１ａ〜１１ｄはそれぞれ異なる画素部であるとみなせるため、セルの解像度は高められる。

すなわち、この固体撮像装置は、ゲートパルスＶ１およびゲートパルスＶ２の印加タイミングを制御することにより、セルの感度および解像度を切り替えることができるものである。

また、電荷検出部１６には、増幅器９２を介してトランジスタ９３が接続されている。このトランジスタ９３は、固体撮像装置１０に配列される複数のセルの中から一つのセルを選択するための選択トランジスタである。選択トランジスタ９３のゲートは、シフトレジスタ９１に接続されており、この選択トランジスタ９３のゲートには、シフトレジスタ９１から出力される選択パルスＳＬが所望のタイミングで入力される。

さらに、電荷検出部１６には、リセットゲート部９４および定電圧ＶＤが印加されたドレイン９５がこの順に接続されている。リセットゲート部９４は、電荷検出部１６に蓄積された不要電荷をドレイン９５に転送して、電荷検出部１６をリセットするためのゲートである。リセットゲート部９４は、シフトレジスタ９１に接続されており、このリセットゲート部９４には、シフトレジスタ９１から出力されるリセットパルスＲＳが所望のタイミングで入力される。

このような固体撮像装置において、電荷検出部１６に電荷が蓄積されると、電荷検出部１６において検出される信号電圧は、選択トランジスタ９３に入力される。ここで、シフトレジスタ９１から選択トランジスタ９３のゲートに選択パルスＳＬが入力されると、選択トランジスタ９３に入力される信号電圧は、選択トランジスタ９３を介して増幅器９６に入力され、その電力が増幅され、出力される。

他方、電荷検出部１６において信号電圧を検出した後に電荷検出部１６に蓄積される不要電荷は、シフトレジスタ９１からリセットゲート部９４にリセットパルスＲＳが入力し、リセットゲート部９４をオンすることにより、ドレイン９５に転送される。これにより、電荷検出部１６はリセットされる。

図１５に示すラインセンサ８０に設けられる各固体撮像装置１０は、この装置内に設けられる各セルに、図１６を参照して説明したような動作をさせことにより、信号電圧を生成する。生成された信号電圧は、回路基板８１に送られ、回路基板８１上に設けられる画像処理回路において、画像が形成される。ラインセンサ８０は、このようにして、画像を形成する。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃの第２の電荷蓄積層２２は、この層２２の中央部分に開口部を有するリング状であったが、第２の電荷蓄積層の形状は、この形状に限定されない。図１７に、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃに設けられる第２の電荷蓄積層の変形例を示す。図１７に示すように、第２の電荷蓄積層４２は、リング形状を並列に複数個接続した形状、すなわち、複数個の開口部が設けられた形状であってもよい。例えばこのような第２の電荷蓄積層４２は、第２、第３の電荷蓄積部１２ｂ、１２ｃがＸ方向に長い場合には有効である。

なお、図示は省略するが、画素部３１ｂ、６１に設けられる第２の受光層３３、６７も同様に、リング形状を並列に複数個接続した形状、すなわち、複数個の開口部が設けられた形状であってもよい。このような第２の受光層は、画素部３１ｂ、６１がＸ方向に長い場合には有効である。

また、上述の各実施形態に係る固体撮像装置は、Ｎ型の半導体基板１７、６４に設けられたＰ型のウェル層１８、６５に設けられているが、必ずしもウェル層１８、６５に設けられる必要はなく、Ｐ型の半導体基板に設けられていてもよい。

１０、６０・・・固体撮像装置
１１ａ・・・（第１の）画素部
１１ｂ、３１ｂ・・・（第２の）画素部
１１ｃ・・・（第３の）画素部
１１ｄ・・・（第４の）画素部
１２ａ・・・第１の電荷蓄積部
１２ｂ、１１２ｂ・・・第２の電荷蓄積部
１２ｃ・・・第３の電荷蓄積部
１２ｄ・・・第４の電荷蓄積部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ・・・第１の転送ゲート部
１４・・・オフセットゲート部
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ・・・第２の転送ゲート部
１６、６２・・・電荷検出部
１７、６４・・・半導体基板
１８、６５・・・ウェル層
１９・・・受光層
２０、３４、６８・・・シールド層
２１・・・第１の電荷蓄積層
２２、２２´、４２、１２２・・・第２の電荷蓄積層
２３・・・シールド層
２４・・・第１の転送用不純物層
２５・・・第１の転送電極
２６・・・オフセットゲート層
２７・・・オフセットゲート電極
２８・・・第２の転送用不純物層
２９・・・第２の転送電極
３０・・・電荷検出層
３１、７１・・・読み出し電極
３２、６６・・・第１の受光層
３３、６７・・・第２の受光層
６１・・・画素部
６３・・・転送ゲート部
６９・・・第１の電荷検出層
７０・・・第２の電荷検出層
７２・・・転送電極
８０・・・ラインセンサ
８１・・・回路基板
８２・・・セルフォック（登録商標）レンズアレー
８３・・・導光体
８３ａ・・・出射面
９１・・・シフトレジスタ
９２、９６・・・増幅器
９３・・・（選択）トランジスタ
９４・・・リセットゲート部
９５・・・ドレイン

Claims (5)

1. 半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第１の受光層、を有する画素部と、
   前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第１の電荷蓄積層、を有する電荷蓄積部と、
   前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する第１の転送ゲート部と、
   前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する第２の転送ゲート部と、
   この第２の転送ゲート部と前記電荷検出部との間に設けられ、所定の定電圧が印加されるオフセットゲート部と、
   を具備し、
   前記電荷蓄積部は、前記オフセットゲート部に前記第２の転送ゲート部を介して接続されており、
   前記電荷蓄積部の前記第１の電荷蓄積層の表面には、開口部を有するリング状の第２の電荷蓄積層が、前記第２の転送ゲート部に接するように設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第１の受光層、を有する画素部と、
   前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第１の電荷蓄積層、を有する電荷蓄積部と、
   前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する第１の転送ゲート部と、
   前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する第２の転送ゲート部と、
   を具備し、
   前記画素部の前記第１の受光層または前記電荷蓄積部の前記第１の電荷蓄積層のうち、少なくとも一方の表面には、開口部を有するリング状の不純物層が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記リング状の不純物層は、第２の電荷蓄積層であって、
   この第２の電荷蓄積層は、前記第１の電荷蓄積層の表面に、前記第２の転送ゲート部に接するように設けられたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２の転送ゲート部と前記電荷検出部との間に、所定の定電圧が印加されるオフセットゲート部をさらに具備し、
   前記電荷蓄積部は、前記オフセットゲート部に前記第２の転送ゲート部を介して接続されることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第１の受光層を有する画素部と、
   前記画素部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、
   前記画素部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する転送ゲート部と、
   を具備し、
   前記画素部は、前記第１の受光層の表面に、前記転送ゲート部に接するように設けられた、開口部を有するリング状の第２の受光層を有することを特徴とする固体撮像装置。

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