JP3589472B2 - 電荷転送装置および固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電荷転送装置および固体撮像素子に関し、特に高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）で信号電荷を転送すると共に、暗電流の発生を防止できる電荷転送装置および固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高い信号対雑音比を有する電荷転送装置として、ＣＣＤが利用されており、特にこのＣＣＤは固体撮像素子に利用されている。
ＣＣＤはチャネル領域の構造にしたがって表面チャネルＣＣＤと、埋込チャネルＣＣＤとに区分される。
【０００３】
図１および図２は各々表面チャネルＣＣＤ、および埋込チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを示す。
図１のような表面チャネルＣＣＤでは、多結晶シリコンの転送電極５に印加する電圧８によりｐ型シリコン基板２ａの表面の導電型をｎ型に反転させることにより、チャネル領域を形成する。
この場合、チャネル領域において、ポテンシャルがもっと大きい部位はｐ型シリコン基板２ａと第１電極絶縁膜４との境界で、その境界では、ポテンシャルプロファイルと転送された信号電荷との相互作用が活発に生ずるので、信号電荷の転送効率が低下され、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）も低下される結果を招来する。
【０００４】
しかし、図２に示した埋込チャネルＣＣＤはもっと高いポテンシャルがｐ型シリコン基板２ａ内にあるので、その境界においてのポテンシャルと転送された信号電荷の相互作用の頻度数が低下される。
したがって、埋込チャネルＣＣＤは表面チャネルＣＣＤより信号対雑音比は高いが、同一条件下においての電荷転送の容量は表面チャネルＣＣＤより低い。
図２においても、やはり６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを、かつ、８は転送電極５に印加される電圧を示す。
表面チャネルＣＣＤおよび埋込チャネルＣＣＤにおいて、暗電流発生の主要原因は、ｐ型シリコン基板２ａと第１絶縁膜４との境界においてのポテンシャルにより発生される電荷である。
【０００５】
最近、半導体材料の開発、製造工程の清潔化および光検出部構造の結果により、暗電流を６０℃の高温条件下においても、１ｎＡ／ｃｍ２ 程低減することができることはよく知られている。
しかし、日に日に固体撮像素子の小型化乃至高感度化が要求されるので、これにより、標準信号電荷量が低下する傾向であるので、このような値も不充分なこととなる。
また、素子集積化にしたがってチャネル領域の幅は狭いので、狭帯（ｎａｒｒｏｗ）チャネル効果が大きく発生された。
したがって、ＣＣＤにおいて取扱いされる信号電荷量が低減された。取扱い電荷量を増加させる方法として、ＣＣＤ駆動電圧としてプラス電圧およびマイナス電圧を利用する方法が有効であるが、従来このような方法は暗電流が増加される問題がある。このため、暗電流が問題となる低速駆動ＣＣＤの場合には、駆動電圧として暗電流が発生されないマイナス電圧（すなわち、信号電荷が電子である場合）のみが利用されている。
【０００６】
図３は電荷転送装置としてインタライントラスファ方式のＣＣＤを使用したカラー固体撮像素子の１つの画素に該当する断面を示したものである。図３によれば、色信号を出力させるために赤色、緑色、青色のフィルター層２２ａ−２２ｃをホトダイオード１３の上側に形成する。また図３によれば、ある種類の光検出素子（たとえば、Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード）１３が使用される。
【０００７】
しかし、赤色フィルター、緑色フィルター、青色フィルターのようなカラーフィルターは、所望する色以外の光は吸収し、所望する特定の波長の光のみを選択的に透過させるので、光の利用効率面においてはよくない。
したがって、より高効率のカラー固体撮像素子を実現するには、各々異なる波長帯域を有する赤色信号、青色信号および緑色信号を同時に得る技術を必要とする。
しかし従来技術によれば、受信した光から各々異なる波長帯域を有する色信号を得られる単一の固体撮像素子を実現することは不可能であった。
図３において、符号１はｎ型シリコン基板、２ｂはｐ型ウェル基板、４は第１電極絶縁膜、１０はチャネルストップ領域、２１，２３は平坦化層、２５はｐ型ホール蓄積層、２６は光遮断層、２７は第１多結晶シリコン転送電極、２８は第２多結晶シリコン転送電極、２９は第２電極絶縁膜を各々示す。
【０００８】
図４は１つの半導体基板上に、互いに異なる２つの分光感度を有する固体撮像素子の略構成ブロック図であり、図５は図４中、１つの画素部に該当する断面図である。
図５において、第１光検出素子は可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード１３であり、第２光検出素子は積外線用ショットキーバリアダイオード１２である。ショットキーバリアダイオード１２の物質としてＰｔＳｉが使用される。
図５において符号２ｂ，４，１０，２９は図３と同一である。
図４において、可視領域の光検出素子１３および赤外線領域の第１光検出素子１２から各々独立的に信号電荷を読み取るために可視領域の光信号電荷を転送する第２垂直ＣＣＤ１４ａおよび赤外線領域の光信号電荷を転送する第２垂直ＣＣＤ１４ｂが設けられる。
また、第１垂直ＣＣＤ１４ａからの可視領域の光信号電荷を出力側に転送する第１水平ＣＣＤ１７ａおよび第２垂直ＣＣＤ１４ｂからの赤外線領域の光信号電荷を出力側に転送する第２水平ＣＣＤ１７ｂが設けられる。
２９ａは第１水平ＣＣＤ１７ａおよび第２水平ＣＣＤ１７ｂを電気的に分離するための絶縁膜である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術は第１種類と第２種類の光検出素子に対して各々独立的な信号電荷転送経路（すなわち、第１垂直ＣＣＤおよび第２垂直ＣＣＤ、第１水平ＣＣＤおよび第２水平ＣＣＤ）を必要とする。
したがって、各信号電荷転送経路を１つの装置に、共に集積化しなければならない問題がある。
【００１０】
本発明は前記従来の問題点を解消するためのもので、暗電流の発生を減少できる電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、カラーフィルター層を使用しない分光機能を有する電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、多種の光を検出できる高集積型電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、表面内に形成された埋込チャネル領域上に、埋込チャネル領域とは反対の導電性を有する表面チャネル領域を形成することにより、埋込チャネル領域と表面チャネル領域とが積層された２層構造の信号電荷転送経路を有する電荷転送装置および固体撮像素子を実現することにその目的がある。
すなわち、本発明によれば、積層されたチャネル領域中、表面チャネル領域を基板とゲート絶縁膜との境界より発生する暗電流を蓄積し排出することに利用し、埋込チャネル領域は光信号電荷を転送することに利用することにより、暗電流が低く、かつ高い信号対雑音比を有する固体撮像素子が実現され、転送電極（またはゲート電極）にマイナスのみならずプラス駆動電圧を印加しても暗電流が増加されなく、転送される信号電荷量を最大に増加させることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、図６は、本発明による電荷転送装置（すなわちＣＣＤ）を概略的に説明するための説明図で、信号電荷を転送するチャネル領域の断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示すものである。
図７は、本発明によるＣＣＤの断面図である。
図７において、第１導電型半導体基板３１としてｐ型シリコン基板が使用され、第２導電型埋込チャネル領域３２としてｎ型シリコン層、第１導電型表面チャネル領域３３としてｐ型シリコン層が使用された。
表面チャネル領域３３であるｐ型シリコン層上に酸化膜が電極絶縁膜３４として形成され、さらにその上に複数の転送電極３５として多結晶シリコン層が形成される。
【００１３】
ここで３６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、３７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを、３８は多数の転送電極３５としての多結晶シリコン層に印加される電圧を示す。
図７に示すように、１つの表面チャネル領域３３と１つの埋込チャネル領域３２とからなる各チャネル領域は、チャネルストップ領域３９であるｐ＋ 型シリコン領域によって電気的に分離される。ここで符号＋は高濃度の不純物を示す。
表面チャネル領域３３の信号電荷を排出し、ノイズおよび暗電流がない信号電荷を埋込チャネル領域より読み取るためには、表面チャネル領域３３および埋込チャネル領域３２からそれぞれ独立的に信号電荷を出力させる必要がある。このような構造を図８に示す。
【００１４】
図８ないし図１０は、本発明による電荷転送装置を示すものである。
図８および図９に示すように、掃引出力（ｓｗｅｅｐ ｏｕｔ）用電極（またはゲート電極）３５ｈにより表面チャネル領域３３からの暗電流を排出させる掃引出力ドレーン４０ａが電荷転送経路の中間部分に設けられる。
図８および図１０に示すように、信号電荷の注入のために信号電荷注入用電極３５ａおよび信号電荷注入用ソース４０ｂが設けられ、転送電極３５ｊにより埋込チャネル領域３２からの信号電荷を検出するフローティンブ拡散領域４０ｃが設けられる。この時、表面チャネル領域３３には信号電荷が注入しないので信号電荷注入用電極３５ａは埋込チャネル領域３２上のみ形成される。
ここで、符号３５ｂ−３５ｉ，３５ｊは図６における複数の転送電極を示す。
【００１５】
図８ないし図１０に示すように、電荷転送装置（すなわちＣＣＤ）は、第１導電型半導体基板３１；第１導電型半導体基板３１の表面に形成された第１導電型表面チャネル領域３３；表面チャネル領域３３の下側に形成され、一側部が表面チャネル領域３３より長く形成された第２導電型の埋込チャネル領域３２；半導体基板の全表面に形成された電極絶縁膜３４；半導体基板の表面において表面チャネル領域３３より長く形成された埋込チャネル領域３２の一側部と接触されるように形成される信号電荷注入用ソース４０ｂ；半導体基板の表面において埋込チャネル領域３２の他側部と接触されるように形成され、信号電荷を検出するためのフローティング拡散（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）ゾーン４０ｃ；半導体基板３１の表面において前記表面チャネル領域３３の他側面と一定距離をおいて形成され、表面チャネル領域３３に蓄積された暗電流を排出させるための掃引出力ドレーン４０ａ；電極絶縁膜３４の表面の表面チャネル領域３３より長く形成された埋込チャネル領域３２の一側部の上に形成され、信号電荷を埋込チャネル領域３２に注入するための信号電荷注入用電極３５ａ；電極絶縁膜３４の表面の、表面チャネル領域３３と掃引出力ドレーン４０ａとの間の該当する部分に形成され、表面チャネル領域３３の他側部から掃引出力ドレーン４０ａに暗電流を伝達するための掃引出力用電極３５ｈ；かつ、電極絶縁膜３４の表面の表面チャネル領域３３の上側に該当する部分の信号電荷注入用電極３５ａと掃引出力ドレーン４０ａとの間に一定間隔をおいて形成される複数の転送電極３５；を備える。
図８と９とに示すように、表面チャネル領域３３から掃引出力電極（ゲート電極）３５ｈを経て暗電流が流れるように、掃引出力ドレイン４０ａは電荷転送路の中央に配置される。
電荷注入用電極３５ａおよび電荷注入ソース４０ｂは信号電荷注入を行う。フローティング拡散領域４０ｃは転送電極３５ｊを経て埋込チャネル領域からの信号電荷を検出するように働く。信号電荷が表面チャネル領域に注入されないように、電荷注入電極３５ａは埋込チャネル領域３２の上にだけ配置されている。
【００１６】
図１１は本発明の第２実施例として単一の種類の光検出素子を用いたインタライン転送方式の固体撮像素子に、本発明の電荷転送装置（すなわち、ＣＣＤ）を適用したものである。
図１１において、図８乃至図１０における電荷注入ソース４０ｂおよび信号電荷注入用電極３５ａが各々ｎ型光検出素子４３および転送電極４９が使用される。
図１１の中、ｎ型光検出素子４３は埋込ホトダイオードといわれる構造として、暗電流の低域のために、その（ｎ型光検出素子４３）上側にｐ＋ 型ホール蓄積層４４が形成されている。
したがってｐ型ウェル４２と第１電極絶縁膜４５ａとの境界面から電子発生を抑制する。
ｎ型光検出素子４３から電荷転送領域であるＣＣＤへの電荷転送を制御するものは電荷注入用転送電極４９である。埋設されたｎ型光検出素子４３より発生された信号電荷を垂直ＣＣＤであるｎ型埋込チャネル領域５２に転送する。
図１１において、ｐ型ウェルはオーバフロードレーンを抑制するために、ｎ型光検出素子４３の下方は浅く、それ以外の部分は深く形成される。もし、ｐ型表面チャネル領域５１を信号電荷転送に利用しようとする場合、表面チャネル領域５１からの転送された信号電荷を掃引するための図８の掃引出力ドレーン４０ａを信号電荷の検出のためのフローティング拡散ゾーン４０ｃに変更して構成し、ｐ型表面チャネル領域５１上に図８の信号電荷注入用ソース４０ｂを追加すればよい。
図１１において、符号４１はｎ型シリコン基板、４２はｐ型ウェル、４５は電極絶縁膜、４６は平坦化層、５０は光遮断層、４７は第１多結晶シリコン転送電極、４６ｂは電極を外部と絶縁させるための第２電極絶縁膜、４８は第２多結晶シリコン転送電極、５３はｐ＋ 型チャネルストップ領域である。
これらの機能は通常のもであるので、詳細な説明は省略する。
【００１７】
図１１によれば、本発明の第２実施例による固体撮像素子は、ｐ型シリコン基板４１；ｐ型シリコン基板４１上に形成されるｐ型ウェル４２；ウェル４２の表面に、一定間隔をおいて形成され、暗電流を低減するためにホールを蓄積する複数のｐ＋ 型ホール蓄積層４４；ホール蓄積層４４の下側に形成され、一方がホール蓄積層４４より長く形成される複数の光検出素子４３；ｐ型ウェル４４の表面より一側面が光検出素子４３の一側面と当接されるように形成される複数のｎ型の埋込チャネル領域５２；埋込チャネル領域５２の表面より一方が埋込チャネル領域５２より短く形成される複数のｐ型の表面チャネル領域５１；表面チャネル領域５１および埋込チャネル領域５２の他方とホール蓄積層４４および光検出素子４３の他方との間に形成される複数のｐ＋ 型チャネルストップ領域５３；埋込チャネル領域５２、表面チャネル領域５１、チャネルストップ領域５３、光検出素子４３、ホール蓄積層４４の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜４５ａ；第１電極絶縁膜４５ａの表面の表面チャネル領域５１より長く形成された埋込チャネル領域５２の一方の上側に形成された複数の信号電荷注入用電極４９；第１電極絶縁膜４５ａの表面の表面チャネル領域５１の上側部分に順次形成される複数の第１多結晶シリコン転送電極４７および第２多結晶シリコン転送電極４８；電極を互いに絶縁させるとともに外部とも絶縁させる複数の第２電極絶縁膜４５ｂ；第２電極絶縁膜４５ｂ上に形成される複数の光遮断層５０；かつ、第１電極絶縁膜４５ａおよび光遮断層５０上に形成する平坦化層４６；を備える。
【００１８】
図１２は本発明の第３実施例における単一の種類の光検出素子を用いたフレーム転方式の固体撮像素子に、本発明の電荷転送装置（ＣＣＤ）を適用したものである。
図１２によれば、ｐ型表面チャネル領域５７およびｎ型埋込チャネル領域５６はすべて光検出素子として使用され、このような点が第３実施例の特徴である。図１２において、符号５４は平坦化層、５５はｐ型ウェル、５８は電極絶縁膜、５９は転送電極、６０は平坦化層、６１はｐ型チャネルストップ領域を示す。
【００１９】
フレーム転送方式の固体撮像素子は表面が全て受光部であるので、図１２に示したフレーム転送方式の固体撮像素子も、やはり受光部を中心として説明されることができる。
この場合、ｐ型チャネルストップ領域５７を適切に選択すれば、ｐ型チャネルストップ領域５７には、主に短波長の入射光によって発生された信号電荷が蓄積され、かつｎ型埋込チャネル領域５６には長波長の入射光によって発生された信号電荷が蓄積される。
何故ならば、シリコンは可視領域の光を吸収する時に、波長に非常に大きく依存するためである。
結局、短波長の光はシリコン表面から短い距離においてほとんど吸収され、長い波長の光はシリコン表面から遠い距離においてほとんど吸収される。
このように表面チャネル領域５７および埋込チャネル領域５６より得られる信号電荷を各々独立的に出力させると入射光の色に関する情報が得られる。
もちろん、２つのチャネル領域のみで元の色を再現するほどの情報を得ることはないが、対称物の色や照明源の波長分布に限定条件を賦与するさらに他の手段を追加することにより色信号を分離することができる。
【００２０】
図１２によれば、本発明の第３実施例による固体撮像素子は、ｎ型シリコン基板５４；ｎ型シリコン基板５４上に形成されるｐ型ウェル５５；ウェル５５の表面に、一定間隔をおいて形成される複数のｐ型表面チャネル領域５７；表面チャネル領域５７の下側に表面チャネル領域５７と当節されるように形成されるｎ型埋込チャネル領域５６；表面チャネル領域５７およびｎ型埋込チャネル領域５６からなる各チャネル領域の側面間に形成される複数のｐ型チャネルストップ領域６１；チャネルストップ領域６１、埋込チャネル領域５６および表面チャネル領域５７の全面に形成される電極絶縁膜５８；電極絶縁膜５８上に形成される転送電極５９；かつ転送電極５９上に形成される平坦化層；を備える。
【００２１】
図１３、図１４は本発明の第４実施例を示したもので、本発明の電荷転送装置（すなわち、ＣＣＤ）を適用した２つの種類の光検出素子を有する固体撮像素子を示したものである。
この固体撮像素子は、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２と、赤外線領域用ＰｔＳｉとを使用したショットキーバリアダイオード７１が垂直ＣＣＤ７５を中心として各々両側に配列されており、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は、図１４に示すように、埋込チャネル領域用電極７４によってｎ型第１埋込チャネル領域７８に信号電荷を転送し、ショットキーバリアダイオード７１は表面チャネル領域用電極７３によって信号電荷をｐ型表面チャネル領域７７に転送する。すなわち、埋込チャネル領域用電極７４は垂直ＣＣＤ７５および可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２上にわたって形成され、表面チャネル領域用電極７３は赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１および垂直ＣＣＤ７５上にわたって形成される。
また赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１は該当する垂直ＣＣＤ７５の左側に、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は該当する垂直ＶＣＣＤ７５の右側に１：１に対応して配置される。
【００２２】
また赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１および可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は、各１つの該当する垂直ＶＣＣＤ７５と１つの水平ＣＣＤ７６を共有する。何故ならば、図１４に示すように、可視領域の光信号電荷、赤外線領域の光信号電荷は、表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８を介して独立的に転送されるためである。
図１３に示すように、第４実施例の固体撮像素子は、複数の垂直ＣＣＤ７５に対して１つの水平ＣＣＤ７６が使用される。
図１４に示すように、赤外線領域の光によって信号電荷は表面チャネル領域７７に、可視領域の光信号電荷は第２埋込チャネル領域７９を介して第１埋込チャネル領域７８に転送される。
また赤外線領域の光信号電荷は表面チャネル領域用電極７３によって、可視領域の光信号電荷は埋込チャネル領域用電極７４によって独立的に読み取れる。
図１４に示すように、固体撮像素子の１つの画素に対応する断面構造によれば、転送電極８０は図５の従来構造の転送電極５に比べて横方向に長さ縮小された長さを有する。
符号７６ａは出力される信号電荷を感知するセンシングアンプ、８１は第１電極絶縁膜、８２は第２電極絶縁膜、８３はチャネルストップ領域、８４はｐ型半導体基板を示す。
第４実施例において、光検出素子の配列は２次元であるが、もちろん１次元の配列の態様を有する固体撮像素子にも同様に応用できる。
【００２３】
図１３および図１４によれば、本発明の第４実施例による固体撮像素子は、ｐ型半導体基板８４；半導体基板８４の表面に、一定間隔をおいて形成される複数のｐ型チャネルストップ領域８３；チャネルストップ領域の間の中央部分に該当する半導体基板８４の表面内に形成される複数のｐ型表面チャネル領域７７；表面チャネル領域の下方に当接されるように形成される複数のｎ型第１埋込チャネル領域７８；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の一側面と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域とは当接するように形成される複数の可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の他側面と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域８３とは当接するように形成される複数の赤外線領域用ＰｔＳｉのショットキーバリアダイオード７１；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の他側面とショットキーバリアダイオード７１との間に該当する半導体基板８４の表面内に形成される複数の第２埋込チャネル領域７９；チャネルストップ領域８３、表面チャネル領域７７、半導体基板８４、第２埋込チャネル領域７９、Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２およびショットキーバリアダイオード７１の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜８１；第１電極絶縁膜８１の表面中、ホトダイオード７２と表面チャネル領域７７の間に該当する部分に形成され、ホトダイオード７１から表面チャネル領域７７に信号電荷を転送するための表面チャネル領域用電極７３；第１電極絶縁膜８１の表面の前記第２埋込チャネル領域７９に該当する部分に形成され、ショットキーバリアダイオード７１から第２埋込チャネル領域７９を介して第１埋込チャネル領域７８に信号電荷を転送するための複数の埋込チャネル領域用電極７４；第１電極絶縁膜８１の表面の表面チャネル領域７７に該当する部分に形成される複数の転送電極８０；転送電極８０と表面チャネル領域用電極７３および埋込チャネル領域用電極７４を外部と絶縁させる複数の第２電極絶縁膜８２；複数の表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８からの信号電荷を入力される順序の通り出力する水平ＣＣＤ７６；かつ、水平ＣＣＤ７６からの信号電荷を感知するセンシングアンプ７６ａ；を備える。
また、第４実施例は、光検出素子の種類も２つの種類に限定されなく、複数の種類の光検出素子を配列させて多色の信号電荷を読み取るために応用できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つの電荷転送領域内に２つの独立されたチャネルが実現でき、暗電流の低域および信号対雑音比の向上を得ることができ、かつ入射光からいろいろな色情報を得ることができ、画素の高集積化を実現することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す図である。
【図２】従来の埋込チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図３】従来のＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に該当する断面である。
【図４】従来のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成ブロック図である。
【図５】従来のＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に該当する断面である。
【図６】本発明によるＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図７】本発明によるＣＣＤの断面図である。
【図８】本発明の第１実施例によるＣＣＤの平面図である。
【図９】図８のａ−ａ線による断面図である。
【図１０】図８のｂ−ｂ線による断面図である。
【図１１】本発明の第２実施例による、本発明のＣＣＤを従来のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【図１２】本発明の第３実施例による、フレーム転送方式の固体撮像素子に本発明のＣＣＤを適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【図１３】本発明の第４実施例によるＣＣＤの平面図である。
【図１４】本発明の第４実施例によるフレーム転送方式の固体撮像素子に本発明のＣＣＤを適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【符号の説明】
３１ 半導体基板
３２ 埋込チャネル領域
３３ 表面チャネル領域
３４ 電極絶縁膜
３５ 多数の転送電極
３５ａ 信号電荷注入用電極
３９ チャネルストップ領域
３５ｈ 掃引出力用電極
４０ａ 掃引出力ドレーン
４０ｂ 信号電荷注入用ソース
４０ｃ フローティング拡散ゾーン
３５ｂ〜３５ｇ，３５ｉ〜３５ｊ 転送電極
７１ ショットキーバリアダイオード
７２ Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード
７３ 表面チャネル領域用電極
７４ 埋込チャネル領域用電極
７５ 垂直ＶＣＣＤ
７６ 水平ＣＣＤ
７６ａ センシングアンプ
７７ 表面チャネル領域
７８ 第１埋込チャネル領域
７９ 第２埋込チャネル領域
８０ 転送電極
８１ 第１電極絶縁膜
８２ 第２電極絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は、電荷転送装置および固体撮像素子に関し、特に高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）で信号電荷を転送すると共に、暗電流の発生を防止できる電荷転送装置および固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高い信号対雑音比を有する電荷転送装置として、ＣＣＤが利用されており、特にこのＣＣＤは固体撮像素子に利用されている。
ＣＣＤはチャネル領域の構造にしたがって表面チャネルＣＣＤと、埋込チャネルＣＣＤとに区分される。
【０００３】
図１および図２は各々表面チャネルＣＣＤ、および埋込チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを示す。
図１のような表面チャネルＣＣＤでは、多結晶シリコンの転送電極５に印加する電圧８によりｐ型シリコン基板２ａの表面の導電型をｎ型に反転させることにより、チャネル領域を形成する。
この場合、チャネル領域において、ポテンシャルがもっと大きい部位はｐ型シリコン基板２ａと第１電極絶縁膜４との境界で、その境界では、ポテンシャルプロファイルと転送された信号電荷との相互作用が活発に生ずるので、信号電荷の転送効率が低下され、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）も低下される結果を招来する。
【０００４】
しかし、図２に示した埋込チャネルＣＣＤはもっと高いポテンシャルがｐ型シリコン基板２ａ内にあるので、その境界においてのポテンシャルと転送された信号電荷の相互作用の頻度数が低下される。
したがって、埋込チャネルＣＣＤは表面チャネルＣＣＤより信号対雑音比は高いが、同一条件下においての電荷転送の容量は表面チャネルＣＣＤより低い。
図２においても、やはり６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを、かつ、８は転送電極５に印加される電圧を示す。
表面チャネルＣＣＤおよび埋込チャネルＣＣＤにおいて、暗電流発生の主要原因は、ｐ型シリコン基板２ａと第１絶縁膜４との境界においてのポテンシャルにより発生される電荷である。
【０００５】
最近、半導体材料の開発、製造工程の清潔化および光検出部構造の結果により、暗電流を６０℃の高温条件下においても、１ｎＡ／ｃｍ２ 程低減することができることはよく知られている。
しかし、日に日に固体撮像素子の小型化乃至高感度化が要求されるので、これにより、標準信号電荷量が低下する傾向であるので、このような値も不充分なこととなる。
また、素子集積化にしたがってチャネル領域の幅は狭いので、狭帯（ｎａｒｒｏｗ）チャネル効果が大きく発生された。
したがって、ＣＣＤにおいて取扱いされる信号電荷量が低減された。取扱い電荷量を増加させる方法として、ＣＣＤ駆動電圧としてプラス電圧およびマイナス電圧を利用する方法が有効であるが、従来このような方法は暗電流が増加される問題がある。このため、暗電流が問題となる低速駆動ＣＣＤの場合には、駆動電圧として暗電流が発生されないマイナス電圧（すなわち、信号電荷が電子である場合）のみが利用されている。
【０００６】
図３は電荷転送装置としてインタライントラスファ方式のＣＣＤを使用したカラー固体撮像素子の１つの画素に該当する断面を示したものである。図３によれば、色信号を出力させるために赤色、緑色、青色のフィルター層２２ａ−２２ｃをホトダイオード１３の上側に形成する。また図３によれば、ある種類の光検出素子（たとえば、Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード）１３が使用される。
【０００７】
しかし、赤色フィルター、緑色フィルター、青色フィルターのようなカラーフィルターは、所望する色以外の光は吸収し、所望する特定の波長の光のみを選択的に透過させるので、光の利用効率面においてはよくない。
したがって、より高効率のカラー固体撮像素子を実現するには、各々異なる波長帯域を有する赤色信号、青色信号および緑色信号を同時に得る技術を必要とする。
しかし従来技術によれば、受信した光から各々異なる波長帯域を有する色信号を得られる単一の固体撮像素子を実現することは不可能であった。
図３において、符号１はｎ型シリコン基板、２ｂはｐ型ウェル基板、４は第１電極絶縁膜、１０はチャネルストップ領域、２１，２３は平坦化層、２５はｐ型ホール蓄積層、２６は光遮断層、２７は第１多結晶シリコン転送電極、２８は第２多結晶シリコン転送電極、２９は第２電極絶縁膜を各々示す。
【０００８】
図４は１つの半導体基板上に、互いに異なる２つの分光感度を有する固体撮像素子の略構成ブロック図であり、図５は図４中、１つの画素部に該当する断面図である。
図５において、第１光検出素子は可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード１３であり、第２光検出素子は積外線用ショットキーバリアダイオード１２である。ショットキーバリアダイオード１２の物質としてＰｔＳｉが使用される。
図５において符号２ｂ，４，１０，２９は図３と同一である。
図４において、可視領域の光検出素子１３および赤外線領域の第１光検出素子１２から各々独立的に信号電荷を読み取るために可視領域の光信号電荷を転送する第２垂直ＣＣＤ１４ａおよび赤外線領域の光信号電荷を転送する第２垂直ＣＣＤ１４ｂが設けられる。
また、第１垂直ＣＣＤ１４ａからの可視領域の光信号電荷を出力側に転送する第１水平ＣＣＤ１７ａおよび第２垂直ＣＣＤ１４ｂからの赤外線領域の光信号電荷を出力側に転送する第２水平ＣＣＤ１７ｂが設けられる。
２９ａは第１水平ＣＣＤ１７ａおよび第２水平ＣＣＤ１７ｂを電気的に分離するための絶縁膜である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術は第１種類と第２種類の光検出素子に対して各々独立的な信号電荷転送経路（すなわち、第１垂直ＣＣＤおよび第２垂直ＣＣＤ、第１水平ＣＣＤおよび第２水平ＣＣＤ）を必要とする。
したがって、各信号電荷転送経路を１つの装置に、共に集積化しなければならない問題がある。
【００１０】
本発明は前記従来の問題点を解消するためのもので、暗電流の発生を減少できる電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、カラーフィルター層を使用しない分光機能を有する電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、多種の光を検出できる高集積型電荷転送装置および固体撮像素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、表面内に形成された埋込チャネル領域上に、埋込チャネル領域とは反対の導電性を有する表面チャネル領域を形成することにより、埋込チャネル領域と表面チャネル領域とが積層された２層構造の信号電荷転送経路を有する電荷転送装置および固体撮像素子を実現することにその目的がある。
すなわち、本発明によれば、積層されたチャネル領域中、表面チャネル領域を基板とゲート絶縁膜との境界より発生する暗電流を蓄積し排出することに利用し、埋込チャネル領域は光信号電荷を転送することに利用することにより、暗電流が低く、かつ高い信号対雑音比を有する固体撮像素子が実現され、転送電極（またはゲート電極）にマイナスのみならずプラス駆動電圧を印加しても暗電流が増加されなく、転送される信号電荷量を最大に増加させることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、図６は、本発明による電荷転送装置（すなわちＣＣＤ）を概略的に説明するための説明図で、信号電荷を転送するチャネル領域の断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示すものである。
図７は、本発明によるＣＣＤの断面図である。
図７において、第１導電型半導体基板３１としてｐ型シリコン基板が使用され、第２導電型埋込チャネル領域３２としてｎ型シリコン層、第１導電型表面チャネル領域３３としてｐ型シリコン層が使用された。
表面チャネル領域３３であるｐ型シリコン層上に酸化膜が電極絶縁膜３４として形成され、さらにその上に複数の転送電極３５として多結晶シリコン層が形成される。
【００１３】
ここで３６は電導帯のポテンシャルプロファイルを、３７は価電子帯のポテンシャルプロファイルを、３８は多数の転送電極３５としての多結晶シリコン層に印加される電圧を示す。
図７に示すように、１つの表面チャネル領域３３と１つの埋込チャネル領域３２とからなる各チャネル領域は、チャネルストップ領域３９であるｐ＋ 型シリコン領域によって電気的に分離される。ここで符号＋は高濃度の不純物を示す。
表面チャネル領域３３の信号電荷を排出し、ノイズおよび暗電流がない信号電荷を埋込チャネル領域より読み取るためには、表面チャネル領域３３および埋込チャネル領域３２からそれぞれ独立的に信号電荷を出力させる必要がある。このような構造を図８に示す。
【００１４】
図８ないし図１０は、本発明による電荷転送装置を示すものである。
図８および図９に示すように、掃引出力（ｓｗｅｅｐ ｏｕｔ）用電極（またはゲート電極）３５ｈにより表面チャネル領域３３からの暗電流を排出させる掃引出力ドレーン４０ａが電荷転送経路の中間部分に設けられる。
図８および図１０に示すように、信号電荷の注入のために信号電荷注入用電極３５ａおよび信号電荷注入用ソース４０ｂが設けられ、転送電極３５ｊにより埋込チャネル領域３２からの信号電荷を検出するフローティンブ拡散領域４０ｃが設けられる。この時、表面チャネル領域３３には信号電荷が注入しないので信号電荷注入用電極３５ａは埋込チャネル領域３２上のみ形成される。
ここで、符号３５ｂ−３５ｉ，３５ｊは図６における複数の転送電極を示す。
【００１５】
図８ないし図１０に示すように、電荷転送装置（すなわちＣＣＤ）は、第１導電型半導体基板３１；第１導電型半導体基板３１の表面に形成された第１導電型表面チャネル領域３３；表面チャネル領域３３の下側に形成され、一側部が表面チャネル領域３３より長く形成された第２導電型の埋込チャネル領域３２；半導体基板の全表面に形成された電極絶縁膜３４；半導体基板の表面において表面チャネル領域３３より長く形成された埋込チャネル領域３２の一側部と接触されるように形成される信号電荷注入用ソース４０ｂ；半導体基板の表面において埋込チャネル領域３２の他側部と接触されるように形成され、信号電荷を検出するためのフローティング拡散（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）ゾーン４０ｃ；半導体基板３１の表面において前記表面チャネル領域３３の他側面と一定距離をおいて形成され、表面チャネル領域３３に蓄積された暗電流を排出させるための掃引出力ドレーン４０ａ；電極絶縁膜３４の表面の表面チャネル領域３３より長く形成された埋込チャネル領域３２の一側部の上に形成され、信号電荷を埋込チャネル領域３２に注入するための信号電荷注入用電極３５ａ；電極絶縁膜３４の表面の、表面チャネル領域３３と掃引出力ドレーン４０ａとの間の該当する部分に形成され、表面チャネル領域３３の他側部から掃引出力ドレーン４０ａに暗電流を伝達するための掃引出力用電極３５ｈ；かつ、電極絶縁膜３４の表面の表面チャネル領域３３の上側に該当する部分の信号電荷注入用電極３５ａと掃引出力ドレーン４０ａとの間に一定間隔をおいて形成される複数の転送電極３５；を備える。
図８と９とに示すように、表面チャネル領域３３から掃引出力電極（ゲート電極）３５ｈを経て暗電流が流れるように、掃引出力ドレイン４０ａは電荷転送路の中央に配置される。
電荷注入用電極３５ａおよび電荷注入ソース４０ｂは信号電荷注入を行う。フローティング拡散領域４０ｃは転送電極３５ｊを経て埋込チャネル領域からの信号電荷を検出するように働く。信号電荷が表面チャネル領域に注入されないように、電荷注入電極３５ａは埋込チャネル領域３２の上にだけ配置されている。
【００１６】
図１１は本発明の第２実施例として単一の種類の光検出素子を用いたインタライン転送方式の固体撮像素子に、本発明の電荷転送装置（すなわち、ＣＣＤ）を適用したものである。
図１１において、図８乃至図１０における電荷注入ソース４０ｂおよび信号電荷注入用電極３５ａが各々ｎ型光検出素子４３および転送電極４９が使用される。
図１１の中、ｎ型光検出素子４３は埋込ホトダイオードといわれる構造として、暗電流の低域のために、その（ｎ型光検出素子４３）上側にｐ＋ 型ホール蓄積層４４が形成されている。
したがってｐ型ウェル４２と第１電極絶縁膜４５ａとの境界面から電子発生を抑制する。
ｎ型光検出素子４３から電荷転送領域であるＣＣＤへの電荷転送を制御するものは電荷注入用転送電極４９である。埋設されたｎ型光検出素子４３より発生された信号電荷を垂直ＣＣＤであるｎ型埋込チャネル領域５２に転送する。
図１１において、ｐ型ウェルはオーバフロードレーンを抑制するために、ｎ型光検出素子４３の下方は浅く、それ以外の部分は深く形成される。もし、ｐ型表面チャネル領域５１を信号電荷転送に利用しようとする場合、表面チャネル領域５１からの転送された信号電荷を掃引するための図８の掃引出力ドレーン４０ａを信号電荷の検出のためのフローティング拡散ゾーン４０ｃに変更して構成し、ｐ型表面チャネル領域５１上に図８の信号電荷注入用ソース４０ｂを追加すればよい。
図１１において、符号４１はｎ型シリコン基板、４２はｐ型ウェル、４５は電極絶縁膜、４６は平坦化層、５０は光遮断層、４７は第１多結晶シリコン転送電極、４６ｂは電極を外部と絶縁させるための第２電極絶縁膜、４８は第２多結晶シリコン転送電極、５３はｐ＋ 型チャネルストップ領域である。
これらの機能は通常のもであるので、詳細な説明は省略する。
【００１７】
図１１によれば、本発明の第２実施例による固体撮像素子は、ｐ型シリコン基板４１；ｐ型シリコン基板４１上に形成されるｐ型ウェル４２；ウェル４２の表面に、一定間隔をおいて形成され、暗電流を低減するためにホールを蓄積する複数のｐ＋ 型ホール蓄積層４４；ホール蓄積層４４の下側に形成され、一方がホール蓄積層４４より長く形成される複数の光検出素子４３；ｐ型ウェル４４の表面より一側面が光検出素子４３の一側面と当接されるように形成される複数のｎ型の埋込チャネル領域５２；埋込チャネル領域５２の表面より一方が埋込チャネル領域５２より短く形成される複数のｐ型の表面チャネル領域５１；表面チャネル領域５１および埋込チャネル領域５２の他方とホール蓄積層４４および光検出素子４３の他方との間に形成される複数のｐ＋ 型チャネルストップ領域５３；埋込チャネル領域５２、表面チャネル領域５１、チャネルストップ領域５３、光検出素子４３、ホール蓄積層４４の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜４５ａ；第１電極絶縁膜４５ａの表面の表面チャネル領域５１より長く形成された埋込チャネル領域５２の一方の上側に形成された複数の信号電荷注入用電極４９；第１電極絶縁膜４５ａの表面の表面チャネル領域５１の上側部分に順次形成される複数の第１多結晶シリコン転送電極４７および第２多結晶シリコン転送電極４８；電極を互いに絶縁させるとともに外部とも絶縁させる複数の第２電極絶縁膜４５ｂ；第２電極絶縁膜４５ｂ上に形成される複数の光遮断層５０；かつ、第１電極絶縁膜４５ａおよび光遮断層５０上に形成する平坦化層４６；を備える。
【００１８】
図１２は本発明の第３実施例における単一の種類の光検出素子を用いたフレーム転方式の固体撮像素子に、本発明の電荷転送装置（ＣＣＤ）を適用したものである。
図１２によれば、ｐ型表面チャネル領域５７およびｎ型埋込チャネル領域５６はすべて光検出素子として使用され、このような点が第３実施例の特徴である。図１２において、符号５４は平坦化層、５５はｐ型ウェル、５８は電極絶縁膜、５９は転送電極、６０は平坦化層、６１はｐ型チャネルストップ領域を示す。
【００１９】
フレーム転送方式の固体撮像素子は表面が全て受光部であるので、図１２に示したフレーム転送方式の固体撮像素子も、やはり受光部を中心として説明されることができる。
この場合、ｐ型チャネルストップ領域５７を適切に選択すれば、ｐ型チャネルストップ領域５７には、主に短波長の入射光によって発生された信号電荷が蓄積され、かつｎ型埋込チャネル領域５６には長波長の入射光によって発生された信号電荷が蓄積される。
何故ならば、シリコンは可視領域の光を吸収する時に、波長に非常に大きく依存するためである。
結局、短波長の光はシリコン表面から短い距離においてほとんど吸収され、長い波長の光はシリコン表面から遠い距離においてほとんど吸収される。
このように表面チャネル領域５７および埋込チャネル領域５６より得られる信号電荷を各々独立的に出力させると入射光の色に関する情報が得られる。
もちろん、２つのチャネル領域のみで元の色を再現するほどの情報を得ることはないが、対称物の色や照明源の波長分布に限定条件を賦与するさらに他の手段を追加することにより色信号を分離することができる。
【００２０】
図１２によれば、本発明の第３実施例による固体撮像素子は、ｎ型シリコン基板５４；ｎ型シリコン基板５４上に形成されるｐ型ウェル５５；ウェル５５の表面に、一定間隔をおいて形成される複数のｐ型表面チャネル領域５７；表面チャネル領域５７の下側に表面チャネル領域５７と当節されるように形成されるｎ型埋込チャネル領域５６；表面チャネル領域５７およびｎ型埋込チャネル領域５６からなる各チャネル領域の側面間に形成される複数のｐ型チャネルストップ領域６１；チャネルストップ領域６１、埋込チャネル領域５６および表面チャネル領域５７の全面に形成される電極絶縁膜５８；電極絶縁膜５８上に形成される転送電極５９；かつ転送電極５９上に形成される平坦化層；を備える。
【００２１】
図１３、図１４は本発明の第４実施例を示したもので、本発明の電荷転送装置（すなわち、ＣＣＤ）を適用した２つの種類の光検出素子を有する固体撮像素子を示したものである。
この固体撮像素子は、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２と、赤外線領域用ＰｔＳｉとを使用したショットキーバリアダイオード７１が垂直ＣＣＤ７５を中心として各々両側に配列されており、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は、図１４に示すように、埋込チャネル領域用電極７４によってｎ型第１埋込チャネル領域７８に信号電荷を転送し、ショットキーバリアダイオード７１は表面チャネル領域用電極７３によって信号電荷をｐ型表面チャネル領域７７に転送する。すなわち、埋込チャネル領域用電極７４は垂直ＣＣＤ７５および可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２上にわたって形成され、表面チャネル領域用電極７３は赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１および垂直ＣＣＤ７５上にわたって形成される。
また赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１は該当する垂直ＣＣＤ７５の左側に、可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は該当する垂直ＶＣＣＤ７５の右側に１：１に対応して配置される。
【００２２】
また赤外線領域用ショットキーバリアダイオード７１および可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２は、各１つの該当する垂直ＶＣＣＤ７５と１つの水平ＣＣＤ７６を共有する。何故ならば、図１４に示すように、可視領域の光信号電荷、赤外線領域の光信号電荷は、表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８を介して独立的に転送されるためである。
図１３に示すように、第４実施例の固体撮像素子は、複数の垂直ＣＣＤ７５に対して１つの水平ＣＣＤ７６が使用される。
図１４に示すように、赤外線領域の光によって信号電荷は表面チャネル領域７７に、可視領域の光信号電荷は第２埋込チャネル領域７９を介して第１埋込チャネル領域７８に転送される。
また赤外線領域の光信号電荷は表面チャネル領域用電極７３によって、可視領域の光信号電荷は埋込チャネル領域用電極７４によって独立的に読み取れる。
図１４に示すように、固体撮像素子の１つの画素に対応する断面構造によれば、転送電極８０は図５の従来構造の転送電極５に比べて横方向に長さ縮小された長さを有する。
符号７６ａは出力される信号電荷を感知するセンシングアンプ、８１は第１電極絶縁膜、８２は第２電極絶縁膜、８３はチャネルストップ領域、８４はｐ型半導体基板を示す。
第４実施例において、光検出素子の配列は２次元であるが、もちろん１次元の配列の態様を有する固体撮像素子にも同様に応用できる。
【００２３】
図１３および図１４によれば、本発明の第４実施例による固体撮像素子は、ｐ型半導体基板８４；半導体基板８４の表面に、一定間隔をおいて形成される複数のｐ型チャネルストップ領域８３；チャネルストップ領域の間の中央部分に該当する半導体基板８４の表面内に形成される複数のｐ型表面チャネル領域７７；表面チャネル領域の下方に当接されるように形成される複数のｎ型第１埋込チャネル領域７８；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の一側面と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域とは当接するように形成される複数の可視領域用Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の他側面と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域８３とは当接するように形成される複数の赤外線領域用ＰｔＳｉのショットキーバリアダイオード７１；表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８の他側面とショットキーバリアダイオード７１との間に該当する半導体基板８４の表面内に形成される複数の第２埋込チャネル領域７９；チャネルストップ領域８３、表面チャネル領域７７、半導体基板８４、第２埋込チャネル領域７９、Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード７２およびショットキーバリアダイオード７１の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜８１；第１電極絶縁膜８１の表面中、ホトダイオード７２と表面チャネル領域７７の間に該当する部分に形成され、ホトダイオード７１から表面チャネル領域７７に信号電荷を転送するための表面チャネル領域用電極７３；第１電極絶縁膜８１の表面の前記第２埋込チャネル領域７９に該当する部分に形成され、ショットキーバリアダイオード７１から第２埋込チャネル領域７９を介して第１埋込チャネル領域７８に信号電荷を転送するための複数の埋込チャネル領域用電極７４；第１電極絶縁膜８１の表面の表面チャネル領域７７に該当する部分に形成される複数の転送電極８０；転送電極８０と表面チャネル領域用電極７３および埋込チャネル領域用電極７４を外部と絶縁させる複数の第２電極絶縁膜８２；複数の表面チャネル領域７７および第１埋込チャネル領域７８からの信号電荷を入力される順序の通り出力する水平ＣＣＤ７６；かつ、水平ＣＣＤ７６からの信号電荷を感知するセンシングアンプ７６ａ；を備える。
また、第４実施例は、光検出素子の種類も２つの種類に限定されなく、複数の種類の光検出素子を配列させて多色の信号電荷を読み取るために応用できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つの電荷転送領域内に２つの独立されたチャネルが実現でき、暗電流の低域および信号対雑音比の向上を得ることができ、かつ入射光からいろいろな色情報を得ることができ、画素の高集積化を実現することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す図である。
【図２】従来の埋込チャネルＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図３】従来のＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に該当する断面である。
【図４】従来のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成ブロック図である。
【図５】従来のＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に該当する断面である。
【図６】本発明によるＣＣＤの断面と、その断面によるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図７】本発明によるＣＣＤの断面図である。
【図８】本発明の第１実施例によるＣＣＤの平面図である。
【図９】図８のａ−ａ線による断面図である。
【図１０】図８のｂ−ｂ線による断面図である。
【図１１】本発明の第２実施例による、本発明のＣＣＤを従来のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【図１２】本発明の第３実施例による、フレーム転送方式の固体撮像素子に本発明のＣＣＤを適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【図１３】本発明の第４実施例によるＣＣＤの平面図である。
【図１４】本発明の第４実施例によるフレーム転送方式の固体撮像素子に本発明のＣＣＤを適用した場合における１つの画素に該当する断面である。
【符号の説明】
３１ 半導体基板
３２ 埋込チャネル領域
３３ 表面チャネル領域
３４ 電極絶縁膜
３５ 多数の転送電極
３５ａ 信号電荷注入用電極
３９ チャネルストップ領域
３５ｈ 掃引出力用電極
４０ａ 掃引出力ドレーン
４０ｂ 信号電荷注入用ソース
４０ｃ フローティング拡散ゾーン
３５ｂ〜３５ｇ，３５ｉ〜３５ｊ 転送電極
７１ ショットキーバリアダイオード
７２ Ｐ−Ｎ接合のホトダイオード
７３ 表面チャネル領域用電極
７４ 埋込チャネル領域用電極
７５ 垂直ＶＣＣＤ
７６ 水平ＣＣＤ
７６ａ センシングアンプ
７７ 表面チャネル領域
７８ 第１埋込チャネル領域
７９ 第２埋込チャネル領域
８０ 転送電極
８１ 第１電極絶縁膜
８２ 第２電極絶縁膜
Claims (10)
- 第１導電型半導体基板；
第１導電型半導体基板の表面に形成された第１導電型表面チャネル領域；
表面チャネル領域の下側に形成され、一側部が前記表面チャネル領域より長く形成された領域と、他側部が前記表面チャネル領域より短く形成された領域と、前記表面チャネル領域と同様の長さとなるように形成された領域とを有する第２導電型の埋込チャネル領域；
半導体基板の全表面に形成された電極絶縁膜；
半導体基板の表面において前記埋込チャネル領域の前記表面チャネル領域より長く形成された領域の一側部と接触されるように形成される信号電荷注入用ソース；
前記埋込チャネル領域の前記表面チャネル領域と同様の長さとなるように形成された領域の他側部と接触されるように形成され、信号電荷を検出するためのフローティング拡散ゾーン；
前記埋込チャネル領域の前記表面チャネル領域より短く形成された領域において、前記埋込チャネル領域の他側部と一定距離をおいて形成され、表面チャネル領域に蓄積された暗電流を排出させるための掃引出力ドレーン；
前記電極絶縁膜の表面の、前記埋込チャネル領域の前記表面チャネル領域より長く形成された領域の上に形成され、信号電荷を前記埋込チャネル領域に注入するための信号電荷注入用電極；
前記電極絶縁膜の表面の、前記表面チャネル領域と前記掃引出力ドレーンとの間の該当する部分に形成され、表面チャネル領域の他側部から前記掃引出力ドレーンに暗電流を伝達するための掃引出力用電極；
かつ、前記電極絶縁膜の表面の、前記信号電荷注入用電極と前記掃引出力用電極との間および前記表面チャネル領域の上側に該当する部分に一定間隔をおいて形成される複数の転送電極；
を備えることを特徴とする電荷転送装置。 - 第１導電型半導体基板は、ｐ型シリコン基板であることを特徴とする第１項記載の電荷転送装置。
- 第１導電型半導体基板；
半導体基板上に形成される第２導電型ウェル；
前記ウェルの表面に、一定間隔をおいて形成され、暗電流を低減するためにホールを蓄積する複数の第２導電型ホール蓄積層；
各ホール蓄積層の下側に形成され、一側部が前記ホール蓄積層より長く形成される複数の光検出素子；
前記ウェルの表面に形成され、一側部が１の光検出素子の前記一側部と接するように形成される複数の第１導電型の埋込チャネル領域；
一側部が前記埋込チャネル領域の前記一側部より短く形成される複数の第２導電型の表面チャネル領域；
前記埋込チャネル領域および前記表面チャネル領域の他側部と、前記１の光検出素子の隣の光検出素子およびこの光検出素子の上に形成されたホール蓄積層との間に形成される複数の第２導電型チャネルストップ領域；
埋込チャネル領域、表面チャネル領域、チャネルストップ領域、光検出素子、ホール蓄積層の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜；
この第１電極絶縁膜の表面の、表面チャネル領域より長く形成された埋込チャネル領域の前記一側部の上側部分に形成された複数の信号電荷注入用電極；
前記第１電極絶縁膜の表面の、表面チャネル領域の上側部分に順次形成される複数の第１転送電極および第２転送電極；
これらの電極を互いに絶縁させ、それと同時に外部と絶縁させる複数の第２電極絶縁膜；
前記第２電極絶縁膜上に形成される複数の光遮断層；
かつ、前記第１電極絶縁膜および光遮断層上に形成する平坦化層；
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記複数の光検出素子は単一の種類の光検出素子により構成されることを特徴とする第３項記載の固体撮像素子。
- 第２導電型ウェルは、第１導電型の光検出素子の下方は浅く、それ以外の部分は深く形成することを特徴とする第３項記載の固体撮像素子。
- 第２導電型ホール蓄積層およびチャネルストップ領域は、前記ウェルより高濃度であることを特徴とする第３項記載の固体撮像素子。
- 信号電荷注入用電極と、第１転送電極および第２転送電極は、すべて多結晶シリコンであることを特徴とする第３項記載の固体撮像素子。
- 第１導電型半導体基板；
半導体基板の表面内に、一定間隔をおいて形成される複数の第１導電型チャネルストップ領域；
チャネルストップ領域の間の中央部分に該当する半導体基板の表面に形成される複数の第１導電型表面チャネル領域；
第２導電型を有し、表面チャネル領域の下方に当接されるように形成される複数の第１埋込チャネル領域；
表面チャネル領域および第１埋込チャネル領域の一側部と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域とは当接するように形成される複数の第１光検出素子；
表面チャネル領域および第１埋込チャネル領域の他側部と一定間隔をおいて形成され、かつ隣接するチャネルストップ領域とは当接するように形成される複数の第２光検出素子；
表面チャネル領域および第１埋込チャネル領域の他側部と第２光検出素子との間に該当する半導体基板の表面に形成される複数の第２埋込チャネル領域；
チャネルストップ領域、表面チャネル領域、半導体基板、第２埋込チャネル領域、第１光検出素子および第２光検出素子の全ての表面にわたって形成される第１電極絶縁膜；
第１電極絶縁膜の表面の第１光検出素子と表面チャネル領域との間に該当する部分に形成され、第１光検出素子から表面チャネル領域に信号電荷を転送するための表面チャネル領域用電極；
第１電極絶縁膜の表面の前記第２埋込チャネル領域の上に該当する部分に形成され、第２光検出素子から第２埋込チャネル領域に信号電荷を転送するための複数の埋込チャネル領域用電極；
第１電極絶縁膜の表面の表面チャネル領域の上に該当する部分に形成される複数の転送電極；
転送電極と表面チャネル領域用電極および埋込チャネル領域用電極を外部と絶縁させる複数の第２電極絶縁膜；
複数の表面チャネル領域および第１埋込チャネル領域からの信号電荷を入力される順序の通り出力する水平信号電荷転送領域；
かつ、水平信号電荷転送領域からの信号電荷を感知するセンシングアンプ；
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 第１光検出素子は、可視領域の光を入射するためのＰ−Ｎ接合ダイオードであり、第２光検出素子は、赤外線領域の光を入射するためのショットキーバリアダイオードであることを特徴とする第８項記載の固体撮像素子。
- 第２光検出素子は、ＰｔＳｉのショットキーバリアダイオードであることを特徴とする第９項記載の固体撮像素子。
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