JP4473520B2 - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度被写体撮影時の画像品質劣化を防止でき且つ信号電荷の高速転送を可能とする固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、カメラ、特にデジタルスチルカメラ等の撮像装置においては高画質化が要望されており、そのため、固体撮像装置に対して、多画素化、長時間使用のための低消費電力化、及び連写スピード向上のための高速化等が求められている。
【0003】
従来、撮像装置を構成する固体撮像装置として、主にCCD(Charge Coupled Device)が利用されている。以下、従来の固体撮像装置について説明する。図5は、従来の固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。
【0004】
図5に示すように、固体撮像装置70においては、受光部(フォトダイオード)71と該フォトダイオード71から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送CCD72とからなる画素部(単位画素)73が2次元状に配列されている。また、固体撮像装置70は、垂直転送CCD72から転送された信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送CCD74と、水平転送CCD74における画素部73の反対側の側部に隣接し且つ不要電荷が排出されるドレイン領域(水平ドレイン)75と、水平転送CCD74から転送された信号電荷を電圧に変換するアンプ76とを備えている。
【0005】
尚、水平転送CCD74は、その最終段(HL)を含む水平ダミー部74aと、垂直転送CCD72から転送された信号電荷を受け取る有効画素部74bと、黒レベル(オプティカルブラック(OB))の信号を受け取る水平OB部74cとを有する。
【0006】
また、不要電荷とは、通常の撮像を行なう前に垂直転送CCD72に存在している暗電流又はスミア等に起因する電荷のことである。これらの不要電荷は撮像画像の品質を損なうため、フォトダイオード71の信号電荷が垂直転送CCD72に読み出される前に不要電荷の除去を行なう必要がある。そこで、不要電荷の除去を短時間で行なうために水平ドレイン75が用いられている。水平ドレイン75は、例えば特許文献1に記載されているように、一般的なオ−バーフロー障壁とオーバーフロードレインとから構成されている。
【0007】
ところで、画素部73の一部に太陽等からの非常に強い光が入射すると、該光の強度に比例した量の信号電荷が発生する。この信号電荷を水平ドレイン75に排出することはできないので、水平転送CCD74の有効画素部74bに転送される信号電荷量が、ストレージ領域(ポテンシャルバリアに挟まれた領域)の電荷容量、つまり電荷蓄積容量よりも大きくなる可能性がある。その場合、有効画素部74bのバリア領域(ポテンシャルバリアが形成されている領域)を信号電荷が越えてしまうので、OB基準信号用の水平転送CCD74つまり水平OB部74cまで信号電荷が流入してしまう。このため、OB基準信号がプラス側に変動する結果、該基準信号からの感度(相対感度)が低下して画像が暗くなる現象が発生してしまう。そこで、従来、水平ドレイン75への信号電荷の排出時間を稼ぐために、水平転送CCD74の幅(信号電荷の転送方向に対して垂直な方向の幅)を広くし、それによって水平転送CCD74(具体的には有効画素部74b)の電荷蓄積能力を高くしていた。
【0008】
具体的には、図5に示すように、水平転送CCD74における画素部73とつながる部分(有効画素部74b及び水平OB部74c)は全て同一の幅を有している。一方、水平転送CCD74におけるアンプ(フローティングディフュージョンアンプ)76とつながる部分(水平ダミー部74a)の幅はアンプ76の近傍において狭くなる。尚、水平ダミー部74のうちアンプ76の近傍以外の領域の幅をA、有効画素部74bの幅をB、水平OB部74cの幅をCとすると、A=B=Cである。
【0009】
図6(a)は、図5に示す従来の固体撮像装置における水平転送CCD74の水平ダミー部74aの拡大平面図であり、図6(b)は、図6(a)のVI−VI線の断面図である。尚、図6(b)においては、水平ダミー部74aの断面構成と合わせてポテンシャルを示している。
【0010】
図6(a)及び(b)に示すように、水平転送CCD74は、2相(第1相電極H1及び第2相電極H2)駆動タイプであって、半導体基板(P型)79上に形成されており且つ信号電荷の転送路となる埋め込みチャンネル領域(N型)80と、埋め込みチャンネル領域80上に形成されており且つ第1層ポリシリコン電極81と第2層ポリシリコン電極82とからなる2層重ね合わせ電極とを有する。ここで、H1又はH2となる各重ね合わせ電極内にはポテンシャル段差が設けられている。尚、図6(b)において、埋め込みチャンネル領域80と電極81及び82との間に介在するゲート絶縁膜、及び電極81と電極82との間に介在する酸化膜については図示を省略している。
【0011】
また、図6(a)に示すように、水平転送CCD74(水平ダミー部74a)における最終段(HL)側の端部にはアウトプットゲート(OG)を介してフローティングディフュージョン80aが接続されている。さらに、フローティングディフュージョン80aにはリセットゲート(RG)を介してリセットドレイン80bが接続されている。
【0012】
水平転送CCD74の動作は例えば次の通りである。すなわち、例えばH1がHigh、H2がLowの状態で最終段(HL)に蓄積されていた信号電荷は、H1がLow、H2がHighの状態に変わると、フローティングディフュージョン80aに注入されて、最終的に該信号電荷量に応じた電圧がアンプ76から出力される。このとき、電荷検出感度は、フローティングディフュージョン80aの容量Cつまり面積によって決まる。一般的なV=Q/C(V:電圧、Q:電荷量)の関係式からも明らかなように、容量Cが小さくなるに従って検出感度を高くすることができる。すなわち、従来の固体撮像装置70においては、フローティングディフュージョン80aの面積を縮小することによって、その容量を低減し、それにより電荷検出感度を高くしている。その結果、水平転送CCD74においては、その最終段(HL)の電荷蓄積容量が最小となる。
【0013】
【特許文献1】
特開平10−50975号公報(第11頁、第11図)
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像装置70においては、水平転送CCD74の幅を広くしているため、水平転送CCD74の面積が増加してしまうので、端子容量が増大する。このため、水平転送CCD74を駆動させるための電流が増大する結果、消費電力が増大するという問題がある。また、水平転送CCD74の面積の増加に起因して高速駆動が困難になるという問題、及び高速駆動させるために動作電圧を上げた場合には消費電力がさらに増大するという問題がある。
【0015】
また、前述のように、水平転送CCD74の最終段(HL)の電荷蓄積容量が最小となっているため、該容量以上の信号電荷が最終段(HL)に送られてきた場合、あふれた電荷がフローティングディフュージョン80aに先送りされてしまい、その結果、出力電圧が変調されて画像異常を起こるという問題がある。尚、最終段(HL)の電荷蓄積容量を増加させるためにゲート長を長くした場合には、信号電荷の転送効率が劣化するという別の問題が起こる。
【0016】
前記に鑑み、本発明は、微細な画素から構成された多画素固体撮像装置において、水平転送CCDによる低電圧且つ高速な信号転送と、水平転送CCDの飽和電荷量の増大とを両立させ、それによって高品質な画像が得られるようにすることを目的とする。
【0017】
【課題を解決しようとする手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、2次元状に配列された受光部と、受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送CCDと、垂直転送CCDから転送された信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送CCDとを備え、水平転送CCDにおける垂直転送CCDからの信号電荷を受け取る有効画素部の電荷蓄積容量は、水平転送CCDの最終段の電荷蓄積容量、及び黒レベルの信号を受け取るOB用水平転送CCD部の電荷蓄積容量のそれぞれよりも小さい。
【0018】
本発明の固体撮像装置によると、水平転送CCDにおける有効画素部の電荷蓄積容量が、水平転送CCDの最終段の電荷蓄積容量よりも小さい。すなわち、水平転送CCDにおいて最終段の電荷蓄積容量が最小とはなっていないため、該最終段から電荷があふれて例えばフローティングディフュージョン等の出力部に先送りされてしまうことを防止できる。従って、高輝度被写体撮影時の画像異常を抑制することができる。
【0019】
また、本発明の固体撮像装置によると、水平転送CCDのうち最大面積を持つ有効画素部の電荷蓄積容量を小さくしているため、水平転送CCDの各部の電荷蓄積容量の最適設計を行なうことにより、有効画素部の面積の最小化、つまりは水平転送CCDの面積の最小化を図ることができる。このため、水平転送CCDを高速駆動させるための電圧を低減できると共に、該高速駆動時の信号電荷の転送効率を向上させることができる。
【0020】
すなわち、本発明の固体撮像装置によると、水平転送CCDによる低電圧且つ高速な信号転送と、水平転送CCDの飽和電荷量の増大とを両立させることができるので、高品質な画像を得ることができる。
【0021】
尚、本明細書において、電荷蓄積容量とは、ポテンシャルバリアに挟まれたポテンシャル井戸に蓄積することができる電荷量を意味する。
【0022】
本発明の固体撮像装置において、有効画素部の幅は、水平転送CCD最終段の幅及びOB用水平転送CCD部の幅のそれぞれよりも狭いことが好ましい。
【0023】
このようにすると、水平転送CCDの有効画素部、つまり垂直転送CCDからの信号電荷を受け取る水平転送CCD部の幅が従来と比べて狭いため、不要電荷を例えば水平ドレインに排出した後に有効画素部に残留する電荷量が少なくなる。このため、高輝度被写体撮影時等に有効画素部からOB用水平転送CCD部に漏れ出す電荷量も減少する。また、OB用水平転送CCD部の幅が広いため、OB用水平転送CCD部において有効画素部から漏れてきた電荷が存在する領域を低減できる。従って、OB基準信号の変動を抑制できるので、該変動に起因する画像異常を防止できる。
【0024】
また、この場合、水平転送CCDに隣接するドレイン領域は、水平転送CCDの幅の変化に対応して屈曲していてもよい。
【0025】
本発明の固体撮像装置において、水平転送CCDに隣接するドレイン領域をさらに備え、OB用水平転送CCD部に隣接するドレイン領域の幅は、OB用水平転送CCD部以外の水平転送CCDに隣接するドレイン領域の幅よりも狭いことが好ましい。
【0026】
このようにすると、さらなる端子容量の低減を図れるため、水平転送CCDを高速駆動させるための電圧をより一層低減できると共に該高速駆動時の信号電荷の転送効率をより一層向上させることができる。
【0027】
本発明の固体撮像装置において、OB用水平転送CCD部のポテンシャルバリアは、有効画素部のポテンシャルバリア及び水平転送CCD最終段のポテンシャルバリアのそれぞれよりも高いことが好ましい。
【0028】
このようにすると、OB用水平転送CCD部の電荷蓄積容量を、有効画素部の電荷蓄積容量よりも確実に大きくすることができる。
【0029】
本発明に係る第1及び第2の固体撮像装置の製造方法は、OB用水平転送CCD部のポテンシャルバリアが有効画素部のポテンシャルバリア及び最終段のポテンシャルバリアのそれぞれよりも高く設定された本発明の固体撮像装置を製造する方法である。具体的には、第1の固体撮像装置の製造方法は、OB用水平転送CCD部に、ポテンシャルバリアを高くする不純物を選択的に導入する工程を備えている。また、第2の固体撮像装置の製造方法は、水平転送CCDにおけるOB用水平転送CCD部以外の他の部分に、ポテンシャルバリアを低くする不純物を選択的に導入する工程を備えている。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【0031】
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。
【0032】
図1に示すように、固体撮像装置10においては、入射光を光電変換して電荷を蓄積する複数の受光部(フォトダイオード)11が2次元状に配列されている。また、フォトダイオード11の列毎に、フォトダイオード11から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送CCD12が設けられている。すなわち、各フォトダイオード11と、それに対応する垂直転送CCD12とから画素部(単位画素)13が構成されている。また、固体撮像装置10は、垂直転送CCD12から転送された信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送CCD14と、水平転送CCD14における画素部13の反対側の側部に隣接し且つ不要電荷が排出されるドレイン領域(水平ドレイン)15と、水平転送CCD14から転送された信号電荷を電圧に変換するアンプ(フローティングディフュージョンアンプ)16とを備えている。
【0033】
図2は、第1の実施形態に係る固体撮像装置に用いられるCCD(垂直転送CCD12及び水平転送CCD14)の基本構成を示す断面図である。尚、本実施形態の固体撮像装置は2相駆動タイプである。
【0034】
図2に示すように、半導体基板1の表面部には、信号電荷の転送路となる埋め込みチャンネル領域2が設けられている。埋め込みチャンネル領域2の上にはゲート絶縁膜3を介して複数の第1層ポリシリコン電極4が形成されている。また、埋め込みチャンネル領域2における第1層ポリシリコン電極4同士の間の部分の上には、ゲート絶縁膜3を介して複数の第2層ポリシリコン電極5が形成されている。尚、第2層ポリシリコン電極5の上側部は第1層ポリシリコン電極4の側部に乗り上げるように形成されていると共に、第1層ポリシリコン電極4と第2層ポリシリコン電極5との間には酸化膜6が介在している。
【0035】
尚、水平転送CCD14は、その最終段(HL)を含む水平ダミー部14aと、垂直転送CCD12から転送された信号電荷を受け取る有効画素部14bと、黒レベル(オプティカルブラック(OB))の信号を受け取る水平OB部14cとを有する。すなわち、水平ダミー部14aは、有効画素部14bとフローティングディフュージョンアンプ16とをつなぐ部分である。
【0036】
本実施形態の特徴は、図1に示すように、有効画素部14bの電荷蓄積容量が、水平転送CCD最終段(HL)の電荷蓄積容量、及び水平OB部14cの電荷蓄積容量のそれぞれよりも小さいことである。また、本実施形態においては、このような水平転送CCD14における電荷蓄積容量の変化を、有効画素部14bの幅(信号電荷の転送方向に対して垂直な方向の幅:以下同じ)を、水平転送CCD最終段(HL)の幅及び水平OB部14cの幅のそれぞれよりも狭くすることによって実現している。具体的には、水平転送CCD最終段(HL)の幅(最大幅)をA、有効画素部14bの幅をB、水平OB部14cの幅をCとすると、B<A<Cである。また、水平ドレイン15は、水平転送CCD14の幅の変化に対応して屈曲するように形成されている。
【0037】
第1の実施形態によると、水平転送CCD14の有効画素部14b、つまり垂直転送CCD12からの信号電荷を受け取る水平転送CCD部の幅が従来と比べて狭いため、不要電荷を水平ドレイン15に排出した後に有効画素部14bに残留する電荷量が少なくなる。このため、高輝度被写体撮影時等に有効画素部14bから水平OB部14cに漏れ出す電荷量も減少する。また、水平OB部14cの幅が広いため、水平OB部14cにおいて有効画素部14bから漏れてきた電荷が存在する領域を低減できる。従って、OB基準信号の変動を抑制できるので、該変動に起因する画像異常を防止できる。
【0038】
また、第1の実施形態によると、水平転送CCD最終段(HL)の電荷蓄積容量は、有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きい。言い換えると、水平転送CCD最終段(HL)の電荷蓄積容量は最小ではない。従って、従来問題となっていた、最終段(HL)からあふれた電荷が例えばフローティングディフュージョンに先送りされてしまうという事態を確実に回避することができる。従って、高輝度被写体撮影時の画像異常を抑制することができる。
【0039】
ところで、一般に、電極端子を駆動するために必要な電流は、端子容量、つまり基板とゲート電極との間の容量に比例して増大する。このため、端子容量に関係する水平転送CCDの面積は、信号電荷を受け取る水平転送CCD部(つまり有効画素部)の面積とほぼ等しくなる。従って、有効画素部の面積を削減すればCCDの駆動電流を減少させることができる。
【0040】
一方、第1の実施形態によると、水平転送CCD14のうち最大面積を持つ有効画素部14bの電荷蓄積容量を小さくしている。このため、水平転送CCD14の各部の電荷蓄積容量の最適設計を行なうことにより、水平転送CCD14の面積の最小化、特に有効画素部14bの面積の最小化、つまりはCCDの駆動電流の最小化を図ることができる。具体的には、第1の実施形態においては、CCDの駆動電流を従来と比べて約半分にできる。尚、第1の実施形態においては、水平OB部14cつまりOB用水平転送CCD部の面積を増加させているが、水平OB部14cは、水平方向の総画素(例えば1000画素)のうちの5%(例えば50画素)程度としか対応していない。従って、水平OB部14cの面積の増加がCCDの駆動電流に及ぼす影響は無視できる。
【0041】
尚、第1の実施形態において、水平OB部14cは信号電荷の転送とは無関係であるので、図1に示すように、水平OB部14cに隣接する水平ドレイン15の幅を、水平OB部14c以外の水平転送CCD14(具体的には有効画素部14b)に隣接する水平ドレイン15の幅よりも狭くしてもよい。このようにすると、さらなる端子容量の低減を図れるため、水平転送CCD14を高速駆動させるための電圧をより一層低減できると共に該高速駆動時の信号電荷の転送効率をより一層向上させることができる。
【0042】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【0043】
図3(a)は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。また、図3(b)及び(c)はそれぞれ、第2の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの断面構成を示しており、図3(b)は有効画素部の断面図(図3(a)のa−a’線の断面図)であり、図3(c)は水平OB部の断面図(図3(a)のb−b’線の断面図)である。
【0044】
尚、第2の実施形態に係る固体撮像装置における画素部の構成は、図1に示す第1の実施形態と同じであるので、図3(a)において画素部の図示を省略している。また、図3(a)〜(c)において、固体撮像装置の他の構成要素については、図1又は図2に示す第1の実施形態と同じ符号を付している。また、図3(b)及び(c)においては、水平転送CCDの断面構成と合わせてポテンシャルを示している。
【0045】
本実施形態の特徴、つまり第1の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第1の実施形態においては、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平OB部14cの幅を有効画素部14bの幅よりも大きくした(図1参照)。それに対して、本実施形態においては、図3(a)〜(c)に示すように、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くする。言い換えると、水平OB部14cのポテンシャルバリアを高くすることにより、水平OB部14cの面積を増加させることなく水平OB部14cの電荷蓄積容量を大きくする。
【0046】
尚、図3(b)、(c)に示すように、本実施形態の水平転送CCD14は、2相(第1相電極H1及び第2相電極H2)駆動タイプであって、半導体基板(P型)1上に形成されており且つ信号電荷の転送路となる埋め込みチャンネル領域(N型)2と、埋め込みチャンネル領域2上に形成されており且つ第1層ポリシリコン電極4と第2層ポリシリコン電極5とからなる2層重ね合わせ電極とを有する。ここで、H1又はH2となる各重ね合わせ電極内にはポテンシャル段差が設けられている。具体的には、各第2層ポリシリコン電極5の下側の埋め込みチャンネル領域2にポテンシャルバリアが形成される。尚、図3(b)及び(c)において、ゲート絶縁膜3及び酸化膜6の図示を省略している(図2参照)。
【0047】
本実施形態においては、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くするために、水平OB部14cの埋め込みチャンネル領域2(N型)に、ポテンシャルバリアを高くする不純物(P型不純物)、例えばボロンを選択的に注入する。
【0048】
以上に説明したように、第2の実施形態によると、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くすることによって、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも確実に大きくすることができる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0049】
尚、第2の実施形態において、ポテンシャルバリアの高さを調節するための不純物の導入タイミングは特に限定されるものではない。すなわち、水平OB部14c以外の水平転送CCD14に不純物注入を行なって所定のポテンシャルバリアを形成した後、水平OB部14cにポテンシャルバリアを高くする不純物を選択的に導入してもよいし、又はそれぞれの不純物の導入タイミングを逆にしてもよい。
【0050】
また、第2の実施形態において、水平転送CCD最終段(HL)の電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平転送CCD最終段(HL)の幅を有効画素部14bの幅よりも大きくしてもよい(図3参照)。この場合、水平ドレイン15を、水平転送CCD14の幅の変化に対応して屈曲するように形成してもよい。また、この場合、水平転送CCD最終段(HL)のポテンシャルバリアの高さを有効画素部14bのポテンシャルバリアの高さと同じにしてもよい。
【0051】
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【0052】
図4(a)は、第3の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。また、図4(b)及び(c)はそれぞれ、第3の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの断面構成を示しており、図4(b)は有効画素部の断面図(図4(a)のa−a’線の断面図)であり、図4(c)は水平OB部の断面図(図4(a)のb−b’線の断面図)である。
【0053】
尚、第3の実施形態に係る固体撮像装置における画素部の構成は、図1に示す第1の実施形態と同じであるので、図4(a)において画素部の図示を省略している。また、図4(a)〜(c)において、固体撮像装置の他の構成要素については、図1又は図2に示す第1の実施形態と同じ符号を付している。また、図4(b)及び(c)においては、水平転送CCDの断面構成と合わせてポテンシャルを示している。
【0054】
本実施形態の特徴、つまり第1の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第1の実施形態においては、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平OB部14cの幅を有効画素部14bの幅よりも大きくした。それに対して、本実施形態においては、図4(a)〜(c)に示すように、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くする。言い換えると、水平OB部14cのポテンシャルバリアを高くすることにより、水平OB部14cの面積を増加させることなく水平OB部14cの電荷蓄積容量を大きくする。
【0055】
尚、図4(b)、(c)に示すように、本実施形態の水平転送CCD14は、2相(第1相電極H1及び第2相電極H2)駆動タイプであって、半導体基板(P型)1上に形成されており且つ信号電荷の転送路となる埋め込みチャンネル領域(N型)2と、埋め込みチャンネル領域2上に形成されており且つ第1層ポリシリコン電極4と第2層ポリシリコン電極5とからなる2層重ね合わせ電極とを有する。ここで、H1又はH2となる各重ね合わせ電極内にはポテンシャル段差が設けられている。具体的には、各第2層ポリシリコン電極5の下側の埋め込みチャンネル領域2にポテンシャルバリアが形成される。尚、図4(b)及び(c)において、ゲート絶縁膜3及び酸化膜6の図示を省略している(図2参照)。
【0056】
本実施形態においては、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くするために、水平OB部14c以外の水平転送CCD14の埋め込みチャンネル領域2(N型)に、ポテンシャルバリアを低くする不純物(N型不純物)、例えばリン又はヒ素を注入する。
【0057】
以上に説明したように、第3の実施形態によると、水平OB部14cのポテンシャルバリアを有効画素部14bのポテンシャルバリアよりも高くすることによって、水平OB部14cの電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも確実に大きくすることができる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0058】
尚、第3の実施形態において、ポテンシャルバリアの高さを調節するための不純物の導入タイミングは特に限定されるものではない。すなわち、水平OB部14cに不純物注入を行なって所定のポテンシャルバリアを形成した後、水平OB部14c以外の水平転送CCD14にポテンシャルバリアを低くする不純物を選択的に導入してもよいし、又はそれぞれの不純物の導入タイミングを逆にしてもよい。
【0059】
また、第3の実施形態において、水平転送CCD最終段(HL)の電荷蓄積容量を有効画素部14bの電荷蓄積容量よりも大きくするために、水平転送CCD最終段(HL)の幅を有効画素部14bの幅よりも大きくしてもよい(図4参照)。この場合、水平ドレイン15を、水平転送CCD14の幅の変化に対応して屈曲するように形成してもよい。また、この場合、水平転送CCD最終段(HL)にもポテンシャルバリアを低くする不純物を導入することによって、水平転送CCD最終段(HL)のポテンシャルバリアの高さを有効画素部14bのポテンシャルバリアの高さと同じにしてもよい。
【0060】
また、第1〜第3の実施形態において、光電変換をフォトダイオードによって行なうインターライン転送型固体撮像装置について説明してきた。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮像領域の下部に蓄積部を有するフレームインターライン転送型固体撮像装置、又は光電変換を垂直CCDレジスタによって行なうフレーム転送固体撮像装置等に本発明を適用できることは言うまでもない。
【0061】
また、第1〜第3の実施形態において、P型の半導体基板1の表面部に、信号電荷の転送路となるN型の埋め込みチャンネル領域2を設けたが、これに代えて、N型の半導体基板の表面部に、信号電荷の転送路となるP型の埋め込みチャンネル領域を設けて、2相(第1相電極H1及び第2相電極H2)駆動タイプの水平転送CCD14においてそれぞれの印加電圧の大きさを逆にした場合にも、同様の効果が得られる。
【0062】
また、第1〜第3の実施形態において、2相(第1相電極H1及び第2相電極H2)駆動タイプの水平転送CCD14を用いたが、これに代えて、例えば単相又は3相以上の駆動タイプ等、他のタイプの水平転送CCDを用いてもよい。
【0063】
【発明の効果】
本発明によると、水平転送CCDにおいて最終段の電荷蓄積容量が有効画素部の電荷蓄積容量よりも大きいため、例えば高輝度被写体撮影時に該最終段から電荷があふれて出力部に先送りされてしまうことを防止できるので、画像異常を抑制することができる。また、水平転送CCDのうち最大面積を持つ有効画素部の電荷蓄積容量を小さくしているため、有効画素部の面積の最小化つまり水平転送CCDの面積の最小化を図ることができるので、水平転送CCDを高速駆動させるための電圧を低減できると共に該高速駆動時の信号電荷の転送効率を向上させることができる。従って、本発明によると、水平転送CCDによる低電圧且つ高速な信号転送と、水平転送CCDの飽和電荷量の増大とを両立させることができるので、高品質な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置に用いられるCCD(垂直転送CCD及び水平転送CCD)の基本構成を示す断面図である。
【図3】(a)は本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図であり、(b)は本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの有効画素部の断面図((a)のa−a’線の断面図)であり、(c)は本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの水平OB部の断面図((a)のb−b’線の断面図)である。
【図4】(a)は本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図であり、(b)は本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの有効画素部の断面図((a)のa−a’線の断面図)であり、(c)は本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置における水平転送CCDの水平OB部の断面図((a)のb−b’線の断面図)である。
【図5】従来の固体撮像装置の概略構成の一例を示す平面図である。
【図6】(a)は従来の固体撮像装置における水平転送CCDの水平ダミー部の拡大平面図であり、(b)は(a)のVI−VI線の断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 埋め込みチャンネル領域
3 ゲート絶縁膜
4 第1層ポリシリコン電極
5 第2層ポリシリコン電極
6 酸化膜
10 固体撮像装置
11 フォトダイオード
12 垂直転送CCD
13 画素部
14 水平転送CCD
14a 水平ダミー部
14b 有効画素部
14c 水平OB部
15 水平ドレイン
16 アンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device capable of preventing image quality deterioration at the time of photographing a high-luminance subject and enabling high-speed transfer of signal charges, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for higher image quality in imaging devices such as cameras, particularly digital still cameras. Therefore, for solid-state imaging devices, more pixels, lower power consumption for long-time use, and continuous shooting are required. There is a need for higher speeds to improve speed.
[0003]
Conventionally, a CCD (Charge Coupled Device) is mainly used as a solid-state imaging device constituting the imaging device. Hereinafter, a conventional solid-state imaging device will be described. FIG. 5 is a plan view showing an example of a schematic configuration of a conventional solid-state imaging device.
[0004]
As shown in FIG. 5, in the solid-
[0005]
The horizontal transfer CCD 74 receives a signal of a black level (optical black (OB)), a
[0006]
The unnecessary charge is a charge caused by dark current or smear existing in the
[0007]
By the way, when very strong light from the sun or the like enters a part of the
[0008]
Specifically, as shown in FIG. 5, the portions (the
[0009]
FIG. 6A is an enlarged plan view of the
[0010]
As shown in FIGS. 6A and 6B, the horizontal transfer CCD 74 is a two-phase (first phase electrode H1 and second phase electrode H2) drive type, and is formed on a semiconductor substrate (P type) 79. And a buried channel region (N-type) 80 serving as a signal charge transfer path, and a first
[0011]
Further, as shown in FIG. 6A, a
[0012]
The operation of the horizontal transfer CCD 74 is as follows, for example. That is, for example, the signal charge accumulated in the final stage (HL) with H1 being High and H2 being Low is injected into the
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-50975 (
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional solid-
[0015]
Further, as described above, since the charge storage capacity of the final stage (HL) of the horizontal transfer CCD 74 is the minimum, when a signal charge exceeding the capacity is sent to the final stage (HL), the overflowing charge Is postponed to the floating
[0016]
In view of the above, the present invention achieves both low-voltage and high-speed signal transfer by a horizontal transfer CCD and an increase in the saturation charge amount of the horizontal transfer CCD in a multi-pixel solid-state imaging device composed of fine pixels. The purpose is to obtain a high-quality image.
[0017]
[Means to solve the problem]
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a light receiving unit arranged two-dimensionally, a vertical transfer CCD that reads signal charges from the light receiving unit and transfers them in the vertical direction, and a vertical transfer CCD. A horizontal transfer CCD that receives the signal charge transferred from the horizontal transfer CCD and transfers it in the horizontal direction. The charge storage capacity of the effective pixel portion that receives the signal charge from the vertical transfer CCD in the horizontal transfer CCD is the final stage of the horizontal transfer CCD. It is smaller than each of the charge storage capacity and the charge storage capacity of the OB horizontal transfer CCD unit that receives the black level signal.
[0018]
According to the solid-state imaging device of the present invention, the charge storage capacity of the effective pixel portion in the horizontal transfer CCD is smaller than the charge storage capacity of the final stage of the horizontal transfer CCD. That is, since the charge storage capacity at the final stage is not minimum in the horizontal transfer CCD, it is possible to prevent the charge from overflowing from the final stage and being forwarded to an output unit such as a floating diffusion. Accordingly, it is possible to suppress an image abnormality when shooting a high-luminance subject.
[0019]
Further, according to the solid-state imaging device of the present invention, the charge storage capacity of the effective pixel portion having the largest area among the horizontal transfer CCDs is reduced, so that the optimum design of the charge storage capacity of each part of the horizontal transfer CCD is performed. Thus, the area of the effective pixel portion can be minimized, that is, the area of the horizontal transfer CCD can be minimized. For this reason, the voltage for driving the horizontal transfer CCD at a high speed can be reduced, and the transfer efficiency of the signal charge at the time of the high speed driving can be improved.
[0020]
That is, according to the solid-state imaging device of the present invention, it is possible to achieve both low voltage and high speed signal transfer by the horizontal transfer CCD and increase of the saturation charge amount of the horizontal transfer CCD, so that a high quality image can be obtained. it can.
[0021]
In this specification, the charge storage capacity means the amount of charge that can be stored in a potential well sandwiched between potential barriers.
[0022]
In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the width of the effective pixel portion is narrower than the width of the horizontal transfer CCD final stage and the width of the OB horizontal transfer CCD portion.
[0023]
In this case, the effective pixel portion of the horizontal transfer CCD, that is, the horizontal transfer CCD portion that receives the signal charge from the vertical transfer CCD is narrower than the conventional one. The amount of charge remaining in the battery is reduced. For this reason, the amount of electric charge leaking from the effective pixel portion to the OB horizontal transfer CCD portion at the time of shooting a high-luminance subject is also reduced. Further, since the width of the OB horizontal transfer CCD section is wide, it is possible to reduce an area where charges leaked from the effective pixel section exist in the OB horizontal transfer CCD section. Therefore, since the fluctuation of the OB reference signal can be suppressed, the image abnormality caused by the fluctuation can be prevented.
[0024]
In this case, the drain region adjacent to the horizontal transfer CCD may be bent corresponding to the change in the width of the horizontal transfer CCD.
[0025]
The solid-state imaging device of the present invention further includes a drain region adjacent to the horizontal transfer CCD, and the width of the drain region adjacent to the OB horizontal transfer CCD unit is the drain adjacent to the horizontal transfer CCD other than the OB horizontal transfer CCD unit. It is preferably narrower than the width of the region.
[0026]
In this way, since the terminal capacitance can be further reduced, the voltage for driving the horizontal transfer CCD at a high speed can be further reduced and the transfer efficiency of the signal charge at the time of the high speed driving can be further improved.
[0027]
In the solid-state imaging device of the present invention, the potential barrier of the horizontal transfer CCD unit for OB is preferably higher than the potential barrier of the effective pixel unit and the potential barrier of the final stage of the horizontal transfer CCD.
[0028]
In this way, the charge storage capacity of the horizontal transfer CCD unit for OB can be surely made larger than the charge storage capacity of the effective pixel unit.
[0029]
In the first and second solid-state imaging device manufacturing methods according to the present invention, the potential barrier of the horizontal transfer CCD unit for OB is set higher than the potential barrier of the effective pixel unit and the potential barrier of the final stage. This is a method for manufacturing a solid-state imaging device. Specifically, the manufacturing method of the first solid-state imaging device includes a step of selectively introducing an impurity for increasing the potential barrier into the horizontal transfer CCD unit for OB. The second solid-state imaging device manufacturing method further includes a step of selectively introducing an impurity that lowers the potential barrier into a portion other than the horizontal transfer CCD portion for OB in the horizontal transfer CCD.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a plan view illustrating an example of a schematic configuration of the solid-state imaging apparatus according to the first embodiment.
[0032]
As shown in FIG. 1, in the solid-
[0033]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a CCD (
[0034]
As shown in FIG. 2, a buried
[0035]
The horizontal transfer CCD 14 receives a signal of a black level (optical black (OB)), a
[0036]
As shown in FIG. 1, the feature of this embodiment is that the charge storage capacity of the
[0037]
According to the first embodiment, since the width of the
[0038]
Further, according to the first embodiment, the charge storage capacity of the horizontal transfer CCD final stage (HL) is larger than the charge storage capacity of the
[0039]
By the way, in general, the current required to drive the electrode terminal increases in proportion to the terminal capacitance, that is, the capacitance between the substrate and the gate electrode. For this reason, the area of the horizontal transfer CCD related to the terminal capacitance is substantially equal to the area of the horizontal transfer CCD unit (that is, the effective pixel unit) that receives signal charges. Therefore, if the area of the effective pixel portion is reduced, the driving current of the CCD can be reduced.
[0040]
On the other hand, according to the first embodiment, the charge storage capacity of the
[0041]
In the first embodiment, since the
[0042]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0043]
FIG. 3A is a plan view illustrating an example of a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment. FIGS. 3B and 3C each show a cross-sectional configuration of the horizontal transfer CCD in the solid-state imaging device according to the second embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the effective pixel portion (FIG. 3). 3A is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. 3A, and FIG. 3C is a cross-sectional view of the horizontal OB portion (cross-sectional view taken along the line bb ′ of FIG. 3A).
[0044]
Since the configuration of the pixel unit in the solid-state imaging device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, the pixel unit is not shown in FIG. 3A to 3C, the other components of the solid-state imaging device are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment shown in FIG. 1 or FIG. In FIGS. 3B and 3C, the potential is shown together with the cross-sectional configuration of the horizontal transfer CCD.
[0045]
The features of this embodiment, that is, the differences from the first embodiment are as follows. That is, in the first embodiment, in order to make the charge storage capacity of the
[0046]
As shown in FIGS. 3B and 3C, the horizontal transfer CCD 14 of this embodiment is a two-phase (first phase electrode H1 and second phase electrode H2) drive type, and includes a semiconductor substrate (P Type) 1 and a buried channel region (N type) 2 serving as a signal charge transfer path, and a first-
[0047]
In the present embodiment, in order to make the potential barrier of the
[0048]
As described above, according to the second embodiment, the potential barrier of the
[0049]
In the second embodiment, the introduction timing of impurities for adjusting the height of the potential barrier is not particularly limited. That is, after a predetermined potential barrier is formed by implanting impurities into the horizontal transfer CCD 14 other than the
[0050]
In the second embodiment, in order to make the charge storage capacity of the horizontal transfer CCD final stage (HL) larger than the charge storage capacity of the
[0051]
(Third embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0052]
FIG. 4A is a plan view illustrating an example of a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to the third embodiment. FIGS. 4B and 4C each show a cross-sectional configuration of the horizontal transfer CCD in the solid-state imaging device according to the third embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the effective pixel portion (FIG. 4). 4 (a) is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 4A, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the horizontal OB portion (cross-sectional view taken along the line bb ′ in FIG. 4A).
[0053]
Since the configuration of the pixel unit in the solid-state imaging device according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, the pixel unit is not shown in FIG. 4A to 4C, the other constituent elements of the solid-state imaging device are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment shown in FIG. 1 or FIG. 4B and 4C show the potential together with the cross-sectional configuration of the horizontal transfer CCD.
[0054]
The features of this embodiment, that is, the differences from the first embodiment are as follows. That is, in the first embodiment, in order to make the charge storage capacity of the
[0055]
As shown in FIGS. 4B and 4C, the horizontal transfer CCD 14 of this embodiment is a two-phase (first phase electrode H1 and second phase electrode H2) drive type, and includes a semiconductor substrate (P Type) 1 and a buried channel region (N type) 2 serving as a signal charge transfer path, and a first-
[0056]
In the present embodiment, in order to make the potential barrier of the
[0057]
As described above, according to the third embodiment, by setting the potential barrier of the
[0058]
In the third embodiment, the timing of introducing impurities for adjusting the height of the potential barrier is not particularly limited. That is, after a predetermined potential barrier is formed by implanting impurities into the
[0059]
In the third embodiment, in order to make the charge storage capacity of the horizontal transfer CCD final stage (HL) larger than the charge storage capacity of the
[0060]
In the first to third embodiments, the interline transfer type solid-state imaging device that performs photoelectric conversion using a photodiode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, it goes without saying that the present invention can be applied to, for example, a frame interline transfer solid-state image pickup device having a storage section below the image pickup region, or a frame transfer solid-state image pickup device that performs photoelectric conversion using a vertical CCD register.
[0061]
In the first to third embodiments, the N-type buried
[0062]
In the first to third embodiments, the two-phase (first phase electrode H1 and second phase electrode H2) drive type horizontal transfer CCD 14 is used. Instead, for example, a single phase or three or more phases are used. Other types of horizontal transfer CCDs such as the drive type may be used.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the horizontal transfer CCD, the charge storage capacity of the final stage is larger than the charge storage capacity of the effective pixel section. Therefore, image abnormality can be suppressed. In addition, since the charge storage capacity of the effective pixel portion having the largest area in the horizontal transfer CCD is reduced, the area of the effective pixel portion can be minimized, that is, the area of the horizontal transfer CCD can be minimized. The voltage for driving the transfer CCD at a high speed can be reduced, and the signal charge transfer efficiency at the high speed drive can be improved. Therefore, according to the present invention, it is possible to achieve both low voltage and high speed signal transfer by the horizontal transfer CCD and increase of the saturation charge amount of the horizontal transfer CCD, so that a high quality image can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view illustrating an example of a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a CCD (vertical transfer CCD and horizontal transfer CCD) used in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
3A is a plan view showing an example of a schematic configuration of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the effective pixel portion of the horizontal transfer CCD in FIG. 2 (cross-sectional view taken along line aa ′ in FIG. 2A), and FIG. It is sectional drawing (sectional drawing of the bb 'line of (a)) of a horizontal OB part.
4A is a plan view showing an example of a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a solid-state imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of the effective pixel portion of the horizontal transfer CCD in FIG. 3A (cross-sectional view taken along line aa ′ in FIG. 2A), and FIG. It is sectional drawing (sectional drawing of the bb 'line of (a)) of a horizontal OB part.
FIG. 5 is a plan view showing an example of a schematic configuration of a conventional solid-state imaging device.
6A is an enlarged plan view of a horizontal dummy portion of a horizontal transfer CCD in a conventional solid-state imaging device, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Embedded channel area
3 Gate insulation film
4 First layer polysilicon electrode
5 Second layer polysilicon electrode
6 Oxide film
10 Solid-state imaging device
11 Photodiode
12 Vertical transfer CCD
13 Pixel part
14 Horizontal transfer CCD
14a Horizontal dummy part
14b Effective pixel part
14c Horizontal OB section
15 Horizontal drain
16 amplifiers
Claims (7)
前記受光部から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送CCDと、
前記垂直転送CCDから転送された信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送CCDとを備え、
前記水平転送CCDにおける前記垂直転送CCDからの信号電荷を受け取る有効画素部の電荷蓄積容量は、前記水平転送CCDの最終段の電荷蓄積容量、及び黒レベルの信号を受け取るOB用水平転送CCD部の電荷蓄積容量のそれぞれよりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。A light receiving section arranged two-dimensionally;
A vertical transfer CCD that reads out signal charges from the light receiving unit and transfers them in the vertical direction;
A horizontal transfer CCD that receives the signal charges transferred from the vertical transfer CCD and transfers them in the horizontal direction;
In the horizontal transfer CCD, the charge storage capacity of the effective pixel portion that receives the signal charge from the vertical transfer CCD is the charge storage capacity of the last stage of the horizontal transfer CCD and the horizontal transfer CCD portion for OB that receives the black level signal. A solid-state imaging device characterized by being smaller than each of the charge storage capacitors.
前記ドレイン領域は、前記水平転送CCDの幅の変化に対応して屈曲するように形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。A drain region adjacent to the horizontal transfer CCD;
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the drain region is formed so as to be bent corresponding to a change in the width of the horizontal transfer CCD.
前記OB用水平転送CCD部に隣接する前記ドレイン領域の幅は、前記OB用水平転送CCD部以外の前記水平転送CCDに隣接する前記ドレイン領域の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。A drain region adjacent to the horizontal transfer CCD;
The width of the drain region adjacent to the horizontal transfer CCD unit for OB is narrower than the width of the drain region adjacent to the horizontal transfer CCD other than the horizontal transfer CCD unit for OB. The solid-state imaging device described.
前記OB用水平転送CCD部に、ポテンシャルバリアを高くする不純物を選択的に導入する工程を備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。It is a manufacturing method of the solid-state imaging device according to claim 5,
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: a step of selectively introducing an impurity for increasing a potential barrier into the horizontal transfer CCD unit for OB.
前記水平転送CCDにおける前記OB用水平転送CCD部以外の他の部分に、ポテンシャルバリアを低くする不純物を選択的に導入する工程を備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。It is a manufacturing method of the solid-state imaging device according to claim 5,
A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: a step of selectively introducing an impurity that lowers a potential barrier into a portion other than the horizontal transfer CCD portion for OB in the horizontal transfer CCD.
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