JP6925206B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
第一方向及び第一方向と直交する第二方向に二次元配列されている複数の光感応領域をそれぞれ有すると共に、第一方向に並んでいる複数の画素領域と、画素領域と第二方向で並び、かつ、光感応領域で発生した電荷を、画素領域毎に転送する複数の第一転送部と、対応する第一転送部を介して画素領域と第二方向で並び、かつ、対応する第一転送部から転送された電荷を取得し、第一方向に転送する複数の第二転送部と、を備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１）。
特開２０００−３５０１００号公報
固体撮像装置におけるフレームレートを高速化するための手法として、一つの固体撮像装置に対して複数の読み出しポートを設けるマルチポート化がある。マルチポート化のためには、アンプなどの読み出しポートを置くスペースを確保する必要がある。このスペースを確保するために、たとえば上記特許文献１に記載の固体撮像装置では、第一転送部の第二方向での長さが、第一転送部に対応する第二転送部での電荷転送方向で次第に長くなっている。第一転送部に対応する第二転送部は、画素領域との距離が電荷転送方向で次第に長くなるように第一方向及び第二方向と交差する方向に沿って延びている。これにより、第一方向で隣り合う第二転送部間に形成されたスペースに、アンプを置いている。
上記特許文献１に記載の固体撮像装置において、第一転送部は、その全体において、第二方向での長さが、第二転送部での電荷転送方向で次第に長くなっている。よって、第一転送部の第一方向での全領域において、第一転送部を間に介して対向する画素領域と第二転送部との距離が、第二転送部での電荷転送方向で次第に長くなっている。したがって、画素領域から第二転送部までの第二方向に沿った電荷転送距離が長くなってしまう。第二転送部は、その全体において、第一方向及び第二方向と交差する方向に沿って延びている。よって、第一方向に沿った電荷転送方向に移動しようとする電荷が、第二転送部における第一転送部との境界面に当たりながら転送される。したがって、第一転送部のポテンシャルに阻害されて、第二転送部での電荷転送効率が悪くなるおそれがある。
本発明は、電荷転送効率が向上された固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、第一方向及び第一方向と直交する第二方向に二次元配列されている複数の光感応領域をそれぞれ有すると共に、第一方向に並んでいる複数の画素領域と、画素領域と第二方向で並び、かつ、光感応領域で発生した電荷を、画素領域毎に転送する複数の第一転送部と、対応する第一転送部を介して画素領域と第二方向で並び、かつ、対応する第一転送部から転送された電荷を取得し、第一方向に転送する複数の第二転送部と、を備え、各第一転送部は、第一方向に並んだ複数の第一転送列領域を含んでいる第一領域と、第一方向に並んだ複数の第二転送列領域を含み、かつ、対応する第二転送部での電荷転送方向で第一領域の下流側に位置する第二領域と、を有し、複数の第一転送列領域の第二方向での長さは、一定であり、複数の第二転送列領域の第二方向での長さは、第一転送列領域の長さより長く、かつ、電荷転送方向で下流側に位置する第二転送列領域ほど長く、各第二転送部は、第一領域に対応して配置されていると共に、第一方向に沿って延びている第三領域と、第二領域に対応して配置されていると共に、第二方向での画素領域との間隔が複数の第二転送列領域の長さの変化に対応して電荷転送方向で大きくなるように、第一方向と第二方向とに交差する方向に沿って延びている第四領域と、を有している。
本発明の固体撮像装置では、各第一転送部が、第一領域と、対応する第二転送部での電荷転送方向で第一領域の下流側に位置する第二領域と、を有している。第一領域は、複数の第一転送列領域を含んでいる。複数の第一転送列領域の第二方向での長さは一定である。第二領域は、複数の第二転送列領域を含んでいる。複数の第二転送列領域の第二方向での長さは、第一転送列領域の第二方向での長さより長く、かつ、第二転送部での電荷転送方向で下流側に位置する第二転送列領域ほど長い。よって、各第一転送列領域では、各第二転送列領域に比して、第二方向に沿った電荷転送距離が短くなっている。したがって、第一転送部に含まれる全ての転送列領域の第二方向での長さが、第二転送部での電荷転送方向で次第に長くなる場合に比して、第二方向に沿った電荷転送距離が短くなっている。各第二転送部は、第一領域に対応して配置されている第三領域と、第二領域に対応して配置されている第四領域と、を有している。第三領域は、第一方向に沿って延びている。第四領域は、第二方向での画素領域との間隔が複数の第二転送列領域の長さの変化に対応して電荷転送方向で大きくなるように、第一方向と第二方向とに交差する方向に沿って延びている。第三領域では、第一方向に沿った電荷転送方向に移動しようとする電荷が、第二転送部における第一転送部との境界面に当たらないので、第一転送部のポテンシャルに阻害されずに電荷が転送される。よって、第二転送部の全体が第一方向及び第二方向と交差する方向に沿って延びている場合に比して、第二転送部での電荷転送効率が向上する。以上より、電荷転送効率が向上された固体撮像装置が提供される。
各第二転送列領域は、第一不純物領域と、第一不純物領域に比して不純物濃度が高い第二不純物領域と、を含み、第二不純物領域は、各第二転送列領域において、第二方向で画素領域側に位置する一端又は当該一端の近傍から第二転送部側の他端まで設けられており、第二不純物領域の第一方向での幅は、一端から他端に向かう垂直転送方向で増加していてもよい。この場合、第二不純物領域の第一方向での幅が垂直転送方向で増加していることにより、各第二転送列領域においては、垂直転送方向で電位が高くなる電位勾配が形成されている。よって、画素領域から第二転送部までの電荷転送距離が長くなっている各第二転送列領域においても、この電位勾配により、電荷が効率よく転送される。
第二転送列領域を第二方向にｎ分割（ｎは２以上の整数）した各区間における第二不純物領域の幅は、隣り合う各区間における第二不純物領域の電位差が一定となるように設定されていてもよい。このような幅の第二不純物領域によって、第二転送列領域における電位勾配が略一定となるので、電荷が効率よく転送される。
対応する第二転送部の電荷転送方向での後端から電荷を取得し、取得した電荷に対応する信号を出力する複数の出力部を更に備え、出力部は、対応する第二転送部と、対応する第二転送部と電荷転送方向で隣り合う第二転送部とで囲まれる領域に配置されていてもよい。この場合、対応する第二転送部の第一方向での幅を画素領域の第一方向での幅に比して小さくしなくても、対応する第二転送部と、対応する第二転送部と電荷転送方向で隣り合う第二転送部とで囲まれる領域が形成されている。この領域に、対応する第二転送部から取得した電荷に対応する信号を出力する出力部が配置されているので、第二転送部から出力部に向かって電荷の転送方向を曲げる必要がなくなり、電荷転送効率が向上すると共に設計が容易である。
本発明によれば、電荷転送効率が向上された固体撮像装置を提供することができる。
固体撮像装置の平面構成を示す図である。 固体撮像装置の部分断面図である。 第二転送列領域を模式的に示す図である。 固体撮像装置において形成される電位の変化を説明するための図である。 第二不純物領域の幅を説明するための図である。 ノッチ幅毎の光感応領域の電位を示すグラフである。 各等分点に対応する第二不純物領域の各幅を示す表である。 本実施形態の第二不純物領域を含む第二転送列領域をシミュレーションモデルとして作成した図である。 図８のシミュレーションモデルを用いて、第二転送列領域のポテンシャルをシミュレーションした結果を示すグラフである。 転送方向での電位勾配を示すグラフである。 第二転送列領域が第二不純物領域を含んでいないものとした場合の第二転送列領域のポテンシャルをシミュレーションした結果を示すグラフである。 本実施形態の固体撮像装置の作用及び効果を説明するための図である。 他の実施形態に係る第二不純物領域を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置１について説明する。図１は、固体撮像装置１の平面構成を示す図である。図２は、固体撮像装置１の部分断面図であって、図１におけるII-II線に沿った断面構成を示す図である。
図１に示されるように、固体撮像装置１は、複数の画素領域３ａと、複数の転送部７（第一転送部）と、複数のシフトレジスタ９（第二転送部）と、複数のアンプＡ（出力部）と、を備えている。
画素領域３ａは、平面視において、第一方向Ｄ１で互いに対向する一対の短辺及び第二方向Ｄ２で互いに対向する一対の長辺によって形作られる矩形形状を呈している。本実施形態では、第一方向Ｄ１は、Ｙ軸に沿った正方向及び負方向の双方向を意味する。第二方向Ｄ２は、Ｘ軸に沿った正方向及び負方向の双方向を意味する。第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とは、直交する。複数の画素領域３ａは、第一方向Ｄ１に並んでおり、受光領域３を構成している。各画素領域３ａは、受光領域３を第一方向Ｄ１で複数に分割している。
画素領域３ａは、複数の光電変換部５を有している。複数の光電変換部５は、第一方向Ｄ１及び第二方向Ｄ２に二次元配列されている。各光電変換部５は、入射光に応じて電荷を発生する光感応領域６を一つ有している。光感応領域６は、第一方向Ｄ１及び第二方向Ｄ２に二次元配列されている。一つの光感応領域６（光電変換部５）は、画素領域３ａにおける一画素を構成する。すなわち、複数の画素領域３ａは、二次元配列されている複数の光感応領域６をそれぞれ有している。
各転送部７は、各画素領域３ａにそれぞれ対応し、かつ、対応する各画素領域３ａの長辺側に配置されている。すなわち、各転送部７は、各画素領域３ａの長辺側に、第二方向Ｄ２で各画素領域３ａと並ぶように配置されている。転送部７は、画素領域３ａとシフトレジスタ９との間に位置する。転送部７は、光感応領域６で発生した電荷を、画素領域３ａ毎に転送する。転送部７は、画素領域３ａから排出された電荷を取得し、取得した電荷をシフトレジスタ９に向けて転送する。
転送部７は、複数の転送列領域７ａを含んでいる。複数の転送列領域７ａは、第一方向Ｄ１に並んだ光感応領域６の列（画素列）に対応して、第一方向Ｄ１に並んでいる。転送列領域７ａは、光感応領域６の対応する画素列毎に電荷を転送する。転送列領域７ａは、光感応領域６の対応する画素列から電荷を取得し、取得した電荷をシフトレジスタ９に向けて転送する。
転送部７は、第一領域１３と、対応するシフトレジスタ９での電荷転送方向で第一領域１３の下流側に位置する第二領域１４と、を有している。シフトレジスタ９での電荷転送方向とは、第一方向Ｄ１に沿って、第一領域１３から第二領域１４に向かう方向（Ｙ軸負方向）である。以下、シフトレジスタ９での電荷転送方向を「水平転送方向ＴＤ１」とする。水平転送方向ＴＤ１で下流側とは、電荷転送方向における電荷転送の順序が後であることを示す。第一領域１３は、水平転送方向ＴＤ１で上流側に位置しており、第二領域１４は、水平転送方向ＴＤ１で下流側に位置している。
第一領域１３は、転送列領域７ａとして、複数の第一転送列領域１３Ａを含んでいる。複数の第一転送列領域１３Ａの第二方向Ｄ２での長さＬａは、一定となっている。長さＬａが一定とは、一定であることに加え、測定誤差又は予め設定された±約１μｍ以内の範囲の微差などを含んだ値を一定としてもよい。長さＬａが一定の複数の第一転送列領域１３Ａが第一方向Ｄ１に連続して並んでいることにより、第一領域１３は、平面視で、第一方向Ｄ１で互いに対向する一対の短辺と、第二方向Ｄ２で互いに対向する一対の長辺と、を有する矩形形状を呈している。第一領域１３の長さＬａは、たとえば７μｍ程度である。
第二領域１４は、転送列領域７ａとして、複数の第二転送列領域１４Ａを含んでいる。複数の第二転送列領域１４Ａの第二方向Ｄ２での長さＬｂは、第一転送列領域１３Ａの第二方向Ｄ２での長さＬａに比して長く、かつ、水平転送方向ＴＤ１で下流側に位置する第二転送列領域１４Ａほど長い。水平転送方向ＴＤ１で下流側に位置する第二転送列領域１４Ａほど、長さＬｂが長くなるように台形形状の第二転送列領域１４Ａが第一方向Ｄ１に連続して並んでいることにより、第二領域１４は、平面視で、第一方向Ｄ１で互いに対向する辺１４ｅ，１４ｆと、第二方向Ｄ２で互いに対向する一対の辺１４ｇ，１４ｈと、を有しており、かつ、辺１４ｅから辺１４ｆに向かって幅広である台形形状を呈している。
各第二転送列領域１４Ａにおける画素領域３ａ側の辺は、第一方向Ｄ１で連続して直線状に並んでいる。これにより、各第二転送列領域１４Ａにおける画素領域３ａ側の辺は、第二領域１４における第一方向Ｄ１に延びている直線状の辺１４ｇを構成している。各第二転送列領域１４Ａにおけるシフトレジスタ９側の辺は、第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とに対して同じ角度で交差するように連続して直線状に並んでいる。これにより、各第二転送列領域１４Ａにおけるシフトレジスタ９側の辺は、第二領域１４における第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とに対して所定の角度で交差するように延びている直線状の辺１４ｈを構成している。
第二領域１４の長さＬｂは、辺１４ｆで最大となり、たとえば５０μｍ程度である。第二領域１４の最大長さ（辺１４ｆでの長さ）は、第二領域１４において水平転送方向ＴＤ１で最も下流側に位置する第二転送列領域１４Ａに第一方向Ｄ１で隣り合う第一領域１３及びシフトレジスタ９の第二方向Ｄ２での長さの和（第一領域１３の長さＬａとシフトレジスタ９の第二方向Ｄ２での長さとの和）に比して大きくなっている。
辺１４ｅは、第二領域１４における第一方向Ｄ１で第一領域１３側に位置する一端であり、辺１４ｆは、第二領域１４における第一方向Ｄ１で第一領域１３とは反対側に位置する他端である。辺１４ｇは、第二領域１４における第二方向Ｄ２で画素領域３ａ側に位置する一端であり、辺１４ｈは、第二領域１４における第二方向Ｄ２でシフトレジスタ９側の他端である。以下、辺１４ｇから辺１４ｈに向かう方向、すなわち第二方向Ｄ２に沿って画素領域３ａからシフトレジスタ９に向かう方向を「垂直転送方向ＴＤ２」とする。
第一領域１３の第一方向Ｄ１での幅は第二領域１４の第一方向Ｄ１での幅よりも大きく、第一領域１３の第一方向Ｄ１での幅は、第二領域１４の第一方向Ｄ１での幅の約１０倍である。すなわち、第一方向Ｄ１に並んでいる第一転送列領域１３Ａの数は第一方向Ｄ１に並んでいる第二転送列領域１４Ａの数よりも多く、第一方向Ｄ１に並んでいる第一転送列領域１３Ａの数と第二転送列領域１４Ａの数との比は、１０：１程度となっている。
各第二転送列領域１４Ａは、不純物濃度が異なる複数の不純物領域を含んでいる。図３は、第二転送列領域１４Ａを模式的に示す図である。前述したように、第二転送列領域１４Ａは、平面視において、台形形状を呈しているが、図３においては、一対の短辺１４ａ，１４ｂ及び一対の長辺１４ｃ，１４ｄを有する矩形形状として模式的に示している。
図３に示されるように、第二転送列領域１４Ａは、一対の第一不純物領域１１と、一対の第一不純物領域１１に比して不純物濃度が高い第二不純物領域１２と、を含んでいる。第一不純物領域１１及び第二不純物領域１２の構成の詳細は、後述する。
第二不純物領域１２は、第二転送列領域１４Ａにおいて、第二方向Ｄ２で一方の短辺１４ａから他方の短辺１４ｂまで設けられている。本実施形態において、第二不純物領域１２は、短辺１４ａから短辺１４ｂまで連続的に延びている。短辺１４ａは、前述した第二領域１４の辺１４ｇの一部を構成しており、第二領域１４における第二方向Ｄ２で画素領域３ａ側に位置する一端に相当する。短辺１４ｂは、前述した第二領域１４の辺１４ｈの一部を構成しており、第二領域１４における第二方向Ｄ２でシフトレジスタ９側の他端に相当する。第二不純物領域１２は、第一方向Ｄ１で一対の第一不純物領域１１に挟まれている。
第二不純物領域１２の平面視での形状は、第二転送列領域１４Ａにおける第二方向Ｄ２に沿った中心線Ｇ１に対して線対称である。中心線Ｇ１は、第二転送列領域１４Ａの一対の長辺１４ｃ，１４ｄに平行であり、かつ、各長辺１４ｃ，１４ｄからの距離が同等であるように位置する線をいう。本実施形態において「同等」とは、等しいことに加え、測定誤差又は予め設定された範囲での微差などを含んだ値を同等としてもよい。第二不純物領域１２の平面視での形状が中心線Ｇ１に対して線対称であるとは、第二不純物領域１２を中心線Ｇ１で分けたときに、中心線Ｇ１を挟んで位置する各領域の形状が互いに鏡像となっており、面積又は数が同等であることをいう。
第二不純物領域１２の第一方向Ｄ１での幅Ｗは、短辺１４ａ側から短辺１４ｂ側に向かうにしたがい増加している。第二不純物領域１２の形状の詳細については、図５を参照して後述する。
第二不純物領域１２によって、第二転送列領域１４Ａにおいては、短辺１４ａ，１４ｂの対向方向（第二方向Ｄ２）に沿って、短辺１４ａから短辺１４ｂに向かう方向（図１のＸ軸正方向）で高くされた電位勾配が形成される。これにより、光感応領域６から第二転送列領域１４Ａに転送された電荷は、第二転送列領域１４Ａにおいて短辺１４ａから短辺１４ｂに向かう方向（垂直転送方向ＴＤ２）で転送され、第二転送列領域１４Ａの短辺１４ｂ側から排出される。
図１に示されるように、各シフトレジスタ９は、対応する各転送部７を介して各画素領域３ａと第二方向Ｄ２で並んでいる。各シフトレジスタ９は、各画素領域３ａとで各転送部７を挟むように、各画素領域３ａの長辺側に配置されている。シフトレジスタ９は、転送部７から転送された電荷を取得し、水平転送方向ＴＤ１（Ｙ軸負方向）に転送し、読み出しポートであるアンプＡに順次出力する。シフトレジスタ９から出力された電荷は、アンプＡによって電圧に変換され、光感応領域６毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。
シフトレジスタ９は、第一領域１３に対応する位置に配置されている第三領域１５と、第二領域１４に対応する位置に配置されている第四領域１６と、を有している。第三領域１５は、第二方向Ｄ２で第一領域１３の長辺側に配置され、第一方向Ｄ１に沿って延びている。第三領域１５は、平面視で、第一方向Ｄ１で互いに対向する一対の短辺と、第二方向Ｄ２で互いに対向する一対の長辺と、を有する矩形形状を呈している。第三領域１５の第一方向Ｄ１での幅は、第一領域１３の第一方向Ｄ１での幅と略同じである。
第四領域１６は、第二方向Ｄ２で第二領域１４の辺１４ｈ側に配置されている。第四領域１６は、第二方向Ｄ２での画素領域３ａとの距離Ｈが複数の第二転送列領域１４Ａの長さＬｂの変化に対応して水平転送方向ＴＤ１で大きくなるように、第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とに交差する方向に沿って延びている。第四領域１６は、平面視で、第一方向Ｄ１で互いに対向する一対の短辺と、第二方向Ｄ２で互いに対向する一対の長辺と、を有する平行四辺形形状を呈している。
第四領域１６における各長辺（転送部７側の長辺及び転送部７とは反対側の長辺）は、第二領域１４におけるシフトレジスタ９側の辺に平行に延びている。すなわち、第四領域１６における各長辺は、第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とに対して所定の角度で交差するように延びる直線状を呈している。第四領域１６における各長辺の第一方向Ｄ１での幅は、第四領域１６における各長辺の第二方向Ｄ２での幅よりも大きい。第四領域１６における各長辺が第一方向Ｄ１に対して成す角度は、第四領域１６における各長辺が第二方向Ｄ２に対して成す角度よりも小さい。よって、第四領域１６は、第二方向Ｄ２に対する角度に比べて第一方向Ｄ１に対する角度が小さくなるように傾斜して延びており、垂直方向よりも水平方向に近い緩やかな傾斜（４５°よりも小さい傾斜）を有している。
第四領域１６の第一方向Ｄ１での幅は、第二領域１４の第一方向Ｄ１での幅と略同じである。第四領域１６の第二方向Ｄ２での長さは、第三領域１５の第二方向Ｄ２での長さと略同じである。すなわち、シフトレジスタ９の第二方向Ｄ２での長さは、略一定である。
各アンプＡは、対応する各シフトレジスタ９の水平転送方向ＴＤ１での後端から電荷を取得し、取得した電荷に対応する電圧（信号）を出力する。アンプＡは、対応するシフトレジスタ９と、対応するシフトレジスタ９と水平転送方向ＴＤ１で隣り合うシフトレジスタ９とで囲まれる領域Ｓに配置されている。領域Ｓは、第一方向Ｄ１で隣り合う二つの画素領域３ａのうち、一方の画素領域３ａにおいて発生した電荷を転送して出力するシフトレジスタ９と、他方の画素領域３ａにおいて発生した電荷を転送して出力するシフトレジスタ９とで囲まれる領域でもある。アンプＡは、領域Ｓに配置されることにより、一つの画素領域３ａに対して一つ設けられている。すなわち、一つの受光領域３に対して複数のアンプＡが設けられており、固体撮像装置１は、複数の出力部（読み出しポート）を備えるマルチポート型の固体撮像装置である。
隣り合う光感応領域６の間及び隣り合う転送部７の間は、アイソレーション領域が配置されている。アイソレーション領域は、光感応領域６間及び転送部７間それぞれにおける電気的な分離を実現している。
画素領域３ａ、複数の転送部７、及び複数のシフトレジスタ９は、半導体基板１０に形成されている。すなわち、固体撮像装置１は、半導体基板１０を有している。本実施形態では、半導体基板１０としてシリコン基板が用いられている。半導体基板１０は、図２に示されるように、半導体基板１０の基体となる本体層１０Ａと、本体層１０Ａの一方面側に形成された表面層２４〜２６と、を含んでいる。
本体層１０Ａは、ｐ型半導体層である。表面層２４は、ｎ型半導体層である。表面層２５は、詳細は後述するが、一対のｎ型半導体層２５ａ（図３参照）と、一対のｎ型半導体層２５ａに第一方向Ｄ１で挟まれている一つのｎ＋型半導体層２５ｂと、を含んでいる。表面層２６は、ｎ−型半導体層である。ｐ型及びｎ型の各導電型は、前述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。
導電型に付された「＋」は、高不純物濃度を示す。導電型に付された「−」は、低不純濃度を示す。低不純物濃度は、「−」が付された導電型の不純物の一部が、「−」が付された導電型とは逆の導電型の不純物により補償されることにより、見かけ上、低不純物濃度とされた態様も含む。「＋」の数は、「＋」が付された導電型の不純物の濃度の度合いを示し、「＋」の数が多いほど、「＋」が付された導電型の不純物の濃度が高いことを示す。ｎ型の不純物としてはＮ、Ｐ又はＡｓなどがあり、ｐ型の不純物としてはＢ又はＡｌなどがある。
ｐ型半導体層である本体層１０Ａとｎ型半導体層である表面層２４との界面には、ｐｎ接合が形成される。表面層２４により、画素領域３ａが構成される。表面層２４に対して、複数の電極４１〜４４が配置されている。電極４１〜４４は、絶縁層（不図示）を介して表面層２４上に形成されている。電極４１〜４４は、第二方向Ｄ２で、電極４１、電極４２、電極４３、電極４４の順で並び、かつ、電極４１〜４４を一組として複数組が連続して並んでいる。表面層２４における一組の電極４１〜４４の下方に位置する領域が、光感応領域６（一画素）を構成する。
電極４１〜４４には、制御装置により制御される駆動回路からそれぞれ信号Ｐ１Ｖ，Ｐ２Ｖ，Ｐ３Ｖ，Ｐ４Ｖが与えられる。各信号Ｐ１Ｖ，Ｐ２Ｖ，Ｐ３Ｖ，Ｐ４Ｖに応じて、表面層２４における一組の電極４１〜４４の下方に位置する領域（光感応領域６）の電位勾配が決定される。一組の電極４１〜４４は、その下方に位置する領域において、垂直転送方向ＴＤ２で次第に深くなるポテンシャルの傾斜（垂直転送方向ＴＤ２で高くされた電位勾配）を形成する。このポテンシャルの傾斜に沿って、光入射に応じて光感応領域６にて発生した電荷が垂直転送方向ＴＤ２に移動する。
表面層２５に含まれるｎ型半導体層２５ａは、図３に示されるように、第二転送列領域１４Ａの第一不純物領域１１を構成する。ｎ型半導体層２５ａの形状に対応し、第一不純物領域１１の形状が形成される。表面層２５に含まれるｎ＋型半導体層２５ｂは、第二転送列領域１４Ａの第二不純物領域１２を構成する。ｎ＋型半導体層２５ｂの形状に対応し、第二不純物領域１２の形状が形成される。
ｎ＋型半導体層２５ｂは、ｎ型半導体層２５ａよりもｎ型不純物濃度が高い。ｎ型不純物濃度が高いｎ＋型半導体層２５ｂの幅Ｗが、垂直転送方向ＴＤ２で次第に大きくなっている。垂直転送方向ＴＤ２で短辺１４ａ側では、ｎ型不純物濃度が高いｎ＋型半導体層２５ｂの幅Ｗが小さいため、ポテンシャルが浅くなり、垂直転送方向ＴＤ２で短辺１４ｂ側では、ｎ型不純物濃度が高いｎ＋型半導体層２５ｂの幅Ｗが大きいため、ポテンシャルが深くなる。これにより、表面層２５には、図４に示されるように、垂直転送方向ＴＤ２で次第に深くなるポテンシャルの傾斜（垂直転送方向ＴＤ２で次第に高くなる電位勾配）が形成される。図４は、固体撮像装置１において形成される電位の変化を説明するための図である。
表面層２５に対して、電極４５が配置されている。電極４５は、絶縁層を介して表面層２５上に形成されている。表面層２５と電極４５とによって、第二転送列領域１４Ａ（転送部７の第二領域１４）が構成される。電極４５には、制御装置により制御される駆動回路から信号ＴＧが与えられる。この信号ＴＧに応じて、たとえば図４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように表面層２５のポテンシャルが変化する。このようなポテンシャルの変化により、第二転送列領域１４Ａ（転送部７の第二領域１４）は、光感応領域６から電荷を取得し、シフトレジスタ９へ送り出す。
なお、従来知られている構成なので図示は省略するが、第一転送列領域１３Ａ（転送部７の第一領域１３）は、表面層２５及び電極４５に代えて、不純物濃度が異なる複数の不純物領域を含んでいない表面層（たとえばｎ−型半導体層）と、当該表面層に対して配置された電極とによって、構成される。
表面層２６に対して、電極４６が配置されている。電極４６は、絶縁層を介して表面層２６上に形成されている。表面層２６と電極４６とによって、シフトレジスタ９が構成される。電極４６には、制御装置により制御される駆動回路から信号Ｐ１Ｈが与えられる。この信号Ｐ１Ｈに応じて、たとえば図４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように表面層２６のポテンシャルが変化する。このようなポテンシャルの変化により、シフトレジスタ９は、転送部７から電荷を取得し、取得した電荷をアンプＡに送り出す。
電極４１〜４６は、たとえばポリシリコン膜からなる。前述した絶縁層は、たとえばシリコン酸化膜からなる。
次に、図５を参照して、第二不純物領域１２の形状の詳細について説明する。図５は、第二不純物領域１２の幅Ｗを説明するための図である。図５では、第二方向Ｄ２で長さＬの第二転送列領域１４Ａを第二方向Ｄ２にｎ分割した（ｎは２以上の整数）各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎ（ｋは２以上かつｎ−１以下の整数）における第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎを示している。ただし、Ｗ０は、第二不純物領域１２における垂直転送方向ＴＤ２で最も上流側の一端（図３の短辺１４ａ）での第二不純物領域１２の幅である。
本実施形態において、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎは、第二転送列領域１４Ａを第二方向Ｄ２にｎ等分（図５の例では１２等分）した各区間である。等分とは、等しい分量に分けることを意味するが、各区間は、測定誤差又は予め設定された±数μｍ程度の範囲の微差などが含まれることにより完全に等しい分量に分かれていなくてもよい。
各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎにおける第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎとは、たとえば、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎにおける垂直転送方向ＴＤ２で最も下流側の一端（図３の短辺１４ｂに最も近い端）での幅であり、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎにおける最大幅である。各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎにおける第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎは、最大幅に限らず、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ，…，Ｌｎにおける幅の平均値などであってもよい。
第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎの増加率ΔＷ１，…，ΔＷｋ，…ΔＷｎ（ΔＷｋ＝Ｗｋ−Ｗｋ−１）は、垂直転送方向ＴＤ２で次第に大きくなっている。各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内において、第二不純物領域１２の幅は、垂直転送方向ＴＤ２の上流側から下流側に向かって次第に大きくなっている。すなわち、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内において、垂直転送方向ＴＤ２の上流側の端部から下流側の端部まで、第二不純物領域１２の幅は垂直転送方向ＴＤ２で単調に増加している。第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎは、隣り合う各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎにおける電位差ΔＶ１，…，ΔＶｋ，…，ΔＶｎ（ΔＶｋ＝Ｖｋ−Ｖｋ−１）が、どの区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎでも一定となるように設定されている。ただし、ΔＶ１＝Ｖ１−Ｖ０であり、Ｖ０は、幅Ｗ０に対応する第二転送列領域１４Ａの電位である。
次に、前述の第二不純物領域１２の形状を決定する方法について具体的に説明する。まず、第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎを求める方法について説明する。第一の手順として、第二不純物領域１２が垂直転送方向ＴＤ２で変化しない一定のノッチ幅（０．８μｍ〜６．１μｍの範囲の所定幅）を有しているものとした固体撮像装置のモデルを用いて、ノッチ幅毎の第二転送列領域１４Ａの電位を算出する。図６は、ノッチ幅毎の第二転送列領域１４Ａの電位を示すグラフである。図６の横軸は、ノッチ幅［μｍ］を示し、図６の縦軸は、ノッチ幅に対応する第二転送列領域１４Ａの最大電位［Ｖ］を示している。図６の縦軸は、上方向にいくほど最大電位が大きく、下方向にいくほど最大電位が小さいことを示している。
第二の手順として、図６のグラフから、ノッチ幅が０．８μｍ〜６．１μｍの範囲に対応する範囲の電位をｎ等分（図６に示される例では１２等分）し、ｎ＝１，…，ｋ，…ｎの各等分点でのノッチ幅を読み取り、読み取られた各等分点でのノッチ幅を、各等分点に対応する第二不純物領域１２の各幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎとする。以上の第一及び第二の手順によって、隣り合う各区間における第二転送列領域１４Ａの電位差が一定となるような第二不純物領域１２の各幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎが求められる。
図７は、図６のグラフから求めた、各等分点に対応する第二不純物領域１２の各幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎの値を示す表である。求めた第二不純物領域１２の各幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎを、ｎ＝１，…，ｋ，…ｎの各等分点に対応させてプロットすることにより、第二不純物領域１２の形状が決定される。第二不純物領域１２の形状は、第二転送列領域１４Ａの垂直転送方向ＴＤ２での長さによらず図５に示すような形状と相似形状となる。
次に、以上のようにして決定される第二不純物領域１２の形状が、電荷転送効率を向上するのに最適な形状であることを示すためにシミュレーションを行った結果を図８〜図１２に示す。
図８は、本実施形態の第二不純物領域１２を含む第二転送列領域１４Ａをシミュレーションモデルとして作成した図である。図９は、図８のシミュレーションモデルを用いて、第二転送列領域１４Ａのポテンシャルをシミュレーションした結果を示すグラフであって、等電位線を示すグラフである。図９のｘ軸正方向が垂直転送方向ＴＤ２に相当する。図１０は、垂直転送方向ＴＤ２での電位勾配を示すグラフであって、図９の結果に基づき、第二転送列領域１４Ａにおける垂直転送方向ＴＤ２での位置に対応する電位の値をプロットしたグラフである。図１０の横軸は、第二転送列領域１４Ａの垂直転送方向ＴＤ２（ｘ軸正方向）での位置［μｍ］を示し、図１０の縦軸は、各位置における第二転送列領域１４Ａの最大電位［Ｖ］を示している。図１０の縦軸は、上方向にいくほど最大電位が小さく、下方向にいくほど最大電位が大きいことを示している。図１１は、第二転送列領域１４Ａが第二不純物領域１２を含んでいないものとした場合の第二転送列領域１４Ａのポテンシャルをシミュレーションした結果を示すグラフであって、等電位線を示す図９に対応するグラフである。
図１１に示されるように、第二転送列領域１４Ａが第二不純物領域１２を含んでいないものとした場合には、第二転送列領域１４Ａの中央部において電位勾配が形成されていない。よって、第二転送列領域１４Ａの第二方向Ｄ２での長さが５０μｍ程度と長くなる場合には、電荷Ｅｃを垂直転送方向ＴＤ２に転送することが難しくなる可能性がある。これに対し、図９及び図１０に示されるように、第二転送列領域１４Ａが第二不純物領域１２を含んでいる場合には、第二転送列領域１４Ａにおける電位勾配は、第二転送列領域１４Ａの垂直転送方向ＴＤ２に沿う略全領域に亘って、略一定となるように形成されている。略一定の傾きの電位勾配に沿って、第二転送列領域１４Ａにおける電荷Ｅｃが、効率良く転送される。
次に、図１２を参照し、従来技術と比較して、本実施形態の固体撮像装置１の作用及び効果について説明する。図１２は、本実施形態の固体撮像装置１の作用及び効果を説明するための図である。図１２の（ａ）は、従来の固体撮像装置１００を模式的に示しており、図１２の（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置１を模式的に示している。
図１２の（ａ）に示されるように、従来の固体撮像装置１００は、本実施形態の転送部７に代えて転送部１７を備えていると共に、本実施形態のシフトレジスタ９に代えてシフトレジスタ１９を備えている。転送部１７は、その全体において、第二方向Ｄ２での長さが、水平転送方向ＴＤ１で次第に長くなっている。よって、転送部１７の第一方向Ｄ１での全領域において、転送部１７を間に介して対向する画素領域３ａとシフトレジスタ１９との距離が水平転送方向ＴＤ１で次第に長くなっている。したがって、画素領域３ａからシフトレジスタ９までの第二方向Ｄ２に沿った電荷転送距離が長くなってしまう。シフトレジスタ１９は、その全体において、第一方向Ｄ１及び第二方向Ｄ２と交差する方向に沿って延びている。よって、水平転送方向ＴＤ１に移動しようとする電荷が、シフトレジスタ１９における転送部１７との境界面に当たりながら転送される。したがって、転送部１７のポテンシャルに阻害されて、シフトレジスタ９での電荷転送効率が悪くなるおそれがある。
これに対し、図１２の（ｂ）に示す本実施形態の固体撮像装置１によれば、転送部７が、複数の第一転送列領域１３Ａを含む第一領域１３と、複数の第二転送列領域１４Ａを含む第二領域１４と、を有している。各第一転送列領域１３Ａでは、各第二転送列領域１４Ａに比して、第二方向Ｄ２に沿った電荷転送距離が短くなっている。したがって、転送部７に含まれる全ての転送列領域７ａの第二方向Ｄ２での長さが水平転送方向ＴＤ１で次第に長くなっている上記従来技術に比して、第二方向Ｄ２に沿った電荷転送距離が短くなっている。シフトレジスタ９は、第三領域１５と第四領域１６とを有している。第三領域１５では、水平転送方向ＴＤ１に移動しようとする電荷が、シフトレジスタ９における転送部７との境界面に当たらないので、転送部７のポテンシャルに阻害されずに電荷が転送される。よって、シフトレジスタ９の全体が第一方向Ｄ１及び第二方向Ｄ２と交差する方向に折って延びている上記従来技術に比して、シフトレジスタ９での電荷転送効率が向上する。以上より、電荷転送効率が向上された固体撮像装置１が提供される。
本実施形態によれば、第四領域１６が第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とに対して所定の角度で交差するように延びる直線状を呈している。また、第四領域１６が垂直方向よりも水平方向に近い緩やかな傾斜を有している。よって、たとえば第四領域１６における各長辺が直線状ではなく階段状を呈している場合又は第四領域１６が４５°よりも大きい傾斜を有している場合と比較して、第四領域１６においてシフトレジスタ９における転送部７との境界面に電荷が当たる場合にも、転送部７のポテンシャルに電荷転送が阻害され難い。よって、シフトレジスタ９における転送部７との境界面に電荷が当たることによる電荷転送効率の低下が抑制される。
本実施形態によれば、各第二転送列領域１４Ａは、第一不純物領域１１及び第二不純物領域１２を含んでいる。第二不純物領域１２の第一方向Ｄ１での幅Ｗが垂直転送方向ＴＤ２で増加していることにより、各第二転送列領域１４Ａにおいては、垂直転送方向ＴＤ２で電位が高くなる電位勾配が形成されている。よって、画素領域３ａからシフトレジスタ９までの電荷転送距離が長くなっている各第二転送列領域１４Ａにおいても、この電位勾配により、電荷が効率よく転送される。
本実施形態によれば、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎにおける第二不純物領域１２の幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎは、隣り合う各区間における第二不純物領域１２の電位差が一定となるように設定されている。このような幅Ｗ１，…，Ｗｋ，…，Ｗｎの第二不純物領域１２によって、第二転送列領域１４Ａにおける電位勾配が略一定となるので、電荷が効率よく転送される。
本実施形態によれば、対応するシフトレジスタ９の第一方向Ｄ１での幅を画素領域３ａの第一方向Ｄ１での幅に比して小さくしなくても、対応するシフトレジスタ９と、対応するシフトレジスタ９と水平転送方向ＴＤ１で隣り合うシフトレジスタ９とで囲まれる領域Ｓが形成されている。この領域Ｓに、対応するシフトレジスタ９から取得した電荷に対応する電圧を出力するアンプが配置されているので、シフトレジスタ９からアンプＡに向かって電荷の転送方向を曲げる必要がなくなり、電荷転送効率が向上すると共に設計が容易である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用したものであってもよい。
たとえば、第二不純物領域１２の形状は、上記実施形態で示した例に限られず、図１３に示される第二不純物領域１２Ａ〜１２Ｅのような種々の形状を取り得る。図１３は、他の実施形態に係る第二不純物領域１２Ａ〜１２Ｅを模式的に示す図である。
上記実施形態においては、第二不純物領域１２が、第二転送列領域１４Ａにおいて短辺１４ａから短辺１４ｂまで設けられている例を説明したが、たとえば、図１３の（ａ）に示される第二不純物領域１２Ａのように、短辺１４ａから離れた短辺１４ａの近傍から短辺１４ｂまで設けられていてもよい。短辺１４ａの近傍とは、電荷の移動が妨げられない程度に短辺１４ａから離れた位置（短辺１４ａから数μｍ程度）である。短辺１４ａの近傍とは、たとえば、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎのうち短辺１４ａに最も近い区間Ｌ１における短辺１４ａよりも短辺１４ｂ寄りの位置である。
上記実施形態においては、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎがｎ等分された区間である例を説明したが、各区間は等しい分量に分かれていなくてもよい。たとえば、図１３の（ｂ）に示される第二不純物領域１２Ｂのように、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎは、第二転送列領域１４Ａを、第二方向Ｄ２での長さが、垂直転送方向ＴＤ２で次第に狭くなるように分割した各区間であってもよい。
上記実施形態においては、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内で第二不純物領域１２の幅Ｗが増加している例を説明したが、たとえば、図１３の（ｃ）に示される第二不純物領域１２Ｃのように、第二不純物領域１２の幅Ｗが、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内では増加せず、隣り合う各区間の境界位置で増加していてもよい。すなわち、第二不純物領域１２Ｃの各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内の外形形状が矩形状であってもよい。
第二不純物領域１２の各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎ内は、一つの領域により形成されていてもよいし、複数の微小領域により形成されていてもよい。たとえば、図１３の（ｄ）に示される第二不純物領域１２Ｄのように、各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎが、複数の微小領域１２ｄによって形成されていてもよい。
各区間Ｌ１，…，Ｌｋ…，Ｌｎのうち短辺１４ｂに最も近い区間Ｌｎにおける第二不純物領域１２の幅Ｗｎの増加率は、短辺１４ｂ側で大きくなるよう変化していてもよい。たとえば、図１３の（ｅ）に示される第二不純物領域１２Ｅのように、第二転送列領域１４Ａを第二方向Ｄ２に少ない等分数（ここでは、たとえばｎ＝３）で等分すると共に、最も短辺１４ｂに近い区間Ｌ３における幅Ｗ３の増加率が一定ではなく、短辺１４ｂ側で大きくなるように変化していてもよい。短辺１４ｂ側とは、区間Ｌ３における短辺１４ｂ寄りの位置であり、少なくとも区間Ｌ３の第二方向Ｄ２に沿った中心線よりも短辺１４ｂに近い位置である。
第二転送列領域１４Ａは、不純物濃度が異なる複数の不純物領域を含んでいなくてもよい。すなわち、第二転送列領域１４Ａは、第二不純物領域１２を含んでいなくてもよい。
１…固体撮像装置、３ａ…画素領域、６…光感応領域、７…転送部（第一転送部）、９…シフトレジスタ（第二転送部）、１１…第一不純物領域、１２…第二不純物領域、１３…第一領域、１３Ａ…第一転送列領域、１４…第二領域、１４Ａ…第二転送列領域、１４ａ…短辺（一端）、１４ｂ…短辺（他端）、１５…第三領域、１６…第四領域、Ａ…アンプ（出力部）、Ｄ１…第一方向、Ｄ２…第二方向、ＴＤ１…水平転送方向（電荷転送方向）、ＴＤ２…垂直転送方向、Ｈ…距離、Ｌａ，Ｌｂ…長さ、Ｓ…領域、Ｗ…幅。

Claims (4)

  1. 第一方向及び前記第一方向と直交する第二方向に二次元配列されている複数の光感応領域をそれぞれ有すると共に、前記第一方向に並んでいる複数の画素領域と、
    前記画素領域と前記第二方向で並び、かつ、前記光感応領域で発生した電荷を前記画素領域毎に転送する複数の第一転送部と、
    対応する前記第一転送部を介して前記画素領域と前記第二方向で並び、かつ、対応する前記第一転送部から転送された前記電荷を取得し、前記第一方向に転送する複数の第二転送部と、を備え、
    各前記第一転送部は、
    前記第一方向に並んだ複数の第一転送列領域を含んでいる第一領域と、
    前記第一方向に並んだ複数の第二転送列領域を含み、かつ、対応する前記第二転送部での電荷転送方向で前記第一領域の下流側に位置する第二領域と、を有し、
    前記複数の第一転送列領域の前記第二方向での長さは、一定であり、
    前記複数の第二転送列領域の前記第二方向での長さは、前記第一転送列領域の前記長さより長く、かつ、前記電荷転送方向で下流側に位置する前記第二転送列領域ほど長く、
    各前記第二転送部は、
    前記第一領域に対応して配置されていると共に、前記第一方向に沿って延びている第三領域と、
    前記第二領域に対応して配置されていると共に、前記第二方向での前記画素領域との間隔が前記複数の第二転送列領域の前記長さの変化に対応して前記電荷転送方向で大きくなるように、前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に沿って延びている第四領域と、を有している、固体撮像装置。
  2. 各前記第二転送列領域は、第一不純物領域と、前記第一不純物領域に比して不純物濃度が高い第二不純物領域と、を含み、
    前記第二不純物領域は、各前記第二転送列領域において、前記第二方向で前記画素領域側に位置する一端又は当該一端の近傍から前記第二転送部側の他端まで設けられており、
    前記第二不純物領域の前記第一方向での幅は、前記一端から前記他端に向かう垂直転送方向で増加している、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第二転送列領域を前記第二方向にｎ分割（ｎは２以上の整数）した各区間における前記第二不純物領域の前記幅は、隣り合う各区間における前記第二不純物領域の電位差が一定となるように設定されている、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 対応する前記第二転送部の前記電荷転送方向での後端から前記電荷を取得し、取得した前記電荷に対応する信号を出力する複数の出力部を更に備え、
    前記出力部は、対応する前記第二転送部と、対応する前記第二転送部と前記電荷転送方向で隣り合う前記第二転送部とで囲まれる領域に配置されている、請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
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