JPH0465133A

JPH0465133A - 電荷結合装置

Info

Publication number: JPH0465133A
Application number: JP2176393A
Authority: JP
Inventors: Shinji Osawa; 慎治大澤; Masayuki Matsunaga; 誠之松長
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1992-03-02
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JP2909158B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、固体撮像装置等に使用される電荷結合装置（
ＣＣＤ）の構造に関するものである。

（従来の技術）電荷結合装置（ＣＣＤ）はアナログ信号を低雑音で転送
できるという優れた特徴を持つため、現在固体撮像装置
などの素子に応用されている。

第８図は、従来から知られている一層ゲート構造のＣＣ
Ｄの一例の断面図を示している。これは３相のクロック
パルスにより動作する。ｎ形シリコン基板表面に５ｉ０
２ゲート絶縁膜を形成し、その上にＡｐなどの電荷転送
電極を配列しである。

ｐｎ接合からの注入や光によって生じた電荷は、電極下
のシリコン表面の電位の高いポテンシャル井戸に蓄えら
れる（第８図（ａ〉）。つぎに隣接する電極にさらに正
の大きな電圧（ｖ３）が与えられると、この電界に引か
れて電荷は隣接電極の下方に移る（第８図（ｂ））。つ
ぎに電極の電圧がもとの第８図（ａ）の状態にもどされ
ると電荷は右隣りの電極下に転送される（第８図（Ｃ）
）。このプロセスを繰返して電荷はつぎつぎに転送され
る。

さらに、２相のクロックパルスで動作させるために２層
ゲート構造も知られている。

これらは、ＣＯＤのうち少数キャリアを情報源として転
送する表面ＣＣＤ　（ＳＣＣＤ）に関するものであるか
、このほか多数キャリアを情報源として転送する埋込み
チャネルＣＣＤ　（ＢＣＣＤ）がある。ＢＣＣＤでは半
導体基板の基板とゲート絶縁膜（Ｓｉ０２）の界面領域
に、たとえばｎ形のような、基板と反対の導電形の薄い
領域が形成されており、この領域中を空乏層により分離
された多数キャリアが転送される。これは、電荷転送時
に基板界面に信号電荷が到達しない構造になっているの
で、基板、絶縁膜界面の捕獲準位による転送効率の劣化
がなく、現在多用されている。

第７図（ａ）にさらに従来の電荷結合装置の１例を示す
。ｎ型シリコン半導体基板１０上には、ｐウェル１１お
よびｎ型電荷転送チャネル１２が形成され、さらに、絶
縁膜（ＳｉＯ２）１３を介して電荷転送電極１４−１．
１４−２が交互に配置されている。

絶縁膜１３には同−電極下に膜厚の異なる部分、すなわ
ち、薄い層と厚い層が存在しており、このため、同一の
電荷転送電極下のチャネル電位に電位段差を生じる。こ
のような状態で、電荷転送電極１４−１．１４−２に第
６図に示す２相クロツクパルス７０（φ、　）、７１　
（φ２）をそれぞれ印加すると、１−１．時間には第７
図（ｂ）に示すようなポテンシャル状態になり、ｔ　”
”　ｔ　２時間になると転送チャネルポテンシャル状態
は第７図（Ｃ）に示すように変化する。したがって同図
（ｂ）にある電極１４−１下の電子は同図（Ｃ）に示す
ようにポテンシャルエネルギーにしたかって電極１４−
２下へと転送されていく。しかしこの従来構造において
は、電極ギャップ下のチャネルに電位ポケット１６か発
生し、電子がここに捕獲されるので電荷の完全転送を行
なうことが出来ず、転送効率を悪くする原因となってい
た。また、従来の構造では第７図（ｂ）、（Ｃ）に示さ
れているように、絶縁膜１３の厚い部分の下のチャネル
に電荷を蓄積することになるか絶縁膜の厚い部分の下の
蓄積容量は薄い部分より小さいため蓄積電荷量を大きく
とれない欠点があった。

（発明か解決しようとする課題）このように従来構造の電荷結合装置において、電極ギャ
ップのチャネルに電位ポケットが生じ転送ノイズを生じ
る問題と蓄積電荷量を大きくとれない問題かあった。本
発明は上記電位ポケットの発生をなくし、転送効果もよ
く蓄積電荷量の大きくとれる電荷結合装置を提供するこ
とを目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して複数の
電荷転送電極を並置しており、各電荷転送電極がゲート
絶縁膜の隣接する薄い部分と厚い部分の上に形成されて
おり、かつ、ゲート絶縁膜下に電荷転送チャネルを備え
てなる電荷結合装置に関するものであり、電荷転送チャ
ネルは、ゲート絶縁膜の厚い部分の下の第１の領域の不
純物濃度をセルファラインにより絶縁膜の薄い部分の下
の第２の領域の不純物濃度より薄くするか、もしくは、
第２の領域の不純物濃度をセルファラインにより第１の
領域の不純物濃度より濃くすることを特徴としている。

電荷転送電極間のギャップ下にあり、かつ薄い部分の下
に第１及び第２の領域よりも不純物濃度の薄い第３の領
域をセルファラインにより形成する。また、電荷転送電
極とゲト絶縁膜を介して電荷転送電極間のギャップ下の
電位を制御する電極を設けることも可能である。

（作　用）ゲート絶縁膜の厚い部分Ｆのチャネルの不純物濃度がゲ
ート絶縁膜の薄い部分下のチャネルの不純物濃度より低
いことにより転送電荷量を大きくでき、また、電荷転送
電極間のギャップ下の電位を制御する電極によって電位
ポケットの発生を防ぐことができる。

（実施例）実施例１以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。第
１図（ａ）は、実施例１の２相駆動型電荷績合装置の断
面図、同図（ｂ）および（Ｃ）は、電荷転送電極にクロ
ックパルスを印加したあとの第６図に示す時間ｔ１及び
ｔ２における、転送チャネルポテンシャル状態図を示し
ている。図において、半導体基板１０にはｎ型シリコン
を用いる。この基板内にはｐ−ウェル領域１１およびｎ
型電荷転送チャネルが形成され、その上にはたとえば、
５ｉ０２などのゲート絶縁膜１３が設けられている。

ゲート絶縁膜１３は薄い部分と厚い部分とが交互に配さ
れており、ゲート絶縁膜１３上の電荷転送電極１４−１
．１４−２は、間隔をおいてそれぞれ画部分に跨がるよ
うに形成されている。電荷転送電極１４＝１．１４−２
はたとえば、Ｓ　ｉ　０２のような層間絶縁膜１８で覆
われており、さらにその上に、たとえば、アルミ、銅な
どの金属からなるギャップ電位制御電極２０が形成され
ている。この実施例では、電荷転送チャネルは、各電荷
転送電極及びその電極間毎に三つの領域にわかれている
。すなわち、厚い部分の下の第１の領域であるｎ型領域
１２、薄い部分の下の第２の領域であるｎ串型領域２１
および第３の領域である、電極間にあり、かつ、薄い部
分の下に形成されたｎ−型領域２２から構成されている
。第２の領域２１は、絶縁膜１３の薄い部分にセルファ
ラインでｎ型不純物を注入して形成し、第３の領域２２
は、絶縁膜１３の厚い部分と電荷転送電極１４−１　、
または１４−２間にセルファラインでｎ型不純物を注入
して形成する。電荷転送チャネルは、不純物濃度の異な
る領域にわかれているので２相駆動を行なうと電位に段
差かでき、第７図（ｂ）　、（ｅ）に示されるチャネル
の不純物濃度か均一な場合に比較して、絶縁膜１３の薄
い部分の下の第２の領域２１ではポテンシャルが上かり
、第３の領域２２ではポテンシャルが下がるように作用
する結果、第１図（ｂ）、（ｃ）に示すように電荷転送
電極１４−１．１４−２に印加されたクロックパルスの
動きに従って、電荷転送チャネルのポテンシャル状態が
変化する。第１図（ｂ）における１−１，時間において
蓄えられた電荷は、第１図＜Ｃ＞におけるｔ　　ｔ２時
間においてポテンシャルが変化して左隣の転送電極１４
−２下に転送される。このとき、転送電極の電荷を蓄積
する部分は、前の従来例のような絶縁膜１３の厚い部分
の下ではなく、薄い部分の下の第２の領域２１になるの
で蓄積容量が大きくなり、蓄積電荷量を大きくとること
が可能になる。実施例では、転送チャネルの第３の領域
の不純物濃度をコントロールすることによってチャネル
内の電位ポケットの発生を防ぐが、さらに、電荷転送電
極間のギャップ下の転送チャネル電位コントロール電極
２０に適当な電圧を印加することによっても電位ポケッ
トの発生を防いでいる。与える電圧は直流でありクロッ
クパルスの印加と同時に電極２０に与えておく。

第２図（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の電荷結合装置の製
造工程を示す断面図である。

まず、ｎ型シリコン基板１０に不純物を拡散してｐ−ウ
ェル領域１１を形成する。つぎに基板１０上に、たとえ
ば、５ｉ０２のような−様な厚さのゲート絶縁膜１３を
、たとえば熱酸化のような手段で形成する。つぎに、ｎ
型不純物をゲート絶縁膜１３を通してイオン注入して、
基板１０のｐ−ウェル領域にｎ型不純物拡散層１２を形
成する。この構成を基本として、この絶縁膜１３上にフ
ォトレジスト１７をパターニングし、レジストをマスク
としてｎ型電荷転送チャネル１２内へ選択的にｎ型不純
物をイオン注入して不純物濃度の高い第２の領域２１を
選択的に形成する（第２図（ａ））。つぎに、レジスト
１７のない部分の絶縁膜１３を除去して第２の領域２１
を露出させる（第２図（ｂ））。つぎに、レジスト１７
をエツチング除去してから基板１ｏ全面を再度熱酸化し
て、厚い部分と薄い部分とを有する絶縁膜１３を形成す
る（第２図（Ｃ））。薄い部分の下には第２の領域２１
か形成されている。全面に、たとえばアルミなどの金属
膜を蒸着などで形成し、バターニングして電荷転送電極
１４−１．１４−２を形成する（第２図（ｄ））。絶縁
膜１３の厚い部分と電極１４−１もしくは電極１４−２
にセルファラインでｐ型不純物をイオン注入して電荷転
送チャネルの第３の領域（ｎ−領域）２２を形成する。

つぎにＳ　ｉ　０２などの層間絶縁膜１８で電極１４−
２．１４−１を被覆してから、電荷転送電極間のギャッ
プの下のチャネル電位を制御する電極２０を絶縁膜１８
上に形成する。不純物か注入されない絶縁膜１３の厚い
部分の下のチャネル領域１２は第１の領域となる。

実施例２つぎに、実施例２について、第３図（ａ）を参照して説
明する。、ｎ型シリコン基板１０にｐ−ウェル１１とｎ
型転送チャネルが形成され、転送チャネルは、ｎ−型の
第１の領域３０、ｎ型の第２の領域３１及びｎ−型の第
３の領域３２から構成されており、その上に厚い部分と
薄い部分のあるゲート絶縁膜１３が形成され、その上に
電荷転送電極１４−１．１４−２か形成され、さらにそ
の上に層間絶縁膜１８を介してギャップ電位制御電極２
０が形成されている。

第３図（ｂ）　、（ｃ）は、第６図に示す２相駆動クロ
ツクパルス７０．７１を電荷転送電極１４−１．１４−
２にそれぞれ印加したときのチャネルポテンシャル図で
ある。第３図（ｂ）において電極１４−１下に蓄積され
た電子は逆相のクロックパルスを印加することで第３図
（ｅ）に示すように電極１４−２下へと転送されていく
。このとき電極を蓄積する部分は絶縁膜１３の薄い部分
であるため蓄積容量を大きくとれ、蓄積電荷量を大きく
とることが可能である。また、チャネル３２の領域に注
入されたｐ型不純物および電極間のギャップ下のチャネ
ル電位コントロール電極２０に適当なりＣ電圧を印加す
ることでチャネル内の電位ポケットの発生を防ぎ、電荷
の完全転送か可能になっている。第４図は、第３図（ａ
）のＣＯＤを作る方法の一例である。まず−様な厚さの
絶縁膜１３上にマスクとなる５ｉＮ１９をバターニング
し、ｎ型転送チャネル３１内へｐ型不純物を注入し、チ
ャネル３０で示す領域（第１の領域）を形成する。次に
第４図（ｂ）のように、５ｉＮ１９かのっていない部分
の絶縁膜１３をエツチングする。そして、第４図（Ｃ）
のように全面を酸化し、絶縁膜１３に膜厚の厚い部分と
薄い部分を作る。

このときチャネル３０の領域に注入された不純物は絶縁
膜１３の厚い部分にセルファラインで注入されている。

モして５ｉＮ１９をエツチングした後電極１４−１．１
４−２をバターニングして形成し、絶縁膜１３の厚い部
分と電極１４−１．１４−２にセルファラインでｐ型不
純物を注入しチャネル領域３２（第３の領域）を形成し
、絶縁膜１８を形成した後、電極間のギャップ下のチャ
ネル電位制御用の電極２０を形成する。第５図は本発明
の電荷結合装置（ＣＣＤ）を用いてインクライン型のエ
リアセンサを構成した例である。フォトダイオード６０
で光電変換された電荷は、垂直ＣＣＤ６９、水平ＣＣＤ
８０を転送され、電荷検出器６５で出力される。垂直Ｃ
ＣＤの電極６１−１．６１−２．６１−３．６２および
水平ＣＣＤの電極６３．６４の下は第１図又は第３図に
示した本発明のＣＣＤの構造になっている。各電極間ギ
ャップ下のチャネル電位制御用の電極６６．６７．６８
のそれぞれにチャネル電位を制御するためのＤＣ電圧が
印加される。

シリコン基板は、ｐ型を用いても良い。そのときはウェ
ル領域は不要である。また、固体撮像装置の適用例を述
べたが他の竿導体装置にも適用できる。

［発明の効果コ本発明によれば、単層構造の電荷転送電極を用いて、蓄
積電荷量が大きく、転送効率のよい２相駆動型電荷結合
装置を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、実施例１の電荷結合装置の断面図、第
１図（ｂ）　、（ｃ）は、クロックパルスを電荷転送電
極に印加したときのチャネルポテンシャル図、第２図（
ａ）〜（（１）は、実施例１の電荷結合装置の製造工程
断面図、第３図（ａ）は、実施例２の電荷結合装置の断
面図、第３図（ｂ）　、（ｃ）は、クロックパルスを同
図（ａ）の電荷転送電極に印加したときのポテンシャル
図、第４図（ａ）〜（ｄ）は、実施例２の電荷結合装置
の製造工程断面図、第５図は、本発明の電荷結合装置を
用いたインクライン型エリアセンサの平面図、第６図は
、本発明の電荷転送電極へ印加されるパルスの特性図、
第７図（ａ）は、従来の２相駆動型電荷結合装置の断面
図、第７図（ｂ）　、（ｅ）は、クロックパルスをこの
電荷転送電極に印加したときのポテンシャル図、第８図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、電荷結合装置の原理を説明
する断面図である。１０・・・ｎ型シリコン基板、　１１・・・ｐ−ウェル
、１２・・・電荷転送チャネル、　１３・・・ゲート絶
縁膜、１４−１．１４−２・・・電荷転送電極、１６・
・・電位ポケット、　　　１７・・・レジスト、１８・
・・層間絶縁膜、　　　　１９・・・ＳｉＮマスク、２
０．６６．６７．６８・・・チャネル電位制御用電極、
２１．３１・・・第２の領域、　　２２．３２・・・第
３の領域、３０・・・第１の領域。代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１名）（Ｃ）第１図七（Ｇ）（ｂ）（ｃ）０００１　　（つ第図（Ｑ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に絶縁膜を介して複数の電荷転送電
極を並置しており、この電荷転送電極が同一電極層を分
断することにより形成され各電荷転送電極が前記絶縁膜
の隣接する薄い部分と厚い部分の上に形成されており、
かつ、前記絶縁膜下に電荷転送チャネルを備えてなる電
荷結合装置において、前記電荷転送チャネルは、前記絶
縁膜の厚い部分の下の第１の領域の不純物濃度をセルフ
アラインにより前記絶縁膜の薄い部分の下の第２の領域
の不純物濃度より薄くするか、もしくは、前記第２の領
域の不純物濃度をセルフアラインにより前記第１の領域
の不純物濃度より濃くすることを特徴とする電荷結合装
置。
（２）前記電荷転送電極間のギャップ下にあり、かつ前
記薄い部分の下に前記第１及び第２の領域よりも不純物
濃度の薄い第３の領域をセルフアラインにより形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の電荷結合装置。
（３）前記電荷転送電極と前記絶縁膜を介して前記電荷
転送電極間のギャップ下の電位を制御する電極を設けた
ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の電荷結合
装置。