JPH07240505A - 線形固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
提供する。 【構成】 フォトダイオードを両端部の幅が異なる細長
い台形状とした。 【効果】 フォトダイオード領域とHCCD領域とで傾
斜した電位分布が得られるので、電荷転送側面では転送
効率を改善させ、第1ポリゲート電極及び第2ポリゲー
ト電極に印加されるクロック周波数が高くなっても転送
効率を保持することが可能である。
Description
幅が狭くかつ長さの長いフォトダイオードを有するファ
クシミリ用線形固体撮像素子に関するものである。
ーダーなどに線形CCD型固体撮像素子が用いられる。
形固体撮像素子は、フォトダイオードアレイが直線状に
並列に配列され、フォトダイオードの両側に水平HCC
Dが配列された構造を有する。各フォトダイオードから
発生された信号電荷は、周期的に2つの水平HCCDの
うちの1つに並列に印加され、この信号は出力増幅器を
介して直列に読み出される
を示すものであり、図2は、図1のA−A′線に沿う断
面図を示すものである。
固体撮像素子は、n型基板11と、n型基板11の一側
上に形成された第1p型ウェル12と、上記第1p型ウ
ェル12よりも大きい接合深さを有するn型基板11の
他側上に形成された第2p型ウェル13と、幅が狭く長
さが長い長方形で、上記第1p型ウェル12上に形成さ
れている、入射光により発生する電荷を蓄積する複数の
n- 型フォトダイオード領域14と、フォトダイオード
領域14上部の表面上に形成されたp++ポテンシャル障
壁形成層17と、フォトダイオード領域14から転送さ
れた電荷を出力増幅器(図示せず)に出力するための上
記第2p型ウェル13上に形成された一対のn- 型HC
CD領域15と、上記フォトダイオード領域14と上記
HCCD領域15との間の第1p型ウェル12内に形成
されたシフトゲートチャンネル領域16と、上記シフト
ゲートチャンネル領域16と上記HCCD領域15とに
わたって形成された複数のポリゲート19と、各ポリゲ
ート19とオーバーラップされて上記シフトゲートチャ
ンネル領域16上に形成され、フォトダイオード領域1
4からの電荷を上記HCCD領域15へ転送するための
シフトゲート18と、障壁を形成してセル間を隔離させ
るチャンネルストップ領域10とを含んでいる。
は、ドーピングされたポリシリコン膜からなっている。
各ポリゲート19は、シフトゲートチャンネル領域16
を介してフォトダイオード領域14からHCCD領域1
5に転送された電荷を出力増幅器へ転送するためのもの
であり、上記シフトゲート18とオーバーラップされて
形成された第1ポリゲート電極19−1と、上記第1ポ
リゲート電極19−1とオーバーラップされて形成され
た第2ポリゲート電極19−2とが、HCCD領域15
上部に交互に連続配列されている。
動作は、蓄積モードと転送モードとに大きく分けられ
る。
体撮像素子の各部分に従う最大電位分布図を示すもので
ある。
であり、図3bは、転送モード時の最大電位分布図であ
る。
ポリゲート電極19−1とに最低電圧である0Vを印加
し、HCCD領域15ではリセットドレイン端子RDを
介して最高電圧である15Vを印加すれば、図3aのよ
うな最大電位分布を有する。そのため、固体撮像素子
は、蓄積モード時にp++チャンネルストップ領域10と
p型シフトゲートチャンネル領域16とによって、高い
ボテンシャル障壁が形成されるので、入射光によりフォ
トダイオード領域14から発生された電荷は、フォトダ
イオード領域14にそのまま蓄積されることになる。
電極19−1とに10〜15V程度の大電圧を印加し、
HCCD領域15には15Vの最高電圧を印加すれば、
固体撮像素子は、図3bのような最大電位分布を有す
る。
時にシフトゲートチャンネル領域16のポテンシャル障
壁が図3bのように低くなって、各フォトダイオード領
域14に蓄積されていた電荷はシフトゲートチャンネル
領域16を通じてHCCD領域15へ並列転送される。
第2ポリゲート電極19−2とに印加される信号に従っ
て、HCCD領域15に転送された電荷は、出力増幅器
(図示せず)へ直列出力されることになる。
照すれば、各フォトダイオード領域14は幅が狭く、長
さが長い長方形構造であり、シフトゲート18下部のシ
フトゲートチャンネル領域16は上記フォトダイオード
領域14よりも幅の小さい四角形構造を有する。それに
より、フォトダイオード領域14において、蓄積された
電荷がHCCD領域15へ転送される通路である、シフ
トゲートチャンネル領域16とフォトダイオード領域1
4とが、隣接するX領域9でのチャンネル幅効果により
ポテンシャル障壁が生じるため、電荷転送効率が低下さ
れる。
うに、p++型チャンネルストップ領域20の濃度によっ
て、シフトゲートチャンネル領域16とフォトダイオー
ド領域14とに隣接するX領域での電位が、フォトダイ
オード領域14の他の部分よりも少し高くてポテンシャ
ル障壁が形成されることになる。
壁によって、フォトダイオード領域14に蓄積された電
荷が、転送モード時にHCCD領域15へ十分転送させ
られないので、固体撮像素子の電圧飽和レベルが小さく
なるようになる。
チャンネル長さが長くてフォトダイオード領域14とH
CCD領域15とが遠く離れて形成されるので、電荷転
送が容易でないという問題点がある。
の電位分布をコンピュータでシミュレーションした結果
値である。
電位がフォトダイオード領域14の他の部分よりも高く
なってポテンシャル障壁が形成されることを、図4のシ
ミュレーション結果により確認することができる。
題点を解決するためになされたもので、フォトダイオー
ド領域を両側面の幅が相互に異なる台形構造に形成し、
HCCD領域をフォトダイオード領域の近くまで長く延
長して形成することにより、電荷転送効率を極大化させ
ることのできる線形固体撮像素子を提供することにあ
る。
めに、本発明による線形固体撮像素子は、第1導電型の
シリコン基板と、上記基板の一方の側に形成され、一定
の接合深さを有する第2導電型の第1ウェルと、上記基
板の他方の側に形成され、第1ウェルよりも大きい接合
深さを有する第2導電型の第2ウェルと、上記第1ウェ
ル上に細長く配列形成され、その両端部の幅が相互に異
なる台形構造を有し、第1導電型を有する信号電荷発生
用の複数の並列に並べられるフォトダイオード領域と、
上記フォトダイオード領域24の両側の第2ウェル上に
形成され、上記フォトダイオード領域24からの信号電
荷を出力増幅器へ出力するための2つの第1導電型の電
荷転送用HCCD領域25と、上記フォトダイオード領
域24と上記HCCD領域25との間の基板上に形成さ
れ、上記フォトダイオード領域24に蓄積された電荷を
上記HCCD領域25へ転送するためのシフトゲート2
8と、上記フォトダイオード領域24と上記HCCD領
域25との間の第1ウェル22上に形成され、上記シフ
トゲート28の下部で六角形構造を有する複数の第2導
電型のシフトゲートチャンネル領域と、各フォトダイオ
ード領域の表面上に形成された第2導電型の複数のポテ
ンシャル障壁形成層と、上記HCCD領域上部の基板上
に形成され、上記フォトダイオード領域から転送された
電荷を出力増幅器に転送するための複数のポリゲート2
9と、上記シフトゲートと上記ポリゲートとの間の基板
上に形成され、上記シフトゲートとポリゲートとを絶縁
させるための絶縁層と、ポテンシャル障壁を形成してフ
ォトダイオードセル間を隔離させる第2導電型のチャン
ネルストップ領域とを含むことを特徴とする。
詳細に説明する。
像素子の平面図であり、図6は、図5のB−B′線に沿
う線形固体撮像素子の断面図を示すものである。
線形固体撮像素子は、n型基板21と、n型基板21の
一方の側の上に形成された第1p型ウェル22と、n型
基板21の他方の側の上に形成され、第1ウェル22よ
りも大きい接合深さを有する第2p型ウェル23と、第
1ウェル22上に線形に配列形成された信号電荷発生用
の複数のn- 型フォトダイオード領域24と、フォトダ
イオード領域24の両側の第2ウェル23上に形成さ
れ、フォトダイオード領域24から転送された信号電荷
を出力増幅器(図示せず)へ出力するためのn- 型HC
CD領域25と、上記フォトダイオード領域24とHC
CD領域25との間の基板上に形成され、フォトダイオ
ード領域24に蓄積された信号電荷をHCCD領域25
へ転送するためのシフトゲート28と、上記フォトダイ
オード領域24とHCCD領域25との間の第1ウェル
22上に形成され、上記シフトゲート28の下側の六角
形構造を有するシフトゲートチャンネル領域26と、上
記フォトダイオード領域24の表面上に形成されたポテ
ンシャル障壁形成用p++層27と、フォトダイオード領
域24から転送されてきた電荷を出力増幅器(図示せ
ず)に転送するための、上記HCCD領域25上部の基
板21上に形成された複数のポリゲート29と、シフト
ゲート28とポリゲート29との間の基板21上に形成
され、これらを絶縁させるための絶縁層30と、ポテン
シャル障壁を形成してセル間を隔離させるチャンネルス
トップ領域31とを含む。
トゲートチャンネル領域26と接した端部はその相対す
る端部よりも幅が広く、長手方向に長い細長の台形構造
を有し、それが両端部の向きを互い違いにして間隔をお
いて多数並行に並べてある。
トダイオード領域24と第1ポリゲート電極29との間
の上記シフトゲート28下部では六角形構造を有し、フ
ォトダイオード領域24と接している側面の幅は、相互
に同一である。この六角形は台形のフォトダイオードの
幅広端部からそのまま斜めに延長するようにわずかに延
びその先端から互いに近づくように折れ、その先端をポ
リゲートの縁で結んだ形状である。
域24の両側にそれぞれ配列されている。上記HCCD
領域25は図1及び図2に示したように、フォトダイオ
ード領域24の配列方向と同一方向に長い四角形構造と
することも可能である。本実施例においては第2ウェル
23上にフォトダイオード領域24に並んで長方形に形
成された主HCCD領域25−1と、その主領域25−
1からシフトゲート28下部の上記シフトゲートチャン
ネル領域26まで先端が延びるように突出した台形構造
の読み出し領域25−2とを有する形状とされている。
突出領域25−2上部の基板21上に形成された第1ポ
リゲート電極29−1と、上記HCCD領域25の主H
CCD領域25−1の上部に形成された第2ポリゲート
電極29−2とからなる。複数の第1ポリゲート電極2
9−1と、複数の第2ポリゲート電極29−2とが互い
にオーバーラップされて、交互に配列されている。
は、その幅が上記第1ポリゲート電極29−1の幅より
も小さいく形成され、シフトゲート28下部に形成され
六角形構造のシフトゲートチャンネル領域26の幅が増
加してから減少し始める部分まで突出している形状とさ
れている。
ド領域を台形構造とし、シフトゲートの下部に六角形構
造のシフトゲートチャンネル領域を形成し、Z部分32
の幅をY部分の幅よりも大きくし、電荷をシフトゲート
に隣接したフォトダイオード領域に収束する構造とし
た。
大電位分布図を示すもので、図7aは蓄積モード時の最
大電位分布図であり、図7bは転送モード時の最大電位
分布図である。
1ポリゲート電極29−1とに0Vの最低電圧を印加
し、リセットドレイン端子RDを通じて15Vの最高電
圧をHCCD領域25に印加すると、図7aのように電
位が分布する。
トチャンネル領域26とによってポテンシャル障壁が形
成され、入射光によって、各フォトダイオード領域24
で生成された電荷はポテンシャル層障壁によりHCCD
領域25へ転送されずに、フォトダイオード領域24に
蓄積される。
8と第1ポリゲート電極29−1とに12〜15V程度
の大電圧を印加し、リセットドレイン端子RDを通じて
15V程度の最高電圧をHCCD領域25に印加する
と、p型シフトゲートチャンネル領域26とn型HCC
D領域25とのpn接合に逆バイアスが印加され、完全
に空乏領域のみが存在することになる。すなわち、リセ
ットドレイン端子RDに印加される最高電圧によって逆
バイアスが掛かり、固体撮像素子の全部分が完全空乏状
態(fully-depleted state)になる。
することになり、HCCD領域の深さ方向に最大電位、
またはピンチオフ電圧が形成される部分に電荷が溜るこ
とになる。すなわち、電荷は蓄積モード時にフォトダイ
オード領域24の最大電圧が形成される部分に蓄積され
てから、転送モード時にHCCD領域25の最大電圧の
形成される部分に転送される。そのとき、最大電圧は、
フォトダイオード領域とHCCD領域とがn型である場
合、これらの領域の幅が大きいければ大きいほど大きく
なり、ドーピング濃度が高いほど大きくなる。
いているが、フォトダイオード領域24はY部分よりも
Z部分32で幅が広いので、フォトダイオード領域24
はZ部分の最大電圧がY部分でより大きく、HCCD領
域25の突出領域25−2は主HCCD領域25−1の
方へ行くほど幅が広くなるので、HCCD領域25は主
HCCD領域25−1へ行くほど最大電圧が次第に大き
くなるので、図7bのように傾斜した電位分布を有す
る。
ド領域24とシフトゲートチャンネル領域26とが、隣
接したZ部分32において従来のようにポテンシャル障
壁が形成されなく、逆に、電位が斜めに分布する。
ード領域24に蓄積された電荷が完全にHCCD領域2
5へ転送されることになる。
ータでシミュレーションした結果を示す図であり、上記
で説明したように、傾斜した電位分布が形成されるのを
確認することができる。
ダイオード領域とHCCD領域とで傾斜した電位分布が
得られるので、電荷転送側面では転送効率を改善させ、
第1ポリゲート電極及び第2ポリゲート電極に印加され
るクロック周波数が高くなっても転送効率を保持するこ
とが可能である。
図である。
分布図である。
ミュレーションの結果を示す図である。
の平面図である。
図である。
布図である。
シミュレーションの結果を示す図である。
イオード領域、25…HCCD領域、26…シフトゲー
トチャンネル領域、27…p++層、28…シフトゲー
ト、29…ポリゲート、30…絶縁層、31…チャンネ
ルストップ領域。
Claims (14)
- 【請求項1】 第1導電型のシリコン基板(21)と、 上記基板(21)の一側に形成され、一定の接合深さを
有する第2導電型の第1ウェル(22)と、 上記基板(21)の他側に形成され、第1ウェル(2
2)よりも大きい接合深さを有する第2導電型の第2ウ
ェル(23)と、 上記第1ウェル(22)上に両端部の幅が異なる細長い
台形構造とされたものを複数並列に並べられる第1導電
型を有する信号電荷発生用のフォトダイオード領域(2
4)と、 上記フォトダイオード領域(24)の両側の第2ウェル
(23)上に形成され、上記フォトダイオード領域(2
4)からの信号電荷を出力増幅器へ転送するための第1
導電型の2つのHCCD領域(25)と、 上記フォトダイオード領域(24)とHCCD領域(2
5)との間の基板(21)上に形成され、上記フォトダ
イオード領域(24)に蓄積された電荷をHCCD領域
(25)へ転送するためのシフトゲート(28)と、 上記フォトダイオード領域(24)とHCCD領域(2
5)との間の第1ウェル(22)上に形成され、上記シ
フトゲート(28)の下部で六角形構造を有する第2導
電型のシフトゲートチャンネル領域(26)と、 各フォトダイオード領域(24)の表面上に形成された
第2導電型の複数のポテンシャル障壁形成層(27)
と、 上記HCCD領域(25)上部の基板(21)上に形成
され、上記フォトダイオード領域(24)から転送され
た電荷を出力増幅器に転送するための複数のポリゲート
(29)と、 上記シフトゲート(28)と上記ポリゲート(29)と
の間の基板(21)上に形成され、上記シフトゲート
(28)とポリゲート(29)とを絶縁させるための絶
縁層(30)と、 ポテンシャル障壁を形成してセル間を隔離させる第2導
電型のチャンネルストップ領域(31)とを含むことを
特徴とする線形固体撮像素子。 - 【請求項2】 上記フォトダイオード領域(24)は、
上記シフトゲートチャンネル領域(26)に接している
端部の幅が、相対応する端部の幅よりも大きいことを特
徴とする請求項1に記載の線形固体撮像素子。 - 【請求項3】 上記HCCD領域(25)は、複数並べ
たフォトダイオード領域の配列方向と同じ方向に長く延
長された長方形構造を有することを特徴とする請求項1
に記載の線形固体撮像素子。 - 【請求項4】 上記シフトゲート(28)の下部におい
て上記シフトゲートチャンネル領域(26)は、一側面
が上記フォトダイオード領域(24)の幅広端部に接し
ており、相対する側面は上記ポリゲート(29)に隣接
する六角形構造を有することを特徴とする請求項1に記
載の線形固体撮像素子。 - 【請求項5】 上記シフトゲートチャンネル領域(2
6)は、上記フォトダイオード領域(24)に隣接した
側面が上記フォトダイオード領域(24)の幅広端部の
幅と同一であり、相対する側面は上記ポリゲート(2
9)の幅よりも小さいことを特徴とする請求項4に記載
の線形固体撮像素子。 - 【請求項6】 第1導電型のシリコン基板(21)と、 上記基板(21)の一側に形成され、一定の接合深さを
有する第2導電型の第1ウェル(22)と、 上記基板(21)の他側に形成され、第1ウェル(2
2)よりも大きい接合深さを有する第2導電型の第2ウ
ェル(23)と、 上記第1ウェル(22)上に両端部の幅が異なる細長い
台形構造とされたものを複数並列に並べられる第1導電
型を有する信号電荷発生用の複数のフォトダイオード領
域(24)と、 上記フォトダイオード領域(24)の両側の第2ウェル
(23)上に形成され、長方形の主HCCD領域(25
−1)と突出領域(25−2)とを有し、上記フォトダ
イオード領域(24)からの信号電荷を出力増幅器へ出
力するための第1導電型の2つのHCCD領域(25)
と、 上記フォトダイオード領域(24)とHCCD領域(2
5)との間の基板(21)上に形成され、上記フォトダ
イオード領域(24)に蓄積された電荷をHCCD領域
(25)へ転送するためのシフトゲート(28)と、 上記フォトダイオード領域(24)とHCCD領域(2
5)との間の第1ウェル(22)上に形成され、上記シ
フトゲート(28)の下部で六角形構造を有する第2導
電型のシフトゲートチャンネル領域(26)と、 各フォトダイオード領域(24)の表面上に形成された
第2導電型の複数のボテンシャル障壁形成層(27)
と、 上記HCCD領域(25)上部の基板(21)上に形成
され、上記フォトダイオード領域(24)から転送され
た電荷を出力増幅器に転送するための複数のポリゲート
(29)と、 上記シフトゲート(28)と上記ポリゲート(29)と
の間の基板(21)上に形成され、上記シフトゲート
(28)とポリゲート(29)とを絶縁させるための絶
縁層(30)と、 ポテンシャル障壁を形成してセル間を隔離させる第2導
電型のチャンネルストップ領域(31)とを含むことを
特徴とする線形固体撮像素子。 - 【請求項7】 各HCCD領域(25)の主HCCD領
域(25−1)は、フォトダイオード領域が並列に並べ
た配列方向と同じ方向に長く延長形成され、上記突出領
域(25−2)は、上記主HCCD領域(25−1)か
ら上記シフトゲートチャンネル領域(26)までに延長
形成されたことを特徴とする請求項6に記載の線形固体
撮像素子。 - 【請求項8】 上記HCCD領域(25)の突出領域
(25−2)は、上記シフトゲートチャンネル領域(2
6)の幅の最大部分まで延長されていることを特徴とす
る請求項6に記載の線形固体撮像素子。 - 【請求項9】 上記HCCD領域(25)の突出領域
(25−2)は、上記シフトゲート(28)の方の側面
の幅が、上記主HCCD領域の方の側面の幅よりも小さ
いことを特徴とする請求項8に記載の線形固体撮像素
子。 - 【請求項10】 上記HCCD領域(25)の突出領域
(25−2)は、台形を有することを特徴とする請求項
9に記載の線形固体撮像素子。 - 【請求項11】 上記HCCD領域(25)の突出領域
(25−2)の幅は、上記ポリゲート(29)の幅より
も小さいことを特徴とする請求項10に記載の線形固体
撮像素子。 - 【請求項12】 上記シフトゲート(28)の下部にお
いて上記シフトゲートチャンネル領域(26)は、一側
面が上記フォトダイオード領域(24)に接しており、
対応する側面は上記ポリゲート(29)に隣接する六角
形構造を有することを特徴とする請求項11に記載の線
形固体撮像素子。 - 【請求項13】 上記シフトゲートチャンネル領域(2
6)は、上記フォトダイオード領域(24)に隣接した
側面は上記フォトダイオード領域(24)の一側面の幅
と同一であり、対応する側面は上記ポリゲート(29)
の幅よりも小さいことを特徴とする請求項12に記載の
線形固体撮像素子。 - 【請求項14】 各ポリゲート(29)は、上記HCC
D領域(25)の突出領域(25−2)上部の基板上に
形成された第1ポリゲート電極(29−1)と、 上記HCCD領域(25)の主HCCD領域(25−
1)上部の基板上に形成された第2ポリゲート電極(2
9−2)とからなることを特徴とする請求項6に記載の
線形固体撮像素子。
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