JPH0778972A

JPH0778972A - 電荷転送装置

Info

Publication number: JPH0778972A
Application number: JP5221066A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kawamoto; 聖一川本; Tadakuni Narabe; 忠邦奈良部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】ＰＧ電極に供給する電圧に昇圧回路を介在さ
せることなく、ＰＧ電極下にＦＧ電極下のポテンシャル
井戸よりも深いポテンシャルが得られるような電荷転送
装置を提供する。【構成】電荷検出部４においては、高濃度のＮ形不純
物拡散領域が形成された後、第１のＯＧ領域１２ｂ上に
第１のＯＧ電極１８ｂが、ＰＧ領域１４上にＰＧ電極１
９が１層目の電極層として形成され、この１層目の電極
層１８ｂ，１９をマスクとして、選択的にＰ形不純物を
イオン注入することにより、ＦＧ領域１３を低濃度のＮ
形不純物拡散領域とする。ＦＧ電極１７は２層目の電極
層として形成される。なお、ＰＧ領域１４は、Ｎ形不純
物拡散領域を電荷転送方向に向かって広くなるような形
状にパターニングすることによって、電荷転送方向に向
かって下り傾斜のポテンシャルが形成されるようにして
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送装置に関し、
特にＣＣＤ固体撮像装置の出力部を含む電荷転送段に使
用して好適な電荷転送装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤ固体撮像装置の出力部を
含む電荷転送段として用いられる電荷転送装置は、信号
電荷を順次転送する電荷転送部と、フローティング・デ
ィフュージョン・アンプあるいはフローティング・ゲー
ト・アンプにて構成される電荷検出部とから構成されて
いる。

【０００３】特に、フローティング・ゲート・アンプに
よる電荷検出部は、フローティングゲートを用いて、信
号電荷の塊りの大きさをこのフローティングゲートにイ
メージ電荷として非破壊的に検出することができ、しか
も、高密度化が容易であり、寄生容量も小さく、高感度
でノイズも少ないという特徴を有する。

【０００４】従来の電荷転送装置は、図６に示すよう
に、例えばＰ形のシリコン基板（図示せず）を基体とし
て、信号電荷ｅを順次転送する電荷転送部１０１と、こ
の電荷転送部１０１を転送してくる信号電荷ｅを検出す
る電荷検出部１０２とから構成されている。

【０００５】電荷転送部１０１は、例えば互いに逆相の
２相クロックパルスＰ₁，Ｐ₂を用いて信号電荷ｅを転
送するいわゆる２相駆動の転送方式の構成を有し、例え
ば上記Ｐ形のシリコン基板の表面上部に信号電荷ｅの転
送路である電荷転送チャネル領域（図示せず）が形成さ
れ、この電荷転送チャネル領域上に、トランスファ・ゲ
ート（以下、ＴＧと記す）電極１０３とストレージ・ゲ
ート（以下、ＳＧと記す）電極１０４を１組とする転送
電極が多数組、それぞれ一方向に配列されて構成されて
いる。

【０００６】そして、例えば奇数組のＴＧ電極１０３ａ
及びＳＧ電極１０４ａに、一方のクロックパルスＰ₁が
入力端子φ₁を介して供給され、偶数組のＴＧ電極１０
３ｂ及びＳＧ電極１０４ｂに他方のクロックパルスＰ₂
が入力端子φ₂を介して供給されることにより、信号電
荷ｅを電荷検出部１０２側に２相駆動方式で転送するよ
うになっている。

【０００７】電荷検出部１０２は、電荷転送部１０１か
ら転送されてくる信号電荷ｅを非破壊的に検出するフロ
ーティング・ゲート・アンプで構成される。このフロー
ティング・ゲート・アンプは、電荷転送部１０１の最終
段であるＳＧ電極１０４ｂに隣接して形成された第１の
出力ゲート（以下、第１のＯＧと記す）電極１０５と、
フローティング・ゲート（以下、ＦＧと記す）電極１０
６と、プリチャージ・ゲート（以下、ＰＧと記す）電極
１０７ａ，１０７ｂと、第２の出力ゲート（以下、第２
のＯＧと記す）電極１０８と、ドレイン領域１０９から
構成される。なお、ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂは、電
荷転送部１０１の転送電極と同様に、２つの電極から構
成され、ＦＧ電極１０６に隣接する一方のＰＧ電極１０
７ａ下のポテンシャル障壁の高さが、他方のＰＧ電極１
０７ｂ下のポテンシャル障壁よりも高くなるように設定
されている。

【０００８】ＦＧ電極１０６に隣接する一方のＰＧ電極
１０７ａ下のポテンシャル障壁の高さを、他方のＰＧ電
極１０７ｂ下のポテンシャル障壁よりも高くなるように
設定するには、ＦＧ電極１０６に隣接する一方のＰＧ電
極１０７ａ下のチャネル領域１１２を低濃度のＮ形不純
物拡散領域とし、他方のＰＧ電極１０７ｂ下のチャネル
領域１１３を高濃度のＮ形不純物拡散領域とする。これ
により、熱的平衡状態において、各チャネル領域１１
２，１１３のポテンシャルを、チャネル領域１１２を浅
く、チャネル領域１１３を深くできる。即ち、電荷転送
方向に向かって下り階段状のポテンシャルが形成でき
る。

【０００９】上記第１のＯＧ電極１０５及び第２のＯＧ
電極１０８には、それぞれ入力端子φ₃，φ₅を介して
直流電圧Ｖｏｇ１，Ｖｏｇ２が供給され、これによっ
て、第１のＯＧ電極１０５及び第２のＯＧ電極１０８下
にそれぞれ固定のポテンシャル障壁が形成される。ま
た、ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂには、入力端子φ₄を
介してコントロールパルスＰｇが供給され、これによっ
て、ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂ下のポテンシャルが高
くなり、一方のＰＧ電極１０７ａ下のポテンシャル障壁
がＦＧ電極１０６下のポテンシャル井戸よりも下がる。
このとき、ＦＧ電極１０６下のポテンシャル障壁を越え
て他方のＰＧ電極１０７ｂ下に転送される。

【００１０】そして、上記ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂ
へのコントロールパルスＰｇの印加が停止されることに
よって、ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂ下のポテンシャル
が低くなり、再び初期の状態、即ち図示するように、他
方のＰＧ電極１０７ｂ下のポテンシャル障壁が、隣接す
る第２のＯＧ電極１０８下のポテンシャル障壁よりも高
くなる。このとき、他方のＰＧ電極１０７ｂ下に蓄積さ
れていた信号電荷ｅが第２のＯＧ電極１０８下のポテン
シャル障壁を越えて隣のドレイン領域１０９に掃き出さ
れることになる。

【００１１】また、上記ＦＧ電極１０６には、ゲート電
極にリセットパルスＰｒが供給され、ドレイン端子にリ
セット用の電源電圧Ｖｒが供給されるスイッチングトラ
ンジスタＴｒのソースが接続されている。このスイッチ
ングトランジスタＴｒのゲート電極に、上記リセットパ
ルスＰｒを供給することにより、ＦＧ電極１０６下のポ
テンシャルがＶｒレベルに固定（リセット）される。ま
た、このＦＧ電極１０６は、その後段において例えばソ
ースフォロア回路から構成される増幅器１１０が接続さ
れており、上記ＦＧ電極１０６下に転送・蓄積された信
号電荷ｅによる電圧変化が、上記増幅器１１０に供給さ
れ、出力信号Ｓとして出力端子φout から出力される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のような構成を有
する電荷転送装置において、信号電荷ｅは、ＦＧ電極１
０６下のポテンシャル井戸に蓄積され、出力信号Ｓが取
り出された後、ＰＧ電極１０７ａ，１０７ｂ、第２のＯ
Ｇ電極下を通過してドレイン領域１０９へと掃き出され
なければならないが、そのためには、ＰＧ電極１０７ａ
下のポテンシャル障壁をＦＧ電極１０６下のポテンシャ
ル井戸よりも深くすることが必要となる。

【００１３】しかし、ＦＧ電極１０６に供給されるリセ
ット用の電源電圧Ｖｒは、かなり大きいものであるた
め、ＰＧ電極１０７ａ下において、ＦＧ電極１０６下の
ポテンシャル井戸よりも深いポテンシャルを得るために
は、さらに大きな電圧を必要とする。また、従来の電荷
転送装置においては、ＦＧ電極１０６下の転送路１１１
は、高濃度のＮ形不純物拡散領域（図６中Ｎで示す）で
あるのに対し、ＰＧ電極１０７ａ下の転送路１１２は、
低濃度のＮ形不純物拡散領域（図６中Ｎ^-で示す）であ
るため、ＰＧ電極１０７ａ下においては、より一層の大
きな電圧をかけなければ、ＦＧ電極１０６下のポテンシ
ャル井戸よりも深いポテンシャルを得ることができな
い。

【００１４】このため、ＰＧ電極１０７ａに供給する電
圧と、ＦＧ電極１０６に供給するリセット用の電源電圧
Ｖｒとを同一の電源から得ようとすると、ＰＧ電極１０
７ａに供給する電圧には、昇圧回路を介在させなければ
ならない。

【００１５】ところが、通常、昇圧回路はチャージポン
プタイプが用いられ、広い容量面積を必要とする。そし
て、これにより、電荷転送１０１の形成面積並びに周辺
回路の形成面積が圧迫され、電荷転送部１０１における
転送段数の増大及び周辺回路の同一基板への形成、即ち
オンチップ化が困難になる。

【００１６】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、ＰＧ電極１０７ａに供給する
電圧に昇圧回路を介在させることなく、ＰＧ電極１０７
ａ下において、ＦＧ電極１０６下のポテンシャル井戸よ
りも深いポテンシャルが得られるような電荷転送装置を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されたものであり、電荷転送部３か
ら出力ゲートを介して転送された信号電荷ｅを蓄積して
電圧信号に変換し、かつリセットパルスＰｒの印加によ
ってリセット動作を行う電荷電圧変換部と、上記電荷電
圧変換部に蓄積された信号電荷ｅをコントロールパルス
Ｐｇの印加によって次段に転送するプリチャージ・ゲー
トとを有する電荷転送装置において、上記電荷電圧変換
部とプリチャージ・ゲートとを同電位にしたとき、上記
電荷電圧変換部におけるポテンシャルが、プリチャージ
・ゲートにおけるポテンシャルよりも浅くなるように構
成されたものである。

【００１８】そして、上記電荷電圧変換部は、該電荷電
圧変換部に隣接する上記出力ゲート及び上記プリチャー
ジ・ゲートをそれぞれ構成する電極層よりも上層の電極
層で形成されていることが好ましい。

【００１９】また、上記プリチャージ・ゲートにおける
チャネル領域の電位勾配は、選択的な不純物導入によっ
て電荷転送方向に向かって下り傾斜であることが好まし
い。

【００２０】上記プリチャージ・ゲートにおけるチャネ
ル領域の電位勾配を電荷転送方向に向かって下り傾斜と
するには、例えば、上記プリチャージ・ゲートにおける
チャネル領域のパターン形状を、該チャネル領域に電荷
転送方向に向かって下り傾斜となる電位勾配が形成され
る形状とすればよい。

【００２１】

【作用】本発明を適用して、電荷電圧変換部とプリチャ
ージ・ゲートとを同電位にしたとき、上記電荷電圧変換
部におけるポテンシャルが、プリチャージ・ゲートにお
けるポテンシャルよりも浅くなるように構成すると、プ
リチャージ・ゲートに昇圧回路をつながなくとも、電荷
電圧変換部とプリチャージ・ゲートとに同一の電源から
電圧をかけることが可能となる。

【００２２】具体的に、上記電荷電圧変換部におけるポ
テンシャルを、プリチャージ・ゲートにおけるポテンシ
ャルよりも浅くするには、電荷電圧変換部におけるチャ
ネル領域に拡散されるＮ形不純物の濃度を、プリチャー
ジ・ゲートにおけるチャネル領域に拡散されるＮ形不純
物の濃度より低くすることが考えられる。

【００２３】通常、上述のように、チャネル領域のＮ形
不純物拡散濃度を異ならせるには、先ず、Ｐ形のシリコ
ン基板の表面に、Ｎ形不純物をイオン注入し、高濃度の
Ｎ形不純物拡散領域（Ｎ領域）を形成する。そして、前
記Ｎ領域が形成されたシリコン基板上に、１層目の電極
層をパターニングし、さらに、この１層目の電極層をマ
スクとして、シリコン基板表面にＰ形不純物をイオン注
入することによって、選択的に低濃度のＮ形不純物拡散
領域（Ｎ^-領域）を形成する。その後、ゲート絶縁膜を
介して２層目の電極層を形成することによって、Ｎ領域
のチャネル領域上に下層側の電極、Ｎ^-領域のチャネル
領域上に上層側の電極が形成されることになる。

【００２４】したがって、上記電荷電圧変換部を構成す
る電極を、該電荷電圧変換部に隣接する上記出力ゲート
及び上記プリチャージ・ゲートをそれぞれ構成する電極
層よりも上層とすると、電荷電圧変換部を構成する電極
下のチャネル領域に、Ｐ形不純物をイオン注入すること
ができ、プリチャージ・ゲートにおけるチャネル領域よ
り、低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）を形成す
ることができる。

【００２５】これにより、プリチャージ・ゲートにおけ
るポテンシャルを電荷電圧変換部におけるポテンシャル
よりも深くすることが可能となるのである。

【００２６】また、本発明のように、上記プリチャージ
・ゲートにおけるチャネル領域の電位勾配を、選択的な
不純物導入によって電荷転送方向に向かって下り傾斜に
なるように構成すると、電荷電圧変換部におけるポテン
シャル井戸に蓄積されていた信号電荷ｅが、この電荷電
圧変換部に隣接するプリチャージ・ゲートにおけるポテ
ンシャル障壁を越えた後、ドレイン領域に向かってスム
ーズに転送される。

【００２７】

【実施例】以下、本発明に係る電荷転送装置をＣＣＤ固
体撮像素子の出力部を含む電荷転送段に適用した実施例
（以下、単に実施例に係る電荷転送装置と記す）を図１
から図５を参照しながら説明する。

【００２８】実施例１この実施例に係る電荷転送装置１は、図１に示すよう
に、例えばＰ形のシリコン基板（あるいはウェル領域、
以下の説明では、便宜上、シリコン基板を対象とする）
２を基体として、入力部（図示せず）と、この入力部か
ら送出される信号電荷を順次転送する電荷転送部３と、
この電荷転送部３が転送してくる信号電荷を検出する電
荷検出部４とが設けられている。なお、入力部は信号電
荷を上記電荷転送部３に送出できるように周知の構造に
て構成される。

【００２９】上記電荷転送部３は、互いに逆相の駆動パ
ルスＰ₁及びＰ₂を用いて信号電荷を転送するいわゆる
２相駆動の転送方式の構成を有する。

【００３０】即ち、図１及び図２にその一部を示すよう
に、シリコン基板２の表面部分に、信号電荷の転送路
（Ｎ形の電荷転送チャネル領域）５となる低濃度のＮ形
不純物拡散領域によるトランスファゲート（以下、単に
ＴＧと示す）領域６ａ，６ｂ並びに、高濃度のＮ形不純
物拡散領域によるストレージゲート（以下、単にＳＧと
示す）領域７ａ，７ｂが順次互い違いに一方向に連なっ
たかたちで配列されて形成されている。

【００３１】上記Ｎ形不純物拡散領域（６ａ，６ｂ）及
び（７ａ，７ｂ）の濃度の違いにより、熱的平衡状態に
おける各不純物拡散領域（６ａ，６ｂ）及び（７ａ，７
ｂ）のポテンシャルは、図２に示すように、ＴＧ領域６
ａ，６ｂが低レベル、ＳＧ領域７ａ，７ｂが高レベルと
なる。即ち、ＴＧ領域６ａ，６ｂ並びにＳＧ領域７ａ，
７ｂ間で、電荷検出部４に向かって下り階段状のポテン
シャルが形成される。

【００３２】そして、上記電荷転送チャネル領域５上に
は、例えばＳｉＯ₂等からなるゲート絶縁膜８を介して
例えば２層目の多結晶シリコン層からなるＴＧ電極１０
ａ，１０ｂと、１層目の多結晶シリコン層からなるＳＧ
電極１１ａ，１１ｂが形成されている。即ち、ＴＧ領域
６に対応した部分に形成されたＴＧ電極１０と、ＳＧ領
域７に対応した部分に形成されたＳＧ電極１１を１組と
した転送電極が多数組、一方向に配列されて形成されて
いる。

【００３３】そして、例えば奇数組のＴＧ電極１０ａ及
びＳＧ電極１１ａに、一方の駆動パルスＰ₁が入力端子
φ₁を介して供給され、偶数組のＴＧ電極１０ｂ及びＳ
Ｇ電極１１ｂに、他方の駆動パルスＰ₂が入力端子φ₂
を介して供給されることにより、信号電荷ｅを電荷検出
部４側に２相駆動方式で転送するようになっている。

【００３４】即ち、入力部（図示せず）から転送された
信号電荷ｅは、奇数組の転送電極１０ａ，１１ａ、並び
に偶数組の転送電極１０ｂ，１１ｂに対してそれぞれ２
相の駆動パルスＰ₁及びＰ₂が印加されることにより、
上記ＴＧ領域６とＳＧ領域７との各ポテンシャルの違い
から、電荷転送部３の電荷転送チャネル領域５、即ち例
えば奇数組のＴＧ領域６ａ及びＳＧ領域７ａ、並びに偶
数組のＴＧ領域６ｂ及びＳＧ領域７ｂを順次転送される
ことになる。

【００３５】電荷検出部４は、電荷転送部３から転送さ
れてくる信号電荷ｅを非破壊的に検出するフローティン
グ・ゲート・アンプで構成される。即ち、電荷転送部３
の最終段であるＳＧ領域７ｂの隣りにＮ形の第１の出力
ゲート（以下、単に第１のＯＧと記す）領域１２ａ，１
２ｂを間に挟んで、Ｎ形のフローティング・ゲート（以
下、単にＦＧと記す）領域１３が形成され、このＦＧ領
域１３の隣りに、Ｎ形のプリチャージ・ゲート（以下、
単にＰＧと記す）領域１４が形成されている。

【００３６】上記ＰＧ領域１４は、高濃度のＮ形不純物
拡散領域にて形成され、このＰＧ領域１４の隣りには、
ＰＧ領域１４と同じく高濃度のＮ形不純物拡散領域にて
形成された第２の出力ゲート（以下、単に第２のＯＧと
記す）領域１５を間に挟み、Ｎ形のドレイン領域１６が
形成されている。

【００３７】なお、本実施例に係る電荷転送装置１の電
荷検出部４においては、上記第１のＯＧ領域１２が２つ
の領域よりなる点と、上記ＰＧ領域１４が１つの領域の
みよりなる点とが特徴的である。

【００３８】上記第１のＯＧ領域１２は、ＦＧ領域１３
に隣接する一方の第１のＯＧ領域１２ｂが高濃度のＮ形
不純物拡散領域にて形成され、他方の第１のＯＧ領域１
２ａが低濃度のＮ形不純物拡散領域にて形成されてい
る。これによって、第１のＯＧ領域１２ａ，１２ｂ間
で、ドレイン領域１６に向かって下り階段状のポテンシ
ャルが形成される。

【００３９】また、上記ＰＧ領域１４は、選択的な不純
物導入によって電荷転送方向に向かって下り傾斜の電位
勾配が形成されている。例えば、後述するように、ＰＧ
領域１４における高濃度のＮ形不純物拡散領域のパター
ン形状を、電荷転送方向に向かって下り傾斜の電位勾配
が形成される形状とする。

【００４０】そして、上記電荷転送チャネル領域５上に
は、例えばＳｉＯ₂等からなるゲート絶縁膜８を介し
て、多結晶シリコンからなる電極層が形成されている。
具体的には、第１のＯＧ領域１２ｂ上には第１のＯＧ電
極１８ｂが、ＰＧ領域１４上にはＰＧ電極１９が、それ
ぞれ下層の電極層として形成されている。また、第１の
ＯＧ領域１２ａ上には第１のＯＧ電極１８ａが、ＦＧ領
域１３上にはＦＧ電極１７が、第２のＯＧ領域１５上に
は第２のＯＧ電極２０が、それぞれ上層の電極層として
形成されている。

【００４１】上記第１のＯＧ電極１８ａ，１８ｂ及び第
２のＯＧ電極２０には、それぞれ入力端子φ₃及び入力
端子φ₅を介して直流電圧Ｖｏｇ１及び直流電圧Ｖｏｇ
２が供給され、これによって、第１のＯＧ電極１８ａ，
１８ｂ及び第２のＯＧ電極２０下にそれぞれ固定のポテ
ンシャル障壁が形成される。一方、ＦＧ電極１７は、同
一のシリコン基板２上に形成される例えばソースフォロ
ア回路からなる増幅器２１を介して出力端子φout に接
続されている。また、このＦＧ電極１７は、ゲート電極
にリセットパルスＰｒが供給され、ドレイン端子にリセ
ット用の電源電圧Ｖｒが供給されるスイッチングトラン
ジスタ（Ｎチャネル形ＭＯＳトランジスタ）Ｔｒのソー
スに接続されている。また、ＰＧ電極１９には、後述す
るコントロールパルスＰｇが入力端子φ₄を介して供給
される。

【００４２】そして、スイッチングトランジスタＴｒの
ゲート電極にリセットパルスＰｒが印加されると、スイ
ッチングトランジスタＴｒがオン動作し、ＦＧ電極１７
を電源電圧レベルＶｒに固定する。このとき、ＦＧ電極
１７下のポテンシャルは、上記電源電圧レベルＶｒに相
当するレベルまで上昇し、ＦＧ電極１７下にポテンシャ
ル井戸が形成されたかたちとなる。即ち、上記リセット
パルスＰｒが印加されることにより、ＦＧ電極１７に対
してリセット動作が行われることになる。

【００４３】この状態で、電荷転送部３の最終段から信
号電荷ｅがＦＧ電極１７下のＦＧ領域１３に転送される
と、ＦＧ電極１７とシリコン基板２間の静電容量が変化
し、ＦＧ領域に転送された信号電荷ｅの量に対応した電
圧変化が生じる。この電圧変化は、後段の増幅器２１に
て増幅され、出力信号Ｓとして出力端子φout より取り
出される。

【００４４】一方、上記ＦＧ電極１７下に信号電荷ｅが
蓄積されている状態で、ＰＧ電極１９にコントロールパ
ルスＰｇが印加されると、ＰＧ電極１９下のポテンシャ
ルが深くなり、ＦＧ電極１７に隣接するＰＧ電極１９下
のポテンシャル障壁がＦＧ電極１７下のポテンシャル井
戸よりも下がる。このとき、ＦＧ電極下のポテンシャル
井戸に蓄積されていた信号電荷ｅが、ＰＧ電極１９下の
ポテンシャル障壁を越えてＰＧ電極１９下に転送され
る。

【００４５】そして、上記ＰＧ電極１９へのコントロー
ルパルスＰｇの印加が停止されることによって、ＰＧ電
極１９下のポテンシャルが浅くなり、再び初期の状態、
即ち図２に示すように、ＰＧ電極１９下のポテンシャル
障壁が、隣接する第２のＯＧ電極２０下のポテンシャル
障壁よりも浅くなる。このとき、ＰＧ電極１９下に蓄積
されていた信号電荷ｅが第２のＯＧ電極２０下のポテン
シャル障壁を越えて隣りのドレイン領域１６に掃き出さ
れることになる。

【００４６】上述のような構成を有する電荷転送装置１
において、Ｎ形の電荷転送チャネル領域５及び電極層を
形成するには、次のような工程に従う。

【００４７】先ず、Ｐ形のシリコン基板２の表面に、Ｎ
形の不純物、例えばリン（Ｐ）をイオン注入することに
より、高濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）がシリコ
ン基板２の表面全体に形成される。その後、上記高濃度
のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）上に、ゲート絶縁膜８
を介して１層目の多結晶シリコン層をパターニングす
る。さらに、形成された１層目の多結晶シリコン層をマ
スクとして、選択的にＰ形の不純物、例えばホウ素
（Ｂ）をイオン注入し、低濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ^-領域）を形成する。そして、上記低濃度のＮ形不
純物拡散領域（Ｎ^-領域）上に、ゲート絶縁膜８を介し
て２層目の多結晶シリコン層を形成する。

【００４８】したがって、電荷転送チャネル領域５は、
電荷転送部３から電荷検出部４に亘り、順に高濃度のＮ
形不純物拡散領域（Ｎ領域）と低濃度のＮ形不純物拡散
領域（Ｎ^-領域）とを繰り返す構成となっている。そし
て、高濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）上に第１層
目の電極層が形成され、第２のＯＧ領域１５を除いて、
低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）上に第２の電
極層が形成される構成となっている。

【００４９】即ち、電荷転送部３においては、高濃度の
Ｎ形不純物拡散領域（Ｎ領域）上に第１層目の電極層と
してＳＧ電極１１ａ，１１ｂを形成してから、低濃度の
Ｎ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）を形成し、この上に第
２の電極層としてＴＧ電極１０ａ，１０ｂを形成してい
る。

【００５０】また、電荷検出部４においては、高濃度の
Ｎ形不純物拡散領域（Ｎ領域）が形成された後、ＦＧ領
域１３に隣接する一方の第１のＯＧ領域１２ｂ上に第１
のＯＧ電極１８ｂが、同じくＦＧ領域１３に隣接するＰ
Ｇ領域１４上にＰＧ電極１９が１層目の電極層として形
成される。さらに、この１層目の電極層１８ｂ，１９を
マスクとして、選択的にＰ形不純物をイオン注入するこ
とによって、ＦＧ領域１３に隣接しない第１のＯＧ領域
１２ａとＦＧ領域１３とが低濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ^-領域）となる。そして、上記第１のＯＧ領域１２
ａ上及びＦＧ領域１３上には、ゲート絶縁膜８を介し
て、それぞれ第１のＯＧ電極１８ａ及びＦＧ電極１７が
２層目の電極層として形成される。

【００５１】このように、上記ＦＧ電極１７を、該ＦＧ
電極１７に隣接する第１のＯＧ電極１８ｂ及びＰＧ電極
１９よりも上層とすると、ＦＧ電極１７下のＦＧ領域１
３に、Ｐ形不純物をイオン注入することができ、ＰＧ領
域１４より低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）を
形成することができる。これにより、ＰＧ領域１４にお
けるポテンシャルをＦＧ領域１３におけるポテンシャル
よりも深くすることが可能となるのである。

【００５２】なお、上記ＰＧ領域１４となるシリコン基
板２の表面部分にＮ形不純物拡散領域を形成する際に
は、選択的なイオン注入によって電荷転送方向に向かっ
て下り傾斜の電位勾配が形成されるように行われる。上
記電荷転送方向に向かって下り傾斜の電位勾配は、ＰＧ
領域１４のパターン形状によって達成できる。このパタ
ーン形状の一例を、図３にＰＧ領域１４付近の電荷転送
チャネル領域５の上面を電極位置と対応させて示す。例
えば、ＰＧ領域１４は、高濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ領域）が、ＰＧ領域１４の電荷転送方向始端から終
端にかけて連続的に広がった形状となるようにパターニ
ングされる。なお、Ｎ形不純物が導入されなかった領域
はチャネルストッパー２２となり、電荷転送が行われる
範囲を規定している。

【００５３】ＰＧ領域１４を上述のようなパターン形状
とすると、電荷転送チャネル領域５における電荷転送方
向の単位長さ当りのＮ形不純物の量は、下流側ほど多く
なる。即ち、同電位におけるポテンシャルは下流側ほど
深くなり、電荷転送方向に向かって下り傾斜の電位勾配
が形成されることになる。

【００５４】なお、第２のＯＧ領域１５には、Ｐ形不純
物をイオン注入して低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-
領域）とすることなく、高濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ領域）のまま、第２のＯＧ電極２０が２層目の電極
層として形成される。第２のＯＧ電極２０下のポテンシ
ャルは、ＰＧ電極１９へのコントロールパルスＰｇの印
加が停止されたときに、ＰＧ電極１９下のポテンシャル
よりも深くなっている必要があり、このため、第２のＯ
Ｇ電極２０には、直流電圧Ｖｏｇ２が供給されている。
したがって、第２のＯＧ領域１５を低濃度のＮ形不純物
拡散領域（Ｎ^-領域）としても、大きな直流電圧Ｖｏｇ
２を供給することによって、深いポテンシャルを得るこ
とができるが、第２のＯＧ領域１５が高濃度のＮ形不純
物拡散領域（Ｎ領域）である方が、供給する直流電圧Ｖ
ｏｇが小さくて済む。

【００５５】以上のように、本実施例に係る電荷転送装
置１は、ＦＧ電極１７に印加するリセットパルスＰｒ
と、ＰＧ電極１９に印加するコントロールパルスＰｇと
して用いる電圧を同電位にしたとき、上記ＦＧ電極１７
下のポテンシャルが、該ＦＧ電極１７に隣接するＰＧ電
極１９下のポテンシャルよりも浅くなるように構成され
ている。したがって、ＰＧ電極１９には、ＦＧ電極１７
に印加されるリセット用の電源電圧Ｖｒと同じ大きさの
電圧を印加することによって、ＦＧ領域１３下に蓄積さ
れた信号電荷ｅを、ＰＧ領域１４へ転送することが可能
である。

【００５６】これにより、ＰＧ電極１９を昇圧回路につ
なぐことを不要とし、ＦＧ電極１７とＰＧ電極１９とに
同一の電源から電圧を印加することを可能とする。した
がって、昇圧回路が広い容量面積を占有して、電荷転送
部３の形成面積並びに周辺回路の形成面積を圧迫するこ
とがなくなる。

【００５７】また、本実施例に係る電荷転送装置１にお
いては、ＰＧ領域１４の電位勾配が電荷転送方向に向か
って下り傾斜となるように構成されているので、ＦＧ領
域１３におけるポテンシャル井戸に蓄積されていた信号
電荷ｅを、ＰＧ領域１４におけるポテンシャル障壁を越
えた後、ドレイン領域に向かってスムーズに転送でき
る。

【００５８】実施例２上述した実施例１においては、Ｎ形の電荷転送チャネル
領域５を形成するに際し、先ず、Ｐ形のシリコン基板２
の表面を高濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）とする
ことから開始したが、本実施例に係る電荷転送装置にお
いては、先ず、低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領
域）を形成することから開始する点を特徴とする。

【００５９】図４に示す本実施例に係る電荷転送装置３
１は、実施例１の電荷転送装置１同様、例えばＰ形のシ
リコン基板３２を基体として、入力部（図示せず）と、
この入力部から送出される信号電荷ｅを順次転送する電
荷転送部３３と、この電荷転送部３が転送してくる信号
電荷ｅを検出する電荷検出部３４とが設けられてなる。

【００６０】上記電荷転送部３３は、互いに逆相の駆動
パルスＰ₁，Ｐ₂を用いて信号電荷を転送するいわゆる
２相駆動の転送方式の構成を有する点においては、実施
例１の電荷転送装置１同様である。

【００６１】即ち、図４及び図５にその一部を示すよう
に、シリコン基板３２の表面部分に、信号電荷の電荷転
送チャネル領域３５となる低濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ ^-領域）によるＴＧ領域３６ａ，３６ｂ、高濃度の
Ｎ形不純物拡散領域（Ｎ領域）によるＳＧ領域３７ａ，
３７ｂが順次互い違いに一方向に連なったかたちで配列
されて形成されている。そして、ＴＧ領域３６に対応し
た部分上にはＴＧ電極４０、ＳＧ領域３７に対応した部
分上にはＳＧ電極４１がそれぞれ形成されている。例え
ば奇数組のＴＧ電極４０ａ及びＳＧ電極４１ａに、一方
の駆動パルスＰ ₁が入力端子φ₁を介して供給され、偶
数組のＴＧ電極４０ｂ及びＳＧ電極４１ｂに、他方の駆
動パルスＰ₂が入力端子φ₂を介して供給されることに
より、信号電荷ｅを電荷検出部３４側に２相駆動方式で
転送するようになっている。

【００６２】但し、本実施例においては、低濃度のＮ形
不純物拡散領域（Ｎ^-領域）であるＴＧ領域３６ａ，３
６ｂ上に形成されるＴＧ電極４０ａ，４０ｂは、１層目
の電極層より形成され、高濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ領域）であるＳＧ領域３７ａ，３７ｂ上に形成され
るＳＧ電極４１ａ，４１ｂは、２層目の電極層より形成
されている。すなわち、ＴＧ電極４０とＳＧ電極４１と
の上下関係が実施例１に係る電荷転送装置１とは逆とな
っている。

【００６３】上記電荷検出部３４は、フローティング・
ゲート・アンプより構成されるものであり、電荷転送部
３３の最終段であるＳＧ領域３７ｂの隣りにＮ形の第１
のＯＧ領域４２を間に挟んで、Ｎ形のＦＧ領域４３が形
成され、このＦＧ領域４３の隣りに、Ｎ形のＰＧ領域４
４ａ及び４４ｂが形成されているが、上記第１のＯＧ領
域１２が低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）より
なる１つの領域のみから形成されている点で実施例１と
異なっている。

【００６４】なお、上記ＰＧ領域４４は、ＦＧ領域４３
に隣接する一方のＰＧ領域４４ａが低濃度のＮ形不純物
拡散領域（Ｎ^-領域）にて形成され、他方のＰＧ領域４
４ｂが高濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）にて形成
されている。また、上記他方のＰＧ領域４４ｂの隣りに
は、Ｎ形の第２のＯＧ領域４５を間に挟んでＮ形のドレ
イン領域４６が形成されている。

【００６５】そして、上記電荷転送チャネル領域３５上
には、例えばＳｉＯ₂等からなるゲート絶縁膜３８を介
して、多結晶シリコンからなる電極層が形成されてい
る。具体的には、第１のＯＧ領域４２上には第１のＯＧ
電極４８が、ＰＧ領域４４ａ上にはＰＧ電極４９ａが、
第２のＯＧ領域４５上には第２のＯＧ電極５０が、それ
ぞれ下層の電極層として形成されており、ＦＧ領域４３
上にはＦＧ電極４７が、ＰＧ領域４４ｂ上にはＰＧ電極
４９ｂが、それぞれ上層の電極層として形成されてい
る。

【００６６】上記、第１のＯＧ電極４８及び第２のＯＧ
電極５０には、それぞれ入力端子φ ₃，φ₅を介して直
流電圧Ｖｏｇ１，Ｖｏｇ２が供給され、これによって、
第１のＯＧ電極４８及び第２のＯＧ電極５０下にそれぞ
れ固定のポテンシャル障壁が形成される。一方、ＦＧ電
極４７は、同一のシリコン基板３２上に形成される例え
ばソースフォロア回路からなる増幅器５１を介して出力
端子φout に接続されている。また、このＦＧ電極４７
は、ゲート電極にリセットパルスＰｒが供給され、ドレ
イン端子にリセット用の電源電圧Ｖｒが供給されるスイ
ッチングトランジスタ（Ｎチャネル形ＭＯＳトランジス
タ）Ｔｒのソースに接続されている。また、ＰＧ電極４
９ａ，４９ｂには、後述するコントロールパルスＰｇが
入力端子φ₄を介して供給される。

【００６７】そして、実施例１に係る電荷転送装置１と
同様にして、電荷転送部３３の最終段から転送された信
号電荷ｅの量をＦＧ電極４７とシリコン基板３２間の静
電容量の変化により検出し、ドレイン領域４６に掃き出
すように動作する。

【００６８】上述のような構成を有する電荷転送装置３
１において、Ｎ形の電荷転送チャネル領域５及び電極層
を形成するには、次のような工程に従う。

【００６９】先ず、Ｐ形のシリコン基板３２の表面に、
Ｎ形の不純物、例えばリン（Ｐ）をイオン注入すること
により、低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）をシ
リコン基板３２の表面全体に形成する。その後、上記低
濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）上に、ゲート絶
縁膜３８を介して１層目の多結晶シリコン層をパターニ
ングする。さらに、形成された１層目の多結晶シリコン
層をマスクとして、選択的にＮ形の不純物、例えば砒素
（Ａｓ）をイオン注入し、高濃度のＮ形不純物拡散領域
（Ｎ領域）を形成する。そして、上記高濃度のＮ形不純
物拡散領域（Ｎ領域）上に、ゲート絶縁膜３８を介して
２層目の多結晶シリコン層を形成する。

【００７０】したがって、電荷転送チャネル領域３５
は、ＦＧ領域４３を除いて、電荷転送部３３から電荷検
出部３４に亘り、順に高濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ
領域）と低濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）とを
繰り返す構成となっている。そして、低濃度のＮ形不純
物拡散領域（Ｎ^-領域）上に第１層目の電極層が形成さ
れ、ＦＧ電極４７を除いて、高濃度のＮ形不純物拡散領
域（Ｎ領域）上に第２の電極層が形成される構成となっ
ている。

【００７１】即ち、電荷転送部３３においては、低濃度
のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）上に第１層目の電極
層としてＴＧ電極４０ａ，４０ｂを形成してから、高低
濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ領域）を形成し、この上
に第２の電極層としてＳＧ電極４１ａ，４１ｂを形成し
ている。

【００７２】また、電荷検出部３４においては、低濃度
のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^-領域）が形成された後、Ｆ
Ｇ領域４３に隣接する第１のＯＧ領域４２上に第１のＯ
Ｇ電極４８、ＦＧ領域４３に隣接する一方のＰＧ領域４
４ａ上にＰＧ電極４９ａ、第２のＯＧ領域４５上に第２
のＯＧ電極５０が１層目の電極層としてそれぞて形成さ
れる。

【００７３】そして、ＰＧ電極４９ａ及び第２のＯＧ電
極５０をマスクとして、選択的にＮ形不純物をイオン注
入することによって、ＰＧ領域４４ｂを高濃度のＮ形不
純物拡散領域（Ｎ領域）とする。また、ＦＧ領域４３
を、第１のＯＧ電極４８及びＰＧ電極４９ａをマスクと
して、選択的にＰ形不純物をイオン注入して、さらに低
濃度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ^--領域）とする。その
後、上記ＦＧ領域１３及びＰＧ領域４４ｂ上には、ゲー
ト絶縁膜３８を介して、ＦＧ電極３７及びＰＧ電極４９
ｂが２層目の電極層として形成される。

【００７４】このように、上記ＦＧ電極４７を、該ＦＧ
電極４７に隣接する第１のＯＧ電極４８及びＰＧ電極４
９ａよりも上層とすると、ＦＧ領域４３にＰ形不純物を
イオン注入することができ、ＰＧ領域４４ａより、低濃
度のＮ形不純物拡散領域（Ｎ ^--領域）を形成することが
できる。これにより、ＰＧ領域４４ａにおけるポテンシ
ャルをＦＧ領域４３におけるポテンシャルよりも深くす
ることが可能となるのである。

【００７５】以上のように、本実施例に係る電荷転送装
置３１は、ＦＧ電極４７に印加するリセットパルスＰｒ
と、ＰＧ電極４９に印加するコントロールパルスＰｇと
して用いる電圧を同電位にしたとき、上記ＦＧ電極４７
下のポテンシャルが、該ＦＧ電極４７に隣接するＰＧ電
極４９ａ下のポテンシャルよりも浅くなっている。した
がって、ＰＧ電極４９には、ＦＧ電極４７に印加される
リセット用の電源電圧Ｖｒと同じ大きさの電圧を印加す
ることによって、ＦＧ領域４３下に蓄積された信号電荷
ｅを、ＰＧ領域４４へ転送することが可能である。

【００７６】これにより、本実施例に係る電荷転送装置
３１は、従来の電荷転送装置１００に比して電極の数を
増やしたり、構造を複雑化することなく、ＰＧ電極４９
を昇圧回路をつなぐことを不要とし、ＦＧ電極４７とＰ
Ｇ電極４９とに同一の電源から電圧を印加することを可
能とする。したがって、昇圧回路が広い容量面積を占有
して、電荷転送部３３の形成面積並びに周辺回路の形成
面積を圧迫することがなくなる。

【００７７】なお、本実施例においては、ＰＧ電極４９
を２つの電極から構成したが、もちろん実施例１に示す
ように１つの電極から構成し、チャネル領域の電位勾配
を、選択的な不純物導入によって電荷転送方向に向かっ
て下り傾斜になるようにしてもよい。

【００７８】以上のように、実施例に係る電荷転送装置
１，３１の構成は、従来の電荷転送装置１００に比して
電極の数を増やすことなく、またその構成を複雑化する
ことなく、小型化及び高性能化を図ることを可能にする
ものである。

【００７９】

【発明の効果】以上の説明から明かなように、本発明に
係る電荷転送装置は、電荷電圧変換部とプリチャージ・
ゲートとを同電位にしたとき、上記電荷電圧変換部にお
けるポテンシャルが、プリチャージ・ゲートにおけるポ
テンシャルよりも浅くなるように構成されているので、
プリチャージ・ゲートに昇圧回路をつながなくとも、同
一の電源から電圧をかけることが可能となる。したがっ
て、昇圧回路が広い容量面積を占有して、電荷転送部の
形成面積並びに周辺回路の形成面積を圧迫することがな
くなり、電荷転送装置の小型化が図れ、オンチップ化を
容易にする。

【００８０】また、上記プリチャージ・ゲートにおける
チャネル領域の電位勾配を、選択的な不純物導入によっ
て電荷転送方向に向かって下り傾斜になるように構成す
ることによって、電荷電圧変換部におけるポテンシャル
井戸に蓄積されていた信号電荷ｅを、この電荷電圧変換
部に隣接するプリチャージ・ゲートにおけるポテンシャ
ル障壁を越えた後、ドレイン領域に向かってスムーズに
転送できる。

【００８１】即ち、本発明の電荷転送装置は、従来型の
電荷転送装置に比して、電極の数を増やすことなく、ま
たその構成を複雑化することなく、小型化及び高性能化
を図ることを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電荷転送装置をＣＣＤ固体撮像素
子の出力部を含む電荷転送段に適用した一実施例（以
下、単に実施例１に係る電荷転送装置と記す）の構成を
模式的に示す断面図である。

【図２】実施例１に係る電荷転送装置のフローティング
・ゲート・アンプ付近におけるポテンシャル状態を示す
概略図である。

【図３】実施例１に係る電荷転送装置のプリチャージ・
ゲート付近における電極層断面とこれに対応するチャネ
ル領域上面とを示す概略図である。

【図４】実施例２に係る電荷転送装置の構成を模式的に
示す断面図である。

【図５】実施例２に係る電荷転送装置のフローティング
・ゲート・アンプ付近におけるポテンシャル状態を示す
概略図である。

【図６】従来例に係る電荷転送装置のフローティング・
ゲート・アンプ付近におけるポテンシャル状態を示す概
略図である。

【符号の説明】

１・・・電荷転送装置２・・・シリコン基板３・・・電荷転送部４・・・電荷検出部５・・・転送路６・・・トランスファ・ゲート（ＴＧ）領域７・・・ストレージ・ゲート（ＳＧ）領域８・・・ゲート絶縁膜１０・・・トランスファ・ゲート（ＴＧ）電極１１・・・ストレージ・ゲート（ＳＧ）電極１２・・・第１の出力ゲート（ＯＧ）領域１３・・・フローティング・ゲート（ＦＧ）領域１４・・・プリチャージ・ゲート（ＰＧ）領域１５・・・第２の出力ゲート（ＯＧ）領域１６・・・ドレイン領域１７・・・フローティング・ゲート（ＦＧ）電極１８・・・第１の出力ゲート（ＯＧ）電極１９・・・プリチャージ・ゲート（ＰＧ）電極２０・・・第２の出力ゲート（ＯＧ）電極２１・・・増幅器ｅ・・・信号電荷Ｐｇ・・・コントロールパルスＰｒ・・・リセットパルスＶｒ・・・リセット用電源電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電荷転送部から出力ゲートを介して転送
された信号電荷を蓄積して電圧信号に変換し、かつリセ
ットパルスの印加によってリセット動作を行う電荷電圧
変換部と、上記電荷電圧変換部に蓄積された信号電荷をコントロー
ルパルスの印加によって次段に転送するプリチャージ・
ゲートとを有する電荷転送装置において、上記電荷電圧変換部とプリチャージ・ゲートとを同電位
にしたとき、上記電荷電圧変換部におけるポテンシャル
が、プリチャージ・ゲートにおけるポテンシャルよりも
浅いことを特徴とする電荷転送装置。
【請求項２】上記電荷電圧変換部が、該電荷電圧変換
部に隣接する上記出力ゲート及び上記プリチャージ・ゲ
ートをそれぞれ構成する電極層よりも上層の電極層で形
成されていることを特徴とする請求項１記載の電荷転送
装置。
【請求項３】上記プリチャージ・ゲートにおけるチャ
ネル領域の電位勾配が、選択的な不純物導入によって電
荷転送方向に向かって下り傾斜であることを特徴とする
請求項１又は請求項２記載の電荷転送装置。
【請求項４】上記プリチャージ・ゲートにおけるチャ
ネル領域のパターン形状が、該チャネル領域に電荷転送
方向に向かって下り傾斜となる電位勾配が形成される形
状であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求
項３記載の電荷転送装置。