JPH08227989A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大光量入射時のブルーミングを有効に防止で
きるようにする。 【構成】 蓄積期間に被写体からの入射光をその光量に
応じた量の信号電荷に光電変換する受光部と、電荷転送
期間に信号電荷ｅを出力側に転送する垂直転送レジスタ
と、読出し期間に受光部に蓄積されている信号電荷を垂
直転送レジスタに転送する読出しゲート部とを有する固
体撮像素子において、大光量時に受光部に蓄積される信
号電荷が読出しゲート部を越えて流れ始めるポテンシャ
ルをＶｐとし、読出しゲート部におけるポテンシャル分
布曲線とポテンシャルＶｐとの交点Ｐにおける深さをＸ
ｐとし、垂直転送レジスタにおけるポテンシャル障壁Ｂ
ｃの頂点部分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶｔ及
びＸｔとしたとき、Ｘｐ＞Ｘｔ及びＶｐ＞Ｖｔの条件を
満足するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子、特にブ
ルーミングの抑圧と分光特性の改善を図った固体撮像素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の特性において、最も問題
となるのは、キズ欠陥を含む固定パターン雑音とブルー
ミング及びスミアである。このうち、ブルーミングとス
ミアは、固体撮像素子特有の偽信号であり、一般に区別
して用いられる。

【０００３】ブルーミングは、強い光が入射した場合
に、画素が飽和し、信号電荷があふれ、隣接画素や信号
線、垂直転送レジスタ等に入り込み、ちょうど花が咲い
たように周囲に白い部分が広がる現象である。

【０００４】スミアは、信号線や垂直転送レジスタ等に
光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散
により広がり、隣接画素や転送レジスタに混入すること
により発生する。スミアは、光の強さに無関係に一定の
割合で発生する。従って、量の少ないときには気になら
ないが、強い光が入射された場合に、その白点が上下に
縞状に伸びて現れてくる。

【０００５】従来から上記ブルーミングやスミアの発生
を軽減するために各種手段が提案され、試みられてい
る。

【０００６】現在では、以下に示す２つの方法が実用化
されている。即ち、１つの方法は、ＭＯＳ形撮像素子に
おいて、ｎ形のシリコン基板上にｐ形のウェル領域を形
成し、該ｐ形のウェル領域の表面上、画素となる部分に
ｎ形の高濃度不純物拡散領域を形成して、縦方向に縦方
向にｎｐｎ構造を形成することである。これによって、
不要電荷がｎ形のシリコン基板に排出され、その結果、
飽和光量の１００倍以上の光でもブルーミングは発生せ
ず、スミアも信号の約５２ｄＢ以下に抑制できる。

【０００７】他の方法は、電荷転送部をＣＣＤにて構成
したＣＣＤ固体撮像素子に適用されているもので、ｎ形
のシリコン基板上にｐ形のウェル領域を形成し、このｐ
形のウェル領域の表面に垂直転送レジスタ下と受光部
（フォトダイオード）を形成して、いわゆるＶＯＤ（垂
直オーバーフロードレイン）構造としたものである。

【０００８】具体的に、上記ＶＯＤ構造の固体撮像素子
の構成を図７に基づいて説明すると、この固体撮像素子
は、ｎ形のシリコン基板１０１上に形成されたｐ形のウ
ェル領域１０２中、画素となる部分に高濃度及び低濃度
のｎ形の不純物が導入されてそれぞれｎ形の高濃度不純
物拡散領域１０３ａ及びｎ形の低濃度不純物拡散領域１
０３ｂが形成されて、このｎ形の不純物拡散領域１０３
ａ及び１０３ｂとｐ形ウェル領域１０２とのｐｎ接合に
よって構成されるフォトダイオードによる受光部１０４
を有する。

【０００９】また、この固体撮像素子は、上記ｎ形の不
純物拡散領域１０３とは別の領域に導入されたｎ形の不
純物によるｎ形の転送チャネル領域１０５で構成される
垂直転送レジスタＶＲと、ｐ形の不純物を導入して成る
ｐ形のチャネル・ストッパ領域１０６とが形成されてい
る。

【００１０】そして、上記転送チャネル領域１０５上に
ゲート絶縁膜１０７を介して多結晶シリコン層による垂
直転送電極１０８が選択的に形成され、この垂直転送電
極１０８の表面には、熱酸化処理によってシリコン酸化
膜１０９が形成されている。この垂直転送電極１０８を
含む全面にはＰＳＧ膜１１０が形成され、更にこのＰＳ
Ｇ膜１１０上に、下層の転送電極１０８を覆うように遮
光用のＡｌ膜１１１（Ａｌ遮光膜と記す）が形成され、
このＡｌ遮光膜１１１を含む全面にＣＶＤ法によるＳｉ
Ｎ膜１１２が形成されている。

【００１１】ここで、上記ＰＳＧ膜１１０及びＳｉＮ膜
１１２が受光部１０４上のパッシベーション膜を構成
し、受光部１０４と転送チャネル領域１０５間のｎ型領
域は読出しゲートＲＧを構成する。

【００１２】また、上記Ａｌ遮光膜１１１は、受光部１
０４上において選択的にエッチング除去されており、光
は、このエッチング除去によって形成された開口１１１
ａを通じて受光部１０４に入射されるようになってい
る。

【００１３】そして、シリコン基板１０１とｐ形のウェ
ル領域１０２間に印加する基板電圧を制御することによ
り、受光部１０４で発生した過剰電荷は、転送チャネル
領域１０５に流れ込むことなく、基板１０１の厚み方向
に流れ込むことになる。また、基板１０１の深い部分で
発生した電荷も基板方向に流れて消滅することになる。
これによって、ブルーミング及びスミアは低減される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のＶＯ
Ｄ構造の固体撮像素子において、受光部１０４、読出し
ゲートＲＧ及び垂直転送レジスタＶＲの蓄積期間におけ
る各深さ方向のポテンシャル分布は、図８に示すような
分布となっている。

【００１５】具体的に説明すると、受光部１０４の深さ
方向については、図７のＡ−Ａ’断面線に対応する曲線
（Ａ−Ａ’）で示すように、基板表面、即ちｐ形の正孔
蓄積領域１１３の表面を最下限とし、該正孔蓄積領域１
１３下に形成されているｎ形の高濃度不純物拡散領域１
０３ａの有効深さ方向におけるほぼ中心を極大値とし、
ｐ形のウェル領域１０２の有効深さ方向におけるほぼ中
心を極小値とし、更にｎ形シリコン基板１０１の深さ方
向にポテンシャルが直線的に上昇する分布を有する。そ
して、上記極小値に対応する部分が蓄積電荷に対するオ
ーバーフローバリアＯＢを構成することになる。

【００１６】次に、垂直転送レジスタＶＲの深さ方向の
ポテンシャル分布については、図７のＣ−Ｃ’断面線に
対応する曲線（Ｃ−Ｃ’）で示すように、ｎ形の転送チ
ャネル領域１０５の有効深さ方向のほぼ中心を極大値と
し、ｐ形のウェル領域１０２の有効深さ方向におけるほ
ぼ中心を極小値とし、更にｎ形シリコン基板１０１の深
さ方向にポテンシャルが直線的に上昇する分布を有す
る。そして、上記極小値に対応する部分が転送電荷に対
するポテンシャル障壁Ｂｃを構成することになる。

【００１７】次に、読出しゲートＲＧの深さ方向のポテ
ンシャル分布については、図７のＢ−Ｂ’断面線に対応
する曲線（Ｂ−Ｂ’）で示すように、基板表面を最下限
とし、深さ方向に直線的に徐々にポテンシャルが上昇
し、ｐ形のウェル領域１０２の有効深さ方向の中心より
もわずかに下方の位置を変化点ｔとして、それ以降、急
峻にポテンシャルが上昇する分布を有する。

【００１８】ここで、受光部１０４に蓄積された信号電
荷ｅに対する深さ方向のオーバーフローバリアＯＢの頂
点部分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶａ及びＸａ
とし、垂直転送レジスタＶＲにおけるポテンシャル障壁
の頂点部分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶｂ及び
Ｘｂ、上記読出しゲートＲＧにおけるポテンシャル分布
曲線の変化点ｔのポテンシャル及び深さをそれぞれＶｃ
及びＸｃとしたとき、以下の大小関係を有する。

【００１９】(1) Ｘａ≒Ｘｃ＜Ｘｂ (2) Ｖａ≒Ｖｂ≒Ｖｃ

【００２０】即ち、受光部１０４におけるオーバーフロ
ーバリアＯＢの頂点部分と垂直転送レジスタＶＲにおけ
るポテンシャル障壁の頂点部分とがほぼ一致し、更に、
読出しゲートＲＧの変化点ｔがこれら頂点部分よりも深
い位置に存在していることになる。

【００２１】このような構成から、大光量の光が入射し
た場合に、受光部１０４に蓄積される信号電荷ｅが読出
しゲートＲＧを越えて流れ始めるポテンシャルをＶｐと
したとき、このポテンシャルＶｐと読出しゲートＲＧの
ポテンシャル分布曲線との交点（便宜的にＰ点と記す）
が、垂直転送レジスタＶＲのポテンシャル障壁の頂点よ
りも浅い位置に存することになる。

【００２２】そのため、大光量の光の入射時において、
受光部１０４にて光電変換される信号電荷ｅのうち、Ｐ
点を越える信号電荷ｅは垂直転送レジスタＶＲの転送チ
ャネル領域１０５に流れ込んでしまい、その結果、再生
画にブルーミングが生じてしまうことになる。即ち、従
来の固体撮像素子において、ブルーミングを防止するた
めの限界電位は上記ポテンシャルＶｐにて制限されるこ
とになり、ブルーミングを防止するための電圧Ｖａｂが
小さくなってしまうという不都合が生じていた。

【００２３】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、大光量入射時のブルー
ミングを有効に防止することができる固体撮像素子を提
供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、蓄積期間に被
写体からの入射光をその光量に応じた量の信号電荷ｅに
光電変換する受光部１と、電荷転送期間に上記信号電荷
ｅを出力側に転送する電荷転送部２と、読出し期間に受
光部１に蓄積されている信号電荷ｅを電荷転送部２に転
送する読出しゲート部ＲＧとを有する固体撮像素子にお
いて、大光量時に受光部１に蓄積される信号電荷ｅが読
出しゲート部ＲＧを越えて流れ始めるポテンシャルをＶ
ｐとし、読出しゲート部ＲＧにおけるポテンシャル分布
曲線と上記ポテンシャルＶｐとの交点Ｐにおける深さを
Ｘｐとし、電荷転送部２におけるポテンシャル障壁Ｂｃ
の頂点部分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶｔ及び
Ｘｔとしたとき、以下の条件を満足するポテンシャル分
布を有するように構成する（請求項１記載の発明）。

【００２５】(1) Ｘｐ＞Ｘｔ (2) Ｖｐ＞Ｖｔ

【００２６】この場合、電荷転送部２のポテンシャル障
壁Ｂｃ及び読出しゲート部ＲＧにおける交点Ｐは、第１
導電形の半導体基板１１に連続形成された第２導電形の
不純物拡散領域１２の存在により形成されるようにして
もよい（請求項２記載の発明）。

【００２７】また、受光部１を、少なくとも上記第２導
電形の不純物拡散領域１２と該不純物拡散領域１２から
表面側に形成された第１導電形の不純物拡散領域１３と
のｐｎ接合を有して構成し、上記読出しゲート部ＲＧ
を、上記第２導電形の不純物拡散領域１２から表面側に
連続形成された別の第２導電形の不純物拡散領域１７に
て構成し、上記電荷転送部２を、上記第２導電形の不純
物拡散領域１２から表面に上記連続形成された上記別の
第２導電形の不純物拡散領域１７を介してその表面側に
形成された第１導電形の不純物拡散領域１４を有して構
成するようにしてもよい（請求項３記載の発明）。

【００２８】

【作用】本発明に係る固体撮像素子においては、上記条
件から明かなように、読出しゲート部ＲＧのポテンシャ
ル分布曲線のうち、大光量時に受光部１に蓄積される信
号電荷ｅが読出しゲート部ＲＧを越えて流れ始めるポテ
ンシャルＶｐに対応する点（交点Ｐ）が、電荷転送部２
のポテンシャル障壁Ｂｃの頂点部分よりも深い位置に存
在することになる。

【００２９】そのため、大光量の光の入射時において、
受光部１にて光電変換される信号電荷ｅのうち、Ｐ点を
越える信号電荷ｅは電荷転送部２には流れ込まず、すべ
て基板１１側に流れ込むことになる。

【００３０】このことから、大光量の光が入射した場合
に、受光部１に蓄積される信号電荷ｅが急激に増加する
ことになるが、信号電荷ｅが急激に増えても、この増加
した信号電荷ｅが読出しゲート部ＲＧを越えて電荷転送
部２に流れ込んでしまうということを抑制することがで
き、再生画像でのブルーミング現象を有効に防止するこ
とが可能となる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明に係る固体撮像素子を例えばフ
レーム・インターライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤイ
メージセンサに適用した実施例（以下、実施例に係るイ
メージセンサと記す）を図１〜図６を参照しながら説明
する。

【００３２】この実施例に係るイメージセンサは、図１
に示すように、入射光量に応じた量の電荷に光電変換す
る受光部１が多数マトリクス状に配され、更にこれら多
数の受光部１のうち、列方向に配列された受光部１に対
して共通とされた垂直転送レジスタ２が多数本、行方向
に配列されたイメージ部３と、このイメージ部３に隣接
して配され、イメージ部３に形成されているような受光
部１はなく、イメージ部３における多数本の垂直転送レ
ジスタ２に連続してそれぞれ多数本の垂直転送レジスタ
４のみが延長形成されたストレージ部５とを有する。

【００３３】また、ストレージ部５に隣接し、かつ多数
本の垂直転送レジスタ４に対して共通とされた水平転送
レジスタが２本、それぞれ並設されている。ここで、２
本の水平転送レジスタのうち、ストレージ部５側に位置
する水平転送レジスタを第１の水平転送レジスタＨ１、
他の水平転送レジスタを第２の水平転送レジスタＨ２と
記す。

【００３４】そして、ストレージ部５と第１の水平転送
レジスタＨ１間には、ストレージ部５における垂直転送
レジスタ４の最終段に転送された信号電荷を第１の水平
転送レジスタＨ１に転送するための２つの垂直−水平転
送レジスタＶＨ１及びＶＨ２が多数の垂直転送レジスタ
４に対して共通に、かつそれぞれ並列に形成されてい
る。これら２本の垂直−水平転送レジスタＶＨ１及びＶ
Ｈ２には、それぞれ垂直−水平転送パルスφＶＨ１及び
φＶＨ２が供給されるようになっており、これら転送パ
ルスφＶＨ１及びφＶＨ２の供給によって、垂直転送レ
ジスタ４からの信号電荷が第１の水平転送レジスタＨ１
に転送されることになる。

【００３５】また、第１及び第２の水平転送レジスタＨ
１及びＨ２間には、第１の水平転送レジスタＨ１に転送
された信号電荷を選択的に第２の水平転送レジスタＨ２
側に転送する水平−水平転送レジスタＨＨが、各水平転
送レジスタＨ１及びＨ２に沿って水平方向に延長されて
配されている。この水平−水平転送レジスタＨＨには、
水平−水平転送パルスφＨＨＧが供給されるようになっ
ており、この転送パルスφＨＨＧの供給によって、第１
の水平転送レジスタＨ１にある信号電荷が選択的に第２
の水平転送レジスタＨ２に転送されることになる。

【００３６】また、上記第１及び第２の水平転送レジス
タＨ１及びＨ２の各最終段には、それぞれ第１及び第２
の出力部６ａ及び６ｂが接続されている。これら第１及
び第２の出力部６ａ及び６ｂは、各水平転送レジスタＨ
１及びＨ２の最終段から転送されてきた信号電荷を電気
信号（例えば電圧信号）に変換する例えばフローティン
グ・ディフュージョンあるいはフローティング・ゲート
等で構成される電荷−電気信号変換部７と、この電荷−
電気信号変換部７にて電気信号の変換が行われた後の信
号電荷を、リセットパルスＰｒの入力に従ってドレイン
領域Ｄに掃き捨てるリセットゲートＲＧと、電荷−電気
信号変換部７からの電気信号を増幅するアンプ８を有し
て構成されている。なお、ドレイン領域Ｄには電源電圧
Ｖｄｄが印加されている。

【００３７】上記イメージ部３における垂直転送レジス
タ２上、及び上記ストレージ部５における垂直転送レジ
スタ４上には、図示しないが例えば２層の多結晶シリコ
ン層による４枚の垂直転送電極がそれぞれ絶縁膜を介し
て形成されている。即ち、４枚の垂直転送電極を１組と
して、その組が多数、縦方向に順次配列されて形成され
ている。そして、イメージ部３における４枚の垂直転送
電極には、互いに位相の異なる４つの垂直転送パルスφ
ＩＭ１〜φＩＭ４がそれぞれ供給され、ストレージ部５
における４枚の垂直転送電極には、互いに位相の異なる
４つの垂直転送パルスφＳＴ１〜φＳＴ４がそれぞれ供
給されるようになっている。

【００３８】これらイメージ部３における垂直転送パル
スφＩＭ１〜φＩＭ４及びストレージ部５における４つ
の垂直転送パルスφＳＴ１〜φＳＴ４の供給によって、
イメージ部３及びストレージ部５における各垂直転送電
極下のポテンシャル分布が順次変化し、これによって、
信号電荷がそれぞれイメージ部３における垂直転送レジ
スタ２及びストレージ部５における垂直転送レジスタ４
に沿って縦方向（第１の水平レジスタＨ１側）に転送さ
れることになる。

【００３９】特に、イメージ部３においては、受光部１
に蓄積されている信号電荷を垂直帰線期間において、ま
ず、垂直転送レジスタ２に読出し、その後、この垂直帰
線期間内において、上記垂直転送レジスタ２に転送され
た信号電荷を高速にストレージ部５の垂直転送レジスタ
４に転送する。

【００４０】ストレージ部５は、垂直帰線期間において
垂直転送レジスタ４に転送された信号電荷を、その後の
水平帰線期間において１行単位に第１の水平転送レジス
タＨ１側に転送する。これによって、垂直転送レジスタ
４の最終段にあった信号電荷は、２つの垂直−水平転送
レジスタＶＨ１及びＶＨ２を経て、まず、第１の水平転
送レジスタＨ１に転送され、そのうち、例えば偶数列に
関する信号電荷が、水平−水平転送レジスタＨＨを介し
て第２の水平転送レジスタＨ２に転送される。

【００４１】そして、次の水平走査期間において、第１
及び第２の水平転送レジスタＨ１及びＨ２上に形成され
た例えば２層の多結晶シリコン層による水平転送電極へ
の互いに位相の異なる２相の水平転送パルスφＨ１及び
φＨ２の印加によって、信号電荷が順次対応する出力部
６ａ及び６ｂ側の電荷−電気信号変換部７に転送され、
各電荷−電気信号変換部７において電気信号に変換され
て、それぞれアンプ８を介して対応する出力端子９より
撮像信号Ｓ１及びＳ２として取り出されることになる。

【００４２】ここで、このイメージセンサの受光部１周
辺の断面をみると、図２に示すように、例えばｎ形のシ
リコン基板１１にｐ形不純物（例えばボロン（Ｂ））の
導入による第１のｐ形ウェル領域（低濃度）１２と、上
記受光部１を形成するためのｎ形の高濃度不純物拡散領
域１３ａ及びｎ形の低濃度不純物拡散領域１３ｂと、垂
直転送レジスタ２を構成するｎ形の転送チャネル領域１
４並びにｐ形のチャネルストッパ領域（高濃度）１５が
形成され、更に上記ｎ形の高濃度不純物拡散領域１３ａ
の表面にｐ形の正電荷蓄積領域１６が形成され、ｎ形の
転送チャネル領域１４の直下にスミアの低減を目的とし
た第２のｐ形ウェル領域（中濃度）１７がそれぞれ形成
されている。なお、Ｎ形の不純物拡散領域１３と転送チ
ャネル領域１４間の第２のｐ形ウェル領域１７は、読出
しゲート部ＲＧを構成する。

【００４３】また、このイメージセンサは、図示するよ
うに、ｎ形シリコン基板１１の表面に第１のｐ形ウェル
領域１２を形成して、この第１のｐ形ウェル領域１２よ
りも浅い位置に上記受光部１を構成するｎ形の不純物拡
散領域１３ａ及び１３ｂを形成することで、いわゆる電
子シャッタの機能を有するように構成されている。

【００４４】即ち、シリコン基板１１に供給される基板
電位をシャッタパルスに同期して高レベルにすることに
より、第１のＰ形ウェル領域１２におけるポテンシャル
障壁が下がり、受光部１に蓄積された電荷（この場合、
電子）が上記ポテンシャル障壁を越えて縦方向、即ちシ
リコン基板１１側に掃き捨てられることになる。これに
より、シャッタパルスの最終印加時点から電荷読出し時
点までの期間が実質的な露光期間となり、残像等の不都
合を防止することができるようになっている。

【００４５】また、このイメージセンサにおいては、上
記ｎ形の低濃度不純物拡散領域１３ｂと第１のｐ形ウェ
ル領域１２とのｐｎ接合によるフォトダイオード，ｎ形
の高濃度及び低濃度不純物拡散領域１３ａ及び１３ｂと
第２のｐ形ウェル領域１７（読出しゲート部ＲＧ）との
ｐｎ接合によるフォトダイオード，ｎ形の高濃度及び低
濃度不純物拡散領域１３ａ及び１３ｂとチャネル・スト
ッパ領域１５とのｐｎ接合によるフォトダイオード、並
びにｎ形の高濃度不純物拡散領域１３ａとｐ形の正孔蓄
積領域１６とのｐｎ接合によるフォトダイオードによっ
て受光部１（光電変換部）が構成され、この受光部１が
多数個マトリクス状に配列されて撮像領域が形成されて
いる。そして、カラー撮像方式の場合、上記受光部１に
対応して形成される色フィルタ（三原色フィルタや補色
フィルタ）の配色などの関係によって、例えば互いに隣
接する４つの受光部１にて１つの画素を構成するように
なっている。

【００４６】また、転送チャネル領域１４，チャネル・
ストッパ領域１５及び読出しゲート部ＲＧ上に、例えば
ＳｉＯ₂ からなるゲート絶縁膜１８を介して１層目の多
結晶シリコン層及び２層目の多結晶シリコン層による４
つの転送電極が形成され、これ ら転送チャネル領域１
４，ゲート絶縁膜１８及び転送電極によって垂直転送レ
ジ スタ２が構成される。なお、図２の断面図において
は、転送電極として例えば１ 層目の多結晶シリコン層
による転送電極（垂直転送パルスφＩＭ１が印加される
）１９のみを示してある。

【００４７】上記転送電極１９の表面には、熱酸化によ
るシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）２０が形成されてお
り、この転送電極１９を含む全面にはＰＳＧ膜２１が形
成され、更にこのＰＳＧ膜２１上に、下層の転送電極１
９を覆うように遮光用のＡｌ膜２２（Ａｌ遮光膜と記
す）が形成され、このＡｌ遮光膜２２を含む全面にＣＶ
Ｄ法によるＳｉＮ膜２３が形成されている。

【００４８】上記Ａｌ遮光膜２２は、受光部１上におい
て選択的にエッチング除去されており、光は、このエッ
チング除去によって形成された開口２２ａを通じて受光
部１内に入射されるようになっている。

【００４９】なお、図２の断面図においては、簡単のた
め、Ａｌ遮光膜２２上の平坦化膜，色フィルタ及びマイ
クロ集光レンズなどは省略してある。

【００５０】そして、この実施例に係るイメージセンサ
においては、第１のｐ形ウェル領域１２の形成に際し
て、ｐ形の不純物（例えばボロン（Ｂ））をイオン注入
にてｎ形シリコン基板１１内に導入するが、この場合、
イオン注入エネルギを従来の注入エネルギよりも高く
し、注入量を従来よりも少なくする。これにより、基板
１１内に形成される第１のｐ形ウェル領域１２はその形
成位置が従来よりも深い位置となり、そのｐ形濃度は従
来よりも低くなる。

【００５１】また、第２のｐ形ウェル領域１７の形成に
際しても、ｐ形の不純物（例えばボロン（Ｂ））をイオ
ン注入にてｎ形のシリコン基板１１に導入するが、この
場合、イオン注入エネルギを上記第１のｐ形ウェル領域
１２の形成に伴う注入エネルギよりも低くする。これに
より、上記第１のｐ形ウェル領域１２の形成位置よりも
浅い位置に第２のｐ形ウェル領域１７が形成される形と
なり、そのｐ形濃度は、第１のｐ形ウェル領域１２のｐ
形濃度よりも高くなる。

【００５２】ここで具体的に、上記実施例に係るイメー
ジセンサの製造方法を図３〜図５の製造工程図に基づい
て説明する。なお、図２と対応するものについては同符
号を記す。

【００５３】まず、図３Ａに示すように、ｎ形のシリコ
ン基板１１内に、ｐ形の不純物（例えばボロン（Ｂ））
を例えばイオン注入により導入して、シリコン基板１１
内に埋め込み型の第１のｐ形ウェル領域を形成する。こ
の場合、上述したように、イオン注入エネルギを従来の
注入エネルギよりも高くし、注入量を従来よりも少なく
する。

【００５４】次に、図３Ｂに示すように、後に転送チャ
ネル領域となる部分と読出しゲート部となる部分の連続
した領域で、かつ上記ｐ形の不純物が導入された位置よ
りも浅い位置に再びｐ形の不純物（例えばボロン
（Ｂ））を例えばイオン注入により導入して、基板表面
まで達する第２のｐ形ウェル領域１７を形成する。この
場合、イオン注入エネルギを、前工程での注入エネルギ
よりも低くする。この工程にて、第２のｐ形ウェル領域
１７下に第１のｐ形ウェル領域１２が存在するかたちと
なる。

【００５５】次に、図３Ｃに示すように、第２のｐ形ウ
ェル領域１７に、ｐ形の不純物（例えばボロン（Ｂ））
を例えばイオン注入により選択的に導入して、第２のｐ
形ウェル領域１７の表面にｐ形のチャネル・ストッパ領
域１５を形成する。

【００５６】次に、図４Ａに示すように、第２のｐ形ウ
ェル領域１７にｎ形の不純物（例えばリン（Ｐ）や砒素
（Ａｓ）等）を例えばイオン注入により選択的に導入し
て、第２のｐ形ウェル領域１７の表面にｎ形の転送チャ
ネル領域１４を形成する。

【００５７】次に、図４Ｂに示すように、転送チャネル
領域１４上に例えばＳｉＯ₂ 等からなるゲート絶縁膜１
８を介して多結晶シリコン層による転送電極１９を形成
する。その後、熱酸化を施して転送電極１９の表面に薄
い熱酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）２０を形成する。なお、上記
ゲート絶縁膜１８は、上記のようにシリコン基板１１に
対する熱酸化によって形成してもよく、ＣＶＤ法にて被
着形成するようにしてもよい。

【００５８】次に、図５Ａに示すように、転送電極１９
をマスクとして第２のＰ形ウェル領域１７の表面に、ｎ
形の不純物（例えばリン（Ｐ）又は砒素（Ａｓ））をイ
オン注入により選択的に導入して、第２のＰ形ウェル領
域１７の表面にｎ形の低濃度及び高濃度不純物拡散領域
１３ａ及び１３ｂを形成する。その後、再び上記転送電
極１９をマスクとして今度はＰ形の不純物（例えばボロ
ン（Ｂ））をイオン注入により選択的に導入して、ｎ形
の高濃度不純物拡散領域１３ａの表面にｐ形の正孔蓄積
領域１６を形成する。上記不純物のイオン注入において
は、シリコン基板１１の表面に形成されたゲート絶縁膜
１８がイオン注入による照射損傷を吸収するためのバッ
ファ層として機能する。

【００５９】次に、図５Ｂに示すように、全面に層間絶
縁膜であるＰＳＧ膜２１を厚み２００〜４００ｎｍ程
度、例えばＣＶＤ法により堆積する。その後、全面にＡ
ｌ遮光膜２２を形成した後、例えば垂直モードによるＲ
ＩＥ（反応性イオンエッチング）でＡｌ遮光膜２２をパ
ターニングして受光部開口２２ａを形成する。

【００６０】そして、図２に示すように、Ａｌ遮光膜２
２を含む全面に表面保護用のシリコン窒化膜２３を厚み
３００〜５００ｎｍ程度、例えばＣＶＤ法にて成膜す
る。このシリコン窒化膜２３及び下層のＰＳＧ膜２１に
て受光部１上のパッシベーション膜が構成されることに
なる。これ以降の工程は通常のＣＣＤプロセスと同じで
あるため、その説明は省略する。

【００６１】上記製造方法にて本実施例に係るイメージ
センサが作製されることになるが、ここで、従来の構造
と比較すると、本実施例に係るイメージセンサの構造
は、第１のｐ形ウェル領域１２が従来のｐ形ウェル領域
１０２（図７参照）よりもそのｐ形濃度が低く、その形
成位置は、従来の上記ｐ形ウェル領域１０２よりも深い
ところに位置することになる。また、本実施例において
は、ｎ形の転送チャネル領域１４下の領域１７及び読出
しゲート部ＲＧが第１のｐ形ウェル領域１２よりもｐ形
濃度が高いとされた第２のｐ形ウェル領域１７にて構成
されている。

【００６２】このようなことから、受光部１、読出しゲ
ートＲＧ及び垂直転送レジスタ２の蓄積期間における各
深さ方向のポテンシャル分布は、従来の場合と異なり、
図６に示すような分布となっている。

【００６３】本実施例のポテンシャル分布について具体
的に説明すると、受光部１の深さ方向については、図２
のＡ−Ａ’断面線に対応する曲線（Ａ−Ａ’）で示すよ
うに、基板表面、即ちｐ形の正孔蓄積領域１６の表面を
最下限とし、該正孔蓄積領域１６下に形成されているｎ
形の高濃度不純物拡散領域１３ａの有効深さ方向におけ
るほぼ中心よりも深い位置（ｎ形の低濃度不純物拡散領
域１３ｂ寄りの位置）を極大値とし、第１のｐ形のウェ
ル領域１２の有効深さ方向におけるほぼ中心を極小値と
し、更にｎ形シリコン基板１１の深さ方向にポテンシャ
ルが直線的に上昇する分布を有する。そして、上記極小
値に対応する部分が蓄積電荷ｅに対するオーバーフロー
バリアＯＢを構成することになる。

【００６４】次に、垂直転送レジスタ２の深さ方向のポ
テンシャル分布については、図２のＣ−Ｃ’断面線に対
応する曲線（Ｃ−Ｃ’）で示すように、ｎ形の転送チャ
ネル領域１４の有効深さ方向のほぼ中心を極大値とし、
第１のｐ形ウェル領域１２の有効深さ方向における中心
よりも浅い位置（第２のｐ形ウェル領域１７寄りの位
置）を極小値とし、更にｎ形シリコン基板１１の深さ方
向にポテンシャルが直線的に上昇する分布を有する。そ
して、上記極小値に対応する部分が転送電荷に対するポ
テンシャル障壁Ｂｃを構成することになる。この垂直転
送レジスタ２の深さ方向のポテンシャル分布について
は、従来の場合とほぼ同じとされている。

【００６５】次に、読出しゲート部ＲＧの深さ方向のポ
テンシャル分布については、図２のＢ−Ｂ’断面線に対
応する曲線（Ｂ−Ｂ’）で示すように、基板表面を最下
限とし、深さ方向に直線的に徐々にポテンシャルが上昇
し、第１のｐ形ウェル領域１２の有効深さ方向の中心よ
りも浅い位置（第２のｐ形ウェル領域１７寄りの位置）
で、かつ上記垂直転送レジスタ２におけるポテンシャル
障壁Ｂｃの頂点部分よりも深い位置を変化点として、そ
れ以降、急峻にポテンシャルが上昇する分布を有する。

【００６６】ここで、受光部１に蓄積された信号電荷ｅ
に対する深さ方向のオーバーフローバリアＯＢの頂点部
分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶａ及びＸａと
し、垂直転送レジスタ２におけるポテンシャル障壁の頂
点部分のポテンシャル及び深さをそれぞれＶｂ及びＸ
ｂ、上記読出しゲート部ＲＧにおけるポテンシャル分布
曲線の変化点のポテンシャル及び深さをそれぞれＶｃ及
びＸｃとしたとき、以下の大小関係を有する。

【００６７】(1) Ｘａ＜Ｘｃ＜Ｘｂ (2) Ｖｃ＞Ｖａ，Ｖｃ＞Ｖｂ

【００６８】即ち、受光部１におけるオーバーフローバ
リアＯＢの頂点部分が垂直転送レジスタ２におけるポテ
ンシャル障壁の頂点部分よりも深い位置に存在し、読出
しゲート部ＲＧの変化点がこれら頂点部分の間に存在し
ていることになる。しかも、上記読出しゲート部ＲＧの
変化点におけるポテンシャルＶｃが、上記垂直転送レジ
スタ２におけるポテンシャル障壁の頂点部分のポテンシ
ャルＶｂよりも大きいものとなっている。

【００６９】このような構成から、読出しゲート部ＲＧ
のポテンシャル分布曲線のうち、大光量時に上記受光部
１に蓄積される信号電荷ｅが読出しゲート部ＲＧを越え
て流れ始めるポテンシャルＶｐに対応する点（交点Ｐ）
が、垂直転送レジスタ２のポテンシャル障壁の頂点部分
の位置Ｘｂよりも深い位置に存在することになる。

【００７０】そのため、大光量の光の入射時において、
受光部１にて光電変換される信号電荷ｅのうち、Ｐ点を
越える信号電荷ｅは垂直転送レジスタ２における転送チ
ャネル領域１４には流れ込まず、すべて基板１１側に流
れ込むことになる。

【００７１】その結果、大光量の光が入射した場合に、
受光部１に蓄積される信号電荷ｅが急激に増加すること
になるが、信号電荷ｅが急激に増えても、この増加した
信号電荷ｅが読出しゲート部ＲＧを越えて転送チャネル
領域１４に流れ込んでしまうということを抑制すること
ができ、再生画像でのブルーミング現象を有効に防止す
ることが可能となる。

【００７２】また、受光部１のオーバーフローバリアＯ
Ｂが垂直転送レジスタ２のポテンシャル障壁よりも深い
位置に形成されることから、基板内部で発生した信号電
荷を捕らえることが可能となり、赤外線などの長波長光
に対する感度が向上する。即ち、長波長領域の分光特性
が改善されることになる。

【００７３】上記実施例に係るイメージセンサにおいて
は、フレーム・インターライン転送（ＦＩＴ）方式のイ
メージセンサに適用した例を示したが、その他、インタ
ーライン転送（ＩＴ）方式のイメージセンサにも適用さ
せることができる。この場合、図１で示すストレージ部
５を省略して構成すればよい。その他、多数の受光部１
が一次元的に配列され、これら受光部列とＣＣＤにて構
成された転送レジスタとの間に読出しゲートが配された
いわゆるラインセンサーにも適用させることができる。

【００７４】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る固体撮像素
子によれば、蓄積期間に被写体からの入射光をその光量
に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部と、電荷転
送期間に上記信号電荷を出力側に転送する電荷転送部
と、読出し期間に上記受光部に蓄積されている上記信号
電荷を上記電荷転送部に転送する読出しゲート部とを有
する固体撮像素子において、大光量時に上記受光部に蓄
積される信号電荷が上記読出しゲート部を越えて流れ始
めるポテンシャルをＶｐとし、上記読出しゲート部にお
けるポテンシャル分布曲線と上記ポテンシャルＶｐとの
交点における深さをＸｐとし、上記電荷転送部における
ポテンシャル障壁の頂点部分のポテンシャル及び深さを
それぞれＶｔ及びＸｔとしたとき、(1) Ｘｐ＞Ｘｔ，
(2) Ｖｐ＞Ｖｔの条件を満足するようにしたので、大光
量の光が入射した場合に、受光部に蓄積される信号電荷
が急激に増加することになるが、信号電荷が急激に増え
ても、この増加した信号電荷が読出しゲートを越えて電
荷転送部に流れ込んでしまうということを抑制すること
ができ、再生画像でのブルーミング現象を有効に防止す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子を例えばフレーム・
インターライン転送（ＦＩＴ）方式のＣＣＤイメージセ
ンサに適用した実施例（以下、実施例に係るイメージセ
ンサと記す）の構成図である。

【図２】本実施例に係るイメージセンサの受光部とその
周辺部分の構成を示す断面図である。

【図３】本実施例に係るイメージセンサの製造方法を受
光部とその周辺部分を主体にして示す製造工程図（その
１）である。

【図４】本実施例に係るイメージセンサの製造方法を受
光部とその周辺部分を主体にして示す製造工程図（その
２）である。

【図５】本実施例に係るイメージセンサの製造方法を受
光部とその周辺部分を主体にして示す製造工程図（その
３）である。

【図６】本実施例に係るイメージセンサの受光部、読出
しゲート部及び垂直転送レジスタにおける深さ方向のポ
テンシャル分布を示す特性図である。

【図７】従来例に係るイメージセンサの受光部とその周
辺部分の構成を示す断面図である。

【図８】従来例に係るイメージセンサの受光部、読出し
ゲート部及び垂直転送レジスタにおける深さ方向のポテ
ンシャル分布を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 受光部 ２ 垂直転送レジスタ １１ ｎ形のシリコン基板 １２ 第１のｐ形ウェル領域 １３ａ及び１３ｂ ｎ形の高濃度及び低濃度不純物拡散
領域 １４ ｎ形の転送チャネル領域 １５ ｐ形のチャネル・ストッパ領域 １６ ｐ形の正孔蓄積領域 １７ 第２のｐ形ウェル領域 ＲＧ 読出しゲート部 １８ ゲート絶縁膜 １９ 転送電極 ２０ 熱酸化膜 ２１ ＰＳＧ膜 ２２ Ａｌ遮光膜 ２３ ＳｉＮ膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄積期間に被写体からの入射光をその光
   量に応じた量の信号電荷に光電変換する受光部と、電荷
   転送期間に上記信号電荷を出力側に転送する電荷転送部
   と、読出し期間に上記受光部に蓄積されている上記信号
   電荷を上記電荷転送部に転送する読出しゲート部とを有
   する固体撮像素子において、 大光量時に上記受光部に蓄積される信号電荷が上記読出
   しゲート部を越えて流れ始めるポテンシャルをＶｐ、 上記読出しゲート部におけるポテンシャル分布曲線と上
   記ポテンシャルＶｐとの交点における深さをＸｐ、 上記電荷転送部におけるポテンシャル障壁の頂点部分の
   ポテンシャル及び深さをそれぞれＶｔ及びＸｔとしたと
   き、上記以下の条件を満足することを特徴とする固体撮
   像素子。 (1) Ｘｐ＞Ｘｔ (2) Ｖｐ＞Ｖｔ
2. 【請求項２】 上記電荷転送部のポテンシャル障壁及び
   上記読出しゲート部における上記交点は、第１導電形の
   半導体基板に連続形成された第２導電形の不純物拡散領
   域の存在により形成されていることを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 上記受光部は、少なくとも上記第２導電
   形の不純物拡散領域と該不純物拡散領域から表面側に形
   成された第１導電形の不純物拡散領域とのｐｎ接合を有
   して構成され、 上記読出しゲート部は、上記第２導電形の不純物拡散領
   域から表面側に連続形成された別の第２導電形の不純物
   拡散領域にて構成され、 上記電荷転送部は、上記第２導電形の不純物拡散領域か
   ら表面に上記連続形成された上記別の第２導電形の不純
   物拡散領域を介してその表面側に形成された第１導電形
   の不純物拡散領域を有して構成されていることを特徴と
   する請求項１又は２記載の固体撮像素子。