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技術 固体撮像装置

出願人 株式会社東芝
発明者 冨田健
出願日 2013年7月25日 (7年7ヶ月経過) 出願番号 2013-154541
公開日 2015年2月5日 (6年0ヶ月経過) 公開番号 2015-026677
状態 拒絶査定
技術分野 光信号から電気信号への変換 固体撮像素子
主要キーワード 段部領域 中央領 電位ポテンシャル 各固体撮像装置 セルタイプ 残像特性 読み出し電極 電圧マージン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (18)

課題

転送ゲート部に印加する電圧電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

解決手段

実施形態に係る固体撮像装置10は、画素部11b(11c)、電荷蓄積部12b(12c)、画素部11b(11c)と電荷蓄積部12b(12c)との間に設けられた第1の転送ゲート部13、電荷検出部16、および電荷蓄積部12b(12c)と電荷検出部16との間に設けられた第2の転送ゲート部15、を具備する。電荷蓄積部12b(12c)は、画素部11b(11c)において発生した電荷蓄積する。この電荷蓄積部12b(12c)は、第2の転送ゲート部15に接するように平面状に設けられた第1の電荷蓄積層21と、第1の電荷蓄積層21の表面に、第2の転送ゲート部15から離間するように設けられ、一部に開口部を有するリング状の第2の電荷蓄積層22と、によって構成される。

概要

背景

従来の固体撮像装置として、解像度切替えを可能にするために、各画素部とオフセットゲート部との間にそれぞれ電荷蓄積部が設けられた固体撮像装置が知られている。

この固体撮像装置において、電荷蓄積部は、画素部において発生した電荷を一時的に蓄積する領域であり、半導体基板表面のP型ウェル層の表面に設けられたN型電荷蓄積層を有する。電荷蓄積層は、ウェル層の表面に、広範囲にわたって不純物注入することにより設けられる。

しかし、上記のように電荷蓄積層が広い面積を有する場合、電荷蓄積部の中央付近に、電荷蓄積部の電位ポテンシャルの最深部が設けられる。電荷蓄積部に蓄積される電荷は、電荷蓄積部とオフセットゲート部との間の転送ゲート部に電圧印加することにより、オフセットゲート部に転送されるが、電荷蓄積部の中央付近に電位ポテンシャルの最深部が形成されると、電荷は、電荷蓄積部の中央付近に蓄積されやすくなる。このように、転送ゲート部から離れた場所に電荷が蓄積されるため、電荷を転送するために転送ゲート部に印加する電圧が大きくなる。その結果、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンが小さく、低電圧での読み出しが困難である、という問題がある。

概要

転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。実施形態に係る固体撮像装置10は、画素部11b(11c)、電荷蓄積部12b(12c)、画素部11b(11c)と電荷蓄積部12b(12c)との間に設けられた第1の転送ゲート部13、電荷検出部16、および電荷蓄積部12b(12c)と電荷検出部16との間に設けられた第2の転送ゲート部15、を具備する。電荷蓄積部12b(12c)は、画素部11b(11c)において発生した電荷を蓄積する。この電荷蓄積部12b(12c)は、第2の転送ゲート部15に接するように平面状に設けられた第1の電荷蓄積層21と、第1の電荷蓄積層21の表面に、第2の転送ゲート部15から離間するように設けられ、一部に開口部を有するリング状の第2の電荷蓄積層22と、によって構成される。

目的

特開2005−50951号公報






実施形態は、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光受光量に応じて電荷を発生する第1の受光層、を有する画素部と、前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第1の電荷蓄積層、を有する電荷蓄積部と、前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する第1の転送ゲート部と、前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する第2の転送ゲート部と、この第2の転送ゲート部と前記電荷検出部との間に設けられ、所定の定電圧印加されるオフセットゲート部と、を具備し、前記電荷蓄積部は、前記オフセットゲート部に前記第2の転送ゲート部を介して接続されており、前記電荷蓄積部の前記第1の電荷蓄積層の表面には、開口部を有するリング状の第2の電荷蓄積層が、前記第2の転送ゲート部に接するように設けられていることを特徴とする固体撮像装置

請求項2

半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第1の受光層、を有する画素部と、前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第1の電荷蓄積層、を有する電荷蓄積部と、前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する第1の転送ゲート部と、前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する第2の転送ゲート部と、を具備し、前記画素部の前記第1の受光層または前記電荷蓄積部の前記第1の電荷蓄積層のうち、少なくとも一方の表面には、開口部を有するリング状の不純物層が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。

請求項3

前記リング状の不純物層は、第2の電荷蓄積層であって、この第2の電荷蓄積層は、前記第1の電荷蓄積層の表面に、前記第2の転送ゲート部に接するように設けられたことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。

請求項4

前記第2の転送ゲート部と前記電荷検出部との間に、所定の定電圧が印加されるオフセットゲート部をさらに具備し、前記電荷蓄積部は、前記オフセットゲート部に前記第2の転送ゲート部を介して接続されることを特徴とする請求項2または3に記載の固体撮像装置。

請求項5

半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光の受光量に応じて電荷を発生する第1の受光層を有する画素部と、前記画素部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる電荷検出部と、前記画素部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する転送ゲート部と、を具備し、前記画素部は、前記第1の受光層の表面に、前記転送ゲート部に接するように設けられた、開口部を有するリング状の第2の受光層を有することを特徴とする固体撮像装置。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

背景技術

0002

従来の固体撮像装置として、解像度切替えを可能にするために、各画素部とオフセットゲート部との間にそれぞれ電荷蓄積部が設けられた固体撮像装置が知られている。

0003

この固体撮像装置において、電荷蓄積部は、画素部において発生した電荷を一時的に蓄積する領域であり、半導体基板表面のP型ウェル層の表面に設けられたN型電荷蓄積層を有する。電荷蓄積層は、ウェル層の表面に、広範囲にわたって不純物注入することにより設けられる。

0004

しかし、上記のように電荷蓄積層が広い面積を有する場合、電荷蓄積部の中央付近に、電荷蓄積部の電位ポテンシャルの最深部が設けられる。電荷蓄積部に蓄積される電荷は、電荷蓄積部とオフセットゲート部との間の転送ゲート部に電圧印加することにより、オフセットゲート部に転送されるが、電荷蓄積部の中央付近に電位ポテンシャルの最深部が形成されると、電荷は、電荷蓄積部の中央付近に蓄積されやすくなる。このように、転送ゲート部から離れた場所に電荷が蓄積されるため、電荷を転送するために転送ゲート部に印加する電圧が大きくなる。その結果、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンが小さく、低電圧での読み出しが困難である、という問題がある。

先行技術

0005

特開2005−50951号公報

発明が解決しようとする課題

0006

実施形態は、転送ゲート部に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

実施形態に係る固体撮像装置は、画素部、電荷蓄積部、第1の転送ゲート部、電荷検出部、および第2の転送ゲート部、を具備する。前記画素部は、半導体基板の表面に平面状に設けられた、入射光受光量に応じて電荷を発生する第1の受光層、を有する。前記電荷蓄積部は、前記半導体基板の表面に平面状に設けられた、前記画素部において発生した前記電荷を蓄積する第1の電荷蓄積層、を有する。前記第1の転送ゲート部は、前記画素部から前記電荷を読み出し、前記電荷蓄積部に転送する。前記電荷検出部は、前記電荷蓄積部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる。前記第2の転送ゲート部は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する。前記画素部の前記第1の受光層または前記電荷蓄積部の前記第1の電荷蓄積層のうち、少なくとも一方の表面には、開口部を有するリング状の不純物層が設けられている。

0008

また、実施形態に係る固体撮像装置は、画素部、電荷検出部、および転送ゲート部、を具備する。前記画素部は、第1の受光層および第2の受光層を有する。前記第1の受光層は、半導体基板の表面に平面状に設けられており、入射光の受光量に応じて電荷を発生する。前記第2の受光層は、前記第1の受光層の表面に、前記転送ゲート部に接するように設けられており、開口部を有するリング形状の不純物層である。前記電荷検出部は、前記画素部において蓄積された前記電荷が転送され、転送された前記電荷の電荷量に応じた電圧降下を発生させる。前記転送ゲート部は、前記画素部に蓄積された前記電荷を読み出し、前記電荷検出部に転送する。

図面の簡単な説明

0009

第1の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。
図1の一点鎖線A−A´に沿った固体撮像装置の断面図である。
第2の電荷蓄積部およびその周辺を模式的に示す平面図である。
第1の電荷蓄積部およびその周辺を模式的に示す平面図である。
図4の一点鎖線B−B´に沿った第1の電荷蓄積部およびその周辺の断面図である。
第1の実施形態に係る固体撮像装置に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、図2に示す固体撮像装置の断面図、同図(b)は、同図(a)に示す断面における電位ポテンシャルを示す図である。
第1の実施形態に係る固体撮像装置の第2の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、図3に示す第2の電荷蓄積部の平面図、同図(b)は、図7(a)の一点鎖線C−C´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図(c)は、図7(a)の一点鎖線D−D´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図(d)は、図7(d)の一点鎖線E−E´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。
従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部の平面図、同図(b)は、図8(a)の一点鎖線c−c´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図(c)は、図8(a)の一点鎖線d−d´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図(d)は、図8(d)の一点鎖線e−e´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。
第1の実施形態に係る固体撮像装置の第1の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、第1の電荷蓄積部の平面図、同図(b)は、図9(a)の一点鎖線F−F´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、同図(c)は、図9(a)の一点鎖線G−G´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。
第2の実施形態に係る固体撮像装置の図2に対応する断面図である。
第2の画素部およびその周辺を模式的に示す平面図である。
第3の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。
図12の一点鎖線H−H´に沿った固体撮像装置の断面図である。
画素部およびその周辺を模式的に示す平面図である。
第1の実施形態に係る固体撮像装置を適用したラインセンサを示す斜視図である。
図15に示すラインセンサに適用される一つの固体撮像装置の回路ブロック図である。
第2、第3の電荷蓄積部に設けられる第2の電荷蓄積層の変形例を示す平面図である。

実施例

0010

以下に、実施形態に係る固体撮像装置について説明する。

0011

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10の要部を模式的に示す平面図である。なお、本実施形態の固体撮像装置10は、4画素を1セルとする複数のセルが一列に配列されたものであるが、実施形態は4画素1セルタイプの固体撮像装置に限定されず、1セル中に含まれる画素数は、4画素以上、例えば8画素であってもよい。

0012

図1に示す固体撮像装置10において、4個の画素部(PD)11a、11b、11c、11dは、一列に配列されている。以下の説明において、4個の画素部11a、11b、11c、11dを、図面左側から順に、第1の画素部11a、第2の画素部11b、第3の画素部11c、第4の画素部11d、と称する。また、画素部11a、11b、11c、11dの列に対して平行な方向をX方向、X方向に対して垂直な方向をY方向と称し、第1の画素部11aから第2の画素部11dに向かう方向をX(+)方向と称する。そして、X方向に対して垂直な方向をY方向と称し、各画素部11a、11b、11c、11dから離れる方向をY(+)方向と称する。すなわち、4個の画素部11a、11b、11c、11dは、X(+)方向に向かってこの順で、X方向に沿って配列されている。なお、それぞれの画素部11a、11b、11c、11dは、各画素部11a、11b、11c、11dの長手方向がX方向に向くように設けられているとする。

0013

各画素部11a、11b、11c、11dはそれぞれ、この領域に照射される光(入射光)を受光し、受光量に応じた量の電荷を発生させる。

0014

なお、実際の各画素部11a、11b、11c、11dはそれぞれ、X方向を長手方向とする多角形状であるが、X方向を長手方向とする長方形近似した多角形状である。従って、上述の図1および以下に説明する各図において、各画素部11a、11b、11c、11dは長方形状であるものとして示している。そして、以下、各画素部11a、11b、11c、11dは長方形状であるものとして説明する。

0015

第1の画素部11aに対してY(+)方向に離間した位置には、第1の電荷蓄積部(ST)12aが設けられている。同様に、第2の画素部11bに対してY(+)方向に離間した位置には、第2の電荷蓄積部(ST)12bが設けられており、第3の画素部11cに対してY(+)方向に離間した位置には、第3の電荷蓄積部(ST)12cが設けられており、第4の画素部11dに対してY(+)方向に離間した位置には、第4の電荷蓄積部(ST)12dが設けられている。これらの電荷蓄積部12a、12b、12c、12dは、X(+)方向に向かってこの順で、画素部11a、11b、11c、11dの配列方向(X方向)に沿って一列に設けられている。

0016

各電荷蓄積部12a、12b、12c、12はそれぞれ、対応する画素部11a、11b、11c、11dにおいて発生した電荷が転送され、転送された電荷を一時的に蓄積する。このような領域を設けることにより、解像度の切替えが可能となる。

0017

互いに対応する画素部11a、11b、11c、11dと電荷蓄積部12a、12b、12c、12dとの間にはそれぞれ、第1の転送ゲート部(PDSH)13a、13b、13c、13dが設けられている。

0018

第1の転送ゲート部13a、13b、13c、13dはそれぞれ、画素部11a、11b、11c、11dにおいて発生した電荷を読み出し、各画素部11a、11b、11c、11dに対応する電荷蓄積部12a、12b、12c、12dに転送する。

0019

第2の電荷蓄積部12bおよび第3の電荷蓄積部12cに対してY(+)方向に離間した位置には、X方向を長手方向とする形状のオフセットゲート部(OG)14が設けられているとする。

0020

オフセットゲート部14には、所定の定電圧V0(例えばV0=0V)が印加されている。このように定電圧が印加されることにより、オフセットゲート部14は、後述する電荷検出部16における信号電圧の読み出し精度を向上させる。電荷検出部16における信号電圧の読み出し精度が許容範囲内であれば、オフセットゲート部14は、設けられなくてもよい。

0021

なお、実際のオフセットゲート部14は、X方向を長手方向とする多角形状であるが、長方形に近似した多角形状である。従って、上述の図1および以下に説明する各図において、オフセットゲート部14は長方形状であるものとして示している。そして、以下、オフセットゲート部14は長方形状であるものとして説明する。

0022

オフセットゲート部14の形状を構成する一方の長辺と第2の電荷蓄積部12bおよび第3の電荷蓄積部12cとの間にはそれぞれ、第2の転送ゲート部(SH)15b、15cが設けられている。また、オフセットゲート部14の形状を構成する一方の短辺と第1の電荷蓄積部12aとの間には、第2の転送ゲート部(SH)15aが設けられており、オフセットゲート部14の一方の短辺に対向する他方の短辺と第4の電荷蓄積部12dとの間には、第2の転送ゲート部(SH)15dが設けられている。

0023

すなわち、第2の電荷蓄積部12bおよび第3の電荷蓄積部12cは、オフセットゲート部14の長辺に、第2の転送ゲート部15b、15cを介して接続されており、第1の電荷蓄積部12aおよび第3の電荷蓄積部12aは、オフセットゲート部14の短辺に、第2の転送ゲート部15a、15dを介して接続されている。

0024

第2の転送ゲート部15a、15b、15c、15dはそれぞれ、電荷蓄積部12a、12b、12c、12dに蓄積された電荷を読み出し、オフセットゲート部14を介して後述する電荷検出部16に転送する。

0025

オフセットゲート部14の一方の長辺に対向する他方の長辺に隣接する位置には、フローティングジャンクションである電荷検出部(FJ)16が設けられている。

0026

電荷検出部16は、この領域に転送された電荷の電荷量に応じて電圧降下を発生させ、発生した電圧降下分を信号電圧として読み出す領域である。

0027

図2は、図1の一点鎖線A−A´に沿った固体撮像装置10の断面図である。なお、図2においては、本実施形態に係る固体撮像装置10の断面図の一例として、第2の画素部11bおよび第2の電荷蓄積部12bを通る断面を示している。

0028

図2に示すように、第2の画素部(PD)11b、第1の転送ゲート部(PDSH)13b、第2の電荷蓄積部(ST)12b、第2の転送ゲート部(SH)15b、オフセットゲート部(OG)14、電荷検出部(FJ)16、はそれぞれ、例えばN型の半導体基板17に設けられたP型のウェル層18に設けられている。

0029

第2の画素部11bにおいて、ウェル層18の表面には、第1の転送ゲート部13bに接するように、受光層19が設けられている。受光層19は、例えばN+型の不純物層である。

0030

この受光層19の表面には、受光層19をシールドするシールド層20が設けられている。シールド層20は、例えばP+型の不純物層である。

0031

なお、図示は省略するが、第2の画素部11bにおいて、受光層19の一部には、例えばN++型の不純物層である平面状の第2の受光層を、第1の転送ゲート部13bから離間するように設けてもよい。

0032

次に、第2の電荷蓄積部12bにおいて、ウェル層18の表面には、第2の転送ゲート部15に接するように、平面状に第1の電荷蓄積層21が設けられている。また、第1の電荷蓄積層21の表面の一部には、第2の転送ゲート部15と離間するように、第2の電荷蓄積層22が設けられている。第1の電荷蓄積層21は、例えばN+型の受光層19より高濃度のN+型の不純物層であり、第2の電荷蓄積層22は、例えば第1の電荷蓄積層21より高濃度のN++型の不純物層である。

0033

この第2の電荷蓄積層22の表面には、一部が第1の電荷蓄積層21にはみ出すように、シールド層23が設けられている。シールド層23は、少なくとも第2の電荷蓄積層22をシールドする不純物層であって、例えばP+型の不純物層である。このシールド層23および上述の第2の画素部11bのシールド層20は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

0034

なお、シールド層20、23の濃度を調整(下げる)ことで、第2の画素部11b、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルを調整(上げる)ことも可能である。

0035

ここで、第2の電荷蓄積部12bの第2の電荷蓄積層22について、さらに詳細に説明する。図3は、第2の電荷蓄積部12bおよびその周辺を模式的に示す平面図である。なお、図3において、後述する第1の転送電極25および第2の転送電極29は、点線で示している。また、シールド層23は省略している。

0036

図3に示すように、第2の電荷蓄積部12bの第2の電荷蓄積層22は、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第2の電荷蓄積層22の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば3:1程度である。

0037

この第2の電荷蓄積層22は、例えば、第1の電荷蓄積層21を設けた後に、例えばリング状のN型の不純物層を、第1の電荷蓄積層21の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図2および図3に示すように、リング状の第2の電荷蓄積層22が設けられるとともに、第2の電荷蓄積層22の開口部からは、第1の電荷蓄積層21が露出する。

0038

このように、第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、この層22を含む第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部の位置は、第2の転送ゲート部15bに近付くが、詳細については後述する。

0039

図2を参照する。第1の転送ゲート部13bにおいて、ウェル層18の表面には、第1の転送用不純物層24が設けられている。第1の転送用不純物層24は、ウェル層18の表面において、受光層19から離間し、かつ第2の電荷蓄積層22に接するように設けられている。第1の転送用不純物層24は、例えば第1の電荷蓄積層21より低濃度のN型の不純物層である。この第1の転送用不純物層24は、第1の転送ゲート部13において、電荷を良好に転送させるための不純物層である。従って、第1の転送ゲート部13bにおける電荷の転送効率が許容範囲内であるならば、第1の転送用不純物層24は設けられなくてもよい。

0040

なお、第1の転送用不純物層24は、第2の電荷蓄積層22を設ける際に、N型の不純物層の一部を、第1の転送ゲート部13bにはみ出すように設けることにより、第2の電荷蓄積層22と一括して設けることができる。

0041

この第1の転送用不純物層24の表面上を含むウェル層18の表面上には、第1の転送電極25が設けられている。第1の転送電極25は、この電極25に所定の電圧V1を印加することにより、第1の転送電極25の直下の電位ポテンシャルの深さを制御する。

0042

次に、オフセットゲート部14において、ウェル層18の表面には、オフセットゲート層26が設けられている。オフセットゲート層26は、例えばN+型の不純物層であって、オフセットゲート部14および電荷検出部16を含む広範囲に設けられている。

0043

このオフセットゲート層26の表面上の一部には、オフセットゲート電極27が設けられている。オフセットゲート電極27には、オフセットゲート部14の電位ポテンシャルが、少なくとも第2の電荷蓄積部12bより深いポテンシャルにおいて固定されるように、所定の定電圧V0(例えばV0=0V)が印加されている。このように定電圧を印加しておくことにより、第2の転送ゲート部15の電位ポテンシャルの変動による電荷検出部16の電位ポテンシャルの変動が抑制され、電荷検出部16による信号電圧の読み出し精度が向上する。

0044

第2の転送ゲート部15bにおいて、ウェル層18の表面には、第2の転送用不純物層28が設けられている。第2の転送用不純物層28は、ウェル層18の表面において、第1の電荷蓄積層21から離間し、かつオフセットゲート層26に接するように設けられている。第2の転送用不純物層28は、例えば第1の転送用不純物層24と同程度の不純物濃度のN型の不純物層である。この第2の転送用不純物層28は、第1の転送用不純物層24と同様に、第2の転送ゲート部15bにおいて、電荷を良好に転送させるための不純物層である。従って、第1の転送ゲート部13bと同様に、第2の転送ゲート部15bにおいても、電荷の転送効率が許容範囲内であるならば、第2の転送用不純物層28は設けられなくてもよい。

0045

この第2の転送用不純物層28の表面上を含むウェル層18の表面上には、第2の転送電極29が設けられている。第2の転送電極29は、この電極29に所定の電圧V2を印加することにより、第2の転送電極29の直下の電位ポテンシャルの深さを制御する。

0046

次に、電荷検出部16において、電荷検出部16に設けられたオフセットゲート層26の表面には、電荷検出層30が設けられている。電荷検出層30は、例えばオフセットゲート層26より高濃度のN++型の不純物層である。また、この電荷検出層30の表面上の一部には、電荷検出層30に発生する電圧を信号電圧として読み出すための読み出し電極31が設けられている。電荷検出層30に電荷が蓄積されると、電荷検出部16の電位は、電荷の蓄積量に応じた所定電圧降下が発生するが、この電圧降下分が信号電圧として読み出し電極31によって読み出される。

0047

以上に、本実施形態に係る固体撮像装置10の断面構造について説明したが、第3の画素部11cおよび第3の電荷蓄積部12cを通る断面構造も、図2および図3に示す構造と同様である。

0048

また、第1の画素部11aおよび第1の電荷蓄積部12aを通る断面構造、第4の画素部11dおよび第4の電荷蓄積部12dを通る断面構造も、各電荷蓄積部12a、12dの第2の電荷蓄積層22´がリング状に設けられていない点を除いて、図2に示す構造と同様である。

0049

図4は、第1の電荷蓄積部12aおよびその周辺を模式的に示す平面図である。また、図5は、図4の一点鎖線B−B´に沿った第1の電荷蓄積部12aおよびその周辺の断面図である。なお、図4において、第1の転送電極25および第2の転送電極29は、点線で示している。また、シールド層23は省略している。

0050

図4および図5に示すように、第1の電荷蓄積部12aの第1の電荷蓄積層21は、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって斜めに設けられていると同時に、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって、幅が広くなるように設けられている。

0051

そして、第2の電荷蓄積層22´は、平面状であって、第1の電荷蓄積層21と同様に、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって斜めに設けられている。さらに、第2の電荷蓄積層22´は、第1の電荷蓄積層21と同様に、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって、幅が広くなるように設けられている。なお、第2の電荷蓄積層22´が第2の転送ゲート部15aと離間するように設けられている点においては、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22と同様である。このように、第1の電荷蓄積部12aにおいて、第2の電荷蓄積層22´は、リング状には設けられておらず、平面状に設けられている。この理由については後述する。

0052

なお、第4の電荷蓄積部12dの構造は、図4に示す構造を左右反転させた形状であり、その断面構造は図5に示す構造と同様であるため、詳細な説明は省略する。

0053

次に、上述のように設けられた固体撮像装置10の図2に示す断面における電位ポテンシャルについて説明する。図6は、固体撮像装置10に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、図2に示す固体撮像装置10の断面図、同図(b)は、同図(a)に示す断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図6(b)において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

0054

図6(a)に示すように、第2の画素部11bには受光層19が設けられており、第2の電荷蓄積部12bには第1の電荷蓄積層21および第2の電荷蓄積層22が設けられている。そして、受光層19と第1の電荷蓄積層21および第2の電荷蓄積層22とは、互いに離間している。また、図6(b)に示すように、第2の画素部11bおよび第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルは、これらの間の第1の転送ゲート部13bの電位ポテンシャルより深くしている。

0055

第2の電荷蓄積部12bにおいて、第1の電荷蓄積層21および第2の電荷蓄積層22は、第2の画素部11bの受光層19より高濃度に設けられている。従って、図6(b)に示すように、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルは、第2の画素部11bの電位ポテンシャルより深くなる。

0056

さらに、第2の電荷蓄積部12bにおいて、第1の電荷蓄積層21より高濃度の第2の電荷蓄積層22は、第1の電荷蓄積層21の表面において、第2の転送ゲート部15から離間するように設けられている。従って、図6(b)に示すように、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルは、第1の転送ゲート部13bから第2の転送ゲート部15bに向かって深くなる。

0057

なお、第1の転送ゲート部13bには、第1の転送用不純物層24が設けられている。この不純物層24を設けることにより、図6(b)に示すように、第1の転送ゲート部13bの電位ポテンシャルは、第2の画素部11bから第2の電荷蓄積部12bに向かって階段状に深くなる。このような電位ポテンシャルにより、第1の転送ゲート部13bにおける電荷転送を良好にしている。

0058

また、図6(a)に示すように、第2の電荷蓄積部12bには第1の電荷蓄積層21および第2の電荷蓄積層22が設けられており、オフセットゲート部14および電荷検出部16にはオフセットゲート層26が設けられている。そして、第1の電荷蓄積層21とオフセットゲート層26とは、互いに離間している。また、第2の電荷蓄積部12bおよびオフセットゲート部14の電位ポテンシャルは、これらの間の第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルより深くしている。

0059

オフセットゲート部14において、オフセットゲート層26の表面上の一部にはオフセットゲート電極27が設けられており、この電極27には、オフセットゲート部14の電位ポテンシャルが第2の電荷蓄積部12bより深い位置において固定されるように、所定の定電圧V0(例えばV0=0V)が印加されている。図6(b)に示すように、オフセットゲート部14の電位ポテンシャルは、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルより深くなっている。

0060

なお、第2の転送ゲート部15bには、第2の転送用不純物層28が設けられている。この不純物層28を設けることにより、図6(b)に示すように、第2の転送ゲート部15の電位ポテンシャルは、第2の電荷蓄積部12bからオフセットゲート部14に向かって階段状に深くなる。このような電位ポテンシャルにより、第2の転送ゲート部15における電荷転送を良好にしている。

0061

また、電荷検出部16において、オフセットゲート層26の表面には、オフセットゲート層26より高濃度の電荷検出層30が設けられている。従って、電荷検出部16の電位ポテンシャルは、オフセットゲート部14より深くなっている。これにより、オフセットゲート部14に転送された電荷は、電荷蓄積部15に集まる。

0062

以下に、図6を参照して、固体撮像装置10の動作について説明する。

0063

第2の画素部11bに光が入射されると、光電変換によって受光層19において電荷が発生する。発生した電荷は、第1の転送ゲート部13bの電位ポテンシャルが障壁となり、第2の画素部11bに蓄積される。

0064

第1の転送ゲート部13bの第1の転送ゲート電極25に所定電圧V1を印加し、第1の転送ゲート部13bの電位ポテンシャルを、第2の画素部11bの電位ポテンシャルより深くすると、第2の画素部11bにおいて発生した電荷は第1の転送ゲート部13bを転送され、第2の電荷蓄積部12bに到達する。転送された電荷は、第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルが障壁となり、第2の電荷蓄積部12bに蓄積される。

0065

第2の転送ゲート部15bの第2の転送電極29に所定電圧V2を印加し、第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルを、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルより深くすると、第2の電荷蓄積部12bにおいて蓄積された電荷は第2の転送ゲート部15を転送され、オフセットゲート部14に到達し、最終的に電荷検出部16に集まる。

0066

電荷が電荷検出部16に集まると、電荷検出部16には、この部分に蓄積された電荷の電荷量に応じた電圧降下が発生する。この電圧降下分が信号電圧として、読み出し電極31によって読み出される。固体撮像装置10は、このように読み出された信号電圧に基づいて画像を形成する。

0067

なお、上述のように、第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルは、電荷を転送するために変動する。従って、仮に電荷検出部16が第2の転送ゲート部15bに接続されると、第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルの変動に応じて、電荷検出部16の電位ポテンシャルも変動する。電荷検出部16の電位ポテンシャルが変動すると、信号電圧の読み出し精度が低下する。

0068

これに対して、本実施形態のように、第2の転送ゲート部15bと電荷検出部16との間に、電位ポテンシャルが固定されたオフセットゲート部14を設けた場合、第2の転送ゲート部15bの電位ポテンシャルが変動しても、オフセットゲート部14の電位ポテンシャルが固定されているため、電荷検出部16の電位ポテンシャルの変動は抑制される。この結果、信号電圧の読み出し精度が向上する。このような理由により、オフセットゲート部14には、定電圧が印加されている。

0069

このように動作する固体撮像装置10において、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2の転送電極29に印加する電圧は、低電圧化される。以下に、この理由について具体的に説明する。

0070

図7は、実施形態に係る固体撮像装置10の第2の電荷蓄積部12bに形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、図3に示す第2の電荷蓄積部12bの平面図、同図(b)、(c)、(d)はそれぞれ、第2の電荷蓄積部12bの各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図7(b)は、図7(a)の一点鎖線C−C´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図7(c)は、図7(a)の一点鎖線D−D´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図7(d)は、図7(a)の一点鎖線E−E´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図7(b)、(c)、(d)において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

0071

図7(a)に示すように第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2の電荷蓄積層22の中央領域の幅W1は、第2の電荷蓄積層22全体の幅Wより狭くなる。第2の電荷蓄積層22の第2の転送ゲート部15b側の端部領域においては、第2の電荷蓄積層22が十分に広い幅Wを有するため、狭チャネル効果の影響を受けにくい。このときに、第2の電荷蓄積層22の端部領域を含む第2の電荷蓄積層22の電位ポテンシャルをVとする(図7(d))。

0072

一方、第2の電荷蓄積層22の中央領域においては、第2の電荷蓄積層22の外周から露出する第1の電荷蓄積層21の幅W1、および第2の電荷蓄積層22の幅W2、W3が、端部領域の幅Wより狭くなっており、第2の電荷蓄積層22の第2の電荷蓄積部12bにおいては、狭チャネル効果の影響を受けやすく、電位ポテンシャルが浅くなる。従って、第2の電荷蓄積層22の中央領域を含む第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルは、Vより浅くなる(図7(b)、(c))。

0073

このように、第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部の位置α(図7(a))を、第2の電荷蓄積層22の中央部Oより第2の転送ゲート部15bの方向にずらすことができる。すなわち、電位ポテンシャルの最深部の位置αを、第2の転送ゲート部15bに近付けることができる。

0074

次に、従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部について説明する。図8は、従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部に形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部の平面図、同図(b)、(c)、(d)はそれぞれ、同図(a)に示す第2の電荷蓄積部の各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図8(b)は、図8(a)の一点鎖線c−c´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図8(c)は、図8(a)の一点鎖線d−d´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図8(d)は、図8(a)の一点鎖線e−e´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図8(a)において、図7(a)に示す構造と同一の箇所については、図7(a)と同一符号を付している。また、図8(b)、(c)、(d)において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

0075

図8(a)に示すように、第2の電荷蓄積部112bに平面状の第2の電荷蓄積層122を設けると、第2の電荷蓄積層122の中央領域の幅W、および第2の電荷蓄積層122の端部領域の幅Wはともに、第2の電荷蓄積層122全体の幅Wに一致し、十分に広い幅Wを有する。このため、第2の電荷蓄積層122全体において狭チャネル効果の影響を受けにくくなる。従って、第2の電荷蓄積部112bの電位ポテンシャルの最深部の位置は、第2の電荷蓄積層122の中央Oにほぼ一致した位置となる(図8(b)、(c)、(d))。すなわち、従来の固体撮像装置の第2の電荷蓄積部112bにおいて、電位ポテンシャルの最深部の位置は、本実施形態と比較して、第2の転送ゲート部15bから遠い位置となる。

0076

以上に図7および図8を参照して説明したように、第2の電荷蓄積部12bの第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部を、第2の転送ゲート部15bに近づけることができる。この結果、第2の転送ゲート部15bの第2の転送電極29に印加する電圧V2を低電圧化すことができる。

0077

すなわち、上述のように、この領域に蓄積される電荷は、第2の転送ゲート部15bの第2の転送電極29に電圧V2を印加することにより転送される。ここで、図8各図に示すように、第2の電荷蓄積部112bの電位ポテンシャルの最深部の位置が第2の電荷蓄積層122の中央部にある場合、この第2の電荷蓄積層122の中央部に電荷がトラップされる。このように電荷がトラップされる位置は、第2の転送ゲート部15bから遠いため、トラップされた電荷を転送するために(所定の残像特性満足させるために)、第2の転送電極29に高電圧を印加する必要がある。

0078

これに対して本実施形態においては、図7各図に示すように、第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部の位置αが第2の電荷蓄積層22の端部領域にあり、この領域に電荷がトラップされる。しかし、このように電荷がトラップされる位置は、従来の固体撮像装置と比較して、第2の転送ゲート部15bから近い位置となる。従って、トラップされた電荷を転送するために(所定の残像特性を満足させるために)第2の転送電極29に印加する電圧を、低電圧化することができる。

0079

なお、本実施形態に係る固体撮像装置10において、第3の電荷蓄積部12cの第2の電荷蓄積層22についても、同様の理由により、リング状に設けられている。しかしながら、第1、第4の電荷蓄積部12a、12dの第2の電荷蓄積層22´は、リング状には設けられず、平面状に設けられている。以下に、この理由について説明する。

0080

図9は、実施形態に係る固体撮像装置10の第1の電荷蓄積部12aに形成される電位ポテンシャルを説明するための図であって、同図(a)は、第1の電荷蓄積部12aの平面図、同図(b)、(c)はそれぞれ、第2の電荷蓄積部12aの各断面における電位ポテンシャルを示す図である。なお、図9(b)は、図9(a)の一点鎖線F−F´に沿った断面における電位ポテンシャルを示し、図9(c)は、図9(a)の一点鎖線G−G´に沿った断面における電位ポテンシャルを示す。なお、図9(b)、(c)において、図面下方ほど、電位ポテンシャルが深いことを示している。

0081

図9(a)に示すように、第1の電荷蓄積部12aの第2の電荷蓄積層22´は、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって、幅広になるように設けられている。第2の電荷蓄積層22´の第2の転送ゲート部15a側の端部領域(以下、この領域を第1の段部領域と称する)においては、第2の電荷蓄積層22´が十分に広い幅を有するため、狭チャネル効果の影響を受けにくい。このときに、第2の電荷蓄積層22´の第1の段部領域を含む第2の電荷蓄積部12aの電位ポテンシャルをVとする(図9(c))。

0082

一方、第2の電荷蓄積層22´の第1の転送ゲート部13a側の端部領域(以下、この領域を第2の段部領域と称する)においては、第2の電荷蓄積層22´の第1の端部領域と比較して狭い幅となっているため、狭チャネル効果の影響を受け易くなっている。このため、第2の電荷蓄積層22´の第2の段部領域を含む第2の電荷蓄積部12aの電位ポテンシャルは、第2の電荷蓄積層22´の第1の段部領域を含む第2の電荷蓄積部12aの電位ポテンシャル(V)より浅くなる(図9(b))。

0083

このように、第2の電荷蓄積層22´を含む第1の電荷蓄積部12aの電位ポテンシャルは、第1の転送ゲート部13aに近い位置ほど狭チャネル効果の影響を強く受け、浅くなる(図9(b)、(c))。従って、第2の電荷蓄積層22´をリング状に設けなくとも、第1の電荷蓄積部12aの電位ポテンシャルは、第1の転送ゲート部13aから第2の転送ゲート部15aに向かって、深くなるように形成される。このように、第1の電荷蓄積部12aにおいては、この領域を転送される電荷がスムーズに転送されるような電位ポテンシャルの勾配が設けられるため、第2の電荷蓄積層22´をリング状に設けていない。

0084

なお、第4の電荷蓄積部12dの第2の電荷蓄積層22´においても、同様の理由により、リング状に設けられていない。

0085

ここで、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22も、第1、第4の電荷蓄積部12a、12dの第2の電荷蓄積層22´と同様の電位ポテンシャルの勾配を持たせるために、第1の転送ゲート部13b、13cから第2の転送ゲート部15b、15cに向かって、幅が広くなるように設ければよい、とも考えられる。しかしながら、図1に示すように、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cは、第1、第4の電荷蓄積部12a、12dと比べて、Y方向における距離が短い。従って、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22を、第1、第4の電荷蓄積部12a、12dの第2の電荷蓄積層22´のように、電荷の転送方向に向かって幅が広くなるように設けても、電荷の転送方向に向かって深くなる電位ポテンシャルを得ることは困難である。従って、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22においては、上述のようにリング状に設ける必要がある。

0086

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置10によれば、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22は、リング状に設けられている。従って、図8(a)に示すような平面状の第2の電荷蓄積層122が設けられた従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第2の転送電極29に印加する電圧を低電圧化することができる。この結果、この電極29に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

0087

また、本実施形態に係る固体撮像装置10によれば、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cに蓄積される電荷量が少ない場合(低照度時)であっても、第2の転送電極29に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域に蓄積される電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部11a〜11dにおける受光量と、電荷検出部16において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

0088

なお、本実施形態に係る固体撮像装置10は、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの電位ポテンシャルの最深部の位置を、第2の転送ゲート部15b、15cに近付けることにより、上述のような効果を奏するものである。ここで、第2、第3の電荷蓄積部の電位ポテンシャルの最深部の位置を第2の転送ゲート部に近付ける手段として、他に、第2の電荷蓄積部の表面において、第2の転送ゲート部に近接する一部に、さらに不純物層を別途設ける手段が考えられる。しかし、この手段は、製造工程数を増加させるだけでなく、別途設ける不純物層と第2の電荷蓄積層との位置ずれによって、第2の転送ゲート部に近接する位置に、電位障壁若しくはディップが発生する場合がある。この場合、所定の残像特性を維持するためには、第2の転送ゲート部に高電圧を印加する必要がある。従って、この手段においては、必ずしも第2の転送ゲート電極に印加する電圧の電圧マージンを拡大することはできない。従って、この手段は本実施形態に係る固体撮像装置10と比較して、歩留まりが低下するため、好ましい手段ではない。

0089

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、第2の実施形態に係る固体撮像装置の全体構造の平面図は図1と同様であり、動作についても、図6を参照して説明した動作と同様である。従って、これらについての説明は省略し、以下に、第1の固体撮像装置10と比較して異なる部分について説明する。

0090

図10は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の図2に対応する断面図であり、図11は、この固体撮像装置の第2の画素部を拡大して示す平面図である。なお、図11において、第1の転送電極25は点線で示している。また、シールド層34は省略している。

0091

図10および図11に示すように、第2の実施形態に係る固体撮像装置においては、第1の実施形態に係る固体撮像装置10と比較して、第2の画素部31bの構造が異なっておる。すなわち、第2の画素部31bにおいて、ウェル層18の表面には、例えばN+型の不純物層である平面状の第1の受光層32が設けられている。この第1の受光層32は、第1の実施形態に係る固体撮像装置10の受光層19(図2)と同様に設けられている。

0092

この第1の受光層32の表面には、例えばN++型の不純物層である第2の受光層33が、第1の転送ゲート部13bから離間するように設けられている。図11に示すように、第2の受光層33は、第2の電荷蓄積部12bの第2の電荷蓄積層22と同様に、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第2の受光層33の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば3:1程度である。

0093

この第2の受光層33は、例えば、第1の受光層32を設けた後に、例えばリング状のN型の不純物層を、第1の受光層32の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図10および図11に示すように、リング状の第2の受光層33が設けられるとともに、第2の受光層33の開口部からは、第1の受光層32が露出する。

0094

このように、第2の受光層33をリング状に設けることにより、この層33を含む第2の画素部31bの電位ポテンシャルの最深部の位置を、第1の転送ゲート部13bに近付けることができる。なお、この理由については、第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることによって第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部の位置を第2の転送ゲート部15bに近付けることができる理由と同様であるため、ここではその説明を省略する。

0095

図10を参照する。このような第1、第2の受光層32、33を有する第2の画素部31bにおいて、第2の受光層33の表面には、一部が第1の受光層32にはみ出すように、シールド層34が設けられている。シールド層34は、少なくとも第2の受光層33をシールドする不純物層であって、例えばP+型の不純物層である。なお、このシールド層34は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

0096

以上に、第2の画素部31bの構造について説明したが、他の画素部(第1、第3、第4の画素部)においても第2の画素部31bと同様に、リング状の第2の受光層33を設けてもよい。

0097

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置においても、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22は、リング状に設けられている。従って、従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第2の転送電極29に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極29に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

0098

また、本実施形態に係る固体撮像装置においても、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることにより、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cに蓄積される電荷量が少ない場合(低照度時)であっても、第2の転送電極29に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域に蓄積される電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部における受光量と、電荷検出部16において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

0099

さらに、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、第2の画素部31bに、リング状の第2の受光層33が設けられており、その他の各画素部においても同様に、リング状の第2の受光層が設けられている。従って、従来の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、第1の転送電極25に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極25に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、第1の実施形態に係る固体撮像装置10と比較して、さらに残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

0100

そして、第2の画素部31bを含む各画素部にリング状の第2の受光層を設けることにより、各画素部において発生する電荷の電荷量が少ない場合(低照度時)であっても、第1の転送電極25に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域において発生する電荷を良好に転送することができる。この結果、各画素部における受光量と、電荷検出部16において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することがでる。従って、低受光量であっても、第1の実施形態に係る固体撮像装置10と比較して、さらに良好な画像を形成することができる。

0101

なお、第2の実施形態においては、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cにリング状の第2の電荷蓄積層22が設けられていることに加えて、第2の画素部31bを含む各画素部にも、リング状の第2の受光層33が設けられている。しかしながら、第2の受光層33は、所定の画素部にのみ設けられてもよい。また、各画素部にリング状の第2の受光層33を設け、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cにはリング状の第2の電荷蓄積層22を設けなくてもよい。すなわち、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cには、平面状の第2の電荷蓄積層が設けられてもよいし、第2の電荷蓄積層22自体が設けられなくてもよい。

0102

以上に説明した第1、第2の実施形態に係る固体撮像装置は、CCDイメージセンサに関するものであったが、本願発明は、CMOSイメージセンサに対しても適用可能である。

0103

(第3の実施形態)
図12は、第3の実施形態に係る固体撮像装置の要部を模式的に示す平面図である。なお、図12に示す固体撮像装置は、CMOSイメージセンサの一部である。実際のCMOSイメージセンサは、図12に示す構造が、格子状に複数個配列形成されたものである。

0104

図12に示すように、この固体撮像装置60は、画素部(PD)61と電荷検出部(FJ)62との間に、転送ゲート部(SH)63が形成されたものである。画素部61および電荷検出部62についてはそれぞれ、第1、第2の実施形態に係る固体撮像装置の各画素部11a〜11d、31bおよび電荷検出部16と同様に動作する。これに対して、転送ゲート部(SH)63は、画素部61において発生した電荷を読み出し、読み出した電荷を、電荷検出部62に転送する。

0105

図13は、図12の一点鎖線H−H´に沿った固体撮像装置60の断面図である。図13に示すように、画素部61、転送ゲート部63、および電荷検出部62はそれぞれ、例えばN型の半導体基板64に設けられたP型のウェル層65に設けられている。

0106

画素部61において、ウェル層65の表面には、転送ゲート部63に接するように、第1の受光層66が設けられている。第1の受光層66は、平面状に設けられた、例えばN+型の不純物層である。そして、この第1の受光層66の表面には、例えばN++型の不純物層である第2の受光層67が、転送ゲート部63から離間するように設けられている。また、半導体基板64はP型であり、ウェル層65をN型層とすることも可能である。

0107

図14は、画素部61およびその周辺を模式的に示す平面図である。なお、図14において、転送電極72は点線で示している。また、シールド層68は省略している。

0108

図14に示すように、第2の受光層67は、中央領域に開口部を有するリング形状の不純物層である。なお、リング状の第2の受光層67の面積と、開口部の面積と、の比は、例えば3:1程度である。

0109

この第2の受光層67は、例えば、第1の受光層66を設けた後に、例えばリング状のN型の不純物層を、第1の受光層66の一部領域に重なるよう形成することにより設けられる。この結果、図13および図14に示すように、リング状の第2の受光層67が設けられるとともに、第2の受光層67の開口部からは、第1の受光層66が露出する。

0110

このように、第2の受光層67をリング状に設けることにより、この層67を含む画素部61の電位ポテンシャルの最深部の位置を、転送ゲート部63に近付けることができる。なお、この理由については、第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、第2の電荷蓄積層22をリング状に設けることによって第2の電荷蓄積部12bの電位ポテンシャルの最深部の位置を第2の転送ゲート部15bに近付けることができる理由と同様であるため、ここではその説明を省略する。

0111

図13を参照する。このような第1、第2の受光層66、67を有する画素部61において、第2の受光層67の表面には、一部が第1の受光層66にはみ出すように、シールド層68が設けられている。シールド層68は、少なくとも第2の受光層67をシールドする不純物層であって、例えばP+型の不純物層である。なお、このシールド層67は、図示するように設けられていることが好ましいが、必ずしも設けられている必要はない。

0112

次に、電荷検出部62において、ウェル層65の表面には、例えばN型の不純物層である第1の電荷検出層69が設けられている。そして、この第1の電荷検出層69の表面の一部には、第1の電荷検出層69より高濃度の不純物層である第2の電荷検出層70が設けられている。また、第2の電荷検出層70の表面上には、読み出し電極71が設けられている。

0113

このような画素部61と電荷検出部62との間の転送ゲート部63において、ウェル層65の表面上には、転送電極72が設けられている。

0114

なお、本実施形態に係る固体撮像装置60においては、オフセットゲート部が設けられていないが、転送ゲート部63と電荷検出部62との間に、オフセットゲート部を設けてもよい。

0115

このような固体撮像装置60においても、基本的には第1、第2の実施形態に係る固体撮像装置と同様に動作する。すなわち、転送電極72に所定の電圧を印加し、転送ゲート部63の電位ポテンシャルを画素部61の電位ポテンシャルより深くすることにより、画素部61において発生した電荷は、電荷検出部62に転送される。電荷検出部62に転送された電荷は、電荷検出部62の電位を降下させる。この電圧降下分が信号電圧として、読み出し電極71によって読み出される。固体撮像装置60は、このようにして、画像を形成するための信号電圧を形成する。

0116

以上に説明した本実施形態に係る固体撮像装置60においては、画素部61にリング状の第2の受光層67が設けられているため、画素部に平面状の第1の受光層のみが設けられた従来のCMOS型の固体撮像装置、または平面状の第1の受光層の表面に、平面状の第2の受光層が設けられた従来のCMOS型の固体撮像装置と比較して、残像特性を劣化させることなく、転送電極72に印加する電圧を低電圧化することができ、この電極72に印加する電圧の電圧マージンを拡大することができる。この結果、残像特性マージンが向上し、歩留まりが向上する。

0117

また、本実施形態に係る固体撮像装置60においては、画素部61にリング状の第2の受光層67が設けられているため、画素部61において発生する電荷の電荷量が少ない場合(低照度時)であっても、転送電極72に印加する電圧を高くすることなく、これらの領域において発生する電荷を良好に転送することができる。この結果、画素部61における受光量と、電荷検出部62において読み出される電圧との線形性を、低受光量においても維持することができ、低受光量であっても良好な画像を形成することができる。

0118

以上に説明した第1〜第3の実施形態に係る固体撮像装置は、例えばラインセンサに適用される。以下に、応用例として、例えば第1の実施形態に係る固体撮像装置10を適用したラインセンサを説明する。

0119

(応用例)
図15は、第1の固体撮像装置10を適用したラインセンサを示す斜視図である。ラインセンサ80は、回路基板81、複数の固体撮像装置10、セルフォック(登録商標レンズアレー82、および導光体83を有する。図示は省略するが、これらは、筺体内に配置される。

0120

複数の固体撮像装置10は、互いに隣接して、一直線状に回路基板81上に配置される。各固体撮像装置10は、その受光面がセルフォック(登録商標)レンズアレー82の出力面に対して対向するように、回路基板81上に配置され、回路基板81に設けられた配線電気的に接続される。

0121

なお、図示は省略するが、回路基板81は、各固体撮像装置10から出力される信号電圧に基づいて画像を形成する画像処理回路を有する。

0122

セルフォック(登録商標)レンズアレー82、および導光体83は、回路基板81の上方にそれぞれ配置され、筺体(図示せず)により支持される。導光体83は、この端部に配置されたLED等の光源(図示せず)から出射された光を、原稿に向けて出射するための出射面83aを有する。

0123

セルフォック(登録商標)レンズアレー82は、回路基板81の上方にて、原稿にて反射された光を固体撮像装置10において結像するように配置されている。従って、導光体83の出射面83aから出射された光は、原稿にて反射された後、セルフォック(登録商標)レンズアレー82に入射され、固体撮像装置10で結像する。

0124

図16は、このようなラインセンサ80に適用される一つの固体撮像装置10の回路ブロック図を示している。なお、図16に示す回路ブロック図は、固体撮像装置10に設けられた一セル分の回路ブロック図であって、実際の固体撮像装置においては、図16に示される回路ブロック図が配列されている。

0125

図16に示すように、各第1の転送ゲート部13a〜13dおよび各第2の転送ゲート部15a〜15dは、シフトレジスタ91に接続されている。各第1の転送ゲート部13a〜13dには、シフトレジスタ91から出力されるゲートパルスV1が所望のタイミングで入力され、各第2の転送ゲート部15a〜15dには、シフトレジスタ91から出力されるゲートパルスV2が所望のタイミングで入力される。

0126

例えば4つの第1の転送ゲート部13a〜13dに同一タイミングでゲートパルスV1を入力し、4つの第2の転送ゲート部15a〜15dに同一タイミングでゲートパルスV2を入力すると、各画素部11a〜11dにおいて発生する電荷は全て、電荷検出部16に転送され、蓄積される。これにより、4つの画素部11a〜11dを一つの画素とみなせるため、セルの感度高感度化される。

0127

他方、4つの第1の転送ゲート部13a〜13dに異なるタイミングでゲートパルスV1を入力し、4つの第2の転送ゲート部15a〜15dに異なるタイミングでゲートパルスV2を入力すると、画素11a〜11d毎の電荷がそれぞれ異なるタイミングで、電荷検出部16に転送され、蓄積される。これにより、4つの画素部11a〜11dはそれぞれ異なる画素部であるとみなせるため、セルの解像度は高められる。

0128

すなわち、この固体撮像装置は、ゲートパルスV1およびゲートパルスV2の印加タイミングを制御することにより、セルの感度および解像度を切り替えることができるものである。

0129

また、電荷検出部16には、増幅器92を介してトランジスタ93が接続されている。このトランジスタ93は、固体撮像装置10に配列される複数のセルの中から一つのセルを選択するための選択トランジスタである。選択トランジスタ93のゲートは、シフトレジスタ91に接続されており、この選択トランジスタ93のゲートには、シフトレジスタ91から出力される選択パルスSLが所望のタイミングで入力される。

0130

さらに、電荷検出部16には、リセットゲート部94および定電圧VDが印加されたドレイン95がこの順に接続されている。リセットゲート部94は、電荷検出部16に蓄積された不要電荷をドレイン95に転送して、電荷検出部16をリセットするためのゲートである。リセットゲート部94は、シフトレジスタ91に接続されており、このリセットゲート部94には、シフトレジスタ91から出力されるリセットパルスRSが所望のタイミングで入力される。

0131

このような固体撮像装置において、電荷検出部16に電荷が蓄積されると、電荷検出部16において検出される信号電圧は、選択トランジスタ93に入力される。ここで、シフトレジスタ91から選択トランジスタ93のゲートに選択パルスSLが入力されると、選択トランジスタ93に入力される信号電圧は、選択トランジスタ93を介して増幅器96に入力され、その電力増幅され、出力される。

0132

他方、電荷検出部16において信号電圧を検出した後に電荷検出部16に蓄積される不要電荷は、シフトレジスタ91からリセットゲート部94にリセットパルスRSが入力し、リセットゲート部94をオンすることにより、ドレイン95に転送される。これにより、電荷検出部16はリセットされる。

0133

図15に示すラインセンサ80に設けられる各固体撮像装置10は、この装置内に設けられる各セルに、図16を参照して説明したような動作をさせことにより、信号電圧を生成する。生成された信号電圧は、回路基板81に送られ、回路基板81上に設けられる画像処理回路において、画像が形成される。ラインセンサ80は、このようにして、画像を形成する。

0134

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0135

例えば、第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cの第2の電荷蓄積層22は、この層22の中央部分に開口部を有するリング状であったが、第2の電荷蓄積層の形状は、この形状に限定されない。図17に、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cに設けられる第2の電荷蓄積層の変形例を示す。図17に示すように、第2の電荷蓄積層42は、リング形状を並列に複数個接続した形状、すなわち、複数個の開口部が設けられた形状であってもよい。例えばこのような第2の電荷蓄積層42は、第2、第3の電荷蓄積部12b、12cがX方向に長い場合には有効である。

0136

なお、図示は省略するが、画素部31b、61に設けられる第2の受光層33、67も同様に、リング形状を並列に複数個接続した形状、すなわち、複数個の開口部が設けられた形状であってもよい。このような第2の受光層は、画素部31b、61がX方向に長い場合には有効である。

0137

また、上述の各実施形態に係る固体撮像装置は、N型の半導体基板17、64に設けられたP型のウェル層18、65に設けられているが、必ずしもウェル層18、65に設けられる必要はなく、P型の半導体基板に設けられていてもよい。

0138

10、60・・・固体撮像装置
11a・・・(第1の)画素部
11b、31b・・・(第2の)画素部
11c・・・(第3の)画素部
11d・・・(第4の)画素部
12a・・・第1の電荷蓄積部
12b、112b・・・第2の電荷蓄積部
12c・・・第3の電荷蓄積部
12d・・・第4の電荷蓄積部
13a、13b、13c、13d・・・第1の転送ゲート部
14・・・オフセットゲート部
15a、15b、15c、15d・・・第2の転送ゲート部
16、62・・・電荷検出部
17、64・・・半導体基板
18、65・・・ウェル層
19・・・受光層
20、34、68・・・シールド層
21・・・第1の電荷蓄積層
22、22´、42、122・・・第2の電荷蓄積層
23・・・シールド層
24・・・第1の転送用不純物層
25・・・第1の転送電極
26・・・オフセットゲート層
27・・・オフセットゲート電極
28・・・第2の転送用不純物層
29・・・第2の転送電極
30・・・電荷検出層
31、71・・・読み出し電極
32、66・・・第1の受光層
33、67・・・第2の受光層
61・・・画素部
63・・・転送ゲート部
69・・・第1の電荷検出層
70・・・第2の電荷検出層
72・・・転送電極
80・・・ラインセンサ
81・・・回路基板
82・・・セルフォック(登録商標)レンズアレー
83・・・導光体
83a・・・出射面
91・・・シフトレジスタ
92、96・・・増幅器
93・・・(選択)トランジスタ
94・・・リセットゲート部
95・・・ドレイン

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