JP2000357788A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 赤外線等の波長の長い光に対する感度を向上
させることができ、かつ暗電流の少ない固体撮像素子及
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 センサ部２の下にオーバーフローバリア
１２を有し、センサ部２の中央部の空乏層長Ｌ１を周辺
部の空乏層長Ｌ２より長くした固体撮像素子１を構成す
る。また、第１導電型半導体領域１２の表面に第２導電
型半導体領域１３が形成されたセンサ部２を有し、第２
導電型半導体領域１３下の第１導電型半導体領域１２内
に、第２導電型半導体領域１３より小さい面積の第２導
電型半導体層６が形成されて成る固体撮像素子１を構成
する。また、第２導電型半導体領域１３下の第１導電型
半導体領域１２内の第２導電型半導体領域１３より小さ
い面積の領域に第２導電型の不純物を導入する工程を有
して固体撮像素子１を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子及び
その製造方法に係わり、特にセンサ部の下にオーバーフ
ローバリアを有して成る固体撮像素子及びその製造方法
に係わる。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子において、赤外線や可視光
線の長い波長側の光の感度を向上させる目的で、センサ
部の空乏層を基板側に伸ばして深くすることが考えられ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
センサ部の空乏層を伸ばすことにより、基板深部例えば
３μｍ以上の深さで発生した暗電荷が蓄積領域に取り込
まれやすくなる。例えば基板内に欠陥があった場合に
は、この欠陥により暗電荷が生じる。この暗電荷は本来
は基板側に流れるものであるが、空乏層長を長くすると
センサ部に取り込まれやすくなる。これにより、暗電荷
がセンサ部内に信号として蓄積され、例えば白点が出て
しまう。

【０００４】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、赤外線等の波長の長い光に対する感度を向上さ
せることができ、かつ暗電流の少ない固体撮像素子及び
その製造方法を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、センサ部の下にオーバーフローバリアを有し、セン
サ部の中央部の空乏層長を周辺部の空乏層長より長くし
たものである。

【０００６】上述の本発明の構成によれば、中央部の空
乏層長を周辺部より長くすることにより、波長の長い光
により基板の深い所で光電変換された電荷をセンサ部に
蓄積することが可能になると共に、周辺部は空乏層長が
比較的短いために余分な暗電荷がセンサ部に取り込まれ
にくくなる。

【０００７】本発明の固体撮像素子は、第１導電型半導
体領域の表面に第２導電型半導体領域が形成されて成る
センサ部を有し、第２導電型半導体領域下の第１導電型
半導体領域内に、第２導電型半導体領域より小さい面積
の第２導電型半導体層が形成されて成るものである。

【０００８】上述の本発明の構成によれば、第２導電型
半導体領域下に、この第２導電型半導体領域より小さい
面積の第２導電型半導体層が形成されていることによ
り、第２導電型半導体層が形成された部分の空乏層を深
くしてその他の部分（周辺部）より空乏層長を長くする
ことができる。

【０００９】本発明の固体撮像素子の製造方法は、第１
導電型半導体領域の表面に第２導電型半導体領域が形成
されて成るセンサ部を有する固体撮像素子の製造するに
あたり、第２導電型半導体領域下の第１導電型半導体領
域内の第２導電型半導体領域より小さい面積の領域に第
２導電型の不純物を導入する工程を有するものである。

【００１０】上述の本発明によれば、第２導電型の不純
物を導入した領域は空乏層長が長くなるようにオーバー
フローバリアが形成される。また、第２導電型の不純物
を導入した領域の面積が第２導電型半導体領域の面積よ
り小さいので、第２導電型半導体領域下のうち第２導電
型の不純物が導入されない領域が残り、この領域の空乏
層長は短くすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、センサ部の下にオーバ
ーフローバリアを有し、センサ部の中央部の空乏層長を
周辺部の空乏層長より長くした固体撮像素子である。

【００１２】本発明は、第１導電型半導体領域の表面に
第２導電型半導体領域が形成されて成るセンサ部を有
し、第２導電型半導体領域下の第１導電型半導体領域内
に、第２導電型半導体領域より小さい面積の第２導電型
半導体層が形成されて成る固体撮像素子である。

【００１３】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、第２導電型半導体層は遮光膜開口の面積より大き
く、第２導電型半導体領域の面積より小さい構成とす
る。

【００１４】本発明は、第１導電型半導体領域の表面に
第２導電型半導体領域が形成されて成るセンサ部を有す
る固体撮像素子の製造するにあたり、第２導電型半導体
領域下の第１導電型半導体領域内の第２導電型半導体領
域より小さい面積の領域に第２導電型の不純物を導入す
る工程を有する固体撮像素子の製造方法である。

【００１５】本発明の一実施の形態として、固体撮像素
子の概略構成図を図１及び図２に示す。図１は固体撮像
素子の要部（撮像領域）の拡大平面図を示し、図２は図
１のＸ−Ｘにおける断面図を示す。

【００１６】この固体撮像素子１は、撮像領域内に、画
素となる複数のセンサ部２がマトリクス状に配列され、
各センサ部２の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３
が設けられ、各垂直転送レジスタ３の終端に接続されて
図示しないＣＣＤ構造の水平転送レジスタが設けられて
構成されたＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用したもの
である。垂直転送レジスタ３には、２層の例えば多結晶
シリコンからなる転送電極４（４Ａ及び４Ｂ）が一部重
なりをもって形成されている。センサ部２は、この転送
電極４（４Ａ及び４Ｂ）に覆われていない開口部分とセ
ルフアラインして形成されている。

【００１７】撮像領域を含んで全体がＡｌ膜等の遮光膜
２１（図２参照）に覆われていて、この遮光膜２１のセ
ンサ部２上の部分にセンサ部２より小さい面積の開口５
が設けられ、この開口５からセンサ部２に光が入射する
ように構成されている。

【００１８】本実施の形態の固体撮像素子１では、特に
センサ部２の下に、後述するようにセンサ部２の面積よ
り小さく開口５の面積より広い半導体領域６を設けてい
る。

【００１９】一方、図２の断面図に示すように、この固
体撮像素子１は、第１導電型この場合はｎ型の半導体基
板１１に、第２導電型の半導体領域として第１のｐ型半
導体ウエル領域１２が形成され、この第１のｐ型半導体
ウエル領域１２内にセンサ部２の構成要素となる第１の
ｎ型不純物拡散領域１３と垂直転送レジスタ３を構成す
るｎ型転送チャネル領域１４並びにｐ型のチャネルスト
ップ領域１５が形成され、第１のｎ型不純物拡散領域１
３上にｐ型の正電荷蓄積領域１６が、ｎ型の転送チャネ
ル領域１４の直下に第２のｐ型半導体ウエル領域１７が
夫々形成されている。

【００２０】ここで、第１のｐ型半導体ウエル領域１２
と、第１のｎ型不純物拡散領域１３と、ｐ型の正電荷蓄
積領域１６とによってＨＡＤ（ホール・アキュミュレイ
テッド・ダイオード）センサと呼ばれるセンサ部２が構
成される。

【００２１】垂直転送レジスタ３を構成する転送チャネ
ル領域１４、チャネルストップ領域１５及び読み出しゲ
ート部７上にゲート絶縁膜１８を介して第１層及び第２
層の多結晶シリコンからなる転送電極４（４Ｂ）が形成
され、転送チャネル領域１４、ゲート絶縁膜１８及び転
送電極４（４Ｂ）により、垂直転送レジスタ３が構成さ
れる。さらに、層間絶縁膜２０を介して例えばＡｌ膜に
よる遮光膜２１が被着形成され、この遮光膜２１はセン
サ部２上にセンサ部２より面積の小さい開口５を有して
いる。

【００２２】この固体撮像素子１では、センサ部２で発
生した信号電荷が読み出しゲート部７を通して垂直転送
レジスタ３に読み出された後、垂直転送レジスタ３内を
垂直方向に転送される。更にその信号電荷が水平転送レ
ジスタに転送され、水平転送レジスタ内を水平方向に転
送されて、出力回路を通して出力されるようになされ
る。

【００２３】ｎ型半導体基板１１内に形成された第１の
ｐ型半導体ウエル領域１２により、後述するようにオー
バーフロードレインが形成されて、縦型オーバーフロー
ドレイン構造が形成されている。

【００２４】本実施の形態の固体撮像素子１では、さら
に、センサ部２を構成する第１のｎ型不純物拡散領域１
３の下の第１のｐ型半導体ウエル領域１２内に、前述の
半導体領域６として第２のｎ型不純物拡散領域６が形成
されている。この第２のｎ型不純物拡散領域６は、セン
サ部２の面積より小さく、遮光膜２１の開口５の面積よ
り大きくなるように形成されている。

【００２５】また、第２のｎ型不純物拡散領域の不純物
濃度Ｎ２は、第１のｎ型不純物拡散領域の不純物濃度Ｎ
１以下とすることが好ましい。より好ましくは第１のｎ
型不純物拡散領域の不純物濃度Ｎ１より１桁小さい濃度
とする。

【００２６】図３に本実施の形態の固体撮像素子１のセ
ンサ部２の深さ方向のポテンシャル図を示す。図３Ａは
第２のｎ型不純物拡散領域６が形成された中央部のポテ
ンシャル図を示し、図３Ｂは第２のｎ型不純物拡散領域
６が形成されない周辺部のポテンシャル図を示す。

【００２７】図３に示すように第１のｐ型半導体ウエル
領域１２によりオーバーフローバリアＯＦＢが形成され
て縦型オーバーフローバリア構造が構成されている。そ
して、図３Ａと図３Ｂを比較すると、第２のｎ型不純物
拡散領域６が形成された中央部の方が周辺部よりオーバ
ーフローバリアＯＦＢの位置が深くなっていて、空乏層
長Ｌも長くなっている（Ｌ１＞Ｌ２）

【００２８】好ましくは、センサ部２の中央部の空乏層
長Ｌ１を３μｍ以上として、赤外線（特に近赤外線）や
波長の長い可視光線の感度が充分得られるように構成す
る。

【００２９】このようにセンサ部２の中央部の空乏層長
Ｌ１を周辺部の空乏層長Ｌ２より長くすることにより、
波長の長い光により基板の深い所で光電変換された電荷
をセンサ部２に蓄積することが可能になる。

【００３０】また、周辺部は空乏層長Ｌ２が比較的短い
ために、余分な暗電荷がセンサ部２に取り込まれにくく
なる。周辺部は遮光膜２１の影になって光が入射する可
能性が低いので、空乏層長Ｌ２を短くしても感度にはあ
まり影響しない。

【００３１】上述の本実施の形態の固体撮像素子１によ
れば、センサ部２の第１のｎ型不純物拡散領域１３の下
に第２のｎ型不純物拡散領域６を形成していることによ
り、空乏層を深くして、波長の長い光の感度を向上させ
ることができる。従って、本実施の形態の固体撮像素子
１は、特に空乏層が３μｍ以上のセンサ部２を有し、波
長が長い光を受光する固体撮像素子に適用して好適であ
る。

【００３２】第２のｎ型不純物拡散領域６は、センサ部
２の面積より小さく形成されているので、センサ部２の
周辺部に第２のｎ型不純物拡散領域がなく空乏層長が短
い領域が存在し、この周辺部の空乏層長が短いので前述
のように余分な暗電荷がセンサ部２に取り込まれにくく
なる。また、第２のｎ型不純物拡散領域６は、遮光膜２
１の開口の面積より大きく形成されているので、垂直方
向の入射光だけでなく、斜め方向の入射光に対しても充
分に受光検出を行うことができる。

【００３３】さらに、センサ部２及び転送電極４を規定
するマスク即ち転送電極４のパターン形成のマスクと、
第２のｎ型不純物拡散領域６を形成するマスク２２（図
４参照）との間に合わせずれがあっても、第２のｎ型不
純物拡散領域６がセンサ部２より面積が小さい分この合
わせずれに対するマージンを有しているため、読み出し
電圧やブルーミングに対するマスクとの合わせずれの影
響を低減することができる。これにより、所望の特性
（読み出し電圧等）の固体撮像素子を高い収率で得るこ
とができる。

【００３４】次に、図１及び図２に示した固体撮像素子
１の製造工程の一形態を図４及び図５を用いて説明す
る。

【００３５】まず、図４Ａに断面図を示すように、第１
導電型例えばｎ型のシリコンから成る半導体基板１１の
撮像領域となる領域全体に、第２導電型例えばｐ型の不
純物例えばＢ（ボロン）を高い加速エネルギーでイオン
注入する。

【００３６】その後、半導体基板１１をアニールさせる
ことにより、Ｂ（ボロン）を拡散させて、表面から例え
ば３μｍ以上の深さに第２導電型半導体領域として第１
のｐ型半導体ウエル領域１２即ちオーバーフローバリア
領域を形成する。

【００３７】次に、図４Ｂに示すように、表面にマスク
２２を形成し第１のｐ型半導体ウエル領域１２にＰ（リ
ン）を高い加速エネルギーでイオン注入した後、基板１
１をアニールさせることにより、Ｐを拡散させてセンサ
部２の中央部の第１のｐ型半導体ウエル領域１２内に第
２のｎ型不純物拡散領域６を形成する。

【００３８】ここで、マスク２２の開口の面積を、後に
形成するセンサ部２の面積より小さくかつ後に形成する
遮光膜２１の開口５の面積より大きくしておくことによ
り、第２のｎ型不純物拡散領域６がセンサ部２の面積よ
り小さく遮光膜２１の開口５の面積より大きく形成され
る。

【００３９】次に、所定のパターンのマスクを用いて第
１のｐ型半導体ウエル領域１２にそれぞれの導電型の不
純物のイオン注入を連続して行い、その後所定の不純物
拡散を行うことにより、図５Ｃに示すように、垂直転送
レジスタ３を構成する第２のｐ型半導体ウエル領域１７
及びｎ型の転送チャネル領域１４と、ｐ型のチャネルス
トップ領域１５を形成する。

【００４０】次に、表面の絶縁膜１８上に例えば多結晶
シリコン層を形成し、この多結晶シリコン層を所定の電
極パターンにパターニングして第１層の転送電極４（図
１では４Ｂ）を形成する。第２層の転送電極４（図１で
は４Ａ）以降は、下層の転送電極４の表面を層間絶縁膜
で覆ってから同様にして形成する。

【００４１】そして、転送電極４をマスクとして、転送
電極４の開口にセルフアラインさせて、先に第２のｐ型
不純物拡散領域６が形成された深さより浅い位置のｐ型
半導体ウエル領域１２内に、ｎ型の不純物をイオン注入
する。

【００４２】このときの不純物の濃度は、好ましくは先
に第２のｐ型不純物拡散領域６を形成した際の不純物の
濃度より大きくする。

【００４３】さらに、その後基板１１をアニールさせる
ことにより、図５Ｄに示すように、Ｐを拡散させてセン
サ部２の蓄積領域となる第１のｎ型不純物拡散領域１３
を形成する。

【００４４】さらに、図示しないが、同じく転送電極４
をマスクとして高濃度のＢ（ボロン）を低い加速エネル
ギーでイオン注入することにより、ｐ⁺ 領域即ち正電荷
蓄積領域１６を形成し、いわゆるＨＡＤセンサ構造のセ
ンサ部２を構成する。

【００４５】このようにして、ｐｎｐｎ構造のＨＡＤセ
ンサを形成することができる。第１のｐ型半導体ウエル
領域１２によりオーバーフローバリアＯＦＢが形成され
て縦型オーバーフローバリア構造が構成される。

【００４６】その後は、通常の固体撮像素子の製造方法
と同様の工製造程を経て、図１及び図２に示した固体撮
像素子１を製造することができる。

【００４７】尚、マスク２２の形成及び第２のｎ型不純
物拡散領域６を形成するｎ型の不純物のイオン注入の工
程は、転送電極４を形成した後であってもよく、また第
１のｎ型不純物拡散領域１３を形成する不純物のイオン
注入工程より後であってもよい。

【００４８】また、第１のｐ型半導体ウエル領域１２
は、上述のように半導体基板１１にイオン注入により形
成する他に、例えば半導体基板１１上にｐ型エピタキシ
ャル層として形成してもよい。

【００４９】次に、本発明の他の実施の形態の固体撮像
素子の概略構成図（断面図）を図６に示す。

【００５０】この固体撮像素子３１では、センサ部２を
構成する第１のｎ型不純物拡散領域１３の下の第１のｐ
型半導体ウエル領域１２内に、ｐ型不純物拡散領域３２
が形成されている。

【００５１】ｐ型不純物拡散領域３２は、遮光膜２１の
開口５より外側かつセンサ部２の領域内に形成されてい
る。即ち平面的にはセンサ部２の周辺部に形成され、特
に遮光膜２１の開口５を囲むように額縁状に形成されて
成る。その他の構成は、先の実施の形態の固体撮像素子
１と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略
する。

【００５２】ｐ型不純物拡散領域３２は、センサ部２と
なる位置及び遮光膜２１の開口５の位置に端縁があるマ
スクを形成して、このマスクを用いて第１のｐ型半導体
ウエル領域１２にｐ型不純物例えばＢ（ボロン）を追加
イオン注入することにより形成することができる。この
とき、ｐ型不純物のドーズ量を、先に第１のｐ型半導体
ウエル領域１２を形成した際のｐ型不純物のドーズ量よ
り少なくすることが望ましい。

【００５３】本実施の形態の固体撮像素子３１によれ
ば、センサ部２の周辺部にｐ型不純物拡散領域３２を形
成したことにより、センサ部２の周辺部の空乏層長が短
くなるため、ｐ型不純物拡散領域３２が形成されていな
いセンサ部２の中央部の空乏層長が相対的に長くなる。
従って、空乏層長が長くなるように深さを設定して第１
のｐ型半導体ウエル領域１２を形成しておくことによ
り、赤外線等の長波長の光の感度を向上させることがで
きる。また、周辺部では空乏層長が短いので余分な暗電
荷がセンサ部に流れにくくなる。

【００５４】本発明は、上述の実施の形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他
様々な構成が取り得る。

【００５５】

【発明の効果】上述の本発明によれば、センサ部の中央
部の空乏層長が長いために波長の長い光に対する感度が
向上すると共に、周辺部は空乏層長が比較的短いために
余分な暗電荷がセンサ部に取り込まれにくくなる。従っ
て、感度に影響を与えないで暗時の白点の発生率を低減
することができる。

【００５６】また、本発明によれば、センサ部を構成す
る第２導電型半導体領域下に、この第２導電型半導体領
域より小さい面積の第２導電型半導体層を形成すること
により、第２導電型半導体層が形成された部分の空乏層
を深くしてその他の部分（周辺部）より空乏層長を長く
することができ、上述の効果を得ることができる。この
構成としたときには、読み出し電圧やブルーミング等へ
のマスクの合わせずれの影響を低減することができ、所
望の特性の固体撮像素子を高い収率で得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の固体撮像素子の要部の
平面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘにおける断面図である。

【図３】図１の固体撮像素子のセンサ部における深さ方
向のポテンシャル図である。 Ａ センサ部の中央部のポテンシャル図である。 Ｂ センサ部の周辺部のポテンシャル図である。

【図４】Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子の製造工程を示す
断面図である。

【図５】Ｃ、Ｄ 図１の固体撮像素子の製造工程を示す
断面図である。

【図６】本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略
構成図である。

【符号の説明】

１，３１ 固体撮像素子、２ センサ部、３ 垂直転送
レジスタ、４，４Ａ，４Ｂ 転送電極、５ 遮光膜の開
口、６ 第２のｎ型不純物拡散領域、７ 読み出しゲー
ト部、１１ 半導体基板、１２ 第１のｐ型半導体ウエ
ル領域、１３ 第１のｎ型不純物拡散領域、１４ 転送
チャネル領域、１５ チャネルストップ領域、１６ 正
電荷蓄積領域、１７ 第２のｐ型半導体ウエル領域、２
１ 遮光膜、ＯＦＢ オーバーフローバリア、Ｌ，Ｌ
１，Ｌ２ 空乏層長

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AA05 AB01 BA13 CA04 CA18 DA03 EA07 EA14 FA06 FA13 FA26 FA35 FA47 GB03 GB07 GB11 5C024 AA06 CA31 FA01 GA11 GA43 5F049 MA02 NA01 NB05 RA02 WA01 WA03 WA09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ部の下にオーバーフローバリアを
   有し、 上記センサ部の中央部の空乏層長を周辺部の空乏層長よ
   り長くしたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 第１導電型半導体領域の表面に第２導電
   型半導体領域が形成されて成るセンサ部を有し、 上記第２導電型半導体領域下の上記第１導電型半導体領
   域内に、上記第２導電型半導体領域より小さい面積の第
   ２導電型半導体層が形成されて成ることを特徴とする固
   体撮像素子。
3. 【請求項３】 上記第２導電型半導体層は、遮光膜開口
   の面積より大きく、上記第２導電型半導体領域の面積よ
   り小さいことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素
   子。
4. 【請求項４】 第１導電型半導体領域の表面に第２導電
   型半導体領域が形成されて成るセンサ部を有する固体撮
   像素子の製造方法であって、 上記第２導電型半導体領域下の上記第１導電型半導体領
   域内の上記第２導電型半導体領域より小さい面積の領域
   に第２導電型の不純物を導入する工程を有することを特
   徴とする固体撮像素子の製造方法。