JP2001185711A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
度の向上を図る。 【解決手段】 受光センサ部25の第1の第1導電型領
域26下の低濃度の第1導電型領域40に電荷収集領域
を広げるための第2の第1導電型領域41を形成して成
る。
Description
撮像素子、CMOS型固体撮像素子等の固体撮像素子に
関する。
余剰の電荷を基板側に排出するようにした、いわゆる縦
型オーバーフロードレイン方式の固体撮像素子が知られ
ている。このような縦型オーバーフロードレイン方式の
固体撮像素子において、受光センサ部の空乏領域を深く
形成するようにして、近赤外線領域にも感度を有せしめ
た固体撮像素子が開発されている。
たCCD固体撮像素子の画素構造の断面を示す。このC
CD固体撮像素子1は、第1導電型、例えばn型のシリ
コンからなる半導体基板2の深い位置にオーバーフロー
バリア領域となる第2導電型、即ちp型の第1の半導体
ウエル領域3が形成され、この第1のp型半導体ウエル
領域3上に例えばp- - 領域、ノンドープ領域、n- -
領域等の比抵抗の高い高抵抗領域4が形成される。
列の各受光センサ部5を構成するための、n+ 半導体領
域6及びこの上のp+ 正電荷蓄積領域7が形成される。
このp+ 正電荷蓄積領域7は、界面準位による暗電流の
発生をおさえる。n+ 半導体領域6は、いわゆる電荷蓄
積領域となる。n+ 半導体領域6下の高抵抗領域4に
は、n+ 半導体領域6から第1のp型半導体ウエル領
域、いわゆるオーバーフローバリア領域3に達する電荷
収集領域となる、高抵抗領域4よりは濃度の高いn - 半
導体領域20が形成される。受光センサ部5の光電変換
する領域は、n+ 半導体領域6と、これから基板下方向
へ向かって伸びる空乏層のうちオーバーフローバリア領
域3の手前のn- 半導体領域20からなる。
対応する位置に、読み出しゲート部8を挟んで垂直転送
レジスタ9のn型の埋め込み転送チャネル領域10が形
成される。この埋め込み転送チャネル領域10の周りを
囲むように第2のp型半導体ウエル領域11が形成され
る。さらに、受光センサ部5を含む各画素を区画するp
型のチャネルストップ領域12が形成される。
ストップ領域12及び読み出しゲート部8上に、ゲート
絶縁膜14を介して、例えば多結晶シリコンからなる転
送電極15が形成され、埋め込み転送チャネル領域1
0、ゲート絶縁膜14及び転送電極15によりCCD構
造の垂直転送レジスタ9が構成される。転送電極15上
を被覆する層間絶縁膜16を介して受光センサ部5の開
口を除く他部全面に、例えばAlによる遮光膜17が形
成される。
(図示せず)を介して各受光センサ部5に対応して受光
センサ部5への入射光を集光する、いわゆるオンチップ
レンズ19が形成される。
D固体撮像素子1において、光電変換とその電荷の収集
領域は、n+ 半導体領域6からn- 半導体領域20まで
の領域、すなわちn+ 半導体領域6及びこれから下へ伸
びるオーバーフローバリア領域3の手前までの空乏層で
ある。通常、集光のために用いるオンチップレンズ19
により、受光センサ部5に入射する光は多くが斜め光で
ある。
は、受光センサ部5に入っった光Lが初めのうちは受光
センサ部5のn- 半導体領域20を通る。しかし転送電
極15下を通過する領域では、オーバーフローバリア領
域3の手前であるにもかかわらず、せっかく光電変換し
電荷となっても、この電荷はn+ 半導体領域6へ蓄積さ
れず基板2へ捨てられていた。
成分までは考慮した受光センサ部の集光構造になってい
ないためである。近年、層内レンズの追加で更に集光効
率が高まり、より斜め光成分が増大した状況下では、集
光した分の何割かが捨てられることになっており、感度
をロスしているという問題があった。
よる光電変換した電荷の収集を高め感度の向上を図った
固体撮像素子を提供するものである。
子は、受光センサ部の電荷蓄積領域となる第1の第1導
電型半導体領域下に、受光センサ部の電荷収集領域を広
げるための第2の第1導電型半導体領域を形成して成
る。
1導電型半導体領域下に、第2の第1導電型半導体領域
を有するので、電荷収集領域が広がり感度の向上が図れ
る。
光センサ部の電荷蓄積領域となる第1導電型半導体領域
下に、受光センサ部の電荷収集領域を広げるための新た
な第1導電型半導体領域を形成した構成とする。第2の
第1導電型半導体領域は、受光センサ部より広い面積で
形成することが好ましい。また、第2の第1導電型半導
体領域を分離するための分離領域を形成することが好ま
しい。
子の一実施の形態を示す。本実施の形態は、CCD固体
撮像素子に適用した場合である。本実施の形態は、CC
D固体撮像素子に適用した場合である。本実施の形態に
係るCCD固体撮像素子21は、第1導電型、例えばn
型のシリコンからなる半導体基板22の深い位置にオー
バーフローバリア領域となる第2導電型、即ちp型の第
1の半導体ウエル領域23が形成され、この第1のp型
半導体ウエル領域23上に例えばp- - 領域、ノンドー
プ領域、n- - 領域等の比抵抗の高い高抵抗領域24が
形成される。
配列の各受光センサ部25を構成するための、n+ 半導
体領域26及びこの上のp+ 正電荷蓄積領域27が形成
される。このp+ 正電荷蓄積領域27は、界面準位によ
る暗電流の発生をおさえる。n+ 半導体領域26は、い
わゆる電荷蓄積領域となる。n+ 半導体領域26下の高
抵抗領域24には、n+ 半導体領域26から第1のp型
半導体ウエル領域、いわゆるオーバーフローバリア領域
23に達する電荷収集領域となる、高抵抗領域24より
は濃度の高いn- 半導体領域40が形成される。
に対応する位置に、読み出しゲート部28を挟んで垂直
転送レジスタ29のn型の埋め込み転送チャネル領域3
0が形成される。この埋め込み転送チャネル領域30の
周りを囲むように第2のp型半導体ウエル領域31が形
成される。さらに、受光センサ部25を含む各画素を区
画するp型のチャネルストップ領域32が形成される。
ストップ領域32及び読み出しゲート部28上に、ゲー
ト絶縁膜34を介して、例えば多結晶シリコンからなる
転送電極35が形成され、埋め込み転送チャネル領域3
0、ゲート絶縁膜34及び転送電極35によりCCD構
造の垂直転送レジスタ29が構成される。転送電極35
上を被覆する層間絶縁膜36を介して受光センサ部25
の開口を除く他部全面に、例えばAlによる遮光膜37
が形成される。
(図示せず)を介して各受光センサ部25に対応して受
光センサ部5への入射光を集光する、いわゆるオンチッ
プレンズ39が形成される。
サ部25の電荷蓄積領域となるn+半導体領域26より
深く、かつオーバーフローバリア領域として働く第1の
p型半導体ウエル領域23よりは浅いn- 半導体領域4
0内の位置に新たに第2のn型半導体領域41を形成す
る。このn型半導体領域41は、n+ 半導体領域26よ
り広く、本例では読み出しゲート領域28を越えて垂直
転送レジスタ29の下まで入り込むように形成する。
域という)41の濃度は、n+ 半導体領域26より薄
く、例えばn+ 半導体領域26の少なくとも半分以下の
濃度で、かつn- 半導体領域40の濃度より大きい濃度
にする。理由は、電荷蓄積される領域を従来と同じn+
半導体領域26の位置にしないと電荷の読み出しができ
ないので、ポテンシャルプロファイルがn半導体領域4
1からn+ 半導体領域26に向かって緩やかに上昇する
ような濃度設定にするためである。
ジスタ29下とn+ 半導体領域26下とで分けて形成し
濃度が異なった部分からなっても構わないが、電位的に
はn半導体領域41が一体となっていることが必要であ
る。
レジスタ29のオーバーフローバリアとなる第2のp型
半導体ウエル領域31のバリアを潰さない程度に深い位
置から、つまり第2のp型半導体ウエル領域31の一部
にかかってもいいが、電位のバリアをつぶさない程度に
深いところから第1のp型半導体ウエル領域23の手前
までの深さのどこであっても構わない。但し、受光セン
サ部25の飽和信号量を一定とすると、深い位置ほどn
半導体領域41は、低濃度にしなければならない。
n+ 半導体領域26と、これから基板下方向へ向かって
伸びる空乏層のうちオーバーフローバリア領域23の手
前のn- 半導体領域40、n半導体領域41からなる。
1とほぼ同等の深さに、第2のp型半導体ウエル領域3
1から第1のp型チャネルストップ領域32にかけて分
離領域となる第2のp型チャネルストップ領域44を形
成する。
6下の深い位置に垂直転送レジスタ29の下まで入り込
むようにn半導体領域41を形成することにより、電荷
収集領域43を垂直転送レジスタ29下まで伸ばすこと
ができる。これにより、斜めに入射した光も受光センサ
部25の電荷収集領域41内を通過する割合が多くな
り、従来捨ていた電荷を集めることができ、感度を向上
することができる。
集領域43を垂直転送レジスタ29下部へ伸ばしていく
と、やがて隣接の受光センサ部25へ空乏層が伸びてし
まい、ブルーミングが発生してしまう。本実施の形態で
は、n半導体領域41とほぼ同等の深さに第2のp型半
導体ウエル領域31から第1のp型チャネルストップ領
域32にかけて第2のp型チャンネルストップ領域44
を形成することにより、電位障壁を形成し確実にブルー
ミングを防止できる。第2のp型チャネルストップ領域
44を有する構成であれば、n半導体領域41を第2の
半導体ウエル領域下へ大きく張り出すことが可能とな
り、よりぎりぎりまで確実に電荷収集領域を増加させる
ことができる。また、第2のp型チャネルストップ領域
44の濃度が大きければ、このp型チャネルストップ領
域44の近くまでn半導体領域41を伸ばすことができ
る。
実施の形態を示す。本実施の形態もCCD固体撮像素子
に適用した場合である。上例では、n半導体領域41を
読み出しゲート領域28側の垂直転送レジスタ29の下
部へ張り出したが、逆方向の隣接画素の垂直転送レジス
タ29下部へ同様のことを行う事もできる。本実施の形
態に係るCCD固体撮像素子51は、電荷収集領域43
を広げるためのn半導体領域41を読み出しゲート領域
28側の垂直転送レジスタ29の下部へ伸ばすと共に、
逆方向の隣接画素の垂直転送レジスタ29の下部へも伸
ばすように構成する。勿論この場合、先に説明したブル
ーミング防止の第2のp型チャネルストップ領域44
は、隣接する画素の読み出しゲート領域28まではいか
ない範囲で第2のp型半導体ウエル領域31下に形成さ
れることになる。
対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。
受光センサ領域より両側に延長するようにn半導体領域
41を形成することにより、上例と同様に電荷収集領域
43が広がり、斜めに入射した光の電荷収集領域43内
を通過する割合が多くなり、より多くの電荷を集めるこ
とが出来、感度を向上することができる。
部25におけるn半導体領域41は、画素の開口に比べ
て少なくとも水平方向に張り出した形でn+ 半導体領域
26より深く、かつ第1のp型半導体ウエル領域23よ
りは浅く形成されれば、従来よりも3次元的に横に電荷
収集領域43を広げることができ、感度の向上を実現で
きる。
として、p+ 正電荷蓄積領域27を有するいわゆるHA
D(Hole Accumulation Diod
e)センサを構成したが、その他、例えばp+正電荷蓄
積領域27を有しないn+ 半導体領域26、n- 半導体
領域40及び第1のp型半導体ウエル領域23によるフ
ォトダイオードで構成した場合にも本発明は適用でき
る。
ア領域23を有するCCD固体撮像素子に応用可能であ
り、画素の大きいものから小さいものまで応用可能であ
る。
製造方法の一例を示す。図4Aに示すように、半導体基
板22に第1のp型半導体ウエル領域23を形成し、こ
のp型半導体ウエル領域23上の高抵抗領域24に埋め
込み転送チャネル領域30、第2のp型半導体ウエル領
域31、第1のp型チャネルストップ領域32などを形
成する。ここで、半導体基板22の表面に第1のp型半
導体ウエル領域23を形成し、その上に高抵抗領域24
を形成するようにしてもよく、或いは、半導体基板22
中に第1の半導体ウエル領域23を形成し、この第1の
半導体ウエル領域23上の基板領域を高抵抗領域24と
して用いるようにしてもよい。次いで、転送電極35を
形成する前、すなわち、セルファライン的に形成する受
光センサ部のn+ 半導体領域26、表面のp+ 正電荷蓄
積領域27の形成より前の工程で、絶縁膜46を介して
所望の形成すべきn半導体領域41に対応する位置に開
口47を有するレジストマスク48を形成し、このレジ
ストマスク48を介してn+ 半導体領域26より深く、
かつ第1のp型半導体ウエル領域23より浅い位置に、
n型不純物、例えばヒ素(As)、リン(P)などをイ
オン注入してn半導体領域41を形成する。例えば、5
μm画素サイズで、第1のp型半導体ウエル領域23が
深さ2.5μmにあるなら、n半導体領域41は1μm
前後の深さで5×1011/cm2 程度をイオン注入する
ことになる。この値は、第1のp型半導体ウエル領域2
3の深さや、n+ 半導体領域26の不純物量、画素サイ
ズにより全体の電位で決まるので一概にいうことはでき
ない。
のn+ 半導体領域26、p+ 正電荷蓄積領域27を形成
し、さらに、ゲート絶縁膜34,転送電極35を形成す
る。以後の工程は通常と同様であるので、説明を省略す
る。図4の例では、転送電極35の形成前にイオン注入
してn半導体領域41を形成することを前提にしている
が、その他、転送電極35を形成した後、転送電極35
を通過させて深い位置にイオン注入してn半導体領域4
1を形成することも勿論可能である。または、n+ 半導
体領域26、p+ 正電荷蓄積領域27を形成した後、転
送電極35の形成前に、イオン注入でn半導体領域41
を形成することもできる。
子の製造方法の他の例を示す。図5Aに示すように、半
導体基板22に第1のp型半導体ウエル領域23を形成
し、このp型半導体ウエル領域23上の高抵抗領域24
に埋め込み転送チャネル領域30、第2のp型半導体ウ
エル領域31、第1のp型チャネルストップ領域32な
どを形成し、また、p+ 正電荷蓄積領域27を形成し、
ゲート絶縁膜34,転送電極35を形成する。
ク49を介してn型不純物aをイオン注入して受光セン
サ部のn+ 半導体領域26を形成し、同じレジストマス
ク49を用いてn+ 半導体領域26より深く、かつ第1
のp型半導体ウエル領域23より浅い位置に、n型不純
物b、例えばヒ素(As)、リン(P)などを斜めイオ
ン注入して受光センサ部25から垂直転送レジスタ29
下に食い込ませるようにn半導体領域41を形成する。
体領域26を形成するときの同じレジストマスク49を
用いてイオン注入でn半導体領域41を形成する場合、
チャネリング防止の7度またはそれ以上の注入角で垂直
転送レジスタ29直下に食い込ませるようにイオン注入
してn半導体領域41を形成することも可能である。こ
の場合、上記注入角とレジストマスク49のプロファイ
ルによって、不純物イオンがレジストマスク49を突き
抜けて第2のp型半導体ウエル領域31方向にイオン注
入されてn半導体領域41が形成されるため、ブルーミ
ングし易くなる。この防止として、第2のp型半導体ウ
エル領域31の濃度を大にするなどして、読み出しゲー
ト部28側のブルーミングを抑えることが必要となる。
4の形成法の例を示す。第1のp型チャネルストップ領
域32を形成するイオン注入工程で打ち込みエネルギー
を高くして第2のp型チャネルストップ領域44を第1
のp型チャネルストップ領域32直下に形成するのが簡
単である。但し、通常p型チャネルストップ領域を形成
するためのイオン注入は、マスクの開口線幅が細いため
薄いレジストマスクを用いるが、比較的高い打ち込みエ
ネルギーが必要な第2のp型チャネルストップ領域の形
成には、より厚いレジストマスクが必要になるので、別
のレジストマスクで第2のp型チャネルストップ領域4
4を形成するためのイオン注入を行うのが実際的であ
る。p型不純物の例えばボロン(B)のドーズ量は、n
半導体領域41を打ち消せる1011〜1013/cm2 オ
ーダ程度が好ましい。打ち込みエネルギーは、打ち込み
飛程距離Rp が概ねn半導体領域41と同等の深さとな
る打ち込みエネルギーとすることができる。
製造工程に最低限n半導体領域41を形成するためのイ
オン注入工程を追加するだけでよく、非常に容易かつ安
価な製法で高感度のCCD固体撮像素子を製造すること
がきる。
の他の実施の形態を示す。本実施の形態は、CMOS型
の固体撮像素子に適用した場合であり、図6は受光セン
サ部となるフォトダイオード及び読み出し用MOSトラ
ンジスタを有する画素部分を示す。本実施の形態に係る
CMOS型固体撮像素子53は、第1導電型、例えばn
型のシリコン半導体基板62の深い位置にオーバーフロ
ーバリア領域となる第2導電型、即ちp型の第1の半導
体ウエル領域63が形成され、この第1のp型半導体ウ
エル領域63上に例えばp- - 領域、ノンドープ領域、
n- - 領域等の比抵抗の高い高抵抗領域64が形成され
る。
状に配列される各画素を区画するためのフィールド絶縁
層68が形成され、このフィールド絶縁層68下に第1
のp型半導体ウエル領域63に達する第2のp型半導体
ウエル領域69が形成される。第2のp型半導体ウエル
領域69は、フィールド絶縁層68の端縁より活性領域
側へ延長して形成される。
なるフォトダイオード65と読み出し用MOSトランジ
スタ71が形成される。フォトダイオード65は、表面
のp + 正電荷蓄積領域67と、電荷蓄積領域となるn+
半導体領域66と、この下のn- 半導体領域64と、p
型半導体ウエル領域63、69とによって形成される。
n- 半導体領域64は電荷収集領域となる。
ート絶縁膜72を介して形成した例えば多結晶シリコン
からなるゲート電極73と、これを挟む一方のソース/
ドレイン領域74及び他方のソース/ドレイン領域とな
る受光センサ部のn+ 半導体領域66とから構成され
る。一方のソース/ドレイン領域74下にはp型半導体
領域75が形成される。ゲート電極73下のチャネル領
域76には、必要に応じて(例えばVthを調整するため
に)所要の不純物が導入される。
イオード65のn+ 半導体領域66より深く、かくオー
バーフローバリア領域として働く第1のp型半導体ウエ
ル領域63よりは浅いn- 半導体領域66内の位置に第
2のn型半導体領域(以下、n半導体領域)77を形成
する。このn半導体領域77は、n+ 半導体領域66よ
り広く、本例ではゲート電極73下まで入り込むように
形成する。n半導体領域77の濃度は、前述と同様にn
+ 半導体領域66より薄く、例えばn+ 半導体領域66
の少なくとも半分以下の濃度で、n- 半導体領域64の
濃度より大きい濃度にするを可とする。
は、n+ 半導体領域66と、これから基板下方向へ向か
って伸びる空乏層のうちオーバーフローバリア領域63
の手前のn- 半導体領域64、n半導体領域77からな
る。
6下の深い位置にゲート電極73の下まで入り込むよう
にn半導体領域77を形成することにより、電荷収集領
域78をゲート電極73下まで伸ばすことができる。こ
れにより、図示せざるもオンチップレンズを通して斜め
に入射した光もフォトダイオード65の電荷収集領域7
8内を通過する割合が多くなり、従来捨ていた電荷を集
めることができ、感度を向上することができる。
ロードレイン方式、他のオーバーフロードレイン方式の
固体撮像素子に応用でき、画素の大きいものから画素の
小さいものまで応用可能である。本発明の固体撮像素子
は、受光センサ部の空乏領域を深く形成して近赤外線領
域にも感度を有せしめた固体撮像素子に適用して好適で
ある。
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。
光センサ部の電荷収集領域となる第1の第1導電型半導
体領域下に、電荷収集領域を広げるための第2の第1導
電型半導体領域を形成することにより、電荷収集領域を
3次元的に広げることができる。従って、受光センサ部
に斜めに入射した光による光電変換した成分をも収集す
ることができ、感度を効果的に上げることができる。
部より広い面積に形成するときは、電荷収集領域をより
大きく広げることができ、感度をさらに向上することが
できる。
めの分離領域を形成するときは、隣接する画素への空乏
層の伸びを阻止し、ブルーミングの発生を回避すること
ができる。
子に適用した場合の一実施の形態を示す画素部分の構成
図である。
子に適用した場合の他の実施の形態を示す画素部分の構
成図である。
法の一例を示す製造工程図である。
法の他の例を示す製造工程図である。
像素子に適用した場合の他の実施の形態を示す画素部分
の構成図である。
の構成図である。
体基板、23・・・第1のp型半導体ウエル領域、24
・・・高抵抗領域、25・・・受光センサ部、26・・
・n+ 半導体領域、27・・・p+ 正電荷蓄積領域、2
8・・・読み出しゲート部、29・・・垂直転送レジス
タ、30・・・埋め込み転送チャネル、31・・・第2
のp型半導体ウエル領域、32・・・第1のp型チャネ
ルストップ領域、34・・・ゲート絶縁膜、35・・・
転送電極、37・・・遮光膜、40・・・n- 半導体領
域、41・・・n半導体領域、43・・・電荷収集領
域、44・・・第2のp型チャネルストップ領域、53
・・・CMOS型固体撮像素子、63・・・第1のp型
半導体ウエル領域、64・・・n- 半導体領域、65・
・・フォトダイオード、66・・・n+ 半導体領域、6
8・・・フィールド絶縁層、69・・・第2のp型半導
体ウエル領域、70・・・高抵抗領域、73・・・ゲー
ト電極、74・・・一方のソース/ドレイン領域、76
・・・チャネル領域、77・・・n半導体領域、78・
・・電荷収集領域
Claims (4)
- 【請求項1】 受光センサ部の電荷蓄積領域となる第1
の第1導電型半導体領域下に、前記受光センサ部の電荷
収集領域を広げるための第2の第1導電型半導体領域が
形成されて成ることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項2】 前記第2の第1導電型半導体領域は前記
受光センサ部より広い面積を有して成ることを特徴とす
る請求項1に記載の固体撮像素子。 - 【請求項3】 前記第2の第1導電型半導体領域を分離
するための分離領域が形成されて成ることを特徴とする
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 【請求項4】 前記第2の第1導電型半導体領域を分離
するための分離領域が形成されて成ることを特徴とする
請求項2に記載の固体撮像素子。
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