JP2003086782A - 破壊電圧を高めたccdデバイスの横型オーバーフロードレイン及びブルーミング防止構造 - Google Patents

破壊電圧を高めたccdデバイスの横型オーバーフロードレイン及びブルーミング防止構造

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 破壊電圧が大きく、LODのドーズ量を増大
させ、コンダクタンス及びブルーミング保護を改善す
る。 【解決手段】 ブルーミング防止構造を有するイメージ
センサ。イメージセンサは、第1の導電型の半導体基板
と、第1の薄い部分と第2の厚い部分とを有する誘電体
と、前記基板内部において実質的に前記第1の薄い部分
にわたって延びる第2の導電型の埋め込みチャネルと、
実質的にその全体が前記第2の厚い部分の一部にわたっ
て配置され、光生成された過剰電荷を収集してブルーミ
ングを防止する、第2の導電型の横型オーバーフロード
レイン領域とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にイメージセ
ンサの分野に関し、より特定的には厚い電界誘電体(fi
eld dielectric)の実質的下部に位置する横型オーバー
フロードレインを有するイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】フルフ
レームタイプの電荷結合デバイス(CCD)のイメージ
センサにおいては、横型オーバーフロードレイン(LO
D)構造が垂直CCDシフトレジスタとともに形成され
て、過剰電荷を撮像領域から遠ざける方向に運ぶ手段を
提供する。このような電荷の除去は、CCD画素におけ
るブルーミングとして知られるイメージ欠陥を防ぐため
に必要である。このような欠陥では、コラムが部分的に
あるいは完全に電荷で溢れ、意図されるイメージを破壊
する。図1には、従来の横型オーバーフロードレイン構
造が、隣合う2つのコラムの中心で示されている。LO
Dを形成するために、n型不純物から成る埋め込み物
(implant)をデバイスの活性領域の端部において薄い
ゲート誘電体を介して形成し、これを、撮像領域の垂直
CCDコラムどうしの電気的絶縁を提供するために成長
させた厚い電界酸化物の領域と整合させる。電界酸化物
の下部にp型埋め込み物を形成することによっても電気
的絶縁は提供される。アレイを発光させると、光生成さ
れた(photogenerated)電荷は、n型埋め込みチャネル
領域に収集される。高い発光レベルでのブルーミングを
防ぐため、埋め込みチャネルの一部の領域をp型不純物
で補償してLODに対する静電ポテンシャル障壁を形成
する。このように、通常であれば埋め込みチャネル領域
から溢れてコラムのブルーミングを引き起こす過剰電荷
は、LOD障壁を超えてn型LODドレインに排出さ
れ、ここで、撮像領域から遠ざかる方向に安全に移動が
可能である。一般的な動作条件において、構造の位置に
対する静電電位またはチャネル電位が図2に示されてい
る。
【0003】十分なレベルの導電性を提供し、高性能イ
メージングアプリケーションに一般に求められる大量の
オーバーフロー電流を処理するには、通常大ドーズ量の
n型不純物を注入してLODを形成することが必要であ
る。しかしながら、シリコン表面に生成される電界が十
分に高くなり、衝撃イオン化メカニズム(アバランシェ
破壊(avalanche breakdown)としても知られる)によ
って、または量子力学的バンド−バンド間トンネル現象
(band-to-band tunneling)によってLODの電気的破
壊を生じると、埋め込むことのできるn型不純物の量
(ひいては横型オーバーフロードレインの導電性の上
限)が実際の限界に達することが図1に示すデバイスの
数値シミュレーションからわかる。簡単に言えば、電気
的破壊の結果、望ましくない大きな電流が生成される。
破壊状態は、デバイス電極への印加バイアスが増すと、
通常生成される。アバランシェ破壊の条件は動作の蓄積
モードに対して最も厳しく、ゲート電極が通常−10ボ
ルトに設定されることが当業者には明らかである。横型
オーバーフロードレインは通常10ボルトでバイアスを
かけられるので、合計20ボルトが薄いゲート誘電体間
にかけられ、最大の電界が、横型オーバーフロードレイ
ン埋め込み物の中央の上方でシリコン表面において発生
する。表面電界強度を位置に対して示した図が、図1に
含まれている。
【0004】したがって、破壊電圧が表面限度よりもは
るかに高く、LODのドーズ量が増加してコンダクタン
ス及びブルーミング保護の量を改善できる、CCD L
ODブルーミング防止構造を求める要望がある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題の
1つ以上を解決することを目的とする。簡単に要約する
と、本発明の1態様によれば、本発明は、ブルーミング
防止構造を有するイメージセンサであって、(a)第1
の導電型の半導体基板と、(b)第1の薄い部分と第2
の厚い部分とを有する誘電体と、(c)前記基板内部に
おいて実質的に前記第1の薄い部分にわたって延びる第
2の導電型の埋め込みチャネルと、(d)実質的にその
全体が前記第2の厚い部分の一部にわたって配置され、
光生成された過剰電荷を収集してブルーミングを防止す
る、第2の導電型の横型オーバーフロードレイン領域と
を含む、イメージセンサを提供する。
【0006】本発明の上記の、及び他の態様、目的、特
性及び効果については、好ましい実施形態の以下に示す
詳細な記載及び請求の範囲を理解し、添付の図面を参照
することによってより明確に理解され、認識される。
【0007】
【発明の実施の形態】以下の好ましい実施形態におい
て、「下方に(underneath)」、「真下に(beneat
h)」などの用語は、便宜上の言葉であり、限定的な用
語として解釈されるものではない。また、ここで使用さ
れるように、厚い電界誘電体とは、活性領域誘電体より
厚い電界誘電体層を意味する。
【0008】図3には、CCD及びその横型オーバーフ
ロードレインブルーミング防止構造10が示されてい
る。CCD10は、電子の形で入射光を収集する複数の
n型埋め込みチャネル30を有するp型基板を含む。基
板20内に設けられた複数の障壁40は、埋め込みチャ
ネル30における電荷収集のための最大エネルギレベル
を定め、光生成された(photogenerated)過剰電荷は埋
め込みチャネル30から流れ出る。
【0009】埋め込みチャネル30の上部には誘電体5
0が形成され(蒸着または成長され)、障壁40、横型
オーバーフロードレイン60及びチャネルストップ70
を覆って延びている。横型オーバーフロードレイン60
及びチャネルストップ70については、いずれも以下に
詳細に説明する。誘電体50は、埋め込みチャネル30
及び障壁40の実質的に上部に位置する薄い活性領域誘
電体領域80を含み、さらに、離間した埋め込みチャネ
ル30間に実質的に位置する厚い誘電体領域90を含
む。ゲート電極100は、誘電体50の全体の真上に設
けられている。活性領域誘電体80は、好ましくは、酸
化物/窒化物/酸化物(ONO)、酸化物/窒化物(O
N)、または酸化物で構成され、厚い誘電体90は、好
ましくは酸化物で構成されるが、これは製造工程を簡単
にするためである。
【0010】n型ドレイン60は、実質的に(完全にま
たは大体において)その全体が厚い電界誘電体90の一
部の真下に位置し、障壁40をあふれて流れる光生成さ
れた過剰電荷を収集する。p型チャネルストップ70
は、好ましくは横型オーバーフロードレイン60の隣に
同じく実質的にその全体が厚い電界誘電体90の一部の
真下に位置し、ドレイン領域60の境界を形成する。こ
こで、p型チャネルは厚い電界誘電体の下部に配置する
必要はなく、別の位置でも実行可能であることに注目す
べきである。
【0011】ここで、横型オーバーフロードレイン60
は厚い誘電体層90(例えば、従来技術における500
オングストロームに比べて3000〜4000オングス
トロームの酸化物である)によりゲート電極100から
絶縁されているので、シリコン表面において発生する電
界は、はるかに小さい。本発明のCCD及びそのブルー
ミング防止構造10の、位置に対する表面電界強度を表
す図が図3に含まれ、これが図1に示す従来の横型オー
バーフロードレイン構造の場合と比較される。ここで重
要なのは、電界がより小さいということは、より大量の
n型不純物をLODの形成に使用できることを意味し、
これにより、従来の設計と比較した場合にコンダクタン
スを実質的に改善することができる。さらに、改善され
たコンダクタンスによって、LODの幅を相当に小さく
し、その結果画素の充電容量を損なうことなく、より高
解像度の(すなわちより小さい画素の)イメージングア
レイの設計が可能になる。あるいは、ゲート及びLOD
電極への印加電圧のより大きな動作範囲を許可すること
により、この新しい構造のより高い破壊電圧を使用して
デバイス歩留まりを向上させることもできる。
【0012】本発明の横型オーバーフロードレイン構造
の別の重要な効果は、n型ドーパントとして燐の不純物
ではなく砒素の不純物を優先的に使用することである。
従来のLOD構造においては、砒素に比べコンダクタン
スが高く、破壊電圧が高いために燐が好まれていた。し
かしながら、燐の問題点は、その拡散距離が長いために
LODのポテンシャル障壁が下方に引き下げられ、充電
容量が低下することである。このような燐による引き下
げ効果に対処するためには、燐とともにホウ素を埋め込
むか、LOD障壁埋め込み物ドーズ量を調整するかの少
なくともいずれかが要求され、デバイスプロセスの複雑
さが増す。チャネルストップ領域におけるポテンシャル
も同様に、燐の不純物で形成されたLODによって引き
下げを受ける。これに対し、電界誘電体の下部に砒素の
不純物で形成したLODは、燐の不純物で形成したLO
Dに比べてはるかに低速に拡散するため、画素における
付近のポテンシャルに対する影響がはるかに小さくな
る。よって、燐の不純物の存在を補償するためにともに
埋め込まれるホウ素の不純物が不要になり、ドレインの
導電性がさらに高まる。あるいは、障壁埋め込みの調整
の必要も減少する。要するに、LODの形成に砒素を使
用することは、画像解像度の向上を意図した画素スケー
リングの試み(effort)にとっては明らかに好ましい。
【0013】例えば、p型のシリコン基板及びチャネル
ストップを、n型の埋め込みチャネル及びオーバーフロ
ードレインとともに用いて本発明を説明したが、n型の
基板を用いて、他の種々の埋め込み物に逆の導電性の型
を用いることもできる。図にはCCDを1つのみと対応
する横型オーバーフロードレインが示されるが、このよ
うなCCDが複数と対応する横型オーバーフロードレイ
ン、ブルーミング防止構造が設けられていてもよい。
【0014】
【発明の効果】本発明は、横型オーバーフロードレイン
を厚い誘電体層の下部に設け、シリコン表面に発生する
実質的により低い電界によって、より大量のn型不純物
を使用してコンダクタンスを高めることができるという
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術の電荷結合デバイス及びそのブルー
ミング防止構造の垂直断面図及び、表面電界を示す図で
ある。
【図2】 図1の従来技術のCCD及びブルーミング防
止構造における、位置に対する静電ポテンシャル最大値
を示す図である。
【図3】 本発明の電荷結合デバイス及びブルーミング
防止構造の垂直断面図及びその表面電界を示す図であ
る。
【符号の説明】
10 CCD及びそのブルーミング防止構造、20 基
板、30 埋め込みチャネル、40 障壁、50 誘電
体、60 横型オーバーフロードレイン、70チャネル
ストップ、80 薄い活性領域誘電体、90 厚い電界
誘電体、100 ゲート電極。
フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA05 AA10 BA12 DA03 FA15 FA19 FA24 FA26 FA28

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ブルーミング防止構造を有するイメージ
    センサであって、 (a)第1の導電型の半導体基板と、 (b)第1の薄い部分と第2の厚い部分とを有する誘電
    体と、 (c)前記基板内部において実質的に前記第1の薄い部
    分にわたって延びる第2の導電型の埋め込みチャネル
    と、 (d)実質的にその全体が前記第2の厚い部分の一部に
    わたって配置され、光生成された過剰電荷を収集してブ
    ルーミングを防止する、第2の導電型の横型オーバーフ
    ロードレイン領域と、 を含む、イメージセンサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のイメージセンサであっ
    て、前記横型オーバーフロードレインに隣接し、前記第
    2の厚い部分の一部にわたって配置された、第1の導電
    型のチャネルストップをさらに含むイメージセンサ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のイメージセンサであっ
    て、前記横型オーバーフロードレインに隣接して配置さ
    れた障壁領域をさらに含むイメージセンサ。
JP2002240045A 2001-08-31 2002-08-21 破壊電圧を高めたccdデバイスの横型オーバーフロードレイン及びブルーミング防止構造 Pending JP2003086782A (ja)

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