JP2005093915A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 読み出し電圧を高くせずに、ブルーミングの発生を抑制することができる構成の固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 入射光を受光する受光センサ部２と、受光センサ部２の一方の側に設けられた垂直転送レジスタ３と、受光センサ部２と垂直転送レジスタ３との間に設けられた読み出しゲート部１４と、垂直転送レジスタ３の、読み出しゲート部１４とは反対側に設けられたチャネルストップ領域１３とを有し、垂直転送レジスタ３を構成する第１導電型の転送チャネル領域１１よりも、この転送チャネル領域１１の下に形成された第２導電型の半導体領域１２が、前記チャネルストップ領域１３側に、広く形成されている固体撮像素子を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

先ず、従来の、インターライントランスファ（ＩＴ）型のＣＣＤ固体撮像素子の概略平面図を図５に示す。
この固体撮像素子３１は、画素を構成する、例えばフォトダイオードからなる受光センサ部３２が多数マトリクス状に配列され、受光センサ部３２の各列の一方の側に垂直方向に延びる垂直転送レジスタ３３が形成されて、撮像領域３４が構成されている。さらに、撮像領域３４の垂直方向の端部に水平転送レジスタ３５が配置され、この水平転送レジスタ３５に電荷電圧変換手段（図示せず）を介して出力部３６が接続されて構成される。

次に、図５の撮像領域３４のＡ―Ａ線上における拡大断面図を図６に示す。
撮像領域３４では、第１導電型、例えばＮ型のシリコンから成る半導体基板３７内に、第２導電型、例えばＰ型の第１の半導体ウェル領域３８が形成され、半導体基板３７の表面側には、受光センサ部３２を構成する高濃度のＮ型の半導体領域（所謂電荷蓄積領域）３９と、その上の表面の高濃度のＰ型の半導体領域（正電荷蓄積領域）４０からなるフォトダイオードが形成される。受光センサ部３２列の一方の側には、垂直転送レジスタ３３を構成するＮ型の転送チャネル領域４１が形成され、Ｎ型の転送チャネル領域４１の下には、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域４２が形成されている。受光センサ部３２列の他方の側には、水平方向に隣り合う画素間を分離するための画素分離領域、すなわちＰ型のチャネルストップ領域４３が形成されている。受光センサ部３２と垂直転送レジスタ３３との間には、受光センサ部４２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ３３に読み出すための、読み出しゲート部４４が形成されている。

半導体基板３７の表面上には、絶縁膜４５が形成され、読み出しゲート部４４、Ｎ型の転送チャネル領域４１及びチャネルストップ領域４３上に、例えば多結晶シリコン層より転送電極４６が形成されている。そして、転送チャネル領域４１、転送電極４６とにより垂直転送レジスタ４３が構成される。この転送電極４６上には、層間絶縁膜４７を介して例えばＡｌからなる遮光膜４８が形成される。

遮光膜４８上には、図示せざるも、全面を覆って平坦化膜が形成され、この平坦化膜上にはカラーフィルタが形成される。そして、このカラーフィルタ上の受光センサ部３２と対応する位置には、オンチップレンズが形成されている。

ところで、このような構成の固体撮像素子３１においては、ブルーミングの発生を抑制するために、例えば読み出しゲート部４４下のブルーミングパスとなる領域Ｘにおいて、不純物濃度を高くする構成が知られている。
すなわち、ブルーミングパスとなる領域ＸのＰ型の不純物濃度を高くすることで、この領域Ｘにおけるポテンシャルバリアを高くし、例えば読み出し時以外に、受光センサ部４２から垂直転送レジスタ４３への信号電荷の流出を抑えるようにしている。

このように、領域ＸのＰ型の不純物濃度を高くするには、例えば、第１の半導体ウェル領域３８内に、第２の半導体ウェル領域４２を形成する際に、高濃度のＰ型の不純物を注入して読み出しゲート部４４下へと拡散させることにより行っている。

また、このような構成以外にも、例えば、垂直転送レジスタの第２の半導体ウェル領域を、読み出しゲート部下まで延在させる構成が知られている（特許文献１参照）。
すなわち、読み出しゲート部下まで、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域を延在させることで、読み出しゲート部下のブルーミングパスとなる領域ＸのＰ型の不純物濃度が、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域に影響を受けて高くなり、この領域Ｘにおけるポテンシャルバリアが高くなるようにしている。これにより、上述した場合と同様に、例えば読み出し時以外に、受光センサ部から垂直転送レジスタへの信号電荷の流出を抑えるようにしている。
特開平１１−５４７３９号公報

しかしながら、第２の半導体ウェル領域４２を形成する際の、高濃度のＰ型の不純物の拡散により、ブルーミングパスとなる領域ＸのＰ型の不純物濃度を高くする場合、この領域Ｘのみだけではなく、その上の読み出しゲート部４４の読み出しパスとなる領域ＹまでにもＰ型の不純物の拡散が広がり、読み出しゲート部４４のＰ型の不純物濃度も高くなってしまう。

また、読み出しゲート部下まで、垂直転送レジスタの第２の半導体ウェル領域を延在させることで、ブルーミングパスとなる領域ＸのＰ型の不純物濃度を高くする場合（上記特許文献１参照）、この領域のみが、延在された第２の半導体ウェル領域の影響を受けるだけではなく、その上の読み出しゲート部の読み出しパスとなる領域も第２の半導体領域の影響を受けてしまい、読み出しゲート部のＰ型の不純物濃度も高くなってしまうことが考えられる。

すなわち、ブルーミングの発生を抑制するために、読み出しゲート部下のブルーミングパスとなる領域の不純物濃度を高く変えようとすると、どうしても読み出しゲート部の不純物濃度までにも影響を与えてしまう。

このように、読み出しゲート部を構成する不純物濃度が高くなった場合、そのポテンシャルバリアも高くなるので、例えば信号電荷の読み出し時は、転送電極４６に印加される読み出し電圧を高くしないと、読み出しゲート部４４のポテンシャルバリアを潰すことができず、信号電荷を受光センサ部３２から垂直転送レジスタ３３に効率よく読み出すことが困難となる。

なお、このような問題は、固体撮像素子を微細化していった場合にさらに顕著になる。

上述した点に鑑み、本発明は、読み出し電圧を高くせずに、ブルーミングの発生を抑制することができる構成の固体撮像素子を提供するものである。

本発明に係る固体撮像素子は、入射光を受光する受光センサ部と、受光センサ部の一方の側に設けられた垂直転送レジスタと、受光センサ部と垂直転送レジスタとの間に設けられた読み出しゲート部と、垂直転送レジスタの、読み出しゲート部とは反対側に設けられたチャネルストップ領域とを有し、垂直転送レジスタを構成する第１導電型の転送チャネル領域よりも、この転送チャネル領域の下に形成された第２導電型の半導体領域が、チャネルストップ領域側に、広く形成されている構成とする。

本発明に係る固体撮像素子によれば、入射光を受光する受光センサ部と、受光センサ部の一方の側に設けられた垂直転送レジスタと、受光センサ部と垂直転送レジスタとの間に設けられた読み出しゲート部と、垂直転送レジスタの、読み出しゲート部とは反対側に設けられたチャネルストップ領域とを有し、垂直転送レジスタを構成する第１導電型の転送チャネル領域よりも、この転送チャネル領域の下に形成された第２導電型の半導体領域が、チャネルストップ領域側に、広く形成されているので、例えば、第２導電型の半導体領域のポテンシャルバリアが、その周囲の第１導電型の転送チャネル領域より受ける３次元的な変調を抑制することができ、第２導電型の半導体領域のポテンシャルバリアを、読み出しゲート部下の領域まで広げて強化することができる。
これにより、例えば、読み出しゲート部下の領域の不純物濃度を変えることなく、読み出しゲート部下の領域のポテンシャルバリアを強化することが可能になる。
したがって、例えば、読み出しゲート部下の領域の不純物濃度を変えることによる、読み出しゲート部の不純物濃度への影響を低減することができる。

本発明の固体撮像素子によれば、読み出しゲート部の不純物濃度に影響を与えずに、ポテンシャルバリアを強化してブルーミング特性のみを向上することができる。
これにより、例えば、読み出しゲート部の不純物濃度が影響を受けることによる、読み出し電圧が高くなることを抑制することができる。
したがって、低い読み出し電圧で、ブルーミング特性が確保された構成の固体撮像素子を提供することが可能になる。
また、微細化されても、低い読み出し電圧で、ブルーミング特性が確保された構成の固体撮像素子を提供することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

先ず、本発明の固体撮像素子の一実施の形態として、ＣＣＤ型の固体撮像素子の概略構成図を、図１に示す。
なお、図１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子を、例えばインターライントランスファ（ＩＴ）型の方式に適用した場合の概略平面図を示している。
この固体撮像素子１は、画素を構成する例えばフォトダイオードからなる受光センサ部２が多数マトリクス状に配列され、受光センサ部２の各列の一方の側に垂直方向に延びる垂直転送レジスタ３が形成されて、撮像領域４が構成されている。さらに、撮像領域４の垂直方向の端部に水平転送レジスタ５が配置され、この水平転送レジスタ５に電荷電圧変換手段（図示せず）を介して出力部６が接続されて構成される。

次に、図１の撮像領域３４のＡ―Ａ線上における拡大断面図を図２に示す。
撮像領域４では、第１導電型、例えばＮ型のシリコン半導体基板７内に、第２導電型、例えばＰ型の第１の半導体ウェル領域８が形成され、半導体基板７の表面側には、受光センサ部２を構成する高濃度のＮ型の半導体領域（所謂電荷蓄積領域）９と、その上の表面の高濃度のＰ型の半導体領域（正電荷蓄積領域）１０からなるフォトダイオードが形成される。受光センサ部２列の一方の側には、読み出しゲート部１４を介して、垂直転送レジスタ３を構成する、第１導電側、例えばＮ型の転送チャネル領域１１が形成され、Ｎ型の転送チャネル領域１１の下には、第２導電型、例えばＰ型の第２の半導体ウェル領域１２が形成されている。そして、垂直転送レジスタ３の、読み出しゲート部１４側と反対側には、水平方向に隣り合う単位画素間を分離するための画素分離領域、すなわち高濃度のＰ型のチャネルストップ領域１３が形成されている。

半導体基板７の表面上には、絶縁膜１５が形成され、読み出しゲート部１４、Ｎ型の転送チャネル領域１１及びチャネルストップ領域１３上に、例えば多結晶シリコン層より転送電極１６が形成されている。そして、転送チャネル領域１１、転送電極１６とにより垂直転送レジスタ３が構成される。この転送電極１６上には、層間絶縁膜１７を介して例えばＡｌからなる遮光膜１８が形成される。
また、遮光膜１８上には、図示せざるも、全面を覆って平坦化膜が形成され、この平坦化膜上にはカラーフィルタが形成される。そして、このカラーフィルタ上の受光センサ部と対応する位置には、オンチップレンズが形成されている。

そして、本実施の形態においては、特に、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２を、垂直転送レジスタ３のＮ型の転送チャネル領域１１よりもチャネルストップ領域１３側に広く形成する。
すなわち、従来の固体撮像素子の垂直転送レジスタにおいては、Ｎ型の転送チャネル領域とＰ型の第２の半導体ウェル領域は、それぞれ同じ幅Ｄ（４１Ｄ，４２Ｄ）で形成されていたが（図６参照）、本実施の形態の固体撮像素子１の垂直転送レジスタ３においては、Ｎ型の転送チャネル領域１１の幅１１ＤよりもＰ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄを、チャネルストップ領域１３側に広く形成する。
図２の場合では、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２は、チャネルストップ領域１３内の途中まで広く形成している。

ここで、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２を、Ｎ型の転送チャネル領域１１よりもチャネルストップ領域１３側に広げるには、例えば、以下に示すようにして行うことができる。
例えば、その開口幅が、後述する転送チャネル領域１１形成用のパターンのレジストマスクの場合よりも広い、第２の半導体ウェル領域１２形成用のパターンのレジストマスクをマスクとして、第１の半導体ウェル領域８内の所定の位置にＰ型の不純物をイオン注入（イオンプランテーション）することにより、幅１２Ｄの第２の半導体ウェル領域１２を形成し、次に、Ｎ型の転送チャネル領域１１形成用のパターンのレジストマスクをマスクとして、先に形成されたＰ型の第２の半導体ウェル領域１２上にＮ型の不純物をイオン注入（イオンインプランテーション）することで、第２の半導体ウェル領域１２上に、幅１１Ｄの転送チャネル領域１１を形成する。

このように、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄを、Ｎ型の転送チャネル領域１１の幅１１Ｄよりもチャネルストップ領域１３側に広く形成した場合、Ｐ型の第２の半導体領域の幅１２Ｄが、Ｎ型の転送チャネル領域１１の幅１１Ｄよりも広く形成される分、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２のポテンシャルバリアが、その周囲に形成されたＮ型の半導体領域１１より受ける３次元的な変調を抑制して、ポテンシャルバリアを強化させることができる。

すなわち、このような構成とした場合の、受光センサ部２及び読み出しゲート部１４、並びに垂直転送レジスタ３付近のポテンシャル断面図を図３Ａに示すように、第２の半導体ウェル領域１２では、そのポテンシャルの間隔が密になっており、ポテンシャルバリアが強化されていることが分かる。
そして、この強化された第２の半導体ウェル領域１２のポテンシャルバリアが、読み出しゲート部１４下のブルーミングパスとなる領域Ｘまで広がって、この領域Ｘのポテンシャルバリアを強化していることが分かる。

ここで、比較例として、例えば、Ｎ型の転送チャネル領域とＰ型の第２の半導体領域が同じ幅Ｄで形成された場合の、受光センサ部及び読み出しゲート部、並びに垂直転送レジスタのポテンシャル断面図を図３Ｂに示す。
このような構成とされた場合、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域の幅とＮ型の転送チャネル領域の幅が同じ幅Ｄで形成されているので、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域が形成するポテンシャルバリアが、その周囲に形成されたＮ型の半導体領域より、３次元的な変調を強く受けることになり、図３Ａに示したように、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄを、Ｎ型の転送チャネル領域１１の幅１１Ｄよりもチャネルストップ領域１３側に広く形成した場合と比べると、第２の半導体ウェル領域では、そのポテンシャルの間隔が広くなっており、ポテンシャルバリアが弱いことが分かる。
また、読み出しゲート部下のブルーミングパスとなる領域Ｘにおいても、そのポテンシャルの間隔は広いままで、この領域Ｘのポテンシャルバリアも弱いことが分かる。

本実施の形態の固体撮像素子１によれば、垂直転送レジスタ３において、Ｎ型の転送チャネル領域１１の幅１１ＤよりもＰ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄを、チャネルストップ領域１３側へ広く形成したので、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域のポテンシャルバリアが、その周囲に形成されたＮ型の半導体領域（Ｎ型の転送チャネル領域１１）より受ける３次元的な変調を少なくすることができる。
これにより、図３Ａに示したように、第２の半導体ウェル領域１２のポテンシャルバリアを広く強化することができ、読み出しゲート部１２下のブルーミングパスとなる領域Ｘのポテンシャルバリアをも強化することが可能になる。
すなわち、ブルーミングパスとなるその底部側の深い領域（例えば基板１表面から２．５μｍ以上）Ｘでは、従来のように、Ｐ型の不純物の濃度を高く変えることなく、ブルーミングに対するポテンシャルバリアを強化することが可能になる。

このように、読み出しゲート部下のブルーミングパスとなる領域ＸのＰ型の不純物濃度を高く変えなくとも、ブルーミングパスとなる領域Ｘのポテンシャルバリアを強化することが可能になるので、従来のように、例えば、高濃度のＰ型の不純物の拡散や第２の半導体領域を読み出しゲート部下まで延在させる構成等を用いて読み出しゲート部下のブルーミングパスとなる領域Ｘの不純物濃度を高く変える必要がなくなる。
したがって、読み出しパスとなるその表面側の浅い領域（例えば基板１表面から０μｍ〜２．５μｍ）Ｙでは、Ｐ型の不純物濃度を高く変えることによる影響を受けず、ポテンシャルバリアが高くなることを抑制することができる。

これにより、読み出し電圧を高くせずに、受光センサ部２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ３に効率よく読み出すことが可能になる。

また、第２の半導体ウェル領域１２はチャネルストップ領域１３側に広く形成されており、例えば読み出しゲート部１４側に広く形成されていないので、このような構成においても、読み出しゲート部の不純物濃度に与える影響を低減している。

上述した実施の形態の固体撮像素子１では、図２に示したように、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄを、チャネルストップ領域１３内の途中まで広く形成したが、図４に示すように、隣接する単位画素の受光センサ部５までさらに広く形成することもできる。
なお、その他の構成は、図２に示した構成と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略している。

このような構成とされた固体撮像素子の場合は、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域１２をチャネルストップ領域１３内の途中まで広く形成した場合に比べて、さらにＰ型の第２の半導体ウェル領域１２の幅１２Ｄが広がるので、このＰ型の第２の半導体ウェル領域１２のポテンシャルバリアが、その周囲のＮ型の転送チャネル領域１１より受ける３次元的な影響をさらに少なくすることができる。
これにより、第２の半導体ウェル領域１２のポテンシャルバリアを、さらに広くして強化させることができるので、この強化されたポテンシャルバリアのさらなる広がりにより、ブルーミングパスとなる領域Ｘのポテンシャルバリアもさらに強化させることができる。

なお、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。

本発明の固体撮像素子の一実施の形態を示す概略平面図である。 図１の固体撮像素子のＡ−Ａ線上の拡大断面図である。 Ａ、Ｂ 本発明と従来の固体撮像素子の、受光センサ部及び読み出しゲート部、並びに垂直転送レジスタ付近のポテンシャル断面図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施の形態を示す拡大断面図である。 従来の固体撮像素子の概略平面図である。 図５の固体撮像素子のＡ−Ａ線上の拡大断面図である。

符号の説明

１・・・固体撮像素子、２・・・受光センサ部、３・・・垂直転送レジスタ、７・・・半導体基板、８・・・Ｐ型の第１の半導体ウェル領域、９・・・高濃度のＮ型の半導体領域、１１・・・Ｎ型の転送チャネル領域、１１Ｄ・・・Ｎ型の転送チャネル領域の幅、１２・・・Ｐ型の第２の半導体ウェル領域、１２Ｄ・・・Ｐ型の第２の半導体ウェル領域の幅、１３・・・チャネルストップ領域、１４・・・読み出しゲート部

Claims (1)

1. 入射光を受光する受光センサ部と、
   前記受光センサ部の一方の側に設けられた垂直転送レジスタと、
   前記受光センサ部と前記垂直転送レジスタとの間に設けられた読み出しゲート部と、
   前記垂直転送レジスタの、前記読み出しゲート部とは反対に設けられたチャネルストップ領域とを有し、
   前記垂直転送レジスタを構成する第１導電型の転送チャネル領域よりも、該転送チャネル領域の下に形成された第２導電型の半導体領域が、前記チャネルストップ領域側に、広く形成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。

Images