JP2005209673A - 光電変換装置および光電変換装置の製造方法および固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換領域と電荷転送領域間の読み出し領域の不純物濃度を調整することで、ブルーミング耐性を確保し読み出し電圧の低減を可能とする。
【解決手段】半導体基板11に形成された第1導電型の第1領域12内に、光電変換領域21とこれと間隔を置いた電荷転送領域23とを備えた光電変換装置1であって、光電変換領域21と電荷転送領域23間の第1領域12内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域21のポテンシャルの最高となる位置の界面からの深さと、電荷転送領域23におけるポテンシャルが最高となる位置の界面からの深さとの間の深さを含み、半導体基板11界面を含まない領域に第1領域12と同一導電型の第2領域27が形成され、第2領域27上部の第1領域12の比抵抗値が第2領域27よりも低いか、または第2領域27上部の第1領域12中の不純物濃度が第2領域27よりも高いものである。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板11に形成された第1導電型の第1領域12内に、光電変換領域21とこれと間隔を置いた電荷転送領域23とを備えた光電変換装置1であって、光電変換領域21と電荷転送領域23間の第1領域12内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域21のポテンシャルの最高となる位置の界面からの深さと、電荷転送領域23におけるポテンシャルが最高となる位置の界面からの深さとの間の深さを含み、半導体基板11界面を含まない領域に第1領域12と同一導電型の第2領域27が形成され、第2領域27上部の第1領域12の比抵抗値が第2領域27よりも低いか、または第2領域27上部の第1領域12中の不純物濃度が第2領域27よりも高いものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、ブルーミングが起こりにくくかつ読み出し電圧の低電圧化を図ることが容易な光電変換装置および光電変換装置の製造方法および固体撮像装置に関するものである。
従来の固体撮像装置の構造を、図5を用いて説明する。図5に示すように、現在主流のインターライン型電荷結合デバイス(IT型CCD)ないし放送局用として使われているフレームインターライン型電荷結合デバイス(FIT型CCD)の単位画素構造は、基本的には、基板511に、画素領域512間を分離するチャネルストップ領域513が設けられている。上記画素領域512には、入射光の光電変換と光電変換された電荷の蓄積を行う光電変換領域514と、垂直方向に電荷を転送する垂直転送領域(垂直CCD)515が間隔を置いて形成され、光電変換領域514と垂直CCD515との間に光電変換領域514に蓄積された電荷を垂直CCD515に転送を行う読み出しゲート領域516が形成されている。さらに、垂直CCD515のチャネル部517上および読み出しゲート領域516上には絶縁膜521を介して電極522が構成されている(例えば、特許文献1および2参照。)。
例えば2.5μm角の画素領域を有するCCDを構成する場合、チャネルストップ幅として0.35μm、読み出しゲート幅として0.35μm、センサー(光電変換領域)幅として1.0μmとすると、垂直CCD幅は0.8μmとなる。
従来の構造のままでは、CCD単位セルの縮小化にともない、感度や受光部の取り扱い電荷量、スミア、垂直CCDの取り扱い電荷量などの特性を確保するのが困難になってきている。画素領域の面積を増やすことなく垂直CCDの取り扱い電荷量を増大させるためには、ゲート絶縁膜をより薄く形成し、チャネルのドーパントを濃く形成して、電気的容量を増加させる方法がある。しかしながら、この方法では電荷転送がしにくくなるという不利な点もある。垂直CCDの駆動振幅を大きくすることは取り扱い電荷量の増加となるが、従来構造ではVhighをプラス側に駆動させると暗電流が増大するため、Vhigh電圧は0Vに留まっているのが現状である。
これに対して、スミアの改善および垂直CCDの取り扱い電荷量を拡大させるために、図6に示すような構造が提案されている。
図6に示すように、基板611に、画素領域612間を分離するチャネルストップ領域613が設けられている。上記画素領域612には、入射光の光電変換と光電変換された電荷の蓄積を行う光電変換領域614と、垂直方向に電荷を転送する垂直転送領域(垂直CCD)615が間隔を置いて形成され、光電変換領域614と垂直CCD615との間に光電変換領域614に蓄積された電荷を垂直CCD615のチャネル領域617に転送を行う読み出し領域616が形成されている。さらに、垂直CCD615のチャネル部615上および読み出し領域616上には絶縁膜621を介して転送電極622が構成されている。この転送電極622は、垂直CCD615のチャネル領域617と同一な幅となっていて、チャネルストップ領域614や読み出し領域616上に形成されていない構造となっている(例えば、特許文献3参照。)。さらに転送電極622上および読み出し領域616上は、絶縁膜623を介して、負電圧とした遮光電極624によって被覆されている構造になっている。また読み出し領域616は、後述するように転送電極622に印加した電圧で垂直CCD615のチャネル領域617のポテンシャルが十分に深くなり、かつ垂直CCD615のチャネル領域617の空乏層が光電変換領域614方向に伸びることによって読み出す、いわゆる、パンチスルー読み出し方式となっている。
上記図6によって説明した構造とすることにより、垂直CCDの取り扱い電荷量は駆動振幅にほぼ比例する関係にあるので(Q=CVより、Cがほぼ一定であればQはVに比例する)、垂直CCDの駆動電圧のうちVhigh側を(従来セルのように0V駆動せず)正(+)電圧で駆動し駆動振幅を上げることが好ましくなる。しかしながら、垂直CCDのVhighの正(+)電圧駆動化は、チャネルストップ領域614の酸化シリコン(SiO2)膜とシリコン界面を空乏化させる方向であるため、Vhigh=0VやVhigh=負電圧駆動に比べ暗電流が増加する。さらに図6によって説明した構造においては、垂直CCDの駆動電圧のVhigh値を正(+)側にしても、チャネルストップ領域614を空乏化することがないが、遮光電極が負電圧でチャネルストップ領域614にかかる構造であることからチャネルストップ領域614を正孔でピニングすることができ、暗電流の発生は従来構造にくらべ逆に低くすることができる。また転送電極622が垂直CCDのチャネル領域615上にあって、読み出し方向に突き出た構造になっていないため、Vhighを数ボルト程度の正(+)電圧にしても光電変換領域614からのブルーミング耐性を保つことができる。Vhighの値は正(+)電圧でかつ3V以下程度である。
一方、スミア特性は遮光電極の張り出し部分の長さに大きく依存する。すなわち張り出し量が大きければ垂直CCDのチャネル領域とセンサー開口部との距離が遠ざかり斜め入射光によるスミア耐性が強化される。図6によって説明した構造では垂直CCD転送電極幅が従来構造に比べて狭く形成されているため、遮光電極の張り出し長をチャネルストップ領域614側および読み出し領域616側ともに長くとることができ、低スミアを実現できる構造といえる。
図6の構造では、垂直CCD上方のみに電極を形成した構造では、電極が読み出し領域616上にはみ出していないため、ポテンシャル変調による読み出しを行わなければならないことから、図5の構造と比較して、読み出し電圧が高くなる傾向にある。そこで図6における読み出し領域616における不純物濃度を薄くし、変調が起こりやすくなる構造も考えられるが、この場合はブルーミングが逆に起こりやすくなり、読み出し電圧を正で駆動することが困難となる。
解決しようとする問題点は、いわゆるパンチスルー読み出しを行う光電変換装置、固体撮像装置において、ブルーミングを起こさないようにすることと読み出し電圧を低減することを同時に満足させることができない点である。
本発明の光電変換装置は、入射光を光電変換する光電変換領域と、前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に備えた光電変換装置であって、前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域が形成され、前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高いことを最も主要な特徴とする。
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換する光電変換領域と、前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に備えるとともに、前記電荷転送領域上のみに絶縁膜を介して電極を備えた固体撮像装置であって、前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域が形成され、前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高いことを最も主要な特徴とする。
本発明の光電変換装置の製造方法は、入射光を光電変換する光電変換領域と、前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に形成するとともに、前記電荷転送領域上のみに絶縁膜を介して電極を形成する工程を備えた固体撮像装置の製造方法において、前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域を形成する工程を備え、前記第2領域は、前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低くなるか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高くなるように形成されることを最も主要な特徴とする。
本発明の光電変換装置は、光電変換領域と電荷転送領域との間の第1領域内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ基板界面を含まない領域に第1領域と同一導電型の第2領域を形成し、第2領域界面上部に位置する第1領域の比抵抗値が第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは第2領域界面上部に位置する第1領域の第1導電型の不純物濃度が第2領域の不純物濃度よりも高くしたため、ブルーミングの発生を抑制しつつ読み出し電圧を低減することができるので、光電変換装置の縮小化を図ることができるという利点がある。
本発明の固体撮像装置は、光電変換領域と電荷転送領域との間の第1領域内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ基板界面を含まない領域に第1領域と同一導電型の第2領域を形成し、第2領域界面上部に位置する第1領域の比抵抗値が第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは第2領域界面上部に位置する第1領域の第1導電型の不純物濃度が第2領域の不純物濃度よりも高くしたため、ブルーミングの発生を抑制しつつ読み出し電圧を低減することができるので、電荷読み出し領域を縮小化することができるので固体撮像装置のセル面積の縮小化を図ることができるという利点がある。
本発明の光電変換装置の製造方法は、光電変換領域と電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ基板界面を含まない領域に第1領域と同一導電型の第2領域を形成する工程を備え、第2領域は、第2領域界面上部に位置する第1領域の比抵抗値が第2領域の比抵抗値よりも低くなるか、もしくは第2領域界面上部に位置する第1領域の第1導電型の不純物濃度が第2領域の不純物濃度よりも高くなるように形成されるため、ブルーミングの発生を抑制しつつ読み出し電圧を低減することができる光電変換装置を形成することができるので、電荷読み出し領域を縮小化することで光電変換装置のセル面積の縮小化を図ることができるという利点がある。
ブルーミングの発生を抑制しつつ光電変換領域から電荷転送領域への電荷読み出し電圧を低減するという目的を、光電変換領域と電荷転送領域との間の第1領域内で、かつ光を入射しない状態での光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ基板界面を含まない領域に第1領域と同一導電型の第2領域を形成し、第2領域界面上部に位置する第1領域の比抵抗値が第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは第2領域界面上部に位置する第1領域の第1導電型の不純物濃度が第2領域の不純物濃度よりも高くしたことで、製造プロセス的な負荷を大きくかけることなく容易に実現した。
本発明の光電変換装置に係る一実施例を、図1の概略構成断面図および図2のポテンシャル図によって説明する。以下の説明では、第1導電型をP型、第1導電型とは逆導電型の第2導電型をN型として説明する。
図1に示すように、第2導電型(N型)半導体基板11の上層に第1導電型とは逆導電型である第1導電型(P型)の第1領域12が形成されている。この第1領域12には、画素領域13間に第2導電型のチャネルストップ領域14が設けられている。上記画素領域13には、入射光を光電変換する光電変換領域21が形成され、この光電変換領域21と間隔を置いて垂直方向に電荷を転送する電荷転送領域(垂直CCD)23が形成されている。上記光電変換領域21は、入射光を光電変換するとともに光電変換された電荷の蓄積を行うものであり、この光電変換領域21は、上層にP+層からなるホールアキュムレーション層212が形成され、その下層にN型層211が形成されてなる。上記電荷転送領域23の拡散層領域は、第2導電型のウエル領域231の上層に第1導電型のチャネル領域232が形成されているものである。また、光電変換領域21と垂直CCD23との間は、光電変換領域21に蓄積された電荷を電荷転送領域23に転送する読み出し領域25となっている。
上記光電変換領域21と上記電荷転送領域23との間の上記読み出し領域25内には、上記第1領域12と同一導電型(第2導電型)の第2領域27が形成されている。この第2領域27は、図2のポテンシャル曲線に示すように、光を入射しない状態での上記光電変換領域21のポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhsと、上記電荷転送領域23におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhtとの間の深さを含み、かつ上記半導体基板11界面を含まない領域に形成されている。そして上記第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の比抵抗値は上記第2領域27の比抵抗値よりも低くなっているか、もしくは上記第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の第2導電型の不純物濃度が上記第2領域27の不純物濃度よりも高くなっている。また、上記第2領域27は、例えばイオン注入により形成されることが好ましい。その際、イオン注入の投影飛程Rpは電荷転送路における電界が最も小さくなる深さhmに設定することが好ましく、その好ましい許容範囲は、例えば標準偏差σとする。
さらに、上記第2領域27の上部の一部または全部に位置する上記第1領域12には、上記半導体基板11界面を含むように第2導電型の第3領域29を備えている。この第3領域29は上記第1領域12および上記第2領域27の比抵抗値よりも低くなっている。
上記読み出し領域25の幅は、少なくとも読み出し領域25が確保され、かつ0.2μm以下の幅に形成されていることが好ましい。上記読み出し領域25の幅が確保されていない場合、すなわち読み出し領域25が形成されていない場合は、光電変換領域21により光電変換された電荷は電荷転送領域23に容易にリークしてしまう。また読み出し領域25の幅が0.2μmを超える場合は、読み出し電圧が高電圧化し、通常の最大の読み出し電圧とされる15Vを超える電圧が必要になるという問題を生じる。よって、上記読み出し領域25の幅は、読み出し領域が確保され、かつ0.2μm以下の幅とした。
なお、上記第2領域27および第3領域29の垂直転送方向の形成位置は、光電変換領域21にそって、垂直転送方向にいわゆるストライプ状に形成されていればよく、少なくとも、光電変換領域21の垂直転送方向の長さに形成されていればよい。
さらに、上記電荷転送領域23のチャネル部232上の全部もしくは一部には絶縁膜31を介して転送電極32が形成されている。この転送電極32は、例えばチャネル領域232と同一な幅となっていて、チャネルストップ領域14上や読み出し領域25上に形成されていない構造となっている。なお転送電極32に印可する電圧は、従来技術で説明した前記図5の構造の光電変換装置で印可するパルスと同一パルスタイミングとすることができる。また、転送電極32、読み出し領域25およびチャネルストップ領域14上に、絶縁膜33を介して、負電圧とした遮光膜(遮光電極)34が形成されている。
上記光電変換装置1は、読み出し領域25において、上記転送電極32に印加した電圧で電荷転送領域23のチャネル領域232のポテンシャルが十分に深くなり、かつ電荷転送領域のチャネル領域232の空乏層が光電変換領域21方向に伸びることによって読み出す、いわゆる、パンチスルー読み出し方式となっている。そして、光電変換領域21から電荷転送領域(垂直CCD)23への信号電荷の読み出しを、転送電極32に読み出し電圧として正の電圧(10V〜15V程度)を印加し、電荷転送領域23の空乏層を横方向にも広げ、かつ光電変換領域21と電荷転送領域23との間の読み出し領域25のシリコン中の電位を、電荷転送領域23のポテンシャル値と光電変換領域21のポテンシャル値のおおよそ中間となるようにしている。これにより信号電荷の完全転送を行い得る。
上記光電変換装置1では、光電変換領域21と電荷転送領域(垂直CCD)23との間の第1領域12に、光を入射しない状態での光電変換領域21のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域23におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ半導体基板11界面を含まない領域に第1領域12と同一導電型の第2領域27を形成し、第2領域27界面上部に位置する第1領域12の比抵抗値が第2領域27の比抵抗値よりも低いか、もしくは第2領域27界面上部に位置する第1領域12の第1導電型の不純物濃度が第2領域27の不純物濃度よりも高くしたため、読み出し領域25において、読み出し時にポテンシャル変調が起こりやすくなる。このことにより、読み出し電圧の低電圧化が従来構造よりも改善されることに加えて、隣画素への信号電荷の混入、混色が起こりにくくなる。
また、第3領域29を形成したことにより、第2領域27上の第1領域12の比抵抗値を低減することができ、ブルーミング耐性を低下させることなく読み出し電圧を低減することができるようになる。さらに、遮光膜34は、転送電極32をチャネル領域232上のみに形成されていることから、チャネルストップ領域14上および読み出し領域25上に形成されることになり、転送電極32と光電変換領域21上との間を十分に被覆することができるので、スミアの発生を防止することができる。
したがって、本発明の光電変換装置1では、電荷転送領域23の電荷量を保ちつつ、ブルーミングの発生およびスミアの発生を抑制し、かつ読み出し電圧を低減することができるという利点があるとともに、光電変換装置1の縮小化を図ることができるという利点がある。
次に、本発明の固体撮像装置を以下に説明する。
本発明の固体撮像装置は、前記図1および図2によって説明した光電変換装置1を基本構成とするものであり、この光電変換装置1をインターライン型の固体撮像装置もしくはフレームインターライン型の固体撮像装置に適用したものである。
上記固体撮像装置において、転送電極32に印可する電圧は、例えば、読み出し時のパルス電圧を除いて正の電圧を印可し、また、上記転送電圧32に印可する正の電圧は、0Vより大きく2V以下である。上記転送電極32に読み出し時のパルス電圧を除いて正の電圧を印可する期間内に、上記遮光膜34に負の電圧を印可する。
上記固体撮像装置では、前記光電変換装置1と同様なる作用効果を得ることができる。よって、従来の性能を維持して小型化することが可能となる。
本発明の光電変換装置の製造方法に係る第1実施例を、図3および図4の製造工程断面図によって説明する。以下の説明では、第1導電型をP型、第1導電型とは逆導電型の第2導電型をN型として説明する。
図3(1)に示すように、通常の光電変換装置の製造方法により、第2導電型(N型)半導体基板11の上層に第1導電型とは逆導電型である第1導電型(P型)の第1領域12を形成する。この第1領域12には、画素領域13間に第2導電型のチャネルストップ領域14を設ける。上記画素領域13には、入射光を光電変換する光電変換領域21を形成するとともに、この光電変換領域21と間隔を置いて垂直方向に電荷を転送する電荷転送領域(垂直CCD)23を形成する。上記光電変換領域21は、入射光を光電変換するとともに光電変換された電荷の蓄積を行うものであり、上層にP+層からなるホールアキュムレーション層212を形成し、その下層にN型層211を形成することで成る。上記電荷転送領域23の拡散層領域は、第2導電型のウエル領域231を形成し、このウエル領域231の上層に第1導電型のチャネル領域232を形成することで成る。また、光電変換領域21と垂直CCD23との間は、光電変換領域21に蓄積された電荷を電荷転送領域23に転送する読み出し領域25となる。上記各領域の形成は、一例として、半導体基板11上にレジストマスク(図示せず)を形成した後、通常の不純物導入技術、例えばイオン注入技術により形成することができる。
さらに、上記半導体基板11上に絶縁膜31を形成する。次いで、上記電荷転送領域23のチャネル部232上に、上記絶縁膜31を介して転送電極32を形成する。この転送電極32は、以下のように形成される。一例として、絶縁膜31上に電極形成膜(図示せず)を成膜する。この電極形成膜は例えばポリシリコンで形成する。その後、電極形成膜上にレジスト膜(図示せず)の形成し、そのレジスト膜に転送電極マスクパターンの露光および現像のリソグラフィー工程を行って、レジスト膜からなるエッチングマスクを形成する。以下、レジスト膜からなるエッチングマスクを形成する技術をレジストマスクプロセスという。次いで、このエッチングマスクを用いたエッチング技術(例えば反応性イオンエッチング)により電極形成膜を加工して形成される。その転送電極32は、例えばチャネル領域232と同一な幅に形成され、チャネルストップ領域14上や読み出し領域25上に形成されないようにする。
次いで、図3(2)に示すように、通常のレジストマスクプロセスにより、第2領域を形成するためのマスク71を形成する。このマスク71は、読み出し領域25上および転送電極32の読み出し領域25側を露出するように開口部72が形成されたものである。また、レジスト加工後における開口部72の光電変換領域21側のエッジは光電変換領域21における読み出し領域25側のN型層211の接合と合うことが望ましい。このように、第2導電型の種を導入する際に用いるマスク71の一部に転送電極32を用いることにより、第2領域27が転送電極32の下方のチャネル領域232に接合するように、電荷転送領域23側の位置決めが自己整合的に決定されることになる。
上記マスク71を用いてイオン注入法により、上記光電変換領域21と上記電荷転送領域23との間の上記読み出し領域25に、第1導電型の第2領域27を形成する。
上記第2領域27を形成する工程は、光電変換領域21と電荷転送領域23との間の第1領域12内に第1導電型(P型)とは逆導電型となる第2導電型(N型)の不純物種として、例えばヒ素(As)もしくはリン(P)を導入することにより行う。このイオン注入では、第2領域27を第1導電型(P型)とするため、第2導電型の不純物を過剰に導入しないように注意する必要がある。
この第2領域27は、前記図2に示したのと同様に、光を入射しない状態での上記光電変換領域21のポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhsと、上記電荷転送領域23におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhtとの間の深さを含み、かつ上記半導体基板11界面を含まない領域に形成される。そして上記第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の比抵抗値は上記第2領域27の比抵抗値よりも低くなるか、もしくは上記第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の第2導電型の不純物濃度が上記第2領域27の不純物濃度よりも高くなるようにする。また、上記第2領域27を形成するイオン注入の投影飛程Rpは電荷転送路における電界が最も小さくなる深さhmに設定することが好ましく、その好ましい許容範囲は、例えば標準偏差σとする。
上記イオン注入条件としては、N型不純物としてヒ素(As)もしくはリン(P)を用い、ドーズ量は、例えば1×1012/cm2〜1×1014/cm2とすることが望ましく、かつ光電変換領域21を形成する際のN型不純物のドーズ量以下とする。さらに注入エネルギーは、形成される第2領域27が、光を入射しない状態での上記光電変換領域21のポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhsと、上記電荷転送領域23におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面(半導体基板11表面)からの深さhtとの間の深さを含み、かつ上記半導体基板11界面を含まない領域となり、さらに投影飛程Rpは電荷転送路における電界が最も小さくなる深さhmになるように、設定することが好ましく、その好ましい許容範囲は、例えば標準偏差σとなるようにする。例えば、ヒ素(As)をイオン注入する場合には、100keVから300keV程度が望ましい。
上記イオン注入の結果、第2領域27が形成され、この第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の比抵抗値は上記第2領域27の比抵抗値よりも低くなるか、もしくは上記第2領域27界面上部に位置する上記第1領域12の第2導電型の不純物濃度が上記第2領域27の不純物濃度よりも高くなるようになる。
次いで、図4(3)に示すように、上記マスク71および転送電極32をイオン注入マスクに用いて、イオン注入法により、上記第2領域27の上部の一部または全部に位置する上記第1領域12に、第1領域12に導入されている不純物の導電型と同一導電型の第1導電型(P型)の不純物としてホウ素(B)をイオン注入し、上記半導体基板11界面を含むように第2導電型の第3領域29を形成する。このイオン注入では、半導体基板11の表層のみに注入されるように、第1導電型(P型)不純物をイオン注入することが望ましい。例えば、イオン注入エネルギーとしては30keV以下が望ましい。この結果、第3領域29は上記第1領域12および上記第2領域27の比抵抗値よりも低くなるように形成される。
その後、上記マスク71を除去する。次いで、不純物の活性化のための熱処理を行う。この熱処理は、イオン注入した不純物の拡散を極力防ぐために、急速加熱処理(RTA)もしくは900℃以下の熱処理(ファーネスアニール等)により行うことが望ましい。例えば、RTAとしては、レーザ加熱処理、ランプ加熱処理等がある。このような熱処理を行うことによって、第2領域27、第3領域29を構成する不純物が不要に拡散するのを防ぐ。すなわち、光電変換領域21側や電荷転送領域23側に不要に拡散するのを防ぐとともに。第2領域27、第3領域29の深さ方向の範囲が上記説明した範囲から逸脱しないようにする。
その後、図4(4)に示すように、通常の既知のプロセスによって、転送電極32を被覆する絶縁膜33を形成した後、転送電極32、読み出し領域25、チャネルストップ領域14等を被覆し、光電変換領域21上を開口した遮光膜(遮光電極)34を形成する。この遮光膜34には負電圧が印加されるようにする。上記遮光膜34は、例えばアルミニウム膜もしくはタングステン膜等の導電性と遮光性を兼ね備えた膜で形成される。このようにして、光電変換装置1を形成する。
上記製造方法により製造された光電変換装置1は、読み出し領域25において、上記転送電極32に印加した電圧で電荷転送領域23のチャネル領域232のポテンシャルが十分に深くなり、かつ電荷転送領域のチャネル領域232の空乏層が光電変換領域21方向に伸びることによって読み出す、いわゆる、パンチスルー読み出し方式となる。そして、光電変換領域21から電荷転送領域(垂直CCD)23への信号電荷の読み出しを、転送電極32に読み出し電圧として正の電圧(10V〜15V程度)を印加し、電荷転送領域23の空乏層を横方向にも広げ、かつ光電変換領域21と電荷転送領域23との間の読み出し領域25のシリコン中の電位を、電荷転送領域23のポテンシャル値と光電変換領域21のポテンシャル値のおおよそ中間となる。これにより信号電荷の完全転送を行い得る。
上記光電変換装置1の製造方法では、光電変換領域21と電荷転送領域(垂直CCD)23との間の第1領域12に、光を入射しない状態での光電変換領域21のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、電荷転送領域23におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ半導体基板11界面を含まない領域に第1領域12と同一導電型の第2領域27を形成し、しかも、第2領域27界面上部に位置する第1領域12の比抵抗値が第2領域27の比抵抗値よりも低いか、もしくは第2領域27界面上部に位置する第1領域12の第1導電型の不純物濃度が第2領域27の不純物濃度よりも高くしたため、読み出し領域25は、読み出し時にポテンシャル変調が起こりやすくなるように形成される。このことにより、読み出し電圧の低電圧化が従来構造よりも改善されることに加えて、隣画素への信号電荷の混入、混色が起こりにくくなる光電変換装置を製造することができる。
また、第3領域29を形成したことにより、第2領域27上の第1領域12の比抵抗値を低減することができ、ブルーミング耐性を低下させることなく読み出し電圧を低減することができる光電変換装置を製造することができる。さらに、転送電極32をチャネル領域232上のみに形成することから、遮光膜34はチャネルストップ領域14上および読み出し領域25上に形成することができ、転送電極32と光電変換領域21上との間を十分に被覆することができるので、スミアの発生を防止することができるようになる。
したがって、本発明の光電変換装置の製造方法により製造される光電変換装置1では、電荷転送領域23の電荷量を保ちつつ、ブルーミングの発生およびスミアの発生を抑制し、かつ読み出し電圧を低減することができるという利点があるとともに、光電変換装置1の縮小化を図ることができるという利点がある。
本発明の光電変換装置および光電変換装置の製造方法および固体撮像装置は、パンチスルー読み出しを行う光電変換装置、固体撮像装置等に適用できる。
1…光電変換装置、11…半導体基板、12…第1領域、21…光電変換領域、23…電荷転送領域、27…第2領域
Claims (22)
- 入射光を光電変換する光電変換領域と、
前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に備えた光電変換装置であって、
前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域が形成され、
前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高いこと
を特徴とする光電変換装置。 - 前記光電変換領域から前記電荷転送領域へ電荷を読み出す領域は、ホウ素が含まれる領域にヒ素もしくはリンが含まれる第1導電型の前記第2領域を有する
を特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記第2領域の上部の一部または全部に位置する前記第1領域に、かつ前記基板界面を含むように第1導電型の第3領域を備え、
前記第3領域は前記第1領域および前記第2領域の比抵抗値よりも低いこと
を特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記光電変換領域内に蓄積された電荷の前記電荷転送領域への読み出しがパンチスルー読み出しであること
を特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記光電変換領域から前記電荷転送領域へ電荷を読み出す領域の幅が0.2μm以下であること
を特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 入射光を光電変換する光電変換領域と、
前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に備えるとともに、
前記電荷転送領域上のみに絶縁膜を介して電極を備えた固体撮像装置であって、
前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域が形成され、
前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低いか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高いこと
を特徴とする固体撮像装置。 - 前記光電変換領域から前記電荷転送領域へ電荷を読み出す領域は、ホウ素が含まれる領域にヒ素もしくはリンが含まれる第1導電型の前記第2領域を有する
ことを特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記第2領域の上部の一部または全部に位置する前記第1領域に、かつ前記基板界面を含むように第1導電型の第3領域を備え、
前記第3領域は前記第1領域および前記第2領域の比抵抗値よりも低いこと
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記電極上部を、絶縁膜を介して被覆する遮光膜を備えたこと
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置はインターライン型もしくはフレームインターライン型の固体撮像装置であること
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換領域内に蓄積された電荷の前記電荷転送領域への読み出しがパンチスルー読み出しであること
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換領域から前記電荷転送領域へ電荷を読み出す領域の幅が0.2μm以下であること
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記電極に印可する電圧は、読み出し時のパルス電圧を除いて正の電圧を印可すること
を特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記電極に印可する正の電圧は、0Vより大きく2V以下であること
を特徴とする請求項13記載の固体撮像装置。 - 前記電極に読み出し時のパルス電圧を除いて正の電圧を印可する期間内に、前記遮光膜に負の電圧を印可すること
を特徴とする請求項9記載の固体撮像装置。 - 入射光を光電変換する光電変換領域と、
前記光電変換領域から読み出された信号電荷の転送を行うもので前記光電変換領域と間隔を置いた位置に形成された電荷転送領域とを基板に形成された第1導電型の第1領域内に形成するとともに、
前記電荷転送領域上のみに絶縁膜を介して電極を形成する工程を備えた固体撮像装置の製造方法において、
前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内で、かつ光を入射しない状態での前記光電変換領域のポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さと、前記電荷転送領域におけるポテンシャルが最も高くなる位置における界面からの深さとの間の深さを含み、かつ前記基板界面を含まない領域に前記第1領域と同一導電型の第2領域を形成する工程を備え、
前記第2領域は、前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の比抵抗値が前記第2領域の比抵抗値よりも低くなるか、もしくは前記第2領域界面上部に位置する前記第1領域の第1導電型の不純物濃度が前記第2領域の不純物濃度よりも高くなるように形成されること
を特徴とする光電変換装置の製造方法。 - 前記第2領域を形成する工程は、
前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内に前記第1導電型とは逆導電型となる第2導電型の種を導入することにより行うこと
を特徴とする請求項16記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記第2領域を形成する工程は、
前記第2導電型の種を導入する際に用いるマスクの一部に前記電極を用いて、前記第2領域が形成されること
を特徴とする請求項16記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記第2領域の上部の一部または全部に位置する前記第1領域に、かつ前記基板界面を含むように第1導電型の第3領域を形成する工程を備え、
前記第3領域は前記第1領域および前記第2領域の比抵抗値よりも低く形成すること
を特徴とする請求項16記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記第3領域を形成する工程は、
前記光電変換領域と前記電荷転送領域との間の前記第1領域内に前記第1導電型の種を導入することにより行うこと
を特徴とする請求項19記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記第3領域を形成する工程は、
前記第1導電型の種を導入する際に用いるマスクの一部に前記電極を用いて、前記第3領域が形成されること
を特徴とする請求項19記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記第2導電型の種を導入した後、急速加熱処理もしくは900度以下の熱処理を行うこと
を特徴とする請求項16記載の光電変換装置の製造方法。
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-
2004
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