JP2006237415A

JP2006237415A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006237415A
Application number: JP2005052200A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Geshi; 辰郎下司; Mamoru Arimoto; 護有本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-07
Also published as: US7378691B2; US20060197114A1

Abstract

【課題】転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、ブルーミングの発生および暗電流の増大を抑制することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】この固体撮像装置では、所定の画素１のゲート電極１２ａと、所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとは、間隔Ｄを隔てて設けられており、ｎ型シリコン基板２の主表面に位置するｎ型の転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応するｎ型不純物領域８には、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応するｎ型不純物領域８以外の領域に含まれるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物が導入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、電荷を転送するゲート電極を備えた固体撮像装置に関する。

従来、電荷を転送するゲート電極を備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

図１０は、上記特許文献１に開示された固体撮像装置と同様の構造を有する従来の一例による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図１０を参照して、従来の一例による固体撮像装置では、複数の画素１０１が隣接して配置されている。また、この従来の固体撮像装置は、ｎ型基板１０２を備えている。このｎ型基板１０２の上面から所定の深さの領域には、ｐ型ウェル領域１０３が形成されている。また、ｎ型基板１０２の表面の所定領域には、複数のｎ型高濃度不純物領域１０４が所定の間隔を隔てて形成されている。また、ｎ型高濃度不純物領域１０４は、ｐ型ウェル領域１０３よりも浅い領域に形成されている。

また、ｎ型高濃度不純物領域１０４の表面には、ｐ型不純物領域１０５が形成されている。このｐ型不純物領域１０５と、上記のｎ型高濃度不純物領域１０４と、ｐ型ウェル領域１０３とによって、光電変換部１０６が構成されている。この光電変換部１０６は、各画素１０１に１つずつ設けられている。また、ｎ型基板１０２の表面の隣接する２つの光電変換部１０６間の領域には、ｎ型の転送チャネル領域１０７が形成されている。この転送チャネル領域１０７は、光電変換部１０６で生成された電荷を転送するための経路として機能する。

また、ｎ型基板１０２の上面全体を覆うように、ゲート絶縁膜１０８が形成されている。また、ゲート絶縁膜１０８上の転送チャネル領域１０７に対応する領域には、電荷を転送するゲート電極１０９ａおよび１０９ｂが形成されている。このゲート電極１０９ａおよび１０９ｂは、同一の画素１０１内に１つずつ設けられている。また、同一の画素１０１内のゲート電極１０９ａおよび１０９ｂは、光電変換部１０６を挟むように所定の間隔を隔てて配置されている。また、所定の画素１０１のゲート電極１０９ａと、隣接する画素１０１のゲート電極１０９ｂとは、絶縁膜１１０を介して配置されている。また、所定の画素１０１のゲート電極１０９ｂの一部は、隣接する画素１０１のゲート電極１０９ａ上にオーバーラップするように形成されている。

また、撮像時には、ゲート電極１０９ａおよび１０９ｂにＬレベルの電圧が印加されることにより、ゲート電極１０９ａおよび１０９ｂ下の転送チャネル領域１０７のポテンシャルが光電変換部１０６のポテンシャルよりも高くなるように構成されている。これにより、撮像時において、光電変換部１０６にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に光電変換により生成された電荷が蓄積されるように構成されている。また、この際、転送チャネル領域１０７には、その転送チャネル１０７を介して隣接する２つの光電変換部１０６のポテンシャル井戸間を隔てるポテンシャルバリアが形成される。

特開２００１−５３２６３号公報

しかしながら、図１０に示した従来の一例による固体撮像装置では、転送電荷量を増加させるために転送チャネル領域１０７のｎ型不純物の濃度を高くする場合には、転送チャネル領域１０７のポテンシャルが低下するという不都合がある。これにより、撮像時において、転送チャネル領域１０７に形成されるポテンシャルバリアの高さが小さくなるので、所定の光電変換部１０６のポテンシャル井戸から、転送チャネル領域１０７を介して隣接する光電変換部１０６のポテンシャル井戸へ電荷が流出する場合がある。この場合には、この電荷の流出に起因して光が入射していない部分も明るく見える現象であるブルーミングが生じるという問題点がある。また、転送チャネル領域１０７のｎ型不純物の濃度を高くする場合には、転送チャネル領域１０７におけるホール濃度が低下するという不都合もある。この場合には、オフ状態のゲート電極１０９ａおよび１０９ｂ下の転送チャネル領域１０７において、熱励起などにより意図しない電荷が発生する際に、ホールによって捕獲されない意図しない電荷が増加するという不都合がある。これにより、その意図しない電荷によって生じる暗電流が増大するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、ブルーミングの発生および暗電流の増大を抑制することが可能な固体撮像装置を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体撮像装置は、基板の主表面の所定領域に設けられた光電変換部と、基板の主表面上に設けられ、光電変換部で生成された電荷を転送するゲート電極と、隣接する光電変換部間に位置する基板の主表面に形成された電荷を転送するための第１導電型の転送チャネル領域とを含む複数の画素を備えている。また、所定の画素のゲート電極と、所定の画素に隣接する画素のゲート電極とは、第１の間隔を隔てて設けられており、基板の主表面に位置する第１導電型の転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域には、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域以外の領域に含まれる第２導電型不純物よりも多くの第２導電型不純物が導入されている。

この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、所定の画素のゲート電極と、所定の画素に隣接する画素のゲート電極とを第１の間隔を隔てて設けるとともに、基板の主表面に位置する第１導電型の転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域以外の領域に含まれる第２導電型不純物よりも多くの第２導電型不純物を導入することによって、たとえば、第１導電型および第２導電型がそれぞれｎ型およびｐ型である場合には、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域以外の領域のポテンシャルよりも高いポテンシャルを有するポテンシャル障壁を形成することができる。これにより、転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くすることにより転送チャネル領域のポテンシャルが低下する場合にも、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域のポテンシャル障壁によって、所定の画素の光電変換部のポテンシャル井戸から、転送チャネル領域を介して隣接する画素の光電変換部のポテンシャル井戸へ電荷が流出するのを抑制することができる。このため、その電荷の流出に起因して光が入射していない部分も明るく見える現象であるブルーミングの発生を抑制することができる。また、ｎ型の転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域以外の領域に含まれるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物を導入することによって、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域におけるホール濃度を増加させることができる。これにより、転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域におけるホール濃度が低下するのを抑制することができる。このため、オフ状態のゲート電極下の転送チャネル領域において、熱励起などにより意図しない電荷が発生する場合にも、その意図しない電荷をホールによって有効に捕獲することができるので、暗電流が増大するのを抑制することができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、所定の画素のゲート電極と、所定の画素に隣接する画素のゲート電極とは、互いにオーバーラップしないように配置されている。このように構成すれば、所定の画素のゲート電極と、所定の画素に隣接する画素のゲート電極との間に設けられた第１の間隔を介して、基板の主表面に位置する転送チャネル領域に第２導電型不純物をイオン注入すれば、容易に、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域以外の領域に含まれる第２導電型不純物よりも多くの第２導電型不純物を導入することができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に導入された第２導電型不純物の濃度は、転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な濃度である。このように構成すれば、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域が第２導電型に反転しないので、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域にポテンシャルのディップ（くぼみ）が形成されるのを抑制することができる。これにより、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に形成されるポテンシャルのディップにより、電荷の転送が阻害されるのを抑制することができる。

この場合において、好ましくは、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に導入された第２導電型不純物の濃度は、転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な最大の濃度である。なお、「転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に導入された第２導電型不純物の転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な最大の濃度」とは、「転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域に導入された第２導電型不純物の転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な最大の濃度のみならず、上記最大の濃度近傍の実質的に最大の濃度」をも含む概念である。上記のように構成すれば、たとえば、第１導電型および第２導電型がそれぞれｎ型およびｐ型である場合には、ｎ型の転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域がｐ型に反転するのを抑制しながら、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域のポテンシャル障壁の高さを最大にすることができるとともに、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域のホール濃度を最大にすることができる。これにより、ｎ型の転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域がｐ型に反転するのを抑制しながら、ブルーミングの発生をより確実に抑制することができるとともに、暗電流の増大をより抑制することができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、基板の主表面の第１の間隔に対応する領域には、水素が導入されている。このように構成すれば、基板の主表面の第１の間隔に対応する領域に導入した水素により、その領域に存在するダングリングボンドを終端することができるので、基板の主表面の第１の間隔に対応する領域に存在する結晶欠陥を減少させることができる。これにより、基板の主表面の第１の間隔に対応する領域において、結晶欠陥に起因して発生する意図しない電荷を減少させることができる。このため、この意図しない電荷によって生じる暗電流を低減することができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、ゲート電極は、同一画素内の基板の主表面上に光電変換部を挟むように第２の間隔を隔てて配置された第１ゲート電極および第２ゲート電極を含み、光電変換部のポテンシャルは、所定の値に実質的に固定されており、第１ゲート電極または第２ゲート電極下の転送チャネル領域のポテンシャルが、光電変換部のポテンシャルよりも上昇または低下することにより、光電変換部で生成された電荷が転送される。なお、本願発明において、「光電変換部のポテンシャルが所定の値に固定される」とは、第１ゲート電極または第２ゲート電極下の転送チャネル領域のポテンシャルが上昇または低下するのに対して、実質的に固定されているという意味を含む。すなわち、第１ゲート電極または第２ゲート電極下の転送チャネル領域のポテンシャルが上昇または低下する量に対して、わずかな量だけ光電変換部のポテンシャルが変化する場合も含む概念である。上記のように構成すれば、実際には光電変換部上にゲート電極が設けられていないにも係わらず、光電変換部のポテンシャルを実質的に固定する一定の電圧が印加された仮想的なゲート電極が光電変換部上に設けられているとみなせる構造を有する固体撮像装置において、たとえば、第１導電型および第２導電型がそれぞれｎ型およびｐ型である場合に、転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域にポテンシャル障壁を形成することができるとともに、転送チャネル領域の第１の間隔に対応する領域のホール濃度が低下するのを抑制することができる。これにより、上記した構造を有する固体撮像装置において、転送チャネル領域のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、ブルーミングの発生および暗電流の増大を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図２は、図１に示した本発明の一実施形態による固体撮像装置の撮像時のポテンシャルの状態を説明するための図である。まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。

本実施形態による固体撮像装置では、図１に示すように、複数の画素１が隣接して配置されている。また、本実施形態による固体撮像装置は、ｎ型シリコン基板２を備えている。なお、このｎ型シリコン基板２は、本発明の「基板」の一例である。ｎ型シリコン基板２の上面から約１μｍ以上約４μｍ以下の深さの領域には、ｐ型ウェル領域３が形成されている。また、ｎ型シリコン基板２の表面の所定領域には、約１０^１７ｃｍ^−３の不純物濃度を有する複数のｎ型高濃度不純物領域４が所定の間隔を隔てて形成されている。また、ｎ型高濃度不純物領域４は、ｎ型シリコン基板２の上面から約０．１μｍ以上約１μｍ以下の深さの領域に形成されている。

また、ｎ型高濃度不純物領域４の表面には、約１０^１８ｃｍ^−３の不純物濃度を有するｐ型不純物領域５が形成されている。また、ｐ型不純物領域５は、ｎ型シリコン基板２の上面から約０．１μｍの深さまでの領域に形成されている。本実施形態では、このｐ型不純物領域５と、上記のｎ型高濃度不純物領域４と、ｐ型ウェル領域３とによって、光電変換部６が構成されている。この光電変換部６は、各画素１に１つずつ設けられている。また、光電変換部６は、所定の値に実質的に固定されたポテンシャルを有している。また、ｎ型シリコン基板２の表面の隣接する２つの光電変換部６間の領域には、約１０^１６ｃｍ^−３〜約１０^１７ｃｍ^−３の不純物濃度を有するｎ型の転送チャネル領域７が形成されている。また、転送チャネル領域７は、光電変換部６で生成された電荷を転送するための経路として機能する。また、転送チャネル領域７は、ｎ型シリコン基板２の上面から約１μｍの深さまでの領域に形成されている。

ここで、本実施形態では、ｎ型の転送チャネル領域７の後述するゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域に、ｎ型不純物領域８が形成されている。このｎ型不純物領域８には、ｎ型の転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域に含有されるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物が導入されている。また、ｎ型不純物領域８に導入されたｐ型不純物の濃度は、ｎ型不純物領域８のｎ型を維持することが可能な実質的に最大の濃度に設定されている。すなわち、このｎ型不純物領域８では、ｐ型不純物の濃度がｎ型不純物の濃度よりもわずかに低い濃度に設定されている。これにより、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８は、ｐ型に反転しないので、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８にポテンシャルのディップ（くぼみ）が形成されるのが抑制される。また、本実施形態では、図２に示すように、ｎ型不純物領域８に転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域よりも高いポテンシャルを有するポテンシャル障壁が形成される。また、ｎ型不純物領域８では、転送チャネル領域７に比べてｐ型不純物の濃度が高いことにより、転送チャネル領域７に比べて、高いホール濃度を有している。

また、ｎ型シリコン基板２のｎ型不純物領域８以外の領域を覆うように、数１０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ_２膜９が形成されている。このＳｉＯ_２膜９上には、数１０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜１０が形成されている。このＳｉＮ膜１０は、反射抑制膜としての機能を有する。そして、ＳｉＯ_２膜９とＳｉＮ膜１０とによって、ゲート絶縁膜１１が構成されている。また、ゲート絶縁膜１１上の転送チャネル領域７に対応する領域には、ポリシリコンからなるゲート電極１２ａ（１２ｂ）が形成されている。なお、このゲート電極１２ａおよび１２ｂは、本発明の「第１ゲート電極」および「第２ゲート電極」の一例である。また、ゲート電極１２ａおよび１２ｂは、同一の画素１内に１つずつ設けられている。

ここで、本実施形態では、同一の画素１内に設けられたゲート電極１２ａおよび１２ｂが光電変換部６を挟むように所定の間隔を隔てて配置されている。また、所定の画素１のゲート電極１２ａと、隣接する画素１のゲート電極１２ｂとは、互いにオーバーラップしないように配置されるとともに、間隔Ｄ（＝約０．１５μｍ）を隔てて配置されている。また、ゲート電極１２ａおよび１２ｂは、数１０ｎｍの厚みと、数１００ｎｍの幅（図１のＸ方向の幅）と、数μｍの長さ（図１のＸ方向と直交する方向の長さ）とを有している。また、本実施形態では、撮像時において、図２に示すように、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに負電圧が印加されることにより、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ下の転送チャネル領域７のポテンシャルが光電変換部６の固定されたポテンシャルよりも高くなるように構成されている。これにより、撮像時において、図２に示すように、光電変換部６にポテンシャル井戸が形成されるとともに、そのポテンシャル井戸に光電変換により生成された電荷が蓄積されるように構成されている。

また、ゲート電極１２ａおよび１２ｂには、それぞれ、所定の正電圧と負電圧とに変化する２相のクロックパルス信号が印加される。この２相のクロックパルス信号により、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ下の転送チャネル領域７のポテンシャルを上昇または低下させることによって、光電変換部６のポテンシャル井戸に蓄積された電荷を順次隣接する画素１の転送チャネル領域７および光電変換部６へ転送するように構成されている。なお、光電変換部６のポテンシャルは、電荷の転送時にも実質的に固定されている。なお、光電変換部６において、ｐ型不純物領域５のポテンシャルは、撮像時および電荷の転送時において固定されている一方、ｎ型高濃度不純物領域４およびｐ型ウェル領域３のポテンシャルは、電荷の転送時に、撮像時のポテンシャルに対して多少変化する。ただし、この際のｎ型高濃度不純物領域４およびｐ型ウェル領域３のポテンシャルの変化量は、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ下の転送チャネル領域７のポテンシャルが上昇または低下する量に比べてわずかである。そして、光電変換部６に隣接する転送チャネル領域７のポテンシャルが光電変換部６の実質的に固定されたポテンシャルに対して高くなる場合には、光電変換部６のポテンシャルは、ポテンシャル井戸の底部となる。一方、光電変換部６に隣接する転送チャネル領域７のポテンシャルが光電変換部６の実質的に固定されたポテンシャルに対して低くなる場合には、光電変換部６のポテンシャルは、隣接する２つのポテンシャル井戸間のポテンシャルバリアとして機能する。このように、本実施形態による固体撮像装置では、実際には光電変換部６上にゲート電極が設けられていないにも係わらず、光電変換部６のポテンシャルを実質的に固定する一定の電圧が印加された仮想的なゲート電極が光電変換部６上に設けられているとみなせる構造が構成されている。

図３〜図７は、本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１および図３〜図７を参照して、本実施形態による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。

本実施形態では、まず、図３に示すように、ｎ型シリコン基板２にｐ型不純物をイオン注入することによって、ｎ型シリコン基板２の上面から数μｍの深さまでｐ型ウェル領域３を形成する。その後、ｎ型シリコン基板２の表面を熱酸化することにより、ｎ型シリコン基板２の表面に数１０ｎｍの厚みを有する犠牲酸化膜としてのＳｉＯ_２膜１５を形成する。この犠牲酸化膜としてのＳｉＯ_２膜１５は、以降のプロセスにおいてｎ型シリコン基板２にイオン注入を行う際に、ｎ型シリコン基板２にダメージが与えられるのを抑制するために設ける。この後、ｎ型高濃度不純物領域４の形成される領域以外の領域を覆うようにレジスト膜１６を形成する。そして、このレジスト膜１６をマスクとして、注入エネルギ：数１００ｋｅＶ、ドーズ量：約１０^１２〜約１０^１３ｃｍ^−２の条件下でｎ型シリコン基板２にＡｓ（ヒ素）をイオン注入する。これにより、ｎ型シリコン基板２の表面の所定領域に複数のｎ型高濃度不純物領域４が所定の間隔を隔てて形成される。この後、レジスト膜１６を除去する。

次に、図４に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ｎ型高濃度不純物領域４上のみを覆うように、レジスト膜１７を形成する。そして、このレジスト膜１７をマスクとして、注入エネルギ：数１０ｋｅＶ、ドーズ量：数１０^１２ｃｍ^−２の条件下でｎ型シリコン基板２にＡｓ（ヒ素）をイオン注入する。この後、約８００℃〜約９５０℃、約１時間の条件下でアニールする。これにより、ｎ型シリコン基板２の表面の隣接する２つのｎ型高濃度不純物領域４間の領域に、ｎ型の転送チャネル領域７が形成される。この後、レジスト膜１７を除去する。また、ＳｉＯ_２膜１５も除去する。

次に、図５に示すように、ｎ型シリコン基板２の表面を熱酸化することにより、数１０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ_２膜９を形成する。この後、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ_２膜９上に数１０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜１０を形成する。このＳｉＮ膜１０とＳｉＯ_２膜９とによって、ゲート絶縁膜１１が形成される。この後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳｉＮ膜１０上の所定領域にポリシリコンからなる複数のゲート電極１２ａおよび１２ｂを所定の間隔を隔てて形成する。この際、所定のｎ型高濃度不純物領域４と、隣接するｎ型高濃度不純物領域４との間の領域に設けられたゲート電極１２ａおよび１２ｂを約０．１５μｍの間隔を隔てて配置する。

次に、図６に示すように、ｐ型不純物領域５の形成される領域以外の領域を覆うように、レジスト膜１８を形成する。そして、このレジスト膜１８をマスクとして、注入エネルギ：数１０ｋｅＶ、ドーズ量：数１０^１３ｃｍ^−２の条件下でｎ型シリコン基板２にＢＦ_２をイオン注入する。これにより、ｐ型不純物領域５が形成される。この後、レジスト膜１８を除去する。

次に、本実施形態では、図７に示すように、ｎ型不純物領域８の形成される領域以外の領域を覆うように、レジスト膜１９を形成した後、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間のＳｉＮ膜１０およびＳｉＯ_２膜９をエッチングにより除去する。そして、レジスト膜１９と、ゲート電極１２ａおよび１２ｂとをマスクとして、注入エネルギ：数ｋｅＶ、ドーズ量：数１０^１２ｃｍ^−２の条件下でｎ型シリコン基板２にＢ（ホウ素）をイオン注入する。これにより、転送チャネル領域７の所定の画素１のゲート電極１２ａと隣接する画素１のゲート電極１２ｂとの間の間隔に対応する領域に、転送チャネル領域７の他の領域よりも多くのｐ型不純物が導入されたｎ型不純物領域８が形成される。

最後に、約８００℃〜約９５０℃、約１時間の条件下でアニールすることにより、ｎ型シリコン基板２に導入した不純物を電気的に活性化させる。上記のようにして、図１に示した本実施形態による固体撮像装置が形成される。

なお、本実施形態では、この後、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに配線（図示せず）を接続するとともに、上面全体を覆うように保護膜（図示せず）を形成した後、数１００℃の水素雰囲気中においてアニールすることにより、所定の画素１のゲート電極１２ａと隣接する画素１のゲート電極１２ｂとの間の領域を介して、ｎ型不純物領域８に水素を導入する。これにより、ｎ型不純物領域８では、水素によりシリコンのダングリングボンドが終端される。

本実施形態では、上記のように、所定の画素１のゲート電極１２ａと、所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとを間隔Ｄを隔てて設けるとともに、ｎ型シリコン基板２の表面に位置するｎ型の転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応するｎ型不純物領域８に、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域に含まれるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物を導入することによって、ｎ型不純物領域８に、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域のポテンシャルよりも高いポテンシャルを有するポテンシャル障壁を形成することができる。これにより、たとえば、図２中の破線のポテンシャルに示すように、転送電荷量を多くするために転送チャネル領域７のｎ型不純物の濃度を高くすることにより転送チャネル領域７のポテンシャルが低下する場合にも、ｎ型不純物領域８のポテンシャル障壁によって、所定の画素１の光電変換部６のポテンシャル井戸から、転送チャネル領域７を介して隣接する画素１の光電変換部６のポテンシャル井戸へ電荷が流出するのを抑制することができる。このため、その電荷の流出に起因して光が入射していない部分も明るく見える現象であるブルーミングの発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、ｎ型の転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８に、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域に含まれるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物を導入することによって、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８におけるホール濃度を増加させることができる。これにより、転送電荷量を多くするために転送チャネル領域７のｎ型不純物の濃度を高くする場合にも、ｎ型不純物領域８におけるホール濃度が低下するのを抑制することができる。このため、オフ状態のゲート電極１２ａおよび１２ｂ下の転送チャネル領域７において、意図しない電荷が発生する場合にも、その意図しない電荷をホールによって有効に捕獲することができるので、暗電流が増大するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、所定の画素１のゲート電極１２ａと、所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとを、互いにオーバーラップしないように配置することによって、所定の画素１のゲート電極１２ａと、所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとの間に設けられた間隔Ｄを介して、容易に、ｎ型シリコン基板２の表面に位置する転送チャネル領域７にｐ型不純物をイオン注入することができる。これにより、容易に、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８に、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８以外の領域に含まれるｐ型不純物よりも多くのｐ型不純物を導入することができる。

また、本実施形態では、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８に導入するｐ型不純物の濃度を、転送チャネル領域７のｎ型を維持することが可能な濃度に設定することによって、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８がｐ型に反転しないので、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８にポテンシャルのディップ（くぼみ）が形成されるのを抑制することができる。これにより、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８に形成されるポテンシャルのディップにより、電荷の転送が阻害されるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、転送チャネル領域７のｎ型不純物領域８に導入するｐ型不純物の濃度を、転送チャネル領域７のｎ型を維持することが可能な実質的に最大の濃度に設定することによって、ｎ型不純物領域８がｐ型に反転するのを抑制しながら、ｎ型不純物領域８のポテンシャル障壁の高さを最大にすることができるとともに、ｎ型不純物領域８のホール濃度を最大にすることができる。これにより、ｎ型不純物領域８がｐ型に反転するのを抑制しながら、ブルーミングの発生をより確実に抑制することができるとともに、暗電流の増大をより抑制することができる。

また、本実施形態では、ｎ型シリコン基板２の表面のｎ型不純物領域８に水素を導入することによって、その導入した水素によってｎ型不純物領域８に存在するダングリングボンドを終端することができる。これにより、ｎ型不純物領域８に存在する結晶欠陥を減少させることができる。このため、ｎ型不純物領域８において、結晶欠陥に起因して発生する意図しない電荷を減少させることができる。これにより、この意図しない電荷によって生じる暗電流を低減することができる。

次に、上記実施形態による効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。まず、上記実施形態による固体撮像装置の構造において、所定の画素１のゲート電極１２ａと所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとの間の間隔Ｄ（図１参照）（＝ｎ型不純物領域８の幅）を変化させた場合の転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域（ｎ型不純物領域８）の最小ホール濃度の変化を求めるシミュレーションを行った。なお、この際、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域へイオン注入するＢ（ホウ素）のドーズ量を０または２．２×１０^１２ｃｍ^−２に設定するとともに、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する電圧Φを−５．８Ｖまたは−１０Ｖに設定してシミュレーションを行った。このシミュレーションの結果が図８に示されている。

図８を参照して、Ｂ（ホウ素）のドーズ量が２．２×１０^１２ｃｍ^−２の場合には、Ｂ（ホウ素）のドーズ量が０の場合に比べて、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域（ｎ型不純物領域８）の最小ホール濃度が大きくなることがわかる。このことから、転送チャネル領域７にＢ（ホウ素）をイオン注入してｎ型不純物領域８を形成することにより、転送チャネル領域７のゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域のホール濃度を増加させることが可能であることがわかった。これにより、意図しない電荷が発生した場合にも、その意図しない電荷をホールによって捕獲することができるので、暗電流が増加するのを抑制することができる。

また、図８から、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅を増大させるのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最小ホール濃度は、徐々に低下することがわかる。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅が大きくなるにつれて、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の中央部近傍では、負電圧の印加されたゲート電極１２ａおよび１２ｂから発生する電界の影響が徐々に小さくなる。これにより、ゲート電極１２ａおよび１２ｂからの電界によって転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の中央部近傍において誘起されるホールは減少するので、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅を増大させるのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最小ホール濃度は、徐々に低下すると考えられる。

また、図８から、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する電圧Φが−１０Ｖの場合には、−５．８Ｖの場合に比べて、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最小ホール濃度が大きくなるのがわかる。これは、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きい方が、転送チャネル領域７のゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域に、より多くのホールが誘起されることに起因すると考えられる。

次に、所定の画素１のゲート電極１２ａと所定の画素１に隣接する画素１のゲート電極１２ｂとの間の間隔Ｄ（＝ｎ型不純物領域８の幅）を変化させた場合の転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域（ｎ型不純物領域８）の最大ポテンシャルの変化を求めるシミュレーションを行った。なお、この際、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域へイオン注入するＢ（ホウ素）のドーズ量を０または２．２×１０^１２ｃｍ^−２に設定するとともに、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する電圧Φを−５．８Ｖまたは−１０Ｖに設定してシミュレーションを行った。このシミュレーションの結果が図９に示されている。なお、図９における最大ポテンシャルは、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の中央部に位置する転送チャネル領域７の表面のポテンシャルである。また、所定の負電圧が印加されたゲート電極下の転送チャネル領域７では、ポテンシャルが−０．５Ｖ付近にピニングされるものとする。

図９を参照して、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅を増大させるのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最大ポテンシャルは、−０．５Ｖより大きなポテンシャルへ徐々に上昇することがわかる。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅が大きくなるにつれて、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の中央部近傍では、負電圧の印加されたゲート電極１２ａおよび１２ｂからの電界の影響が徐々に小さくなる。これにより、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の中央部近傍のポテンシャルは、転送チャネル領域７が負電圧の印加されたゲート電極下に位置する場合にピニングされるポテンシャル（−０．５Ｖ付近）から徐々に上昇する。これにより、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅を増大させるのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最大ポテンシャルは、−０．５Ｖより大きなポテンシャルへ徐々に上昇すると考えられる。

また、図９から、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する電圧Φが−１０Ｖの場合には、−５．８Ｖの場合に比べて、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅を増大させるのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最大ポテンシャルが、−０．５Ｖより大きなポテンシャルへ上昇するのが緩やかであることがわかる。これは、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きい方が、ゲート電極１２ａおよび１２ｂから転送チャネル領域７のゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域に、より強い電界が印加される。これにより、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きい方が、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅が増大する場合にも、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域のポテンシャルの上昇が抑制されると考えられる。

また、図９から、Ｂ（ホウ素）のドーズ量が２．２×１０^１２ｃｍ^−２の場合には、Ｂ（ホウ素）のドーズ量が０の場合に比べて、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅が増大するのに伴って、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域の最大ポテンシャルが、−０．５Ｖより大きなポテンシャルへ上昇するのが緩やかであることがわかる。特に、Ｂ（ホウ素）のドーズ量が２．２×１０^１２ｃｍ^−２で、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する電圧Φが−１０Ｖの場合には、−０．５Ｖより大きなポテンシャルへの上昇が抑制される。この結果から、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きく、かつ、転送チャネル領域７へのＢ（ホウ素）のドーズ量が多い方が、ゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄの幅が増大する場合にも、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域のポテンシャル障壁（図２参照）の最大値を−０．５Ｖ付近にピニングされた状態に保持しやすいことがわかった。

したがって、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きく、かつ、転送チャネル領域７へのＢ（ホウ素）のドーズ量が多い方が、転送チャネル領域７の間隔Ｄに対応する領域のポテンシャル障壁の最大値が−０．５Ｖから正電圧側へ変化するのをより抑制することができるので、この領域に形成されるポテンシャル障壁の高さが小さくなるのをより抑制することができる。これにより、ゲート電極１２ａおよび１２ｂに印加する負電圧が大きく、かつ、転送チャネル領域７へのＢ（ホウ素）のドーズ量が多い場合には、転送チャネル領域７のゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域に形成されるポテンシャル障壁によって、所定のポテンシャル井戸から隣接するポテンシャル井戸への電荷の流出をより確実に抑制することができる。このため、電荷の流出に起因して光が入射していない部分も明るく見える現象であるブルーミングの発生をより確実に抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、光電変換部上にはゲート電極を形成せずに光電変換部を挟むようにゲート電極を形成する構造を有する固体撮像装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、上記した構造以外の構造を有する固体撮像装置にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態における各層の導電型（ｐ型およびｎ型）を逆の導電型に入れ換えて固体撮像装置を構成してもよい。この場合には、ｐ型の転送チャネル領域７のゲート電極１２ａおよび１２ｂ間の間隔Ｄに対応する領域に、ｐ型の不純物領域８を形成する。また、そのｐ型の不純物領域８には、転送チャネル領域７の不純物領域８以外の領域に含有されるｎ型不純物よりも多くのｎ型不純物を導入する。なお、この場合、不純物領域８に導入するｎ型不純物の濃度は、不純物領域８をｐ型に維持することが可能な実質的に最大の濃度に設定することが好ましい。

本発明の一実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図１に示した本発明の一実施形態による固体撮像装置のポテンシャル図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置におけるゲート電極間の間隔Ｄの幅と、転送チャネル領域の間隔Ｄに対応する領域の最小ホール濃度との関係を示した相関図である。本発明の一実施形態による固体撮像装置におけるゲート電極間の間隔Ｄの幅と、転送チャネル領域の間隔Ｄに対応する領域の最大ポテンシャルとの関係を示した相関図である。従来の一例による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１画素
２ｎ型シリコン基板（基板）
６光電変換部
７転送チャネル領域
１２ａゲート電極（第１ゲート電極）
１２ｂゲート電極（第２ゲート電極）

Claims

基板の主表面の所定領域に設けられた光電変換部と、前記基板の主表面上に設けられ、前記光電変換部で生成された電荷を転送するゲート電極と、隣接する前記光電変換部間に位置する前記基板の主表面に形成された前記電荷を転送するための第１導電型の転送チャネル領域とを含む複数の画素を備え、
所定の前記画素の前記ゲート電極と、前記所定の画素に隣接する前記画素の前記ゲート電極とは、第１の間隔を隔てて設けられており、
前記基板の主表面に位置する前記第１導電型の転送チャネル領域の前記第１の間隔に対応する領域には、前記転送チャネル領域の前記第１の間隔に対応する領域以外の領域に含まれる第２導電型不純物よりも多くの第２導電型不純物が導入されている、固体撮像装置。
所定の前記画素の前記ゲート電極と、前記所定の画素に隣接する前記画素の前記ゲート電極とは、互いにオーバーラップしないように配置されている、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記転送チャネル領域の前記第１の間隔に対応する領域に導入された前記第２導電型不純物の濃度は、前記転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な濃度である、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記転送チャネル領域の前記第１の間隔に対応する領域に導入された前記第２導電型不純物の濃度は、前記転送チャネル領域の第１導電型を維持することが可能な最大の濃度である、請求項３に記載の固体撮像装置。
前記基板の主表面の前記第１の間隔に対応する領域には、水素が導入されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記ゲート電極は、同一画素内の前記基板の主表面上に前記光電変換部を挟むように第２の間隔を隔てて配置された第１ゲート電極および第２ゲート電極を含み、
前記光電変換部のポテンシャルは、所定の値に固定されており、
前記第１ゲート電極または前記第２ゲート電極下の前記転送チャネル領域のポテンシャルが、前記光電変換部のポテンシャルよりも上昇または低下することにより、前記光電変換部で生成された前記電荷が転送される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。