JP2555888B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体撮像素子に関し、特に縦型オーバーフロ
ードレイン構造を有する固体撮像素子の残像を防止する
構造に関する。

〔従来の技術〕

固体撮像素子では光電変換素子に蓄積できる信号電荷
量に限度が有ることから、照度の高い光のスポットが入
射した時に、光電変換により生じた信号電荷が光電変換
素子からあふれ出して隣接した光電変換素子や電荷転送
部に流れ込み、画像崩れを生じるブルーミング現象が有
る。縦型オーバーフロードレイン構造はこのブルーミン
グ現象を防止するためのものであり、光電変換素子の過
剰な信号電荷を半導体基板に抜き取る。

第５図（ａ）は従来の縦型オーバーフロードレイン構
造を有する固体撮像素子のセル部の縦断面図である。

Ｎ型半導体基板１上にＰ型ウェル２が形成されこの中
に光電変換素子のＮ型領域３と電荷転送手段のＮ型領域
４が形成されている。各セル間はチャネルストップ領域
５によって分離される。また絶縁膜６を介して電荷の読
み出しおよび転送を行なうためのパルス電圧を印加する
ポリシリコン電極７が形成されており、光電変換素子領
域以外のセル部に光が入射するのを防ぐために遮光膜８
が設けられている。

Ｐ型ウェル２とＮ型半導体基板１の間に逆バイアス電
圧を印加し、光電変換素子をなすＮ型領域３とＮ型半導
体基板１をパンチスルー状態にすることによって過剰電
荷をＮ型半導体基板１に抜き取る。この様なブルーミン
グ防止状態となるよう半導体基板に逆バイアス電圧を印
加した時においても、電荷転送を正常に行なえるよう電
荷転送手段のＮ型領域は電荷転送手段の動作範囲内にお
いて半導体基板と電気的に分離されている必要がある。
このため第５図（ａ）に示す様にＰ型ウェルは光電変換
素子の直下で電荷転送手段が形成されている領域よりも
浅い部分が生じる様に形成される。従来Ｐ型ウェルは光
電変換素子の中央部で最も浅く形成されてる。第５図
（ｂ）は第５図（ａ）の従来例の信号電荷の無い空乏化
状態のチャネル電位を示したものであるが、光電変換素
子の電位はＰ型ウェルの浅くなっている中央部で高くな
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の縦型オーバーフロードレイン構造を有
する固体撮像素子では光電変換素子から電荷転送手段に
信号電荷を読み出す際に光電変換素子の中央部の空乏化
電位が高いためにこの部分の信号電荷が読み出せずに残
り残像現象を生じるという問題点がある。第６図は従来
の縦型オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素
子における信号電荷読み出しの際のチャネル電位と信号
電荷の動きを示したものである。

第６図（ａ）に示した光電変換により発生し蓄積され
た信号電荷９は読み出し電極に読み出しパルス電圧を印
加することによって第６図（ｂ）に示す様にそのほとん
どは電荷転送部に読み出される。しかし一部の電荷は読
み出されず空乏化電位の高い光電変換部の中央に残留電
荷10として取り残される。入射光量が一定の場合はこの
残留電荷の量は定常状態となり一定となるが、入射光量
すなわち蓄積される信号電荷量が変化した時に残留電荷
の量が変化するため残像現象を生じる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の固体撮像素子の製造方法は、第１導電型の半
導体基板上の第１の部分および第２の部分に開口部を有
するマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとし
て第１および第２の部分に第２導電型の不純物を導入す
る工程と、熱処理により第１の部分および第２の部分の
不純物を拡散して、重なりあって形成された浅い部分と
それ以外の深い部分とからなるウェルを形成する工程
と、ウェルに光電変換素子を形成する工程であって、光
電変換素子の中心をウェルの浅い部分から光電変換素子
で発生する電荷を電荷転送手段へ読み出す方向とは反対
方向にずれた所に位置させて形成する工程とを有し、電
荷読み出しの残留電荷を防止することを特徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例の固体撮像素子
のセル部の縦断面図である。

Ｎ型半導体基板１上にＰ型ウェル２が形成され、この
中に光電変換素子をなすＮ型領域３と電荷転送手段をな
すＮ型領域４が形成されている。各セル間はチャネルス
トップ領域５によって分離される。また絶縁膜６を介し
て電荷読み出しおよび転送を行うためのパルス電圧を印
加するポリシリコン電極７が形成されており、光電変換
素子領域以外のセル部に光が入射するのを防ぐために遮
光膜８が設けられている。

Ｐ型ウェルはＮ型半導体基板に逆バイアス電圧を印加
し光電変換素子をなすＮ型領域とＮ型半導体基板をパン
チスルー状態としてブルーミング現象を防止する場合に
も、電荷転送手段をなすＮ型領域が素子の動作範囲内で
Ｎ型半導体基板と電気的に分離される様に光電変換素子
の直下で電荷転送手段が形成されている領域よりも浅い
部分が生じる様に形成するが、従来例と異なりＰ型ウェ
ルの最も浅い部分は光電変換素子の中央ではなく電荷転
送手段寄りの部分に形成する。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）の第１の実施例の信号電
荷の無い空乏化状態のチャネル電位を示したものであ
る。光電変換素子の電位はＰ型ウェルの浅くなっている
電荷転送手段に近い領域で高い部分が生じる。

第２図は本実施例における信号電荷読み出しの際のチ
ャネル電位と信号電荷の動きを示したものである。

第２図（ａ）に示した光電変換により発生し蓄積され
た信号電荷９は読み出し電極に読み出しパルス電圧を印
加することによって第２図（ｂ）に示す様に電荷転送部
に読み出される。本発明では第２図の電位に示す様に光
電変換部の空乏化電位の最も高い部分が電荷転送部に近
いため信号電荷読み出しのためのパルス電圧をポリシリ
コン電極に印加した時に読み出しパルス電圧のフリンジ
電界で電荷転送部に近い領域の光電変換部の電位が引っ
張られることによって、信号電荷はすべて電荷転送部に
読み出すことができ、光電変換部に残留電荷は生じな
い。従来、残像の発生の原因となっていた残留電荷を無
くすることにより残像現象の発生を防止することが可能
となる。

第３図は本実施例の固体撮像素子の製造方法の一例を
セル部の縦断面図で簡単に示したものである。

第３図（ａ）に示す様にＮ型半導体基板１上にレジス
トパターン12をマスクとしてイオン注入を行ない選択的
にＰ型不純物を導入（13）した後、熱処理により不純物
を拡散し第３図（ｂ）に示す様に選択的に接合深さの異
なるＰ型ウェル２を形成する。つづいて第３図（ｃ）に
示す様に素子分離の常套手段である選択酸化法を用いチ
ャネルストップ領域５、絶縁膜６を形成した後絶縁膜６
のパターンと自己整合に光電変換素子をなすＮ型領域３
および電荷転送手段をなすＮ型領域４をそれぞれ形成す
る。

ここで絶縁膜６のパターンは、Ｐ型ウェルを形成する
イオン注入時のレジストパターン12の中心が光電変換素
子をなすＮ型領域３の中心から電荷転送手段のＮ型領域
４に近くなる方向にずれる様に形成する。

その後第１図（ａ）に示す様にポリシリコン電極７、
遮光膜８を形成して固体撮像素子を完成する。選択酸化
のパターンとＰ型ウェルのパターンのずらし量はたとえ
ば光電変換素子のＮ型領域の幅が５μｍとすれば２μｍ
程度にすると最も効果が大きい。

第４図（ａ）は本発明の第２の実施例の固体撮像素子
のセル部の縦断面図である。

本実施例は光電変換素子として埋込フォトダイオード
を使用したものであり、Ｎ型半導体基板１上にＰ型ウェ
ル２が形成されこの中に光電変換素子のＮ型領域３と電
荷転送手段のＮ型領域４が形成されている。各セル間は
チャネルストップ領域５によって分離されこのチャネル
ストップ領域に接続して光電変換素子表面のP⁺層11が形
成されている。また絶縁膜６を介して，ポリシリコン電
極７、遮光膜８が形成されている。本実施例においても
Ｐ型ウェルの最も浅い部分が光電変換素子の中心でな
く、電荷転送手段寄りに形成することによる残像現象の
防止効果は第１の実施例と同様である。

これまで述べた例では単にＮ型半導体基板としてきた
が、基板として半導体基板上にＮ型のエピタキシャル層
を成長したものを使用しても効果は同じである。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の縦型オーバーフロード
レイン構造を有する固体撮像素子は電荷転送部直下に比
較して光電変換部直下で浅くなった第１導電型ウェルの
形成された第２導電型半導体基板を備え、第１導電型ウ
ェルの最も浅い領域を光電変換部の中心から電荷転送部
側にずらすことにより、光電変換部の空乏化電位の最も
高い領域が電荷転送部寄りに形成され、信号電荷読み出
しに際し読み出しパルス電圧のフリンジ電界により電位
が引っ張られることによって、この光電変換部の空乏化
電位の最も高い領域に取り残される残留電荷を無くし、
残像現象の発生を防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例の固体撮像素子の
縦断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の固体撮像素子
の空乏化時のチャネル電位図、第２図（ａ），（ｂ）は
第１の実施例における信号電荷読み出しの際のチャネル
電位と信号電荷の動きを示すチャネル電位図、第３図は
第１の実施例の固体撮像素子の製造方法の一例を説明す
るための縦断面図、第４図（ａ）は本発明の第２の実施
例の固体撮像素子の縦断面図、第４図（ｂ）は第４図
（ａ）の固体撮像素子の空乏化時のチャネル電位図、第
５図（ａ）は従来の固体撮像素子の縦断面図、第５図
（ｂ）は第５図（ａ）の固体撮像素子の空乏化時のチャ
ネル電位図、第６図は第５図の従来例における信号電荷
の読み出しの際のチャネル電位と信号電荷の動きを示す
チャネル電位図である。 １……Ｎ型半導体基板、２……Ｐ型ウェル、３……光電
変換素子のＮ型領域、４……電荷転送手段のＮ型領域、
５……チャネルストップ領域、６……絶縁膜、７……ポ
リシリコン電極、８……遮光膜、９……信号電荷、10…
…残留電荷、11……光電変換素子表面のP⁺層、12……レ
ジストパターン、13……Ｐ型不純物。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の半導体基板上の第１の部分お
   よび第２の部分に開口部を有するマスク層を形成する工
   程と、前記マスク層をマスクとして前記第１および第２
   の部分に第２導電型の不純物を導入する工程と、熱処理
   により前記第１の部分および第２の部分の不純物を拡散
   して、重なりあって形成された浅い部分とそれ以外の深
   い部分とからなるウェルを形成する工程と、前記ウェル
   に光電変換素子を形成する工程であって、前記光電変換
   素子の中心を前記ウェルの前記浅い部分から前記光電変
   換素子で発生する電荷を電荷転送手段へ読み出す方向と
   は反対方向にずれた所に位置させて形成する工程とを有
   し、電荷読み出しの残留電荷を防止することを特徴とす
   る固体撮像素子の製造方法。