JP2555981B2 - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
固体撮像素子およびその製造方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/148—Charge coupled imagers
- H01L27/14831—Area CCD imagers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】固体撮像素子およびその製造方法
に関する。
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体撮像素子の単位画素の構造を
図３に示す。図３はインターライン型ＣＣＤイメージセ
ンサと呼ばれている固体撮像素子の単位画素の平面構成
図である。単位画素はショットキダイオードよりなる受
光素子１、ＣＣＤ転送素子２と受光素子のリセット読み
出し動作を行うトランスファゲート素子３とで構成され
ている。赤外線に感度を持つ受光素子のショットキダイ
オードとしては金属電極４に白金シリサイドを用いたも
のが実用化されている。ＣＣＤ転送素子、受光素子、ト
ランスファーゲート素子はｐ＋ボロンで形成されたチャ
ネルストップ５で分離されている。
図３に示す。図３はインターライン型ＣＣＤイメージセ
ンサと呼ばれている固体撮像素子の単位画素の平面構成
図である。単位画素はショットキダイオードよりなる受
光素子１、ＣＣＤ転送素子２と受光素子のリセット読み
出し動作を行うトランスファゲート素子３とで構成され
ている。赤外線に感度を持つ受光素子のショットキダイ
オードとしては金属電極４に白金シリサイドを用いたも
のが実用化されている。ＣＣＤ転送素子、受光素子、ト
ランスファーゲート素子はｐ＋ボロンで形成されたチャ
ネルストップ５で分離されている。
【０００３】固体撮像素子は図３で示した単位画素を２
次元配列することでイメージエリアを構成する。図４
（Ａ）に、上述した２次元配列の様子を図示する。格子
状に区切った正方形が単位画素である。
次元配列することでイメージエリアを構成する。図４
（Ａ）に、上述した２次元配列の様子を図示する。格子
状に区切った正方形が単位画素である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】固体撮像素子は、実際
にはレンズで集光した光をイメージエリアに照射して使
用する。レンズで集光する場合、必ず中央部分に比べて
周辺部が暗くなる、所謂シェーディングが生じる。特
に、レンズの開口が大きい場合にその傾向が顕著にな
る。従来の固体撮像素子では各画素の感度特性が等しい
ため、固体撮像素子からの出力は図４（Ａ）の出力分布
図の同心円と図４（Ｂ）の断面図に示すようにイメージ
エリアの中央部分の出力が大きい特性となる。電荷結合
素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子においてはＣＣＤ
で転送できる信号電荷の上限はＣＣＤのポテンシャル井
戸の容量で制限されている。図４（Ｂ）に太い実線で示
したレベルが最大転送電荷量６とするとイメージエリア
中央部では最大転送電荷量までのダイナミックレンジが
小さくなってしまう。一方、周辺部では感度が低い問題
がある。この問題はＣＣＤイメージセンサ以外でも、例
えば、ＭＯＳ型イメージセンサにおいての動作点の最適
化が面内分布により阻害される問題、ＣＳＤ（チャージ
スイープドデバイス）における転送効率が周辺部で極端
に劣化する問題等の問題が生じる。
にはレンズで集光した光をイメージエリアに照射して使
用する。レンズで集光する場合、必ず中央部分に比べて
周辺部が暗くなる、所謂シェーディングが生じる。特
に、レンズの開口が大きい場合にその傾向が顕著にな
る。従来の固体撮像素子では各画素の感度特性が等しい
ため、固体撮像素子からの出力は図４（Ａ）の出力分布
図の同心円と図４（Ｂ）の断面図に示すようにイメージ
エリアの中央部分の出力が大きい特性となる。電荷結合
素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子においてはＣＣＤ
で転送できる信号電荷の上限はＣＣＤのポテンシャル井
戸の容量で制限されている。図４（Ｂ）に太い実線で示
したレベルが最大転送電荷量６とするとイメージエリア
中央部では最大転送電荷量までのダイナミックレンジが
小さくなってしまう。一方、周辺部では感度が低い問題
がある。この問題はＣＣＤイメージセンサ以外でも、例
えば、ＭＯＳ型イメージセンサにおいての動作点の最適
化が面内分布により阻害される問題、ＣＳＤ（チャージ
スイープドデバイス）における転送効率が周辺部で極端
に劣化する問題等の問題が生じる。
【０００５】シェーディング問題の軽減のために、従
来、いくつかの対策がたてられてきた。１つは集光レン
ズ自身にシェーディング補正フィルタを付加する対策で
ある。シェーディング補正フィルタは光強度が大きい中
央部分の透過率が低く周辺部の透過率が高い特性を持つ
フィルタであり、固体撮像素子への照射光自身のシェー
ディングを無くすという観点では本質的な対策と言え
る。しかし、減光補正であるため、レンズ開口を大きく
しなければならず、極端なシェーディングを補正しなけ
ればならない。レンズ自身が複雑になる問題も生じる。
イメージエリアに工夫をした例として、特開昭６３−１
４７３６５号公報で示された対策がある。この対策はオ
ンチップマイクロレンズアレーの集光特性にイメージエ
リア面内での面内分布を持たせるというものである。本
来感度特性が最大になるように設計するオンチップマイ
クロレンズアレーの中央部分での集光特性を低下させて
シェーディングを補正する対策である。この点ではレン
ズ自身にシェーディング補正フィルタを付加する対策と
同様の問題を抱えているといえる。加えて、シェーディ
ング補正という設計パラメータの増加により、クロスト
ーク等の諸特性の最適化が阻害される。また、開口率
（ホトダイオードの有効面積率）の高い画素においては
補正の程度が期待できない。さらに、現実にオンチップ
マイクロレンズアレーを製作する場合には最適な形状を
製作することは困難である。シェーディングが問題にな
るのは固体撮像素子の感度が不十分である場合にレンズ
の開口を大きくしたときに深刻になることを考慮する
と、実質的に照射光を制限するような従来の対策では悪
循環が始まり、問題の解決にならない。
来、いくつかの対策がたてられてきた。１つは集光レン
ズ自身にシェーディング補正フィルタを付加する対策で
ある。シェーディング補正フィルタは光強度が大きい中
央部分の透過率が低く周辺部の透過率が高い特性を持つ
フィルタであり、固体撮像素子への照射光自身のシェー
ディングを無くすという観点では本質的な対策と言え
る。しかし、減光補正であるため、レンズ開口を大きく
しなければならず、極端なシェーディングを補正しなけ
ればならない。レンズ自身が複雑になる問題も生じる。
イメージエリアに工夫をした例として、特開昭６３−１
４７３６５号公報で示された対策がある。この対策はオ
ンチップマイクロレンズアレーの集光特性にイメージエ
リア面内での面内分布を持たせるというものである。本
来感度特性が最大になるように設計するオンチップマイ
クロレンズアレーの中央部分での集光特性を低下させて
シェーディングを補正する対策である。この点ではレン
ズ自身にシェーディング補正フィルタを付加する対策と
同様の問題を抱えているといえる。加えて、シェーディ
ング補正という設計パラメータの増加により、クロスト
ーク等の諸特性の最適化が阻害される。また、開口率
（ホトダイオードの有効面積率）の高い画素においては
補正の程度が期待できない。さらに、現実にオンチップ
マイクロレンズアレーを製作する場合には最適な形状を
製作することは困難である。シェーディングが問題にな
るのは固体撮像素子の感度が不十分である場合にレンズ
の開口を大きくしたときに深刻になることを考慮する
と、実質的に照射光を制限するような従来の対策では悪
循環が始まり、問題の解決にならない。
【０００６】本願発明の目的は、光学系のシェーディン
グの影響を感度劣化せずに補正する固体撮像素子及びそ
の製造方法を提供することにある。
グの影響を感度劣化せずに補正する固体撮像素子及びそ
の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、ホトダイオー
ドと電荷転送素子で構成されている単位画素を格子状に
２次元配列した固体撮像素子において、イメージエリア
の中心を中心とする同心円状にホトダイオード感度特性
を変えたことを特徴とする固体撮像素子、およびホトダ
イオードと電荷転送素子で構成されている単位画素を格
子状に２次元配列した固体撮像素子の製造方法におい
て、ホトダイオードへのイオン注入マスクを１μm 周期
以下で一部マスク材を残すことで、ホトダイオード中へ
注入される不純物濃度を設定することを特徴とする固体
撮像素子の製造方法である。
ドと電荷転送素子で構成されている単位画素を格子状に
２次元配列した固体撮像素子において、イメージエリア
の中心を中心とする同心円状にホトダイオード感度特性
を変えたことを特徴とする固体撮像素子、およびホトダ
イオードと電荷転送素子で構成されている単位画素を格
子状に２次元配列した固体撮像素子の製造方法におい
て、ホトダイオードへのイオン注入マスクを１μm 周期
以下で一部マスク材を残すことで、ホトダイオード中へ
注入される不純物濃度を設定することを特徴とする固体
撮像素子の製造方法である。
【０００８】
【実施例】図１を使って本発明の実施例を説明する。図
１で大きな長方形で示したのが固体撮像素子の一例とし
てのショットキ型赤外線ＣＣＤイメージセンサのイメー
ジエリアである。ショットキ型赤外線ＣＣＤイメージセ
ンサはＰｔＳｉとｐ型Ｓｉのショットキ型ダイオードで
赤外線を検出する。実施例のショットキ型赤外線ＣＣＤ
イメージセンサはインターライン型ＣＣＤイメージセン
サの構成をしている。格子状の線で囲まれた各正方形は
単位画素である。同心円はショットキ型ホトダイオード
の界面不純物濃度の傾向を表わしている。中心部分の暗
い部分は界面にＮ型不純物（例えばＡｓ）が濃くドーピ
ングされている。界面にＮ型不純物がドーピングされた
ショットキダイオードのポテンシャルを図１の右上に模
式的に描く（Ｎ型ドーピング）。不純物ドーピングの効
果で実効バリアが高くなる。実効バリア増加の程度はＮ
型不純物ドーピング濃度に依存する。中心から外側に行
くにしたがって不純物ドーピング濃度は薄くなってい
く。界面ドーピングなしの場合には図１の中央右に描い
たようなポテンシャル状態となる。さらに周辺部になる
と界面にｐ型ドーピングを行うことで図１の右下に描く
ように実効バリアを低下させている。このようにイメー
ジエリア中心から周辺に向かってショットキバリアを低
下させることで周辺部に向かって赤外線感度を増加させ
ている。この赤外線感度増加の傾向は使用する光学系の
シェーディング特性を相殺するように定める。なお、図
１は模式的に界面ドーピング分布を描いたために単位画
素内でも不純物分布で差があるように描いているが、実
際には画素内の不純物濃度は一定としている。不純物濃
度はステップ状に変化させることになる。
１で大きな長方形で示したのが固体撮像素子の一例とし
てのショットキ型赤外線ＣＣＤイメージセンサのイメー
ジエリアである。ショットキ型赤外線ＣＣＤイメージセ
ンサはＰｔＳｉとｐ型Ｓｉのショットキ型ダイオードで
赤外線を検出する。実施例のショットキ型赤外線ＣＣＤ
イメージセンサはインターライン型ＣＣＤイメージセン
サの構成をしている。格子状の線で囲まれた各正方形は
単位画素である。同心円はショットキ型ホトダイオード
の界面不純物濃度の傾向を表わしている。中心部分の暗
い部分は界面にＮ型不純物（例えばＡｓ）が濃くドーピ
ングされている。界面にＮ型不純物がドーピングされた
ショットキダイオードのポテンシャルを図１の右上に模
式的に描く（Ｎ型ドーピング）。不純物ドーピングの効
果で実効バリアが高くなる。実効バリア増加の程度はＮ
型不純物ドーピング濃度に依存する。中心から外側に行
くにしたがって不純物ドーピング濃度は薄くなってい
く。界面ドーピングなしの場合には図１の中央右に描い
たようなポテンシャル状態となる。さらに周辺部になる
と界面にｐ型ドーピングを行うことで図１の右下に描く
ように実効バリアを低下させている。このようにイメー
ジエリア中心から周辺に向かってショットキバリアを低
下させることで周辺部に向かって赤外線感度を増加させ
ている。この赤外線感度増加の傾向は使用する光学系の
シェーディング特性を相殺するように定める。なお、図
１は模式的に界面ドーピング分布を描いたために単位画
素内でも不純物分布で差があるように描いているが、実
際には画素内の不純物濃度は一定としている。不純物濃
度はステップ状に変化させることになる。
【０００９】図１の固体撮像素子では、イメージエリア
内の周辺部のホトダイオードは周辺部として使用される
ことを前提として感度設計されている。ショットキホト
ダイオードではショットキバリア高さを下げるほど赤外
線感度が向上する反面、暗電流やレンズ等からの内部放
射光によるバイアス信号が増加してしまう問題を持つ。
イメージエリア周辺部ではレンズ等からの内部放射光も
減少しているので、ショットキバリア高さを下げて感度
向上を行ってもバイアス信号の増加は少ない。このた
め、イメージエリア周辺部に配置するホトダイオード
は、中心部分よりも感度を高めに設定することができ
る。このようにホトダイオードの感度特性を厳密に最適
化しようとした場合には、組み合わせるレンズ特性を考
慮してイメージエリアでの位置ごとに異なる特性としな
ければならない。
内の周辺部のホトダイオードは周辺部として使用される
ことを前提として感度設計されている。ショットキホト
ダイオードではショットキバリア高さを下げるほど赤外
線感度が向上する反面、暗電流やレンズ等からの内部放
射光によるバイアス信号が増加してしまう問題を持つ。
イメージエリア周辺部ではレンズ等からの内部放射光も
減少しているので、ショットキバリア高さを下げて感度
向上を行ってもバイアス信号の増加は少ない。このた
め、イメージエリア周辺部に配置するホトダイオード
は、中心部分よりも感度を高めに設定することができ
る。このようにホトダイオードの感度特性を厳密に最適
化しようとした場合には、組み合わせるレンズ特性を考
慮してイメージエリアでの位置ごとに異なる特性としな
ければならない。
【００１０】図１ではショットキ型赤外線ＣＣＤイメー
ジセンサの例を示したが、ＰＮ接合ホトダイオードを持
つ可視光用の固体撮像素子でも同様に言える。Ｎ型Ｓｉ
側から光が入射するとするとＮ型不純物層が濃く深いと
電界のかかっていない領域での吸収が増えて感度が低下
する。
ジセンサの例を示したが、ＰＮ接合ホトダイオードを持
つ可視光用の固体撮像素子でも同様に言える。Ｎ型Ｓｉ
側から光が入射するとするとＮ型不純物層が濃く深いと
電界のかかっていない領域での吸収が増えて感度が低下
する。
【００１１】図２は本発明の固体撮像素子の製造方法の
１つの実施例を示したものである。図２（Ａ）は本発明
の固体撮像素子の単位画素を、図２（Ｂ）〜（Ｄ）にそ
の製造方法の主な工程を示す。図２（Ｂ）〜（Ｄ）は図
２（Ａ）の−部分の断面図である。図２（Ｂ）は半
導体基板（例えばｐ型シリコン基板）にＣＣＤ転送素子
のチャネル７であるＮウェルとショットキ型受光素子の
ガードリング８を形成した後にトランスファゲート素子
領域のチャネル９を形成するイオン注入工程を示す。半
導体基板のトランスファゲート素子領域を除く表面をホ
トレジスト１０で覆い、ｐ型不純物（例えばボロン）を
イオン注入することでトランスファゲート素子の敷居値
およびチャネル電位特性を制御する。図２（Ｃ）はショ
ットキ型受光素子の界面にＮ型またはＰ型不純物をイオ
ン注入（１１）することで受光素子の感度特性を制御す
る工程を描いている。本発明ではイメージエリアの中心
部分にはＮ型不純物を高濃度にイオン注入し、周辺に向
かって濃度を薄くする面内分布を持たせなければならな
い。図２の実施例では図２（Ｃ）の工程で界面注入用レ
ジスト１２のホトダイオード領域のパターンを図２
（Ｃ′）に示す様に部分的に細かくレジスト材を残した
パターンとすることで任意の面内注入濃度分布を持たせ
ることを可能としている。図２（Ｃ′）で示した例では
注入イオンの７５％が実際にホトダイオードに注入され
る。残しレジスト材の空間周波数を十分に高くすること
でホトダイオード内での均一な界面不純物濃度が得られ
る。イオン注入の横方向まわりこみや熱拡散を考慮する
とレジスト材のパターンは１μm 周期程度が良い。Ｎ型
イオン注入（Ａｓ等）とＰ型イオン注入（Ａｌ，Ｂ，Ｇ
ａ等）を行う場合には、図２（Ｃ）の工程を２度繰り返
す。製造工程が完了した段階での断面図を図２（Ｄ）に
示す。ＰｔＳｉ膜１３の形成やゲート電極１４の構成お
よびＡＲコート１５の付着により完成する。
１つの実施例を示したものである。図２（Ａ）は本発明
の固体撮像素子の単位画素を、図２（Ｂ）〜（Ｄ）にそ
の製造方法の主な工程を示す。図２（Ｂ）〜（Ｄ）は図
２（Ａ）の−部分の断面図である。図２（Ｂ）は半
導体基板（例えばｐ型シリコン基板）にＣＣＤ転送素子
のチャネル７であるＮウェルとショットキ型受光素子の
ガードリング８を形成した後にトランスファゲート素子
領域のチャネル９を形成するイオン注入工程を示す。半
導体基板のトランスファゲート素子領域を除く表面をホ
トレジスト１０で覆い、ｐ型不純物（例えばボロン）を
イオン注入することでトランスファゲート素子の敷居値
およびチャネル電位特性を制御する。図２（Ｃ）はショ
ットキ型受光素子の界面にＮ型またはＰ型不純物をイオ
ン注入（１１）することで受光素子の感度特性を制御す
る工程を描いている。本発明ではイメージエリアの中心
部分にはＮ型不純物を高濃度にイオン注入し、周辺に向
かって濃度を薄くする面内分布を持たせなければならな
い。図２の実施例では図２（Ｃ）の工程で界面注入用レ
ジスト１２のホトダイオード領域のパターンを図２
（Ｃ′）に示す様に部分的に細かくレジスト材を残した
パターンとすることで任意の面内注入濃度分布を持たせ
ることを可能としている。図２（Ｃ′）で示した例では
注入イオンの７５％が実際にホトダイオードに注入され
る。残しレジスト材の空間周波数を十分に高くすること
でホトダイオード内での均一な界面不純物濃度が得られ
る。イオン注入の横方向まわりこみや熱拡散を考慮する
とレジスト材のパターンは１μm 周期程度が良い。Ｎ型
イオン注入（Ａｓ等）とＰ型イオン注入（Ａｌ，Ｂ，Ｇ
ａ等）を行う場合には、図２（Ｃ）の工程を２度繰り返
す。製造工程が完了した段階での断面図を図２（Ｄ）に
示す。ＰｔＳｉ膜１３の形成やゲート電極１４の構成お
よびＡＲコート１５の付着により完成する。
【００１２】
【発明の効果】本発明の固体撮像素子は、従来の固体撮
像素子が抱えていた、光学系によるシェーディングを感
度劣化を伴わずに補正することができない問題を解消す
るものである。これにより画質が良くダイナミックレン
ジの大きな撮像を行うことが可能となる。又、本発明の
固体撮像素子の製造方法により、上記固体撮像素子を工
程の増加のなく簡便に製造する事ができる。
像素子が抱えていた、光学系によるシェーディングを感
度劣化を伴わずに補正することができない問題を解消す
るものである。これにより画質が良くダイナミックレン
ジの大きな撮像を行うことが可能となる。又、本発明の
固体撮像素子の製造方法により、上記固体撮像素子を工
程の増加のなく簡便に製造する事ができる。
【図１】本発明の固体撮像素子の実施例を示す図であ
る。
る。
【図２】本発明の固体撮像素子の製造方法の実施例を示
す図である。
す図である。
【図３】固体撮像素子の従来例を示す図である。
【図４】従来の固体撮像素子の問題点である出力のシェ
ーディング特性の説明図である。
ーディング特性の説明図である。
１ 受光素子 ２ ＣＣＤ転送素子 ３ トランスファゲート素子 ４ 金属電極 ５ チャネルストップ ６ 最大転送電荷量 ７ ＣＣＤ転送素子のチャネル ８ ショットキ型受光素子のガードリング ９ トランスファゲート素子領域のチャネル １０ ホトレジスト １１ イオン注入 １２ 界面注入用レジスト １３ ＰｔＳｉ膜 １４ ゲート電極 １５ ＡＲコート
Claims (3)
- 【請求項１】ホトダイオードと電荷転送素子で構成され
ている単位画素を格子状に２次元配列した固体撮像素子
において、ホトダイオードの感度特性がイメージエリア
の中心を中心として同心円状に徐々に変化していること
を特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項２】イメージエリアの中心を中心として同心円
状となっているホトダイオードの感度が、同心円の周辺
部に近づくにつれて増加していることを特徴とする請求
項１記載の固体撮像素子。 - 【請求項３】ホトダイオードと電荷転送素子で構成され
ている単位画素を格子状に２次元配列した固体撮像素子
の製造方法において、ホトダイオードへのイオン注入マ
スクとして、１μm 周期以下のパターンのマスク材を注
入量の少ない部分に多く残すことによってホトダイオー
ド中へ注入される不純物濃度を設定することを特徴とす
る請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6123423A JP2555981B2 (ja) | 1994-06-06 | 1994-06-06 | 固体撮像素子およびその製造方法 |
| US08/463,357 US5576562A (en) | 1994-06-06 | 1995-06-05 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6123423A JP2555981B2 (ja) | 1994-06-06 | 1994-06-06 | 固体撮像素子およびその製造方法 |
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| JPH07335853A JPH07335853A (ja) | 1995-12-22 |
| JP2555981B2 true JP2555981B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=14860196
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP2555981B2 (ja) |
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1995
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