JP2584010B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
固体撮像装置およびその製造方法Info
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- JP2584010B2 JP2584010B2 JP63264537A JP26453788A JP2584010B2 JP 2584010 B2 JP2584010 B2 JP 2584010B2 JP 63264537 A JP63264537 A JP 63264537A JP 26453788 A JP26453788 A JP 26453788A JP 2584010 B2 JP2584010 B2 JP 2584010B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は感度増倍機能を有する光電変換部を備えたCC
D型撮像装置及びその製造方法に関するものである。
D型撮像装置及びその製造方法に関するものである。
従来の技術 CCD型撮像装置（参考文献:C.H.Squin ＆ M.F.Tomps
ett, Academic Press）は、第３図ａに示す様に光電変換領域
301と垂直CCD部302から成る受光部分（撮像部分とも呼
ぶ）303、水平CCD部304、および出力アンプ305で構成さ
れる。受光部分303の拡大断面図が第３図ｂで、ｐ基板3
06表面に形成されたn+領域307がpn接合型フォトダイオ
ード（以下、PDと略記する）の光電変換領域303を構成
し、高抵抗のn-領域308が転送ゲート電極309と共に垂直
CCD部302を構成する。
ett, Academic Press）は、第３図ａに示す様に光電変換領域
301と垂直CCD部302から成る受光部分（撮像部分とも呼
ぶ）303、水平CCD部304、および出力アンプ305で構成さ
れる。受光部分303の拡大断面図が第３図ｂで、ｐ基板3
06表面に形成されたn+領域307がpn接合型フォトダイオ
ード（以下、PDと略記する）の光電変換領域303を構成
し、高抵抗のn-領域308が転送ゲート電極309と共に垂直
CCD部302を構成する。
この様なCCD型撮像装置で受光部分303の面積を維持し
たまま（つまり光学レンズ系をそのままにして）高解像
度化（つまり高密度化）しようとすると、１画素のセル
面積を光電変換領域301（この占有面積は、開口率と呼
ばれ、感度に関係する。）の垂直CCD（この占有面積は
転送チォネル幅を決定する為、ダイナミックレンズ（以
下DRと略記）に関係する。）とに分配しなければなら
ず、感度とDRという２大基本性能のトレードオフを招
く。
たまま（つまり光学レンズ系をそのままにして）高解像
度化（つまり高密度化）しようとすると、１画素のセル
面積を光電変換領域301（この占有面積は、開口率と呼
ばれ、感度に関係する。）の垂直CCD（この占有面積は
転送チォネル幅を決定する為、ダイナミックレンズ（以
下DRと略記）に関係する。）とに分配しなければなら
ず、感度とDRという２大基本性能のトレードオフを招
く。
更に、高解像化と共に光学レンズ系の焦点深度を十分
確保するためにはレンズを絞る事が必要となるため、光
電変換領域301の開口率を100％に近づけても、実効的に
感度低下を招く。
確保するためにはレンズを絞る事が必要となるため、光
電変換領域301の開口率を100％に近づけても、実効的に
感度低下を招く。
こうした状況を打開するための有効な対策は、光電変
換領域301としてPDよりも10〜20dB高感度のアバランシ
ェ・フォトダイオード（以下、APDと略記）を用いる事
である。
換領域301としてPDよりも10〜20dB高感度のアバランシ
ェ・フォトダイオード（以下、APDと略記）を用いる事
である。
第４図ａ〜ｄに示したリーチスルー型APDは、空乏層
長Ｌを伸ばして光生成したキャリアをドリフトさせると
同時に、pn接合に隣接して10V/m以上の高電界領域Ｍを
設けて「なだれ効果」の発生を可能にし、空乏層中で発
生したキャリアの増倍を行なうものである（参考文献:K
anbe,H.,et al.“Silicon Avalanche Photodiode with
low multiplication noise and high speed response",
IEEE Trans.Electron Device,ED−23,p.1337〜1976）。
第４図e,fはその具体的な構造を示す。
長Ｌを伸ばして光生成したキャリアをドリフトさせると
同時に、pn接合に隣接して10V/m以上の高電界領域Ｍを
設けて「なだれ効果」の発生を可能にし、空乏層中で発
生したキャリアの増倍を行なうものである（参考文献:K
anbe,H.,et al.“Silicon Avalanche Photodiode with
low multiplication noise and high speed response",
IEEE Trans.Electron Device,ED−23,p.1337〜1976）。
第４図e,fはその具体的な構造を示す。
n+領域401は熱拡散で形成し、なだれ領域を規定する
ｐ領域402はイオン注入で形成している（n+領域401とｐ
領域402との間の高抵抗（π）領域は無くても構わない
し、それが一般的である。）。さらに、半導体表面での
反射を防ぐ為に、SiO2,Si3Nなどの反射防止膜403を用
い、n+領域401のコーナーでのエッジ・ブレークダウン
防止の為に、電界緩和の役割をもつｎ領域403（これは
ガードリングと呼ばれる）を形成している。
ｐ領域402はイオン注入で形成している（n+領域401とｐ
領域402との間の高抵抗（π）領域は無くても構わない
し、それが一般的である。）。さらに、半導体表面での
反射を防ぐ為に、SiO2,Si3Nなどの反射防止膜403を用
い、n+領域401のコーナーでのエッジ・ブレークダウン
防止の為に、電界緩和の役割をもつｎ領域403（これは
ガードリングと呼ばれる）を形成している。
第４図ｅと第３図ｂを比較するとCCDのPD部をAPDとす
る事は困難でない様に思われる。
る事は困難でない様に思われる。
発明が解決しようとする課題 然しながら、現在最も普及しているCCD型撮像装置
は、第５図の断面構造を有している。第５図が第３図ｂ
と異なる点は、 ブルーミング抑制とスミア低減の為
にPDのｎ領域503がｎ基板501上のｐウェル502内に形成
され、npn構造の縦形オーバーフロードレイン（以下OFD
と略記）が形成されていること、 低照度残像をなく
するために、ｎ領域503を完全空乏可能な濃度に設定し
ていること、 ｎ領域503が完全空乏になると界面の
暗電流が発生しやすくなる為、p+領域504をｎ領域503の
界面近傍に形成していることである。この結果光電変換
領域が縦方向にpnpn製造となるため第５図と第４図ｅの
結合は単純ではない。
は、第５図の断面構造を有している。第５図が第３図ｂ
と異なる点は、 ブルーミング抑制とスミア低減の為
にPDのｎ領域503がｎ基板501上のｐウェル502内に形成
され、npn構造の縦形オーバーフロードレイン（以下OFD
と略記）が形成されていること、 低照度残像をなく
するために、ｎ領域503を完全空乏可能な濃度に設定し
ていること、 ｎ領域503が完全空乏になると界面の
暗電流が発生しやすくなる為、p+領域504をｎ領域503の
界面近傍に形成していることである。この結果光電変換
領域が縦方向にpnpn製造となるため第５図と第４図ｅの
結合は単純ではない。
本発明はこの様な従来技術の課題を省察し、縦形OFD
機能および、感度増倍機能を有する光電変換部を備えた
CCD型撮像装置を提供する事を目的とする。
機能および、感度増倍機能を有する光電変換部を備えた
CCD型撮像装置を提供する事を目的とする。
課題を解決するための手段 本発明は、ｎ型半導体基板上のｐウェル内にアバラン
シェフォトダイオードとCCDを有し、前記アバランシェ
フォトダイオードの電子蓄積領域と基板との間に縦形np
nトランジスタが形成されるCCD型撮像装置であり、また
第１導電型の半導体基板上に第２導電型で完全空乏可能
な第１の領域を形成し、前記第１の領域上に第１導電型
の第２の領域を形成し、前記第２の領域内部に第２導電
型の第３の領域を形成し、前記第３の領域内部に第２導
電型で高濃度の第４の領域を形成し、第２の領域に蓄積
したキャリアをCCDに読み出して転送するCCD型撮像装置
である。基板と第１および第２の領域が縦形OFDを構成
し、第2,第３および第４の領域がAPDを構成する。
シェフォトダイオードとCCDを有し、前記アバランシェ
フォトダイオードの電子蓄積領域と基板との間に縦形np
nトランジスタが形成されるCCD型撮像装置であり、また
第１導電型の半導体基板上に第２導電型で完全空乏可能
な第１の領域を形成し、前記第１の領域上に第１導電型
の第２の領域を形成し、前記第２の領域内部に第２導電
型の第３の領域を形成し、前記第３の領域内部に第２導
電型で高濃度の第４の領域を形成し、第２の領域に蓄積
したキャリアをCCDに読み出して転送するCCD型撮像装置
である。基板と第１および第２の領域が縦形OFDを構成
し、第2,第３および第４の領域がAPDを構成する。
駆動方法としては、第２の領域のキャリアをCCDに読
出す時には、第２の領域と第４の領域との間に逆バイア
スを下げてアバランシェ増倍が生じない様にする事が特
徴である。
出す時には、第２の領域と第４の領域との間に逆バイア
スを下げてアバランシェ増倍が生じない様にする事が特
徴である。
製造方法の特徴は、第２と第３の領域をエピタキシャ
ル成長で作ることである。
ル成長で作ることである。
作用 本発明は前記した構成，構造および駆動方法により、
光電変換部からCCDキャリアを読出す時以外は光電変換
部でアバランシェ増倍が生じ、しかも従来標準的な機能
であった縦オーバフロードレインを備えている為、ブル
ーミングは無く、スミアも抑制されている。
光電変換部からCCDキャリアを読出す時以外は光電変換
部でアバランシェ増倍が生じ、しかも従来標準的な機能
であった縦オーバフロードレインを備えている為、ブル
ーミングは無く、スミアも抑制されている。
また、前記した製造方法により、結晶品質がよく、濃
度分布が均一でよく制御された光電変換部が実現する。
度分布が均一でよく制御された光電変換部が実現する。
実 施 例 以下に本発明の実施例を図面に基いて説明する。
第１図は本発明の第１の実施例における撮像装置を示
すものである。
すものである。
第１図a,bにおいて、ｎ基板101の上にｐウェル102が
形成され、ｐウェル102上にCCDの電荷転送領域となるn-
領域103、光電変換されたキャリアを蓄積するｎ領域104
が形成され、ｎ領域104内部に光電変換のためのｐ領域1
05が形成され、ｐ領域105内部にp+領域106が形成され、
ｎ領域104とｐ領域105のp+領域106とがAPD（特にｎ領域
104とｐ領域105の界面近傍でアバランシェ増倍が生じ
る。）を構成する。107,108は転送電極、109はチャネル
ストップのp+領域、109はｎ領域104からn-領域103へキ
ャリアを読出すチャネルのオフセット電圧を決めるp+領
域、110は遮光部である。
形成され、ｐウェル102上にCCDの電荷転送領域となるn-
領域103、光電変換されたキャリアを蓄積するｎ領域104
が形成され、ｎ領域104内部に光電変換のためのｐ領域1
05が形成され、ｐ領域105内部にp+領域106が形成され、
ｎ領域104とｐ領域105のp+領域106とがAPD（特にｎ領域
104とｐ領域105の界面近傍でアバランシェ増倍が生じ
る。）を構成する。107,108は転送電極、109はチャネル
ストップのp+領域、109はｎ領域104からn-領域103へキ
ャリアを読出すチャネルのオフセット電圧を決めるp+領
域、110は遮光部である。
第１図ｂのＹの範囲で示された部分の等価回路が第１
図ｃである。
図ｃである。
第１図ｂとｃにおいてｐウェル102とｎ領域104は逆バ
イアスのダイオード121に等価であり、ｎ領域104とｐ領
域105とp+領域106はAPD122と等価であり、ｎ領域104と
ｐウェル102とｎ基板101は縦OFDとして機能するトラン
ジスタ124と等価であり、ｎ領域104とp+領域109とn-領
域103とはMOSゲート123と等価である。
イアスのダイオード121に等価であり、ｎ領域104とｐ領
域105とp+領域106はAPD122と等価であり、ｎ領域104と
ｐウェル102とｎ基板101は縦OFDとして機能するトラン
ジスタ124と等価であり、ｎ領域104とp+領域109とn-領
域103とはMOSゲート123と等価である。
駆動条件は第１図ｄに示しているように、MOSゲート1
23をオン状態にする為にφＶとして高いパルス電圧VHが
印加される期間は、p+領域106の電圧をφＰとしてアバ
ランシェ増倍の生じる−VAからアバランシェ増倍の生じ
ない０まで下げる。
23をオン状態にする為にφＶとして高いパルス電圧VHが
印加される期間は、p+領域106の電圧をφＰとしてアバ
ランシェ増倍の生じる−VAからアバランシェ増倍の生じ
ない０まで下げる。
第１図ｂのＺ−Ｚ′断面のエネルギーバンド図を第１
図e,fに示す。第１図ｅは熱平衡状態に対応する。第１
図ｆはφｐ＝−VAでアバランシェ増倍が生じている時に
対応する。
図e,fに示す。第１図ｅは熱平衡状態に対応する。第１
図ｆはφｐ＝−VAでアバランシェ増倍が生じている時に
対応する。
第２図は本発明の第１の実施例の製造方法で、光電変
換部のAPD部分を第２図ａのように酸化膜201をマスクに
して異方性エッチングしたあと、第２図ｂのように選択
エピタキシャル成長を行ない、その成長の前半ではP.As
などの不純物ドーピング（濃度Ｎ＝1014〜1017cm-3）を
行ってｎ領域104を形成し、成長の後半ではＢなどの不
純物ドーピング（Ｎ＝1013〜1016cm-3）を行ってｐ領域
105を形成する。
換部のAPD部分を第２図ａのように酸化膜201をマスクに
して異方性エッチングしたあと、第２図ｂのように選択
エピタキシャル成長を行ない、その成長の前半ではP.As
などの不純物ドーピング（濃度Ｎ＝1014〜1017cm-3）を
行ってｎ領域104を形成し、成長の後半ではＢなどの不
純物ドーピング（Ｎ＝1013〜1016cm-3）を行ってｐ領域
105を形成する。
以上のように本実施例によれば、光電変換部がアバラ
ンシェ増倍作用を有し、しかも縦オーバーフロードレイ
ン構造も備えたCCD型撮像装置となるのでブルーミン
グ、スミアは従来性能を維持したまま、高感度化が実現
する。さらに、APDからCCDに電荷を読出す時にはアバラ
ンシェ増倍作用を停止する動作を行なう為、誤差信号の
ない読出しが可能となる。
ンシェ増倍作用を有し、しかも縦オーバーフロードレイ
ン構造も備えたCCD型撮像装置となるのでブルーミン
グ、スミアは従来性能を維持したまま、高感度化が実現
する。さらに、APDからCCDに電荷を読出す時にはアバラ
ンシェ増倍作用を停止する動作を行なう為、誤差信号の
ない読出しが可能となる。
また、基板ダメージ，不純物分布の均一性が問題とな
るアバランシェ増倍部分の領域は選択エピタキシャル成
長を用いて製造するので、厳密に制御された領域とする
ことができる。
るアバランシェ増倍部分の領域は選択エピタキシャル成
長を用いて製造するので、厳密に制御された領域とする
ことができる。
なお、本実施例の導電型を逆にする事も可能である。
材料もSiに限定されない。
材料もSiに限定されない。
発明の効果 以上説明したように、本発明は、縦OFD機能を備えた
上で高感度化（アバランシェ増倍）する事ができ、その
実用的効果は大きい。
上で高感度化（アバランシェ増倍）する事ができ、その
実用的効果は大きい。
第１図は本発明の一実施例の撮像装置を示すもので、同
図ａは平面図、同図ｂは同図ａのＸ−Ｘ′断面図、同図
ｃは同図ｂのＹ区間の等価回路図、同図ｄは駆動パルス
図、同図ｅは同図ｂのＺ−Ｚ′断面の熱平衡時のエネル
ギーバンド図、同図ｆは同図ｂのＺ−Ｚ′断面のアバラ
ンシェ増倍動作時のエネルギーバンド図、第２図a,bは
本発明の一実施例の撮像装置の製造方法の工程図、第３
図は従来の基本的なCCD撮像装置の構造図、第４図a,bは
従来の標準的なAPDで、同図ａは等価的な構造図、同図
b,c,dは同図ａに対する諸特性図、同図ｅは代表的な断
面構造図、同図ｆは同図ｅに対応する濃度分布図、第５
図は標準的なCCD撮像装置の構造図である。 104……ｎ領域、105……ｐ領域、122……APD、124……
縦OFD。
図ａは平面図、同図ｂは同図ａのＸ−Ｘ′断面図、同図
ｃは同図ｂのＹ区間の等価回路図、同図ｄは駆動パルス
図、同図ｅは同図ｂのＺ−Ｚ′断面の熱平衡時のエネル
ギーバンド図、同図ｆは同図ｂのＺ−Ｚ′断面のアバラ
ンシェ増倍動作時のエネルギーバンド図、第２図a,bは
本発明の一実施例の撮像装置の製造方法の工程図、第３
図は従来の基本的なCCD撮像装置の構造図、第４図a,bは
従来の標準的なAPDで、同図ａは等価的な構造図、同図
b,c,dは同図ａに対する諸特性図、同図ｅは代表的な断
面構造図、同図ｆは同図ｅに対応する濃度分布図、第５
図は標準的なCCD撮像装置の構造図である。 104……ｎ領域、105……ｐ領域、122……APD、124……
縦OFD。
Claims (3)
- 【請求項１】ｎ型半導体基板上のｐウェル内にアバラン
シェフォトダイオードとCCDを有し、前記アバランシェ
フォトダイオードの電子蓄積領域と基板との間に縦形np
nトランジスタが形成される事を特徴とする固体撮像装
置。 - 【請求項２】第１導電型の半導体基板上に第２導電型で
完全空乏可能な第１の領域を形成し、前記第１の領域上
に第１導電型の第２の領域を形成し、前記第２の領域内
部に第２導電型の第３の領域を形成し、前記第３の領域
内部に第２導電型で高不純物濃度の第４の領域を形成
し、前記第２の領域に蓄積したキャリアをCCDに読み出
して転送する固体撮像装置。 - 【請求項３】第１導電型の半導体基板上に第２導電型で
完全空乏可能な第１の領域を形成する第１の工程と、前
記第１の領域をエッチングして第１のトレンチを形成す
る第２の工程と、前記第１のトレンチ内部（側壁，底
部）に第１導電型の不純物をドーピングしながら選択エ
ピタキシャル成長を行ない、第１導電型の第２の領域を
形成し第１のトレンチより小さい第２のトレンチを残す
第３の工程と、前記第２のトレンチ内部に第２導電型の
不純物をドーピングしながら選択エピタキシャル成長を
行ない第２導電型の第３の領域を形成する第４の工程
と、前記第３の領域内に第２導電型で高不純物濃度の第
４の領域を形成する第５の工程とを含む固体撮像装置の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63264537A JP2584010B2 (ja) | 1988-10-20 | 1988-10-20 | 固体撮像装置およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63264537A JP2584010B2 (ja) | 1988-10-20 | 1988-10-20 | 固体撮像装置およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02111069A JPH02111069A (ja) | 1990-04-24 |
| JP2584010B2 true JP2584010B2 (ja) | 1997-02-19 |
Family
ID=17404643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63264537A Expired - Lifetime JP2584010B2 (ja) | 1988-10-20 | 1988-10-20 | 固体撮像装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2584010B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04304672A (ja) * | 1991-04-01 | 1992-10-28 | Olympus Optical Co Ltd | 固体撮像装置 |
| EP2816601B1 (en) * | 2013-06-20 | 2017-03-01 | IMEC vzw | Improvements in or relating to pinned photodiodes for use in image sensors |
| JP2022114788A (ja) * | 2021-01-27 | 2022-08-08 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 受光素子、受光素子の製造方法及び測距システム |
-
1988
- 1988-10-20 JP JP63264537A patent/JP2584010B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02111069A (ja) | 1990-04-24 |
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