JP2644937C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本発明は、固体撮像装置、特に高画素化またはチップサイズを小型化した固体
撮像装置およびその製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】 以下に従来の固体撮像装置について説明する。図４は従来のインターライン型
固体撮像装置の要部断面図である。図４において、１はＮ型シリコン基板、２は
Ｐ^--型ウェル領域、３はＰ^--型ウェル領域２とで光電変換装置（ＰＮ接合フォト
ダイオードと称する）を形成するＮ型電荷蓄積領域（以下Ｎ型フォトダイオード
と称する）、４はＮ型フォトダイオード３の上に形成された暗電流抑制のための
Ｐ⁺⁺型埋め込み領域、５はスミアを抑制するためのＰ^-型領域、６はＰ^-型領域５
とで垂直電荷結合素子部（以下垂直ＣＣＤと称する）を形成するＮ型埋め込みチ ャネル領域、７はＮ型フォトダイオード３から垂直ＣＣＤ部に光検出信号電荷を
読み出し制御するためのポリシリコン膜等で形成された読み出しゲート電極、８
はゲート電極７とで信号電荷転送部を形成するＰ型信号電荷読み出し領域、９は
チャネルストッパを形成するＰ⁺型領域、１０はアルミニウム膜等の遮光膜であ
る。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】 しかしながら上記の従来の構成では、受光部で光電変換された光検出信号電荷
は、Ｎ型フォトダイオード３から読み出しゲート電極７の下のチャネル（Ｐ型信
号電荷読み出し領域８）を通して垂直ＣＣＤを形成するＮ型埋め込みチャネル領
域６に読み出されるが、このＮ型埋め込みチャネル領域６の実効的な距離と不純
物濃度が変動しやすいという課題を有していた。特に高画素化とチップサイズの
小型化によって単位画素面積が縮小されると、Ｎ型フォトダイオード３とＮ型埋
め込みチャネル領域６の間において、微細化にともなうショートチャネル効果の
ためバルク内の空乏層のつながりによるパンチスルー現象が生じやすくなるとい
う課題を有していた。このようなパンチスルー現象が生じるとブルーミングが発
生し、それを抑制するために縦型オーバーフロードレインによって光検出信号電
荷はＮ型フォトダイオード３からＮ型シリコン基板１に排出されるが、その結果
、Ｎ型フォトダイオード３の信号蓄積電荷の飽和容量が減少し、出力信号の最大
値が低下するという課題が発生する。 【０００４】 固体撮像装置では、信号電荷の読み出し制御電圧の安定化とパンチスルー現象
抑制のために一般的なＭＯＳトランジスタで用いられるスケーリング則にしたが
ってデザインルールを縮小することは困難である。その理由の一つは、分光感度
特性を維持するためにＮ型フォトダイオード３の深さを浅くすることができない
点にある。これに対して、接合の深さ（光電変換領域）を変えずにパンチスルー
現象を抑制する方法の一つとしてＰ^-型領域５の不純物濃度を高くすることが考
えられるが、このＰ^-型領域５は垂直ＣＣＤ部のウェルを形成しているので不純
物濃度を高くすると、空乏化電圧の増加とフリンジング電界の減少によって、駆 動電圧の増加と信号電荷の転送効率の劣化が生じやすくなるという新たな問題が
発生する。 【０００５】 本発明は上記の従来の課題を解決するもので、残像および信号電荷蓄積容量の
劣化を抑制して、読み出し電圧の安定化を実現できる固体撮像装置およびその製
造方法を提供することを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】 この目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、一導電型の半導体基板の
主面に反対導電型のウェル領域が形成され、ウェル領域上に複数の受光部を形成
する一導電型の電荷蓄積領域と、電荷転送のためのシフトレジスタを形成する一
導電型の埋め込み領域と、電荷蓄積領域に蓄積された光検出信号電荷をシフトレ
ジスタに読み出し制御するための信号電荷読み出しゲート電極およびその読み出
しゲート電極直下に反対導電型の信号電荷読み出し領域とを備えた固体撮像装置
において、信号電荷読み出し領域が、不純物濃度の低い領域と高い領域とを上下
に積層することにより形成された構成を有しており、またその製造方法は、光検
出信号電荷の読み出し領域に不純物濃度の低い領域と高い領域を選択的に形成す
るために、加速エネルギーまたは注入角度を変えて複数回イオン注入を行なう工
程を有している。 【０００７】 【作用】 この構成によって、飽和出力信号の劣化を抑制すると同時に安定させ、信号電
荷の読み出し電圧を安定させ、暗電流を抑制することができる。 【０００８】 【実施例】 以下本発明の一実施例について、図１〜図３を参照しながら説明する。なおこ
れらの図において、図４に示す従来例と同一箇所には同一符号を付して詳細説明
を省略する。 【０００９】 （実施例１） 図１は本発明の第１の実施例における固体撮像装置の要部断面図である。図１
に示すように、本実施例では図４に示すＰ型信号電荷読み出し領域８が不純物濃
度の異なる浅いＰ型領域１１ａと深いＰ⁺型領域１２ａとで構成されており、か
つＰ⁺型領域１２ａがＰ^-型ウェル領域５とＮ型チャネル領域６との接合線上に形
成されている。 【００１０】 このような構造の信号電荷読み出し領域８ａは、イオン注入阻止マスクを用い
て加速エネルギー５０ｋｅＶでボロン原子を注入しＰ型領域１１ａを形成した後
、加速エネルギー２００ｋｅＶで再度ボロン原子を注入して表面から深いところ
に不純物濃度の高いＰ⁺型領域１２ａを形成することで得られる。Ｐ型領域１１
ａによって読み出し電圧の安定化をはかり、Ｐ⁺型領域１２ａによってバルク内
の空乏層のつながりを防ぎ、パンチスルー現象を抑制する。 【００１１】 このように、ドーピング量に対するイオン注入の優れた制御性を利用して読み
出し電圧を制御するために、信号電荷読み出し領域８ａはイオン注入によって形
成されるが、このときの加速電圧を増加して信号電荷読み出し領域８ａにおける
深いＰ⁺型領域１２ａの不純物濃度を高くすると、パンチスルー現象を抑制する
ことができる（選択的に不純物濃度の高い領域を基板深部のパンチスルー発生領
域に形成し、バルク内の空乏層の広がりを阻止する）。しかしながらイオン注入
装置によって加速されたイオンは、シリコン原子とランダムな散乱を繰り返しな
がらシリコン基板深部に侵入するため、注入イオンの静止点はある統計的なばら
つきを持ち、平均値のまわりに分布する。実際の注入イオンの分布はガウス分布
のような簡単なものではなく、静止イオン分布のピーク値の左右で標準偏差の異
なる非対称の分布となる。一般にＰ型不純物として用いられるボロン原子の場合
は、質量がシリコン原子よりも小さいために原子核衝突によって広い角度で散乱
される確率が高くなり、注入分布は基板表面側に偏った分布を示す。したがって
、加速エネルギーを高くするほど静止イオンのピーク値（平均射影飛程）が深く
なるため、平均値から離れた表面付近における不純物濃度のばらつきは大きくな
り、 また表面付近における不純物濃度を一定にするためには加速電圧を高くするに従
い注入時のドーズ量を増加しなければならない。表面の不純物濃度とチャネル長
にばらつきが生じると読み出し電圧が不安定となり、さらに残像現象が生じやす
くなるが、特に接合の深さとの関係からチャネル長にばらつきが生じやすい微細
な素子では、パンチスルー現象を抑制するため高い加速電圧で表面および深い領
域の不純物濃度を制御するには、イオン注入時のドーズ量および加速エネルギー
の最適化が必要である。この場合、加速エネルギーすなわち平均射影飛程の異な
る複数回のイオン注入によって信号電荷読み出し領域８ａを形成すると、比較的
容易に表面から深い領域まで安定した濃度分布を得ることができる。 【００１２】 （実施例２） 図２は本発明の第２の実施例における固体撮像装置の要部断面図である。図２
に示すように、本実施例では図４に示すＮ型フォトダイオード３を遮光膜１０か
らの光の漏れよって発生した電荷が垂直ＣＣＤへ入り込むのを防ぐためのベルボ
トム構造とし、かつ信号電荷読み出し領域８をＰ型領域１１ｂとＰ⁺型領域１２
ｂとで構成している。この場合、Ｐ型領域１１ｂは埋め込みチャネル領域６と同
じ深さまで形成しており、Ｐ⁺型領域１２ｂはＰ型領域１１ｂとＮ型埋め込みチ
ャネル領域６との接合部の下部に形成している。 【００１３】 このような信号電荷読み出し領域８ｂは次のようにして形成される。まずチャ
ネリング防止のためにイオン注入角７度、加速エネルギー５０ｋｅＶでボロン原
子を注入しＰ型領域１１ｂを形成した後、垂直ＣＣＤ側へイオン注入角６０度、
加速エネルギー２００ｋｅＶで再度ボロン原子を注入して表面から深いところに
不純物濃度の高いＰ⁺型領域１２ｂを形成する。Ｐ型領域１１ｂによって読み出
し電圧の安定化をはかり、Ｐ⁺領域１２ｂによってパンチスルー現象を抑制する
と同時にスミアおよび信号電荷飽和容量の劣化を抑制する。Ｐ⁺型領域１２ｂの
形成時にイオン注入角度を変更して垂直ＣＣＤ側へイオン注入しているが、これ
はＮ型フォトダイオード３をベルボトム構造としたのでＰ⁺型領域１２ｂの形成
時にその構造が破壊されるのを防ぐためである。 【００１４】 （実施例３） 図３は本発明の第３の実施例における固体撮像装置の要部断面図である。図３
に示すように、本実施例では図４に示すＰ型信号電荷読み出し領域８が深いＰ型
領域１１ｃと浅いＰ⁺型領域１２ｃとで構成されており、Ｐ型領域１１ｃがＰ^-型
ウェル領域５とＮ型埋め込みチャネル領域６との接合線上に形成されている。 【００１５】 このような信号電荷読み出し領域８ｃは、加速エネルギー５０ｋｅＶでボロン
原子を注入し、Ｐ⁺型領域１２ｃを形成した後、加速エネルギー２００ｋｅＶで
再度ボロン原子を注入して表面から深いところに不純物濃度の低いＰ型領域１１
ｃを形成することで得られる。 【００１６】 このようにフォトダイオードと垂直ＣＣＤ間の半導体界面部にごく近い部分に
しか、キャリアすなわち光検出信号電荷が流れないような構造をとった場合は、
原理的にチャネルの幅Ｗと長さＬとするとＷ／Ｌによって電流容量が決定される
。しかしながら、信号電荷読み出しゲート７に印加する電圧によってパンチスル
ー現象を強制的に発生させてバルク内にキャリアが流れるようにすれば、電流容
量はＷ／Ｌによって制約を受けず、一定時間に読み出す信号容量が増加する。さ
らに、欠陥の生じやすい表面近傍をキャリアが通らないことから、暗電流や白傷
をも抑制することができる。本実施例の構造では、Ｐ⁺型領域１２ｃによって表
面から電荷が漏れるのを防ぎ、Ｐ型領域１１ｃによってバルク内の不純物濃度を
制御し、読み出しゲート電極７の印加電圧によってパンチスルー現象の発生を制
御する。 【００１７】 以上第１の実施例、第２の実施例および第３の実施例において、ボロン原子を
イオン注入源としたが、他の不純物原子でもよい。また安定性を増すために加速
電圧の異なるイオン注入の回数を増加してもよく、複数回の注入ではイオン注入
源として、異なる種類の原子を用いてもよい。またイオン注入阻止マスクは同一
のものを用いると工程の省略ができ、マスクの合わせずれが生じない。さらに、 注入条件を最適化することによって信号電荷読み出し領域８ａ、８ｂまたは８ｃ
を形成するイオン注入は一回でもよく、その場合生産時におけるスループットを
上げることができる。 【００１８】 【発明の効果】 以上のように本発明は、光検出信号電荷の読み出し領域を不純物濃度の低い領
域と高い領域とで形成することにより、残像および信号電荷蓄積容量の劣化を抑
制して、信号電荷読み出し電圧の安定化をはかることのできる優れた固体撮像装
置およびその製造方法を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の要部断面図 【図２】 本発明の第２の実施例における固体撮像装置の要部断面図 【図３】 本発明の第３の実施例における固体撮像装置の要部断面図 【図４】 従来のインターライン型固体撮像装置の要部断面図 【符号の説明】 １ Ｎ型シリコン基板（半導体基板） ２ ウェル領域 ３ 電荷蓄積領域 ６ 埋め込みチャネル領域（埋め込み領域） ７ ゲート電極 ８ａ 信号電荷読み出し領域 １１ａ Ｐ型領域（不純物濃度の低い領域） １２ａ Ｐ⁺型領域（不純物濃度の高い領域）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 一導電型の半導体基板の主面に反対導電型のウェル領域が形成
   され、前記ウェル領域上に複数の受光部を形成する一導電型の電荷蓄積領域と、
   電荷転送のためのシフトレジスタを形成する一導電型の埋め込み領域と、前記電
   荷蓄積領域に蓄積された光検出信号電荷を前記シフトレジスタに読み出し制御す
   るための信号電荷読み出しゲート電極およびその読み出しゲート電極直下に反対
   導電型の信号電荷読み出し領域とを備えた固体撮像装置において、前記信号電荷
   読み出し領域が、不純物濃度の低い領域と高い領域とを上下に積層することによ
   り形成されたことを特徴とする固体撮像装置。 【請求項２】 信号電荷読み出し領域を、加速エネルギーの異なる複数回のイ
   オン注入によって形成する請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。 【請求項３】 イオン注入角を２回以上変えてイオン注入を行なう請求項２記
   載の固体撮像装置の製造方法。