JP2671151B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2671151B2
JP2671151B2 JP1052125A JP5212589A JP2671151B2 JP 2671151 B2 JP2671151 B2 JP 2671151B2 JP 1052125 A JP1052125 A JP 1052125A JP 5212589 A JP5212589 A JP 5212589A JP 2671151 B2 JP2671151 B2 JP 2671151B2
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convex portion
transfer
transfer channel
semiconductor layer
semiconductor device
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隆男 黒田
正 菅谷
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松下電子工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体装置、とりわけ電荷転送装置に関する
ものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a charge transfer device.

(従来の技術) 近年、固体撮像装置を組み込んだビデオカメラが盛ん
に用いられるようになった。その中で、固体撮像装置の
主流となっているのが、インターライン転送方式CCD
(以下「IT−CCD」という)である。
(Prior Art) In recent years, a video camera incorporating a solid-state imaging device has been widely used. Among them, the mainstream of solid-state imaging devices is the interline transfer CCD.
(Hereinafter referred to as "IT-CCD").

第3図は従来のIT−CCDの断面を示している。第3図
において、31はN型基板、32はP層、33は光電変換素
子、34は垂直転送CCDの転送チャンネル、35は垂直転送C
CDの転送ゲート、36は読みだし転送チャンネルであり、
転送チャンネル34及び読みだし転送チャンネル36は転送
ゲート35によって電荷が制御される領域なので、固体撮
像素子の活性領域になっている。37は分離部である。
FIG. 3 shows a cross section of a conventional IT-CCD. In FIG. 3, 31 is an N-type substrate, 32 is a P layer, 33 is a photoelectric conversion element, 34 is a vertical transfer CCD transfer channel, and 35 is a vertical transfer C.
CD transfer gate, 36 is a read transfer channel,
The transfer channel 34 and the read-out transfer channel 36 are regions in which charges are controlled by the transfer gate 35, and thus are active regions of the solid-state image sensor. 37 is a separating part.

次に、上記従来例の動作について説明する。光電変換
素子33に入射した光によって発生した信号電荷は、光電
変換素子33に蓄積され、転送ゲート35にパルス電圧を印
加することによって読みだし転送チャンネル36を通って
転送チャンネル34に送られる。それから転送チャンネル
34の中を紙面に垂直方向に転送される。
Next, the operation of the above conventional example will be described. The signal charge generated by the light incident on the photoelectric conversion element 33 is accumulated in the photoelectric conversion element 33 and is sent to the transfer channel 34 through the read transfer channel 36 by applying the pulse voltage to the transfer gate 35. Then the transfer channel
It is transferred through 34 in the direction perpendicular to the paper surface.

(発明が解決しようとする課題) ところで、上記従来の構成では、転送チャンネル34及
び転送ゲート35からなる垂直転送CCDと、読みだし転送
チャンネル36と、光電変換素子33と、隣接する画素との
分離部37とから一つの単位画素が構成される、又、この
単位画素の大きさは、素子の光学系と画素数が決まれば
決まってしまう。即ち、決まった大きさの中に上記4つ
の要素を入れなければならない。しかし、最近のように
高解像度化傾向の中では、各要素の面積を縮小したこと
による素子特性の劣化が避けられなくなってきた。その
一つは、光電変換素子33の縮小による感度低下であり、
転送チャンネル34の縮小による最大転送電荷量の減少
(飽和電荷量の減少,ダイナミックレンジの低下)等の
問題がある。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, in the above-described conventional configuration, the vertical transfer CCD including the transfer channel 34 and the transfer gate 35, the read transfer channel 36, the photoelectric conversion element 33, and the separation of the adjacent pixel are separated. One unit pixel is composed of the section 37, and the size of this unit pixel is determined by the optical system of the element and the number of pixels. That is, the above four elements must be included in a fixed size. However, with the recent trend toward higher resolution, deterioration of element characteristics due to the reduction of the area of each element has become unavoidable. One of them is a decrease in sensitivity due to the reduction of the photoelectric conversion element 33,
There are problems such as a decrease in the maximum transfer charge amount (a decrease in the saturation charge amount, a decrease in the dynamic range) due to the reduction of the transfer channel 34.

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、
転送電荷量を低下させることなく転送チャンネルの面積
を縮小することにより、光電変換素子の面積を逆に拡大
させて、素子の感度向上を図った電荷転送装置を実現す
ることを目的とするものである。
The present invention is to solve the above conventional problems,
By reducing the area of the transfer channel without reducing the transfer charge amount, the area of the photoelectric conversion element can be increased conversely to realize a charge transfer device with improved sensitivity of the element. is there.

(課題を解決するための手段) 本発明は、凸部が半導体層の表面の一部領域に一定の
方向に延在する半導体装置において、上面及び両側面が
(100)結晶面からなる凸部と、凸部の上面及び両側面
の上に跨がるように絶縁膜を介して形成した電極とを具
備しており、この電極に電圧を印加することによって、
電荷が凸部の中を一定の方向に向かって転送されるもの
である。
(Means for Solving the Problem) The present invention provides a semiconductor device in which a convex portion extends in a certain direction in a partial region of the surface of a semiconductor layer, in which the upper surface and both side surfaces are convex portions formed of (100) crystal planes. And an electrode formed via an insulating film so as to extend over the upper surface and both side surfaces of the convex portion, and by applying a voltage to this electrode,
The electric charge is transferred in the convex portion in a certain direction.

又、本発明は、凸部が一導電型の半導体層の表面の一
部領域に形成された半導体装置において、半導体層の表
面の凸部近傍に形成した半導体層と反対の導電型の光電
変換領域と、少なくとも凸部の上面に形成した半導体層
と反対の導電型の転送チャンネル領域と、この転送チャ
ンネル領域から凸部の両側面及び光電変換領域に跨がる
ように絶縁膜を介して形成した電極とを具備するもので
ある。
Further, the present invention provides a semiconductor device in which a convex portion is formed in a partial region of the surface of a semiconductor layer of one conductivity type, in which photoelectric conversion of a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer formed near the convex portion of the surface of the semiconductor layer is performed. A region, at least a transfer channel region of a conductivity type opposite to the semiconductor layer formed on the upper surface of the convex portion, and an insulating film formed so as to extend from the transfer channel region to both side surfaces of the convex portion and the photoelectric conversion region. And an electrode.

更に、本発明は、凸部の上面及び両側面が(100)結
晶面からなるものである。
Further, in the present invention, the upper surface and both side surfaces of the convex portion are composed of (100) crystal planes.

(作 用) 本発明によれば、半導体層の表面の一部領域を垂直に
突出させた凸部の上面及び両側面の3面を(100)結晶
面にすると、凸部と絶縁膜との界面の準位が最小になっ
て、電荷の転送効率が最大になると共に、凸部の3面が
活性領域となる、換言すると、活性領域が立体的になる
ので、活性領域の面積が従来の平面的なものに比較して
縮小されて、半導体装置全体を小型化できる。
(Operation) According to the present invention, when the upper surface and the three side surfaces of the convex portion in which a partial region of the surface of the semiconductor layer is vertically projected are made into (100) crystal planes, the convex portion and the insulating film are separated from each other. The interface level is minimized, the charge transfer efficiency is maximized, and the three surfaces of the convex portion become the active region. In other words, the active region becomes three-dimensional, so that the area of the active region is smaller than the conventional one. The size of the semiconductor device can be reduced as compared with a planar device, and the entire semiconductor device can be miniaturized.

又、電極を凸部の3面に跨って形成すると、この電極
に電圧を印加したときに、凸部の上面から空乏層を形成
する効果と凸部の両側面から空乏層を形成する効果とが
重なり合って、凸部の空乏化が従来の平面的な電極より
も低電圧で行える、換言すると、電荷転送チャンネルが
凸部に容易に形成できて、転送電荷量を増加させること
ができるので、飽和電荷量の減少及びダイナミックレン
ジの低下を来すことなく凸部を細く形成できるようにな
って、半導体装置の集積度を向上させることができる。
Further, when the electrode is formed over the three surfaces of the convex portion, when a voltage is applied to this electrode, the effect of forming a depletion layer from the upper surface of the convex portion and the effect of forming a depletion layer from both side surfaces of the convex portion are provided. Overlap each other, depletion of the convex portion can be performed at a lower voltage than that of a conventional planar electrode. In other words, since the charge transfer channel can be easily formed in the convex portion and the transfer charge amount can be increased, Since the convex portion can be formed thin without reducing the saturated charge amount and the dynamic range, the integration degree of the semiconductor device can be improved.

(実施例) 第1図は本発明の一実施例の一般的概略構成を示して
いる。第1図において、10はP型基板、11はN型で埋め
込み型の転送チャンネル、12はP型基板10の主面、13は
主面12に垂直な面、14は垂直面13に平行な面である。こ
こで、主面12、面13及び面14は結晶学的同価な面であ
る。実素子では、ここから熱酸化工程等による転送チャ
ンネル11の周囲に酸化膜等の絶縁膜を形成し、その上に
多結晶シリコン膜等による転送ゲートを形成する。
(Embodiment) FIG. 1 shows a general schematic configuration of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 10 is a P-type substrate, 11 is an N-type buried channel, 12 is a main surface of the P-type substrate 10, 13 is a surface perpendicular to the main surface 12, and 14 is parallel to a vertical surface 13. The surface. Here, the main surface 12, the surface 13 and the surface 14 are crystallographically equivalent surfaces. In an actual device, an insulating film such as an oxide film is formed around the transfer channel 11 by a thermal oxidation process or the like, and a transfer gate made of a polycrystalline silicon film or the like is formed thereon.

このとき、主面12,面13及び面14が結晶学的同価な面
でなければ、同一の熱酸化工程を経ても、各面に形成さ
れる酸化膜厚は等しくならない。又、有効質量や、移動
度も等しくならない。このため、せっかく主面12以外の
面13及び面14を形成しても、有効に機能しない。
At this time, if the principal surfaces 12, 13 and 14 are not crystallographically equivalent, even if the same thermal oxidation step is performed, the oxide film thickness formed on each surface will not be equal. Also, the effective mass and the mobility are not equal. Therefore, even if the surface 13 and the surface 14 other than the main surface 12 are formed, they do not function effectively.

しかし、これ等の面を結晶学的同価な面で構成すれ
ば、このような問題点を解決することができる。特に、
MOS型素子では、界面準位の関係で、これ等の面が(10
0)若しくはこれと結晶学的同価な面であることが望ま
しい。
However, such a problem can be solved by constructing these planes with crystallographically equivalent planes. Especially,
In a MOS device, these planes are (10
0) or a crystallographically equivalent surface.

第2図は本発明の一実施例の実素子による構造の断面
を示す図である。第2図において、21はN型基板、22は
P層、23は光電変換素子、24は垂直転送CCDの転送チャ
ンネル、25は転送ゲート、26は読みだし転送チャンネ
ル、27は分離部である。次に、このように構成した実施
例について説明する。第2図において、転送チャンネル
24では、従来例の転送チャンネル34と同じ断面積をはる
かに小さな上面積で実現できる、又、転送チャンネル24
はゲート25によって3方向から囲まれているため、2次
元効果によってチャンネルの空乏化に必要な電圧が、転
送ゲート25と1方向だけで接している場合よりも低くな
る。このため、転送チャンネル24の不純物濃度を高くす
ることができ、それだけ最大転送電荷量を増加させるこ
とができる。
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a structure of an actual element according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, 21 is an N-type substrate, 22 is a P layer, 23 is a photoelectric conversion element, 24 is a transfer channel of a vertical transfer CCD, 25 is a transfer gate, 26 is a read transfer channel, and 27 is a separation section. Next, an example configured in this way will be described. In Figure 2, the transfer channel
With the 24, the same cross-sectional area as the transfer channel 34 of the conventional example can be realized with a much smaller upper area.
Is surrounded by the gate 25 in three directions, the voltage required for depleting the channel due to the two-dimensional effect is lower than that in the case where the transfer gate 25 is in contact only in one direction. Therefore, the impurity concentration of the transfer channel 24 can be increased, and the maximum transfer charge amount can be increased accordingly.

又、読みだし転送チャンネル26を基板表面に垂直な面
に形成しているため、上面積は不要である。従って、こ
れらの面積が大きく縮小でき、その分だけ光電変換素子
23の面積を拡大することができるので、感度を向上させ
ることができる。
Further, since the read transfer channel 26 is formed on the surface perpendicular to the substrate surface, the upper area is unnecessary. Therefore, these areas can be greatly reduced, and the photoelectric conversion element is correspondingly reduced.
Since the area of 23 can be enlarged, the sensitivity can be improved.

なお、これ等の効果を有効に生じさせるためには、第
1図の説明で述べたように、転送ゲート25と相対する転
送チャンネル24の3面が結晶学的同価な面であることが
必要である。
In order to effectively produce these effects, as described in the explanation of FIG. 1, the three faces of the transfer channel 24 facing the transfer gate 25 are crystallographically equivalent faces. is necessary.

又、本実施例では、転送チャンネル24を半導体基板か
ら突出させた形状であったが、逆に溝状に半導体基板が
窪んだ、所謂トレンチ構造の側面を転送チャンネルとし
て用いる素子においても、同様に有効である。
Further, in this embodiment, the transfer channel 24 has a shape projecting from the semiconductor substrate, but conversely, in a device in which the side surface of a so-called trench structure in which the semiconductor substrate is recessed in a groove shape is used as the transfer channel, the same applies. It is valid.

更に、本実施例は固体撮像素子であるため、N型基板
を用いたが、一般の電荷転送素子としては第1図のよう
にP型基板でよい。
Further, since the present embodiment is a solid-state image sensor, an N-type substrate is used, but a P-type substrate may be used as a general charge transfer element as shown in FIG.

更に、電荷転送素子だけでなく、本発明の主旨に適し
た素子に対して一般に有効であることはいうまでもな
い。
Further, it goes without saying that it is generally effective not only for the charge transfer element but also for an element suitable for the gist of the present invention.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、半導体層の表
面の一部領域を垂直に突出させた凸部の上面及び両側面
の3面を(100)結晶面にすると、凸部と絶縁膜との界
面の準位が最小になって、電荷の転送効率が最大になる
と共に、凸部の3面が活性領域となる、換言すると、活
性領域が立体的になるので、活性領域の面積が従来の平
面的なものに比較して縮小されて、半導体装置全体を小
型化できるという効果がある。
(Effect of the Invention) As described above, according to the present invention, when the upper surface and the three side surfaces of the convex portion in which a partial region of the surface of the semiconductor layer is vertically protruded are (100) crystal planes, The level of the interface between the convex portion and the insulating film is minimized, the charge transfer efficiency is maximized, and the three surfaces of the convex portion become active regions. In other words, the active region becomes three-dimensional. There is an effect that the area of the active region is reduced as compared with the conventional planar type, and the entire semiconductor device can be downsized.

又、本発明によれば、電極を凸部の3面に跨って形成
すると、この電極に電圧を印加したときに、凸部の上面
から空乏層を形成する効果と凸部の両側面から空乏層を
形成する効果とが重なり合って、凸部の空乏化が従来の
平面的な電極よりも低電圧で行える、換言すると、電荷
転送チャンネルが凸部に容易に形成できて、転送電荷量
を増加させることができるので、飽和電荷量の減少及び
ダイナミックレンジの低下を来すことなく凸部を細く形
成できるようになって、半導体装置の集積度を向上させ
ることができるという効果がある。
Further, according to the present invention, when the electrode is formed over the three surfaces of the convex portion, when a voltage is applied to this electrode, the effect of forming a depletion layer from the upper surface of the convex portion and the depletion from both side surfaces of the convex portion are achieved. The effect of forming a layer overlaps, and the depletion of the convex portion can be performed at a lower voltage than that of the conventional planar electrode. In other words, the charge transfer channel can be easily formed on the convex portion and the transfer charge amount can be increased. As a result, it is possible to form the protrusions in a fine shape without reducing the saturated charge amount and the dynamic range, and thus it is possible to improve the integration degree of the semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例の概略構造を示す図、第2図
は本発明の一実施例の実素子による構造断面図、第3図
は従来のIT−CCDの断面図である。 10……P型基板、11……N型で埋め込み型の転送チャン
ネル、12……P型基板の主面、13……主面に垂直な面、
14……垂直面に平行な面、21,31……N型基板、22,32…
…P層、23,33……光電変換素子、24,34……転送チャン
ネル、25,35……転送ゲート、26,36……読みだし転送チ
ャンネル、27,37……分離部。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a structure of an actual element of an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view of a conventional IT-CCD. 10 ... P-type substrate, 11 ... N-type and buried transfer channel, 12 ... P-type substrate main surface, 13 ... Plane perpendicular to main surface,
14 …… A plane parallel to the vertical plane, 21,31 …… N-type substrate, 22,32…
… P layer, 23,33 …… photoelectric conversion element, 24,34 …… transfer channel, 25,35 …… transfer gate, 26,36 …… read-out transfer channel, 27,37 …… separator.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】凸部が半導体層の表面の一部領域に一定の
方向に延在する半導体装置において、 上面及び両側面が(100)結晶面からなる前記凸部と、 前記凸部の上面及び両側面の上に跨がるように絶縁膜を
介して形成した電極とを具備し、 該電極に電圧を印加することによって、電荷が前記凸部
の中を前記一定の方向に向かって転送されることを特徴
とする半導体装置。
1. A semiconductor device in which a convex portion extends in a certain direction in a partial region of a surface of a semiconductor layer, wherein the upper surface and both side surfaces are (100) crystal planes, and the upper surface of the convex portion. And an electrode formed via an insulating film so as to extend over both side surfaces, and by applying a voltage to the electrode, charges are transferred in the convex portion in the certain direction. A semiconductor device characterized by the following.
【請求項2】凸部が一導電型の半導体層の表面の一部領
域に形成された半導体装置において、 前記半導体層の表面の前記凸部近傍に形成した前記半導
体層と反対の導電型の光電変換領域と、 少なくとも前記凸部の上面に形成した前記半導体層と反
対の導電型の転送チャンネル領域と、 該転送チャンネル領域から前記凸部の両側面及び前記光
電変換領域に跨がるように絶縁膜を介して形成した電極
と を具備することを特徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device in which a convex portion is formed in a partial region of the surface of a semiconductor layer of one conductivity type, wherein the semiconductor layer has a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer formed in the vicinity of the convex portion of the surface of the semiconductor layer. A photoelectric conversion region, at least a transfer channel region of a conductivity type opposite to the semiconductor layer formed on the upper surface of the convex portion, and extending from the transfer channel region to both side surfaces of the convex portion and the photoelectric conversion region. An electrode formed through an insulating film.
【請求項3】前記凸部の上面及び両側面が(100)結晶
面からなることを特徴とする請求項2記載の半導体装
置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the upper surface and both side surfaces of the convex portion are (100) crystal planes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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