JP2781425B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はビデオカメラ等に使用される固体撮像装置の
製造方法に関するものである。

従来の技術 CCD固体撮像装置、特にインターライン転送方式CCD固
体撮像装置は、優れた解像度をもち、また高い感度をも
つなど、総合的に特性が優れているため、ビデオカメラ
等に広く使われるようになってきた。

第４図は従来のPN接合フォトダイオードを感光部とし
て用いたインターライン転送方式CCD固体撮像装置の画
素部の断面図である。

第４図において、１つの画素部は感光部（PD）と電荷
読み出し部（CCD）とで構成されている。Ｎ形シリコン
基板１の上にはＰ形ウエル２が形成されている。Ｐ形ウ
エル２内の表面付近には隣接する画素間を分離するＰ形
のチャネルストップ領域3,4が形成されている。これら
のチャネルストップ領域3,4は接地電位に固定されてい
る。Ｐ形ウエル２内の一方のチャネルストップ領域３に
隣接して、Ｎ形不純物を拡散したＮ形領域５が形成され
ており、Ｐ形ウエル２とＮ形領域５とで感光部（PD）の
PN接合フォトダイオードが形成される。Ｐ形ウエル２内
の他方のチャネルストップ領域４に隣接して、Ｎ形不純
物を拡散したＮ形領域６が形成されている。このＮ形領
域６は、感光部（PD）で発生した信号電荷を順次転送す
るためのCCD転送チャネルとなる。Ｐ形ウエル２の表面
全域は二酸化シリコン膜７で覆われている。二酸化シリ
コン膜７内に多結晶シリコン電極８が埋め込まれてい
る。この多結晶シリコン電極８は、フォトダイオードで
あるＮ形領域５からCCD転送チャネルであるＮ形領域６
へ信号電荷を読み出すための読み出しゲートと、CCD転
送ゲートとを兼ねている。二酸化シリコン膜７の表面に
は、フォトダイオード以外への入射光を遮光するための
アルミニウム膜９が形成されている。過剰電荷をＮ形シ
リコン基板１にオーバーフローさせるために、バイアス
源10によってＮ形シリコン基板１にＰ形ウエル２に対し
て逆のバイアス電圧が印加されている［この技術自体
は、例えばアイエスエスシーシー・ダイジェスト・テク
ニカルペーパーズ（ISSCC・Digest・Technical Paper
s）P.168〜169,1982に示されている。］ なお、第４図にはCCD固体撮像装置の１画素分のみを
示したが、実際には多数の感光部（PD）および電荷読み
出し部（CCD）が紙面と直交する方向に一列に並んでお
り、更に二次元の固体撮像装置においては、そのような
感光部（PD）列および電荷読み出し部（CCD）列が紙面
に沿った方向に多数列配置されている。

以上のような構成において、外部からの光が、アルミ
ニウム膜９で覆われていない部分から二酸化シリコン膜
７を通してフォトダイオードへ入射すると、フォトダイ
オードを構成するＮ形領域５又はＰ形ウエル２の付近に
電荷が生成される。これらの電荷は、多結晶シリコン電
極８に読み出し電位を与えることによりCCD側のＮ形領
域６内に読み出され、さらに紙面と直交する方向に並ん
だ多数の多結晶シリコン電極８に転送用の高電位と低電
位を交互に与えることによりCCD転送チャネルであるＮ
形領域６内に蓄積された電荷が、順次、紙面と直交する
方向に転送される。

発明が解決しようとする課題 ところで、第４図に示した従来のCCD固体撮像装置に
おいては、入射光を完全に遮断しても出力成分が観測さ
れる。これは暗電流と呼ばれる一種のノイズ成分であ
る。この暗電流は温度上昇に伴って指数関数的に増大す
ることが知られている。また、発明者らの実験によって
次のようなことも明らかになった。CCD固体撮像装置の
特性のうち重要なものの１つに残像特性がある。残像特
性はフォトダイオードの構造で決まる。そこで、通常、
完全空乏化型と呼ばれる構造のフォトダイオードを用い
て残像を抑制している。ところが、このように残像特性
を向上するために完全空乏化型のフォトダイオードを用
いると暗電流が増大することが判った。

暗電流が増大すると、特に低照度時に、信号電流
（Ｓ）に対する暗電流（Ｎ）の比率が増大し、いわゆる
S/N比が劣化する。また各フォトダイオードごとに暗電
流の大きさがばらつくと、低照度時や高温時に固定パタ
ーン雑音が増加する。

したがって、CCD固体撮像装置の総合的な特性を高め
るためには、暗電流そのものの抑制と、暗電流のばらつ
きを抑制することが極めて重要である。

本発明の第１の目的は、暗電流を抑制することのでき
る固体撮像装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、複数のフォトダイオード間で
の暗電流のばらつきを抑制することのできる固体撮像装
置を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明は、固体撮像装置の製造方法において、第一導
電型の半導体基板の表面に、感光部を構成する第二導電
型の第一の不純物領域と電荷転送チャネル部を構成する
第二導電型の第二の不純物領域とを形成する工程と、半
導体基板、第一の不純物領域および第二の不純物領域の
表面に第一の絶縁膜を形成する工程と、第一の不純物領
域から第二の不純物領域へ信号電荷を読み出すための読
み出しゲートを、その端部が第一の不純物領域の端部と
重なり合うように第一の絶縁膜の表面に形成する工程
と、読み出しゲートの表面と側面に第二の絶縁膜を形成
する工程と、読み出しゲートと第二の絶縁膜とをマスク
として不純物を添加することにより、第一の不純物領域
の表面に第一導電型の第三の不純物領域を形成する工程
と、第一導電型の不純物領域を読み出しゲート側へ拡散
する工程とを備え読み出しゲートの端部から第三の不純
物領域の接合深さを越える距離だけ離れた位置より不純
物を添加するようにして第三の不純物領域を形成するも
のである。

作用 第二の不純物領域の一端と読み出しゲートの感光部か
ら信号電荷を読み出す側の一端との間に、第二の不純物
領域の接合深さを越える距離のギャップを設けて第二の
不純物領域を形成することにより、残像を悪化させるこ
となく暗電流を大幅に低減することができる。

実施例 第１図は本発明の固体撮像装置の第１の実施例の断面
図であり、第１図においても、第４図と同様に、PN接合
フォトダイオードを感光部として用いたインターライン
転送方式CCD固体撮像装置の画素部のみを示している。

第１図において、第４図に示した従来のCCD固体撮像
装置と実質的に同一機能をもつ部分には同一符号を付し
て説明を省略する。

第１図と第４図を比較すれば明らかなように、第１図
においては、フォトダイオードを構成するＮ形領域５の
表面にＰ型の不純物を注入又は拡散したＰ形領域11を形
成している。Ｐ形領域11の一端は多結晶シリコン電極８
の一端から距離l₁だけ離れた所に位置しており、Ｐ形領
域11の他端はＰ形のチャネルストップ領域３に接続され
ている。したがってＰ形領域11はチャネルストップ領域
３を介して接地電位に固定されている。なお、この実施
例においては、Ｐ形領域11の接合深さは0.5μm,表面濃
度２×10¹⁸/cm³である。

暗電流の発生原因はいくつか考えられるが、発明者ら
の実験の結果、シリコン基板とその表面の二酸化シリコ
ン膜の界面に発生する空乏化領域が、暗電流の主な発生
場所であることがわかった。前述のように、残像特性を
向上するために完全空乏化型のフォトダイオードを用い
ると暗電流が増大する、ということからも、基板と二酸
化シリコン膜の界面における空乏化領域が、暗電流成分
生成の支配的因子であることがわかる。

すなわち、第４図に示した従来のCCD固体撮像装置に
おいては、空乏化領域が、Ｐ形ウエル２とＮ形領域５の
界面、およびＮ形領域５と二酸化シリコン膜７の界面に
発生する。このうち、特にＮ形領域５と二酸化シリコン
膜７の界面に発生する空乏化領域は、その界面に存在す
る界面準位を空乏化し、エレクトロンを発生させやすく
する。このエレクトロンによる発生電流が暗電流成分の
主なものとなる。しかも半導体処理プロセスにおけるプ
ラズマ処理やイオン処理工程でのダメージや静電気破壊
によって、Ｎ形領域５と二酸化シリコン膜７の界面準位
密度が増加し、また温度上昇に伴い界面準位密度が指数
関数的に増加するため、暗電流成分は必然的に大きくな
る。

そこで、第１図に示す本発明の第１の実施例において
は、界面準位の発生する部分、すなわちＮ形領域５と二
酸化シリコン膜７の界面にＰ形領域11を形成し、このＰ
形領域11をＰ形のチャネルストップ領域３を介して接地
電位に固定している。

第２図（ａ）は第１図のＡ−Ａ線にそったポテンシャ
ルプロファイルを示したものである。二酸化シリコン膜
７の直下には、第２図にＸで模式的に示すような界面準
位12が発生する。一方、第２図（ｂ）は第４図のＡ−Ａ
線にそったポテンシャルプロファイルを示したものであ
る。第４図に示した従来の構造においては、二酸化シリ
コン膜７の直下がＮ形領域５であったため、ポテンシャ
ルプロファイルは、第２図（ｂ）にバンドレベル13で示
すように、Ｎ形領域５のポテンシャルが二酸化シリコン
膜７の界面までフラットに続く。このため界面準位12か
ら発生したエレクトロンがＮ形領域５に流れ込み、これ
が暗電流の発生原因になる。ところが、第１図に示す本
発明の第１の実施例の構造によれば、Ｎ形領域５の表面
にＰ形領域11が埋込まれ、このＰ形領域11が接地電位に
固定されている。このためポテンシャルプロファイルに
は、第２図（ａ）に太い実線で示すように、Ｐ形領域11
で0Vに固定される。その結果、界面準位で発生したエレ
クトロンがＰ形領域11および界面準位12を介してホール
と再結合して消滅する。このため界面準位で発生したエ
レクトロンがＮ形領域５に流れ込むことはなくなり、暗
電流が大幅に抑制される。

なお、暗電流を抑制するためには、Ｎ形領域５の表面
全域にＰ形領域11を埋込むことが望ましい。このように
すれば、第１図にl₁で示す領域における界面準位の影響
をも抑えることができる。しかしながら、l₁を0.5μｍ
程度、すなわちl₁をＰ形領域11の接合深さ程度にする
と、Ｐ形不純物が多結晶シリコン電極８の下部近くまで
拡散し、信号電荷の読み出し動作時のポテンシャル分布
に影響を与えることがある。このため、信号電荷の取り
残しによる残像が発生しやすくなる。したがって、l₁は
フォトダイオードの形状,N形領域５の不純物分布等を考
慮して決める必要があり、経験によると、Ｐ形領域11の
接合深さを超える距離（寸幅）が適当である。第１図の
実施例では、l₁を0.8μm,N形領域５の表面の約80％にＰ
形領域11を形成した。このとき、暗電流は従来の約25％
に減少した。

なお、第１図の実施例ではＰ形領域11の不純物納度を
２×10¹⁸/cm³としたが、発明者らの実験によれば、Ｐ形
領域11の不純物濃度を10¹⁷オーダーとしたときは安定性
が悪く、10¹⁸オーダー以上にすると、通常動作時での界
面の空乏化を防ぎ、安定に暗電流を抑制することができ
た。

第１図に示した本発明の第１の実施例においては、CC
D側の読み出しゲート部、すなわちＮ形領域6,多結晶シ
リコン電極８等の構造は、従来と同一構造でよい。この
ため、残像その他の信号読み出し機能に関連する特性は
全く変化しない。したがってCCD固体撮像装置に接続さ
れる外部回路等の変更も不要である。

ところで、第１図，第２図の実施例では、暗電流その
ものを抑制することを意図したが、現実には多数の画素
間で暗電流成分の大きさがばらつくことがあり、この暗
電流ムラによってCCDの雑音が増えたり、あるいはダイ
ナミックレンジが狭くなり、低照度あるいは高温時に画
面全体がスリガラスを通したようにざらつく現象が起こ
る。

また、第１図の実施例に関連して述べたように、多結
晶シリコン電極８とＰ形領域11の距離l₁を短くすれば暗
電流は減少するが、多結晶シリコン電極８とＮ形領域５
のオーバーラップ部のポテンシャル分布がＰ形領域11の
影響により高くなる。このため、読み出し動作時に信号
電荷の取り残しによる残像が発生しやすくなる。

このような暗電流のばらつきを抑え、また残像特性を
改善するためには、多結晶シリコン電極８に対するＰ形
領域11の正確な位置制御が極めて重要となる。

第３図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施例、すな
わち多結晶シリコン電極８に対するＰ形領域11の正確な
位置制御を可能にする固体撮像装置の製造方法を工程順
に示す断面図であり、第１図と実質的に同一の部分には
同一符号を付している。

以下、第３図（ａ）〜（ｃ）にそってその製造方法を
説明する。

まず、第３図（ａ）に示すように、二酸化シリコン膜
７の上に多結晶シリコン電極８を形成する。その後、多
結晶シリコン電極８を酸化し、0.5μｍを超える膜厚の
二酸化シリコン膜７を多結晶シリコン電極８の表面およ
び側面に形成する［第３図（ｂ）］。次いで第３図
（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜７の表面から基
板表面に向けてボロン（B⁺）イオンを注入する。第３図
（ｃ）において、ボロンイオンは二酸化シリコン膜７を
通して注入されるが、多結晶シリコン電極８の側面は二
酸化シリコン膜が厚く、したがって多結晶シリコン電極
８とその側面の二酸化シリコン膜７がイオン注入時のマ
スクとして働く。このため、多結晶シリコン電極８から
ほぼ第３図（ｂ）で成長した二酸化シリコン膜７の膜厚
分だけ離れた位置までボロンイオンが注入される。その
後、900℃、約１時間の熱処理により、ボロンイオンの
不純物を多結晶シリコン電極８側へ拡散させる。

このように、第３図に示す本発明の第２の実施例にお
いて注目すべき特徴は、多結晶シリコン電極８の端部を
基準とする自己整合によってＰ形領域11の正確な位置制
御が可能となる点である。すなわち、第３図（ｂ）にお
いて、多結晶シリコン電極８の側面における二酸化シリ
コン膜７の膜厚は正確にコントロールできる。また第３
図（ｃ）において、これらの多結晶シリコン電極8,二酸
化シリコン膜７をマスクとしてボロンイオンが注入され
るため、Ｐ形領域11の形状も正確にコントロールでき
る。

なお、以上の実施例では基板としてＰ形ウエル２を用
いている。エピタキシャル成長で形成されるＰ形ウエル
２を基板として用いることにより、ブルーミングやスミ
ア現象を抑え、さらには分光感度を人間の目の感度に近
付けることができる等の効果が得られる。

また、以上の実施例では、過剰電荷をＮ形シリコン基
板１にオーバーフローさせるものについて説明したが、
過剰電荷を基板表面に形成したドレインに掃き出す方式
のものでも同様の効果が得られる。

さらに、以上いずれの実施例においてもＮ形シリコン
基板１を用いたが、Ｐ形シリコン基板上に形成してもよ
いことは言うまでもない。

また、CCD以外の方式の固体撮像装置に応用しても同
様の効果が得られる。

発明の効果 本発明は、PN接合フォトダイオードを構成する一導電
型の不純物領域の主表面のうち、電荷読み出し部側の一
部を除く領域に、逆導電型の不純物領域を形成したもの
である。このように一導電型の不純物領域の主平面に逆
導電型の不純物領域を形成すれば、半導体基板とその表
面の二酸化シリコン膜との界面に発生する界面準位を低
減することができ、その結果、残像特性を悪化させずに
暗電流の発生を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
１画素分の断面図、第２図（ａ）は第１図のＡ−Ａ線に
そったポテンシャルプロファイルを示す図、第２図
（ｂ）は第４図のＡ−Ａ線にそったポテンシャルプロフ
ァイルを示す図、第３図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２
の実施例における固体撮像装置の製造方法を工程順に示
す断面図、第４図は従来の固体撮像装置の１画素分の断
面図である。 １……Ｎ形シリコン基板、２……Ｐ形ウエル、3,4……
Ｐ形チャネルストップ領域、5,6……Ｎ形領域、７……
二酸化シリコン膜、８……多結晶シリコン電極、９……
アルミニウム膜、10……バイアス源、11……Ｐ形領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広島 義光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−145865（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−232761（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−135184（ＪＰ，Ａ) 1986年テレビジョン学会 全国大会講 演予稿集 Ｐ．67−68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一導電型の半導体基板の表面に、感光部
   を構成する第二導電型の第一の不純物領域と電荷転送チ
   ャネル部を構成する第二導電型の第二の不純物領域とを
   形成する工程と、前記半導体基板、前記第一の不純物領
   域および前記第二の不純物領域の表面に第一の絶縁膜を
   形成する工程と、前記第一の不純物領域から前記第二の
   不純物領域へ信号電荷を読み出すための読み出しゲート
   を、該読み出しゲートの端部が前記第一の不純物領域の
   端部と重なり合うように前記第一の絶縁膜の表面に形成
   する工程と、前記読み出しゲートの表面と側面に第二の
   絶縁膜を形成する工程と、前記読み出しゲートと前記第
   二の絶縁膜とをマスクとして不純物を添加することによ
   り、前記第一の不純物領域の表面に第一導電型の第三の
   不純物領域を形成する工程と、前記第一導電型の不純物
   領域を前記読み出しゲート側へ拡散する工程とを備えた
   固体撮像装置の製造方法であって、前記読み出しゲート
   の端部から前記第三の不純物領域の接合深さを越える距
   離だけ離れた位置より不純物を添加するようにして前記
   第三の不純物領域を形成することを特徴とする固体撮像
   装置の製造方法。
2. 【請求項２】第三の不純物領域の不純物濃度を１×10¹⁸
   /cm³以上としたことを特徴とする請求項１記載の固体撮
   像装置の製造方法。