JP2826963B2 - 電荷結合素子及びその製造方法 - Google Patents

電荷結合素子及びその製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電荷結合素子(Cha
rge Couplcd Device:以下、CCD
という)及びその製造方法に係り、特に物理的な性質が
異なるゲート絶縁膜を利用して半導体基板内に最大電位
分布の差異が生じるようにしたCCD構造及びその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】固体撮像装置及び信号遅延装置等に用い
られる電荷結合素子は、各ゲート電極に印加する電位差
によって半導体内で誘起される電位差を利用し、隣り合
う電極の下に信号を転送する素子である。このような電
荷結合素子は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して転
送電極を分離して隣り合うように設けたものである。
【0003】転送電極として用いられる材料は、主に高
濃度で不純物をドープしまたはイオン注入させて作った
多結晶シリコンであり、各電極間の分離は酸素もしくは
水蒸気の雰囲気で酸化させて形成した絶縁体のシリコン
酸化膜により成される。
【0004】従来のCCDを添付図面とともに説明す
る。図1は従来のCCDの断面構造図であり、p型半導
体基板31にn型不純物イオン注入により電荷転送領域
であるBCCD(Buried CCD)領域32を形
成し、全面にわたって酸化膜33を形成した後、酸化膜
33上に多結晶シリコンを蒸着し、ホトエッチング工程
により一定の間隔を置いて第1転送電極34を形成す
る。
【0005】そして、第1転送電極34をマスクに用い
てBCCD領域32の表面部位にイオン注入により障壁
39を形成し、第1転送電極34を酸化膜で絶縁させた
後、各第1転送電極34の間に多結晶シリコンで第2転
送電極35を形成する。次に、隣り合う第1転送電極3
4と第2転送電極35を共通にして、交代に第1,第2
クロック信号(Hφ1,Hφ2)を印加する。
【0006】図2は従来の2相CCDの動作原理を説明
するための図で、(a)は2相CCDの電極に印加する
第1,第2クロック信号の一例で、(b)は第1,第2
クロックパルスが転送電極に印加されるとき半導体内に
誘起される電位分布とそれによる電荷の移動過程を示
す。
【0007】即ち、時間t=1において、第1クロック
信号(Hφ1)はロー状態であり、第2クロック信号
(Hφ2)はハイ状態である。この際、電位井戸は第2
クロック信号(Hφ2)が印加された第1転送電極34
の下で一番深くなり、信号電荷は前記第1転送電極34
の下の電位井戸に取り込められる。次に、時間t=2で
は第1クロック信号(Hφ1)がハイ状態であり、第2
クロック信号(Hφ2)がロー状態である。従って、一
番深い電位井戸は第1クロック信号(Hφ1)が印加さ
れた第1転送電極34の下で形成され、第2クロック信
号(Hφ2)が印加された第2転送電極35の電位井戸
は上昇することになり、信号電荷は深い電位井戸を有す
る第1クロック信号(Hφ1)が印加された第1転送電
極34の下に移動することになる。次に、時間t=3の
時には、さらにt=1の時と同様に移動する。ここで、
信号電荷の移動は対の転送電極中の左の電極の下に形成
した電位障壁によって右へのみ移動する方向性を有す
る。このような第1,第2クロックパルス(Hφ1,H
φ2)の列が繰り返されると、信号電荷の転送がなされ
ることになる。
【0008】図3は、米国特許3,931,674に開
示されている自己整合CCDの断面構造を示すものであ
り、半導体基板20上に第1絶縁層24と第2絶縁層2
6が形成されており、第1電極に該当する導電膜43,
45,47,49,51が一定の間隔を置いて並んでお
り、イオン注入工程によって形成された障壁領域44,
46,48,50が基板の表面部位に形成されており、
第1電極上に形成された第2電極84,86,88,9
0と第1電極との電気的な隔離のための第3絶縁層53
が形成されている。
【0009】前記CCD構造は、第1絶縁層24,第2
絶縁層26及び第1電極43,45,47,49,51
を形成した後、自己整合によって基板とは反対の導電型
の不純物を半導体基板の表面部位にイオン注入すること
により、障壁領域44,46,48,50を形成して第
1電極と隣り合う第2電極84,86,88,90に同
一の電圧を加えた場合、各電極の下の半導体表面部位の
不純物の濃度差によって最大電位分布の差が生じるので
電荷転送がなされる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術は、半
導体基板に最大電位分布差をもたらすために障壁領域の
形成のためのイオン注入工程を施さなければならない。
これによりゲート絶縁層である酸化膜の内部及び半導体
基板の表面部位に欠陥を誘発させて素子の特性を低下さ
せるため、それを緩和するのに熱によるアニーリング
(annealing)を行わなければならない。この
ため工程が複雑になるという問題がある。
【0011】本発明は、上記問題点を解決するためのも
ので、物理的性質が異なる絶縁膜でゲート絶縁層を形成
し、絶縁層の誘電率の差によって半導体基板内に最大電
位分布の差をもたらすことで、簡単な工程で優れた特性
を有するCCDを提供することをその目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明のCCDは、半導体基板と、前記半導体基板上
に形成された第1絶縁層と、前記第1絶縁層上に一定の
間隔を置いて形成された複数個の第1電極と、前記複数
個の第1電極と第1絶縁層の間にのみ形成される第2絶
縁層と、前記第1電極、第1絶縁層及び第2絶縁層の露
出した全表面上に形成される第3絶縁層と、第3絶縁層
の表面のうち、複数個の第1電極の間に該当する領域に
のみ形成される複数個の第2電極とを備える。
【0013】上記目的を達成するための本発明のCCD
の製造方法は、半導体基板上に第1絶縁層を形成する工
程と、前記第1絶縁層上に第1絶縁層と物理的性質が異
なる第2絶縁層を形成する工程と、前記第2絶縁層上に
第1導電層を形成する工程と、前記第1導電層と第2絶
縁層とを一緒にパターニングして複数個の第1電極を形
成する工程と、基板全面にわたって前記第2絶縁層と物
理的性質が異なる第3絶縁層を形成する工程と、前記第
3絶縁層上に第2導電層を形成する工程と、前記第2導
電層をパターニングして第1電極の間に該当する領域に
複数個の第2電極を形成する工程とを有する。
【0014】
【実施例】以下、本発明を図面とともに詳細に説明す
る。図4は、本発明の実施例1によるCCDの断面構造
を示すもので、埋込チャンネル構造のCCDの断面構造
を示した。半導体基板1の表面部位に基板と反対の導電
型の表面不純物層2が形成され、その上に第1絶縁層3
が形成される。その上にさらに第2絶縁層4と第1電極
5との積層された構造が一定の間隔を置いて複数個並
び、第1電極5の上部に形成される第2電極7と第1電
極5との電気的な隔離のための第3絶縁層6が第1電極
5と第2電極7の間に形成されている。図4cのように
前記第1電極5と第2電極7は、第1電極5の間に第2
電極7が形成されるが、その際第1電極と第2電極が一
定の距離だけ重なって形成されている。
【0015】前記第1絶縁層3と第2絶縁層4は、各々
物理的な性質が異なる絶縁体でできたもので、例えば第
1絶縁層3は熱によって酸化した酸化膜(SiO2 )で
形成することができ、第2絶縁層4は熱によって形成さ
れた窒化膜(Si34)で形成することができる。前記
第1絶縁層3と第3絶縁層6は、同一の物性を有する絶
縁体であるが、その形成方法を異にして形成することも
できる。例えば第1絶縁層3は熱によって形成された酸
化膜で形成し、第3絶縁層6はCVDによって形成され
た酸化膜で形成することができる。
【0016】次に、本発明によるCCDの動作原理を説
明する。参考文献『Charge−coupled d
evices and their applicat
ion,1980,McGraw−Hill Book
Company』によれば、CCDを動作させるバイア
ス条件において電位分布式は、表面チャンネル構造のC
CDの場合、 φs=VG+(QINV/COX) 埋込チャンネル構造のCCDの場合、VZ=VG+(qN
D1/COX)+(qND1 2/2εs)で表される。ここ
で、φsは表面電位分布、VG はゲート電極に印加され
る電圧、QINV は反転層(inversion lay
er)の電荷密度、COXはゲートの下の絶縁層に関わる
キャパシタンス、VZは埋込チャンネルの電位分布、ND
は埋込チャンネルの不純物の濃度を各々示す。
【0017】本発明は、前記式でゲート下部の絶縁層に
関わるキャパシタンスであるCoxを変化させCCD動
作に応用したもので、Cox=Eox(Aox
ox)(ここで、Eoxは絶縁層の誘電率、tox
絶縁層の厚さ、Aoxは絶縁層の面積を示す)で誘電率
oxを変化させる。即ち、図4aにおいて第1絶縁層
3を酸化膜とし、第2絶縁層4を窒化膜とする場合、酸
化膜と窒化膜の誘電率が各々3.9と7.5なので、酸
化膜に比べて窒化膜を絶縁層として使用する場合、C
oxが大きくなるので、φ及びVが小さくなる。こ
のように第1電極5の下部4と第2電極7の下部6の各
々の絶縁層の誘電率を異にすることにより、各電極の下
の半導体内の最大電位分布差をもたらして電荷転送が
成されるようにする。
【0018】図5の入力波形を図4aのCCD構造に印
加すると、図4bに示すt=t1及びt=t2でのよう
な電位分布を得ることが出来て電荷転送がなされること
になる。
【0019】図4aにおいて各々の電極の下部の基板表
面領域、即ち、領域Aと領域Bでの最大電位分布をシミ
ュレーション器具であるSPECTRAを用いてシミュ
レーションした結果を図6と図7に示す。
【0020】図6は、第1;3絶縁層の酸化膜の厚さを
650Å、第2絶縁層の窒化膜の厚さを500Åとし、
ゲート電極に印加される電圧を0Vとした場合の最大電
位分布を示すもので、図7は第1;3絶縁層の酸化膜の
厚さを650Å、第2絶縁層の窒化膜の厚さを500Å
とし、ゲート電極に印加される電圧を5Vとした場合の
最大電位分布を示すものである。絶縁層の厚さに対する
傾向性は図8のようである。
【0021】次に、本発明によるCCDの製造方法を図
9とともに説明する。先ず、図9aのように、半導体基
板1上に第1絶縁層3として、例えば熱酸化工程によっ
て酸化膜を形成し、その上に第2絶縁層4として、例え
ば窒化膜を形成した後、その上に第1電極の形成のため
の第1導電層として、第1電極5を蒸着する。次に、図
9bのように、前記第1電極としてのポリシリコン層と
窒化膜をホトエッチング工程によって第1電極パターン
にパターニングした後、図9cのように第1電極5を含
んだ基板全面に第3絶縁層6として、例えば酸化膜をC
VD方法によって蒸着し、その上に第2電極の形成のた
めの第2導電層として、例えば第2電極7を蒸着する。
ここで、図9dのように、前記第2導電層をホトエッチ
ング工程によって所定のパターンにパターニングして第
2電極7を形成することでCCDの製造工程を完了す
る。
【0022】一方、本発明を埋込チャンネル構造のCC
Dに適用す場合には、基板の表面部位に基板と反対の導
電型の不純物層を形成した後、前記図9a乃至dの工程
を行ってCCDを製造する。
【0023】
【発明の効果】以上のように本発明は、基板の表面部位
への不純物オン注入で形成した障壁領域によって最大
電位分布差を形成させないで、誘電率の異なる絶縁層を
用いて基板に最大電位分布差を誘導して電荷転送が行わ
れるようにするので、従来のイオン注入工程によって基
板に発生した欠陥を減少することができ、これによりア
ニーリング工程などが不必要となるため、工程が単純化
されるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のCCDの断面構造図である。
【図2】 従来の2相CCDの動作原理を説明するため
の図である。
【図3】 従来の技術によるCCD断面構造図である。
【図4】 本発明によるCCD構造図である。
【図5】 本発明のCCDに印加される入力波形図であ
る。
【図6】 本発明のCCD電極の下部の基板表面領域の
最大電位分布をシミュレーションした結果を示す図であ
る。
【図7】 本発明のCCD電極の下部の基板表面領域の
最大電位分布をシミュレーションした結果を示す図であ
る。
【図8】 本発明によるCCDの絶縁層の厚さに対する
最大電位の傾向性を示す図である。
【図9】 本発明によるCCDの製造方法を示す工程順
序図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…表面不純物層、3…第1絶縁層、
4…第2絶縁層、5…第1電極、6…第3絶縁層、7…
第2電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/762 H01L 21/339

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板上に形成
    された第1絶縁層と、前記第1絶縁層上に一定の間隔を
    置いて形成された複数個の第1電極と、前記複数個の第
    1電極と第1絶縁層の間にのみ形成される第2絶縁層
    と、前記第1電極、第1絶縁層及び第2絶縁層の露出し
    た全表面上に形成され、前記第2絶縁層とは誘電率が
    なる第3絶縁層と、前記第3絶縁層の表面のうち、複数
    個の第1電極の間に該当する領域にのみ形成される、複
    数個の第2電極と、を備えることを特徴とする電荷結合
    素子。
  2. 【請求項2】 前記第1電極の下部の第2絶縁層は窒化
    膜であり、第2電極の下部の第3絶縁層は酸化膜である
    ことを特徴とする請求項1記載の電荷結合素子。
  3. 【請求項3】 前記第1電極の下部の第1絶縁層と第2
    絶縁層は、各々酸化膜と窒化膜であり、第3絶縁層は酸
    化膜であることを特徴とする請求項1記載の電荷結合素
    子。
  4. 【請求項4】 前記第1電極の下部の第1絶縁層として
    酸化膜は熱酸化工程によって形成され、第2電極の下
    部の第3絶縁層としての酸化膜は化学気相蒸着によって
    形成されたことを特徴とする請求項3記載の電荷結合素
    子。
  5. 【請求項5】 前記半導体基板の表面部位に形成された
    基板と反対の導電型の埋込チャンネル領域をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1記載の電荷結合素子。
  6. 【請求項6】 半導体基板上に第1絶縁層を形成する工
    程と、前記第1絶縁層上に、第1絶縁層とは物理的な性
    質が異なる第2絶縁層を形成する工程と、前記第2絶縁
    層上に第1導電層を形成する工程と、前記第1導電層と
    第2絶縁層とを一緒にパターニングして複数個の第1電
    極を形成する工程と、基板全面にわたって、前記第2絶
    縁層とは誘電率が異なり且つ前記第2絶縁層よりも厚い
    第3絶縁層を形成する工程と、前記第3絶縁層上に第2
    導電層を形成する工程と、前記第2導電層をパターニン
    グして第1電極の間に該当する領域に複数個の第2電極
    を形成する工程と、を含んでなることを特徴とする電荷
    結合素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 第1絶縁層と第3絶縁層は酸化膜で形成
    し、第2絶縁層は窒化膜で形成することを特徴とする請
    求項6記載の電荷結合素子の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記第1絶縁層は熱酸化工程によって形
    成し、第3絶縁層は化学気相蒸着方法によって形成する
    ことを特徴とする請求項7記載の電荷結合素子の製造方
    法。
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