JP3635279B2 - 固体撮像装置およびその製造方法およびインターライン転送型ccdイメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、増幅型MOSトランジスタが設けられた固体撮像装置およびその製造方法およびインターライン転送型CCDイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
増幅型MOSトランジスタが設けられた固体撮像装置が近年注目されている。この固体撮像装置は、各画素ごとに、フォトダイオードによって検出された信号をMOSトランジスタによって増幅するものであり、高感度という特徴を有している。
【0003】
図5は、従来の固体撮像装置90の構成を示す回路図である。固体撮像装置90は、半導体基板14にマトリックス状に配置された複数の画素セル13を備えている。各画素セル13は、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード95をそれぞれ有している。各画素セル13には、フォトダイオード95に蓄積された信号電荷を読み出すための転送トランジスタ96がそれぞれ設けられている。
【0004】
各画素セル13は、増幅トランジスタ12を有している。増幅トランジスタ12は、転送トランジスタ96によって読み出された信号電荷を増幅する。各画素セル13には、リセットトランジスタ11が設けられている。リセットトランジスタ11は、転送トランジスタ96によって読み出された信号電荷をリセットする。
【0005】
固体撮像装置90は、垂直駆動回路15を備えている。垂直駆動回路15には、複数のリセットトランジスタ制御線111が接続されている。各リセットトランジスタ制御線111は、水平方向に沿って配置された各画素セル13に設けられたリセットトランジスタ11と接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されている。垂直駆動回路15には、複数の垂直選択トランジスタ制御線121がさらに接続されている。各垂直選択トランジスタ制御線121は、水平方向に沿って配置された各画素セル13に設けられた垂直選択トランジスタと接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されており、信号を読み出す行を決定する。
【0006】
垂直選択トランジスタのソースは、垂直信号線61に接続されている。各垂直信号線61の一端には、負荷トランジスタ群27が接続されている。各垂直信号線61の他端は、行信号蓄積部28に接続されている。行信号蓄積部28は、1行分の信号を取り込むためのスイッチトランジスタを含んでいる。行信号蓄積部28には、水平駆動回路16が接続されている。
【0007】
図6は、従来の固体撮像装置90の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【0008】
垂直選択トランジスタ制御線121をハイレベルにするための行選択パルス101−1が印加されると、選択された行における垂直選択トランジスタがオンし、選択された行における増幅トランジスタ12と負荷トランジスタ群27とによってソースフォロワ回路が構成される。
【0009】
そして、行選択パルス101−1がハイレベルの間に、リセットトランジスタ制御線111をハイレベルにするためのリセットパルス102−1を印加することによって、増幅トランジスタ12のゲートが接続されている浮遊拡散層の電位をリセットする。次に、行選択パルス101−1がハイレベルの間に、転送トランジスタ制御線をハイレベルにするために転送パルス103−1を印加することによって、フォトダイオード95に蓄積された信号電荷を浮遊拡散層へ転送する。
【0010】
この時、浮遊拡散層に接続された増幅トランジスタ12のゲート電圧は、浮遊拡散層の電位と等しくなり、このゲート電圧と実質的に等しい電圧が垂直信号線61に現れる。そして、フォトダイオード95に蓄積された信号電荷に基づく信号を行信号蓄積部28へ転送する。
【0011】
次に、水平駆動回路16は、列選択パルス106−1−1、106−1−2、・・・を順次発生し、行信号蓄積部28へ転送された信号を1行分の出力信号107−1として取り出す。
【0012】
図7(a)は従来の固体撮像装置90の構成を示す断面図であり、図7(b)は従来の固体撮像装置90に設けられたフォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位の変化を示す模式図である。
【0013】
フォトダイオード95は、半導体基板14の表面に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層99と、半導体基板14の表面に露出するように浅いP型フォトダイオード拡散層99の下側に形成された深いフォトダイオード拡散層98とを含んでいる埋め込み型pnpフォトダイオードである。
【0014】
転送トランジスタ96は、フォトダイオード95に隣接するように形成されており、半導体基板14の上に形成されたゲート電極97を有している。転送トランジスタ96に対してフォトダイオード95の反対側における半導体基板14の表面には、浮遊拡散層10が形成されている。リセットトランジスタ11は、浮遊拡散層10に対して転送トランジスタ96の反対側における半導体基板14の上に形成されており、ゲート電極23を有している。リセットトランジスタ11に対して浮遊拡散層10の反対側における半導体基板14の表面には、電源拡散層207が形成されている。電源拡散層207に対してリセットトランジスタ11の反対側およびフォトダイオード95に対して転送トランジスタ96の反対側には、素子分離部209がそれぞれ形成されている。
【0015】
転送トランジスタ96に設けられたゲート電極97の下側における半導体基板14には、転送トランジスタ96のチャネル電位を制御するための閾値拡散層208が、深いフォトダイオード拡散層98に隣接するように形成されている。
【0016】
図7(b)を参照すると、固体撮像装置90の電源電圧は10ボルト(V)以上になっており、リセットトランジスタ11のゲート電極23をオンにすると、浮遊拡散層10の電位が電源電圧に固定される。そして、リセットトランジスタ11のゲート電極23をオフにすると、浮遊拡散層10の電位は電気的に浮遊する。
【0017】
次に、転送トランジスタ96のゲート電極97をオンにすると、フォトダイオード95の深いフォトダイオード拡散層98に蓄積された信号電荷が閾値拡散層208を通って浮遊拡散層10へ導かれて信号電圧に変換される。信号電圧は、図5に示す増幅トランジスタ12のゲート電圧を変調し、垂直信号線61と行信号蓄積部28と水平駆動回路16を通って外部へ取り出される。
【0018】
フォトダイオード95に蓄積された信号電荷を読み出すときは、完全にすべての電荷が読み出され、フォトダイオード95に残留する信号電荷がゼロになる状態が理想的である。このような理想的な状態を「完全転送」という。
【0019】
【特許文献1】
特開2001−53260号公報
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の固体撮像装置90では、電源電圧および転送トランジスタ96のゲート電圧が10ボルト(V)以上の高い電圧であるので、「完全転送」が比較的容易である。
【0021】
しかしながら、MOSトランジスタの微細化が進むに従って、電源電圧および転送トランジスタ96のゲート電圧が低下して2.8ボルト(V)〜3.3ボルト(V)程度になってきているため、「完全転送」が極めて困難になっているという問題がある。以下、具体的に説明する。
【0022】
図7(c)は、従来の固体撮像装置90に設けられたフォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位の変化を示す模式図である。
【0023】
電源電圧および転送トランジスタ96のゲート電圧が2.8ボルト(V)〜3.3ボルト(V)程度になると、フォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位が滑らかに変化しなくなる。フォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位は、第1ポケット17において急激に落ち込む。例えば、第1ポケット17の電位が2V、バリア19の電位が1.7V、第2ポケット18の電位が2.1Vといった滑らかでない電位変化が生じる。この第1ポケット17は、浅いP型フォトダイオード拡散層99の端に相当する位置210において発生する。第1ポケット17が発生する位置210の深さは約0.7マイクロメートル(μm)である。
【0024】
フォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位は、第1ポケット17に対して転送トランジスタ96側における第2ポケット18においてさらに急激に落ち込む。第2ポケット18は、浅いP型フォトダイオード拡散層99に覆われていない深いフォトダイオード拡散層98の表面近くの位置212において発生する。第2ポケット18が発生する位置212の深さは、約0.2マイクロメートル(μm)以下である。
【0025】
フォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位は、第1ポケット17と第2ポケット18との間においてバリア19を形成する。このバリア19は、浅いP型フォトダイオード拡散層99と閾値拡散層208とによって挟まれた位置211において発生する。バリア19が発生する位置211の深さは、約0.4マイクロメートル(μm)以下である。
【0026】
このように、電源電圧および転送トランジスタ96のゲート電圧が2.8ボルト(V)〜3.3ボルト(V)程度に低くなると、第1ポケット17と第2ポケット18とバリア19とが形成されるために、フォトダイオード95から転送トランジスタ96までの電位が滑らかに変化しなくなる。このため、フォトダイオード95に蓄積された信号電荷を「完全転送」することが極めて困難であるという問題がある。
【0027】
本発明の目的は、電源電圧が低くても、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を完全転送することができる固体撮像装置およびその製造方法およびインターライン転送型CCDイメージセンサを提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に配置された複数の画素セルと、各画素セルを駆動するために設けられた駆動手段とを具備しており、各画素セルは、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を読み出すために設けられた転送トランジスタとを有し、前記フォトダイオードは、前記半導体基板に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層と、前記浅いP型フォトダイオード拡散層と前記転送トランジスタのゲート電極との間において前記半導体基板の表面に露出するように前記浅いP型フォトダイオード拡散層の下側に形成された深いN型フォトダイオード拡散層とを含み、前記転送トランジスタのゲート電極の下側に、前記深いN型フォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電位が滑らかに変化するように形成された、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さを有する3つの拡散層を含む電位平滑化手段を備えることを特徴とする。
また、上記において、前記拡散層は、少なくとも前記深いN型フォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電荷読み出し経路において、電位が急激に落ち込む第1の電位の窪みを消滅させるように形成された第1ポケット消滅拡散層と、前記電荷読み出し経路において、前記第1の電位の窪みに対して前記転送トランジスタ側で、前記電位が急激に落ち込む第2の電位の窪みを消滅させるように形成された第2ポケット消滅拡散層と、前記電荷読み出し経路において、前記第1の電位の窪みと前記第2の電位の窪みとの間に発生する前記電位のバリアを消滅させるために形成されたバリア消滅拡散層とを含んでいることを特徴とする。
【0029】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、本発明に係る固体撮像装置の製造方法であって、前記深いフォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電位を滑らかに変化させるための電位平滑化手段を形成する電位平滑化手段形成工程と、前記電位平滑化手段形成工程の後で、前記入射光を前記信号電荷に変換して蓄積する前記フォトダイオードを形成するフォトダイオード形成工程と、前記フォトダイオード形成工程の後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を読み出すための前記転送トランジスタを形成する転送トランジスタ形成工程とを包含しており、前記電位平滑化手段形成工程は、前記第1ポケット消滅拡散層を形成する第1ポケット消滅拡散層形成工程と、前記バリア消滅拡散層を前記第1ポケット消滅拡散層の上に形成するバリア消滅拡散層形成工程と、前記第2ポケット消滅拡散層を前記バリア消滅拡散層の上に形成する第2ポケット消滅拡散層工程とを含み、前記フォトダイオードが形成されるべき領域と前記転送トランジスタが形成されるべき領域との間に互いに異なる3種類のエネルギーによって不純物を注入することを特徴とする。
【0030】
本発明に係るインターライン転送型CCDイメージセンサは、半導体基板にマトリックス状に配置された複数の画素セルと、各画素セルを駆動するために設けられた駆動手段とを具備しており、各画素セルは、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードを有し、前記フォトダイオードは、前記半導体基板に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層と、前記浅いP型フォトダイオード拡散層と前記転送ゲートとの間において前記半導体基板の表面に露出するように前記浅いP型フォトダイオード拡散層の下側に形成された深いN型フォトダイオード拡散層とを含み、前記転送ゲート電極の下側に、前記フォトダイオードから前記転送ゲートまでの電位が滑らかに変化するように形成された、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さを有する3つの拡散層を含む電位平滑化手段とを備えることを特徴とする。
【0031】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係る固体撮像装置においては、フォトダイオードから転送トランジスタまでの電位が電位平滑化手段によって滑らかに変化する。このため、入射光から変換されてフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送トランジスタへ完全に転送される。その結果、低電圧においても高性能に動作する固体撮像装置を得ることができる。
【0032】
この実施の形態においては、前記転送トランジスタは、前記半導体基板の上に形成されたゲート電極を有しており、前記電位平滑化手段は、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さを有するように前記半導体基板に形成された3つの拡散層を含んでいることが好ましい。
【0033】
前記3つの拡散層は、前記転送トランジスタに設けられた前記ゲート電極の下側に形成されていることが好ましい。
【0034】
前記電位平滑化手段は、前記フォトダイオードから前記転送トランジスタまでの電位が急激に落ち込む第1ポケットを消滅させるために形成された第1ポケット消滅拡散層と、前記第1ポケットに対して前記転送トランジスタ側において前記電位が急激に落ち込む第2ポケットを消滅させるために形成された第2ポケット消滅拡散層とを含んでいることが好ましい。
【0035】
前記第1ポケット消滅拡散層は、前記第2ポケット消滅拡散層よりも深い位置に形成されていることが好ましい。
【0036】
前記電位平滑化手段は、前記第1ポケットと前記第2ポケットとの間において発生する前記電位のバリアを消滅させるために形成されたバリア消滅拡散層をさらに含んでいることが好ましい。
【0037】
前記第1ポケット消滅拡散層は、前記バリア消滅拡散層よりも深い位置に形成されており、前記バリア消滅拡散層は、前記第2ポケット消滅拡散層よりも深い位置に形成されていることが好ましい。
【0038】
前記第1ポケット消滅拡散層と前記バリア消滅拡散層と前記第2ポケット消滅拡散層とは、P型不純物拡散層によって構成されていることが好ましい。
【0039】
前記第1ポケット消滅拡散層と前記第2ポケット消滅拡散層とは、P型不純物拡散層によって構成されており、前記バリア消滅拡散層は、n型不純物拡散層によって構成されていることが好ましい。
【0040】
前記第1ポケット消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端は、前記バリア消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端よりも前記フォトダイオードに近くなっており、前記バリア消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端は、前記第2ポケット消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端よりも前記フォトダイオードから遠くなっていることが好ましい。
【0041】
前記第1ポケット消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.7マイクロメートル(μm)の位置に形成されていることが好ましい。
【0042】
前記第2ポケット消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.2マイクロメートル(μm)よりも浅い位置に形成されていることが好ましい。
【0043】
前記バリア消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.4マイクロメートル(μm)の位置に形成されていることが好ましい。
【0044】
前記フォトダイオードは、前記半導体基板に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層と、前記浅いP型フォトダイオード拡散層と前記転送トランジスタとの間における前記半導体基板の表面に露出するように前記浅いP型フォトダイオード拡散層の下側に形成された深いフォトダイオード拡散層とを含んでいることが好ましい。
【0045】
各画素セルは、前記転送トランジスタによって前記フォトトランジスタから読み出された前記信号電荷を電圧に変換するために形成された浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層に蓄積された前記信号電荷をリセットするために形成されたリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層によって変換された前記電圧の変化を増幅またはインピーダンス変換するために設けられたソースフォロワとをさらに含んでいることが好ましい。
【0046】
前記複数の画素セルは、前記半導体基板にマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【0047】
前記駆動手段は、前記複数の画素セルを行方向に沿って駆動する垂直駆動回路と、前記複数の画素セルを列方向に沿って駆動する水平駆動回路とを含んでいることが好ましい。
【0048】
本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法においては、電位平滑化手段形成工程は、フォトダイオードが形成されるべき領域と転送トランジスタが形成されるべき領域との間に互いに異なる3種類のエネルギーによって不純物を注入して電位平滑化手段を形成する。このため、形成された電位平滑化手段によって、フォトダイオードから転送トランジスタまでの電位が電位平滑化手段によって滑らかに変化する。従って、入射光から変換されてフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送トランジスタへ完全に転送される。その結果、低電圧においても高性能に動作する固体撮像装置を得ることができる。
【0049】
この実施の形態では、前記電位平滑化手段形成工程によって注入される前記不純物は、前記半導体基板と同電型のイオンであることが好ましい。
【0050】
前記電位平滑化手段形成工程は、前記フォトダイオードから前記転送トランジスタまでの電位が急激に落ち込む前記第1ポケットを消滅させるための前記第1ポケット消滅拡散層を形成する第1ポケット消滅拡散層形成工程と、前記第1ポケットと前記第2ポケットとの間において発生する前記電位のバリアを消滅させるための前記バリア消滅拡散層を前記第1ポケット消滅拡散層の上に形成するバリア消滅拡散層形成工程と、前記第1ポケットに対して前記転送トランジスタ側において前記電位が急激に落ち込む前記第2ポケットを消滅させるための前記第2ポケット消滅拡散層を前記バリア消滅拡散層の上に形成する第2ポケット消滅拡散層工程とを含んでいることが好ましい。
【0051】
第1ポケット消滅拡散層形成工程は、前記第1ポケット消滅拡散層を形成するために第1エネルギーによって前記不純物を注入し、前記バリア消滅拡散層形成工程は、前記バリア消滅拡散層を形成するために前記第1エネルギーよりも小さい第2エネルギーによって前記不純物を注入し、前記第2ポケット消滅拡散層工程は、前記第2ポケット消滅拡散層を形成するために前記第2エネルギーよりも小さい第3エネルギーによって前記不純物を注入することが好ましい。
【0052】
前記第1ポケット消滅拡散層形成工程は、加速電圧300キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1012/cm2によって前記不純物を注入し、前記バリア消滅拡散層形成工程は、加速電圧100キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量8.0×1011/cm2によって前記不純物を注入し、前記第2ポケット消滅拡散層工程は、加速電圧10キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1011/cm2によって前記不純物を注入することが好ましい。
【0053】
前記不純物は、ボロンイオンであることが好ましい。
【0054】
本実施の形態に係るインターライン転送型CCDイメージセンサにおいては、電位平滑化手段によってフォトダイオードから転送ゲートまでの電位が滑らかに変化する。このため、入射光から変換されてフォトダイオードに蓄積された信号電荷が転送ゲートへ完全に転送される。その結果、低電圧においても高性能に動作するインターライン転送型CCDイメージセンサを得ることができる。
【0055】
この実施の形態では、前記転送ゲートによって前記フォトダイオードから読み出された前記信号電荷を垂直方向に沿って転送するために、列方向に配置された各画素セルに隣接して互いに所定の間隔を空けて垂直方向に沿って配置された垂直転送CCDをさらに具備することが好ましい。
【0056】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0057】
図1は、本実施の形態に係る固体撮像装置100の構成を示す回路図である。
【0058】
固体撮像装置100は、半導体基板14にマトリックス状に配置された複数の画素セル13を備えている。各画素セル13は、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード5をそれぞれ有している。各画素セル13には、フォトダイオード5に蓄積された信号電荷を読み出すための転送トランジスタ6がそれぞれ設けられている。
【0059】
各画素セル13は、増幅トランジスタ12を有している。増幅トランジスタ12は、転送トランジスタ6によって読み出された信号電荷を増幅する。各画素セル13には、リセットトランジスタ11が設けられている。リセットトランジスタ11は、転送トランジスタ6によって読み出された信号電荷をリセットする。
【0060】
固体撮像装置100は、垂直駆動回路15を備えている。垂直駆動回路15には、複数のリセットトランジスタ制御線111が接続されている。各リセットトランジスタ制御線111は、水平方向に沿って配置された各画素セル13に設けられたリセットトランジスタ11と接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されている。垂直駆動回路15には、複数の垂直選択トランジスタ制御線121がさらに接続されている。各垂直選択トランジスタ制御線121は、水平方向に沿って配置された各画素セル13に設けられた垂直選択トランジスタと接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されており、信号を読み出す行を決定する。
【0061】
垂直選択トランジスタのソースは、垂直信号線61に接続されている。各垂直信号線61の一端には、負荷トランジスタ群27が接続されている。各垂直信号線61の他端は、行信号蓄積部28に接続されている。行信号蓄積部28は、1行分の信号を取り込むためのスイッチトランジスタを含んでいる。行信号蓄積部28には、水平駆動回路16が接続されている。
【0062】
図2(a)は本実施の形態に係る固体撮像装置100の構成を示す断面図であり、図2(b)および図2(c)は本実施の形態に係る固体撮像装置に設けられた電位平滑化層によるフォトダイオードから転送トランジスタまでの電位の変化を示す模式図である。
【0063】
フォトダイオード5は、半導体基板14の表面に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層9と、半導体基板14の表面に露出するように浅いP型フォトダイオード拡散層9の下側に形成された深いフォトダイオード拡散層8とを含んでいる埋め込み型pnpフォトダイオードである。
【0064】
転送トランジスタ6は、フォトダイオード5に隣接するように形成されており、半導体基板14の上に形成されたゲート電極7を有している。転送トランジスタ6に対してフォトダイオード5の反対側における半導体基板14の表面には、浮遊拡散層10が形成されている。リセットトランジスタ11は、浮遊拡散層10に対して転送トランジスタ6の反対側における半導体基板14の上に形成されており、ゲート電極23を有している。リセットトランジスタ11に対して浮遊拡散層10の反対側における半導体基板14の表面には、電源拡散層207が形成されている。電源拡散層207に対してリセットトランジスタ11の反対側およびフォトダイオード5に対して転送トランジスタ6の反対側には、素子分離部209がそれぞれ形成されている。
【0065】
転送トランジスタ6に設けられたゲート電極7の下側における半導体基板14には、フォトダイオード5から転送トランジスタ6までの電位を滑らかに変化させるための電位平滑化層1が形成されている。
【0066】
電位平滑化層1は、フォトダイオード5から転送トランジスタ6までの電位が落ち込む第1ポケット17を消滅させるために形成された第1ポケット消滅拡散層2と、第1ポケット17に対して転送トランジスタ6側において電位が急激に落ち込む第2ポケット18を消滅させるために形成された第2ポケット消滅拡散層3と、第1ポケット17と第2ポケット18との間において発生する電位のバリア19を消滅させるために形成されたバリア消滅拡散層4とを含んでいる。
【0067】
第1ポケット消滅拡散層2は半導体基板14の表面から深さ約0.7マイクロメートル(μm)の位置に形成されており、バリア消滅拡散層4は、半導体基板14の表面から深さ約0.4マイクロメートル(μm)の位置に形成されており、第2ポケット消滅拡散層3は半導体基板14の表面から深さ約0.2マイクロメートル(μm)よりも浅い位置に形成されている。
【0068】
このように、第1ポケット消滅拡散層2はバリア消滅拡散層4よりも深い位置に形成されており、バリア消滅拡散層4は第2ポケット消滅拡散層3よりも深い位置に形成されている。
【0069】
第1ポケット消滅拡散層2とバリア消滅拡散層4と第2ポケット消滅拡散層3とは、P型不純物拡散層によって構成されている。
【0070】
第1ポケット消滅拡散層2のフォトダイオード5側の端は、バリア消滅拡散層4のフォトダイオード5側の端よりもフォトダイオード5に近くなっている。第1ポケット消滅拡散層2のフォトダイオード5側の端を、バリア19が発生する位置211よりもダイオード5側に位置する第1ポケット17が発生する位置210に近づけて第1ポケット17をより効率的に消滅させるためである。
【0071】
バリア消滅拡散層4のフォトダイオード5側の端は、第2ポケット消滅拡散層3のフォトダイオード5側の端よりもフォトダイオード5から遠くなっている。
【0072】
このように構成された固体撮像装置100においては、第1ポケット消滅拡散層2は、第1ポケット17を消滅させるように第1ポケット17における電位をバリア19の電位よりも低くする。バリア消滅拡散層4は、バリア19を消滅させ、バリア19における電位を第1ポケット17における電位よりも高くする。第2ポケット消滅拡散層3は、第2ポケット18を消滅させるように第2ポケット18における電位を低くする。このため、フォトダイオード5から転送トランジスタ6までの電位は、図2(c)に示すように滑らかに上昇する。
【0073】
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置100の製造方法を説明する。図3は、固体撮像装置100に設けられた電位平滑化層1における基板表面からの深さとキャリア濃度との間の関係を示すグラフである。横軸は電位平滑化層1における基板表面からの深さを示しており、縦軸は電位平滑化層1のキャリア濃度を示している。
【0074】
まず、半導体基板14に第1ポケット消滅拡散層2を形成するために、加速電圧300キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1012/cm2によってボロンを半導体基板14へ注入する。次に、バリア消滅拡散層4を形成するために、加速電圧100キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量8.0×1011/cm2によってボロンを半導体基板14へ注入する。その後、第2ポケット消滅拡散層3を形成するために、加速電圧10キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1011/cm2によってボロンを半導体基板14へ注入する。
【0075】
そして、形成された第1ポケット消滅拡散層2、バリア消滅拡散層4および第2ポケット消滅拡散層3の隣にフォトダイオード5を形成し、第1ポケット消滅拡散層2、バリア消滅拡散層4および第2ポケット消滅拡散層3の上に転送トランジスタ6を形成し、リセットトランジスタ11、浮遊拡散層10、電源拡散層207および素子分離部209を形成する。
【0076】
このようにして製造された固体撮像装置に形成された電位平滑化層1においては、図3に示すように、半導体基板14の深さ0.7マイクロメートル(μm)の位置においては、ピーク24によって示されるキャリア濃度の第1ポケット消滅拡散層2が、ドーズ量1.8×1016cm-3によって形成されている。半導体基板14の深さ0.35マイクロメートル(μm)の位置においては、ピーク26によって示されるキャリア濃度のバリア消滅拡散層4が、ドーズ量2.5×1016cm-3によって形成されている。半導体基板14の深さ0.1マイクロメートル(μm)の位置においては、ピーク25によって示されるキャリア濃度の第2ポケット消滅拡散層3が、ドーズ量3.0×1016cm-3によって形成されている。
【0077】
以上のように本実施の形態によれば、フォトダイオード5から転送トランジスタ6までの電位が電位平滑化層1によって滑らかに変化する。このため、入射光から変換されてフォトダイオード5に蓄積された信号電荷が転送トランジスタ6へ完全に転送される。その結果、低電圧においても高性能に動作する固体撮像装置を得ることができる。
【0078】
なお、本実施の形態においては、第1ポケット消滅拡散層2とバリア消滅拡散層4と第2ポケット消滅拡散層3とがP型不純物拡散層によって構成されている例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、第1ポケット消滅拡散層2と第2ポケット消滅拡散層3とがP型不純物拡散層によって構成されており、バリア消滅拡散層4がn型不純物拡散層によって構成されていてもよい。
【0079】
また、本実施の形態においては、第1ポケット消滅拡散層2とバリア消滅拡散層4と第2ポケット消滅拡散層3との3個の層によって電位平滑化層1が構成されている例を示したが、第1ポケット消滅拡散層2、バリア消滅拡散層4および第2ポケット消滅拡散層3以外の拡散層を追加して形成し、電位制御の自由度を増やすように構成してもよい。
【0080】
図4は、本実施の形態に係るインターライン転送型CCDイメージセンサ150の構成を示す平面図である。高い電源電圧によって動作するインターライン転送型CCDイメージセンサ150においても、電源電圧を低電圧化する要求は強い。本発明は、このようなインターライン転送型CCDイメージセンサ150に対しても適用することができる。
【0081】
インターライン転送型CCDイメージセンサ150は、半導体基板14Aにマトリックス状に配置された複数の画素セル13Aを備えている。各画素セル13Aは、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード5Aをそれぞれ有している。各画素セル13Aには、フォトダイオード5Aに蓄積された信号電荷を読み出すための転送ゲート21がそれぞれ設けられている。
【0082】
インターライン転送型CCDイメージセンサ150には、各転送ゲート21によってフォトダイオード5Aから読み出された信号電荷を垂直方向に沿って転送するために、垂直方向に配置された各画素セル13Aに隣接して互いに所定の間隔を空けて垂直方向に沿って配置された垂直転送CCD22が設けられている。
【0083】
転送ゲート21の下側における半導体基板14Aには、フォトダイオード5Aから転送ゲート21までの電位を滑らかに変化させるための電位平滑化層が形成されている。
【0084】
電位平滑化層は、フォトダイオード5Aから転送ゲート21までの電位が急激に落ち込む第1ポケットを消滅させるために形成された第1ポケット消滅拡散層と、第1ポケットに対して転送ゲート21側において電位が落ち込む第2ポケットを消滅させるために形成された第2ポケット消滅拡散層と、第1ポケットと第2ポケットとの間において発生する電位のバリアを消滅させるために形成されたバリア消滅拡散層とを含んでいる。
【0085】
このように前述した構成と同様の構成によって、フォトダイオード5Aと垂直CCD22との間に形成された転送ゲート21の下側の半導体基板14Aに電位平滑化層を形成すると、電源電圧を低電圧化したインターライン転送型CCDイメージセンサ150を得ることができる。
【0086】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電源電圧が低くても、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を完全転送することができる固体撮像装置およびその製造方法およびインターライン転送型CCDイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図2】(a)は本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図であり、
(b)および(c)は本実施の形態に係る固体撮像装置に設けられた電位平滑化層によるフォトダイオードから転送トランジスタまでの電位の変化を示す模式図である。
【図3】本実施の形態に係る固体撮像装置に設けられた電位平滑化層における基板表面からの深さとキャリア濃度との関係を示すグラフである。
【図4】本実施の形態に係るインターライン転送型CCDイメージセンサの構成を示す平面図である。
【図5】従来の固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図6】従来の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図7】(a)は従来の固体撮像装置の構成を示す断面図であり、
(b)および(c)は従来の固体撮像装置に設けられたフォトダイオードから転送トランジスタまでの電位の変化を示す模式図である。
【符号の説明】
1 電位平滑化層
2 第1ポケット消滅拡散層
3 第2ポケット消滅拡散層
4 バリア消滅拡散層
5 フォトダイオード
6 転送トランジスタ
7 ゲート電極
8 深いフォトダイオード層
9 浅いP型フォトダイオード層
10 浮遊拡散層
11 リセットトランジスタ
12 ソースフォロワ
13 画素セル
14 半導体基板
15 垂直駆動回路
16 水平駆動回路
17 第1ポケット
18 第2ポケット
19 バリア
23 ゲート電極
24、25、26 ピーク
Claims (19)
- 半導体基板に配置された複数の画素セルと、
各画素セルを駆動するために設けられた駆動手段とを具備し、
各画素セルは、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を読み出すために設けられた転送トランジスタとを有し、
前記フォトダイオードは、前記半導体基板に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層と、前記浅いP型フォトダイオード拡散層と前記転送トランジスタのゲート電極との間において前記半導体基板の表面に露出するように前記浅いP型フォトダイオード拡散層の下側に形成された深いN型フォトダイオード拡散層とを含み、
前記転送トランジスタのゲート電極の下側に、前記深いN型フォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電位が滑らかに変化するように形成された、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さを有する3つの拡散層を含む電位平滑化手段を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記拡散層は、少なくとも前記深いN型フォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電荷読み出し経路において、電位が急激に落ち込む第1の電位の窪みを消滅させるように形成された第1ポケット消滅拡散層と、
前記電荷読み出し経路において、前記第1の電位の窪みに対して前記転送トランジスタ側で、前記電位が急激に落ち込む第2の電位の窪みを消滅させるように形成された第2ポケット消滅拡散層と、
前記電荷読み出し経路において、前記第1の電位の窪みと前記第2の電位の窪みとの間に発生する前記電位のバリアを消滅させるために形成されたバリア消滅拡散層とを含んでいる、請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第1ポケット消滅拡散層は、前記バリア消滅拡散層よりも深い位置に形成されており、
前記バリア消滅拡散層は、前記第2ポケット消滅拡散層よりも深い位置に形成されている、請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記第1ポケット消滅拡散層と前記バリア消滅拡散層と前記第2ポケット消滅拡散層とは、P型不純物拡散層によって構成されている、請求項2記載の固体撮像装置。
- 前記第1ポケット消滅拡散層と前記第2ポケット消滅拡散層とは、P型不純物拡散層によって構成されており、
前記バリア消滅拡散層は、n型不純物拡散層によって構成されている、請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記第1ポケット消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端は、前記バリア消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端よりも前記フォトダイオードに近くなっており、
前記バリア消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端は、前記第2ポケット消滅拡散層の前記フォトダイオード側の端よりも前記フォトダイオードから遠くなっている、請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記第1ポケット消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.7マイクロメートル(μm)の位置に形成されている、請求項2記載の固体撮像装置。
- 前記第2ポケット消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.2マイクロメートル(μm)よりも浅い位置に形成されている、請求項2記載の固体撮像装置。
- 前記バリア消滅拡散層は、前記半導体基板の表面から深さ約0.4マイクロメートル(μm)の位置に形成されている、請求項2記載の固体撮像装置。
- 各画素セルは、前記転送トランジスタによって前記フォトトランジスタから読み出された前記信号電荷を電圧に変換するために形成された浮遊拡散層と、
前記浮遊拡散層に蓄積された前記信号電荷をリセットするために形成されたリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散層によって変換された前記電圧の変化を増幅またはインピーダンス変換するために設けられたソースフォロワとをさらに含んでいる、請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記複数の画素セルは、前記半導体基板にマトリックス状に配置されている、請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記駆動手段は、前記複数の画素セルを行方向に沿って駆動する垂直駆動回路と、
前記複数の画素セルを列方向に沿って駆動する水平駆動回路とを含んでいる、請求項11記載の固体撮像装置。 - 請求項2記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記深いN型フォトダイオード拡散層から前記転送トランジスタまでの電位を滑らかに変化させるための電位平滑化手段を形成する電位平滑化手段形成工程と、
前記電位平滑化手段形成工程の後で、前記入射光を前記信号電荷に変換して蓄積する前記フォトダイオードを形成するフォトダイオード形成工程と、
前記フォトダイオード形成工程の後で、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を読み出すための前記転送トランジスタを形成する転送トランジスタ形成工程とを包含しており、
前記電位平滑化手段形成工程は、前記第1ポケット消滅拡散層を形成する第1ポケット消滅拡散層形成工程と、前記バリア消滅拡散層を前記第1ポケット消滅拡散層の上に形成するバリア消滅拡散層形成工程と、前記第2ポケット消滅拡散層を前記バリア消滅拡散層の上に形成する第2ポケット消滅拡散層工程とを含み、互いに異なる3種類のエネルギーによって不純物を注入することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記電位平滑化手段形成工程によって注入される前記不純物は、前記半導体基板と同電型のイオンである、請求項13記載の固体撮像装置の製造方法。
- 第1ポケット消滅拡散層形成工程は、前記第1ポケット消滅拡散層を形成するために第1エネルギーによって前記不純物を注入し、
前記バリア消滅拡散層形成工程は、前記バリア消滅拡散層を形成するために前記第1エネルギーよりも小さい第2エネルギーによって前記不純物を注入し、
前記第2ポケット消滅拡散層工程は、前記第2ポケット消滅拡散層を形成するために前記第2エネルギーよりも小さい第3エネルギーによって前記不純物を注入する、請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記第1ポケット消滅拡散層形成工程は、加速電圧300キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1012/cm2によって前記不純物を注入し、
前記バリア消滅拡散層形成工程は、加速電圧100キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量8.0×1011/cm2によって前記不純物を注入し、
前記第2ポケット消滅拡散層工程は、加速電圧10キロエレクトロンボルト(keV)、ドーズ量4.0×1011/cm2によって前記不純物を注入する、請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記不純物は、ボロンイオンである、請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。
- 半導体基板にマトリックス状に配置された複数の画素セルと、
各画素セルを駆動するために設けられた駆動手段とを具備しており、
各画素セルは、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を読み出すために設けられた転送ゲートとを有し、
前記フォトダイオードは、前記半導体基板に形成された浅いP型フォトダイオード拡散層と、前記浅いP型フォトダイオード拡散層と前記転送ゲートとの間において前記半導体基板の表面に露出するように前記浅いP型フォトダイオード拡散層の下側に形成された深 いN型フォトダイオード拡散層とを含み、
前記転送ゲートの下側に、前記フォトダイオードから前記転送ゲートまでの電位が滑らかに変化するように形成された、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さを有する3つの拡散層を含む電位平滑化手段とを備えることを特徴とするインターライン転送型CCDイメージセンサ。 - 前記転送ゲートによって前記フォトダイオードから読み出された前記信号電荷を垂直方向に沿って転送するために、列方向に配置された各画素セルに隣接して互いに所定の間隔を空けて垂直方向に沿って配置された垂直転送CCDをさらに具備する、請求項18記載のインターライン転送型CCDイメージセンサ。
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