JP3712516B2 - Solid-state imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるブルーミングを防止し、また電子シャッタを機能させるために、画素(フォトセル)内に余分な蓄積電荷を排出する電荷掃き捨て部を有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子、例えばCCD(Charge Coupled Device) における電荷掃き捨て部としては、通常の横形のオーバフロードレインLOD(Lateral Overflow Drain)と、ウェル電位を制御して余分な電荷を基板側に散失させる縦形のVOD(Vertical Overflow Drain) が存在する。
横形のオーバフロードレインは、電荷蓄積層に隣接した基板表面に上方の制御電極により電位が変わる電位障壁層と並べて配置され、制御電極の印加電圧に応じて余剰電荷を取り込み、これによって蓄積電荷層の容量調整を行うものである。
【0003】
図10は、横形のオーバフロードレイン例を示すCCDの画素アレイの部分的な平面図である。また、図11は、図10のD−D線に沿った断面図、図12は当該オーバフロードレインの動作を示す図10のD−D線に沿った断面のポテンシャル図である。
【0004】
図10に例示する画素アレイ100では、画素を構成するセル(フォトセル)がアレイ状に配置されている。各フォトセル内は、入射光を主として受光し光電変換後に一時的に蓄積する電荷蓄積部102と、転送電極104の配置領域と、転送電極104と直行する電荷転送方向に延びて転送チャネルを形成し、隣接するチャネル間の電気的な分離を行うチャネル分離層C/Sの配置領域とに大別される。
チャネル分離層C/Sは、図11に示すように、隣接するフォトセルの2つの電荷蓄積部102,102の間で部分的に分断され、当該分断箇所には、隣接する2つのフォトセル間で共有する電荷掃き捨て部106が設けられている。
【0005】
この電荷掃き捨て部106は、p型半導体基板108のnウェル110内の表面側に設けられた中央のn+ 領域112と、その左右のp- 領域114と、第1層間絶縁膜116の開口部116aを介して前記n+ 領域112に接続された制御電極118とから構成される。制御電極118は、前記転送電極104と同層の導電化ポリシリコン膜からなるパッド層120と、当該パッド層120上に第2層間絶縁層122を介して積層され、前記チャネル分離層C/Sに沿って配線された金属配線層124とから構成され、パッド層120と金属配線層124は電荷掃き捨て部106の中央部で短絡されている。なお、図11中の符号102aは、電荷蓄積部102の表面側に設けられ、基板表面付近の電荷蓄積を防止して特性向上を図るためのp+ 領域を示す。
上記構成の電荷掃き捨て部106では、n+ 領域112をドレイン、電荷蓄積部102をソース、第1層間絶縁層116をゲート絶縁膜、制御電極118を構成するパッド層120をゲート電極とし、ドレインとゲートが短絡されチャネルがリング形のMOSFETが構成されている。
【0006】
このMOSFETのリング形のチャネル形成領域に位置するp- 領域114は、電荷蓄積部102に対して電位障壁層として機能し、制御電極118の印加電圧に応じて、p- 領域114部分のポテンシャルバリアの高さを変えることができる。
図12(a)に示す制御電極118がある程度低いバイアス状態のとき、p- 領域114の電位が低く所定高さのポテンシャルバリアを形成している。このため、ポテンシャルバリアの初期高さに応じて電荷蓄積部102に、ある一定量まで電荷(電子)を蓄積できる。すなわち、p- 領域114は、電荷蓄積部102に所定量の電荷が蓄積するのに必要なポテンシャルバリアの高さが得られるように、その大きさと濃度プロファイルが設定されている。この状態で、例えば強い光が当該CCDに入射された場合等にあっては、その余分な電荷がポテンシャルバリアを越えてn+ 領域112に導かれ、制御電極118に捨てられることから、有効にブルーミングが抑止される。
【0007】
一方、リセット動作等、電荷蓄積層102を空にしたい場合にあっては、制御電極118にある程度高い正の電圧を印加すると、図12(b)に示すように、p- 領域114の電位が上昇してポテンシャルバリアがつぶれ、電荷蓄積層102の蓄積可能な電荷量(容量)がほぼゼロになる。このため、殆ど全ての蓄積電荷がn+ 領域112を通って制御電極118に排出される。
また、シャッタ機能が働いて段階的な短い時間だけ光の入射が許可される場合にあっては、シャッタ時間に応じて制御電極118の印加電圧を調整する。この電圧調整によってポテンシャルバリアの高さが変化し、入射光量に対し最適な電荷蓄積層102の容量が得られる結果、必要な電荷量とブルーミング抑制の両立が可能となる。
【0008】
上記したドレイン・ゲート間が短絡されたMOSFET構造の電荷掃き捨て部106は、制御電極118が電荷掃き捨て電極を兼用し、それだけ構造が簡素化されているといった利点がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来の電荷掃き捨て部106では、リング状のp- 領域114がある程度の幅を有していないと、パッド層120による電界の支配力が充分でなくなり、ポテンシャルバリア高さの制御性が著しく低下してしまう。したがって、p- 領域114の幅で規定されるポテンシャルバリアの幅をサブミクロン領域にすることが構造上できなかった。
一般に、画素(フォトセル)の縮小化を図る上においては、この電荷掃き捨て部やチャネル分離層といった受光感度を有しない部分の専有面積を極力減らすことが重要となるが、上述した従来構造の電荷掃き捨て部106は、p- 領域114の幅がネックとなって今以上の面積縮小化が図れないという不利益があった。
CCDに限らず多くの固体撮像素子では、有効画素数を多くするにはセル面積の縮小化が必須であり、現行のフォトリソグラフィ技術の実力ではチャネル分離層C/Sや制御電極の幅をサブミクロン以下にできるにもかかわらず、上記理由により電荷掃き捨て部の面積縮小化が一向に進まない状況にある。
【0010】
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、電荷掃き捨て機能の制御性を犠牲にすることなく専有面積の縮小が図りやすい新たな構造の電荷掃き捨て部を有する固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述した従来技術の問題点を解決し、上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、半導体層内に、信号電荷を生成し蓄積する第1導電型の電荷蓄積部と、当該電荷蓄積部に隣接し、前記半導体層上の制御電極への印加電圧に応じて電荷蓄積部内の蓄積電荷を制御電極に引き抜く電荷掃き捨て部とを有する固体撮像装置であって、前記電荷掃き捨て部は、前記制御電極が接する前記半導体層内の表面側に設けられ前記電荷蓄積部と同じ第1導電型の第1の不純物領域と、前記半導体層内で前記第1の不純物領域の周囲を囲み、かつ前記電荷蓄積部に接する逆導電型である第2導電型の第2の不純物領域と、を有し、前記第1の不純物領域、前記第2の不純物領域および前記電荷蓄積部から形成される接合型トランジスタにより、前記電荷掃き捨て部のポテンシャルバリア高さを制御する。
【0012】
この電荷掃き捨て部は、その画素内の専有面積を低減するには隣接する画素間で共有することが望ましい。この場合、チャネル分離層を挟んで2つの電荷蓄積部が隣接している必要があるが、このような画素構成の固体撮像装置として、例えばVPCCD(Virtual Phase CCD) 等、電荷蓄積部(受光部)が転送チャネルを兼用する固体撮像装置がある。
かかる固体撮像装置は、前記電荷蓄積部が信号電荷の転送チャネルと兼用することから、その転送電荷が送られてくる側に、当該電荷蓄積部と電位差を有し転送電荷の逆流を防止する電位障壁層を有することがある。この場合、電位障壁層はチャネル分離層と接し、しかもその接触部分のチャネル分離層が幅広に形成されていることが望ましい。高速で多量に送られてくる電送電荷の流れが直接電荷掃き捨て部に当たり、そのポテンシャルバリアを乗り越えて無駄に捨てられることがないように、電荷の流れをチャネル分離層の幅広部分でブロックするためである。
【0013】
このような構成の固体撮像装置では、第1および第2の不純物領域と電荷蓄積部との間でnpn型又はpnp型の接合トランジスタ形不純物構造が形成されている。このため、制御電極の印加電圧を所定バイアス方向に上げていくと、外側の第1の不純物領域と電荷蓄積部から空乏層が延び、第2の不純物領域が完全空乏化した後、いわゆるパンチスルー現象により電流が流れ(電荷が移動し)始める。この電荷の移動が始まる制御電極への印加電圧値は、主に接合トランジスタを構成する各領域の濃度プロファイルで決まり、特に第2の不純物領域の濃度プロファイルは当該電荷掃き捨て部のポテンシャルバリアの高さを決める重要な要素の一つとなっている。したがって、第2の不純物領域の濃度プロファイルを浅くして薄くしていったときに、そのバリア高さの制御性が従来のように急激に低下することがない。また、第1の不純物領域の周囲を囲んで第2の不純物領域が形成されていることから、広い面積で空乏化が起こる。以上の2つの理由から、本発明の固体撮像装置の電荷掃き捨て部は、特にポテンシャルバリアの高さを左右する中間の第2の不純物領域を従来の中間領域(例えば、図11のp- 領域114)よりも幅狭にでき、そのぶん電荷掃き捨て部の専有面積を小さくできる。
【0014】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体層内に、信号電荷を生成し蓄積する電荷蓄積部と、当該電荷蓄積部に隣接し、前記半導体層上の制御電極への印加電圧に応じてポテンシャルバリアを接合型トランジスによって制御し、前記電荷蓄積部内の蓄積電荷を制御電極に引き抜く電荷掃き捨て部とを形成する固体撮像装置の製造方法であって、前記電荷掃き捨て部の形成工程として、前記半導体層上に成膜した層間絶縁層に開口部を形成する工程と、前記半導体層内の表面側に、前記層間絶縁層の開口部を通して前記電荷蓄積部と同じ第1導電型の不純物を導入し、第1の不純物領域を形成する工程と、前記半導体層内で前記第1の不純物領域の周囲を囲み、かつ前記電荷蓄積部に接する位置に、前記第1の不純物領域および前記電荷蓄積部とともに前記接合型トランジスタを構成する、前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の第2の不純物領域を形成する工程とを有し、その後、前記層間絶縁層上に、前記開口部を介して前記第1の不純物領域に接続するかたちで前記制御電極を形成する。
【0015】
このように第1の不純物領域を囲んで第2の不純物領域を形成するために、好適には、互いに逆導電型で拡散定数の異なる2種類の不純物を前記開口部を介して前記半導体層に導入した後、熱処理を行うと、第1および第2の不純物領域の一括形成が可能である。
また、第2の不純物領域は、従来の中間領域(例えば、図11のp- 領域114)と比較するとより高濃度でもポテンシャルバリアとして機能できることから、その濃度によってはチャネル分離層のイオン注入で同時形成できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体撮像装置を、VPCCDを例として図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係るVPCCDの画素アレイの部分的な平面図である。また、図2は、図1のA−A線に沿った断面図、図3は図1のB−B線に沿った断面図、図4(a)は図1のC−C線に沿った断面図、図4(b)は当該VPCCDの電荷転送動作を示す図1のC−C線に沿ったポテンシャル図、図5は電荷掃き捨て部の動作を示す図1のA−A線に沿った断面のポテンシャル図である。
【0017】
この図1に示す画素アレイ1では、画素を構成するセル(フォトセル)がアレイ状に配置されている。各フォトセル内は、入射光を主として受光し光電変換後に一時的に蓄積する電荷蓄積部2と、転送電極4の配置領域と、転送電極4と直行する電荷転送方向両側に延びて、これにより形成されうる転送チャネル間の電気的な分離を行うチャネル分離層C/Sの配置領域とに大別される。
チャネル分離層C/Sは、隣接するフォトセルの2つの電荷蓄積部2,2の間で部分的に分断され、当該分断箇所には、隣接する2つのフォトセル間で共有する電荷掃き捨て部6が設けられている。
【0018】
本実施形態の電荷掃き捨て部6は、図2および図3の断面に示すように、例えばp型の半導体基板8のnウェル10内の表面側に設けられた第1の不純物領域(n+ 領域12)と、基板内でn+ 領域12の周囲を囲む第2の不純物領域(p領域14)と、層間絶縁膜16の開口部16aを介して前記n+ 領域12に接続された制御電極18とから構成される。この電荷掃き捨て部6は、図2の断面方向では電荷蓄積部2と接し、図3の断面方向では前記チャネル分離層C/Sと接している。チャネル分離層C/Sは、nウェル10を深さ方向に貫いて半導体基板のバルク領域に達するp+ 不純物領域から構成されている。本例における層間絶縁膜16は、図3に示すように、下層絶縁膜20と上層絶縁膜22とから構成され、両絶縁膜20,22の間に転送電極4が積層されている。また、制御電極18は、前記チャネル分離層C/Sに沿って配線されている。
図2の断面における電荷蓄積部2は、その前記nウェル10部分に電荷(電子)を蓄積するもので、そのnウェル10表面側にはp+ 領域24が設けられている。このp+ 領域24は、半導体層の表面付近に電荷が蓄積されることを防止し、これによってnウェル10と基板8とによるフォトダイオードが埋め込みチャネル型となっている。
【0019】
上記構成の電荷掃き捨て部6のn+ 領域12とp領域14は、図2の断面方向で、前記電荷蓄積部2のnウェル10部分とともにnpn型の接合トランジスタ不純物構造を形成している。このうち、特にp領域14の濃度プロファイルは、当該電荷掃き捨て部6のポテンシャルバリアの高さを決める上で重要な要素であり、最適な濃度プロファイルを得るために、p領域14の不純物導入濃度や深さが設定されている。
【0020】
ところで、VPCCDは電荷転送を1相パルスで行う単相駆動型であり、電荷転送方向の断面構造に特徴がある。
すなわち、図4(a)に示すように、表面にp+ 領域24を有する電荷蓄積部2と転送電極4の配置領域それぞれのnウェル10内は、転送方向側に位置し、より電荷が蓄積しやすいウェル部と、当該ウェル部に対し電位障壁となり電荷の逆流を防止するバリア部といった互いに電位が異なる領域に2分されている。その所定電位差は、例えば不純物濃度を変えることによって実現されている。このウェル部,バリア部は、電荷蓄積部2においてはそれぞれVW部,VB部と称され、転送電極4の配置領域においてはそれぞれPW部,PB部と称される。
【0021】
VPCCDは、主として入射光を光電変換し蓄積する電荷蓄積部(VW部,VB部)が、電位転送方向両側のパルス制御部(PW部,PB部)とともに電荷転送チャネルを兼用し、しかも、その電位が電荷転送を1相パルスで行う際のパルス制御部の電位振幅の中間に固定されている。
このため、電荷蓄積部2は電荷転送動作において電位固定の仮想ゲートとして機能する。つまり、図4(b)に示す例では、転送電極4の印加電圧が高い“ハイ(H)”のときに、パルス制御部の電位が電荷蓄積部2より高くなって隣接する電荷蓄積部のVW部から蓄積電荷(電子)が当該パルス制御部に送られ、そのPW部に溜められる。つぎに、転送電極4の印加電圧が低い“ロー(L)”の状態となると、PW部の電位が転送方向に隣接するセルのVB部より低くなるので、その電位障壁を乗り越えて当該隣接セルのVW部に移される。このように転送電極4の印加パルスの“H”と“Lで、即ち印加パルスごとに蓄積電荷が転送方向に隣接するセル(フォトセル)に送られる。この垂直転送された信号電荷は、図示しないメモリ部に1フレーム分移送されたところで、今度は水平転送されて当該VPCCDから外部に出力される。
【0022】
つぎに、電荷掃き捨て部の動作を説明する。
図5は、図1のA−A線に沿った断面のポテンシャル図である。
この電荷掃き捨て部6は、電荷蓄積部2に対して電位障壁層として機能し、制御電極18の印加電圧に応じて、そのポテンシャルバリアの高さを変えることができる。すなわち、この電荷掃き捨て部6では前述したようにnpn型の接合トランジスタ形不純物構造が形成されているため、制御電極の印加電圧を所定バイアス方向に上げていくと、両外側のn+ 領域12と電荷蓄積部2のnウェル10部分から空乏層が内側に延び、中間のp領域14が完全空乏化した後、いわゆるパンチスルー現象により電流が流れ(電荷が移動し)始める。この電荷の移動が始まる制御電極18への印加電圧値は、主に接合トランジスタを構成する各領域の濃度プロファイルで決まり、これによって当該電荷掃き捨て部6のポテンシャルバリアが所定高さに設定されている。
【0023】
図5(a)に示す制御電極18がある程度低いバイアス状態のとき、p領域14の電位が低く所定高さのポテンシャルバリアを形成している。このため、ポテンシャルバリアの初期高さに応じて電荷蓄積部2のnウェル10部分に、ある一定量まで電荷(電子)を蓄積できる。すなわち、電荷蓄積部2に所定量の電荷が蓄積するのに必要なポテンシャルバリアの高さが得られるように、p領域14の大きさと濃度プロファイルが設定されている。この状態で、例えば強い光が当該CCDに入射された場合等にあっては、その余分な電荷がポテンシャルバリアを越えてn+ 領域12に導かれ、制御電極18に捨てられる。したがって、この過剰電荷が周囲のフォトセルに流れ込んで転送されることがなく、この結果、過剰電荷のチャネル転送によって垂直の帯状に明るい部分が画面上に現れるブルーミングが有効に抑止される。
【0024】
一方、リセット動作等、電荷蓄積部2を空にしたい場合にあっては、制御電極18にある程度高い正の電圧を印加すると、図5(b)に示すように、p領域14の電位が上昇してポテンシャルバリアがつぶれ、電荷蓄積部2の蓄積可能な電荷量(容量)がほぼゼロになる。このため、殆ど全ての蓄積電荷がn+ 領域12を通って制御電極18に排出される。
また、シャッタ機能が働いて段階的な短い時間だけ光の入射が許可される場合にあっては、シャッタ時間に応じて制御電極18の印加電圧を調整する。この電圧調整によってポテンシャルバリアの高さが変化し、入射光量に最適な電荷蓄積部2の容量が得られる結果、必要な電荷量とブルーミング抑制の両立が可能となる。
【0025】
従来の電荷掃き捨て部では、MOSFETの閾値がポテンシャルバリア高さを決めていたが、本発明ではパンチスルー現象を利用していることから、比較的に高い電圧をかけて初めて電流が流れだす。すなわち、本発明では高いポテンシャルバリア高さが得られやすい。また、p領域14の濃度プロファイルを浅くして薄くしていったときに、そのバリア高さの制御性が従来のように急激に低下することがない。さらに、n+ 領域12の周囲を囲んでp領域14が形成されていることから、広い面積で空乏化が起こる。
以上の理由から、本電荷掃き捨て部6は、特にポテンシャルバリアの高さを大きく左右する要素の一つである中間のp領域14の幅を狭くでき、そのぶん従来より電荷掃き捨て部6の専有面積を小さくできる利点がある。
【0026】
つぎに、電荷掃き捨て部6の変形例について、図面を参照しながら説明する。
【0027】
図1の配置例では、電荷掃き捨て部6の製造過程において、そのフォトマスクのアライメントずれによって、電荷掃き捨て部6を構成する何れかの層又は領域が他に対し図1の左右方向にずれると例えばポテンシャルバリアの高さに代表される所望の特性が得られなくなる。
この不都合を回避するために、電荷掃き捨て部6を、図6に示すように各セルの左右に設けることができる。本発明における電荷掃き捨て部6はサイズが小さいので、このような配置にしても専有面積が余り増大しない。
また、電荷掃き捨て部6は1列おきに設けてもよいが、図7に示すようにチェック状、即ち行方向,列方向ともに1セルおきに設けてもよい。
【0028】
図2の断面構造では、電荷掃き捨て部6の制御電極18をメタル層のみで形成したが、図8に示すように、転送電極4と同じ階層で同時形成されるポリパッド層30をメタル層とn+ 領域12との間に介在させたポリコンタクト構造としてもよい。
【0029】
さらに、図9に示す変形例では、電荷が流入する側のチャネル分離層C/S部分が、例えば電荷掃き捨て部6の周囲を一部囲むように幅広に形成され、この幅広部分で電荷蓄積部2の電位障壁層(VB部)に接している。高速で多量に送られてくる電送電荷の流れが直接電荷掃き捨て部6に当たり、そのポテンシャルバリアを乗り越えて無駄に捨てられることがないように、この電荷の流れをチャネル分離層C/Sの幅広部分でブロックするためである。
【0030】
以上の構成を有する電荷掃き捨て部6の製造において、望ましくは、n+ 領域12とp領域14の形成を同時に自己整合的に行う。
まず、用意したp型の半導体基板8の表面にnウェル10を、例えばイオン注入法により形成し、その後、層間絶縁層16に開口部16aを通常のフォトリソグラフィ加工技術を用いて形成する。次いで、この開口部16aを通して例えばイオン注入を2度行う。このとき、n+ 領域12とp領域14の導入不純物として、例えば砒素とボロンの如く、互いに拡散定数が異なる不純物を選定する。そして、所定の熱処理を行うと、拡散定数が大きな不純物(例えば、ボロン)が他の不純物(例えば、砒素)より基板深部まで到達し、その結果、図2に示す2重拡散構造のn+ 領域12とp領域14を得ることができる。
以後は、n+ 領域12と接続する制御電極18を形成する。
なお、ポリパッド層30(図8)を形成する場合は、層間絶縁層16の形成途中、即ち下層絶縁膜20を成膜し開口させた後にn+ 領域12と接続するポリパッド層30を形成し、その上に上層絶縁膜22として例えばBPSG膜を成膜し開口した後、メタル層(制御電極18)をポリパッド層30と接続するかたちで形成する。
【0031】
なお、チャネル分離層C/Sの形成は、通常、nウェル10の形成後、電荷掃き捨て部6の形成前に行うイオン注入等により行うが、このチャネル分離層C/Sの形成と同時にp領域14を予め形成しておくと、電荷掃き捨て部6の形成工程が簡略化される意味で、好ましい。ただし、両者の濃度プロファイル差が無くなるので、そのことが特性上無視できないようであればチャネル分離層C/Sに追加イオン注入を行うか、上述のごとく両者を別個に形成する必要がある。
【0032】
なお、以上はフレーム転送方式、なかでも単層駆動のVPCCDを例としたが、CCDの転送方式に限定はない。また、CCD以外の他の固体撮像デバイスにも本発明は適用可能である。
【0033】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像装置によれば、電荷掃き捨て部の第1および第2の不純物領域と電荷蓄積部とから、接合トランジスタの不純物構造が形成されるので、いわゆるパンチスルー現象によって電荷掃き捨て動作が行われ、そのためポテンシャルバリアの高さを従来のMOSFET構造の電荷掃き捨て部よりは高くでき、特に第2の不純物領域幅を縮小化してポテンシャルバリアの高さに対する制御性が急速に低下するようなことがない結果、電荷掃き捨て部の専有面積を従来より小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るVPCCDの画素アレイの部分的な平面図である。
【図2】図1のA−A線に沿った断面図である。
【図3】図1のB−B線に沿った断面図である。
【図4】図4(a)は図1のC−C線に沿った断面図、図4(b)はVPCCDの電荷転送動作を示す図1のC−C線に沿ったポテンシャル図である。
【図5】電荷掃き捨て部の動作を示す図1のA−A線に沿った断面のポテンシャル図であり、図5(a)は低バイアス状態、図5(b)は充分にバイアス電圧を印加した状態を示す。
【図6】電荷掃き捨て部の配置数に関する変形例を示す画素アレイの一部平面図である。
【図7】電荷掃き捨て部の配置の仕方に関する変形例を示す画素アレイの一部平面図である。
【図8】電荷掃き捨て部の制御電極構造に関する変形例を示す断面図である。
【図9】電荷掃き捨て部に周囲のチャネル分離層に関する変形例を示す画素アレイの一部平面図である。
【図10】従来の横形のオーバフロードレイン例を示すCCD画素アレイの部分的な平面図である。
【図11】図10のD−D線に沿った断面図である。
【図12】 オーバフロードレインの動作を示す図10のD−D線に沿った断面のポテンシャル図であり、図12(a)は低バイアス状態、図12(b)は充分にバイアス電圧を印加した状態を示す。
【符号の説明】
1…画素アレイ、
2…電荷蓄積部、
4…転送電極、
6…電荷掃き捨て部、
8…半導体基板、
10…nウェル、
12…n+ 領域(第1の不純物領域)、
14…p領域(第2の不純物領域)、
16…層間絶縁層、16a…開口部、
18…制御電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device having a charge sweeping unit that discharges excess accumulated charges in a pixel (photocell) and a manufacturing method thereof in order to prevent so-called blooming and to function an electronic shutter.
[0002]
[Prior art]
As a charge sweeping unit in a solid-state imaging device, for example, a CCD (Charge Coupled Device), there are a normal horizontal overflow drain LOD (Lateral Overflow Drain) and a vertical type that controls the well potential to dissipate excess charges to the substrate side. VOD (Vertical Overflow Drain) exists.
The horizontal overflow drain is arranged on the substrate surface adjacent to the charge storage layer in parallel with the potential barrier layer whose potential is changed by the upper control electrode, and takes in the surplus charge according to the applied voltage of the control electrode. The capacity is adjusted.
[0003]
FIG. 10 is a partial plan view of a CCD pixel array showing an example of a horizontal overflow drain. 11 is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 10, and FIG. 12 is a potential diagram of the cross section taken along the line DD in FIG. 10 showing the operation of the overflow drain.
[0004]
In the
As shown in FIG. 11, the channel separation layer C / S is partially divided between the two
[0005]
The charge sweeping portion 106 includes a central n + region 112 provided on the surface side in the n well 110 of the p-
In the charge sweeping unit 106 configured as described above, the n + region 112 is a drain, the
[0006]
The p − region 114 located in the ring-shaped channel formation region of the MOSFET functions as a potential barrier layer with respect to the
When the
[0007]
On the other hand, the reset operation and the like, in a case to be a
When the shutter function is activated and light is allowed to enter for a short time, the voltage applied to the
[0008]
The above-described charge sweeping portion 106 having a MOSFET structure in which the drain and gate are short-circuited has the advantage that the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional charge sweep-out unit 106, if the ring-shaped p − region 114 does not have a certain width, the dominant force of the electric field by the
In general, in order to reduce the size of a pixel (photocell), it is important to reduce as much as possible the area occupied by the charge sweeping portion and the channel separation layer that does not have light receiving sensitivity. The charge sweeping unit 106 has a disadvantage that the area of the charge sweeping unit 106 cannot be further reduced due to the width of the p − region 114.
In many solid-state imaging devices, not limited to CCDs, it is essential to reduce the cell area in order to increase the number of effective pixels. With the current photolithography technology, the width of the channel separation layer C / S and the control electrode can be reduced. Despite being able to be made smaller than a micron, the area of the charge sweep-out portion is not reduced at all due to the above reasons.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and a solid-state imaging device having a charge sweeping portion having a new structure that can easily reduce the occupied area without sacrificing controllability of the charge sweeping function, and a method for manufacturing the same The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems of the prior art and achieve the above-described object, a solid-state imaging device of the present invention includes a first conductivity type charge accumulation unit that generates and accumulates signal charges in a semiconductor layer, A solid-state imaging device having a charge sweeping unit adjacent to the charge storage unit and pulling out the accumulated charge in the charge storage unit to the control electrode in accordance with a voltage applied to the control electrode on the semiconductor layer, A first impurity region of the same first conductivity type as the charge storage portion provided on a surface side in the semiconductor layer that is in contact with the control electrode, and a periphery of the first impurity region in the semiconductor layer. surrounding and forming from said and a second impurity region of the second conductivity type is an opposite conductivity type in contact with the charge storage part, wherein the first impurity region, the second impurity region and said charge storage portion The junction type transistor Controlling the potential barrier height of the load sweep unit.
[0012]
This charge sweeping portion is desirably shared between adjacent pixels in order to reduce the area occupied by the pixel. In this case, the two charge storage units need to be adjacent to each other with the channel separation layer interposed therebetween. As a solid-state imaging device having such a pixel configuration, for example, a charge storage unit (light receiving unit) such as a VPCCD (Virtual Phase CCD) or the like. ) Is a solid-state imaging device that also serves as a transfer channel.
In such a solid-state imaging device, since the charge storage unit is also used as a signal charge transfer channel, a potential that has a potential difference from the charge storage unit on the side to which the transfer charge is sent and prevents backflow of the transfer charge. May have a barrier layer. In this case, it is desirable that the potential barrier layer is in contact with the channel separation layer and the channel separation layer at the contact portion is formed wide. In order to block the flow of charge at the wide part of the channel separation layer so that the flow of electric charge that is sent in large quantities at high speed directly hits the charge sweeping part and does not get over the potential barrier and is wasted. It is.
[0013]
In the solid-state imaging device having such a configuration, an npn-type or pnp-type junction transistor type impurity structure is formed between the first and second impurity regions and the charge storage portion. For this reason, when the voltage applied to the control electrode is increased in the predetermined bias direction, a depletion layer extends from the outer first impurity region and the charge storage portion, and the second impurity region is completely depleted, and so-called punch-through is performed. Current starts to flow (charge moves) due to the phenomenon. The applied voltage value to the control electrode where the movement of the charge starts is mainly determined by the concentration profile of each region constituting the junction transistor. In particular, the concentration profile of the second impurity region is the high potential barrier of the charge sweeping portion. It is one of the important factors that determine the degree. Therefore, when the concentration profile of the second impurity region is made shallower and thinner, the controllability of the barrier height does not drop abruptly as in the prior art. Further, since the second impurity region is formed so as to surround the first impurity region, depletion occurs in a wide area. For the above two reasons, the charge sweep-out unit of the solid-state imaging device according to the present invention particularly replaces the intermediate second impurity region that influences the height of the potential barrier with a conventional intermediate region (for example, the p − region in FIG. 11). 114), and the area occupied by the charge sweeping portion can be reduced.
[0014]
According to a method of manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a charge accumulation unit that generates and accumulates signal charges in a semiconductor layer, and a voltage applied to a control electrode on the semiconductor layer adjacent to the charge accumulation unit. A method of manufacturing a solid-state imaging device in which a potential barrier is controlled by a junction type transistor to form a charge sweeping unit that extracts a stored charge in the charge storage unit to a control electrode, and as a step of forming the charge sweeping unit A step of forming an opening in an interlayer insulating layer formed on the semiconductor layer, and an impurity of the same first conductivity type as the charge storage portion through the opening of the interlayer insulating layer on the surface side in the semiconductor layer And forming the first impurity region, and surrounding the first impurity region in the semiconductor layer and in contact with the charge storage portion, the first impurity region and the charge Accumulation Constituting the junction type transistor with, and forming a second impurity region of the second conductivity type wherein a first conductivity type and the opposite conductivity type, then, in the interlayer insulating layer, the opening The control electrode is formed so as to be connected to the first impurity region through the portion.
[0015]
In order to form the second impurity region so as to surround the first impurity region in this way, preferably, two types of impurities having opposite conductivity types and different diffusion constants are introduced into the semiconductor layer through the opening. When the heat treatment is performed after the introduction, the first and second impurity regions can be collectively formed.
In addition, the second impurity region can function as a potential barrier even at a higher concentration than the conventional intermediate region (for example, the p − region 114 in FIG. 11). Can be formed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking VPCCD as an example.
FIG. 1 is a partial plan view of a pixel array of a VPCCD according to this embodiment. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 1, and FIG. 4A is taken along the line CC in FIG. 4B is a potential diagram along the line CC in FIG. 1 showing the charge transfer operation of the VPCCD, and FIG. 5 is a line AA in FIG. 1 showing the operation of the charge sweeping unit. It is a potential diagram of a section along.
[0017]
In the
The channel separation layer C / S is partially divided between the two
[0018]
As shown in the cross sections of FIGS. 2 and 3, the
The
[0019]
The n + region 12 and the
[0020]
By the way, the VPCCD is a single-phase drive type in which charge transfer is performed by one-phase pulse, and has a feature in a cross-sectional structure in the charge transfer direction.
That is, as shown in FIG. 4A, the
[0021]
In the VPCCD, a charge storage unit (VW unit, VB unit) that mainly photoelectrically converts incident light and stores it also serves as a charge transfer channel together with a pulse control unit (PW unit, PB unit) on both sides of the potential transfer direction. The potential is fixed to the middle of the potential amplitude of the pulse control unit when charge transfer is performed by one-phase pulse.
For this reason, the
[0022]
Next, the operation of the charge sweeping unit will be described.
FIG. 5 is a potential diagram of a cross section taken along the line AA of FIG.
The charge
[0023]
When the
[0024]
On the other hand, when it is desired to empty the
When the shutter function is activated and light is allowed to enter for a short time, the voltage applied to the
[0025]
In the conventional charge sweep-out unit, the threshold value of the MOSFET determines the height of the potential barrier. However, since the present invention uses the punch-through phenomenon, a current flows only when a relatively high voltage is applied. That is, in the present invention, a high potential barrier height is easily obtained. In addition, when the concentration profile of the
For the above reason, the
[0026]
Next, a modified example of the charge sweep-out
[0027]
In the arrangement example of FIG. 1, in the manufacturing process of the
In order to avoid this inconvenience, the
Further, the charge sweep-out
[0028]
In the cross-sectional structure of FIG. 2, the
[0029]
Further, in the modification shown in FIG. 9, the channel separation layer C / S portion on the side into which charges flow is formed so as to surround, for example, part of the periphery of the
[0030]
In the manufacture of the
First, the n-well 10 is formed on the surface of the prepared p-type semiconductor substrate 8 by, for example, ion implantation, and then the
Thereafter, the
In the case of forming the polypad layer 30 (FIG. 8), the
[0031]
The channel separation layer C / S is usually formed by ion implantation or the like performed after the formation of the n well 10 and before the formation of the
[0032]
The above is an example of a frame transfer method, in particular, a single-layer drive VPCCD, but the CCD transfer method is not limited. The present invention can also be applied to solid-state imaging devices other than CCDs.
[0033]
【The invention's effect】
According to the solid-state imaging device of the present invention, the impurity structure of the junction transistor is formed from the first and second impurity regions of the charge sweep-out unit and the charge storage unit. Therefore, the height of the potential barrier can be made higher than that of the charge sweeping portion of the conventional MOSFET structure, and in particular, the controllability with respect to the height of the potential barrier is rapidly reduced by reducing the width of the second impurity region. As a result, the area occupied by the charge sweeping portion can be made smaller than before.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial plan view of a pixel array of a VPCCD according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1. FIG.
4A is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 1, and FIG. 4B is a potential diagram taken along the line CC of FIG. 1 showing the charge transfer operation of the VPCCD. .
5 is a potential diagram of a cross section taken along the line AA in FIG. 1 showing the operation of the charge sweeping unit. FIG. 5 (a) shows a low bias state, and FIG. 5 (b) shows a sufficient bias voltage. The applied state is shown.
FIG. 6 is a partial plan view of a pixel array showing a modified example related to the number of arranged charge sweep-out portions.
FIG. 7 is a plan view of a part of a pixel array showing a modification of how to dispose the charge sweeping portion.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the control electrode structure of the charge sweep-out unit.
FIG. 9 is a partial plan view of a pixel array showing a modification of the surrounding channel separation layer in the charge sweeping portion.
FIG. 10 is a partial plan view of a CCD pixel array showing an example of a conventional horizontal overflow drain.
11 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
12 is a potential diagram of a cross section taken along the line DD of FIG. 10 showing the operation of the overflow drain. FIG. 12A is a low bias state, and FIG. 12B is a sufficiently bias voltage applied. Indicates the state.
[Explanation of symbols]
1 ... Pixel array,
2 ... charge storage part,
4 ... Transfer electrode,
6 ... Charge sweeper,
8 ... Semiconductor substrate,
10 ... n-well,
12... N + region (first impurity region),
14 ... p region (second impurity region),
16 ... interlayer insulating layer, 16a ... opening,
18: Control electrode.
Claims (8)
前記電荷掃き捨て部は、
前記制御電極が接する前記半導体層内の表面側に設けられ前記電荷蓄積部と同じ第1導電型の第1の不純物領域と、
前記半導体層内で前記第1の不純物領域の周囲を囲み、かつ前記電荷蓄積部に接する逆導電型である第2導電型の第2の不純物領域と、を有し、
前記第1の不純物領域、前記第2の不純物領域および前記電荷蓄積部から形成される接合型トランジスタにより、前記電荷掃き捨て部のポテンシャルバリア高さを制御する
固体撮像装置。 A charge accumulation unit of a first conductivity type that generates and accumulates signal charges in the semiconductor layer, and an accumulated charge in the charge accumulation unit adjacent to the charge accumulation unit and in accordance with a voltage applied to the control electrode on the semiconductor layer A solid-state imaging device having a charge sweeping unit that pulls out a control electrode,
The charge sweeping portion is
A first impurity region of the same first conductivity type as that of the charge storage portion provided on the surface side in the semiconductor layer in contact with the control electrode;
The surrounds of the first impurity region in the semiconductor layer, and has a second impurity region of the second conductivity type is an opposite conductivity type in contact with the charge storage unit,
A solid-state imaging device that controls a potential barrier height of the charge sweep-out unit by a junction transistor formed from the first impurity region, the second impurity region, and the charge storage unit .
請求項1に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge storage unit also serves as a signal charge transfer channel.
請求項2に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 2, wherein a potential barrier layer that has a potential difference from the charge storage unit and prevents backflow of the transfer charge is provided on a side to which the transfer charge of the charge storage unit is sent.
請求項1又は2に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge sweep-out unit is disposed between two charge storage units of adjacent pixels.
前記電位障壁層は、前記電荷蓄積部へ転送電荷が送られてくる側で前記チャネル分離層と接している
請求項3に記載の固体撮像装置。The charge sweeping unit is disposed with a channel separation layer between two charge storage units of adjacent pixels,
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the potential barrier layer is in contact with the channel separation layer on a side where transfer charges are sent to the charge storage unit.
請求項5に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the channel separation layer is formed to have a wide portion in contact with the potential barrier layer.
前記電荷掃き捨て部の形成工程として、前記半導体層上に成膜した層間絶縁層に開口部を形成する工程と、
前記半導体層内の表面側に、前記層間絶縁層の開口部を通して前記電荷蓄積部と同じ第1導電型の不純物を導入し、第1の不純物領域を形成する工程と、
前記半導体層内で前記第1の不純物領域の周囲を囲み、かつ前記電荷蓄積部に接する位置に、前記第1の不純物領域および前記電荷蓄積部とともに前記接合型トランジスタを構成する、前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の第2の不純物領域を形成する工程とを有し、
その後、前記層間絶縁層上に、前記開口部を介して前記第1の不純物領域に接続するかたちで前記制御電極を形成する
固体撮像装置の製造方法。A charge accumulation unit that generates and accumulates signal charges in a semiconductor layer, and a potential barrier height is controlled by a junction type transistor according to a voltage applied to a control electrode on the semiconductor layer adjacent to the charge accumulation unit. A method of manufacturing a solid-state imaging device that forms a charge sweeping unit that draws out the accumulated charge in the charge storage unit to a control electrode,
Forming the openings in an interlayer insulating layer formed on the semiconductor layer as a step of forming the charge sweeping portion;
Introducing a first conductivity type impurity, which is the same as that of the charge storage portion, through the opening of the interlayer insulating layer on the surface side in the semiconductor layer to form a first impurity region;
Forming the junction transistor together with the first impurity region and the charge storage portion at a position surrounding the first impurity region in the semiconductor layer and in contact with the charge storage portion; and a step of forming a mold and a second impurity region of the second conductivity type is an opposite conductivity type,
Thereafter, the control electrode is formed on the interlayer insulating layer so as to be connected to the first impurity region through the opening. A method for manufacturing a solid-state imaging device.
請求項7に記載の固体撮像装置の製造方法。The first and second impurity regions are collectively formed by introducing two types of impurities having opposite conductivity types and different diffusion constants into the semiconductor layer through the opening, and then performing a heat treatment. Item 8. A method for manufacturing a solid-state imaging device according to Item 7.
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