JP4542660B2 - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関するもので、特に水平電荷の伝送効率を向上させた固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に固体撮像素子は、光電変換素子と電荷結合素子を使用して被写体を撮像し、電気的な信号に変換して出力する装置をいう。
電荷結合素子は、光がマイクロレンズを通り、カラーフィールター層を経て光電変換素子(フォトダイオド)に入射して生成された信号電荷を基板内で電位の変動を利用して特定方向へ伝送する。固体撮像素子は複数の光電変換領域と、その光電変換領域の間に構成され、光電変換領域で生成された電荷を垂直方向へ伝送する垂直電荷伝送領域(VCCD)と、垂直電荷伝送領域で垂直方向へ運ばれてきた電荷を水平方向へ伝送する水平電荷伝送領域(HCCD)と、水平に伝送されてきた電荷をセンシングして増幅し、出力するフローティングディフュージョン領域とで構成されている。
【0003】
以下、添付の図面に基づき従来の固体撮像素子の製造方法を説明する。
図1aないし図1dは従来の水平電荷伝送素子の製造方法を示した工程断面図である。
図1aに示したように、N型半導体基板11の表面内にP-ウェル12領域を形成し、そのP-ウェル12領域内にN型埋め込みイオン注入を実施して水平方向に信号電荷を移動させるための電荷伝送チャンネルとして利用されるBCCD13領域を形成する。
【0004】
図1bに示したように、BCCD13領域が形成された半導体基板11上にゲート絶縁膜14を形成し、ゲート絶縁膜14上に第1ポリシリコン層(図面に図示しない)を形成する。続いて、第1ポリシリコン層が互いに分離されて残るようにパターニングして第1ポリゲート15を形成する。
【0005】
図1cに示したように、以後の工程で形成される第2ポリゲートでのピンチオフレベルを低くするためにP型バリアイオンを注入して第1ポリゲート15の両側の半導体基板11の表面内にバリア領域16を形成する。
【0006】
図1dに示したように、第1ポリゲート15を含む全面に層間絶縁膜17を形成し、層間絶縁膜17上に第2ポリシリコン層(図面に図示しない)を堆積し、選択的にエッチングしてバリア領域16の上部および第1ポリゲート15に一部分が重なるように第2ポリゲート18を形成する。
【0007】
図2は従来の水平電荷伝送素子のポテンシャルプロファイルである。
従来の水平電荷伝送素子の動作原理は図2のように、いずれか一つの第1、第2ポリゲート(15、18)に第1クロック信号(Hφ1)を加え、それと隣り合う第1、第2ポリゲート(15、18)に第2クロック信号(Hφ2)を加えて、光電変換された信号電荷を2位相クロックを利用して出力段に伝送する。すなわち、隣り合う第1、第2ポリゲート(15、18)に同一位相のクロック信号を加えても、バリア領域16によって第1、第2ポリゲート(15、18)のポテンシャルレベルがそれぞれ異なる。したがって、階段的に電荷を転送することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の固体撮像素子の製造方法においては次のような問題点がある。
すなわち、低速動作時は低い電位から高い電位に信号電荷が移動できる時間的余裕があるので、電荷伝送の効率面では大きな問題はない。しかし、高速動作時には信号電荷の移動時間が非常に短く、階段型の現構造では隣り合うゲートに信号電荷が完璧に移動しないことがあり、電荷伝送の効率が落ちる。したがって、水平電荷伝送素子の特性が低下する。
本発明は前記のような問題を解決するためになされたもので、低速および高速動作時に電荷伝送の効率を向上させ、水平電荷伝送特性を向上させた固体撮像素子およびその製造方法を提供することが目的である。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するための本発明による固体撮像素子は、第1導電型半導体基板の表面内に形成される第2導電型ウェル領域と、前記第2導電型ウェル領域内に形成される水平電荷伝送領域と、前記水平電荷伝送領域の一定領域に、一定の間隔で両先にバーズビーク部分を持って前記水平電荷伝送領域の表面より高く形成される絶縁膜と、前記絶縁膜を含む全面に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に繰り返して分離形成され、一側の一部分が前記絶縁膜と重なるように形成される第1ポリゲートと、前記第1ポリゲート両側のBCCD領域に形成される第1導電型不純物領域と、前記第1ポリゲートを含む全面に形成される層間絶縁膜と、前記第1ポリゲートと一部分が重なるように前記層間絶縁膜上に繰り返して形成される第2ポリゲートとを含むことを特徴とする。
【0010】
また、前記のような目的を達成するための本発明による固体撮像素子の製造方法は、第1導電型基板内に第2導電型ウェルを形成する段階と、前記第2導電型ウェル領域内に第1導電型不純物イオンを注入して水平電荷伝送領域を形成する段階と、前記水平伝送領域の一定領域にLOCOS工程で絶縁膜を形成する段階と、前記基板の全面にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンを蒸着し、互いに分離され繰り返して残るようにパターニングして第1ポリシリコンを形成する段階と、前記第1ポリゲートをマスクとして第1導電型不純物イオンを注入し、前記水平電荷伝送領域に第1導電型不純物領域を形成する段階と、前記第1ポリゲートを含む全面に層間絶縁膜を形成する段階と、前記第1ポリゲートに一部分が重なるように繰り返して第2ポリゲートを形成する段階とを含むことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明実施形態による固体撮像素子およびその製造方法を詳細に説明する。
図3は本発明による水平電荷伝送素子を示した構造断面図である。
本発明の水平電荷伝送素子はバリアイオン注入の工程によるバリア領域を形成しないで、第1ポリゲートと第2ポリゲートが重なる第1導電型半導体である基板の表面にLOCOS工程で絶縁膜を形成し、基板の表面内に同じ導電型の不純物領域を形成して信号電荷の伝送を行わせるようにしたものである。すなわち、N型半導体基板21に形成されたPウェル22領域内に埋め込みイオン注入工程で水平方向への電荷伝送チャンネルに利用されるBCCD23領域を形成する。そのBCCD23領域に、絶縁膜24が、一定の間隔で両端にバーズビーク部分を持たせて表面がBCCD23領域の表面より高くなるように形成されている。絶縁膜24を含む半導体基板21の全面にはゲート絶縁膜25が形成され、そのゲート絶縁膜25上に第1ポリゲート26が分離して繰り返し形成されている。その際、第1ポリゲート26の一方の端部が絶縁膜24の一方の端部と重なるように形成される。第1ポリゲート26の絶縁膜24と重ならない端部と絶縁膜24の間のBCCD23領域にn+ 不純物領域27が形成されている。この不純物領域27は絶縁膜24のバーズビークの下側にも形成される。層間絶縁膜28が第1ポリゲート26を含む半導体基板21の全面に形成され、その上に、第1ポリゲート26および絶縁膜24と一部分が重なって繰り返されるように第2ポリゲート29が形成されている。この第2ポリゲート29はその両端が層間絶縁層28を介して両側の第1ポリゲート26にオーバラップされている。
ここで、ゲート絶縁膜25はONO層であり、層間絶縁膜28は窒化膜またはHLD膜である。
また、n+ 不純物領域27はBCCD23領域より高濃度の不純物イオンであり、絶縁膜24のバーズビーク部分の下部にもn+ 不純物領域27が形成される。すなわち、n+ 不純物領域27は絶縁膜24の間にあって、一方の絶縁膜24に接触している。他方の絶縁膜24からは離れている。
【0012】
図4、5は前述した実施形態の固体撮像素子の製造方法を示した工程断面図である。
図4aに示したように、N型半導体基板21の表面内にP-ウェル)22領域を形成し、そのPウェル22領域内にN型埋め込みイオン注入を実施して水平方向に信号電荷を移動させるための電荷伝送チャンネルとして利用されるBCCD23領域を形成する。
【0013】
図4bに示したように、BCCD23領域が形成された半導体基板21にLOCOS工程を実施して絶縁膜24を所定の間隔で形成する。ここで、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)工程は、図面では省略しているが、半導体基板上にパッド酸化膜と窒化膜を順番に形成し、フォト工程を実施して窒化膜をパターニングした後、パターニングされた窒化膜をマスクとして利用して全面にLOCOS工程を実施して絶縁膜24を形成する。LOCOS工程であるので図示のように絶縁膜24の両側にはバーズビークが形成される。
【0014】
図4cに示したように、LOCOS工程で形成された絶縁膜24を含む半導体基板21の全面にゲート絶縁膜25を形成し、ゲート絶縁膜25上に第1ポリシリコン層(図面に図示しない)を形成する。ここで、ゲート絶縁膜25はONO層である。続いて、第1ポリシリコン層を互いに分離され繰り返して残るようにパターニングして第1ポリゲート26を形成する。図示のようにこの第1ポリゲート26は絶縁膜24のバーズビークの部分にかかるように形成される。
【0015】
図5dに示したように、第1ポリゲート26より高い電位を持つように第1ポリゲート26をマスクとして利用して高濃度のn+ 型不純物イオンを注入し、第1ポリゲート26の一方の端部とそのポリゲートが重なっていない側の絶縁膜24との間のBCCD23領域にn+ 不純物領域27を形成する。その際、LOCOS工程で形成された絶縁膜24の第1ポリゲート26で覆われていない側のバーズビークの下部にもn+ 不純物領域27が形成される。
【0016】
図5eに示したように、第1ポリゲート26を含む半導体基板21の全面に窒化膜またはHLD膜を使って層間絶縁膜28を形成する。そして、層間絶縁膜28上に第2ポリシリコン層(図面に図示しない)を堆積し選択的にエッチングして両側が第1ポリゲート26に重なるように第2ポリゲート29を形成する。ここで、第1ポリゲート26と第2ポリゲート29が重なる一方の側の下部に絶縁膜24が形成されているのが分かるであろう。
【0017】
図6は本実施形態による水平電荷伝送部のポテンシャルプロファイルである。
本実施形態による水平電荷伝送部は図5に示したように、第1ポリゲート26と第2ポリゲート29に第1クロック信号(HΦ1)を加え、その同じクロックが加えられる対とされた第1,第2ポリゲートと隣り合う第1ポリゲート26と第2ポリゲート29の対に同じ第2クロック信号(HΦ2)を印加する。したがって、第1、第2クロック信号(HΦ1)、(HΦ2)によって電荷が移動するが、第1ポリゲート26と第2ポリゲート29が重なる下部に形成される絶縁膜24とn+ 不純物領域27により信号電荷はピンチオフレベルが落ちる。すなわち、第1、第2ポリゲート(26、29)の対に同一のクロック信号が印加され、かつその同一のクロック信号が加えられる対と隣り合う第1、第2ポリゲート(26、29)の対に他の同一のクロック信号が印加され、絶縁膜24とn+ 不純物領域27にポテンシャルレベル差を付け、その差で電荷を伝送する。
【0018】
【発明の効果】
上述したように、本発明による固体撮像素子およびその製造方法は次のような効果がある。
LOCOS工程によってバーズビークが形成された絶縁膜とその絶縁膜と隣接するポリゲートとの間に第1導電型不純物領域を形成させたため、第1ポリゲート、第2ポリゲートをそれぞれ単一電源としてクロック信号を加えた際に、一つのゲート内に異なる電位が存在するようになり、ポテンシャルプロフィールが段階状から緩やかな傾斜を有するようになり、そのため、低電位から高電位までの電界特性がよく、電荷伝送の効率を極大化させることができる。
また、第1導電型不純物領域を水平電荷伝送領域より高濃度の不純物領域に形成すると、ポテンシャルレベルにそれぞれ差を持たして電荷を伝送することができる。
さらに、第2ポリゲートの下部に形成された絶縁膜のバーズビークの一側の下部にも第1導電型不純物領域を形成すると、第1導電型不純物イオンが形成されない領域に比べポテンシャルレベルを低くすることができ、その傾斜で電荷を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の水平電荷伝送部の製造方法を示した工程断面図である。
【図2】 従来の水平電荷伝送部のポテンシャルプロファイルである。
【図3】 本発明実施形態による水平電荷伝送素子を示した構造断面図である。
【図4】 本実施形態による水平電荷伝送部の製造方法を示した工程断面図である。
【図5】 本実施形態による水平電荷伝送部の製造方法を示した工程断面図である。
【図6】 本実施形態による水平電荷伝送部のポテンシャルプロファイルである。
【符号の説明】
21:半導体基板 22:P-ウェル
23:BCCD 24:絶縁膜
25:ゲート絶縁膜 26:第1ポリゲート
27:n+不純物領域 28:層間絶縁膜
29:第2ポリゲート
Claims (5)
- 第1導電型半導体基板の表面内に形成される第2導電型ウェル領域と、
前記第2導電型ウェル領域内に形成される水平電荷伝送領域と、
前記水平電荷伝送領域の一定領域に、一定の間隔で両端にバーズビーク部分を形成させて前記水平電荷伝送領域の表面より高く形成した絶縁膜と、
前記絶縁膜を含む前記半導体基板の全面に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に互いに分離して繰り返し形成され、一方の端部が前記絶縁膜と重なるように形成される複数の第1ポリゲートと、
前記第1ポリゲートの前記絶縁膜と重なっていない端部と当該絶縁膜と隣接する絶縁膜との間の水平電荷伝送領域に形成される第1導電型不純物領域と、
前記第1ポリゲートを含む全面に形成される層間絶縁膜と、
前記第1導電型不純物領域および前記隣接する絶縁膜の上部並びに前記第1ポリゲートに両端部が重なるように、前記層間絶縁膜上に繰り返して形成される第2ポリゲートと
を含むことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第1導電型不純物領域は前記水平電荷伝送領域より高濃度の不純物領域であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記第1導電型不純物領域が絶縁膜のバーズビークの一方の下にも形成されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 第1導電型半導体基板内に第2導電型ウェルを形成する段階と、
前記第2導電型ウェル領域内に第1導電型不純物イオンを注入して水平電荷伝送領域を形成する段階と、
前記水平電荷伝送領域の一定領域にLOCOS工程で両側にバーズビークが形成されるように一定の間隔で絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜を含む前記半導体基板の全面にゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンを蒸着し、互いに分離され繰り返して残るようにパターニングして一方の側が前記絶縁膜に重なるように第1ポリゲートを形成する段階と、
前記第1ポリゲートをマスクとして第1導電型不純物イオンを注入し、前記第1ポリゲートの前記絶縁膜と重なっていない端部と当該第1ポリゲートが重なっていない側の前記絶縁膜との間の前記水平電荷伝送領域に第1導電型不純物領域を形成する段階と、
前記第1ポリゲートを含む全面に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第1導電型不純物領域および前記第1ポリゲートが重なっていない側の前記絶縁膜の上部並びに前記第1ポリゲートに両端部が重なって繰り返されるように、前記層間絶縁膜上に第2ポリゲートを形成する段階と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記水平電荷伝送領域に注入される第1導電型不純物イオンより、第1導電型不純物領域に注入される第1導電型不純物イオンを高濃度で注入することを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子の製造方法。
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