JPH03201478A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像装置の構造とその製造方法に関し、特
に高集積化固体撮像装置に使用するものである。

（従来の技術） 従来の固体撮像装置のパターン平面図の一部を第６図に
示す。ここで１は第１の転送電極、２は第２の転送電極
で、一般に両者は２層重ね合わせポリシリコン電極構造
からなる。３の斜線部は素子分離領域、４は光電変換素
子、５は電荷転送チャンネル領域を示す。同構造を理解
するために、第６図中のＸ　　　Ｘ２線に沿った断面構
造を第７図に示す。領域５は一般にｎ形不純物層からな
り、周知の埋め込みチャンネルとして作用する。光電変
換素子はｎ形不純物層７の表面を高濃度ｐ形不純物層６
で覆ったいわゆる埋め込み形構造が多く用いられている
。これは、表面をｐ形不純物層で覆い、表面を非空乏状
態に保持することによって、界面に多く存在する暗電流
（熱的キャリアの発生による）発生源を非活性状態にし
、暗電流を大幅に減少させる効果を有することは周知の
ところである。素子分離領域３は、高濃度ｐ形不純物層
で形成され、層７と５を電気的に分離する。層７と５の
もう一方の間は素子分離層３が形成されず、電極２の電
圧を制御することにより、層７から５へ信号電荷（電子
）を移動させるための電荷読み出しチャンネル１５が形
成される。８はｎ形基板、９はｐ形つェル層、１０は電
荷転送装置へ映像光が入射するのを防ぐための光シール
ド膜、１１は絶縁膜である。

（発明が解決しようとする課題） 従来の構造においては、製造工程上の層間合わせずれに
対しても、確実に９層３が電極２の端部に存在させるた
めに少なくとも０．５〜１．０μｍ以上入り込ませねば
ならず、従って電極２の形成に先立って２層３が形成さ
れている。一方、固体撮像装置の性能は、光電変換素子
と電荷転送装置の能力で決定され、共にその平面上の面
積に大略比例して向上する。即ち、高感度にするために
は、９層７の面積を大きくし、広いダイナミックレンジ
（大きな最大信号電荷量）を得るためには、０層５を広
く形成しなければならない。従って素子分離層３はでき
るだけ狭い幅で形成する必要がある。一般に可能な加工
技術（リソグラフィー）の許容範囲の最小寸法は、レジ
ストスペースをマスクにしてイオン注入される。しかる
にその後の熱工程によって、９層３をなす不純物が熱拡
散し、最終的には広い領域１２を占めてしまう。たとえ
ばイオン注入幅を１．０μｍに形成しても、工程終了時
には２．０μｍに膨張してしまう。従って、第６図の構
造においは、フォトダイオードの両側に９層３が形成さ
れねばならないので、１．０μｍのツ リーグラフイー技術を用いても、素子分離層３の占める
幅は４μｍになってしまう。これは、固体撮像装置が指
向する高集積（多画素）化の大きな障害となってしまう
。

そこで本発明の目的は、従来技術における素子分離層の
弊害を克服した新しい構造の固体撮像装置とその製造方
法を提供するものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明は、（１）一導電形半導体基板又は半導体層上に
形成された複数個の逆導電形電荷蓄積不純物層と前記逆
導電形不純物層の表面部分を覆う一導電形表面不純物層
とからなる複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に
蓄積された信号電荷を外部に導出するための電荷転送装
置とからなり、前記電荷転送装置は、前記各光電変換素
子に隣接した部分上に絶縁膜を介して複数の電極を有し
てなる固体撮像装置において、前記光電変換素子の電荷
蓄積不純物層の端部と前記電極の端部とは、平面的に見
て一部分がほぼ一致して形成され、且つ、前記一導電形
表面不純物層の大部分は、平面的に見てその端部におい
て前記電極の端部とほぼ全体にわたり一致していて前記
電荷蓄積層と前記電極との平面的離間部分において素子
分離層として作用することを特徴とする固体撮像装置で
ある。また本発明は、（２）前記電極の端部と前記電荷
蓄積層の端部が平面的にほぼ一致する部分において、前
記表面不純物層が前記電荷蓄積層と前記電荷転送装置の
間に介在する電位障壁が形成され、前記の電極の電位の
絶対値が低電位に保持される限り、前記電荷蓄積層と前
記電荷転送装置とを電気的に分離し、前記電極の電位の
絶対値が高電位に保持されることにより前記電荷蓄積層
と電荷転送装置を電気的に結合するべく形成されてなる
ことを特徴とする上記（１）に記載の固体撮像装置であ
る。また本発明は、（３）前記電荷転送装置は、電荷結
合装置（ＣＣＤ）からなり、その転送チャンネル幅は、
前記表面不純物層の前記電極端と平面的にほぼ一致する
端部によって規定されていることを特徴とする上記（１
）または（２）に記載の固体撮像装置である。また本発
明は、（４）上記（１）または（２）の固体撮像装置を
得るに当り、前記電荷蓄積層は、前記電極又はそれを覆
う絶縁膜をマスクとしてイオン注入により形成され、前
記表面不純物層は、前記電極又はそれを覆う絶縁膜をマ
スクとしてイオン注入によって形成されることを特徴と
する固体撮像装置の製造方法である。また本発明は、（
５）上記（２）の固体撮像装置を得るに当り、前記電荷
蓄積層と電荷転送装置の端部に所定のしきい値電圧をも
たらす前記電信障壁を形成すべく、熱拡散によって前記
表面不純物層の端部を前記電極端部から電極下へ延在せ
しめることを特徴とする固体撮像装置の製造方法である
。

即ち、本発明は、固体撮像装置における例えばｐｎｐ形
光電変換素子の表面層をなすｐ形不純物層を、電荷転送
装置の転送電極端部まで存在せしめて素子分離層として
使用することによって、熱拡散による分離層の膨張化に
よる性能劣化問題を回復すること、及び例えば表面ｐ形
層の熱拡散による広がりを利用して、ショートチャンネ
ル効果による電荷読み出しチャンネルのゲートしきい値
低下のない固体撮像装置の構造とゲートセルファライン
手法を用いて層間合わせずれを防止する製造方法を提供
するものである。

（実施例） 第１図に本発明の第１実施例の要部のパターン平面図を
示す。なお本実施例は前記従来例と対応された場合の例
であるから、対応個所には同一符号を付しである。第１
図において、１６．１７は電荷転送装置の第１及び第２
の転送電極、斜線部１８は素子分離閉域（素子分離層）
、１つは光電変換素子領域、２０は転送チャンネル領域
（チャンネル層）を示す。本発明の詳細な説明するため
のＸ　３Ｘ　４線に沿った断面構造を第２図に、Ｘ５−
Ｘ６線に沿った断面構造を第３図に示す。

上記２０はｎ形電荷転送チャンネル層、２１は光電変換
素子の表面を含む高濃度ｐ形不純物層で、その延在部２
３を有する。２２は光電変換素子の主体をなすｎ形不純
物層で、電荷蓄積機能を併せて有する。２４は電荷読み
出しチャンネル部を示す。

第２図において第７図の従来技術との相違は、従来技術
における素子分離層３が存在せず、光電変換素子の表面
不純物層２１の延在部２３が素子分離層として存在する
所にある。図示左端の延在部２３の左端３２は第２の転
送電極１７の右端２５と平面上（平面的にみて）はぼ等
しい位置に存在する。これは、たとえば後述するゲート
セルファライン技術を用いて容易に実現することができ
る。Ｐ形不純物層２３は０層２２の表面を覆うべく表面
領域において４層９に対して少なくとも０層２２より浅
い接合を有するので、横方向拡散でｎ　Ｗｒｙ　２２の
面積を減少せしめることは殆んどない。

従って、素子間分離層２３としての幅は、左端部３２と
０層２２の左端部３３の距離にほぼ等しく規定される。

従って、その幅の最小値は、電極２５と０層２２の形成
における製造上の相対位置精度から許容される限界まで
細くすることができる。さらに電荷転送チャンネル層２
０の幅を電極１７の幅とほぼ等しくできるので、電極１
７に対向する直下の半導体層を全て転送チャンネルとし
て活用でき、無効領域を極力小さくすることができる。

第３図は電荷読み出しチャンネルを含まない領域の断面
構造であり、表面Ｐ形層２１はその両側に延在部２３を
有する。これらは共に素子分離層として機能し、且つ電
極端２９．３０にほぼ一致する位置２７．２８で転送チ
ャンネル層２０の幅を規定する。図示のように平面的に
見て延在部２３を除く全ての領域は、光電変換素子と電
荷転送装置の実効活動領域になり、固体撮像装置の性能
を大幅に高めることができる。光電変換層２２の幅が広
くなることで、入射光量が太き（なり、高感度を高める
ことができるし、チャンネル層２０の幅を電極１６．１
５の端部迄広げることにより、電極幅に対して、転送で
きる電荷量が増加し、装置としてのダイナミックレンジ
が広がる。

前述のように従来の素子分離層３の幅は１．０μｍのリ
ソグラフィー技術をもちいても、最終的に２．０μｍ程
度になってしまうのに対し、本発明による構造では、通
常の電極左端３０と層右端３３の合わせ精度±０．３μ
αの場合でも、最終的素子分離層２３の幅を中心値で０
．５〜１．０μｍ程度にすることができる。

第４図（ａ）に本発明の第２の実施例の断面構造を示す
。ここで３４は光電変換素子をなすｎ形不純物層、３５
は層３４を覆うｐ層表面不純物層、３９は層３５の延在
部分で、素子分離機能を有する。３６はｎ形不純物層で
、少なくともその大部分は電荷転送チャンネル層をなす
。上記ｐ形不純物層３５は高濃度に形成されるため、熱
処理工程を経ることによって、熱拡散で拡がる。この熱
処理工程を制御することにより、９層３５を極く短い距
離だけ、電極１７の電荷読み出しチャンネル内へ延在さ
せることができる。４０はその延在部分を示す。この延
在部分４０は高濃度であるから、たとえチャンネル長は
短くしても、チャンネルしきい値電圧を支配することに
なる。第４図（ｂ）。

（Ｃ）に０層３４から０層３６に至るチャンネル電位分
布を示す。ここで４１は素子分離機能を有する９層３５
の延在部３９の電位で、基準レベルに固定される。４２
は信号電荷が読み出され、光電変換素子３４が完全に空
乏化した状態の層３４の電位、４３は電荷転送チャンネ
ルの電位であり、この場合電極１７がロウレベルで、０
層３４．３６が電位障壁で電気的に切り離されている場
合を示す。また４４が延在部４０によってもたらされる
読み出しチャンネルのしきい値電圧を支配する読み出し
チャンネル電位であり、電極１７によって制御され、こ
の場合オフ状態にある。電極１７がハイレベル電位に設
定されると、電位４４は４５の如く上昇し、光電変換素
子３４に蓄積された信号電荷束４６は転送チャンネル３
６に移動する。このように延在部４０だけで読み出しチ
ャンネルが形成されることになり、従来いわゆるショー
トチャンネル防止のために、従来２μｍ程度必要とされ
た読み出しチャンネル長を実質的に１μｍ以下に短くす
ることができる。この効果は、つまり前述の光電変換素
子と電荷転送装置の谷幅を広げうろことに反映され、装
置の有する感度、ダイナミックレンジ等の性能を向上さ
せることになる。なお第４図における３７は０層３６の
濃度では転送チャンネルとして不足である場合の追加不
純物層を示し、この場合に電位４４から４３゜４５から
４７に至る電位分布に図示のような階段上分布が出現す
る。３８は０層３６と基板８がｐウェル９の空乏化によ
ってバンチスルーすることを防ぐための補強のｐウェル
であり、必ずしも必須構成要素ではない。又、第１図に
おける４８の斜線部分は、電極によって分離された各分
離層１８（第２図、第３図では２３）を電気的に強く結
合させるためのｐ形高濃度不純物層で、電極を形成する
に先立って形成されるものである。この９層４８は、特
にｐウェル９の濃度が低く、素子間の抵抗値が不具合い
に大きな場合に必要になる。

第５図に本発明の製造方法の一実施例を示す。

これは特に第４図の本発明の第２の実施例を実現する方
法であるが、第１の実施例でもその本質は同様である。

第５図（ａ）において５１はｎ形基板、５２は第１のｐ
ウェル、５３は第２のｐウェルで、これは必ずしも必須
構成要素ではない。６１は絶縁膜である。ｎ基板５１上
にｐ層５２．５３をイオン注入及び熱拡散で形成した後
、０層５４．５５をイオン注入で形成する。この場合ｎ
層５４と５５は一体形成されたもので、第２のｐウェル
５３内に形成された部分をｎ　層５５として区別して示
しである。なお前記本発明の第１の実施例の第１〜第３
図を実施するに当っては、０層５５だけを選択的に形成
すればよい。次に第５図（ｂ）に示す如く多結晶シリコ
ン電極５６を、絶縁膜６１を介して０層５５に対向して
選択的に形成す゛る。その後酸化工程により電極５６上
に絶縁膜６３を形成する。次に絶縁膜６３の１部をマス
ク（イオン注入阻止層）としたゲートセルファライン工
程を用いて０層５７をイオン注入により形成する。この
場合絶縁膜６３の左端部６４をマスクとして使用し、右
端部６５から所定間隔離してイオン注入されている。即
ち０層５７の左端は通常のたとえばフォトレジスト膜を
マスクとして規定する。しかる後第５図（ｃ）に示す高
濃度ｐ形層５８を、絶縁膜６３の右端、左端を共にマス
クとして、全面ゲートセルファラインにより形成する。

その後所定の熱工程や配線工程等を経て固体撮像装置と
しての工程を終了する。０層５５はその両端が９層５８
によって規定された電荷転送チャンネル層となり、０層
５７はその表面部分を９層５８によって覆われた光電変
換素子を形成し、９層５８のうちｎ層の左方に延在する
部分５９は素子分離層として機能する。また光電変換素
子６２から転送チャンネル不純物層５５へ電荷を読み出
すための読み出しチャンネル部６０（破線で囲まれた部
分）は９層５８が熱拡散で広がり電極５６の対向する表
面層に伸長した部分において形成され、その濃度、接合
長によってしきい値電圧が制御される。

以上本発明を用いることによって、従来技術における素
子分離層５つが存在するために拡大される素子無効領域
を大幅に小さくでき、さらには、ショートチャンネル効
果のために所定のチャンネル長（たとえば２μｍ）を必
要としている電荷読み出し部をサブミクロンチャンネル
長に迄短くできる。従って光電変換素子面積と電荷転送
チャンネル面積を大きくでき、感度、ダイナミックレン
ジの大幅な向上がもたらされる。さらに、当然のことな
がら、素子の微細化、高集積化を容易になくし得る効果
をもたらす。

なお本発明は上記実施例に限られず種々の応用が可能で
ある。例えば構成各部のｐ形、ｎ形が全て逆になっても
適用できることは言うまでもない。

この場合電位関係が、前記実施例とは逆方向になる。又
製造方法においては表面ｐ形層５８を光電変換素子を囲
む電極をマスクとして形成（ゲートセルファライン）す
る所及びｎ　１１６２が１部分で電極端部にかかり、そ
の他の部分では電極から所定間隔をもって形成される所
が本質であり、その他の製造工程は問わない。

［発明の効果］ 以上説明した如く本発明によれば、ゲートセルファライ
ン手法を用いて、光電変換素子の表面不純物層を転送電
極端部まで存在せしめて素子分離層として使用すること
により、従来の熱拡散による素子分離層の膨張化による
性能劣化の問題が改善でき、また表面不純物層の熱拡散
による広がりを利用して、ショートチャンネル効果によ
る電荷読み出しチャンネルのゲートしきい値低下を防止
でき、また高集積化も容易に達成できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のパターン平面図、第２図、
第３図は同断面図、第４図（ａ）は本発明の異なる実施
例の断面図、同図（ｂ）、（ｃ）は同作用説明図、第５
図は本発明の製造工程の実施例を示す図、第６図は従来
装置のパターン平面図、第７図は同断面図である。 ８・・・ｎ基板、９・・・ｐウェル、１７．３１・・・
電極、１８．２３．５９・・・素子分離層、２０・・・
ｎ形電荷転送チャンネル層、２１・・・光電変換素子の
表面ｐ形層、２２・・・光電変換素子のｎ形層、４０・
・・電荷読み出しチャンネル部、５７・・・ゲートセル
ファラインでイオン注入されたｎ形層、５８・・・両端
をゲートセルファラインでイオン注入されたｐ形表面層
、６０・・・横方向拡散で形成される電荷読み出しチャ
ンネル部分。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電形半導体基板又は半導体層上に形成された
   複数個の逆導電形電荷蓄積不純物層と前記逆導電形不純
   物層の表面部分を覆う一導電形表面不純物層とを有した
   複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された
   信号電荷を外部に導出するための電荷転送装置とを具備
   し、前記電荷転送装置は、前記各光電変換素子に隣接し
   た部分上に絶縁膜を介して複数の電極を有してなる固体
   撮像装置において、前記光電変換素子の電荷蓄積不純物
   層の端部と前記電極の端部とは、平面的に見て一部分が
   ほぼ一致して形成され、且つ、前記一導電形表面不純物
   層の大部分は、平面的に見てその端部において前記電極
   の端部とほぼ全体にわたり一致していて前記電荷蓄積層
   と前記電極との平面的離間部分が素子分離層として作用
   することを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）前記電極の端部と前記電荷蓄積層の端部が平面的
   にほぼ一致する部分において、前記表面不純物層が前記
   電荷蓄積層と前記電荷転送装置の間に介在する電位障壁
   が形成され、前記電極の電位の絶対値が低電位に保持さ
   れる限り、前記電荷蓄積層と前記電荷転送装置とを電気
   的に分離し、前記電極の電位の絶対値が高電位に保持さ
   れることにより前記電荷蓄積層と電荷転送装置を電気的
   に結合するべく形成されてなることを特徴とする請求項
   １に記載の固体撮像装置。
3. （３）前記電荷転送装置は、電荷結合装置（ＣＣＤ）か
   らなり、その転送チャンネル幅は、前記表面不純物層の
   前記電極端と平面的にほぼ一致する端部によって規定さ
   れていることを特徴とする請求項１または２に記載の固
   体撮像装置。
4. （４）請求項１または２の固体撮像装置を得るに当り、
   前記電荷蓄積層は、その一部分において前記電極又はそ
   れを覆う絶縁膜をマスクとしてイオン注入により形成さ
   れ、前記表面不純物層は、前記電極又はそれを覆う絶縁
   膜をマスクとしてイオン注入によって形成されることを
   特徴とする固体撮像装置の製造方法。
5. （５）請求項２の固体撮像装置を得るに当り、前記電荷
   蓄積層と電荷転送装置の端部に所定のしきい値電圧をも
   たらす前記電位障壁を形成すべく、熱拡散によって前記
   表面不純物層の端部を前記電極端部から電極下へ延在せ
   しめることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。