JPH04176171A

JPH04176171A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH04176171A
Application number: JP2303075A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Watanabe; 恭志渡辺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1992-06-23

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】【産業上の利用分野】

本発明は、過剰電荷を基板側へ排出する固体撮像装置に
関する。

【従来の技術】

現在、２次元の固体撮像装置としては種々のものが提案
ないし実用化されており、上記固体撮像装置の信号読み
出し部にＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたＣＣＤ型の固
体撮像装置が主流となっている。また、上記ＣＣＤ型の
固体撮像装置の中でも、総合的な性能で優れているイン
ターライン転送型が一般的である。さらに、過剰電荷排
出のためのオーバーフロードレインを感光領域の下側す
なわち基板側に設けた縦型オーバーフロードレイン構造
が、現在固体撮像装置に最も広く用いられている構造で
ある。この縦型オーバーフロードレイン構造では、上記
オーバーフロードレインを設けることによって、上記感
光領域の面積および信号読み出し部の領域の面積が減少
することがない。したかって、上記縦型オーバーフロー
ドレイン構造は、固体撮像装置の多画素化および小型化
にイ〕利である。さらに、最近では、上記感光領域の表
面に高濃度の不活性領域を設けて、上記感光領域の表面
の表面電位を固定することにより、低暗電流化を図る固
体撮像装置が一般的となっている。上述の特徴を有する従来の固体撮像装置の画素部の断面
図を第４図（ａ）に示す。以下、信号電泄Ｉが電子の場
合について述べるが、信号電荷か正孔の場合についても
極性を反転することにより信号電荷が電子の場合と同様
の議論をすることができる。第４図（ａ）において、Ｐ
Ｄ部はＮ型層４１を有する感光領域、ＣＣＤ部はＮ型層
４２を有する信号読み出し部、ＴＧ部は上記ＰＤ部から
ＣＣＤ部へ信号電荷を移送する移送領域、Ｃ８部は高濃
度のＰ型層４４を有するチャネルス］・ノブ不活性領域
である。上記ＣＣＤ部およびＰＤ部は低濃度のＰ型層か
らなる■〕−ウヱル４５内に形成している。また、」−
記ＣＣＩ）部の下側には中濃度のＰ型層４６を形成して
いる。このＰ型層４６は、上記ＣＣＤ部とＮ型層からな
るＮ基板４７との電荷のやり取りを防止している。また
、上記ＰＤ部の表面には高濃度のＰ型層４４の一部を配
設し、上記ＰＤ部の表面を不活性化して、上記表面の電
位をチャネルストップ電位に固定することにより、低暗
電流化している。上記ＣＣＤ部とＴＧ部は電荷転送部を構成し、上記ＰＤ
部は光電変換部を構成している。この固体撮像装置の画
素部の第４図（ａ）の経路Ａ−Ｂにおけるポテンシャル
分布を第４図（ｂ）に示す。第４図（ｂ）において、Ｑ
Ｍ（３）は」１記ＣＣＤ部の最大取り扱い電荷量、ＱＭ
（］）は上記ＰＤ部の電荷が上記Ｎ基板４７側へ流れは
じめるまでの第１種の最大取り扱い電荷量、ＱＭ（２）
は上記ＰＤ部の電荷が上記移送領域であるＴＧ部を越え
始めるまでの第２種の最大取り扱い電荷量である。通常
は、上記Ｎ基板４７の基板電圧ＶＯＦＤを調整して、Ｑ
Ｍ（１，）＜ＱＭ（２）となるようにして、過剰な電荷
を上記Ｎ基板４７側へ逃がしてやり、撮像画像のブルー
ミングを抑えるようにしている。しかし、強熱光受光時
には、−１−記Ｉ）Ｄ部に蓄積した電荷量かＱ　Ｍ（２
）以」二に達することもある。すると、上記ＰＤ部の電
荷蓄積期間中に、上記ＰＤ部から電荷が−Ｉ−記ＴＧ部
を越えて、上記ＣＣＤ部へあふれ、撮像画面上で垂直方
向に帯状の偽信号が生しるという不具合が発生する。一
方、」１記ＣＣＤ部の信号電荷量かＱＭ（３）を越える
と上記ＣＣＤ部で信号電荷があふれ、撮像画面上に」二
下方向のにじみが発生するという不具合が生じる。−１
−述の説明かられかるように、−に記ＱＭ（＋）、ＱＭ
（２）、ＱＭ（３）が大きい程撮像性能は良くなる。」
１記ＱＭ（１）はＱＭ（２）に対し一定の関係にあるの
で、結局」１記ＱＭ（１）とＱＭ（３）か大きい程撮像
性能が良くなる。固体撮像装置は今後ますます多画素化および小型化する
方向に進んでおり、１画素当りの面積は小さくなる一方
である。したがって、」１記ＱＭ（］）およびＱＭ（３
）を大きくするためには、単位面積当りの電荷密度を」
−げる必要がある。そして、今、−ヒ記ＰＤ部に注目す
ると、上記ＱＭ（］）を大きくするためには、上記ＰＤ
部の単位面積当りの電荷密度を上げる必要がある。この
ためには上記ＰＤ部のＮ型層４１を高濃度にする必要が
あり、また」１記Ｎ型層４１の接合深さが浅いように形
成する必要がある。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、」１記従来の固体撮像装置では、上記Ｐ
Ｄ部の上記Ｎ型層４１の接合深さが浅いように形成する
と光電変換有効深さが低下して、感度が低下するという
問題がある。このこ七を第５図にもとづいて説明する。第５図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は夫々、上記ＰＤ部
の深さ方向（Ｘ方向）におけるｉｆＡ度分布Ｎ（ｘ）と
電場強さ分布Ｅ　（ｘ）とポテンシャル分布φ（ｘ）を
示す図であ゛る。ここでは、簡単のため上記濃度分布Ｎ
　（ｘ）は矩形型であるとする。すなわち、上記ＰＤ部
の表面からｘｊｌまでがＮ（Ｐ’）なる一定濃度の高濃
度のＰ型層４４、ｘｊｌからｘｊ２までがＮ（ＮＷ）な
る一定濃度のＮ型層４］、ｘｊ２からｘｊ３までがＮ（
ＰＷ）なる一定濃度の低濃度のＰ型層からなるＰ−ウェ
ル４５、ｘｊ３より深いＨ域がＮ（ＮＳＵＢ）なる一定
濃度のＮ型層からな６一るＮ基板４７である。ここで、上記Ｎ基板４７にＶ　Ｏ
ＦＤなる電圧を印加し、上記ＰＤ部に信号電荷が蓄積し
ていない場合の電場強さ分布Ｅ（ｘ）およびボテンシャ
ル分布φ（Ｘ）を夫々第５図（ｂ）および（ｃ）に実線
で示す。このとき、上記Ｐ　Ｉ）部の極大ボテンシャル
はＶｌ）０である。そしｒ、ｊ二記１）　Ｉ）部に信号
電荷が蓄積して、この信号電荷量か上記第１種の最大取
り扱い電荷ｉＱＭ（１）に達した時すなわち−Ｉ−記信
号電荷が」１記Ｎ基板４７ヘオーハーフローする時の電
場強さ分布Ｅ（Ｘ）およびボテンシャル分布φ（Ｘ）を
夫々第５図（１））および（ｃ）に破線で示す。このと
き、−上記ＰＤ部の高原部ボテンシャルはＶＰＩであり
、」−記Ｎ基板４７に対するポテンシャルバリア高さは
ＶＢである。光電変換有効深さは、」１記ＶＢによって
変わるが、最小時（ＶＢ＝Ｏ）でもｘｊ２である。ここ
て、第１の設定条件として、上記各濃度値および各接合
深さ等を、Ｎ（Ｐ’）＝］　ＸＩＯ”ｃｍ−３，Ｎ（Ｎ
Ｗ）＝１．！５ｘ　１０”ａｍ−３，Ｎ（ＰＷ）−５Ｘ
　］　Ｏ”ａｍ−３，Ｎ（Ｎ　Ｓ　Ｕ　Ｂ）、、Ｊ　Ｉ
　０１４ａｍ−’、　ｘｊｌ　＝０．２５μｍ、　ｘｊ
２−ｘｊ１＝０．８９　　μｍ、　　ｘｊ３−ｘｊ２＝
３．５　５　　μｍ、ＶＯＰＤ＝ｌＯＶとすると、上記
ＰＤ部の極太ポテンシャルｖｐｏ＝ｓ、ｏｏｖ、光電変
換有効深さの最小値ｘｊ２＝　１．１４μｍとなる。ま
た、上記ＰＤ部に蓄積した信号電荷量がＱＭ（１）に達
した時には、上記ポテン／ヤルハリア高さＶＢ＝０．５
Ｖであり、上記高原部ボテンシャルＶＰｌ＝２．５３Ｖ
、　ｕ１記第１種の最大取り扱い電荷量ＱＭ（＋）＝５
．０ＩＸ１０１１　ｃ　ｍ　−’である。そして、上記
第１種の最大取り扱い電荷量ＱＭ（１）を大きくする目
的で、第２の設定条件として、上記Ｎ型層４１の濃度Ｎ
（ＮＷ）を３．８　Ｘ　ＩＱ　”ｃｍ−３に増やすと共
に」１記Ｎ型層４１の接合深さｘｊ２−ｘｊｌを０，５
５μｍに減らし、その他の濃度値および各接合深さ等を
前述の第１の設定条件と同一にすると、上記ＶＰＯは８
．００Ｖ、上記ＶＰＩは２４８七なり、上記第１種の最
大取り扱い電荷ｆｉＱＭ（１）は８．８３　Ｘ　Ｉ　Ｏ
”Ｃｍ−’となる。この値は前述の第１の設定条件にお
けるＱＭ（１）の値５．０　Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−’
の約１．８倍である。ところが、光電変換有効深さの最
小値ｘｊ２は０８０μｍとなって、前述の第１の設定条
件におけるｘｊ２の値１．１４μｍの７０％に低下する
。そして、上記光電変換有効深さの最小値が低下した分だ
け感度か低下するという問題かある。そこで、本発明の目的は、感度を低下させることな（、
感光領域である光電変換部の最大取り扱い電荷量を大き
くてきる固体撮像装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段］」１記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、
第１の導電型の基板と、上記第１の導電型の基板上に形
成され、電荷転送部と光電変換部を有する第２の導電型
のウェルとを備える固体撮像装置において、」１記光電
変換部は、上記光電変換部の表面から深いところに形成
され、不純物濃度が低い第１の導電型の第１層と、上記
光電変換部の表面から浅いところに形成され、不純物濃
度か高い第１の導電型の第２層と、上記第２層の上に形
成され、上記第２層よりも不純物濃度が高い第２の導電
型の第３層とを備えることを特徴としている。また、本発明の固体撮像装置は、上記第１層と第２層は
、不純物注入エネルギーを変えることにより、同一のマ
スクパターンを用いて同一時期に形成されてなることを
特徴としている。【作用】上記光電変換部の表面から浅いところに形成され、不純
物濃度が高い第１の導電型の第２層によって、」１記光
電変換部の最大取り扱い電荷量が増大させられる。一方
、上記光電変換部の表面から深いところに形成され、不
純物濃度が低い第１の導電型の第１層によって、この第
１層と上記第２層とからなる第１の導電型の層の接合深
さが深くなるので、上記第１層の接合深さが浅（でも、
上記光電変換部の感度がほとんど低くならない。すなわ
ち、上記固体撮像装置によれば、感度が低下することが
ほとんどなく、光電変換部の最大取り扱い電荷量が増大
させられる。また、上記固体撮像装置によれば、上記第１層と上記第
２層は、不純物注入エネルギーを変えることにより、同
一のマスクパターンを用いて同一・時期に形成するので
、簡単に製造できる。

【実施例】

以ド、本発明を図示の実施例により詳細に説明する。上記実施例は光電変換部であるＩ）　Ｄ部の構成のみが
第４図（ａ）に示した従来の固体撮像装置と異なる部分
であるので、同一構成部には同一番号を付して説明を省
略する。また、−」−記実施例はインターライン転送型
のＣＣＤ撮像装置である。第１図（ａ）は本発明の固体撮像装置の一実施例の画素
部の断面図を示す。また、第３図（ｂ）は」１記画素部
の第１図（ａ）の経路Ａ−Ｂにおけるポテンシャル分布
を示す図である。第１図（ａ）において、光電変換部であるＰＤ部は、こ
のＰＤ部の表面から深いところに形成され、不純物の濃
度か低いＮ型層からなるＮ−層１と、−Ｊ二足ＰＤ部の
表面から浅い七ころに形成され、不純物の濃度が高いＮ
型層からなるＮ層２を備える。に記Ｎ−層ｌとＮ層２とて複合構造のＮ型層３を構成し
ている。上記不純物の濃度が高いＮ層２によって、上記
光電変換部の最大取り扱い電荷１１ＱＭ（１）、　ＱＭ
（２）を大きくてきるので、強烈光受光時に撮像画面上
に垂直方向に帯状の偽信号か生じる不具合を解消できる
。また、−に記光電変換部の表面から深いところに形成
するＮ−層１によって、上記８層２と」−記Ｎ−層１か
らなる複合構造のＮ型層３の接合深さを深くすることが
でき、」１記Ｎ層２の接合深さか浅くてもほとんと感度
低下しないようにできる。このことを第２図を参照しな
がら説明する。第２図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は夫
々」−記光電変換部であるＰＤ部の深さ方向（Ｘ方向）
における濃度分布Ｎ（ｘ）と電場強さ分布Ｅ　（ｘ）と
ポテンシャル分布φ（ｘ）を示す図である。ここでは簡
単のため上記濃度分布Ｎ（ｘ）は矩形型であるとする。第２図（ａ）に示す」１記実施例における濃度分布Ｎ　
（Ｘ）と、第５図（ａ）に示す従来の固体撮像装置の濃
度分布Ｎ（ｘ）とを較べると、Ｎ（Ｐ’）なる一定濃度
の高濃度のＰ型層４４とＮ（ＰＷ）なる一定濃度の低濃
度のＰ−ウェル４５との間の部分が大幅に異なっている
。すなわち、第５図（ａ）に示す従来例では」−記部分
は単一工程で形成された単一のＮ型層４１であって、一
定濃度であるのに対して、第２図（ａ）に示す本発明の
上記実施例では上記部分は−１−記複合構造のＮ型層３
てあって、Ｘ、１１からｘｊ２１まてがＮ（ＮＷＩ）な
る高濃度のＮ層２、ｘｊ２］からｘｊ２２まてはＮ（Ｎ
Ｗ２）なる低濃度のＮ−層１である。第２図（ａ）にお
いて、Ｎ（Ｐ’）＝　ｌ　Ｘ　Ｉ　Ｏ１０ｃｍ３．Ｎ（
ＮＷＩ）＝　ｌ　Ｘ　］　Ｏ”ｃｍ−’、Ｎ（ＮＷ２）
＝　］　Ｘ　Ｉ　Ｏ１１１ｃｍ−’、　　Ｎ（ＰＷ）＝
　５　ＸＩＯ”ａｍ−’。Ｎ（ＮＳＵＢ）＝２Ｘ　］　０”ａｍ−３，ｘｊｌ＝０
．２５μｍ、　ｘｊ２　＋　−ｘｊＩ＝ｏ、　２０ｐｔ
ｎ、　ｘｊ２２−ｘｊ２１＝０．６８７ｚｍ、　ｘｊ３
−ｘｊ２２＝３．５３７ｚｍ、ＶＯＦＤ＝１．ＯＶに設
定する。−１−記名濃度設定値は、−に記複合構造のＮ
型層３の部分を除いて、前述の従来の固体撮像装置にお
ける第１の設定条件と同一である。上記ＰＤ部の極大ボ
テン／ヤルＶＰＯ＝−８゜００■、光電変換有効深さの
最小値ｘｊ２２＝１１３μｍとなる。また、−１−記Ｐ
Ｄ部に蓄積した信鱈電荷１ｊｔがＱＭ（＋）に達した時
には、ボテン／ヤルバリア高さＶＢ＝０．５Ｖであり、
高原部ボテンンヤルＶＰ］＝２．５３Ｖ、　Ｊ１記第１
種の最大取り扱い電荷量ＱＭ（＋）＝８．８２Ｘ　Ｉ　
Ｏ”ｃｍ−’である。すなわち、上記複合構造のＮ型層３を備えた」１記実施
例は、前述の従来の固体撮像装置における第１の設定条
件の結果得られた光電変換有効深さの最小値１１４μｍ
をほとんど低下させることなく、第１種の最大取り扱い
電荷量を上記従来の固体撮像装置の第１の設定条件の結
果得られた５　０１Ｘ１０”ａｍ−’から８．８２Ｘ１
０日ｅｆｆｌ−’へと約１８倍に増加させることができ
る。このことは、定性的には、上記ｘｊ２１からｘｊ２
２までのＮ（ＮＷ２）なる低濃度のＮ−層１により光学
的有効深さをかせぐ一方、上記ｘｊ１からｘｊ２＋まで
のＮ（ＮＷｌ）なる高濃度のＮ層２の存在により、高濃
度のＰ型層４４と接して、上記光電変換部の最大取り扱
い電荷量を支配するＮ型層の接合容量を定める空乏層幅
ｄｊが、第５図（ａ）に示す従来例における値から第２
図（ａ）に示す本発明の」１記実施例における値へと大
幅に縮小されることに対応している。次に、上記低濃度のＮ−層１と高濃度のＮ層２を形成す
る工程を第３図を参照しなから以下に説明する。まず、レジストパターンＰＲＩをマスクとして、高エネ
ルギーかつ低ドーズ量の注入１〕１を行なう。この結果」−記低濃度のＮ−層１が形成される。次に、同シ＜−］二１レしントパターンＩ）　Ｒｌ　ヲ
マスクとして、低エネルギーかつ高ドーズ量の注入Ｄ２
を行なう。この結果上記高濃度のＮ層２が形成される。以上の工程により、感光領域であるＰＤ部に−に記２つ
のＮ型層すなわちＮ−層１とＮ層２を簡単に形成できる
。尚、上記工程では、上記注入り、、Ｄ、の実行時に、Ｔ
Ｇ部のマスクとして電極Ｇ１を用いたが、上記ＴＧ部の
マスクとしてはレシス］・バター７ＰＲ１を用いてもよ
い。

【発明の効果】

以」二の説明より明らかなように、本発明の固体撮像装
置は、光電変換部の表面から浅いところに形成され、不
純物濃度か高い第１の導電型の第２層が、上記光電変換
部の最大取り扱い電荷量を増大させる。一方、上記光電
変換部の表面から深いところに形成され、不純物濃度か
低い第１の導電型の第１層かこの第１層と上記第２層と
からなる第１の導電型の層の接合深さを深くする。した
がって、本発明によれば、感度をほとんど低下させるこ
となく、光電変換部の最大取り扱い電荷量を大きくでき
て、強烈光受光時に撮像画面上に垂直方向の偽信号が発
生しないようにできる。また、本発明の固体撮像装置は、上記第１層と上記第２
層は不純物注入エネルギーを変えることにより、同一の
マスクパターンを用いて同一時期に形成するので、簡単
に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の固体撮像装置の一実施例の画素
部の断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の経路Ａ−Ｂ
における」１記実施例のポテンシャル分布を示す図、第
２図は」１記実施例の光電変換部のｌ農度分布と電場強
さ分布とポテンシャル分布を示す図、第３図は−に記実
施例の光電変換部の製造工程を説明する図、第４図は従
来の固体撮像装置の画素部の断面図、第５図は上記従来
の固体撮像装置の光電変換部の濃度分布と電場強さ分布
とポテンシャル分布を示す図である。１・Ｎ−層、２・・・Ｎ層、３．４　］　、　４２．、
、Ｎ型層、４４．４６・Ｐ型層、　　　４．５−　Ｐ−
ウェル、／Ｉ７・Ｎ基板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の導電型の基板と、上記第１の導電型の基板
上に形成され、電荷転送部と光電変換部を有する第２の
導電型のウェルとを備える固体撮像装置において、上記光電変換部は、上記光電変換部の表面から深いところに形成され、不純
物濃度が低い第１の導電型の第１層と、上記光電変換部
の表面から浅いところに形成され、不純物濃度が高い第
１の導電型の第２層と、上記第２層の上に形成され、上
記第２層よりも不純物濃度が高い第２の導電型の第３層
とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
（２）請求項１に記載の固体撮像装置において、上記第
１層と第２層は、不純物注入エネルギーを変えることに
より、同一のマスクパターンを用いて同一時期に形成さ
れてなることを特徴とする固体撮像装置。