JPH0423331A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH0423331A JPH0423331A JP2123443A JP12344390A JPH0423331A JP H0423331 A JPH0423331 A JP H0423331A JP 2123443 A JP2123443 A JP 2123443A JP 12344390 A JP12344390 A JP 12344390A JP H0423331 A JPH0423331 A JP H0423331A
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- insulating film
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- gate insulating
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Links
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Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
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。
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 ダイナミックレンジ特性（最大電荷転送量特
性）を損なうことなく、ゲート絶縁膜を微細化（スケー
リング）したＣＣＤを実現する半導体装置の構造に関す
るものであム 従来の技術 民生用ビデオカメラに使用されている固体撮像素子の信
号電荷転送回路として、もっとも利用されている埋め込
みチャネル型ＣＣＤ （参考文献：Ｃ，Ｈ，シークイン
（Ｓｅｑｕｉｎ） ＆ Ｍ、Ｆ、 トン７°セ
フト （’Ｔｏｍｐｓｅｔｔ）、′チャージゝ トラン
スファー テゝへ”イス （Ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ Ｄｅｙｉｃｅ）’、 アカテ゛ミフク
ブレス （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ） １９
７５）は 第３図に示すようにｐ基板３０１の上部に形
成されたｎ領域３０２と、厚さＴｏｘのゲート酸化膜（
通常は約１０００人のＳｉＣ２）３０３の上に形成され
た第１層のポリシリコン・ゲート電極３０４と、ゲ・−
ト酸化膜（Ｓｉ０２） ３０５を隔てて形成された第
２層のポリシリコン・ゲート電極３０６とで構成される
ものが代表的であム 第３図のＡ−Ａ”断面に沿った熱平衡状態（全ての電圧
を印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バン
ド図を第４図（ａ）に示す。第３図のＣＣＤの主動作状
態でｉｔ ｎ領域３０１に対して正の電圧（１５〜２
０ｖ）がｎ領域３０２に印加されるので、エネルギー・
バンド図は第４図（ｂ）に示すようになム この時、ポ
リシリコン・ゲート電極の電圧はＯｖであム このゲー
ト電極の電圧が正方向に増せば信号電荷の蓄積状態とな
り、負方向に増せば信号電荷の非蓄積状態となる。
性）を損なうことなく、ゲート絶縁膜を微細化（スケー
リング）したＣＣＤを実現する半導体装置の構造に関す
るものであム 従来の技術 民生用ビデオカメラに使用されている固体撮像素子の信
号電荷転送回路として、もっとも利用されている埋め込
みチャネル型ＣＣＤ （参考文献：Ｃ，Ｈ，シークイン
（Ｓｅｑｕｉｎ） ＆ Ｍ、Ｆ、 トン７°セ
フト （’Ｔｏｍｐｓｅｔｔ）、′チャージゝ トラン
スファー テゝへ”イス （Ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ Ｄｅｙｉｃｅ）’、 アカテ゛ミフク
ブレス （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ） １９
７５）は 第３図に示すようにｐ基板３０１の上部に形
成されたｎ領域３０２と、厚さＴｏｘのゲート酸化膜（
通常は約１０００人のＳｉＣ２）３０３の上に形成され
た第１層のポリシリコン・ゲート電極３０４と、ゲ・−
ト酸化膜（Ｓｉ０２） ３０５を隔てて形成された第
２層のポリシリコン・ゲート電極３０６とで構成される
ものが代表的であム 第３図のＡ−Ａ”断面に沿った熱平衡状態（全ての電圧
を印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バン
ド図を第４図（ａ）に示す。第３図のＣＣＤの主動作状
態でｉｔ ｎ領域３０１に対して正の電圧（１５〜２
０ｖ）がｎ領域３０２に印加されるので、エネルギー・
バンド図は第４図（ｂ）に示すようになム この時、ポ
リシリコン・ゲート電極の電圧はＯｖであム このゲー
ト電極の電圧が正方向に増せば信号電荷の蓄積状態とな
り、負方向に増せば信号電荷の非蓄積状態となる。
な抵 ゲート酸化膜（ＳｉＯ２）の両端に高電圧が印加
されると、埋め込みチャネル型ＣＣＤの場合は酸化膜内
に負電荷（電子）が発生したり注入されたりすることで
特性変化の原因となることがあも これは 第４図（ｂ
）の点線で示すように ゲート酸化膜中の電子がゲート
酸化膜のエネルギー・バンドを変形することに由来する
力交 膜厚Ｔｏｘが厚い場合は大きな問題にはならな（
ちこうした現在のＣＣＤの技術背景とは別に 将来のハ
イビジョン時代の撮像機器に必要となる２００万画素の
ＣＣＤともなると、半導体メモリのＤＲＡＭと同様に
スケーリング（微細化）の適用が不可欠となる。とりわ
（す、ゲート絶縁膜厚の微細化ζよ 第５図の計算結果
（絶縁膜の厚さｄが１０００人と５００人の時の最大転
送電荷量Ｎ ｓｉｇとゲート電極の電圧Ｖｇの関係）に
示すよう＆ミ 同じダイナミック・レンジを取り扱うの
に絶縁膜厚の小さい方がゲート電極に印加する駆動パル
スの振幅は小さ（て済収 低電圧化に有利であることが
わかる。
されると、埋め込みチャネル型ＣＣＤの場合は酸化膜内
に負電荷（電子）が発生したり注入されたりすることで
特性変化の原因となることがあも これは 第４図（ｂ
）の点線で示すように ゲート酸化膜中の電子がゲート
酸化膜のエネルギー・バンドを変形することに由来する
力交 膜厚Ｔｏｘが厚い場合は大きな問題にはならな（
ちこうした現在のＣＣＤの技術背景とは別に 将来のハ
イビジョン時代の撮像機器に必要となる２００万画素の
ＣＣＤともなると、半導体メモリのＤＲＡＭと同様に
スケーリング（微細化）の適用が不可欠となる。とりわ
（す、ゲート絶縁膜厚の微細化ζよ 第５図の計算結果
（絶縁膜の厚さｄが１０００人と５００人の時の最大転
送電荷量Ｎ ｓｉｇとゲート電極の電圧Ｖｇの関係）に
示すよう＆ミ 同じダイナミック・レンジを取り扱うの
に絶縁膜厚の小さい方がゲート電極に印加する駆動パル
スの振幅は小さ（て済収 低電圧化に有利であることが
わかる。
発明が解決しようとする課題
ところ力丈 薄いゲート酸化膜（Ｓｉｎ２）では第４図
（ｃ）に示すようＥ、５１０２膜中で発生する負電荷（
電子）がｎ−５ｉ＝ＳｉＯ２界面の電界を強取 その結
果として正孔のＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ トン
ネル電流（キャリアがトンネル効果でゲート酸化膜に注
入した後、ゲート酸化膜中を電界に従って流れることに
より生じる電流）を増加させ、ＣＯＤの正常動作を阻害
してしまう。このた数 第５図で示された５００人相当
の薄いＳｉＯ２は使用することができなｔ〜 一人 スケーリング・ドライバーであるＤＲＡＭなどで
は薄いＳｉＯ２より絶縁破壊特性が優れている○ＮＯ膜
（Ｓ ｉ Ｏａ／Ｓ ｉ ３Ｎ４／Ｓ ｉ ｘＮｙｏｚ
構成の三層膜）が使用されている。
（ｃ）に示すようＥ、５１０２膜中で発生する負電荷（
電子）がｎ−５ｉ＝ＳｉＯ２界面の電界を強取 その結
果として正孔のＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ トン
ネル電流（キャリアがトンネル効果でゲート酸化膜に注
入した後、ゲート酸化膜中を電界に従って流れることに
より生じる電流）を増加させ、ＣＯＤの正常動作を阻害
してしまう。このた数 第５図で示された５００人相当
の薄いＳｉＯ２は使用することができなｔ〜 一人 スケーリング・ドライバーであるＤＲＡＭなどで
は薄いＳｉＯ２より絶縁破壊特性が優れている○ＮＯ膜
（Ｓ ｉ Ｏａ／Ｓ ｉ ３Ｎ４／Ｓ ｉ ｘＮｙｏｚ
構成の三層膜）が使用されている。
そこで、第４図（Ｃ）の５００人の薄い５ｉＯａと等価
な膜厚のＯＮＯ膜に置き換えた場合の熱平衡状態（電圧
は印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バン
ド図を第６図（ａ）に示す。
な膜厚のＯＮＯ膜に置き換えた場合の熱平衡状態（電圧
は印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バン
ド図を第６図（ａ）に示す。
ＣＣＤが主動作状態にあり、しかもゲート電極の印加電
圧がＯｖの場合のエネルギー・バンド図を第６図（ｂ）
に示す。
圧がＯｖの場合のエネルギー・バンド図を第６図（ｂ）
に示す。
第６図（ｂ）に示すように ｎ形シリコン側から下部Ｓ
ｉＯ２膜６０１へ直接トンネリング（キャリアがゲート
酸化膜を突き抜けるようなトンネル効果現象）により注
入された正孔１＆５ｉｓＮ４膜中をＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅ
ｎｋｅｌ電流（窒化膜の伝導帯または価電子帯のキャリ
アがトラップ準位との間を往来しながら電界に従って流
れる電流）となって流れ 薄い上部５ｉ０２膜６０３を
直接トンネリングでゲート電極６０４側へ抜けも この
結果 ｎ形シリコンの表面はよりｎ形になろうとするた
ム ゲート電極６０４の電圧を負方向に変化させてもシ
リコン側からゲート電極へ正孔が大量に流れて行くだけ
であり、蓄積状態から非蓄積状態へは変化させることが
できな（−こうした現象のためへ ただ単に薄いＯＮＯ
膜をゲート絶縁膜として採用するだけではＣＣＤの最大
転送電荷量が減少してしまう。
ｉＯ２膜６０１へ直接トンネリング（キャリアがゲート
酸化膜を突き抜けるようなトンネル効果現象）により注
入された正孔１＆５ｉｓＮ４膜中をＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅ
ｎｋｅｌ電流（窒化膜の伝導帯または価電子帯のキャリ
アがトラップ準位との間を往来しながら電界に従って流
れる電流）となって流れ 薄い上部５ｉ０２膜６０３を
直接トンネリングでゲート電極６０４側へ抜けも この
結果 ｎ形シリコンの表面はよりｎ形になろうとするた
ム ゲート電極６０４の電圧を負方向に変化させてもシ
リコン側からゲート電極へ正孔が大量に流れて行くだけ
であり、蓄積状態から非蓄積状態へは変化させることが
できな（−こうした現象のためへ ただ単に薄いＯＮＯ
膜をゲート絶縁膜として採用するだけではＣＣＤの最大
転送電荷量が減少してしまう。
本発明はこの様な課題に注目し 最大転送電荷量（ダイ
ナミック性能）を損なう事なく、 ＣＣＤに適した薄い
ゲート絶縁膜を用いた埋め込みチャネル型ＣＣＤ構造の
半導体装置の提供を目的とする。
ナミック性能）を損なう事なく、 ＣＣＤに適した薄い
ゲート絶縁膜を用いた埋め込みチャネル型ＣＣＤ構造の
半導体装置の提供を目的とする。
課題を解決するための手段
本発明（友 上記目的を達成するためへ 電荷転送領域
となるシリコン上部のｎ型領域の表面番−窒化膜にｎ型
不純物原子をドーピングした薄いＯＮＯ膜をゲート絶縁
膜として用いた埋め込みチャネル形ＣＣＤ構造の半導体
装置である。
となるシリコン上部のｎ型領域の表面番−窒化膜にｎ型
不純物原子をドーピングした薄いＯＮＯ膜をゲート絶縁
膜として用いた埋め込みチャネル形ＣＣＤ構造の半導体
装置である。
作用
本発明は 前記した構造により、ＣＣＤの主要特性の最
大転送電荷量に悪影響を与えずに 薄いゲート絶縁膜と
して窒化膜にｎ型不純物原子をドーピングしたＯＮＯ膜
を採用することで、窒化膜のエネルギー・バンド構造を
埋め込みチャネル型ＣＣＤに適した象で変形することが
可能になり、ＣＣＤのシリコン表面のゲート絶縁膜をス
ケーリングすることが可能になる。
大転送電荷量に悪影響を与えずに 薄いゲート絶縁膜と
して窒化膜にｎ型不純物原子をドーピングしたＯＮＯ膜
を採用することで、窒化膜のエネルギー・バンド構造を
埋め込みチャネル型ＣＣＤに適した象で変形することが
可能になり、ＣＣＤのシリコン表面のゲート絶縁膜をス
ケーリングすることが可能になる。
実施例
以下に本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。
第１図は 本発明の実施例の半導体装置の構造を示すも
のである。図から判るようににｐ基板１０１の上部に形
成されたｎ領域１０２と、 ｎ領域１０２の上部表面に
形成されたゲート絶縁膜となる厚さＴ ｏｎｏのＯＮＯ
膜１０３と、ＯＮＯ膜１０３の上に形成された第１層の
ポリシリコン・ゲート電極１０４と、酸化膜（ＳｉＯ２
）またはＯＮ○膜１０５を隔てて形成された第２層のポ
リシリコン・ゲート電極１０６とで構成されも 構造上
の特徴はＯＮＯ膜１０３の５ｉｓＮ４にｎ型不純物原子
（本実施例ではフッ素）をドーピングしていることであ
ム 製造方法的に？１ｏＮｏ膜の下部５ｉＣ１ａは熱酸化に
より３００人程変形成し 続いてＮＨ３ガスを用いたプ
ラズマＣＶＤで５ｉｓＮ−を４００人程変形成すべき工
程で窒化反応の増速および窒化膜の拡散の促進のために
ＣＦ４．ＳＦ６．ＮＦ３を添加すると、５ｉｘＮｙＦｚ
が形成される。その後、５ｉｘＮｙＦｚを熱酸化して５
０〜７０人程度の変形Ｓｉｘ’Ｎｙ’Ｆｚ○Ｗを形成す
も 第１図のＡ−Ａ’ 断面に沿った熱平衡状態（全での電
圧を印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バ
ンド図を第２図（ａ）に示す。第１図のＣＣＤの主動作
状態で（よ ｎ領域１０１に対して正の電圧（１５〜２
０■）がｎ領域１０２に印加されるので、エネルギー・
バンド図は第２図（ｂ）に示すようになム この時、ポ
リシリコン・ゲート電極の電圧はＯｖである。フッ素が
添加された窒化膜２０１のエネルギー・バンドが価電子
帯側へ移動するたＪａｎ領域１０２の表面の価電子帯の
正孔に対しては障壁にな４ 従って、ｎ領域から５ｉ０
２膜２０２に注入される正孔は存在しな（Ｘｏ 従っ
て、厚いゲート酸化膜の場合と同様へ ゲート電極の電
圧を正方向に増せば信号電荷の蓄積状態となり、負方向
に増せば信号電荷の非蓄積状態となる。
のである。図から判るようににｐ基板１０１の上部に形
成されたｎ領域１０２と、 ｎ領域１０２の上部表面に
形成されたゲート絶縁膜となる厚さＴ ｏｎｏのＯＮＯ
膜１０３と、ＯＮＯ膜１０３の上に形成された第１層の
ポリシリコン・ゲート電極１０４と、酸化膜（ＳｉＯ２
）またはＯＮ○膜１０５を隔てて形成された第２層のポ
リシリコン・ゲート電極１０６とで構成されも 構造上
の特徴はＯＮＯ膜１０３の５ｉｓＮ４にｎ型不純物原子
（本実施例ではフッ素）をドーピングしていることであ
ム 製造方法的に？１ｏＮｏ膜の下部５ｉＣ１ａは熱酸化に
より３００人程変形成し 続いてＮＨ３ガスを用いたプ
ラズマＣＶＤで５ｉｓＮ−を４００人程変形成すべき工
程で窒化反応の増速および窒化膜の拡散の促進のために
ＣＦ４．ＳＦ６．ＮＦ３を添加すると、５ｉｘＮｙＦｚ
が形成される。その後、５ｉｘＮｙＦｚを熱酸化して５
０〜７０人程度の変形Ｓｉｘ’Ｎｙ’Ｆｚ○Ｗを形成す
も 第１図のＡ−Ａ’ 断面に沿った熱平衡状態（全での電
圧を印加していない時の熱平衡状態）のエネルギー・バ
ンド図を第２図（ａ）に示す。第１図のＣＣＤの主動作
状態で（よ ｎ領域１０１に対して正の電圧（１５〜２
０■）がｎ領域１０２に印加されるので、エネルギー・
バンド図は第２図（ｂ）に示すようになム この時、ポ
リシリコン・ゲート電極の電圧はＯｖである。フッ素が
添加された窒化膜２０１のエネルギー・バンドが価電子
帯側へ移動するたＪａｎ領域１０２の表面の価電子帯の
正孔に対しては障壁にな４ 従って、ｎ領域から５ｉ０
２膜２０２に注入される正孔は存在しな（Ｘｏ 従っ
て、厚いゲート酸化膜の場合と同様へ ゲート電極の電
圧を正方向に増せば信号電荷の蓄積状態となり、負方向
に増せば信号電荷の非蓄積状態となる。
な抵 本実施例では窒化膜にドーピングする不純物原子
としてフッ素を用いたが窒化膜のエネルギー・バンドを
価電子帯側に移動させることができる原子であればフッ
素を用いた本実施例と同等な効果が期待できることは勿
論である。
としてフッ素を用いたが窒化膜のエネルギー・バンドを
価電子帯側に移動させることができる原子であればフッ
素を用いた本実施例と同等な効果が期待できることは勿
論である。
発明の効果
本発明によれば 電荷転送領域の動作性能である最大転
送電荷量に悪影響を与えずに薄いゲート絶縁膜として○
ＮＯ膜を採用することが可能になるたＶｘＣＣＤのシリ
コン表面のゲート絶縁膜をスケーリングすることが可能
になる。この結果ＣＣＤの絶縁膜がより薄くなると共に
転送パルスの振幅も小さくなり、高画素化のための設計
指針であるスケーリングから帰結される電源電圧の低減
も可能になり、本発明がもたらす実用的な効果は極めて
大きい。
送電荷量に悪影響を与えずに薄いゲート絶縁膜として○
ＮＯ膜を採用することが可能になるたＶｘＣＣＤのシリ
コン表面のゲート絶縁膜をスケーリングすることが可能
になる。この結果ＣＣＤの絶縁膜がより薄くなると共に
転送パルスの振幅も小さくなり、高画素化のための設計
指針であるスケーリングから帰結される電源電圧の低減
も可能になり、本発明がもたらす実用的な効果は極めて
大きい。
第１図は本発明の一実施例のＣＣＤ型半導体装置の構造
を示す断面医 第２図は第１図の実施例のＡ−Ａ’ 断
面に沿うエネルギー・バンド図 第３図は従来のＣＣＤ
型半導体装置の構造を示す断面医 第４図は第３図の従
来例のＡ−Ａ’断面に沿うエネルギー・バンド図 第５
図は絶縁膜の厚さの大小がゲート電圧と最大転送電荷量
の関係に及ぼす影響を計算した結果を示すグラフ、第６
図は薄い酸化膜と等価なＯＮ○膜を用いた場合の第３図
の従来例のＡ−Ａ’ 断面に沿うエネルギー・バンド図
を示す。 ｐ基板・・・１０１、３０１、 ｎ領域・・・１０２、
３０２、ゲート絶縁膜・・・１０３、１０４、３０３．
３０４、窒化膜・・・２０１、６０２、下部酸化膜・・
・２０２、６０１、上部酸化膜・・・２０３、６０３、
第１層ポリシリコン・ゲート電極・・・１０４．３０４
、第２層ポリシリコン・ゲー ト電極・・・１０６．３
０６゜ 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 はか１名第 図 ＩＯ！ 第 図 （山） 第 図 第 図 第 図 ｆ）−３Ｌ （Ｃ） 札−３Ｌ ｆａｌｌ−３ｉ ヒーーーー ２ｐ Ｔ＃Ｘ 第 図 （＾）
を示す断面医 第２図は第１図の実施例のＡ−Ａ’ 断
面に沿うエネルギー・バンド図 第３図は従来のＣＣＤ
型半導体装置の構造を示す断面医 第４図は第３図の従
来例のＡ−Ａ’断面に沿うエネルギー・バンド図 第５
図は絶縁膜の厚さの大小がゲート電圧と最大転送電荷量
の関係に及ぼす影響を計算した結果を示すグラフ、第６
図は薄い酸化膜と等価なＯＮ○膜を用いた場合の第３図
の従来例のＡ−Ａ’ 断面に沿うエネルギー・バンド図
を示す。 ｐ基板・・・１０１、３０１、 ｎ領域・・・１０２、
３０２、ゲート絶縁膜・・・１０３、１０４、３０３．
３０４、窒化膜・・・２０１、６０２、下部酸化膜・・
・２０２、６０１、上部酸化膜・・・２０３、６０３、
第１層ポリシリコン・ゲート電極・・・１０４．３０４
、第２層ポリシリコン・ゲー ト電極・・・１０６．３
０６゜ 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 はか１名第 図 ＩＯ！ 第 図 （山） 第 図 第 図 第 図 ｆ）−３Ｌ （Ｃ） 札−３Ｌ ｆａｌｌ−３ｉ ヒーーーー ２ｐ Ｔ＃Ｘ 第 図 （＾）
Claims (1)
- 第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体
領域の上部に形成された第２導電型の第２の半導体領域
と、前記第２の半導体領域の表面に形成されたゲート絶
縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極を
主な構成要素として有し、しかも前記ゲート絶縁膜が第
２導電型の不純物原子Ｅを窒化膜にドーピングしたＯＮ
Ｏ（ＳｉＯ＿２／ＳｉｘＮｙＥｚ／Ｓｉｘ′Ｎｙ′Ｅｚ
′Ｏｗ）構造のゲート絶縁膜であることを特徴とする半
導体装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2123443A JPH0423331A (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2123443A JPH0423331A (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0423331A true JPH0423331A (ja) | 1992-01-27 |
Family
ID=14860729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2123443A Pending JPH0423331A (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0423331A (ja) |
-
1990
- 1990-05-14 JP JP2123443A patent/JPH0423331A/ja active Pending
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