JPH0613600A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光電変換素子の飽和量を増大できるようにす
る。 【構成】 半導体基板の光像照射領域面に複数の光電変
換素子とこれら各光電変換素子に発生した電荷を電荷読
出領域を介して転送させる電荷転送素子とが形成された
固体撮像素子において、前記光電変換素子を構成する電
荷蓄積部３が前記電荷読出領域に及んで延在部３Ａを介
して延在されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に係り、
特に、その光電変換素子の電荷蓄積部の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子は、複数のフォトダイオー
ド（光電変換素子）が形成された領域に光像が投影され
た際に、各フォトダイオードに光強度に応じた量の電荷
を発生することから、これら各電荷をＣＣＤ素子（電荷
転送素子）によって光像投影領域外に転送し、それぞれ
のフォトダイオードに対応する電荷量をそれぞれ例えば
電圧値に変換して、これにより得られる信号を映像信号
として出力するようになっている。

【０００３】図１２は、前記フォトダイオード１０とＣ
ＣＤ素子２０とを示した平面図である。なお、図１２の
XIII−XIII線における断面図を図１３に示す。各図にお
いて、フォトダイオード１０は、ｎ型半導体基板３０上
のｐ型ウェル層３１とその表面に形成されたｎ型拡散層
３２とで構成されている。このｎ型拡散層３２はいわゆ
る電荷蓄積部と称されているものである。

【０００４】また、フォトダイオード１０に隣接してＣ
ＣＤ素子２０の電荷転送路を構成するｎ型拡散層３３
が、前記ｐウェル層３１面に形成した濃度の高いｐウェ
ル層３４上に形成されている。

【０００５】なお、前記フォトダイオード１０のｎ型拡
散層３２の表面にはいわゆる暗電流防止のための濃度の
濃いｐ型拡散層３５が形成されている。

【０００６】そして、このような各種拡散層が形成され
たｐ型ウェル層３１の表面にはシリコン酸化膜３６が形
成され、このシリコン酸化膜３６の表面には電荷転送電
極３７が形成されている。

【０００７】この電荷転送電極３７は、ＣＣＤ素子２０
のｎ型拡散層３３の走行方向に沿ってたとえば２つの層
を異ならしめた電荷転送電極３７Ａおよび電荷転送電極
３７Ｂとからなっている。そして、このような電荷転送
電極３７Ａおよび電荷転送電極３７Ｂのうち、特に電荷
転送電極３７Ａはｎ型拡散層（電荷蓄積領域）３２の電
荷をＣＣＤ素子２０側へ読みだすための読出電極を兼ね
ており、この読出電極下の前記ｎ型拡散層３２と３３と
の間の領域をこの明細書では読出領域と称することとす
る。

【０００８】ここで、電荷蓄積領域となるｎ型拡散層３
２は、フォトダイオード１０の飽和電荷量を決定するた
めの重要な領域となり、この領域を拡大して飽和を増大
させようとすると、ＣＣＤ素子側のポテンシャルバリア
が低下して逆に飽和が減少してしまうことから、それら
の妥協点として、図示のような矩形状となっているもの
である。

【０００９】なお、このような構成からなる固体撮像素
子は、たとえば、文献「映像情報１９８６ ５月号 Ｖ
ｏＬ．１８ 産業開発機構ＫＫ発行」において詳述され
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された固体撮像素子は、近年において、画素数
の増大による高精細化、および画素の縮小による小型化
が図れるようになってきた。

【００１１】このため、画素が小さくなったことによる
フォトダイオード１０の飽和量の低下、さらには、微細
なパターンを用いることによる合わせずれに起因して読
みだし電圧の変動の増大という問題が残されるようにな
ってきた。

【００１２】それ故、本発明はこのような事情に基づい
てなされたものであり、その目的とするところのもの
は、光電変換素子の飽和量を増大できる固体撮像素子を
提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、電荷転送路側
への読みだし電圧の変動を抑制できる固体撮像素子を提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による固体撮像素子は、まず、半導体
基板の光像照射領域面に複数の光電変換素子とこれら各
光電変換素子に発生した電荷を電荷読出領域を介して転
送させる電荷転送素子とが形成された固体撮像素子にお
いて、前記光電変換素子を構成する電荷蓄積部が前記電
荷読出部に及んで延在されていることを特徴とすること
を特徴とするものである。

【００１５】また、このような固体撮像素子を製造する
場合において、延在部を含めた前記電荷蓄積部と電荷転
送部とのそれぞれの形成領域に孔が設けられたマスクを
形成する工程と、このマスクの一方の孔を他のマスクに
よって塞ぐことにより前記電荷蓄積部と電荷転送部とを
別工程で形成することを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】このように本発明による固体撮像素子は、その
光電変換素子の電荷蓄積部が電荷読出領域に及んで延在
されたものとなっている。

【００１７】これにより、前記電気蓄積部の平面形状に
おける面積が大きくなるとともに、電荷転送素子の電荷
転送路との間に形成するチャネルの長さが小さくなる。

【００１８】したがって、ＣＣＤ素子側のポテンシャル
バリアを低下させずして光電変換素子の飽和電荷量を多
くすることができるようになる。

【００１９】また、上述した固体撮像素子の製造方法に
よれば、電荷蓄積部の特に延在部の部分と電荷転送部と
の形成においては、同一のマスクを用いて形成したもの
である。

【００２０】このため、チャンネルを形成する電荷蓄積
部の延在部と電荷転送部との間の距離においてばらつき
がなく形成することができる。したがって、読みだし電
圧の変動を抑制することができるようになる。

【００２１】なお、電荷蓄積部と電荷転送部とはそれぞ
れの不純物濃度および深さが異なってるため、通常は別
個のマスクでそれぞれ形成するものであるが、本発明に
おいては、前記マスクの一方の孔を他のマスクによって
塞ぐことにより前記電荷蓄積部と電荷転送部とを別工程
で形成するようにしている。

【００２２】

【実施例】図４は、本発明による固体撮像素子の一実施
例を示す概略構成図である。

【００２３】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード１がマトリックス状に配
列されて形成されている。

【００２４】ここで、フォトダイオード１は、光照射に
よりその光の強度に応じて電荷を発生する光電変換素子
である。

【００２５】また、列方向（図中、縦方向）に配列され
たフォトダイオード１の群毎に該列方向に沿って形成さ
れた垂直シフトレジスタ２があり、これら各垂直シフト
レジスタ２はＣＣＤ素子から構成されている。

【００２６】これら垂直シフトレジスタ２は、それぞれ
列方向に配列された各フォトダイオード１にて発生した
電荷を読出すとともに、この電荷を列方向に沿って前記
光像投影領域外に転送させるものとなっている。

【００２７】なお、各フォトダイオード１から垂直シフ
トレジスタ２への電荷読出しは、図示しない電荷読出電
極によりなされるようになっている。

【００２８】さらに、各垂直シフトレジスタ２からそれ
ぞれ転送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ４に出
力され、この水平シフトレジスタ４によって水平方向に
転送されるようになっている。この水平シフトレジスタ
４は、前記各垂直シフトレジスタ２と同様にＣＣＤ素子
により構成されている。

【００２９】水平シフトレジスタ４からの出力は、出力
回路５に入力され、この出力回路５において例えば電圧
に変換され、外部に取り出されるようになっている。

【００３０】図１は、前記垂直シフトレジスタ２である
ＣＣＤ素子とフォトダイオード１との関係を詳細に示し
た平面構成図であり、図４の点線で囲んだ領域に相当す
るものとなっている。なお、図１のII−II線における断
面図を図２に、そしてIII−III線における断面図を図３
に示している。

【００３１】図１において、図中散点領域で示すｎ型拡
散層３の形成領域がフォトダイオード１を構成してお
り、これらフォトダイオード１は半導体基板面にマトリ
ックス状に配置されている。

【００３２】このｎ型拡散層３は、この実施例で特有の
構成となるが、後述するＣＣＤ素子のｎ型拡散層２にほ
ぼ平行に延在する矩形形状に電荷読出領域にて突状部３
Ａが付加された形状をなしている。

【００３３】なお、このフォトダイオード１のｎ型拡散
層３の表面には、前記ｎ型拡散層３の形成領域およびこ
の形成領域から外方へ一部延在してｐ型拡散層５が形成
されている。このｐ型拡散層５はいわゆる暗電流防止の
ための拡散層となっている。

【００３４】そして、列方向（図中縦方向）に配置され
た各フォトダイオード群の間には、ＣＣＤ素子を構成す
るｎ型拡散層２からなる電荷転送路が形成されている。
電荷転送路は、図中左側に位置付けられている各フォト
ダイオード１からの電荷を読みだした後に転送路方向に
転送するようになっている。

【００３５】なお、上述した各種拡散層は、図１３に示
したと同様に、ｎ型半導体基板３０上のｐウェル層３１
に形成されたものとなっており、前記ｎ型拡散層４は濃
度の濃いｐウェル層３４の表面に形成されている。

【００３６】電荷の読みだしおよび転送は、シリコン酸
化膜３６を介して二層に形成された電荷転送電極３７Ａ
（電荷読出電極）、一層目に形成された転送電極３７Ｂ
によってなされるようになっている。

【００３７】電荷転送電極３７Ａ、３７Ｂはそれぞれ電
荷転送路であるｎ型拡散層４に沿って順次交互に配置さ
れているとともに、電荷転送路方向における電荷転送電
極（電荷読出電極）３７Ａの両端は、それぞれ電荷転送
電極３７Ｂの上方に位置付けられ重畳領域を有するよう
になっている。

【００３８】そして、これら電荷転送路上の電荷転送電
極３７Ａ、電荷転送電極３７Ｂは、隣接する電荷転送路
上の電荷転送電極３７Ａ、電荷転送電極３７Ｂと共通に
転送信号が印加されるようにそれらは互いに接続されて
いる。

【００３９】このように本実施例による固体撮像素子
は、そのフォトダイオード１のｎ型拡散層３（電荷蓄積
部）が電荷読出領域に及んで延在されたものとなってい
る。

【００４０】これにより、前記ｎ型拡散層３（電気蓄積
部）の平面形状における面積が大きくなるとともに、Ｃ
ＣＤ素子２のｎ型拡散層４である電荷転送路との間に形
成するチャネルの長さが小さくなる。

【００４１】したがって、ＣＣＤ素子２側のポテンシャ
ルバリアを低下させずしてフォトダイオードの飽和電荷
量を多くすることができるようになる。

【００４２】次に、このような構成からなる固体撮像素
子の製造方法の一実施例を図５ないし図１１を用いて説
明する。

【００４３】工程１．（図５） ｎ型半導体板３０の主表面に、たとえばイオン打ち込み
方法を用いて、ｐ型ウェル層３１を形成する。

【００４４】そして、このｐ型ウェル層３１の主表面に
は適当な処理が施されて表面ダメージが除かれたものと
なっている。

【００４５】工程２．（図６） ｐ型ウェル層３１の主表面に、たとえばＳｉ₃Ｎ₄（シリ
コンナイトライド）膜４１を形成し、周知のフォトリソ
グラフィ技術を用いてフォトダイオード形成領域４１Ａ
およびＣＣＤ素子形成領域４１Ｂに相当する領域の該膜
を除去し、これにより不純物拡散用マスクを形成する。
なお、ここで、フォトダイオード形成領域４１ＡとＣＣ
Ｄ素子形成領域４１Ｂとは分離されたものとなってい
る。

【００４６】工程３．（図７） レジスト膜４２を塗布し、このレジスト膜４２のうちＣ
ＣＤ素子形成領域４１Ｂ上にある部分を除去することに
よって、フォトダイオード形成領域４１Ａ上にある部分
を残存させる。

【００４７】そして、たとえばイオン打ち込み方法を用
いて、ＣＣＤ素子形成領域４１Ｂに相当するｐ型ウェル
層３１の表面に濃度の濃いＰ型ウェル層３４を形成し、
その後に該ｐ型ウェル層３４の表面に電荷転送路となる
ｎ型拡散層４を形成する。

【００４８】工程４．（図８（ａ）、（ｂ）） ここで、図のIII−III線における断面図を図８（ａ）
に、また、II−II線における断面図を図８（ｂ）に示
す。

【００４９】前記レジスト膜４２を全て除去し、その
後、新たなレジスト膜４３を塗布し、このレジスト膜４
３のうちフォトダイオード形成領域４１Ａ上にある部分
を除去することによって、ＣＣＤ素子形成領域４１Ｂ上
にある部分を残存させる。

【００５０】そして、たとえばイオン打ち込み方法を用
いて、フォトダイオード形成領域４１Ａに相当するｐ型
ウェル層３１の表面にＮ型拡散層３を形成する。このＮ
型拡散層３はフォトダイオード１の電荷蓄積部に相当す
るものであり、この際において、感度を向上させるため
に深さ方向には所望の濃度プロファイルで形成し、ま
た、横方向にはＣＣＤ素子に悪影響を及ぼさない拡散状
態に設定する。

【００５１】さらに、同図にそれぞれ示すように、前記
レジスト膜４３は、その一部がフォトダイオード形成領
域４１ＡにおいてＳｉ₃Ｎ₄膜４１から露呈するｐ型ウェ
ル層３１の表面に延在するように形成されている。これ
によって、図８（ａ）に示すように、電荷転送領域にお
いて、前記ｎ型拡散層３がＣＣＤ素子側のｐ型ウェル層
３４に接触し、図８（ｂ）に示すように、それ以外の領
域において、ｐ型ウェル層３４に接触しないようになっ
ている。

【００５２】工程５．（図９） 前記レジスト膜４３を全て除去した後、表面酸化膜３６
を形成する。さらに、この表面酸化膜３６のＣＣＤ素子
の形成領域上にポリシリコンからなる電荷転送電極３７
Ａ、３７Ｂを形成する。本実施例のＣＣＤ素子における
電荷転送電極３７Ａ、３７Ｂは二層構造で構成され、そ
のうちの一層目の電極が前記転送電極３７Ｂとなってい
る。

【００５３】そして、前記表面酸化膜３６を介してイオ
ン打ち込みをし、これにより、フォトダイオード形成領
域におけるｎ型拡散層３の表面に濃度の濃いｐ型拡散層
５を形成する。このｐ型拡散層５は、いわゆる暗電流の
発生を防止するための拡散層となっている。

【００５４】工程６．（図１０） 電荷転送電極３７Ａ、３７Ｂを含み表面酸化膜３６の上
面にＰＳＧ膜４５を形成し、そのＰＳＧ膜４５の表面に
遮光膜４６を形成する。この遮光膜４６はたとえばアル
ミニュウム膜からなり、フォトダイオード形成領域に対
応する部分に孔が設けられたものとなっている。このよ
うな遮光膜４６を形成する理由は、フォトダイオード形
成領域以外の領域に光照射がなされて半導体基板内にい
わゆるスミア電流が発生するのを防止するためである。

【００５５】工程７．（図１１） 前記遮光膜４６の上面に前記孔をも含んでシリコン酸化
膜からなる透明絶縁膜４７を多層に形成し、その過程に
おいてそれらの層間に色分解用フィルタ４８、４９をも
形成する。なお、前記透明絶縁膜４７としては、前記シ
リコン酸化膜が主としてもちいられるが、そのの表面を
平坦化する目的で透明樹脂膜を塗布によって介層させる
ようにしてもよい。

【００５６】このように形成された透明絶縁膜４７の表
面の各フォトダイオード１の上方にそれぞれ相当する領
域に樹脂層を形成し、この樹脂層を溶融することにより
マイクロレンズ５０を形成する。

【００５７】このような本実施例による固体撮像素子の
製造方法によれば、ｎ型拡散層３からなる電荷蓄積部の
特に延在部３Ａの部分とｎ型拡散層４からなる電荷転送
部との形成においては、同一のマスクを用いて形成した
ものである。

【００５８】このため、チャンネルを形成する電荷蓄積
部（ｎ型拡散層３）の延在部３Ａと電荷転送部（ｎ型拡
散層４）との間の距離においてばらつきがなく形成する
ことができる。したがって、電荷転送路への読みだし電
圧の変動を抑制することができるようになる。

【００５９】なお、電荷蓄積部と電荷転送部とはそれぞ
れの不純物濃度および深さが異なってるため、通常は別
個のマスクでそれぞれ形成するものであるが、本実施例
においては、前記マスクの一方の孔を他のマスクによっ
て塞ぐことにより前記電荷蓄積部と電荷転送部とを別工
程で形成するようにしている。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明による固体撮像素子によれば、光電変換素子の飽
和量を増大できるようになる。また、本発明による固体
撮像素子の製造方法によれば、電荷転送路への読みだし
電圧の変動を抑制することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による固体撮像素子の一実施例を示す
部分平面図である。

【図２】 図１のII−II線における断面図である。

【図３】 図１のIII−III線における断面図である。

【図４】 本発明による固体撮像素子の一実施例を示す
概略全体平面図である。

【図５】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一実
施例を示す工程１．の説明図である。

【図６】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一実
施例を示す工程２．の説明図である。

【図７】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一実
施例を示す工程３．の説明図である。

【図８】 （ａ）、（ｂ）は、本発明による固体撮像素
子の製造方法の一実施例を示す工程４．の説明図であ
る。

【図９】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一実
施例を示す工程５．の説明図である。

【図１０】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一
実施例を示す工程６．の説明図である。

【図１１】 本発明による固体撮像素子の製造方法の一
実施例を示す工程６．の説明図である。

【図１２】 従来の固体撮像素子の一例を示す部分平面
図である。

【図１３】 図１２のXIII−XIII線における断面図であ
る。

【符号の説明】

１…フォトダイオード、２…ＣＣＤ素子、３…ｎ型拡散
層（電荷蓄積部）、４…ｎ型拡散層（電荷転送路）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の光像照射領域面に複数の光
   電変換素子とこれら各光電変換素子に発生した電荷を電
   荷読出領域を介して転送させる電荷転送素子とが形成さ
   れた固体撮像素子において、前記光電変換素子を構成す
   る電荷蓄積部が前記電荷読出領域に及んで延在されてい
   ることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 延在部を含めた前記電荷蓄積部と電荷転
   送部とのそれぞれの形成領域に孔が設けられたマスクを
   形成する工程と、このマスクの一方の孔を他のマスクに
   よって塞ぐことにより前記電荷蓄積部と電荷転送部とを
   別工程で形成する工程とからることを特徴とする請求項
   １記載の固体撮像素子の製造方法。