JPH06163870A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体撮像素子において素子感度を向上させ、
最大電荷転送量を大きくすることを目的とする。 【構成】 固体撮像素子の感光部の信号電荷蓄積領域中
に信号電荷と反極性の電荷を蓄積できる領域を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた固体撮像装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤはアナログ信号を低雑音で転送で
きるという優れた特徴を持つため、固体撮像装置などの
素子に応用されている。図１３は従来から知られている
埋め込みフォトダイオードを有するＩＴ−ＣＣＤ（Ｉｎ
ｔｅｒｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ）の画素部
断面の一例を示したものである。ｎ型シリコン基板１上
にｐ型ウエル２、転送チャネル３、ゲート酸化膜４、読
みだし電極（転送電極を兼ねている）５が形成されてい
る。また、ｐ型ウエル中には、イオン注入により、フォ
トダイオードのｎ型層６及びチャネルストップ層を兼ね
た表面ｐ型層７、素子分離部９が形成されている。読み
だし電極５上には遮光膜８が形成される。このイオン注
入の際には、素子分離部９または表面ｐ型層７中に結晶
欠陥が発生することがある。

【０００３】このＣＣＤは、入射光の光電変換により発
生した電子をｎ型層６に蓄える。これを周期的に転送チ
ャネル３へ読みだし、転送し、検出部で電圧に変換した
後、信号を出力する。入射光量が大きくなると、信号電
子数もそれに比例して大きくなっていくが、感光部の飽
和信号量まで達すると、それ以降は入射光量がおおきく
なっても、一定の信号電子数しか出力されてこない。素
子のダイナミックレンジは信号電子数が飽和に達するま
での値で決まり、従来の固体撮像素子ではこの飽和信号
量を大きくとれないため、ダイナミックレンジが小さい
という欠点があった。

【０００４】フォトダイオードの表面ｐ型層７は表面準
位により発生する雑音電子（暗電流に相当する）を抑制
するために設けられたものであるが、読みだし電極側の
一部分には設けていないため、雑音電子の抑圧が不十分
であるという欠点があった。また読みだし電極５上の遮
光膜８の隙間から光が入り込むことによりスミアが生じ
るためおこる画質劣化も問題となっていた（図１５）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した様に、従来の
固体撮像装置においては、ダイナミックレンジを大きく
とれず、素子の感度が低いという問題があった。また、
暗電流による雑音電子やスミアによる画質劣化といった
問題も生じていた。本発明は上記課題に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、高感度で雑音の
少ない固体撮像素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は半導体基板
上にマトリックス状に配列された感光部と、これらの感
光部の配列に沿って配列され、前記感光部から読みださ
れた信号を転送するＣＣＤと、前記感光部の信号電荷蓄
積領域中に形成された信号電荷と反極性の電荷を蓄積す
る領域とを備えた固体撮像素子を提供することを特徴と
する。

【０００７】第２の発明は半導体基板上にマトリックス
状に配列された感光部と、これらの感光部の配列に沿っ
て配列され、前記感光部から読みだされた信号を転送す
るＣＣＤと、前記感光部を分離する分離電極と、感光部
の上に形成され、感光部が形成された半導体基板とこの
半導体基板上の絶縁膜との界面を電荷蓄積状態にする蓄
積電極とを備え、この蓄積電極と前記分離電極とが同一
電極で構成される固体撮像素子を提供することを特徴と
する。

【０００８】第３の発明は凹凸状に形成された半導体基
板上の凹部に形成され、マトリックス状に配列された感
光部と、これらの感光部の配列に沿って配列され、前記
半導体基板の凸部に形成された、前記感光部から読みだ
された信号を転送する転送チャネルと、この転送チャネ
ルを覆うように形成された転送、読みだし電極と、この
転送、読みだし電極を覆うように形成された遮光膜とを
備えた固体撮像素子を提供することを特徴とする。

【０００９】第４の発明は凹凸状に形成された半導体基
板上の凸部に形成された、マトリックス状に配列された
感光部と、この感光部の配列に沿って配列され、この感
光部と凸部の側面において隣接する様に凹部に形成され
た転送電極と、この転送電極を覆うように形成された遮
光膜と、この転送電極下に形成された、前記感光部から
読みだされた信号を転送する転送チャネルとを備えた固
体撮像素子を提供することを特徴とする。

【００１０】

【作用】第１の発明では、感光部の信号電子蓄積領域の
中に信号電子と反対の極性を持つ電荷を蓄積できる領域
を作り、この領域内で信号電子と反極性の電荷を再結合
させることで、感光部で信号電荷が飽和する入射光量の
値を大きくし、ダイナミックレンジを大きくすることが
できる。

【００１１】第２の発明では、感光部の素子分離部及び
蓄積層を高濃度の不純物層で形成する必要がないため、
高濃度の不純物をイオン注入することで発生する半導体
結晶内の結晶欠陥をなくすことが可能となる。よって、
結晶欠陥が生成源となる暗電流をおさえることが可能と
なり感光部の雑音の少ない固体撮像素子が実現できる。

【００１２】第３の発明では、ＣＣＤが基板表面凸部の
表面に形成されているため、画素が微細化されても、転
送電荷量を十分確保することができる。また、そのため
に、フォトダイオード部の面積を大きくすることができ
るため、画素を微細化しても素子の感度が低下すること
はない。また、遮光膜を信号電子転送チャネルを完全に
覆うよう設けているため、スミアを十分に抑制すること
ができる。

【００１３】第４の発明では、感光部を基板表面の凸状
に高くなった部分に形成し、感光部からＣＣＤへ電荷の
読みだし、転送を行うゲート電極を凸部の側面に設けて
いる。この様な構造をとることにより、読みだしの際に
は、この読みだし電極により、不純物濃度の高い感光部
表面の不純物層ではなく、不純物濃度の低い、基板内部
に形成されたウエル中のポテンシャルが下げられるた
め、従来のようにポテンシャル障壁が生じることがな
く、残像も生じない。よって、感光部表面を不純物層で
完全に覆うことが可能となり、暗電流を防ぐことが可能
となる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の第１の実施例による固体撮
像素子の一画素構成を示す断面図である。

【００１５】ｎ型半導体基板１上にｐ型ウエル２が形成
され、ウエル中に電子を蓄積するフォトダイオードのｎ
型層６及び信号電荷と反極性の電荷を蓄積するｐ型領域
１０が形成されている。また、ｎ型層６表面には高濃度
の表面ｐ型層７が形成されている。さらに、感光部周辺
には、素子分離部９、転送チャネル３が形成され、ゲー
ト酸化膜４を介して信号電子の読みだし電極（転送電極
を兼ねている）５が形成されている。表面ｐ型層７は正
孔が蓄積しているため一定の電位になっており、ｎ型層
６及びｐ型領域１０は空乏状態にしているため、電位の
高低ができる（図２）。

【００１６】感光部に入射した光は光電変換され、電
子、正孔対を発生させ、信号電子は電位の高い領域６
に、正孔は電位の低い領域１０に蓄積される。ｎ型層６
とｐ型領域１０に蓄積された電子と正孔は再結合により
消滅するので、従来構造の場合と同じ入射光量があって
も、得られる信号電子数は少なくなる。本発明による固
体撮像素子の入射光量−信号電子数の特性を示す（図
３）。

【００１７】ａが従来構造の場合、ｂが本発明による構
造の場合である。ｂでは、感光部の中で信号電子と正孔
が再結合して消滅するため、同じ入射光量でも得られる
信号電子数が減少する。このため、飽和レベルに達する
までの入射光量が大きくなり、従来よりも大きなダイナ
ミックレンジ（ＤＲ）を得ることが可能となり、非常に
明るい部分と、暗い部分の両方を識別する画像を得るこ
とが可能となる。 （実施例２）

【００１８】従来例で述べたように、素子分離部及びｐ
型層はイオン注入により形成するため、結晶欠陥が生じ
やすく、暗電流が生じる原因となっていた。このため、
ｐ型層を不純物のイオン注入で形成するかわりに、ゲー
ト電極７′を使用して形成する構造が考えられている
（図１６）。この場合には、ｐ型層を形成するのに使用
していた高濃度ｐ型不純物層がないため、暗電流は図１
３の例よりは減少するものの、まだ素子分離部で発生す
る暗電流があり問題となる。

【００１９】また、素子分離部を不純物イオン注入によ
り形成するかわりにゲート電極９′を使用して形成する
構造もある（図１７）。この場合もｐ型層で発生する暗
電流が問題となる。本発明の第２の実施例はこの問題を
解決するためのものである。

【００２０】図４は本発明の第２の実施例による固体撮
像素子の感光部付近の断面図を示す。ｎ型半導体基板１
上にｐ型ウエル２、転送チャネル３、フォトダイオード
のｎ型層６、ゲート絶縁膜４、読みだし電極５、フォト
ダイオードの表面の電荷蓄積と、素子分離を兼ねたゲー
ト電極１１、遮光膜８が形成されている。従来の構造と
異なる点は、フォトダイオードの表面を電荷蓄積状態に
するのに使用していた高濃度不純物領域である表面ｐ型
層７がなく、且つ、素子分離をするのに使用していた高
濃度不純物領域である素子分離部９がない。このかわり
に、これら２つの機能を備えたゲート電極１１が配置さ
れている（図４）。

【００２１】この構造により、高濃度不純物領域を形成
することにより発生する結晶欠陥がなくなり、これによ
り発生する暗電流を押さえることが可能である。また、
フォトダイオード界面の電荷蓄積用ゲートと、素子分離
用ゲートを同一ゲートで作成することにより、工程の短
縮が可能となる。図５乃至図６には、本発明の第２の実
施例の固体撮像素子の製造方法の１例を示す。

【００２２】まず、ｎ型半導体基板１上にｐ型ウエル
２、フォトダイオードのｎ型層６を形成し、ゲート絶縁
膜４、ｐｏｌｙ−Ｓｉ等による蓄積−分離ゲート７、Ｓ
ｉＮ等によるブロック層１２、及びレジスト層１３を形
成する。

【００２３】次に、このブロック層１２とレジスト層１
３をマスクにして、蓄積−分離ゲート７をスルーして、
フォトダイオードのｎ型層６を形成するために、ｎ型不
純物を注入する（図５（ａ））。次に、レジスト層１３
を除去し、ブロック層１２をマスクにして蓄積−分離ゲ
ート７の１部を酸化し、酸化膜１４を形成する（図５
（ｂ））。

【００２４】次に、酸化膜１４をマスクに、ブロック層
１２と蓄積−分離ゲート７の１部をエッチング除去し、
レジスト１５をパターニングし、レジスト１５と酸化膜
１４をマスクにし、転送チャネル３を形成する（図６
（ａ））。最後に、レジスト１５及び酸化膜１４を除去
した後、転送電極５を形成し（図６（ｂ））、この転送
電極５上に遮光膜８を形成する（図４）。

【００２５】従来のイオン注入による素子分離部の形成
方法においては、熱処理工程を経ることにより、不純物
拡散が起こり、素子分離部の幅が広がってしまうという
問題があった。本発明の製造方法によれば、素子分離部
の幅は、フォトダイオード６とレジスト１３のパターニ
ングの合わせ誤差で決まる大きさまで小さくすることが
でき、無効領域である素子分離部を小さく形成すること
が可能となる。 （実施例３）本発明の第３の実施例は転送電荷量の増加
及びスミアの抑制を目的とするものである。図７は本発
明の第３の実施例に係わる固体撮像装置の１画素構成を
示す図である。

【００２６】ｎ型シリコン基板１上にｐ型ウエル領域２
が形成され、基板凸部にはｎ型不純物層からなるＣＣＤ
の転送チャネル３が設けられている。この転送チャネル
３の上には転送電極５、遮光膜８が形成されている。ま
た、基板凹部にはフォトダイオードのｎ型層６及び表面
ｐ型層７が形成されている。

【００２７】本実施例では基板に凹凸部を設け、転送チ
ャネル３を基板凸部の上面及び側面に設けているため、
フォトダイオード部の面積を減少させずに転送チォネル
３の面積を増加させることができ、その結果、転送し得
る信号電荷量を増加させることができ、ダイナミックレ
ンジの拡大が可能となる。

【００２８】さらに、遮光膜８を基板凸部全体を覆うよ
うに設け、かつ遮光膜端部が基板凸部に設けられた埋め
込み転送チャネル３を形成するｎ型不純物層の端部より
基板凹部表面に近い位置に、すなわちより下側に設ける
ことにより、基板に対して斜めに入射した光が転送チャ
ネル３に漏れ込むことを阻止することができる。このよ
うな構造をとることにより、スミアを十分に抑制するこ
とが可能となる。尚、転送チャネル３を基板凸部表面及
び基板凸部の対向する側面間の内部に一様に設けても良
い（図８）。転送し得る電荷量をさらに増やすことがで
きる。

【００２９】以上、説明したように、本実施例によれ
ば、ＣＣＤ電荷転送チャネルを基板表面凸部に設けるこ
とにより、画素が微細化されても転送電荷量を維持しな
がら、フォトダイオードの開口面積を充分大きくとるこ
とができる。よって、微細化された感度の高い素子の実
現が可能となる。

【００３０】また、遮光膜を基板凸部全面を覆うように
設け、かつ遮光膜下端部が転送チャネルの下端部の下側
にくるようにすることにより、電荷転送チャネルに漏れ
込む光を阻止することができる。よって、スミアを十分
に抑制することができる。 （実施例４）

【００３１】本発明の第４の実施例によれば、フォトダ
イオードのｎ型領域の全面をｐ型層で覆っても信号電荷
を完全に読みだすことができ、雑音及び残像を無くすこ
とができる。

【００３２】従来、フォトダイオードの表面ｐ型層は表
面準位により発生する雑音電子（暗電流に相当する）を
抑制するために設けられたものである。信号電子の読み
だしの時には読みだし電極により表面のポテンシャルを
上げ、チャネルを作り電荷を転送する。しかし、濃度の
高いｐ型層をフォトダイオードの全表面に設けてしまう
と、この表面ｐ型層はチャネルストップを兼ねており０
Ｖに電位が固定されているため、読みだし電極に十分高
い電圧を印加しても、読みだし電極端部のポテンシャル
障壁を取り除くことができなくなる。このため、信号電
子を全て読みだすことができなくなり、残像となる。従
って、Ｌｓだけスペースが開いている（図１３）。スペ
ース長が大きくなれば完全読みだしが行えるが、その
分、暗電流抑圧効果が低減する。図１８は暗電流のスペ
ース長Ｌｓ依存性を示したものであり、Ｌｓが小さくな
るほど暗電流も少なくなっている。図９乃至図１２は本
発明の第４の実施例に係わる固体撮像装置の１画素構成
を示す断面図である。

【００３３】ｎ型シリコン基板１の表面の１部分が台形
の凸状に加工され、ｐ型ウエル２、転送チャネル３、ゲ
ート酸化膜４が形成される。読みだし電極５は多結晶シ
リコンを分離することによりシリコン基板１の凸部の側
面に配置される。フォトダイオードのｎ型層６及び表面
ｐ型層７はイオン注入により形成され、遮光膜８は、読
みだし電極５上に形成される（図９）。

【００３４】この固体撮像装置では、入射光の光電変換
により発生した電子をｎ型層６に蓄える。これを周期的
に転送チャネル３へ読みだし、転送し、検出部で電圧に
変換した後出力する。信号電子を蓄えるフォトダイオー
ドのｎ型層の周囲は完全にｐ型領域で覆われているた
め、従来のＩＴ−ＣＣＤに比べて暗電流が少ないのが特
徴である。また、読みだしの際は凸状に高くなった部分
の側面に依存する読みだし電極により、表面ではなく不
純物濃度の低いｐ型ウエル中のポテンシャルが高くなる
ため、従来のようにポテンシャル障壁が生じることがな
く、残像も生じない。

【００３５】尚、図９における凸部の側面が基板面に垂
直になっていても良い（図１０）。この場合フォトダイ
オードｎ型層６は凸部側面からＬｉだけ間隔をあけて形
成する。このＬｉはｎ型層が凸部側面に接しない範囲で
十分小さくすることが望ましい。

【００３６】また、フォトダイオードｎ型層６を斜めイ
オン注入により形成した構造（図１１）、凸部の側面が
読みだし電極側で鋭角になっている構造（図１２）も、
同様の効果を示す。これらの場合も、凸部の側面とフォ
オトダイオードｎ型層６が接触しないようにする必要が
ある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればダ
イナミックレンジを拡大し、暗電流やスミアを防ぐ様な
構造をとることにより、高感度で雑音の少ない固体撮像
素子を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例を示す固体撮像素子の
構造断面図。

【図２】 本技術の第１の実施例の固体撮像素子の特性
図。

【図３】 本発明の第１の実施例の固体撮像素子の特性
図。

【図４】 本発明の第２の実施例を示す固体撮像素子の
構造断面図。

【図５】 本発明の第２の実施例を示す固体撮像素子の
工程断面図。

【図６】 本発明の第２の実施例を示す固体撮像素子の
工程断面図。

【図７】 本発明の第３の実施例を示す固体撮像素子の
構造断面図。

【図８】 本発明の第３の実施例を示す固体撮像素子の
構造断面図。

【図９】 本発明の第４の実施例を示す固体撮像素子の
構造断面図。

【図１０】 本発明の第４の実施例を示す固体撮像素子
の構造断面図。

【図１１】 本発明の第４の実施例を示す固体撮像素子
の構造断面図。

【図１２】 本発明の第４の実施例を示す固体撮像素子
の構造断面図。

【図１３】 従来の固体撮像装置の構造断面図。

【図１４】 従来の固体撮像装置の特性図。

【図１５】 スミアの発生を示す構造断面図。

【図１６】 従来の固体撮像装置の構造断面図。

【図１７】 従来の固体撮像装置の構造断面図。

【図１８】 従来の固体撮像装置の特性図。

【符号の説明】

１…ｎ型シリコン基板 ２…ｐ型ウエル ３…転送チャ
ネル ４…ゲート酸化膜 ５…読みだし電極 ６…フォトダイオードのｎ型層 ７
…表面ｐ型層 ７′…表面ｐ型層形成用ゲート電極 ８
…遮光膜 ９…素子分離部 ９′…素子分離部形成用ゲ
ート電極 １０…ｐ型領域 １１…蓄積−分離ゲート
１２…ブロック層 １３…レジスト層 １４…酸化膜 １５…レジスト層

フロントページの続き (72)発明者 宮川 良平 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にマトリックス状に配列さ
   れた感光部と、これらの感光部の配列に沿って配列さ
   れ、前記感光部から読みだされた信号を転送するＣＣＤ
   と、前記感光部の信号電荷蓄積領域中に形成された信号
   電荷と反極性の電荷を蓄積する領域とを備えたことを特
   徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 半導体基板上にマトリックス状に配列さ
   れた感光部と、これらの感光部の配列に沿って配列さ
   れ、前記感光部から読みだされた信号を転送するＣＣＤ
   と、前記感光部を分離する分離電極と、感光部の上に形
   成され、感光部が形成された半導体基板とこの半導体基
   板上の絶縁膜との界面を電荷蓄積状態にする蓄積電極と
   を備え、この蓄積電極と前記分離電極とが同一電極で構
   成されることを特徴とする固体撮像素子。
3. 【請求項３】 凹凸状に形成された半導体基板上の凹部
   に形成され、マトリックス状に配列された感光部と、こ
   れらの感光部の配列に沿って配列され、前記半導体基板
   の凸部に形成された、前記感光部から読みだされた信号
   を転送する転送チャネルと、この転送チャネルを覆うよ
   うに形成された転送、読みだし電極と、この転送、読み
   だし電極を覆うように形成された遮光膜とを備えたこと
   を特徴とする固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記遮光膜の下端部が前記半導体基板凸
   部内に設けられた転送チャネルの下端部より下側に設け
   られていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素
   子。
5. 【請求項５】 凹凸状に形成された半導体基板上の凸部
   に形成された、マトリックス状に配列された感光部と、
   この感光部の配列に沿って配列され、この感光部と凸部
   の側面において隣接するように凹部に形成された転送電
   極と、この転送電極を覆うように形成された遮光膜と、
   この転送電極下に形成された前記感光部から読みだされ
   た信号を転送する転送チャネルとを備えたことを特徴と
   する固体撮影素子。
6. 【請求項６】 前記感光部の信号電荷蓄積領域の表面が
   反極性の電荷層で完全に覆われていることを特徴とする
   請求項５記載の固体撮像素子。