JPH0697406A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光電変換部が大面積になった場合
にも高速で信号電荷を読出すことにより低残像化を図る
ことが可能な固体撮像装置を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明では、上記目的を達成するため光電変
換および信号電荷の蓄積を行なうためのｎ⁺ 領域２の主
表面上にｐ⁺ 層１３を形成し、そのｐ⁺ 層１３に電極１
４、１５および電源１６を用いて電位勾配が形成されて
ｎ⁺ 領域２の信号電荷の読出方向のポテンシャルが深く
なるように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像装置および
その製造方法に関し、特に、光学的な画像を電気信号に
変換する固体撮像装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、画像情報を電気情報に変換する固
体撮像装置が知られている。図４７は従来のＭＯＳ型固
体撮像装置の画素部分を示した断面図である。図４７を
参照して、従来のＭＯＳ型固体撮像装置は、ｐ型半導体
基板２０１と、ｐ型半導体基板２０１の主表面上の所定
領域に形成されたｐ型半導体基板２０１と共にフォトダ
イオードを構成するｎ⁺ 領域２０２と、ｎ⁺ 領域２０２
から所定の間隔を隔てたｐ型半導体基板２０１の主表面
上に形成されたｎ⁺ 層からなるコンタクト領域２０６
と、ｐ型半導体基板２０１上に形成されたシリコン酸化
膜２０４と、コンタクト領域２０６とｎ⁺ 領域２０２と
の間に位置するシリコン酸化膜２０４上に形成されたゲ
ート電極２０３と、ゲート電極２０３に電気的に接続さ
れたゲート線２０７と、コンタクト領域２０６に電気的
に接続された信号線２０５とを備えている。

【０００３】図４８〜図５１は、図４７に示した従来の
ＭＯＳ型固体撮像装置の動作を説明するためのポテンシ
ャル図である。図４７〜図５１を参照して、次に従来の
ＭＯＳ型固体撮像装置の動作について説明する。

【０００４】まず、光電変換によってｎ⁺ 領域２０２に
信号電荷２０９が蓄積される。そして、ゲート電極２０
３にゲート線２０７を介して電圧が印加されるとゲート
電極２０３がＯＮ状態になる。これにより、図４９に示
すように信号電荷２０９がコンタクト領域２０６に流れ
出る。完全に信号電荷２０９がｎ⁺ 領域２０２から読出
された状態が図５０に示す状態である。なお、図５１に
示す状態は読み残しがあった場合の状態である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来では
信号電荷２０９はゲート電極２０３に電極を印加するこ
とによってコンタクト領域２０６に流れ出されていた。

【０００６】ここで、信号電荷２０９は信号電荷２０９
自体で生じる電荷によって初めは早く流出するが、後に
なると熱拡散によって読出されることになる。そのた
め、フォトダイオードの面積が大きい場合は、信号電荷
２０９の読出に長時間を要するという問題点があった。

【０００７】請求項１〜６に記載の発明は、上記のよう
な課題を解決するためになされたもので、光電変換素子
が大面積になった場合にも高速で信号電荷を読出すこと
が可能な固体撮像装置およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１における固体撮
像装置は、第１導電型の第１の半導体層と、第１の半導
体層の主表面上の所定領域に形成され光電変換および信
号電荷の蓄積を行なうための第２導電型の第２の半導体
層とを備えている。そしてその第２の半導体層は信号電
荷の読出方向のポテンシャルが深くなるように形成され
ている。

【０００９】請求項２における固体撮像装置は、第１導
電型の第１の半導体層と、第１の半導体層の主表面上の
所定領域に形成された光電変換および信号電荷の蓄積を
行なうための第２導電型の第２の半導体層と、第１の半
導体層のうち第２の半導体層が形成される領域の下方に
所定の間隔を隔てて埋込まれた第２導電型の複数の埋込
層とを備えている。そして、埋込層にはクロック信号が
印加される。

【００１０】請求項３における固体撮像装置は、第１導
電型の第１の半導体層と、第１の半導体層の主表面上の
所定領域に形成された光電変換および信号電荷の蓄積を
行なうための第２導電型の第２の半導体層とを備えてい
る。そして、その第２の半導体層に蓄積された信号電荷
を直接電圧として読出す。

【００１１】請求項４における固体撮像装置は、半導体
基板と、半導体基板上に形成された信号電荷を蓄積する
ための電荷蓄積部と、電荷蓄積部上に形成された光電変
換層と、光電変換層上に形成された透明電極とを備えて
いる。そして、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を直接
電圧として読出す。

【００１２】請求項５における固体撮像装置の製造方法
は、第１導電型の第１の半導体層上の所定領域に第１の
間隔を隔てて第１の平面積を有する第１のレジストマス
クを形成するとともに、第１のレジストマスクが形成さ
れる領域に隣接する領域に第１の間隔よりも大きい第２
の間隔を隔てて第２の平面積を有する第２のレジストマ
スクを形成する工程と、第１のレジストマスクと第２の
レジストマスクとを用いて第１の半導体層に不純物を導
入することによって第１の半導体層の主表面上に第１の
不純物濃度を有する第１の領域と第１の不純物濃度より
も高い第２の不純物濃度を有する第２の領域とからなる
光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電
型の第２の半導体層を形成する工程とを備えている。

【００１３】請求項６における固体撮像装置の製造方法
は、第１導電型の第１の半導体層上の所定領域に階段状
のパターンを有するマスクパターンを形成する工程と、
マスクパターンを用いて第１の半導体層に不純物を導入
することによって階段状の不純物分布を有する光電変換
および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電型の第２
の半導体層を形成する工程とを備えている。

【００１４】

【作用】請求項１に係る固体撮像装置では、光電変換お
よび信号電荷の蓄積を行なうための第２導電型の第２の
半導体層が信号電荷の読出方向のポテンシャルが深くな
るように形成されているので、光電変換によって発生し
た信号電荷はそのポテンシャルの傾斜に沿って読出方向
に蓄積される。これにより、信号電荷の高速読出が可能
となる。

【００１５】請求項２に係る固体撮像装置では、光電変
換および信号電荷の蓄積を行なうための第２の半導体層
が形成される領域の下方に所定の間隔を隔てて第２導電
型の複数の埋込層が埋込まれ、その埋込層にクロック信
号が印加されるので、光電変換によって発生した信号電
荷は第２の半導体層内でゲート方向に転送される。これ
により、信号電荷の高速読出が可能となる。

【００１６】請求項３に係る固体撮像装置では、光電変
換および信号電荷の蓄積を行なうための第２の半導体層
に蓄積された信号電荷を直接電圧として読出すので、高
速の読出が可能となり、素子が高速で駆動される。

【００１７】請求項４に係る固体撮像装置では、電荷蓄
積部に蓄積された信号電荷が直接電圧として読出される
ので、従来に比べて高速の読出が可能となる。

【００１８】請求項５に係る固体撮像装置の製造方法で
は、第１の半導体層上に第１の間隔を隔てて第１の平面
積を有する第１のレジストマスクが形成されるとともに
その第１のレジストマスクに隣接する領域に第１の間隔
よりも大きい第２の間隔を隔てて第２の平面積を有する
第２のレジストマスクが形成され、その第１および第２
のレジストマスクを用いて第１の半導体層の主表面上に
第１の不純物濃度を有する第１の領域と第１不純物濃度
よりも高い第２の不純物濃度を有する第２の領域とから
なる光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２
の半導体層が形成されるので、第２の領域を信号電荷の
読出側に位置するように形成することにより第１の領域
から第２の領域に向かってポテンシャルが深くなる。こ
れにより、信号電荷の読出方向のポテンシャルが深くな
るように形成されて信号電荷の高速読出が可能な固体撮
像装置が容易に製造される。

【００１９】請求項６に係る固体撮像装置の製造方法で
は、階段状のパターンを有するマスクパターンを用いて
第１の半導体層に不純物を導入することによって階段状
の不純物濃度を有する光電変換および信号電荷の蓄積を
行なうための第２の半導体層が形成されるので、その階
段状の不純物分布を信号電荷の読出方向に沿って徐々に
深くなるように形成することにより信号電荷の読出方向
に沿ってポテンシャルが深くなるように形成される。こ
れにより、高速読出が可能な固体撮像装置が容易に製造
される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２１】図１は本発明の一実施例によるＭＯＳ型固
体撮像装置の画素部分を示した断面図である。図１を参
照して、この第１実施例のＭＯＳ型固体撮像装置は、ｐ
型半導体基板１と、ｐ型半導体基板１の主表面上の所定
領域に形成されたｐ型半導体基板１と共にフォトダイオ
ードを構成するｎ⁺ 領域２と、ｎ⁺ 領域２の主表面上の
所定領域に形成されたｐ⁺ 層１３と、ｎ⁺ 領域２から所
定の間隔を隔てたｐ型半導体基板１の主表面上に形成さ
れたｎ⁺ 領域からなるコンタクト領域６と、ｐ型半導体
基板１上に形成され所定領域にコンタクトホールを有す
るシリコン酸化膜４と、シリコン酸化膜４のコンタクト
ホールを介してｐ⁺ 層１３に電気的に接続された電極１
４および１５と、電極１５に接続された電源１６と、シ
リコン酸化膜４のコンタクトホールを介してコンタクト
領域６に電気的に接続された信号線５と、コンタクト領
域６とｎ⁺ 領域２との間に位置するシリコン酸化膜４上
に形成されたゲート電極３と、ゲート電極３に電気的に
接続されたゲート線７とを備えている。

【００２２】このように、この第１実施例では、光電変
換および電荷蓄積を行なうためのｎ ⁺ 領域２の主表面上
にｐ⁺ 層１３を形成し、そのｐ⁺ 層１３に電極１４およ
び１５を介して電位勾配を形成する。すなわち、電極１
４を接地するとともに、電極１５に負の電圧を印加する
ことによってｐ⁺ 層に電位勾配を形成する。このように
ｐ⁺ 層１３に電位勾配を形成することによってゲート電
極３方向に向かって深くなるポテンシャル分布を形成す
ることができる。

【００２３】図２は、図１に示したｎ⁺ 領域２のポテン
シャル分布を示した模式図である。図２を参照して、こ
の第１実施例のＭＯＳ型固体撮像装置では、ポテンシャ
ル１７はゲート電極３の方向に向かってポテンシャルの
浅い部分１１からポテンシャルの深い部分１０へと徐々
に深くなる。したがって、光電変換によってｎ⁺ 領域２
に蓄積された信号電荷９は信号電荷９の読出口であるゲ
ート電極３近傍に蓄積されることになる。この結果、従
来に比べて信号電荷９を早く読出すことができる。な
お、信号電荷９の量が多い場合にはゲート電極３から遠
い部分にも蓄積されることになるが、信号電荷９を読出
すときはポテンシャル１７の勾配に沿って早く流れるの
で、この場合も高速読出しが可能である。

【００２４】図３は、本発明の第２実施例によるＭＯＳ
型固体撮像装置の画素部分を示した断面図であり、図４
は図３に示した第２実施例の画素部分に対応するポテン
シャルを示した模式図であり、図５は図３に示した第２
実施例のＭＯＳ型固体撮像装置の平面図である。まず図
３を参照して、この第２実施例のＭＯＳ型固体撮像装置
は、ｐ型半導体基板２１と、ｐ型半導体基板２１の主表
面上の所定領域に形成されたｐ型半導体基板２１と共に
フォトダイオードを構成するｎ⁺ 領域２２と、ｎ⁺ 領域
２２の下方に位置する領域に埋込まれたｎ⁺ 埋込層２３
と、ｎ⁺ 埋込層２３の両端部分とｐ型半導体基板２１の
主表面とを接続するためのコンタクト領域２４と、コン
タクト領域２４に電気的に接続された電源２６とを備え
ている。コンタクト領域２４の他方は接地されている。
そして、この第２実施例では、電源２６によって一方の
コンタクト領域２４に負の電圧が印加される。これによ
り、ｎ⁺ 埋込層２３の抵抗に起因して電位勾配が発生す
る。これにより、ｎ⁺ 埋込層２３とｐ型半導体基板２１
との間に発生する空乏層２５の幅が空間的に変化し、こ
の空乏層２５がｐ型半導体基板２１とｎ⁺ 領域２２とに
よって作られた空乏層２７に影響を及ぼす。すなわち、
図４に示すようなポテンシャル分布が発生することとな
り、図１に示した第１実施例のＭＯＳ型固体撮像装置と
同様の効果を得ることができる。

【００２５】また、図５に示すようにｎ⁺ 領域２２の端
部には読出用ゲート電極２８が形成されており、読出用
ゲート電極２８が形成される領域に隣接する領域のｐ型
半導体基板２１上にはドレイン領域２９が形成されてい
る。

【００２６】図６は本発明の第３実施例によるＭＯＳ型
固体撮像装置を示した平面図であり、図７は図６に示し
た第３実施例のＭＯＳ型固体撮像装置の断面図である。
また図８は図６および図７に示した第３実施例のＭＯＳ
型固体撮像装置の読出動作を説明するためのタイミング
チャート図である。

【００２７】まず、図６および図７を参照してこの第３
実施例のＭＯＳ型固体撮像装置は、ｐ型半導体基板３１
と、ｐ型半導体基板３１の主表面上の所定領域に形成さ
れたｐ型半導体基板３１と共にフォトダイオードを構成
するｎ⁺ 領域３２と、ｎ⁺ 領域３２の下方に位置する領
域に所定の間隔を隔てて埋込まれたｎ型埋込層３５ａ、
３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅ、３５ｆ、３５ｇおよ
び３５ｈと、ｎ型埋込層３５ａ〜３５ｈとｐ型半導体基
板３１の主表面とを電気的に接続するためのコンタクト
領域３６と、読出用ゲート電極３７と、ドレイン領域３
８とを備えている。このようにこの第３実施例では、光
電変換および電荷蓄積を行なうためのｎ ⁺ 領域３２の下
方に位置する領域にｎ型埋込層３５ａ〜３５ｈを分割し
て形成し、このｎ型埋込層３５ａ〜３５ｈにコンタクト
領域３６を介してクロックパルスを印加する。このよう
に構成することによって図８に示すようなクロックパル
スφ₁ 〜φ₈ を印加すると、クロックパルスφ₁ 〜φ₈
がＬからＨに変化したときにポテンシャルが順次浅くな
っていく。これにより、ｎ⁺ 領域３２に蓄えられた信号
電荷は読出ゲート電極３７の方向へ転送される。なお、
図８に示したｔ_outが信号電荷を読出すタイミングであ
る。また、本実施例では蓄積時間内に１回のみ信号電荷
を移動するようにしたが、蓄積時間内にｔ₀ 〜ｔ_S まで
のクロックを複数回印加するようにしても同様の効果が
得られる。

【００２８】図９は、本発明の第４実施例による固体撮
像装置の製造プロセスを説明するための平面図である。
図１０〜図１７は本発明の第４実施例による固体撮像装
置の製造プロセスを説明するための断面構造図および不
純物濃度分布図である。

【００２９】まず、図９を参照して、この第４実施例の
固体撮像装置の製造方法では、後述する光電変換および
電荷蓄積を行なうためのｎ型領域を形成する際に領域１
と領域２とに区分する。そして領域１のレジストパター
ン４２の間隔を領域２のレジストパターン４３の間隔よ
りも小さくする。図１０〜図１３を参照して、図９に示
した領域１においてレジストパターン４２をマスクとし
て不純物をイオン注入することによってイオン注入領域
４４ａを形成する。このイオン注入領域４４ａの不純物
濃度は図１１に示すような濃度になる。その後、熱処理
を行なうと注入された不純物が拡散して図１２に示すよ
うなｎ型不純物層４４が形成される。このｎ型不純物層
４４の不純物濃度は図１３に示すような濃度になる。

【００３０】この一方、図１４〜図１７を参照して、領
域２ではレジストパターン４３をマスクとしてイオン注
入することによってイオン注入領域４５ａが形成され
る。そのイオン注入領域４５ａの不純物濃度は図１５に
示すような濃度分布になる。ここで、図１５の不純物濃
度分布を図１１の領域１の不純物濃度分布と比較する
と、図１５に示した領域２の方が不純物注入領域４５ａ
の面積が広いことがわかる。そして、この状態から熱処
理を行なうと図１６に示すようなｎ型不純物層４５が形
成される。このｎ型不純物層４５の不純物濃度は図１７
に示すような分布になる。ここで、図１７の不純物濃度
と図１３に示した領域１の不純物濃度と比較すると図１
７に示した領域２の不純物濃度の方が領域１よりも高く
なる。このような製造方法によって形成したｎ型不純物
層４４および４５を電荷蓄積領域および光電変換領域と
して有するＭＯＳ型固体撮像装置は図１８に示すような
構造になる。すなわち、図１８を参照して、この第４実
施例のＭＯＳ型固体撮像装置は、ｐ型半導体基板４１
と、ｐ型半導体基板４１の主表面上の所定領域に形成さ
れた比較的低い不純物濃度を有するｎ型不純物層４４お
よび比較的高い不純物濃度を有するｎ型不純物層４５か
らなる電荷蓄積領域４７と、ｎ型不純物層４４から所定
の間隔を隔てたｐ型半導体基板４１の主表面上に形成さ
れたｎ型層からなるコンタクト領域４８と、コンタクト
領域４８とｎ型不純物層４５との間に位置するｐ型半導
体基板４１上に形成されたゲート電極５０と、ゲート電
極５０に電気的に接続されたゲート線５１と、コンタク
ト領域４８に電気的に接続された信号線４９とを備えて
いる。

【００３１】このようにこの第４実施例ではｎ型不純物
層４５の不純物濃度をｎ型不純物層４４の不純物濃度よ
りも高くなるように形成することによってｎ型不純物層
４５のポテンシャルをｎ型不純物層４４のポテンシャル
よりも深くすることができる。図１９は図１８に示した
第４実施例のＭＯＳ型固体撮像装置のポテンシャル分布
を示した模式図である。図１９を参照して、図１８に示
した第４実施例のＭＯＳ型固体撮像装置ではこのような
ポテンシャル分布になるので、図１および図３に示した
第１および第２実施例のＭＯＳ型固体撮像装置と同様の
効果を得ることができる。すなわち、光電変換されてｎ
型不純物層４４および４５に蓄積された信号電荷は電位
ポテンシャルの深いｎ型不純物層４５側に蓄積される。
これにより、信号電荷の読出速度を向上させることがで
きる。なお、図９〜図１７に示したこの第４実施例のＭ
ＯＳ型固体撮像装置の製造プロセスでは、正方形のレジ
ストパターン４２および４３を用いたが、円形や菱形な
どのレジストパターンを用いてもよい。

【００３２】図２０〜図２６は、本発明の第５実施例に
よる固体撮像装置の製造方法を説明するための断面構造
図であり、図２７および図２８は光電変換領域および電
荷蓄積領域の平面図であり、図２９および図３０は図２
８のＡ−Ａにおける断面構造図である。まず、図２０〜
図２６を参照して、この第５実施例の固体撮像装置の製
造プロセスについて説明する。

【００３３】まず、図２０に示すように、ｐ型半導体基
板６１上に薄いゲート酸化膜６４を形成する。その薄い
ゲート酸化膜６４上の所定領域に読出のためのゲート電
極６３を形成する。

【００３４】次に、図２１に示すように、ゲート酸化膜
６４上のゲート電極６３から所定の間隔を隔てた領域に
薄い窒化膜６５を形成する。この窒化膜６５は、次の工
程で形成するレジストパターンの膜厚を変化させる段差
の役割と注入されるイオンの一部がｐ型半導体基板６１
に到達するのを抑制する役割を果たす。したがって、窒
化膜６５の膜厚としては、たとえば５００〜６００ｋｅ
Ｖのエネルギーでイオン注入する場合には１０００〜２
０００Å程度である。

【００３５】次に、図２２に示すように、窒化膜６５上
およびゲート酸化膜６４上の一部にレジスト６６ａを形
成する。すなわち、レジスト６６ａを塗布した後パター
ニングし、その後加熱などの手段を用いて硬化させるこ
とによって所定のパターン形状を有するレジスト６６ａ
を形成する。

【００３６】次に、図２３に示すように、レジスト６６
ａ上の所定領域およびゲート電極６３上に同様の方法で
レジスト６６ｂを形成する。なお、レジスト６６ａも上
記した薄い窒化膜６５と同じ役割を有するため、５００
〜６００ｋｅＶの注入エネルギーの場合は０．２〜０．
４μｍ程度の膜厚が必要である。この一方、レジスト６
６ｂはイオン注入を確実に抑制する目的で形成するた
め、膜厚としては１〜２μｍ程度必要である。

【００３７】次に、図２４に示すように、光電変換領域
となる領域にリンなどの不純物を所定の注入エネルギー
で注入した後レジスト６６ａおよび６６ｂを所定の方法
で除去する。これにより、図２５に示すような不純物分
布を有する光電変換領域となるｎ⁺ 領域６２が形成され
る。この後、窒化膜６５を除去する。ここで、図２７お
よび図２８を参照して、平面的に見ると、窒化膜６５の
ｎ⁺ 領域６２への張出し寸法Ｘは、固定的ではなく、た
とえばｎ⁺ 領域６２と窒化膜６５とが重ならなくてもよ
い。この場合には窒化膜６５を取り除く必要はない。す
なわち、この窒化膜６５のｎ⁺ 領域６２への張出し寸法
Ｘは、フォトダイオードの大きさや注入エネルギーによ
って最適化される。このことは、レジスト６６ａにも共
通しており、レジスト６６ａのｎ⁺ 領域６２への張出し
量はｎ⁺ 領域６２の面積に基づいて決定される。なお、
レジスト６６ａおよび６６ｂは、他の材料を用いてもよ
く、たとえばＳＯＧ膜などであってもよい。さらに、本
実施例の製造方法では窒化膜６５、レジスト６６ａおよ
びレジスト６６ｂの３層構造としたが、本発明はこれに
限らずｎ⁺ 領域６２の平面積に応じて窒化膜６５とレジ
スト６６ａとの２層構造を用いたり４層構造を用いたり
することもできる。また、ｎ⁺ 領域６２の形成のための
イオン注入後に、熱拡散工程を追加することにより、よ
りなだらかな不純物分布を有するｎ⁺ 領域６２を形成す
ることができ、これによりスムーズなポテンシャル勾配
をつけることが可能である。図２９を参照して、この断
面図は図２８に示した平面図におけるＡ−Ａに沿った断
面を示している。そして、図３０はそのＡ−Ａ断面にお
いて最終的に形成されるｎ⁺ 領域６２の不純物分布形状
を示している。

【００３８】図３１〜図３３は、本発明の第６実施例に
よる固体撮像装置の概念を説明するための相関図および
模式図である。すなわち、図３１はｐ型領域に囲まれた
ｎチャネル層のチャネル幅とポテンシャルとの関係を示
した相関図である。図３１を参照してチャネル幅が狭く
なると急激にポテンシャルが浅くなることがわかる。こ
れを一般に狭チャネル効果と呼んでいる。図３２を参照
して、ｐ型領域７１に囲まれるｎ型領域７２のチャネル
幅を変化させた場合、Ａ−Ａにおける断面ポテンシャル
は図３３に示すような電位勾配を生じる。このように、
チャネル幅が狭くなるほどポテンシャルが浅くなること
がわかる。図３４は本発明の第６実施例による固体撮像
装置のフォトダイオード部分を示した平面図であり、図
３５は図３４に示した第６実施例のフォトダイオード部
分の部分拡大図である。図３４および図３５を参照し
て、このようにフォトダイオード内にチャネル幅が変化
する領域を設けることにより、フォトダイオード内の電
位勾配が読出ゲート電極５に向かって深くなるように構
成することができる。これにより、光電変換によってフ
ォトダイオード内に蓄積された電荷は読出ゲート電極５
側に蓄積されることになり高速読出が可能となる。な
お、この第６実施例ではｐ型領域７１に囲まれたｎ型領
域７２からなるｎチャネルの適用例を示したが、ｎ^- 領
域に囲まれたｎ⁺領域からなるｎ⁺ チャネルなど狭チャ
ネル効果を生じるような電位差があれば適用可能であ
る。また、全面均一なフォトダイオード上にｎ⁺ 領域７
２に相当するゲート（酸化膜を介して形成したポリシリ
コンなど）を形成し、ゲート下のポテンシャルがゲート
のないフォトダイオード部のポテンシャルに対して図３
１および図３３に示すような狭チャネル効果を生じるよ
うにゲートにバイアスを印加しても同様の効果を得るこ
とができる。なお、図３４および図３５に示したような
チャネル幅が変化するフォトダイオードを設けるには、
１回の写真製版と注入工程とが必要であるが、たとえば
分離のためのｐ⁺ 領域形成工程など他の工程と共用すれ
ば工程を増加させる必要もない。

【００３９】図３６は、本発明の第７実施例による固体
撮像装置を示した平面図であり、図３７〜図３９はそれ
ぞれ図３６に示したＡ−Ａ、Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃにおけ
る断面のポテンシャルを示した模式図である。まず、図
３６を参照して、この第７実施例の固体撮像装置では、
フォトダイオードを構成するｎ⁺ 領域８２にポテンシャ
ルの浅い領域８１とポテンシャルの深い領域８０とを隣
接するように形成している。すなわち、ポテンシャルの
浅い部分８１をゲート電極８３の方向にストライプ状に
設けるとともにゲート電極８３から遠くなるほどそのポ
テンシャルの浅い部分８１の密度が高くなるように構成
している。また、信号電荷が転送されるコンタクト領域
（図示せず）上には信号線８５が電気的に接続されてい
る。

【００４０】図３７を参照して、このＡ−Ａにおけるポ
テンシャルは、ポテンシャルの浅い部分８１の密度が高
いため、それに隣接するポテンシャルの深い部分８０が
狭チャネル効果によって持ち上がり８７に示すようなポ
テンシャルになる。この狭チャネル効果はポテンシャル
の浅い部分８１が密になるほど顕著となる。したがって
図３８および図３９に示すようにＡ−ＡからＢ−Ｂ、さ
らにＣ−Ｃとポテンシャルの浅い部分８１の密度が小さ
くなるほど狭チャネル効果が少なくなりポテンシャル８
７が深くなる。これにより、フォトダイオードで発生し
た信号電荷はゲート電極８３近傍に蓄積されることにな
る。この結果、高速で読出が可能となる。

【００４１】図４０は、本発明の第８実施例による固体
撮像装置を示した平面図であり、図４１は図４０に示し
た第８実施例の固体撮像装置のＡ−Ａにおける断面構造
図である。図４０および図４１を参照して、この第８実
施例の固体撮像装置は、ｎ型半導体基板９１と、ｎ型半
導体基板９１の主表面上に形成されたｐウェル９２と、
ｐウェル９２上の所定領域に形成された光電変換および
信号電荷の蓄積を行なうためのｎ型領域９３と、ｎ型領
域９３を取り囲むようにｐウェル９２の表面上に形成さ
れた素子分離酸化膜９４と、ｎ型領域９３から素子分離
酸化膜９４を隔てたｐウェル９２の上方および素子分離
酸化膜９４の一部領域の上方に形成されたゲート電極９
５と、全面を覆うように形成され、ｎ型領域９３上の所
定領域およびゲート電極９５上の所定領域にコンタクト
ホール９９を有する層間絶縁膜９６と、ｎ型領域９３と
ゲート電極９５とをコンタクトホール９９を介して電気
的に接続するための金属配線９７と、ゲート電極９５を
挟むように形成されたｎ型領域からなるソース／ドレイ
ン領域９８とを備えている。ソース／ドレイン領域９８
とゲート電極９５とによってＭＯＳトランジスタが構成
されている。

【００４２】この第８実施例では、上記したように電荷
蓄積部であるｎ型領域９３とＭＯＳトランジスタを構成
するゲート電極９５とを電気的に接続することによっ
て、ｎ型領域９３に蓄積された信号電荷を転送すること
なく直接ＭＯＳトランジスタにより電圧として読出す。
このように構成することによって、高速の読出を行なう
ことが可能となる。なお、電荷蓄積領域であるｎ型領域
９３のリセットは、ｎ型半導体基板９１、ｐウェル９２
およびｎ型領域９３によって形成されるｎｐｎバイポー
ラトランジスタによってｎ型半導体基板９１側に電荷を
引き抜くことにより行なわれる。また、ゲート電極９５
はポリシリコンなどによって形成されている。

【００４３】図４０および図４１を参照して、次にこの
第８実施例の固体撮像装置の動作について説明する。ま
ず、ｎ型領域９３が所定の電位にリセットされた状態か
ら出発して、光電変換された信号電荷はｎ型領域９３に
蓄積される。この信号電荷の蓄積によってその蓄積量に
応じてｎ型領域９３の電位が変化し、それに伴ってゲー
ト電極９５の電位も変化する。この電位の変化はソース
／ドレイン領域９８とゲート電極９５とで形成されるト
ランジスタを用いて外部に信号として取り出される。こ
の後、ｎ型領域９３のリセット動作を行なう。すなわ
ち、ｎ型領域９３をエミッタ、ｐウェル９２をベース、
ｎ型半導体基板９１をコレクタとするｎｐｎトランジス
タを用いて、コレクタであるｎ型半導体基板９１に大き
な正の電圧を印加するかまたはベースであるｐウェル９
２に大きな負の電圧を印加する。これにより、ｎ型領域
９３に蓄積された電荷をｎ型半導体基板９１側に引き抜
く。このリセット動作は、ｎ型領域９３の全面で同時に
起こるため、非常に高速で行なうことが可能である。な
お、この第８実施例ではｎ型半導体基板９１、ｐウェル
９２を用いてｎ型領域９３を一度にリセットするように
したが、ｎ型領域９３を幾つかの部分に分けてリセット
する場合には上記ｎｐｎ構造をさらにｐ型半導体基板上
に形成し、分割してリセットのための電圧を印加するよ
うにしてもよい。また、この第８実施例では信号電荷が
電子の場合について説明したが正孔の場合にも導電型を
逆にすることにより実現可能である。

【００４４】図４２は、本発明の第９実施例による固体
撮像装置を示した断面構造図である。図４２を参照し
て、この第９実施例では、図４０および図４１に示した
第８実施例の固体撮像装置と異なり、ｐ型半導体基板９
２ａのｎ型領域９３が形成される領域の下方に位置する
領域にｎ型埋込層９０が所定の間隔を隔てて形成されて
いる。このように構成することによって、以下のような
効果を奏する。すなわち、図４０および図４１に示した
第８実施例ではｐウェル９２内にフォトダイオードを形
成しているため、ｎ型半導体基板９１内に深く進入して
くる赤および近赤外の光で発生する電荷はｐウェル９２
内に入り込めないので長波長側の感度が低下するという
不都合が考えられる。この対策として、図４２に示した
第９実施例ではｐ型半導体基板９２ａ内にｎ型埋込層９
０を形成することにより、上記赤および近赤外の光で発
生する電荷も蓄積可能である。なお、この第９実施例で
は、ｎ型領域９３に蓄積された電荷をリセットする際に
は、ｎ型埋込層９０に高電圧を印加することによってｎ
型領域９３からｎ型埋込層９０に向かって電荷を引き抜
く。また、ｎ型埋込層９０は平面的に見た場合、ストラ
イプ状または網状に形成する。このような第９実施例の
固体撮像装置においても、図４０および図４１に示した
第８実施例と同様にｎ型領域９３に蓄積された信号電荷
による電位変化を直接ゲート電極９５の電位変化として
取り出し、さらにトランジスタを介してその電位変化が
外部に電圧として読出される。これにより、従来に比べ
て高速で信号電荷の読出を行なうことができる。

【００４５】図４３は、本発明の第１０実施例による固
体撮像装置を示した断面構造図である。図４３を参照し
て、この第１０実施例の固体撮像装置は、ｐ型半導体基
板９２ａと、ｐ型半導体基板９２ａの主表面上の所定領
域に形成された素子分離酸化膜９４と、素子分離酸化膜
９４が形成されないｐ型半導体基板９２ａの主表面の上
方に形成されたゲート電極９５と、全面を覆うように形
成され、ゲート電極９５上の所定領域にコンタクトホー
ル９９を有する層間絶縁膜９６と、コンタクトホール９
９を介してゲート電極９５に電気的に接続されるととも
に層間絶縁膜９６上に延びるように形成された電荷蓄積
を行なうための画素電極１０１と、画素電極１０１を覆
うように形成されたアモルファスシリコンなどからなる
光電変換膜１０２と、光電変換膜１０２上に形成された
透明導電膜１０３とを備えている。なお、画素電極１０
１は画素ごとに分離されている。

【００４６】この第１０実施例の固体撮像装置では、ｐ
型半導体基板９２ａ上に光電変換部を積層した積層構造
の固体撮像装置への本発明の適用例である。光電変換膜
１０２によって発生した信号電荷が画素電極１０１に蓄
積され、その蓄積された信号電荷がゲート電極９５を介
して直接電圧として読出される。すなわち、画素電極１
０１内に蓄積された信号電荷の電位変化が直接ゲート電
極９５の電位変化となり、そのゲート電極９５によって
構成されるトランジスタから外部へその電位変化が直接
読出される。これにより、高速の読出が可能になる。な
お、リセット動作は、透明導電膜１０３側に高い電圧を
印加する（信号電荷が電子であれば正の電圧を印加す
る）ことにより行なう。この第１０実施例に示したよう
な積層構造を有する固体撮像装置では、光電変換膜１０
２の組成などを変化させることにより分光感度特性を変
化させることができるなどのメリットがある。

【００４７】図４４は、本発明の第１１実施例による固
体撮像装置のフォトダイオード部分を示した平面図であ
り、図４５は図４４に示したフォトダイオード部分の中
央部分の部分拡大図である。図４４および図４５を参照
して、この第１１実施例の固体撮像装置は、信号蓄積領
域１１０の中心部分にポテンシャルの低い領域であるフ
ローティングディフュージョン１１１が形成されてい
る。そしてフローティングディフュージョン１１１内に
はドレイン１１３に電荷を排出するためのゲート電極１
１４が形成されている。フローティングディフュージョ
ン１１１にはアンプ１１５が接続されており、アンプ１
１５は信号出力１１６に接続されている。ゲート電極１
１４にはゲート線１１７が接続されている。図４６は図
４４に示した固体撮像装置のＡ−Ａにおける断面のポテ
ンシャルを示した模式図である。

【００４８】図４４〜図４６を参照して、この第１１実
施例の固体撮像装置の動作について説明する。フォトダ
イオードで発生した信号電荷は電荷蓄積領域１１０に蓄
積される。そして、電荷蓄積領域１１０の中央に設けら
れたポテンシャルの低いフローティングディフュージョ
ン１１１に信号電荷が流れ込む。これにより、フローテ
ィングディフュージョン１１１の電位の変化が発生し、
この電位の変化がアンプ１１５を介して信号出力１１６
として読出される。なお、ゲート電極１１４に接続され
るゲート線１１７には画素周期ごとにＯＮ信号が与えら
れる。このように、この第１１実施例では、電荷蓄積領
域１１０に蓄積された信号電荷がフローティングディフ
ュージョン１１１、アンプ１１５を介して常時読出され
るので、信号の読残しがないという効果を奏する。

【００４９】

【発明の効果】請求項１に係る固体撮像装置によれば、
第１の半導体層の主表面上の所定領域に形成された光電
変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２の半導体
層を信号電荷の読出方向のポテンシャルが深くなるよう
に形成することによって、光電変換によって第２の半導
体層に蓄えられた信号電荷はポテンシャルの深い読出口
近傍に蓄積されるので、高速の読出が可能となる。この
結果、大面積のフォトダイオードにおいても残像が生じ
ることなくまた素子の高速駆動が可能となる。

【００５０】請求項２に係る固体撮像装置によれば、第
１の半導体層の主表面上の所定領域に光電変換および信
号電荷の蓄積を行なうための第２導電型の第２の半導体
層を形成し、第１の半導体層のうち第２の半導体層が形
成される領域の下方に所定の間隔を隔てて第２導電型の
複数の埋込層を埋込み、その埋込層にクロック信号を印
加することによって、光電変換によって第２の半導体層
に蓄積された信号電荷は第２の半導体層内で信号電荷の
読出方向に向かって転送されるので、高速の読出が可能
となる。この結果、フォトダイオードが大面積になった
場合にも高速で電荷の読出を行なうことができ低残像化
を図ることができる。

【００５１】請求項３に係る固体撮像装置では、光電変
換および信号電荷の蓄積を行なうための第２の半導体層
に蓄積された信号電荷を直接電圧として読出すことによ
り、従来の信号電荷を転送する場合に比べて高速の読出
が可能となる。

【００５２】請求項４に係る固体撮像装置によれば、半
導体基板上に電荷蓄積部、光電変換層および透明電極を
形成し、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を直接電圧と
して読出すことにより、電荷蓄積部に蓄積された信号電
荷を転送する場合に比べてより高速な読出が可能とな
り、大面積のフォトダイオードにおいても残像の発生を
低減することができる。請求項５に係る固体撮像装置の
製造方法によれば、第１導電型の第１の半導体層上の所
定領域に第１の間隔を隔てて第１の平面積を有する第１
のレジストマスクを形成するとともに第１のレジストマ
スクが形成される領域に隣接する領域に第１の間隔より
も大きい第２の間隔を隔てて第２の平面積を有する第２
のレジストマスクを形成し、その第１のレジストマスク
と第２のレジストマスクとを用いて第１の半導体層に不
純物を導入することによって第１の半導体層の主表面上
に第１の不純物濃度を有する第１の領域と第１の不純物
領域よりも高い第２の不純物濃度を有する第２の領域と
からなる光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための
第２の半導体層を形成することによって、不純物濃度の
高い第２の領域を読出側に配置すれば、第２の半導体層
は読出側に向かってポテンシャルが深くなるように形成
される。これにより、第２の半導体層に蓄積された信号
電荷は第２の半導体層の読出側に蓄積され、高速の読出
が可能となる。

【００５３】請求項６に係る固体撮像装置の製造方法に
よれば、第１導電型の第１の半導体層上の所定領域に階
段状のパターンを有するマスクパターンを形成し、その
マスクパターンを用いて第１の半導体層に不純物を導入
することによって階段状の不純物分布を有する光電変換
および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電型の第２
の半導体層を形成することにより、その階段状の不純物
分布を読出方向に向かって深くなるように形成すれば、
第２の半導体層のポテンシャル分布は読出方向に向かっ
て深くなるようになる。これにより、光電変換によって
第２の半導体層に蓄積された信号電荷は読出側に蓄積さ
れ、この結果高速の読出が可能となる。したがって、フ
ォトダイオードが大面積になった場合にも低残像化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるＭＯＳ型固体撮像装置
を示した断面構造図である。

【図２】図１に示した第１実施例の固体撮像装置のｎ⁺
領域のポテンシャル分布を示した模式図である。

【図３】本発明の第２実施例によるＭＯＳ型固体撮像装
置を示した断面構造図である。

【図４】図３に示した第２実施例の固体撮像装置のｎ⁺
領域のポテンシャル分布を示した模式図である。

【図５】図３に示した第２実施例の固体撮像装置の平面
図である。

【図６】本発明の第３実施例によるＭＯＳ型固体撮像装
置を示した平面図である。

【図７】図６に示した第３実施例のＭＯＳ型固体撮像装
置の断面構造図である。

【図８】図６および図７に示した第３実施例のｎ型埋込
層による信号電荷の転送動作を説明するためのタイミン
グ図である。

【図９】本発明の第４実施例による固体撮像装置の製造
方法を説明するための平面図である。

【図１０】図９に示した領域１における第４実施例の固
体撮像装置の製造プロセスの第１工程を説明するための
断面図である。

【図１１】図１０に示した第１工程における不純物濃度
を示した分布図である。

【図１２】図９に示した領域１における第４実施例の固
体撮像装置の製造プロセスの第２工程を説明するための
断面図である。

【図１３】図１２に示した第２工程における不純物濃度
を示した分布図である。

【図１４】図９に示した領域２における第４実施例の固
体撮像装置の製造プロセスの第１工程を説明するための
断面図である。

【図１５】図１４に示した第１工程における不純物濃度
の分布を示した分布図である。

【図１６】図９に示した領域２における第４実施例の固
体撮像装置の製造プロセスの第２工程を説明するための
断面図である。

【図１７】図１６に示した第２工程における不純物濃度
の分布を示した分布図である。

【図１８】図９〜図１７で説明した製造プロセスを用い
て形成した本発明の第４実施例による固体撮像装置を示
した断面図である。

【図１９】図１８に示した第４実施例の固体撮像装置の
電荷蓄積領域における電位ポテンシャルを示した模式図
である。

【図２０】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第１工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２１】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第２工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２２】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第３工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２３】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第４工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２４】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第５工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２５】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第６工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２６】本発明の第５実施例による固体撮像装置の製
造プロセスの第７工程を説明するための断面構造図であ
る。

【図２７】図２５で説明した第６工程における平面図で
ある。

【図２８】図２２に示した第３工程における平面図であ
る。

【図２９】図２８で説明した固体撮像装置の製造プロセ
スにおけるＡ−Ａに沿った断面図である。

【図３０】図２８に示したＡ−Ａにおいてｎ⁺ 領域が最
終的に形成された場合の形状を示した断面図である。

【図３１】本発明の第６実施例による固体撮像装置の概
念を説明するためのチャネル幅とポテンシャルとの関係
を示した相関図である。

【図３２】本発明の第６実施例による固体撮像装置の概
念を説明するための平面図である。

【図３３】図３２に示したＡ−Ａに沿った断面のポテン
シャル分布を示した分布図である。

【図３４】本発明の第６実施例による固体撮像装置を示
した平面図である。

【図３５】図３４に示した第６実施例の固体撮像装置の
部分拡大図である。

【図３６】本発明の第７実施例による固体撮像装置を示
した平面図である。

【図３７】図３６に示した第７実施例の固体撮像装置の
Ａ−Ａにおけるポテンシャル分布を示した模式図であ
る。

【図３８】図３６に示した第７実施例の固体撮像装置の
Ｂ−Ｂにおけるポテンシャル分布を示した模式図であ
る。

【図３９】図３６に示した第７実施例の固体撮像装置の
Ｃ−Ｃにおけるポテンシャル分布を示した模式図であ
る。

【図４０】本発明の第８実施例による固体撮像装置を示
した平面図である。

【図４１】図４０に示した第８実施例の固体撮像装置の
Ａ−Ａにおける断面構造図である。

【図４２】本発明の第９実施例による固体撮像装置を示
した断面図である。

【図４３】本発明の第１０実施例による固体撮像装置を
示した断面図である。

【図４４】本発明の第１１実施例による固体撮像装置を
示した平面図である。

【図４５】図４４に示した第１１実施例の固体撮像装置
の電荷蓄積領域の中央部分を示した部分拡大図である。

【図４６】図４４および図４５に示した第１１実施例の
固体撮像装置のポテンシャル分布を示した模式図であ
る。

【図４７】従来のＭＯＳ型固体撮像装置を示した断面図
である。

【図４８】図４７に示した従来の固体撮像装置の読出動
作の第１段階を説明するための模式図である。

【図４９】図４７に示した従来の固体撮像装置の読出動
作の第２段階を説明するための模式図である。

【図５０】図４７に示した従来の固体撮像装置の読出動
作の第３段階を説明するための模式図である。

【図５１】図４７に示した従来の固体撮像装置において
信号電荷の読残しがある場合を示した模式図である。

【符号の説明】

１：ｐ型半導体基板 ２：ｎ⁺ 領域 ３：ゲート電極 ４：シリコン酸化膜 ５：信号線 ６：コンタクト領域 ７：ゲート線 １３：ｐ⁺ 層 １４、１５：電極 １６：電源 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 光 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社エル・エス・アイ研究所内 (72)発明者 白石 匡 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社エル・エス・アイ研究所内 (72)発明者 山脇 正雄 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社エル・エス・アイ研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の第１の半導体層と、 前記第１の半導体層の主表面上の所定領域に形成され、
   光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電
   型の第２の半導体層とを備え、 前記第２の半導体層は、前記信号電荷の読出方向のポテ
   ンシャルが深くなるように形成されている、固体撮像装
   置。
2. 【請求項２】 第１導電型の第１の半導体層と、 前記第１の半導体層の主表面上の所定領域に形成され、
   光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電
   型の第２の半導体層と、 前記第１の半導体層のうち前記第２の半導体層が形成さ
   れる領域の下方に所定の間隔を隔てて埋込まれた第２導
   電型の複数の埋込層とを備え、 前記埋込層にはクロック信号が印加される、固体撮像装
   置。
3. 【請求項３】 第１導電型の第１の半導体層と、 前記第１の半導体層の主表面上の所定領域に形成され、
   光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電
   型の第２の半導体層とを備え、 前記第２の半導体層に蓄積された信号電荷を直接電圧と
   して読出す、固体撮像装置。
4. 【請求項４】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された信号電荷を蓄積するため
   の電荷蓄積部と、 前記電荷蓄積部上に形成された光電変換層と、 前記光電変換層上に形成された透明電極とを備え、 前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を電圧として直接
   読出す、固体撮像装置。
5. 【請求項５】 第１導電型の第１の半導体層上の所定領
   域に第１の間隔を隔てて第１の平面積を有する第１のレ
   ジストマスクを形成するとともに、前記第１のレジスト
   マスクが形成される領域に隣接する領域に前記第１の間
   隔よりも大きい第２の間隔を隔てて第２の平面積を有す
   る第２のレジストマスクを形成する工程と、 前記第１のレジストマスクと前記第２のレジストマスク
   とを用いて前記第１の半導体層に不純物を導入すること
   によって、前記第１の半導体層の主表面上に第１の不純
   物濃度を有する第１の領域と前記第１の不純物濃度より
   も高い第２の不純物濃度を有する第２の領域とからなる
   光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導電
   型の第２の半導体層を形成する工程とを備えた、固体撮
   像装置の製造方法。
6. 【請求項６】 第１導電型の第１の半導体層上の所定領
   域に階段状のパターンを有するマスクパターンを形成す
   る工程と、 前記マスクパターンを用いて前記第１の半導体層に不純
   物を導入することによって、階段状の不純物分布を有す
   る光電変換および信号電荷の蓄積を行なうための第２導
   電型の第２の半導体層を形成する工程とを備えた、固体
   撮像装置の製造方法。