JPH08255889A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外波長領域や可視光領域の感度を向上する
とともに、工程上のばらつきによるブルーミング抑制能
力のばらつきを抑制できる固体撮像装置を提供する。 【構成】 ｐ型シリコン基板１６の表面に光電変換領域
としてｎ^- 型不純物領域３を形成し、ｎ^- 型不純物領域
３上にｐ⁺⁺型不純物領域８を形成し、そのｐ⁺⁺型不純物
領域８内に外部から電圧印加可能なｎ⁺⁺型不純物領域１
７を形成している。ｎ⁺⁺型不純物領域１７に正電圧を印
加することにより、ｎ^- 型不純物領域３で発生した不要
電荷を表面のｐ⁺⁺型不純物領域８を介して、ｎ⁺⁺型不純
物領域１７側へ排出する。この排出機構は拡散工程のう
ち後工程で形成されるため、工程上のばらつきによるブ
ルーミング抑制能力のばらつきを抑制できる。ｐ型シリ
コン基板１６中に光電変換領域を形成しているため、光
電変換領域の深く形成でき、基板深部で対生成を行なう
長波長領域，赤外波長領域の感度を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ビデオカメラや監視
用カメラに使用する固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像装置はその広範囲に渡る
利用分野の拡大に伴い、低照度や赤外波長領域での感度
向上が要求されている。従来の固体撮像装置では一部の
画素に非常に強い光が入射して光電変換部の蓄積能力以
上の信号電荷が対生成された場合、過剰な信号電荷が周
囲の光電変換部や垂直ＣＣＤ部に流れ込み、誤信号いわ
ゆるブルーミング現象を発生させる。このブルーミング
現象の発生を抑制するためには過剰電荷の逃げ道を作る
ことが必要となる。

【０００３】ここで、従来の固体撮像装置について図面
を用いて説明する。図４は従来の固体撮像装置の断面を
示す図、図５は図４のｂ−ｂ’線に沿った縦型オーバー
フロードレイン構造のポテンシャル図である。図４にお
いて、１はｎ型半導体基板、２はｐ型ウエル、３はｎ^-
型不純物領域、４はｎ型不純物領域、５はｐ型不純物領
域、６はｐ⁺ 型不純物領域、７はｐ⁺ 型不純物領域、８
はｐ ⁺⁺型不純物領域、９はゲート酸化膜、１０はシリコ
ン窒化膜、１１はポリシリコン電極、１２はポリシリコ
ン酸化膜、１３は層間絶縁膜、１４はアルミニウム膜か
らなり配線を兼ねた導電性遮光膜、１５は保護膜であ
る。

【０００４】この従来の固体撮像装置は、ｎ型半導体基
板１の表面上にｐ型ウエル２を形成し、そのｐ型ウエル
２内に光電変換領域となるｎ^- 型不純物領域３を形成し
ている。光が入射すると、ｎ^- 不純物領域３では電子と
正孔が対生成する。このうち電子がｎ^- 型不純物領域３
に蓄積される。また、非常に強い光が入射した場合に
は、ｎ^- 型不純物領域３から電子があふれる。このあふ
れた電子は、正の電圧を印加したｎ型半導体基板１に排
出される。このような構造を縦型オーバーフロードレイ
ン構造と呼ぶ。

【０００５】信号電荷を転送する垂直シフトレジスタ
（以下、垂直ＣＣＤ部と呼ぶ）であるｎ型不純物領域４
は、埋め込みチャネル構造を形成している。その周辺に
ｐ型不純物領域５を形成することで、光電変換領域（ｎ
^- 型不純物領域３）やｐ型ウエル２から電子が侵入する
のを防止している。ｐ⁺ 型不純物領域６は光電変換領域
（ｎ^- 型不純物領域３）から垂直ＣＣＤ部（ｎ型不純物
領域４）へ電子を読み出すためのしきい値電圧制御を行
う。実際の駆動では、ポリシリコン電極１１に例えば１
０Ｖ以上の高い電圧を印加して、光電変換領域（ｎ^- 型
不純物領域３）中に蓄積された電子を全て移す。

【０００６】つぎにポリシリコン電極１１に例えば０Ｖ
と−１０Ｖの電圧を交互に印加することで、垂直ＣＣＤ
部（ｎ型不純物領域４）内の信号電荷を順次転送する。
ｐ⁺型不純物領域７は分離を行なっており、隣接するフ
ォトダイオードから垂直ＣＣＤ部に信号電荷が混入し、
解像度が劣化するのを防止している。光電変換領域（ｎ
^- 型不純物領域３）の表面領域に形成されたｐ⁺⁺型不純
物領域８は、ｎ型半導体基板１と酸化膜の界面準位で発
生する電子が光電変換領域（ｎ^- 型不純物領域３）に入
り雑音電荷からなる暗電流となるのを防いでいる。すな
わち、界面準位で発生した電子を、正孔蓄積層であるｐ
⁺⁺型不純物領域８内で再結合させることで、電子の光電
変換領域（ｎ^- 型不純物領域３）への流入を防止してい
る。ポリシリコン電極１１はポリシリコン酸化膜１２に
より電気的に絶縁されている。また、その上部にはＣＶ
Ｄ膜からなる層間絶縁膜１３が形成され、配線を兼ねる
導電性遮光膜１４との絶縁を行っている。導電性遮光膜
１４はポリシリコン電極１１の上部に位置することによ
り、垂直ＣＣＤ部（ｎ型不純物領域４）への光の入射を
防止している。

【０００７】図５のように、従来のブルーミング抑制
は、ｎ型半導体基板１の表面上にｐ型ウエル２を形成
し、そのｐ型ウエル２内に光電変換領域となるｎ^- 型不
純物領域３を形成することで行っていた。すなわち、光
電変換領域で形成された過剰な信号電荷を電圧印加した
ｎ型半導体基板１側へ、ｎ層（光電変換領域）→ｐ層→
ｎ層（半導体基板）のパスで排出することで実現してい
た。この縦型オーバーフロードレイン構造は現在広く利
用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成において、縦型オーバーフロードレイン構造の実
際の製造方法を考えると、例えば、ｐ型ウエル２の形成
は高加速注入や高温での熱処理を用いても約５μｍが限
界である。その中に光電変換領域であるｎ^- 型不純物領
域３を形成するため、空乏層の伸びや耐圧を考慮する
と、光電変換領域であるｎ^- 型不純物領域３の深さは約
２μｍが上限となってしまう。この光電変換領域の深さ
の上限は、基板深部で対生成を行なう赤外波長領域や可
視光領域での光電変換量の低下、すなわち感度の低下と
なる。また、ｐ型ウエル２の深さのばらつき等に対応し
てブルーミング抑制能力も変化するため、素子毎にｎ型
半導体基板１に印加する電圧を調整し、ブルーミング抑
制能力を一定にする必要があった。

【０００９】この発明の目的は、赤外波長領域や可視光
領域の感度を向上することができるとともに、工程上の
ばらつきによるブルーミング抑制能力のばらつきを抑制
することができる固体撮像装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の固体撮像
装置は、第１導電型の半導体基板の表面に形成した第２
導電型の光電変換領域と、光電変換領域上に形成した第
１導電型の不純物領域と、第１導電型の不純物領域内に
形成され外部から電圧印加可能な第２導電型の不純物領
域と、光電変換領域で光電変換された信号電荷を転送す
るための第２導電型の電荷転送領域と、光電変換領域内
に蓄積された信号電荷を電荷転送領域へ読み出すための
電荷読み出し領域と、電荷転送領域および電荷読み出し
領域上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、
電荷転送領域および電荷読み出し領域に光の侵入を阻止
するためにゲート電極上に形成した遮光膜とを備えてい
る。

【００１１】請求項２記載の固体撮像装置は、請求項１
記載の固体撮像装置において、遮光膜は導電性材料から
なり、遮光膜と第２導電型の不純物領域とをコンタクト
窓を介して接続し、第２導電型の不純物領域に遮光膜を
介して外部から電圧印加可能な構成としたことを特徴と
する。

【００１２】

【作用】請求項１記載の構成によれば、第１導電型の半
導体基板の表面に第２導電型の光電変換領域を形成し、
光電変換領域上に第１導電型の不純物領域を形成し、そ
の第１導電型の不純物領域内に外部から電圧印加可能な
第２導電型の不純物領域を形成してあり、その他の電荷
転送領域、電荷読み出し領域、ゲート電極および遮光膜
は従来と同様の構成となっている。例えば、第１導電型
の半導体基板にｐ型半導体基板を用い、光電変換領域を
ｎ^- 型不純物領域とし、光電変換領域上の第１導電型の
不純物領域をｐ⁺⁺型不純物領域とし、その領域内に形成
した外部から電圧印加可能な第２導電型の不純物領域を
ｎ⁺⁺型不純物領域とすれば、ｎ⁺⁺型不純物領域に正電圧
を印加してそのポテンシャルを下げることにより、光電
変換領域で発生した過剰な不要電荷を表面のｐ⁺⁺型不純
物領域を介して、ｎ層（光電変換領域であるｎ^- 型不純
物領域）→ｐ層（ｐ⁺⁺型不純物領域）→ｎ層（ｎ⁺⁺型不
純物領域）のパスで排出することができる。この排出機
構はその構成から拡散工程のうち後工程で形成されるた
め、工程上のばらつきによるブルーミング抑制能力のば
らつきを抑制することができる。また、従来のように半
導体基板に形成したウエル上に光電変換領域を形成した
ものでなく、半導体基板にウエルを形成せずに光電変換
領域を形成しているため、光電変換領域の深さを深くす
ることができ、基板深部で発生した信号電荷をすべて光
電変換領域に集めることが可能となり、基板深部で対生
成を行なう赤外波長領域や可視光領域の感度を向上する
ことができる。また、ｐ⁺⁺型不純物領域内のｎ⁺⁺型不純
物領域に印加する電圧は正電圧であるため、ｐ⁺⁺型不純
物領域とその上に形成される酸化膜との間の界面準位で
発生した不要電荷（暗電流）の一部をｎ⁺⁺型不純物領域
側に排出できるため、暗電流の低い固体撮像装置の実現
が可能となる。

【００１３】さらに、請求項２記載の構成によれば、遮
光膜を導電性材料で形成し、遮光膜と第２導電型の不純
物領域とをコンタクト窓を介して接続し、第２導電型の
不純物領域に遮光膜を介して外部から電圧印加可能な構
成としたことにより、遮光膜と第２導電型の不純物領域
とのコンタクト部分では遮光膜の下層に層間絶縁膜等が
存在しないため、層間絶縁膜を介して入射する洩れ込み
光を低減してスミア特性を良くすることができる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。図１はこの発明の第１の実施例の固
体撮像装置の断面図、図３は図１のａ−ａ’線に沿った
ポテンシャル図である。図１において、３はｎ^- 型不純
物領域（光電変換領域）、４はｎ型不純物領域（電荷転
送領域）、５はｐ型不純物領域、６はｐ⁺ 型不純物領域
（電荷読み出し領域）、７はチャネルストッパとなるｐ
⁺ 型不純物領域、８はｐ⁺⁺型不純物領域（第１導電型の
不純物領域）、９はゲート酸化膜、１０はシリコン窒化
膜、１１はポリシリコン電極（ゲート電極）、１２はポ
リシリコン酸化膜、１３は層間絶縁膜、１４はアルミニ
ウム膜からなり配線を兼ねた導電性遮光膜、１５は保護
膜、１６はｐ型シリコン基板（半導体基板）、１７はｎ
⁺⁺型不純物領域（第２導電型の不純物領域）である。

【００１５】この実施例の固体撮像装置は、ｐ型シリコ
ン基板１６の表面に光電変換領域としてｎ^- 型不純物領
域３を形成し、ｎ^- 型不純物領域３上にｐ⁺⁺型不純物領
域８を形成し、そのｐ⁺⁺型不純物領域８内に外部から電
圧印加可能なｎ⁺⁺型不純物領域１７を形成している。ま
た、電荷転送領域（垂直ＣＣＤ部）となるｎ型不純物領
域４、ｐ型不純物領域５、電荷読み出し領域となるｐ⁺
型不純物領域６、チャネルストッパとなるｐ⁺ 型不純物
領域７、ゲート絶縁膜となるゲート酸化膜９およびシリ
コン窒化膜１０、ゲート電極となるポリシリコン電極１
１、ポリシリコン酸化膜１２、層間絶縁膜１３および導
電性遮光膜１４等は図４の従来例と同様である。

【００１６】この実施例では、従来の縦型オーバフロー
ドレイン構造を用いないため、半導体基板としてｐ型導
電性のシリコン基板１６を用いる。ｐ型シリコン基板１
６に光電変換領域であるｎ^- 型不純物領域３を形成す
る。そして、垂直ＣＣＤ部のｎ型不純物領域４、ｐ型不
純物領域５、読み出ししきい値電圧制御のｐ⁺ 型不純物
領域６、およびチャネルストッパであるｐ⁺ 型不純物領
域７を従来例と同様に形成する。

【００１７】光電変換領域であるｎ^- 型不純物領域３の
表面には正孔蓄積層であるｐ⁺⁺型不純物領域８を作り込
み、暗電流の低減を行なう。ｐ⁺⁺型不純物領域８の濃度
は約１０¹⁸ｃｍ^-3であり、拡散層深さは１μｍ以下のシ
ャローな接合となっている。そのｐ⁺⁺型不純物領域８内
にｎ⁺⁺型不純物領域１７を形成する。ｎ⁺⁺型不純物領域
１７の濃度は約１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ストライプ状の構
造にすることにより撮像領域周辺部からの電圧印加が可
能となっている。ｎ⁺⁺型不純物領域１７の拡散層深さは
約０．５μｍである。

【００１８】この固体撮像装置は、図３に示すように、
（ｎ⁺⁺型不純物領域１７）−（ｐ⁺⁺型不純物領域８）−
（ｎ^- 型不純物領域３）でｎ−ｐ−ｎ構造をとり、ｎ⁺⁺
型不純物領域１７に５〜１０Ｖの電圧を印加し、そのポ
テンシャルを下げることにより、光電変換領域であるｎ
^- 型不純物領域３の過剰な不要電荷をｎ⁺⁺型不純物領域
１７に排出する。また、ｐ⁺⁺型不純物領域８で完全に再
結合できずに残存した電子をｎ⁺⁺型不純物領域１７に排
出するため、光電変換領域であるｎ^- 型不純物領域３へ
の雑音電荷の侵入を防止することができる。また、ｎ⁺⁺
型不純物領域１７の電圧を５〜１０Ｖの間で調整するこ
とにより、ｎ⁺⁺型不純物領域１７へ排出される電荷量を
制御することが可能となり、ブルーミング抑制能力を任
意に設定することができる。

【００１９】以上のようにこの実施例によれば、ｎ⁺⁺型
不純物領域１７に正電圧を印加してそのポテンシャルを
下げることにより、光電変換領域であるｎ^- 型不純物領
域３で発生した過剰な不要電荷を表面のｐ⁺⁺型不純物領
域８を介して、ｎ⁺⁺型不純物領域１７側へ排出すること
ができる。この排出機構はその構成から拡散工程のうち
後工程で形成されるため、工程上のばらつきによるブル
ーミング抑制能力のばらつきを抑制することができる。
また、図４に示す従来例のようにｎ型半導体基板１に形
成したｐ型ウエル２上に光電変換領域を形成したもので
なく、ｐ型シリコン基板１６中に光電変換領域（ｎ^- 型
不純物領域３）を形成しているため、光電変換領域（ｎ
^- 型不純物領域３）の深さを深くすることができ、基板
深部で発生した電子（信号電荷）をすべて光電変換領域
に集めることが可能となり、基板深部で対生成を行なう
長波長（近赤外波長）領域および赤外波長領域の感度を
向上することができる。また、光電変換領域表面で不要
電荷の排出を行なっているため、界面準位で発生する電
子も排出することが可能となり、暗電流の少ない画像を
得ることができる。

【００２０】つぎに、この発明の第２の実施例について
説明する。図２はこの発明の第２の実施例の固体撮像装
置の断面図であり、ポテンシャル図は図３に示す第１の
実施例の場合と同様である。この第２の実施例の固体撮
像装置は、導電性遮光膜１４とｎ⁺⁺型不純物領域１７と
を、ゲート酸化膜９および層間絶縁膜１３に設けたコン
タクト窓を介して接続し、ｎ⁺⁺型不純物領域１７への外
部からの電圧印加を導電性遮光膜１４を介して行う構成
としたことが第１の実施例と異なり、その他の構成は第
１の実施例と同様である。

【００２１】この実施例では、第１の実施例と同様にし
て正孔蓄積層であるｐ⁺⁺型不純物領域８内にｎ⁺⁺型不純
物領域１７を形成した後、ｎ⁺⁺型不純物領域１７と導電
性遮光膜１４の接続が可能なように、ゲート酸化膜９と
層間絶縁膜１３にコンタクト窓を形成する。その位置は
隣接する光電変換領域（ｎ^- 型不純物領域３）との分離
を行なっているチャネルストッパ（ｐ⁺ 型不純物領域
７）側に設ける。その大きさは１μｍ×１μｍ以下と微
細にすることが望ましい。コンタクト窓を介して導電性
遮光膜１４とｎ⁺⁺型不純物領域１７とを接続する。導電
性遮光膜１４は撮像領域周辺部から電圧印加が可能とな
っており、５〜１０Ｖの電圧を印加して同様にブルーミ
ング制御を実施する。

【００２２】この実施例によれば、チャネルストッパ側
（ｐ⁺ 型不純物領域７）のｎ⁺⁺型不純物領域１７と導電
性遮光膜１４とのコンタクト領域では、導電性遮光膜１
４の下層には層間絶縁膜１３等が存在しない構造とな
る。この構造は、層間絶縁膜１３を介して入射する洩れ
込み光を低減することが可能となり、その洩れ込み光で
発生するスミアを低減することが可能となる。また、コ
ンタクト窓を形成する時のエッチングダメージやシリコ
ン基板表面の結晶欠陥に起因して対生成により発生する
電子は、ほとんど電圧印加した導電性遮光膜１４側に排
出されるため画像劣化は起こらない。また、一部電子が
光電変換領域（ｎ^- 型不純物領域３）側に拡散しても、
正孔蓄積層であるｐ⁺⁺型不純物領域８が本来の働きを行
い、その電子を再結合により消滅させてしまい、光電変
換領域であるｎ^- 型不純物領域３へは電子が侵入しな
い。

【００２３】この第２の実施例では、コンタクト窓をチ
ャネルストッパ（ｐ⁺ 型不純物領域７）側にのみ形成し
たが、読み出し側（ｐ⁺ 型不純物領域６側）に形成する
ことも可能である。スミア特性と感度特性の最適値から
そのコンタクト位置の最適化を行なうのが良い。なお、
上記第１および第２の実施例において、導電性遮光膜１
４の材料としてアルミニウムを用いたが、タングステ
ン、タングステンシリサイド、モリブデン、モリブデン
シリサイド等の高融点金属を用いても同様の効果を得る
ことができる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の固体撮像装置は、第１導
電型の半導体基板の表面に第２導電型の光電変換領域を
形成し、光電変換領域上に第１導電型の不純物領域を形
成し、その第１導電型の不純物領域内に外部から電圧印
加可能な第２導電型の不純物領域を形成してあり、その
他の電荷転送領域、電荷読み出し領域、ゲート電極およ
び遮光膜は従来と同様の構成となっている。例えば、第
１導電型の半導体基板にｐ型半導体基板を用い、光電変
換領域をｎ^- 型不純物領域とし、光電変換領域上の第１
導電型の不純物領域をｐ⁺⁺型不純物領域とし、その領域
内に形成した外部から電圧印加可能な第２導電型の不純
物領域をｎ⁺⁺型不純物領域とすれば、ｎ⁺⁺型不純物領域
に正電圧を印加してそのポテンシャルを下げることによ
り、光電変換領域で発生した過剰な不要電荷を表面のｐ
⁺⁺型不純物領域を介して、ｎ層（光電変換領域であるｎ
^- 型不純物領域）→ｐ層（ｐ⁺⁺型不純物領域）→ｎ層
（ｎ⁺⁺型不純物領域）のパスで排出することができる。
この排出機構はその構成から拡散工程のうち後工程で形
成されるため、工程上のばらつきによるブルーミング抑
制能力のばらつきを抑制することができる。また、従来
のように半導体基板に形成したウエル上に光電変換領域
を形成したものでなく、半導体基板にウエルを形成せず
に光電変換領域を形成しているため、光電変換領域の深
さを深くすることができ、基板深部で発生した信号電荷
をすべて光電変換領域に集めることが可能となり、基板
深部で対生成を行なう赤外波長領域や可視光領域の感度
を向上することができる。また、光電変換領域表面で不
要電荷の排出を行なっているため、界面準位で発生する
電子も排出することが可能となり、暗電流の少ない画像
を得ることができる。

【００２５】さらに、請求項２記載の構成の固体撮像装
置は、遮光膜を導電性材料で形成し、遮光膜と第２導電
型の不純物領域とをコンタクト窓を介して接続し、第２
導電型の不純物領域に遮光膜を介して外部から電圧印加
可能な構成としたことにより、遮光膜と第２導電型の不
純物領域とのコンタクト部分では遮光膜の下層に層間絶
縁膜等が存在しないため、層間絶縁膜を介して入射する
洩れ込み光を低減してスミア特性を良くすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例の固体撮像装置の断面
図。

【図２】この発明の第２の実施例の固体撮像装置の断面
図。

【図３】図１のａ−ａ’線に沿ったポテンシャル図。

【図４】従来の固体撮像装置の断面図。

【図５】図４のｂ−ｂ’線に沿ったポテンシャル図。

【符号の説明】

３ ｎ^- 型不純物領域（光電変換領域） ４ ｎ型不純物領域（電荷転送領域） ５ ｐ型不純物領域 ６ ｐ⁺ 型不純物領域（電荷読み出し領域） ７ ｐ⁺ 型不純物領域 ８ ｐ⁺⁺型不純物領域（第１導電型の不純物領域） ９ ゲート酸化膜 １０ シリコン窒化膜 １１ ポリシリコン電極（ゲート電極） １２ ポリシリコン酸化膜 １３ 層間絶縁膜 １４ 導電性遮光膜 １５ 保護膜 １６ ｐ型シリコン基板（半導体基板） １７ ｎ⁺⁺型不純物領域（第２導電型の不純物領域）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の半導体基板の表面に形成し
   た第２導電型の光電変換領域と、前記光電変換領域上に
   形成した第１導電型の不純物領域と、前記第１導電型の
   不純物領域内に形成され外部から電圧印加可能な第２導
   電型の不純物領域と、前記光電変換領域で光電変換され
   た信号電荷を転送するための第２導電型の電荷転送領域
   と、前記光電変換領域内に蓄積された信号電荷を前記電
   荷転送領域へ読み出すための電荷読み出し領域と、前記
   電荷転送領域および前記電荷読み出し領域上にゲート絶
   縁膜を介して形成したゲート電極と、前記電荷転送領域
   および前記電荷読み出し領域に光の侵入を阻止するため
   に前記ゲート電極上に形成した遮光膜とを備えた固体撮
   像装置。
2. 【請求項２】 遮光膜は導電性材料からなり、前記遮光
   膜と第２導電型の不純物領域とをコンタクト窓を介して
   接続し、前記第２導電型の不純物領域に前記遮光膜を介
   して外部から電圧印加可能な構成としたことを特徴とす
   る請求項１記載の固体撮像装置。