JPH10116975A - 固体撮像装置及び固体撮像装置のオーバーフローバリア形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 相対的に深い位置にオーバーフローバリアが
形成される固体撮像装置に於て、偽信号の発生や、暗電
流ムラの発生を防止する為にオーバーフローバリアを選
択的に形成する手法を提供する。 【解決手段】 相対的に深い位置にオーバーフローバリ
アが形成される固体撮像装置において、前記オーバーフ
ローバリア２６が例えば有効画素エリア２１及びＯＰＢ
２２にのみ選択的に形成され、Ｈレジスタや出力部及び
周辺チャンネルストップ部２７には形成しないようにす
ることで偽信号の発生や暗電流ムラの発生を防止した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置及び固
体撮像装置のオーバーフローバリア形成方法に関し、特
に、オーバーフローバリアが相対的に深い位置に形成さ
れる固体撮像装置、及びオーバーフローバリアを選択的
に厚く形成するのに好適な固体撮像装置のオーバーフロ
ーバリア形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置のオーバーフローバリア
は、従来、イオン打ち込みにより深さ３μｍ前後の位置
に、固体撮像装置の形成領域全体に亘って形成されてい
た。

【０００３】しかし近赤外線領域に使用するものの場
合、この３μｍ前後の深さでは空乏層の厚みが不足し
て、感度が低下する。

【０００４】そこで出願人は、先に、従来より深い位置
にオーバーフローバリアを形成する手法について特許出
願をした（平成８年特許願第１５２４９４号。この出願
の発明を「先の発明」という）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この先の発明の手法を
使用し、相対的に深い位置、例えば５μｍ以上の深い位
置に、オーバーフローバリアを形成した場合、或いは他
の手法を使用して同様にオーバーフローバリアを形成し
た場合、偽信号が発生する、という問題があった。

【０００６】これは、有効領域や、出力部周辺のチャン
ネルストップ部で光電変換された電子が、完全には半導
体基板側に抜け切らず、その一部が、フォトセンサーア
レイの最外周のセンサーや垂直転送レジスタに流れ込む
からと考えられる。

【０００７】また出力部では、ＭＯＳトランジスタのド
レイン端の電界でこの電子が加速され、出力ＭＯＳトラ
ンジスタのしきい値Ｖthの偏位をひき起こすという問題
があった。

【０００８】さらに光が入らない暗時に、周辺のチャン
ネルストップ部で発生した暗電流が、フォトセンサーア
レイ最外周のセンサーに流れ込み、暗電流ムラをひき起
こすという問題もあった。

【０００９】本発明の目的は上記課題を解決し、偽信号
の発生や、暗電流ムラが生じない固体撮像装置を提供す
ることにある。

【００１０】又、オーバーフローバリアを選択的に厚く
形成する為の、固体撮像装置のオーバーフローバリア形
成方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため本発
明では、相対的に深い位置にオーバーフローバリアが形
成される固体撮像装置に於て、前記オーバーフローバリ
アが前記固体撮像装置形成領域の一部に選択的に形成さ
れている（請求項１）。

【００１２】また、オーバーフローバリアをエピタキシ
ャル成長により形成し、該オーバーフローバリアよりも
上の半導体領域の成長形成後半導体表面を選択的にマス
クした状態で上記オーバーフローバリアに連なる深さの
ところに不純物イオンを打ち込んで、オーバーフローバ
リアの厚みを選択的に増加させる（請求項５）。

【００１３】オーバーフローバリアを選択的に形成する
と、それが形成されなかった領域では、ポテンシャルプ
ロフィールが半導体基板側に単純に傾斜した形になる
（図６（Ｂ））。

【００１４】従って、有効領域や出力部周辺のチャンネ
ルストップ部で光電変換された電子が、完全に半導体基
板側に抜け、フォトセンサーアレイ最外周のセンサーに
流れ込んだり、垂直転送レジスタに流れ込んだりしなく
なる。

【００１５】また、エピタキシャル成長でオーバーフロ
ーバリアを形成し、その上に半導体領域を成長形成して
から、半導体表面を選択的にマスクして上記オーバーフ
ローバリアに連なる深さのところまで不純物イオンを打
ち込むことで、その部分だけ不純物濃度が増し、オーバ
ーフローバリアを選択的に厚くすることが出来る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明の詳細を、図示した実
施の形態例の固体撮像装置１に基いて説明する。図１に
各部のレイアウトを示す。図に於て、２１は有効画素エ
リアであり、受光部１１（フォトセンサー）（図２）等
がマトリクス状に配置されている。

【００１７】２２は光学的黒部（ＯＰＢ）、２３は水平
転送レジスタ（Ｈレジスタ）、２４はフローティングデ
ィフュージョン、２５は出力バッファアンプである。

【００１８】２６がオーバーフローバリアであり、ここ
では有効画素エリア２１とＯＰＢ２２とを合わせた領域
にのみ形成されており（一点鎖線で囲んだ領域）、水平
転送レジスタ２３、或いは周辺チャンネルストップ部２
７には形成されていない。

【００１９】図２に、この固体撮像装置１の断面構造を
示す。断面構造は、先の発明の実施例と同じで、詳細は
先の発明の明細書の記載によることとするが、ここで、
本発明の理解に必要な範囲で説明をする。

【００２０】先ず、２はｎ型シリコンの半導体基板で、
この上に、低不純物濃度のｎ型（ｎ^- ）のエピタキシャ
ル層３が形成されている。

【００２１】エピタキシャル層３には、イオン打ち込み
により第１のｐ型半導体ウェル領域４が形成されてい
る。不純物濃度は、１０¹⁴〜１０¹⁶ｃｍ^-3程度が好まし
い。

【００２２】この第１のｐ型半導体ウェル領域４が、オ
ーバーフローバリアとなる。これが前述したように図１
に示した範囲に形成されている。

【００２３】この第１のｐ型半導体ウェル領域４の上に
は、下のエピタキシャル層３より低不純物濃度の半導体
領域５が同じくエピタキシャル成長で形成されている。
厚さは２μｍ以上、出来れば５μｍ以上にするのが好ま
しく、低不純物濃度であれば、ｎ型、ｐ型、真性、何れ
の半導体でも良い。

【００２４】高抵抗半導体領域５の表面には、ｎ⁺ 型の
不純物拡散領域６が形成されている。その上にｐ⁺ 型正
電荷蓄積領域７が形成されている。これら６，７が受光
部１１を構成する。

【００２５】受光部１１が画素となり、これが複数個、
マトリクス状に配置され図１の有効画素エリアを形成す
る。

【００２６】また高抵抗半導体領域５には、受光部１１
から少し離間して、第２のｐ型半導体ウェル領域８及び
ｎ型の転送チャンネル領域９が形成されている。これら
と前記受光部１１の間には、ｐ型チャンネルストップ領
域１４が形成されている。

【００２７】転送チャンネル領域９と受光部１１との間
は、読み出しゲート１３となる。転送チャンネル領域９
と、この読み出しゲート部１３、及びチャンネルストッ
プ領域１４の上には、ゲート絶縁膜１５が形成されてお
り、その上に、多結晶シリコンからなる転送電極１６が
配置されている。これら９、１５、及び１６が、ＣＣＤ
構造の垂直転送レジスタ１２を構成する。

【００２８】転送電極１６の上には層間絶縁膜１８が形
成されている。その上に、受光部１１の開口を除く残り
の部分全面に遮光膜１７が形成されている。

【００２９】この実施の形態例の固体撮像装置１では、
上記のように、受光部１１と、オーバーフローバリアと
なる第１のｐ型半導体ウェル領域４と、センサーオーバ
ーフロードレインとなる基板２とが垂直方向に形成され
ている。この実施の形態例は、縦型オーバーフロードレ
イン方式である。

【００３０】高抵抗の半導体領域５がある為、オーバー
フローバリアたる第１のｐ型半導体ウェル領域４は、可
視光用の固体撮像装置に比べ相対的に深い位置、即ち受
光部１１の表面から５μｍ以上の位置になる。

【００３１】この固体撮像装置１は、例えば図３〜図５
に示すようにして製造される。先ずｎ型半導体基板２を
用意する（図３Ａ）。この上にエピタキシャル成長で例
えば１０μｍ程度の厚さの低不純物濃度、例えばｎ^- 型
のエピタキシャル層３を形成する（図３Ｂ）。

【００３２】このエピタキシャル層３の一部に、低エネ
ルギーの不純物イオンを打ち込んで、ｐ型の半導体ウェ
ル領域４を形成する（図３Ｃ）。この領域４は、図１の
ように、有効画素エリア２１、及び光学的黒部（ＯＰ
Ｂ）２２のみに形成する（オーバーフローバリア２
６）。

【００３３】エピタキシャル層３とｐ型の半導体ウェル
領域４の上に、これらを覆う高抵抗の半導体領域５を１
０μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長で形成する（図
４Ｄ）。

【００３４】この高抵抗の半導体領域５にイオン打ち込
みを行なって、第２のｐ型半導体ウェル８、ｎ型転送チ
ャンネル９及 びｐ型チャンネルストップ領域１４を形
成する（図４Ｅ）。

【００３５】そして全面にゲート絶縁膜１５を形成し、
これの上に選択的にポリシリコンの転送電極１６を形成
する（図５Ｆ）。その後、ポリシリコンの転送電極１６
をマスクとしてセルフアライメントによりイオン打ち込
みを行い、ｎ⁺ 型拡散領域６及びｐ⁺ 型正電荷蓄積領域
７を形成する（図５Ｇ）。

【００３６】この後、転送電極１６を層間絶縁膜１８で
覆い、その上に例えばＡｌ等で遮光膜１７を形成する。
遮光膜１７には、受光部１１に対応した開口を形成す
る。

【００３７】実施の形態例の固体撮像装置１の各部のポ
テンシャルプロフィールを図６、図７に示す。図６
（Ａ）のグラフ３０は、ＯＰＢ２２を含めた有効画素エ
リア２１のポテンシャルプロフィールを表わす。

【００３８】この領域には、オーバーフローバリア２６
が形成されている。従ってそのプロフィールは、通常の
深さにオーバーフローバリアを形成した従来のものと変
らない。入射した光で発生する信号電子３１は、不純物
拡散領域６に蓄積される。

【００３９】図６（Ｃ）の実線のグラフ３２は、先の発
明の実施例の周辺チャンネルストップ部に於けるポテン
シャルプロフィールを表わす（オーバーフローバリアが
延在している）。

【００４０】また、破線のグラフ３３は、通常の深さに
オーバーフローバリアを形成した固体撮像装置のポテン
シャルプロフィールを表わす。

【００４１】先の発明では、オーバーフローバリアの位
置が深くなった結果、その位置は図６（Ｃ）に示す位置
３４のようになり、チップ表面との間に、ビルトインポ
テンシャル程度（０．５ボルト程度）のディップ３５が
発生する。

【００４２】この辺りの電子３６が横方向に拡散し、最
外周の受光部１１等に流れ込んで、偽信号等を生じてい
た。

【００４３】しかし本発明の実施の形態例１では、この
周辺チャンネルストップ部２７にはオーバーフローバリ
ア２６が設けられない。従って、本発明の実施の形態例
１では、ポテンシャルプロフィール４１は、図６（Ｂ）
に示すように半導体基板２に向って単純に傾斜する形に
なる。

【００４４】従ってこの辺りの電子３７は、全てこの半
導体基板２側に抜けてしまうことになり、受光部１１等
に流れ込むことは無くなる。

【００４５】図７（Ａ）のグラフ４２は、実施の形態例
１に於ける出力ＭＯＳチャンネル部のポテンシャルプロ
フィールを表わす。図７（Ｂ）のグラフ４３は、先の発
明の実施例に於ける出力ＭＯＳチャンネル部のポテンシ
ャルプロフィールを表わす（オーバーフローバリアが延
在している）。

【００４６】オーバーフローバリアが相対的に深くなっ
た結果、先の発明の実施例では、その位置が、図７
（Ｂ）の符号４４のようになり、チップ表面側のｐ型半
導体ウェルのバリア４５との間に、ほぼニュートラルの
領域４６が出来る。

【００４７】暗時、この辺りにある電子４７は、ｐ型半
導体ウェルのバリア４５に阻止されて、出力ＭＯＳチャ
ンネル部へは殆んど流れ込まない。

【００４８】しかし大光量時、特にＩＲカットフィルタ
ー無しの場合、これが出力ＭＯＳチャンネル部へ流れ出
し（４８）、それがドレイン端の電界で加速されて酸化
膜（１５）中に飛び込み、出力ＭＯＳのしきい値Ｖthシ
フトを生じさせていた。

【００４９】しかし本発明の実施の形態例１では、この
出力ＭＯＳチャンネル部にもオーバーフローバリア２６
が設けられない。これにより、図７（Ａ）に示すように
本発明の実施の形態例１では、そのポテンシャルプロフ
ィール４２は、従来同様、ｐウェルによるバリア４９よ
り下層に於て、半導体基板２に向って単純に傾斜する形
になる。

【００５０】この為、この辺りの電子が、大光量時、上
述のような振る舞いをする、ということはなくなる。

【００５１】図８に別の実施の形態例５０を示す。この
実施の形態例５０は、オーバーフローバリア（第１のｐ
型半導体領域４）が選択的に厚くされている例である。
５１がこの選択的に厚くされている部分であり、この部
分は、エピタキシャル成長でオーバーフローバリア４を
形成したあとに、その上の半導体領域５を成長形成し、
そこで半導体表面をレジスト等で選択的にマスクして、
オーバーフローバリア４に連なる深さのところまで不純
物イオンを打ち込んで形成する。

【００５２】エピタキシャル成長と不純物イオン打ち込
みという複数の手法を使用することで、この例のように
選択的にオーバーフローバリアの厚みを変化させること
が出来る。

【００５３】なお実施の形態例では、有効画素エリア２
１とＯＰＢ２２にオーバーフローバリアを形成し、他の
部分、即ち水平転送レジスタ２３及び周辺チャンネルス
トップ部２７にはこれを形成しなかった。

【００５４】本発明はこれに限られるものではなく、例
えば有効画素エリア２１のみにオーバーフローバリアを
形成しても良い。

【００５５】逆に、有効画素エリア２１、ＯＰＢ２２に
加え、水平転送レジスタ２３にもオーバーフローバリア
を形成するようにしても良い。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、相対的
に深い位置にオーバーフローバリアが形成される固体撮
像装置に於て、このオーバーフローバリアを、前記固体
撮像装置形成領域の一部に選択的に形成するようにし
た。

【００５７】またエピタキシャル成長とイオン打ち込み
という複数の形成手法を使用して、オーバーフローバリ
アの厚みを選択的に増加させるようにした。

【００５８】従って、周辺のチャンネルストップ部で
光電変換された電子や暗電流が、最外周の受光素子等に
流れ込まなくなり、偽信号（画像ムラ）が低減される。

【００５９】周辺のチャンネルストップ部で光電変換
された電子が出力ＭＯＳのドレイン端で加速されないの
で、出力ＭＯＳの信頼性が向上する。

【００６０】水平転送レジスタのバリアポテンシャル
を十分空乏化出来るので、水平転送効率が劣化しない。

【００６１】また、これら〜の良好な特性を維持
しつつ、オーバーフローバリアを所望の深さ、例えば５
μｍ以上の深さに形成出来る。

【００６２】更に、必要に応じ、オーバーフローバリ
アの厚みを選択的に変化させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態例の各部レイアウトを示す平面図。

【図２】実施の形態例の構成を示す断面図。

【図３】実施の形態例の製造過程を示す断面図。

【図４】実施の形態例の製造過程を示す断面図。

【図５】実施の形態例の製造過程を示す断面図。

【図６】有効画素エリア及び周辺チャンネルストップ部
のポテンシャルプロフィールを示す線図。

【図７】出力ＭＯＳチャンネル部ポテンシャルプロフィ
ールを示す線図。

【図８】別の実施の形態例の構成を示す断面図。

【符号の説明】

１ 固体撮像装置、２ ｎ型シリコン基板、３ ｎ^- エ
ピタキシャル層、４オーバーフローバリア（第１のｐ型
半導体ウェル領域）、５ 低不純物濃度の半導体領域、
６ ｎ⁺ 不純物拡散領域、７ ｐ⁺ 正電荷蓄積領域、８
第２のｐ型半導体ウェル領域、９ ｎ型の転送チャン
ネル領域、１１ 受光部、１２ 垂直転送レジスタ、１
３ 読み出しゲート、１４ ｐ型チャンネルストップ領
域、１５ ゲート絶縁膜、１６ 転送電極、１７ 遮光
膜、１８ 層間絶縁膜、２１有効画素エリア、２２ 光
学的黒部（ＯＰＢ）、２３ 水平転送レジスタ（Ｈレジ
スタ）、２４ フローティングディフュージョン、２５
出力バッファアンプ、２６ オーバーフローバリア、
２７ 周辺チャンネルストップ部、３０ 有効画素エリ
ア２１のポテンシャルプロフィール（ＯＰＢ２２含
む）、３１ 信号電子、３２ 先の発明の実施例に於け
る周辺チャンネルストップ部のポテンシャルプロフィー
ル（オーバーフローバリアが延在しているとき）、３３
通常の深さにオーバーフローバリアが形成された固体
撮像装置のポテンシャルプロフィール、３４ オーバー
フローバリアの位置、３５ ディップ、３６ 電子、３
７ 電子、４１ 実施の形態例１の周辺チャンネルスト
ップ部ポテンシャルプロフィール、４２ 実施の形態例
１に於ける出力ＭＯＳチャンネル部のポテンシャルプロ
フィール、４３ 先の発明の実施例に於ける出力ＭＯＳ
チャンネル部のポテンシャルプロフィール（オーバーフ
ローバリアが延在しているとき）、４４ オーバーフロ
ーバリアの位置、４５ 第２のｐ型半導体ウェルのバリ
ア、４６ ニュートラル領域、４７ 電子、４８ 大光
量時の流れ出し、４９ 第２のｐウェルによるバリア、
５０ 別の実施の形態例、５１ 選択的に厚くされてい
る部分（オーバーフローバリア）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に深い位置にオーバーフローバリ
   アが形成される固体撮像装置に於て、前記オーバーフロ
   ーバリアが前記固体撮像装置形成領域の一部に選択的に
   形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記オーバーフローバリアが周辺のチャ
   ンネルストップ部を除いて形成されていることを特徴と
   する請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記オーバーフローバリアが周辺のチャ
   ンネルストップ部及び水平転送レジスタ部を除いて形成
   されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
   置。
4. 【請求項４】 前記オーバーフローバリアが周辺のチャ
   ンネルストップ部、水平転送レジスタ部及び出力部を除
   いて形成されていることを特徴とする請求項１記載の固
   体撮像装置。
5. 【請求項５】 オーバーフローバリアをエピタキシャル
   成長により形成し、該オーバーフローバリアよりも上の
   半導体領域の成長形成後半導体表面を選択的にマスクし
   た状態で上記オーバーフローバリアに連なる深さのとこ
   ろに不純物イオンを打ち込んで、オーバーフローバリア
   の厚みを選択的に増加させることを特徴とする固体撮像
   装置のオーバーフローバリア形成方法。