JPS59108458A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は静電誘導トランジスタを用いる固体撮像装置お
よびその製造方法に関するものである。

従来固体撮像装置としてはＣＯＤ等の電荷転送素子を用
いるものや、ＭＯＳ　）ランジスタを用いるものなどが
広く用いられている。しかし、これらの固体撮像装置は
電荷転送時に電荷の洩れかあること、光検出感度が低い
こと、集檀変が上からｉパないことなどの問題がある。

このような問題を一挙に解決するものとして、静電誘導
トランジスタ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ（７）頭文字をとってＳＩＴと呼ば
れている）を用いたものが新たに提案されている。例え
ば特開昭５５−１５２２９号Ｉ公報には、マトリックス
状に配列しりＳ　Ｉ　Ｔのソースを行導線に接続し、ド
レインを列導線に接続し、ゲートをクリア導線に接続し
た固体撮像装置が示されている。また、このような固体
撮像装置をさらに発展させたものとして、信号蓄積ゲー
ト□にコンデンサを接続し、拡散層を分離ゲートとして
用いたものも考えられている。第１図Ａは、分離ゲート
を有していない従来のＳＩＴの購危を示す断面図であり
、第１図ＢはこのＳＩＴを用いた固体撮像装置の全体の
構成を示す回路図である。

第１図Ａに示すようにＳＩＴのソースを構成するｎ＋シ
リコン基＠１上に不純物濃度か１０１８〜１０１４原子
／　Ｃｍ８のｎ−シリコンエピタキシャル層２を成隆さ
せ、このエピタキシャル層２の表面に熱拡散法などによ
りｎ＋ドレイン領域８およびｐ＋・・□信号蓄積ゲート
領域４を形成する。通常このゲート領域虫はドレイン領
域８を囲むようにリング状に形成する。ドレイン領域８
の拡散深さはゲート領域傷の拡散深さよりも浅くする。

ドレイン領１域８上にはドレイン電極５を形成する。エ
ピタキシャル層２の表面は透明絶縁膜６で置うと共に信
号蓄積ゲート領域４の一部には絶縁膜６を介してゲート
電極７を形成する。信号蓄積ゲート領域４と、その上に
被着された絶縁膜６と、さらにその上に被着されたゲー
）１［極７とでゲートコンデンサが一構成される。また
、ｎ−エピタキシャル層２はチャエンネル領域を構成す
るものであり、光入力のない定常状態において、すなわ
ちゲート電位Ｏｖであってもチャンネル領域はすてに空
乏化され、ソース−ドレイン間が順方向にバイアスされ
てもソース−ドレイン間には電流が流れないようになっ
ている。

このような構成において光入力が与えられると、チャン
ネル領域内あるいはゲート空乏層内で正孔−［子対か発
生され、この内電子は接地されたソ′□゛−スｌへ流れ
去るが、正孔は信号蓄積ゲート領域４へ蓄積され、これ
（こ接続された前記ゲートコンデンサを充電し、ゲート
電位をΔｖＧだけ変化させる。ここでゲートコンデンサ
の容量をＣＧとし、光入力によって発生され、電荷蓄積
ゲート領域４１に蓄積された電荷をＱ　とすると、ΔＶ
ｏ＝Ｑｂ／ｃＧとなる。成る蓄槽時間が経過した後、ゲ
ート端子８にゲート読み出しパルスφＧが与えられると
、ゲー）！位はφＧにΔＶＧが加わったものとなり、浦
号蓄積ゲート領域鳴とドレイン領域８との間の′□ｍ位
は低下して空乏層が減少し、ソース−ドレイ１ン間に光
入力に対応したドレイン電流が流れる。

このドレイン電流はＳＩＴの増幅作用のためΔｖＧが増
幅度倍されたものとなり、大きなものとなる。

また、ＳＩＴのソースとドレインとを入れ替えても間際
の動作をするものである。

第１図Ｂは上述したＳＩ’Ｉ’をマトリックス状に配列
して構成した固体撮像装置の回路構成を示すものであり
、第１図Ｇは同じくその動作を説明するための信号波形
図である。各Ｓ　Ｉ　Ｔ　１０−１　、　”’］、　Ｏ
−２−−−−−は上述したようにノーマリオフ形のｎチ
ャンネル領域内で、光入力に対する出力ビデオ信号をＸ
Ｙアドレス方式で読み出すようにしている。各画素を構
成するＳＩＴのソースは接地され、Ｘ方向に配列された
一行のＳＩＴ群のドレＩインは行ライン１１−１　、１
１−２−−−−−に接続され、これらの行ラインはそれ
ぞれ行嚢択用トランジスタ１２−１　、１２−２−−−
−一を介してビデオライン１Ｂに共通に接続されている
。またＹ方向に配列された一列のＳＩＴ群のゲートは列
ライ′□ン１４−１　、　ｌ　４−２−−−−−に接続
されている。１ビデオライン１３は負荷抵抗１５を経て
直流電源１６の正端子に接続し、この電源の負端子は接
地されている。

今、１つのＳＩＴ画素の出力が読み出される場□合につ
いて考えてみる。例えば行選択パルスφＳ１により、行
ライン１ｌ−１に接続されたトランジスタ１２−１がオ
ンとなっている期間にゲート読み出しパルスφＧ１が列
ライン１４−１に加えられると、５ＩＴＩＯ−１が選択
され、この５ＩＴＩＯ’“−１のドレイン電流がビデオ
ライン１８を介して負荷抵抗１５を流れ、出力端子１７
に出力電圧ｖｏｕｔが発生する。上述したようにこのド
レイン電流はゲート電圧の関数であり、このゲート電圧
は光入力の関数となるから、暗時の出力電圧から１の増
加分ΔＶｏｕｔは光入力に対応した電圧となる。

しかも、この電圧鎚ΔｖｏｕｔはＳＩＴの増幅作用によ
りΔＶｃが増幅度倍された大きなものとなる。次に列ラ
イン１４−２にゲート読み出しバルブφＧ２を与えて５
ＩＴＩＯ−２の読み出しを行ない　　７ｕ　　。

性分の貌み出しか終了したら、トランジスタ１２’−２
を行罰択パルスφＳ２でオンとして次の行のＳＩＴを順
次に読み出すようにする。

以上がＳＩＴを用いた固体撮像装置の概要および動作原
理であるが、斯種の固体撮像装置のＳＩＴ素子のゲイン
を向上させるには信号蓄積ゲート領域４とドレイン領域
８との間の間隔を狭くすると同時に、ゲート領域型を深
く（通常２〜５μｍ）形成し、一方ドレイン領域３の深
さは比較的浅く（ｌＰｍ以下）形成する必要がある。

しかし、透明絶縁膜６を通ってゲート領域４およびその
周辺に入射した光（可視光）は短波しの成分はど表面付
近で吸収されるので、ゲート領域４を深く形成すると、
このゲート領域４とｎ″″領域２の接合近傍まで到達す
る光は減少し、短□波長側の感度はかえって慾化し、擢
像素子としての特性が劣化するのが常である。

そこで本発明の目的はＳＩＴを利用した固体撮像装置の
短波長側の感度を向上、改善することにある。

本発明はｎｐルミ誘導トランジスタ用いる固体撮１像装
置において、前記トランジスタのゲート領域が一部に浅
い領域をともなった不純物領域からなることを特徴とす
る固体撮像装置にある。

さらに本発明は静電誘導トランジスタを用いる固体撮像
装置の製造に当り、前記トランジスタのソースまたはド
レイン領域と対面する側とは反対側のゲート領域部分を
、気相成しさせたシリコン層ヲ面相エピタキシャル成長
させた後、単結晶化してソースまたはドレイン領域と対
面する側のゲ１“−Ｆ領域よりも浅く形成することを特
徴とする固体撮像装置の製造方法にある。

以下本発明の実施例を図面につき説明する。

なお、前述したように、ＳＩＴはソースとドレインとを
入れ替えても同様に動作するため、以下ｌの各実施例で
はドレインを構成するｎ　シリコン基板の上に成しさせ
たエピタキシャル層にソース領域およびゲート領域を形
成する場合につき説明する。

第２図は本発明による固体撮像装置の一撮像素′□子を
成すＳＩＴの断面図であり、２１はドレイン１を構成す
るｎ＋シリコン基板、２２はチャンネル領域のためのｎ
″″型エピタキシャル層、２３はソース領域、２４はゲ
ート領域、２５は透明絶縁膜、２６はソースｉｆｔ［，
２ｑはゲート電極である。ｎ＋ソース領域２３の外側に
形成したｐ＋アゲート域。

２４は、そのソース領域２８に対面した側２４−１を、
ｐ型不純物の深い拡散によって形成し、これによってｎ
′″型エピタキシャル層２２に作られる多数キャリアの
チャンネルをピンチオフして、ｌ５ＩＴとしての動作を
保障するようにしている。

一方、ゲート領域２４のソース領域２８に対面した側と
は反対側には浅いｐ＋型不純物の拡散領域２４Ｉ−ｚを
形成してあり、本発明はこの浅い拡散領域２４−２を設
けることによって可視光の短□波長部分の感度を向上さ
せるようにしたものである。

即ち、斯かる浅いｐ＋拡散領域２４−２をｎ−エピタキ
シャル層２２の表面に、深いｐ＋不純物拡散領域２４−
１に連続させて形成することにより、透明絶縁膜２５を
通ってゲート領域２４に入射し目た短波し光が表向近傍
で吸収されても、その結果□発生する電子・正孔対（こ
の例では正孔）分、効果的にゲート領域２４に蓄積する
ことができ、従って短波しに対する撮像素子の１ｍ度全
向上させることができる。

つぎに第８図につき本発明固体撮像装置の一撮像素子を
成すＳＩＴの製造方法を簡単に説明する。

先ず、ドレインを構成するｎ＋シリコン基板８１上にチ
ャンネル領域のためのｎ−エピタキシャル層８２を成長
させ、このエピタキシャル層１３２　ｆ７）　”’上に
透明絶縁膜８８を設け、通常のホ）　ＩＪソグラフイお
よび不純物拡散方法によりｎ−エピタキシャル層８２に
深いｐ＋アゲート域８４−１を形成する（第８図Ａ）。

この際不純物としてボロン（Ｂ）を用い、拡散の深さは
１〜４μｍ１好ましくは２１゛μｍとする。

ついで浅いｐ＋拡散層を形成するために第８図Ｂに示す
ように、所望の大きさに透明絶縁膜８８をホトエツチン
グし、前記深いｐ＋ゲート領域ａ４−１に連続するよう
にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ　）　”’層８４−
２を透明絶縁膜８８の前記ホトエラチン１グした部分【
こスパッタ蒸着またはＯＶＤ等の方法で形成する。この
際形成するａ−８ｉＪ＠　８４−２は、浅いｐ＋拡散層
の厚み（深さ）に応じてその層厚を副脚する。例えば、
青感度を向上させる目的には０．１〜１μｍ程度とする
のが最適である。

ａ　−Ｓｉ層３４−２を形成した後、この部分にボロン
をイオン打ち込みするが、その濃度は５Ｘ１０’ｃｍ−
２〜２Ｘ　１０１０１５ａ”の範囲内の値とするのが妥
当である。イオン打ち込みの加速エネルギーは、打１・
・ち込まれたボロンがａ−８ｉ層８ｔ−２を通過して下
地のｎ−エピタキシャル層８２に達することがないよう
に、形成されたａ−８ｉ層８ｔ−２の層厚に応じて選択
する必要がある。例えば、ａ−８ｉ　Ｎ　３４−２の層
厚が４００　ｎｍの時はイオン打込みの加　１速エネル
ギーは８５　ｋｅＶとすることができる。その後６００
〜８００°Ｃで８０〜９０分間窒素ガス中でアニールす
ると、ａ−８ｉ＃８４−２が固相エピタキシャル成長に
よって単結晶化し、第８図Ｃに示すようなｐ＋アゲート
域８４が完成する。　　゛□最後に慣例の方法でｎ　ソ
ース領域８５および・ソース電極３６を形成すると共に
ゲートｌｌｉＵｇｓｑを形成してＳＩＴを完成させる。

上述した方法ではゲート領域８４の浅いｐ＋拡散層の深
さをａ−８ｉ層３４−２の層厚で決定し、□かつこのａ
　−Ｓｉ層３４−２の層厚を蒸着、スパッタ、ＣｖＤ等
により極めて高精度に、再現性良く形成し得るので浅い
ｐ＋拡散層の形成は極めて容易である。

なお、前記アモルファスシリコン（ａ　−Ｓｉ　）　Ｎ
”の代りにポリシリコン層を用い、これに熱拡散或いは
イオンインプランテーションによって不純物をドーピン
グして浅いゲート領域を間際にして形成することもでき
る。

第を図は本発明の他の実施例の各製造段におけ１′る断
面であり、ここに第８図の例と同一部分を示すものには
同一符号を付して示しである。

この第を図の例は浅いｐ＋アゲート域８４−２を通常の
熱拡散方法で形成する（第Φ図Ｂ）点が第８図の例とは
相違しており、他の製造段（第ｔ−゛。

（１１） 図ＡおよびＣ）は第３図の例と同じである。この・場合
は第８図の例と比較するに、浅いｐ＋アゲート域８４−
２の深さの制御性が多少劣るが、それでも実用的には何
等問題のない撮像素子の作製が可能である。

第５図は本発明のさらに他の実施例を示すものであり、
ここでも第８図の例と同一部分を示すものには同一符号
を付して示しである。この例では浅いピゲート領域８４
−２の両側に深いｐ＋アゲート域８４−１を形成する点
が第４図の例とは相１パ違しており、この場合には浅い
ｐ＋領域部分が短波ｉｔこ有効となるも、ソース領域３
５と対面する側とは反対側の深い？ゲート領域の分だけ
第４図の例に比べて短波長に対する感度が劣ることにな
る。しかし、ソース領域８５とは反対側の深いｉ゛ゲー
ト領域よって隣接する素子との分離、即ちガードが良好
となり、また耐圧（ｐｎ接合）も良好となる効果がある
。

前記第１図Ａに示した従来例では比較的赤（Ｒ）に対し
て良感度を呈するＳＩＴとなるのに対し、゛本発明によ
れば短波長側の感度が向上するため可視領域全体にわた
って十分な感度を呈するＳＩＴを実現することができる
。そこで第６図Ａに示すように浅いゲート拡散領域を有
するＳＩＴと従来のＳＩＴを空間的に交互に配列し、前
者を青（Ｂ）または緑（Ｇ）に感度を持たせたセルとし
て用い、後者を赤（Ｒ）に感度を持たせたセルとして利
用して、第６図Ｂに示したような配列とすれば、カラー
撮像装置としての固体撮像素子を実現することができる
。

以上上述した本発明によれば、下記に列記するような利
点がある。

（１）ゲート領域しこ浅い拡散領域を部分的に形成する
ことにより、短波長に対する撮像素子の感度を容易に向
上させることができる。

（２）浅いゲート拡散領域を具えているＳＩＴセルと、
それを具えていない通常のセルとを空間的に交互に配列
することにより、可視領域全体にわたり良好な感度を呈
するカラー撮像素子を容易に実現することができる。　
　　　　　　　　゛（８）　　アモルファスシリコン（
ａ−８ｉ）の固相エピ１タキシ′ヤル成しによってゲー
ト領域の浅い拡散領域を形成する場合に、その浅い拡散
領域の厚さを任意に精度良く制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは従来のＳＩＴの’ａｍの一例を示す断面図１ 第１図Ｂは第１図のＳＩＴをマ）　ＩＪラックス状配列
して構成した固体撮像装置の回路構成を示す線図夢 第１図Ｃは同じくその動作説明用の信号波形図寥第２図
は本発明による固体撮像装置の一素子を成すＳＩＴの構
成の一例を示す断面図、第８図Ａ−Ｄは本発明による固
体撮像素子の各製造段における断面図番 第４図は本発明の変形例の製造段における断面図夢 第５図は本発明のさらに他の変形例の構造を示す断面図
； 第６図Ａは本発明の応用例の１つであるカラー゛□（１
６） 撮像装置としての各撮像素子の構造の一部を示す１断面
図ｉ 第６図Ｂは第６図Ａの撮像素子の配列例を示す説明図で
ある。 ２１・・・ｎ＋シリコン基板（ドレイン）２２・・・ｎ
′″エピタキシャル層 ２８・・・ソース領域 ２４−１・・・深いゲート拡散領域 ２４−２・・・浅いゲート拡散領域 ２５・・−透明絶縁膜　　　２６・・・ソース電極２７
・・・ゲート電極 ８１…ｎ　シリコン基板（ドレイン） ８２・・・エピタキシャル層 ８８・・・透明絶縁膜　　　８４・・・ゲート領域８４
−１・・・深いゲート領域 ８４−２・・・浅いゲート領域 ８５・・・ソース領域ａａ・・・ソース電極８７　・・
・　ゲ　−　ト　νｉｍイ　。 （１６］ 第２図 （Ｂ１２は＃）　　　　　　　　　　　＜Ｒ）２９６−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　静電誘導トランジスタを用いる固体撮像装置におい
   て、前記トランジスタのゲート領域が一部に浅い領域を
   ともなった不純物領域からなることを特徴とした固体撮
   像装置。 ２、特許請求の範囲１記載の固体撮像装置において、ゲ
   ート領域の浅い領域が、ソースまた１パはドレイン領域
   と対面する側とは反対側のゲート領域に形成されるよう
   にしたことを特徴とする固体撮像装置。 ＆　静電誘導トランジスタを用いる固体撮像装置の観音
   に当り、前記トランジスタのソース！またはドレイン領
   域と対面する側とは反対側のゲート領域部分を、 気相成長させたシリコン層を固相エピタキシャル成長さ
   せた後、単結晶比してソースまたはドレイン領域と対面
   する側のゲート領域１よりも浅く形成することを特徴と
   する固体撮１像装置の製造方法。