KR20050084270A - 고체 촬상소자 및 고체 촬상소자의 제조방법 - Google Patents
고체 촬상소자 및 고체 촬상소자의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
단위면적당 감도향상을 위한 오버플로우 배리어(overflow barrier)가 깊은 위치에 형성된 경우에 있어서도, 인접 화소간의 신호의 혼합을 방지하고, 복수의 수광(受光) 화소부(1)와, 각 수광 화소부(1)에 축적된 신호전하를 한 방향으로 전송하는 전송 레지스터(transfer register)(2)로 이루어진 촬상영역(撮像領域)이, 반도체 기판의 표층부(表層部) 측에 형성된 고체 촬상소자에 있어서, 상기 전송 레지스터(2)의 전송방향을 따라 인접하는 수광 화소부(1)들 사이에 대응하는 위치에, 상기 촬상영역의 전역에 걸쳐 상기 전송방향과 직교하는 방향으로 연속하는 불순물영역인 배리어영역(15)을 형성하고, 이것에 의해 충분한 포텐셜 배리어(potential barrier)를 형성하여 신호의 혼합을 방지한다.
Description
본 발명은, 예를 들면 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등에 이용하기 적합한 고체 촬상소자 및 고체 촬상소자의 제조방법에 관한 것이다.
근래, 고체 촬상소자의 단위셀의 소형화에 따라, 단위면적당 감도를 향상시키는 기술의 개발이 급선무로 되어 있다. 그 하나의 수단으로서, 예를 들면 N형 반도체기판을 이용한 CCD형 고체 촬상소자에 있어서, 통상 기판면적에서 3㎛ 정도의 깊이에 형성되는, 이른바 오버플로우 배리어(overflow barrier)를, 보다 깊은 위치(예를 들면 5~10㎛)에 형성하는 것으로, 공핍층(空乏層) 폭을 늘리고, 이것에 의해 감도를 향상시키는 것이 생각된다. 다만, 오버플로우 배리어를 깊게 형성하면, 그 오버플로우 배리어 영역에 유입된 홀(hole, 정공)이 배출되지 않고, 포화전하량의 현상이 발생하여, 이른바 셰이딩(shading)이 일어나는 등의 문제가 발생해 버린다. 이로부터, 종래에는, 예를 들면 도 8에 나타낸 바와 같이, CCD형 고체 촬상소자에 있어서, 수직전송 레지스터(21)와 평행인 방향으로 인접하는 화소(22a, 22b) 사이에 P형 불순물 영역(23)을 형성하는 것으로, 포텐셜(potential) 장벽을 완화하여 오버플로우 배리어 영역에 유입된 홀(hole)을 기판표면에 배출하기 용이하게 하는 기술이 제안되어 있다. (예를 들면 특개평11-289076 호 공보 참조)
그런데, 상술한 종래의 기술에서는, 화소(22a, 22b) 사이에 P형 불순물 영역(23)을 형성하고 있으므로, 오버플로우 배리어 영역의 홀을 기판표면에 배출할 수 있을뿐만 아니라, 그 P형 불순물 영역(23)에 의해 화소(22a, 22b) 사이의 배리어를 크게 하고, 이들 수직방향으로 인접하는 화소(22a, 22b) 사이에 있어서 신호의 혼합이 발생하기 어렵게 하는 것도 가능하다. 그렇지만, 종래에 있어서 P형 불순물 영역(23)은, 예를 들면 도 8b에 나타낸 바와 같이, 화소(22a, 22b) 사이의 일부분에 밖에 형성되어 있지 않으므로, 충분한 포텐셜 배리어를 형성할 수 없고, 반드시 신호의 혼합을 방지할 수 있는 것은 아니다.
P형 불순물 영역(23)을 형성하기 위하여는, 예를 들면 붕소(B)를 N형 반도체 기판에 이온(ion) 주입할 필요가 있다. 그런데, 종래에 있어서 P형 불순물 영역(23)은, 홀의 배출을 주목적으로 하고 있으므로, 포텐셜 장벽을 완화할 수 있으면 충분하고, 이로부터 예를 들면 수십 KeV 정도의 에너지의 이온 주입에 의하여, 수직전송 레지스터(21)와 같은 정도의 깊이에 형성되어 있다. 이 때문에, 수직전송 레지스터(21)의 포텐셜에 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 즉 수직전송 레지스터(21)에 있어서 전송동작을 방해하지 않도록 하기 위하여는, 그 수직전송 레지스터(21)와의 사이에 있는 일정한 거리를 유지할(극간(隙間)을 비울) 필요가 있다. 따라서, 종래에는, 화소(22a, 22b) 사이에 충분한 포텐셜 배리어를 형성할 수 없고, 신호의 혼합을 방지할 수 없는 우려가 발생해 버리는 것이었다.
그래서, 본 발명은, 단위면적당 감도향상을 위하여 오버플로우 배리어가 깊은 위치에 형성된 경우에 있어서도, 인접 화소 간의 신호의 혼합을 방지하는 것이 가능한 고체 촬상소자 및 고체 촬상소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은, 본 발명이 적용된 고체 촬상소자의 개략적인 구성예를 나타내는 모식도(模式圖)이다.
도 2a는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 1의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도(模式圖)이며, 그 평면도(平面圖)이다.
도 2b은, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 1의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도(模式圖)이며, A-A 단면도(斷面圖)이다.
도 3a는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 2의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 그 평면도이다.
도 3b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 2의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, B-B 단면도이다.
도 4는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 3의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 도 2 중에 있어서 C-C 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 4의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 도 2 중에 있어서 D-D 단면을 나타내는 도면이다.
도 6a는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 5의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 그 평면도이다.
도 6b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 5의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, E-E 단면도이다.
도 7a는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 6의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 그 평면도이다.
도 7b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 6의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, F-F 단면도이다.
도 7c는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 6의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, G-G 단면도이다.
도 8a는, 종래에 있어서 고체 촬상소자의 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, 그 평면도이다.
도 8b는, 종래에 있어서 고체 촬상소자의 주요부 구성예를 나타내는 모식도이며, H-H 단면도이다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여 고안된 고체 촬상소자이다. 즉, 복수의 포토센서(photo sensor)와, 각 포토센서에 축적된 신호전하를 전송하는 전송 레지스터로 이루어지는 촬상영역이, 반도체 기판의 표층부 측에 형성된 고체 촬상소자에 있어서, 상기 반도체 기판 내에 있어서 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이에 대응하는 위치에, 상기 촬상영역의 대략 전역에 걸쳐 상기 전송방향과 직교하는 방향으로 연속하여 형성된 불순물 영역부를 갖추는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 구성의 고체 촬상소자에 있어서, 포토센서는, 광전변환(光電變換)에 의하여 입사광에 따른 양의 신호전하를 축적한다. 또, 전송 레지스터는, 각 포토센서에 축적된 신호전하를 받아들여 전송한다. 여기서, 전송 레지스터는, 촬상영역을 구성하는 전송 레지스터이며, 예를 들면 복수의 포토센서가 2차원 행렬 형태로 배치된 CCD형의 것이라면, 수직전송 레지스터가 이에 해당한다.
그리고, 상기 구성의 고체 촬상소자에는, 불순물 영역부가, 전송레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 불순물 영역부는, 불순물 영역으로 이루어지는 것으로, 예를 들면 반도체 기판이 P형 또는 N형의 어느 한쪽의 형이라면, 그것과는 다른 P형 또는 N형의 어느 한쪽의 형의 불순물에 의해 형성된다. 또 포토센서들 사이에 대응하는 위치란, 포토센서들 사이의 위치, 즉 각 포토센서와 대략 같은 깊이로 이들 포토센서의 사이에 끼어있는 위치의 외에, 각 포토센서 보다도 깊은 포토센서들 사이에는 끼어있지 않으나, 반도체 기판의 표층부 측으로부터 평면적으로 보아 포토센서들의 사이에 있는 위치도 포함한다.
더욱이, 불순물 영역부는, 촬상영역의 대략 전역, 즉 그 한 끝(그 근방을 포함하는)으로부터 다른 끝(그 근방을 포함하는)까지에 걸쳐, 전송 레지스터의 전송방향과 직교하는 방향으로 연속하여 형성되어 있다. 요컨대, 예를 들면 전송 레지스터가 수직전송 레지스터라면, 불순물 영역부는, 수평방향으로 연속하여 형성되어 있다. 따라서, 상기 구성의 고체 촬상소자에 의하면, 불순물 영역부가 연속하여 형성되어 있으므로, 포토센서들 사이에 충분한 포텐셜 배리어를 형성하는 것이 가능하고, 신호의 혼합을 방지할 수 있다.
이하, 도면에 근거하여 본 발명에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 여기서는, 본 발명을 N형 반도체 기판을 이용한 CCD형 고체 촬상소자에 적용한 경우를 예를 들어 설명한다.
[제 1의 실시의 형태]
여기서는, 제 1의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 먼저, 고체 촬상소자의 개략적인 구성에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명이 적용되는 고체 촬상소자의 개략적인 구성예를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 여기에 설명하는 고체 촬상소자는, 매트릭스 형태로 2차원 배열된 복수의 포토센서(photo sensor)(1)와, 그 2차원 배열의 열마다 설치된 수직전송 레지스터(2)와, 수직전송 레지스터(2)를 따라 설치된 채널 스톱(channel stop)(3)을 갖추고 있고, 이들에 의하여 촬상영역(4)이 구성되어 있다. 이 중, 포토센서(1)는, 광전변환에 의해 신호전하를 축적하기 위한 것으로, 본 발명에 있어서 포토센서로서 기능하는 것이다. 수직전송 레지스터(2)는, 각 포토센서(1)에 축적된 신호전하를, 2차원 배열에 대하여 수직방향으로 전송하는 것이다. 채널 스톱(3)은, 각 포토센서(1)와 수직전송 레지스터(2)와의 사이를 분리하기 위한 것이다.
이러한 촬상영역(4)에 더하여, 고체 촬상소자에는, 그 촬상영역(4)의 한 끝에 배치된 수평전송 레지스터(5)와, 수평전송 레지스터(5)의 최종단(最終段)에 접속된 출력부(6)을 갖추고 있다. 수평전송 레지스터(5)는, 각 수직전송 레지스터(2)로부터 신호전하를 받아들이고, 이것을 2차원 배열의 수평방향으로 전송하는 것이다. 출력부(6)는, 플로팅 디퓨전 앰프(floating diffusion amp)나 그 외의 처리회로 등으로 이루어지는 것으로, 수평전송 레지스터(5)로부터 출력되는 신호전하에 대하여 소정의 신호처리를 행하는 것이다.
계속하여, 이상과 같은 평면구조를 가지는 고체 촬상소자에 있어서 단면구조에 대하여 설명한다. 도 2a 및 도 2b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 1의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 고체 촬상소자는, N형의 실리콘(이하 'Si'로 표기한다) 기판(10) 상에, N-에피택셜(epitaxial) 층(11)과, P형의 웰(well) 층으로 이루어지는 오버플로우 배리어(overflow barrier) 영역(12)과, 이 오버플로우 배리어 영역(12)보다도 P형 불순물의 농도가 저농도인 고저항의 반도체 영역(13)과, 포토센서(1)나 수직전송 레지스터(2) 등이, 차례로 적층(積層)되어 이루어지는 화소구조를 가지고 있다. 요컨대, 상술한 포토센서(1)나 수직전송 레지스터(2) 등은, 고체 촬상소자를 구성하는 반도체 기판의 표층부 측에 형성되어 있다. 그리고, 수직전송 레지스터(2)의 더욱 위쪽에는, 그 수직전송 레지스터(2)에 신호전하의 전송을 행하게 하기 위한 전송전극(14)이 형성되어 있다.
이러한 단면구조에 있어서, 오버플로우 배리어 영역(12)은, 반드시 P형 웰(well) 층으로 이루어진 것이 아니어도 상관없다. 즉, 실리콘 기판(10)에 있어서 불순물 반도체의 형을 제 1 도전형(導電型)이라 하고, 오버플로우 배리어 영역(12)에 있어서 불순물 반도체의 형을 제 2 도전형(導電型)이라 하면, 그 제 2 도전형은, 제 1 도전형과 다른 형이면 된다. 따라서, 실리콘 기판(10)이 P형인 경우에는, 오버플로우 배리어 영역(12)은, N형 웰 층으로 이루어지는 것으로 한다. 또, 오버플로우 배리어 영역(12) 상에 형성되는 반도체 영역(13)은, 반드시 P형 불순물로 이루어진 것이 아니어도 좋고, 제 1 도전형 및 제 2 도전형 또는 진성의 어느 것이어도 상관없다.
그런데, 여기에 설명하는, 고체 촬상소자는, 반도체 영역(13) 내에 형성된 불순물 영역부(15)를 갖추고 있는 점에 큰 특징이 있다. 불순물 영역부(15)는, 오버플로우 배리어 영역(12)와 같이 제 2 도전형의 불순물, 즉 예를 들면 P형의 불순물 영역으로 이루어지고, 바람직하게는 그 불순물 농도가 오버플로우 배리어 영역(12)보다 짙은 것으로 한다. 그리고, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 2차원 배열의 수직방향에 인접하는 포토센서(1)들의 사이에 대응하는 위치에 배치되어 있는 것과 동시에, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 촬상영역(4)의 대략 전역에 걸쳐 2차원 배열의 수평방향에 연속하도록 형성되어 있다. 여기서, 포토센서(1)들 사이에 대응하는 위치란, 포토센서(1)들 사이의 위치, 즉 각 포토센서(1)와 대략 같은 깊이로 이들 포토센서(1)의 사이에 끼어있는 위치의 외에, 각 포토센서(1)보다도 깊은 포토센서(1) 사이에는 끼어있지 않으나, 반도체 기판의 표층부 측으로부터 평면적으로 보아 포토센서(1)들의 사이에 있는 위치를 포함한다는 의미이다. 또, 촬상영역(4)의 대략 전역이란, 이 촬상영역(4)의 한 끝(그 근방을 포함하는)에서 다른 끝(그 근방을 포함하는)까지의 의미이다.
더욱이, 불순물 영역부(15)는 반도체 기판의 표층부 측에서 보아, 수직전송 레지스터(2)보다도 깊은 위치에 형성되어 있다. 이에 의하여, 불순물 영역부(15)는 수직전송 레지스터(2)의 형성위치를 회피하고, 그 아래쪽에 수평방향으로 연속하도록 되어 있다. 또, 각 포토센서(1)들 사이의 대응위치에 형성되어 있으므로, 반도체 기판의 표층부 측에서 평면적으로 보면, 불순물 영역부(15)는 수평방향으로 이어지는 스트라이프(stripe) 형태로 형성되어 있는 것이 된다.
이러한 불순물 영역부(15)를 형성하기 위하여는, 예를 들면 P형 불순물인 붕소(B)를 N형 실리콘 기판에 대하여 이온 주입하면 된다. 다만, 이때, 불순물영역부(15)를 수직전송 레지스터(2)보다도 깊은 위치에 형성하기 위해, 그 주입 에너지는 수백 KeV 이상인 것으로 한다. 더욱이는, 불순물 영역부(15)를 수평방향으로 연속시켜야 하고, 수평방향으로 이어지는 스트라이프(stripe) 형태에 대응한 패턴화를 이용하여 이온 주입을 행하도록 한다. 또한, 다른 부분의 제조방법에 대하여는, 종래와 같아도 상관없으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 수직방향에 인접하는 각 포토센서(1)들 사이의 대응위치에 불순물 영역(15)이 촬상영역(4)의 대략 전 부분에 걸쳐 수평방향으로 연속하도록 형성되어 있다. 따라서, 종래와 같은 화소간의 일부분만이 아니라, 그 전역에 걸쳐 배리어 영역으로서 불순물 영역부(15)가 형성되어 있다. 그러므로, 수직방향에 인접하는 각 포토센서(1)들 사이에 충분한 포텐셜 배리어가 형성될 수 있고, 수직방향에 있어서 신호전하의 혼합을 방지할 수 있도록 된다. 따라서, 본 실시의 형태에 있어서의 고체 촬상소자에 의하면, 단위면적당 감도향상을 위하여 오버플로우 배리어 영역(12)이 깊은 위치에 형성된 경우에 있어서도, 인접화소간 신호전하의 혼합을 방지하는 것이 가능하게 된다고 말할 수 있다.
더욱이, 본 실시의 형태에 있어서의 고체 촬상소자에 의하면, 불순물 영역부(15)가 수직전송 레지스터(2)보다도 깊은 위치에 형성되어 있으므로, 수직전송 레지스터(2)로의 포텐셜 간섭을 배제할 수 있다. 즉, 수직전송 레지스터(2)에 있어서 전송동작을 방해하지 않고, 각 포토센서들 사이에 충분한 포텐셜 배리어를 형성하고, 수직방향에 있어 신호전하의 혼합방지가 도모되도록 된다. 더욱이, P형 불순물을 깊은 위치에 이온 주입하는 것만으로 형성하는 것이 가능하고, 또한, 전송전극(14) 등에 대하여는 종래와 같은 구성의 것이 그대로 이용가능하므로, 구성의 복잡화를 초래하지 않고 매우 용이하게 실현하는 것이 가능하다.
또, 본 실시의 형태에 있어서의 고체 촬상소자에는, 반도체 영역(13) 내에 불순물 영역(15)이 형성되어 있으므로, 오버플로우 배리어 영역(12)에서 반도체 기판 표면까지의 사이의 반도체 영역(13)에 의한 홀에 대한 포텐셜 장벽을 완화하고, 오버플로우 배리어 영역(12)에 축적된 홀을 반도체 기판 표면으로 배출할 수 있다. 따라서, 포화 전하량 현상이 발생하거나, 셰이딩(shading)이 일어나거나 하는 등의 문제가 발생하지 않는다.
이러한 것으로부터 본 실시의 형태에 있어서의 고체 촬상소자는, 단위면적당 감도를 향상시키고, 인접화소 간의 신호의 혼합을 방지하며, 더욱이 셰이딩(shading) 등의 문제가 발생하는 일이 없으므로, 촬상화질의 저하를 초래하지 않고 촬상소자의 소형화에 기여하는 것이 가능한 것이라 말할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에는 불순물 영역부(15)가 수직전송 레지스터(2)보다도 깊은 위치에 형성되어 있는 경우를 예로 들어 설명했으나, 예를 들면 불순물 영역부(15)가 수직전송 레지스터(2)보다도 얕은 위치에 형성되어 있어도 좋고, 그 경우에 있어서도 불순물 영역부(15)가 수평방향으로 연속하고 있으면, 수직방향에 있어서 신호전하의 혼합을 방지할 수 있게 된다. 불순물 영역부(15)의 위치는, 수직전송 레지스터(2)보다도 깊은 것이 바람직하나, 특별히 이에 한정된 것은 아니다.
[제 2의 실시의 형태]
다음으로, 제 2의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 다만, 여기서는, 상술한 제 1의 실시의 형태와의 차이점에 대하여만 설명한다.
도 3a 및 도 3b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 2의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도면의 예에 의하면, 여기서 설명하는 고체 촬상소자는, 불순물 영역부(15)가, 반도체 기판의 깊이방향으로 복수 단(段) 형성된 것이다.
이러한 불순물 영역부(15)를 형성하기 위하여는, 실리콘 기판(10)에 대응하는 P형 불순물의 이온 주입을, 각각 주입 에너지를 적절히 변경하고, 형성하는 단 수만큼 여러 번으로 나누어 행하도록 하면 된다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 수평방향으로 연속하는 불순물 영역(15)이 복수 단 형성되어 있으므로, 수직방향에 인접하는 각 포토센서(1)들 사이에, 제 1의 실시의 형태의 경우보다도 더욱 충분한 포텐셜 배리어를 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 제 1의 실시의 형태의 경우보다도 더욱 효과적으로 인접화소 간의 신호전하의 혼합을 방지하는 것이 가능하다.
[제 3의 실시의 형태]
다음으로, 제 3의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 다만, 여기서도, 상술한 제 1 또는 제 2의 실시의 형태와의 차이점에 대하여만 설명한다.
도 4는 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 3의 실시의 형태에 있어서 주요 부분의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 여기서 설명하는 고체 촬상소자는, 불순물 영역부(15)와는 별도로, 수직방향에 인접하는 각 포토센서(1)들 사이에, 또, 반도체 기판의 표면 근방에, 채널 스톱(channel stop) 영역부(16)가 형성된 것이다. 채널 스톱(channel stop) 영역부(16)는, 오버플로우 배리어 영역(12) 또는 불순물 영역부(15)와 같이 제 2 도전형(導電型)의 불순물, 즉 예를 들면 P형의 불순물 영역으로 이루어지는 것이다. 또한, 채널 스톱(channel stop) 영역부(16)의 불순물 농도는, 불순물 영역부(15)보다도 높은 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 반도체 기판의 표면 근방에 채널 스톱 영역부(16)가 형성되고, 이에 의하여 포텐셜이 0V에 가까운 영역이 넓어지게 된다. 따라서, 오버플로우 배리어 영역(12)에 축적된 홀의 반도체 기판 표면으로의 배출을 제 1의 실시의 형태의 경우보다도 더욱 효과적으로 행하도록 되어, 인접화소 간의 신호전하의 혼합방지에 기여하게 된다.
[제 4의 실시의 형태]
다음으로, 제 4의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 다만, 여기서도, 상술한 제 1~제 3의 실시의 형태와의 차이점에 대하여만 설명한다.
도 5는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 4의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 여기에 설명하는 고체 촬상소자에는, 반도체 기판의 심층부 측, 즉 포토센서(1) 및 수직전송 레지스터(2)보다도 심층부 측에 형성된 오버플로우 배리어 영역(12)의 깊이방향에 대한 계면(界面), 구체적으로는 반도체 영역(13)과의 계면이 요철(凹凸)형태로 형성되고, 그 요철형태의 볼록 부분이 포토센서(1)들 사이에 대응하는 위치에 배치되어 있다. 즉, 오버플로우 배리어 영역(12)은, 각 포토센서(1)의 하층영역에는 깊게, 그 주위의 영역에는 얕게 형성되어 있다. 또한, 여기서 말하는 깊이방향이란, 고체 촬상소자의 표면에서 멀어지는 방향이다. 여기서 말하는 요철형태란, 평탄하지 않은 상태로서, 각이 진 요철이 형성되어 있는 상태 외에, 각이 완만한 경우도 포함한다.
이러한 요철형태의 오버플로우 배리어 영역(12)을 형성하기 위하여는, 예를 들면 각 포토센서(1)를 포위하는 형태의 포토 레지스터 패턴을 설치하고, 이것에 의해 오버플로우 배리어 영역(12)을 형성할 때 주입되는 실리콘 이온의 농도를 조절하면 된다. 실리콘 이온 농도의 조절은 포토 레지스터의 막(膜) 두께를 조절하여 행한다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 요철형태의 오버플로우 배리어 영역(12)을 갖추는 것과 동시에, 요철형태의 볼록 부분이 포토센서(1)들 사이에 대응하는 위치에 배치되어 있으므로, 그 볼록 부분이 신호전하의 이동을 방지하는 가로방향 배리어로서 기능하는 것이 된다. 따라서, 수평방향으로 연속하는 불순물 영역부(15)와 함께 각 포토센서(1)들 사이에서 충분한 포텐설 배리어를 형성하는 것이 되고, 제 1의 실시의 형태의 경우보다도 더욱 유효하게 인접화소 간의 신호전하의 혼합을 방지하는 것이 가능해진다. 또, 반도체 기판의 심층부 측에서의 신호전하의 이동을 방지하기 위해, 그 심층부를 경유하여 발생하는 스미어(smear)를 유효하게 방지할 수 있고, 결과적으로 화질향상을 도모하는 것이 가능하다.
[제 5의 실시의 형태]
다음으로, 제 5의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 다만, 여기서도, 상술한 제 1~제 4의 실시의 형태와의 차이점에 대하여만 설명한다.
도 6a 및 도6b는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 5의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성에를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 여기서 설명하는 고체 촬상소자는, 불순물 영역부(15)에 더하여, 수직방향에 인접하는 각 포토센서(1)들 사이에, 또, 반도체 기판의 표층부 측에서 보아 불순물 영역부(15)보다도 얕은 위치에, 제 1의 배리어 영역부(17)가 형성되어 있는 것이다. 제 1의 배리어 영역부(17)는, 불순물 영역부(15)와 같이 제 2 도전형의 불순물, 즉 예를 들면 P형의 불순물 영역으로 이루어지는 것이다. 또, 그 불순물 농도도, 불순물 영역부(15)와 동등하여도 좋다. 다만, 제 1의 배리어 영역부(17)는, 불순물 영역부(15)와 같이 수평방향으로 연속하는 것이 아니라, 포토센서(1)들 사이의 일부분에만 섬모양으로 형성되어 있다. 즉, 제 1의 배리어 영역부(17)는, 수십 KeV 정도의 비교적 낮은 에너지로 형성된 것이다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 수평방향으로 연속하는 불순물 영역부(15)에 의해 인접화소 간의 신호전하의 혼합을 방지할 수 있는 것에 더하여, 섬모양으로 점재(点在)하는 제 1의 배리어 영역부(17)도 설치되어 있는 것이므로, 제 1의 실시의 형태의 경우보다도더 한층 인접화소 간의 배리어를 크게 하여 신호전하의 혼합이 발생하기 어렵게 하는 것이 가능하다. 따라서, 특히 감도향상을 위해 오버플로우 배리어 영역(12)이 깊게 형성된 경우에 유효한 것이 된다. 더욱이는, 인접화소 간의 표면 부근의 P형 불순물 농도가 옅고, 부조합이 발생하는 경우에도, 매우 유효하다고 말할 수 있다. 더욱이, 제 1의 배리어 영역부(17)의 존재에 의하여, 오버플로우 배리어 영역(12)이 깊게 형성된 경우에 있어서도, 그 오버플로우 배리어 영역(12)에 축적된 홀의 반도체 기판 표면으로의 배출을 제 1의 실시의 형태의 경우보다도 더 한층 효과적으로, 또, 용이하게 행하는 것이 가능하게 된다.
[제 6의 실시의 형태]
다음으로, 제 6의 실시의 형태에 관한 고체 촬상소자에 대하여 설명한다. 다만, 여기서도, 상술한 제 1~제 5의 실시의 형태와의 차이점에 대하여만 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는, 본 발명에 관한 고체 촬상소자의 제 6의 실시의 형태에 있어서 주요부 구성예를 나타내는 모식도이다. 도면의 예와 같이, 여기서 설명하는 고체 촬상소자는, 불순물 영역부(15)에 더하여, 수직전송 레지스터(2)의 아래쪽 측에, 그 수직전송 레지스터(2)를 따르듯이, 수직방향으로 연속하는 제 2의 배리어 영역부(18)가 형성된 것이다. 제 2의 배리어 영역부(18)는, 불순물 영역부(15)와 같이 제 2 도전형의 불순물, 즉 예를 들면 P형의 불순물 영역으로 이루어지는 것이다.
또, 제 2의 배리어 영역부(18)는, 불순물 영역부(15)와 동일한 깊이에 형성된 것이어도, 혹은 불순물 영역부(15)와 다른 깊이에 형성된 것이어도 좋다. 다만, 불순물 영역부(15)와 같은 깊이에 형성된 것이라면, 그 불순물 영역부(15) 및 제 2의 배리어 영역부(18)는, 예를 들면 P형 불순물을 이온 주입할 때의 패턴화를 스트라이프(stripe)형태에서 격자형태로 변경하는 것에 의하여, 한 번의 이온 주입에 의해 형성하는 것이 가능해 진다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상소자에는, 불순물 영역부(15)에 더하여 제 2의 배리어 영역부(18)가 형성되어 있으므로, 이들에 의해 포토센서(1)의 부분이 둘러싸진다. 따라서, 수직방향에 대하여 인접화소 간의 신호전하의 혼합을 방지하는 것뿐만 아니라,수평방향 및 비스듬한 방향에 대하여도 신호전하의 혼합을 방지할 수 있다.
또, 불순물 영역부(15)에 더하여 제 2의 배리어 영역부(18)을 형성한 경우에는, 상술한 제 4의 실시의 형태에서 설명한 바와 같이, 오버플로우 배리어 영역(12)을 요철형태로 형성하는 것과 동시에, 그 요철형태의 볼록 부분을 포토센서(1)들 사이에 대응하는 위치에 배치하는 것도 생각될 수 있다(도 5 참조). 이때, 본 실시형태에 있어서의 고체 촬상소자에는, 불순물 영역부(15) 및 제 2의 배리어 영역부(18)에 의하여 불순물 영역이 격자모양으로 배치되어 있는 것이므로, 오버플로우 배리어 영역(12)에 있어서 볼록 부분도, 불순물 영역부(15) 및 제 2의 배리어 영역부(18)에 대응하여 격자모양으로 배치하는 것이 생각될 수 있다. 이렇게 하면, 반도체 기판의 심층부 측에서의 수직 및 수평의 양방향의 신호전하의 이동을 방지할 수 있으므로, 그 심층부를 경유하여 발생하는 스미어(smear)를 유효하게 방지할 수 있고, 결과로서 화질향상을 도모하는 것이 가능하다. 다만, 오버플로우 배리어 영역(12)에 있어서 볼록 부분은, 격자모양이 아니라 스트라이프 형태로 배치해도 좋은 것은 물론이다.
또한, 상술한 제1~제 6의 실시의 형태는, 본 발명을 실현한 하나의 구체적인 예일 뿐이고, 본 발명이 여기에 한정되지 않는다는 것은 말할 것도 없다. 예를 들면, 상술한 각 실시형태에는, 포토센서(1)가 매트릭스 형태로 2차원 배열되어 있고, 불순물 영역부(15)가 복수 화소 만큼에 걸쳐 수평방향으로 연속하는 경우를 예로 들었으나, 라인(line) 형의 CCD 센서에 본 발명을 적용하는 경우라 하면, 한 열(列)의 포토센서와 이에 따르는 전송 레지스터에 의하여 촬상영역이 구성되므로, 배리어 영역부는, 그 전송 레지스터에 의한 전송방향과 직교하는 방향에, 촬상영역의 대략 전역에 걸쳐 연속하면 된다.
또, 상술한 제 1~제 6의 실시의 형태에서는, 본 발명을 N형 반도체 기판을 이용한 CCD형 고체 촬상소자에 적용한 경우를 예로 들어 설명했으나, 본 발명은, 예를 들면 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서와 같은 다른 고체 촬상소자에 있어서도, 똑같이 적용하는 것이 생각될 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 청구항 1에 관한 고체 촬상소자는, 포토센서들 사이에 대응하는 위치에서 촬상영역의 대략 전역에 걸쳐 연속하여 형성된 불순물 영역부를 갖추고 있으므로, 포토센서들 사이에 충분한 포텐셜 배리어를 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 단위면적당 감도향상을 위하여 오버플로우 배리어가 깊은 위치에 형성된 경우에 있어서도, 인접 화소간의 신호의 혼합을 방지하는 것이 가능하게 되고, 또 오버플로우 배리어에 축적된 홀을 소자표면 측으로 배출하는 것도 가능하여, 결과적으로 촬상품질의 향상을 도모할 수 있다. 더욱이는, 이러한 것들로부터, 고체 촬상소자의 소형화에 기여하는 것이 가능하다는 효과를 나타낸다.
Claims (20)
- 복수의 포토센서(photo sensor)와, 상기 포토센서에 축적된 신호전하를 전송하는 전송 레지스터로 이루어지는 촬상영역이, 기판의 표층부 측에 형성된 고체 촬상소자에 있어서,상기 기판 내에 있어서 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이의 대응하는 위치에, 상기 전송방향과 직교하는 방향으로 연속하여 형성된 불순물 영역부를 갖추도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 불순물 영역부는, 상기 기판의 표층부 측으로부터 보아 상기 전송 레지스터보다도 깊은 위치에 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 불순물 영역부는, 상기 기판의 깊이 방향으로 복수 단(段) 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 불순물 영역부와는 별도로, 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들의 사이에, 또, 상기 기판의 표면 근방에, 불순물 영역으로 이루어지는 채널 스톱(channel stop) 영역부가 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 포토센서 및 상기 전송 레지스터보다도 상기 기판 내의 심층부(深層部) 측에 형성된 오버플로우 배리어(overflow barrier)를 갖추는 것과 동시에,상기 오버플로우 배리어는, 상기 기판의 깊이 방향에 걸쳐 계면(界面)이 요철(凹凸) 형태로 형성되고, 상기 요철형태의 볼록 부분이 상기 포토센서들 사이에 대응하는 위치에 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 불순물 영역부에 더하여, 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이에, 또, 상기 기판의 표층부 측에서 보아 상기 불순물 영역부보다도 얕은 위치에, 불순물 영역으로 이루어지는 제 1의 배리어 영역부가 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 전송 레지스터를 따르도록 형성된 불순물 영역으로 이루어지는 제 2의 배리어 영역을 갖추고 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 7항에 있어서,상기 포토센서 및 상기 전송 레지스터보다도 상기 기판 내의 심층부 측에 형성된 오버플로우 배리어를 갖추는 것과 동시에,상기 오버플로우 배리어는, 상기 기판의 깊이 방향에 걸쳐 상기 포토센서 또는 상기 전송 레지스터 측의 계면(界面)이 요철(凹凸)형태로 형성되고, 상기 요철형태의 볼록 부분이 상기 포토센서들 사이에 대응하는 위치에 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 5항에 있어서,상기 불순물 영역부는 상기 오버플로우 배리어보다도 불순물 농도가 크도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 8항에 있어서,상기 불순물 영역부는 상기 오버플로우 배리어보다도 불순물 농도가 크도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 7항에 있어서,상기 불순물 영역부와 상기 제 2의 배리어 영역부가 상기 기판의 표층부 측에서 보아 같은 깊이 이도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 복수의 포토센서와, 상기 포토센서에 축적된 신호전하를 전송하는 전송 레지스터로 이루어지는 촬상영역이, 기판의 표층부 측에 형성된 고체 촬상소자에 있어서,상기 기판 내에 있어서 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이에 연속하여 형성된 불순물 영역부를 갖추도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 12항에 있어서,상기 불순물 영역부는, 상기 기판의 표층부 측에서 보아 상기 전송 레지스터보다도 깊은 위치에 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 12항에 있어서,상기 전송 레지스터를 따르도록 형성된 불순물 영역으로 이루어진 제 2의 배리어 영역부를 갖추고 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 고체 촬상소자의 제조방법에 있어서,복수의 포토센서와, 상기 포토센서에 축적된 신호전하를 전송하는 전송 레지스터를 기판의 표층부 측에 형성하는 단계와,상기 기판 내에 있어서 상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들 사이에, 불순물 영역부를 연속하여 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 불순물 영역부를, 상기 기판의 표층부 측에서 보아 상기 전송 레지스터보다도 깊은 위치에 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 불순물 영역부를, 상기 기판의 깊이 방향으로 복수 단(段) 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 포토센서 및 상기 전송 레지스터보다도 상기 기판 내의 심층부 측에 오버플로우 배리어를 형성하는 단계를 가지고,상기 오버플로우 배리어는, 상기 기판의 깊이 방향에 걸쳐 계면이 요철형태로 형성되고, 상기 요철형태의 볼록 부분이 상기 포토센서들 사이에 대응하는 위치에 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 전송 레지스터의 전송방향을 따라 인접하는 포토센서들의 사이에, 또, 상기 기판의 표층부 측에서 보아 상기 불순물 영역부보다도 얕은 위치에 불순물 영역으로 이루어지는 제 1의 배리어 영역부를 형성하는 단계를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
- 제 15항에 있어서,상기 전송 레지스터를 따르도록 불순물 영역으로 이루어지는 제 2의 배리어 영역부를 형성하는 단계를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자의 제조방법.
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