JPH02253658A - 固体撮像素子 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は固体撮像素子に関し、特にその出力に含まれ
る残像成分と、暗時出力のばらつきとを低減することが
可能な固体撮像素子に関する。

［従来の技術］ 第６図は固体撮像素子の一例であって、電荷結合デバイ
ス（以下ＣＣＤと略す）を用いたＣＣＤイメージセンサ
の原理的構成を示す模式図である。

第６図を参照して、このＣＣＤイメージセンサ１０は、
入射光に応答して電気信号を生成する感光部１２と、感
光部１２から出力される電気信号を水平に転送する水平
ＣＣＤ転送部１４とを含む。

感光部１２は、縦横に行列をなして規則正しく配列され
た複数の単位画素１６を含む。

各単位画素１６は、入射した光に応答して光電変換を行
ない、電荷を蓄禎するフォトダイオード部１８と、フォ
トダイオード部１８から電荷を読出し、水平ＣＣＤ転送
部１４の方向に順次転送する垂直ＣＣＤ転送部２０とを
含む。垂直ＣＣＤ転送部２０は４柑ＣＣＤシフトレジス
タと同様の構造を有するものであって、端子２２．２４
．２６．２８を有する。

水平ＣＣＤ転送部１４は２相ＣＣＤシフトレジスタと同
様の構造を有するものであって、端子３０．３２を有す
る。

第７図は単位画素１６を詳細に示す拡大平面図であり、
第８図は第７図の■−■方向矢視断面図である。第７図
および第８図を参照して、単位画素１６は、Ｎ型シリコ
ン基板３４上に形成されたＰ型ウェル層３６上に設けら
れる。単位画素１６は、Ｐ型ウェル層３６上に形成され
たフォトダイオードＮ型不純物層３８と、フォトダイオ
ードＮ型不純物層３８と所定の距離をおいて形成された
垂直ＣＯＤ転送部のＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０
と、ＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０に隣接して形成
された素子分離用の高濃度のＰ＋不純物層４２と、フォ
トダイオードＮ型不純物層３８とＣＣＤチャンネルＮ型
不純物層４０とＰ＋不純物層４２等との上に形成された
シリコン酸化膜３７と、フォトダイオードＮ型不純物層
３８に隣接して、ＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０お
よびＰ＋不純物層４２の上部のシリコン酸化膜３７上に
設けられた垂直ＣＣＤゲート電極４４と、フォトダイオ
ードＮ型不純物層３８の表面に形成されたＰ型不純物層
４６とを含む。フォトダイオードＮ型不純物層３８と、
ＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０との間のＰ型ウェル
層３６の部分は、電荷読出ゲート４８を形成する。

第６図〜第８図を参照して、従来の固体撮像素子の一例
としてのＣＣＤイメージセンサ１０の動作が説明される
。第８図の矢印りの方向から入射する光に応答して、フ
ォトダイオードＮ型不純物層３８とＰ型ウェル層３６と
の界面のＰＮ接合において、光電変換が起きる。光電変
換により生成された電荷は、所定の時間フォトダイオー
ドＮ型不純物層３８内に蓄積される。

垂直ＣＣＤゲート電極４４にハイレベルの電位が与えら
れると、電荷読出ゲート４８の下にチャンネルが形成さ
れる。フォトダイオードＮ型不純物層３８内に蓄積され
た電荷は、このチャンネルを通ってＣＣＤチャンネルＮ
型不純物層４０へと移る。

ＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０に移った電荷は、端
子２２．２４．２６と端子２８との間に順次与えられる
パルス電圧により一般的な４相ＣＣＤシフトレジスタに
おける電荷の転送と同様に水平ＣＣＤ転送部１４の方向
に転送される。この方向は第６図において矢印Ｖで示さ
れる。水平ＣＣＤ転送部１４に転送された電荷は、端子
３０．３２間に与えられるパルス電圧によるシフトレジ
スタ動作で、図示されない処理回路の方向へ順次送られ
る。この方向は第６図において矢印Ｈで示される。

上述のようにして２次元の画像情報が電気信号に変換さ
れる。

Ｐ型不純物層４６は、２つの機能を有する。−方の機能
は、フォトダイオード部１８の表面電位を固定化するこ
とである。Ｐ型不純物層４６はＰ１不純物層４２に接続
されている。Ｐ＋不純物層４２は電気的に接地電位（以
下ＧＮＤ）に固定される。Ｐ型不純物層４６の電位もＧ
ＮＤに固定される。

Ｐ型不純物層４６がないと、フォトダイオード部１８の
深さ方向のポテンシャルプロファイルの表面電位は、フ
ォトダイオードポテンシャルおよびＰ型ウェル層４６と
Ｎ型シリコン基板３４間に印加されるオーバフローコン
トロール電圧に依存して深くなる可能性がある。この表
面電位が深くなると、フォトダイオード部１８から垂直
ＣＣＤ転送部２０に電荷が読出される際に、この部分に
取残し電荷が生ずる可能性がある。取残し電荷が生じた
場合、ＣＣＤイメージセンサｌＯから出力される電気信
号１０には残像成分が発生する。Ｐ型不純物層４６はフ
ォトダイオード部１８の表面電位をＧＮＤに固定化して
ポテンシャルプロファイルが深くなることを防ぐための
ものである。

Ｐ型不純物層４６の他方の機能は、フォトダイオード部
１８の暗時出力を低減することである。

フォトダイオードＮ型不純物層３８と、その表面のシリ
コン酸化膜３７との界面には、界面準位が存在している
。この界面準位はフォトダイオード部１８の暗時出力の
発生原因となる。そこで、フォトダイオードＮ型不純物
層３８の表面に、その導電型式と逆の導電型式の不純物
層、すなわちＰ型の不純物層を形成する。

この場合、Ｐ型不純物層４６は界面準位へのホールの供
給源として機能し、フォトダイオード表面は空乏化しな
い。そのためフォトダイオード部１８においてフォトダ
イオードＮ型不純物層３８とその表面のシリコン酸化膜
３７との界面における界面準位が原因で発生する暗時出
力が低減される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら従来の固体撮像素子には、Ｐ型不純物層４
６の、読出ゲート４８側の端部の形状のばらつきにより
、暗時出力の大きさにばらつきが生じるという問題点が
ある。また、電荷読出ゲート４８とＰ型不純物層４６と
の間においてＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０に読出
されない電荷が生じるという問題がある。このため、フ
ォトダイオード部１８の出力信号には残像成分が現われ
る。

第９図は、Ｐ型不純物層４６の形成工程を表わす固体撮
像素子の断面図である。第９図を参照して、従来の固体
撮像素子の形成工程においては、フォトダイオードＮ型
不純物層３８の表面のＰ型不純物層４６が、パターニン
グされたフォトレジスト５０をマスクとするイオン注入
法によって形成される。

Ｐ型不純物層４６の電荷読出ゲート４８側の端部は、フ
ォトレジスト５０によって決定される。

フォトレジスト５０の、垂直ＣＣＤゲート電極４４の側
壁部分の厚さは、約０．６〜０．８μｍ程度である。フ
ォト工程では、この側壁部分の厚みにはばらつきが生ず
る。したがってＰ型不純物層４６の、電荷読出ゲート４
８側の端部の位置にもばらつきが生ずる。Ｐ型不純物層
４６の面積の大小により、フォトダイオードＮ型不純物
層３８とシリコン酸化膜３７との界面の界面準位に起因
する暗時出力の値が変動する。そのため、フォトダイオ
ード部１８の暗時出力のばらつきが生ずる。

第１０図は、第９図に示されるフォトダイオードのポテ
ンシャルプロファイルである。第１０図において実線で
示される曲線ａは、第９図のＡ−Ａ方向矢視断面のポテ
ンシャルプロファイルを示す。第１０図において点線で
示される曲線すは第９図のＢ−Ｂ方向矢視断面のポテン
シャルプロファイルを示す。

第１０図に示されるように、Ｐ型不純物層４６が形成さ
れる部分のポテンシャルプロファイルに対し、Ｐ型不純
物層４６が形成されない部分のそれは深くなる。そのた
め、電荷読出ゲート４８の下を通ってフォトダイオード
Ｎ型不純物層３８から読出される電荷の一部が、このポ
テンシャルプロファイルの深くなったポテンシャルデイ
ツプの部分に溜まる。この部分において電荷の読出が不
完全となり、溜まった電荷が次回の読出時１こ出力され
ることになる。したがって、このフォトダイオードの出
力には残像成分が含まれることになる。

上述の問題を避けるため、Ｐ型不純物層４６の電荷読出
ゲート４８側の端部を垂直ＣＣＤゲート電極４４によっ
て決定する方法も考えられる。しかしながらこの場合に
は、Ｐ型不純物層４６が、読出ゲート４８の下のチャン
ネル領域にも形成されてしまう。そのため、電荷をＣＣ
ＤチャンネルＮ型不純物層４０に読出す際に、フォトダ
イオードＮ型不純物層３８内が空乏化しない。電荷の続
出は不完全となり、この場合にもやはり出力される電気
信号中に残像成分が含まれる。

したがってこの発明の目的は、暗時出力のばらつきが少
なく、かつ出力信号に含まれる残像成分を低減すること
が可能な固体撮像素子を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかる固体撮像素子は、半導体基板に配列さ
れた複数個の単位領域を含み、各単位領域は、表面側の
或る導電型式の領域とそれより下層の逆導電型式の領域
との半導体接合部を含む光電変換部と、光電変換部に隣
接する電荷転送部と、光電変換部から電荷転送部への電
荷の読出を制御する電荷読出制御部とを含み、光電変換
部の半導体接合部の表面側の或る導電型式の領域の表面
に形成され、或る導電型式の領域の表面の電位を固定化
するための逆導電型式の不純物層を備える。

そしてこの発明にかかる固体撮像素子は、逆導電型式の
不純物層が自己整合的に不純物が導入されていることを
特徴とする。

［作用］ 上述の構成を備える固体撮像素子において、逆導電型式
の不純物層は、自己整合的に不純物が導入されている。

そのため、その電荷読出制御部側の端部の位置は、従来
のようにフォトレジストのバターニング工程によるばら
つきを含まない。したがって光電変換部表面において、
逆導電型式の不純物層の面積のばらつきが減少する。

また光電変換部の表面の逆導電型式の不純物層が形成さ
れない部分の面積は、従来のようにフォトレジストを使
用した場合と比較して減少する。

そのため、光電変換部においてそのポテンシャルプロフ
ァイルが深くなる部分が存在しなくなる。

［実施例］ 第１図はこの発明にかかる固体撮像素子の一実施例とし
てのＣＣＤイメージセンサの一単位画素１６の拡大平面
図である。第２図は第１図の■−■方向の矢視断面図で
ある。この実施例のＣＣＤイメージセンサの全体の概略
は、第６図を参照して述べられた従来のイメージセンサ
のそれと同様である。

第１図および第２図を参照して、このイメージセンサは
、Ｎ型シリコン基板３４と、Ｎ型シリコン基板３４上に
形成されたＰ型ウェル層３６と、Ｐ型ウェル層３６上に
形成されたフォトダイオードＮ型不純物層３８と、フォ
トダイオードＮ型不純物層３８の一方側に隣接して設け
られた素子分離用のＰ＋不純物層４２と、フォトダイオ
ードＮ型不純物層３８の他方側に、フォトダイオードＮ
型不純物層３８と所定の距離をおいて形成された電荷転
送用のＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０と、Ｐ型ウェ
ル層３６の表面に形成されたシリコン酸化膜３７と、シ
リコン酸化膜３７上の、フォトダイオードＮ型不純物層
３８が形成されていない部分に、ＣＣＤチャンネルＮ型
不純物層４０を覆い、かつフォトダイオードＮ型不純物
層３８に一方端が接するように形成された垂直ＣＣＤゲ
ート電極４４と、垂直ＣＣＤゲート電極４４の表面に熱
酸化によって均一に形成されたイオン注入阻止膜５２と
、イオン注入阻止膜５２をマスクにイオン注入法により
形成されたＰ型不純物層４６とを含む。ＣＣＤチャンネ
ルＮ型不純物層４０は、素子分離用のＰ＋不純物層４２
により、隣接する単位画素のフォトダイオードＮ型不純
物層３８と分離されている。

フォトダイオードＮ型不純物層３８とＣＣＤチャンネル
Ｎ型不純物層４０との間のＰ型ウェル層３６の部分は、
垂直ＣＣＤゲート電極４４をゲートとする電荷読出ゲー
ト４８を形成する。

イオン注入阻止膜５２は、たとえば熱酸化により形成さ
れる。そのためその膜厚を調節することは容易である。

たとえば、垂直ＣＣＤゲート電極４４の側壁は、膜厚１
０００〜２００ＯＡで均一に形成することが可能である
。

第１図および第２図に示されるイメージセンサは、第７
図および第８図に示される従来のイメージセンサに対し
、イオン注入阻止膜５２が新たに加えらている。また第
１図および第２図に示されるイメージセンサにおいては
、Ｐ型不純物層４６が、イオン注入阻止膜５２をマスク
として自己整合的に形成されていることが、従来のイメ
ージセンサと相違している。−それ以外の点では第１図
および第２図に示されるイメージセンサは第７図および
第８図に示されるイメージセンサと同様の構造を有し、
対応する各部分にはそれぞれ同一の符号および同一の名
称が付けられている。また各部の機能も同一であるため
、ここでは詳細な説明は省略される。

第１図および第２図に示されるイメージセンサにおいて
、Ｐ型不純物層４６は、イオン注入阻止膜５２をマスク
として自己整合的に形成されている。そのため、Ｐ型不
純物層４６の、電荷読出ゲート４８側の端部の位置には
ばらつきがない。そのため、フォトダイオード部１８の
暗時の出力のばらつきが低減される。またＰ型不純物層
４６は１０００〜２０００人程度の膜厚を有パフ。この
膜厚は従来の技術におけるフォトレジストの膜厚０．６
〜０．８μｍと比較して非常に小さい。したがって、Ｐ
型不純物層４６は、フォトダイオードＮ型不純物層３８
上のほぼ全面に形成される。

逆にいえばフォトダイオードＮ型不純物層３８上におい
て、Ｐ型不純物層４６の形成されていない部分の面積は
非常に小さい。そのため、フォトダイオードＮ型不純物
層４６において、そのポテンシャルプロファイルが深く
なる部分はほとんど存在しない。

その結果、フォトダイオードＮ型不純物層３８中の電荷
が電荷読出ゲート４８を経てＣＣＤチャンネルＮ型不純
物層４０に読出される際、ポテンシャルデイツブに溜ま
る電荷の量が低減される。

したがってＣＣＤイメージセンサの出力する電気信号に
含まれる残像成分は低減される。

イオン注入阻止膜５２は垂直ＣＣＤゲート電極４４の側
壁に所定の膜厚で形成されている。そのため、イオン注
入法による形成の際、Ｐ型不純物層４６が電荷読出ゲー
ト４８下に進入することがない。そのためフォトダイオ
ードＮ型不純物層３８からの電荷の読出は完全に行なわ
れる。したがって、従来の技術においてＰ型不純物層４
６の端部を垂直ＣＣＤゲート電極４４によって決定した
場合のように、イメージセンサの信号出力中に残像成分
が含まれるということもない。

第３Ａ図〜第３Ｃ図は、第２図のＣＣＤイメージセンサ
を作製するための工程の一部を示す断面図である。第３
Ｃ図は第２図に相当する。

第３Ａ図を参照して、公知の技術によって、Ｎ型シリコ
ン基板３４上に形成されたＰ型ウェル層３６と、Ｐ型ウ
ェル層３６上に形成されたフォトダイオードＮ型不純物
層３８と、フォトダイオードＮ型不純物層３８の一方側
に隣接して形成された素子分離用のＰ＋不純物層４２と
、フォトダイオードＮ型不純物層３８の他方側に、フォ
トダイオードＮ型不純物層３８と所定の距離をおいて形
成されたＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０と、Ｐ型ウ
ェル層３６の表面に形成されたシリコン酸化膜３７と、
ＣＣＤチャンネルＮ型不純物層４０の上に、フォトダイ
オードＮ型不純物層３８と接するように形成された垂直
ＣＣＤゲート電極４４とが準備される。

第３Ｂ図を参照して、垂直ＣＣＤゲート電極４４の表面
全面を覆って、膜厚１０００〜２０００人のイオン注入
阻止膜５２が熱酸化によって形成される。イオン注入阻
止膜５２をマスクにイオン注入が行なわれる。

第３Ｃ図を参照して、イオン注入によりＰ型不純物層４
６が形成され、この実施例のフォトダイオードが得られ
る。

第４図は、この発明の他の実施例にかかるＣＣＤイメー
ジセンサの断面図である。この実施例においては、先の
実施例のイオン注入阻止膜５２に代えて、垂直ＣＣＤゲ
ート電極４４の側壁のみに、イオン注入阻止膜５４が形
成される。Ｐ型不純物層４６は、イオン注入阻止膜５４
をマスクにイオン注入法により形成されるため、第１の
実施例におけるＰ型不純物層４６と同様の形状に形成さ
れる。したがって、この実施例にかかるＣＣＤＣタイセ
ンサも、第１図および第２図に示されるＣＣＤイメージ
センサと同様の効果を奏する。

第５Ａ図〜第５Ｃ図は、第４図のＣＣＤイメージセンサ
を得る工程の一部を示す断面図である。

第５Ａ図は第３Ａ図と全く同様であり、その詳細な説明
は省略される。

第５Ｂ図を参照して、シリコン酸化膜５４がたとえば気
相成長法により垂直ＣＣＤゲート電極４４を覆って形成
される。その後エッチバック法により垂直ＣＣＤゲート
電極４４の側壁のみにシリコン酸化膜を残すことにより
、イオン注入阻止膜５４が形成される。イオン注入阻止
膜５４をマスクにイオン注入法によってボロン等がフォ
トダイオードＮ型不純物層３８の表面に注入され、Ｐ型
不純物層４６が形成される。

この実施例の場合も、イオン注入阻止膜５４は均一の膜
厚で形成される。またその膜厚の調整も容易であり、１
０００〜２００ＯＡ程度の膜厚を有するイオン注入阻止
膜５４が形成される。

この実施例にかかるＣＣＤイメージセンサにおいても、
Ｐ型不純物層４６がフォトダイオードＮ型不純物層３８
のほぼ全表面を覆って自己整合的に形成されている。そ
のため、第１の実施例におけると同様に、各フォトダイ
オードの暗時出力のばらつきも、また出力信号中に含ま
れる残像成分も低減される。

なお、この発明は上述の実施例に限定されない。

たとえば、上述の実施例の各導電型式を逆にした場合に
も同様の効果が得られることは言うまでもない。

［効果］ この発明にかかる固体撮像素子において、逆導電型式の
不純物層は、自己整合的に不純物が導入されている。そ
のため、逆導電型式の不純物層の電荷読出制御部側の端
部の位置は一定である。したがって、光電変換部におい
て、その表面の逆導電型式の不純物層の面積のばらつき
が減少し、固体撮像素子の暗時出力のばらつきも減少す
る。

また、光電変換部の表面において、逆導電型式の不純物
層が形成されない部分の面積は小さい。

そのため、光電変換部において逆導電型式の不純物層が
形成されないためにポテンシャルプロファイルが深くな
る部分が存在しない。したがって、充電変換部の電荷の
読出の際にも、ポテンシャルプロファイルの深い部分に
溜まって読み出されない電荷は少なくなる。そのため、
固体撮像素子の出力中に残像成分が含まれることも少な
くなる。

すなわち、暗時出力のばらつきが少なく、かつ出力信号
に含まれる残像成分が低減された固体撮像素子を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の固体撮像素子としてのＣＣ
Ｄイメージセンサの一単位画素の拡大平面図であり、 第２図は第１図の■−■方向矢視断面図であり、第３Ａ
図〜第３Ｃ図は第１図および第２図に示されるＣＣＤイ
メージセンサの製造工程の一部を示す断面図であり、 第４図は本発明の他の実施例にかかる固体撮像素子とし
てのＣＣＤイメージセンサの一単位画素の断面図であり
、 第５Ａ図〜第５Ｃ図は、第４図に示されるＣＣＤイメー
ジセンサの製造工程の一部を示す断面図であり、 第６図は一般的なＣＣＤイメージセンサの構成を示す略
平面図であり、 第７図は従来の固体撮像素子の一例としてのＣＣＤイメ
ージセンサの一単位画素の拡大平面図であり、 第８図は第７図の■−■方向矢視平面図であり、第９図
は従来のフォトダイオードの製造工程の一工程を示す略
断面図であり、 第１０図は第９図のＡ−Ａ方向矢視断面およびＢ−Ｂ方
向矢視断面におけるフォトダイオード部１８のポテンシ
ャルプロファイルを示すグラフである。 なお、図中３４はＮ型シリコン基板、３６はＰ型ウェル
層、３７はシリコン酸化膜、３８はフォトダイオードＮ
型不純物層、４０はＣＣＤチャンネルＮ型不純物層、４
２はＰ＋不純物層、４４は垂直ＣＣＤゲート電極、４６
はＰ型不純物層、４８は電荷読出ゲート、５２．５４は
イオン注入阻止膜を示す。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。 第 図 第３Ａ図 第 図 第 図 ５４：イ左３主λ？且ｔ３更 第 ５Ａ図 第５Ｃ図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板に配列された複数個の単位領域を含み
   、 各前記単位領域は、表面側の或る導電型式の領域とそれ
   より下層の逆導電型式の領域との半導体接合部を含む光
   電変換部と、 前記光電変換部に隣接する電荷転送部と、 前記光電変換部から前記電荷転送部への電荷の読出を制
   御する電荷読出制御部とを含み、 前記光電変換部の半導体接合部の表面側の或る導電型式
   の領域の表面に形成され、前記或る導電型式の領域の表
   面の電位を固定化するための逆導電型式の不純物層を備
   える固体撮像素子において、前記逆導電型式の不純物層
   は、自己整合的に不純物が導入されていることを特徴と
   する、固体撮像素子。