JPH04316367A - 固体撮像装置とその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スミアの発生が少なく
、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置とその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＣＤ撮像素子が民生用や業務用
のビデオカメラの分野で広く用いられているようになっ
てきている。ところが、これまでのＣＣＤ撮像素子は、
一般に撮像管に比べてスミアが発生しやすく、ダイナミ
ックレンジの狭いものであった。

【０００３】そこで、ＣＣＤ撮像素子において、スミア
を低減する方法として、フォトダイオードに斜め方向か
ら入射する光がＣＣＤチャンネル部の近傍で光電変換さ
れたときに生じる電子が、ＣＣＤチャンネル部に入るこ
とを防ぐ構造として、いわゆるベルボトム構造が提案さ
れた（特公平２−１９６３２号公報）。

【０００４】さらに、ＣＣＤ撮像素子では、フォトダイ
オードで発生する暗電流により画像がざらついた感じに
なったり、白点傷が発生したりして、画像品質が撮像管
方式に比べて劣っていた。これは、結晶欠陥や界面準位
の多いフォトダイオード表面部を高濃度ｐ型領域で被覆
することで、その表面部からの暗電流を激減させること
で、画像品質を撮像管と同等以上になって解決された。

【０００５】ところが、この方法によれば、同一面積の
フォトダイオードでは、その表面部の低濃度ｎ型領域が
高濃度ｐ型領域で覆われるために、実効的に低濃度ｎ型
領域の体積が減少し、ダイナミックレンジが狭くなると
いう問題が生じる。

【０００６】一方、ＨＤＴＶなどの高精度のカメラにＣ
ＣＤ撮像素子が使用されるようになり、単位画素当りの
面積をますます縮小する必要があるため、ダイナミック
レンジを十分に広くすることが困難となってきている。

【０００７】この対策として、フォトダイオードである
低濃度ｎ型領域を基板内部であって、表面部が低濃度ｎ
型領域とならないような高濃度不純物領域を形成するこ
とが試みられている。これを実現するために、高加速イ
オン注入を用いてフォトダイオード領域を形成すること
で、ｎ型領域の実効的な不純物量を減少させないという
方法が検討されている　。

【０００８】図４は従来のＣＣＤ撮像素子の一画素部の
断面図である。ｎ型半導体基板１に低濃度のｐ型ウエル
２が形成されている。さらに、フォトダイオードの一方
の領域となる低濃度ｎ型領域３は、ｐ型ウエル２の所定
領域内に形成されている。この低濃度ｎ型領域３と隣接
するようにｐ型の分離部４、５が形成されている。分離
部４はフォトダイオードとそれに隣合う画素のＣＣＤチ
ャンネル部７とを電気的に分離し、分離部５は一画素部
に形成されたフォトダイオードとＣＣＤチャンネル部７
を電気的に分離する。分離部６が、ｐ型ウエル２とＣＣ
Ｄチャンネル部７との間に形成されて、両者を分離する
。また、基板１表面上にゲート絶縁膜９が形成されてお
り、転送ゲート電極１０がＣＣＤチャンネル部７の上部
に形成されている。そして、低濃度ｎ型領域３の表面部
に、高濃度ｐ型領域１１が形成されている。さらに、そ
の上に絶縁膜１２、アルミニウム遮光膜１３、保護膜１
４が形成されて、ＣＣＤ撮像素子が構成されている。

【０００９】フォトダイオード部分を高加速イオン注入
法で形成した、従来のＣＣＤ撮像素子では、低濃度ｎ型
領域３、分離部４，５、分離部６、ＣＣＤチャンネル部
７を構成している各々の不純物層のｐｎ接合面１５は、
図５に示す形状となる。このように高加速イオン注入法
によって不純物層を形成すると、ｐｎ接合面が広がらな
い。なお、図５において、１８は負の固定電荷、１９は
正の固定電荷、２０は電荷中性領域を示す。

【００１０】高加速イオン注入法を用いてフォトダイオ
ードを形成すると、低濃度ｎ型領域３は従来例で示した
ようなベルボトム構造にならない。このため、空乏層１
６は、ＣＣＤ撮像素子を動作させた状態で、図１５に示
すように釣鐘状の形状となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】高加速のイオン注入法
で低濃度ｎ型領域３を形成した場合、実効的にフォトダ
イオード領域のｎ型不純物量が増加する。このため、低
濃度ｎ型領域に蓄積できる電荷量が多くなり、ＣＣＤ撮
像素子のダイナミックレンジを広げることができる。し
かしながら、図５に示したように、通常の高温熱処理で
フォトダイオード領域を形成した場合に比べて、ｎ型領
域の横広がりが小さいため、ＣＣＤ撮像素子を動作させ
たときに広がる空乏層１６の領域が狭くなる。このため
、高加速イオン注入法を用いた場合には、斜め入射光１
７によって生じる電子がＣＣＤチャンネル部７に容易に
侵入し、スミアが発生しやすくなる。

【００１２】ここで比較のために、図６に、高温熱処理
によってフォトダイオードを形成したＣＣＤ撮像素子の
、動作状態でのｐｎ接合面と空乏層の断面形状を示す。 図中に用いられている符号は、図５における符号と対応
する。

【００１３】高温熱処理によってフォトダイオードを形
成すると、低濃度ｎ型領域３はベルボトム構造となる。 このため、空乏層１６は、ＣＣＤ撮像素子を動作させた
状態で、図６に示すような形状となる。

【００１４】一方、高加速イオン注入法で不純物を注入
し、かつ、高温熱処理を行なってフォトダイオード部分
を形成する場合には、不純物の分布が高加速イオン注入
法を用いなかった場合と同様の不純物分布となってしま
う。このため、低濃度ｎ型領域３に蓄積される電荷量が
少なく、ＣＣＤ撮像素子のダイナミックレンジを拡大す
ることができない。

【００１５】以上述べたように本発明の目的は、スミア
が少なく、ダイナミックレンジの大きいＣＣＤ撮像素子
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、高温熱処理による低濃度ｎ型領域内部に
高濃度のｎ型領域を形成して、ベルボトム構造を有する
フォトダイオードを形成した。そして、低濃度ｎ型領域
を高温熱処理で形成し、さらにその内部に高濃度ｎ型領
域をイオン注入法で形成することで、ベルボトム構造を
有するフォトダイオードを形成する。

【００１７】

【作用】高温熱処理によって形成されたフォトダイオー
ド領域の低濃度ｎ型領域の空乏層は、素子が動作すると
きには、ｎ型領域のほとんど全域にまで広がる。このた
め、フォトダイオードの開口部から斜め方向に入射した
光によって発生する電子は、低濃度ｎ型領域で吸収され
る。また、この低濃度ｎ型領域と周囲のｐ型領域には空
乏層が形成されている。この空乏層はフォトダイオード
の深さ方向の所定の深さの位置に形成されている高濃度
ｎ型領域へ向かって深くなっていくようなポテンシャル
井戸を形成する。このため、斜め入射光によって発生し
た電子はポテンシュル井戸を伝ってフォトダイオードの
高濃度ｎ型領域に集められる。このため、斜め入射光に
よって発生する電子は、ＣＣＤチャンネル部に入ること
がなくなり、スミアの発生が抑制される。

【００１８】さらに、フォトダイオードの深い位置に形
成された高濃度ｎ型領域は、その面積が狭く、その深さ
が浅い。しかし、この領域は高濃度であるために、蓄積
できる電荷量が飛躍的に増大し、ＣＣＤ撮像素子のダイ
ナミックレンジが大幅に拡大される。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるＣＣＤ撮像
素子の一画素部の断面図である。

【００２０】図に示すように、ｎ型半導体基板１に低濃
度のｐ型ウエル２が形成されている。さらに、フォトダ
イオードの一方の領域となる低濃度ｎ型領域３は、ｐ型
ウエル２の所定領域内に形成され、この低濃度ｎ型領域
３と隣接するようにｐ型の分離部４、５が形成されてい
る。分離部４はフォトダイオードと隣合う画素のＣＣＤ
チャンネル部７とを電気的に分離し、分離部５は一画素
部に形成されたフォトダイオードとＣＣＤチャンネル部
７とを分離する。また、分離部６が、ＣＣＤチャンネル
部７をｐ型ウエル２と分離するために設けられている。 低濃度ｎ型領域３の表面から所定の深さの位置に、高濃
度ｎ型領域８が形成されている。また、基板１の表面上
にゲート絶縁膜９が形成されており、転送ゲート電極１
０がゲート絶縁膜９のＣＣＤチャンネル部７上の部分に
形成されている。低濃度ｎ型領域３の表面部分には、高
濃度ｐ型領域１１が形成されている。さらに、そのゲー
ト酸化膜９上および転送ゲート電極１０上に、絶縁膜１
２、アルミニウム遮光膜１３、および保護膜１４が積層
形成されて、ＣＣＤ撮像素子が構成されている。

【００２１】ここで、フォトダイオードを形成する低濃
度ｎ型領域３は、ベルボトム状の不純物分布をしている
。

【００２２】以上のように従来のＣＣＤ撮像素子と比べ
て、本発明のＣＣＤ撮像素子はフォトダイオードである
低濃度ｎ型領域３の表面から深さ方向に所定の深さ位置
に高濃度ｎ型領域８が形成されている点にある。

【００２３】図２は、図１に示した実施例の製造工程断
面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型半導
体基板１に低濃度のｐ型ウエル２を形成する。この後、
ｐ型ウエル２の所定領域内に、ｎ型不純物を１１００℃
の温度で熱拡散させて、低濃度ｎ型領域３を形成する。

【００２４】次に図２（ｂ）に示すように、ｐ型の分離
部４を、フォトダイオードと隣合う画素のＣＣＤチャン
ネル部７とを電気的に分離するように、また、ｐ型の分
離部５を、一画素部に形成されたフォトダイオードとＣ
ＣＤチャンネル部７を分離するよう、それぞれ不純物を
選択的に熱拡散して低濃度ｎ型領域３に隣接させて形成
する。このように、低濃度ｎ型領域３の形成後、分離部
４、５を熱処理によって拡散形成することで、低濃度ｎ
型領域３の不純物分布がベルボトム状となる。なお、６
、７はそれぞれ分離部、ＣＣＤチャンネル部で、従来と
同じ手順で形成されている。

【００２５】それから、図２（ｃ）に示すように、低濃
度ｎ型領域３の内部にイオン注入法で高濃度ｎ型領域８
を形成する。すなわち、基板１上に所定のパターン形成
したフォトレジスト膜（図示せず）をマスクとして使用
するなどして、３２０ｋｅＶの加速エネルギーでリンイ
オンを注入する。そして、１０００℃以下の温度たとえ
ば９００℃の温度で熱処理をして注入したイオンを活性
化させる。このような温度で熱処理をすることで、高濃
度ｎ型領域８の不純物がほとんど拡散するようなことが
なく、この領域８内の不純物分布があまり変化せず、十
分に高い濃度が保持される。

【００２６】次に、図２（ｄ）に示すように、基板１上
にゲート絶縁膜９を形成した後、転送ゲート電極１０を
ＣＣＤチャンネル部７の上方に位置するように形成し、
また、低濃度ｎ型領域３の表面部分に高濃度ｐ型領域１
１を選択的に形成する。それから、絶縁膜１２、アルミ
ニウム遮光膜１３、および保護膜１４を基板１上に順次
積層形成して、ＣＣＤ撮像素子を完成する。

【００２７】このようにして作製した実施例において、
その動作状態での低濃度ｎ型領域３、分離部４，５、分
離部６、ＣＣＤチャンネル部７を構成している各々の不
純物層のｐｎ接合面１５は、図３に示す形状となる。こ
のようにｐｎ接合面１５が広がるのは、上述したように
高濃度ｎ型領域８を形成するまでの工程では、１０００
℃よりも高い温度での熱処理が基板全体に加えられるた
めに、その熱処理によって各々の不純物層の不純物が拡
散するためである。なお、図３において、１８は負の固
定電荷、１９は正の固定電荷、２０は電荷中性領域を示
している。

【００２８】空乏層１６は、ＣＣＤ撮像素子を動作させ
た状態で、図中に示すような形状となる。この形状はＣ
ＣＤ撮像素子を動作する前と比べて広くなっている。

【００２９】実使用時、矢印で示される斜め入射光１７
がフォトダイオード部分を通って空乏層１６に入射する
。このとき、空乏層１６および低濃度ｎ型領域３中のポ
テンシャルは、電荷中性領域２０から空乏層１６、空乏
層１６から低濃度ｎ型領域３、低濃度ｎ型領域３から高
濃度ｎ型領域８へと連続的に変化しており、高濃度ｎ型
領域８がポテンシャルの井戸の底部となっている。すな
わち、高濃度ｎ型領域８でもっともポテンシャルが深く
なっており、この領域から放射状にポテンシャルが浅く
なっている。そのため、空乏層１６において斜め入射光
１７によって発生した電子は、フォトダイオードのポテ
ンシャルの最深部である高濃度ｎ型領域８に落込み、Ｃ
ＣＤチャンネル部７へは到達しない。このため、スミア
ーがほとんど発生しなくなる。

【００３０】低濃度ｎ型領域３中で光１７によって発生
した電子は、同様に高濃度ｎ型領域８に落込んで蓄積さ
れる。このとき、蓄積される電荷の総量は従来品に比べ
て２倍以上の値となり、ＣＣＤ撮像素子のダイナミック
レンジが大幅に拡大される。

【００３１】また、本発明の製造方法では、高濃度ｎ型
領域８が形成された後には、１０００℃以下の比較的低
い温度で熱処理するので、不純物拡散領域が拡散後の熱
処理で広がるというようなことはなく、フォトダイオー
ドのポテンシャルの増大が防止される。このため、ＣＣ
Ｄ撮像素子の残像特性や、縦抜き電子シャッターの動作
電圧が劣化することがない。

【００３２】なお、高濃度ｎ型領域８は、上述のように
ゲート絶縁膜９の形成前に形成してもよいが、転送ゲー
ト電極１０を形成した後にこの電極１０に対してセルフ
アラインでイオン注入して形成してもよい。

【００３３】また、本実施例では、高濃度ｎ型領域８を
形成するイオン注入の加速エネルギーを３２０ｋｅＶと
したが、この加速エネルギーは高濃度ｎ型領域８の深さ
を高濃度ｐ型領域１１の下部に形成するのが目的である
から、高濃度ｐ型領域１１が形成されている深さに合わ
せて加速エネルギーを選択すればよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明により、スミアー特性を劣化させ
ることなく、従来に比較して２倍以上の高ダイナミック
レンジが得られるフォトダイオードを有するＣＣＤ撮像
素子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＣＣＤ撮像素子の一画
素の断面図

【図２】本発明の一実施例の製造工程断面図

【図３】本
発明の一実施例の動作状態でのｐｎ接合面と空乏層の形
状を示す断面図

【図４】従来のＣＣＤ撮像素子の一画素の断面図

【図５
】従来の高加速イオン注入で形成したＣＣＤ撮像素子の
動作状態でのｐｎ接合面と空乏層の形状を示す断面図

【図６】従来のＣＣＤ撮像素子の動作状態でのｐｎ接合
面と空乏層の形状を示す断面図

【符号の説明】

１　　ｎ型半導体基板 ２　　ｐ型ウエル ３　　低濃度ｎ型領域 ４、５、６　　分離部 ７　　ＣＣＤチャンネル部 ８　　高濃度ｎ型領域 ９　　ゲート絶縁膜 １０　　転送ゲート電極 １１　　高濃度ｐ型領域 １２　　絶縁膜 １３　　アルミニウム遮光膜 １４　　保護膜 １５　　ｐｎ接合面 １６　　空乏層 １７　　斜め入射光 １８　　負の固定電荷 １９　　正の固定電荷 ２０　　電荷中性領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一導電型の半導体基板と、前記半導体基板
   に形成された逆導電型のウエル層と、前記ウエル層に形
   成されたフォトダイオードの一方の領域となる第１の拡
   散層と、前記第１の拡散層の表面に形成された、前記第
   １の拡散層とは逆導電型の第２の拡散層と、前記第１の
   拡散層と隣接するように形成された第１の分離部と、前
   記第１の分離部を挟んで形成された、ＣＣＤチャンネル
   部となる第３の拡散層と、前記第３の拡散層と前記ウエ
   ル層とを分離する第２の分離部を備え、前記第１の拡散
   層の基板深部側の面積が基板表面近傍の面積よりも広く
   、かつ前記第２の拡散層の下部の一部に高濃度の前記第
   １の拡散層と同導電型の第４の拡散層とを備えた固体撮
   像装置。
2. 【請求項２】一導電型の半導体基板に逆導電型のウエル
   層を形成する工程と、前記ウエル層にフォトダイオード
   となる第１の拡散層を不純物を選択的に熱拡散させて形
   成する工程と、前記第１の拡散層と隣接するように第１
   の分離部を形成する工程と、前記分離部に隣接してＣＣ
   Ｄチャンネル部となる第２の拡散層を形成する工程と、
   前記第２の拡散層を前記ウエル層と分離する第２の分離
   部を形成する工程と、前記第１の拡散層内の所定領域に
   不純物イオンを選択的に注入し、さらに活性化のための
   熱処理をする工程とを備えた固体撮像装置の製造方法。