JPH0738083A - 電荷転送撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広ダイナミックレンジを維持しつつ高い電荷
転送効率を有する電荷転送撮像装置およびその製造方法
を提供する。 【構成】 垂直レジスタ用のウェル層３ｂの不純物濃度
を水平レジスタ用のウェル層３ａより高くするととも
に、垂直レジスタ用のウェル層３ｂ中に形成される埋め
込み層を水平レジスタ用の埋め込み層と共通な第１の埋
め込み層２ａと、この第１の埋め込み層２ａの上に形成
され第１の埋め込み層２ａよりも高い不純物濃度をもつ
第２の埋め込み層２ｂとで構成する。これによって信号
電荷の転送効率の劣化を回避できるとともに、製造工程
を単純化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電荷転送撮像装置および
その製造方法に関し、特に垂直レジスタと水平レジスタ
とを埋め込みチャネルＣＣＤ(Charge Coupled Derices)
によって構成したこの種の撮像装置およびその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】撮像デバイスの固体化については１９６
０年代前半にマトリクス形の提案が種々あったが、何れ
も実用に至らなかった。１９７０年代に入り、ＭＯＳ
ＬＳＩ技術の発展と電荷転送デバイスおよびＣＣＤの発
表により、固体撮像デバイスの研究には大きな変革がも
たらされた。その結果、撮像デバイスに必要な多数画素
対応の光電変換素子、蓄積素子および電荷読出素子がＬ
ＳＩチップ化された。

【０００３】１９８０年代になると諸特性は著しく向上
し、十分実用可能な状況となり、固体撮像デバイス特有
の長所を生かした応用分野も開拓されて研究開発は急速
に活発化した。とりわけ、電荷転送方式を採用したＣＣ
Ｄ形は最も進展しており、現在ではＨＤＴＶ(High Defi
nition TV)対応のものにまでその利用は及んでいる。

【０００４】ＣＣＤ形固体撮像デバイスは、例えば、Ｅ
ｘｔｅｎｄｅｄ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆｔｈｅ １
９９１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｙｏｋｏｈａｍａ，
１９９１，Ｐ．６６６〜Ｐ．６６８のＦｉｇ．１とＦｉ
ｇ．３に示されるように、基本的には、ＣＣＤからなる
複数列の垂直レジスタと、各垂直レジスタに隣接して配
置された光電変換部と、光電変換部から対応する垂直レ
ジスタへの信号電荷の転送を制御するトランスファーゲ
ートと、各垂直レジスタの一端に電気的に結合した水平
レジスタと、水平レジスタの一端に設けられた電荷検出
部とから構成されている。

【０００５】このような構成は、従来、半導体基板上
に、この基板とは反対導電型を有するウェル層を形成
し、さらにこのウェル層中にウェル層と反対導電型の埋
め込み層を形成し、この半導体層の主面にゲート絶縁膜
を介して垂直レジスタの転送電極と水平レジスタの転送
電極を形成することによって実現している。

【０００６】ところで、一般に埋め込みチャネル型ＣＣ
Ｄにおいては、ウェル層の不純物濃度が高く、埋め込み
層が浅く形成されている方が最大転送電荷量が増加する
傾向にある。一方、ウェル層の不純物濃度が低い方が転
送方向のフリンジ電界が強くなり、転送効率が向上する
傾向がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＣＣＤ形固体撮像デバイスでは、垂直レジスタ
と水平レジスタの埋め込み層、ウェル層が共通の構造で
あるので、垂直レジスタの最大転送電荷量の確保と、水
平レジスタの転送効率の向上とを同時に満足させるよう
な不純物分布を選択することができなかった。そのため
垂直レジスタについては最大信号電荷量が十分得られ
ず、水平レジスタについては転送効率が劣化して画質の
低下を招くことになってしまうという問題点がある。し
たがって、本発明の第１の目的は、広ダイナミックレン
ジを維持しつつ高い電荷転送効率を有する電荷転送撮像
装置を提供することにある。本発明の第２の目的は、上
述の電荷転送撮像装置について、電荷の転送不良による
再生画像の劣化を防ぐことのできるこの種の撮像装置の
製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の電荷転送撮像装
置においては、垂直レジスタと水平レジスタが埋め込み
チャネルＣＣＤによって構成される。垂直レジスタと水
平レジスタの各ウェル層は個別に形成され、前者は後者
に比べて不純物分布が浅くて濃度が高い。また、垂直レ
ジスタの埋め込み層は、水平レジスタの埋め込み層と共
通な第１の埋め込み層に第２の埋め込み層を重ねる。こ
の第２の埋め込み層の不純物濃度も第１の埋め込み層の
不純物濃度より高くする。本発明による電荷転送撮像装
置の製造方法は、垂直レジスタおよび水平レジスタを形
成するように、一導電型の半導体基板上にこの半導体基
板とは反対導電型のウェル層をまず、形成し、このウェ
ル層の中にそのウェル層とは反対導電型の第１の埋め込
み層および第２の埋め込み層を形成する。垂直レジスタ
の最終転送電極は半導体基板の電極材料で形成し、水平
レジスタおよび垂直レジスタの転送電極をウェル層およ
び埋め込み層の電極材料で形成し、垂直レジスタを構成
する第２の埋め込み層を垂直レジスタの最終転送電極に
対して自己整合的に形成することを特徴とする。

【０００９】

【実施例】一般のインターライン型電荷転送撮像装置を
示す図５を参照すると、本装置は、ＣＣＤからなる複数
列の垂直レジスタ１０と、これら垂直レジスタ１０にそ
れぞれ隣接してアレイ状に配置された複数の光電変換部
１２と、これら光電変換部１２の各各から垂直レジスタ
１０の対応段への信号電荷の転送を制御するようにアレ
イ状に配置された複数のトランスファーゲート１３と、
垂直レジスタ１０の各各の一端に電気的に結合された水
平レジスタ１１と、水平レジスタ１１の一端に設けられ
た電荷検出部１４から構成されている。

【００１０】所定の期間に入射した入射光量に応じて光
電変換部１２に蓄積された信号電荷は、垂直ブランキン
グ期間にトランスファーゲート１３をオンさせることに
より対応の垂直レジスタ１０に読み出される。水平ブラ
ンキング期間中に垂直レジスタ１０の転送電極（図示省
略）に駆動パルスを印加することにより、信号電荷は複
数列の垂直レジスタ１０中を並列に一段づつ転送され、
さらに垂直レジスタ１０の最終転送電極から水平レジス
タ１１へと転送される。有効映像期間中に水平レジスタ
１１中を水平方向に転送された信号電荷は、電荷検出部
１４において電圧に変換され映像信号として出力され
る。

【００１１】ところで、現在開発が推進されているＨＤ
ＴＶ方式に対応した電荷転送撮像装置は、１３０万から
２００万の画素をもち、ＮＴＳＣ方式の５倍から８倍の
画素数を必要とする。多画素化に伴う単位画素面積の縮
小により、垂直レジスタの最大信号電荷量を減少し、撮
像装置のダイナミックレンジが制限される。また、ＨＤ
ＴＶ方式の固体撮像装置では水平転送周波数は約２５〜
５０ＭＨｚであってＮＴＳＣ方式の２倍から４倍の高速
動作を必要とするので、転送効率の劣化が問題となって
くる。

【００１２】本発明は、このような技術的課題の解消の
ためになされたものであり、その内容は以下、具体的に
説明するとおりである。

【００１３】本発明の第１の実施例の電荷転送撮像装置
における水平レジスタおよび垂直レジスタの断面図を示
す図１を参照すると、本実施例は、ｎ型シリコン基板中
にｐ型ウェル層およびｎ型埋め込み層を形成した、Ｎチ
ャネル埋め込みチャネル型ＣＣＤによって水平レジスタ
（図１（ａ））および垂直レジスタ（図１（ｂ））を構
成している。

【００１４】水平レジスタは、不純物分布が比較的深く
て濃度の低い第１のウェル層３ａを形成した中に、第１
の埋め込み層２ａを形成している。このように濃度の低
いウェル層を形成することにより、転送方向のフリンジ
電界が強くなり、高速の電荷転送でも転送残しのない高
転送効率が得られる。

【００１５】一方、垂直レジスタには、水平レジスタに
比べて不純物分布が浅くて濃度の高い第２のウェル層３
ｂが形成されている。垂直レジスタの埋め込み層は、水
平レジスタと共通の第１の埋め込み層２ａと、この埋め
込み層２ａの上に形成した垂直レジスタ特有の高不純物
濃度の第２の埋め込み層２ｂとで構成されている。垂直
レジスタにおいては上述のとおりチャネル層が浅いの
で、単位面積当たりの最大転送電荷量が大きくなり、ダ
イナミックレンジを十分大きくとることができる。

【００１６】図２は本発明の第２の実施例による垂直レ
ジスタと水平レジスタの接続部分におけるウェル層の構
成を示す平面図である。９ａは垂直レジスタのチャネ
ル、１ａは垂直レジスタの転送電極、９ｂは水平レジス
タのチャネル、１ｂは水平レジスタの転送電極である。
本実施例の特徴は、水平レジスタのウェル層３ａが垂直
レジスタ中で水平レジスタ側から徐々に幅が狭くなる形
状を持つことである。

【００１７】図２の線Ａ−Ａ′における断面図およびウ
ェル層の不純物濃度分布をそれぞれ示す図３（ａ）およ
び（図３（ｂ））を参照すると、水平レジスタと垂直レ
ジスタのウェルとを互いに異なる不純物濃度分布で形成
した場合、水平レジスタの第１のウェル層３ａと垂直レ
ジスタの第２のウェル層３ｂとが重なった領域（図中に
Ｌで表示）は、第２のウェル層３ｂのみが形成された領
域よりも浅くなるため、電位は前者が後者よりも低くな
り、電荷の転送方向（図に向かって右から左）に沿って
転送を防げる電位勾配が生じて、電荷転送効率が劣化す
る。

【００１８】これを防ぐために本実施例では図３に示す
ように第１のウェル層３ａを垂直レジスタのチャネル９
ａ中で長さＬにわたって水平レジスタ側から徐々に幅が
狭くなるように形成して前述の電位勾配を緩和してい
る。長さＬは、光電変換部の特性に影響を与えないよう
に非有効受光領域に対応する垂直レジスタ中で可能な限
り長くすることが望ましい。例えば、インターライン転
送型撮像装置においては、有効受光領域と水平レジスタ
の間の垂直レジスタ内で、また撮像領域と蓄積領域とを
有するフレームインターライン転送型撮像装置において
は、蓄積領域の垂直レジスタ内であれば任意にＬを設定
することが可能である。

【００１９】一例として、第１のウェル層３ａの不純物
濃度を１×１０¹⁵〜２×１０¹⁵ｃｍ^-3、接合深さを４〜
５μｍ、第２のウェル層３ｂの不純物濃度を５×１０¹⁵
〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3、接合部深さを２〜３μｍとする
と、第１のウェル層３ａと第２のウェル層３ｂとが重な
った領域の電位は、第２のウェル層３ｂのみが形成され
た領域に比べて０．５Ｖ程度低くなる。転送電極の電極
長を４μｍとして、第１のウェル層３ａを接続部におい
て直線状に形成すると、一電極下で０．５Ｖの電位障壁
が形成されることになる。この値は、常温における電子
の熱起電力（２６ｍＶ）よに大きいため、電子がこの障
壁を越えられず、転送不良を発生する。

【００２０】一方、第一のウェル層３ａを長さ１００μ
ｍ（第３図および第４図のＬ）にわたって徐々に細くし
た場合には、一電極下での電位差はは２０ｍＶとなり、
電子の熱起電力よりも小さくなるため、転送不良は発生
しない。１インチフォーマットのＨＤＴＶ対応のインタ
ーライン転送型固体撮像装置では、１００μｍは、１２
〜１３画素に相当し十分実現しうる値である。また、フ
レームインターライン転送型撮像装置の場合には、Ｌの
値を１００μｍ以上にすることが可能であり、一電極下
の電位差はさらに減少する。

【００２１】上述の構造により互いに異なるウェル構成
をもつ垂直レジスタと水平レジスタとの接合部分での電
荷転送効率の劣化を回避できる。

【００２２】本発明の第３の実施例における垂直レジス
タ内の第２の埋め込み層の断面図を製造工程順に示した
図４を参照すると、ｎ型半導体基板４上に水平レジスタ
を構成する第１のｐ型ウェル層３ａと、垂直レジスタを
構成する第２のウェル層３ｂを形成し、その上に水平レ
ジスタに共通の第１のｎ型埋め込み層２ａを形成する。
さらに表面にゲート絶縁膜を形成した後に１層目の多結
晶シリコンによって垂直レジスタの最終転送電極１ｃを
形成する（図４（ａ））。

【００２３】次に、垂直レジスタ領域以外をフォトレジ
スト膜７で覆い、このフォトレジスト膜をマスクとし
て、垂直レジスタ領域に第２の埋め込み層２ｂを電極１
ｃと自己整合的にイオン注入により形成する（図４
（ｂ））。この結果、第２の埋め込み層２ｂの境界が最
終電極１ｃのエッジに一致することになる。

【００２４】最後に、水平レジスタおよび垂直レジスタ
の転送電極を２層目と３層目の多結晶シリコンによって
形成する（図４（ｃ））。

【００２５】このように、第２の埋め込み層２ｂを垂直
最終転送電極に対して自己整合的に形成することによ
り、転送電極下に転送方向の電位障壁の発生が回避で
き、電荷転送不良を防止できる。なお、電極材料として
多結晶シリコン以外の材料を使うことも可能である。

【００２６】

【発明の効果】上述のとおり、本発明による撮像装置に
おいては、垂直レジスタと水平レジスタの埋め込み層と
ウェル層とをそれぞれのレジスタに対する最適の不純物
分布に形成することが可能である。そのため、垂直レジ
スタにおいては、十分な転送電荷量を確保できるうえ、
水平レジスタにおいては転送周波数が高い場合でも、高
い転送効率が得られる。これにより、広ダイナミックレ
ンジ、高解像度の撮像装置を実現できる。

【００２７】また、水平垂直両レジスタのウェル層を互
いに異なる不純物分布で形成した場合、水平レジスタを
構成する第１のウェル層を非有効受光領域対応の垂直レ
ジスタ内で除々に狭幅になる形状をとることにより、光
電変換部の特性に影響を与えることなくウェル接続部分
における電位勾配を低減し、信号電荷の転送効率の劣化
を防ぐことができる。

【００２８】さらに、垂直レジスタを構成する第２の埋
め込み層を垂直レジスタの最終電極と自己整合的に形成
することにより、転送電極下での電位障壁の形成を防
ぎ、信号電荷の転送不良による再生画像の劣化を防ぐこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における水平レジスタお
よび垂直レジスタの断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例における垂直レジスタと
水平レジスタとの接続部の平面図である。

【図３】図２の線Ａ−Ａ′における断面図およびウェル
層の不純物分布を示す模式図である。

【図４】本発明の電荷転送撮像装置における埋め込み層
の製造工程を示す断面図である。

【図５】一般のインターライン型電荷転送撮像装置の概
略的平面図である。

【符号の説明】

１ａ 垂直転送電極 １ｂ 水平転送電極 １ｃ 最終転送電極 ２ａ 第１の埋め込み層 ２ｂ 第２の埋め込み層 ３ａ 第１のウェル層 ３ｂ 第２のウェル層 ４ 半導体基板 ５ ゲート絶縁膜 ６ 層間絶縁膜 ７ フォトレジスト膜 ８ バリア層 ９ａ 垂直レジスタのチャネル ９ｂ 水平レジスタのチャネル １０ 垂直レジスタ １１ 水平レジスタ １２ 光電変換部 １３ トランスファーゲート １４ 電荷検出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一導電型の半導体基板上に形成された反
   対導電型のウェル層および該ウェル層中に形成された前
   記ウェル層とは反対導電型の埋め込み層によってそれぞ
   れ構成された垂直レジスタおよび水平レジスタを備えた
   電荷転送撮像装置において、 前記ウェル層が前記水平レジスタ用に形成された第１の
   ウェル層と前記垂直レジスタ用形成された前記第１のウ
   ェル層より高い不純物濃度をもつ第２のウェル層で構成
   されていることと、前記垂直レジスタの埋め込み層が前
   記水平レジスタと共通の第１の埋め込み層と前記垂直レ
   ジスタの前記第１の埋め込み層の上に形成された高い不
   純物濃度をもつ第２の埋め込み層で構成されていること
   を特徴とする電荷転送撮像装置。
2. 【請求項２】 前記垂直レジスタと水平レジスタの接続
   部分において、水平レジスタを構成する第１のウェル層
   が前記垂直レジスタ内の非有効受光領域で水平レジスタ
   側から徐々に狭くなる幅をもつ形状に形成されたことを
   特徴とする請求項１記載の電荷転送撮像装置。
3. 【請求項３】 垂直レジスタおよび水平レジスタのため
   に一導電型の半導体基板上に該基板とは反対導電型のウ
   ェル層を形成し、該ウェル層内部に形成された前記ウェ
   ル層とは反対の導電型の埋め込み層を形成し、これらウ
   ェル層および埋め込み層により垂直レジスタおよび水平
   レジスタを形成する電荷転送撮像装置の製造方法におい
   て、前記垂直レジスタの最終転送電極を１層目の電極材
   料で形成し、水平レジスタおよび垂直レジスタの転送電
   極を２層目および３層目の電極材料で形成し、前記垂直
   レジスタを構成する第２の埋め込み層を前記垂直レジス
   タの最終転送電極と自己整合的に形成することを特徴と
   する電荷転送撮像装置の製造方法。