JPH1098176A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH1098176A
JPH1098176A JP8248362A JP24836296A JPH1098176A JP H1098176 A JPH1098176 A JP H1098176A JP 8248362 A JP8248362 A JP 8248362A JP 24836296 A JP24836296 A JP 24836296A JP H1098176 A JPH1098176 A JP H1098176A
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photodiode
region
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semiconductor layer
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JP8248362A
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English (en)
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Ryohei Miyagawa
良平 宮川
Hiroshi Yamashita
浩史 山下
Michio Sasaki
道夫 佐々木
Hidefumi Oba
英史 大場
Nagataka Tanaka
長孝 田中
Keiji Mabuchi
圭司 馬渕
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】欠陥の多いＬＯＣＯＳ領域の端部の空乏化を防
止し、ＬＯＣＯＳ領域の端部の欠陥で発生するリーク電
流を減少させること。 【解決手段】シリコン基板（ｐ型層領域）１６の表面部
にこのｐ型層領域１６と共にフォトダイオードを構成す
るｎ型層領域１７が形成されている。また、シリコン基
板１６の表面部のｐ+ 層１８上には、素子分離領域（Ｌ
ＯＣＯＳ領域）１９が、シリコン基板１６の一部を酸化
して形成されている。上記ｎ型層領域１７とＬＯＣＯＳ
領域１９は、所定の距離Ｌだけ離れて形成されている。
また、ｎ型層領域１７とコンタクト２０とは、リセット
トランジスタのゲート２１の分だけ離間されて形成され
ている。そして、上記コンタクト２０には、配線層２２
が接続されている。尚、２３は平坦化層である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はシリコン基板上に
形成された増幅型固体撮像装置に係わり、特に単位セル
内にあるフォトダイオードがシリコン基板を酸化して形
成したシリコン酸化膜で素子分離された固体撮像装置に
関する。またこの発明は、基板半導体の不純物濃度がフ
ォトダイオード形成する空乏層領域より深い位置で、基
板の深さの増加に伴い緩やかに増加する領域を有し、半
導体基板内で発生する信号電荷の一部電荷を信号蓄積部
へ集めることで高ダイナミックレンジを有する固体撮像
装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置の１つとして、増幅
型センサを用いた固体撮像装置が提案されている。この
装置は、光電変換蓄積部で検出した光信号を、光電変換
蓄積部のごく近傍で増幅するという特徴を有している。
【０００３】図２０は、増幅型ＭＯＳセンサを用いた従
来の固体撮像装置の回路構成図である。図２０に示され
るように、増幅型ＭＯＳセンサは、単位画素或いは単位
セル内に、 少なくともフォトダイオード１と該フォトダ
イオード１にシリコン基板内で光電変換され収集された
信号電荷を増幅する増幅トランジスタ２より成る増幅手
段を有している。
【０００４】図２１は、従来の増幅型ＭＯＳセンサの単
位セル内のフォトダイオードを含む部分の断面構造を示
したものである。図２１に示されるように、シリコン基
板（ｐ型層領域）３と共にフォトダイオードを構成する
ｎ型層領域４は、素子分離の酸化膜層に自己整合的に作
られている。そして、ｐ+ 層５上の素子分離領域６は、
シリコン基板３の一部を酸化して形成されたシリコン酸
化膜である。このシリコン基板上に部分的に形成された
酸化膜は、一般的にＬＯＣＯＳ（ＬＯＣal Ｏxidentio
n of Ｓilicon）と称されている。尚、７はコンタク
ト、８はこのコンタクトに接続された配線層、９はリセ
ットトランジスタのゲート、１０は平坦化層である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところがＬＯＣＯＳ領
域６端部のシリコン基板３内は、シリコン基板３の酸化
時にストレスを受けるために欠陥が生じる。この欠陥で
生成される電流がフォトダイオードのリーク電流となる
という問題があった。
【０００６】以下、この問題について、図２２を参照し
て説明する。図２２は、フォトダイオードとＬＯＣＯＳ
領域の境界部分を拡大して示した図である。図２２に示
されるように、ｎ型層領域４の周囲には空乏領域１１が
形成されている。また、ＬＯＣＯＳ領域６の下部で上記
ｎ型層領域４と接触する部分に、欠陥が多い領域（多欠
陥領域）１２が空乏化されている。したがって、この多
欠陥領域１２を介して、熱的に電子・正孔対が多く生成
されてしまう。この生成された電子により、フォトダイ
オードに起因するシリコンのバンドギャップ内の欠陥準
位を介して、熱的に電子・正孔対が生成される。する
と、この電子がフォトダイオードに流れ込み、フォトダ
イオードのリーク電流となる。そして、このリーク電流
が生じるために、固体撮像装置としての感度、すなわち
Ｓ／Ｎ比が低下するという課題があった。
【０００７】このように、従来はＬＯＣＯＳ領域と自己
整合的にフォトダイオードを形成していたため、ＬＯＣ
ＯＳ領域端部の欠陥で生成される電流がフォトダイオー
ドのリーク電流になるという課題を有していた。したが
ってこの発明は、フォトダイオードのリーク電流を防止
すると共に感度の低下を防止することのできる固体撮像
装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、シ
リコン基板上に少なくとも光電変換領域のためのフォト
ダイオードとシリコン基板が酸化されて形成され、上記
フォトダイオードを素子分離する素子分離領域と上記フ
ォトダイオードで収集された信号電荷を増幅する手段と
を備えた画素の配列から成る固体撮像装置に於いて、上
記フォトダイオードの不純物層は、素子分離領域から所
定感覚をおいてて形成されることを特徴とする。
【０００９】またこの発明は、シリコン基板上に少なく
とも光電変換領域のためのフォトダイオードとシリコン
基板が酸化されて形成され、上記フォトダイオードを素
子分離する素子分離領域と上記フォトダイオードで収集
された信号電荷を増幅する手段とを備えた画素の配列か
ら成る固体撮像装置に於いて、少なくとも上記フォトダ
イオードに隣接する素子分離領域の端部に隣接して形成
されるもので、上記フォトダイオードの不純物層と反対
導電型で濃度の高い不純物層を具備することを特徴とす
る。
【００１０】更にこの発明は、基板半導体表面層に、基
板界面が空乏化しない高濃度不純物層から成る第１の半
導体層と、この第１の半導体の下層に該第１の半導体層
と異なる導電型の第２の半導体層と、この第２半導体層
の下層に上記第１の半導体層と同じ導電型の第３の半導
体層とが形成されたフォトダイオードを有し、上記第２
の半導体層に信号蓄積領域を具備する固体撮像素子に於
いて、上記第３の半導体層は、該第３の半導体層が有す
るフォトダイオードの空乏層端以外の領域で、上記基板
半導体表面からの距離が長くなるに従って緩やかな濃度
勾配を有して深さ方向に緩やかに下降する不純物濃度分
布を有し、該第３の半導体層で生成された信号電荷が上
記濃度勾配により分配され、該信号電荷の一部が上記第
２の半導体層内の信号蓄積部に拡散して蓄積され、上記
信号電荷の残りの電荷が上記基板半導体内に拡散排出さ
れることを特徴とする。
【００１１】この発明は、上記固体撮像装置の上記第３
の半導体層を形成する固体撮像装置の製造方法に於い
て、上記第３の半導体層の不純物濃度分布は、該不純物
の注入深さ分布の中心がフォトダイオードより十分深い
位置となる高加速度イオン注入で導入され、熱拡散によ
り上記基板半導体表面方向に緩やかに下降した濃度分布
を形成することを特徴とする。
【００１２】またこの発明は、第１導電型の半導体基板
上に上記第１導電型と反対導電型の第２導電型ウェルを
形成し、該ウェル内にフォトダイオードとこのフォトダ
イオードの信号を容量に転送する転送トランジスタと、
容量に接続されたゲートから成る増幅トランジスタと、
該増幅トランジスタを活性化するアドレス手段と、上記
フォトダイオードの信号を排出するリセット手段とを有
する単位セルを行列２次元状に配列して成る固体撮像装
置に於いて、上記ウェルの濃度の最も高い部分が上記半
導体基板表面から少なくとも２μｍの位置に形成されて
いることを特徴とする。
【００１３】この発明は、欠陥の多いＬＯＣＯＳ領域の
端部からフォトダイオードを離して形成すると共に、欠
陥の多いＬＯＣＯＳ領域の端部のフォトダイオードと反
対導電型の不純物濃度を大きくする。
【００１４】この発明は、吸収減衰する入射光が有効な
範囲でフォトダイオード構造を完全空乏化した構造を改
め、有効距離内に完全空乏領域と空乏化しない信号蓄積
領域をおき、空乏化しない半導体不純物層の不純物濃度
を、隣接画素間乃至は基板深部に対して緩やかに増加さ
せた構造とすることで、空乏化していない領域で生成し
た信号電荷がこの緩やかな濃度勾配により信号電荷がよ
り多く蓄積部側へ流入する構造を形成し、この空乏化し
ていない領域で生成した信号電荷を分配してその一部電
荷のみを蓄積する。
【００１５】更にこの発明は、フォトダイオードを囲う
不純物半導体の不純物濃度に緩やかな濃度勾配をおくこ
とで、入射光に対する光電変換された電荷信号を効率よ
く蓄積領域に集め、尚かつ高輝度信号の多量発生する信
号を一部捨てる構造にすることで高ダイナミックレンジ
を得る。
【００１６】この発明によれば、基板半導体の不純物濃
度がフォトダイオードの空乏層領域より深い位置で基板
の深さ方向に緩やかに増加する領域を設けることで、半
導体基板内で発生する信号電荷の一部電荷は効率よく蓄
積部に集まる。その結果、高輝度光により発生した信号
電荷の一部電荷は蓄積され、残り電荷は拡散により基板
側に排出されるために、高ダイナミックレンジの撮像が
可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態を説明する。尚、以下に述べる実施の形態に
於いて、同一の構成要素には同一の参照番号を付してそ
の説明は省略するものとする。
【００１８】図１は、この発明の固体撮像装置の第１の
実施形態で、増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフォト
ダイオードを含む部分の断面図である。図１に於いて、
シリコン基板（ｐ型層領域）１６の表面部にこのｐ型層
領域１６と共にフォトダイオードを構成するｎ型層領域
１７が形成されている。また、シリコン基板１６の表面
部のｐ+ 層１８上には、素子分離領域（ＬＯＣＯＳ領
域）１９が、シリコン基板１６の一部を酸化して形成さ
れている。
【００１９】上記ｎ型層領域１７とＬＯＣＯＳ領域１９
は、所定の距離Ｌだけ離れて形成されている。また、ｎ
型層領域１７とコンタクト２０とは、リセットトランジ
スタのゲート２１の分だけ離間されて形成されている。
そして、上記コンタクト２０には、配線層２２が接続さ
れている。尚、２３は平坦化層である。
【００２０】このような構成に於いて、フォトダイオー
ドのｎ型層領域１７がＬＯＣＯＳ領域に自己整合的に形
成されていない点が従来と異なっている。従来は、ＬＯ
ＣＯＳ領域自体をマスクとして、ｎ型不純物をイオン注
入することによりＬＯＣＯＳ領域に自己整合的にフォト
ダイオードを形成していた。しかしながら、この第１の
実施の形態では、ＬＯＣＯＳ領域１９を含む部分の上に
レジスト層（図示せず）を形成し、ｎ型不純物をイオン
注入することによってフォトダイオードを形成してい
る。
【００２１】したがって、フォトダイオードのｎ型層領
域１７は、ＬＯＣＯＳ領域１９の端部より距離Ｌだけ離
間されている。このため、ＬＯＣＯＳ領域１９端部に形
成される多欠陥領域が空乏化することを防止することが
できる。それ故、ＬＯＣＯＳ領域１９端部の欠陥で生成
するリーク電流を防止することができる。
【００２２】尚、図１に示されるＬＯＣＯＳ領域１９の
端部からフォトダイオード（ｎ型層領域）１７までの距
離Ｌは、０．１μｍ以上に設定すればＬＯＣＯＳ領域１
９端部でのリーク電流は低減される。
【００２３】次に、この発明の第２の実施形態について
説明する。図２は、第２の実施の形態による増幅型ＭＯ
Ｓセンサの単位セル内のフォトダイオードを含む部分の
断面図である。
【００２４】上述した第１の実施の形態と異なるのは、
フォトダイオードのｎ型層領域１７とＬＯＣＯＳ領域１
９との間は離間されていないものの、ＬＯＣＯＳ領域１
９の端部のフォトダイオードと接するようにフォトダイ
オードのｎ型層領域１７の表面に、該ｎ型層領域１７と
反対導電型であるｐ型の不純物濃度の大きいｐ++型層で
構成される欠陥シールド層２４が形成されている点であ
る。
【００２５】このｐ++型層の欠陥シールド層２４は、Ｌ
ＯＣＯＳ領域１９をマスクとしてｐ型不純物のイオン注
入により自己整合的に形成されている。この第２の実施
の形態では、ＬＯＣＯＳ領域１９の端部が不純物濃度の
濃いｐ++型層となっているので、ＬＯＣＯＳ領域１９端
部の多欠陥領域が空乏化することを防止することができ
る。したがって、ＬＯＣＯＳ領域１９端部の欠陥にて生
成されるリーク電流を防ぐことができる。
【００２６】図３は、この発明の第３の実施の形態を示
した増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオー
ドを含む部分の断面図である。上述した第２の実施の形
態と異なるのは、ｐ++型層で構成される欠陥シールド層
２５が、フォトダイオードのｎ型層領域１７の全面に接
するように形成されている点である。この欠陥シールド
層２５をフォトダイオードのｎ型層領域１７の全面に接
するようにした理由は、シリコン基板１６と酸化膜表面
に存在する界面準位に対して、ＬＯＣＯＳ領域１９の欠
陥シールド層２５をｎ型層領域１７上全面に延ばしてシ
ールドし、上記界面準位を介して発生するリーク電流を
防ぐためである。
【００２７】この場合も、上述した第２の実施の形態と
同様で、ＬＯＣＯＳ領域１９の端部が不純物濃度の濃い
ｐ++層となっているので、ＬＯＣＯＳ領域１９端部の多
欠陥領域が空乏化する事を防ぐことができる。したがっ
て、ＬＯＣＯＳ領域１９端部の欠陥で生成するリーク電
流を防止することができる。
【００２８】図４は、この発明の第４の実施の形態を示
した増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオー
ドを含む部分の断面図である。この第４の実施の形態の
構成は、上述した第３の実施の形態とほぼ同じである。
すなわち、第３の実施の形態と異なる点は、第１にフォ
トダイオードのｐ++型層２５が、上述した第１の実施の
形態と同様に、ＬＯＣＯＳ領域１９端部より離れている
ことと、第２にｐ++型層で構成される欠陥シールド層２
６が、界面準位をシールドするｐ++型層２５とは別に形
成されている点である。
【００２９】第４の実施の形態に於いても、ＬＯＣＯＳ
領域１９の端部が不純物濃度の濃いｐ++型層となってい
て、且つフォトダイオードのｎ型層領域１７はＬＯＣＯ
Ｓ領域１９の端部より離れて形成されている。したがっ
て、ＬＯＣＯＳ領域１９端部の多欠陥領域が空乏化する
ことを防ぐことができる。このため、ＬＯＣＯＳ領域１
９端部の欠陥で生成するリーク電流を防止することがで
きる。
【００３０】図５は、この発明の第５の実施の形態を示
した増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオー
ドを含む部分の断面図である。この第５の実施の形態
は、上述した第２の実施の形態とほぼ同じである。
【００３１】つまり、第２の実施形態ではｐ++型層の欠
陥シールド層２４がＬＯＣＯＳ領域１９端部でＬＯＣＯ
Ｓ領域１９の外側に形成されていたが、この第５の実施
の形態ではｐ++型層の欠陥シールド層２７は、ＬＯＣＯ
Ｓ領域１９端部で且つＬＯＣＯＳ領域１９の下部に形成
されている。
【００３２】これは、ＬＯＣＯＳ領域１９は、通常Ｓｉ
Ｎ膜がＬＯＣＯＳ領域１９以外の部分に先ず形成され、
その後該ＳｉＮ膜をマスクとして高温で酸素或いはＨ2
Ｏによりシリコン基板１６を酸化して形成される。そし
て、素子分離領域であるため、ｐ+ 型層で構成される素
子分離層は、シリコン基板１６の酸化前にＳｉＮ膜をマ
スクとしてｐ型不純物がイオン注入されて形成される。
【００３３】図５に示されるｐ++型層の欠陥シールド層
２７は、ｐ+ 型素子分離層同様にシリコン基板１６の酸
化前にＳｉＮをマスクとしてｐ型不純物がイオン注入さ
れて形成される。但し、ｐ+ 型素子分離層の形成と異な
る部分は、ＳｉＮ膜とは別にフォトダイオードに隣接す
る部分以外のＬＯＣＯＳ領域となる部分をレジスト層で
覆い、このレジスト層とＳｉＮ膜をマスクとしてｐ型不
純物をイオン注入して、図５に示されたような形状に形
成する。
【００３４】この場合でもＬＯＣＯＳ領域の端部が不純
物濃度の濃いｐ++層となっているのでＬＯＣＯＳ領域端
部の欠陥の多い部分が空亡化する事が防がれる。このた
め、ＬＯＣＯＳ領域端部の欠陥で生成するリーク電流が
防がれる。
【００３５】第５の実施の形態では、ＬＯＣＯＳ領域で
のフォトダイオードのリーク電流を防ぐために、単純に
ｐ+ 型の素子分離層のｐ型不純物濃度を大きくしている
ものではない。その理由は、単純にｐ+ 型の素子分離層
のｐ型不純物濃度を大きくすると、フォトダイオード以
外の、例えば図５に示されるｎ型層領域１７が濃度の高
いｐ++型層の不純物拡散で浸食されてしまう。そして、
極端な場合は、ｐ型層がコンタクト２０にまで達して、
コンタクト部でのリークの原因となってしまう。そのた
め、第５の実施の形態にあるように、ｐ++型の欠陥シー
ルド層２７をフォトダイオードに隣接する部分のみに形
成することが望ましい。
【００３６】ところで、基本的な固体撮像装置のフォト
ダイオードは、電荷蓄積層領域を形成する第１の不純物
半導体層（ｐ+ 層）と、この第１の不純物半導体層と導
電型を異にする第２の不純物半導体層（ｎ+ 層）で形成
されている。また、基板側へ飽和信号を排出する構造を
有する種類のフォトダイオードでは、上記第２の不純物
半導体層下部に第１の不純物半導体層と導電型が同じで
ある第３の不純物半導体層（ｐ+ 層）を有している（図
６参照）。
【００３７】基板に入射する光は、主に、第１の不純物
半導体層と第２の不純物半導体層間の空乏層領域または
第２の不純物半導体層と第３の不純物半導体層の間の空
乏層領域で光電変換される。
【００３８】そして、空乏層内の電位勾配により、第１
の不純物半導体層と第２の不純物半導体層間の信号電荷
は、フォトダイオード内に集まって蓄積され、フォトダ
イオードに蓄積される信号電荷が第２の不純物半導体層
の障壁で決まる飽和信号レベルを超えると、基板側へ排
出して廃棄される。
【００３９】このようなフォトダイオード構造では、信
号電荷は主に基板内の空乏層領域で発生し、第２の不純
物半導体層で形成される信号障壁層の上部領域で生成さ
れた信号電荷は、全てフォトダイオード内に蓄積され
る。そして、信号電荷の総量が飽和レベルに達すると、
余剰信号は全て障壁層を越えて基板へ排出される（図７
参照）。そのため、高輝度光が入射すると蓄積部に貯ま
る信号電荷はこの飽和レベルで一定となり、入射光に対
応して出力信号が得られなくなる。
【００４０】また、上記構造以外のフォトダイオードで
は、隣接オーバーフロードレイン構造のフォトダイオー
ドも含め、フォトダイオード下層の第２の不純物半導体
層の不純物分布形成工程が、基板表面に不純物を導入し
て行われ、その導入不純物の熱拡散を経て形成される。
したがって、このフォトダイオード下層の第２の半導体
層の不純物濃度分布は、基板内側に対して緩やかに低下
する構造または平坦な分布構造をとっている（図８参
照）。
【００４１】こうした構造のフォトダイオードでは、信
号電荷の内でフォトダイオード下部の第１の不純物半導
体層で光電変換した信号が不純物濃度勾配に従い基板内
へ排出され易くなっている（図９参照）。したがって、
信号の多くは、信号電荷蓄積部へ分配されずに捨てられ
てしまう。
【００４２】このため、隣接画素間への信号の流失を抑
え、同時に基板内で光電変換する信号電荷がフォトダイ
オード蓄積部に貯まり、フォトダイオード下部の非空乏
化不純物半導体領域で発生した信号は拡散により、その
一部信号電荷がフォトダイオード蓄積部に分配されて、
信号として蓄積されるフォトダイオード構造にし、尚且
つ低輝度光では少ない信号電荷がより多く蓄積部に流
れ、高輝度光入射時の大量生成する信号電荷を拡散によ
りその一部信号を蓄積部に貯めることで高ダイナミック
レンジが可能な固体撮像装置を必要としていた。
【００４３】以下に述べる実施の形態は、こうした高ダ
イナミックレンジが可能な固体撮像装置を実現するため
の例である。図１０乃至図１３を参照して、この発明の
第６の実施の形態について説明する。
【００４４】フォトダイオードを形成する基板半導体
は、その基板の信号障壁層を形成する深さに、不純物の
高加速度イオン注入が行われる。図１１に示される破線
は、不純物を導入した直後の不純物分布を示したもので
ある。不純物導入がなされたこの基板に熱拡散処理が施
されることで、障壁層を形成する不純物濃度の分布が、
図１１の実線で示されるような、信号蓄積部に向かって
なだらかに低下する構造に形成される。そして、このよ
うに形成された基板に、信号蓄積領域となるフォトダイ
オードの不純物領域を形成することで、不純物濃度分布
が図１２に示される特性となる。
【００４５】図１０に於いて、基板３１内の信号電荷障
壁層３２を形成するのに先立ち、基板表面Ａに素子分離
のためのＬＯＣＯＳ層３３が形成される。ＬＯＣＯＳ層
３３の膜厚は、その周辺部から緩やかに増加し、素子間
分離の中心位置で最も厚くなる。
【００４６】ＬＯＣＯＳ層３３の形成後に、基板奥の信
号電荷障壁層を形成するための不純物を高加速イオン注
入３４がなされる。これにより、ＬＯＣＯＳ層３３が加
速イオンを減速させるマスク材となり、ＬＯＣＯＳ層３
３の下方の障壁層３２は浅くなる。
【００４７】上述したように、図１１に示される不純物
濃度の分布図を参照すると、ＬＯＣＯＳ層３３の下方で
は素子間に障壁層３２が形成される。そして、この障壁
層３２によって、信号電荷を蓄積部に貯まりやすく、且
つ隣接画素への信号の混在を防ぐ構造とすることができ
る。
【００４８】このような不純物濃度分布を有する構造の
フォトダイオードに於いて、入射された光ｈ により、
空乏層以下での領域で光電変換された信号電荷は、図１
３に示されるように、基板表面Ａからの深さＡ′から、
拡散によって基板内部のＡ″に行くものと、信号蓄積部
に流れるものに分配される。
【００４９】したがって、図１２に示される不純物濃度
分布を有する構造のフォトダイオードでは、信号電荷の
少ないとき、より多くの電荷が蓄積部へ流れる。これに
対して、高輝度光入射時では、光の深さ方向への減衰に
より信号電荷の勾配が基板側に薄くなる。このため、よ
り基板側へ拡散排出するために、入射光に対して蓄積部
の信号は飽和しにくくなり、入射光量に応じて蓄積信号
が応答して増加する範囲、つまりダイナミックレンジが
増す。
【００５０】尚、この第６の実施の形態に於いては、Ｌ
ＯＣＯＳ層を減速マスク材として使用しているが、他の
マスク材を使用しても良い。次に、この発明の第７の実
施の形態を説明する。
【００５１】図１４に於いて、より浅い領域に障壁層を
構成するために、加速度の遅い不純物イオン注入３５が
フォトレジストマスク３６で規定する素子間領域３２に
選択的に注入される。尚、３７は、素子間分離のために
注入されたイオンを表している。
【００５２】その後、素子間領域３２の表面部にフォト
ダイオードを形成すべく半導体層３８及び３９と、ソー
ス／ドレイン半導体活性化領域４０が形成される。また
基板３１表面の上部には、トランジスタゲート４１、４
２が形成される。
【００５３】このように構成することで、上述した第６
の実施の形態と同じ効果を得ることができる。また、基
板表面と底部障壁層との中間深さに不純物導入すること
により、画素隣接間領域に最も効率良く障壁層を設ける
ことができる。
【００５４】このように、第６及び第７の実施の形態に
よれば、基板半導体深部で光電変換した信号電荷の一部
はなだらかな拡散によって、蓄積部を兼ねる上部フォト
ダイオード領域に流れて信号電荷となる。また、フォト
ダイオード下部で生成された電荷は周囲の高濃度不純物
領域により拡散が抑制されるので、隣接画外の信号の流
失を抑えることができる。
【００５５】ところで、増幅型の固体撮像装置のセルの
微細化に於いては、ＭＯＳトランジスタの数をできるだ
け減らすことが望ましいものであったが、リセット用ト
ランジスタの存在が微細化を妨げるものとなっている。
したがって、リセット用トランジスタを不要にしてフォ
トダイオードの感度の低下を防止することも考えられ
る。
【００５６】第８の実施の形態は、こうしたリセット用
トランジスタを不要にするための構造例である。この第
８の実施の形態は、高加速度イオン注入した後ウェル拡
散を行う例である。こ図１６（ａ）はこの発明の第８の
実施の形態に於ける固体撮像装置の層構造を示した図、
図１６（ｂ）は同図（ａ）の基板内の不純物濃度分布図
である。
【００５７】ｎ基板４１上のｐウェル４２の拡散電位勾
配によるフォトダイオードの感度低下の対策として、電
子が基板側に排出されることに対する電位障壁が設けら
れる。この電位障壁は、ｐウェル４２の濃度が最も高い
部分を、基板の表面から深い位置に形成することによっ
て形成される。この場合、ｐウェルの濃度の最も高い部
分の基板表面からの深さは、少なくとも２μｍである
（図１６（ｂ）参照）。尚、４３はｎ型拡散層である。
【００５８】これにより、ｐウェル４２の濃度の最も濃
度の高い部分が基板深部に作成され、ここからフォトダ
イオードが形成されている基板表面まで光電子を基板表
面側に集めるような拡散電位勾配が形成される。したが
って、光電子が基板側に排出される確率を減少せしめ、
反対に基板表面のフォトダイオードに入る確率を増加さ
せ、感度を向上させることができる。
【００５９】また、基板（Ｓｉ）に於いて、可視光の光
電変換はおよそ深さ２μｍ以内で行われるので、ｐウェ
ルの最も濃度の高い部分を２μｍ以上の深さにして形成
すれば良い。
【００６０】図１７（ａ）はこの発明の第９の実施の形
態に於ける固体撮像装置の層構造を示した図、図１７
（ｂ）は同図（ａ）の基板内の不純物濃度分布図であ
る。この第９の実施の形態は、通常のウェルを形成した
後、ＭｅＶイオン注入によって深い部分に光電子に対す
る電位障壁を形成するものである。これによっても、光
電子がｎ基板側に排出される確率を減少させ、フォトダ
イオードの感度を向上させることができる。
【００６１】このように、ＶＯＤ構造にして信号電荷を
基板側に排出することによって、リセット用トランジス
タを不要にすることができる。これは、ＣＣＤのＶＯＤ
構造とは異なり、セルのアドレスキャパシタを用いて検
出部の電位を操作することによって電荷を排出する。
【００６２】図１８は、リセットを基板側に排出するセ
ル構造をとったときのセル部の回路構成の一例である。
以下、図１９に示された検出部の電位図を参照して説明
する。
【００６３】図１９に於いて、単位セル４５は、フォト
ダイオード４６と、キャパシタ４７と転送トランジスタ
４８とにより構成されている。上記キャパシタ４７は、
転送トランジスタ４８のゲートとアドレス線Ａｄ間に接
続されている。尚、４９は検出部である。
【００６４】いま、拡散層４３、ｐウェル４２、基板４
１の電位関係を図１９（ａ）〜（ｃ）のように表す。図
１８の検出部４９に光電子が導入された状態は、図１９
（ａ）に示されるようになっている。これをリセットす
るには、図１９（ｂ）に示されるようにアドレス線Ａｄ
を“Ｌ（ローレベル）”にしなければならない。この
時、上記検出部４９がｐウェル４２に対して逆バイアス
されるので、検出部４９から電子がｐウェル４２を通し
てｎ基板４１に掃き出される。この後、アドレス線Ａｄ
の電位を戻してリセットが完了する（ｃ）。このよう
に、リセット用トランジスタを不要にすることで、フォ
トダイオードの感度を向上させることができるうえ、微
細なセルを構成することができる。
【００６５】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、フォト
ダイオードのリーク電流を防止すると共に感度の低下を
防止することのできる固体撮像装置を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の固体撮像装置の第１の実施形態で、
増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオードを
含む部分の断面図である。
【図２】第２の実施の形態による増幅型ＭＯＳセンサの
単位セル内のフォトダイオードを含む部分の断面図であ
る。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示した増幅型Ｍ
ＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオードを含む部分
の断面図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示した増幅型Ｍ
ＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオードを含む部分
の断面図である。
【図５】この発明の第５の実施の形態を示した増幅型Ｍ
ＯＳセンサの単位セル内のフォトダイオードを含む部分
の断面図である。
【図６】基本的な固体撮像装置のフォトダイオードに於
ける基板表面からの深さと不純物濃度の分布を表した図
である。
【図７】基本的な固体撮像装置のフォトダイオードに於
ける基板表面からの深さと電位との関係を表した図であ
る。
【図８】基本的な他の固体撮像装置のフォトダイオード
に於ける基板表面からの深さと不純物濃度の分布を表し
た図である。
【図９】基本的な他の固体撮像装置のフォトダイオード
に於ける基板表面からの深さと電位との関係を表した図
である。
【図１０】この発明の第６の実施の形態を示すもので、
固体撮像装置の基板の層構造を示した図である。
【図１１】第６の実施の形態を示すもので、不純物が導
入された直後と所定時間経過後の不純物濃度の分布を表
した図である。
【図１２】第６の実施の形態を示すもので、基板表面か
らの深さと不純物濃度の分布を表した図である。
【図１３】第６の実施の形態を示すもので、基板表面か
らの深さと電位との関係を表した図である。
【図１４】この発明の第７の実施の形態を示すもので、
高加速度イオン注入時の固体撮像装置の基板の層構造を
示した図である。
【図１５】この発明の第７の実施の形態を示すもので、
高加速度イオン注入後の固体撮像装置の基板の層構造を
示した図である。
【図１６】（ａ）はこの発明の第８の実施の形態に於け
る固体撮像装置の層構造を示した図、（ｂ）は同図
（ａ）の基板内の不純物濃度分布図である。
【図１７】（ａ）はこの発明の第９の実施の形態に於け
る固体撮像装置の層構造を示した図、（ｂ）は同図
（ａ）の基板内の不純物濃度分布図である。
【図１８】リセットを基板側に排出するセル構造をとっ
たときのセル部の回路構成の一例を示した図である。
【図１９】図１９に示された検出部の電位図である。
【図２０】増幅型ＭＯＳセンサを用いた従来の固体撮像
装置の回路構成図である。
【図２１】従来の増幅型ＭＯＳセンサの単位セル内のフ
ォトダイオードを含む部分の断面構造を示した図であ
る。
【図２２】図２１のフォトダイオードとＬＯＣＯＳ領域
の境界部分を拡大して示した図である。
【符号の説明】
１６ シリコン基板（ｐ型層領域）、 １７ ｎ型層領域、 １８ ｐ+ 層、 １９ 素子分離領域（ＬＯＣＯＳ領域）、 ２０ コンタクト、 ２１ ゲート、 ２２ 配線層、 ２３ 平坦化層、 ２４、２５、２６、２７ 欠陥シールド層、 ３１ 基板、 ３２ 信号電荷障壁層、 ３３ ＬＯＣＯＳ層、 ３４ 高加速イオン注入。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大場 英史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 田中 長孝 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 馬渕 圭司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板上に少なくとも光電変換領
    域のためのフォトダイオードとシリコン基板が酸化され
    て形成され、上記フォトダイオードを素子分離する素子
    分離領域と上記フォトダイオードで収集された信号電荷
    を増幅する手段とを備えた画素の配列から成る固体撮像
    装置に於いて、 上記フォトダイオードの不純物層は、素子分離領域から
    所定感覚をおいてて形成されることを特徴とする固体撮
    像装置。
  2. 【請求項２】 シリコン基板上に少なくとも光電変換領
    域のためのフォトダイオードとシリコン基板が酸化され
    て形成され、上記フォトダイオードを素子分離する素子
    分離領域と上記フォトダイオードで収集された信号電荷
    を増幅する手段とを備えた画素の配列から成る固体撮像
    装置に於いて、 少なくとも上記フォトダイオードに隣接する素子分離領
    域の端部に隣接して形成されるもので、上記フォトダイ
    オードの不純物層と反対導電型で濃度の高い不純物層を
    具備することを特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 基板半導体表面層に、基板界面が空乏化
    しない高濃度不純物層から成る第１の半導体層と、この
    第１の半導体の下層に該第１の半導体層と異なる導電型
    の第２の半導体層と、この第２半導体層の下層に上記第
    １の半導体層と同じ導電型の第３の半導体層とが形成さ
    れたフォトダイオードを有し、上記第２の半導体層に信
    号蓄積領域を具備する固体撮像素子に於いて、 上記第３の半導体層は、該第３の半導体層が有するフォ
    トダイオードの空乏層端以外の領域で、上記基板半導体
    表面からの距離が長くなるに従って緩やかな濃度勾配を
    有して深さ方向に緩やかに下降する不純物濃度分布を有
    し、該第３の半導体層で生成された信号電荷が上記濃度
    勾配により分配され、該信号電荷の一部が上記第２の半
    導体層内の信号蓄積部に拡散して蓄積され、上記信号電
    荷の残りの電荷が上記基板半導体内に拡散排出されるこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の固体撮像装置の上記第
    ３の半導体層を形成する固体撮像装置の製造方法に於い
    て、 上記第３の半導体層の不純物濃度分布は、該不純物の注
    入深さ分布の中心がフォトダイオードより十分深い位置
    となる高加速度イオン注入で導入され、熱拡散により上
    記基板半導体表面方向に緩やかに下降した濃度分布を形
    成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 第１導電型の半導体基板上に上記第１導
    電型と反対導電型の第２導電型ウェルを形成し、該ウェ
    ル内にフォトダイオードとこのフォトダイオードの信号
    を容量に転送する転送トランジスタと、容量に接続され
    たゲートから成る増幅トランジスタと、該増幅トランジ
    スタを活性化するアドレス手段と、上記フォトダイオー
    ドの信号を排出するリセット手段とを有する単位セルを
    行列２次元状に配列して成る固体撮像装置に於いて、 上記ウェルの濃度の最も高い部分が上記半導体基板表面
    から少なくとも２μｍの位置に形成されていることを特
    徴とする固体撮像装置。
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