JPS6237594B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像装置、特に電荷転送形イメー
ジセンサ感光部の構造に関するものである。

ホトダイオードとCCDレジスタを組合せた固
体撮像装置は特開昭51−150288号で公知である
が、第１図に従来の電荷転送形イメージセンサの
実施例を示す。第１図ａは装置の大略の平面図を
示し第１図ｂは第１図ａのBB′での断面図であ
り、第１図ｃは第１図ａのCC′での断面図であ
る。この装置は一導電形半導体基板４上に絶縁膜
７を介して光学的に透明で電気抵抗の低い材料よ
り成るホト電極１、シフト電極２、及び多数の転
送電極（第１図ｂにその一つである電極９を図示
する）より成る電荷転送シフトレジスタ３を設
け、さらに半導体基板４の表面付近には、半導体
基板４と同じ導電性を持つ不純物を高濃度に含む
チヤンネルストツプ領域５及び半導体基板４と異
なる導電性を持つ埋込みチヤンネル領域６を設け
てある。また光が感光部の所要の個所にのみ照射
されるよう光学的に不透明な膜（光シールド膜）
８で覆われている。

次に従来例の動作原理を第１図を用い説明す
る。ホト電極１に高レベル電圧を印加しホト電極
１下の埋込みチヤンネル領域の各画素６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄに対応して電位の井戸が形成され
る。この電位の井戸はチヤンネルストツプ領域１
０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅにより区
切られる。この場合、チヤンネルストツプ領域の
不純物濃度は、ホト電極１に高レベル電圧を印加
しても空乏状態にならないような濃度に設定され
る。

入射した光エネルギーにより半導体基板４の表
面付近に発生した電荷は前記の電位の井戸に蓄積
される。一定期間蓄積した後、シフト電極２に高
レベル電圧を印加しホト電極１に低レベル電圧を
印加するとシフト電極２下の電位の井戸がホト電
極１下の電位の井戸より深くなり、蓄積された電
荷はホト電極１下からシフト電極２下を通り、電
荷転送シフトレジスタ３へと転送される。その後
シフト電極２に低レベル電圧をホト電極下に高レ
ベル電圧を印加し、再び光電変換された電荷を蓄
積する。電荷転送形シフトレジスタ３に転送され
た電荷はシフトレジスタ３の電極群に適当なクロ
ツパルスを印加することにより出力部から順次外
部に読み出される。

ところで第１図ａに示す構造では半導体基板４
と異なる導電性を持つ不純物領域６をイオン注入
法によりホト電極１下及びシフト電極９下に一様
に形成し、次に半導体基板４と同じ導電性を持つ
不純物を高濃度に含む領域（チヤンネルストツプ
領域）をイオン注入法によりホト電極１下、及び
シフト電極９下に形成することにより、画素６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを分離する。その際前記２
つの異なる導電性の不純物が重なつた領域（第１
図ｃで斜線が重なつた領域１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄ，１０ｅでは例えば不純物領域６にイ
オン注入法により注入された不純物のドーズ量は
１×10¹²cm^-2程度であり、チヤンネルストツプ領
域１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄでの不純物ド
ーズ量は例えば５×10¹³cm^-2と大きくなるため、
チヤンネルストツプ領域１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄでの電気的特性は半導体基板４と同じ
導電性を有する不純物により決定される。

このチヤンネルストツプ領域の別の形成例を第
２図に示す。この形成例では、画素を形成する埋
込みチヤンネル領域１１の間にチヤンネルストツ
プ領域を両者が重なり合わないように形成したも
のである。ところで上記の構成の従来の電荷転送
形イメージセンサにおいては、次に述べるような
不都合な点を生ずる。

第一に、第１図ｃで示されたチヤンネルストツ
プ領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを形成す
る場合には半導体基板４と異なる導電形の不純物
領域６と、半導体基板４と同じ導電形の不純物を
高密度に含む領域を重ねているため、重ねていな
い領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄやチヤンネルスト
ツプ領域５に比べ重なつた領域１０ａ，１０ｂ，
１０ｃ，１０ｄ，１０ｅでは結晶性が著しく損な
われ製造プロセス中に酸化性雰囲気で熱処理する
とにより積層欠陥が発生し易くなる。感光部に積
層欠陥のある撮像デバイスを光を照射しない状態
でイメージ動作させた場合には正常な信号出力以
外に暗電流スパイク（所謂白キズ）が積層欠陥の
ある画素に対応して発生し、この白キズの発生は
撮像デバイスにおいては画質を大幅に低下させて
しまう。

第２に、第２図に示すチヤンネルストツプ領域
の構成にすると、埋込みチヤンネル領域１１とチ
ヤンネルストツプ領域１２とを重ね合せないため
に両領域のすき間４′ａ，４′ｂをマスク合せ精度
以上にとる必要があり、所要の信号出力を得よう
とすると一画素当たりの寸法が大きくなり多画素
撮像デバイスにおいてはチツプサイズが大きくな
り歩留り上不利となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、第
１導電形の半導体基板内表面の一方向に入射光量
に応じた信号電荷の生成及び蓄積を行うたの第２
導電形の半導体層からなる複数の画素とこれらの
画素を離隔する半導体基板領域とからなる画素領
域が形成され、少なくともこの画素領域の周辺に
高濃度の第１導電形の半導体層が設けられた固体
撮像装置を提供するものである。

次に本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。第３図ａは装置の大略の平面図を示し、第３
図ｂは第３図ａのBB′の断面図、第３図ｃは
CC′での断面図を示す。この装置は一導電形の半
導体基板１３上に絶縁膜１９を介し設けられた光
学的に透明なホト電極１４とシフト電極１５及び
多数の電荷転送電極１６（１６ａはそのうちの一
つの転送電極）で構成され、半導体基板と異なる
導電形の不純物を含む埋込みチヤンネル領域１
７、が設けられ、感光部のホト電極１４の所要の
部分のみに光が照射されるよう、他の部分は光学
的に不透明な光シールド膜１８で覆われている。
埋込みチヤンネルからなる複数の画素１７ａ，１
７ｂ，１７ｃとこれらの画素１７ａ，１７ｂ，１
７ｃを離隔する半導体基板１３領域とからなる画
素領域の周辺に半導体基板１３と同じ導電形の不
純物を高濃度に含むチヤンネルストツプ領域２２
が設けられている。この実施例で特徴的なことは
感光部の半導体基板１３の表面付近に半導体基板
１３と同じ導電形の不純物を高濃度に含むチヤン
ネルストツプ領域が設けられていないことであ
る。

次に本実施例の動作を説明する。ホト電極１４
に高レベル電圧を印加し、ホト電極１４下の埋込
みチヤンネル領域の各画素１７ａ，１７ｂ，１７
ｃに対応して、電位の井戸を形成する。

この際本構成ではチヤンネルストツプ領域がな
いためホト電極１４下の埋込みチヤンネル領域以
外の領域２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄがホト
電極１４にしきい値電圧以上の電圧を印加するこ
とにより、空乏層化し、この部分の電位ポテンシ
ヤルが、半導体基板１３のそれに比べて深くなる
が、ホト電極１４下の埋込みチヤンネル領域１７
ａ，１７ｂ，１７ｃの電位ポテンシヤルの方が、
さに深くなるため各画素１７ａ，１７ｂ，１７ｃ
に応じ電位の井戸が形成される。

一定期間ホト電極１４に高レベル電圧を印加し
ホト電極１４下の埋込みチヤンネル領域１７ａ，
１７ｂ，１７ｃに光照射により発生した電荷（信
号電荷）を蓄積した後、シフト電極１５に高レベ
ル電圧を、ホト電極１４に低レベル電圧を印加す
ると電位の井戸がシフト電極１５下の方がホト電
極１４下よりも深くなり、信号電荷を受け入れる
シフトレジスタの転送電極１６（例えば１６ａ）
に高レベル電圧を印加すれば、信号電荷はシフト
電極１５下を通り電荷転送シフトレジスタ１６へ
と転送される。シフト電極１５が低レベル電圧に
なり、ホト電極１５に高レベル電圧が印加される
と、再びホト電極１５下に電位の井戸が形成さ
れ、電荷が蓄積される。以上が本実施の動作であ
るが、本構成にすると、次に示すような利点が生
ずる。

第一に、本構成では従来例のチヤンネルストツ
プ領域を形成せず比較的低濃度の不純物領域であ
る埋込みチヤンネル領域により画素が構成される
ため白キズの原因となる積層欠陥を抑制すること
が容易となる。

第二に、チヤンネルストツプ領域を第１図ｄの
ように形成する際に必要であつたチヤンネストツ
プ領域と埋込みチヤンネル領域を重ねないための
余裕が本構成では必要なくなり画素を分離する領
域２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの幅を従来の
構成より小さくとることが出来、高集積化が可能
になる。

第三に、本構成における感光部の埋込みチヤン
ネル領域の不純物の拡散の際に、不純物は半導体
基板１３の表面と垂直な方向だけでなく平行方向
にも拡散し、このため感光部の埋込みチヤンネル
の断面形状は第４図ａのようになる。ここで画素
を形成する埋込みチヤンネルは２４ａ，２４ｂ，
２４ｃで示す。第４図ａではホト電極１４、光シ
ールド膜１８は省いてあり、この図は第３図ａの
CC′での断面図に相当する。即ち実際に不純物の
拡散されていない領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，
２３ｄの幅W₁は、拡散マスクをホト・リンググ
ラフイーでパターニングし形成した場合の拡散マ
スクの幅W₀よりも小さくなる。例として第４図
ｂにレジスト２５をマスクとし、イオン注入法に
より不純物イオンを酸化膜２６を通して注入し、
その後熱処理を行なつて不純物を拡散する場合の
断面形状を示す。この場合拡散マスクの幅はレジ
ストの幅W₀になる。即ち、不純物の半導体基板
の表面方向の拡散（横方向拡散）を考えれば実際
の感光部の埋込みチヤンネル領域以外の幅２３
ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、拡散マスクのパ
ターニング時のマスク幅よりも△W₁（＝W₀−
W₁）だけ狭くなる。第４図ａのような不純物分布
を持つ感光部のホト電極に高レベル電圧を印加し
た場合、電位ポテンシヤル分布は第４図ｃの実線
のようになる。第４図ｃで縦軸には半導体基板か
ら測つた電位ポテンシヤルの浅さの程度をとつて
いる。図中破線は感光部の埋込みチヤンネル２４
ａ，２４ｂ，２４ｃ形成時の不純物拡散の際不純
物の横方向拡散を考えない場合の電位ポテンシヤ
ルの分布を示す。即ち、不純物の横方向拡散を考
えることにより感光部の埋込みチヤンネルの幅
（画素の幅）は△W₁（＝W₁−W₀）だけ拡がる。こ
れに対し、従来のチヤンネルストツプを設ける構
成、例えば第１図ｃに示すようなチヤンネルスト
ツプ形成例においては、埋込みチヤンネル領域２
８の拡散をまず感光部に一様に行ない、その後、
基板と同一導電形の高濃度不純物領域（チヤンネ
ルストツプ領域）２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７
ｄを形成するための不純物拡散の際に不純物の横
方向拡散が起こり、第４図ｄのような不純物分布
を持つ断面形状となる。第４図ｄでは、ホト電極
と光シールド膜は省いてある。この従来の構成に
おいて、ホト電極に高レベル電圧を印加した場合
の電位ポテンシヤル分布は第４図ｅのようにな
る。図中実線は不純物の横方向拡散を考慮した場
合であり、（この場合画素の幅はW₂）破線は横方
向拡散を考慮しない場合であり画素幅をW₀′とす
ると不純物の横方向拡散を考慮すると画素幅は△
W₂′（＝W₀′−W₂）だけ狭くなる。即ち第４図ａ
の本構成と、第４図ｄのチヤンネルストツプのあ
る構成例とを比較すると、同じ寸法で拡散マスク
をパターンニングした場合本構成の画素の幅の方
が従来構成の画素の幅よりも不純物の横方向拡散
のため△W₁＋△W₂だけ拡がることがわかる。こ
の画素幅の拡がりにより、同一光量の光を入射し
ても信号出力が大きくなり、光感度の向上が期待
出来る。代表的な値として△W₁＋△W₂は７〜９
μ程度となり画素幅が15μｍの場合には２倍程度
光感度を上げることが出来る。また本構成例（第
４図ａ）において拡散マスクの寸法として３〜４
μｍ程度のパターニングが可能であれば、画素の
分離幅W₁が画素の幅に比べて十分無視出来るよ
うな感光領域を形成することが出来る。

次に蓄積電荷量について検討すると、画素に蓄
積される最大蓄積電荷量は低レベル電圧を印加し
たシフト電極１５下の埋込みチヤンネル領域２１
ａ，２１ｂ，２１ｃの電位ポテンシヤル（φ_Lと
呼ぶ）と、高レベル電圧を印加したホト電極１４
下の埋込みチヤンネル領域（φ_Hと呼ぶ）の内の
深い方で制約される。即ちφ_Lがφ_Hより大きい
（より深い）場合には画素に蓄積された電荷はま
ずシフト電極１５下の埋込みチヤンネル領域にあ
ふれるし、逆にφ_Hがφ_Lより大きいとホト電極下
の埋込みチヤンネル領域以外の領域に画素の蓄積
電荷があふれる。

良好な特性が得られる代表的な値として比抵抗
が10Ωcmシリコンを用い、ホト電極、シフト電極
下の絶縁膜の厚みを1000A、埋込みチヤンネル領
域の不純物濃度Ｎ_Dと10¹⁶cm^-3埋込みチヤンネル
の深さを１μｍとすると、シフト電極に低レベル
電圧として零ボルトを印加した場合、半導体基板
１３より測つたシフト電極下の埋込みチヤンネル
領域の電位がポテンシヤルφ_Lは８ボルト程度の
値となりφ_L＝φ_Hとなるホト電極に印加する高レ
ベル電圧は９ボルト程度となる。ホト電極に印加
する高レベル電圧としては４〜６ボルト程度で使
用するので、最大蓄積電荷量はシフト電極下の埋
込みチヤンネル領域の電位ポテンシヤルで制限さ
れる。換言すれば良好な特性が得られる代表的な
動作条件では本構成と、第１図に示す従来の構成
の最大蓄積電荷量は同じであり、チヤンネルスト
ツプ領域を画素の分離に設けなかつたことによる
不利は生じない。

上記実施例では、画素配列は一次元的であり、
かつシフトレジスタも１個のものについて説明し
たが、当然のことながら本発明は画素配列を二次
元的に行なつたイメージセンサ、さらに一次元的
な画素配列の両側に読出しシフトレジスタを設け
たイメージセンサにも適用出来る。さらに本発明
では、２層多結晶シリコン重ね合せ形電極構造の
イメージセンサを例示したが、他の電極構造の電
荷転送デバイスでも本発明は適用出来る。また、
ホト電極下の埋込みチヤンネルの不純物濃度はシ
フト電極下の不純物濃度と同じにする必要はなく
電荷転送シフトレジスタ領域の不純物濃度と同じ
でなくともよい。

さらに本発明では光の入射される領域にもホト
電極が形成されていたが、第５図のようにホト電
極をなくし、感光部の光の入射されない部分のみ
ホト電極２９を設ける構造にしてもよい。このよ
うな構成にすれば入射光のホト電極による光吸収
をなくすことが出来、光感度を上げることが期待
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のリニアイメージセンサの構成及
び動作を説明するための図、第２図は第１図の画
素を区切るためのチヤンネルストツプ領域の形成
例を示す図、第３図は本発明装置実施例の説明
図、第４図は第３図の効果を説明するための図、
第５図は第３図の別の実施例を説明するための図
である。 １，１４，２９……ホト電極、２，１５，３０
……シフト電極、３，１６……電荷転送シフトレ
ジスタ、７，１９，３２……絶縁膜、４，１３，
３４……半導体基板、９，１６ａ，３１……転送
電極、６，１７，３３……埋込みチヤンネル領
域、８，１８，３５……光シールド膜、１０，１
１，２２，３６……チヤンネルストツプ領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１導電形半導体基板と、この半導体基板内
   表面の一方向に配列された入射光量に応じた信号
   電荷の生成及び蓄積を行うための第２導電形半導
   体層からなる複数の画素及びこれらの画素を離隔
   する半導体基板領域とからなる画素領域と、前記
   第２導電形半導体層から離隔して設けられた複数
   の電極からなる電荷転送部と、前記画素に蓄積さ
   れた蓄積電荷を前記電荷転送部領域へ転送するシ
   フト電極と、少なくとも前記画素領域の周辺に設
   けられた高濃度の第１導電形半導体層とを具備す
   ることを特徴とする固体撮像装置。