JP2005026717A

JP2005026717A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2005026717A
Application number: JP2004291744A
Authority: JP
Inventors: Koichi Harada; 耕一原田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】オーバーフローバリアが深く形成され、近赤外線領域にも感度のある特性の良好な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】縦型オーバーフロードレイン方式の固体撮像素子１において、第１導電型半導体基板２と、第１導電型半導体基板２上に形成された第１導電型半導体基板２よりも低濃度の第１導電型半導体層３と、第１導電型半導体層３上に形成された第２導電型半導体領域４と、第２導電型半導体領域４上に形成した、第２導電型半導体領域４より低濃度で赤外線が十分吸収されうるべく２μｍ以上の厚さを有する第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域５を有し、この第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域５の表面に受光部１１が形成された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＣＣＤセンサーに適用する固体撮像素子に係わる。

固体撮像素子として、受光部での余剰の電荷を基板側に排出するようにした、いわゆる縦型オーバーフロードレイン方式の固体撮像素子が知られている。

この縦型オーバーフロードレイン方式固体撮像素子において、例えば基板としてｎ型半導体基板を用いて作製したＣＣＤ（charged couple device）型固体撮像素子では、いわゆるオーバーフローバリアをなるべく基板のシリコン中に深く形成して感度を向上させるために、高エネルギーのイオン注入でオーバーフローバリア領域を形成する方法が用いられる。

しかしながら、上述の方法では、オーバーフローバリアを最大でも５μｍ程度の深さまでしか形成できなかった。

その他の方法としては、イオン注入を行った後に熱を加えて、拡散させてオーバーフローバリア領域を形成する方法もあるが、この場合には製造に長時間を要し、また拡散中の汚染等の影響が大きく、固体撮像素子の特性の劣化につながってしまう。

一方、基板としてｐ型半導体基板を目的として作製したＣＣＤ型固体撮像素子では、近赤外線領域に感度を有することが知られている。
しかしながら、受光部の光電変換領域が全て空乏化されてはいないため、近赤外線領域でのＭＴＦ（モジュレーション・トランスファー・ファンクション；解像度を表す）が悪く、スミアや暗電流による残像等、ｎ型半導体基板にＣＣＤ型固体撮像素子を形成した場合に比較して特性が劣るという問題があった。

上述した問題の解決のために、本発明においては、オーバーフローバリアが深く形成され、特性の良好な固体撮像素子を提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、第１導電型半導体基板上に、第１導電型半導体基板よりも低濃度の第１導電型半導体層、第２導電型半導体領域、及びその上の第２導電型半導体領域より低濃度で赤外線が十分吸収されうるべく２μｍ以上の厚さを有する第１導電型、第２導電型又は真性導電型の半導体領域を形成し、この半導体領域の表面に受光部を形成した構成とする。

上述の本発明の構成によれば、第２導電型半導体領域上に第２導電型半導体領域より低濃度で赤外線が十分吸収されうるべく２μｍ以上の厚さを有する半導体領域を形成することにより、第２導電型半導体領域がいわゆるオーバーフローバリア領域となり、オーバーフローバリアを赤外線が十分吸収されうる深さまで形成することができる。よって、高感度化が図られる。

上述の本発明の固体撮像素子によれば、第２導電型の半導体領域とこれの上に赤外線が十分吸収されるべく２μｍ以上の厚さを有する高抵抗の半導体領域を形成して、この表面に受光部を形成することにより、第２導電型の半導体領域がオーバーフローバリアとなり、オーバーフローバリアの深さを赤外線が十分吸収されうる深さまで形成することができ、近赤外線領域にも感度を有する固体撮像素子を構成できる。
また、受光部での空乏層の幅を従来より長くすることができるので、可視光の感度も向上させることができる。

また、本発明の固体撮像素子により、基板に電荷を逃がす電子シャッターを形成することができる。

高抵抗の半導体領域をエピタキシャル層で形成するときは、第２導電型の半導体領域を赤外線が十分吸収されうる深さに形成することが容易にできる。

第２導電型の半導体領域をイオン注入により形成するときは、第１導電型半導体の基板に対して低エネルギーの打ち込みで作ることができる。

第２導電型の半導体領域を１０^１４〜１０^１６ｃｍ^−３の濃度とするときは、ここに充分なオーバーフローバリアを形成することができる。

本発明の固体撮像素子は、縦型オーバーフロードレイン方式の固体撮像素子において、第１導電型半導体基板と、第１導電型半導体基板上に形成された第１導電型半導体基板よりも低濃度の第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に形成された第２導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域上に形成された第２導電型半導体領域より低濃度で赤外線が十分吸収されうるべく２μｍ以上の厚さを有する第１導電型、第２導電型又は真性導電型の半導体領域を有し、そしてこの第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域の表面に受光部が形成されてなる構成とする。

また本発明は、上記固体撮像素子において、第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域がエピタキシャル層で形成されてなる構成とする。

また本発明は、上記固体撮像素子において、第１導電型半導体層上に形成された第２導電型半導体領域がイオン注入により形成されてなる構成とする。

また本発明は、上記固体撮像素子において、第１導電型半導体層上に形成された第２導電型半導体領域は１０^１４〜１０^１６ｃｍ^−３の濃度である構成とする。

以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施例を説明する。
図１は、本実施例に係る縦型オーバーフロードレイン方式のＣＣＤ型固体撮像素子を示す。
この固体撮像素子１は、第１導電型の、本例ではｎ型のシリコンからなる半導体基板２上に、第１導電型の低不純物濃度の即ちｎ⁻型のエピタキシャル層３が形成され、このエピタキシャル層３内にイオン注入による第２導電型の半導体領域、本例では第１のｐ型の半導体ウエル領域４が形成され、この第１のｐ型の半導体ウエル領域４上にエピタキシャル成長により、第１のｐ型半導体ウエル領域４より低不純物濃度である高抵抗の半導体領域５が形成される。この高抵抗の半導体領域５の表面に受光部１１を構成するための、ｎ^＋型の不純物拡散領域６及びこの上のｐ^＋型の正電荷蓄積領域７が形成される。また、受光部１１から離れた位置の高抵抗の半導体領域５に第２のｐ型半導体ウェル領域８及びｎ型の転送チャネル領域９が形成され、さらにｐ型のチャネルストップ領域１４が形成される。

ここで、第１のｐ型の半導体ウエル領域４は、いわゆるオーバーフローバリア領域となる。受光部１１は画素となるもので、複数の受光部１１がマトリックス状に配列されている。

受光部１１と後述する垂直転送レジスタ１２の間に読み出しゲート部１３が形成される。
転送チャネル領域９、チャネルストップ領域１４及び読み出しゲート部１３上にゲート絶縁膜１５を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極１６が形成され、転送チャネル領域９、ゲート絶縁膜１５及び転送電極１６によりＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１２が構成される。

さらに、転送電極１６上を被覆する層間絶縁膜１８を介して受光部１１の開口を除く他所全面に遮光膜１７が形成される。

第１導電型の低不純物濃度のエピタキシャル層３は、いわゆるシャッタ電圧を調整するために設けるもので、このエピタキシャル層３を形成することにより、基板電圧Ｖｓｕｂによるシャッタ電圧の調節が容易になる。

第２導電型の第１の半導体ウエル領域４は、第１導電型の低不純物濃度のエピタキシャル層３へのイオン注入により形成され、好ましくは不純物の濃度が１０^１４〜１０^１６ｃｍ^−３の範囲内とされる。

高抵抗の半導体領域５の厚さは２μｍ以上、好ましくは５μｍ以上とし、不純物の濃度は第１のｐ型半導体ウエル領域４より低濃度で、導電型は第１のｐ型半導体ウエル領域４と同一のｐ型でもよく、反対のｎ型でもよく、またノンドープ（真性半導体）であってもよい。

このようにして、受光部１１と、オーバーフローバリアとなる第１のｐ型の半導体ウエル領域３と、オーバーフロードレインとなる基板２が垂直方向に形成されてなる、いわゆる縦型オーバーフロードレイン方式のＣＣＤ型の固体撮像素子１が構成される。

この固体撮像素子１の不純物プロファイルと、これに対応したポテンシャルの変化を図２に示す。
図２より、Ｐ^＋型の正電荷蓄積領域７の先端では０Ｖで、そのＰ^＋型の正電荷蓄積領域７の途中からポテンシャルが上昇し、ｐｎ接合付近でピークになった後、ポテンシャルが下がり、第１のｐ型半導体ウェル領域４でポテンシャルが極小となる。即ち、この第１のｐ型半導体ウエル領域４でオーバーフローバリアが形成される。そして、さらに深くなる程ポテンシャルが上昇し、ｎ⁻型のエピタキシャル層３内でポテンシャルが飽和する。

このポテンシャルが飽和する位置まで空乏化されている。
このように、赤外線が進入する深さに形成された高抵抗の半導体領域５より充分に深い位置まで空乏化されることから、本実施例の固体撮像素子１によれば、赤外線の検出を行うことが容易にできる。

上述の実施例の固体撮像素子の入射光の波長と相対感度との関係を調べた。
従来の固体撮像素子と比較して、図３Ａ及び図３Ｂに示す。
図３Ａは従来のｐ型基板のＣＣＤ固体撮像素子と比較した場合で、図３Ｂは従来のｎ型基板のＣＣＤ固体撮像素子と比較した場合の図である。

図３Ａより、本実施例の固体撮像素子（曲線Ｉ）は、可視光線領域に高い感度を有するだけでなく、７００ｎｍ以上の赤外線領域にも感度を有することがわかる。
ｐ型基板の従来例（曲線II）でも赤外線領域に感度を有しているが、可視光線領域の感度が狭い範囲の波長に偏っている。

図３Ｂより、同じｎ基板を用いた従来例（曲線III ）と比較すると、本実施例の固体撮像素子（曲線Ｉ）は、可視光線の波長が長い赤色の感度が向上し、さらに赤外線領域の感度が大幅に上がっていることがわかる。

このように、本実施例の固体撮像素子１により、実際に赤外線の感度が向上することがわかる。

即ち、本実施例によれば、他の特性に影響を与えずに、可視光のみならず近赤外線領域にも感度をもつ固体撮像素子が得られる。また、受光部の空乏層幅が従来よりも長くなるので、可視光の感度も向上する。本例のｎ型基板のＣＣＤ固体撮像素子では、感度以外の特性は従来のｎ型基板のＣＣＤ固体撮像素子と同等となる。さらに、電荷を基板側に逃がす電子シャッタ動作も可能になる。

この固体撮像素子１は、例えば次のように製造する。
図４Ａに示すように、第１導電型例えばｎ型の半導体基板２を用意する。
次に、図４Ｂに示すように、第１導電型の半導体基板２上に、エピタキシャル成長により第１導電型で低不純物濃度のすなわちｎ⁻型のエピタキシャル層３を、例えば１０μｍの厚さに形成する。

次に、図５Ｃに示すように、エピタキシャル層３の一部に、低エネルギーの不純物のイオン注入により、第２導電型すなわちｐ型の第１の半導体ウエル領域４を形成する。この第１のｐ型の半導体ウエル層４は、いわゆる撮像領域の全域にわたって形成する。

次に、図５Ｄに示すように、エピタキシャル層３と第１のｐ型半導体ウエル領域４上に、これらを覆って高抵抗の半導体領域５をエピタキシャル成長により、例えば１０μｍの厚さに形成する。

次に、図６Ｅに示すように（但し、図６Ｅ以後は１画素に対応する領域のみを示す）、高抵抗の半導体領域５にイオン注入を行って、受光部を構成するｎ^＋型の不純物拡散領域６及びｐ^＋型の正電荷蓄積領域７、第２のｐ型半導体ウェル領域８、ｎ型の転送チャネル領域９及びｐ型のチャネルストップ領域１４をそれぞれ形成する。

次に、図６Ｆに示すように、表面を覆って全面的にゲート絶縁膜１５を形成し、これの上に選択的にポリシリコン層による転送電極１６を形成する。

この後は、転送電極１６を絶縁膜１５で覆い、これの上に例えばＡｌ等遮光金属からなる遮光膜１７を形成する。遮光膜１７には、受光部１１に対応する部分に開口を形成する。
このようにして、図１に示す固体撮像素子１を形成することができる。

上述の実施例では、半導体基板１上にｎ⁻型のエピタキシャル層２を形成したが、エピタキシャル層２を形成せず、ｎ型の半導体基板１に、直接イオン注入により反対導電型の第１のｐ型の半導体ウエル領域４を形成する構成としてもよく、同様に第１のｐ型の半導体ウエル領域４を覆って高抵抗の半導体領域５を形成し、深く空乏化することができる。

本発明の固体撮像素子は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の固体撮像素子の実施例の概略構成図（断面図）である。図１の固体撮像素子の不純物プロファイルである。図１の固体撮像素子の分光感度特性を比較例の固体撮像素子と比較した図である。Ａｐ型基板を用いた固体撮像素子と比較した図である。Ｂ従来のｎ型基板を用いた固体撮像素子と比較した図である。Ａ、Ｂ図１の固体撮像素子の製造工程の一工程図である。Ｃ、Ｄ図１の固体撮像素子の製造工程の一工程図である。Ｅ、Ｆ図１の固体撮像素子の製造工程の一工程図である。

符号の説明

１固体撮像素子、２半導体基板、３エピタキシャル層、４第１のｐ型の半導体ウエル領域、５高抵抗の半導体領域、６ｎ^＋型の不純物拡散領域、７正電荷蓄積領域領域、８第２のｐ型の半導体ウエル領域、９転送チャネル領域、１１受光部、１２垂直転送レジスタ、１３、読み出しゲート部、１４チャネルストップ領域、１５ゲート絶縁膜、１６転送電極、１７遮光膜、１８層間絶縁膜

Claims

縦型オーバーフロードレイン方式の固体撮像素子において、
第１導電型半導体基板と、
該第１導電型半導体基板上に形成された該第１導電型半導体基板よりも低濃度の第１導電型半導体層と、
該第１導電型半導体層上に形成された第２導電型半導体領域と、
該第２導電型半導体領域上に形成され、第２導電型半導体領域より低濃度で赤外線が十分吸収されうるべく２μｍ以上の厚さを有する第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域を有し、
該第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域の表面に受光部が形成されてなる
ことを特徴とする固体撮像素子。
上記第１導電型、第２導電型又は真性の半導体領域がエピタキシャル層で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
上記第１導電型半導体層上に形成された上記第２導電型半導体領域がイオン注入により形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
上記第１導電型半導体層上に形成された上記第２導電型半導体領域は１０^１４〜１０^１６ｃｍ^−３の濃度であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。