JP4049248B2

JP4049248B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4049248B2
Application number: JP2002201501A
Authority: JP
Inventors: 裕子安達; 哲生山田; 真司宇家
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: EP1381087A3; JP2004047630A; US6891243B2; US20040007754A1; EP1381087A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＣＤ等の固体撮像装置に係り、特に、隣接素子間を分離するトレンチ構造のチャネルストップを有する固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来の固体撮像装置の要部断面図である。この固体撮像装置の半導体基板表面部にはｎ領域の垂直転送路（ＶＣＣＤ）１が形成され、隣接する垂直転送路１間は、ｐ型不純物層で成るチャネルストップ（ＣＳ）２により素子分離が行われている。また、半導体基板表面には、多結晶シリコンでなる転送兼読出電極３が設けられている。
【０００３】
チャネルストップ２のｐ型不純物は隣接する垂直転送路１に拡散してしまい、垂直転送路１の実効的な転送路（チャネル）幅を狭め、垂直転送路１のチャネル電位を低下させてしまう。この影響は、垂直転送路１の幅を微細に製造するほど顕著となり、狭チャネル効果と呼ばれる。
【０００４】
図１１は、狭チャネル効果を示すグラフであり、例えば垂直転送路１のチャネル幅０．５μｍのとき、チャネルストップ（ＣＳ）を設けない垂直転送路で５．８Ｖの電位となっていたものが、片側にチャネルストップが設けられると５．３Ｖしか電位がかからず、両側にチャネルストップが設けられると４．６Ｖしか電位がかからなくなってしまう。これでは、垂直転送路１へのフォトダイオード（画素）からの電荷読み出しや、垂直転送路１に沿って行う電荷転送が不十分になってしまう。
【０００５】
図１２は、図１０に示すチャネルストップ２の周りの電位勾配をシミュレートした図であり、チャネルストップ２は、Ｘ軸座標で０．７５μｍの位置を中心に形成されている。図１２は図１０の電極３に０Ｖの電圧を印加したときの二次元電位勾配図であり、図１３は電極３に−８Ｖの電圧を印加したときの二次元電位勾配図である。また、図１４及び図１５は、電極３に読出電圧＋１６Ｖを印加したときの二次元電位勾配図及び一次元電位図であり、図１６は、垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。
【０００６】
これらの図から、図１０に示す固体撮像装置では、チャネルストップ２による素子分離の効果が低いことが分かる。特に、図１４，図１５に示したように、転送路の電位の影響によってチャネルストップ２の電位も深くなっており、転送路１とチャネルストップ２との電位差が小さく、素子分離効果は低い。
【０００７】
図１７は、図１０に示す固体撮像装置に比べ、チャネルストップ２内に酸化膜４を埋設した従来の固体撮像装置（例えば特開２００２―５７３８１号公報）の構成図である。図１８，図１９，図２０は、この固体撮像装置の電極３に、０Ｖ，−８Ｖ（転送電圧），＋１６Ｖ（読出電圧）の電圧を印加したときの二次元電位勾配をシミュレートした図である。また、図２１は、電極３に＋１６Ｖを印加したときの一次元電位図であり、図２２は、垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。チャネルストップ２は、Ｘ軸座標で０．７５μｍの位置を中心に深さ０．４μｍに形成されている。
【０００８】
図１７に示す固体撮像装置では、図１８，図１９より、０Ｖ印加時のチャネル電位は１１．５Ｖであり、−８Ｖ印加時のチャネル電位は４．１Ｖであるため、その変調度（電位差／電圧差）＝０．９３となる。これに対し図１０に示す固体撮像装置では、図１２，図１３より、０Ｖ印加時のチャネル電位は１０．１Ｖであり、−８Ｖ印加時のチャネル電位は４．２Ｖであるため、変調度＝０．７４となる。即ち、チャネルストップ２内に酸化膜４を埋設することで、ｐ型不純物層がなくなるためチャネル電位が低下しなくなり、狭チャネル効果の影響も緩和されると推測される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の図１７の固体撮像装置では、垂直転送路１に電荷が蓄積されている場合、チャネルストップ２の界面５と垂直転送路１の信号電荷との電位差が少なくなり（図１６，図２２参照）、この界面５に電荷（図示する固体撮像装置では電子）がトラップされやすくなるという問題がある。界面５に電荷がトラップされると、このトラップ電荷は一定確率で次パケットの垂直転送路１内に入り込み、転送効率を劣化させてしまう。
【００１０】
数１００万画素が搭載される近年の固体撮像装置では、１回の垂直転送路の転送で千段以上の転送が行われるため、例えば１段の転送毎に電子１個づつが空パケットに入り込むと、垂直転送路からこの空パケットが読み出されたとき、そのパケットには千個以上の電子が入りこんでしまい、撮像画像の画質を大幅に劣化させてしまう。
【００１１】
更に、界面５が空乏化しているため、ダングリングボンドからの暗電流発生や、高速のＧＲセンタ（重金属原子など）からの白キズ発生が著しく増加するという問題もある。
【００１２】
本発明の目的は、チャネルストップによる狭チャネル効果を緩和し且つトラップ電荷による影響、ダングリングボンドや高速なＧＲセンタの影響を低減した固体撮像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の受光センサ部と、各受光センサ部に近接して形成された垂直転送路と、隣接する垂直転送路間に設けられトレンチ構造の絶縁層でなるチャネルストップとを備える固体撮像装置において、前記絶縁層内に、前記垂直転送路の転送電極に印加されるパルスと逆極性のパルスが印加される導電性物質を埋設したことを特徴とする。
【００１４】
この構成により、チャネルストップ（素子分離領域）と垂直転送路との間に電位差が生じ、隣接する垂直転送路間での電荷混合が阻止され、電荷トラップも防止され、狭チャネル効果が緩和される。また、動作に必要な電圧が低減できる。
【００１７】
更に好適には、上記において、前記チャネルストップの最下部に、前記受光センサ部とは反対導電型の拡散領域が形成されていることを特徴とする。この構成により、チャネルストップの素子分離効果が高まり、画素間の信号電荷混合が一層防止可能となる。
【００１８】
更に好適には、上記において、前記拡散領域のドープ不純物が前記導電性物質内にもドープされ該導電性物質と前記拡散領域とが接続状態となっていることを特徴とする。この構成により、チャネルストップを利用して信号電荷と反対極性の電荷の掃き出しをスムースに行うことが可能となる。
【００１９】
更に好適には、上記において、前記導電性物質が多結晶シリコンであることを特徴とする。この構成により、固体撮像装置の半導体基板と前記導電性物質の熱膨張係数の差がなくなり、トレンチ側面のストレスによる結晶欠陥の発生を低減可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部平面図である。この固体撮像装置１０は、いわゆるハニカム型といわれ、フォトダイオードで成る画素１１が１行置きに１／２ピッチづつ水平方向にずらして形成されている。各画素１１の両脇には、夫々垂直転送路１２がジグザグ形状に形成されており、各垂直転送路１２の右脇には、チャネルストップ１３が設けられる。これにより、画素１１からの電荷読出に必要な領域１４以外で垂直転送路１２が隣接する素子から分離される。尚、本実施形態ではハニカム型といわれる固体撮像装置を対象としているが、本発明はチャネルストップを有するベイヤー方式の固体撮像装置にも適用可能である。
【００２２】
図２は、図１のII―II線断面図である。この固体撮像装置１０の半導体（この例ではシリコン）基板表面部には、ｎ型不純物がドープされて形成された垂直転送路１２が設けられ、隣接する垂直転送路１２間には、チャネルストップ１３が設けられている。このチャネルストップ１３は、垂直転送路１２間に深さ０．４μｍの溝を刻設し、半導体基板表面を酸化して酸化膜１４を形成し、溝内に多結晶シリコン１５を埋設することで製造される。垂直転送路１２の表面には、表面酸化膜１６を介して多結晶シリコンで成る転送兼読出電極１７が形成される。
【００２３】
チャネルストップ１３内に埋設される多結晶シリコン１５は、垂直転送路１２に沿い垂直転送路１２の全長に渡って連続して形成され、半導体基板に設けられた図示しない接続パッドに所定電圧が印加されたとき、多結晶シリコン１５の抵抗値等で決まる時定数に従う所定時間後に、多結晶シリコン１５は全長に渡って所定電圧になる。尚、本実施形態では、多結晶シリコン１５に、常時、マイナス電圧を印加する。
【００２４】
図３は、図１に示すチャネルストップ１３の周りの電位勾配をシミュレートした図である。チャネルストップ１３は、Ｘ軸座標で０．７５μｍの位置を中心に深さ０．４μｍに形成されており、電極１７と多結晶シリコン１５には０Ｖが印加されている。
【００２５】
図４は電極１７に−８Ｖを印加したときの二次元電位勾配図であり、図５及び図６は、電極１７に読出電圧＋１６Ｖを印加したときの二次元電位勾配図及び一次元電位図である。また、図７は、垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。
【００２６】
垂直転送路１２で電荷転送を行う場合、電極１７には、０Ｖと−８Ｖとが交互に印加され、画素（受光センサ部）から信号電荷を垂直転送路１２に読み出すときは電極１７に＋１６Ｖが印加されるため、チャネルストップ１３の周りの電位分布は、図３，図４，図５のいずれかの状態となる。
【００２７】
これらの図３，図４，図５及び図６から分かるとおり、転送路１２とチャネルストップ１３との間の電位差が大きく、チャネルストップ１３の深い部分においても電位が浅いため、本実施形態に係るチャネルストップ１３は、素子分離効果が高い。これにより、電荷読出時の隣接垂直転送路への電荷混合が防止されると共に、図１７で説明した界面５への電荷トラップも防止される。更に、ｐ型不純物が無いため、狭チャネル効果も緩和される。
【００２８】
尚、シミュレーションでは、多結晶シリコン１５に印加する電圧を０Ｖとしたが、この多結晶シリコン１５に印加する電圧をマイナス電圧とすることで、更にチャネルストップ１３と転送路１２との間の電位差が大きくなり、転送路１２間の電荷混合がより一層防止される。
【００２９】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１０では、トレンチ構造のチャネルストップ１３に固体撮像装置１０のシリコン基板と同程度の熱膨張係数を持つ多結晶シリコン１５を埋設したため、多結晶シリコン１５がシリコン基板から受けるストレスは極めて小さくなり、このストレスに起因する結晶欠陥の発生は低減する。
【００３０】
実施形態では、多結晶シリコン１５に印加する電圧を、常時、マイナス電圧としたが、図８に示す様に、電極１７に＋１６Ｖの読出電圧パルスが印加されたとき、これと逆位相の相殺パルスを多結晶シリコン１５に印加するのが好ましい。
【００３１】
これにより、図１７で説明した界面５の電位がマイナスへシフトし、界面５への電荷（電子）トラップが更に防止可能となる。相殺パルスの開始タイミングは、読出電位パルスの開始タイミングに対して若干先行させる。先行させる程度は、上述した多結晶シリコン１５の抵抗値等で決まる時定数から求める。
【００３２】
また同様に、電極１７に印加される「０Ｖ」と「−８Ｖ」とが繰り返される転送パルスに応じて、この転送パルスと逆極性の相殺パルスを多結晶シリコン１５に印加する構成とすることでもよい。
【００３３】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。この実施形態では、第１の実施形態に比べて、チャネルストップ１３の下部位置に拡散層１８を設けた点のみ異なる。この拡散層１８は、画素（受光センサ部）１１とは反対導電型の不純物、図示の例ではｐ型不純物を拡散して形成する。これにより、素子分離領域が基板深部にまで達し、画素１１間の信号電荷の混合がより一層防止されることになる。
【００３４】
また、ｐ型拡散層１８が設けられることで、本実施形態に係るチャネルストップ１３は、信号電荷と反対極性の電荷掃き出しを行う経路として利用可能となる。好適には、チャネルストップ１３内の多結晶シリコン１５にも高濃度のｐ型不純物をドープし、この多結晶シリコン１５とｐ型拡散層１８とを接続するのが良い。これにより、電荷掃き出しがスムースに行われる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、チャネルストップ内に導電性物質を埋設し、この導電性物質の電位を所定電位に制御することで、チャネルストップの素子分離効果を高め、垂直転送路の狭チャネル効果を緩和し、画像欠陥の発生、転送効率の低下、暗電流の増加を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部平面図である。
【図２】図１のII―II線断面図である。
【図３】図２に示す電極に０Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図４】図２に示す電極に−８Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図５】図２に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図６】図２に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの一次元電位図である。
【図７】図２に示す固体撮像装置で垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。
【図８】電荷読出パルスと相殺パルスを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の要部断面図である。
【図１１】狭チャネル効果を説明するグラフである。
【図１２】図１０に示す電極に０Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図１３】図１０に示す電極に−８Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図１４】図１０に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図１５】図１０に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの一次元電位図である。
【図１６】図１０に示す固体撮像装置で垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。
【図１７】従来の別の固体撮像装置の要部断面図である。
【図１８】図１７に示す電極に０Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図１９】図１７に示す電極に−８Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図２０】図１７に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの二次元電位勾配図である。
【図２１】図１７に示す電極に＋１６Ｖを印加したときのチャネルストップ周りの一次元電位図である。
【図２２】図１７に示す固体撮像装置で垂直転送路に電荷を蓄積したときの一次元電位図である。
【符号の説明】
１０固体撮像装置
１１画素（受光センサ部）
１２垂直転送路
１３チャネルストップ
１４酸化膜
１５多結晶シリコン（導電性材料）
１６表面酸化膜
１７転送兼読出電極
１８ｐ型拡散層

Claims

半導体基板上に、複数の受光センサ部と、各受光センサ部に近接して形成された垂直転送路と、隣接する垂直転送路間に設けられトレンチ構造の絶縁層でなるチャネルストップとを備える固体撮像装置において、前記絶縁層内に、前記垂直転送路の転送電極に印加されるパルスと逆極性のパルスが印加される導電性物質を埋設したことを特徴とする固体撮像装置。
前記チャネルストップの最下部に、前記受光センサ部とは反対導電型の拡散領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記拡散領域のドープ不純物が前記導電性物質内にもドープされ該導電性物質と前記拡散領域とが接続状態となっていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記導電性物質が多結晶シリコンであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。