JPH07161958A

JPH07161958A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH07161958A
Application number: JP5308947A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Hokari; 泰明穂苅
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-09
Filing date: 1993-12-09
Publication date: 1995-06-23
Also published as: US5514887A; KR0168902B1; KR950022815A

Abstract

(57)【要約】【目的】固体撮像装置のスミア電荷を抑制するととも
に、光電変換効率を向上する。【構成】フォトダイオードとなるＮ型不純物領域が、
濃度が低くかつ深い位置に形成された第１の不純物領域
１３１と、これよりも濃度が高くかつ浅い位置に形成さ
れた第２の不純物領域１３２とから構成され、前記第１
の不純物領域１３１が素子を分離するべく設けられたＰ
型不純物領域２４の底部に、およびフォトダイオードか
ら電荷を読出すトランジスタのゲート領域２６の底部に
延在して設ける。また不純物領域１３１の不純物濃度は
１３２よりも薄く設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電荷結合（ＣＣＤ）型の
２次元固体撮像装置に関し、特に垂直ＣＣＤチャネル内
に混入するスミア電荷を抑制するとともに光電変換感度
を高めた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の固体撮像装置の構成を説明
する平面図であり、２１１，２１２は光電変換を行うフ
ォトダイオード、２２１，２２２は電荷を転送するＣＣ
Ｄチャネル、２３１，２３２，２４１，２４２は電荷の
転送方向を示す。この固体撮像装置の動作は概略次の通
りである。まず固体撮像装置上に投影された光パターン
強度に応じた電荷がフォトダイオード２１１ａ〜２１１
ｄ，２１２ａ〜２１２ｄに蓄積される。所定時間経過し
た後に、蓄積された電荷が例えばフォトダイオード２１
１ａ〜２１１ｄからＣＣＤチャネル２２１に矢印２３１
ａ〜２３１ｄに示されるごとく一括転送され、続いて電
荷がＣＣＤチャネル２２１の内部を出力部に向けて矢印
２４１に示す方向に転送され順次読み出される。

【０００３】図６はフォトダイオードとＣＣＤチャネル
の従来構造を説明する拡大された平面図であり、図にお
いて１はフォトダイオード、２はＣＣＤチャネル、４は
電荷転送電極、５は分離領域、６はＭＯＳトランジスタ
のゲート領域を示す。斜線で示されるフォトダイオード
１は、分離領域５と斜線で示されたゲート領域６とによ
りＣＣＤチャネル２と分離される。ゲート領域６は、電
極４ｂにパルス電圧を加えることでフォトダイオード１
に蓄積された電荷をＣＣＤチャネル２に読み出す機能を
持つ。電極４ｂに転送された電荷は、電極群４に位相の
異なるパルス電圧を加えることでＣＣＤチャネル２中を
転送される。

【０００４】図７は図６のＡ−Ａ′における断面構造を
説明する図である。図において、１１はＮ型半導体基
板、１３はフォトダイオードとなるＮ型不純物領域、１
３０はＣＣＤチャネルとなるＮ型不純物領域、２１はＰ
型ウェル、２３はＰ型不純物層、２４は素子を分離する
高濃度Ｐ型不純物層、２５はＳｉ／ＳｉＯ₂界面で発生
する電流を抑制すべくフォトダイオード１３の表面に設
けられた高濃度Ｐ型不純物層、２６はＰ型不純物領域、
３１は絶縁膜、３３は層間絶縁膜、４１は多結晶シリコ
ンからなる電荷転送電極、５１はＣＣＤチャネル１５へ
の光の侵入を防止するべく設けられた遮光膜、６１，６
２は光路をそれぞれ示す。

【０００５】この構造素子では、Ｎ型不純物領域１３と
Ｐ型ウェル２１はｐｎ接合のフォトダイオードを構成
し、Ｎ型不純物領域１３に入射した光６１により光電変
換され発生した電子がＮ型不純物領域１３に蓄積され
る。電極４１はＮ型不純物領域１３とＣＣＤチャネル１
３０とでＭＯＳトランジスタのゲート・ソース・ドレイ
ンを構成し、電極４１に１０〜１５Ｖの電圧パルスを加
えることでフォトダイオード１３に蓄積された電子をＣ
ＣＤチャネル１３０に転送する。しかる後に電極４１に
−５〜−１０Ｖの電圧パルスを加えることにより、ＣＣ
Ｄチャネル内を紙面に垂直方向に電子が転送される。

【０００６】一方、斜め方向から入射する光６２はＣＣ
Ｄチャネル１３０近傍のＰ型ウェル領域２１に達しこの
領域で電荷を発生し、このうち電子がＣＣＤチャネル１
３０に流れ込み偽信号（スミア現象）を生ずる。光電変
換された電荷がフォトダイオード以外の領域に流れるこ
とは、フォトダイオードでの電荷収集効率が低下するこ
とであり感度が低下するという結果をもたらす。

【０００７】これを改善する第１の従来手法として図８
は特開平５−７５０８９号公報に記載されるものであ
り、図において１１はＮ型基板、１２はＰ型ウェル拡散
層、２７はゲート電極、２８は遮光膜、３５は斜め入射
光、４３はフォトダイオードとなるＮ型拡散層、４４は
高濃度Ｐ型拡散層、４５は高濃度Ｐ型拡散層、４６はＣ
ＣＤチャネルとなるＮ型拡散層を示す。

【０００８】この例では、フォトダイオードであるＮ型
拡散層４３がＰ型拡散層４５を介してＣＣＤチャネルで
あるＮ型拡散層４６の下部にまで延在して設けられる。
このため斜め光が入射してもＮ型拡散層４３内部で光電
変換が生ずるため、ほとんどの電子はこの拡散層に蓄積
される。従って、ＣＣＤチャネル４６に流れ込む電子は
少なく、スミア抑制効果が大きいという利点がある。さ
らにこの例では、フォトダイオード４３の全表面に高濃
度Ｐ型拡散層４４が設けられており、フォトダイオード
が酸化膜に接する領域が無いためＳｉ／ＳｉＯ₂界面で
の発生電流を無視できるという利点も持つ。

【０００９】スミアを低減し感度を向上する他の従来手
法として図９は、特開平４−２４５４７９号公報に記載
されるものであり、図において１１はＮ型基板、１２は
第１のＰ型ウェル領域、１３はＮ型ウェル領域、１４は
Ｎ型不純物領域、１５は分離のための高濃度Ｐ型不純物
領域、１６はＣＣＤチャネルとなるＮ型不純物領域、１
７は第２のＰ型ウェル領域、１８はゲート絶縁膜、１９
は電荷転送電極、２０は絶縁膜をそれぞれ示す。

【００１０】この例では、フォトダイオードはＮ型不純
物領域１４とＮ型ウェル領域１３とから構成され、ＣＣ
Ｄチャネル１６の下部にＰ型ウェル領域１７を介してフ
ォトダイオードが延在して形成される。このため斜め光
が入射してもフォトダイオード領域の内部で光電変換が
生ずるため、ＣＣＤチャネル１６に流れ込む電子は少な
く、従ってスミア抑制効果が大きく感度が高いという利
点がある。

【００１１】ＣＣＤチャネルの下部にＰ型不純物層を介
してフォトダイオード領域を延在して設ける他の従来例
として、図１０は特開昭６２−１８１４６５号公報に記
載の例を示す。図において、１０１はＮ型基板、１０２
はＰ型ウェル、１０４は素子分離のための高濃度Ｐ型拡
散層、１０５は受光部であるＮ型拡散層、１０６はＣＣ
ＤチャネルとなるＮ型拡散層、１０７はトランスファゲ
ートとなるＰ型領域、１０８，１０９，１１１は絶縁
膜、１１０はポリシリコン電極、１１２は遮光膜、１２
０はＰ型拡散層、１２１はＮ型拡散層を示す。

【００１２】この例では、受光部としてＮ型拡散層１０
５が設けられ、ＣＣＤチャネル１０６の下部にＰ型拡散
層１２０を介してＮ型拡散層１２１が設けられる。Ｐ型
ウェル１０２の内部に洩れ込んだ光により発生した電子
は、Ｎ型拡散層１２１に蓄積されＣＣＤチャネル１０６
には洩れ込まないためスミアが抑制される。さらにこの
例では、Ｎ型拡散層１２１に蓄積された電子は受光領域
１０５で蓄積された電子がＣＣＤチャネル１０６に読み
出される際に同時にＣＣＤチャネルに送られ混合され
る。従って、スミアを低減できるとともに感度の向上も
図られる特徴を持つ。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図８で述べた従来例で
は、ＣＣＤチャネル内の電子を電荷転送する場合に、ゲ
ート電極２７に加える電圧パルスはＰ型ウェル拡散層１
２をグランド電位として印加される。従って、ＣＣＤチ
ャネルとなるＮ型拡散層４６の下部には高濃度Ｐ型拡散
層４５とＮ型拡散層４３が積層して設けられた場合に
は、図１１に示すポテンシャル図のＮ／Ｐ／Ｎ積層の例
のようにＮ型拡散層４３で電圧が分割されるため、ＣＣ
ＤチャネルであるＮ型拡散層４６に加わる電圧が低下す
る。これはＣＣＤチャネルを転送できる最大電荷量を低
下させる上に、転送方向電界が低下するため電荷転送不
良を発生するという欠点がある。この対策としてＰ型拡
散層４５の濃度を充分に高く設定しこの不純物層が空乏
化しないようにすることも一法であるが、高濃度化はこ
の拡散層の深さの増加を招き、結果としてフォトダイオ
ードを構成するＮ型拡散層４３と同等の深さとなるた
め、目的とする構造が実現できない。他の方法はゲート
電極２７に加える電圧を高めることであるが、回路構成
が複雑化し消費電力が増加することから得策でない。

【００１４】この例ではさらに、Ｎ型拡散層４３の上部
は高濃度Ｐ型拡散層４４で全面覆われており、このため
フォトダイオードであるＮ型拡散層４３からＣＣＤチャ
ネル４６への電荷転送は通常の表面型ＭＯＳトランジス
タ動作とは異なり、高濃度Ｐ型拡散層４５を通してパン
チスルー動作で行われる。かかる動作は、電極２７に印
加する電圧で制御することはもちろんであるが、その特
性は高濃度Ｐ型拡散層４５の濃度と厚さ、およびＮ型拡
散層４３とＣＣＤチャネル４６の濃度の関数であり、こ
れらのパラメータを最適に設定する必要がある。しかし
ＣＣＤチャネルを転送する最大電荷量を多くかつ電荷転
送不良を発生しない条件、およびフォトダイオードに蓄
積された電子が完全に読み出されないで残ることによる
残像現象を防止するべくＣＣＤチャネルに完全に電子を
転送するための条件、をすべて満足させることが要求さ
れ、電極２７に印加しうる電圧範囲でパンチスルー動作
を制御することは極めて難しいという欠点も持ってい
る。

【００１５】図９で述べた従来例の場合には、フォトダ
イオードはＮ型不純物領域１４とＮ型ウェル領域１３と
から構成され、これらはＣＣＤチャネルであるＮ型不純
物層１６の下部に延在して形成される。従って、上記し
た従来例で述べたようにＣＣＤチャネルに加わる電圧が
低下し最大転送電荷量を低下させ、かつ転送方向電界の
低下による電荷転送不良が発生しやすいという欠点を持
つ。

【００１６】さらにこの例では、Ｎ型のウェル領域１３
がフォトダイオードを分離するＰ型領域１５の下部にも
設けられるためフォトダイオード間の分離が不完全とな
り、電子が充分に蓄積されたフォトダイオードと空のフ
ォトダイオードとが隣り合う場合には電子の洩れ込みが
生ずるという欠点がある。また、フォトダイオードであ
るＮ型の不純物領域１４とＣＣＤであるＮ型不純物層１
６とが接触する構造のため、両部分を電気的に分離でき
ないという致命的な欠点を持つ。

【００１７】図１０で述べた従来例では、ＣＣＤチャネ
ル１０６の下部にはＰ型拡散層１２０とＮ型拡散層１２
１が設けられるため、上記したようにＣＣＤチャネルに
加わる電圧が低下し最大転送電荷量を低下させ、かつ転
送方向電界の低下による電荷転送不良が発生しやすいと
いう欠点を持つ。特にＮ型拡散層１２１には電子が蓄積
されるため、その電荷量によりＣＣＤチャネルに加わる
電界が変調されるため、製作条件や動作条件の設定が極
めて難しいという欠点を有している。

【００１８】さらにこの例では、強度の強い光の入射に
対してブルーミングが制御できないという致命的な欠点
を持つ。すなわち、ブルーミングはフォトダイオードか
ら電子が溢れ周辺の画素に広がる現象であり、従来はこ
れを防止するためにＮ型基板１０１とＰ型ウェル１０２
との間にバイアスを加え、フォトダイオード１０５に蓄
積された電子が周辺に溢れだす前にＰ型ウェルの薄い領
域１０２ａの部分を通じてＮ型基板１に引き抜いてい
る。この例ではブルーミングの抑制はフォトダイオード
１０５に蓄積される電子に対しては制御されるが、Ｎ型
拡散層１２１には電子が蓄積されるのみであり制御が全
くできないという欠点を持つ。これは画質を著しく損う
という点で致命的である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した従来例
の欠点を改善した新規構造の固体撮像装置を提供するも
のであり、その要旨は受光部となるフォトダイオードが
深い領域に形成された第１のＮ型不純物層と浅い領域に
形成された第２のＮ型不純物層とから構成され、かつ第
１のＮ型不純物層が分離のために設けられたＰ型不純物
領域の低部およびフォトダイオードからＣＣＤチャネル
へ電荷を転送するゲート領域の低部に延在して設けられ
ていることを特徴としている。

【００２０】

【実施例】図１は本発明になる固体撮像装置の第１の実
施例を説明するための図であり、断面構造を示す。図に
おいて、１１はＮ型半導体基板、１３１はフォトダイオ
ードを構成する第１のＮ型不純物層、１３２は同じく第
２のＮ型不純物層、１３０はＣＣＤチャネルとなるＮ型
不純物層、２１はＰ型ウェル、２３はＰ型不純物層、２
４は分離のための高濃度Ｐ型不純物領域、２５は高濃度
Ｐ型不純物層、２６はＰ型不純物層、３１はゲート絶縁
膜、３３は層間絶縁膜、４１は電荷転送電極、５１は遮
光膜、６２は光路を示す。

【００２１】この例では、フォトダイオードは深い領域
に形成された濃度の薄い第１のＮ型不純物層１３１と、
浅い領域に形成された第２のＮ型不純物層１３２とから
構成される。Ｎ型不純物層１３１はトランジスタのゲー
ト領域下部と高濃度Ｐ型不純物領域２４の下部にも延在
して設けられる。なお、Ｎ型不純物層１３１とＣＣＤチ
ャネル１３０とが接触しないようにＰ型不純物層２３の
厚さが設定される。また、フォトダイオードからＣＣＤ
チャネルへの電子の読出しが完全に行えるよう電位勾配
を設けるべく、Ｎ型不純物層１３１の不純物濃度はＮ型
不純物層１３２よりも薄く設定される。

【００２２】この構造では、斜めから入射する光６２に
よりトランジスタのゲート領域下部と高濃度Ｐ型不純物
領域２４の下部に発生する電子はフォトダイオードに蓄
積されるため、ＣＣＤチャネル１３０に達する電子が抑
制される。このためスミアが低減されるとともに、感度
の向上が図れる。なお、この例ではＣＣＤチャネル下部
にはフォトダイオードとなるＮ型不純物層が設けられな
いため、従来の構造で問題となったＣＣＤチャネル１３
０に加わる電圧の低下を無視できる。また、フォトダイ
オードに蓄積された電荷をＣＣＤチャネルへ転送するト
ランジスタの特性は従来通りの設計ができるため制御が
容易であるという利点を持つ。

【００２３】図２は図１に示した実施例の平面構造を説
明する図であり、１はフォトダイオード、２はＣＣＤチ
ャネル、４は電荷転送電極、５は分離領域、６はトラン
ジスタのゲート領域を示す。斜線で示されたフォトダイ
オードは、水平方向では分離領域５とゲート領域６の底
部にまで延在して設けられ、垂直方向では隣り合うフォ
トダイオード間で互いに接しないように距離を持って分
離領域５の底部に延在して設けられる。

【００２４】図３は本発明による装置を形成する工程を
説明する図であり、図１と同じ参照番号は同じ機能を有
する物質を示す。まずＮ型半導体基板１１の表面に厚さ
２〜４μｍのＰ型ウェル２１を形成し、次にマスクパタ
ーンを用いたイオン注入技術などを用いて厚さ１〜２μ
ｍの第１のＮ型領域１３１を選択的に形成し、次にＮ型
不純物領域１３１の内部に第２のＮ型不純物領域１３２
を選択的に設ける（図３（ａ））。

【００２５】次に、イオン注入技術を用いて厚さ０．５
〜２μｍのＰ型不純物層２３を選択的に形成し、続いて
Ｎ型不純物層１３０およびＰ型不純物領域２４を形成す
る（図３（ｂ））。次に、ゲート酸化膜３１が形成さ
れ、イオン注入技術を用いてＰ型不純物層２６が形成さ
れ、次にポリシリコンの電極４１が形成された後に厚さ
０．１〜０．３μｍのＰ型不純物層２５がイオン注入技
術を用いて形成される（図３（ｃ））。この後の工程は
図示されていないが、層間膜や遮光膜や配線電極などが
設けられ図１に示す装置が形成される。

【００２６】なおこの装置の形成に当たっては、Ｎ型不
純物領域１３１，１３２，１３０とＰ型不純物領域２
３，２４を形成する順序は本発明の本質ではなく、これ
らの形成順序は選択が自由である。

【００２７】図４は本発明になる固体撮像装置の第２の
実施例を説明するための図であり、図２に示すＡ−Ａ′
の部分の断面構造を示す。図において図１と同じ参照番
号は同じ機能を有する物質を示し、２４１，２４２は高
濃度Ｐ型不純物領域、２６１，２６２はＰ型不純物層を
示す。

【００２８】この例では、素子を分離する高濃度Ｐ型不
純物領域が、不純物濃度が低く深く設けられた第１の不
純物層２４１と、これよりも濃度が高く浅く設けられた
第２の不純物層２４２とにより構成されることを特徴と
する。このため濃度の高いＰ型不純物層２４２の横方向
広がりが抑制され、ＣＣＤチャネル１３０の面積の低下
を防ぐことができる。

【００２９】さらにこの例では、フォトダイオードから
ＣＣＤチャネルへの電荷を読み出すゲート領域のＰ型不
純物層が、不純物濃度が高く深く設けられた第１のＰ型
不純物層２６１とこれよりも濃度が低く浅く設けられた
第２の不純物層２６２とにより構成される。これにより
フォトダイオードとＣＣＤチャネル１３０との耐圧を確
保するとともに、読出しトランジスタのゲート閾値の制
御が容易となる利点を持つ。さらにこれはこのゲートの
長さを短くできることから、フォトダイオードやＣＣＤ
の面積を拡大でき、装置の感度やダイナミックレンジを
向上できる利点を持つ。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明はＣＣＤの転
送電荷量には影響を与えずにフォトダイオードの電荷収
集効率を向上でき、またＣＣＤチャネルに洩れ込む電子
を低減できる。このため光電変換感度が向上し、スミア
を低減できる効果を持つ。さらに素子分離寸法やトラン
ジスタのゲート長を縮小することができるため、一層の
性能向上や微細な素子の形成ができる特徴を持つ。ま
た、フォトダイオードからＣＣＤへの電荷読出しが表面
チャネル型のトランジスタで動作させるために制御が容
易であり、装置が歩留り良く形成でき低価格化が図れる
という利点も持つ。

【００３１】なお、図８や図９で述べた従来例では、フ
ォーマットダイオードの表面には高濃度Ｐ型拡散層が形
成され、Ｎ型不純物層が絶縁膜に直接接触しない構造と
なっている。これはＳｉ／ＳｉＯ₂界面からの発生電流
を防止する上で効果があるが、本発明ではかかる界面の
面積はわずかであるため電流発生の影響はほとんど無視
しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する断面図である。

【図２】本発明の第１実施例の平面構造を説明する図で
ある。

【図３】本発明を実現する略工程図である。

【図４】本発明の第２の実施例を説明する断面図であ
る。

【図５】従来装置の構成を説明する平面図である。

【図６】従来装置の構造を説明する平面図である。

【図７】従来装置の断面構造を説明する図である。

【図８】従来装置の第２の構造を説明する断面図であ
る。

【図９】従来装置の第３の構造を説明する断面図であ
る。

【図１０】従来装置の第４の構造を説明する断面図であ
る。

【図１１】ポテンシャル図である。

【符号の説明】

１１Ｎ型基板１３０ＣＣＤを構成するＮ型不純物層１３１，１３２フォトダイオードを構成するＮ型不純
物層２１Ｐ型ウェル２３Ｐ型不純物層２４，２５高濃度Ｐ型不純物層３１ゲート絶縁膜３３絶縁膜４１電極５１遮光膜６２光路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトダイオードとなる第１の導電型の不
純物領域が、濃度が低くかつ深い位置に形成された第１
の不純物領域と、これよりも濃度が高くかつ浅い位置に
形成された第２の不純物領域とから構成され、前記第１
の不純物領域が素子を分離するべく設けられた第２の導
電型の不純物領域の底部に、およびフォトダイオードか
ら電荷を読出すトランジスタのゲート領域の底部に延在
して設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】フォトダイオードを構成する第１の不純物
領域の不純物濃度が、第２の不純物領域の濃度よりも薄
いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】素子を分離する第２の導電型の不純物領域
が、深い位置に設けられた第１の不純物層と浅い位置に
設けられた第２の不純物層との積層で構成され、その不
純物濃度は第１の拡散層が薄く設けられていることを特
徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】フォトダイオードからＣＣＤチャネルに電
荷を読出すトランジスタの閾値電圧を制御する不純物層
が、不純物濃度が濃くかつ深い位置に形成された第１の
不純物層と、これよりも濃度が薄くかつ浅い位置に形成
された第２の不純物層とから構成されていることを特徴
とする請求項１記載の固体撮像装置。