(57)【要約】【課題】  本発明は、固体撮像素子を微細化してもフォトセンサ部に隣接する画素分離領域から垂直電荷転送部に漏れるスミアを低減するようにした固体撮像素子を提供するものである。【解決手段】  本発明の固体撮像素子１は、垂直方向に隣接するフォトセンサ３ａ及び３ｂ間の画素分離領域２５ａの水平方向の濃度分布が、フォトセンサ両端に対応する部分をフォトセンサ中央に対応する部分より高濃度にした濃度分布を有することを特徴とする。【選択図】        図１
2006073681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向に隣接するフォトセンサ間の画素分離領域の水平方向の濃度分布が、
フォトセンサ両端に対応する部分をフォトセンサ中央に対応する部分より高濃度にした濃度分布を有する
ことを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。
【請求項２】
上記画素分離領域の部分が、
最表面または最表面近傍に濃度ピークを有して形成されている
ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素分離領域から垂直電荷転送部へのスミア成分を低減するＣＣＤ固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像素子では、図４に示すように、画素となる受光部、すなわちフォトセンサ部３とフォトセンサ部３からの信号電荷を読み出すための読み出し部（いわゆる読み出しゲート部）４と、この読み出し部４によって読み出された信号電荷を転送するＣＣＤ構成による垂直電荷転送部（いわゆる垂直転送レジスタ部）５と、この垂直電荷転送部５によって転送された電荷を、水平ライン毎に、出力回路１０に順次転送する水平電荷転送部（いわゆる水平転送レジスタ部）６と、各フォトセンサ部３を分離する画素分離部７とを有している。
通常のＨＡＤ（Ｈｏｌｅ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ  Ｄｉｏｄｅ）構造のフォトセンサ部３を有するＣＣＤ固体撮像素子は、図５に示すように、例えば、Ｓｉよりなる半導体基板２０として、ｎ型サブストレイト１１上に第１のｐ型ウェル領域１２が形成された構成を有し、この第１のｐ型ウェル領域１２上にｎ型低不純物濃度領域１３が形成され、さらに、表面に電荷蓄積領域（いわゆるｐ＋アキュミュレーション領域）１５が形成されたフォトダイオード１４がマトリックス状に配列され、それぞれフォトセンサ部３の各画素が形成されて成る。
また、第１のｐ型ウェル領域１２には、垂直ライン上に配列されたフォトセンサ部３、すなわちフォトダイオード１４と所要の距離を隔て、第２のｐ型ウェル領域２３が形成され、この第２のｐ型ウェル領域２３上にｎ型の電荷転送領域（いわゆる転送チャネル領域）２４が形成され、さらに、この上に絶縁膜１６を介して垂直転送電極１７が形成されて垂直電荷転送部５が構成される。
この垂直電荷転送部５と、対応するフォトダイオード１４との間に、ｐ型の信号電荷の読み出し領域２２が形成されて、読み出し部４が構成される。隣り合う、異なる垂直転送部間には、ｐ型の画素分離領域（いわゆるチャネルストップ領域）２５による画素分離部７が形成される。１つのフォトセンサ部３と読み出し部４と垂直電荷転送部５と画素分離部７によって、単位画素セル２が構成される。
【０００３】
半導体基板２０の表面には、光透過性を有する、例えばＳｉＯ２よりなる前述の絶縁膜１６が被着形成され、この上に電荷転送領域２４と読み出し領域２２上に差し渡って耐熱性を有する多結晶シリコンによる垂直転送電極１７が被着形成される。
ｐ型の画素分離領域２５による画素分離部７は、図４に示すように、各フォトセンサ部列と隣接する垂直電荷転送との間（画素分離領域２５ｂ）及び垂直方向に隣合うフォトセンサ部３間（画素分離領域２５ａ）に形成される。また、各垂直転送電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕は、図６に示すように、各列の垂直電荷転送部５に共通するように垂直方向に隣合うフォトセンサ部３間の画素分離部７上に延長して形成される。この例では２つの垂直転送電極１７Ａ，１７Ｂが各１つのフォトセンサ部３〔３ａ，３ｂ〕に対応するように形成される。
【０００４】
さらに、この垂直転送電極１７上を含んで全面的にＳｉＯ２等の層間絶縁膜１８を介して遮光膜１９が形成される。
そして、この遮光膜１９のフォトセンサ部３上に開口３４が形成されて、これら開口３４を通じてフォトセンサ部３で受光を行い、この受光量に応じた信号電荷がフォトダイオード１４によって発生する。
【０００５】
このＣＣＤ固体撮像素子では、各フォトセンサ部３で光電変換され蓄積された信号電荷が読み出し部４を通じて各対応する垂直電荷転送部５に読み出され、垂直電荷転送部５内を転送して水平ライン毎に水平電荷転送部６に転送され、さらに水平電荷転送部６内を一方向に転送して、出力回路１０を通じて電圧変換されて出力される。
【０００６】
このようなＣＣＤ固体撮像素子では、一般的なスミアの主成分が図５で示す４つの入射光ａ，ｂ，ｃ，ｄに起因して発生している。
（１）斜め入射光ａが、半導体基板２０と遮光膜１９及び垂直転送電極１７と一体の読み出しゲート電極との間で多重反射し、垂直電荷転送部５へ漏れ込んで垂直電荷転送部５内で電子が発生してスミアを発生する。
（２）斜め入射光ｂによって、半導体基板２０深部で光電変換により発生した電子−正孔の内、電子が垂直電荷転送部５へ漏れ込んでスミアを発生する。
（３）入射光ｃにより、フォトダイオード１４のシリコン表面である電荷蓄積領域１５で発生した電子が横方向に拡散し、読み出し領域２２または画素分離領域（いわゆるチャネルトップ）２５を通過し、垂直電荷転送部５へ漏れ込んでスミアを発生する。
（４）入射光ｄのように、遮光膜１９、垂直転送電極１７を直接透過した成分が垂直電荷転送部５内で電子を発生してスミアを発生する。
【０００７】
特許文献１には、スミアの低減を図るＣＣＤ固体撮像素子が開示されています。
【特許文献１】特開平６−３１０７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のようなスミアにおいては、光電変換された電荷が垂直レジスタに混入することが原因の１つであるのことが明らかであるが、この他にもスミアの発生経路があり、図６に示すようにフォトセンサ部３ａ、３ｂ→垂直方向に隣り合うフォトセンサ間の画素分離領域２５ａ→垂直電荷転送部５、の経路によるスミア成分ｅが考えられる。
この経路のスミア成分ｅの発生原因の裏づけとして、この画素分離領域２５ａ上の部分の垂直転送電極１７（ノーマリH電極）にマイナス方向の電圧をかけると、スミアが減少することがわかっている。しかし、電極下の画素分離領域２５ａは、最低限のチャネルストップ能力を維持する程度のｐ＋層が形成されているだけである。しかも、最も濃度が濃い領域は、例えば画素分離領域２５ａの中央付近に形成されている。濃度の濃い領域を設ける理由は、画素分離領域２５ａの電位を安定化されるためである。しかし、このような画素分離領域２５ａでは、ｐ＋濃度勾配でみたときに、画素分離領域２５ａの中央から垂直電荷転送部５側に向かって濃度が低下する方向であるため、スミア電荷が垂直電荷転送部５に混入しやすい構造になっている。
すなわち、このようなｐ＋濃度勾配によって、垂直転送電極１７に所要の駆動電圧を印加したとき、画素分離領域２５ａの水平方向の表面ポテンシャルが、図７に示すように、中央側で浅く両端側で深くなるちょうな表面ポテンシャル分布を呈することになり、スミア電荷が画素分離領域２５ａを通じて垂直電荷転送部５へ混入し易くなる。
【０００９】
上述のスミア成分ｅは、従来のＣＣＤ固体撮像素子では無視できたが、画素サイズが微細化されるに従って無視できなくなってきた。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、固体撮像素子を微細化してもフォトセンサ部に隣接する画素分離領域から垂直電荷転送部に漏れるスミアを低減するようにした固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、垂直方向に隣接するフォトセンサ間の画素分離領域の水平方向の濃度分布が、フォトセンサ両端に対応する部分をフォトセンサ中央に対応する部分より高濃度にした濃度分布を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、上記画素分離領域の部分が、最表面または最表面近傍に濃度ピークを有して形成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の固体撮像素子では、垂直方向に隣接するフォトセンサ間の画素分離領域の水平方向の濃度分布を、フォトセンサ両端に対応する部分がフォトセンサ中央に対応する部分より高濃度となる濃度分布とすることにより、隣接する垂直転送電極へのスミア電荷の漏れ込みを抑制することができる。
【００１４】
上記画素分離領域の高濃度部分が、最表面または最表面近傍に濃度ピークを有することで、上記画素分離領域の水平方向に関して、フォトセンサ両端に対応する部分のポテンシャルを浅くし、フォトセンサ中央に対応する部分のポテンシャルを深くするようにした表面ポテンシャル分布が確実に得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体撮像素子によれば、固体撮像素子を微細化しても、フトセンサから垂直方向に隣合うフォトセンサ間の画素分離領域を通じて垂直電荷転送部へ至る経路ｅによるスミア成分を抑制することができ、スミア特性を改善することができる。最表面または最表面近傍に濃度ピークを有するように上記画素分離領域の高濃度部分を形成することにより、この画素分離領域の水平方向に関してフォトセンサ両端に対応する部分にポテンシャルバリアが形成される表面ポテンシャル分布を形成することができ、経路ｅによるスミア成分の抑制を確実にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１及び図２は、本発明に係るＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す画素部分の構成を示す。本実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の全体の概略構成は、前述した図４及び図５と同様の構成を適用した。
【００１８】
先ず、全体の概略構成について図４及び図５を参照して説明する。本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子は、前述と同様に、マトリックス状に配置する画素となるフォトセンサ部３と、フォトセンサ部３からの受光量に応じた信号電荷を読み出す読み出し部４と、この読み出し部４によって読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部５、この垂直電荷転送部５によって転送された電荷を、水平ライン毎に、出力回路１０に順次転送する水平電荷転送部６と、フォトセンサ部３からの信号電荷の漏洩を防ぐ画素分離部７とを有して成る。
【００１９】
ｐ型の画素分離領域２５による画素分離部７は、ｐ型の画素分離領域２５ａ，２５ｂで形成され、画素分離領域２５ａは垂直方向に隣合うフォトセンサ部３間に形成され、画素分離領域２５ｂは各フォトセンサ部列と隣接する垂直電荷転送との間に形成される。また、各垂直転送電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕は、図１に示すように、各列の垂直電荷転送部５に共通するように垂直方向に隣合うフォトセンサ部３間の画素分離領域２５ａ上に延長して形成される。この例では２つの垂直転送電極１７Ａ，１７Ｂが各１つのフォトセンサ部３〔３ａ，３ｂ〕に対応するように形成される。
【００２０】
フォトセンサ部３は、ＨＡＤ（Ｈｏｌｅ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ  Ｄｉｏｄｅ）構造で形成される。ＣＣＤ固体撮像素子の断面構造は、例えば、Ｓｉよりなる半導体基板２０として、第１導電型、本例ではｎ型のサブストレイト１１上に第２導電型、本例ではｐ型の第１のウェル領域１２が形成された構成を有し、この第１のｐ型ウェル領域１２上にｎ型低不純物濃度領域１３が形成され、さらに、表面に電荷蓄積領域（いわゆるｐ＋アキュミュレーション領域）１５が形成されたフォトダイオード１４がマトリックス状に配列され、それぞれフォトセンサ部３の各画素が形成される。
また、第１のｐ型ウェル領域１２には、垂直ライン上に配列されたフォトセンサ部３、すなわちフォトダイオード１４と所要の距離を隔て第２のｐ型ウェル領域２３が形成され、この第２のｐ型ウェル領域２３上にｎ型の電荷転送領域（いわゆる転送チャネル領域）２４が形成され、さらに、この上に絶縁膜１６を介して垂直転送電極１７が形成されて、垂直電荷転送部５が構成される。
この垂直電荷転送部５と、対応するフォトダイオード１４との間に、ｐ型の信号電荷の読み出し領域２２が形成されて、読み出し部４が構成される。隣り合う、異なる垂直転送部間には、ｐ型の画素分離領域（いわゆるチャネルストップ領域）２５による画素分離部７が形成される。１つのフォトセンサ部３と読み出し部４と垂直電荷転送部５と画素分離部７によって、単位画素セル２が構成される。
【００２１】
半導体基板２０の表面には、光透過性を有する、例えばＳｉＯ２よりなる絶縁膜１６が被着形成され、この上に電荷転送領域２４と読み出し領域２２上に差し渡って耐熱性を有する多結晶シリコンによる垂直転送電極１７が被着形成される。
さらに、この垂直転送電極１７上を含んで全面的にＳｉＯ２等の層間絶縁膜１８を介して遮光膜１９が形成される。この遮光膜１９のフォトセンサ部３上に開口３４が形成されて、これら開口３４を通じてフォトセンサ部３で受光を行い、この受光量に応じた信号電荷がフォトダイオード１４によって発生する
【００２２】
そして、本実施の形態においては、特に、図１及び図２（図１のＡーＡ線上の断面図）に示すように、垂直方向に隣合うフォトセンサ部３ａ及び３ｂ間のｐ型の画素分離領域２５ａの表面に、その水平方向の両端部分において、局部的に他部より高不純物濃度のｐ型高濃度領域３０〔３０ａ，３０ｂ〕を形成する。すなわち、このｐ型高濃度領域３０〔３０ａ，３０ｂ〕は、画素分離領域２５ａの水平方向において、図３に示すように、中央付近より両端が高濃度となる濃度分布３２になるように、且つ垂直電荷転送部５のｎ型電荷転送領域２４ａ，２４ｂに接触して接合耐圧の劣化を生じさせないように、ｎ型電荷転送領域２４ａ，２４ｂから離して形成される。このため、ｐ型高濃度領域３０〔３０ａ，３０ｂ〕は、画素分離領域２５ａのフォトセンサ部３ａ，３ｂの水平方向の両端に対応する部分に、そのフォトセンサ部３ａ，３ｂの中央に対応する部分の濃度よりも高濃度となるように形成される。
【００２３】
図２に示すように、一方の高濃度領域３０ａは、画素分離領域２５ａの界面近傍に位置してｐ型の読み出し領域２２の延長領域と接するように形成される。他方の高濃度な領域３０ｂは、画素分離領域２５ａの界面近傍に位置して隣接する垂直電荷転送部５の電荷転送領域２４ｂから離して形成される。
【００２４】
画素分離領域２５〔２５ａ，２５ｂ〕の不純物濃度は、イオン注入量に換算して例えば通常の画素分離領域を形成する場合の１×１０12ｃｍ-2程度とし、高濃度領域３０〔３０ａ，３０ｂ〕の不純物濃度は、イオン注入量に換算して例えば上記より１桁程高い１×１０13ｃｍ-2程度とすることができる。また、高濃度領域３０〔３０ａ，３０ｂ〕は、画素分離領域２５ａの界面表面にイオン注入することにより、形成することができる。本例のイオン注入エネルギは１００ｋｅＶ以下にして、濃度ピークがシリコン最表面になる条件を選択する。例えば、酸化膜を形成してイオン注入することで、濃度ピークをシリコン最表面もしくは表面近傍とすることができる。
本例の高濃度領域３０［３０ａ、３０ｂ］は、ごく浅い領域にボロンからなるｐ＋をイオン注入して形成することができる。高濃度領域３０［３０ａ、３０ｂ］は、スミア抑制のｐ＋層の条件として、水平方向の幅が画素分離領域２５ａの水平方向の幅の１／３以下程度となるように形成することが望ましい。
本実施の形態においては、画素分離領域２５ａの水平方向の濃度分布を、図３に示すように、フォトセンサ部３の水平方向の両端に対応する部分を他部より濃度を高くした濃度分布３０とすることにより、画素分離領域上の転送電極１７に所要の駆動電圧が印加されたとき、画素分離領域２５ａの表面ポテンシャルとして図２に示すような、両端にポテンシャルバリアが形成される表面ポテンシャル分布３２が得られる。
【００２５】
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子によれば、画素を微細化、高密度化しても垂直方向に隣接するフォトセンサ部３間の画素分離領域２５ａの両端側に高濃度領域３０ａ、３０ｂを形成し、この画素分離領域２５ａの濃度分布を図３に示す濃度分布３２とすることにより、垂直方向に隣接するフォトセンサ間の画素分離領域から垂直転送電極へ流れるスミア成分ｅを阻止することができる。
つまり、画素分離領域の両端にｐ＋高濃度領域３０ａ、３０ｂを設け、フォトセンサからみた濃度勾配を垂直レジスタが高くなるような濃度勾配とし、スミア電荷を混入しにくくする工夫なので効果的である。
【００２６】
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子は、ＩＳＩＴ（インターレース・スキャナー・インターライン・トランスファ）型イメージセンサ、ＩＴ（インターライン・トランスファ）型イメージセンサ、ＦＩＴ（フレーム・インターライン・トランスファ）型イメージセンサ等にも適用することができる。さらに、サブストレイト基板としてｎ型半導体基板を用いて説明したが、適宜基板の構造は変えることができ、高濃度領域のイオンも適宜にイオン種を変更し、また濃度変更等を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１をＡ−Ａ線で切断した要部の断面図である。
【図３】図２のＰ−Ｑ間の不純物濃度分布図である。
【図４】ＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す概略構成図である。
【図５】図１をＢ−Ｂ線で切断した要部の断面図である。
【図６】従来の固体撮像素子のスミア成分を示す構成図である。
【図７】従来の画素分離領域の表面ポテンシャル分布を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・固体撮像素子、２・・単位画素セル、３・・フォトセンサ部、４・・読み出し部、５・・垂直電荷転送部、６・・水平電荷転送部、７・・画素分離部、１０・・出力回路、１１・・ｎ型サブストレイト、１２・・第１のｐ型ウェル領域、１３・・低不純物濃度領域、１４・・フォトダイオード、１５・・電荷蓄積領域、１６・・絶縁膜、１７・・垂直転送電極、１８・・層間絶縁膜、１９・・遮光膜、２０・・半導体基板、２２・・読み出し領域、２３・・第２のｐ型ウェル領域、２４・・ｎ型の電荷転送領域、２５・・ｐ型の画素分離領域、３０・・高濃度領域、３２・・濃度分布、３４・・開口、
１０２・・単位画素セル、１０３・・フォトセンサ部、１０４・・読み出し部、１０５・・垂直電荷転送部、１０６・・水平電荷転送部、１０７・・画素分離部、１１０・・出力回路、１１１・・ｎ型サブストレイト、１１２・・第１のｐ型ウェル領域、１１３・・低不純物濃度領域、１１４・・フォトダイオード、１１５・・電荷蓄積領域、１１６・・絶縁膜、１１７・・垂直転送電極、１１８・・層間絶縁膜、１１９・・遮光膜、１２０・・半導体基板、１２２・・読み出し領域、１２３・・第２のｐ型ウェル領域、１２４・・ｎ型の電荷転送領域、１２５・・ｐ型の画素分離領域、１３４・・開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006073681.tif 000007
【図６】
2006073681.tif 000008
【図７】
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