(57)【要約】【課題】ＣＣＤ（電荷転送素子）を用いた固体撮像装置において、フォトダイオード部から電荷転送部への信号電荷の読出し電圧を低減し、信号電荷の読出しをフォトダイオード部での信号電荷の読出し残しを抑えて効率よく行うと同時に、信号電荷読出し部上部の基板表面での空乏化を防いで電荷転送部での暗電流の増加を抑制する。【解決手段】フォトダイオード部表面のｐ+型領域５を、フォトダイオード部表面から信号電荷読出し部９の表面に渡って電荷転送部に至るまで連続的に形成した。また、ｐ+型領域５とｐ++型領域４との不純物濃度の境界面が、フォトダイオード部を形成するｎ型不純物領域３の信号電荷読出し部側の境界面と一致しない構造を採用した。さらに、フォトダイオード部表面のｐ+型領域５とｐ++型領域４との間の領域に不純物濃度が両者の間となるｐ+型領域12を形成した。【選択図】  図２
2006108590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に２次元状に配置され、入射光を信号電荷に光電変換して蓄積する複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を転送する電荷転送部と、前記光電変換部と前記電荷転送部との間に形成され前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を前記電荷転送部に読み出す電荷読出し部とを備え、
前記光電変換部は、前記半導体基板表面に形成された複数の第１導電型不純物領域と、前記第１導電型不純物領域の下に形成された第２導電型不純物領域を有し、
前記第２導電型不純物領域の前記電荷読出し部側の不純物濃度の境界は、前記複数の第１導電型不純物領域のうちのいずれの前記電荷読出し部側の不純物濃度の境界とも一致しないことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の第１導電型不純物領域のうちのひとつは、前記光電変換部表面から前記電荷読出し部表面に渡って、前記電荷転送部に至るまで連続して形成され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３】
前記複数の第１導電型不純物領域のうちのひとつは、前記半導体基板表面において他の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、前記他の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが深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４】
前記複数の第１導電型不純物領域のうちの第１の第１導電型不純物領域は、前記半導体基板表面において第２の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、前記第２の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが同等であり、
前記複数の第１導電型不純物領域のうちの第３の第１導電型不純物領域は、前記半導体基板表面において前記第１の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、前記第１の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが深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５】
前記複数の第１導電型不純物領域のうち最も不純物濃度が高い領域の前記電荷読出し部側とは反対側の境界は、前記第２導電型不純物領域の前記電荷読出し部側と反対側の境界よりも内側にオフセットして形成され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６】
前記複数の第１導電型不純物領域のうち最も不純物濃度が高い領域の不純物濃度は、これに隣接する第１導電型不純物領域の不純物濃度に比べて１５倍以上高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７】
前記複数の第１導電型不純物領域のうち、最も不純物濃度が高い領域を除く第１導電型不純物領域のうちいずれかの不純物濃度は、前記光電変換部を形成する第２導電型不純物領域の不純物濃度と同等であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device、電荷転送素子）を用いた固体撮像装置、特に高画素化またはチップサイズを小型化した固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下に従来の固体撮像装置について説明する。図３(a)は従来のインターライン型固体撮像装置の断面図である。図３(a)に示すように、固体撮像装置は、ｎ型シリコン基板１と、ｐ--型ウェル領域２と、ｐ--型ウェル領域２とでフォトダイオード部（光電変換部）を形成するｎ型電荷蓄積領域３と、ｎ型電荷蓄積領域３の上に形成された暗電流抑制のためのｐ++型領域４と、ｎ型電荷蓄積領域３の上にｐ++型領域４を囲むように形成された暗電流抑制のためのｐ+型領域５と、フォトダイオード部で光電変換された信号電荷を転送するための電荷転送部を形成するｎ型埋め込みチャネル領域７と、ｎ型埋め込みチャネル領域７の下層に形成されスミアを抑制するためのｐ-型領域６と、ポリシリコン膜等で形成され、電圧を印加することでｎ型電荷蓄積領域３からｎ型埋め込みチャネル領域７への光検出信号電荷の読み出しを行う読出しゲート電極８と、ｎ型電荷蓄積領域３とｎ型埋め込みチャネル領域７との間の信号電荷読出し部に形成され、読出し電圧を制御するｐ+型信号電荷読出し領域９と、チャネルストッパを形成するｐ+型領域１０と、アルミニウム膜等の遮光膜１１で構成される。上記従来技術は、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開平７−１４２６９６号公報
【特許文献２】特開平１０−５０９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
画素サイズの微細化に伴う読出し経路の電界強度の増加、および、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴うシリコン基板−ゲート絶縁膜間の電界強度の増加により、読出し時に発生したホットキャリアがゲート絶縁膜に注入されて閾値電圧が上昇し、結果的に光照射に伴って読出し電圧が増加するという信頼性不良が発生する。
【０００４】
上述した従来の固体撮像装置では、読み出し電圧低減のために、ｐ+型領域５とｎ型埋め込みチャネル領域７の間にオフセットが設けられているが、前述の光照射に伴う読出し電圧の増加を低減するために、ｐ+型信号電荷読出し領域９の不純物濃度を下げて読出し電圧を低減すると、前記オフセット領域であるｐ+型信号電荷読出し領域９の上部の基板表面が空乏化し、電荷転送部での暗電流が増加する。すなわち、従来構造では読出し電圧の低減と暗電流抑制とを両立させることができない。
【０００５】
図３(ｂ)は、図３(a)の固体撮像装置断面における、X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイルである。従来の固体撮像装置では、図３(a)に示すように、ｐ+型領域５の信号電荷読出し部側の不純物濃度の境界面(Ａ)が、ｎ型電荷蓄積領域３の信号電荷読出し部側の不純物濃度の境界面(Ｂ)と一致している。この場合、図３(ｂ)のポテンシャルプロファイルに示すように、不純物濃度界面ｄにおいて電子に対するポテンシャルバリアが形成され、取り残し電荷ｑが発生する。この取り残し電荷を完全に読出すためには、読出し電圧を増加させなくてはならない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するもので、固体撮像装置において、フォトダイオード部から電荷転送部への信号電荷の読出し電圧を低減し、信号電荷の読出しをフォトダイオード部での信号電荷の読み出し残しを抑えて効率よく行うと同時に、信号電荷読出し領域９の上部の基板表面が空乏化するのを防いで電荷転送部での暗電流の発生を抑制し、これにより光照射に伴う読出し電圧の増加を抑制できる高信頼性の固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に２次元状に配置され、入射光を信号電荷に光電変換して蓄積する複数の光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送部と、光電変換部と電荷転送部との間に形成され光電変換部に蓄積された信号電荷を電荷転送部に読み出す電荷読出し部とを備え、光電変換部は、半導体基板表面に形成された複数の第１導電型不純物領域と、第１導電型不純物領域の下に形成された第２導電型不純物領域を有し、第２導電型不純物領域の電荷読出し部側の不純物濃度の境界は、複数の第１導電型不純物領域のうちのいずれの電荷読出し部側の不純物濃度の境界とも一致しないことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうちのひとつは、光電変換部表面から電荷読出し部表面に渡って、電荷転送部に至るまで連続して形成されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうちのひとつは、半導体基板表面において他の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、他の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが深いことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうちの第１の第１導電型不純物領域は、半導体基板表面において第２の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、第２の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが同等であり、複数の第１導電型不純物領域のうちの第３の第１導電型不純物領域は、半導体基板表面において第１の第１導電型不純物領域に囲まれるように形成され、第１の第１導電型不純物領域よりも不純物濃度が高く、不純物拡散深さが深いことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうち最も不純物濃度が高い領域の電荷読出し部側とは反対側の境界は、第２導電型不純物領域の電荷読出し部側と反対側の境界よりも内側にオフセットして形成されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうち最も不純物濃度が高い領域の不純物濃度は、これに隣接する第１導電型不純物領域の不純物濃度に比べて１５倍以上高いことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の固体撮像装置は、複数の第１導電型不純物領域のうち、最も不純物濃度が高い領域を除く第１導電型不純物領域のうちいずれかの不純物濃度は、光電変換部を形成する第２導電型不純物領域の不純物濃度と同等であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上記の手段により、フォトダイオード部から電荷転送部への信号電荷の読出し電圧を低減し、信号電荷の読出しをフォトダイオード部での信号電荷の読出し残しを抑えて効率よく行うと同時に、信号電荷読出し部上部の基板表面での空乏化を防いで電荷転送部での暗電流の増加を抑制し、これにより光照射に伴う読出し電圧の増加を抑制できる高信頼性の固体撮像装置およびその製造方法を実現できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図１および図２を参照しながら説明する。なおこれらの図において、図３に示す従来例と同一箇所には同一符号を付して詳細説明を省略する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の断面図である。図１(a)に示すように、本実施形態ではｎ型電荷蓄積領域３の上に形成された暗電流抑制のためのｐ+型領域５およびｐ++型領域４が、フォトダイオード部表面から信号電荷読出し部表面に渡って電荷転送部に接するまで連続して形成されている。したがって、ｐ+型信号電荷読出し領域９の上部の基板表面の空乏化を抑制でき、電荷転送部暗電流の増加を防ぐことができる。
【００１７】
このような構造は、イオン注入阻止マスクを用いてｎ型電荷蓄積領域３の表面および読出し領域表面の全面にｐ+型領域５を形成し、次いでｐ+型領域５の内側に、新たなイオン注入阻止マスクを用いて暗電流抑制のためのｐ++型領域４を形成することで得られる。
【００１８】
図１(ｂ)は、図１(a)の固体撮像装置断面における、X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイルである。ｐ+型領域５とｐ++型領域４との不純物濃度の境界面(Ａ)を、ｎ型電荷蓄積領域３の信号電荷読出し部側の境界面(Ｂ)と一致させないことで、図１(b)に示すように、不純物濃度界面における電子に対するポテンシャルバリアが形成されるのを防止し、読出し電圧を低減することができる。
【００１９】
また、ｐ+型領域５の不純物濃度をｎ型電荷蓄積領域３の不純物濃度と同等にすることにより、シリコン基板とゲート絶縁膜界面をホールで効率的に埋めることができ、暗電流を抑制することができる。
【００２０】
さらに、ｐ++型領域４の不純物濃度をｐ+型領域５の不純物濃度より１５倍以上高くすることや、ｐ++型領域４の深さをｐ+型領域５よりも深くすることで、スミアを低減することができる。また、ｐ++型領域４をチャネルストッパ部１０に対してオフセットさせることで、信号電荷読出し時の電位勾配を緩和することができる。
【００２１】
（実施形態２）
図２(a)は本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の断面図である。図２(a)に示すように、本実施形態では、ｎ型電荷蓄積領域３の上に形成された暗電流抑制のためのｐ+型領域５およびｐ++型領域４が、フォトダイオード部表面から読出し制御部表面に渡って連続して形成されており、かつｐ+型領域５とｐ++型領域４との間の領域に、不純物濃度がｐ+型領域５よりも高く、ｐ++型領域４よりも低い、ｐ+型領域１２が形成されている。
【００２２】
このように、フォトダイオード部側から読出し領域側に向けて、徐々に電子に対するポテンシャルレベルを下げる構造により、取り残し電荷の低減と読出し電圧の低減を図ることができる。このような構造は、イオン注入阻止マスクを用いてｎ型電荷蓄積領域３の表面および読出し領域表面の全面にｐ+型領域５を形成し、次いでｐ+型領域５の内側に、新たなイオン注入阻止マスクを用いてｐ+型領域１２を形成し、さらにその内側に新たなイオン注入阻止マスクを用いてｐ++型領域４を形成することで得られる。
【００２３】
図２(ｂ)は、図２(a)の固体撮像装置断面における、X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイルである。ｐ+型領域５とｐ+型領域１２の不純物濃度の境界面(Ａ)を、ｎ型電荷蓄積領域３の信号電荷読出し部側の境界面(Ｂ)と一致させないことで、図２(b)に示すように、不純物濃度界面における電子に対するポテンシャルバリアが形成されるのを防ぎ、読出し電圧を低減することができる。
【００２４】
また、ｐ+型領域１２の不純物濃度をｎ型電荷蓄積領域３の不純物濃度と同等にすることにより、シリコン基板とゲート絶縁膜界面をホールで効率的に埋めることができ、暗電流を抑制することができる。もしくは、最も不純物濃度が高い領域を除くｐ+型不純物領域のうちいずれかの不純物濃度をｎ型不純物領域３の不純物濃度と同等にすることにより、シリコン基板とゲート絶縁膜界面をホールで効率的に埋めることができ、暗電流を抑制することができる。
【００２５】
さらに、ｐ++型領域４の不純物濃度をｐ+型領域５およびｐ+型領域１２の不純物濃度より１５倍以上高くすることや、ｐ++型領域４の深さをｐ+型領域５およびｐ+型領域１２よりも深くすることで、スミアを低減することができる。
【００２６】
また、不純物濃度が最も高いｐ++型領域４を電荷読出し部側とは反対側のチャネルストッパ部１０に対してオフセットさせることで、信号電荷読出し時の電位勾配を緩和することができる。
【００２７】
なお、上記の実施例における固体撮像装置におけるｐ型およびｎ型の導電型は反対の導電型で構成されても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上説明したように、本発明は、高画素化またはチップサイズを小型化した固体撮像装置の特性改善に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（a）本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の断面図（b）X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイル
【図２】（a）本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の断面図（b）X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイル
【図３】（a）従来のインターライン型固体撮像装置の断面図（b）X−X´間の電子に対するポテンシャルプロファイル
【符号の説明】
【００３０】
１  ｎ型シリコン基板（半導体基板）
２  ウェル領域
３  電荷蓄積領域
４  ｐ++型領域（不純物濃度の高い領域）
５  ｐ+型領域
７  埋め込みチャネル領域
８  ゲート電極
９  信号電荷読出し領域
１２  ｐ+型領域
【図１】
2006108590.tif 000003
【図２】
2006108590.tif 000004
【図３】
2006108590.tif 000005