(57)【要約】【課題】フォトダイオードの電荷蓄積領域の深い位置からでも容易に蓄積電荷を読み出せる固体撮像装置を提供する。【解決手段】半導体基板１１の表面に複数のフォトダイオード１４が縦横に配列して形成され、各フォトダイオード１４への入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域１６に蓄積され、各フォトダイオード１４の蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路１７に読み出される構成の固体撮像装置において、電荷蓄積領域１６内の垂直転送路１７に近い位置１６ａの不純物濃度を高く、電荷蓄積領域１６内の垂直転送路１７から遠い位置１６ｂの不純物濃度を低くする。これにより、電荷蓄積領域１６内のポテンシャルに傾斜が形成され、電荷蓄積領域１６内の深い位置に蓄積された電荷もスムースに垂直転送路１７に読み出される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に複数のフォトダイオードが縦横に配列して形成され、各フォトダイオードへの入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積され、各フォトダイオードの蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路に読み出される構成の固体撮像装置において、前記電荷蓄積領域内の前記垂直転送路に近い位置の不純物濃度を高く、該電荷蓄積領域内の前記垂直転送路から遠い位置の不純物濃度を低くしたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電荷蓄積領域は上層及び下層の２層構造で製造され、前記垂直転送路に近い前記上層の不純物濃度を前記下層の不純物濃度より高くしたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電荷蓄積領域は前記垂直転送路に近い側と遠い側に水平方向に２分割して製造され、前記近い側の不純物濃度を前記遠い側の不純物濃度より高くしたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記フォトダイオードの前記電荷蓄積領域と、該フォトダイオードに対応する前記垂直転送路とが、前記半導体基板の深さ方向で重なる位置に設けられた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。
【請求項５】
前記フォトダイオードと該フォトダイオードに隣接するフォトダイオードとを分けるチャネルストップが少なくとも前記電荷蓄積領域と同等深さにまで設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【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、入射光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードの深い位置に蓄積された電荷でもスムースに読み出すことができる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の固体撮像装置の要部概略断面図である。この固体撮像装置のｐｎ接合でなるフォトダイオード１は、表面のｐ＋領域２と、半導体基板内に製造したｎ領域３とで構成され、ｐｎ接合部に光が入射することで発生した電荷は、ｎ領域３内に蓄積される。半導体基板の表面に形成された垂直転送路４とフォトダイオード１のｎ領域３との間は読み出しゲート５で接続され、転送兼読み出し電極６にプラスの読み出し電位が印加されると、フォトダイオード１のｎ領域３に蓄積されている電荷（電子）は、読み出しゲート５を通り、垂直転送路４に読み出される様になっている。
【０００３】
また、図６に示すフォトダイオード１，…，垂直転送路４，電極６は、隣接するフォトダイオード等とチャネルストップ７により区分けされ、チャネルストップ７は、例えば高濃度のｐ＋領域で形成される。
【０００４】
図７は、図６に示す固体撮像装置のポテンシャル状態を例示する図であり、フォトダイオード（ＰＤ）のｎ領域３に光電変換された電子（信号電荷）が蓄積され、この信号電荷が、垂直転送路（ＶＣＣＤ）に読み出される。しかし、読み出しゲート５のゲート長ｔ（図６参照）が短いと、フォトダイオード（ＰＤ）と垂直転送路（ＶＣＣＤ）との間のポテンシャルが点線９（図７参照）で示すように低くなり、ｎ領域３の蓄積電荷が垂直転送路（ＶＣＣＤ）に漏れ出てしまう虞がある。斯かる事態を回避するために、図６に示す固体撮像装置では、読み出しゲート５のゲート長ｔを十分長くとるようにしている。
【０００５】
しかし、読み出しゲート５のゲート長ｔを長くとると、固体撮像装置の製造時にフォトダイオード１と読み出しゲート５との位置合わせ制御が難しくなり、また、フォトダイオード１の電荷蓄積領域（ｎ領域）３を大きくできないため、蓄積できる信号電荷量つまり飽和電荷量が少なくなってしまうという問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するために、米国特許５，９６２，８８２号公報には、読み出しゲートを基板に対し垂直方向に設ける固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置を、図８で説明する。尚、図６で説明した部分と同一部分には同一符号を付しておく。
【０００７】
この図８に示す固体撮像装置では、フォトダイオード１のｎ領域３を垂直転送路４の下部まで広げることで、信号電荷を蓄積する領域の大容量化を図っている。また、このｎ領域３と垂直転送路４との間にｐ領域８を設け、読み出し電極６に読み出し電位が印加されたとき、ｎ領域３の蓄積電荷がｐ領域８を通って垂直転送路４に読み出される様になっている。即ち、読み出しゲートのゲート長はｐ領域８の厚さとなり、ゲート長を深さ方向に定義できるようにして、ゲート長の制御を図６の場合と比較して容易にしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す固体撮像装置では、信号電荷を蓄積するｎ領域３の大容量化を図っているため、フォトダイオード１の飽和電荷量を大きくすることができる。しかし、大容量のｎ領域３における不純物濃度を均一に製造するのは難しく、垂直転送路４から遠い場所、例えば図８に示す領域Ｋの不純物濃度が濃くなっていた場合、ｎ領域３に蓄積された信号電荷を垂直転送路４に読み出したとき、領域Ｋに信号電荷が残ってしまい、ｎ領域３内の信号電荷を全て読み出すことができない虞がある。もし、ｎ領域３内にポテンシャルポケットとなる上述した領域Ｋが存在すると、入射光量に応じた信号電荷を垂直転送路４に読み出すことができなくなり、撮像画像の画質を劣化させる要因になってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、信号電荷を蓄積する領域にポテンシャルポケットが存在した場合でも蓄積された信号電荷をスムースに読み出すことができる固体撮像装置を提供することにある。
【００１０】
【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、半導体基板の表面に複数のフォトダイオードが縦横に配列して形成され、各フォトダイオードへの入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積され、各フォトダイオードの蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路に読み出される構成の固体撮像装置において、前記電荷蓄積領域内の前記垂直転送路に近い位置の不純物濃度を高く、該電荷蓄積領域内の前記垂直転送路から遠い位置の不純物濃度を低くしたことを特徴とする。
【００１１】
この構成により、電荷蓄積領域内のポテンシャルに傾斜が形成され、電荷蓄積領域内の深い位置に蓄積された電荷であってもスムースにポテンシャルの傾斜に沿って垂直転送路まで読み出される。
【００１２】
好適には、前記電荷蓄積領域は上層及び下層の２層構造で製造され、前記垂直転送路に近い前記上層の不純物濃度を前記下層の不純物濃度より高くしたことを特徴とする。この構成により、不純物を打ち込むエネルギを制御することで、容易に不純物濃度分布を深さ方向に形成することができる。
【００１３】
好適には、前記電荷蓄積領域は前記垂直転送路に近い側と遠い側に水平方向に２分割して製造され、前記近い側の不純物濃度を前記遠い側の不純物濃度より高くしたことを特徴とする。この構成により、不純物を打ち込むときに使用するマスクを変えることで容易に水平方向の濃度分布を形成することができる。
【００１４】
更に好適には、前記フォトダイオードの前記電荷蓄積領域と、該フォトダイオードに対応する前記垂直転送路とが、前記半導体基板の深さ方向で重なる位置に設けられたことを特徴とする。この構成により、電荷蓄積領域を広くすることができ、各フォトダイオードの飽和電荷量を大きくとることが可能となる。
【００１５】
更に好適には、前記フォトダイオードと該フォトダイオードに隣接するフォトダイオードとを分けるチャネルストップが少なくとも前記電荷蓄積領域と同等深さにまで設けられたことを特徴とする。この構成により、隣接するフォトダイオード間での電荷の混合が防止され、良好な画像信号を構成する蓄積電荷を読み出すことができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
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概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置１０は、Ｎ型半導体基板１１の表面にＰ型ウェル領域１２が形成され、このＰ型ウェル領域１２の表面にＮ型ウェル領域１３が形成され、Ｎ型ウェル領域１３の表面に、ｐｎ接合で成るフォトダイオード１４が形成されている。
【００１８】
フォトダイオード１４は、表面側に形成されたｐ領域１５と、その下側に形成されたｎ領域１６とで構成される。そして、フォトダイオード１４のｐ領域１５に隣接して垂直転送路１７が形成され、この垂直転送路１７の下部領域までフォトダイオード１４のｎ領域１６が拡張して形成され、このｎ領域１６と垂直転送路１７との間にｐ型領域１８が設けられることで両者間が分離される。
【００１９】
また、フォトダイオード１４のｐ領域１５には隣接してチャネルストップ領域１９が設けられ、垂直転送路１７及びｐ型領域１８に隣接してチャネルストップ領域２０が設けられ、隣接するフォトダイオードとの分離がなされる。垂直転送路１８の上部側に、転送兼読み出し電極２１が設けられる。
【００２０】
本実施形態に係る固体撮像装置１０では、フォトダイオード１４の信号電荷の蓄積が行われるｎ領域１６を、単一の不純物濃度とするのではなく、垂直転送路１７に近い方ほど濃度を高くし、ｎ領域１６内にポテンシャルの傾斜を設けることを特徴とする。
【００２１】
そこで本実施形態では、ｎ領域１６を上下２層に分け、上層側のｎ領域１６ａの不純物濃度を、下層側のｎ領域１６ｂの不純物濃度より高くしている。このようなｎ領域１６は、不純物元素をｎ領域１６に打ち込むときのエネルギ（イオン加速電圧）を制御することで、容易に製造可能である。
【００２２】
尚、ｎ領域１６を上下２層にクリティカルに分ける必要はなく、徐々に不純物濃度が変化する様にしてもよい。このように、濃度分布を持つようにｎ領域１６を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。
【００２３】
斯かる構成の固体撮像装置１０において、フォトダイオード１４のｐｎ接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がｎ領域１６に蓄積される。このとき、上層側のｎ領域１６ａの不純物濃度が高くポテンシャル井戸が深いため、電荷は上層側のｎ領域１６ａから多く蓄積される
読み出し電極２１に読み出し電位が印加されると、ｎ領域１６の蓄積電荷は、ｐ型領域１８の読み出しゲート長ｔのポテンシャルの山を越えて垂直転送路１７に読み出される。このとき、垂直転送路１７に近い上層側のｎ領域１６ａの蓄積電荷から読み出される。また、ｎ領域１６内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が上下方向に存在し、低濃度の下層ｎ領域１６ｂ内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度の上層ｎ領域１６ａに移動し易くなっている。
【００２４】
このため、下層ｎ領域１６ｂ内に仮にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は上層側のｎ領域１６ａに容易に移動し、垂直転送路１７にスムースに読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、ｎ領域１６の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置３０の要部概略断面図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、フォトダイオード１６のｎ領域１６を、上下２層にしたが、本実施形態に係る固体撮像装置３０では、フォトダイオード１６のｎ領域１６を、水平方向（図では左右方向）に分け、垂直転送路１７に近い側のｎ領域１６ａの不純物濃度を、垂直転送路１７より遠い側のｎ領域１６ｂの不純物濃度より高くしたことを特徴とする。
【００２６】
斯かる構成のｎ領域１６は、右領域１６ａに不純物元素をイオン打ち込みするマスクと、左領域１６ｂに不純物元素をイオン打ち込みするマスクを用いることで、容易に製造される。このように、濃度分布を持つようにｎ領域１６を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。尚、ｎ領域１６を左右２つにクリティカルに分ける必要はなく、垂直転送路１７に近づくほど徐々に不純物濃度が高くなるようにしてもよい。
【００２７】
斯かる構成の固体撮像装置３０において、フォトダイオード１４のｐｎ接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がｎ領域１６に蓄積される。このとき、右側のｎ領域１６ａの不純物濃度が高いため、電荷は右側のｎ領域１６ａからより多く蓄積される。
【００２８】
読み出し電極２１に読み出し電位が印加されると、ｎ領域１６の蓄積電荷は、ｐ型領域１８の読み出しゲート長ｔのポテンシャルの山を越えて垂直転送路１７に読み出される。このとき、垂直転送路１７に近い右側のｎ領域１６ａの蓄積電荷から読み出されるが、ｎ領域１６内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が左右方向に存在し、低濃度の左側ｎ領域１６ｂ内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度の右側ｎ領域１６ａに移動し易くなっている。
【００２９】
このため、仮に左側ｎ領域１６ｂ内にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は右側のｎ領域１６ａにスムースに移動し、垂直転送路１７に読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置３０は、ｎ領域１６の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【００３０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置４０の要部概略断面図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置１０はフォトダイオード１６のｎ領域１６を上下２層にし、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０はｎ領域１６を左右に分けたが、本実施形態に係る固体撮像装置４０では、フォトダイオード１６のｎ領域１６を、上層の右側の領域１６ａとそれ以外の領域１６ｂとに分け、垂直転送路１７に近い領域１６ａの不純物濃度を、垂直転送路１７より遠い領域１６ｂの不純物濃度より高くしたことを特徴とする。
【００３１】
斯かる構成のｎ領域１６は、第１の実施形態で説明した不純物元素の打ち込みエネルギの制御と、第２の実施形態で説明した２つのマスクによる制御を合わせることで、容易に製造可能である。このように、濃度分布を持つようにｎ領域１６を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。
【００３２】
尚、本実施形態では、垂直転送路１７から斜め方向に遠い領域１６ｂの不純物濃度を低くしているが、上述した実施形態と同様に、領域をクリティカルに分ける必要はなく、濃度が徐々に変化するようにしてもよい。
【００３３】
斯かる構成の固体撮像装置４０において、フォトダイオード１４のｐｎ接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がｎ領域１６に蓄積される。このとき、信号電荷は、高濃度領域１６ａからより多く蓄積される。
【００３４】
読み出し電極２１に読み出し電位が印加されると、ｎ領域１６の蓄積電荷は、ｐ型領域１８の読み出しゲート長ｔのポテンシャルの山を越えて垂直転送路１７に読み出される。このとき、垂直転送路１７に近い高濃度領域１６ａの蓄積電荷から読み出されるが、ｎ領域１６内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が濃度勾配方向に存在し、低濃度領域１６ｂ内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度領域１６ａに移動し易くなっている。
【００３５】
このため、低濃度領域１６ｂ内にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は高濃度領域１６ａに移動し、垂直転送路１７に読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置４０は、ｎ領域１６の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【００３６】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置５０が、第３の実施形態（図３）に係る固体撮像装置４０と異なるのは、フォトダイオード１４のｎ領域１６の左右領域にまでチャネルストップ１９，２０から延びるチャネルストップ２２，２３を形成した点である。
【００３７】
このように、チャネルストップ１９，２０，２２，２３を深い位置まで設けることで、隣接するフォトダイオード１４間での電荷混合が防止される。そして、フォトダイオード１４のｎ領域１６を更に深い位置まで形成できる結果、フォトダイオード１４の飽和電荷量を更に増大させることが可能となる。
【００３８】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置６０が、第４の実施形態（図４）に係る固体撮像装置５０と異なるのは、ｐ型ウェル領域１２にまで達するチャネルストップ２４，２５を設けた点である。このように、隣接するフォトダイオード１４間を完全に分離するチャネルストップ１９，２０，２２，２３，２４，２５を設けることで、隣接するフォトダイオード１４間における電荷混合が確実に防止される。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、信号電荷が蓄積される領域内に不純物濃度分布を設け垂直転送路に近い側の不純物濃度を高くしたため、電荷蓄積領域の深い位置に蓄積された電荷であってもスムースな読み出しが可能となる。
【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概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図６】従来の固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図７】図６に示す固体撮像装置のポテンシャルの説明図である。
【図８】従来の改良された固体撮像装置の要部概略断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０、５０、６０　固体撮像装置
１１　ｎ型半導体基板
１２　ｐ型ウェル領域
１３　ｎ型ウェル領域
１４　フォトダイオード
１５　ｐ領域
１６　ｎ領域
１６ａ　高濃度領域
１６ｂ　低濃度領域
１７　垂直転送路
１８　ｐ型領域
１９，２０，２２，２３，２４，２５　チャネルストップ
２１　垂直転送路
【図１】
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【図２】
2004031878.tif 000004
【図３】
2004031878.tif 000005
【図４】
2004031878.tif 000006
【図５】
2004031878.tif 000007
【図６】
2004031878.tif 000008
【図７】
2004031878.tif 000009
【図８】
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