(57)【要約】【課題】低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置を提供する。【解決手段】第１導電型の半導体基板１上に、入射された光を信号電荷に変換するフォトダイオード領域と、フォトダイオード領域の一端と略隣接し、フォトダイオード領域における第２導電型の領域２に対向して形成された第１のゲート電極部６と、第１のゲート電極６に隣接して形成された第２のゲート電極７と、第２のゲート電極７の一端に略隣接して形成された第２導電型のドレイン領域８とを備えている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に、
入射された光を信号電荷に変換するフォトダイオード領域と、
前記フォトダイオード領域の一端と略隣接し、前記フォトダイオード領域における第２導電型の領域に対向して形成された第１のゲート電極部と、
前記第１のゲート電極に隣接して形成された第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極の一端に略隣接して形成された第２導電型のドレイン領域とを備えたことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項２】
前記フォトダイオード領域のポテンシャルに対して、前記第１のゲート電極に信号電荷に対するポテンシャルを高める電圧が印加される請求項１に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のゲート電極に電圧が印加される際に、前記第１のゲート電極下に信号電荷と反対の極性の電荷を蓄積させる電圧が印加される請求項１又は２に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のゲート電極に電圧が印加される際に、前記電圧は、前記フォトダイオード領域の信号電荷が読み出された後のポテンシャルを形成する電圧と、前記第２導電型のドレイン領域における信号電荷に対するポテンシャルを形成する電圧との間に設定される請求項３に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極へ読み出し用の電圧が印加された状態から前記読み出し用の電圧の印加が停止される際に、前記第１のゲート電極への電圧の印加が停止された後、前記第２のゲート電極への電圧の印加が停止される請求項３又は４に記載のＭＯＳ型固体撮像装置。
【請求項６】
第１導電型のウエル内にフォトダイオード部の第２導電型の領域を形成し、前記第２導電型の領域と対向させて第１のゲート電極を形成し、
次に、前記第１のゲート電極をマスクとして、前記第１導電型のウエル内にイオン注入領域と前記フォトダイオード部の第１導電型の領域を形成し、
次いで、前記イオン注入領域と対向させて第２のゲート電極を形成し、
続いて、前記第２のゲート電極をマスクとして、前記第１導電型のウエルに第２導電型のドレインを形成することを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
第１導電型のウエル内にイオン注入領域を形成し、前記イオン注入領域と対向させて第２のゲート電極を形成し、
次に、前記第２のゲート電極をマスクとして、前記第１導電型のウエル内に前記フォトダイオード部の第２導電型の領域と第２導電型のドレインを形成し、
次いで、前記第２導電型の領域と対向させて第１のゲート電極を形成し、
続いて、前記第１のゲート電極をマスクとして、前記第２導電型の領域上に前記フォトダイオード部の第１導電型の領域を形成することを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＳ型固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（電荷結合素子；Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　　Ｄｅｖｉｃｅ）を利用した固体撮像装置は、デジタル信号およびアナログ信号のシフトレジスター、フィルター、天文観測等微弱光の撮像素子として使用されている。ＣＣＤを利用した固体撮像装置では、一般に、ゲートに約１５Ｖという高電圧が印加されてフォトダイオード（ＰＤ）の信号電荷の読み出しが行われるが、近年、ＬＳＩの低消費電力化や撮像素子の微細化を実現するため、低電圧で信号の読み出しが行えるＭＯＳ型固体撮像装置に対する要望が高まっている。
【０００３】
こうしたＭＯＳ型固体撮像装置として、例えば、図５（ａ）に示すセル構造を有する装置が提案されている。フォトダイオードが、ｐ＋型シールド層１３と、ｐウエル１１の内部に形成されたｎ型領域１２によって構成されている。ｐ＋型シールド層１３は、ゲート絶縁膜１５に接して形成され、フォトダイオードを電気的にシールドしている。１４はｐウエル１１がゲート絶縁膜１５に接した領域の近傍に形成されたイオン注入領域であり、ｎ型領域１２と、信号検出領域として機能するｎ型ドレイン１８の間に形成されている。１６はゲート電極であり、ゲート絶縁膜１５を挟んでｎ型領域１２及びイオン注入領域１４と対向して設けられている。なお、ｐ＋型シールド層１３はその端部で素子分離領域（図示せず）に接している。また、ｎ型ドレイン１８の端部は、素子分離用のｐ＋領域を介して素子分離領域（図示せず）に接している。
【０００４】
以下、図５（ｂ）を参照しながら、このセル構造の動作を説明する。▲１▼は、ゲート電極１６へ電圧の印加が停止された状態（以下、停止状態という。）におけるｎ型領域１２とイオン注入領域１４の電位分布と信号電荷の状態を、▲２▼は、ゲート電極１６へ電圧が印加された状態（以下、電圧印加状態という。）における電位分布と信号電荷の転送の状態を、▲３▼は、ゲート電極１６へ電圧印加状態から停止状態に切り替わった時の電位分布と信号電荷の状態をそれぞれ示す。
【０００５】
まず、光電変換により、▲１▼に示すように、フォトダイオードのｎ型領域１２に対応する領域に信号電荷が蓄積される。次に、ゲート電極１６に一定電圧を印加すると、▲２▼に示すように、信号電荷に対するポテンシャルが高められ、信号電荷がｎ型ドレイン１８下のｐウエル１１に対応する領域に移動し、フォトダイオードの信号電荷が信号電圧に変換されて読み出される。このセル構造によれば、３〜５Ｖの低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このセル構造では、▲２▼の状態において、ゲート電極１６下の、ｎ型領域１２に対応する領域における信号電荷に対するポテンシャルがイオン注入領域１４に対応する領域における信号電荷に対するポテンシャルより高いため、ゲート電極１６への電圧の印加が停止され、▲２▼に示す電圧印加状態から▲１▼に示す停止状態に帰還させると、▲３▼に示すように、ゲート電極１６下のｎ型領域１２に対応する領域に蓄積した信号電荷が逆流し、この結果、信号電荷の取り残しが生じてしまう。この現象は、例えば、固体撮像装置をビデオカメラに適用した際に、いわゆる残像として現れる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術における問題点を解決し、ＭＯＳ型固体撮像装置において、低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のＭＯＳ型固体撮像装置においては、第１導電型の半導体基板上に、入射された光を信号電荷に変換するフォトダイオード領域と、フォトダイオード領域の一端と略隣接し、フォトダイオード領域における第２導電型の領域に対向して形成された第１のゲート電極部と、第１のゲート電極に隣接して形成された第２のゲート電極と、第２のゲート電極の一端に略隣接して形成された第２導電型のドレイン領域とを備えている。
【０００９】
この構成により、３〜５Ｖの低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置が得られる。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法においては、第１の導電型のウエル内にフォトダイオード部の第２導電型の領域を形成し、第２導電型の領域と対向させて第１のゲート電極を形成し、次に、第１のゲート電極をマスクとして、第１導電型のウエル内にイオン注入領域とフォトダイオード部の第１の導電型の領域を形成し、次いで、イオン注入領域と対向させて第２のゲート電極を形成し、続いて、第２のゲート電極をマスクとして、第１導電型のウエルに第２導電型のドレインを形成する。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明のＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法においては、第１導電型のウエル内にイオン注入領域を形成し、イオン注入領域と対向させて第２のゲート電極を形成し、次に、第２のゲート電極をマスクとして、第１導電型のウエル内にフォトダイオード部の第２導電型の領域と第２導電型のドレインを形成し、次いで、第２導電型の領域と対向させて第１のゲート電極を形成し、続いて、第１のゲート電極をマスクとして、フォトダイオード部の第２導電型の領域上にフォトダイオード部の第１の導電型の領域を形成する。
【００１２】
これらの構成により、３〜５Ｖの低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置が容易に得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、３〜５Ｖの低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置が得られる。
【００１４】
ここで、フォトダイオード領域のポテンシャルに対して、第１のゲート電極に信号電荷に対するポテンシャルを高める電圧を印加することが好ましい。
【００１５】
この構成により、信号電荷の逆流が効果的に防止される。
【００１６】
また、第１のゲート電極に電圧が印加される際に、第１のゲート電極下に信号電荷と反対の極性の電荷を蓄積させる電圧が印加されることが好ましい。
【００１７】
この構成により、フォトダイオード領域における第２導電型の領域に信号電荷と反対の極性の電荷が蓄積し、暗電流の発生が防止され、固体撮像装置の光検出感度が高められる。
【００１８】
また、ここで、第１のゲート電極と第２のゲート電極へ読み出し用の電圧が印加された状態から読み出し用の電圧の印加が停止される際に、第１のゲート電極への印加の電圧が停止された後、第２のゲート電極への電圧の印加が停止されることが好ましい。
【００１９】
この構成により、信号電荷の逆流がより効果的に防止され、フォトダイオード領域における第２導電型の領域と第２導電型のドレインにそれぞれ対応した領域の電位の設計上の自由度をさらに高めることができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１（ａ）に、本実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置のセル構造を示す。フォトダイオードが、ｐ＋型シールド層３と、ｐウエル１の内部に形成されたｎ型領域２によって構成されている。ｐ＋型シールド層３は、ゲート絶縁膜５に接して形成され、フォトダイオードを電気的にシールドしている。４はｐウエル１がゲート絶縁膜５に接した領域の近傍に形成されたイオン注入領域であり、ｎ型領域２と、信号検出領域として機能するｎ型ドレイン８の間のｐウエル１内にボロン等の不純物が注入されて形成されている。６は第１のゲート電極（ゲート長：０．４μｍ）であり、フォトダイオードの一端と略隣接し、ゲート絶縁膜５を挟んでｎ型領域２と対向して形成されている。第１のゲート電極６には、一定の直流電圧が印加されており、第１のゲート電極６下の領域にはホール蓄積層９が形成されている。７は第２のゲート電極（ゲート長：０．４μｍ）であり、第１のゲート電極６に略隣接し、ゲート絶縁膜５を挟んでイオン注入領域４と対向して設けられている。第２のゲート電極７は、パルス電圧が印加されるように構成されている。なお、ｐ＋型シールド層３の不純物濃度は、１×１０１８〜５×１０１９（／ｃｍ３）の範囲内であり、その端部で素子分離領域（図示せず）に接している。また、ｎ型ドレイン８は、第２のゲート電極７の一端に略隣接して形成され、ｎ型ドレイン８の端部は、素子分離用のｐ＋領域を介して素子分離領域（図示せず）に接している。
【００２２】
以下、図１（ｂ）を参照しながら、このセル構造の動作を説明する。▲１▼は、第１のゲート電極６に一定の直流電圧が印加され、第２のゲート電極７へ電圧の印加が停止された状態における電位分布と信号電荷の状態を示す。ここで、ａは第１のゲート電極６下のｎ型領域２に対応した領域、ｂはｐ＋型シールド層３に対応した領域、ｃは第２のゲート電極７下のイオン注入領域４に対応した領域、ｄはｎ型ドレイン８に対応した領域である。また、▲２▼は、第２のゲート電極７へ電圧が印加された状態における電位分布と信号電荷の転送の状態を示す。また、ここで、第１のゲート電極６に印加される電圧は、フォトダイオードの信号電荷が読み出された後のポテンシャルを形成する電圧と、ｎ型ドレイン８における信号電荷に対するポテンシャルを形成する電圧との間に設定されることが良い。あるいは、第１のゲート電極６に印加される電圧は、第１のゲート電極６下にホールを蓄積させる電圧によるポテンシャルより高いポテンシャルになる電圧に設定されることが良く、好ましくは、第１のゲート電極６下のポテンシャルと、領域ｄにおける信号電荷に対するポテンシャルを形成する電圧との間に設定されることが良い。
【００２３】
まず、光電変換により、▲１▼に示すように、領域ａと領域ｂに信号電荷が蓄積される。次に、第２のゲート電極７に一定のパルス高を有するパルス電圧が印加されると、▲２▼に示すように、領域ｃの電位が領域ａの電位より高くなり、信号電荷が順次、領域ａ、領域ｃ、領域ｄに移動し、フォトダイオードの信号電荷が信号電圧に変換されて読み出される。
【００２４】
なお、このセル構造によれば、ｐ＋型シールド層３においてホールが発生し、そのホールにより、フォトダイオードとゲート絶縁膜が接した部分（以下、シリコン／酸化膜界面という。）に形成される界面準位が埋められ、結晶配列の乱れ、微少な結晶欠陥、及び重金属の汚染により発生する界面準位の変動が解消される。
【００２５】
本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、第１のゲート電極６は、ｎ型領域２と対向して形成され、また、第２のゲート電極７は、ｎ型領域２と上下で対向せず、第２のゲート電極７に印加された電圧が領域ａの電位に変動を与えないように構成されている。したがって、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７によって、領域ａと領域ｃがそれぞれ独立して駆動されるようになっている。これにより、第１のゲート電極６に、例えば−２Ｖの直流電圧が印加され、第２のゲート電極７に３．３Ｖのパルス高を有する正のパルス電圧が印加された状態で、図１（ｂ）に示すように、領域ｃにおける信号電荷に対するポテンシャルが高められ、領域ａにおける信号電荷に対するポテンシャルを超えるようになり、従来技術でみられた信号電荷の逆流が効果的に防止される。また、第１のゲート電極６に負の電位が印加された場合は、第１のゲート電極６下にホールが蓄積するため、第１のゲート電極６下で発生する暗電流の発生が防止され、固体撮像装置の光検出感度（Ｓ／Ｎ比）が高められる。
【００２６】
（実施の形態２）
図２（ａ）に、本実施の形態におけるＭＯＳ型固体撮像装置のセル構造を示す。このセル構造は、第１のゲート電極６にパルス電圧が印加されるように構成されている点以外は、実施の形態１におけるセル構造と同様な構成であるため、対応する部位には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
以下、図２（ｂ）を参照しながら、このセル構造の動作を説明する。▲１▼は、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７へパルス電圧の印加が停止された状態におけるｎ型領域２とイオン注入領域４の電位分布と信号電荷の状態を示す。ここで、ｅは第１のゲート電極６下のｎ型領域２に対応した領域、ｆはｐ＋型シールド層３に対応した領域、ｇは第２のゲート電極７のイオン注入領域４に対応した領域、ｈはｎ型ドレイン８に対応した領域である。また、▲２▼は、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７へパルス電圧が印加された状態におけるｎ型領域２とイオン注入領域４の電位分布と信号電荷の転送の状態を示す。また、ここで、印加される直流電圧は、第１のゲート電極６下にホールを蓄積させる電圧以上に設定され、かつ、好ましくは領域ｈにおける信号電荷に対するポテンシャルより低いポテンシャルを形成する電圧以下とする。
【００２８】
まず、光電変換により、▲１▼に示すように、領域ｅと領域ｆに信号電荷が蓄積される。次に、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７にそれぞれ一定のパルス高を有するパルス電圧が印加される（ここで、第１のゲート電極６に印加されるパルス電圧のパルス高＜第２のゲート電極７に印加されるパルス電圧のパルス高とする。）と、▲２▼に示すように、領域ｇの電位が領域ｅの電位より低くなり、信号電荷が順次、領域ｅ、領域ｇ、領域ｈに移動し、フォトダイオードの信号電荷が信号電圧に変換されて読み出される。
【００２９】
なお、このセル構造によれば、ｐ＋型シールド層３においてホールが発生し、そのホールにより、シリコン／酸化膜界面に形成される界面準位が埋められ、結晶配列の乱れ、微少な結晶欠陥、及び重金属の汚染により発生する界面準位の変動が解消される。
【００３０】
本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、第１のゲート電極６は、ｎ型領域２と対向して形成され、また、第２のゲート電極７は、ｎ型領域２と上下で対向せず、第２のゲート電極７に印加された電圧が領域ｆの電位に変動を与えないように構成されている。したがって、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７によって、領域ｅと領域ｇがそれぞれ独立して駆動されるようになっている。これにより、第１のゲート電極６に、例えば２Ｖのパルス高を有する正のパルス電圧が印加され、第２のゲート電極７に３．３Ｖのパルス高を有する正のパルス電圧が印加された状態で、図２（ｂ）に示すように、領域ｇにおける信号電荷に対するポテンシャルが高められ、領域ｆにおける信号電荷に対するポテンシャルを超えるようになり、従来技術でみられた信号電荷の逆流が効果的に防止される。また、読み出し停止時には、第１のゲート電極６に負の電圧が印加された場合は、第１のゲート電極６下にホールが蓄積するため、第１のゲート電極６下で発生する暗電流の発生が防止され、固体撮像装置の光検出感度（Ｓ／Ｎ比）が高められる。
【００３１】
また、本実施の形態では、第１のゲート電極６と第２のゲート電極７へのパルス電圧が印加された状態からパルス電圧の印加が停止される際に、第１のゲート電極への電圧の印加が停止された後、第２のゲート電極への電圧の印加が停止されることのみによって、容易に信号電荷の逆流を防止することができるため、領域ｅの電位と領域ｇの電位の設計上の自由度が高まり、領域ｆの電位を従来技術と比較してさらに深くできるため、領域ｆの電位が、製造バラツキに由来するｎ型領域２の幅や不純物濃度の変動に影響されにくく、信号電荷の蓄積量を増大させられ、この結果、固体撮像装置の飽和電流を大きくすることが可能となる。
【００３２】
図３に、本実施の形態における固体撮像装置において、ゲート電極の構造を変えたセル構造の例を示す。このセル構造は、次の手順で製造することができる。即ち、まず、熱酸化膜により、Ｐウエル１上にゲート絶縁膜５を形成し、ヒ素をイオン注入して、Ｐウエル１内にフォトダイオードのｎ型領域２を形成する。次に、ポリシリコンにより、ｎ型領域２と対向させてゲート絶縁膜５上に第１のゲート電極６を形成する。そして、第１のゲート電極６をマスクとして、ｐウエル１内にボロン等の不純物をイオン注入してイオン注入領域４を形成し、ボロンをイオン注入して、Ｐウエル１内にフォトダイオードのｐ＋型シールド層３を形成する。次いで、ポリシリコンにより、イオン注入領域４と対向させてゲート絶縁膜５上に第２のゲート電極７を形成する。続いて、第２のゲート電極７をマスクとして、ヒ素をイオン注入して、ｐウエル１内にｎ型ドレイン８を形成し、セル構造を完成させる。
【００３３】
なお、ｐ＋型シールド層３は、第２のゲート電極７を形成する際の熱履歴により、ｐ＋型シールド層３からの不純物の拡散を抑える必要のある場合は、第２のゲート電極７を形成した後に形成することが好ましい。
【００３４】
図４に、本実施の形態における固体撮像装置のセル構造の別の一例を示す。このセル構造は、次の手順で製造することができる。即ち、まず、熱酸化膜により、Ｐウエル１上にゲート絶縁膜５を形成し、ｐウエル１内にボロン等の不純物をイオン注入してイオン注入領域４を形成する。次に、ポリシリコンにより、イオン注入領域４と対向させてゲート絶縁膜５上に第２のゲート電極７を形成する。そして、第２のゲート電極７をマスクとして、ヒ素をイオン注入して、ｐウエル１内にフォトダイオードのｎ型領域２とｎ型ドレイン８を形成する。次いで、ポリシリコンにより、ｎ型領域２と対向させてゲート絶縁膜５上に第１のゲート電極６を形成する。続いて、第１のゲート電極６をマスクとして、ボロンをイオン注入して、ｎ型領域２上にフォトダイオードのｐ＋型シールド層３を形成し、セル構造を完成させる。
【００３５】
なお、ｐ＋型シールド層３は、第１のゲート電極６を形成する際の熱履歴により、ｐ＋型シールド層３からの不純物の拡散を抑える必要のある場合は、第１のゲート電極６を形成した後に形成することが好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、低電圧でフォトダイオードの信号電荷の読み出しが行え、かつ信号電荷の取り残しのないＭＯＳ型固体撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の固体撮像装置における、セル構造図（ａ）、電位分布と信号電荷の転送状態図（ｂ）
【図２】実施の形態２の固体撮像装置における、セル構造図（ａ）、電位分布と信号電荷の転送状態図（ｂ）
【図３】実施の形態２の固体撮像装置の一例を示すセル構造図
【図４】実施の形態２の固体撮像装置の別の一例を示すセル構造図
【図５】従来技術の固体撮像装置における、セル構造図（ａ）、電位分布と信号電荷の転送状態図（ｂ）
【符号の説明】
１、１１　ｐウエル
２、１２　ｎ型領域
３、１３　ｐ＋型シールド層
４、１４　イオン注入領域
５、１５　ゲート絶縁膜
６　第１のゲート電極
７　第２のゲート電極、
８、１８　ドレイン領域
１６　ゲート電極
【図１】
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【図２】
2004063498.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004063498.tif 000006
【図５】
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