(57)【要約】【課題】  電荷転送装置の製造工程を簡略化する技術を提供する。【解決手段】  電荷転送装置１００は、半導体基板（不図示）と、半導体基板に設けられた光電変換素子（不図示）と、半導体基板に設けられ、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路１２０と、を含み、電荷転送路１２０は、半導体基板の面内方向における幅が異なる幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂが電荷転送方向に沿って交互に設けられた形状を有する。【選択図】  図２
2005174965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、
を含み、
前記半導体基板の面内方向において、前記電荷転送路は、前記電荷を転送する第一方向に対して実質的に垂直な第二方向の幅が異なる幅広部と幅狭部が前記第一方向に沿って交互に設けられた形状を有することを特徴とする電荷転送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電荷転送装置において、
前記幅広部は、当該幅広部に隣接して設けられた前記幅狭部に向かうにつれて前記第二方向の幅が徐々に狭まる形状に形成されたことを特徴とする電荷転送装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電荷転送装置において、
前記電荷転送路は、複数の前記幅狭部が、互いに間隔を隔てて前記第一方向に沿って並行して配置された形状を有することを特徴とする電荷転送装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の電荷転送装置において、
ひとつの前記幅広部の上部と、当該幅広部に隣接するひとつの前記幅狭部の上部とにわたって一体に形成された電荷転送電極をさらに含むことを特徴とする電荷転送装置。
【請求項５】
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、
を含み、
前記電荷転送路は、前記半導体基板の面内方向における幅を異ならせることにより、電気的ポテンシャルの差異が生じるように構成されたことを特徴とする電荷転送装置。
【請求項６】
光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含む電荷転送装置の製造方法であって、
幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられたマスクを用いて半導体基板に不純物を注入する工程を含み、前記半導体基板の面内方向において前記不純物が注入された領域の幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられた形状の前記電荷転送路を形成することを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷転送装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＣＤ（charge coupled device）等の電荷転送素子を含む電荷転送装置において、電荷転送路には、信号電荷と逆符号の不純物が高濃度に注入されることにより、障壁領域が形成されている（特許文献１）。
【０００３】
図７および図８を参照してＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する。
図７（ａ）は、従来の電荷転送路２０の構成を示す上面図である。電荷転送路２０は、以下のようにして形成される。まず、信号転送路となるＮウェルを図中２０で示した領域全体に形成する。つづいて、転送ゲート電極１０を形成し、転送ゲート電極１０をマスクとして図中２０ｂで示した領域にボロン等の不純物を注入する。これにより、２０ｂで示した領域のポテンシャルが高くなり、電荷転送路２０に電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂが形成される。
【０００４】
図７（ｂ）は、電荷転送路２０の上に形成された転送ゲート電極１０および転送ゲート電極１１を示す。ここで、隣接する転送ゲート電極１０および転送ゲート電極１１は一対の電極として電気的に接続される。図７（ｃ）は、電荷転送路２０のポテンシャル電位を示す図である。
【０００５】
図８（ａ）に示すように、転送ゲート電極１０ａおよび転送ゲート電極１１ａにより構成される一対の電極、およびこれに隣接する転送ゲート電極１０ｂおよび転送ゲート電極１１ｂにより構成される一対の電極にそれぞれ互いに１８０度位相がずれた信号電圧Φ１およびΦ２をそれぞれ印加する。
【０００６】
図８（ｂ）は、このような信号電圧Φ１およびΦ２を印加したときの電荷転送路２０のポテンシャル電位を示す図である。図８（ｂ）の実線は、信号電圧Φ１がハイ（ＯＮ）、信号電圧Φ２がロー（ＯＦＦ）のときのポテンシャル電位を示し、破線は、信号電圧Φ１がロー、信号電圧Φ２がハイのときのポテンシャル電位を示す。
【０００７】
図示したように、信号電圧Φ１をハイ、信号電圧Φ２をローとすると、ポテンシャル電位は実線で示したようになり、実線で囲んだ信号が矢印に従って図中左方向に移動する。つづいて、信号電圧Φ１をロー、信号電圧Φ２をハイとすると、ポテンシャル電位は破線で示したようになり、破線で囲んだ信号が矢印に従って図中左方向に移動する。このようにして、信号電荷は、図中左方向に順次転送される。
【特許文献１】特開平２−３０３１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の方法では、電荷転送路２０の電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂのポテンシャルの段差を各領域に注入するイオンの濃度差により形成していた。そのため、電荷転送のためのポテンシャルの段差が必要な部位毎にフォトリソグラフ工程およびイオン注入工程が必要となり、製造工程が長くなるという課題があった。また、イオン注入を複数回行うことによりポテンシャル電位を形成するため、注入ばらつきが生じやすいという課題もあった。
【０００９】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、電荷転送装置の製造工程を簡略化する技術を提供することにある。また、本発明の目的は、電荷転送装置を安定的に製造する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換素子と、半導体基板に設けられ、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含み、半導体基板の面内方向において、電荷転送路は、電荷を転送する第一方向に対して実質的に垂直な第二方向の幅が異なる幅広部と幅狭部が第一方向に沿って交互に設けられた形状を有することを特徴とする電荷転送装置が提供される。
【００１１】
電荷転送路の幅とは、電荷が転送される領域の物理的な幅である。光電変換素子は、たとえばフォトダイオードとすることができる。ここで、光電変換素子は、半導体基板上に、ライン状またはマトリクス状に規則的に配置される。光電変換素子は、光の照射を受けてその光を入射光量に比例した電荷に変換し、電荷を発生する。また、電荷転送路は、光電変換素子に並置される。電荷転送路は、幅寸法が異なる形状を一対として、電荷転送方向に沿って交互に設けられた形状を有する。光電変換素子に蓄積された電荷は、トランスファーゲートにより電荷転送路に転送される。
【００１２】
このように、幅広部に対して幅が狭い幅狭部を設けることにより、ナローチャネル効果により、幅狭部のポテンシャルを幅広部のポテンシャルより高くすることができる。これにより、一度のリソグラフ工程により、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく製造することができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を大幅に簡略化することができる。また、幅の差異により、ポテンシャル段差を規定することができるので、リソグラフ精度でポテンシャル段差のばらつきを管理することができる。これにより、ばらつきを低減することができ、電荷転送装置を精度よく作製することができる。
【００１３】
本発明の電荷転送装置において、幅広部は、当該幅広部に隣接して設けられた幅狭部に向かうにつれて第二方向の幅が徐々に狭まる形状に形成することができる。とくに、幅広部は、電荷転送方向側において当該幅広部に隣接して設けられた幅狭部に向かうにつれて徐々に幅が狭まる形状に形成することができる。
【００１４】
幅広部と幅狭部との間に、このように第二方向の幅が緩やかに変化する幅遷移部を設けることにより、幅の広い幅広部から幅の狭い幅狭部へ信号電荷が転送される際に、転送効率が低減することなく、転送時間を短縮することができ、電荷転送路全体における信号の転送をより良好にすることができる。
【００１５】
本発明の電荷転送装置において、電荷転送路は、複数の幅狭部が、互いに間隔を隔てて第一方向に沿って並行して配置された形状を有することができる。言い換えると、これら複数の幅狭部は、第二方向に配設された構成を有する。
【００１６】
このような構成とすることにより、隣接する幅広部から転送された信号電荷を複数の幅狭部を介して次の幅広部に転送することができるので、幅狭部における電荷転送効率を低減することがなく、電荷転送路全体における信号の転送をより良好にすることができる。
【００１７】
本発明の電荷転送装置は、一の幅広部の上部と、当該幅広部に隣接する一の幅狭部の上部とにわたって一体に形成された電荷転送電極をさらに含むことができる。本発明においては、一度のリソグラフ工程およびイオン注入工程により電荷転送路を形成することができるので、幅広部および幅狭部上に一度に電荷転送電極を設けることができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を簡易にすることができる。
【００１８】
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換素子と、半導体基板に設けられ、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含み、電荷転送路は、半導体基板の面内方向における幅を異ならせることにより、電気的ポテンシャルの差異が生じるように構成されたことを特徴とする電荷転送装置が提供される。電荷転送路は、２値以上の幅寸法を形成することにより、電荷転送路内にその幅寸法により規定された電気的ポテンシャル値を形成する構造を有する。
【００１９】
本発明によれば、光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送路と、を含む電荷転送装置の製造方法であって、幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられたマスクを用いて半導体基板に不純物を注入する工程を含み、半導体基板の面内方向において不純物が注入された領域の幅が異なる幅広部と幅狭部が交互に設けられた形状の電荷転送路を形成することを特徴とする電荷転送装置の製造方法が提供される。ここで、電荷転送路は、一度のイオン注入により形成することができる。これにより、電荷転送装置の製造工程を大幅に短縮することができる。
【００２０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電荷転送装置の製造工程を簡略化することができる。また、本発明によれば、電荷転送装置を安定的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態における電荷転送装置１００の構成を示す断面図である。
本実施の形態において、電荷転送装置１００は、２相駆動のＣＣＤ等のリニアイメージセンサである。
【００２３】
電荷転送装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に設けられたＰウェル１０２と、Ｐ＋領域１０４と、電荷転送路１２０と、フォトダイオード１２２と、Ｐ＋領域１０４に設けられた素子分離領域１０６と、ゲート酸化膜１０８と、転送ゲート電極１１０と、トランスファーゲート１１１と、第一の層間絶縁膜１１２と、第一の金属配線層１１４と、第二の層間絶縁膜１１６と、第二の金属配線１１８とを有する。ここで、半導体基板１００はＮ型である。また、第二の層間絶縁膜１１６は、たとえばプラズマＣＶＤにより形成される。第二の金属配線１１８は、遮光膜として機能する。フォトダイオード１２２に蓄積された電荷は、トランスファーゲート１１１を介して電荷転送路１２０に転送される。
【００２４】
図２は、図１に示した電荷転送路１２０および転送ゲート電極１１０を示す図である。
図２（ａ）は、電荷転送路１２０の形状を示す上面図である。図１は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図に該当する。
【００２５】
本実施の形態において、電荷転送路１２０は、半導体基板１０１の面内方向における幅が異なる幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂとを有する。ここで、電荷転送路１２０は、半導体基板１０１にリン等のｎ型不純物をイオン注入することにより形成されるが、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂには、同型のｎ型不純物が注入される。幅広部１２０ａの幅Ｌ１に対し、幅狭部１２０ｂの幅Ｌ２を狭くすると、ナローチャネル効果により、幅狭部１２０ｂのポテンシャルが高くなるという現象が生じる。幅広部１２０ａの幅Ｌ１に対する幅狭部１２０ｂの幅Ｌ２は、目的のポテンシャル段差が得られる寸法を予め実験により求め、設計段階へフィ−ドバックすることにより決定することができる。
【００２６】
電荷転送路１２０の幅広部１２０ａおよび幅狭部１２０ｂは、従来のフォトリソグラフ技術により形成することができる。本実施の形態において、目的のポテンシャル段差が得られる寸法を予め実験により求め、そのようなパターンを有するマスクを用いて電荷転送路１２０を形成することにより、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく安定的に製造することができる。このように、本実施の形態における電荷転送路１２０は、マスクパターンの形状のみで電荷転送路１２０の電荷蓄積領域と障壁領域のポテンシャル段差を設定することができる。そのため、従来の複数回のイオン注入で決定していたポテンシャル電位を１回のイオン注入とリソグラフパターンの精度で決定することができ、不純物の注入時の注入濃度のばらつきの影響を低減することができる。これにより、電荷転送装置の精度を高めることができる。
【００２７】
図２（ｂ）は、電荷転送路１２０上に設けられた転送ゲート電極１１０と電荷転送路１２０との関係を示す図である。ここで、転送ゲート電極１１０は、ひとつの幅広部１２０ａの上部とその幅広部１２０ａに隣接する幅狭部１２０ｂの上部とにわたって一体に設けられる。従来、図７に示したように、不純物の濃度差により電荷蓄積領域２０ａおよび障壁領域２０ｂを形成していたため、信号転送路を形成した後、電荷蓄積領域２０ａ上に転送ゲート電極１０を形成し、転送ゲート電極１０をマスクとして再度逆型のイオンを注入して障壁領域２０ｂを形成する必要があった。そのため、電荷蓄積領域２０ａの上部と障壁領域２０ｂの上部に転送ゲート電極を別々に設ける必要があった。そのため、これらの転送ゲート電極間を電気的に絶縁する絶縁膜を介して接続するための転送電極間コンタクトを形成する必要もあった。本実施の形態において、転送ゲート電極をマスクとしたイオン注入を行う必要がないため、転送ゲート電極１１０を一体に形成することができ、電荷転送装置１００の製造工程を大幅に削減することができる。また、幅を異ならせることによりポテンシャル電位を規定するため、リソグラフィ精度によりポテンシャル段差を設定することができる。これにより、ばらつきを抑えて精度よく所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を製造することができる。
【００２８】
図２（ｃ）は、電荷転送路１２０のポテンシャル電位を示す図である。電荷転送路１２０の幅狭部１２０ｂは幅広部１２０ａよりも高いポテンシャル電位を有する。このように、電荷転送路１２０にチャネル幅の異なる幅広部１２０ａおよび幅狭部１２０ｂを設けることにより、これらをそれぞれ電荷蓄積領域および障壁領域とすることができる。
【００２９】
図３は、電荷転送路１２０における電荷転送のメカニズムを示す図である。
図３（ａ）は、図２に示したように構成された電荷転送路１２０および転送ゲート電極１１０において、隣接する第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂに互いに１８０度位相がずれた信号電圧Φ１およびΦ２をそれぞれ印加する様子を示す。
【００３０】
図３（ｂ）は、第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂに電圧が印加されたときの信号の移動状態を示す図である。図３（ｂ）の実線は、信号電圧Φ１がハイ、信号電圧Φ２がローのときのポテンシャル電位を示し、破線は、信号電圧Φ１がロー、信号電圧Φ２がハイのときのポテンシャル電位を示す。
【００３１】
図示したように、信号電圧Φ１をハイ、信号電圧Φ２をローとすると、ポテンシャル電位は実線で示したようになり、ａの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｂの位置に移動する。つづいて、信号電圧Φ１をロー、信号電圧Φ２をハイとすると、ポテンシャル電位は破線で示したようになり、ｂの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｃの位置に移動する。このようにして、信号電荷は、図中左方向に順次転送される。
【００３２】
以上のように、本実施の形態における電荷転送装置は、一度のフォトリソグラフ工程のみで電荷転送路１２０の電荷蓄積領域および障壁領域を形成することができる。このため、不純物注入時のばらつきを低減することができる。
【００３３】
図４は、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂの形状の他の例を示す図である。
図４（ａ）に示したように、幅広部１２０ａは、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に進むにつれて幅が徐々に狭くなるような曲面を有する形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。
【００３４】
また、幅広部１２０ａは、信号転送方向の手前にある幅狭部１２０ｂとの間において、信号転送方向に進むにつれて幅が徐々に広くなるような形状とすることができる。このようにすることによって、電荷転送路１２０における信号の転送をより良好にすることができる。ここで、幅狭部１２０ｂの電荷転送方向における長さｃは、ポテンシャルバリアの高さを確保するのに必要最低限の幅とすることができる。幅狭部１２０ｂの長さｃをできるだけ短くすることにより、幅狭部１２０ｂの配線抵抗を低く抑えることができる。
【００３５】
また、幅広部１２０ａは、図４（ｂ）に示したような形状とすることもできる。ここでも、幅広部１２０ａは、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に進むにつれて幅が徐々に狭くなる曲面を有する形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。
【００３６】
また、幅広部１２０ａは、信号転送方向の手前にある幅狭部１２０ｂとの間において、信号転送方向に進むにつれて、幅が徐々に広くなるようなテーパ形状とすることができる。このようにすることによって、電荷転送路１２０における信号の転送をより良好にすることができる。
【００３７】
さらに、幅広部１２０ａは、図４（ｃ）に示すように、信号転送方向の先にある幅狭部１２０ｂとの間において、電荷転送方向に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるテーパ形状に形成することができる。このようにすれば、幅の広い幅広部１２０ａから幅の狭い幅狭部１２０ｂへ信号電荷が転送される際に、信号電荷の転送効率が低減することなく、電荷転送路１２０全体における信号の転送を良好にすることができる。
【００３８】
図５は、幅広部１２０ａと幅狭部１２０ｂの形状のまた他の例を示す図である。
ここでは、幅狭部１２０ｂは、不純物が注入された領域の中に、不純物が注入されていない領域１３０を島状に設けることにより形成される。このような領域１３０は、電荷転送路１２０に不純物をイオン注入する際に、この領域に不純物がイオン注入されないようなマスクパターンを用いることにより、工程を増やすことなく形成することができる。これにより、幅狭部１２０ｂにおける幅は幅広部１２０ａにおける幅よりも狭くなり、図２（ａ）や図４に示した例と同様に、幅狭部１２０ｂのポテンシャルを幅広部１２０ａよりも高くすることができる。このようにすれば、複数の幅狭部１２０ｂが間隔を隔てて信号転送方向に並行して設けられた構成とすることができ、幅狭部１２０ｂの本数を増やすことができるので、幅狭部１２０ｂにおける電気抵抗を低く抑えることができ、電荷転送効率を向上することができる。
【００３９】
図６は、図２および図５に示した電荷転送路１２０の断面図およびそのときのポテンシャル形状を示す図である。
図６（ａ）は、図２のＡ−Ａ’断面図である。なお、図５のＣ−Ｃ’断面図も図６（ａ）と同様になる。図６（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ’断面図である。図６（ｃ）は、図５のＤ−Ｄ’断面図である。
【００４０】
なお、以上の実施の形態で説明した電荷転送路１２０の形状は一例であり、電荷転送路１２０は、種々の形状とすることができる。
また、図５に示した例では、領域１３０に不純物を注入しないとして説明したが、たとえば幅広部１２０ａにｎ型不純物を注入し、ｐ型不純物を領域１３０に注入する等、領域１３０は、他の領域と異なる導電型とすることもできる。このようにした場合も、電荷転送路１２０の幅を適宜制御することにより、目的のポテンシャル段差を設計することができる。これにより、所望のポテンシャル段差を有する電荷転送路を精度よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態における電荷転送装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における電荷転送装置の電荷転送路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における電荷転送路の電荷転送のメカニズムを示す図である。
【図４】電荷転送路の形状の他の例を示す図である。
【図５】電荷転送路の形状のまた他の例を示す図である。
【図６】図２および図５に示した電荷転送路の断面図およびそのポテンシャル形状を示す図である。
【図７】ＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する図である。
【図８】ＣＣＤにおける電荷転送のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００  電荷転送装置
１０１  半導体基板
１０２  Ｐウェル
１０４  Ｐ＋領域
１０６  素子分離領域
１０８  ゲート酸化膜
１１０  転送ゲート電極
１１１  トランスファーゲート
１１２  第一の層間絶縁膜
１１４  第一の金属配線層
１１６  第二の層間絶縁膜
１１８  第二の金属配線
１２０  電荷転送路
１２２  フォトダイオード
１２０ａ  幅広部
１２０ｂ  幅狭部
１２４  シリコン酸化膜
１３０  不純物が注入されていない領域
【図１】
2005174965.tif 000003
【図２】
2005174965.tif 000004
【図３】
2005174965.tif 000005
【図４】
2005174965.tif 000006
【図５】
2005174965.tif 000007
【図６】
2005174965.tif 000008
【図７】
2005174965.tif 000009
【図８】
2005174965.tif 000010