(57)【要約】【課題】  固体撮像装置におけるオーバーフロードレイン機能の低下をおさえ、電子シャッター動作の低電圧化を図る。【解決手段】  Ｐ型のウエル領域１２内で、Ｎ型のフォトダイオード部１３とＮ型半導体基板１１との間にＮ型ドレイン領域１９を設け、これに電子シャッター動作時に電源２０からパルス信号を印加し、ポテンシャルを深くすることでフォトダイオード部１３にたまった信号電荷をＮ型ドレイン領域１９に排出する。このフォトダイオード部１３とＮ型ドレイン領域１９との距離を短くできるので、その間に大きな電界がかかりやすく容易に空乏層が形成されるので制御する電源２０の低電圧化ができる。Ｎ型ドレイン領域１９はＡｓイオン注入で形成しその不純物濃度分布を高精度に制御できるので、フォトダイオードの飽和特性のばらつきを抑え、オーバーフロードレイン機能の向上を図れる。【選択図】  図１
2005051136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型のウエル領域上に、光電変換により信号電荷を生成する第1導電型のフォトダイオード部と、前記フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを備えた固体撮像装置であって、
前記フォトダイオード部と前記半導体基板との間の前記ウエル領域の内部に、所定の信号が印加される第１導電型のドレイン領域を設けたことを特徴とする、固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１導電型の半導体基板と前記第２導電型のウエル領域間に、前記フォトダイオードの電荷蓄積容量を決定するための電圧を印加する構成を有す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】
前記第１導電型のドレイン領域に印加される所定の信号はパルス電圧であ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４】
第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層の所定領域に第１導電型のドレイン領域を形成する工程と、前記第１半導体層および前記ドレイン領域上に第２導電型の第２半導体層を形成することで、前記第１および第２半導体層からなるウエル領域を形成する工程と、前記第１導電型のドレイン領域上部の前記ウエル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する第１導電型のフォトダイオード部と、前記フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを形成する工程とを含むことを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置についてまず説明する。図４は従来の固体撮像装置の画素部の断面図であり、４１はＮ型半導体基板、４２はＮ型半導体基板４１に形成されたＰ型のウエル領域、４３は光電変換を行うＮ型のフォトダイオード部、４４は信号電荷を転送するためのＮ型の電荷転送部である。光電変換では光がフォトダイオード部４３に入射すると電子と正孔が発生するが、固体撮像装置は電子を信号電荷として利用し、不要な正孔は蓄積させるため、４５はＰ型のウエル領域４２より不純物濃度が高く設定されており、フォトダイオード部４３表面に形成されたＰ型の正孔を蓄積する正孔蓄積部である。４６はゲート絶縁膜、４７は信号電荷の転送を制御するゲート電極、４８はフォトダイオード電子蓄積容量を決定しフォトダイオード容量を超える過剰電子が発生したとき、Ｎ型の電荷転送部４４に電子が漏れこまないように、過剰電子をＮ型半導体基板４１に流すオーバーフロードレインを機能させるためのＶｓｕｂ電源、４９はゲート電極４７を覆う絶縁膜である。
【０００３】
以下、上記のように構成された固体撮像装置の動作について説明する。フォトダイオード部４３に光が入射するとＰＮ接合部で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷（電子）が生成される。ゲート電極４７の電位を変化させ電荷転送部４４のポテンシャルを深くすることで、光による信号電荷がフォトダイオード部４３から電荷転送部４４に流入する。ゲート電極４７にクロック信号を印加することで紙面に垂直方向に信号電荷の転送を行い、信号出力として変換し外部回路に取り出される。
【０００４】
図５は図４の固体撮像装置のＡ−Ａ’線の切断断面の基板内ポテンシャルを示し、（ａ）はオーバーフロードレイン機能時のポテンシャル、（ｂ）は電子シャッター作動時のポテンシャルを示す。フォトダイオード容量と、フォトダイオード容量を越える過剰な信号電荷をＮ型半導体基板４１に排出するオーバーフロードレイン機能は、Ｖｓｕｂ電源４８の設定電圧により制御されるＰ型のウエル領域４２のポテンシャルにより決定される。また、Ｖｓｕｂ電源４８にパルス信号を印加し、Ｐ型のウエル領域４３のポテンシャルをフォトダイオード部４３のポテンシャルと同等または深くし、フォトダイオード部４３にたまった信号電荷を強制的に任意の時間内でＮ型半導体基板４１に排出することで、露光時間を細かく制御する電子シャッター動作を実現している。
【非特許文献１】Y.Ishihara,E.Oda,H.Tanigawa,N.Teranishi,E.Takeuchi,I.Akiama,K.Arai,M.Nishimuraand T.Kamata: Interline CCD Image Sensor with Anti Blooming Structure,ISSCC Dig.Tech.Papers,pp.168-169(1982)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の固体撮像装置では、Ｎ型半導体基板４１のＮ型領域の不純物濃度変動・ウエハ間差や、イオン注入・熱拡散等の製造ばらつきによりウエル領域４２やフォトダイオード部４３のポテンシャルにばらつきが生じる。このため、フォトダイオード容量が変動しフォトダイオード部４３が蓄積する実質的な電子の最大容量に対応する飽和特性がばらつく。またＶｓｕｂ電源４８の設定電圧をＮ型半導体基板４１に印加してもオーバーフロードレイン機能が十分に機能せず、過剰の電荷が電荷転送部４４に信号電荷として漏れ込み、ブルーミングとよばれる疑信号が発生し画質劣化が生じるというという問題があった。
【０００６】
さらに、上記したように従来の固体撮像装置では、電子シャッター動作時にはＶｓｕｂ電源４８にパルス信号を印加し、ポテンシャルを深くすることでフォトダイオード部４３にたまった信号電荷を強制的にＮ型半導体基板４１に排出しているが、この時、Ｖｓｕｂ電源４８の電圧を通じてウエル領域４２を空乏化させポテンシャル障壁を完全になくすためには高いＶｓｕｂ電圧が必要であり、電子シャッターモードを低電圧で作動させ、固体撮像装置を低消費電力化するのは難しいという問題があった。
【０００７】
上記のオーバーフロードレイン機能の劣化の現象をおさえるため、半導体基板濃度や半導体製造装置の不純物導入条件ばらつきを低減する方法があるが、不純物濃度のばらつきが少ない高精度の基板や不純物導入を高精度で行う装置を導入する必要がありコスト高となり現実的でない。また、上記の電子シャッター動作の低電圧化を実現するため、ウエル領域４２やフォトダイオード部４３の不純物元素を低濃度化し内部ポテンシャル障壁を低くし易くする方法があるが、これではフォトダイオード容量が低下し飽和特性が劣化してしまう。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、飽和特性のばらつきやオーバーフロードレイン機能の低下を抑えることができ、また電子シャッター機能の低電圧化が可能となる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】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型のウエル領域上に、光電変換により信号電荷を生成する第1導電型のフォトダイオード部と、フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを備えた固体撮像装置であって、フォトダイオード部と半導体基板との間のウエル領域の内部に、所定の信号が印加される第１導電型のドレイン領域を設けたものである。
【００１０】
そして、第１導電型の半導体基板と第２導電型のウエル領域間に、フォトダイオードの電荷蓄積容量を決定するための電圧を印加する構成を有する。また、第１導電型のドレイン領域に印加される所定の信号はパルス電圧である。
【００１１】
また、上記のような本発明の固体撮像装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に第２導電型の第１半導体層を形成する工程と、第１半導体層の所定領域に第１導電型のドレイン領域を形成する工程と、第１半導体層およびドレイン領域上に第２導電型の第２半導体層を形成することで、第１および第２半導体層からなるウエル領域を形成する工程と、第１導電型のドレイン領域上部のウエル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する第１導電型のフォトダイオード部と、フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを形成する工程とを含むものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によると、第１導電型の半導体基板上の第２導電型のウエル領域内で、フォトダイオード部と半導体基板との間に、第１導電型のドレイン領域を設け、これに電子シャッター動作時にパルス電圧を印加しポテンシャルを深くすることでフォトダイオード部にたまった信号電荷をドレイン領域に排出する。このように半導体基板ではなくフォトダイオード部に近接したドレイン領域に信号電荷を排出することで電子シャッター機能の低電圧化が可能となり、低消費電力化を図ることができる。また、ドレイン領域はＡｓイオン注入等により形成することでその不純物濃度分布を高精度に制御できるので、フォトダイオード部からドレイン領域への過剰な信号電荷の吐き出しを速やかに行わせることが可能となり、オーバーフロードレイン機能が向上するとともにフォトダイオードの飽和特性のばらつきが減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１に基づいて、本発明の一実施の形態に係わる固体撮像装置の構造について説明する。同図において、１１はＮ型半導体基板、１２はＮ型半導体基板１１に形成されたＰ型のウエル領域、１３は光電変換を行うＮ型のフォトダイオード部、１４は信号電荷を転送するためのＮ型の電荷転送部、１５はＮ型のフォトダイオード部１３上に形成されたＰ型の正孔蓄積部、１６はゲート絶縁膜、１７は信号電荷の転送を制御するポリシリコンのゲート電極、１８はフォトダイオード容量を決定しオーバーフロードレインを機能させるためのＶｓｕｂ電源である。
【００１４】
１９はＰ型のウエル領域１２内に局所的にＡｓを分布させ形成したＮ型ドレイン領域であり、画素それぞれに設置されたフォトダイオード部１３の下方に設けられている。このＮ型ドレイン領域１９の平面的パターンは、画素アレイの列または行に沿って配列された短冊形になっているものである。そして画素アレイ端部でこのパターンと電源２０のライン配線が接続される。また、上記の短冊形とは異なり、Ｎ型ドレイン領域１９の平面的パターンが、フォトダイオード部１３に対向した方形状パターンが細い拡散層でつながった平面パターンとなっていてもよい。この場合も画素アレイ端部で電源２０のライン配線と接続される。２０はＮ型ドレイン領域１９に接続されたパルス信号を印加する電源である。２１はゲート電極１７を覆う絶縁膜である。
【００１５】
この固体撮像装置は、フォトダイオード部１３に光が入射すると、フォトダイオード部１３とウエル領域１２とのＰＮ接合部で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷（電子）が生成される。ゲート電極１７の電位を変化させ電荷転送部１４のポテンシャルを深くすることで、光による信号電荷がフォトダイオード部１３から電荷転送部１４に流入する。ゲート電極１７にクロック信号を印加することで紙面に垂直方向に信号電荷の転送を行い、信号出力として変換し外部回路に取り出される。
【００１６】
次に、図２に基づいて、図１に対応する固体撮像装置の製造方法について説明する。Ｎ型半導体基板１１にＢのイオン注入を行ったのち熱拡散・アニールによりＰ型の下部ウエル領域１２ａを形成する（図２（ａ））。次にレジストをマスクとしたＡｓのイオン注入をＰ型の下部ウエル領域１２ａに行い、下部ウエル領域１２ａの表面にＮ型ドレイン領域１９を形成する。このＮ型ドレイン領域１９はパルス信号を印加する電源２０に接続すべきものである。そして基板上にさらにエピタキシャル法などでＰ型半導体層（Ｐ型の上部ウエル領域１２ｂ）を堆積することで、Ｐ型のウエル領域１２の内部にＮ型ドレイン領域１９が形成された図２（ｂ）の構造とする。なお、Ｐ型半導体層（Ｐ型の上部ウエル領域１２ｂ）堆積後に、レジストをマスクとしたＡｓのイオン注入を行なうことでＮ型ドレイン領域１９を形成するようにしてもよい。
【００１７】
次に、レジストをマスクとしてＡｓのイオン注入によりＮ型のフォトダイオード部１３を、また、ＡｓとＰのイオン注入により電荷転送部１４を、Ｂのイオン注入により正孔蓄積部１５を形成する（図２（ｃ））。続いて、ゲート絶縁膜１６およびポリシリコンを成膜後、レジストをマスクとしたエッチングによりポリシリコンのゲート電極１７を形成し、その後、ゲート電極１７の上部および側部を覆う絶縁膜２１を成膜する（図２（ｄ））。
【００１８】
以上のように本実施の形態によって固体撮像装置が完成する。この装置において、Ｎ型ドレイン領域は従来の半導体基板１１に代わり、電圧が印加されてポテンシャルが制御される。図３は本実施の形態の固体撮像装置の動作を説明する図であり、図１のＡ−Ａ’線の切断断面のポテンシャルを模式的に示し、（ａ）はオーバーフロードレイン機能時のポテンシャル、（ｂ）は電子シャッター作動時のポテンシャルを示す。
【００１９】
図３のポテンシャルは図５の従来のポテンシャルに比べ、フォトダイオード部１３とＮ型ドレイン領域１９の距離が短くその間に大きな電界がかかりやすくなっており、容易に空乏層が形成される状態になっている。また、レジストをマスクとしたＡｓのイオン注入によりＮ型ドレイン領域１９を形成することで、Ｎ型ドレイン領域１９のＮ型半導体基板１１に対する横方向の寸法（Ｎ型ドレイン領域１９のフォトダイオード部１３に対する横（水平）方向の位置）と深さ方向の不純物濃度分布が高精度に制御されている。したがってフォトダイオード部１３からの過剰な信号電荷の吐き出しが速やかに行なわれ、オーバーフロードレイン機能が向上するとともに飽和特性ばらつきが減少する。このように、従来ドレイン領域としてＮ型半導体基板を用いたため問題であった不純物濃度むら・ウエハ間差など製造ばらつきの影響を受けることなしに、Ｎ型ドレイン領域１９の不純物濃度分布を高精度に制御することができ、飽和特性のばらつきやブルーミングによる画像劣化の発生を抑えることができる。
【００２０】
また、電子シャッター動作時は、従来の不純物元素濃度のばらつきの大きいＮ型半導体基板でなく、不純物元素の濃度が制御されたＮ型ドレイン領域１９に信号電荷を吐き出すため、フォトダイオード部１３とＮ型ドレイン領域１９を隔てている不純物元素の濃度が制御されたＰ型のウエル領域１２のポテンシャルに相当する電圧を印加するだけで動作することができ、やはり特性ばらつきを減少させる。それとともにフォトダイオード部１３とＮ型ドレイン領域１９を近くすることができるのでその間に大きな電界がかかりやすくなっており、容易に空乏層が形成されるので制御する電源２０の印加電圧を低電圧化できる。
【００２１】
また、Ａｓのイオン注入の加速電圧やドーズ量を変えることでＮ型ドレイン領域１９の厚さやフォトダイオード部１３との距離などを任意に変えることができるのでオーバーフロードレインや電子シャッターの動作特性を任意に設定することが可能となる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、レジストをマスクとしたＡｓのイオン注入によりＮ型ドレイン領域１９を形成したが、その他、エピタキシャル成長を選択的に行なうことによりＮ型ドレイン領域１９を形成しても同様の効果があることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明にかかる固体撮像装置およびその製造方法は、飽和特性のばらつきやオーバーフロードレイン機能の低下を抑え、また電子シャッター機能の低電圧化が可能となり、小型化・高画素化された固体撮像装置およびその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態に係わる固体撮像装置の断面図
【図２】本発明の一実施の形態に係わる固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図
【図３】本発明の一実施の形態に係わる固体撮像装置におけるオーバーフロードレイン機能時と電子シャッター動作時のポテンシャルを示す図
【図４】従来の固体撮像装置の断面図
【図５】従来の固体撮像装置におけるオーバーフロードレイン機能時と電子シャッター動作時のポテンシャルを示す図
【符号の説明】
【００２５】
１１，４１  Ｎ型半導体基板
１２，４２  Ｐ型のウエル領域
１３，４３  フォトダイオード部
１４，４４  電荷転送部
１５，４５  正孔蓄積部
１６，４６  ゲート絶縁膜
１７，４７  ゲート電極
１８，４８  Ｖｓｕｂ電源
１９        Ｎ型ドレイン領域
２０        パルス信号を印加する電源
【図１】
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【図２】
2005051136.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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