JP3843775B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される電荷転送装置を用いた固体撮像装置は、その低雑音特性などの優位性よりその実用化が著しい。
【０００３】
以下、従来の固体撮像装置及びその駆動方法について説明する。
【０００４】
図７は従来の光電変換領域及び電荷転送領域の断面図であり、１はＰ型シリコンで構成されたＰ型基板、２は半導体基板１の表面に選択的に形成された電荷転送領域（埋め込みチャンネルＣＣＤのチャンネル部）となるＮ型拡散層、３は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＮ型拡散層、４は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、５は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、６は半導体基板１の表面に形成された酸化膜等の絶縁膜、７は絶縁膜６の表面に選択的に形成されたゲート電極である。
【０００５】
Ｎ型拡散層３及びＰ型基板１によってできるフォトダイオードの領域が光電変換領域であり、Ｎ型拡散層３（以下ＰＤと略記する）は光が照射され光電変換された信号電荷を集積する。埋め込みチャネルＣＣＤのＮ型拡散層２が電荷転送領域、光電変換領域と電荷転送領域の間のゲート電極下のＰ型拡散層５が読み出しチャネル部のチャネルドープ領域を構成する。ゲート電極７に読み出し用の正の電圧を印加しチャネル部の電位をＰＤの電位より高くすることにより、信号電荷は読み出しチャネル部を通って電荷転送領域に読み出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法ではＰＤから表面までＮ型拡散層が広がっているため、表面付近に多く存在する欠陥により発生した余分な電荷がＰＤに集積しやすく画面上では白キズ等の特性不良を起こす。これを避けるためには、半導体基板の内部にＰＤを埋め込めばよいが、信号電荷は基板の内部を通ることになりゲート電圧による読み出しの制御が難しく残像等の原因となる。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、表面付近の欠陥の影響を受けず、ゲート電圧により読み出しを制御する事のできる固体撮像装置及びその駆動方法を提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基板の内部を通って信号電荷を読み出すように、完全に埋め込んだ光電変換領域を形成し、かつゲート電圧による読み出しの制御ができるように、光電変換領域と電荷転送領域の間隔およびチャネルドープ領域の不純物濃度分布を適切なものとするものである。
【０００９】
【作用】
この構成によって、信号電荷は光電変換領域から基板の内部を通って電荷転送領域に読み出され、表面付近の欠陥の影響を受けないため、白キズ等の不良の発生を防ぐことができる。また、ゲートの電圧による制御が可能なように、光電変換領域と電荷転送領域の間隔およびチャネルドープ領域の不純物濃度分布を適切なものにしているため、残像等の不良の発生を防ぐことができる。
【００１０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施例における固体撮像装置の光電変換領域及び電荷転送領域の断面図を示すものである。
【００１２】
図１において１１はＰ型シリコンで構成されたＰ型基板、１２は半導体基板１１の表面に選択的に形成された電荷転送領域となるＮ型拡散層、１３は半導体基板１１の中に完全に埋め込まれるよう形成されたＮ型拡散層、１４は半導体基板１１の表面にＮ型拡散層１３を完全に覆うように形成されたＰ型拡散層、１５は読み出しの際のゲート電圧による制御を可能にしかつ表面を信号電荷が通らないよう適切な不純物濃度分布を持つように半導体基板１１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、１６は半導体基板１１の表面に形成されたＳｉＯ2等の絶縁膜、１７は信号電荷読み出し用のゲート電極である。
【００１３】
Ｐ型基板１１内には、選択的に電荷転送領域となるＮ型拡散層１２が形成されている。このＮ型拡散層１２の不純物濃度は、最大濃度が約１０17／ｃｍ3で、その深さは約０.４μｍである。このような不純物濃度でこの深さに設定したのは、電荷に対する最適な飽和特性を持たせることと電荷転送領域での最適なポテンシャルを得るためです。もし不純物濃度が薄いと、このポテンシャルが浅くなり、転送効率が低下したり、飽和特性が劣化することになる。不純物濃度が高いとＮ型拡散層１２における飽和特性がやはり劣化する。
【００１４】
Ｎ型拡散層１２の側壁の一端に接してＰ型拡散層１５が形成されている。Ｐ型拡散層１５は、Ｎ型拡散層１３から電荷を読み出す際のゲート電圧による制御を可能にし適切な不純物濃度分布を持つように半導体基板１１に選択的に形成されている。このＰ型拡散層１５の不純物濃度は、最大で１０16／ｃｍ3で、その深さは０.２〜０.３μｍである。この不純物濃度と深さに設定したのは、電荷を読み出す際の読み出し電圧を最適化するためである。この不純物濃度が薄い場合、固体撮像装置は表面チャネル型となる。表面チャネル型の固体撮像装置では基板表面の状態に影響され易く、素子特性の信頼性が低下する。また、この不純物濃度が高い場合には、ゲートによる駆動がしにくい。すなわちゲートに駆動のための電圧を印加しても、電圧の印加による基板内のポテンシャルの変化が少ない。このためこのポテンシャルの変化が埋め込みチャネルまで影響せず、チャネルのポテンシャルの制御ができない。また素子形成時に残像が生じる原因になる。
【００１５】
ここでＰ型拡散層１５はＮ型拡散層１２とオーバラップしてはいけない。もしオーバーラップした場合、Ｎ型拡散層１２の幅が減少し、飽和特性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
Ｐ型拡散層１５の側壁の一端に接して光電変換領域となるＮ型拡散層１３が形成されている。Ｎ型拡散層１３は、基板の表面近くに存在する欠陥による特性の劣化を防ぐために、半導体基板１１の中に完全に埋め込まれるよう形成されている。このＮ型拡散層１３の不純物濃度は、１０16〜１０17／ｃｍ3で、その深さは１.０〜１.４μｍである。このような不純物濃度と深さに設定したのは光電変換領域の電荷に対する十分な飽和特性を確保するためである。
【００１７】
ここでＰ型拡散層１５が埋め込みチャネル部まで広がってしまい、チャネルが形成されなくなると、電荷の読みだしが困難となる。このためＮ型拡散層１３はＰ型拡散層１５とがオーバラップしている場合には、上記説明のごとく読みだしが困難であり、Ｎ型拡散層１３の飽和特性をも劣化させる。
【００１８】
Ｐ型拡散層１４は半導体基板１１の表面に形成されており、Ｎ型拡散層１３の表面を完全に覆うように形成されている。このＰ型拡散層１４の不純物濃度は、最大で約１０17／ｃｍ3で、その深さは約０.３μｍである。固体撮像装置を駆動した際、Ｎ型拡散層１３が空乏化される。この時、このような不純物濃度と深さに設定すれば、その空乏化した領域が基板表面に到達するのをできるだけ少なくなる。これによって基板表面付近に存在する欠陥によって生じる暗電流や白キズが発生するのを防止できる。
【００１９】
ここでＰ型拡散層１４はＮ型拡散層１３を完全に被っていなければならない。もし、完全にはおおわれていない場合、すなわち、従来技術に示したようにＰ型拡散層１４の右端にＮ型拡散層１３の領域が露出した状態や、Ｐ型拡散層１４が右端によって形成され左端にＮ型拡散層１３の領域が露出した状態、さらにはこの両方が同時に起こるＮ型拡散層１３の横幅内にＰ型拡散層１４が形成されている場合、これら全ての場合において、Ｎ型拡散層１３が空乏化した時、その空乏化した領域が基板表面に到達するＮ型拡散層１３の領域が露出した領域が存在することとなり、やはり暗電流や白キズが発生することになる。
【００２０】
また、Ｐ型拡散層１４はＮ型拡散層１３を完全に被っている状態として、Ｐ型拡散層１４の右端はＮ型拡散層１３の右端とほぼ一致しているが、Ｐ型拡散層１４の左端はＮ型拡散層１３の左端より０.５μｍ程度左に位置している。これがさらに左に位置していると、となりの画素に形成されたＮ型拡散層を狭めることとなり、取扱得る電荷の飽和特性を低下させることになる。また、Ｐ型拡散層１４の左端はＮ型拡散層１３の左端と一致しているが、右端がＮ型拡散層１３の右端よりさらに右に位置し、Ｐ型拡散層１５とオーバーラップしている。このオーバラップ幅は０.２〜０.３μｍ程度であれば問題ない。しかし、これ以上の幅でオーバーラップすれば、Ｐ型拡散層１４の不純物濃度が高いために、ゲートによる埋め込みチャネルのポテンシャルの制御が困難である。
【００２１】
また、本実施例ではＰ型拡散層１４の深さがＰ型拡散層１５の深さより深い位置にあるが、このことは本発明の主要なことではない。ここで、Ｐ型拡散層１４の深さは接合の深さを示しているが、Ｐ型拡散層１５の深さは、不純物濃度が１０16／ｃｍ3になる深さを示している。Ｐ型拡散層１５の深さは、Ｎ型拡散層１２の電荷の飽和特性が満足される深さ約０.３μｍ程度であればよい。ただしＰ型拡散層１５の深さが深すぎてチャネルを被ってしまい、動作時にチャネルが形成されないようになってしまうと電荷を読み出すことが不可能となる。
【００２２】
半導体基板１１上にＳｉＯ2等の絶縁膜１６が形成されている。さらに絶縁膜１６上には信号電荷読み出し用のゲート電極１７が形成されている。絶縁膜１６の膜厚は０.０７〜０.１μｍ程度である。ゲート電極１７は下層の拡散層１２を覆い、紙面に対して垂直方向の電荷転送を行い、同時に拡散層１２の空乏化を起させる。拡散層１３と拡散層１４とはその両端がほぼ一致している。もしゲート電極１７が拡散層１３の上に突き出していると、外部より入射してくる光が入る部分が狭くなり、光電変換の感度を低下させる。逆に、ゲート電極１７が拡散層１３より内側に位置しすぎていると、拡散層１３の電荷を読み出すことが困難になる。
【００２３】
ゲート電極１７はＰ型拡散層１５を完全に覆っている。ゲート電極１７に電圧を印加すると、拡散層１５の下部にはチャネルが発生し、このチャネルをゲート電極１７によって制御している。
【００２４】
ここでゲート電極１７の膜厚は約０.３μｍのポリシリコンを用いている。
【００２５】
本実施例では、Ｎ型拡散層１３の上にＰ型拡散層１４を設けていることに特徴がある。このことをより詳細に説明するために図２に、図１のＡ−Ａ’線で示された光電変換領域の断面の基板表面から深さ方向への不純物濃度の分布状態を示す。横軸は基板表面からの深さを示し、縦軸は不純物濃度を示す。これよりＰ型拡散層１４の不純物濃度が高いためＮ型拡散層１３を空乏化したとき、Ｐ型拡散層１４に発生する空乏化された領域の広がりが小さくなる。このように空乏化した領域が基板表面近くまで到達しない。
【００２６】
また、図３には同様に、図１のＢ−Ｂ’線で示された基板面から深さ約０.２μｍでの基板に平行方向の不純物濃度の分布状態を示す。
【００２７】
横軸は基板に平行方向の距離を示し、縦軸は不純物濃度を示す。これよりＰ型拡散層１４とＰ型拡散層１５との間にＮ型領域が存在しないので、Ｎ型拡散層１３が空乏化しても、その空乏化した領域が基板表面に達することがない。
【００２８】
以上のように構成された固体撮像装置について、以下その駆動方法について説明する。その駆動方法による固体撮像装置内部での変化の様子を図４に示す。
【００２９】
まず、Ｎ型拡散層１２から電荷が転送された後の空乏状態の時にゲート電極１７に正の電圧を印加する。これによって、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１によってできるＰＮ接合のまわりのＰ型基板１１側の空乏層２０が広がりＮ型拡散層１２とＮ型拡散層１３の間のＰ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位が上がる。同時にゲート電極１７はＰ型拡散層１５の上にも延びているため、ゲート電極１７の下のＰ型拡散層１５の電位を上げひいてはその下のＰ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位が上がる。ここで、印加される電圧は約１５ボルトである。この電圧値は、Ｎ型拡散層１３から信号の電荷を残すことなく完全に読み出すことのできる値に設定されている。このため電圧値は通常１０〜２０ボルトの範囲で用いられる。これ以上の電圧で動作させると、Ｎ型拡散層１３と隣の素子領域にあるＮ型拡散層１３との間の耐圧と、Ｎ型拡散層１３とＮ型拡散層１２との間の分離耐圧が低下する。
【００３０】
Ｐ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位がＮ型拡散層１３の空乏状態の最大電位より０.１ボルト程度低い値より、高くなるようにゲート電極１７に正の電圧を一定時間かけると、チャンネルを通して信号電荷がすべて読み出される。具体的にはゲート電極１７には５〜１０ボルトの電圧が印加される。空乏状態での最大電位は約６ボルトであって、約５.９〜６.０ボルトであれば、信号電荷をすべて読み出すことができる。
【００３１】
このように、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１によってできるＰＮ接合のまわりのＰ型基板１１側の空乏層２０の広がりに加えて、Ｐ型基板１１内部のチャンネルの上のゲート電極１７の電圧によりチャンネル部の電位が上げられるためゲート電極１７の電圧による信号電荷の読み出しの制御が可能になる。すなわちゲート電極１７によってチャネルの電位を制御して、信号の電荷を読み出すことができる。
【００３２】
Ｎ型拡散層１２と１３の間隔及びＰ型拡散層１５の不純物濃度分布を最適化することにより、ゲート電極１７に正の電圧を印加した時にＰ型基板１１内部にチャンネルができかつチャンネルの上のゲート電極１７の電圧によりチャンネルの電位が上げられるため、所定のゲート電圧で上記の読み出しが実現できる。すなわちチャネルの電位を制御することで、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１との空乏化された領域を広げることができる。このように、ゲート電極１７に印加された電圧によってチャネルの制御と空乏化された領域を広げることができる。
【００３３】
次に本発明の第２の実施例を図５を用いて説明する。本実施例で第１の実施例と異なるのは、Ｐ型拡散層１５がＰ型基板１１の内部に埋め込まれていることである。このＰ型拡散層１５の不純物濃度は、最大で１０16／ｃｍ3である。
【００３４】
Ｐ型拡散層１５は基板１１表面より内部に形成されているので、基板１１表面とＰ型拡散層１５との間の領域には基板１１の層が形成されている。
【００３５】
Ｐ型拡散層１５はＰ型基板１１表面から約０.１５μｍの深さにある。Ｐ型拡散層１５の上面までの距離はＰ型拡散層１５の不純物濃度が１０16／ｃｍ3となる位置で０.１μｍと０.３μｍの地点である。底面までの距離（幅）は０.２μｍである。Ｐ型拡散層１５をこのような位置に設定しているのは、固体撮像装置に電圧を印加した際に生じるチャネルが基板表面から０.３〜０.４μｍの深さに形成されるためである。拡散層１３はＰ型基板１１の深さ方向に０.３〜０.４μｍの位置に形成されている。
【００３６】
また、Ｐ型拡散層１４の深さはＰ型拡散層１５の幅内あるいはそれよりやや深い位置にある。これはＰ型拡散層１４がＰ型拡散層１５が形成されている位置より浅い時は、表面チャネルが形成される。逆にＰ型拡散層１４がＰ型拡散層１５より深い位置に形成されているとチャネルが形成されなくなる。
【００３７】
この構造により表面近くの濃度を下げることが出来るので表面からの空乏層が内部まで伸びやすくなり読み出しに必要な電圧を低減することができる。
【００３８】
図６に図５のＣ−Ｃ’線に沿って、基板表面からの深さ方向への不純物濃度の分布状態を示す。横軸は基板表面からの深さであり、縦軸は不純物濃度のネット値を対数で表示したものである。
【００３９】
また、同時に内部濃度が高くなっているため、内部チャンネルを経由したＮ型拡散層１３からＮ型拡散層１２への信号電荷の洩れ出しを防ぐことができる。すなわち、内部濃度が高くなっていると、Ｎ型拡散層１２を空乏化し、ゲート電極１７に読み出し電圧が印加されていない状態で空乏化された領域がＮ型拡散層１３へ伸びるのが抑えられる。このためＮ型拡散層１３での飽和電荷量を増やすことができる。この構造はＰ型拡散層１５を形成する際のボロン等のイオン注入のエネルギーを高いものにすることにより実現できる。
【００４０】
以上述べたように、従来例のように光電変換領域の表面にまでＮ型拡散層が広がっており、かつ光電変換領域にたとえ光が照射されていなくても光電変換領域が空乏化していると、その空乏化された領域が表面付近にまで到達する。このため表面付近に多く存在する欠陥では電子−正孔対が生成される。この電子は光電変換領域に電荷として蓄積される。従って光が当たっていない時でも、信号となる電荷が欠陥のある画素で発生し、白キズとなる。本実施例では光電変換領域を埋め込み型にすることにより、基板１１表面にまで空乏化した領域が広がらないため白キズが発生しない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は光電変換領域を完全に埋め込み型にして、光電変換領域と電荷転送領域の間隔及び基板内部のチャネルの上部でかつゲート下に形成するＰ型拡散層の不純物濃度分布を適切なものとすることにより、表面付近の欠陥による白キズ等の不良の発生を防ぎ、かつチャネルの上のゲートによる信号電荷の読み出しの制御ができる優れた固体撮像装置およびその駆動方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の断面図
【図２】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の不純物濃度分布を示す図
【図３】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の不純物濃度分布を示す図
【図４】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の空乏層の状態を示す図
【図５】 本発明の第２の実施例における固体撮像装置の断面図
【図６】 本発明の第２の実施例における固体撮像装置の不純物濃度を示す図
【図７】 従来の固体撮像装置の断面図
【符号の説明】
１，１１ Ｐ型基板
２，１２ Ｎ型拡散層
３，１３ Ｎ型拡散層
４，１４ Ｐ型拡散層
５，１５ Ｐ型拡散層
６，１６ 絶縁膜
７，１７ ゲート電極
【産業上の利用分野】
本発明は固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される電荷転送装置を用いた固体撮像装置は、その低雑音特性などの優位性よりその実用化が著しい。
【０００３】
以下、従来の固体撮像装置及びその駆動方法について説明する。
【０００４】
図７は従来の光電変換領域及び電荷転送領域の断面図であり、１はＰ型シリコンで構成されたＰ型基板、２は半導体基板１の表面に選択的に形成された電荷転送領域（埋め込みチャンネルＣＣＤのチャンネル部）となるＮ型拡散層、３は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＮ型拡散層、４は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、５は半導体基板１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、６は半導体基板１の表面に形成された酸化膜等の絶縁膜、７は絶縁膜６の表面に選択的に形成されたゲート電極である。
【０００５】
Ｎ型拡散層３及びＰ型基板１によってできるフォトダイオードの領域が光電変換領域であり、Ｎ型拡散層３（以下ＰＤと略記する）は光が照射され光電変換された信号電荷を集積する。埋め込みチャネルＣＣＤのＮ型拡散層２が電荷転送領域、光電変換領域と電荷転送領域の間のゲート電極下のＰ型拡散層５が読み出しチャネル部のチャネルドープ領域を構成する。ゲート電極７に読み出し用の正の電圧を印加しチャネル部の電位をＰＤの電位より高くすることにより、信号電荷は読み出しチャネル部を通って電荷転送領域に読み出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法ではＰＤから表面までＮ型拡散層が広がっているため、表面付近に多く存在する欠陥により発生した余分な電荷がＰＤに集積しやすく画面上では白キズ等の特性不良を起こす。これを避けるためには、半導体基板の内部にＰＤを埋め込めばよいが、信号電荷は基板の内部を通ることになりゲート電圧による読み出しの制御が難しく残像等の原因となる。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、表面付近の欠陥の影響を受けず、ゲート電圧により読み出しを制御する事のできる固体撮像装置及びその駆動方法を提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基板の内部を通って信号電荷を読み出すように、完全に埋め込んだ光電変換領域を形成し、かつゲート電圧による読み出しの制御ができるように、光電変換領域と電荷転送領域の間隔およびチャネルドープ領域の不純物濃度分布を適切なものとするものである。
【０００９】
【作用】
この構成によって、信号電荷は光電変換領域から基板の内部を通って電荷転送領域に読み出され、表面付近の欠陥の影響を受けないため、白キズ等の不良の発生を防ぐことができる。また、ゲートの電圧による制御が可能なように、光電変換領域と電荷転送領域の間隔およびチャネルドープ領域の不純物濃度分布を適切なものにしているため、残像等の不良の発生を防ぐことができる。
【００１０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施例における固体撮像装置の光電変換領域及び電荷転送領域の断面図を示すものである。
【００１２】
図１において１１はＰ型シリコンで構成されたＰ型基板、１２は半導体基板１１の表面に選択的に形成された電荷転送領域となるＮ型拡散層、１３は半導体基板１１の中に完全に埋め込まれるよう形成されたＮ型拡散層、１４は半導体基板１１の表面にＮ型拡散層１３を完全に覆うように形成されたＰ型拡散層、１５は読み出しの際のゲート電圧による制御を可能にしかつ表面を信号電荷が通らないよう適切な不純物濃度分布を持つように半導体基板１１の表面に選択的に形成されたＰ型拡散層、１６は半導体基板１１の表面に形成されたＳｉＯ2等の絶縁膜、１７は信号電荷読み出し用のゲート電極である。
【００１３】
Ｐ型基板１１内には、選択的に電荷転送領域となるＮ型拡散層１２が形成されている。このＮ型拡散層１２の不純物濃度は、最大濃度が約１０17／ｃｍ3で、その深さは約０.４μｍである。このような不純物濃度でこの深さに設定したのは、電荷に対する最適な飽和特性を持たせることと電荷転送領域での最適なポテンシャルを得るためです。もし不純物濃度が薄いと、このポテンシャルが浅くなり、転送効率が低下したり、飽和特性が劣化することになる。不純物濃度が高いとＮ型拡散層１２における飽和特性がやはり劣化する。
【００１４】
Ｎ型拡散層１２の側壁の一端に接してＰ型拡散層１５が形成されている。Ｐ型拡散層１５は、Ｎ型拡散層１３から電荷を読み出す際のゲート電圧による制御を可能にし適切な不純物濃度分布を持つように半導体基板１１に選択的に形成されている。このＰ型拡散層１５の不純物濃度は、最大で１０16／ｃｍ3で、その深さは０.２〜０.３μｍである。この不純物濃度と深さに設定したのは、電荷を読み出す際の読み出し電圧を最適化するためである。この不純物濃度が薄い場合、固体撮像装置は表面チャネル型となる。表面チャネル型の固体撮像装置では基板表面の状態に影響され易く、素子特性の信頼性が低下する。また、この不純物濃度が高い場合には、ゲートによる駆動がしにくい。すなわちゲートに駆動のための電圧を印加しても、電圧の印加による基板内のポテンシャルの変化が少ない。このためこのポテンシャルの変化が埋め込みチャネルまで影響せず、チャネルのポテンシャルの制御ができない。また素子形成時に残像が生じる原因になる。
【００１５】
ここでＰ型拡散層１５はＮ型拡散層１２とオーバラップしてはいけない。もしオーバーラップした場合、Ｎ型拡散層１２の幅が減少し、飽和特性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
Ｐ型拡散層１５の側壁の一端に接して光電変換領域となるＮ型拡散層１３が形成されている。Ｎ型拡散層１３は、基板の表面近くに存在する欠陥による特性の劣化を防ぐために、半導体基板１１の中に完全に埋め込まれるよう形成されている。このＮ型拡散層１３の不純物濃度は、１０16〜１０17／ｃｍ3で、その深さは１.０〜１.４μｍである。このような不純物濃度と深さに設定したのは光電変換領域の電荷に対する十分な飽和特性を確保するためである。
【００１７】
ここでＰ型拡散層１５が埋め込みチャネル部まで広がってしまい、チャネルが形成されなくなると、電荷の読みだしが困難となる。このためＮ型拡散層１３はＰ型拡散層１５とがオーバラップしている場合には、上記説明のごとく読みだしが困難であり、Ｎ型拡散層１３の飽和特性をも劣化させる。
【００１８】
Ｐ型拡散層１４は半導体基板１１の表面に形成されており、Ｎ型拡散層１３の表面を完全に覆うように形成されている。このＰ型拡散層１４の不純物濃度は、最大で約１０17／ｃｍ3で、その深さは約０.３μｍである。固体撮像装置を駆動した際、Ｎ型拡散層１３が空乏化される。この時、このような不純物濃度と深さに設定すれば、その空乏化した領域が基板表面に到達するのをできるだけ少なくなる。これによって基板表面付近に存在する欠陥によって生じる暗電流や白キズが発生するのを防止できる。
【００１９】
ここでＰ型拡散層１４はＮ型拡散層１３を完全に被っていなければならない。もし、完全にはおおわれていない場合、すなわち、従来技術に示したようにＰ型拡散層１４の右端にＮ型拡散層１３の領域が露出した状態や、Ｐ型拡散層１４が右端によって形成され左端にＮ型拡散層１３の領域が露出した状態、さらにはこの両方が同時に起こるＮ型拡散層１３の横幅内にＰ型拡散層１４が形成されている場合、これら全ての場合において、Ｎ型拡散層１３が空乏化した時、その空乏化した領域が基板表面に到達するＮ型拡散層１３の領域が露出した領域が存在することとなり、やはり暗電流や白キズが発生することになる。
【００２０】
また、Ｐ型拡散層１４はＮ型拡散層１３を完全に被っている状態として、Ｐ型拡散層１４の右端はＮ型拡散層１３の右端とほぼ一致しているが、Ｐ型拡散層１４の左端はＮ型拡散層１３の左端より０.５μｍ程度左に位置している。これがさらに左に位置していると、となりの画素に形成されたＮ型拡散層を狭めることとなり、取扱得る電荷の飽和特性を低下させることになる。また、Ｐ型拡散層１４の左端はＮ型拡散層１３の左端と一致しているが、右端がＮ型拡散層１３の右端よりさらに右に位置し、Ｐ型拡散層１５とオーバーラップしている。このオーバラップ幅は０.２〜０.３μｍ程度であれば問題ない。しかし、これ以上の幅でオーバーラップすれば、Ｐ型拡散層１４の不純物濃度が高いために、ゲートによる埋め込みチャネルのポテンシャルの制御が困難である。
【００２１】
また、本実施例ではＰ型拡散層１４の深さがＰ型拡散層１５の深さより深い位置にあるが、このことは本発明の主要なことではない。ここで、Ｐ型拡散層１４の深さは接合の深さを示しているが、Ｐ型拡散層１５の深さは、不純物濃度が１０16／ｃｍ3になる深さを示している。Ｐ型拡散層１５の深さは、Ｎ型拡散層１２の電荷の飽和特性が満足される深さ約０.３μｍ程度であればよい。ただしＰ型拡散層１５の深さが深すぎてチャネルを被ってしまい、動作時にチャネルが形成されないようになってしまうと電荷を読み出すことが不可能となる。
【００２２】
半導体基板１１上にＳｉＯ2等の絶縁膜１６が形成されている。さらに絶縁膜１６上には信号電荷読み出し用のゲート電極１７が形成されている。絶縁膜１６の膜厚は０.０７〜０.１μｍ程度である。ゲート電極１７は下層の拡散層１２を覆い、紙面に対して垂直方向の電荷転送を行い、同時に拡散層１２の空乏化を起させる。拡散層１３と拡散層１４とはその両端がほぼ一致している。もしゲート電極１７が拡散層１３の上に突き出していると、外部より入射してくる光が入る部分が狭くなり、光電変換の感度を低下させる。逆に、ゲート電極１７が拡散層１３より内側に位置しすぎていると、拡散層１３の電荷を読み出すことが困難になる。
【００２３】
ゲート電極１７はＰ型拡散層１５を完全に覆っている。ゲート電極１７に電圧を印加すると、拡散層１５の下部にはチャネルが発生し、このチャネルをゲート電極１７によって制御している。
【００２４】
ここでゲート電極１７の膜厚は約０.３μｍのポリシリコンを用いている。
【００２５】
本実施例では、Ｎ型拡散層１３の上にＰ型拡散層１４を設けていることに特徴がある。このことをより詳細に説明するために図２に、図１のＡ−Ａ’線で示された光電変換領域の断面の基板表面から深さ方向への不純物濃度の分布状態を示す。横軸は基板表面からの深さを示し、縦軸は不純物濃度を示す。これよりＰ型拡散層１４の不純物濃度が高いためＮ型拡散層１３を空乏化したとき、Ｐ型拡散層１４に発生する空乏化された領域の広がりが小さくなる。このように空乏化した領域が基板表面近くまで到達しない。
【００２６】
また、図３には同様に、図１のＢ−Ｂ’線で示された基板面から深さ約０.２μｍでの基板に平行方向の不純物濃度の分布状態を示す。
【００２７】
横軸は基板に平行方向の距離を示し、縦軸は不純物濃度を示す。これよりＰ型拡散層１４とＰ型拡散層１５との間にＮ型領域が存在しないので、Ｎ型拡散層１３が空乏化しても、その空乏化した領域が基板表面に達することがない。
【００２８】
以上のように構成された固体撮像装置について、以下その駆動方法について説明する。その駆動方法による固体撮像装置内部での変化の様子を図４に示す。
【００２９】
まず、Ｎ型拡散層１２から電荷が転送された後の空乏状態の時にゲート電極１７に正の電圧を印加する。これによって、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１によってできるＰＮ接合のまわりのＰ型基板１１側の空乏層２０が広がりＮ型拡散層１２とＮ型拡散層１３の間のＰ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位が上がる。同時にゲート電極１７はＰ型拡散層１５の上にも延びているため、ゲート電極１７の下のＰ型拡散層１５の電位を上げひいてはその下のＰ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位が上がる。ここで、印加される電圧は約１５ボルトである。この電圧値は、Ｎ型拡散層１３から信号の電荷を残すことなく完全に読み出すことのできる値に設定されている。このため電圧値は通常１０〜２０ボルトの範囲で用いられる。これ以上の電圧で動作させると、Ｎ型拡散層１３と隣の素子領域にあるＮ型拡散層１３との間の耐圧と、Ｎ型拡散層１３とＮ型拡散層１２との間の分離耐圧が低下する。
【００３０】
Ｐ型基板１１内部のチャンネルとなる部分の電位がＮ型拡散層１３の空乏状態の最大電位より０.１ボルト程度低い値より、高くなるようにゲート電極１７に正の電圧を一定時間かけると、チャンネルを通して信号電荷がすべて読み出される。具体的にはゲート電極１７には５〜１０ボルトの電圧が印加される。空乏状態での最大電位は約６ボルトであって、約５.９〜６.０ボルトであれば、信号電荷をすべて読み出すことができる。
【００３１】
このように、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１によってできるＰＮ接合のまわりのＰ型基板１１側の空乏層２０の広がりに加えて、Ｐ型基板１１内部のチャンネルの上のゲート電極１７の電圧によりチャンネル部の電位が上げられるためゲート電極１７の電圧による信号電荷の読み出しの制御が可能になる。すなわちゲート電極１７によってチャネルの電位を制御して、信号の電荷を読み出すことができる。
【００３２】
Ｎ型拡散層１２と１３の間隔及びＰ型拡散層１５の不純物濃度分布を最適化することにより、ゲート電極１７に正の電圧を印加した時にＰ型基板１１内部にチャンネルができかつチャンネルの上のゲート電極１７の電圧によりチャンネルの電位が上げられるため、所定のゲート電圧で上記の読み出しが実現できる。すなわちチャネルの電位を制御することで、Ｎ型拡散層１２とＰ型基板１１との空乏化された領域を広げることができる。このように、ゲート電極１７に印加された電圧によってチャネルの制御と空乏化された領域を広げることができる。
【００３３】
次に本発明の第２の実施例を図５を用いて説明する。本実施例で第１の実施例と異なるのは、Ｐ型拡散層１５がＰ型基板１１の内部に埋め込まれていることである。このＰ型拡散層１５の不純物濃度は、最大で１０16／ｃｍ3である。
【００３４】
Ｐ型拡散層１５は基板１１表面より内部に形成されているので、基板１１表面とＰ型拡散層１５との間の領域には基板１１の層が形成されている。
【００３５】
Ｐ型拡散層１５はＰ型基板１１表面から約０.１５μｍの深さにある。Ｐ型拡散層１５の上面までの距離はＰ型拡散層１５の不純物濃度が１０16／ｃｍ3となる位置で０.１μｍと０.３μｍの地点である。底面までの距離（幅）は０.２μｍである。Ｐ型拡散層１５をこのような位置に設定しているのは、固体撮像装置に電圧を印加した際に生じるチャネルが基板表面から０.３〜０.４μｍの深さに形成されるためである。拡散層１３はＰ型基板１１の深さ方向に０.３〜０.４μｍの位置に形成されている。
【００３６】
また、Ｐ型拡散層１４の深さはＰ型拡散層１５の幅内あるいはそれよりやや深い位置にある。これはＰ型拡散層１４がＰ型拡散層１５が形成されている位置より浅い時は、表面チャネルが形成される。逆にＰ型拡散層１４がＰ型拡散層１５より深い位置に形成されているとチャネルが形成されなくなる。
【００３７】
この構造により表面近くの濃度を下げることが出来るので表面からの空乏層が内部まで伸びやすくなり読み出しに必要な電圧を低減することができる。
【００３８】
図６に図５のＣ−Ｃ’線に沿って、基板表面からの深さ方向への不純物濃度の分布状態を示す。横軸は基板表面からの深さであり、縦軸は不純物濃度のネット値を対数で表示したものである。
【００３９】
また、同時に内部濃度が高くなっているため、内部チャンネルを経由したＮ型拡散層１３からＮ型拡散層１２への信号電荷の洩れ出しを防ぐことができる。すなわち、内部濃度が高くなっていると、Ｎ型拡散層１２を空乏化し、ゲート電極１７に読み出し電圧が印加されていない状態で空乏化された領域がＮ型拡散層１３へ伸びるのが抑えられる。このためＮ型拡散層１３での飽和電荷量を増やすことができる。この構造はＰ型拡散層１５を形成する際のボロン等のイオン注入のエネルギーを高いものにすることにより実現できる。
【００４０】
以上述べたように、従来例のように光電変換領域の表面にまでＮ型拡散層が広がっており、かつ光電変換領域にたとえ光が照射されていなくても光電変換領域が空乏化していると、その空乏化された領域が表面付近にまで到達する。このため表面付近に多く存在する欠陥では電子−正孔対が生成される。この電子は光電変換領域に電荷として蓄積される。従って光が当たっていない時でも、信号となる電荷が欠陥のある画素で発生し、白キズとなる。本実施例では光電変換領域を埋め込み型にすることにより、基板１１表面にまで空乏化した領域が広がらないため白キズが発生しない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は光電変換領域を完全に埋め込み型にして、光電変換領域と電荷転送領域の間隔及び基板内部のチャネルの上部でかつゲート下に形成するＰ型拡散層の不純物濃度分布を適切なものとすることにより、表面付近の欠陥による白キズ等の不良の発生を防ぎ、かつチャネルの上のゲートによる信号電荷の読み出しの制御ができる優れた固体撮像装置およびその駆動方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の断面図
【図２】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の不純物濃度分布を示す図
【図３】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の不純物濃度分布を示す図
【図４】 本発明の第１の実施例における固体撮像装置の空乏層の状態を示す図
【図５】 本発明の第２の実施例における固体撮像装置の断面図
【図６】 本発明の第２の実施例における固体撮像装置の不純物濃度を示す図
【図７】 従来の固体撮像装置の断面図
【符号の説明】
１，１１ Ｐ型基板
２，１２ Ｎ型拡散層
３，１３ Ｎ型拡散層
４，１４ Ｐ型拡散層
５，１５ Ｐ型拡散層
６，１６ 絶縁膜
７，１７ ゲート電極
Claims (3)
- 一導電型の第１の半導体領域内に複数個の光電変換部となる反対導電型の第２の半導体領域が形成され、
前記第２の半導体領域の上部を略完全に覆うように一導電型の第３の半導体領域が形成され、
前記第２の半導体領域と所定の間隔をおいて電荷転送部となる反対導電型の第４の半導体領域が形成され、
前記第２と第４の半導体領域の間に所定の不純物濃度分布を持つ一導電型の第５の半導体領域が形成され、
前記第４と第５の半導体領域の上部に絶縁膜を介して形成されたゲート電極を備え、
前記ゲート電極に電圧を印加した時に前記第２の半導体領域から前記第４の半導体領域へ信号電荷を読み出すために前記第５の半導体領域の下部にチャネルが形成され、前記チャネルが前記第４の半導体領域の深さ程度に形成されるように前記第５の半導体領域が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - 一導電型の第１の半導体領域内に複数個の光電変換部となる反対導電型の第２の半導体領域が形成され、
前記第２の半導体領域の上部を略完全に覆うように一導電型の第３の半導体領域が形成され、
前記第２の半導体領域と所定の間隔をおいて電荷転送部となる反対導電型の第４の半導体領域が形成され、
前記第２と第４の半導体領域の間に所定の不純物濃度分布を持つ一導電型の第５の半導体領域が形成され、
前記第４と第５の半導体領域の上部に絶縁膜を介して形成されたゲート電極を備え、
前記ゲート電極に電圧を印加した時に前記第２の半導体領域から前記第４の半導体領域へ信号電荷を読み出すために前記第５の半導体領域の下部にチャネルが形成され、前記チャネルが前記第２の半導体領域の前記第１の半導体領域の深さ方向の位置程度に形成されるように前記第５の半導体領域が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第１の半導体領域の表面から深さ方向への前記第５の半導体領域における不純物濃度分布が前記表面近くに比べて内部において不純物濃度が高くさらに深部で前記第１の半導体領域の不純物濃度へ減少する分布であることを特徴とする請求項１あるいは２記載の固体撮像装置。
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