JPH10289993A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な方法で、画素ＭＯＳトランジス
タの受光感度やリニアリティを向上し、さらにばらつき
をなくして固定パターンノイズを除去した固体撮像装置
を実現することを課題とする。 【解決手段】 ＭＯＳトランジスタからなる画素撮像素
子をマトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によ
ってこのＭＯＳトランジスタのゲート電極下に蓄積され
た電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によ
ってソースフォロワ動作で順次読み出す固体撮像装置に
おいて、このＭＯＳトランジスタのドレイン領域５をゲ
ート電極１下の一部まで延在して設け、センサウェル３
をソース領域４側に狭めるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置とそ
の製造方法に関し、特に画素固体撮像素子の感度、リニ
アリティ、ばらつきの改善とそのための製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳトランジスタやＣＣＤ（Chage Co
upled Device）を用いた固体撮像素子が撮像用の装置に
広く用いられるようになっている。これはＭＯＳ反転層
に蓄積する電荷を利用し、電荷をアレイ状に転送して平
面のイメージを出力するものである。最近では、カラー
で１／４型で３８万画素のものが製品化されているな
ど、小型、小撮像面積で、多画素のものへと改良が進ん
できている。

【０００３】ところで、撮像装置が小型で画素数が増え
れば増えるほど、さらに白黒からカラーであることが要
求されるようになると、単位画素当たりの受光面積が小
さくなる方向に進むので、雑音に強い撮像が正しく行わ
れるためには画素光電変換素子の感度を高くすることが
要求される。感度を向上するためには、例えば電源電圧
を高くする方法があるが、電源電圧を高くすることは消
費電力が増えることになるので好ましくない。

【０００４】図８は、従来の増幅型撮像装置の画素固体
撮像素子であるＭＯＳトランジスタの断面構成を示す模
式図である。図８で１はゲート電極、２はゲート酸化
膜、３はセンサーウェル、４はソース、５はドレイン、
６はＯＦＢ（Over Flow Barrier ）、７は半導体基板で
ある。ゲート電極１はリング状に形成され、このリング
状ゲート電極１の下の全面に亙って電荷蓄積領域が構成
されている。

【０００５】ところで、このような構成の画素ＭＯＳト
ランジスタでのポテンシャル分布は、ゲート電極１の形
状や隣り合う画素の影響から、リング状ゲート電極１の
中心に対して常に完全な点対称であることは望めず、円
周方向の場所によって不均一な分布となって、図９に示
すように電荷の集中点１０が生まれる。このような不均
一があると、微小な電荷が蓄積された状態では、一部の
領域のみに電荷が溜まりやすく、このため画素ＭＯＳト
ランジスタの特性が悪化して感度が低下し、リニアリテ
ィがなくなる。さらに、この不均一さは画素ごとによっ
ても異なってくるため、その特性も撮像領域内で不均一
となり、これが画面上にざらつきのような固定パターン
ノイズとなって現れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、固体撮
像装置は、より小型、軽量、小電力で、かつカラーにも
対応することが要求されている。このためには受光部面
積が小さくなっても感度が落ちないように、さらに感度
の向上が望まれている。また、ポテンシャル分布の不均
一がリニアリティの悪化や固定パターンノイズの発生に
つながる問題も解決されなければならない。

【０００７】本発明は、このような問題を解決して、比
較的簡単な方法で、画素ＭＯＳトランジスタの受光感度
やリニアリティを向上し、かつばらつきをなくして固定
パターンノイズを除去した固体撮像装置を実現するこ
と、さらに、そのような固体撮像装置を、従来からある
手法を用いて、比較的簡単に製造する方法を提供するこ
とを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、光電変換機能と信号電荷読み出し機能を
有する複数の画素撮像素子をマトリクス状に平面上に配
列し、光電変換機能によってこの画素撮像素子に蓄積さ
れた電荷に対応する信号を信号電荷読み出し機能によっ
て順次読み出す固体撮像装置において、前記画素撮像素
子はＭＯＳトランジスタを具備し、このＭＯＳトランジ
スタは第１導電型の半導体基板と、この半導体基板の表
面領域に互いに離れて形成された第２導電型のソース領
域およびドレイン領域と、このソース領域とドレイン領
域の間の基板表面上に絶縁膜を介して設けられたゲート
電極とを有し、前記ドレイン領域は前記ゲート電極下の
一部まで延在して設けられていることを特徴とする。

【０００９】また、円環状ゲート電極を有する上記の固
体撮像装置の製造方法において、前記ソース領域とドレ
イン領域の形成を、前記円環状ゲート電極を加工する際
に前記円環状ゲート電極上に設けたレジスト膜を残した
状態で前記半導体基板に垂直にイオン注入を行う第１の
工程と、前記レジスト膜を残した状態で前記半導体基板
の法線に対して所定のティルト角を保ちながらかつ前記
半導体基板をイオン注入方向に対して相対的に回転させ
てイオン注入を行う第２の工程とによって行うことを特
徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる固体撮像装
置を添付図面を参照にして詳細に説明する。図１は本発
明が用いられる固体撮像装置の基本回路図を示す。図１
において２１は垂直シフトレジスタ、２２は水平シフト
レジスタ、２３は垂直信号線、２４は映像信号出力線、
２５は画素固体撮像素子であるＭＯＳトランジスタ、２
６は受光部である。

【００１１】この固体撮像装置の動作を図１に沿って説
明する。この固体撮像装置に信号光が入力されると、こ
の固体撮像装置の画素固体撮像素子であるＭＯＳトラン
ジスタ２５の光電変換機能が働いて、そのゲート電極の
下に光の強さに応じた電荷が蓄積される。図１では光ダ
イオードのシンボルで示しているが、これがＭＯＳトラ
ンジスタ２５のゲート下の光電変換機能を有したセンサ
ーウェル部分にあたる。

【００１２】このように、光電変換による電荷がゲート
下に蓄積された後、垂直シフトレジスタ２１と水平シフ
トレジスタ２２に、それぞれＹクロック、Ｈクロックを
加え、これによって両レジスタ２１、２２から発生する
パルスでＭＯＳトランジスタ２５のスイッチマトリクス
を順次操作し、光電変換で蓄積された電荷にたいしてＭ
ＯＳトランジスタ２５でソースフォロワ動作を行った時
のソース電位の変調量を信号として順番に映像信号出力
線２４に読み出して行く。これによって光電変換によっ
て生まれた電荷に対応した映像信号を固体撮像素子から
出力することができる。

【００１３】図１では、ソースからの出力の取り出し形
式をソースフォロワの形式にしているが、抵抗の代わり
にコンデンサを備えた容量負荷型の動作形式にしてもさ
しつかえない。図２は、本発明の一実施の形態の固体撮
像装置の画素固体撮像素子であるＭＯＳトランジスタの
構成を示す断面図である。また、図３は、この固体撮像
装置上での画素固体撮像素子であるＭＯＳトランジスタ
の配置を示す平面図である。

【００１４】図２および図３において、１はゲート電
極、２はゲート酸化膜、３はセンサーウェル、４はソー
ス領域、５はドレイン領域、６はＯＦＢ（Over Flow Ba
rrier）、７は半導体基板である。

【００１５】図２および図３から明らかなように、固体
撮像装置の受光部の画素固体撮像素子となるＭＯＳトラ
ンジスタは、リング状の形状を有するゲート電極１と、
このゲート電極１のリングの内側の半導体基板の表面領
域に設けられるソース領域４と、ゲート電極１のリング
の外側の半導体基板の表面領域に設けられるドレイン領
域５とから構成されており、このように構成された画素
固体撮像素子が格子状に配列されて受光部を形成する。
光電変換によって、ゲート電極１の下のセンサウェルに
蓄積された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタのソースフ
ォロワプリアンプを駆動し、電荷に応じた信号がソース
領域４から垂直信号線に出力される。ＯＦＢ６は蓄積さ
れた信号電荷を掃き出すための機能を有するものであ
る。

【００１６】図２に示す本発明の実施の形態の画素ＭＯ
Ｓトランジスタが、図８に示す従来例のそれと異なるの
は、ドレイン領域５の形状であって、図８に示す従来例
の場合はこのドレイン領域５がゲート電極１のドレイン
端である外周円の直下までで終わっているのに対して、
図２でのドレイン領域５はゲート電極１の下にまで伸び
ていて、これにより、電荷蓄積領域であるセンサーウェ
ル３がその分だけ狭められていることである。

【００１７】このような画素ＭＯＳトランジスタは、そ
のゲート２の下で光電変換し、この部分に蓄積された電
荷によって、容量負荷動作またはソースフォロワ動作を
行った時のソース電位の変調を信号として読み出してお
り、このような動作原理の基では、ゲート２下で光電変
換された時の電荷の大きさが同じであっても、電荷が蓄
積される蓄積位置がソース領域４に近ければ近い程、ま
た表面チャネルに近ければ近いほど、ソース電位すなわ
ち出力に対する影響が大きくなって感度が向上する。

【００１８】また、電荷蓄積領域であるセンサーウェル
３が狭ければ狭いほど、微小な電荷が局所的に溜まる領
域が小さくなって、その結果、電荷の蓄積量に対する画
素ＭＯＳトランジスタ特性のリニアリティが向上する。
さらに、画素ＭＯＳトランジスタの素子間のばらつきも
少なくなって、そのばらつきによって生じる画面上のざ
らつき、すなわち、固定ノイズも少なくなる。

【００１９】本実施例では図４に示すようにドレイン領
域５がゲート電極１下まで伸びているので、電荷蓄積領
域がソース領域４側によせられて狭められ、電荷の集中
１０も小さくなる。

【００２０】したがって、本発明の実施の形態による
と、 （１）ゲート電極下の電荷蓄積領域であるセンサーウェ
ルが狭く形成されるために、電荷の蓄積される領域が小
さくなるため、微小な電荷であっても全体に均一に分布
しやすくなる。 （２）したがって、画素ＭＯＳトランジスタの特性で電
荷蓄積量に対する出力信号のリニアリティが向上する。
また、各画素相互間のばらつきも低減し、画面上でのざ
らつきとなって表れる固定パターンノイズが減少する。 （３）一方、センサーウェルが狭くかつ画素ＭＯＳトラ
ンジスタのソース領域４よりに形成されることで、電荷
の蓄積位置をソース領域４に近付けることになり、これ
によって蓄積電荷に対する出力の変調度が増加し、感度
を向上させることができる。

【００２１】図５および図６に、本実施の形態の画素Ｍ
ＯＳトランジスタのソース領域４、ドレイン領域５を形
成する工程を説明する。図５のように、画素ＭＯＳトラ
ンジスタのリング状ゲート電極１を加工するためのレジ
ストマスク８をそのまま残した状態で、ソース領域４、
ドレイン領域５をシリコン基板への垂直なイオン注入に
よって形成する。この工程は従来のそれと同じである。

【００２２】次に図６に示すように、シリコン基板に対
して一定の入射角θで全方位からさらにイオン注入を追
加する。これにより、ドレイン側ではリング状ゲート電
極１の下側までイオンが注入され、ドレイン領域５が広
がり、センサーウェル３は狭められる。一方、リング状
ゲート電極１内のソース領域４では、直径が小さいため
に、レジストマスク８の影になってイオンはシリコン基
板に到達せず、イオンは注入されない。

【００２３】図７は、この傾斜型イオン注入での入射角
の許容範囲の説明図であり、注入イオンの入射角θ、レ
ジストの高さｈ、ゲート電極のリングの内径すなわちソ
ース直径ｄ、画素間の距離ｌの相互の関係を示してい
る。

【００２４】この場合の注入イオンの入射角θ（法線に
対してイオンビームのなすティルト角の補角）は４５°
前後の値である。現実的な大きさを考えると、レジスト
高さｈが１．８μｍ程度、ソース直径ｄが０．９μｍ程
度である。画素間の距離すなわちドレイン部の幅ｌは場
合によってはかなり広くも取れるものの、実用的な値と
して２．０μｍとする。これらの大きさを元に、ドレイ
ン領域５ではイオン注入が可能で、ソース領域４ではイ
オン注入が不可能である条件を求めると、 ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）＞θ＞ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｌ） ａｒｃｔａｎ（１．８／０．９）＞θ＞ａｒｃｔａｎ
（１．８／２．０） となり、６５°＞θ＞４０°程度、ティルト角でいうと
２５°から５０°までの間が実用の範囲と考えられる。

【００２５】このような工程を採用すると、比較的簡単
に従来からの手法を用いて、ドレイン領域５をゲート電
極１の下まで延長することが可能になる。この結果、電
荷蓄積領域を狭めることになって、電荷の蓄積の分布を
ソース領域４に近付けてかつ均一にすることができ、そ
の結果、画素ＭＯＳトランジスタのリニアリティと感度
を改善し、画素間のばらつきを少なくすることができ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、光電変換
機能と信号電荷読み出し機能を有する複数のＭＯＳトラ
ンジスタからなる画素撮像素子をマトリクス状に平面上
に配列し、光電変換機能によってこのＭＯＳトランジス
タのゲート電極下に蓄積された電荷に対応する信号電荷
を信号電荷読み出し機能によって容量負荷動作またはソ
ースフォロワ動作で、このＭＯＳトランジスタソースか
ら順次読み出す固体撮像装置において、このＭＯＳトラ
ンジスタのドレイン領域はゲート電極下の一部まで延在
して設けられている。これによって、ゲート電極下の電
荷蓄積領域であるセンサーウェルを狭く形成でき、この
ため微小な電荷であっても電荷蓄積領域全体に均一に分
布しやすくなる。その結果、画素ＭＯＳトランジスタの
電荷蓄積量に対する出力信号のリニアリティが向上し、
画素相互間のばらつきも低減し、画面上でのざらつきと
なって表れる固定パターンノイズが減少する。さらに、
センサーウェルが狭くかつ画素ＭＯＳトランジスタのソ
ース領域に近く形成されることで、電荷の蓄積位置をソ
ース領域に近付けることになり、蓄積電荷に対する出力
の変調度が増加し、感度が向上する。

【００２７】また、円環状のゲート電極を有するＭＯＳ
トランジスタを画素固体撮像素子とするこのような固体
撮像装置を製造する方法として、本発明では、ソース領
域とドレイン領域の形成を円環状ゲート電極を加工する
際のレジスト膜を残した状態で半導体基板に垂直にイオ
ン注入を行う第１の工程と、半導体基板の法線に対して
所定のティルト角を保ち、かつ半導体基板をイオン注入
方向に対して相対的に回転させながらイオン注入を行う
第２の工程によって行う。これにより、従来から確立さ
れている手法を用いた工程によって、比較的簡単にドレ
イン領域をゲート電極の下まで延長することができ、こ
の結果、電荷蓄積領域を狭めることになって、電荷の蓄
積の分布をソース領域に近付けて均一にすることがで
き、リニアリティと感度が優れ、画素間のばらつきの少
さい画素ＭＯＳトランジスタを有する固体撮像装置を製
造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が用いられる固体撮像装置の基本回路
図。

【図２】本発明の一実施の形態の固体撮像装置の画素固
体撮像素子である画素ＭＯＳトランジスタの構成を示す
断面図。

【図３】図２に示す実施の形態の画素ＭＯＳトランジス
タの配置を示す平面図。

【図４】図２に示す実施の形態の画素ＭＯＳトランジス
タでのゲート下の電荷の集中を示す模式図。

【図５】図２に示す実施の形態の画素ＭＯＳトランジス
タのソース領域、ドレイン領域を形成する工程の説明
図。

【図６】図２に示す実施の形態の画素ＭＯＳトランジス
タのソース領域、ドレイン領域を形成する工程の説明図
（続き）。

【図７】図６の工程で行われる傾斜型イオン注入の傾斜
角許容範囲の説明図。

【図８】従来の増幅型撮像装置の画素固体撮像素子であ
るＭＯＳトランジスタの構成を示す断面図。

【図９】従来の画素ＭＯＳトランジスタでのゲート下の
電荷の集中を示す模式図。

【符号の説明】

１…ゲート電極、２…ゲート酸化膜、３…センサーウェ
ル、４…ソース領域、５…ドレイン領域、６…ＯＦＢ、
７…半導体基板、８…レジストマスク、１０…電荷の集
中点、２１…垂直シフトレジスタ、２２…水平シフトレ
ジスタ、２３…垂直信号線、２４…映像信号出力線、２
５…ＭＯＳトランジスタ、２６…受光部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換機能と信号電荷読み出し機能を
   有する複数の画素撮像素子をマトリクス状に平面上に配
   列し、光電変換機能によってこの画素撮像素子に蓄積さ
   れた電荷に対応する信号を信号電荷読み出し機能によっ
   て順次読み出す固体撮像装置において、 前記画素撮像素子はＭＯＳトランジスタを具備し、 このＭＯＳトランジスタは第１導電型の半導体基板と、
   この半導体基板の表面領域に互いに離れて形成された第
   ２導電型のソース領域およびドレイン領域と、このソー
   ス領域とドレイン領域の間の基板表面上に絶縁膜を介し
   て設けられたゲート電極とを有し、前記ドレイン領域は
   前記ゲート電極下の一部まで延在して設けられているこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記ゲート電極は円環形状を有し、前記
   ソース領域は前記円環状ゲート電極の内部円の下方の前
   記半導体基板の表面領域に設けられ、前記ドレイン領域
   は前記円環状ゲート電極の外側の下方の前記半導体基板
   の表面領域に隣接するＭＯＳトランジスタのドレイン領
   域と一体化して設けられ、 前記ドレイン領域は前記円環状ゲート電極下の外周円の
   内部まで延在していることを特徴とする請求項１に記載
   の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の固体撮像装置の製造方
   法において、 前記ソース領域とドレイン領域の形成を、前記円環状ゲ
   ート電極を加工する際に前記円環状ゲート電極上に設け
   たレジスト膜を残した状態で前記半導体基板に垂直にイ
   オン注入を行う第１の工程と、前記レジスト膜を残した
   状態で前記半導体基板の法線に対して所定のティルト角
   を保ちながらかつ前記半導体基板をイオン注入方向に対
   して相対的に回転させてイオン注入を行う第２の工程と
   によって行うことを特徴とする固体撮像装置の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記ティルト角は少なくとも２５°より
   は大きく５０°よりは小さいことを特徴とする請求項３
   に記載の固体撮像装置の製造方法。