JPS6085559A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体基板内に形成されている受光部で受光
された光によって上記受光部に生じた信号電荷を上記半
導体基板内に形成されている第１導電型の第１のレジス
タに読み込み、この読み込まれた上記信号電荷を上記半
導体基板内に形成されている上記第１導電型の第２のレ
ジスタに転送して、この第２のレジスタから上記信号電
荷を出力信号として読み出すようにした半導体装置に関
する。

背景技術とその問題点 近年、ＶＴＲの普及に伴って、ＯＯＤ撮像素子を用いた
固体カラーカメラの開発が進められている。上記のＯＯ
Ｄ撮像素子には、１８号電荷の転送方式に応じて揮々の
ものがあるが、そのうちの一つにインターライン転送方
式と称される転送方式（７）ＯＯＤｔｉ像素子がめる。

このインターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子は、第１
図に示すように、例えばｐ型シリコン基板内に受光部（
１）、互いに平行に延びかつそれぞれｎ層から成る複数
個の垂直レジスタ＋２１及びこれらの垂直レジスタ（２
）に共通の水平レジスタ（３）等を形成したものであっ
て、受光部（１）で受光された光によってこの受光部（
１）に生じた多数０ｙ″電子から成る信号電荷を、読み
出しゲート（４）を開くことによって上記垂直レジスタ
（２）に読み込み、この読み込まれた上記信号電荷をト
ランスファ・ゲート（図示せず）を開くととｌこよって
上記水平レジスタ（３）に転送して、この水平レジスタ
（３）から上記信号電荷を出力信号（５）として読み出
すものである。なお上記垂直レジスタ（２）及び水平レ
ジスタ（３）に沿っての上記信号電荷の転送は、これら
の垂直レジスタ（２）及び水平レジスタ（３）に沿って
絶縁膜を介して設けられている多数の転送電極（図示せ
ず）にクロック・パルスを印加することによって行われ
る。

上記のインターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子をＴＶ
左カメラ用いる場合には、スミアと称される現象が発生
するため実用上問題がある。この現象は、第１図の八−
Ａ線の断面を示す第２図において、ｎ層層（６）とｐ型
シリコン基板（７）とで形成されるｐｎ接合から成る受
光部（１）で受光された光（８）によってｐ型シリコン
基板（η内の例えばＢで示す部分ｌこ生じた光電荷の一
部が矢印Ｃで示す向きに拡散移動して垂直レジスタ（２
）に入シ込むことによって生じるものであって、転送さ
れるべき本来の信号電荷にこの電荷が加わるために偽信
号が検出され、その結果画像がぼけてくる現象である。

特に、長波長光によって上記ｐ型シリコン基板（７）の
比較的深い部分に生じた光電荷は垂直レジスタ（２）に
入シ込む確率が高いので、スミアの発生が著しい。

本発明者等は、上記スミアの発生を抑制するために特願
昭５’８−１２３６１７号において、第６図及び第４図
に示すようなインターンイン転送方式のＯＯＤ撮像素子
を提案した。このＯＯＤ撮像素子においては、第６図に
示すように、例えばｎ型不純物濃度が３．５ｘｌＯｃＴ
＋＋　の高抵抗のｐ型シリコン基板（以下においてはｐ
−基板と称する）ａυ内に、例えばｎ型不純物濃度が２
　ｘ　１０”ｃｍ−’の９層（以下においてはｐウェル
と称する）α渇が形成されている。またとのｐウェルα
り内にはさらに表面濃度が例えば１ｘｌＯｃｍのｎ層か
ら成る垂直レジスタ（ｌ■が形成されている。なお上記
ｐウェル（１２１及び垂直レジスタα９は、実際ｌこは
第１図の垂直レジスタ（２）と同様に、紙面に垂直な方
向に互いに平行に延びて複数個形成されているが、第６
図においてはこれらのうちのそれぞれ一つのみを示した
。

また上記ｐ−基基板α円内上記垂直レジスタ（ｊ３１と
は異なる部分には、上記垂直レジスタ（１３）を構成す
る上記ｎ層よフもｎ型不純物濃度が高いｎ層層（Ｌ４１
が形成されている。このｎ層層（Ｌ４）と上記ｐ−基板
ａυとで形成されているｐｎ接合が受光部叫を構成して
いる。

なお上記ｎ層層Ｉ及び受光部αＱは、第１図と同様ｌこ
、垂直レジスタ（１３）に沿って複数個形成でれている
。

また上記ｐ−基板ａυの上面には絶縁膜としての５ｉ０
２膜けｅが全面に亘って形成されていて、この５ｉ０２
膜ａωの上ｌこはさらに多結晶シリコン膜から成る読み
出しゲー１−（１７）が形成されている。

第４図は第６図のＤ−Ｄ線の断面を示す断面図でろる。

第４図において、ｐ−基板（１υ内にｎ層から成シかつ
上記複数の垂直レジスタ０３に共通の水平レジスタ賭が
形成されている。この水平レジスタ（１８１は紙面に垂
直な方向に第１図に示すように長く延びて形成されてお
シ、上記方向に信号電荷が転送されるようになっている
。また上記ｐ−基板（１１）内には、上記水平レジスタ
賭ヲ構成している上記ｎ層に隣接して、ｐ＋層から成る
チャノネル・ストッパ翰が形成てれている。上記水平レ
ジスタ（１８１の上部には、　５ｉ０２膜α６）を介し
て、多結晶シリコン膜から成る互いに分離された多数の
転送電極（２０）が上記水平レジスタ叫に沿って形成さ
れている。また垂直レジスタ住□□□に沿っても、上記
水平レジスタ囮と同様に、多結晶シリコン膜から成る互
いに分離された多数の転送￥ｉｉｉ、極圓が形成でれて
いる。上記転送′電極（２■及び転送′電極２１）の間
には、多結晶シリコン膜から成るトランスファ・ゲート
（２２１が形成さルている。なお上記転送電極（榊及び
転送電極（Ｊ１３の上面及び側面には５ｉ０２膜（２階
がそれぞれ形成さｎているので、上記転送゛電極（イ）
（２〃と上記トランスファ・ケート（社）とは互いに電
気的に絶縁されている。

なお第６図及び第４図におけるｐウェル（Ｌり、垂直レ
ジスタα皺を構成するｎ層、受光部住ωのｎ＋層Ｉ及び
水平レジスタａ〜を構成するｎ層並びにチャネル・スト
ッパ（Ｌ陣を構成するｐ＋層は、イオン注入法、拡散法
、エピタキシャル法等ｌこよりて、また５ｉｎ２膜α６
１　（２３）は熱酸化法、ＯＶＤ法等によって、さらに
転送電極（瀉■υ、読み出しゲートａη及びトランスフ
ァ・ゲート（２ａはＯＶＤ法等によってそ扛ぞれ形成す
ることができる。

上述のＯＯＤ撮像素子は、垂直レジスタα３ｆｐウエル
α４内に形成しているため垂直レジスタα３）への光電
荷の漏れ込みが防止され、ＴＶカメラに用いた場合スミ
アの発生を効果的ｌこ抑制することができると共に、水
平レジスタ賭をｐウェル（１つの外部に形成しているた
め水平レジスタ住騰における信号１荷の転送効率の劣化
を生ずることがないという利点を有している。しかしな
がら、このＯＯＤ撮像素子は次のような欠点を有してい
る。即ち、第４図において、垂直レジスタ層内を矢印Ｅ
の向きに転送されてｐウェルσ４の左端部（１２ａ）に
到達した信号電荷は、不純物濃度変化に起因してこの左
端部（１２ａ）付近に存在するポテンシャル障壁によっ
て水平レジスタ（１８１への転造が円滑に行われないの
で、信号電荷を垂直レジスタ０３）から水平レジスタ０
榎に完全転送するのが難しい。

発明の目的 本発明は、上述の問題にかんがみ、第１のレジスタとし
ての垂直レジスタへの光電荷の漏れ込みが防止され、ス
ミアの発生を効果的に抑制することができ、また第１の
レジスタとしての垂直レジスタから第２のレジスタとし
ての水平レジスタへの信号電荷の転送が極めて円滑に行
われて信号電荷の完全転送を行うことができると共ｌこ
、上記第２のレジスタとしての水平レジスタｌこおける
上記信号電荷の転送効率の劣化を防止することができる
インターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子等の半導体装
置を提供することを目的とする。

発明の概要 本発明に係る半導体装置は、半導体基板内に形成されて
いる受光部で受光された光によって上記受光部に生じた
信号電荷を上記半導体基板内に形成されている第１導電
型の第１のレジスタに読み込み、この読み込まれた上記
信号電荷を上記半導体基板内に形成されている上記第１
導電型の第２のレジスタに転送して、この第２のレジス
タから上記信号電荷を出力信号として読み出すようにし
た半導体装置において、上記半導体基板内に形成されか
つ上記半導体基板５７、よりも高い不純物濃度を有する
第２導電型の層を設け、この第２導電型の層内ｌと上記
第１のレジスタ及び上記第２のレジスタをそれぞれ形成
すると共に、上記第２尋電型の層のうちの上記第２のレ
ジスタに対応する部分の一部を上記第２導電型の層の他
の部分よシも低い不純物濃度に構成している。このよう
に構成することによって、第１のレジスタへの光電荷の
漏れ込みが防止され、スミアの発生を効果的に抑制する
ことができ、また第１のレジスタから第２のレジスタへ
の信号電荷の転送が極めて円滑に行われて信号電荷の完
全転送を行うことができると共に、第２のレジスタにお
ける上記信号′電荷の転送効率の劣化を防止することが
できる。

実施例 以下本発明ｌこ係る半導体装置の一実施例としてのイン
ターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子につき図面を参照
しながら説明する。なお本実施例によるＣＯＤ撮像素子
の垂直レジスタに垂直な方向の断面構造は、第３図に示
す既提案のＣＯＤ撮像素子と同様であるので説明を省略
する。

第５図に示すように、本実／ｌ！！ｊ例によるＯＯＤ撮
像素子は、第４図に示す既提案のＣＯＤ撮像素子と同様
に、例えばｐ型不純物濃度が５ｘ１０ｃｍ　のｐ−基板
（ＩＩ）、例えばｐ型不純物濃度（第６図のＮＡ　）が
１×１０儂のｐウェル睦、そルそれ衣面羨度が例えばｌ
Ｘ１０ｃｍ　のｎ層がら成る垂直レジスタ＋１３＋及び
水平レジスタαしチャネル・ストッパ１１，５ｉ０２膜
（ｌ（ｉ１１転送電１■１）　１読み出しゲートαη、
トランスファ・ゲート（局等をそれぞれ有している。

なお上記ｐウェルαりは、第４図に示す既提案の００Ｄ
撮像素子と異なって、垂直レジスタ崗及び水平レジスタ
賭を包含するように一体的に形成されている。さらにこ
のｐウェルｕりの水平レジスタ囮に対応する部分の一部
には、水平レジスタ賭からｐ−基板側へとｐウェル（１
４を貫通しかつ例えばｐ型不純物濃度（第６図のＮｉ、
　）が２ｘ１０　ａｎ　であって他の部分よりも不純物
濃度が低い領域（１２りが形成されている。なお上記領
域（１２ｂ）は、例えは次のようにして形成することが
できる。即ち、まず上記領域（１２ｂ）の不純物濃度と
同一不純物濃度のｐウェル圓を拡散法で形成し、次に上
記領域（１２りの上部に例えば５ｉｎ２膜を選択的に形
成する。

この後、この５ＩＯ２膜を拡散マスクとして不純物の拡
散を再度行って、上記領域（１２ｂ）以外のｐウェルａ
渇の不純物濃度を所定の値ｌこすｎはよい。なお第６図
に第５図の水平レジスタ（１１％１％　ｐウェル（１７
Ｊ及びｐ−基板（１１）における不純物濃度分布を５１
０２膜（１０とｐ−基板αυとの間の界面を原点として
Ｆ−Ｆ線及びＧ−Ｇ腺に沿って示″ｊ。

垂直レジスタａ９及び水平レジスタα〜をそれぞれ構成
するｎ層内ｌこ形成されるチャオル中を信号・電荷が転
送される。

次に上述のように構成されたＯＯＤ撮像素子ｆ２４１の
動作につき説明する。

第６図及び第５図において、ます受光部霞で光（ハ）が
受光されると、この受光部（１５１を構成するｐｎ接合
に形成烙れている空乏層付近において上記光（２５）に
よって発生した多数のｕ子から成る信号電荷が、受光部
（国のｎ＋層０４）内に生じる。次に読み出しゲート（
７）にｐ−基板住υに対して正の電圧を印加することに
よって、　５ｉ０２膜α６）直下のｐ−基板■）内にｎ
チャネルを形成する。このｎチャネルを通して上記信号
電荷を受光部（＋９から垂直レジスタ（（３）に送るこ
とによって、上記信号電荷を上記垂直レジスタ旧）に読
み込む。

次に上述のようにして上記垂直レジスタ（１３）に読み
込まれた上記信号電荷を、ｐ−基板←υｌこ対して正の
′電圧から成るクロック・パルスを転送電極ａ〃に印加
することによって、上記垂直レジスタ（１３１内を第４
図の矢印Ｅの向きに転送する。このようｌこして上記錐
面レジスタ（１■の先端（１３ａ）　（第５図）に転送
されてきた上記信号電荷を、トランスファ・ゲートＱ７
）ｌこｐ−基板αυに対して正の電圧を与えることによ
って上記トランスファ・ゲート（２）の下の５ｉｎ２膜
（１６ａ）直下のｐ−基基板α円内形成されるｎチャネ
ル内を通過させて、水平レジスタＨに転送する。

次に上記水平レジスタ（Ｌｕこ転送された上記信号電荷
ヲ、ｐ−基板αυに対して正の電圧から成るクロック・
パルスを転送電極（２０）に印加することによって上記
水平レジスタａ急内を転送させ、この水平レジスタ賭か
ら上記信号電荷を出力信号として読み出す。なお上記水
平レジスタ（１８内を転送される上記信号電荷は、チャ
ネル・ストツパ（１９によって、上記転送中ｌこ上記水
平レジスターから流出するのが防止されるようになって
いる。

上述の実施例においては、垂直レジスタ（１３）及び水
平レジスタ叫を共にｐウェル（１２内に形成しているの
で、垂直レジスタ叫への光電荷の漏れ込みが防止され、
上記００Ｄ撮像素子（財）をＴＶカメラに用いた場合ス
ミアの発生を効果的に抑制することができるのは勿論、
垂直レジスタ叫から水平レジスタ賭への信号電荷の転送
経路において、ポテンシャル井戸の深さが同一となり、
ポテンシャル障壁等が全く存在しない。このため、既提
案のＯＣＤ撮像素子のようにポテンシャル＃壁によって
水平レジスタ賭への信号電荷の転送が妨げられることが
なく、垂直レジスタ（１３）から水平レジスタα樽への
信号電荷の転送が極めて円滑ｔこ行われるので、信号電
荷の完全転送を行うことができる。

また上述の実施例においては、ｐウェル（＋２の水平レ
ジスタａ稀に対応する部分の一部の領域（１２ｂ）の不
純物濃度を２８１０ＣＩｎに選定し、他の部分の不純物
濃度１×１０α　よフも低くしている。このため、次に
述べる理由により水平レジスタ賭ｌこおける信号電荷の
転送効率の劣化を防止することができる。即ち、水平レ
ジスタ（１８１４こおける信号電荷の転送方向に対して
垂直な方向のポテンシャル分布は、第７Ａ図及び第７Ｂ
図の実線で示す曲線のようになシ、ｐウェル（１２１の
不純物濃度が低い領域（１２ｂ）のポテンシャルは他の
部分のポテンシャルよりも低い。そして、信号電荷の転
送初期（または信号電荷量が大きい時）には、第７Ｎ図
に示すように水平Ｖジスタ囮の幅方向全体に亘って信号
電荷が分布する。一方、信号電荷の転送末期（または信
号電荷量が小さい時）には、第７Ｂ図に示すように、ポ
テンシャルが低い部分のみｌこ信号電荷が分布する。ま
た水平レジスタα樽の信号電荷の転送方向に沿ってのポ
テンシャル分布は第８図１こ示すようになり、第５図の
Ｆ−Ｆ線の断面方向のポテンシャル分布及びＧ−Ｇ線の
断面方向のポテンシャル分布はそれぞれ実線及び破線で
示すクラ７のようになる。この第８図から明らかなよう
ｌこ、ｐウェル（１７Ｊの不純物濃度が低い領域（１２
ｂ）内の水平レジスタα樽においては、転送′磁極（社
）の端部ニ対応する部分に転送方向ｌこ沿ってのポテン
シャル勾配が存在し、従って７リンジング電界Ｅｙが存
在する。このため、第７Ｂ図に示すように、転送末期ｌ
こおいて信号電荷がポテンシャルが低い部分に存在する
場合において、信号電荷の転送が上記フリンジング電界
Ｅｙの作用によって加速される結果、転送効率の劣化が
殆んど生じない。

なお上述の実施例においては、水平レジスタα印に対応
する部分のｐウェル（１７Ｊに、不純物濃度が低い領域
（１２ｂ）を１箇所のみ設けたが、２箇所以上設けても
よい。また上記領域（１２ｂ）の不純物濃度ａｐ−基板
Ｉの不純物濃度と実質的に同一であってもよい。さらに
上記領域（１２ｂ）は水平レジスタ賭からｐ−基板（１
１１へとｐウェル（１２１を貫通している必要は必ずし
もなく、ｐ−基板圓に達する少し上方貰で延びているた
けでもよい。

また上述の実施例においては、ｐウェルα々の水平レジ
スタ（１〜に対応する部分の一部に不純物濃度が低い領
域（１２ｂ）を形成しているが、ｐウェル圓の垂直レジ
スタ（１３）に対応する部分にも上記領域（１２りと同
様な低不純物濃度の胆域を形成してもよい。このように
丁ｔば、垂直Ｖジスタ峙への光電荷の漏れ込みが防止１
ｆ１−、ＴＶカメラに用いた場合スミアの発生を効果的
ｌこ抑制することができるト共に、垂直レジスタ（１漕
における信号′電荷の転送効率の劣化も防止することが
できる。

また上述の実施例においては、半導体基板としてｐ型シ
リコン基板を用いたが、ｎ型シリコン基板を用いてもよ
い。この場合には、上述の実施例で用いた上記ｐ型シリ
コン基板のｐ型不純物濃度と等しいｐ型不純物濃度を有
する大きなｐウェルを上記ｎ型シリコン基板内に形成し
て、この大きなｐウェル内に上述の実施例１とおいて形
成したのと同様な第２のｐウェルを形成すればよい。垂
直レジスタ及び水平レジスタをこの第２のｐウェル内に
形成することも上述の実施例と同様である。

応用例 上述の実施例においては、本発明に係る半導体装置をイ
ンターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子に適用した場合
につ＠説明したが、例えばフレーム転送方式のＣＯＤ撮
像素子等の他の半導体装置にも本発明ｌこ係る半導体装
置を適用することができる。

発明の効果 本発明に係る半導体装置によ扛ば、半導体基板内に形成
されかつ上記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する
第２導電型の層を設け、この第２導電型の層内に上記第
１のレジスタ及び上記第２のレジスタをそれぞれ形成す
ると共に、上記第２導電型の層のうちの上記第２のレジ
スタに対応する部分の一部を上記第２導電型の層の他の
部分よりも低い不純物濃度に構成しているので、第１の
レジスタへの光電荷の漏れ込みが防止され、スミアの発
生を効果的に抑制することができ、また第１のレジスタ
カラ第２のレジスタへの信号電荷の転送が極めて円滑に
行われて信号電荷の完全転送を行うことができると共に
、第２のレジスタにおける上記信号電荷の転送効率の劣
化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインターライン転送方式のＣ０Ｄ撮像素
子の概略的な構成を示す平面図、第２図は垂直レジスタ
及び受光部の構造を示ｊ第１図のＡ−入線の断面図、第
６図は特願昭５８−１２３６１７号において本発明者等
によって提案ａｔ’ｔ、たインタ一ライン転送方式のＣ
ＯＤ撮像素子における垂直レジスタ及び受光部の構造を
示す第２図と同様な断面図、第４図は第６図のＤ−Ｄ線
の断面図、第、５図は本発明に係る半導体装置の一実施
例としてのインターライン転送方式のＯＯＤ撮像素子を
示す第４図と同様な断面図、第６図は第５図の水平レジ
スタ、ｐウェル及びｐ−基板における不純物濃度の深さ
方向分布をＦ−Ｆ線及びＧ−Ｇ線に沿って５ｉ０２膜と
上記ｐ−基板との間の界面を原点として示したグラフ、
ｉＺＡ図及び第７Ｂ図は水平レジスタにおける信号電荷
の転送方向に垂直な方向のポテンシャル分布及び信号電
荷分布をそれぞれ転送初期及び転送末期について示す模
式図、第８図は水平レジスタにおける信号電荷の転送方
向のポテンシャル分布を第５図のＦ　−Ｆ線の断面及び
Ｇ−Ｇ線の断面についてそれぞれ示す模式図である。 なお図面に用いた符号において、 ｔｉｔ・・・・・・・・・・・・受光部（２）・・・・
・・・・・・・・垂直レジスタ（第１のレジスタン（３
）・・・・・・・・・・・・水平レジスタ（第２のレジ
スタ）（４）・・・・・・・・・・・・読み出しゲート
圓・−・・・・・・・・・・ｐ−基板 α々・・・・・・・・・・・・ｐ＋７エル圓・・・・・
・・・・・・・垂直レジスタ霞・・・−・・・・・・・
受光部 吋）・・・・・・・・・・・・読み出しゲート（渇・・
・・・・・・・・・・水平レジスタ翰（２Ｄ・・・・・
・・・転送電極 （２２１・・・・・・・・・・・トランスファ・ケート
（２４Ｊ・・・・・・・・・・・・ＣＯＤ撮像素子でめ
る。 代理人　上屋　勝 〃　常包芳男 杉浦俊貴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板内に形成されている受光部で受光された光に
   よって上記受光部に生じた信号電荷を上記半導体基板内
   に形成されている第１導電型の第１のレジスタに読み込
   み、この読み込まれた上記信号電荷を上記半導体基板内
   に形成されている上記第１導を型の第２のレジスタに転
   送して、この第２のレジスタから上記信号電荷を出力信
   号として読み出すようにした半導体装置において、上記
   半導体基板内に形成されかつ上記半導体基板よシも高い
   不純物濃度を有する第２導電型の層を設け、この第２導
   電型の層内に上記第１のレジスタ及び上記第２のレジス
   タをそれぞれ形成すると共に、上記第２導電型の層のう
   ちの上記第２のレジスタに対応する部分の一部を上記第
   ２導電型の層の他の部分よりも低い不純物濃度に構成し
   たことを特徴とする半導体装置。