JP2748493B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体撮像素子に関し、特に、ブルーミング
およびスミアリングを抑制しつつ高集積化を行うことの
できる固体撮像素子に関する。

［従来の技術］ 通常、固体撮像素子は、半導体基板表面にPN接合によ
り構成される複数個のフォトダイオードと、このフォト
ダイオードからの信号電荷を転送する電荷転送部とを備
えている。この固体撮像素子の一つの問題として、フォ
トダイオードに強い光が入射した場合に、電荷がフォト
ダイオードよりあふれ出して電荷転送部に漏れ込み撮像
画面に白い線が生じるブルーミング現象の発生がある。
このブルーミング現象を防止する手段を有する固体撮像
素子として、フォトダイオードで発生した余剰電荷を基
板が吸い込む垂直オーバーフロードレイン（VOD）構造
のものが知られている。

第３図は、従来のVOD構造を用いた固体撮像素子の例
を示す要部断面図である。この例おいては、Ｐ型ウェル
領域２は、Ｎ型半導体基板１の表面に横方向の拡散を利
用して、一部不純物濃度が薄くかつ接合が浅くなるよう
に形成されている。フォトダイオード３は、このＰ型ウ
ェル領域２の不純物濃度が低く接合の浅い部分の表面に
形成されたＮ型領域５とＰ型ウェル領域２とによって構
成されている。

電荷転送部４は、半導体基板１の表面に絶縁膜７を介
して形成されたポリシリコン転送電極９とこの電極下に
形成されたＮ型電荷転送領域６とで埋込みチャネル型CC
Dとして構成されている。フォトダイオードのＮ型領域
５と電荷転送部のＮ型電荷転送領域６は、高濃度のＰ型
領域であるチャネルストップ領域８により電気的に分離
されている。また、電荷転送部４は、層間絶縁膜10を介
して形成された金属膜11により遮光されている。このよ
うに構成された従来の固体撮像素子においては、Ｎ型半
導体基板１にＰ型ウェル領域２に対して適当な正のバイ
アス電圧をかけるとフォトダイオードの下のＰ型ウェル
領域の低不純物濃度で浅い部分のみを空乏化することが
できる。したがって、強い光が入射した場合にフォトダ
イオードに発生する余剰電子は、全て半導体基板１に吸
収することができる。また、Ｎ型電荷転送領域６の下の
Ｐ型ウェル領域は、空乏化しないように接合深さが十分
に深くかつ不純物濃度が高くなされている。したがっ
て、Ｎ型電荷転送領域６内を転送されている信号電荷が
半導体基板１に吸い込まれることはない。

ところで、このような構造の固体撮像素子のＰ型ウェ
ル領域２は、以下のような工程を経て作成される。すな
わち、第４図（ａ）に示すように、Ｎ型半導体基板１上
に通常のフォトレジストプロセスを用い、フォトレジス
ト16をフォトダイオード形成領域に形成し、Ｐ型不純物
をイオン注入すると、基板表面にＰ型不純物領域15が形
成される。その後、高温の不活性ガス中で熱処理を行う
とフォトダイオード形成領域においては不純物は横方向
に拡散し、第４図（ｂ）に示すように、Ｐ型ウェル領域
２はこの部分で浅くなされかつここではその不純物濃度
も低くなる。

［発明が解決しようとする問題点］ 固体撮像素子においても素子の小型化、高集積化が求
められているが、高集積化するにはフォトダイオードを
はじめ各素子を縮小化しなければならない。ところが、
上述した方法で作成されたウェル領域２をそのまま用い
て、縮小化されたフォトダイオードを形成すると、ウェ
ル領域の低不純物濃度で浅い部分が電荷転送領域６の下
にまで及んでしまう。そのため、この部分が空乏化し
て、電荷転送領域の信号電荷が基板側へ引く抜かれる恐
れが生じる。これを避けるために、第４図（ａ）におけ
るフォトレジスト16の面積を縮小すると、今度は、フォ
トダイオード部分のウェルの不純物濃度が上ってしま
い、十分なブルーミング制御が行われなくなる。そこ
で、フォトレジスト16の面積を縮小するとともに熱処理
時間を短縮すると、再び、電荷転送領域６下のウェル領
域の不純物濃度が不足になる。

このことに加え、従来の製造方法では、横方向拡散と
いう制御性に難点のある現象を用いているので、従来の
素子構造および製法では高集積化を行うことは困難であ
った。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による固体撮像素子は、第１導電型半導体基板
と、該半導体基板上に設けられた第２導電型ウェル領域
と、該ウェル領域内に設けられ該ウェル領域とともにフ
ォトダイオードを構成する第１導電型受光領域と、該第
１導電型受光領域からの光電変換電荷の転送を受けこれ
を転送する第１導電型電荷転送領域とを具備する固体撮
像素子において、前記第１導電型受光領域の直下には前
記半導体基板裏面から前記ウェル領域内部に達する溝が
設けられ該溝の表面には絶縁膜を介して制御電極が設け
られている。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例を示す断面図であって、
同図において、第３図に示した従来例と共通の部分には
同一の参照番号が付されている。本実施例においては、
Ｎ型半導体基板１の表面に、一様の深さに一様の不純物
濃度（１×10¹⁵〜１×10¹⁶cm^-3）を有するＰ型ウェル領
域２が形成され、該ウェル領域２内には、フォトダイオ
ード３のＮ型領域５と電荷転送部４のＮ型電荷転送領域
６が形成されている。フォトダイオード３のＮ型領域５
の直下にはＮ型半導体基板１の裏面からＰ型ウェル領域
２内に到達する溝12が形成されている。この溝12は、現
在一般に用いられているフォトレジストプロセスとプラ
ズマ化学反応を利用して容易に作成することができる。
溝12内には、絶縁膜13を介してポリシリコン制御電極14
が形成されており、このポリシリコン制御電極14は、Ｎ
型半導体基板１の裏面と電気的に接続されている。

以上の構成によれば、ポリシリコン制御電極にバイア
ス電圧をかけると、フォトダイオード直下のＰウェル領
域の狭い部分のみを空乏化することができる。

第２図は、本発明の他の実施例を示す断面図である。
この実施例では、フォトダイオードのＮ型領域５直下に
設けられる溝12aは、ドライエッチング条件を適度に調
整して、テーパーが形成されるようにして作成されてい
る。この構造によれば、先の実施例に比べて、後の熱処
理工程時に、溝内に形成したポリシリコン電極により生
じる応力を緩和することができる。また、横方向にも空
乏層が広がるので、Ｐ型ウェル領域２の深部で発生した
電子が電荷転送部４のＮ型領域６に漏れ込むスミア現象
を防ぐのにも効果的である。

なお、以上の実施例では、ポリシリコン制御電極14は
半導体基板１と接続されていたが、これらを電気的に分
離して、それぞれに別の電圧を印加するようにしてもよ
い。また、フォトダイオードのＮ型領域５の下のウェル
領域の不純物濃度を他の部分のそれより低くしてブルー
ミング抑止能力を高めてもよい。

なお、本明細書において、“溝”と表現されているも
のは、フォトダイオード列に沿って穿設された溝であっ
てもよいし、また、各フォトダイオード毎に設けられた
有底の穴であってもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、Ｎ型半導体基板表面
にＰ型ウェル領域を設けた固体撮像素子において、フォ
トダイオードのＮ型領域の直下に溝を形成し、該溝の表
面に絶縁膜を介して制御電極を設けたものであるので、
本発明によれば効果的にブルーミング現象を防止するこ
とができる。溝の形成は、プラズマ化学反応を利用した
ドラエッチング法を用いておこなれるので、微細に加工
することが容易である。したがって、本発明によれば、
従来の横方向の拡散を利用した方法のように電荷転送部
の下のＰ型領域が空乏化することなく、高集積化した固
体撮像素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、それぞれ、本発明の実施例を示す断
面図、第３図は、従来例を示す断面図、第４図（ａ）、
（ｂ）は、従来例の製造工程を示す断面図である。 １……Ｎ型半導体基板、２……Ｐ型ウェル領域、３……
フォトダイオード、４……電荷転送部、５……フォトダ
イオードのＮ型領域、６……Ｎ型電荷転送領域、12、12
a……溝、13……絶縁膜、14……ポリシリコン制御電
極。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型半導体基板と、該第１導電型半
   導体基板上に設けられた第２導電型ウェル領域と、該第
   ２導電型ウェル領域内に設けられ該ウェル領域とともに
   フォトダイオードを構成する第１導電型受光領域と、該
   第１導電型受光領域からの光電変換電荷の転送を受けこ
   れを転送する第１導電型電荷転送領域とを具備する固体
   撮像素子において、前記第１導電型受光領域の直下には
   前記半導体基板裏面から前記ウェル領域内部に達する溝
   が設けられ該溝の表面には絶縁膜を介して制御電極が設
   けられていることを特徴とする固体撮像素子。