JP2000124437A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低雑音であり高感度な増幅型固体撮像装置を
提供する。 【解決手段】 画素内部の埋め込みフォトダイオードが
半導体基板表面の凸型構造領域に形成され、あるいは画
素内部の転送ゲート構造が半導体基板表面の凹型構造領
域に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は増幅型固体撮像装置
の単位画素構造に係わるものであり、低雑音であり高感
度な増幅型固体撮像装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】光電変換により発生した信号電荷で信号
電荷蓄積部の電位を変調し、その電位により画素内部の
増幅トランジスタを変調することで画素内部に増幅機能
を持たせた固体撮像装置は増幅型固体撮像装置と呼ば
れ、低電圧単一電源動作が可能であるとともに、チップ
上に駆動回路を始めとするロジック回路を搭載可能であ
ることから、今後の固体撮像装置の主流素子として期待
されている。

【０００３】増幅型固体撮像装置における画素の基本構
成は、光電変換のためのフォトダイオードとこのフォト
ダイオードの電圧を初期化するためのリセットトランジ
スタ、増幅のためのトランジスタ、ライン選択のための
トランジスタあるいは容量結合、そしてフォトダイオー
ドと増幅トランジスタゲートとを接続する配線である。

【０００４】さらに、光電変換した信号電荷を一時蓄積
する場合にはフォトダイオードとは異なる領域に蓄積ダ
イオードを設け、フォトダイオードと蓄積ダイオードと
の間には転送ゲートを設ける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の増幅
型固体撮像装置に、低雑音なフォトダイオード構造であ
る埋め込み型フォトダイオード構造を増幅型固体撮像装
置に適用した場合は、埋め込みフォトダイオード本来の
低雑音特性を得ることができないという課題があった。

【０００６】すなわち、従来の主流撮像素子であるＣＣ
Ｄにおいては、フォトダイオードの信号電荷を読み出す
際に、転送ゲートに１０ボルト以上の比較的高い電圧を
印加するために、転送チャネルは上記のフォトダイオー
ド内部の電荷を完全に読み出すことで、フォトダイオー
ド内部を完全空乏化することが可能であったが、低電圧
・単一電源駆動を特長とする増幅型固体撮像装置におい
ては、転送ゲートに印加する電圧がたとえば３．３ボル
トと低電圧であるために、単純に埋め込み型フォトダイ
オード構造を導入してしまうと、上記のフォトダイオー
ド内部の電荷を完全に読み出すことが不可能となってし
まい、この不完全な読み出しのためにフォトダイオード
は完全空乏化できず、その結果として、フォトダイオー
ドの信号電荷をリセットする際のポテンシャルの揺らぎ
に起因する熱雑音を除去することができないという課題
が発生してしまう。

【０００７】さらに、低消費電力化や低電源電圧動作を
考えた場合に、動作電圧を上記の３．３ボルト単一電源
からたとえば１．５ボルト単一電源に低電圧化すること
を考えた場合には、完全空乏化も完全転送動作も不可能
となってしまう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、低雑音
なフォトダイオード構造である埋め込み型フォトダイオ
ード構造を低電圧駆動の増幅型固体撮像装置に適用した
場合においても、完全空乏化した埋め込みフォトダイオ
ード内部のポテンシャル底部が転送トランジスタのチャ
ネル領域と同程度の深さに形成されるので、増幅型固体
撮像装置の特長である低電圧駆動においても、フォトダ
イオードを完全空乏化・完全転送動作することが可能と
なり、したがってフォトダイオードのリセット時の熱雑
音であるリセット雑音を除去することが可能であり、そ
の結果として、低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を
得ることができる。

【０００９】さらに、本発明によれば完全空乏化した埋
め込みフォトダイオード内部のポテンシャル底部が転送
トランジスタのチャネル領域と同程度の深さに形成され
るのみならず、この転送トランジスタのチャネル領域と
同程度の深さにおける蓄積ダイオードポテンシャルが蓄
積ダイオードの表面ポテンシャルと同等となるので、増
幅型固体撮像装置の特長である低駆動電圧をさらに低電
圧化した場合においても、フォトダイオードを完全空乏
化すると同時に完全転送することが可能となり、したが
ってフォトダイオードのリセット時の熱雑音であるリセ
ット雑音を除去することが可能であり、その結果とし
て、低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。

【００１０】また、本発明によれば、埋め込みフォトダ
イオードに隣接配置される転送トランジスタのチャネル
領域の表面近傍に半導体基板と同一の導電型の不純物で
あり、半導体基板における不純物濃度よりも高濃度の不
純物領域が形成されているので、転送トランジスタのチ
ャネル領域においてもＳｉ−ＳｉＯ２界面において発生
する雑音電流はフォトダイオードには蓄積されずフォト
ダイオード表面近傍の高濃度不純物層と再結合するか、
あるいは蓄積ダイオード側に排出されるので、さらに低
雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。

【００１１】さらに、本発明によれば蓄積ダイオード領
域においても、転送トランジスタのチャネル領域と同程
度の深さにおけるポテンシャルが表面ポテンシャルと同
程度に形成されるので、さらに低電圧駆動をする場合に
おいても、フォトダイオードを完全空乏化・完全転送動
作することが可能となり、したがってフォトダイオード
のリセット時の熱雑音であるリセット雑音を除去するこ
とが可能であり、その結果として、超低電駆動が可能な
低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。

【００１２】本発明によれば、低雑音なフォトダイオー
ド構造である埋め込み型フォトダイオード構造を低電圧
駆動の増幅型固体撮像装置に適用した場合においても、
完全空乏化した埋め込みフォトダイオード内部のポテン
シャル底部が転送トランジスタのチャネル領域と同程度
の深さに形成されるので、増幅型固体撮像装置の特長で
ある低電圧駆動においても、フォトダイオードを完全空
乏化・完全転送動作することが可能となり、したがって
フォトダイオードのリセット時の熱雑音であるリセット
雑音を除去することが可能であり、その結果として、低
雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。

【００１３】さらに、本発明によれば完全空乏化した埋
め込みフォトダイオード内部のポテンシャル底部が転送
トランジスタのチャネル領域と同程度の深さに形成され
るのみならず、この転送トランジスタのチャネル領域と
同程度の深さにおける蓄積ダイオードポテンシャルが蓄
積ダイオードの表面ポテンシャルと同等となるので、増
幅型固体撮像装置の特長である低駆動電圧をさらに低電
圧化した場合においても、フォトダイオードを完全空乏
化すると同時に完全転送することが可能となり、したが
ってフォトダイオードのリセット時の熱雑音であるリセ
ット雑音を除去することが可能であり、その結果とし
て、低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。

【００１４】また、本発明によれば、埋め込みフォトダ
イオードに隣接配置される転送トランジスタのチャネル
領域の表面近傍に半導体基板と同一の導電型の不純物で
あり、半導体基板における不純物濃度よりも高濃度の不
純物領域が形成されているので、転送トランジスタのチ
ャネル領域においてもＳｉ−ＳｉＯ２界面において発生
する雑音電流はフォトダイオードには蓄積されずフォト
ダイオード表面近傍の高濃度不純物層と再結合するか、
あるいは蓄積ダイオード側に排出されるので、さらに低
雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。

【００１５】さらに、本発明によれば蓄積ダイオード領
域においても、転送トランジスタのチャネル領域と同程
度の深さにおけるポテンシャルが表面ポテンシャルと同
程度に形成されるので、さらに低電圧駆動をする場合に
おいても、フォトダイオードを完全空乏化・完全転送動
作することが可能となり、したがってフォトダイオード
のリセット時の熱雑音であるリセット雑音を除去するこ
とが可能であり、その結果として、超低電駆動が可能な
低雑音・高感度の増幅型固体撮像装置を得ることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。

【００１７】図１は本発明の第１の実施例に係わる増幅
型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面構
造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の断
面構造を示している。図１に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。

【００１８】本発明の第１の実施例においては、図１に
示すように、ｐ型半導体基板１の表面に凸部が形成され
ており、この凸領域に埋め込みフォトダイオードを形成
するためのｎ型不純物領域４、ｐ＋型不純物領域が形成
されている。

【００１９】このｐ型半導体基板１の表面の凸部は、た
とえば素子分離のための酸化膜形成に先立ち、ｐ型半導
体基板１にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）等の異方性エッチングを行うことで形成でき
る。

【００２０】あるいは、素子分離のための酸化膜形成工
程の後であっても、転送トランジスタのゲート構造形成
工程の前までの適当な工程においてｐ型半導体基板１に
ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）
等の異方性エッチングを行うことでも形成可能である。

【００２１】このとき形成される凹凸構造の段差をＳと
する。

【００２２】また、ｐ型半導体基板１は、その表面側の
ダイオード・トランジスタ動作のための領域がたとえば
ｐウェル構造等のｐ型領域であれば、ｎ型半導体基板と
することもできる。

【００２３】埋め込みフォトダイオードのための２種類
の不純物層は、たとえばｎ型不純物領域４は燐のイオン
注入で、ｐ型不純物領域３は硼素のイオン注入で、各々
形成できる。

【００２４】このフォトダイオードにおいて光電変換さ
れた信号電荷は、フォトダイオード内部に蓄積されたの
ちフォトダイオードに隣接して形成される転送ゲート３
を介して、蓄積ダイオードに転送・蓄積される。

【００２５】転送ゲート３は、ｐ型半導体基板１表面を
熱酸化したのちにＣＶＤ等によりゲート電極としてたと
えばポリシリコン等を堆積し、さらにフォトリソグラフ
ィーとＲＩＥ等のエッチングとを組み合わせることで図
１に示す形状に加工・形成することができる。

【００２６】蓄積ダイオードを形成するためのｎ型不純
物領域６は、たとえば燐のイオン注入により形成するこ
とができる。

【００２７】蓄積ダイオードを形成するｎ型不純物層６
には、コンタクトホールを介してアルミニウム等の金属
配線７が接続されている。この金属配線７は、単位画素
内部の増幅トランジスタのゲート電極（不図示）に接続
され、したがって、増幅トランジスタのゲート電極に印
加されるゲート電圧は、蓄積ダイオードに蓄積された信
号電荷量により変調される。

【００２８】蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷は、蓄
積ダイオードに隣接して設けられたリセットゲート（不
図示）を介してリセットドレイン（不図示）に排出され
る。これらの、増幅トランジスタ構造、およびリセット
トランジスタ構造については、従来の増幅型固体撮像装
置と同様であり、通常のＭＯＳ工程により形成可能な一
般的構造であるので、その構造および形成の方法に関す
る説明を省略する。

【００２９】図１に示す埋め込みフォトダイオード内部
の不純物濃度プロファイルを図３に示す。

【００３０】フォトダイオードの表面近傍には、硼素が
高濃度に添加されたｐ＋層が形成され、それよりやや深
い領域には燐が添加されたｎ層が形成され、さらに深い
領域はｐ型半導体基板となる。このとき、フォトダイオ
ードには２種類のｐｎ接合が深さＪ１、Ｊ２に形成され
る。また、ｎ型不純物層における燐濃度が最大となる部
分の深さをＰとする。

【００３１】図３に示す不純物プロファイルを有する埋
め込み型フォトダイオードのｎ型不純物層を完全空乏化
させた時の、フォトダイオード内部のポテンシャルプロ
ファイルは図４のようになる。そのとき、表面近傍に形
成されたｐ＋型不純物層が高濃度であるために、表面側
の空乏層は半導体表面に到達せず、半導体／酸化膜界面
の界面準位の影響を排除することが可能となる。

【００３２】さらに、埋め込み型フォトダイオードを完
全空乏化の状態で動作させることで、フォトダイオード
から蓄積ダイオードへの信号電荷の転送において、フォ
トダイオードの最大ポテンシャルφＰＤを一定として、
転送ゲート下のポテンシャルをφＰＤより高く設定する
ことにより、電荷転送時に発生するポテンシャルの揺ら
ぎに起因する熱雑音を排除することも可能となる。

【００３３】ところが、従来の増幅型撮像装置では、こ
の埋め込みフォトダイオードを完全空乏化の状態で動作
させることが困難であった。それは、低電圧駆動を特長
とする増幅型固体撮像装置にいては転送ゲート下のポテ
ンシャルを十分に高くできないことが理由である。

【００３４】従来構造の増幅型固体撮像装置における、
転送ゲート下のポテンシャルプロファイル（Ａ）と埋め
込みフォトダイオードのポテンシャルプロファイル
（Ｂ）は、概ね図６のようになる。図の理解を助けるた
めに、図６には転送ゲート下の不純物層構造と、フォト
ダイオードの不純物層構造をフォトダイオード表面を基
準として併記した。

【００３５】転送ゲート下のポテンシャル（Ａ）は、半
導体基板表面で最大値φＳを示し、半導体基板内部に向
けて単調に減少する。ここで、φＳ＞φＰＤを得ること
は容易であるが、図４に示すようにφＰＤは、深さｂに
形成されているために、図６に示されるように２種類の
ポテンシャルプロファイル（Ａ）（Ｂ）の交点で信号電
荷の転送が行われてしまい、その結果として埋め込みフ
ォトダイオードには残留電荷Ｑが残留する。この残留電
荷の存在により埋め込みフォトダイオードの特長である
完全空乏化での動作が行われず、したがって、転送時の
熱雑音が残留してしまう。

【００３６】一方、図１の構造によれば、埋め込みフォ
トダイオードが半導体基板の凸部に形成されているため
に、低電圧動作の増幅型固体撮像装置においても、埋め
込みフォトダイオードの完全空乏化動作が可能となる。

【００３７】図１の構造における転送ゲート下のポテン
シャルプロファイル（Ａ）と埋め込みフォトダイオード
のポテンシャルプロファイル（Ｂ）は、概ね図５のよう
になる。図の理解を助けるために、図５にも転送ゲート
下の不純物層構造と、フォトダイオードの不純物層構造
をフォトダイオード表面を基準として併記した。

【００３８】図５にも示されるように、フォトダイオー
ドを凸部に形成することで、完全空乏化した埋め込みフ
ォトダイオードの最大ポテンシャルφＰＤの深さｂは、
半導体基板表面の凹凸部段差Ｓの存在により、転送ゲー
ト下のポテンシャルが最大となる深さに近く移動され
る。図５においては、図６の従来構造と同様に、最大ポ
テンシャルがφＳとなるようなゲート電圧を印加してい
るにもかかわらず、半導体基板内部に存在するφＰＤか
ら電荷の転送が完全に行われ、埋め込みフォトダイオー
ドが完全空乏化していることがわかる。

【００３９】したがって、本発明によれば、低電圧駆動
の増幅型固体撮像装置においても埋め込みフォトダイオ
ードを完全空乏化状態で動作可能であり、不完全な電荷
転送に伴う熱雑音の発生は排除される。その結果とし
て、高感度で低雑音な増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。

【００４０】次に、本発明の第２の実施例を図２を用い
て説明する。

【００４１】図２は本発明の第２の実施例に係わる増幅
型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面構
造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の断
面構造を示している。図２に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。

【００４２】本発明の第２の実施例においては、図２に
示すように、ｐ型半導体基板１の表面に凹部が形成され
ており、この凹領域に転送ゲートを形成するためのゲー
ト電極３が形成されている。

【００４３】このｐ型半導体基板１の表面の凹部は、た
とえば素子分離のための酸化膜形成に先立ち、ｐ型半導
体基板１にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）等の異方性エッチングを行うことで形成でき
る。

【００４４】このとき形成される凹凸構造の段差をＳと
する。

【００４５】また、ｐ型半導体基板１は、その表面側の
ダイオード・トランジスタ動作のための領域がたとえば
ｐウェル構造等のｐ型領域であれば、ｎ型半導体基板と
することもできる。

【００４６】埋め込みフォトダイオードのための２種類
の不純物層は、たとえばｎ型不純物領域４は燐のイオン
注入で、ｐ型不純物領域３は硼素のイオン注入で、各々
形成できる。

【００４７】このフォトダイオードにおいて光電変換さ
れた信号電荷は、フォトダイオード内部に蓄積されたの
ちフォトダイオードに隣接して形成される転送ゲート３
を介して、蓄積ダイオードに転送・蓄積される。

【００４８】転送ゲート３は、ｐ型半導体基板１表面を
熱酸化したのちにＣＶＤ等によりゲート電極としてたと
えばポリシリコン等を堆積し、さらにフォトリソグラフ
ィーとＲＩＥ等のエッチングとを組み合わせることで図
２に示す形状に加工・形成することができる。

【００４９】蓄積ダイオードを形成するためのｎ型不純
物領域６は、たとえば燐のイオン注入により形成するこ
とができる。

【００５０】蓄積ダイオードを形成するｎ型不純物層６
には、コンタクトホールを介してアルミニウム等の金属
配線７が接続されている。この金属配線７は、単位画素
内部の増幅トランジスタのゲート電極（不図示）に接続
され、したがって、増幅トランジスタのゲート電極に印
加されるゲート電圧は、蓄積ダイオードに蓄積された信
号電荷量により変調される。

【００５１】蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷は、蓄
積ダイオードに隣接して設けられたリセットゲート（不
図示）を介してリセットドレイン（不図示）に排出され
る。これらの、増幅トランジスタ構造、およびリセット
トランジスタ構造については、従来の増幅型固体撮像装
置と同様であり、通常のＭＯＳ工程により形成可能な一
般的構造であるので、その構造および形成の方法に関す
る説明を省略する。

【００５２】図２に示す構造によれば、埋め込みフォト
ダイオードの不純物プロファイル、ポテンシャルプロフ
ァイル、転送ゲート下のポテンシャルプロファイルは、
図１の構造と同様に、各々図３、図４、図５として与え
られる。したがって、第１の実施例と同様に、低電圧駆
動の増幅型固体撮像装置においても埋め込みフォトダイ
オードを完全空乏化状態で動作可能であり、不完全な電
荷転送に伴う熱雑音の発生は排除される。その結果とし
て、高感度で低雑音な増幅型固体撮像装置を得ることが
できる。

【００５３】図１および図２に示す構造における、凹凸
部の段差Ｓについては、以下のように形成することが好
ましい。

【００５４】図４に示すように、完全空乏化埋め込みフ
ォトダイオードの最大ポテンシャルφＰＤが形成される
深さｂは、燐のイオン注入により形成される不純物プロ
ファイルにおいて燐濃度が最大となる深さＰと概ね一致
する。これは、埋め込みフォトダイオードの表面近傍の
ｐ＋層とｐ型半導体基板とがいずれも同一の基板電位
（図４〜６では０）に設定されることと、イオン注入に
より形成される燐濃度が概ね対称なガウス分布で近似で
きること、そして表面近傍のｐ＋層の深さＪ１が最大ポ
テンシャルの深さｂおよびｎ層の深さＪ２と比較して十
分に浅いことを併せて考えれば、概ね妥当な近似と言え
る。

【００５５】一方、図５に示したように、深さｂに形成
された埋め込みフォトダイオードの最大ポテンシャルφ
ＰＤをもっとも効率よく完全転送するためには、凹凸段
差Ｓが最大ポテンシャル深さｂと一致させれば良い。

【００５６】したがって、図１あるいは図２の構造を得
たうえで、効率よく完全空乏化埋め込みフォトダイオー
ドを実現するための指針として、図１および図２におけ
る凹凸段差Ｓと、図３におけるｎ型層の燐濃度が最大と
なる深さＰとを、概ね等しくすることが好ましいといえ
る。

【００５７】また、図１あるいは図２に示した凹凸構造
における、埋め込みフォトダイオードと転送ゲートの構
造については、図７に示すようなバリエーションが考え
られる。

【００５８】図７（ａ）は、図１および図２と同一であ
り、凹凸構造に伴う段差部分と転送ゲート端部にオフセ
ットを設けている。

【００５９】図７（ｂ）は、凹凸構造に伴う段差部分と
転送ゲート端部とを一致させた構造であり、図７（ｃ）
は、（ａ）とは逆方向に凹凸構造に伴う段差部分と転送
ゲート端部とのオフセットを設けている。

【００６０】図７（ｂ）（ｃ）のいずれにおいても、上
述のように完全空乏化埋め込みフォトダイオードの低電
圧駆動が可能であることはいうまでもないが、、図７
（ａ）と比較してフォトダイオードへの光入射面積を相
対的に大きくすることが可能であり、したがってさらな
る高感度化の効果もあるので好ましく、それ以外にも完
全空乏化埋め込みフォトダイオードの最大ポテンシャル
部と転送ゲート下での最大ポテンシャル部との電荷転送
方向距離が図７（ａ）より短縮されていることから、そ
の効果はより著しく、好ましいといえる。

【００６１】次に、本発明の第３の実施例を図８を用い
て説明する。

【００６２】図８は本発明の第３の実施例に係わる増幅
型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面構
造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の断
面構造を示している。図８に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。

【００６３】本実施例においては、図８（ａ），（ｂ）
に示されるように、フォトダイオードに隣接する段差部
の側壁部に形成されるチャネル領域の半導体基板表面近
傍に、ｐ型不純物からなる不純物領域１０１が形成され
ている。このｐ型不純物領域１０１の存在により、フォ
トダイオード内部のｎ型不純物領域４から転送ゲート側
壁部に向かう空乏層は、この転送ゲート側壁部のＳｉ−
ＳｉＯ２界面に到達することが防止される。

【００６４】この転送ゲート側壁部のＳｉ−ＳｉＯ２界
面は、フォトダイオード領域表面のＳｉ−ＳｉＯ２界面
とは異なり、界面上をゲート酸化膜および転送ゲート電
極３により保護されているために相対的にはその界面準
位密度は低い。しかしながら、低雑音特性を重要視する
場合においては必ずしもその存在を無視することが適当
とは言えない。

【００６５】したがって、本実施例に示される構造によ
れば、転送ゲート側壁部のＳｉ−ＳｉＯ２界面の界面準
位に起因する雑音電流がフォトダイオードに蓄積するこ
とが無く、さらなる低雑音特性を得ることが可能とな
る。

【００６６】このとき、転送ゲート側壁部のｐ型不純物
領域１０１による界面準位シールド効果を十分なものと
し、十分な低雑音特性を得るためには、このｐ型不純物
領域１０１の不純物濃度（Ｎ１）を、フォトダイオード
表面に形成されるｐ型不純物領域５の不純物濃度（Ｎ
２）より高いか、あるいは等しく設定する、すなわち、
Ｎ１≧Ｎ２、であることがより好ましいと言える。

【００６７】本実施例の構造を得るためには、たとえば
半導体基板表面の凹凸形状を形成加工する前に、図８に
おけるｐ型不純物領域１０１と、このｐ型不純物領域１
０１に隣接する凹部とを跨る広い領域にｐ型不純物をイ
オン注入したのちに半導体基板表面の凹凸形状を加工す
ることで実現することができる。

【００６８】あるいは、半導体基板表面の凹凸形状を形
成加工した後に、このｐ型不純物領域１０１の側壁に対
して適当な入射角を設けてｐ型不純物をイオン注入する
ことでも実現可能である。

【００６９】次に本発明の第４の実施例を図９を用いて
説明する。

【００７０】図９は本発明の第４の実施例に係わる増幅
型固体撮像装置の単位画素構造を説明するための断面構
造図であり、本発明の骨子となるフォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードを含む領域の断
面構造を示している。図９に示した構造以外について
は、従来の増幅型固体撮像装置と同様であるので省略す
る。

【００７１】本実施例においては、図９（ａ），（ｂ）
に示されるように、フォトダイオードに隣接する段差部
の側壁部に形成されるチャネル領域の半導体基板表面近
傍に、ｐ型不純物からなる不純物領域１０１が形成され
ているうえに、半導体基板表面と平行な平面において転
送ゲート３下部に形成されるチャネル領域の半導体基板
表面近傍にもｐ型不純物領域１０２が形成されている。

【００７２】転送ゲート３側壁部におけるｐ型不純物領
域１０１の存在による効果は前記の第３の実施例と同様
である。

【００７３】本実施例においては、さらに転送ゲート３
の底部に形成されるチャネル領域においても、その半導
体基板表面近傍にｐ型不純物領域１０２を形成してい
る。このｐ型不純物領域１０２の存在により、フォトダ
イオード内部のｎ型不純物領域４から転送ゲート３底部
に向かう空乏層は、転送ゲート３底部のＳｉ−ＳｉＯ２
界面に到達することが防止される。

【００７４】この転送ゲート底部のＳｉ−ＳｉＯ２界面
は、前述の転送ゲート側壁部のＳｉ−ＳｉＯ２界面と同
様に、フォトダイオード領域表面のＳｉ−ＳｉＯ２界面
とは異なり、界面上をゲート酸化膜および転送ゲート電
極３により保護されているために相対的にはその界面準
位密度は低い。しかしながら、同様に、低雑音特性を重
要視する場合においては必ずしもその存在を無視するこ
とが適当とは言えない。したがって、本実施例に示され
る構造によれば、転送ゲート３底部のＳｉ−ＳｉＯ２界
面の界面準位に起因する雑音電流がフォトダイオードに
蓄積することが無く、さらなる低雑音特性を得ることが
可能となる。

【００７５】本実施例の構造を得るためには、たとえば
半導体基板表面の凹凸形状を形成加工した後に、このｐ
型不純物領域１０２の領域にｐ型不純物をイオン注入す
ることで実現可能である。

【００７６】さらに、図１０に示す第５の実施例のよう
に転送ゲート３により形成されるチャネル領域につい
て、その底部と側壁部の全てのチャネル領域において、
半導体基板表面近傍にｐ型不純物領域（１０２、１０
３、他の図手前側の面および図奥側の面については図示
していない）を形成することで、転送ゲート３の全チャ
ネル領域におけるＳｉ−ＳｉＯ２界面準位からの雑音電
流を遮断することが可能となるので、この構造はより好
ましいと言える。

【００７７】図１０の構造を得るためには、たとえば半
導体基板表面の凹凸形状を形成加工した後に、ｐ型不純
物層を堆積し熱拡散する、いわゆる固相拡散により実現
可能である。

【００７８】また、フォトダイオード領域のｎ型不純物
領域４からの空乏層がＳｉ−ＳｉＯ２界面に到達しない
という条件からは、転送ゲート３底部のｐ型不純物領域
１０２が最も距離が近いためにその不純物濃度（ＮＣ
１）は比較的高濃度であることが要求されるが、逆に転
送ゲート３側壁部のｐ型不純物領域（図手前側・図奥側
のため図示していない）についてはその不純物濃度（Ｎ
Ｃ２）は比較的低濃度であってもその目的を達成するこ
とが可能である。すなわち、ＮＣ１＞ＮＣ２においても
低雑音化は可能である。

【００７９】この場合には、その構造を実現するための
方法として、前述の固相拡散以外の方法が適用可能とな
り、たとえば半導体基板表面の凹凸形状を形成した後
に、凹凸形状を形成加工するためのレジストマスクを用
いて自己整合的な、傾斜イオン入射の回転イオン注入法
による不純物領域形成が可能となり、その製造方法がよ
り一般的な工程により構成可能となるのでより好ましい
といえる。次に、第１１図を用いて、本発明の第６の実
施例について説明する。図１１は本発明の第６の実施例
に係わる増幅型固体撮像装置の単位画素構造を説明する
ための断面構造図であり、本発明の骨子となるフォトダ
イオード、転送トランジスタ、および蓄積ダイオードを
含む領域の断面構造を示している。図１１に示した構造
以外については、従来の増幅型固体撮像装置と同様であ
るので省略する。

【００８０】本実施例においては、図１１に示されるよ
うに、フォトダイオードに隣接する段差部の側壁部に形
成されるチャネル領域の半導体基板表面近傍に、ｐ型不
純物からなる不純物領域１０１が形成されているうえ
に、半導体基板表面と平行な平面において転送ゲート３
下部に形成されるチャネル領域の半導体基板表面近傍に
もｐ型不純物領域１０２が形成されており、さらに転送
ゲート３の側壁部に形成されるチャネル領域において
も、その半導体基板表面近傍にｐ型不純物領域１０３
（図手前側面と図奥側面については図示していない）を
形成している。

【００８１】転送ゲート３により形成されるチャネル領
域表面におけるｐ型不純物領域（１０１、１０２図手前
側面と図奥側面については図示していない）の存在によ
る効果は前記の第４の実施例と同様である。

【００８２】本実施例においては、さらに蓄積ダイオー
ドの第１のｎ型不純物領域６と同一の面に、この第１の
ｎ型不純物領域６とはその不純物濃度分布が異なる第２
のｎ型不純物領域１０４を形成している。

【００８３】すなわち、第１のｎ型不純物領域６は、半
導体基板表面近傍において不純物濃度が最大となるよう
な不純物濃度分布を有しており、一方、第２のｎ型不純
物領域１０４は、転送ゲート３底部のチャネル領域にお
ける半導体基板表面と同程度の深さにおいて不純物濃度
が最大となうような不純物濃度分布を有している。

【００８４】図１１の構造によれば、転送ゲート３底部
のチャネル領域の蓄積ダイオード側端部のポテンシャル
を蓄積ダイオード表面のポテンシャルとほぼ等しくする
ことが可能となる。したがって、蓄積ダイオードの第１
のｎ型不純物層６に接続されている配線７のポテンシャ
ルを蓄積ダイオード領域の第１のｎ型不純物層６からの
空乏化に起因する電位降下の影響なく、直接転送ゲート
３底部のチャネル領域に与えることが可能となる。した
がって、本実施例によれば、更なる低電圧動作が可能と
なる。

【００８５】本実施例の構造を得るためには、たとえば
第１のｎ型不純物領域６をフォトレジストレジスト等を
マスクとしてｎ型不純物イオン注入により形成した直後
に、同一のフォトレジストをマスクとしてイオン注入加
速度を高電圧化して再度ｎ型不純物をイオン注入するこ
とで容易に実現可能である。

【００８６】また、図１２に示す第７の実施例のよう
に、第１のｎ型不純物領域６と第２のｎ型不純物領域１
０５の形成範囲を同一とはせず、第２のｎ型不純物領域
１０５を転送ゲート３に隣接する領域のみに形成するこ
とによっても、まったく同様の効果を得ることが可能で
ある。

【００８７】本実施例においては、第２のｎ型不純物領
域１０５を蓄積ダイオードに付加することに起因する、
蓄積ダイオード容量の増加を抑止可能な点でより好まし
いと言える。

【００８８】すなわち、増幅型固体撮像装置において
は、フォトダイオードにおいて光電変換した入射光信号
電荷を信号電圧に変換する、いわゆるフローティングデ
ィフージョンアンプ構造が蓄積ダイオードにより構成さ
れているが、このフローティングディフージョンアンプ
構造における（信号電圧／信号電荷）として性能の指標
として用いられる変換ゲインは概ね蓄積ダイオード容量
に反比例するので、本実施例の構造により蓄積ダイオー
ド容量の増大を防止することが可能である。

【００８９】さらに、これらの蓄積ダイオードにおける
第２のｎ型不純物領域１０５の不純物濃度分布について
は、フォトダイオードにおけるｎ型不純物領域４の不純
物濃度と同一であることが好ましいといえる。それは、
フォトダイオードにおける最大ポテンシャル位置、転送
ゲートチャネルにおける最大ポテンシャル位置、そして
蓄積ダイオードにおける最大ポテンシャル位置が全て同
一の深さにおける同一平面上に形成されることにより、
最も効率よく素子動作させることが可能であるからであ
り、その理由は前述のとおりである。また、そのような
構造については、たとえば転送ゲート３を加工形成した
後に、転送ゲート３に対して自己整合的に不純物イオン
注入が可能であり、容易に実現できる。

【００９０】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形実施可能である。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば、低電圧駆動が可能であ
ると同時に、低雑音であり高感度な増幅型固体撮像装置
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる増幅型固体撮像
装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。

【図２】本発明の第２の実施例に係わる増幅型固体撮像
装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。

【図３】埋め込み型フォトダイオードにおける不純物濃
度の深さ方向分布を説明するための不純物濃度プロファ
イル。

【図４】完全空乏化した埋め込み型フォトダイオードに
おけるポテンシャルの深さ方向分布を説明するためのポ
テンシャルプロファイル。

【図５】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置に
おける転送ゲート下のポテンシャルプロファイルと、完
全空乏化した埋め込み型フォトダイオード内部のポテン
シャルプロファイル。

【図６】従来の増幅型固体撮像装置における転送ゲート
下のポテンシャルプロファイルと、完全空乏下した埋め
込み型フォトダイオード内部のポテンシャルプロファイ
ル。

【図７】本発明の実施例に係わる増幅型固体撮像装置の
単位画素構造における埋め込み型フォトダイオードと転
送ゲートの構造を説明する断面構造図。

【図８】本発明の第３の実施例に係わる増幅型固体撮像
装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。

【図９】本発明の第４の実施例に係わる増幅型固体撮像
装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転送
トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説明
するための断面構造図。

【図１０】本発明の第５の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説
明するための断面構造図。

【図１１】本発明の第６の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説
明するための断面構造図。

【図１２】本発明の第７の実施例に係わる増幅型固体撮
像装置の単位画素構造における、フォトダイオード、転
送トランジスタ、および蓄積ダイオードの断面構造を説
明するための断面構造図。

【図１３】従来の増幅型固体撮像装置の単位画素構造に
おける、フォトダイオード、転送トランジスタ、および
蓄積ダイオードの断面構造を説明するための断面構造
図。

【符号の説明】

１…ｐ型半導体基板 ２…絶縁膜 ３…ゲート電極 ４…ｎ型不純物層 ５…ｐ＋型不純物層 ６…ｎ型不純物層 ７…金属配線 １０１、１０２、１０３…ｐ型不純物領域 １０４、１０５…蓄積ダイオードの第２のｎ型不純物領
域

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に複数の単位画素を２次元
   配置してなり、 各々の単位画素に、光電変換のためのフォトダイオード
   と、フォトダイオードで得られた信号電荷を蓄積する蓄
   積ダイオードと、フォトダイオードで得られた信号電荷
   を蓄積ダイオードに転送するための転送トランジスタ
   と、蓄積ダイオードに蓄積された信号電荷をリセットす
   るリセットトランジスタと、蓄積ダイオードに蓄積され
   た信号電荷により変調される増幅トランジスタと、増幅
   トランジスタからの信号電圧を読み出す信号読み出し部
   とが設けられた増幅型固体撮像装置であって、 前記フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板ある
   いは第１導電型の不純物ウェル構造と、該半導体基板表
   面近傍の半導体基板内部に形成された第１導電型の反対
   導電型の第２導電型の不純物領域とにより構成される第
   １のＰＮ接合と、該半導体基板表面近傍に形成された第
   １導電型の不純物領域と、前記半導体基板表面付近の半
   導体基板内部に形成された第２導電型の不純物領域とに
   より構成される第２のＰＮ接合とにより構成されてお
   り、 前記単位画素を２次元配置した領域には、半導体基板の
   表面に画素配列と同じ配列の凹凸形状が形成されてお
   り、単位画素を構成する構造のうち少なくとも前記フォ
   トダイオードが半導体表面に凸形状が形成されている半
   導体基板内部に形成されていることを特徴とする増幅型
   固体撮像装置。
2. 【請求項２】 半導体基板上に複数の単位画素を２次元
   配置してなり、 各々の単位画素に、光電変換のためのフォトダイオード
   と、フォトダイオードで得られた信号電荷を蓄積する蓄
   積ダイオードと、フォトダイオードで得られた信号電荷
   を蓄積ダイオードに転送するための転送トランジスタ
   と、蓄積ダイオードに蓄積された信号電荷をリセットす
   るリセットトランジスタと、蓄積ダイオードに蓄積され
   た信号電荷により変調される増幅トランジスタと、増幅
   トランジスタからの信号電圧を読み出す信号読み出し部
   とが設けられた増幅型固体撮像装置であって、 前記フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板ある
   いは第１導電型の不純物ウェル構造と、該半導体基板表
   面近傍の半導体基板内部に形成された第１導電型の反対
   導電型の第２導電型の不純物領域とにより構成される第
   １のＰＮ接合と、該半導体基板表面近傍に形成された第
   １導電型の不純物領域と、前記半導体基板表面付近の半
   導体基板内部に形成された第２導電型の不純物領域とに
   より構成される第２のＰＮ接合とにより構成されてお
   り、 前記単位画素を２次元配置した領域には、半導体基板の
   表面に画素配列と同じ配列の凹凸形状が形成されてお
   り、単位画素を構成する構造のうち少なくとも前記転送
   トランジスタのゲート構造が半導体表面に凹形状が形成
   されている半導体基板領域に形成されていることを特徴
   とする増幅型固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記単位画素を２次元配置した領域に形
   成された凹凸形状の段差が、前記半導体基板表面近傍の
   半導体基板内部に形成された第２導電型の不純物領域に
   おける第２導電型不純物濃度の深さ方向の濃度分布が最
   大となるフォトダイオード表面からの深さとほぼ等しい
   ことを特徴とする請求項１、２記載の増幅型固体撮像装
   置。
4. 【請求項４】 前記単位画素を２次元配置した領域に形
   成された凹凸形状の段差部に形成される前記転送トラン
   ジスタのチャネル領域のうち、すくなくとも前記フォト
   ダイオードに隣接して前記段差部の側壁部に形成される
   チャネル領域の半導体基板表面近傍に、前記第１導電型
   の不純物からなる不純物層が形成されていることを特徴
   とする請求項１〜３記載の増幅型固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記フォトダイオードに隣接して前記段
   差部の側壁部に形成されるチャネル領域の半導体基板表
   面近傍に、前記第１導電型の不純物からなる不純物層に
   おける不純物濃度（Ｎ１）が、前記フォトダイオードの
   表面近傍に形成される前記第１導電型の不純物からなる
   不純物層の不純物濃度（Ｎ２）と等しいか、あるいはそ
   れよりも高濃度である、すなわち、Ｎ１≧Ｎ２、である
   ことを特徴とする請求項４記載の増幅型固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
   おいて、前記半導体基板表面に平行な面に形成されるチ
   ャネル領域の半導体基板表面近傍には、前記第１導電型
   の不純物からなる不純物領域が形成されていることを特
   徴とする請求項４、５記載の増幅型固体撮像装置。
7. 【請求項７】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
   おいて、前記半導体基板表面に直交する面に形成される
   チャネル領域の半導体基板表面近傍には、前記第１導電
   型の不純物からなる不純物領域が形成されていることを
   特徴とする請求項４〜６記載の増幅型固体撮像装置。
8. 【請求項８】 前記転送トランジスタのチャネル領域に
   おいて、前記半導体基板表面に平行な面に形成されるチ
   ャネル領域の半導体基板表面近傍に形成される前記第１
   導電型の不純物からなる第１のチャネル不純物領域の不
   純物濃度（ＮＣ１）が、前記転送トランジスタのチャネ
   ル領域において、前記半導体基板表面に直交する面に形
   成される前記第１導電型の不純物からなる第２のチャネ
   ル不純物領域の不純物濃度（ＮＣ２）よりも高いことを
   特徴とする請求項７記載の増幅型固体撮像装置。
9. 【請求項９】 前記蓄積ダイオードは、少なくとも前記
   半導体基板表面近傍において不純物濃度が最大となるよ
   うな不純物濃度分布を有する前記第２導電型不純物から
   なる第１の不純物層と、前記半導体基板表面に画素配列
   と同じ配列で形成された凹凸形状の段差と同程度の深さ
   において不純物濃度が最大となるような不純物濃度分布
   を有する前記第２導電型不純物からなる第２の不純物層
   とからなることを特徴とする請求項２〜８記載の増幅型
   固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 前記蓄積ダイオードを構成する前記第
    ２の不純物層は、該蓄積ダイオードと前記転送トランジ
    スタとの境界領域近傍にのみ形成されていることを特徴
    とする請求項９記載の増幅型固体撮像装置。
11. 【請求項１１】 前記蓄積ダイオードを構成する前記第
    ２の不純物層は、前記フォトダイオードを構成する前記
    第２導電型不純物からなる不純物層と同一の不純物濃度
    分布を有することを特徴とする請求項９、１０記載の増
    幅型固体撮像装置。