JP2001111028A

JP2001111028A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2001111028A
Application number: JP28873099A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kawajiri; 和廣川尻
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】光電変換素子の面積を十分に大きくすること
ができる固体撮像素子を提供すること。【解決手段】半導体基板と、行方向及び列方向にそれ
ぞれ所定の配列間隔で前記半導体基板上に複数形成さ
れ、一対角線が行方向と平行であるような概略正方形の
光電変換素子２０３と、前記複数の光電変換素子２０３
の間を縫うようにして概略列方向に延びる垂直電荷転送
路２０２と、前記概略正方形の一対角線上にある前記光
電変換素子の一コーナ部（Ｈ点）と前記垂直電荷転送路
２０２とを繋ぐようにして形成される読み出しゲート部
２０４と、前記一コーナ部（Ｈ点）を除く前記光電変換
素子２０３の外側辺に形成される素子分離領域２０１と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像素子に関
し、より詳細には、光電変換素子から垂直電荷転送路に
電荷を読み出す読み出しゲート部の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例に係る固体撮像素子について、図
５〜図７を参照しながら説明する。図５は、従来例に係
る固体撮像素子の平面図である。図５において、１０３
はｐｎ接合を有するフォトダイオードから成る光電変換
素子であり、１０２はｎ型半導体層から成る垂直電荷転
送路である。そして、１０１は、これらの光電変換素子
１０３及び垂直電荷転送路１０２を電気的に分離するた
めの素子分離領域である。この素子分離領域１０１は、
高濃度ｐ型半導体層から成るものである。

【０００３】また、１０４は読み出しゲート部である。
読み出しゲート部１０４に所定の電圧を印加すると、光
電変換素子１０３に蓄積されている電荷が垂直電荷転送
路１０２に読み出される。なお、これら素子分離領域１
０１、垂直電荷転送路１０２、光電変換素子１０３、及
び読み出しゲート部１０４は、ｐ型半導体層から成るｐ
ウェル（図示せず）上に形成されるものであり、更にこ
のｐウェルはｎ型半導体基板（図示せず）の表層部に形
成されるものである。

【０００４】そして、素子分離領域１０１、垂直電荷転
送路１０２、光電変換素子１０３、及び読み出しゲート
部１０４の上部には、垂直電荷転送電極１０５が複数形
成されている。図５に示されるように、垂直電荷転送電
極１０５は行方向に一体化されて成り、更にそれは列方
向に複数形成されている。そして、この垂直電荷転送電
極１０５に所定の駆動パルスを印加することにより、垂
直電荷転送路１０２にある電荷が該垂直電荷転送路１０
２の下流に向かって転送される。更に、この垂直電荷転
送電極１０５は、列方向に隣接する光電変換素子１０３
の間に４つ形成されている。そのため、図５に示される
従来例に係る固体撮像素子は、全ての光電変換素子１０
３を同時に読み出すことができる、いわゆる全画素読み
出しタイプの固体撮像素子である。

【０００５】なお、垂直電荷転送路１０２の下流には水
平電荷転送路（図示せず）が形成されており、更にこの
水平電荷転送路の一端部には出力回路（図示せず）が形
成されている。垂直電荷転送路１０２の下流まで転送さ
れた電荷は、この水平電荷転送路で更に出力回路まで転
送される。この出力回路では、転送されてきた電荷を所
定の信号に変換し、外部に出力する。

【０００６】次に、上述した固体撮像素子の一画素の構
造について、図６を参照しながら説明する。図６は、従
来例に係る固体撮像素子の要部拡大図である。図６に示
されるように、光電変換素子１０３は概略矩形である。
そして同図において、１０３ｅは光電変換素子１０３の
一外側辺であり、従来例に係る固体撮像素子では、この
一外側辺１０３ｅに接するようにして読み出しゲート部
１０４が形成されている。なお、この読み出しゲート部
１０４は、光電変換素子１０３から垂直電荷転送路１０
２に向かい、幅Ｗ１を有している。

【０００７】そして、１０１ａ、１０１ｂ、及び１０１
ｃは、光電変換素子１０３の他の外周辺と接するように
して形成された素子分離領域である。そして、これらの
素子分離領域は、図２に示されるように幅Ｗ２を有して
いる。なお、図６に示される光電変換素子１０３の上部
には、図７で示されるような開口部１０６を備えた遮光
膜１０７が形成される。そして、この開口部１０６は、
その面積が光電変換素子１０３の面積よりも小さくなる
ように形成される。更にこの開口部１０６は、行方向と
列方向に対象な形状になるように形成されるのが望まし
い。図７に示される開口部１０６は、概略正方形であ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光電変換素
子１０３に飽和光量以上の強い光が入射すると、該光電
変換素子１０３から読み出しゲート部１０４を介して垂
直電荷転送路１０２に電荷が漏れ出し、いわゆるブルー
ミングを起こしてしまう。そのため、光信号蓄積時間期
間における読み出しゲート部１０４のポテンシャルバリ
ヤは、ブルーミングが発生しない高さに保つ必要があ
る。しかし、光電変換素子１０３に蓄積された信号を垂
直電荷転送路１０２に読み出す時、読み出しゲート電極
（読み出しゲート部１０４の上部に形成されている垂直
電荷転送電極１０５）に読み出し電圧を印加し、読み出
しゲート部１０４のポテンシャルバリヤは十分低くなる
必要がある。このような特性を持つには、読み出しゲー
ト部１０４の表面不純物濃度を低くし、幅Ｗ１を広くす
る必要がある。

【０００９】一方、素子分離領域１０１ａ、１０１ｂ、
及び１０１ｃは、読み出しゲート電極により高い読み出
し電圧が印加されても、光電変換素子１０３の電荷を垂
直電荷転送路１０２に読み出す必要が無いため、これら
の領域の不純物濃度は高くすることができる。そのた
め、幅Ｗ２はＷ１よりも狭くすることができる。しかし
ながら、上のように光電変換素子１０３の一外側辺１０
３ｅに読み出しゲート部１０４を設けると、該読み出し
ゲート部の幅Ｗ１の分だけ光電変換素子１０３の面積が
制限され、該光電変換素子１０３の面積を所望に大きく
することができず、光電変換素子１０３の面積が小さく
なってしまう。そして、光電変換素子１０３の面積が小
さくなると、これに伴って遮光膜１０７の開口部１０６
の面積も小さくしなければならない。

【００１０】そして、このように遮光膜１０７の開口部
１０６の面積が小さくなると、光電変換素子１０３に入
射する光量が少なくなり、該光電変換素子１０３に蓄積
される電荷の量が少なくなってしまう。そして、このよ
うに蓄積される電荷の量が少なくなると、固体撮像素子
の飽和信号レベルが小さくなり、出力信号のダイナミッ
クレンジが小さくなってしまう。

【００１１】本発明は係る従来例の問題点に鑑みて創作
されたものであり、光電変換素子の面積を十分に大きく
することができる固体撮像素子を提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、第１の
発明である、半導体基板と、行方向及び列方向にそれぞ
れ所定の配列間隔で前記半導体基板上に複数形成される
多角形の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の間
を縫うようにして概略列方向に延びる垂直電荷転送路
と、前記多角形の光電変換素子の一コーナ部と前記垂直
電荷転送路とを繋ぐようにして形成される読み出しゲー
ト部と、前記一コーナ部を除く前記光電変換素子の外側
辺に形成される素子分離領域とを備える固体撮像素子に
よって解決する。

【００１３】または、第２の発明である、前記多角形は
概略矩形であることを特徴とする第１の発明に記載の固
体撮像素子によって解決する。または、第３の発明であ
る、前記概略矩形は概略正方形であり、前記概略正方形
の一対角線は行方向と平行であり、前記一対角線上に前
記コーナ部があることを特徴とする第２の発明に記載の
固体撮像素子によって解決する。

【００１４】

【作用】本発明に係る固体撮像素子によれば、図２に例
示するように、概略正方形の光電変換素子２０３の一コ
ーナ部（Ｈ点）に読み出しゲート部２０４を設けた。こ
のような構造により、読み出しゲート部２０４を光電変
換素子２０３の一外側辺（外側辺Ａ）に設ける場合に比
べ、光電変換素子２０３の面積を大きくすることができ
る。

【００１５】すなわち、読み出しゲート部２０４を外側
辺Ａに設けないので、図２の点線円で示される領域Ａで
の素子分離領域２０１の幅を従来に比べて狭くすること
ができる。具体的には、領域Ａでの素子分離領域２０１
の幅を、他の部分に形成されている素子分離領域と同様
のＷ２とすることができる。これにより、領域Ａで素子
分離領域２０１が占める面積を減らすことができるの
で、光電変換素子２０３の面積を大きくすることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態に係る
固体撮像素子について、図１〜図４を参照しながら説明
する。図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の平面図
である。図１において、２０３は光電変換素子である。
この光電変換素子２０３は、例えばｐｎ接合を有するフ
ォトダイオードから成り、行方向及び列方向に所定の配
列間隔で複数形成されている。

【００１７】また、２０２は垂直電荷転送路であり、こ
れはｎ型半導体層を形成して成るものである。この垂直
電荷転送路２０２は、図１に示されるように、複数の光
電変換素子２０３の間を縫うようにして概略列方向に延
びている。そして、２０１はこれらの垂直電荷転送路２
０２と光電変換素子２０３とを電気的に分離する素子分
離領域であり、これは高濃度ｐ型半導体層から成るもの
である。

【００１８】また、２０４は読み出しゲート部であり、
該読み出しゲート部に所定の電圧を印加することによ
り、光電変換素子２０３に蓄積されている電荷が垂直電
荷転送路２０２に読み出される。なお、これら素子分離
領域２０１、垂直電荷転送路２０２、光電変換素子２０
３、及び読み出しゲート部２０４は、ｐ型半導体層から
成るｐウェル（図示せず）上に形成されるものであり、
更にこのｐウェルはｎ型半導体基板（図示せず）の表層
部に形成されるものである。

【００１９】そして、素子分離領域２０１、垂直電荷転
送路２０２、光電変換素子２０３、及び読み出しゲート
部２０４の上部には、垂直電荷転送電極２０５が複数形
成されている。図１に示されるように、垂直電荷転送電
極２０５は行方向に一体化されて成り、更にそれは列方
向に複数形成されている。そして、この垂直電荷転送電
極２０５に所定の駆動パルスを印加することにより、垂
直電荷転送路２０２にある電荷が該垂直電荷転送路２０
２の下流に向かって転送される。

【００２０】なお、図１に示される固体撮像素子は、列
方向に隣接する光電変換素子２０３の間に４つの垂直電
荷転送電極が形成されており、いわゆる１画素４電極構
造を有している。そのため、本実施形態に係る固体撮像
素子は、全ての光電変換素子２０３を同時に読み出すこ
とができる、いわゆる全画素読み出しタイプの固体撮像
素子である。しかしながら、本発明はこの構造に限るも
のではなく、例えば１画素２電極構造でも以下で説明す
る作用、及び効果を奏することができる。

【００２１】そして、垂直電荷転送路２０２の下流には
水平電荷転送路（図示せず）が形成されており、更にこ
の水平電荷転送路の一端部には出力回路（図示せず）が
形成されている。垂直電荷転送路２０２の下流まで転送
された電荷は、この水平電荷転送路で更に出力回路まで
転送される。この出力回路では、転送されてきた電荷を
所定の信号に変換し、外部に出力する。

【００２２】次に、本実施形態に係る固体撮像素子の一
画素の構造について、図２を参照しながら説明する。図
２は、本実施形態に係る固体撮像素子の要部拡大図であ
る。図２に示されるように、本実施形態に係る固体撮像
素子では、光電変換素子２０３は概略正方形である。ま
た、Ｄ点は光電変換素子２０３上の点ではなく、該光電
変換素子２０３の外側辺Ａ、及び外側辺Ｂを仮想的に延
長した時に交わる点である。そして、Ｄ点で交わる３本
の破線の内、右下方向に傾斜する破線と右上方向に傾斜
する破線は、それぞれ光電変換素子２０３の仮想的に延
長した外側辺Ａ及び外側辺Ｂを表すものである。

【００２３】また、同図中でＤ点とＥ点とを結ぶ破線
は、概略正方形の一対角線を示すものである。換言する
と、この破線で示される対角線上にコーナ部Ｄ点、及び
Ｅ点がある。なお、この対角線は、行方向に平行になる
ように形成されている。ここで、図２に示されるＨ点
は、上で説明した対角線が光電変換素子２０３の一外側
辺と交わる点である。このＨ点は、概略正方形の仮想的
な一コーナ部（Ｄ点）の近傍にある。そこで、以下では
このＨ点のことを光電変換素子２０３の一コーナ部と称
す。

【００２４】そして、読み出しゲート部２０４は、光電
変換素子２０３の一コーナ部（Ｈ点）に形成されてお
り、更にそれは該一コーナ部と垂直電荷転送路２０２と
を繋ぐようにして形成される。光電変換素子２０３の一
コーナ部にこのように読み出しゲート部２０４を形成す
ることにより、光電変換素子の一外側辺に読み出しゲー
ト部を形成する従来例に比べ、光電変換素子の面積を大
きくすることができる。この理由は次のように考えられ
る。すなわち、従来例に係る固体撮像素子では、光電変
換素子の一外側辺に幅がＷ１である読み出しゲート部１
０４（図６参照）を設けており、この幅Ｗ１は素子分離
領域１０１の幅Ｗ２（図６参照）よりも小さくできな
い。そのため、Ｗ１がＷ２よりも広い分、光電変換素子
１０３の面積が制限されてしまう。

【００２５】これに対し、本実施形態では、光電変換素
子２０３の一コーナ部（Ｈ点）に読み出しゲート部２０
４を設けているため、概略正方形の一外側において光電
変換素子２０３の面積が制限されることが無い。すなわ
ち、図２の点線円内で示される領域Ａでは、読み出しゲ
ート部が無い分だけこの部分における素子分離領域２０
１の幅を狭くすることができ、その幅を他の部分の素子
分離領域２０１の幅と同様にＷ２とすることができる。
そして、このように素子分離領域の幅が狭くなる分、光
電変換素子２０３の面積を従来に比べて大きくすること
ができる。

【００２６】なお、この光電変換素子２０３の上部に
は、図３に示されるような開口部２０６を備えた遮光膜
２０７が形成される。そして、この開口部２０６は、そ
の面積が光電変換素子２０３の面積よりも小さくなるよ
うに形成される。更に、この開口部２０６は、行方向及
び列方向に対象になるような形状に形成されるのが望ま
しい。本実施形態では、この遮光膜２０７の開口部２０
６の形状は、概略正方形である。

【００２７】次に、光電変換素子２０３の面積につい
て、従来例に係る固体撮像素子の光電変換素子１０３の
面積と比較しながら、図４に基づいて説明する。図４
は、本発明に係る光電変換素子２０３の面積と従来例に
係る光電変換素子１０３の面積との比較、及び本発明に
係る遮光膜２０７に形成された開口部２０６の面積と従
来例に係る遮光膜１０７に形成された開口部１０６の面
積との比較をするための説明図である。

【００２８】なお、この比較は、次の条件のもとで行う
ものである。・概略正方形である光電変換素子１０３、及び２０３の
一辺の長さを４μｍとする。・垂直電荷転送路１０２、及び２０２の行方向の幅を
０．８μｍとする。・読み出しゲート部１０４、及び２０４の幅Ｗ１を０．
８μｍとする。・素子分離領域１０１、及び２０１の幅Ｗ２を０．４μ
ｍとする。・遮光膜１０７及び２０７にそれぞれ形成された開口部
１０６及び２０６について、開口部１０６の光電変換素
子１０３への張り出し、及び開口部２０６の光電変換素
子２０３への張り出しを共に０．２μｍとする。

【００２９】上のような条件で比較を行った結果、図４
に示されるように、本発明に係る光電変換素子２０３の
面積は、従来例に係る光電変換素子１０３の面積にくら
べて１．１７倍となった。そして、光電変換素子２０３
の面積が大きくなった分、該光電変換素子２０３の上部
に形成されている遮光膜２０７の開口部２０６の面積も
大きくすることができる。具体的には、本発明に係る開
口部２０６の面積は、従来例に係る開口部１０６に比べ
て１．２２倍となった。

【００３０】このように、本発明に係る固体撮像素子で
は、光電変換素子２０３の面積を従来に比べて大きくす
ることができる。そのため、光電変換素子２０３に蓄積
される電荷の量が従来に比べて増大し、固体撮像素子の
飽和信号レベルが大きくなり、出力信号のダイナミック
レンジを大きくすることができる。なお、本実施形態で
は、光電変換素子２０３の形状を概略正方形とし、更に
その一対角線を行方向に平行になるようにしたが、光電
変換素子２０３の形状はこれに限られるものではない。
例えば、光電変換素子２０３の形状は多角形であっても
良く、更に該多角形の一対角線は任意の方向に向いて良
い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
撮像素子によれば、概略正方形の光電変換素子の一コー
ナ部に読み出しゲート部を設けた。これにより、光電変
換素子の面積を従来に比べて大きくすることができ、該
光電変換素子に蓄積される電荷の量を増加させることが
できる。そして、これに起因して、固体撮像素子からダ
イナミックレンジの大きな出力信号を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の平面図である。

【図２】本発明に係る固体撮像素子の要部拡大図であ
る。

【図３】本発明に係る固体撮像素子の遮光膜に形成され
た開口部の平面図である。

【図４】本発明に係る光電変換素子の面積と従来例に係
る光電変換素子の面積との比較、及び本発明に係る遮光
膜に形成された開口部の面積と従来例に係る遮光膜に形
成された開口部の面積との比較をするための説明図であ
る。

【図５】従来例に係る固体撮像素子の平面図である。

【図６】従来例に係る固体撮像素子の要部拡大図であ
る。

【図７】従来例に係る固体撮像素子の遮光膜に形成され
た開口部の平面図である。

【符号の説明】

１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、２０１・・・
素子分離領域、１０２、２０２・・・垂直電荷転送路、１０３、２０３・・・光電変換素子、１０３ｅ・・・・・・光電変換素子の一外側辺、１０４、２０４・・・読み出しゲート部、１０５、２０５・・・垂直電荷転送電極、１０６、２０６・・・遮光膜の開口部、１０７、２０７・・・遮光膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA10 CA03 CA20 DA12 DB01 FA06 FA26 FA33 5C024 AA01 CA15 FA01 FA11 GA01 GA11 GA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、行方向及び列方向にそれぞれ所定の配列間隔で前記半導
体基板上に複数形成される多角形の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の間を縫うようにして概略列方
向に延びる垂直電荷転送路と、前記多角形の光電変換素子の一コーナ部と前記垂直電荷
転送路とを繋ぐようにして形成される読み出しゲート部
と、前記一コーナ部を除く前記光電変換素子の外側辺に形成
される素子分離領域とを備える固体撮像素子。
【請求項２】前記多角形は概略矩形であることを特徴
とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記概略矩形は概略正方形であり、前記概略正方形の一対角線は行方向と平行であり、前記一対角線上に前記コーナ部があることを特徴とする
請求項２に記載の固体撮像素子。