JP2003031787A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents
固体撮像素子及びその駆動方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
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-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電荷の完全転送が可能で、読み出し後にフォ
トダイオード内に電荷残りが発生しない構造を実現し、
ランダムノイズが少なく、高速な読み出しに対応するこ
とが可能で、高精細な動画の撮影が可能な固体撮像素子
及びその駆動方法を提供する。 【解決手段】 第１の導伝型のウェル領域１０２と、第
２の導伝型の第１不純物領域１０６及び第１不純物領域
１０６表面に形成された第１の導伝型の濃い不純物領域
１０５からなるフォトダイオードと、フォトダイオード
に蓄積された電荷を転送するゲート電極１０７と、第２
の導伝型の不純物領域から形成された読み出し領域１０
８とを備えた固体撮像素子において、第２の導伝型の第
１不純物領域１０６から読み出し領域１０８にまたがっ
て、第２の導伝型の第２不純物領域１１０を配置し、且
つ、ゲート電極１０７の下方に、第１の導伝型の不純物
領域１０９を形成する。
トダイオード内に電荷残りが発生しない構造を実現し、
ランダムノイズが少なく、高速な読み出しに対応するこ
とが可能で、高精細な動画の撮影が可能な固体撮像素子
及びその駆動方法を提供する。 【解決手段】 第１の導伝型のウェル領域１０２と、第
２の導伝型の第１不純物領域１０６及び第１不純物領域
１０６表面に形成された第１の導伝型の濃い不純物領域
１０５からなるフォトダイオードと、フォトダイオード
に蓄積された電荷を転送するゲート電極１０７と、第２
の導伝型の不純物領域から形成された読み出し領域１０
８とを備えた固体撮像素子において、第２の導伝型の第
１不純物領域１０６から読み出し領域１０８にまたがっ
て、第２の導伝型の第２不純物領域１１０を配置し、且
つ、ゲート電極１０７の下方に、第１の導伝型の不純物
領域１０９を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子及び
その駆動方法に関し、特に、ランダムノイズを低減する
と共に高精細な動画の撮影を可能とした固体撮像素子及
びその駆動方法に関する。
その駆動方法に関し、特に、ランダムノイズを低減する
と共に高精細な動画の撮影を可能とした固体撮像素子及
びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＩＴ(Information Technology)技
術の発展に伴って、エリアセンサの需要が増え、様々な
用途に応じたセンサの供給が必要となっている。特に、
エリアセンサをデジタルカメラや携帯端末に使用する上
では、ＣＣＤセンサに比べ消費電力の少ないＣＭＯＳセ
ンサが着目されている。また、画質に対する要求も年々
高まり、より低ノイズ化が必要とされている。
術の発展に伴って、エリアセンサの需要が増え、様々な
用途に応じたセンサの供給が必要となっている。特に、
エリアセンサをデジタルカメラや携帯端末に使用する上
では、ＣＣＤセンサに比べ消費電力の少ないＣＭＯＳセ
ンサが着目されている。また、画質に対する要求も年々
高まり、より低ノイズ化が必要とされている。
【０００３】従来のＣＭＯＳセンサのランダムノイズの
発生原因を図５を用いて説明する。４０１はｎ型半導体
基板であり、４０２はＰＷＬ、４０３はＬＯＣＯＳ酸化
膜、４０４はゲート酸化膜である。ｐ+領域４０５及び
ｎ領域４０６によってフォトダイオードが形成されてい
る。ｎ領域４０６は、予め空乏化するようにリセットさ
れており、ｎ領域４０６に光が入射されると、発生した
電荷はｎ領域４０６に蓄積される。読み出しを行う際
は、ゲート電極４０７にプラスの電位を与え、転送トラ
ンジスタをＯＮし、濃いｎ領域で形成された読み出し領
域４０８に電荷が転送され、読み出される。４０９は転
送トランジスタの閾値を制御するためのｎ -領域であ
る。
発生原因を図５を用いて説明する。４０１はｎ型半導体
基板であり、４０２はＰＷＬ、４０３はＬＯＣＯＳ酸化
膜、４０４はゲート酸化膜である。ｐ+領域４０５及び
ｎ領域４０６によってフォトダイオードが形成されてい
る。ｎ領域４０６は、予め空乏化するようにリセットさ
れており、ｎ領域４０６に光が入射されると、発生した
電荷はｎ領域４０６に蓄積される。読み出しを行う際
は、ゲート電極４０７にプラスの電位を与え、転送トラ
ンジスタをＯＮし、濃いｎ領域で形成された読み出し領
域４０８に電荷が転送され、読み出される。４０９は転
送トランジスタの閾値を制御するためのｎ -領域であ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例で示した構造のＣＭＯＳセンサにおいては次のよう
な問題点があった。
来例で示した構造のＣＭＯＳセンサにおいては次のよう
な問題点があった。
【０００５】ＣＭＯＳセンサにおいて電荷の転送を行う
際に、ゲート電極４０７によって発生するチャネルは、
ゲート酸化膜４０４に近い浅い部分にできる。一方、フ
ォトダイオード部では、表面の欠陥の影響を抑制するた
めにｐ+領域４０５が配置されており、ｎ領域４０６は
ゲート酸化膜から離れた深い場所に存在する。電荷の転
送時には、この深い場所から、浅いチャネルへの接続部
４１０においてポテンシャル障壁が発生する。そのた
め、電荷の転送が困難となり、電荷を完全に読み出しき
れずに、フォトダイオードに電荷が残ることになる。こ
のフォトダイオードに残る電荷の数をｎ個とすると、読
み出し毎に√ｎ個程度のバラツキが発生し、センサのラ
ンダムノイズの原因となる。
際に、ゲート電極４０７によって発生するチャネルは、
ゲート酸化膜４０４に近い浅い部分にできる。一方、フ
ォトダイオード部では、表面の欠陥の影響を抑制するた
めにｐ+領域４０５が配置されており、ｎ領域４０６は
ゲート酸化膜から離れた深い場所に存在する。電荷の転
送時には、この深い場所から、浅いチャネルへの接続部
４１０においてポテンシャル障壁が発生する。そのた
め、電荷の転送が困難となり、電荷を完全に読み出しき
れずに、フォトダイオードに電荷が残ることになる。こ
のフォトダイオードに残る電荷の数をｎ個とすると、読
み出し毎に√ｎ個程度のバラツキが発生し、センサのラ
ンダムノイズの原因となる。
【０００６】センサのランダムノイズを防止する方策と
して、ｎ領域４０６をゲート電極４０７下にもぐりこま
せて、ｎ領域４０６とｎ-領域４０９に重なりを持たせ
る方法がある。しかし、この場合、接続部４１０でｎ領
域４０６とｎ-領域４０９が重なった部分では、ポテン
シャルが低い領域ができる。そのため、電荷の転送後、
ゲート電極をＯＦＦする際に、チャネルを形成していた
電荷が、一旦、ポテンシャルが低い領域に溜まった後、
ｎ領域４０６に戻ってしまうという問題が発生する。こ
の場合も同様にランダムノイズの原因となってしまう。
して、ｎ領域４０６をゲート電極４０７下にもぐりこま
せて、ｎ領域４０６とｎ-領域４０９に重なりを持たせ
る方法がある。しかし、この場合、接続部４１０でｎ領
域４０６とｎ-領域４０９が重なった部分では、ポテン
シャルが低い領域ができる。そのため、電荷の転送後、
ゲート電極をＯＦＦする際に、チャネルを形成していた
電荷が、一旦、ポテンシャルが低い領域に溜まった後、
ｎ領域４０６に戻ってしまうという問題が発生する。こ
の場合も同様にランダムノイズの原因となってしまう。
【０００７】本発明の目的は、電荷の完全転送が可能
で、読み出し後にフォトダイオード内に電荷残りが発生
しない構造を実現し、ランダムノイズが少なく、高速な
読み出しに対応することが可能で、高精細な動画の撮影
が可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供するもの
である。
で、読み出し後にフォトダイオード内に電荷残りが発生
しない構造を実現し、ランダムノイズが少なく、高速な
読み出しに対応することが可能で、高精細な動画の撮影
が可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供するもの
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１の
導伝型のウェル領域と、第２の導伝型の第１不純物領域
及び該第１不純物領域の表面に形成された第１の導伝型
の濃い不純物領域からなるフォトダイオードと、該フォ
トダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート電極
と、第２の導伝型の不純物領域から形成された読み出し
領域とを備えた固体撮像素子において、前記第２の導伝
型の第１不純物領域から前記読み出し領域にまたがっ
て、第２の導伝型の第２不純物領域を配置し、且つ、前
記ゲート電極の下方に、第１の導伝型の不純物領域を形
成したことを特徴とする固体撮像素子が提供される。
導伝型のウェル領域と、第２の導伝型の第１不純物領域
及び該第１不純物領域の表面に形成された第１の導伝型
の濃い不純物領域からなるフォトダイオードと、該フォ
トダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート電極
と、第２の導伝型の不純物領域から形成された読み出し
領域とを備えた固体撮像素子において、前記第２の導伝
型の第１不純物領域から前記読み出し領域にまたがっ
て、第２の導伝型の第２不純物領域を配置し、且つ、前
記ゲート電極の下方に、第１の導伝型の不純物領域を形
成したことを特徴とする固体撮像素子が提供される。
【０００９】上記の固体撮像素子において、前記第２の
導伝型の第２不純物領域を、電荷の蓄積時に完全に空乏
化するような濃度としてもよい。
導伝型の第２不純物領域を、電荷の蓄積時に完全に空乏
化するような濃度としてもよい。
【００１０】上記の固体撮像装置において、前記ゲート
電極には、電荷の蓄積時に前記第１の導伝型のウェル領
域に印加される電位よりも低い電位を印加してもよい。
電極には、電荷の蓄積時に前記第１の導伝型のウェル領
域に印加される電位よりも低い電位を印加してもよい。
【００１１】上記の固体撮像装置において、前記第２の
導伝型の第２不純物領域の形成される深さを、前記第２
の導伝型の第１不純物領域の形成される深さよりも浅く
してもよい。
導伝型の第２不純物領域の形成される深さを、前記第２
の導伝型の第１不純物領域の形成される深さよりも浅く
してもよい。
【００１２】上記の固体撮像装置において、前記第２の
導伝型の第１不純物領域における前記ゲート電極に接す
る部分の少なくとも一部を、前記第２の導伝型の第２不
純物領域と重なりを持たせた構造とし、前記第２の導伝
型の第１不純物領域の少なくとも一部を、前記第２の導
伝型の第２不純物領域と重ならない構造としてもよい。
導伝型の第１不純物領域における前記ゲート電極に接す
る部分の少なくとも一部を、前記第２の導伝型の第２不
純物領域と重なりを持たせた構造とし、前記第２の導伝
型の第１不純物領域の少なくとも一部を、前記第２の導
伝型の第２不純物領域と重ならない構造としてもよい。
【００１３】上記の固体撮像装置において、前記第２の
導伝型の第２不純物領域のイオン注入領域のみに、レジ
ストパターニングによりイオン注入してもよい。
導伝型の第２不純物領域のイオン注入領域のみに、レジ
ストパターニングによりイオン注入してもよい。
【００１４】また、本発明の固体撮像素子は、図１を参
照しつつ説明すれば、第１の導伝型のウェル領域（１０
２）と、第２の導伝型の第１不純物領域（１０６）及び
該第１不純物領域の表面に形成された第１の導伝型の濃
い不純物領域（１０５）からなるフォトダイオードと、
該フォトダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート
電極（１０７）と、第２の導伝型の不純物領域から形成
された読み出し領域（１０８）とを備えた固体撮像素子
において、前記第２の導伝型の第１不純物領域から前記
読み出し領域にまたがって、第２の導伝型の第２不純物
領域（１１０）を配置し、且つ、前記ゲート電極の下方
に、第１の導伝型の不純物領域（１０９）を形成したも
のである。
照しつつ説明すれば、第１の導伝型のウェル領域（１０
２）と、第２の導伝型の第１不純物領域（１０６）及び
該第１不純物領域の表面に形成された第１の導伝型の濃
い不純物領域（１０５）からなるフォトダイオードと、
該フォトダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート
電極（１０７）と、第２の導伝型の不純物領域から形成
された読み出し領域（１０８）とを備えた固体撮像素子
において、前記第２の導伝型の第１不純物領域から前記
読み出し領域にまたがって、第２の導伝型の第２不純物
領域（１１０）を配置し、且つ、前記ゲート電極の下方
に、第１の導伝型の不純物領域（１０９）を形成したも
のである。
【００１５】
【発明の実施の形態】［第１実施形態］次に、本発明の
第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】（１）構成の説明
図１は本発明の第１実施形態の固体撮像素子の模式図で
ある。１０１はｎ型半導体基板であり、１０２は第１の
導伝型のウェル領域（以下、ＰＷＬ）、１０３はＬＯＣ
ＯＳ酸化膜、１０４はゲート酸化膜である。１０５は第
１の導伝型の濃い不純物領域（以下、ｐ+領域）、１０
６は第２の導伝型の第１不純物領域（以下、ｎ領域）で
ある。ｐ+領域１０５及びｎ領域１０６によってフォト
ダイオードが形成されている。ｎ領域１０６は、予め空
乏化するようにリセットされており、ｎ領域１０６に光
が入射されると、発生した電荷はｎ領域１０６に蓄積さ
れる。読み出しを行う際は、ゲート電極１０７にプラス
の電位を与え、転送トランジスタをＯＮし、濃いｎ領域
で形成された読み出し領域１０８に電荷が転送され、読
み出される。
ある。１０１はｎ型半導体基板であり、１０２は第１の
導伝型のウェル領域（以下、ＰＷＬ）、１０３はＬＯＣ
ＯＳ酸化膜、１０４はゲート酸化膜である。１０５は第
１の導伝型の濃い不純物領域（以下、ｐ+領域）、１０
６は第２の導伝型の第１不純物領域（以下、ｎ領域）で
ある。ｐ+領域１０５及びｎ領域１０６によってフォト
ダイオードが形成されている。ｎ領域１０６は、予め空
乏化するようにリセットされており、ｎ領域１０６に光
が入射されると、発生した電荷はｎ領域１０６に蓄積さ
れる。読み出しを行う際は、ゲート電極１０７にプラス
の電位を与え、転送トランジスタをＯＮし、濃いｎ領域
で形成された読み出し領域１０８に電荷が転送され、読
み出される。
【００１７】第１実施形態では、転送トランジスタの下
は第１の導伝型の不純物領域（以下、ｐ領域）１０９と
なっている。また、ｎ領域１０６から読み出し領域１０
８にかけて、第２の導伝型の第２不純物領域（以下、ｎ
-領域）１１０が覆っている。ｐ領域１０９及びｎ-領域
１１０は、矢印１１１で示したイオン注入領域、もしく
はウエハ全面にイオン注入することで、ＬＯＣＯＳ酸化
膜１０３に対して自己整合的に形成することも可能であ
る。この場合、ｐ領域１０９のイオン注入量は、読み出
し領域１０８よりも十分小さい必要があるが、本発明の
効果を得るには十分である。
は第１の導伝型の不純物領域（以下、ｐ領域）１０９と
なっている。また、ｎ領域１０６から読み出し領域１０
８にかけて、第２の導伝型の第２不純物領域（以下、ｎ
-領域）１１０が覆っている。ｐ領域１０９及びｎ-領域
１１０は、矢印１１１で示したイオン注入領域、もしく
はウエハ全面にイオン注入することで、ＬＯＣＯＳ酸化
膜１０３に対して自己整合的に形成することも可能であ
る。この場合、ｐ領域１０９のイオン注入量は、読み出
し領域１０８よりも十分小さい必要があるが、本発明の
効果を得るには十分である。
【００１８】（２）動作の説明
次に、本発明の第１実施形態の動作について図１を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００１９】図１の構造では、転送トランジスタがＯＮ
した際には、電荷はｐ領域１０９より下の領域を流れる
ため、ｎ領域１０６との接続部１１２では、ポテンシャ
ル障壁が発生せず、電荷の完全転送が可能である。本実
施形態の特徴的な構造としては、通常のＭＯＳトランジ
スタが、Ｎ−Ｐ−Ｎ型の半導体領域から形成されている
のに対して、フォトダイオードのｎ領域１０６と読み出
し領域１０８の間の領域もｎ領域１１０となっており、
ｎタイプの連続となっている。
した際には、電荷はｐ領域１０９より下の領域を流れる
ため、ｎ領域１０６との接続部１１２では、ポテンシャ
ル障壁が発生せず、電荷の完全転送が可能である。本実
施形態の特徴的な構造としては、通常のＭＯＳトランジ
スタが、Ｎ−Ｐ−Ｎ型の半導体領域から形成されている
のに対して、フォトダイオードのｎ領域１０６と読み出
し領域１０８の間の領域もｎ領域１１０となっており、
ｎタイプの連続となっている。
【００２０】このような構造において、電荷蓄積時に電
荷をフォトダイオードに溜めておける理由は以下の通り
である。即ち、ｎ-領域１１０の濃度は十分に薄く、電
荷蓄積時には完全に空乏化している。具体的に一例を挙
げると、蓄積時のゲート電極１０７の電位は０Ｖ、ＰＷ
Ｌ１０２の電位は０Ｖ、読み出し領域１０８は４Ｖ、ｎ
領域１０６は２〜４Ｖ（光の入射によって変化する）と
なっており、ＰＷＬとの間に２〜４Ｖの逆バイアスが発
生し、空乏層が広がることで、ゲート電極１０７の下方
のｎ-領域１１０は完全に空乏化することが可能であ
る。ｎ-領域１１０が完全に空乏化した状態ではキャリ
アが存在しないために、ｎ領域１０６から読み出し領域
１０８にかけて電流が流れることがなく、電荷を蓄積す
ることが可能となる。
荷をフォトダイオードに溜めておける理由は以下の通り
である。即ち、ｎ-領域１１０の濃度は十分に薄く、電
荷蓄積時には完全に空乏化している。具体的に一例を挙
げると、蓄積時のゲート電極１０７の電位は０Ｖ、ＰＷ
Ｌ１０２の電位は０Ｖ、読み出し領域１０８は４Ｖ、ｎ
領域１０６は２〜４Ｖ（光の入射によって変化する）と
なっており、ＰＷＬとの間に２〜４Ｖの逆バイアスが発
生し、空乏層が広がることで、ゲート電極１０７の下方
のｎ-領域１１０は完全に空乏化することが可能であ
る。ｎ-領域１１０が完全に空乏化した状態ではキャリ
アが存在しないために、ｎ領域１０６から読み出し領域
１０８にかけて電流が流れることがなく、電荷を蓄積す
ることが可能となる。
【００２１】以上説明したように、本発明の第１実施形
態によれば、固体撮像素子において、転送トランジスタ
がＯＮした際には、電荷はｐ領域１０９より下の領域を
流れるため、ｎ領域１０６との接続部１１２ではポテン
シャル障壁が発生せず、ｎ領域１０６に蓄積された電荷
を読み出し領域１０８に完全に転送することができ、ｐ
+領域１０５及びｎ領域１０６によって形成されるフォ
トダイオード内に残る電荷の個数ｎを０に近くすること
ができるため、ランダムノイズ（∝√ｎ）を小さくする
ことが可能となる。
態によれば、固体撮像素子において、転送トランジスタ
がＯＮした際には、電荷はｐ領域１０９より下の領域を
流れるため、ｎ領域１０６との接続部１１２ではポテン
シャル障壁が発生せず、ｎ領域１０６に蓄積された電荷
を読み出し領域１０８に完全に転送することができ、ｐ
+領域１０５及びｎ領域１０６によって形成されるフォ
トダイオード内に残る電荷の個数ｎを０に近くすること
ができるため、ランダムノイズ（∝√ｎ）を小さくする
ことが可能となる。
【００２２】［第２実施形態］次に、本発明の第２実施
形態について図面を参照して詳細に説明する。
形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】（１）構成の説明
本発明の第２実施形態の固体撮像素子は、図１に示した
第１実施形態と同様に、ｎ型半導体基板１０１、ＰＷＬ
１０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜１０３、ゲート酸化膜１０
４、ｐ+領域１０５、ｎ領域１０６、ゲート電極１０
７、読み出し領域１０８、ｐ領域１０９、ｎ-領域１１
０、イオン注入領域１１１、接続部１１２を備えてい
る。各部の詳細は第１実施形態で説明したので省略す
る。
第１実施形態と同様に、ｎ型半導体基板１０１、ＰＷＬ
１０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜１０３、ゲート酸化膜１０
４、ｐ+領域１０５、ｎ領域１０６、ゲート電極１０
７、読み出し領域１０８、ｐ領域１０９、ｎ-領域１１
０、イオン注入領域１１１、接続部１１２を備えてい
る。各部の詳細は第１実施形態で説明したので省略す
る。
【００２４】（２）動作の説明
次に、本発明の第２実施形態の動作について図１を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００２５】上述した第１実施形態を実現するには、ｎ
-領域１１０の濃度を十分に薄くする必要がある。しか
し、製造上の制御性を考慮すると、ｎ-領域１１０を少
しでも濃く設計できることが望ましい。
-領域１１０の濃度を十分に薄くする必要がある。しか
し、製造上の制御性を考慮すると、ｎ-領域１１０を少
しでも濃く設計できることが望ましい。
【００２６】そこで、本発明の第２実施形態として、そ
のための方策を説明する。第１実施形態では、トランジ
スタのオフ時のゲート電極１０７の電位は、ＰＷＬ１０
２と同じ０Ｖであった。これに対し、第２実施形態で
は、オフ時のゲート電極１０７の電位を負の電位とし、
ＰＷＬ１０２よりも低い電位（例えば−２Ｖ）とする。
このことにより、ゲート電極１０７の電界の効果により
ｎ-領域１１０中の空乏層を広がりやすくすることが可
能である。また、ゲート電極１０７の下方のｎ-領域１
１０のポテンシャルを高くすることができ、フォトダイ
オード内により多くの電荷を溜めることが可能である。
のための方策を説明する。第１実施形態では、トランジ
スタのオフ時のゲート電極１０７の電位は、ＰＷＬ１０
２と同じ０Ｖであった。これに対し、第２実施形態で
は、オフ時のゲート電極１０７の電位を負の電位とし、
ＰＷＬ１０２よりも低い電位（例えば−２Ｖ）とする。
このことにより、ゲート電極１０７の電界の効果により
ｎ-領域１１０中の空乏層を広がりやすくすることが可
能である。また、ゲート電極１０７の下方のｎ-領域１
１０のポテンシャルを高くすることができ、フォトダイ
オード内により多くの電荷を溜めることが可能である。
【００２７】以上説明したように、本発明の第２実施形
態によれば、オフ時のゲート電極１０７の電位を負の電
位とし、ＰＷＬ１０２よりも低い電位とすることによ
り、ゲート電極１０７の電界の効果によりｎ-領域１１
０中の空乏層を広がりやすくすることが可能となり、ま
た、ゲート電極１０７の下方のｎ-領域１１０のポテン
シャルを高くすることができ、フォトダイオード内によ
り多くの電荷を溜めることが可能となる。
態によれば、オフ時のゲート電極１０７の電位を負の電
位とし、ＰＷＬ１０２よりも低い電位とすることによ
り、ゲート電極１０７の電界の効果によりｎ-領域１１
０中の空乏層を広がりやすくすることが可能となり、ま
た、ゲート電極１０７の下方のｎ-領域１１０のポテン
シャルを高くすることができ、フォトダイオード内によ
り多くの電荷を溜めることが可能となる。
【００２８】［第３実施形態］次に、本発明の第３実施
形態について図面を参照して詳細に説明する。
形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】（１）構成の説明
図２は本発明の第３実施形態の固体撮像素子の模式図で
ある。本発明の第３実施形態の固体撮像素子は、ｎ型半
導体基板２０１、ＰＷＬ２０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜２０
３、ゲート酸化膜２０４、ｐ+領域２０５、ｎ領域２０
６、ゲート電極２０７、読み出し領域２０８、ｐ領域２
０９、ｎ-領域２１０、イオン注入領域２１１を備えて
いる。
ある。本発明の第３実施形態の固体撮像素子は、ｎ型半
導体基板２０１、ＰＷＬ２０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜２０
３、ゲート酸化膜２０４、ｐ+領域２０５、ｎ領域２０
６、ゲート電極２０７、読み出し領域２０８、ｐ領域２
０９、ｎ-領域２１０、イオン注入領域２１１を備えて
いる。
【００３０】第３実施形態が第１実施形態と異なる点
は、第１実施形態に比べて、ｎ-領域２１０が、ｐ+領域
２０５及びｎ領域２０６から形成されるフォトダイオー
ドのｎ領域２０６よりも浅く形成されている点である。
これ以外は第１実施形態と同様であるため説明を省略す
る。
は、第１実施形態に比べて、ｎ-領域２１０が、ｐ+領域
２０５及びｎ領域２０６から形成されるフォトダイオー
ドのｎ領域２０６よりも浅く形成されている点である。
これ以外は第１実施形態と同様であるため説明を省略す
る。
【００３１】（２）動作の説明
次に、本発明の第３実施形態の動作について図２を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００３２】第３実施形態では、第１実施形態に比べ
て、ｎ-領域２１０がフォトダイオードのｎ領域２０６
よりも浅く形成されている。この構造は、ｎ-領域２１
０形成時のイオン注入の加速電圧を下げるか、熱履歴を
小さくすることで実現することができる。
て、ｎ-領域２１０がフォトダイオードのｎ領域２０６
よりも浅く形成されている。この構造は、ｎ-領域２１
０形成時のイオン注入の加速電圧を下げるか、熱履歴を
小さくすることで実現することができる。
【００３３】また、第３実施形態では、ｎ-領域２１０
の幅が第１実施形態に比べ狭くなっているために、同じ
濃度であっても、より小さな逆バイアスで空乏化するこ
とが可能である。このことにより、製造工程の制御性に
対するマージンが広がり、また、より多くの電荷をフォ
トダイオードに蓄積することが可能となる。
の幅が第１実施形態に比べ狭くなっているために、同じ
濃度であっても、より小さな逆バイアスで空乏化するこ
とが可能である。このことにより、製造工程の制御性に
対するマージンが広がり、また、より多くの電荷をフォ
トダイオードに蓄積することが可能となる。
【００３４】更に、第３実施形態では、フォトダイオー
ド部分での濃度を深さ方向に見ると、浅い側ではｎ領域
２０６とｎ-領域２１０の両者が重なることで濃度が濃
くなる。つまり、フォトダイオード内の深い位置で発生
した電荷は、よりポテンシャルの低い表面に近い側に蓄
積される。この効果により、濃度が深い側で発生した電
荷を捕える確立が増え、センサの感度が向上する。ま
た、転送トランジスタのオン時に発生するチャネルに近
い位置に電荷が蓄積されているため、転送の速度が速く
なり、高速動作が可能となる。
ド部分での濃度を深さ方向に見ると、浅い側ではｎ領域
２０６とｎ-領域２１０の両者が重なることで濃度が濃
くなる。つまり、フォトダイオード内の深い位置で発生
した電荷は、よりポテンシャルの低い表面に近い側に蓄
積される。この効果により、濃度が深い側で発生した電
荷を捕える確立が増え、センサの感度が向上する。ま
た、転送トランジスタのオン時に発生するチャネルに近
い位置に電荷が蓄積されているため、転送の速度が速く
なり、高速動作が可能となる。
【００３５】以上説明したように、本発明の第３実施形
態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他
に、電荷蓄積時にはゲート電極２０７にＰＷＬ２０２よ
りも低い電位を与えることで、第２実施形態と同様の効
果を得ることが可能となる。
態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他
に、電荷蓄積時にはゲート電極２０７にＰＷＬ２０２よ
りも低い電位を与えることで、第２実施形態と同様の効
果を得ることが可能となる。
【００３６】［第４実施形態］次に、本発明の第４実施
形態について図面を参照して詳細に説明する。
形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】（１）構成の説明
図３は本発明の第４実施形態の固体撮像素子の模式図で
ある。本発明の第４実施形態の固体撮像素子は、ｎ型半
導体基板３０１、ＰＷＬ３０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜３０
３、ゲート酸化膜３０４、ｐ+領域３０５、ｎ領域３０
６、ゲート電極３０７、読み出し領域３０８、ｐ領域３
０９、ｎ-領域３１０、イオン注入領域３１１を備えて
いる。
ある。本発明の第４実施形態の固体撮像素子は、ｎ型半
導体基板３０１、ＰＷＬ３０２、ＬＯＣＯＳ酸化膜３０
３、ゲート酸化膜３０４、ｐ+領域３０５、ｎ領域３０
６、ゲート電極３０７、読み出し領域３０８、ｐ領域３
０９、ｎ-領域３１０、イオン注入領域３１１を備えて
いる。
【００３８】第４実施形態が第１実施形態と異なる点
は、ｎ-領域３１０がレジストパターニングにより、矢
印３１１で示したイオン注入領域にのみイオン注入され
ている点である。これ以外は第１実施形態と同様である
ため説明を省略する。
は、ｎ-領域３１０がレジストパターニングにより、矢
印３１１で示したイオン注入領域にのみイオン注入され
ている点である。これ以外は第１実施形態と同様である
ため説明を省略する。
【００３９】（２）動作の説明
次に、本発明の第４実施形態の動作について図３を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００４０】第４実施形態では、ｎ-領域３１０はレジ
ストパターニングにより、矢印３１１で示したイオン注
入領域にのみイオン注入されている。
ストパターニングにより、矢印３１１で示したイオン注
入領域にのみイオン注入されている。
【００４１】第４実施形態におけるフォトダイオード部
の横方向の濃度変化を見ると、ゲート電極３０７に近い
部分での濃度は、ゲート電極３０７に遠い部分での濃度
に比べ濃くなっている。このため、ポテンシャルはゲー
ト電極３０７に近い側で低く、電荷は拡散によりゲート
電極３０７下方のチャネル領域に集まってくる。この効
果によって、電荷転送の速度が速くなり、高速の読み出
しが可能となる。高速読み出しが可能なことから、高精
細なエリアセンサが可能となる。この効果は動画を撮影
する場合により効果的である。
の横方向の濃度変化を見ると、ゲート電極３０７に近い
部分での濃度は、ゲート電極３０７に遠い部分での濃度
に比べ濃くなっている。このため、ポテンシャルはゲー
ト電極３０７に近い側で低く、電荷は拡散によりゲート
電極３０７下方のチャネル領域に集まってくる。この効
果によって、電荷転送の速度が速くなり、高速の読み出
しが可能となる。高速読み出しが可能なことから、高精
細なエリアセンサが可能となる。この効果は動画を撮影
する場合により効果的である。
【００４２】以上説明したように、本発明の第４実施形
態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他
に、電荷蓄積時には、ゲート電極３０７にウェル領域３
０２よりも低い電位を与えることで、第２実施形態と同
様の効果を得ることが可能となる。
態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他
に、電荷蓄積時には、ゲート電極３０７にウェル領域３
０２よりも低い電位を与えることで、第２実施形態と同
様の効果を得ることが可能となる。
【００４３】［第５実施形態］尚、第１〜第４実施形態
では、固体撮像素子として、電子を蓄積するタイプの固
体撮像素子について説明したが、半導体の極性及びバイ
アス関係を反転させて形成したホール蓄積タイプの固体
撮像素子においても、第１〜第４実施形態と同様の効果
を得ることができる。
では、固体撮像素子として、電子を蓄積するタイプの固
体撮像素子について説明したが、半導体の極性及びバイ
アス関係を反転させて形成したホール蓄積タイプの固体
撮像素子においても、第１〜第４実施形態と同様の効果
を得ることができる。
【００４４】［第６実施形態］図４は本発明の固体撮像
素子を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブ
ロック図である。
素子を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブ
ロック図である。
【００４５】図４において、１０１はレンズのプロテク
トとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の
光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０
３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、
１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号と
して取り込むための固体撮像素子、１０６は固体撮像素
子１０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタ
ル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０
６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデ
ータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０
４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信
号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイ
ミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ
全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データ
を一時的に記憶するためのメモリ部、１１１は記録媒体
に記録または読み出しを行うためのインターフェース
部、１１２は画像データの記録または読み出しを行うた
めの半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外
部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部
である。
トとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の
光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０
３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、
１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号と
して取り込むための固体撮像素子、１０６は固体撮像素
子１０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタ
ル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０
６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデ
ータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０
４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信
号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイ
ミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ
全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データ
を一時的に記憶するためのメモリ部、１１１は記録媒体
に記録または読み出しを行うためのインターフェース
部、１１２は画像データの記録または読み出しを行うた
めの半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外
部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部
である。
【００４６】次に、前述の構成における撮影時のスチル
ビデオカメラの動作について、説明する。
ビデオカメラの動作について、説明する。
【００４７】バリア１０１がオープンされるとメイン電
源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さ
らに、Ａ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオ
ンされる。
源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さ
らに、Ａ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオ
ンされる。
【００４８】それから、露光量を制御するために、全体
制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像
素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換
された後、信号処理部１０７に入力される。そのデータ
を基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。
制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像
素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換
された後、信号処理部１０７に入力される。そのデータ
を基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。
【００４９】この測光を行った結果により明るさを判断
し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを
制御する。
し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを
制御する。
【００５０】次に、固体撮像素子１０４から出力された
信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離
の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レン
ズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判
断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離
の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レン
ズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判
断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００５１】そして、合焦が確認された後に本露光が始
まる。露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力
された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ−Ｄ変換さ
れ、信号処理部１０７を通り全体制御・演算１０９によ
りメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１１０に
蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御に
より記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱
可能な記録媒体１１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１
１３を通り直接コンピュータ等入力して画像の加工を行
ってもよい。
まる。露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力
された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ−Ｄ変換さ
れ、信号処理部１０７を通り全体制御・演算１０９によ
りメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１１０に
蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御に
より記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱
可能な記録媒体１１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１
１３を通り直接コンピュータ等入力して画像の加工を行
ってもよい。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の導伝型のウェル領域と、第２の導伝型の第１不純
物領域及び該第１不純物領域の表面に形成された第１の
導伝型の濃い不純物領域からなるフォトダイオードと、
該フォトダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート
電極と、第２の導伝型の不純物領域から形成された読み
出し領域とを備えた固体撮像素子において、前記第２の
導伝型の第１不純物領域から前記読み出し領域にまたが
って、第２の導伝型の第２不純物領域を配置し、且つ、
前記ゲート電極の下方に、第１の導伝型の不純物領域を
形成した構造としているため、次のような効果が得られ
る。
第１の導伝型のウェル領域と、第２の導伝型の第１不純
物領域及び該第１不純物領域の表面に形成された第１の
導伝型の濃い不純物領域からなるフォトダイオードと、
該フォトダイオードに蓄積された電荷を転送するゲート
電極と、第２の導伝型の不純物領域から形成された読み
出し領域とを備えた固体撮像素子において、前記第２の
導伝型の第１不純物領域から前記読み出し領域にまたが
って、第２の導伝型の第２不純物領域を配置し、且つ、
前記ゲート電極の下方に、第１の導伝型の不純物領域を
形成した構造としているため、次のような効果が得られ
る。
【００５３】固体撮像素子の転送トランジスタのＯＮ時
には、電荷は第１の導伝型の第２不純物領域より下の領
域を流れるため、第２の導伝型の第１不純物領域との接
続部分ではポテンシャル障壁が発生せず、第２の導伝型
の第１不純物領域に蓄積された電荷を読み出し領域に完
全に転送することが可能となり、読み出し後にフォトダ
イオード内に電荷残りが発生しない構造を実現すること
ができる。これにより、ランダムノイズが少ない固体撮
像素子を提供することができる。
には、電荷は第１の導伝型の第２不純物領域より下の領
域を流れるため、第２の導伝型の第１不純物領域との接
続部分ではポテンシャル障壁が発生せず、第２の導伝型
の第１不純物領域に蓄積された電荷を読み出し領域に完
全に転送することが可能となり、読み出し後にフォトダ
イオード内に電荷残りが発生しない構造を実現すること
ができる。これにより、ランダムノイズが少ない固体撮
像素子を提供することができる。
【００５４】また、ゲート電極には、電荷の蓄積時に第
１の導伝型のウェル領域に印加される電位よりも低い電
位を印加することにより、ゲート電極の電界の効果によ
り第２の導伝型の第２不純物領域中の空乏層を広がりや
すくすることが可能となり、また、ゲート電極の下方の
第２の導伝型の第２不純物領域のポテンシャルを高くす
ることができ、フォトダイオード内により多くの電荷を
溜めることが可能となる。
１の導伝型のウェル領域に印加される電位よりも低い電
位を印加することにより、ゲート電極の電界の効果によ
り第２の導伝型の第２不純物領域中の空乏層を広がりや
すくすることが可能となり、また、ゲート電極の下方の
第２の導伝型の第２不純物領域のポテンシャルを高くす
ることができ、フォトダイオード内により多くの電荷を
溜めることが可能となる。
【００５５】また、第２の導伝型の第１不純物領域にお
けるゲート電極に接する部分の少なくとも一部を、第２
の導伝型の第２不純物領域と重なりを持たせた構造とし
ているため、フォトダイオード内の深い位置で発生した
電荷を、よりポテンシャルの低い表面に近い側に蓄積す
ることができ、濃度が深い側で発生した電荷を捕える確
立が増え、固体撮像素子の感度が向上する。また、転送
トランジスタのオン時に発生するチャネルに近い位置に
電荷が蓄積されているため、転送の速度が速くなり、高
速動作が可能となる。
けるゲート電極に接する部分の少なくとも一部を、第２
の導伝型の第２不純物領域と重なりを持たせた構造とし
ているため、フォトダイオード内の深い位置で発生した
電荷を、よりポテンシャルの低い表面に近い側に蓄積す
ることができ、濃度が深い側で発生した電荷を捕える確
立が増え、固体撮像素子の感度が向上する。また、転送
トランジスタのオン時に発生するチャネルに近い位置に
電荷が蓄積されているため、転送の速度が速くなり、高
速動作が可能となる。
【００５６】また、第２の導伝型の第２不純物領域のイ
オン注入領域のみに、レジストパターニングによりイオ
ン注入しているため、ゲート電極に近い部分での濃度が
ゲート電極に遠い部分での濃度に比べ濃くなり、ポテン
シャルはゲート電極に近い側で低く、電荷は拡散により
ゲート電極の下方のチャネル領域に集まってくるため、
電荷転送の速度が速くなり、高速の読み出しが可能とな
る。高速読み出しが可能なことから、高精細なエリアセ
ンシングが可能となり、高精細な動画の撮影が可能な固
体撮像素子を提供することができる。
オン注入領域のみに、レジストパターニングによりイオ
ン注入しているため、ゲート電極に近い部分での濃度が
ゲート電極に遠い部分での濃度に比べ濃くなり、ポテン
シャルはゲート電極に近い側で低く、電荷は拡散により
ゲート電極の下方のチャネル領域に集まってくるため、
電荷転送の速度が速くなり、高速の読み出しが可能とな
る。高速読み出しが可能なことから、高精細なエリアセ
ンシングが可能となり、高精細な動画の撮影が可能な固
体撮像素子を提供することができる。
【図１】本発明の第１及び第２実施形態の固体撮像素子
の構造を示す模式図である。
の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の第３実施形態の固体撮像素子の構造を
示す模式図である。
示す模式図である。
【図３】本発明の第４実施形態の固体撮像素子の構造を
示す模式図である。
示す模式図である。
【図４】本発明の固体撮像素子をスチルビデオカメラに
適用した場合を示すブロック図である。
適用した場合を示すブロック図である。
【図５】従来例の固体撮像素子の構造を示す模式図であ
る。
る。
１０１、２０１、３０１ ｎ型半導体基板
１０２、２０２、３０２ ＰＷＬ
１０３、２０３、３０３ ＬＯＣＯＳ酸化膜
１０４、２０４、３０４ ゲート酸化膜
１０５、２０５、３０５ ｐ+領域
１０６、２０６、３０６ ｎ領域
１０７、２０７、３０７ ゲート電極
１０８、２０８、３０８ 読み出し領域
１０９、２０９、３０９ ｐ領域
１１０、２１０、３１０ ｎ-領域
１１１、２１１、３１１ イオン注入領域
１１２ 接続部
Claims (7)
- 【請求項１】 第１の導伝型のウェル領域と、第２の導
伝型の第１不純物領域及び該第１不純物領域の表面に形
成された第１の導伝型の濃い不純物領域からなるフォト
ダイオードと、該フォトダイオードに蓄積された電荷を
転送するゲート電極と、第２の導伝型の不純物領域から
形成された読み出し領域とを備えた固体撮像素子におい
て、 前記第２の導伝型の第１不純物領域から前記読み出し領
域にまたがって、第２の導伝型の第２不純物領域を配置
し、且つ、前記ゲート電極の下方に、第１の導伝型の不
純物領域を形成したことを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項２】 前記第２の導伝型の第２不純物領域を、
電荷の蓄積時に完全に空乏化するような濃度としたこと
を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 【請求項３】 前記ゲート電極には、電荷の蓄積時に前
記第１の導伝型のウェル領域に印加される電位よりも低
い電位を印加することを特徴とする請求項１記載の固体
撮像素子。 - 【請求項４】 前記第２の導伝型の第２不純物領域の形
成される深さを、前記第２の導伝型の第１不純物領域の
形成される深さよりも浅くしたことを特徴とする請求項
１又は２記載の固体撮像素子。 - 【請求項５】 前記第２の導伝型の第１不純物領域にお
ける前記ゲート電極に接する部分の少なくとも一部を、
前記第２の導伝型の第２不純物領域と重なりを持たせた
構造とし、前記第２の導伝型の第１不純物領域の少なく
とも一部を、前記第２の導伝型の第２不純物領域と重な
らない構造としたことを特徴とする請求項１乃至４の何
れかに記載の固体撮像素子。 - 【請求項６】 前記第２の導伝型の第２不純物領域のイ
オン注入領域のみに、レジストパターニングによりイオ
ン注入したことを特徴とする請求項１、２、４、５の何
れかに記載の固体撮像素子。 - 【請求項７】 請求項１乃至６に記載の固体撮像素子を
備えることを特徴とするカメラ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001217117A JP2003031787A (ja) | 2001-07-17 | 2001-07-17 | 固体撮像素子及びその駆動方法 |
| US10/191,509 US6731337B2 (en) | 2001-07-17 | 2002-07-10 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
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