JP2003258232A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度型光電変換素子に合わせて素子分離用
のウエル領域を半導体基板に深く形成した構成におい
て、素子分離用のウエル領域によって高感度型光電変換
素子の空乏層が阻害されるのを防止する。 【解決手段】 素子分離用のＰ型半導体ウエル領域８、
９は、高感度型フォトダイオードＰＤの位置に合わせ
て、上下２層構造とし、上層の第１のＰ型半導体ウエル
領域８は、ＬＯＣＯＳ層１Ａの端部で生じる暗電流を抑
制するため、ＬＯＣＯＳ層１Ａの端部よりも画素側に接
近した状態で設けられている。また、下層の第２のＰ型
半導体ウエル領域９は、フォトダイオードＰＤから退い
た狭い領域に形成され、フォトダイオードＰＤの空乏層
が阻害されることをなくし、充分広い領域に空乏層を確
保することにより、フォトダイオードＰＤの感度の向上
を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップに配
設された複数の画素毎に、それぞれ受光量に応じた信号
電荷を生成する光電変換素子と、この光電変換素子で生
成した信号電荷を読み出す画素トランジスタとを設けた
固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ビデオカメラや電子カメラが広く
普及しており、これらのカメラには、ＣＣＤ型やＭＯＳ
型の固体撮像素子が使用されている。このうち、ＭＯＳ
型の固体撮像素子は、それぞれ光電変換素子（フォトダ
イオード；ＰＤ）を設けた複数の画素が撮像領域内に２
次元配列のアレイ状に配置されており、各画素内にフロ
ーティングデフュージョン（ＦＤ）部や転送、増幅等の
各種ＭＯＳトランジスタを有し、各単位画素に入射した
光をフォトダイオードによって光電変換して信号電荷を
生成し、この信号電荷を転送トランジスタによってＦＤ
部に転送し、このＦＤ部の電位変動を増幅トランジスタ
によって検出し、これを電気信号に変換、増幅すること
により、各画素毎の信号を信号線より出力する。
【０００３】ところで、このようなＭＯＳ型固体撮像素
子において、光電変換素子の電荷蓄積領域となるＮ型ウ
エル領域の下部に、異なるエネルギまたはイオン種で複
数層のＮ型ウエル領域を形成し、空乏層を深さ方向に延
長することで感度向上を図ったものが知られている。こ
の場合、隣接する画素間での信号電荷の混合（混色）を
防ぐための素子分離用のバリアとなるＰ型ウエル領域
も、光電変換素子のＮ型ウエル領域に合わせて深い領域
に形成することが必要となる。
【０００４】図２は、このような高感度化を図ったＭＯ
Ｓ型固体撮像素子の画素構成を示す断面図である。この
ＭＯＳ型固体撮像素子は、Ｎ型半導体領域１１１の上に
Ｐ型半導体ウエル領域１１０を設け、その上層に設けた
Ｎ型半導体領域１１２にフォトダイオードＰＤや画素ト
ランジスタＴｒを設けたものである。フォトダイオード
ＰＤは、Ｎ型半導体領域１１２の最上層に正孔蓄積層と
してのＰ型半導体領域１０６を設け、その下層にＮ型電
荷蓄積領域１０５を設けたものであり、さらに、このＮ
型電荷蓄積領域１０５の下層にＮ型半導体領域１０７を
設けることにより、空乏層を深さ方向に延長することで
感度の向上を図るようになっている。
【０００５】また、このようなフォトダイオードＰＤに
隣接して転送トランジスタＴｒのチャネルとなるＰ型半
導体領域１０３が設けられ、このＰ型半導体領域１０３
に隣接して転送トランジスタＴｒのＮ型ドレイン領域１
０２が設けられている。このＮ型ドレイン領域１０２
が、上述したＦＤ部となっている。また、Ｐ型半導体領
域１０３の上部には、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜
（ゲート酸化膜）１０１を介してポリシリコン膜よりな
るゲート電極１０４が設けられており、このゲート電極
１０４に所定の電圧を印加することにより、フォトダイ
オードＰＤに蓄積された信号電荷がＮ型ドレイン領域１
０２に転送される。なお、画素内には、その他のトラン
ジスタも設けられているが、これらは本発明の特徴と直
接関係しないため説明は省略する。
【０００６】また、このような構成の画素の隣接画素と
の境界部には、シリコン基板の上部にはＬＯＣＯＳによ
る素子分離用の絶縁層１０１Ａが設けられており、その
下層に、チャネルストップ領域としてのＰ型半導体ウエ
ル領域１１３が設けられている。このＰ型半導体ウエル
領域１１３は、ＬＯＣＯＳ層１０１Ａの端部で生じる暗
電流を抑制するため、ＬＯＣＯＳ層１０１Ａの端部より
も画素側に接近した状態で設けられている。そして、上
述のようにＮ型電荷蓄積領域１０５の下層にＮ型半導体
領域１０７を形成することによって空乏層を延長した高
感度型フォトダイオードＰＤの位置に合わせて、下層の
Ｐ型半導体ウエル領域１１０に到る深い位置まで形成さ
れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように素子分離用のＰ型ウエル領域を深く形成した場
合、そのためのイオン注入を高エネルギで行う程、イオ
ン種の水平方向への拡散量が大きくなる。このため、図
２に示すように、深層部のＰ型ウエル領域が高感度型フ
ォトダイオードＰＤ側に拡がり、その空乏領域を狭めて
しまい、感度向上の効果が低減されたり、シェーディン
グ特性が悪化するという問題があった。
【０００８】そこで本発明の目的は、高感度型光電変換
素子に合わせて素子分離用のウエル領域を半導体基板に
深く形成した構成において、素子分離用のウエル領域に
よって高感度型光電変換素子の空乏層が阻害されるのを
防止でき、有効な高感度化やシェーディングの改善を実
現できる固体撮像素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板に配設された複数の画素内に、そ
れぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子
と、この光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す少
なくとも１つの画素トランジスタとを設けた固体撮像素
子において、前記複数の画素の境界部に素子分離用のウ
エル領域を有し、前記素子分離用のウエル領域が半導体
基板の深さ方向に複数層のウエル領域によって構成さ
れ、前記複数層のウエル領域が上層のウエル領域よりも
下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形
成されていることを特徴とする。
【００１０】本発明の固体撮像素子では、半導体基板の
深さ方向に複数層のウエル領域によって素子分離用のウ
エル領域が構成され、その複数層のうち上層のウエル領
域よりも下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い
領域に形成されているため、高感度型光電変換素子に合
わせて素子分離用のウエル領域を半導体基板に深く形成
した構成において、素子分離用のウエル領域によって高
感度型光電変換素子の空乏層が阻害されるのを防止で
き、有効な高感度化やシェーディング抑制作用を実現で
きる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
の実施の形態例について説明する。図１は、本発明の実
施の形態例によるＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示
す断面図である。この固体撮像素子は、Ｎ型半導体領域
１１の上にＰ型半導体ウエル領域１０を設け、その上層
に設けたＮ型半導体領域１２にフォトダイオードＰＤや
画素トランジスタＴｒを設けたものである。フォトダイ
オードＰＤは、Ｎ型半導体領域１２の最上層に正孔蓄積
層としてのＰ型半導体領域６を設け、その下層にＮ型電
荷蓄積領域５を設けたものであり、さらに、このＮ型電
荷蓄積領域５の下層にＮ型半導体領域７を設けることに
より、空乏層を深さ方向に延長することで感度の向上を
図るようになっている。
【００１２】また、このようなフォトダイオードＰＤに
隣接して転送トランジスタＴｒのチャネルとなるＰ型半
導体領域３が設けられ、このＰ型半導体領域３に隣接し
て転送トランジスタＴｒのＮ型ドレイン領域２が設けら
れている。このＮ型ドレイン領域２が、上述したＦＤ部
となっている。また、Ｐ型半導体領域３の上部には、シ
リコン酸化膜よりなる絶縁膜（ゲート酸化膜）１を介し
てポリシリコン膜よりなるゲート電極４が設けられてお
り、このゲート電極４に所定の電圧を印加することによ
って、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷がＮ
型ドレイン領域２に転送される。なお、画素内には、そ
の他のトランジスタも設けられているが、これらは本発
明の特徴と直接関係しないため説明は省略する。また、
ゲート電極４の上層には、さらに各種配線層や上層絶縁
膜、さらにはオンチップカラーフィルタやオンチップマ
イクロレンズ等が適宜配置されているが、これらも本発
明の特徴と直接関係しないため説明は省略する。
【００１３】また、このような構成の画素の隣接画素と
の境界部には、シリコン基板の上部にはＬＯＣＯＳによ
る素子分離用の絶縁層１Ａが設けられており、その下層
に、チャネルストップ領域として上下２層のＰ型半導体
ウエル領域８、９が設けられている。すなわち、このＰ
型半導体ウエル領域８、９が本発明の特徴となる素子分
離用のウエル領域となるものであり、ＬＯＣＯＳ層１Ａ
の直下に第１のＰ型半導体ウエル領域８が設けられ、そ
の下層に第２のＰ型半導体ウエル領域９が設けられてい
る。そして、この第２のＰ型半導体ウエル領域９の下端
部は、Ｐ型半導体ウエル領域１０に到達しており、フォ
トダイオードＰＤの空乏層を側方および下方から挟む構
造でバリアを構成している。
【００１４】このＰ型半導体ウエル領域８、９は、上述
のようにＮ型電荷蓄積領域５の下層にＮ型半導体領域７
を形成することによって空乏層を延長した高感度型フォ
トダイオードＰＤの位置に合わせて、下層のＰ型半導体
ウエル領域１０に到る深い位置まで形成するため、異な
る注入エネルギまたはイオン種によるイオン注入によっ
て上下２層に形成したものである。そして、上層の第１
のＰ型半導体ウエル領域８は、ＬＯＣＯＳ層１Ａの端部
で生じる暗電流を抑制するため、ＬＯＣＯＳ層１Ａの端
部よりも画素側に接近した状態で設けられている。
【００１５】また、下層の第２のＰ型半導体ウエル領域
９は、高エネルギでイオン注入を行うために横方向への
不純物拡散量が多くなってしまう。そこで、フォトダイ
オードＰＤにおける信号電荷の収集範囲を決める空乏層
を狭めないように、この第２のＰ型半導体ウエル領域９
のパターンは、第１のＰ型半導体ウエル領域８のパター
ンよりもフォトダイオードＰＤから退いた狭い領域（す
なわち、Ｎ型電荷蓄積領域５より遠ざけた状態）に形成
されている。これにより、深い位置に形成された第２の
Ｐ型半導体ウエル領域９によって、フォトダイオードＰ
Ｄの空乏層が阻害されることをなくし、充分広い領域に
空乏層を確保することにより、フォトダイオードＰＤの
感度の向上を実現することができる。また、このような
構成によって、水平方向の空乏層を広げるため、斜め光
に対する量子効率も向上でき、シェーディング特性を改
善することができる。
【００１６】以上、本発明の実施の形態例を説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変
形が可能である。例えば、上記の例では、上下２層のＰ
型半導体ウエル領域８、９を設けた例について説明した
が、３層以上のＰ型半導体ウエル領域を設けるような構
成であってもよい。また、画素内のトランジスタ構成と
しては、一般的に、例えばフォトダイオードＰＤで生成
した信号電荷をＦＤ部に転送するための転送トランジス
タ、ＦＤ部における電位変動を電気信号に変換する増幅
トランジスタ、ＦＤ部の電位をリセットするリセットト
ランジスタ、増幅トランジスタの出力を選択する選択ト
ランジスタ等を設けることが考えられるが、１つのトラ
ンジスタだけで構成したものから５以上のトランジスタ
で構成するといったものまで、種々のものが提案され、
一部は実用化されており、本発明は、いかなる方式のも
のに適用してもよいものとする。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、半導体基板の深さ方向に複数層のウエル領
域によって素子分離用のウエル領域が構成され、その複
数層のうち上層のウエル領域よりも下層のウエル領域の
方が各画素から退いた狭い領域に形成されているため、
高感度型光電変換素子に合わせて素子分離用のウエル領
域を半導体基板に深く形成した構成において、素子分離
用のウエル領域によって高感度型光電変換素子の空乏層
が阻害されるのを防止でき、有効な高感度化を実現で
き、さらにシェーディング特性を改善できる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例によるＭＯＳ型固体撮像
素子の画素構成を示す断面図である。
【図２】従来のＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示す
断面図である。
【符号の説明】
１……ゲート酸化膜、１Ａ……ＬＯＣＯＳ層、２……Ｎ
型ドレイン領域、３、６……Ｐ型半導体領域、４……ゲ
ート電極、５……Ｎ型電荷蓄積領域、７、１１、１２…
…Ｎ型半導体領域、８、９、１０……Ｐ型半導体ウエル
領域。
フロントページの続き (72)発明者 中村 信男 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 丸山 康 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA14 CA04 CA18 DD04 DD12 EA01 EA15 FA06 FA25 FA28 FA33 5C024 CX35 CY47 EX43 GX03 GY31 5F049 MA01 MB02 NA01 NA04 NB05 RA03 RA08 SS03

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板に配設された複数の画素内
    に、それぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する光電変
    換素子と、この光電変換素子で生成した信号電荷を読み
    出す少なくとも１つの画素トランジスタとを設けた固体
    撮像素子において、 前記複数の画素の境界部に素子分離用のウエル領域を有
    し、前記素子分離用のウエル領域が半導体基板の深さ方
    向に複数層のウエル領域によって構成され、 前記複数層のウエル領域が上層のウエル領域よりも下層
    のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形成さ
    れている、 ことを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項２】 前記半導体基板の上層部に前記複数の画
    素を分離する素子分離用の絶縁層が設けられ、前記素子
    分離用の絶縁層の下層に前記素子分離用のウエル領域が
    設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮
    像素子。
  3. 【請求項３】 前記複数層のウエル領域の上層のウエル
    領域は、素子分離用の絶縁層の端部よりも光電変換素子
    側に近接して配置されていることを特徴とする請求項２
    記載の固体撮像素子。
  4. 【請求項４】 前記素子分離用のウエル領域を構成する
    複数層のウエル領域は、異なる注入エネルギまたはイオ
    ン種によるイオン注入によって形成されていることを特
    徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  5. 【請求項５】 前記光電変換素子は、前記半導体基板の
    上層部に設けられたＰ型半導体領域と、前記Ｐ型半導体
    領域の下層に設けられたＮ型半導体領域とを有している
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  6. 【請求項６】 前記光電変換素子のＮ型半導体領域が半
    導体基板の深さ方向に形成された複数層のＮ型半導体領
    域によって形成されていることを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
  7. 【請求項７】 Ｎ型シリコン基板の上層にＰ型半導体ウ
    エル領域が設けられ、その上層に設けられたＮ型半導体
    領域に前記複数の画素が設けられ、各画素の境界部に素
    子分離用のＰ型半導体ウエル領域が設けられていること
    を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  8. 【請求項８】 前記画素内に前記光電変換素子で生成し
    た信号電荷を取り出すためのフローティングディフュー
    ジョン部と、前記光電変換素子で生成した信号電荷を前
    記フローティングディフュージョン部に転送するための
    転送トランジスタを有することを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
  9. 【請求項９】 前記フローティングディフュージョン部
    における電位変動を電気信号に変換する増幅トランジス
    タを有することを特徴とする請求項８記載の固体撮像素
    子。
  10. 【請求項１０】 前記フローティングディフュージョン
    部の電位をリセットするリセットトランジスタを有する
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
  11. 【請求項１１】 前記増幅トランジスタの出力を選択す
    る選択トランジスタを有することを特徴とする請求項１
    ０記載の固体撮像素子。
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