JP2004031878A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板11の表面に複数のフォトダイオード14が縦横に配列して形成され、各フォトダイオード14への入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域16に蓄積され、各フォトダイオード14の蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路17に読み出される構成の固体撮像装置において、電荷蓄積領域16内の垂直転送路17に近い位置16aの不純物濃度を高く、電荷蓄積領域16内の垂直転送路17から遠い位置16bの不純物濃度を低くする。これにより、電荷蓄積領域16内のポテンシャルに傾斜が形成され、電荷蓄積領域16内の深い位置に蓄積された電荷もスムースに垂直転送路17に読み出される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はCCD等の固体撮像装置に係り、特に、入射光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードの深い位置に蓄積された電荷でもスムースに読み出すことができる固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来の固体撮像装置の要部概略断面図である。この固体撮像装置のpn接合でなるフォトダイオード1は、表面のp+領域2と、半導体基板内に製造したn領域3とで構成され、pn接合部に光が入射することで発生した電荷は、n領域3内に蓄積される。半導体基板の表面に形成された垂直転送路4とフォトダイオード1のn領域3との間は読み出しゲート5で接続され、転送兼読み出し電極6にプラスの読み出し電位が印加されると、フォトダイオード1のn領域3に蓄積されている電荷(電子)は、読み出しゲート5を通り、垂直転送路4に読み出される様になっている。
【0003】
また、図6に示すフォトダイオード1,…,垂直転送路4,電極6は、隣接するフォトダイオード等とチャネルストップ7により区分けされ、チャネルストップ7は、例えば高濃度のp+領域で形成される。
【0004】
図7は、図6に示す固体撮像装置のポテンシャル状態を例示する図であり、フォトダイオード(PD)のn領域3に光電変換された電子(信号電荷)が蓄積され、この信号電荷が、垂直転送路(VCCD)に読み出される。しかし、読み出しゲート5のゲート長t(図6参照)が短いと、フォトダイオード(PD)と垂直転送路(VCCD)との間のポテンシャルが点線9(図7参照)で示すように低くなり、n領域3の蓄積電荷が垂直転送路(VCCD)に漏れ出てしまう虞がある。斯かる事態を回避するために、図6に示す固体撮像装置では、読み出しゲート5のゲート長tを十分長くとるようにしている。
【0005】
しかし、読み出しゲート5のゲート長tを長くとると、固体撮像装置の製造時にフォトダイオード1と読み出しゲート5との位置合わせ制御が難しくなり、また、フォトダイオード1の電荷蓄積領域(n領域)3を大きくできないため、蓄積できる信号電荷量つまり飽和電荷量が少なくなってしまうという問題がある。
【0006】
このような問題を解決するために、米国特許5,962,882号公報には、読み出しゲートを基板に対し垂直方向に設ける固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置を、図8で説明する。尚、図6で説明した部分と同一部分には同一符号を付しておく。
【0007】
この図8に示す固体撮像装置では、フォトダイオード1のn領域3を垂直転送路4の下部まで広げることで、信号電荷を蓄積する領域の大容量化を図っている。また、このn領域3と垂直転送路4との間にp領域8を設け、読み出し電極6に読み出し電位が印加されたとき、n領域3の蓄積電荷がp領域8を通って垂直転送路4に読み出される様になっている。即ち、読み出しゲートのゲート長はp領域8の厚さとなり、ゲート長を深さ方向に定義できるようにして、ゲート長の制御を図6の場合と比較して容易にしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図8に示す固体撮像装置では、信号電荷を蓄積するn領域3の大容量化を図っているため、フォトダイオード1の飽和電荷量を大きくすることができる。しかし、大容量のn領域3における不純物濃度を均一に製造するのは難しく、垂直転送路4から遠い場所、例えば図8に示す領域Kの不純物濃度が濃くなっていた場合、n領域3に蓄積された信号電荷を垂直転送路4に読み出したとき、領域Kに信号電荷が残ってしまい、n領域3内の信号電荷を全て読み出すことができない虞がある。もし、n領域3内にポテンシャルポケットとなる上述した領域Kが存在すると、入射光量に応じた信号電荷を垂直転送路4に読み出すことができなくなり、撮像画像の画質を劣化させる要因になってしまう。
【0009】
本発明の目的は、信号電荷を蓄積する領域にポテンシャルポケットが存在した場合でも蓄積された信号電荷をスムースに読み出すことができる固体撮像装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する固体撮像装置は、半導体基板の表面に複数のフォトダイオードが縦横に配列して形成され、各フォトダイオードへの入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積され、各フォトダイオードの蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路に読み出される構成の固体撮像装置において、前記電荷蓄積領域内の前記垂直転送路に近い位置の不純物濃度を高く、該電荷蓄積領域内の前記垂直転送路から遠い位置の不純物濃度を低くしたことを特徴とする。
【0011】
この構成により、電荷蓄積領域内のポテンシャルに傾斜が形成され、電荷蓄積領域内の深い位置に蓄積された電荷であってもスムースにポテンシャルの傾斜に沿って垂直転送路まで読み出される。
【0012】
好適には、前記電荷蓄積領域は上層及び下層の2層構造で製造され、前記垂直転送路に近い前記上層の不純物濃度を前記下層の不純物濃度より高くしたことを特徴とする。この構成により、不純物を打ち込むエネルギを制御することで、容易に不純物濃度分布を深さ方向に形成することができる。
【0013】
好適には、前記電荷蓄積領域は前記垂直転送路に近い側と遠い側に水平方向に2分割して製造され、前記近い側の不純物濃度を前記遠い側の不純物濃度より高くしたことを特徴とする。この構成により、不純物を打ち込むときに使用するマスクを変えることで容易に水平方向の濃度分布を形成することができる。
【0014】
更に好適には、前記フォトダイオードの前記電荷蓄積領域と、該フォトダイオードに対応する前記垂直転送路とが、前記半導体基板の深さ方向で重なる位置に設けられたことを特徴とする。この構成により、電荷蓄積領域を広くすることができ、各フォトダイオードの飽和電荷量を大きくとることが可能となる。
【0015】
更に好適には、前記フォトダイオードと該フォトダイオードに隣接するフォトダイオードとを分けるチャネルストップが少なくとも前記電荷蓄積領域と同等深さにまで設けられたことを特徴とする。この構成により、隣接するフォトダイオード間での電荷の混合が防止され、良好な画像信号を構成する蓄積電荷を読み出すことができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0017】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置10は、N型半導体基板11の表面にP型ウェル領域12が形成され、このP型ウェル領域12の表面にN型ウェル領域13が形成され、N型ウェル領域13の表面に、pn接合で成るフォトダイオード14が形成されている。
【0018】
フォトダイオード14は、表面側に形成されたp領域15と、その下側に形成されたn領域16とで構成される。そして、フォトダイオード14のp領域15に隣接して垂直転送路17が形成され、この垂直転送路17の下部領域までフォトダイオード14のn領域16が拡張して形成され、このn領域16と垂直転送路17との間にp型領域18が設けられることで両者間が分離される。
【0019】
また、フォトダイオード14のp領域15には隣接してチャネルストップ領域19が設けられ、垂直転送路17及びp型領域18に隣接してチャネルストップ領域20が設けられ、隣接するフォトダイオードとの分離がなされる。垂直転送路18の上部側に、転送兼読み出し電極21が設けられる。
【0020】
本実施形態に係る固体撮像装置10では、フォトダイオード14の信号電荷の蓄積が行われるn領域16を、単一の不純物濃度とするのではなく、垂直転送路17に近い方ほど濃度を高くし、n領域16内にポテンシャルの傾斜を設けることを特徴とする。
【0021】
そこで本実施形態では、n領域16を上下2層に分け、上層側のn領域16aの不純物濃度を、下層側のn領域16bの不純物濃度より高くしている。このようなn領域16は、不純物元素をn領域16に打ち込むときのエネルギ(イオン加速電圧)を制御することで、容易に製造可能である。
【0022】
尚、n領域16を上下2層にクリティカルに分ける必要はなく、徐々に不純物濃度が変化する様にしてもよい。このように、濃度分布を持つようにn領域16を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。
【0023】
斯かる構成の固体撮像装置10において、フォトダイオード14のpn接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がn領域16に蓄積される。このとき、上層側のn領域16aの不純物濃度が高くポテンシャル井戸が深いため、電荷は上層側のn領域16aから多く蓄積される
読み出し電極21に読み出し電位が印加されると、n領域16の蓄積電荷は、p型領域18の読み出しゲート長tのポテンシャルの山を越えて垂直転送路17に読み出される。このとき、垂直転送路17に近い上層側のn領域16aの蓄積電荷から読み出される。また、n領域16内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が上下方向に存在し、低濃度の下層n領域16b内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度の上層n領域16aに移動し易くなっている。
【0024】
このため、下層n領域16b内に仮にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は上層側のn領域16aに容易に移動し、垂直転送路17にスムースに読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置10は、n領域16の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【0025】
図2は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置30の要部概略断面図である。第1の実施形態に係る固体撮像装置10は、フォトダイオード16のn領域16を、上下2層にしたが、本実施形態に係る固体撮像装置30では、フォトダイオード16のn領域16を、水平方向(図では左右方向)に分け、垂直転送路17に近い側のn領域16aの不純物濃度を、垂直転送路17より遠い側のn領域16bの不純物濃度より高くしたことを特徴とする。
【0026】
斯かる構成のn領域16は、右領域16aに不純物元素をイオン打ち込みするマスクと、左領域16bに不純物元素をイオン打ち込みするマスクを用いることで、容易に製造される。このように、濃度分布を持つようにn領域16を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。尚、n領域16を左右2つにクリティカルに分ける必要はなく、垂直転送路17に近づくほど徐々に不純物濃度が高くなるようにしてもよい。
【0027】
斯かる構成の固体撮像装置30において、フォトダイオード14のpn接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がn領域16に蓄積される。このとき、右側のn領域16aの不純物濃度が高いため、電荷は右側のn領域16aからより多く蓄積される。
【0028】
読み出し電極21に読み出し電位が印加されると、n領域16の蓄積電荷は、p型領域18の読み出しゲート長tのポテンシャルの山を越えて垂直転送路17に読み出される。このとき、垂直転送路17に近い右側のn領域16aの蓄積電荷から読み出されるが、n領域16内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が左右方向に存在し、低濃度の左側n領域16b内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度の右側n領域16aに移動し易くなっている。
【0029】
このため、仮に左側n領域16b内にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は右側のn領域16aにスムースに移動し、垂直転送路17に読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置30は、n領域16の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【0030】
図3は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置40の要部概略断面図である。第1の実施形態に係る固体撮像装置10はフォトダイオード16のn領域16を上下2層にし、第2の実施形態に係る固体撮像装置30はn領域16を左右に分けたが、本実施形態に係る固体撮像装置40では、フォトダイオード16のn領域16を、上層の右側の領域16aとそれ以外の領域16bとに分け、垂直転送路17に近い領域16aの不純物濃度を、垂直転送路17より遠い領域16bの不純物濃度より高くしたことを特徴とする。
【0031】
斯かる構成のn領域16は、第1の実施形態で説明した不純物元素の打ち込みエネルギの制御と、第2の実施形態で説明した2つのマスクによる制御を合わせることで、容易に製造可能である。このように、濃度分布を持つようにn領域16を製造することで、ポテンシャルポケットもできにくくなる。
【0032】
尚、本実施形態では、垂直転送路17から斜め方向に遠い領域16bの不純物濃度を低くしているが、上述した実施形態と同様に、領域をクリティカルに分ける必要はなく、濃度が徐々に変化するようにしてもよい。
【0033】
斯かる構成の固体撮像装置40において、フォトダイオード14のpn接合面に光が入射すると、入射光量に応じた電荷がn領域16に蓄積される。このとき、信号電荷は、高濃度領域16aからより多く蓄積される。
【0034】
読み出し電極21に読み出し電位が印加されると、n領域16の蓄積電荷は、p型領域18の読み出しゲート長tのポテンシャルの山を越えて垂直転送路17に読み出される。このとき、垂直転送路17に近い高濃度領域16aの蓄積電荷から読み出されるが、n領域16内全体では不純物濃度の違いによってポテンシャルの傾斜が濃度勾配方向に存在し、低濃度領域16b内の蓄積電荷はこのポテンシャルの傾斜に沿って高濃度領域16aに移動し易くなっている。
【0035】
このため、低濃度領域16b内にポテンシャルポケットが存在し蓄積電荷がこのポテンシャルポケットに捕らわれていても、その蓄積電荷は高濃度領域16aに移動し、垂直転送路17に読み出されることになる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置40は、n領域16の蓄積電荷を全て読み出すことが可能となる。
【0036】
図4は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置50が、第3の実施形態(図3)に係る固体撮像装置40と異なるのは、フォトダイオード14のn領域16の左右領域にまでチャネルストップ19,20から延びるチャネルストップ22,23を形成した点である。
【0037】
このように、チャネルストップ19,20,22,23を深い位置まで設けることで、隣接するフォトダイオード14間での電荷混合が防止される。そして、フォトダイオード14のn領域16を更に深い位置まで形成できる結果、フォトダイオード14の飽和電荷量を更に増大させることが可能となる。
【0038】
図5は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置60が、第4の実施形態(図4)に係る固体撮像装置50と異なるのは、p型ウェル領域12にまで達するチャネルストップ24,25を設けた点である。このように、隣接するフォトダイオード14間を完全に分離するチャネルストップ19,20,22,23,24,25を設けることで、隣接するフォトダイオード14間における電荷混合が確実に防止される。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、信号電荷が蓄積される領域内に不純物濃度分布を設け垂直転送路に近い側の不純物濃度を高くしたため、電荷蓄積領域の深い位置に蓄積された電荷であってもスムースな読み出しが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図5】本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図6】従来の固体撮像装置の要部概略断面図である。
【図7】図6に示す固体撮像装置のポテンシャルの説明図である。
【図8】従来の改良された固体撮像装置の要部概略断面図である。
【符号の説明】
10、30、40、50、60 固体撮像装置
11 n型半導体基板
12 p型ウェル領域
13 n型ウェル領域
14 フォトダイオード
15 p領域
16 n領域
16a 高濃度領域
16b 低濃度領域
17 垂直転送路
18 p型領域
19,20,22,23,24,25 チャネルストップ
21 垂直転送路
Claims (5)
- 半導体基板の表面に複数のフォトダイオードが縦横に配列して形成され、各フォトダイオードへの入射光量に応じた電荷が各フォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積され、各フォトダイオードの蓄積電荷が各フォトダイオード対応の垂直転送路に読み出される構成の固体撮像装置において、前記電荷蓄積領域内の前記垂直転送路に近い位置の不純物濃度を高く、該電荷蓄積領域内の前記垂直転送路から遠い位置の不純物濃度を低くしたことを特徴とする固体撮像装置。
- 前記電荷蓄積領域は上層及び下層の2層構造で製造され、前記垂直転送路に近い前記上層の不純物濃度を前記下層の不純物濃度より高くしたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記電荷蓄積領域は前記垂直転送路に近い側と遠い側に水平方向に2分割して製造され、前記近い側の不純物濃度を前記遠い側の不純物濃度より高くしたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記フォトダイオードの前記電荷蓄積領域と、該フォトダイオードに対応する前記垂直転送路とが、前記半導体基板の深さ方向で重なる位置に設けられたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記フォトダイオードと該フォトダイオードに隣接するフォトダイオードとを分けるチャネルストップが少なくとも前記電荷蓄積領域と同等深さにまで設けられたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像装置。
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