JP2005217302A

JP2005217302A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2005217302A
Application number: JP2004024196A
Authority: JP
Inventors: Koji Mishina; 浩司三品; Ryoji Suzuki; 亮司鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Also published as: TW200539440A; US7420603B2; CN1649165A; KR20060042901A; US20050168604A1; TWI278109B

Abstract

【課題】フォトダイオードの飽和電荷量を増加するようにしても残像を生じないようにすることを目的とする。
【解決手段】入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換手段１と、この蓄積された信号電荷を電圧に変換するための蓄積領域３と、この光電変換手段１に蓄積された信号電荷をこの蓄積領域３に転送するための転送ゲート２とを持つ画素が行列状に複数配列された固体撮像装置において、この転送ゲート２の下にポテンシャルの段差をつけることによって飽和電荷量を増加させるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は多画素化、小型化を図るのに適用して好適な固体撮像装置に関する。

一般に固体撮像装置は図７、図８に示す如く、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換手段（フォトダイオードＰＤ、センサー部）と、この蓄積された信号電荷を電圧に変換するための蓄積領域（フローティングディフュージョンＦＤ）とこの光電変換手段（フォトダイオードＰＤ）に蓄積された信号電荷をこの蓄積領域（フローティングディフュージョンＦＤ）に転送する転送ゲートとを持つ画素を、行列状に複数配列している。

この固体撮像装置は、多画素化、小型化が進むにつれてユニットセルサイズが小さくなり、それに伴いこの画素に占めるトランジスタの面積の割合が増加し、光電変換手段であるフォトダイオードの面積が小さくなるので飽和電荷量が低下する。この光電変換手段であるフォトダイオードの飽和電荷量が低下すると画質が低下するため、この固体撮像装置においては大きな問題となる。

即ち、図５は従来の固体撮像装置の１画素の平面構成例を示し、１は光電変換手段を構成するフォトダイオード（ＰＤ）、２は転送ゲート、３はフローティングディフュージョン（ＦＤ）を示す。

この図５のIV−IV線断面図を図４Ａに示す。この図４Ａにおいて４はｐ型半導体基板を示し、このｐ型半導体基板４にｎ型領域１ａを設け、フォトダイオード（ＰＤ）１を形成する。

また、このｐ型半導体基板４にｎ^＋型領域３ａを設け、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３を形成し、このフォトダイオード１のｎ型領域１ａ及びフローティングディフュージョン３のｎ^＋型領域３ａ間のｐ型半導体基板４上にＳｉＯ₂の絶縁層５を介して転送ゲート２を形成する。

また、図４Ａにおいて、６はｎ^＋型領域６ａより成るリセットドレインを示し、このフローティングディフュージョン３のｎ^＋型領域３ａ及びリセットドレイン６のｎ^＋型領域６ａ間のｐ型半導体基板４上に絶縁層５を介してリセットゲート７を形成する。

この場合、ｎ型領域１ａ、転送ゲート２及びｎ^＋型領域３ａでフローティングディフュージョン３への読み出しＭＯＳトランジスタ１２を構成し、このｎ^＋型領域３ａ、リセットゲート７及びｎ^＋型領域６ａでフローティングディフュージョン３の信号電荷をリセットするリセットＭＯＳトランジスタ１４を構成する。

この図４Ａに示す如き画素の蓄積時のポテンシャル分布は図４Ｂに示す如きで転送ゲート２に読み出し信号を供給したときのポテンシャル分布は図４Ｃに示す如くなり、その後、転送ゲート２より読み出し信号を取り除いた読み出し後のポテンシャル分布は図４Ｄに示す如くである。

ところで、このフォトダイオード１の飽和電荷量を増加する方法として従来、図６Ａに示す如くこのフォトダイオード１にインプラするｎ型不純物のドーズ量を増加させてｎ型領域をｎ^＋型領域１ｂとし、このフォトダイオード１のポテンシャルを図６Ｂに示す如く深くしたり、特許文献１に示す如く、フォトダイオードのポテンシャル形状を平坦化して飽和電荷量を増加するようにしたものがある。
特開２０００−１６４８４９号公報

然しながら、この固体撮像装置の多画素化、小型化を図ったときには、１画素のサイズが小さくなり、このフォトダイオード１の飽和電荷量を増加するには限界があり、この飽和電荷量をこの限界以上に増加しフローティングディフュージョン３の面積を増やさないときには、転送ゲート２に読み出し信号を供給したときは図６Ｃ及び図６Ｄに示す如く、フォトダイオード１に蓄積した電荷を全てフローティングディフュージョン３に転送することができずフォトダイオード１に電荷が残ってしまうため残像となってしまう不都合があった。

本発明は、斯る点に鑑み、フォトダイオードの飽和電荷量を増加するようにしても残像を生じないようにすることを目的とする。

本発明固体撮像装置は、入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換手段と、この蓄積された信号電荷を電圧に変換するための蓄積領域と、この光電変換手段に蓄積された信号電荷をこの蓄積領域に転送するための転送ゲートとを持つ画素が行列状に複数配列された固体撮像装置において、この転送ゲートの下にポテンシャルの段差をつけることによって飽和電荷量を増加させるようにしたものである。

本発明によれば転送ゲートの下にポテンシャルの段差をつけることにより、蓄積領域の容量が大きくなり、フォトダイオード（光電変換手段）の飽和電荷量を増加するようにしても残像を生じないようにすることができる。

以下図面を参照して、本発明固体撮像装置を実施するための最良の形態の例につき説明する。
本例の固体撮像装置においても、図７に示すように、複数の単位画素１６がマトリックス状に配列された撮像領域２０と、垂直走査回路２１と、水平走査回路２２とを有して成る。各水平ライン毎の複数の単位画素１６は、垂直走査回路２１よりの走査線（リセット線１８、読み出し線１７、選択線２３に共通に接続される。また、各垂直ライン毎の複数の単位画素は夫々負荷ＭＯＳトランジスタ２４、ＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）２５及び水平選択トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）２６を介して水平信号線２７に接続され、水平走査回路２２により水平選択トランジスタ２６を順次オンして出力映像信号を得る如くなされている。

この単位画素１６は、図８に示すように光電変換手段であるフォトダイオード１、フローティングディフュージョン３への読み出しＭＯＳトランジスタ１２（この読み出しＭＯＳトランジスタ１２のゲートを転送ゲート２という。）、増幅素子であるアンプＭＯＳトランジスタ１３、このフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の信号電荷をリセットするリセットＭＯＳトランジスタ１４及び選択素子である垂直選択ＭＯＳトランジスタ１５によって構成され、行列状に２次元配置されている。

図８に示す如く、この単位画素１６において、読み出しＭＯＳトランジスタ１２のゲート（転送ゲート２）が読み出し線１７に、リセットＭＯＳトランジスタ１４のゲート（リセットゲート７）がリセット線１８に、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１５のゲートが選択線１９に、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１５のソースが垂直信号線２８に夫々接続されている。

次に、この固体撮像装置の動作を説明する。まず、垂直走査回路２１によって選択線１９を通じて選択パルスφＳＥＬが印加された行（水平ライン）の画素１６が選択される。その後、リセットパルスφＲＳＴによりリセットＭＯＳトランジスタ１４がオンして、選択行の各画素１６のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の電位をリセットする。リセット後、リセットＭＯＳトランジスタ１４をオフする。このとき、選択行の各画素１６のリセットレベルが、アンプＭＯＳトランジスタ１３と負荷ＭＯＳトランジスタ２４によって形成されるソースフォロワ回路を介して垂直信号線２８に出力される。次に、読み出しＭＯＳトランジスタ１２のゲートに読み出しパルスφＴＲＧを印加し、読み出しＭＯＳトランジスタ１２をオンしてフォトダイオード１の信号電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）３に読み出し、次いで、読み出しＭＯＳトランジスタ１２をオフする。このとき、垂直信号線２８には、選択行の各画素１６の信号レベルが出力される。同時にカラム毎に設けられたＣＤＳ２５によって、リセットレベルと信号レベルの差分の信号がサンプルホールドされる。次に、水平走査回路２２によって水平選択トランジスタ２６が順次選択されることによって、選択行の各画素１６の信号が水平信号線２７より順次出力回路を通じて出力される。この動作を繰り返すことによって、全ての画素１６の信号が出力される。

本例においては、この固体撮像装置の単位画素１６を図１及び図２に示す如く構成する。
図２は、本例の固体撮像装置の１画素（単位画素１６）の平面構成例を示し、図２において、１は入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換手段を構成するフォトダイオード（ＰＤ）、３は蓄積された信号電荷を電圧に変換するための蓄積領域を構成するフローティングディフュージョン（ＦＤ）、２はフォトダイオード（ＰＤ）１に蓄積された信号電荷をこのフローティングディフュージョン（ＦＤ）３に転送するための転送ゲートである。

この図２のＩ−Ｉ線断面図を図１Ａに示す。この図１Ａにおいて、４はｐ型半導体基板を示し、このｐ型半導体基板４にインプラするｎ型不純物のドーズ量を増加しｎ^＋型領域１ｂを設け図６Ａに示す如く飽和電荷量を多画素化、小型化しても画質を低下することのない所定の飽和電荷量に増加したフォトダイオード（ＰＤ）１を形成する。

また、このｐ型半導体基板４にｎ^＋型領域３ａを設け、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３を形成し、このフォトダイオード（ＰＤ）１のｎ^＋型領域１ｂ及びフローティングディフュージョン３のｎ^＋型領域３ａ間のｐ型半導体基板４上にＳｉＯ₂の絶縁層５を介して転送ゲート２を形成する。

この場合、ｎ^＋型領域１ｂ、転送ゲート２及びｎ^＋型領域３ａで、フォトダイオード（ＰＤ）１のｎ^＋型領域１ｂの蓄積信号電荷のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３への読み出しＭＯＳトランジスタ１２を構成する。

また図１Ａにおいて、６はｎ^＋型領域６ａより成りフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の信号電荷をリセットするリセットドレインを示し、このフローティングディフュージョン（ＦＤ）３のｎ^＋型領域３ａ及びこのリセットドレイン６のｎ^＋型領域６ａ間のｐ型半導体基板４上に絶縁層５を介してリセットゲート７を形成する。

この場合、このフローティングディフュージョン（ＦＤ）３のｎ^＋型領域３ａ、リセットゲート７及びリセットドレイン６のｎ^＋型領域６ａでフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の信号電荷をリセットするリセットＭＯＳトランジスタ１４を構成する。

本例においては、図２に斜線で示す如く基板４の転送ゲート２のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３側及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）３にｎ型不純物例えばＡｓを追加でドープし、転送ゲート２の下のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３側の所定幅を図１Ａに示す如く、ｎ型領域２ａとする。この場合ｎ型不純物をドープするのは転送ゲート２の下のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３側だけであってもよい。

またこの場合、この転送ゲート２下のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３側をディプレッションにすることにより、この所定幅のポテンシャルは、図１Ｂ，Ｃ，Ｄに示す如く深くなり、この転送ゲート２の下にポテンシャルの段差ができ、この段差分だけフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の容量が大きくなる。

この図１Ａに示す如き画素の蓄積時のポテンシャル分布は図１Ｂに示す如きで転送ゲート（読み出しＭＯＳトランジスタ１２のゲート）２に読み出し信号（垂直走査回路２１からの読み出しパルスφＴＲＧ）を供給したときのポテンシャル分布は図１Ｃに示す如くなり、本例では図６Ｃに比較し、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３の容量が、転送ゲート２の下の段差分だけ大きくなるので、フォトダイオード１の大きくした飽和電荷量も全てフローティングディフュージョン（ＦＤ）３に流し込むことができ、その後転送ゲート（読み出しＭＯＳトランジスタ１２のゲート）２より読み出し信号（読み出しパルスφＴＲＧ）を取り除いた、読み出し後のポテンシャル分布は図１Ｄに示す如くなりフォトダイオード１に信号電荷が残ることがなく残像を生じないようにできる。

以上述べた如く本例によれば転送ゲート２の下にポテンシャルの段差をつけたのでフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の容量を大きくでき、フォトダイオード１の飽和電荷量を増加するようにしても残像を生じないようにすることができる。

従って本例によれば固体撮像装置を多画素化、小型化しユニットセルサイズが小さくなったときにも、画質が低下することがないようにできる。

図３は本発明を実施するための最良の形態の他の例を示し、この図３につき説明するに図２に対応する部分には同一符号を付して示す。

図３例は、図２例とは異なり、斜線で示す如く基板４の転送ゲート２のフォトダイオード（ＰＤ）１側及びフォトダイオード（ＰＤ）１にｐ型不純物例えばＢを追加でドープし、転送ゲート２の下のフォトダイオード（ＰＤ）１側の所定幅をｐ型領域とする。この場合ｐ型不純物をドープするのは転送ゲート２の下のフォトダイオード（ＰＤ）１側だけであってもよい。

図３例においては、転送ゲート２の下のフォトダイオード（ＰＤ）１側をエンハンスにして、相対的に転送ゲート２の下のフローティングディフュージョン（ＦＤ）３側をディプレッションすることにより、この転送ゲート２の下にポテンシャルの段差ができ、この段差分だけフローティングディフュージョン（ＦＤ）３の容量が大きくなる。

従って図３に示す如き画素を使用した固体撮像装置においても、上述例同様の作用効果が得られることは容易に理解できよう。

尚、上述例においてはｐ型の半導体基板４を使用した例につき述べたが、この代わりにｎ型の半導体基板を使用しても良いことは勿論である。この場合上述例においてｎ型の極性をｐ型の極性とする。この場合においても上述例同様の作用効果が得られることは勿論である。

また本発明は上述例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。

本発明固体撮像装置を実施するための最良の形態の例を示し、Ａ図は要部の断面図、Ｂ，Ｃ，Ｄ図はＡ図のポテンシャル分布を示す線図である。本発明固体撮像装置を実施するための最良の形態の例の要部を示す平面図である。本発明の他の例の要部を示す平面図である。従来の固体撮像装置の例を示し、Ａ図は要部の断面図、Ｂ，Ｃ，Ｄ図はＡ図のポテンシャル分布を示す線図である。従来の固体撮像装置の例の要部を示す平面図である。従来の固体撮像装置の例を示し、Ａ図は要部の断面図、Ｂ，Ｃ，Ｄ図はＡ図のポテンシャル分布を示す線図である。固体撮像装置の例を示す構成図である。単位画素の例を示す構成図である。

符号の説明

１‥‥フォトダイオード、１ｂ，３ａ，６ａ‥‥ｎ^＋型領域、２‥‥転送ゲート、３‥‥フローティングディフュージョン、４‥‥ｐ型基板、５‥‥絶縁層、６‥‥リセットドレイン

Claims

入射光を信号電荷に光電変換し蓄積する光電変換手段と、前記蓄積された信号電荷を電圧に変換するための蓄積領域と、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を前記蓄積領域に転送するための転送ゲートとを持つ画素が行列状に複数配列された固体撮像装置において、
前記転送ゲートの下にポテンシャルの段差をつけることによって飽和電荷量を増加させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記光電変換手段及び蓄積領域を第１の導電型の半導体領域で形成すると共に前記転送ゲートの下の前記蓄積領域側の一部に前記第１の導電型の不純物をドープするようにしたことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記光電変換手段及び蓄積領域を第１の導電型の半導体領域で形成すると共に前記転送ゲートの下の前記光電変換手段側の一部に第２の導電型の不純物をドープするようにしたことを特徴とする固体撮像装置。