JP2005332925A

JP2005332925A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2005332925A
Application number: JP2004149037A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Itonaga; 総一郎糸長; Masanori Ohashi; 正典大橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: JP4752193B2

Abstract

【課題】光電変換素子の面積増加や不純物濃度を増加させることなく、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増加させて高感度を得る。
【解決手段】イメージセンサのＰＮ接合フォトダイオード容量形成領域をシリコン基板に対して基板面方向に形成するだけでなく、基板の深さ方向にも形成することによって信号電荷蓄積部を拡大し、信号電荷蓄積部の実効面積を増加させる。また、基板の深さ方向に拡大した信号電荷蓄積部から信号電荷を読出し易くするために、信号電荷蓄積部の形状を転送ゲートを中心にした放射状としたり、転送ゲートの近くに形成したり、ポテンシャルに傾斜を付けるようにする。また、感度向上の目的に合わせて、最表面のＰ領域の深さを画素毎に変化させることで、画素毎の色感度を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に複数の光電変換素子を形成したＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子に関する。

最近、パーソナルコンピュータなどとともに使用される画像入力用カメラの開発が盛んになっている。これらのカメラに搭載されている固体撮像装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ；Charge Coupled Device ）を用いたＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳ製造プロセスと互換性のあるＣＭＯＳイメージセンサが用いられている。
ＣＣＤイメージセンサは、画素に対応する光電変換素子（フォトダイオード）を２次元的に配列させ、光電変換素子によって電荷となった各画素の信号を、垂直転送ＣＣＤと水平転送ＣＣＤとを用いて順次読み出していくタイプのイメージセンサである。
一方、ＣＭＯＳイメージセンサは、画素に対応する光電変換素子を２次元的に配列させる点ではＣＣＤイメージセンサと同様であるが、信号の読み出しに垂直及び水平転送のＣＣＤを使用せず、メモリデバイスのようにアルミ、銅線などで構成される選択線によって、画素毎に蓄えられた信号を、選択された画素から読み出すものである。
上記のようにＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサは読出し方式などの異なる要素は多いが、双方ともにフォトダイオードは共通の構造である。

次にフォトダイオード部の構造を図８を用いて説明する。
図示の例は、シリコン基板１０の表層部に形成した素子分離部２０の中間に、フォトダイオード部３０を形成した状態を示しており、このフォトダイオード部３０は、シリコン基板１０の上面から深さ方向に順に、Ｐ＋領域３１、Ｎ＋領域３２、Ｎ−領域３３、Ｐ−領域３４の各不純物領域を形成した構造となっている（なお、ここで＋及び−は、不純物濃度が他の領域と比較して濃いことと薄いことを表している）。
このような構造により、フォトダイオード部３０のシリコン基板表面から発生する暗電流を低減させることができる（例えば特許文献１参照）。
そして、この領域に光を照射すれば、電子・正孔対が発生し、信号電荷（電子）は、Ｐ領域とＮ領域の接合部に蓄積される。
なお、蓄積できる信号電荷量の最大値を飽和信号電荷量（Ｑｓ）と呼ぶ。そして、高いＱｓを有するイメージセンサは、ダイナミックレンジやＳＮ比が向上したものとなる。
したがって、イメージセンサの特性向上にとって、Ｑｓの増加は非常に重要な要素となる。
特開２００２−１７０９４５号公報

ところで、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増加する方法としては、フォトダイオード部の面積を増加させることや、フォトダイオード部のＰＮ接合容量Ｃ１を増加させることが考えられる。
しかし、フォトダイオード部の面積を増加させると、同じ画角（例えば２／３インチなど）で比較すると、フォトダイオード部の面積増加に伴い、イメージセンサの総画素数が減少する。
また、フォトダイオード部のＰＮ接合容量を増加させるために、Ｐ領域とＮ領域の濃度を増加させると、暗電流も増加するため、ＰＮ接合容量を増加させるには限界がある。

そこで本発明は、光電変換素子の面積増加や不純物濃度を増加させることなく、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増加させて高感度を得ることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、半導体基板に基板の上面から深さ方向に順に、Ｐ型不純物領域とＮ型不純物領域を設けた光電変換素子を有し、前記光電変換素子は、Ｐ型不純物領域がＮ型不純物領域側に突出して基板面方向及び深さ方向の３次元方向のＰＮ接合面を形成する容量拡大部を有していることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子によれば、光電変換素子の表面に形成されるＰ型不純物領域に、Ｎ型不純物領域側に突出して基板面方向及び深さ方向の３次元方向のＰＮ接合面を形成する容量拡大部を設けたことから、光電変換素子の面積増加や不純物濃度を増加させることなく、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増加させて高感度を得ることができる効果がある。

本発明の実施の形態では、イメージセンサのＰＮ接合フォトダイオード容量形成領域をシリコン基板に対して基板面方向に形成するだけでなく、基板の深さ方向にも形成することによって信号電荷蓄積部を拡大し、信号電荷蓄積部の実効面積を増加させるようにした。なお、このフォトダイオード部の信号電荷蓄積部を拡大するために、深さ方向に突出した部分をここでは容量拡大部というものとする。
そして、この基板の深さ方向に拡大した容量拡大部から信号電荷を読出し易くするために、転送ゲートを中心にして線状に形成した容量拡大部を放射状にレイアウトしたり、転送ゲートの近くに容量拡大部をレイアウトしたり、さらには、容量拡大部のポテンシャルに傾斜を付けるようにする。
また、感度向上の目的に合わせて、最表面のＰ領域の深さを画素毎に変化させることで、画素毎の色感度を変化させる。

図１は本発明の実施例による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。
図示のように、シリコン基板１１０の表層部には素子分離部１２０が形成され、その中間に本実施例の特徴となるフォトダイオード部１３０が形成されている。
このフォトダイオード部１３０は、図８に示す従来例と同様に、Ｐ＋領域１３１、Ｎ＋領域１３２、Ｎ−領域１３３、Ｐ−領域１３４の各不純物領域をシリコン基板１１０に形成したものであるが、各不純物領域の形状が図８の従来例と異なる。
すなわち、基本的には、シリコン基板１１０の上面から深さ方向に順に、Ｐ＋領域１３１、Ｎ＋領域１３２、Ｎ−領域１３３、Ｐ−領域１３４が配置されているが、最上層のＰ＋領域１３１の中央部は、シリコン基板１１０の深さ方向に突出し、Ｎ＋領域１３２の中央部に食い込む状態で形成されている。なお、このＰ＋領域１３１の下方に食い込んだ部分はフォトダイオード部におけるＰＮ接合容量を拡大するための容量拡大部として機能するものであるが、以下の説明では、便宜上、突出部１３１Ａとして説明する。
このようなＰ＋領域１３１の突出部１３１Ａを設けたことにより、その下層のＮ＋領域１３２は突出部１３１Ａの外周に環状に形成されている。また、突出部１３１Ａの下端は、Ｎ−領域１３３の上部に接する位置まで至っている。

以上のような不純物分布を有するフォトダイオード部１３０では、Ｐ＋領域１３１とＮ＋領域１３２によるＰＮ接合面の面積が基板面方向だけでなく、基板の深さ方向に広がり、３次元的な傾斜面によってＰＮ接合の実効面積が大きくなるので、その分、ＰＮ接合容量Ｃ１〜Ｃ３が増大し、不純物濃度を増加することなく、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増大させることが可能となる。

図２は図１に示す実施例１の変形例を示す断面図である。なお、図２において図１と共通の要素については、同一符号を付して説明は省略する。
図示のように、本例では、Ｐ＋領域１３１に複数（図示の例では３つ）の半球状の突出部１３１Ｂを設けたものである。各突出部１３１Ｂは、それぞれＮ＋領域１３２側に突出しており、突出部１３１Ａと同様に、ＰＮ接合面の拡大に寄与することで、ＰＮ接合容量を増大させ、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増大させるものである。

図３は図１に示す実施例１の他の変形例を示す断面図である。なお、図２において図１と共通の要素については、同一符号を付して説明は省略する。
図示のように、本例では、Ｐ＋領域１３１に複数（図示の例では３つ）の棒状の突出部１３１Ｃを設けたものである。各突出部１３１Ｃは、それぞれＮ＋領域１３２側に突出して貫通する状態で配置されており、突出部１３１Ａと同様に、ＰＮ接合面の拡大に寄与することで、ＰＮ接合容量を増大させ、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増大させるものである。
なお、図１〜図３に示した例は、実際に作成するイメージセンサにおける各素子の構造やイオン注入等の加工技術の実情などに合わせて、都合のよい方を適宜選択して用いればよいものであり、また、図示の例以外の形状に形成することも可能である。

図４は１つのフォトダイオード部１３０内におけるＰ＋領域１３１の突出部１３１Ｂや突出部１３１Ｃの配置例を示す平面図である。図示のように、１つの画素１４０内に複数の突出部１４１を２次元アレイ上に配置し、ＰＮ接合容量を増大させ、飽和信号電荷量（Ｑｓ）を増大させることができる。
また、図５は図１に示す例におけるフォトダイオード部１３０と転送ゲート（ＴＧ）１５０との配置関係を示す平面図である。一般に、ＣＭＯＳイメージセンサでは、図示のように、各画素１４０毎に転送ゲート１５０を配置し、フォトダイオード部１３０に蓄積した信号電荷を図示しないフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に転送する。
そして、本例のフォトダイオード部１３０では、Ｐ＋領域１３１に上述した各形状による突出部１３１Ａ、１３１Ｂ、１３１Ｃを設けたことから、信号電荷蓄積部が基板の深部に形成されているため、できるだけ効率よく転送ゲート１５０によって信号電荷を転送できるようにすることが好ましい。
そこで、例えば、複数の突出部をそれぞれ基板面に沿った線状に形成し、これらを転送ゲートを中心にして放射状にレイアウトしたり、転送ゲートの近くに突出部をレイアウトしたりすることが有効である。また、突出部のポテンシャルに傾斜を付けるようにすることも有効である。
図６は一例として、複数の突出部１６１をそれぞれ基板面に沿った線状に形成して、その長手方向が転送ゲート１５０に向くように配置するとともに、各突出部１６１のポテンシャルを矢印ａに示す方向に徐々に大きくなるように傾斜させることで、フォトダイオード部で生成した信号電荷（電子）が容易に転送ゲートに流れるようにする。

図は本発明の実施例２による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図であり、図７（ａ）は青色画素のフォトダイオード部を示し、図７（ｂ）は赤色画素のフォトダイオード部を示している。
本実施例２は、フォトダイオード部の最上部のＰ＋領域の深さを色感度に合わせて変化させたものである。図７において、各フォトダイオード部の上には、例えば多層配線層を介してカラーフィルタ及び集光用のマイクロレンズが設けられており、入射光はカラーフィルタによって青、赤、緑の色成分に分光されて、各画素のフォトダイオード部に入射される。
また、フォトダイオード部２３０、２４０は、それぞれＰ＋領域２３１、２４１、Ｎ＋領域２３２、２４２、Ｎ−領域２３３、２４３、Ｐ−領域２３４、２４４の各不純物領域をシリコン基板２１０に形成したものであるが、両者のＰ＋領域２３１、２４１は、深さが異なっている。例えば、赤色光は、シリコン基板２１０の深部３μｍ付近の領域で最も吸収されるため、この付近に電荷蓄積部を形成するように、Ｐ＋領域２４１を深い位置に形成することにより、色感度特性を向上させることができる。
なお、本実施例においても、各フォトダイオード部２３０、２４０のＰ＋領域２３１、２４１には突出部２３１Ａ、２４１Ａが形成されており、ＰＮ接合容量の増大を図っている。

本発明の実施例による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。図１に示す実施例の変形例による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。図１に示す実施例の他の変形例による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。図１に示す実施例におけるフォトダイオード部の突出部の配置例を示す平面図である。図１に示す実施例におけるフォトダイオード部と転送ゲートの配置例を示す平面図である。図１に示す実施例におけるフォトダイオード部の突出部の他の配置例を示す平面図である。本発明の実施例２による固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。従来の固体撮像素子のフォトダイオード部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０……シリコン基板、１２０……素子分離部、１３０……フォトダイオード部、１３１……Ｐ＋領域、１３１Ａ、１３１Ｂ、１３１Ｃ……突出部、１３２……Ｎ＋領域、１３３……Ｎ−領域、１３４……Ｐ−領域。

Claims

半導体基板に基板の上面から深さ方向に順に、Ｐ型不純物領域とＮ型不純物領域を設けた光電変換素子を有し、
前記光電変換素子は、Ｐ型不純物領域がＮ型不純物領域側に突出して基板面方向及び深さ方向の３次元方向のＰＮ接合面を形成する容量拡大部を有している、
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記Ｐ型不純物領域は高濃度のＰ＋型不純物領域であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記Ｎ型不純物領域が上層に形成される高濃度のＮ＋型不純物領域と下層に形成される低濃度のＮ−型不純物領域を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記Ｎ型不純物領域の下層にさらに低濃度のＰ−型不純物領域を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記容量拡大部が半導体基板の深さ方向に略球面状に突出した突出部を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記容量拡大部が半導体基板の深さ方向に略棒状に突出した突出部を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記容量拡大部が半導体基板の深さ方向に突出し、かつ、半導体基板面に沿って線状に形成された突出部を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
１つの前記光電変換素子について複数の容量拡大部を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記複数の容量拡大部が光電変換部の信号電荷を読み出すための転送ゲートに対して放射状に配置されていることを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子。
前記容量拡大部のポテンシャルが光電変換部の信号電荷を読み出すための転送ゲートに向かって傾斜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。
前記容量拡大部が光電変換部の信号電荷を読み出すための転送ゲートに近接して配置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。
前記フォトダイオード部は複数の色成分に対応して複数配置され、前記フォトダイオード部のＰ型不純物領域は前記色成分の特性に対応して異なる形状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。