JP2006049338A

JP2006049338A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2006049338A
Application number: JP2004223634A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Yokota; 一秀横田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP4810806B2

Abstract

【課題】特に裏面照射型の固体撮像装置に採用することが有効であり、フォトダイオードの面積を制限することなく、フォトダイオード中の余剰電荷を排出する構造を有する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】ｐ型の半導体基板３０には、ｎ型のフォトダイオード２１が形成されている。半導体基板３０の第１面上には、転送トランジスタ２２のゲート電極３１や、増幅トランジスタ２３のゲート電極３２が形成されている。さらに、フォトダイオード２１と平面的に重なりをもって、フォトダイオード２１よりも第１面側に、ｎ型のフローティングディフュージョン３３と、ゲート電極３２のｎ型のドレイン領域３４およびｎ型のソース領域３５が形成されている。フローティングディフュージョン３３と、フォトダイオード２１との間には、ｐ型のオーバーフローバリア領域３６が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、各種イメージセンサやカメラモジュールとして用いられる固体撮像装置に関する。

イメージセンサに過剰な光が照射されると、フォトダイオードに過剰な電荷が発生し、隣接するフォトダイオードに漏れ出すことにより、本来の被写体にはない信号が撮像される。この現象は、一般にブルーミングと呼ばれている。

ブルーミングを抑制する手段として、縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ：Virtical Overflow Drain)構造が知られている。図７は、ＶＯＤ構造を示す断面図である。

ｎ型半導体基板１０１中のｐ型領域１０２に形成されたｎ型領域からなるフォトダイオード１０３と、ｎ型半導体基板１０１との間に、ｐ型のオーバーフローバリア領域１０４が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域１０４は、フォトダイオード１０３を取り囲むｐ型領域１０２よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されている。

上記の構造では、ｐ型領域１０２とｎ型半導体基板１０１との間に高い逆バイアス電圧を印加しておく。フォトダイオード１０３に強い光Ｌが入ると、フォトダイオード１０３の余剰電荷がｐ型領域１０２を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域１０４を通って、ｎ型半導体基板１０１にはき捨てられる。

このＶＯＤ構造の問題点は、比較的深い領域であるオーバーフローバリア領域１０４の不純物濃度をコントロールする必要があるために、一般的なＣＭＯＳプロセスでは形成が困難なことにある。また、そのコントロール性の難しさが、デバイスとしての歩留りに影響を与えている。さらにｎ型半導体基板１０１に比較的高い電圧を印加する必要もある。

ブルーミングを抑制する別の手段として、横型オーバーフロードレイン（ＬＯＤ：lateral Overflow Drain) 構造が知られている。図８は、ＬＯＤ構造を示す断面図である。

ｐ型領域１１１に形成されたｎ型のフォトダイオード１１２に対して平面的に隣接するように、ｎ型のオーバーフロードレイン領域１１３が形成されており、フォトダイオード１１２とオーバーフロードレイン領域１１３との間には、ｐ型のオーバーフローバリア領域１１４が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域１１４は、フォトダイオード１１２を取り囲むｐ型領域１１１よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されている。

上記の構造では、フォトダイオード１１２に強い光Ｌが入ると、フォトダイオード１１２の余剰電荷がｐ型領域１１１を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域１１４を通って、オーバーフロードレイン領域１１３にはき捨てられる。

このＬＯＤ構造の問題点は、オーバーフロードレイン領域１１３やオーバーフローバリア領域１１４により面積が割かれるために、画素内に占めるフォトダイオード１１２の面積率が低下することにある。

上記のＶＯＤ構造やＬＯＤ構造は、主としてＣＣＤ型の固体撮像装置で採用されている構造である。一方で、ＭＯＳ型の固体撮像装置で採用されているオーバーフロードレイン構造を図９に示す。

ｐ型領域１２１に形成されたｎ型のフォトダイオード１２２に対して平面的に隣接するように、ｎ型のフローティングディフュージョン１２３が形成されている。さらに、フォトダイオード１２２と、フローティングディフュージョン１２３との間には、トランジスタのゲート電極１２４と、チャネルとなるｐ型のオーバーフローバリア領域１２５が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域１２５は、フォトダイオード１２１を取り囲むｐ型領域１２１よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されている。

上記の構造では、フォトダイオード１２２に強い光Ｌが入ると、フォトダイオード１２２の余剰電荷がｐ型領域１２１を乗り越えて隣接画素に漏れ出すことなく、オーバーフローバリア領域１２５を通って、フローティングディフュージョン１２３にはき捨てられる。電荷の読み出しの際には、ゲート電極１２４に電圧が印加され、フォトダイオード１２２中の電荷はフローティングディフュージョン１２３に読み出されて、電荷量に応じた電圧に変換される。

上記のオーバーフロードレイン構造の問題点は、フローティングディフュージョン１２３やオーバーフローバリア領域１２５により面積が割かれるために、画素内に占めるフォトダイオード１２２の面積率が低下することにある。さらに、オーバーフローバリア領域１２５は、転送トランジスタのチャネルを兼ねるため、余分な電荷をはき捨てるためにオーバーフローバリア領域１２５の電位障壁を低くすることと、暗電流の発生を防止するためにチャネルの電位障壁を高くすることとはトレードオフの関係にある。

一般的には以上のようなオーバーフロードレイン構造の問題点がある。また、上記の固体撮像装置では、トランジスタや配線が形成された側から光を受光している。このため、配線により受光のための開口率が低下する、配線のレイアウトの自由度が制限されるといった問題がある。このような問題を解決するため、半導体層の表面側に配線を形成し、半導体層の裏面側から光を入射させて撮像できるようにした裏面照射型の固定撮像装置が知られている。裏面照射型の固体撮像装置として、ＣＣＤ型（例えば、特許文献１参照）とＭＯＳ型（例えば特許文献２参照）のそれぞれが提案されている。
特開２００２−１５１６７３号公報特開２００３−３１７８５号公報

上記の裏面照射型の固体撮像装置に、従来のＶＯＤ構造は採用できない。また、ＬＯＤや図９に示す構造は、フォトダイオード以外の部分にオーバーフロードレインを設けなければならないという制約があるため、ほぼ裏面全面をフォトダイオードにしたいという裏面照射型の固体撮像装置に対する要求と相反することとなる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に裏面照射型の固体撮像装置に採用することが有効であり、フォトダイオードの面積を制限することなく、フォトダイオード中の余剰電荷を排出する構造を有する固体撮像装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記基板の第１面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷を読み出すトランジスタと、前記フォトダイオードと平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードと間隔を隔てて前記基板の第１面側に形成されたオーバーフロードレイン領域と、前記フォトダイオードと前記オーバーフロードレイン領域との間に形成され、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域とを有する。

上記の本発明の固体撮像装置では、基板に光が入射されると、フォトダイオードで光電変換されて、入射光量に応じた電荷が発生する。発生した電荷はフォトダイオード中に蓄積される。フォトダイオードに強い光が当たり、フォトダイオードで蓄積し得る限度以上の電荷が発生すると、余剰電荷はオーバーフローバリア領域を通ってオーバーフロードレイン領域に排出される。この余剰電荷の排出先となるオーバーフロードレイン領域がフォトダイオードと平面的に重なっていることから、フォトダイオードの面積が制限されることがない。また、オーバーフローバリア領域は、フォトダイオードよりも第１面側、すなわち浅い領域に形成されていることから、当該領域のポテンシャル制御が容易となる。

本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオードの面積を制限することなく、フォトダイオード中の余剰電荷を排出する構造を備えている。このため、フォトダイオードの面積を大きくとることができ、ブルーミングを抑えた固体撮像装置を提供することができる。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例にとって説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。

固体撮像装置は、画素部１１と、垂直選択回路１２と、Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）・ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング) 回路１３と、水平選択回路１４と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１５と、ＡＧＣ（Automatic Gain Control) 回路１６と、Ａ／Ｄ変換回路１７とデジタルアンプ１８とを有し、これらが同一の半導体基板上に搭載された構成となっている。

画素部１１は、後述する単位画素が行列状に多数配列され、行単位でアドレス線等が、列単位で垂直信号線がそれぞれ配線された構成となっている。

垂直選択回路１２は、画素を行単位で順に選択し、各画素の信号を垂直信号線を通して画素列毎にＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に読み出す。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３は、各画素列から読み出された画素信号に対し、ＣＤＳ等の信号処理を行う。

水平選択回路１４は、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に保持されている画素信号を順に取り出し、ＡＧＣ回路１６に出力する。ＡＧＣ回路１６は、水平選択回路１４から入力した信号を適当なゲインで増幅し、Ａ／Ｄ変換回路１７に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路１７は、ＡＧＣ回路１６から入力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルアンプ１８に出力する。デジタルアンプ１８は、Ａ／Ｄ変換回路１７から入力したデジタル信号を適当に増幅して、出力端子より出力する。

垂直選択回路１２、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３、水平選択回路１４、ＡＧＣ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１７およびデジタルアンプ１８の各動作は、タイミングジェネレータ１５で発生される各種のタイミング信号に基づいて行われる。

図２は、画素部１１の単位画素の回路構成の一例を示す図である。

単位画素は、光電変換素子として例えばフォトダイオード２１を有し、この１個のフォトダイオード２１に対して、転送トランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２５の４個の読み出し用のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。

フォトダイオード２１は、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは電子）に光電変換する。転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続され、駆動配線２６を通じてそのゲートに駆動信号が与えられることで、フォトダイオード２１で光電変換された電子をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。

フローティングディフュージョンＦＤには増幅トランジスタ２３のゲートが接続されている。増幅トランジスタ２３は、アドレストランジスタ２４を介して垂直信号線２７に接続され、画素部外の定電流源Ｉとソースフォロアを構成している。そして、駆動配線２８を通してアドレス信号がアドレストランジスタ２４のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ２４がオンすると、増幅トランジスタ２３はフローティングディフュージョンＦＤの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線２７に出力する。垂直信号線２７は、各画素から出力された電圧をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に伝送する。

リセットトランジスタ２５は電源ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続され、駆動配線２９を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源Ｖｄｄの電位にリセットする。これらの動作は、転送トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２５の各ゲートが行単位で配線されていることから、１行分の各画素について同時に行われる。

図３は、固体撮像装置の画素部１１の概略断面図である。

半導体基板３０には、画素部１１において単位画素を構成するフォトダイオード２１が複数配列して形成されている。半導体基板３０は、例えばｐ型シリコンエピタキシャル基板により構成され、フォトダイオード２１は当該基板に形成されたｎ型領域により構成される。半導体基板３０の厚さは、固体撮像装置の仕様によるが、可視光用の場合には４〜６μｍであり、近赤外線用では６〜１０μｍとなる。

半導体基板３０へ光Ｌが入射する面とは反対側の面（第１面）には、図２を参照して説明したトランジスタのゲート電極３１，３２が形成されている。なお、画素部以外の領域においても、半導体基板３０の第１面には、各回路１２〜１８を構成するトランジスタ等の素子が形成されている。

半導体基板３０の第１面上には、配線層４０が形成されている。図３では、３層配線を例示しており、配線層４０は、層間絶縁膜４１に埋め込まれた配線４２を有する。各配線４２は、それぞれ図２の駆動配線２６，２８，２９や垂直信号線２７に相当する。

配線層４０上には、半導体基板３０の強度を補強するための支持基板５０が形成されている。支持基板５０は、半導体基板３０との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するため、例えば、半導体基板３０と同じシリコンにより形成される。

半導体基板３０の他方面、すなわち光入射面（第２面）上には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜６１が形成されている。絶縁膜６１上には、例えばアルミニウムや銅からなる遮光膜６２が形成されている。遮光膜６２には、画素のフォトダイオード２１に光が入射し得るように開口部６２ａが形成されている。

遮光膜６２を被覆するように絶縁膜６１上には、例えば窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜６３が形成されている。パッシベーション膜６３上には、カラーフィルタ６４やオンチップレンズ６５が形成されている。

図４は、半導体基板３０の構造の一例を示す断面図である。なお、図４では、図３とは上下が反転している。

ｐ型の半導体基板３０には、上記したｎ型のフォトダイオード２１が形成されている。ゲート電極３１は、光入射面へいくに従って受光面積が大きくなるように形成されている。フォトダイオード２１のｎ型不純物濃度は、例えば１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度である。フォトダイオード２１の深さｄ１は、固体撮像装置の仕様にもよるが、例えば、３〜９μｍ程度である。

半導体基板３０の第１面上には、転送トランジスタ２２のゲート電極３１や、増幅トランジスタ２３のゲート電極３２が形成されている。さらに、フォトダイオード２１と平面的に重なりをもって、フォトダイオード２１よりも第１面側に、ｎ型のフローティングディフュージョン３３と、ゲート電極３２のｎ型のドレイン領域３４およびｎ型のソース領域３５が形成されている。このように、本実施形態ではフォトダイオード２１の面積を最大限にするため、フォトダイオード２１は、トランジスタ２２，２３と平面的に重なりをもって形成されている。

フローティングディフュージョン３３と、フォトダイオード２１との間には、ｐ型のオーバーフローバリア領域３６が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域３６は、フォトダイオード２１を取り囲むｐ型の半導体基板３０よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されている。すなわち、オーバーフローバリア領域３６のｐ型不純物濃度は、半導体基板３０のｐ型不純物濃度よりも低い。例えば、半導体基板３０のｐ型不純物濃度は、１×１０¹⁴ｃｍ^-3〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、オーバーフローバリア領域３６のｐ型不純物濃度はこれよりも低い１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下である。むしろごく薄くｎ型に反転していてもよい。

フォトダイオード２１に平面的に重なるようにして形成された各種の半導体領域、すなわち、フローティングディフュージョン３３、ドレイン領域３４、ソース領域３５の深さｄ２は、例えば０．５μｍである。これらの領域３３，３４，３５と、フォトダイオード２１とは断面的には重ならないように、フォトダイオード２１の不純物プロファイルが制御される。例えば、これらの領域３３，３４，３５とフォトダイオード２１との間隔ｄ３は、０．３μｍ以上開ける。この間隔ｄ３は、オーバーフローバリア領域３６の深さに相当する。

上記の固体撮像装置の動作について説明する。

図３に示すように、入射した光Ｌは、オンチップレンズ６５によって集光されて、カラーフィルタ６４に入射する。カラーフィルタ６４では、所望の波長領域の光のみが通過する。カラーフィルタ６４を通過した光は、遮光膜６２の開口６２ａを通って半導体基板３０に形成されたフォトダイオード２１に入射する。

図４に示すように、半導体基板３０のフォトダイオード２１に入射した光Ｌは、フォトダイオード２１により光電変換されて、入射光量に応じた電荷（ここでは電子）が発生する。発生した光は、フォトダイオード２１内に一定期間蓄積される。

ここで、フォトダイオード２１に強い光が入射した場合には、フォトダイオード２１で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板３０よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域３６を通って、フローティングディフュージョン３３にはき捨てられる。

例えば電荷の読み出し以外の期間は、リセットトランジスタ２５を常時ＯＮしておき、フローティングディフュージョンＦＤをオーバーフロードレインとして機能させておく。読み出し時は、まず、リセットトランジスタ２５をＯＦＦし、リセットを終了する。その後、転送トランジスタ２２のゲートに駆動信号が与えられて、フォトダイオード２１で光電変換された電子はフローティングディフュージョン３３（ＦＤ）に転送される。

電子がフローティングディフュージョン３３（ＦＤ）に転送されると、駆動配線２８を通してアドレス信号がアドレストランジスタ２４のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ２４がオン状態となる（図２参照）。そして、増幅トランジスタ２３によりフローティングディフュージョン３３（ＦＤ）の電位が増幅されて、その電位に応じた電圧が垂直信号線２７に出力される。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード２１と平面的に重なりをもったフローティングディフュージョン３３を形成し、当該フローティングディフュージョン３３を余剰電荷をはき捨てるためのオーバーフロードレイン領域として利用することにより、画素に占めるフォトダイオード２１の面積が減少することがない。このため、フォトダイオード２１の面積を大きくとることができ、かつ、ブルーミングを抑えることができる。

さらに、フローティングディフュージョン３３をオーバーフロードレイン領域として利用していることから、フローティングディフュージョン３３の直下にオーバーフローバリア領域３６を設けることのみで電荷はき捨て機能を実現できる。すなわち、電荷はき捨て機能のために余計な素子を新たに形成することもない。

また、フローティングディフュージョン３３直下にオーバーフローバリア領域３６を形成していることから、一般的なＣＭＯＳプロセスでオーバーフローバリア領域３６の不純物濃度の制御が可能である。すなわち、半導体基板３０の光入射面の反対側の面（第１面）側からイオン注入等を施すため、深い領域にイオン注入する必要がなく、安定したオーバーフローバリア領域３６の形成が可能となる。

特に本実施形態のように、トランジスタ等の素子を半導体基板３０の第１面側に形成し、第２面側から光を入射する裏面照射型固体撮像装置においては、裏面の開口率を著しく高くできる利点がある。また、上記のオーバーフロー機能は、ＣＭＯＳデバイスで仕様する一般的な電源電圧Ｖｄｄ（３．３Ｖ程度）で動作可能である。

（第２実施形態）
本実施形態では、オーバーフロードレイン領域として増幅トランジスタ２３のドレイン領域３４を利用するものである。なお、図１〜図３の説明は本実施形態においても同様に適用される。

図５は、本実施形態に係る半導体基板３０の構造の一例を示す断面図である。なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。

本実施形態では、増幅トランジスタ２３のドレイン領域３４とフォトダイオード２１の間には、ｐ型のオーバーフローバリア領域３６が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域３６は、フォトダイオード２１を取り囲むｐ型の半導体基板３０よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されていることは、第１実施形態と同様である。

上記したように、本実施形態では、増幅トランジスタ２３のドレイン領域３４を、オーバーフロードレイン領域として利用する。図２を用いて説明したように、増幅トランジスタ２３の端子（ドレイン領域３４）は、電源Ｖｄｄの電位に固定されている。

フォトダイオード２１の深さｄ１や、各種の領域３３，３４，３５の深さｄ２や、これらの領域３３，３４，３５とフォトダイオード２１との間隔ｄ３については、第１実施形態と同様である。

上記の固体撮像装置の動作について説明する。

図５に示すように、半導体基板３０のフォトダイオード２１に入射した光Ｌは、フォトダイオード２１により光電変換されて、入射光量に応じた電荷（ここでは電子）が発生する。発生した光は、フォトダイオード２１内に一定期間蓄積される。

ここで、フォトダイオード２１に強い光が入射した場合には、フォトダイオード２１で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板３０よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域３６を通って、ドレイン領域３４にはき捨てられる。

電荷の読み出しの際には、転送トランジスタ２２のゲート電極３１に駆動信号が与えられて、フォトダイオード２１で光電変換された電子はフローティングディフュージョン３３（ＦＤ）に転送される。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によっても第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、画素を構成するトランジスタのドレイン領域を利用するのではなく、ｎ型領域からなるオーバーフロードレイン領域を別個に設けるものである。なお、図１〜図３の説明は本実施形態においても同様に適用される。

図６は、本実施形態に係る半導体基板３０の構造の一例を示す断面図である。なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してあり、その説明は省略する。

半導体基板３０に形成されたフォトダイオード２１と平面的に重なりをもって、フォトダイオード２１よりも第１面側に、ｎ型のフローティングディフュージョン３３の他、ｎ型のオーバーフロードレイン領域３７が形成されている。オーバーフロードレイン領域３７は、電源Ｖｄｄの電位に固定されている。なお、図示はしないが、増幅トランジスタ２３のソース領域やドレイン領域も形成されている。

オーバーフロードレイン領域３７とフォトダイオード２１との間には、ｐ型のオーバーフローバリア領域３６が形成されている。ｐ型のオーバーフローバリア領域３６は、フォトダイオード２１を取り囲むｐ型の半導体基板３０よりも電子に対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは高くなる）ようにｐ型不純物濃度が規定されていることは、第１実施形態と同様である。

フォトダイオード２１に平面的に重なるようにして形成された各種の領域、すなわち、フローティングディフュージョン３３およびオーバーフロードレイン領域３７の深さｄ２は、例えば０．５μｍである。これらの領域３３，３７とフォトダイオード２１との間隔ｄ３は、第１実施形態と同様である。

上記の固体撮像装置の動作について説明する。

図６に示すように、半導体基板３０のフォトダイオード２１に入射した光Ｌは、フォトダイオード２１により光電変換されて、入射光量に応じた電荷（ここでは電子）が発生する。発生した光は、フォトダイオード２１内に一定期間蓄積される。

ここで、フォトダイオード２１に強い光が入射した場合には、フォトダイオード２１で蓄積し得る限度以上の電荷が発生するが、余剰電荷は隣接画素に漏れ出すことなく、半導体基板３０よりも電位障壁の低いオーバーフローバリア領域３６を通って、オーバーフロードレイン領域３７にはき捨てられる。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によっても第１実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態では、別個のオーバーフロードレイン領域３７を設けているが、フォトダイオード２１と平面的に重なるような配置であるため、フォトダイオード２１の受光面積を制限することはない。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、第２実施形態では、画素を構成するトランジスタのうち、増幅トランジスタ２３のドレイン領域３４をオーバーフロードレイン領域として利用する例について説明したが、これ以外にも例えば電源電位に固定されるような他のトランジスタのドレイン領域や、トランジスタ以外のｎ型領域を利用することもできる。

また、本実施形態では、信号電荷として電子を用いる例について説明したが、ホール（正孔）を用いる場合には、各種の領域の極性は逆となる。例えば、フォトダイオード２１、フローティングディフュージョン３３、ドレイン領域３４、オーバーフロードレイン領域３７はｐ型となり、半導体基板３０やオーバーフローバリア領域３６はｎ型となる。この場合には、オーバーフローバリア領域３６は、フォトダイオード２１を取り囲むｎ型の半導体基板３０よりもホールに対する電位障壁が低くなる（ポテンシャルは低くなる）ようにｎ型不純物濃度が規定される。オーバーフロードレイン領域３７や、オーバーフロードレイン領域として利用されるドレイン領域３４は接地電位に固定される。また、オーバーフロードレイン領域として利用されるフローティングディフュージョン３３は接地電位にリセットされる。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。画素部の単位画素の回路構成の一例を示す図である。固体撮像装置の画素部の概略断面図である。第１実施形態に係る半導体基板の構造の一例を示す断面図である。第２実施形態に係る半導体基板の構造の一例を示す断面図である。第３実施形態に係る半導体基板の構造の一例を示す断面図である。従来のＶＯＤ構造を示す断面図である。従来のＬＯＤ構造を示す断面図である。従来のＭＯＳ型の固体撮像装置で採用されているオーバーフロードレイン構造を示す断面図である。

符号の説明

１１…画素部、１２…垂直選択回路、１３…Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路、１４…水平選択回路、１５…タイミングジェネレータ、１６…ＡＧＣ回路、１７…Ａ／Ｄ変換回路、１８…デジタルアンプ、２１…フォトダイオード、２２…転送トランジスタ、２３…増幅トランジスタ、２４…アドレストランジスタ、２５…リセットトランジスタ、２６，２８，２９…駆動配線、２７…垂直信号線、３０…半導体基板、３１…ゲート電極、３２…ゲート電極、３３…フローティングディフュージョン、３４…ドレイン領域、３５…ソース領域、３６…オーバーフローバリア領域、３７…オーバーフロードレイン領域、４０…配線層、４１…層間絶縁膜、４２…配線、５０…支持基板、６１…絶縁膜、６２…遮光膜、６２ａ…開口部、６３…パッシベーション膜、６４…カラーフィルタ、６５…オンチップレンズ、１０１…ｎ型半導体基板、１０２…ｐ型領域、１０３…フォトダイオード、１０４…オーバーフローバリア領域、１１１…ｐ型領域、１１２…フォトダイオード、１１３…オーバーフロードレイン領域、１１４…オーバーフローバリア領域、１２１…ｐ型領域、１２２…フォトダイオード、１２３…フローティングディフュージョン、１２４…ゲート電極、１２５…オーバーフローバリア領域

Claims

基板に形成され、入射光量に応じた電荷を発生し、当該発生した電荷を蓄積するフォトダイオードと、
前記基板の第１面側に形成され、前記フォトダイオードで蓄積された電荷を読み出すトランジスタと、
前記フォトダイオードと平面的に重なりをもって形成され、前記フォトダイオードと間隔を隔てて前記基板の第１面側に形成されたオーバーフロードレイン領域と、
前記フォトダイオードと前記オーバーフロードレイン領域との間に形成され、前記フォトダイオード中の余剰電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出し得る電位障壁をもつオーバーフローバリア領域と
を有する固体撮像装置。
前記基板の第２面側から前記フォトダイオードへ光が照射される
請求項１記載の固体撮像装置。
前記フォトダイオードは、前記第２面側へいくに従って受光面積が大きくなるように形成された
請求項２記載の固体撮像装置。
前記フォトダイオードは、前記トランジスタと平面的に重なりをもって形成された
請求項３記載の固体撮像装置。
前記オーバーフロードレイン領域は、前記トランジスタにより前記フォトダイオード中の電荷が転送されるフローティングディフュージョンを兼ねる
請求項１記載の固体撮像装置。
前記フォトダイオードで蓄積された電荷を読み出す前記トランジスタを複数有し、
前記トランジスタのうち、一定電位に固定されたソース領域あるいはドレイン領域を、前記オーバーフロードレイン領域として利用した
請求項１記載の固体撮像装置。
前記オーバーフロードレイン領域は、前記基板に形成され一定電位に固定された半導体領域により形成された
請求項１記載の固体撮像装置。