JP2006120685A - 埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フォトダイオードの電荷蓄積部(2)であるn型領域が基板(1)中に埋め込まれている。シリコンとシリコン酸化膜(4)の界面は、高濃度のp層(3)で覆われ、信号取りだし用浮遊電極(14)の直下の部分だけ、比較的低濃度のp層(11)を形成する。光により発生した電子は、電荷蓄積部(2)であるn型領域に蓄積され、それによって半導体表面のp層(11)の部分の電位が変化する。この電位の変化を薄い絶縁膜を介して浮遊状態にした浮遊電極(14)に容量結合により伝える。その浮遊電極(14)の電位の変化をバッファトランジスタ(7)により読み出す。電荷の初期化は、制御信号Rによってゲート電極(6)に正の高い電圧を加えることによって行われるが、このときフォトダイオードの電荷蓄積部(2)に蓄積された電子を全てn+領域(5)に転送することで、リセット雑音の発生を防ぐ。
【選択図】図3
Description
1)テー スアン リー他、"ピン光ダイオード集積能動画素センサー" 特開平8−335688号公報
後者の画素の構造と回路の例を、図1に示す。
p型半導体シリコンを基板(1)とし、フォトダイオードとなる部分に電荷蓄積部(2)としてのn型領域が形成され、その表面にさらに基板と同極性のp型領域である高濃度のp層(3)を形成することで、電子の蓄積が行われる部分が半導体内部に埋め込まれ、表面が逆極性のキャリア(電子を蓄積する場合にはホール)で満たされるようにすることで、暗電流を非常に小さくしている。
また、電荷蓄積部(2)を転送トランジスタに接続し、そのゲート電極(6’)の制御信号TXの電位を高くしてゲートを開き、n型の浮遊拡散層(FD)(15)に蓄積された電荷を完全に転送するように構成する。このことによって残留電荷による残像とノイズの発生をなくし、電荷転送と、周辺回路への読み出し動作を組み合わせて、相関2重サンプリング処理を行うことによって、リセットノイズをキャンセルすることができる。
図1の4はシリコン酸化膜による絶縁体(誘電体)、5はリセット用n+領域、6はリセット用ゲート電極である。
このような画素構成は、暗電流とランダム雑音が低く、高感度なCMOSイメージセンサが実現できるため、広く用いられている。しかしながら、このような電荷転送を行う方式では、電荷を蓄積・記憶保持する部分が、フォトダイオード部と浮遊拡散層の2箇所に必要であるため、画素サイズの縮小に伴い、扱える信号電荷量が小さくなり、また、浮遊拡散層での信号振幅を高くしにくいため、電源電圧の低下に伴ってダイナミックレンジが減少することが懸念されている。
2)テー スアン リー他、"固体画像センサ用の部分的ピン止めフォトダイオード" 特開平10−209422号公報
この構造の例を図2に示す。図2に示すような構造では、フォトダイオードの電荷蓄積部(2)であるn型領域の電位をMOS型バッファトランジスタ(7)のゲートに接続するため、フォトダイオードのn層の一部が半導体とシリコン酸化膜(4)の界面に接触し、完全に埋め込まれる場合に比べて暗電流が大きくなる。
本発明は、従来の構造における課題、十分な蓄積信号量と、リセット雑音除去、低暗電流、高感度といった性能と両立することができる画像構造を提供するものである。
本発明は、フォトダイオードの電荷蓄積部としてのn型領域をp型半導体シリコンからなる基板中に埋め込み、この領域から容量結合により非接触で信号を取り出す。n型領域には高濃度のn型層が存在せず、リセット時にn型領域を完全に空乏化し、全ての電子を一時的に、リセット用電源に接続されたn型領域に抜き去ることができる。
これは信号電荷を画素内で転送せずに直接フォトダイオードの電位を検出する方式に基づいている。フォトダイオードの電荷蓄積部(2)であるn型領域が基板(1)中に埋め込まれている。シリコンとシリコン酸化膜(4)の界面は、高濃度のp層(3)で覆われており、信号取りだし用浮遊電極(14)の直下の部分だけ、比較的低濃度のp層(11)を形成する。光により発生した電子は、電荷蓄積部(2)であるn型領域に蓄積され、それによって半導体表面のp層(11)の部分の電位が変化する。この電位の変化を薄い絶縁膜を介して浮遊状態にした浮遊電極(14)に容量結合により伝える。その浮遊電極(14)の電位の変化をバッファトランジスタ(7)と、画素アレイの外に設けた電流源トランジスタ(9)とによりソース・フォロワ回路を形成し、読み出す。電荷の初期化は、制御信号Rによって第1の転送トランジスタ(21)のゲート電極(6)に正の高い電圧を加えることによって行われるが、このときフォトダイオードのn型半導体領域である電荷蓄積部(2)に蓄積された電子が全てn+領域(5)に転送されるように製作することで、リセット雑音の発生を防ぐことができる。
浮遊電極(14)の直下の部分の比較的低濃度のp層(11)は、そのp型領域の濃度と深さを、浮遊電極に与えた電圧によってp層半導体表面にホールが誘起し、また光によるキャリアを初期化した際には、浮遊電極の電位が蓄積された電子の量に依存して大きく変化するように設定することが好ましい。
さらには、信号蓄積時に、浮遊電極の電位が0Vにおいても、浮遊拡散層下の半導体表面にホール(または電子)が誘起されるようにp型領域の濃度と深さを定めることにより暗電流を低減することができる。
この濃度は実験的に定められるが、濃度が濃いと半導体表面をホールで満たしやすい代わりにn層の電位が浮遊電極に伝わりにくくなる。濃度が低いとn層の電位が浮遊電極に伝わりやすいが、半導体表面をホールで満たすのが難しくなる。深さについても、深すぎるとn層の電位を伝えにくくなる代わりに、半導体表面をホールで満たしやすくなる。浅いとその逆である。
これらにはキャリアの密度及び移動度が関係すると考えられ、浮遊電極の初期化電圧、制御信号のパルス幅や周期なども影響する。濃度は、10の15乗から10の18乗の間とするのが好ましく、深さは、各濃度において実験的に定めることが望ましい。
また、図4のように、浮遊電極直下のp層を省略し、0Vまたは小さな負電圧であっても、n型半導体表面の領域にホールが蓄積するような仕事関数をもった浮遊電極(例えば、p+にドープされたポリシリコン)を用いて、光により発生する電荷蓄積を行っている間、ホール・ピンニング領域(12)の部分にホールを誘起するようにしておく方法も考えられる。
さらに、図5に示すように電荷蓄積時に浮遊電極の電圧を比較的大きな負の電圧で保持しておくため、pチャネルMOSトランジスタ (13)を用いる方法もある。pチャネルMOSトランジスタであれば、VRとして負の電圧を与え、浮遊電極に負の電圧を与えることができる。ただし、その場合、トランジスタ(13)をオンするために、RRには負の電圧を与えなければならない。
前のフレームの読み出し時の電荷のリセット後、図7に基づく読み出しが行われるまでの期間、信号電荷の蓄積が行われているものとする。蓄積時には、VRを0V(またはわずかの負の電圧)に保ち、n型半導体表面のホール・ピンニング領域(12) にホールを誘起してピンニング状態にしておく。読み出しのために、一旦、電圧を2V程度の高い電圧にして、浮遊電極(14)の電圧(VFG)の初期電圧を設定し、その後RRを0Vにして、第2の転送トランジスタ(10)をオフにすることで、浮遊電極(14)を浮遊状態にする。
浮遊状態になったときのVFGをVFGRとする。そのレベルを、図6のブロック図のカラムに設けた相関2重サンプリング回路(CDS)(16)において、信号φRによってリセットレベルをサンプルする。その後、リセット信号Rを与えて第1の転送トランジスタ(21)のゲートを開き、Vpの部分に蓄積されている電子をリセット動作により完全に抜き去る。このとき、蓄積された電子による電荷をQnとする。これにより、半導体内部のn領域の電位分布が変化するが、その変化が浮遊電極側に伝えられ、このときの浮遊電極の電位をVFGSとする。この動作を解析するためのモデル図を図8に示す。図8においてCoxは、浮遊電極下の酸化膜容量、CDは、空乏層容量、Csは、浮遊電極に寄生する容量である。CsやCDは電圧依存性をもつが、いま簡単化のため、これらが一定であるとする。
このように近似的には、浮遊電極の電圧変化は、Qnに比例することがわかる。ただし、ここでは空乏層容量が変化しないという仮定を入れているが、実際には変化することを考慮に入れなければならない。式(1)から、明らかなように感度を高くするためには、浮遊電極に寄生する容量を小さくすることが必要であり、仮に無視できるぐらいに小さくできたとすれば、
となり、電子が蓄積されたことによる半導体内部の電位変化が直接、浮遊電極で検出できることがわかる。
なお、図6は、あくまで1構成例を示すものであり、CDS回路に別の回路を用いたり、あるいはカラムにA/D変換器のアレイを用いてディジタル信号に変換して読み出すなど、様々な構成が可能であり、本発明の画素回路が、これらの周辺の構成を限定するものではない。
画素回路構成としては、いろいろと変形が可能である。たとえば、ソースフォロワ用のバッファトランジスタ(7)に直列に画素選択トランジスタ(8)を追加して、画素の読み出し選択を行ってもよい。ソースフォロワにpチャネルのMOSトランジスタを用いることもできる。さらにソースフォロワにディプリーション型のトランジスタを用い、これに直列に画素選択用MOSトランジスタを追加する構成も考えられる。
また、図3から図5はp基板上にn層と表面にp層を形成する場合であるが、n基板上にp層と表面にn層を形成するような逆の構造も当然可能であり、これらを排除するものではない。
さらに、図3から図5は、素子分離方式として、STI(shallow trench Isolation)構造を想定してかかれたものであるが、その他の素子分離構造、例えばLOCOS(local oxidation of silicon)などに対して殆ど同様な構造で実現可能であることはいうまでもない。
図10は読み出し動作タイミングを示している。第2の転送トランジスタ(10)のゲート電極に接続されたRR及び第1の転送トランジスタ(21)のゲート電極に接続されたRに、0Vまたは負の電圧を与えるとその直下の半導体表面にはホールが誘起されてゲートが導通し、中央の浮遊拡散層(15)の電位はVRとなる。これによりシリコンとシリコン酸化膜界面の界面準位がホールで満たされ、電子が発生しないので暗電流の発生を抑えることができる。このときフォトダイオードのn型領域は完全に基板中に埋め込まれた状態になり、その表面はホールで満たされることになる。光により発生した電子の蓄積は、このような状態で行う。これにより、極めて暗電流の発生を少なくすることができる。
信号読み出し時に、RRを高い電圧にすることによって、中央のp型の浮遊拡散層が浮遊状態になったときの電圧レベルが、ホールが中央の電極に注入されることによって、例えば1V程度まで上昇する場合がある。このような場合、読み出し用バッファトランジスタ(7)としてエンハンスメント型を用いることができ、また画素選択トランジスタ(8)を省略することができる。画素選択トランジスタを省略した例を図11に示す。
これは、画素選択を、RRによって行っていることに相当し、RRに0Vまたは負の電圧が与えられたとき、中央のp型浮遊拡散層の電位は0Vで固定されるので、読み出し用バッファトランジスタ(7)がカットオフ状態になるためであり、RRに高い電圧が与えられて、浮遊拡散層の電位が上昇すると、読み出し用バッファトランジスタ(7)が電流源トランジスタ(9)との組み合わせでソースフォロワとして読み出されるような電圧になるためである。
イメージセンサ全体の構成は、図6と同様であるので、省略する。また、p基板上にn層と表面にp層を形成する場合を例示したが、n基板上にp層と表面にn層を形成するような逆の構造も当然可能であり、これらを排除するものではない。
このあふれ出しが起こる電荷量は、蓄積時に保持するリセット信号Rの電位によって制御でき、1.0V程度にしてあふれ出しやすくすることも考えられる。また、画像の平均輝度または最大輝度などによって、蓄積時のリセット信号Rの電位を制御することも考えられる。
2 電荷蓄積部(n型領域)
3 p型領域
4 シリコン酸化膜
5 n+領域
6 ゲート電極
7 バッファトランジスタ
8 画素選択トランジスタ
9 電流源トランジスタ
10 初期化用転送トランジスタ
11 低濃度p層
12 ホール・ピンニング領域
13 pチャネルMOSトランジスタ
14 浮遊電極
15 浮遊拡散層
Claims (6)
- 埋め込みフォトダイオードと、該フォトダイオードの電荷蓄積部(2)と絶縁体を介して容量結合され浮遊状態にすることができる浮遊電極(14)と、光により蓄積されたキャリアを抜き去って初期化するために前記フォトダイオードの電荷蓄積部に接続された第1の転送トランジスタ(21)と、前記浮遊電極に初期化電位を設定するために初期化電位と前記浮遊電極との間に接続される第2の転送トランジスタ(10)と、前記浮遊電極の電位を読み出すためにそのゲートが前記浮遊電極に接続されたバッファトランジスタ(7)とからなる素子を単位画素とし、該単位画素を1次元または2次元に配置してなる埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置。
- 前記フォトダイオードは、p型(またはn型)半導体基板上にn型(またはp型)半導体領域を形成し、その表面にp型(またはn型)領域が形成され、前記n型(またはp型)半導体領域がその下に埋め込まれた構造とするものであり、前記n型(またはp型)半導体領域表面の一部にはp型(またはn型)領域を形成しないようにし、前記浮遊電極として、このp型(またはn型)領域が形成されていない表面にシリコン酸化膜を介した電極が設けられたものである請求項1記載の埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置。
- 前記フォトダイオードは、p型(またはn型)半導体基板上にn型(またはp型)半導体領域を形成し、その表面にp型(またはn型)領域が形成され、n型(またはp型)領域がその下に埋め込まれた構造とし、前記浮遊電極下のn型(またはp型)半導体領域表面の一部にはp型(またはn型)領域を形成し、そのp型(またはn型)領域の濃度と深さを、浮遊電極に与えた電圧によって半導体表面にホール(または電子)が誘起し、また光によるキャリアを初期化した際には、浮遊電極の電位が蓄積された電子(またはホール)の量に依存して大きく変化するように設定することにより、暗電流の低減を図るとともに高い検出感度をもたせるようにした請求項2記載の埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置。
- 信号蓄積時に、浮遊電極の電位が0Vにおいても、浮遊拡散層下の半導体表面にホールが誘起されるようにp型(またはn型)領域の濃度と深さを定めることにより暗電流を低減することを特徴とする請求項3記載の埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置。
- n型(またはp型)領域からなる埋め込みフォトダイオードと、該フォトダイオードの表面に形成したp型(またはn型)拡散層からなる浮遊拡散層(15)に金属を接触させることで形成した浮遊電極と、光により蓄積されたキャリアを抜き去って初期化するために前記フォトダイオードの電荷蓄積部(2)に接続された第1の転送トランジスタ(21)と、前記浮遊電極に初期化電位を設定するために該浮遊拡散層を取り囲むように形成されたゲートと該ゲートの外側にある一定の電圧が与えられたドレインとからなる第2の転送トランジスタ(10)と、前記浮遊電極の電位を読み出すためにそのゲートが前記浮遊電極に接続されたバッファトランジスタ(7)とからなる素子を単位画素とし、該単位画素を1次元または2次元に配置してなる埋め込みフォトダイオード構造による撮像装置。
- p型(またはn型)半導体基板上にn型(またはp型)半導体領域を形成し、その表面にp型(またはn型)領域が形成され、前記n型(またはp型)半導体領域がその下に埋め込まれた構造であるフォトダイオードと、該フォトダイオードの電荷蓄積部(2)と絶縁体を介して容量結合され浮遊状態にすることができる浮遊電極(14)と、光により蓄積されたキャリアを抜き去って初期化するために前記フォトダイオードの電荷蓄積部に接続された第1の転送トランジスタ(21)と、前記浮遊電極に初期化電位を設定するために初期化電位と前記浮遊電極との間に接続される第2の転送トランジスタ(10)とからなる撮像素子の製造方法において、前記第1の転送トランジスタ及び第2の転送トランジスタをCMOS集積回路の製造工程により製造するとともに、前記フォトダイオードの基板は、nウェル、pウェルどちらも形成しないようにして、低濃度の基板をそのまま用いるようにし、その上にn型(またはp型)半導体層と表面のp型(またはn型)半導体層を形成する工程をCMOS集積回路の製造工程に追加することで前記フォトダイオードを形成するようにしたことを特徴とする埋め込みフォトダイオード構造による撮像素子の製造方法。
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