JP2007251074A - 固体撮像素子及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの深い領域で生成された信号キャリアに起因する残像現象を、感度を低下させることなく抑制する。
【解決手段】酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下であるシリコン基板２の主表面側に、フォトダイオード２２を構成する複数のＮ⁺拡散領域４が互いに離間して形成されている。シリコン基板２がアノード、Ｎ⁺拡散領域４がカソードとなってフォトダイオードのＰＮ接合を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体層の主表面に画素ごとに形成されたフォトダイオードを備えた固体撮像素子と、フォトダイオードを含む画素をマトリクス状に配置した固体撮像装置に関し、例えば赤外波長領域の光検出を目的とした固体撮像素子と装置に関するものである。

固体撮像装置はシリコン半導体層の主表面に画素ごとに形成されたフォトダイオードを備えた固体撮像素子を含んでいる。そのような固体撮像装置としては、半導体基板に画素ごとの単位セルをマトリクス状に配置した撮像素子領域と、信号電荷を検出する検出回路とを備えたものがある。その単位セルはフォトダイオードと、そのフォトダイオードの信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、そのフォトダイオードの信号電荷を読み出す読出しトランジスタと、読み出した信号電荷を増幅する増幅トランジスタを含んでいる。検出回路は読出しトランジスタを介して単位セルを選択的に読み出し、増幅トランジスタからの増幅された信号電荷を検出する。

そのような固体撮像装置では、例えばＰ型半導体層の主表面側にＮ型拡散領域が形成されて構成されるＰＮ接合によるフォトダイオードが半導体層の主表面にマトリクス状に配置されている。
リセットされた状態のフォトダイオードに光が入射すると、その入射光はＮ型拡散領域又はＰ型半導体層で吸収されて電子・ホール対を生成し、その生成された電子が信号キャリアとしてＮ型拡散領域に蓄積される。

シリコン半導体は長波長の光に対して吸収係数が小さいため、フォトダイオードで長波長の光を検出する場合、強い光が入射するとＮ型拡散領域を突き抜けてＰ型半導体層の深い領域で信号キャリアが生成される。そのため、フォトダイオードで長波長の光を検出する場合、１フレーム目ではフォトダイオードに強い光が当たり、２フレーム目で光が全く当たらなかったとすると、１フレーム目で当たった強い光によりＰ型半導体層の深い領域で生成した信号キャリアはＮ型拡散領域に移動しようとするが、この信号キャリアが生成された位置からＮ型拡散領域までの距離が長いと、読出し動作までに信号キャリアがＮ型拡散領域まで到達することができず、その信号キャリアが２フレーム目まで残ってしまって残像として観測されるという問題があった。

隣接するフォトダイオード間のクロストークノイズに関しては、その低減のために、従来から様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１,２を参照。）
特許文献１では、Ｎ⁺基板に形成されたＮ型エピキャシタル層内にフォトダイオードを形成し、各フォトダイオードに深いＰ型半導体領域を形成し、隣接する深いＰ型半導体領域の間に前記Ｎ型エピキャシタル層が介在するようにしている。これにより、深いＰ型半導体領域とＮ型エピキャシタル層との間にＰＮ接合を形成し、光電変換によって深いＰ型半導体領域で発生した信号キャリアが隣接するフォトダイオードへ拡散するのを抑制して、フォトダイオード間のクロストークノイズの低減を図っている。さらに、そのＰＮ接合によって、信号キャリアがフォトダイオードとは反対側のＮ⁺基板方向へ拡散するのも抑制して、信号キャリアの収集効率も向上させている。

また、特許文献２では、フォトダイオードとそれの読出しに必要なトランジスタを含む単位セルを画定する分離領域に沿って、半導体基板の表面から光電変換を行なうフォトダイオードよりも深い領域に至る分離用拡散領域を形成することで、クロストークを抑制している。

これらの方法は、信号キャリアの横方向への拡散の防止を実現することができるものの、信号キャリアが半導体基板の深い領域で生成された場合に、この信号キャリアを読出し動作までに効率よくＰＮ接合部に収集して残像として観測されないようにすることはできない。

残像現象については、例えば特許文献３にその１つの対策が提示されている。特許文献３では、フォトダイオードを構成する表面側の拡散領域の両端に電極を設けてその拡散領域に電位勾配を形成することにより信号キャリアの高速読出しを行ない、残像現象を低減することが提案されている。これにより、光電変換を行なう拡散領域が大面積であっても、読出しを行なう位置から横方向に遠く離れた領域で生成された信号キャリアを高速で読み出すことができる。

しかしこの方法では、半導体層の縦方向に深い領域で生成された信号キャリアを効率的に収集することはできず、長波長の強い光を検出する場合の残像現象を抑制することはできない。
特開２００３−１４２６７２号公報 特許第３４５７５５１号公報 特開平６−９７４０６号公報

半導体層の縦方向に深い領域で生成された信号キャリアによる残像現象を抑制する方法として、高濃度半導体基板に低濃度のエピタキシャル層を形成したウェハを用いることが好ましいと考えられてきた。その理由は、半導体基板の深い領域で生成された信号キャリアは、基板の不純物濃度が高いためにライフタイムが短かく、当該フレームで読出しを行なうための領域に到達することができなくても、次のフレームの読出しまでには消滅してしまうためである。

しかし、高濃度半導体基板を用いるその方法は、生成された信号キャリアの一部を検出することなく消滅させることであるので、感度が低下するだけでなく、高価な高濃度半導体基板を用いることによるコスト増加の問題もあるため、対策としては適切ではない。

そこで本発明は、フォトダイオードの深い領域で生成された信号キャリアに起因する残像現象を、感度を低下させることなく抑制することを目的とするものである。

本発明者らはフォトダイオードが形成される半導体層の酸素濃度に注目した。フォトダイオードが形成される半導体層の酸素濃度はこれまで特に問題にされることはなく、一般に市場に提供されるシリコンウエハを使用している。それらのシリコンウエハの酸素濃度は１５×１０¹⁷／ｃｍ³から１７×１０¹⁷／ｃｍ³の範囲程度である。

そこで、酸素濃度の異なる半導体層にフォトダイオードを形成して残像を測定したところ、酸素濃度が低いほど残像が少ないことを見出して本発明をなすに至った。
すなわち、本発明の固体撮像素子は半導体層の主表面に画素ごとに形成されたフォトダイオードを備えたものであって、その半導体層に含まれる酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とするものである。
ここで、半導体層は半導体基板であってもよく、半導体基板上に成長させたエピタキシャル層であってもよい。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板にフォトダイオード、前記フォトダイオードの信号電荷をリセットするリセットトランジスタ、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、及び読み出した信号電荷を増幅する増幅トランジスタを含む画素ごとの単位セルをマトリクス状に配置した撮像素子領域と、前記読出しトランジスタを介して前記単位セルを選択的に読み出し前記増幅トランジスタにより増幅された信号電荷を検出する検出回路とを備えたものであって、そのフォトダイオードは第１導電型半導体層とその主表面に形成された第２導電型不純物層とからなるＰＮ接合により構成され、その半導体層に含まれる酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下となっていることを特徴とするものである。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板の深い領域で生成された信号キャリアも検出の対象とするものであることから、７８０ｎｍから１．１μｍの範囲の赤外領域の光を含む対象光を検出するものに適用することが好ましい。

赤外波長領域の光をシリコンフォトダイオードで検出してその残像と半導体基板の酸素濃度の関係を検討した結果、図３に示すように、半導体基板の酸素濃度が低いほど残像現象が抑制されていることを発見した。また、半導体基板の酸素濃度が低くなっても感度が低下することはなかった。

そのため、本発明の固体撮像素子及び固体撮像装置によれば、半導体層に含まれる酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下のものを使用したので、信号キャリアが半導体層の深い領域で生成されるような検出を行なう場合においても、従来の半導体基板を使用したものに比べて残像を抑制することができ、しかも感度を低下させることもない。

信号キャリアが半導体層の深い領域で生成されるような検出の場合として、赤外線検出のような長波長光の検出を挙げることができるので、本発明の固体撮像装置はそのような用途に適したものとなる。

図１は一実施例の固体撮像素子の主要部を概略的に示したものである。
半導体層としてのＰ型シリコン基板２の主表面側に、各画素のフォトダイオードとなるＰＮ接合を構成するためにＮ⁺拡散領域４が形成されている。Ｎ⁺拡散領域４は複数個形成され、互いに離間して配置され、フィールド酸化膜による素子分離領域６ａ，６ｂにより互いに分離されている。Ｎ⁺拡散領域４には、不純物としてヒ素又はリンが導入されており、その不純物濃度は例えば１×１０¹⁴／ｃｍ²〜１×１０¹⁶／ｃｍ²であるが、用途によってこの範囲外のものとすることもできる。
シリコン基板２の抵抗率は例えば５〜３０Ωｃｍであり、酸素濃度は１３.３×１０¹⁷から１３.７×１０¹⁷／ｃｍ³の範囲である。

隣り合うＮ⁺拡散領域４の間には素子分離用のＬＯＣＯＳ酸化膜（フィールド酸化膜）６ａ，６ｂが形成され、ＬＯＣＯＳ酸化膜６ａと６ｂの間にシリコン基板２との共通電位をとるためのＰ⁺拡散領域１０が形成されている。ＬＯＣＯＳ酸化膜６の直下には素子分離用のフィールドドープ層としてＰ⁺拡散領域８ａ,８ｂが形成されている。

シリコン基板２の表面にはシリコン酸化膜９が形成され、そのシリコン酸化膜９及びＬＯＣＯＳ酸化膜６ａ，６ｂ上に層間絶縁膜１２が形成されている。Ｎ⁺拡散領域４及びＰ⁺拡散領域１０は層間絶縁膜１２とシリコン酸化膜９に設けられたコンタクトホールを介してメタル配線に接続されているが、それらの図示は省略している。また、層間絶縁膜１４及びメタル配線上にはパッシベーション膜が形成されているが、それも省略している。

シリコン基板２とＮ⁺型拡散領域４のＰＮ接合からなるフォトダイオードが逆バイアスにリセットされた状態で、このフォトダイオードに光が入射すると、Ｎ⁺型拡散領域４又はシリコン基板２で吸収され、光電変換によって電子・ホール対が生成し、電子が信号キャリアとして発生する。信号キャリアの発生量は光の強度に依存する。その信号キャリアはフォトダイオードのカソードを構成しているＮ⁺型拡散領域４に収集され、Ｎ⁺型拡散領域４の電位が低下する。すなわち、フォトダイオードに入射する光量が増加すると生成される信号キャリアも増加し、Ｎ型拡散領域４により多くの電子が収集されることにより、Ｎ型拡散領域４の電位はフォトダイオードに入射する光量に応じて低下する。

フォトダイオードに入射する光が、例えば波長が１μｍ以上の赤外波長領域の光である場合、入射光はＮ⁺型拡散領域４を通り越してシリコン基板２の深い領域まで到達し、そこで信号キャリアが生成される。従来のフォトダイオードでは、シリコン基板２の深い領域で信号キャリアが生成されると、信号キャリアは短時間のうちにＮ⁺型拡散領域４まで移動することができないために、読出し動作までに収集されずにシリコン基板２に残ってしまい、次の読出し動作で残像として読み出されることがある。

この実施例のフォトダイオードは、シリコン基板２の酸素濃度が１４×１０¹⁷Ａ／ｃｍ³以下であるため、シリコン基板２で生成された信号キャリアを効率よくＮ⁺型拡散領域４に収集することができ、残像現象を抑制することができる。
なお、この実施例においては、Ｐ型のシリコン基板２にＮ型拡散領域４を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｐ型とＮ型が逆に形成されていてもよい。

次に、この実施例のフォトダイオードを利用した固体撮像装置の一実施例を説明する。
図２は固体撮像装置の一実施例を説明するための回路図である。なお、この図では１つの画素領域のみが示されており、固体撮像装置全体としては、この図と同じ構成の画素領域がマトリクス状に配置されている。

フォトダイオード２２は図１に示した構造のものである。１つの画素領域を構成する単位セル中には、フォトダイオード２２、フォトダイオード２２の電位をリセットするリセットトランジスタ２４、フォトダイオード２２の信号電荷を読み出す読出しトランジスタ２６及び読み出した信号電荷を増幅する増幅トランジスタ２８が配置されている。

リセットトランジスタ２４はフォトダイオード２２のカソードと電源（ＶＤＤ）端子の間に接続され、リセットトランジスタ２４のゲート電極が図示されていないシフトレジスタに接続されて、リセットトランジスタ２４の開閉動作が制御される。増幅トランジスタ２８はフォトダイオード２２で発生した信号キャリアを増幅して出力するためにソースフォロワー接続されたＭＯＳトランジスタからなり、そのゲート電極がフォトダイオード２２のカソードに接続されている。その単位セルを選択するために、読出しトランジスタ２６となるＭＯＳトランジスタが電源（ＶＤＤ）端子と増幅トランジスタ２８のドレインとの間に接続され、増幅トランジスタ２８のソースが読出し線３０に接続されている。読出しトランジスタ２６のゲート電極がシフトレジスタ４０に接続され、シフトレジスタ４０によって選択トランジスタ２６の選択動作が制御される。

読出し線３０は読出し線選択トランジスタ３３を介して検出回路３２に接続され、選択された読出し線３０の電位が検出回路３２で検出される。読出し線選択トランジスタ３３のゲート電極がシフトレジスタ４２に接続され、シフトレジスタ４２によって選択トランジスタ３３の選択動作が制御される。

検出回路３２には複数の読出し線３０がそれぞれの読出し線選択トランジスタ３３を介して接続されており、各読出し線３０には複数の画素用単位セルが接続されている。
各フォトダイオード２２ではリセットトランジスタ２４により信号電位がリセットされてから一定時間後に選択トランジスタ２６と３３が開かれてそのフォトダイオード２２の信号電位が検出回路３２により検出される。この動作が全てのフォトダイオード２２について順次実行されていき、この固体撮像装置に設けられている全ての画素領域からの信号が順次検出回路３２で検出されていく。

検出回路３２は、読出し線３０を介して、フォトダイオード２２の信号電位を増幅トランジスタ２８により読み出して検出する。検出回路３２では、フォトダイオード２２がリセットされたときの電源電位（ＶＤＤ）とリセットから一定時間後に検出した信号電位との差分演算が行なわれ、その結果に基づいてフォトダイオード２２に入射した光強度が算出される。

１つのフォトダイオード２２での動作をさらに説明する。リセットトランジスタ２４によってフォトダイオード２２の信号電位が電源電位（ＶＤＤ）にリセットされた後、フォトダイオード２２に光が入射すると、光電変換が行なわれて信号キャリアの電子がフォトダイオード２２のカソード側に収集され、フォトダイオード２２の信号電位が低下していく。この信号電位はフォトダイオード２２への入射光量に対応したものとなる。このとき、長波長の強い光を検出して信号キャリアがフォトダイオード２２のアノード側の深い位置で発生したとしても、そのフレームでの読出し時に信号キャリアがカソード側に到達できるように、そのフォトダイオード２２を構成する半導体層の酸素濃度が調整されているので、次の信号キャリアが次のフレームまで残存して残像となることがない。

一実施例の固体撮像素子を概略的に示す断面図である。 一実施例の固体撮像装置の主要部を示す回路図である。 本発明が対象とする固体撮像素子における半導体基板の酸素濃度と残像の相対値との関係を示すグラフである。

符号の説明

２ 半導体基板
４ Ｎ⁺型拡散領域
６ ＬＯＣＯＳ酸化膜
８，１０ Ｐ⁺拡散領域
１２ 層間絶縁膜
２２ フォトダイオード
２４ リセットトランジスタ
２６，３３ 選択トランジスタ
３２ 検出回路
２８ 増幅トランジスタ
３０ 読出し線
４０，４２ シフトレジスタ

Claims (3)

1. 半導体層の主表面に画素ごとに形成されたフォトダイオードを備えた固体撮像素子において、
   前記半導体層に含まれる酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 半導体基板にフォトダイオード、前記フォトダイオードの信号電荷をリセットするリセットトランジスタ、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読出しトランジスタ、及び読み出した信号電荷を増幅する増幅トランジスタを含む画素ごとの単位セルをマトリクス状に配置した撮像素子領域と、前記読出しトランジスタを介して前記単位セルを選択的に読み出し前記増幅トランジスタにより増幅された信号電荷を検出する検出回路と、を備えた固体撮像装置において、
   前記フォトダイオードは第１導電型半導体層とその主表面に形成された第２導電型不純物層とからなるＰＮ接合により構成され、
   前記半導体層に含まれる酸素濃度が１４×１０¹⁷／ｃｍ³以下となっていることを特徴とする固体撮像装置。
3. ７８０ｎｍから１．１μｍの範囲の赤外領域の光を含む対象光を検出する請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
   

Images