JP2007273518A

JP2007273518A - 固体撮像装置及びそれを用いたカメラ

Info

Publication number: JP2007273518A
Application number: JP2006094024A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Suzuki; 静鈴木; Keiji Tachikawa; 景士立川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】フォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性及びニー特性の傾きを抑制し、かつ低スミアを実現した固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、Ｎ型基板６の表面側に設けられたフォトダイオードを構成するＮ型領域７と、Ｎ型領域７の下に設けられた第二のＰ型領域１７と、第二のＰ型領域１７よりもＮ型基板６の内部に、かつ第二のＰ型領域１７と離間して設けられた第一のＰ型領域９とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に関する。特に低スミアを実現すると共に、フォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性を低減し、かつ縦型オーバーフロードレインに起因するニー特性の傾きを低減する構造に関するものである。

従来用いられているＣＣＤ型固体撮像装置は、光電変換部としてフォトダイオードが用いられ、縦型オーバーフロードレイン（ＶｅｒｔｉｃａｌＯｖｅｒｆｌｏｗＤｒａｉｎ：以降ＶＯＤと記述する）構造を採用している。この構造ではフォトダイオードがＮ型領域で形成される場合、基板としてＮ型基板を用い、Ｎ型基板とフォトダイオードを形成するＮ型領域間にＰ型領域を設けている。この構造において、フォトダイオードと基板間に形成されるポテンシャルバリアを基板への印加電圧の調整により変調し、フォトダイオード飽和信号量を調整することで過剰な電荷が垂直ＣＣＤに漏れこむブルーミング現象を抑制する。

図８は、従来の固体撮像装置の概略図を示すものである。図８において、１はフォトダイオード、２はトランスファーゲート、３は垂直ＣＣＤ、４は水平ＣＣＤ、５は出力アンプである。

以上のように構成された固体撮像装置についてその動作を説明する。図８において、フォトダイオード１に入射した光は、フォトダイオード１内で光電変換され信号電荷として蓄積される。蓄積された信号電荷は、トランスファーゲート２に読み出し電圧を印加することにより、垂直ＣＣＤ３に読み出される。垂直ＣＣＤ３に読み出された信号電荷は、垂直ＣＣＤ３および水平ＣＣＤ４を転送され、出力アンプ５を通して出力される。

また、図示していないが後述するＮ型基板６に電圧を印加するための回路が設けられている。

図９は図８における画素断面の第１の例を示すものである（例えば特許文献１の従来例参照）。図９において、６はＮ型基板、７はフォトダイオードを構成するＮ型領域であり、光電変換された信号電荷を蓄積する領域、８は垂直ＣＣＤを構成するＮ型領域、９は第一のＰ型領域、１０は垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域、１１はフォトダイオード表面Ｐ⁺領域、１２はトランスファーゲート下Ｐ型領域、１３はＰ⁺チャネルストップ領域、１４はゲート絶縁膜、１５は層間絶縁膜、１６は遮光膜である。

フォトダイオード１は、フォトダイオード表面Ｐ⁺領域１１、Ｎ型領域７、第一のＰ型領域９のＰＮＰ構造ダイオードとして形成される。表面Ｐ⁺領域１１を設けることにより基板表面と絶縁膜１４との界面で発生する暗電流を低減している。この図の場合、信号電荷として電子がフォトダイオード１内に蓄積される。一方、垂直ＣＣＤ３は、垂直ＣＣＤを構成するＮ型領域８と垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０で形成される。Ｎ型領域８はフォトダイオード１で発生した信号電荷を水平ＣＣＤ４に転送する電荷転送経路となる。またＮ型基板６表面には、ゲート絶縁膜１４を介してトランスファーゲート２が形成される。遮光膜１６は、トランスファーゲート２上に層間絶縁膜１５を介して形成され、フォトダイオード１上には開口部が設けられている。

図１０に、従来の固体撮像装置における画素断面図の第２の例を示す（例えば非特許文献１参照）。この例では、Ｎ型基板上に形成される第一のＰ型領域９内にフォトダイオードを形成するＮ型領域７が形成される。

固体撮像装置の低消費電力化のために電源電圧の低電圧化が進んでいる近年においては、フォトダイオード１から垂直ＣＣＤ３へ信号電荷を読み出す際にトランスファーゲート２に印加する読み出し電圧を低減するため、Ｎ型領域７は浅く形成されることが多い。

一方、フォトダイオードの高感度化のために図９に示す第一のＰ型領域９は深く形成されることが多いため、結果として、フォトダイオードを構成するＮ型領域７と第一のＰ型領域９間に存在し、Ｎ型基板６に近い不純物濃度をもつＮ型不純物領域の深さ方向の幅が拡大しており、本願では、図９に示す構造を従来例として位置づける。
特許第３６０３７４４号公報（図１２ｂ）米本和也、"ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサの基礎と応用"、第２版、ＣＱ出版株式会社、２００４年２月１日、ｐ．８４、＜図３−４２＞（ａ）

特許文献１においては、従来構造において画素サイズが小さくなった場合に、ＶＯＤ構造のバリア部電位の基板電圧による変調が小さくなり、基板引き抜き電圧が上昇する問題や、ニー特性領域を利用する固体撮像装置において、ニー特性の傾きが小さくなることを課題とし、その解決方法を示している。

しかしながら上記従来の構成では、特に画素サイズが大きい場合にフォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性が大きくなり、固体撮像装置内部あるいは外部に形成される基板電圧発生回路の出力電圧ばらつきにより、フォトダイオード飽和信号量が変動する欠点を有している。さらに、ニー特性の傾きも大きくなるため、入射光強度が高い場合にフォトダイオード飽和信号量が増大しやすく、垂直ＣＣＤ内に信号電荷を読み出した後に信号電荷が隣接画素にあふれることを抑制するために、垂直ＣＣＤ飽和信号量を大きく設定する必要が生じ、垂直ＣＣＤ幅が広くなり、スミアが悪化するという欠点も有する。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、低スミアでありながらフォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性を低減し、かつ縦型オーバーフロードレインに起因するニー特性の傾きを抑制する固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の固体撮像装置は、第１導電型基板の表面側に設けられた光電変換部を構成する第一の第１導電型不純物拡散層と、前記第一の第１導電型不純物拡散層の下に設けられた第一の第２導電型不純物拡散層と、前記第一の第２導電型不純物拡散層よりも前記第１導電型基板の内部に、かつ前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して設けられた第二の第２導電型不純物拡散層とを備える。

前記光電変換部は行列状に複数配置されており、前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、前記第一の第２導電型不純物拡散層は少なくとも各列に前記垂直ＣＣＤの長手方向に延びるように設けられ、かつ行方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の行方向の幅と同じかそれよりも狭いことが好ましい。

前記光電変換部は行列状に複数配置されており、前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、前記基板の上から見て、前記第一の第１導電型不純物拡散層の直下に位置する前記第一の第２導電型不純物拡散層の面積が前記第一の第１導電型不純物拡散層の面積よりも狭いことが好ましい。

前記光電変換部は行列状に複数配置されており、前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、前記第一の第２導電型不純物拡散層は少なくとも各行に前記垂直ＣＣＤの長手方向と垂直な方向に延びるように設けられ、かつ列方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の列方向の幅よりも狭いことが好ましい。

前記光電変換部は行列状に複数配置されており、前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、前記第一の第２導電型不純物拡散層は前記第一の第１導電型不純物拡散層の直下で行列方向に十字状に延びるように設けられ、かつ少なくとも行方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の行方向の幅と同じかそれよりも狭いことが好ましい。

前記第一の第２導電型不純物拡散層の列方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の列方向の幅よりも狭いことがさらに好ましい。

前記垂直ＣＣＤは電荷転送経路となる第二の第１導電型不純物拡散層を含み、前記第二の第１導電型不純物拡散層の下には前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して第三の第２導電型不純物拡散層が設けられていることがさらに好ましい。

前記複数の光電変換部の間には少なくとも前記第一の第１導電型不純物拡散層を電気的に分離するための第四の第２導電型不純物拡散層が前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して設けられていることがさらに好ましい。

前記第１導電型基板に電圧を印加する回路をさらに備え、前記第１導電型基板に所定の電圧が印加されると少なくとも前記第一の第２導電型不純物拡散層が前記第一の第１導電型不純物拡散層と前記第１導電型基板との間に形成されるポテンシャルバリアとして機能することがさらに好ましい。

また、本発明のカメラは上記本発明の固体撮像装置を備えている。

本発明の固体撮像装置によれば、基板電圧の変動に対するフォトダイオード飽和信号量の変動を低減できる。これにより、固体撮像装置内部あるいは外部に設けられる基板バイアス回路から出力される基板電圧のばらつきによって生じるフォトダイオード飽和信号量のばらつきが減少し、安定したダイナミックレンジをもったカメラを実現できる。また、垂直ＣＣＤ下のＰ型領域と第二のＰ型領域間にＮ型領域が存在するため、前記Ｎ型領域を通してスミア電流が基板に流れるため低スミアを実現できる。更に、ニー特性の傾きを低減できるため、必要な垂直ＣＣＤの飽和信号量を低減でき、結果として垂直ＣＣＤ領域を縮小することができるため、低スミアを実現できる。

以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

各実施形態において、図９と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施形態における画素の平面図を示す。図２に図１のＸ１−Ｘ２間の本実施形態における画素の断面図、図３に図１のＹ１−Ｙ２間の本実施形態における画素の断面図を示す。１７は第二のＰ型領域であり、垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０とは離れており、フォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８と重なって形成されている。また、第二のＰ型領域１７は図８に示した垂直ＣＣＤ３の長手方向に延びて設けられており、水平ＣＣＤ４の長手方向（Ｘ１−Ｘ２間）でみるとＮ型領域７の幅よりも細い幅となっている。

以上のように構成された固体撮像装置について、以下その動作を説明する。図１、図２に示すように、第二のＰ型領域１７をＮ型領域７下に追加したことにより、従来例と比べてＶＯＤバリアポテンシャルの基板電圧による変調が抑制される。

ＶＯＤポテンシャルバリアを決定する第一の要因として、Ｎ型領域７からＮ型基板６までの深さ方向の不純物領域の構造であるが、図９に示す従来例ではＶＯＤポテンシャルバリアを形成するのが第一のＰ型領域９のみであるのに対して、本実施の形態では、第一のＰ型領域９に加えて、第二のＰ型領域１７もＶＯＤポテンシャルバリア形成に寄与し、ＶＯＤポテンシャルバリアが従来例に対して深さ方向で厚く形成される。よって、同じ値の電圧変動がＮ型基板６を印加された場合、ＶＯＤポテンシャルバリアの変調が抑制される。

また、ＶＯＤポテンシャルバリアを決定する第二の要因として、フォトダイオード１周辺のＰ型領域によるナローチャネル効果がある。周辺のＰ型領域としては、垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０とフォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８がある。本実施の形態では、第二のＰ型領域１７と垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０とのナローチャネル効果を積極的に利用できるため、ＶＯＤポテンシャルバリアの変動を抑制する効果が得られる。

特許文献１に説明されているように基板電圧の変化に対するＶＯＤバリア電位の変化量が小さくなればニー特性の傾きは小さくなるので、本実施の形態によれば、入射光強度が高い場合のフォトダイオード飽和信号量の増大を抑制することができる。これにより、垂直ＣＣＤ３内に信号電荷を読み出した後に信号電荷が隣接画素にあふれることを防止するために必要となる垂直ＣＣＤ３の飽和信号量を低く設定でき、結果として垂直ＣＣＤ３の領域を細くできるため、低スミア特性を実現することが可能となる。

また、この効果に加えて第二のＰ型領域１７と垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０とのナローチャネル効果によってもＶＯＤバリアの変調を抑制する効果が得られる。さらに、図１０のようにフォトダイオード１下全面に第一のＰ型領域９を設ける場合に比べて、図２に示すように垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０と第二のＰ型領域１７との間にはＮ型領域が存在し、この領域を通してスミア電流がＮ型基板６に流れるため、さらなる低スミアを実現できる。

以上のように本実施形態によれば、第二のＰ型領域１７を追加するとともに、前記第二のＰ型領域１７と垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０とのナローチャネル効果を利用し、ＶＯＤ構造のバリア部電位の基板電圧による変調を抑制できるため、フォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性を改善することができ、低スミア特性をもつ固体撮像装置を実現できる。

なお、図２に示した第二のＰ型領域１７の幅はＮ型領域７の幅と同じであってもよい。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施形態における平面図である。図５に図４のＸ３−Ｘ４間の本実施形態における画素の断面図、図６に図４のＹ３−Ｙ４間の本実施形態における画素の断面図を示す。

以上のように構成されたＣＣＤ固体撮像装置について、以下その動作を説明する。本実施形態では第１の実施形態と異なり、第二のＰ型領域１７が垂直ＣＣＤを形成するＮ型領域8とは垂直な方向、すなわち図８に示す水平ＣＣＤ４の長手方向に形成されることを特徴としている。また、第二のＰ型領域１７の垂直ＣＣＤ３の長手方向（Ｙ３−Ｙ４間）でみた幅はＮ型領域７の幅よりも細くなっている。図４において、第二のＰ型領域１７を追加したことにより、従来例に対してＶＯＤポテンシャルバリアの基板電圧による変調が抑制されるのは、実施の形態１と同様であるが、本実施の形態によれば、この効果に加えて第二のＰ型領域１７とフォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８のナローチャネル効果によってもＶＯＤポテンシャルバリアの変調を抑制する効果が得られる。更に、図１０のようにフォトダイオード１下全面に第一のＰ型領域９を設ける場合に比べて、図４から図６に示すように、垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０と第二のＰ型領域１７との間には、Ｎ型領域が存在するため、この領域を通してスミア電流がＮ型基板６に流れるため、低スミアを実現できる。

以上のように本実施形態によれば、第二のＰ型領域１７を追加するとともに、前記第二のＰ型領域１７とフォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８とのナローチャネル効果を利用し、ＶＯＤ構造のバリア部電位の基板電圧による変調を抑制できるため、フォトダイオード飽和信号量の基板電圧依存性を改善することができ、低スミア特性をもつ固体撮像装置を実現できる。

（実施の形態３）
図７は本発明の第３の実施形態における平面図である。

以上のように構成されたＣＣＤ固体撮像装置について、以下その動作を説明する。本実施形態では、第二のＰ型領域１７が垂直ＣＣＤ３方向、水平ＣＣＤ４方向共に形成され十字型のパターンとして形成される。第１及び第２の実施形態では、画素寸法が大きくなった際に、ＶＯＤポテンシャルバリアの基板電圧による変調を抑制するためには、第二のＰ型領域幅を広く設定する必要が生じるが、その場合、実施の形態１においては第二のＰ型領域１７と垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０との間隔、実施の形態２においては第二のＰ型領域１７とフォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８との間隔が狭くなり、スミアが悪化するおそれがある。本実施の形態では、十字型に第二のＰ型領域１７を設けることにより、垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域１０及びフォトダイオード間分離用Ｐ型領域１８の両方のナローチャネル効果を利用できるため、第二のＰ型領域１７の幅を狭くすることができ、スミアを低減できる。

なお、上述したように、ＶＯＤバリアポテンシャルの基板電圧による変調を抑制するために第二のＰ型領域１７の幅を広く取るとスミアが悪化するおそれがある。具体的には図１、４、７に示したようにＮ型領域７の直下に位置する第二のＰ型領域１７の面積（Ｎ型領域７を示す斜線部と第二のＰ型領域１７を示す点線部とで囲まれた領域）がＮ型領域７の面積よりも狭くなるようにすることが好ましい。

また、実施形態１〜３に示した固体撮像装置をデジタルスチルカメラや車載モニターカメラ等に適用すれば、入射光量の多い条件下でも低スミア特性をもつ高画質の静止画像・動画像を得ることができる。

また、第二のＰ型領域１７の基板表面からの深さはＮ型領域７の深さに応じて変化するが、０．５μｍから１．５μｍの深さに形成されるのが好ましい。

なお、Ｎ型基板６への電圧印加回路はフォトダイオード１、垂直ＣＣＤ３及び水平ＣＣＤ４が設けられたのと同じ基板に設けられていてもよく、それ以外の別の基板に設けられていてもよい。

本発明の固体撮像装置は、スミアといった高輝度光入射時の偽信号を抑制する必要のある固体撮像装置として有用である。

本発明の第１の実施形態における画素の平面図本発明の第１の実施形態における画素のＸ１−Ｘ２断面図本発明の第１の実施形態における画素のＹ１−Ｙ２断面図本発明の第２の実施形態における画素の平面図本発明の第２の実施形態における画素のＸ３−Ｘ４方向断面図本発明の第２の実施形態における画素のＹ３−Ｙ４方向断面図本発明の第３の実施形態における画素の平面図従来のＣＣＤ型固体撮像装置の概略図従来のＣＣＤ型固体撮像装置における画素断面の第１例を示す図従来のＣＣＤ型固体撮像装置における画素断面の第２例を示す図

符号の説明

１フォトダイオード
２トランスファ−ゲート
３垂直ＣＣＤ
４水平ＣＣＤ
５出力アンプ
６Ｎ型基板
７フォトダイオードを構成するＮ型領域
８垂直ＣＣＤを構成するＮ型領域
９第一のＰ型領域
１０垂直ＣＣＤ下Ｐ型領域
１１フォトダイオード表面Ｐ⁺領域
１２トランスファーゲート下Ｐ型領域
１３Ｐ⁺チャネルストップ領域
１４ゲート絶縁膜
１５層間絶縁膜
１６遮光膜
１７第二のＰ型領域
１８フォトダイオード間分離用Ｐ型領域

Claims

第１導電型基板の表面側に設けられた光電変換部を構成する第一の第１導電型不純物拡散層と、
前記第一の第１導電型不純物拡散層の下に設けられた第一の第２導電型不純物拡散層と、
前記第一の第２導電型不純物拡散層よりも前記第１導電型基板の内部に、かつ前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して設けられた第二の第２導電型不純物拡散層とを備える固体撮像装置。
前記光電変換部は行列状に複数配置されており、
前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、
前記第一の第２導電型不純物拡散層は少なくとも各列に前記垂直ＣＣＤの長手方向に延びるように設けられ、かつ行方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の行方向の幅と同じかそれよりも狭いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は行列状に複数配置されており、
前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、
前記基板の上から見て、前記第一の第１導電型不純物拡散層の直下に位置する前記第一の第２導電型不純物拡散層の面積が前記第一の第１導電型不純物拡散層の面積よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は行列状に複数配置されており、
前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、
前記第一の第２導電型不純物拡散層は少なくとも各行に前記垂直ＣＣＤの長手方向と垂直な方向に延びるように設けられ、かつ列方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の列方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光電変換部は行列状に複数配置されており、
前記複数の光電変換部で発生した信号電荷を読み出し転送する複数の垂直ＣＣＤが列毎に設けられており、
前記第一の第２導電型不純物拡散層は前記第一の第１導電型不純物拡散層の直下で行列方向に十字状に延びるように設けられ、かつ少なくとも行方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の行方向の幅と同じかそれよりも狭いことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第一の第２導電型不純物拡散層の列方向の幅が前記第一の第１導電型不純物拡散層の列方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
前記垂直ＣＣＤは電荷転送経路となる第二の第１導電型不純物拡散層を含み、
前記第二の第１導電型不純物拡散層の下には前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して第三の第２導電型不純物拡散層が設けられていることを特徴とする請求項２、３、５、６のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記複数の光電変換部の間には少なくとも前記第一の第１導電型不純物拡散層を電気的に分離するための第四の第２導電型不純物拡散層が前記第一の第２導電型不純物拡散層と離間して設けられていることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１導電型基板に電圧を印加する回路をさらに備え、前記第１導電型基板に所定の電圧が印加されると少なくとも前記第一の第２導電型不純物拡散層が前記第一の第１導電型不純物拡散層と前記第１導電型基板との間に形成されるポテンシャルバリアとして機能することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の固体撮像装置。
請求項１ないし９のいずれかに記載の固体撮像装置を用いたカメラ。