JP2010027750A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に読み出すことを可能としつつ、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増大させる。
【解決手段】不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の面内分布Ｆ０は、中心部が最も薄くなり、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定することで、フォトダイオード１１の水平面内におけるポテンシャル分布Ｐ０を平坦化し、不純物拡散層Ｋ０の中心部でポテンシャルが深くなるのを防止する。
【選択図】 図３

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特に、固体撮像装置の光電変換領域のポテンシャル分布を平坦化する方法に適用して好適なものである。

ＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードとトランジスタからなるユニットセルがマトリクス状に配列され、ＤＲＡＭなどと同様の読み出し方式が採用されることから、単一電源、低電圧駆動（例えば３Ｖ）、低消費電力（５０ｍＷ）という特徴があり、携帯電話などの分野で普及してきている。

このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、不純物濃度が均一な面内分布を持つＮ型不純物拡散層を半導体基板に形成することでフォトダイオードが構成されている。ここで、Ｎ型不純物拡散層の周囲には、ユニットセル間の素子分離を行うためのＰ型素子分離拡散層が形成されているため、Ｎ型不純物拡散層のポテンシャルは周辺から中心に向かってなだらかに深くなるような分布を示し、Ｎ型不純物拡散層の周辺部では中心部に比べて蓄積できる電荷量が減少する。このため、従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、Ｎ型不純物拡散層全体の不純物濃度を濃くすることで、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を確保することが行われている。

また、例えば、特許文献１には、感度を劣化させることなく、光学系のシェーディングの影響を補正するために、フォトダイオードの中心部分で不純物を高濃度にイオン注入し、周辺に向かって不純物濃度が薄くなるように面内分布を持たせる方法が開示されている。

しかしながら、従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を確保するには、フォトダイオードを構成する不純物拡散層の中心部でのポテンシャルが深くなる。このため、フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す際に、ポテンシャルの深い部分の電荷を読み出すことができなくなり、フォトダイオードに電荷の一部が残存することから、残像を発生させるという問題があった。

一方、残像の発生を防止するために、フォトダイオードを構成する不純物拡散層の不純物濃度を薄くすると、フォトダイオードに蓄積できる電荷量が減少し、ダイナミックレンジが低下するという問題があった。

特許第２５５５９８１号公報

そこで、本発明の目的は、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に読み出すことを可能としつつ、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増大させることが可能な固体撮像装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様によれば、光電変換した電荷を蓄積する不純物拡散層が形成された光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出し部とを備え、前記不純物拡散層の不純物濃度の面内分布は、中心部の方が周辺部よりも薄くなっていることを特徴とする。

また、本発明の一態様によれば、光電変換した電荷を蓄積する不純物拡散層が形成された光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出し部とを備え、前記不純物拡散層の不純物濃度の面内分布は、前記不純物濃度の最も薄い部分が前記不純物拡散層の中心部に対して前記読み出し部の方向と反対側にずらされるとともに、前記不純物濃度の最も薄い部分の周囲に前記不純物濃度の濃い部分が存在することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に読み出すことを可能としつつ、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増大させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。
図１において、固体撮像装置には、１画素分の撮像を行うユニットセル１がマトリクス状に配列されたセルアレイが設けられている。そして、セルアレイの周辺には、ユニットセル１を垂直方向に選択させる垂直レジスタ２およびユニットセル１を水平方向に選択させる水平レジスタ３が配置されている。

また、セルアレイには、垂直レジスタ２から出力されたリセット信号をユニットセル１に伝えるリセット線４および垂直レジスタ２から出力された垂直選択信号をユニットセル１に伝える水平アドレス線５が水平方向に配置されるとともに、ユニットセル１から読み出された信号を水平信号線６に伝える垂直信号線７が垂直方向に配置されている。

ここで、ユニットセル１には、光電変換した電荷を蓄積するフォトダイオード１１、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタ１２、読み出しトランジスタ１２にて読み出された信号を増幅する増幅トランジスタ１３、ユニットセル１を垂直方向に選択する選択トランジスタ１４、フォトダイオード１１に蓄積された電荷をリセットするリセットトランジスタ１５が設けられている。

そして、垂直信号線７の一端は、負荷トランジスタ９を介して終端されるとともに、垂直信号線７の他端は、水平選択トランジスタ８を介して水平信号線６に接続され、水平選択トランジスタ８のゲートには水平レジスタ３が接続されている。

また、フォトダイオード１１は、読み出しトランジスタ１２を介して増幅トランジスタ１３のゲートに接続されている。また、増幅トランジスタ１３のドレインは垂直信号線７に接続され、増幅トランジスタ１３のソースは選択トランジスタ１４のソースに接続されている。また、選択トランジスタ１４のゲートは水平アドレス線５に接続され、選択トランジスタ１４のドレインはリセットトランジスタ１５のドレインに接続されている。また、リセットトランジスタ１５のゲートはリセット線４に接続され、リセットトランジスタ１５のソースは読み出しトランジスタ１２のドレインに接続されている。

図２は、図１のユニットセル１のレイアウト構成を示す平面図である。
図２において、半導体基板には、不純物拡散層Ｋ０〜Ｋ５およびゲート電極Ｇ１〜Ｇ４が形成されている。ここで、不純物拡散層Ｋ０は、図１のフォトダイオード１１を構成することができる。また、ゲート電極Ｇ１と不純物拡散層Ｋ２は、図１の読み出しトランジスタ１２を構成することができる。また、ゲート電極Ｇ３と不純物拡散層Ｋ３、Ｋ４は、増幅トランジスタ１３を構成することができる。また、ゲート電極Ｇ４と不純物拡散層Ｋ４、Ｋ５は、選択トランジスタ１４を構成することができる。また、ゲート電極Ｇ２と不純物拡散層Ｋ１、Ｋ２は、リセットトランジスタ１５を構成することができる。

そして、不純物拡散層Ｋ２、Ｋ３は、コンタクトＣ７、Ｃ８をそれぞれ介して金属配線２３に接続されている。また、不純物拡散層Ｋ１〜Ｋ５およびゲート電極Ｇ２〜Ｇ４上には、垂直信号線７およびドレイン線２１が配置され、不純物拡散層Ｋ３は、コンタクトＣ２を介して垂直信号線７に接続され、不純物拡散層Ｋ１、Ｋ５は、コンタクトＣ３、Ｃ４をそれぞれ介してドレイン線２１に接続されている。

また、ゲート電極Ｇ２上には、リセット線４が配置され、ゲート電極Ｇ２は、コンタクトＣ５を介してリセット線４に接続されている。また、不純物拡散層Ｋ３およびゲート電極Ｇ１上には、読み出し線２２が配置され、ゲート電極Ｇ１は、コンタクトＣ１を介して読み出し線２２に接続されている。また、不純物拡散層Ｋ０およびゲート電極Ｇ４上には、水平アドレス線５が配置され、ゲート電極Ｇ４は、コンタクトＣ６を介して水平アドレス線５に接続されている。

そして、図１のフォトダイオード１１に光が入射すると、その光量に応じた電荷がフォトダイオード１１に蓄積される。そして、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を読み出す場合、読み出しトランジスタ１２がオンされるとともに、垂直レジスタ２から水平アドレス線５を介して垂直選択信号が選択トランジスタ１４のゲートに送られる。そして、垂直選択信号が選択トランジスタ１４のゲートに送られると、選択トランジスタ１４がオンし、読み出しトランジスタ１２を介してフォトダイオード１１から読み出された信号が増幅トランジスタ１３にて増幅された後、垂直信号線７に送られる。

そして、水平レジスタ３から水平選択信号が水平選択トランジスタ８のゲートに順次送られると、水平選択トランジスタ８が順次オンし、ユニットセル１からの信号が水平信号線６に順次伝えられることで、ユニットセル１に蓄積された電荷が水平方向に順次読み出される。

そして、１ライン分の読み出しが終了すると、次のラインのユニットセル１からの信号の読み出しを行い、全てのラインのユニットセル１からの信号が読み出されることで、１フレーム分の撮像を行うことができる。

また、読み出しトランジスタ１２がオンされた状態で、垂直レジスタ２からリセット線４を介してリセット信号がリセットトランジスタ１５のゲートに送られると、リセットトランジスタ１５がオンし、フォトダイオード１１に蓄積された電荷がリセットトランジスタ１５を介して排出されることで、フォトダイオード１１に蓄積された電荷がリセットされる。

ここで、フォトダイオード１１に形成された不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の面内分布は、中心部の方が周辺部よりも薄くなるように設定することができる。例えば、不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の最も薄い部分から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定することができる。

図３は、図１の固体撮像装置に用いられるフォトダイオードの水平面内における不純物濃度分布の一例を示す図である。
図３において、不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の面内分布Ｆ０は、中心部が最も薄くなり、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定されている。

図４は、図３の不純物濃度分布を持つフォトダイオードの水平面内におけるポテンシャル分布を示す図である。
図４において、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定することで、フォトダイオード１１の水平面内におけるポテンシャル分布Ｐ０を平坦化し、不純物拡散層Ｋ０の中心部でポテンシャルが深くなるのを防止しつつ、不純物拡散層Ｋ０の周辺部でポテンシャルが浅くなるのを防止することが可能となる。

このため、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を読み出す際に、ポテンシャルの深い部分の電荷を完全に読み出すことができなくなるのを防止することができ、残像の発生を防止することが可能となるとともに、フォトダイオード１１に蓄積できる電荷量を増大させることが可能となり、ダイナミックレンジを増加させることができる。
また、フォトダイオード１１の水平面内におけるポテンシャル分布Ｐ０を平坦化することで、不純物拡散層Ｋ０に注入される不純物の量を増加させることができ、空乏層を横方向および深さ方向に広げることが可能となることから、感度を向上させることが可能となるとともに、混色を低減することができる。
さらに、不純物拡散層Ｋ０の周辺部の不純物濃度を濃くすることで、不純物拡散層Ｋ０の境界部分での電位差を大きくすることができ、フォトダイオード１１に蓄積できる電荷量を増大させるだけでなく、ブルーミングも抑制することができる。

これに対し、図３の不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の面内分布Ｆ１が均一である場合、図４に示すように、ポテンシャル分布Ｐ１は、不純物拡散層Ｋ０の中心部で深くなるとともに、不純物拡散層Ｋ０の周辺部で浅くなる。このため、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を読み出す際に、ポテンシャルの深い部分の電荷を読み出すことができなくなり、フォトダイオード１１に電荷の一部が残存することから、残像を発生させることがある。また、図３の不純物拡散層Ｋ０の不純物濃度の面内分布Ｆ１が均一である場合、ポテンシャル分布Ｐ１が不純物拡散層Ｋ０の周辺部で浅くなることから、フォトダイオード１１に蓄積できる電荷量が減少し、ダイナミックレンジが減少する。

図５−１〜図５−３は、図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成方法を示す断面図である。
図５−１において、半導体基板５１上の素子分離領域には、フィールド酸化膜５３が形成されている。また、半導体基板５１上には、図２のレイアウトに従って、ゲート電極Ｇ１がゲート絶縁膜５４を介して形成されている。

そして、図５−２に示すように、スピンコートなどの方法で、半導体基板５１上の全面にフォトレジスト膜Ｒを塗布する。そして、ガラス基板６１に遮光膜６２が形成されたフォトマスクを介して、フォトレジストＲの露光ＬＯを行うことで、フォトレジスト膜Ｒをパターニングする。なお、遮光膜６２の材質としては、Ｃｒなどの金属を用いることができる。

ここで、遮光膜６２のパターンは、図２の不純物拡散層Ｋ０のレイアウト部分の光を透過させるとともに、不純物拡散層Ｋ０以外のレイアウト部分の光を遮光させるように形成することができる。また、図２の不純物拡散層Ｋ０のレイアウト部分の光を透過させる遮光膜６２の膜厚は、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって同心円状に段階的に薄くなるように設定することができる。

このようなフォトマスクを用いてフォトレジスト膜Ｒの露光ＬＯを行うことで、図５−３に示すように、不純物拡散層Ｋ０以外の部分がフォトレジスト膜Ｒにて完全に覆われるとともに、不純物拡散層Ｋ０の部分では、その中心部から外側に向かって同心円状に段階的に薄くなるように膜厚が設定されたフォトレジスト膜Ｒを半導体基板５１上に形成することができる。

次に、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって同心円状に段階的に薄くなるように膜厚が設定されたフォトレジスト膜Ｒをマスクとして、リンや砒素などのＮ型不純物のイオン注入ＩＰを半導体基板５１に行うことで、不純物拡散層Ｋ０を半導体基板５１に形成する。なお、イオン注入ＩＰの条件としては、例えば、加速エネルギーを２００ＫＶ、ドーズ量を１．３Ｅ１２ｃｍ^２とすることができる。
ここで、フォトレジスト膜Ｒの膜厚を変化させることで、不純物拡散層Ｋ０の位置に応じてＮ型不純物の透過量を変化させることがで、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定することができる。

そして、不純物拡散層Ｋ０が半導体基板５１に形成されると、ＳＨ（Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２との混合液）処理またはアッシャー（酸素ラジカル）処理にてフォトレジスト膜Ｒを半導体基板５１から除去する。

次に、図５−４に示すように、ボロンなどのＰ型不純物を半導体基板５１の素子分離領域に選択的にイオン注入することで、素子分離拡散層５２を半導体基板５１に形成する。また、図２の不純物拡散層Ｋ２のレイアウト部分にボロンなどのＰ型不純物を選択的にイオン注入することで、不純物拡散層Ｋ２を半導体基板５１に形成する。
なお、図５の実施形態では、不純物拡散層Ｋ０を形成してから素子分離拡散層５２を形成する方法について説明したが、素子分離拡散層５２を形成してから不純物拡散層Ｋ０を形成するようにしてもよい。

図６は、図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成に使用されるフォトマスクのその他の例を示す断面図である。
図６において、ガラス基板７１には、膜厚が一定の遮光膜７２が形成されている。ここで、遮光膜７２の間隔は、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって間隔が大きくなるように設定されている。

これによっても、不純物拡散層Ｋ０のレイアウト部分の中心部から外側に向かって同心円状に段階的に薄くなるようにフォトレジスト膜Ｒの膜厚を設定することができ、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定することができる。
なお、図６の実施形態では、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって間隔が大きくなるように遮光膜７２の間隔を設定する方法について説明したが、遮光膜７２の間隔を一定にしたまま不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって遮光膜７２の幅が小さくなるように設定してもよい。また、膜厚が一定の遮光膜７２を散点状に形成し、不純物拡散層Ｋ０の中心部から外側に向かって散点密度が小さくなるようにしてもよい。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置に用いられるフォトダイオードの水平面内における不純物濃度分布の一例を示す図である。
図７において、不純物拡散層Ｋ１０の不純物濃度の面内分布Ｆ１０は、不純物濃度の最も薄い部分が不純物拡散層Ｋ１０の中心部に対してゲート電極Ｇ１の方向と反対側にずれるとともに、不純物濃度の最も薄い部分の周囲に不純物濃度の濃い部分が存在するように設定され、不純物濃度の最も薄い部分から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなるように設定されている。

図８は、図７の不純物濃度分布を持つフォトダイオードの水平面内におけるポテンシャル分布を示す図である。
図８において、不純物濃度の最も薄い部分が不純物拡散層Ｋ１０の中心部に対してゲート電極Ｇ１の方向と反対側にずれるように設定するとともに、不純物濃度の最も薄い部分の周囲に不純物濃度の濃い部分を設けることで、不純物拡散層Ｋ０のポテンシャルの最も深い部分をゲート電極Ｇ１の方向に近づけることが可能となるとともに、不純物拡散層Ｋ０の周辺部でポテンシャルを深くすることができる。

このため、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を読み出す際に、ポテンシャルの深い部分の電荷が完全に読み出すことができなくなるのを防止することができ、残像の発生を防止することが可能となるとともに、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増大させることが可能となり、ダイナミックレンジを増加させることができる。
なお、上述した実施形態では、ＣＭＯＳイメージセンサを例にとって説明したが、ＣＣＤイメージセンサに適用するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、増幅型固体撮像装置を例にとって説明したが、増幅トランジスタ１３を持たない固体撮像装置に適用するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の回路構成を示す図。 図１のユニットセル１のレイアウト構成を示す平面図。 図１の固体撮像装置に用いられるフォトダイオードの水平面内における不純物濃度分布の一例を示す図。 図３の不純物濃度分布を持つフォトダイオードの水平面内におけるポテンシャル分布を示す図。 図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成方法を示す断面図。 図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成方法を示す断面図。 図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成方法を示す断面図。 図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成方法を示す断面図。 図１のフォトダイオードの不純物濃度分布の形成に使用されるフォトマスクのその他の例を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置に用いられるフォトダイオードの水平面内における不純物濃度分布の一例を示す図。 図７の不純物濃度分布を持つフォトダイオードの水平面内におけるポテンシャル分布を示す図。

符号の説明

１ ユニットセル、２ 垂直レジスタ、３ 水平レジスタ、４ リセット線、５ 水平アドレス線、６ 水平信号線、７ 垂直信号線、８ 水平選択トランジスタ、９ 負荷トランジスタ、１１ フォトダイオード、１２ 読み出しトランジスタ、１３ 増幅トランジスタ、１４ 選択トランジスタ、１５ リセットトランジスタ、２１ ドレイン線、２２ 読み出し線、２３ 金属配線、Ｋ０〜Ｋ５、Ｋ１０ 不純物拡散層、Ｇ１〜Ｇ４ ゲート電極、Ｃ１〜Ｃ８ コンタクト、５１ 半導体基板、５２ 素子分離拡散層、５３ フィールド酸化膜、５４ ゲート絶縁膜、６１、７１ ガラス基板、６２、７２ 遮光膜、Ｒ フォトレジスト膜、ＬＯ 露光、ＩＰ イオン注入

Claims (3)

1. 光電変換した電荷を蓄積する不純物拡散層が形成された光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出し部とを備え、
   前記不純物拡散層の不純物濃度の面内分布は、中心部の方が周辺部よりも薄くなっていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 光電変換した電荷を蓄積する不純物拡散層が形成された光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷を読み出す読み出し部とを備え、
   前記不純物拡散層の不純物濃度の面内分布は、前記不純物濃度の最も薄い部分が前記不純物拡散層の中心部に対して前記読み出し部の方向と反対側にずらされるとともに、前記不純物濃度の最も薄い部分の周囲に前記不純物濃度の濃い部分が存在することを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記不純物濃度の最も薄い部分から外側に向かって不純物濃度が同心円状に段階的に濃くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。

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