JP2010141045A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑制できる裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを提供する。
【解決手段】たとえば、単位セルにおいて、Ｓｉ基板１０の表面部にはフォトダイオード部ＰＤが形成されている。フォトダイオード部ＰＤは、入射光を光電変換して得た信号電荷を蓄積するためのＮ導電型の拡散層からなる受光部１１と、暗電流を抑制するための、たとえばＰ導電型を有する低不純物濃度の拡散層領域（Ｐ−層）からなるアキューミュレーション層１２と、を有して構成されている。また、フォトダイオード部ＰＤにほぼ対応するＳｉ基板１０の表面上には、絶縁膜１３を介して、フォトダイオードゲート電極２１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯用カメラモジュールまたはビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、監視用カメラなどに利用される固体撮像装置に関するもので、特に、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード構造に関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、単位画素（ＰＩＸＥＬ）当たりのセルサイズの縮小化が進んでいる。しかしながら、基板の表面側より光を入射する表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの場合、基板の表面側には電極および配線などが配置されている。そのため、セルサイズの縮小化は、電極および配線などによって遮られる入射光を増加させ、フォトダイオード部（受光部）に入射する光を減少させるなどの問題があった。

この問題を解決する技術の一つとして、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサが開発されている（たとえば、特許文献１参照）。裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサとは、電極および配線などが配置されていない基板の裏面側より光を入射させることによって、集光特性の向上を図るようにしたものである。因みに、この文献１に記載の裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサは、シリコン基板と配線膜との間に透過防止膜を設け、シリコン基板の裏面より入射してシリコン基板をつき抜けた光が配線膜によって反射されるのを防止するようにしたものである。

また、この裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオード部として、受光部の表面に、暗電流を抑制するための高不純物濃度の拡散層領域（アキューミュレーション層）を形成したものが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

ところが、アキューミュレーション層を有する裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの場合、たとえばセルサイズの縮小化に際して、アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散が生じやすいという問題があった。仮に、その横方向拡散が読み出しトランジスタのチャネル領域にまで広がると、フォトダイオード部から信号電荷を読み出すための読み出し電圧が上昇する。

上記したように、従来の裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散は、読み出し電圧の上昇を招くなどの問題があった。
特開２００６−１２０８０５号公報 特開２００６−２４５４９９号公報

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、その目的は、アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な裏面照射型の固体撮像装置を提供することにある。

本願発明の一態様によれば、基板の第１の面内に第１導電型の拡散層によって形成され、前記第１の面に対向する、前記基板の第２の面側より入射する入射光を光電変換して得た信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部の表面部に設けられた、前記受光部よりも低濃度の拡散層領域と、を含むフォトダイオードと、前記低濃度の拡散層領域上に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを具備したことを特徴とする固体撮像装置が提供される。

上記の構成により、アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な裏面照射型の固体撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各図面の寸法および比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係および／または比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。特に、以下に示すいくつかの実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。この発明の技術思想は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にしたがった固体撮像装置の構成例を示すものである。ここでは、固体撮像装置として、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例に説明する。なお、図１は、単位セルを１画素１セル構造の３Ｔｒ（トランジスタ）型とした場合の例である。

図１に示すように、この裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの場合、フォトダイオード部ＰＤ、転送（読み出し）用ＭＯＳトランジスタＴＧ、および、図示していないリセット用ＭＯＳトランジスタと増幅用ＭＯＳトランジスタとを含んで、１つの単位セルが構成されている。裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサには、このような構成の複数の単位セルがマトリクス状に配置されている。

単位セルにおいて、フォトダイオード部ＰＤは、受光部１１とアキューミュレーション層１２とから構成されている。受光部１１は、入射光を光電変換して得た信号電荷を蓄積するための電荷蓄積領域であって、シリコン（Ｓｉ）基板１０の表面部（第１の面）に形成された、Ｎ導電型（第１導電型）の拡散層からなっている。アキューミュレーション層１２は、暗電流を抑制するためのもので、受光部１１の表面部に対応して設けられた、たとえば、Ｐ導電型（第２導電型）を有する低不純物濃度の拡散層領域（Ｐ−層）である。アキューミュレーション層１２の不純物濃度は、たとえば１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷程度となっている。

そして、Ｓｉ基板１０の表面上には、絶縁膜１３を介して、フォトダイオードゲート電極２１が形成されている。フォトダイオードゲート電極２１は、フォトダイオード部ＰＤにほぼ対応して設けられる。フォトダイオードゲート電極２１の形成には、ポリシリコンなどが用いられる。このフォトダイオードゲート電極２１には、たとえば、−３Ｖの電圧が与えられる。

転送用ＭＯＳトランジスタＴＧは、フォトダイオード部ＰＤでの信号電荷の蓄積を制御するためのもので、フォトダイオード部ＰＤに隣接して設けられている。すなわち、転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極（読み出し電極）Ｇは、絶縁膜１３を介して、Ｓｉ基板１０の表面上に形成されている。読み出しゲート電極Ｇの形成には、ポリシリコンなどが用いられる。ソースはフォトダイオード部ＰＤのアノードとして、ドレインはフローティングディフュージョンＦＤとして、それぞれ機能する。フローティングディフュージョンＦＤは、Ｓｉ基板１０の表面部に形成された、高不純物濃度の拡散層領域（Ｎ＋層）である。

なお、図中に示す３１は、単位セル領域を画定するための素子分離領域（ＳｉＯ2 ）である。また、便宜上、図示していないが、単位セルの上方（Ｓｉ基板１０の表面側）には、層間絶縁膜を介して、複数の配線などが配置されている。

裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの場合、入射光は、Ｓｉ基板１０の裏面（第２の面）側より照射され、Ｓｉ基板１０を透過して、フォトダイオード部ＰＤによって受光される。その際、入射光は、複数の配線などによって遮られることなく、Ｓｉ基板１０内に入射され、フォトダイオード部ＰＤへと導かれる。

上記したように、本実施形態の構成とした場合、フォトダイオードゲート電極２１に所定の電圧（本例の場合、−３Ｖ）を印加することにより、アキューミュレーション層１２と絶縁膜１３との界面に、ホール蓄積状態を形成できるようになる。これにより、アキューミュレーション層１２の形成に、高不純物濃度（たとえば、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹程度）の拡散層領域（Ｐ＋層）を用いずとも、暗電流の抑制が可能となる。したがって、高不純物濃度の拡散層領域（Ｐ＋層）に比して、低不純物濃度の拡散層領域（Ｐ−層）からの不純物の横方向拡散を抑制できるようになる。その結果、アキューミュレーション層からの不純物の横方向拡散が転送用ＭＯＳトランジスタのチャネル領域にまで広がると、フォトダイオード部ＰＤから信号電荷を読み出すための読み出し電圧を上昇させるといった不具合を改善できるものである。

なお、アキューミュレーション層１２としては、Ｐ−層に限らず、Ｎ導電型（第１導電型）のＮ−層を用いて形成することも可能である。

次に、上記した構成において、フォトダイオードゲート電極２１に複数の異なる電圧を印加できるようにした場合について説明する。

図１に示すように、フォトダイオードゲート電極２１には、複数の異なる電圧（本例では、−３Ｖと−５Ｖの２種類）を印加できる電圧印加回路４１が接続されている。この電圧印加回路４１は、フォトダイオード部ＰＤの電位（容量）を変調させることによって、読み出し動作をアシストするためのものである。すなわち、フォトダイオードゲート電極２１に印加する電圧を変えることによって、フォトダイオード部ＰＤからの信号電荷を読み出しやすくすることが可能となる。

電圧印加回路４１としては、図示したような、異なる電源電圧をスイッチにより切り換える構成のものに限らず、たとえば、アンプとＤＡＣ（デジタル・アナログ・コンバータ）とを用いて構成することもできる。

図２は、電圧印加回路４１によってフォトダイオードゲート電極２１に異なる電圧を印加するようにした場合の、読み出し動作について説明するために示すものである。

読み出し動作時、まず、電圧印加回路４１からは、−３Ｖの電圧が、フォトダイオードゲート電極２１に印加される。このとき、転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極Ｇの電圧は、０Ｖに設定される。これにより、図２（ａ）に示すように、フォトダイオード部ＰＤは、界面ホール蓄積状態となる。

ついで、電圧印加回路４１からは−３Ｖの電圧をフォトダイオードゲート電極２１に印加したまま、読み出しゲート電極Ｇの電圧が５Ｖに設定される。すると、転送用ＭＯＳトランジスタＴＧのチャネル領域の電位が増加する。これにより、図２（ｂ）に示すように、フォトダイオード部ＰＤに蓄えられた多量の電子はあふれ出し、チャネル領域へと送られる。

さらに、読み出しゲート電極Ｇの電圧を５Ｖに設定した状態で、電圧印加回路４１から−５Ｖの電圧が、フォトダイオードゲート電極２１に印加される。すると、フォトダイオード部ＰＤの電位が減り、転送用ＭＯＳトランジスタＴＧのチャネル領域との電位差が大きくなる。これにより、図２（ｃ）に示すように、フォトダイオード部ＰＤに残る電子は、チャネル領域へと容易に送られる。

このように、電圧印加回路４１から異なる電圧をフォトダイオードゲート電極２１に印加することによって、フォトダイオード部ＰＤの電位を変調させるようにした場合には、飽和電子数の向上と読み出し電圧の低減とが可能となる。

上記したように、フォトダイオード部ＰＤに対応して、フォトダイオードゲート電極２１を設けるようにしている。すなわち、フォトダイオード部ＰＤと絶縁膜１３との界面に、ホール蓄積状態を形成できるようにしている。これにより、フォトダイオード部ＰＤのアキューミュレーション層１２を、低不純物濃度の拡散層領域（Ｐ−層またはＮ−層）を用いて形成できるようになる。したがって、アキューミュレーション層１２からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑えることが可能な、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを実現できるものである。

しかも、電圧印加回路４１から異なる電圧をフォトダイオードゲート電極２１に印加することによって、フォトダイオード部ＰＤの電位を変調できるようにした場合には、飽和電子数の向上と読み出し電圧の低減とが可能となる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態にしたがった固体撮像装置の構成例を示すものである。ここでは、固体撮像装置として、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例に説明する。なお、本実施形態は、反射性材料を用いてフォトダイオードゲート電極を形成した場合の例であり、図１に示した裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサと同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は割愛する。

すなわち、この裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードゲート電極２２が、たとえば金属または金属シリサイドなどの、反射性を有する材料を用いて形成されている。

このような構成とした場合、アキューミュレーション層１２からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑えることが可能となるのみでなく、フォトダイオード部ＰＤの感度特性をも向上できるようになる。つまり、フォトダイオードゲート電極２２は、コントロールゲート機能を有して、フォトダイオード部ＰＤの直上に設けられている。そのため、Ｓｉ基板１０の裏面側より入射した入射光は、フォトダイオード部ＰＤによって受光されるとともに、フォトダイオード部ＰＤを透過してＳｉ基板１０をつき抜けた入射光（たとえば、長波長光）は、フォトダイオードゲート電極２２によって反射されて、再度、フォトダイオード部ＰＤへと導かれる。これにより、フォトダイオード部ＰＤでの受光量を格段に増加できるようになる結果、フォトダイオード部ＰＤを薄く設計できるなど、セルサイズの縮小化（裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサの薄型化）とともに、混色に優位な構成とすることが可能である。

なお、本実施形態の構成においても、フォトダイオードゲート電極２２に複数の異なる電圧を印加できるように構成することは可能である。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態にしたがった固体撮像装置の構成例を示すものである。ここでは、固体撮像装置として、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例に説明する。なお、本実施形態は、フォトダイオードゲート電極および転送用ＭＯＳトランジスタの読み出しゲート電極を、反射性材料を用いて形成した場合の例であり、図３に示した裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサと同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は割愛する。

すなわち、この裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードゲート電極２２および転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極Ｇａが、たとえば金属または金属シリサイドなどの、反射性を有する材料を用いて形成されている。

このような構成とした場合、第２の実施形態で説明した通り、アキューミュレーション層１２からの不純物の横方向拡散を軽減でき、読み出し電圧の上昇を抑えることが可能となるのみでなく、フォトダイオード部ＰＤの感度特性をも向上できるようになる。また、転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極Ｇａの分だけ、反射効果を向上できるようになる。その結果、上記した第２の実施形態の効果に加えて、さらに、図示していない配線などによる、フォトダイオード部ＰＤへの反射光の回り込みを防止できるようになるものである。

なお、本実施形態の構成においても、フォトダイオードゲート電極２２に複数の異なる電圧を印加できるように構成することは可能である。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態にしたがった固体撮像装置の構成例を示すものである。ここでは、固体撮像装置として、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを例に説明する。なお、本実施形態は、フォトダイオードゲート電極および／または転送用ＭＯＳトランジスタの読み出しゲート電極を、反射性材料を用いて形成した場合の他の例であり、図４に示した裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサと同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は割愛する。

すなわち、この裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードゲート電極２３および／または転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極Ｇｂが、たとえばポリシリコンなどの電極材料２３ａと金属または金属シリサイドなどの反射性を有する材料２３ｂとを積層してなる構成とされている。

このような構成においては、フォトダイオードゲート電極２３のみを、電極材料２３ａと反射性を有する材料２３ｂとを用いて形成するようにした場合には、上述した第２の実施形態の場合と同等の効果が、また、フォトダイオードゲート電極２３および転送用ＭＯＳトランジスタＴＧの読み出しゲート電極Ｇｂを、電極材料２３ａと反射性を有する材料２３ｂとを用いて形成するようにした場合には、上述した第３の実施形態の場合と同等の効果が、それぞれ期待できる。

なお、本実施形態の構成においても、フォトダイオードゲート電極２３に複数の異なる電圧を印加できるように構成することは可能である。

その他、本願発明は、上記（各）実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記（各）実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、（各）実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも１つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも１つ）が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態にしたがった、固体撮像装置（裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサ）の構成例を示す断面図。 図１の裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、フォトダイオードゲート電極に異なる電圧を印加するようにした場合の読み出し動作について説明するために示す図。 本発明の第２の実施形態にしたがった、固体撮像装置（裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサ）の構成例を示す断面図。 本発明の第３の実施形態にしたがった、固体撮像装置（裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサ）の構成例を示す断面図。 本発明の第４の実施形態にしたがった、固体撮像装置（裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサ）の構成例を示す断面図。

符号の説明

１０…Ｓｉ基板、１１…受光部、１２…アキューミュレーション層、１３…絶縁膜、２１，２２，２３…フォトダイオードゲート電極、４１…電圧印加回路、ＰＤ…フォトダイオード部、ＴＧ…転送用ＭＯＳトランジスタ、Ｇ，Ｇａ，Ｇｂ…読み出しゲート電極、ＦＤ…フローティングディフュージョン。

Claims (5)

1. 基板の第１の面内に第１導電型の拡散層によって形成され、前記第１の面に対向する、前記基板の第２の面側より入射する入射光を光電変換して得た信号電荷を蓄積する受光部と、前記受光部の表面部に設けられた、前記受光部よりも低濃度の拡散層領域と、を含むフォトダイオードと、
   前記低濃度の拡散層領域上に絶縁膜を介して設けられたゲート電極と
   を具備したことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ゲート電極により、前記受光部と前記絶縁膜との界面はホール蓄積状態にされることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記ゲート電極には、複数の異なる電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記ゲート電極には反射性材料が用いられ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。
5. 前記基板の前記第１の面側には、さらに、前記ゲート電極に隣接して、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタの読み出し電極が設けられ、
   前記読み出し電極には反射性材料が用いられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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