JP2010199154A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流が少なくかつ、ＣＤＳ動作によるリセットノイズ除去が行え、低照度の撮影環境においても高いＳ／Ｎ比での撮影が可能な固体撮像素子を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体基板上に形成され、電荷を蓄積する第１の導電型の電荷蓄積領域（１０４）と、電荷蓄積領域の少なくとも一部を覆って半導体基板の表面に形成された第２の導電型の第１の表面領域（１０５）と、電荷を蓄積する第１の導電型のフローティングディフュージョン領域（１０３）と、電荷蓄積領域の全面を覆い、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して、電荷蓄積領域に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域に転送する電極（１０２）とを有し、電極は光が透過可能な膜厚であり、電極の下は、フローティングディフュージョン領域から離れ第１の表面領域を有する部分と、フローティングディフュージョン領域に近く第１の表面領域を有しない部分とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルカメラ、カムコーダー等に用いられる固体撮像素子に関する。

近年、固体撮像素子の進歩により、より高画質で安価なデジタルカメラが普及している。特に画素内に能動素子を持ち、周辺回路をオンチップ化できるＣＭＯＳセンサの性能向上はめざましく、ＣＣＤセンサを置き換えるに至っている。

ＣＭＯＳセンサの画質の向上に貢献した技術として、埋め込みフォトダイオード構造、完全転送型フォトダイオードとＣＤＳ（Correlated Double Sampling）技術があげられる。

完全転送型フォトダイオードとは、リセット時及び読み出し時に、転送ゲート電極に高い電位を与えて転送ゲートをオン状態にし、フォトダイオード内のキャリアをすべてフローティングディフュージョン領域（以下、ＦＤ領域という）に転送する。そして、これにより、フォトダイオードを電荷が空の状態にリセットするものである。

ＣＤＳ技術とは、読み出しの前後におけるＦＤ領域の電位をサンプルホールドし、その差分を算出することでＦＤ領域のリセットノイズを除去し、正規の光信号に相当する信号成分を取り出す技術である。一方、ＣＤＳ技術ではフォトダイオード内のリセットノイズを除去することができないが、完全転送型フォトダイオードを用いることにより、フォトダイオード内のリセットノイズの発生を抑制することが可能となる。

完全転送型フォトダイオードでは、リセットした際にフォトダイオード内には電荷が残存しなくなるため、リセット毎のランダム性が発生しないためである。完全転送を行うＣＭＯＳセンサの画素レイアウトの一例は特許文献１の図２に記載されている。

特許文献１中の図２中では、光電変換素子（フォトダイオード）の電荷を転送する転送トランジスタ（転送ゲート）がポリゲート（ポリシリコン）で形成されており、光電変換素子の外周の１辺に接して配置されている。

近年では、高精細化や小形化を実現するために画素サイズは縮小化の一途を辿っている。画素サイズの縮小に伴いフォトダイオード面積の確保がより大きな課題となっている。

フォトダイオード面積が小さくなることで飽和電荷が十分に得られず、センサのダイナミックレンジが小さくなるという問題がある。さらに、フォトダイオードの面積の縮小は感度の低下という問題を引き起こす。

この問題に対しては、１つの提案が特許文献２にてなされている。この特許文献２ではフォトダイオード上の全面にわたりゲート電極を配置し、ゲート電極を透過した光により発生した光電荷をゲート電極の制御により収集するという技術を提案している。

特開２００４−２４１４９８号公報 特開２００５−１４２４７０号公報

しかしながら、特許文献２による構造においては、光電荷の蓄積動作中においては、ゲート電極に高い電位を与え、ゲート電極の下に光電荷を蓄積することが述べられている。すなわち、特許文献１によるフォトダイオードは、ゲート酸化膜に接する半導体表面部に光電荷を蓄積している。このような蓄積構造では、フォトダイオードを埋め込みタイプにて形成することができないため、酸化膜界面における暗電流の発生を抑制することができない。

本発明の目的は、暗電流が少なくかつ、ＣＤＳ動作によるリセットノイズ除去が行え、低照度の撮影環境においても高いＳ／Ｎ比での撮影が可能な固体撮像素子を提供することである。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成され、電荷を蓄積する第１の導電型の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の少なくとも一部を覆って前記半導体基板の表面に形成された第２の導電型の第１の表面領域と、電荷を蓄積する第１の導電型のフローティングディフュージョン領域と、前記電荷蓄積領域の全面を覆い、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する電極とを有し、前記電極は光が透過可能な膜厚であり、前記電極の下は、前記フローティングディフュージョン領域から離れ前記第１の表面領域を有する部分と、前記フローティングディフュージョン領域に近く前記第１の表面領域を有しない部分とを有することを特徴とする。

画素サイズの微細化を行った場合においても十分な感度及び飽和を確保することができ、また完全転送型で、埋め込み型のフォトダイオードを実現することができる。そのため、小型、高精細な固体撮像素子において低ノイズ、高感度、広いダイナミックレンジの撮像が可能となる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の上面図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子のａ−ａ’断面図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像素子の上面図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像素子のｂ−ｂ’断面図である。 本発明の第１の実施形態による画素の等価回路図である。 本発明の第１の実施形態による画素の駆動タイミング図である。 本発明の第３の実施形態による固体撮像素子の断面図である。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の上面図、図２は図１の固体撮像素子のａ−ａ’断面図である。図１中の１０１は活性領域を示している。活性領域１０１と境界を同じくし活性領域１０１を取り囲む領域はシリコン酸化膜がシリコン基板に埋め込まれた素子分離領域を形成している。図２中１０１’はこの素子分離領域に該当する。１０２は電極であり、１０３はＦＤ領域である。１０４は蓄積領域であり、光電変換により発生した電荷を蓄積する。１０９は半導体基板である。１０９は、例えば蓄積領域１０４と同じ導電型で蓄積領域１０４より低濃度の基板を使用するが、蓄積領域１０４と反対導電型で低濃度の基板を使用しても良い。更に、蓄積領域１０４と同じ低濃度基板に反対導電型のウエルを形成した基板でもよい。蓄積領域１０４は光電変換部（フォトダイオード）としての機能も有する。１０５は表面領域であり、蓄積領域１０４とは異なる導電型の半導体領域である。表面領域１０５の存在により蓄積領域１０４がゲート絶縁膜１１０との界面に接することを防ぎ、埋め込みフォトダイオード構造を実現することが可能である。１０６及び１０７はいずれもコンタクトホールであり、１０６はＦＤ領域１０３を、１０７は電極１０２を、配線層（図示せず）と電気的に接続している。１０８はフィールドストップ領域であり、蓄積領域１０４とＦＤ領域１０３との間における電荷のポテンシャル分離の役割を果たす。

素子分離領域１０１'は例えばＳＴＩ（shallow trench isolation）にて形成することが可能である。電極１０２は例えば薄膜ポリシリコンを用いることが可能である。ポリシリコンの膜厚は、センサで受光する波長の光に対して十分な透過率が確保できる程度の薄さであればよい。ＦＤ領域１０３は例えば、電極１０２を形成後、セルフアラインのイオン注入にて形成することが可能である。イオンの種類としては、Ｐｈ又はＡｓを用いることによりｎ型の不純物拡散層を形成することができる。蓄積領域１０４及び表面領域１０５は例えば、電極１０２の形成前にレジストパターンを用いてイオン注入し、形成することが可能である。蓄積領域１０４はＰｈ又はＡｓによりｎ型の不純物拡散層にて形成することが可能であり、表面領域１０５はＢ又はＢＦ₂の注入によりＰ型の不純物拡散層にて形成することが可能である。フィールドストップ領域１０８は、例えば、電極１０２を形成後、もしくは電極１０２をパターニングしたレジストが残った状態で、セルフアラインのイオン注入にて形成することも可能である。このイオン注入はＢ又はＢＦ₂により行うことが可能であり、Ｐ型の不純物拡散層にて形成することが可能である。ゲート絶縁膜１１０は例えばシリコン酸化膜を用いることも可能である。

本実施形態おいては、蓄積領域１０４は素子分離領域１０１'に対してオフセットを持っている。このことにより素子分離領域１０１'との界面により発生する暗電流を抑制することが可能である。また、本実施形態において、電極１０２は図１において、蓄積領域１０４を覆うように形成されている。

本実施形態では、蓄積領域１０４の電荷をＦＤ領域１０３に転送する機能を有する転送ゲートと蓄積領域１０４そのものを覆う電極１０２は一体となっている。

背景技術で述べた特許文献１及び特許文献２では言及されていないが、本発明者の検討によれば、小さなフォトダイオードにマイクロレンズ等で光を集光する場合には次のような問題も発生する。

画素に垂直に入射した光は、マイクロレンズ等の効果によりフォトダイオードの中心付近に集光する。ところが、撮像領域の端部においては画素に入射する光は垂直から若干の傾きをもって入射され、その場合にはマイクロレンズの集光位置はフォトダイオードの中心からずれた場所になる。特許文献１では、左方向から角度をもって入射した場合は転送トランジスタのポリシリコンゲートに集光領域がかかり、右方向から角度をもって入射した場合は素子分離領域に集光領域がかかる。ポリシリコンゲートは短波長の光の吸収率が高く、長波長の光の吸収率が低いため、半導体領域に到達する光の量の波長依存は入射する角度により異なる。また、本発明者の実験によると、半導体領域に入射した光は、光電変換領域に入射しなかった場合でも、確率的に光電変換領域に光電荷が流れ込む。

結果として、フォトダイオードの光電荷の発生率の波長依存、すなわち分光感度特性が入射角度により異なる結果となる。このことは画面内での色の均一性を悪化させる要因となる。

一方、本実施形態においては転送ゲートと蓄積領域を覆う電極１０２が一体となっており、蓄積領域全面を包含しているため、入射角度による分光感度の変化を抑制することができる。故に、本実施形態による固体撮像素子においては、撮像領域内の色の均一性が改善される。

さらに加えて、本実施形態では次の効果もある。斜めに光が入射される光学的な要因として、対物レンズのＦ値が挙げられる。撮影時において、よりたくさんの光を取り込むためには絞りを開放に近づけ、Ｆ値を小さくし撮影を行う。Ｆ値が小さくなると、ひとつのマイクロレンズに入射する光は、垂直入射のみならず、さまざまな角度から入射する光の総和となる。すなわち、Ｆ値を変えることにより入射する光の角度が変わることになる。上述の課題と同様の原理にて、Ｆ値によって画像の色みが変わってしまうという課題も生じる。本実施形態の固体撮像素子においては、この課題も軽減する効果を得ることができる。

図５は本実施形態による画素の等価回路図であり、図６は本実施形態による画素の駆動タイミング図である。半導体基板上には、複数の画素が設けられる。本実施形態による固体撮像素子の駆動方法について、図５及び図６を用いて説明する。７０１は蓄積領域であり、７０２は表面領域、７０３は電極、７０４はＦＤ領域、７０５はリセットトランジスタ、７０６はソースフォロワトランジスタであり、７０７は選択トランジスタである。蓄積の開始前に、信号φＲｅｓ及びφＴｘによりリセットトランジスタ７０５及び転送ゲート７０３をオンすることによりフォダイオード（蓄積領域）７０１を空にリセットする。蓄積の終了及びＣＤＳ動作は以下の駆動により行う。信号φＳｅｌにて選択トランジスタ７０７をオンし、読み出す行を選択した後、信号φＲｅｓにてリセットトランジスタ７０５をオンし、ＦＤ領域７０４をリセットする。そして、そのときのＶｏｕｔ電位を信号φＴｎにて読み出し、回路部のメモリ（図示せず）にサンプルホールドする。この時の信号がノイズ信号となる。次に、信号φＴｘにて転送ゲート７０３をオンし、蓄積領域７０１内の光電荷をＦＤ部７０４に転送した後、Ｖｏｕｔ電位を信号φＴｓにて読み出し回路部のメモリ（図示せず）にサンプルホールドする。この時の信号が画素信号となる。メモリに蓄えられた画素信号とノイズ信号の差分を算出することで、光電荷に相当する画素信号を読み出すことができる。

本実施形態の固体撮像素子の電荷の転送方法について説明する。なお、ここで扱う光電荷とは電子である。背景技術で述べた特許文献２の駆動との大きな違いは、ゲート電極（本実施形態では電極７０３）に印加する電位にある。特許文献２では蓄積中には光電荷をゲート絶縁膜界面に集めるための高い電位を与え、転送時には低い電位を与えているのに対して、本実施形態においては逆に蓄積中には低い電位を与えることで、ゲート絶縁膜界面付近に光電荷を溜めない。このことにより暗電流値を著しく低減する効果がある。本実施形態においては、光電荷の転送は電極７０３に高い電位を与えることで行う。

本実施形態にて光電荷の完全転送が可能となるメカニズムを図１及び図２を参照して説明する。表面領域１０５はＦＤ領域１０３と接する側には形成せず、ＦＤ領域１０３と離れた側に形成する。電極下活性領域１１１は、電極１０２の下の活性領域１１１である。ＦＤ領域１０３に近い側の電極下活性領域１１１は、電極１０２の電位によるポテンシャルの変調の影響を敏感に受ける。一方、表面領域１０５は半導体基板１０９と同じ導電型であり、半導体基板１０９と同電位に固定されるため、ＦＤ領域１０３に遠い側の電極下活性領域１１２は電極１０２の電位によるポテンシャルの変調の影響を受けにくい。よって、電極１０２に高い電位を与えた際には、光電荷はＦＤ領域１０３に遠い側の電極下活性領域１１２からＦＤ領域１０３に近い側の電極下活性領域１１１に移動する。さらにＦＤ領域１０３に高いリセット電位が与えられているので、光電荷はＦＤ領域１０３に転送される。

以上、本実施形態においては、小さな画素を形成した場合にもフォトダイオードの面積を確保することができ、感度、飽和が改善される。また、埋め込みフォトダイオード構造を実現できるため、暗電流が小さく、ノイズの少ない固体撮像素子の提供が可能となる。さらに、対物レンズを用いて撮像領域に結像した際にも、画面内の色の不均一性が抑制される。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態による固体撮像素子の上面図であり、図４は図３の固体撮像素子のｂ−ｂ’断面図である。各部品番号３０１から３１２は、それぞれ第１の実施形態における１０１から１１２と同じ部分を示す。また、画素の等価回路、駆動タイミングは第１の実施形態と同等のものを選択可能である。本実施形態の特徴は、電極３０２が活性領域３０１をオーバーラップして配置されている点である。本実施形態の構造においても第１の実施形態と同様に埋め込みフォトダイオード構造を実現することが可能であり、暗電流の抑制が可能である。さらに本実施形態では、電極３０２がＳＴＩエッジ部に乗っており、ＳＴＩエッジ部のポテンシャルを制御することが可能である。このことにより、ストレスの大きいＳＴＩエッジ部付近におけるマイノリティキャリア濃度を制御でき、暗電流値を低減することが可能となる。

加えて、本実施形態では以下の効果も得られる。本実施形態では電極３０２の面積をより大きくレイアウトすることが可能となり、感度、隣接画素へのクロストークの改善がはかれる。電極３０２の端部においては、入射光が側面において反射する現象や、回折する現象が確認されている。本実施形態では電極３０２の端部を第１の実施形態に比べ蓄積領域３０４の中心から、より遠くに配することが可能である。よって本実施形態では電極３０２端部の光学的な影響を抑制することができ、隣接画素へのクロストークを低減できる。効果は解像度を高めるのみならず、カラーフィルタを搭載した単板式カラー撮像素子においては色再現性を向上する結果となる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態による固体撮像素子のａ−ａ’断面図である。各部品番号９０１から９１２は、それぞれ第１の実施形態における１０１から１１２と同じ部分を示す。また、画素の等価回路、駆動タイミングは第１の実施形態と同等のものを選択可能である。本実施形態の特徴は、第１の表面領域９０５に加え、第２の表面領域９０５'が形成されている点である。

第２の表面領域９０５'は、第１の表面領域９０５より不純物濃度が薄くなっているか、あるいは深さが浅くなっている。電極９０２に高い電位を印加した際、第２の表面領域９０５'を空乏化させるか、あるいは反転層を形成可能にすることにより、第１の実施形態と同様に光電荷をＦＤ領域９０３に転送することが可能である。

本実施形態では第１の実施形態で得られた効果に加えて、フォトダイオードの埋め込み構造をより実現しやすく、蓄積中における暗電流を低減することが可能である。すなわち、第２の表面領域９０５'の埋め込み性が高いため、９０５'近傍での暗電流発生をより効果的に抑制することが可能となる。

上記第１〜３の実施形態においては、蓄積する光電荷は電子であったが、光電荷として正孔を蓄積することも可能である。この場合、各不純物拡散領域の極性を反転することにより形成が可能である。また、駆動パルスについては電位の高低を逆転することで正孔の完全転送が可能となる。この場合にも、本発明の第１〜第３の実施形態で得られた効果を得ることが可能である。

第１〜第３の実施形態による固体撮像素子によれば、画素サイズの微細化を行った場合においても十分な感度及び飽和を確保することができ、また完全転送型で、埋め込み型のフォトダイオードを実現することができる。すなわち、表面にゲート電極を配するフォトダイオード、埋め込みフォトダイオード構造、及び完全転送型フォトダイオードのすべてを満たす画素構造を実現することができる。これにより、小型、高精細な固体撮像素子において低ノイズ、高感度、広いダイナミックレンジの撮像が可能となる。

第１〜第３の実施形態の固体撮像素子は、半導体基板１０９等上に形成され、電荷を蓄積する第１の導電型の電荷蓄積領域１０４等を有する。第２の導電型の第１の表面領域１０５等は、電荷蓄積領域１０４等の少なくとも一部を覆って半導体基板１０９等の表面に形成される。第１の導電型のフローティングディフュージョン領域１０３等は、電荷を蓄積するための領域である。電極１０２等は、電荷蓄積領域１０４等の全面を覆い、半導体基板１０９等上にゲート絶縁膜１１０等を介して、電荷蓄積領域１０４等に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域１０３等に転送する。

電極１０２等は光が透過可能な膜厚である。電極１０２等の下は、フローティングディフュージョン領域１０３等から離れ第１の表面領域１０５等を有する部分と、フローティングディフュージョン領域１０３等に近く第１の表面領域１０５等を有しない部分とを有する。

また、電荷蓄積領域１０４等に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン領域１０３等に転送する期間中に、電極１０２等には前記電荷を半導体基板１０９等の表面側に引き寄せる電位を与える。また、電荷蓄積領域１０４等は、光電変換により生成された電荷を蓄積する。

第１及び第２の実施形態では、電極１０２の下において、フローティングディフュージョン領域１０３等に近く第１の表面領域１０５等を有しない部分（電極下活性領域１１１等）は、電荷蓄積領域１０４等と同じ導電型である。

また、第３の実施形態では、フローティングディフュージョン領域９０３に近く第１の表面領域９０５を有しない部分は、第２の表面領域９０５’である。電極９０２の下において、フローティングディフュージョン領域９０３に近く第１の表面領域９０５を有しない部分（第２の表面領域９０５’）は、フローティングディフュージョン領域９０３から離れ第１の表面領域９０５を有する部分に比べて不純物濃度が薄い。

第１〜第３の実施形態の固体撮像素子は、暗電流が少なくかつ、ＣＤＳ動作によるリセットノイズ除去が行え、低照度の撮影環境においても高いＳ／Ｎ比での撮影が可能である。また、画素サイズの微細化を行った場合においても十分な感度及び飽和を確保することができ、また完全転送型で、埋め込み型のフォトダイオードを実現することができる。そのため、小型、高精細な固体撮像素子において低ノイズ、高感度、広いダイナミックレンジの撮像が可能となる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０１、３０１、５０１、６０１ 活性領域
１０１'、３０１'、５０１'、６０１'、９０１' 素子分離領域
１０２、３０２、５０２、６０２、７０３、９０２ 電極
１０３、３０３、５０３、６０３、９０３ ＦＤ領域
１０４、３０４、５０４、６０４、７０１、９０４ 蓄積領域
１０５、３０５、５０５、６０５、７０２、９０５ 表面領域
９０５’ 第２の表面領域
１０６、１０７、３０６、３０７、５０６、５０７、６０６、６０７、９０６ コンタクトホール
１０８、３０８、５０８、６０８、９０８ フィールドストップ領域
１０９、３０９、５０９、６０９、９０９ 半導体基板
１１０、３１０、５１０、６１０、９１０ ゲート絶縁膜
１１１、３１１、５１１、６１１、９１１ ＦＤ領域に近い側の電極下活性領域
１１２、３１２、５１２、６１２、９１２ ＦＤ領域に遠い側の電極下活性領域
７０４ ＦＤ領域
７０５ リセットトランジスタ
７０６ ソースフォロワトランジスタ
７０７ 選択トランジスタ

Claims (4)

1. 半導体基板上に形成され、電荷を蓄積する第１の導電型の電荷蓄積領域と、
   前記電荷蓄積領域の少なくとも一部を覆って前記半導体基板の表面に形成された第２の導電型の第１の表面領域と、
   電荷を蓄積する第１の導電型のフローティングディフュージョン領域と、
   前記電荷蓄積領域の全面を覆い、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する電極とを有し、
   前記電極は光が透過可能な膜厚であり、
   前記電極の下は、前記フローティングディフュージョン領域から離れ前記第１の表面領域を有する部分と、前記フローティングディフュージョン領域に近く前記第１の表面領域を有しない部分とを有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記電極の下において、前記フローティングディフュージョン領域に近く前記第１の表面領域を有しない部分は、前記フローティングディフュージョン領域から離れ前記第１の表面領域を有する部分に比べて不純物濃度が薄いか、又は前記電荷蓄積領域と同じ導電型であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する期間中に、前記電極には前記電荷を前記半導体基板の表面側に引き寄せる電位を与えることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 前記電荷蓄積領域は、光電変換により生成された電荷を蓄積することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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