JP2011035382A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】１００万フレーム／秒程度以上ものきわめて高速度の撮影に対応した固体撮像素子において、撮影の高速性を損なわずに検出感度やＳ／Ｎを向上させる。
【解決手段】埋め込み型のフォトダイオードの受光面の端部に、転送ゲート電極１２を挟んでフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域１３を形成する。略扇形状の受光面の中に、ＦＤ領域１３を中心とした放射状の延出部を有する第１領域１１１とその外側の第２領域１１２とを設け、第１領域１１１に収集する信号電荷と同じ導電型の不純物を導入することにより、３次元電界効果によって、信号電荷を放射状の延出部から中心に向かわせる電界を形成することができる。その結果、電荷の転送時間が短縮される。また、ＦＤ領域１３に隣接して次段の回路素子を配設できるので、ＦＤ領域１３の寄生容量を小さくすることができ、高感度の素子を実現できる。
【選択図】図３
【解決手段】埋め込み型のフォトダイオードの受光面の端部に、転送ゲート電極１２を挟んでフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域１３を形成する。略扇形状の受光面の中に、ＦＤ領域１３を中心とした放射状の延出部を有する第１領域１１１とその外側の第２領域１１２とを設け、第１領域１１１に収集する信号電荷と同じ導電型の不純物を導入することにより、３次元電界効果によって、信号電荷を放射状の延出部から中心に向かわせる電界を形成することができる。その結果、電荷の転送時間が短縮される。また、ＦＤ領域１３に隣接して次段の回路素子を配設できるので、ＦＤ領域１３の寄生容量を小さくすることができ、高感度の素子を実現できる。
【選択図】図３
Description
本発明は固体撮像素子に関し、さらに詳しくは、破壊、爆発、燃焼などの高速の現象を撮影するために好適な高速動作可能な固体撮像素子に関する。
爆発、破壊、燃焼、衝突、放電などの高速の現象を、短時間だけ連続的に撮影するための高速撮影装置（高速ビデオカメラ）が従来より開発されている（非特許文献１など参照）。こうした高速撮影装置では、１００万フレーム／秒程度以上もの、きわめて高速度の撮影が必要である。そのため、従来一般的にビデオカメラやデジタルカメラなどに利用されている撮像素子とは異なる、特殊な構造を有する高速動作可能な固体撮像素子が利用されている。こうした固体撮像素子として、特許文献１などには、画素周辺記録型撮像素子と呼ばれる撮像素子が開示されている。この撮像素子は、素子外部に信号を読み出すことなく連続的に所定フレーム数記録可能な蓄積用ＣＣＤを備える。また、本願出願人は、素子外部に信号を読み出すことなく連続的に所定フレーム数の画像信号を記録可能なキャパシタを備えたＣＭＯＳ構造の撮像素子を、特許文献２などにおいて提案している。
こうした固体撮像素子では、一般に、光電変換を行うために埋め込み型のフォトダイオードが採用されている。上記のような高速撮影においては、フォトダイオードが露光される時間が一般の撮影に比べて非常に短いため、検出感度を確保するには各画素におけるフォトダイオードへの光の入射量をできるだけ増やす必要がある。そのため、フォトダイオードの受光面のサイズをできるだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、一般的な埋め込み型のフォトダイオード構造において受光面のサイズを大きくすると、フォトダイオードで生起された光電荷がフローティングディフュージョン領域に到達するまでに要する時間が無視できなくなり、一部の電荷は、予め決められた短い光電変換時間内にフローティングディフュージョン領域にまで到達することができない。そのために、本来そのフレームで読み出すべき電荷の一部が次のフレームで読み出されてしまい、残像現象が発生する。これが、高速動作に対応した固体撮像素子における画質劣化の大きな要因の１つである。
これに対し特許文献３、４などに記載の固体撮像素子では、埋め込み型のフォトダイオードの矩形状である受光面の略中央にフローティングディフュージョン領域を形成し、それを取り囲むように転送トランジスタのゲート電極を配置している。これにより、受光面からフローティングディフュージョン領域までの最大距離が短くなり、光電荷がフローティングディフュージョン領域に到達するまでに要する時間が短縮される。また、この固体撮像素子では、受光面の周辺部から中央部に向かって、つまりフローティングディフュージョン領域に向かってポテンシャル勾配を形成することにより、フォトダイオードで生成された光電荷が受光面の中央側に集まり易いようにしている。
しかしながら、上記の固体撮像素子では、電子を収集するフローティングディフュージョン領域を受光面の中央に配置しているために、一般的には、そのフローティングディフュージョン領域と受光面の外側に配置された領域とを金属等の配線で接続し、該配線を通して電荷を次段の回路へ送る必要がある。そうした配線は容量性負荷であるためフローティングディフュージョン領域の電荷電圧変換ゲインを低下させ、感度を低下させる。また、特許文献４のように、チャネル幅が中心から離れるに従って単純に狭くなる形状にすると、縦型オーバーフロードレインやクロストーク抑制等の目的のためにP-well/N-sub構造を用いたときに、チャネルの存在しない領域で発生した光電荷が基板方向に流れてしまい、感度が低下するという問題がある。
近藤ほか５名、「高速度ビデオカメラHyperVision HPV-1の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００５年９月３０日発行、第６２巻、第１・２号、ｐ．７９−８６
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、光電荷蓄積時間が短い場合であってもフォトダイオードで生起された光電荷を高い効率で信号に反映させることで、高感度で且つ残像が少なく、高速動作が可能な固体撮像素子を提供することにある。
上記課題を解決するために成された第１発明は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード、前記フォトダイオードで生成された電荷を収集・保持するフローティングディフュージョン領域、及び、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するために両者の間にゲートを有する転送トランジスタ、を少なくとも有する画素を、半導体基板上に複数備える固体撮像素子であって、
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる第１円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域全体と、該第１円弧から外方に放射状に延出しその先端が前記第１円弧と同心円状である第２円弧に接する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴としている。
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる第１円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域全体と、該第１円弧から外方に放射状に延出しその先端が前記第１円弧と同心円状である第２円弧に接する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴としている。
この第１発明に係る固体撮像素子において、前記延出部は、前記第１円弧から外方に、直線状に、弓状に湾曲して、又は、鈎状に屈曲して、延出するものとすることができる。
また上記課題を解決するために成された第２発明は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード、前記フォトダイオードで生成された電荷を収集・保持するフローティングディフュージョン領域、及び、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するために両者の間にゲートを有する転送トランジスタ、を少なくとも有する画素を、半導体基板上に複数備える固体撮像素子であって、
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域と、その円弧から外方に放射状に延出する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴としている。
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域と、その円弧から外方に放射状に延出する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴としている。
この第２発明に係る固体撮像素子において、前記複数の延出部は略同一の長さとするとよい。
第１、第２発明に係る固体撮像素子にあって、前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに、前記フローティングディフュージョン領域を中心とする扇形の領域内に前記転送ゲートを挟んで位置する構成とすることができる。
例えば第１の態様として、前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに、一直線上ではない２本の直線状の縁辺を有し、その２本の縁辺を延長した交点上に前記フローティングディフュージョン領域が配設されている構成とすることができる。この場合、上記の２本の縁辺を延長した交点においてその２本の延長線がなす角度は任意の角度とすることができる。
また第２の態様として、前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに一直線上に位置する２本の直線状の縁辺を有し、その２本の縁辺の中間位置に前記フローティングディフュージョン領域が配設されている構成としてもよい。即ち、この第２の態様は、第１の態様で除かれた、２本の縁辺を延長した交点においてその２本の延長線がなす角度が１８０°である場合に相当する。
また第３の態様として、前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに、縁辺から内方に凹みが形成された形状であり、その凹みの最も奥まった位置に前記フローティングディフュージョン領域が配設されている構成としてもよい。
なお、上述した「収集する信号電荷と同じ導電型の領域」は、収集する信号電荷が電子の場合、半導体基板上に積層形成された基体（通常、ｐ型ウエル）にイオン打ち込みなどにより、例えばリン、ヒ素、などの不純物を導入することによって形成されたｎ型領域である。
上記第１乃至第３の態様のいずれにおいても、フローティングディフュージョン領域は、平面視したときにその周囲がフォトダイオードの受光面で完全には囲まれておらず、少なくとも一部が半導体基板上に積層形成された基体に面している。したがって、フローティングディフュージョン領域に面した上記基体に、該フローティングディフュージョン領域で収集された電荷をリセット及び増幅する領域を連続的に又は隣接して設けることができる。これにより、フローティングディフュージョン領域の容量（キャパシタンス）を小さくすることができ、感度の低下を回避することができる。
第１、第２発明に係る固体撮像素子においては、フォトダイオードの受光面全体で光電荷は発生するが、収集する信号電荷が電子の場合、放射状に延出したｎ型不純物領域同士の間隙が狭ければ、水平方向の電界効果によって、ｐ型不純物領域内で発生した光電荷（電子）がP-well内を拡散して基板に到達する可能性に比べて、放射状に延出したｎ型不純物領域に到達する可能性のほうが高くなる。
また、放射状に延出したｎ型不純物領域は、その先端部がｐ型不純物領域に囲まれているので、３次元的な電界効果によって、転送ゲート近傍のｎ型不純物領域と比べてポテンシャルが浅く（電位が低く）なる。このため、周辺部から中心部に向かってポテンシャルが深く（電位が高く）なる方向の電界が生じ、光電荷を効率よく中心部に移動させることができる。この場合、放射状に延出したｎ型不純物領域は、必ずしも先端部に向かうに従って幅を狭くした形状とする必要はない。
こうしたことから、第１、第２発明に係る固体撮像素子によれば、光電荷が基板に流出し易い、信号電荷とは反対の導電型である不純物領域の面積を抑制しながら、周囲から中心（フローティングディフュージョン領域）に向かって信号電荷が移動する方向の電界を効率よく形成することができる。
この場合、上記延出部は、平面視したときに、根元から先端に向かって幅が狭くなる形状としてもよい。延出部の幅を先端に向かって狭くすると、狭チャネル効果によってポテンシャルの勾配が急になる。そうすると電荷の移動速度が上がり、電荷がフローティングディフュージョン領域に到達するまでの時間を短縮するのに有利である。
一方、延出部の幅を狭くすると、逆に、隣接する延出部の間隔が広くなって、外側の領域で発生した電荷が上記の収集する信号電荷と同じ導電型の不純物領域に到達せずに基板に流出する可能性が高くなる。そこで、これを避けるために、前記延出部を、平面視したときに、先端を挟んだ両縁辺が同方向に弓状に湾曲した形状、又は鈎状に屈曲した形状とするとよい。これにより、中心へ向かう電界強度を維持しながら、信号電荷と同じ導電型である不純物領域の面積が増大する一方、反対導電型の不純物領域の面積が小さくなるので電荷の収集効率が向上する。また、複数の延出部の全てが同じ方向に湾曲或いは屈曲した形状でなくても（例えば、鏡面対称のような形状でも）、実質的に十分な効率で電荷を収集することができる。
なお、第１、第２発明に係る固体撮像素子では、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されている前記領域の中で、前記フローティングディフュージョン領域に向かって信号電荷が移動しやすいように、ポテンシャルの深さが相違する領域が複数形成されている構成としてもよい。このようなポテンシャル深さの相違する領域は、複数のフォトマスクを用いて基体への不純物イオンの打ち込み深さや不純物濃度を変えることにより容易に形成することができる。これにより、ポテンシャルの勾配を一層急にして、電荷の移動速度を上げることができる。
第１及び第２発明に係る固体撮像素子によれば、転送トランジスタがオンしてゲートが開いた際に、フォトダイオードの受光面で発生した電荷を効率良く且つ短い時間でフローティングディフュージョン領域に転送することができるとともに、フローティングディフュージョン領域に収集した電荷をスムーズに且つ高速で次段の回路へと送ることができる。これにより、撮影の高速性を損なわずに検出感度やＳ／Ｎを向上させることができる。
本発明に係る固体撮像素子の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
本実施例による固体撮像素子の全体の構成及び構造は、例えば特許文献２に記載のような従来のＣＭＯＳ構造の高速撮影用固体撮像素子と同様である。以下、本実施例の固体撮像素子の特徴である各画素を構成する要素の構造や形状、特に光電変換部の構造や形状について詳細に説明する。
本実施例による固体撮像素子の全体の構成及び構造は、例えば特許文献２に記載のような従来のＣＭＯＳ構造の高速撮影用固体撮像素子と同様である。以下、本実施例の固体撮像素子の特徴である各画素を構成する要素の構造や形状、特に光電変換部の構造や形状について詳細に説明する。
図１は、本実施例の固体撮像素子における１個の画素１の回路構成図である。１個の画素１は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１に近接して設けられた光電荷を転送するための転送トランジスタ１２と、転送トランジスタ１２を介してフォトダイオード１１に接続され、光電荷を一時的に蓄積するとともに電圧信号に変換するフローティングディフュージョン領域１３と、フローティングディフュージョン領域の電位をリセットするためのリセットトランジスタ１４と、信号電荷量を増幅するための増幅トランジスタ１５と、画素を選択するための選択トランジスタ１６と、を含む。画素信号が読み出される出力ライン２は図示しない領域まで延伸され、垂直信号線又は画素信号を記憶するためのキャパシタなどに接続される。
各画素１における光電変換ゲインを上げるためには、光電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン領域１３の容量はできるだけ小さいほうがよい。
図１中、フォトダイオード１１、転送トランジスタ１２、及びフローティングディフュージョン領域１３が光電変換部１０であり、この光電変換部１０が特徴的な構造を有している。図３は光電変換部１０のレイアウトパターンを示す平面図であり、（ａ）が基本的なパターンであって、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）を拡張したパターンである。図２は図３（ａ）中のＡ−Ａ’矢視線の概略縦断面図である。
フォトダイオード１１は埋め込みフォトダイオード構造である。即ち、図２に示すように、ｎ型シリコン半導体基板（N-sub）５０上に所定厚さのｐ型ウエル（P-well）領域５１が形成され、このｐ型ウエル領域５１中にｎ型半導体領域５２が形成される。このｎ型半導体領域５２の表層にｐ＋型半導体領域５３が形成され、このｎ型半導体領域５２とｐ＋型半導体領域５３とのｐｎ接合により埋め込み型のフォトダイオード１１が構成される。図３（ａ）に示すように、フォトダイオード１１は、平面視したときに、その全体が略扇形状であって、その１つの角がその頂点を中心とした１／４円形状に欠損した形状の受光面となっている。
上記１／４円形状の欠損部にはｎ型半導体領域５２が形成されておらず、その内側の１／４円形状の範囲において、ｐ型ウエル領域５１の表層にｎ＋型半導体領域５４が形成され、これがフローティングディフュージョン領域１３となる。このｎ＋型半導体領域５４であるフローティングディフュージョン領域１３とｎ型半導体領域５２との間に、表層の絶縁膜を介してポリシリコンなどから成る環状のゲート電極１２ａが形成され、これが転送トランジスタ１２を構成している。
図３（ａ）に示すように、平面視したときに略扇形状のフォトダイオード１１の受光面は２つの領域に分けられている。その２つの領域とは、フローティングディフュージョン領域１３を中心とした、つまりは、フローティングディフュージョン領域１３を挟んだ、フォトダイオード１１の受光面の２本の直線的な縁辺の延長線の交点Ｐを中心として描かれる円弧（第１円弧）Ｑ１の内側の領域、及びその円弧Ｑ１から外方に延出し、先端が交点Ｐを中心として描かれる円弧（第２円弧）Ｑ２に内接した複数の延出部からなる第１領域１１１と、その複数の延出部にあって周方向に隣接する延出部に挟まれる第２領域１１２と、である。各延出部は、円弧Ｑ１に接した根元の部分から円弧Ｑ２に接した先端に向かって放射状に延びており、全ての延出部の長さはほぼ同一となっている。
第１領域１１１及び第２領域１１２はいずれも受光面であるが、第１領域１１１は収集する信号電荷と同じ導電型の不純物領域であり、その間隙である第２領域１１２は信号電荷とは反対の導電型の不純物領域となっている。このような不純物領域の相違は、通常、フォトマスクを使用し、リン、ヒ素、ホウ素などの不純物の打ち込みを選択的に行うことで容易に実現することができる。その結果、延出部は信号電荷と反対の導電型の不純物領域で囲まれることになるため、３次元的な電界効果により、円弧Ｑ１の内側の部分と比べてポテンシャルエネルギーが高くなる。つまり、円弧Ｑ１から外側に放射状に延びる延出部と円弧Ｑ１の内側とではポテンシャルの段差が生じ、これにより扇形状のフォトダイオードの外側（周辺部）から中心部へ向かうポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配は、全体として、フォトダイオード１１の受光面上でフローティングディフュージョン領域１３より遠く離れた位置から該フローティングディフュージョン領域１３へと信号電荷を移動させる作用を持つ勾配である。具体的なポテンシャル勾配の形状は後述する。
上記構成の光電変換部１０において、フォトダイオード１１の受光面に光が入射してｐｎ接合付近で発生した電荷は、上記のようなポテンシャル勾配によってフローティングディフュージョン領域１３へと向かうように加速され、転送トランジスタ１２のゲート電極１２ａが閉じた状態ではこのゲート電極１２ａの周囲に集まる。そして、ゲート電極１２ａが開くと、電荷は一斉にフローティングディフュージョン領域１３へと転送され、画素信号に反映される。第２領域１１２内ではポテンシャルはほぼ平坦であるため、ここで発生した電荷の移動速度は遅い。しかしながら、第１領域１１１は複数の延出部が放射状に延出した形状であるため、第２領域１１２内のどの位置からも第１領域１１１までの移動距離が比較的短く、電荷は短時間で第１領域１１１に到達する。そして、電荷が第１領域１１１に到達すると、上述した急なポテンシャル勾配によって加速され、短時間でゲート電極１２ａの周囲に集まることになる。そのため、ゲート電極１２ａを開いたときに、電荷を効率良くフローティングディフュージョン領域１３へと転送することができる。
なお、光が入射している期間中にも転送トランジスタ１２がオン状態に維持される場合には、ポテンシャル勾配に従ってゲート電極１２ａの周囲に集まってきた光電荷はそのままゲート電極１２ａ直下の領域を経てフローティングディフュージョン領域１３に流れ込む。したがって、いずれにしても、フォトダイオード１１で生成された光電荷を高い効率で且つ迅速にフローティングディフュージョン領域１３に転送することができる。
このように、フォトダイオード１１の受光面上のいずれの位置で発生した光電荷についてもフローティングディフュージョン領域１３に到達するまでの時間が短くなり、光電荷の蓄積動作に割り当てられる時間が短い場合でも、フローティングディフュージョン領域１３に到達できない光電荷を少なくすることができる。その結果、信号電荷読出し時にフォトダイオード１１に残存する電荷量を低減することができ、残像を抑制して画質を改善することができる。
また、フローティングディフュージョン領域１３はフォトダイオード１１の受光面の端部に位置している。そのため、図２、図３（ａ）には記載していないが、フローティングディフュージョン領域１３に隣接して、リセットトランジスタ１４や増幅トランジスタ１５を配設することができる。したがって、フローティングディフュージョン領域１３の容量を小さくすることができ、電荷電圧変換ゲインを大きくすることができるので、高い感度を実現することができる。
前述したように図３（ａ）は素子の基本的なレイアウトパターンであるが、これを２つ連結したレイアウトパターン（図３（ｂ）参照）、３つ連結したレイアウトパターン（図３（ｃ）参照）でも、同様の効果を奏することは明らかである。また、図３（ｄ）に示すように、図３（ａ）に示した基本的なレイアウトパターンを４つ連結し、フォトダイオード１１の受光面の一部を周縁辺から内方に凹むように欠損部１１３を形成することで、フローティングディフュージョン領域１３の側方にゲート電極１２ａ、ｎ型半導体領域５２及びｐ＋型半導体領域５３が存在しない部分を設けるようにしてもよい。これも、フォトダイオード１１の受光面の端部にフローティングディフュージョン領域１３を配置した構成の一種であるとみることができる。
本発明に係る固体撮像素子において、上記実施例で説明した、図３（ａ）に示した光電変換部の基本的なレイアウトパターンは様々な形状に変形が可能である。図４は後述するシミュレーションのために検討した第１乃至第５の素子形状（レイアウトパターン）を示す平面図であり、上記の図３（ａ）に相当するものは図４（ｄ）に示した第４の素子形状である。それ以外の図４（ａ）〜（ｅ）に示したようなレイアウトパターンのいずれかを採用し、さらに図３（ａ）〜（ｄ）に示したように、基本的なレイアウトパターンをそのまま利用するほか、扇形の中心角を任意の角度に設定したレイアウトを採用することができる。
図４（ａ）に示した第１の素子形状は、フォトダイオード１１の受光面の中で、交点（原点）Ｐを中心とする円弧Ｑ２の内側を、フローティングディフュージョン領域１３及びゲート電極１２ａの部分を除いて、信号電荷と同じ導電型の不純物濃度がほぼ均一になるように形成したものである。図４（ｂ）に示した第２の素子形状は、第１領域１１１の中で交点Ｐを中心とする円弧Ｑ１の内側と外側とで領域（１１１ａ、１１１ｂ）を分け、その内側の領域１１１ａは外側の領域（内側の円弧Ｑ１と外側の円弧Ｑ２とで挟まれた領域）１１１ｂに比べて信号電荷と同じ導電型の不純物濃度を高くしている。この場合、内側の領域１１１ａと外側の領域１１１ｂとの境界線でもポテンシャルの段差が形成される。
なお、図４（ａ）及び（ｂ）では第１領域１１１の外側の境界線が円弧ではなく多角形状になっているが、これはシミュレーションの計算上、円弧とするのが困難であるためであって、実質的には円弧と同等である。
図４（ｃ）に示した第３の素子形状は、基本的には図４（ｄ）に示した第４の素子形状と同じであるが、放射状の延出部の幅の狭まり具合をより強くしている。また、図４（ｅ）に示した第５の素子形状は、第４の素子形状を元に、円弧Ｑ１に対する延出部接合部（根元）からの距離に比例した角度でもって延出部を反時計回りに回転させて形成した形状（つまりは弓状に湾曲した形状）である。この形状では、第４の素子形状と同程度のチャネル面積を有するが、延出部のチャネルは第４の素子形状と比べて先端に向かうに従ってより幅が狭まる形状になっている。これら素子形状の相違による電位分布の相違は、次のシミュレーション結果の説明より明らかである。
次に、上述した５種類の素子形状についてのシミュレーション計算について説明する。シミュレーションでは、図４中に示したサイズのレイアウトパターンを仮定し、いずれもＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに反射型の境界条件とした。より具体的には、原点（交点Ｐ）を中心として半径６[μm]よりも外側の範囲のフェルミレベルを浅く設定して、この領域に電子が約１×１０4個存在する状態を初期状態とする。そして、転送トランジスタ１２のゲート電極１２ａに３[Ｖ]を印加した状態（ゲート電極１２ａが開いた状態）を維持して、１０[nsec]が経過した時点までの電子の移動状態をシミュレーションにより解析した。
図５〜図９はそれぞれ、第１乃至第５の素子形状における終状態（１０[nsec]経過時点）での電位分布を示す２次元ポテンシャル等高線図である。図５〜図９において、等電位線は０．１[Ｖ]刻みである。図１０〜図１４はそれぞれ、第１乃至第５の素子形状における終状態での電位分布を示すポテンシャル鳥瞰図である。また、図１５は、第１乃至第５の素子形状の電子転送シミュレーション結果を示す図であり、横軸は時間経過、縦軸はフローティングディフュージョン領域１３からみてゲート電極１２ａよりも外側の範囲に残存している電子の割合を示している。また、図１６は第１乃至第５の素子形状の感度をシミュレーションした結果であり、横軸は素子形状の番号を、縦軸は第１の素子形状の場合を１としたときの相対感度を示している。
蓄積電荷量として電子が数万個である状態を想定すると、図１５から、第２乃至第５の素子形状では、１０[nsec]経過するまでにフォトダイオード１１からフローティングディフュージョン領域１３への転送が完了することが分かる。一方、第１の素子形状では、フォトダイオード１１からフローティングディフュージョン領域１３への転送が完了するまでに、その３倍から１０倍程度の時間を要することが推定される。これは、図５〜図１４の結果を見れば明らかなように、第１領域１１１の中でゲート電極１２ａに近い範囲でのポテンシャル勾配が緩やかであるためと考えられる。また、第３の素子形状と第４の素子形状とを比較すると、前者のほうが転送時間は短くなるが、第１領域１１１の延出部の間隔が拡がるために電荷の収集効率が劣り、図１６に示すように感度の点では不利であると言える。
また、図４（ｅ）に示した、延出部が湾曲した第５の素子形状を用いると、第４の形状と比べてほぼ等しい感度が得られ、先端に向かうに従ってチャネルが狭くなる形状であるために狭チャネル効果によってフローティングディフュージョン領域に向かう電界が強くなり、転送時間を短くすることができることが分かる。
また、本発明に係る固体撮像素子において、光電変換部のさらに別のレイアウトパターンを図１７〜図２０に示す。図１７及び図１８は図４（ｅ）に示した第５の素子形状の変形例である。図１７は、第１領域１１１における延出部が湾曲形状ではなく、延出方向の１箇所で折れ曲がった屈曲形状になったものである。また、図１８は、第１領域１１１における延出部が、延出方向の２箇所で互いに異なる方向に折れ曲がった屈曲形状になったものである。複数の延出部のそれぞれをこのような形状としても、延出部が湾曲状である場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、延出部が湾曲する又は屈曲する方向は全てが同じ方向である必要はない。例えば図１９は、交点Ｐを通過する直線Ｃを中心に左右のレイアウトが鏡面対称に形成された例である。このような配置の場合、一部の延出部の間隙は広くなるものの、その影響は全体からみれば小さいので、全ての延出部が同方向に湾曲又は屈曲するようにした配置とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、図４（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、図１７〜図１９に示したレイアウトではいずれも、内側の円弧Ｑ１から放射状に延出した延出部の先端が円弧Ｑ１と同心的である円弧Ｑ２に接しているが、必ずしも延出部の先端は円弧Ｑ２に接しなくてもよい。図２０に示した例では、円弧Ｑ１から放射状に延びる延出部の形状（屈曲の仕方）はそれぞれ相違しており、それら延出部の先端は或る円弧は接しない。ただし、ここでは、各延出部の長さをほぼ同一にすることにより、延出部の先端で収集された電荷が円弧Ｑ１内に到達するまでの移動距離を揃えるようにしている。これにより、延出部毎の電荷移動時間のばらつきが小さくなり、電荷収集効率を上げるのに有利である。もちろん、延出部の長さや太さ、屈曲や湾曲の仕方は、周辺の状況（例えば素子の占有スペース等）に応じて、延出部毎に異なるようにしてもよい。
なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。例えば、信号電荷及び不純物の導電型を上記説明と反対にしても同様の作用・効果を奏することは明らかである。
１…画素
１０…光電変換部
１１…フォトダイオード
１１１、１１１ａ、１１１ｂ…第１領域
１１２…第２領域
１１３…欠損部
１２…転送トランジスタ
１２ａ…ゲート電極
１３…フローティングディフュージョン領域
１４…リセットトランジスタ
１５…増幅トランジスタ
１６…選択トランジスタ
２…出力ライン
５０…ｎ型シリコン半導体基板
５１…ｐ型ウエル領域
５２…ｎ型半導体領域
５３…ｐ＋型半導体領域
５４…ｎ＋型半導体領域
１０…光電変換部
１１…フォトダイオード
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１１２…第２領域
１１３…欠損部
１２…転送トランジスタ
１２ａ…ゲート電極
１３…フローティングディフュージョン領域
１４…リセットトランジスタ
１５…増幅トランジスタ
１６…選択トランジスタ
２…出力ライン
５０…ｎ型シリコン半導体基板
５１…ｐ型ウエル領域
５２…ｎ型半導体領域
５３…ｐ＋型半導体領域
５４…ｎ＋型半導体領域
Claims (8)
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード、前記フォトダイオードで生成された電荷を収集・保持するフローティングディフュージョン領域、及び、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するために両者の間にゲートを有する転送トランジスタ、を少なくとも有する画素を、半導体基板上に複数備える固体撮像素子であって、
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる第１円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域全体と、該第１円弧から外方に放射状に延出しその先端が前記第１円弧と同心円状である第２円弧に接する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記延出部は、前記第１円弧から外方に、直線状に、弓状に湾曲して、又は、鈎状に屈曲して、延出するものであることを特徴とする固体撮像素子。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード、前記フォトダイオードで生成された電荷を収集・保持するフローティングディフュージョン領域、及び、前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するために両者の間にゲートを有する転送トランジスタ、を少なくとも有する画素を、半導体基板上に複数備える固体撮像素子であって、
前記フローティングディフュージョン領域は前記フォトダイオードの受光面の端部に配置され、該フォトダイオードの受光面の中で、前記フローティングディフュージョン領域を中心として描かれる円弧の内側で且つ転送ゲートの外側の領域と、その円弧から外方に放射状に延出する複数の延出部の内側の領域とが、収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項３に記載の固体撮像素子であって、
前記複数の延出部は略同一の長さであることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項１又は３に記載の固体撮像素子であって、
前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに、前記フローティングディフュージョン領域を中心とする扇形の領域内に前記転送ゲートを挟んで位置することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項１又は３に記載の固体撮像素子であって、
前記フォトダイオードの受光面は、平面視したときに、縁辺から内方に凹みが形成された形状であり、その凹みの最も奥まった位置に前記フローティングディフュージョン領域が配設されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
前記延出部は、平面視したときに、根元から先端に向かって幅が狭くなる形状であることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
収集する信号電荷と同じ導電型の領域として形成されている前記領域の中で、前記フローティングディフュージョン領域に近いほどポテンシャルが深くなるように、ポテンシャルの深さが異なる不純物領域が複数形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
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