JP2012124213A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】有効画素部の黒沈みやリニアリティを向上することで画質を向上した固体撮像素子を提供する。
【解決手段】画素となる複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードから読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電極が設けられた有効画素部と前記有効画素部の周囲に設けられ遮光されたオプティカルブラック部と、を備える。オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とＮ＋型半導体層が形成された不問オプティカルブラック部と、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの基準信号を出力するクランプオプティカルブラック部と、を有する。上記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極の幅／読み出し電極の幅が、前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部の各垂直転送電極の幅／各読み出し電極幅より広く形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

従来、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどにおいて、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳイメージセンサで構成された固体撮像素子が広く使用されている。

ＣＣＤ型の固体撮像素子は、画素となるフォトダイオードをマトリックス状に配し、各フォトダイオードからの信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、垂直転送した信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、出力部とを備えている。

また、ＣＣＤ型固体撮像素子では、フォトダイオードを配した有効画素部と、黒レベルを規定するためのオプティカルブラック部（以下、ＯＰＢ部という）とからなる撮像部が構成される。

ＯＰＢ部は、有効画素部の周囲に形成される不問オプティカルブラック部（以下、不問ＯＰＢ部という）と、黒レベルの基準信号を規定するためのクランプオプティカルブラック部（以下、クランプＯＰＢ部という）とを備えている。

さらに、固体撮像素子について、図２に示す各断面構造を基に詳細に説明する。図２（ａ）は有効画素部及び不問ＯＰＢ部の断面構造を示す図、図２（ｃ）はクランプＯＰＢ部の断面構造を示す図である。なお、有効画素部及び不問ＯＰＢ部の断面構造については、従来と本発明とが同一構造であるため、同一符号を付して、共通図面としての図２（ａ）を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように、有効画素部１１の構造は、Ｎ型半導体基板２１の開口３２側にＰ＋型の正孔蓄積層２４が形成され、正孔蓄積層２４の直下にＮ＋型の半導体層２３が形成され、これら２層によりフォトダイオード２が形成される。

有効画素部１１には、各フォトダイオード２に、Ｐ＋型の読み出しゲート部２５やＮ＋型の垂直ＣＣＤレジスタ部２６やチャネルストップ部２７が形成される。

また、隣り合うフォトダイオード２，２間には、チャネルストップ部２７の中央領域から読み出しゲート部２５の端部まで領域の直上に読み出し電極２８が形成され、さらに読み出し電極２８が層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で覆われている。

有効画素部１１に隣接した不問ＯＰＢ部１２は、フォトダイオード２に相当するＰ＋型の正孔蓄積層２４とＮ＋型半導体層２３とが形成された状態でさらに、正孔蓄積層２４上の全面が層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で覆われている。

一方、図２（ｃ）に示すように、クランプＯＰＢ部１１３は、不問ＯＰＢ部１２と同様に正孔蓄積層２４上の全面が遮光膜３１で覆われた構造である。クランプＯＰＢ部１１３が不問ＯＰＢ部１２と異なる点は、正孔蓄積層２４下にＮ＋型半導体層２３が形成されずフォトダイオードとして機能しない構造である。

クランプＯＰＢ部１１３では、例えばフォトダイオードを形成してしまうと、フォトダイオードで発生するノイズとしての白点がバラつくことで、黒レベルの基準信号が安定しなくなり、結果として固体撮像素子における画質が劣化してしまう。このような画質劣化を防ぐために、クランプＯＰＢ部では、フォトダイオードを構成するＮ＋型半導体層を設けない構造としている。

ところで、有効画素部１１や不問ＯＰＢ部１２では、フォトダイオード２として機能するＮ＋型半導体層２３を設けることで、チャネルストップ部２７の領域のうち読み出し電極２８が上に乗っていない領域ではポテンシャルが緩和されることとなる。その結果、電界も緩和されるため、ブレークダウンが起きにくい構造となる。

また、有効画素部１１における読み出し電極２８及び垂直転送電極２９の幅Ａと、不問ＯＰＢ部１２の読み出し電極２８及び垂直転送電極２９の幅Ｂと、クランプＯＰＢ部１１３の読み出し電極２８及び垂直転送電極２９の幅Ｃ１は、等しく形成される（例えば、特許文献１参照。）。

隣り合う一方のフォトダイオード２と他方のフォトダイオード２との間においては、読み出しゲート部と逆側にあるチャネルストップ側の垂直転送電極の端部と読み出し電極の端部は、チャネルストップ部２７上の一部領域を読み出し電極で覆わない構造としている。すなわち、他方のフォトダイオード２から信号電荷が読み出される際に、一方のフォトダイオード２からの信号電荷が混ざり合わないようにするために、チャネルストップ部２７上の一部領域を覆わないようにしている。

特開２００１−１４４２８０号公報

チャネルストップ部の領域のうち読み出し電極が上に乗っていない領域では、Ｐ＋型正孔蓄積層の一部がＰ＋型チャネルストップ内に形成されることにより、表面ポテンシャルが高濃度のＰ＋＋となる。このようになることで、読み出し電極に電圧を印加してフォトダイオードの信号電荷を読み出す際に、ポテンシャルの変動が小さくなる。

一方、読み出し電極下の垂直転送レジスタのポテンシャルは、読み出し電圧によって大きく変動することとなる。このとき、有効画素部や不問ＯＰＢ部やクランプＯＰＢ部のうちクランプＯＰＢ部のみに、読み出し電極の端部付近で強電界が生じて、ブレークダウンが起こり、この強電界に起因したノイズが発生してしまう。

このノイズが発生すると、クランプＯＰＢ部から出力される黒レベルとしての基準信号が真の黒レベルの基準信号より大きくなる。このため、疑似的に大きな基準信号を基準にして有効画素部の画素信号との差分を得る際に実質的に小さい差分値となってしまう。結果、正しい差分値が得られないために、有効画素部の明るさが暗くなる黒沈みや照射光量と画素出力とのリニアリティの悪化を招いていた。

そこで、本発明は、有効画素部の黒沈みやリニアリティを向上することで画質を向上した固体撮像素子を提供することを目的とする。

そこで、かかる目的を達成すべく、請求項１に記載の発明は、画素となる光電変換をする複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードから読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電極が設けられた有効画素部と前記有効画素部の周囲に設けられ遮光されたオプティカルブラック部と、を備え、前記オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とＮ＋型半導体層が形成された不問オプティカルブラック部と、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの基準信号を出力するクランプオプティカルブラック部と、を有し、上記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極の幅／読み出し電極の幅が、前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部の各垂直転送電極の幅／各読み出し電極幅より広く形成される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とN＋型半導体層とが形成され、フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成され、前記クランプオプティカルブラック部は、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の黒レベルの信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成され、一方の正孔蓄積層とチャネルストップ部とのそれぞれの境が重ならないように形成される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、前記クランプオプティカルブラック部の一方の正孔蓄積層上の一部を覆うように前記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極／読み出し電極が形成される。

本発明によれば、クランプＯＰＢ部の読み出し電圧に起因するノイズの発生を抑えることができ、クランプＯＰＢ部が正しい黒レベルの基準信号としての出力を設定できるため、有効画素部の黒沈みやリニアリティを向上し、画質を良好なものとすることができる。

本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の構造を示す平面図である。 （ａ）図１に示す固体撮像素子を切断した有効画素部及び不問ＯＰＢ部の断面構造を示す図である。（ｂ）図１に示す固体撮像素子を切断したクランプＯＰＢ部の断面構造を示す図である。（ｃ）従来の不問ＯＰＢ部の断面構造を示す図である。 他のクランプＯＰＢ部の断面構造を示す図である。

本発明に係る固体撮像素子は、画素となる光電変換をする複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードから読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電極が設けられた有効画素部と前記有効画素部の周囲に設けられ遮光されたオプティカルブラック部と、を備えている。

オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とＮ＋型半導体層が形成された不問オプティカルブラック部と、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの基準信号を出力するクランプオプティカルブラック部と、を有している。

上記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極の幅／読み出し電極の幅が、前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部の各垂直転送電極の幅／各読み出し電極幅より広く形成される。

また、有効画素部や前記不問オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とN＋型半導体層とが形成される。また、フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成されている。

クランプオプティカルブラック部は、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の黒レベルの信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成される。また、一方の正孔蓄積層とチャネルストップ部とのそれぞれの境が重ならないように形成される

このような構成とすることにより、クランプＯＰＢ部の読み出し電圧に起因するノイズの発生を抑えることができる。さらに、クランプＯＰＢ部が正しい黒レベルの基準信号としての出力を設定できるため、有効画素部の黒沈みやリニアリティを向上し、画質を良好なものとすることができる。

また、前記クランプオプティカルブラック部のチャネルストップ部より正孔蓄積層側に張り出すように前記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極／読み出し電極が形成されるようにしてもよい。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の構造を示す平面図である。なお、図１の固体撮像素子は、一例として５×５のフォトダイオードを示している。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１は、画素となるフォトダイオード２と、各フォトダイオード２の信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタ３とを有している。さらに、これら垂直転送レジスタ３によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ４と、各信号電荷を出力する出力部５とを有している。

また、ＣＣＤ型固体撮像素子１では、複数のフォトダイオードをマトリックス状に配列した有効画素部１１と、黒レベルを規定するためのオプティカルブラック部（以下、ＯＰＢ部という）とからなる撮像部１０が構成される。

ＯＰＢ部は、有効画素部１１の周囲に形成される不問オプティカルブラック部１２（以下、不問ＯＰＢ部という）と、黒レベルの基準信号を規定するためにクランプオプティカルブラック部１３（以下、クランプＯＰＢ部という）とを備えている。

クランプＯＰＢ部１３は、不問ＯＰＢ部１２の両側部のうちの一側部側に設けられる。本例では、不問ＯＰＢ部１２の右側部側にクランプＯＰＢ部１３が設けられる。

図２の各断面構造を参照しながら固体撮像素子の構造について説明する。図２（ａ）は図１に示す固体撮像素子を切断した有効画素部及び不問ＯＰＢ部の断面構造を示す図である。図２（ｂ）は図１に示す固体撮像素子を切断したクランプＯＰＢ部の断面構造を示す図である。本実施形態の固体撮像素子は、ＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明する。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子１は、Ｎ型の半導体基板２１にＰ型のウェル層２２が形成され、このＰ型のウェル層２２にＮ＋型半導体層２３とその表面のＰ型正孔蓄積層２４とにより形成されたフォトダイオード２を備えている。

図２（ａ）に示すように、有効画素部１１においては、フォトダイオード２がマトリックス状に形成され、Ｐ型のウェル層２２にフォトダイオード２からの信号電荷を読み出すＰ＋型の読み出しゲート部２５が形成される。また、読み出しゲート部２５の横には、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６が形成される。

さらに、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６の側部には、素子分離となるＰ＋型チャネルストップ部２７が形成される。

また、隣り合うフォトダイオード２，２間においては、チャネルストップ部２７の中央領域から読み出しゲート部２５の端部まで領域の直上に読み出し電極２８及び垂直転送レジスタとしての垂直転送電極２９が形成されている。

さらに、読み出し電極２８が層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で覆われている。そして、フォトダイオード２上に開口３２が形成され、この開口３２を通じてフォトダイオード２で受光を行い、受光量に応じた信号電荷がフォトダイオード２によって発生する。

不問ＯＰＢ部１２においては、有効画素部１１と同様にフォトダイオードに相当するＮ＋型半導体層２３とその表面側にＰ＋型の正孔蓄積層２４が形成される。

さらに、Ｐ型のウェル層２２に遮光されたフォトダイオード２からの信号電荷を読み出すＰ＋型の読み出しゲート部２５が形成され、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６が形成される。

また、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６の側部には、素子分離となるＰ＋型チャネルストップ部２７が形成される。

隣り合うフォトダイオード２，２間においては、チャネルストップ部２７の中央領域から読み出しゲート部２５の端部まで領域の直上に読み出し電極２８及び垂直転送レジスタ３としての垂直転送電極２９が形成されている。

さらに、読み出し電極２８が層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で覆われている。いわゆる、フォトダイオード２上は、光が入射しないように層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で全面覆われている。

これら遮光膜３１は、ＡＬやＷ等の遮光性の高い金属から構成される。また、層間絶縁膜３０はＳｉＯ、ＳｉＮ等で構成される。読み出し電極２８及び垂直転送電極２９は、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで構成される。

図２（ｂ）に示すように、クランプＯＰＢ部１３においては、表面側にＰ＋型の正孔蓄積層２４が形成され、Ｐ＋型の読み出しゲート部２５が形成され、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６が形成される。

また、Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ２６の側部には、素子分離となるＰ＋型チャネルストップ部２７が形成される。

なお、正孔蓄積層２４の端部とチャネルストップ部２７の端部との境が重ならないようにＰ型正孔蓄積層２４が形成されている。

隣り合う正孔蓄積層２４，２４間においては、一方の正孔蓄積層２４の端部とチャネルストップ部２７の端部との境から他方の読み出しゲート部２５の端部まで領域の直上に垂直転送電極２９／読み出し電極２８が形成される。

さらに、垂直転送電極２９／読み出し電極２８が層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で覆われている。いわゆる、正孔蓄積層２４上は、光が入射しないように層間絶縁膜３０を介して遮光膜３１で全面覆われている。

特に、垂直転送電極２９／読み出し電極２８の幅Ｃ２が有効画素部１１の読み出し電極２８の幅Ａ又は不問ＯＰＢ部１２の読み出し電極２８の幅Ｂよりも広く、距離Ｘだけ大きく形成されている。

その幅Ｃ２は、垂直ＣＣＤレジスタ２６横のチャネルストップ部２７が垂直転送電極２９／読み出し電極２８により完全に覆われるように形成される。

クランプＯＰＢ部１３の構成では、従来、チャネルストップ部内にインプラされていたＰ＋型の正孔蓄積層の一領域、すなわち、Ｐ＋＋領域がない構成となる。

また、チャネルストップ部２７上の全領域を読み出し電極２８で覆う構造とすることにより、読み出し電極２８の端部付近で強電界が生じなくなり、従来のような強電界に起因したノイズが生じなくなる。

クランプＯＰＢ部１３から出力される黒レベルの基準信号が常に真の黒レベルの基準信号となり、この黒レベルの基準信号を基準にして有効画素部の画素信号との差分を得る際に、常に正しい差分値を得ることができる。

結果、正しい差分値が得られるために、有効画素部の黒沈みを低減しつつ入出力特性としてのリニアリティを向上することで画質を向上することができる。

図２（ｂ）に示すクランプＯＰＢ部１３の垂直転送電極２９／読み出し電極２８は、幅をＣ２となるようにした。さらに、図３に示すように、クランプＯＰＢ部１３’の垂直転送電極２９／読み出し電極２８は、チャネルストップ部２７から正孔蓄積層２４側に幅Ｙだけ張り出すように形成するようにしてもよい。

垂直転送電極２９／読み出し電極２８の幅Ｃ３のうち、チャネルストップ２７から正孔蓄積層２４側に張り出す幅Ｙは、およそ数十マイクロメートルである。

なお、本発明の実施形態に係る固体撮像素子を製造する場合には、従来の垂直転送電極／読み出し電極を形成する工程や、垂直転送電極／読み出し電極によってパターンが決定される一部の工程におけるマスクパターンを変更するだけで実施可能となる。このため、本固体撮像素子が容易に製造することができる。

１ ＣＣＤ型固体撮像素子
２ フォトダイオード
３ 垂直転送レジスタ
４ 水平転送レジスタ
５ 出力部
１０ 撮像部
１１ 有効画素部
１２ 不問オプティカルブラック部
１３ クランプオプティカルブラック部
２１ 半導体基板
２２ ウェル層
２３ Ｎ＋型半導体層
２４ Ｐ型正孔蓄積層
２５ 読み出しゲート部
２６ Ｎ＋型垂直ＣＣＤレジスタ
２７ Ｐ＋型チャネルストップ部
２８ 読み出し電極
２９ 垂直転送電極
３０ 層間絶縁膜
３１ 遮光膜
３２ 開口

Claims (3)

1. 画素となる光電変換をする複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードから読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送電極が設けられた有効画素部と前記有効画素部の周囲に設けられ遮光されたオプティカルブラック部と、を備え、
   前記オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とＮ＋型半導体層が形成された不問オプティカルブラック部と、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの基準信号を出力するクランプオプティカルブラック部と、有し、
   上記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極の幅／読み出し電極の幅が、前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部の各垂直転送電極の幅／各読み出し電極幅より広く形成される固体撮像素子。
2. 前記有効画素部や前記不問オプティカルブラック部は、フォトダイオードに相当する正孔蓄積層とN＋型半導体層とが形成され、フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成され、
   前記クランプオプティカルブラック部は、正孔蓄積層が形成され、黒レベルの信号電荷を読み出す読み出しゲート部や、前記読み出しゲート部の黒レベルの信号電荷を転送する垂直ＣＣＤレジスタや素子分離としてのチャネルストップ部が形成され、
   一方の正孔蓄積層とチャネルストップ部とのそれぞれの境が重ならないように形成される請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記クランプオプティカルブラック部の一方の正孔蓄積層上の一部を覆うように前記クランプオプティカルブラック部の垂直転送電極／読み出し電極が形成される請求項２に記載の固体撮像素子。

Images