JP2012204654A - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】出力部の変換効率を向上させて、高感度の固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、信号電荷を生成する複数の受光部１０２と、前記信号電荷を転送する転送部１０４と、転送部１０４から転送される信号電荷を蓄積する浮遊拡散層２２と、浮遊拡散層２２の信号電荷を電圧に変換する出力部２３と、転送部２２と出力部２３とに接する分離領域とを備え、分離領域は、第１導電型不純物を含む第１分離領域２４１と、第１分離領域２４１よりも高濃度の第１導電型不純物を含む第２分離領域２４２を有し、前記第１分離領域は、前記浮遊拡散層に隣接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、信号電荷を蓄積する浮遊拡散層と浮遊拡散層の電位を増幅する出力回路とを有する固体撮像装置およびカメラに関する。

図７は従来技術の固体撮像装置の概略平面構成図である。図８は、図７の等価回路図である。

チャネル領域１は、Ｐチャネル型の半導体基板あるいはＰチャネル型の拡散層が形成されたＮチャネル型の半導体基板の一主面に、分離領域によって区画されて一方向に延在するように形成される。リセットトランジスタＴrが形成される素子領域２は、チャネル領域１に連続して形成される。第１の出力トランジスタＴd1が形成される素子領域３は、素子領域２から一定の距離を置いて形成され、第２の出力トランジスタＴd2が形成される素子領域４は、さらに、一定の距離を置いて形成される。

チャネル領域１上には、２層構造を有する複数の転送電極５ａ、５ｂが、互いに平行に配列される。さらに、チャネル領域１の出力側の端部には、出力制御電極６が転送電極５ａ、５ｂと平行に配置される。転送電極５ａ、５ｂには、転送クロックφHが印加され、出力制御電極６には、一定の出力制御電位ＶOGが印加される。これにより、チャネル領域１内を情報電荷が一方向に転送され、出力制御電極６の下を通して素子領域２へ出力される。

素子領域２上には、リセットクロックφRが与えられるリセット電極７が配置され、素子領域２がソース領域２ａ及びドレイン領域２ｄに分離されてリセットトランジスタＴrが形成される。ソース領域２ａは、電気的に独立であり、電荷量を電圧値に変換するための容量（この容量は、フローティング・ディフュージョン部、浮遊拡散層と呼ばれる）を構成し、電位を取り出すためのソース配線８が接続される。そして、ドレイン領域２ｂには、一定の電位ＶRDが印加されるドレイン配線９が接続される。これにより、リセットクロックφRに応答してリセット電極７がオンしたとき、ドレイン領域２ｂに印加される電位がソース領域２ａに伝えられ、ソース領域２ａの電位が電位ＶRDに初期化される。

素子領域３上には、ソース配線８に接続されるゲート電極１１と、一定の電位ＶGGが印加されるゲート電極１２とが一定の距離を隔てて配置される。これらのゲート電極１１、１２により、素子領域３がドレイン領域３ａ、３ｃとソース領域３ｂ、３ｄとにそれぞれ分割されて出力トランジスタＴd1及び負荷トランジスタＴs1が形成される。ここで、出力トランジスタＴd1のソース領域３ｂと負荷トランジスタＴs1のドレイン領域３ｃとは共通である。そして、ドレイン領域３ａには電源電位ＶDDが印加されるドレイン配線１３が接続され、ソース領域３ｄには接地電位ＶSSが印加されるソース配線１５が接続される。また、ソース領域３ｂとドレイン領域３ｃとの共通領域には、出力を取り出すための出力配線１４が接続される。

素子領域４上には、出力配線１４に接続されるゲート電極１６と、ゲート電極１２と共通となるゲート電極１７とが一定の距離を隔てて配置される。これらのゲート電極１６、１７により、素子領域４がドレイン領域４ａ、４ｃとソース領域４ｂ、４ｄとにそれぞれ分割されて出力トランジスタＴd2及び負荷トランジスタＴs2が形成される。ここで、出力トランジスタＴd2のソース領域４ｂと負荷トランジスタＴs2のドレイン領域４ｃとは共通である。ドレイン領域４ａにはドレイン領域３ａに接続されるドレイン配線１３と共通となるドレイン配線１８が接続され、ソース領域４ｄにはソース領域３ｄに接続されるソース配線１５と共通となるソース配線２０が接続される。そして、ソース領域４ｂとドレイン領域４ｃとの共通領域には、出力電位ＶOUTを取り出すための出力配線１９が接続される。

以上の電荷転送素子の出力部においては、図８に示すように、出力トランジスタＴd1、Ｔd2により２段のソースフォロワ回路が構成される。そして、情報電荷の蓄積量に応じて変化するリセットトランジスタＴrのソース領域２ａの電位が、そのソースフォロワ回路によって、出力電位ＶOUTとして取り出される。

このように、チャネル領域１から転送される信号電荷はフローティング・ディフュージョン部２ａに転送され、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）の電位を変動させる。この電位をフローティング・ディフュージョン部２ａに接続した配線を介して、第１段目のドライブトランジスタＴd1のゲート電極１１が受ける。そして、この電位に相当する電圧出力が２段ソースフォロア出力回路の出力端子ＶOUTに出力される。

特開２０００−９１５５７号公報

単位信号電荷量当りの出力端子ＶOUTでの出力値は変換効率と呼ばれ、この値を大きくすることが固体撮像装置の感度特性を向上させるために重要となる。

この変換効率を大きくするためには、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）の容量を小さくする必要がある。そのための一手段として、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）およびそれに接続した部位を微細に加工形成することが有効である。例えば、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）を小さく形成して、これと第１段目ドライブトランジスタＴd1の間の距離を短縮するなどが考えられる。

しかし、このような微細化を従来技術の構造に対して行なっても、変換効率があまり向上しないという問題点がある。その理由は、微細化のために、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）と分離領域６４をより近接させることが必要となってくるが、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）に形成される高濃度のＮ型不純物拡散層と分離領域６４に形成される高濃度のＰ型不純物拡散層が互いに近接することにより、これらの間で形成されるＰＮ接合容量の影響が大きくなるからである。

この接合容量を小さくするために、Ｎ型不純物拡散層あるいはＰ型不純物拡散層の不純物濃度を小さくすることが考えられる。しかし、フローティング・ディフュージョン部２ａとソース配線８を良好に電気的に接続するためには高濃度のＮ型不純物拡散層が必要であり、この濃度を小さくすることは困難である。また、本固体撮像装置の各部の電気的分離を確保するためには高濃度のＰ型不純物拡散層が必要であり、この濃度を小さくすることもまた困難である。

すなわち、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）を小さく形成して、フローティング・ディフュージョン部２ａとドライブトランジスタＴｄ１の間の距離を短縮させて変換効率を向上させようとしても、フローティング・ディフュージョン部（ソース領域２ａ）と分離領域６４との間に形成されるＰＮ接合容量の影響が大きくなり、変換効率があまり向上しないという問題点があった。

前記課題を鑑み、本発明はフローティング・ディフュージョン部を小さく形成して、フローティング・ディフュージョン部と分離領域の間の距離を短縮させても、前記ＰＮ接合容量の影響を抑えて、変換効率を向上させる固体撮像装置およびカメラを提供する。

上記課題を解決するため本発明の一形態における固体撮像装置は、信号電荷を生成する複数の受光部を有する固体撮像装置であって、前記信号電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の信号電荷を電圧に変換する出力部と、前記転送部と前記出力部とに接する分離領域とを備え、前記分離領域は、第１導電型不純物を含む第１分離領域と、前記第１分離領域よりも高濃度の第１導電型不純物を含む第２分離領域とを有し、前記第１分離領域は、前記浮遊拡散層に隣接する。

この構成によれば、前記浮遊拡散層と第１分離領域とにより形成されるＰＮ接合容量において、第１分離領域の不純物濃度が第２分離領域より低いため、前記ＰＮ接合容量を小さく抑えることができる。その結果、出力回路において信号電荷を電圧に変換する変換効率を向上させることができる。

ここで、前記出力部は、ドライブトランジスタと負荷トランジスタとを含むソースフォロワ回路であり、前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散層と前記ドライブトランジスタのゲートとを接続する配線を有し、前記第１分離領域は、前記浮遊拡散層と前記ドライブトランジスタのゲート下のチャネル領域とに隣接し、前記ドライブトランジスタのゲート下のチャネル領域の片側または両側に形成されるようにしてもよい。

この構成によれば、ドライバトランジスタのナローチャネル効果を緩和することができ、ドライバトランジスタのゲート変調度を向上させることができる。さらに、ドライバトランジスタのトランスコンダクタンス（ｇｍ）を向上できるので、その分、ドライバトランジスタで発生するサーマルノイズを低減することができる。また、浮遊拡散層の周りでのブレイクダウン電圧を向上できるので、静電耐圧を向上させることができる。

ここで、前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散層の信号電荷をリセットするリセットトランジスタを有し、前記第１分離領域は、前記リセットトランジスタのゲート下のチャネル領域の片側または両側に形成されるようにしてもよい。

この構成によれば、リセットトランジスタでのナローチャネル効果を緩和することができ、そのゲート変調度を向上させることができる。

また、本発明のカメラは上記の固体撮像装置を備える。

本発明は、固体撮像装置の出力部において、電荷量を電圧に変換して取り出すフローティング・ディフュージョン部のＰＮ接合容量を低減できるので、変換効率を向上できる。加えて、第１段目ドライバＭＯＳのゲート変調度を向上できることからも変換効率を向上できる。その結果、固体撮像装置の出力感度を向上させることができる。

本発明の実施形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 実施形態における固体撮像装置の出力部の概略平面構成図である。 実施形態における固体撮像装置の出力部の等価回路図である。 実施形態における固体撮像装置の主要部の詳細平面図である。 実施形態における固体撮像装置の主要部の断面図である。 変形例における固体撮像装置の主要部の断面図である。 従来技術の固体撮像装置の概略平面構成図である。 従来技術の固体撮像装置の出力部の等価回路図である。

図１は、本発明の実施形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。同図に示すように、固体撮像装置は、半導体基板１０１を備える。半導体基板１０１は、２次元状に配列された複数の受光部１０２と、受光部１０２の垂直方向の列に沿って列毎に配置された垂直転送部（垂直ＣＣＤ）１０３と、受光部１０２の最終行に隣接するように設けられた水平転送部（水平ＣＣＤ）１０４と、出力部２３とを備える。

受光部１０２は、フォトダイオードであり、受光した光の強度に応じて電荷を蓄積する。

図１中の矢印に示すように、受光部１０２に蓄積された電荷は、各垂直転送部１０３に読み出され、各垂直転送部１０３によって垂直方向に転送される。各垂直転送部１０３によって転送された電荷は、水平転送部１０４によって水平方向に転送され、出力部２３によって増幅された後、外部に出力される。

図２は、図１の破線枠ａ１（水平転送部１０４の端部および出力部２３）の概略平面構成図である。図３は図２出力部２３の等価回路図である。

図２において、水平転送部１０４は、半導体基板１０１に形成されたＮ型の水平ＣＣＤチャネル部２１と、その上部に一次元状の配置された複数の水平転送電極と、水平転送部１０４の端部に形成されたＮ＋型の浮遊拡散層２２と、浮遊拡散層２２をソース領域とするリセットトランジスタ２８とが形成されている。図中のφＨ１〜φＨ４は水平転送パルス信号である。ＶＯＧは水平転送部１０４の最終段から浮遊拡散層２２へ信号電荷を転送するための一定の制御電位である。浮遊拡散層２２は、水平転送部の最終段から転送される信号電荷を蓄積するＮ＋型の領域である。

リセットトランジスタ２８は、リセットゲート２８Ｇに印加されるリセットパルス信号（φＲＧ）によって浮遊拡散層２２を電源電圧ＶＤＤにリセットする。

出力部２３は、浮遊拡散層２２の信号電荷を電圧に変換するソースフォロワ回路である。同図では２段のソースフォロワ回路の例を示している。１段目のソースフォロワ回路は、ドライブトランジスタ２６１と負荷トランジスタ２９１とを有し、２段目のソースフォロワ回路は、ドライブトランジスタ２６２と負荷トランジスタ２９２とを有する。ドライブトランジスタ２６１、２６２のドレインには電源電圧ＶＤＤが印加される。ドライブトランジスタ２６１、２６２のソースは、負荷トランジスタ２９１、２９２のドレインに接続される。負荷トランジスタ２９１、２９２のソースは所定の電位ＶＳＳになっている。

浮遊拡散層２２とドライブトランジスタ２６１の入力ゲート２６Ｇとはソース配線２５により接続されている。ドライブトランジスタ２６１は、入力ゲート２６Ｇに接続された浮遊拡散層２２の信号電荷を、電圧信号としてソースから出力する。1段目のドライブトランジスタ２６１のソースは２段目のドライブトランジスタ２６２のゲートに接続されている。２段目のドライブトランジスタ２６２は、１段目のドライブトランジスタ２６１の出力信号を増幅し、ソースから出力信号ＶＯＵＴとして出力する。

図２において、半導体基板１０１には、水平転送部１０４と浮遊拡散層２２と出力部２３とに接する分離領域（２４１および２４２）を有している。この分離領域は、Ｐ型不純物を含む第１分離領域２４１と、第１分離領域２４１よりも高濃度のＰ型不純物を含む第２分離領域２４２とを含む少なくとも２つの領域に分けられる。第１分離領域２４１は、浮遊拡散層２２に隣接している。

詳しく説明すると、浮遊拡散層２２と出力部２３内の第１段目のドライブトランジスタ２６１との間には、これらを電気的に分離するための第１分離領域２４１が形成される。および、第１分離領域２４１を除いて他の分離領域には第２分離領域２４２が配置される。

第１分離領域２４１はソース配線２５、第１段目のドライブトランジスタ２６１の入力ゲート２６Ｇおよびリセットゲート２８Ｇの側端部分にも配置される。

また、第１分離領域２４１は第１段目のドライブトランジスタ２６１の浮遊拡散層２２とは反対側にも配置され、入力ゲート２６Ｇのもう一方の側端部分にも配置される。また、第１分離領域２４１は浮遊拡散層２２の第１段目のドライブトランジスタ２６１とは反対側にも配置され、リセットゲート２８Ｇのもう一方の側端部分にも配置される。

図４は、図１の破線枠ａ１（水平転送部１０４の端部および出力部２３）の詳細平面図である。図５は図４のＡ１−Ａ２線の断面図である。図４では、出力部２３のうちドライブトランジスタ２６１を図示している。

図４および図５において、Ｎ型の半導体基板１０１上にＰ型ウェル４２が形成され、Ｐ型ウェル４２内に水平ＣＣＤチャネル部２１、浮遊拡散層２２および出力部２３内のドライブトランジスタ２６１が配置される。そして、Ｐ型ウェル４２内に、第１分離領域２４１となる低濃度のＰ型不純物拡散層、第２分離領域２４２となる高濃度のＰ型不純物拡散層が配置される。ここで、前記低濃度Ｐ型不純物拡散層である第１分離領域２４１の不純物濃度は高濃度Ｐ型不純物拡散層である第２分離領域２４２のものよりも小さい。また、Ｐ型ウェル４２内に、浮遊拡散層２２を形成する高濃度のＮ型不純物拡散層が配置される。このＮ型不純物拡散層は、例えばＡＬ（アルミニウム）で形成されるソース電極と接続される。

そして、このＮ型不純物拡散層である浮遊拡散層２２は低濃度Ｐ型不純物拡散層である第１分離領域２４１との間で、ＰＮ接合容量を形成する。しかし、本実施形態では、第１分離領域２４１の不純物濃度を小さくしているため、前記ＰＮ接合容量を小さく抑えることができる。

また、第１分離領域２４１は、浮遊拡散層２２と電気的に接続するソース配線２５の下部および第１段目のドライブトランジスタ２６１の入力ゲート２６Ｇの下部にも配置される。それにより、これらソース配線２５および入力ゲート２６Ｇの下部にある低濃度Ｐ型不純物拡散層である第１分離領域２４１が空乏化し、浮遊拡散層２２の容量を小さくできる。加えて、第１分離領域２４１が入力ゲート２６Ｇの両側端部分にも配置されることにより、第１段目のドライブトランジスタ２６１のナローチャネル効果を緩和することができ、第１段目ドライブトランジスタ２６１のゲート変調度を向上させることができる。これらの結果、本固体撮像装置の変換効率特性を向上させることができる。

その他の効果として、第１段目ドライブトランジスタ２６１のゲート変調度の向上から、そのトランスコンダクタンス（ｇｍ）も向上することになるので、その分、第１段目ドライブトランジスタ２６１に起因するサーマルノイズを低減することができる。また更に、Ｎ型不純物拡散層である浮遊拡散層２２と低濃度Ｐ型不純物拡散層である第１分離領域２４１との間の電界が緩和され、これらの間でのブレイクダウン電圧が向上し、出力部部分の静電耐圧が向上する。

更にまた、第１分離領域２４１は、リセットゲート２８Ｇの両側端部分にも配置されることにより、リセットゲート２８Ｇでのナローチャネル効果を緩和することができ、そのゲート変調度を向上させることができる。その結果、本固体撮像装置のリセット特性を向上させることができる。

（変形例）
図６は、図５の変形例を示す断面図である。

図５では、第１分離領域２４１には低濃度Ｐ型不純物拡散層が形成されるのに対し、本変形例では、低濃度Ｐ型不純物拡散層は形成されない。別の見方をすれば、第１分離領域２４１は、Ｐ型ウェル４２と同じ不純物濃度のP型領域である。

浮遊拡散層２２と第１段目のドライブトランジスタ２６１との間でパンチスルーが発生しないようにできれば、必ずしも低濃度Ｐ型不純物拡散層である第１分離領域２４１を必要せず、前記Ｐ型ウェル４２だけで電気的分離を達成することができる。

前述したように、本実施形態によれば、固体撮像装置の出力部２３において、信号電荷量を電圧に変換して取り出すための浮遊拡散層２２の容量を低減できるので、変換効率を向上できる。加えて、第１段目のドライブトランジスタ２６１のゲート変調度を向上できることからも変換効率を向上できる。その結果、固体撮像装置の出力感度を向上させることができる。

その他の効果として、第１段目のドライブトランジスタ２６１のトランスコンダクタンス（ｇｍ）も向上できるので、その分、第１段目のドライブトランジスタ２６１で発生するサーマルノイズを低減することができる。また、浮遊拡散層２２周りでのブレイクダウン電圧を向上できるので、静電耐圧を向上させることができる。更に、リセットゲート２８Ｇのゲート変調度を向上でき、リセット特性を向上させることができる。

以上より、高感度、低ノイズかつ高信頼性の固体撮像装置を実現することができる。

なお、上記実施形態における固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機、パーソナルコンピュータ等に備えられる。

また、上記実施形態では、出力部２３の例として２段のソースフォロワ回路の例を説明したが、ソースフォロワ回路は１段以上であれば何段でもよい。

また、上記実施形態では、ＣＣＤ型固体撮像装置における水平転送部１０４の端部にある浮遊拡散層と、ドライブトランジスタと、リセットトランジスタとを分離する第１分離領域および第２分離領域について説明したが、ＭＯＳ型固体撮像装置において浮遊拡散層と、ドライブトランジスタ（増幅トランジスタ）と、転送トランジスタ（つまり信号電荷を浮遊拡散層に転送する転送部）と、リセットトランジスタとを備える画素セルにおいて本発明を適用しても、同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の固体撮像装置について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明に係る固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、デジタルカメラ等に適している。

２１ 水平ＣＣＤチャネル部
２２ 浮遊拡散層
２３ 出力部
２４１ 第１分離領域
２４２ 第２分離領域
２５ ソース配線
２６１、２６２ ドライブトランジスタ
２９１、２９２ 負荷トランジスタ
２６Ｇ 入力ゲート
２８ リセットトランジスタ
２８Ｇ リセットゲート
４２ Ｐ型ウェル
１０１ 半導体基板
１０２ 受光部
１０３ 垂直転送部
１０４ 水平転送部

Claims (4)

1. 信号電荷を生成する複数の受光部を有する固体撮像装置であって、
   前記信号電荷を転送する転送部と、
   前記転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する浮遊拡散層と、
   前記浮遊拡散層の信号電荷を電圧に変換する出力部と、
   前記転送部と前記出力部とに接する分離領域と
   を備え、
   前記分離領域は、
   第１導電型不純物を含む第１分離領域と、
   前記第１分離領域よりも高濃度の第１導電型不純物を含む第２分離領域とを有し、
   前記第１分離領域は、前記浮遊拡散層に隣接する
   固体撮像装置。
2. 前記出力部は、ドライブトランジスタと負荷トランジスタとを含むソースフォロワ回路であり、
   前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散層と前記ドライブトランジスタのゲートとを接続する配線を有し、
   前記第１分離領域は、前記浮遊拡散層と前記ドライブトランジスタのゲート下のチャネル領域とに隣接し、前記ドライブトランジスタのゲート下のチャネル領域の片側または両側に形成される
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、前記浮遊拡散層の信号電荷をリセットするリセットトランジスタを有し、
   前記第１分離領域は、前記リセットトランジスタのゲート下のチャネル領域の片側または両側に形成される
   請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記請求項１から３の何れか１項に記載の固体撮像装置を備えるカメラ。
   
   

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