JP2014135515A

JP2014135515A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2014135515A
Application number: JP2014079699A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Suzuki; 亮司鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2014-07-24

Abstract

【課題】センサー部から信号電荷を、低い読み出し電圧でほぼ完全に読み出すことができるようにした固体撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の単位画素で構成され、単位画素は、第１のＮ型半導体領域と該Ｎ型半導体領域の上部に形成されたＰ型半導体領域で構成され、光照射により発生した信号電荷を該Ｎ型半導体領域に蓄積する光電変換領域と、光電変換領域から信号電荷を読み出すＭＯＳトランジスタのゲート電極と、ＭＯＳトランジスタのドレイン領域でかつ光電変換領域から信号電荷を読み出す先である第２のＮ型半導体領域と、第１のＮ型半導体領域の外側に配置されたチャネルストップ領域とを有し、ゲート電極は、そのチャネル幅方向に関するゲート電極の中間部において、第１のＮ型半導体領域に向かって凸の屈曲ないしは湾曲パターンで形成される固体撮像装置を構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体撮像装置、特にＭＯＳトランジスタ（本明細書でいうＭＯＳとは、導電層／絶縁膜／半導体構造を総称するものとする。）を有するＭＯＳ型の固体撮像装置とその製造方法に係わる。

図１は、いわゆるＦＤ（Floating Diffusion）型構成によるＭＯＳ型固体撮像装置の要部の構成図を示す。この固体撮像装置は、それぞれ複数の行および列、すなわち水平および垂直方向にそれぞれ複数の単位画素１０１（図１においては、１つの単位画素のみを示す）が配列され、各単位画素１０１が、光電変換素子のフォトダイオード１０２によるセンサー部と、このセンサー部で得た信号電荷をＦＤ読み出しＭＯＳトランジスタ１０３によって読み出し、この信号電荷を、各単位画素においてＦＤ増幅ＭＯＳトランジスタ１０４によって信号電圧もしくは信号電流に増幅する構成とされている。

図１の構成においては、各単位画素１０１において信号の増幅を行う構成とした場合であるが、図２にその要部の構成図を示すように、例えば共通の列毎に増幅器が配置されたいわゆるカラムアンプ型固体撮像装置とすることができる。

このカラムアンプ型固体撮像装置においてもそれぞれ複数の行および列、すなわち水平および垂直方向にそれぞれ複数の単位画素２０１（図２においても、１つの単位画素のみを示す）が配列され、各単位画素２０１は、そのセンサー部に光電変換素子としてのフォトダイオード２０２を有し、このフォトダイオード２０２に蓄積された信号電荷を読み出すＭＯＳトランジスタ２０３と、信号電荷を垂直信号線２０８に読み出す選択用ＭＯＳトランジスタ２０４が形成され、垂直信号線２０８毎にカラム増幅器２０５が配置された構成を有する。

これらＭＯＳ型の固体撮像装置の各単位画素１０１，２０１における、センサー部の光電変換素子、すなわちフォトダイオードと、これからの電荷読み出しを行うＭＯＳトランジスタとは、フォトダイオードを構成する一方の半導体領域例えばカソード領域をＭＯＳトランジスタのソース領域と兼ねしめる複合構成とされる。

図６は、このセンサー部Ｓと、これからの信号電荷の読み出しを行うＭＯＳトランジスタの形成部の概略平面パターン図を示す。センサー部Ｓは、フォトダイオードを構成する光電変換領域１が形成されてなる。ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ）は、光電変換領域１と所要の距離、すなわちチャンネル長に相当する距離を隔てて形成された半導体領域２とをソースおよびドレインとして、これら間にゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極３が形成されることによって構成される。

センサー部Ｓは、例えば図１および図２で説明した単位画素１０１および２０１内における一隅に形成され、ゲート電極３は、単位画素内における他の回路素子形成部側に偏寄って形成される。

上述のＭＯＳ型撮像装置は、ＭＯＳトランジスタによることから、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）型撮像装置に比し、本来、低消費電力化できるという利点を有するものであるが、上述したセンサー部から信号電荷を、読み出しトランジスタによって、低い読み出し電圧で完全に信号電荷読み出しを行うことに問題が生じている。

本発明においては、このような問題の解決を図る。すなわち、本発明者は、上述した読み出しＭＯＳトランジスタにおける読み出し電圧と信号電荷の読み出しの不完全の原因が、センサー部と読み出しのＭＯＳトランジスタのゲート部との位置関係に起因していることを究明した。すなわち、従来構造による場合、センサー部の光電変換領域における信号電荷に対するポテンシャルの窪みに対して、ゲート電極の配置位置が離れて形成されていることによって、信号電荷の読み出しを行うに、その読み出しＭＯＳトランジスタに対する読み出し電圧すなわちゲート電圧を大きくすることが必要となり、また信号電荷を完全に読み出すことが困難であり、この読み出しを完全に行うためには、更に大きな読み出し電圧を必要とすることになることを究明した。本発明においては、この究明に基いて、センサー部から信号電荷を、低い読み出し電圧でほぼ完全に読み出すことができるようにした固体撮像装置、特にＭＯＳ撮像装置を提供するものである。

本発明による固体撮像装置は、複数の単位画素で構成され、単位画素は、第１のＮ型半導体領域と該Ｎ型半導体領域の上部に形成されたＰ型半導体領域で構成され、光照射により発生した信号電荷を該Ｎ型半導体領域に蓄積する光電変換領域と、この光電変換領域から信号電荷を読み出すＭＯＳトランジスタのゲート電極と、ＭＯＳトランジスタのドレイン領域でかつ光電変換領域から信号電荷を読み出す先である第２のＮ型半導体領域と、第１のＮ型半導体領域の外側に配置されたチャネルストップ領域とを有し、ゲート電極は、そのチャネル幅方向に関するゲート電極の中間部において、第１のＮ型半導体領域に向かって凸の屈曲ないしは湾曲パターンで形成される。

上述したように、本発明においては、ゲート電極を、そのチャネル幅方向に関するゲート電極の中間部において、第１のＮ型半導体領域に向かって凸の屈曲ないしは湾曲パターンで形成したことから、チャネルストップ領域によるポテンシャルバリアの最も高い部分より低い部分から信号電荷の読み出しがなされることから、読み出し電圧を低めることができ、しかもこの信号電荷の読み出しをほぼ完全に行うことができる。

上述したように、本発明による固体撮像装置によれば、信号電荷の読み出し電圧の低減化と、信号電荷のほぼ完全な読み出しを可能にする。したがって、ＭＯＳ型固体撮像装置における駆動電圧、したがって、消費電力の低減化の特長をより助長することができる。

本発明による固体撮像装置の一例の要部の構成図である。本発明による固体撮像装置の一例の要部の構成図である。本発明による固体撮像装置の一例の要部の概略断面図である。センサー部のポテンシャル図である。Ａ〜Ｅは、本発明による固体撮像装置のセンサー部とこれに係わる絶縁ゲートトランジスタのパターン図の例である。従来の固体撮像装置のセンサー部とこれに係わる絶縁ゲートトランジスタのパターン図である。

本発明によるＭＯＳ型固体撮像装置の一形態は、図１のＦＤ型のＭＯＳ型固体撮像装置とすることができる。この固体撮像装置は、前述したように、それぞれ複数の行および列、すなわち水平および垂直方向にそれぞれ複数の単位画素１０１が配列され、各単位画素１０１が、光電変換がなされるセンサー部と、このセンサー部で得た信号電荷をＭＯＳトランジスタ１０３によって読み出し、この信号電荷を、各単位画素においてＭＯＳトランジスタ１０４のよって信号電圧もしくは信号電流に増幅する構成としたいわゆるの増幅型撮像装置とする。

この固体撮像装置の単位画素１０１は、そのセンサー部に光電変換素子としてのフォトダイオード１０２を有し、このフォトダイオード１０２に蓄積された信号電荷を読み出すＦＤ読み出しＭＯＳトランジスタ１０３と、ＦＤ増幅ＭＯＳトランジスタ１０４と、ＦＤリセットＭＯＳトランジスタ１０５と、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１０６とを有してなる。

ＦＤ読み出しＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極は、垂直読み出し線１０７に接続され、ＦＤリセットＭＯＳトランジスタ１０５のゲート電極は、垂直リセット線１０８に接続され、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１０６のゲート電極は、垂直選択線に接続され、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１０６のソースが垂直信号線１１０にそれぞれ接続される。

１１１は、水平信号線で、この水平信号線１１１と垂直信号線１１０との間に水平選択ＭＯＳトランジスタ１１２が接続され、このＭＯＳトランジスタ１１２のゲート電極に、水平走査回路１１３からの水平走査パルスφ_Hmが、印加される。そして、行選択をする垂直走査回路１１４からの垂直走査パルスφｖ_Sn，φｖ_tn，φｖ_Rnにより各行ごとに各単位画素１０１において、フォトダイオード１０２に蓄積された信号電荷が、読み出しＭＯＳトランジスタ１０３によって読み出され、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４によって増幅され、垂直選択ＭＯＳトランジスタ１０６によって選択される。そして、列選択する水平走査回路１１３からの水平走査パルスφ_Hmにより制御される水平選択ＭＯＳトランジスタ１１２を通じて各画素信号が水平線１１１に出力される。一方、リセットＭＯＳトランジスタ１０５によって各単位画素１０１のリセットがなされる。

また、本発明によるＭＯＳトランジスタ型固体撮像装置の他の一形態は、図２で示したいわゆるコラムアンプ型によるＭＯＳ型固体撮像装置を構成することができる。この固体撮像装置についても、すでに説明したように、共通の列毎に増幅器が配置される。この固体撮像装置においてもそれぞれ複数の行および列、すなわち水平および垂直方向にそれぞれ複数の単位画素２０１が配列され、各単位画素２０１が、そのセンサー部に光電変換素子としてのフォトダイオード２０２を有し、このフォトダイオード２０２に蓄積された信号電荷を読み出す選択用ＭＯＳトランジスタ２０３を有し、この信号電荷を垂直信号線２０８に読み出す水平読み出しＭＯＳトランジスタ２０４を有して成る。

ＭＯＳトランジスタ２０３は、そのゲート電極への垂直走査回路２１４からの垂直走査パルスの印加によってオンされる電荷読み出しのいわばスイッチ機能を有し、ＭＯＳトランジスタ２０４は、そのゲート電極に水平走査回路２１３からの水平走査パルスが印加されることによって信号電荷を垂直信号線２０８に読み出す。そして、この垂直信号線２０８に読み出された信号電荷を増幅器２０５によって増幅し、水平選択ＭＯＳトランジスタ２０６によって、選択された列上の単位画素からの信号電荷による出力を水平信号線２０７に出力するようになされる。

しかしながら、本発明による固体撮像装置は、図１および図２で示した固体撮像装置の構成に限られるものではなく、例えばこれら固体撮像装置における固定パターンノイズの軽減化をはかるようになされ各種ＭＯＳ型固体撮像装置に適用することができる。

本発明による固体撮像装置においても、その各単位画素におけるセンサー部と、その信号電荷の読み出しＭＯＳトランジスタとは、このＭＯＳトランジスタのソース領域が、センサー部を構成する光電変換領域によって構成される複合構成とする。この構成は、例えば図３にその概略断面図を示すように、例えばＳｉ基板による半導体基板１１の、低不純物濃度とされた第１導電型例えばｐ型の半導体領域上に、それぞれ第２導電型例えばｎ型の第１および第２半導体領域１３および１４が、信号電荷の読み出しＭＯＳトランジスタのチャネル長に対応する間隔Ｌをもって形成される。そして、第１半導体領域１３上に、第１導電型、この例ではｐ型の高不純物濃度層１５が形成される。このようにして、ｐ型の高不純物濃度層１５と、ｎ型の第１半導体領域１３と、ｐ型の半導体領域１４とによるｐ⁺⁺／ｎ／ｐによるいわゆるＨＡＤ（Hole Accumulated Diode）型のフォトダイオードＰＤ（例えば図１および図２におけるフォトダイオード１０２もしくは２０２）、すなわち光電変換領域２０が形成される。

一方、第２半導体領域１４上には、これと同導電型の高不純物濃度１６が形成される。そして、第１および第２半導体領域１３および１４間上に、例えば半導体基板１１の表面が熱酸化されて形成されたＳｉＯ₂によるゲート絶縁膜１７が形成され、この上に例えば多結晶Ｓｉによるゲート電極１８が形成されてＭＯＳトランジスタのゲート部が構成される。各高不純物濃度層１５および１６は、ゲート部に対して、所要の距離例えば０．０５μｍ〜０．２μｍの間隔をもって形成される。このため、例えば第１および第２半導体領域１３および１４は、例えばゲート電極１８と、このゲート電極１８のパターンエッチングで用いたレジスト層（図示せず）とをマスクとして不純物のイオン注入によって形成し、その後、ゲート電極１８の側面にサイドウオール１９を形成して、このサイドウオール１９と、ゲート電極１８とをマスクとして、順次各高不純物濃度層１５と１６とを、それぞれイオン注入によって形成する。

このようにして、フォトダイオードＰＤのｎ型の第１半導体領域１３をソース領域とし、ｎ型第２半導体領域１４をドレイン領域とし、これら間にゲート絶縁膜１７を介してゲート電極１８が形成された電荷読み出しのＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ）が構成される。

半導体基体１１の表面の、センサー部ＳおよびトランジスタＭＯＳの形成部等の外周の互いに素子分離がなされる部分に、例えば LOCOS（Local Oxidation ofSilicon）によってＳｉＯ₂による素子分離絶縁層２１が形成され、その下に、第１導電型の高濃度のチャネルストップ領域Ｃ．Ｓが形成される。

そして、本発明においては、その光電変換領域２０に光照射によって発生する信号電荷、この例では電子ｅに対するポテンシャルが、図４に模式的に示すように、１つの窪みを形成するようになされるように、その形状、パターン等が選定される。一方、ＭＯＳトランジスタのゲート電極１８、すなわちゲート部は、上述したポテンシャルの窪みの中心部上もしくはその近傍上に延在するパターンおよび位置の選定がなされる。

このゲート電極１８のパターンは、例えば図５Ａ〜Ｅに例示するように、第１半導体領域１３と、第２半導体領域１４の互いの対向部、すなわちゲート部のパターンがそのチャネル幅方向に関する中間部において第１半導体領域１３に向かって凸の屈曲ないしは湾曲するパターン形状とされて、上述したようにゲート電極１８、すなわちゲート部が、上述したポテンシャルの窪みの中心部上もしくはその近傍上に位置することができるようにする。

このようにゲート電極１８、すなわちゲート部が、上述したポテンシャルの窪みの中心部上もしくはその近傍上に位置することができるようにするためには、ゲート電極１８の中間部屈曲ないしは湾曲の頂部と、チャネル幅方向の両端との各距離のうち長い方の距離をｄとし、上記頂部と光電変換領域２０の周縁部の最遠隔距離Ｄが、距離ｄの３倍以内（Ｄ≦３ｄ）の位置にあるようにする。

上述したように、本発明においては、光電変換領域に形成されるポテンシャルの窪みが、単数形成されるようにし、かつ信号電荷の読み出しＭＯＳトランジスタのゲート電極を、このポテンシャルの窪みの中心部、すなわち窪みの頂部、もしくはこの頂部近傍位置にまで延びるように形成したことから、この窪みの周囲の例えば図４で示すチャネルストップ領域Ｃ．Ｓによるポテンシャルバリアの最も高い部分より低い部分から信号電荷の読み出しがなされることから、読み出し電圧を低めることができ、しかもこの信号電荷の読み出しを完全に行うことができる。

また、上述したように、表面に高不純物濃度層１５を形成するいわゆるＨＡＤ構造としたことによって、此処に電荷（信号電荷が電子の場合は正孔）の蓄積層が形成されることから、半導体領域１４における信号電荷の蓄積が高められ、かつ暗電流が抑制されることから、ＭＯＳ型固体撮像装置における固定パターンノイズの改善がはかられるが、この構成において、上述したように、この高不純物濃度層１５をゲート部から離間させた構造とすることによって信号電荷の読み出しにおいて、高不純物濃度層１５の存在によるポテンシャルバリアの影響を軽減することができ、より完全な読み出しを可能にする。

尚、上述した例では、ＭＯＳトランジスタが、ＳｉＯ₂ゲート絶縁膜による構成とした場合であるが、このゲート絶縁膜は酸化膜に限定されるものではなく、各種絶縁ゲートトランジスタ構成とすることができる。

また、通常、固体撮像装置における信号電荷は、電子であるが、信号電荷を正孔とする場合においては、上述した各例において、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型に選定することができるなど、本発明は上述した例に限られるものではなく種々の変更を行うことができる。

Ｓ・・・センサー部、ＭＯＳ・・・ＭＯＳトランジスタ、１１・・・半導体基板、１２・・・半導体領域、１３・・・第１半導体領域、１４・・・第２半導体領域、４・・・ゲート絶縁膜、１５・・・高不純物濃度層、１６・・・高不純物濃度層、１７・・・ゲート絶縁膜、１８・・・ゲート電極、２０・・・光電変換領域、１０１，２０１・・・単位画素、１０２，２０２・・・フォトダイオード、１０３，２０３・・・読み出しＭＯＳトランジスタ

Claims

複数の単位画素で構成される固体撮像装置であって、
上記単位画素は、
第１のＮ型半導体領域と該Ｎ型半導体領域の上部に形成されたＰ型半導体領域で構成され、光照射により発生した信号電荷を該Ｎ型半導体領域に蓄積する光電変換領域と、
上記光電変換領域から上記信号電荷を読み出すＭＯＳトランジスタのゲート電極と、
上記ＭＯＳトランジスタのドレイン領域でかつ上記光電変換領域から上記信号電荷を読み出す先である第２のＮ型半導体領域と、
上記第１のＮ型半導体領域の外側に配置されたチャネルストップ領域とを有し、
上記ゲート電極は、そのチャネル幅方向に関する上記ゲート電極の中間部において、上記第１のＮ型半導体領域に向かって凸の屈曲ないしは湾曲パターンで形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
上記ゲート電極は、上記チャネル幅方向の両端との各距離のうち長い方の距離をｄとするとき、上記光電変換領域の周縁部が、上記距離ｄの３倍以内の位置にあることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。