JP2019145619A

JP2019145619A - 撮像装置およびカメラ

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Publication number: JP2019145619A
Application number: JP2018027248A
Authority: JP
Inventors: 大地瀬戸; Daichi Seto; 旬史岩田; Junji Iwata
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Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2019-08-29
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Also published as: US20190259801A1; JP7361452B2; US11094731B2

Abstract

【課題】埋込絶縁膜と半導体層との界面で発生する暗電流がフォトダイオードに流れ込むことを抑制しつつ、チャネルストップ領域と半導体素子との間で発生する電界に起因する白キズを抑制する。【解決手段】第１導電型の第１半導体領域および第２導電型の第２半導体領域を含むフォトダイオードと、第２導電型の第３半導体領域と、基板の表面に対する正射影においてフォトダイオードと第３の半導体領域との間に配された埋込絶縁膜と、埋込絶縁膜を覆う第１導電型のチャネルストップ領域と備え、チャネルストップ領域は埋込絶縁膜と第２半導体領域との間に配される第４半導体領域と埋込絶縁膜と第３半導体領域との間に配される第５半導体領域とを含み、第４半導体領域の第１導電型の不純物濃度が第５半導体領域の第１導電型の不純物濃度よりも高く、第５半導体領域の第１導電型の不純物濃度が第１半導体領域の第１導電型の不純物濃度以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置およびカメラに関する。

半導体基板の上に複数のフォトダイオードを配した撮像装置が知られている。それぞれのフォトダイオードと、フォトダイオードに隣り合うトランジスタなどの半導体素子との間には、それぞれを電気的に分離するための素子分離領域として絶縁膜が配される。特許文献１には、ｐ型の半導体領域に埋め込まれた埋込絶縁膜の側面および底面を覆うように、ｐ型の半導体領域よりも高濃度のｐ型の不純物を含むチャネルストップ領域を設けることが示されている。埋込絶縁膜の側面を覆うようにチャネルストップ領域が配されることによって、埋込絶縁膜と半導体領域との界面で発生する暗電流がフォトダイオードに流れ込むことを抑制できる。

特開２００７−１３４６３９号公報

フォトダイオードに素子分離領域を介して配されたトランジスタなどの半導体素子には、金属やポリシリコンなどの配線とオーミック接合を形成するためのソース・ドレイン領域など高濃度のｎ型不純物を含むｎ型領域が配される。素子の微細化などによって、埋込絶縁膜を覆うｐ型のチャネルストップ領域と高濃度のｎ型領域との間で発生する電界の強度が強くなると、埋込絶縁膜と半導体領域との界面で発生した暗電子が衝突電離を引き起こしやすくなる。暗電子が衝突電離を起こしフォトダイオードに流れ込んだ場合、白キズとなり得られる画像の画質が低下しうる。

本発明は、埋込絶縁膜と半導体層との界面で発生する暗電流がフォトダイオードに流れ込むことを抑制しつつ、チャネルストップ領域と半導体素子との間で発生する電界に起因する白キズを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る撮像装置は、基板に配された第１の導電型の第１の半導体領域および第１の導電型とは反対の第２の導電型の第２の半導体領域を含むフォトダイオードと、第２の導電型の第３の半導体領域と、基板の表面に対する正射影において、フォトダイオードと第３の半導体領域との間に配された埋込絶縁膜と、埋込絶縁膜の側面および底面を覆う第１の導電型のチャネルストップ領域と、を有する撮像装置であって、チャネルストップ領域は、埋込絶縁膜と第２の半導体領域との間に配される第４の半導体領域と、埋込絶縁膜と第３の半導体領域との間に配される第５の半導体領域と、を含み、第４の半導体領域の第１の導電型の不純物濃度が、第５の半導体領域の第１の導電型の不純物濃度よりも高く、第５の半導体領域の第１の導電型の不純物濃度が、第１の半導体領域の第１の導電型の不純物濃度以上であることを特徴とする。

本発明によれば、埋込絶縁膜と半導体層との界面で発生する暗電流がフォトダイオードに流れ込むことを抑制しつつ、チャネルストップ領域とソース・ドレイン領域との間で発生する電界に起因する白キズを抑制する技術を提供することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構造例を示す断面図。図１の撮像装置の単位セルの構造例を示す平面図。図１の撮像装置の単位セルの等価回路図。本発明の実施形態に係る撮像装置の単位セルの構造例を示す平面図。図４の撮像装置の構造例を示す断面図。本発明の実施形態に係る撮像装置の単位セルの構造例を示す平面図。図６の撮像装置の構造例を示す断面図。図１の撮像装置の構造の変形例を示す断面図。

以下、本発明に係る撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

第１の実施形態
図１〜３を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構造について説明する。図１および図２は、それぞれ本発明の第１の実施形態における撮像装置の構造を示す断面図および平面図である。図１の断面図は、図２に示す撮像装置の１画素の平面図のＡ−Ａ’で示される破線の部分の断面を示している。図３は、撮像装置の１画素の構成例を示す等価回路図である。本実施形態において、１つの画素と４つのトランジスタによって単位セル２００が構成される撮像装置について説明する。

図１に示されるように、例えばシリコンなどのｎ型の導電型を有する半導体の基板１０１に、ｐ型の導電型の半導体領域１０２（第１の半導体領域）が配される。ｐ型の半導体領域１０２の上面の側の一部には、ｐ型の半導体領域１０２とｐｎ接合を構成し、光電変換素子となるフォトダイオードを形成するｐ型の半導体領域１０２とは反対の導電型であるｎ型の半導体領域１０３（第２の半導体領域）が設けられる。ここで、本明細書において、「上」とは図１の断面図の上側のことをいう。また、「下」とは図１の断面図の下側のことをいい、例えば「より深い」とは、より下側のことを指す。

撮像装置には、ｎ型の半導体領域１０３を取り囲むように、素子分離用の埋込絶縁膜１０４が設けられている。埋込絶縁膜１０４は、例えば酸化シリコンが用いられる。ｎ型の半導体領域１０３は、素子分離用の埋込絶縁膜１０４の底部よりも深い領域まで伸展して形成されてもよい。半導体領域１０３がより深くまで配されることによって、より多くの電荷を蓄積することが可能となる。

ｎ型の半導体領域１０３と素子分離用の埋込絶縁膜１０４を介して隣り合うように、半導体素子が配されうる。半導体素子は、基板１０１の表面の側に、トランジスタのソース領域またはドレイン領域などを構成するｎ型の半導体領域１１２（第３の半導体領域）を含む。ここで、基板１０１の表面とは、図１の断面図において、基板１０１の上側の面のことをいう。上述の埋込絶縁膜１０４は、基板１０１の表面に対する正射影において、フォトダイオードとして機能する半導体領域１０３と半導体素子の半導体領域１１２との間に配される。ｎ型の半導体領域１１２は、ｎ型の導電型の不純物濃度が互いに異なる領域１０９（第１の領域）および領域１１０（第２の領域）を含む。領域１１０の上には、配線パターンと半導体領域１１２と電気的に接続するためのコンタクトプラグ（ＣＮＴプラグ）１０８が設けられている。つまり、半導体素子の半導体領域１１２の領域１１０は、電源や信号の供給などを行うためにＣＮＴプラグ１０８を構成する導電体と接している。領域１１０におけるｎ型の導電型の不純物濃度は、領域１１０とＣＮＴプラグ１０８との間にオーミック接合を形成するために、領域１０９のｎ型の導電型の不純物濃度よりも高くする。図１に示される構成では、ＣＮＴプラグ１０８は、半導体領域１１２のうち領域１１０のみに接するが、領域１０９と接していてもよい。ここで、ｎ（ｐ）型の導電型の不純物濃度は、注目する領域において生成される電子（ホール）の数と相関する。例えば、注目する領域に多数のｎ型の不純物と少数のｐ型の不純物とが存在する場合、ｎ型の不純物とｐ型の不純物との差分によって決まるｎ型の特性によって、ｎ型の導電型の不純物濃度が表される。本実施形態において、半導体領域１１２はトランジスタの一部を構成するが、必ずしもトランジスタの一部である必要はない。また、１つの半導体領域１１２が、複数のトランジスタのソース領域またはドレイン領域を兼ねるが場合がある。このため、半導体領域１１２を含む領域を半導体部と呼ぶ場合がある。

撮像装置は、フォトダイオードとして機能する半導体領域１０３と半導体素子の半導体領域１１２との間に配された上述の埋込絶縁膜１０４と、埋込絶縁膜１０４の側面および底面を覆うｐ型の導電型のチャネルストップ領域１１１と、を有する。チャネルストップ領域１１１は、埋込絶縁膜１０４と半導体領域１０３との間に配されるｐ型の半導体領域１０５（第４の半導体領域）と、埋込絶縁膜１０４と半導体領域１１２との間に配される半導体領域１０６（第５の半導体領域）と、を含む。ここで、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度よりも高く、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０２のｐ型の導電型の不純物濃度以上である。例えば、それぞれのｐ型の導電型の不純物濃度は、半導体領域１０５が最も高く、次に半導体領域１０６が高く、半導体領域１０２が最も低くなっていてもよい。

半導体領域１０５は、埋込絶縁膜１０４のうち底面と半導体領域１０３の側に配された側面の全体を覆っていてもよい。また、半導体領域１０６は、図１に示されるように、埋込絶縁膜１０４のうち半導体領域１１２の側に配された側面の全体を覆っていてもよい。また、埋込絶縁膜１０４は、図１に示されるように、半導体領域１０５、半導体領域１０６および後述する半導体領域１０７によって、側面のおよび底面の全体が覆われていてもよい。

半導体領域１０５は、図１に示されるように、埋込絶縁膜１０４と半導体領域１０３とにそれぞれ接している。また、半導体領域１０６は、図１に示されるように、埋込絶縁膜１０４と半導体領域１１２とにそれぞれ接している。図１に示されるように、半導体領域１０６は、半導体領域１１２のうちｎ型の導電型の不純物濃度が高い領域１１０と半導体領域１０６との間に配されるｎ型の導電型の不純物濃度が低い領域１０９と接する。

さらに、暗電流の発生を抑制させるために、ｎ型の半導体領域１０３と基板１０１の表面との間に、図１に示されるように、ｐ型の半導体領域１０７（第７の半導体領域）が設けられてもよい。ｐ型の半導体領域１０７は、チャネルストップ領域１１１のうち埋込絶縁膜１０４の側面に接している部分に対して接している。ｐ型の半導体領域１０７のｐ型の導電型の不純物濃度は、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度よりも高く設定される。つまり、半導体領域１０２、１０５、１０６、１０７におけるｐ型の導電型の不純物濃度は、半導体領域１０７＞半導体領域１０５＞半導体領域１０６≧半導体領域１０２でありうる。当然のことながら、本実施形態の撮像装置において、フォトダイオードに対する光は、半導体領域１０７側から半導体領域１０３に入射する。

次に、撮像装置の１画素分の構成について説明する。図２および図３において、光電変換を実行するフォトダイオードは、符号２０１で表されている。図２において、フォトダイオード２０１を示す矩形の領域は、図１における半導体領域１０３の形成領域を示している。符号２０２で示された領域は、リセットトランジスタ２０２のゲート電極の形成位置を示し、符号２０３で示された領域は、転送トランジスタ２０３のゲート電極の形成位置を示している。符号２０４で示された領域は、電圧変換用トランジスタ２０４のゲート電極の形成位置を示し、符号２０５で示された領域は、行選択トランジスタ２０５のゲート電極の形成位置を示している。符号２０６で示された領域は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域の形成位置を示している。符号２０７で示された領域は、ＣＮＴプラグの形成位置を示している。図２において、ＣＮＴプラグ２０７を示す矩形の領域は、図１におけるＣＮＴプラグ１０８を示している。

図３は、撮像装置の１画素分の回路を構成する単位セル２００の回路構成を示している。光電変換をするためのフォトダイオード２０１のアノード（ｐ型の半導体領域１０２）には接地電位が与えられる。一方、フォトダイオード２０１のカソード（ｎ型の半導体領域１０３）は、フォトダイオード２０１の信号電荷を読み出すための転送トランジスタ２０３の一端に接続される。転送トランジスタ２０３の他端は、フォトダイオード２０１およびＦＤ領域２０６をリセットするためのリセットトランジスタ２０２の一端に接続するとともに、読み出した信号電荷を電圧変換するための電圧変換用トランジスタ２０４のゲートに接続される。電圧変換用トランジスタ２０４は、ソースフォロアとして動作してフォトダイオード２０１から読み出した信号電荷を電圧信号に変換するものであって、図２に示されるＦＤ領域２０６と接続される。電圧変換用トランジスタ２０４の一端とリセットトランジスタ２０２の他端とは、いずれも、例えば電圧Ｖｄｄを与える電源線２１０に接続される。電圧変換用トランジスタ２０４の他端と信号線２１１との間には、電圧変換用トランジスタ２０４、すなわちソースフォロアアンプの出力を信号線２１１に選択的に出力するための行選択トランジスタ２０５が挿入される。このように、単位セル２００は、１個のフォトダイオード２０１と４個のトランジスタを備えていてもよい。

本実施形態において、チャネルストップ領域１１１として半導体領域１０２よりもｐ型の不純物濃度が高い半導体領域１０５が、素子分離用の埋込絶縁膜１０４の半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）の側の側面を覆うように形成される。埋込絶縁膜１０４のうち半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）の側の側面と半導体領域１０５との界面から発生する暗電流を抑制するために、半導体領域１０５は、チャネルストップ領域１１１に必要な不純物濃度が確保される。例えば、暗電流を抑制するために、半導体領域１０５に必要なｐ型の不純物濃度は、１×１０^１４［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］程度である。例えば、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、５×１０^１３［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］以上かつ１×１０^１５［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］以下であってもよい。

一方、半導体領域１０６は、埋込絶縁膜１０４の半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）に隣接する半導体領域１１２（半導体素子）の側の壁面を覆うように形成される。これによって、半導体領域１０５と同様に素子分離用の埋込絶縁膜１０４と半導体領域１０６とが接する界面から発生する暗電流を抑制する。このとき、隣接する半導体素子のソース・ドレイン領域などとして機能する高濃度のｎ型の領域１１０とｐ型の半導体領域１０６との間に強電界が発生する。例えば、領域１１０には電源電圧３．０［Ｖ］が、半導体領域１０６には接地電圧０．０［Ｖ］が印加され、その間には電位差による電界が生じる。例えば微細化の進展によって互いに隣接するフォトダイオードと半導体素子との間の距離が短くなると、この電界強度は大きくなりうる。一般に、電界が２００［ｋＶ/ｃｍ］を超えると、衝突電離によるホットキャリアが発生する。ホットキャリアが、フォトダイオードを構成する半導体領域１０３に流れ込むことによって、画素から出力される信号が大きくなってしまう、いわゆる「白キズ」が発生する。そこで、本実施形態において、チャネルストップ領域１１１のうち半導体領域１０６の不純物濃度を、暗電流の発生を抑制できる範囲で低減させることによって、半導体領域１０６と領域１１０との間で発生する電界を緩和させ白キズの発生を抑制する。例えば、電位差３．０［Ｖ］で生じる電界を２００［ｋＶ/ｃｍ］以下に抑えるためには、チャネルストップ領域１１１のうち半導体領域１０６の濃度は１×１０^１３［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］程度に下げる必要がある。例えば、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度が、１×１０^１２［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］以上かつ２×１０^１４［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］以下であってもよい。

例えば、チャネルストップ領域１１１のうち、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、１×１０^１４［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］であり、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、１×１０^１３［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］であってもよい。このように、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度の１０倍以上であってもよい。また、例えば、チャネルストップ領域１１１のうち、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、１×１０^１４［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］であり、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、２×１０^１３［ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３］であってもよい。このように、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度の５倍以上であってもよい。半導体領域１０５、１０６の不純物濃度は、撮像装置に配されるフォトダイオードや半導体素子などの大きさや互いの離間距離、また、フォトダイオードや半導体素子に印加される電圧によって、適宜決定すればよい。また、上述の不純物濃度の具体的な値は、例えば、それぞれの半導体領域の最大の不純物濃度での値であってもよいし、それぞれの半導体領域の平均の不純物濃度の値であってもよい。

本実施形態において、チャネルストップ領域１１１のうち、半導体領域１０６のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０５のｐ型の導電型の不純物濃度よりも低い。これによって、半導体領域１０５による素子分離用の埋込絶縁膜１０４との界面で発生する暗電流の低減と、半導体領域１０６による電界緩和による白キズの抑制の両立を達成することができる。結果として、本実施形態の撮像装置によって得られる画像の画質が向上しうる。

第２の実施形態
図４、５を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構造について説明する。図４および図５は、それぞれ本発明の第２の実施形態における撮像装置の構造を示す平面図および断面図である。本実施形態において、撮像装置には、リセットトランジスタ２０２、電圧変換用トランジスタ２０４、行選択トランジスタ２０５などのトランジスタを、複数のフォトダイオード２０１で共有した単位セル２００が配される。

図４に示す構成において、フォトダイオード２０１ａとフォトダイオード２０１ｂとの２つのフォトダイオード２０１が、リセットトランジスタ２０２、電圧変換用トランジスタ２０４、行選択トランジスタ２０５を共有する。このとき、フォトダイオード２０１ａのｎ型の半導体領域１０３と、フォトダイオード２０１ｂのｎ型の半導体領域１０３とは、図４に示されるように、ｘ方向（第１の方向）に並んで配される。また、フォトダイオード２０１ａに対してｘ方向と直交するｙ方向（第２の方向）に配された半導体素子（第１の半導体部）は、電圧変換用トランジスタ２０４と行選択トランジスタ２０５との、少なくとも一部を構成する。さらに、フォトダイオード２０１ｂに対してｙ方向に配された半導体素子（第２の半導体部）は、リセットトランジスタ２０２と電圧変換用トランジスタ２０４との、少なくとも一部を構成する。

このため、フォトダイオード２０１ａに隣接する行選択トランジスタ２０５のゲート電極を境に、一方のｎ型の半導体領域１１２には、ＣＮＴプラグ２０７が接続され、他方のｎ型の半導体領域１１３（第６の半導体領域）には、ＣＮＴプラグ２０７が形成されない。一方、フォトダイオード２０１ｂに隣接するリセットトランジスタ２０２のゲート電極を境に、両方のｎ型の半導体領域１１２、１１３には、ＣＮＴプラグ２０７が接続される。したがって、図４に示されるように、フォトダイオード２０１ａに隣接するＣＮＴプラグ２０７は１つであり、フォトダイオード２０１ｂに隣接するＣＮＴプラグ２０７は２つである。

図４に示されるＣＮＴプラグ２０７の下部には、上述の図１と図２との関係と同様に、ｎ型の半導体領域１１２のうち高濃度のｎ型の領域１１０が配される。つまり、フォトダイオード２０１ａに隣接する行選択トランジスタ２０５の半導体領域１１２には、領域１０９と領域１０９よりもｎ型の導電型の不純物濃度が高い領域１１０が配される。一方、フォトダイオード２０１ａに隣接する行選択トランジスタ２０５の半導体領域１１３には、領域１０９のみが配され、領域１０９よりもｎ型の導電型の不純物濃度が高い領域１１０が配されない。また、フォトダイオード２０１ｂに隣接するリセットトランジスタ２０２の半導体領域１１２、１１３には、領域１０９と領域１０９よりもｎ型の導電型の不純物濃度が高い領域１１０が配される。ここで、半導体領域１１２の領域１０９のｎ型の導電型の不純物濃度と半導体領域１１３の領域１０９のｎ型の導電型の不純物濃度とは、同じでありうる。

このように、トランジスタを複数の画素で共有した場合、単位セル２００内のそれぞれのフォトダイオード２０１と隣接するトランジスタとの位置関係などが異なる場合がある。結果として、フォトダイオード２０１に隣接する領域１１０の数に偏りが生じる場合やそれぞれのトランジスタのソース・ドレイン領域に印加される電圧に差が生じる場合がある。これによって、トランジスタを共有するフォトダイオード２０１ａとフォトダイオード２０１ｂとの間で、白キズの特性に差異が生じてしまう可能性がある。このフォトダイオード２０１ａとフォトダイオード２０１ｂとの間の白キズの特性の差を抑制する構造について説明する。

本実施形態において、２つのフォトダイオード２０１ａ、２０１ｂと、上述の第１の実施形態と同様の４種類のトランジスタとで、１つの単位セル２００が構成される。図４において、光電変換を実行するフォトダイオードは符号２０１ａおよび２０１ｂで表される。フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂは、フォトダイオードで生成された電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域および複数のトランジスタを共有している。つまり、フォトダイオード２０１ａで生成された電荷とフォトダイオード２０１ｂで生成された電荷とが、撮像装置内に単位セル２００ごとに複数、配されるフローティングディフュージョン領域のうち同じフローティングディフュージョン領域に転送される。符号２０２で示された領域は、リセットトランジスタ２０２のゲート電極の形成位置を示し、符号２０３で示された領域は、転送トランジスタ２０３のゲート電極の形成位置を示している。符号２０４で示された領域は、電圧変換用トランジスタ２０４のゲート電極の形成位置を示し、符号２０５で示された領域は、行選択トランジスタ２０５のゲート電極の形成位置を示している。符号２０６で示された領域は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域の形成位置を示している。符号２０７で示された領域は、ＣＮＴプラグの形成位置を示している。

図５（ａ）、５（ｂ）は、それぞれ、図４のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線に沿った断面図を示す。図５（ａ）は、半導体領域１０３（フォトダイオード２０１ａ）に隣接する半導体素子の半導体領域１１２のうち高濃度の領域１１０が１つの場合の断面である。また、図５（ｂ）は、半導体領域１０３（フォトダイオード２０１ｂ）に隣接する半導体素子の半導体領域１１２のうち高濃度の領域１１０が２つの場合の断面である。図５（ａ）、５（ｂ）に示される撮像装置の断面は、上述の第１の実施形態の図１に示される断面と同様の構造を有する。しかしながら、チャネルストップ領域１１１のうち埋込絶縁膜１０４の半導体素子（半導体領域１１２）の側の側面を覆う半導体領域１０６の不純物濃度が、図４のＢ−Ｂ’線とＣ−Ｃ’線とで示される断面において互いに異なっている。具体的には、半導体領域１０６ｂのｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０２のｐ型の導電型の不純物濃度以上かつ半導体領域１０６ａのｐ型の導電型の不純物濃度よりも低い。これ以外の構成は、上述の第１の実施形態と同様であってもよい。つまり、半導体領域１０２、１０５、１０６ａ、１０６ｂ、１０７におけるｐ型の導電型の不純物濃度は、半導体領域１０７＞半導体領域１０５＞半導体領域１０６ａ＞１０６ｂ≧半導体領域１０２でありうる。

本実施形態において、チャネルストップ領域１１１として半導体領域１０２よりもｐ型の不純物濃度が高い半導体領域１０５が、素子分離用の埋込絶縁膜１０４の半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）の側の側面を覆うように形成される。半導体領域１０５によって、上述の第１の実施形態と同様に、埋込絶縁膜１０４のうち半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）の側の側面と半導体領域１０５との界面から発生する暗電流が抑制される。

一方、半導体領域１０６ａ、１０６ｂは、埋込絶縁膜１０４の半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）に隣接する半導体領域１１２（半導体素子）の側の壁面を覆うように形成される。これによって、半導体領域１０５と同様に素子分離用の埋込絶縁膜１０４と半導体領域１０６とが接する界面から発生する暗電流を抑制する。また、上述の第１の実施形態と同様に、半導体領域１０６ａ、１０６ｂは、半導体領域１０５よりも不純物濃度を低くすることによって、半導体領域１０６ａ、１０６ｂと領域１１０との間の電界を緩和し白キズの発生を抑制する。このとき、半導体領域１０６ａのｐ型の導電型の不純物濃度と半導体領域１０６ｂのｐ型の導電型の不純物濃度の関係は、フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂにそれぞれ隣接するＣＮＴプラグ１０８（２０７）の数に応じて調整する。図４、５に示される構成の場合、半導体領域１０６ｂの不純物濃度が、半導体領域１０６ａの不純物濃度よりも低く設定される。これによって、フォトダイオード２０１ａ、２０１ｂに隣接する半導体素子（トランジスタ）の半導体領域１１２に存在する高濃度の領域１１０と、半導体領域１０６ａまたは半導体領域１０６ｂとの間に発生する電界を調整する。フォトダイオード２０１に隣接する半導体素子（トランジスタ）の構成によって、チャネルストップ領域１１１のうち半導体領域１１２の側を覆う半導体領域１０６の不純物濃度を変化させる。これによって、複数のフォトダイオード２０１においてトランジスタを共有した場合であっても、半導体素子（トランジスタ）の配置に起因する、電界による衝突電離による白キズ特性の差異を低減することが可能となる。

第３の実施形態
図６、７を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構造について説明する。図６および図７は、それぞれ本発明の第３の実施形態における撮像装置の構造を示す平面図および断面図である。本実施形態において、撮像装置には、ＦＤ領域２０６、リセットトランジスタ２０２、電圧変換用トランジスタ２０４、行選択トランジスタ２０５などのトランジスタを、複数のフォトダイオード２０１で共有した単位セル２００が配される。本実施形態において、撮像装置は、１つのマイクロレンズで複数のフォトダイオード２０１に集光することで位相差方式の焦点検出を行う撮像装置でありうる。このため、撮像装置は、光を集光するための複数のマイクロレンズ（不図示）を基板１０１の上方にさらに含む。マイクロレンズは、単位セル２００ごとに配されうる。そして、複数のマイクロレンズのうち同じマイクロレンズによって集光された光が、同じ単位セル２００のフォトダイオード２０１ｃとフォトダイオード２０１ｄとに入射する。

図６に示す構成において、フォトダイオード２０１ｃとフォトダイオード２０１ｄとの２つのフォトダイオード２０１が、リセットトランジスタ２０２、電圧変換用トランジスタ２０４、行選択トランジスタ２０５を共有する。このとき、フォトダイオード２０１ｃのｎ型の半導体領域１０３と、フォトダイオード２０１ｄのｎ型の半導体領域１０３とは、図６に示されるように、ｘ方向に並んで配される。また、フォトダイオード２０１ｃに対してｘ方向と直交するｙ方向に配された半導体素子は、電圧変換用トランジスタ２０４と行選択トランジスタ２０５との、少なくとも一部を構成する。さらに、フォトダイオード２０１ｄに対してｙ方向に配された半導体素子は、リセットトランジスタ２０２と電圧変換用トランジスタ２０４との、少なくとも一部を構成する。

このため、フォトダイオード２０１ｃに隣接する行選択トランジスタ２０５のゲート電極を境に、一方のｎ型の半導体領域１１２には、ＣＮＴプラグ２０７が接続され、他方のｎ型の半導体領域１１３には、ＣＮＴプラグ２０７が形成されない。一方、フォトダイオード２０１ｄに隣接するリセットトランジスタ２０２のゲート電極を境に、両方のｎ型の半導体領域１１２、１１３には、ＣＮＴプラグ２０７が接続される。したがって、図６に示されるように、フォトダイオード２０１ｃに隣接するＣＮＴプラグ２０７は１つであり、フォトダイオード２０１ｄに隣接するＣＮＴプラグ２０７は２つである。

図６に示されるＣＮＴプラグ２０７の下部には、上述の図１および図２、図４および図５（ａ）、５（ｂ）の関係と同様に、ｎ型の半導体領域１１２のうち高濃度のｎ型の領域１１０が配される。そのため、上述の第２の実施形態と同様に、単位セル２００内のそれぞれのフォトダイオード２０１と隣接するトランジスタとの位置関係などが異なる場合がある。結果として、フォトダイオード２０１に隣接する領域１１０の数に偏りが生じる場合やそれぞれのトランジスタのソース・ドレイン領域に印加される電圧に差が生じる場合がある。これによって、トランジスタを共有するフォトダイオード２０１ｃとフォトダイオード２０１ｄとの間で、白キズの特性に差異が生じてしまう可能性がある。このフォトダイオード２０１ｃとフォトダイオード２０１ｄとの間の白キズの特性の差を抑制する構造について説明する。

本実施形態において、上述の第２の実施形態と同様に、２つのフォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄと、４種類のトランジスタとで、１つの単位セル２００が構成される。図６において、光電変換を実行するフォトダイオードは符号２０１ｃおよび２０１ｄで表される。フォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄは、複数のトランジスタを共有している。また、フォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄには、上述したように同じマイクロレンズを通過した光が入射する。また、フォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄは、図６に示されるように、ＦＤ領域２０６を共有していてもよい。符号２０２で示された領域は、リセットトランジスタ２０２のゲート電極の形成位置を示し、符号２０３で示された領域は、転送トランジスタ２０３のゲート電極の形成位置を示している。符号２０４で示された領域は、電圧変換用トランジスタ２０４のゲート電極の形成位置を示し、符号２０５で示された領域は、行選択トランジスタ２０５のゲート電極の形成位置を示している。符号２０６で示された領域は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域の形成位置を示している。符号２０７で示された領域は、ＣＮＴプラグの形成位置を示している。

図７（ａ）、７（ｂ）は、それぞれ、図４のＤ−Ｄ’線、Ｅ−Ｅ’線に沿った断面図を示す。図７（ａ）は、半導体領域１０３（フォトダイオード２０１ｃ）に隣接する半導体素子の半導体領域１１２のうち高濃度の領域１１０が１つの場合の断面である。また、図５（ｂ）は、半導体領域１０３（フォトダイオード２０１ｄ）に隣接する半導体素子の半導体領域１１２のうち高濃度の領域１１０が２つの場合の断面である。図７（ａ）、７（ｂ）に示される撮像装置の断面は、上述の第１の実施形態の図１に示される断面と同様の構造を有する。しかしながら、第２の実施形態と同様に、チャネルストップ領域１１１のうち埋込絶縁膜１０４の半導体素子（半導体領域１１２）の側の側面を覆う半導体領域１０６の不純物濃度が、図６のＤ−Ｄ’線とＥ−Ｅ’線とで示される断面において互いに異なっている。具体的には、半導体領域１０６ｄ（第８の半導体領域）のｐ型の導電型の不純物濃度が、半導体領域１０２のｐ型の導電型の不純物濃度以上かつ半導体領域１０６ｃのｐ型の導電型の不純物濃度よりも低い。これ以外の構成は、上述の第１の実施形態と同様であってもよい。つまり、半導体領域１０２、１０５、１０６ｃ、１０６ｄ、１０７におけるｐ型の導電型の不純物濃度は、半導体領域１０７＞半導体領域１０５＞半導体領域１０６ｃ＞１０６ｄ≧半導体領域１０２でありうる。

一方、半導体領域１０６ｃ、１０６ｄは、埋込絶縁膜１０４の半導体領域１０２（フォトダイオード２０１）に隣接する半導体領域１１２（半導体素子）の側の壁面を覆うように形成される。これによって、半導体領域１０５と同様に素子分離用の埋込絶縁膜１０４と半導体領域１０６とが接する界面から発生する暗電流を抑制する。また、上述の第１の実施形態と同様に、半導体領域１０６ｃ、１０６ｄは、半導体領域１０５よりも不純物濃度を低くすることによって、半導体領域１０６ｃ、１０６ｄと領域１１０との間の電界を緩和し白キズの発生を抑制する。このとき、半導体領域１０６ｃのｐ型の導電型の不純物濃度と半導体領域１０６ｄのｐ型の導電型の不純物濃度の関係は、フォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄにそれぞれ隣接するＣＮＴプラグ１０８（２０７）の数に応じて調整する。図６、７に示される構成の場合、半導体領域１０６ｄの不純物濃度が、半導体領域１０６ｃの不純物濃度よりも低く設定される。これによって、フォトダイオード２０１ｃ、２０１ｄに隣接する半導体素子（トランジスタ）の半導体領域１１２に存在する高濃度の領域１１０と、半導体領域１０６ｃまたは半導体領域１０６ｄとの間に発生する電界を調整する。フォトダイオード２０１に隣接する半導体素子（トランジスタ）の構成によって、チャネルストップ領域１１１のうち半導体領域１１２の側を覆う半導体領域１０６の不純物濃度を変化させる。これによって、複数のフォトダイオード２０１において位相差検知用の１つのマイクロレンズを共有した場合であっても、半導体素子（トランジスタ）の配置に起因する、電界による衝突電離による白キズ特性の差異を低減することが可能となる。

以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

例えば、図８に示されるように、ｎ型の半導体領域１１２の領域１０９と領域１１０との配置が、図１、５（ａ）、５（ｂ）、７（ａ）、７（ｂ）に示す配置と異なっていてもよい。図８に示される構成において、半導体領域１１２の領域１０９と領域１１０との深さ方向の関係が、上述の各実施形態とは異なっている。上述の各実施形態において、領域１０９の底面が配される深さが、領域１１０の底面が配される深さよりも浅い。一方、図８に示される構成において、領域１０９が、領域１１０の側面および底面を覆う。例えば、半導体領域１１２のｎ型の導電型の不純物濃度のピーク位置の関係において、領域１０９のｎ型の導電型の不純物濃度のピーク位置と比較して、領域１１０のｎ型の導電型の不純物濃度のピーク位置が、より浅い位置に形成されてもよい。領域１１０が、不純物濃度が薄い領域１０９に覆われることによって、領域１１０と半導体領域１０６との間に、確実に領域１０９が存在することになる。これによって、ポテンシャルの変化が緩やかになり、電界が緩和される。電界が緩和されることによって、半導体領域１０６と領域１１０と間に発生する電界に起因する衝突電離による白キズが抑制される。

また、上述の各実施形態では、半導体領域１０２、１０５、１０６をｐ型の導電型の半導体領域、半導体領域１０３、１１２、１１３をｎ型の導電型の半導体領域として説明した。しかしながら、これに限られることはなく、半導体領域１０２、１０５、１０６がｎ型の導電型の半導体領域であり、半導体領域１０３、１１２、１１３がｐ型の導電型の半導体領域であってもよい。

以下、上記の各実施形態に係る撮像装置の応用例として、該撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上述の実施形態として例示された本発明に係る撮像装置と、該撮像装置から出力される信号に基づく情報を処理する信号処理部とを含む。該信号処理部は、画像データであるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。該プロセッサは、撮像装置の焦点検出機能を有する画素からの信号に基づいてデフォーカス量を計算し、これに基づいて撮像レンズの焦点調節を制御するための処理を行いうる。上記画像データを生成するＡ／Ｄ変換器は、撮像装置が備えることができる他、撮像装置とは別に設けることができる。

１０１：基板、１０２，１０３，１０５，１０６，１１２，１１３：半導体領域、１０４：埋込絶縁膜、１１１：チャネルストップ領域、２０１：フォトダイオード

Claims

基板に配された第１の導電型の第１の半導体領域および前記第１の導電型とは反対の第２の導電型の第２の半導体領域を含むフォトダイオードと、
前記第２の導電型の第３の半導体領域と、
前記基板の表面に対する正射影において、前記フォトダイオードと前記第３の半導体領域との間に配された埋込絶縁膜と、
前記埋込絶縁膜の側面および底面を覆う前記第１の導電型のチャネルストップ領域と、を有する撮像装置であって、
前記チャネルストップ領域は、前記埋込絶縁膜と前記第２の半導体領域との間に配される第４の半導体領域と、前記埋込絶縁膜と前記第３の半導体領域との間に配される第５の半導体領域と、を含み、
前記第４の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度が、前記第５の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度よりも高く、
前記第５の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度が、前記第１の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度以上であることを特徴とする撮像装置。
前記第４の半導体領域が、前記埋込絶縁膜のうち底面と前記第２の半導体領域の側に配された側面の全体を覆うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記第５の半導体領域が、前記埋込絶縁膜のうち前記第３の半導体領域の側に配された側面の全体を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記第５の半導体領域が、前記埋込絶縁膜と前記第３の半導体領域とにそれぞれ接していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第３の半導体領域が、前記第２の導電型の不純物濃度が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第１の領域の前記第２の導電型の不純物濃度が、前記第２の領域の前記第２の導電型の不純物濃度よりも低く、
前記第１の領域が、前記第５の半導体領域と前記第２の領域との間に配されることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記第１の領域の底面が配される深さが、前記第２の半導体領域の底面が配される深さよりも浅いことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
前記第１の領域が、前記第２の領域の側面および底面を覆うことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
前記第２の領域が、導電体と接していることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、前記フォトダイオードを含む複数のフォトダイオードと、前記第３の半導体領域をそれぞれ含む複数の半導体部と、を含み、
前記複数のフォトダイオードは、それぞれ前記第２の半導体領域を含む第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含み、
前記第１のフォトダイオードの前記第２の半導体領域と前記第２のフォトダイオードの前記第２の半導体領域とは、第１の方向に並んで配され、
前記複数の半導体部は、前記第１のフォトダイオードに対して前記第１の方向と直交する第２の方向に配された第１の半導体部と、前記第２のフォトダイオードに対して前記第２の方向に配された第２の半導体部と、を含み、
前記第１の半導体部および前記第２の半導体部のそれぞれは、前記第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域に対して前記第１の方向に配された前記第２の導電型の第６の半導体領域と、を備え、
前記第１の半導体部の前記第６の半導体領域は、前記第２の導電型の不純物濃度が前記第１の領域と同じ濃度の第３の領域が配され、
前記第２の半導体部の前記第６の半導体領域は、前記第２の導電型の不純物濃度が前記第１の領域と同じ濃度の第４の領域と前記第４の領域よりも前記第２の導電型の不純物濃度が高い第５の領域とを含み、
前記第２のフォトダイオードと前記第２の半導体部との間に配される前記チャネルストップ領域の前記第５の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度が、前記第１のフォトダイオードと前記第１の半導体部との間に配される前記チャネルストップ領域の前記第５の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、前記複数のフォトダイオードで生成された電荷が転送される複数のフローティングディフュージョン領域をさらに含み、
前記第１のフォトダイオードで生成された電荷と前記第２のフォトダイオードで生成された電荷とが、前記複数のフローティングディフュージョン領域のうち同じフローティングディフュージョン領域に転送されることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、光を集光するための複数のマイクロレンズをさらに含み、
前記複数のマイクロレンズのうち同じマイクロレンズによって集光された光が、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとに入射することを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像装置。
前記第２の半導体部が、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードをリセットするためのリセットトランジスタと、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードで生成された信号電荷を電圧信号に変換するための電圧変換用トランジスタとの、少なくとも一部を構成し、
前記第１の半導体部が、前記電圧変換用トランジスタと、前記電圧信号を出力するための行選択トランジスタと、の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第３の半導体領域にコンタクトプラグが接していることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第３の半導体領域が、トランジスタのソース領域またはドレイン領域を構成していることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第４の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度が、前記第５の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度の５倍以上であることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、前記第２の半導体領域と前記基板の表面との間に前記第１の導電型の第７の半導体領域をさらに含み、
前記第７の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度が、前記第４の半導体領域の前記第１の導電型の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の撮像装置。
請求項１乃至１７の何れか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。