JP3617917B2

JP3617917B2 - Ｍｏｓイメージセンサ

Info

Publication number: JP3617917B2
Application number: JP03140298A
Authority: JP
Inventors: 秀俊野崎; 鉄也山口; 久典井原; 浩史山下; 郁子井上; 信男中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JPH11233747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換効果を用いて２次元画像を得るＭＯＳ型イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術を図面を参照して説明する。
図３は、増幅型ＭＯＳイメージセンサと呼ばれる固体撮像素子の回路図の一例を示す図である。
図３において、ホトダイオード１−１−１、１−１−２、…、１−３−３の信号を読み出す増幅トランジスタ２−１−１、２−１−２、…、２−３−３と、信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ３−１−１、３−１−２、…、３−３−３と、信号電荷をリセットするリセットトランジスタ４−１−１、４−１−２、…、４−３−３とからなる単位セル３×３が二次元状に配列されている。実際のセンサではこれより多くの単位セルが配列されている。
【０００３】
垂直シフトレジスタ５から水平方向に配線されている水平アドレス線６−１、…、６−３は垂直選択トランジスタのゲートに接続され、信号を読み出すラインを決めている。リセット線７−１、…、７−３はリセットトランジスタ４−１−１、…、４−３−３のゲートに接続されている。増幅トランジスタ２−１−１、…、２−３−３のソースは垂直信号線８−１、…、８−３に接続されている。なお、垂直信号線８−１、…、８−３の一端にはそれぞれ負荷トランジスタ９−１、…、９−３が設けられている。垂直信号線８−１、…、８−３の他端は、水平シフトレジスタ１０から供給される選択パルスにより選択される水平選択トランジスタ１９−１、…、１９−３を介して水平信号線１１に接続されている。
【０００４】
図４は、従来のＭＯＳイメージセンサの断面図である。図４において、従来のＭＯＳイメージセンサは、第１の導電領域（ｐ^＋＋）４１と、第２の導電領域（ｐ^＋）４２と、第３の導電領域（ｐ）４３と、からなる半導体基板と、Ｐ−Ｎ接合型光電変換部（ホトダイオード）４４−１、４４−２、４４−３とからなる。なお、この例では信号電荷は電子である。
【０００５】
ホトダイオード４４−２領域のみに信号光が入射した場合を考える。
前記ホトダイオード４４−２下の第３の導電領域で発生した信号電荷ｅ⁻は、領域４２と領域４３境界の濃度勾配によって押し戻され（例えば、経路４５で示す）、一部、前記ホトダイオード４４−２に収集される。しかし、例えば、経路４６−１、４６−２に示すように、隣接ホトダイオードに向かって横方向に拡散して逃げていく信号電荷や、経路４７−１、４７−２に示すように、領域４２と領域４３境界の濃度勾配によって押し戻された後に、前記ホトダイオード４４−２の方向ではなく、その横の隣接ホトダイオード（例えば、ホトダイオード４４−１、４４−３）方向に拡散する信号電荷も存在する。その結果、信号電荷が当該ホトダイオード４４−２に十分集められないために十分な感度が得られないと同時に、隣接ホトダイオード４４−１、４４−３に信号電荷が一部漏れ込みやすいので混色が生じるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のＭＯＳイメージセンサでは十分な感度が得られないと同時に混色が生じるという問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは隣接ホトダイオードヘの信号電荷の拡散を防止して最大限の信号電荷を信号光が入射したホトダイオードに集めることにより、することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
本発明のＭＯＳイメージセンサは、半導体基板上に光電変換部と信号走査回路を含む単位セルを行列２次元状に配置してなる撮像領域と、この撮像領域の各セルからの信号を読み出す信号線とからなるＭＯＳイメージセンサであって、前記半導体基板は、Ｐ型半導体基板であり、信号電荷と逆の導電型を有し、かつ、基板の深さ方向に対して層状に形成された第１、第２および第３のＰ型導電領域を有し、前記第３の導電領域上に前記光電変換部が配置されており、隣接する前記光電変換部の間には第４の導電領域が設けられ、前記第２の導電領域が前記第１の導電領域よりも基板表面側に形成され、前記第２の導電領域の導電型を決める不純物濃度が前記第１導電領域における不純物濃度より小であり、かつ、前記第３の導電領域が前記第２の導電領域よりも基板表面側に形成され、前記第３の導電領域における不純物濃度が前記第２導電領域における不純物濃度より小さく、かつ、前記第４の導電領域は、前記第２の導電領域と同じ導電型であり、前記第３の導電領域の不純物濃度よりも大きく、前記第２の導電領域と前記第３の導電領域の接触部に、かつ、各前記第３の導電領域と同じ領域でかつ第３の導電領域の下部に第５の導電領域が設けられており、前記第５の導電領域の不純物濃度が前記第２の導電領域の不純物濃度より小さく、前記第５の導電領域の形状のうち、第２の導電領域と第５の導電領域の境界が凹面鏡状になっていることを特徴とする
【０００８】
上記の構成により、隣接ホトダイオードに向かって拡散した信号電荷は、第３の導電領域と第４の導電領域の不純物濃度勾配によって押し戻されて、当該ホトダイオードに再収集される。更に、基板下部方向に拡散する信号電荷を前記第５の導電領域内の不純物濃度勾配により当該ホトダイオードに向かって押し戻すことができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施態様は以下の通りである。
（１）前記第４の導電領域が前記第２の導電領域と接していること。本構成によれば、横方向に拡散する信号電荷を押し戻す効果はさらに増す。
【００１２】
（２）前記第２の導電領域における不純物濃度が、第３の導電領域に向かって次第に小さくなっていること。本構成によれば、当該ホトダイオード下部方向に拡散した信号電荷を一種の凹面鏡効果によって当該ホトダイードにほぼすべて再収集することができる。‘
上記したように、本発明によれば、感度増加と混色抑制を同時に実現できるＭＯＳイメージセンサを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの断面図である。なお、図４と同じ部分には同じ符号を付してある。
【００１４】
図１において、第１の導電領域（ｐ^＋＋）４１と、第２の導電領域（ｐ^＋）４２と、第３の導電領域（ｐ）４３と、からなる半導体基板と、Ｐ−Ｎ接合型光電変換部（ホトダイオード）４４−１、４４−２、４４−３とからなる。なお、この例では信号電荷は電子である。
【００１５】
本発明では、上記の構成に加えて、各ホトダイオード４４−１、４４−２、４４−３の間にそれぞれ例えばＬＯＣＯＳ法で形成された素子分離膜２２−１、２２−２を有し、その下に、第４の導電領域（ｐ^＋）２１−１、２１−２が形成されている。
【００１６】
第３の導電領域（ｐ）４３の不純物濃度は、前記第４の導電領域２１−１及び２１−２の不純物濃度よりも小さくなっている。なお、第２の導電領域４２と第３の導電領域４３の不純物濃度の大小関係は任意である。また、第４の導電領域２１−１、２１−２は第２の導電領域４２と接して形成されている。なお、第４の導電領域２１−１、２１−２は通常のイオン注入法（Ｐ型領域の場合は例えばＢ）により形成すればよい。
【００１７】
上記のように構成した場合に、ホトダイオード４４−２に信号光が入射した場合を考慮する。
ホトダイオード４４−２に入射した信号光により発生した信号電荷ｅ⁻は、従来と同様に、ホトダイオード４４−２に入射するのみではなく、隣接するホトダイオード４４−１、４−４−３方向にも進行する。しかし、隣接するホトダイオード４４−１、４４−３の方向に進んだ信号電荷ｅ⁻は、第４の導電領域２１−１、２１−２及び素子分離膜２２−１、２２−２により押し戻されて、最終的にホトダイオード４４−２に捕獲される。
【００１８】
従って、本発明の第１の実施形態によれば、信号電荷ｅ⁻の横方向拡散を防止できるので感度増加と混色抑制を同時に実現できる。
図２は、本発明の第２の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの断面図である。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００１９】
本実施形態では、第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサに第５の導電領域（ｐ）１１−１、１１−２、１１−３を追加したことである。
第５の導電領域（ｐ）１１−１、１１−２、１１−３の不純物濃度は第２の導電領域４２より小さくなっている。また、第２の導電領域４２内の不純物濃度は第３の導電領域４３に向かって次第に小さくなるように構成されている。すなわち、第２の導電領域４２では、不純物濃度分布に傾斜を持たせている。不純物濃度分布に傾斜を持たせるためには、例えば、高温熱アニールにより高濃度不純物領域の第１導電領域４１から不純物を熱拡散させればよい。
【００２０】
そして、第２の導電領域４２が上記のように傾斜濃度構成を有する場合には、ホトダイオード４４−１、４４−２、４４−３下の第２の導電領域４２と第３の導電領域４３の境界近傍に（望ましくは第２の導電領域４２内に）第２及び第３の導電領域と反対の導電型の不純物をイオン注入した後に適当な熱処理を加えると、第２の導電領域４２と第３の導電領域４３の境界に凹面鏡状の第５導電領域１１−１、１１−２、１１−３を設けることができる。なお、該凹面鏡の焦点が当該ホトダイオードのＮ型領域内に位置するように第５導電領域を設計することが望ましいが、そうでなくとも本発明の効果は有効なのは言うまでもない。
【００２１】
この凹面鏡状の構成により、信号光が入射した当該ホトダイオード下部から基板方向に拡散する信号電荷をほぼすべて当該ホトダイオードに向かって収束させて集めることができる。更に、隣接ホトダイオードに対して、信号電荷の横方向拡散を抑制する第４の導電領域２１−１、２１−２が設けられているので、当該ホトダイオード部から拡散して逃げていく信号電荷をほぼすべて再収集することができる。
【００２２】
このように、本実施形態によれば、更に、感度向上と混色抑制を実現できる。
なお、本発明の構成に用いた第２の導電領域の厚さは１から１５μｍの範囲、第３の導電領域４３の厚さは１から１０μｍ（望ましくは１から３μｍ）の範囲であることが望ましい。特に第３の導電領域の厚さが上記範囲以上である場合には、該凹面鏡部とホトダイオードの距離が離れすぎるため当該ホトダイオードに信号で電荷を収集する確率が小さくなってしまうので注意を要する。
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上記詳述したように、本発明によれば、感度増加と低混色を同時に実現したＭＯＳイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの断面図
【図３】増幅型ＭＯＳイメージセンサと呼ばれる固体撮像素子の回路図の一例を示す図。
【図４】従来のＭＯＳイメージセンサの断面図。
【符号の説明】
１１−１、１１−２、１１−３…第５の導電領域（ｐ）
２１−１、２１−２…第４の導電領域（ｐ^＋）
２２−１、２２−２…素子分離膜
４１…第１の導電領域（ｐ^＋＋）
４２…第２の導電領域（ｐ^＋）
４３…第３の導電領域（ｐ）
４４−１、４４−２、４４−３…Ｐ−Ｎ接合型光電変換部（ホトダイオード）

Claims

半導体基板上に光電変換部と信号走査回路を含む単位セルを行列２次元状に配置してなる撮像領域と、この撮像領域の各セルからの信号を読み出す信号線とからなるＭＯＳイメージセンサにおいて、
前記半導体基板は、Ｐ型半導体基板であり、信号電荷と逆の導電型を有し、かつ、基板の深さ方向に対して層状に形成された第１、第２および第３のＰ型導電領域を有し、前記第３の導電領域上に前記光電変換部が配置されており、隣接する前記光電変換部の間には第４の導電領域が設けられ、前記第２の導電領域が前記第１の導電領域よりも基板表面側に形成され、前記第２の導電領域の導電型を決める不純物濃度が前記第１導電領域における不純物濃度より小であり、かつ、前記第３の導電領域が前記第２の導電領域よりも基板表面側に形成され、前記第３の導電領域における不純物濃度が前記第２導電領域における不純物濃度より小さく、かつ、前記第４の導電領域は、前記第２の導電領域と同じ導電型であり、前記第３の導電領域の不純物濃度よりも大きく、前記第２の導電領域と前記第３の導電領域の接触部に、かつ、各前記第３の導電領域と同じ領域でかつ第３の導電領域の下部に第５の導電領域が設けられており、前記第５の導電領域の不純物濃度が前記第２の導電領域の不純物濃度より小さく、前記第５の導電領域の形状のうち、第２の導電領域と第５の導電領域の境界が凹面鏡状になっていることを特徴とするＭＯＳイメージセンサ。
請求項１に記載のＭＯＳイメージセンサにおいて、前記第２の導電領域における不純物濃度が、第３の導電領域に向かって次第に小さくなることを特徴とするＭＯＳイメージセンサ。