JP3702854B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップに配設された複数の画素毎に、それぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、この光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す画素トランジスタとを設けた固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラや電子カメラが広く普及しており、これらのカメラには、CCD型やMOS型の固体撮像素子が使用されている。
このうち、MOS型の固体撮像素子は、それぞれ光電変換素子(フォトダイオード;PD)を設けた複数の画素が撮像領域内に2次元配列のアレイ状に配置されており、各画素内にフローティングデフュージョン(FD)部や転送、増幅等の各種MOSトランジスタを有し、各単位画素に入射した光をフォトダイオードによって光電変換して信号電荷を生成し、この信号電荷を転送トランジスタによってFD部に転送し、このFD部の電位変動を増幅トランジスタによって検出し、これを電気信号に変換、増幅することにより、各画素毎の信号を信号線より出力する。
【0003】
ところで、このようなMOS型固体撮像素子において、光電変換素子の電荷蓄積領域となるN型ウエル領域の下部に、異なるエネルギまたはイオン種で複数層のN型ウエル領域を形成し、空乏層を深さ方向に延長することで感度向上を図ったものが知られている。
この場合、隣接する画素間での信号電荷の混合(混色)を防ぐための素子分離用のバリアとなるP型ウエル領域も、光電変換素子のN型ウエル領域に合わせて深い領域に形成することが必要となる。
【0004】
図2は、このような高感度化を図ったMOS型固体撮像素子の画素構成を示す断面図である。
このMOS型固体撮像素子は、N型半導体領域111の上にP型半導体ウエル領域110を設け、その上層に設けたN型半導体領域112にフォトダイオードPDや画素トランジスタTrを設けたものである。
フォトダイオードPDは、N型半導体領域112の最上層に正孔蓄積層としてのP型半導体領域106を設け、その下層にN型電荷蓄積領域105を設けたものであり、さらに、このN型電荷蓄積領域105の下層にN型半導体領域107を設けることにより、空乏層を深さ方向に延長することで感度の向上を図るようになっている。
【0005】
また、このようなフォトダイオードPDに隣接して転送トランジスタTrのチャネルとなるP型半導体領域103が設けられ、このP型半導体領域103に隣接して転送トランジスタTrのN型ドレイン領域102が設けられている。このN型ドレイン領域102が、上述したFD部となっている。
また、P型半導体領域103の上部には、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜(ゲート酸化膜)101を介してポリシリコン膜よりなるゲート電極104が設けられており、このゲート電極104に所定の電圧を印加することにより、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷がN型ドレイン領域102に転送される。
なお、画素内には、その他のトランジスタも設けられているが、これらは本発明の特徴と直接関係しないため説明は省略する。
【0006】
また、このような構成の画素の隣接画素との境界部には、シリコン基板の上部にはLOCOSによる素子分離用の絶縁層101Aが設けられており、その下層に、チャネルストップ領域としてのP型半導体ウエル領域113が設けられている。
このP型半導体ウエル領域113は、LOCOS層101Aの端部で生じる暗電流を抑制するため、LOCOS層101Aの端部よりも画素側に接近した状態で設けられている。そして、上述のようにN型電荷蓄積領域105の下層にN型半導体領域107を形成することによって空乏層を延長した高感度型フォトダイオードPDの位置に合わせて、下層のP型半導体ウエル領域110に到る深い位置まで形成されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように素子分離用のP型ウエル領域を深く形成した場合、そのためのイオン注入を高エネルギで行う程、イオン種の水平方向への拡散量が大きくなる。
このため、図2に示すように、深層部のP型ウエル領域が高感度型フォトダイオードPD側に拡がり、その空乏領域を狭めてしまい、感度向上の効果が低減されたり、シェーディング特性が悪化するという問題があった。
【0008】
そこで本発明の目的は、高感度型光電変換素子に合わせて素子分離用のウエル領域を半導体基板に深く形成した構成において、素子分離用のウエル領域によって高感度型光電変換素子の空乏層が阻害されるのを防止でき、有効な高感度化やシェーディングの改善を実現できる固体撮像素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、第1導電型半導体基板中に形成された第2導電型半導体ウエル領域と、前記第2導電型半導体ウエル領域の上層の第1導電型半導体領域中に形成された光電変換素子及び少なくとも1つの画素トランジスタを含む複数の画素と、前記第1導電型半導体領域中の複数の画素の境界部に形成された素子分離用の第2導電型半導体ウエル領域とを有し、前記光電変換素子は、半導体基板の深さ方向に形成された複数層の第1導電型半導体領域によって構成され、半導体基板の深さ方向に空乏層を延長した電荷蓄積領域を有し、前記素子分離用の第2導電型ウエル領域は、半導体基板の深さ方向に形成された複数層のウエル領域によって構成され、最下層のウエル領域が前記第2導電型半導体ウエル領域に到達するとともに、前記複数層のウエル領域が上層のウエル領域よりも下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形成されていることを特徴とする。
【0010】
本発明の固体撮像素子では、半導体基板の深さ方向に複数層のウエル領域によって素子分離用のウエル領域が構成され、その複数層のうち上層のウエル領域よりも下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形成されているため、高感度型光電変換素子に合わせて素子分離用のウエル領域を半導体基板に深く形成した構成において、素子分離用のウエル領域によって高感度型光電変換素子の空乏層が阻害されるのを防止でき、有効な高感度化やシェーディング抑制作用を実現できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態例について説明する。
図1は、本発明の実施の形態例によるMOS型固体撮像素子の画素構成を示す断面図である。
この固体撮像素子は、N型半導体領域11の上にP型半導体ウエル領域10を設け、その上層に設けたN型半導体領域12にフォトダイオードPDや画素トランジスタTrを設けたものである。
フォトダイオードPDは、N型半導体領域12の最上層に正孔蓄積層としてのP型半導体領域6を設け、その下層にN型電荷蓄積領域5を設けたものであり、さらに、このN型電荷蓄積領域5の下層にN型半導体領域7を設けることにより、空乏層を深さ方向に延長することで感度の向上を図るようになっている。
【0012】
また、このようなフォトダイオードPDに隣接して転送トランジスタTrのチャネルとなるP型半導体領域3が設けられ、このP型半導体領域3に隣接して転送トランジスタTrのN型ドレイン領域2が設けられている。このN型ドレイン領域2が、上述したFD部となっている。
また、P型半導体領域3の上部には、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜(ゲート酸化膜)1を介してポリシリコン膜よりなるゲート電極4が設けられており、このゲート電極4に所定の電圧を印加することによって、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷がN型ドレイン領域2に転送される。
なお、画素内には、その他のトランジスタも設けられているが、これらは本発明の特徴と直接関係しないため説明は省略する。また、ゲート電極4の上層には、さらに各種配線層や上層絶縁膜、さらにはオンチップカラーフィルタやオンチップマイクロレンズ等が適宜配置されているが、これらも本発明の特徴と直接関係しないため説明は省略する。
【0013】
また、このような構成の画素の隣接画素との境界部には、シリコン基板の上部にはLOCOSによる素子分離用の絶縁層1Aが設けられており、その下層に、チャネルストップ領域として上下2層のP型半導体ウエル領域8、9が設けられている。
すなわち、このP型半導体ウエル領域8、9が本発明の特徴となる素子分離用のウエル領域となるものであり、LOCOS層1Aの直下に第1のP型半導体ウエル領域8が設けられ、その下層に第2のP型半導体ウエル領域9が設けられている。
そして、この第2のP型半導体ウエル領域9の下端部は、P型半導体ウエル領域10に到達しており、フォトダイオードPDの空乏層を側方および下方から挟む構造でバリアを構成している。
【0014】
このP型半導体ウエル領域8、9は、上述のようにN型電荷蓄積領域5の下層にN型半導体領域7を形成することによって空乏層を延長した高感度型フォトダイオードPDの位置に合わせて、下層のP型半導体ウエル領域10に到る深い位置まで形成するため、異なる注入エネルギまたはイオン種によるイオン注入によって上下2層に形成したものである。
そして、上層の第1のP型半導体ウエル領域8は、LOCOS層1Aの端部で生じる暗電流を抑制するため、LOCOS層1Aの端部よりも画素側に接近した状態で設けられている。
【0015】
また、下層の第2のP型半導体ウエル領域9は、高エネルギでイオン注入を行うために横方向への不純物拡散量が多くなってしまう。
そこで、フォトダイオードPDにおける信号電荷の収集範囲を決める空乏層を狭めないように、この第2のP型半導体ウエル領域9のパターンは、第1のP型半導体ウエル領域8のパターンよりもフォトダイオードPDから退いた狭い領域(すなわち、N型電荷蓄積領域5より遠ざけた状態)に形成されている。
これにより、深い位置に形成された第2のP型半導体ウエル領域9によって、フォトダイオードPDの空乏層が阻害されることをなくし、充分広い領域に空乏層を確保することにより、フォトダイオードPDの感度の向上を実現することができる。
また、このような構成によって、水平方向の空乏層を広げるため、斜め光に対する量子効率も向上でき、シェーディング特性を改善することができる。
【0016】
以上、本発明の実施の形態例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記の例では、上下2層のP型半導体ウエル領域8、9を設けた例について説明したが、3層以上のP型半導体ウエル領域を設けるような構成であってもよい。
また、画素内のトランジスタ構成としては、一般的に、例えばフォトダイオードPDで生成した信号電荷をFD部に転送するための転送トランジスタ、FD部における電位変動を電気信号に変換する増幅トランジスタ、FD部の電位をリセットするリセットトランジスタ、増幅トランジスタの出力を選択する選択トランジスタ等を設けることが考えられるが、1つのトランジスタだけで構成したものから5以上のトランジスタで構成するといったものまで、種々のものが提案され、一部は実用化されており、本発明は、いかなる方式のものに適用してもよいものとする。
【0017】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、半導体基板の深さ方向に複数層のウエル領域によって素子分離用のウエル領域が構成され、その複数層のうち上層のウエル領域よりも下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形成されているため、高感度型光電変換素子に合わせて素子分離用のウエル領域を半導体基板に深く形成した構成において、素子分離用のウエル領域によって高感度型光電変換素子の空乏層が阻害されるのを防止でき、有効な高感度化を実現でき、さらにシェーディング特性を改善できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例によるMOS型固体撮像素子の画素構成を示す断面図である。
【図2】従来のMOS型固体撮像素子の画素構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1……ゲート酸化膜、1A……LOCOS層、2……N型ドレイン領域、3、6……P型半導体領域、4……ゲート電極、5……N型電荷蓄積領域、7、11、12……N型半導体領域、8、9、10……P型半導体ウエル領域。
Claims (10)
- 第1導電型半導体基板中に形成された第2導電型半導体ウエル領域と、
前記第2導電型半導体ウエル領域の上層の第1導電型半導体領域中に形成された光電変換素子及び少なくとも1つの画素トランジスタを含む複数の画素と、
前記第1導電型半導体領域中の複数の画素の境界部に形成された素子分離用の第2導電型半導体ウエル領域とを有し、
前記光電変換素子は、半導体基板の深さ方向に形成された複数層の第1導電型半導体領域によって構成され、半導体基板の深さ方向に空乏層を延長した電荷蓄積領域を有し、
前記素子分離用の第2導電型ウエル領域は、半導体基板の深さ方向に形成された複数層のウエル領域によって構成され、最下層のウエル領域が前記第2導電型半導体ウエル領域に到達するとともに、前記複数層のウエル領域が上層のウエル領域よりも下層のウエル領域の方が各画素から退いた狭い領域に形成されている、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記半導体基板の上層部に前記複数の画素を分離する素子分離用の絶縁層が設けられ、前記素子分離用の絶縁層の下層に前記素子分離用のウエル領域が設けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記複数層のウエル領域の上層のウエル領域は、素子分離用の絶縁層の端部よりも光電変換素子側に近接して配置されていることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
- 前記素子分離用のウエル領域を構成する複数層のウエル領域は、異なる注入エネルギまたはイオン種によるイオン注入によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換素子は、前記半導体基板の上層部に設けられたP型半導体領域と、前記P型半導体領域の下層に設けられた電荷蓄積領域としてのN型半導体領域とを有し、前記光電変換素子のN型半導体領域が半導体基板の深さ方向に形成された複数層のN型半導体領域によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- N型シリコン基板の上層にP型半導体ウエル領域が設けられ、その上層に設けられたN型半導体領域に前記複数の画素が設けられ、各画素の境界部に素子分離用のP型半導体ウエル領域が設けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記画素内に前記光電変換素子で生成した信号電荷を取り出すためのフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子で生成した信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するための転送トランジスタを有することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記フローティングディフュージョン部における電位変動を電気信号に変換する増幅トランジスタを有することを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。
- 前記フローティングディフュージョン部の電位をリセットするリセットトランジスタを有することを特徴とする請求項8記載の固体撮像素子。
- 前記増幅トランジスタの出力を選択する選択トランジスタを有することを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子。
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