JP3829841B2

JP3829841B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3829841B2
Application number: JP2003395615A
Authority: JP
Inventors: 和伸桑沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: US20050110061A1; US7132706B2; JP2005159015A

Description

本発明は、高画質及び低消費電力の特性を有する固体撮像装置に関し、特に被写体光に応じて閾値電圧（Ｖｔｈ）を変調することにより信号出力を得ることが可能な、環状のゲート形状を有する固体撮像装置に関する。

携帯電話などに搭載される固体撮像装置としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサと、ＣＭＯＳ型イメージセンサとがある。ＣＣＤ型のイメージセンサは画質に優れ、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置が提案されている。閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置については、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１によって開示されたイメージセンサは、単位画素に相当するセンサセルをマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの３つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。イメージセンサは、各単位画素が、蓄積を行なうためのフォトダイオードと、読み出しを行なうための変調トランジスタと、初期化を行うためのオーバーフロードレインゲートとを有している。変調トランジスタのゲートはリング状に形成されている。

フォトダイオードに入射した光によって発生した光発生電荷は、リングゲートの下方に設けられたＰ型ウェルの領域に転送されて、この領域に形成されたキャリアポケットに蓄積される。キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって変調トランジスタの閾値電圧（Ｖｔｈ）が変化する。これにより、変調トランジスタのソース領域に接続された端子（ソースコンタクト）から入射光に対応した画素信号を得ることができるようになっている。

図８は、イメージセンサの変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図を示している。

図８のイメージセンサは、基板における各単位画素毎に、フォトダイオード１１０と変調トランジスタ１０１とが隣接配置されている。変調トランジスタ１０１のゲート１０２は環（以下、リング）状に形成されており、リングゲート１０２の中央の開口部分には、ソース領域１０４が形成されている。リングゲート１０２表面の一部には図示しないがゲートコンタクトが形成してある。リングゲート１０２の周辺にはドレイン領域１０６が形成されている。フォトダイオード１１０に入射した光によって発生した光発生電荷（キャリア）は、リングゲート１０２の下方に設けられたＰ型ウェルの領域に細帯状でリング状に形成されたキャリアポケット１０８に蓄積され、この蓄積電荷によって変調トランジスタ１０１の閾値電圧（Ｖｔｈ）が変化することにより、変調トランジスタ１０１のソース領域１０４に接続されたソースコンタクト１０５から入射光に対応した画素信号を取り出すことができる。ドレインコンタクト１０７，ソースコンタクト１０５それぞれに例えば５Ｖ，０Ｖのバイアス電圧を与えると、ドレイン−ソース間にフォトダイオード１１０に入射する光強度に応じた電流が流れることによって、ソースコンタクト１０５から信号出力として取り出される。

ところで、リングゲート１０２のところのキャリアポケット１０８の一部にウェル中の不純物濃度の不均一などに起因して局所的にポテンシャルの低い領域１０９ができた場合には、フォトダイオード１１０に光が入射すると、リング状に形成されたキャリアポケット１０８にキャリア（ホール）が一様に蓄積されることがなくまずポテンシャルの低い領域１０９に蓄積されていく。上記のポテンシャルの低い領域１０９が無ければ、リングゲート１０２の外周端の外部（ドレイン領域１０６）の全方向からソース領域１０４に向かって電流が流れる経路（以下、電流経路）が形成されて一様に電流が流れ、蓄積電荷量の少ないころから信号出力が直線的（リニア）に立ち上がるのに対して（図９のグラフｇ参照）、上記のポテンシャルの低い領域１０９が存在する場合は、リングゲート１０２の外周端の外部（ドレイン領域１０６）の全方向からソース領域１０４に電流が流れることはなく、局所的にポテンシャルの低い領域１０９から流れ始める。これによって、光強度が弱い場合には、信号出力の立上りが鈍くリニアリティが悪くなり（図９のグラフｈ参照）、所謂黒潰れ状態が生じてくる。

このような問題については、例えば特許文献２の図１５及び図１７にも同様なことが開示されている。しかしながら、特許文献２では、その対策として、ゲートをリング状に形成する構成を止めて、不純物分布により一定の領域に電流経路を作っている。なお、リング状にゲートを形成した例としては、特許文献１のほかに、特許文献３がある。
特許第２５１３９８１号明細書特開平１０−６５１３８号公報特開２００２−１６４５２７号公報

上述したように、リンクゲートにおいてキャリアポケットの局所的なポテンシャルの不均一性により、蓄積電荷量の少ない状態、すなわち光強度が弱い状態では、黒潰れ状態が生じてくるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、光強度対信号出力のリニアリティが良好で、光強度が弱い状態でも、黒潰れ状態が起こらない固体撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明による固体撮像装置は、環状ゲートと、該環状ゲートの下方に設けられたウェル領域における該環状ゲートの中央の開口部分に形成されたソース領域と、前記環状ゲート下のチャネル領域を囲み、且つ前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、前記ウェル領域における前記環状ゲートの下方に、細帯状でリング状に形成されたキャリアポケットとを備え、前記キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって閾値電圧を変化させ、入射光量に対応した画素信号を出力する変調トランジスタ、を含む閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置において、前記変調トランジスタは以下の条件を満たすことを特徴とする固体撮像装置である。

（１）環状ゲートの幅は一様ではない。
（２）｛ポケット−ソース間距離｝／｛ポケット−ドレイン間距離｝の最も小さい場所と、ソース−ドレイン間距離(すなわち前記環状ゲートにおけるゲート長Ｌ)が最も短い場所が一致している。

本発明のこのような構成によれば、｛ポケット−ソース間距離｝／｛ポケット−ドレイン間距離｝の最も小さい場所は、ドレイン−ソース間電圧（例えば、５Ｖとか３．３Ｖとかの電圧値）をポケット幅の中間位置で分割した電位（ポテンシャル）に蓄積電荷（キャリア）による電位変化を加えた電位が最も低い電位の値となる場所であり、最もキャリア（ホール）が溜まり易い。また、ソース−ドレイン間距離(すなわち環状ゲートにおけるゲート長Ｌ)が最も短い場所は、トランジスタ能力が最も高い（すなわち最も電流が流れ易い）場所である。従って、最もキャリア（ホール）が溜まり易い場所とトランジスタ能力が最も高い場所とが一致することが条件であり、このような条件の場所では、電流が最も流れ易く（最もパフォーマンスが高く）且つキャリアが最も溜まっているので、キャリアが有効に（効果的に）ドレイン−ソース間電流の変調に寄与してくれることになる。換言すれば、本発明においては、電流が流れる経路（電流経路）は、基本的にはリングゲートの全周に亘る全方向であるが、リングゲート形状を変えることによって必然的に電位の下がるところが形成され、電流の流れる量が部分的に多くなるように設定されるものである。

本発明においては、前記環状ゲートは外形が楕円形であり、前記ソース領域は前記環状ゲートの中心部分に円形に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、環状ゲートを楕円形に且つソース領域は前記環状ゲートの中心部分に円形に形成することにより、例えば前記キャリアポケットは前記環状ゲートの外周端に略沿うように略一定の幅で環状に設けられているとすれば、必然的に環状ゲートにおいて電位が最も低い即ちキャリア（ホール）が最も溜まり易い場所と電流が最も流れ易い（最もパフォーマンスが高い）場所とが一致するところを形成することが可能となる。

また、本発明においては、前記環状ゲートは外形が円形であり、前記ソース領域は前記環状ゲートの中心部分に楕円形に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、環状ゲートの外形を円形に且つソース領域は前記環状ゲートの中心部に楕円形に形成することにより、例えば前記キャリアポケットは前記環状ゲートの下方で且つ前記の楕円形に形成されたソース領域の楕円長軸方向の外周端の近辺を通りしかもソース領域の楕円短軸方向では前記環状ゲートの外周端の近辺を通るように環状に略一定の幅で設けられているとすれば、必然的に環状ゲートにおいて電位が最も低い即ちキャリア（ホール）が最も溜まり易い場所と電流が最も流れ易い（最もパフォーマンスが高い）場所とが一致するところを形成することが可能となる。

図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本発明の実施の形態の固体撮像装置では、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、図５に示すように、基板上に画素を構成するセンサセルが行（横）方向，列（縦）方向にマトリクス状に配列された構成となっている。図５ではリングゲート１０２の外形が８角形の場合について示してある。固体撮像装置は、基板における各単位画素毎に、入射した光によって光発生電荷（キャリア）を発生するフォトダイオード１１０と、入射光量に対応した光発生電荷（キャリア）に基づいて画素信号を出力する変調トランジスタ１０１と、を有して構成されている。変調トランジスタ１０１は、フォトダイオード１１０に隣接して設けられ、フォトダイオード１１０で発生した光発生電荷をリングゲート１０２の下方に設けられたＰ型ウェルの領域１１３（図６参照）に転送して、この領域に形成された細帯状でリング状のキャリアポケット１０８に蓄積し、キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によってトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈを変化させ、ソース領域１０４に接続されたソースコンタクト１０５からソースライン１１１を通して、入射光に対応した画素信号を出力するように構成されている。キャリアポケット１０８は、リングゲート１０２の下に細帯状（２つの点線枠にて挟まれている部分）状に設けられている。ゲートライン、すなわち選択ライン１１２は、ゲートコンタクト１０３を通してゲート１０２にバイアス電圧を供給することによって、ソース領域１０４から画素信号を読み出す行（横）方向のラインを選択するために設けられている。また、ドレイン領域１０６は、変調トランジスタ１０１のドレインを形成する一方、センサセル間の素子分離の機能をも果たしている。

図６は図５の各センサセルにおける変調トランジスタ１０１の部分を示す縦断面図である。各部の符号は図５の各部分と一致している。キャリアポケット１０８がゲート１０２の下方のＰ型ウェル領域１１３に細幅に設けられ、ゲート１０２下のチャネル、及びＰ型ウェル領域１１３を囲むようにドレイン領域１０６が形成されている。

図７(a)は図５及び図６における変調トランジスタのドレイン，キャリアポケット、及びソースの間でのポテンシャルを示すグラフであり、図７(b)は図７(a)の横軸の位置に対応する変調トランジスタの模式的断面図を示している。キャリアポケット１０８の中心位置でポテンシャルが最も低くなっている。

図１は本発明の実施例１の固体撮像装置における変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図を示している。図２は従来例の変調トランジスタを示す模式的平面図（図６のＡ−Ａ’線断面に相当、フォトダイオードは省略）、図３は本発明に係る変調トランジスタと従来例の変調トランジスタとを表面電位について対比するためのグラフである。図５と同一部分には同一符号を付して説明する。
図１において、本発明の実施例１に係る変調トランジスタ１０１Ａは、入射光を受光するフォトダイオード（２点鎖線１１０にて示す）と共にセンサセルを構成している。リングゲート１０２Ａは外形が楕円形であり、ソース領域１０４はリングゲート１０２Ａの中心部分に円形に形成されており、キャリアポケット１０８Ａはリングゲート１０２Ａの下方で且つ該リングゲート１０２Ａの外周端に略沿うように略一定の幅で細帯状でリング状に形成されている。ソースコンタクト１０５は円形のソース領域１０４の中心部に位置し、ドレイン領域１０６はリングゲート１０２Ａの外周端の外部に設けられ、ドレイン領域１０６の一部にはドレインコンタクト１０７が配置されている。なお、ソース領域１０４はリングゲート１０２Ａの中心部分に円形に形成されているが、この円形の内部全てに相当する部分がソース領域であるとして説明する。

このような構成において、フォトダイオード１１０にて入射光の受光を開始すると、フォトダイオード１１０で発生した光発生電荷はキャリアポケット１０８Ａに溜まって蓄積されていくが、蓄積電荷（ホール）はまずキャリアポケット１０８Ａのポテンシャル（電位）の低いところから蓄積されていく。

帯状で且つリング状に設けられたキャリアポケット１０８Ａのなかで、楕円の短軸方向におけるキャリアポケットの幅の中間点ｃ，ｃ’はリングゲート１０２Ａの短軸方向のゲート長（チャネル長）Ｌ1の略中間点にあり、それらのポテンシャル（電位）はドレイン−ソース間電圧の略１／２である。また、キャリアポケット１０８Ａのなかで、楕円の長軸方向におけるキャリアポケットの幅の中間点ｄ，ｄ’はリングゲート１０２Ａの長軸方向のゲート長（チャンネル長）Ｌ2の略３／４の位置（これはソース外周端を基準位置とした場合）にあり、それらのポテンシャル（電位）はドレイン−ソース間電圧の略３／４である。最もポテンシャルの低いところはｃ，ｃ’点であり、また最もポテンシャルの高いところはｄ，ｄ’点である。

ドレイン電圧Ｖｄ＝３．３Ｖ、ソース電圧Ｖｓ＝１．５Ｖとし、ポケット幅＝一定（Const）、Ｌ1／Ｌ2＝１／２とすると、図３の点線（ｃ〜ｄ）に示すようにｃ点（及びｃ’点）の電位は（Ｖｄ＋Ｖｓ）／２＝２．４Ｖ、ｄ点（及びｄ’点）の電位は３（Ｖｄ＋Ｖｓ）／４＝２．８５Ｖである。

従って、リングゲート１０２Ａの外形が楕円形で且つその楕円形の中心部分に設けられているソース領域１０４が円形に形成され、さらにキャリアポケットが図示のように形成されていることにより、キャリアポケット１０８Ａにおけるｃ点とｄ点間には、図３に示すように０．４５Ｖの電位差ができると同時に、ｃ点とｄ点間に存在するキャリアポケット上の表面電位の変化は図３の点線に示すようにｃ点の２．４Ｖとｄ点の２．８５Ｖの間を結ぶ連続的に変位する曲線となっている。

変調時、長軸方向のキャリアポケット（ｄ，ｄ’点付近）の電位は、ドレイン−ソース間電圧の分割比の影響を受けてポテンシャルが高くなるため、キャリアポケット１０８Ａに溜まってくる光発生電荷（キャリア）はポテンシャルの低い短軸方向のキャリアポケット（ｃ，ｃ’点付近）に流れ込み（実線矢印にて示す）、蓄積されていく。また、ドレイン領域１０６からソース領域１０４Ａへ電流を最も多く流す能力が大きいのは、上述したように短軸方向のチャネル（ｃ，ｃ’点付近）である。従って、図１の実施例１では、キャリアが蓄積する場所と、電流が流れ易い場所が一致するレイアウトとなっているため、暗時であっても、キャリアが有効に変調に寄与することになる。その結果、光強度と信号出力とのリニアリティを改善することができる。

一方、図２に示すように従来例の変調トランジスタ１０１では、リングゲート１０２は外形が円形であり、ソース領域１０４もリングゲート１０２の中心部分に円形に形成されており、キャリアポケット１０８はリングゲート１０２の下方で且つ該リングゲート１０２の外周端に略沿うように略一定の幅で細帯状で円形のリング状に設けられている。ソースコンタクト１０５は円形のソース領域１０４の中心部に位置し、ドレイン領域１０６はリングゲート１０２Ａの外周端の外部に設けられ、ドレイン領域１０６の一部にはドレインコンタクト１０７が配置されている。

帯状で且つリング状に設けられたキャリアポケット１０８のなかで、円周方向に９０°離れたキャリアポケットの幅の中間点ａ，ｂ及び両点ａ，ｂを結ぶキャリアポケット上の電位は、図３の実線にて示すように（Ｖｄ＋Ｖｓ）／２＝２．４Ｖと全て同じ値となっていて、ポテンシャルの低い領域ができないため、暗時にあってはとりわけ電流が流れにくく、図９で説明したように光強度と信号出力とのリニアリティが悪い（図９のグラフｈ参照）。

以上のように、従来は図２のように電流経路は全方向から一様に流れ込んでいたのに対し、本発明実施例では、リングゲートの幅が一様でなく、一部のリングゲートの幅が拡大されているため、電流経路が短いところ（ｃ，ｃ’点付近）で電流量が大きく、長いところ（ｄ，ｄ’点付近）では少なくなるようになるため、信号出力は、電流が多く流れるところで支配的になる。このため、電流経路が長いところで、ポテンシャルディップ（電位低下）などが発生したりして、閾値電圧Ｖｔｈの変動が起こっても、その影響は小さく、確率的にそのセンサセルのばらつきは抑制できる。

なお、図２における変調トランジスタ１０１では、キャリアポケット１０８をリングゲート１０２の下方で且つ該リングゲート１０２の外周端に略沿うように略一定の幅で細帯状に設けているが、他の従来例（図示略）として、キャリアポケット１０８をリングゲート１０２下方の全面に、すなわちリングゲート１０２の幅（即ちゲート長）と同じ幅に形成した場合には、ポケット−ソース間距離やポケット−ドレイン間距離の測定に際して（ただしポケットはキャリアポケットの意）、中間点を距離の基準と定義した場合、｛ポケット−ソース間距離｝：｛ポケット−ドレイン間距離｝は円形の全周に亘って１：１になるので、ポテンシャルの最も低いところは発生しない、と言うことができる。

図４は本発明の実施例２の固体撮像装置における変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図を示している。実際のセンサセルの構成は、変調トランジスタに連接してフォトダイオードがあるが、ここでは省略してある。

図４において、本発明実施例２に係る変調トランジスタ１０１Ｂは、入射光を受光するフォトダイオード（図示略）と共にセンサセルを構成している。リングゲート１０２Ｂは外形が円形であり、ソース領域１０４Ｂはリングゲート１０２Ｂの中心部に楕円形に形成されており、キャリアポケット１０８Ｂはリングゲート１０２Ｂの下方で且つ前記の楕円形に形成されたソース領域１０４Ｂの楕円長軸方向の外周端の近辺を通りしかもソース領域１０４Ｂの楕円短軸方向ではリングゲート１０２Ｂの外周端の近辺を通るようにリング状に略一定の幅に略楕円形に設けられている。ソースコンタクト１０５は楕円形のソース領域１０４Ｂの中心部に位置し、ドレイン領域１０６はリングゲート１０２Ｂの外周端の外部に設けられ、ドレイン領域１０６の一部にはドレインコンタクト１０７が配置されている。なお、ソース領域１０４Ｂはリングゲート１０２Ｂの中心部に楕円形に形成されているが、この楕円形の内部全てに相当する部分がソース領域であるとして説明する。

このような構成においても、変調時、ソース領域１０４Ｂの楕円短軸方向のキャリアポケット（ｆ，ｆ’点付近）の電位は、ドレイン−ソース間電圧の分割比の影響を受けてポテンシャルが高くなるため、キャリアポケット１０８Ｂに溜まってくる光発生電荷（キャリア）はポテンシャルの低いソース領域１０４Ｂの楕円長軸方向のキャリアポケット（ｅ，ｅ’点付近）に流れ込み、蓄積されていく。また、ドレイン領域１０６からソース領域１０４Ｂへ電流を最も多く流す能力が大きいのは、ドレイン−ソース間距離が最も短くなるソース領域１０４Ｂの楕円長軸方向のチャネル（ｅ，ｅ’点付近）である。従って、図２の実施例２では、キャリアが蓄積する場所と、電流が流れ易い場所が一致るレイアウトとなっているため、暗時であっても、キャリアが有効に変調に寄与することになる。その結果、光強度と信号出力とのリニアリティを改善することができる。

尚、以上述べた実施例では、リングゲート形状やその内部のソース領域形状は楕円形や円形のものについて説明したが、本発明では請求項１の（１），（２）の条件を満たすリングゲート形状やソース領域形状であればよく、従ってリングゲートやソース領域の各形状を楕円形や円形に近い８角形などの多角形状に形成してもよい。

本発明においては、電流が流れる経路（電流経路）は、基本的にはリングゲートの全周に亘る全方向であるが、リングゲート形状を変えることによって必然的に電位の下がるところが形成され、電流の流れる量が部分的に多くなるように設定されるものであり、閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置に適用して特に有用である。

本発明の実施例１の固体撮像装置におけるセンサセルの変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図。従来例の変調トランジスタを示す模式的平面図。本発明に係る変調トランジスタと従来例の変調トランジスタとを表面電位について対比するためのグラフ。本発明の実施例２の固体撮像装置におけるセンサセルの変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図。固体撮像装置のセンサセルのレイアウトを示す平面図。図５の各センサセルにおける変調トランジスタの部分を示す縦断面図。図５及び図６における変調トランジスタにおけるドレイン，キャリアポケット、及びソース間のポテンシャルを示すグラフ。イメージセンサの変調トランジスタ部分を上から見た模式的平面図。センサセルにおける光強度対信号出力の関係を示すグラフ。

符号の説明

１０１Ａ，１０１Ｂ…変調トランジスタ、１０２Ａ，１０２Ｂ…リングゲート（環状ゲート）、１０４，１０４Ｂ…ソース領域、１０６…ドレイン領域、１０８Ａ，１０８Ｂ…キャリアポケット、１１０…フォトダイオード。

Claims

環状ゲートと、
該環状ゲートの下方に設けられたウェル領域における該環状ゲートの中央の開口部分に形成されたソース領域と、
前記環状ゲート下のチャネル領域を囲み、且つ前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、
前記ウェル領域における前記環状ゲートの下方に、細帯状でリング状に形成されたキャリアポケットとを備え、
前記キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって閾値電圧を変化させ、入射光量に対応した画素信号を出力する変調トランジスタ、
を含む閾値電圧変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置において、前記変調トランジスタは以下の条件を満たすことを特徴とする固体撮像装置。
（１）環状ゲートの幅は一様ではない。
（２）｛ポケット−ソース間距離｝／｛ポケット−ドレイン間距離｝の最も小さい場所と、ソース−ドレイン間距離(すなわち前記環状ゲートにおけるゲート長Ｌ)が最も短い場所が一致している。
前記環状ゲートは外形が楕円形であり、前記ソース領域は前記環状ゲートの中心部分に円形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記環状ゲートは外形が円形であり、前記ソース領域は前記環状ゲートの中心部分に楕円形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。