JP4407257B2

JP4407257B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4407257B2
Application number: JP2003396682A
Authority: JP
Inventors: 正紀舟木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005159067A

Description

本発明は固体撮像装置に係り、特に完全転送フォトダイオードの構造を備えた固体撮像装置に関する。

シリコン（Ｓｉ）を用いた撮像素子には、電荷転送素子（ＣＣＤ）やＣＭＯＳイメージセンサなどがある。このうち、ＣＣＤの電源電圧は通常の大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）のそれに比較して一般に高く、通常は６Ｖ以上である。一方、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＬＳＩで使われるＣＭＯＳ技術を用いて構成されているため、ＬＳＩと同じ電源電圧であり、一般に５Ｖ以下、多くは３.３Ｖ以下である。なお、ＣＣＤについても、携帯端末用などに使われる例が増え、低電圧化への要求は大きい。

ところで、電源電圧が低くなると、フォトダイオードから転送ゲートを通じて電荷を転送する時に、転送残りが発生し、残像やｋＴＣノイズ等の問題が発生することが知られている。それを解決した固体撮像装置が、従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。この固体撮像装置は図８に示す断面構造とされている（なお、基板は煩雑になるので省略してある）。

この固体撮像装置は、基板上に形成されたｐウェル１、ｐウェル１の上に形成されたｎ型導電領域２及びｎ型導電領域２上に形成された表面シールド領域３からなるフォトダイオード（ＰＤ）４と、ｐウェル１上で表面シールド領域３に近接して形成された転送ゲート５と、転送ゲート５に対して表面シールド領域３とは反対側に近接して形成されたドレイン６とを備える固体撮像装置の単位セル部において、転送ゲート５の下で表面シールドに隣接して基板上にｎ型の貫通チャネル層７を形成し、ＰＤ４のｎ型導電領域２に隣接して基板内部にｐウェル１よりも高濃度で同じｐ型のバリア層８を形成し、更にバリア層８の上部にＰＤ４のｎ型導電領域２から転送ゲート５下に向けて一部迫り出すように、ｎ型のチャネル形成層９が形成されている。チャネル形成層９はＰＤ４のｎ型導電領域２よりも若干高濃度とされている。

この固体撮像装置では、転送ゲート５をオンした時の信号電荷１０のポテンシャル形状は、図９のようになる。なお、ポテンシャルは電子の場合は電位の高い方に落ちていく性質があるので、本図面では下向きを正に描くものとする。また、本明細書において、今後ポテンシャルが高い低いと記載した場合、それは電子から見てのことで、正負が逆になっている。

さて、チャネル形成層９は、フォトダイオードのｎ型導電領域２と転送ゲート５の間のポテンシャルを下げ、信号電荷１０を転送ゲート５に導く。貫通チャネル層７は、転送ゲート５の下にポテンシャルポケットと呼ばれるポテンシャルの低い電荷が溜まる現象を防ぎ、ドレイン６までのポテンシャル勾配が滑らかになるように作用するので、転送ゲート５に達した信号電荷１０はドレイン６に達する。つまり、図９のように、フォトダイオードからドレイン６まで滑らかにポテンシャルが勾配を作っている。このような工夫により、従来は低電圧下でもフォトダイオードの完全転送が行えるようにしている。

特開平１１−２８４１６６号公報

上記の従来の固体撮像装置は、転送ゲート５が一つのときに有効である。ところが、転送ゲート５が複数になると、従来の固体撮像装置では問題が発生する。このことについて、図１０と共に説明する。図１０は一つのフォトダイオードの左右に２つの転送ゲート５ａと５ｂを配置した固体撮像装置で、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は縦断面図を示す。同図中、図８と同一構成部分には同一符号を付し、また左右対称の構成部分のうち左側部分は添字ａを、右側部分には添字ｂを付してある。

また、ここでは、上から見たフォトダイオードのｎ型導電領域２の形状を正方形とし、ｎ型導電領域２及び表面シールド３からなるフォトダイオードと転送ゲート５ａ、５ｂの間にも不純物濃度がフォトダイオード部よりも濃いチャネル形成層９ａ、９ｂを作っている。

ここで、転送ゲート５ｂをオンにすると、チャネル形成層９ａにある電荷（電子）１１は、図１１に示すようにポテンシャルが低くなっているところから逃げられず、これが残留電荷になり、ｋＴＣノイズや残像の原因となる。

一つのフォトダイオードに転送ゲートを複数設けたいという希望は良くある。例えば、転送する先を選択したいという場合や、フォトダイオードの電荷を捨ててリセットしたいといった場合である。従来構造ではこのような希望に応えることはできない。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、転送ゲートが複数でも低電圧下でフォトダイオードの完全転送が行え得る固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、第１導電型のウェル及びウェルに接続する第２導電型の導電領域を有するフォトダイオードと、導電領域を囲って導電領域に接続し、導電領域よりも不純物濃度が高い第２導電型のチャネル形成層と、導電領域に離間して設けられたドレインと、導電領域とドレインとの間でかつウェルの上方に、チャネル形成層が形成されている領域に亘って設けられた転送ゲートと、導電領域に離間して設けられた他のドレインと、導電領域と他のドレインとの間でかつウェルの上方に、チャネル形成層が形成されている領域に亘って設けられた他の転送ゲートと、を有し、転送ゲートがオンされることにより、フォトダイオードで光電変換された電荷を、チャネル形成層を介してドレインに転送し、他の転送ゲートがオンされることにより、フォトダイオードで光電変換された電荷を、チャネル形成層を介して他のドレインに転送する構成としたことを特徴とする。

この発明では、フォトダイオードの第２の導電型の導電領域に発生・蓄積された電荷を低電圧で読み出して転送ゲートに誘導するチャネル形成層を、フォトダイオードの第２の導電型の導電領域よりも高濃度であり、上面から見た形状がフォトダイオードの第２の導電型の導電領域の外周縁部を含むように外周縁部に沿って形成された形状、すなわち、円環状、楕円環状又は中空多角形状に形成するようにしたため、フォトダイオードの第２の導電型の導電領域のポテンシャルよりもチャネル形成層のポテンシャルを相対的に低くすることができる。

本発明によれば、フォトダイオードの第２の導電型の導電領域のポテンシャルよりもチャネル形成層のポテンシャルを相対的に低くするようにしたため、フォトダイオードの第２の導電型の導電領域に発生・蓄積された電荷は、転送ゲートが複数でもチャネル形成層を伝って、オンとされた転送ゲートの直下の基板へ集めて転送することができ、よって、低電圧下でフォトダイオードの電荷の完全転送を行うことができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図面と共に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明になる固体撮像装置の第１の実施の形態の上面図及び縦断面図を示す。図１０に示した固体撮像装置は転送ゲート５ａ及び５ｂの近傍だけしかチャネル形成層９ａ及び９ｂを作らなかったことが問題であった。そこで、この第１の実施の形態では、フォトダイオードの周囲全てにチャネル形成層を形成した点に特徴がある。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施の形態の固体撮像装置の単位セル部は、図示しない基板上に、ｐウェル１５、ｐウェル１５の上に形成された上面形状が四角形のｎ型導電領域１６及びｎ型導電領域１６上に形成されたｐウェル１５より高濃度のｐ型表面シールド領域１７からなるフォトダイオード（ＰＤ）１８が形成されている。従って、ＰＤ１８もｎ型導電領域１６と同様に上面形状が四角形状となる。また、ｐウェル１５上で表面シールド領域１７を挟んで左右対称に転送ゲート１９ａ及び１９ｂが形成され、転送ゲート１９ａ、１９ｂに対して表面シールド領域１７とは反対側に近接してドレイン２０ａ、２０ｂが形成されている。

更に、転送ゲート１９ａ、１９ｂのそれぞれの直下には、表面シールド領域１７に隣接して基板上にｎ型の貫通チャネル層２１ａ、２１ｂが形成され、ＰＤ１８のｎ型導電領域１６に隣接して基板内部にｐウェル１５よりも高濃度で同じｐ型のバリア層２２ａ、２２ｂが形成され、更にバリア層２２ａ、２２ｂの上方で、かつ、貫通チャネル層２１ａ、２１ｂの下方の位置に、ＰＤ１８のｎ型導電領域１６から転送ゲート１９ａ、１９ｂ下に向けて一部迫り出すように、中空四角柱状のｎ型のチャネル形成層２３が形成されている。

すなわち、上から見たときに、上面四角形状のｎ型導電領域１６の外周に沿って、かつ、ｎ型導電領域１６の外周縁を含む幅のチャネル形成層２３が連続的に形成されている。このチャネル形成層２３は、ＰＤ１８のｎ型導電領域１６よりも若干高濃度とされている。入射光は図１（Ｂ）の表面シールド１７側からｐウェル１５方向へ入射する。

上記の構造の第１の実施の形態の固体撮像装置において、図１０と同じように、一方の転送ゲート１９ｂをオンにすると、このときのポテンシャル形状は、立体的に描くと図２の模式図に示すようになる。チャネル形成層２３はフォトダイオード１８のｎ型導電領域１６と同じｎ型であるが、その不純物濃度が若干濃く形成されているため、図２に示すように、フォトダイオード１８のｎ型導電領域１６の中央部のポテンシャルに比べて、チャネル形成層２３のところのポテンシャルが相対的に低くなっているため、入射光を光電変換することにより、図１（Ｂ）に示すようにｎ型導電領域１６に発生した信号電荷２５は、図２に示すようにチャネル形成層２３を伝って、全ての電荷が転送ゲート１９ｂの直下の貫通チャネル層２１ｂを通って排出される。

図３は本発明になる固体撮像装置の第２の実施の形態の上面図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図３に示す第２の実施の形態は、チャネル形成層２３に対して、２つの転送ゲート１９ｂ及び１９ｃを、互いに直角になるように配置したものである。転送ゲート１９ｃの直下の基板上にはｎ型の貫通チャネル層が形成され、その貫通チャネル層に隣接してドレイン２０ｃが形成されている。本実施の形態も第１の実施の形態と同様に、ｎ型導電領域１６に発生した信号電荷の完全転送ができる。

図４は本発明になる固体撮像装置の第３の実施の形態の上面図を示す。同図中、図１及び図３と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図４に示す第３の実施の形態は、チャネル形成層２３に対して、フォトダイオードに繋げる転送ゲートが１９ａ、１９ｂ、１９ｃ及び１９ｄと、互いに直角に全部で４つ配置されている点に特徴がある。

転送ゲート１９ｄの直下の基板上にはｎ型の貫通チャネル層が形成され、その貫通チャネル層に隣接してドレイン２０ｄが形成されている。本実施の形態も第１及び第２の実施の形態と同様に、ｎ型導電領域１６に発生した信号電荷の完全転送ができる。

このように、フォトダイオード１８の上面形状を四角形状とすると、転送ゲートの配置位置は上記の１９ａ〜１９ｄで示すように、四角形の各辺のいずれか２辺以上に自由に設定することができるが、その反面、上記のようにフォトダイオード１８の外周縁に沿ってチャネル形成層２３を形成する場合、角の角度が小さいと、この角の部分でチャネル形成層２３のポテンシャルの高さが、フォトダイオード１８の上面四角形状の辺の部分より高くなったり、逆に低くなる場合がある。

ポテンシャルが高いとバリアとなり、電荷が流れにくくなり電荷残りが発生し、逆に低いと電荷がそこに溜まり、やはり電荷残りが発生する。このため、角の部分の角度は大きい方がよい。このため、フォトダイオードの上面形状は、４角形以上の多角形状の方が望ましい。

４角形以上の多角形の種類は２４角形、１６角形、１２角形などがよいが、実用的には８角形以下が設計上簡単である。多角形は、各頂点の角度が等しい正多角形にすることが望ましい。配置の関係で正多角形にできず、多少いびつな形になってもよいが、各角度は９０度よりも大きくするのが望ましい。また、多角形の頂点数が少ない場合、各頂点に電荷残りが発生しやすくなるので、４角形などでは３次元シミュレータで確認するのがよい。

図５及び図６は本発明になる固体撮像装置の第４及び第５の実施の形態の上面図を示す。各図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図５及び図６に示す第４及び第５の実施の形態は、フォトダイオードに繋げる転送ゲートがいずれも互いに対向する位置に２つの転送ゲート１９ａ及び１９ｂが設けられているが、図５の第４の実施の形態ではフォトダイオード３４の上面形状が正８角形であり、フォトダイオード３４のｎ型導電領域の外周に沿って、かつ、そのｎ型導電領域の外周縁を含む幅で、ｎ型導電領域から転送ゲート１９ａ、１９ｂ下に向けて一部迫り出すように、連続的に形成されているｎ型のチャネル形成層３５は中空８角柱状である。

一方、図６の第５の実施の形態ではフォトダイオード３６の上面形状が正６角形であり、フォトダイオード３６のｎ型導電領域の外周に沿って、かつ、そのｎ型導電領域の外周縁を含む幅で、そのｎ型導電領域から転送ゲート１９ａ、１９ｂ下に向けて一部迫り出すように、連続的に形成されているｎ型のチャネル形成層３７は中空６角柱状である。フォトダイオード及びその一部を構成するｎ型導電領域の上面形状が多角形である場合、転送ゲートをその多角形の角の部分に配置すると、転送時のポテンシャルの形状の予測は難しくなるので、図１、図３〜図６に示したように、上面が四角形状の転送ゲートの一側面部は上面から見て、上記の多角形の辺の部分に配置することが望ましい。

究極的な多角形として、図７に示す本発明になる固体撮像装置の第６の実施の形態の上面図のような、フォトダイオードの上面形状を円形（あるいは楕円形）としてもよい。図７において、フォトダイオード３８及びその一部を構成するｎ型導電領域の形状は、最も理想的な形状である円筒形とされている。また、フォトダイオード３８のｎ型導電領域の外周に沿って、かつ、そのｎ型導電領域の外周縁を含む幅で、ｎ型導電領域から転送ゲート１９ａ、１９ｂ下に向けて一部迫り出すように、連続的に形成されているｎ型のチャネル形成層３９は円形である。

この場合、別の問題が起こる。転送ゲート１９ａ及び１９の上面形状が四角形状である場合、上面図において転送ゲート１９ａ、１９ｂの一部がフォトダイオード３８に重なり、図７に４１で示すようなオーバーラップ部が生じる。通常、フォトレジスト工程で、マスクずれによりオーバーラップ部４１が発生しても、電荷の転送がうまくいくように余裕をもって設計を行うが、この場合はオーバーラップ部４１が場所によって異なるという問題がある。従って、設計の余裕度を大きめにとる必要がある。

他方、フォトダイオード３８及びチャネル形成層３９を図７のように、円形あるいは楕円形とすることの大きなメリットは、転送ゲートの配置位置を自由に設定することができることである。

なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、フォトダイオードの上面形状は以上の実施の形態以外の多角形状でもよく、また、転送ゲートの数、及び配置位置は図１、図３、図７に限定されるものではない。更に、ウェルやチャネル形成層、貫通チャネル層、バリア層、ドレインなどは、図１とは反対導電型であってもよい。

本発明の第１の実施の形態の上面図及び縦断面図である。図１のポテンシャル形状の立体的な模式図である。本発明の第２の実施の形態の上面図である。本発明の第３の実施の形態の上面図である。本発明の第４の実施の形態の上面図である。本発明の第５の実施の形態の上面図である。本発明の第６の実施の形態の上面図である。従来の固体撮像装置の一例の縦断面図である。図８の電荷の流れ（矢印）に沿った（転送ゲートをオンした）時のポテンシャル模式図である。従来の固体撮像装置の問題点を説明する装置上面図及び縦断面図である。図１０の電荷の流れ（矢印）に沿った（一方の転送ゲートをオンした）時のポテンシャル模式図である。

符号の説明

１５ｐウェル
１６フォトダイオードのｎ型導電領域
１７表面シールド領域
１８フォトダイオード（ＰＤ）
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ転送ゲート
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄドレイン（ｎ）
２１ａ、２１ｂ貫通チャネル層（ｎ）
２２ａ、２２ｂバリア層（ｎ）
２３、３５、３７、３９チャネル形成層（ｎ）
２５信号電荷
３０電荷の流れ

Claims

第１導電型のウェル及び前記ウェルに接続する第２導電型の導電領域を有するフォトダイオードと、
前記導電領域を囲って前記導電領域に接続し、前記導電領域よりも不純物濃度が高い第２導電型のチャネル形成層と、
前記導電領域に離間して設けられたドレインと、
前記導電領域と前記ドレインとの間でかつ前記ウェルの上方に、前記チャネル形成層が形成されている領域に亘って設けられた転送ゲートと、
前記導電領域に離間して設けられた他のドレインと、
前記導電領域と前記他のドレインとの間でかつ前記ウェルの上方に、前記チャネル形成層が形成されている領域に亘って設けられた他の転送ゲートと、
を有し、
前記転送ゲートがオンされることにより、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を、前記チャネル形成層を介して前記ドレインに転送し、前記他の転送ゲートがオンされることにより、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を、前記チャネル形成層を介して前記他のドレインに転送する構成としたことを特徴とする固体撮像装置。