JP4474829B2

JP4474829B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4474829B2
Application number: JP2002375443A
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Inventors: 光明竹下; 光市松本
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Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2010-06-09
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関わり、例えばＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子等において、Ｎ型不純物領域が形成されたセンサ部（受光部）の表面に、Ｐ型の高濃度の不純物領域（Ｐ⁺）から成る正電荷蓄積領域が形成されている構成、即ちいわゆるＨＡＤ（Hole Accumulated Diode）センサが用いられている。
【０００３】
この構成の固体撮像素子では、信号電荷が主としてセンサ部の表面のＰ⁺の正電荷蓄積領域とその下のＮ型不純物領域との接合容量に蓄積される。
そして、センサ部の表面に正電荷蓄積領域を形成したことにより、センサ部の半導体層とその上の絶縁膜との界面で発生する電子が正電荷蓄積領域で再結合されて、消滅ないしは低減される。これにより、暗電流が低減される（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００４】
上述のＨＡＤセンサを採用したＣＣＤ固体撮像素子の概略断面図を図１４に示す。
このＣＣＤ固体撮像素子は、例えばシリコン基板等のＮ型の半導体基板５１に、埋め込まれて形成されたＰ型半導体ウエル領域５２、低不純物濃度の半導体領域５３、Ｎ型不純物領域５４、Ｐ型の正電荷蓄積領域５５、Ｐ型の低濃度（Ｐ^-）の半導体領域５６、Ｎ型の転送チャネル領域５７、Ｐ型のチャネルストップ領域６４がそれぞれ不純物の拡散により形成されている。
このうち、Ｎ型不純物領域５４とＰ型の正電荷蓄積領域５５とによりセンサ部（受光部）６１が構成され、Ｐ型の低濃度の半導体領域５６と転送チャネル領域５７とその上方の後述する転送電極５９とからＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ６３が構成される。垂直転送レジスタ６３とセンサ部６１との間には、センサ部６１に蓄積された電荷を垂直転送レジスタ６３へ読み出すための読出しゲート部６２が形成される。
センサ部６１は画素となるもので、このセンサ部６１で光電変換が行われる。
また、半導体基板５１等の半導体層の上方には、ゲート絶縁膜５８を介して転送電極５９が形成され、この転送電極５９は、読み出しゲート部６２及び垂直転送レジスタ６３及びチャネルストップ領域６４上に形成されている。
転送電極５９上には、層間絶縁膜６０を介して遮光膜６５が形成され、さらにその上方にはその他必要に応じて図示しないがカラーフィルタやオンチップレンズ等の各層が形成される。
【０００５】
この固体撮像素子において、信号電荷が蓄積される接合容量としては、センサ部６１表面のＰ⁺の正電荷蓄積領域５５とその下のＮ型不純物領域５４との接合容量Ｃ１、並びにセンサ部６１のＮ型不純物領域５４とＰ型のチャネルストップ領域６４との接合容量Ｃ２が挙げられる。
前述したように、信号電荷は、主として、これらのうちセンサ部６１表面のＰ⁺の正電荷蓄積領域５５とその下のＮ型不純物領域５４との接合容量Ｃ１の方に蓄積される。
【０００６】
そして、この固体撮像素子においては、センサ部６１の表面に正電荷蓄積領域５５を形成したことにより、センサ部６１の半導体層５４，５５とその上の絶縁膜６０との界面で発生する電子が正電荷蓄積領域５５に蓄積された正電荷（正孔）と再結合されて、消滅または低減されるため、暗電流を抑制することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５２３４２号公報（段落番号［００２１］、図３）
【特許文献２】
特開２００１−２８４３３号公報（段落番号［００７７］、図８）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撮像装置の多画素化や小型化を目的として、固体撮像素子において画素（セル）の面積の縮小化が要求されている。
この画素の縮小化に伴い、センサ部の面積が減少することから、センサ部に蓄積できる信号電荷の量（飽和信号電荷量Ｑｓ）が減少するため、ダイナミックレンジの低下が生じる。
【０００９】
センサ部の飽和信号電荷量Ｑｓを増やすためには、センサ部の容量を増やす必要がある。
そこで、例えば図１５に概略断面図を示すように、センサ部６１の一部分の上に多結晶シリコン電極７１を設けて、その部分にキャパシタ（容量素子）Ｃ３を形成することが考えられる。
【００１０】
しかしながら、このように多結晶シリコン電極７１を設けてキャパシタＣ３を形成した場合には、キャパシタＣ３とセンサ部６１の蓄積層即ちＮ型半導体領域５４との間の電気的接続を得るために、多結晶シリコン電極７１の下にはＰ⁺の正電荷蓄積領域５５を形成できなくなり、この部分はホール（正孔）の蓄積状態にできなくなることから、その分暗電流を抑制する効果が小さくなってしまう。
従って、暗電流を抑制する観点から、図１５に示す構成は好ましくない。
【００１１】
また、図１４に示したＨＡＤセンサを用いた構成に限らず、その他の構成の固体撮像素子においても、センサ部の飽和信号電荷量Ｑｓを増やすために、センサ部の容量を増やす必要がある。
【００１２】
ここで、センサ部の飽和信号電荷量Ｑｓは、表面部のＰ⁺の正電荷蓄積領域とその下のＮ型半導体領域との接合容量が支配的であり、Ｑｓ＝Ｖｓｉｇ×Ｃ１と近似される。
Ｖｓｉｇは、センサの信号振幅であり、読み出し時と飽和時のセンサ部（Ｎ型半導体領域）の電位ポテンシャルの差で表される。
また、Ｃ１は接合容量であり、次式で表される。
Ｃ１＝Ｓ・Ｋｓ・ε₀／Ｔｄｅｐである。
Ｓ：センサ部の接合面積
Ｋｓ：シリコンの誘電率（１１．８）
ε₀：真空の誘電率
Ｔｄｅｐ：接合部の平均空乏層幅
【００１３】
撮像素子の画素の縮小化に伴い、センサ部の接合面積Ｓも減少していく。
そして、画素を縮小化したときでも、波長の長い光に対する感度を確保するために、空乏層長Ｔｄｅｐを小さくすることができない。
また、電源電圧の制約や素子の耐圧を考慮すると、センサの信号振幅Ｖｓｉｇもあまり増やすことができない。
従って、飽和信号電荷量Ｑｓは、ほぼ各画素の接合面積Ｓに比例し、画素の縮小化に伴って減少する。
このため、画質の向上を図るために、多画素化により高解像度化したにもかかわらず、ダイナミックレンジが低下して、画質の劣化を引き起こしてしまう、という問題が発生することがある。
【００１４】
上述した問題の解決のために、本発明においては、画素を微細化したときにも、高いダイナミックレンジを有して良好な画質が得られる固体撮像素子を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板に埋め込まれて形成された、第２導電型の半導体ウエル領域と、この第２導電型の半導体ウエル領域の上に、半導体基板よりも濃度の高い、第１導電型の半導体領域によって形成された、センサ部と、このセンサ部の周囲に形成された第２導電型のチャネルストップ領域と、センサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、センサ部の内部の一部に埋め込まれて、水平方向に形成された、第１導電型の半導体領域と接合容量を形成し、導電層とチャネルストップ領域を介して電気的に接続され、読出しゲート部から離間して形成された、第２導電型の半導体領域とを含み、センサ部において、深さ方向に複数のポテンシャルウエルが形成されているものである。
【００１６】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、センサ部の内部の一部に第２導電型の半導体領域が埋め込まれて形成され、この第２導電型の半導体領域は、第１導電型の半導体領域と接合容量を形成していることにより、第２導電型の半導体領域と第１導電型の半導体領域とによる接合容量の分だけ接合容量を増やすことができ、これによりセンサ部の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増大させることができる。
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、第１導電型の半導体領域から成るセンサ部と、このセンサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、この読出しゲート部により読み出された電荷を転送する垂直転送レジスタと、センサ部の周囲に形成されたチャネルストップ領域と、センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、センサ部内に、それぞれ垂直転送レジスタと垂直な方向に帯状に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域と、チャネルストップ領域に、垂直転送レジスタの転送チャネルから離間して垂直転送レジスタと平行に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第３の埋め込み第２導電型の半導体領域とを含み、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域は、読出しゲート部から離間して、かつ第３の埋め込み第２導電型の半導体領域に接して形成され、導電層は、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び第３の埋め込み第２導電型の半導体領域と電気的に接続され、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び第３の埋め込み第２導電型の半導体領域と、センサ部の第１導電型の半導体領域とにより、接合容量が形成されているものである。
【００１８】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、センサ部内に、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域が、それぞれ垂直転送レジスタと垂直な方向に帯状に、深さ方向に広がるトレンチ状に形成され、チャネルストップ領域に、第３の埋め込み第２導電型の半導体領域が、垂直転送レジスタの転送チャネルから離間して垂直転送レジスタと平行に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成され、これら第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域と第３の埋め込み第２導電型の半導体領域とセンサ部の第１導電型の半導体領域とにより接合容量が形成されていることにより、第２導電型の半導体領域と第１導電型の半導体領域とによる接合容量の分だけ接合容量を増やすことができ、これによりセンサ部の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増大させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板に埋め込まれて形成された、第２導電型の半導体ウエル領域と、この第２導電型の半導体ウエル領域の上に、半導体基板よりも濃度の高い、第１導電型の半導体領域によって形成された、センサ部と、このセンサ部の周囲に形成された第２導電型のチャネルストップ領域と、センサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、センサ部の内部の一部に埋め込まれて、水平方向に形成された、第１導電型の半導体領域と接合容量を形成し、導電層とチャネルストップ領域を介して電気的に接続され、読出しゲート部から離間して形成された、第２導電型の半導体領域とを含み、センサ部において、深さ方向に複数のポテンシャルウエルが形成されている固体撮像素子である。
【００２３】
また本発明は、上記固体撮像素子において、センサ部の第１導電型の半導体領域のうち、第２導電型の半導体領域と共に接合容量を構成する部分は、それ以外の部分よりも不純物濃度が高い構成とする。
【００２４】
また本発明は、上記固体撮像素子において、第２導電型の半導体領域が第１導電型の半導体領域を介して２層形成されている構成とする。
【００２５】
また本発明は、上記固体撮像素子において、第２導電型の半導体領域と共に接合容量を構成する部分の第１導電型の半導体領域は、信号電荷の読み出し時の最大電位が、読出しゲート部の最大電位より小さい値に設定されている構成とする。
【００２６】
また本発明は、上記固体撮像素子において、第１導電型の半導体領域の第２導電型の半導体領域と共に接合容量を構成する部分における信号電荷の読み出し時の最大電位が、第１導電型の半導体領域のその他の部分における信号電荷の読み出し時の最大電位よりも、小さい値に設定されている構成とする。
【００２７】
本発明は、第１導電型の半導体領域から成るセンサ部と、このセンサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、この読出しゲート部により読み出された電荷を転送する垂直転送レジスタと、センサ部の周囲に形成されたチャネルストップ領域と、センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、センサ部内に、それぞれ垂直転送レジスタと垂直な方向に帯状に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域と、チャネルストップ領域に、垂直転送レジスタの転送チャネルから離間して垂直転送レジスタと平行に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第３の埋め込み第２導電型の半導体領域とを含み、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域は、読出しゲート部から離間して、かつ第３の埋め込み第２導電型の半導体領域に接して形成され、導電層は、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び第３の埋め込み第２導電型の半導体領域と電気的に接続され、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び第３の埋め込み第２導電型の半導体領域とセンサ部の第１導電型の半導体領域とにより接合容量が形成されている固体撮像素子である。
【００２８】
また本発明は、上記固体撮像素子において、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域は、深さ方向ではセンサ部の第１導電型の半導体領域の下端よりも浅い位置まで形成されている構成とする。
【００３２】
図１は、本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を示す。本実施の形態は、本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を示している。
この固体撮像素子は、例えばシリコン基板等のＮ型の半導体基板１に、埋め込まれて形成されたＰ型半導体ウエル領域２、低不純物濃度の半導体領域３、Ｎ型不純物領域４、Ｐ型の正電荷蓄積領域５、Ｐ型の低濃度（Ｐ^-）の半導体領域６、Ｎ型の転送チャネル領域７、Ｐ型のチャネルストップ領域１４がそれぞれ不純物の拡散により形成されている。
このうち、Ｎ型不純物領域４とＰ型の正電荷蓄積領域５とによりセンサ部（受光部）１１が構成され、Ｐ型の低濃度の半導体領域６と転送チャネル領域７とその上方の後述する転送電極９とからＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ１３が構成される。垂直転送レジスタ１３とセンサ部１１との間には、センサ部１１に蓄積された電荷を垂直転送レジスタ１３へ読み出すための読出しゲート部１２が形成される。
Ｐ型半導体ウエル領域２は、電荷のオーバーフローをコントロールする目的で設けられている。
センサ部１１は画素となるもので、このセンサ部１１で光電変換が行われる。
【００３３】
また、半導体基板１等の半導体層の上方には、ゲート絶縁膜８を介して転送電極９が形成され、この転送電極９は、読み出しゲート部１２及び垂直転送レジスタ１３及びチャネルストップ領域１４上に形成されている。
転送電極９上には、層間絶縁膜１０を介して遮光膜１５が形成され、さらにその上方にはその他必要に応じて図示しないがカラーフィルタやオンチップレンズ等の各層が形成される。
【００３４】
本実施の形態の固体撮像素子においては、特にセンサ部１１の内部にＰ⁺即ちＰ型の高不純物濃度の埋め込みＰ型半導体領域２１が形成されている。この埋め込みＰ型半導体領域２１は、水平方向、即ちＰ⁺の正電荷蓄積領域５と平行に形成され、またセンサ部１１を構成するＮ型半導体領域４のうち一部分に埋め込まれて形成されている。
【００３５】
この場合、センサ部１１に形成される容量としては、図１に示すように、正電荷蓄積領域５と第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａとの間の容量Ｃ１、Ｐ型のチャネルストップ領域１４と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の容量Ｃ２、埋め込みＰ型半導体領域２１と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の容量Ｃ３、埋め込みＰ型半導体領域２１とＮ型半導体領域との間の容量Ｃ４が挙げられる。
即ち、埋め込みＰ型半導体領域２１を形成したことにより、埋め込みＰ型半導体領域２１と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の容量Ｃ３、並びに埋め込みＰ型半導体領域２１とＮ型半導体領域との間の容量Ｃ４が新たに構成されるため、センサ部１１に形成されるＰＮ接合容量を増大させることができる。
【００３６】
この埋め込みＰ型半導体領域２１は、例えばＮ型不純物領域４の一部上に開口を有するマスクを用いて、Ｎ型不純物領域４の内部にＰ型不純物をイオン注入することにより形成することができる。
【００３７】
図１に示す本実施の形態の構成においては、Ｐ⁺の正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１とが、Ｐ型のチャネルストップ領域１４を介して電気的に接続されているため、これら３つの領域５，１４，２１は同一電位となる。このようにＰ⁺の正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１とが電気的に接続された構成とすることにより、センサ部１１の電位（ポテンシャル）の安定化を図ることができる。
このように、チャネルストップ領域１４を介して電気的に接続された構成を形成するには、例えば、チャネルストップ領域１４の少なくとも一部を、エネルギーの異なる複数のイオン注入により、注入深さの異なる複数回の不純物注入を行って形成すればよい。
【００３８】
また、埋め込みＰ型半導体領域２１の形成に用いたマスクと同じマスクを用いて、連続して埋め込みＰ型半導体領域２１よりも浅い部分にＮ型不純物をイオン注入する工程を行えば、正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１との間の第２のＮ型半導体領域４Ａを、センサ部１１のその他の部分即ち第１のＮ型半導体領域４よりも高いＮ型不純物濃度とすることができる。
【００３９】
このように、第２のＮ型半導体領域４Ａの不純物濃度を第１のＮ型半導体領域４の不純物濃度よりも高くした場合には、正電荷蓄積領域５と第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａとの間の接合容量Ｃ１と、Ｐ型のチャネルストップ領域１４と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の接合容量Ｃ２と、埋め込みＰ型半導体領域２１と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の接合容量Ｃ３とが、これらＮ型半導体領域４，４Ａが同一不純物濃度である構成よりも増加する。特に、主としてＰ⁺の正電荷蓄積領域５と第２のＮ型半導体領域４Ａとの接合容量Ｃ１、及び埋め込みＰ型半導体領域２１と第２のＮ型半導体領域４Ａとの間の接合容量Ｃ３が増加する。
これにより、表面のＰ⁺の正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１との間に、密度の高い容量を形成することができる。
従って、センサ部１１の容量をさらに増やし、飽和信号電荷量Ｑｓをさらに増やすことが可能になる。
【００４０】
さらに、この場合には、埋め込みＰ型半導体領域２１の形成工程と、第２のＮ型半導体領域４Ａの形成工程とを、同一のマスクを用いて連続したイオン注入を行うことにより、これら埋め込みＰ型半導体領域２１及び第２のＮ型半導体領域４Ａをセルフアラインで形成することができるため、固体撮像素子の特性の安定化、並びに工程の簡略化を図ることができる。
【００４１】
ここで、第２のＮ型半導体領域４Ａを第１のＮ型半導体領域４よりも高不純物濃度とした場合において、図１のＸ１−Ｘ２における、深さ方向の不純物プロファイルを図２に示す。図２において、横軸に深さを示し、縦軸に読み出し時のポテンシャルφｍｍａｘ及び飽和時のポテンシャルφｍｍｉｎを示している。
【００４２】
まず、正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１とは、図１に示したようにチャネルストップ領域１４を介して電気的に接続されているため、同一のフェルミポテンシャル（０Ｖ）になっている。これにより、前述したようにセンサ部１１とその周辺のポテンシャルの安定化を図ることができる。
読み出し時（φｍｍａｘ）には、不純物濃度Ｎｄ１，Ｎｄ２の違い（Ｎｄ１＜Ｎｄ２）と厚さＸｄ１，Ｘｄ２の違いにより、第１のＮ型半導体領域４の方が、第２のＮ型半導体領域４よりも、大きいポテンシャルとなっている。
飽和時（φｍｍｉｎ）には、第１のＮ型半導体領域４及び第２のＮ型半導体領域４Ａのそれぞれに、図中斜線を付した領域に電荷が蓄積されて、電位的にＮｅｕｔｒａｌ（中立）になるため、その分ポテンシャルも０Ｖ側になる。また、第１のＮ型半導体領域４及び第２のＮ型半導体領域４Ａが導通しており、電荷の移動が可能なため、これら第１のＮ型半導体領域４及び第２のＮ型半導体領域４Ａのポテンシャルが同一電位になった状態で飽和する。信号電荷が蓄積される部分は、第１のＮ型半導体領域４（全厚さＸｄ１）のうち厚さｄ１の部分と、第２のＮ型半導体領域４Ａ（全厚さＸｄ２）のうち厚さｄ２の部分になる。
また、図２中、Ｘｄ１ｍは、第１のＮ型半導体領域４において、表面側（埋め込みＰ型半導体領域２１側）から広がる空乏領域の長さを示している。
【００４３】
なお、第２のＮ型半導体領域４Ａを第１のＮ型半導体領域４よりも高不純物濃度にした場合（Ｎｄ２＞Ｎｄ１）には、その上下の各接合部における電界Ｅ２が増加するため、上述のように第２のＮ型半導体領域４Ａの読み出し時のポテンシャルφ２ｍｍａｘを、第１のＮ型半導体領域４の読み出し時のポテンシャルφ１ｍｍａｘと等しいか小さくすることが好ましい。
このようにすれば、特に信号読み出し時に、ポテンシャルの制御性を向上することができ、第２のＮ型半導体領域４Ａにおける電界Ｅ２の電界強度を抑制することができる。この電界Ｅ２の電界強度は、信号読み出し時に最大となることから、信号読み出し時の電界強度を抑制することにより、暗電流や白点の発生を抑制することができる。
【００４４】
さらに、第２のＮ型半導体領域４Ａの読み出し時のポテンシャル（最大電位）φ２ｍｍａｘは、完全転送を保証するために、読出しゲート部１２の最大電位φｇｍｍａｘより小さい値に設定する必要がある。
【００４５】
上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、センサ部１１の内部に、埋め込みＰ型半導体領域２１を形成したことにより、この埋め込みＰ型半導体領域２１とセンサ部１１を構成するＮ型半導体領域４，４Ａとの間にも新たにＰＮ接合容量を形成することができ、またセンサ部１１の表面のＰ⁺の正電荷蓄積領域５と埋め込みＰ型半導体領域２１とその間のＮ型半導体領域４Ａにより容量素子を構成することができる。これにより、センサ部１１の容量を増大させて、センサ部１１の飽和信号電荷量Ｑｓ（固体撮像素子の飽和信号量）を増大することができる。
【００４６】
従って、画素の面積が縮小化されて、センサ部１１が縮小化されても、高いダイナミックレンジを有する固体撮像素子を実現することができる。
また、接合容量を増やしても、ＨＡＤセンサを構成するＰ⁺の正電荷蓄積領域５をセンサ部１１表面全体に形成することができるため、飽和信号電荷量Ｑｓを増大させると共に暗電流の増加を抑制することが可能になる。
【００４７】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、埋め込みＰ型半導体領域２１を読み出しゲート部１２から離間して形成しているため、センサ部１１の電荷を読み出しゲート部１２を経由して垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域７に転送する際に、電荷の転送を妨げることなく効率良く転送することができる。
【００４８】
ところで、図１に示した実施の形態の固体撮像素子の構成は、例えば次のような寸法に設計することができる。
第２のＮ型半導体領域４Ａの幅Ｘｄ２＝０．８μｍ
埋め込みＰ型半導体領域２１の幅Ｘａ２＝０．２〜０．５μｍ
第１のＮ型半導体領域４における表面側の空乏領域の広がり長Ｘｄ１ｍ＝２μｍ
第２のＮ型半導体領域４Ａの不純物濃度Ｎｄ２＝５．３×１０¹⁶ｃｍ^-3
第１のＮ型半導体領域４の不純物濃度Ｎｄ１＝３．３×１０¹⁵ｃｍ^-3
第２のＮ型半導体領域４Ａの読み出し時の最大電位φ２ｍｍａｘ＝６．５Ｖ
第１のＮ型半導体領域４の読み出し時の最大電位φ１ｍｍａｘ＝１０Ｖ
第２のＮ型半導体領域４Ａの飽和時の最大電位φ２ｍｍｉｎ＝３．６Ｖ
第１のＮ型半導体領域４の飽和時の最大電位φ１ｍｍｉｎ＝３．６Ｖ
なお、飽和時の最大電位の値（３．６Ｖ）は、垂直転送レジスタ１３における電荷転送時のＨｉレベル転送クロックのポテンシャルより低い値とする必要がある。
【００４９】
そして、読み出し時の第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａの最大電位（ポテンシャル）は、次式で表される。
φ１ｍｍａｘ＝（Ｘｄ１ｍ²）・ｑ・Ｎｄ１／２／（Ｋｓ・ε₀）
φ２ｍｍａｘ＝｛（Ｘｄ２／２）²｝・ｑ・Ｎｄ２／２／（Ｋｓ・ε₀）
また、飽和時の第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａの最大電位（ポテンシャル）は、次式で表される。
φ１ｍｍｉｎ＝｛（Ｘｄ１−ｄ１）²｝・ｑ・Ｎｄ１／２／（Ｋｓ・ε₀）
φ２ｍｍｉｎ＝｛（（Ｘｄ２−ｄ２）／２）²｝・ｑ・Ｎｄ２／２／（Ｋｓ・ε₀）
また、第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａの飽和信号電荷量Ｑｓ１，Ｑｓ２は、次式で表される。
Ｑｓ１＝Ｎｄ１・ｄ１（エレクトロン／μｍ²）
Ｑｓ２＝Ｎｄ２・ｄ２（エレクトロン／μｍ²）
さらに、第２のＮ型半導体領域４Ａにおける最大電界強度は、次式で表される。
Ｅ２ｍａｘ＝ｑ・Ｎｄ２（Ｘｄ２／２）／（Ｋｓ・ε₀）
となる。
【００５０】
このとき、第１及び第２のＮ型半導体領域４及び４Ａにおける、ポテンシャル（電位）φ１ｍ，φ２ｍの変化に対する、信号電荷Ｑ１，Ｑ２の変化、並びに電界Ｅ１，Ｅ２の強度の変化を求めた。その結果を表１に示す。
【００５１】
【表１】

【００５２】
第２のＮ型半導体領域４Ａの飽和信号電荷Ｑｓ２は、第２のＮ型半導体領域４Ａの電位φ２ｍが最小（読み出し時の電位）のときの信号電荷Ｑ２であるため、表１より１０６００エレクトロン／μｍ²、即ち約１００００エレクトロン／μｍ²である。同様に、第１のＮ型半導体領域４の飽和信号電荷Ｑｓ１は、表１より２６４０エレクトロン／μｍ²、即ち約３０００エレクトロン／μｍ²である。
即ち、従来構造では第１のＮ型半導体領域４に相当する飽和信号電荷Ｑｓしか得られなかったのに対して、本実施の形態によれば、第１及び第２のＮ型半導体領域４，４Ａを合計した１３０００エレクトロン／μｍ²の飽和信号電荷Ｑｓが得られることになる。
ただし、読み出しゲート部１２の近傍では、第２のＮ型半導体領域４Ａが存在しないため、平均的な容量は他の部分よりもやや減少する。
【００５３】
そして、例えば１画素当たり縦横２μｍ角（転送電極９の部分を含む）のＣＣＤ固体撮像素子で、センサ部１１の面積が１．５μｍ²であり、そのうち第２のＮ型半導体領域４Ａが存在する部分の面積が１μｍ²、存在しない部分の面積が０．５μｍ²であるとすると、飽和信号電荷量が１４５００エレクトロンとなり、従来構造とした場合の４５００エレクトロンに対して、約３倍の飽和信号電荷量が得られることになる。
【００５４】
また、センサ部１１の電荷が蓄積されるＮ型半導体領域４，４Ａにおいて、発生する電界Ｅ１，Ｅ２の強度は小さいことが望ましい。この電界強度の値は、飽和信号電荷量Ｑｓとトレードオフの関係にある。読み出し時の電界強度を比較すると、従来構造では０．１ＭＶ／ｃｍであるが、上述した本実施の形態の構造では０．３ＭＶ／ｃｍに増加する。
【００５５】
そこで、センサ部１１内に埋め込みＰ型半導体領域を多層平行に形成して、スタック形のコンデンサを実現すれば、各層の単位面積当たりの容量は埋め込みＰ型半導体領域を１層だけ形成した場合よりも減少するが、総面積を増やすことができるため、センサ部１１の飽和信号電荷量Ｑｓを増大させることができ、かつ電界強度も低減させることができる。
例えば、図３に断面図を示すように、センサ部１１の内部に、正電荷蓄積領域５と平行な２層の埋め込みＰ型半導体領域２１，２２を形成して、正電荷蓄積領域５と第１の埋め込みＰ型半導体領域２１との間に第２のＮ型半導体領域４Ａ、第１の埋め込みＰ型半導体領域２１と第２の埋め込みＰ型半導体領域２２との間に第３のＮ型半導体領域４Ｂを形成する。そして、第２のＮ型半導体領域４Ａの不純物濃度Ｎｄ２と、第３のＮ型半導体領域４Ｂの不純物濃度Ｎｄ３を、いずれも第１のＮ型半導体領域４の不純物濃度Ｎｄ１よりも大きくすればよい。
【００５６】
この図３に示す構成において、第２のＮ型半導体領域４Ａの不純物濃度Ｎｄ２及び第３のＮ型半導体領域４Ｂの不純物濃度Ｎｄ３をＮｄ２＝Ｎｄ３＝４×１０¹⁶ｃｍ^-3とすると、φ２ｍやｄ２の値が表１の値とは変化し、第２のＮ型半導体領域４Ａ及び第３のＮ型半導体領域４Ｂにおいて、それぞれ５０００エレクトロン／μｍ²の飽和信号電荷が得られる。これにより、第１のＮ型半導体領域４と合計して１３０００エレクトロン／μｍ²の飽和信号電荷が得られる。
そして、この場合、電界強度は０．２５ＭＶ／ｃｍに減少する。
【００５７】
次に、本発明の他の実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図を図４に示す。図４は、転送電極等の半導体層より上層の部品を省略して、半導体層のみを斜視図で示している。また、図４に示す固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図を図５に示す。
本実施の形態は、埋め込みＰ型半導体領域をトレンチ型とした場合、即ちセンサ部の深さ方向に広がるように形成した場合を示している。
【００５８】
具体的には、図４及び図５に示すように、センサ部１１の内部に、共に深さ方向に広がる、第１の埋め込みＰ型半導体領域２１及び第２の埋め込みＰ型半導体領域２２が、互いに平行に間隔を開けて形成されている。
また、チャネルストップ領域１４に、深さ方向に広がる第３の埋め込みＰ型半導体領域２３が、センサ部１１のＮ型半導体領域４の右端に接するように形成されている。なお、図５では、第１の埋め込みＰ型半導体領域２１、第２の埋め込みＰ型半導体領域２２、並びに第３の埋め込みＰ型半導体領域２３に、斜線を付して示している。
第１の埋め込みＰ型半導体領域２１及び第２の埋め込みＰ型半導体領域２２は、右側が第３の埋め込みＰ型半導体領域２３に接して形成され、左側は読出しゲート部１２を構成するＰ型の（低濃度の）半導体領域６から離間して形成されている。また、これら第１の埋め込みＰ型半導体領域２１及び第２の埋め込みＰ型半導体領域２２は、センサ部１１のＮ型半導体領域４の図中前後方向の端部からは間隔をおいて配置され、深さ方向ではＮ型半導体領域４の下端よりも浅い位置まで形成されている。
【００５９】
なお、チャネルストップ領域１４にトレンチ状に形成した第３の埋め込みＰ型半導体領域２３は、垂直レジスタ１３のＮ型の転送チャネル領域７に近接させると、垂直レジスタ１３のポテンシャルを変調して、転送効率を劣化させるおそれがあるため、転送チャネル領域１３から少し離間して形成されている。
【００６０】
図５の平面図では、第１層の多結晶シリコン層（１ｐｏｌｉ）から成る転送電極９Ａと第２層の多結晶シリコン層（２ｐｏｌｉ）から成る転送電極９Ｂとにより転送電極９が構成されている。
そして、センサ部１１の左側にある第２層の多結晶シリコン層から成る転送電極９Ｂに、読出しゲート部を構成する読み出しゲートＲＯＧが形成され、この読み出しゲートＲＯＧを通じてセンサ部１１から垂直転送レジスタ１３に信号電荷が転送される。
【００６１】
上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、第１の埋め込みＰ型半導体領域２１、第２の埋め込みＰ型半導体領域２２、並びに第３の埋め込みＰ型半導体領域２３と、それぞれ隣接するＮ型半導体領域４との間に、新たにＰＮ接合容量が形成されるため、センサ部１１の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増大させることができる。
従って、画素の面積が縮小化されてセンサ部１１が縮小化されても、高いダイナミックレンジを有すると共に、暗電流の増加を抑制することが可能になる。
【００６２】
続いて、さらに他の形態として、固体撮像素子の概略構成図を図６及び図７に示す。図６は固体撮像素子の半導体層の部分の斜視図を示し、図７はセンサ部周辺の平面図を示す。
本形態は、センサ部と垂直転送レジスタとの間のチャネルストップ領域（電気的分離領域）にトレンチ状に埋め込みＰ型半導体領域を形成した場合である。
具体的には、図６及び図７に示すように、センサ部１１と、垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域７との間の、チャネルストップ領域１４に、センサ部１１のＮ型半導体領域４に接するように不純物濃度の高い埋め込みＰ型半導体領域３１を形成している。なお、図７では、埋め込みＰ型半導体領域３１に、斜線を付して示している。
この埋め込みＰ型半導体領域３１は、他の部分に形成されているＰ型のチャネルストップ領域よりも、エネルギーの高いＰ型不純物のイオン注入を行うことによって形成することができる。
その他の構成は、先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６３】
本形態の構成によれば、チャネルストップ領域１４とセンサ部１１のＮ型半導体領域４との接合容量Ｃ２を従来よりも大きくして、センサ部１１の飽和信号電荷量Ｑｓを大きくすることができる。
そして、画素の面積が縮小化されてセンサ部１１が縮小化されても、高いダイナミックレンジを有する固体撮像素子を構成することができると共に、暗電流の増加を抑制することが可能になる。
【００６４】
また、本形態の構成においても、埋め込みＰ型半導体領域３１と、センサ部１１表面の正電荷蓄積領域５とを、電気的に接続しているため、接合容量の増大と共に、ポテンシャルの安定化を図ることができる。
【００６５】
続いて、別の形態として、固体撮像素子の概略構成図を図８及び図９に示す。図８は固体撮像素子の半導体層の部分の斜視図を示し、図９はセンサ部周辺の平面図を示す。
本形態では、垂直転送レジスタと平行な方向に隣接する画素間のチャネルストップ領域にトレンチ状に埋め込みＰ型半導体領域を形成した場合である。
具体的には、図８及び図９に示すように、センサ部１１の隣接する画素のセンサ部１１との間のチャネルストップ領域に、センサ部１１のＮ型半導体領域４に接するように不純物濃度の高い埋め込みＰ型半導体領域３２を形成している。なお、図９では、埋め込みＰ型半導体領域３２に、斜線を付して示している。
本形態では、埋め込みＰ型半導体領域３２を隣接する画素の各センサ部１１の間に形成しているため、埋め込みＰ型半導体領域３２は両側のセンサ部１１のＮ型半導体領域４に共に接して形成されている。
その他の構成は、先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６６】
本形態の構成によれば、図６及び図７に示した形態と同様に、チャネルストップ領域とセンサ部１１のＮ型半導体領域４との接合容量を従来よりも大きくして、センサ部１１の飽和信号電荷量Ｑｓを大きくすることができる。
そして、画素の面積が縮小化されてセンサ部１１が縮小化されても、高いダイナミックレンジを有する固体撮像素子を構成することができると共に、暗電流の増加を抑制することが可能になる。
【００６７】
また、本形態の構成においても、埋め込みＰ型半導体領域３２と、センサ部１１表面の正電荷蓄積領域５とを、電気的に接続しているため、接合容量の増大と共に、ポテンシャルの安定化を図ることができる。
【００６８】
さらに、図８及び図９に示す構成では、埋め込みＰ型半導体領域３２と垂直転送レジスタ１３の転送チャネル領域７や読出しゲート部１２のＰ型半導体領域６との距離が近いため、設計条件によっては、電荷の転送等に影響を及ぼし、問題が生じることもある。
その場合には、さらに別の形態として、図１０及び図１１に示すように、埋め込みＰ型半導体領域３２を、読出しゲート部１２となるＰ型半導体領域６から離間して形成すればよい。なお、図１０及び図１１において、３３は、通常のチャネルストップ領域と同じくＰ型の低濃度の半導体領域から成るチャネルストップ領域である。
【００６９】
さらに、図１２や図１３にそれぞれセンサ部周辺の平面図を示すように、図８及び図９に示した形態の構成又は図１０及び図１１に示した形態の構成（埋め込みＰ型半導体領域３２）と、図６及び図７に示した形態の構成（埋め込みＰ型半導体領域３１）とを組み合わせることも可能である。
【００７０】
上述の各実施の形態では、いずれも本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を説明したが、その他の構成の固体撮像素子にも本発明を適用することができる。例えばＣＣＤ構造以外の電荷転送部を有する固体撮像素子、ＭＯＳ型固体撮像素子、並びにＣＭＯＳ型固体撮像素子にも同様に本発明を適用することができる。
【００７１】
例えばＣＭＯＳ型固体撮像素子に本発明を適用した場合には、第１導電型の半導体領域から成るセンサ部内や画素間のチャネルストップ領域の下に第２導電型の半導体領域を形成することにより、同様に接合容量を増やしてセンサ部の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増やすことができる。
また、ＣＭＯＳ型固体撮像素子にＨＡＤセンサを用いた構成に対して、本発明を適用した場合には、ＣＣＤ固体撮像素子においてＨＡＤセンサを用いた構成に本発明を適用した前述の実施の形態と同様に、センサ部の表面に形成されＨＡＤセンサを構成する正電荷蓄積領域と第２導電型の半導体領域とを、チャネルストップ領域を介してまたは直接、電気的に接続することができる。
さらに、これらの場合において、信号電荷をセンサ部から読み出す読み出しゲート部から第２導電型の半導体領域を離間して形成することにより、信号検出部）に効率よく転送することができる。
【００７２】
また、本発明は、ＨＡＤセンサを用いていない構成の固体撮像素子にも適用することができ、本発明を適用することにより、接合容量を増やしてセンサ部の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増やすことができる。本発明では接合容量を構成する第２導電型の半導体領域を多層形成することも可能であるため、図１５に示したようなセンサ部６１の表面にキャパシタ用電極７１を形成する場合と比較して、より自在にセンサ部の飽和信号電荷量を増やすことができる利点を有する。
【００７３】
さらに、上述の各実施の形態では、センサ部１１の表面に、ＨＡＤセンサを構成するＰ⁺の正電荷蓄積領域５を形成しているが、このセンサ部の表面に、代わりにその他の導電層を形成してもよい。
例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）から成る透明導電層を、センサ部を構成する第１導電型例えばＮ型の半導体領域の表面に形成することが考えられる。この場合も、導電層と第２導電型例えばＰ型の半導体領域とを直接またはチャネルストップ領域を介して電気的に接続することが可能である。
【００７４】
また、上述の各実施の形態では、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型として、センサ部の表面にＰ⁺の正電荷蓄積領域を形成しているが、本発明において導電型は限定されるものではなく、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としてもよい。
【００７５】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００７６】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、センサ部の内部に第２導電型の半導体領域を埋め込んで形成したことにより、センサ部の飽和信号電荷量（固体撮像素子の飽和信号量）を増大させることができるため、画素の微細化によりセンサ部の面積が縮小化されたときでも、充分高いダイナミックレンジを得ることができる。
これにより、画素を微細化して多画素化や小型化を図ることができると共に、良好な画質が得られる固体撮像素子を実現することができる。
【００７７】
また、センサ部の表面に第２導電型の半導体層（例えばいわゆる正電荷蓄積領域）が形成されていることにより、接合容量を増やしても、この第２導電型の半導体層をセンサ部の表面全体に形成することができるため、高いダイナミックレンジを得ると共に暗電流の増加を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【図２】図１の固体撮像素子のＸ１−Ｘ２段面におけるポテンシャルを示す図である。
【図３】埋め込みＰ型半導体領域を２層形成した実施の形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（半導体層の斜視図）である。
【図５】図４の固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図６】さらに他の形態の固体撮像素子の概略構成図（半導体層の斜視図）である。
【図７】図６の固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図８】別の形態の固体撮像素子の概略構成図（半導体層の斜視図）である。
【図９】図８の固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図１０】さらに別の形態の固体撮像素子の概略構成図（半導体層の斜視図）である。
【図１１】図１０の固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図１２】図８及び図９の構成と図６及び図７の構成とを組み合わせた固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図１３】図１０及び図１１の構成と図６及び図７の構成とを組み合わせた固体撮像素子のセンサ部周辺の平面図である。
【図１４】従来の固体撮像素子の概略断面図である。
【図１５】センサ部の表面に多結晶シリコン電極を形成して容量素子を構成した場合を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板、４第１のＮ型半導体領域、４Ａ第２のＮ型半導体領域、４Ｂ第３のＮ型半導体領域、５正電荷蓄積領域、７転送チャネル領域、８ゲート絶縁膜、９転送電極、１０層間絶縁膜、１１センサ部、１２読出しゲート部、１３垂直転送レジスタ、１４チャネルストップ領域、１５遮光膜、２１，３１，３２（第１の）埋め込みＰ型半導体領域、２２第２の埋め込みＰ型半導体領域、２３第３の埋め込みＰ型半導体領域

Claims

第１導電型の半導体基板と、
上記半導体基板に埋め込まれて形成された、第２導電型の半導体ウエル領域と、
上記第２導電型の半導体ウエル領域の上に、上記半導体基板よりも濃度の高い、第１導電型の半導体領域によって形成された、センサ部と、
上記センサ部の周囲に形成された第２導電型のチャネルストップ領域と、
上記センサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、
上記センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、
上記センサ部の内部の一部に埋め込まれて、水平方向に形成された、上記第１導電型の半導体領域と接合容量を形成し、上記導電層と上記チャネルストップ領域を介して電気的に接続され、上記読出しゲート部から離間して形成された、第２導電型の半導体領域とを含み、
上記センサ部において、深さ方向に複数のポテンシャルウエルが形成されている
固体撮像素子。
上記センサ部の上記第１導電型の半導体領域のうち、上記第２導電型の半導体領域と共に上記接合容量を構成する部分は、それ以外の部分よりも不純物濃度が高い請求項１に記載の固体撮像素子。
上記第２導電型の半導体領域が、上記第１導電型の半導体領域を介して２層形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
上記第２導電型の半導体領域と共に上記接合容量を構成する部分の上記第１導電型の半導体領域は、信号電荷の読み出し時の最大電位が、上記読出しゲート部の最大電位より小さい値に設定されている請求項１に記載の固体撮像素子。
上記第１導電型の半導体領域の上記第２導電型の半導体領域と共に上記接合容量を構成する部分における信号電荷の読み出し時の最大電位が、該第１導電型の半導体領域のその他の部分における信号電荷の読み出し時の最大電位よりも、小さい値に設定されている請求項１に記載の固体撮像素子。
第１導電型の半導体領域から成るセンサ部と、
上記センサ部から電荷を読み出す読出しゲート部と、
上記読出しゲート部により読み出された電荷を転送する垂直転送レジスタと、
上記センサ部の周囲に形成されたチャネルストップ領域と、
上記センサ部の表面に形成され、第２導電型の半導体層である導電層と、
上記センサ部内に、それぞれ上記垂直転送レジスタと垂直な方向に帯状に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域と、
上記チャネルストップ領域に、上記垂直転送レジスタの転送チャネルから離間して上記垂直転送レジスタと平行に形成され、深さ方向に広がるトレンチ状に形成された、第３の埋め込み第２導電型の半導体領域とを含み、
上記第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域は、上記読出しゲート部から離間して、かつ上記第３の埋め込み第２導電型の半導体領域に接して形成され、
上記導電層は、上記第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び上記第３の埋め込み第２導電型の半導体領域と電気的に接続され、
上記第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域及び上記第３の埋め込み第２導電型の半導体領域と、上記センサ部の第１導電型の半導体領域とにより、接合容量が形成されている
固体撮像素子。
上記第１及び第２の埋め込み第２導電型の半導体領域は、深さ方向では上記センサ部の上記第１導電型の半導体領域の下端よりも浅い位置まで形成されている、請求項６に記載の固体撮像素子。