JP5517503B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を複数備えた画素増幅型のＭＯＳ型固体撮像装置に関する。

従来、ＭＯＳ型の画素増幅型固体撮像装置（ＡＰＳ）の画素として、特許文献１に記載されている構成が知られている。特許文献１には、画素のフローティングディフュージョンが接続されるノードの寄生容量を低減するため、リセットトランジスタのドレイン領域の不純物濃度よりもフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）の不純物濃度を低くすることが開示されている。

更に特許文献２には、多画素化に伴う画素寸法縮小と、画素寸法縮小による感度低下への対策として、複数の画素でＦＤおよび増幅トランジスタ、リセットトランジスタを共有することで、１画素あたりのトランジスタ数を減らす構成が開示されている。

また、特許文献３には、画素を構成するトランジスタのソース、ドレイン領域の不純物濃度を、周辺回路領域を構成するＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン領域よりも低くする構成が開示されている。このような構成により、ホットキャリア特性を向上させることが可能となる。

特開２００６−０８６２４１号公報 特開２００６−０７３７３３号公報 特開２００８−０４１７２６号公報

ＡＰＳは画素を構成するトランジスタの数が多いため、トランジスタの占める面積を可能な限り小さくし、光電変換素子の開口率を上げることが重要である。ここで光電変換素子以外の画素を構成する素子（領域）としては、例えば、ＦＤ領域、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、ウエルコンタクト領域などが考えられる。ウエルコンタクト領域は、ＦＤや各トランジスタのソース、ドレイン領域とは逆導電型の半導体領域により構成される。画素のトランジスタのチャネル部を提供するためのウエルに基準電圧を供給するための半導体領域である。画素の光電変換素子以外の領域の占める面積を小さくする１つの手段として、増幅トランジスタと選択トランジスタを、同一活性領域内に配置することが考えられる。本発明者は、このような構成とした場合に光電変換素子の周囲４辺に画素を構成する各部材がどのように配置されるかを検討した。

まず、増幅トランジスタと選択トランジスタとが光電変換素子の第１の辺の近傍領域を占める。これは増幅トランジスタと選択トランジスタとが直列に接続され、配線抵抗及びレイアウトの縮小化のため近接して配置するのが好ましいためである。また、ＦＤは第２の辺の近傍領域を占める。画素レイアウトの対称性が画質に影響を与えるため、できるだけ各画素間でのレイアウトは対称性を保つことが望ましい。その観点から、隣接する行もしくは列のＦＤは第２の辺に対向する第３の辺の近傍領域を占める。

したがって、リセットトランジスタ及びウエルコンタクト領域とが、余った第４の辺に配置される。その結果、リセットトランジスタのソース領域、ドレイン領域がウエルコンタクト領域と近接する場合がある。上述したようにトランジスタのソース、ドレイン領域とウエルコンタクト領域とは逆導電型の半導体領域であり、ＰＮ接合を構成する。画素寸法の縮小に伴い、リセットトランジスタのソース、ドレイン領域とウエルコンタクト領域の距離が狭まる。これに伴ないＰＮ接合に印加される電界が強まり、逆方向リーク電流が発生し、時には発光する場合がある。発光時の電荷の流れをフォトダイオードが検知することで、当該画素が点キズとなる場合がある。これに対して、特許文献３に記載されているように画素内の全てのＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン領域の濃度を低くすることで電界を緩和する方法が考えられる。

しかし、信号を読み出すための電流が流れる経路に存在するソース、ドレイン領域の不純物濃度を低くすると抵抗が高くなるため、電圧降下を起こし、ダイナミックレンジを圧迫するため好ましくない。信号を読み出すための電流の流れる経路に配置されるのは、増幅トランジスタ、選択トランジスタである。ここでは画素の各構成部材の配置を仮定して説明したが、説明した例に限らず、リセットトランジスタのソース、ドレイン領域の一方がウエルコンタクト領域に近接して配置する場合は有り得る。

本発明は、このような課題に鑑み、複数の光電変換素子で画素読み出し回路を共有する際に、ダイナミックレンジを狭めることなく、画素寸法縮小化に伴うリセットトランジスタとウエルコンタクト間の電界を緩和することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で生じた信号電荷に基づく信号を増幅する一つの増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの入力部の電位をリセット電位に設定するリセットトランジスタと、前記増幅トランジスタと直列に接続され、該増幅トランジスタで増幅された信号を選択して読み出す選択トランジスタと、を含む単位セルが行列状に配列された画素領域と、前記画素領域内に配され、前記増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタのチャネル部を提供するウエルに基準電圧を供給するための、複数のウエルコンタクト領域とを有する固体撮像装置であって、前記ウエルコンタクト領域はその下部にチャネルストップ領域が配された素子分離領域を介して、前記リセットトランジスタのドレイン領域と隣接して配され、前記リセットトランジスタのソース領域及びドレイン領域のうち少なくともドレイン領域の不純物濃度は、前記選択トランジスタのソース及びドレイン領域の不純物濃度よりも低い。

本発明によれば、信号のダイナミックレンジを狭めることなく、リセットトランジスタとウエルコンタクト領域間の電界を緩和することが可能となる。

本発明の固体撮像装置の等価回路図である。 本発明の固体撮像装置の平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置の平面レイアウト図である。 図２のＡ−Ａ´における断面図である。 図３のＢ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´における断面図である。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明においては信号電荷として電子を用いる場合について説明する。信号電荷としてホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。

図１に本発明の画素回路の一例を示す。二つの光電変換素子で画素増幅トランジスタを共有化している例を示している。つまり複数の光電変換素子で一つの増幅トランジスタを共有化している構成である。

１０１ａ、ｂは光電変換素子であるフォトダイオード、１０２ａ，ｂは転送スイッチとして機能する転送トランジスタ、１０３はリセットトランジスタ、１０４は増幅トランジスタ、１０５は選択トランジスタである。１０６は垂直信号線である。これらを含んで構成される単位セルが行列状に配列されて画素領域が構成される。

フォトダイオード１０１ａ，ｂは、そのアノードが接地線に接続され、そのカソードが転送トランジスタ１０２ａ，ｂのソースに接続されている。もしくは、転送トランジスタのソースがフォトダイオードのカソードを兼ねることも可能である。

転送トランジスタ１０２ａ，ｂのドレインがＦＤを構成し、そのゲートが転送制御線に接続されている。転送トランジスタは各光電変換素子に対応して設けられ、光電変換素子で発生した信号電荷を後述の増幅トランジスタの入力部へ転送する。

リセットトランジスタ１０３は、そのドレインが電源線ＶＤＤに接続され、そのソースがＦＤに接続され、そのゲートがリセット制御線に接続されている。リセットトランジスタは増幅トランジスタの入力部の電位をリセット電位に設定する。ここでのリセット電位は電源電圧から所定量降下した値である。

増幅トランジスタ１０４は、そのドレインが電源線ＶＤＤに接続され、そのソースが選択トランジスタ１０５のドレインに接続され、そのゲートがＦＤに接続されている。増幅トランジスタ１０４はソースフォロワ回路の入力トランジスタとして機能している。増幅トランジスタは複数の光電変換素子で発生した信号電荷に基づく信号を増幅する。具体的には電荷を電圧に変換してインピーダンス変換を行なっている。増幅トランジスタの入力部はゲート及びゲートに接続されたＦＤを含んで構成される。

選択トランジスタ１０５は、そのドレインが増幅トランジスタ１０４のソースに接続され、そのソースが出力線１０６に接続され、そのゲートが選択制御線に接続されている。選択トランジスタ１０５と増幅トランジスタ１０４とは直列に接続されている。

図では２画素（二つのフォトダイオード）でリセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタを共有して単位セルを構成している。更に多数の画素で共有して単位セルを構成してもよい。

図２は本発明の固体撮像装置のレイアウト図である。ここでは２画素分を示している。

図１において１ａ、１ｂは光電変換素子を構成するフォトダイオードのＮ型半導体領域である。不図示のＰ型半導体領域とＰＮ接合を構成する。更にＮ型半導体領域表面に暗電流抑制のためのＰ型半導体領域を設けてもよい。

２ａ、２ｂはそれぞれのフォトダイオードの信号電荷をＦＤへ転送するための転送ゲート電極、３はリセットトランジスタのゲート電極である。４は増幅トランジスタのゲート電極、５は選択トランジスタのゲート電極である。

６はＰ型の半導体領域にて構成されるウエルコンタクト領域である。ウエルコンタクト領域は画素領域内に複数配される。好ましくは単位セルごとに設けられる。ウエルコンタクト領域はフォトダイオードを構成するＰ型半導体領域および画素のトランジスタのチャネル部を提供するためのＰ型半導体領域に基準電圧、例えば接地電位を供給するための半導体領域である。ウエルコンタクト領域にはプラグ、配線を介して基準電圧が供給される。

７ａ、７ｂはＮ型半導体領域にて構成されるＦＤ領域である。フォトダイオードで生成した信号電荷が転送ゲートにバイアスが供給されることにより転送される領域である。ＦＤ領域は上述したように増幅トランジスタのゲートと接続されている。

７ｃはリセットトランジスタのソース領域である。Ｎ型の半導体領域により構成される。ソース領域７ｃは、配線８を介してＦＤ領域７ａ、７ｂ及び増幅トランジスタのゲート電極４に接続されている。ＦＤ領域７ａ、７ｂ、リセットトランジスタのソース領域７ｃ、配線８及び周囲の絶縁膜等とにより形成される寄生容量を含む容量により、転送された信号電荷を電圧に変換する。

９はリセットトランジスタのドレイン領域である。１０は増幅トランジスタのドレイン領域である。これらはＮ型の半導体領域により構成される。後述するようにリセットトランジスタのドレイン領域は少なくとも選択トランジスタのソース、ドレイン領域よりも低濃度の半導体領域により構成される。リセットトランジスタのドレイン領域９、増幅トランジスタのドレイン領域１０には電源電圧ＶＤＤが供給される。

１１は増幅トランジスタのソース領域である。Ｎ型の半導体領域で構成される。ソース領域１１は選択トランジスタのドレイン領域と共通の領域となっている。１２は選択トランジスタのソース領域である。Ｎ型半導体領域により構成される。

図３は図２の単位セルをアレイ状に配置したレイアウト図である。ここでは隣接する画素列に配された単位セルを示しているが、更に多数の単位セルが行列状に配されている。ウエルコンタクト領域６はリセットトランジスタのドレイン領域９と素子分離領域を介して隣接し、隣接する画素列のリセットトランジスタのソース領域７ｃ´と素子分離領域を介して隣接して配置されている。より一般化して言うならば、ウエルコンタクト領域は第１の画素列のリセットトランジスタのドレイン領域と素子分離領域を介して隣接して配置されている。更に、第１の画素列に隣接する第２の画素列のリセットトランジスタのソース領域と素子分離領域を介して隣接して配置されている。

図３のレイアウトにおいて、増幅トランジスタ、選択トランジスタは光電変換素子１ａの上方（第１の領域）に配される。またＦＤ領域は光電変換素子１ａの左側（第２の領域）に配される。また隣接する画素列のＦＤ領域は光電変換素子１ａの右側（第３の領域）に配される。第３の領域は光電変換素子１ａを挟んで第２の領域に対向する位置に配される。リセットトランジスタ、ウエルコンタクト領域は光電変換素子１ａの下側（第４の領域）に配されている。第４の領域は光電変換素子１ａを挟んで第３の領域に対向する位置に配される。

ここで、リセットトランジスタのソース、ドレインは両ノードの電圧関係により入れ替わり得るものであるが、リセット動作時においては、電源電圧が接続された領域がドレイン領域として機能し、ＦＤ領域と接続された領域がソース領域として機能する。

このような画素において信号を読み出す際には直列接続された増幅トランジスタ１０４及び選択トランジスタに電流を流し信号を読み出す。このとき選択トランジスタを流れる電流により電圧降下が生じ、選択トランジスタの抵抗分ダイナミックレンジが圧迫される。したがって選択トランジスタの抵抗はできるだけ小さくする必要がある。このため、選択トランジスタのソース、ドレイン領域の不純物濃度は耐圧が許す範囲内で高濃度とするのが良い。ここで一般に製造プロセス及び回路抵抗という観点で、画素を構成する他のトランジスタにおいても選択トランジスタと同様にソース、ドレイン領域の不純物濃度を高くするのが好ましい。

しかし図２、３に示すように、リセットトランジスタのドレイン領域とウエルコンタクト領域６とを近接して配置する場合には、必ずしもリセットトランジスタのソース、ドレイン領域の不純物濃度を高濃度にすることは望まれない。以下この点に関して詳細に説明する。

図２のＡ−Ａ間の断面図を図４（Ｂ）に示す。図４（Ａ）は比較のために示した例であり本発明を実施しない場合の構成を示したものである。図２，３と同様の部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

図４（Ａ）において、４０１はＮ型の半導体基板、４０２は画素のトランジスタのチャネル部を提供するためのＰ型半導体領域（Ｐウエル）である。またＰウエルはフォトダイオードのＰＮ接合を構成する領域として機能する位置にも配されている。

１３は素子分離領域、１４は素子分離領域下部に配されたチャネルストップ領域である。素子分離領域１３は半導体基板の各活性領域を画するために設けられた領域である。チャネルストップ領域１４は高濃度のＰ型半導体領域で構成され、隣接する活性領域間にチャネルが生じてリーク電流が流れることを抑制するために設けられる領域である。更に固体撮像装置において、チャネルストップ領域は、素子分離領域の界面付近で生じる暗電流の信号成分への混入を抑制する働きも有している。

ドレイン領域９が、選択トランジスタのソース、ドレイン領域と同様に、高純物濃度のＮ型半導体領域で構成される場合には、ＰＮ接合を構成するチャネルストップ領域１３との間に高い電界が発生し、逆方向リーク電流が流れやすい。さらには発光する場合がある。これがノイズとなり画質が低下してしまう。

これに対して、図４（Ｂ）は本発明を適用した場合の断面図である。リセットトランジスタのドレイン領域９の不純物濃度を選択トランジスタのソース、ドレイン領域よりも低くすることでチャネルストップ領域１３との間の電界を緩和している。図４（Ａ）においては高濃度のＮ型半導体領域と高濃度のＰ型半導体領域とが直接ＰＮ接合を構成している。これに対して、図４（Ｂ）においては、低濃度のＮ型半導体領域と高濃度のＰ型半導体領域とがＰＮ接合を構成している。このような構成によりリーク電流を抑制することが可能となり、また、発光を抑制することが可能となる。図２，３のリセットトランジスタのソース、ドレイン領域の位置が入れ替わった場合にはソース領域を低濃度にすればよい。つまり少なくともリセットトランジスタのソースドレイン領域のうち、ウエルコンタクト領域に近接して配置されるほうを低濃度にすればよい。

図４（Ｂ）におけるリセットトランジスタのドレイン領域の不純物濃度は１Ｅ１７〜１Ｅ１９（ｃｍ^−３）であり、製造時のイオン注入量としては５Ｅ１２〜５Ｅ１４（ｃｍ−３）とするのがよい。

また、リセットトランジスタのソース領域７ｃの不純物濃度も同様に低濃度化することにより、ＦＤ７が接続されるノードに生じる寄生容量を減少させることが可能となる。その結果、フォトダイオード１ａ、１ｂからＦＤ７に読み出された信号電荷を信号電圧に変換する際の電荷電圧変換効率が向上する。これは固体撮像装置のＳ／Ｎ比の向上につながる。

次に図５（Ａ）に図３のＡ−Ａ´断面図および図５（Ｂ）に図３のＢ−Ｂ´断面図を示す。図１〜４と同様の部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。図５（Ａ）は選択トランジスタ及び増幅トランジスタのチャネル長に平行な方向の断面を、図５（Ｂ）はリセットトランジスタのチャネル長に平行な方向及びウエルコンタクト領域の断面を示している。

図５（Ａ）において明らかなように、選択トランジスタ及び増幅トランジスタのソース、ドレイン領域はゲート側の低濃度の半導体領域及びゲートから離れた側の高濃度の半導体領域により構成されている。ソース、ドレイン領域の大部分を高濃度の半導体領域で構成し、ゲート電極に近い部分は耐圧向上のために低濃度としたいわゆるＬＤＤ構造となっている。

これに対して図５（Ｂ）に示すように、リセットトランジスタのソース、ドレイン領域は選択トランジスタのソース、ドレイン領域よりも低濃度の半導体領域により構成されている。したがってウエルコンタクト領域に近接して配されるチャネルストップ領域とＰＮ接合を構成する部分が低濃度となり、この部分に印加される電界強度を抑制することが可能となる。この低濃度の半導体領域は、選択トランジスタのＬＤＤ構造の低濃度の半導体領域と同一工程で形成することが可能である。この場合には製造工程の簡略化が可能となる。

更に、リセットトランジスタのソース、ドレイン領域に加えて、ＦＤ領域７ａ、７ｂの不純物濃度を選択トランジスタのソース、ドレイン領域の不純物濃度よりも低濃度としてもよい。このような構成によれば、ＦＤが接続されるノードに生じる寄生容量を小さくすることが可能となり、電荷電圧変換効率を向上させることが可能となる。この場合、ＦＤ領域はリセットトランジスタのソース、ドレイン領域と同じイオン注入工程で製造することができる。

以上述べたように本発明によれば、信号のダイナミックレンジを狭めることなく、ウエルコンタクト領域とリセットトランジスタのドレイン領域間の電界を緩和することが可能となる。

１０１ 光電変換素子
１０２ 転送スイッチ
１０３ リセットトランジスタ
１０４ 増幅トランジスタ
１０５ 選択トランジスタ
１１ 選択トランジスタのドレイン領域
１２ 選択トランジスタのソース領域
６ ウエルコンタクト領域
９ リセットトランジスタのドレイン領域

Claims (4)

1. 複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で生じた信号電荷に基づく信号を増幅する一つの増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの入力部の電位をリセット電位に設定するリセットトランジスタと、前記増幅トランジスタと直列に接続され、該増幅トランジスタで増幅された信号を選択して読み出す選択トランジスタと、を含む単位セルが行列状に配列された画素領域と、
   前記画素領域内に配され、前記増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタのチャネル部を提供するウエルに基準電圧を供給するための、複数のウエルコンタクト領域とを有する固体撮像装置であって、
   前記ウエルコンタクト領域はその下部にチャネルストップ領域が配された素子分離領域を介して、前記リセットトランジスタのドレイン領域と隣接して配され、
   前記リセットトランジスタのソース領域及びドレイン領域のうち少なくともドレイン領域の不純物濃度は、前記選択トランジスタのソース及びドレイン領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記増幅トランジスタの入力部は、前記増幅トランジスタのゲート及び該ゲートに接続された第１導電型のフローティングディフュージョン領域を含んで構成され、前記フローティングディフュージョン領域の不純物濃度は、前記選択トランジスタのソース領域及びドレイン領域の不純物濃度よりも低いこと特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記選択トランジスタはＬＤＤ構造を有しており、前記リセットトランジスタのドレイン領域は、前記ＬＤＤ構造を構成するドレイン領域の高濃度の半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記ウエルコンタクト領域は、第１の画素列に含まれる第１の単位セルのリセットトランジスタのドレイン領域と素子分離領域を介して隣接し、且つ、前記第１の画素列に隣接する第２の画素列に含まれる第２の単位セルのリセットトランジスタのソース領域と素子分離領域を介して隣接することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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