JP5523813B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、裏面照射型の固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳなどの固体撮像装置では、フィルターを通過した光により半導体基板上で電子−正孔対を発生させ、電子のみを電荷蓄積部として機能するｎ型拡散層へと蓄積させる（特許文献１参照）。

最近では、多画素化や光学サイズ縮小の要請から、上記ｎ型拡散層のサイズが縮小される傾向にある。すると、ｎ型拡散層で蓄積することの出来る電子の数（以下、飽和電子数）が減少してしまい、撮影した画像を再生する品質が落ちてしまうといった問題があった。

特開２００７−２５８６８４号公報

本発明は、再生画面の品質を向上することのできる固体撮像装置を提供する。

この発明の一態様に係る固体撮像装置は、第１導電型又は第２導電型の半導体基板表面内に形成され、該半導体基板表面から第１の深さの位置において濃度が最大値となるようドーピングされた前記第２導電型の第１拡散層と、前記半導体基板表面上であって、直下に前記第１拡散層が配置されるよう形成され、所定の電位とされた電位層と、前記第１拡散層に少なくとも一部が接する前記第１導電型の第２拡散層と、前記半導体基板表面内であって、前記第１拡散層と離隔して形成された浮遊拡散層と、前記第１拡散層と前記浮遊拡散層との間であって、前記半導体基板上に形成された読出電極と、を具備し、前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって照射された光により前記半導体基板内で生成された電子を前記第１拡散層に蓄積する期間、前記半導体基板表面と前記第１拡散層の表面との界面から前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する前記第１導電型の電荷蓄積層が形成され、前記期間において前記電位層に負電圧を印加し、前記第１拡散層に蓄積された電子を読み出す際に負電圧を停止する。

本発明によれば、再生画面の品質を向上することのできる固体撮像装置を提供できる。

この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図。 この発明の第１の実施形態に係るセンサコア部のブロック図。 この発明の第１の実施形態に係るピクセルの平面図。 この発明の第１の実施形態に係るピクセルの断面図。 この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し動作を示す図。 この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の濃度分布を示すグラフ。 この発明の第２の実施形態に係るピクセルの断面図。 この発明の第２の実施形態に係るピクセルの断面図。 この発明の第３の実施形態に係るピクセルの断面図。

以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

[第１の実施形態]
この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の一構成例を示したものである。なお、以下実施形態では特に断りがない限り、裏面照射型の固体撮像装置とする。

図１に示すように、固体撮像装置１は、電源部２、センサコア部３、制御部５、及びレンズ６を備える。またセンサコア部３は、画素部４を備える。以下各部の詳細について説明する。

電源部２は複数の所定の電圧を発生させ、その発生させた電圧を、画素部４を含むセンサコア部３に印加する。電源部２は負電圧を発生させ、その発生させた負電圧を画素部４へと供給することを可能とする。

センサコア部３はマトリクス状に配置された複数の画素（以下、ピクセルと呼ぶ）を備えている。そして、画素部４では、制御部５から供給された信号ＲＥＳＥＴ、及び信号ＲＥＡＤに基づいて、複数配置されたピクセルに対し、リセット動作と選択したピクセルに対する信号のリード（読出し）動作が行われる。

次に制御部５について説明する。制御部５は、マスタークロックＭＣＫから与えられたクロック信号に基づいて、固体撮像装置１の内部クロックを生成する。マスタークロックＭＣＫは固体撮像装置１の外部に設けられた、例えば時計（以下、外部時計と呼ぶ）を基準として得られるクロック信号である。また制御部５は固体撮像装置１の全体のシステムを動作させるための制御データ（図中、ＤＡＴＡ）を外部から受け取る。制御データは、例えばコマンドや固体撮像装置１全体を動作させるための動作タイミングなどである。具体的には、画素部４で受光した光の信号を読み出す際、電源部２が該画素部４に負電圧を与える動作タイミングである。そして、制御部５は、外部から受け取ったコマンドのうち、例えばＲＥＳＥＴ信号、及びＲＥＡＤ信号をそれぞれ画素部４へと与える。更に制御部５はセンサコア部３で読み出された信号に信号処理を施し、外部へと出力する。

レンズ６は外部からの光を受光し、該受光した光を、分解フィルターを通過させた後、画素部４へと供給する。なお、フィルターはＲＧＢ毎に光を分解する。

なお、固体撮像装置は、センサコア部３に画素部４の他、この画素部４に続き設けられたノイズキャンセル回路（以下、ＣＤＳと呼ぶ）、ＡＤ変換回路（以下、ＡＤＣ部と呼ぶ）、ラッチ回路、及び水平シフトレジスタを備えていても良い。この場合、ＣＤＳは、画素部４から読み出させた信号に含まれるノイズをキャンセルする。そしてＡＤ変換器は、ＣＤＳによってノイズがキャンセルされた信号に対し、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換を行う。これにより、例えば１０ビットのデジタル信号を得る。更にラッチ回路は、ＡＤＣ部で得られたデジタル信号をラッチする。水平シフトレジスタは、ラッチ回路でラッチされたデジタル信号を読み出すよう指示を与える。

次に、上記センサコア部３における画素部４の詳細について図２を用いて説明する。図２はセンサコア部３のブロック図である。

＜画素部４について＞
図示するように、画素部４には、垂直信号線ＶＬＩＮ１乃至垂直信号線ＶＬＩＮ（ｎ＋１）の各々にそれぞれ接続され、且つ垂直方向に（ｍ＋１）個設けられたピクセル１０が配置されている（ｎ、ｍは共に自然数）。すなわち、画素部４は、マトリクス状に配置された複数のピクセル１０を備える。なお、以下では、垂直信号線ＶＬＩＮ１に着目し、また垂直信号線ＶＬＩＮ１に直交する水平方向の第１ライン上に配置されたピクセル１０について説明をする。

図示するようにピクセル１０は、ＭＯＳトランジスタＴｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、及びフォトダイオードＰＤを備える。フォトダイオードＰＤのカソードには図示せぬ電極が形成されており、該電極に対し、電源部２から負電圧が与えられる。後述するが、その電極に負電圧が与えられた結果、該電極とフォトダイオードＰＤとの間に容量Ｃ１１が形成される。なお、垂直信号線ＶＬＩＮ（ｎ＋１）に直交する水平方向の第（ｍ＋１）ライン上に配置されたピクセル１０には容量Ｃ（ｍ＋１）（ｎ＋１）が成される。そして、容量Ｃ１１乃至容量Ｃ（ｍ＋１）（ｎ＋１）を区別しない場合は、単に容量Ｃと呼ぶ。なお、容量Ｃ１１乃至容量Ｃ（ｍ＋１）（ｎ＋１）はほぼ同一の特性を備える。次にＭＯＳトランジスタＴｃについて説明する。

ＭＯＳトランジスタＴｃのゲートには制御部５から与えられた信号ＲＥＳＥＴ１が与えられ、ドレイン端には電圧ＶＤＤ（例えば、２．８Ｖ）が供給され、ソース端は接続ノードＮ１に接続されている。すなわちＭＯＳトランジスタＴｃはフォトダイオードＰＤから読み出された信号の基準電圧となるリセット電圧を生成するリセットトランジスタとして機能する。次にＭＯＳトランジスタＴｄについて説明する。

ＭＯＳトランジスタＴｄのゲートには制御部５から供給された信号ＲＥＡＤ１が与えられ、ドレイン端は接続ノードＮ１に接続され、ソース端は、フォトダイオードＰＤのカソードが接続されている。すなわち、ＭＯＳトランジスタＴｄは、信号電荷読み出し用トランジスタとして機能する。またフォトダイオードＰＤのアノードは接地されている。次にＭＯＳトランジスタＴｂについて説明する。

ＭＯＳトランジスタＴｂのゲートには接続ノードＮ１が接続され、ドレイン端には電圧ＶＤＤが供給され、ソース端には垂直信号線ＶＬＩＮ１が接続されている。すなわち、ＭＯＳトランジスタＴｂのゲートと、ＭＯＳトランジスタＴｃのソース端と、ＭＯＳトランジスタＴｄのドレイン端とが接続ノードＮ１で共通接続されている。そして、接続ノードＮ１を電位の検出を行うノードとする。なお、ＭＯＳトランジスタＴｂは、信号を増幅する増幅用トランジスタとして機能する。

なお、信号ＲＥＳＥＴ１、及び信号ＲＥＡＤ１をそれぞれ伝達する信号線は、垂直信号線ＶＬＩＮに直交する水平方向の第１ライン上に配置されたピクセル１０で共通接続されている。すなわち、信号線は、垂直信号線ＶＬＩＮに直交する水平方向の第１ラインであって、垂直信号線ＶＬＩＮ１〜垂直信号線ＶＬＩＮ（ｎ＋１）のそれぞれに接続されたピクセル１０に対しそれぞれ共通接続されている。なお、垂直信号線ＶＬＩＮに直交する水平方向の第２乃至第（ｍ＋１）ラインについても同様である。

また、同一列に配置された上記ピクセル１０は、ＭＯＳトランジスタＴｂのソース端を介して、垂直信号線ＶＬＩＮ１〜垂直信号線ＶＬＩＮ（ｎ＋１）のいずれかに共通接続される。以下、垂直信号線ＶＬＩＮ１〜垂直信号線ＶＬＩＮ（ｎ＋１）を区別しない場合には、単に垂直信号線ＶＬＩＮと呼ぶ。

また、同一行にあるピクセル１０には、信号ＲＥＳＥＴ１〜信号ＲＥＳＥＴ（ｍ＋１）、信号ＲＥＡＤ１〜信号ＲＥＡＤ（ｍ＋１）のいずれかの信号が共通に与えられる。以下、信号ＲＥＳＥＴ１〜信号ＲＥＳＥＴ（ｍ＋１）、信号ＲＥＡＤ１〜信号ＲＥＡＤ（ｍ＋１）に関しても、区別しない場合には、単に信号ＲＥＳＥＴ、信号ＲＥＡＤと呼ぶ。

なお、センサコア部３がＣＤＳ、ＡＤＣ部、ラッチ回路、及び水平シフトレジスタを備えている場合、図２における各垂直信号線ＶＬＩＮにはＣＤＳ回路、ＡＤＣ部、ラッチ回路、及び水平シフトレジスタが接続されている。

＜ピクセル１０の平面構成例＞
次に、図３を用いて本実施形態に係る固体撮像装置が有するピクセル１０の平面構成例について説明する。上述したように、本実施形態では裏面照射型の固体撮像装置について説明する。すなわち、上記ＭＯＳトランジスタＴｂが形成される半導体基板の表面（表面側）とは反対側の基板表面（裏面側）に受光面が形成される裏面照射型固体撮像装置を一例に挙げて説明する。すわなち、半導体素子が形成されている側とは反対側が入射光に露出している側となり、裏面となる。以下、基板表面における平面構成例である。なお、便宜上垂直信号線ＶＬＩＮに沿って隣接するピクセル１０についてのみに着目するが、実際にはピクセル１０は図２に示すようマトリクス状に配置される。

図３に示すように、シリコン基板２０（図示せぬ）の表面上に、垂直信号線ＶＬＩＮに沿ってピクセル１０が配置されている。さらに、例えば、ボロンなどのドーピングによってｐ型とされたシリコン基板２０の表面上に絶縁膜２５が形成されている。そして、隣接するピクセル１０の境界を囲むように素子分離領域を区画する素子分離帯（図示せぬ）が設けられている。なお、シリコン基板２０は例えばリンなどがドーピングされたｎ型であってもよい。

絶縁膜２５上にはピクセル１０を構成するｎ型拡散層２４が直下に形成されるよう配置された電位層、例えば電極２６と、該ｎ型拡散層２４に蓄積された電子を浮遊拡散層２３に読み出す、ＭＯＳトランジスタＴｄの読出しゲートとして機能する電極２７とが幅ｗ１の間隔で形成されている。以下、電極２７を読出電極とよぶことがある。ここで電極２６は、例えば多結晶シリコン、または多結晶シリコンの一部が金属と結合したＣｏＳｉ、ＴｉＳｉ、ＮｉＳｉなどの金属シリサイド、またはＣｕ、Ａｌ、Ｗなどの金属材料である。また、図示するように、本例に係る単位画素の垂直信号線ＶＬＩＮ方向における画素ピッチＰは、いずれも共通となるように配置されている。

＜ピクセル１０の断面構成例＞
次に図４を用いて上記ピクセル１０の断面構成例について説明する。図４に示す断面構成例は、図３におけるＡ−Ａ方向に沿った断面図である。ここで、シリコン基板２０に対し、絶縁膜２５が形成されている側を第１方向とし、またその逆、すなわち、シリコン基板２０の底面を第２方向とする。

図４に示すように、例えばボロンなどをドープして形成されたｐ型のシリコン等からなる半導体基板２０表面（第１方向側）内に、該半導体基板内で発生した電子を蓄積する電荷蓄積部として機能するｎ型拡散層２４が形成される。このｎ型拡散層２４の底面は、半導体基板２０の表面から、第２表面側に向かってｗ２（＞ｗ１）だけ深い位置にある。

そして、ｎ型拡散層２４に接しつつ、半導体基板２０内にｐ型の拡散層２１が形成される。そして、この拡散層２１の少なくとも一部が接地されている。つまり拡散層２１はゼロ電位とされる。この拡散層２１は後述する正孔蓄積層を形成する供給源として機能する。

また、半導体基板２０表面内に浮遊拡散層として機能するｎ型の拡散層２３が形成される。そして、半導体基板２０内に拡散層２３の底面に接するｐ型の拡散層２２が半導体基板２０内に形成される。

半導体基板２０上には絶縁膜２５が形成され、該絶縁膜２５上であって、拡散層２４が直下に形成されるよう配置された電極２６が形成される。そして電極２６には電源部２から供給された、例えば−１[Ｖ]程度の負電圧が印加される。更に、絶縁膜２５上であって電極２６と幅ｗ１の間隔で電極２７が隣接するように形成される。そして電極２７には制御部５から供給された正電圧の信号ＲＥＡＤが印加される。

＜読出し動作について＞
次に、固体撮像装置１がフォトダイオードＰＤで受光した光を、ピクセル１０から読み出す方法について図５を用いて説明する。図５は上記図４において、レンズ６を通過して図示せぬフィルターで分解された光により半導体基板２０内で生成された電子−正孔対のうち、電子につきトランジスタＴｄを介して外部へと読み出す際の動作を示す図である。なお、制御部５により電極２６、２７に与えられる電圧のタイミングが制御される。

（ステップＳ１）
まず少なくとも受光の際、電源部２により電極２６に、例えば−１[Ｖ]程度の負電圧が印加される。これにより、ゼロ電位とされた拡散層２１から誘起した正孔が、拡散層２４と絶縁膜２５との界面、換言すれば半導体基板上面と絶縁膜２５との界面に集約される（図中Ｓ１）。

すると、半導体基板２０界面に誘起された正孔と拡散層２４との間で空乏層が発生する。以下、半導体基板２０の界面に誘起された正孔の層を、正孔蓄積層、または電荷蓄積層（正孔が蓄積された層）と呼ぶ。ここで上記正孔蓄積層の第２方向への深さ（厚み）はきわめて薄く、且つ半導体基板２０の界面にのみ形成される。具体的には、正孔蓄積層の幅は０．０１[μｍ]〜０．０５[μｍ]程度とされる。この結果、負電圧がある一定の値であれば、この空乏層の蓄積容量の値は、該空乏層が有する幅に応じた値とされる。つまり、空乏層で蓄積可能な電子の数はこの空乏層の蓄積容量の値に比例し、該蓄積容量の値が大きければそれに比例して該電子の数は多くなる。また、正孔蓄積層の濃度は電極２６に印加される電圧の大きさに応じて変化する。すなわち、電極２６に与えられる負電圧の値が（絶対値）大きいほど、正孔蓄積層の濃度が高くなる。

（ステップＳ２）
次に基板２０の裏面から第１方向に沿って、すなわち半導体基板２０の裏面側から光を受光することで、該半導体基板２０内で生成された電子−正孔対のうち、電子が拡散層２４へと集約する（図中Ｓ２）。これは、半導体基板２０内で発生する電界や熱拡散によるものである。そして、これら発生した電子は、ある値の蓄積容量を有した空乏層が形成された拡散層２４に蓄積される。

（ステップＳ３）
ステップＳ２の後、電極２６へ負電圧を印加しつつ、電極２７にパルス状の正電位電圧（信号ＲＥＡＤ）を、電源部２により印加させる。これにより、電極２７の直下であり、半導体基板２０表面にチャネルが形成される。この結果、拡散層２４に蓄積された電子が、電極２７の直下に形成されたチャネルを経由して、拡散層２３を介し外部へと読み出される。以上、ピクセル１０で受光した光を電荷として外部に読み出す際の動作について説明した。なお、拡散層２４に電子を蓄積する際に半導体基板２０界面に正孔蓄積層を誘起させるが、この正孔蓄積層が形成されるのは上記ステップＳ１〜Ｓ３の期間である。換言すれば、この正孔蓄積層が形成されるのは電極２６に負電圧を印加する上記ステップＳ１〜Ｓ３の期間である。

＜半導体基板２０表面における濃度分布について＞
次に上記図５において電極２６に負電圧が印加された際の半導体基板２０表面における濃度分布について図６を用いて説明する。換言すれば、拡散層２４及び拡散層２４と絶縁膜２５との界面における正孔、電子等のキャリア濃度の分布について説明する。図６は、図５においてＢ−Ｂ’方向に沿った断面図における正孔と電子との濃度分布を示すグラフである。縦軸に濃度を取り、横軸にＢ−Ｂ’断面における位置を示す。なお、位置Ｂを、半導体基板２０表面とする。

図６に示すように電極２６に負電圧が印加されることで、半導体基板２０表面内であって、拡散層２４と絶縁膜２５との界面一面に正孔蓄積層が発生している。換言すれば、位置Ｂ−位置Ｂ１間において正孔濃度がδ関数状に分布する。また、上述したように位置ＢからＢ１まで形成される正孔蓄積層の幅は約０．０１[μｍ]乃至０．０５[μｍ]である。そして、位置Ｂ２を濃度のピークとした拡散層２４内の電子が位置する。空乏層の幅は正孔濃度のピークを示す位置と電子濃度のピークを示す位置との距離で決まる。つまり、図６に示すように位置Ｂ１−位置Ｂ２だけの間隔が空乏層幅とされる。そして、この空乏層幅で蓄積容量が決定される。つまり、拡散層２４が蓄積可能な電子濃度を高くするには、この空乏層幅の値を小さくすることで、蓄積容量を大きくしてやればよい。

＜本実施形態に係る効果＞
本実施形態に係る固体撮像装置であると、再生画面の品質を向上することができる。
本実施形態に係る固体撮像装置の効果につき、従来の固体撮像装置と比較して説明する。なお、従来の固体撮像装置において本実施形態の固体撮像装置１の各構成と同一の部材については同一の参照符号を用いる。

図４を例に用いて拡散層２４上であって、半導体基板２０内にｐ型の拡散層、及び電極２６が形成されていない従来の固体撮像装置を考える。ここで、拡散層とは、不純物をドープすることにより半導体に極性を持たせた領域を指す。その拡散層が形成されていない、すなわち半導体基板２０表面内にｎ型の拡散層２４のみが形成されているものとする。すると受光して半導体基板２０内で発生した電子を、拡散層２４で蓄積する際、半導体基板２０と絶縁膜２５との界面及びその近傍において空乏層が発生してしまい、その空乏層から暗電流が発生してしまっていた。暗電流とは、フォトダイオードＰＤが受光していない期間（以下、暗時と呼ぶ）においても、半導体基板２０内で電子と正孔とが発生し、これにより流れる電流である。つまり、電子の流れによって暗時においても電流が流れ、これが雑音の原因となる。この暗電流の発生原因の具体的な理由の１つとして、半導体基板２０／絶縁膜２５（例えば酸化膜）界面での非連続的な構造の違いが原因とされる。つまり、界面を挟んで一方の領域は構造が安定したシリコン、他方の領域はアモルファス状のシリコンと酸素との結合である。つまりその境界では、規則的な結合状態が維持できず、半導体基板２０領域におけるシリコン原子の結合子において結合する相手がいない不安定な状態、つまりダングリングボンドがＳｉのバンドギャップ中央に準位を形成する。このため、シリコン結晶中において、相手の見つからない結合子：ダングリングボンドが発生・再結合中心となる。この発生・再結合中心が、価電子帯に存在する電子の、例えば熱的励起を手助けする。これにより該価電子帯から励起した電子が、発生・再結合中心を介して伝導帯へと励起する。つまり、価電子帯には電子が抜けた正孔が出来、伝導帯には電子が存在する。そして発生・再結合中心を担い手として界面で発生した電子は拡散層２４に蓄積される。このように受光した結果、半導体基板２０内で発生する電子以外に暗電流が発生する（これを問題１とする）。

そこで、上記暗電流の発生を防ぐべく、従来の固体撮像装置は図４（ここでは電極２６は形成されていないものとする）において拡散層２４上であって、半導体基板２０内に、例えばボロンなどの正孔がドーピングされたｐ型の拡散層（図示せぬ）を形成した。これにより、半導体基板２０の界面において空乏層からの電子の発生を抑制させることで、暗電流を防止していた。

しかし、ｐ型の拡散層を拡散層２４が直下に配置されるよう形成すると、拡散層２４と接する界面に、該拡散層２４の濃度ピークを合わせることが難しかった。このため、ｐ型の拡散層と拡散層２４とが接する界面において、正孔から電子へと向かう電気力線（電界）の長さが長くなり、その結果蓄積容量を大きくすることができなかった。つまり蓄積容量が小さいことから、拡散層２４における飽和電子数が減少し、それゆえに、例えば明るい被写体を撮像している際のS/N比が現象してしまうという問題があった。具体的には、例えば明るい被写体を撮影した画像に含まれるノイズは、光ショットノイズで決定される。そして光ショットノイズにおけるノイズはフォトダイオードＰＤ（ここでは拡散層２４）に蓄積される電子の数をｎとすると、√ｎで表すことができる。つまり、Ｓ／Ｎ比はｎ／√ｎとされることから、飽和電子数の減少と共にＳ／Ｎ比が低下する。これによって、撮影した画像の画質が劣化してしまうといった問題が生じていた（これを問題２とする）。

この点、本実施形態に係る固体撮像装置であると、上記問題１及び２を防止することが出来る。本実施形態に係る固体撮像装置であると、拡散層２１を接地させ、電極２６に負電圧を印加する。これにより拡散層２１の電位を電極２６に対して大きくさせる。この結果、拡散層２１から誘起した正孔を、該電極２６の直下であって、拡散層２４の上面に形成させる。これにより、正孔蓄積層を形成させる。これにより、Ｓｉ（シリコン）表面での暗電流の発生を抑制さることが可能となる。つまり、雑音を低減させることが出来、再生画面の品質を向上することができる。すなわち問題１を防止することができる。

そして、この正孔蓄積層の有する幅は、従来の固体撮像装置で形成されたｐ型の拡散層の第２方向への深さに比して小さい。具体的には、従来におけるｐ型の拡散層の第２方向への深さは０．１０[μｍ]〜０．５[μｍ]であった。これに対し、前述の様に本実施形態に係る固体撮像装置における正孔蓄積層の第２方向への深さは従来の１／１０程度である。この結果、空乏層幅が従来の固体撮像装置における空乏層よりも小さくなる。よって、拡散層２４の蓄積容量が大きくなる。このため例えピクセル１０の微細化が進み基板２０表面に形成される正孔蓄積層の領域（面積）が小さくなったとしても、単位面積あたりの容量が大きくなることから拡散層２４における飽和電子数が増加する。この結果Ｓ／Ｎ比は増加する。すなわち、撮影した画像の画質が劣化してしまうといった問題２を防止することができる。

そして、本実施形態に係る固体撮像装置であると電極２７と電極２６との間の距離ｗ１は、フォトダイオードＰＤを構成する拡散層２４の深さｗ２よりも短い。このため、電極２７にパルス状の信号ＲＥＡＤを印加して拡散層２４に蓄積された電子を読み出す際、電極２７により電位が変調される基板２０の領域が拡散層２４の領域に近づく。この結果、拡散層２４に蓄積された全ての電子を読み出すことが容易にできるようになる。

なお、電源部２により電極２６に印加される電圧は、負電圧でなくともよく、拡散層２１の電位に対して低い電圧を電極２６に印加出来さえすればよい。つまり、電極２６に印加される電圧は、拡散層２１からの正孔が拡散層２４の上面に誘起できる電圧であればよい。

またなお、本実施形態に係る固体撮像装置は裏面照射型である。つまり図５において、光の入射方向は第１方向である。このため、電極２６に使用する材料は光透過率の低い材料であっても、拡散層２４に入射する光量が減衰するといったことがない。

[第２の実施形態]
次に本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。第２の実施形態に係る固体撮像装置は、上記第１の実施形態に係る固体撮像装置において、電極２６を、裏面側から受光した光を透過可能な、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などで形成された透明電極（後述する透明電極４０）で形成し、更に上記第１の実施形態の読み出し動作におけるステップＳ３で電極２６に印加していた負電位を、電極２７の直下に形成されるチャネルに転送する際、停止するものである。以下実施形態ではこの電極２６に代えて、透明電極４０を設けた構成において説明する。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

本実施形態に係る固体撮像装置を図７に示す。図７は、図２におけるピクセル１０のＡ−Ａ方向に沿った断面図である。図７に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置は電極２６に代えて、透明電極４０を設けた構造をとる。この透明電極４０は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜で形成される。この透明電極４０は４００[ｎｍ]〜７００[ｎｍ]程度の可視光に対し透過性を備える。

そして、本実施形態に係る固体撮像装置では、上記ステップＳ３においてこの透明電極４０への負電圧の印加を停止しつつ、電極２７にパルス状の正電位電圧（信号ＲＥＡＤ）を、電源部２により印加させる。すると上記第１の実施形態と同様、電極２７の直下であり、半導体基板２０表面に電子が誘起される。すなわちチャネルが形成される。また、透明電極４０への負電圧の印加を停止することから、透明電極４０の直下であり拡散層２４界面にそれまで誘起していた正孔蓄積層が消滅する。この結果、拡散層２４に蓄積された電子が上記チャネルを経由して外部へと読み出される。透明電極４０に印加する負電圧を停止する期間は、電極２７にパルス状の正電位電圧が印加されている期間である。少なくとも、透明電極４０に負電圧が印加されていない期間（透明電極４０に０[Ｖ]が印加される期間）と、電極２７にパルス状の正電位電圧が印加されている期間とが重なってさえすれば良い。なお、電極２７にパルス状の正電位電圧が印加されている期間中であっても透明電極４０に−１[Ｖ]程度の負電圧を印加し続けていても良い。以上の動作については、第一の実施形態においても同様に適用することができる。なお、拡散層２４に電子を蓄積する際に半導体基板２０界面に正孔蓄積層を誘起させるが、この正孔蓄積層が形成されるのは上記ステップＳ１〜Ｓ２の期間である。換言すれば、この正孔蓄積層が形成されるのは透明電極４０に負電圧を印加する上記ステップＳ１〜Ｓ２の期間である。またなお、透明電極４０以外の構成、及び本実施形態に係る固体撮像装置の読出し動作については、上記第１の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

＜本実施形態に係る効果＞
本実施形態に係る固体撮像装置であっても、上記第１の実施形態と同様の効果を奏することが出来る。つまり、透明電極４０に−１[Ｖ]程度の負電圧を与えた場合であっても、半導体基板２０の表面であって、拡散層２４と絶縁膜２５との界面に正孔蓄積層を形成させることが出来る。そして形成された正孔蓄積層は上記第１の実施形態と同様に高濃度、且つ従来よりも薄膜であることから、フォトダイオードＰＤの蓄積容量が大きくなる。このことにより例え固体撮像装置の微細化が進んだとしてもＳ／Ｎ比の低下を抑制出来、被写体の画像を劣化させるといったことを防止することが出来る。

なお、図７では、拡散層２４が直下に配置されるように透明電極４０が絶縁膜２５上に配置されているが、電極２７を含む絶縁膜２５の一面にこの透明電極４０が形成されていてもよい。この場合、電極２７と透明電極４０とが短絡しないよう、該電極２７の周囲に絶縁膜（図示せぬ）を形成する必要がある。この様子を図８に示す。図８は、本実施形態に係る固体撮像装置におけるピクセル１０のＡ−Ａ方向に沿った断面図である。この場合であっても上記効果を奏することが出来る。

更に、本実施形態に係る固体撮像装置であると、上述したように電極２７にパルス状の正電位電圧が印加されている期間中、透明電極４０への負電圧の印加を停止する。これは、透明電極４０の直下に位置する領域であって基板２０界面に蓄積されていた正孔蓄積層の濃度が顕著に低減することから、電極２７のゲート幅方向の端部（透明電極４０側に近い方）直下の基板２０内電位が該電極２７により変調されやすくなる。このことから、拡散層２４に蓄積された信号電子をより一層転送しやすくなり、拡散層２４内に蓄積された電子の取り残しが発生しなくなる。つまり、拡散層２４における電子の取り残しが無いと残像等の問題が発生しなくなるので、特に暗時画像において画質を向上させることができる。

またなお、本実施形態では可視光を透過可能な透明電極４０を使用していることから、裏面照射型だけでなく、従来の表面照射型であっても適用可能である。

[第３の実施形態]
次に本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、上記第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置において拡散層２４が直下に配置されるよう形成された電極２６、透明電極４０に代えて、４００[ｎｍ]〜７００[ｎｍ]程度の可視光に対し透過性を備え、且つ負の固定電荷を含む電位層、例えば絶縁膜４１を形成した構成をとる。ここで絶縁膜４１は、例えば酸化ハフニウムにより形成された膜である。以下、第１、第２の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

本実施形態に係る固体撮像装置について図９を用いて説明する。図９は、図２におけるピクセル１０のＡ−Ａ方向に沿った断面図である。図９に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置は電極２６、または透明電極４０に代えて、負の固定電荷を含む絶縁膜４１を設けた構造をとる。つまり、拡散層２１に対し、絶縁膜４１は負の電位を有する。このため、上記第１、第２の実施形態で説明したように電源部２からの負電圧が供給されなくても、半導体基板２０の表面であって、拡散層２４と絶縁膜２５との接触界面において正孔蓄積層を誘起させることが出来る。つまり、負電圧を印加しなくとも、常時正孔蓄積層は発生していることから、光を受光することで半導体基板２０内に発生した電子は、拡散層２４に蓄積される。なお、電極２６及び透明電極４０以外の構成、並びに本実施形態に係る固体撮像装置の読出し動作について電極２６及び透明電極４０に負電圧が印加される以外は上記第１、第２の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

＜本実施形態に係る効果＞
本実施形態に係る固体撮像装置であっても上記第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。つまり、負の固定電荷を含む絶縁膜４１を電極２６、透明電極４０の代わりに使用した場合であっても、半導体基板２０の表面であって、拡散層２４と絶縁膜２５との界面に正孔蓄積層を形成させることが出来る。そして形成された正孔蓄積層は上記第１の実施形態と同様に高濃度、且つ従来よりも薄膜であることから、フォトダイオードＰＤの蓄積容量が大きくなる。このことにより、例え固体撮像装置の微細化が進んだとしてもＳ／Ｎ比の低下を抑制出来、被写体の画像を劣化させるといったことを防止することが出来る。

なお、図９では、絶縁膜４１が一部電極２７を覆うように絶縁膜２５上に形成されているが、電極２７と幅ｗ１だけ離れた位置であって、拡散層２４が直下に配置されるよう絶縁膜４１が絶縁膜２５上に配置されてもよい。絶縁膜４１と電極２７とをそれぞれ自己整合的に形成することが難しいことから、絶縁膜４１が電極２７の一部表面を覆うことがあるため図９に示すような構造をとることが多い。

またなお、上記第２の実施形態と同様、本実施形態においても４００[ｎｍ]〜７００[ｎｍ]程度の可視光に対し透過性を備えた絶縁膜４１を使用していることから、裏面照射型だけでなく、従来の表面照射型であっても適用可能である。

またなお、上記第１の実施形態に係る固体撮像装置では、電極２６には負電位を印加しつつ、電極２７に正電位電圧（信号ＲＥＡＤ）を印加していたが、上記第２の実施形態と同様に、電極２６への負電圧の印加を停止しつつ、電極２７にパルス状の正電位電圧を、電源部２により印加させてもよい。つまり、拡散層２４に電子を蓄積する際、すなわち上記ステップＳ１〜Ｓ２の期間に半導体基板２０界面に正孔蓄積層を誘起させる。換言すれば、この正孔蓄積層が形成されるのは電極２６に負電圧を印加する上記ステップＳ１〜Ｓ２の期間である。この場合、上記第１の実施形態であっても、上記第２の実施形態と同様の効果を奏することが出来る。つまり、拡散層２４における電子の取り残しが無く、それにより残像等の問題が発生しなくなるため、特に暗時画像において画質を向上させることができる。

またなお、上記正孔蓄積層は、電極２６に負電圧を印加することで、正孔を蓄積させたものと説明したが、拡散層２４の表面にｐ型の拡散層を形成し、このｐ型の拡散層を形成することで、正孔を拡散層２４の表面に蓄積させることができるものでもある。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。

１…固体撮像装置、２…電源部、３…センサコア部、４…画素部、５…制御部、１０…ピクセル、２０…半導体基板、２１、２２…ｐ型拡散層、２３、２４…ｎ型拡散層、２５…絶縁膜、２６、２７…電極、４０…透明電極、４１…絶縁膜（固定電荷含む）

Claims (4)

1. 第１導電型又は第２導電型の半導体基板表面内に形成され、該半導体基板表面から第１の深さの位置において濃度が最大値となるようドーピングされた前記第２導電型の第１拡散層と、
   前記半導体基板表面上であって、直下に前記第１拡散層が配置されるよう形成され、所定の電位とされた電位層と、
   前記第１拡散層に少なくとも一部が接する前記第１導電型の第２拡散層と、
   前記半導体基板表面内であって、前記第１拡散層と離隔して形成された浮遊拡散層と、
   前記第１拡散層と前記浮遊拡散層との間であって、前記半導体基板上に形成された読出電極と、
   を具備し、
   前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって照射された光により前記半導体基板内で生成された電子を前記第１拡散層に蓄積する期間、前記半導体基板表面と前記第１拡散層の表面との界面から前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する前記第１導電型の電荷蓄積層が形成され、
   前記期間において前記電位層に負電圧を印加し、前記第１拡散層に蓄積された電子を読み出す際に負電圧を停止する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記半導体基板上に形成された電位層は、
   前記第１拡散層を、前記電子を蓄積する電荷蓄積部として機能させる際、前記第２拡散層の電位よりも低い電圧を印加可能な電極である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記半導体基板上に形成された電位層は、絶縁層であり、
   前記絶縁層は負の固定電荷を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記読出電極は、前記第１拡散層の深さよりも小さな間隔で前記第２拡散層の電位よりも低い電圧を印加可能な前記電極と隣接することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。

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