JP6175970B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関する。

近年、ビデオカメラや電子スチルカメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型などの増幅型の固体撮像素子が使用されており、一般的な半導体プロセスを通じて製造される。

固体撮像素子は、画素が二次元状に複数配置された画素領域と、画素から光信号を外部に出力する周辺回路とを有している。各画素に配置される光電変換部（たとえば、フォトダイオード）などで入射光に応じた電荷が蓄積され、転送トランジスタにより電荷検出部に転送された後、周辺回路を通じて外部へ読み出される。

固体撮像素子は、入射光に応じた出力が読み出される事が望ましいが、入射光が無くても出力が生ずる現象が起きることが知られている。この現象は、一般に暗電流と呼ばれている。暗電流は、蓄積時間に応じて増大するため、たとえば夜景撮影において長時間露光するときなどに特に問題となる。

暗電流の主な原因は、半導体と絶縁体との界面（境界）に存在する結晶の未結合手（ダングリングボンド）から発生する電子の流入である。たとえば、光電変換部の周囲に絶縁体である素子分離領域を設けた場合、光電変換部と素子分離領域との境界は大きな暗電流発生源となる。この暗電流成分の対策として、光電変換部と素子分離領域との境界付近に逆導電型のガード層を設け、光電変換部の空乏層が界面に到達するのを防ぐ技術が知られている（特許文献１）。

ガード層は、光電変換部と素子分離領域との境界に設けるものであり、光電変換部の外周のうち素子分離領域が形成されない転送トランジスタの近傍にはガード層を形成させる必要がない。そのため、特許文献１では、光電変換部の外周のうち転送トランジスタの周囲にだけガード層が形成されておらず、非対称な形状となっている。以降、転送方向をＹ軸方向と称し、転送方向に直交する方向をＸ軸方向と称する。

特開２０１２−４４２１９号公報

固体撮像素子では、素子特性が均一となるように、アライメントや寸法のずれに対してロバスト性を有する設計にしておくことが望まれる。たとえば、光電変換部やガード層注入時のアライメントや寸法のずれに対してもロバスト性を有する設計にしておくことが望まれている。

ガード層は、光電変換部と素子分離領域との境界を跨ぐように設けられるが、ガード層の幅全体（Ａ０とする）のうち境界から光電変換部側の幅に応じて暗電流の抑制能力が変化する。この境界から光電変換部側の幅（Ａ１とする）は、ガード層注入時のアライメントや寸法のずれにより変化する。たとえば、Ｙ軸方向にアライメントのずれが発生すると、Ｙ軸方向の片側では境界から光電変換部側の幅Ａ１が増加し暗電流が減少するが、その反対側では境界から光電変換部側の幅Ａ１が減少し暗電流が増加する。

特許文献１のように、転送トランジスタの周囲にガード層が形成されておらずガード層が非対称な形状である場合、非対称な形状がＹ軸方向にアライメントや寸法のずれが発生すると、幅Ａ１の変化に伴い光電変換部に流入する暗電流の総量が増減してしまう。この暗電流の総量の増減は、素子特性のばらつきとして現れる。

本発明の第１の態様による固体撮像素子は、撮像面に複数の画素が２次元配列され、前記複数の画素の各々に、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部と、前記光電変換部から前記電荷検出部に前記信号電荷を転送する転送トランジスタとが設けられるアクティブ領域と、前記アクティブ領域の周囲に形成される分離領域と、前記光電変換部の周囲の一部に設けられ、前記アクティブ領域と前記分離領域との境界部に形成されるガード層と、を有し、前記光電変換部は、第１端に前記転送トランジスタが接続され、前記ガード層は、前記境界部のうち、前記第１端に対向する前記光電変換部の第２端の周辺の一部には形成されず、前記光電変換部の周囲のうち、前記ガード層が形成されない前記第１端側の長さは、前記ガード層が形成されない前記第２端側の長さと等しい。
本発明の第２の態様による撮像装置は、第１の態様による固体撮像素子を備える。

本発明によれば、アライメントや寸法のずれによる暗電流の増減を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る電子カメラを示す概略ブロック図である。 固体撮像素子の構成を示す概略回路図である。 固体撮像素子に設けられる画素の概略回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 従来の固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 本発明の第９の実施の形態に係る固体撮像素子に設けられる画素の拡大画素平面図である。 固体撮像素子の構成を示す概略回路図である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子カメラ１を示す概略ブロック図である。電子カメラ１には撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像装置３の構成の一つであるイメージセンサ３０の撮像面が配置される。

固体撮像装置３は、撮像制御部４から出力される駆動信号によって駆動され、信号を出力する。固体撮像装置３から出力される信号は、信号処理部５、及び、Ａ／Ｄ変換部６を介して処理された後、メモリ７に一旦蓄積される。

メモリ７は、バス８に接続される。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、マイクロプロセッサ９、焦点演算部１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。撮像制御部４は、図面には示していないがタイミングジェネレータ等で構成され、固体撮像装置３の各部に駆動信号等を供給する。マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａが接続される。また、上記の記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。

図２は、本固体撮像装置３に搭載されるイメージセンサ３０の構成の一部を示す概略回路図である。イメージセンサ３０は、シリコン基板で形成されており、ＣＭＯＳ型のイメージセンサとして構成されている。イメージセンサ３０は、入射光量に対応する電気信号を出力する複数の画素２０と、画素２０から信号を出力するための周辺回路とを有している。複数の画素２０は、イメージセンサ３０の画素領域３１に二次元状に配置される。

図２には、画素２０から信号を出力するための周辺回路として、垂直走査回路２１と、水平走査回路２２と、これらと接続されている駆動信号線２３および２４と、画素列ごとに画素２０と接続され、各画素２０からの電気信号を受け取る垂直信号線２５と、垂直信号線２５ごとに設けられ垂直信号線２５に一定電流を供給する画素電流源２６と、垂直信号線２５ごとに設けられる相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）２７と、相関二重サンプリング回路２７から出力される信号を受け取る水平信号線２８と、出力アンプ２９とが図示されている。

垂直走査回路２１および水平走査回路２２は、電子カメラ１の撮像制御部４からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される駆動信号を所定の駆動信号線２３から受け取って駆動され、入射光に対応する信号を垂直信号線２５に出力する。垂直走査回路２１から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動信号線２３も複数ある。

画素２０から出力された信号は、相関二重サンプリング回路２７にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路２２から駆動信号が駆動信号線２４を介して出力され、信号は水平信号線２８および出力アンプ２９を介して外部に出力される。

垂直信号線２５に出力された電気信号は、垂直信号線２５ごとに配置されるＣＤＳ回路２７にて周知の相関二重サンプリングが行われて、ノイズが除去される。ＣＤＳ回路２７は、水平走査回路２２から駆動信号線２４を介して入力される駆動信号によって動作される。

ノイズが除去され、真の画像信号の成分にされた後の電気信号は、順次垂直信号線２５から水平信号線２８に出力され、出力アンプ２９を介してイメージセンサ３０の外部に出力される。なお、図２には図示されていないが、実際には水平信号線２８をリセットするリセット部が水平信号線２８に接続され、出力アンプ２９から信号が外部に出力される毎に水平信号線２８がリセットされる。

図３は、画素２０の等価回路図である。画素２０は、図３に示すように、フォトダイオードＰＤと、フローティングディフュージョンＦＤと、転送トランジスタＴａと、ソースフォロアの増幅トランジスタＴｂと、リセットトランジスタＴｃと、選択トランジスタＴｄとを有している。

転送トランジスタＴａ、増幅トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＴｃ、および選択トランジスタＴｄは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されている。各トランジスタは、そのゲートがＨレベル（ハイレベル）になるとオン状態となり、そのゲートがＬレベル（ローレベル）になるとオフ状態となる。なお、ＶＤＤは電源である。

フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた電荷を生成し蓄積する。転送トランジスタＴａがオン状態となると、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンＦＤに転送される。

フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴａを介して転送された電荷を電圧に変換する。その電圧は、増幅トランジスタＴｂのゲートに印加される。増幅トランジスタＴｂは、その電圧に応じた電気信号を生成し出力する。

転送トランジスタＴａは、そのゲートに入力される駆動信号φＴＧによってオン・オフされる。駆動信号φＴＧは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介して転送トランジスタＴａのゲートに印加される。

選択トランジスタＴｄは、オン状態とされることによって当該画素と垂直信号線とを電気的に接続状態にする。そして、選択トランジスタＴｄは、増幅トランジスタＴｂにて生成された電気信号を垂直信号線に出力させる。選択トランジスタＴｄは、そのゲートに入力される駆動信号φＳによってオン・オフされる。駆動信号φＳは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介して選択トランジスタＴｄのゲートに印加される。

リセットトランジスタＴｃは、オン状態とされることによってフローティングディフュージョンＦＤや増幅トランジスタＴｂのゲートに転送された電荷を排出し、リセット状態にする。リセットトランジスタＴｃは、そのゲートに入力される駆動信号φＦＤＲによってオン・オフされる。駆動信号φＦＤＲは、垂直走査回路２１から出力され駆動信号線２３を介してリセットトランジスタＴｃのゲートに印加される。

画素２０に配置される転送トランジスタＴａのゲートは、行方向で共通接続される。リセットトランジスタＴｃ、及び、選択トランジスタＴｄの各ゲートも同様に行方向でそれぞれ共通接続される。そして、行方向の画素２０は同時に駆動される。したがって、行方向に配置される画素２０は、対応する垂直信号線２５に同時に電気信号を出力する。

図４（ａ）は、画素２０の拡大画素平面図である。図４（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＹ０−Ｙ０断面図である。

画素２０は、図４（ａ）にて太線で囲われているアクティブ領域４１を有する。アクティブ領域４１の内側には、Ｎ型のフォトダイオードＰＤと、Ｎ型のフローティングディフュージョンＦＤと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤへ電荷をＹ軸方向に転送する転送トランジスタＴａとが設けられている。

図４（ｂ）に示されるように、イメージセンサ３０は、半導体基板の上にエピタキシャル層が形成され、そのエピタキシャル層の上にＰ型ウエルが形成されている。フォトダイオードＰＤは、Ｐ型ウエルにＮ型の不純物を注入することにより形成されている。Ｎ型のフォトダイオードＰＤの上には、Ｐ型の表面層４２が形成されている。表面層４２のＰ型の不純物濃度は、Ｐ型ウエルよりも高い。表面層４２は、半導体表面に存在する結晶の未結合手（タングリングボンド）からフォトダイオードＰＤへ暗電流が流入することを防ぐ。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、アクティブ領域４１の周囲には、酸化膜による分離領域４３が形成され、複数の画素２０の間が電気的に分離されている。図４（ａ）において、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界は太線で表されている。酸化膜による分離領域４３は絶縁体であって、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界はフォトダイオードＰＤへの暗電流の流入の原因となり得る。

分離領域４３とアクティブ領域４１との境界からフォトダイオードＰＤへ暗電流が流入することを抑制するため、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの近傍には、一部を除いてＰ型のガード層４４が注入される。

分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの近傍にある境界の中でガード層４４が注入されないのは、たとえば、転送トランジスタＴａの近傍である。転送トランジスタＴａの近傍には、電荷の転送不良を防止するため、ガード層４４が注入されない。

また、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、転送トランジスタＴａに接続されるフォトダイオードＰＤの第１端５１に対向する第２端５２の近傍の一部にもガード層４４が注入されない。第２端５２の近傍側においてガード層４４が注入されない境界の部分は、第１端５１においてフォトダイオードＰＤが転送トランジスタＴａに接続される接続部に対向する位置に設けられる。

ガード層４４が暗電流を抑制する能力は、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界からアクティブ領域４１側に注入されているガード層４４の幅Ａ１が大きくなるほど高くなる。ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向（転送方向）にずれた場合、ガード層４４の全体の幅Ａ０は変化しないが、境界からアクティブ領域４１側に注入されているガード層４４の幅Ａ１は変化する。

図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１では、ガード層４４は、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界と第２端５２側の境界の両方に設けられている。ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にΔＡだけずれた場合、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界と第２端５２側の境界のいずれか片方のガード層４４の幅Ａ１がΔＡだけ小さくなり、他方のガード層４４の幅Ａ１がΔＡだけ大きくなる。換言すると、ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にずれた場合、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界と第２端５２側の境界のいずれか片方から流入する暗電流は増加し、他方から流入する暗電流は減少する。すなわち、断面Ｙ１−Ｙ１においてフォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

図４（ａ）に示された断面Ｙ２−Ｙ２では、ガード層４４は、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界には無く、第２端５２側の境界には設けられている。フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流は、第１端５１側の境界にガード層４４が無いため、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。フォトダイオードＰＤの第２端５２側の境界から流入する暗電流は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する。すなわち、断面Ｙ２−Ｙ２においてフォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する。

断面Ｙ０−Ｙ０では、フォトダイオードＰＤの第１端５１の近傍にアクティブ領域４１と分離領域４３との境界が存在しない。すなわち、断面Ｙ０−Ｙ０において、フォトダイオードＰＤの第１端５１側からはフォトダイオードＰＤに暗電流が流入しない。そして、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの第２端５２側の境界には、ガード層４４が設けられていない。すなわち、断面Ｙ０−Ｙ０において、フォトダイオードＰＤの第２端５２側から流入する暗電流はＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Ｙ０−Ｙ０においてフォトダイオードＰＤに流入する暗電流の合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

従来は、図５（ａ）に示す拡大画素平面図のように、第２端５２の近傍にガード層４４が注入されていた。すなわち、図５（ａ）の断面Ｙ３−Ｙ３のように、フォトダイオードＰＤの第２端５２側の境界にガード層４４が設けられていない箇所がない。

図５（ａ）に示された断面Ｙ４−Ｙ４は、図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１と同一である。そして、断面Ｙ５−Ｙ５は、図４（ａ）に示された断面Ｙ２−Ｙ２と同一である。すなわち、ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にずれた場合、第１端５１側の境界から流入する暗電流と第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、断面Ｙ４−Ｙ４に関しては変化せず、断面Ｙ５−Ｙ５に関しては変化する。

従来の固体撮像素子の断面Ｙ３−Ｙ３は、図４（ａ）に示されたイメージセンサ３０の断面Ｙ０−Ｙ０と異なっており、断面Ｙ２−Ｙ２と同一である。すなわち、断面Ｙ３−Ｙ３では、ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にずれた場合に、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化してしまう。

なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＹ３−Ｙ３断面図である。分離領域４３とフォトダイオードＰＤとの間にＰ型のガード層４４が注入されている点が図４（ｂ）と異なっている。

図４（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第１の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、図５（ａ）および（ｂ）に示した従来の固体撮像素子と比べて次の作用効果が得られる。
本発明の第１の実施の形態によるイメージセンサ３０では、第２端５２の近傍の一部にガード層４４を注入しないようにすることで、図５（ａ）の断面Ｙ３−Ｙ３のようにガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれにより暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。

（第２の実施の形態）
図６（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図６（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＹ６−Ｙ６断面図である。

第２の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０は、第１の実施の形態と比べて、第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域が拡大している点が異なる。具体的には、第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域の長さＢ１を転送トランジスタＴａの近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域の長さＢ０と同一にする。

第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域を拡大することにより、図４の断面Ｙ２−Ｙ２のように、第２端５２の近傍側にのみガード層４４が設けられている箇所がなくなっている。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計がガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する箇所がなくなっている。

図６（ａ）に示された断面Ｙ７−Ｙ７は、図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１と同一である。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

図６（ａ）に示された断面Ｙ８−Ｙ８では、ガード層４４は、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側と第２端５２側の境界の両方に設けられていない。そのため、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流も、第２端５２側の境界から流入する暗電流も、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Ｙ８−Ｙ８において、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

図６（ａ）に示された断面Ｙ６−Ｙ６は、図４（ａ）に示された断面Ｙ０−Ｙ０と同一である。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側からは暗電流が流入せず、第２端５２側から流入する暗電流はＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Ｙ６−Ｙ６においてフォトダイオードＰＤに流入する暗電流の合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

なお、フォトダイオードＰＤの第２端５２側の境界からフォトダイオードＰＤに流入する暗電流そのものの大きさは、ガード層４４を注入しない領域を拡大したため、第１の実施の形態におけるイメージセンサ３０より増加する。イメージセンサ３０の設計段階において、暗電流の総量と、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化との双方を考慮して第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域の長さＢ１を定めることが好ましい。

図６（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第２の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、図４（ａ）および（ｂ）に示した第１の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
本発明の第２の実施の形態によるイメージセンサ３０では、第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域を第１の実施の形態と比べて拡大することで、図４（ａ）の断面Ｙ２−Ｙ２のようにガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化をさらに低減することができる。

（第３の実施の形態）
図７（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図７（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＹ９−Ｙ９断面図である。

第３の実施の形態に係るイメージセンサ３０の各画素２０は、各々のアクティブ領域４１がフォトダイオードＰＤの第２端５２側の一部から各画素２０に隣接する画素２０のフローティングディフュージョンＦＤまで延在している点が異なっている。換言すると、図７（ａ）を見て明らかなように、第３の実施の形態に係るイメージセンサ３０では、Ｙ軸方向に並べて配置された画素２０のアクティブ領域４１が一体となっている。以降、各画素２０のフォトダイオードＰＤの第２端５２側の一部から各画素２０に隣接する画素２０まで延在するこのアクティブ領域４１の部分領域６１を非分離領域６１と称する。

図７（ａ）において、非分離領域６１は、Ｐ型ウエルの一部である。非分離領域６１は、第２端５２上の位置であって第１端５１に設けられているフォトダイオードＰＤと転送トランジスタＴａとの接続部に対向する位置から隣接画素に向けて延在する。

非分離領域６１は、Ｙ軸方向に互いに隣接する画素２０の間のアクティブ領域４１を物理的に接続するが、電気的には二つの画素２０の間を分離している。なお、非分離領域６１が二つの画素２０の間を電気的に分離する性能は、分離領域４３などのような絶縁体には劣る。

フォトダイオードＰＤの第２端５２と非分離領域６１との境界は、アクティブ領域４１と分離領域４３との境界ではないため、ガード層４４は設けられない。

図７（ａ）に示された断面Ｙ１０−Ｙ１０は、図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１と同一である。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

断面Ｙ１１−Ｙ１１は、図４（ａ）に示された断面Ｙ２−Ｙ２と同一である。すなわち、断面Ｙ１１−Ｙ１１において、ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にずれた場合、第１端５１側の境界から流入する暗電流と第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は変化する。

断面Ｙ９−Ｙ９は、図４（ａ）に示されたイメージセンサ３０の断面Ｙ０−Ｙ０と異なっており、フォトダイオードＰＤの第１端５１と第２端５２の双方にアクティブ領域４１と分離領域４３との境界が存在しない。すなわち、断面Ｙ９−Ｙ９においては、フォトダイオードＰＤに暗電流が流入しない。

断面Ｙ１２−Ｙ１２において、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界からはフォトダイオードＰＤに暗電流が流入せず、フォトダイオードＰＤの第２端５２側から流入する暗電流はＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する。したがって、断面Ｙ１２−Ｙ１２においてフォトダイオードＰＤに流入する暗電流の合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する。

図７（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第３の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、図４（ａ）および（ｂ）に示した第１の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
第３の実施の形態によるイメージセンサ３０は、転送トランジスタＴａに接続される接続部に対向する第２端５２上の位置から隣接画素に向けて延在する非分離領域６１を有する。第３の実施の形態によるイメージセンサ３０は、非分離領域６１を有することにより、フォトダイオードＰＤの第２端５２側からフォトダイオードＰＤに流入する暗電流の総量を第１の実施の形態よりも低減することができる。
また、第３の実施の形態によるイメージセンサ３０は、第２端５２の近傍のうち非分離領域６１が設けられた領域にガード層４４を注入しないようにすることで、図５（ａ）の断面Ｙ３−Ｙ３のようにガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。

（第４の実施の形態）
図８（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図８（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＹ１３−Ｙ１３断面図である。

第４の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０は、第３の実施の形態と比べて、非分離領域６１の長さＣ１を拡大する。具体的には、非分離領域６１の長さＣ１を転送トランジスタＴａのゲート幅Ｗと同一にしている。

非分離領域６１の長さＣ１を転送トランジスタＴａのゲート幅Ｗまで拡大することにより、図７の断面Ｙ１１−Ｙ１１のように、第２端５２の近傍側にのみガード層４４が設けられている箇所を無くす。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計がガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化する箇所をなくしている。

図８（ａ）に示された断面Ｙ１４−Ｙ１４は、図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１と同一である。そして、断面Ｙ１５−Ｙ１５は、図４（ａ）に示された断面Ｙ２−Ｙ２と同一である。すなわち、ガード層４４を注入する際にアライメントがＹ軸方向にずれた場合、第１端５１側の境界から流入する暗電流と第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、断面Ｙ１４−Ｙ１４に関しては変化せず、断面Ｙ１５−Ｙ１５に関しては変化する。

図８（ａ）に示された断面Ｙ１３−Ｙ１３は、図７（ａ）に示された断面Ｙ９−Ｙ９と同一である。すなわち、断面Ｙ１３−Ｙ１３においては、フォトダイオードＰＤに暗電流が流入しない。

図８（ａ）に示された断面Ｙ１６−Ｙ１６は、図７（ａ）に示された断面Ｙ１２−Ｙ１２と異なり、図７（ａ）に示された断面Ｙ９−Ｙ９と同一である。すなわち、断面Ｙ１３−Ｙ１３においても、フォトダイオードＰＤに暗電流が流入しない。

図８（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第４の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、図７（ａ）および（ｂ）に示した第３の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
第４の実施の形態によるイメージセンサ３０は、非分離領域６１の長さＣ１を第３の実施の形態と比べて拡大することで、図７（ａ）の断面Ｙ１２−Ｙ１２のようにガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによってフォトダイオードＰＤに流入する暗電流が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化をさらに低減することができる。

（第５の実施の形態）
図９（ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図９（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＹ１７−Ｙ１７断面図である。

第５の実施の形態は、第２の実施の形態と第４の実施の形態の組み合わせである。すなわち、第５の実施の形態は、第４の実施の形態に対して、フォトダイオードＰＤの第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域の長さＢ１を転送トランジスタＴａの近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域の長さＢ０と同一にしたものである。

図９（ａ）に示された断面Ｙ１８−Ｙ１８は、図４（ａ）に示された断面Ｙ１−Ｙ１と同一である。すなわち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

図９（ａ）に示された断面Ｙ１９−Ｙ１９では、ガード層４４は、分離領域４３とアクティブ領域４１との境界のうち、フォトダイオードＰＤの第１端５１側と第２端５２側の境界の両方に設けられていない。そのため、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流も、第２端５２側の境界から流入する暗電流も、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Ｙ１９−Ｙ１９において、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から流入する暗電流と、第２端５２側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって変化しない。

図９（ａ）に示された断面Ｙ１７−Ｙ１７および断面Ｙ２０−Ｙ２０は、図８（ａ）に示された断面Ｙ１３−Ｙ１３と同一である。すなわち、断面Ｙ１７−Ｙ１７および断面Ｙ２０−Ｙ２０においては、フォトダイオードＰＤに暗電流が流入しない。

図９（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第５の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、図８（ａ）および（ｂ）に示した第４の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
本発明の第２の実施の形態によるイメージセンサ３０では、第２端５２の近傍に設けられたガード層４４を注入しない領域を第４の実施の形態と比べて拡大することで、図８（ａ）の断面Ｙ１５−Ｙ１５のようにガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を第４の実施の形態よりもさらに低減することができる。

（第６の実施の形態）
図１０（ａ）は、本発明の第６の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図１０（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＹ２１−Ｙ２１断面図である。

第６の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０は、非分離領域６１にＰ型の不純物を注入して、Ｐ型注入層６２を形成する。Ｐ型注入層６２は、不純物の濃度がＰ型ウエルよりも高く、Ｐ型ウエルよりも二つの画素２０の間を電気的に分離する性能が高い。

図１０（ａ）および（ｂ）に示した本発明の第６の実施の形態によるイメージセンサ３０によれば、第３〜５の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
イメージセンサ３０を小型化する場合や画素密度を高くする場合に、非分離領域６１を挟んで向かい合うフォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間の距離を短くすることが考えられる。導電型が共にＮ型であるフォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間の距離を短くすると、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間に予期せぬリーク電流が流れる確率が上がる。非分離領域６１に不純物濃度がＰ型ウエルよりも高いＰ型注入層６２を設けることにより、非分離領域６１を挟んで向かい合うフォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間のリーク電流の発生確率を低減することができる。

（第７の実施の形態）
図１１（ａ）は、本発明の第７の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図１１（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＹ２２−Ｙ２２断面図である。

第７の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０では、フォトダイオードＰＤの上に形成されていた表面層４２を非分離領域６１まで延伸させる。非分離領域６１の上の表面層４２は、非分離領域６１の半導体表面に存在する未結合手（タングリングボンド）からフォトダイオードＰＤへの暗電流の流入を防ぐと共に、非分離領域６１を挟んで向かい合うフォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間のリーク電流の発生確率を低減することができる。

（第８の実施の形態）
図１２（ａ）は、本発明の第８の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図１２（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＹ２３−Ｙ２３断面図である。

第８の実施の形態は、第５の実施の形態と第６の実施の形態の組み合わせである。すなわち、第８の実施の形態は、第５の実施の形態の非分離領域６１にＰ型注入層６２を設けたものである。このようにすることで、ガード層４４を注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化を第５の実施の形態と同様に低減することができると共に、非分離領域６１を挟んで向かい合うフォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間のリーク電流の発生確率を第６の実施の形態と同様に低減することができる。

（第９の実施の形態）
図１３（ａ）は、本発明の第９の実施の形態に係るイメージセンサ３０の画素２０の拡大画素平面図である。図１３（ａ）には、イメージセンサ３０の撮像面に並べて配置されている二つの画素２０が並べて図示されている。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＹ２４−Ｙ２４断面図である。

第９の実施の形態に係るイメージセンサ３０では、第５の実施の形態におけるフォトダイオードＰＤの形状をＹ軸方向に対称（左右対称）な形状とすると共に、アクティブ領域４１におけるフォトダイオードＰＤの位置を変更している。具体的には、フォトダイオードＰＤの第１端５１側の境界から第１端５１までのＸ軸寸法Ｄ１と第２端５２側の境界から第２端５２までのＸ軸寸法Ｄ２とが同一になる位置にフォトダイオードＰＤを設けている。このようにすることで、フォトダイオードＰＤを注入する際のＹ軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。

以上で説明した実施形態は、以下のように変形して実施できる。

（変形例１）
上記の各実施の形態では、イメージセンサ３０の画素２０は、転送トランジスタＴａ、増幅トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＴｃ、および選択トランジスタＴｄをそれぞれ有していた。しかし、複数の画素の間で一または複数のトランジスタを共用することにしてもよい。増幅トランジスタＴｂ、リセットトランジスタＴｃ、および選択トランジスタＴｄを二つの画素で共有する場合の等価回路図を図１４に示す。

（変形例２）
上記の各実施の形態では、イメージセンサ３０の画素２０は、フローティングディフュージョンＦＤをそれぞれ有していた。しかし、複数の画素でフローティングディフュージョンＦＤを共用することにしてもよい。たとえば、二つの画素の転送トランジスタＴａを向い合せに配置し、それら二つの転送トランジスタＴａの間にフローティングディフュージョンＦＤを配置して、そのフローティングディフュージョンＦＤを二つの画素間で共用することにしてもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１：電子カメラ、３：固体撮像装置、２０：画素、３０：イメージセンサ、３１：非分離領域、４１：アクティブ領域、４２：表面層、４３：分離領域、４４：ガード層、５１：第１端、５２：第２端、６１：非分離領域、６２：Ｐ型注入層

Claims (8)

1. 撮像面に複数の画素が２次元配列され、
   前記複数の画素の各々に、
   入射光量に応じた信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部と、前記光電変換部から前記電荷検出部に前記信号電荷を転送する転送トランジスタとが設けられるアクティブ領域と、
   前記アクティブ領域の周囲に形成される分離領域と、
   前記光電変換部の周囲の一部に設けられ、前記アクティブ領域と前記分離領域との境界部に形成されるガード層と、を有し、
   前記光電変換部は、第１端に前記転送トランジスタが接続され、
   前記ガード層は、前記境界部のうち、前記第１端に対向する前記光電変換部の第２端の周辺の一部には形成されず、
   前記光電変換部の周囲のうち、前記ガード層が形成されない前記第１端側の長さは、前記ガード層が形成されない前記第２端側の長さと等しい固体撮像素子。
2. 撮像面に複数の画素が２次元配列され、
   前記複数の画素の各々に、
   入射光量に応じた信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部と、前記光電変換部から前記電荷検出部に前記信号電荷を転送する転送トランジスタとが設けられるアクティブ領域と、
   前記アクティブ領域の周囲に形成される分離領域と、
   前記光電変換部の周囲の一部に設けられ、前記アクティブ領域と前記分離領域との境界部に形成されるガード層と、を有し、
   前記光電変換部は、第１端に前記転送トランジスタが接続され、
   前記ガード層は、前記境界部のうち、前記第１端に対向する前記光電変換部の第２端の周辺の一部には形成されず、
   前記複数の画素の各々の前記アクティブ領域は、当該画素の前記第２端の一部から当該画素に隣接する画素の前記アクティブ領域まで延在する非分離領域を有する固体撮像素子。
3. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記非分離領域の延在方向と深さ方向とに直交する方向の幅は、前記光電変換部と前記転送トランジスタの幅と等しい固体撮像素子。
4. 請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
   前記非分離領域は、前記ガード層と同一の導電型の分離注入層を有する固体撮像素子。
5. 請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
   前記ガード層と同一の導電型であって、前記光電変換部の上部に形成される表面層をさらに備え、
   前記表面層は、前記非分離領域の上部にも形成される固体撮像素子。
6. 請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
   前記非分離領域の延在方向と深さ方向とに直交する方向の幅は、前記光電変換部と前記転送トランジスタとの接続部の幅と等しい固体撮像素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
   前記第１端から前記第１端側の前記境界部までの距離と、前記第２端から前記第２端側の前記境界部までの距離とが同一である固体撮像素子。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
   

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