JP2010182886A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 - Google Patents

固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】メカニカルシャッター等の素子外部シャッタが無い電子機器に用いることのできるCCD型の固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び固体撮像装置の駆動方法を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】信号電荷を生成する受光部と、信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部とを有するCCD型の固体撮像装置において、電子シャッタ調整層が形成されている。この電子シャッタ調整層は、基板内の受光部に対向する領域であって、蓄積容量部から所望のオフセット領域だけ離した領域に形成されるものである。そして、受光期間において、第1の電位を基板に印加し、非受光期間において、第2の電位を基板に印加する基板電圧電源を有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、並びに固体撮像装置の駆動方法に関する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
携帯電話など、小型のモバイル機器に使われるデジタルカメラモジュールに用いられる固体撮像装置では、メカニカルシャッターを用いない、メカニカルシャッターレスのデジタルカメラモジュールに適した構成にすることが望まれている。
ところで、全画素読み出し方式のCCD型固体撮像装置では、全ての画素の受光部に蓄積された信号電荷を1回の読み込み動作で、遮光された垂直CCDに転送して、全画面の読み出しが行われる(特許文献1)。これに対し、インターレース読み出し方式では、各画素の受光部に蓄積された信号電荷を数回に分けて垂直CCDにて読み出す(特許文献2)。その場合、読み出しの間に各画素の受光部に蓄積された信号電荷に、継続して受光部に入射している光の光電変換によって生成された信号電荷が加わってしまう。
このため、デジタルカメラ機能をメカニカルシャッターレスで実現するためには、例えば固体撮像装置としてCCD型の固体撮像装置を用いる場合、全画素読み出し方式のCCDを用いる必要がある。
しかし、全画素読み出し方式のCCD型固体撮像装置は、1つの受光部毎に、垂直CCDの1bit分の転送ステージが必要であるので、垂直CCD内の転送電極構造が複雑になり、また、一度に垂直CCDで運べる信号電荷量の制約も受けやすい。逆に、メカニカルシャッターを用いる構成を前提とすれば、インターレース読み出し方式のCCD型固体撮像装置で、複数回に分けて信号電荷を運ぶ構成が可能となるので、取り扱い電荷量を一般的に多くとれる。
一方、デジタルカメラモジュールにCMOS型の固体撮像装置を用いる場合には、受光部におけるライン順次受光と、転送トランジスタによるライン順次読み出しが可能となる。このため、受光部において、受光期間が終わり次第ライン順次的に信号電荷を読み出すことで、継続的に受光部に入射してくる光の影響を低減できる。
上述したように、CMOS型固体撮像装置ではライン順次で信号電荷の読み出しが行われるので、例えば画面内の上のラインと下のラインでは、受光時間帯(受光のタイミング)が異なる。画素数が多くなると、必然的に全画面の読み出しに長い時間を要することになるが、このような受光期間の同時刻性を有さないCMOS型の固体撮像装置は、動く被写体の撮像において、ライン毎に画像情報にずれが生じてしまう。
以上のような理由により、現状の多くの携帯電話のカメラでCMOS型の固体撮像装置が用いられているものの、メカニカルシャッターを実装することで、受光時間帯のずれの効果を防いでいる。すなわち、メカニカルシャッターをある時間開放にしている間に、CMOS型の固体撮像装置に受光部において、信号電荷の生成、蓄積を行い、メカニカルシャッターを閉じた後に、ライン順次で各受光部からの信号読み出しを行っている。
以上のように、全画素読み出し方式のCCD型固体撮像装置は、CCDの電極構造が複雑になるという問題があり、またCMOS型の固体撮像装置で受光時間帯のずれの効果を防ぐためには、メカニカルシャッターを用いなければならないという問題がある。
特開平07−336604号公報 特開平02−243073号公報
上述の点に鑑み、本発明は、簡単な構成で、かつ、メカニカルシャッター等の素子外部シャッタが無い電子機器に用いることのできるCCD型の固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び固体撮像装置の駆動方法を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
本発明の固体撮像装置は、基板と、受光期間と非受光期間とで異なる電位を基板に印加する基板電圧電源を有する。また、基板には、受光部、蓄積容量部、暗電流抑制部、読み出しゲート部、垂直転送レジスタを含んで構成される複数の画素が形成される。
受光部は、基板表面側に形成されるものであり、受光した光に応じて信号電荷を生成する。蓄積容量部は、受光部に隣接する領域に形成され、基板に第1の電位が印加されたときに、受光部で生成された信号電荷が転送され、前記信号電荷を蓄積保持するものである。
暗電流抑制部は、受光部及び蓄積容量部に形成されるものである。
電子シャッタ調整層は、基板内の受光部に対向する領域であって、蓄積容量部から所望のオフセット領域だけ離した領域に形成された層である。また、この電子シャッタ調整層は、基板に第2の電位が印加されたときに受光部で生成された信号電荷が基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する層である。
読み出しゲート部は、蓄積容量部に蓄積された信号電荷を読み出すものである。
垂直転送レジスタは読み出しゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送するものである。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板を準備する工程、半導体基板上に第2導電型の半導体ウェル層を形成する工程を有する。さらに、半導体ウェル層の表面側に、受光部、受光部に隣接する蓄積容量部、及び読み出しゲート部を介して蓄積容量部に隣接する垂直転送チャネルを形成する工程を有する。さらに、半導体ウェル層を形成する前、又は後に、半導体基板と半導体ウェル層との間の、受光部に対向する領域であって、蓄積容量部から所望のオフセット領域だけ離した領域に第1導電型からなる電子シャッタ調整層を形成する工程を有する。さらに、蓄積容量部及び受光部上部の光入射側に暗電流抑制部を形成する工程を有する。また、基板に、受光期間と、非受光期間とで異なる電位を印加する基板電圧電源を接続する工程を有する。
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、上述した本発明の固体撮像装置において、基板電圧電源により、基板に第1の電位を印加することにより、受光部で生成された信号電荷の前記蓄積容量部への転送を開始する。そして、基板電圧電源により、半導体基板に第2の電位を印加することにより、受光部で生成された信号電荷の蓄積容量部への転送を終了するとともに、その後に受光部で生成された信号電荷を前記基板側に掃き出す。
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法では、受光部では、信号電荷の蓄積がなされず、随時、蓄積容量部へ転送されるか、基板側に掃き出される。また、基板電圧を変えることで、受光部で生成された信号電荷の蓄積容量部への垂れ流し転送、及び基板側への掃き出しがなされる。
本発明の電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置と、信号処理回路とを含んで構成される。この、本発明の電子機器では、上述した本発明の固体撮像装置が適用される。
本発明によれば、非全画素読み出し方式でありながら、メカニカルシャッター等の素子外部シャッタが無い電子機器にも適用することができる固体撮像装置が得られる。これにより、安価で、小型化、及び軽量化された電子機器が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成図である。 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の基板の電位である。 A〜C 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図(その1)である。 D〜F 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図(その2)である。 A,B 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動時における信号電荷の転送の様子を示した図(その1)である。 A,B 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動時における信号電荷の転送の様子を示した図(その2)である。 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器の一例を、図1〜図9を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
1.第1の実施形態:固体撮像装置の例
1.1固体撮像装置全体の構成
1.2固体撮像装置の断面構成
1.3固体撮像装置の製造方法
1.4固体撮像装置の駆動方法
2.第2の実施形態:固体撮像装置の例
3.第3の実施形態:電子機器の例
〈1.第1の実施形態〉
[1.1 固体撮像装置全体の構成]
図1に本発明の第1の実施形態に係るCCD型の固体撮像装置の概略構成図を示す。図1に示すように、本実施形態例の固体撮像装置1は、基板6に形成された複数の受光部2と、それぞれの受光部2に隣接して形成された蓄積容量部8と、垂直転送レジスタ3と、水平転送レジスタ4および出力回路5とを有して構成されている。そして、1つの受光部2及び蓄積容量部8と、その蓄積容量部8に隣接する垂直転送レジスタ3とにより単位画素7が構成されている。本実施形態例の固体撮像装置1の転送方式は、受光部2と垂直転送レジスタ3で構成される転送部を分けて形成したIT(Interline Transfer)方式で、読み出し方式は、ライン毎に順次読み出しを行うインターレース読み出し方式とする。ただし、インターレース読み出し方式は、間引き読み出し、あるいは、1:3、1:4、1:5など多重インターレース読み出しを含む。
受光部2は、光電変換素子、すなわちフォトダイオードにより構成されるものであり、信号電荷を生成するものである。本実施形態例では、受光部2は、基板6の水平方向及び垂直方向に、複数個、マトリクス状に形成されている。
蓄積容量部8は、各受光部2に隣接して構成されており、それぞれの受光部2で生成された信号電荷を蓄積するものである。
垂直転送レジスタ3は、CCD構造とされ、垂直方向に配列される受光部2及び蓄積容量部8毎に、垂直方向に複数形成される。この垂直転送レジスタ3は、蓄積容量部8に蓄積された信号電荷を読み出して、垂直方向に転送するものである。本実施形態例の垂直転送レジスタ3が形成されている転送ステージは、図示しない転送駆動パルス回路から印加される転送駆動パルスにより、例えば、4相駆動される構成とされている。また、垂直転送レジスタ3の最終段では、転送駆動パルスが印加されることにより、最終段に保持されていた信号電荷は、水平転送レジスタ4に転送される構成とされている。
水平転送レジスタ4は、CCD構造とされ、垂直転送レジスタ3の最終段の一端に形成されるものである。この水平転送レジスタ4が形成されている転送ステージは、垂直転送レジスタ3により垂直転送されてきた信号電荷を、一水平ライン毎に水平方向に転送するものである。
出力回路5は、水平転送レジスタ4により水平転送された信号電荷を電荷電圧変換することにより、映像信号として出力するものである。
以上の構成を有する固体撮像装置1においては、受光部2に蓄積された信号電荷は、垂直転送レジスタ3により、垂直方向に転送されて、水平転送レジスタ4内に転送される。そして、水平転送レジスタ4内に転送されてきた信号電荷は、水平転送レジスタ4内の信号電荷は、それぞれ水平方向に転送され、出力回路5を介して映像信号として出力される。
[1.2 固体撮像装置の断面構成]
図2に、本実施形態例の固体撮像装置1における1画素分の概略断面構成を示す。本実施形態例では、本発明における第1導電型をN型とし、第2導電型をP型として説明する。
本実施形態例の固体撮像装置1は、半導体基板12と、半導体ウェル層13と、図示しない基板電圧電源とを含んで構成されている。また、半導体ウェル層13には、画素7を構成する受光部2、蓄積容量部8、読み出しゲート部26、垂直転送レジスタ3、電子シャッタ調整層14、第1及び第2の暗電流抑制部18,23が形成されている。
半導体基板12は、例えばシリコンからなるN型のCZ基板により構成されている。また、半導体基板12には、図示しない基板電圧電源が接続されている。基板電圧電源は、受光部2における受光期間と、蓄積容量部8から垂直転送レジスタ3への信号電荷の読み出し、及び垂直転送レジスタ3による信号電荷の転送期間とで、異なる基板電圧Vsubを半導体基板12に供給する。この基板電圧電源は素子の外部に持つことができるが、固体撮像装置1内部に基板電圧発生回路として持つ構成も可能である。
半導体ウェル層13は、半導体基板12上に形成されたP型のエピタキシャル層により構成されている。本実施形態例では、半導体ウェル層13の、半導体基板12に面する側とは反対側の面が、受光面とされる。
受光部2は、第1の暗電流抑制部18とN型の低濃度不純物領域(N領域)17と、P型の低濃度不純物領域(P領域)16とから構成されている。N領域17は、半導体ウェル層13の受光面側に形成されている。P領域16は、N領域17に対して受光面とは反対側の領域に、N領域に接するように形成されている。すなわち、本実施形態例の受光部2は、N領域17とP領域16との接合面を有して構成されるフォトダイオードから構成されている。受光部2では、受光面から入射した光が接合面によって光電変換し、光量に応じた信号電荷が生成される。
蓄積容量部8は、N型の不純物領域(N領域)22とP型の高濃度不純物領域(P領域)21とから構成されており、半導体ウェル層13に形成された受光部2に隣接して形成されている。N領域22は、半導体ウェル層13の受光面側であって、受光部2を構成するN領域17に対して水平方向に隣接する領域に形成されている。P領域21は、N領域22に対して受光面とは反対側の領域に、N領域22に接するように形成されている。すなわち、N領域22とP領域21との接合面により電位の井戸が形成され、受光部2において生成された信号電荷が、このN領域22において蓄積される。ここで、蓄積容量部8の静電ポテンシャルは、受光部2の静電ポテンシャルよりも深くなるように構成されている。
第1の暗電流抑制部18は、半導体ウェル層13に形成された受光部2の受光面側の最表面に形成されている。また、第2の暗電流抑制部23は、蓄積容量部8の受光面側の最表面に形成されている。この第1及び第2の暗電流抑制部18,23は、P型の高濃度不純物領域からなり、受光部2から蓄積容量部8に渡り一体に形成されている。第1及び第2の暗電流抑制部18,23では、受光面の界面で発生する暗電流をP型の高濃度不純物領域の多数キャリアである正孔により吸収する。すなわち、本実施形態例の受光部2及び蓄積容量部8では、HAD(Hole-Accumulation Diode HAD:商標登録)構造、いわゆる埋め込みフォトダイオードが構成されている。
電子シャッタ調整層14は、半導体基板12の、半導体ウェル層13に面する側の受光部2に対向する領域に、N型の高濃度不純物領域により形成されている。また、この電子シャッタ調整層14は、蓄積容量部8が形成された領域から、受光部2側へ、水平方向に所定のオフセット領域24だけ離して形成されている。このオフセット領域24は、後述するように、半導体基板12、及び半導体ウェル層13の電位分布が最適化されるように決定されるものである。
読み出しゲート部26は、読み出しチャネル27と、読み出し電極28aとから構成される。読み出しチャネル27は、半導体ウェル層13表面に形成された蓄積容量部8に隣接する領域に、P型またはN型の低濃度不純物領域により形成されている。また、読み出し電極28aは、読み出しチャネル27上部にゲート絶縁膜29を介して形成されている。
垂直転送レジスタ3は、垂直転送チャネル25と、垂直転送電極28とから構成されている。垂直転送チャネル25は、読み出しチャネル27に隣接する領域に、N型の濃度不純物領域により構成されている。これらの垂直転送チャネル25下には、P型の不純物領域により構成された転送部半導体ウェル層33が形成されている。
垂直転送電極28は、半導体ウェル層13に形成された垂直転送チャネル25上部に、ゲート絶縁膜29を介して形成されている。図示しないが、垂直転送電極28は水平方向に複数本形成されており、蓄積容量部8に隣接する部分では、読み出し電極28aを兼ねるように形成されている。垂直転送レジスタ3では、読み出しゲート部26により垂直転送チャネル25に読み出された信号電荷は、水平方向に形成された複数本の垂直転送電極28に、例えば4相の垂直転送パルスが印加されることにより、順次垂直方向に転送される。
本実施形態例では、ゲート絶縁膜29は、半導体ウェル層13上部全面に共通に形成されている。そして、これらの画素7を構成する受光部2、蓄積容量部8、垂直転送レジスタ3を囲む領域には、P型の高濃度不純物領域により、隣接する画素を分離するチャネルストップ部15が形成されている。
遮光膜31は、垂直転送電極28等の電極を含む半導体ウェル層13上部の、受光部2の開口領域を除く面を、層間絶縁膜30を介して被覆するように形成されている。このとき、蓄積容量部8上部の遮光膜31の端部は、受光部2側に所定の領域だけ張り出した張り出し部31aを有して形成されている。
次に、図3を用いて、本実施形態例の固体撮像装置1が有するポテンシャルプロファイルについて説明する。以下の説明において、半導体基板12と半導体ウェル層13を区別せずに説明する場合には「基板」と総称する。
図3は、図2のA−A’、B−B’、C−C’線上に沿う基板の電位を示した電位分布図である。A−A’は、受光部2と電子シャッタ調整層14を含む、基板の垂直方向における電位分布で、B−B’は受光部2と、オフセット領域24を含む、基板の垂直方向における電位分布である。また、C−C’は、蓄積容量部8を含む、基板の垂直方向における電位分布である。
図3で示す一点鎖線は、基板電圧Vsubを第1の電位(以下、Low)に設定したときの、A−A’線上に沿う電位Valである。また、図3で示す二点鎖線は、基板電圧Vsubを第1の電位よりも高い電位である第2の電位(以下、High)に設定したときの、A−A’線上に沿う電位Vahである。また、図3に示す破線は、基板電圧VsubをHighに設定したときのB−B’線上に沿う電位Vbhである。また、図3に示す実線は、C−C’線上に沿う電位Vcである。
図3に示すように、基板電圧VsubがLowに設定されている場合には、A−A’線上に沿う電位Valは、受光部2を構成するN領域17における電位がP領域16や半導体ウェル層13よりも深くなるように構成されている。すなわち、受光部2のN領域17において、浅い電位の井戸が形成されている。このN領域17の不純物濃度は、従来用いられている一般的なHAD構造を有する受光部よりも1V程度浅いポテンシャルに設定されている。
また、基板電圧VsubがLowの場合、図示しないが、B−B’線上に沿う基板の電位も、A−A’線上に沿う電位Valと同様とされる。
次に、基板電圧VsubがHighに設定されている場合には、A−A’線上に沿う電位Vahは、N型の高濃度不純物領域からなる電子シャッタ調整層14の効果で、全体的に深い方に引っ張られる。そして、半導体基板12側に向けてより深くなるように、電位Vahが変化される。また、B−B’線上では、オフセット領域24により電子シャッタ調整層14が形成されていないので、半導体基板12側で若干電位が深くなるのみで、受光部2付近における電位Vbhは、基板電圧VsubがLowのときと略等しい値を維持している。
また、C−C’線上に沿う電位Vcは、蓄積容量部8を構成するN領域22と、比較的不純物濃度の濃いP領域21との接合面の効果により、受光部2よりも深い電位の井戸が形成されるような構成とされている。
[1.3 固体撮像装置の製造方法]
図4,図5を用いて、以上の構成を有する固体撮像装置の製造方法を説明する。図4において、図2に対応する部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。
まず、図4Aに示すように、例えばCZ基板等のN型の半導体基板12を準備し、その半導体基板12上部の所定の位置に、N型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、電子シャッタ調整層14を形成する。
次に、図4Bに示すように、エピタキシャル成長法を用いて、P型のエピタキシャル成長層からなる半導体ウェル層13を形成する。
次に、図4Cに示すように、半導体ウェル層13の垂直転送レジスタ3が形成される領域の所定の深さに、P型の不純物をイオン注入することにより、転送部半導体ウェル層33を形成する。転送部半導体ウェル層33上の所定の領域に、N型の不純物をイオン注入することにより、垂直転送チャネル25を形成する。また、垂直転送チャネル25に隣接する領域に、P型の不純物をイオン注入することにより、チャネルストップ部15を形成する。
次に、図5Dに示すように、半導体ウェル層13表面の所定に位置に、P型の不純物、及びN型の不純物を低濃度にイオン注入することにより、P領域16及びN領域17からなる受光部2を形成する。また、半導体ウェル層13表面の所定の位置に、P型の不純物を高濃度にイオン注入し、N型の不純物をイオン注入することにより、P領域21及びN領域22からなる蓄積容量部8を形成する。そして、蓄積容量部8及び受光部2が形成された領域の半導体ウェル層13最表面に、P型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、第1及び第2の暗電流抑制部18,23を形成する。そして、蓄積容量部8が形成された領域と、垂直転送チャネル25が形成された領域との間の領域が、読み出しゲート部26を構成する読み出しチャネル27とされる。
次に、図5Eに示すように、半導体ウェル層13上部にゲート絶縁膜29を形成し、ゲート絶縁膜29上に、垂直転送電極28を形成する。垂直転送電極28は、垂直転送チャネル25上部に、複数水平方向に複数本形成する。また、図5Eに示すように、読み出しチャネル27に隣接する垂直転送チャネル25上部の垂直転送電極28は、読み出しチャネル27上部にまで延長して形成する。これにより、垂直転送電極28が読み出し電極28aを兼ねる構成とすることができる。
そして、所望の電極が形成された後、受光部2を除く領域に、層間絶縁膜30を介して遮光膜31を形成し、図2に示す固体撮像装置1が形成される。この遮光膜31は、所望の配線層を兼ねる構成としてもよい。
その後、遮光膜31の上層には、所望の配線層や、平坦化膜、カラーフィルタ、オンチップレンズ等、従来の固体撮像装置と同様の層が形成され、本実施形態例の固体撮像装置1が完成する。
本実施形態例では、半導体ウェル層13を、P型のエピタキシャル成長層より構成する例としたが、N型のエピタキシャル成長層で構成してもよい。その場合には、前記N型のエピタキシャル成長層内に、マトリックス状に配置された複数の画素7を含むようにP型の不純物をイオン注入してPウエル(半導体ウェル層13に相当する)を形成する。さらに、受光部2を構成するP領域のプロファイルを機能実現上、本実施形態例と異なるようにする必要がある。
また、電子シャッタ調整層14は、半導体ウェル層13を形成した後、N型の不純物を高エネルギーで高濃度にイオン注入することにより形成してもよい。また、本実施形態例では、電子シャッタ調整層14は、半導体基板12側に埋め込んで形成したが、半導体基板12に接するように形成してもよい。
また、本実施形態例では、第1及び第2の暗電流抑制部18,23を一度に形成する例としたが、分けて形成してもよく、また、垂直転送電極28が形成された後に形成してもよい。
また、本実施形態例では、ゲート絶縁膜29を、半導体ウェル層13全面に形成する例としたが、垂直転送チャネル25及び読み出しチャネル27上部のゲート絶縁膜29と、受光部2や、蓄積容量部8上に形成される他の絶縁膜を別々に形成してもよい。
また、受光部2や、蓄積容量部8は、図5Eに示す工程の後に形成してもよい。
[1.4 固体撮像装置の駆動方法]
次に、本実施形態例の固体撮像装置1の駆動方法について説明する。まず、本実施形態例の固体撮像装置1における実際の駆動に先立ち、受光部2及び蓄積容量部8における信号電荷の生成、蓄積の原理を、図3を用いて説明する。
図3に示すように、基板電圧VsubがLowに設定されている場合には、A−A’線上に沿う電位Valは、N領域17における電位がP−領域16や半導体ウェル層13よりも深くなっている。また、基板電圧VsubがLowの場合、図示しないが、B−B’線上に沿う電位も、A−A’線上に沿う電位Valと同様になる。また、C−C’線上に沿う電位Vcは、蓄積容量部8を構成するN領域22とP領域21との接合面の効果で、受光部2よりも深い電位の井戸が形成されている。
このため、基板電圧VsubがLowに設定されているとき受光部2で生成された信号電荷は、受光部2に蓄積されることなく、垂れ流し的に蓄積容量部8に転送され、蓄積容量部8で蓄積保持される。
次に、基板電圧VsubがHighに設定されている場合には、A−A’線上に沿う電位Vahは、N型の高濃度不純物領域により電子シャッタ調整層14が形成されているので、電位は全体的に深い方に引っ張られる。また、B−B’線上では、電子シャッタ調整層14が形成されていないので、半導体基板12側で若干電位が深くなるのみで、受光部付近における電位Vbhは、基板電圧VsubがLowのときと変わらない。
このため、基板電圧VsubがHighに設定されているとき、受光部2で生成された信号電荷は、A−A’線上に沿う電位Vahが、B−B’線上に沿う電位Vbhよりも深く形成されるので、蓄積容量部8に転送されない。また、A−A’線上に沿う電位Vahは、電子シャッタ調整層14の効果で、P型の半導体ウェル層13のバリアーが押し下げられ、半導体基板12側に向けて深くなっている。このため、受光部19で生成された信号電荷は半導体基板12側に掃き出される。すなわち、基板電圧VsubがHighに設定されている場合には、受光部2で光電変換された信号電荷は、蓄積容量部8に流れ込まず、半導体基板12側に掃き出される。
さらに、このとき、B−B’線上に沿う電位Vbhのうち、受光部2付近における電位がオフセット領域24の効果により、基板電圧VsubがLowのときと近い値に維持される。これにより、蓄積容量部20に蓄積保持された信号電荷が、受光部19側に逆流することがない。また、これにより、蓄積容量部8に蓄積された信号電荷は、基板電圧VsubがHighになっても、受光部2における電位Vcの浅い位置付近までの信号電荷量を保持することができる。
以上の信号電荷の生成、蓄積の原理に基づいて、本実施形態例の固体撮像装置の駆動方法を図6,図7を用いて説明する。図6,図7は、本実施形態例の固体撮像装置1における、1画素分の、受光部2、蓄積容量部8、読み出しゲート部26、垂直転送レジスタ3における電位の井戸を概略的に示し、信号電荷の転送の様子を概略的に示したものである。図6,図7において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
まず、基板電圧VsubをLowにする。これにより、信号電荷の生成及び蓄積が全画素同時に開始される。以下、この動作が行われる期間を「受光期間」とする。
図6Aに示すように、受光期間時には、光Lが受光部2に入射し光電変換することで生成された信号電荷32は、基板電圧VsubがLowであるので、垂れ流し的に蓄積容量部8に蓄積保持される。これにより、固体撮像装置1の全画素において、同時刻に受光部2で光電変換された信号電荷32が、蓄積容量部8に蓄積保持される。
なお、受光期間中、強く過剰な光量が受光部に入射した場合には、過剰な光量により生成された信号電荷32は、半導体基板12側に掃き出される。
次に、図6Bに示すように、基板電圧をHighにする。これにより、信号電荷32の蓄積が全画素同時に終了し、信号電荷の読み出し、転送が行われる。以下、この動作が行われる期間を「転送期間(非受光期間)」とする。
図6Bに示すように、転送期間時には、光Lが受光部2に入射し光電変換することで生成された信号電荷32は、基板電圧VsubがHighであるので、半導体基板12側に掃き出されて蓄積容量部8には転送されない。つまり、基板電圧をHighにすることにより、全画素同時刻で、受光期間が終了する。
その後、図7Cに示すように、読み出し電極28aを兼ねる垂直転送電極28に読み出し電圧を印加することにより、蓄積容量部8に蓄積保持されていた信号電荷32を垂直転送チャネルに読み出す。この蓄積容量部8からの信号電荷32の読み出しは、通常のCCD型の固体撮像装置における受光部からの信号電荷の読み出しと同様のインターレース読み出し方式を用いる。たとえば2ラインおきのインターレース読み出しや3ラインおき、4ラインおきなどのインターレース読み出しを行う。読み出しを待たされるラインの画素信号電荷は蓄積容量部で読み出しまで保持される。
そして、図7Dに示すように、垂直転送電極28に、例えば4相の転送パルスを印加することにより、垂直転送チャネル25に読み出された信号電荷32を垂直方向に転送する。この蓄積容量部8からの信号電荷32の読み出し、転送は、通常のCCD型の固体撮像装置における受光部からの信号電荷の読み出し、転送と同様のインターレース読み出し方式を用いる。
例えば、1:2インターレース読み出し方式を用いる場合は、まず、2N+1(N=0,1,2,3・・・)行(ライン)の画素における信号電荷の読み出し、及び転送が行われる。そして、次のフィールドにて2N(N=0,1,2,3・・・)行の画素における信号電荷の読み出し、及び転送が行われる。このように、1:2インターレース読み出し方式では、2回に分けて全画素の信号電荷が読み出され、転送される。
同様に、1:3インターレース読み出し方式を用いる場合は、まず、1番目のフィールドで3N+1(N=0,1,2,3・・)行の画素における信号電荷の読み出し、及び転送を行う。続いて、2番目のフィールドで、3N+2(N=0,1,2,3・・・)行、3番目のフィールドで、3N+3(N=0,1,2,3・・・)行の画素における信号電荷を順に読み出し、転送を行う。このように、1:3インターレース読み出し方式では、3回に分けて全画素の信号電荷が読み出され、転送される。
このように、読み出し回数を分けることで、ライン毎の信号電荷32が垂直転送時に使用できる転送ステージ数を増加することができるので、垂直転送レジスタ3における取り扱い電荷量を増加することができる。
本実施形態例では、以上のような転送期間中においても、受光部2では引き続き信号電荷が生成されているが、基板電圧VsubがHighとされているので、この転送期間中に光電変換された信号電荷は、随時、半導体基板12側に掃き出されている。
垂直転送レジスタ3により垂直方向に転送された信号電荷32は、その後、水平転送レジスタ4により水平方向に転送され、出力回路5を介して映像信号となって出力される。
このように、本実施形態例の固体撮像装置1では、基板電圧Vsubを変えることで、受光期間において受光部2で生成された信号電荷32は垂れ流し的に蓄積容量部8に転送され、転送期間において受光部2で生成された信号電荷は基板側に掃き出される。すなわち、電子シャッタ調整層14及びオフセット領域24の効果により、基板電圧Vsubを変化させるのみで、電子シャッタの機能が得られる。これにより、非全画素読み出し方式(本実施形態例ではインターレース読み出し方式)でありながら、メカシャッター等の素子外部シャッタが無い電子機器に適用できるCCD型の固体撮像装置が得られる。
また、図6Aで示したように、受光部2で生成された信号電荷32は、蓄積容量部8に垂れ流し的に転送されるため、受光部2と蓄積容量部8間に転送電極が必要なく、構造が簡易である。このため、受光部2の開口や、蓄積容量部8等の面積を大きくとることができ、感度やダイナミックレンジの増大が可能となる。また、受光部2と蓄積容量部8間に転送電極が無いため、信号電荷の転送中に、シリコンからなる基板界面が空乏化されないので、暗電流の増加を抑制できる。
また、受光部2は、分光感度特性を確保するために、空乏層をのばす必要があり、静電ポテンシャルの深い位置が基板表面から深めの位置に設定されやすい。ところが、蓄積容量部8は、信号電荷の蓄積・保持に特化できるので、静電ポテンシャルの一番浅い位置を、基板表面から浅い位置に設定可能で、これにより、読み出し電圧の低電圧化が行いやすい。
また、従来の固体撮像装置では、受光部において、信号電荷の生成と蓄積が行われていた。本実施形態例の固体撮像装置1によれば、受光部2で信号電荷の蓄積を行わないため、受光部2の静電ポテンシャルを、従来のような、受光部において蓄積も行う受光部の静電ポテンシャルに比較して数ボルト浅く形成することができる。これにより、受光部2の電界を低減できる。これにより、電界起因の暗電流増を低減することができる。
また、本実施形態例の固体撮像装置1では、受光部2及び蓄積容量部8には、HAD構造による第1及び第2の暗電流抑制部18,23が形成されており、表面が常に正孔でみたされている。このため、基板を構成するシリコンや、ゲート絶縁膜29等を構成する酸化膜界面から発生する暗電流を抑制できる。
また、本実施形態例によれば、蓄積容量部8は遮光膜31により遮光されている。これにより、図6,図7に示すように、受光期間中、及び受光前後の期間においても、光Lが蓄積容量部8に透過し、光電変換することを防いでいる。
また、本実施形態例によれば、遮光膜31が、蓄積容量部8から受光部2側に張り出し部31aを有するように形成されている。このため、基板電圧VsubがHighとなって、受光期間が終了した後も、入射する光Lのうち、蓄積容量部8近傍に入射した光が、蓄積容量部8に一種のスミアとして入り込むことが抑制される。
また、本実施形態例によれば、図2に示すように蓄積容量部8を構成するN領域22の下部に、比較的高濃度のP領域21を有することで、N領域22とP領域21の接合面に形成される空乏層容量を増大することができる。またこれにより、蓄積容量部8へのスミアの混入が抑制される。
〈2.第2の実施形態〉
図8に、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図8において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態例の固体撮像装置41は、第1の実施形態における固体撮像装置の、第2の暗電流抑制部の構成を一部変更した例である。
本実施形態例では、蓄積容量部8における第2の暗電流抑制部44が、暗電流抑制電極42と直流電圧電源43とで構成されている。暗電流抑制電極42は、半導体ウェル層13の蓄積容量部8上部に、ゲート絶縁膜29を介して形成されている。
この固体撮像装置41においても、図7のA−A’、B−B’、C−C’線上に沿う電位は、第1の実施形態で説明した図3と同様のプロファイルを有するものである。
また、固体撮像装置41における第2の暗電流抑制部44は、第1の実施形態で示した製造方法において、図5Eに示す工程で第2の暗電流抑制部23を形成せずに、図5Fに示す工程で、暗電流抑制電極42を形成することにより形成することができる。その他の製造工程は、第1の実施形態と同様である。
本実施形態例の固体撮像装置41では、暗電流抑制電極42に常時負電圧のバイアス電圧が印加されることで、蓄積容量部8を構成するN領域22の表面が反転し、正孔で満たされる。これにより、蓄積容量部8の界面で発生する暗電流が、常時、正孔に吸収されるので、蓄積容量部8における暗電流を抑制することができる。
本実施形態例の固体撮像装置41においても、第1の実施形態における固体撮像装置1と同様の駆動方法で駆動することができる。本実施形態例においても、非全画素読み出し方式(本実施形態例ではインターレース読み出し方式)でありながら、メカシャッター等の素子外部シャッタが無い電子機器に適用できるCCD型の固体撮像装置が得られる。その他、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、暗電流抑制電極42と遮光膜31を画素部において電気的に接続してから直流電圧電源43に接続してもよい。
上述の第1の実施形態及び第2の実施形態では、第1導電型をN型、第2導電型をP型として説明したが、第1導電型をP型、第2導電型をN型として構成してもよい。その場合は、固体撮像装置に印加される所望のパルスは、上述の例とは逆極性のパルスが印加される。
本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
以下に、本発明の固体撮像装置を用いた電子機器について説明する。
〈3.第3の実施形態〉
図9に本発明の第3の実施形態に係る電子機器200の概略構成を示す。
本実施形態例の電子機器200は、上述した本発明の第1の実施形態における固体撮像装置1をカメラに用いた場合の実施形態を示す。
図9に、本実施形態例に係る電子機器200の概略断面構成を示す。本実施形態に係る電子機器200は、静止画撮影が可能なデジタルスチルカメラを例としたものである。
本実施形態に係る電子機器200は、固体撮像装置1と、光学レンズ210と、駆動回路212と、信号処理回路213とを有する。
光学レンズ210は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置1内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。
駆動回路212は、固体撮像装置1の転送動作信号を供給する。駆動回路212から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置1の信号転送を行なう。信号処理回路213は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態例の電子機器200では、固体撮像装置において、電子シャッタ機能を有しているため、メカシャッター等の光シャッタを、固体撮像装置と別に備える必要がない。このため、電子機器を安価に製造することができ、また、電子機器の小型化及び軽量化が実現される。また、本実施形態例の電子機器に用いられる固体撮像装置は、暗電流の抑制や、感度の向上が図られているため、電子機器において、画質の向上が図られる。
固体撮像装置1を適用できる電子機器としては、デジタルスチルカメラに限られるものではなく、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
本実施形態例においては、固体撮像装置1を電子機器に用いる構成としたが、前述した第2の実施形態における固体撮像装置を用いることもできる。
1・・固体撮像装置
2・・受光部
3・・垂直転送レジスタ
4・・水平転送レジスタ
5・・出力回路
6・・基板
7・・画素
8・・蓄積容量部
12・・半導体基板
13・・半導体ウェル層
14・・電子シャッタ調整層
15・・チャネルストップ部
16・・P−領域
17・・N−領域
18・・第1の暗電流抑制部
19・・受光部
20・・蓄積容量部
21・・P+領域
22・N領域
23・・第2の暗電流抑制部
24・・オフセット領域
25・・垂直転送チャネル
26・・読み出しゲート部
27・・読み出しチャネル
28・・垂直転送電極
29・・ゲート絶縁膜
30・・層間絶縁膜
31・・遮光膜

Claims (16)

  1. 基板と、
    受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、
    前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、を含んで構成される複数の画素と、
    を含む固体撮像装置。
  2. 前記基板は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体ウェル層から構成され、
    前記受光部は、第1導電型の不純物領域とその上部の暗電流抑制部および下部の第2導電型の不純物領域との接合面を有して前記半導体ウェル層に形成され、
    前記蓄積容量部は、第1導電型の不純物領域と第2導電型の不純物領域との接合面を有して構成され、
    前記電子シャッタ調整層は、前記半導体基板と前記半導体ウェル層との間に、第1導電型の不純物領域により形成される
    請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記蓄積容量部の静電ポテンシャルは、前記受光部の静電ポテンシャルよりも深く形成される
    請求項2記載の固体撮像装置。
  4. 前記オフセット領域上部の、前記受光部と前記蓄積容量部の間の領域の静電ポテンシャルは、前記受光期間と、前記非受光期間とで、略等しい値を維持する
    請求項3記載の固体撮像装置。
  5. 前記蓄積容量部の光入射側上部に遮光膜を有し、前記遮光膜の端部は前記受光部側に張り出した張り出し部を有する
    請求項4記載の固体撮像装置。
  6. 前記受光部及び前記蓄積容量部の前記暗電流抑制部は、前記受光部及び前記蓄積容量部の光入射側表面に形成された第2導電型の不純物領域により構成される
    請求項5記載の固体撮像装置。
  7. 前記受光部の前記暗電流抑制部は、前記受光部の光入射側表面に形成された第2導電型の不純物領域により構成され、
    前記電荷蓄積容量部の前記暗電流抑制部は、前記電荷蓄積容量部の光入射側上部に形成された暗電流抑制電極と、前記暗電流抑制電極に直流電圧を印加する直流電圧電源により構成される
    請求項5記載の固体撮像装置。
  8. 前記暗電流抑制電極は、前記遮光膜と電気的に接続される
    請求項7記載の固体撮像装置。
  9. 前記遮光膜は、さらに、前記垂直転送レジスタ部上部にも形成されている
    請求項5記載の固体撮像装置。
  10. 前記遮光膜は、前記受光部の開口領域を除く領域を覆って形成される
    請求項5記載の固体撮像装置。
  11. 第1導電型の半導体基板を準備する工程、
    前記半導体基板上に第2導電型の半導体ウェル層を形成する工程、
    前記半導体ウェル層の表面側に、受光部、受光部に隣接する蓄積容量部、及び読み出しゲート部を介して前記蓄積容量部に隣接する垂直転送チャネルを形成する工程、
    前記半導体ウェル層を形成する前、又は後に、前記半導体基板と前記半導体ウェル層との間の、前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所望のオフセット領域だけ離した領域に第1導電型からなる電子シャッタ調整層を形成する工程、
    前記蓄積容量部及び受光部上部の光入射側に暗電流抑制部を形成する工程、
    前記基板に、受光期間と、非受光期間とで異なる電位を印加する基板電圧電源を接続する工程、
    を有する固体撮像装置の製造方法。
  12. 前記半導体ウェル層は、前記半導体基板上に形成された第2導電型のエピタキシャル成長層により構成される
    請求項11記載の固体撮像装置の製造方法。
  13. 前記半導体ウェル層は、前記半導体基板上に第1導電型のエピタキシャル成長層を形成した後、前記エピタキシャル成長層の所望の領域に、第2導電型の不純物をイオン注入して形成される
    請求項12記載の固体撮像装置。
  14. 基板と、
    受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、
    前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、を含んで構成される複数の画素と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記基板電圧電源により、前記基板に第1の電位を印加することにより、前記受光部で生成された信号電荷の前記蓄積容量部への転送を開始し、
    前記基板電圧電源により、前記基板に第2の電位を印加することにより、前記受光部で生成された信号電荷の前記蓄積容量部への転送を終了して、前記受光部で生成された信号電荷を前記基板側に掃き出すと共に、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷の読み出しをする、
    固体撮像装置の駆動方法。
  15. 前記受光期間の開始及び終了は、前記基板に形成された全画素の受光部において同時刻になされ、
    前記非受光期間では、蓄積容量部からの信号電荷の読み出しが、画素毎に順次行われる
    請求項14記載の固体撮像装置の駆動方法。
  16. 光学レンズと、
    基板と、受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、を含んで構成され、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含む電子機器。
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