JP4092409B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関し、より詳細には垂直電荷転送路の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7に一般的な固体撮像素子の平面図を示す。
【0003】
固体撮像素子Aにおいては、半導体基板101上に多数の画素103、103、103が水平方向及び垂直方向に整列して配置されている。複数本の垂直電荷転送路105が、垂直方向に整列された複数の画素列間に形成されている。垂直電荷転送路105の一端には、水平電荷転送路107が形成されている。
【0004】
垂直電荷転送路105は、第1の第1導電型半導体層(n型半導体層)を含む。
【0005】
水平電荷転送路107の一端にアンプ111が形成されている。
【0006】
画素103領域の半導体基板101上に、フォトダイオード(光電変換素子)103aが形成されている。フォトダイオード103aと垂直電荷転送路105との間には、読み出しゲート(トランスファーゲート)103bが形成されている。
【0007】
フォトダイオード103aにより光電変換された電気信号は、読み出しゲート103bを通って垂直電荷転送路105に転送される。垂直電荷転送路105内に転送された電荷は、例えば4相駆動方式により垂直方向に転送され、水平電荷転送路107内に入る。水平電荷転送路107内に転送された電荷は、例えば2相駆動方式によりアンプ111まで転送される。アンプ111により電気信号を増幅して外部に画像情報を出力する。
【0008】
上記の固体撮像素子Aにおいて、フォトダイオード103a、読み出しゲート103b、垂直電荷転送路105、水平電荷転送路107及び出力アンプ111等の構成要素が形成されていない領域をフィールド領域117と称する。
【0009】
フィールド領域117のうち、例えば、フォトダイオード103aと垂直電荷転送路105との間の領域のうち読み出しゲート103bが形成されていない領域(図 における第1の領域121a、121b)、一の垂直電荷転送路105と、当該一の垂直電荷転送路105と読み出しゲート103bにより接続されていないが水平方向に隣接するフォトダイオード103a領域との間の領域(図における第2の領域125)、一の垂直電荷転送路105に読み出しゲート103bを介して接続されている複数のフォトダイオード103a、103a、103aのうち垂直方向に隣接するフォトダイオード103a、103a間の領域(図における第3の領域131)を電子が飛び越えることは、固体撮像素子における誤動作の原因ともなるため好ましくない。
【0010】
固体撮像素子の画素密度がそれほど高くない場合には、第1から第3まで領域121、125、131におけるフォトダイオード103a間又はフォトダイオード103aと垂直電荷転送路105との間の距離を十分にとることができる。
【0011】
従って、上記誤動作が生じる恐れは少ない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年の固体撮像素子の高画素密度化に伴って、例えば、上記の固体撮像素子Aにおいて、第1から第3まで領域121、125、131におけるフォトダイオード103a間又はフォトダイオード103aと垂直電荷転送路105との間の距離を十分にとることが困難になってくる。
【0013】
特に、高画素密度化に対応可能な構造として期待される、画素ずらし構造を備えた固体撮像素子において、上記の問題が顕著になってくる。
【0014】
本発明の目的は、高画素密度化に伴う上記の問題点を解決する固体撮像素子を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、2次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の表面に一定のピッチで複数列、複数行に配列された第1導電型半導体層を含む多数の光電変換素子であって、奇数列の光電変換素子に対し、偶数列の光電変換素子は各列内の光電変換素子ピッチの約1/2ずれており、奇数行の光電変換素子に対し偶数行の光電変換素子は各行内の光電変換素子ピッチの約1/2ずれており、前記各光電変換素子列は、奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含む多数個の光電変換素子と、各々が、隣接する光電変換素子列間の半導体基板表面に形成され、蛇行しつつ列方向に延在する複数の第1の第2導電型半導体層を含む分離領域と、各光電変換素子列とその一方の側の分離領域との間に形成され、蛇行しつつ列方向に延在する複数の第1導電型半導体層を含む垂直電荷転送路であって、該列の光電変換素子と前記分離領域との間の領域における幅W1と比べ、該列内の隣接する光電変換素子間の領域で広い幅W2の部分を有する垂直電荷転送路とを有する固体撮像素子が提供される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0017】
図1に、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の平面図を示す。
【0018】
固体撮像素子Bにおいては、半導体基板1上に多数の画素3、3、3が配置されている。より詳細には、固体撮像素子Bに、垂直方向に整列して形成される複数のフォトダイオード(光電変換素子)3a、3a、3aを含む第1の画素列P1と、第1の画素列P1と水平方向に隣接し垂直方向に1/2ピッチずれて形成される複数のフォトダイオード3b、3b、3bを含む第2の画素列P2とが含まれる。1ピッチとは、垂直方向に隣接するフォトダイオード3aとフォトダイオード3aとの中心間の距離、又は、フォトダイオード3bとフォトダイオード3bとの中心間の距離で定義される。両者は通常同じ距離である。
【0019】
一の第1の画素列P1とそれと水平方向に隣接する一の第2の画素列P2とにより一の画素群PGが形成される。水平方向に多数の画素群PG、PG、PGが配置されて画素部を形成する。
【0020】
フォトダイオード3a及びフォトダイオード3bは、ほぼ正八角形の形状を有している。
【0021】
第1の画素列P1に含まれるフォトダイオード3a、3a、3aと第2の画素列P2に含まれるフォトダイオード3b、3b、3bとの間を蛇行するように、垂直電荷転送路5aが垂直方向に延びている。
【0022】
垂直電荷転送路5a、5a、5aは、半導体基板1上に形成されたn型(第1導電型)半導体層を含む。
【0023】
1本の垂直電荷転送路5aに対して、水平方向の第1の方向(図1では、左方向)に隣接する第1の画素列P1又は第2の画素列P2のいずれかの画素列に含まれるフォトダイオード3a、3a、3a又は光電変換素子3b、3b、3bのみから電荷が読み出される。
【0024】
フォトダイオード3a又は3bから電荷を読み出す垂直電荷転送路5aの外周に沿って、垂直電荷転送路5aと水平方向に第1の方向(図では、左方向)に隣接する画素列(第1の画素列P1又は第2の画素列P2)との間の領域に、フォトダイオード3からの電荷を転送するための比較的低いドーピング濃度を有するp型(第1の第2導電型)半導体層を含む読み出しゲート領域21が形成されている。
【0025】
垂直電荷転送路5aの外周のうち読み出しゲート領域21が形成されている領域以外の領域に、ゲート領域のp型不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するp型(第2の第2導電型)半導体層を含む分離領域15aが垂直電荷転送路5aに沿って形成されている。
【0026】
垂直電荷転送路5aの一端に、水平電荷転送路7が形成されている。水平電荷転送路7の一端に、出力アンプ11が形成されている。
【0027】
図2から図4は、図1の要部を拡大した平面図である。
【0028】
図2は、フォトダイオード3a、垂直電荷転送路5a、分離領域15、読み出しゲート21など半導体基板1上に形成された要素の他に、垂直電荷転送電極31を加えて示した模式的な平面図である。
【0029】
図3は、垂直電荷転送電極31の配置を示す平面図である。
【0030】
図4は、半導体基板1上に形成された垂直電荷転送路5aと分離領域15(15a、15b)との配置を示す模式的な平面図である。
【0031】
図2において、説明の便宜上、水平方向に整列して配置された複数のフォトダイオード3a、3aを画素行Q1、Q3、・・・と称し、水平方向に整列して配置された複数のフォトダイオード3b、3bを画素行Q2と称す。
【0032】
図2及び図3に示すように、画素行Q1に含まれるフォトダイオード3a、3a、3a上に、フォトダイオードの斜辺に沿って蛇行するように水平方向に延びる第1の垂直電荷転送電極31−1と第2の垂直電荷転送電極31−2とが形成されている。
【0033】
第1の垂直電荷転送電極31−1は、第1層目の多結晶シリコン層(1ポリ)により形成されている。第2の垂直電荷転送電極31−2は、第2層目の多結晶シリコン層(2ポリ)により形成されている。
【0034】
同様に第3、第5の垂直電荷転送電極31−3、31−5は、1ポリにより形成されている。第4、第6の垂直電荷転送電極31−4、31−6は、2ポリにより形成されている。
【0035】
垂直電荷転送電極31の隙間にフォトダイオード3a、3bの受光部が設けられている。
【0036】
第1の垂直電荷転送電極31−1は、水平方向に延びる第1の部分31aと、第1の部分31aに続き、フォトダイオード3aの上半分の外周に沿うように形成された第2の部分31b、第3の部分31c、第4の部分31dとを含む。
【0037】
第2の部分31bは、その中心線が第1の部分31aの中心線と鈍角を成すように第1の部分31aの端部から連続して延びている。
【0038】
第3の部分31cは、第2の部分31bに続き、第2の部分31bの端部から水平方向に伸びている。
【0039】
第4の部分31dは、その中心線が第3の部分31cの中心線と鈍角を成すように第3の部分31cの端部から連続して延びている。第4の部分31dの端部は、前記の第1の部分31aと水平方向に1つのフォトダイオード3a分だけ離れて設けられている別の第1の部分31aの端部に接続される。
【0040】
上記のように、第1の垂直電荷転送電極は31−1は、画素行Q1に含まれるフォトダイオード3a、3aのほぼ上半分の外周に沿うように形成される。
第2の垂直電荷転送電極は、水平方向に延びる第5の部分31eと、第5の部分31eに続き、フォトダイオード3aの下半分の外周に沿うように形成された第6の部分31f、第7の部分31g、第8の部分31hとを含む。
【0041】
第6の部分31fは、その中心線が第5の部分31eの中心線と鈍角を成すように第5の部分31eの端部から連続して延びている。
【0042】
第7の部分31gは、第6の部分31fに続き、第6の部分31gの端部から水平方向に伸びている。
【0043】
第8の部分31hは、その中心線が第7の部分31gの中心線と鈍角を成すように第7の部分31gの端部から連続して延びている。第8の部分31hの端部は、前記の第5の部分31eと水平方向に1つのフォトダイオード3a分だけ離れて設けられている別の第5の部分31eの端部に接続される。
【0044】
上記のように、第2の垂直電荷転送電極31−2は、画素行Q1に含まれるフォトダイオード3a、3aのほぼ下半分の外周に沿うように形成される。
【0045】
第2の部分31bと第6の部分31fとは、水平方向に伸びる仮想線に対して対称な方向に延びている。第4の部分31dと第8の部分31hとは、同様に対称な方向に伸びている。
【0046】
第3の垂直電荷転送電極31−3と第4の垂直電荷転送電極31−4、第5の垂直電荷転送電極31−5と第6の垂直電荷転送電極31−6についても、第1の垂直電荷転送電極31−1と第2の垂直電荷転送電極31−2の関係と同様に配置されている。
【0047】
図2に示すように、フォトダイオード3a、3bの外周のうち図の左側ほぼ半分の領域に、分離領域15a、15bが形成されていない読み出しゲート領域21が形成されている。読み出しゲート領域21を、例えば、第1の垂直電荷転送電極31−1下の領域21aと第2の垂直電荷転送電極31−2下の領域21bの2つの領域に分けて考えると、第1の垂直電荷転送電極31−1と第2の垂直電荷転送電極31−2のうちいずれか一方にのみ読み出しパルス電圧が印加されるようにできる。実際には、図示しない駆動回路により上記のような読み出し動作を行えばよい。読み出しゲート領域21a、21bのうちいずれか一方のみを、実際に読み出しゲート領域として機能させることができる。
【0048】
図4に、半導体基板1上に形成されたフォトダイオード3a、3bと、垂直電荷転送路5a(5a1、5a2、5a3、5a4)と、分離領域15(15a、15b)とを示す。
【0049】
図5に図4のIa−Ib線断面図とそれに対応するエネルギーバンド図を、図6に図4のIIa−IIb線断面図とそれに対応するエネルギーバンド図を示す。
【0050】
図4及び図5に示すように、Ia−Ib線で切った場合には、垂直電荷転送路5a2の片側にのみ分離領域15bが形成される。垂直電荷転送路5a2のもう一方の側に、読み出しゲート領域21が形成される。
【0051】
一方、図4及び図6に示すように、IIa−IIb線で切った場合には、垂直電荷転送路5a2の両側に分離領域15a、15bが形成される。垂直電荷転送路5a1の片側にのみ分離領域15bが形成される。垂直電荷転送路5a1のもう一方の側に、読み出しゲート領域21が形成される。
【0052】
図5に示される垂直電荷転送路5a2では、片側に高濃度p型半導体層により形成される分離領域15bが形成され、もう一方の側には分離領域15bよりも低いp型不純物濃度を有する半導体層により形成される読み出しゲート部21が形成されている。図6に示される垂直電荷転送路5a1の場合も同様である。垂直電荷転送路の幅は両方ともW1である。W1は例えば1.0μmである。
【0053】
図6に示される垂直電荷転送路5a2の場合には、両側に高濃度p型半導体層により形成される分離領域15a、15bが形成されている。垂直電荷転送路の幅はW2である。W2は例えば1.2μmであり、W1と比較して広い。
【0054】
図6に示される垂直電荷転送路5a2の幅W2を、W1と同じ1.0μmにすると、図6の一点鎖線で示すポテンシャルエネルギーとなる。図6に示される垂直電荷転送路5a1(幅W1)と同じ1.0μmであっても、両側に高濃度のp型半導体層(分離領域)15a、15bが存在するため、n型半導体層中に両側から空乏層が伸びて、実効的なポテンシャルウェルの幅が狭くなり、かつ、深さも浅くなる。いわゆる狭チャネル効果である。
【0055】
そこで、図6に示すように、垂直電荷転送路5a2の幅W2を垂直電荷転送路5a1の幅W1よりも広くとることにより、狭チャネル効果の影響を考慮した実効的な垂直電荷転送路幅が同じになるように設定した。
【0056】
イオン注入法により垂直電荷転送路5aを形成する場合には、イオン注入のマスクとなる例えばフォトレジストの開口部の幅を上記のように設定すれば良い。
【0057】
上記の固体撮像素子Aでは、狭チャネル効果の影響を考慮に入れた実効的な垂直電荷転送路5aの幅がほぼ一定になるようにしたので、垂直電荷転送路5aにおける転送効率と飽和出力との局所的な変化を防止することができ、電荷を安定して水平電荷転送路へ転送することができる。
【0058】
より詳細には、以下の式に示すようにW2とW1の値を設定する。
【0059】
W2−W1={2εsε0/eNd}0.5{Vd2Na2/(Na2+Nd)−Vd1Na1/(Na1+Nd)}0.5
ただし、εsは前記半導体の比誘電率、ε0は真空中の誘電率、eVd1は接合前のn型半導体層と低不純物濃度のp型半導体層の仕事関数の差、eVd2は接合前のn型半導体層と高不純物濃度のp型半導体層の仕事関数の差、eは電子の電荷である。
【0060】
Ndはn型半導体層よりなる垂直電荷転送路5a2(図6)の不純物濃度である。Na2は高濃度p型半導体層の不純物濃度すなわち分離領域15(15a、15b)のp型不純物濃度である。ここで、分離領域15のp型不純物濃度は15aと15bとで一定とした。
【0061】
Na1は低濃度p型半導体層の不純物濃度すなわち読み出しゲート部21のp型半導体層の不純物濃度である。n型半導体層の濃度は、分離領域のp型半導体層の濃度と比べて小さく、空乏層はほとんどn型半導体層中に延びるものと仮定した。p−n接合は階段接合とし、かつ、p−n接合の間には電圧が印加されていない状態であると仮定した。
【0062】
W1は、素子の性能や製造技術等の設計ルールに基づいて決定され、W2は、上記の式に基づき算出する。
【0063】
上記の式を用いれば、W1、Nd、Na2、Na1等の素子パラメータが異なる場合でも、W1とW2とを計算により求めることが可能である。
【0064】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明あろう。
【0065】
【発明の効果】
固体撮像素子において、実効的な垂直電荷転送路の幅がほぼ一定になる。垂直電荷転送路における転送効率と飽和出力との局所的な変化を防止することができ、電荷を安定して水平電荷転送路へ転送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の平面図である。
【図2】上記の固体撮像素子の要部を拡大した平面図であり、半導体領域と垂直電荷転送電極との配置を示す。
【図3】上記の固体撮像素子の要部を拡大した平面図であり、垂直電荷転送電極の配置を示す。
【図4】上記の固体撮像素子の要部を拡大した平面図であり、半導体領域の構成を示す。
【図5】図4のIa−Ib線断面図とそれに対応するエネルギーバンド図である。
【図6】図4のIIa−IIb線断面図とそれに対応するエネルギーバンド図である。
【図7】従来の固体撮像素子の平面図である。
【符号の説明】
A 固体撮像素子
W1、W2 垂直電荷転送路の幅
1 半導体基板
3 画素
3a 光電変換素子(フォトダイオード)
3b 光電変換素子(フォトダイオード)
5a、5b 垂直電荷転送路
7 水平電荷転送路
11 出力アンプ
15a、15b 分離領域
21a、21b 読み出しゲート領域
31 垂直電荷転送電極
Claims (4)
- 2次元表面を画定する半導体基板と、
前記半導体基板の表面に一定のピッチで複数列、複数行に配列された第1導電型半導体領域を含む多数の光電変換素子であって、奇数列の光電変換素子に対し、偶数列の光電変換素子は各列内の光電変換素子ピッチの約1/2ずれており、奇数行の光電変換素子に対し偶数行の光電変換素子は各行内の光電変換素子ピッチの約1/2ずれており、前記各光電変換素子列は、奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含む多数個の光電変換素子と、
各々が、隣接する光電変換素子列間の半導体基板表面に形成され、蛇行しつつ列方向に延在する複数の第1の第2導電型半導体層を含む分離領域と、
各光電変換素子列とその一方の側の分離領域との間に形成され、蛇行しつつ列方向に延在する複数の第1導電型半導体層を含む垂直電荷転送路であって、該列の光電変換素子と前記分離領域との間の領域における幅W1と比べ、該列内の隣接する光電変換素子間の領域で広い幅W2の部分を有する垂直電荷転送路とを有する固体撮像素子。 - 前記垂直電荷転送路の実効幅が一定となるように前記W1と前記W2とが設定される
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記垂直電荷転送路と前記光電変換素子との間に、前記第1の第2導電型半導体層よりも低不純物濃度の第2の第2導電型半導体層を含む読み出し領域が形成されている
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記一画素行当たり2本の垂直電荷転送電極が形成されている請求項1記載の固体撮像素子。
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