JP4612818B2 - 固体撮像素子、固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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Description
前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークC4は、3×10 16 cm −3 ≦C4≦8×10 17 cm −3 の範囲であり、前記第1の不純物濃度ピークC1と前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークC4は、C1≦C4の関係を満たし、前記第1の不純物濃度ピークC1と前記第3の不純物濃度ピークC3は、C1≦4×C3の関係を満たし、前記第3の不純物濃度ピークC3と前記第2の不純物濃度ピークC2は、3×C3≦C2の関係を満たすことを特徴とする固体撮像素子を提供するものである。
図1は第1の実施形態を説明するための断面図である。101はn型シリコン基板(半導体基板)であり、n型シリコン基板101に108〜110の不純物濃度ピークを有する領域を含むp型ウエル(第1の不純物領域)が形成され、基板表面には素子分離領域102、転送トランジスタのゲート電極103、読み出し領域104、フォトダイオードの蓄積領域105(第2の不純物領域)、フォトダイオードの表面p領域106(第3の不純物領域)、111はp型ウエルが形成されている。遮光層107には開口部がありフォトダイオード以外の領域への光を遮光している。なお、この図では遮光層以外の配線層は省略してある。図1ではウエルとなる第1の不純物領域は目的別に3つの領域に分けて図示してある。図1において、表面近傍には、フォトダイオードの蓄積領域105下に近接する第1の不純物濃度ピークを有する不純物領域108が配置されている。不純物領域108は、フォトダイオードの蓄積領域105との間の接合における空乏層の幅を抑制する働きをもつ。この効果により、フォトダイオードの空乏化電圧を下げることができ、読み出し領域104をリセットする電位を上昇させることなくフォトダイオードをリセットし、転送効率の向上、より好ましくは完全転送が可能となる。
Vb=(kT/q)・ln(N1/N2)<kT/q
ここでVbは障壁、kはボルツマン定数、Tは温度、qは素電荷、N1は障壁のピーク濃度でありN2は障壁手前の濃度である。不等号の示す領域においては、熱励起によって電荷は障壁を乗り越えることができる。すなわち、N1/N2<eの場合(概ね3以下の場合)においては障壁を乗り越えることができる。そこで本発明では210の形成するポテンシャルは障壁として機能し、また、蓄積領域205に近接するウエル領域208の形成するポテンシャルは障壁とならない構成を提案するものである。具体的には上述により、
(1)不純物領域210の濃度は、中間領域209、209´のピーク濃度の3倍以上である。
(2)蓄積領域205に近接する不純物領域208のピーク濃度は中間領域209、209´のピーク濃度の4倍以下である。
の関係とすることで本実施形態の効果をより効果的に得ることができる。
図3は第2の実施形態の説明図である。301〜311はそれぞれ図1の101〜111に対応する。本実施形態ではフォトダイオードの蓄積領域305に近接する不純物領域308は画素全面に形成されておらず、蓄積領域305下の部分にのみ形成されている。この様な構造とする利点は以下である。
(1)〔構造的利点〕隣接する画素からあふれた電荷を読み出し領域304に吸い込むことができるため、ブルーミング、スミア、混色の防止効果がある。308の濃度設計が画素内や、画素領域外(図示せず)のトランジスタの特性に影響を与えることが低減され、設計自由度が増す。読み出し領域の接合容量が小さくなりゲインの増加によるSN比の向上。等々の利点がある。
(2)〔プロセス的利点〕近接する不純物領域308を蓄積領域305と同一もしくは表面p領域306と同一のフォトレジストを用いて形成することが可能となる。不純物領域310を同一のレジストで形成することも原理的には可能ではあるが、深いイオン注入に対しても阻止性能の確保できるレジストは厚く形成する必要があり、細かいパターンには対応しづらい。また、不純物領域310を埋め込みEpiで形成することも可能でありそのような場合にも、蓄積領域305に近接する不純物領域308を蓄積領域305と同一もしくは表面p領域306と同一のフォトレジストを用いて形成することで工程を増やすことなく本実施形態の効果を得ることができる。
図4は第3の実施形態による画素構造の上面図である。401はアクティブ領域、402は転送ゲート電極、403はフォトダイオード領域、404は読み出し領域を示している。また、トランジスタのチャネル幅と平行な方向の長さがDy1およびDy2である、これはフォトダイオード領域の幅を示している。一般に空乏化電圧は幅が広い部分において高くなるため、図4に示すように転送ゲート402に近い側で幅が狭くなるレイアウトをとると、完全転送が困難になるという問題が生じる。すなわち、リセット、もしくは転送時において、Dy1の部分がDy2の部分より先に完全空乏化してしまい、Dy2部分に電荷が残り、リセットノイズが発生するという問題が生じる。この問題は空乏層の横方向(Dy1,Dy2の長さ方向)からの広がりの影響により、空乏化電圧がサイズ依存を持つことにより発生する。具体的な構造で言うと、レトログレードウエルの表面付近の濃度を薄く設計して空乏層が深さ方向に広く広がる場合、特に顕著な問題となる。本実施形態では空乏層の深さ方向の広がりを抑制した結果、レイアウトに対する制約も軽減され、図4に示すレイアウトを行っても、リセットノイズを発生させずに済む。その理由を図5で説明する。図5は図4のDy1およびDy2に沿った断面を示した模式図である。405はフォトダイオードおよびウエルに広がる空乏層領域を示しており、その深さはDzで図示した。406は完全空乏化する直前に最後に残存する中性領域を示している。407は深さ方向に広がる空乏層の様子を示し、408は横方向(Dy1,Dy2の長さ方向)に広がる空乏層の様子を示している。この図のように深さ方向に広がる空乏層の効果により完全空乏化する場合は、レイアウトによる依存なく、Dy1,Dy2ともにおなじ空乏化電圧となり、フォトダイオードの完全リセット、完全転送が可能となる。Dy1がこの図より狭い場合および深さ方向の空乏層の広がり407が大きい構造の場合、Dy1の場所では横方向の空乏層の広がり408の影響で完全空乏化するため、空乏化電圧はDy1の幅に依存して小さくなる。以上の問題を鑑みて、本実施形態ではDy1部とDy2部の空乏化電圧を同等にするために、以下の構造をとる。
図6は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
102、302 素子分離領域
103、303 ゲート電極
104、304 読出し領域
105、305 電荷蓄積領域
106、306 表面領域
107、307 遮光膜
108、308 第一の不純物濃度ピークを有する領域
109、309 第二の不純物濃度ピークを有する領域
110、310 第三の不純物濃度ピークを有する領域
205 電荷蓄積領域の不純物濃度
206 表面領域の不純物濃度
208 第一の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
209、209’ 第二の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
210 第三の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
401 アクティブ領域
402 ゲート電極
403 フォトダイオード領域
404 読出し領域
1001 シャッター
1002 撮影レンズ
1003 絞り
1004 固体撮像装置
1005 信号処理回路
1006 A/D変換器
1007 信号処理部
1008 タイミング発生部
1009 制御部・演算部
1010 メモリ部
1011 インターフェース部
1012 記録媒体
Claims (9)
- 画素内にフォトダイオードを有する固体撮像素子であって、
前記フォトダイオードは第一導伝型の半導体基板に形成された複数の第二導伝型の第1の不純物領域と、第一導伝型の第2の不純物領域とを含んで形成されており、
前記第1の不純物領域は、前記第2の不純物領域の下に配され、且つ、
前記第2の不純物領域に近接する第1の不純物濃度ピークC1を有する不純物領域と、前記第1の不純物濃度ピークよりも前記半導体基板の深い位置に配された第2の不純物濃度ピークC2を有する不純物領域と、前記第1及び前記第2の不純物濃度ピークの間に位置する第3の不純物濃度ピークC3を有する不純物領域と、を有し、
前記第2の不純物領域は不純物濃度ピークC4を有し、
前記第1の不純物濃度ピークC1は3×1015cm−3≦C1≦2×1017cm−3の範囲であり、
前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークC4は、3×10 16 cm −3 ≦C4≦8×10 17 cm −3 の範囲であり、
前記第1の不純物濃度ピークC1と前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークC4は、C1≦C4の関係を満たし、
前記第1の不純物濃度ピークC1と前記第3の不純物濃度ピークC3は、C1≦4×C3の関係を満たし、
前記第3の不純物濃度ピークC3と前記第2の不純物濃度ピークC2は、3×C3≦C2の関係を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第2の不純物領域上に第二導伝型の第3の不純物領域を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の不純物濃度ピークと前記第3の不純物濃度ピークとはC3<C1≦4×C3の関係を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の不純物濃度ピークC1と前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークC4とはC4/4≦C1≦C4あることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の不純物濃度ピークは前記第2の不純物領域の下に配されており、かつ画素内に配されたトランジスタおよび読み出し領域の少なくとも一部の下には配されていないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記第2の不純物領域の不純物濃度ピークの深さ(V1)と、前記第1の不純物濃度ピークの深さ(V2)は、V1<V2<2×V1であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 更に、画素内に転送用トランジスタを有し、前記フォトダイオードの幅の、前記転送用トランジスタのチャネル幅と略平行な方向の長さが少なくとも2つの値、Dy1,Dy2を有し、前記Dy1部はDy2部より前記転送用トランジスタのゲート電極に近く、前記フォトダイオードのリセット時における空乏層の深さ方向の幅をDzとした時に、Dy2>Dy1>Dzの関係であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像素子を複数有することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項8に記載された固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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