JP4857816B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
フォトダイオードの面積が減少することにより、フォトダイオードの光電変換部に到達する光量も減少するため、感度が低下することになる。
また、シリコン基板の表面付近で生じた正電荷へのピニングを強化するため、シリコン基板の表面にp型の半導体領域を設けることも行われている。
この境界面のpn接合によって、微小なリーク電流が発生することがあり、このリーク電流がノイズの原因になっていた。
また、トランジスタ部を含むアクティブ領域のセンサ部側には、第1の第1導電型の半導体領域よりも濃度の薄い、第2の第1導電型の半導体領域が形成されていることにより、トランジスタ部の動作に支障を及ぼさないようにすることができる。
ノイズを低減することができることから、特に、低照度時の画質を改善することができる。また、多画素化に伴い信号量が少なくなっても、充分にS/Nを確保することが可能になる。
この固体撮像素子は、光電変換がなされるセンサ部を構成するフォトダイオードPDと、複数のMOSトランジスタとで単位画素2(2A,2B,2C,2D)を形成しており、複数の単位画素2がマトリクス状に配置されて画素領域1が構成されている。MOSトランジスタでは、フォトダイオードPDで光電変換して得られた信号電荷や、信号電荷による信号が、取り扱われる。
単位画素2は、この場合、1つのフォトダイオードPDと、3つのMOSトランジスタ即ち、読み出しトランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3から成るトランジスタ部とを有して構成されている。
読み出しトランジスタTr1は、フォトダイオードPDの電荷蓄積領域と、フローティングディフュージョン(FD)となるソース・ドレイン領域4と、基板上にゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極5とにより構成される。
リセットトランジスタTr2は、一対のソース・ドレイン領域4,6と、基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極7とにより構成される。
増幅トランジスタTr3は、一対のソース・ドレイン領域6,8と、基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極9とにより構成される。
水平方向Hに配列された各画素2のリセットトランジスタTr2において、増幅トランジスタTr3と共用する一方のソース・ドレイン領域6に、電源電圧Vddを供給する電源線11が接続されている。
また、フローティングディフュージョン(FD)4と、増幅トランジスタTr3のゲート電極9とは、上層の配線12を介して電気的に接続されている。
図2に示すように、光電変換がなされる複数のフォトダイオードPDと複数のMOSトランジスタとからなる画素2を二次元状に配列して成る画素形成領域、並びに画素選択と信号出力のための周辺回路15,16とを備えている。
画素形成領域においては、各画素2が、フォトダイオードPDと、前述した3個のMOSトランジスタTr1,Tr2,Tr3とにより構成されている。
また、周辺回路としては、画素選択のための回路15と出力回路16とを備え、これらの回路15,16がCMOSトランジスタを用いて構成されている。
なお、図中13はリセット線を示し、14は読み出し線を示す。
図3に示すように、第1導電型、例えばn型のシリコン半導体基板21に、第2導電型の例えばp型の半導体ウェル領域22が形成され、このp型半導体ウェル領域22に光電変換部となるフォトダイオードPDとMOSトランジスタとから成る画素が形成されている。
シリコン半導体基板21の表面には絶縁膜25が形成されている。図1に示した転送ゲート電極5・リセットゲート電極7・ゲート電極9は、図3では表示されていないが、この絶縁膜25上に形成されたゲート電極により構成される。
正電荷蓄積層24は、例えば、5×1017cm−3以上の、充分に高濃度のp型拡散層で形成される。
電荷蓄積領域23は、例えば、ドーズ量が1012〜1013cm−2程度のn型不純物のイオン注入で形成される。
絶縁膜25の上方には、絶縁層28を介して、例えば金属から成る配線層29が形成されている。この図3では、2層の配線層29が形成されている。配線層29は、フォトダイオードPDに光が入射するように、フォトダイオードPDの部分に開口を有している。
フォトダイオードPDのn型電荷蓄積領域23及び正電荷蓄積領域24は、分離絶縁膜27の下にわたっており、分離拡散層26と接する位置まで形成されている。
図5に示すように、アクティブ領域30のパターニング用の第1のマスクM1と、ゲート電極5,7,9のパターニング用の第2のマスクM2と、n+の半導体領域のイオン注入用の第3のマスクM3とにおいて、破線で示す第3のマスクM3が第1のマスクM1とほぼ同じ幅となっている。
図11及び図12に示すように、アクティブ領域30の端縁よりも、ソース・ドレイン領域4,6,8を構成する不純物領域の端縁が外側にあり、不純物領域が素子分離領域3の分離絶縁膜27の下にまでわたって形成されている。
図13に示すように、アクティブ領域のパターニング用の第1のマスクM1と、ゲート電極5,7,9のパターニング用の第2のマスクM2と、n+の半導体領域のイオン注入用の第3のマスクM3とにおいて、破線で示す第3のマスクM3が第1のマスクM1よりも広い幅となっている。
これにより、リーク電流によるランダムノイズを低減することができる。
また、多画素化に伴って信号量が少なくなっても、充分にS/Nを確保することが可能になることから、固体撮像素子の多画素化や小型化を図ることが可能になる。
図8に示すように、アクティブ領域30のパターニング用の第1のマスクM1と、ゲート電極5,7,9のパターニング用の第2のマスクM2と、n+の半導体領域のイオン注入用の第3のマスクM3とにおいて、破線で示す第3のマスクM3が第1のマスクM1よりも狭い幅となっている。
これにより、リーク電流によるランダムノイズを低減することができる。
また、本実施の形態では、先の実施の形態よりもさらにn+の半導体領域4,6,8の面積及び周辺長を低減することができるため、pn接合に起因するリーク電流の発生をさらに低減することができる。
また、多画素化に伴って信号量が少なくなっても、充分にS/Nを確保することが可能になることから、固体撮像素子の多画素化や小型化を図ることが可能になる。
従って、上述した各実施の形態の構成(アクティブ領域の端縁との位置関係を規定する構成)と、このようにn+の半導体領域のn型不純物の濃度を低減することとを組み合わせても良い。
コンタクト4Xは、上層の配線層29と、シリコン半導体基板21のn+の半導体領域31とを、導電層により電気的に接続している。
まず、n型の半導体領域32を形成するイオン注入を、ソース・ドレイン領域4全体に行う。
その後、マスクを変えて、コンタクト部4Xを含む部分に、n+の半導体領域31を形成するイオン注入を行う。これにより、イオン注入した領域は、n型の半導体領域32からn+の半導体領域31に変わる。
このように形成することにより、マスクの位置がずれても、n+の半導体領域31及びn型の半導体領域32の境界部分において、これらの領域の間にn型不純物のイオン注入がなされない部分が発生しない。
一方、コンタクト4X付近の部分よりもフォトダイオードPD側は、アクティブ領域30内が比較的濃度の薄い(比較的低濃度の)n型の半導体領域32となっている。
このように構成されているので、n+の半導体領域31と、素子分離領域3のp型の分離拡散層26やp型の半導体ウェル領域22とによって形成される、pn接合の周辺長及び面積が、図11〜図13に示した従来構成よりも小さくなる。
これにより、ソース・ドレイン領域4において、pn接合によるリーク電流を低減することができ、リーク電流によるランダムノイズを低減することができる。
また、多画素化に伴って信号量が少なくなっても、充分にS/Nを確保することが可能になることから、固体撮像素子の多画素化や小型化を図ることが可能になる。
Claims (3)
- 光電変換がなされるセンサ部と、前記センサ部で光電変換して得られた信号電荷又は前記信号電荷により得られる信号を取り扱うトランジスタ部とを、各単位画素に備え、
前記トランジスタ部に形成された第1の第1導電型の半導体領域は、前記センサ部に形成された第1導電型の半導体領域と比較して濃い濃度であり、
前記トランジスタ部に形成された前記第1の第1導電型の半導体領域は、前記トランジスタ部の半導体領域と上層配線とのコンタクト部を含んで、前記コンタクト部から前記センサ部とは反対側に形成され、
前記トランジスタ部を含むアクティブ領域の前記コンタクト部よりも前記センサ部側には、前記第1の第1導電型の半導体領域よりも濃度の薄い、第2の第1導電型の半導体領域が形成されている
固体撮像素子。 - 前記トランジスタ部に形成された前記第1の第1導電型の半導体領域の端縁が、前記トランジスタ部を含むアクティブ領域の端縁付近にある請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記トランジスタ部に形成された前記第1の第1導電型の半導体領域の端縁が、前記トランジスタ部を含むアクティブ領域の端縁よりも内側にある請求項1に記載の固体撮像素子。
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