(57)【要約】【課題】感度の低下を抑えつつ、占有面積を増大させることなくダイナミックレンジを拡大させることができるフォトダイオードを提供する。【解決手段】フォトダイオードＰＤは、入射光に応じて生成された電荷を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域４３と、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられた第２導電型の第１の半導体領域４４と、第１の半導体領域４４の直下に設けられ第１の半導体領域４４よりも不純物濃度が低い第２導電型の第２の半導体領域４２と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じて生成された電荷を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域の直下に部分的に設けられた第２導電型の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域の直下に設けられ前記第１の半導体領域よりも不純物濃度が低い第２導電型の第２の半導体領域と、
を備えたことを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
前記第２の半導体領域は、前記第１の半導体領域の直下の領域から、前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が直下に設けられていない領域に及ぶように、設けられたことを特徴とする請求項１記載のフォトダイオード。
【請求項３】
前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域に、第１導電型の第３の半導体領域が設けられ、
前記第２の半導体領域が、前記第１の半導体領域の直下の領域から、前記第３の半導体領域の直下の領域に及ぶように設けられたことを特徴とする請求項１記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記第３の半導体領域の不純物濃度は、前記電荷蓄積領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項３記載のフォトダイオード。
【請求項５】
前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域の周囲は、前記第１の半導体領域によって全体的に囲まれたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフォトダイオード。
【請求項６】
前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域の、光入射側から見た所定方向の中心が、前記電荷蓄積領域の前記所定方向の中心と一致したことを特徴とする請求項５記載のフォトダイオード。
【請求項７】
入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部を有する画素を複数備えた固体撮像素子であって、前記光電変換部が請求項１乃至６のいずれかに記載のフォトダイオードであることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード、並びに、これを用いた固体撮像素子及び撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラや電子スチルカメラなどの撮像装置では、ＣＭＯＳ型等のＸＹアドレス型の固体撮像素子やＣＣＤ型の固体撮像素子などが使用されている。このような固体撮像素子では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
そして、前記光電変換部として、入射光に応じて生成された電荷を蓄積するｎ型の電荷蓄積領域、及び、前記電荷蓄積領域の直下に全体的に設けられ比較的不純物濃度の低いｐ型の半導体領域を有するフォトダイオードが、一般的に用いられている（例えば、下記特許文献１の図５）。
【０００４】
前記従来のフォトダイオードでは、フォトダイオード面積が大きいほど、より多くの光電子を蓄積しダイナミックレンジを拡大できるので、画素のレイアウトを決定する上では、フォトダイオード面積を可能な限り大きくすることが重要である。
【０００５】
しかし、高画素化に伴って画素の微細化が進むと、フォトダイオード面積の確保が困難になり、前記従来のフォトダイオードでは、ダイナミックレンジが狭まってしまう。
【０００６】
そこで、ｎ型の電荷蓄積領域と比較的不純物濃度の低いｐ型の半導体領域との間に、比較的不純物濃度の高いｐ型の半導体領域を追加することで、フォトダイオードの構成を、ｎ型の電荷蓄積領域と、この電荷蓄積領域の直下に全体的に設けられ比較的不純物濃度の高いｐ型の半導体領域と、このｐ型の半導体領域の直下に全体的に設けられ比較的不純物濃度の低いｐ型の半導体領域とを備えた構成にすることが、考えられる。
【０００７】
この場合には、ｎ型の電荷蓄積領域の直下に全体的に比較的不純物濃度の高いｐ型の半導体領域が設けられるので、単位面積当たりのＰＮ接合容量が増える。このため、フォトダイオードに電荷を蓄積することができる容量（電荷蓄積容量）は、フォトダイオード面積と単位面積当たりのＰＮ接合容量との積になることから、フォトダイオード面積を大きくすることができなくても、電荷蓄積容量を大きくすることができ、ひいては、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１２２５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、この場合には、半導体内で発生した光電子がフォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積される割合が低下し、感度が下がってしまう。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、感度の低下を抑えつつ、占有面積を増大させることなくダイナミックレンジを拡大させることができるフォトダイオード、並びに、これを用いた固体撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様によるフォトダイオードは、入射光に応じて生成された電荷を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域の直下に部分的に設けられた第２導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の直下に設けられ前記第１の半導体領域よりも不純物濃度が低い第２導電型の第２の半導体領域と、を備えものである。
【００１２】
第２の態様によるフォトダイオードは、前記第１の態様において、前記第２の半導体領域は、前記第１の半導体領域の直下の領域から、前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が直下に設けられていない領域に及ぶように、設けられたものである。
【００１３】
第３の態様によるフォトダイオードは、前記第１の態様において、前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域に、第１導電型の第３の半導体領域が設けられ、前記第２の半導体領域が、前記第１の半導体領域の直下の領域から、前記第３の半導体領域の直下の領域に及ぶように設けられたものである。
【００１４】
第４の態様によるフォトダイオードは、前記第３の態様において、前記第３の半導体領域の不純物濃度は、前記電荷蓄積領域の不純物濃度よりも低いものである。
【００１５】
第５の態様によるフォトダイオードは、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域の周囲は、前記第１の半導体領域によって全体的に囲まれたものである。
【００１６】
第６の態様によるフォトダイオードは、前記第５の態様において、前記電荷蓄積領域の直下の領域のうち前記第１の半導体領域が設けられていない領域の、光入射側から見た所定方向の中心が、前記電荷蓄積領域の前記所定方向の中心と一致したものである。
【００１７】
第７の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部を有する画素を複数備えた固体撮像素子であって、前記光電変換部が前記第１乃至第６のいずれかの態様によるフォトダイオードであるものである。
【００１８】
第８の態様による撮像装置は、前記第７の態様による固体撮像素子を備えたものである。
【００１９】
なお、前記第１導電型はｎ型でもｐ型でもよく、前記第２導電型は前記第１導電型とは逆の導電型である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、感度の低下を抑えつつ、占有面積を増大させることなくダイナミックレンジを拡大させることができるフォトダイオード、並びに、これを用いた固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電子カメラを模式的に示す概略ブロック図である。
【図２】図１中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。
【図３】図２中の画素を示す回路図である。
【図４】図３中のフォトダイオード付近を模式的に示す概略断面図である。
【図５】図４中のＡ−Ａ’矢視図である。
【図６】図４中のＢ１−Ｂ１’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。
【図７】図４中のＣ１−Ｃ１’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。
【図８】第１の比較例による固体撮像素子のフォトダイオード付近を模式的に示す概略断面図である。
【図９】第２の比較例による固体撮像素子のフォトダイオード付近を模式的に示す概略断面図である。
【図１０】第２の実施の形態による固体撮像素子のフォトダイオード付近を模式的に示す概略断面図である。
【図１１】第３の半導体領域の不純物濃度が電荷蓄積領域の不純物濃度よりも高い場合の、図１０中のＢ４−Ｂ４’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。
【図１２】第３の半導体領域の不純物濃度が電荷蓄積領域の不純物濃度よりも低い場合の、図１０中のＢ４−Ｂ４’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明によるフォトダイオード、固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００２３】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ１を模式的に示す概略ブロック図である。
【００２４】
本実施の形態による電子カメラ１は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。
【００２５】
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３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、固体撮像素子４の撮像面が配置される。
【００２６】
固体撮像素子４は、撮像制御部５の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。デジタル信号処理部６は、固体撮像素子４から出力されるデジタルの画像信号に対して、デジタル増幅、色補間処理、ホワイトバランス処理などの画像処理等を行う。メモリ７は、バス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部３、撮像制御部５、ＣＰＵ９、液晶表示パネル等の表示部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。ＣＰＵ９には、レリーズ釦などの操作部１４が接続される。また、記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。
【００２７】
本実施の形態では、操作部１４のレリーズ釦の半押し操作が行われると、電子カメラ１内のＣＰＵ９は、図示しない焦点検出センサからの検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部３に撮影レンズ２を調節させる。また、ＣＰＵ９は、予め操作部１４により指令された絞りとなるように、レンズ制御部３に撮影レンズ２を調節させる。そして、操作部１４のレリーズ釦の全押し操作に同期して、ＣＰＵ９が撮像制御部５を介して固体撮像素子４を制御することによって、固体撮像素子４からデジタルの画像信号が読み出される。この画像信号は、デジタル信号処理部６により処理された後に、メモリ７に一旦格納される。その後、ＣＰＵ９は、操作部１４の指令に基づき、メモリ７内の画像信号に対して必要に応じて画像処理部１３や画像圧縮部１２にて所望の処理を行い、記録部１１に処理後の信号を出力させ記録媒体１１ａに記録する。
【００２８】
図２は、図１中の固体撮像素子４の概略構成を示す回路図である。本実施の形態では、固体撮像素子４は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子として構成されているが、他のＸＹアドレス型固体撮像素子や、ＣＣＤ型の固体撮像素子として構成してもよい。
【００２９】
固体撮像素子４は、図２に示すように、ｎ行ｍ列に２次元マトリクス状に配置された画素ＰＸからなる画素部２１と、垂直走査回路２３と、画素ＰＸの行毎に設けられた制御線２４〜２６と、画素ＰＸの列毎に設けられ対応する列の画素ＰＸからの信号を受け取る複数の（ｍ本の）垂直信号線２７と、各垂直信号線２７に設けられた定電流源２８と、各垂直信号線２７に対応して設けられたＣＤＳ回路（相関２重サンプリング回路）２９及びＡ／Ｄ変換器３０と、水平読み出し回路３１とを有している。
【００３０】
図３は、図２中の１つの画素ＰＸを示す回路図である。各画素ＰＸは、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様に、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰ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に電荷を転送する転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットトランジスタＲＥＳと、読み出し行を選択するための選択トランジスタＳＥＬとを有し、図３に示すように接続されている。図３において、ＶＤＤは電源電位である。なお、本実施の形態では、画素ＰＸのトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。
【００３１】
転送トランジスタＴＸのゲートは行毎に制御線２５に共通に接続され、そこには、転送トランジスタＴＸを制御する制御信号φＴＸが垂直走査回路２３から供給される。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは行毎に制御線２４に共通に接続され、そこには、リセットトランジスタＲＥＳを制御する制御信号φＲＥＳが垂直走査回路２３から供給される。選択トランジスタＳＥＬのゲートは行毎に制御線２６に共通に接続され、そこには、選択トランジスタＳＥＬを制御する制御信号φＳＥＬが垂直走査回路２３から供給される。各制御信号φＴＸを行毎に区別する場合、ｊ行目の制御信号φＴＸは符号φＴＸ（ｊ）で示す。この点は、制御信号φＲＥＳ，φＳＥＬについても同様である。
【００３２】
各画素ＰＸのフォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、制御信号φＴＸのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、制御信号φＲＥＳのハイレベル期間（電源電位ＶＤＤの期間）にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。
【００３３】
増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電位ＶＤＤに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源２８（図３では図示せず、図２を参照）を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線２７に読み出し信号を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、制御信号φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線２７に接続する。
【００３４】
垂直走査回路２３は、図１中の撮像制御部５からの制御信号を受けて、画素ＰＸの行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ出力し、画素部２１の画素ＰＸを制御し、静止画読み出し動作などを実現する。この制御によって、各垂直信号線２７には、それに対応する列の画素ＰＸの信号（アナログ信号）が供給される。その具体的な動作については公知であるため、ここではその説明は省略する。
【００３５】
なお、画素ＰＸの構成は、前述した図３に示す構成に限らない。例えば、列方向に隣り合う複数の画素ＰＸ毎に、当該複数の画素ＰＸが１組のフローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬを共有してもよい。
【００３６】
画素ＰＸから垂直信号線２７に読み出された信号は、各列毎に、ＣＤＳ回路２９にて所定のノイズ除去処理が施された後に、Ａ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はＡ／Ｄ変換器３０に保持される。各Ａ／Ｄ変換器３０に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路３１によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。なお、固体撮像素子４は必ずしもＡ／Ｄ変換器３０を含む必要はなく、水平読み出し回路３１からアナログ画像信号が出力されるように構成してもよい。
【００３７】
図４は、図３中のフォトダイオードＰＤ付近を模式的に示す概略断面図である。図５は、図４中のＡ−Ａ’矢視図である。
【００３８】
本実施の形態では、フォトダイオードＰＤは、ｎ型のシリコン基板４１上に形成されたｐ型ウエル４２に、入射光に応じて生成された電荷（本実施の形態では、電子）を蓄積するｎ型の電荷蓄積領域４３、ｐ型の第１の半導体領域４４及びｐ型層からなる空乏化防止層４５が形成されることによって、構成されている。本実施の形態では、表面に空乏化防止層４５が設けられることによって、フォトダイオードＰＤは埋め込みフォトダイオードとなっているが、本発明では、空乏化防止層４５は必ずしも形成する必要はない。なお、図４中、４６は絶縁膜、４７は転送トランジスタＴＸを構成するポリシリコンからなるゲート電極である。
【００３９】
ｐ型の第１の半導体領域４４の不純物濃度は、ｐ型ウエルの不純物濃度よりも高い。第１の半導体領域４４は、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられている。
【００４０】
本実施の形態では、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち電荷蓄積領域４３の中央部の直下の領域には第１の半導体領域４４が形成されず、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうちの他の領域に第１の半導体領域４４が形成され、第１の半導体領域４４はその中央部に開口部４４ａを有している。これにより、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が設けられていない領域（開口部４４ａの領域）の周囲は、第１の半導体領域４４によって全体的に囲まれ、しかも、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が設けられていない領域（開口部４４ａの領域）の、光入射側（図４中の上側）から見た所定方向（いずれか１つの方向でもよいが、本実施の形態では全方向）の中心が、電荷蓄積領域４３の前記所定方向の中心と一致している。もっとも、本発明では、第１の半導体領域４４は、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設ければよく、例えば、電荷蓄積領域４３の一部の周辺部付近の直下の領域に第１の半導体領域４４を設けずに、電荷蓄積領域の直下の他の領域に第１の半導体領域４４を設けてもよい。なお、本実施の形態では、電荷蓄積領域４３の平面視の形状は、図５に示すように正方形状となっているが、レイアウトの都合等に応じて適宜凹凸した形状でもよい。
【００４１】
そして、本実施の形態では、図４に示すように、ｐ型ウエル４２が、元のｐ型の不純物濃度（第１の半導体領域４４の不純物濃度のよりも低い不純物濃度）のままで、第１の半導体領域４４の直下の領域に存在するとともに、第１の半導体領域４４の直下の領域から、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が設けられていない領域（本実施の形態では、開口部４４ａの領域）に及んでいる。
【００４２】
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、フォトダイオードＰＤは、ｎ型の電荷蓄積領域４３と、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられたｐ型の第１の半導体領域４４と、第１の半導体領域４４の直下に設けられ第１の半導体領域４４よりも不純物濃度が低い第２の半導体領域（ｐ型ウエル４２の一部の領域）とを備えている。そして、前記第２の半導体領域（ｐ型ウエル４２の一部の領域）は、第１の半導体領域４４の直下の領域から、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が直下に設けられていない領域に及ぶように、設けられている。
【００４３】
本実施の形態では、比較的不純物濃度の高い第１の半導体領域４４が、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられている。したがって、第１の半導体領域４４が設けられていない開口部４４ａの所では単位面積当たりのＰＮ接合容量が増えない。しかし、第１の半導体領域４４が設けられている所では単位面積当たりのＰＮ接合容量が増える。このため、本実施の形態によれば、フォトダイオードＰＤ全体として、単位面積当たりのＰＮ接合容量が増えるので、フォトダイオード面積を大きくすることができなくても、電荷蓄積容量を大きくすることができ、ひいては、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、比較的不純物濃度の高い第１の半導体領域４４が、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられている。したがって、第１の半導体領域４４が設けられている所では、第１の半導体領域４４とシリコン基板４１との間のｐ型ウエルの領域で発生する光電子に対して第１の半導体領域４４が図６に示すようにポテンシャルの壁となってしまい、半導体内で発生した光電子がフォトダイオードの電荷蓄積領域４３に蓄積される割合が低下し、感度が下がってしまう。しかし、第１の半導体領域４４が設けられていない開口部４４ａの所では、図７に示すようにそのようなポテンシャルの壁が存在しないので、半導体内で発生した光電子がフォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積される割合が低下せず、感度は下がらない。また、開口部４４ａの下のｐ型ウエル内で発生した電子のみならず、第１の半導体領域４４の下のｐ型ウエル内で発生した電子も、ある程度、開口部４４ａを通って電荷蓄積領域４３に蓄積され得る。このため、本実施の形態によれば、フォトダイオードＰＤ全体として、半導体内で発生した光電子がフォトダイオードの電荷蓄積領域に蓄積される割合の低下が抑えられ、感度の低下が抑えられる。なお、図６は、図４中のＢ１−Ｂ１’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。図７は、図４中のＣ１−Ｃ１’線に沿った各深さ位置の電位を示す図である。
【００４５】
したがって、本実施の形態によれば、フォトダイオードＰＤの感度の低下を抑えつつ、フォトダイオードＰＤの占有面積を増大させることなくフォトダイオードＰＤのダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００４６】
図８は、本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤと比較される第１の比較例による固体撮像素子のフォトダイオードＰＤ１０１付近を模式的に示す概略断面図であり、図４に対応している。図９は、本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤと比較される第２の比較例による固体撮像素子のフォトダイオードＰＤ１０２付近を模式的に示す概略断面図であり、図４に対応している。図８及び図９において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００４７】
図８に示す第１の比較例では、比較的不純物濃度の高い第１の半導体領域４４が形成されず、図４中の第１の半導体領域４４の領域にも、ｐ型ウエル４２が、元のｐ型の不純物濃度（第１の半導体領域４４の不純物濃度のよりも低い不純物濃度）のままで存在している。図８中のＢ２−Ｂ２’線に沿った各深さ位置の電位を示す図、及び、図８中のＣ２−Ｃ２’線に沿った各深さ位置の電位を示す図は、図６と同じである。この第１の比較例では、本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤに比べると、感度は比較的高いものの、電荷蓄積容量が大きく低下してしまい、ダイナミックレンジが著しく狭まってしまう。
【００４８】
図９に示す第２の比較例では、比較的不純物濃度の高い第１の半導体領域４４が電荷蓄積領域４３の直下に全体的に設けられている。図９中のＢ３−Ｂ３’線に沿った各深さ位置の電位を示す図、及び、図９中のＣ３−Ｃ３’線に沿った各深さ位置の電位を示す図は、図７と同じである。この第２の比較例では、本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤに比べると、ダイナミックレンジは比較的広いものの、半導体内で発生した光電子がフォトダイオードの電荷蓄積領域４３に蓄積される割合が低下し、感度が大きく低下してしまう。なぜならば、発生した光電子のうち、電荷蓄積領域４３の下方の前記比較的不純物濃度の低いｐ型の半導体領域４２で発生する光電子に対して、電荷蓄積領域４３の直下の前記比較的不純物濃度の高いｐ型の半導体領域４４がポテンシャルの壁となるため、当該光電子が電荷蓄積領域４３に蓄積されなくなる割合が高まるからである。
【００４９】
これに対して、本実施の形態によれば、比較的不純物濃度の高い第１の半導体領域４４が、電荷蓄積領域４３の直下に部分的に設けられているので、ダイナミックレンジと感度の両立を図ることができ。したがって、本実施の形態によれば、前述したように、フォトダイオードＰＤの感度の低下を抑えつつ、フォトダイオードＰＤの占有面積を増大させることなくフォトダイオードＰＤのダイナミックレンジを拡大させることができるのである。
【００５０】
また、本実施の形態では、前述したように、光入射側から見た第１の半導体領域４４の開口部４４ａの中心が、電荷蓄積領域４３の中心と一致している。したがって、フォトダイオードＰＤに光が斜めに入射し、その入射光の斜めの向きが異なってもフォトダイオードＰＤの感度のばらつきが小さくなるので、好ましい。開口部４４ａの中心が電荷蓄積領域４３の中心と一致してしていなくても、第１の半導体領域４４に開口部４４ａが形成され、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が設けられていない領域（開口部４４ａの領域）の周囲が第１の半導体領域４４によって全体的に囲まれているので、斜め入射光の斜めの向きが異なってもフォトダイオードＰＤの感度のばらつきがある程度小さくなる。もっとも、本発明では、電荷蓄積領域４３の直下の領域のうち第１の半導体領域４４が設けられていない領域を、電荷蓄積領域４３の一部周辺部付近の直下の領域にしてもよい。
【００５１】
なお、フォトダイオードＰＤは、ｎ型のシリコン基板４１及びｐ型ウエル４２の代えてｐ型のシリコン基板を用い、このｐ型のシリコン基板に、ｎ型の電荷蓄積領域４３、ｐ型の第１の半導体領域４４及びｐ型層からなる空乏化防止層４５を形成することによって、構成してもよい。また、第１の半導体領域４４の開口部４４ａの数は１つに限らず、２つ以上としてもよい。これらの点は、後述する実施の形態についても同様である。
【００５２】
［第２の実施の形態］
図１０は、第２の実施の形態による固体撮像素子のフォトダイオードＰＤ’付近を模式的に示す概略断面図であり、図４に対応している。図１０において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００５３】
本実施の形態による固体撮像素子が前記第１の実施の形態における固体撮像素子４と異なる所は、フォトダイオードＰＤに代えてフォトダイオードＰＤ’が用いられている点のみである。本実施の形態による固体撮像素子は、前記第１の実施の形態において、固体撮像素子４に代えて用いることができる。
【００５４】
本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤ’が前記第１の実施の形態におけるフォトダイオードＰＤと異なる所は、ｎ型の電荷蓄積領域４３の開口部４４ａの領域に、ｎ型の第３の半導体領域４８を設けた点のみである。これにより、第１の半導体領域４４の直下に設けられ第１の半導体領域４４よりも不純物濃度が低い第２の半導体領域（ｐ型ウエル４２の一部の領域）は、第１の半導体領域４４の直下の領域から、第３の半導体領域４８の直下の領域に及ぶように設けられていることになる。
【００５５】
図１１は、第３の半導体領域４８の不純物濃度が電荷蓄積領域４３の不純物濃度よりも高い場合の、図１０中のＢ４−Ｂ４’線に沿った各深さ位置の電位を示す図であり、図６に対応している。図１２は、第３の半導体領域４８の不純物濃度が電荷蓄積領域４３の不純物濃度よりも低い場合の、図１０中のＢ４−Ｂ４’線に沿った各深さ位置の電位を示す図であり、図６に対応している。図１０中のＣ４−Ｃ４’線に沿った各深さ位置の電位を示す図は、図７と同じである。
【００５６】
本実施の形態におけるフォトダイオードＰＤ’によっても、前記第１の実施の形態におけるフォトダイオードＰＤと同様の利点が得られる。
【００５７】
また、図１１及び図１２と図６との比較から理解できるように、フォトダイオードＰＤ’では、ｎ型の第３の半導体領域４８により、電荷蓄積領域４３によるポテンシャルの井戸がより深くまで形成される。したがって、フォトダイオードＰＤ’では、より深くの位置において発生した電子を電荷蓄積領域４３に取り込むことが可能となるという利点も得ることができる。
【００５８】
図１１と図１２との比較から理解できるように、第３の半導体領域４８の不純物濃度が電荷蓄積領域４３の不純物濃度よりも高い場合には、電荷蓄積領域４３に蓄積された電子を転送トランジスタＴＸによりフローティングディフュージョンＦＤ転送する際に、電荷蓄積領域４３に電子が留まって残り易い一方で、第３の半導体領域４８の不純物濃度が電荷蓄積領域４３の不純物濃度よりも低い場合には、電荷蓄積領域４３に蓄積された電子を転送トランジスタＴＸによりフローティングディフュージョンＦＤ転送する際に、電荷蓄積領域４３に電子が残り難い。したがって、第３の半導体領域４８の不純物濃度を、電荷蓄積領域４３の不純物濃度よりも低くすることが好ましい。
【００５９】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。例えば、前記各実施の形態において、ｎ型とｐ型とを逆にしてもよい。また、本発明によるフォトダイオードは、固体撮像素子の画素に限らず、カメラのＡＦセンサなど種々の用途で用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  電子カメラ
４  固体撮像素子
４２  ｐ型ウエル
４３  電荷蓄積領域
４４  第１の半導体領域
４８  第３の半導体領域
ＰＸ  画素
ＰＤ，ＰＤ’  フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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