(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置であって、
前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、
前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、
前記第１半導体領域から前記第２半導体領域への空乏領域の広がりによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、
前記第２半導体領域のうち最後に空乏化される最終空乏化部分が、前記第１半導体領域のうち前記最終空乏化部分の側方に位置する部分から前記最終空乏化部分への空乏領域の広がりによって空乏化される、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置であって、
前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、
前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、
前記複数の部分のそれぞれにおいて、前記半導体基板の深さ方向に沿った不純物濃度の積分をＮ１、前記複数の部分が並ぶ方向に沿った最大濃度部分を通る経路の不純物濃度の積分をＮ２としたときに、Ｎ１＞Ｎ２の関係を満たす
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の部分は、互いに電気的に分離されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の部分にそれぞれ対応するように第２導電型の複数の第３半導体領域が前記半導体基板の中に形成され、
各部分からそれに対応する第３半導体領域に電荷を転送するためのチャネルを形成するように、前記複数の部分に対して共通の転送ゲートが前記半導体基板の上に配置されている、
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装置。
【請求項５】
前記複数の部分に対して共通の第２導電型の第３半導体領域が前記半導体基板の中に形成され、
前記複数の部分から前記第３半導体領域に電荷を転送するためのチャネルを形成するように、前記複数の部分に対して共通の転送ゲートが前記半導体基板の上に配置されている、
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装置。
【請求項６】
前記複数の部分に対して共通の第２導電型の第３半導体領域が前記半導体基板の中に形成され、
前記複数の部分のそれぞれから前記第３半導体領域に電荷を転送するためのチャネルを形成するように、複数の転送ゲートが前記半導体基板の上に配置されている、
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装置。
【請求項７】
前記第２半導体領域は、前記複数の部分を相互に連結する連結部を更に含む、
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装置。
【請求項８】
第２導電型の第３半導体領域が前記半導体基板の中に形成され、前記第２半導体領域から前記第３半導体領域に電荷を転送するためのチャネルを形成する転送ゲートが前記半導体基板の上に配置され、
前記第２半導体領域は、前記転送ゲートと前記複数の部分との間に前記連結部が配置されるように構成されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１半導体領域は、前記複数の部分の全体の周囲を取り囲むように配置された第１部分と、前記複数の部分の間に配置された第２部分とを含み、前記第１半導体領域の前記第２部分の不純物濃度は、前記第１半導体領域の前記第１部分の不純物領域よりも低い、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２半導体領域は、前記複数の部分として第１部分、第２部分および第３部分を含み、前記第２半導体領域の前記第１部分と前記第２半導体領域の前記第３部分との間に前記第２半導体領域の前記第２部分が配置され、前記第２半導体領域の前記第１部分、前記第２半導体領域の前記第２部分および前記第２半導体領域の前記第３部分が並んだ方向における前記第２半導体領域の前記第１部分および前記第２半導体領域の前記第３部分の幅が前記第２半導体領域の前記第２部分の幅より大きい、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１半導体領域の側面を取り囲む第１導電型の半導体領域が前記半導体基板の中に形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記複数の部分の間隔は、０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内であり、
前記複数の部分が並んだ方向に沿った、前記複数の部分の全体の長さは２．０μｍ〜７．０μｍの範囲である、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置であって、
前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、
前記複数の部分の間に、前記第１半導体領域の部分が存在し、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に所定の大きさの逆バイアス電圧が印加されることにより、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域へ空乏領域が広がり、これによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、
前記第２半導体領域のうち最後に空乏化される最終空乏化部分が、前記第１半導体領域のうち前記最終空乏化部分の側方に位置する部分から前記最終空乏化部分への空乏領域の広がりによって空乏化され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に前記逆バイアス電圧が印加されることにより、前記第２半導体領域から前記第１半導体領域の前記部分へ空乏領域が広がり、これによって前記第１半導体領域の前記部分の全体が空乏化される、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１４】
半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置であって、
前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、
前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、
前記第１半導体領域から前記第２半導体領域への空乏領域の広がりによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、
前記複数の部分の間隔は、０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内である、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１５】
前記第２半導体領域のうち最後に空乏化される最終空乏化部分が、前記第１半導体領域のうち前記最終空乏化部分の側方に位置する部分から前記最終空乏化部分への空乏領域の広がりによって空乏化される、
ことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記複数の部分が並んだ方向に沿った、前記複数の部分の全体の長さは２．０μｍ〜７．０μｍの範囲である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、を含む、
ことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびそれを含むカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置では、多画素化に伴って画素サイズが小さくなり、これによる飽和電荷数の低下が問題になっている。特許文献１には、飽和電荷量を増加させた固体撮像装置が記載されている。特許文献１に記載された固体撮像装置は、半導体基板の中に積層して配置された複数のフォトダイオードと、該複数のフォトダイオードから電荷を読み出すために該半導体基板の中に配置された縦型トランジスタとを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2010-114275号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された固体撮像装置は、複数のフォトダイオードおよび縦型トランジスタが半導体基板の中に形成された複雑な構造を有するので、製造のための工程数が多く、また製造のためのプロセス制御が困難である。
【０００５】
本発明は、製造が容易で飽和電荷数を増加させるために有利な構成を有する固体撮像装置およびそれを含むカメラ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】
【０００６】
本発明の第１の側面は、半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置に係り、前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域への空乏領域の広がりによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、前記第２半導体領域のうち最後に空乏化される最終空乏化部分が、前記第１半導体領域のうち前記最終空乏化部分の側方に位置する部分から前記最終空乏化部分への空乏領域の広がりによって空乏化される。
【０００７】
本発明の第２の側面は、半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置に係り、前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、前記複数の部分のそれぞれにおいて、前記半導体基板の深さ方向に沿った不純物濃度の積分をＮ１、前記複数の部分が並ぶ方向に沿った最大濃度部分を通る経路の不純物濃度の積分をＮ２としたときに、Ｎ１＞Ｎ２の関係を満たす。
本発明の第３の側面は、半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置に係り、前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、前記複数の部分の間に、前記第１半導体領域の部分が存在し、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に所定の大きさの逆バイアス電圧が印加されることにより、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域へ空乏領域が広がり、これによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、前記第２半導体領域のうち最後に空乏化される最終空乏化部分が、前記第１半導体領域のうち前記最終空乏化部分の側方に位置する部分から前記最終空乏化部分への空乏領域の広がりによって空乏化され、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に前記逆バイアス電圧が印加されることにより、前記第２半導体領域から前記第１半導体領域の前記部分へ空乏領域が広がり、これによって前記第１半導体領域の前記部分の全体が空乏化される。
本発明の第４の側面は、半導体基板の中に配置された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され電荷蓄積領域を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に対して光を集光するレンズとを有する固体撮像装置に係り、前記第２半導体領域は、前記半導体基板の表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分を含み、前記複数の部分の間に、前記電荷蓄積領域に蓄積される電荷に対するポテンシャルバリアが形成され、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域への空乏領域の広がりによって前記第２半導体領域の全体が空乏化され、前記複数の部分の間隔は、０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、製造が容易で飽和電荷数を増加させるために有利な構成を有する固体撮像装置およびそれを含むカメラが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す平面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面におけるキャリア濃度プロファイルおよびポテンシャルプロファイルを例示する図。
【図４】図１のＣ−Ｃ’断面におけるキャリア濃度プロファイルおよびポテンシャルプロファイルを例示する図。
【図５】比較例を示す図。
【図６】図５のＤ−Ｄ’断面におけるキャリア濃度プロファイルおよびポテンシャルプロファイルを例示する図。
【図７】本発明の第２実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す断面図。
【図８】本発明の第３実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す平面図。
【図９】本発明の第４実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す平面図。
【図１０】本発明の第５実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す断面図。
【図１１】本発明の第６実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す断面図。
【図１２】本発明の第７実施形態の固体撮像装置の１つの画素の構造を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下ではより具体的な例を提供するために、第１導電型がＰ型、第２導電型がＮ型である例を説明するが、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型に変更することもできる。
[第１実施形態]
図１、図２は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す断面図、平面図である。ここで、図１は、図２におけるＡ−Ａ’線の断面図である。固体撮像装置１００は、半導体基板ＳＢを有する。半導体基板ＳＢは、例えば、第２導電型（Ｎ型）の半導体領域１０１と、半導体領域１０１の上に配置された第１導電型（Ｐ型）の半導体領域（ウエル領域）１０２とを含みうる。第１導電型（Ｐ型）の第１半導体領域１０２の中には、電荷蓄積領域を構成する第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３が配置されている。第２半導体領域１０３の表面側には、第１導電型（Ｐ型）の半導体領域１０４が配されうる。半導体基板ＳＢの上には、第２半導体領域１０３に対して光を集光するレンズ１２２が配置されうる。第２半導体領域１０３は、半導体基板ＳＢの表面に沿った方向に並んで配置された複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂを含む。第１導電型（Ｐ型）の第１半導体領域１０２と第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３とによって光電変換素子としてのフォトダイオードが構成されうる。フォトダイオードは、第２半導体領域１０３の上に配置された第１導電型（Ｐ型）の半導体領域１０４を更に含んでもよい。各画素は、ＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon)分離やＳＴＩ（ShallowTrench Isolation）などの素子分離１０５によって他の画素から分離されうる。複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂの間にポテンシャルバリアが形成される。第１実施形態では、ポテンシャルバリアによって、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂは、互いに電気的に分離されうる。ポテンシャルバリアは、電荷蓄積領域で蓄積される信号電荷に対するポテンシャルが、電荷蓄積領域より高くなっている領域である。例えば、信号電荷が電子の場合には、電子に対するポテンシャルが第２半導体領域１０３より高い領域である。このポテンシャルバリアは、第１導電型の半導体領域で構成されうる。あるいは、ポテンシャルバリアがＳＴＩ、ＬＯＣＯＳ分離、メサ型分離などの絶縁体分離部を含んで構成されてもよい。なお、信号電荷がホールの場合には、ホールに対するポテンシャルが電荷蓄積領域より高い領域である。
【００１１】
第１導電型（Ｐ型）の第１半導体領域１０２のうち第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）に隣接する部分には、空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂが形成される。第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）には、空乏領域１０７Ａ、１０７Ｂが形成される。空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂ、１０７Ａ、１０７Ｂは、第１半導体領域１０２と第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）との間に印加されるリセット電圧（逆バイアス電圧）が大きくなるほど大きくなる。このリセット電圧の大きさは、第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）の全体が空乏化されるように、即ち空乏化されていない中性領域１０８Ａ、１０８Ｂがなくなるように設定される。
【００１２】
第１半導体領域１０２と第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）との間にリセット電圧が印加されると、第１半導体領域１０２から第２半導体領域１０３への空乏領域の広がりによって第２半導体領域１０３の全体が空乏化される。第２半導体領域１０３の全体を空乏化させることは、飽和電荷量の向上に寄与する。
【００１３】
第１半導体領域１０２から第２半導体領域１０３への空乏領域の広がりは、水平方向（半導体基板ＳＢの表面に平行な方向）における広がりと、垂直方向（半導体基板ＳＢの表面に垂直な方向）における広がりとに分けて考えることができる。ここで、第２半導体領域１０３のうち最後に空乏化される部分を最終空乏化部分として定義する。最終空乏化部分は、第１半導体領域１０２のうち当該最終空乏化部分の側方（水平方向）に位置する部分から当該最終空乏化への空乏領域の広がり（即ち、水平方向における広がり）によって空乏化される。最終空乏化部分が第１半導体領域１０２のうち当該最終空乏化部分の側方に位置する部分からの空乏領域の水平方向の広がりによって空乏化される構成は、第２半導体領域１０３を複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割することによって得られる。第２半導体領域１０３を複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割するためには、第２半導体領域１０３を形成するためのイオン注入マスクによって部分１０３Ａ、１０３Ｂを規定するだけでよく、極めて単純な工程で実現することができる。
【００１４】
固体撮像装置１００は、半導体基板１０１の第１半導体領域１０２の中に形成された第２導電型（Ｎ型）の第３半導体領域１２１を更に備えている。第３半導体領域１２１は、フローティングディフュージョン（電荷電圧変換部）を構成する。固体撮像装置１００はまた、第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）から第３半導体領域１２１に電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２の中に形成する転送ゲート１２０を半導体基板ＳＢの上に有する。
【００１５】
図３は、図１のＢ−Ｂ’断面におけるキャリア濃度プロファイル（不純物濃度プロファイル）およびポテンシャルプロファイルを例示的に示している。図４は、図１のＣ−Ｃ’断面におけるキャリア濃度プロファイル（不純物濃度プロファイル）およびポテンシャルプロファイルを例示的に示している。本明細書において、ポテンシャルプロファイルを示す図の縦軸は正のポテンシャルを示す。つまり縦軸の値が大きいほど、電子にとっては低いポテンシャルであり、ホールにとっては高いポテンシャルである。ここで、Ｃ−Ｃ’線は、第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ）における最大キャリア濃度を有する部分を通り、かつ、半導体基板ＳＢの表面に平行に通る線である。図３および図４において、網掛けが付された部分は、空乏化された領域を示している。図３において、垂直方向（半導体基板ＳＢの表面に垂直な方向）への空乏領域の広がりによって第２半導体領域１０３Ａの中性領域１０８Ａの全体を空乏化させるためのポテンシャル（点線で示されるポテンシャル）は、空乏化電圧Ｖｄｅｐ_Ｖである。
【００１６】
図４は、第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ）における最大キャリア濃度を有する部分を半導体基板ＳＢの表面に平行に通るＣ−Ｃ’線に沿ったキャリア濃度プロファイル（不純物濃度プロファイル）およびポテンシャルプロファイルを例示的に示している。図４において、水平方向（半導体基板ＳＢの表面に平行な方向）への空乏領域の広がりによって第２半導体領域１０３Ａの中性領域１０８Ａの全体を空乏化させるためのポテンシャル（点線で示されるポテンシャル）は、空乏化電圧Ｖｄｅｐ_Ｈである。ここで、
Ｖｄｅｐ＿Ｖ＞Ｖｄｅｐ＿Ｈ
であることに注意すべきである。第１導電型の第１半導体領域１０２の中に配置された第２導電型の第２半導体領域１０３を複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割することにより、第１半導体領域１０２と第１半導体領域１０２との間における第２導電型のキャリア総量を小さくすることができる。第２半導体領域１０３の分割は、Ｖｄｅｐ＿Ｖ＞Ｖｄｅｐ＿Ｈが満たされるようになされる。部分１０３Ａの側面とその反対側の側面から空乏領域が広がってそれらの空乏領域が相互に接触すると、第２半導体領域１０３Ａの全体の空乏化が終了する。また、部分１０３Ｂの側面とその反対側の側面から空乏領域が広がってそれらの空乏領域が相互に接触すると、第２半導体領域１０３Ｂの全体の空乏化が終了する。
【００１７】
ここで、図３における第２半導体領域１０３のキャリア濃度を積分した値をＮ１（個／ｃｍ２）、図４における第２半導体領域１０３のキャリア濃度を積分した値をＮ２（個／ｃｍ２）とすると、Ｎ１＞Ｎ２の関係が満たされることが好ましい。Ｎ１＞Ｎ２は、第１半導体領域１０２のうち最終空乏化部分の側方（水平方向）に位置する部分から当該最終空乏化への空乏領域の広がり（即ち、水平方向における広がり）によって当該最終空乏化部分が空乏化される条件である。
【００１８】
なお、水平方向における空乏領域の広がりと並行して垂直方向における空乏領域の広がりも進む。したがって、第１導電型の第１半導体領域１０２の中に配置された第２導電型の第２半導体領域１０３を複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割することにより、Ｖｄｅｐ＿Ｖを小さくすることができる。即ち、Ｖｄｅｐ＿Ｖ＞Ｖｄｅｐ＿Ｈが満たされない場合においても、第２半導体領域１０３を複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割することによって空乏化電圧を小さくすることができる。
【００１９】
ここで、比較例として、図５に示すように第２半導体領域１０３を部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割しない場合、つまり、ポテンシャルバリアが配されない場合における空乏化電圧を考える。図５のＥ−Ｅ’断面におけるキャリア濃度プロファイル（不純物濃度プロファイル）およびポテンシャルプロファイルは、図３と同様である。一方、図５のＤ−Ｄ’断面におけるキャリア濃度プロファイル（不純物濃度プロファイル）およびポテンシャルプロファイルは、図６に例示されるように、図４とは異なることに注目すべきである。図５に示すように、第２半導体領域１０３を部分１０３Ａ、１０３Ｂに分割しない場合、空乏領域の水平方向への広がりによって第２半導体領域１０３Ａの中性領域１０８Ａの全体を空乏化させるためのポテンシャルは、空乏化電圧Ｖｄｅｐ_Ｈ１である。
【００２０】
図５に示す例では、第２半導体領域１０３のうち最後に空乏化される部分である最終空乏化部分は、第１半導体領域１０２のうち当該最終空乏化部分の下方（垂直方向）に位置する部分から当該最終空乏化への空乏領域の広がりによって空乏化される。図５に示す例では、
Ｖｄｅｐ＿Ｖ＜Ｖｄｅｐ＿Ｈ１
である。図５に示す比較例では、第２半導体領域１０３の上端および下端から空乏領域が広がって、上端から広がる空乏領域と下端から広がる空乏領域とが接触すると、第２半導体領域１０３の全体の空乏化が終了する。
【００２１】
以上のように、第１導電型の第１半導体領域１０２の中に配置された第２導電型の第２半導体領域１０３が複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂを有することにより、空乏化電圧を小さくすることができる。第２半導体領域１０３のリセット電圧は、空乏化電圧よりも大きくすべきであるので、空乏化電圧の低下は、電源電圧を低下させるために有利である。また、電源電圧を低下させない場合には、第２半導体領域１０３の濃度を高くし、飽和電荷数を増大させることができる。これにより、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得ることができる。
【００２２】
第２半導体領域１０３を構成する部分１０３Ａおよび部分１０３ＢのＡ−Ａ’線に沿った方向（部分１０３Ａ、部分１０３Ｂに交差する方向）における幅は互いに等しいことが好ましい。部分１０３Ａおよび部分１０３Ｂの幅が互いに異なると、幅が狭い方が先に空乏化され、幅が広い方が後に空乏化される。そのため、幅が広い方によって空乏化電圧によってリセット電圧などが規定されてしまう。
【００２３】
第２半導体領域１０３を構成する部分１０３Ａ、１０３Ｂの空乏化によって形成される空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂは、部分１０３Ａ、１０３Ｂの全体が空乏化（完全空乏化）された際に互いに接していることが好ましい。これにより、蓄積領域としての第２半導体領域１０３を分割しない場合と同様の感度を得ることができる。ここで、部分１０３Ａ、１０３Ｂの間隔が小さいほど、それらの空乏化によって形成される空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂを互いに接触させやすい。しかしながら、当該間隔を小さくしすぎると、部分１０３Ａ、１０３Ｂの間の第１半導体領域１０２から部分１０３Ａ、１０３Ｂへの空乏領域１０７Ａ、１０７Ｂの広がりの効果が弱まる。これを考慮すると、部分１０３Ａ、１０３Ｂの間隔は、０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内であることが好ましく、０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であることが更に好ましい。第２半導体領域１０３の境界は、例えば隣接する第１半導体領域１０２とのＰＮ接合面である。このように、画素サイズと独立して、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂの間隔とを広く形成することによって、感度を維持しつつ空乏化電圧を小さくすることができる。
【００２４】
最終空乏化部分を水平方向における空乏領域の広がりによって空乏化するために有利な画素サイズは、例えば２．０μｍ〜７．０μｍの範囲である。さらに好ましくは、画素サイズが４．０μｍ〜６．０μｍの範囲である。これは、画素サイズが２．０μｍよりも小さくなると、第２半導体領域１０３の分割のためのプロセスが難しくなり、また、画素サイズが７．０μｍを超えると、飽和電荷量の確保が容易になるためである。
[第２実施形態]
以下、図７を参照しながら本発明の第２実施形態を説明する。図７は、本発明の第２実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す断面図であり、図２におけるＡ−Ａ’線の断面図である。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。
【００２５】
第２実施形態の固体撮像装置１００では、第２導電型（Ｎ型）の半導体領域１０１と第１導電型（Ｐ型）の半導体領域１０２との間に、第１導電型の半導体領域１０２よりも濃度が高い第１導電型の半導体領域７０１が配置されている。第２実施形態の固体撮像装置１００ではまた、第１導電型（Ｐ型）の第１半導体領域１０２を取り囲むように、第１導電型の半導体領域１０２よりも濃度が高い第１導電型の半導体領域７０２が配置されている。
【００２６】
半導体領域７０１は、第２半導体領域７０３の垂直方向における空乏化の促進に寄与しうる。半導体領域７０２は、画素間を分離する分離領域として機能しうるほか、第２半導体領域７０３の垂直方向における空乏化の促進に寄与しうる。ここで、第２半導体領域１０３を構成する部分１０３Ａ、１０３Ｂと半導体領域７０２との距離は、空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂが半導体領域７０２と接触するように構成されうる。部分１０３Ａ、１０３Ｂと半導体領域７０２との距離は、例えば１μｍ以下であることが好ましく、０〜０．４μｍの範囲内であることが好ましい。ただし、第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ）の濃度が１×１０１７ｃｍ−３より高い場合には、空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂの広がりが小さ過ぎて、白傷が発生する可能性があるので、前記距離は０．２μｍ近傍であることが最も好ましい。半導体領域７０１、７０２の濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内であることが好ましく、５×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが更に好ましい。また、半導体領域７０１の不純物濃度が、半導体領域７０２の不純物濃度より低くてもよい。また、半導体領域７０２の不純物濃度が、部分１０３Ａと部分１０３Ｂとの間に配された第１導電型の半導体領域１０２の不純物濃度より高くてもよい。
[第３実施形態]
以下、図８を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。図８は、本発明の第３実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す平面図である。なお、第３実施形態として言及しない事項は、第１および第２実施形態に従いうる。
【００２７】
第３実施形態では、第２導電型の第２半導体領域１０３が３つの部分１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃに分割されている。第２半導体領域１０３の分割は、第１部分１０３Ａと第３部分１０３Ｃとの間に第２部分１０３Ｂが配置されるようになされている。第１部分１０３Ａ、第２部分１０３Ｂおよび第３部分１０３Ｃに交差する方向における第１部分１０３Ａおよび第３部分１０３Ｃの幅は、第２部分１０３Ｂの幅より大きいことが好ましい。これは、第１部分１０３Ａおよび第３部分１０３Ｃは、第２部分１０３Ｂよりも、水平方向における空乏化がなされやすいからである。
【００２８】
第１導電型（Ｐ型）の第１半導体領域１０２のうち第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ）に隣接する部分には、空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃが形成される。第２導電型（Ｎ型）の第２半導体領域１０３（部分１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ）には、空乏領域１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃが形成される。
【００２９】
なお、電荷蓄積領域を構成する半導体領域１０３の分割数は、２又は３に限定されず、４以上であってもよい。
[第４実施形態]
以下、図９を参照しながら本発明の第４実施形態を説明する。図９（ａ）は、本発明の第４実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）における半導体領域１０３を示す平面図である。なお、第４実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。また、第４実施形態は、第２および／または第３実施形態と組み合わせて実施されてもよい。
【００３０】
第１乃至第３実施形態では、複数の部分が互いに電気的に分離されているが、これは本発明において必須ではない。本発明の効果は、第２半導体領域１０３における最終空乏化部分と第２半導体領域１０３の側面との距離を小さくすることによって得られ、これが実現されるのであれば複数の部分が相互に連結されていてもよい。第４実施形態では、電荷蓄積領域を構成する半導体領域１０３は、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂを相互に連結する連結部１０３Ｄを有する。
【００３１】
固体撮像装置１００は、半導体基板１０１の第１半導体領域１０２の中に形成された第２導電型の第３半導体領域１２１をフローティングディフュージョンとして備えている。固体撮像装置１００はまた、第２半導体領域１０３から第３半導体領域１２１に電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２の中に形成する転送ゲート１２０を半導体基板ＳＢの上に備えている。第２半導体領域１０３は、転送ゲート１２０と複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂとの間に連結部１０３Ｄが配置されるように構成されうる。これにより、第２半導体領域１０３から第３半導体領域１２１に電荷を転送するためのチャネルの幅を大きくすることができ、電荷の転送効率を向上させることができる。なお、連結部１０３Ｄが、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂの間に配された第１導電型の半導体領域の下に配されてもよい。つまり、ポテンシャルバリアが、半導体基板ＳＢの表面側に形成され、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂが半導体基板ＳＢの深部で連結される構成としてもよい。
[第５実施形態]
以下、図１０を参照しながら本発明の第５実施形態を説明する。図１０は、本発明の第５実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す断面図である。なお、第５実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。また、第５実施形態は、第２乃至第４実施形態の少なくとも１つと組み合わせて実施されてもよい。
【００３２】
第１導電型の第１半導体領域１０２は、第２半導体領域１０３を構成する複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂの全体の周囲を取り囲むように配置された第１部分１００１と、複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂの間に配置された第２部分１００２とを含む。ここで、第２部分１００２の不純物濃度は、第１部分１００１不純物領域よりも高く、これにより空乏領域１０６Ａ、１０６Ｂの幅が小さくなる。
[第６実施形態]
以下、図１１を参照しながら本発明の第６実施形態を説明する。図１１は、本発明の第６実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す断面図である。なお、第６実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。また、第６実施形態は、第２乃至第５実施形態の少なくとも１つと組み合わせて実施されてもよい。
【００３３】
第６実施形態では、電荷蓄積領域１０３を構成する複数の部分１０３Ａ、１０３Ｂにそれぞれ対応するように第２導電型（Ｎ型）の複数の第３半導体領域１２１Ａ、１２１Ｂが半導体基板の中に形成されている。複数の第３半導体領域１２１Ａ、１２１Ｂは、フローティングディフュージョン（電荷電圧変換部）を構成する。半導体基板の上に配置された転送ゲート１２０は、部分１０３Ａからそれに対応する第３半導体領域１２１Ａに電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２内に形成する。転送ゲート１２０はまた、部分１０３Ｂからそれに対応する第３半導体領域１２１Ｂに電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２内に形成する。
【００３４】
固体撮像装置１００は、複数の第３半導体領域１２１Ａ、１２１Ｂにそれぞれ転送された電荷に応じた信号を個別に読み出すための不図示の読出回路を有する。複数の第３半導体領域１２１Ａ、１２１Ｂには、共通のレンズを通して光が入射する。ここで、半導体領域１２１Ａには、撮像レンズの瞳の第１領域を通過した後に共通のレンズを通過した光が入射し、半導体領域１２１Ｂには、該撮像レンズの瞳の第２領域を通過した後に該共通のレンズを通過した光が入射しうる。これにより、固体撮像装置１００の出力に基づいて位相差検出法による焦点検出を行うことができる。なお、第１領域と第２領域とは互いに異なる領域である。
[第７実施形態]
以下、図１２を参照しながら本発明の第６実施形態を説明する。図１２は、本発明の第７実施形態の固体撮像装置１００の１つの画素の構造を模式的に示す断面図である。なお、第７実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。また、第７実施形態は、第２乃至第５実施形態の少なくとも１つと組み合わせて実施されてもよい。
【００３５】
第７実施形態では、電荷蓄積領域１０３を構成する部分１０３Ａ、１０３Ｂに対して共通の第２導電型（Ｎ型）の第３半導体領域１２１が半導体基板の中に形成されている。第３半導体領域１２１は、フローティングディフュージョン（電荷電圧変換部）を構成する。第７実施形態では、電荷蓄積領域１０３を構成する部分１０３Ａ、１０３Ｂのそれぞれに対応する複数の転送ゲート１２０Ａ、１２０Ｂが半導体基板の上に配置されている。転送ゲート１２０Ａは、部分１０３Ａから共通の第３半導体領域１２１に電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２内に形成する。転送ゲート１２０Ｂは、部分１０３Ｂから共通の第３半導体領域１２１に電荷を転送するためのチャネルを第１半導体領域１０２内に形成する。転送ゲート１２０Ａと転送ゲート１２０Ｂとは電気的に分離されていて、それらの間の下方には素子分離１２０３が配置されている。
【００３６】
固体撮像装置１００は、共通の第３半導体領域１２１に転送された電荷に応じた信号を読み出すための不図示の読出回路を有する。該読出回路は、転送ゲート１２０Ａによって部分１０３Ａから半導体領域１２１に転送された電荷と転送ゲート１２０Ｂによって部分１０３Ｂから半導体領域１２１に転送された電荷との総量に応じた信号を読み出すことができる。
【００３７】
該読出回路はまた、転送ゲート１２０Ａによって部分１０３Ａから半導体領域１２１に転送された電荷に応じた信号と転送ゲート１２０Ｂによって部分１０３Ｂから半導体領域１２１に転送された電荷に応じた信号とを個別に読み出すことができる。例えば、該読出回路は、まず、転送ゲート１２０Ａによって部分１０３Ａから半導体領域１２１に転送された電荷に応じた信号を読み出し、次いで、転送ゲート１２０Ｂによって部分１０３Ｂから半導体領域１２１に転送された電荷に応じた信号を読み出す。
【００３８】
複数の第３半導体領域１２１Ａ、１２１Ｂには、共通のレンズを通して光が入射する。ここで、半導体領域１２１Ａには、撮像レンズの瞳の第１領域を通過した後に共通のレンズを通過した光が入射し、半導体領域１２１Ｂには、該撮像レンズの瞳の第２領域を通過した後に該共通のレンズを通過した光が入射しうる。これにより、固体撮像装置１００の出力に基づいて位相差検出法による焦点検出を行うことができる。
[応用例]
以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
【図１】
0005967944.tif 000002
【図２】
0005967944.tif 000003
【図３】
0005967944.tif 000004
【図４】
0005967944.tif 000005
【図５】
0005967944.tif 000006
【図６】
0005967944.tif 000007
【図７】
0005967944.tif 000008
【図８】
0005967944.tif 000009
【図９】
0005967944.tif 000010
【図１０】
0005967944.tif 000011
【図１１】
0005967944.tif 000012
【図１２】
0005967944.tif 000013