(57)【要約】【課題】強度対信号出力のリニアリティが良好で、信号電荷が少ないときの感度のリニアリティの劣化とそのばらつきによる固定パターンノイズを抑制可能にする固体撮像装置を提供すること。【解決手段】環状ゲート１１と、該環状ゲートの内側に形成されたソース領域１２と、前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域１３と、前記環状ゲートの下方に環状に形成されたキャリアポケット１４と、を含む固体撮像装置において、環状に形成された前記キャリアポケット１４の外周部が丸め処理されているものである。理想的には、環状ゲート又は／及び環状のキャリアポケットのゲート長（チャネル長）方向の長さが周回上のどの部分でも同一長になるように、角丸め処理が施されていることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ゲートと、該環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、前記環状ゲートの下方に環状に形成されたキャリアポケットと、を含む固体撮像装置において、
環状に形成された前記キャリアポケットの外周部が丸め処理されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
さらに、前記環状ゲートの外周部が丸め処理されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
さらに、前記キャリアポケット又は／及び前記環状ゲートの内周部についても丸め処理されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
角部と辺部を含む環状に形成された環状ゲートと、該環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、前記環状ゲートに沿ってその下方に環状に形成されたキャリアポケットと、を含む固体撮像装置において、
前記環状ゲート及び前記キャリアポケットの角部の長さを辺部の長さと同じになるように、前記環状ゲート及び前記キャリアポケットには角丸め処理が施されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記環状ゲートは、８角形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記丸め処理は、ガラスマスクのパターン形成によるリソグラフィ技術を用いて、直線と４５度ライン又は９０度ラインの組合せによるパターン形成が行われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高画質及び低消費電力の特性を有する固体撮像装置に関し、固体撮像装置に係り、特に被写体光に応じて閾値（Ｖｔｈ）を変調することにより信号出力を得ることが可能な、環状のゲート形状を有する固体撮像装置の画質改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などに搭載される固体撮像装置としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサと、ＭＯＳ型イメージセンサとがある。ＣＣＤ型のイメージセンサは画質に優れ、ＭＯＳ型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置が提案されている。閾値変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置については、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
図７は特許文献１によって開示された閾値変調方式の固体撮像装置の変調トランジスタを上から見た模式的平面図、図８は図７のＡ−Ａ線断面図を示している。
【０００４】
図７及び図８によって示された閾値変調方式の固体撮像装置においては、フォトダイオード２０（２点鎖線にて示す）と、変調トランジスタ１０と呼ばれるトランジスタ領域を備え、変調トランジスタ１０は例えば４角形もしくは８角形（特許文献１の図１では４角形の場合が示されているが、本願図７では８角形のものを示している）のリング状ゲート電極１１を有し、リング状ゲート電極１１の中央部にソース拡散領域１２が形成され、リング状ゲート電極１１を囲むようにドレイン拡散領域１３が形成されている。フォトダイオード２０で構成される受光部を変調トランジスタ１０の外に設けたこと、及びチャネル幅方向のチャネル領域１５下の閾値変調に寄与するウエル領域１６内にキャリアポケット１４と呼ぶ高濃度埋込層を形成し、ソース拡散領域１２からドレイン拡散領域１３にわたって信号電荷に対してポテンシャルの低いところを形成している。キャリアポケット１４は、光電変換された信号電荷を蓄積する機能を有している。
【０００５】
フォトダイオード２０に入射した光によって発生した光発生電荷は、リング状ゲート電極１１の下方に設けられたＰ型ウエルの領域１６に転送されて、この領域に形成されたキャリアポケット１４に蓄積される。キャリアポケット１４に蓄積された光発生電荷によって変調トランジスタ１０の閾値電圧（Ｖｔｈ）が変化する。これにより、変調トランジスタ１０のソース領域１２に接続された図示しないソースコンタクトから入射光（光強度）に対応した画素信号を得ることができるようになっている。なおリング形状のゲート電極１１は４角形もしくは８角形でリングを形成しているため、キャリアポケット１４も同様な形状となっている。
【０００６】
特許文献２乃至４についても、キャリアポケットなる言葉の記載はないが、同様なことが従来の技術として記述され、低照度時の光強度対信号出力の特性における感度リニアリティ劣化とそのばらつきによる固定パターンノイズ発生を改善すべく、リング形状のゲート電極を使用せず、ストレート形状のゲート電極とし、且つ素子分離電極を有した構成を提案している。
【特許文献１】特許第2935492号
【特許文献２】特開平10-65138号公報
【特許文献３】特開平10-65137号公報
【特許文献４】特開平10-144902号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２乃至４では、ストレート形状の制御電極を使用することにより素子分離用の電極を有しているが、電極下に位置する分離層を形成するのが難しくなるという問題がある。また、酸化膜を増やすことはプロセス加工が増えるという問題がある。
【０００８】
一方、特許文献１において、リング状ゲート１１を使用することによって生じる問題は以下の通りである。
【０００９】
図９は、特許文献１の閾値変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置を使用して低照度環境下での変調時の電流分布を示したものである。ここでは、変調トランジスタ１０の辺部と角部を含むＢ−Ｂ’線部分のみを示したが、変調時の電流は主に8角形の各辺部分を流れる。即ち、8角形の辺部を流れるドレイン・ソース電流ＩBの方が8角形の角部を流れるドレイン・ソース電流ＩB’よりも大きい。つまり、ＩB＞ＩB’である。これは電流経路（ドレイン・ソース間距離）が角部よりも辺部のほうが短く、かつ図１０に示すように辺部の方が角部よりポテンシャルが高いため、電流が流れ易いためである。なお、辺部と角部とでポテンシャルに差異が発生するのは、辺部よりも角部の方がキャリアポケットのゲート長方向の長さ（即ちゲートを横切る方向のポケット長）が長くなるため、２次元効果が働き、ポケット長の長い角部が辺部よりもポテンシャル降下が生じるためである。
【００１０】
即ち、画素セルにおいて、環状ゲート１１の角部の長さＬ2は辺部の長さＬ1より大きく（Ｌ2＞Ｌ1）、キャリアポケット１４の角部の長さｌ2は辺部の長さｌ1より大きい（ｌ2＞ｌ1）ために、角部が辺部よりもポテンシャル降下が生じている。
【００１１】
図１０は図９のＢ−Ｂ’線断面におけるキャリアポケット１４のポテンシャルの差異を示している。図１０の符号Ｐa，Ｐbは、図９におけるａ点，ｂ点のポテンシャルを示している。
【００１２】
ａ点はキャリアポケット１４における辺部の位置に相当し、ｂ点はキャリアポケット１４における角部の位置に相当する。従って、Ｐaはキャリアポケット１４における辺部のポテンシャルを示し、Ｐbはキャリアポケット１４における角部のポテンシャルを示している。ｂ点を含む角度はリング状ゲート電極１１の一部を形成しているが、その一部だけポテンシャルの低い（深い）ところがあると、低照度の環境下にあっては、信号電荷（ホール）はまずそこから溜まってくるが、角部は辺部に比べ面積が小さい（即ち、梨地で示されるキャリアポケット領域の極く一部分である）ので、その信号電荷は信号出力の変調にあまり寄与しない。つまり、低照度時には、蓄積電荷をクリアされた状態から再び蓄積していく過程で、ポテンシャルが最も低い角部のｂ点から電荷が溜まっていくが、それはキャリアポケット領域の前記角部に当たるごく一部の領域に蓄積されていくことになり、ポテンシャルが低く電流が流れにくい角部で部分的・局所的に電流が上がっていくだけなので、信号出力（チャネル電流）の変調に寄与しにくい。
【００１３】
このようにキャリアポケット１４のポテンシャルが角部のように部分的・局所的に低くなっていると、キャリアポケット１４のポテンシャルが高い辺部のａ点において、ソース−ドレイン電流、即ちチャネル電流の流れる表面チャネルも部分的に導通し易くなるが、一方、ポテンシャルの低い角部のｂ点には前述したように信号電荷が先に蓄積され、一部チャネルの導通しているａ点に対して変調を与える度合いが少なくなり（ａ点はｂ点とは位置的に異なっているため）、信号電荷が少ない低照度時の信号出力の傾き、即ち光強度対信号出力特性の傾きが小さくなってしまう。
【００１４】
この結果、従来の低照度時の光強度対信号出力特性は図６の点線にて示すような特性となる。つまり、光強度が弱い場合には、信号出力の立上りが鈍くリニアリティが悪くなり（図６の点線グラフ）、所謂黒潰れ状態が生じたり、低照度で個々の画素のリニアリティが不均一であることによる感度むら、いわゆる固定パターンノイズの発生を引き起こす。
【００１５】
そこで、本発明は上記の問題に鑑み、光強度対信号出力のリニアリティが良好で、信号電荷が少ないときの感度のリニアリティの劣化とそのばらつきによる固定パターンノイズを抑制可能にする固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による固体撮像装置は、環状ゲートと、該環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、前記環状ゲートの下方に環状に形成されたキャリアポケットと、を含む固体撮像装置において、環状に形成される前記キャリアポケットの外周部が丸め処理されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の構成によれば、環状ゲートに沿って環状に形成されるキャリアポケットの外周部に角部などの丸くない部分が存在していると、キャリアポケットのゲート長方向の長さが長くなり、その部分のキャリアポケット領域にポテンシャルの降下を生じるので、環状のキャリアポケットの外周部を全体として丸くなるように丸め処理することにより、キャリアポケット領域のポテンシャルの最も低いところが全周に亘って一様のレベルとなり、低照度時においてキャリアポケットに蓄積される電荷がキャリアポケット全体で一様となって、蓄積電荷がチャネル電流に対して効果的に変調に寄与することが可能となる。なお、環状とは、８角形、４角形を含む折れ線形状を帯状にして閉じたループを形成したものをいう。
【００１８】
本発明において、さらに、前記環状ゲートの外周部が丸め処理されていることが好ましい。
【００１９】
本発明の構成によれば、環状ゲートの外周部に角部などの丸くない部分が存在していると、チャネル電流の電流路の長さ、即ちドレイン・ソース間距離の長さが長くなり、その部分のキャリアポケット領域にポテンシャルの降下を生じるので、環状のゲートの外周部を全体として丸くなるように丸め処理することにより、キャリアポケット領域のポテンシャルの最も低いところが全周に亘って一様のレベルとなり、低照度時においてキャリアポケットに蓄積される電荷がキャリアポケット全体で一様となって、蓄積電荷がチャネル電流に対して効果的に変調に寄与することが可能となる。
【００２０】
また、本発明において、さらに、前記キャリアポケット又は／及び前記環状ゲートの内周部についても丸め処理されていることが好ましい。
【００２１】
本発明の構成によれば、キャリアポケットの内周部や環状ゲートの内周部についても丸め処理することにより、外周部の丸め処理と同様な効果を得ることができる。
【００２２】
本発明による固体撮像装置は、角部と辺部を含む環状に形成された環状ゲートと、該環状ゲートの内側に形成されたソース領域と、前記環状ゲートの外周を覆うように形成されたドレイン領域と、前記環状ゲートに沿ってその下方に環状に形成されたキャリアポケットと、を含む固体撮像装置において、前記環状ゲート及び前記キャリアポケットの角部の長さを辺部の長さと同じになるように、前記環状ゲート及び前記キャリアポケットには角丸め処理が施されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の構成によれば、環状ゲート及びキャリアポケットの角部が削られて、丸め処理されるので、キャリアポケット領域のポテンシャルの最も低いところが全周に亘って一様のレベルとなり、低照度時においてキャリアポケットに蓄積される電荷がキャリアポケット全体で一様となって、蓄積電荷がチャネル電流に対して効果的に変調に寄与することが可能となる。
【００２４】
さらに、本発明において、前記環状ゲートは、８角形状であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の構成によれば、環状ゲートが８角形状であると、環状ゲートに沿ったキャリアポケットも８角形状である。環状ゲートを形成する際に必要なガラスマスクは、直線とその直線に対する４５度又は９０度の線から成る形状では比較的低コストで作成可能であり、且つ角形状は角丸め処理により比較的容易に略円形状に形成することができる。
【００２６】
さらに、本発明において、前記丸め処理は、ガラスマスクのパターン形成によるリソグラフィ技術を用いて、直線と４５度ライン又は９０度ラインの組合せによるパターン形成が行われていることを特徴とする。
【００２７】
ガラスマスクのパターン形成による丸め処理は、本来円形加工が難しいため、困難であったが、本発明の構成によれば、直線と４５度ラインの組合せ、或いは直線だけ（直線と９０度ラインも含む）によるパターン形成を行うことによって、ガラスマスクのパターン形成加工がし易くなる。半導体基板上に画素セルのような微細パターンを形成する場合に、環状ゲート及びそれに沿って環状に形成されるキャリアポケットの内外周を、直線と４５度ライン又は９０度ラインの組合せによってパターン形成したガラスマスクを使用して投影露光装置にて露光すると、露光した後に形成される環状ゲート及びキャリアポケットの内外周パターンが階段状に形成されることになるが、ガラスマスク上の階段状のパターンの階段間隔をある程度以上に狭くすると、光の近接効果により、露光した後の内外周パターンに寸法誤差が生じて丸くなり、綺麗な円形の線となる。なお、光の近接効果とは、投影露光装置で微細パターンを形成する場合、周囲のパターン間隔に粗密があると、回折や干渉の具合が僅かに変化することにより、露光後に形成されるパターンに寸法差が発生する現象をいう。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の固体撮像装置によれば、光強度対信号出力のリニアリティが良好で、信号電荷が少ないときの感度のリニアリティの劣化とそのばらつきによる固定パターンノイズを抑制可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３０】
固体撮像装置を作成するには、半導体回路の製造技術が用いられる。半導体製造工程では微細加工が必要なゲート電極形成などにリソグラフィー技術が用いられる。
【００３１】
リソグラフィー技術は写真製版に類似した技術で半導体回路をウエファ上に形成する技術であり、まず、半導体基板上に感光性ポリマー（フォトレジスト）を塗布することによって形成する。フォトレジスト膜の厚さは、その粘度やスピンナーの回転数で所望の厚さに調整し、塗布した膜を加熱して溶媒を除去する。次に、所定の回路パターンが描いてあるフォトマスクを通して紫外線を照射する。紫外線露光によりフォトレジスト内では光化学反応が起こり、感光部が現像液に可溶となり、半導体基板上にフォトレジストのパターンが形成される。次に、フォトレジストをマスクとして半導体基板をエッチングして、所望の回路パターンを形成する。
【実施例１】
【００３２】
図１は本発明の実施例１の固体撮像装置における、製造時に使用されるガラスマスク１及びそのマスク１を用いて半導体基板上に形成される環状ゲート１１を示している。
【００３３】
図１(a)において、符号１はフォトマスクとしてのガラスマスクであり、ガラスマスク１には８角形の環状ゲートパターン２を形成してある。環状ゲートパターン２の領域は光不透過部であり、その他の領域３，４は光透過部を形成している。
【００３４】
図１(b)は、予め図示しないフォトダイオード，ソース領域，ドレイン領域，キャリアポケットが形成された半導体基板に、図１(a)のガラスマスク１を用い、フォトリソグラフィー技術を用いて形成される環状ゲート１１を示している。
【００３５】
図２は、図１のガラスマスク１上における８角形の環状ゲートパターン２の外周部の一辺Ｐ又は内周部の一辺Ｑを拡大して示している。一辺Ｐ又はＱについて、点線部分が角丸め処理を行わない場合を示しており、実線が角丸め処理を施した場合を示している。この例では、ガラスマスクを作成する際に、マスクパターンとしては綺麗な円形の線を形成することは、技術的に困難であるが、直線と４５度の線の組合せで円形を作成すると、ガラスマスクの作成が技術的に比較的容易になる点に着目してなされたものである。
【００３６】
図３は、画素セルのレイアウト設計において、環状ゲート１１及びキャリアポケット１４の角部の長さを辺部の長さと同じになるように、図２のような角丸め処理を施して形成された固体撮像装置のセンサセル（１画素分）を示している。図４は図３のＣ−Ｃ’線断面におけるポケットキャリアポケットのポテンシャルＰcを示している。
【００３７】
図３において、固体撮像装置を構成する１画素分のＭＯＳ型固体撮像素子は、入射光を受光し、光発生電荷を得るフォトダイオード２０と、該フォトダイオード２０からの光発生電荷を蓄積し、信号電圧に変換して出力する変調トランジスタ１０と、で構成される。
【００３８】
変調トランジスタ１０は、環状に形成された環状ゲート１１と、該環状ゲート１１の内側に形成されたソース領域１２と、前記環状ゲート１１の外周を覆うように形成されたドレイン領域１３と、前記環状ゲート１１の下方に該環状ゲート１１に沿って環状に形成されたキャリアポケット１４と、を備えている。
【００３９】
図３のように角丸め処理を施すことにより、環状ゲート１１及びキャリアポケット１４、それぞれの長さＬ，ｌを環状の全周回各領域で同一長にすることにより、２次元効果が均一に働き、キャリアポケット１４におけるポテンシャル分布が部分的・局所的に不均一になることは無くなる。なお、２次元効果とは、ドレイン・ソース領域からの影響がチャネル領域の拡散に及ぶことをいう。
【００４０】
図４に図３のＣ−Ｃ’線断面におけるキャリアポケットのポテンシャルを示す。Ｃ−Ｃ’線断面に限らず、どの断面でも同じポテンシャル分布となる。
【００４１】
その結果、信号電荷の蓄積がキャリアポケット全体に均一に蓄積され、且つ表面チャネル電流が均一に流れ易くなる。そのようなセンサセルは低照度時の信号電荷が少ない場合においても、チャネル全体に変調を寄与させることが可能となり、光強度対信号出力の傾きを大きく採れるため、低照度での光強度対信号出力特性のリニアリティ悪化を防ぐことができる。
【００４２】
図６に、ポテンシャルが均一な画素および不均一な画素における光強度対出力特性の差異を示す。本発明の実施例によれば、ポテンシャルが均一な画素が得られるので、図６の実線に示すように光強度対信号出力特性のリニアリティが良好な特性を得ることができる。各画素でのバラツキ要因が取り除かれることになるため、リニアリティ不均一による感度むら、いわゆる固定パターンノイズを低減することが可能となる。
【００４３】
なお、環状ゲート１１を８角形状としその角度を丸め処理することは、製造時のガラスマスク上の環状ゲートパターンを直線と４５度及び９０度の線で作成できるので、ガラスマスクが低コストにできる利点がある。ただし、環状ゲート１１を４角形状に形成することは意味がない。何となれば、４角形状を基に角丸め処理を行っても略円形状にするにはガラスマスクを作成するための作業ステップ数が多くなるためである。
【実施例２】
【００４４】
図５は本発明の実施例２の固体撮像装置に係り、角丸め処理の他の例を示している。図１のガラスマスク１上における８角形の環状ゲートパターン２の外周部の一辺Ｐ又は内周部の一辺Ｑを拡大して示している。
【００４５】
実施例１の図２では直線とこれに対する４５度ラインを使用したが、必ずしもこの組合せに限定されるものではない。
【００４６】
実施例２は、ガラスマスクを作成する際に、マスクパターンとして直線と９０度の線の組合せ、即ち４５度の線を使わない直線のみで角部の丸みを作成した例を示している。
【００４７】
実施例２の場合も実施例１の図２と同様な作用効果を得ることができる。即ち、実施例２の角丸み処理によって、光強度対信号出力のリニアリティが良好で、信号電荷が少ないときの感度のリニアリティの劣化とそのばらつきによる固定パターンノイズの抑制が可能となる。
【００４８】
画素セルのレイアウト設計において、リング形状のゲートおよびキャリアポケットの角部の長さを辺部の長さと同じになるように、角丸め処理を施すが、必ずしも辺部と同じ長さにする必要はなく、同じ長さに近づけばより効果が大きくなる。
【００４９】
固体撮像装置における画素セルのレイアウト設計には、コンピュータ処理が導入されており、コンピュータ処理が容易になるように、一定の縦横間隔の線または点（グリッドと呼ぶ）が想定され、固体撮像装置の画素セルを含む各部のパターン及び配線は、前記グリッドを辿るように設計される。
【００５０】
従って、レイアウト設計のグリッド制限により、それ以下の微細な角丸め処理は行なえないが、ガラスマスクおよび半導体基板上では、半導体プロセスでのフォト工程，エッジング工程での分解能不足により更に角丸め処理と同等な機能が働くため、むやみにグリッド微細化を行い、ガラスマスクの製作コストを高めることは不要である。
【００５１】
尚、環状に形成されるキャリアポケット１４の角丸め処理については、キャリアポケット１４としてチャネル領域下のｐ型（又はｎ型）のウエル領域内にｐ型（又はｎ型）の高濃度埋込層を形成する際に、図２又は図５と同様なマスクを用いることによって、高濃度埋込層の形状を角部のない円形状に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、環状のゲート形状を有する固体撮像装置において、光強度対信号出力特性のリニアリティを良好とし、特に低照度時の入射光に対する信号出力のリニアリティを改善するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施例１の固体撮像装置における、製造時に使用されるガラスマスク及びそのマスクを用いて半導体基板上に形成される環状ゲートを示す図。
【図２】図１のガラスマスク上における環状ゲートパターンの外周部の一辺Ｐ又は内周部の一辺Ｑを拡大して示す図。
【図３】画素セルのレイアウト設計において、環状ゲート及びキャリアポケットの角部の長さを辺部と同じになるように、角丸め処理を施して形成された固体撮像装置のセンサセルを示す模式的平面図。
【図４】図３のＣ−Ｃ’線断面におけるキャリアポケットのポテンシャルを示す図。
【図５】本発明の実施例２の固体撮像装置に係り、角丸め処理の他の例を拡大して示す図。
【図６】ポテンシャルが均一な画素および不均一な画素における光強度対出力特性の差異を示す図。
【図７】特許文献１によって開示された閾値変調方式の固体撮像装置の変調トランジスタを上から見た模式的平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ線断面図。
【図９】特許文献１の閾値変調方式のＭＯＳ型固体撮像装置を使用して低照度環境下での変調時の電流分布を示す図。
【図１０】図９のＢ−Ｂ’線断面におけるキャリアポケットのポテンシャルを示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１…ガラスマスク、２…環状ゲートパターン、１０…変調トランジスタ、１１…環状ゲート、１２…ソース領域、１３…ドレイン領域、１４…キャリアポケット。
【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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