(57)【要約】【課題】暗電流の低減を図ることが可能な撮像デバイスを提供すること。【解決手段】フォト・ダイオードＰＤの周辺部には、該フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３の側面を覆うようにガードバンド領域３４が形成されている。ガードバンド領域３４は、フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３と同じ導電型（Ｎ型）であり、かつ不純物濃度がＮ型拡散層３３の不純物濃度よりも低く形成されている。従って、ガードバンド領域３４は、横方向においてＮ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２の間の濃度勾配を緩やかにするため、ＰＮ接合部において形成される空乏層は、ガードバンド領域３４を形成することで幅が広がり、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２との間の実質的な距離（空乏層の幅）が、ガードバンド領域３４を設けない場合（従来例）に比べて長くする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＮ接合を有するフォト・ダイオードを備えた撮像デバイスにおいて、
前記フォト・ダイオードのＰＮ接合周辺の半導体層に、該フォト・ダイオードＰＤを構成する拡散層と前記半導体層との間の濃度勾配を緩やかにするガードバンド領域を設けたことを特徴とする撮像デバイス。
【請求項２】
基板又はウェルよりなる一導電型の半導体層と、該半導体層と逆導電型の拡散層とにより形成されたＰＮ接合を有するフォト・ダイオードを備えた撮像デバイスにおいて、
前記拡散層の周辺に、該拡散層と前記半導体層との間の濃度勾配を緩やかにするガードバンド領域を設けたことを特徴とする撮像デバイス。
【請求項３】
前記ガードバンド領域は、前記拡散層と同じ導電型であり、該拡散層の濃度よりも低い濃度に形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像デバイス。
【請求項４】
前記ガードバンド領域は、前記半導体層と同じ導電型であり、該半導体層の濃度よりも低い濃度に形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像デバイス。
【請求項５】
前記ガードバンド領域は、前記拡散層と同じ導電型であり該拡散層の濃度よりも低い濃度の第１層と、前記半導体層と同じ導電型であり該半導体層の濃度よりも低い濃度の第２層とからなることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の画像データを取得するために、ＭＯＳ型の撮像デバイスが用いられている。この種の撮像デバイスは、フォト・ダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳ型のトランジスタ（例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ））を介して読み出すようになっている。
【０００３】
一般に、ＭＯＳ型等の撮像デバイスは、撮影に用いられるネガ・フィルムに比べてラティテュード、即ちダイナミック・レンジが狭いと言われている。ラティテュードが狭いことは、画像の暗い部分が黒い画素データとして記録され、画像の明るい部分が白い画素データとして記録される。
【０００４】
このダイナミック・レンジを拡大する技術として、対数変換型の撮像デバイスがある（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。例えば、特許文献１に開示された画像セルは、受光素子が第１のＭＯＳトランジスタの一方の端子と第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子との間に接続され、第１のＭＯＳトランジスタの他方の端子は電圧供給源の一方の電極に接続されている。そして、サブ・スレッショルド領域にて動作する第１のＭＯＳトランジスタにより画像セル中で対数変換を行い、その変換結果を出力する。
【特許文献１】米国特許５６０８２０４号明細書
【非特許文献１】映像メディア学会誌、Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．２、ｐｐ．２２４−、２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、受光素子として用いられるフォト・ダイオードは、Ｐ型の基板又はウェルと、その基板又はウェルに形成されたＮ型の拡散層とにより構成され、逆バイアスが印加されている。このＰＮ接合の周辺部に電界が集中し、強電界によりＮ型の拡散層からＰ型の基板（又はウェル）に向かって大きなリーク電流（暗電流）が流れる。このため、光電流が微小な低照度下での感度が得られず高感度化を実現できないという問題がある。ＰＮ接合における暗電流は、接合面中央部と比較して周縁部で顕著に大きい。例えば、接合面中央部における暗電流が０．２〜０．３ｐＡ／ｃｍ2であるのに対し、周縁部におけるそれは１桁程度高い１〜２ｐＡ／ｃｍ2になる。このため、フォト・ダイオードにて発生する光電流と暗電流との信号対雑音（Ｓ／Ｎ）により低照度における感度が得られない。
【０００６】
この発明は、暗電流の低減を図ることが可能な撮像デバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による撮像デバイスは、ＰＮ接合を有するフォト・ダイオードを備えており、前記フォト・ダイオードのＰＮ接合周辺の半導体層に、該フォト・ダイオードＰＤを構成する拡散層と前記半導体層との間の濃度勾配を緩やかにするガードバンド領域を設けたものである。この発明によると、ＰＮ接合における空乏層の幅が広くなり、電界集中を緩和することで、暗電流が低減される。
【０００８】
この発明による撮像デバイスは、基板又はウェルよりなる一導電型の半導体層と、該半導体層と逆導電型の拡散層とにより形成されたＰＮ接合を有するフォト・ダイオードを備えており、前記拡散層の周辺に、該拡散層と前記半導体層との間の濃度勾配を緩やかにするガードバンド領域を設けたものである。この発明によると、ＰＮ接合における空乏層の幅が広くなり、電界集中を緩和することで、暗電流が低減される。
【０００９】
前記ガードバンド領域は、前記拡散層と同じ導電型であり、該拡散層の濃度よりも低い濃度に形成される。このガードバンド領域は、拡散層の周辺部を囲むように拡散層と同じ導電型のウェルを形成することにより得られる。従って、製造工程を複雑化することなく実現される。
【００１０】
前記ガードバンド領域は、前記半導体層と同じ導電型であり、該半導体層の濃度よりも低い濃度に形成される。このガードバンド領域は、拡散層の周辺部を囲むように半導体層と同じ導電型のウェルを形成することにより得られる。従って、製造工程を複雑化することなく実現される。
【００１１】
前記ガードバンド領域は、前記拡散層と同じ導電型であり該拡散層の濃度よりも低い濃度の第１層と、前記半導体層と同じ導電型であり該半導体層の濃度よりも低い濃度の第２層とからなる。このガードバンド領域は、拡散層の周辺部を囲むように、半導体層と同じ導電型のウェルを形成し、該ウェルに拡散層と同じ導電型のウェルを形成することにより得られる。従って、製造工程を複雑化することなく実現される。
【発明の効果】
【００１２】
以上記述したように、本発明によれば、暗電流の低減を図ることが可能な撮像デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図３は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置１０は、撮像部１１、内部クロック発生回路１２、垂直走査回路１３、水平走査回路１４、出力回路１５を含む。
【００１４】
撮像部１１は、行列配列された複数の画像セルＣａを備えている。尚、図５には、ｍ行ｎ列のマトリックス状に配列された画像セルＣａを示している。
内部クロック発生回路１２は、クロック信号Φ０が入力され、該クロック信号Φ０に基づいて垂直クロック信号Φｗと水平クロック信号Φｔを生成する。
【００１５】
垂直走査回路１３は、垂直方向のシフトレジスタであり、行選択線Ｗ１〜Ｗｍと、該行選択線Ｗ１〜Ｗｍと対を成すリセット線Ｒ１〜Ｒｍが接続されている。水平走査回路１４は複数（図３において４個）の増幅回路１６とシフトレジスタ１７とを含み、列信号線ＢＬ１〜ＢＬｎが接続されている。それら行選択線Ｗ１〜Ｗｍと列信号線ＢＬ１〜ＢＬｎの交点に画像セルＣａが接続されている。また、各画像セルＣａは、行選択線Ｗ１〜Ｗｍと対を成すリセット線Ｒ１〜Ｒｍが接続されている。
【００１６】
垂直走査回路１３は、垂直クロック信号Φｗに基づいて行選択線Ｗ１〜Ｗｍを順次駆動する。行選択線Ｗ１〜Ｗｍに接続された画像セルＣａは、行選択線Ｗ１〜Ｗｍを介して供給される駆動信号に応答して光電変換信号を列信号線ＢＬ１〜ＢＬｎに出力する。
【００１７】
水平走査回路１４を構成する増幅回路１６は各列信号線ＢＬ１〜ＢＬｎが接続されている。各増幅回路１６は、列信号線ＢＬ１〜ＢＬｎを介して入力される光電変換信号を増幅する増幅部と、その増幅部の出力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部を含む。
【００１８】
水平走査回路１４を構成するシフトレジスタ１７は、増幅回路１６から出力されるデジタル信号を水平クロック信号Φｔに基づいて出力回路１５に転送する。
出力回路１５は、水平走査回路１４から出力される信号のパルス幅を伸長した出力信号ｏｕｔを生成し出力する。
【００１９】
図２は、行選択線Ｗ１と列信号線ＢＬ１との交点に接続された画像セルＣａを示す。
画像セルＣａは、受光素子としてのフォト・ダイオードＰＤと、３個のトランジスタＴ１〜Ｔ３を備えている。第１〜第３トランジスタＴ１〜Ｔ３は１導電チャネル型のトランジスタ（本実施形態ではＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ）であり、それらのバックゲートは低電位電源（本実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続されている。
【００２０】
フォト・ダイオードＰＤは、アノードが第１電源としての低電位電源（本実施形態ではグランドＧＮＤ）に接続され、カソードが第１トランジスタＴ１に接続されている。第１トランジスタＴ１は、第１端子（ソース端子）がフォト・ダイオードＰＤに接続され、第２端子（ドレイン端子）が第２電源としての高電位電源Ｖｄｄ１に接続されている。そして、第１トランジスタＴ１は、ゲート端子がリセット線Ｒ１に接続され、該ゲート端子にリセット線Ｒ１を介して後述するリセット信号Φｒ１が供給されている。第１トランジスタＴ１はリセット用トランジスタであり、リセット信号Φｒ１に応答してオン・オフし、オンした第１トランジスタＴ１はフォト・ダイオードＰＤのカソード端子の電位を高電位電源Ｖｄｄ１レベルにリセットする。
【００２１】
フォト・ダイオードＰＤと第１トランジスタＴ１との間の接続点であるセンスノードＮ１は第２トランジスタＴ２に接続されている。第２トランジスタＴ２は、ゲートがセンスノードＮ１に接続され、ソースが第３トランジスタＴ３に接続され、ドレインが高電位電源Ｖｄｄ２に接続されている。第２トランジスタＴ２は増幅用トランジスタであり、センスノードＮ１の電位を増幅した信号（光電変換信号）を出力する。従って、第２トランジスタＴ２は、フォト・ダイオードＰＤの出力端子（カソード）電位を増幅する増幅回路を構成する。
【００２２】
第３トランジスタＴ３は、第１端子（例えばソース端子）が第２トランジスタＴ２に接続され、第２端子（例えばドレイン端子）が列信号線ＢＬ１に接続されている。そして、第３トランジスタＴ３は、ゲート端子が行選択線Ｗ１に接続され、該ゲート端子に行選択線Ｗ１を介して後述する駆動信号Φｗ１が供給されている。第３トランジスタＴ３は行選択用トランジスタであり、行選択線Ｗ１を介して供給される駆動信号Φｗ１に応答してオン・オフし、第２トランジスタＴ２と列信号線ＢＬ１とを接離する。従って、第３トランジスタＴ３がオンしたときに、第２トランジスタＴ２から出力される信号（光電変換信号）が列信号線ＢＬ１に出力される。
【００２３】
このように構成された画像セルＣａは、行選択線Ｗ１及びリセット線Ｒ１を介して供給される駆動信号Φｗ１とリセット信号Φｒ１に従って動作する。駆動信号Φｗ１及びリセット信号Φｒ１は図４に示す波形を持つ。フォト・ダイオードＰＤは、第１トランジスタＴ１により高電位電源Ｖｄｄ１レベルにリセットされた後、光電変換による信号電荷を蓄積する。フォト・ダイオードＰＤは、リセットにより逆バイアス状態になっており等価的にキャパシタの働きをするので、信号電荷の蓄積によりセンスノードＮ１の電圧が変化する。第２トランジスタＴ２は、その電圧を増幅し、増幅された電圧がＨレベルの駆動信号Φｗ１に応答してオンした第３トランジスタＴ３を介して列信号線ＢＬ１に出力される。その後、第１トランジスタＴ１は、Ｈレベルのリセット信号Φｒ１に応答してオンし、フォト・ダイオードＰＤをリセットする。
【００２４】
図３に示す増幅回路１６は、列信号線ＢＬ１に読み出された信号を増幅し、水平クロック信号Φｔに基づいてサンプリングしＡ／Ｄ変換する。この水平クロック信号Φｔは図４に示すように、フォト・ダイオードＰＤで十分に光電流が発生している時期にサンプリングするようにタイミングが設定されている。シフトレジスタ１７は、増幅回路１６の出力信号を出力回路１５に転送し、出力回路１５は、入力信号のパルス幅を所定のパルス幅（本実施形態では幅ｔｋ）に伸張した出力信号ｏｕｔを生成し、それを出力する。
【００２５】
図１は、撮像デバイスとしての固体撮像装置１０のチップの一部断面図である。このチップは、Ｐ型のシリコン基板３１と、その上方に形成された半導体層としてのＰ型エピタキシャル層３２を備えている。Ｐ型エピタキシャル層３２には、その上面から所定の深さまでＮ型拡散層３３が形成されている。このＮ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２とにより、ＰＮ接合フォト・ダイオードＰＤが構成されている。
【００２６】
フォト・ダイオードＰＤの周辺部にはガードバンド領域３４が形成されている。ガードバンド領域３４は、Ｎ型拡散層３３に対して、その側面を覆うように形成されている。また、本実施形態のガードバンド領域３４は、Ｎ型拡散層３３の底面（上下方向においてＮ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２とが接する接合面）の周辺を覆うように形成されている。
【００２７】
このガードバンド領域３４は、横方向においてＮ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２の間の濃度勾配を緩やかにするために設けられている。例えば、ガードバンド領域３４は、フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３と同じ導電型（Ｎ型）であり、かつ不純物濃度がＮ型拡散層３３の不純物濃度よりも低く形成されている。従って、Ｎ型拡散層３３とガードバンド領域３４との濃度差、Ｐ型エピタキシャル層３２とガードバンド領域３４との濃度差は、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２との濃度差に比べて小さくなる。更に、ＰＮ接合部において形成される空乏層は、ガードバンド領域３４を形成することで幅が広がり、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２との間の実質的な距離（空乏層の幅）が、ガードバンド領域３４を設けない場合（従来例）に比べて長くなる。これにより、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２の間の実質的な抵抗値が従来例に比べて大きくなるため、Ｎ型拡散層３３からＰ型エピタキシャル層３２に向かって流れるリーク電流（暗電流）が従来例に比べて少なくなる。
【００２８】
上記のガードバンド領域３４は、例えばＮ型のウェルを平面視環状に形成し、該環状のウェルよりも内側及びウェルの内側部分に不純物を所定の深さに注入してＮ型拡散層３３を形成することにより得られる。
【００２９】
ガードバンド領域３４による濃度勾配は、はフォト・ダイオードＰＤの中心部縦方向の濃度勾配と比較して接合深さで２〜１０倍程度緩いことが望ましい。例えば、略均一に不純物が拡散されたＰ型エピタキシャル層３２の不純物濃度を１０の１５乗のオーダーとした場合、中心部におけるリン濃度の最大値が最高濃度１０の１９乗のオーダーでＰＮ接合深さ約１．０μｍのＮ型拡散層３３に対して、濃度が１０の１６乗のオーダーで３μｍ深さの低濃度Ｎ型領域のガードバンド領域３４を形成する。このように構成されたフォト・ダイオードＰＤは、ガードバンド領域３４を形成していないフォト・ダイオードに比べて、暗電流が５分の１以下に減少することが確認されている。
【００３０】
ＣＭＯＳデバイスではＮウェルもしくはＰウェルの接合深さが数μｍにおよび濃度が低い。従って、ガードバンド領域３４は、ＮウェルもしくはＰウェルでフォト・ダイオードＰＤのＰＮ接合部端部を囲み込むことにより、製造工程を複雑化することなく実現される。
【００３１】
尚、図１において、隣接するフォト・ダイオードＰＤ間に形成された素子分離のための酸化膜３５（フィールド酸化膜：例えばＬＯＣＯＳ）の下方には、Ｐ型のウェル３６が形成されている。このＰ型ウェル３６は、不純物濃度がＰ型エピタキシャル層３２の不純物濃度に比べて高く形成されている。このＰ型ウェル３６は、隣接するフォト・ダイオードＰＤ間にチャネルが形成されるのを防止し、両フォト・ダイオードＰＤ間の相互干渉を防止する。
【００３２】
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）フォト・ダイオードＰＤの周辺部には、該フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３の側面を覆うようにガードバンド領域３４が形成されている。ガードバンド領域３４は、フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３と同じ導電型（Ｎ型）であり、かつ不純物濃度がＮ型拡散層３３の不純物濃度よりも低く形成されている。従って、ガードバンド領域３４は、横方向においてＮ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２の間の濃度勾配を緩やかにするため、ＰＮ接合部において形成される空乏層は、ガードバンド領域３４を形成することで幅が広がり、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２との間の実質的な距離（空乏層の幅）が、ガードバンド領域３４を設けない場合（従来例）に比べて長くなる。これにより、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２の間の実質的な抵抗値が従来例に比べて大きくなるため、Ｎ型拡散層３３からＰ型エピタキシャル層３２に向かって流れるリーク電流（暗電流）を従来例に比べて少なくすることができ、ひいては画像セルＣａの高感度化、つまり固体撮像装置１０の高感度化を図ることができる。
【００３３】
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態において、ガードバンド領域３４を、Ｎ型拡散層３３の側面及び底面周辺を覆うように形成したが、形状及び形成方法を適宜変更してもよく、例えば、図５に示すように、Ｎ型拡散層３３の底面全体に形成するようにしてもよい。
【００３４】
・上記実施形態において、図６に示すように、第１トランジスタＴ１のスレッショルド電圧を変えるためにチャネルドーピングによって形成するＰ型層４１を、フォト・ダイオードＰＤにも形成してもよい。このＰ型層４１は、フォト・ダイオードＰＤを構成するＮ型拡散層３３が、Ｐ型エピタキシャル層３２の上面に形成した酸化膜４２と直接的に接触するのを防ぐ。
【００３５】
・上記実施形態では、ガードバンド領域３４をＮ型拡散層３３と同じ導電型としたが、Ｎ型拡散層３３とＰ型エピタキシャル層３２との間の濃度勾配を緩やかにできればガードバンド領域３４の構成・構造を適宜変更してもよい。例えば、Ｎ型拡散層３３と逆導電型であるＰ型半導体によりガードバンド領域３４を構成してもよい。また、Ｎ型の第１層とＰ型の第２層によりガードバンド領域３４を構成してもよい。
【００３６】
・上記実施形態において、画像セルＣａの構成を適宜変更してもよい。例えば、フォト・ダイオードＰＤに直列接続した第１トランジスタＴ１をサブ・スレッショルド領域にて動作させ対数変換を行う画像セルに具体化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施形態の撮像デバイスの一部概略断面図である。
【図２】画像セルを示す回路図である。
【図３】固体撮像装置のブロック回路図である。
【図４】固体撮像装置の動作を示す波形図である。
【図５】別の撮像デバイスの一部概略断面図である。
【図６】別の撮像デバイスの一部概略断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
３２…Ｐ型エピタキシャル層、３３…拡散層、３４…ガードバンド領域、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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