(57)【要約】【課題】中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現する。【解決手段】フォトダイオード部３の底部外周を含むその周囲領域に、低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８が配設されているため、電子シャッタモードでＮ型半導体基板１とＰ型ウェル領域２間にＶｓｕｂ電源７から所定のＶｓｕｂ電圧を印加したときに、Ｎ型半導体基板１からフォトダイオード部３側へ空乏層が広がりやすい構造にしてＮ型半導体基板１への電荷排出を、より広い電荷排出領域でより容易に電荷排出することができる。これによって、画素ピッチが縮小しても、フォトダイオード部３からの電荷排出出口領域が面積的に狭くならず広がって、ポテンシャル障壁が容易になくなり易く、固体撮像素子２０を低消費電力化することができる。【選択図】図１
2011119309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部が２次元状に配設された固体撮像素子において、
該フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されている固体撮像素子。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部と、該フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを有する固体撮像素子において、
該フォトダイオード部の底部と該ウェル領域との境界部の周囲領域に、該底部の外周部と重なるように、該フォトダイオード部よりも不純物低濃度の第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されている固体撮像素子。
【請求項３】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に平面視ドーナツ状に形成されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周を側面側から囲うように３次元的に配設されている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記フォトダイオード部の底部外周の境界領域は、縦断面が下に凸状の曲線になっている領域である請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の深さ方向の厚さは、前記フォトダイオード部の底部を形成している前記縦断面が曲線部分の深さ方向の厚さ以下０．５μｍ以上である請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の深さ方向の厚さは０．５μｍ〜１μｍである請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域は、平面視において、前記縦断面が下に凸状の曲線の中央部を囲っている請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の縦断面の外寸幅は、前記フォトダイオード部の縦断面幅と同等またはそれ以上である請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周から半導体基板面方向に鍔状に突出している請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
隣接する前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の間に画素分離するための第２導電型の分離領域が設けられている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記分離領域を確保しつつ、電子シャッタ時の電荷排出面積を最大とするように、前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の平面視面積サイズが設定されていると共に、隣接する該電子シャッタ時電荷排出補助領域間の距離が設定されている請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記半導体基板と前記ウェル領域との間に、電子シャッタ時に用いる電荷排出電圧を印加するための電荷排出電源が設けられている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
ＣＣＤ型固体撮像素子である請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の固体撮像素子について図６〜図８を用いて詳細に説明する。
【０００３】
図６は、従来の固体撮像素子の各画素部の縦断面図である。
【０００４】
図６に示すように、従来の固体撮像素子１００は、Ｎ型半導体基板１０１に形成されたＰ型ウェル領域１０２、このＰ型ウェル領域１０２内に形成されたＮ型フォトダイオード部１０３、Ｎ型フォトダイオード部１０３の表面側に形成された表面Ｐ＋領域１０４、Ｎ型フォトダイオード部１０３から読み出された信号電荷を垂直方向に電荷転送する電荷転送部１０５、電荷転送部１０５上に図示しない絶縁膜を介して形成されたゲート電極１０６および、Ｎ型半導体基板１０１とＰ型ウェル領域１０２間に所定電圧を印加するためのＶｓｕｂ電源１０７から構成されている。なお、隣接のＮ型フォトダイオード部１０３間にはＰ型分離領域１０８が配設されている。
【０００５】
まず、フォトダイオード部１０３に光が入射すると、その入射光量に応じた光電変換によって信号電荷が生成される。さらに、ゲート電極１０６の電位を変化させて、電荷転送部１０５のポテンシャルを深くすることにより、入射光によって光電変換された信号電荷がフォトダイオード部１０３から電荷転送部１０５に読み出される。
【０００６】
次に、ゲート電極１０６にクロック信号を印加することにより、紙面に垂直方向（縦方向）に信号電荷の電荷転送を行って、この信号電荷を電圧変換した後に信号出力に変換して画素毎の撮像信号が外部回路に取り出される。
【０００７】
通常の固体撮像素子には、オーバーフロードレイン機能が備わっている。このオーバーフロードレインとは、即ち、強烈光入射時に、フォトダイオード容量を超える過剰電荷がＮ型半導体基板に排出されるように、Ｖｓｕｂ電源１０７の設定電圧で調整される機能である。さらに、Ｖｓｕｂ電源１０７にパルス信号を印加して、Ｐ型ウェル領域１０２のポテンシャルをフォトダイオード部１０３のポテンシャルと同等または深くし、フォトダイオード部１０３に貯まった信号電荷を強制的に任意の時間内にＮ型半導体基板１０１側に排出することにより、露光時間を細かく制御できる電子シャッタ動作も機能として備わっている。
【０００８】
ところが、上記電子シャッタ動作時に、Ｖｓｕｂ電源１０７の電圧を通じてウェル領域を空乏化させ、ポテンシャル障壁を完全になくすためには、高いＶｓｕｂ電圧が必要であるため、電子シャッタモードを低電圧で作動させ、固体撮像素子１００を低消費電力化するのは難しいという問題がある。
【０００９】
また、画素ピッチを縮小するとシャッタ電圧が増加していくという問題もある。これはフォトダイオード面積が小さくなることにより、電荷排出の出口が狭くなることでＮ型半導体基板１０１からＮ型フォトダイオード１０３側に空乏層が広がりにくくなり、ポテンシャル障壁を完全になくして、Ｎ型半導体基板１０１へ電荷排出することがより困難になるからである。
【００１０】
これらの問題に対して、特許文献１では、Ｐ型のウェル内でフォトダイオードとＮ型半導体基板の間にＮ型ドレイン領域を設けて、電子シャッタ時にこれにパルスを与えて電荷をＮ型半導体基板側に排出しやすくして、シャッタ電圧の低電圧化を可能にしている。
【００１１】
この特許文献１の固体撮像素子について、以下に、図７および図８を用いて詳細に説明する。
【００１２】
図７は、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【００１３】
図７に示すように、従来の固体撮像素子２００は、Ｎ型半導体基板２０１に形成されたＰ型のウエル領域２０２、ウエル領域２０２内に形成され、入射光を光電変換するＮ型のフォトダイオード部２０３、フォトダイオード部２０３から読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するためのＮ型の電荷転送部２０４、Ｎ型のフォトダイオード部２０４上に形成されたＰ型の正孔蓄積部２０５、電荷転送部２０４上にゲート絶縁膜２０６を介して形成された、信号電荷の転送を制御するためのポリシリコンのゲート電極２０７、および、フォトダイオード容量を決定しオーバーフロードレインを機能させるためのＶｓｕｂ電源２０８を有している。
【００１４】
さらに、この固体撮像素子２００において、Ｐ型のウエル領域２０２内に局所的にＡｓを分布させ形成したＮ型ドレイン領域２０９が設けられており、このＮ型ドレイン領域２０９は、画素それぞれに設置されたフォトダイオード部２０３の下方位置で、Ｎ型半導体基板２０１との間に設けられている。
【００１５】
このＮ型ドレイン領域２０９の平面的パターンは、画素アレイの列または行に沿って配列された短冊形になっている。画素アレイ端部でこのパターンと電源２１０のライン配線が接続されている。また、上記の短冊形とは異なり、Ｎ型ドレイン領域２０９の平面的パターンが、フォトダイオード部２０３に対向した方形状パターンが細い拡散層でつながった平面パターンとなっていてもよい。この場合も、画素アレイ端部で電源２１０のライン配線と接続される。この電源２１０は、Ｎ型ドレイン領域２０９に接続されたパルス信号を印加する電源である。
【００１６】
この従来の固体撮像素子２００は、フォトダイオード部２０３に光が入射すると、フォトダイオード部２０３とＰ型のウエル領域２０２とのＰＮ接合部で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷（電子）が生成される。ゲート電極２０７の電位を変化させて電荷転送部２０４のポテンシャルを深くすることで、入射光による信号電荷がフォトダイオード部２０３から電荷転送部２０４に読み出される。ゲート電極２０７にクロック信号を印加することにより、紙面に垂直方向（縦方向）に信号電荷の電荷転送を行って、この信号電荷を電圧変換した後に信号出力に変換して外部回路に取り出される。
【００１７】
図８は、図７のＡＡ’断面位置におけるポテンシャル図であって、（ａ）はオーバーフロードレイン機能時のポテンシャル図、（ｂ）は、電子シャッタ動作時のポテンシャル図である。
【００１８】
図８（ａ）に示すように、オーバーフロードレイン機能時のポテンシャルは、フォトダイオード部２０３とＮ型ドレイン領域２０９との距離が短くその間に大きな電界がかかりやすくなっており、容易に空乏層が形成される状態になっている。また、レジストをマスクとしたＡｓのイオン注入によりＮ型ドレイン領域２０９を形成することにより、Ｎ型ドレイン領域２０９のＮ型半導体基板２０１に対する横方向の寸法（Ｎ型ドレイン領域２０９のフォトダイオード部２０３に対する横（水平）方向の位置）と深さ方向の不純物濃度分布が高精度に制御されている。
【００１９】
したがって、フォトダイオード部２０３からの過剰な信号電荷の吐き出しが速やかに行なわれ、オーバーフロードレイン機能が向上すると共に、飽和特性ばらつきが減少する。このように、従来ドレイン領域としてＮ型半導体基板２０１を用いたため、問題であった不純物濃度むら・ウエハ間差など製造ばらつきの影響を受けることなしに、Ｎ型ドレイン領域２０９の不純物濃度分布を高精度に制御することができ、飽和特性のばらつきやブルーミングによる画像劣化の発生を抑えることができる。
【００２０】
また、図８（ｂ）に示すように、電子シャッタ動作時は、従来の不純物元素濃度のばらつきの大きいＮ型半導体基板２０１でなく、不純物元素の濃度が制御されたＮ型ドレイン領域２０９に信号電荷を吐き出すため、フォトダイオード部２０１とＮ型ドレイン領域２０９とを隔てている不純物元素の濃度が制御されたＰ型のウエル領域２０２のポテンシャルに相当する電圧を印加するだけで動作することができ、やはり特性ばらつきを減少させる。それとともに、フォトダイオード部２０３とＮ型ドレイン領域２０９を近くすることができるので、その間に大きな電界がかかりやすくなっており、容易に空乏層が形成されるので、制御する電源２１０の印加電圧を低電圧化できる。
【００２１】
Ａｓのイオン注入の加速電圧やドーズ量を変えることで、Ｎ型ドレイン領域２０９の厚さやフォトダイオード部２０３との距離などを任意に変えることができるので、オーバーフロードレインや電子シャッタの動作特性を任意に設定することが可能となる。
【００２２】
要するに、特許文献１では、シャッタ電圧の抑制のため、Ｐ型のウェル内でフォトダイオード部２０３とＮ型半導体基板２０１との間にＮ型ドレイン領域２０９を設けて、電子シャッタ時に、これにパルスを与えて電荷をＮ型半導体基板２０１側に抜き易くして、シャッタ電圧の低電圧化を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００５−５１１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子２００では、この中間にあるＮ型ドレイン領域２０９にパルス信号を与えるためには、その中間電位パルス信号を発生させる回路の他に、信号線が必要となり回路および信号線のレイアウトが複雑になるという新たな問題が生じる。
【００２５】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現することができる固体撮像素子および、この固体撮像素子からの信号電荷に所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器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】
【００２６】
本発明の固体撮像素子は、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部が２次元状に配設された固体撮像素子において、該フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
本発明の固体撮像素子は、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部と、該フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを有する固体撮像素子において、該フォトダイオード部の底部と該ウェル領域との境界部の周囲領域に、該底部の外周部と重なるように、該フォトダイオード部よりも不純物低濃度の第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に平面視ドーナツ状に形成されている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周を側面側から囲うように３次元的に配設されている。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部の底部外周の境界領域は、縦断面が下に凸状の曲線になっている領域である。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域の深さ方向の厚さは、前記フォトダイオード部の底部を形成している前記縦断面が曲線部分の深さ方向の厚さ以下０．５μｍ以上である。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域の深さ方向の厚さは０．５μｍ〜１μｍである。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域は、平面視において、前記縦断面が下に凸状の曲線の中央部を囲っている。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域の縦断面の外寸幅は、前記フォトダイオード部の縦断面幅と同等またはそれ以上である。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電子シャッタ時電荷排出補助領域は、前記フォトダイオード部の底部外周から半導体基板面方向に鍔状に突出している。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において隣接する電子シャッタ時電荷排出補助領域の間に画素分離するための第２導電型の分離領域が設けられている。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における分離領域を確保しつつ、電子シャッタ時の電荷排出面積を最大とするように、前記電子シャッタ時電荷排出補助領域の平面視面積サイズが設定されていると共に、隣接する該電子シャッタ時電荷排出補助領域間の距離が設定されている。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体基板と前記ウェル領域との間に、電子シャッタ時に用いる電荷排出電圧を印加するための電荷排出電源が設けられている。
【００３９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、ＣＣＤ型固体撮像素子である。
【００４０】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４１】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００４２】
本発明においては、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部が配設された固体撮像素子において、フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されている。
【００４３】
また、本発明においては、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部と、フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを有する固体撮像素子において、フォトダイオード部の底部とウェル領域との境界部の周囲領域に、この底部の外周部と重なるように、フォトダイオード部よりも不純物低濃度の第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されている。
【００４４】
これによって、フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されているので、電子シャッタモードでＮ型半導体基板への電荷排出を、面積的により広い電荷排出領域でより容易に電荷排出することが可能となる。これによって、画素ピッチが縮小しても、フォトダイオード部３からの電荷排出出口領域が面積的に狭くならず広がって、ポテンシャル障壁が容易になくなり易い。したがって、中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
以上により、本発明によれば、フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されているため、画素ピッチが縮小しても、電子シャッタモードでＮ型半導体基板への電荷排出を、面積的により広い電荷排出領域でより容易に行うことが可能となって、ポテンシャル障壁が容易になくなることにより、中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１の固体撮像素子の単位画素部を上から見た平面図である。
【図３】本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【図４】図３の固体撮像素子の単位画素部を上から見た平面図である。
【図５】本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１または２の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図６】従来の固体撮像素子の各画素部の縦断面図である。
【図７】特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【図８】図７のＡＡ’断面位置におけるポテンシャル図であって、（ａ）はオーバーフロードレイン機能時のポテンシャル図、（ｂ）は、電子シャッタ動作時のポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１または２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【００４９】
図１において、本実施形態１の固体撮像素子２０は、Ｎ型半導体基板１の上部に形成されたＰ型ウェル領域２、このＰ型ウェル領域２内の上部に２次元状でマトリクス状に形成された複数の受光部としての複数のＮ型フォトダイオード部３、このＮ型フォトダイオード部３の表面側にそれぞれ形成された表面Ｐ＋領域４、各Ｎ型フォトダイオード部３から読み出された信号電荷を垂直方向に電荷転送するための電荷転送部５、電荷転送部５上に図示しない絶縁膜を介して形成されたゲート電極６、Ｎ型半導体基板１とＰ型ウェル領域２間に、オーバーフロードレインおよび電子シャッタ時に用いる電荷排出用電圧のＶｓｕｂ電圧を印加するための電荷排出電源としてのＶｓｕｂ電源７、フォトダイオード部３の深部である底部外周を含むその周囲領域（下部外周を含むその周囲領域）にフォトダイオード部３の底部外周部と重なるように配設された低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８および、隣接する低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８の間に画素分離用に配設されたＰ型分離領域９により構成されている。
【００５０】
本実施形態１の固体撮像素子２０には、オーバーフロードレイン機能が備わっている。このオーバーフロードレインは、強烈光入射時に、フォトダイオード部３の容量を超える過剰電荷がＮ型半導体基板１側に排出されるように、Ｖｓｕｂ電源７の所定の設定電圧で調整される機能である。
【００５１】
また、Ｖｓｕｂ電源７にパルス信号を印加して、Ｐ型ウェル領域２のポテンシャルをフォトダイオード部３のポテンシャルと同等または深くし、フォトダイオード部３に貯まった電荷を強制的に任意の時間内にＮ型半導体基板１側に排出することにより、露光時間を細かく制御できる電子シャッタ動作も機能として備わっている。
【００５２】
低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８は、その外周領域（下部外周領域）とＰウェル２との境界領域にフォトダイオード部３の深部である底部外周と一部重なるように付加されており、フォトダイオード部３の側面側から基板面方向に鍔状に突出して設けられている。つまり、この電子シャッタ時電荷排出補助領域８は、フォトダイオード部３の底部外周の周囲領域にフォトダイオード部３の一部と重なる平面視ドーナツ状（図２で４角形のドーナツ状）に配置されている。この電子シャッタ時電荷排出補助領域８によって、フォトダイオード部３の領域の電荷排出出口領域が面積的に広がって、電子シャッタ動作時、即ち、Ｖｓｕｂ電源７によるＶｓｕｂ電圧印加時に、Ｎ型半導体基板１からＮ型のフォトダイオード部３側に空乏層が広がりやすくなり、Ｖｓｕｂ電圧が低電圧であっても、ポテンシャル障壁を無くすことが容易になる。これによって、本実施形態１の固体撮像素子２０における電子シャッタモードの低電圧化が可能となる。
【００５３】
フォトダイオード部３の底部外周の境界領域は、縦断面が下に凸状の曲線になっている領域であり、電子シャッタ時電荷排出補助領域８は、平面視において、その縦断面が下に凸状の曲線の中央部を４角形ドーナツ状に囲っている。
【００５４】
Ｐ型分離領域９の画素分離機能を確保しつつ、電子シャッタ時電荷排出補助領域８の電荷排出面積を最大とするように、電子シャッタ時電荷排出補助領域８の平面視面積サイズが設定されていると共に、隣接する電子シャッタ時電荷排出補助領域８の間の距離（Ｐ型分離領域９の幅）が設定されている。
【００５５】
上記構成により、まず、フォトダイオード部３に光が入射すると、その入射光量に応じた光電変換によって信号電荷が生成される。次に、ゲート電極６の電位を変化させて、電荷転送部５のポテンシャルを深くすることにより、入射光によって光電変換された信号電荷がフォトダイオード部３から電荷転送部５に読み出される。その後、ゲート電極６にクロック信号を印加することにより、紙面に垂直方向（縦方向）に信号電荷の電荷転送を行い、さらに水平方向（横方向）に信号電荷の電荷転送を行って、この信号電荷を電圧変換した後に信号出力に変換して画素毎の撮像信号を外部回路に取り出して表示や記録のためになどに所定の画像信号処理が為される。
【００５６】
電子シャッタ動作時に、Ｖｓｕｂ電源７のＶｓｕｂ電圧を通じてウェル領域２を空乏化させ、ポテンシャル障壁を完全になくすためには、従来は、より高いＶｓｕｂ電圧が必要であったが、本実施形態１では、電子シャッタ時電荷排出補助領域８が、フォトダイオード部３の底部外周を含むその周囲領域にフォトダイオード部３の深部の一部と重なるドーナツ状で３次元状に配置されているため、画素ピッチが縮小しても、フォトダイオード部３からの電荷排出出口領域が面積的に狭くならず広がって、ポテンシャル障壁が容易になくなり易く、固体撮像素子２０を低消費電力化することが可能となる。
【００５７】
図２は、図１の固体撮像素子２０の単位画素部を上から見た平面図である。
【００５８】
図２に示すように、Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８をフォトダイオード部３の深部周囲領域（底部外周を含むその周囲領域）にドーナツ状に付加することにより、電子シャッタ動作時に３次元的にＮ半導体基板１からＮ型フォトダイオード部３側に空乏層が広がりやすくなり、Ｎ型半導体基板１への電荷排出がより容易になる。なお、重なり領域３ａは、フォトダイオード部３の底部外周部と、ドーナツ状の低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８とが互いに重なった領域を示している。
【００５９】
以上により、本実施形態１によれば、フォトダイオード部３の底部外周を含むその周囲領域に、低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８が配設されているため、電子シャッタモードでＮ型半導体基板１とＰ型ウェル領域２間にＶｓｕｂ電源７から所定のＶｓｕｂ電圧を印加したときに、Ｎ型半導体基板１からフォトダイオード部３側へ空乏層が広がりやすい構造にしてＮ型半導体基板１への電荷排出を、より広い電荷排出領域でより容易に電荷排出することができる。これによって、画素ピッチが縮小しても、フォトダイオード部３からの電荷排出出口領域が面積的に狭くならず広がって、ポテンシャル障壁が容易になくなり易く、固体撮像素子２０を低消費電力化することができる。
【００６０】
なお、本実施形態１では、特に説明しなかったが、電子シャッタ時電荷排出補助領域８の深さ方向の厚さは、フォトダイオード部３の底部を形成している縦断面が曲線部分の深さ方向の厚さ以下０．５μｍ以上であるかまたは、０．５μｍ〜１μｍである。
【００６１】
（実施形態２）
上記実施形態１では、電子シャッタ時電荷排出補助領域８は、間にＰ型分離領域９が確保でき、かつ電荷排出出口領域が面積的にできるだけ広く取れるように（最大平面視面積）、フォトダイオード部３の底部外周（図１の断面が曲線部分）を含む周囲領域にフォトダイオード部３の底部と一部重なるドーナツ状に構成したが、本実施形態２では、上記実施形態１に比べて電荷排出出口領域が面積的に広く取れないものの、間にＰ型分離領域９の距離が十分に取れない場合もあるため、フォトダイオード部３の底部外周（図１の断面が曲線部分）を含む周囲領域にフォトダイオード部３の底部の一部と重なるドーナツ状に構成し、かつフォトダイオード部３の幅（図１の断面幅）程度の幅とした場合について説明する。
【００６２】
図３は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【００６３】
図３において、本実施形態２の固体撮像素子２０Ａは、Ｎ型半導体基板１の上部に形成されたＰ型ウェル領域２、このＰ型ウェル領域２内に２次元状でマトリクス状に形成された複数の受光部としての複数のＮ型フォトダイオード部３、このＮ型フォトダイオード部３の表面側にそれぞれ形成された表面Ｐ＋領域４、各Ｎ型フォトダイオード部３から読み出された信号電荷を垂直方向に電荷転送するための電荷転送部５、電荷転送部５上に図示しない絶縁膜を介して形成されたゲート電極６、Ｎ型半導体基板１とＰ型ウェル領域２間に、オーバーフロードレインおよび電子シャッタ時に用いる電荷排出電圧のＶｓｕｂ電圧を印加するためのＶｓｕｂ電源７、フォトダイオード部３の深部である底部外周を含むその周囲領域（下部を含むその周囲領域）にフォトダイオード部３の底部外周部と重なるように配設された低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１および、隣接する低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１の間に画素分離用に配設されたＰ型分離領域９により構成されている。
【００６４】
低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１は、フォトダイオード部３の底部外周を含む周囲領域（下部外周を含む周囲領域）とＰウェル２との境界領域（図３の断面の曲線部分）にフォトダイオード部３の底部と一部重なるようにドーナツ状に付加されている。フォトダイオード部３の深部は、注入された不純物の拡散によって、図１および図３に示すように、中央部が最も深い下に凸状に膨れた形状になるが、それ故に、シャッタ動作時に電荷排出が低電圧で困難になっていた。したがって、フォトダイオード部３の深部の中央部が最も深い下に凸状に膨れた形状の周囲にのみ低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１を付加的に設けている。この場合、低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１の幅は、フォトダイオード部３の幅（図１および図３の断面幅）と同程度の幅としている。
【００６５】
図４は、図３の固体撮像素子の単位画素部を上から見た平面図である。
【００６６】
図４に示すように、フォトダイオード部３の不純物濃度よりも低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１を、フォトダイオード部３の底部外周を含む周囲領域（下部外周を含む周囲領域）に４角形ドーナツ状に付加することにより、電子シャッタ動作時に３次元的にＮ半導体基板１からＮ型フォトダイオード部３側に空乏層が広がりやすくなり、Ｎ型半導体基板１への電荷排出がより容易になる。図４の場合は、図２の場合に比べて電荷排出出口領域の面積が小さいが、フォトダイオード部３の境界部の縦断面形状が、中央部が最も深い下に凸状に膨れた曲線形状部であって、その周囲にドーナツ状の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１が付加されている。これによって、シャッタ動作時に電荷排出が低電圧で困難になっていたのを改善している。なお、重なり領域３ａは、フォトダイオード部３の深部外周部と、ドーナツ状の低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域８１とが互いに重なった領域を示している。
【００６７】
以上により、本実施形態２によれば、フォトダイオード部３の下に凸状の深部境界領域の電荷排出出口領域が面積的に広がって、電子シャッタ動作時、即ち、Ｖｓｕｂ電源７によるＶｓｕｂ電圧印加時に、Ｎ型半導体基板１からＮ型のフォトダイオード部３側に空乏層が広がりやすくなり、ポテンシャル障壁を無くすことが容易になる。したがって、電子シャッタモードの低電圧化を達成することができる。この場合は、上記実施形態１の場合に比べて、電荷排出出口領域が面積的に広く取れないものの、間にＰ型分離領域９が十分に確保できる。
【００６８】
なお、本実施形態２では、特に説明しなかったが、電子シャッタ時電荷排出補助領域８１の深さ方向の厚さは、フォトダイオード部３の底部を形成している縦断面が曲線部分の深さ方向の厚さ以下０．５μｍ以上であるかまたは、０．５μｍ〜１μｍである。
【００６９】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１または２の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【００７０】
図５において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態１または２の固体撮像素子２０または２０Ａからの撮像信号に所定の画像信号処理をしてをカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力手段９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示手段９３と、通信手段９４と、プリンタなどの画像出力手段９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【００７１】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【００７２】
したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【００７３】
なお、上記実施形態１、２では、特に説明しなかったが、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部が配設された固体撮像素子において、フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されていてもよい。または、上記実施形態１、２では、特に説明しなかったが、第１導電型の半導体基板上部に形成された第２導電型のウェル領域内に、光電変換により信号電荷を生成する複数の第１導電型のフォトダイオード部と、フォトダイオード部で生成された信号電荷を転送するための第１導電型の電荷転送部とを有する固体撮像素子において、フォトダイオード部の底部と該ウェル領域との境界部の周囲領域に、この底部の外周部と重なるように、フォトダイオード部よりも不純物低濃度の第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されていてもよい。いずれの場合にも、従来のように中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現することができる本発明の目的を達成することができる。この場合に、上記実施形態１、２では、第１導電型はＮ型で、第２導電型はＰ型としたが、これに限らず、第１導電型がＰ型で、第２導電型がＮ型であってもよい。
【００７４】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、フォトダイオード部の底部外周を含むその周囲領域に、第１導電型の電子シャッタ時電荷排出補助領域が配設されているため、画素ピッチが縮小しても、電子シャッタモードでＮ型半導体基板への電荷排出を、面積的により広い電荷排出領域でより容易に行うことが可能となって、ポテンシャル障壁が容易になくなることにより、中間電位パルス信号を発生させる回路およびその信号線のレイアウトの複雑さを招くことなく、安定した飽和電子を蓄積でき、かつシャッタ電圧の低電圧化を実現することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  Ｎ型半導体基板
２  Ｐ型ウェル領域
３  Ｎ型フォトダイオード部
３ａ  重なり領域
４  表面Ｐ＋領域
５  電荷転送部
６  ゲート電極
７  Ｖｓｕｂ電源
８、８１  低濃度Ｎ型の電子シャッタ時電荷排出補助領域
９  Ｐ型分離領域
２０、２０Ａ  固体撮像素子
９０  電子情報機器
９１  固体撮像装置
９２  メモリ部
９３  表示手段
９４  通信手段
９５  画像出力手段
【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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