(57)【要約】【課題】フォトダイオードからの信号電荷読み出しが完全転送モードになることを維持しながら、感度を向上するとともに、飽和電子数を増加させることが出来る固体撮像素子の提供。【解決手段】  本実施形態に係る固体撮像素子のＧ画素３０１は、光電変換領域２０１ａと転送トランジスタ２０２ａとを備え、光電変換領域２０１ａは、半導体基板４０１に形成されたＶ溝形状を有する第１光電変換領域２０１ａａと、第１光電変換領域２０１ａａと同層に設けられ、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域２０１ａｂとを備える。【選択図】図７
2008218670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にマトリクス状に形成された複数の画素を備えた固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、
緑色の第１可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第１色フィルタを有する第１画素と、
青色の第２可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第２色フィルタを有する第２画素と、
赤色の第３可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第３色フィルタを有する第３画素と、を少なくとも備え、
前記第１画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第１光電変換領域と、前記第１光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第１画素外に出力する第１トランジスタ領域と、を備え、
前記第２画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第２光電変換領域と、前記第２光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第２画素外に出力する第２トランジスタ領域と、を備え、
前記第３画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第３光電変換領域と、前記第３光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第３画素外に出力する第３トランジスタ領域と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
半導体基板上にマトリクス状に形成された複数の画素を備えた固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、
緑色の第１可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第１色フィルタを有する第１画素と、
青色の第２可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第２色フィルタを有する第２画素と、
赤色の第３可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第３色フィルタを有する第３画素と、を少なくとも備え、
前記第１画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第１光電変換領域と、前記第１光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第１画素外に出力する第１トランジスタ領域と、を備え、
前記第２画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第２光電変換領域と、前記第２光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第２画素外に出力する第２トランジスタ領域と、を備え、
前記第３画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第３光電変換領域と、前記第３光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第３画素外に出力する第３トランジスタ領域と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
半導体基板上にマトリクス状に形成された複数の画素を備えた固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、
緑色の第１可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第１色フィルタを有する第１画素と、
青色の第２可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第２色フィルタを有する第２画素と、
赤色の第３可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第３色フィルタを有する第３画素と、を少なくとも備え、
前記第１画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第１光電変換領域と、前記第１光電変換領域に近接し、かつ同層に設けられ、前記半導体基板の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域と、前記第１光電変換領域及び前記第２光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第１画素外に出力する第１トランジスタ領域と、を備え、
前記第２画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第３光電変換領域と、前記第３光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第２画素外に出力する第２トランジスタ領域と、を備え、
前記第３画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第４光電変換領域と、前記第４光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第３画素外に出力する第３トランジスタ領域とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板上にマトリクス状に形成された複数の画素を備えた固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、
緑色の第１可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第１色フィルタを有する第１画素と、
青色の第２可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第２色フィルタを有する第２画素と、
赤色の第３可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第３色フィルタを有する第３画素と、を少なくとも備え、
前記第１画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第１光電変換領域と、前記第１光電変換領域に近接し、かつ同層に設けられ、前記半導体基板の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域と、前記第１光電変換領域及び前記第２光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第１画素外に出力する第１トランジスタ領域と、を備え、
前記第２画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第３光電変換領域と、前記第３光電変換領域に近接し、かつ同層に設けられ、前記半導体基板の表面に対して平坦形状を有する第４光電変換領域と、前記第３光電変換領域及び前記第４光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第２画素外に出力する第２トランジスタ領域と、を備え、
前記第３画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第５光電変換領域と、前記第５光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第３画素外に出力する第３トランジスタ領域と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
前記第２光電変換領域の不純物濃度のピーク値は、前記第１光電変換領域の不純物濃度のピーク値より高く、かつ前記第２光電変換領域の不純物濃度は、前記第２光電変換領域に隣接する転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１画素の前記第２光電変換領域の不純物濃度のピーク値は、前記第１光電変換領域の不純物濃度のピーク値より高く、かつ前記第２光電変換領域の不純物濃度は、前記第２光電変換領域に隣接する転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成され、
前記第２画素の前記第４光電変換領域の不純物濃度のピーク値は、前記第３光電変換領域の不純物濃度のピーク値より高く、かつ前記第４光電変換領域の不純物濃度は、前記第４光電変換領域に隣接する転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１光電変換領域及び前記第２光電変換領域は、前記半導体基板の表面近傍領域に設けられた第１導電型の第１不純物拡散層と、前記第１不純物拡散層の下層に設けられた第２導電型の第２不純物拡散層と、の積層構造で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１光電変換領域及び前記第２光電変換領域は、前記半導体基板の表面近傍領域に設けられた第１導電型の第１不純物拡散層と、前記第１不純物拡散層の下層に設けられた第２導電型の第２不純物拡散層と、の積層構造で構成され、
前記第３光電変換領域及び前記第４光電変換領域は、前記半導体基板の表面近傍領域に設けられた第１導電型の第３不純物拡散層と、前記第３不純物拡散層の下層に設けられた第２導電型の第４不純物拡散層と、の積層構造で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、受光面が埋め込み型の光電変換領域を備える固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のデジタルカメラ、カメラ搭載型携帯電話等の普及により、固体撮像素子の需要が増加している。特に、一般的な半導体製造工程であるＣＭＯＳプロセスで製造可能なＣＭＯＳ型固体撮像素子の需要が高まっている、このような固体撮像素子は、近年、更なる小型化、多画素化の要求が高まっており、画素サイズの微細化が重要な課題となっている。
【０００３】
しかしながら、画素サイズの微細化に伴い、固体撮像素子に入射する入射光の光量も低下し、これに伴い、入射光の信号電荷が低下するため、これに起因する検出感度、Ｓ／Ｎ比等の低下が懸念されている。
【０００４】
一方、画素サイズの微細化と共に、固体撮像素子におけるフォトダイオード面積も縮小するため、ダイナミックレンジの上限を支配するフォトダイオードの飽和電子数が低下するという問題もある。
【０００５】
このフォトダイオードの飽和電子数は、フォトダイオードを構成するｎ型不純物領域の不純物数（不純物濃度）によって決まるため、その不純物濃度を増加させることで飽和電子数を向上させることは原理的に可能である。
【０００６】
また、ダイナミックレンジの下限を支配する雑音を抑制するために、通常のイメージセンサではフォトダイオード構造として半導体表面近傍に高濃度のｐ型不純物拡散層を形成させて表面をシールドする埋め込みフォトダイオードを用いることが一般的である。このような構成のフォトダイオードは表面のシールドによる低雑音化という効果を有すると共に、更に、フォトダイオードのポテンシャルを、転送トランジスタがＯＮしたときのチャネル電位よりも低いポテンシャルで完全空乏化するように設計することで、フォトダイオードから電荷検出部への電荷転送を完全転送モードとすることができ、フォトダイオードからの電荷転送が不完全な場合に発生する残像やリセット雑音を完全に排除できるという極めて優れた特徴を備えている。
【０００７】
しかしながら、飽和電子数を向上させるために、フォトダイオードを構成するｎ型不純物領域の不純物濃度を上げるということは、前述したフォトダイオードの空乏化ポテンシャルが増加してしまうことを意味し、完全転送の実現が困難となる。完全転送のための条件によって最適化された不純物量と不純物プロファイルは、転送トランジスタがＯＮしたときのチャネル電位や、空乏化したフォトダイオードのポテンシャルおよびその最大ポテンシャル部の深さ、等により最適化されており、したがって、ｎ型不純物数により決まる飽和電子数はフォトダイオードの表面積により決まり、これを増加することが出来なかった。
【０００８】
なお、受光面積の低下に伴う感度特性等の劣化を防止し、入射光の電荷変換効率を向上させるため、固体撮像素子の受光部の受光面にＶ溝を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−５８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の記載の技術は、Ｖ溝に入射した光がＶ溝内で反射させて再度Ｖ溝に入射することを繰り返すことで、変換効率が向上する点については記載されているものの、完全転送モードを維持しながらフォトダイオードの飽和電子数を増加させる点については記載されておらず、示唆もされていない。
【００１０】
また、単板カラー撮像素子における全ての画素に対して、Ｖ溝形状のフォトダイオードを形成することにより発生するデバイス特性の劣化についての配慮がなされていない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであって、フォトダイオードからの信号電荷読み出しが完全転送モードになることを維持しながら、感度を向上するとともに、飽和電子数を増加させることが出来るため、画素サイズの微細化に伴う検出感度の低下、Ｓ／Ｎ比の低下、ダイナミックレンジの低下、及び雑音を抑制することが可能な固体撮像素子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】
【００１２】
本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上にマトリクス状に形成された複数の画素を備えた固体撮像素子であって、前記複数の画素は、緑色の第１可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第１色フィルタを有する第１画素と、青色の第２可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第２色フィルタを有する第２画素と、
赤色の第３可視光波長域に対して他の可視光波長域よりも高い透過率を持つ第３色フィルタを有する第３画素と、を少なくとも備え、前記第１画素は、前記半導体基板の表面に形成されたＶ溝形状を備える第１光電変換領域と、前記第１光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第１画素外に出力する第１トランジスタ領域と、を備え、前記第２画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第２光電変換領域と、前記第２光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第２画素外に出力する第２トランジスタ領域と、を備え、前記第３画素は、前記半導体基板の表面に対して平坦形状で構成された第３光電変換領域と、前記第３光電変換領域で光電変換された電気信号を前記第３画素外に出力する第３トランジスタ領域と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、フォトダイオードからの信号電荷読み出しが完全転送モードになることを維持しながら、感度を向上するとともに、飽和電子数を増加させることが出来るため、画素サイズの微細化に伴う検出感度の低下、Ｓ／Ｎ比の低下、ダイナミックレンジの低下、及び雑音を抑制することが可能な固体撮像素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子のチップ構成の一例を説明する概略平面図である。
【００１７】
本実施形態に係る固体撮像素子１００は、図１に示すように、撮像領域１０１と、撮像領域１０１の周辺に設けられた、負荷トランジスタ部１０２、ＣＤＳ回路部１０３、Ｖ選択手段１０４、Ｈ選択手段１０５、ＡＧＣ（自動ゲイン制御）回路１０６、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１０７、デジタルアンプ１０８、ＴＧ（タイミングジェネレータ）回路１０９が配置されている。
【００１８】
撮像領域１０１には画素が２次元的（マトリックス状）に複数配列されており、隣接配置された複数の画素を一単位として、複数の画素ブロックに分類されている。
【００１９】
例えば、図２は、第１の実施形態に係る２行２列の画素ブロックの一例を示す図である。図２に示す画素ブロックは、緑色光の透過フィルタを有する画素３０１（以下、Ｇ画素という）が対角上に配置され、残り２つの画素は赤色光の透過フィルタを有する画素３０２（以下、Ｒ画素という）と、青色光の透過フィルタを有する画素３０３（以下、Ｂ画素という）とで構成されている。
【００２０】
図３は、上述した色フィルタの透過率を示すグラフである。
【００２１】
図３に示すように、緑色Ｇの色フィルタは約５００〜５５０nmの可視光波長域の光に対して高い透過率を持ち、赤色Ｒの色フィルタは約６００〜７００nmの可視光波長域の光に対して高い透過率を持ち、青色Ｂの色フィルタは約４５０〜４９０nmの可視光波長域の光に対して高い透過率を持っている。
【００２２】
図４は、図１に示す撮像領域１０１及び負荷トランジスタ部１０２の具体的な構成の一部を表す回路図である。
【００２３】
図４に示すように、撮像領域１０１内に設けられた光電変換画素２００は、光電変換を行う光電変換領域（以下、単に、ＰＤという）２０１と、ＰＤ２０１に接続された転送トランジスタ２０２と、転送トランジスタ２０２に接続されたフローティングディフュージョン（以下、単に、ＦＤという）２０３と、ＦＤ２０３を介して転送トランジスタ２０２に接続されたリセットトランジスタ２０４及び増幅トランジスタ２０５と、増幅トランジスタ２０５に直列接続された選択トランジスタ２０６とを備えている。
【００２４】
詳しくは、ＰＤ２０１は、転送トランジスタ２０２のドレイン領域に形成されている。ＦＤ２０３は、転送トランジスタ２０２のソースと、リセットトランジスタ２０４のドレインと、増幅トランジスタ２０５のゲートにそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ２０４のソースはＶｄｄに接続されている。増幅トランジスタ２０５のドレインはＶｄｄに、ソースは選択トランジスタ２０６のドレインに接続されている。選択トランジスタ２０６のソースは、垂直信号線２０７に接続されている。
【００２５】
また、垂直信号線２０７の一端は、負荷トランジスタ部１０２内の負荷トランジスタ２０８のドレインに接続され、負荷トランジスタ２０８のソースはグランドに接続されている。また、垂直信号線２０７のもう一端は撮像領域１０１の外部の図示しないＣＤＳ回路１０３に接続されている。
【００２６】
垂直信号線２０７に垂直に接続されている増幅トランジスタ２０５、負荷トランジスタ２０８はソースフォロア回路を構成し、ＦＤ２０３に発生する信号電圧をＣＤＳ回路１０３に出力する。
【００２７】
増幅トランジスタ２０５に直列接続された選択トランジスタ２０６はスイッチとして動作し、非選択行の増幅トランジスタ２０５と垂直信号線２０７とを分離する。
【００２８】
図４においては、光電変換画素２００内部に光電変換（ＰＤ２０１）、信号電荷蓄積（ＰＤ２０１）、ｑｖ変換（ＦＤ２０３）、ソースフォロア回路（増幅トランジスタ２０５、負荷トランジスタ２０８）をそれぞれ形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて複数のＰＤ２０１、転送トランジスタ２０２を一つのＦＤ２０３に接続することで、その他のリセットトランジスタ２０４、増幅トランジスタ２０５、選択トランジスタ２０６を共有してもよく、２画素１セル、４画素１セル等の構成をとることが可能である。また、図４に示す増幅トランジスタ２０５と選択トランジスタ２０６とを入れ替えて構成してもよい。
【００２９】
図５は、各画素内部の配置の関係の一例を示す平面図である。図中、配線等の詳細については省略している。図５中トランジスタ領域（Ｔｒ）２１０は、ＰＤ２０１で光電変換された電気信号を画素外に出力するトランジスタ領域を指し、図４中では、転送トランジスタ２０２、ＦＤ２０３、リセットトランジスタ２０４、増幅トランジスタ２０５、選択トランジスタ２０６及び垂直信号線２０７の一部を含む領域を言う。本実施形態では、画素内部ではＰＤ２０１が極力広い面積を有するようにレイアウトを設計している。
【００３０】
図６は、図２に示す２行２列の画素ブロックを一例とした第１の実施形態に係る各画素の平面図、図７は、図６のＡ−Ａ線で切った断面構成図、図８は、図６のＢ−Ｂ線で切った断面構成図である。すなわち、図６の２行２列の画素ブロックは、図２に示す画素ブロック画素３０１（Ｇ画素）、画素３０２（Ｒ画素）、画素３０３（Ｂ画素）に対応する。
【００３１】
図６から図８に示すように、各画素は、半導体基板４０１上に形成された光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃに隣接して設けられ、光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃで変換した電気信号（電荷）を外部に出力するトランジスタ領域２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃと、光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、及びトランジスタ領域２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ上に設けられた層間絶縁膜４０２と、層間絶縁膜４０２上に設けられた色フィルタ４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃとを備える。層間絶縁膜４０２の内部には隣接画素への光を遮断するための遮光膜４０４が設けられている。
【００３２】
Ｇ画素３０１に設けられた色フィルタ４０３ａは、緑色Ｇの光（波長約５００〜５５０nm）に高い透過率を持つ。Ｒ画素３０２に設けられた色フィルタ４０３ｂは、赤色Ｒの光（波長約６００〜７００nm）に対して高い透過率を持つ。Ｂ画素３０３に設けられた色フィルタ４０３ｃは、青色Ｂの光（波長約約４５０〜４９０nm）に対して高い透過率を持つ。
【００３３】
なお、光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、人間の目が感じない近赤外波長領域まで感度があるため、近赤外光（例えば６５０ｎｍ以上）をカットしないと、色再現性が悪化してしまう場合がある。例えば、純粋な緑色光と近赤外光を放つ(反射する)被写体を撮像する場合、Ｇ画素において緑色光を検出し、Ｒ画素において近赤外光を検出してしまうことになり、上記被写体を純粋な緑色（Ｒ：Ｇ：Ｂ）＝（０：１：０）として検出することができなくなる。そこで、例えば６５０nm以上の光を遮断する赤外カットフィルタを、層間絶縁膜４０２と色フィルタ４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃとの間、又は、色フィルタ４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ上に設けても良い（図示せず）。
【００３４】
もちろん、ＩＲカットフィルタは固体撮像素子チップ内部に直接形成しなくとも、被写体〜結像光学系〜固体撮像素子という光学パス上に配置することによっても、その効果を得ることが可能なのは言うまでも無い。
【００３５】
以下、各画素における構成をより詳しく説明する。
【００３６】
なお、ここでは、図７及び図８に示した断面図により具体的な構成を説明するが、図７及び図８で説明できないトランジスタ領域２１０の他のトランジスタ（ＦＤ２０３、リセットトランジスタ２０４、増幅トランジスタ２０５、選択トランジスタ２０６）は従来の構成が適用されるため、説明は省略する。
【００３７】
本実施形態に係る固体撮像素子のＧ画素３０１は、光電変換領域２０１ａを備える。
【００３８】
光電変換領域２０１ａは、半導体基板４０１に形成されたＶ溝形状を有する第１光電変換領域２０１ａａと、第１光電変換領域２０１ａａに近接し、かつ同層に設けられ、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域２０１ａｂとを備える。ここでいう同層とは、層の全体が基板上の同一の層として一体に形成された構成を意味する。
【００３９】
第１光電変換領域２０１ａａ及び第２光電変換領域２０１ａｂは、それぞれｐ型の導電型を有する、例えば、Ｓｉで構成された半導体基板４０１の表面近傍に設けられたｐ型の導電性を有する埋め込みｐ型半導体領域４０５（以下、単に、ｐ型領域という）と、ｐ型領域４０５の下層に設けられたｎ型の導電性を有する埋め込みｎ型半導体領域４０６（以下、単に、ｎ型領域という）との積層構造で構成されている。
【００４０】
光電変換領域２０１ａには隣接して転送トランジスタ２０２ａが設けられている。転送トランジスタ２０２ａは、第２光電変換領域２０１ａｂの一部をドレインとして、第２光電変換領域２０１ａｂに隣接して設けられたゲート絶縁膜４０７と、ゲート絶縁膜４０７上に設けられたゲート電極４０８と、ゲート絶縁膜４０７に隣接して設けられ、ＦＤ２０３のドレインと一部を共有する不純物拡散領域２０３ａとを備える。
【００４１】
Ｇ画素３０１に入射した光は、最初に、色フィルタ４０３ａにより、緑色Ｇの光が透過され、光電変換領域２０１ａに入射する。このとき、第１光電変換領域２０１ａａは、半導体基板４０１に形成されたＶ溝形状を備えているため、図９に示すように、色フィルタ４０３ａを通過した緑色Ｇの光を直接的に、又は、Ｖ溝表面で反射したものを間接的に吸収する。第１光電変換領域２０１ａａで吸収した緑色Ｇの光の量に基づいて信号電子が発生し、第１光電変換領域２０１ａａ及び第２光電変換領域２０１ａｂに蓄積される。また、第２光電変換領域２０１ａｂでも色フィルタ４０３ａを通過した緑色Ｇの光を直接的に吸収する。同様に、第２光電変換領域２０１ａｂで吸収した緑色Ｇの光の量に基づいて信号電子が発生し、第１光電変換領域２０１ａａ及び第２光電変換領域２０１ａｂに蓄積される。第１光電変換領域２０１ａａ及び第２光電変換領域２０１ａｂで蓄積された信号電子は、ゲート電極４０８をオンすることで、ＦＤ２０３に出力される。
【００４２】
このように、本実施形態のＧ画素における光電変換領域２０１ａは、Ｖ溝形状を備えた第１光電変換領域２０１ａａと、半導体基板４０１の表面に対して平坦構造を有する第２光電変換領域２０１ａｂとを備えているため、第１光電変換領域２０１ａａの第１の表面において反射した光を第１光電変換領域２０１ａａの第２の表面において吸収することが可能であり、したがって信号電子が増加し高感度特性を得ることができる。
【００４３】
また、第２光電変換領域２０１ａｂは第１光電変換領域２０１ａａと同層に設けられているため、各領域間の信号電子の転送トランジスタ２０２ａへの転送が後述するＲ画素３０２、Ｂ画素３０３の光電変換領域２０１ｂ、２０１ｃと同様のポテンシャルプロファイル構造に基づいて行われるために、Ｖ溝形状への特別の配慮を行うことなく、フォトダイオードからの信号電子の完全転送を行うことができる。
【００４４】
さらに、Ｖ溝形状を備えた光電変換領域２０１ａａのｎ型不純物領域の不純物プロファイルと、半導体基板４０１の表面に対して平坦構造を有する第２光電変換領域２０１ａｂの不純物プロファイルとを独立に制御することが可能であり、第１光電変換領域２０１ａａのｎ型不純物領域のピーク濃度を第２光電変換領域２０１ａｂのｎ型不純物領域のピーク濃度より低濃度に設定することで第１光電変換領域２０１ａａから第２光電変換領域２０１ａｂへの信号電荷転送が完全転送となるものとし、さらに第１光電変換領域２０１ａａのｎ型不純物領域のピーク濃度深さを第２光電変換領域２０１ａｂのｎ型不純物領域のピーク濃度深さよりも深く設定することで、第１光電変換領域２０１ａａの総不純物量を第２光電変換領域２０１ａｂの総不純物量よりも多くすることが可能となるので、その結果、飽和電子数の多い、広ダイナミックレンジ特性を得ることができる。
【００４５】
本実施形態に係る固体撮像素子のＲ画素３０２は、光電変換領域２０１ｂを備える。
【００４６】
光電変換領域２０１ｂは、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有し、半導体基板４０１の表面近傍領域に設けられたｐ型領域４０５と、ｐ型領域４０５の下層に設けられたｎ型領域４０６との積層構造で構成されている。
【００４７】
光電変換領域２０１ｂには隣接して転送トランジスタ２０２ｂが設けられている。転送トランジスタ２０２ｂは、光電変換領域２０１ｂの一部をドレインとして、光電変換領域２０１ｂに隣接して設けられたゲート絶縁膜４０７と、ゲート絶縁膜４０７上に設けられたゲート電極４０８と、ゲート絶縁膜４０７に隣接して設けられ、ＦＤ２０３のドレインと一部を共有する不純物拡散領域２０３ａとを備える。
【００４８】
Ｒ画素３０２に入射した光は、最初に、色フィルタ４０３ｂにより、赤色Ｒの光が透過され、光電変換領域２０１ｂに入射する。光電変換領域２０１ｂは、色フィルタ４０３ｂを通過した赤色の光を直接的に吸収する。光電変換領域２０１ｂで吸収した赤色Ｒの光の量に基づいて信号電子が発生し、光電変換領域２０１ｂに蓄積される。光電変換領域２０１ｂで蓄積された信号電子は、ゲート電極４０８をオンすることで、ＦＤ２０３に出力される。
【００４９】
本実施形態に係る固体撮像素子のＢ画素３０３は、光電変換領域２０１ｃを備える。
【００５０】
光電変換領域２０１ｃは、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有し、半導体基板４０１の表面近傍領域に設けられたｐ型領域４０５と、ｐ型領域４０５の下層に設けられたｎ型領域４０６との積層構造で構成されている。
【００５１】
光電変換領域２０１ｃには隣接して転送トランジスタ２０２ｃが設けられている。転送トランジスタ２０２ｃは、光電変換領域２０１ｃの一部をドレインとして、光電変換領域２０１ｃに隣接して設けられたゲート絶縁膜４０７と、ゲート絶縁膜４０７上に設けられたゲート電極４０８と、ゲート絶縁膜４０７に隣接して設けられ、ＦＤ２０３のドレインと一部を共有する不純物拡散領域２０３ａとを備える。
【００５２】
Ｂ画素３０３に入射した光は、最初に、色フィルタ４０３ｃにより、青色Ｂの光が透過され、光電変換領域２０１ｃに入射する。光電変換領域２０１ｃは、色フィルタ４０３ｃを通過した青色の光を直接的に吸収する。光電変換領域２０１ｃで吸収した青色Ｂの光の量に基づいて信号電子が発生し、光電変換領域２０１ｃに蓄積される。光電変換領域２０１ｃで蓄積された信号電子は、ゲート電極４０８をオンすることで、ＦＤ２０３に出力される。
【００５３】
Ｇ画素３０１、Ｒ画素３０２、Ｂ画素３０３のそれぞれの画素間には、素子分離領域４０９及びｐ型の導電性を有する不純物が高濃度に含有された高濃度ｐ型領域（以下、Ｐ＋領域という）４１０が設けられている。詳しくは、素子分離領域４０９は、ＦＤ２０３と隣接画素の光電変換領域との間の半導体基板４０１の表面から表層領域に設けられ、ｐ＋領域４１０は、素子分離領域４０９と、隣接画素の光電変換領域との間の半導体基板４０１の表面から表層領域に、素子分離領域４０９に隣接して設けられている。
【００５４】
この素子分離領域４０９は、例えば、ＳｉＯ２で構成された埋め込み酸化膜で構成されており、素子間を電気的に分離している。
【００５５】
ｐ＋領域４１０は、光電変換領域に形成された信号電荷蓄積のための空乏層と、素子分離領域４０９とを空間的に分離することで、ＳｉＯ２−Ｓｉ界面準位において熱的に発生する暗電流（雑音電子）成分が光電変換領域内の空乏層に到達することを防止し、低暗電流低特性（低雑音特性）を得るために設けられるものである。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子では、Ｇ画素３０１内の光電変換領域２０１ａをＶ溝形状で構成している。この光電変換領域２０１ａのＶ溝は、図９に示すように、半導体基板４０１の表面に対して、約５４．７４°の角度を有する。このＶ溝の形成は、表面の面方位が｛１００｝面を備える半導体基板の表面をＴＭＡＨ等のアルカリエッチャントにより異方性エッチング処理することで容易に形成することができる。
【００５７】
光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃにおけるｐ型領域４０５、ｎ型領域４０６の形成は、Ｇ画素３０１の場合は、表面の面方位が｛１００｝面を備える半導体基板の表面をＴＭＡＨによりエッチング処理してＶ溝を形成した後、イオン注入により形成することができ、Ｒ画素３０２及びＢ画素３０３の場合は、半導体基板４０１の表面に直接イオン注入することで形成することができる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る固体撮像素子は、Ｇ画素３０１の光電変換領域２０１ａを、Ｖ溝形状で構成させた第１光電変換領域２０１ａａと、半導体基板４０１の表面に対して平坦構造を有する第２光電変換領域２０１ａｂとで構成することで、人間の視感度特性において最も高感度であり、かつ最も飽和しやすいＧ画素への入射光に対する感度の向上と飽和電子数の向上を図っている。一般的に、固体撮像装置における輝度信号は、その約半分をＧ画素からの信号成分により支配されるため、このＧ画素で検出される感度および飽和電子数を向上させることで、画素サイズの微細化によるダイナミックレンジの上限を支配するフォトダイオードの飽和電子数の低下を抑制することができる、また感度の低下を抑制することができる。さらに、前述のようにフォトダイオードからの信号電子読み出しの完全転送を維持しながら、飽和電子数を増加させることができるため低雑音特性は維持され、画素サイズの微細化に伴う検出感度低下、Ｓ／Ｎ比低下、ダイナミックレンジ低下、及び雑音を抑制することが出来る。
【００５９】
上述したＧ画素３０１の第２光電変換領域２０１ａｂの不純物濃度のピーク値は、第１光電変換領域２０１ａａにおける不純物濃度のピーク値より高く、かつ、第２光電変換領域２０１ａｂの不純物濃度は、転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることが好ましい。
【００６０】
より詳しくは、第２光電変換領域２０１ａｂのｐ型領域４０５の不純物濃度のピーク値は第１光電変換領域２０１ａａのｐ型領域４０５の不純物濃度のピーク値より高く、第２光電変換領域２０１ａｂのｎ型領域４０６の不純物濃度のピーク値は第１光電変換領域２０１ａａのｎ型領域４０６の不純物濃度のピーク値より高く、第２光電変換領域２０１ａｂのｐ型領域４０５及びｎ型領域４０６の不純物濃度は、転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることが好ましい。
【００６１】
このように、Ｇ画素の第２光電変換領域２０１ａｂにおける不純物濃度のピーク値が、第１光電変換領域２０１ａａにおける不純物濃度のピーク値より高いと、第１光電変換領域２０１ａａから第２光電変換領域２０１ａｂへの信号電荷転送に対するポテンシャルバリアが形成されないため、完全転送を維持することが可能である。更に、第２光電変換領域２０１ａｂのｎ型不純物領域の総不純物量よりも、第１光電変換領域２０１ａａのｎ型不純物領域の総不純物量を多く設計することが可能であるので、飽和電子数を支配する総不純物量を増大せしめることが可能であり、したがって飽和電子数の増加によりダイナミックレンジを拡大、あるいは微細化においてもダイナミックレンジが低下することを防止することが可能となる。
【００６２】
また、上述した図７、図８の断面図では、カラーフィルタ４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ上には集光レンズを図示していないが、光電変換領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃに光が集光するように図示しない集光レンズを設けても良い。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００６４】
図１０は、２行２列の画素ブロックを一例とした第２の実施形態に係る各画素の平面図、図１１は、図１０のＣ−Ｃ線で切った断面構成図、図１２は、図１０のＤ−Ｄ線で切った断面構成図である。
【００６５】
本実施形態に係る固体撮像素子は、Ｂ画素３０３の光電変換領域２０１ｃが、光電変換領域２０１ｄに、転送トランジスタ２０２ｃが転送トランジスタ２０２ｄにそれぞれ置き換えられたものである。その他の構成は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００６６】
本実施形態に係る固体撮像素子のＢ画素３０３は、光電変換領域２０１ｄを備える。
【００６７】
光電変換領域２０１ｄは、半導体基板４０１に形成されたＶ溝形状を有する第１光電変換領域２０１ｄａと、第１光電変換領域２０１ｄａに近接し、かつ同層に設けられ、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域２０１ｄｂとを備える。
【００６８】
第１光電変換領域２０１ｄａ及び第２光電変換領域２０１ｄｂは、それぞれｐ型の導電型を有する、例えば、Ｓｉで構成された半導体基板４０１の光電変換領域２０１ｄの表面近傍に設けられたｐ型領域４０５と、ｐ型領域４０５の下層に設けられたｎ型領域４０６との積層構造で構成されている。
【００６９】
光電変換領域２０１ｄには隣接して転送トランジスタ２０２ｄが設けられている。転送トランジスタ２０２ｄは、第２光電変換領域２０１ｄｂの一部をドレインとして、第２光電変換領域２０１ｄｂに隣接して設けられたゲート絶縁膜４０７と、ゲート絶縁膜４０７上に設けられたゲート電極４０８と、ゲート絶縁膜４０７に隣接して設けられ、ＦＤ２０３のドレインと一部を共有する不純物拡散領域２０３ａとを備える。
【００７０】
第１の実施形態で説明したＧ画素３０１と同様に、Ｂ画素３０３に入射した光は、最初に、色フィルタ４０３ｃにより、青色Ｇの光が透過され、光電変換領域２０１ｄに入射する。このとき、第１光電変換領域２０１ｄａは、半導体基板４０１に形成されたＶ溝形状を備えているため、図９に示すように、色フィルタ４０３ｃを通過した青色Ｇの光を直接的に、又は、Ｖ溝表面で反射したものを間接的に吸収する。第１光電変換領域２０１ｄａで吸収した青色Ｇの光の量に基づいて信号電子が発生し、第１光電変換領域２０１ｄａ及び第２光電変換領域２０１ｄｂに蓄積される。また、光電変換領域２０１ｄの第２光電変換領域２０１ｄｂでも色フィルタ４０３ｃを通過した青色Ｇの光を直接的に吸収する。同様に、第２光電変換領域２０１ｄｂでも吸収した青色Ｇの光の量に基づいて信号電子が発生し、第１光電変換領域２０１ｄａ及び第２光電変換領域２０１ｄｂに蓄積される。第１光電変換領域２０１ｄａ及び第２光電変換領域２０１ｄｂで蓄積された信号電子は、ゲート電極４０８をオンすることで、ＦＤ２０３に転送される。
【００７１】
このように、本実施形態では、Ｂ画素の光電変換領域２０１ｄにおいても、Ｖ溝形状を備えた第１光電変換領域２０１ｄａと、半導体基板４０１の表面に対して平坦形状を有する第２光電変換領域２０１ｄｂとを備えているため、第１の実施形態で説明したＧ画素３０１と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
本実施形態に係るＢ画素も上述したＧ画素３０１と同様に、第２光電変換領域２０１ｄｂの不純物濃度のピーク値は、第１光電変換領域２０１ｄａにおける不純物濃度のピーク値より高く、かつ、第２光電変換領域２０１ｄｂの不純物濃度は、転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることが好ましい。
【００７３】
より詳しくは、第２光電変換領域２０１ｄｂのｐ型領域４０５の不純物濃度のピーク値は第１光電変換領域２０１ｄａのｐ型領域４０５の不純物濃度のピーク値より高く、第２光電変換領域２０１ｄｂのｎ型領域４０６の不純物濃度のピーク値は第１光電変換領域２０１ｄａのｎ型領域４０６の不純物濃度のピーク値より高く、第２光電変換領域２０１ｄｂのｐ型領域４０５及びｎ型領域４０６の不純物濃度は、転送トランジスタをＯＮした時のチャネル電位よりも低いポテンシャルを形成する不純物濃度で構成されていることが好ましい。
【００７４】
以上の構成による効果は、第１の実施形態で説明したＧ画素と同様な効果であるため、説明を省略する。
【００７５】
以上に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子は、第１の実施形態で説明したＧ画素に加え、Ｂ画素の光電変換領域にもＶ溝形状を有する第１光電変換領域と、半導体基板の表面に対して平坦構造を有する第２光電変換領域を備えている。一般的に、Ｂ画素は検出画素が低いと言われている。このため、本実施形態で示すように、Ｂ画素の光電変換領域にＶ溝形状を採用することで、青色光の検出感度の向上を図ることができる。また、Ｇ画素と同様にＢ画素においても飽和電子を増加させることができる。
【００７６】
なお、第１の実施形態と同様に、本実施形態においてもＲ画素３０２の光電変換領域２０１ｂにはＶ溝形状を採用しないことが好ましい。これは、波長６００ｎｍ程度の赤色光は、半導体基板中での吸収係数が低いために、Ｖ溝表面で一次反射された一次反射光（斜め光）が、Ｖ溝表面で二次反射する際に、その一部が光電変換領域を透過してしまい、その透過光が隣接画素、更には、より遠い複数画素の光電変換領域まで侵入してしまう。これによって、画素で検出する光（例えば、緑色光）に、赤色光の斜め光が混入するため、色再現性が低下してしまうという不具合を生じてしまうためである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像素子のチップ構成の一例を説明する概略平面図。
【図２】第１の実施形態に係る２行２列の画素ブロックの一例を示す図。
【図３】色フィルタの透過率を示すグラフ。
【図４】図１に示す撮像領域１０１及び負荷トランジスタ部１０２の具体的な構成の一部を表す回路図。
【図５】各画素内部の配置の関係の一例を示す平面図。
【図６】図２に示す２行２列の画素ブロックを一例とした第１の実施形態に係る各画素の平面図。
【図７】図６のＡ−Ａ線で切った断面構成図。
【図８】図６のＢ−Ｂ線で切った断面構成図。
【図９】第１光電変換領域に入射した光の経路を説明するための概念図。
【図１０】２行２列の画素ブロックを一例とした第２の実施形態に係る各画素の平面図。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ線で切った断面構成図。
【図１２】図１０のＤ−Ｄ線で切った断面構成図。
【符号の説明】
【００７８】
２０１  光電変換領域
２０１ａ  光電変換領域
２０１ａａ  第１光電変換領域
２０１ａｂ  第２光電変換領域
２０１ｂ  光電変換領域
２０１ｃ  光電変換領域
２０１ｄ  光電変換領域
２０１ｄａ  第１光電変換領域
２０１ｄｂ  第２光電変換領域
２０２  転送トランジスタ
２０３  ＦＤ
２０３ａ  不純物拡散領域
２１０ａ  トランジスタ領域
２１０ｂ  トランジスタ領域
２１０ｃ  トランジスタ領域
３０１  Ｇ画素
３０２  Ｒ画素
３０３  Ｂ画素
４０１  半導体基板
４０２  層間絶縁膜
４０３ａ  色フィルタ
４０３ｂ  色フィルタ
４０３ｃ  色フィルタ
４０４  遮光膜
４０５  ｐ型半導体領域
４０６  ｎ型半導体領域
４０７  ゲート絶縁膜
４０８  ゲート電極
４０９  素子分離領域
４１０  Ｐ＋領域
【図１】
2008218670.tif 000003
【図２】
2008218670.tif 000004
【図３】
2008218670.tif 000005
【図４】
2008218670.tif 000006
【図５】
2008218670.tif 000007
【図６】
2008218670.tif 000008
【図７】
2008218670.tif 000009
【図８】
2008218670.tif 000010
【図９】
2008218670.tif 000011
【図１０】
2008218670.tif 000012
【図１１】
2008218670.tif 000013
【図１２】
2008218670.tif 000014