(57)【要約】【課題】光電変換部の面積の減少にもかかわらず、蓄積できる最大電荷量の減少を抑制することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】入射光に応じた信号電荷を生成し、蓄積するフォトダイオード１０１を備えている固体撮像装置において、フォトダイオード１０１を、Ｎ型基板であるＳｉ基板１２０に形成されたＰ型ウエル１２１と、Ｐ型ウエル１２１に形成され、Ｐ型ウエル１２１と極性の異なる電荷蓄積層１２２とで構成した。電荷蓄積層１２２は、Ｓｉ基板１２０の深さ方向へ所定間隔に配置され、Ｓｉ基板１２０の表面とほぼ平行な方向へ延びる複数の水平電荷蓄積層１１２と、Ｓｉ基板１２０の表面とほぼ直交する方向へ延び、複数の水平電荷蓄積層１１２を接続する垂直電荷蓄積層１１３とで形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じた信号電荷を生成し、蓄積する光電変換部を備えている固体撮像装置において、
前記光電変換部は、半導体基板に形成された第１の導電型領域中に形成され、前記第１の導電型領域と極性の異なる第２の導電型領域を有し、
前記第２の導電型領域は、前記半導体基板の深さ方向へ所定間隔に配置され、前記半導体基板の表面とほぼ平行な方向へ延びる複数の水平拡散部と、前記半導体基板の表面とほぼ直交する方向へ延び、前記複数の水平拡散部を接続する垂直拡散部とを有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記水平拡散部は前記半導体基板の深さ方向で対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記垂直拡散部は第１の導電型領域上に形成された転送ゲート電極の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射光に応じて発生した電気信号を増幅して出力する増幅型撮像素子を採用した固体撮像装置が知られている（下記公報参照）。
【０００３】
この固体撮像装置は、各画素にフォトダイオードと、その光電荷を転送する転送スイッチと、フローティング拡散部を有するソースホロワと、フローティング拡散部をリセットするリセットスイッチと、ソースホロワのドレインに接続された選択スイッチとを有している。また、各スイッチを駆動する駆動回路と、駆動信号線と、電源線と、各画素から信号を出力するための垂直出力線及び水平出力線とを備えている。
【特許文献１】特開平１１−１９６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、固体撮像装置の小型化の要請から、撮像素子のサイズが小さくなる傾向にある。
【０００５】
しかし、撮像素子のサイズが小さくなると、その受光面の面積も小さくなるので、蓄積できる最大電荷量も少なくなる。
【０００６】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は光電変換部の面積の減少にもかかわらず、蓄積できる最大電荷量の減少を抑制することができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、入射光に応じた信号電荷を生成し、蓄積する光電変換部を備えている固体撮像装置において、前記光電変換部は、半導体基板に形成された第１の導電型領域中に形成され、前記第１の導電型領域と極性の異なる第２の導電型領域を有し、前記第２の導電型領域は、前記半導体基板の深さ方向へ所定間隔に配置され、前記半導体基板の表面とほぼ平行な方向へ延びる複数の水平拡散部と、前記半導体基板の表面とほぼ直交する方向へ延び、前記複数の水平拡散部を接続する垂直拡散部とを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、前記水平拡散部は前記半導体基板の深さ方向で対向配置されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の固体撮像装置において、前記垂直拡散部は第１の導電型領域上に形成された転送ゲート電極の近傍に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば光電変換部の面積の減少にもかかわらず、蓄積できる最大電荷量の減少を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図２はこの発明の一実施形態に係る固体撮像装置の回路図、図１はその固体撮像装置の最小要素を示す平面図である。
【００１３】
この固体撮像装置は、フォトダイオード（光変換部）１０１と転送スイッチ１０２とソースフォロア１０３とリセットスイッチ１０５と行選択スイッチ１０４と電源線Ｖｄｄと垂直出力線１０６とを備えている。この固体撮像装置はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型エリアセンサである。
【００１４】
フォトダイオード１０１は光電変換を行う。
【００１５】
転送スイッチ１０２はフォトダイオード１０１で発生した光電荷をフローティング拡散部１０３ａに転送する。転送スイッチ１０２のゲート電極は垂直走査回路１０７の転送端子ΦＴＸ（ｎ，ｎ+１）に接続されている。
【００１６】
ソースフォロア１０３はフローティング拡散部１０３ａを有する。
【００１７】
リセットスイッチ１０５はフローティング拡散部１０３ａをリセットする。リセットスイッチ１０５のゲートは垂直走査回路１０７のリセット端子ΦＲＥＳ（ｎ，ｎ+１）に接続されている。
【００１８】
行選択スイッチ１０４のソースはソースフォロア１０３のドレインに接続されている。選択スイッチ１０４のゲート電極は垂直走査回路１０７のセレクト端子ΦＳＥＬ（ｎ，ｎ+１）に接続されている。
【００１９】
光量電荷の蓄積中、転送スイッチ１０２はオフの状態であり、画素アンプを構成するソースフォロア１０３のゲートにはフォトダイオード１０１で発生した電荷は転送されない。なお、蓄積開始前にリセットスイッチ１０５がオンになり、ソースフォロア１０３のゲートに適当な電圧が印加され、初期化される（ダークレベル）。
【００２０】
行選択スイッチ１０４がオンになると、負荷電流源１０８とソースフォロア１０３とで構成される回路が動作状態になる。転送スイッチ１０２をオンにすると、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷がソースフォロア１０３のゲートに転送される。
【００２１】
ここで、垂直出力線１０６に選択行の出力が発生する。選択行の出力は転送ゲート１０９ａ，１０９ｂを介して信号蓄積部１１０に一時的に蓄積される。信号蓄積部１１０に蓄積された選択行の出力は水平走査回路１１１によって出力部Ｖ０から順次読み出される。
【００２２】
図４は図１のIV―IV線に沿う断面を示す概念図である。
【００２３】
フォトダイオード１０１は、Ｎ型基板であるＳｉ基板（半導体基板）１２０に形成されたＰ型ウエル（第１導電型領域）１２１と、Ｐ型ウエル１２１に形成され、Ｐ型ウエル１２１と極性の異なる電荷蓄積層（第２導電型領域）１２２とを有する。
【００２４】
電荷蓄積層１２２は、Ｓｉ基板１２０の表面とほぼ平行な方向へ延びる３層の水平電荷蓄積層（水平拡散部）１１２と、３層の電荷蓄積層１１２を接続する垂直電荷蓄積層（垂直拡散部）１１３とを有する。３層の水平電荷蓄積層１１２は、Ｓｉ基板１２０の深さ方向（図４の紙面上下方向）へ所定間隔をおいて対向配置されている。垂直電荷蓄積層１１３はＳｉ基板１２０の表面とほぼ直交する方向へ延びている。
【００２５】
Ｐ型ウエル１２１の上面には素子分離用のＬＯＣＯＳ酸化膜１２５、ポリシリコンゲート電極（転送ゲート電極）１２６等が形成されている。
【００２６】
図３は比較例に係るフォトダイオードの断面を示す概念図である。
【００２７】
フォトダイオード５０１はＮ型基板であるＳｉ基板５２０に形成されたＰ型ウエル５２１と、Ｐ型ウエル５２１に形成され、Ｐ型ウエル５２１と極性の異なる電荷蓄積層５１２とを有する。電荷蓄積層５１２はＳｉ基板５２０の表面とほぼ平行な方向へ延びる。
【００２８】
電荷蓄積層の容量をＣｊ、ＰＮ接合の空乏層幅をＷ、ＰＮ接合面積をＡｊとしたとき、電荷蓄積層の容量Ｃｊ、ＰＮ接合の空乏層幅Ｗ及びＰＮ接合面積Ａｊには式１の関係がある。
【００２９】
Ｃｊ＝Ｋｓε0Ａｊ/Ｗ                                                  （式１）
ただし、Ｋｓ：シリコンの誘電率、ε0：真空誘電率である。
【００３０】
式１から、ＰＮ接合面積Ａｊが大きくなると電荷蓄積層の容量Ｃｊが大きくなり、より多くの電荷を蓄積できることがわかる。
【００３１】
したがって、この実施形態のフォトダイオード１０１のＰＮ接合面積Ａｊは比較例のもに比べて大きいため、フォトダイオード１０１はフォトダイオード５０１よりも多くの電荷を蓄積できることがわかる。
【００３２】
次に、図５〜９を用いて固体撮像装置の製造方法を説明する。
【００３３】
図５〜９は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【００３４】
まず、Ｎ型基板であるＳｉ基板１２０の表面にＰ型ウエル１２１を形成する（図５参照）。
【００３５】
次に、Ｐ型ウエル１２１上にＬＯＣＯＳ酸化膜１２５とポリシリコンゲート電極１２６とを形成する（図６参照）。
その後、例えばフォトリソグラフィでフォトレジスト１３０Ａをパターニングし、フォトレジスト１３０Ａとポリシリコンゲート電極１２６とをマスクにしてＰ型ウエル１２１を覆い、31Ｐ+１４０を注入して、Ｐ型ウエル１２１上にＮ型拡散層からなる水平電荷蓄積層１１２を形成する。このとき、イオン１４０の加速エネルギーを変えることによってＮ型拡散層からなる３層の水平電荷蓄積層１１２を形成する（図７参照）。３層の水平電荷蓄積層１１２は、前述したようにそれぞれ深さ方向へ所定間隔をおいて対向配置されるとともに、Ｓｉ基板１２０の表面とほぼ平行な方向へ延びている。
【００３６】
水平電荷蓄積層１１２を形成し、フォトレジスト１３０Ａを剥離した後、フォトレジスト１３０Ｂをパターニングし、フォトレジスト１３０Ｂとポリシリコンゲート電極１２６とをマスクにしてＰ型ウエル１２１を覆い、31Ｐ+１４０を注入して、Ｎ型拡散層からなる垂直電荷蓄積層１１３を形成する（図８参照）。垂直電荷蓄積層１１３はＳｉ基板１２０の表面とほぼ直交する方向へ延びる。垂直電荷蓄積層１１３によって３層の水平電荷蓄積層１１２が接続される。電荷蓄積層１１３はポリシリコンゲート電極１２６の近傍に配置されている。
【００３７】
垂直電荷蓄積層１１３を形成し、フォトレジスト１３０Ｂを剥離した後、フォトレジスト１３０Ｃをパターニングし、フォトレジスト１３０Ｃとポリシリコンゲート電極１２６とをマスクにしてＰ型ウエル１２１を覆い、11Ｂ+１４０を注入し、３層の水平電荷蓄積層１１２の上部に空乏化防止層（Ｐ+  領域）１２８を形成する（図９参照）。
【００３８】
次に、フォトレジスト（図示せず）をパターニングし、そのフォトレジストとポリシリコンゲート電極１２６とをマスクにしてＰ型ウエル１２１を覆い、75Ａｓ+１４０を注入して、浮遊拡散層となるＮ型拡散層１２７を形成する。
【００３９】
その後、図示しないが、Ｐ型ウエル１２１の表面に保護膜を形成するとともに、外部へ引出し用の電極パターンの保護膜を開口する。更に、開口を介して配線を行い、固体撮像装置が完成する。
【００４０】
この実施形態によれば、電荷蓄積層１２２の容量を大きくして電荷の蓄積量を増加させることができるので、フォトダイオード１０１の面積減少にもかかわらず、蓄積できる最大電荷量の減少を抑制することができる。また、水平電荷蓄積層１１２は深さ方向の位置が異なるだけであり、同じマスクを用いてイオン１４０を注入することができるので、製造コストを低減することができる。更に、電荷蓄積層１２２をポリシリコンゲート電極１２６の近傍に配置したので、電荷をすみやかに転送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１はその固体撮像装置の最小要素の平面図である。
【図２】図２はこの発明の一実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。
【図３】図３は比較例に係るフォトダイオードの断面を示す概念図である。
【図４】図４は図１のIV―IV線に沿う断面を示す概念図である。
【図５】図５は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【図６】図６は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【図７】図７は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【図８】図８は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【図９】図９は固体撮像装置の製造過程の断面を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１：フォトダイオード（光変換部）、１１２：水平電荷蓄積層（水平拡散部）、１１３：垂直電荷蓄積層（垂直拡散部）、１２０：Ｓｉ基板（半導体基板）、１２１：Ｐ型ウエル（第１導電型領域）１２２：電荷蓄積層（第２導電型領域）、１２６：ポリシリコンゲート電極（ゲート電極）。
【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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