(57)【要約】【課題】電荷検出感度の向上させることができるとともに、微細化が可能な電荷検出装置を提供する。【解決手段】電荷検出部は、水平ＣＣＤ転送部の埋め込みチャネルに連続して形成されるｎ＋型ＦＤ領域１を有し、ＦＤ領域１の電位変化は、アルミニウム配線３、電極配線７１を介して初段ドライブトランジスタのゲート電極７０に伝えられる。電極配線７１下方部のｐ型不純物領域９０の不純物濃度が低く設定されるため、その表面は、電荷検出装置の動作時に空乏化する空乏化層となる。【選択図】図１
2004063878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローティングディフュージョン部を有する電荷検出装置であって、
前記フローティングディフュージョン部の電位変化を他の要素に伝達するための配線近傍の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層とした電荷検出装置。
【請求項２】
フローティングディフュージョン部を有する電荷検出装置であって、
前記フローティングディフュージョン部の電位変化を他の要素に伝達するための配線近傍の素子分離領域を含む前記フローティングディフュージョン部周囲の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層とした電荷検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電荷検出装置であって、
さらに、前記配線が接続される前記他の要素の周囲の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層とした電荷検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の電荷検出装置であって、
前記他の要素は、前記フローティングディフュージョン部の電位変化を検出するソースホロア回路の初段ドライブトランジスタである電荷検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の電荷検出装置であって、
前記空乏化層は、前記フローティングディフュージョン部と反対導電型の半導体層によって形成される電荷検出装置。
【請求項６】
請求項５記載の電荷検出装置であって
前記反対導電型の半導体層の表面の酸化膜の厚さは、前記電荷検出装置のアクティブ領域の酸化膜の厚さとほぼ同一である電荷検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の電荷検出装置を備えた固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローティングディフュージョン部を有する電荷検出装置、特にＣＣＤ転送部によって信号電荷を転送する固体撮像装置に利用される電荷検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電変換部からの信号電荷をＣＣＤ転送部によって転送するＣＣＤ固体撮像装置は、行列状に２次元配置された光電変換素子（画素）から読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ転送部と、垂直ＣＣＤ転送部から転送される１ライン分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤ転送部と、水平ＣＣＤ転送部によって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する電荷検出部とを有している。
【０００３】
そして、このＣＣＤ撮像装置の電荷検出部は、水平ＣＣＤ転送部からの信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と記述する場合もある。）部の電位変化を検出するＦＤアンプ構成となっている。
【０００４】
図３は、従来のＣＣＤ撮像装置の電荷検出部の要部の概略構成を示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面と、Ａ−Ａに沿った領域のポテンシャル分布を示す図である。図３には、電荷転送チャネルとして機能するｎ型埋め込みチャネル（線６０は、埋め込みチャネルの端部を示す。）、最終段転送電極６１ａ、６１ｂ、出力ゲート電極６２を含む水平ＣＣＤ転送部の端部が示されている。電荷検出部は、水平ＣＣＤ転送部の埋め込みチャネルに連続して形成されるｎ＋型ＦＤ領域１、リセットゲート電極８１を含むリセットゲート部、リセットドレイン８２を有する。また、電荷検出部は、ソース５１、アウトプットドレイン５２、ゲート電極７０を含む初段ドライブトランジスタを有し、ゲート電極から延長された電極配線７１とＦＤ領域１とをアルミニウム配線３で接続するコンタクト部２を含む。ゲート電極７０と電極配線７１は、ポリＳｉで形成される。したがって、ゲート電極７０は、アルミニウム配線３、電極配線７１を介してＦＤ領域１に接続されるため、ＦＤ領域１とほぼ同電位になる。
【０００５】
ＦＤ部周辺の素子分離領域には、フィールド酸化膜４１が形成される（図３における線４は、フィールド酸化膜の端部を示す。）。フィールド酸化膜４１は、図４（ａ）に示すようにＬＯＣＯＳで形成される厚い酸化膜であり、その下方には、ｐ型不純物領域４２を形成している。なお、図４（ａ）においては、表面の平坦化膜、平坦化膜に設けられたコンタクト孔、平坦化膜上方のアルミニウム配線等は、記載を省略してある。また、上記した固体撮像素子は、ｎ−型半導体基板上のｐ−ウェルに形成される。
【０００６】
フィールド酸化膜４１の厚さ及びｐ型不純物領域４２の不純物濃度は、電荷検出部の動作電圧でｐ型不純物領域４２が反転しないような値に設定される。例えば、リセットドレインの印加電圧が１５Ｖの場合、フィールド酸化膜の厚さが６００ｎｍ、不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度である。また、ＬＯＣＯＳは端部に傾斜部（バーズビーク）を有するため、必要な厚さのフィールド酸化膜を得るためには、１．２μｍ程度の幅を必要とする。図４（ｂ）は、その場合のポテンシャル分布を示すもので、線１００ａは、ＦＤ部のリセット時のポテンシャル分布であり、線１００ｂは、ＦＤ部に電荷が転送された時のポテンシャル分布である。図４に示すように、素子分離領域は、ＦＤ部の電位にかかわらず接地電位となっている。
【０００７】
図３、図４に示されるような電荷検出部による信号電荷検出の原理は、容量Ｃをもつコンデンサ内の電荷量の変化ΔＱとコンデンサの両端に生じる電圧変化ΔＶが、ΔＱ＝Ｃ・ΔＶとなることを用いて、信号電荷を電圧に変換するものである。変換された出力電圧は、初段ドライブトランジスタを含むソースホロア回路を介して出力される。
【０００８】
具体的には、端子ＲＳを介してリセットゲート電極８１に印加されるリセットパルス電圧をハイレベルにしてＦＤ領域１をリセットし、リセットパルス電圧をローレベルにした後、端子Ｈ１Ｌを介して最終段転送電極６１ａ、６１ｂに印加される転送パルスをローにして、水平ＣＣＤ転送部からの信号電荷をＦＤ領域１に転送した時の電位変化を検出するものである。
【０００９】
固体撮像素子においては、画素サイズの微細化に伴って電荷検出部の高感度化の要求が高まっているが、図３、図４に示すような構成の電荷検出部の検出感度は、上記式から明らかなようにＦＤ部の静電容量の総和Ｃの逆数に比例するので、ＦＤ部の静電容量の総和Ｃをできるだけ小さくすることが求められている。ＦＤ部の静電容量Ｃは、ＦＤ部の接合容量Ｃ１、ＦＤ部とリセットゲート電極８１との結合容量Ｃ２、ＦＤ部と出力ゲート電極６２との結合容量Ｃ３、ＦＤ部と初段ドライブトランジスタのゲートとを接続する配線部７１の寄生容量Ｃ４、初段ドライブトランジスタのゲートの容量Ｃ５、初段ドライブトランジスタのゲート電極７０とアウトプットドレインとの結合容量Ｃ６の総和で表される。
【００１０】
従来、電荷検出感度の向上のため、それぞれの容量について小さくする工夫がされているが、寄生容量Ｃ４、ゲート容量Ｃ５、結合容量Ｃ６等、初段ドライブトランジスタのゲート電極の大きさ、ゲート電極に対する配線の大きさに依存する容量は、小さくすることが困難で、高検出感度化のボトルネックになっている。
【００１１】
すなわち、前述したように、ＦＤ部と初段ドライブトランジスタのゲート電極とを接続する配線部下方のｐ型不純物領域を反転させないためには、ＬＯＣＯＳで形成するフィールド酸化膜の厚さを一定値以上とする必要があって、配線部の長さＬを縮小できない。また、端部に傾斜を設けた厚い酸化膜でフィールド酸化膜を形成した場合において、初段ドライブトランジスタのゲート電極の幅Ｗも、フィールド酸化膜の傾斜部分のため、縮小が困難である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、電荷検出感度の向上させることができるとともに、微細化が可能な電荷検出装置を提供することを目的とする。また、このような電荷検出装置を出力部に使用し、画素数の増加が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電荷検出装置は、フローティングディフュージョン部を有する電荷検出装置であって、前記フローティングディフュージョン部の電位変化を他の要素に伝達するための配線近傍の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層としたものである。このように構成すると、フローティングディフュージョン部の電位変化を他の要素に伝達するための配線近傍の素子分離領域の幅を減らすことができるため、素子の微細化が可能となる。また、配線の長さが減少するので、ＦＤ部の容量が減少し、電荷検出感度が向上する。
【００１４】
本発明の電荷検出装置は、フローティングディフュージョン部を有する電荷検出装置であって、前記フローティングディフュージョン部の電位変化を他の要素に伝達するための配線近傍の素子分離領域を含む前記フローティングディフュージョン部周囲の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層としたものである。
【００１５】
本発明の電荷検出装置は、さらに、前記配線が接続される前記他の要素の周囲の素子分離領域の半導体基板表面を、動作時に空乏化する空乏化層としたものである。
【００１６】
本発明の電荷検出装置における前記他の要素は、前記フローティングディフュージョン部の電位変化を検出するソースホロア回路の初段ドライブトランジスタである。
【００１７】
本発明の電荷検出装置における前記空乏化層は、前記フローティングディフュージョン部と反対導電型の半導体層によって形成されるものである。
【００１８】
また、本発明の電荷検出装置における前記反対導電型の半導体層の表面の酸化膜の厚さは、前記電荷検出装置のアクティブ領域の酸化膜の厚さとほぼ同一とされるものである。
【００１９】
本発明の固体撮像装置は、上記した電荷検出装置を備えるものである。したがって、画素領域を微細化しても高出力を得ることができ、画素数の増加が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の電荷検出装置の概略構成を示す図である。図１の電荷検出装置は、ＣＣＤ撮像装置の電荷検出部として利用されるもので、図１（ａ）は、図４（ａ）に対応する部分の断面を示しており、図１（ｂ）は、対応する領域のポテンシャル分布を示している。
【００２２】
図１の電荷検出装置は、ＦＤ部と初段ドライブトランジスタとの間隔が減少していること、電極配線７１下方部のＬＯＣＯＳによるフィールド酸化膜４１がないこと、電極配線７１下方部のｐ型不純物領域９０の不純物濃度が低下していることを除いて、図３、図４に示すものと同様の構成を有する。また、電極配線７１とｐ型不純物領域９０との間の酸化膜は、ＦＤ部や初段ドライブトランジスタ等のアクティブ領域の表面の酸化膜と同じ厚さとされる。
【００２３】
ｐ型不純物領域９０の表面は、電荷検出装置の動作時に空乏化する空乏化層となるもので、前述したようにリセットドレインの印加電圧が１５Ｖの場合、１×１０１５／ｃｍ３程度とする。したがって、ＦＤ領域１をリセットすると、図１（ｂ）の線１０ａに示すようなポテンシャル分布となる。すなわち、ｐ型不純物領域９０は、空乏化されるため、ＦＤ部と初段ドライブトランジスタのチャネルとを分離する電位障壁を構成する。この電位障壁の高さは、初段ドライブトランジスタのチャネル領域の不純物濃度を１×１０１２／ｃｍ３程度とすると、チャネル側からみて３〜５Ｖである。
【００２４】
ＦＤ領域１に信号電荷が転送されると、ＦＤ領域１の電位が下がり、同時に電極７０及び電極配線７１の電位も下がる。そのため、初段ドライブトランジスタのチャネルの電位が下がるが、ｐ型不純物領域９０の空乏化層の電位も下がる（絶縁膜の厚さが同じなので同様の変調度で変化するため）ので、電位障壁の高さはほぼ維持される（図１（ｂ）の線１０ｂ参照）。したがって、ＦＤ部と初段ドライブトランジスタとは、素子分離されることになる。
【００２５】
ｐ型不純物領域９０の幅は、理論的には製造限界まで狭くできるので、電極配線７１の長さＬが短くなる。また、厚いフィールド酸化膜がないことにより電極７０の幅Ｗを短くすることができる。したがって、配線部７１の寄生容量Ｃ４、初段ドライブトランジスタのゲートの容量Ｃ５、初段ドライブトランジスタのゲート電極７０とアウトプットドレインとの結合容量Ｃ６を減少させることができ、電荷検出感度が向上する。なお、電極配線７１下方部の酸化膜の厚さが薄くなったことにより、ゲート電極７０及び電極配線７１と基板間の静電容量は増加するが、空乏化層の電位が高い変調度で変化するので、実質的な容量増加は少ない。
【００２６】
また、ＦＤ部周辺の基板表面が平坦であるので、ＦＤ部製造時のフォトレジストの塗布膜厚を均一にすることができ、ＦＤ領域１の微細化が容易になる。したがって、ＦＤ部の接合容量Ｃ１を減らすことができ、さらに、電荷検出感度を向上させることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態の電荷検出装置の概略構成を示す図である。図２の電荷検出装置は、図１の電荷検出装置と同様にＣＣＤ撮像装置の電荷検出部として利用されるもので、図２（ａ）は、図４（ａ）に対応する部分の断面を示しており、図２（ｂ）は、対応する領域のポテンシャル分布を示している。
【００２８】
図２の電荷検出装置は、ＦＤ部の周囲、及び初段ドライブトランジスタの周囲の素子分離領域の構成を変更したものである。すなわち、ＬＯＣＯＳによるフィールド酸化膜４１をなくしてアクティブ領域の表面の酸化膜と同じ厚さとし、表面のｐ型不純物領域９０の不純物濃度を低下させて、図１の電極配線７１近傍の素子分離領域と同様の構成としたものである。
【００２９】
このような構成とすると、ＦＤ部の周囲及び初段ドライブトランジスタの周囲全体に空乏化層が形成されるため、図２（ｂ）に示すようなポテンシャル分布となる。図２（ｂ）において、線１１ａは、ＦＤ部のリセット時のポテンシャル分布であり、線１１ｂは、信号電荷転送時のポテンシャル分布である。図から明らかなように、空乏化層が広がるため、全体的に静電容量が減少する。
【００３０】
また、厚いフィールド酸化膜４１がなくなり、ゲート電極７０を平坦化できるので、その幅Ｗをチャネル幅とほぼ同じ程度まで減少させることができる。したがって、初段ドライブトランジスタのゲートの容量Ｃ５、初段ドライブトランジスタのゲート電極７０とアウトプットドレインとの結合容量Ｃ６を減少させることができ、さらに電荷検出感度が向上する。
【００３１】
なお、図２では、ＦＤ部の周囲、及び初段ドライブトランジスタの周囲の素子分離領域の構成をともに変更したが、どちらか一方の素子分離領域を変更して、他方の素子分離領域には、厚いフィールド酸化膜４１を残してもよい。また、第１及び第２の実施の形態において、ＬＯＣＯＳによるフィールド酸化膜４１だけでなく、厚い酸化膜の端部に傾斜部を設けたフィールド酸化膜としてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電荷検出感度の向上させることができるとともに、微細化が可能な電荷検出装置を提供することができる。また、このような電荷検出装置を出力部に使用すると、画素数の増加が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電荷検出装置の概略構成を示す図
【図２】本発明の第２の実施の形態の電荷検出装置の概略構成を示す図
【図３】従来のＣＣＤ撮像装置の電荷検出部の要部の概略構成を示す平面図
【図４】図３のＡ−Ａ断面及びポテンシャル分布を示す図
【符号の説明】
１・・・フローティングディフュージョン領域
２・・・コンタクト部
３・・・アルミニウム配線
４・・・フィールド酸化膜の端部
４１・・・フィールド酸化膜
４２・・・ｐ型不純物領域
５１・・・ソース５２
５２・・・アウトプットドレイン
６１ａ、６１ｂ・・・最終段転送電極
６２・・・出力ゲート電極
７０・・・ゲート電極
７１・・・電極配線
８１・・・リセットゲート電極
８２・・・リセットドレイン
９０・・・ｐ型不純物領域
【図１】
2004063878.tif 000003
【図２】
2004063878.tif 000004
【図３】
2004063878.tif 000005
【図４】
2004063878.tif 000006