(57)【要約】【課題】  読み出し電圧を低くすることができ、且つ、信号電荷の蓄積量を増加して、広いダイナミックレンジ及び高い感度を得ることができる構成の固体撮像素子を提供する【解決手段】  入射光を光電変換して信号電荷ｅを生成する受光センサ部５と、信号電荷ｅを電圧に変換するフローティングディフュージョン部７と、受光センサ部５とフローティングディフュージョン部７との間に形成された読み出しゲート部６と、フローティングディフュージョン部７で変換された電圧を出力する出力部とを有して単位画素４が形成され、読み出しゲート部６上に形成された第１の読み出し電極１２１と、フローティングディフュージョン部７上の少なくとも一部に形成された第２の読み出し電極１２２とにより信号電荷ｅの受光センサ部５からフローティングディフュージョン部７への読み出しが行われる固体撮像素子１を構成する。【選択図】      図１
2005093554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光センサ部と、
前記信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、
前記受光センサ部と前記フローティングディフュージョン部との間に形成された読み出しゲート部と、
前記フローティングディフュージョン部で変換された電圧を出力する出力部とを有して単位画素が形成され、
前記読み出しゲート部上に形成された第１の読み出し電極と、
前記フローティングディフュージョン部上の少なくとも一部に形成された第２の読み出し電極とにより、前記信号電荷の前記受光センサ部から前記フローティングディフュージョン部への読み出しが行われる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記フローティングディフュージョン部に隣接してリセットゲート部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記受光センサ部が、前記単位画素において、半導体基板の底部側で、前記読み出しゲート部と前記フローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第１の半導体領域と、該第１の半導体領域よりも浅い領域で、前記読み出しゲート部と前記フローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第２の半導体領域と、該第２の半導体領域よりも浅い領域で、前記読み出しゲート部と前記フローティングディフュージョン部の下部を除く領域に形成された第３の半導体領域から構成されることを特徴とする請求項１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、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体撮像素子として、例えばＣＭＯＳ型の固体撮像素子が知られている（非特許文献1参照）。
【０００３】
ここで、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の構成を、図１０を用いて説明する。
尚、図１０は、例えばＣＭＯＳ型の固体撮像素子の１画素に相当する拡大断面図を示し、特に、その半導体基板周辺の拡大断面図を示している。
ＣＭＯＳ型の固体撮像素子４１では、例えばＰ型の半導体基板４２表面の所定の領域に形成された素子分離層（所謂ＬＯＣＯＳ膜）４３Ａと、この素子分離層４３Ａの下部の半導体基板４２内に形成された高濃度のＰ型の半導体領域４３Ｂとにより画素分離領域４３が形成され、この画素分離領域４３により区切られた単位画素領域４４内に、フォトダイオードを形成する受光センサ部４５が形成され、この受光センサ部４５の一方の側に、読み出しゲート部４６を介して、受光センサ部４５で蓄積された信号電荷を電圧に変換する、高濃度のＮ型の半導体領域４７１よりなるフローティングディフュージョン部４７が形成されている。
尚、図示せざるも、この単位画素４４内においては、フローティングディフュージョン部４７で変換された電圧を出力する出力部（出力アンプ）や、フローティングディフュージョン部４７に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部等が設けられている。
【０００４】
受光センサ部４５は、単位画素領域４４内において、読み出しゲート部４６及びフローティングディフュージョン部４７の下部を除く領域に形成されている。
図１０に示す場合では、受光センサ部４５は、基板４２の底部側に形成された低濃度のＮ型の第１の半導体領域４５１と、この第１の半導体領域４５１内の浅い領域に形成された高濃度のＮ型の第２の半導体領域４５２とから構成されている。
尚、４９は、第２の半導体領域４５２の表面に形成されたホールアキュムレート層（所謂正電荷蓄積領域）である。
【０００５】
読み出しゲート部４６では、絶縁膜５１を介して半導体基板４２上に読み出し電極５２が形成されている。この読み出し電極５２の側壁には、サイドウォール５３が形成されている。
尚、図示せざるも、読み出し電極５２を含んで全面には、例えば層間絶縁膜が形成され、この層間絶縁膜上には、例えばパッシベーション膜、平坦化膜等を介してカラーフィルタが形成される。そして、カラーフィルタを介して受光センサ部４５と対応する位置にはオンチップレンズが形成される。層間絶縁膜中には、例えば多層の配線層が形成されている。
【０００６】
次に、このような構成のＣＭＯＳ型の固体撮像素子４１における、受光時と読み出し時の動作を、図１０及び図１１を用いて説明する。
尚、図１１は、固体撮像素子４１において、受光センサ部４５と、読み出しゲート部４６と、フローティングディフュージョン部４７に対応するポテンシャル図を示している。
先ず、受光時、図示しないオンチップレンズを通して受光センサ部４５に光が入射されると、入射された光は、基板４２の底部側に形成された第１の半導体領域４５１内で光電変換される。
そして、光電変換されることにより第１の半導体領域４５１内で発生した信号電荷ｅは、基板４２の表面側へと向かって高くなる濃度勾配により、図１０中矢印Ｘに示すように、第１の半導体領域４５１から第２の半導体領域４５２へ集められる。
これにより、図１０に示すように、受光センサ部４５の特に第２の半導体領域４５２内に信号電荷ｅが蓄積された状態になる。
【０００７】
次に、読み出し時、図示しない外部に設けられた印加手段により、読み出し電極５２に所定の高さの読み出し電圧が印加されると、図１１Ｂに示すように、読み出しゲート部４６のポテンシャル４６Ｂが受光センサ部４５のポテンシャル４５Ｂよりも深く下がる。これにより、受光センサ部４５からフローティングディフュージョン部４７へ信号電荷ｅが読み出される。
【０００８】
尚、フローティングディフュージョン部４７へ読み出された信号電荷ｅは、電圧へと変換され、図示しない出力部より出力される。
そして、電圧が出力された後は、図示しないリセットゲート部に所定の電圧が印加されることで、フローティングディフュージョン部４７に蓄積された信号電荷ｅが掃き捨てられる。
【非特許文献１】「トランジスタ技術」，２００３年２月号，ｐ．１２８−１３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述したＣＭＯＳ型の固体撮像素子４１においては、受光センサ部４５において、信号電荷ｅの蓄積量を増やすことによってダイナミックレンジを拡大するために、受光センサ部４５のポテンシャルをさらに深くすることが求められている。
つまり、図１１Ａに示したように、例えば、深さｈ１で形成された受光センサ部４５のポテンシャル４５Ｂを、図１２Ａに示すように、さらに深い深さｈ２で形成するような場合である。
【００１０】
しかしながら、このような構成とした場合、受光センサ部４５からフローティングディフュージョン部４７へ、効率良く信号電荷ｅを読み出すことが困難となる。
【００１１】
即ち、図１１Ａに示すように、受光センサ部４５のポテンシャル４５Ｂが深さｈ１で形成されている場合、読み出し時には、所定の高さの読み出し電圧を読み出し電極５２に印加することで、図１１Ｂに示すように、読み出しゲート部４６のポテンシャル４６Ｂを、受光センサ部４５のポテンシャル４５Ｂよりも深く下げることができ、受光センサ部４５に蓄積された信号電荷ｅをフローティングディフュージョン部４７へ読み出すことができる。
【００１２】
しかしながら、図１２Ａに示すように、受光センサ部４５のポテンシャル４５Ｂをさらに深くして、深さｈ２のポテンシャル５５Ｂとした場合、受光センサ部４５のポテンシャル５５Ｂはさらに深い位置まで形成されるので、読み出し時に、深さｈ１で形成されたポテンシャル４５Ｂの場合と同様に、所定の高さの読み出し電圧を読み出し電極に印加した場合、図１２Ｂに示すように、読み出しゲート部４６のポテンシャル４６Ｂが、受光センサ部４５のポテンシャル５５Ｂよりも深くならず、信号電荷ｅを効率良くフローティングディフュージョン部４７へ読み出すことが困難となる。
【００１３】
このような場合、読み出し電極５２に印加される読み出し電圧をさらに高くしないと、信号電荷ｅを効率良くフローティングディフュージョン部４７へ読み出すことができない。
【００１４】
また、上述したＣＭＯＳ型の固体撮像素子４１の場合、単位画素領域４４内においては、上述したように、受光センサ部４５の他に、受光センサ部４５からの信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部４７やフローティングディフュージョン部４７で変換された電圧を出力する出力部、さらには、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部等が設けられているので、単位画素領域４４内において、受光センサ部４５の占める領域が狭くなっている。
従って、入射光を光電変換する領域が非常に狭く、信号電荷ｅの蓄積量が少ない、感度の低い構成の固体撮像素子４１となっていた。
【００１５】
上述した点に鑑み、本発明は、読み出し電圧を低くすることができ、且つ、信号電荷の蓄積量を増加して、広いダイナミックレンジ及び高い感度を得ることができる構成の固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光センサ部と、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、受光センサ部とフローティングディフュージョン部との間に形成された読み出しゲート部と、フローティングディフュージョン部で変換された電圧を出力する出力部とを有して単位画素が形成され、読み出しゲート部上に形成された第１の読み出し電極と、フローティングディフュージョン部上の少なくとも一部に形成された第２の読み出し電極とにより、信号電荷の受光センサ部からフローティングディフュージョン部への読み出しが行われる構成とする。
【００１７】
本発明に係る固体撮像素子によれば、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光センサ部と、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、受光センサ部とフローティングディフュージョン部との間に形成された読み出しゲート部と、フローティングディフュージョン部で変換された電圧を出力する出力部とを有して単位画素が形成され、読み出しゲート部上に形成された第１の読み出し電極と、フローティングディフュージョン部上の少なくとも一部に形成された第２の読み出し電極とにより、信号電荷の受光センサ部からフローティングディフュージョン部への読み出しが行われるので、例えば読み出し時に、第１の読み出し電極及び第２の読み出し電極に同時に読み出し電圧が印加される場合は、読み出しゲート部のポテンシャルだけでなく、フローティングディフュージョン部のポテンシャルも下げることができる。
これにより、例えば読み出しゲート部上に形成された電極のみで読み出し電極が構成され、読み出し時に読み出しゲート部のポテンシャルのみが下がる構成の固体撮像素子の場合に比べて、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部で形成されるポテンシャルにさらに勾配をつけることができる。
従って、受光センサ部から読み出される信号電荷により強い電界をつけることができ、読み出し効率を向上することができる。
【００１８】
上述した構成において、受光センサ部が、単位画素において、半導体基板の底部側で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第１の半導体領域と、この第１の半導体領域よりも浅い領域で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第２の半導体領域と、この第２の半導体領域よりも浅い領域で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を除く領域に形成された第３の半導体領域から構成されるようにした場合は、光電変換に寄与する領域を、読み出しゲート部及びフローティングディフュージョン部の下部にわたる領域まで拡大することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、受光センサ部からフローティングディフュージョン部へと効率良く信号電荷を読み出すことが可能になるので、低い読み出し電圧でも充分な読み出し効率を確保することができる固体撮像素子を提供することが可能になる。
【００２０】
また、上述した構成において、受光センサ部が、単位画素において、半導体基板の底部側で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第１の半導体領域と、この第１の半導体領域よりも浅い領域で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を含んで形成された第２の半導体領域と、この第２の半導体領域よりも浅い領域で、読み出しゲート部とフローティングディフュージョン部の下部を除く領域に形成された第３の半導体領域から構成されるようにした場合は、光電変換に寄与する領域を拡大することができるので、信号電荷の蓄積量を増加させて、広いダイナミックレンジを得ることができ、且つ高い感度を有する構成の固体撮像素子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】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
先ず、本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を、図１と共に説明する。
尚、図１は、例えばＣＭＯＳ型の固体撮像素子の１画素に相当する拡大断面図を示し、特に、その半導体基板周辺の拡大断面図を示している。
本実施の形態の固体撮像素子１では、例えばＰ型の半導体基板２表面の所定の領域に形成された素子分離層（所謂ＬＯＣＯＳ膜）３Ａと、素子分離層３Ａの下部の半導体基板２内に形成された高濃度のＰ型の半導体領域３Ｂとにより画素分離領域３が形成され、この画素分離領域３により区切られた単位画素領域４内に、フォトダイオードを形成する受光センサ部５が形成され、この受光センサ部５の一方の側に、読み出しゲート部６を介して、受光センサ部５で蓄積された信号電荷を電圧に変換する、高濃度のＮ型の半導体領域７１よりなるフローティングディフュージョン部７が形成されている。
尚、図示せざるも、この単位画素４内においては、フローティングディフュージョン部７で変換された電圧を出力する出力部（出力アンプ）や、フローティングディフュージョン部７に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部等が設けられている。
【００２３】
受光センサ部５は、半導体基板２の底部側で、且つ読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部以外の領域に形成された低濃度のＮ型の第１の半導体領域５１と、この低濃度のＮ型の半導体領域５１よりも浅い領域に形成された高濃度のＮ型の第２の半導体領域５２から構成されている。
尚、９は、Ｎ型の第２の半導体領域５２の表面に形成されたホールアキュムレート層（所謂正電荷蓄積領域）である。
【００２４】
読み出しゲート部６では、絶縁膜１１を介して半導体基板２上に読み出し電極１２が形成されている。
ここで、本実施の形態の固体撮像素子１においては、読み出し電極１２を２つの電極から構成する。
即ち、従来の固体撮像素子においては、読み出しゲート部に形成された電極のみで読み出し電極を構成していたが、本実施の形態の固体撮像素子１においては、従来と同様に、読み出しゲート部６に形成された電極（第１の読み出し電極）１２１と、あらたにフローティングディフュージョン部７に形成された電極（第２の読み出し電極）１２２とから読み出し電極１２を構成する。
尚、第１の読み出し電極１２１と第２の読み出し電極１２２との間は、第１の読み出し電極１２１の側壁に形成されたサイドウォール１３により絶縁されている。
【００２５】
第２の読み出し電極１２２は、図２に平面図示すように、フローティングディフュージョン部７の一部に形成されている。
尚、図２の場合では、第２の読み出し電極１２２を、フローティングディフュージョン部７の一部に形成された場合を示したが、例えばフローティングディフュージョン部７の全てを覆うように形成することもできる。
【００２６】
尚、図示せざるも、読み出し電極５２を含んで全面には、例えば層間絶縁膜が形成され、この層間絶縁膜上には、例えばパッシベーション膜、平坦化膜等を介してカラーフィルタが形成される。そして、カラーフィルタを介して受光センサ部と対応する位置にはオンチップレンズが形成される。層間絶縁膜中には、例えば多層の配線層が形成されている。
【００２７】
次に、このような構成のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１における、受光時と読み出し時の動作を、図１及び図３と共に説明する。
尚、図３は、固体撮像素子１において、受光センサ部５と、読み出しゲート部６と、フローティングディフュージョン部７に対応するポテンシャル図を示している。
先ず、受光時、図示しないオンチップレンズを通して受光センサ部５に光が入射されると、入射された光は、基板２の底部側に形成された第１の半導体領域５１内で光電変換される。
そして、光電変換されることで第１の半導体領域５１内で発生した信号電荷ｅは、基板２の表面側へ向かって高くなる濃度勾配により、図１中矢印Ｘに示すように、第２の半導体領域５２に集められる。
これにより、図１に示すように、受光センサ部５内の特に第２の半導体領域５２内に信号電荷ｅが蓄積された状態になる。
【００２８】
次に、読み出し時、図示しない外部に設けられた印加手段により、第１の読み出し電極１２１及び第２の読み出し電極１２２に読み出し電圧が印加される。
この際、第１及び第２の読み出し電極１２１，１２２に同時に読み出し電圧が印加されるようにすることにより、第１の読み出し電極１２１の下では、読み出しゲート部６のポテンシャル６Ｂが下がり、第２の読み出し電極１２２の下では、フローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂが基板２の底部側へと深く下がる。即ち、従来のように、読み出しゲート部のポテンシャルのみが下がるだけではなく、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７のポテンシャルが同時に下がることになる。
これにより、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７とで形成されるポテンシャルに勾配がつき、受光センサ部５から読み出される信号電荷ｅに対して強い電界がつくことになる。そして、図３Ｂに示すように、受光センサ部４５からフローティングディフュージョン部４７へ効率よく信号電荷ｅが読み出される。
【００２９】
尚、フローティングディフュージョン部４７へと読み出された信号電荷ｅは、電圧へ変換され、図示しない出力部より出力される。
そして、電圧が出力された後は、図示しないリセットゲート部に所定の電圧が印加されることで、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷が掃き捨てられる。
【００３０】
この際、図４Ａに示すように、先ず、第２の読み出し電極１２２のみに所定の電圧を印加して、フローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂを下げた状態とし、この状態で、図４Ｂに示すように、例えばリセットゲート部３３に所定の電圧を印加して、リセットゲート部３３のポテンシャル３３Ｂを深く下げる。
そして、この後に、第１の読み出し電極１２２に印加されている所定の電圧をオフすることで、図４Ｃに示すように、フローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂを元の電圧が印加されてない状態に戻すことで、フローティングディフュージョン部７に蓄積された信号電荷ｅを残さず掃き出しすることができる。
このように、第１の読み出し電極１２１及び第２の読み出し電極１２２に、それぞれ別々に電圧を印加し、リセットゲート部３３に印加される電圧のタイミングを変えることで、リセット効率を向上することが可能になる。
また、印加される電圧の高さを変化させることで、さらにリセット効率を向上することもできる。
【００３１】
本実施の形態の固体撮像素子１によれば、読み出しゲート部６上に形成された通常の読み出し電極（第１の読み出し電極）１２１に加えて、フローティングディフュージョン部７上の少なくとも一部に形成された読み出し電極（第２の読み出し電極）１２２とから読み出し電極１２を構成したので、読み出し時に、第１及び第２の読み出し電極１２１，１２２に対して、同時に読み出し電圧が印加された場合は、図３に示したように、読み出しゲート部６のポテンシャル６Ｂを下げることができると同時に、フローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂも深く下げることが可能になる。
【００３２】
このように、従来の固体撮像素子の場合のように、読み出しゲート部のみのポテンシャルのみが下がるのではなく（図１１参照）、読み出しゲート部６のポテンシャル６Ｂと、さらにフローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂを下げることができるので、従来の固体撮像素子の場合に比べて、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７で形成されるポテンシャルにさらに勾配をつけることができる。
従って、受光センサ部から読み出される信号電荷により強い電界をつけることができ、読み出し効率を向上することができる。
【００３３】
次に、本発明の固体撮像素子の他の実施の形態を、図５と共に説明する。
尚、図５は、固体撮像素子の１画素に相当する拡大断面図を示し、特に、半導体基板周辺の拡大断面図を示している。
本実施の形態の固体撮像素子１０においては、上述した実施の形態の固体撮像素子１の場合と同様に、読み出しゲート部６上に形成された第１の読み出し電極１２１と、フローティングディフュージョン部７上の少なくとも一部に形成された第２の読み出し電極１２２とから読み出し電極１２を構成しているが、受光センサ部５の構成が上述した実施の形態の固体撮像素子１とは異なる。
具体的には、単位画素領域４内において、受光センサ部５を、フローティングディフュージョン部７や読み出しゲート部６の下部まで、さらに拡大して形成する。
その他の構成は、図１に示した固体撮像素子１の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付し、重複説明は省略する。
【００３４】
即ち、本実施の形態の固体撮像素子１０の場合では、単位画素領域４内において、半導体基板２の底部側の深い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成された第１の半導体領域５１１と、この第１の半導体領域５１１よりも浅い領域で、第１の半導体領域５１１と同様に、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成された第２の半導体領域５１２と、第２の半導体領域５２２よりも浅い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を除く領域のみに形成された第３の半導体領域５３３とから受光センサ部５を構成する。
尚、９は、第３の半導体領域５３３の表面に形成された、高濃度のＰ型の不純物よりなるホールアキュムレート層（正電荷蓄積領域）である。
【００３５】
本実施の形態の固体撮像素子１０の場合では、第１導電型、例えばＰ型の半導体基板２を用いているので、第１の半導体領域５１１は、第２導電型、例えば低濃度のＮ型の不純物より形成される。また、第２の半導体領域５２２は、第２導電型、例えばＮ型の不純物より形成される。また、第３の半導体領域５３３は、第２導電型、例えば高濃度のＮ型の不純物より形成される。
尚、このように、基板２の底部側に形成された第３の半導体領域５１１から、基板表面側に形成された第３の半導体領域５３３へと向かって、不純物濃度が濃くなるように各半導体領域の不純物濃度に勾配をつけることで、例えば基板２の底部側に形成された、第１の半導体領域５１１及び第２の半導体領域５２２において光電変換された信号電荷ｅが、基板２の表面側に形成された第３の半導体領域５３３へ効率よく集まる。
【００３６】
ここで、第２の半導体領域５２２とフローティングディフュージョン部７を構成する高濃度のＮ型の半導体領域７１との間に形成されたＰ型の半導体領域２０は、例えば第２の読み出し電極１２２に読み出し電圧が印加された場合に、そのポテンシャルが下がり、第１及び第２の半導体領域５１１，５２２で光電変換された信号電荷ｅの一部が、図５中矢印Ｙに示すような経路で、直接フローティングディフュージョン部７へ読み出されるような濃度で形成することもできる。
【００３７】
このような構成とした場合、読み出し時に、第１及び第２の読み出し電極１２１，１２２に同時に読み出し電圧が印加されると、図１及び図３に示したように、信号電荷ｅが受光センサ部５の第３の半導体領域５３３から読み出しゲート部６を通してフローティングディフュージョン部７へ読み出されると共に、第１及び第２の半導体領域５１１，５２２より、信号電荷ｅがＰ型の半導体領域２０のポテンシャルを超えて直接フローティングディフュージョン部７へ読み出されるようにすることが可能になる。
即ち、本実施の形態の固体撮像素子１０においては、読み出しゲート部６及びフローティングディフュージョン部７の下部を含む領域まで受光センサ部５を構成する半導体領域を形成すると共に、フローティングディフュージョン部７の一部に第２の読み出し電極１２２を形成したので、上述したように、直接フローティングデョフュージョン部７に信号電荷ｅを読み出すことが可能になる。
これにより、通常の受光センサ部５から読み出しゲート部６を介してフローティングディフュージョン部７へと信号電荷ｅが読み出される場合に比べて、さらに信号電荷ｅの読み出し効率を上げることができる。
【００３８】
次に、このような構成のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０における、受光時と読み出し時の動作を、図５及び図３を用いて説明する。
先ず、受光時、図示しないオンチップレンズを通して受光センサ部５に光が入射されると、単位画素領域４内において、基板２の底部側に形成された第１の半導体領域５１１と、この第１の半導体領域５１１よりも浅い領域に形成された第２の半導体領域５２２で光電変換が行われる。
そして、光電変換されることにより、第１及び第２の半導体領域５１１，５２２で発生した信号電荷ｅは、基板２の表面側に向かって高くなるように形成された濃度勾配により、図５中矢印Ｘに示すように、表面側に形成された第３の半導体領域５３３に集められて、この第３の半導体領域５３３中に蓄積される。
尚、読み出し時及び信号電荷ｅがフローティングディフュージョン部７へ読み出された後の動作は、上述した実施の形態の場合と同様であるので、重複説明を省略する。
【００３９】
本実施の形態の固体撮像素子１０によれば、上述した実施の形態の固体撮像素子１の場合と同様に、読み出しゲート部６上に形成された読み出し電極（第１の読み出し電極）１２１に加えて、フローティングディフュージョン部７上の少なくとも一部に形成された読み出し電極（第２の読み出し電極）１２２とから読み出し電極１２を構成したので、読み出し時に、第１及び第２の読み出し電極１２１，１２２に対して、同時に読み出し電圧を印加するようにした場合は、読み出しゲート部６のポテンシャル６Ｂを下げることができると同時に、フローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂを深く下げることができる（図３参照）。
このように、読み出しゲート部のポテンシャルのみが下がるだけではなく、読み出しゲート部６のポテンシャル６Ｂと、さらにフローティングディフュージョン部７のポテンシャル７Ｂを下げることができるので、従来の固体撮像素子の場合に比べて、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７で形成されるポテンシャルにさらに勾配をつけることができ、受光センサ部５から読み出される信号電荷ｅの読み出し効率を向上することができる。
【００４０】
また、本実施の形態の固体撮像素子１０によれば、単位画素領域４において、基板２の底部側の深い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで第１の半導体領域５１１を形成し、この第１の半導体領域５１１よりも浅い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７を含んで第２の半導体領域５１２を形成することで、受光センサ部５を構成する半導体領域を、読み出しゲート部６やフローティングディフュージョン部７の下部の領域にまでも拡大したので、例えば、受光センサ部５を構成する半導体領域が、読み出しゲート部６やフローティングディフュージョン部６の下部を除く領域のみに形成された従来の固体撮像素子の場合に比べて、光電変換に寄与する領域を大きく広げることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態の固体撮像素子１０では、受光センサ部５において、第１の半導体領域５１１と第２の半導体領域５２２が、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成され、第３の半導体領域５３３が、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を除く領域に形成された場合を示したが、さらに、高い感度を得ようとする場合は、受光センサ部５を、例えば、次に示すように構成することができる。
【００４２】
すなわち、半導体基板２の底部側の深い領域に形成された第１の半導体領域５１１と、この第１の半導体領域５１１よりも浅い領域に形成された第２の半導体領域５２２が、画素分離領域３を除く単位画素領域４の全域にわたり形成されるようにし、第２の半導体領域５２２よりも浅い領域に形成された第３の半導体領域５３３が、出力部（図示せず）、リセットゲート部（図示せず）、画素分離領域３、読み出しゲート部６及びフローティングディフュージョン部７の下部を除く領域に形成されるようにする。
【００４３】
受光センサ部５を、このような構成とした場合には、図５に示した構成の受光センサ部５と比べて、さらに、光電変換に寄与する領域を大きく拡大することができるので、信号電荷の蓄積量を増加させて、広いダイナミックレンジを得ることができ、且つ高い感度を有する構成の固体撮像素子１０を提供することができる。
【００４４】
また、本実施の形態の固体撮像素子１０では、図５に示したように、単位画素領域４内において、半導体基板２の底部側の深い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成された第１の半導体領域５１１と、この第１の半導体領域５１１よりも浅い領域で、第１の半導体領域５１１と同様に、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成された第２の半導体領域５１２と、第２の半導体領域５２２よりも浅い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を除く領域のみに形成された第３の半導体領域５３３とから受光センサ部５を構成したが、少なくとも、半導体基板２の底部側の深い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を含んで形成された半導体領域と、この半導体領域よりも浅い領域で、読み出しゲート部６とフローティングディフュージョン部７の下部を除く領域に形成された半導体領域から受光センサ部５を構成するようにすれば、これに限定されるものではない。
【００４５】
次に、図５に示したＣＭＯＳ型の固体撮像素子を製造する方法を、図６〜図９を用いて説明する。
図示の例では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の１画素に対応する断面図を示し、図５と対応する部分には同一符号を付している。
【００４６】
先ず、例えばＰ型の半導体基板２上に、図６Ａに示すように、例えばＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等からなる絶縁膜１１を形成した後、半導体基板２の表面の所定の領域に素子分離層（例えばＬＯＣＯＳ膜）３Ａを形成する。
【００４７】
次に、レジスト膜（図示せず）を全面に形成し、公知のリソグラフィ技術を用いて、単位画素領域４上をのみを覆うレジストマスク１５を形成する。
そして、このレジストマスク１５をマスクとして、全面より高濃度のＰ型の不純物を注入することで、図６Ｂに示すように、ＬＯＣＯＳ膜３Ａ下の半導体基板２内に、隣接する単位画素領域４間を区切るための高濃度のＰ型の半導体領域３Ｂを形成する。
これにより、ＬＯＣＯＳ膜３Ａと半導体領域３Ｂとにより、画素分離領域３が形成される。
尚、隣接する単位画素領域４間を区切るための画素分離領域は、この他にも、例えばＳＴＩ（シャロートレンチ素子分離）法を用いて形成することもできる。
【００４８】
次に、レジストマスク１５を除去して、再び全面にレジスト膜（図示せず）を形成した後、公知のリソグラフィ技術を用いて、単位画素領域４上のみに開口１６を有するレジストマスク１７を形成する。
そして、このレジストマスク１７をマスクとして、全面より低濃度のＮ型の不純物を、単位画素領域４内の、後述する読み出しゲート部及びフローティングディフュージョン部となる領域を含むように注入する。この際、低濃度のＮ型の不純物は、半導体基板２の表面から、例えば０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の位置（Ｒｐ位置）に注入するようにする。
これにより、図６Ｃに示すように、単位画素領域４内において、基板２の底部側の深い領域から基板２の表面側まで、後述する受光センサ部を構成する第１の半導体領域５１１となる、低濃度のＮ型の半導体領域３５が形成される。
【００４９】
続いて、レジストマスク１７を除去せずに、全面より、例えば先に注入した低濃度のＮ型の不純物よりも濃度が高いＮ型の不純物を、低濃度のＮ型の不純物と同様に、単位画素領域４内の後述する読み出しゲート部及びフローティングディフュージョン部となる領域を含むように注入する。この際、Ｎ型の不純物は、先に注入された低濃度のＮ型の不純物の注入位置よりも浅い位置に注入するようにする。
これにより、図７Ｄに示すように、第１の半導体領域３５よりも浅い位置から基板２の表面側まで、後述する第２の半導体領域となるＮ型の半導体領域１８が形成される。また、同時に第１の半導体領域５１１が形成される。
【００５０】
次に、レジストマスク１７を除去して、再びレジスト膜（図示せず）を形成し、公知のリソグラフィ技術を用いて、後述する読み出しゲート部及びフローティングディフュージョン部となる領域上に開口３２を有するレジストマスク１９を形成する。
そして、このレジストマスク１９をマスクとして、全面より、例えばＰ型の不純物を注入する。この際、Ｐ型の不純物は、Ｎ型の半導体領域１８において、基板２の表面側の浅い位置に注入するようにする。
これにより、図７Ｅに示すように、Ｎ型の半導体領域１８中において、読み出しゲート部及びフローティングディフュージョン部となる領域に、Ｐ型の半導体領域２０が形成される。
尚、このＰ型の半導体領域２０は、後述する第２の読み出し電極１２２に読み出し電圧が印加された際、そのポテンシャルが下がり、第２の半導体領域５１２よりフローティングディフュージョン部７へ信号電荷ｅが読み出されるような濃度の不純物で形成することもできる。
【００５１】
次に、レジストマスク１９を除去して、後述する第１の読み出し電極形成用の電極材料層２１を全面に形成する。そして、この電極材料層２１上にレジスト膜（図示せず）を形成した後、公知のリソグラフィ技術を用いて、後述するフローティングディフュージョン部となる領域上のみに開口２２を有するレジストマスク２３を形成する。
そして、このレジストマスク２３をマスクとして、電極材料層２１をエッチング除去し、図７Ｆに示すように、電極材料層２１において、フローティングディフュージョン部となる領域上に開口２４を形成する。
【００５２】
続いて、レジストマスク２３を除去せずに、このレジストマスク２３をマスクとして、全面より、高濃度のＮ型の不純物を注入する。この際、高濃度のＮ型の不純物は、Ｐ型の不純物領域２０において、基板２の表面側の浅い位置に注入する。
これにより、図８Ｇに示すように、Ｐ型の半導体領域２０中の基板２表面側の浅い位置に、高濃度のＮ型の不純物領域７１よりなるフローティングディフュージョン部７が形成される。また、このフローティングディフュージョン部７に隣接して、Ｐ型の半導体領域２０の一部に読み出しゲート部６が形成される。
尚、フローティングディフュージョン部７を構成する、Ｎ型の半導体領域７１の不純物濃度は、例えば読み出し時に、後述する第１の読み出し電極１２１及び第２の読み出し電極１２２に読み出し電圧が印加された際、フローティングディフュージョン部７で、受光センサ部５で蓄積可能な信号電荷量を上回る量の信号電荷を蓄積できるような濃度とする。
【００５３】
次に、レジストマスク２３を除去し、全面にレジスト膜（図示せず）を形成した後、公知のリソグラフィ技術を用いて、後述する受光センサ部及び読み出しゲート部６上に電極材料層２１が残るようなパターンのレジストマスク２６を形成する。
そして、このレジストマスク２６をマスクとして、電極材料層２１をエッチング除去することで、図８Ｈに示すように、後述する受光センサ部となる領域上と読み出しゲート部６上のみに電極材料層２１が形成された状態にする。
【００５４】
次に、レジストマスク２６を除去し、全面に再びレジスト膜（図示せず）を形成して、公知のリソグラフィ技術を用いて、読み出しゲート部６上のみに電極材料層２１が残るようなパターンのレジストマスク２７を形成する。
そして、このレジストマスク２７を用いて電極材料層２１をエッチング除去することで、図８Ｉに示すように、読み出しゲート６部上のみに電極材料層２１が形成された状態にする。これにより、第１の読み出し電極１２が形成される。
【００５５】
続いて、レジストマスク２７を除去せずに、このレジストマスク２７をマスクとして、全面より、高濃度のＮ型の不純物を注入する。この際、高濃度のＮ型の不純物は、先に形成されたＮ型の半導体領域１８中、基板２表面側の浅い位置に注入するようにする。
これにより、図９Ｊに示すように、Ｎ型の半導体領域１８中に高濃度のＮ型の半導体領域２８が形成される。また、同時に、Ｎ型の不純物よりなる第２の半導体領域５２２が形成される。
【００５６】
次に、レジストマスク２７を除去して、第１の読み出し電極１２の側壁にサイドウォール１３を形成する。そして、全面にレジスト膜（図示せず）を形成し、公知のリソグラフィ技術を用いて、受光センサ部上をのぞく領域を覆うレジストマスク２９を形成する。
そして、全面より、高濃度のＰ型の不純物を、高濃度のＮ型の半導体領域１８中において、基板２表面側の浅い位置に注入する。この際、サイドウォール１３下の半導体基板２内にはＰ型の不純物は注入されない。
これにより、図９Ｋに示すように、高濃度のＮ型の半導体領域２８中に、高濃度のＮ型の第３の半導体領域５３３と、この第３の半導体領域５３３の表面の高濃度のＰ型のホールアキュムレート層（所謂正電荷蓄積領域）９が形成される。
【００５７】
次に、レジストマスク２９を除去し、全面に後述する第２の読み出し電極形成用の電極材料層３０を形成する。そして、この電極材料層３０上にレジスト膜（図示せず）を形成した後、公知のリソグラフィ技術を用いて、第２の読み出し電極形成用のパターンを有するレジストマスク３１を形成する。
この際、レジストマスク３１のパターンは、図２に示したように、フローティングディフュージョン部７の一部を覆うと共に、第１の読み出し電極１２１上の一部を覆うパターンに形成される。
【００５８】
そして、このレジストマスク３１をマスクとして、電極材料層３０をエッチング除去することにより、図９Ｍに示すように、第２の読み出し電極１２２が形成される。
これにより、第１の読み出し電極１２１と第２の読み出し電極１２２からなる読み出し電極１２が形成される。このようにして、図５に示す状態の固体撮像素子１０が形成される。
【００５９】
この後は、図示せざるも、読み出し電極１２を含んで全面に、例えば層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜上に、例えばパッシベーション膜、平坦化膜等を介してカラーフィルタを形成する。そして、カラーフィルタを介して受光センサ部５と対応する位置にオンチップレンズを形成する。層間絶縁膜中には、例えば、多層の配線層が形成される。
【００６０】
上述した実施の形態では、本発明をＰ型の半導体基板の場合に適用して説明をしたが、例えばＮ型の半導体基板の場合にも適用することができる。
【００６１】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の固体撮像素子の一実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】図１のフローティングディフュージョン部の平面図である。
【図３】Ａ，Ｂ  図１の固体撮像素子の読み出し時の要部のポテンシャル図である。
【図４】Ａ〜Ｃ  図１の固体撮像素子のリセット時の要部のポテンシャル図である。
【図５】図１の固体撮像素子の他の実施の形態を示す概略断面図である。
【図６】Ａ〜Ｃ  図４の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図７】Ｄ〜Ｆ  図４の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その２）である。
【図８】Ｇ〜Ｉ  図４の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その３）である。
【図９】Ｊ〜Ｍ  図４の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その４）である。
【図１０】従来の固体撮像素子の概略断面図である。
【図１１】Ａ，Ｂ  図９の固体撮像素子の要部のポテンシャル図である。
【図１２】Ａ，Ｂ  従来の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・固体撮像素子、２・・・半導体基板、３（３Ａ，３Ｂ）・・・画素分離領域、４・・・単位画素領域、５・・・受光センサ部、６・・・読み出しゲート部、７・・・フローティングディフュージョン部、９・・・正電荷蓄積領域、１１・・・絶縁膜、１２（１２１，１２２）・・・読み出し電極、１３・・・サイドウォール
【図１】
2005093554.tif 000003
【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】
2005093554.tif 000008
【図７】
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【図８】
2005093554.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005093554.tif 000012
【図１１】
2005093554.tif 000013
【図１２】
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