(57)【要約】【課題】フォトダイオードの飽和信号電荷量の向上と低暗出力を両立する全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置を提供する。【解決手段】フォトダイオード１形成用Ｎ型注入層である電荷蓄積領域１２は配線領域の下に設けられた第１導電型の拡張領域を有し、この拡張領域の表面は部分的に第２導電型の表層としてチャネルストップ用Ｐ型注入層８を有し、水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極１４の下に位置する表面において前記表層を有しない面積は、水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極１５の下の拡張領域の表面において前記表層を有しない面積よりも大きい。【選択図】図５
2005005512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により生じた信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域を有する複数の画素部と、１つの画素部につき３以上の転送電極を有し画素部から信号電荷を読み出して転送する複数の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤ間で同相の転送電極を接続するための配線領域とを有する全画素独立読み出し方式の固体撮像装置であって、
前記電荷蓄積領域は前記配線領域の下に設けられた第１導電型の拡張領域を有し、
前記拡張領域の表面は部分的に第２導電型の表層を有し、
水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極の下に位置する表面において前記表層を有しない面積は、水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極の下の拡張領域の表面において前記表層を有しない面積よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記拡張領域の表面において、水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極の下に設けられる表層における第２導電型の不純物濃度が、水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極の下に設けられる表層の第２導電型の不純物濃度よりも高い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】
前記転送電極は、画素部から信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出すための電極を兼用する第１転送電極と、第１転送電極に対して垂直ＣＣＤの転送と同じ方向に隣接する第２転送電極と、第１転送電極に対して垂直ＣＣＤの転送と逆の方向に隣接する第３転送電極の少なくとも３種類を含み、
第２転送電極の配線領域下に設けられた拡張領域は、第３転送電極の配線領域下に設けられた拡張領域よりも大きい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＣＤ固体撮像装置に関し、特にフォトダイオードの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に代表されるモバイル端末において、ＣＣＤカメラの搭載が盛んである。この用途においては、小型化と多画素化による高画質化を目的に画素サイズの縮小が進んでおり、既に３μｍ×３μｍ程度の画素を使用したＣＣＤ固体撮像装置が実用化されている。デジタルカメラ等で一般的に使用されているインターレース方式のＣＣＤ固体撮像装置では、各画素のフォトダイオードで蓄積された信号電荷を混合することなく一度に垂直転送ＣＣＤに読み出すことができないため、全画素の独立読み出しを行うには、メカニカルシャッタを露光時間制御に使用し、メカニカルシャッタを閉じた後フォトダイオードから垂直転送ＣＣＤに信号電荷を読み出し、転送し信号出力として取り出す動作を複数回に分けて行う必要がある。これに対して、全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置では、各画素のフォトダイオードで蓄積された信号電荷を混合することなく一度に垂直転送ＣＣＤに読み出すことができるため、露光時間は電子シャッタで制御でき、メカニカルシャッタが不要であるという利点がある。そのため、デジタルカメラと比較し更なる小型化が要求されるモバイル用途では、全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置が主流となりつつある。
【０００３】
従来の固体撮像装置については、例えば特許文献１に記されている。図１は、従来のＣＣＤ固体撮像装置の構成を示す図である。図１において、光電変換による信号電荷を蓄積する二次元に配列された複数のフォトダイオード１と、１列のフォトダイオード１からの信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直転送ＣＣＤ２と、垂直転送ＣＣＤ２から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送ＣＣＤ３と、水平転送ＣＣＤ３から順次出力される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５と、変換された電圧をさらに増幅する出力アンプ４と、フローティングディフュージョン５をリセットするためのリセットドレイン６及びリセットゲート７とを備える。
【０００４】
以上のように構成されたＣＣＤ固体撮像装置において、以下その動作について説明する。フォトダイオード１で光電変換され蓄積された信号電荷は、垂直転送ＣＣＤ２上の転送電極に読み出しパルスを印加することで垂直転送ＣＣＤ２に読み出される。垂直転送ＣＣＤ２に読み出された信号電荷は垂直転送ＣＣＤ２上の転送電極に転送パルスを印加することで順次水平転送ＣＣＤ３に転送される。水平転送ＣＣＤ３に転送された信号電荷は、水平転送ＣＣＤ３上の転送電極に転送パルスを印加することでフローティングディフュージョン５へ向けて転送される。信号電荷は、フローティングディフュージョン５において電位変化に変換された後、出力アンプ４を通して信号として出力される。出力後、リセットゲート７にリセットパルスを印加してフローティングディフュージョン５の信号電荷をリセットドレイン６へ除去し、リセットドレイン６の電圧にフローティングディフュージョン５の電位を固定する。図２に従来のＣＣＤ固体撮像装置の画素平面図、図３に図２のＡ−Ａ’部の断面図を示す。図２、図３は一例として、垂直転送ＣＣＤ２上に１画素当たり４つの転送電極を２層ポリシリコンで形成し、４相駆動を用いる場合の全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置の画素を示している。図２、図３において、８はチャネルストップ用Ｐ型注入層、９はフォトダイオード間分離用Ｐ型注入層、１０はＰウェル形成用Ｐ−型注入層、１１はＮ型基板、１２はフォトダイオード形成用Ｎ型注入層、１３は表面Ｐ＋型注入層、１４は１層目転送電極Ａ、１５は１層目転送電極Ｂ、１６は２層目転送電極Ａ、１７は２層目転送電極Ｂである。図２、図３には示していないが、フォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２が、１層目転送電極Ａ１４及び１層目転送電極Ｂ１５下にも拡張される場合がある。しかし、この場合もチャネルストップ用Ｐ型注入層８が、その拡張領域表面に設けられる。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３２２３４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術における構成の全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置では、水平方向に隣りあう垂直転送ＣＣＤ上の転送電極を同相どうし接続するために垂直方向に隣りあうフォトダイオード間に形成される配線領域（垂直分離領域）を有している。垂直転送ＣＣＤには１画素につき転送電極が３以上存在するため、上記の垂直分離領域が大きくなることによってフォトダイオードが小さくなり、フォトダイオードの飽和信号電荷量が低下するという欠点を有している。特に画素サイズが微細になると、画素内における垂直分離領域の占有する割合が大きくなるため、この欠点が顕著となる。
【０００７】
また、フォトダイオードを垂直分離領域の転送電極の下に拡張した場合でも、転送電極の下には表面空乏化による暗電荷の発生を防ぐためにＰ型のチャネルストップが注入されるため、転送電極の下に拡張したフォトダイオード領域のＮ型濃度が低下し、フォトダイオードの飽和信号電荷量を大幅に向上させることができない。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、フォトダイオードの飽和信号電荷量の向上と低暗出力を両立する全画素独立読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のＣＣＤ固体撮像装置は、光電変換により生じた信号電荷を蓄積する第１導電型の電荷蓄積領域（１２）を有する複数の画素部（１）と、１つの画素部につき３以上の転送電極を有し画素部から信号電荷を読み出して転送する複数の垂直ＣＣＤ（２）と、垂直ＣＣＤ間で同相の転送電極を接続するための配線領域とを有する全画素独立読み出し方式の固体撮像装置であって、図５、７又は９に示すように、
前記電荷蓄積領域（１２）は前記配線領域の下に設けられた第１導電型の拡張領域を有し、
前記拡張領域の表面は部分的に第２導電型の表層（８）を有し、
水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極（１４）の下に位置する表面において前記表層を有しない面積は、水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極（１５）の下の拡張領域の表面において前記表層を有しない面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明のＣＣＤ固体撮像装置は、配線領域（垂直分離領域）の転送電極の下にフォトダイオード（第１導電型の電荷蓄積領域（１２））を拡大し、水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極（１５）の下においては、転送電極の下に拡大したフォトダイオード領域表面の大部分にチャネルストップを注入した第２導電型の表層（８）を有し、水平転送期間に垂直転送ＣＣＤをピンニング状態にする転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極においては、転送電極（１４又は１５）の下に拡大したフォトダイオード領域の表面にチャネルストップが注入されない領域を大きく設けた構造を有している。
【００１１】
前記構成によって、チャネルストップが注入されない領域が設けられた転送電極下のフォトダイオード領域でも、転送電極に水平転送期間中転送パルスのローレベル電圧が印加されるため、表面に正孔が蓄積し、表面からの暗出力を抑制することができる。また、この領域ではチャネルストップ注入によるＮ型不純物濃度の低下によるフォトダイオードの飽和信号電荷量の低下がないため、チャネルストップが注入される場合に比べ、大幅にフォトダイオードの飽和信号電荷量を向上することができる。水平転送期間中転送パルスのハイレベル電圧が印加される転送電極下では、チャネルストップが注入される領域が大部分であるため、表面近傍には正孔が存在し暗出力は抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図４は本発明の第１の実施形態における画素の平面図を示すものである。図５は本発明の第１の実施形態における画素Ｂ−Ｂ’断面図である。図４と図５において、図２、図３と同じ構成要素については同じ符号を用いており、説明を省略する。
【００１３】
以上のように構成されたＣＣＤ固体撮像装置について、以下その動作を説明する。図６に、全画素独立読み出し方式の駆動タイミングを示す。例として、１層目転送電極Ａ１４にφＶ２が、１層目転送電極Ｂ１５にφＶ４が、２層目転送電極Ａ１６にφＶ１が、２層目転送電極Ｂ１７にφＶ３が印加される場合について説明する。フォトダイオード１においては、表面に正孔が蓄積されていない場合、暗電荷が発生する。フォトダイオード１を１層目転送電極Ａ１４や１層目転送電極Ｂ１５下に拡張し、拡張領域の表面において正孔が蓄積されない状態では、暗電荷が発生する。このような状態は、転送電極下に拡張したフォトダイオード１表面のＰ型濃度が十分でなく、拡張領域上の転送電極に転送パルスのハイレベル電圧が印加された場合に、転送電極下に拡張されたフォトダイオード１表面の正孔が空乏化するため発生する。図６に示すように電荷蓄積期間中においては、殆どの時間を水平転送期間が占めているため、暗電荷としては、水平転送期間に発生するものが大半である。図５では、１層目転送電極Ｂ１５と２層目転送電極Ｂ１７に水平転送期間中に転送パルスのハイレベル電圧が印加され、１層目転送電極Ａ１４と２層目転送電極Ａ１６に水平転送期間中に転送パルスのローレベル電圧が印加される。一般に、このローレベル電圧は、垂直転送ＣＣＤ２のポテンシャルがピンニング状態になるよう設定される。本実施形態では、図５に示すように、１層目転送電極Ａ１４及び１層目転送電極Ｂ１５下にフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２が拡張され、１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２の表面において、チャネルストップ用Ｐ型注入層８や表面Ｐ＋型注入層１３を設けない領域を大きくし、１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２上においては、その大部分にチャネルストップ用Ｐ型注入層８を形成するのが特徴である。１層目転送電極Ａ１４は水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加されているため、１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード１領域では、Ｐ型注入層がなくても水平転送期間中、表面は正孔が蓄積されており暗電荷の発生が抑制される。１層目転送電極Ｂ１５は水平転送期間に転送パルスのハイレベル電圧が印加されるが、１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード１領域ではチャネルストップ用Ｐ型注入層８を形成しているため、表面に正孔が蓄積され、暗電荷が発生しない。本実施形態では、フォトダイオード１の領域を転送電極下にも拡大し、かつチャネルストップ用Ｐ型注入層８が注入されないフォトダイオード１の領域を水平転送期間に転送パルスのローレベル電圧が印加される転送電極下にのみ選択的に大きく設けることにより、フォトダイオード１の領域を従来例に比べて、暗出力を劣化させることなく、飛躍的に大きくできる。
以上のように本実施形態によれば、画素が微細化しても高いフォトダイオード飽和信号電荷量をもつＣＣＤ固体撮像装置を実現できる。
【００１４】
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態における画素Ｂ−Ｂ’断面を示すものである。第１の実施形態では、１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２表面にＰ型注入層を設けない領域を有していたが、本実施形態では１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２表面に、チャネルストップ用Ｐ型注入層８よりも低濃度の表面Ｐ型注入層１８を設けている。表面から浅い領域に欠陥層があり、最表面に蓄積される正孔だけでは暗電荷の生成が抑制できない場合、有効な手段である。１層目の転送電極Ａ下のフォトダイオード表面Ｐ型注入層１８の濃度をチャネルストップ用Ｐ型注入層８に対して低く設定しているので、フォトダイオードの飽和信号電荷量は従来例に比べて高くできる。
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態に比べフォトダイオードの飽和信号電荷量が低下するが従来例に比べて高く、第１の実施形態に比べ、暗出力が低いＣＣＤ固体撮像装置を実現できる。
【００１５】
（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態における画素の平面図、図９は本発明の第３の実施形態における画素Ｃ−Ｃ’断面を示すものである。第１の実施形態では、１層目転送電極Ｂ１５下にもフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２を拡大していたが、本実施形態では１層目転送電極Ａ１４下のみにフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２を追加している。１層目転送電極Ａ１４は、フォトダイオード１から垂直転送ＣＣＤ２に信号電荷を読み出すために必要な読み出しパルスが印加される転送電極である２層目転送電極Ａ１６に垂直転送ＣＣＤ２上で水平転送ＣＣＤ３側で隣接している。第１、第２の実施形態では、２層目転送電極Ａ１６の垂直転送ＣＣＤ２方向のゲート長に対して、フォトダイオード１の垂直方向寸法が大きいため、読み出しパルス印加時にフォトダイオード１の端部において垂直転送ＣＣＤ２に向かう電界が弱くなる場合がある。特に、２層目転送電極Ａ１６に対して、水平転送ＣＣＤ３と反対側で垂直転送ＣＣＤ２上において隣接している１層目転送電極Ｂ１５下にフォトダイオード１を大きく拡張している場合、２層目転送電極Ａ１６から１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード１端部までの距離が、２層目転送電極Ａ１６から１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード１端部までの距離に比べて非常に長くなるため、その影響が顕著である。本実施形態では、１層目転送電極Ａ１４下にのみフォトダイオード１を拡大しているため、２層目転送電極Ａ１６からフォトダイオード１の端部までの距離が短くなり、フォトダイオード１の端部におけるフォトダイオード１から垂直転送ＣＣＤ２へ向かう電界が強化されるため、低い読み出しパルス電圧でフォトダイオード１から垂直転送ＣＣＤ２に信号電荷を読み出すことができる。本実施形態では極端な例として、１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２をなくしているが、１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２を、１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２より小さくする場合も、本実施形態と同様な効果が得られ、１層目転送電極Ａ１４下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２と１層目転送電極Ｂ１５下のフォトダイオード形成用Ｎ型注入層１２を等しく形成する場合よりも、読み出しパルス電圧を下げることができる。
【００１６】
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態に比べフォトダイオードの飽和信号電荷量が若干低下するが、従来例に比べて高いフォトダイオードの飽和信号電荷量をもち、低い読み出しパルス電圧印加でフォトダイオード１から垂直転送ＣＣＤ２へ信号電荷の読み出しを可能にするＣＣＤ固体撮像装置を実現できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように本発明は、水平転送期間に垂直転送ＣＣＤ上の転送電極に印加される電圧値に対応して、垂直分離領域の転送電極下に拡張したフォトダイオードの表面Ｐ型注入層のレイアウト、濃度を選択的に変えることで、暗出力を劣化させることなく、高いフォトダイオード飽和信号電荷量を得ることのできる優れたＣＣＤ固体撮像装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＣＤ固体撮像装置の全体図である。
【図２】従来のＣＣＤ固体撮像装置の画素平面図である。
【図３】従来のＣＣＤ固体撮像装置の画素Ａ−Ａ’断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における画素の平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における画素Ｂ−Ｂ’断面図である。
【図６】ＣＣＤ固体撮像装置のタイミング図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における画素Ｂ−Ｂ’断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における画素の平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における画素Ｃ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
１  フォトダイオード
２  垂直転送ＣＣＤ
３  水平転送ＣＣＤ
４  出力アンプ
５  フローティングディフュージョン
６  リセットドレイン
７  リセットゲート
８  チャネルストップ用Ｐ型注入層
９  フォトダイオード間分離用Ｐ型注入層
１０  Ｐウェル形成用Ｐ−型注入層
１１  Ｎ型基板
１２  フォトダイオード形成用Ｎ型注入層
１３  表面Ｐ＋型注入層
１４  １層目転送電極Ａ
１５  １層目転送電極Ｂ
１６  ２層目転送電極Ａ
１７  ２層目転送電極Ｂ
１８  １層目転送電極Ａ下のフォトダイオード表面Ｐ型注入層
【図１】
2005005512.tif 000003
【図２】
2005005512.tif 000004
【図３】
2005005512.tif 000005
【図４】
2005005512.tif 000006
【図５】
2005005512.tif 000007
【図６】
2005005512.tif 000008
【図７】
2005005512.tif 000009
【図８】
2005005512.tif 000010
【図９】
2005005512.tif 000011