(57)【要約】【課題】  フローティングディフュージョン領域のリーク電流が少ない光電変換装置を提供する。【解決手段】  転送トランジスタ１０３のソースドレイン領域の下のＰ＋チャネルストップ層がＮ＋拡散層であるフローティングディフュージョン領域１０６の周りに形成される空乏層２０８と概ね点Ｅのみで接触するようにする。【選択図】        図１
2005142503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体領域中に第２導電型の第２の半導体領域を形成することにより得られたフォトダイオードと、前記第１の半導体領域中に形成されたＭＯＳトランジスタがあり、前記ＭＯＳトランジスタは前記フォトダイオードに一方のソースドレイン領域が接続されており、前記ＭＯＳトランジスタのもう一方のソースドレイン領域は第２導電型の第３の半導体領域からなり、前記第３の半導体領域は、前記フォトダイオードにより定まる信号電荷を信号電圧に変換する領域の一部をなしており、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極直下に絶縁膜を介して存在する半導体領域のうちチャネルを形成しない第１導電型の第４の半導体領域を有し前記ゲート電極と前記第４の半導体領域との間の仕事関数差が負である光電変換装置において、前記第３の半導体領域が形成する空乏層端と前記第４の半導体領域とが概ね点で接触していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置において、前記ゲート電極がＮ型のＰＯＬＹシリコンを含む材料でありかつ前記第４の半導体領域がＰ型の導電型を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか１項に記載の光電変換装置において、前記フォトダイオードが蓄積状態にあるときに、前記ゲート電極の電位が第４の半導体領域の多数キャリア濃度を高める電位であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光電変換装置において、前記ゲート電極の電位が負であり、前記第４の半導体領域がＰ型の導電型を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の光電変換装置が１次元又は２次元のアレイ状に配置されていることを特徴とする光電変換装置群。
【請求項６】
光を信号電荷に変換するフォトダイオードと、第１導電型の第１の半導体領域中に前記フォトダイオードにより定まる信号電荷を信号電圧に変換する第２導電型の第２の半導体領域であるフローティングディフュージョン領域を有し、前記第１の半導体領域上に絶縁膜を介して形成された電極が前記第１の半導体領域の多数キャリア濃度を高める効果を具備する電極である光電変換装置において、前記電極が、前記第２の半導体領域から生じた空乏層上に存在しないことを特徴とする光電変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光電変換装置が１次元又は２次元のアレイ状に配置されていることを特徴とする光電変換装置群。
【請求項８】
転送トランジスタのソースドレイン領域の下のチャネルストップ層が、フローティングディフュージョン領域の周りに形成される空乏層と概ね点のみで接触するようにしたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、６若しくは８に記載の光電変換装置又は請求項５若しくは７に記載の光電変換装置群と、前記光電変換装置又は前記光電変換装置群に画像を結像するレンズと、前記光電変換装置又は前記光電変換装置群からの画像信号を記憶する手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換装置並びにそれを用いた増幅型固体撮像装置及びシステムに関し、特に、光電変換装置並びにディジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機又はファクシミリ等の撮像装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子を含む固体撮像素子を１次元又は２次元のアレイ状に配列したイメージセンサはディジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに数多く搭載されている。固体撮像素子には例えばＣＣＤ撮像素子や増幅型固体撮像素子がある。
【０００３】
これらの撮像素子は多画素化の傾向に有り、１画素の面積の縮小にともないフォトダイオード面積もまた減少していく傾向にある。従って、より小さな信号電荷量を扱う必要が生じ、ノイズ成分となるリーク電流をより小さくしていく必要性が生じてきている。
【０００４】
増幅型固体撮像素子の回路構成例を図４に示す。増幅型固体撮像素子では、単位画素内に少なくともフォトダイオードとフォトダイオードに蓄積された光信号を増幅するトランジスタを有している。単位画素は２次元のアレイ状に配列される。
【０００５】
図５は従来の増幅型ＭＯＳセンサにおける単位セル内の画素の平面構造を示したものである。図５において２１０１は光電変換をするためのフォトダイオード、２１０２はフォトダイオード２１０１及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域２１０６をリセットするためのリセットトランジスタ、２１０３はフォトダイオード２１０１の信号電荷を読み出すための転送ＭＯＳトランジスタ、２１０４は読み出した電荷を電圧に変換するためのソースフォロアアンプであり、そのゲート電極はＦＤ領域２１０６と接続されている。また、２１０５は行選択ＭＯＳトランジスタであり、ソースフォロアアンプの出力を信号線に接続している。
【０００６】
このレイアウトにおいてＦＤ領域２１０６は電荷電圧変換の効率を向上させるためにその容量値ＣＦＤを極力小さくするべく、Ｌ字型の形状で拡散層が形成されている。このような構造は特許文献１に開示されている。また、２２０８はｎ＋層であるＦＤ領域２１０６とｐ基板との間に形成された空乏層領域を示している。また、図６に特許文献２に開示された固体撮像素子の単位セルの平面図を示す。この図では読み出しトランジスタのゲート配線２３、２４と読み出しトランジスタのドレイン２５が近接していない構造になっている。
【０００７】
また、図５中のトランジスタのうち転送ＭＯＳトランジスタ２１０３はＮＭＯＳトランジスタであり、且つ、ゲートの電極はＮ型の多結晶シリコンを含む材料で構成されている。
【０００８】
図５内のＡ−Ａ´断面を図７に示す。図７の２２０１はシリコンのＮ基板、２２０２はＰ型のウエル、２２０３はＰ＋のチャネルストップ層であり、ＬＯＣＯＳ(local oxidation of Silicon)酸化膜２２０４の下に自己整合的に形成される。２２０５はＮ＋の拡散層でＦＤ領域２１０６の一部を構成している。２２０６はゲート電極でありＮ型の高濃度ポリシリコン又はそれをシリサイド化した材料で形成されている。２２０７は転送ＭＯＳトランジスタ２１０３のゲート絶縁膜である。
【０００９】
次に図８の回路図及び図９のタイミング図を用いて回路動作を説明する。
【００１０】
リセットＭＯＳトランジスタ２１０２がＯＮしている状態から、図２３のフォトダイオード２１０１をリセットするために転送ＭＯＳトランジスタ２１０３をＯＮ状態にする。その後転送ＭＯＳトランジスタ２１０３をＯＦＦしフォトダイオード２１０１をリセット状態にする。この状態からフォトダイオードは蓄積状態に入る。蓄積時間だけ経過した後にリセットＭＯＳトランジスタ２１０２をＯＦＦし、行選択ＭＯＳトランジスタ２１０５をＯＮすることによりソースフォロアアンプ２１０４を活性化させる。この状態でノイズ読み出し用の蓄積容量（Ｃｔｎ）２１０７にＦＤ領域２１０６をリセットした際の垂直出力線２１０８の電圧値を転送トランジスタ  ２１０９をＯＮすることにより書き込み、その後２１０９をＯＦＦする。ちなみに図９のＶＦＤとはフローティングディフュージョン領域２１０６の電圧値を模式的に示したものである。
【００１１】
次に転送ＭＯＳトランジスタ２１０３を再びＯＮすることによりフォトダイオード２１０１の信号電荷をＦＤ領域２１０６に転送する。このことにより信号電荷分だけＶＦＤの電位は変化する。この状態で信号読み出し用の蓄積容量（Ｃｔｓ）２１１０にＦＤ領域２１０６に信号電荷を転送した際の垂直出力線２１０８の電圧値を転送トランジスタ２１１１をＯＮすることにより書き込み、２１１１をＯＦＦする。
【００１２】
その後ＣｔｓとＣｔｎの電荷の出力を差し引きした電圧を例えば差動アンプ（図示せず）などで生成することにより、画素のリセットＭＯＳ２１０２のリセット時のノイズ、あるいはソースフォロアアンプ２１０４の閾値電圧ばらつきを除去することができる。
【特許文献１】特開２００２−１９０５８６号公報
【特許文献１】特開平１０−１５０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、図７のｂの領域に示したようにＮ＋のＦＤ領域２２０５とＰ＋のチャネルストップ層２２０３が近接し、かつその上部にＮ＋のＰＯＬＹ電極が存在するレイアウト部分ではＦＤ領域と基板との間にリーク電流が発生し易くなる。この部分でリークが発生した場合、図９のＶＦＤで点線で示したようにＦＤ領域の電圧は変化するため蓄積容量ＣｔｎとＣｔｓに書き込まれる電圧値は本来の値と異なってしまい。画質を劣化させてしまうという問題がある。
【００１４】
また、特許文献２に関しては、ドレイン２５に近接する半導体層の濃度、あるいはゲート配線２３、２４の直下の半導体領域のうちチャネル部分以外の濃度、あるいはゲート配線の材料の仕事関数により、空乏層の広がり方が影響を受けるはずであるが、そのことに関しては記載されていない。図６の構造はゲート電極とゲート配線２３、２４の直下の半導体領域のうちチャネル部分以外の濃度との間の仕事関数差が正あるいは零である構造の場合には特に本発明で述べるような構造をとっても効果はない。
【００１５】
そこで、本発明は、フローティングディフュージョン領域のリーク電流が少ない光電変換装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、第１導電型の第１の半導体領域中に第２導電型の第２の半導体領域を形成することにより得られたフォトダイオードと、前記第１の半導体領域中に形成されたＭＯＳトランジスタがあり、前記ＭＯＳトランジスタは前記フォトダイオードに一方のソースドレイン領域が接続されており、前記ＭＯＳトランジスタのもう一方のソースドレイン領域は第２導電型の第３の半導体領域からなり、前記第３の半導体領域は、前記フォトダイオードにより定まる信号電荷を信号電圧に変換する領域の一部をなしており、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極直下に絶縁膜を介して存在する半導体領域のうちチャネルを形成しない第１導電型の第４の半導体領域を有し前記ゲート電極と前記第４の半導体領域との間の仕事関数差が負である光電変換装置において、前記第３の半導体領域が形成する空乏層端と前記第４の半導体領域とが概ね点で接触していることを特徴とする光電変換装置を実現する。
【発明の効果】
【００１７】
フローティングディフュージョン領域のリーク電流を低減でき、高いＳ／Ｎを有する光電変換装置及び固体撮像装置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】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１９】
［実施形態１］
図１に本発明の第一の実施形態の平面図を示す。図１において１０１は光電変換をするためのフォトダイオード、１０２はフォトダイオード１０１及びフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域１０６をリセットするためのリセットトランジスタ、１０３はフォトダイオード１０１の信号電荷を読み出すための転送ＭＯＳトランジスタ、１０４は読み出した電荷を電圧変換するためのソースフォロアアンプであり、１０６のＦＤ領域とゲート電極で接続されている。また、１０５は行選択ＭＯＳトランジスタであり、ソースフォロアアンプの出力を信号線に接続している。
【００２０】
図２は図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面図を示している。図２の２０１はシリコンのＮ基板、２０２はＰ型のウエル、２０３はＰ＋のチャネルストップ層で、ＬＯＣＯＳ(local oxidation of Silicon)酸化膜２０４の下に自己整合的に形成される。２０５はＮ＋の拡散層でＦＤ領域１０６の一部を構成している。２０６はゲート電極でありＮ型の高濃度ポリシリコン又はそれをシリサイド化した材料で形成されている。このような材料を用いることにより転送ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート部分はＰ型のウエル２０２に対してその仕事関数差に応じてトランジスタの閾値電圧をあげる効果が生じる。このことにより転送ゲート下の濃度が実効的に上がる為、蓄積時間中にフォトダイオードに流れ込むゲート電極下からの暗電流を抑制する効果がある。
【００２１】
２０７は転送ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート絶縁膜である。
【００２２】
また、２０８はＦＤ領域をなすＮ＋拡散層２０５とＰ型のウエル２０２及びＰ＋チャネルストップ層で形成される空乏層を示している。
【００２３】
従来、図７のｂの領域に示したようなＮ＋のＦＤ領域２２０５とＰ＋のチャネルストップ層２２０３が近接し、かつその上部にＮ＋のＰＯＬＹ電極が存在するレイアウト部分が本発明では図１のＥに示す点でのみ存在するためＦＤ領域と基板間にリーク電流が発生する確率はきわめて低い。
【００２４】
図７においてｂの領域にリーク電流が発生するメカニズムは以下のとおりである。まず、高濃度のＮ＋層であるＦＤ領域２２０５とＰ＋層であるチャネルストップ層２２０３が近接している部分では、信号読み出しを行っている間は動作上、ＦＤ領域２２０５の電圧はＰウエル２２０２に対し正の電圧が印加されているためＰＮ接合に対し逆方向の電圧が印加されている。また、ｂの領域ではＬＯＣＯＳ酸化膜を挟んでＮ＋のＰＯＬＹシリコンからなるゲート電極２２０６がある。このゲート電極２２０６とＰのチャネルストップ層２２０３とは仕事関数差が存在することにより、ゲート電極２２０６がＰ型ウエル２２０２と同電位であっても仕事関数差分だけチャネルストップ層２２０３は実効的に多数キャリアが高濃度化されＰ＋化する。このことによりＦＤ領域２２０５とウエル２２０２との間に形成される空乏層２２０８のうちｂの領域ではゲート電極２２０６のないｃの領域に比べ空乏層が短くなり（ｄ１＜ｄ２）、Ｎ＋の拡散層２２０５とＰ＋のチャネルストップ層２２０３との間に高電界が印加されリーク電流が発生し易くなる。
【００２５】
すなわちＦＤ領域と接合を成し、空乏層を形成する反対導電型の極性を持つ半導体領域の多数キャリアが濃度を実効的に高濃度化する材料がその空乏層の近傍にレイアウトされるとリーク電流が発生し易くなるのである。たとえばＦＤ領域がＮ型のシリコンの場合、Ｐ領域の多数キャリアの濃度を実効的に高くするような仕事関数を持つ材料であるＮ型のポリシリコン、アルミニウムなど、逆にＦＤ領域がＰ型のシリコンの場合、Ｎ領域の多数キャリアの濃度を実効的に高くするような仕事関数を持つ材料であるＰ型のポリシリコンなどの材料を用いた場合、リーク電流が発生し易くなる。従ってこのような場合は、図１に示すごとくＦＤ領域の空乏層がＰ＋チャネルストップ層と最も接することのない（点で接する）レイアウトがより好ましい。
【００２６】
また、この現象は本質的には前述したように、ＦＤ領域と接合を成し、空乏層を形成する反対導電型の極性を持つ半導体領域の多数キャリアの濃度が実効的に高濃度化されると発生することからＦＤ領域に近接する例えば転送ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極の電位、あるいはリセットＭＯＳトランジスタ１０２のゲート電位が負の電圧であった場合にはゲート電極材料によらずリーク電流は発生し易くなる。また、ＦＤ領域を規定する転送ＭＯＳトランジスタ１０３とリセットトランジスタ１０２のゲート電極に限らず、ＦＤ領域の空乏層領域上にＦＤ層と反対導電型の極性を持つ半導体領域の多数キャリアの濃度が実効的に高濃度化されるような材料、あるいは電位を有する電極を形成すると空乏層巾が短くなり高電界が生じ、ＦＤ領域のリーク電流が増大してしまう。したがって、図示はしてはいないが、チャネルストップ層がない場合においてもこのような電極を配置するには、電極をＦＤ領域から生じた空乏層の直上に形成しないことが必要である。具体的には、ＦＤ領域から０．１〜０．５μｍ、より望ましくは０．２〜０．４μｍ離す必要がある。
【００２７】
また、特許文献１に示された図６ではＦＤ領域に相当する読み出しトランジスタのドレイン２５が動作時に印加される電圧状態、あるいは電極材料、基板材質が空乏層に対してどのような影響を与えるかは明確になっておらず、その材料、あるいは電圧条件が空乏層の電界を弱める効果をもつ場合には特に図２５の形状にすることによる効果は得られない。
【００２８】
［実施形態２］
図３は、本発明の撮像装置として、前述した各実施形態の光電変換装置を用いた撮像装置のシステムの構成図である。撮像装置は、レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア１、被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ２、レンズ２を通った光量を調整するための絞り３、レンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子４（上記の各実施形態で説明した光電変換装置に相当する）、固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路５、固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器６、Ａ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部７、固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６及び信号処理部７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部８で構成される。なお、５〜８の各回路は固体撮像素子４と同一チップ上に形成しても良い。また、各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部９、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０、記録媒体に対して記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１１、画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１３で固体撮像システムは構成される。
【００２９】
次に、図３に示すシステムの動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源が投入され、次にコントロール系の電源が投入され、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源が投入される。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信号処理回路５をそのまま通過してＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。
【００３０】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズ２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ２を駆動し測距を行う。
【００３１】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、画像の撮影に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態による光電変換装置を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態による光電変換装置を示す断面図であり、図１におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面を示す。
【図３】本発明の実施形態による撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図４】増幅型固体撮像素子の回路構成例を示す平面図である。
【図５】従来例による光電変換装置を示す平面図である。
【図６】他の従来例による光電変換装置を示す平面図である。
【図７】従来例による光電変換装置を示す断面図であり、図２１におけるＡ−Ａ’断面を示す。
【図８】光電変換装置の等価回路図である。
【図９】光電変換装置の動作を示すタイミング図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  バリア
２  レンズ
３  絞り
４  固体撮像素子
５  撮像信号処理回路
６  Ａ／Ｄ変換器
７  信号処理部
８  タイミング発生部
９  全体制御・演算部
１０  メモリ部
１１  記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１２  記録媒体
１３  外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部
１０１  フォトダイオード
１０２  リセットトランジスタ
１０３  転送ＭＯＳトランジスタ
１０４  ソースフォロアアンプ
１０５  行選択ＭＯＳトランジスタ
１０６  フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域
２０１  シリコンＮ基板
２０２  Ｐウエル
２０３  Ｐ＋チャネルストップ層
２０４  ＬＯＣＯＳ酸化膜
２０５  Ｎ＋拡散層
２０６  ゲート電極
２０７  ゲート絶縁膜
２０８  空乏層
２１０１  フォトダイオード
２１０２  リセットトランジスタ
２１０３  転送ＭＯＳトランジスタ
２１０４  ソースフォロアアンプ
２１０５  行選択ＭＯＳトランジスタ
２１０６  フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域
２２０１  シリコンＮ基板
２２０２  Ｐウエル
２２０３  Ｐ＋チャネルストップ層
２２０４  ＬＯＣＯＳ酸化膜
２２０５  Ｎ＋拡散層
２２０６  ゲート電極
２２０７  ゲート絶縁膜
２２０８  空乏層
【図２】
2005142503.tif 000003
【図８】
2005142503.tif 000004
【図１】
2005142503.tif 000005
【図３】
2005142503.tif 000006
【図４】
2005142503.tif 000007
【図５】
2005142503.tif 000008
【図６】
2005142503.tif 000009
【図７】
2005142503.tif 000010
【図９】
2005142503.tif 000011