(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、前記光電変換部から信号を転送する転送部と、が少なくとも半導体基板に形成されてなる複数の画素を有する固体撮像装置であって、
前記光電変換部は、前記半導体基板の上に設けられた第一導電型のウエル領域に複数形成されており、
隣接する前記光電変換部の間には、第二導電型の第一の不純物領域が配置されており、前記第一の不純物領域と前記光電変換部の間には、前記ウエル領域よりも不純物濃度が高い第一導電型の第二の不純物領域が配置されており、
前記半導体基板と前記第一の不純物領域の間の領域には、前記ウエル領域よりも不純物濃度が高く、かつ前記半導体基板から装置の表面側に向かうにしたがって不純物濃度が低くなっている、第一導電型の第三の不純物領域が配置されており、
前記第三の不純物領域は、前記半導体基板の平面に対して垂直方向に積層した複数の不純物層で構成され、
前記ウエル領域は、前記半導体基板の平面に対して垂直方向に積層した複数の不純物濃度ピークを有する複数のウエル層を有し、
前記第三の不純物領域に含まれる複数の不純物層の各々は、平面視した際に前記第一の不純物領域と重なっており、
前記第三の不純物領域に含まれる複数の不純物層の各々は不純物濃度ピークを有しており、複数の前記不純物濃度ピークのピーク値の各々は、表面側に向かうにしたがって単調減少していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第三の不純物領域は、装置の表面側から前記半導体基板に向かうにつれて幅が広くなるように設けられていることを特徴とする請求項１のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第三の不純物領域は、平面視した際に、前記第二の不純物領域と重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換部で発生した信号電子を増幅する増幅部を有し、前記第一の不純物領域は、前記増幅部の一部をなすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記増幅部には入力端子が設けられており、及び前記入力端子には信号電子を電圧変換する電子電圧変換部が接続されており、前記第二及び第三の不純物領域は、前記光電変換部と前記電子電圧変換部を囲むように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第三の不純物領域の最深部は、前記ウエル領域の最深部よりも深い部分にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、
前記固体撮像装置の受光面に被写体を結像させるための光学部材とを有することを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を電気信号に変換する固体撮像装置に関する。特には、画素ごと、若しくは複数画素ごとに増幅器を有する能動画素センサ（Ａｃｔｉｖｅ−Ｐｉｘｅｌ−Ｓｅｎｓｏｒ、以下「ＡＰＳ」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＰＳ構造を有する固体撮像装置は、ＣＭＯＳセンサとも呼ばれ、デジタルカメラ等に広く応用されている。
【０００３】
しかしながら、従来の固体撮像装置では、次のような現象が問題となっていた。光電変換部のＮ領域に蓄積された電子が飽和状態になり、溢れ出た電子が素子分離層をとび越えて、隣接する光電変換部に到達するブルーミング現象や、それによって色の再現性が悪化するという混色の問題などである。
【０００４】
以上の問題を解決するために、特許文献１には、素子分離部の下部に深部分離注入層が設けられており、これによりフォトダイオードからの電子の流出を阻止するという構成が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、次のような構成が記載されている。すなわち、素子分離絶縁膜の下部にオーバーフローパス領域を形成し、この領域をＰ型ウエル領域よりも低いポテンシャルとすることで、フォトダイオード部から溢れた電子を捕らえてＮ型シリコン基板に排出してブルーミングを抑制するという構成である。
【０００６】
また他に、特許文献３にも、電子の流出を阻止する素子分離構造に関する記載がある。
【特許文献１】特開２００４−２６６１５９号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９１０５号公報
【特許文献３】特開２００６‐０２４９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１のような素子分離拡散層を設けた場合においては、画素の微細化が進むと十分な幅の素子分離拡散層を得られないため、充分な混色及びブルーミング抑制効果を得られないという問題があった。
【０００８】
また、上記特許文献２のようなオーバーフローパス領域を形成すると、ウエルを深くした際にウエル深部で光電変換され発生した電子を排出してしまい、フォトダイオードの感度を十分に得られないという問題があった。
【０００９】
また、特許文献３においても、その電荷収集効率はまだ十分なものとはいえず、さらなる検討の余地があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、Ｐ型のウエルの深さや濃度に応じて、最適なＰ型素子分離拡散層構造を設けることで、フォトダイオードの感度を向上させてもブルーミング及び混色を抑制することが可能な固体撮像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】
【００１１】
本発明は、光電変換部と、前記光電変換部から信号を転送する転送部と、が少なくとも半導体基板に形成されてなる複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記光電変換部は、前記半導体基板の上に設けられた第一導電型のウエル領域に複数形成されており、隣接する前記光電変換部の間には、第二導電型の第一の不純物領域が配置されており、前記第一の不純物領域と前記光電変換部の間には、前記ウエル領域よりも不純物濃度が高い第一導電型の第二の不純物領域が配置されており、前記半導体基板と前記第一の不純物領域の間の領域には、前記ウエル領域よりも不純物濃度が高く、かつ前記半導体基板から装置の表面側に向かうにしたがって不純物濃度が低くなっている、第一導電型の第三の不純物領域が配置されており、前記第三の不純物領域は、前記半導体基板の平面に対して垂直方向に積層した複数の不純物層で構成され、前記ウエル領域は、前記半導体基板の平面に対して垂直方向に積層した複数の不純物濃度ピークを有する複数のウエル層を有し、前記第三の不純物領域に含まれる複数の不純物層の各々は、平面視した際に前記第一の不純物領域と重なっており、前記第三の不純物領域に含まれる複数の不純物層の各々は不純物濃度ピークを有しており、複数の前記不純物濃度ピークのピーク値の各々は、表面側に向かうにしたがって単調減少していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記の固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力された信号を処理する信号処理回路と、前記固体撮像装置の受光面に被写体を結像させるための光学部材とを有することを特徴とするカメラである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＡＰＳ構造を有する固体撮像装置において、Ｐ型のウエルの深さ、濃度に応じ、最適なＰ型素子分離拡散層構造を提供し、フォトダイオードの感度を向上させてもブルーミング及び混色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】
【００１４】
以下、本発明の固体撮像装置の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
最初に、本発明の固体撮像装置の第１の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施形態である固体撮像装置の画素の平面レイアウト図であり、画素（図では２×２＝４画素）が複数形成されている様子が示されている。そこにおいて、符号１０３はＮ領域、符号１０５はＮ＋領域、符号１０６は第一のＰ型素子分離拡散層、符号１０７は第二のＰ型素子分離拡散層、符号１０９は配線層であり、通常、光電変換部から信号電子を転送する転送部（不図示）が設けられている。それらについては、後に詳述する。図２は、図１における線Ｘ−Ｘ’に沿っての断面構造図である。図３は、図２における線Ｙ−Ｙ’に沿っての不純物濃度プロファイルである。
【００１７】
図２において、入射光を信号電子に変換する光電変換部は、半導体基板であるＮ型基板１０１上に設けられた、第一導電型のウエル、すなわちＰ型のウエル領域１０２と、該Ｐ型のウエル領域１０２に隣接して設けられたＮ領域１０３とのＰＮ接合からなる。該ＰＮ接合によって、Ｐ型のウエル領域１０２とＮ領域１０３の境界部には空乏層１１０が形成されている。そして、該Ｎ領域１０３上には表面Ｐ＋層が設けられている。また、隣接する光電変換部の間の画素分離領域に設けられた第二導電型をした第一の不純物領域、すなわちＮ＋領域１０５は、光電変換部で発生した信号電子を増幅する回路（増幅部）の一部となるＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域として機能する。そして、該増幅部の入力端子には、信号電子を電圧変換する電子電圧変換部（不図示）が接続されている。さらに、Ｎ領域１０３に隣接して、第一導電型である第二の不純物領域、すなわち第一のＰ型素子分離拡散層１０６が設けられており、それは、Ｐ型のウエル領域１０２の不純物濃度より高い不純物濃度を有している。そのために、画素を分離・絶縁するために設けられた素子分離絶縁層１０４から発生する暗電流を抑制する効果を有する。そしてさらに、Ｎ＋領域１０５とＮ型基板１０１の間には、本発明の特徴である第一導電型である第三の不純物領域、すなわち第二のＰ型素子分離拡散層１０７が設けられている。ここで、第一のＰ型素子分離拡散層１０６及び第二のＰ型素子分離拡散層１０７は、前記光電変換部と前記電子電圧変換部を囲むように配置されている。
【００１８】
これより、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の構造・機能について詳細に説明する。該第二のＰ型素子分離拡散層１０７は、以下のような特徴を有する構造をしている。
【００１９】
（イ）第二のＰ型素子分離拡散層１０７は、Ｎ型基板１０１近傍まで延在している、又はＮ型基板１０１と接している。
（ロ）第二のＰ型素子分離拡散層１０７は、Ｎ＋領域１０５の下に配置されている。
（ハ）第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度は、Ｐ型のウエル領域１０２の不純物濃度よりも高い。
（ニ）第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度は、シリコン基板の表面に近づくほど低下する。つまり、第二のＰ型素子分離拡散層の不純物濃度は、一番深い部分が最も高くなっている。
【００２０】
上記（イ）、（ハ）は、光電変換部間に壁を作ることによって、Ｐ型のウエル領域１０２に蓄積した電子が隣接するＰ型のウエルの領域に流出するのを防ぐことを目的としている。すなわち、図２における経路１のように、電子を第２のＰ型素子分離拡散層がブロックしている。このようにして、経路２を通って隣接画素へ漏れ出そうとする電子を抑制することで、ブルーミング及び混色を抑制し、さらには当該画素の感度を向上させることが可能である。
【００２１】
上記（ロ）、（ニ）は、図２における経路２を通って隣接画素へ漏れ出す電子を経路３への流れに促すことによって、結果的に経路２の流れを減少させることを目的としている。
【００２２】
以下、上記の特徴についてより詳細に説明する。
【００２３】
本発明者らが検討した結果、隣接する画素へ流れ込む電子の抑制率は、下記の式（１）に比例することが判明した。
【００２４】
【数１】
0005328207.tif 000002
【００２５】
ここで、Ｌは第二のＰ型素子分離拡散層１０７の幅、つまり濃度障壁の幅であり１〜３ｕｍの長さとなっている。また、ｘは第二のＰ型素子分離拡散層１０７の幅方向の距離で、Ｎ（ｘ）は第二のＰ型素子分離拡散層中のｘの地点における不純物濃度とＰ型のウエル領域１０２の不純物濃度との差である。ここで、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の当該画素との境界をｘ＝０とする。
【００２６】
上記式より、上記（ハ）のように、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度がＰ型のウエル領域１０２の不純物濃度より大きくすればするほど、電子の隣接する画素への流れ込みを抑制することが可能なことがわかる。以上に関する具体的な例が図７に示されており、そこでは、Ｐ型のウエル領域１０２の不純物濃度に対する第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度の比と、隣接画素への混色率の関係が記されている。図７からわかるように、混色率は第二のＰ型素子分離拡散層１０７の濃度の大きさにほぼ比例して小さくなる、すなわち、電子の流れ込み量が減少している。そして、好ましくは、第二のＰ型素子分離拡散領域１０７は、第一のＰ型素子分離拡散領域１０６に比べて、深さ方向に幅が広く、かつ不純物の濃度が高い。そうすることで、上記の効果を十分に発揮することができる。
【００２７】
以上のように、（イ）、（ハ）の効果によって、電子の漏出を防ぐことで経路１を流れる電子の量をより増大させ、混色抑制及び感度向上を達成することができることがわかった。
【００２８】
しかし、それでも尚、経路２を流れる電子は依然として残り、それによって生じるブルーミング及び混色の問題が残る。すなわち、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の浅い部分の濃度を高くし、抑制率を向上させようとすると、次のような副作用がでる。図２で第二のＰ型素子分離拡散層１０７の最も基板表面に近い部分とＮ＋領域１０５は近接しており、Ｎ＋領域１０５は上述のようにソースフォロアＭＯＳトランジスタなどのソース・ドレイン領域に用いられている。そのため、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度を全体的に高くしてしまうと、該第二のＰ型素子分離拡散層１０７の浅い部分と近接している該Ｎ＋領域１０５に、したがってＭＯＳトランジスタ特性に好ましくない影響を与えてしまう。また、それがフォトダイオードのＮ領域１０３から延びる空乏層の拡がりを抑制してしまうということも起こる。
【００２９】
以上の問題を避けるために、図３に示すように第二のＰ型素子分離拡散層１０７の不純物濃度を表面に近づくほど低くすることで、図２の経路２のように流れる電子を減少させ、経路３のように流れる電子を増やすことができる。すなわち、第２のＰ型素子分離拡散層１０７を、装置の表面側からＮ型基板１０１に向かって順に不純物密度が濃くなるように、該Ｎ型基板の平面に対して垂直方向に積層した多層構造を有する層とする。例えば、図２に示されているように、第２のＰ型素子分離拡散層１０７は、表面側から順に不純物密度が濃くなるように不純物層１０７−１、１０７−２、１０７−３、１０７−４が積層した形態でもよい。結果として、ブルーミング及び混色を抑制することができる。このような（ニ）の効果を最大にするために、第二のＰ型素子分離拡散層１０７は、電子を排出するためのＮ＋領域１０５直下にあるのがよい。そのためには（ロ）の構造が有効である。
【００３０】
また、図３にあるように、Ｐ型のウエル領域１０２を不純物の濃度に差がある（不純物濃度ピークに差がある）複数のウエル層から構成してもよい。この場合もウエル層は、Ｎ型基板の平面に対して垂直方向に積層している。例えば、第二のＰ型素子分離拡散層１０７の濃度をそれほど高くすることができない場合などには、以下のようにすることができる。すなわち、隣接している該Ｐ型のウエル領域１０２と第二のＰ型素子分離拡散層１０７とで、双方の不純物濃度差が大きくなるように、Ｐ型のウエル領域１０７の不純物濃度が低い部分を設ける。このようにすることで、双方の濃度差をコントロールして抑制効果を上げることが可能である。
【００３１】
また、第二のＰ型素子分離拡散領域１０７の最深部を、Ｐ型のウエル領域１０２の最深部よりも深い部分まで伸張させることによって、上記の効果をより確実にすることが可能である。
【００３２】
なお、これまでの記載においては、第一の不純物領域をＮ＋領域、第二及び第三の不純物領域を第１及び第二のＰ型素子分離拡散層としてきたが、それらの組み合わせに限る必要はない。
【００３３】
次に、本発明の固体撮像装置の第２の実施形態として、図４に示す構造を有する装置を説明する。
【００３４】
この構造は、寸法がより小さい画素においても効果的に混色及びブルーミングを抑制できる。図４の構造では、第２のＰ型素子分離拡散層１０７はシリコン表面から深くなるにつれ、幅が広くなっている。この構造により、フォトダイオードのＮ領域１０３から延びる空乏層の拡がりを抑制することなく、混色及びブルーミングを抑制することができる。
【００３５】
次に、本発明の固体撮像装置の第３の実施形態として、図５及び図６に示す構造を有する装置を説明する。ここで、図６は図５に対応する画素の断面構造図である。
【００３６】
本実施形態も、第２の実施形態と同じく、寸法の小さい画素に好適である。図５に示すように第二のＰ型素子分離拡散層１０７の一部はフォトダイオードを形成するＮ型領域１０３、Ｎ＋型領域１０５から離れた位置にある。第１の実施形態と比較すると第二のＰ型素子分離拡散層１０７の幅は狭くなっている。本実施形態では、幅方向において、第一のＰ型素子分離拡散層と重ならないように配置されている。隣接画素への電子の漏れ込みを抑制する度合いは式（１）に比例するので、幅に比例して不純物濃度を高くしてある。この構造により第一の実施形態と同じ、混色、ブルーミング抑制効果を保ちながら、より小さい画素の固体撮像装置を実現している。
【００３７】
［カメラ本体への応用］
図８は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロック図の一例である。
【００３８】
光学部材である撮影レンズ１００２の手前にシャッタ１００１があり、それが露出を制御する。次に、絞り１００３により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置１００４の受光面に被写体を結像させる。固体撮像装置１００４から出力された信号は撮像信号処理回路１００５で処理され、Ａ／Ｄ変換器１００６によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部１００７で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ部１０１０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置１００４、撮像信号処理回路１００５、Ａ／Ｄ変換器１００６、信号処理部１００７はタイミング発生部１００８により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部１００９で制御される。記録媒体１０１２に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０１１を通して、記録される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態における画素の平面レイアウト図である。
【図２】図１の線Ｘ−Ｘ’に沿った、第１の実施形態の断面構造図である。
【図３】第１の実施形態におけるＰ型のウエル及び第二のＰ型素子分離拡散層の濃度プロファイルである。
【図４】第２の実施形態における画素の断面構造図である。
【図５】第３の実施形態における画素の平面レイアウト図である。
【図６】図５の線Ｘ−Ｘ’に沿った、第３の実施形態の断面構造図である。
【図７】Ｐ型のウエルの不純物濃度に対する第二のＰ型素子分離拡散層の不純物濃度高さと電子の抑制率である。
【図８】本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１  Ｎ型基板
１０２  Ｐ型のウエル
１０３  Ｎ領域
１０４  素子分離絶縁層
１０５  第一の不純物領域（Ｎ＋領域）
１０６  第二の不純物領域（第一のＰ型素子分離拡散層）
１０７  第三の不純物領域（第二のＰ型素子分離拡散層）
１０７−１  不純物層（第二のＰ型素子分離拡散層（１））
１０７−２  不純物層（第二のＰ型素子分離拡散層（２））
１０７−３  不純物層（第二のＰ型素子分離拡散層（３））
１０７−４  不純物層（第二のＰ型素子分離拡散層（４））
１０８  表面Ｐ＋層
１０９  配線層
１１０  空乏層
２０１  Ｐ型のウエルの濃度プロファイル
１００１  シャッタ
１００２  撮影レンズ
１００３  絞り
１００４  固体撮像装置
１００５  固体撮像信号処理回路
１００６  Ａ／Ｄ変換器
１００７  信号処理部
１００８  タイミング発生部
１００９  全体制御部・演算部
１０１０  メモリ部
１０１１  記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
１０１２  記録媒体
【図１】
0005328207.tif 000003
【図２】
0005328207.tif 000004
【図３】
0005328207.tif 000005
【図４】
0005328207.tif 000006
【図５】
0005328207.tif 000007
【図６】
0005328207.tif 000008
【図７】
0005328207.tif 000009
【図８】
0005328207.tif 000010