(57)【要約】【課題】固体撮像素子の電荷蓄積領域表面に設ける表面不純物層の電位を容易に制御可能とする。【解決手段】半導体基板２０に複数の画素がアレイ状に配列形成される固体撮像素子において、前記画素が、半導体基板２０の表面部に形成された電荷蓄積領域２２と、電荷蓄積領域２２の表面に形成され電荷蓄積領域２２と反対導電型の不純物拡散層２７と、不純物拡散層２７の上に積層された絶縁層２８と、絶縁層２８を介して不純物拡散層２７と対面し固体撮像素子駆動時にバイアス電圧が印加される透明電極層３２とを備える。透明電極層３２の印加電圧によって不純物拡散層２７の電位すなわち電荷蓄積領域の電位を容易に制御可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に複数の画素がアレイ状に配列形成される固体撮像素子において、前記画素が、前記半導体基板の表面部に形成された電荷蓄積領域と、該電荷蓄積領域の表面に形成され該電荷蓄積領域と反対導電型の不純物拡散層と、前記不純物拡散層の上に積層された絶縁層と、該絶縁層を介して前記不純物拡散層と対面し固体撮像素子駆動時にバイアス電圧が印加される透明電極層とを備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記不純物拡散層の上に前記絶縁層を介して金属製遮光膜の開口が設けられ、前記透明電極層は該金属製遮光膜に接触し該開口内で前記不純物拡散層に対面し、前記バイアス電圧は前記金属製遮光膜を介して印加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。
【請求項３】
前記透明電極層は前記開口の全面を覆うことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記半導体基板には、読出ゲート部を介して電荷転送領域が前記電荷蓄積領域に併設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記半導体基板はｎ型であり、前記電荷蓄積領域及び前記電荷転送領域がそれぞれ該ｎ型半導体基板に設けられたｐウェル層内のｎ型領域であり、前記不純物拡散層がｐ型であることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法において、電子シャッタ駆動時に前記半導体基板に所定極性の電圧を印加すると同時に該所定極性と反対極性の前記バイアス電圧を前記透明電極層に印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法において、電子シャッタ駆動時に前記半導体基板に正電圧を印加すると同時に負電圧を前記バイアス電圧として前記透明電極層に印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法において、読出電極を兼用する電荷転送電極に所定極性の読出電圧を印加して前記電荷蓄積領域の蓄積電荷を前記電荷転送領域に読み出すとき、前記電荷転送電極への読出電圧印加と同時に前記所定極性と反対極性の前記バイアス電圧を前記透明電極層に印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法において、読出電極を兼用する電荷転送電極に正電圧を読出電圧として印加し前記電荷蓄積領域の蓄積電荷を前記電荷転送領域に読み出すとき、前記電荷転送電極への読出電圧印加と同時に負電圧を前記バイアス電圧として前記透明電極層に印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は縦型オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子及びその駆動方法に係り、特に、暗電流を低減ししかも電子シャッタ駆動電圧等の低電圧化を図ることができる固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、縦型オーバーフロードレイン構造を有する従来の固体撮像素子の略１画素分の断面模式図（特許文献１）である。この従来の固体撮像素子は、ｎ型半導体基板１に形成されたｐウェル層２の表面部に、ｐウェル層２との間でフォトダイオードを構成するｎ領域３と、垂直転送路の埋め込みチャネルを構成するｎ領域４とが設けられ、ｎ領域３と隣接のｎ領域４との間に読出ゲート（ｐ領域）５が設けられ、ｎ領域３と反対側のｎ領域４との間に素子分離領域（ｐ領域）６が設けられている。また、ｎ領域３の表面部にはｐ＋層７が設けられている。
【０００３】
この様な構成でなる半導体基板１の表面は絶縁膜８で被覆され、更に、垂直転送路の埋め込みチャネル４の上方には転送電極９が設けられ、更にその上に金属膜でなる遮光膜１０が設けられる。この遮光膜１０は、ｎ領域３（ｐ＋層７）の上方に開口１０ａを有し、この開口１０ａを通してｎ領域３に光が入射し、入射光量に応じた信号電荷がｎ領域３に蓄積される。そして、この従来の固体撮像素子では、絶縁膜８にコンタクトホール１１が開けられ、遮光膜１０の金属材料（例えばタングステン）でコンタクトホール１１が埋められることで、遮光膜１０とｐ＋層７とが電気的に導通されている。
【０００４】
斯かる固体撮像素子は、上述した構造すなわち縦型オーバーフロードレイン構造を有しているため、半導体基板１に高電圧（電子シャッタの駆動電圧）をパルス的に印加すると、ｐウェル層２の電位障壁が下がってｎ領域３内の電荷が半導体基板１側に瞬間的に廃棄される。これを電子シャッタ「開」のタイミングとして、ｎ領域３に受光量に応じた信号電荷が蓄積される。この信号電荷は、読出パルスが読出電極を兼用する転送電極９を通して読出ゲート５に印加されると、ｎ領域４に移動する。
【０００５】
この従来の固体撮像素子では、電子シャッタの駆動電圧を半導体基板１に印加するとき、遮光膜１０を通してｐ＋層７にバイアス電圧を印加している。このバイアス電圧が印加されると、ｎ領域３の電位が下がり、より低い電圧でｎ領域３の電荷を半導体基板１側に廃棄することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平５―２９６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体基板の表面では入射光量に依存しない電子が励起され（暗電流）、これが撮像画像中に白キズとして現れてしまう。そこで、ｎ領域３の表面部に、電子が抜けたｐ＋層７を設け、暗電流の発生を抑制している。従来の固体撮像素子は、このｐ＋層７を利用して電子シャッタ駆動電圧の低電圧化を図っているが、このために、遮光膜１０を構成する重金属をｐ＋層７にコンタクトホール１１を介して接触させている。
【０００８】
ｐ＋層７は、暗電流抑制のために設けられるが、半導体に重金属イオンが混入すると、これが暗電流の発生源になってしまう。１画素１画素が大きければこの暗電流の発生源はあまり問題にならない。しかし、近年の固体撮像素子は多画素化が進展して数百万画素を搭載するのが普通になっており、微細な１画素１画素に暗電流の発生源があると、撮像画像中に暗電流に起因する白キズが無視できなくなってしまうという問題が発生する。また、１画素１画素が微細なため、コンタクトホール１１を開け、その中を遮光膜材料で埋めることも困難である。従って、近年の固体撮像素子では、ｐ＋層７にバイアス電圧を印加するのが困難になってきている。
【０００９】
本発明の目的は、暗電流の発生源となる重金属を表面不純物拡散層（上記のｐ＋層）に接触させずに、しかも、表面不純物拡散層に容易にバイアス電圧を印加できる固体撮像素子とその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板に複数の画素がアレイ状に配列形成される固体撮像素子において、前記画素が、前記半導体基板の表面部に形成された電荷蓄積領域と、該電荷蓄積領域の表面に形成され該電荷蓄積領域と反対導電型の不純物拡散層と、前記不純物拡散層の上に積層された絶縁層と、該絶縁層を介して前記不純物拡散層と対面し固体撮像素子駆動時にバイアス電圧が印加される透明電極層とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、前記不純物拡散層の上に前記絶縁層を介して金属製遮光膜の開口が設けられ、前記透明電極層は該金属製遮光膜に接触し該開口内で前記不純物拡散層に対面し、前記バイアス電圧は前記金属製遮光膜を介して印加されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像素子の前記透明電極層は前記開口の全面を覆うことを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板には、読出ゲート部を介して電荷転送領域が前記電荷蓄積領域に併設されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の固体撮像素子の前記半導体基板はｎ型であり、前記電荷蓄積領域及び前記電荷転送領域がそれぞれ該ｎ型半導体基板に設けられたｐウェル層内のｎ型領域であり、前記不純物拡散層がｐ型であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、電子シャッタ駆動時に前記半導体基板に所定極性の電圧を印加すると同時に該所定極性と反対極性のバイアス電圧を前記透明電極層に印加することを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、電子シャッタ駆動時に前記半導体基板に正電圧を印加すると同時に負電圧を前記バイアス電圧として前記透明電極層に印加することを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、読出電極を兼用する電荷転送電極に所定極性の読出電圧を印加して前記電荷蓄積領域の蓄積電荷を前記電荷転送領域に読み出すとき、前記電荷転送電極への読出電圧印加と同時に前記所定極性と反対極性の前記バイアス電圧を前記透明電極層に印加することを特徴とする。
【００１８】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、読出電極を兼用する電荷転送電極に正電圧を読出電圧として印加し前記電荷蓄積領域の蓄積電荷を前記電荷転送領域に読み出すとき、前記電荷転送電極への読出電圧印加と同時に負電圧を前記バイアス電圧として前記透明電極層に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電荷蓄積領域の表面に設ける不純物拡散層に遮光膜の重金属を接触させることなく、不純物拡散層の電位を透明電極層にバイアス電圧を印加することで制御できるため、電子シャッタの駆動電圧や信号電荷の読出電圧の低電圧化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係るオーバーフロードレイン構造を有するＣＣＤ（電荷結合素子）型固体撮像素子の略一画素分の要部断面模式図である。本実施形態に係る固体撮像素子は、半導体基板に多数の画素がアレイ状には配列形成されており、各画素の構成が図１に示す構成になっている。
【００２２】
図１において、シリコン等のｎ型半導体基板２０は、表面部にｐウェル層２１が形成され、ｐウェル層２１の表面部に、ｐウェル層２１との間でフォトダイオード（光電変換部）を構成するｎ領域（電荷蓄積領域）２２と、垂直転送路（ＶＣＣＤ）の埋め込みチャネルを構成するｎ領域２３とが設けられている。
【００２３】
ｎ領域２２と隣接のｎ領域２３との間には読出ゲート（ｐ領域）２４が設けられ、ｎ領域２２と反対側のｎ領域２３との間には素子分離領域（ｐ領域）２５が設けられている。また、電荷蓄積領域（ｎ領域）２２の表面部には、電荷蓄積領域に対して反対導電型の不純物（この例ではｐ型）が高濃度に拡散された不純物拡散層２７が設けられている。
【００２４】
この様な構成でなる半導体基板２０の最表面は、ＯＮＯ（シリコン酸化膜―シリコン窒化膜―シリコン酸化膜）構造の透明な絶縁層２８で被覆され、更に、垂直転送路の埋め込みチャネル２３の上方にはポリシリコンで成る転送電極２９が設けられ、更にその上にタングステン等の金属膜でなる遮光膜３０が設けられる。図示する転送電極２９は、埋め込みチャネル２３の上から読出ゲート２４の箇所まで延設されており、読出電極を兼用している。遮光膜３０の上方には、図示しない平坦化層やカラーフィルタ層、マイクロレンズ等が設けられる。
【００２５】
遮光膜３０は、表面不純物拡散層２７の上方に該表面不純物拡散層２７より若干狭い開口３０ａを有し、この開口３０ａを通してｎ領域２２に光が入射し、入射光量に応じた信号電荷（この例では電子）がｎ領域２２に蓄積される。
【００２６】
そして、本実施形態の固体撮像素子では、各遮光膜開口３０ａを通して露出する絶縁層２８の上に、遮光膜３０に接触する透明な電極層３２が被着されている。電極層３２は、図示の例では、個々の画素の開口３０ａ毎に分離して設けられ、各開口３０ａの全面を覆うようになっている。
【００２７】
尚、電極層３２は、個々の開口３０ａ毎に分離して設ける必要はなく、固体撮像素子の表面全面を覆うように一枚構成にしても良い。また、開口３０ａの全面を覆う必要はなく、半導体基板表面に均一にバイアス電圧が印加できれば良い。
【００２８】
透明電極層３２は、本実施形態では、ポリシリコン膜で形成されるが、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化インジウム（ＩｎＯ２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）等を用いることができる。
【００２９】
図２（ａ）（ｂ）は、図１に示す固体撮像素子を電子シャッタ駆動させるときの説明図であり、半導体基板の深さ方向（図１のＡ―Ａ’断面）におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００３０】
図２（ａ）は、透明電極層３２にバイアス電圧を印加せずに電子シャッタ駆動させる場合を示し、図２（ｂ）は、透明電極３２（遮光膜３０）にバイアス電圧を印加して電子シャッタ駆動を行う場合を示す。
【００３１】
電子シャッタ動作は、光電変換部（ｎ領域）２２に蓄積されている信号電荷を、半導体基板２０側に掃き出して、信号をリセットする動作である。半導体基板２０に低電圧が印加されているときは、図２（ａ）（ｂ）に実線で示されるように、ｐウェル層２１に電位障壁４０が形成されており、光電変換部２２で発生した信号電荷は、光電変換部２２に蓄積される。
【００３２】
半導体基板２０に高電圧を印加すると、図２（ａ）に点線で示される様に、ｐウェル層２１の電位障壁が消失するので、ｎ領域２２の電荷（この例では電子）は半導体基板２０側に掃き出される。
【００３３】
この電子シャッタ駆動時に、つまり、半導体基板２０に高電圧を印加するときに、透明電極層３２に負電圧をバイアス電圧として印加すると、図２（ｂ）に点線で示されるように、ｎ領域２２の表面電位が低くなり、それによってｎ領域２２の電位も矢印ｋで示す様に低くなる（図の上方向が低い電位）。
【００３４】
従って、半導体基板２０に正電圧を印加すると同時に透明電極層３２に負電圧を印加すれば、低い正電圧（図２（ａ）の場合の電子シャッタ駆動時の高電圧に比較して低電圧）でｎ領域２２の電荷が半導体基板２０側に掃き出される。
【００３５】
図３（ａ）（ｂ）は、図１に示す固体撮像素子の電荷蓄積領域（ｎ領域）２２から信号電荷を垂直転送路（ｎ領域）２３に読出駆動させるときの説明図であり、半導体基板の水平方向（図１のＢ―Ｂ’断面）におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００３６】
図３（ａ）は、透明電極層３２にバイアス電圧を印加せずに読出駆動させる場合を示し、図３（ｂ）は、透明電極層３２（遮光膜３０）にバイアス電圧を印加して読出駆動を行う場合を示す。
【００３７】
信号電荷の読出動作とは、電荷蓄積部（光電変換部）２２に蓄積された信号電荷を垂直転送路２３に移送する動作である。光電変換部（ｎ領域）２２に信号電荷を蓄積するときは、読出電極を兼用する転送電極２９に印加される電圧は低いので、読出ゲート部２４には、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、電位障壁４１が形成される。この様に、ｎ領域２２と垂直転送路２３との間に電位障壁４１があると、入射光により発生した信号電荷は、ｎ領域２２に蓄積される。
【００３８】
このｎ領域２２の蓄積電荷（信号電荷）を、ｎ領域２２から垂直転送路２３に移送するときは、読出電極を兼用する転送電極２９に正電圧の読出パルスが印加される。転送電極２９に正電圧が印加されると、読出ゲート部２４の電位が上がって、図３（ａ）に点線で示されるように電位障壁が消失する。これにより、ｎ領域２２に蓄積されている信号電荷が、垂直転送路２３に移送される。
【００３９】
このとき、読出電圧を印加すると同時に透明電極層３２に負電圧をバイアス電圧として印加すると、図３（ｂ）に点線で示されるように、ｎ領域２２の表面電位が低くなり、それによってｎ領域２２の電位も低くなる。従って、読出電極を兼用する転送電極２９に正の読出電圧を印加すると同時に透明電極層３２に負電圧を印加すれば、図３（ａ）の場合に比較して、転送電極２９に印加する読出電圧が低くても、電位障壁４１が消失し、信号電荷の垂直転送路２３への移相が可能となる。即ち、転送電極２９に印加する電荷読出動作に必要な電圧は、透明電極層３２にバイアス電圧を印加することで低くすることができる。
【００４０】
以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子によれば、フォトダイオードの表面に設ける表面不純物拡散層（実施形態ではｐ＋拡散層２７）に遮光膜３０の重金属を接触させることなく、表面不純物拡散層の電位を制御できるため、電子シャッタの駆動電圧や信号電荷の読出電圧の低電圧化を図ることが可能となる。また、図４に示すコンタクトホール１１より大面積の透明電極層３２を遮光膜開口３０ａに被着させる構成のため、多画素化の進展した固体撮像素子でも容易に製造が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る固体撮像素子は、暗電流が少なく、電子シャッタ駆動電圧や信号読出駆動電圧の低電圧化を図ることができるため、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の略一画素分の要部断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の電子シャッタ駆動時の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の信号電荷読出駆動時の説明図である。
【図４】従来の固体撮像素子の要部断面模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０  ｎ型半導体基板
２１  ｐウェル層
２２  ｎ領域（電荷蓄積領域）
２３  ｎ領域（電荷転送路の埋め込みチャネル）
２４  読出ゲート
２５  素子分離領域
２７  表面不純物拡散層（ｐ＋拡散層）
２８  絶縁層
２９  読出電極兼用の転送電極
３０  遮光膜
３０ａ  遮光膜開口
３２  透明な電極層
４０,４１  電位障壁
【図１】
2007189023.tif 000003
【図２】
2007189023.tif 000004
【図３】
2007189023.tif 000005
【図４】
2007189023.tif 000006