(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、光電変換部及び信号走査回路部を含む単位セル行列を二次元状に配置して成る撮像領域と、前記信号走査回路部を構成する信号走査回路を駆動するための素子駆動回路を配置して成る駆動回路領域と、を備える固体撮像装置に於いて、
少なくとも前記光電変換部に対応する前記半導体基板の表面部に設けられた、フォトダイオードを形成するための、第一導電型の第１のウェル領域、及び、前記第一導電型の第１のウェル領域の表面部に選択的に設けられた第二導電型の第１の拡散層領域と、
前記信号走査回路部に対応する前記半導体基板の表面部に設けられた、前記信号走査回路としての、少なくとも増幅トランジスタを形成するための、第一導電型の第２のウェル領域、及び、前記第一導電型の第２のウェル領域の表面部に選択的に設けられた第二導電型の第２の拡散層領域と
をそれぞれ具備し、
前記第一導電型の第１のウェル領域の不純物濃度を１０15ｃｍ-3台とし、前記第一導電型の第２のウェル領域の不純物濃度を１０17ｃｍ-3台としたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第一導電型の第１のウェル領域は、その接合深さが、前記第一導電型の第２のウェル領域の接合深さよりも深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に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第一導電型の第１のウェル領域は、その一部が、前記第一導電型の第２のウェル領域の下部にまで延在するように、前記信号走査回路部を含む、前記撮像領域に対応して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＭＯＳ型固体撮像装置に関し、より詳細には再生画面の画質を改善することが可能な固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、増幅型ＭＯＳセンサと称される固体撮像装置の回路構成の一例を示した図である。
図８に於いて、この固体撮像装置は、フォトダイオード１11，１12，１13、１21，１22，１23、１31，１32，１33と、該フォトダイオード１11，１12，１13、１21，１22，１23、１31，１32，１33からの信号を読み出す増幅トランジスタ２11，２12，２13、２21，２22，２23、２31，２32，２33と、信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ３11，３12，３13、３21，３22，３23、３31，３32，３33と、信号荷電をリセットするリセットトランジスタ４11，４12，４13、４21，４22，４23、４31，４32，４33から成る複数の単位セルが、３×３二次元状に配列されている。尚、ここでは３×３としたが、実際には、これより多くの単位セルが配列される。
【０００３】
垂直シフトレジスタ５から水平方向に配線されている水平アドレス線６1 、６2 、６3 は、上記垂直選択トランジスタ３11，３12，３13、３21，３22，３23、３31，３32，３33のゲートに接続されて、信号を読み出すラインを決定する。リセット線７1 、７2 、７3 はリセットトランジスタ４11，４12，４13、４21，４22，４23、４31，４32，４33のゲートに結線されている。
【０００４】
上記増幅トランジスタ２11，２12，２13、２21，２22，２23、２31，２32，２33のソースは垂直信号線８1 、８2 、８3 に接続されており、その一端には負荷トランジスタ１１1 、１１2 、１１3 が設けられている。負荷トランジスタ１１1 、１１2 、１１3 の各ゲートは信号線９に接続され、各ソースは信号線１０に接続されている。垂直信号線８1 、８2 、８3 の他端は、水平シフトレジスタ１３から供給される選択パルスにより選択される水平選択トランジスタ１２1 、１２2 、１２3 を介して水平信号線１４に結線されている。
【０００５】
このように構成された回路の動作は、以下の通りである。
すなわち、水平アドレス線６1 、６2 、６3 をハイレベルにするアドレスパルスが印加され、該ラインの垂直選択トランジスタのみがオンされる。すると、選択されたラインの増幅トランジスタと負荷トランジスタでソースフォロワ回路が構成され、増幅トランジスタのゲート電圧、すなわちフォトダイオードの電圧とほぼ同等の電圧が垂直信号線に現れる。
【０００６】
次に、水平シフトレジスタ１３から水平選択パルスが水平選択トランジスタ１２1 、１２2 、１２3 に順次印加され、水平信号線１４から１ライン分の信号が順次取り出される。この動作を、次のライン、更に次のラインと、順次続けることにより、二次元状の全ての信号を読み出すことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この種の装置にあっては、次のような課題を有している。
すなわち、各セルに配置された増幅トランジスタをはじめとする信号走査回路のトランジスタは、セルの微細化と共にそのディメンジョンが小さくなるが、そのようにトランジスタの微細化が進むと、トランジスタを作り込んでいるウェルの濃度を高くせざるを得なくなっていく。そうしないと、いわゆる短チャネル効果や狭チャネル効果等の微細化に伴い生ずる課題がより顕著になってしまうからである。
【０００８】
一方で、光電変換部であるフォトダイオードでは、このようなセルの微細化により信号走査回路のトランジスタと同様にウェル濃度を高くしていくと、次のような課題が生ずることがわかった。
【０００９】
図９は、こうしたフォトダイオードのウェル濃度と接合リーク電流との関係を表す特性図である。図示されるように、フォトダイオードでは、ウェルの濃度が高くなると共に、その接合リーク電流が高くなってしまうことがわかる。接合リーク電流が高くなってしまうと、素子の信号量が少ない、いわゆる暗時状態でそれが雑音となり、著しく再生画面の画質が劣化してしまうことになる。
【００１０】
すなわち、従来のＭＯＳセンサに於いては、画素微細化と共に信号走査回路を構成するトランジスタを微細化する必要がある。そして、微細なトランジスタを二次元効果の影響無く動作させるためには、トランジスタを作り込んでいるウェルの濃度を高くする必要があった。
【００１１】
ところが、光電変換部であるフォトダイオードでは、上述したように、ウェルの濃度を高くすると接合リーク電流が高くなってしまい、それが再生画面上で雑音となって再生画面の画質を著しく劣化させてしまうという課題があった。
【００１２】
したがってこの発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セルの微細化に伴って信号走査回路を形成するトランジスタを微細化するにあたって、トランジスタのウェルの濃度を高くしても、光電変換部であるフォトダイオードでの接合リーク電流が高くなることなく、再生画面上で雑音となって再生画面の画質を著しく劣化させることのない固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明の一態様によれば、半導体基板上に、光電変換部及び信号走査回路部を含む単位セル行列を二次元状に配置して成る撮像領域と、前記信号走査回路部を構成する信号走査回路を駆動するための素子駆動回路を配置して成る駆動回路領域と、を備える固体撮像装置に於いて、少なくとも前記光電変換部に対応する前記半導体基板の表面部に設けられた、フォトダイオードを形成するための、第一導電型の第１のウェル領域、及び、前記第一導電型の第１のウェル領域の表面部に選択的に設けられた第二導電型の第１の拡散層領域と、前記信号走査回路部に対応する前記半導体基板の表面部に設けられた、前記信号走査回路としての、少なくとも増幅トランジスタを形成するための、第一導電型の第２のウェル領域、及び、前記第一導電型の第２のウェル領域の表面部に選択的に設けられた第二導電型の第２の拡散層領域とをそれぞれ具備し、前記第一導電型の第１のウェル領域の不純物濃度を１０15ｃｍ-3台とし、前記第一導電型の第２のウェル領域の不純物濃度を１０17ｃｍ-3台としたことを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【００１４】
上記したように、光電変換部のウェル濃度が信号走査回路部のウェル濃度よりも低くなるように構成されている。そのため、信号走査回路部のウェル濃度を、トランジスタが二次元効果の影響無く動作させるために十分な高さの濃度で構成した場合でも、光電変換部のウェル濃度を信号走査回路部のウェル濃度より低くすることができる。したがって、光電変換部のフォトダイオードの接合リーク電流を低く抑圧することができ、接合リーク電流による暗時雑音を低くしたままセルを微細化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の固体撮像装置の第１の実施の形態に係る単位セルの構成を示した平面図、図２は図１に対応する単位セルの構成を示した回路図、図３は図１のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
【００１６】
図１乃至図３に於いて、ｐ型基板２０上にフォトダイオード２１が作り込まれるべく光電変換部のｐ型ウェル２２と、走査回路領域２３が作り込まれている信号走査回路部のｐ型ウェル２４が形成されている。上記ｐ型ウェル２２及び２４の表面部には、ｎ型拡散層２５、２６が図示の如く形成されている。
【００１７】
上記フォトダイオード２１のカソードは、転送トランジスタ２８のソースに接続されている。そして、この転送トランジスタ２８のドレインは、リセットトランジスタ２９のソース及び増幅トランジスタ３０のゲートに接続されている。また、この増幅トランジスタ３０のソースには、アドレストランジスタ３１のドレインが接続されている。
【００１８】
ｎ型拡散層２６を構成している上記リセットトランジスタ２９のドレインと増幅トランジスタ３０のドレインは、電源線３３に接続されている。また、ｎ型拡散層２６であるアドレストランジスタ３１のソースは、垂直信号線３４に接続されている。尚、上記増幅トランジスタ３０及びアドレストランジスタ３１のゲート３０ａ及び３１ａは、ｐ型ウェル２４の表面上で所定間隔がおかれて配置された上記ｎ型拡散層２６の間に形成される。また、３５は層間膜である。
【００１９】
図４（ａ）は、図３の光電変換部たるフォトダイオード２１の矢印Ｂ−Ｂ′での断面に於ける不純物濃度プロファイルを示した図、図４（ｂ）は、走査回路領域２３の矢印Ｃ−Ｃ′での断面に於ける不純物濃度プロファイルを示した図である。
【００２０】
図４（ｂ）に示されるように、信号走査回路部のｐ型ウェル２４のホウ素濃度は１０17ｃｍ-3台の濃度である。この濃度は、設計基準０．７μｍのＭＯＳ回路がショートチャネル効果等を起こさず動作する濃度である。したがって、このｐ型ウェル濃度では、信号走査回路は問題無く動作し、信号を読み出すことができる。
【００２１】
一方で、例えば図４（ａ）に示されるように、光電変換部（フォトダイオード２１）のｐ型ウェル２２の濃度は１０15ｃｍ-3台の濃度である。この濃度では、図４（ｃ）に示されるように、ｐｎジャンクションのリーク電流は十分に小さくなる。したがって、暗時の雑音が問題になることも無く、感度の高い撮像素子を実現することができる。
【００２２】
このように、画面内の信号走査回路部に於いては、ウェルの濃度を、微細な画素内に組み込まれたＭＯＳ回路でショートチャネル効果が起こらずに動作できるのに十分な高さの濃度にし、且つ光電変換部ではリーク電流が十分に低くなるウェル濃度まで下げることにより、微細な画素で雑音が低い撮像素子を実現することができる。
【００２３】
しかも、図３に示した構成に於いては、光電変換部のｐ型ウェル２２の接合深さが、信号走査回路部のｐ型ウェル２４の接合深さと異なるように形成されている。すなわち、図３の例では、光電変換部のｐ型ウェル２２の接合深さが、信号走査回路部のｐ型ウェル２４の接合深さよりも深くなるように形成されている。
【００２４】
図５は、この発明の固体撮像装置の第２の実施の形態に係る単位セルの構成を示した断面図である。尚、以下に述べる実施の形態に於いて、上述した第１の実施の形態と同じ部分には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００２５】
この図５に示される第２の実施の形態に於いて、図３に示される第１の実施の形態と異なるのは、第１の実施の形態に於ける光電変換部に設けられたｐ型ウェルが、撮像領域の全域にわたって形成されていることである。すなわち、図５の例では、ｐ型ウェル３７は、光電変換部のみならず、信号走査回路部のｐ型ウェル２４の下部にまで延在して形成されている。
【００２６】
また図３、図５に示されるセルの構造では、基板２０の導電型がウェルの導電型と同一のｐ型としているが、基板の導電型はｎ型であっても良い。
図６は、図５に示したセル構造を有する固体撮像装置に於いて、撮像領域のみでなく、素子駆動回路部を含むウェルの構成を示した断面図である。
【００２７】
図６に於いて、ｐ型基板（図５のｐ型基板２０に対応）４１の撮像領域には、ｐ型ウェル（図５のｐ型ウェル３７に対応）４２が形成されており、このｐ型ウェル４２の表面部の信号走査回路部には、所定間隔をおいてｐ型ウェル（図５のｐ型ウェル２４に対応）４３が複数設けられている。一方、ｐ型ウェル４２の外側の素子駆動領域である素子駆動回路部で、ｐ型基板４１の表面部には、それぞれｐ型ウェル４４及びｎ型ウェル４５が形成されている。
【００２８】
図７は、この発明の固体撮像装置の第３の実施の形態に係るウェル構造を示した図である。
図７に於いて、ｐ型基板５１の表面部から所定距離をおいて、光電変換部と信号走査回路部には、光電変換部のみならず、信号走査回路部のｐ型ウェルの下部にまで延在してｐ型ウェル５２が形成されている。そして、撮像領域５３に於ける上記ｐ型基板５１の表面部には、上記ｐ型ウェル５２とは別構成とされた光電変換部内のｐ型ウェル５４と、信号走査回路部内のｐ型ウェル５５が設けられている。
【００２９】
一方、素子駆動回路部５６に於ける上記ｐ型基板５１の表面部には、素子駆動回路部のｐ型ウェル５７と、素子駆動回路部のｎ型ウェル５８が、それぞれ形成されている。尚、５９は単位セルを表している。
【００３０】
また、この第３の実施の形態に於いては、基板５１の導電型はｐ型であるが、これはｎ型の基板でも良い。
尚、この発明は上述した実施の形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、セルの微細化に伴って信号走査回路を形成するトランジスタを微細化するにあたって、トランジスタのウェルの濃度を高くしても、光電変換部であるフォトダイオードでの接合リーク電流が高くなることなく、再生画面上で雑音となって再生画面の画質を著しく劣化させることのない固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の固体撮像装置の第１の実施の形態に係る単位セルの構成を示した平面図である。
【図２】  図１に対応する単位セルの構成を示した回路図である。
【図３】  図１のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
【図４】  （ａ）は図３の光電変換部たるフォトダイオード２１の矢印Ｂ−Ｂ′での断面に於ける不純物濃度プロファイルを示した図、（ｂ）は走査回路領域２３の矢印Ｃ−Ｃ′での断面に於ける不純物濃度プロファイルを示した図、（ｃ）は図３の矢印Ｂ−Ｂ′線、Ｃ−Ｃ′線の部分の断面の不純物濃度プロファイルに応じたそれぞれのｐウェル濃度での逆バイアスリーク電流の様子を示した図である。
【図５】  この発明の固体撮像装置の第２の実施の形態に係る単位セルの構成を示した断面図である。
【図６】  図５に示したセル構造を有する固体撮像装置の、撮像領域及び素子駆動回路部のウェルの構成を示した断面図である。
【図７】  この発明の固体撮像装置の第３の実施の形態に係るウェル構造を示した断面図である。
【図８】  従来の増幅型ＭＯＳセンサと称される固体撮像装置の回路構成の一例を示した図である。
【図９】  従来の固体撮像装置のフォトダイオードのウェル濃度と接合リーク電流との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
２０  ｐ型基板、
２１  フォトダイオード、
２２、２４  ｐ型ウェル、
２３  走査回路領域、
２５、２６  ｎ型拡散層、
２８  転送トランジスタ、
２９  リセットトランジスタ、
３０  増幅トランジスタ、
３１  アドレストランジスタ、
３３  電源線、
３４  垂直信号線。
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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