(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線形領域及び飽和領域の蓄積電荷を出力信号として検出する光電変換部と、前記光電変換部に発生した過剰電荷を掃き出すオーバーフロードレインを備えた固体撮像素子において、
前記光電変換部のうち前記オーバーフロードレイン側の一部に他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成したことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記オーバーフロードレインは、縦型オーバーフロードレインから成り、前記光電変換部のうち半導体基板側の一部に他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成した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】
前記オーバーフロードレインは、横型オーバーフロードレインから成り、前記光電変換部のうちドレイン領域側の一部に他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成した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４】
前記光電変換部と電荷転送部は別々に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記光電変換部は電荷転送部を兼ねていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記固体撮像素子は、リニア型、インターライン転送型、フレーム転送型、フルフレーム転送型、フレームインターライン型の何れかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、光電変換部に発生した過剰な電荷を掃き出すオーバーフロードレインを備えた固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は電荷転送部にＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたＣＣＤ型固体撮像素子を示す図である。なお、図４ではフォトダイオードと垂直ＣＣＤレジスタを別々に設けたインターライン転送型固体撮像素子の概略構成を示している。
【０００３】
図４において、まず、半導体基板４００上にフォトダイオード４０１が列状に配列されており、各フォトダイオード列に対応して垂直ＣＣＤレジスタ４０２が設けられている。フォトダイオード４０１と垂直ＣＣＤレジスタ４０２の間には電荷読み出しゲート領域４０３が形成されている。垂直ＣＣＤレジスタ４０２の一端には水平ＣＣＤレジスタ４０４が設けられ、水平ＣＣＤレジスタ４０４の一端には電荷検出部４０５及び出力部４０６が形成されている。なお、破線で囲んだ部分が単位画素４０７である。
【０００４】
フォトダイオード４０１で光電変換された電荷は、読み出しゲート領域４０３を介して垂直ＣＣＤレジスタ４０２に転送される。読み出された電荷は垂直ＣＣＤレジスタ４０２により水平ＣＣＤレジスタ４０４まで転送され、更に水平ＣＣＤレジスタ４０４により電荷検出部４０５まで転送され、出力部４０６を介して外部に出力される。
【０００５】
ところで、このようなＣＣＤを用いた固体撮像素子ではブルーミングを抑制するために過剰電荷を掃き出すオーバーフロードレイン機構が各画素毎に設けられている。オーバーフロードレイン機構には、縦型オーバーフロードレインと横型オーバフロードレインの２つがある。
【０００６】
図５は従来例の縦型オーバーフロードレインを備えたインターライン転送型固体撮像素子の単位画素の水平方向の断面構造を示す図である。図５において、シリコンからなるＮ型の半導体基板５００の表面部にＰ- 型ウェル５０１が設けられている。Ｐ- 型ウェル５０１の表面部には、フォトダイオード４０１を構成するＮ型の光電変換部５０２が設けられており、その表面には暗電流を低減するためのＰ+ 型拡散層５０３が設けられている。また、垂直ＣＣＤレジスタ４０２を構成するＮ型拡散層５０４及びその下部に接してＰ型拡散層５０５が設けられている。光電変換部５０２とそれに対応するＮ型拡散層５０４との間には電荷読み出しゲート領域５０６が設けられ、反対側のＮ型拡散層５０４との間にはＰ+ 型素子分離層５０７が設けられている。
【０００７】
また、表面には二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる絶縁膜５０８が設けられており、Ｎ型拡散層５０４の上部の領域には多結晶シリコン膜等からなる垂直ＣＣＤレジスタ４０２の転送ゲート電極５０９が設けられている。更に、その上部には、絶縁膜５０８を介してタングステン膜やアルミニウム膜等からなる遮光膜５１０が設けられている。蓄積容量を超えて光電変換部５０２に発生した過剰な電荷はＰ- 型ウェル５０１を通って半導体基板５００に掃き出される。即ち、Ｐ- 型ウェル５０１が蓄積電荷のバリア領域となり、半導体基板５００が過剰な電荷を掃き出すドレイン領域となる。Ｃ５１はＰ- 型ウェル５０１と光電変換部５０２の結合容量を示し、Ｃ５２はＰ- 型ウェル５０１と半導体基板５００の結合容量を示している。
【０００８】
図６は従来例の横型オーバーフロードレインを備えたインターライン転送型固体撮像素子の単位画素の水平方向の断面構造を示す図である。図６において、まず、シリコンからなるＰ型の半導体基板６００の表面部にフォトダイオード４０１を構成するＮ型の光電変換部６０１が設けられており、その表面には暗電流を低減するためのＰ+ 型拡散層６０２が設けられている。また、垂直ＣＣＤレジスタ４０２を構成するＮ型拡散層６０３が設けられている。光電変換部６０１とそれに対応するＮ型拡散層６０３との間には電荷読み出しゲート領域６０４が設けられている。その反対側にはドレイン領域６０５が設けられており、光電変換部６０１とドレイン領域６０５の間にはバリア領域６０６が設けられている。ドレイン領域６０５と反対側のＮ型拡散層６０３との間にはＰ+ 型素子分離層６０７が設けられている。
【０００９】
また、表面には二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる絶縁膜６０８が設けられ、Ｎ型拡散層６０３の上部の領域には多結晶シリコン膜等からなる垂直ＣＣＤレジスタ４０２の転送ゲート電極６０９が設けられている。更に、その上部には、絶縁膜６０８を介してタングステン膜やアルミニウム膜等からなる遮光膜６１０が設けられている。蓄積容量を超えて光電変換部６０１に発生した過剰な電荷はバリア領域６０６を通ってドレイン領域６０５に掃き出される。Ｃ６１はバリア領域６０６と光電変換部６０１の結合容量を示し、Ｃ６２はバリア領域６０６とドレイン領域６０５の結合容量を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の固体撮像素子では、図５、図６のいずれにおいても入射光量が大きいと対応できない問題があった。その理由を以下に説明する。図５に示す縦型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子、及び図６に示す横型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子において、光電変換部には入射光量に応じて電荷が蓄積され、入射光量が小さい時は蓄積電荷は入射光量に比例して増加する。この領域を線形領域と呼ぶ。入射光量が大きくなって、光電変換部の蓄積容量以上の電荷が発生すると、その過剰な電荷はドレイン領域に掃き出され、それ以上の蓄積電荷の増加は抑えられる。この領域を飽和領域と呼ぶ。飽和領域でも出力は全く一定ではなく、入射光量の増加に対して徐々に増えていく。この現象は、例えば、IEEE Transaction on Electron Devices,Vol.42,No.4(April 1995)pp.652-655にも記載されている。飽和領域では、入射光量の対数に対して蓄積電荷量は線形に増加する。
【００１１】
図７は光電変換部に蓄積される電荷量の入射光量に対する依存性を表わすグラフである。入射光量ａまでは線形領域であり、入射光量がａを超えると飽和領域となる。線形領域の最大出力はＡである。しかしながら、固体撮像素子の最大出力電荷量は、垂直ＣＣＤレジスタの最大転送電荷量、水平ＣＣＤレジスタの最大転送電荷量、電荷検出部の最大電荷量のなかの最小値で制限される。そのため、光電変換部の蓄積電荷量が最大出力電荷量Ｂを超えると、再生画面上に縦スジや横スジなどの偽信号が現われる。
【００１２】
そこで、この問題を解決するため、本願出願人は、先に、飽和領域の出力信号を利用してダイナミックレンジを拡大する方法を、特願平１１−２５６０１２号として出願している。この方法では、飽和領域の出力信号を利用することで、ダイナミックレンジを大幅に拡大することができる。即ち、線形領域のみを利用した場合、検出できる最大光量はａであるが、飽和領域の出力信号も利用すれば検出できる最大光量はｂとなるので、大幅にダイナミックレンジを大きくできるというものである。
【００１３】
しかし、図７において線形領域では入射光量の変化ａに対し蓄積電荷の変化量はＡであるが、飽和領域では入射光量の変化（ｂ−ａ）に対し蓄積電荷の変化量は（Ｂ−Ａ）であるので、線形領域に比べ飽和領域では入射光量の変化に対する蓄積電荷の変化量が小さい。一方、固体撮像素子の出力信号には蓄積電荷量に比例した出力の他に雑音による出力変動が含まれているので、上記方法では雑音による出力信号の変動に対して飽和領域の蓄積電荷の変化量（Ｂ−Ａ）があまり小さいと、ＳＮ比の悪い再生画像になるという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、飽和領域で入射光量の変化に対し蓄積電荷の変化量を大きくし、再生画像のＳＮ比を向上することが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、線形領域及び飽和領域の蓄積電荷を出力信号として検出する光電変換部と、前記光電変換部に発生した過剰電荷を掃き出すオーバーフロードレインを備えた固体撮像素子において、前記光電変換部のうち前記オーバーフロードレイン側の一部に他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、光電変換部のうちオーバーフロードレイン側の一部にその他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成することにより、飽和領域において入射光量変化に対し蓄積電荷の変化を大きくでき、飽和領域の出力信号を利用しても再生画像のＳＮ比を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明の原理について説明する。入射光量に対する飽和領域における蓄積電荷の変化量は、バリア領域と光電変換部の結合容量及びバリア領域とドレイン領域の結合容量の比に依存し、バリア領域と光電変換部の結合容量が大きいほど蓄積電荷の変化量が大きくなる。
【００１８】
この理由は以下のように説明できる。まず、蓄積電荷量の増加により光電変換部の電位が変動した時に電位バリアの高さ（バリア領域と光電変換部の電位差）が速やかに減少すると、光電変換部で発生した電荷が多く排出され、蓄積電荷量の増加量は小さくなる。逆に、電位バリアの高さがあまり減少しなければ光電変換部で発生した電荷の排出量は少なくなり、蓄積電荷量の増加量は大きくなる。この時、バリア領域と光電変換部の結合容量が大きいと、光電変換部の電位の変動につられてバリア領域の電位も変動し、電位バリアの高さがあまり減少しないので蓄積電荷量の増加量が大きくなる。
【００１９】
従って、図５における結合容量Ｃ５２に対して結合容量Ｃ５１が大きいほど蓄積電荷の変化量が大きくなり、図６における結合容量Ｃ６２に対して結合容量Ｃ６１が大きいほど蓄積電荷の変化量が大きくなる。そのため、結合容量Ｃ５１，Ｃ６１を大きくすれば、蓄積電荷の変化量を大きくできるので、再生画像のＳＮ比を向上することが可能である。本発明はこのような原理に基づいて結合容量Ｃ５１あるいはＣ６１を大きくするため、光電変換部の一部に他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成している。そこで、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施形態による縦型オーバーフロードレインを備えたインターライン転送型固体撮像素子の単位画素の水平方向の断面構造を説明するための図である。図１において、まず、シリコンからなるＮ型の半導体基板５００の表面部にＰ- 型ウェル５０１が設けられている。Ｐ- 型ウェル５０１の表面部には、フォトダイオード４０１を構成するＮ型の光電変換部５０２が設けられている。光電変換部５０２は不純物濃度の高い高濃度領域１０１と不純物濃度の低い低濃度領域１０２から形成されている。
【００２１】
また、光電変換部５０２の表面には暗電流を低減するためのＰ+ 型拡散層５０３が設けられている。更に、垂直ＣＣＤレジスタ４０２を構成するＮ型拡散層５０４及びその下部に接してＰ型拡散層５０５が設けられている。光電変換部５０２とそれに対応するＮ型拡散層５０４との間には電荷読み出しゲート領域５０６が設けられ、反対側のＮ型拡散層５０４との間にはＰ+ 型素子分離層５０７が設けられている。表面には二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる絶縁膜５０８が設けられており、Ｎ型拡散層５０４の上部の領域には多結晶シリコン膜等からなる垂直ＣＣＤレジスタ４０２の転送ゲート電極５０９が設けられている。更に、その上部には、絶縁膜５０８を介してタングステン膜やアルミニウム膜等からなる遮光膜５１０が設けられている。
【００２２】
蓄積容量を超えて光電変換部５０２に発生した過剰な電荷はＰ- 型ウェル５０１を通って半導体基板５００に掃き出される。即ち、Ｐ- 型ウェル５０１が蓄積電荷のバリア領域となり、半導体基板５００が過剰な電荷を掃き出すドレイン領域となる。Ｃ５１はＰ- 型ウェル５０１と光電変換部５０２の結合容量を示し、Ｃ５２はＰ- 型ウェル５０１と半導体基板５００の結合容量を示している。本実施形態では、光電変換部５０２の半導体基板５００側に高濃度領域１０１を設けているので、Ｐ- 型ウェル５０１と光電変換部５０２の結合容量Ｃ５１が大きくなり、蓄積電荷の変化量を大きくできる。
【００２３】
ここで、例えば、フォトダイオードの寸法が２μｍ×２μｍ、Ｎ型半導体基板の濃度が２．０Ｅ１４、Ｐ- 型ウェルの濃度が１．５Ｅ１５で深さが３．５μｍとする。また、Ｐ+ 型拡散層の濃度が１．０Ｅ１８で深さが表面から０．３μｍ、光電変換部の濃度が８．０Ｅ１５で深さが０．３μｍから２．０μｍとする。この構造に対して、シミュレーションを行った結果、飽和領域での入射光量の変化に対する蓄積電荷の変化量は、入射光量１０倍増加あたり電子数１４０００個であった。
【００２４】
一方、光電変換部を濃度１．５Ｅ１６で深さ１．５μｍから２．０μｍの高濃度領域と濃度２．０Ｅ１５で深さ０．３μｍから１．５μｍの低濃度領域で形成すると、飽和領域での入射光量の変化に対する蓄積電荷の変化量は、入射光量１０倍増加あたり電子数２８０００個になった。従って、光電変換部５０２を半導体基板５００側の高濃度領域１０１と表面側の低濃度領域１０２の２つの領域から構成することにより、飽和領域の蓄積電荷の変化量は２倍になり、再生画像のＳＮ比を２倍に向上できる。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施形態による横型オーバーフロードレインを備えたインターライン転送型固体撮像素子の単位画素の水平方向の断面構造を説明するための図である。図２において、まず、シリコンからなるＰ型の半導体基板６００の表面部にフォトダイオード４０１を構成するＮ型の光電変換部６０１が設けられている。光電変換部６０１は、バリア領域６０６側の不純物濃度の高い高濃度領域２０１とその反対側の不純物濃度の低い低濃度領域２０２から形成されている。光電変換部６０１の表面には暗電流を低減するためのＰ+ 型拡散層６０２が設けられている。
【００２６】
また、垂直ＣＣＤレジスタ４０２を構成するＮ型拡散層６０３が設けられている。光電変換部６０１とそれに対応するＮ型拡散層６０３との間には電荷読み出しゲート領域６０４が設けられている。その反対側にはドレイン領域６０５が設けられており、光電変換部６０１とドレイン領域６０５の間にはバリア領域６０６が設けられている。ドレイン領域６０５と反対側のＮ型拡散層６０３との間にはＰ+ 型素子分離層６０７が設けられている。
【００２７】
また、表面には二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる絶縁膜６０８が設けられており、Ｎ型拡散層６０３の上部の領域には多結晶シリコン膜等からなる垂直ＣＣＤレジスタ４０２の転送ゲート電極６０９が設けられている。更に、その上部には、絶縁膜６０８を介してタングステン膜やアルミニウム膜等からなる遮光膜６１０が設けられている。蓄積容量を超えて光電変換部６０１に発生した過剰な電荷はバリア領域６０６を通ってドレイン領域６０５に掃き出される。Ｃ６１はバリア領域６０６と光電変換部６０１の結合容量を示し、Ｃ６２はバリア領域６０６とドレイン領域６０５の結合容量を示している。本実施形態では、バリア領域６０６に接する側の光電変換部６０１の一部の不純物濃度を高くしているので、バリア領域６０６と光電変換部６０１の結合容量Ｃ６１を大きくでき、蓄積電荷の変化量を大きくできる。
【００２８】
ここで、例えば、フォトダイオードの寸法が２μｍ×２μｍ、Ｐ型半導体基板の濃度が１．０Ｅ１７、Ｐ+ 型拡散層の濃度が１．０Ｅ１８で深さが表面から０．３μｍ、バリア領域６０６の濃度が１．０Ｅ１５で幅が１．５μｍとする。また、光電変換部６０１の濃度が２．０Ｅ１６で深さが０．３μｍから２．０μｍとする。この構造に対してシミュレーションを行った結果、飽和領域での入射光量の変化に対する蓄積電荷の変化量は、入射光量１０倍増加あたり電子数１２００個であった。
【００２９】
一方、光電変換部６０１を濃度６．０Ｅ１６で幅０．５μｍの高濃度領域と濃度１．０Ｅ１６で幅１．５μｍの低濃度領域で形成すると、飽和領域での入射光量の変化に対する蓄積電荷の変化量は、入射光量１０倍増加あたり電子数１６００個になった。従って、光電変換部をドレイン領域側の高濃度領域と反対側の低濃度領域の２つの領域から構成することにより、飽和領域の蓄積電荷の変化量は１．３倍になり、再生画像のＳＮ比を１．３倍に向上できる。
【００３０】
図３はオーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の光電変換部に蓄積される電荷量の入射光量に対する依存性を表わすグラフである。破線は従来の固体撮像素子の蓄積電荷量の依存性を示し、実線は本発明による固体撮像素子の蓄積電荷量の依存性を示している。本発明による蓄積電荷量は入射光量ａ′までは線形領域であり、入射光量がａ′を超えると飽和領域となる。線形領域の最大出力はＡ′である。
【００３１】
飽和領域では入射光量の変化（ｂ−ａ′）に対して蓄積電荷の変化量は（Ｂ−Ａ′）となり、従来の固体撮像素子に比べて入射光量に対する蓄積電荷の変化量の割合が大きくなっているのがわかる。従って、飽和領域の出力信号を利用した画像装置の再生画像のＳＮ比を向上することができる。
【００３２】
なお、以上の実施形態では、インターライン転送型固体撮像素子を例として説明したが、本発明はこれに限ることなく、リニア型、フレーム転送型、フルフレーム転送型、フレームインターライン転送型のＣＣＤ固体撮像素子、あるいはＣＭＯＳ固体撮像素子等にも使用することができる。また、実施形態では光電変換部が電荷転送部と別々の場合を例としているが、本発明は光電変換部が電荷転送部を兼ねている構成の固体撮像素子にも使用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光電変換部のうちオーバーフロードレイン側の一部にその他の領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域を形成しているので、飽和領域において入射光量変化に対し蓄積電荷の変化を大きくでき、飽和領域の出力信号を利用した場合であっても、再生画像のＳＮ比を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による縦型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の単位画素の断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による横型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の単位画素の断面構造を示す図である。
【図３】本発明と従来とで固体撮像素子の入射光量と蓄積電荷量の関係を比較して示す図である。
【図４】従来例のインターライン転送型固体撮像素子を示す図である。
【図５】従来例の縦型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の単位画素の断面構造を示す図である。
【図６】従来例の横型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の単位画素の断面構造を示す図である。
【図７】従来のオーバーフロードレインを備えた固体撮像素子の入射光量と蓄積電荷量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１、２０１    高濃度領域
１０２、２０２    低濃度領域
４００    半導体基板
４０１    フォトダイオード
４０２    垂直ＣＣＤレジスタ
４０３    読み出しゲート領域
４０４    水平ＣＣＤレジスタ
４０５    電荷検出部
４０６    出力部
４０７    単位画素
５００    半導体基板
５０１    Ｐ- 型ウェル
５０２    光電変換部
５０３    Ｐ+ 型拡散層
５０４    Ｎ型拡散層
５０５    Ｐ型拡散層
５０６    読み出しゲート領域
５０７    Ｐ+ 型素子分離層
５０８    絶縁層
５０９    転送ゲート電極
５１０    遮光膜
６００    半導体基板
６０１    光電変換部
６０２    Ｐ+ 型拡散層
６０３    Ｎ型拡散層
６０４    読み出しゲート領域
６０５    ドレイン領域
６０６    バリア領域
６０７    Ｐ+ 型素子分離層
６０８    絶縁層
６０９    転送ゲート電極
６１０    遮光膜
【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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