JP5326507B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び当該固体撮像装置を備えた電子機器に関する。

固体撮像装置として、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。このＣＭＯＳ型の固体撮像装置では、フォトダイオードと複数のＭＯＳトランジスタとにより１画素が構成される。そして、複数の画素を所要のパターンに配列することにより、複数の画素を有する固体撮像装置が構成される。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積する光電変換素子であり、複数のＭＯＳトランジスタは、フォトダイオードからの信号電荷を転送するための素子である。

近年、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置では、画素サイズの微細化が進められている。しかしながら、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置では、各画素領域において、同一平面上にフォトダイオードや電荷読み出しトランジスタ等の複数のＭＯＳトランジスタを配置するため、平面上の面積がそれぞれに必要になり、１画素の面積が増大してしまう傾向がある。このため、画素サイズの微細化が困難であり、また、微細化を行った場合には、フォトダイオードの面積が縮小してしまうことにより、飽和電荷量の低下や、感度の低下を招く等の問題があった。

下記特許文献１では、フォトダイオードの高濃度領域間で形成されたｐｎ接合部を、半導体基板の内部に設ける構成が記載されている。ここでは、信号電荷を読み出すための電荷読み出しトランジスタのチャネル部分が、半導体基板面に対して深さ方向に形成され、また、読み出しトランジスタのゲート電極及びゲート絶縁膜の底部が、ｐｎ接合部の深さ以上の位置に形成されている。特許文献１では、このような構成を用いることにより、画素面積を縮小しても、フォトダイオードの面積を大きく維持でき、飽和電荷量を低下させることがない。

しかしながら、特許文献１の固体撮像装置では、１画素において、信号電荷を蓄積するフォトダイオード１個に対する完全転送可能なポテンシャルが決まってしまい、飽和電荷量（Ｑｓ）をある一定以上増加させることはできない。すなわち、画素サイズの微細化と、飽和電荷量（Ｑｓ）の向上が一度に可能とされる構成には至らない。
特開２００５−２２３０８４号公報

上述の点に鑑み、本発明は、画素サイズの微細化が可能であると共に、飽和電荷量（Ｑｓ）が増加され、感度の向上が図られた固体撮像装置、及び固体撮像装置の駆動方法を提供するものである。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供するものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内の異なる深さに、第１導電型不純物領域と第２導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードを有する。そして、ゲート絶縁膜、読み出しゲート電極、転送チャネル、フローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタを有する。電荷読み出しゲート電極は、半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成されるものである。また、転送チャネルは、複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するものである。また、フローティングディフュージョン領域は、転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積する領域である。さらに、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、複数のフォトダイオード間、及びフォトダイオードとフローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスを有する。

本発明の固体撮像装置では、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷は、オーバーフローパスを通って、他方のフォトダイオードや、フローティングディフュージョン領域に転送される。また、複数のフォトダイオードを有するので、全体の飽和電荷量を増加させることができる。さらに、複数のフォトダイオードは、半導体基板の深さ方向に形成されるので、画素サイズの微細化が可能とされる。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、まず、半導体基板内の深さ方向に複数形成されたフォトダイオードに光照射することにより、フォトダイオードに信号電荷を蓄積する。そして、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードにおいて飽和電荷量を超えた分の信号電荷を、オーバーフローパスを介して、他のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域に転送する。信号電荷の蓄積が終了したら、複数のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時にフローティングディフュージョン領域に転送する。

本発明の固体撮像装置の駆動方法では、信号電荷の蓄積時において、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷を、他のフォトダイオード、またはフローティングディフュージョン領域へ転送することができる。これにより、フォトダイオード全体の飽和電荷量が向上し、ダイナミックレンジを大きくすることができる。

また、本発明の電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置と、信号処理回路とを有する。そして、この固体撮像装置は、半導体基板内の異なる深さに、第１導電型不純物領域と第２導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードを有する。そして、ゲート絶縁膜、読み出しゲート電極、転送チャネル、フローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタを有する。電荷読み出しゲート電極は、半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成されるものである。また、転送チャネルは、複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するものである。また、フローティングディフュージョン領域は、転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積する領域である。さらに、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、複数のフォトダイオード間、及びフォトダイオードとフローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスを有する。
信号処理回路は、固体撮像装置の出力信号を処理するものである。

本発明の電子機器では、固体撮像装置において、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷は、オーバーフローパスを通って、他方のフォトダイオードや、フローティングディフュージョン領域に転送される。また、複数のフォトダイオードを有するので、全体の飽和電荷量を増加させることができる。

本発明によれば、飽和電荷量（Ｑｓ）の増加や、感度の向上が図られ、画素サイズの微細化が容易な固体撮像装置を得ることができる。また、本発明によれば、飽和電荷量（Ｑｓ）や感度の向上が可能であり、画素サイズの微細化が可能な固体撮像装置を用いることにより、より高画質化された電子機器を得ることができる。

以下、図１〜図９を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［固体撮像装置の全体構造］
まず、図１を用いて、以下に説明する第１の実施形態及び第２の実施形態が適用されるＣＭＯＳ型の固体撮像装置、すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサの全体構造について説明する。

図１に示す固体撮像装置１は、Ｓｉからなる基板３０上に配列された複数の画素２から構成される撮像領域３と、撮像領域３の周辺回路としての垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。

画素２は、光電変換素子であるフォトダイオードと、複数のＭＯＳトランジスタとから構成され、基板３０上に、２次元アレイ状に規則的に複数配列される。

撮像領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。そして、撮像領域３は、実際に光を受光し、光電変換によって生成された信号電荷を蓄積することのできる有効画素領域と、有効画素領域の周囲に形成され、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域とから構成される。

制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。

垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路５に供給する。

カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線３１とのあいだに設けられている。

水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線３１に出力させる。

出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線３１を通して、順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
以下に説明する固体撮像装置は、図１における固体撮像装置１を構成するものであり、特に有効撮像領域における画素の断面構成を示すものである。

〈第１の実施形態〉
［固体撮像装置の構成］
図２に本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図２は、１画素分の断面構成を示すものである。

［構成］
本実施形態例の固体撮像装置は、半導体基板１０内の異なる深さに、第１導電型であるｐ型不純物領域と、第２導電型であるｎ型不純物領域との接合面を有して複数層、積層されて形成されたフォトダイオードと、縦型トランジスタＴｒと、オーバーフローパス２１とを有する。
以下に、本実施形態例の固体撮像装置の構成を詳述する。

半導体基板１０は、ｐ型の不純物領域（ｐ）からなる半導体材料で構成される。
フォトダイオードＰＤは、半導体基板１０内に形成されたｎ型低濃度不純物領域（以下、ｎ⁻領域）１１と、そのｎ⁻領域１１よりも表面側に順に積層された第１のｎ型不純物領域１２、第１のｐ型高濃度不純物領域１３、第２のｎ型不純物領域１４、第２のｐ型高濃度不純物領域１５とから構成される。そして、このフォトダイオードＰＤでは、第１のｎ型不純物領域１２と第１のｐ型高濃度不純物領域１３との接合面を有して第１のフォトダイオードＰＤ１が構成される。また、第２のｎ型不純物領域１４と第２のｐ型高濃度不純物領域１５との接合面を有して第２のフォトダイオードＰＤ２が形成される。このように、本実施形態例では、半導体基板１０内の深さ方向に、第１のフォトダイオードＰＤ１と第２のフォトダイオードＰＤ２を有するフォトダイオードＰＤが構成されている。

縦型トランジスタは、ゲート絶縁膜１７を介して形成された読み出しゲート電極１８と、フローティングディフュージョン領域１６と、転送チャネル２０とにより構成される。

読み出しゲート電極１８は、半導体基板１０の表面から、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｐ型高濃度不純物領域１３に達する深さに、柱状に形成される。すなわち、この読み出しゲート電極１８は、半導体基板１０の表面から深さ方向に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２及び第１のフォトダイオードＰＤ１にかけて、縦型に形成されている。図３に示す各層の平面構成からわかるように、本実施形態例においては、読み出しゲート電極１８は画素を構成する第１のフォトダイオードＰＤ１及び第２のフォトダイオードＰＤ２の中心部に形成されている。また、ゲート絶縁膜１７は、読み出しゲート電極１８と半導体基板１０との間、及び、半導体基板１０の表面に延在して形成されている。
この柱状に形成された読み出しゲート電極１８は、半導体基板１０の表面側から第１のｐ型高濃度不純物領域１３に達する深さに柱状に形成された溝部に、ゲート絶縁膜１７を介して、ポリシリコンが埋め込まれることにより形成されるものである。ゲート絶縁膜１７としては、シリコン酸化膜等を用いることができる。

フローティングディフュージョン領域１６は、ｎ型の高濃度不純物領（ｎ^＋）により構成され、半導体基板１０の表面に形成される。

転送チャネル２０は、ｎ型の低濃度不純物領域（ｎ⁻）により構成され、ゲート絶縁膜１７を介して半導体基板１０内に形成される読み出しゲート電極１８に沿う一部分に形成されている。そしてこの転送チャネル２０は、フローティングディフュージョン領域１６及び、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を構成する第１及び第２のｎ型不純物領域１２，１４に接するように形成されている。そして、第２のｎ型不純物領域１４は、転送チャネル２０領域において読み出しゲート電極１８に、より近接するように設けられている。第２のｎ型不純物領域１４が、読み出しゲート電極１８とゲート絶縁膜１７を介して完全に接触してしまうと、接合容量が大きくなり、信号電荷が転送チャネル２０を転送される際に効率が下がる。しかしながら、第２のｎ型不純物領域１４を、読み出しゲート電極１８に接触させることなく、近接して構成することにより、第２のフォトダイオードＰＤ２の飽和電荷量をさらに増加させることが可能である。

この縦型トランジスタＴｒでは、読み出しゲート電極１８に正電圧が印加されることにより、転送チャネル２０のポテンシャル（電位）が変化する。このため、フォトダイオードＰＤを構成する第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された信号電荷が、転送チャネル２０内を転送されて、フローティングディフュージョン領域１６に読み出される。

図４に、本実施形態例の固体撮像装置の第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２、及びフローティングディフュージョン領域１６の不純物濃度を示す。図４の横軸は、半導体基板１０表面からの深さであり、縦軸は、不純物濃度である。

図４に示すように、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｎ型不純物領域（ｎ）１２の不純物濃度は、１０^１７／ｃｍ^３である。第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｐ型高濃度不純物領域（ｐ^＋）１３の不純物濃度は、１０^１７〜１０^１８／ｃｍ^３である。第２のフォトダイオードＰＤ２を構成する第２のｎ型不純物領域（ｎ）１４の不純物濃度は、１０^１７／ｃｍ^３である。第２のフォトダイオードＰＤ２を構成する第２のｐ型高濃度不純物領域（ｐ^＋）１５の不純物濃度は、１０^１８〜１０^１９／ｃｍ^３である。フローティングディフュージョン領域１６を構成するｎ型の高濃度不純物領域（ｎ^＋）の不純物濃度は、１０^２０／ｃｍ^３以上である。図４に示す不純物濃度は、対数表示であるため、第１のｎ型不純物領域１２と、第２のｎ型不純物領域１４のオーダーは同じであるが、実際には、第２のｎ型不純物領域１４の不純物濃度の方が２倍程度濃い。

図４に示す不純物濃度分布とすることにより、第２のｎ型不純物領域１４は完全空乏化される。第２のｎ型不純物領域１４を完全空乏化できる不純物濃度分布とすることにより、第２のｎ型不純物領域１４に蓄積される信号電荷が転送される際に、第２のｎ型不純物領域１４を再び完全空乏化することができるので、信号電荷を全て転送することができる。このように、第２のｎ型不純物領域１４を完全空乏化することにより、信号電荷の残留分が、次に蓄積される信号電荷に混じることがなくなり、残像を解消することができる。

また、図４に示す濃度分布にすることにより、半導体基板１０の深さ方向に形成された第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された信号電荷の、フローティングディフュージョン領域１６への読み出し効率を向上させることができる。

さらに、イオン注入により、複数層のｐ型不純物領域、ｎ型不純物領域を形成する際には、半導体基板１０の深い位置の不純物領域は広がり安く、濃度が薄くなる傾向にある。従って、本実施形態例のような不純物濃度分布は製造が容易である。

また、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成する第２のｎ型不純物領域１４を、読み出しゲート電極１８により近接するように形成することにより、読み出しゲート電極１８に近いところの不純物濃度が濃くなる。このため、電子を読み出しゲート電極１８に近いところにためることができ、転送が容易になる。

そして、本実施形態例では、この転送チャネル２０は、オーバーフローパス２１を兼ねるものである。オーバーフローパス２１とは、フォトダイオードＰＤへの信号電荷の蓄積時において、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた分の信号電荷を他方のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域１６に転送する為の経路として用いられるものである。すなわち、このオーバーフローパス２１により、フォトダイオードＰＤへの信号電荷の蓄積時に、第１、第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及びフローティングディフュージョン領域１６は、電気的に接続される。
ここで、本実施形態例では、一方のフォトダイオードを第１のフォトダイオードＰＤ１とすると、他方のフォトダイオードを第２のフォトダイオードＰＤ２とみることができる。

半導体基板１０の表面には、１画素を構成する他のＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域が、ｎ型高濃度不純物領域（ｎ^＋）１９により形成されている。このＭＯＳトランジスタとしては、例えば、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等が挙げられる。図２においては、１画素内に形成されるＭＯＳトランジスタを構成するソース・ドレイン領域を代表的に１つだけ図示することとする。

本実施形態例の固体撮像装置は、裏面照射型の固体撮像装置として用いてもよいし、表面照射型の固体撮像装置として用いてもよい。図５に、裏面照射型の固体撮像装置とした場合の概略断面構成を示す。

図５に示すように、半導体基板１０の表面側には、層間絶縁膜２９を介して、所望の配線層を形成する。図５に示す例では、３層の配線１Ｍ〜３Ｍが形成されている。また、コンタクト部を介して、所望の配線同士が接続されている。
半導体基板１０の裏面側には、フォトダイオードＰＤを構成するｎ⁻領域１１に接するように、ｐ型の高濃度不純物領域２５が形成される。さらに、半導体基板１０の裏面側には、例えば、ＳｉＮからなるパッシベーション膜２６、カラーフィルタ２７、オンチップレンズ２８が順に形成される。

［駆動方法］
以下に、本実施形態例の固体撮像装置を裏面照射型とした場合を例に、駆動方法を説明する。

まず、図５で示す固体撮像装置の裏面側、すなわち、オンチップレンズ２８側から光Ｌを照射する。そうすると、オンチップレンズ２８により集光された光は、カラーフィルタ２７を介して、フォトダイオードＰＤに入射される。

そして、フォトダイオードＰＤに入射した光は、ｎ⁻領域１１や、第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２において光電変換し、信号電荷が生成される。生成された信号電荷は、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｎ型不純物領域１２、又は、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成する第２のｎ型不純物領域１４に蓄積される。本実施形態例の固体撮像装置では、読み出しゲート電極１８の底部を、ゲート絶縁膜１７を介して第１のｐ型高濃度不純物領域１３に接触するように構成し、信号電荷の蓄積時に、読み出しゲート電極１８に、負電圧を印加しておく。そうすることにより、ゲート絶縁膜１７を介した読み出しゲート電極１８の底部には、ホールがピン留めされる。このように、ホールがピン留めされる、ホールピニングが起こることにより、信号電荷の蓄積時において、読み出しゲート電極１８及びゲート絶縁膜１７底部から入る暗電流ノイズを第１のｐ型高濃度不純物領域１３内に閉じ込めることができる。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２に到達する暗電流を低減することができる。

図６Ａ〜Ｅに、図２のＰ−Ｐ’線上に沿う電位分布図を示し、信号電荷の蓄積時において第１のｎ型不純物領域１２、第２のｎ型不純物領域１４で構成される電位の井戸に蓄積される信号電荷の様子を示す。本実施形態例の固体撮像装置では、図６Ａ〜Ｅに示すように、半導体基板１０の深い側に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１の方が、第２のフォトダイオードＰＤ２よりもポテンシャルが高い。また、第１のフォトダイオードＰＤ１で形成される電位の井戸は、第２のフォトダイオードＰＤ２で形成される電位の井戸よりも浅い。

フォトダイオードＰＤにおける光電変換により生成された信号電荷は、図６Ａに示すように、まず、第１のｎ型不純物領域１２で構成される電位の井戸に蓄積される。そして、強い光が照射された場合には、生成される信号電荷は多くなり、第１のｎ型不純物領域１２の飽和電荷量を超える。そうした場合に、図６Ｂに示すように、第１のｎ型不純物領域１２で構成される電位の井戸からあふれた信号電荷ｅは、オーバーフローパス２１を通って、第２のｎ型不純物領域１４で構成される電位の井戸に転送される。このとき、図６Ａ〜Ｅに示すようなポテンシャルを有するので、第１のｎ型不純物領域１２の飽和電荷量を超える信号電荷ｅは、第２のｎ型不純物領域１４に完全転送される。

そして、図６Ｃに示すように、第１のｎ型不純物領域１２で構成される電位の井戸の飽和電荷量をも超えた信号電荷ｅは、フローティングディフュージョン領域１６に転送される。そうすると、図６Ｄに示すように、フローティングディフュージョン領域１６に転送された信号電荷ｅは、フローティングディフュージョン領域１６に印加されたリセット電圧によりリセットされる。すなわち、本実施形態例では、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の飽和電荷量を超えた信号電荷ｅは、フローティングディフュージョン領域１６に転送され、そこにおいて、リセットされる。

信号電荷の蓄積後、読み出しゲート電極１８に、正電圧を印加する。そうすると、図６Ｅに示すように、オーバーフローパス２１を兼ねる転送チャネル２０の電位が深くなる。これにより、第１のｎ型不純物領域１２、第２のｎ型不純物領域１４に蓄積された信号電荷は、転送チャネル２０を転送されフローティングディフュージョン領域１６に同時に読み出される。

その後の駆動方法は、通常の固体撮像装置の駆動と同様である。すなわち、フローティングディフュージョン領域１６に信号電荷が転送され、そのフローティングディフュージョン領域１６の電圧変化を、図示しない増幅トランジスタで増幅して出力する。

本実施形態例の固体撮像装置では、半導体基板１０の深さ方向に、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からなる２つのフォトダイオードが形成されている。そして、第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２、及びフローティングディフュージョン領域１６との間には、信号蓄積時において、信号電荷の転送が可能な、オーバーフローパス２１が形成されている。これにより、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えてあふれた信号電荷は、他のフォトダイオードに蓄積される。このような構成により、フォトダイオードＰＤ全体の飽和電荷量が増加する。このため、固体撮像装置の感度を向上させることが可能となる。
また、他のフォトダイオードによっても信号電荷があふれた場合には、フローティングディフュージョン領域１６に転送され、リセット電圧の印加によりリセットされる。

そして、本実施形態例の固体撮像装置では、フォトダイオードＰＤの深さ方向に埋め込まれた読み出しゲート電極１８を有する、縦型トランジスタＴｒが構成されている。これにより、半導体基板１０の深さ方向に形成された第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョン領域１６に完全転送することが可能となる。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１のフォトダイオードＰＤ１及び第２のフォトダイオードＰＤ２からなる２つのフォトダイオードによって構成される例としたが、２つ以上のフォトダイオードを、所望の数だけ、複数積層させることが可能である。画素サイズを微細化した場合でも、複数のフォトダイオードを積層させることにより、飽和電荷量（Ｑｓ）を増加させることができ、感度を向上させることができる。このため、飽和電荷量の増加や、感度を向上させながらも、画素サイズの微細化が容易であり、本実施形態例の構造は、画素サイズの微細化に有利である。また、飽和電荷量の増加が可能であり、ダイナミックレンジを大きくすることができるので、コントラストの向上が図られる。

さらに、裏面照射型の固体撮像装置とした場合には、固体撮像装置を構成する複数の画素トランジスタが構成される側と、光入射側は、反対側とされる。表面照射型とする場合は、半導体基板１０表面に開口面積が必要であるため、半導体基板１０表面に形成される画素トランジスタの形成位置は、制限される。しかしながら、裏面照射型の固体撮像装置とする場合、光入射側に、画素トランジスタや配線等が配されないので、フォトダイオードＰＤの面積を拡大させることができ、画素サイズの縮小時において、デザインルールの影響を受けない。さらに、表面側のフォトダイオードを、半導体基板１０の深くに形成可能であるので、半導体基板１０表面の欠陥準位の影響を低減することができる。

本実施形態例の固体撮像装置では、読み出しゲート電極１８及びゲート絶縁膜１７の底部が、第１のｐ型高濃度不純物領域に達する深さに形成される例とした。しかしながら、読み出しゲート電極１８は、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷を読み出すことが可能な深さにまで形成されればよい。例えば、第１のｎ型不純物領域１２と第１のｐ型高濃度不純物領域１３の接合面に達するように形成することもできる。しかしながら、読み出しゲート電極１８と、ｎ型不純物領域とが接する場合には、信号電荷の読み出し時に、結合容量が大きくなるため、読み出し効率が低下する。本実施形態例のように、読み出しゲート電極１８及びゲート絶縁膜１７の底部が、ｎ型不純物領域と接触しないように構成することにより、読み出し効率を向上させることができる。

なお、本実施形態例では、図７に示すように、半導体基板１０の深さ方向に形成されるフォトダイオードＰＤのうち、第２のｎ型不純物領域１４を、第１の及び第２のｐ型高濃度不純物領域１３，１５と同様の距離だけ、読み出しゲート電極１８から離して形成する例としてもよい。

〈第２の実形形態〉
［固体撮像装置の構成］
図８に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図８において、図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置は、オーバーフローパス２２を、第１のｐ型高濃度不純物領域１３、及び第２のｐ型高濃度不純物領域１５の一部に形成したｎ型不純物領域で構成する例である。このオーバーフローパス２２は、第１及び第２のｐ型高濃度不純物領域１３の一部にｎ型不純物をイオン注入することにより形成される。第１のｐ型高濃度不純物領域に形成されたｎ型不純物領域は、第１のｎ型不純物領域１２と、第２のｎ型不純物領域１４とを電気的に接続するものである。また、第２のｐ型高濃度不純物領域１５に形成されたｎ型不純物領域は、第２のｎ型不純物領域１４と、フローティングディフュージョン領域１６とを電気的に接続するものである。

本実施形態例の固体撮像装置では、信号電荷の蓄積時に、第１のｎ型不純物領域１２で構成される電位の井戸からあふれた信号電荷は、第１のｐ型高濃度不純物領域１３に形成されたオーバーフローパス２２を通って第２のｎ型不純物領域１４に蓄積される。そして、第２のｎ型不純物領域１４で構成される電位の井戸においてもあふれた信号電荷は、第２のｐ型高濃度不純物領域１５に形成されたオーバーフローパス２２を通って、フローティングディフュージョン領域１６に転送され、ここにおいてリセットされる。

そして、信号電荷の蓄積後、読み出しゲート電極１８に、正電圧を印加する。そうすると、第１の実施形態と同様、オーバーフローパス２１を兼ねる転送チャネル２０の電位が深くなる。これにより、第１のｎ型不純物領域１２、第２のｎ型不純物領域１４に蓄積された信号電荷は、転送チャネル２０を転送されフローティングディフュージョン領域１６に同時に読み出される。

本実施形態例の固体撮像装置においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。本実施形態例では、オーバーフローパス２２をｎ型不純物領域で構成する例としたが、電荷信号の蓄積時において、あふれた信号電荷を転送することができる電位を有する領域であればよく、ｐ型低不純物領域で構成することもできる。

本発明のオーバーフローパスの構成は、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態におけるオーバーフローパスの構成に限定されるものではない。信号電荷の蓄積時において、複数のフォトダイオード間において、それぞれのフォトダイオードの飽和電荷量を超えてあふれた信号電荷を転送できる構成であればよい。

上述した固体撮像装置の実施形態例では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はイメージセンサへの適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。

また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置に適用可能である。また、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、画素アレイ部の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限らない。例えば、画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。

また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。

〈第３の実施形態〉
［電子機器］
以下に、上述した本発明の固体撮像装置を、電子機器に用いた場合の実施形態を示す。以下の説明では、一例として、カメラに、第１の実施形態また、第２の実施形態で説明した固体撮像装置を用いる例を説明する。

図９に、本発明の第３の実施形態に係るカメラの概略断面構成を示す。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。
本実施形態に係るカメラは、固体撮像装置１と、光学レンズ１１０と、シャッタ装置１１１と、駆動回路１１２と、信号処理回路１１３とを有する。

光学レンズ１１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。この光学レンズ１１０は、複数の光学レンズから構成される光学レンズ系としてもよい。
シャッタ装置１１１は、固体撮像装置１への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路１１２は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置１１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路１１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路１１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。

従来は、画素サイズの微細化により、開口率の低下によるフォトダイオードの飽和電荷量が低下してしまい、電子機器の小型化と、高画質化とは相反する関係であった。しかしながら、本実施形態例のカメラでは、固体撮像装置において、飽和電荷量（Ｑｓ）の増加や、感度の向上を図りながらも、画素サイズの微細化可能である。このため、電子機器の小型化が可能であり、かつ、より高画質化された電子機器を得ることができる。すなわち、電子機器の小型化、高解像度化、高画質化が可能とされる。

上述した第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置では、本発明を、信号電荷が電子である固体撮像装置に適用して説明したが、その他、信号電荷が正孔である固体撮像装置にも適用できる。その場合には、第１導電型が、ｎ型、第２導電型がｐ型として上述の例を実施することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面構成図である。 Ａ〜Ｄ 第１の実施形態に係る固体撮像装置のそれぞれの断面に沿う平面を見たときの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の不純物濃度分布図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を、裏面照射型に適用した場合の図である。 Ａ〜Ｄ 図２のｐ−ｐ’断面で見たときの電位と蓄積された信号電荷を模式的に示した図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の他の例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る電子機器（カメラ）の概略構成図である。

符号の説明

１・・固体撮像装置、２・・画素、３・・撮像領域、４・・垂直駆動回路、５・・カラム信号処理回路、６・・水平駆動回路、７・・出力回路、８・・制御回路、９・・垂直信号線、３１・・水平信号線、１０・・半導体基板、１１・・ｎ−領域、１２・・第１のｎ型不純物領域、１３・・第１のｐ型高濃度不純物領域、１４・・第２のｎ型不純物領域、１５・・第２のｐ型高濃度不純物領域、ＰＤ１・・第１のフォトダイオード、ＰＤ２・・第２のフォトダイオード、１７・・ゲート絶縁膜、１８・・読み出しゲート電極、２０・・転送チャネル、２１・・オーバーフローパス

Claims (10)

1. 半導体基板内の異なる深さに、第１導電型不純物領域と第２導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードと、
   前記半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成された縦型の電荷読み出しゲート電極と、前記複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、前記転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタと、
   フォトダイオードへの電荷蓄積時に、前記複数のフォトダイオード間、及び前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスと、
   を有する固体撮像装置。
2. 前記転送チャネルは、オーバーフローパスを兼ねる
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数のフォトダイオードは、前記半導体基板内に、第１導電型不純物領域及び第２導電型不純物領域を交互に複数積層することにより形成される
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記転送チャネルは、第２導電型不純物領域で構成され、前記読み出しゲート電極に沿って、前記フローティングディフュージョン及び、前記フォトダイオードを構成する全ての第２導電型不純物領域に接するように形成される
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記読み出しゲート電極の底部のゲート絶縁膜は、前記半導体基板内に形成される最下層のフォトダイオードを構成する第１導電型不純物領域に接するように形成される
   請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記オーバーフローパスは、前記フォトダイオードを構成する第１導電型不純物領域の一部に形成される
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記半導体基板の裏面側に、カラーフィルタと、オンチップレンズとを有し、前記半導体基板の裏面側から光が入射される
   請求項１記載の固体撮像装置。
8. 半導体基板内の深さ方向に複数形成されたフォトダイオードに光照射することにより、前記フォトダイオードに信号電荷を蓄積し、
   前記信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードにおいて飽和電荷量を超えた分の信号電荷を、オーバーフローパスを介して、他のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域に転送し、
   前記信号電荷の蓄積が終了したら、前記複数のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時に前記フローティングディフュージョン領域に転送する
   固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記信号電荷の蓄積時に、前記フローティングディフュージョン領域に信号電荷が転送された場合は、前記フローティングディフュージョン領域にリセット電圧を印加することにより、前記フローティングディフュージョン領域に蓄積された信号電荷をリセットする
   請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 光学レンズと、
    半導体基板内の異なる深さに、第１導電型不純物領域と第２導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成された縦型の電荷読み出しゲート電極と、前記複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、前記転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタと、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、前記複数のフォトダイオード間、及び前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスと、を有する固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
    を含む電子機器。

Images