JP5441986B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

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ものであり、特に画素ごと、も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）に関するものである。

ＡＰＳである固体撮像装置は、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。このような従来の固体撮像装置について、図１１〜１４を用いて説明する。

図１１は、従来技術における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図である。

図１２は、図１１において線Ｘ−Ｘに沿っての断面構造図である。

図１３は、図１２において線Ｙ−Ｙに沿っての濃度プロファイルである。

図１４は、図１１の固体撮像装置に用いた画素の等価回路図である。

図１４において、１２１は光を信号電荷に変換するフォトダイオードであり、１２２以下はフォトダイオードを駆動させ、あるいはフォトダイオード１２１の信号電荷を処理するための処理回路を示している。１２２はフォトダイオードで発生した信号電荷を転送する転送ＭＯＳトランジスタ、１２３は転送された信号電荷を一時的に蓄えておく浮遊拡散領域（「フローティングディフュージョン」ともいう）、１２４は浮遊拡散領域１２３及びフォトダイオード１２１をリセットするためのリセットＭＯＳトランジスタ、１２５は浮遊拡散領域１２３の信号電荷を電圧に変換してソースフォロワ型増幅器で増幅するソースフォロワＭＯＳトランジスタ、１２６はアレイ中の任意の１行を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ、１２７は１つの列で共通化され画素電圧信号を読み出す読み出し線である。各画素は、アレイ状に配置され固体撮像装置を構成する。

図１１，１２において、光電変換部のフォトダイオードは、Ｎ型基板１０１上のＰ型のウエル領域（以下、「ＰＷＬ」という）１０２とＮ領域１０３のＰＮ接合から成り、１０７は、Ｎ+領域であり、例えば、フォトダイオードで発生した信号電荷を増幅する回路の一部であるソースフォロワＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域となるＮ+領域である。

従来技術のＡＰＳにおいては、光電変換部であるフォトダイオードのＮ領域１０３を暗電流発生の大きな源の一つとして、Ｎ領域１０３の面全体で発生する成分のほかに、周辺部の分離層１０５近傍で発生する暗電流成分が存在する。この発生源である分離層１０５からフォトダイオードのＮ領域１０３を離すとともに、分離層１０５とフォトダイオードのＮ領域１０３の間にＰ型不純物濃度の高いＰ+ガード層（チャネルストップ層）１０４を配置していた。この目的は、フォトダイオードのＮ領域１０３から延びる空乏層を分離層に到達させないことである。このような構成の一例として、下記特許文献1がある。また、下記特許文献２においては、分離領域上のポリ配線の下において著しく発生電流が生じることが報告されており、このＰ+ガード層１０４は、ポリ配線（又はポリゲート）１０６が配置されている分離領域下のＰ型濃度を高くするとともに、Ｎ領域１０３への経路に対し、濃度障壁を形成し、暗電流抑制の効果がなされていた。

特開平１０−３０８５０７号公報 特開２００３−２５８２２９号公報

しかしながら、このようなＰ+ガード層を設けた場合においてもＰＷＬの濃度プロファイルを深くしフォトダイオードでの光電変換の量子効率を向上させるＰＷＬ構造を有した場合、暗電流が増加する問題が発生するという新たな技術課題を見出した。

具体的には、図１３に示すように、ＰＷＬ１１０２−１の濃度プロファイルから、ＰＷＬ２１０２−２にすることで暗電流が十数パーセントの割合で増加する。更にＰＷＬ３１０２−３のプロファイルにすると数十パーセントのオーダで暗電流が増加する。このことは、従来の空乏層が分離層に接するために暗電流が発生するという考え方からでは説明できない現象である。また、ウエルが深くなることによって、更に隣接画素からの漏れ込み電荷が増加する問題も発生していた。具体的には、飽和した画素からあふれだした電荷が隣の画素へと漏れ込むブルーミング現象の悪化や混色などの問題である。

そこで、本発明の目的は、Ｐ+ガード層を設けた場合においてもＰＷＬの濃度プロファイルを深くしフォトダイオードでの光電変換の量子効率を向上させるＰＷＬ構造を有した場合、暗電流、ブルーミング及び混色などを大幅に抑制することにある。

本発明の１つの側面は、複数の画素を含む固体撮像装置において、各画素は、第一導電型の半導体領域内に配された第二導電型の第一の不純物領域を含んで構成された光電変換部を含み、第一の画素における前記第一の不純物領域と前記第一の画素に隣接する第二の画素における前記第一の不純物領域との間であって前記半導体領域内に、前記第一の画素に含まれるトランジスタの一部を構成する第二導電型の第二の不純物領域が配置され、前記第二の不純物領域と前記第一の画素における前記第一の不純物領域との間の素子分離層の下に、前記半導体領域の濃度よりも不純物濃度が高い第一導電型の第三の不純物領域が配置され、前記第三の不純物領域の下に前記第三の不純物領域に接して第一導電型の第四の不純物領域が配置され、前記半導体領域は、第一の層と、前記第一の層の下に配置された第二の層とを含み、前記第三の不純物領域が前記第一の層の側方に配置され、前記第四の不純物領域が前記第二の層の側方に配置されており、前記第一の層と前記第二の層とは、それぞれ異なるエネルギ条件のイオン注入により作製され、前記第三の不純物領域は、前記第一の層と同一のエネルギ条件のイオン注入により作製され、前記第四の不純物領域は、前記第二の層と同一のエネルギ条件のイオン注入により作製される、ことを特徴とする。

本発明によれば、ＡＰＳ構造を有する固体撮像装置においてＰＷＬ構造に応じ、最適なＰ+ガード構造を提供し、暗電流、ブルーミング及び混色などを大幅に抑制することが可能となった。

本発明の実施形態１における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図 本発明の図１において線Ｘ−Ｘに沿っての断面構造図 本発明の実施形態２における固体撮像装置の画素の断面構造図 本発明の実施形態３における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図 暗電流、混色、ブルーミングが発生する経路を示す図 実施例１におけるＰＷＬの濃度プロファイル 実施例２における固体撮像装置の画素の断面構造図 実施例３におけるＰＷＬ及びＰ+ガード層の濃度プロファイル 濃度プロファイルを用いて実施例５を説明する図 実施例５における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図 従来技術における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図 図１１において線Ｘ−Ｘに沿っての断面構造図 図１２において線Ｙ−Ｙに沿っての濃度プロファイル 図１１に用いた画素の等価回路図 従来技術の課題を説明するための画素の断面構造図（ｉ） 従来技術の課題を説明するための画素の断面構造図（ii） 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

まず、本発明の原理及び手段について詳細に説明する。本発明者らは、上述の課題に対して鋭意検討した結果、次のような解決手段を見出した。

Ｐ+ガード層は、その濃度が濃いため、ＭＯＳトランジスタ側の分離層からは少し離して配置することが有用である。Ｐ+ガード層がＭＯＳトランジスタ側の分離層に接して配置された場合、狭チャンネル現象が生じ、ＭＯＳトランジスタの実効的なチャネル幅が減少し、微細な画素を形成するのが困難になるからである。したがって、そのレイアウト上の問題から、図１２に示すように、ポリ配線１０６下でもＰ+ガード層がない領域がどうしても残ってしまう。従来においては、この領域から発生した電流は、そのほとんどが経路２を通ってＭＯＳトランジスタのＮ+領域１０７に排出されると考えられていた。しかし、一部は経路３によりＮ型基板１０１に、またその一部がＰ+ガード層の下を通ってフォトダイオードのＮ領域１０３に排出されることを見出した。特に、深い濃度プロファイルを有するＰＷＬ構造において、経路４による暗電流が増加するというＰＷＬ構造と暗電流の関係を見出したのである。

更に詳しく説明する。例えば、ポリ配線１０６下で発生した電子のうち、１００（単位は任意）が経路２以外（経路３及び経路４）に流れる。例えば、ＰＷＬ１１０２−１の濃度プロファイルでは、この内９０が経路３に、残り１０が経路４に流れる。面全体で発生している暗電流成分にこの成分が上乗せされることになる。これに対し、ＰＷＬ２１０２−２の濃度プロファイルでは、例えば、８０が経路３に、残り２０が経路４に流れる。この結果暗電流成分が増加する。これに対し、ＰＷＬ３１０２−３の構造では、深い部分に濃度障壁ができるため、経路３が大幅に減少し、この結果経路４は例えば５０程度にまで増加する場合がある。

以下、本発明の具体的な実施形態について説明するが、従来の装置と共通する部分については同じ符号を用いる。なお、本明細書では、材料基板である半導体基板を「基板」と表現しているが、このような基板が処理されて、例えば、１又は複数の半導体領域等が形成された状態の部材、又は、一連の製造工程を途中にある部材、又は、一連の製造工程を経た部材を基板と呼ぶこともできる。また、基板内の不純物領域の位置関係において、深いとは半導体素子が形成された一主面もしくは受光面を基準にして基板の深さ方向の距離を指す。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図である。

図２は、図１において線Ｘ−Ｘに沿っての断面構造図である。

図２において、２０４は実施形態１に特有のＰ+ガード層である。

本発明は、図２に示すように、以下の構造をとることで上述の暗電流発生のモデルによって暗電流を大幅に減少させるものである。そのような構成としては、（イ）Ｐ+ガード層２０４をＮ型基板１０１近傍まで延在させ、かつ（ロ）Ｐ+ガード層２０４と隣接する画素のＰ+ガード層２０４の間にＮ+領域１０７を配置する構成である。このＮ+領域１０７は、例えば信号電荷の増幅に用いるソースフォロワＭＯＳトランジスタなどのソース・ドレイン領域となるＮ+領域である。この場合には、増幅部が画素間に形成された形となる。

なお、ここではＰ+ガード層、Ｎ+領域としているが、これは、Ｐ+ガード層に関しては光電変換部を形成する１０３で示される領域と反対導電型の不純物領域であればよく、Ｎ+領域とは該不純物領域の反対導電型の不純物領域であればよい。ここで図１には、複数の画素（図では２×２＝４画素）が形成されている。

（イ）の構造は、図２における経路４への流れを抑制し、（ロ）の構造は、経路２への流れを促し、結果的に経路４への流れを減少させるものである。

特に、図１３で示したようなＰＷＬの濃度プロファイルＰＷＬ３１０２−３（濃度プロファイルが従来のものよりも深い、または深い位置に濃度のピークを有する(リトログレードウエル構造)）においては、特に、経路３が大幅に抑制されることから、元来経路３に流れるはずの電子が行き場を無くし、経路４に流れるケースが増えてくる。これに対して、（イ）の構造だけではなく、（ロ）の構造を併せ持った構成によって経路４を大幅に抑えることが可能となる。

図１５，１６は、従来技術の課題を説明するための画素の断面構造図（ｉ），（ii）である。

図１６に示すように、右の画素の右側の素子分離部にＮ+領域を配置しなければ、発生電子を吸い込む場所がないため、最終的にはフォトダイオードのＮ領域１０３に流れ込んでしまう。また、図１６中央にあるような、Ｐガード層を１０４−１のように配置しても、閉じ込め効果がないため、やはりフォトダイオードのＮ領域１０３に流れ込んでしまう。

次に、隣接画素からの漏れ込み電荷が増加する現象について、図１５，１６を用いて説明する。

浅いＰＷＬ構造においては、図１５の経路６は考える必要はなく、経路５が主であった。経路５においては、Ｎ+領域を設ければ、該領域に吸い込まれるため、ブルーミング現象や混色はきわめて小さいものであった。

これに対し、深いＰＷＬ構造を採用することで、経路６が生じる割合が増加する。特に図１３のＰＷＬ３１０２−３のような構造にすると、濃度の障壁があるため暗電流のＮ型基板１０１への経路が抑制されるため、経路６を通って隣接画素へ流れ込む電荷が増大する。前述の（イ）の構造は、隣接画素へ流れ込む際にＰ+ガード層が濃度障壁となり、隣接画素への漏れ込みを抑制する。図１６を用いて説明すると、図の中央部に示す構造においてＰガード層１０４−１でもその機能は有するものの、Ｐガード層１０４−１がＭＯＳトランジスタのウエルを兼ねるため濃度設定の自由度が低くなる。

これに対して、本発明の図２に示す構造によって、すなわち、画素間のＮ+領域が形成されるＰウエルがＰ+ガード層によって挟まれる構造によって、隣接画素に漏れ込むには２重の濃度障壁を越える必要があり、更に隣接画素のＰ+ガード層２０４の濃度障壁を越えるまえにＮ+領域１０７が存在するため、暗電流がこのＮ+領域１０７に吸い込まれることにより、Ｐ+ガード層２０４の濃度障壁を越える頻度が大幅に抑制される。

［実施形態２］
図３は、実施形態２における固体撮像装置の画素の断面構造図である。

図３に示す構造では、Ｐ+ガード層３０４の下部に、光電変換部と隣接する画素の光電変換部との間に、ＭＯＳトランジスタの下部にわたって配置されたＰ+ガード層３０４１を有する。Ｐ+ガード層３０４−１は、ＭＯＳトランジスタのウエルとは別に濃度設定しており高い濃度障壁を設けることができる。濃度障壁を越えたわずかな電荷もＰ+ガード層３０４−１の濃度プロファイルを最適化することで、Ｎ+領域１０７への排出を促し、隣接画素への漏れ込みを更に抑制することが可能である。

［実施形態３］
図４は、実施形態３における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図である。

図４に示すように、Ｐ+ガード層４０４を環状とし、その中に光電変換部と電荷電圧変換部（浮遊拡散領域）が含まれるように配置すると更に暗電流、ブルーミング及び混色などを更に抑制された固体撮像装置を提供することができる。

図５は、暗電流、混色、ブルーミングが発生する経路を示す図である。

図５に示すように、Ｐ+ガード層５０４を前述のように配置すると、経路４−１、経路６−１が残り、わずかではあるが暗電流、ブルーミング及び混色が残るが、図４に示すような構造をとると、Ｐ+ガード層４０４により経路４−１、経路６−１が抑制されるとともに、Ｐ+ガード層４０４で覆われた領域内に電荷電圧変換部を配置することで過剰電荷、暗電流電荷の排出先にすることができる。更にはこの部分を蓄積期間中固定電圧に設定することでより能力の高い排出口にすることができる。この排出口がない場合、濃度障壁により障壁は高くなり、経路は抑制されるものの、過剰に電荷が発生した場合は、この濃度障壁すらも越えて隣接画素に流れ込んでしまう。この排出口を設けることで過剰な電荷が排出され、経路４−１、経路６−１を大幅に抑制することができる。

すなわち、本発明において重要なことは、濃度障壁を設けるだけでなく、電荷の排出口を設け、その排出口へ流れ易い構造を設けることである。

本実施例は、ウエル内に光電変換部及び増幅部を設けた構成となっている。

図６は、本実施例におけるＰＷＬの濃度プロファイルである。

図６（ａ）中濃度プロファイルＰＷＬ１６０２−１は、従来のＰＷＬ構造であり、ＰＷＬ２６０２−２は、本実施例のＰＷＬ構造である。従来のウエル構造に比べて深くすることによって、より深い部分で発生したキャリアをフォトダイオードに捕獲することができるため、感度向上をさせることが可能となる。

本発明のように、暗電流や混色などの問題が性能に影響するのは、概ねデジタルカメラやビデオなどに搭載される、可視光センサである。可視光センサにおいては、人間の視感度に重きをおいて設計され、好ましくは半導体層での分光感度のピークが波長＝５５０ｎｍ近傍になるようにする。すなわち、図６（ａ）に示す光信号分水嶺が約４μｍ程度になるのが理想となる。

従って、本発明はその性能上特に可視光センサに有効でありＰＷＬの深さは理想的には、４μｍであり、その実質的な適用範囲は１〜６μｍ程度が目安となる。

図６（ｂ）は、Ｐ+ガード層の濃度プロファイルである。ＰＷＬ構造が深くなったことで従来からある表面からの第１のＰ+ガード領域６０４−１では図中Ｃに示す「光電荷がＮ領域１０３に流れる境界深さ（光信号分水嶺）」にまで達しない。そこで、本実施例においては、第２のＰ+ガード領域６０４−２を設けた。

第１のＰ+ガード層を「Ｃ」まで延在させるには、横への広がりが問題となり、画素の微細化が困難である。この横広がりの影響でフォトダイオードのＮ領域が実質的に小さくなるため、本実施例においては、第１のＰ+ガード領域より深い位置に第１のＰ+ガード領域形成とは異なるイオン注入エネルギで第２のＰ+ガード領域を形成した。

この結果、暗電流は、次の表１に示すような比率で改善した。

このように、本実施形態によれば、ＰＷＬを深くすることによって、フォトダイオードで捕獲できるキャリアを増加させることによって感度を向上させるような構成においても、暗電流を浅い場合とほぼ同じレベルにまで低減させることが可能となった。

図７は、実施例２における固体撮像装置の画素の断面構造図である。

図７において、Ｐ+ガード層７０４、Ｐ+ガード層７０４−１を形成した場合と、Ｐ+ガード層７０４、Ｐ+ガード層７０４−１、Ｐ+ガード層７０４−２を形成した場合について説明する。

本実施例の特徴は、Ｐ+ガード層７０４、Ｐ+ガード層７０４−１、Ｐ+ガード層７０４−２のそれぞれの幅が、（Ｐ+ガード層７０４）＜（Ｐ+ガード層７０４−１）＜（Ｐ+ガード層７０４−２）という関係にあることである。好ましくは、実施例１の通り、第２のＰ+ガード領域（Ｐ+ガード層７０４−１）が「Ｃ」まで到達していることであるが、この第２のＰ+ガード領域が「Ｃ」まで到達していなくとも、この第２のＰ+ガード領域を第１のＰ+ガード領域とは別の工程（異なるイオン注入条件を含む）で形成するだけで効果的な特性改善が見られた。第１のＰ+ガード領域にあたるＰ+ガード層７０４は、ＭＯＳトランジスタやフォトダイオードのＮ領域に接することから、その幅や濃度にも制限があり、十分に大きくとることができなかった。

この制限を有した状態で、第１のＰ+ガード領域を深い方向に延在させるのに比べて、本実施例においては、Ｐ+ガード層７０４−１をＰ+ガード層７０４とは別に設けることで前述のＭＯＳトランジスタやフォトダイオードの性能を劣化させることなく濃度及び幅を設定することが可能になった。すなわち、Ｐ+ガード層７０４−１の濃度をＰ+ガード層７０４の濃度よりも高くまた、幅も広く設定することが可能になった。幅を広く設定する手法としては、別マスクにより実施した。また、Ｐ+ガード層７０４と同一マスクで行う場合には、Ｐ+ガード層７０４−１の形成の際には斜めイオン注入法を用いて実施すればよい。

この結果、暗電流及び混色率は、次の表２に示すような比率で改善した。

また、Ｐ+ガード層７０４−２は、増幅部の下にも配置されている。更には、フォトダイオードのＮ領域の下の一部まで及んでいる。本実施例の特徴は、構造的には、深い位置にある光電荷がフォトダイオードのＮ領域１０３に、暗電流電荷や混色電荷などの画像形成には用いない電荷をＮ+領域１０７に正しく捕獲、排出する構造となっている。加えて、製造上の観点からも好適である。すなわち、深い位置にＰ+ガード層を設ける場合に高エネルギでイオン注入を行う必要があるが、その際はレジストを厚くしなければならない。この結果必然的に解像能力が劣化し、細かい解像が困難になる。本実施例の構造を用いれば、前述の製造上の問題も回避できる。

図３に示す構造でもその効果を確認した。すなわち、実質的には、図３の構造でも十分にその効果を得ることができる。しかし、前述したとおり図７の構造を適用することで更に大きな効果を得ることができる。また、その適用範囲を広げることができる。

図８は、実施例３におけるＰＷＬ及びＰ+ガード層の濃度プロファイル図である。

図８（ａ）は、本実施例のＰＷＬ構造の濃度プロファイルを示す。図に示すとおりＰＷＬをエネルギの異なる複数のイオン注入を繰り返し作製したものであり、ＰＷＬ３８０２−３，ＰＷＬ４８０２−４は、複数の不純物濃度ピークを持った複数のウエルから形成されている。

図８（ｂ）は、Ｐ+ガード層の濃度プロファイルを示したものである。ＰＷＬと同一の注入エネルギ条件で作製した。作製工程は、ＰＷＬ及びＰ+ガード層のイオン注入後に分離層を形成するために、ＬＯＣＯＳ法で作製した。８０４−１〜８０４−４は、それぞれ第１〜４のＰ+ガード領域を示している。図８（ｂ）の細線は図８（ａ）における８０２−４ＰＷＬ４を示す。

また、図８（ｃ）は、図８（ｂ）と同一の注入エネルギ条件であるものの、ＬＯＣＯＳ法による分離層を形成した後に、ＰＷＬ及びＰ+ガード層のイオン注入を行って作製した。いずれも、暗電流、ブルーミング及び混色などを大幅に抑制された良好な特性が得られた。特に、（ｃ）においては、ＰＷＬのプロファイルにおいて、濃度に山や谷が存在し、電荷が滞在し易い谷の部分の濃度障壁を高くすることができた。

更に、本実施例においては第４のＰ+ガード領域８０４−４は、光信号分水嶺に達していないが、図中に示す通りＰ+ガード領域が不足している領域で発生した光電荷は、その濃度勾配のため、直ちに濃度の低いＰＷＬに流れ込むため、この部分での隣接画素への漏れ込みは十分小さく、本実施例に示すような構造でも、十分に抑制効果があることが確認できた。

本実施例には、もう一つ大きな特徴がある。ＰＷＬ及びＰ+ガード層を複数回のイオン注入工程で形成することにより、各深さで適切な濃度を選択し、より高いセンサ性能を引き出すことができることである。具体的には、図中フォトダイオードのＮ領域１０３下部にある濃度の高いＰ型の不純物層である。この不純物層は、フォトダイオードの取り扱い電荷量を多く得るためには、５Ｅ１６ｃｍ^−３以上の濃度が好適である。また、最も深く位置するＰ型の不純物層は、感度向上のためには１Ｅ１７ｃｍ^−３以上が好適である。加えてそれらの中間にあるＰ型の不純物層は最も深く位置するＰ型の不純物層に比べ１／５から１／１０の濃度が信号電荷をフォトダイオードに流し込むには好適である。

また、このようにセンサ性能向上するために、設計されたＰＷＬ構造に対しＰ+ガード層もＰＷＬ構造に対応して、設計する必要があり、本実施例のように第１のＰ+ガード領域とは独立に第２及び第３のガード領域を設けることが、複数のピークを有する、複数のウエルを有するセンサの性能向上のためには特に有効である。

図８（ａ）〜（ｃ）において各濃度の概ねの値について述べる。図中ＰＷＬはトランジスタとも共存する必要から表面濃度で１Ｅ１６〜３Ｅ１７ｃｍ^−３、最も深い位置にあるＰＷＬの濃度は最大でも１Ｅ１８ｃｍ^−３であり、中間のＰＷＬはその値より小さい値であり、好ましくは１／２以下である。ただし、１／２以下でなくとも、改善の傾向は得られるものである。上記構造により、より効率的に光電荷をフォトダイオードに集めることができる。加えて、このガード領域は、好ましくはそれぞれのＰＷＬに対し２倍以上の濃度が高いとより効果的である。しかし、濃度を高くすることで改善の傾向は得られるものである。

本実施例は、図４の実施形態３に対応するものである。

濃度プロファイルは、図８（ｃ）と同様な条件で作製した。

この結果、暗電流等は、次の表３に示すような比率で改善した。

本実施例においては、図４のような画素レイアウトを採用することで、図５に示す経路を抑えることができ、図１の深いガード層を有するものに比べて、更にセンサ特性を改善することができた。なお、表で示す深いガード層とは、複数回のイオン注入工程で形成された８０４-２〜４の少なくともいずれか一つである。

実施例３で述べた構成について、本実施例を用い更に詳細に説明する。

図９は、濃度プロファイルを用いて実施例５を説明する図である。

入射光により深い位置で発生した光電荷は、濃度が無限に一様であれば、ほぼ等方的に拡散輸送により広がっていく。すなわち、発生した光電荷は過剰電荷であるため、その過剰キャリアを一様にするために等方的に広がる。図９において、９０１は基板の不純物濃度、９０２−４はＰＷＬの不純物濃度、９０３は光電変換部を形成するＮ型領域の不純物濃度を示す。９０４−４はＰ+ガード層（以下、「ガードリング」という）の不純物濃度、９０８は光電変換部のＮ型領域の表面に形成されたＰ型不純物領域の不純物濃度を示す。

実際は、これに対し、フォトダイオード側がフォトダイオードのＰＮ接合により空乏化しており、電子濃度が低いため、この電子濃度差により拡散輸送による電流量は増加する。このため、大部分の光キャリアがフォトダイオードに到達するわけであるが、数％が隣接画素へ漏れ込んでしまう。これを抑制するためには、他の輸送機構でフォトダイオードに流れ易くする必要がある。そこで、本実施例においては、不純物濃度に勾配をつけることで、ポテンシャル勾配を形成し、その電界によりフォトダイオード側に流れるようにする。

拡散電流は、Ｄ×（ｄｎ／ｄｘ） Ｄは拡散定数、ｎはキャリア濃度を表す。

ドリフト電流は、μ×ｎ×Ｅ Ｅは電界を表す。

また、一般的な光によるキャリアの発生量は概ね〜１０万電子／画素／秒であることを考慮すれば、概ね一桁程度の不純物の濃度勾配を設ければ十分な効果が得られる。

図９において、図中、実線はフォトダイオード下の濃度プロファイルであり、破線は本実施例のガードリングの濃度プロファイルである。

図９（ａ）の構造では、概ね混色は抑制されるものの、わずかな量が領域Ｆを介して、隣接画素へ漏れ込んでしまう場合がある。混色をより抑制するためには、（ｂ）のようにガードリングを位置Ｃ近傍まで深くする必要がある。このためには、ガードリングを高エネルギでイオン注入する必要がある。すなわち膜厚が厚いレジストでかつ微細なパターニングを必要とする。これに対し、図９（ｃ）のように、濃度差を深い位置に集中させ、その分中間層の濃度勾配を小さく抑えその領域での混色は深いガードリングで抑制する構造とすることによって、簡易なプロセスで混色を低減できる。

すなわち、フォトダイオードの濃度プロファイルを大きく３つの領域に分け、
（１）濃度勾配の大きい深い領域（好ましくは１桁／１．５μｍ）
（２）濃度勾配のないもしくは小さい中間領域
（３）フォトダイオードのある浅い領域
このような構成にすることにより、深い部分では、ポテンシャル勾配により横方向への拡散が抑えられ、中間層はガードリングで混色を抑制することが可能となる。具体的には、Ｃを３．５μｍとし、ボロン約２．５ＭｅＶのイオン注入で形成し、ピークの濃度を２Ｅ１７ｃｍ^−３程度とした。約２μｍ程度の位置で中間領域となりボロン約１．５ＭｅＶのイオン注入で深いガードリングを形成した。この効果として、深いガードリングを、比較的容易な中程度のイオン注入で、高い混色抑制力を得ることができた。

次に、中間領域のガードリングの濃度であるが、フォトダイオード下の濃度に対し、ガードリング幅１μｍに対し、少なくとも約５倍、この好ましくは約１０倍程度の濃度を有することで約１％以下の混色までに抑制することが可能である。この深いガードリングは、表面デバイスであるＭＯＳトランジスタ下などにも配置することも可能であり、それは従来の浅い位置のガードリングに比べ、同じ濃度であればより高い抑止効果を得ることができる。また同じ抑止効果であれば、白キズやトランジスタへのダメージを抑制するために濃度を抑えることが可能となる。

本実施例においては、ＭＯＳトランジスタなどの電極の下にも深いガードリングを設けることでより高い混色抑止効果を得られることであるが、断面構造として、その電極が必須というわけではなく、そのどこか一部にＮ+の電極が配置されていればよい。幅広いガードリングを配置することだけでも混色抑止効果を有する。

図１０は、実施例５における固体撮像装置の画素の平面レイアウト図である。

１１０３はフォトダイオードのＮ領域、１１０４はガードリング、１１０６はポリシリコン配線、１１０５は浮遊拡散領域、１１０７はＮ+領域、すなわちＭＯＳトランジスタの電極領域である。領域Ａや領域ＢはＭＯＳトランジスタなどの電極が配置されてない領域ではあるものの、この領域下にも幅の広い深いガードリングを配置することで、本発明による混色抑止効果を十分に得られる。その深いガードリング領域の一部にでもＮ+の電極が配置されていれば、最終的に混色の原因となるキャリアはその電極に流れる。

［カメラ本体への応用］
図１５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の例を示した図である。

撮影レンズ１００２の手前にはシャッタ１００１があり、露出を制御する。絞り１００３により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置１００４に結像させる。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。

１０１…Ｎ型基板
１０２…ＰＷＬ
１０３…Ｎ領域
２０４…Ｐ+ガード層
１０５…分離層
１０６…ポリ配線
１０７…Ｎ+領域
１０８…表面Ｐ+ガード層

Claims (13)

1. 複数の画素を含む固体撮像装置において、
   各画素は、第一導電型の半導体領域内に配された第二導電型の第一の不純物領域を含んで構成された光電変換部を含み、
   第一の画素における前記第一の不純物領域と前記第一の画素に隣接する第二の画素における前記第一の不純物領域との間であって前記半導体領域内に、前記第一の画素に含まれるトランジスタの一部を構成する第二導電型の第二の不純物領域が配置され、
   前記第二の不純物領域と前記第一の画素における前記第一の不純物領域との間の素子分離層の下に、前記半導体領域の濃度よりも不純物濃度が高い第一導電型の第三の不純物領域が配置され、
   前記第三の不純物領域の下に前記第三の不純物領域に接して第一導電型の第四の不純物領域が配置され、
   前記半導体領域は、第一の層と、前記第一の層の下に配置された第二の層とを含み、前記第三の不純物領域が前記第一の層の側方に配置され、前記第四の不純物領域が前記第二の層の側方に配置されており、
   前記第一の層と前記第二の層とは、それぞれ異なるエネルギ条件のイオン注入により作製され、
   前記第三の不純物領域は、前記第一の層と同一のエネルギ条件のイオン注入により作製され、
   前記第四の不純物領域は、前記第二の層と同一のエネルギ条件のイオン注入により作製される、ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記トランジスタは、前記第一の不純物領域で発生した信号電荷を増幅する増幅部を構成する、ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第四の不純物領域は、前記第二の不純物領域の下方に延在する部分を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記トランジスタの入力端子には、信号電荷を電圧変換する電荷電圧変換部が接続されており、
   前記第三および第四の不純物領域は、前記第一の不純物領域および前記電荷電圧変換部を、それらを含む領域の側方から全周的に囲むように配置されている、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装置。
5. 前記第四の不純物領域は、複数の不純物層から成る、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第四の不純物領域の幅は、前記第三の不純物領域の幅よりも大きい、ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 複数の画素を含む固体撮像装置において、
   各画素は、第一導電型の半導体領域内に形成された第二導電型の第一の不純物領域を含んで構成された光電変換部を含み、
   第一の画素における前記第一の不純物領域と前記第一の画素に隣接する第二の画素における前記第一の不純物領域との間であって前記半導体領域内に、前記第一の画素に含まれるトランジスタの一部を構成する第二導電型の第二の不純物領域が配置され、
   前記第二の不純物領域と前記第一の画素における前記第一の不純物領域との間の素子分離層の下に、前記半導体領域の濃度よりも不純物濃度が高い第一導電型の第三の不純物領域が配置され、
   前記第三の不純物領域の下に前記第三の不純物領域に接して第一導電型の第四の不純物領域が配置され、
   前記半導体領域は、第一の層と、前記第一の層の下に配置された第二の層とを含み、前記第三の不純物領域が前記第一の層の側方に配置され、前記第四の不純物領域が前記第二の層の側方に配置されており、
   前記第一の層と前記第二の層とは、それぞれ異なるエネルギ条件のイオン注入により作製され、
   前記第三の不純物領域と前記第四の不純物領域とは、それぞれ異なるエネルギ条件のイオン注入により作製され、
   前記第一の層の不純物濃度ピークの高さは、前記第二の層の不純物濃度ピークの高さよりも高く、
   前記第三の不純物領域の不純物濃度ピークの高さは、前記第一の層の不純物濃度のピークの高さよりも高く、
   前記第四の不純物領域の不純物濃度ピークの高さは、前記第二の層の不純物濃度のピークの高さよりも高い、ことを特徴とする固体撮像装置。
8. 前記トランジスタは、前記第一の不純物領域で発生した信号電荷を増幅する増幅部を構成する、ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 前記第四の不純物領域は、前記第二の不純物領域の下方に延在する部分を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の固体撮像装置。
10. 前記トランジスタの入力端子には、信号電荷を電圧変換する電荷電圧変換部が接続されており、
    前記第三および第四の不純物領域は、前記第一の不純物領域および前記電荷電圧変換部を、それらを含む領域の側方から全周的に囲むように配置されている、ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記第四の不純物領域は、複数の不純物層から成る、ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記第四の不純物領域の幅は、前記第三の不純物領域の幅よりも大きい、ことを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    該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。

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