特許 7454789 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-14

(45)【発行日】2024-03-25

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240315BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H01L27/146 E

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019142361

(22)【出願日】2019-08-01

(65)【公開番号】P2020043332

(43)【公開日】2020-03-19

【審査請求日】2022-05-13

(31)【優先権主張番号】P 2018167085

(32)【優先日】2018-09-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004314

【氏名又は名称】弁理士法人青藍国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100168273

【弁理士】

【氏名又は名称】古田 昌稔

(72)【発明者】

【氏名】平瀬 順司

(72)【発明者】

【氏名】高見 義則

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 好弘

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１６８８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２３８６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２０２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５７８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６３２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５２６６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型の第１領域を含む半導体層と、
前記第１領域に電気的に接続され、入射光を正孔に変換する光電変換部と、
第１ソース、第１ドレイン、ｐ型の第１チャンネル領域および前記第１チャンネル領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、
第２ソース、第２ドレイン、ｐ型の第２チャンネル領域および前記第２チャンネル領域の上方に位置するｐ型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
を備え、
前記第２チャンネル領域において前記第１領域から所定距離離れた位置であって、かつ前記第２ゲートの下方の領域におけるｐ型不純物の濃度は、前記第１チャンネル領域において前記第１領域から前記所定距離離れた位置であって、かつ前記第１ゲートの下方の領域におけるｐ型不純物の濃度よりも高い、
撮像装置。

【請求項2】

ｎ型の第１領域を含む半導体層と、
前記第１領域に電気的に接続され、入射光を正孔に変換する光電変換部と、
第１ソース、第１ドレイン、ｐ型の第１チャンネル領域および前記第１チャンネル領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、
第２ソース、第２ドレイン、ｐ型の第２チャンネル領域および前記第２チャンネル領域の上方に位置するｐ型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
を備え、
前記第２チャンネル領域におけるｐ型不純物の濃度の平均値は、前記第１チャンネル領域におけるｐ型不純物の濃度の平均値よりも高い、
撮像装置。

【請求項3】

前記第２チャンネル領域に含まれる前記ｐ型不純物は、前記第１チャンネル領域に含まれる前記ｐ型不純物と同種の元素である、
請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記第２チャンネル領域において前記第１領域から所定距離離れた位置での前記ｐ型不純物の濃度は、前記第１チャンネル領域において前記第１領域から前記所定距離離れた位置での前記ｐ型不純物の濃度よりも高い、
請求項２に記載の撮像装置。

【請求項5】

ｐ型の第１領域を含む半導体層と、
前記第１領域に電気的に接続され、入射光を電子に変換する光電変換部と、
第１ソース、第１ドレイン、ｎ型の第１チャンネル領域および前記第１チャンネル領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、
第２ソース、第２ドレイン、ｎ型の第２チャンネル領域および前記第２チャンネル領域の上方に位置するｎ型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
を備え、
前記第２チャンネル領域において前記第１領域から所定距離離れた位置であって、かつ前記第２ゲートの下方の領域におけるｎ型不純物の濃度は、前記第１チャンネル領域において前記第１領域から前記所定距離離れた位置であって、かつ前記第１ゲートの下方の領域におけるｎ型不純物の濃度よりも高い、
撮像装置。

【請求項6】

ｐ型の第１領域を含む半導体層と、
前記第１領域に電気的に接続され、入射光を電子に変換する光電変換部と、
第１ソース、第１ドレイン、ｎ型の第１チャンネル領域および前記第１チャンネル領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、
第２ソース、第２ドレイン、ｎ型の第２チャンネル領域および前記第２チャンネル領域の上方に位置するｎ型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
を備え、
前記第２チャンネル領域におけるｎ型不純物の濃度の平均値は、前記第１チャンネル領域におけるｎ型不純物の濃度の平均値よりも高い、
撮像装置。

【請求項7】

前記第２チャンネル領域に含まれる前記ｎ型不純物は、前記第１チャンネル領域に含まれる前記ｎ型不純物と同種の元素である、
請求項５または６に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記第２チャンネル領域において前記第１領域から所定距離離れた位置での前記ｎ型不純物の濃度は、前記第１チャンネル領域において前記第１領域から前記所定距離離れた位置での前記ｎ型不純物の濃度よりも高い、
請求項６に記載の撮像装置。

【請求項9】

平面視において、前記第２チャンネル領域は、前記第２ゲートの外側に広がっている、
請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

デジタルカメラなどにＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサおよびＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが広く用いられている。よく知られているように、これらのイメージセンサは、半導体基板に形成されたフォトダイオードを有する。

【0003】

他方、光電変換層を有する光電変換部を半導体基板の上方に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１）。このような構造を有する撮像装置は、積層型の撮像装置と呼ばれることがある。積層型の撮像装置では、光電変換によって発生した電荷が、電荷蓄積領域（「フローティングディフュージョン」と呼ばれる）に蓄積される。電荷蓄積領域に蓄積された電荷量に応じた信号が、半導体基板に形成されたＣＣＤ回路またはＣＭＯＳ回路を介して読み出される。

【0004】

積層型の撮像装置では、極端に高い照度で光電変換層に光が照射されると、電荷蓄積領域の電位が過度に上昇し、信号検出のための回路中のトランジスタなどが損傷するおそれがある。特許文献１は、出力トランジスタのゲート電極の電位が所定値以上になることを防止する保護トランジスタを画素内に設けた回路を開示している。特許文献１の図１の回路では、高い照度の光が光電変換部に照射されると、ダイオード接続された保護トランジスタがオンとなる。保護トランジスタがオンとなることにより、出力トランジスタに電源電圧ＶＤＤを供給する電源に、過剰な電荷が排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－２０９３４２号公報

【文献】国際公開第２０１２／１４７３０２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

イメージセンサの分野においては、ノイズ低減の要求がある。例えば積層型の撮像装置の場合、電荷蓄積領域からのリーク電流、または、電荷蓄積領域へのリーク電流（以下、「暗電流」と呼ぶことがある）により、得られる画像に劣化が生じることがある。このようなリーク電流を低減できると有益である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係る撮像装置は、第１導電型の第１領域、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２領域および前記第２導電型の第３領域を含む半導体層と、前記第１領域に電気的に接続され、入射光を電荷に変換する光電変換部と、第１ソース、第１ドレインおよび前記第２領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、第２ソース、第２ドレインおよび前記第３領域の上方に位置する前記第２導電型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、を備える。前記第３領域における前記第２導電型の不純物の濃度は、前記第２領域における前記第２導電型の不純物の濃度よりも高い。

【0008】

包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュールまたはシステムで実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュールおよびシステムの任意の組み合わせによって実現されてもよい。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、リーク電流が低減された撮像装置を提供することができる。

【0010】

開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本開示の実施形態による撮像装置の例示的な回路構成を示す図である。

【図2】図２は、単位画素のデバイス構造の典型例を示す模式的な断面図である。

【図3】図３は、単位画素の構造の一部を詳細に示す模式的な断面図である。

【図4A】図４Ａは、シミュレーションで用いたモデルであって、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域、保護トランジスタのゲート電極および第３領域の位置関係を示す平面図である。

【図4B】図４Ｂは、シミュレーションで用いたモデルであって、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域、保護トランジスタのゲート電極および第３領域の他の位置関係を示す平面図である。

【図5A】図５Ａは、図４Ａのモデルにおけるアクセプタの濃度分布を示すコンター図である。

【図5B】図５Ｂは、図４Ｂのモデルにおけるアクセプタの濃度分布を示すコンター図である。

【図6】図６は、図４Ａのモデルでの半導体基板の表面近傍におけるホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。

【図7A】図７Ａは、本開示の構成での空乏層の分布を調べるためのシミュレーションの結果を示すコンター図である。

【図7B】図７Ｂは、第３領域のホウ素の濃度が十分に低い構成での空乏層の分布を調べるためのシミュレーションの結果を示すコンター図である。

【図8】図８は、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域および保護トランジスタのゲート電極の別のレイアウトを示す平面図である。

【図9】図９は、図８のモデルでの半導体基板の表面近傍におけるホウ素の濃度プロファイルを示すグラフである。

【図10】図１０は、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域および保護トランジスタのゲート電極のさらに別のレイアウトを示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（本開示の基礎となった知見）
積層型の撮像装置は、一般に、光電変換部と半導体基板に形成された読み出し回路とを電気的に接続する接続部を有する。半導体基板と接続部との接点周辺には、種々のｐｎ接合が形成される。半導体基板および光電変換部を電気的に接続する接続部と、接点の近傍における半導体基板中の不純物領域とは、光電変換部によって生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能する。

【0013】

ｐｎ接合の近傍には、空乏層が形成される。ｐｎ接合の近傍の空乏層における電荷の再結合は、リーク電流の発生の原因となり得る。本発明者らは、オフ状態にあるトランジスタのゲート電極下にもこのような空乏層が形成され得ることに着目した。信号電荷が蓄積される、半導体基板中の不純物領域には、例えば、電荷蓄積領域の電位をリセットするリセットトランジスタのドレイン（またはソース）が接続される。また、特許文献１の図１からもわかるように、保護トランジスタのドレイン（またはソース）も、信号電荷が蓄積される不純物領域に接続され得る。したがって、これらのトランジスタのゲート電極下に形成された空乏層に起因する暗電流により、撮像装置の性能が劣化する可能性がある。

【0014】

リセットトランジスタのゲート電極に所定の電圧を印加してリセットトランジスタを蓄積モードで動作させると、リセットトランジスタのオフ時の暗電流が低減される。また、保護トランジスタのゲート電極の導電型がソースまたはドレインの導電型と異なっている場合、ゲート電極の外部からゲート電極に電圧を印加しなかったとしても、ｐ型半導体とｎ型半導体との仕事関数の差に基づき、蓄積モードと同様の状態を実現し得る。しかしながら、保護トランジスタのオフ時の暗電流は依然として大きい。特に、電荷蓄積領域の電圧の上昇に伴って、保護トランジスタのゲート電極下に空乏層が広がり、暗電流が増大する。そのため、保護トランジスタのオフ時の暗電流を低減するための更なる改善が必要である。

【0015】

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る撮像装置は、
第１導電型の第１領域、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２領域および前記第２導電型の第３領域を含む半導体層と、
前記第１領域に電気的に接続され、入射光を電荷に変換する光電変換部と、第１ソース、第１ドレインおよび前記第２領域の上方に位置する第１ゲートを含み、前記第１領域が前記第１ソースまたは前記第１ドレインに相当する第１トランジスタと、第２ソース、第２ドレインおよび前記第３領域の上方に位置する前記第２導電型の第２ゲートを含み、前記第１領域が前記第２ソースまたは前記第２ドレインに相当し、前記第２ゲートが前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
を備える。
前記第３領域における前記第２導電型の不純物の濃度は、前記第２領域における前記第２導電型の不純物の濃度よりも高い。

【0016】

第１態様によれば、ゲート下への空乏層の広がりを抑制してリーク電流を低減できる。その結果、より高品質の画像を生成しうる撮像装置を提供できる。

【0017】

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る撮像装置では、前記第３領域に含まれた前記第２導電型の前記不純物は、前記第２領域に含まれた前記第２導電型の前記不純物と同種の元素であってもよい。

【0018】

このような構成によれば、撮像装置の製造が容易であるとともに、不純物の濃度も制御しやすい。

【0019】

本開示の第３態様において、例えば、第１または第２態様に係る撮像装置では、前記第３領域の第１所定位置における前記不純物の濃度が前記第２領域の第２所定位置における前記不純物の濃度よりも高くてもよく、
前記第２領域の前記第２所定位置は、前記撮像装置を平面視したときの前記第１ゲートの重心を通る前記第１ゲートの法線と前記第２領域の表面との交点を含む位置であり、
前記第１ゲートのゲート長方向における前記第１ゲートの中心線と、前記第１ゲートのゲート幅方向と平行な方向における前記第２ゲートの中心線との交点を特定交点と定義したとき、前記第３領域の前記第１所定位置は、前記特定交点を通る前記第２ゲートの法線と前記第３領域の表面との交点を含む位置である。

【0020】

このような構成によれば、ｎ型不純物領域の形状によらず、第２ゲートの下方への空乏層の広がりが抑制されうる。

【0021】

本開示の第４態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る撮像装置では、前記撮像装置を平面視したとき、前記第３領域は、前記第２ゲートの外側に広がっていてもよい。

【0022】

このような構成によれば、第２ゲート電極の下方への空乏層の広がりを十分に抑制できる。

【0023】

本開示の第５態様において、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係る撮像装置では、前記第３領域において前記第１領域から所定距離離れた位置での前記第２導電型の前記不純物の濃度は、前記第２領域において前記第１領域から前記所定距離離れた位置での前記第２導電型の前記不純物の濃度よりも高くてもよい。

【0024】

また、本開示の第６態様において、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係る撮像装置では、前記第３領域において前記第１領域に隣接し、かつ前記第２ゲートの下方である位置での前記第２導電型の前記不純物の濃度は、前記第２領域において前記第１領域に隣接し、かつ前記第１ゲートの下方である位置での前記第２導電型の前記不純物の濃度よりも高くてもよい。

【0025】

また、本開示の第７態様に係る撮像装置は、
入射光を電荷に変換する光電変換部と、
前記光電変換部に電気的に接続された第１導電型の第１領域と、
第１ソース、第１ドレインおよび第１ゲート電極を有し、前記第１領域を前記第１ソースまたは前記第１ドレインとして含む第１トランジスタと、
前記第１ゲート電極の下方に位置し、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型の第２領域と、
第２ソース、第２ドレインおよび前記第２導電型の第２ゲート電極を有し、前記第１領域を前記第２ソースまたは前記第２ドレインとして含み、前記第２ゲート電極が前記第１領域に電気的に接続されている第２トランジスタと、
前記第２ゲート電極の下方に位置する前記第２導電型の第３領域と、
を備え、
前記第３領域における前記第２導電型の不純物の濃度は、前記第２領域における前記第２導電型の不純物の濃度よりも高い。

【0026】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。

【0027】

（撮像装置の実施形態）
図１は、本開示の実施形態による撮像装置の例示的な回路構成を示す。図１に示す撮像装置１００は、複数の単位画素１０を含む画素アレイＰＡと、負荷回路４２、カラム信号処理回路４４、垂直走査回路４６および水平信号読み出し回路４８などを含む周辺回路とを有する。図１に例示する構成において、画素アレイＰＡは、マトリクス状に配置された複数の単位画素１０を含む。複数の単位画素１０は、１次元または２次元に配列されることにより、撮像領域である感光領域を形成する。図１では、図面が複雑となることを避けるために、マトリクス状に配置された複数の単位画素１０のうち、２行２列に配列された４つの単位画素１０が示されている。言うまでもないが、画素アレイＰＡにおける単位画素１０の数および配置は、この例に限定されない。例えば単位画素１０は、１次元に配列され得る。この場合、撮像装置１００をラインセンサとして利用することができる。

【0028】

後に詳しく説明するように、各単位画素１０は、概略的には、光電変換部１２と、光電変換部１２によって生成された信号を検出する信号検出回路１４とを有する。信号検出回路１４は、半導体基板に形成され、光電変換部１２は、半導体基板の上方に配置される。すなわち、ここでは、撮像装置１００として、積層型の撮像装置を例示する。なお、本明細書における「上方」および「下方」の用語は、部材間の相対的な配置を表し、使用時における撮像装置１００の姿勢を限定する意図で用いられているわけではない。半導体基板は、その全体が半導体層である基板に限定されず、撮像領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁基板などであってもよい。

【0029】

単位画素１０の光電変換部１２は、光の入射を受けて正および負の電荷（典型的には正孔－電子対）を発生させる。図示するように、各単位画素１０の光電変換部１２は、蓄積制御線３９との接続を有する。この蓄積制御線３９には、撮像装置１００の動作時に所定の電圧が印加される。例えば、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、正の電荷を信号電荷として利用する場合であれば、撮像装置１００の動作時、例えば１０Ｖ程度の正電圧が蓄積制御線３９に印加される。所定の正電圧を蓄積制御線３９に印加することにより、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、正の電荷（例えば正孔）を選択的に電荷蓄積領域に蓄積することができる。以下では、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、正の電荷を信号電荷として利用する場合を例示する。

【0030】

図１に例示する構成において、各単位画素１０の信号検出回路１４は、増幅トランジスタ（読み出しトランジスタとも呼ばれる）２２およびアドレストランジスタ（行選択トランジスタとも呼ばれる）２４を含む。この例では、信号検出回路１４は、さらに、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８を含む。増幅トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８は、典型的には、半導体基板に形成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。以下では、特に断りの無い限り、トランジスタとしてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる例を説明する。

【0031】

増幅トランジスタ２２のゲートは、光電変換部１２に電気的に接続されている。後述するように、光電変換部１２によって生成された電荷は、光電変換部１２と増幅トランジスタ２２との間の電荷蓄積ノード（「フローティングディフュージョンノード」とも呼ばれる）ＦＤをその一部に含む電荷蓄積領域に蓄積される。増幅トランジスタ２２のドレインは、撮像装置１００の動作時に各単位画素１０に所定の（例えば３．３Ｖ程度の）電源電圧ＶＤＤを供給するソースフォロア電源である電源配線３２に接続される。増幅トランジスタ２２のソースは、アドレストランジスタ２４のドレインに接続される。増幅トランジスタ２２は、光電変換部１２によって生成された信号電荷の量に応じた信号電圧を出力する。

【0032】

この例では、電荷蓄積ノードＦＤに保護トランジスタ２８が接続されている。保護トランジスタ２８のドレイン（またはソース）は、電荷蓄積ノードＦＤに接続されている。保護トランジスタ２８のソース（またはドレイン）は、電荷回収線３８に接続されている。図１に示すように、保護トランジスタ２８のゲートおよびドレイン（またはソース）は、互いに電気的に接続されている。すなわち、これらは同電位である。高い照度で光電変換部１２に光が照射されることにより、電荷蓄積ノードＦＤに蓄積された電荷量が所定の大きさを超える、すなわち、電荷蓄積ノードＦＤの電位が所定の電位を超えると、保護トランジスタ２８がオンとなり、過剰な電荷が電荷蓄積ノードＦＤから電荷回収線３８に排出される。

【0033】

図１に例示する構成では、電荷回収線３８は、電圧供給回路４５に接続されている。電圧供給回路４５は、撮像装置１００の動作時、電荷回収線３８を介して、保護トランジスタ２８のソース（またはドレイン）に所定の電圧を印加する。典型的には、電荷回収線３８に印加される電圧は、電源配線３２に印加される電圧（ここでは電源電圧ＶＤＤ）よりも低い。後に詳しく説明するように、電源配線３２に印加される電圧よりも低い電圧を電荷回収線３８に供給することにより、保護トランジスタ２８をより安定に動作させ得る。

【0034】

電圧供給回路４５は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。電圧供給回路４５と、電源配線３２に所定の電圧を供給する回路とは、異なっていてもよいし、これらの回路が、１つの電圧供給回路の一部分であってもよい。電圧供給回路４５、および、電源配線３２に所定の電圧を供給する回路の少なくとも一方が、後述する垂直走査回路４６の一部であってもよい。撮像装置１００は、電圧供給回路４５、電源配線３２に所定の電圧を供給する回路等を制御する制御回路を含んでいてもよい。

【0035】

アドレストランジスタ２４のソースは、垂直信号線３５に接続される。図示するように、垂直信号線３５は、複数の単位画素１０の列ごとに設けられており、垂直信号線３５の各々には、負荷回路４２およびカラム信号処理回路（「行信号蓄積回路」とも呼ばれる）４４が接続されている。負荷回路４２は、増幅トランジスタ２２とともにソースフォロア回路を形成する。増幅トランジスタ２２は、ドレインに電源電圧ＶＤＤの供給を受けることにより、ゲートに印加された電圧を増幅する。換言すれば、増幅トランジスタ２２は、光電変換部１２によって生成された信号を増幅する。

【0036】

アドレストランジスタ２４のゲートには、アドレス信号線３４が接続されている。アドレス信号線３４は、複数の単位画素１０の行ごとに設けられる。アドレス信号線３４は、垂直走査回路（「行走査回路」とも呼ばれる）４６に接続されており、垂直走査回路４６は、アドレストランジスタ２４のオンおよびオフを制御する行選択信号をアドレス信号線３４に印加する。これにより、読み出し対象の行が垂直方向（列方向）に走査され、読み出し対象の行が選択される。垂直走査回路４６は、アドレス信号線３４を介してアドレストランジスタ２４のオンおよびオフを制御することにより、選択した単位画素１０の増幅トランジスタ２２の出力を、対応する垂直信号線３５に読み出すことができる。アドレストランジスタ２４の配置は、図１に示す例に限定されず、増幅トランジスタ２２のドレインと電源配線３２との間であってもよい。

【0037】

アドレストランジスタ２４を介して垂直信号線３５に出力された、単位画素１０からの信号電圧は、垂直信号線３５に対応して複数の単位画素１０の列ごとに設けられた複数のカラム信号処理回路４４のうち、対応するカラム信号処理回路４４に入力される。カラム信号処理回路４４は、相関２重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ－デジタル変換（ＡＤ変換）などを行う。カラム信号処理回路４４は、水平信号読み出し回路（「列走査回路」とも呼ばれる）４８に接続されており、水平信号読み出し回路４８は、複数のカラム信号処理回路４４から水平共通信号線４９に信号を順次読み出す。

【0038】

図１に例示する構成において、信号検出回路１４は、ドレインが電荷蓄積ノードＦＤに接続されたリセットトランジスタ２６を含む。リセットトランジスタ２６のゲートには、垂直走査回路４６との接続を有するリセット信号線３６が接続される。リセット信号線３６は、アドレス信号線３４と同様に複数の単位画素１０の行ごとに設けられる。垂直走査回路４６は、アドレス信号線３４に行選択信号を印加することにより、リセットの対象となる単位画素１０を行単位で選択することができる。さらに、垂直走査回路４６は、リセットトランジスタ２６のオンおよびオフを制御するリセット信号を、リセット信号線３６を介してリセットトランジスタ２６のゲートに印加する。これにより、選択された行のリセットトランジスタ２６はオンとされる。リセットトランジスタ２６がオンとされることにより、電荷蓄積ノードＦＤの電位がリセットされる。

【0039】

この例では、リセットトランジスタ２６のソースが、複数の単位画素１０の列ごとに設けられたフィードバック線５３のうちの１つに接続されている。すなわち、この例では、光電変換部１２の電荷を初期化するリセット電圧として、フィードバック線５３の電圧が電荷蓄積ノードＦＤに供給される。ここでは、上述のフィードバック線５３は、複数の単位画素１０の列ごとに設けられた反転増幅器５０のうちの対応する１つにおける出力端子に接続されている。このように、図１に例示する撮像装置１００の周辺回路は、複数の反転増幅器５０を含む。

【0040】

複数の単位画素１０の列のうちの１つに注目する。図示するように、反転増幅器５０の反転入力端子は、その列の垂直信号線３５に接続されている。また、反転増幅器５０の出力端子と、その列に属する１以上の単位画素１０のリセットトランジスタ２６とが、フィードバック線５３を介して接続されている。したがって、ある単位画素１０におけるアドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２６のオン時、反転増幅器５０の反転入力端子は、その単位画素１０のアドレストランジスタ２４の出力を受ける。

【0041】

撮像装置１００の動作時、反転増幅器５０の非反転入力端子には、所定の電圧（例えば１Ｖまたは１Ｖ近傍の正電圧）Ｖｒｅｆが供給される。その列に属する１以上の単位画素１０のうちの１つを選択し、アドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２６をオンとすることにより、その単位画素１０の出力を負帰還させる帰還経路を形成することができる。帰還経路の形成により、垂直信号線３５の電圧が、反転増幅器５０の非反転入力端子への入力電圧Ｖｒｅｆに収束する。換言すれば、帰還経路の形成により、電荷蓄積ノードＦＤの電圧が、垂直信号線３５の電圧がＶｒｅｆとなるような電圧にリセットされる。電圧Ｖｒｅｆとしては、電源電圧（例えば３．３Ｖ）および接地（０Ｖ）の範囲内の任意の大きさの電圧を用い得る。反転増幅器５０をフィードバックアンプと呼んでもよい。このように、図１に例示する撮像装置１００は、反転増幅器５０を帰還経路の一部に含むフィードバック回路１６を有する。

【0042】

よく知られているように、トランジスタのオンまたはオフに伴い、ｋＴＣノイズと呼ばれる熱ノイズが発生する。リセットトランジスタのオンまたはオフに伴って発生するノイズは、リセットノイズと呼ばれる。電荷蓄積領域の電位のリセット後、リセットトランジスタをオフとすることによって発生したリセットノイズは、信号電荷の蓄積前の電荷蓄積領域に残留してしまう。しかしながら、リセットトランジスタのオフに伴って発生するリセットノイズは、フィードバックを利用することによって低減することが可能である。帰還経路の形成により、熱ノイズの交流成分は、リセットトランジスタ２６のソースにフィードバックされる。フィードバックを利用したリセットノイズの抑制の詳細は、国際公開第２０１２／１４７３０２号において説明されている。参考のために、国際公開第２０１２／１４７３０２号の開示内容の全てを本明細書に援用する。図１に例示する構成では、リセットトランジスタ２６のオフの直前まで帰還経路が形成されるので、リセットトランジスタ２６のオフに伴って発生するリセットノイズを低減することが可能である。

【0043】

（単位画素１０のデバイス構造）
図２は、単位画素１０のデバイス構造の典型例を示す。図２に模式的に示すように、単位画素１０は、概略的には、半導体基板６０と、半導体基板６０の上方に配置された光電変換部１２と、光電変換部１２および半導体基板６０の間に配置された配線構造８０とを含む。

【0044】

半導体基板６０には、上述の信号検出回路１４における増幅トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８が形成される。なお、図２では、説明の便宜のために、増幅トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８が１つの断面図に示されている。後述するように、半導体基板６０は、電荷蓄積領域の一部として機能するｎ型不純物領域６７ｎを含む。

【0045】

本実施形態において、ｎ型不純物領域６７ｎは、第１領域の例である。ｎ型の導電型は、第１導電型の例である。ｐ型の導電型は、第１導電型とは反対の導電型である第２導電型の例である。言い換えれば、第２導電型は、第１導電型の極性とは異なる極性を持つ導電型である。ｎ型とｐ型とは相互に入れ替わってもよい。

【0046】

半導体基板６０がシリコン基板である場合、ｐ型の導電型の不純物としては、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などが挙げられる。典型的には、ホウ素がｐ型の導電型の不純物として使用される。ｎ型の導電型の不純物としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などが挙げられる。典型的には、リンまたはヒ素がｎ型の導電型の不純物として使用される。単位画素１０において、複数の部分が互いに同一の導電型を有していたとしても、それらの部分に同一の不純物元素が含まれているとは限らない。導電型が同一であることは、使用された不純物元素が同一であることと必ずしも一致しない。局所的な不純物領域を形成する方法は、熱拡散法であってもよく、イオン注入法であってもよい。基板および層の導電型は、結晶成長時にドープされる不純物によって制御されうる。

【0047】

半導体基板６０上には、これらのトランジスタを覆う層間絶縁層９０が配置される。上述の配線構造８０は、層間絶縁層９０中に配置される。この例では、層間絶縁層９０は、絶縁層９０ａ、９０ｂおよび９０ｃの３層の絶縁層を含む積層構造を有し、層間絶縁層９０中の配線構造８０は、配線層８０ａ、８０ｂおよび８０ｐ、プラグ８２ａ、８２ｂおよび８２ｃ、ならびに、コンタクトプラグ８４、８６および８８を含む。層間絶縁層９０中の絶縁層の数および配線構造８０中の配線層の数は、この例に限定されず、任意に設定可能である。

【0048】

配線構造８０は、光電変換部１２と半導体基板６０のｎ型不純物領域６７ｎとを電気的に接続する。配線構造８０中の配線層８０ａおよび８０ｂ、プラグ８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、ならびに、コンタクトプラグ８８は、典型的には、銅またはタングステンなどの金属または金属窒化物、金属酸化物などの金属化合物から形成される。一方、ここでは、配線層８０ｐならびにコンタクトプラグ８４および８６は、それぞれ、ｎ型の導電型を有するポリシリコン層およびポリシリコンプラグである。

【0049】

半導体基板６０は、支持基板６１と、支持基板６１上に形成された１以上の半導体層とを含む。ここでは、支持基板６１として、ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板を例示する。図２に例示する構成において、半導体基板６０は、支持基板６１上のｐ型半導体層６１ｐ、ｐ型半導体層６１ｐ上のｎ型半導体層６２ｎ、ｎ型半導体層６２ｎ上のｐ型半導体層６３ｐおよびｐ型半導体層６３ｐ上のｐ型半導体層６５ｐを有する。ｐ型半導体層６３ｐは、支持基板６１の全面にわたって形成される。ｐ型半導体層６５ｐは、不純物の濃度がより低いｐ型不純物領域６６ｐと、ｎ型不純物領域６８ａｎ、６８ｂｎ、６８ｃｎ、６８ｄｎおよび６８ｅｎと、素子分離領域６９とを有する。

【0050】

ｐ型半導体層６１ｐ、ｎ型半導体層６２ｎ、ｐ型半導体層６３ｐおよびｐ型半導体層６５ｐの各々は、典型的には、エピタキシャル成長によって形成される。ｐ型半導体層６３ｐおよびｐ型半導体層６５ｐにおける不純物濃度は、互いに同程度であり、かつ、ｐ型半導体層６１ｐの不純物濃度よりも高い。ｐ型半導体層６１ｐおよびｐ型半導体層６３ｐの間に配置されたｎ型半導体層６２ｎは、信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域への支持基板６１（ｐ型半導体層６１ｐといってもよい）または周辺回路からの少数キャリアの流入を抑制する。撮像装置１００の動作時、ｎ型半導体層６２ｎの電位は、画素アレイＰＡの外側に設けられるウェルコンタクト（不図示）を介して制御される。また、この例では、半導体基板６０は、ｐ型半導体層６１ｐおよびｎ型半導体層６２ｎを貫通するようにしてｐ型半導体層６３ｐおよび支持基板６１の間に設けられたｐ型領域６４を有する。ｐ型領域６４は、ｐ型半導体層６３ｐおよびｐ型半導体層６５ｐと比較して高い不純物濃度を有し、ｐ型半導体層６３ｐと支持基板６１とを電気的に接続する。撮像装置１００の動作時、ｐ型半導体層６３ｐおよび支持基板６１の電位は、画素アレイＰＡの外側に設けられる基板コンタクト（不図示）を介して制御される。

【0051】

上述のｎ型不純物領域６７ｎは、ｐウェルとしてのｐ型半導体層６５ｐ内に形成されたｐ型不純物領域６６ｐ内に配置される。図２において模式的に示すように、ｎ型不純物領域６７ｎは、半導体基板６０の表面の近傍に形成されており、その少なくとも一部は、半導体基板６０の表面に位置している。図２に例示する構成において、ｎ型不純物領域６７ｎは、第１不純物領域６７ａおよび第２不純物領域６７ｂを含む。第２不純物領域６７ｂの一部は、ｐ型半導体層６５ｐの表面に位置している。第１不純物領域６７ａは、第２不純物領域６７ｂの下部を覆っている。ｎ型不純物領域６７ｎ中の第２不純物領域６７ｂは、第１不純物領域６７ａ内に形成されており、第１不純物領域６７ａよりも高い不純物濃度を有する。

【0052】

図２に例示する構成において、半導体基板６０に形成された第２不純物領域６７ｂには、コンタクトプラグ８６が接続されている。ｎ型不純物領域６７ｎにおける第２不純物領域６７ｂの形成は必須ではないが、コンタクトプラグ８６と半導体基板６０との接続部分である第２不純物領域６７ｂの不純物濃度を比較的高くすることにより、コンタクトプラグ８６と半導体基板６０とが接触する部分の周囲の空乏層の広がり（空乏化）を抑制する効果が得られる。コンタクトプラグ８６と半導体基板６０とが接触する部分の周囲の空乏層の広がりを抑制することにより、コンタクトプラグ８６と半導体基板６０との界面における半導体基板６０の結晶欠陥（界面準位といってもよい）に起因するリーク電流を抑制し得る。また、比較的高い不純物濃度を有する第２不純物領域６７ｂにコンタクトプラグ８６を接続することにより、コンタクト抵抗を低減する効果が得られる。

【0053】

ｐ型不純物領域６６ｐおよびｎ型不純物領域６７ｎの間のｐｎ接合によって形成される接合容量は、信号電荷の少なくとも一部を蓄積する容量として機能する。この容量は、電荷蓄積領域の一部を構成する。図２に例示する構成では、ｎ型不純物領域６７ｎの第２不純物領域６７ｂとｐ型不純物領域６６ｐとの間に、第２不純物領域６７ｂよりも不純物濃度の低い第１不純物領域６７ａが配置されている。また、ｎ型不純物領域６７ｎの第２不純物領域６７ｂとｐ型半導体層６５ｐとの間にも第１不純物領域６７ａが位置している。第２不純物領域６７ｂの周囲に相対的に不純物濃度の低い第１不純物領域６７ａを配置することにより、ｎ型不純物領域６７ｎとｐ型半導体層６５ｐ（またはｐ型不純物領域６６ｐ）との間のｐｎ接合によって形成される電界強度を緩和し得る。ｐｎ接合によって形成される電界強度が緩和されることにより、ｐｎ接合によって形成される電界に起因するリーク電流が抑制される。

【0054】

ｐ型半導体層６３ｐに接するようにｐ型半導体層６５ｐを配置することにより、撮像装置１００の動作時にｐ型半導体層６５ｐの電位をｐ型半導体層６３ｐを介して制御することが可能である。このような構造の採用により、コンタクトプラグ８６と半導体基板６０とが接触する部分（ここではｎ型不純物領域６７ｎの第２不純物領域６７ｂ）の周囲に、相対的に不純物濃度の低い領域（ここではｐ型不純物領域６６ｐおよびｎ型不純物領域６７ｎの第１不純物領域６７ａ）を配置することが可能である。

【0055】

ｐ型不純物領域６６ｐ内に形成されたｎ型不純物領域６７ｎは、リセットトランジスタ２６のドレインとして機能する。この例では、リセットトランジスタ２６は、ｎ型不純物領域６７ｎの少なくとも一部をドレインとして含み、さらに、半導体基板６０上のゲート絶縁層２６ｇと、ゲート絶縁層２６ｇ上のゲート電極２６ｅと、ｎ型不純物領域６８ａｎとを含む。図２において模式的に示すように、半導体基板６０の法線方向から見たとき、ゲート絶縁層２６ｇおよびゲート電極２６ｅの積層構造は、ｎ型不純物領域６７ｎの少なくとも一部に重なっている。リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅは、典型的には、ｎ型の導電型を有するポリシリコン電極である。

【0056】

リセットトランジスタ２６は、ｎ型不純物領域６８ａｎを第１ソースとして含み、ｎ型不純物領域６７ｎを第１ドレインとして含む第１トランジスタの例である。リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅは、第１ゲートの例である。

【0057】

図２に例示する構成において、ドレインとしてのｎ型不純物領域６７ｎは、コンタクトプラグ８６、配線層８０ｐ、プラグ８２ａ、配線層８０ａ、プラグ８２ｂ、配線層８０ｂおよびプラグ８２ｃを介して、光電変換部１２に電気的に接続されている。他方、ｎ型不純物領域６８ａｎは、不図示のコンタクトプラグを介して上述のフィードバック線５３に接続され、リセットトランジスタ２６のソースとして機能する。リセットトランジスタ２６がオンとされることにより、ｎ型不純物領域６８ａｎを介して、光電変換部１２を初期化するためのリセット電圧（ここではフィードバック線５３の電圧）が光電変換部１２に供給される。ここでは、コンタクトプラグ８６、配線層８０ｐおよびコンタクトプラグ８４を介して、ｎ型不純物領域６７ｎに増幅トランジスタ２２のゲート電極２２ｅが接続されている。そのため、リセットトランジスタ２６がオンとされることにより、電荷蓄積領域に蓄積された電荷がリセットされるとともに、増幅トランジスタ２２のゲート電極２２ｅの電位もリセット電圧にリセットされる。

【0058】

この例では、ｎ型不純物領域６７ｎは、保護トランジスタ２８にも共有されており、保護トランジスタ２８のドレイン（またはソース）としての機能も有する。保護トランジスタ２８は、ｎ型不純物領域６７ｎの少なくとも一部と、半導体基板６０上のゲート絶縁層２８ｇと、ゲート絶縁層２８ｇ上のゲート電極２８ｅと、ｎ型不純物領域６８ｅｎとを含む。半導体基板６０の法線方向から見たとき、ゲート絶縁層２８ｇおよびゲート電極２８ｅの積層構造は、ｎ型不純物領域６７ｎの少なくとも一部に重なっている。ｎ型不純物領域６８ｅｎは、不図示のコンタクトプラグを介して上述の電荷回収線３８に接続されている。ｎ型不純物領域６８ｅｎは、保護トランジスタ２８のソース（またはドレイン）として機能する。撮像装置１００の動作時、ｎ型不純物領域６８ｅｎには、電荷回収線３８を介して所定の電圧（典型的には電源電圧ＶＤＤよりも低い電圧）が印加される。

【0059】

保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅと、保護トランジスタ２８のドレイン（またはソース）としてのｎ型不純物領域６７ｎとは、接続部８９を介して電気的に接続されている。ここでは、接続部８９は、一端が保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅに接続されたコンタクトプラグ８８、配線層８０ａ、プラグ８２ａ、配線層８０ｐ、および、コンタクトプラグ８６を含む。すなわち、ここでは、接続部８９は、配線構造８０の一部を含んでおり、したがって、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、光電変換部１２との間の電気的な接続を有している。光電変換部１２に高照度で光が照射され、電荷蓄積領域の電圧が保護トランジスタ２８の閾値電圧を超えて上昇すると、保護トランジスタ２８がオンとなる。保護トランジスタ２８がオンとなることにより、過剰な電荷がｎ型不純物領域６７ｎからｎ型不純物領域６８ｅｎに排出される。

【0060】

保護トランジスタ２８は、ｎ型不純物領域６７ｎを第２ドレインとして含み、ｎ型不純物領域６８ｅｎを第２ソースとして含む第２トランジスタの例である。保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、ｎ型不純物領域６７ｎに電気的に接続された第２ゲートの例である。

【0061】

本開示の実施形態において、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、ｎ型不純物領域６７ｎとは異なる導電型を有するポリシリコン電極として形成される。すなわち、ここでは、ゲート電極２８ｅは、ｐ型の導電型を有するポリシリコン電極であり、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの導電型は、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの導電型と異なっている。後に詳しく説明するように、ドレイン（またはソース）の導電型とは異なる導電型を有する電極を保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅとして用いることにより、オフ時の保護トランジスタ２８を蓄積モードとし得る。換言すれば、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅに負電圧を印加したときと実質的に同様の状態を実現し得る。後述するように、保護トランジスタ２８を蓄積モードとすることにより、保護トランジスタ２８のオフ時の暗電流を低減し得る。

【0062】

一般的な撮像装置において、画素内のトランジスタのソース／ドレインの導電型、および、それらトランジスタのゲート電極としてのポリシリコン電極の導電型は、通常、同じである。また、ゲート電極の導電型は、製造工程の複雑化を避けるために、画素内の複数のトランジスタの間で共通であることが一般的である。本開示の実施形態では、画素内の一部のトランジスタ（ここでは保護トランジスタ２８）におけるゲート電極の導電型を、あえて他のトランジスタにおけるゲート電極の導電型と異ならせることにより、暗電流低減の効果を得ている。

【0063】

なお、この例では、ｎ型不純物領域６７ｎに接続されたコンタクトプラグ８６と、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅに接続されたコンタクトプラグ８８とが、金属配線層として形成された配線層８０ａを介して電気的に接続されている。また、この例では、コンタクトプラグ８８は金属で形成されている。このように金属または金属化合物を介した接続により、互いに導電型の異なる２つの部材の直接の接触を回避しながら、これらを電気的に接合することができる。例えば、コンタクトプラグ８８がｎ型の導電型を有するポリシリコンプラグであると、コンタクトプラグ８８とゲート電極２８ｅとの間の接合が、非オーミックとなってしまう。ここで例示する構成のように、金属または金属化合物を介した接続により、コンタクトプラグ８８とゲート電極２８ｅとの間におけるオーミック接続が可能である。あるいは、ゲート電極２８ｅと同じ導電型（ここではｐ型）を有するポリシリコンでコンタクトプラグ８８を形成してもよい。この場合、コンタクトプラグ８８と配線層８０ａとの間における接合をオーミックとできる。

【0064】

図２に例示する構成において、増幅トランジスタ２２は、半導体基板６０上のゲート絶縁層２２ｇ、ゲート絶縁層２２ｇ上のゲート電極２２ｅ、ならびに、半導体基板６０に形成されたｎ型不純物領域６８ｂｎおよび６８ｃｎを含む。ここでは、ゲート電極２２ｅは、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅと同様に、ｎ型の導電型を有するポリシリコン電極である。図２に例示する構成において、ゲート電極２２ｅは、コンタクトプラグ８４、配線層８０ｐ、プラグ８２ａ、配線層８０ａ、プラグ８２ｂ、配線層８０ｂおよびプラグ８２ｃを介して、光電変換部１２に電気的に接続されている。ｎ型不純物領域６８ｂｎは、電源配線３２（図２において不図示）との接続を有し、増幅トランジスタ２２のドレインとして機能する。他方、ｎ型不純物領域６８ｃｎは、増幅トランジスタ２２のソースとして機能する。

【0065】

増幅トランジスタ２２のドレインとしてのｎ型不純物領域６８ｂｎと、リセットトランジスタ２６のソースとしてのｎ型不純物領域６８ａｎとの間には、素子分離領域６９が設けられている。素子分離領域６９は、増幅トランジスタ２２およびアドレストランジスタ２４の組の周囲と、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８の組の周囲とに設けられる。素子分離領域６９は、ある単位画素１０の信号検出回路１４と、他の単位画素１０の信号検出回路１４とを電気的に分離する。素子分離領域６９は、例えばｐ型の不純物拡散領域である。

【0066】

図２では図示が省略されているが、典型的には、ｎ型不純物領域６８ｂｎおよび電源配線３２の間に、これらを電気的に接続するコンタクトプラグが配置される。電源配線３２は、典型的には、列方向に延びている。列方向に沿って延びるように電源配線３２を形成することにより、行方向に沿って延びるように電源配線３２を形成した場合と比較して、電源配線３２における電圧降下を低減できる。これは、信号の読み出し時における単位画素１０の選択が行単位であるために、行方向に沿って延びるように電源配線３２を形成すると、１行分の単位画素１０全ての駆動に必要な大きさの電流を１つの電源配線３２に流さなければならないからである。列方向に沿って延びるように電源配線３２を形成すれば、ある電源配線３２に流れる電流の大きさは、複数の行から選択されたある行の１つの単位画素１０の駆動に必要な大きさで済む。なお、本明細書において、行方向は、行が延びる方向を意味し、列方向は、列が延びる方向を意味する。例えば図１において、紙面における上下方向が列方向であり、紙面における左右方向が行方向である。

【0067】

アドレストランジスタ２４は、半導体基板６０上のゲート絶縁層２４ｇ、ゲート絶縁層２４ｇ上のゲート電極２４ｅ、ならびに、半導体基板６０に形成されたｎ型不純物領域６８ｃｎおよび６８ｄｎを含む。この例では、アドレストランジスタ２４は、ｎ型不純物領域６８ｃｎを増幅トランジスタ２２と共有することにより、増幅トランジスタ２２と電気的に接続されている。なお、増幅トランジスタ２２のゲート絶縁層２２ｇ、アドレストランジスタ２４のゲート絶縁層２４ｇ、リセットトランジスタ２６のゲート絶縁層２６ｇおよび保護トランジスタ２８のゲート絶縁層２８ｇは、典型的には、同層のシリコンの熱酸化膜（二酸化シリコン膜）である。

【0068】

ｎ型不純物領域６８ｃｎは、アドレストランジスタ２４のドレインとして機能する。他方、ｎ型不純物領域６８ｄｎは、アドレストランジスタ２４のソースとして機能する。ｎ型不純物領域６８ｄｎは、垂直信号線３５（図２において不図示）との接続を有する。図２では図示が省略されているが、典型的には、ｎ型不純物領域６８ｄｎおよび垂直信号線３５の間に、これらを電気的に接続するコンタクトプラグが配置される。

【0069】

増幅トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８を覆う層間絶縁層９０上に、光電変換部１２が配置される。光電変換部１２は、層間絶縁層９０上に形成された画素電極１２ａ、画素電極１２ａに対向する透明電極１２ｃ、および、これらの間に配置された光電変換層１２ｂを含む。光電変換部１２の光電変換層１２ｂは、有機材料またはアモルファスシリコンなどの無機材料から形成され、透明電極１２ｃを介して入射した光を受けて、光電変換により正および負の電荷を生成する。光電変換層１２ｂは、典型的には、複数の単位画素１０にわたって形成される。光電変換層１２ｂは、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。

【0070】

透明電極１２ｃは、ＩＴＯなどの透明な導電性材料から形成され、光電変換層１２ｂの受光面側に配置される。透明電極１２ｃは、典型的には、光電変換層１２ｂと同様に、複数の単位画素１０にわたって形成される。図２において図示が省略されているが、透明電極１２ｃは、上述の蓄積制御線３９との接続を有し、撮像装置１００の動作時、例えば１０Ｖ程度のバイアス電圧が蓄積制御線３９を介して透明電極１２ｃに印加される。バイアス電圧によって透明電極１２ｃの電位を画素電極１２ａの電位よりも高くすることにより、光電変換によって生成された、信号電荷としての正の電荷（例えば正孔）を画素電極１２ａによって収集することができる。

【0071】

画素電極１２ａは、アルミニウム、銅、チタンなどの金属、金属窒化物、または、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成される電極である。画素電極１２ａは、隣接する他の単位画素１０の画素電極１２ａから空間的に分離されることにより、他の単位画素１０の画素電極１２ａから電気的に分離されている。

【0072】

上述の配線構造８０の少なくとも一部は、画素電極１２ａと、半導体基板６０に形成された信号検出回路１４とを電気的に接続する。この例では、プラグ８２ｃ、配線層８０ｂ、プラグ８２ｂ、配線層８０ａ、プラグ８２ａ、配線層８０ｐおよびコンタクトプラグ８４を介して、画素電極１２ａと、増幅トランジスタ２２のゲート電極２２ｅとが互いに電気的に接続されている。したがって、撮像装置１００の動作時、増幅トランジスタ２２からは、画素電極１２ａの電位に応じた信号電圧が出力される。また、この例では、プラグ８２ｃ、配線層８０ｂ、プラグ８２ｂ、配線層８０ａ、プラグ８２ａ、配線層８０ｐおよびコンタクトプラグ８６を介して、画素電極１２ａと、ｎ型不純物領域６７ｎとが互いに電気的に接続されている。配線層８０ａ、８０ｂおよび８０ｐ、プラグ８２ａ、８２ｂおよび８２ｃ、コンタクトプラグ８４、８６および８８、増幅トランジスタ２２のゲート電極２２ｅおよび保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅ、ならびに、ｎ型不純物領域６７ｎは、信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域の少なくとも一部を構成する。

【0073】

上述したように、図２に示す例では、保護トランジスタ２８およびリセットトランジスタ２６は、ｎ型不純物領域６７ｎを共有している。保護トランジスタ２８およびリセットトランジスタ２６がｎ型不純物領域６７ｎを共有することは必須ではない。例えば、ｎ型不純物領域６７ｎに電気的に接続された他のｎ型不純物領域を半導体基板６０の他の箇所に形成し、そのｎ型不純物領域を保護トランジスタ２８またはリセットトランジスタ２６のドレイン（またはソース）として利用してもよい。ただし、単位画素１０の微細化、暗電流抑制の観点からは、ｎ型不純物領域６７ｎを共有化する方が有利である。

【0074】

（保護トランジスタの機能および構成の典型例）
光電変換部１２に極端に高い照度の光が照射されると、電荷蓄積領域としてのｎ型不純物領域６７ｎの電位が、透明電極１２ｃに印加される電圧（例えば１０Ｖ程度）まで上昇することがある。このような過大な電圧がｎ型不純物領域６７ｎに印加されると、ｎ型不純物領域６７ｎの機能が損なわれたり、増幅トランジスタ２２のゲート絶縁層２２ｇにおいて絶縁破壊が生じたりするおそれがある。このような損傷が発生すると、画素の機能が損なわれ、撮像装置が故障してしまう。

【0075】

図１および図２に示すように、ｎ型不純物領域６７ｎをドレイン（またはソース）として含む保護トランジスタ２８を単位画素１０内に設けることにより、ｎ型不純物領域６７ｎへの過大な電圧の印加に起因する単位画素１０の損傷を抑制し得る。例えば高照度での光電変換部１２への照射によってｎ型不純物領域６７ｎの電位が保護トランジスタ２８の閾値電圧を超えて上昇したと仮定する。図２からわかるように、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、接続部８９によってｎ型不純物領域６７ｎに電気的に接続されている。そのため、ｎ型不純物領域６７ｎの電位の上昇により、保護トランジスタ２８がオンとなる。保護トランジスタ２８がオンとなることにより、過剰な電荷がｎ型不純物領域６７ｎからｎ型不純物領域６８ｅｎに排出されるので、単位画素１０の損傷が防止される。保護トランジスタ２８における閾値電圧は、ｎ型不純物領域６７ｎにおける機能の喪失、増幅トランジスタ２２のゲート絶縁層２２ｇの絶縁破壊などが生じる電圧よりも低い電圧として適切に設定されればよい。

【0076】

このように、保護トランジスタ２８を単位画素１０内に設けることにより、単位画素１０の損傷を防止することが可能である。

【0077】

上述したように、本開示の実施形態では、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、保護トランジスタ２８のドレイン（またはソース）の導電型とは異なる導電型を有する。これに対し、一般的なトランジスタにおいては、ゲート電極としてのポリシリコン電極の導電型と、ソース／ドレインの導電型は、同じである。このようなトランジスタをオフとするためには、そのトランジスタを蓄積モードとするか、あるいは、トランジスタのゲート電極下の部分を空乏化させる。例えば、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴにおいて、ゲート電極に印加する電圧をそのトランジスタの閾値電圧よりも低くすれば、そのゲート電極の下方の領域を蓄積モードとすることができる。しかしながら、ドレインがゲートに接続された形で用いられる保護トランジスタでは、外部から所望の電圧をゲート電極に印加することができない。すなわち、ゲート電極に所望の電圧を印加することによって蓄積モードとすることができない。一方、ゲート電極下に空乏層を形成すると、ゲート電極下の空乏層が暗電流発生の原因となってしまう。したがって、暗電流抑制の観点から、外部からの電圧印加を必要とすることなく、保護トランジスタを蓄積モードとできると有益である。なお、図２に例示する構成では、リセットトランジスタ２６も、ｎ型不純物領域６７ｎをドレイン（またはソース）として含んでいる。したがって、リセットトランジスタ２６についても、リセットトランジスタ２６のオフ時における、ゲート電極２６ｅ下の空乏層の形成を抑制できると有益である。

【0078】

例えば、ｎ型の導電型を有するポリシリコン電極をゲート電極として用いる場合、ゲート電圧を－０．５Ｖ程度まで低下させると、ゲート電極下の空乏層がほぼ消失する。本開示の実施形態では、撮像装置１００の動作時、垂直走査回路４６（図１参照）は、リセットトランジスタ２６をオフするための電圧として例えば－１Ｖ程度の負電圧をリセット信号線３６に供給する。リセットトランジスタ２６のオフ時のゲート電圧として負電圧を用いることにより、ゲート電極２６ｅ下の空乏層の形成を抑制して、ゲート電極２６ｅ下の空乏層に起因する暗電流を低減することが可能である。

【0079】

同様にして、保護トランジスタ２８のオフ時のゲート電圧として負電圧を用いれば、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅ下の空乏層の形成を抑制することができると考えられる。しかしながら、既に説明したように、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、接続部８９を介して、ドレイン（またはソース）としてのｎ型不純物領域６７ｎに電気的に接続されている（図２参照）。そのため、ゲート電極２８ｅは、ｎ型不純物領域６７ｎと同電位であり、単純に負電圧を保護トランジスタ２８のオフ時のゲート電圧として用いることはできない。

【0080】

図２を参照して説明したように、本開示の実施形態では、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅに、ｎ型不純物領域６７ｎの導電型とは異なる導電型のポリシリコン電極を用いる。これにより、ｎ型の導電型のポリシリコン電極を用いる場合と比較して、ゲート電極２８ｅの仕事関数を大きくすることができる。さらに、ポリシリコン電極における仕事関数は、不純物のドーピング量によって調整可能であり、ポリシリコン電極における仕事関数として、半導体基板６０のゲート電極２８ｅ下の領域における仕事関数よりも大きな値を得ることが可能である。半導体基板６０（ここではｐ型不純物領域６６ｐおよびｐ型半導体層６５ｐ）における仕事関数よりもポリシリコン電極における仕事関数を大きく設定することにより、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅ近傍におけるエネルギーバンド図として、蓄積モードと同様のエネルギーバンド図が得られる。すなわち、ゲート電極２８ｅの外部からゲート電極２８ｅに特定の電圧を印加することなく、蓄積モードと同様の状態を実現し得る。したがって、ゲート電極２８ｅ下に正孔を誘引してゲート電極下の空乏層の幅をほぼ０とし得る。あるいは、ポリシリコン電極における仕事関数を大きくすることにより、保護トランジスタ２８における閾値電圧が上昇し、蓄積モードと同様の状態が実現されるといってもよい。

【0081】

なお、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅとして、ｐ型の導電型を有するポリシリコンと同程度の仕事関数を有する材料を用いてもよい。ここで、Ｐ⁺ポリシリコンの仕事関数は５．１７ｅＶである。したがって、ゲート電極２８ｅとして、例えば、ＲｕＯ₂（４．９ｅＶ）、ＷＮ（５．０ｅＶ）、Ｉｒ（５．３５ｅＶ）、Ｍｏ₂Ｎ（５．３３ｅＶ）、ＴａＮ（５．４３ｅＶ）、Ｐｔ（５．６５ｅＶ）を用いてもよい。また、Ｎ⁺ポリシリコン（４．０５ｅＶ）より大きい仕事関数を有する材料であれば一定の効果を得ることができる。すなわち、いわゆるＭｉｄ Ｇａｐ Ｍｅｔａｌと呼ばれる、例えば、Ｃｏ（４．４５ｅＶ）、Ｃｒ（４．５ｅＶ）、Ｗ（４．５２ｅＶ）、Ｒｕ（４．６８ｅＶ）、ＴｉＮ（４．７ｅＶ）、Ｐｄ（４．９ｅＶ）を用いてもよい。ゲート電極２８ｅの材料の仕事関数は、４．０５ｅＶよりも大きくてもよく、４．９ｅＶ以上６ｅＶ以下であってもよい。このような材料を用いることにより、リーク電流を低減する効果を得ることができる。

【0082】

また、ゲート酸化膜は、例えば、ＨｆＯ₂などの高誘電率（Ｈｉｇｈ－ｋ）材料を用いることができる。

【0083】

さらに、図１および図２を参照して説明した例では、撮像装置１００が、保護トランジスタ２８のソース（またはドレイン）としてのｎ型不純物領域６８ｅｎに電源電圧ＶＤＤとは異なる電圧を印加可能に構成されている。以下に説明するように、撮像装置１００の動作時に、例えば電源電圧ＶＤＤよりも低い電圧をｎ型不純物領域６８ｅｎに供給することにより、保護トランジスタ２８においてより安定した動作を実現し得る。

【0084】

本実施形態では、保護トランジスタ２８のオフ時の暗電流を低減するために、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅがｐ型の導電型の材料で構成されている。このことに加え、本実施形態の撮像装置１００には、以下の構成が採用されている。

【0085】

図３は、単位画素１０の構造の一部を詳細に示している。単位画素１０は、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方に位置する第２領域７０ｐを有する。第２領域７０ｐは、リセットトランジスタ２６のチャンネル領域であって、ｐ型の導電型を有する領域である。単位画素１０は、さらに、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方に位置する第３領域７２ｐを有する。第３領域７２ｐは、保護トランジスタ２８のチャンネル領域であって、ｐ型の導電型を有する領域である。第３領域７２ｐにおけるｐ型の不純物の濃度は、第２領域７０ｐにおけるｐ型の不純物の濃度よりも高い。半導体基板６０がシリコン基板である場合、ｐ型の不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及びインジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つである。ｐ型の不純物は、典型的には、ホウ素である。なお、図３は、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の領域および保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方の領域に不純物の注入が行われていることを正確に表した図である。

【0086】

ｎ型不純物領域６７ｎを含む電荷蓄積領域の電圧の上昇に伴う空乏層の広がりを抑制できれば、表面リーク電流を低減でき、電荷蓄積領域に電荷が蓄積されたときの暗電流を低減できる。保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方の領域における不純物濃度を高めることによって、空乏層の広がりを抑制することができる。

【0087】

一般に、ＦＥＴのチャンネル領域の不純物濃度を高めすぎると、ゲートとソースとの間のｐｎ接合、および、ゲートとドレインとの間のｐｎ接合における電界が強まり、少数キャリアによる拡散電流の増大を招く。

【0088】

本実施形態に注目すると、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅに所定の電圧を印加することによって、リセットトランジスタ２６を蓄積モードで動作させることができる。そのため、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐにおける不純物濃度を高める必要は無い。これに対し、保護トランジスタ２８は、電荷蓄積領域に電気的に接続されているので、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅに所定の電圧を印加することによって、保護トランジスタ２８を蓄積モードで動作させることはできない。他方、ゲート電極２８ｅの下方の第３領域７２ｐの不純物濃度を高めると、拡散電流が増加するおそれもある。しかし、暗電流の主な原因は、空乏層の広がりによる表面リーク電流であるから、表面リーク電流を低減できれば、拡散電流が多少増加したとしてもトータルの暗電流を低減することができる。このような理由により、本実施形態では、保護トランジスタ２８のチャンネル領域に不純物が高濃度でドープされている。

【0089】

第２領域７０ｐにおける不純物の濃度および第３領域７２ｐにおける不純物の濃度は、例えば、各領域を形成するときの不純物の注入ドーズ量によって制御されうる。

【0090】

本実施形態において、第３領域７２ｐに含まれたｐ型の不純物は、第２領域７０ｐにおけるｐ型の不純物と同種の元素である。典型的には、ｐ型の不純物はホウ素である。第２領域７０ｐおよび第３領域７２ｐは、ｐ型の不純物として、実質的にホウ素のみを含んでいてもよい。このような構成によれば、撮像装置１００の製造が容易であるとともに、不純物の濃度も制御しやすい。「実質的にホウ素のみを含む」の表現は、意図的にドープされた不純物がホウ素のみであることを意味し、各領域に不可避不純物が含まれていることを排除しない。

【0091】

なお、第３領域７２ｐに含まれたｐ型の不純物の元素または元素群は、第２領域７０ｐにおけるｐ型の不純物の元素または元素群と異なっていてもよい。

【0092】

第２領域７０ｐは、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の領域である。第２領域７０ｐは、周囲の領域よりも高いｐ型の不純物の濃度を有していてもよいし、周囲の領域と同じｐ型の不純物の濃度を有していてもよい。つまり、リセットトランジスタ２６のチャンネル領域への追加の不純物ドープは、行われていてもよく、行われていなくてもよい。

【0093】

図３において、第３領域７２ｐは、ｎ型不純物領域６７ｎから離れている。しかし、第３領域７２ｐとｎ型不純物領域６７ｎとの距離は短いので、第３領域７２ｐを形成するためにｐ型半導体層６５ｐに注入された不純物は、ｎ型不純物領域６７ｎまで拡散しうる。つまり、第３領域７２ｐは、ｎ型不純物領域６７ｎに接していてもよい。

【0094】

保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方の領域である第３領域７２ｐへの不純物のドーピングによって得られる効果をコンピュータシミュレーションによって確かめた。具体的には、所定の設計条件で単位画素１０を作製したときの第２領域７０ｐおよび第３領域７２ｐのホウ素の濃度プロファイルをコンピュータシミュレーションによって調べた。その後、当該単位画素１０について、電荷蓄積領域としてのｎ型不純物領域６７ｎの近傍における空乏層の分布をコンピュータシミュレーションによって調べた。コンピュータシミュレーションには、市販のシミュレータを使用した。

【0095】

図４Ａは、シミュレーションで用いたモデルであって、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅ、ｎ型不純物領域６７ｎ、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅおよび第３領域７２ｐの平面視での位置関係を示している。図４Ａのモデルにおいて、コンタクトプラグ８６とゲート電極２８ｅとの距離Ｄ１は、９０ｎｍである。ｎ型不純物領域６７ｎと第３領域７２ｐとの距離Ｄ２は、６０ｎｍである。ゲート電極２８ｅの平面視形状は、一辺の長さＤ３が４４０ｎｍの正方形である。ゲート電極２８ｅの一辺がｎ型不純物領域６７ｎの端部に位置している。第３領域７２ｐは、ゲート電極２８ｅの外側に広がっている。第３領域７２ｐの一部はｎ型不純物領域６８ｅｎに重なっている。このような構成によれば、ゲート電極２８ｅの下方への空乏層の広がりを十分に抑制できる。

【0096】

図４Ａにおいて、第３領域７２ｐは、矩形の領域で表されている。この矩形の領域は、不純物を注入する際に用いられるマスクの設計上の位置を表している。第３領域７２ｐは、所定濃度以上のｐ型の不純物濃度を有する領域である。距離Ｄ２は、例えば、０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にあり、２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲にあってもよい。距離Ｄ２は、ｎ型不純物領域６７ｎと第３領域７２ｐとの最短距離である。

【0097】

図５Ａは、図４Ａのモデルにおける不純物の濃度分布を示している。不純物は、詳細には、ホウ素である。第３領域７２ｐへの不純物の注入ドーズ量は、４×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であった。図５Ａにおいて、横軸は、半導体基板６０の表面に沿った方向の距離を表している。縦軸は、半導体基板６０の厚さ方向の距離を表している。図５Ａに示すように、ゲート電極２８ｅの下方には、１．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の濃度でホウ素を含む領域が存在していた。

【0098】

図６は、図４Ａのモデルでの半導体基板６０の表面近傍におけるホウ素の濃度プロファイルを示している。図６の横軸は、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの中心からの距離を表している。縦軸は、ホウ素の濃度を表している。図６に示すように、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度は、ｎ型不純物領域６７ｎにおけるホウ素の濃度よりも高かった。保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方の第３領域７２ｐにおけるホウ素の濃度は、全体的に、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度よりも高かった。詳細には、第３領域７２ｐにおけるホウ素の濃度の最大値Ｃ_OFは、第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度の最大値Ｃ_RSよりも大きかった。第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度の最大値Ｃ_RSは、約１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。この例では、ｎ型不純物領域６７ｎにおけるホウ素の濃度を上回るように、第２領域７０ｐにもホウ素が注入されている。

【0099】

第２領域７０ｐにおけるｐ型の不純物の濃度と第３領域７２ｐにおけるｐ型の不純物の濃度との大小関係は、各領域における濃度の最大値で判断してもよく、任意の複数の測定点で得られた濃度の平均値で判断してもよい。例えば、第３領域７２ｐにおいてｎ型不純物領域６７ｎから所定距離離れた位置での第２導電型の不純物の濃度は、第２領域７０ｐにおいてｎ型不純物領域６７ｎから同じ所定距離離れた位置での第２導電型の不純物の濃度よりも高くてもよい。また、第３領域７２ｐにおいてｎ型不純物領域６７ｎに隣接し、かつゲート電極２８ｅの下方である位置での第２導電型の不純物の濃度は、第２領域７０ｐにおいてｎ型不純物領域６７ｎに隣接し、かつゲート電極２６ｅの下方である位置での第２導電型の不純物の濃度よりも高くてもよい。

【0100】

図７Ａは、本開示の構成での空乏層の分布を調べるためのシミュレーションの結果を示している。図７Ａは、図４Ａ、図５Ａおよび図６に対応している。図７Ａの中心の濃い円形部分がキャリア濃度の低い空乏層を表している。シミュレーションにおいて、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの電圧は－１Ｖであった。ｎ型不純物領域６７ｎの電圧、つまり、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの電圧は＋０．５Ｖであった。図７Ａに示すように、本開示の構成によれば、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方への空乏層の広がりが抑えられた。

【0101】

リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐのホウ素の濃度は低く抑えられていたものの、ゲート電極２６ｅの下方への空乏層の広がりは見られなかった。

【0102】

図７Ｂは、第３領域７２ｐのホウ素の濃度が十分に低い構成での空乏層の分布を調べるためのシミュレーションの結果を示している。図７Ｂに示すように、空乏層は、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方に大きく広がった。

【0103】

図７Ａと図７Ｂとの比較から理解できるように、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの下方の第３領域７２ｐに十分な量のホウ素を注入することによって、ゲート電極２８ｅの下方への空乏層の広がりを抑制できる。空乏層の広がりを抑制できれば、リーク電流も低減されうる。その結果、より高品質の画像を生成しうる撮像装置１００を提供できる。

【0104】

図５Ａ、図５Ｂおよび図６によれば、第２領域７０ｐにおけるｐ型の不純物の濃度に対する第３領域７２ｐにおけるｐ型の不純物の濃度の比率は、例えば、１．５以上である。比率の上限は特に限定されず、例えば、１００である。第２領域７０ｐおよび第３領域７２ｐの各領域の不純物の濃度を適切に調整することによって、リーク電流を十分に低減できる。

【0105】

図４Ａと同様、図４Ｂは、シミュレーションで用いたモデルであって、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅ、ｎ型不純物領域６７ｎ、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅおよび第３領域７２ｐの平面視での他の位置関係を示している。図４Ｂのモデルにおいて、第３領域７２ｐはｎ型不純物領域６７ｎに接している。つまり、ｎ型不純物領域６７ｎと第３領域７２ｐとの距離Ｄ２がゼロである。

【0106】

図５Ｂは、図４Ｂのモデルにおける不純物の濃度分布を示している。第３領域７２ｐへの不純物の注入ドーズ量は、４×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であった。図４Ｂに示すモデルによれば、ホウ素が高濃度で含まれた第３領域７２ｐがｎ型不純物領域６７ｎに隣接するほど広がっている。

【0107】

図４Ｂおよび図５Ｂに示すモデルを用いた場合においても、空乏層の広がりが抑制され、図７Ａと同様の結果が得られた。

【0108】

図５Ａ、図５Ｂおよび図６に示す濃度分布は、元素の拡散の影響などを考慮して算出されており、実際の単位画素１０における分布と良く一致する。

【0109】

なお、実際の単位画素１０において、各領域の不純物の濃度は、例えば、走査型静電容量顕微鏡法（ＳＣＭ）によって測定することができる。

【0110】

（変形例１）
図８は、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域および保護トランジスタのゲート電極の別のレイアウトを示す平面図である。本変形例において、保護トランジスタ２８のゲート電極１２８ｅは、平面視で、矩形の形状を有する。他方、ゲート電極１２８ｅの下方の第３領域１７２ｐは、平面視で、全体として、矩形以外の形状を有する。ゲート電極１２８ｅの１つの長辺がｎ型不純物領域６７ｎを横切っている。ゲート電極１２８ｅとｎ型不純物領域６７ｎとの重複領域を避けるように第３領域１７２ｐの平面視形状が定められている。

【0111】

本変形例において、例えば、第３領域１７２ｐの所定位置Ｓ３におけるｐ型の不純物の濃度および第２領域７０ｐの所定位置Ｓ２におけるｐ型の不純物の濃度を測定したとき、前者の値は、後者の値よりも高い。第２領域７０ｐの所定位置Ｓ２は、撮像装置１００を平面視したときのゲート電極２６ｅの重心を通るゲート電極２６ｅの法線と第２領域７０ｐの表面との交点を含む位置でありうる。ゲート電極２６ｅのゲート長方向における中心線ＢＬ１と、ゲート電極２６ｅのゲート幅方向と平行な方向におけるゲート電極１２８ｅの中心線ＢＬ２との交点を特定交点と定義したとき、第３領域１７２ｐの所定位置Ｓ３は、特定交点を通るゲート電極１２８ｅの法線と第３領域１７２ｐの表面との交点を含む位置でありうる。このような構成によれば、ゲート電極１２８ｅの形状によらず、空乏層の広がりが抑制されうる。

【0112】

上記の「所定位置Ｓ２」および「所定位置Ｓ３」は、「点」というより、「１点を中心とする微小領域」と捉えるべきである。第２領域７０ｐの表面および第３領域の表面は、半導体基板６０の表面でありうる。「ゲート長方向」とは、ゲート電極の厚さ方向に垂直、かつ、ソースとドレインとの間の電流の流れ方向に平行な方向を意味する。「ゲート幅方向」とは、ゲート電極の厚さ方向に垂直、かつ、ゲート長方向に垂直な方向を意味する。

【0113】

図９は、図８のモデルでの半導体基板６０の表面近傍におけるホウ素の濃度プロファイルであって、所定位置Ｓ２から所定位置Ｋまでのホウ素の濃度プロファイルを示している。所定位置Ｋは、ゲート電極１２８ｅの外縁と中心線ＢＬ１との交点に対応する位置である。図９の横軸は、保護トランジスタ２８のゲート電極１２８ｅの中心からの距離を表している。縦軸は、ホウ素の濃度を表している。所定位置Ｋにおいてホウ素の濃度が最大値を示しているのは、隣接する素子分離領域６９の影響である。

【0114】

図９に示すように、保護トランジスタ２８のゲート電極１２８ｅの下方の第３領域１７２ｐにおけるホウ素の濃度は、全体的に、リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度よりも高かった。第３領域１７２ｐにおけるホウ素の濃度の最大値Ｃ_OFは、第２領域７０ｐにおけるホウ素の濃度の最大値Ｃ_RSよりも大きかった。リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅの下方の第２領域７０ｐおよびｎ型不純物領域６７ｎにおいて、ホウ素の濃度は、３×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で概ね一定であった。つまり、この例では、第２領域７０ｐへのホウ素の注入は行われていない。

【0115】

（変形例２）
図１０は、リセットトランジスタのゲート電極、ｎ型不純物領域および保護トランジスタのゲート電極のさらに別のレイアウトを示す平面図である。本変形例において、ｎ型不純物領域１６７ｎは電荷蓄積領域の一部であり、第１領域である。ｎ型不純物領域１６７ｎは、平面視でＬ字形状を有する。つまり、電荷蓄積領域としてのｎ型不純物領域の形状は矩形に限定されない。リセットトランジスタ２６のゲート電極２６ｅは、平面視で、Ｌ字形状のｎ型不純物領域１６７ｎの一端に重なっている。保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅは、平面視で、Ｌ字形状のｎ型不純物領域１６７ｎの他端に重なっている。ゲート電極２８ｅの下方の第３領域７２ｐにｐ型の不純物がドープされている。このような構成によれば、ｎ型不純物領域１６７ｎの形状によらず、ゲート電極２８ｅの下方への空乏層の広がりが抑制されうる。

【0116】

以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、リーク電流による影響を抑制し得るので、高画質で撮像を行うことが可能な撮像装置が提供される。なお、上述の増幅トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２６および保護トランジスタ２８の各々は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよいし、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。保護トランジスタ２８がＰチャンネルＭＯＳＦＥＴである場合には、ゲート電極２８ｅの導電型をｎ型とすればよく、上記した電源電圧ＶＤＤは、電源電圧ＶＳＳと読み替えればよい。また、これらのトランジスタの全てがＮチャンネルＭＯＳＦＥＴまたはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのいずれかに統一されている必要もない。

【0117】

なお、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、負の電荷を信号電荷として利用してもよい。負の電荷を信号電荷とし、保護トランジスタ２８としてＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅとしてｎ型の導電型を有するポリシリコンを用いてもよい。これにより、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅ下の空乏層の形成を抑制して、暗電流を低減することが可能である。また、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅとしてｎ型の導電型を有するポリシリコンと同程度の仕事関数を持つ材料を用いてもよい。ここで、Ｎ⁺ポリシリコンの仕事関数は４．０５ｅＶである。したがって、ゲート電極２８ｅとして、例えば、Ｈｆ（３．９ｅＶ）、ＴａＮ（４．０５ｅＶ）、Ａｌ（４．１３ｅＶ）、Ｔｉ（４．１４ｅＶ）、Ｎｂ（４．１５ｅＶ）、Ｔａ（４．１９ｅＶ）を用いてもよい。また、Ｐ⁺ポリシリコン（５．１７ｅＶ）より小さい仕事関数を有する材料であれば一定の効果が得られる。すなわち、例えば、上記したＭｉｄ Ｇａｐ Ｍｅｔａｌを用いることもできる。保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの材料の仕事関数は、５．１７ｅＶを下回ってもよく、３．３ｅＶ以上４．２ｅＶ以下であってもよい。負の電荷を信号電荷として利用し、保護トランジスタ２８としてＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、ゲート電極２８ｅに上記した材料を用いることにより、リーク電流を低減する効果を得ることができる。

【0118】

また、負の電荷を信号電荷として利用する場合には、保護トランジスタ２８のｎ型（またはｐ型）不純物領域６８ｅｎに、増幅トランジスタ２２に供給する電源電圧ＶＤＤ（または電源電圧ＶＳＳ）よりも高い電圧を供給する。すなわち、保護トランジスタ２８のｎ型（またはｐ型）不純物領域６８ｅｎに供給する電圧は、電源電圧ＶＤＤ（または電源電圧ＶＳＳ）とは異なる電圧であって、電源電圧ＶＤＤ（または電源電圧ＶＳＳ）に対してリセット電圧と同じ側の電圧である。これによって、オフリーク電流を低減しながら、より高いゲート電圧でｎ型（またはｐ型）不純物領域６７ｎから過剰な電荷を排出させ得る。すなわち、保護トランジスタ２８におけるより安定な動作を実現し得る。なお、この場合においても、保護トランジスタ２８のゲート電極２８ｅの材料に係わらず、安定化の効果を得ることができる。

【0119】

なお、信号電荷として正負のいずれの電荷を利用する場合であっても、リセット電圧と保護トランジスタ２８のｎ型（またはｐ型）不純物領域６８ｅｎに供給する電圧との差の絶対値は、リセット電圧と電源電圧ＶＤＤ（または電源電圧ＶＳＳ）との差の絶対値よりも小さくてもよい。また、保護トランジスタ２８のｎ型（またはｐ型）不純物領域６８ｅｎに供給する電圧は、リセット電圧と電源電圧ＶＤＤ（または電源電圧ＶＳＳ）との間の電圧であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0120】

本開示の撮像装置は、例えばイメージセンサ、デジタルカメラなどに有用である。本開示の撮像装置は、医療用カメラ、ロボット用カメラ、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。

【符号の説明】

【0121】

１０ 単位画素
１２ 光電変換部
１４ 信号検出回路
１６ フィードバック回路
２２ 増幅トランジスタ
２２ｅ 増幅トランジスタのゲート電極
２２ｇ 増幅トランジスタのゲート絶縁層
２４ アドレストランジスタ
２６ リセットトランジスタ
２６ｅ リセットトランジスタのゲート電極
２６ｇ リセットトランジスタのゲート絶縁層
２８ 保護トランジスタ
２８ｅ，１２８ｅ 保護トランジスタのゲート電極
２８ｇ 保護トランジスタのゲート絶縁層
３２ 電源配線
３４ アドレス信号線
３５ 垂直信号線
３６ リセット信号線
３８ 電荷回収線
３９ 蓄積制御線
４５ 電圧供給回路
４６ 垂直走査回路
５０ 反転増幅器
５３ フィードバック線
６０ 半導体基板
６１ 支持基板
６５ｐ ｐ型半導体層
６６ｐ ｐ型不純物領域
６７ａ 第１不純物領域
６７ｂ 第２不純物領域
６７ｎ，１６７ｎ ｎ型不純物領域
６８ａｎ、６８ｂｎ、６８ｃｎ、６８ｄｎ、６８ｅｎ ｎ型不純物領域
７０ｐ 第２領域
７２ｐ，１７２ｐ 第３領域
８０ａ 配線層
８６、８８ コンタクトプラグ
８９ 接続部
１００ 撮像装置
ＦＤ 電荷蓄積ノード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】