JP2004128296A - Solid-state imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばCMOS型イメージセンサ等の固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に光電変換素子によって生成した信号電荷を有効に読み出すことが可能な構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11及び図12は、従来のCMOS型イメージセンサにおける画素構造の一例を示す図であり、図11は画素回路の構成例を示す回路図、図12は素子の構造を示す断面図である。
まず、図11により画素回路の構成について説明する。
図示の構成は、各画素にフォトダイオード(PD)10と転送、増幅、選択、リセットの4つの画素トランジスタ(Tr)11、12、13、14を設けたものである。
PD10は、光電変換によって生成された電子を蓄積する。転送Tr11は、PD10の電子をフローティングディフュージョン(FD)15に転送する。
増幅Tr12は、ゲートがFD15とつながっており、FD15の電位変動を電気信号に変換する。選択Tr13は信号を読み出す画素を行単位で選択するものであり、この選択Tr13がONしたときには、増幅Tr12と画素の外で垂直信号線16につながっている定電流源17とがソースフォロアを組むので、FD15の電圧に連動する電圧が垂直信号線に出力される。
リセットTr14は、FD15の電位をVddにリセットする。
【0003】
また、図12はPD10から転送Tr11のゲート部を経てFD15に到る領域の断面構造を示している。
図示のように、シリコン基板20に形成されたPウェル領域20A内に、PD10、転送Tr11のゲート部11A、及びFD15が設けられ、シリコン基板20上にはゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)21が形成され、ゲート酸化膜21の一部にはLOCOSによる素子分離部22が形成されている。
また、ゲート酸化膜21の上には、転送Tr11の転送ゲート電極11Bが形成されている。
【0004】
ここで、PD10としては、埋込み型のPDが公知である。埋込み型のPDとは、例えばPウェル領域中に形成されるフォトダイオードの場合に、ゲート酸化膜21の界面近傍をp+層(電荷分離領域)10Aとし、その下に光電子を蓄積するn層(電荷蓄積領域)10Bを形成し、基板20の深部に電荷を蓄積する構造のものである。
このような埋込み型のPDでは、n層10Bの界面がp+層10Aでカバーされているので、n層10Bの界面で発生する暗電流を防止できる。
また、転送Tr11とPD10の設計を適切に行えば、PD10の光電子を全てFD15に転送できるので、上述のような埋込み型のPD10は、CCD型センサで広く使われている構造であり、例えば、いわゆるHAD(Hole Accumulation Diode )構造と呼称されるものが提供されている。
【0005】
また、トランジスタは通常のCMOSプロセスで作成されるので、転送ゲート電極11Bにはスペーサとしての側壁11Cがシリコン酸化膜等によって形成されている。
PD10のn層10Bは、転送ゲート電極11Bの形成後、側壁11Cの形成前に、転送ゲート電極11Bを用いた自己整合によってイオン注入され、形成される。
また、PD10のp+層10Aは、その後、側壁11Cを形成してから、側壁11Cを用いたセルフアラインでイオン注入され、形成される。
このようにする理由は、p+層10Aとゲート電極11Bとの距離を微小距離だけ確実に離して、PD10の光電子を転送し易くすることである。
一方、FD15側は通常のトランジスタと同じようにLDD構造をとっている。LDD構造とは、転送ゲート部11Aの側壁11Cの真下には不純物濃度の薄いn層(LDD層)を形成し、転送ゲート部11Aから側壁11Cの分だけ離して不純物濃度の濃いn+層(NSD層)を形成する構造である。
【0006】
また、本件発明者等は、上述のような構造の固体撮像素子において、転送ゲート電極11Bに−1V等の負電圧(ここでは転送バイアス電圧という)を加えることで、転送ゲート部11Aの下の界面からの暗電流(光が入射しなくてもPDに流れ込む電子を成分とする電流)を抑制することを提案している。
これは、転送ゲート電極11Bを負電圧にバイアスすることにより、転送ゲート部11Aの下の酸化膜21の界面にp型のチャネル11Dが形成され、埋め込みPD10と同様に界面準位からの暗電流を防止するからである。
【0007】
また、この種の固体撮像素子において、ダイナミックレンジを拡大する手法として、転送ゲートまたはリセットゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平10−248035号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような図11及び図12に示す画素構成において、PD10の光電子を転送するに必要なゲート電圧が一定以上下げられず、CMOSセンサの低電圧化が難しいという問題がある。
すなわち、PD10は要求される数の電子を貯められるように、完全空乏化電圧を例えば1.5V以上要求される。そして、このPDの電子を全て読み出すには、転送ゲートをONしたときに、1.5V以上のポテンシャルを有するチャネルを、PDのn層にスムーズにつながるように酸化膜21の界面よりも深いところに作らなければならない。
【0010】
これらのことから、完全転送のためには、例えばゲート電圧は2.7V以下にできないという問題があった。これは、同じゲート電圧では深い電圧までPDの光電子を転送することが難しく、飽和電子数が少ない、つまりダイナミックレンジが取れないという問題と表裏一体である。特にCMOSセンサでは、2.5Vあるいは1.8Vといった低電圧化が要請されているが、飽和電子数をいかに多くするかというのが常に課題となっている。
なお、これらの課題(転送ゲートの低電圧化、同じ電圧で転送できる電子数を増加させること)は、PDが埋め込み型でない場合でも、あるいはPDでなくフォトゲートを採用した場合でも、電圧を入力してポテンシャルを制御する転送手段がある限り同様に存在するものである。
【0011】
次に、上述のような埋め込み型のPDを用いる場合、転送ゲート電極11Bに印加した負電圧(転送バイアス電圧)により、PDの暗電流は劇的に改善されるが、1チップのCMOSセンサにある数十万〜数百万という画素の中には、一定の割合で暗電流が多く残るものがあった。
これは、撮影画像上で白点となって見え、画質を著しく悪化させるものである。その原因としては、PD10のp+層10Aと転送ゲート部11Aの下の負電圧によるp型チャネル11Dが側壁11Cの下部領域で必ずしもつながっておらず、側壁11Cの下部のわずかな面積の酸化膜界面が暗電流の発生源となっていた。
【0012】
次に、特許文献1に開示される方法では、以下のような問題がある。
まず、転送ゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる場合は、転送ゲートに高い電圧を入れると、光量が大きいときにPDとFDが導通してしまうので動作範囲に制約がある。
また、リセットゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる場合は、FDのようなコンタクトをもつノードに光電子を貯めることになるので、埋め込みフォトダイオードに貯める場合と違って暗電流が大きくなる。
【0013】
そこで本発明の目的は、暗電流を抑制しつつ、円滑な信号電荷の読み出しを可能とし、さらにダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有する固体撮像素子において、前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成され、前記転送ゲート部は、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して配置され、両側部に側壁を有して形成される転送電極を有するとともに、前記転送電極には前記光電変換素子における電荷蓄積期間中に前記転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧が印加され、さらに前記埋め込みフォトダイオードの電荷分離領域は、前記転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されていることを特徴とする。
【0015】
また本発明は、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有し、前記画素は、前記半導体基板に形成された第1導電型ウェル領域に形成され、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成され、前記転送ゲート部は、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して配置され、両側部に側壁を有して形成される転送電極を有し、さらに前記埋め込みフォトダイオードの電荷分離領域は、前記転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されている固体撮像素子の制御方法であって、前記転送電極に、前記光電変換素子における電荷蓄積期間中に前記転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧を印加し、前記光電変換素子からの電荷転送時に、前記第1導電型ウェル領域に基板バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【0016】
また本発明は、複数の画素を設けた撮像領域部と、前記撮像領域部から出力される画像信号の処理を行う処理回路部とを有し、前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成された固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板上にゲート絶縁膜及び素子分離領域を形成する工程と、前記半導体基板のゲート絶縁膜上に転送ゲート部の転送電極を形成する工程と、前記半導体基板のウェル領域にイオン注入を行うことにより、前記転送ゲート部の一方の側部に前記光電変換素子の電荷分離領域及び電荷蓄積領域を形成するとともに、前記転送ゲート部の他方の側部にフローティングディフュージョン部の低濃度不純物層を形成する工程と、前記転送電極の両側部に側壁を形成する工程と、前記転送電極の他方の側部に形成された側壁のセルフアラインによって前記フローティングディフュージョン部の高濃度不純物層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0017】
本発明の固体撮像素子では、光電変換素子に埋め込みフォトダイオードを用い、転送電極に転送バイアス電圧を印加して転送ゲート下に第1導電型チャネル層を形成することにより、暗電流を抑制した固体撮像素子で、埋め込みフォトダイオードの第1導電型の電荷分離領域が転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されていることから、フォトダイオードの電荷分離領域から転送ゲート部のチャネル層にわたる領域で、フォトダイオードの第2導電型の電荷蓄積層を第1導電型のチャネル層によってゲート絶縁膜から完全に分離でき、暗電流を極小に抑制することができ、白傷等の画質劣化を有効に防止できる。
【0018】
また、本発明の固体撮像素子の制御方法では、上述のような埋め込みフォトダイオードを用いた画素構造で、転送電極に、光電変換素子の電荷蓄積期間中に転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧を印加し、光電変換素子からの電荷転送時に第1導電型ウェル領域に基板バイアス電圧を印加することにより、フォトダイオードの電荷分離領域から転送ゲート部のチャネル層にわたる領域で、フォトダイオードの第2導電型の電荷蓄積層を第1導電型のチャネル層によってゲート絶縁膜から完全に分離でき、暗電流を極小に抑制することができ、白傷等の画質劣化を有効に防止できるとともに、フォトダイオードから転送ゲート部への信号電荷の転送動作を低電圧化することができ、信号電荷の読み出し動作を円滑化することが可能となる。
【0019】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法では、半導体基板のゲート絶縁膜上に転送ゲート部の転送電極を形成した後、側壁の形成前に、光電変換素子の電荷分離領域及び電荷蓄積領域を形成するとともに、フローティングディフュージョン部の低濃度不純物層を形成し、次に、転送電極の側壁を形成した後、側壁のセルフアラインによってフローティングディフュージョン部の高濃度不純物層を形成することから、光電変換素子の電荷分離領域を転送ゲート部の側壁の直下に延在した状態で形成できるとともに、フローティングディフュージョン部をLDD構造を容易に形成することが可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態例について説明する。
本発明の実施の形態例では、上述した図11及び図12に示す固体撮像素子において、さらなる暗電流対策を施すため、転送ゲート電極の側壁の直下にPDのp+層を延在させたものである。
具体的な製造工程としては、転送ゲート電極を形成後、その側壁の形成前に、PDのp+イオンをイオン打ち込みする方法により、暗電流を抑制でき、白点が著しく減少した。また、これにより、上述した転送ゲートに負電圧(転送バイアス電圧)を印加する方法と組み合わせた場合に、PDをホールの存在する領域で完全に包囲することができるようになる。
また、本実施の形態例では、PDからの電荷転送の低電圧化を図るために、画素の下層に設けられるPウェル領域に対し、電荷転送時に同期して基板バイアス電圧を印加するようにした。これによって読出し電圧を下げることが可能となる。なお、これらの原理については、具体的な実施例を用いて後述する。
【0021】
図1は、本発明の実施の形態例による固体撮像素子の全体構成例を示すブロック図であり、CMOS型イメージセンサの例を示している。
また、図2は、図1に示す固体撮像素子の1つの画素回路の構成例を示す回路図である。
図1に示すように、本例の固体撮像素子は、半導体素子基板100上に画素部(撮像領域部)110、定電流部120、列信号処理部(カラム部)130、垂直(V)選択駆動手段140、水平(H)選択手段150、水平信号線160、出力処理部170、タイミングジェネレータ(TG)180等を設けたものである。
画素部110は、多数の画素を2次元マトリクス状に配置したものであり、各画素に図2に示すような画素回路が設けられている。この画素部110からの各画素の信号は、各画素列毎に垂直信号線(図1では省略)を通して列信号処理部130に出力される。
定電流部120には各画素にバイアス電流を供給するための定電流源(図1では省略)が各画素列毎に配置されている。
V選択駆動手段140は、画素部110の各画素を1行ずつ選択し、各画素のシャッタ動作や読み出し動作を駆動制御するものである。
【0022】
列信号処理部130は、垂直信号線を通して得られる各画素の信号を1行分ずつ受け取り、列ごとに所定の信号処理を行い、その信号を一時保持する。例えばCDS(画素トランジスタの閾値のばらつきに起因する固定パターンノイズを除去する)処理、AGC(オートゲインコントロール)処理、A/D変換処理等を適宜行うものとする。
H選択手段150は、列信号処理部130の信号を1つずつ選択し、水平信号線160に導く。
出力処理部170は、水平信号線160からの信号に所定の処理を行い、外部に出力するものであり、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を有している。なお、列信号処理部130でA/D変換を行う代わりに、出力処理部170で行うようにしてもよい。
タイミングジェネレータ180は、基準クロックに基づいて各部の動作に必要な各種のパルス信号等を供給する。
【0023】
次に、図2を用いて本例の画素回路について説明する。
図示の構成は、各画素にフォトダイオード(PD)110と転送、増幅、選択、リセットの4つの画素トランジスタ(Tr)111、112、113、114を設けたものである。
PD119は、光電変換によって生成された電子を蓄積するものであり、転送Tr111をONすることにより、PD119の電子をフローティングディフュージョン(FD)115に転送する。FD115には寄生容量があるので、ここに光電子が溜められる。
増幅Tr112は、ゲートがFD115とつながっており、FD115の電位変動を電気信号に変換する。選択Tr113は信号を読み出す画素を行単位で選択するものであり、この選択Tr113がONしたときには、増幅Tr112と画素の外で垂直信号線116につながっている定電流源117とがソースフォロアを組むので、FD115の電圧に連動する電圧が垂直信号線に出力される。
リセットTr114は、FD115の電位をVddにリセットする。Vdd配線は全画素共通となっている。
【0024】
また、転送Tr111、選択Tr113、リセットTr114の配線111A、113A、114Aは、横方向(水平=行方向)に延在し、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっている。
また、各画素のトランジスタはNMOSであり、これらはPウェル領域中に形成されている。そして、このPウェル領域へのコンタクト118を取る配線118Aが横方向(水平=行方向)に延在している。
なお、このPウェル領域へのコンタクト118を取る配線118Aは、設けた方がより有効であるが、高速動作が要求されない場合などには、これが無くとも、Pウェル領域自体の電気伝導度を利用して画素部の周囲でのみコンタクトを取って駆動することもできる(なお、この場合の画素回路は従来例で示した図11と同様になる)。
【0025】
次に、このような本実施の形態例による固体撮像素子において、画素下のPウェル領域に対し、電荷転送時に同期した基板バイアスを印加することにより、PDからの読み出し電圧を下げることが可能となる原理について説明する。
図3は、上述のような固体撮像素子におけるPD〜転送ゲート〜FD〜リセットゲート〜電源配線(Vdd)にわたる領域のポテンシャルの構造を示す説明図であり、図3(a)は基板バイアスをかけない場合(従来の転送状態)のポテンシャル、図3(b)は基板バイアスをかけた場合(本実施の形態例)のポテンシャルを示している。なお、下方向が電位の正の方向である。
【0026】
図3(a)に示す従来の転送状態では、転送ゲート(転送Tr)111をONしてPD119の光電子をFD115に転送しているが、転送ゲート111の電圧が足りず、PD119に転送残しが生じる。
これに対して図3(b)に示す本例では、転送ゲート111をONするとともに、Pウェル領域に負の基板バイアス(絶対値VB)をかけたものである。このとき、PD119は、Pウェル領域との容量結合が支配的であるので、PD119のポテンシャルは基板バイアスVBに近い値だけ負に振れる。
一方、転送ゲート111の下層のチャネルは、転送ゲート111と強く容量結合しているので、Pウェル領域との結合の割合は低く、基板バイアスVBよりも少ししか負に振れない。
【0027】
また、FD115は、転送ゲート111及びリセットゲート(リセットTr)114との容量結合や、増幅ゲート(増幅Tr)112を介した容量結合もあるので、Pウェル領域との結合の割合は低く、やはり基板バイアスVBよりも少ししか振れない。
リセットゲート114の下層のチャネルは、転送ゲート111の下層のチャネルと同様である。電源電圧Vddのように固定電圧がかかっているノードは、ポテンシャルは動かない。
【0028】
よって、図3(b)のようなポテンシャル関係になり、PD119の光電子がFD115に転送できるようになる。この効果により、転送ゲート111の電圧が低くてもPD119の光電子を確実に転送できるようになる。または、同じ転送ゲート電圧でも、より深いポテンシャルまでPD119の光電子を読み出せるので、取り扱い電荷量が増え、ダイナミックレンジが拡大する。
また、後述する第3実施例のように、Pウェル領域のバイアス電圧を蓄積期間に変化させることにより、光量の大きい部分の感度を落とす手法でダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
【0029】
以下、本実施の形態例をさらに具体化したいくつかの実施例について詳細に説明する。
(第1実施例)
まず、第1実施例として、上述した画素部下のPウェル領域に基板バイアスを印加する具体例について説明する。
図4は、この第1実施例の画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図であり、斜線部分がPウェル領域200を示し、このPウェル領域200の内部に介在する空白部分がPウェルの分離領域210を示している。また、Pウェル領域200の中の正方形の区切りが1つの画素110Aである。
すなわち、本例では、画素部110の各画素行毎にPウェル領域200を電気的に分離して設けた例である。
【0030】
図5は、この第1実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
まず、このタイミングチャートにおける動作の前提として、V選択駆動手段140が画素信号を出力する行を選択し、その行に図5に示すような各パルスを供給するものとする。
また、2つのタイミングパルスSHP、SHDは、各画素回路ではなく列信号処理部130に入るパルスであり、画素の出力をサンプルホールドするためのパルスである。
なお、非選択行では、転送Tr111、リセットTr114、選択Tr113がOFFし、Pウェル領域200が、0Vで保持されているものとする。
【0031】
以下、選択行の動作を図5に沿って説明する。
(1)まず、選択ゲート113をONする。これにより、その行の信号が垂直信号線116に出力されるようになる。
(2)次に、リセットゲート114にリセットパルスを入れてFD115をリセットする。
(3)次に、サンプルホールドパルスSHPで、そのときの垂直信号線116の電圧(リセットレベル)を列信号処理部130に取り込む。
(4)次に、Pウェル領域200に負の基板バイアスをかけ、転送ゲート111をONした後、Pウェル領域200の電位を0Vに戻し、転送ゲート111をOFFする。これによってFD115に光電子が移される。
(5)次に、サンプルホールドパルスSHDで、そのときの垂直信号線116の電圧(信号レベル)を列信号処理部130に取り込む。
(6)次に、選択ゲート113をOFFし、その行を垂直信号線116から切り離す。
【0032】
この後、列信号処理部130では、上述したCDS回路によってリセットレベルと信号レベルとの差をとり、その他の適切な処理を行い、水平信号線160を通して順に出力する。
以上のように本実施例では、上記(4)において、電荷転送時に基板バイアスをかけることにより、低電圧でも確実に転送することができる。
V選択駆動手段140は、列信号処理回路130が水平信号線160に信号を出力し終わってから、次の行を選択し、同様に駆動する。これを繰り返すことで、全画面の信号を出力する。
なお、本実施例において、列信号処理回路130はSHP、SHDのパルスで信号を取り込むものとしたが、同じタイミングで信号を取り込めば、これらのパルスを使わない方式の回路であっても良い。これは以下の各実施例でも同様である。
【0033】
(第2実施例)
次に、第2実施例として、上述した画素部下のPウェル領域に行単位でなく画素部全体として基板バイアスを印加する例について説明する。
図6は、この第2実施例の画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図であり、斜線部分がPウェル領域220を示している。すなわち、本例では、画素部110の全体に電気的に導通したPウェル領域220を設けた例である。
【0034】
図7は、この第2実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
まず、全行の画素を同時に動作させ、FD115のリセットに次いで電荷の転送を行う。これは、まずリセットパルスを入れてFD115をリセットする。その後、転送パルスを入れて、PD119の光電子をFD115に転送する。
この転送パルスのタイミングでは、上記第1実施例と同様に、Pウェル領域220の電位を負に振って転送を助ける。これにより、全画素のFD115にはリセット時の電圧から光電子分シフトした電圧が保持される。
【0035】
次に、各画素の信号を1行ずつ読み出す。ここでは読出し行のみ動作する。
読出し行では、まず選択ゲート113をONし、その状態での垂直信号線116の電圧(信号レベル)をSHDで列信号処理回路130に取り込む。
次にリセットパルスを入れ、垂直信号線116の電圧(リセットレベル)をSHPで列信号処理回路130に取り込む。それから選択ゲート113をOFFする。
列信号処理回路130では、リセットレベルと信号レベルとの差をとり、適切な処理を行い、選択ゲート113をOFFした後に、水平信号線140を通して順に出力する。
その後、読出し行が次の行に移り、同様の動作を繰り返し実行する。
【0036】
そして、このように1行ずつ全行の信号を読出した後、1フレーム期間の終わりまでダミー信号の期間が続く。この間に感光時間を決めるためのPDのリセット動作を入れる。この動作は、全行の画素が同時に動作する。
なお、この動作は先ほどの全行FD同時リセット・ 転送と同じ動作で良く、やはりその転送時にPウェル領域220に負の電位を入れて転送を助ける。この時点から、PDに新たな光電子が蓄積され始め、最初から同様の動作を行う。
【0037】
(第3実施例)
次に、第3実施例として、上述した画素部下のPウェル領域のバイアス電圧を電荷蓄積期間の途中で動かすことによって、ダイナミックレンジを広くする例について説明する。
図8は、Pウェル領域のバイアス電圧を電荷蓄積期間の途中で変化させる場合の動作例を示すタイミングチャートであり、縦軸はPウェル電圧、横軸は時間経過を示している。また、図9は、図8に示す動作に伴うPDの受光光量と蓄積電子数の関係を示す説明図である。
【0038】
図8に示すように、PDに光電子の蓄積を開始したときに、例えば−1Vにしておく。そして、蓄積時間の途中で、これを0Vにすると、図9に示すように、光量の少ないところではPDの蓄積電子数は光量に敏感で、光量の大きいところでは鈍感になる。
その理由は以下の通りである。すなわち、Pウェル領域が−1Vの時には、PDの飽和が少なくなっており、ある電子数でPDが飽和して、それ以上はFDに流出してしまう。
【0039】
ここでPウェル領域を0Vにすると、PDの飽和が増えるので、さらに光電子を蓄積することができる。
光量が少ないときには、PDを飽和させること無く全蓄積期間の光電子が収集されるが、光量が大きい時には、Pウェル領域が−1Vの期間に飽和以上の電子が捨てられるので、その分感度が低下することになる。
これにより、図9に示すように、あるところで折れ曲がり点aを持った感度曲線が得られ、暗いところの感度を犠牲にせずに、より大きな光量まで検出することができる。すなわち、ダイナミックレンジが広くなる。
【0040】
なお、図8に示す例では、Pウェル電圧を−1Vと0Vの2値で駆動したが、−1V→0.5V→0Vのように細かく刻みながら変化させると、感度曲線の折れ曲がり点を増やすことができ、電圧の変化時間を適当に設定することと合わせて、いろんな感度曲線を実現することができる。
また、Pウェル電圧を連続的に変化させると、図9のような折れ曲がりでなく、曲線状の感度曲線を得ることができる。
このような方法を用いることにより、上述した特許文献1に開示される転送ゲートの電圧を変化させる場合の動作範囲に制約が有るという問題も、リセットゲートの電圧を変化させる場合の暗電流が大きいという問題も解決することができる。
【0041】
なお、本実施例の方法は、上述した第1、第2実施例とは独立のものである。つまり、転送時に基板バイアスをかけることとは独立のものである。もちろん、第1、第2実施例の構成と共に実施することもできる。
【0042】
(第4実施例)
次に、第4実施例として本実施の形態例による固体撮像素子の製造工程を説明する。
図10は本実施例における固体撮像素子の製造工程によるPD〜転送ゲート〜FDの構造を示す断面図である。
まず、図10(a)では、通常のCMOS工程で、Pウェル領域300Aを形成したシリコン基板300の上面にゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)310及び素子分離領域320を形成し、ゲート酸化膜310の上にポリシリコン膜による転送ゲート電極330を形成する。
次に図10(b)において、FD側には通常のCMOSと同じく、LDDのイオン注入を行い、n層340を形成する。また、PD側には、表面近くに電荷分離領域としてのp+層350のイオン注入を行い、それより深いところに電荷蓄積領域としてのn層360のイオン注入を行う。なお、従来は、この段階でp+層350のイオン注入は行わず、図12に示す従来例のように側壁下にp+層を持たない構造となっていた。
【0043】
次に図10(c)において、通常のCMOS工程で、転送ゲート電極330の両側にシリコン酸化膜等による側壁370を形成する。
次に図10(d)において、FD側に、通常のCMOS工程で、n+層380を形成するためのNSDのイオン注入を行う。なお、従来は、この段階でPD側のp+層のイオン注入を行っており、図12に示す従来例のように側壁の外側にp+層を持つ構造となっていた。
以上のようにして、LDD構造を有し、側壁の直下にPDのp+層を有する構造を形成することができる。
その後は、通常のCMOS工程を用いて上層の構造物等を形成するが、説明は省略する。
【0044】
本実施例の特徴は、PD側のp+層を側壁の形成前に打ち込み、p+層を側壁の下にも存在させたことである。なお、側壁の形成後にイオンを打って、斜めイオン注入や熱拡散で側壁の下に伸ばす方法も可能であるが、このような方法と違い、p+層を確実に側壁下に存在させることができる。
また、上記従来の技術の項で述べたように、本件発明者等は、埋め込みPDを用い、さらに転送ゲートに負電圧(転送バイアス電圧)を印加することによって、転送ゲート部下の界面にホールを蓄積し、暗電流を低減できることを提案しているが、それでも側壁下の酸化膜界面がホールで覆われない状態で残っており、わずかな面積であるが、残る暗電流成分の大部分を占めており、特に、ある割合で白点を発生させるという課題があった。
そこで、本実施例では、上述のようにPD側のp+層を側壁形成前に打ち込み、この領域で生じる暗電流成分を有効に抑制することができる。
【0045】
つまり、本実施例では、次の3つの構成要件を全て適用することによって、PDのn層が初めて完全にホールの存在する領域で囲まれ、暗電流や白点(暗電流が特に多い画素)を十分に低減することが可能となる。
(1)半導体基板の最表面にp+層を存在させた埋め込みPDを用いる点。
(2)PDの電荷蓄積期間中に転送ゲートに負電圧をかける点。
(3)側壁形成前にPDのp+層のイオンを打ち込み、側壁下に確実にp+層を存在させる。
もちろん、この3つの構成要件は全て独立に効果を有するものであり、特に構成要件(3)は本実施例において新規な構成要件であり、最も顕著な特徴となるものである。
【0046】
ただし、側壁下にp+層が存在すると、転送ゲートでPDのn層の光電子を転送するのが難しくなる。
これに対し、ゲート電圧を上げる、PDの面積を大きくして飽和を稼ぐ、PDの飽和電子が少なくてもいい用途に使う等の対処方法もあるが、それぞれ不利な点を有するものである。
そこで、上述した第1、第2実施例で説明した基板バイアス電圧をPウェル領域にかけて転送を助けるという方法を用いることにより、極めて有効な動作特性を得ることができ、各実施例の組み合わせにより、最も好ましい形態を得ることが可能となる。
【0047】
したがって、以上のような実施の形態例では、半導体基板の最表面にp+層を存在させた埋め込みPDを用い、かつ、電荷蓄積中にゲート電圧を負電位に制御する固体撮像素子において、次のような効果を得ることが可能である。
(1)側壁の下にp+層を存在させる(特に製造工程で側壁形成前にp+層をイオン注入する)ことにより、暗電流や白点を低減することができる。特に埋め込みPD、転送ゲートの負電圧印加とともに用いることで、顕著な効果を得ることができる。
(2)上記(1)では電荷の転送は難しくなるが、電荷の転送時に、Pウェル領域に基板バイアスを加えることで、フォトダイオードの光電子を転送しやすくすることができる。これにより、上記(1)の欠点を補い、飽和電子数を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大できる。また、転送に必要なゲート電圧を下げることができ、低電圧化を実現できる。
(3)電荷の蓄積期間に、Pウェル領域の基板バイアスを変化させることにより、明るいところの感度を落とし、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【0048】
なお、以上の実施の形態例では、電子をキャリアとし、NMOSの画素トランジスタを基本にしたものであったが、ホールをキャリアとし、PMOSを基本にしたものができることも自明である。また、これに応じて電圧の極性等は適宜に変わることになる。
また、画素トランジスタの構成としては、上述した例に限定されず、種々採用が可能である。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、光電変換素子に埋め込みフォトダイオードを用い、転送電極に転送バイアス電圧を印加して転送ゲート下に第1導電型チャネル層を形成することにより、暗電流を抑制した固体撮像素子で、埋め込みフォトダイオードの第1導電型の電荷分離領域が転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されていることから、フォトダイオードの電荷分離領域から転送ゲート部のチャネル層にわたる領域で、フォトダイオードの第2導電型の電荷蓄積層を第1導電型のチャネル層によってゲート絶縁膜から完全に分離でき、暗電流を極小に抑制することができ、白傷等の画質劣化を有効に防止できる。
【0050】
また、本発明の固体撮像素子の制御方法では、上述のような埋め込みフォトダイオードを用いた画素構造で、転送電極に、光電変換素子の電荷蓄積期間中に転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧を印加し、光電変換素子からの電荷転送時に第1導電型ウェル領域に基板バイアス電圧を印加することにより、フォトダイオードの電荷分離領域から転送ゲート部のチャネル層にわたる領域で、フォトダイオードの第2導電型の電荷蓄積層を第1導電型のチャネル層によってゲート絶縁膜から完全に分離でき、暗電流を極小に抑制することができ、白傷等の画質劣化を有効に防止できるとともに、フォトダイオードから転送ゲート部への信号電荷の転送動作を低電圧化することができ、信号電荷の読み出し動作を円滑化することができる。
【0051】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法では、半導体基板のゲート絶縁膜上に転送ゲート部の転送電極を形成した後、側壁の形成前に、光電変換素子の電荷分離領域及び電荷蓄積領域を形成するとともに、フローティングディフュージョン部の低濃度不純物層を形成し、次に、転送電極の側壁を形成した後、側壁のセルフアラインによってフローティングディフュージョン部の高濃度不純物層を形成することから、光電変換素子の電荷分離領域を転送ゲート部の側壁の直下に延在した状態で形成できるとともに、フローティングディフュージョン部をLDD構造を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の全体構成例を示すブロック図である。
【図2】図1に示す固体撮像素子における画素回路の構成例を示す回路図である。
【図3】図1に示す固体撮像素子におけるPD〜転送ゲート〜FD〜リセットゲート〜電源配線(Vdd)にわたる領域のポテンシャルの構造を従来例と対比して示す説明図である。
【図4】図1に示す固体撮像素子の第1実施例による画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図である。
【図5】図4に示す第1実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
【図6】図1に示す固体撮像素子の第2実施例による画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図である。
【図7】図6に示す第2実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
【図8】図1に示す固体撮像素子の第3実施例によるPウェル領域のバイアス電圧変化の動作例を示すタイミングチャートである。
【図9】図8に示す動作に伴うPDの受光光量と蓄積電子数の関係を示す説明図である。
【図10】図1に示す固体撮像素子の第4実施例による製造工程を示す断面図である。
【図11】従来の固体撮像素子における画素回路の一例を示す回路図である。
【図12】図11に示す固体撮像素子のフォトダイオード及びその周辺部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
100……半導体素子基板、110……画素部、111……転送Tr、112……増幅Tr、113……選択Tr、114……リセットTr、119……フォトダイオード(PD)、120……定電流部、130……列信号処理部、140……V選択駆動手段、150……H選択手段、160……水平信号線、170……出力処理部、180……タイミングジェネレータ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a configuration capable of effectively reading out signal charges generated by a photoelectric conversion device.
[0002]
[Prior art]
11 and 12 are diagrams illustrating an example of a pixel structure in a conventional CMOS image sensor. FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a pixel circuit, and FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a structure of an element.
First, the configuration of the pixel circuit will be described with reference to FIG.
In the illustrated configuration, each pixel is provided with a photodiode (PD) 10 and four pixel transistors (Tr) 11, 12, 13, and 14 for transfer, amplification, selection, and reset.
The PD 10 stores the electrons generated by the photoelectric conversion. The
The gate of the amplification Tr12 is connected to the FD15, and converts the fluctuation in the potential of the FD15 into an electric signal. The selection Tr13 selects a pixel from which a signal is read out on a row basis. When the selection Tr13 is turned ON, the amplification Tr12 and the constant
The reset Tr14 resets the potential of the FD 15 to Vdd.
[0003]
FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a region from the PD 10 to the FD 15 via the gate of the
As shown in the figure, a PD 10, a
The transfer gate electrode 11B of the
[0004]
Here, an embedded PD is known as the PD 10. For example, in the case of a photodiode formed in a P-well region, a buried type PD is a p + layer (charge separation region) 10A near the interface of the
In such a buried PD, since the interface of the n-layer 10B is covered by the p +
Also, if the transfer Tr11 and the PD10 are properly designed, all the photoelectrons of the PD10 can be transferred to the FD15. Therefore, the above-described embedded PD10 has a structure widely used in a CCD sensor. A so-called HAD (Hole Accumulation Diode) structure is provided.
[0005]
Further, since the transistor is formed by a normal CMOS process, a
The n-layer 10B of the PD 10 is formed by ion implantation by self-alignment using the transfer gate electrode 11B after forming the transfer gate electrode 11B and before forming the
After that, the p +
The reason for this is that the distance between the p +
On the other hand, the
[0006]
In addition, in the solid-state imaging device having the above-described structure, the present inventors apply a negative voltage (herein, referred to as a transfer bias voltage) such as -1 V to the transfer gate electrode 11B to thereby lower the
This is because, by biasing the transfer gate electrode 11B to a negative voltage, a p-
[0007]
As a technique for expanding the dynamic range in this type of solid-state imaging device, a method of changing the voltage of a transfer gate or a reset gate during an accumulation time is known (for example, see Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-248035
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the pixel configuration shown in FIG. 11 and FIG. 12 described above, there is a problem that the gate voltage required for transferring the photoelectrons of the PD 10 cannot be reduced by a certain amount or more, and it is difficult to lower the voltage of the CMOS sensor.
That is, the PD 10 is required to have a complete depletion voltage of, for example, 1.5 V or more so that the required number of electrons can be stored. In order to read all the electrons of the PD, when the transfer gate is turned on, a channel having a potential of 1.5 V or more is placed deeper than the interface of the
[0010]
For these reasons, there is a problem that, for example, the gate voltage cannot be set to 2.7 V or less for complete transfer. This is inextricably linked to the problem that it is difficult to transfer photoelectrons of the PD to a deep voltage with the same gate voltage, and the number of saturated electrons is small, that is, a dynamic range cannot be obtained. Particularly, CMOS sensors are required to have a low voltage of 2.5 V or 1.8 V. However, how to increase the number of saturated electrons has always been an issue.
Note that these problems (reducing the voltage of the transfer gate and increasing the number of electrons that can be transferred at the same voltage) are caused by inputting a voltage even when the PD is not a buried type or when a photogate is used instead of the PD. As long as there is a transfer means for controlling the potential, it similarly exists.
[0011]
Next, in the case of using the buried PD as described above, the dark current of the PD is dramatically improved by the negative voltage (transfer bias voltage) applied to the transfer gate electrode 11B. Some hundreds of thousands to several millions of pixels have a large amount of dark current remaining at a fixed rate.
This is seen as a white point on the captured image, and significantly deteriorates the image quality. The reason for this is that the p +
[0012]
Next, the method disclosed in
First, when the voltage of the transfer gate is changed during the accumulation time, if a high voltage is applied to the transfer gate, the PD and the FD conduct when the amount of light is large, so that the operating range is limited.
Also, when the voltage of the reset gate is changed during the accumulation time, photoelectrons are stored in a node having a contact such as an FD, so that the dark current becomes large unlike the case where the photoelectrons are stored in a buried photodiode.
[0013]
Therefore, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of smoothly reading out signal charges while suppressing a dark current and further expanding a dynamic range, and a method for manufacturing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides, in a solid-state imaging device having an imaging region unit provided with a plurality of pixels and a processing circuit unit that processes an image signal output from the imaging region unit, the pixel: A photoelectric conversion element that generates signal charge according to the amount of received light, a floating diffusion unit that detects the amount of signal charge generated by the photoelectric conversion element, and a signal charge generated by the photoelectric conversion element is stored in the floating diffusion unit. A transfer gate portion for transferring; the photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first-conductivity-type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate; and a second charge conversion region formed below the charge separation region. The transfer gate portion is formed of a buried photodiode having a charge storage region formed of a two-conductivity type impurity layer, and And a transfer electrode formed with side walls on both sides thereof, and the transfer electrode has a gate insulating film of the transfer gate portion during a charge accumulation period in the photoelectric conversion element. A transfer bias voltage for forming a first conductivity type channel layer is applied to the interface of the buried photodiode, and the charge separation region of the buried photodiode is formed to extend below a sidewall of the transfer electrode on the photodiode side. It is characterized by having.
[0015]
Further, the present invention has an imaging area section provided with a plurality of pixels, and a processing circuit section for processing an image signal output from the imaging area section, wherein the pixels are formed on a semiconductor substrate. A photoelectric conversion element formed in the one-conductivity-type well region to generate a signal charge according to the amount of received light, a floating diffusion unit that detects the amount of signal charge generated by the photoelectric conversion element, and a photoelectric conversion element generated by the photoelectric conversion element. A transfer gate portion for transferring the signal charge to the floating diffusion portion, wherein the photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first conductivity type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate; And a charge accumulation region formed of a second conductivity type impurity layer formed below the isolation region. A transfer electrode disposed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween and having sidewalls on both sides, and further, a charge separation region of the buried photodiode is disposed on a photodiode side of the transfer electrode. A method of controlling a solid-state imaging device formed to extend below a side wall of the photoelectric conversion element, wherein a transfer electrode is formed on an interface of a gate insulating film of the transfer gate portion during a charge accumulation period in the photoelectric conversion element. A transfer bias voltage for forming a one-conductivity-type channel layer is applied, and a substrate bias voltage is applied to the first-conductivity-type well region during charge transfer from the photoelectric conversion element.
[0016]
Further, the present invention has an imaging region section provided with a plurality of pixels, and a processing circuit section for processing an image signal output from the imaging region section, wherein the pixels generate signal charges corresponding to the amount of received light. A photoelectric conversion element to generate, a floating diffusion unit for detecting an amount of signal charge generated by the photoelectric conversion element, and a transfer gate unit to transfer the signal charge generated by the photoelectric conversion element to the floating diffusion unit. The photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first conductivity type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate and a charge formed of a second conductivity type impurity layer formed below the charge separation region. A method for manufacturing a solid-state imaging device formed from a buried photodiode having a storage region, comprising a gate insulating film and a device isolation layer on the semiconductor substrate. Forming a region, forming a transfer electrode of a transfer gate portion on a gate insulating film of the semiconductor substrate, and performing ion implantation on a well region of the semiconductor substrate, thereby forming one side of the transfer gate portion. Forming a charge separation region and a charge storage region of the photoelectric conversion element in a portion, and forming a low concentration impurity layer of a floating diffusion portion on the other side of the transfer gate portion; Forming a high-concentration impurity layer of the floating diffusion portion by self-alignment of the side wall formed on the other side of the transfer electrode.
[0017]
In the solid-state imaging device of the present invention, a solid-state imaging device in which dark current is suppressed by using a buried photodiode for a photoelectric conversion element and applying a transfer bias voltage to a transfer electrode to form a first conductivity type channel layer below a transfer gate. In the image pickup device, the charge separation region of the first conductivity type of the buried photodiode is formed to extend below the side wall of the transfer electrode on the photodiode side. In the region extending over the channel layer, the charge accumulation layer of the second conductivity type of the photodiode can be completely separated from the gate insulating film by the channel layer of the first conductivity type, the dark current can be suppressed to a minimum, and white scratches and the like can be suppressed. Image quality degradation can be effectively prevented.
[0018]
In the method for controlling a solid-state imaging device according to the present invention, in the pixel structure using the buried photodiode as described above, the transfer electrode and the interface of the gate insulating film of the transfer gate portion during the charge accumulation period of the photoelectric conversion element. A transfer bias voltage for forming a channel layer of the first conductivity type is applied, and a substrate bias voltage is applied to the well region of the first conductivity type during charge transfer from the photoelectric conversion element, thereby transferring the charge from the charge separation region of the photodiode. In the region over the channel layer of the gate portion, the charge accumulation layer of the second conductivity type of the photodiode can be completely separated from the gate insulating film by the channel layer of the first conductivity type, and the dark current can be minimized. In addition to being able to effectively prevent image quality deterioration such as scratches, the voltage of the signal charge transfer operation from the photodiode to the transfer gate can be reduced, It is possible to facilitate the unloading of the read operation.
[0019]
Further, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, after forming the transfer electrode of the transfer gate portion on the gate insulating film of the semiconductor substrate, before forming the side wall, the charge separation region and the charge storage region of the photoelectric conversion device are formed. Forming a low-concentration impurity layer of the floating diffusion portion, forming a side wall of the transfer electrode, and then forming a high-concentration impurity layer of the floating diffusion portion by self-alignment of the side wall. Can be formed so as to extend just below the side wall of the transfer gate portion, and the floating diffusion portion can be easily formed in the LDD structure.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a solid-state imaging device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described.
In the embodiment of the present invention, in the solid-state imaging device shown in FIGS. 11 and 12 described above, the p + layer of the PD is extended immediately below the side wall of the transfer gate electrode in order to further take measures against dark current. is there.
As a specific manufacturing process, after forming the transfer gate electrode and before forming the side wall thereof, the method of implanting p + ions of PD can suppress the dark current and significantly reduce the white spot. In addition, when combined with the above-described method of applying a negative voltage (transfer bias voltage) to the transfer gate, the PD can be completely surrounded by the region where the holes exist.
Further, in this embodiment, in order to lower the voltage of the charge transfer from the PD, the substrate bias voltage is applied to the P-well region provided below the pixel in synchronization with the charge transfer. . This makes it possible to reduce the read voltage. Note that these principles will be described later using specific examples.
[0021]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, and illustrates an example of a CMOS image sensor.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of one pixel circuit of the solid-state imaging device shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device of this example has a pixel unit (imaging region unit) 110, a constant
The
In the constant
The V
[0022]
The column
The H selection means 150 selects the signals of the column
The
The
[0023]
Next, the pixel circuit of this example will be described with reference to FIG.
In the illustrated configuration, each pixel is provided with a photodiode (PD) 110 and four pixel transistors (Tr) 111, 112, 113, and 114 for transfer, amplification, selection, and reset.
The
The gate of the amplification Tr 112 is connected to the
The
[0024]
The
The transistor of each pixel is an NMOS, and these are formed in the P well region. A
It is more effective to provide the
[0025]
Next, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, it is possible to reduce the read voltage from the PD by applying a substrate bias synchronized with the charge transfer to the P-well region below the pixel. The principle will be described.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a potential structure in a region extending from PD to transfer gate to FD to reset gate to power supply wiring (Vdd) in the solid-state imaging device as described above. FIG. FIG. 3B shows the potential when there is no substrate (conventional transfer state), and FIG. 3B shows the potential when substrate bias is applied (this embodiment). Note that the downward direction is the positive direction of the potential.
[0026]
In the conventional transfer state shown in FIG. 3A, the transfer gate (transfer Tr) 111 is turned on to transfer the photoelectrons of the
On the other hand, in this example shown in FIG. 3B, the
On the other hand, the channel in the lower layer of the
[0027]
Further, since the
The channel below the
[0028]
Accordingly, the potential relationship is as shown in FIG. 3B, and the photoelectrons of the
Also, as in a third embodiment described later, by changing the bias voltage in the P-well region during the accumulation period, it is possible to expand the dynamic range by a method of reducing the sensitivity of a portion having a large amount of light.
[0029]
Hereinafter, some examples that further embody the present embodiment will be described in detail.
(First embodiment)
First, as a first embodiment, a specific example in which a substrate bias is applied to the above-described P well region below the pixel portion will be described.
FIG. 4 is a plan view showing the structure of the P-well region below the pixel portion of the first embodiment. The hatched portion indicates the P-
That is, in this example, the P-
[0030]
FIG. 5 is a timing chart showing each drive pulse of the pixel circuit in the first embodiment.
First, as a premise of the operation in this timing chart, it is assumed that the V selection driving means 140 selects a row to output a pixel signal and supplies each pulse as shown in FIG.
The two timing pulses SHP and SHD are pulses that enter the column
In a non-selected row, it is assumed that the
[0031]
Hereinafter, the operation of the selected row will be described with reference to FIG.
(1) First, the selection gate 113 is turned on. Thus, the signal of the row is output to the
(2) Next, a reset pulse is applied to the
(3) Next, the column
(4) Next, after applying a negative substrate bias to the P-
(5) Next, the voltage (signal level) of the
(6) Next, the selection gate 113 is turned off, and the row is disconnected from the
[0032]
Thereafter, in the column
As described above, in the present embodiment, in (4) above, by applying a substrate bias at the time of charge transfer, transfer can be reliably performed even at a low voltage.
The V selection driving means 140 selects the next row after the column
In the present embodiment, the column
[0033]
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment, an example in which a substrate bias is applied to the P-well region below the pixel unit as a whole pixel unit instead of a row unit will be described.
FIG. 6 is a plan view showing the structure of the P-well region below the pixel portion in the second embodiment, and the hatched portion indicates the P-well region 220. That is, the present example is an example in which a P-well region 220 that is electrically conductive is provided over the
[0034]
FIG. 7 is a timing chart showing each drive pulse of the pixel circuit in the second embodiment.
First, the pixels in all rows are operated at the same time, and charge transfer is performed after resetting the
At the timing of the transfer pulse, similarly to the first embodiment, the potential of the P-well region 220 is negatively shifted to assist the transfer. As a result, the
[0035]
Next, the signal of each pixel is read out one row at a time. Here, only the read row operates.
In the read row, first, the selection gate 113 is turned on, and the voltage (signal level) of the
Next, a reset pulse is applied, and the voltage (reset level) of the
The column
Thereafter, the read row moves to the next row, and the same operation is repeatedly performed.
[0036]
Then, after reading the signals of all the rows one by one in this manner, the period of the dummy signal continues until the end of one frame period. During this time, a reset operation of the PD for determining the exposure time is performed. In this operation, the pixels in all rows operate simultaneously.
This operation may be the same operation as the all-row FD simultaneous reset / transfer described above, and a negative potential is applied to the P-well region 220 during the transfer to assist the transfer. From this point, new photoelectrons start to be accumulated in the PD, and the same operation is performed from the beginning.
[0037]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment, an example will be described in which the dynamic range is widened by moving the bias voltage in the P-well region below the pixel section during the charge accumulation period.
FIG. 8 is a timing chart showing an operation example in the case where the bias voltage in the P-well region is changed in the middle of the charge accumulation period, in which the vertical axis indicates the P-well voltage and the horizontal axis indicates the passage of time. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of received light of the PD and the number of accumulated electrons in the operation shown in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 8, when the accumulation of photoelectrons in the PD is started, for example, it is set to -1V. When the voltage is set to 0 V in the middle of the accumulation time, the number of electrons stored in the PD is sensitive to the amount of light at a place where the amount of light is small, and becomes insensitive at a place where the amount of light is large as shown in FIG.
The reason is as follows. That is, when the P-well region is at -1 V, the saturation of the PD is reduced, and the PD is saturated with a certain number of electrons, and flows out to the FD beyond that.
[0039]
Here, if the P well region is set to 0 V, the saturation of the PD increases, so that more photoelectrons can be accumulated.
When the amount of light is small, photoelectrons during the entire accumulation period are collected without saturating the PD, but when the amount of light is large, electrons over saturation are discarded during the period of -1 V in the P-well region, and the sensitivity is reduced accordingly. Will do.
As a result, as shown in FIG. 9, a sensitivity curve having a bending point a at a certain point is obtained, and it is possible to detect a larger amount of light without sacrificing the sensitivity in a dark place. That is, the dynamic range is widened.
[0040]
In the example shown in FIG. 8, the P-well voltage is driven by two values of -1V and 0V. However, when the P-well voltage is changed while being finely divided such as -1V → 0.5V → 0V, the bending point of the sensitivity curve is increased. In addition to appropriately setting the voltage change time, various sensitivity curves can be realized.
Further, when the P-well voltage is continuously changed, a curved sensitivity curve can be obtained instead of bending as shown in FIG.
By using such a method, there is a problem that the operating range when changing the voltage of the transfer gate disclosed in
[0041]
The method of this embodiment is independent of the first and second embodiments. That is, it is independent of applying a substrate bias during transfer. Of course, it can also be implemented together with the configuration of the first and second embodiments.
[0042]
(Fourth embodiment)
Next, as a fourth example, a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the structure of PD to transfer gate to FD in the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
First, in FIG. 10A, a gate oxide film (gate insulating film) 310 and an
Next, in FIG. 10B, the n-
[0043]
Next, in FIG. 10C, sidewalls 370 made of a silicon oxide film or the like are formed on both sides of the
Next, in FIG. 10D, NSD ion implantation for forming the n +
As described above, a structure having the LDD structure and having the p + layer of the PD immediately below the side wall can be formed.
Thereafter, an upper layer structure or the like is formed using a normal CMOS process, but the description is omitted.
[0044]
The feature of the present embodiment is that the p + layer on the PD side is implanted before the formation of the side wall, and the p + layer is also present below the side wall. It is to be noted that a method of hitting ions after the formation of the side wall and extending it below the side wall by oblique ion implantation or thermal diffusion is also possible, but unlike such a method, the p + layer can be surely present under the side wall. .
Further, as described in the section of the related art, the present inventors use the embedded PD and further apply a negative voltage (transfer bias voltage) to the transfer gate to form a hole at the interface below the transfer gate. It is proposed to accumulate and reduce the dark current, but still the oxide film interface under the side wall remains without being covered with holes, and although it has a small area, it occupies most of the remaining dark current component In particular, there is a problem that white spots are generated at a certain ratio.
Therefore, in this embodiment, as described above, the p + layer on the PD side is implanted before forming the side wall, and the dark current component generated in this region can be effectively suppressed.
[0045]
In other words, in the present embodiment, by applying all of the following three constituent requirements, the n-layer of the PD is completely surrounded by the region where the hole exists for the first time, and the dark current and the white point (pixels with a particularly large dark current) are obtained. Can be sufficiently reduced.
(1) Use of a buried PD in which a p + layer is present on the outermost surface of a semiconductor substrate.
(2) A point where a negative voltage is applied to the transfer gate during the charge accumulation period of the PD.
(3) The ions of the p + layer of the PD are implanted before the formation of the side wall to ensure that the p + layer exists under the side wall.
Of course, all three components have independent effects. Particularly, component (3) is a new component in the present embodiment, and is the most remarkable feature.
[0046]
However, if the p + layer exists under the side wall, it becomes difficult to transfer the photoelectrons of the n layer of the PD by the transfer gate.
On the other hand, there are countermeasures such as increasing the gate voltage, increasing the area of the PD to obtain saturation, and using the PD in applications where the number of saturated electrons may be small, but each has disadvantages.
Therefore, by using the method of applying the substrate bias voltage to the P-well region and assisting the transfer described in the first and second embodiments, extremely effective operation characteristics can be obtained. The most preferable form can be obtained.
[0047]
Therefore, in the above-described embodiment, in the solid-state imaging device using the embedded PD in which the p + layer is present on the outermost surface of the semiconductor substrate and controlling the gate voltage to a negative potential during charge accumulation, the following Such effects can be obtained.
(1) Dark current and white spots can be reduced by providing a p + layer under the side wall (particularly, ion implantation of the p + layer before forming the side wall in the manufacturing process). In particular, a remarkable effect can be obtained by using the buried PD together with the application of a negative voltage to the transfer gate.
(2) Although charge transfer becomes difficult in the above (1), by applying a substrate bias to the P-well region during charge transfer, photoelectrons of the photodiode can be easily transferred. This makes it possible to compensate for the disadvantage (1), increase the number of saturated electrons, and expand the dynamic range. Further, the gate voltage required for the transfer can be reduced, and the voltage can be reduced.
(3) By changing the substrate bias in the P-well region during the charge accumulation period, the sensitivity in a bright place can be reduced and the dynamic range can be expanded.
[0048]
In the above-described embodiment, an electron is used as a carrier and an NMOS pixel transistor is used as a base. However, it is obvious that a PMOS can be used as a carrier using holes as a carrier. In addition, the polarity of the voltage and the like are changed as appropriate.
Further, the configuration of the pixel transistor is not limited to the above-described example, and various configurations can be employed.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device of the present invention, the first conductivity type channel layer is formed under the transfer gate by applying the transfer bias voltage to the transfer electrode using the embedded photodiode as the photoelectric conversion element. In the solid-state imaging device in which dark current is suppressed, the charge separation region of the first conductivity type of the buried photodiode is formed to extend below the side wall of the transfer electrode on the photodiode side, so that the charge of the photodiode is reduced. In the region extending from the isolation region to the channel layer of the transfer gate portion, the charge storage layer of the second conductivity type of the photodiode can be completely separated from the gate insulating film by the channel layer of the first conductivity type, and the dark current is minimized. And deterioration of image quality such as white scratches can be effectively prevented.
[0050]
In the method for controlling a solid-state imaging device according to the present invention, in the pixel structure using the buried photodiode as described above, the transfer electrode and the interface of the gate insulating film of the transfer gate portion during the charge accumulation period of the photoelectric conversion element. A transfer bias voltage for forming a channel layer of the first conductivity type is applied, and a substrate bias voltage is applied to the well region of the first conductivity type during charge transfer from the photoelectric conversion element, thereby transferring the charge from the charge separation region of the photodiode. In the region over the channel layer of the gate portion, the charge accumulation layer of the second conductivity type of the photodiode can be completely separated from the gate insulating film by the channel layer of the first conductivity type, and the dark current can be minimized. In addition to being able to effectively prevent image quality deterioration such as scratches, the voltage of the signal charge transfer operation from the photodiode to the transfer gate can be reduced, It is possible to facilitate the unloading of the read operation.
[0051]
Further, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, after forming the transfer electrode of the transfer gate portion on the gate insulating film of the semiconductor substrate, before forming the side wall, the charge separation region and the charge storage region of the photoelectric conversion device are formed. Forming a low-concentration impurity layer of the floating diffusion portion, forming a side wall of the transfer electrode, and then forming a high-concentration impurity layer of the floating diffusion portion by self-alignment of the side wall. Can be formed in a state of extending just below the side wall of the transfer gate portion, and the floating diffusion portion can be easily formed in the LDD structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a pixel circuit in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a potential structure in a region from PD to transfer gate to FD to reset gate to power supply wiring (Vdd) in the solid-state imaging device shown in FIG. 1 in comparison with a conventional example.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a P-well region below a pixel portion according to the first embodiment of the solid-state imaging device shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a timing chart showing respective drive pulses of the pixel circuit in the first embodiment shown in FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a P-well region below a pixel portion according to a second embodiment of the solid-state imaging device shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a timing chart showing each drive pulse of the pixel circuit in the second embodiment shown in FIG.
FIG. 8 is a timing chart showing an operation example of a bias voltage change in a P-well region according to a third embodiment of the solid-state imaging device shown in FIG. 1;
9 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of received light of the PD and the number of accumulated electrons in the operation shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing step of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating an example of a pixel circuit in a conventional solid-state imaging device.
12 is a cross-sectional view illustrating a structure of a photodiode of the solid-state imaging device illustrated in FIG. 11 and a peripheral portion thereof.
[Explanation of symbols]
100 semiconductor element substrate, 110 pixel part, 111 transfer Tr, 112 amplification Tr, 113 selection Tr, 114 reset Tr, 119 photodiode (PD), 120 constant Current section, 130 column signal processing section, 140 V selection driving section, 150 H selection section, 160 horizontal signal line, 170 output processing section, 180 timing generator.
Claims (17)
前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、
前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成され、
前記転送ゲート部は、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して配置され、両側部に側壁を有して形成される転送電極を有するとともに、前記転送電極には前記光電変換素子における電荷蓄積期間中に前記転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧が印加され、
さらに前記埋め込みフォトダイオードの電荷分離領域は、前記転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されている、
ことを特徴とする固体撮像素子。In a solid-state imaging device having an imaging region unit provided with a plurality of pixels and a processing circuit unit that processes an image signal output from the imaging region unit,
The pixel is a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of light received, a floating diffusion unit that detects the amount of signal charge generated by the photoelectric conversion element, and the signal charge generated by the photoelectric conversion element Having a transfer gate section for transferring to the floating diffusion section,
The photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first conductivity type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate and a charge storage region formed of a second conductivity type impurity layer formed below the charge separation region. Formed from a buried photodiode having a region and
The transfer gate portion is disposed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween, has a transfer electrode formed with sidewalls on both sides, and has a charge accumulation period in the photoelectric conversion element in the transfer electrode. A transfer bias voltage for forming a first conductivity type channel layer at an interface of a gate insulating film of the transfer gate portion is applied during the transfer,
Further, the charge separation region of the buried photodiode is formed to extend below a sidewall of the transfer electrode on the photodiode side.
A solid-state imaging device characterized by the above-mentioned.
前記画素は、前記半導体基板に形成された第1導電型ウェル領域に形成され、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、
前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成され、
前記転送ゲート部は、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して配置され、両側部に側壁を有して形成される転送電極を有し、
さらに前記埋め込みフォトダイオードの電荷分離領域は、前記転送電極のフォトダイオード側の側壁の下部に延在して形成されている固体撮像素子の制御方法であって、
前記転送電極に、前記光電変換素子における電荷蓄積期間中に前記転送ゲート部のゲート絶縁膜の界面に第1導電型チャネル層を形成するための転送バイアス電圧を印加し、
前記光電変換素子からの電荷転送時に、前記第1導電型ウェル領域に基板バイアス電圧を印加する、
ことを特徴とする固体撮像素子の制御方法。An imaging area provided with a plurality of pixels, and a processing circuit that performs processing of an image signal output from the imaging area,
The pixel is formed in a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate, and detects a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to an amount of received light, and detects a signal charge amount generated by the photoelectric conversion element. A floating diffusion unit, and a transfer gate unit that transfers a signal charge generated by the photoelectric conversion element to the floating diffusion unit;
The photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first conductivity type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate and a charge storage region formed of a second conductivity type impurity layer formed below the charge separation region. Formed from a buried photodiode having a region and
The transfer gate portion is disposed on the semiconductor substrate via a gate insulating film, and has a transfer electrode formed with sidewalls on both sides,
The method for controlling a solid-state imaging device, wherein the charge separation region of the embedded photodiode is formed to extend below a sidewall of the transfer electrode on the photodiode side,
Applying a transfer bias voltage to the transfer electrode to form a first conductivity type channel layer at an interface of a gate insulating film of the transfer gate portion during a charge accumulation period in the photoelectric conversion element;
Applying a substrate bias voltage to the first conductivity type well region during charge transfer from the photoelectric conversion element;
A method for controlling a solid-state imaging device, comprising:
前記画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送ゲート部を有し、
前記光電変換素子は、半導体基板の最表面に形成される第1導電型高濃度不純物層よりなる電荷分離領域と、前記電荷分離領域の下層に形成される第2導電型不純物層よりなる電荷蓄積領域とを有する埋め込みフォトダイオードより形成された固体撮像素子の製造方法であって、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜及び素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体基板のゲート絶縁膜上に転送ゲート部の転送電極を形成する工程と、
前記半導体基板のウェル領域にイオン注入を行うことにより、前記転送ゲート部の一方の側部に前記光電変換素子の電荷分離領域及び電荷蓄積領域を形成する工程と、
前記転送電極の両側部に側壁を形成する工程と、
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。An imaging area provided with a plurality of pixels, and a processing circuit that performs processing of an image signal output from the imaging area,
The pixel is a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of light received, a floating diffusion unit that detects the amount of signal charge generated by the photoelectric conversion element, and the signal charge generated by the photoelectric conversion element Having a transfer gate section for transferring to the floating diffusion section,
The photoelectric conversion element includes a charge separation region formed of a first conductivity type high-concentration impurity layer formed on the outermost surface of a semiconductor substrate and a charge storage region formed of a second conductivity type impurity layer formed below the charge separation region. A method of manufacturing a solid-state imaging device formed from a buried photodiode having a region,
Forming a gate insulating film and an element isolation region on the semiconductor substrate;
Forming a transfer electrode of a transfer gate portion on the gate insulating film of the semiconductor substrate;
Performing ion implantation into a well region of the semiconductor substrate to form a charge separation region and a charge storage region of the photoelectric conversion element on one side of the transfer gate unit;
Forming side walls on both sides of the transfer electrode;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising:
前記側壁を形成する工程の後に、前記転送電極の他方の側部に形成された側壁のセルフアラインによって前記フローティングディフュージョン部の高濃度不純物層を形成する工程を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。In the step of performing the ion implantation, a low concentration impurity layer of a floating diffusion portion is formed on the other side of the transfer gate portion,
Forming a high-concentration impurity layer of the floating diffusion portion by self-alignment of the side wall formed on the other side of the transfer electrode after the step of forming the side wall. Production method.
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