JP2004134685A - Solid state imaging device and its fabricating method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に信号蓄積領域から信号を読み出す読み出しトランジスタの電極構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置としては、CCD型固体撮像装置とMOS型固体撮像装置が知られている。近年、MOS型固体撮像装置では、同一基板上に撮像素子、走査回路、レジスタ回路、タイミング回路、AD変換回路、DSPなどの多種の周辺回路をCMOSプロセスによって同時に形成し、システムの縮小化や工程数の削減を行っている。また、撮像素子及び他の周辺回路において、基板の上表面に対して、横方向及び縦方向のさらなる微細化が進められている。
【0003】
図14に、従来の固体撮像装置における単位セルのレイアウトを示す平面図を示す。図15に、図14の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図を示す。また、図16に他の例を示し、図14の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図を示す。ここで、単位セルとは、信号を蓄積するフォトダイオード,信号を読み出す読み出しトランジスタ,信号を増幅する増幅トランジスタ,信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ,フォトダイオードの信号電荷をリセットするリセットトランジスタから構成されている。
【0004】
図14に示すように、フォトダイオード1401から、ドレイン1406が延びており、ドレイン1406下には、フォトダイオード1401側から順に、読み出しゲート1402,リセットゲート1405,増幅ゲート1403,水平アドレスゲート1404が、ドレイン1406と垂直に形成されている。また、図15に示すように、半導体基板(図示しない)上に形成されたPウェル1407に、信号蓄積領域1408及び素子分離領域1410が形成され、Pウェル1407上にゲート絶縁膜1409を介して読み出しゲート1402が形成されている。また、読み出しゲート1402と離間して、リセットゲート1405が形成されている。読み出しゲート1402をオンすることによって、信号蓄積領域1408に蓄積された信号電荷を読み出すことができる。
【0005】
さらに、図16に、信号蓄積領域上にシールド領域を有した固体撮像装置の他の例を示す。図16に示すように、半導体基板(図示しない)上に形成されたPウェル1407に、信号蓄積領域1408が形成され、信号蓄積領域1408上のPウェル表面領域に、シールド領域1411が形成されている。シールド領域1411は、Pウェル1407に形成された素子分離領域1410に接続されている。また、Pウェル1407上に、ゲート絶縁膜1409を介して読み出しゲート1402が形成されている。また、読み出しゲート1402と離間してリセットゲート1405が形成されている。
【0006】
シールド領域1411は、素子分離領域1410に接しており、接地されているため、シールド領域1411を設けることによって、基板表面で発生する雑音電荷をフォトダイオード内に蓄積しにくい構成となっている。また、信号電荷は、シールド領域1411が上部に形成されていない信号蓄積領域1408の部分から、読み出しゲートによって読み出すことができる。
【0007】
次に、図17及び図18を用いて、図15に示した固体撮像装置の製造方法について説明する。図17(a)に示すように、半導体基板(図示しない)上に形成されたPウェル1407にSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域1410を形成する。Pウェル1407上にゲート絶縁膜1409を形成する。次に、図17(b)に示すように、ゲート絶縁膜1409上にポリシリコン層1412を形成する。次に、図18(c)に示すように、ポリシリコン層1412上にレジストを塗布し、読み出しゲートを形成する予定の領域上にレジストパターン1413aを形成し、続いて、ポリシリコン層1412を異方性ドライエッチング(RIE)し、読み出しゲート1402を形成する。次に、図18(d)に示すように、レジストパターン1413aを除去し、信号蓄積領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン1413bを形成し、N型不純物をイオン注入することによって、Pウェル1407の表面領域に信号蓄積領域1408を形成する。
【0008】
また、図19及び図20を用いて、他の例である図16に示した固体撮像装置の製造方法を説明する。図19(a)に示すように、基板(図示しない)上に形成されたPウェル1407にSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域1410を形成する。次に、信号蓄積領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン1413cを形成し、N型不純物をイオン注入することによって、Pウェル1407内に信号蓄積領域1408を形成する。次に、図19(b)に示すように、レジストパターン1413cを除去し、シールド領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン1413dを形成し、続いて、P型不純物をイオン注入することによって、Pウェル1407の表面領域にシールド領域1411を形成する。
【0009】
次に、図20(c)に示すように、レジストパターン1413dを除去し、Pウェル1407上にゲート絶縁膜1409を形成し、ゲート絶縁膜1409上にポリシリコン層1412を形成する。次に、図20(d)に示すように、ポリシリコン層1412上にレジストを塗布し、読み出しゲートを形成する予定の領域上にレジストパターン1413eを形成し、続いて、ポリシリコン層1412を異方性ドライエッチングし、読み出しゲート1402を形成する。この種の固体撮像装置は、例えば、特許文献1に記載されている。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−150847号公報(図2)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記した固体撮像装置はアナログ回路であり、雑音による感度の減少が問題となっている。雑音の主な要因の一つは、信号を蓄積するフォトダイオードで発生するリーク電流であり、このリーク電流は、半導体基板の表面付近に生じた結晶欠陥、結晶配列の乱れ、重金属汚染などによって界面準位が増加し、偽信号電荷が生成されることによって発生する。リーク電流の発生によって生じる再生画面上の雑音は、画質を著しく劣化させる。
【0012】
また、上記した固体撮像装置では、基板上の他の領域にCMOSプロセスによって、DSPなどの回路が同時に形成されており、縦方向及び横方向へのさらなる微細化が進められている。さらなる微細化が進められるにつれて、ゲート絶縁膜等の膜も薄膜化して形成されている。
【0013】
ゲート絶縁膜が薄膜化していくと、図18(c)及び図20(d)において、ポリシリコン層1412を異方性ドライエッチングによってエッチングする際、図18(c)及び図20(d)の破線で示すように、Pウェル1407の表面近辺に大きな損傷を与えやすくなるという問題があった。これまでは、Pウェル1407の表面近辺に大きな損傷を生じないよう、エッチング条件(エッチング比など)の選択を行うことによって対応していたが、さらにゲート絶縁膜の薄膜化が進められていくと、エッチング条件の選択等では解決できなくなる可能性がある。Pウェル1407の表面近辺に生じる大きな損傷は、結晶欠陥や結晶配列の乱れを引き起こし、界面準位の増加によるリーク電流を発生させる。
【0014】
本発明は、上記した問題点を解決すべくなされたもので、ドライエッチングなどの衝撃によって生じる基板表面近辺の損傷によるリーク電流の発生を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することが可能となる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するための本発明の固体撮像装置の一形態は、第1導電型半導体領域と、
前記第1導電型半導体領域に形成された、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域と、
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記第2導電型信号蓄積領域上の領域を覆うよう形成されたゲート電極とを具備している。
【0016】
また、上記した目的を達成するための本発明の固体撮像装置の一形態は、信号蓄積領域を有する光電変換部とこの光電変換部からゲート電極によって信号電荷を読み出す読み出しトランジスタと、信号電荷を排出するリセットトランジスタとを少なくとも有する単位セルが複数配置されることによって構成されている撮像領域と、
前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路部を有する固体撮像装置において、
前記読み出しトランジスタのゲート電極は、前記光電変換部を覆うように形成されていることを特徴とする。
【0017】
また、上記した目的を達成するための本発明の固体撮像装置の製造方法の一形態は、第1導電型半導体領域に、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域を形成する工程と、
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して導電体を形成する工程と、前記導電体をドライエッチングし、前記第2導電型信号蓄積領域上の領域を覆うゲート電極を形成する工程とを具備したことを特徴とする。
【0018】
上記した本発明の一形態によれば、少なくとも信号蓄積領域上の領域を覆うようにゲート電極を形成しているため、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを引き起こしにくく、界面準位の増加によって発生するリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1乃至図7に本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置を示す。
図2に、固体撮像装置の単位セルの回路構成を示す図を示し、図3に、固体撮像装置の単位セルのレイアウトを示す平面図を示す。ここで、単位セルは、光電変換部である信号を蓄積するフォトダイオードと、信号走査回路部である信号を読み出す読み出しトランジスタ,信号を増幅する増幅トランジスタ,信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ,フォトダイオードの信号電荷をリセットするリセットトランジスタから構成されている。
【0020】
図2に示すように、読み出しトランジスタ2のゲート(読み出しゲート)をオンすることによって、信号電荷が蓄積されているフォトダイオード1の信号を読み出す。水平方向に配線されている水平アドレス線6は垂直選択トランジスタ4のゲート(水平アドレスゲート)に接続されており、信号を読み出すラインを選択する。リセットアドレス線7は、リセットトランジスタ5のゲート(リセットゲート)に接続されている。また、増幅トランジスタ3のゲート(増幅ゲート)は、読み出しトランジスタ2のドレインに接続されており、増幅トランジスタ3のソースは、垂直選択トランジスタ4のソースに接続されている。増幅トランジスタ3のドレインは、電源9のVDDに接続されている。
【0021】
図3に示すように、フォトダイオード1−1からドレイン9−1が延びており、ドレイン9−1下には、フォトダイオード1−1側から順に、読み出しゲート2−1,リセットゲート7−1,増幅ゲート3−1,水平アドレスゲート6−1が、ドレイン9−1と垂直に形成されている。
【0022】
図1に、図3の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図を示す。図1に示すように、半導体基板(図示しない)上に形成されたPウェル301に、信号蓄積領域302が形成され、信号蓄積領域302の一部上のPウェル301の表面領域にシールド領域303が形成されている。また、シールド領域303に接するように、素子分離領域307が形成されている。Pウェル301上には、ゲート絶縁膜304を介して読み出しゲート305が形成され、読み出しゲート305と離間して、リセットゲート306が形成されている。光電変換部であるフォトダイオードは、Pウェル301及び信号蓄積領域302によって構成されている。ここで、Pウェル301は、半導体基板上に形成されているウェルに限定されず、P型半導体基板であってもかまわない。シールド領域303は、素子分離領域307に接しており、接地されているため、シールド領域303を設けることによって、基板表面で発生する雑音電荷をフォトダイオード内に蓄積しにくい構成となっている。また、信号電荷は、シールド領域303が上部に形成されていない信号蓄積領域302の部分から、読み出しゲートをオンすることによって読み出すことができる。
【0023】
読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されている。読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に形成されており、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって配置されている。読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されていればよいが、読み出しゲート305をドライエッチングする際に、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込む可能性があるため、読み出しゲート305の端部は素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度のわずかな合わせ余裕を有するよう配置されていることが好ましい。
【0024】
また、図4に、固体撮像装置の基本構成の概要を示す。同一基板上に、単位セルを複数配置した撮像領域が形成され、その周辺に周辺回路部として、走査回路、AD変換回路、DSPなどの多種の回路が形成されている。これらの回路はCMOSプロセスによって同時に形成されている。
【0025】
次に、図5及び図6を用いて本実施の形態に係る図1に示した固体撮像装置の製造方法について説明する。図5(a)に示すように、基板(図示しない)上に形成されたPウェル301に酸化膜などの絶縁膜によって、STI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域307を形成する。次に、信号蓄積領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン308aを形成し、N型不純物をイオン注入することによって、Pウェル301内に信号蓄積領域302を形成する。次に、図5(b)に示すように、レジストパターン308aを除去し、シールド領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン308bを形成し、P型不純物をイオン注入することによって、Pウェル301の表面領域にシールド領域303を形成する。
【0026】
次に、図6(c)に示すように、レジストパターン308bを除去し、Pウェル301上にゲート絶縁膜304を形成し、ゲート絶縁膜304上にポリシリコン層309を形成する。ゲート絶縁膜304は、8nm以下の厚さで形成することができる。ここでは、ゲート絶縁膜304の厚さは、7nm程度である。または、それ以下の薄膜であってもかまわない。DSPなどの周辺回路部に形成されているゲート絶縁膜の厚さと同程度(例えば2.5μm程度)の厚さで形成してもよい。次に、図6(d)に示すように、ポリシリコン層309上にレジストを塗布し、少なくとも読み出しゲート及びシールド領域を形成する予定の領域と信号蓄積領域302上の領域にレジストパターン308cを形成する。続いて、ポリシリコン層309を異方性ドライエッチングし、読み出しゲート305を形成する。このとき、他のゲートであるリセットゲート306なども同時に形成する。
【0027】
本実施の形態においては、読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されている。したがって、読み出しゲート305をドライエッチングする際、読み出しゲート305に覆われている領域には損傷がほとんど生じないため、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面の近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを起こしにくい構造になっている。よって、工程の追加を行う必要もなく、容易に界面準位の増加によって発生するリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。また、読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって形成されているため、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込むことを抑止することができ、より確実にリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。なお、信号蓄積領域302の形成されていない側のPウェル301の表面近辺は、電荷の蓄積時間が短いため、界面準位の増加によるリーク電流はほとんど発生しない。
【0028】
本実施の形態では、素子分離領域に接するように、シールド領域が形成されている例を記載したが、図7に示すように、シールド領域が形成されていない場合にも適用することができる。このような構成の固体撮像装置では、ドライエッチングによる基板表面の近辺の損傷が、直接、信号蓄積領域に加わるため、結晶欠陥や結晶配列の乱れが大きく、リーク電流が多く発生する。読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302上の領域を覆うように形成されているため、読み出しゲート305をドライエッチングする際、読み出しゲート305に覆われている領域には損傷がほとんど生じない。よって、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを起こしにくい構造になっている。したがって、工程の追加もなく、容易に界面準位の増加によって発生するリーク電流を大幅に低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。
【0029】
また、読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって形成されていることが好ましい。このように、読み出しゲート305の端部を、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕を有するよう配置することによって、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込むことを抑止することができ、より確実にリーク電流を大幅に低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。
(第2の実施の形態)
図8乃至図13に本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置装置を示す。固体撮像装置の単位セルの回路構成は、第1の実施の形態で示した図2と同じである。図8に、固体撮像装置の単位セルのレイアウトを示す平面図を示す。
【0030】
図8に示すように、フォトダイオード1−1からドレイン9−1が延びており、ドレイン9−1下には、フォトダイオード1−1側から順に、読み出しゲート2−1,リセットゲート7−1,増幅ゲート3−1,水平アドレスゲート6−1が、ドレイン9−1と垂直に形成されている。
【0031】
図9に、図8の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図を示す。図9に示すように、半導体基板(図示しない)上に形成されたPウェル301に、信号蓄積領域302が形成され、信号蓄積領域302の一部上のPウェル301の表面領域にシールド領域303が形成されている。また、シールド領域303に接するように、素子分離領域307が形成されている。Pウェル301上には、ゲート絶縁膜304を介して読み出しゲート305が形成され、読み出しゲート305と離間して、リセットゲート306が形成されている。読み出しゲート305には、凹部901が形成されている。光電変換部であるフォトダイオードは、Pウェル301及び信号蓄積領域302によって構成されている。
【0032】
ここで、Pウェル301は半導体基板上に形成されたウェルに限定されず、P型半導体基板であってもかまわない。シールド領域303は、素子分離領域307に接しており、接地されているため、シールド領域303を設けることによって、基板表面で発生する雑音電荷をフォトダイオード内に蓄積しにくい構成となっている。また、信号電荷は、シールド領域303が上部に形成されていない信号蓄積領域302の部分から、読み出しゲートをオンすることによって読み出すことができる。読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されている。読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に形成されており、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって配置されている。読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されていればよいが、読み出しゲート305をドライエッチングする際に、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込む可能性があるため、読み出しゲート305の端部は素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度のわずかな合わせ余裕を有するよう配置されていることが好ましい。
【0033】
また、読み出しゲート305の表面には凹部901が形成されている。読み出しゲート305の厚さは例えば200nmであり、凹部901の厚さは例えば50nmである。厚さが200nm程度以下の読み出しゲート305であれば、吸収係数が大きい短波長の光(青色光)であっても、吸収による感度の劣化は少ない。また、エッチングダメージが内部に入り込むことを抑止するために、凹部901の厚さは、10nm以上であることが好ましい。よって、厚さが50nmの凹部901を形成することによって、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面の近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを引き起こしにくくするとともに、吸収係数が大きい短波長の光(青色光)の感度をさらに向上させることができる。
【0034】
また、凹部901は、制御電極としての機能を有する読み出しゲート305の一部を残して、それ以外の領域に形成してもよいし、レンズの集光領域に対応する領域のみに形成してもよい。また、図10に示すように、凹部901は、ゲート電極の厚さが他の領域よりも薄い領域があればよく、凹形状に限定されず、断面L字状の段差であってもかまわない。
【0035】
固体撮像装置の基本構成の概要を示す図は、第1の実施の形態で示した図と同じである。同一基板上に、単位セルを複数配置した撮像領域が形成され、その周辺に周辺回路部として、走査回路、AD変換回路、DSPなどの多種の回路が形成されている。これらの回路はCMOSプロセスによって同時に形成されている。
【0036】
図11及び図12を用いて本実施の形態に係る図9に示した固体撮像装置の製造方法について説明する。図11(a)に示すように、基板(図示しない)上に形成されたPウェル301に酸化膜などの絶縁膜によって、STI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域307を形成する。次に、信号蓄積領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン308aを形成し、N型不純物をイオン注入することによって、Pウェル301内に信号蓄積領域302を形成する。次に、図11(b)に示すように、レジストパターン308aを除去し、シールド領域を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターン308bを形成し、P型不純物をイオン注入することによって、Pウェル301の表面領域にシールド領域303を形成する。
【0037】
次に、図12(c)に示すように、レジストパターン308bを除去し、Pウェル301上にゲート絶縁膜304を形成し、ゲート絶縁膜304上にポリシリコン層309を形成する。ゲート絶縁膜304は、8nm以下の厚さで形成することができる。ここでは、ゲート絶縁膜304の厚さは、7nm程度である。または、それ以下の薄膜であってもかまわない。DSPなどの周辺回路部に形成されているゲート絶縁膜の厚さと同程度(例えば2.5μm程度)の厚さで形成してもよい。次に、図12(d)に示すように、ポリシリコン層309上にレジストを塗布し、少なくとも読み出しゲート及びシールド領域を形成する予定の領域と信号蓄積領域302上の領域にレジストパターン308cを形成する。続いて、ポリシリコン層309を異方性ドライエッチングし、読み出しゲート305を形成する。このとき、他のゲートであるリセットゲート306なども同時に形成する。次に、図12(e)に示すように、読み出しゲート305の一部が露出するようなレジストパターン308dを形成し、ハーフエッチングを行い、読み出しゲート305に厚さが50nm程度の凹部901を形成する。続いて、レジストパターンを除去する。ハーフエッチングは、下に形成されているゲート絶縁膜304が露出しないように、読み出しゲート305のエッチングを行うエッチング方法であり、通常、時間制御を行うことによって形成することが可能である。
【0038】
本実施の形態においては、読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302及びシールド領域303上の領域を覆うように延在して形成されている。また、読み出しゲート305に凹部901を形成している。したがって、読み出しゲート305をドライエッチングする際、読み出しゲート305に覆われている領域には損傷がほとんど生じないため、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面の近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを引き起こしにくい構造になっている。よって、界面準位の増加によって発生するリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。
【0039】
また、読み出しゲート305の一部に厚さの薄い領域が形成されているため、吸収係数が大きい短波長の光(青色光)の感度をさらに向上させることができる。また、読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって形成されているため、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込むことを抑止することができ、より確実にリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。なお、信号蓄積領域302の形成されていない側のPウェル301の表面近辺は、電荷の蓄積時間が短いため、界面準位の増加によるリーク電流はほとんど発生しない。
【0040】
本実施の形態では、素子分離領域に接するように、シールド領域が形成されている例を記載したが、図13に示すように、シールド領域が形成されていない場合にも適用することができる。このような構成の固体撮像装置では、ドライエッチングによる基板表面の近辺の損傷が、直接、信号蓄積領域に加わるため、結晶欠陥や結晶配列の乱れが大きく、リーク電流が多く発生する。読み出しゲート305は、少なくとも信号蓄積領域302上の領域を覆うように形成されている。読み出しゲート305をドライエッチングする際、読み出しゲート305に覆われている領域には損傷がほとんど生じないため、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを起こしにくい構造になっている。よって、界面準位の増加によって発生するリーク電流を大幅に低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。また、読み出しゲート305の一部に厚さの薄い領域が形成されているため、吸収係数が大きい短波長の光(青色光)の感度をさらに向上させることができる。
【0041】
また、読み出しゲート305の端部は、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕をもって形成されていることが好ましい。このように、読み出しゲート305の端部を、素子分離領域307上に0.1μm〜0.2μm程度の合わせ余裕を有するよう配置することによって、読み出しゲート305の端部が形成されている領域に発生するエッチングダメージが内部の素子形成領域に入り込むことを抑止することができ、より確実にリーク電流を大幅に低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。
【0042】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、フォトダイオードが形成されている領域の基板表面近辺において、結晶欠陥や結晶配列の乱れを起こしにくく、界面準位の増加によって発生するリーク電流を低減し、再生画面の画質の劣化を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る図3に示した固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図2】本発明の第1及び第2の実施の形態に係る固体撮像装置における単位セルの回路構成を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置における単位セルのレイアウトを示す図である。
【図4】本発明の第1及び第2の実施の形態に係る固体撮像装置の基本構成の概要を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る図3に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る図3に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る図2に示した他の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置における単位セルのレイアウトを示す図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係る図8に示した固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係る図8に示した他の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態に係る図8に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る図8に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態に係る図8に示した他の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図14】従来の技術の固体撮像装置における単位セルのレイアウトを示す図である。
【図15】従来の技術の図14に示した固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図16】従来の技術の図14に示した他の固体撮像装置のA−Aにおける要部断面図である。
【図17】従来の技術の図15に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図18】従来の技術の図15に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図19】従来の技術の図16に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【図20】従来の技術の図16に示した固体撮像装置の製造方法の工程の一部を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1,1−1・・・フォトダイオード
2・・・読み出しトランジスタ
2−1,305・・・読み出しゲート
3・・・増幅トランジスタ
3−1・・・増幅ゲート
4・・・垂直選択トランジスタ
5・・・リセットトランジスタ
6・・・水平アドレス線
6−1・・・水平アドレスゲート
7・・・リセットアドレス線
7−1,306・・・リセットゲート
8・・・垂直信号線
9・・・電源
9−1・・・ドレイン
301・・・Pウェル
302・・・信号蓄積領域
303・・・シールド領域
304・・・ゲート絶縁膜
307・・・素子分離領域
308・・・レジストパターン
309・・・ポリシリコン層
901・・・読み出しゲートの凹部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to an electrode structure of a reading transistor for reading a signal from a signal accumulation region.
[0002]
[Prior art]
As a solid-state imaging device, a CCD solid-state imaging device and a MOS solid-state imaging device are known. In recent years, in MOS type solid-state imaging devices, various peripheral circuits such as an image sensor, a scanning circuit, a register circuit, a timing circuit, an A / D conversion circuit, and a DSP are simultaneously formed on the same substrate by a CMOS process to reduce the system size and process. We are reducing the number. Further, in the imaging device and other peripheral circuits, further miniaturization in the horizontal and vertical directions is being promoted with respect to the upper surface of the substrate.
[0003]
FIG. 14 is a plan view showing a layout of a unit cell in a conventional solid-state imaging device. FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part taken along line AA of the solid-state imaging device in FIG. FIG. 16 shows another example, and is a cross-sectional view of a principal part taken along line AA of the solid-state imaging device in FIG. Here, the unit cell includes a photodiode for accumulating a signal, a reading transistor for reading a signal, an amplifying transistor for amplifying a signal, a vertical selection transistor for selecting a line from which a signal is read, and a reset transistor for resetting a signal charge of the photodiode. It is configured.
[0004]
As shown in FIG. 14, a
[0005]
FIG. 16 shows another example of a solid-state imaging device having a shield region on a signal accumulation region. As shown in FIG. 16, a
[0006]
Since the
[0007]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 15 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 17A, an
[0008]
A method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 16 which is another example will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 19A, an
[0009]
Next, as shown in FIG. 20C, the
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-150847 A (FIG. 2)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described solid-state imaging device is an analog circuit, and there is a problem in that sensitivity is reduced due to noise. One of the main causes of noise is leakage current generated by photodiodes that store signals. This leakage current is caused by crystal defects, disordered crystal arrangement, and heavy metal contamination near the surface of the semiconductor substrate. This is caused by an increase in levels and generation of false signal charges. Noise on the reproduction screen caused by the generation of the leak current significantly degrades the image quality.
[0012]
In the solid-state imaging device described above, a circuit such as a DSP is simultaneously formed in another region on the substrate by a CMOS process, and further miniaturization in the vertical and horizontal directions is being promoted. As further miniaturization progresses, films such as gate insulating films are also formed to be thinner.
[0013]
18C and FIG. 20D, when the
[0014]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is possible to reduce the occurrence of leakage current due to damage near the substrate surface caused by an impact such as dry etching and to suppress the deterioration of the image quality of a reproduced screen. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the solid-state imaging device of the present invention for achieving the above object includes a first conductivity type semiconductor region,
A second conductivity type signal storage region formed in the first conductivity type semiconductor region for storing signal charges;
A gate electrode formed on the first conductivity type semiconductor region via a gate insulating film, and formed to cover a region on the second conductivity type signal accumulation region.
[0016]
According to another embodiment of the present invention, there is provided a solid-state imaging device which includes a photoelectric conversion unit having a signal accumulation region, a reading transistor which reads a signal charge from the photoelectric conversion unit by a gate electrode, and a device which discharges the signal charge. An imaging region configured by arranging a plurality of unit cells having at least a reset transistor,
In a solid-state imaging device having a peripheral circuit portion disposed around the imaging region,
A gate electrode of the read transistor is formed so as to cover the photoelectric conversion unit.
[0017]
One embodiment of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention for achieving the above object includes a step of forming a second conductivity type signal accumulation region for accumulating signal charges in a first conductivity type semiconductor region;
Forming a conductor on the first conductivity type semiconductor region via a gate insulating film, and forming a gate electrode covering the region on the second conductivity type signal accumulation region by dry etching the conductor; And characterized in that:
[0018]
According to one embodiment of the present invention, since the gate electrode is formed so as to cover at least a region on the signal accumulation region, a crystal defect or a crystal array is formed near the substrate surface in the region where the photodiode is formed. It is possible to provide a solid-state imaging device and a method of manufacturing the solid-state imaging device, which hardly cause disturbance of the image, reduce a leak current generated due to an increase in interface state, and can suppress deterioration of image quality of a reproduction screen.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
1 to 7 show a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of a unit cell of the solid-state imaging device, and FIG. 3 is a plan view illustrating a layout of the unit cell of the solid-state imaging device. Here, the unit cell includes a photodiode that is a photoelectric conversion unit that stores a signal, a readout transistor that is a signal scanning circuit unit that reads out a signal, an amplification transistor that amplifies a signal, a vertical selection transistor that selects a line that reads out a signal, It is composed of a reset transistor that resets the signal charge of the photodiode.
[0020]
As shown in FIG. 2, by turning on the gate (reading gate) of the
[0021]
As shown in FIG. 3, a drain 9-1 extends from the photodiode 1-1, and a read gate 2-1 and a reset gate 7-1 are arranged below the drain 9-1 in order from the photodiode 1-1. , An amplification gate 3-1 and a horizontal address gate 6-1 are formed perpendicular to the drain 9-1.
[0022]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part taken along line AA of the solid-state imaging device in FIG. As shown in FIG. 1, a
[0023]
The read
[0024]
FIG. 4 shows an outline of a basic configuration of the solid-state imaging device. An imaging region in which a plurality of unit cells are arranged is formed on the same substrate, and various circuits such as a scanning circuit, an AD conversion circuit, and a DSP are formed around the imaging region. These circuits are formed simultaneously by a CMOS process.
[0025]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5A, an
[0026]
Next, as shown in FIG. 6C, the resist
[0027]
In the present embodiment, the
[0028]
In this embodiment, an example in which the shield region is formed so as to be in contact with the element isolation region has been described. However, the present embodiment can be applied to a case where the shield region is not formed as shown in FIG. In the solid-state imaging device having such a configuration, since damage near the substrate surface due to dry etching is directly applied to the signal accumulation region, crystal defects and crystal arrangement disorder are large, and a large amount of leak current is generated. Since the
[0029]
Further, it is preferable that an end of the read
(Second embodiment)
8 to 13 show a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. The circuit configuration of the unit cell of the solid-state imaging device is the same as that of the first embodiment shown in FIG. FIG. 8 is a plan view showing a layout of a unit cell of the solid-state imaging device.
[0030]
As shown in FIG. 8, a drain 9-1 extends from the photodiode 1-1, and a read gate 2-1 and a reset gate 7-1 are arranged below the drain 9-1 in order from the photodiode 1-1. , An amplification gate 3-1 and a horizontal address gate 6-1 are formed perpendicular to the drain 9-1.
[0031]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part taken along line AA of the solid-state imaging device in FIG. As shown in FIG. 9, a
[0032]
Here, the P well 301 is not limited to a well formed on a semiconductor substrate, and may be a P-type semiconductor substrate. Since the
[0033]
In addition, a
[0034]
In addition, the
[0035]
The diagram showing the outline of the basic configuration of the solid-state imaging device is the same as the diagram shown in the first embodiment. An imaging region in which a plurality of unit cells are arranged is formed on the same substrate, and various circuits such as a scanning circuit, an AD conversion circuit, and a DSP are formed around the imaging region. These circuits are formed simultaneously by a CMOS process.
[0036]
A method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 9 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 11A, an
[0037]
Next, as shown in FIG. 12C, the resist
[0038]
In the present embodiment, the
[0039]
Further, since a thin region is formed in a part of the
[0040]
In this embodiment, an example in which the shield region is formed so as to be in contact with the element isolation region is described. However, the present embodiment can be applied to a case where the shield region is not formed as shown in FIG. In the solid-state imaging device having such a configuration, since damage near the substrate surface due to dry etching is directly applied to the signal accumulation region, crystal defects and crystal arrangement disorder are large, and a large amount of leak current is generated. The read
[0041]
Further, it is preferable that an end of the read
[0042]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the vicinity of the substrate surface in the region where the photodiode is formed, crystal defects and disorder of the crystal arrangement are less likely to occur, and the leakage current generated by the increase in the interface state is reduced. However, it is possible to suppress the deterioration of the image quality of the reproduction screen.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part along AA of the solid-state imaging device shown in FIG. 3 according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a unit cell in the solid-state imaging device according to the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a layout of unit cells in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating an outline of a basic configuration of solid-state imaging devices according to first and second embodiments of the present invention.
5 is a fragmentary cross-sectional view showing a part of steps of a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 3 according to the first embodiment of the present invention.
6 is a fragmentary cross-sectional view showing part of a step in a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 3 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a principal part along AA of another solid-state imaging device shown in FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a diagram showing a layout of unit cells in a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part along AA of the solid-state imaging device shown in FIG. 8 according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a cross-sectional view of a principal part along AA of another solid-state imaging device shown in FIG. 8 according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part showing a part of steps of a method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 8 according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a principal part showing a part of steps of a method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 8 according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a principal part along AA of another solid-state imaging device shown in FIG. 8 according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a diagram showing a layout of a unit cell in a conventional solid-state imaging device.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of the conventional solid-state imaging device shown in FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part along AA of another solid-state imaging device shown in FIG. 14 of the related art.
17 is a fragmentary cross-sectional view showing a part of the process of the method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 15 in the related art.
18 is a fragmentary cross-sectional view showing a part of the process of the method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 15 of the related art.
19 is a fragmentary cross-sectional view showing part of a step in a method for manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 16 of the conventional technique.
20 is a fragmentary cross-sectional view showing a part of the process of the method of manufacturing the solid-state imaging device shown in FIG. 16 in the related art.
[Explanation of symbols]
1,1-1 ... photodiode
2 ... Readout transistor
2-1 305 read gate
3 ... amplifying transistor
3-1 ... Amplification gate
4 ... vertical select transistor
5 ... Reset transistor
6 ... horizontal address line
6-1 Horizontal address gate
7 ... Reset address line
7-1, 306: Reset gate
8 ... vertical signal line
9 Power supply
9-1 ・ ・ ・ Drain
301 ... P well
302: signal storage area
303: shield area
304 ・ ・ ・ Gate insulating film
307 ・ ・ ・ Element isolation region
308 ・ ・ ・ Resist pattern
309: polysilicon layer
901... Recess of readout gate
Claims (13)
前記第1導電型半導体領域に形成された、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域と、
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記第2導電型信号蓄積領域上の領域を覆うよう形成されたゲート電極とを具備したことを特徴とする固体撮像装置。A first conductivity type semiconductor region;
A second conductivity type signal storage region formed in the first conductivity type semiconductor region for storing signal charges;
A solid-state imaging device comprising: a gate electrode formed on the first conductivity type semiconductor region via a gate insulating film; and a gate electrode formed to cover a region on the second conductivity type signal accumulation region.
前記第1導電型半導体領域内に形成された、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域と、
前記第2導電型信号蓄積領域上で前記第1導電型半導体領域の表面領域に形成された、前記第1導電型半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型シールド領域と、
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記第2導電型信号蓄積領域及び前記第1導電型シールド領域上の領域を覆うよう形成されたゲート電極とを具備したことを特徴とする固体撮像装置。A first conductivity type semiconductor region;
A second conductivity type signal storage region formed in the first conductivity type semiconductor region for storing signal charges;
A first conductivity type shield region having a higher impurity concentration than the first conductivity type semiconductor region, formed on a surface region of the first conductivity type semiconductor region on the second conductivity type signal accumulation region;
A gate electrode formed on the first conductive type semiconductor region with a gate insulating film interposed therebetween, and a gate electrode formed to cover the second conductive type signal accumulation region and a region on the first conductive type shield region; A solid-state imaging device characterized by the above-mentioned.
前記撮像領域の周辺に配置された周辺回路部を有する固体撮像装置において、
前記読み出しトランジスタのゲート電極は、前記光電変換部の前記信号蓄積領域を覆うように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。An imaging region configured by arranging a plurality of unit cells each including at least a photoelectric conversion unit having a signal accumulation region for accumulating signal charges and a readout transistor reading signal charges from the photoelectric conversion unit with a gate electrode,
In a solid-state imaging device having a peripheral circuit portion disposed around the imaging region,
A solid-state imaging device, wherein a gate electrode of the read transistor is formed so as to cover the signal accumulation region of the photoelectric conversion unit.
第1導電型半導体領域と、
前記第1導電型半導体領域に形成された、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域によって構成されていることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。The photoelectric conversion unit,
A first conductivity type semiconductor region;
5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device includes a second conductivity type signal storage region formed in the first conductivity type semiconductor region and storing signal charges.
第1導電型半導体領域と、
前記第1導電型半導体領域内に形成された、信号電荷を蓄積する第2導電型信号蓄積領域と、
前記第2導電型信号蓄積領域上で前記第1導電型半導体領域の表面領域に形成された、前記第1導電型半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型シールド領域によって構成されていることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。The photoelectric conversion unit,
A first conductivity type semiconductor region;
A second conductivity type signal storage region formed in the first conductivity type semiconductor region for storing signal charges;
The first conductivity type shield region having a higher impurity concentration than the first conductivity type semiconductor region is formed on the surface region of the first conductivity type semiconductor region on the second conductivity type signal accumulation region. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein:
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して導電体を形成する工程と、前記導電体をドライエッチングし、前記第2導電型信号蓄積領域上の領域を覆うゲート電極を形成する工程とを具備したことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。Forming a second conductivity type signal storage region for storing signal charges in the first conductivity type semiconductor region;
Forming a conductor on the first conductivity type semiconductor region via a gate insulating film; and dry-etching the conductor to form a gate electrode covering a region on the second conductivity type signal accumulation region. And a method for manufacturing a solid-state imaging device.
前記第2導電型信号蓄積領域上で前記第1導電型半導体領域の表面領域に、前記第1導電型半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型シールド領域を形成する工程と、
前記第1導電型半導体領域上にゲート絶縁膜を介して導電体を形成する工程と、前記導電体をドライエッチングし、前記第2導電型信号蓄積領域及び前記第1導電型シールド領域上の領域を覆うゲート電極を形成する工程とを具備したことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。Forming a second conductivity type signal storage region for storing signal charges in the first conductivity type semiconductor region;
Forming a first conductivity type shield region having a higher impurity concentration than the first conductivity type semiconductor region in a surface region of the first conductivity type semiconductor region on the second conductivity type signal accumulation region;
Forming a conductor on the first conductivity type semiconductor region via a gate insulating film; and dry-etching the conductor to form a region on the second conductivity type signal accumulation region and the first conductivity type shield region. Forming a gate electrode covering the semiconductor device.
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