JP2005101442A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 シリコン(半導体)基板1の画素領域の表層に、互いに間を隔てて形成されたフォトダイオードPD及び浮遊不純物拡散領域22と、フォトダイオードPDと浮遊不純物拡散領域22との間のシリコン基板1上に、ゲート絶縁膜5cを介して形成され、浮遊不純物拡散領域22側に向けて凹凸を有する転送ゲート12とを有する固体撮像装置による。
【選択図】 図21
Description
前記絶縁膜上に、転送ゲートと、リセットトランジスタのゲート電極とを間隔をおいて形成する工程と、前記転送ゲートの第1側面と、該第1側面に対向する前記ゲート電極の第2側面とが露出する窓を備えたレジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記転送ゲートと前記ゲート電極との間の前記半導体基板の表層に浮遊不純物拡散領域を形成する工程と、前記レジストパターンの窓の影が前記ゲート電極の第2側面から現れる方向に前記半導体基板を傾けながら、前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物をイオン注入することにより、前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記転送ゲートの側面のうち、前記第1側面とは反対側の第3側面の側方の前記半導体基板の表層にフォトダイオードを形成する工程と、前記ゲート電極の側面のうち、前記第2側面とは反対側の第4側面の側方の前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記リセットトランジスタのドレイン領域を形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法が提供される。
最初に、本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。
C2…転送ゲート12と浮遊不純物拡散領域22とのオーバーラップ容量
C3…第4ゲート電極9と浮遊不純物拡散領域22とのオーバーラップ容量
C5…浮遊不純物拡散領域22とシリコン基板1との間のジャンクション容量
図16(a)は、浮遊不純物拡散領域22のリセット動作を終了する時の断面図である。この動作は、第4ゲート電極9のゲート電圧を、正電位のVg(1)から0Vにし、オン状態にあったリセットトランジスタTRRSTをオフ状態にすることにより行われる。
TRRSTがオン状態:C2(VR(0)−0)+C3(VR(0)−Vg(1))+C5(VR(0)−0) …(1)
TRRSTがオフ状態:C2(VR(1)−0)+C3(VR(1)−0)+C5(VR(0)−0) …(2)
となるので、(1)、(2)を等しいとすると、
VR(0)−VR(1) = C3・Vg(1)/(C2+C3+C5) …(3)
を得る。
転送ゲート12がオフ状態:C2(VR(1)−0)+C3(VR(1)−0)+C5(VR(1)−0) …(4)
転送ゲート12がオン状態:C2(VR(2)−Vg(1))+C3(VR(2)−0)+C5(VR(2)−0) …(5)
となる。
(転送ゲート12がオン状態での浮遊不純物拡散領域22内の電子量)=(転送ゲート12がオフ状態での浮遊不純物拡散領域22内の電子量)+Q
となり、これと(4)、(5)より、
VR(2)−VR(1)=C2・Vg(2)/(C2+C3+C5)+Q/(C2+C3+C5) …(6)
を得る。
VR(2)−VR(0)=(C2・Vg(2)+Q−C3・Vg(1))/(C2+C3+C5) …(7)
となる。
変換効率(感度)=1/(C2+C3+C5) …(8)
となる。
C2max=(1+2 Vg(1)/Vg(2))C3+C5−2Q/Vg(2) …(9)
を得る。
次に、本発明の第2実施形態について、図5(a)と図19を参照しながら説明する。図19は、本実施形態に則した製造工程途中の固体撮像装置の要部断面図である。
本実施形態では、第1実施形態で説明した転送ゲート12の平面レイアウトの変形例について説明する。
第1、第2実施形態では、転送ゲート12のゲート長を、リセットトランジスタTRRSTを構成する第4ゲート10のゲート長と略同じに描いたが、本発明はこれに限定されない。
次に、本発明の第5の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
第5実施形態では、図30に示したように、導電パターン52を第5ゲート電極10の上にまで延在させ、その導電パターン52によって浮遊不純物拡散領域22と第5ゲート電極10とを電気的に接続した。
次に、本発明の第7の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図34(a)、(b)は、本実施形態に則した製造工程途中の固体撮像装置の要部断面図であり、図35はその要部平面図である。なお、これらの図において、第1実施形態で説明した部材には第1実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図36は、本実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。
Q = Ctotal・VR(1)+ C6・(VR(1)−VR2) …(10)
(但し、Ctotal=C2+C3+C5)
と書ける。
Q = Ctotal・VR(2)+ C6・(VR(2)−VR3) …(11)
と書ける。
VR(2)= VR(1)+ C6・(VR3−VR2)/(Ctotal + C6) …(12)
を得る。
第8実施形態では、第2電圧VR2として、浮遊不純物拡散領域22に第1電圧VR1が書き込まれている状態で検出トランジスタTRSFがオンするような電圧を採用し、その検出トランジスタTRSFのチャネル−ゲート間容量を利用して浮遊不純物拡散領域22の電位を引き上げた。
第1〜第9実施形態では、フォトダイオードPDから浮遊不純物拡散領域22への電荷転送時のみ、浮遊不純物拡散領域22の(電子から見た)ポテンシャルを深くすることができる。そして、電荷転送が終了してから、電荷量に応じた出力電圧が読み出される前までの待機状態においては、浮遊不純物拡散領域22のポテンシャルが深くならないため、N型の浮遊不純物拡散領域22とP型のシリコン基板1とのジャンクションリークを防止できる。
本実施形態では、第1〜第10実施形態の固体撮像装置を光学レンズ等と組み合わせて、固体撮像装置ユニットを提供する。
前記フォトダイオードと前記浮遊不純物拡散領域との間の前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介して形成され、前記浮遊不純物拡散領域側に向けて凹凸を有する転送ゲートと
を有する固体撮像装置。
(付記2) 前記半導体基板の上から見た場合に、前記転送ゲートは、前記浮遊不純物拡散領域の縁に沿って延びる延長部を有することを特徴とする付記1に記載の固体撮像装置。
前記半導体基板の周辺回路領域に形成された周辺トランジスタとを有し、
前記半導体基板の上から見た場合に、前記リセットトランジスタのゲート電極が前記浮遊不純物拡散領域と第1の幅で重なると共に、前記周辺トランジスタのゲート電極が、前記第1の幅よりも広い第2の幅で前記周辺トランジスタのソース領域又はドレイン領域と重なることを特徴とする付記1に記載の固体撮像装置。
(付記6) 前記半導体基板の上から見た場合に、前記転送ゲートが、前記第2の幅よりも長く、且つ前記転送ゲートのゲート長よりも短い第3の幅で前記浮遊不純物拡散領域と重なることを特徴とする付記5に記載の固体撮像装置。
(付記7) 前記転送ゲートのゲート長が、前記リセットトランジスタのゲート長よりも長いことを特徴とする付記6に記載の固体撮像装置。
前記半導体基板の表層に形成され、前記高濃度領域の少なくとも一つの縁を画定する素子分離絶縁膜と、
前記高濃度領域を覆う絶縁膜と、
前記高濃度領域上の前記絶縁膜に形成されたホールと、
前記ホール内に形成され、前記高濃度領域と電気的に接続された導電性プラグとを有することを特徴とする付記5に記載の固体撮像装置。
前記半導体基板の上から見た場合に、前記検出トランジスタのゲート電極が、前記第2の幅よりも狭い第4の幅で前記検出トランジスタのソース領域又はドレイン領域と重なることを特徴とする付記5に記載の固体撮像装置。
前記浮遊不純物拡散領域の上の前記絶縁膜に形成されたホールと、
前記絶縁膜上と前記ホール内とに形成されて前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続されると共に、前記転送ゲートと前記浮遊不純物拡散領域とを覆う導電パターンと
を有することを特徴とする付記1に記載の固体撮像装置。
(付記13) 前記浮遊不純物拡散領域の他の部分よりも不純物濃度が高い高濃度領域を、前記転送ゲートの側方から前記ホールの下に至る部分における前記浮遊不純物拡散領域に形成したことを特徴とする付記12に記載の固体撮像装置。
浮遊不純物拡散領域と、
前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送する転送トランジスタと、
第1電圧が印加される電源線と、
前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットするリセットトランジスタと、
信号線と、
ドレインが前記電源線に電気的に接続された選択トランジスタと、
ドレインが前記選択トランジスタのソースに電気的に接続され、ソースが前記信号線に電気的に接続されて、ゲートが前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続された検出トランジスタと、
第2電圧、及び該第2電圧よりも電圧の高い第3電圧を前記信号線に選択的に出力する電圧供給回路と
を有し、
前記第2電圧は、該第2電圧が前記信号線に出力され、前記浮遊不純物拡散領域が前記第1電圧にリセットされ、且つ前記選択トランジスタがオフ状態のときに、前記検出トランジスタがオン状態になる電圧であることを特徴とする固体撮像装置。
(付記17) フォトダイオードと、
浮遊不純物拡散領域と、
前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送する転送トランジスタと、
第1電圧が印加される電源線と、
前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットするリセットトランジスタと、
信号線と、
ドレインが前記電源線に電気的に接続された選択トランジスタと、
ドレインが前記選択トランジスタのソースに電気的に接続され、ソースが前記信号線に電気的に接続されて、ゲートが前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続された検出トランジスタと、
第2電圧、及び該第2電圧よりも電圧の高い第3電圧を前記信号線に選択的に出力する電圧供給回路と
を有し、
前記第2電圧は、該第2電圧が前記信号線に出力され、前記浮遊不純物拡散領域が前記第1電圧にリセットされ、且つ前記選択トランジスタがオフ状態のときに、前記検出トランジスタがオフ状態のままになる電圧であることを特徴とする固体撮像装置。
(付記18) 前記選択トランジスタをオフ状態にし、
前記電圧供給回路から前記信号線に前記第2電圧を供給し、
前記リセットトランジスタをオン状態にすることにより、前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットし、
前記リセットトランジスタをオフ状態にし、
前記電圧供給回路から前記信号線に前記第3電圧を供給することにより前記浮遊不純物拡散領域の電圧を上昇させ、
前記転送トランジスタをオン状態にすることにより、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送し、
前記選択トランジスタをオン状態にすることにより、前記検出トランジスタのソース電圧を出力電圧として読み出すことを特徴とする付記16又は付記17に記載の固体撮像装置。
(付記19) 少なくとも一つの単位画素において、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送した後、1ミリ秒以上の待機時間の後に、前記検出トランジスタのソース電圧を信号電圧として読み出すことを特徴とする付記10、16、17のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第1絶縁膜上に、転送ゲートと、リセットトランジスタのゲート電極とを間隔をおいて形成する工程と、
前記転送ゲートの第1側面と、該第1側面に対向する前記ゲート電極の第2側面とが露出する第1窓を備えた第1レジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記第1窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記転送ゲートと前記第ゲート電極との間の前記半導体基板の表層に浮遊不純物拡散領域を形成する工程と、
前記第1レジストパターンを除去する工程と、
前記第1レジストパターンを除去後、前記転送ゲートの第1側面が露出する第2窓を有し、且つ前記ゲート電極の第2側面を覆う第2レジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記第2レジストパターンの第2窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程と、
前記第2レジストパターンを除去する工程と、
前記転送ゲートの側面のうち、前記第1側面とは反対側の第3側面の側方の前記半導体基板の表層にフォトダイオードを形成する工程と、
前記ゲート電極の側面のうち、前記第2側面とは反対側の第4側面の側方の前記半導体基板の表層に不純物を導入して、前記リセットトランジスタのドレイン領域を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
(付記22) 前記高濃度領域を形成した後、前記転送ゲート、前記ゲート電極、前記浮遊不純物拡散領域、及び前記ドレイン領域を覆う第2絶縁膜を形成する工程と、
前記浮遊不純物拡散領域の上の前記第2絶縁膜を覆う第3レジストパターンを形成する工程と、
前記第3レジストパターンをマスクに使用して前記第2絶縁膜をエッチングすることにより、前記浮遊不純物拡散領域上の前記第2絶縁膜を残しながら、前記ドレイン領域上の前記第2絶縁膜を絶縁性サイドウォールとして前記ゲート電極の第4側面に残す工程と、
前記絶縁性サイドウォールの側方に露出する前記第ドレイン領域の表層にシリサイド層を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上、前記絶縁性サイドウォール上、及び前記シリサイド層上に第3絶縁膜を形成する工程と、
前記高濃度領域上の前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜に、第1のエッチング条件により第1ホールを形成する工程と、
前記シリサイド層上の前記第3絶縁膜に、第2のエッチング条件により第2ホールを形成する工程と、
前記高濃度領域と電気的に接続する第1導電性プラグを前記第1ホールの中に形成する工程と、
前記シリサイド層と電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホールの中に形成する工程とを有することを特徴とする付記21に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記高濃度領域上の前記第2絶縁膜に第3ホールを形成する工程と、
前記第2絶縁膜上と前記第3ホール内に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜をパターニングして前記浮遊不純物拡散領域を覆う導電パターンにする工程と
を有することを特徴とする付記21に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記絶縁膜上に、転送ゲートと、リセットトランジスタのゲート電極とを間隔をおいて形成する工程と、
前記転送ゲートの第1側面と、該第1側面に対向する前記ゲート電極の第2側面とが露出する窓を備えたレジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記転送ゲートと前記ゲート電極との間の前記半導体基板の表層に浮遊不純物拡散領域を形成する工程と、
前記レジストパターンの窓の影が前記ゲート電極の第2側面から現れる方向に前記半導体基板を傾けながら、前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物をイオン注入することにより、前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記転送ゲートの側面のうち、前記第1側面とは反対側の第3側面の側方の前記半導体基板の表層にフォトダイオードを形成する工程と、
前記ゲート電極の側面のうち、前記第2側面とは反対側の第4側面の側方の前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記リセットトランジスタのドレイン領域を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
(付記27) 前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程において、前記影の長さが0.2μm以上となるように前記半導体基板を傾けることを特徴とする付記26に記載の固体撮像装置の製造方法。
前記フォトダイオードから前記浮遊不純物拡散領域に転送された電荷の量の前記電圧差における比例係数を、前記電荷の量を電圧に変換する際の感度として採用し、前記感度を前記オーバーラップ容量の関数として求め、
前記転送効率と前記感度との積の最大値を与える前記オーバーラップ容量の最大値を求め、
前記最大値を超えない範囲で前記オーバーラップ容量を調節することにより、前記転送効率と前記感度との両立を図るようにすることを特徴とする付記21に記載の固体撮像装置の製造方法。
Claims (9)
- 半導体基板の画素領域の表層に、互いに間を隔てて形成されたフォトダイオード及び浮遊不純物拡散領域と、
前記フォトダイオードと前記浮遊不純物拡散領域との間の前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介して形成され、前記浮遊不純物拡散領域側に向けて凹凸を有する転送ゲートと
を有する固体撮像装置。 - 前記半導体基板の前記画素領域に形成され、前記浮遊不純物拡散領域をソース領域とするリセットトランジスタと、
前記半導体基板の周辺回路領域に形成された周辺トランジスタとを有し、
前記半導体基板の上から見た場合に、前記リセットトランジスタのゲート電極が前記浮遊不純物拡散領域と第1の幅で重なると共に、前記周辺トランジスタのゲート電極が、前記第1の幅よりも広い第2の幅で前記周辺トランジスタのソース領域又はドレイン領域と重なることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記半導体基板の上から見た場合に、前記転送ゲートが、前記第2の幅よりも長く、且つ前記転送ゲートのゲート長よりも短い第3の幅で前記浮遊不純物拡散領域と重なることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記転送ゲートと前記浮遊不純物拡散領域とを覆い、上面が凹凸状の絶縁膜と、
前記浮遊不純物拡散領域の上の前記絶縁膜に形成されたホールと、
前記絶縁膜上と前記ホール内とに形成されて前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続されると共に、前記転送ゲートと前記浮遊不純物拡散領域とを覆う導電パターンと
を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - フォトダイオードと、
浮遊不純物拡散領域と、
前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送する転送トランジスタと、
第1電圧が印加される電源線と、
前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットするリセットトランジスタと、
信号線と、
ドレインが前記電源線に電気的に接続された選択トランジスタと、
ドレインが前記選択トランジスタのソースに電気的に接続され、ソースが前記信号線に電気的に接続されて、ゲートが前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続された検出トランジスタと、
第2電圧、及び該第2電圧よりも電圧の高い第3電圧を前記信号線に選択的に出力する電圧供給回路と
を有し、
前記第2電圧は、該第2電圧が前記信号線に出力され、前記浮遊不純物拡散領域が前記第1電圧にリセットされ、且つ前記選択トランジスタがオフ状態のときに、前記検出トランジスタがオン状態になる電圧であることを特徴とする固体撮像装置。 - フォトダイオードと、
浮遊不純物拡散領域と、
前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送する転送トランジスタと、
第1電圧が印加される電源線と、
前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットするリセットトランジスタと、
信号線と、
ドレインが前記電源線に電気的に接続された選択トランジスタと、
ドレインが前記選択トランジスタのソースに電気的に接続され、ソースが前記信号線に電気的に接続されて、ゲートが前記浮遊不純物拡散領域に電気的に接続された検出トランジスタと、
第2電圧、及び該第2電圧よりも電圧の高い第3電圧を前記信号線に選択的に出力する電圧供給回路と
を有し、
前記第2電圧は、該第2電圧が前記信号線に出力され、前記浮遊不純物拡散領域が前記第1電圧にリセットされ、且つ前記選択トランジスタがオフ状態のときに、前記検出トランジスタがオフ状態のままになる電圧であることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記選択トランジスタをオフ状態にし、
前記電圧供給回路から前記信号線に前記第2電圧を供給し、
前記リセットトランジスタをオン状態にすることにより、前記浮遊不純物拡散領域の電圧を前記第1電圧にリセットし、
前記リセットトランジスタをオフ状態にし、
前記電圧供給回路から前記信号線に前記第3電圧を供給することにより前記浮遊不純物拡散領域の電圧を上昇させ、
前記転送トランジスタをオン状態にすることにより、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記浮遊不純物拡散領域に転送し、
前記選択トランジスタをオン状態にすることにより、前記検出トランジスタのソース電圧を出力電圧として読み出すことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の固体撮像装置。 - 半導体基板の上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に、転送ゲートと、リセットトランジスタのゲート電極とを間隔をおいて形成する工程と、
前記転送ゲートの第1側面と、該第1側面に対向する前記ゲート電極の第2側面とが露出する第1窓を備えた第1レジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記第1窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記転送ゲートと前記第ゲート電極との間の前記半導体基板の表層に浮遊不純物拡散領域を形成する工程と、
前記第1レジストパターンを除去する工程と、
前記第1レジストパターンを除去後、前記転送ゲートの第1側面が露出する第2窓を有し、且つ前記ゲート電極の第2側面を覆う第2レジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記第2レジストパターンの第2窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程と、
前記第2レジストパターンを除去する工程と、
前記転送ゲートの側面のうち、前記第1側面とは反対側の第3側面の側方の前記半導体基板の表層にフォトダイオードを形成する工程と、
前記ゲート電極の側面のうち、前記第2側面とは反対側の第4側面の側方の前記半導体基板の表層に不純物を導入して、前記リセットトランジスタのドレイン領域を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。 - 半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、転送ゲートと、リセットトランジスタのゲート電極とを間隔をおいて形成する工程と、
前記転送ゲートの第1側面と、該第1側面に対向する前記ゲート電極の第2側面とが露出する窓を備えたレジストパターンを前記半導体基板の上方に形成する工程と、
前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記転送ゲートと前記ゲート電極との間の前記半導体基板の表層に浮遊不純物拡散領域を形成する工程と、
前記レジストパターンの窓の影が前記ゲート電極の第2側面から現れる方向に前記半導体基板を傾けながら、前記窓を通じて前記半導体基板の表層に不純物をイオン注入することにより、前記浮遊不純物拡散領域に高濃度領域を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記転送ゲートの側面のうち、前記第1側面とは反対側の第3側面の側方の前記半導体基板の表層にフォトダイオードを形成する工程と、
前記ゲート電極の側面のうち、前記第2側面とは反対側の第4側面の側方の前記半導体基板の表層に不純物を導入することにより、前記リセットトランジスタのドレイン領域を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
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