JP2005117018A - Solid imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having high image quality characteristics and low power consumption characteristics, and a manufacturing method thereof.
携帯電話などに搭載される固体撮像装置として、CCD(電荷結合素子)型のイメージセンサと、CMOS型のイメージセンサと、がある。CCD型のイメージセンサは画質に優れ、CMOS型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のMOS型固体撮像装置が提案されている。閾値電圧変調方式のMOS型固体撮像装置については、例えば、特許文献1に開示されている。
As a solid-state imaging device mounted on a cellular phone or the like, there are a CCD (charge coupled device) type image sensor and a CMOS type image sensor. A CCD type image sensor has excellent image quality, and a CMOS type image sensor has low power consumption and low process cost. In recent years, a MOS type solid-state imaging device of a threshold voltage modulation method that has both high image quality and low power consumption has been proposed. A threshold voltage modulation type MOS solid-state imaging device is disclosed in, for example,
イメージセンサは、センサセルをマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの3つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。特許文献1によって開示されたイメージセンサは、各単位画素が、蓄積を行うためのフォトダイオードと、読み出しを行うための変調トランジスタと、初期化を行うためのオーバーフロードレインゲートとを有している。
The image sensor obtains an image output by arranging sensor cells in a matrix and repeating three states of initialization, accumulation, and readout. In the image sensor disclosed in
図9は、特許文献1に開示されているイメージセンサの変調トランジスタ部分を示す模式的断面図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the modulation transistor portion of the image sensor disclosed in
図9のイメージセンサは、基板100上において、各単位画素毎に、図示しないフォトダイオードと変調トランジスタ101とが隣接配置されている。変調トランジスタ101のゲート102はリング状に形成されており、リングゲート102の中央の開口部分には、ソース領域103が形成されている。リングゲート102の周辺にはドレイン領域104が形成されている。
In the image sensor of FIG. 9, a photodiode and a modulation transistor 101 (not shown) are arranged adjacent to each other on the
フォトダイオードの開口領域から入射した光によって発生した電荷(光発生電荷)は、リングゲート102下方のP型ウェル105の領域に転送されて、この部分に形成されたキャリアポケット106に蓄積される。キャリアポケット106に蓄積された光発生電荷によって変調トランジスタ101の閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタ101のソース領域103から入射光に対応した信号(画素信号)を取り出すことができるようになっている。
図10は横軸にゲート電圧VGをとり縦軸にソース電圧VSをとって、閾値電圧が高い(入射光量が少ない)場合と低い(入射光量が多い)場合とにおける変調トランジスタ101の特性を夫々示すグラフである。特性Aは入射光が通常レベルの場合の特性を示し、特性Bは入射光が極めて明るい場合の特性を示している。入射光量に応じて閾値電圧が変化することで、変調トランジスタのVG−VS特性は変化する。ゲート電圧VGを十分に高くすると、変調トランジスタのソース電圧VSは飽和して略ドレイン電圧に一致する。
変調トランジスタが飽和しないようにゲート電圧VGを固定(例えば、破線のレベル)した場合には、ソース電圧は変調トランジスタの閾値電圧に応じて変化する。これにより、光発生電荷に応じたソース電圧を取得することができる。
In FIG. 10, the gate voltage VG is taken on the horizontal axis and the source voltage VS is taken on the vertical axis, and the characteristics of the
When the gate voltage VG is fixed (for example, the level of the broken line) so that the modulation transistor is not saturated, the source voltage changes according to the threshold voltage of the modulation transistor. Thereby, the source voltage according to the photogenerated charge can be acquired.
しかしながら、図9のセンサセルにおいては、P型ウェル105の領域下のN型拡散層107、P型ウェル105、及びソース領域103を構成するN型拡散層によって、ジャンクショントランジスタが形成されて、ソース領域103にリーク電流が流れてしまう。
However, in the sensor cell of FIG. 9, a junction transistor is formed by the N-type diffusion layer constituting the N-
図11はこの場合の等価回路を示す回路図である。リングゲート102周辺のドレイン領域104(図11のD)とN型拡散層107とは電気的に接続されており、図11では、ドレイン領域104からN型拡散層107にいたるリーク経路は抵抗Rlによって示してある。N型拡散層107とソース領域103(図11のS)との間にはジャンクショントランジスタTjのコレクタ・エミッタ路が形成されている。変調トランジスタ101のチャネルを介してドレイン領域104からソース領域103に対して電流が流れるだけでなく、ドレイン領域104から抵抗Rl及びジャックショントランジスタTjを経由してソース領域103にリーク電流が流れる。
FIG. 11 is a circuit diagram showing an equivalent circuit in this case. The drain region 104 (D in FIG. 11) around the
また、図9のセンサセルにおいて、微細化に伴い、変調トランジスタの短チャネル効果が起こり、ドレイン−ソース間にリーク電流が流れてしまう。 Further, in the sensor cell of FIG. 9, with the miniaturization, a short channel effect of the modulation transistor occurs, and a leak current flows between the drain and the source.
図12はリーク電流の影響によるVG−VS特性の変化を示している。図12の破線はリーク電流がない場合の特性を示し、実線はリーク電流がある場合の特性を示している。
図12に示すように、特にゲート電圧VGが比較的低いレベル(一点鎖線にて示すゲート電圧)の領域では、リーク電流の影響が大きくなって、入射光に応じた光発生電荷を正確に検出することができない。例えば、ゲートに通常のレベル(破線にて示すゲート電圧)と一点鎖線に示す比較的低いレベルの2種類のゲート電圧を印加して読み出しを行う場合には、リーク電流の影響による特性の変化によって、正確な受光量を検出することはできず、設定によっては、黒スミアが発生することもあるという問題点があった。
FIG. 12 shows changes in VG-VS characteristics due to the influence of leakage current. The broken line in FIG. 12 indicates the characteristic when there is no leakage current, and the solid line indicates the characteristic when there is a leakage current.
As shown in FIG. 12, particularly in the region where the gate voltage VG is relatively low (the gate voltage indicated by the alternate long and short dash line), the influence of the leakage current becomes large, and the photogenerated charge corresponding to the incident light is accurately detected. Can not do it. For example, when reading is performed by applying two kinds of gate voltages of a normal level (a gate voltage indicated by a broken line) and a relatively low level indicated by a one-dot chain line to the gate, a change in characteristics due to an influence of a leakage current is caused. However, the amount of received light cannot be detected accurately, and there is a problem that black smear may occur depending on the setting.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ソース領域下にジャンクショントランジスタが形成されることを防止して、高画質化を図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を目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same that can prevent the formation of a junction transistor under a source region and achieve high image quality. For the purpose.
本発明に係る固体撮像装置は、一方導電型の基板上に形成された他方導電型の第1の拡散層と、前記基板上に形成され入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、前記第1の拡散層上に形成され前記光発生電荷を蓄積する一方導電型の蓄積ウェルと、前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する一方導電型の変調用ウェルを有し、前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御されて、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、前記変調用ウェルと前記第1の拡散層との間に形成される一方導電型の第2の拡散層とを具備したことを特徴とする。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a first diffusion layer of the other conductivity type formed on a substrate of one conductivity type, and a photoelectric conversion that generates photogenerated charges according to incident light formed on the substrate. An element, a one-conductivity type accumulation well formed on the first diffusion layer for accumulating the photogenerated charge, and a one conductivity type modulation well for retaining the photogenerated charge transferred from the accumulation well. A modulation transistor that outputs a pixel signal corresponding to the photogenerated charge by controlling a threshold voltage of the channel by the photogenerated charge held in the modulation well, the modulation well, and the first And a second diffusion layer of one conductivity type formed between the diffusion layer and the diffusion layer.
このような構成によれば、光電変換素子によって発生した光発生電荷は蓄積ウェルに蓄積される。蓄積ウェルに蓄積された光発生電荷は、変調用ウェルに転送される。変調用ウェルに保持された光発生電荷によって変調トランジスタのチャネルの閾値電圧が制御されて、前記光発生電荷に応じた画素信号が変調トランジスタから出力される。変調トランジスタのソース領域は他方導電型で構成され、変調トランジスタの形成領域には、一方導電型の変調用ウェル及び他方導電型の第1の拡散層が形成される。しかし、ソース領域の下方には、変調用ウェルと第1の拡散層との間に一方導電型の第2の拡散層が形成されている。従って、例えば、ソース領域の下方にジャンクショントランジスタによるリーク電流の経路が形成されることを防止することができる。また、ドレイン−ソース間に一方導電型の第2の拡散層が形成されているため、変調トランジスタの短チャネル効果を押さえることかできる。これらにより、高画質化を図ることができ、例えば、黒スミア等の発生を防止することができる。 According to such a configuration, the photo-generated charges generated by the photoelectric conversion element are accumulated in the accumulation well. The photo-generated charges accumulated in the accumulation well are transferred to the modulation well. The threshold voltage of the channel of the modulation transistor is controlled by the photogenerated charge held in the modulation well, and a pixel signal corresponding to the photogenerated charge is output from the modulation transistor. The source region of the modulation transistor is composed of the other conductivity type, and a modulation conductivity well for one conductivity type and a first diffusion layer of the other conductivity type are formed in the formation region of the modulation transistor. However, below the source region, a second diffusion layer of one conductivity type is formed between the modulation well and the first diffusion layer. Therefore, for example, it is possible to prevent a leakage current path from being formed by the junction transistor below the source region. In addition, since the second diffusion layer of one conductivity type is formed between the drain and the source, the short channel effect of the modulation transistor can be suppressed. As a result, high image quality can be achieved, and for example, occurrence of black smear or the like can be prevented.
また、前記第2の拡散層は、前記変調トランジスタのソース領域に対応した部分に、前記変調用ウェルと前記第1の拡散層とに接して形成されることを特徴とする。 The second diffusion layer is formed in a portion corresponding to the source region of the modulation transistor so as to be in contact with the modulation well and the first diffusion layer.
このような構成によれば、ソース領域の下方にジャンクショントランジスタによるリーク電流の経路が形成されることを確実に防止することができる。更に、変調トランジスタの短チャネル効果も抑えることができる。 According to such a configuration, it is possible to reliably prevent a leakage current path from being formed by the junction transistor below the source region. Furthermore, the short channel effect of the modulation transistor can also be suppressed.
また、前記変調用ウェル内に前記変調用ウェルよりも高濃度の一方導電型のキャリアポケットを更に具備し、前記第2の拡散層は、前記キャリアポケットと前記第1の拡散層との間に形成されることを特徴とする。 The modulation well further includes a one-conductivity type carrier pocket having a higher concentration than that of the modulation well, and the second diffusion layer is interposed between the carrier pocket and the first diffusion layer. It is formed.
このような構成によれば、光発生電荷は、キャリアポケットに蓄積される。このキャリアポケットと第1の拡散層との間に第2の拡散層が形成されるので、ソース領域下方のジャンクショントランジスタによるリーク電流の経路が形成されることを確実に防止することができる。更に、変調トランジスタの短チャネル効果も抑えることができる。 According to such a configuration, photogenerated charges are accumulated in the carrier pocket. Since the second diffusion layer is formed between the carrier pocket and the first diffusion layer, it is possible to reliably prevent a leakage current path from being formed by the junction transistor below the source region. Furthermore, the short channel effect of the modulation transistor can also be suppressed.
また、前記第2の拡散層は、前記キャリアポケットの濃度よりも低く、前記変調用ウェルの濃度よりも高い濃度で形成される。 The second diffusion layer is formed at a concentration lower than the concentration of the carrier pocket and higher than the concentration of the modulation well.
このような構成によれば、ソース領域下方において、他方導電型、一方導電型及び他方導電型によるジャンクショントランジスタが形成されることを確実に防止することができる。 According to such a configuration, it is possible to reliably prevent the junction transistor of the other conductivity type, the one conductivity type, and the other conductivity type from being formed below the source region.
本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、一方導電型の基板上に他方導電型の第1の拡散層を形成する工程と、前記基板上に形成する光電変換素子によって発生する光発生電荷を蓄積するための一方導電型の蓄積ウェル及び前記蓄積ウェルから転送される前記光発生電荷を保持するための一方導電型の変調用ウェルを形成する工程と、前記変調用ウェルに保持される前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御されて前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタのソース領域に対応する部分の下方であって、前記第1の拡散層と前記変調用ウェルとの間に一方導電型の第2の拡散層を形成する工程とを具備したことを特徴とする。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present embodiment includes a step of forming a first diffusion layer of the other conductivity type on a substrate of one conductivity type, and light generation generated by a photoelectric conversion element formed on the substrate Forming one conductivity type accumulation well for accumulating charge and one conductivity type modulation well for retaining the photogenerated charge transferred from the accumulation well; and holding the modulation well The threshold voltage of the channel is controlled by the photogenerated charge, and below the portion corresponding to the source region of the modulation transistor that outputs a pixel signal corresponding to the photogenerated charge, the first diffusion layer and the modulation And a step of forming a second diffusion layer of one conductivity type between the well and the well.
このような構成によれば、基板上には他方導電型の第1の拡散層が形成され、この第1の拡散層上に、一方導電型の変調用ウェルが形成される。変調ウェル上には変調トランジスタの他方導電型のソース領域が形成される。しかし、ソース領域の下方において、第1の拡散層と変調用ウェルとの間に一方導電型の第2の拡散層を形成するので、ソース領域へのリーク電流の経路となるジャンクショントランジスタが形成されることを防止することができ、変調トランジスタの短チャネル効果も抑えることができる。 According to such a configuration, the other conductivity type first diffusion layer is formed on the substrate, and the one conductivity type modulation well is formed on the first diffusion layer. A source region of the other conductivity type of the modulation transistor is formed on the modulation well. However, since the second diffusion layer of one conductivity type is formed below the source region and between the first diffusion layer and the modulation well, a junction transistor serving as a leakage current path to the source region is formed. This can prevent the short channel effect of the modulation transistor.
また、前記第2の拡散層は、前記キャリアポケットの濃度よりも低く、前記変調用ウェルの濃度よりも高い濃度で形成することを特徴とする。 Further, the second diffusion layer is formed at a concentration lower than the concentration of the carrier pocket and higher than the concentration of the modulation well.
このような構成によれば、ソース領域下方に、リーク電流の経路となるジャンクショントランジスタが形成されることを確実に防止することができ、変調トランジスタの短チャネル効果も抑えることができる。 According to such a configuration, it is possible to reliably prevent a junction transistor serving as a leakage current path from being formed below the source region, and to suppress the short channel effect of the modulation transistor.
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。図1乃至図8は本発明の第1の実施の形態に係り、図1は本実施の形態に係る固体撮像装置の断面形状を示す断面図、図2は本実施の形態に係る固体撮像装置の1センサセルの平面形状を示す平面図、図3は素子の全体構造を示すブロック図、図4はセンサセルの等価回路図である。図5は固体撮像装置中の変調トランジスタの特性を示すグラフである。図6乃至図8は素子の製造方法を説明するための工程図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 8 relate to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 2 is a solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 3 is a block diagram showing the overall structure of the element, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the sensor cell. FIG. 5 is a graph showing the characteristics of the modulation transistor in the solid-state imaging device. 6 to 8 are process diagrams for explaining a method of manufacturing an element.
本実施の形態はフォトダイオード等の光電変換素子と光電変換素子において発生した電荷(光発生電荷)に基づく画素信号を出力する変調トランジスタとを有する固体撮像装置において、変調トランジスタ形成領域中のソース領域と他方導電型拡散層との間のジャンクショントランジスタ形成部分に、高濃度の一方導電型不純物層を形成することにより、ソース領域へのリーク電流の経路となるジャンクショントランジスタが形成されないように且つ、変調トランジスタの短チャネル効果により、リーク電流の経路となる領域を一方導電型不純物を導入することにより、リーク電流を流れにくくしたものである。 In this embodiment, in a solid-state imaging device having a photoelectric conversion element such as a photodiode and a modulation transistor that outputs a pixel signal based on a charge (photogenerated charge) generated in the photoelectric conversion element, a source region in a modulation transistor formation region By forming a high-concentration one-conductivity-type impurity layer in the junction transistor formation part between the first and the other-conductivity-type diffusion layer, modulation is performed so that a junction transistor serving as a leakage current path to the source region is not formed. Due to the short channel effect of the transistor, the leakage current does not flow easily by introducing one conductivity type impurity into a region serving as a leakage current path.
<センサセルの構造>
本実施の形態における固体撮像装置は、後述するように、単位画素であるセンサセルがマトリクス状に配列されて構成されたセンサセルアレイを有している。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで1画面の画像信号が得られる。
<Structure of sensor cell>
As will be described later, the solid-state imaging device according to the present embodiment has a sensor cell array in which sensor cells as unit pixels are arranged in a matrix. Each sensor cell accumulates photogenerated charges generated according to incident light and outputs a pixel signal at a level based on the accumulated photogenerated charges. An image signal of one screen can be obtained by arranging the sensor cells in a matrix.
先ず、図1及び図2を参照して各センサセルの構造について説明する。図2は1つのセンサセルを示している。なお、1つのセンサセルは図2の破線にて示す範囲である。また、本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。また、図1は図2のA−A’線で切断したセルの断面構造を示している。 First, the structure of each sensor cell will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows one sensor cell. One sensor cell is a range indicated by a broken line in FIG. This embodiment shows an example in which holes are used as photogenerated charges. Even in the case where electrons are used as the photo-generated charges, the same configuration is possible. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the cell cut along the line A-A ′ of FIG. 2.
図2の平面図に示すように、単位画素であるセンサセル3内に、フォトダイオードPDと変調トランジスタTMとが隣接して設けられている。変調トランジスタTMとしては、例えば、NチャネルディプレッションMOSトランジスタが用いられる。単位画素はほぼ長方形状を有し、その各辺は、センサセルアレイの列又は行方向に対して斜めに傾斜している。
As shown in the plan view of FIG. 2, a photodiode PD and a modulation transistor TM are provided adjacent to each other in a
光電変換素子形成領域であるフォトダイオードPD形成領域(図1のPD)においては、基板1の表面に開口領域2が形成され、基板1表面の比較的浅い位置には開口領域2よりも広い領域のP型のウェルであり、光電変換素子によって発生した光発生電荷を蓄積するウェル(以下、蓄積ウェルという)4が形成されている。この蓄積ウェル4に所定の距離だけ離間して、変調トランジスタTM形成領域(図1のFPW)にP型のウェルであり、蓄積ウェル4に蓄積された光発生電荷が転送されて変調トランジスタを制御するためのウェル(以下、変調用ウェルという)5が形成されている。
In a photodiode PD formation region (PD in FIG. 1) which is a photoelectric conversion element formation region, an
変調用ウェル5上には、基板1表面にリング状のゲート(リングゲート)6が形成されており、リングゲート6の中央の開口部分の基板1表面近傍領域には、高濃度N型領域であるソース領域7が形成されている。リングゲート6の周囲にはN型のドレイン領域8が形成されている。ドレイン領域8の所定位置には、基板1表面近傍にN+層のドレインコンタクト領域9が形成される。
On the modulation well 5, a ring-shaped gate (ring gate) 6 is formed on the surface of the
変調用ウェル5は変調トランジスタTMのチャネルの閾値電圧を制御するものである。
変調用ウェル5内には、リングゲート6の下方にP型の高濃度領域であるキャリアポケット10(図1)が形成されている。変調トランジスタTMは、変調用ウェル5、リングゲート6、ソース領域7及びドレイン領域8によって構成されて、変調用ウェル5(キャリアポケット10)に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。
The modulation well 5 controls the threshold voltage of the channel of the modulation transistor TM.
In the modulation well 5, a carrier pocket 10 (FIG. 1) that is a P-type high concentration region is formed below the ring gate 6. The modulation transistor TM is constituted by the modulation well 5, the ring gate 6, the
フォトダイオードPDの開口領域2下方の基板1上に形成された後述する第1の拡散層としてのN型ウェル21とP型の蓄積ウェル4との境界領域には空乏領域(図示せず)が形成され、この空乏領域において、開口領域2を介して入射した光による光発生電荷が生じる。本実施の形態においては発生した光発生電荷は蓄積ウェル4に蓄積されるようになっている。
A depletion region (not shown) is formed in a boundary region between an N-
蓄積ウェル4に蓄積された電荷は、変調用ウェル5に転送されてキャリアポケット10に保持される。これにより、変調トランジスタTMのソース電位は、変調用ウェル5に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードPDへの入射光に応じたものとなる。
The charges accumulated in the accumulation well 4 are transferred to the modulation well 5 and held in the
蓄積ウェル4近傍の基板1表面には、蓄積ウェル4に蓄積されている光発生電荷のうち蓄積ウェル4からオーバーフローする電荷を含み画像信号に寄与しない不要な電荷(以下、不要電荷という)を排出するためのコンタクト領域(以下、ODコンタクト領域という)11が高濃度P型拡散層によって形成されている。このODコンタクト領域11と蓄積ウェル4領域との間の基板1表面上には、ODコンタクト領域11と蓄積ウェル4領域との間にオーバーフローした電荷を含む不要電荷の経路(以下、不要電荷排出経路という)RLを形成するためのラテラルオーバーフロードレイン(以下、LODという)トランジスタTLのLODゲート12が形成されている。なお、LODゲート12は平面的には一端が蓄積ウェル4の領域上に掛かっている。
On the surface of the
不要電荷排出制御素子としてのLODトランジスタTLを設けることにより、ODコンタクト領域11と蓄積ウェル4との間の電位障壁を制御して、不要電荷をLODトランジスタTLを介してODコンタクト領域11から基板上の配線を介して排出することができる。 By providing the LOD transistor TL as an unnecessary charge discharge control element, the potential barrier between the OD contact region 11 and the accumulation well 4 is controlled, and unnecessary charges are transferred from the OD contact region 11 to the substrate via the LOD transistor TL. Can be discharged through the wiring.
本実施の形態においては、蓄積ウェル4と変調用ウェル5との間には、転送制御素子としての転送トランジスタTTが形成されている。転送トランジスタTTの転送ゲート13は、蓄積ウェル4と変調用ウェル5との間の経路(以下、単に転送経路という)RTの基板1表面上に形成される。転送トランジスタTTによって、転送経路RTの電位障壁を制御して、蓄積ウェル4から変調用ウェル5への電荷の転送を制御することができるようになっている。
In the present embodiment, a transfer transistor TT as a transfer control element is formed between the accumulation well 4 and the
また、本実施の形態においては、変調用ウェル5近傍の基板表面には、変調用ウェルに残留した電荷(以下、残留電荷という)を排出するための残留電荷排出用のコンタクト領域(以下、排出コンタクト領域という)15が高濃度P型拡散層によって形成されている。この排出コンタクト領域15と変調用ウェル5領域との間の基板1表面上には、排出コンタクト領域15と変調用ウェル5領域との間の経路(以下、残留電荷排出経路という)RCの電位障壁を制御するための残留電荷排出制御素子としてのクリアトランジスタTCのクリアゲート14が形成されている。なお、クリアゲート14は平面的には一端が変調用ウェル5の領域上に掛かっている。
Further, in the present embodiment, a contact region for discharging residual charges (hereinafter referred to as discharge) for discharging charges remaining in the modulation well (hereinafter referred to as residual charges) on the substrate surface in the vicinity of the
<センサセルの断面>
更に、図1を参照して、センサセル3の断面構造を詳細に説明する。なお、図1中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−−)からより濃い部分(添え字+++)の状態を示している。
<Sensor cell cross section>
Furthermore, the cross-sectional structure of the
図1は1単位画素(セル)とこのセルに隣接する画素のフォトダイオードPD形成領域(PD)とを示している。1セルは、フォトダイオードPD形成領域(PD)と変調トランジスタTM形成領域(FPW)とを有する。セル内及び隣接するセル同士のフォトダイオードPD形成領域と変調トランジスタTM形成領域との間にアイソレーション領域(ISO)が設けられている。 FIG. 1 shows one unit pixel (cell) and a photodiode PD formation region (PD) of a pixel adjacent to the cell. One cell has a photodiode PD formation region (PD) and a modulation transistor TM formation region (FPW). An isolation region (ISO) is provided between the photodiode PD formation region and the modulation transistor TM formation region in the cell and between adjacent cells.
基板1の比較的深い位置には、P型基板1aの全域にN-のN型ウェル21が形成されている。このN型ウェル21上にN-層による素子分離用のアイソレーション領域22が形成されている。N型ウェル21上には、アイソレーション領域22を除く素子全体にP--層23が形成されている。
At a relatively deep position of the
フォトダイオードPD形成領域におけるP--層23が蓄積ウェル4として機能する。変調トランジスタTM形成領域におけるP--層23は変調用ウェル5として機能し、この変調用ウェル5内には、P-拡散によるキャリアポケット10が形成されている。
The P − layer 23 in the photodiode PD formation region functions as the
セル内のフォトダイオードPD形成領域と変調トランジスタTM形成領域との間のアイソレーション領域22には、基板表面側において、転送トランジスタTTが形成される。
転送トランジスタTTは、基板表面にチャネルを構成するP---拡散層24が形成され、基板表面にゲート絶縁膜25を介して転送ゲート13が形成されて構成される。このP---拡散層24は蓄積ウェル4と変調用ウェル5とに接続されて転送経路RTを構成し、転送ゲート13の印加電圧に応じてこの転送経路RTの電位障壁が制御される。
In the
The transfer transistor TT is configured by forming a P --- diffusion layer 24 constituting a channel on the substrate surface and forming a
変調トランジスタTM形成領域においては、基板表面にゲート絶縁膜26を介してリングゲート6が形成され、リングゲート6下の基板表面にはチャネルを構成するN--拡散層27が形成される。リングゲート6の中央の基板表面にはN++拡散層が形成されてソース領域7を構成する。また、リングゲート6の周囲の基板表面にはN+拡散層が形成されてドレイン領域8を構成する。チャネルを構成するN--拡散層27はソース領域7とドレイン領域8とに接続される。
In the modulation transistor TM formation region, the ring gate 6 is formed on the substrate surface via the gate insulating film 26, and the
隣接するセル同士のフォトダイオードPD形成領域と変調トランジスタTM形成領域との間のアイソレーション領域22には、基板表面側において、排出コンタクト領域15及びODコンタクト領域11が形成されている。本実施の形態においては、これらの排出コンタクト領域15とODコンタクト領域11とを兼用しているが、別体で構成してもよい。排出及びODコンタクト領域15,11は、基板表面にP++拡散層を形成することで得られる。
In the
そして、変調トランジスタTM形成領域と排出及びODコンタクト領域15,11との間の基板表面側において、クリアトランジスタTCが形成されている。クリアトランジスタTCは、変調トランジスタTM形成領域と排出及びODコンタクト領域15,11との間の基板表面に、チャネルを構成するP---拡散層28が形成され、基板表面にゲート絶縁膜29を介してクリアゲート14が形成されて構成される。このP---拡散層28は変調用ウェル5と排出及びODコンタクト領域15,11とに接続されて残留電荷排出経路RCを構成し、クリアゲート14の印加電圧に応じてこの残留電荷排出経路RCの電位障壁が制御される。
A clear transistor TC is formed on the substrate surface side between the modulation transistor TM formation region and the discharge and
フォトダイオードPD形成領域と排出及びODコンタクト領域15,11との間の基板表面側において、LODトランジスタTLが形成されている。LODトランジスタTLは、フォトダイオードPD形成領域と排出及びODコンタクト領域15,11との間の基板表面に、チャネルを構成するP---拡散層30が形成され、基板表面にゲート絶縁膜31を介してLODゲート12が形成されて構成される。このP---拡散層30は蓄積ウェル4と排出及びODコンタクト領域15,11とに接続されて不要電荷排出経路RLを構成し、LODゲート12の印加電圧に応じてこの不要電荷排出経路RLの電位障壁が制御される。
An LOD transistor TL is formed on the substrate surface side between the photodiode PD formation region and the discharge and
なお、フォトダイオードPD形成領域の基板表面側にはピニング層としてのN+拡散層32が形成されている。 An N + diffusion layer 32 as a pinning layer is formed on the substrate surface side of the photodiode PD formation region.
基板表面には層間絶縁膜41を介して下層配線層45が形成され、下層配線層45上には層間絶縁膜42を介して上層配線層46が形成される。更に、上層配線層46上には層間絶縁膜43を介して遮光層47が形成され、遮光層47上にはパシベーション膜44が形成される。クリアゲート14、LODゲート12、転送ゲート13、排出及びODコンタクト領域15,11並びにソース領域7は、層間絶縁膜41に開孔したコンタクトホール51によって下層配線層45の各配線52に電気的に接続される。なお、下層及び上層配線層45,46の各配線52,53は例えばアルミニウム等の金属材料で形成される。
A
更に、下層配線層45の各配線52と上層配線層46の各配線53とは、層間絶縁膜42に形成したコンタクトホール54を介して電気的に接続されている。また、層間絶縁膜43には遮光層47に形成された遮光膜56と上層配線層46の1配線とを接続するためのコンタクトホール55が開孔されており、排出及びODコンタクト領域15,11は、下層及び上層配線層45,46を介して遮光膜56に接続されるようになっている。
Further, each
更に、本実施の形態においては、変調トランジスタTM形成領域のソース領域7下方において、N型ウェル21とキャリアポケット10との間に第2の拡散層としてのP型拡散層91が形成されている。P型拡散層91は、下端がN型ウェル21に接し、上端がキャリアポケット10に接すると共に、ソース領域7の平面形状と同様の平面形状を有して、P--層23の変調用ウェル5内に埋め込まれるように形成される。P型拡散層91の濃度は、キャリアポケット10よりも低く、且つP--層23よりも高い。
Furthermore, in the present embodiment, a P-
<装置全体の回路構成>
次に、図3を参照して本実施の形態に係る固体撮像装置全体の回路構成について説明する。
<Circuit configuration of the entire device>
Next, a circuit configuration of the entire solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
固体撮像装置61は図2のセンサセル3を含むセンサセルアレイ62とセンサセルアレイ62中の各センサセル3を駆動する回路64〜70とを有している。センサセルアレイ62は、セル3をマトリクス状に配置して構成されている。センサセルアレイ62は、例えば、640×480のセル3と、オプティカルブラック(OB)のための領域(OB領域)を含む。OB領域を含めると、センサセルアレイ62は例えば712×500のセル3で構成される。
The solid-state imaging device 61 includes a sensor cell array 62 including the
<センサセルの等価回路>
図4は図3中の各センサセルの具体的な回路構成を示している。図4(A)はセンサセルの等価回路を示し、図4(B)はセンサセルと各信号線との接続を示している。
<Equivalent circuit of sensor cell>
FIG. 4 shows a specific circuit configuration of each sensor cell in FIG. FIG. 4A shows an equivalent circuit of the sensor cell, and FIG. 4B shows the connection between the sensor cell and each signal line.
各センサセル3は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタTM並びに光発生電荷の転送を制御する転送トランジスタTTとを含む。フォトダイオードPDは入射光に応じた電荷(光発生電荷)を生じさせ、生じた電荷を蓄積ウェル4(図4では接続点PDWに相当)内に蓄積する。転送トランジスタTTは、蓄積期間において蓄積ウェル4に蓄積された光発生電荷を、転送期間において変調トランジスタTMの閾値変調用の変調用ウェル5(図4では接続点TMWに相当)内のキャリアポケット10に転送させて保持させる。
Each
変調トランジスタTMは、キャリアポケット10に光発生電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット10内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタTMのソース電圧は、キャリアポケット10内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードPDの入射光の明るさに対応したものとなる。
The modulation transistor TM is equivalent to a change in the back gate bias due to the photogenerated charge held in the
変調用ウェル5と端子との間には残留電荷排出制御素子であるクリアトランジスタTCが配置されている。クリアトランジスタTCは変調用ウェル5と端子との間の電位障壁を制御して、画素信号の読み出し終了後にセル3の変調用ウェル5に残留した電荷を端子に排出させる。一方、蓄積ウェル4と端子との間には不要電荷排出制御素子としてのLODトランジスタTLが配置されている。LODトランジスタTLは蓄積ウェル4と端子との間の電位障壁を制御して、蓄積ウェル4内の不要電荷を端子に排出させる。
A clear transistor TC, which is a residual charge discharge control element, is disposed between the modulation well 5 and the terminal. The clear transistor TC controls the potential barrier between the modulation well 5 and the terminal, and discharges the charge remaining in the modulation well 5 of the
このように各セル3は、変調トランジスタTMのリングゲート6、ソース及びドレイン、転送トランジスタTTの転送ゲート13、クリアトランジスタTCのクリアゲート14並びにLODトランジスタTLのLODゲート12に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、読み出し及び排出等の動作を呈する。セル3の各部には図3に示すように、垂直駆動走査回路64〜66、ドレイン駆動回路67及び転送駆動回路68から信号が供給されるようになっている。
In this way, in each
図4(B)はマトリクス状に配列されたセル3のうちの1つのセルについて、各走査回路64〜66、各駆動回路67,68及び信号出力回路69との接続を示している。他のセルの接続状態も同様である。各セル3は、センサセルアレイ62に水平方向に配列された複数のソース線と垂直方向に配列された複数のゲート線との交点に対応して設けられている。水平方向に配列された各ラインの各セル3は、変調トランジスタTMのリングゲート6が共通のゲート線に接続され、垂直方向に配列された各列の各セル3は、変調トランジスタTMのソースが共通のソース線に接続される。
FIG. 4B shows the connection of the scanning circuits 64 to 66, the driving
複数のゲート線の1つにオン信号を供給することで、オン信号が供給されたゲート線に共通接続された各セルが同時に選択されて、これらの選択されたセルの各ソースから各ソース線を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路64は1フレーム期間においてゲート線にオン信号を順次シフトさせながら供給する。オン信号が供給されたラインの各セルからの画素信号が1ライン分同時にソース線から読み出されて信号出力回路69に供給される。1ライン分の画素信号は水平駆動走査回路70によって、信号出力回路69から画素毎に順次出力(ライン出力)される。
By supplying an ON signal to one of the plurality of gate lines, each cell commonly connected to the gate line to which the ON signal is supplied is simultaneously selected, and each source line from each source of these selected cells is selected. A pixel signal is output via. The vertical drive scanning circuit 64 supplies an ON signal to the gate lines while sequentially shifting in one frame period. Pixel signals from each cell of the line to which the ON signal is supplied are simultaneously read from the source line for one line and supplied to the
本実施の形態においては、蓄積ウェル4と変調用ウェル5とはポテンシャル上分離独立して形成されており、蓄積ウェル4と変調用ウェル5との間の電位障壁を制御する転送トランジスタTTによって、フォトダイオードPDによる光発生電荷の蓄積と、変調トランジスタTMによる画素信号の読出しとが同時に実行可能である。転送トランジスタTTの制御は、転送駆動回路68からゲート信号を各転送トランジスタTTの転送ゲート13に供給することで行われる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、上述したように、隣接配置される蓄積ウェル4の不要電荷排出経路RLと変調用ウェル5からの残留電荷排出経路RCとを相互に異なる経路に設定し、これらの2つの経路の電位障壁を夫々制御するLODトランジスタTL及びクリアトランジスタTCを設けることで、蓄積ウェル4からの不要電荷の排出及び変調用ウェル5からの残留電荷の排出をポテンシャル上確実に行うことができるようになっている。
LODトランジスタTL及びクリアトランジスタTCの制御は、垂直駆動走査回路65,66から夫々ゲート信号を各LODゲート12又はクリアゲート14に供給することで行われる。なお、ドレイン駆動回路67は、各変調トランジスタTMのドレインに、ドレイン電圧を供給する。
In the present embodiment, as described above, the unnecessary charge discharge path RL of the
The LOD transistor TL and the clear transistor TC are controlled by supplying gate signals from the vertical drive scanning circuits 65 and 66 to the
<作用>
(従来例との対比)
上述した特許文献1の装置においても、同一列の全ての変調トランジスタのソース領域を共通接続して、選択行と非選択行とで変調トランジスタのゲートに印加する電圧を制御することで、所望の行の変調トランジスタのソース電圧を検出するようになっている。即ち、選択行の全画素について、ゲート電極の電位(Vg)を高く設定し、非選択行のゲート電極の電位(Vg)を接地電位とする。
<Action>
(Contrast with conventional example)
In the device of
また、各単位画素同士のばらつきや、各種ノイズの除去のために、特許文献1の装置では、読出し動作において、選択行の光信号の読出し動作に続いて、非選択行の画素への電位付与状態はそのままにして、その選択行の画素を初期化し、引き続き、初期化した状態での閾値電圧を読み出す。そして、光発生電荷量に対応する閾値電圧と初期化した状態での閾値電圧の差の信号を算出し、正味の光信号成分を映像信号として出力する。
In addition, in order to eliminate variations between unit pixels and various noises, the apparatus disclosed in
この処理を上述した図12を用いて説明する。図12において、ポイントa,bは夫々通常レベルの入射光が入射した選択行の画素に基づく画素信号のレベル及びその初期化後のノイズ成分による画素信号のレベルVsa,Vnbを示している。また、ポイントc,dは夫々極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素に基づく画素信号のレベル及びその初期化後のノイズ成分による画素信号のレベルVsc,Vndを示している。 This process will be described with reference to FIG. In FIG. 12, points a and b indicate pixel signal levels based on pixels in a selected row where normal level incident light is incident and pixel signal levels Vsa and Vnb based on noise components after initialization. Points c and d indicate the level of the pixel signal based on the pixels in the non-selected row where the extremely bright incident light is incident and the level Vsc and Vnd of the pixel signal due to the noise components after the initialization.
いま、所定の列において、選択行の画素には通常レベルの入射光が入射し、非選択行の画素の1つに極めて明るい入射光が入射するものとする。初期化前の信号成分の読み出し時には、選択行の画素に基づく画素信号のレベルはVsaとなる。これに対し、低いゲート電圧が印加されている非選択行については、特性が実線の特性Bに示すように変化していることから、極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素については、画素信号のレベルVscが選択行の画素に基づく画素信号のレベルVsaよりも高くなっている。同一列ではソース領域は共通接続されていることから、同一列の全ての画素の初期化前の読み出しにおいて、出力画素信号のレベルはVscとなる。 Now, in a predetermined column, it is assumed that normal level incident light is incident on the pixels in the selected row and extremely bright incident light is incident on one of the pixels in the non-selected rows. At the time of reading the signal component before initialization, the level of the pixel signal based on the pixel in the selected row is Vsa. On the other hand, for the non-selected row to which a low gate voltage is applied, the characteristics change as indicated by the solid line characteristic B. The level Vsc of the pixel signal is higher than the level Vsa of the pixel signal based on the pixels in the selected row. Since the source regions are commonly connected in the same column, the level of the output pixel signal is Vsc in reading before initialization of all the pixels in the same column.
同様に、初期化後のノイズ成分の読み出し時においても、極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素については、画素信号のレベルVndが選択行の画素に基づく画素信号のレベルVnbよりも高くなっている。従って、同一列の全ての画素の初期化後の読み出しにおいて、出力画素信号のレベルはVndとなる。VscとVndとの差は比較的小さく、同一列の全ての画素の出力(Vsc−Vnd)は低いレベルとなって、画面表示は垂直方向の黒スミアとなる。 Similarly, at the time of readout of the noise component after initialization, the pixel signal level Vnd is higher than the pixel signal level Vnb based on the pixel in the selected row for the pixels in the non-selected row where extremely bright incident light is incident. It has become. Therefore, the level of the output pixel signal is Vnd in the readout after initialization of all the pixels in the same column. The difference between Vsc and Vnd is relatively small, the output (Vsc−Vnd) of all the pixels in the same column is at a low level, and the screen display is a black smear in the vertical direction.
これに対し、本実施の形態においては、P型拡散層91によって、N型ウェル21とソース領域7との間にはジャンクショントランジスタによるリーク電流経路は形成されない。従って、変調トランジスタTMのVG−VS特性はリニアとなり、黒スミアの発生等を防止することができる。
On the other hand, in this embodiment, the P-
図5は横軸にゲート電圧VGをとり縦軸にソース電圧VSをとって、閾値電圧が高い(入射光量が少ない)場合と低い(入射光量が多い)場合とにおける変調トランジスタの特性を夫々示すグラフである。特性Aは入射光が通常レベルの場合の特性を示し、特性Bは入射光が極めて明るい場合の特性を示している。 FIG. 5 shows the characteristics of the modulation transistor when the threshold voltage is high (low incident light amount) and low (high incident light amount), with the gate voltage VG on the horizontal axis and the source voltage VS on the vertical axis. It is a graph. A characteristic A indicates a characteristic when the incident light is at a normal level, and a characteristic B indicates a characteristic when the incident light is extremely bright.
図5に示すように、本実施の形態においては、N型ウェル21とソース領域7との間に、ソース領域7へのリーク電流の経路となるジャンクショントランジスタが形成されないこととドレインとソース間のP型不純物濃度を高くしているため、パンチスルーを発生しにくくしていることから、変調トランジスタTMのVG−VS特性は略リニアであり、各画素の出力レベルは、閾値電圧(入射光量)に応じて変化すると共に、ゲート電圧VGに応じてリニアに変化する。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a junction transistor that becomes a path of a leakage current to the
図5において、ポイントa,bは夫々通常レベルの入射光が入射した選択行の画素に基づく画素信号のレベル及びその初期化後のノイズ成分による画素信号のレベルVsa,Vnbを示している。また、ポイントc,dは夫々極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素に基づく画素信号のレベル及びその初期化後のノイズ成分による画素信号のレベルVsc,Vndを示している。 In FIG. 5, points a and b indicate pixel signal levels based on pixels in the selected row where normal level incident light is incident and pixel signal levels Vsa and Vnb based on the noise components after initialization. Points c and d indicate the level of the pixel signal based on the pixels in the non-selected row where the extremely bright incident light is incident and the level Vsc and Vnd of the pixel signal due to the noise components after the initialization.
いま、所定の列において、選択行の画素には通常レベルの入射光が入射し、非選択行の画素の1つに極めて明るい入射光が入射するものとする。初期化前の信号成分の読み出し時には、選択行の画素に基づく画素信号のレベルはVsaとなる。これに対し、低いゲート電圧が印加されている非選択行については、VG−VS特性が略リニアであることから、極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素についても、画素信号のレベルVscは選択行の画素に基づく画素信号のレベルVsaよりも低い。同一列でソース領域が共通接続されている場合でも、選択行画素の初期化前の読み出しにおいては、出力画素信号のレベルはVsaとなる。 Now, in a predetermined column, it is assumed that normal level incident light is incident on the pixels in the selected row and extremely bright incident light is incident on one of the pixels in the non-selected rows. At the time of reading the signal component before initialization, the level of the pixel signal based on the pixel in the selected row is Vsa. On the other hand, since the VG-VS characteristic is substantially linear for a non-selected row to which a low gate voltage is applied, the pixel signal level Vsc is also applied to pixels in the non-selected row to which extremely bright incident light is incident. Is lower than the level Vsa of the pixel signal based on the pixels in the selected row. Even when the source regions are commonly connected in the same column, the level of the output pixel signal is Vsa in reading before initialization of the selected row pixel.
同様に、初期化後のノイズ成分の読み出し時においても、極めて明るい入射光が入射した非選択行の画素については、画素信号のレベルVndが選択行の画素に基づく画素信号のレベルVnbよりも低くなっている。従って、選択行の画素の初期化後の読み出しにおいて、出力画素信号のレベルはVnbとなる。即ち、本実施の形態においては、選択行の画素については、同一列に極めて入射光量が高い画素が存在する場合でも、出力画素信号はその画素値を示す(Vsa−Vnb)となる。これにより、同一列に極めて入射光量が高い画素が存在する場合でも、垂直方向の黒スミアが生じることを防止することができる。 Similarly, at the time of readout of the noise component after initialization, the pixel signal level Vnd is lower than the pixel signal level Vnb based on the pixels in the selected row for the pixels in the non-selected row where extremely bright incident light is incident. It has become. Therefore, in the readout after the initialization of the pixels in the selected row, the level of the output pixel signal is Vnb. That is, in the present embodiment, for the pixels in the selected row, even when there is a pixel with a very high incident light amount in the same column, the output pixel signal indicates the pixel value (Vsa−Vnb). As a result, it is possible to prevent the occurrence of vertical black smear even when pixels with a very high incident light amount exist in the same column.
また、上述した特許文献1の装置においては、短チャネル効果によるパンチスルー現象によってリーク電流が流れる。なお、リングゲート6に変調トランジスタTMをオフにする電圧が印加される場合には、変調トランジスタのゲート下の表面近傍では、チャネルが開かず(空乏層ができず)、リーク電流は流れない。しかし、少し深い領域は、P型不純物濃度が低くドレインから空乏層がソースに向かって伸びる。これにより、ドレイン−ソース間のパンチスルーが起こり易くなる。
Further, in the above-described device of
そこで、本実施の形態においては、リークについては、基板表面ではなく、少し深い部分で流れる電流を考慮する。即ち、本実施の形態においては、ソース下からドレイン側に向けてP--層23よりもP型不純物濃度が高いP型拡散層91を設ける。そうすると、ドレインから伸びてくる空乏層を抑えることができる。このとき、基板表面は上述したように変調トランジスタがオフ状態となるような電圧が印加されるため、変調トランジスタのゲート下の表面近傍ではチャネルが開かず(空乏層ができず)、リーク電流は流れない。
即ち、本実施の形態によって変調トランジスタの短チャネル化によるパンチスルーを防止することができる。
Therefore, in the present embodiment, regarding the leak, a current that flows in a slightly deep portion is considered instead of the substrate surface. That is, in the present embodiment, the P-
That is, according to the present embodiment, punch-through due to a short channel of the modulation transistor can be prevented.
なお、キャリアポケット10が有る場合においては、ドレイン−ソース間のP型不純物濃度は一層高いことから、変調トランジスタの短チャネル化によるパンチスルーはより発生し難い構造となる。
In the case where the
<プロセス>
次に、素子の製造方法について図6乃至図8の工程図を参照して説明する。図6乃至図8は図2のA−A’切断線の位置における断面を示している。図6乃至図8において、基板上の矢印はイオン打ち込みを行うことを示し、黒丸は打ち込み材料を示し、枠はマスクを示している。また、図中、LOD Tr、Clr Tr、R.G Tr、Tx Trは、夫々LODトランジスタTL形成領域、クリアトランジスタTC形成領域、変調トランジスタTM形成領域及び転送トランジスタTT形成領域を示している。
<Process>
Next, a method for manufacturing the element will be described with reference to the process diagrams of FIGS. 6 to 8 show cross sections taken along the line AA ′ in FIG. 6 to 8, an arrow on the substrate indicates that ion implantation is performed, a black circle indicates an implantation material, and a frame indicates a mask. In the figure, LOD Tr, Clr Tr, R.R. G Tr and Tx Tr indicate an LOD transistor TL formation region, a clear transistor TC formation region, a modulation transistor TM formation region, and a transfer transistor TT formation region, respectively.
図6(A)に示すように、用意したP基板1の表面に20nmの犠牲酸化膜81を形成する。次に、燐(P31+)イオンをピーク位置約1.5μm、ピーク不純物濃度8×1016cm-3となるように注入する。これにより、図6(A)に示すように、比較的深い位置にN-のN型ウェル21が形成される。
As shown in FIG. 6A, a
次に、図6(B)に示すように、N型ウェル21上の素子全体にP--層23を形成する。例えば、ボロン(B11+)イオンを、まずピーク位置約0.6μm、ピーク不純物濃度3×1016cm-3、次いでピーク位置約0.4μm、ピーク不純物濃度3×1016cm-3となるように注入することによって、基板上の全面にP--層23が形成される。
Next, as shown in FIG. 6B, a P − layer 23 is formed on the entire element on the N-
次に、図6(C)に示すように、素子分離用のアイソレーション領域22(N-層)を形成して、P--層23を蓄積ウェル4と変調用ウェル5とに分ける。即ち、アイソレーション領域22は、自セル内及び隣接するセル同士の蓄積ウェル4と変調用ウェル5との間の全ての領域に形成される。このアイソレーション領域22は、レジストを介して、例えば、燐(P31+)イオンを、まずピーク位置約0.45μm、ピーク不純物濃度2×1017cm-3次いで、ピーク位置約0.2μm、ピーク不純物濃度1.5×1016cm-3となるように注入を行うことで形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, an isolation region 22 (N − layer) for element isolation is formed, and the P − layer 23 is divided into the accumulation well 4 and the
更に、形成したアイソレーション領域22の表面に、変調トランジスタTM、LODトランジスタTL及びクリアトランジスタTCのチャネルドープとなるP---層24,82を形成する。このチャネルドープはボロン(B11+)イオンをピーク位置約0.03μm、ピーク不純物濃度4.5×1017cm-3となるように注入することにより形成され、この時点では、アイソレーション領域22表面の全域に形成される。
Further, on the surface of the formed
次に、基板表面の犠牲酸化膜81を除去した後、図7(A)に示すように、基板表面に厚さが約30nmのゲート酸化膜85を熱酸化によって形成する。次いで、クリアトランジスタTCのチャネルドープとしてボロンを追加注入する。このチャネルドープ(P---拡散層28)は、ボロン(B11+)イオンをピーク位置約0.03μm、ピーク不純物濃度4.5×1017cm-3となるように注入することによって形成される。
これにより、クリアトランジスタTCの閾値電圧Vthを他のトランジスタのVthよりも低下させる。つまり、クリアゲート14下のポテンシャルを比較的低下させて、変調用ウェル5内の残留電荷の排出を容易にしている。特に、変調用ウェル5のポテンシャルは元々低いので、クリアトランジスタTCのチャネルの閾値電圧Vthは充分に低くしておく必要がある。
Next, after removing the
As a result, the threshold voltage Vth of the clear transistor TC is made lower than the Vth of other transistors. That is, the potential under the
次に、図7(B)に示すように、リングゲート6下方のP--層23(変調用ウェル5)内に、濃いP-拡散層によるキャリアポケット10を形成する。このキャリアポケット10は、例えば、ボロン(B11+)イオンをピーク位置約0.13μm、ピーク不純物濃度5×1017cm-3となるように注入することによって形成される。更に、キャリアポケット10上の基板表面近傍に、変調トランジスタTMのチャネルを得るためのN--層84を形成する。このN--層84は、例えば、ヒ素(As75+)イオンをピーク位置約0.05μm、ピーク不純物濃度2×1017cm-3となるように注入することによって形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, a
次に、図7(C)に示すように、変調トランジスタTM形成領域のソース領域7に相当する平面位置において開口部を有するレジストを形成して、ソース領域7の下方に、キャリアポケット10の下端に接しN型ウェル21の上端に接するP型拡散層91を形成する。このP型拡散層91の濃度は、キャリアポケット10よりも低く、且つP--層23よりも高い。例えば、P型拡散層91は、ボロン(B11+)イオンをピーク位置約0.2〜0.3μm、ピーク不純物濃度3.5×1016〜5.5×1016cm-3となるように注入を行うことで形成する。
Next, as shown in FIG. 7C, a resist having an opening is formed at a planar position corresponding to the
次に、図7(D)に示すように、ゲート酸化膜85上の変調トランジスタTM形成領域、転送トランジスタTT形成領域、LODトランジスタTL形成領域及びクリアトランジスタTC形成領域に、夫々、リングゲート6、転送ゲート13、LODゲート12及びクリアゲート14を形成する。
Next, as shown in FIG. 7D, in the modulation transistor TM formation region, the transfer transistor TT formation region, the LOD transistor TL formation region, and the clear transistor TC formation region on the
次に、図8(A)に示すように、リングゲート6上、LODゲート12上及びクリアゲート14上に、夫々、酸化膜を形成した後、クリアゲート14に隣接した位置に、クリアトランジスタTCのチャネル領域に接続される排出コンタクト領域15及びODコンタクト領域11を形成するために、基板表面に濃いP++層83を形成する。なお、本実施の形態においては、排出コンタクト領域15とODコンタクト領域11とは兼用されており、P++層83の一方側にクリアトランジスタTCのチャネルとしての拡散層28を構成し、他方側にLODトランジスタTLのチャネルとしての拡散層30を構成する。なお、排出コンタクト領域15とODコンタクト領域11とを、別個に設けてもよい。
Next, as shown in FIG. 8A, after forming an oxide film on the ring gate 6, the
P++層83は、例えば、ボロン(B11+)イオンをピーク位置約0.1μm、ピーク不純物濃度1×1018cm-3となるように注入することによって形成される。次に、リングゲート6上、LODゲート12上及びクリアゲート14上の酸化膜を覆うように、各ゲートに夫々サイドウォールを形成する。
The P ++ layer 83 is formed, for example, by implanting boron (B11 +) ions so that the peak position is about 0.1 μm and the peak impurity concentration is 1 × 10 18 cm −3 . Next, sidewalls are formed on the respective gates so as to cover the oxide films on the ring gate 6, the
次に、図8(B)に示すように、レジストを介して、フォトダイオードPD形成領域内の基板表面、リングゲート6と転送ゲート13との間の基板表面及びリングゲート6とクリアゲート14との間の基板表面に、N+層32を形成する。このN+層32は、基板表面のP---層にヒ素(As75+)イオンをピーク位置約0.02μm、ピーク不純物濃度2×1018cm-3となるように注入を行うことで形成される。
Next, as shown in FIG. 8B, through the resist, the substrate surface in the photodiode PD formation region, the substrate surface between the ring gate 6 and the
次に、図8(C)に示すように、基板表面に層間絶縁膜41を形成し、この層間絶縁膜41のLODゲート12、排出及びODコンタクト領域15,11、ソースの領域及び転送ゲート13並びに図示しないドレイン領域8上にコンタクトホール51を開孔する。次に、開孔したコンタクトホール51を介してLODゲート12、ソースの領域及び転送ゲート13並びにドレイン領域8にN++の不純物注入を行って、各ゲートコンタクト及びソース領域7並びにドレインコンタクト領域9を形成する。次に、開孔したコンタクトホール51を介して排出及びODコンタクトの形成領域にP++の不純物注入を行って、排出及びODコンタクト領域15,11を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, an
次に、各コンタクトホール51に配線材料となる例えばアルミニウムを埋め込むことで、LODゲート12、排出及びODコンタクト領域15,11、ソース領域7及び転送ゲート13並びにドレインコンタクト領域9と下層配線層45の各配線52とを接続する。
Next, for example, aluminum as a wiring material is embedded in each
更に、これらの配線52を含む下層の配線層45上に層間絶縁膜43を介して上層の配線層46を形成し、コンタクトホール54を介して下層の配線層45の各配線52と接続する。更に、上層の配線層46上に層間絶縁膜43を介して遮光膜56を形成し、上層の配線層46の一部と遮光膜56とを接続する。最後に、遮光層47上にパシベーション膜44を形成する。
Further, an
排出及びODコンタクト領域15,11は、層間絶縁膜41に開孔したコンタクトホール51及び層間絶縁膜42を開孔したコンタクトホール54を介して遮光膜56に接続されている。イメージセンサにとって遮光膜は必須の構成であり、この必須の構成を利用して残留電荷及び不要電荷の排出を容易にしている。
The discharge and
<実施の形態の効果>
このように本実施の形態においては、ソース領域7の下方にP型拡散層91を形成することによって、P型基板1a上のN型ウェル21とソース領域7との間にリーク電流の経路が形成されることを防止することができ、且つ、ドレイン−ソース間のリーク経路となりうる領域のP型不純物濃度を高くすることによってリーク電流を発生しにくくすることができる。これらにより、黒スミア等の発生を防止することができ、画質を向上させることができる。
<Effect of Embodiment>
As described above, in the present embodiment, by forming the P-
なお、本実施の形態においては、変調用ウェル内にキャリアポケットを設けた場合の例について説明したが、キャリアポケットを備えていないイメージセンサにも適用可能である。 In this embodiment, an example in which a carrier pocket is provided in a modulation well has been described. However, the present invention can also be applied to an image sensor that does not include a carrier pocket.
この場合には、P型拡散層は、変調トランジスタTM形成領域のソース領域7下方において、N型ウェル21とソース領域7近傍との間に、下端がN型ウェル21に接し、上端がソース領域7の近傍に位置するように、ソース領域7の平面形状と同様の平面形状を有して形成される。このP型拡散層は、P--層23の変調用ウェル5内に埋め込まれるように形成すると共に、濃度を、P--層23よりも高く設定する。
In this case, the P-type diffusion layer has a lower end in contact with the N-type well 21 between the N-
1…基板、4…蓄積ウェル、5…変調用ウェル、6…リングゲート、7…ソース領域、8…ドレイン領域、11…ODコンタクト領域、15…排出コンタクト領域、91…P型拡散層、PD…フォトダイオード、TM…変調トランジスタ、TT…転送トランジスタ、TL…LODトランジスタ、TC…クリアトランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板上に形成され入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、 前記第1の拡散層上に形成され前記光発生電荷を蓄積する一方導電型の蓄積ウェルと、 前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する一方導電型の変調用ウェルを有し、前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御されて、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、
前記変調用ウェルと前記第1の拡散層との間に形成される一方導電型の第2の拡散層とを具備したことを特徴とする固体撮像装置。 A first diffusion layer of the other conductivity type formed on the one conductivity type substrate;
A photoelectric conversion element that is formed on the substrate and generates a photo-generated charge according to incident light; a one-conductivity type storage well that is formed on the first diffusion layer and stores the photo-generated charge; and the storage A modulation type well that holds the photogenerated charge transferred from the well, and a threshold voltage of a channel is controlled by the photogenerated charge held in the modulation well, so that the photogenerated charge is A modulation transistor that outputs a corresponding pixel signal;
A solid-state imaging device comprising a one-conductive-type second diffusion layer formed between the modulation well and the first diffusion layer.
前記第2の拡散層は、前記キャリアポケットと前記第1の拡散層との間に形成されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The modulation well further includes a one-conductivity type carrier pocket having a higher concentration than the modulation well,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second diffusion layer is formed between the carrier pocket and the first diffusion layer.
前記基板上に形成する光電変換素子によって発生する光発生電荷を蓄積するための一方導電型の蓄積ウェル及び前記蓄積ウェルから転送される前記光発生電荷を保持するための一方導電型の変調用ウェルを形成する工程と、
前記変調用ウェルに保持される前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御されて前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタのソース領域に対応する部分の下方であって、前記第1の拡散層と前記変調用ウェルとの間に一方導電型の第2の拡散層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 first diffusion layer of the other conductivity type on the one conductivity type substrate;
One conductivity type accumulation well for accumulating photogenerated charges generated by a photoelectric conversion element formed on the substrate, and one conductivity type modulation well for retaining the photogenerated charges transferred from the accumulation well Forming a step;
A threshold voltage of a channel is controlled by the photogenerated charge held in the modulation well, and below a portion corresponding to a source region of a modulation transistor that outputs a pixel signal corresponding to the photogenerated charge, and And a step of forming a second diffusion layer of one conductivity type between the one diffusion layer and the modulation well. A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising:
6. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein the second diffusion layer is formed at a concentration lower than the concentration of the carrier pocket and higher than the concentration of the modulation well.
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---|---|---|---|---|
JP2007115803A (en) * | 2005-10-19 | 2007-05-10 | Seiko Epson Corp | Solid-state image sensor |
JP2007281344A (en) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Victor Co Of Japan Ltd | Solid state imaging apparatus, and manufacturing method thereof |
US7943455B2 (en) | 2007-07-30 | 2011-05-17 | Samsung Electronics Co., Ltd. | CMOS image sensors and methods of fabricating the same |
JP2013191595A (en) * | 2012-03-12 | 2013-09-26 | Seiko Epson Corp | Solid state imaging device |
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2004
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