JP2006054252A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＯＩ基板を用いて有効な素子分離と感度特性を得る。
【解決手段】 ＳＯＩ基板１１０のシリコン層１１１に埋め込み絶縁膜１１２を設け、その上層のＰ型ウェル領域１１４にフォトダイオード１１６や転送ゲート１１８を設ける。シリコン層１１１及び埋め込み絶縁膜１１２の膜厚は、光入射に対する分光感度特性によって最適化されており、例えば長波長の赤色光については、埋め込み絶縁膜が反射膜として作用し、フォトダイオード１１６側に反射して電荷蓄積層に蓄積されるように形成する。これにより、浅いフォトダイオードでも感度低下を有効に抑制でき、かつ、フォトダイオードが浅いことにより、十分な素子分離機能が実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＳＯＩ基板を用いたＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に関する。

従来より、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、半導体基板の片面側にフォトダイオード等の光電変換素子やこの光電変換素子で生成した信号電荷を読み出すためのＣＣＤレジスタやトランジスタ回路といった各種の素子を集積し、光電変換素子の受光部で受光した光を画素信号に変換して出力するような構成となっている。
そして、このような固体撮像装置において、半導体チップの大きさを変えずに画像の高解像度化を図るためには画素の微細化が必須である。しかしながら画素の微細化には、物理的に回避困難な問題も少なからずあり、その１つが隣接する画素間で生じる混色の問題である。
この場合、光学的混色に関しては遮光膜の工夫によって抑制は不可能ではないが、基板内に進入した光と光電変換部以外で発生した信号による混色を抑制するのは容易ではない。特に画素間の距離が近づくにつれ、斜めに入射した光が隣接画素の下部まで到達する可能性が高まり、そこでの生成信号が隣接画素に流入する可能性もまた高まることになる。

図７は従来の固体撮像装置の素子構造において混色が生じる原理を示す断面図である。
シリコン基板１０の上層には、素子形成領域となるＰ型ウェル領域１２が形成され、このＰ型ウェル領域１２内に各画素のフォトダイオード（ＰＤ）１４及び転送ゲート（ＴＲＧ）１６が設けられている。
図示の例では、フォトダイオード１４は、Ｎ型不純物領域１４Ｂによる電荷蓄積領域がシリコン基板１０の深い位置まで形成され、その表面にＰ型不純物領域１４Ａによる正孔蓄積領域が形成されたＨＡＤ構造を有している。
また、転送ゲート１６は、シリコン基板１０の上面に表面絶縁膜１８を介してゲート電極１６Ａを配置し、フォトダイオード１４のＮ型不純物領域１４Ｂからフローティングデフュージョン部に接続されるＮ型不純物領域１６Ｂに信号電荷を読み出すようになっている。
このような構成において、フォトダイオード１４のＮ型不純物領域１４Ｂがシリコン基板１０の深い位置まで形成されていることから、斜めに入射した光によってシリコン基板１０の深い部分でフォトダイオード１４からはみ出した領域に偽信号となるキャリア２０が生成され、これが隣接するフォトダイオード１４に吸収されて混色の原因となる。

一方、各種の半導体装置において、半導体基板内の信号の拡散を抑制する構造としては、絶縁体層の上にシリコン層を設けたＳＯＩ基板を用いることが知られており、固体撮像装置においても、このＳＯＩ基板を用いて作製する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３２６３４３号公報

しかしながら、上記従来技術に開示されるように、単にＳＯＩ基板を用いて固体撮像装置を作製したのでは、固体撮像装置の他の特性に問題が生じるという欠点がある。例えば、通常のＳＯＩ基板では、素子分離特性を重視すると、絶縁体層上のシリコン層を薄膜化する必要があり、その膜厚は光電変換を行うフォトダイオードを形成するための深さに対して不十分である。特に赤色などの長波長光には、数μｍの深さが必要であり、素子分離と感度とは相反する特性であると言える。

そこで本発明は、ＳＯＩ基板を用いて有効な素子分離と感度特性を得ることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、絶縁体層の上にシリコン層を設けたＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ基板のシリコン層に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記ＳＯＩ基板のシリコン層に形成され、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を転送する電荷転送素子とを有し、前記ＳＯＩ基板のシリコン層は複数のシリコン層によって埋め込み絶縁膜を挟んだ積層構造を有し、前記埋め込み絶縁膜は所定の波長の光の反射に最適化された膜厚を有することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、ＳＯＩ基板のシリコン層に膜厚を最適化した埋め込み絶縁膜を介在させた構造としたことから、長波長光に対しては埋め込み絶縁膜を反射膜として作用させ、光電変換領域での吸収効率を改善させることにより、各波長光間の不均衡を是正して感度低下を抑制し、これによって光電変換素子の深さを浅くすることを可能として電気的な素子分離特性を向上し、微小ピッチ画素における混色を抑制できる効果がある。

本発明の実施の形態では、ＳＯＩ基板のシリコン層に埋め込み絶縁膜を設け、その上層のＰ型ウェル領域にフォトダイオードや転送ゲートを設ける。シリコン層及び埋め込み絶縁膜の膜厚は、光入射に対する分光感度特性によって最適化されており、例えば長波長の赤色光については、埋め込み絶縁膜が反射膜として作用し、フォトダイオード側に反射して電荷蓄積層に蓄積されるように形成されている。これにより、浅いフォトダイオードでも感度低下を有効に抑制でき、かつ、フォトダイオードが浅いことにより、十分な素子分離機能が実現できるようにした。
また、埋め込み絶縁膜や表面絶縁膜の界面にフォトダイオードの電荷蓄積領域の半導体型と異なる型の半導体領域が接するようにしことで、暗電流を防止できる構造とした。
また、埋め込み絶縁膜による反射分光特性と表面絶縁膜による透過分光特性とを意図的に異ならせることにより、埋め込み絶縁膜による反射光成分がゴーストとして生じるのを抑制できるようにした。

また、フォトダイオードの余剰電荷を排出するオーバーフロードレイン部を設けて、余剰電荷によるフォトダイオードの飽和を防止し、さらに、このオーバーフロー障壁の高さを適宜に調整する制御手段を設けたことにより、さらに有効な余剰電荷の排出を行えるようにした。
また、ＳＯＩ基板のシリコン層の膜厚がフォトダイオードの近傍領域で大きく、それ以外のトランジスタ形成領域で小さくし、フォトダイオードの特性とトランジスタの特性の両方に最適なＳＯＩ基板とすることが可能であるが、実際の製造時における効率性に鑑み、光電変換素子と画素トランジスタが配置される画素領域全体ではフォトダイオードの特性を重視してシリコン層を厚くし、駆動回路や信号処理回路が搭載される周辺回路領域ではＭＯＳトランジスタの特性を重視してシリコン層を薄くすることにより、加工が容易で信頼性の高い固体撮像装置を提供できる。

図１は本発明の実施例１による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。
この固体撮像装置は、ＳＯＩ基板１１０上に光電変換素子（フォトダイオード）やその他の素子（各種トランジスタゲート等）を形成したものであり、ＳＯＩ基板１１０は、絶縁体層（図では省略）の上にシリコン層１１１を設けたものである。そして、本実施例において、ＳＯＩ基板１１０のシリコン層１１１は、上下２層のシリコン層１１１Ａ、１１１Ｂに分離され、その中間に埋め込み絶縁膜１１２を挟んだ積層構造となっている。
そして、上層のシリコン層１１１Ａに素子形成領域となるＰ型ウェル領域１１４が形成され、このＰ型ウェル領域１１４内に各画素の光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１１６及び電荷転送素子である転送ゲート（ＴＲＧ）１１８が設けられている。なお、各シリコン層１１１Ａ、１１１Ｂの膜厚と埋め込み絶縁膜１１２の膜厚は、光入射に対する分光感度特性によって決定し、最適化されているものとする。

また、フォトダイオード１１６は、図７で示したものと同様に、Ｎ型不純物領域１１６Ｂによる電荷蓄積領域がシリコン層１１１Ａの深い位置まで形成され、その表面にＰ型不純物領域１１６Ａによる正孔蓄積領域が形成されたＨＡＤ構造を有している。
また、転送ゲート１１８は、シリコン層１１１Ａの上面に表面絶縁膜１２０を介してゲート電極１１８Ａを配置し、フォトダイオード１１６のＮ型不純物領域１１６Ｂからフローティングデフュージョン部となるＮ型不純物領域１１８Ｂに信号電荷を読み出すようになっている。

このような構成において、シリコン層１１１に入射した光は、シリコン層１１１Ａと埋め込み絶縁膜１１２の界面で反射する。埋め込み絶縁膜１１２の上下の界面１１２Ａ、１１２Ｂで反射した光は、互いに干渉し合い、埋め込み絶縁膜１１２の膜厚によりその分光特性が変わることになる。そこで、この現象を利用すれば、特定の波長で反射率を高めることができる。すなわち、ＳＯＩ基板のシリコン層１１１中での吸収効率が低い波長での反射率を高めることができれば、感度の向上が可能である。
一般に波長の短い光ほどシリコン層内における吸収効率が高い。たとえば、波長４００ｎｍの光（青色）は１μｍ以内でほぼ吸収されるのに対し、７００ｎｍ付近の光（赤色）は３μｍ程度の深さがあっても５０％程度の吸収率である。このことから、たとえば、シリコン膜１１１Ａを１μｍの深さにするとすれば、反射のピークを６００〜７００ｎｍ程度にすることで、感度の不均衡を改善可能である。なお、干渉した光が強め合うための条件式は一般に次式（１）で表せることが知られている。
（２ｎ＋１）λ／２＝２ｔＢＯＸ ……式（１）
ただし、この式（１）において、ｔＢＯＸは埋め込み絶縁膜の膜厚、ｎは整数、λは埋め込み絶縁膜中における波長を示す。

なお、実際の製品では、膜には微細な凹凸があり、また、製造時の誤差もあることから、その膜厚は完全な理論値とならない。したがって、本発明では、式（１）を満たす膜厚を中心に±１０％の誤差範囲であれば、膜全体の平均膜厚として光が強め合う効果が得られるものとする。すなわち、±１０％の誤差範囲内であれば、式（１）を満たしたものとし、本発明の範囲に含まれるものとする。
また、特にシリコン層１１１Ａの膜厚が、入射した光のうちの青色付近の光がほぼ吸収される1μｍ±１０％から、赤色付近（７００ｎｍ±１０％）の光が半分程度しか吸収されない３μｍ±１０％までの膜厚を有する場合に、７００ｎｍ±１０％の光が式（１）を満たすように埋め込み絶縁膜の膜厚を決定すれば、従来は受光素子として致命的な半分以下しか吸収されなかった赤色付近の光の吸収量を増加させることができる。

また、以上のような構成において、埋め込み絶縁膜で反射した光が十分吸収されずに基板表面から放出されると、レンズなどで反射してゴーストの原因となる。これに対し、基板表面の絶縁膜やカバー膜などの透過分光特性のピークを埋め込み絶縁膜の反射分光特性のピークから意図的にずらすことで、反射光が基板表面から放出されるのを抑制することができる。この場合、透過量を下げると、最初にシリコン層内に入射する光も減少するが、反射によって吸収効率が高まるため、量子効率としては低下しない。

図２は本発明の実施例２による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。なお、図１に示す構成と共通のものについては同一符号を付してある。
図示のように、本実施例は、上層のシリコン層１１１Ａの膜厚を大きくし、このシリコン層１１１Ａの途中までフォトダイオードド１１６のＮ型不純物領域１１６Ｂを形成したものである。これにより、フォトダイオードド１１６のＮ型不純物領域１１６Ｂと埋め込み絶縁膜１１２との間にはＰ型ウェル領域１１４の一部が介在することになる。
フォトダイオード１１６の下部の埋め込み絶縁膜１１２との界面は、シリコン層１１１Ａ上の表面絶縁膜１２０の界面と同様に、界面準位を介した暗時電流の発生源となる。このため、界面近傍を電荷蓄積領域の型（本例ではＮ型）と異なる型（本例ではＰ型）の半導体とすることで、界面で発生したキャリアの拡散を抑制し、暗時電流を抑制することができる。

図３は本発明の実施例３による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。なお、図１に示す構成と共通のものについては同一符号を付してある。
図示のように、本実施例は、Ｐ型ウェル領域１１４と埋め込み絶縁膜１１２との間にＮ型不純物領域よりなるオーバーフロードレイン部１２２を設け、Ｐ型ウェル領域１１４の一部をポテンシャルバリアとしたものである。
すなわち、フォトダイオード１１６の下部に電荷蓄積領域の型（本例ではＮ型）と異なる型の領域（本例ではＰ型ウェル領域１１４）を配置し、さらにその下の埋め込み絶縁膜１１２と接する領域に電荷蓄積領域と同じ型の領域（本例ではＮ型のオーバーフロードレイン部１２２）を配置する。そして、このオーバーフロードレイン部１２２には所定の電圧ＶＯＦＤを印加し、フォトダイオード１１６の電荷蓄積領域で発生した電荷のうちの余剰電荷を、ポテンシャルバリアとしてのＰ型ウェル領域１１４を介して下方に排出する縦型オーバーフロードレインを構成している。なお、本実施例の構成では、界面で発生する暗時電流は電位障壁によって電荷蓄積領域には流れずに、電源へと流れることになる。

また、オーバーフロードレインの構成としては、図３に示す例に限らず、他の構成を用いることも可能である。
図４は縦型の代わりに横型のオーバーフロードレイン部１２４を設けた例である。すなわち、フォトダイオード１１６の側部にＰ型ウェル領域１１４の一部を介してＮ型不純物領域よりなるオーバーフロードレイン部１２４を設けて所定の電圧ＶＯＦＤを印加している。図中の楕円αで示した領域がポテンシャルバリア（オーバーフロー障壁）として機能し、フォトダイオード１１６の電荷蓄積領域で余剰となった電荷が横方向に排出される。
また、図５は図４に示した横型オーバーフロードレイン部１２４に加えて、Ｐ型ウェル領域１１４の上部にオーバーフロードレインの駆動ゲート電極（ＯＦＤＧ）１２６を設けてゲート制御を行い、オーバーフロー障壁のレベルを制御して、駆動電圧ＶＤＤを印加したオーバーフロードレイン部１２４にフォトダイオード１１６の余剰電荷を所定のタイミングで排出する。

図６は本発明の実施例４による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。なお、図１に示す構成と共通のものについては同一符号を付してある。
本実施例は、周辺回路領域のシリコン層の膜厚を薄くして、ＭＯＳトランジスタ１２８等を形成するようにしたものである。すなわち、本実施例の固体撮像装置は、主にフォトダイオードと各種画素トランジスタによって構成される画素領域と、各種のトランジスタ等によって駆動回路や信号処理回路が形成される周辺回路領域とを同一半導体チップ上に構成したものであるが、画素領域のシリコン層はフォトダイオードの特性を優先して大きい膜厚に形成し、周辺回路領域はＭＯＳトランジスタの特性を優先して小さい膜厚に形成したものである。
なお、図６に示す例では、画素領域側の構成に図２に示した構成を適用しているが、他の実施例で示した構成であってもよいものである。

一般に、ＳＯＩ構造のトランジスタは、通常は低電圧、高速動作に優れるとされている。これをイメージセンサに適用すれば低消費電力のセンサチップが実現可能である。しかしながら、フォトダイオードで十分な感度が得られるシリコン層の膜厚では、一般のＭＯＳトランジスタの特性を上げるには厚すぎる。
そこで、図６に示すように、画素領域と周辺回路領域とでシリコン層の膜厚を変えることで、周辺回路領域でもＳＯＩ基板を用いることの恩恵を得ることができる。特にトランジスタの低消費電力化は拡散層容量の低減が重要であることから、膜厚は拡散層の深さ程度（０．５μｍ前後）まで薄くする必要がある。ただし、ＳＯＩ基板のシリコン層の膜厚はエッチングで容易に変えられるが、画素領域内の狭い領域で膜厚の厚い領域と薄い領域が混在するのは、製造工程上好ましくないため、本実施例のように、主に周辺回路領域への適用が望ましい。

以上のような実施例によれば、ＳＯＩ基板のシリコン層に埋め込み絶縁膜を介在させた構造とすることにより、赤色等の長波長光に対しては埋め込み絶縁膜を反射膜として作用させ、光電変換領域での吸収効率を改善させることにより、各波長光間の不均衡を是正して感度低下を抑制する。これにより、感度低下を抑制しつつフォトダイオードを浅くすることを可能とし、電気的な素子分離特性を向上して、微小ピッチ画素における隣接画素との混色を抑制できる。したがって、より微小な画素ピッチを実現でき、高解像度のイメージセンサを構成することが可能になる。

本発明の実施例１による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。 本発明の実施例２による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。 本発明の実施例３による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。 上記実施例３による固体撮像装置の変形例を示す断面図である。 上記実施例３による固体撮像装置の他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施例４による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。 従来例による固体撮像装置の素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０……ＳＯＩ基板、１１１……シリコン層、１１２……埋め込み絶縁膜、１１４……Ｐ型ウェル領域、１１６……フォトダイオード、１１８……転送ゲート。

Claims (9)

1. 絶縁体層の上にシリコン層を設けたＳＯＩ基板と、
   前記ＳＯＩ基板のシリコン層に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、
   前記ＳＯＩ基板のシリコン層に形成され、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を転送する電荷転送素子とを有し、
   前記ＳＯＩ基板のシリコン層は複数のシリコン層によって埋め込み絶縁膜を挟んだ積層構造を有し、
   前記埋め込み絶縁膜は所定の波長の光の反射に最適化された膜厚を有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記シリコン層の表面に設けられる表面絶縁膜の界面及び前記埋め込み絶縁膜の界面に、前記光電変換素子の電荷蓄積領域の半導体型と異なる型の半導体領域が接することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記埋め込み絶縁膜による反射分光特性と前記表面絶縁膜による透過分光特性が異なることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換素子の余剰電荷を排出するオーバーフロードレイン部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記オーバーフロードレイン部のオーバーフロー障壁の高さを適宜に調整する制御手段を有することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記ＳＯＩ基板のシリコン層の膜厚が前記光電変換素子の近傍領域で大きく、前記近傍領域以外のトランジスタ形成領域で小さいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記光電変換素子の近傍領域は光電変換素子と画素トランジスタが配置される画素領域全体であることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記埋め込み絶縁膜の膜厚ｔＢＯＸは、埋め込み絶縁膜中の光の波長をλとした場合、任意の整数ｎに対し、条件式（２ｎ＋１）λ／２＝２ｔＢＯＸの±１０％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
9. 前記埋め込み絶縁膜の上層のシリコン層が１μｍ±１０％から３μｍ±１０％までの膜厚を有する場合に、埋め込み絶縁膜中の波長λが７００ｎｍ±１０％である光に対し、埋め込み絶縁膜の膜厚ｔＢＯＸが条件式（２ｎ＋１）λ／２＝２ｔＢＯＸの±１０％の範囲にあることを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
   

Images