JP2006324383A - Solid-state imaging apparatus - 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に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having high image quality characteristics and low power consumption characteristics.
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、蓄積を行うための受光ダイオードと、読み出しを行うためのトランジスタとを有している。
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8は特許文献1に開示されているイメージセンサを示す模式的断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the image sensor disclosed in
図8のイメージセンサは、基板100上において、各単位画素毎に、受光ダイオード111と絶縁ゲート型電界効果トランジスタ112とが隣接配置されている。トランジスタ112のゲート電極113はリング状に形成されており、ゲート電極113の中央の開口部分には、ソース領域114が形成されている。ゲート電極113の周辺にはドレイン領域115が形成されている。
In the image sensor of FIG. 8, a
受光ダイオード111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、ゲート電極113下方のP型のウェル領域116に転送されて、この部分に形成されたキャリアポケット117に蓄積される。キャリアポケット117に蓄積された光発生電荷によってトランジスタ112の閾値電圧が変化する。これにより、入射光に対応した信号(画素信号)を、トランジスタ112のソース領域114から取り出すことができるようになっている。
ところで、キャリアポケット117は比較的高い濃度で形成されて、正孔のポテンシャルを基準にすると、そのポテンシャルは十分に低い(若しくは深い)。これにより、受光ダイオード111において発生した光発生電荷がキャリアポケット117に蓄積されるようになっている。
By the way, the carrier pocket 117 is formed at a relatively high concentration, and the potential is sufficiently low (or deep) on the basis of the hole potential. As a result, photogenerated charges generated in the
一方、受光ダイオード111の入射光のうち波長が短い光に基づく光発生電荷は基板表面において発生し、波長が長くなるに従って基板表面から深い位置において光発生電荷が発生する。従って、基板深さが深いほど長い波長の光に対する感度を高くすることができる。受光ダイオード111において発生した光発生電荷は、空乏化したウェル領域内を、ポテンシャルの変化に従ってキャリアポケットまで転送される。
On the other hand, photogenerated charges based on light having a short wavelength among incident light of the
ところが、基板深さが深い位置では正孔のポテンシャルを基準にすると、そのポテンシャルも高く(若しくは浅く)、基板の深い位置で発生した光発生電荷についてはウェル領域に収集することができず、キャリアポケット117に転送することはできない。 However, the hole potential is high (or shallow) on the basis of the hole potential at a position where the substrate depth is deep, and the photogenerated charges generated at the deep position of the substrate cannot be collected in the well region. It cannot be transferred to the pocket 117.
即ち、光発生電荷を転送可能な基板深さには限界があり、波長が長い光に対する感度を十分に高くすることはできないという問題があった。この問題は、CMOS型のイメージセンサに限らず、CCD型等を含み受光ダイオードを備えた全てのイメージデバイスに共通した問題である。 That is, there is a limit to the depth of the substrate that can transfer photogenerated charges, and there is a problem that the sensitivity to light having a long wavelength cannot be sufficiently increased. This problem is not limited to a CMOS type image sensor, but is a problem common to all image devices including a CCD type and the like and having a light receiving diode.
なお、基板厚を変えずに、空乏層を広くすることで、長い波長の光の感度を高くする方法も考えられる。しかしながら、空乏層を広げるためには印加電圧を高くする必要がある。つまり、電源電圧を高くする必要があり、システム設計上の不具合がある。 A method of increasing the sensitivity of light having a long wavelength by increasing the depletion layer without changing the substrate thickness is also conceivable. However, in order to widen the depletion layer, it is necessary to increase the applied voltage. That is, it is necessary to increase the power supply voltage, which causes a problem in system design.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、波長が長い光に対する受光感度を十分に向上させることができる固体撮像装置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 an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of sufficiently improving the light receiving sensitivity with respect to light having a long wavelength.
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素子に隣接して形成された変調部とを含む固体撮像装置において、前記光変換素子形成領域において他の部分よりも高い位置に表面が形成された突出部を有する基板と、前記突出部下方に形成される光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して形成される変調部とを具備したことを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a modulation unit formed adjacent to the photoelectric conversion element, and has a surface at a position higher than other portions in the light conversion element formation region. And a photoelectric conversion element formed below the protrusion, and a modulation part formed adjacent to the photoelectric conversion element.
このような構成によれば、基板は、光電変換素子形成領域において高い位置に表面が形成された突出部を有する。この突出部の下方に光電変換素子が形成される。即ち、光電変換素子形成領域は他の部分よりも厚さが厚く、突出部の表面から光電変換素子の下部までの距離を比較的大きくすることができる。これにより、光電変換素子において、波長の長い光による光発生電荷を収集することができ、波長が長い光に対する感度を向上させることができる。 According to such a configuration, the substrate has a protruding portion having a surface formed at a high position in the photoelectric conversion element formation region. A photoelectric conversion element is formed below the protrusion. That is, the photoelectric conversion element formation region is thicker than the other parts, and the distance from the surface of the protrusion to the lower part of the photoelectric conversion element can be made relatively large. Thereby, in the photoelectric conversion element, photogenerated charges due to light having a long wavelength can be collected, and sensitivity to light having a long wavelength can be improved.
また、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素子に隣接して形成された変調部とを含む固体撮像装置において、前記光変換素子形成領域において他の部分よりも高い位置に表面が形成された突出部を有する一導電型の基板と、前記基板に形成される逆導電型の第1不純物層と、前記光電変換素子の形成領域の前記第1不純物層上に形成される一導電型の第2不純物層と、前記トランジスタの形成領域の前記第1の不純物上に形成され、前記第2不純物層から光発生電荷が転送される一導電型の第3不純物層と、前記第3不純物層上方の前記基板上に開口部を有して形成されるゲート電極と、前記開口部の前記基板表面側に形成されるソースと、前記ソースと離間して形成され、前記第1不純物層に電気的に接続されるドレインとを具備したことを特徴とする。 Moreover, the solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a modulation unit formed adjacent to the photoelectric conversion element, and is positioned higher than other portions in the light conversion element formation region. Formed on the first impurity layer in the region where the photoelectric conversion element is formed, and a reverse conductivity type first impurity layer formed on the substrate. A second impurity layer of one conductivity type, and a third impurity layer of one conductivity type formed on the first impurity in the transistor formation region, to which photogenerated charges are transferred from the second impurity layer, A gate electrode formed on the substrate above the third impurity layer and having an opening; a source formed on the substrate surface side of the opening; and a source spaced from the source; A drain electrically connected to one impurity layer Characterized by comprising a down.
このような構成によれば、光電変換素子形成領域の第1不純物層に発生した光発生電荷は、第2不純物層から第3不純物層に転送される。第3不純物層に転送された光発生電荷によってトランジスタのチャネルの閾値電圧が制御されて、光発生電荷に応じた画素信号がトランジスタから出力される。光電変換素子領域は、他の部分よりも厚さが厚く、突出部の表面から光電変換素子の下部までの距離は比較的大きい。これにより、光電変換素子において、波長の長い光による光発生電荷を収集することができ、波長が長い光に対する感度を向上させることができる。 According to such a configuration, the photogenerated charges generated in the first impurity layer in the photoelectric conversion element formation region are transferred from the second impurity layer to the third impurity layer. The threshold voltage of the channel of the transistor is controlled by the photogenerated charge transferred to the third impurity layer, and a pixel signal corresponding to the photogenerated charge is output from the transistor. The photoelectric conversion element region is thicker than other parts, and the distance from the surface of the protrusion to the lower part of the photoelectric conversion element is relatively large. Thereby, in the photoelectric conversion element, photogenerated charges due to light having a long wavelength can be collected, and sensitivity to light having a long wavelength can be improved.
また、前記第2不純物層の下部と前記第3不純物層の下部とは略同一の高さの位置に形成されることを特徴とする。 The lower portion of the second impurity layer and the lower portion of the third impurity layer may be formed at substantially the same height.
このような構成によれば、第2不純物層から第3不純物層に向けてポテンシャルの勾配を比較的容易に設定することができ、光電変換素子領域において発生した光発生電荷を確実に第3不純物層に転送することができる。 According to such a configuration, the gradient of potential can be set relatively easily from the second impurity layer to the third impurity layer, and the photo-generated charges generated in the photoelectric conversion element region can be reliably supplied to the third impurity. Can be transferred to the layer.
また、前記第2不純物層の上部から前記突出部の表面までの距離は、前記第3不純物層の上部から前記基板の表面までの距離よりも大きいことを特徴とする。 The distance from the top of the second impurity layer to the surface of the protrusion may be greater than the distance from the top of the third impurity layer to the surface of the substrate.
このような構成によれば、第2不純物層の上方においても効果的に光発生電荷を得ることができる。 According to such a configuration, photogenerated charges can be effectively obtained even above the second impurity layer.
また、前記ゲート電極は、環状に構成されることを特徴とする。 Further, the gate electrode is formed in a ring shape.
また、前記第3不純物層内の前記ゲート電極下方に、前記第3不純物層よりも高濃度に形成される第4不純物層を更に具備したことを特徴とする。 The semiconductor device may further include a fourth impurity layer formed at a higher concentration than the third impurity layer below the gate electrode in the third impurity layer.
このような構成によれば、ゲート電極下方に確実に光発生電荷を転送することができ、変調効率を向上させることができる。 According to such a configuration, photogenerated charges can be transferred reliably below the gate electrode, and modulation efficiency can be improved.
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6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1センサセルの断面形状を示す模式的な断面図、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説明図である。なお、図1は図2のA−A’線断面図である。図3は素子の全体構造を等価回路によって示す回路ブロック図である。図4乃至図6は製造方法を素子の断面形状及びマスクの平面形状によって説明するための工程図である。なお、上記各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 6 relate to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a sectional shape of one sensor cell of a solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. It is explanatory drawing which shows the planar shape of 1 sensor cell of the solid-state imaging device which concerns on a form. 1 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2. FIG. 3 is a circuit block diagram showing the entire structure of the element by an equivalent circuit. 4 to 6 are process diagrams for explaining the manufacturing method by the sectional shape of the element and the planar shape of the mask. In each of the above drawings, the scale is different for each layer and each member so that each layer and each member can be recognized in the drawing.
<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、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収集・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>
The solid-state imaging device according to the present embodiment has a sensor cell array in which sensor cells that are unit pixels are arranged in a matrix. Each sensor cell collects and 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1及び図2は1つのセンサセルを示している。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。なお、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. 1 and 2 show one sensor cell. 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。
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形成領域においては、基板1の表面に配線層を形成する段階において、光を透過する開口領域が形成される。基板1表面の比較的浅い位置には前記開口領域よりも広い領域の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収集する第2不純物層としての収集ウェル4が形成されている。収集ウェル4上には基板1の表面に、ピニング層としても機能するN型の拡散層32が形成されている。
In the photodiode PD formation region, which is a photoelectric conversion element formation region, an opening region that transmits light is formed in the step of forming a wiring layer on the surface of the
収集ウェル4と略同じ基板深さの位置には、変調トランジスタTM形成領域にP型のウェルであり、収集ウェル4に収集された光発生電荷が転送されて変調トランジスタTMを制御するための第3不純物層としての変調用ウェル5が形成されている。
A P-type well is formed in the modulation transistor TM formation region at a position substantially the same substrate depth as that of the collection well 4, and the photo-generated charges collected in the collection well 4 are transferred to control the modulation transistor TM. A
変調用ウェル5上には、基板1表面に環状のゲート(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。なお、図2ではリングゲート6及び後述するキャリアポケット等は円形状で示してあるが、楕円形状或いは8角形状等の任意の多角形状であってもよい。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(図示せず)が形成される。
An annular 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第4不純物層としてのキャリアポケット10(図2の斜線部)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 (shaded portion in FIG. 2) as a fourth impurity layer which is a P-type high concentration region is formed below the
ドレイン領域8、後述するN型ウェル21,21’および拡散層32がドレイン電圧の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードPDの開口領域下方においては、拡散層32と収集ウェル4との境界面、第1不純物層としてのN型ウェル21と収集ウェル4の境界面から空乏層が収集ウェル4の全体およびその周囲に広がる。空乏領域において、前記開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、上述したように、発生した光発生電荷は収集ウェル4に収集されるようになっている。
The
収集ウェル4に収集された電荷は、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 collected in the collection well 4 are transferred to the modulation well 5 and held in 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。
<Sensor cell cross section>
Furthermore, the cross-sectional structure of the
変調トランジスタTM形成領域においては、基板1上にP型埋込層23が形成されている。P型埋込層23上にはN型ウェル21’が形成される。P型埋込層23によってN型ウェル21’は基板の比較的浅い位置までに制限される。N型ウェル21’上には、P型の変調用ウェル5が形成されている。変調用ウェル5内には、キャリアポケット10が形成されている。
A P-type buried
キャリアポケット10は、リングゲート6の下方であって、平面的には図2に示すように、リング状の形状を有する。キャリアポケット10は、P+拡散による十分に濃い濃度の拡散層である。例えば、変調用ウェル5のP型濃度を1×1016 atms/cm3とし、キャリアポケット10のP型濃度を1×1017 atms/cm3とする。
The
変調トランジスタTM形成領域においては、基板表面にゲート酸化膜31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型の拡散層27が形成される。
In the modulation transistor TM formation region, the
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型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型拡散層27はソース領域7とドレイン領域8とに電気的に接続される。
An N + diffusion layer is formed on the substrate surface at the center of 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形成領域との間にアイソレーション領域22が設けられている。
An
このアイソレーション領域22はN型ウェル21、21’およびドレイン領域8とに電気的に接続される。
The
一方、フォトダイオードPD形成領域においては、変調トランジスタTM形成領域のN型ウェル21’及び変調用ウェル5に夫々連続的に形成されるN型ウェル21及び収集ウェル4を有している。フォトダイオードPD形成領域側においては埋込層23は形成されておらず、N型ウェル21は、基板1の比較的深い位置まで形成される。
On the other hand, the photodiode PD formation region has an N-
このN型ウェル21上には、P型の収集ウェル4が形成されている。収集ウェル4上の基板表面側には、ピニング層としても機能するN型の拡散層32が形成されている。
A P-
本実施の形態においては、基板1は、フォトダイオードPD形成領域において、変調トランジスタTM形成領域よりも、表面の位置が高い突出部45を有している。突出部45は平面的にはフォトダイオードPD形成領域の全域に設けられている。この構成によって、フォトダイオードPD形成領域においては、基板の深さ(厚さ)を変調トランジスタTM形成領域よりも深く(厚く)することができる。
In the present embodiment, the
この場合でも、N型ウェル21とN型ウェル21’との基板深さ方向における関係は従来と同様、即ち、変調用トランジスタTM形成領域の基板表面を基準として、両者の上部の基板深さが略同様となるように設定する。また、変調用トランジスタTM形成領域の基板表面を基準として、収集ウェル4の下部における基板深さと変調用ウェル5の下部における基板深さとは、相互に略一致させる。
Even in this case, the relationship between the N-
これに対し、本実施の形態においては、フォトダイオードPD形成領域において突出部45を有していることから、基板深さ方向における各層の配置に余裕が生じ、収集ウェル4の基板深さ方向の厚さを厚くすると共に、拡散層32の基板深さ方向の厚さを厚くすることができる。
On the other hand, in the present embodiment, since the projecting
即ち、本実施の形態においては、収集ウェル4の上方においても十分に光発生電荷を発生させ、フォトダイオードPD形成領域の基板表面近傍において発生した光発生電荷の多くを収集ウェル4に収集することを可能にすることができる。フォトダイオードPD形成領域におけるN型ウェル21の基板深さは、突出部45の厚さだけ深くなり、高い波長領域の光による光発生電荷を発生させる。
That is, in the present embodiment, photogenerated charges are sufficiently generated even above the collection well 4, and most of the photogenerated charges generated near the substrate surface in the photodiode PD formation region are collected in the collection well 4. Can be made possible. The substrate depth of the N-type well 21 in the photodiode PD formation region is increased by the thickness of the
また、N型ウェル21,21’、収集ウェル4及び変調用ウェル5の相互の位置関係は従来と同様であり、N型ウェル21の深い位置において発生した光発生電荷についても、従来と同様に、収集ウェル4を介して変調用ウェル5に転送可能である。
Further, the positional relationship among the N-
<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63〜65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
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、生じた電荷は収集ウェル4(図3では接続点PDWに相当)内に収集される。収集ウェル4に収集された光発生電荷は、変調トランジスタTMの閾値変調用の変調用ウェル5(図3では接続点TMWに相当)内のキャリアポケット10に転送されて保持される。
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
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、ソース領域7及びドレイン領域8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63、ドレイン駆動回路64及び水平駆動走査回路65から信号が供給されるようになっている。垂直駆動走査回路63は、各行のゲート線67に走査信号を供給し、ドレイン駆動回路64は各列のドレイン領域8にドレイン電圧を印加する。また、水平駆動走査回路65は、各ソース線66に接続されたスイッチ68に駆動信号を供給する。
In this manner, each
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66と垂直方向に配列された複数のゲート線67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67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66に接続される。
Each
複数のゲート線67の1つにオン信号(選択ゲート電圧)を供給することで、オン信号が供給されたゲート線67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66を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路63は1フレーム期間においてゲート線67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ライン分同時に各ソース線66から読み出されて各スイッチ68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65によって、スイッチ68から画素毎に順次出力(ライン出力)される。
By supplying an ON signal (selection gate voltage) to one of the plurality of
各ソース線66に接続されたスイッチ68は、共通の定電流源(負荷回路)69を介して映像信号出力端子70に接続されている。各センサセル3の変調トランジスタTMのソースは定電流源69に接続されることになり、センサセル3のソースフォロワ回路が構成される。
The switch 68 connected to each
<動作>
次に、センサセル3のフォトダイオードPDの光検出、光発生電荷の収集動作及び変調トランジスタTMの読み出し動作について説明する。
<Operation>
Next, photodetection of the photodiode PD of the
変調トランジスタTMのリングゲート6に低いゲート電圧を印加し、ドレイン領域8にトランジスタの動作に必要な例えば約2〜4Vの電圧(VDD)を印加する。これにより、N型ウェル21が空乏化する。また、ドレイン領域8とソース領域7との間に電界が生じる。
A low gate voltage is applied to the
フォトダイオードPDの開口領域2を介して入射した光が、空乏化したN型ウェル21に入射することで、電子−正孔対(光発生電荷)が生じる。
Light incident through the
本実施の形態においては、フォトダイオードPD形成領域においては基板の深さが深くなっており、長い波長の光による光発生電荷を発生させることができる。例えば、フォトダイオードPD形成領域の基板表面を基準として、基板深さ方向の約3μmの位置まで空乏化したN型ウェル21を形成することができ、赤色光による光発生電荷を発生させることができる。 In the present embodiment, the depth of the substrate is deep in the photodiode PD formation region, and photogenerated charges due to light having a long wavelength can be generated. For example, the N-type well 21 that is depleted to a position of about 3 μm in the substrate depth direction can be formed on the basis of the substrate surface of the photodiode PD formation region, and photogenerated charges due to red light can be generated. .
P型の収集ウェル4は高濃度のP型不純物が導入されてポテンシャルが低くなっており、N型ウェル21に発生した光発生電荷は収集ウェル4に収集される。更に、光発生電荷は収集ウェル4から変調トランジスタ形成領域内の変調用ウェル5に転送されて、キャリアポケット10に蓄積される。
The P-
ポテンシャルは不純物濃度によって変化する。また、同一不純物濃度であっても、不純物の周囲に印加された固定電位のレベル及び固定電位までの距離によって変化する。本実施の形態においては、N型ウェル21の下部からの収集ウェル4までの距離、収集ウェル4と変調用ウェル5との間のポテンシャル勾配は、従来と同様であり、N型ウェル21において発生した光発生電荷の大部分を、収集ウェル4において収集し、変調用ウェル5に転送することができる。
The potential varies with the impurity concentration. Even with the same impurity concentration, it varies depending on the level of the fixed potential applied around the impurity and the distance to the fixed potential. In the present embodiment, the distance from the lower part of the N-type well 21 to the collection well 4 and the potential gradient between the collection well 4 and the modulation well 5 are the same as those in the conventional case, and are generated in the N-
キャリアポケット10に蓄積された光発生電荷によって、変調トランジスタTMの閾値電圧が変化する。この状態で、選択画素のリングゲート6に例えば約2〜4Vのゲート電圧(選択ゲート電圧)を印加し、ドレイン領域8に例えば約2〜4Vの電圧VDDを印加する。更に、変調トランジスタTMのソース領域7に定電流源69によって一定の電流を流す。これにより、変調トランジスタTMはソースフォロワ回路を形成し、光発生電荷による変調トランジスタTMの閾値電圧の変動に追随してソース電位が変化して、出力電圧が変化する。即ち、入射光に応じた出力が得られる。
The threshold voltage of the modulation transistor TM is changed by the photo-generated charges accumulated in the
フォトダイオードPD形成領域において長い波長の光に基づく光発生電荷が収集されており、長い波長の光にも十分な感度を有する出力が得られる。 Photogenerated charges based on light having a long wavelength are collected in the photodiode PD formation region, and an output having sufficient sensitivity can be obtained even for light having a long wavelength.
なお、初期化時には、キャリアポケット10、収集ウェル4及び変調用ウェル5内に残留する電荷は排出される。例えば、変調トランジスタTMのドレイン領域8及びリングゲート6に5V以上の正電圧を印加する。変調用ウェル5下方のN型ウェル21’の厚さは薄く、また、N型ウェル21’に面する基板1には高濃度のP型埋込層23を形成し基板1側への空乏層の広がりを抑えているので、リングゲート6に印加した電圧は変調用ウェル5及びその隣接領域にのみ作用する。即ち、変調用ウェル5に急激なポテンシャル変化が生じ、光発生電荷を基板1側に掃き出すような強い電界が主として変調用ウェル5に印加されて、残留した光発生電荷は、比較的低いリセット電圧でより確実に基板1に排出される。
At the time of initialization, the charge remaining in the
初期化後において、非選択画素のリングゲートには、比較的低い電圧値の非選択ゲート電圧を印加すると共に、選択画素のリングゲート6には比較的高い電圧値の選択ゲート電圧を印加する。そして、共通接続されたソース線66から、選択画素の初期化後の信号出力を得る。
After initialization, a non-selection gate voltage having a relatively low voltage value is applied to the ring gate of the non-selection pixel, and a selection gate voltage having a relatively high voltage value is applied to the
<プロセス>
次に、素子の製造方法について図4乃至図6の工程図を参照して説明する。なお、図4乃至図6においては、左側に素子の断面形状を示し、右側に左側の素子の製造工程に用いるマスク等の平面形状を示している。図4乃至図6においては、右側のA−A’切断線の位置における断面を左側の断面形状で示している。また、図4乃至図6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ている。
<Process>
Next, a method for manufacturing the element will be described with reference to the process diagrams of FIGS. 4 to 6, the cross-sectional shape of the element is shown on the left side, and the planar shape of a mask or the like used in the manufacturing process of the left element is shown on the right side. 4 to 6, the cross section at the position of the right AA ′ cutting line is shown by the left cross-sectional shape. 4 to 6, arrows on the substrate indicate that ion implantation is performed.
本実施の形態においては、先ず、図4(a),(e)に示すように、用意したP基板1のフォトダイオードPD形成領域をマスクするレジスト91を形成する。そして、フォトダイオードPD形成領域以外の部分をエッチングして除去する。こうして、フォトダイオードPD形成領域に、突出部45を形成する。
In this embodiment, first, as shown in FIGS. 4A and 4E, a resist 91 that masks the photodiode PD formation region of the
次に、フォトダイオード形成領域以外の部分にレジストマスク92を形成して、例えば燐(リン(P))イオンの打ち込みを行ってN型ウェル21を形成する(図4(b),(f))。このイオン注入はフォトダイオード形成領域について比較的深い位置まで行う。更に、同一のレジストマスク92を用いて、例えばボロン(B)イオンをイオン打ち込みして、基板1表面側において、P型の収集ウェル4を形成する。
Next, a resist
次に、図4(c),(g)に示すように、レジストマスク93を用いて、変調トランジスタ形成領域において、P型不純物を深くイオン注入して、P型埋込層23を形成する。更に、同一のレジストマスク93を用いて、P型埋込層23上に、リンイオンを注入して、N型ウェル21’を形成する。こうして、こうして、フォトダイオード形成領域についてはN型ウェル21、変調トランジスタ形成領域についてはN型ウェル21’が形成される。変調用トランジスタTM形成領域の基板表面を基準として、N型ウェル21,21’の上部の基板深さは相互に略同様とする。
Next, as shown in FIGS. 4C and 4G, using the resist
更に、同一のレジストマスク93を用いて、N型ウェル21上にボロンイオンを注入して、変調用ウェル5を形成する。変調用トランジスタTM形成領域の基板表面を基準として、収集ウェル4と変調用ウェル5の下部の基板深さも相互に略同様とする。また、収集ウェル4の上部は変調用ウェル5よりも若干高い位置まで形成される。
Further, using the same resist
更に、同一のレジストマスク93を用いて、基板1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型拡散層27を形成する。
Further, an N-
次に、レジストマスク94を形成して、図4(d),(h)に示すように、素子分離用のアイソレーション領域22を形成し、更に、N型不純物をイオン注入してドレイン領域8を形成する。
Next, a resist
次いで、図5(a)に示すように、基板1表面にゲート酸化膜31を熱酸化によって形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b),(e)に示すように、レジストマスク95を用いて、リングゲート6下方の変調用ウェル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。
Next, as shown in FIGS. 5B and 5E, a
次に、図5(c),(f)に示すように、ゲート酸化膜31上に、変調トランジスタTMのリングゲート6を形成する。なお、リングゲート6としては、導電材料による下層6aと絶縁層による上層6bとの2層構造の例を示しているが、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。
Next, as shown in FIGS. 5C and 5F, the
次に、図5(d),(g)に示すように、リングゲート6の中央開口を塞ぐように形成されたレジストマスク96及びリングゲート6をマスクとして、N型不純物をイオン注入して、基板1表面にピニング層としても機能するN型拡散層32を形成する。
Next, as shown in FIGS. 5D and 5G, N-type impurities are ion-implanted using the resist
次に、基板1表面上に層間絶縁膜41を形成したのち、リングゲート6の開口の中央部に達するコンタクトホール42を形成する(図6(a))。そして、コンタクトホール42を利用して、リンを用いたN+の不純物注入を行って、ソース領域7を形成する(図6(a),(b))。
Next, after forming an
<実施の形態の効果>
このように本実施の形態において、フォトダイオード形成領域の基板表面に突出部を形成することで、フォトダイオード形成領域における基板の厚さを厚くして、長い波長の光による光発生電荷を発生させる。また、変調トランジスタを構成するN型ウェル及びP型の変調用ウェルの基板深さと、フォトダイオード形成領域のN型ウェル及び収集ウェルの基板深さを略一致させることで、発生した光発生電荷の収集及びキャリアポケットへの転送を容易にする。これらによって、長い波長の光にも高い感度を有する固体撮像装置を得ることができる。
<Effect of Embodiment>
As described above, in the present embodiment, by forming the protrusion on the substrate surface in the photodiode formation region, the thickness of the substrate in the photodiode formation region is increased, and photogenerated charges due to light having a long wavelength are generated. . In addition, by making the substrate depths of the N-type well and P-type modulation well constituting the modulation transistor substantially coincide with the substrate depths of the N-type well and the collection well in the photodiode formation region, Facilitates collection and transfer to carrier pocket. By these, it is possible to obtain a solid-state imaging device having high sensitivity even for light having a long wavelength.
<第2の実施の形態>
図7は本発明の第2の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である。図7の実施の形態はCMOS型の他のイメージングデバイスに適用した例である。
<Second Embodiment>
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The embodiment of FIG. 7 is an example applied to another imaging device of the CMOS type.
本実施の形態においても、基板201は、フォトダイオード形成領域において、変調部の基板表面よりも突出した突出204を有している。フォトダイオード形成領域においては、P型基板201上にN型ウェル202が形成されている。N型ウェル202上に、P型ウェル203が形成されている。
Also in the present embodiment, the
変調部においては、基板201の表面に電極205が形成されており、電極205相互間の基板表面には拡散層206及び濃度が濃い拡散層207が形成されている。
In the modulation section, an
本実施の形態においては、P型ウェル203は変調部側の基板表面よりも高い位置まで形成されており、フォトダイオード部分では、基板は十分に厚さに形成される。
In the present embodiment, the P-
これにより、フォトダイオードにおいて、十分に長い波長までの光による光発生電荷を発生させることができる。 Thereby, in the photodiode, it is possible to generate photogenerated charges due to light having a sufficiently long wavelength.
このような構成によって、本実施の形態においても第1の実施の形態と同様の作用,効果を得ることができる。 With such a configuration, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained also in the present embodiment.
なお、上記各実施の形態においては、変調トランジスタはサイドウォールを形成しない例を示したが、サイドウォールを有していても構わない。 In each of the above-described embodiments, an example in which the modulation transistor does not form a sidewall is shown, but the modulation transistor may have a sidewall.
1…基板、4…収集ウェル、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、10…キャリアポケット、27…拡散層、45…突出部、PD…フォトダイオード、TM…変調トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記光変換素子形成領域において他の部分よりも高い位置に表面が形成された突出部を有する基板と、
前記突出部下方に形成される光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して形成される変調部とを具備したことを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a modulation unit formed adjacent to the photoelectric conversion element,
A substrate having a protrusion having a surface formed at a position higher than the other part in the light conversion element formation region;
A photoelectric conversion element formed below the protrusion,
A solid-state imaging device comprising: a modulation unit formed adjacent to the photoelectric conversion element.
前記光変換素子形成領域において他の部分よりも高い位置に表面が形成された突出部を有する一導電型の基板と、
前記基板に形成される逆導電型の第1不純物層と、
前記光電変換素子の形成領域の前記第1不純物層上に形成される一導電型の第2不純物層と、
前記トランジスタの形成領域の前記第1の不純物上に形成され、前記第2不純物層から光発生電荷が転送される一導電型の第3不純物層と、
前記第3不純物層上方の前記基板上に開口部を有して形成されるゲート電極と、
前記開口部の前記基板表面側に形成されるソースと、
前記ソースと離間して形成され、前記第1不純物層に電気的に接続されるドレインとを具備したことを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a modulation unit formed adjacent to the photoelectric conversion element,
A substrate of one conductivity type having a protrusion having a surface formed at a position higher than the other part in the light conversion element formation region;
A first impurity layer of a reverse conductivity type formed on the substrate;
A second impurity layer of one conductivity type formed on the first impurity layer in the formation region of the photoelectric conversion element;
A third impurity layer of one conductivity type formed on the first impurity in the transistor formation region to which photogenerated charges are transferred from the second impurity layer;
A gate electrode formed on the substrate above the third impurity layer and having an opening;
A source formed on the substrate surface side of the opening;
A solid-state imaging device comprising: a drain formed apart from the source and electrically connected to the first impurity layer.
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