JP2008300446A - 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基体10の第1導電型領域に、半導体基体10の表面側上方に第1導電型領域25を有し、第1導電型領域25の下部に第2導電型領域21を備える光電変換領域20と、光電変換領域20に蓄積された電荷を読み出し領域30に転送する転送トランジスタと、を有する画素を備え、光電変換領域20の第1導電型領域25は、転送トランジスタのゲート電極12における側壁13の下部に延在させて固体撮像素子を構成する。
【選択図】図2
Description
図8に示すように、転送トランジスタは、第1導電型、例えばp型の半導体基体100上に、絶縁膜101を介してゲート電極102が形成される。このゲート電極102には、側壁103が形成される。
電荷の読み出し領域となる読み出し領域109において半導体基体100には、第2導電型半導体領域104に比べて不純物濃度が高い第2導電型半導体領域107が形成される。また、側壁の下方に第2導電型半導体領域104に比べて不純物濃度が低い第2導電型半導体領域106が形成されてLDD構造とされる。
しかし、画素の微細化が進んだ場合、ゲート電極に高い電圧を加えることが難しくなる。
このため、側壁103下部の第2導電型半導体領域104に、半導体基体100の界面が存在する。そして、この半導体基体100の界面によって第2導電型半導体領域104に暗電流が発生し、白点等による欠陥画素の原因となる。
また、側壁103の下部に第1導電型半導体領域105を形成した場合は、転送の障壁となり、ゲート電極にさらに大きな電圧を加えなければならない。
このため、転送電圧を低下することはできるが、n型半導体領域の界面からの暗電流の発生を防ぐことができず、白点等による欠陥画素が発生してしまう。
また、半導体基体の表面に光電変換領域を形成し、半導体基体上に第1導電型領域が形成される。そして、この構造により、電荷が蓄積される光電変換領域が、半導体基体の浅い位置に形成される。このため、光電変換領域に蓄積された電荷を読み出し領域に転送する際に、必要とされるゲート電極に加える電圧を低減することができる。
また、半導体基体の表面に光電変換領域を形成することにより、光電変換により蓄積される電荷を半導体基体の表面付近に蓄積することができる。このため、読み出し領域への電荷の転送を容易に行うことができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
図1に示す固体撮像素子は、画素部1、垂直駆動回路2、カラム部3、水平駆動回路4、制御回路5、水平バス6、出力回路7によって構成される。
画素は、図示しない行方向に延びた画素駆動配線によって駆動される。また、画素の信号は、アナログ信号であり、図示しない列方向に延びた垂直信号線に出力される。
図2では、本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子に形成される画素領域及び周辺回路領域から、例として画素領域に形成される1つの転送トランジスタを用いて説明する。なお、固体撮像素子には、画素領域及び周辺回路領域において、転送トランジスタ以外に複数のトランジスタが形成され、それぞれ必要に応じて2個又は3個以上のトランジスタが形成される。
なお、半導体基体10において、部分的に第1導電型半導体領域が形成される場合には、この第1導電型半導体領域上に、これらの転送トランジスタ等を形成してもよい。
従来は、トランジスタの上層に金属配線を通し、そこからゲート電極とのコンタクト部を形成して接続しなければならなかった。しかし、ゲート抵抗を下げることにより、上層配線によるコンタクト部の形成を行わずに、ゲート電極で直接配線することができる。そして、上層配線をなくして画素のメタル配線同士の間隔を広く配置することにより、画素の開口を広くして感度を上昇させることができる。また、上層の配線層の数を減らすことにより、開口部から信号蓄積領域までの距離を短くすることができ、斜め入射する光のシェーディングや、混色を抑制することができる。
信号蓄積領域21には、最表面側に不純物として、例えば、ヒ素を用いた第2導電型半導体領域22が形成される。そして、第2導電型半導体領域22の下部に、不純物として、例えば、同じくヒ素を用いて第2導電型半導体領域22に比べて低い濃度で形成された、第2導電型半導体領域23が形成される。さらに、第2導電型半導体領域23の下部に、不純物として、例えば、リンを用いて形成した第2導電型半導体領域24が形成される。
このため、信号蓄積領域21から電子を転送する際に必要となる、ゲート電極に加える電圧を低減することができる。
さらに、上述の構成では、第2導電型半導体領域22の不純物であるヒ素が拡散し、ゲート電極12の下部まで侵入する。このため、電荷の転送をさらに容易に行うことができる。
また、信号蓄積領域21の構成は、上述の構成に限られず、例えば、ヒ素のみ若しくはリンのみを用いて形成することもできる。さらに、信号蓄積領域21では、不純物濃度を異ならせて複数の層を形成したが、この層の数は特に限定されず、1層又は2層以上の任意の層数で形成することができる。
そして、表面シールド層25のうち、第1導電型半導体領域26は、上述のゲート電極12の側壁13の下部まで延在して形成される。このため、半導体基体10の表面10Sに形成された信号蓄積領域21の表面を、第1導電型半導体領域26で覆う構成となる。
従って、信号蓄積領域21において、半導体基体10の表面10Sに存在する欠陥により発生する暗電流を防ぐことができ、白点等による欠陥画素の発生を抑制することができる。
ドレイン領域31は、例えばヒ素を不純物として使用し、第2導電型半導体領域22に比べて不純物濃度が高い第2導電型半導体領域32と、例えばリンを不純物として使用し、第2導電型半導体領域32に比べて不純物濃度が高い第2導電型半導体領域33とから構成される。
しかし、上述のESD構造を採る場合は、半導体基体10上にドレイン領域31が形成されており、熱によるわずかな不純物の拡散を除いて、半導体基体10内に第2導電型半導体領域が形成されない。このため、熱拡散によるゲート電極下部への第2導電型半導体領域の侵入を防ぐことができ、ショートチャネル効果を低減することができるので、ゲート電極長を短く設定することができる。
ゲート電極長を短くすることにより、信号蓄積領域の面積を大きくすることができ、また、画素サイズの微細化が可能である。
また、第2導電型半導体領域22、第2導電型半導体領域23、第2導電型半導体領域24は、横方向に拡散することにより、図3(b)に示す位置よりもダミー電極43側に侵入する。このため、信号蓄積領域21からの電子の転送を容易に行うことができ、転送の際に必要となるゲート電極に加える電圧を低減することができる。
また、半導体基体10の表面側に形成する第2導電型半導体領域22に、質量が比較的大きく、熱工程での拡散が小さいヒ素を使用することにより、信号蓄積領域21が、必要以上に拡散することを防止する。
このとき、光電変換領域20側の半導体層は、上述の信号蓄積領域21の表面10Sを、全面に渡って覆うように選択成長を行う。
そして、光電変換領域20側に形成した半導体層に、例えば、半導体基体10に比べて高い濃度でボロンを注入し、第1導電型半導体領域26を形成する。また、読み出し領域30側に形成した半導体層に、例えば、第2導電型半導体領域22に比べて高い濃度でヒ素を注入し、第2導電型半導体領域32を形成する。
ゲート電極の側壁が形成されていないため、選択エピタキシャル成長によって形成される半導体層は、ダミー電極43と窒化シリコン膜45の両端から形成することができる。そして、ダミー電極43の一方の端部から半導体基体10の表面に形成した、信号蓄積領域21の直上に、第1導電型半導体領域26を形成することができる。
このとき、第1導電型半導体領域26は、拡散のため、図に示した半導体基体10とエピタキシャル成長層との界面よりも、よりわずかに半導体基体10側に侵入する。このため、半導体基体10の界面に存在する欠陥が、信号蓄積領域21ではなく、第1導電型半導体領域26内に存在することになる。
従って、第1導電型半導体領域26により、信号蓄積領域21界面の欠陥から発生する暗電流を防ぎ、白点等による欠陥画素の発生を抑制することができる。
そして、光電変換領域20側に形成した半導体層に、例えば、第1導電型半導体領域26に比べて高い濃度でボロン等を注入し、第1導電型半導体領域27を形成する。また、読み出し領域30側に形成した半導体層に、例えば、第2導電型半導体領域32に比べて高い濃度でリン等を注入し、第2導電型半導体領域33を形成する。
また、読み出し領域30側に、不純物濃度の異なる第2導電型半導体領域32及び33とからなり、信号蓄積領域21において蓄積された電荷を読み出すための読み出し領域であるドレイン領域31を形成する。
この場合には、第1導電型半導体領域26(又は27)及び第2導電型半導体領域32(又は33)へのイオン注入を行う必要がない。そして、この第1導電型半導体領域26及び27、第2導電型半導体領域32及び33を形成する選択エピタキシャル成長は、図示していない固体撮像素子の他のPMOSトランジスタ、NMOSトランジスタの選択エピタキシャル成長と共通の工程で行うことができる。
以上、説明した方法により、本実施の形態の固体撮像素子を製造することができる。
Claims (10)
- 半導体基体の第1導電型領域において、前記半導体基体の表面側上方に第1導電型領域を有し、前記第1導電型領域の下部に第2導電型領域を備える光電変換領域と、前記光電変換領域に蓄積された電荷を読み出し領域に転送する転送トランジスタと、を有する画素を備え、
前記光電変換領域の前記第1導電型領域は、前記転送トランジスタのゲート電極における側壁の下部に延在されて成る
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記転送トランジスタの側壁の下部に延在する前記光電変換領域の第1導電型領域が、前記半導体基体上に選択エピタキシャル成長させて形成されて成ることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記読み出し領域に設けられる第2導電型領域が、前記半導体基体上に選択エピタキシャル成長させて形成されて成ることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換領域において、前記半導体基体の表面側の第2導電型領域の不純物濃度が、深部の不純物濃度に比べて高いことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 半導体基体の第1導電型領域において、前記半導体基体上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の一端の前記半導体基体の表面に第2導電型領域を形成する工程と、前記第2導電型領域の上に選択エピタキシャル成長により半導体層を形成し、第1導電型領域を形成する工程と、
前記エピタキシャル成長により形成した前記第1導電型領域の上に、前記ゲート電極の側壁を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記ゲート電極の前記光電変換領域を設ける側とは反対側の他端に、選択エピタキシャル成長により半導体層を形成して、読み出し領域を形成する工程を有することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記光電変換領域上に選択エピタキシャル成長させる半導体層として、第1導電型又は第2導電型の半導体層を形成することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記読み出し領域を構成する選択エピタキシャル成長させる半導体層として、第1導電型又は第2導電型の半導体層を形成することを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記ゲート電極を形成する工程において、前記半導体基体上にダミー電極を形成した後、形成した前記ダミー電極をエッチングし、導電体を埋め込むことによりゲート電極を形成することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 半導体基体上に、光電変換領域と転送トランジスタと読み出し領域とを有する画素が配列された撮像領域が設けられる固体撮像素子と、
撮像対象からの光を前記固体撮像素子に導く撮像光学部と、
固体撮像素子によって撮像した画像を信号処理する信号処理部と、を具備し、
前記固体撮像素子は、
半導体基体の第1導電型領域において、前記半導体基体の表面側上方に第1導電型領域を有し、前記第1導電型領域の下部に第2導電型領域を備える光電変換領域と、前記光電変換領域に蓄積された電荷を読み出し領域に転送する転送トランジスタと、を有する画素を備え、
前記光電変換領域の前記第1導電型領域は、前記転送トランジスタのゲート電極における側壁の下部に延在されて成る
ことを特徴とする撮像装置。
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