JP2009140983A

JP2009140983A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2009140983A
Application number: JP2007313133A
Authority: JP
Inventors: Shoji Tanaka; 晶二田中; Ryohei Miyagawa; 良平宮川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】電荷蓄積時に読み出しトランジスタのゲート電極を負電圧に設定した場合においても、小型化と共に画質の向上を実現する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１１と、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタ１２と、転送トランジスタから転送される信号電荷を保持するフローティングディフュージョン部１０と、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン部３８へ転送される際の電荷転送路となる制御注入層３６とを有する複数の画素セルを含み、信号電荷の蓄積時に駆動部によって転送トランジスタ１２のゲート電位がウェル領域に対して負電位に設定される固体撮像装置において、フォトダイオード１１は、半導体基板３０の内部からその表面に到達する領域を含む領域に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の光電変換部がアレイ状に配置された固体撮像装置及びその製造方法に関する。

近年、ＭＯＳ型固体撮像装置において、小型化の要求が高まっている一方で、画質向上もまた要求されている。ＭＯＳ型固体撮像装置を小型化すると共に信号量の増加により画質を改善するためには、光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）領域における飽和電子数を増大すると共に小さな受光面積においても感度を向上させる必要がある。このため、フォトダイオードの高容量化、低ノイズ化及び高感度化の実現が必要である。

従来の固体撮像装置によると、画質を向上させる手段として、信号電荷の蓄積時における転送トランジスタのゲート電極の電位をウェル領域に対して負電位にすることにより、ゲート近傍にホールを励起させて空乏層領域を小さくし、その結果、リーク電流が減少してノイズが低減されることで、画質の改善を図るという方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−１４３４８０号公報

上述のように、従来の固体撮像装置では、転送トランジスタのゲート電極を負電圧にすることで、空乏層領域を小さくして画質の改善を図っているが、該ゲート電極の下部の領域はウェル領域と同じ導電型の半導体領域によって構成されているため、その領域が存在する分だけフォトダイオード領域が小さくなっている。その結果、フォトダイオード領域における飽和電子数が少ないと共に、光電変換時の感度が低いという問題がある。

前記に鑑み、本発明の目的は、小型化と共に画質の向上を実現する構造を備えた固体撮像装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、半導体基板に配置された複数の画素セルと、複数の画素セルの各々を駆動する駆動部とを備え、複数の画素セルの各々は、入射光を信号電荷に変換し蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタと、転送トランジスタのゲート電極を挟んでフォトダイオードと対向するように位置し、転送トランジスタから転送される信号電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、転送トランジスタのゲート電極の下部に設けられ、フォトダイオードに蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン部へ転送される際の電荷転送路となる制御注入層とを有し、信号電荷の蓄積時に、駆動部によって転送トランジスタのゲート電位が半導体基板のウェル領域に対して負電位に設定される、固体撮像装置であって、フォトダイオードは、半導体基板の内部から半導体基板の表面に到達する領域を含む領域に形成されている。

本発明の一形態に係る固体撮像装置において、フォトダイオードは、転送トランジスタのゲート電極の下部における半導体基板の表面に到達する領域を含む領域に形成されている。

本発明の一形態に係る固体撮像装置において、フォトダイオードは、半導体基板における転送トランジスタのゲート電極を挟んでフローティングディフュージョン部と対向する領域の表面に到達する領域を含む領域に形成されている。

本発明の一形態に係る固体撮像装置によると、従来の構造に比べて、フォトダイオードの領域が増大しているため、飽和電子数が増大し、光電変換領域が増大するので、光電変換時の感度が向上する。また、信号電荷の蓄積時に、駆動部により、転送トランジスタのゲート電位がウェル領域に対して負電位に設定されるため、半導体基板の表面は反転してホール（正孔）で覆われているため、界面準位等のノイズ発生源を不活性化できる。このように、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高容量化、低ノイズ化、及び高感度化を実現できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、画質を向上させる手段として、信号電荷の蓄積時における転送トランジスタのゲート電極の電位をウェル領域に対して負電位にするという駆動方法を採用することにより、ゲート近傍にホールを励起させて空乏層領域を小さくし、その結果、リーク電流が減少してノイズが低減されるこで画質の改善を図るものであって、以下で説明する構造上の特徴を有するものである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の構成を示す回路図である。

図１に示すように、固体撮像装置１００は、半導体基板（図示せず）上の撮像領域１７にマトリックス状に配置された複数の画素セル１６と、垂直駆動回路（駆動部）１８と、水平駆動回路（駆動部）１９と、信号蓄積部２０と、負荷トランジスタ群２１とを備えている。また、垂直駆動回路１８は、電源電圧を昇圧する昇圧回路１８ａを備えている。

各画素セル１３は、入射光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード部１１と、ソースがフォトダイオード部１１に接続され、フォトダイオード部１１で光電変換された信号電荷を読み出す（または転送する）転送トランジスタ１２と、転送トランジスタ１２のドレインに接続され、転送トランジスタ１２から転送された信号電荷を蓄積する浮遊拡散層（以下、フローティングディフュージョン部という）と、ドレイン側が電源２２に接続され、フローティングディフュージョン部をリセットするリセットトランジスタ１３と、ドレインが電源２２に接続されると共にゲートがフローティングディフュージョン部に接続され、フローティングディフュージョン部の信号電荷を増幅する増幅トランジスタ１４と、ドレインが増幅トランジスタ１４のソースに接続された選択トランジスタ１５とを備えている。

垂直駆動回路１８には、複数の転送トランジスタ制御線１Ａと、複数のリセットトランジスタ制御線１Ｂと、複数の垂直選択トランジスタ制御線１Ｃとが接続されている。

各転送トランジスタ制御線１Ａは、水平方向に沿って配置された各画素セル１６に設けられた転送トランジスタ１２のゲートと接続され、フォトダイオード部１１からフローティングディフュージョン部へ信号電荷を転送するための転送パルスを出力する。この転送パルスは、昇圧回路１８ａによって昇圧された電圧のパルスである。

各リセットトランジスタ制御線１Ｂは、水平方向に沿って配置された各画素セル１６に設けられたリセットトランジスタ１３と接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されている。

各垂直選択トランジスタ制御線１Ｃは、水平方向に沿って配置された各画素セル１６に設けられた垂直選択トランジスタ１５と接続するように、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に水平方向に沿って配置されており、信号を読み出す行を決定する。

負荷トランジスタ群２１には、複数の垂直信号線１Ｄが接続されている。各垂直信号線１Ｄには垂直選択トランジスタ１５のソースが接続されており、各垂直信号線１Ｄの負荷トランジスタ群２１に接続する側とは反対側の端子には、行信号蓄積部２０が接続されている。行信号蓄積部２０は、１行分の信号を取り込むためのスイッチトランジスタを含んでいる。また、行信号蓄積部２０には、水平駆動回路１９が接続されている。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の構成を示す要部断面図である。

図２に示すように、半導体基板３０における素子分離部３１によって分離された素子形成領域上に、フォトダイオード部１１、転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１３、及びフローティングディフュージョン部３８が形成されている。

フォトダイオード部１１は、半導体基板３０の表面に形成された接合深さが浅いＰ型欠陥抑制層３７と、該Ｐ型欠陥抑制層３７の下側に形成されたフォトダイオード拡散層３４とを含んでいる。ここで、フォトダイオード拡散層３４は、転送トランジスタ１２のゲート電極３２の下部における半導体基板３０の表面に露出して形成されている。

転送トランジスタ１２は、フォトダイオード部１１に隣接するように形成されており、半導体基板３０の上に図示しないゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極３２を有している。また、転送トランジスタ１２を挟んでフォトダイオード部１１と対向する領域における半導体基板３０の表面には、フローティングディフュージョン部３８が形成されている。

転送トランジスタ１２のゲート電極３２の下側における半導体基板３０の領域には、フォトダイオード部１１から転送トランジスタ１２までの読み出し電位を制御して電荷転送路となる読み出し制御注入層３６がフローティングディフュージョン部３８と隣り合って形成されている。また、フローティングディフュージョン部３８及び読み出し制御注入層３６の下部にはアンチパンチスルー層３５が形成されている。

リセットトランジスタ１３は、フローティングディフュージョン部３８を挟んで転送トランジスタ１２と対向する領域における半導体基板３０上に形成されており、図示しないゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極３３を有している。また、リセットトランジスタ１３を挟んでフローティングディフュージョン部３８と対向する領域における半導体基板３０の表面には、電源拡散層３９が形成されている。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置によると、フォトダイオード部が転送トランジスタ１２の下部における半導体基板３０の表面に露出して形成されていることにより、従来の構造に比べてフォトダイオード部の領域が増大している。このため、飽和電子数が増大し、光電変換領域が増大するので、光電変換時の感度が向上する。従って、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、高容量化、低ノイズ化、及び高感度化を実現できる。

−変形例−
図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の構成を示している。

図３に示す固体撮像装置は、上述の図２に示した固体撮像装置の構成と比較すると、フォトダイオー部１１の構成が異なっており、その他は同様の構成である。

具体的には、図３に示す固体撮像装置におけるフォトダイオード部１１では、該フォトダイオード部１１を構成するフォトダイオード拡散層３４ａが、転送トランジスタ１２のゲート電極３２の下部における半導体基板３０表面の領域から、転送トランジスタ１２のゲート電極３２におけるフローティングディフュージョン部３８と反対側の領域の半導体基板３０表面の領域まで形成されている。このように、フォトダイオード拡散層３４ａの領域が、上述した第１の実施形態におけるフォトダイオード拡散層３４の領域よりも大きく形成されていることにより、上述した第１の実施形態の構成よりも飽和電子数が増大し、感度をさらに向上させることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態では、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）〜（ｃ）、及び図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、以下では、上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置における特徴部分の製造方法を中心に説明することとする。

まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板５０上にシリコン酸化膜５１（例えば膜厚１０ｎｍ）を成長させ、該シリコン酸化膜５１の上にシリコン窒化膜５２（例えば膜厚１５０ｎｍ）をＬＰ−ＣＶＤ法（減圧式化学的気相成長）等を用いて成長させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜５２の上に、所望の領域を露出する開口部５３ａを有するレジストパターン５３を形成した後、該レジストパターン５３をマスクに用いたエッチングにより、半導体基板５０における開口部５３ａに露出した領域を除去してトレンチ５４を形成する。なお、トレンチ５４の形成は、レジストパターン５３を用いたエッチングにより、酸化膜５１及びシリコン窒化膜５２に開口部を形成した後にレジストパターン５３を除去し、開口部が形成された酸化膜５１及びシリコン窒化膜５２をハードマスクとしたエッチングにより、トレンチ５４を形成することもできる。

次に、図４（ｃ）に示すように、トレンチ５４の底部及び側壁部を酸化して酸化膜５５（例えば膜厚１５ｎｍ）を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、例えば、３０ｋｅＶの注入エネルギー、８．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、ホウ素（Ｂ）のイオン注入５６を行う。ここでは、注入角を変えながら複数回のイオン注入５６を行うことにより、ノイズを低減するための側壁層５７を形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、シリコン窒化膜５２上に、トレンチ５７の内部並びに酸化膜５１及びシリコン窒化膜５２の開口部を埋め込むように酸化膜を形成した後、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法等を用いてその表面を平坦化して素子分離部５８を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、例えばエッチング法等によってシリコン窒化膜５２を除去する。

次に、図５（ｃ）に示すように、半導体基板５０上に、該半導体基板５０におけるフォトダイオード形成領域を露出する開口部５９ａを有するレジストパターン５９を形成した後、該レジストパターン５９をマスクに用いて、例えば６００ｋｅＶの注入エネルギー、２．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、砒素（Ａｓ）のイオン注入６０を行うことにより、半導体基板５０の表面領域にフォトダイオード拡散層６１を形成する。

次に、図６（ａ）に示すように、半導体基板５０上に、該半導体基板５０におけるフォトダイオード拡散層６１と素子分離部５８との間の表面領域を露出する開口部６２ａを有するレジストパターン６２を形成した後、該レジストパターン６２をマスクに用いて、例えば１６０ｋｅＶの注入エネルギー、１．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、ホウ素（Ｂ）のイオン注入６３を行うことにより、半導体基板５０内部にアンチパンチスルー層６４を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、開口部６２ａを有するレジストパターン６２をそのまま用いて、例えば１０ｋｅＶの注入エネルギー、２．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、ホウ素（Ｂ）のイオン注入６５を行うことにより、半導体基板５０におけるアンチパンチスルー層６４の上部の表面領域に、電荷転送路となる読み出し制御注入層６６を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、酸化膜エッチング、ゲート酸化の後、シリコンがドープされてなる転送トランジスタ１２のゲート電極６７（例えば膜厚２００ｎｍ）を形成する。ここで、ゲート電極６７の下部における半導体基板５０の表面領域には、フォトダイオード拡散層６１が存在している。

次に、図７（ａ）に示すように、半導体基板５０上に、該半導体基板５０におけるフォトダイオード形成領域を露出する開口部６８ａを有するレジストパターン６８を形成した後、該レジストパターン６８及び開口部６８ａに露出するゲート電極６７をマスクに用いて、例えば６ｋｅＶの注入エネルギー、１．００×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、ホウ素（Ｂ）のイオン注入６９を行うことにより、フォトダイオード拡散層６１の表面領域に接合深さが浅いＰ型欠陥抑制層７０を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、半導体基板５０上に、該半導体基板５０における読み出し制御注入層６６の上部の領域を露出する開口部７１ａを有するレジストパターン７１を形成した後、該レジストパターン７１及び開口部７１ａに露出するゲート電極６７をマスクに用いて、燐（Ｐ）及びホウ素（Ｂ）のイオン注入７２を行うことにより、読み出し制御注入層６６の表面領域にフローティングディフュージョン部７３を形成する。具体的には、例えば５０ｋｅＶの注入エネルギー、４．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、燐（Ｐ）のイオン注入を行い、さらに、例えば３０ｋｅＶの注入エネルギー、２．０×１０^１２個／ｃｍ^２の注入ドーズ量で、ホウ素（Ｂ）のイオン注入を行う。

次に、図７（ｃ）に示すように、公知の方法により、層間絶縁膜７４中に配線７５を備える構造を形成した後、層間絶縁膜７４の上に遮光膜７６及び該遮光膜７６を覆う保護膜７７等を形成する。

なお、以上で説明した固体撮像装置の製造方法において、図６（ａ）及び（ｂ）でのレジストパターン６２を用いたイオン注入６３及び６５を行う順番は入れ替えてもよい。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によると、フォトダイオード拡散層６１を転送トランジスタのゲート電極６７における半導体基板５０の表面に露出して形成することにより、従来の構造に比べてフォトダイオード部の領域を増大させることができる。このため、飽和電子数が増大し、光電変換領域が増大するので、光電変換時の感度が向上する。従って、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法は、高容量化、低ノイズ化、及び高感度化を実現する固体撮像装置を製造することができる。

また、以上で説明した固体撮像装置の製造方法において、上述の図７（ａ）に示すレジストパターン６８の代わりとして、図８に示すように、半導体基板５０におけるフォトダイオード形成領域を露出する開口部６８ｂを有するレジストパターン６８Ｂを用いて、ホウ素（Ｂ）のイオン注入６９を行うことにより、フォトダイオード拡散層６１ａの表面領域にＰ型欠陥抑制層７０ａを形成するようにしてもよい。具体的には、ここで用いるレジストパターン６８Ｂの開口部６８ｂに露出する領域の大きさが、図７（ａ）のレジストパターン６８の開口部６８ａに露出する領域の大きさよりも、ゲート電極６７から離れる方向に向かって縮小されている。このため、該開口部６８ｂを有するレジストパターン６８Ｂを用いてイオン注入６９を行うと、フォトダイオード拡散層６１ａが、ゲート電極６７の下部の半導体基板５０表面領域から、ゲート電極６７における読み出し制御注入層６６が形成されている領域とは反対側の領域にまで露出して形成されることになる。このようにすると、フォトダイオード拡散層６１ａの領域が、上述したフォトダイオード拡散層６１の領域よりも大きく形成されていることにより、飽和電子数がさらに増大し、感度をさらに向上させることができる。

本発明に係る固体撮像装置は、リーク電流抑制のために転送トランジスタのゲート電位を基板電位に対し負電位にする場合においても、フォトダイオード領域が大きい構造であるため、飽和電子数が増大して感度特性が向上するものであって、複数の光電変換部がアレイ状に配置された固体撮像装置、並びにその駆動方法及びそれを用いたカメラにとって有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

符号の説明

１１フォトダイオード
１２転送トランジスタ
１３リセットトランジスタ
１４増幅トランジスタ
１５選択トランジスタ
１６画素セル
１７撮像領域
１８垂直駆動回路
１８ａ昇圧回路
１９水平駆動回路
２０行信号蓄積部
２１負荷トランジスタ群
２２電源
１Ａ転送トランジスタ制御線
１Ｂリセットトランジスタ制御線
１Ｃ垂直選択トランジスタ制御線
１Ｄ垂直信号線
３０、５０半導体基板
３１素子分離部
３２転送トランジスタのゲート電極
３３リセットトランジスタのゲート電極
３４、３４ａフォトダイード
３５アンチパンチスルー層
３６読み出し制御注入層（電荷転送路）
３７欠陥抑制層
３８フローティングディフュージョン部
３９電源拡散層
５１シリコン酸化膜
５２シリコン窒化膜
５３レジスト
５４トレンチ
５５酸化膜
５６イオン注入
５７欠陥注入層
５８素子分離部
５９レジスト
６０イオン注入
６１フォトダイオード拡散層
６２レジスト
６３イオン注入
６４アンチパンチスルー層
６５イオン注入
６６読み出し制御注入層（電荷転送路）
６７ゲート電極
６８、６８ａレジスト
６９イオン注入
７０、７０ａＰ型欠陥抑制層
７１レジスト
７２イオン注入
７３フローティングディフュージョン部
７４層間絶縁膜
７５配線
７６遮光膜
７７保護膜

Claims

半導体基板に配置された複数の画素セルと、前記複数の画素セルの各々を駆動する駆動部とを備え、
前記複数の画素セルの各々は、
入射光を信号電荷に変換し蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタのゲート電極を挟んで前記フォトダイオードと対向するように位置し、前記転送トランジスタから転送される前記信号電荷を保持するフローティングディフュージョン部と、
前記転送トランジスタのゲート電極の下部に設けられ、前記フォトダイオードに蓄積された前記信号電荷が前記フローティングディフュージョン部へ転送される際の電荷転送路となる制御注入層とを有し、
前記信号電荷の蓄積時に、前記駆動部によって前記転送トランジスタのゲート電位が前記半導体基板のウェル領域に対して負電位に設定される、固体撮像装置であって、
前記フォトダイオードは、前記半導体基板の内部から前記半導体基板の表面に到達する領域を含む領域に形成されている、固体撮像装置。
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記フォトダイオードは、前記転送トランジスタのゲート電極の下部における前記半導体基板の表面に到達する領域を含む領域に形成されている、固体撮像装置。
請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
前記フォトダイオードは、前記半導体基板における前記転送トランジスタのゲート電極を挟んで前記フローティングディフュージョン部と対向する領域の表面に到達する領域を含む領域に形成されている、固体撮像装置。