JP2010278303A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】固体撮像装置の信号ノイズを低減する。
【解決手段】本発明の例に係わる固体撮像装置は、第一導電型を持つ半導体層12Aと、第二導電型を持ち、半導体層12A内にアレイ状に配置され、それぞれが画素を構成する複数の拡散層13と、半導体層12A上に配置される画素トランジスタ4と、画素トランジスタ4の直下に配置され、複数の拡散層13の直下に配置されない絶縁層18とを備える。画素トランジスタ4は、それが電気的に接続される画素とは別の画素の間に配置される。
【選択図】図3
【解決手段】本発明の例に係わる固体撮像装置は、第一導電型を持つ半導体層12Aと、第二導電型を持ち、半導体層12A内にアレイ状に配置され、それぞれが画素を構成する複数の拡散層13と、半導体層12A上に配置される画素トランジスタ4と、画素トランジスタ4の直下に配置され、複数の拡散層13の直下に配置されない絶縁層18とを備える。画素トランジスタ4は、それが電気的に接続される画素とは別の画素の間に配置される。
【選択図】図3
Description
本発明は、固体撮像装置に関する。
固体撮像装置の一つにCMOSイメージセンサーが知られている。CMOSイメージセンサーは、単一電源、低電圧駆動、低消費電力などの特徴を有する。CMOSイメージセンサーは、CCDと同様に、多画素化、微細化され、同一基板上にフォトダイオード(光電変換素子)とトランジスタとが形成される。
また、CMOSイメージセンサーでは、光電変換素子により発生した信号電荷で信号電荷蓄積部の電位を変調し、その電位により画素内部の増幅トランジスタを変調させることで、画素内部に増幅機能を実現する。
CMOSイメージセンサーにおいて、画素内のフォトダイオードの電気的分離(electrical isolation)をきちんと行うことは、信号ノイズの低減にとって非常に重要となる。例えば、フォトダイオードがN型エピタキシャル層とP型拡散層から構成される場合、この電気的分離は、P型拡散層を取り囲むP型拡散層によって実現する(例えば、特許文献1を参照)。
しかし、この電気的分離を行っても、信号ノイズが発生する場合がある。
具体的には、フォトダイオードから信号を読み出すための画素トランジスタは、読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタから構成され、これらは、P型拡散層上に形成される。
このような構造において、フォトダイオードに対して光が斜めに入射されると、P型拡散層(電界が零の中性領域)内で電子が発生することがある。
このP型拡散層内で発生した電子は、拡散によって移動し、ある確率で、本来その電子を検出しなければならない画素トランジスタとは別の画素トランジスタ(例えば、読み出しトランジスタの検出部)に進入し、信号ノイズとなる。
本発明は、固体撮像装置の信号ノイズを低減する技術を提案する。
本発明の例に係る固体撮像装置は、第一導電型を持つ半導体層と、第二導電型を持ち、前記半導体層内にアレイ状に配置され、それぞれが画素を構成する複数の拡散層と、前記半導体層上に配置される画素トランジスタと、前記画素トランジスタの直下に配置され、前記複数の拡散層の直下に配置されない絶縁層とを備え、前記画素トランジスタは、それが電気的に接続される画素とは別の画素の間に配置される。
本発明によれば、固体撮像装置の信号ノイズを低減することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
ここでは、固体撮像装置の例として、CMOSイメージセンサーを挙げる。
ここでは、固体撮像装置の例として、CMOSイメージセンサーを挙げる。
1. デバイス構造
(1) 平面図
図1は、CMOSイメージセンサーの平面図を示している。
(1) 平面図
図1は、CMOSイメージセンサーの平面図を示している。
チップ1内には、CMOSイメージセンサーの主要部を構成する画素エリア(pixel area)PAが配置される。画素エリアPA以外のエリアは、周辺回路エリアである。
画素エリアPAは、複数の画素から構成される。
画素エリアPAは、複数の画素から構成される。
図2は、図1の画素エリアPA内の一部分Xを詳細に示している。
複数の画素2A,2B,2C,2Dは、アレイ状に配置される。各々の画素2A,2B,2C,2Dは、例えば、光電変換素子としてのフォトダイオードから構成される。
複数の画素2A,2B,2C,2Dの間のエリアには、フォトダイオードから信号を読み出すための画素トランジスタ4が配置される。本例では、画素トランジスタ4は、二つの画素2A,2Bに対して一つ設けられる。
画素トランジスタ4は、例えば、直列接続される読み出しトランジスタ5、リセットトランジスタ6及び増幅トランジスタ7から構成される。これらトランジスタは、例えば、FET(field effect transistor)から構成される。
読み出しトランジスタ5は、ゲート8を、リセットトランジスタ6は、ゲート9を、増幅トランジスタ7は、ゲート10を、それぞれ有する。
画素トランジスタ4の直下には、複数の画素2A,2B,2C,2Dの電気的分離を行うための拡散層が配置される。
ここで、画素2A,2Bの画素トランジスタ4は、画素2A,2Bの端部から、画素2A,2Bとは異なる別の画素2C,2Dの間に向かって配置される。
従って、このようなレイアウトを採用すると、例えば、画素2C,2Dに対して斜めに入射された光によって拡散層内に発生した電子が、画素2A,2Bの画素トランジスタ4に進入し、信号ノイズとなる可能性がある。
そこで、以下、その信号ノイズを防止するためのデバイス構造について説明する。
(2) 断面図
図3は、デバイス構造の第1例を示している。
同図は、図2のII-II線に沿う断面図である。
図3は、デバイス構造の第1例を示している。
同図は、図2のII-II線に沿う断面図である。
P型半導体基板(P-sub)11上には、N型エピタキシャル層(N-epi)12Aが配置される。N型エピタキシャル層12A内には、N+型拡散層13が配置される。フォトダイオードは、P型半導体基板11、N型エピタキシャル層12A及びN+型拡散層13から構成される。
また、N型エピタキシャル層12A内には、P+型拡散層14及びP型ウェル領域20が配置される。P+型拡散層14は、フォトダイオードを取り囲み、フォトダイオードの電気的分離を実現する。
P+型拡散層14上のP型ウェル領域20上には、画素(フォトダイオード)2Aから信号を読み出すための画素トランジスタ4が配置される。
画素トランジスタ4は、例えば、直列接続される読み出しトランジスタ5、リセットトランジスタ6及び増幅トランジスタ7から構成される。これらトランジスタは、例えば、Nチャネル型FETから構成される。
読み出しトランジスタ5は、ゲート8を、リセットトランジスタ6は、ゲート9を、増幅トランジスタ7は、ゲート10を、それぞれ有する。
N型拡散層15,16,17は、それぞれ、画素トランジスタ4のソース/ドレインとなる。そのうち、読み出しトランジスタ5のドレインとなるN型拡散層15は、特に検出部と呼ばれる。検出部としてのN型拡散層15は、増幅トランジスタ7のゲート10に電気的に接続される。
ここで、本例では、画素トランジスタ4とP+型拡散層14との間に、絶縁層18が配置される。絶縁層18は、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物などから構成される。
この絶縁層18は、例えば、図2の画素2C,2Dに対して斜めに入射された光によってP+型拡散層14内に発生した電子が、画素2Aの画素トランジスタ4に進入し、信号ノイズとなる可能性を排除する。
即ち、P+型拡散層14内に発生した電子が画素2Aの画素トランジスタ4に進入することがないため、信号ノイズを低減することができる。
また、絶縁層18が存在することにより、P+型拡散層14内に発生した電子は、本来それを検出しなければならない画素(N+型拡散層)内に戻ると考えられるため、フォトダイオードの感度の向上にも貢献できる。
ところで、本例では、画素2Aの直下には、絶縁層18が配置されない。
これは、フォトダイオードを構成するN+型拡散層13を十分に深くし、フォトダイオードの感度を向上させるためである。
具体的には、N+型拡散層13の底面は、絶縁層18の上面よりも低い位置に形成される。
尚、N型エピタキシャル層12Aは、P型エピタキシャル層であってもよい。
以上、説明したように、デバイス構造の第1例によれば、固体撮像装置としてのCMOSイメージセンサーの信号ノイズを低減することができる。
図4は、デバイス構造の第2例を示している。
同図は、図2のII-II線に沿う断面図である。
同図は、図2のII-II線に沿う断面図である。
P型半導体基板(P-sub)11内には、P型ウェル領域(P-well)12Bが配置される。P型ウェル領域12B内には、N+型拡散層13が配置される。フォトダイオードは、P型ウェル領域12B及びN+型拡散層13から構成される。
P型ウェル領域12B上には、画素(フォトダイオード)2Aから信号を読み出すための画素トランジスタ4が配置される。
画素トランジスタ4は、例えば、直列接続される読み出しトランジスタ5、リセットトランジスタ6及び増幅トランジスタ7から構成される。これらトランジスタは、例えば、FETから構成される。
読み出しトランジスタ5は、ゲート8を、リセットトランジスタ6は、ゲート9を、増幅トランジスタ7は、ゲート10を、それぞれ有する。
N型拡散層15,16,17は、それぞれ、画素トランジスタ4のソース/ドレインとなる。そのうち、読み出しトランジスタ5のドレインとなるN型拡散層15は、特に検出部と呼ばれる。検出部としてのN型拡散層15は、増幅トランジスタ7のゲート10に電気的に接続される。
ここで、本例では、画素トランジスタ4とP型ウェル領域12Bとの間に、絶縁層18が配置される。絶縁層18は、酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物などから構成される。
この絶縁層18は、例えば、図2の画素2C,2Dに対して斜めに入射された光によってP型ウェル領域12B内に発生した電子が、画素2Aの画素トランジスタ4に進入し、信号ノイズとなる可能性を排除する。
即ち、P型ウェル領域12B内に発生した電子が画素2Aの画素トランジスタ4に進入することがないため、信号ノイズを低減することができる。
また、絶縁層18が存在することにより、P型ウェル領域12B内に発生した電子は、本来それを検出しなければならない画素(N+型拡散層)内に戻ると考えられるため、フォトダイオードの感度の向上にも貢献できる。
ところで、本例では、画素2Aの直下には、絶縁層18が配置されない。
これは、フォトダイオードを構成するN+型拡散層13を十分に深くし、フォトダイオードの感度を向上させるためである。
具体的には、N+型拡散層13の底面は、絶縁層18の上面よりも低い位置に形成される。
以上、説明したように、デバイス構造の第2例によれば、固体撮像装置としてのCMOSイメージセンサーの信号ノイズを低減することができる。
第1例及び第2例は、表面照射型CMOSイメージセンサー及び裏面照射型CMOSイメージセンサーの双方に適用可能である。
表面照射型CMOSイメージセンサーでは、光は、画素トランジスタ4が形成される側の面から入射する。これに対し、裏面照射型CMOSイメージセンサーでは、光は、画素トランジスタ4が形成される側の面とは反対側の面から入射する。
裏面照射型では、フォトダイオードに入射される光が、画素トランジスタ4上に形成される配線(interconnect)などの障害物の影響を受けないため、開口率を向上できるという特徴を有する。
また、裏面照射型では、P+型拡散層14内に発生する電子の量が多くなると考えられるため、本発明は、特に、裏面照射型に適用するのが有効である。
2. 製造方法
図3及び図4のデバイス構造を有する固体撮像装置の製造方法について説明する。
図3及び図4のデバイス構造を有する固体撮像装置の製造方法について説明する。
(1) 図3のデバイス構造
まず、図5に示すように、エピタキシャル成長により、P型半導体基板(P-sub)11上に厚さ約3μmのN型エピタキシャル層(半導体層)12Aを形成する。
まず、図5に示すように、エピタキシャル成長により、P型半導体基板(P-sub)11上に厚さ約3μmのN型エピタキシャル層(半導体層)12Aを形成する。
次に、N型エピタキシャル層12A上にマスク材(例えば、レジスト)を形成し、これをマスクにして、酸素(O)イオンを、例えば、加速エネルギー300KV、ドーズ量1×1015〜1×1016cm−2でイオン注入する。
この後、マスク材を剥離する。マスク材がレジストから構成される場合は、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてレジストの剥離を行う。
続いて、例えば、温度1150℃、時間30分の熱処理を行い、N型エピタキシャル層12A内に部分的に絶縁層18を形成する。絶縁層18の深さは、例えば、N型エピタキシャル層12Aの表面から絶縁層18の上面までの幅が約0.5μmとなるように設定される。
尚、本例では、絶縁層18は、酸化シリコンとなるが、これに代えて、例えば、窒素イオンや炭素イオンなどを注入することにより、窒化シリコン、炭化シリコンなどとしても構わない。
次に、N型エピタキシャル層12A内にN+型拡散層13を形成し、光電変換素子としてのフォトダイオードを形成する。
N+型拡散層13は、N型エピタキシャル層12A上に再びマスク材(例えば、レジスト)を設け、かつ、これをマスクにして、リン(P)イオンを、例えば、加速エネルギー150KV、ドーズ量1.3×1012cm−2でイオン注入することにより形成する。
フォトダイオードの高感度化のため、N+型拡散層13の底面は、絶縁層18の上面よりも低い位置に形成される。
この後、マスク材を剥離する。マスク材がレジストから構成される場合は、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてレジストの剥離を行う。
次に、N型エピタキシャル層12A内にP+型拡散層14及びP型ウェル領域20を形成し、光電変換素子としてのフォトダイオードの電気的分離を行う。
P+型拡散層14は、N型エピタキシャル層12A上に再びマスク材(例えば、レジスト)を設け、かつ、これをマスクにして、ボロン(B)イオンを、例えば、加速エネルギー400KV,800KV,1200KV,1600KV,2000KV,2400KV、ドーズ量1×1012cm−2で、それぞれイオン注入することにより形成する。
次に、図3に示すように、絶縁層18上のP型ウェル領域20上に画素トランジスタ4を形成する。
まず、P型ウェル領域20上に、読み出しトランジスタ5のゲート8、リセットトランジスタ6のゲート9及び増幅トランジスタ7のゲート10をそれぞれ形成する。
この後、P型ウェル領域20上にマスク材(例えば、レジスト)を設け、かつ、ゲートセルフアラインにより、リン(P)イオンを、例えば、加速エネルギー20KV、ドーズ量1.3×1012cm−2でP型ウェル領域20内にイオン注入する。
これにより、絶縁層18上のP型ウェル領域20上に画素トランジスタ4が形成される。
以上の工程により図3のデバイス構造が完成する。
(2) 図4のデバイス構造
まず、図6に示すように、P型半導体基板(P-sub)11内にP型ウェル領域12Bを形成する。
まず、図6に示すように、P型半導体基板(P-sub)11内にP型ウェル領域12Bを形成する。
次に、P型ウェル領域12B上にマスク材(例えば、レジスト)を形成し、これをマスクにして、酸素(O)イオンを、例えば、加速エネルギー300KV、ドーズ量1×1015〜1×1016cm−2でイオン注入する。
この後、マスク材を剥離する。マスク材がレジストから構成される場合は、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてレジストの剥離を行う。
続いて、例えば、温度1150℃、時間30分の熱処理を行い、P型ウェル領域12B内に部分的に絶縁層18を形成する。絶縁層18の深さは、例えば、P型ウェル領域12Bの表面から絶縁層18の上面までの幅が約0.5μmとなるように設定される。
尚、本例では、絶縁層18は、酸化シリコンとなるが、これに代えて、例えば、窒素イオンや炭素イオンなどを注入することにより、窒化シリコン、炭化シリコンなどとしても構わない。
次に、P型ウェル領域12B内にN+型拡散層13を形成し、光電変換素子としてのフォトダイオードを形成する。
N+型拡散層13は、P型ウェル領域12B上に再びマスク材(例えば、レジスト)を設け、かつ、これをマスクにして、リン(P)イオンを、例えば、加速エネルギー150KV、ドーズ量1.3×1012cm−2でイオン注入することにより形成する。
フォトダイオードの高感度化のため、N+型拡散層13の底面は、絶縁層18の上面よりも低い位置に形成される。
この後、マスク材を剥離する。マスク材がレジストから構成される場合は、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてレジストの剥離を行う。
次に、図4に示すように、絶縁層18上のP型ウェル領域12B上に画素トランジスタ4を形成する。
まず、P型ウェル領域12B上に、読み出しトランジスタ5のゲート8、リセットトランジスタ6のゲート9及び増幅トランジスタ7のゲート10をそれぞれ形成する。
この後、P型ウェル領域12B上にマスク材(例えば、レジスト)を設け、かつ、ゲートセルフアラインにより、リン(P)イオンを、例えば、加速エネルギー20KV、ドーズ量1.3×1012cm−2でP型ウェル領域12B内にイオン注入する。
これにより、絶縁層18上のP型ウェル領域12B上に画素トランジスタ4が形成される。
以上の工程により図4のデバイス構造が完成する。
3. 適用例
(1) 裏面照射型CMOSイメージセンサー(back illuminated imager)
図7及び図8は、裏面照射型CMOSイメージセンサーを示している。
図7のデバイス構造は、図3のデバイス構造に対応し、図8のデバイス構造は、図4のデバイス構造に対応する。
(1) 裏面照射型CMOSイメージセンサー(back illuminated imager)
図7及び図8は、裏面照射型CMOSイメージセンサーを示している。
図7のデバイス構造は、図3のデバイス構造に対応し、図8のデバイス構造は、図4のデバイス構造に対応する。
これらデバイス構造の特徴は、画素トランジスタ4が形成される側の層間絶縁層19上に半導体基板11Bが貼り付けられている点にある。この場合、画素トランジスタ4が形成される側とは反対側の半導体基板11Aは、CMPなどの方法により研磨され、薄膜化される。
裏面照射型CMOSイメージセンサーでは、光は、半導体基板11A側から入射されるため、開口率を決めるに当たり、画素トランジスタ4上に形成される配線などの障害物を考慮する必要がない。
4. 変形例
本発明に係わる固体撮像装置は、CMOSイメージセンサーの他、CCDなどの撮像装置に適用することも可能である。
本発明に係わる固体撮像装置は、CMOSイメージセンサーの他、CCDなどの撮像装置に適用することも可能である。
上述の例では、画素トランジスタは、NチャネルFETから構成され、フォトダイオードは、P型半導体基板とN型エピタキシャル層(N+型拡散層)から構成される。
本発明に係わる固体撮像装置は、このような導電型構成に限定されるものではなく、例えば、その逆導電型デバイスにも適用可能である。
5. むすび
本発明によれば、固体撮像装置の信号ノイズを低減することができる。
本発明によれば、固体撮像装置の信号ノイズを低減することができる。
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1: チップ、 2A.2B,2C,2D: 画素(フォトダイオード)、 4: 画素トランジスタ、 5: 読み出しトランジスタ、 6: リセットトランジスタ、 7: 増幅トランジスタ、 8,9,10: ゲート、 11,11A,11B: 半導体基板、 12A: エピタキシャル層、 12B,20: ウェル領域、 13: 拡散層(光電変換部)、 14: 拡散層(埋め込み拡散層)、 15,16,17: 拡散層(ソース/ドレイン)、 18: 絶縁層(埋め込み絶縁層)、 19: 層間絶縁層。
Claims (5)
- 第一導電型を持つ半導体層と、第二導電型を持ち、前記半導体層内にアレイ状に配置され、それぞれが画素を構成する複数の拡散層と、前記半導体層上に配置される画素トランジスタと、前記画素トランジスタの直下に配置され、前記複数の拡散層の直下に配置されない絶縁層とを具備し、前記画素トランジスタは、それが電気的に接続される画素とは別の画素の間に配置されることを特徴とする固体撮像装置。
- 前記複数の拡散層の底面は、前記絶縁層の上面よりも低い位置に配置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。
- 前記半導体層は、半導体基板上のエピタキシャル層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
- 前記半導体層は、半導体基板内のウェル領域であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
- 前記半導体層上に配置され、前記画素トランジスタを覆う層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に配置される半導体基板とをさらに具備し、光は、前記半導体層の前記画素トランジスタが配置される側とは反対側から入射されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
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