JP2011049446A - 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】読み出し距離を縮小し、残像を低減できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】１画素を構成するフォトダイオード２２の領域内に、読み出しトランジスタの読み出しゲート電極２３と、読み出しゲート電極２３に囲まれたフローティングディフージョン部２４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＯＳ型の固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えたカメラ等の電子機器に関する。
固体撮像装置として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等のＭＯＳ型イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置が知られている。また、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置が知られている。これら固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。近年、カメラ付き携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器に搭載される固体撮像装置としては、電源電圧が低く、消費電力の観点などからＭＯＳ型イメージセンサが多く用いられている。
ＭＯＳ型の固体撮像装置（以下、ＭＯＳ固体撮像装置という）は、光電変換部となるフォトダイオードと複数の画素トランジスタからなる複数の画素が２次元アレイ状に配列されて構成される。最近では、画素の微細化に伴い、１画素当りの画素トランジスタの占める面積を抑制するために、画素トランジスタの一部を複数の画素で共有させた、いわゆる複数画素共有構造が提案されている。複数画素共有構造は、１画素当りのフォトダイオードの面積が大きく取れるので、感度の向上が図れる。例えば、特許文献１〜３には、２画素共有構造の固体撮像装置が開示されている。特許文献４には、２×２画素共有構造の固体撮像装置が開示されている。
図２３に、２画素共有構造のＭＯＳ固体撮像装置の構成例を示す。この固体撮像装置１０１は、１つのフローティングディフージョン部（ＦＤ）１０２を挟んで２つの光電変換部となるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が対向して配列される。各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２とフローティングディフージョン部１０２間には、それぞれゲート絶縁膜を介して読み出しゲート電極１０３、１０４が形成される。この読み出しゲート電極１０３，１０４、フローティングディフージョン部１０２を有して、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に接続される読み出しトランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２が構成される。この２画素のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を１共有単位として、これが２次元アレイ状に配列される。１共有単位毎に、共通のリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３、選択トランジスタＴｒ４が配列される。
リセットトランジスタＴｒ２は、一対のソース・ドレイン領域１０５及び１０６と、リセットゲート電極１０９を有して形成される。増幅トランジスタＴｒ３は、一対のソース・ドレイン領域１０６及び１０７と、増幅ゲート電極１１０を有して形成される。選択トランジスタＴｒ４は、一対のソース・ドレイン領域１０７及び１０８と、選択ゲート電極１１１を有して形成される。これら読み出しトランジスタＴｒ１１及びＴｒ１２、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３、選択トランジスタＴｒ４が、いわゆる画素トランジスタとなる。
図示しないが、フローティングディフージョン部１０２が、増幅ゲート電極１１０とリセットトランジスタＴｒ２の一方のソース・ドレイン領域１０５に接続される。他方のソース・ドレイン領域１０６が電源ＶＤＤに接続される。また、選択トランジスタＴｒ４の一方のソース・ドレイン領域１０８が垂直信号線に接続される。
一方、ＭＯＳ固体撮像装置として、多層配線、画素トランジスタが形成される面とは反対側の基板裏面側を受光面とした裏面照射型の固体撮像装置が、特許文献５等で知られている。
特開２００４−１７２９５０号公報 特開２００６−５４２７６号公報 特開２００６−１５７９５３号公報 特開２００９−１３５３１９号公報 特開２００３−３１７８５号公報
従来、ＭＯＳ固体撮像装置においては、フローティングディフージョン部及び読み出しゲート電極を含む読み出しトランジスタを、フォトダイオードの端部に隣接して形成されるのが通常であった（例えば、図２３参照）。このような構成では、フォトダイオードの信号電荷をフローティングディフージョン部に読み出す際、読み出しゲート電極から遠い対角に位置する部分の信号電荷が読み出し難く、読み残しが生じる懼れがあった。いわゆる読み出し距離Ｄ０に起因して残像が生じやすかった。そこで、従来は、信号電荷の読み残しが生じないように、読み出しゲート電圧を高く設定し、ポテンシャル変調が遠くまで及ぶようにして、全ての電荷を読み出すようにしていた。あるいは、飽和信号電荷量Ｑｓ自体を低くして読み出し易くしていた。例えば、フォトダイオードのｎ型電荷蓄積領域におけるｎ型注入不純物濃度を低濃度化することにより、飽和信号電荷量Ｑｓ自体を低くすることができる。
例えば、一眼レフカメラで用いる画素等のように、大きな画素サイズの固体撮像装置では、信号電荷の読み残しを無くすために、読み出しゲート電圧、従って電源電圧をより高くする必要があった。
本発明は、上述の点に鑑み、読み出し距離を縮小し、残像を低減できる固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。
本発明に係る固体撮像装置は、１画素を構成するフォトダイオードの領域内に、読み出しトランジスタの読み出しゲート電極と、読み出しゲート電極に囲まれたフローティングディフージョン部とを有する。
本発明の固体撮像装置では、１画素を構成するフォトダイオードの領域内に、読み出しゲート電極と、読み出しゲート電極にかこまれたフローティングディフージョン部が形成される。この構成によって、フォトダイオードの周端からフローティングディフージョン部までの読み出し距離が短縮される。また、フォトダイオードの信号電荷を読み出す際に、信号電荷が読み出しゲート電極の周囲からフローティングディフージョン部へ読み出される。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、１画素のフォトダイオードを構成する第１導電型半導体領域の表面にゲート絶縁膜を介して読み出しゲート電極を形成する工程を有する。次に、読み出しゲート電極をマスクにしてセルフアラインにより、読み出しゲート電極に囲まれた第１導電型半導体領域の表面側に第２導電型不純物をイオン注入する工程を有する。次に、熱処理して第２導電型不純物を拡散し、第２導電型の半導体ウェル領域を形成する工程を有する。さらに、読み出しゲート電極の端部にサイドウォールを形成する工程を有する。次に、サイドウォールをマスクにしてセルフアラインにより、第１導電型不純物をイオン注入し、第２導電型の半導体ウェル領域内に第１導電型のフローティングディフージョン部を形成する工程を有する。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、フォトダイオードの領域内の半導体ウェル領域及びフローティングディフージョン部が読み出しゲート電極をマスクとしたセルフアラインで形成される。
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置のフォトダイオードに入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える。固体撮像装置は、１画素を構成するフォトダイオードの領域内に、読み出しトランジスタの読み出しゲート電極と、読み出しゲート電極に囲まれたフローティングディフージョン部とを有する。
本発明の電子機器では、上記固体撮像装置を備えることにより、固体撮像装置におけるフォトダイオードの信号電荷がフローティングディフージョン部へ読み出し易くなる。
本発明に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオードの周端からフローティングディフージョン部までの読み出し距離が短縮されるので、信号電荷が読み出し易くなり、残像を低減することができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、半導体ウェル領域、フローティングディフージョン部をセルフアラインで形成できるので、上記の信号電荷が読み出し易い固体撮像装置を高精度に製造することができる。
本発明に係る電子機器によれば、固体撮像装置でのフォトダイオードの信号電荷が読み出し易くなり、残像が低減するので、画質の向上が図られ、高品質の電子機器を提供することができる。
本発明に適用されるＭＯＳ固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す要部の概略構成図である。 図２のＡ−Ａ線上の断面図である。 本発明に係るフォトダイオードと読み出しゲート電極とフローティングディフージョン部のパターンの他の例を示す概略平面図である。 本発明に係るフォトダイオードと読み出しゲート電極とフローティングディフージョン部のパターンの他の例を示す概略平面図である。 本発明に係るフォトダイオードと読み出しゲート電極とフローティングディフージョン部のパターンの他の例を示す概略平面図である。 本発明に係るフォトダイオードと読み出しゲート電極とフローティングディフージョン部のパターンの他の例を示す概略平面図である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その１）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その２）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その３）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その４）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その５）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その６）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その７）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その８）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その９）である。 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その１０）である。 本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す要部の構成図である。 図１８のＢ−Ｂ線上の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す要部の概略構成図である。 第３実施の形態の１共有単位の等価回路図である。 本発明に係る電子機器の実施の形態を示す概略構成図である。 従来の固体撮像装置の例を示す要部の概略構成図である。
以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．ＭＯＳ固体撮像装置の概略構成例
２．第１実施の形態（固体撮像装置の構成例とその製造方法）
３．第２実施の形態（固体撮像装置の構成例）
４．第３実施の形態（固体撮像装置の構成例）
５．第４実施の形態（固体撮像装置の構成例）
６．第５実施の形態（電子機器の構成例）
＜１．ＭＯＳ固体撮像装置の概略構成例＞
図１に、本発明の各実施の形態に適用されるＣＭＯＳ固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例の固体撮像装置１は、図１に示すように、半導体基板１１例えばシリコン基板に複数の光電変換部となるフォトダイオードを含む複数の画素２が規則的に２次元的に配列された画素部（いわゆる撮像領域）３と、周辺回路部とを有して構成される。画素２は、フォトダイオードと、複数の画素トランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）を有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの３つのトランジスタで構成することができる。その他、選択トランジスタを追加して４つのトランジスタで画素トランジスタを構成することもできる。画素部３は、１つのフォトダイオードと複数の画素トランジスタからなる単位画素を２次元アレイ状に配列して構成することができる。また、画素部３は、前述した複数画素共有構造を単位として、この複数画素共有構造を２次元アレイ状に配列して構成することもできる。
周辺回路部は、垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８などを有して構成される。
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力する。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換素子となる例えばフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基く画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、画素２の例えば列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路５は、画素２固有の固定パターンノイズを除去するためのＣＤＳや、信号増幅、ＡＤ変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０との間に接続されて設けられる。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１２は、外部と信号のやりとりをする。
上記の固体撮像装置１を、表面照射型の固体撮像装置に適用する場合は、画素部３及び周辺回路部が形成された基板の表面側の上方に、層間絶縁膜を介して複数層の配線を有する複数配線層が形成される。画素部３では、複数配線層の上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタ、さらにその上にオンチップマイクロレンズが形成される。
上記の固体撮像装置１を、裏面照射型の固体撮像装置に適用する場合は、光入射面（いわゆる受光面）側の基板裏面上には複数配線層はない。複数配線層は受光面と反対側の表面側に形成される。光入射面側の基板裏面上に絶縁膜を介してオンチップカラーフィルタ、その上にオンチップマイクロレンズが形成される。
＜２．第１実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
図２及び図３に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちＭＯＳ固体撮像装置の第１実施の形態を示す。図２は、１画素を構成するフォトダイオード、フローティングディフージョン部及び読み出しトランジスタを含む基本の概略平面構造（レイアウト）を示し、図３は、図２のＡ−Ａ線上の概略断面構造を示す。本実施の形態は、裏面照射型の固体撮像装置に適用した例である。
第１実施の形態に係る固体撮像装置２１は、図２に示すように、１画素を構成するフォトダイオード（ＰＤ）２２の領域内に、読み出しトランジスタＴｒ１の読み出しゲート電極２３と、フローティングディフージョン部（ＦＤ）２４を有して構成される。フローティングディフージョン部２４は、読み出しゲート電極２３に囲まれた中に形成される。つまり、平面のレイアウトで見ると、フローティングディフージョン部２４を囲むように読み出しゲート電極２３が形成され、読み出しゲート電極２３を囲むようにフォトダイオード２２が形成される。フォトダイオード２２の周囲には、素子分離領域、本例ではｐ型半導体による素子分離領域２５が形成される。
読み出しトランジスタＴｒ１以外の画素トランジスタは、図示しないが、フォトダイオード２２の外側に形成される。この読み出しゲート電極２３及びフローティングディフージョン部２４を内側に含むフォトダイオード２２が、２次元アレイ状に配列されて画素部が構成される。
読み出しゲート電極２３は、フローティングディフージョン部２３を取り囲むような同じ幅の環状に形成することが好ましい。さらには、読み出しゲート電極２３は、図２に示すように、同じは幅（いわゆるゲート長）Ｌの円環状に形成することが好ましい。読み出しゲート電極２３は、フォトダイオード２２の領域の中央部に形成し、フローティングディフージョン部２４をフォトダイオード２２の光学中心に形成することが好ましい。読み出しゲート電極２３がフォトダイオード２２の領域の中央部に配置することにより、フォトダイオード２２の周囲全体の端部からフローティングディフージョン部２４の端縁までの読み出し距離Ｄ１が短くなる。読み出しゲート電極２３がフォトダイオード２２の領域の中央部に形成するときは、フォトダイオード２２の領域が正方形であっても、フォトダイオード２２の周囲の各端部からフローティングディフージョン部２４の端縁までの読み出し距離Ｄ１がほぼ均等になる。
本実施の形態では、図３の断面構造に示すように、フォトダイオード２２の表面側に、フォトダイオード２２に囲まれた半導体ウェル領域が形成され、この半導体ウェル領域に囲まれてフローティングディフージョン部２４が形成される。そして、この固体撮像装置２１は、読み出しゲート電極２３が形成され面とは反対側の基板裏面から光が入射される裏面照射型の固体撮像装置として構成される。従って、フォトダイオード２２の面積は、読み出しゲート電極２３及びフローティングディフージョン部２４の形成領域の下部、つまり読み出しトランジスタＴｒ１の下部を含む全域となる。
図３の断面構造を説明する。本実施の形態では、第１導電型、本例ではｎ型の半導体基板３１の画素部を形成する領域に、素子分離領域２５が形成されて各画素のフォトダイオード２２の領域が区画される。素子分離領域２５は、半導体基板３１の表面から深さ方向の裏面に渡って第２導電型、本例ではｐ型半導体領域で形成される。フォトダイオード２２は、素子分離領域２５で区画された半導体基板３１によるｎ型半導体領域３３と基板表面側の高不純物濃度のｐ型半導体領域３４で形成される。基板裏面にも高不純物濃度のｐ型半導体領域３５が形成される。これらｐ型半導体領域３４，３５は、絶縁膜との界面で発生する暗電流をも抑制する。
各フォトダイオード２２の領域の表面側の中央部にｎ型半導体領域３３にて囲まれるようにｐ型半導体ウェル領域３６が形成される。さらに、ｐ型半導体ウェル領域３６の表面中央に、ｐ型半導体ウェル領域３６に囲まれるようにｎ型半導体領域によるフローティングディフージョン部２４が形成される。
ｐ型半導体ウェル領域３６の下部は、周囲のｐ型半導体ウェル領域３６の不純物拡散の影響で、ｎ型半導体領域３３よりも低濃度のｎ型領域３７に形成される。基板表面側がフォトダイオード２２の電荷蓄積領域３８となる。電荷蓄積領域３６は、ｎ型半導体領域３３の他部よりは不純物濃度の高いｎ型領域で形成される。
ｎ型の電荷蓄積領域３８とフローティングディフージョン部２４との間のｐ型半導体ウェル領域３６及びｎ型半導体領域３３の表面側が読み出しゲートのチャネル領域４１に相当する。このチャネル領域４１上に、フローティングディフージョン部２４を取り囲むように、ゲート絶縁膜４２を介して例えばｐ型あるいはｎ型のポリシリコンによる読み出しゲート電極２３が形成される。読み出しゲート電極２３の側面にはサイドウォール４３が形成される。サイドウォール４３は、絶縁膜４４とその上のｐ型あるいはｎ型のポリシリコン膜４５とにより形成することができる。サイドウォール４３は、フローティングディフージョン部２４側だけ、あるいはフローティングディフージョン部２４側とフォトダイオード側２２の双方を絶縁膜で形成することもできる。フォトダイオード２２のｎ型の電荷蓄積領域３８をソース領域とし、ｎ型のフローティングディフージョン部２４をドレイン領域とし、読み出しゲート電極２３を有して、読み出しトランジスタＴｒ１が形成される。
フォトダイオード２２は、フローティングディフージョン部２４を取り囲むｐ型半導体ウェル領域３６の下部を含んで、ｐ型半導体領域による素子分離領域２５で区画された領域の全域がフォトダイオード２２として構成される。本実施の形態では、主たる光電変換部は、フォトダイオード２２であるが、フローティングディフージョン部２４及びｐ型半導体ウェル領域３６も光電変換領域として作用する。
図示しないが、読み出しトランジスタＴｒ１以外の他の画素トランジスタは、フォトダイオード２２の外側のｐ型半導体ウェル領域に形成される。また、読み出しトランジスタＴｒ１を含む画素トランジスタが形成される基板表面側の上部には、層間絶縁膜を介して複数層の配線を配置してなる多層配線層が形成される。さらにこの多層配線層上に例えばシリコン基板による支持基板が貼り合わされる。光が入射される受光面側となる基板裏面上には、絶縁膜を介してオンチップカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズが積層される。
次に、第１実施の形態の固体撮像装置２１の動作を説明する。電荷蓄積時には、光４７が基板裏面側から入射され、フォトダイオード２２の領域内で光電変換されて信号電荷（本例では電子）が生成され、この信号電荷がｎ型の電荷蓄積領域３８に蓄積される。フォトダイオード２２が、素子分離領域２５で区画された、ｐ型半導体ウェル領域３６の下部を含む全域で構成されるので、飽和信号電荷量Ｑｓは大きく取れる。また、ｐ型半導体ウェル領域３６及びフローティングディフージョン部２４も光電変換領域として作用するので、さらに飽和信号電荷量Ｑｓが大きくなる。
電荷蓄積時、読み出しゲート電極２３には負バイアス電圧を印加することができる。負バイアス電圧を印加したときには、読み出しゲート電極２３下及びｎ型またはｐ型のポリシリコンによるサイドウォール４３下の電荷蓄積領域３８の表面がホールピニング状態になる。すなわち、読み出しゲート電極２３と容量結合されているポリシリコンによるサイドウォール４５も負バイアス電圧が印加されることになる。このホールピニング状態により、電荷蓄積領域３８と絶縁膜との界面で発生する暗電流を抑制し、白点の発生を抑制することができる。
一方、フォトダイオード２２の表面のｐ型半導体領域３４は、基板コンタクトを通じてグランド（ＧＮＤ）電位が印加されている。基板コンタクトとは、読み出しトランジスタ以外の他の画素トランジスタが形成されるｐ型半導体ウェル領域の電位を安定にするために、このｐ型半導体ウェル領域にグランド電位を印加するためのコンタクトを云う。負バイアス電圧により電荷蓄積領域３８の表面がピニング状態となりｐ型化する。これにより、ｐ型半導体ウェル領域３６は、ｐ型半導体領域３４及びホールピニング状態の表面を通じてグランド電位が与えられ、電位が固定される。
次に、信号読み出し時には、読み出しゲート電極２３に読み出し電圧の正の電圧が印加され、フォトダイオード２２の電荷蓄積領域３８に蓄積された信号電荷をフローティングディフージョン部２４へ読み出す。この信号読み出し時、中央のフローティングディフージョン部２４に対して、図２の矢印ａで示すように、その周囲から信号電荷が読み出される。フローティングディフージョン部がフォトダイオードの端部側に設けられた従来の構成に比べて、フォトダイオード２２の端部とフローティングディフージョン部間の読み出し距離Ｄ１が短くなる。しかも、周囲から信号電荷を読み出すので、フォトダイオード２２内の全ての信号電荷が読み出し易くなる。すなわち、読み残しなく全ての信号電荷を読み出すことができる。
また、読み出し距離Ｄ１が短縮され、読み出し時のポテンシャル変調がフォトダイオード２２の周端まで及び易くなるので、読み出し電圧を低減することができる。
第１実施の形態に係る固体撮像装置２１によれば、フローティングディフージョン部２４がフォトダイオード２２に囲まれて配置されるので、フォトダイオード２２端部とフローティングディフージョン部２４間の読み出し距離Ｄ１が短縮される。読み出し距離Ｄ１が短縮されるので、信号電荷を読み出し易くし、残像を低減することができる。読み出しゲート電極２３が環状に形成されるので、ゲート幅Ｗが大きくなり、さらに読み出し易くなる。
読み出し易いことから、フォトダイオード面積を同じとした場合にも、フォトダイオードの電荷蓄積に供されるポテンシャル井戸を深く設定することができ、飽和信号電荷量Ｑｓをさらに増加することができる。
また、断面構造で見ると、フローティングディフージョン部２４がｐ型半導体ウェル領域３６に囲まれ、ｐ型半導体ウェル領域３６がフォトダイオード２２に囲まれた構成を有する。つまり、ｐ型半導体ウェル領域３６及びフローティングディフージョン部２４がフォトダイオード２２の領域の表面側に形成され、裏面照射型であるので、光電変換される領域が広がり、飽和信号電荷量Ｑｓの増加を図ることができる。従って、固体撮像装置の感度を上げることができる。
フローティングディフージョン部２４及びｐ型半導体ウェル領域３６も光電変換領域として作用させることにより、さらに飽和信号電荷量Ｑｓを大きくとることができる。フローティングディフージョン部２４への信号電荷が読み出し易くなるので、読み出しゲート電圧を低減化することができる。つまり電源電圧を低電圧化できるので、消費電力を低減することができる。
読み出しゲート電極２３としては、種々の形状が考えられる。例えば、図４に示すように、読み出しゲート電極２３は、上面から見て四角形状のフォトダイオード２２に類似しての四角形の環状に形成することができる。
読み出しゲート電極２３は、図５に示すように、上面から見てフローティングディフージョン部２４を囲むも、円環状の一部が欠けた不連続環状に形成することもできる。この場合は、欠除部２３Ａの基板表面がフォトダイオード２２のｐ型半導体領域３４が延長して形成される。
読み出しゲート電極２３は、図６に示すように、上面から見てフローティングディフージョン部２４を取り囲む円環状をなし、その一部がフォトダイオード２２の外側まで延長した形状に形成することができる。この読み出しゲート電極２３の延長部２３Ｂは、多層配線層における所要の配線との接続を容易にする。この場合、フォトダイオード２２のｐｐ型半導体領域３４を延長部２３Ｂ下に延長するように形成することができる。
図７に、フォトダイオード２２の形状の他の例を示す。このフォトダイオード２２は、上面から見て、四角形状のコーナ部が丸みを帯びた形状に形成される。フォトダイオード２２の中央部には、フローティングディフージョン部２４を取り囲む円環状の読み出しゲート電極２３が形成される。フォトダイオード２２が丸みを帯びて形成されるときは、フォトダイオード２２の周囲端からフローティングディフージョン部２４までの読み出し距離Ｄ１がより均一化し、全体として更に信号電荷を読み出し易くする。
フローティングディフージョン部２４及び読み出しゲート電極２３は、フォトダイオード２２の領域の中央部から多少離れた位置に形成することも可能である。この場合も従来構造から比べて、読み出し距離が短縮され、信号電荷のフローティングディフージョン部２４への読み出しを容易にする。
［固体撮像装置の製造方法］
図８〜図１７に、第１実施の形態の固体撮像装置２１の製造方法の実施の形態を示す。先ず、図８に示すように、ｎ型の半導体基板３１を用意し、このｎ型半導基板３１にｐ型半導体領域による素子分離領域２５を選択的にイオン注入により形成する。素子分離領域２５は基板３１の所要の深さまで形成する。画素部において、素子分離領域２５は、画素を構成する各フォトダイオードを区画し、画素トランジスタを含む各画素を区画するように形成される。図では、素子分離領域２５は、フォトダイオードの領域を区画している。
次に、図９に示すように、半導体基板３１の表面に例えばシリコン酸化膜等によるゲート絶縁膜４２を介して読み出しゲート電極２３を形成する。読み出しゲート電極２３は、素子分離領域２５で区画されたフォトダイオードの領域の中央部に環状、本例では円環状をなす形状に形成する。読み出しゲート電極２３は、ｐ型あるいはｎ型のポリシリコンで形成される。
次に、図１０に示すように、円環状の読み出しゲート電極２３をマスクとしてゲート電極２３で囲まれた基板表面にｐ型不純物５１をイオン注入してセルフアラインにてｐ型イオン注入領域３６Ａを形成する。ｐ型不純物５１としては、例えばボロン（Ｂ）を用いることができる。このイオン注入では、読む出しゲート電極２３を一部跨るように読み出しゲート電極２３の外側の基板表面を覆うレジストマスク５２を形成して置く。
次、に図１１に示すように、熱処理してｐ型イオン注入領域３６Ａを拡散させて読み出しゲート電極２３の内方に一部延長するｐ型半導体ウェル領域３６を形成する。この熱処理でｐ型半導体ウェル領域３６の下部に基板濃度より低濃度のｎ型領域３７が形成される。
次に、図１２に示すように、円環状の読み出しゲート電極２３をマスクに、ゲート電極２３で囲まれたｐ型半導体ウェル領域３６の表面に、ｎ型不純物５３をイオン注入してセルフアラインにてｎ型のフローティングディフージョン部２４を形成する。すなわち、本例のフローティングディフージョン部２４は、フォトダイオードの領域の光学中心に形成する。同時に、ゲート電極２３の外側のｎ型基板の表面に、セルフアラインにてｎ型の電荷蓄積領域３８を形成する。ｎ型不純物５３としては、例えばヒ素（Ａｓ）を用いることができる。このイオン注入では、ｐ型半導体領域による素子分離領域２５を覆うレジストマスク５４を形成して置く。読み出しゲート電極２３下にチャネル領域４１が形成される。
次に、図１３に示すように、読み出しゲート電極２３の側面にサイドウォール４３を形成する。サイドウォール４３は、絶縁膜４４とｐ型またはｎ型のポリシリコン４５で形成することができる。
次に、図１４に示すように、読み出しゲート電極２３及びサイドウォール４３をマスクに、ｎ型基板表面にｐ型不純物５５をイオン注入してセルフアラインにてｐ型半導体領域３４を形成する。これにより、素子分離領域で囲まれたｎ型領域３３とｐ型半導体領域３４により、フォトダイオード２２が形成される。ｐ型不純物としては、例えばボロン（Ｂ）を用いることができる。このイオン注入では、読む出しゲート電極２３を一部跨るようにフローティングディフージョン部２４を覆い、また素子分離領域２５に一部跨ってフォトダイオード２２の外側を覆うレジストマスク５６を形成して置く。
次に、図１５に示すように、基板表面上に層間絶縁膜５７を介して複数層の配線５８を配置してなる多層配線層５９を形成する。さらに、多層配線層５９上に、例えばシリコン基板による支持基板６０を貼り合わせる。
次に、図１６に示すように、ｎ型の半導体基板３１の裏面を研削、研磨して薄膜化する。この薄膜化でｐ型半導体領域による素子分離領域２５は、薄膜化された基板の深さ方向の全域にわたって形成される。この読み出しゲート電極２３が形成された面とは反対側の基板裏面を光入射面として形成する。
次に、図１７に示すように、基板裏面にｐ型半導体領域３５を形成する。さらに、基板裏面上に絶縁膜６１を介してオンチップカラーフィルタ６２及びオンチップマイクロレンズ６３を形成して、固体撮像装置２１を得る。なお、画素部の外側にはＣＭＯＳトランジスタなどによる周辺回路部が形成されるが、この周辺回路部の形成工程は通常と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、フローティングディフージョン部回りをセルフアラインで形成することができる。すなわち、フローティングディフージョン部２４、ｐ型半導体ウェル領域３６、フォトダイオード２２のｐ型半導体領域３４等をセルフアラインで高精度に形成することができる。従って、本実施の形態の製造方法では、信号電荷の読み出しをし易くして残像を低減し、かつ飽和信号電荷量Ｑｓの増加を図った固体撮像装置を高精度に製造することができる。
＜３．第２実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
図１８及び図１９に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちＭＯＳ固体撮像装置の第２実施の形態を示す。図１８は、１画素を構成するフォトダイオード、フローティングディフージョン部及び読み出しトランジスタを含む概略平面構造（レイアウト）を示し、図１９は、図１８のＡ−Ａ線上の概略断面構造を示す。本実施の形態は、裏面照射型の固体撮像装置に適用した例である。
第２実施の形態に係る固体撮像装置６５は、特に、ｐ型半導体ウェル領域３６の電位を確実に固定するために、環状の読み出し電極２３の一部の下部にｐ型半導体ウェル領域３６とフォトダイオード２２のｐ型半導体領域３４を接続する接続領域６６が形成される。この接続領域６６は、例えば斜めイオン注入によるｐ型半導体領域で形成される。その他の構成は、第１実施の形態で説明したと同様であるので、図２及び図３と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
第２実施の形態に係る固体撮像装置６５によれば、ｐ型の接続領域６６により、フォトダイオード２２のｐ型半導体領域３４とフローティングディフージョン部２４を囲うｐ型半導体ウェル領域３６が電気的に接続される。ｐ型半導体領域３４は、前述したようにグランド電位が与えられているので、ｐ型半導体領域３４及びｐ型の接続領域６６を通じて、常にｐ型半導体ウェル領域３６はグランド電位に固定される。
従って、読み出しゲート電極２３への印加電圧が、負バイアス電圧から、正の読み出し電圧に移行しても、常にフローティングディフージョン部２４下のｐ型半導体ウェル領域３６の電位は、グランド電位に固定されて安定である。
その他、読み出し距離が短縮され、フォトダイオードの信号電荷の読み出しをし易くして残像の低減を図り、かつ飽和信号電荷量Ｑｓの増加を図ることができる等、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。
なお、前述した図５に示す構成においても、ｐ型半導体ウェル領域３６の電位は常に固定される。すなわち、この構成は、読み出しゲート電極２３が一部において欠除部２３Aを有し、フォトダイオード２２のｐ型半導体領域３４が欠除部２３Ａの領域まで延長して形成される。このｐ型半導体領域３４の延長部は、実質的にｐ型半導体ウェル領域３６に接続される形になる。従って、ｐ型半導体ウェル領域３６は、このｐ型半導体領域３４を通じてグランド電位が印加され、グランド電位に固定される。
＜４．第３実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
図２０に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちＭＯＳ固体撮像装置の第３実施の形態を示す。図２０は、画素部のレイアウトの要部を示す。本実施の形態は、裏面照射型の固体撮像装置に適用した例である。
第３実施の形態に係る固体撮像装置８７は、図２０に示すように、横２画素、縦４画素の計８画素のフォトダイオード（ＰＤ）２２［２２１〜２２８］配列を１共有単位８８として、この共有単位８８を２次元アレイ状に配列して画素部が構成される。各フォトダイオード２２は、前述の第１実施の形態で示すと同様の構成を有する。すなわち、各フォトダイオード２２は、その領域内に環状の読み出しゲート電極２３が配置され、読み出しゲート電極２３に囲まれてフローティングディフージョン部２４が配置された構成を有する。
２×２画素に対応する４つのフォトダイオード（ＰＤ）２２１〜２２４からなる第１構成部６７と、２×２画素に対応する４つのフォトダイオード２２５〜２２８からなる第２構成部６８との間に１個の増幅トランジスタＴｒ３が配置される。第１構成部６７の上側に１個のリセットトランジスタＴｒ２が配置される。増幅トランジスタＴｒ３は、横長構造となるように増幅ゲート電極８１と、ｎ型のソース領域８２及びドレイン領域８３を有して構成される。リセットトランジスタＴｒ２は、横長構造となるようにリセットゲート電極８４と、ｎ型のソース領域８５及びドレイン領域８６を有して構成される。なお、リセットトランジスタＴｒ２が隣接する共有単位８８にわたって形成されるので、図２０では隣接する共有単位に対応したリセットトランジスタＴｒ２の一部のドレイン領域８６が臨んでいる。
これらリセットトランジスタＴｒ２及び増幅トランジスタＴｒ３は、８画素に対し共有される。すなわち、１共有単位８８は、８つのフォトダイオードと１０個の画素トランジスタで構成される。１０個の画素トランジスタの内訳は、８個の読み出しトランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１８と、１個のリセットトランジスタＴｒ２と、１個の増幅トランジスタＴｒ３の計１０個である。
各フォトダイオード２２１〜２２８、増幅トランジスタＴｒ３、リセットトランジスタＴｒ２は、ｐ型半導体領域による素子分離領域２５により分離される。その他の断面構造などの構成は、図２及び図３で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。
図２１に、第３実施の形態の１共有単位８８に係る８画素／１０トランジスタ構成の等価回路を示す。第１構成部６７及び第２構成部６８の計８つのフォトダイオード２２［２２１〜２２８］が、それぞれ対応する読み出しトランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１８のソースに接続される。各読み出しトランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１８のドレイン、すなわち各独立のフローティングディフージョン部（ＦＤ）２４（図２１ではＦＤ１〜ＦＤ８で表す）は、共有する増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続される。また、各独立のフローティングディフージョン部ＦＤ１〜ＦＤ８は、共有するリセットトランジスタＴｒ２のソースに接続される。増幅トランジスタＴｒ３のソースは、垂直信号線７０に接続され、そのドレインが電源線６９に接続される。リセットトランジスタＴｒ２のドレインは、電源線７１に接続され、そのゲートがリセットパルスが印加されるリセット配線７２に接続される。各読み出しトランジスタｔｒ１１〜Ｔｒ１８のゲートは、それぞれ独立の行読み出しパルスが印加される読み出し配線７３１〜７３８に接続される。
第１構成部６７及び第２構成部６８のそれぞれの４画素でのカラーフィルタは、原色の赤、緑、青（ＲＧＢ）のベイヤー配列とすることができる。あるいはカラーフィルタとしては、原色の赤、緑、青（ＲＧＢ）に白色（Ｗ）を加えたカラーフィルタ、その他の補色系、あるいは補色系と原色系の組み合わせカラーフィルタ等、種々のカラーフィルタを採用できる。
第３実施の形態に係る固体撮像装置８７によれば、１共有単位８８において、各画素を構成するフォトダイオード２２［２２１〜２２８］の領域内にフローティングディフージョン部２４及び読み出しゲート電極２３が形成される。従って、１共有単位８８における各画素でのフォトダイオード２２からフローティングディフージョン部２４への信号電荷が、前述したように、読み出し易くなり、読み残しをなくすことができる。同時に、フォトダイオード２２の電荷蓄積領域のポテンシャルを深く設定することが可能になり、かつ裏面照射型とすることにより、飽和信号電荷量Ｑｓを増加することができる。
１共有単位８８が８画素／１０トランジスタ構造であるので、１画素当りのトランジスタ数が減り、その分、フォトダイオード２２１〜２２８の受光面積が広がるので、画素を微細化していっても、感度を向上することができる。高感度、高画質、高解像度の固体撮像装置が得られる。
第３実施の形態では、横２×縦４（画素）の計８画素のフォトダイオード配列を１共有単位とした。しかし、その他、横２×縦６（画素）の計１２画素のフォトダイオード配列、横２かける縦８（画素）の計１６画素のフォトダイオード配列等、横２×縦４ｎ画素（ｎは正の整数）のフォトダイオード配列を１共有単位として構成することもできる。
本実施の形態に係る画素を構成するフォトダイオード配列のレイアウトは、上例に限らず、２画素共有、その他の複数画素共有とした配列、画素の正方配列、画素の斜め配列等、種々のレイアウトが考えられる。
＜５．第４実施の形態＞
［固体撮像装置の構成例］
本発明に係る固体撮像装置、すなわちＭＯＳ固体撮像装置の第４実施の形態は、表面照射型の固体撮像装置に適用した場合である。第４実施の形態に係る固体撮像装置は、図示しないが、基本的に前述したと同様に、フォトダイオード２２の領域内にフローティングゲート部２４と、フローティングディフージョン部２４を囲む読み出しゲート電極２３を有する画素が２次元アレイ状に配列される。読み出しゲート電極２３を有する読み出しトランジスタ及び他の画素トランジスタが形成された基板表面側に、複数層の配線を有する多層配線層が形成される。配線は、フローティングディフージョン部２４等を含むフォトダイオードの領域に対応する部分を除いて形成される。さらに、多層配線層上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズが積層される。
第４実施の形態に係る表面照射型の固体撮像装置によれば、前述と同様に、フローティングディフージョン部２４がフォトダイオード２２に囲まれて配置されるので、フォトダイオード２２周端とフローティングディフージョン部２４間の読み出し距離が短くなる。これにより、フォトダイオードの信号電荷がフローティングディフージョン部へ読み出し易くなり、残像が低減される。読み出しゲート電極２３が環状に形成されるので、ゲート幅Ｗが大きくなり、さらに読み出し易くなる。読み出し易いことから、フォトダイオードの電荷蓄積の供されるポテンシャル井戸を深く設定することができ、飽和信号電荷量Ｑｓを増加することができる。
上述の実施の形態に係る固体撮像装置は、信号電荷として電子を用いたが、信号電荷として正孔を用いることもできる。この場合には、各半導体領域を上例とは逆の導電型で形成する。
＜６．第５実施の形態＞
［電子機器の構成例］
本発明に係る固体撮像装置は、電子機器に適用することができる。すなわち、本発明では、固体撮像装置を備えたデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、一眼レフカメラ等のカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像装置を備えたその他の機器、等の電子機器に適用することができる。
図２２に、本発明の電子機器の一例としてカメラに適用した実施の形態を示す。本実施の形態に係るカメラ９１は、光学系（光学レンズ）９２と、固体撮像装置９３と、信号処理回路９４とを備えてなる。固体撮像装置９３は、上述した各実施の形態のいずれか１つの固体撮像装置が適用される。光学系９２は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置９３の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置９３の光電変換部であるフォトダイオードにおいて一定期間信号電荷が蓄積される。信号処理回路９４は、固体撮像装置９３の出力信号に対して種々の信号処理を施して出力する。本実施の形態のカメラ９１は、光学系９２、固体撮像装置９３、信号処理回路９４がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。
本発明は、図２２のカメラ、あるいはカメラモジュールを備えた例えば携帯電話に代表されるカメラ付き携帯機器などを構成することができる。
さらに、図２２の構成は、光学系９２、固体撮像装置９３、信号処理回路９４がモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ−ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。
本実施の形態に係る電子機器によれば、上述した本発明の固体撮像装置を備えるので、固体撮像装置におけるフォトダイオードの信号電荷が読み出し易くなり、残像が低減され、飽和信号量Ｑｓの増加も図ることができる。従って、画質の向上、感度の向上が図られ、高品質の電子機器を提供することができる。
２１・・固体撮像装置、２２・・フォトダイオード、２３・・読み出しゲート電極、２４・・フローティングディフージョン部、２５・・素子分離領域、３１・・半導体基板、３３・・ｎ型半導体領域、３４・・ｐ型半導体領域、３６・・ｐ型半導体ウェル領域、３８・・電荷蓄積領域４３・・サイドウォール、９１・・カメラ、９２・・光学系、９３・・固体撮像装置、９４・・信号処理回路

Claims (16)

  1. １画素を構成するフォトダイオードの領域内に、
    読み出しトランジスタの読み出しゲート電極と、
    前記読み出しゲート電極に囲まれたフローティングディフージョン部と
    を有する固体撮像装置。
  2. 前記フォトダイオードに囲まれた半導体ウェル領域と、
    前記半導体ウェル領域に囲まれた前記フローティングディフージョン部
    を有し、
    前記読み出しゲート電極が形成された面とは反対側の基板裏面から光入射される
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 電荷蓄積時に前記トランスファゲート電極に負バイアス電圧が印加されている
    請求項２記載の固体撮像装置。
  4. 前記読み出しゲート電極が前記フローティングディフージョン部の周囲を囲む環状に形成されている
    請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 前記フローティングディフージョン部が前記フォトダイオードの光学中心に配置されている
    請求項４記載の固体撮像装置。
  6. 前記フローティングディフージョン部及び前記半導体ウェル領域が光電変換領域として作用する
    請求項２記載の固体撮像装置。
  7. 横２画素、縦４×ｎ画素（ｎは正の整数）のフォトダイオード配列と、
    少なくともリセットトランジスタ及び増幅トランジスタを含んで１共有単位としたレイアウトを有する
    請求項２記載の固体撮像装置。
  8. １画素のフォトダイオードを構成する第１導電型半導体領域の表面にゲート絶縁膜を介して読み出しゲート電極を形成する工程と、
    前記読み出しゲート電極をマスクにしてセルフアラインにより、前記読み出しゲート電極に囲まれた第１導電型半導体領域の表面側に第２導電型不純物をイオン注入する工程と、
    熱処理して前記第２導電型不純物を拡散し、第２導電型の半導体ウェル領域を形成する工程と、
    前記読み出しゲート電極の端部にサイドウォールを形成する工程と、
    前記サイドウォールをマスクにしてセルフアラインにより、第１導電型不純物をイオン注入し、前記第２導電型の半導体ウェル領域内に第１導電型のフローティングディフージョン部を形成する工程と
    を有する固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記読み出しゲート電極が形成された面とは反対側の基板裏面を光入射面として形成する
    請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記読み出しゲート電極を環状に形成する
    請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
  11. 前記読む出しゲート電極を、前記フォトダイオードを構成する第１導電型半導体領域の中央部に形成し、
    前記フローティングディフージョン部をフォトダイオードの光学中心に形成する
    請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
  12. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置のフォトダイオードに入射光を導く光学系と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
    前記固体撮像装置は、
    １画素を構成するフォトダイオードの領域内に、
    読み出しトランジスタの読み出しゲート電極と、
    前記読み出しゲート電極に囲まれたフローティングディフージョン部と
    を有する
    電子機器。
  13. 前記フォトダイオードに囲まれた半導体ウェル領域と、
    前記半導体ウェル領域に囲まれた前記フローティングディフージョン部
    を有し、
    前記読み出しゲート電極が形成された面とは反対側の基板裏面から光入射される
    請求項１２記載の電子機器。
  14. 電荷蓄積時に前記トランスファゲート電極に負バイアス電圧が印加されている
    請求項１３記載の電子機器。
  15. 前記読み出しゲート電極が前記フローティングディフージョン部の周囲を囲む環状に形成され
    前記フローティングディフージョン部が、前記フォトダイオードの光学中心に配置されている
    請求項１４記載の電子機器。
  16. 前記固体撮像装置は、
    横２画素、縦４×ｎ画素（ｎは正の整数）のフォトダイオード配列と、
    少なくともリセットトランジスタ及び増幅トランジスタを含んで１共有単位としたレイアウトを有する
    請求項１３記載の電子機器。
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