JP2011054880A - Solid-state imaging device, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は固体撮像装置及びその製造方法に関し、特にフローティングディフュージョン部を有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a solid-state imaging device having a floating diffusion portion and a manufacturing method thereof.
近年、固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカメラの撮像装置として需要が拡大している。また、携帯電話に代表される携帯端末装置にも多くの場合カメラ機能が搭載され、携帯端末装置の撮像装置としても固体撮像装置の需要が拡大している。 In recent years, the demand for solid-state imaging devices has increased as imaging devices for digital still cameras and digital video cameras. Further, in many cases, a camera function is mounted on a mobile terminal device typified by a mobile phone, and the demand for a solid-state imaging device is expanding as an imaging device for the mobile terminal device.
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ及び携帯端末装置等は高画質化することが求められており、固体撮像装置の画素数は年々上昇する傾向にある。一方、小型化することも要求されており、小型化と高画素化とを両立するために、画素サイズの微細化が行われている。しかし、画素を微細化すると画素の受光領域も縮小されるので、信号電荷が減少する。静電容量がCであるフローティングディフュージョン(FD)部における信号電荷の変化量がΔQの場合、電圧変化ΔVはΔV=ΔQ/Cとなる。従って、FD部と接続されたソースフォロワ回路から出力される信号電圧の感度(電荷検出感度)は、FD部の静電容量Cに依存する。従って、信号電荷の減少を補うため、FD部の容量をできるだけ小さくすることが好ましい。FD部の容量を低減する方法として、最も簡単な方法はFD部の面積の縮小である。しかし、画素サイズの微細化が進んでいるため配線とゲートとの間の寄生容量等を無視することができず、FD部の面積をこれ以上縮小しても実効的な容量を低減できない。このため、不純物濃度を低減することによりFD部の容量を低減する方法が検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。 Digital still cameras, digital video cameras, portable terminal devices, and the like are required to have high image quality, and the number of pixels of solid-state imaging devices tends to increase year by year. On the other hand, downsizing is also required, and the pixel size is miniaturized in order to achieve both downsizing and higher pixels. However, when the pixel is miniaturized, the light receiving area of the pixel is also reduced, so that the signal charge is reduced. When the amount of change in the signal charge in the floating diffusion (FD) portion where the capacitance is C is ΔQ, the voltage change ΔV is ΔV = ΔQ / C. Therefore, the sensitivity (charge detection sensitivity) of the signal voltage output from the source follower circuit connected to the FD unit depends on the capacitance C of the FD unit. Therefore, it is preferable to make the capacity of the FD portion as small as possible in order to compensate for the decrease in signal charge. The simplest method for reducing the capacity of the FD portion is to reduce the area of the FD portion. However, since the pixel size is further miniaturized, the parasitic capacitance between the wiring and the gate cannot be ignored, and the effective capacitance cannot be reduced even if the area of the FD portion is further reduced. For this reason, a method for reducing the capacity of the FD portion by reducing the impurity concentration has been studied (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、FD部の不純物濃度を低減して、FD部の容量を低減した場合には、FD部から電荷を掃き出すリセット動作に不具合が生じるということが見出された。FD部の不純物濃度を低減すると、FD部とリセット電極との間に完全空乏化領域が生じる。このため、リセット動作を行っても、FD部から電荷を完全に掃き出すことができず、FD部の電位がリセットドレインの電位よりも浅くなってしまう。さらに、静電荷の影響により空乏化領域の電位が安定しないため、無信号時の基準電位が不安定となる。このため、ノイズの増大及びリセット飽和バラつきが生じるという問題も生じる。 However, it has been found that when the impurity concentration of the FD part is reduced to reduce the capacity of the FD part, a malfunction occurs in the reset operation for sweeping out charges from the FD part. When the impurity concentration of the FD portion is reduced, a completely depleted region is generated between the FD portion and the reset electrode. For this reason, even if the reset operation is performed, the charge cannot be completely discharged from the FD portion, and the potential of the FD portion becomes shallower than the potential of the reset drain. Furthermore, since the potential of the depletion region is not stabilized due to the influence of the electrostatic charge, the reference potential when there is no signal becomes unstable. For this reason, there arises a problem that noise increases and reset saturation variation occurs.
本発明は、前記の問題を解決し、FD部の容量を小さくしても、FD部のリセット動作に不具合が生じにくい固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and to realize a solid-state imaging device that is less likely to cause problems in the reset operation of the FD section even when the capacity of the FD section is reduced.
前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を、不純物濃度が高い第2の領域とリセット部との間隔を狭くした構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the solid-state imaging device has a configuration in which the interval between the second region having a high impurity concentration and the reset unit is narrowed.
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に形成され、入射光を信号電荷に光電変換する受光部と、信号電荷を受けるFD部と、受光部からFD部に信号電荷を転送する転送部と、FD部を挟んで転送部と反対側に形成され、FD部から電荷を排出するリセット部とを備え、FD部は、第1の領域と、第1の領域内に形成され、第1の領域よりも不純物の濃度が高い第2の領域とを有し、第2の領域と転送部との間隔は、第2の領域とリセット部との間隔よりも大きい。 Specifically, a solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a light receiving portion that is formed on the semiconductor substrate and photoelectrically converts incident light into signal charges, an FD portion that receives signal charges, and a light receiving portion to an FD portion. A transfer unit that transfers a signal charge; and a reset unit that is formed on the opposite side of the transfer unit across the FD unit and discharges the charge from the FD unit. The FD unit includes a first region and a first region And a second region having a higher impurity concentration than the first region, and a distance between the second region and the transfer unit is larger than a distance between the second region and the reset unit. .
本発明に係る固体撮像装置は、第1の領域よりも不純物の濃度が高い第2の領域と転送部との間隔は、第2の領域とリセット部との間隔よりも大きい。このため、FD部の電荷検出感度を向上させるために、第1の領域の不純物濃度を低くした場合にも、第2の領域とリセット部との間に完全空乏化領域が生じにくい。従って、リセット動作の際にFD部に電荷が残存する不具合を発生しにくくすることができる。 In the solid-state imaging device according to the present invention, the interval between the second region having a higher impurity concentration than the first region and the transfer unit is larger than the interval between the second region and the reset unit. Therefore, even when the impurity concentration of the first region is lowered in order to improve the charge detection sensitivity of the FD portion, a fully depleted region is unlikely to occur between the second region and the reset portion. Accordingly, it is possible to make it difficult to cause a problem that charges remain in the FD portion during the reset operation.
本発明の固体撮像装置において、第2の領域とリセット部との間隔は、0.15μm以上且つ0.3μm以下とすればよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the distance between the second region and the reset unit may be 0.15 μm or more and 0.3 μm or less.
本発明の固体撮像装置において、転送部は、半導体基板に形成された転送部拡散層と、転送部拡散層の上に絶縁膜を介在させて形成された転送電極とを有し、リセット部は、半導体基板に形成されたリセットドレインと、リセットドレインとFD部との間に形成されたリセット部拡散層と、リセット部拡散層の上に絶縁膜を介在させて形成されたリセット電極とを有し、転送部拡散層、FD部、リセット部拡散層及びリセットドレインは一体に形成され、第2の領域と転送電極との間隔は、第2の領域とリセット電極との間隔よりも大きい構成としてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the transfer unit includes a transfer unit diffusion layer formed on the semiconductor substrate, and a transfer electrode formed by interposing an insulating film on the transfer unit diffusion layer, and the reset unit A reset drain formed on the semiconductor substrate, a reset portion diffusion layer formed between the reset drain and the FD portion, and a reset electrode formed with an insulating film interposed on the reset portion diffusion layer. The transfer part diffusion layer, the FD part, the reset part diffusion layer, and the reset drain are integrally formed, and the interval between the second region and the transfer electrode is larger than the interval between the second region and the reset electrode. Also good.
本発明の固体撮像装置において、第1の領域は、転送部拡散層及びリセット部拡散層よりも不純物の濃度が低い構成としてもよい。このような構成とすることによりFD部の電荷検出感度を高くすることができる。 In the solid-state imaging device according to the present invention, the first region may have a lower impurity concentration than the transfer portion diffusion layer and the reset portion diffusion layer. With this configuration, the charge detection sensitivity of the FD portion can be increased.
本発明の固体撮像装置において、第2の領域の平面形状は、リセット電極側の端部における幅が、転送電極側の端部における幅よりも狭くしてもよい。このような構成とすることにより、第2の領域の面積を小さく抑えながら、第2の領域とリセット電極との間隔を小さくすることができる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the planar shape of the second region may be such that the width at the end on the reset electrode side is narrower than the width at the end on the transfer electrode side. With such a configuration, it is possible to reduce the distance between the second region and the reset electrode while keeping the area of the second region small.
本発明の固体撮像装置において、第2の領域は、リセット電極側において転送電極側よりも不純物の濃度が低い構成としてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the second region may be configured such that the concentration of impurities is lower on the reset electrode side than on the transfer electrode side.
本発明の固体撮像装置において、第1の領域は、第2の領域とリセット電極との間を除く領域に、第2の領域とリセット電極との間よりも幅が狭い部分を有している構成としてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the first region has a portion that is narrower than the region between the second region and the reset electrode in the region other than between the second region and the reset electrode. It is good also as a structure.
本発明の固体撮像装置において、転送部拡散層が延びる方向と、リセット部拡散層が延びる方向とは互いに交差する構成としてもよい。 In the solid-state imaging device of the present invention, the direction in which the transfer part diffusion layer extends and the direction in which the reset part diffusion layer extend may be configured to intersect each other.
本発明の固体撮像装置において、転送部は、受光部とFD部との間に接続された転送トランジスタであり、リセット部は、FD部と電源との間に接続されたリセットトランジスタであり、転送トランジスタのゲート電極と第2の領域との間隔は、リセットトランジスタのゲート電極と第2の領域との間隔よりも大きい構成としてもよい。 In the solid-state imaging device according to the present invention, the transfer unit is a transfer transistor connected between the light receiving unit and the FD unit, and the reset unit is a reset transistor connected between the FD unit and the power source. The distance between the gate electrode of the transistor and the second region may be larger than the distance between the gate electrode of the reset transistor and the second region.
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に不純物を注入し、入射光を信号電荷に光電変換する受光部と、信号電荷を受けるFD部と、FD部の信号電荷を排出するリセットドレインとを形成する工程と、半導体基板上に絶縁層を介して、信号電荷をFD部に転送する第1のゲート電極と、信号電荷をリセットドレインに転送する第2のゲート電極とを形成する工程と、FD部を形成する工程は、第1の領域を形成する工程と、第1の領域内に、第1の領域よりも不純物濃度が高い第2の領域を形成する工程とを含み、第2の領域を形成する工程は、半導体基板に対して垂直方向から不純物を注入する工程と、半導体基板に対して斜め方向から不純物を注入する工程とを含む。 A method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a light receiving unit that injects impurities into a semiconductor substrate, photoelectrically converts incident light into signal charges, an FD unit that receives signal charges, and a reset that discharges signal charges in the FD unit. Forming a drain, and forming a first gate electrode for transferring signal charges to the FD portion and a second gate electrode for transferring signal charges to the reset drain via an insulating layer on the semiconductor substrate; And the step of forming the FD portion includes a step of forming a first region, and a step of forming a second region having an impurity concentration higher than that of the first region in the first region, The step of forming the second region includes a step of implanting impurities from a direction perpendicular to the semiconductor substrate and a step of implanting impurities from an oblique direction to the semiconductor substrate.
本発明の固体撮像装置の製造方法は、第2の領域を形成する工程は、半導体基板に対して垂直方向から不純物を注入する工程と、半導体基板に対して斜め方向から不純物を注入する工程とを含む。このため、高濃度領域と中間濃度領域とを1つの注入マスクを用いて形成することができる。従って、工程を簡略化することができる。 In the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the step of forming the second region includes a step of implanting impurities from a direction perpendicular to the semiconductor substrate, and a step of implanting impurities from a direction oblique to the semiconductor substrate. including. Therefore, the high concentration region and the intermediate concentration region can be formed using one implantation mask. Therefore, the process can be simplified.
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法によれば、FD部の容量を小さくしても、FD部のリセット動作に不具合が生じにくい固体撮像装置を実現できる。 According to the solid-state imaging device and the method for manufacturing the same according to the present invention, it is possible to realize a solid-state imaging device that is less likely to cause a malfunction in the reset operation of the FD unit even if the capacity of the FD unit is reduced.
第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1(a)及び(b)は本実施形態に係る固体撮像装置の電荷検出部周辺の概略構成を示している。(a)は平面構成を示し、(b)は(a)のIb−Ib線における断面構成を示している。図1(a)において絶縁膜161の記載は省略している。
A first embodiment will be described with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B show a schematic configuration around the charge detection unit of the solid-state imaging device according to the present embodiment. (A) shows a planar configuration, and (b) shows a cross-sectional configuration taken along line Ib-Ib in (a). In FIG. 1A, the description of the
本実施形態の固体撮像装置は、インターライン転送方式の電荷結合素子(CCD)型撮像装置である。固体撮像装置は、基板に行列状に2次元配置された複数の受光部を有している。受光部は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。受光部同士の間には、列方向に延びる垂直CCDが形成されている。垂直CCDは、各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直転送する。垂直CCDは、水平CCDと接続されている。水平CCDは、垂直CCDから転送された1ライン(行)分の信号電荷を水平転送する。水平CCDは、電荷検出部と接続されている。電荷検出部は、水平CCDによって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する。 The solid-state imaging device of the present embodiment is an interline transfer type charge coupled device (CCD) type imaging device. The solid-state imaging device has a plurality of light receiving units that are two-dimensionally arranged in a matrix on a substrate. The light receiving unit converts incident light into signal charges corresponding to the amount of light and accumulates the signal charges. A vertical CCD extending in the column direction is formed between the light receiving portions. The vertical CCD vertically transfers signal charges read from each photoelectric conversion element. The vertical CCD is connected to the horizontal CCD. The horizontal CCD horizontally transfers signal charges for one line (row) transferred from the vertical CCD. The horizontal CCD is connected to the charge detection unit. The charge detection unit converts the signal charge transferred by the horizontal CCD into an electric signal and outputs it.
図1に示すように電荷検出部は、フローティングディフュージョン(FD)部120と、FD部120に電荷を転送する転送部140と、FD部から電荷を掃き出すリセット部130とを有している。転送部140は、転送部拡散層142と、転送部拡散層142の上に絶縁膜161を介在させて形成された転送電極141とを有している。水平CCD150は、水平転送チャネル152と水平転送チャネルの上に絶縁膜161を介在させて形成された水平転送電極151とを有している。図1においては最終段の水平転送電極151のみを図示している。FD部120は、第1の領域121と、第1の領域121に囲まれ第1の領域121よりも不純物濃度が高い第2の領域122とを有している。第2の領域122には、コンタクト125が形成されている。コンタクト125は、配線(図示せず)を介してソースフォロワ回路(図示せず)と接続されている。リセット部130は、リセット部拡散層132と、リセット部拡散層132の上に絶縁膜161を介在して形成されたリセット電極131と、リセット部拡散層132よりも不純物濃度が高いリセットドレイン133とを有している。リセットドレイン133は配線(図示せず)を介して電源(図示せず)と接続されている。
As shown in FIG. 1, the charge detection unit includes a floating diffusion (FD)
水平転送チャネル152、転送部拡散層142、FD部120、リセット部拡散層132及びリセットドレイン133は、半導体基板101のpウェル102に連続して順次形成されたn型の不純物拡散層である。水平転送チャネル152、転送部拡散層142、リセット部拡散層132の不純物濃度は特に限定されないが、同一としてもよい。第1の領域121の不純物濃度は、FD部120の静電容量を小さくするため、できるだけ低くすることが好ましい。第1の領域121の不純物濃度は、リセット部拡散層132及び転送部拡散層142よりも低くすることが好ましい。第2の領域122にはFD部120から信号を引き出すためのコンタクト125を形成するため、第1の領域121よりも不純物濃度を高くする。例えば、リセット部拡散層132及び転送部拡散層142の不純物濃度を1018cm-3程度とし、第1の領域121の不純物濃度を1017cm-3程度とし、第2の領域122の不純物濃度を1020cm-3程度とすればよい。リセットドレイン133の不純物濃度はリセット部拡散層132よりも高くする。
The
第2の領域122とリセット電極131との間隔d2は、第2の領域122と転送電極141との間隔d1よりも小さくなるように形成されている。また、コンタクト125は、転送電極141とリセット電極131とのほぼ中央に形成している。これは、コンタクト125からの配線の引き出しを容易とするためである。さらに、転送電極141及びリセット電極131と配線との層間容量は、FD部120自体の容量と同様に電荷検出感度に影響を及ぼす。このため層間容量をできるだけ小さくするためである。コンタクト125を、転送電極141とリセット電極131とのほぼ中央に形成すると、第2の領域122は平面長方形状となり、コンタクト125と第2の領域122の転送電極141側の端部との間隔d3よりも、コンタクト125と第2の領域122のリセット電極131側の端部との間隔d4は大きくなる。間隔d3の大きさは、コンタクト125を形成するための位置合わせの精度によって決まる。
An interval d2 between the
以下に、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2を、第2の領域122と転送電極141との間隔d1よりも小さくすることにより、第1の領域121の不純物濃度を低くした場合にもリセット動作の不具合を解消することができる原理を説明する。
Hereinafter, the impurity concentration of the
図2(a)及び(b)は、水平CCD、転送部、FD部及びリセット部のポテンシャルであり、(a)はd1がd2よりも小さい場合であり、(b)はd1とd2が等しい場合を示している。 2A and 2B show potentials of the horizontal CCD, transfer unit, FD unit, and reset unit. FIG. 2A shows a case where d1 is smaller than d2. FIG. 2B shows a case where d1 and d2 are equal. Shows the case.
タイミングt1において、水平CCD150の最終段の水平転送電極151の下に、信号電荷が蓄積されている。次に、タイミングt2において、最終段の水平転送電極151をハイレベルからローレベルにすると、信号電荷は転送電極141の下を通ってFD部120に転送される。これにより、FD部120のポテンシャルは信号電荷に対応して浅くなる。次に、タイミングt3において、リセット電極131にハイレベルのパルスを印加することにより、リセット電極131の下側のポテンシャルを、リセットドレイン133に印加されている電源電圧のポテンシャル以上とする。これにより、FD部120の信号電荷は、リセットドレイン133の電源に吸収され、電源の電位に固定されるはずである。しかし、FD部120の静電容量を小さくするために、FD部120の不純物濃度を低くしている場合には、図2(b)に示すようにFD部120におけるリセット電極131側に完全空乏化領域が発生してしまう。このため、FD部120の電位を完全に掃き出すことができなくなり、タイミングt4におけるFD部120の電位は、リセットドレイン133の電位よりも浅くなる。このため、リセット電極131のローレベルにおけるポテンシャルと、リセット後におけるFD部120のポテンシャルとの差であるリセット飽和が低下してしまう。
At timing t1, signal charges are accumulated under the
一方、本実施形態の固体撮像装置は、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2が狭くなっている。このため、リセット部130の電位がリセットドレイン133の電位に固定された場合に、低濃度の第1の領域121を越えて第2の領域122までポテンシャルの影響が及ぶ。従って、図2(a)に示すように空乏化領域は発生せず、安定にFD部120をリセットドレイン133の電位にリセットすることができる。
On the other hand, in the solid-state imaging device of the present embodiment, the interval d2 between the
第2の領域122とリセット電極131との間隔d2をできるだけ小さくした方が、空乏化領域が発生しにくくなる。しかし、先に述べたように、コンタクト125の形成位置が制限されるため、d2を小さくするとコンタクト125と第2の領域122のリセット電極131側の端部との間隔d4を大きくなる。このため、不純物濃度が高い第2の領域122が大きくなり、FD部120の容量が増加し、電荷検出感度が低下してしまう。図3は、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2と、電荷検出感度及びリセット飽和との相関を示している。図3において第1の領域121の不純物濃度は1×1017cm-3とし、第2の領域122の不純物濃度は1×1020cm-3としている。
If the distance d2 between the
図3に示すように、第2の領域122が小さくなり、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2が大きくなる程、電荷検出感度は上昇する。しかし、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2が、0.3μmを越えるあたりからリセット飽和は大きく低下してしまう。一方、第1の領域の不純物濃度を1×1018cm-3程度とし、第2の領域122とリセット電極との間隔d2を0.4μm程度とした場合には、リセット飽和の低下は認められないが、電荷検出感度は大きく低下してしまう。このため、第1の領域121の不純物濃度を低くすることによるFD部120における電荷検出感度の向上と、リセット飽和の低下の抑制とを両立させるためには、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2を0.15μm〜0.3μm程度とすればよい。
As shown in FIG. 3, the charge detection sensitivity increases as the
第2の領域122と転送電極141との間隔d1を小さくすると、第2の領域122の大きさが大きくなる。また、FD部120とソースフォロワ回路とを接続する配線と転送電極141との間の層間容量が大きくなる。このため、d1をd2よりも大きくすることが好ましい。しかし、d1を大きくしすぎると配線とリセット電極131とが接近して層間容量が増加してしまう。このため、d1は転送電極141とリセット電極131との間隔及びコンタクト125の大きさ等を考慮して決定する必要がある。また、コンタクト125と第2の領域122の転送電極141側の端部との間隔d3を大きくすると第2の領域122が大きくなる。従って、d3は、加工精度の範囲内においてできるだけ小さくすることが好ましい。配線の層間容量を低減する及び配線の引き出しを容易とするという観点からは、d1+d3とd2+d4とをほぼ等しくし、コンタクト125を転送電極141とリセット電極131との中央部に配置することが好ましい。
When the distance d1 between the
具体的には、第1の領域121の不純物濃度を1×1017cm-3程度とし、第2の領域122の不純物濃度を1×1020cm-3程度とした場合、第2の領域122とリセット電極131との間隔d2を0.25μm程度とし、第2の領域122と転送電極141との間隔d1を0.4μm程度とすればよい。この場合、コンタクト125は0.3μm角程度となるため、第2の領域122の転送電極141側の端部とコンタクト125との間隔d3を0.15μm程度とし、第2の領域122のリセット電極131側の端部とコンタクト125との間隔d4を0.3μm程度とすればよい。このようにすれば、現在の加工精度においても、コンタクト125の位置合わせを問題なく行うことができる。但し、d2の最適値は、リセットドレインの電圧等によっても変動する。リセットドレイン133に印加する電圧が12V程度である場合には、d2を0.25μm程度とすればよい。しかし、リセットドレインの電圧をさらに高くした場合には、空乏化が生じやすくなるため、d2をさらに小さくすることが好ましい。
Specifically, when the impurity concentration of the
(第1の実施形態の第1変形例)
図1は、第2の領域122の幅を一定とし、平面長方形状に形成制する例を示した。しかし、図4に示すように第2の領域122におけるリセット電極131側の端部の幅を、転送電極141側の端部の幅よりも狭くしてもよい。このようにすれば、第2の領域122とリセット電極131との間隔d1を狭くしつつ、第2の領域122の面積の増大を抑制することができる。従って、リセット飽和の低下を抑えつつ電荷検出感度をより向上させることが可能となる。また、図5に示すように、第2の領域の平面形状を方形状の部分と三角形状の部分とが組み合わされた形状としてもよい。
(First modification of the first embodiment)
FIG. 1 shows an example in which the width of the
(第1の実施形態の第2変形例)
第2の領域122の濃度は一定である必要はなく、図6に示すように第2の領域122を転送電極141側に形成された高濃度領域122Aと、リセット電極131側に形成された中間濃度領域122Bとにより構成してもよい。中間濃度領域122Bの不純物濃度は第1の領域121よりも高くし、空乏層の発生を防止できればよい。高濃度領域122Aと中間濃度領域122Bとは、例えば不純物濃度が1020cm-3程度の領域と1018cm-3程度の領域とすればよい。このようにすれば、第2の領域122とリセット電極131との間隔d1を狭くしつつ、FD部120の静電容量の増大を抑制することができる。従って、リセット飽和の低下を抑えつつ電荷検出感度をより向上させることが可能となる。
(Second modification of the first embodiment)
The concentration of the
FD部120はどのような方法により形成してもよいが、例えば以下のようにすればよい。まず、図7に示すようにレジストマスク171を用いて半導体基板に対して垂直にイオン注入を行い高濃度領域122Aを形成する。この後、レジストマスク171を用いて、半導体基板に対して斜め方向からイオン注入を行うことにより中間濃度領域122Bを形成する。このようにすれば、イオン注入用のマスクを共用できるため、イオン注入工程を追加するだけで中間濃度領域122Bを有するFD部120を形成することができる。なお、斜め方向からイオン注入を行う場合の不純物注入量は、垂直にイオン注入を行う場合よりも低くする。
The
(第1の実施形態の第3変形例)
FD部120の静電容量を小さくするために、第1の領域121の面積を小さくしてもよい。第1の領域121における第2の領域122とリセット電極131との間の部分は、リセット動作に関与するため幅を狭くすることは好ましくない。しかし、第1の領域121における転送電極141側の部分は、幅を狭くしてもリセット動作及び電荷の転送動作に大きな影響はない。このため、図8に示すように第1の領域121における転送電極141側の部分の幅w1を、リセット電極131側の部分の幅w2よりも狭くすることにより、FD部120の静電容量をさらに小さくし、転送効率を向上させることができる。また、FD部120の静電容量を変えることなく、第2の領域122の大きさをより大きくしたり、第2の領域122の不純物濃度をより高くしたりすることも可能である。
(Third Modification of First Embodiment)
In order to reduce the capacitance of the
図8においては、第1の領域121における第2の領域122とリセット電極131との間の部分を除くすべての部分の幅を狭くしたが、一部だけの幅を狭くしてもよい。
In FIG. 8, the width of all the portions of the
なお、本変形例と第1変形例又は第2変形例とを組み合わせてもよい。 In addition, you may combine this modification, a 1st modification, or a 2nd modification.
(第1の実施形態の第4変形例)
図9に示すように、転送部拡散層142が延びる方向と、リセット部拡散層132が延びる方向とを異なる方向とし、転送電極141とリセット電極131とを斜めに配置してもよい。この場合、図9(a)に示すようにFD部120の途中で方向を変えても、図9(b)に示すように転送部140とFD部120との境界及びFD部120とリセット部130との境界の少なくとも一方において方向を変えてもよい。このようなレイアウトとすれば、FD部120からの配線の引き出しが容易となるため、FD部120とソースフォロワ回路とを接続する配線127を短くすることができる。また、電荷検出感度に寄与する静電容量は、FD部120それ自体の静電容量だけでなく、FD部120とソースフォロワ回路とを接続する配線の層間容量等を含む。本変形例のようなレイアウトとすれば、リセット電極131及び転送電極141と配線127との間隔を広くすることもできるため、配線127の層間容量を低減する効果も得られる。これにより、転送効率に寄与する静電容量をさらに低減することができる。
(Fourth modification of the first embodiment)
As shown in FIG. 9, the direction in which the transfer
本変形例においては、第1変形例と同様に第2の領域122をリセット電極131側の端部の幅が転送電極141側の端部の幅よりも狭い構成とした。しかし、第2変形例に示したように、第2の領域122を高濃度領域と中間濃度領域とにより構成してもよい。また、第3変形例に示したように、第1の領域121の幅を転送電極141側において狭くした構成としてもよい。
In the present modification, as in the first modification, the
(第2の実施形態)
第1の実施形態及びその変形例においてCCD型の固体撮像装置について説明したが、これらの構成をMOS(metal oxide semiconductor)型の固体撮像装置に適用することも可能である。図10は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示している。図10においては、1つの画素セルだけを拡大して示している。
(Second Embodiment)
Although the CCD type solid-state imaging device has been described in the first embodiment and its modification, it is also possible to apply these configurations to a MOS (metal oxide semiconductor) type solid-state imaging device. FIG. 10 shows a planar configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment. In FIG. 10, only one pixel cell is shown enlarged.
MOS型の固体撮像装置は、フォトダイオードからなり入射した光の量に応じて信号電荷を生成する受光部201と、受光部201において生成した信号電荷を処理して信号線に出力する画素トランジスタとを有している。画素トランジスタは、転送トランジスタ240、リセットトランジスタ230、増幅トランジスタ250及び選択トランジスタ260とを含む。転送トランジスタは203は、受光部201とFD部220との間に接続され、受光部201において生成した電荷をFD部220に転送する。リセットトランジスタ230は、電源線とFD部220との間に接続され、FD部220の電荷をリセットする。増幅トランジスタ250は、FD部220と接続され、FD部220の電荷を増幅して信号電圧に変換する。選択トランジスタ260は、増幅トランジスタ250において変換した信号電圧を、信号線に出力する。
The MOS type solid-state imaging device includes a
図10に示すように、基板200にn型不純物が注入されて、受光部201、画素トランジスタの不純物拡散層及びFD部220が形成されている。転送トランジスタ240は、受光部201とFD部220との間に形成されている。リセットトランジスタ230は、FD部220を挟んで転送トランジスタ240と反対側に形成されている。なお、図10において、画素トランジスタは、ゲート電極のみを記載している。FD部220は、第1の領域221と、第1の領域221に囲まれ且つ第1の領域221よりも不純物濃度が高い第2の領域222とを有している。第2の領域222と増幅トランジスタ250のゲート電極とは配線により接続されている。リセットトランジスタ230のゲート電極と第2の領域222との間隔d2は、転送トランジスタ240のゲート電極と第2の領域222との間隔d1よりも小さい。このため、第1の領域221の不純物濃度を低くした場合にも、転送トランジスタ240のゲート電極と第2の領域222との間に完全空乏化領域が発生しにくく、FD部220のリセット動作を安定して行うことが可能となる。
As shown in FIG. 10, an n-type impurity is implanted into the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、第1の領域及び第2の領域の形状を変更したり、第2の領域を不純物濃度が異なる複数の部分を含む構成としたりしてもよい。 Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the shapes of the first region and the second region are changed, or the second region is configured to include a plurality of portions having different impurity concentrations. Also good.
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、FD部の容量を小さくしても、FD部のリセット動作に不具合が生じにくい固体撮像装置を実現でき、特に電荷検出感度が高いFD部を有する固体撮像装置及びその製造方法等として有用である。 The solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize a solid-state imaging device that is less likely to cause a malfunction in the reset operation of the FD unit even when the capacity of the FD unit is reduced, and particularly has an FD unit with high charge detection sensitivity. It is useful as a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof.
101 半導体基板
102 pウェル
120 フローティングディフュージョン部
121 第1の領域
122 第2の領域
122A 高濃度領域
122B 中間濃度領域
125 コンタクト
127 配線
130 リセット部
131 リセット電極
132 リセット部拡散層
133 リセットドレイン
140 転送部
141 転送電極
142 転送部拡散層
150 水平CCD
151 水平転送電極
152 水平転送チャネル
161 絶縁膜
171 レジストマスク
200 基板
201 受光部
220 フローティングディフュージョン部
221 第1の領域
222 第2の領域
230 リセットトランジスタ
240 転送トランジスタ
250 増幅トランジスタ
260 選択トランジスタ
DESCRIPTION OF
151
Claims (10)
前記半導体基板に形成され、入射光を信号電荷に光電変換する受光部と、
前記信号電荷を受けるフローティングディフュージョン部と、
前記受光部から前記フローティングディフュージョン部に前記信号電荷を転送する転送部と、
前記フローティングディフュージョン部を挟んで前記転送部と反対側に形成され、前記フローティングディフュージョン部から電荷を排出するリセット部とを備え、
前記フローティングディフュージョン部は、第1の領域と、前記第1の領域内に形成され、前記第1の領域よりも不純物の濃度が高い第2の領域とを有し、
前記第2の領域と前記転送部との間隔は、前記第2の領域と前記リセット部との間隔よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate;
A light receiving portion formed on the semiconductor substrate for photoelectrically converting incident light into a signal charge;
A floating diffusion portion for receiving the signal charge;
A transfer unit that transfers the signal charge from the light receiving unit to the floating diffusion unit;
A reset unit that is formed on the opposite side of the transfer unit across the floating diffusion unit, and discharges charges from the floating diffusion unit,
The floating diffusion portion includes a first region and a second region formed in the first region and having a higher impurity concentration than the first region,
The solid-state imaging device, wherein an interval between the second region and the transfer unit is larger than an interval between the second region and the reset unit.
前記リセット部は、前記半導体基板に形成されたリセットドレインと、前記リセットドレインと前記フローティングディフュージョン部との間に形成されたリセット部拡散層と、前記リセット部拡散層の上に絶縁膜を介在させて形成されたリセット電極とを有し、
前記第2の領域と前記転送電極との間隔は、前記第2の領域と前記リセット電極との間隔よりも大きい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。 The transfer unit includes a transfer unit diffusion layer formed on the semiconductor substrate, and a transfer electrode formed on the transfer unit diffusion layer with an insulating film interposed therebetween,
The reset unit includes a reset drain formed on the semiconductor substrate, a reset unit diffusion layer formed between the reset drain and the floating diffusion unit, and an insulating film interposed on the reset unit diffusion layer. A reset electrode formed by
3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an interval between the second region and the transfer electrode is larger than an interval between the second region and the reset electrode.
前記リセット部は、前記フローティングディフュージョン部と電源との間に接続されたリセットトランジスタであり、
前記転送トランジスタのゲート電極と前記第2の領域との間隔は、前記リセットトランジスタのゲート電極と前記第2の領域との間隔よりも大きい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。 The transfer unit is a transfer transistor connected between the light receiving unit and the floating diffusion unit,
The reset unit is a reset transistor connected between the floating diffusion unit and a power source;
3. The solid-state imaging according to claim 1, wherein an interval between the gate electrode of the transfer transistor and the second region is larger than an interval between the gate electrode of the reset transistor and the second region. apparatus.
前記半導体基板上に絶縁層を介して、前記信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する第1のゲート電極と、前記信号電荷を前記リセットドレインに転送する第2のゲート電極とを形成する工程と、
前記フローティングディフュージョン部を形成する工程は、第1の領域を形成する工程と、前記第1の領域内に、第1の領域よりも不純物濃度が高い第2の領域を形成する工程とを含み、
前記第2の領域を形成する工程は、前記半導体基板に対して垂直方向から不純物を注入する工程と、半導体基板に対して斜め方向から不純物を注入する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 Injecting impurities into the semiconductor substrate, forming a photodiode that photoelectrically converts incident light into a signal charge, a floating diffusion part that receives the signal charge, and a reset drain that discharges the signal charge of the floating diffusion part;
Forming a first gate electrode for transferring the signal charge to the floating diffusion portion and a second gate electrode for transferring the signal charge to the reset drain via an insulating layer on the semiconductor substrate; ,
The step of forming the floating diffusion portion includes a step of forming a first region, and a step of forming a second region having an impurity concentration higher than that of the first region in the first region,
The step of forming the second region includes a step of implanting impurities from a direction perpendicular to the semiconductor substrate and a step of implanting impurities from a direction oblique to the semiconductor substrate. Device manufacturing method.
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