JP2013162077A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device.
CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは、監視カメラ等、多様な用途で使われている。 Solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors are used in various applications such as digital still cameras, video cameras, and surveillance cameras.
形成される画像の解像度の向上及びチップコストの低減のため、イメージセンサを形成する素子の微細化が、推進されている。 In order to improve the resolution of an image to be formed and reduce the chip cost, miniaturization of elements forming an image sensor has been promoted.
イメージセンサが含む素子の微細化を図る技術を提案する。 A technology for miniaturization of elements included in an image sensor is proposed.
実施形態の固体撮像装置は、画素アレイを含む半導体基板と、前記画素アレイ内に設けられ、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、をそれぞれ含む複数のフォトダイオードと、を含む。 The solid-state imaging device of the embodiment includes a semiconductor substrate including a pixel array, a first semiconductor layer of a first conductivity type provided in the pixel array and embedded in a groove in the semiconductor substrate, and the first A plurality of photodiodes each including a first impurity region of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate along one semiconductor layer.
[実施形態]
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、実質的に同一の符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
[Embodiment]
Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by substantially the same reference numerals, and overlapping description will be given as necessary.
(1) 第1の実施形態
図1乃至図9を参照して、第1の実施形態に係る固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法について説明する。
(1) First embodiment
With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 9, the manufacturing method of the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment, and a solid-state imaging device is demonstrated.
(a) 全体構成
図1乃至図5を用いて、第1の実施形態に係る固体撮像装置について、説明する。
(A) Overall configuration
The solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
図1乃至図4を用いて、固体撮像装置の全体構成について説明する。 The overall configuration of the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS.
図1は、固体撮像装置(以下、イメージセンサとよぶ)のチップのレイアウト例を示す模式図である。図2は、イメージセンサ100の構造を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a chip layout example of a solid-state imaging device (hereinafter referred to as an image sensor). FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the
図1に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ120及びそれを制御するための回路が形成される領域(周辺回路領域とよぶ)121が、1つの半導体基板(チップ)110内に設けられている。
As shown in FIG. 1, in the image sensor of this embodiment, a region (referred to as a peripheral circuit region) 121 in which a
画素アレイ120は、複数の単位セルUCを含む。各単位セルUCは、外部からの入射光を電気信号へ変換するための光電変換素子(以下では、画素ともよぶ)を含む。1つの単位セルUCは、少なくとも1つの画素を含む。
The
互いに隣接する単位セル及びそれに含まれる画素の形成領域は、素子分離領域9に取り囲まれている。
The unit cell adjacent to each other and the formation region of the pixel included therein are surrounded by the
図1及び図2に示されるように、本実施形態のイメージセンサ100において、画素アレイ120及び周辺回路領域121が、1つの半導体基板150内に設けられている。半導体基板150は、素子が形成される素子形成基板である。半導体基板150は、例えば、p型シリコン単結晶基板である。半導体基板150は、シリコン単結晶基板に限定されず、例えば、SOI(Silicon-On-Insulator)基板の絶縁体上に形成されたシリコン層(エピタキシャル層)でもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
図1及び図2に示されるように、画素アレイ120内に、少なくとも1つの光電変換素子1を含む単位セルUCの形成領域(以下では、単位セル形成領域ともよぶ)UAが、2次元に配列されている。単位セル形成領域UAは、半導体基板150内に設けられた半導体領域である。単位セル形成領域UAは、少なくとも1つのフォトダイオードの形成領域(以下では、フォトダイオード形成領域とよぶ)を含む。フォトダイオード1の形成領域は、単位セル形成領域UA内に設けられている。単位セル形成領域UA及び単位セルの構造については、後述する。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
本実施形態において、1つの光電変換素子としてのフォトダイオード1は、1つの画素に対応する。フォトダイオード1は、画像に対応する入射光(被写体からの光)を、入射光の光量に応じた電気信号(電荷、電圧)に光電変換する。フォトダイオード1は、光電変換によってフォトダイオード1内に発生した電荷を蓄積できる。例えば、フォトダイオード1を用いて、CMOSセンサ又はCCDセンサが形成される。
In the present embodiment, the
図2に示されるように、フォトダイオード1は、半導体基板150内に形成された少なくとも1つの不純物半導体層から形成される。本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造については、後述する。
As shown in FIG. 2, the
半導体基板150内に、フローティングディフュージョン(浮遊拡散層、信号検出部)6としての不純物半導体層が、設けられている。
An impurity semiconductor layer as a floating diffusion (floating diffusion layer, signal detection unit) 6 is provided in the
フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6との間において、トランスファゲート2としての電界効果トランジスタが、半導体基板150上に設けられている。トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜22を介して、半導体基板150上に設けられている。
A field effect transistor as the
素子分離領域9は、隣接する単位セル形成領域UA及び隣接するフォトダイオード形成領域を取り囲むように、半導体基板150内に設けられている。素子分離領域9によって、互いに隣接する単位セルUC及びフォトダイオード1が、電気的に分離される。画素アレイ120内の素子分離領域9内に、素子分離層90が設けられている。画素アレイ120内において、素子分離層90は、例えば、不純物半導体層(素子分離不純物層とよぶ)又はSTI構造の絶縁膜(素子分離絶縁膜とよぶ)によって、形成される。
The
周辺回路領域121は、画素アレイ120に隣接するように、半導体基板150内に設けられる。周辺回路領域121内には、アナログ回路やロジック回路などの周辺回路が設けられている。より具体的には、画素アレイ120の動作を制御する回路や、AD(Analog - digital)変換回路のような画素アレイ120からの信号を処理する回路が、周辺回路領域121内に設けられている。
The
周辺回路領域121は、例えば、素子分離領域によって、画素アレイ120から電気的に分離されている。周辺回路領域121を区画するための素子分離領域内には、例えば、STI構造の素子分離絶縁膜91が埋め込まれている。
The
周辺回路領域121内の回路は、電界効果トランジスタ7、抵抗素子、容量素子などの複数の素子によって形成される。図2においては、図示の簡単化のため、電界効果トランジスタ7のみが、示されている。また、図2において、1つの電界効果トランジスタのみが図示されているが、半導体基板150上に、複数のトランジスタが設けられている。
The circuit in the
例えば、周辺回路領域121内において、電界効果トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ)7は、半導体基板150内のウェル領域159内に設けられている。ウェル領域159内に、2つの拡散層(不純物半導体領域)73が設けられている。これらの2つの拡散層73は、トランジスタ7のソース/ドレインとして、機能する。2つの拡散層73間のウェル領域(チャネル領域)表面に、ゲート絶縁膜72を介して、ゲート電極71が設けられる。これによって、ウェル領域159上に、電界効果トランジスタ7が、形成される。
For example, in the
尚、電界効果トランジスタ7が、pチャネル型であるかnチャネル型であるかは、そのトランジスタ7が設けられるウェル領域15の導電型及びソース/ドレインとなる拡散層73の導電型によって、決まる。また、電界効果トランジスタ7は、電界効果トランジスタ7を含む回路に応じて、エンハンス型の場合もあるし、デプレッション型の場合もある。
Whether the
トランジスタ2,7のゲート電極21,71及びフォトダイオード3の上面を覆うように、複数の層間絶縁膜92が、半導体基板150上に積層されている。層間絶縁膜92には、例えば、酸化シリコンが用いられる。
A plurality of interlayer insulating
本実施形態のイメージセンサには、多層配線技術が用いられている。すなわち、各配線レベル(基板表面を基準とした高さ)に応じて、積層された層間絶縁膜92内に、複数の配線80が設けられている。各配線80は、層間絶縁膜92内のそれぞれに埋め込まれたプラグ81,CP1,CP2によって、直上の配線レベルに位置する他の配線に、電気的に接続されている。尚、遮光膜や素子及び回路に接続されないダミー層が、層間絶縁膜92内に設けられている。遮光膜及びダミー層は、配線80と実質的に同時に形成される。
The image sensor of this embodiment uses a multilayer wiring technique. That is, a plurality of
トランジスタ2,7のゲート電極21,71やソース/ドレイン73、半導体基板150上に形成された素子の端子は、コンタクトプラグCP1を介して、半導体基板150側から数えて1番目(最下層)の配線レベルに位置する配線80に接続される。複数の配線80は、半導体基板150上に設けられた複数の素子を接続する。これによって、複数の回路が形成される。
The
ここで、本実施形態において、素子が形成された面、より具体的には、トランジスタ2,7のゲート電極21,71が設けられている半導体基板150の面(第1の面)を半導体基板150の表面とよぶ。半導体基板150の表面上には、多層配線技術によって形成された層間絶縁膜92が設けられている。そして、半導体基板150の表面に対向する面(第2の面)を、裏面とよぶ。
Here, in this embodiment, the surface on which the element is formed, more specifically, the surface (first surface) of the
本実施形態において、図2に示されるように、半導体基板150の裏面側に、例えば、保護層(図示せず)や接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CFが設けられる。カラーフィルタ層CFは、半導体基板150の裏面側において画素アレイ120上方に、設けられている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a color filter layer CF is provided on the back surface side of the
例えば、本実施形態において、単板式のイメージセンサ100が形成される。単板式の画素アレイ120は、単一の画素アレイ120で複数の色情報を取得する。1つの画素にそれぞれ対応するように、赤、青及び緑のうち少なくとも1色のカラーフィルタが取り付けられている。
For example, in the present embodiment, a single plate
この場合、カラーフィルタ層CFは、例えば、赤(R)に対応する波長の光を透過するフィルタ、緑(G)に対応する波長の光を透過するフィルタ及び青(B)に対応する波長の光を透過するフィルタを含み、それらのフィルタが所定のパターンで配列されている。1つの色のフィルタが、1つのフォトダイオードに対応するように、カラーフィルタ層CFが形成されている。尚、カラーフィルタ層CFは、赤、緑及び青に加え、黄色や可視光の全波長域を透過させる白(W)のフィルタを含んでいてもよい。カラーフィルタ70は、例えば、ベイヤー配列やWRGB配列などの配列パターンを有する。 In this case, the color filter layer CF includes, for example, a filter that transmits light having a wavelength corresponding to red (R), a filter that transmits light having a wavelength corresponding to green (G), and a wavelength corresponding to blue (B). Filters that transmit light are included, and these filters are arranged in a predetermined pattern. The color filter layer CF is formed so that one color filter corresponds to one photodiode. Note that the color filter layer CF may include a white (W) filter that transmits yellow and all wavelengths of visible light in addition to red, green, and blue. The color filter 70 has, for example, an array pattern such as a Bayer array or a WRGB array.
マイクロレンズアレイMLは、保護層(図示せず)及び接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CF上に取り付けられている。 The microlens array ML is attached on the color filter layer CF via a protective layer (not shown) and an adhesive layer (not shown).
マイクロレンズアレイMLは、カラーフィルタ層CFを介して、画素アレイ120と重なる位置に設けられている。マイクロレンズアレイMLは、1つの画素(フォトダイオード3)にそれぞれ対応するマイクロレンズが2次元に配列されることによって、形成されている。マイクロレンズアレイMLは、入射光(被写体からの光)を集光する。尚、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタ層CFを取り付けるための接着層/保護層は、入射光に対して透過性を有する。
The microlens array ML is provided at a position overlapping the
図2に示されるように、マイクロレンズアレイMLが取り付けられた面は、半導体基板150の裏面である。このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタ層CFは、トランジスタのゲート電極71及び層間絶縁膜92が設けられた面(表面)とは、反対側の面(裏面)に設けられている。素子が形成された半導体基板150は、層間絶縁膜92とマイクロレンズアレイMLとに挟まれている。画像に対応する入射光(被写体からの光)は、マイクロレンズアレイML及びカラーフィルタCFを経由して、半導体基板150の裏面側から画素アレイ120に照射される。
本実施形態のイメージセンサのように、素子が形成された基板150の表面に対向する裏面から、被写体からの光が画素に照射される構造のイメージセンサは、裏面照射型イメージセンサとよばれる。
As shown in FIG. 2, the surface on which the microlens array ML is attached is the back surface of the
As in the image sensor of this embodiment, an image sensor having a structure in which light from a subject is irradiated onto pixels from the back surface facing the surface of the
例えば、TSV(Through Silicon Via)技術によって、半導体基板150の表面側から裏面側に向かって半導体基板150内を貫通するように、貫通孔(開口部)が半導体基板150内に形成される。その貫通孔内に、ビア(貫通ビア)88が埋め込まれる。貫通孔の側面上に、絶縁層98が設けられ、貫通ビア88は、絶縁層98によって、半導体基板150から電気的に分離されている。貫通ビア88は、コンタクトプラグCP2を経由して、層間絶縁膜92内の配線80に接続される。また、貫通ビア88は、半導体基板150の裏面上に設けられたパッド(電極)89に接続される。パッド89は、貫通ビア88上及び絶縁層99上に設けられている。パッド89は、絶縁層99によって半導体基板150から電気的に分離されている。このように、裏面照射型イメージセンサにおいて、半導体基板150の裏面側に、パッド89が設けられてもよい。
For example, through holes (openings) are formed in the
半導体基板150の表面側において、支持基板119が、層間絶縁膜92上に設けられている。支持基板119は、例えば、保護層(図示せず)及び接着層(図示せず)を介して、絶縁層92上に積層される。支持基板119には、例えば、シリコン基板や絶縁性基板が用いられる。支持基板119と最上層の層間絶縁膜92との間に、再配線技術によって形成された配線(以下では、再配線とよぶ)82が、設けられてもよい。再配線82は、絶縁層(例えば、樹脂層)96に、覆われている。再配線82は、電極(ビアプラグ)83を介して、層間絶縁膜92内の配線80に接続される。再配線82は、例えば、半導体基板150の表面側において、支持基板119上のパッド(図示)に接続されている。また、再配線82によってパッドが形成される場合もある。
A
半導体基板150の表面側の再配線(パッド)82及び半導体基板150の裏面側のパッド89によって、イメージセンサ100と外部装置との間において信号が入出力されたり、イメージセンサ100に電圧が供給されたりする。
A signal is input / output between the
図3は、画素アレイ120及びその近傍の回路の回路構成例を示す図である。
複数の単位セルUCは、画素アレイ120内に、配置されている。各単位セルUCは、読み出し信号線RD1,RD2と垂直信号線VSLとの交差位置に、設けられている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the
The plurality of unit cells UC are arranged in the
図3に示される単位セルUCは、1つの単位セルUCが2つの画素1A,1Bを含む2画素1セル構造を有している。2画素1セル構造の単位セルUCにおいて、単位セルUC内の素子の一部及び信号検出部(フローティングディフュージョン)が、2つの画素(フォトダイオード)1A,1Bに対して共通化されている。
The unit cell UC shown in FIG. 3 has a two-pixel one-cell structure in which one unit cell UC includes two
2画素1セル構造の単位セルUCは、単位セルUC及び2つの画素1A,1Bの動作を制御する制御素子(以下では、セル制御素子ともよぶ)として、例えば、5つの電界効果トランジスタ2A,2B,3,4,5を含んでいる。各電界効果トランジスタ2A,2B,3,4,5は、例えば、nチャネル型MOSトランジスタである。単位セルUCに含まれる5つの電界効果トランジスタのことを、トランスファゲート2A,2B、アンプトランジスタ5、アドレストランジスタ4及びリセットトランジスタ3とそれぞれよぶ。
The unit cell UC having a two-pixel / one-cell structure includes, for example, five
2画素1セル構造の単位セルUCは、2つの画素として2つのフォトダイオード1A,1Bを含んでいる。2画素1セル構造の単位セルUCは、フォトダイオード1Aに対応するトランスファゲート2Aと、フォトダイオード1Bに対応するトランスファゲート2Bとを、含んでいる。
A unit cell UC having a two-pixel one-cell structure includes two
各フォトダイオード1A,1Bのアノードは、接地されている(グランド端子に接続されている)。各フォトダイオード1A,1Bのカソードは、対応するトランスファゲート2A,2Bの電流経路を介して、信号検出部6としてのフローティングディフュージョンに、接続されている。上述のように、フォトダイオード1A,1Bは、マイクロレンズ及びカラーフィルタを通過した光を電気信号(信号電荷)に変換し、その電荷を蓄積する。フォトダイオード1A,1B内の電荷によって、フォトダイオード1A,1Bの端子間に電位差が生じる。以下では、フォトダイオード1A,1Bを区別しない場合には、フォトダイオード1と表記する。
The anodes of the
トランスファゲート2A,2Bは、各フォトダイオード1A,1Bの信号電荷の蓄積及び放出をそれぞれ制御する。トランスファゲート2A,2Bのゲートは、読み出し信号線RD1,RD2にそれぞれ接続されている。トランスファゲート2A,2Bの電流経路の一端は、フォトダイオード1A,1Bのカソードにそれぞれ接続される。トランスファゲート2A,2Bの電流経路の他端は、フローティングディフュージョンFDに接続されている。以下では、トランスファゲート2A,2Bを区別しない場合には、トランスファゲート2と示す。トランスファゲート2は、リードトランジスタともよばれる。
The
2画素1セル構造の単位セルUCにおいて、リセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5は、2つの画素1A,1Bに共有されている。
In the unit cell UC having the two-pixel one-cell structure, the
リセットトランジスタ3は、フローティングディフュージョンFDの電位(アンプトランジスタ5のゲート電位)をリセットする。リセットトランジスタ3のゲートは、リセット信号線RSTに接続されている。リセットトランジスタ3の電流経路の一端は、フローティングディフュージョンFDに接続され、リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、グランド端子に接続されている。尚、リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、高電圧(電源VDD)側の電源端子、又は、画素アレイ120内のオプティカルブロック領域(遮光領域)内の単位セル(基準電位セル)に接続されてもよい。
The
アドレストランジスタ4は、単位セルUCを選択する(活性化する)ための選択素子として機能する。アドレストランジスタ4のゲートは、アドレス信号線ADRに接続されている。アドレストランジスタ4の電流経路の一端は、アンプトランジスタ5の電流経路の他端に接続され、アドレストランジスタ134の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続されている。
The
アンプトランジスタ5は、フローティングディフュージョンFDが保持するフォトダイオード1からの信号を増幅する。アンプトランジスタ5のゲートは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。アンプトランジスタ5の電流経路の一端は、垂直信号線VSLに接続され、アンプトランジスタ5の電流経路の他端は、アドレストランジスタ4の電流経路の一端に接続されている。アンプトランジスタ5によって増幅された信号は、単位セル(又は画素)の信号として垂直信号線VSLに出力される。アンプトランジスタ5は、単位セルUC内において、ソースフォロワとして機能する。
The
尚、単位セルUCは、アドレストランジスタ4を含まなくともよい。この場合、アドレス信号線ADRも設けられず、アンプトランジスタ5の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続される。
The unit cell UC may not include the
本実施形態のイメージセンサ100において、単位セルUCは、2画素1セル構造に限定されない。例えば、4画素1セル構造や8画素1セル構造のように、1つの単位セルUCが、3以上の画素(フォトダイオード)を含み、1つの単位セルUC内において、3以上の画素が、1つのフローティングディフュージョン(信号検出部)6、1つのリセットトランジスタ3、1つのアドレストランジスタ4及び1つのアンプトランジスタ5を共有する構造でもよい。また、本実施形態のイメージセンサ100は、1つの単位セルUCが1つの画素(フォトダイオード)を含む1画素1セル構造でもよい。
In the
画素アレイ120の動作を制御する周辺回路として、タイミング生成回路130、垂直シフトレジスタ131、AD変換回路132、負荷トランジスタ136が、画素アレイ120と同じチップ110内に設けられている。尚、これら以外の回路も、周辺回路として、画素アレイ120と同じチップ110内に設けられている。
As peripheral circuits for controlling the operation of the
垂直シフトレジスタ131は、読み出し信号線RD1,RD2、アドレス信号線ADR及びリセット信号線RSTに接続されている。垂直シフトレジスタ131は、所定の動作タイミングに基づいて、読み出し制御線RD1,RD2、アドレス制御線ADR及びリセット制御線RSTの電位を制御し、画素アレイ120内の複数の単位セルUCをロウ単位で制御及び選択する。垂直シフトレジスタ131は、各単位セル内のトランジスタ2A,2B,3,4,5のオン及びオフを制御するための制御信号(電圧パルス)を、所定の動作タイミングで、各制御線RD1,RD2,RST,ADRに出力する。そして、垂直シフトレジスタ131は、共通の制御線RD1,RD2,RST,ADRに接続された複数のトランジスタを、一括にオン又はオフにする。
The
AD変換回路132は、垂直信号線VSLに接続されている。AD変換回路132は、例えば、垂直信号線VSLに出力された画素アレイ120からの信号に、アナログ−デジタル変換処理やCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)処理を施す。AD変換回路132からの出力信号(デジタルデータ)は、後段の画像処理回路によって補正処理や特徴量の計算処理が実行される。これによって、例えば、画素アレイ120の1フレーム分に対応する画像が、形成される。
The
タイミング生成回路130は、画素アレイ120の動作タイミングを制御する。タイミング生成回路130は、垂直シフトレジスタ131及びAD変換回路132が信号を出力するタイミングを、制御する。
The
負荷トランジスタ136の電流経路の一端は、垂直信号線VSLに接続されている。負荷トランジスタ136は、ダイオード接続されている。負荷トランジスタ136の電流経路の他端は、負荷トランジスタ136のゲートに接続されている。負荷トランジスタ136の電流経路の他端は、電源端子(例えば、グランド端子)に接続されている。負荷トランジスタ136は、垂直信号線VSLに対する定電流源として用いられる。
One end of the current path of the
ここで、イメージセンサの動作の一例について、説明する。 Here, an example of the operation of the image sensor will be described.
タイミング発生回路130から指示された動作タイミングに基づいて、選択された画素アレイ120のロウに対応するリセット制御線RSTが、垂直シフトレジスタ131によって、“H”レベルに設定され、リセットトランジスタ3がオンされる。これによって、フローティングディフュージョン6の電位がリセットされる。
Based on the operation timing instructed from the
また、タイミング発生回路130が指示する動作タイミングに基づいて、選択された画素アレイ120のロウに対応するアドレス制御線ADRが、垂直シフトレジスタ131によって、“H”レベルに設定される。これによって、アドレストランジスタ4がオンされる。オン状態のアドレストランジスタ4を経由して、アンプトランジスタ5の電流経路の他端が、電源端子(例えば、グランド端子)に接続される。
Further, based on the operation timing instructed by the
リセット状態のフローティングディフュージョン6の電位が、アンプトランジスタ5のゲートに印加される。フローティングディフュージョン6の電位の大きさに応じて、アンプトランジスタ5が駆動する。リセット状態の電位が印加されたアンプトランジスタ5の駆動力に応じて、垂直信号線VSLの電位が変動する。
The potential of the floating
このように、リセット状態のフローティングディフュージョン6の電位によって駆動されたアンプトランジスタ5からの出力が、単位セルUCの出力として、垂直信号線VSLに出力される。本実施形態において、フローティングディフュージョン6がリセット状態である場合における単位セルUCからの出力信号のことを、リセット信号又はリセット電圧とよぶ。
Thus, the output from the
AD変換回路132は、タイミング発生回路131が指示する動作タイミングに基づいて、垂直信号線VSLに出力されたリセット信号を、取得する。
The
リセット信号がAD変換回路132に取得された後、リセット制御線RSTが“L”レベルに設定され、リセットトランジスタ3がオフされる。
After the reset signal is acquired by the
単位セルUC内のフォトダイオード1A,1Bは、所定の動作タイミングで、被写体から光を取得し、その光信号を電気信号(信号電荷)に変換する。フォトダイオード1A,1Bは、信号電荷を蓄積している。フォトダイオード1A,1Bが信号電荷を蓄積している間において、読み出し制御線RD1,RD2の信号レベルは、“L”レベルに設定されている。単位セルUC内の2つのフォトダイオード1A,1Bにそれぞれ対応するトランスファゲート2A,2Bは、オフされている。
The
タイミング発生回路131から指示された動作タイミングに基づいて、垂直シフトレジスタ131が、“H”レベルの読み出し信号を出力する。読み出し信号線RD1,RD2を介して、“H”レベルの読み出し信号が、トランスファゲート2A,2Bとしてのトランジスタのゲートに印加され、トランスファゲート2A,2Bが、オンする。
Based on the operation timing instructed from the
2画素1セル構造において、例えば、タイミング発生回路131によって制御された動作タイミングによって、2つの読み出し信号線RD1,RD2のうち、選択された一方の読み出し信号線(例えば、信号線RD1)が“H”レベルに設定され、2つのトランスファゲート2A,2Bのうち、一方のトランスファゲート(例えば、トランスファゲート2A)がオンされる。
In the two-pixel one-cell structure, for example, one read signal line (for example, the signal line RD1) selected from the two read signal lines RD1 and RD2 is set to “H” by the operation timing controlled by the
オン状態のトランスファゲート2の電流経路(チャネル)を経由して、単位セルUC内のフォトダイオード1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6に、読み出される。
The signal charge accumulated in the
フォトダイオード1からの信号電荷量に対応したフローティングディフュージョン6の電位が、アンプトランジスタ5のゲートに印加される。フローティングディフュージョン6の電位の大きさ(フォトダイオード1からの信号電荷量)に応じた駆動力で、アンプトランジスタ5が駆動する。信号電荷量に対応した電位が印加されたアンプトランジスタ5の駆動力に応じて、垂直信号線VSLの電位が変動する。
A potential of the floating
このように、信号電荷の保持状態のフローティングディフュージョン6の電位によって駆動されたアンプトランジスタ5からの出力が、単位セルUCの出力として、垂直信号線VSLに出力される。フローティングディフュージョン6がフォトダイオードからの信号電荷を保持している場合における単位セルからの出力信号のことを、画素信号又は画素電圧とよぶ。
Thus, the output from the
AD変換回路132は、タイミング発生回路131が指示する動作タイミングに基づいて、垂直信号線VSLに出力された画素信号を、取得する。
The
例えば、単位セルUCのフォトダイオード1Aからのリセット信号及び画素信号は、AD変換回路132によって、デジタル変換処理及びCDS処理され、デジタルの画素データDsigが形成される。
For example, the reset signal and the pixel signal from the
これと同様の動作によって、同じロウに属する単位セルUCのフォトダイオード1Bの画素信号(及びリセット信号)に対するデジタルの画素データDsigが得られる。画素データDsigが、AD変換回路132の後段の回路へ出力される。
By the same operation, digital pixel data Dsig for the pixel signal (and reset signal) of the photodiode 1B of the unit cell UC belonging to the same row is obtained. Pixel data Dsig is output to a circuit subsequent to the
例えば、選択されていた読み出し信号線RD1が“H”レベルから“L”レベルにされ、それに対応するトランスファゲート2Aがオフにされる。上述の動作と同様に、フローティングディフュージョンの電位が、リセット状態にされ、リセット信号が垂直信号線VSLに出力される。リセット信号が出力された後、2つの読み出し信号線RD1,RD2のうち、他方の読み出し信号線RD2)が“H”レベルに設定され、2つのトランスファゲート2A,2Bのうち、他方のトランスファゲート2Bがオンされる。他方のフォトダイオード1Bに対応する画素信号が、垂直信号線VSLに出力される。そして、上述の動作と同様に、リセット信号及び画素信号が、AD変換処理及びCDS処理され、画素データDsigが出力される。
For example, the selected read signal line RD1 is changed from “H” level to “L” level, and the
選択されたロウに対する動作が終了した後、垂直シフトレジスタ131によって、動作対象のロウが切り替えられる。
After the operation for the selected row is completed, the operation target row is switched by the
この動作が順次繰り返され、形成された画素データに基づいて、後段の回路(例えば、画像処理装置)によって、画素アレイ120の1フレーム分の画像が形成される。
This operation is sequentially repeated, and an image for one frame of the
ここでは、1つの単位セルUC内の2つのフォトダイオード1A,1Bが、異なる動作タイミングで、フローティングディフュージョン6に導通される例が示されている。しかし、それぞれのフォトダイオード1A,1Bの特性(例えば、光感度)に応じて、フォトダイオード1A,1Bが同時にフローティングディフュージョン6に導通するように、2つの読み出し制御線RD1,RD2の電位が制御されてもよい。この場合、単位セルUC内の2つのトランスファゲート2A,2Bが同時に活性化(オン)される。尚、本実施形態において述べられたイメージセンサの動作は一例であって、単位セルUCの回路構成や、画素アレイ120及び周辺回路の構成に応じて、イメージセンサの動作は、適宜変更される。
Here, an example is shown in which two
図4は、画素アレイ120の平面構造を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a planar structure of the
図4において、画素アレイ120内における2画素1セル構造の単位セルUCのレイアウトが示されている。
In FIG. 4, the layout of the unit cell UC having a two-pixel one-cell structure in the
図4に示されるように、2画素1セル構造の単位セルUCの形成領域(単位セル形成領域)UA内において、フォトダイオード1A,1Bが形成される領域(フォトダイオード形成領域)PAと制御素子3,4,5が形成される領域AAとが設けられている。単位セルの制御素子が形成される領域AAのことを、制御素子形成領域AAとよぶ。
As shown in FIG. 4, in the formation region (unit cell formation region) UA of the unit cell UC having the two-pixel one-cell structure, the region (photodiode formation region) PA in which the
単位セル形成領域UAは、画素アレイ120内の単位セルUCごとに、素子分離領域90,95によって区画されている。単位セル形成領域UAは、素子分離領域90,95によって、取り囲まれている。
The unit cell formation area UA is partitioned by
フォトダイオード形成領域PA及び制御素子形成領域AAは、半導体基板(チップ)110内に設けられた半導体領域である。1つの単位セル形成領域UAにおいて、2つのフォトダイオード形成領域PA及び1つの制御素子形成領域AAは、半導体基板150内において連続している。1つの単位セル形成領域UA内において、2つのフォトダイオード形成領域PAの互いに隣接する一角が、制御素子形成領域AAの一端に、それぞれ接続されている。
The photodiode formation area PA and the control element formation area AA are semiconductor areas provided in the semiconductor substrate (chip) 110. In one unit cell formation area UA, two photodiode formation areas PA and one control element formation area AA are continuous in the
フォトダイオード形成領域PAは、矩形状(四角形状)の平面形状を有する。制御素子形成領域AAは、長方形状(ライン状)の平面形状を有する。 The photodiode formation area PA has a rectangular (quadrangle) planar shape. The control element formation area AA has a rectangular (line) planar shape.
1つの単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離領域(素子分離層)90を挟んで、y方向に隣接している。例えば、1つの単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離層90としての不純物半導体層によって、区画されている場合もあるし、絶縁体からなる素子分離層によって、区画されている場合もある。互いに異なる単位セル形成領域UAのフォトダイオード形成領域PAは、素子分離層としての不純物半導体層又は絶縁体によって、電気的に分離されている。
Two photodiode formation regions PA in one unit cell formation region UA are adjacent to each other in the y direction with an element isolation region (element isolation layer) 90 interposed therebetween. For example, two photodiode formation regions PA in one unit cell formation region UA may be partitioned by an impurity semiconductor layer as the
単位セル形成領域UA内の2つのフォトダイオード形成領域PAは、y方向において、互いに異なる2つの単位セル形成領域UAの制御素子形成領域AAに挟まれたレイアウトになっている。互いに異なる単位セル形成領域UAの複数のフォトダイオード形成領域PAが、y方向に互い違いに(ジグザグに)ずれるように、x方向に沿って配列されている。x方向に隣接する2つの単位セル形成領域UAの2つのフォトダイオード形成領域PA間に、x−y平面に対して斜め方向に隣接する単位セル形成領域UAのフォトダイオード形成領域PAが、レイアウトされている。 The two photodiode formation regions PA in the unit cell formation region UA have a layout sandwiched between the control element formation regions AA of the two unit cell formation regions UA that are different from each other in the y direction. A plurality of photodiode formation regions PA of different unit cell formation regions UA are arranged along the x direction so as to be shifted alternately (zigzag) in the y direction. Between the two photodiode formation areas PA of the two unit cell formation areas UA adjacent in the x direction, the photodiode formation area PA of the unit cell formation area UA adjacent in the oblique direction with respect to the xy plane is laid out. ing.
制御素子形成領域AAは、素子分離層95としての絶縁体によって、区画されている。
The control element formation area AA is partitioned by an insulator as the
x方向に沿って配列された複数の単位セル形成領域UAにおいて、複数の制御素子形成領域AAは、x方向に沿って同一直線上に配列するように、画素アレイ120内にレイアウトされている。
In the plurality of unit cell formation areas UA arranged along the x direction, the plurality of control element formation areas AA are laid out in the
複数の制御素子形成領域AAは、y方向において、互いに異なる単位セル形成領域UAに属する2つのフォトダイオード形成領域PA間に挟まれるように、画素アレイ120内に、レイアウトされている。
The plurality of control element formation areas AA are laid out in the
制御素子形成領域AAの長手方向の他端は、x方向に隣接する他の単位セル形成領域UAの2つのフォトダイオード形成領域PA間に、配置されている。 The other end in the longitudinal direction of the control element formation area AA is arranged between two photodiode formation areas PA of another unit cell formation area UA adjacent in the x direction.
図4に示されるように、トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜を介して、フォトダイオード形成領域PAと制御素子形成領域AAとの接続部(半導体領域)上に、設けられている。
As shown in FIG. 4, the
トランスファゲート2のゲート電極21は、制御素子形成領域AAの延在方向に対して、斜め方向に傾いている。トランスファゲート2のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向に対して、斜め方向になっている。
The
2つのフォトダイオード1A,1Bにそれぞれ対応するトランスファゲート2A,2Bのオン/オフによって、連続した半導体領域からなるフォトダイオード形成領域PAと制御素子形成領域AAとが、電気的に接続される、又は、電気的に分離される。
By turning on / off the
フォトダイオード形成領域PAは、フォトダイオード1を形成するための不純物半導体層を含む。
The photodiode formation region PA includes an impurity semiconductor layer for forming the
例えば、フォトダイオード形成領域PA内のフォトダイオード1が含む不純物半導体層が、トランスファゲート2の電流経路の一端(ソース/ドレイン領域)として、用いられている。
For example, an impurity semiconductor layer included in the
フローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60は、制御素子形成領域AA内に設けられる。フローティングディフュージョン6は、2つのトランスファゲート2A,2Bのゲート電極21とリセットトランジスタ3のゲート電極30とに囲まれるように、制御素子形成領域AA内にレイアウトされる。
The
フローティングディフュージョン6は、トランスファゲート2の電流経路の他端(ソース/ドレイン領域)として、用いられている。
The floating
リセットトランジスタ3のゲート電極30は、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。リセットトランジスタ3のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向(長手方向)に、設定されている。トランジスタのチャネル幅方向におけるリセットトランジスタ3のゲート電極30の一端及び他端は、素子分離領域上に配置されている。
The
フローティングディフュージョン6が、実質的に、リセットトランジスタ3の電流経路の一端(ソース/ドレイン領域)となる。リセットトランジスタ3の電流経路の他端は、制御素子形成領域AA内に設けられた不純物半導体層(不純物半導体領域)である。
The floating
アドレストランジスタ4は、制御素子形成領域AAの長手方向において、フローティングディフュージョンが設けられている側(一端)とは反対側の端部に、配置されている。
The
アドレストランジスタ4のゲート電極40は、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。アドレストランジスタ4の電流経路の一端及び他端(ソース/ドレイン領域)は、制御素子形成領域AA内に設けられた不純物半導体層から形成される。アドレストランジスタ4の電流経路の他端としての不純物半導体層は、制御素子形成領域AAの延在方向の端部(フローティングディフュージョン6が設けられた側と反対側)に設けられている。アドレストランジスタ4の電流経路の他端としての不純物半導体層は、他のトランジスタと共有されない。アドレストランジスタ4の他のトランジスタと共有されない不純物半導体層上に、例えば、コンタクトプラグ(図示せず)が設けられている。
The
アンプトランジスタ5は、制御素子形成領域AA内において、リセットトランジスタ3とアドレストランジスタ4との間に、レイアウトされている。
The
リセットトランジスタ3のゲート電極30とアドレストランジスタ4のゲート電極40との間において、アンプトランジスタ5のゲート電極50が、ゲート絶縁膜を介して、制御素子形成領域AA上に設けられている。
Between the
アンプトランジスタ5の電流経路の一端としての不純物半導体層は、リセットトランジスタ3の電流経路の他端としての不純物半導体層と、共有されている。アンプトランジスタ5の電流経路の他端としての不純物半導体層は、アドレストランジスタ4の電流経路の一端としての不純物半導体層と、共有される。
The impurity semiconductor layer as one end of the current path of the
アンプトランジスタ5のゲート電極50は、配線(図示せず)及びプラグ(図示せず)を介して、フローティングディフュージョン6に接続されている。
The
このように、制御素子としての各トランジスタ2,3,4,5は、隣接するトランジスタ間でソース/ドレイン(電流経路の一端及び他端)としての不純物半導体層を共有する。これによって、単位セル形成領域UCの占有面積が縮小され、単位セルUCの微細化が図られる。
As described above, the
尚、リセットトランジスタ3と同様に、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のチャネル長方向は、制御素子形成領域AAの延在方向(長手方向)に、対応する。リセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のチャネル幅方向は、制御素子形成領域AAの幅方向に対応する。トランジスタのチャネル幅方向において、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5のゲート電極40,50の一端及び他端は、素子分離領域上に配置されている。
Similar to the
(b) フォトダイオードの構造
図5を用いて、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造について、詳細に説明する。
図5は、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1の構造を示す断面図である。図5は、図4のV−V線に沿う断面を示している。図5において、単位セル20の構成要素として、図示の明確化のために、フォトダイオード1、トランスファゲート2及びフローティングディフュージョン(FD)6のみを図示している。また、図5において、層間絶縁膜の図示を省略する。
(B) Photodiode structure
The structure of the
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the
図5に示されるように、フォトダイオード1、トランスファゲート2及びフローティングディフュージョン6は、素子分離領域9に囲まれた素子形成領域(アクティブ領域)内に設けられている。
As shown in FIG. 5, the
1つのフォトダイオード1は、少なくとも1つの不純物半導体層10,11を含んでいる。少なくとも1つの不純物半導体層10,11は、電荷蓄積部として機能する。
One
フローティングディフュージョン6は、トランスファゲート2を挟んでフォトダイオード1に対向するように、半導体基板150内に設けられている。フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6とは、トランスファゲート2のチャネル長方向に配列している。フローティングディフュージョン6は、半導体基板150内に形成されたn型の不純物半導体層(不純物半導体領域)である。
The floating
トランスファゲート2は、フォトダイオード1とフローティングディフュージョン6とに隣接するように、半導体基板150上に配置されている。
トランスファゲート2のゲート電極21は、ゲート絶縁膜22を介して、半導体基板150上に設けられている。フォトダイオード1の不純物半導体層10,11及びフローティングディフュージョン60のn型不純物半導体層60間の半導体領域が、トランスファゲート2のソース領域及びドレイン領域間のチャネル領域となる。
The
The
本実施形態において、フォトダイオード1は、半導体基板150内に形成された溝RX内に埋め込まれた構造を有する。本実施形態のように、半導体基板150内の溝に埋め込まれた構造のフォトダイオードのことを、以下では、埋め込み型フォトダイオードとよぶ。
In the present embodiment, the
本実施形態において、埋め込み型フォトダイオード1は、半導体基板(例えば、p型Si基板)150のフォトダイオード形成領域PA内の溝RX内に設けられている。尚、フォトダイオード1が形成される半導体基板150は、SOI(Silicon On Insulator)基板の半導体層(例えば、p型シリコン層)でもよい。
In the present embodiment, the embedded
フォトダイオード形成領域PA内の溝RX内に、第1の半導体層10が、埋め込まれている。第1の半導体層10は、例えば、シリコン層(以下では、Si層と表記する)である。溝RX内において、Si層10の上部上に、第2の半導体層11が設けられている。第2の半導体層11は、第1の半導体層10と同様に、例えば、Si層である。以下では、説明の明確化のために、溝の底部側(半導体基板150の裏面側)のSi層10のことを、下部Si層10とよび、下部Si層10の上面上に積層された溝RXの開口部側(半導体基板150の表面側)のSi層11のことを、上部Si層11とよぶ。
The
下部Si層10及び上部Si層11は、例えば、多結晶Si層又はエピタキシャルSi層である。下部Si層10と上部Si層11とは、連続した(界面が不鮮明な)1つのSi層でもよいし、非連続な(界面が鮮明な)2つのSi層でもよい。
The
溝RXに埋め込まれた下部Si層10は、例えば、n型のSi層10である。下部Si層10は、例えば、n型ドーパントとして、リン(P)又はヒ素(As)を含んでいる。例えば、フォトダイオード1におけるn型の下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度は、フローティングディフュージョン6としてのn型不純物半導体層60の不純物濃度より低い。例えば、下部Si層10は、1×1016cm−3から5×1016cm−3程度の範囲の不純物濃度のn型ドーパントを含む。
The
Si基板150の表面に対して垂直方向において、下部Si層10の底部(溝の底部)の位置ZXは、フローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60の底部の位置よりも、Si基板150の裏面側に設定されている。Si基板150の表面に対して垂直方向において、下部Si層10の底部(溝の底部)の位置ZXは、素子分離層90の底部の位置よりも、Si基板150の表面側に設定されている。
In the direction perpendicular to the surface of the
フォトダイオード形成領域PA内において、ドーパントを含む下部Si層10が埋め込まれる溝RXは、Si基板150の深い領域に達するように、形成されている。これに伴って、Si層10が、Si基板150の深い領域内に設けられる。例えば、溝RXは、2μmから4μm程度の深さ(Si基板150表面に対して垂直方向の寸法)を有するように、形成される。
In the photodiode formation region PA, the trench RX in which the
尚、図5において、フォトダイオード1の下部Si層10内に、フォトダイオード131の特性(例えば、感度)を向上させるために、Si基板150の深さ方向において不純物濃度の異なる複数のn型及びp型不純物領域が、設けられてもよい。
In FIG. 5, in order to improve the characteristics (for example, sensitivity) of the
上部Si層11の上面は、溝RXの開口部から露出する。例えば、上部Si層11の上面の位置は、半導体基板150の表面の位置と一致する。上部Si層11は、その堆積時において、n型又はp型のドーパントをほとんど含まないアンドープSi層(真性Si層)として、形成される。そして、フォトダイオード1に要求される特性に応じて、n型又はp型のドーパントが、真性(intrinsic)のSi層(以下では、i型Si層とも表記する)11内に添加される。その結果として、上部Si層11は、少なくとも1つの不純物半導体領域を含む。
The upper surface of the
例えば、Si基板150の表面側の上部Si層11内に、p型ドーパントを含む不純物半導体領域(以下では、p型Si領域と表記する)111が、設けられる。p型Si領域111は、例えば、Si基板150表面上の層間絶縁膜からの不純物(例えば、炭素)が、フォトダイオード1のn型Si層10内に拡散するのを抑制する表面シールド層として機能する。或いは、p型Si領域111は、例えば、その領域111と下方のn型の不純物半導体層10との間で、光電変換のためのpn接合を形成する。
For example, an impurity semiconductor region (hereinafter, referred to as a p-type Si region) 111 containing a p-type dopant is provided in the
下部Si層10とSi基板150との界面近傍において、不純物半導体領域151が、Si基板150内に設けられている。不純物半導体領域151は、溝RXの形状(溝RXの側壁部及び底部)に沿って下部Si層10の周囲を取り囲んでいる。Si基板150内に設けられた不純物半導体領域12は、例えば、n型の導電型である。下部Si層10と上部Si層11との界面近傍において、不純物半導体領域113が上部Si層11内に、設けられている。例えば、下部Si層10側に設けられた上部Si層11内の不純物半導体領域113は、n型の導電型である。例えば、下部Si層10の全面が、Si基板150内及び上部Si層11内のn型不純物半導体領域(以下では、n型Si領域ともよぶ)151,113に、囲まれている。
An
溝RXの形成時において、溝RX内のSi基板150の露出面におけて、Si基板150の露出面内に結晶欠陥(ダメージ)が生じる場合がある。n型の不純物半導体領域151が、溝RXの形状に沿ってSi基板150内に形成されることによって、Si基板150の結晶欠陥に起因したn型Si層10とSi基板150との界面で生じるリーク(例えば、ジャンクションリーク)を、低減できる。
When the trench RX is formed, crystal defects (damage) may occur in the exposed surface of the
n型不純物半導体領域151,113は、下部Si層10が含む不純物(例えば、リン)が、Si基板150内及び上部Si層11内に拡散することによって、形成される。
The n-type
不純物半導体領域151,113内におけるn型ドーパントの不純物濃度は、下部Si層10内におけるn型ドーパントの不純物濃度より低い。
The impurity concentration of the n-type dopant in the
以下では、説明の明確化のため、n型の下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度を基準に、下部Si層を、n型Si層10と表記し、n型Si層10よりもn型ドーパントの不純物濃度が低いn型の不純物半導体領域113,151を、n−型Si領域113,151と表記し、n型Si層10よりもn型ドーパントの不純物濃度が高いn型の不純物半導体領域を、n+型Si領域と表記する場合がある。
In the following, for the sake of clarification, the lower Si layer is referred to as an n-
例えば、Si基板150の表面に対して水平方向において、Si基板150の裏面側における溝RXの寸法D2は、Si基板150の表面側における溝RXの寸法(溝RXの開口部の寸法)D1と実質的に同じ大きさを有している。埋め込み型フォトダイオード1の寸法は溝RXの寸法に依存し、Si基板150の表面に対して水平方向におけるフォトダイオード1の下部(溝RXの底部側)の寸法D1は、Si基板150の表面に対して水平方向におけるフォトダイオード1の上部(溝RXの開口部側)の寸法D2と実質的に同じになっている。
For example, the dimension D2 of the groove RX on the back surface side of the
このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、フォトダイオード1は、不純物を含む半導体層(Si層)10,12が、半導体基板150内の溝RX内に埋め込まれた構造を有している。
Thus, in the image sensor of this embodiment, the
イメージセンサにおいて、単位セル内の画素としてフォトダイオードの微細化が進む(面積の縮小)につれて、フォトダイオードのアスペクト比が大きくなる傾向がある。フォトダイオードの微細化の結果として、フォトダイオードが含む不純物半導体領域は、相対的に半導体基板(Si基板)内におけるより深い領域(半導体基板の裏面側の領域)内に形成される。 In an image sensor, the aspect ratio of the photodiode tends to increase as the photodiode becomes finer as the pixel in the unit cell (area reduction). As a result of the miniaturization of the photodiode, the impurity semiconductor region included in the photodiode is formed in a relatively deeper region (region on the back side of the semiconductor substrate) in the semiconductor substrate (Si substrate).
半導体基板の深い領域内に、イオン注入を用いて、不純物半導体領域が形成される場合、大きいイオン加速度を用いて、ドーパントとなるイオンが半導体基板内に注入される。注入されたイオン(原子)は、半導体基板150の構成原子と衝突し、その原子間の衝突に起因して、注入されたイオンが、半導体基板150内で散乱する。イオン注入に用いられるイオン加速度が大きくなるにしたがって、イオン(ドーパント)の散乱は大きくなる。
In the case where an impurity semiconductor region is formed using ion implantation in a deep region of a semiconductor substrate, ions serving as a dopant are implanted into the semiconductor substrate using a large ion acceleration. The implanted ions (atoms) collide with constituent atoms of the
このため、半導体基板の表面に対して水平方向におけるイオンの散乱に起因して、半導体基板表面に対して水平方向において、イオン注入を用いて半導体基板の裏面(深い領域)側に形成された不純物半導体領域の寸法は、半導体基板の表面側に形成される不純物半導体領域の寸法より、大きくなる傾向がある。 Therefore, impurities formed on the back surface (deep region) side of the semiconductor substrate using ion implantation in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate due to ion scattering in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate. The size of the semiconductor region tends to be larger than the size of the impurity semiconductor region formed on the surface side of the semiconductor substrate.
半導体基板の裏面側において、半導体基板表面に対して水平方向における不純物半導体領域の寸法が大きくなると、隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触が生じる可能性がある。また、散乱したドーパントが素子分離層としての不純物半導体層内に混入した場合、素子分離の不良が生じる可能性がある。この結果として、素子(画素及び単位セル)の動作不良、或いは、形成される画像の混色が生じる恐れがある。 When the dimension of the impurity semiconductor region in the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate surface is increased on the back surface side of the semiconductor substrate, leakage or contact between adjacent photodiodes may occur. Further, when the scattered dopant is mixed in the impurity semiconductor layer as the element isolation layer, there is a possibility that an element isolation defect occurs. As a result, there is a risk of malfunction of the elements (pixels and unit cells) or color mixture of the formed image.
隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触を防止するために、フォトダイオード間の間隔(素子分離領域の面積)を大きくすると、フォトダイオードを含む単位セルの面積が大きくなる。 In order to prevent leakage or contact between adjacent photodiodes, the area of the unit cell including the photodiodes increases when the interval between the photodiodes (area of the element isolation region) is increased.
イオン(ドーパント)の散乱に起因した素子特性の劣化や素子面積の増大を抑制するために、半導体基板150の深い領域内にフォトダイオードの構成要素としての不純物半導体領域が形成されない場合、被写体からの光が光電変換されるまでの光路において光のエネルギーの損失が大きくなり、フォトダイオードの光電変換によって得られる電荷(電圧又は電流)が少なくなる。その結果として、画素及び単位セルが出力する信号が小さくなり、被写体からの光に基づいて形成される画像(色及び明るさなど)の再現性が、悪くなる。それゆえ、半導体基板の深い領域に不純物半導体層が形成されない場合において、形成される画像の画質が劣化する可能性がある。
In order to suppress deterioration of device characteristics and increase in device area due to ion (dopant) scattering, when an impurity semiconductor region as a constituent element of a photodiode is not formed in a deep region of the
本実施形態のイメージセンサのように、半導体基板150の溝RX内に、不純物半導体層10が埋め込まれる構造のフォトダイオード1において、例えば、後述の製造方法のように、溝RX内において半導体基板150の裏面側に設けられる不純物半導体層10が含むドーパント(例えば、リン)は、不純物半導体層10の堆積中に、その半導体層10内に添加される。つまり、本実施形態のイメージセンサにおいて、半導体基板150の深い領域のドーパントを含む半導体層10は、半導体基板150の溝RX内に埋め込まれ、イオン注入を用いずに、半導体基板150内に形成される。
In the
それゆえ、本実施形態のイメージセンサ100が含むフォトダイオードは、イオン注入によるイオン(ドーパント)の散乱に起因したフォトダイオードの特性の劣化及びイメージセンサの動作不良が生じない。したがって、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードは、素子特性の劣化及び素子の不良を抑制できる。
Therefore, the photodiode included in the
また、本実施形態において、フォトダイオード1のサイズは、半導体基板150内に形成される溝RXの大きさに、依存する。それゆえ、本実施形態のイメージセンサ100は、イオン注入を用いて不純物半導体層が形成される場合とは異なって、イオンの散乱を考慮して、フォトダイオード間の間隔を大きくせずともよい。したがって、本実施形態のイメージセンサに用いられるフォトダイオード1は、フォトダイオードのサイズ(占有面積)及び単位セルのサイズを縮小できる。
In the present embodiment, the size of the
以上のように、本実施形態のように、フォトダイオード1の不純物を含む半導体層10を、半導体基板150内に形成された溝RX内に埋め込むことによって、イオン注入を用いたフォトダイオードの形成に起因した素子の特性の劣化(不良)又は単位セルの面積の増加が生じること無しに、フォトダイオードを、形成できる。
As described above, the
したがって、第1の実施形態の固体撮像装置によれば、フォトダイオードのサイズを小さくでき、フォトダイオードの素子特性の劣化又は不良を抑制できる。 Therefore, according to the solid-state imaging device of the first embodiment, the size of the photodiode can be reduced, and deterioration or failure of the element characteristics of the photodiode can be suppressed.
(c) 製造方法
図6乃至8を参照して、第1の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)の製造方法について、説明する。
(C) Manufacturing method
A manufacturing method of the solid-state imaging device (for example, an image sensor) of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図6乃至図8は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の一工程を示す断面図である。図6乃至図8には、図4のV−V線に沿う断面における各工程が示されている。ここでは、図2、図4及び図5も適宜用いて、本実施形態のイメージセンサの製造方法について、説明する。 6 to 8 are cross-sectional views illustrating one process of the method of manufacturing the image sensor according to the present embodiment. 6 to 8 show each step in a cross section taken along the line V-V in FIG. 4. Here, the manufacturing method of the image sensor of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 4 and 5 as appropriate.
図6に示されるように、半導体基板150の素子分離領域内に、素子分離層90が形成される。素子分離層90は、イオン注入によって形成された不純物半導体層(素子分離不純物層)でもよいし、半導体基板150内のSTI溝内に埋め込まれた絶縁体(素子分離絶縁層)でもよい。
As shown in FIG. 6, the
半導体基板(例えば、p型Si単結晶基板、又は、SOI基板のp型Si層)の表面に、マスク材(例えば、レジスト)が形成される。マスク材は、フォトリソグラフィ技術によって、パターニングが施される。このパターニングによって、フォトダイオードが形成される領域(フォトダイオード形成領域)PAにおいて、Si基板150の表面が露出するように、開口部がマスク材内に形成される。これによって、所定のパターンを有するマスク層200が、Si基板150上に形成される。
A mask material (for example, a resist) is formed on the surface of a semiconductor substrate (for example, a p-type Si single crystal substrate or a p-type Si layer of an SOI substrate). The mask material is patterned by a photolithography technique. By this patterning, an opening is formed in the mask material so that the surface of the
開口部を有するマスク層200をマスクに用いて、Si基板150が、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法によって、エッチングされる。これによって、Si基板150の深い領域まで達する溝RXが、Si基板150のフォトダイオード形成領域110内に、形成される。例えば、溝RXは、2μmから4μm程度の深さ(Si基板150表面に対して垂直方向の寸法)を有するように、形成される。
Using the
溝RXは、素子分離絶縁層を埋め込むためのSTI溝(図示せず)と、同時の工程で、形成されてもよい。 The trench RX may be formed in the same process as the STI trench (not shown) for embedding the element isolation insulating layer.
図7に示されるように、マスク層が除去された後、半導体層(ここでは、Si層)19が、Si基板150上に、堆積される。Si層19は、例えば、600℃から700℃程度の堆積温度のCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、形成される。形成されるSi層19は、多結晶Si層でもよいし、エピタキシャルSi層でもよい。
As shown in FIG. 7, after the mask layer is removed, a semiconductor layer (here, Si layer) 19 is deposited on the
堆積されたSi層19は、溝RX内に充填される。Si層19のうち溝RXの底部側の下部Si層10は、例えば、n型ドーパントとしてのリンを含むガス雰囲気中で形成され、Si基板150内の溝RX内に埋め込まれる。すなわち、Si層10の堆積中に、シリコンに対するn型ドーパントが、in−situで、Si層10内にドーピングされる。
The deposited
このように、Si層10をSi基板150の溝RX内に充填しながらドーパントをSi層10内に添加することによって、イオン注入を用いずに、n型のSi層10をSi基板150の深い領域内に形成できる。この場合、イオン注入のようなイオン(ドーパント)とSi原子との衝突に起因するドーパントの散乱は生じないため、ドーパントの散乱に起因したSi層10の寸法の意図しない拡大が生じることなく、n型の下部Si層10の大きさは、Si基板150内に形成された溝の大きさに依存する。
In this way, by adding the dopant into the
例えば、Si層10の堆積中におけるn型ドーパントの供給量が調整されることによって、下部Si層10内にドーピングされるn型ドーパントの不純物濃度は、1×1016cm−3から5×1016cm−3程度の範囲に設定される。
For example, the impurity concentration of the n-type dopant doped in the
下部Si層10の上面上に、Si層19の一部としてのアンドープの上部Si層(i型Si層)11Aが、形成される。例えば、アンドープSi層11Aは、リンの供給を停止してSi層の堆積を継続することによって、n型Si層10に連続して形成される。尚、上部Si層11Aが、溝RX内の下部Si層10上面上に積層されていれば、ドーパントを含む下部Si層10の形成及びドーパントを含まない上部Si層11Aの形成は、連続していなくともよい。
On the upper surface of the
図8に示されるように、例えば、エッチバック又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって、上部Si層11の上面の位置(高さ)がSi基板の表面と一致するように、上部Si層11が加工される。Si基板150に対して加熱処理が施され、下部Si層10中のn型ドーパントndが、熱拡散する。Si層10が含むドーパントndをSi層10内からSi基板150内に拡散させるための加熱処理の温度は、例えば、600℃〜700℃に設定される。
As shown in FIG. 8, the
この加熱処理によって、下部Si層10中のn型ドーパント(例えば、リン)ndが、下部Si層10とSi基板150との境界(界面)、及び、下部Si層10と上部Si層11との境界をまたいで、Si基板150内及び上部Si層11内に、それぞれ拡散する。これによって、溝RX及び下部Si層10の形状に沿って、n型の不純物半導体領域(n型Si領域)151が、Si基板150内に形成される。また、n型の不純物半導体領域(n型Si領域)113が、下部Si層10と上部Si層との境界に沿って、上部Si層11内に形成される。
By this heat treatment, the n-type dopant (for example, phosphorus) nd in the
熱拡散によって形成されたn型Si領域113,151が含むn型ドーパントの不純物濃度は、下部Si層10のn型ドーパントの不純物濃度より低い。
The impurity concentration of the n-type dopant included in the n-
低濃度のn−型Si領域113,151は、n型の下部Si層10の周囲を取り囲むように、Si基板150内及び上部Si層11内に、形成される。
The low concentration n −
例えば、溝RXを形成するためのエッチングによって、溝RXの内側面に沿ったSi基板150の露出面がダメージを受け、溝RX内のSi基板150の露出面において結晶欠陥が生じる場合がある。この溝RXの形成によって発生したSi基板150の結晶欠陥に起因して、Si基板150と溝RX内に埋め込まれた下部Si層10と間に、ジャンクションリークが生じ、フォトダイオードの動作特性が劣化する可能性がある。
For example, the exposed surface of the
本実施形態のように、下部Si層10が含むn型ドーパントndの熱拡散によって、下部Si層10とSi基板150との界面に沿って、低濃度のn−型Si領域151が形成される結果として、Si層10とSi基板150との界面における結晶欠陥の悪影響が緩和され、下部Si層10とSi基板150との間のジャンクションリークが抑制される。また、下部Si層10と上部Si層11との境界に関しても、n−型Si領域113によって、下部Si層10と上部Si層11との非連続性の悪影響が緩和される。
As in this embodiment, a low concentration n −
尚、加熱によるドーパントの拡散量(拡散距離)は、加熱処理の温度及び時間によって、制御される。
n型ドーパントとしてのリン(P)の拡散係数は、n型ドーパントしてのヒ素(As)の拡散係数より大きいため、図8に示されるように、熱拡散によってn型Si領域113,115が形成される場合、リンが用いられることが好ましい。但し、単位セルのサイズ及び単位セル間のピッチが縮小される場合又は形成されるフォトダイオードのサイズが小さくされる場合、熱によるドーパントの拡散範囲を精度よく制御するために、ヒ素を用いてもよい。n型Si層10内に、リンとヒ素の両方がドーピングされていてもよい。
Note that the diffusion amount (diffusion distance) of the dopant by heating is controlled by the temperature and time of the heat treatment.
Since the diffusion coefficient of phosphorus (P) as an n-type dopant is larger than the diffusion coefficient of arsenic (As) as an n-type dopant, the n-
例えば、Si基板150に対する加熱処理によって、溝RX内のSi層10,11の結晶性が改善される。
For example, the crystallinity of the Si layers 10 and 11 in the trench RX is improved by the heat treatment on the
図5に示されるように、例えば、Si基板150の上面上及び上部Si層11の上面上に、トランジスタのゲート絶縁膜22が形成される。ゲート絶縁膜22上に、例えば、ポリシリコン層が、CVD法によって、堆積される。ポリシリコン層は、フォトリソグラフィ及びRIE(Reactive Ion Etching)によって、所定の形状に加工され、トランジスタ2のゲート電極21が、形成される。トランスファゲート2のゲート電極22が形成される工程と同時に、図4のリセットトランジスタ3、アドレストランジスタ4及びアンプトランジスタ5、図2の周辺回路領域のトランジスタ7などの、電界効果トランジスタのゲート電極が、形成される。
As shown in FIG. 5, for example, the
Si基板150内に、フローティングディフュージョン60としての不純物半導体領域60が、イオン注入によって、形成される。また、アンドープの上部Si層11内に、例えば、イオン注入によって、p型のドーパント(例えば、ボロン)やn型のドーパントが添加される。これによって、不純物半導体領域111が上部Si層11内に、形成される。
An
フローティングディフュージョン6及び上部Si層11内に形成されるドーパントを含むSi領域111は、Si基板150の浅い領域に対するイオン注入であるため、イオンの加速度が低いイオン注入で形成することが可能である。それゆえ、ドーパントの散乱に起因したフローティングディフュージョン6及びSi領域111の寸法の拡張は、ほとんど生じない。
Since the
フローティングディフュージョンを形成するためのイオン注入及びSi層に対するイオン注入の順序は、上述の例に限定されない。上部Si層11に対するイオン注入を用いたドーピングは、トランジスタ2を形成する前に実行されてもよい。尚、アンドープの上部Si層11内に、不純物半導体領域111が、形成されなくともよい。
素子分離層90は、フォトダイオード1が形成された後に、形成されてもよい。また、Si層19を埋め込む溝RXを形成する前に、トランジスタ2のゲート絶縁膜22を形成し、溝RX内に埋め込まれるSi層19を用いて、トランジスタのゲート電極21を形成してもよい。
The order of ion implantation for forming the floating diffusion and ion implantation for the Si layer is not limited to the above example. Doping using ion implantation for the
The
以上のように、フォトダイオード形成領域PAの溝RX内に、埋め込み型のフォトダイオード1が形成され、埋め込み型フォトダイオード1を含む単位セルが形成される。
As described above, the embedded
この後、図2に示されるように、周知の技術によって、Si基板150の表面上に、層間絶縁膜92、コンタクトプラグ81及びその内部の金属膜80が順次形成される。例えば、最上層の層間絶縁膜92の上面上に、再配線技術によって、配線82が形成される。配線82を覆う絶縁層96の上面上に、支持基板119が貼り付けられる。
Thereafter, as shown in FIG. 2, an
Si基板150の裏面に対するエッチング又は研削によって、Si基板150の厚さが薄くされた後、Si基板150の裏面側に、絶縁膜及び接着層(図示せず)を介して、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが取り付けられる。
After the thickness of the
また、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが取り付けられる前又は取り付けられた後に、Si基板150の表面側から裏面側へ貫通する開口部(貫通孔)が形成され、その貫通孔の内側面上に、絶縁膜98が形成される。層間絶縁膜92内の金属膜(配線)80に接続されるように、貫通電極88が、Si基板150の貫通孔内に埋め込まれる。また、貫通電極88に接続されるように、パッド89が、Si基板150の裏面上の絶縁膜99上に、形成される。貫通電極88は、フォトダイオード1が形成される前に、形成されてもよい。
Further, before or after the color filter layer CF and the microlens array ML are attached, an opening (through hole) penetrating from the front surface side to the back surface side of the
以上の製造工程によって、本実施形態における埋め込み型のフォトダイオード1を含むイメージセンサが作製される。
Through the above manufacturing process, an image sensor including the embedded
半導体基板の深い領域内に、イオン注入を用いて、不純物半導体領域が形成される場合、大きい加速度でイオンが注入されるため、注入されたイオン(ドーパント)と半導体基板の構成原子との衝突によるドーパントの散乱の影響が、大きくなる。このドーパントの散乱に起因して、半導体基板150の深い領域内に形成されるフォトダイオードの不純物半導体領域において、半導体基板の表面に対して水平方向における不純物半導体領域のスケーリングが困難になる。
When an impurity semiconductor region is formed in a deep region of a semiconductor substrate by using ion implantation, ions are implanted at a large acceleration. Therefore, due to collision between implanted ions (dopant) and constituent atoms of the semiconductor substrate. The effect of dopant scattering is increased. Due to the scattering of the dopant, in the impurity semiconductor region of the photodiode formed in the deep region of the
この場合において、例えば、イオン注入によって半導体基板の深い領域内に形成された不純物半導体領域は、半導体基板表面に対して水平方向における広がりが大きくなり、隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触が生じる可能性がある。ドーパントの散乱に起因した隣接するフォトダイオード間のリーク又は接触を防止するために、フォトダイオード間の間隔(素子分離領域の面積)を大きくすると、フォトダイオードを含む単位セルの面積が大きくなる。 In this case, for example, the impurity semiconductor region formed in the deep region of the semiconductor substrate by ion implantation becomes larger in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate, and leakage or contact between adjacent photodiodes may occur. There is sex. In order to prevent leakage or contact between adjacent photodiodes due to dopant scattering, if the interval between photodiodes (area of the element isolation region) is increased, the area of the unit cell including the photodiodes is increased.
このようなドーパントの散乱の影響及びそれに伴うフォトダイオードのスケーリングの困難化は、フォトダイオードの微細化及びアスペクト比の増大が進むにつれて、顕著になる。 The influence of the scattering of the dopant and the difficulty in scaling the photodiode become conspicuous as the photodiode is miniaturized and the aspect ratio is increased.
イオン(ドーパント)の散乱に起因した素子特性の劣化や面積の増大を抑制するために、半導体基板の深い領域内にフォトダイオードの構成要素としての不純物半導体層が形成されない場合、フォトダイオードの光電変換効率が低下し、形成される画像の画質が劣化する可能性がある。 Photoelectric conversion of a photodiode when an impurity semiconductor layer as a photodiode component is not formed in a deep region of a semiconductor substrate in order to suppress deterioration of device characteristics and an increase in area due to ion (dopant) scattering. There is a possibility that the efficiency is lowered and the image quality of the formed image is deteriorated.
本実施形態のイメージセンサの製造方法において、半導体基板150の深い領域に達するように、溝RXが半導体基板150内に形成され、その形成された溝RX内に、ドーパントを含む不純物半導体層10が、埋め込まれる。不純物半導体層10内のドーパント(例えば、リン)は、不純物半導体層10の堆積中に、その半導体層10内に添加される。
In the image sensor manufacturing method of the present embodiment, the trench RX is formed in the
このように、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、イオン注入を用いずに、ドーパントを含む半導体層10が、半導体基板150の深い領域に達するように、形成される。それゆえ、本実施形態のイメージセンサの製造方法によれば、イオン注入によるイオン(ドーパント)の散乱の悪影響なしに、半導体基板150の深い領域内に形成された不純物半導体層10を有するフォトダイオード1を、半導体基板150内に形成できる。
Thus, in the image sensor manufacturing method of the present embodiment, the
したがって、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、素子特性の劣化及び素子の不良を抑制可能なフォトダイオードを、形成できる。また、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、サイズ(占有面積)の小さいフォトダイオードを、形成できる。 Therefore, the manufacturing method of the image sensor according to the present embodiment can form a photodiode capable of suppressing deterioration of element characteristics and element defects. Moreover, the manufacturing method of the image sensor of this embodiment can form a photodiode with a small size (occupied area).
フォトダイオードのサイズは、半導体基板150内に形成される溝RXの大きさに、依存する。それゆえ、本実施形態のフォトダイオードの製造方法において、イオン注入を用いて不純物半導体層が形成される場合とは異なって、イオンの散乱を考慮して、フォトダイオード間の間隔を大きくせずともよい。したがって、本実施形態のイメージセンサの製造方法によれば、フォトダイオードが半導体基板150内の溝RX内に形成されることによって、単位セル及び素子分離領域のサイズを縮小できる。
The size of the photodiode depends on the size of the trench RX formed in the
以上のように、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、フォトダイオードの素子特性の劣化又は不良を抑制できる固体撮像装置を提供できる。また、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、サイズの小さいフォトダイオード及び単位セルを含む固体撮像装置を提供できる。 As described above, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress deterioration or failure of the element characteristics of the photodiode. Moreover, according to the manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment, a solid-state imaging device including a small-sized photodiode and unit cell can be provided.
(d) 構成例
図9を用いて、本実施形態のイメージセンサの構成例について、説明する。
(D) Configuration example
A configuration example of the image sensor of this embodiment will be described with reference to FIG.
イメージセンサが、1つの画素アレイ2で複数の色情報を取得する単板式のイメージセンサである場合、図2に示される画素アレイ120上方に設けられているカラーフィルタ層CFは、複数の色に対応するフィルタ(色素膜)を含む。
When the image sensor is a single-plate image sensor that acquires a plurality of pieces of color information with one
カラーフィルタ層CFの各色の配列の一例として、ベイヤー配列がある。ベイヤー配列は、赤色(R)、緑色(R)及び青色(B)の波長域(波長帯域、波長の範囲、または、単一の波長)に対応するフィルタから形成される。カラーフィルタ層CFに照射された光において、各フィルタの色に応じた波長成分の光が、フィルタを透過する。赤、青及び緑のうち少なくとも1色のフィルタが、1つの画素(フォトダイオード)又は1つの単位セルにそれぞれ対応する。 An example of the arrangement of each color of the color filter layer CF is a Bayer arrangement. The Bayer array is formed of filters corresponding to wavelength ranges (wavelength band, wavelength range, or single wavelength) of red (R), green (R), and blue (B). In the light applied to the color filter layer CF, light having a wavelength component corresponding to the color of each filter is transmitted through the filter. At least one color filter of red, blue, and green corresponds to one pixel (photodiode) or one unit cell, respectively.
フォトダイオードを形成する不純物半導体層の光の吸収特性と光電変換効率とを考慮する場合、各色のフィルタを透過してフォトダイオードに入射される光の成分(色、波長域)に応じて、フォトダイオード1の不純物半導体層の厚さを調整するために、フォトダイオード1の不純物半導体層が埋め込まれる溝RXの深さを異ならせることが好ましい。
When considering the light absorption characteristics and photoelectric conversion efficiency of the impurity semiconductor layer forming the photodiode, the photons are transmitted in accordance with the light components (colors and wavelength ranges) that pass through the filters of each color and enter the photodiode. In order to adjust the thickness of the impurity semiconductor layer of the
例えば、本実施形態のイメージセンサが含む埋め込み型フォトダイオードがシリコン(Si)層によって形成された場合、青色の光に対するSiの吸収係数は、大きく、赤色の光に対するSiの吸収係数は、青色の光に対する吸収係数よりも小さい。波長の短い青色の光は、Si層に比較的吸収されやすく、波長の長い赤色の光は、青色の光に比較して、Si層に吸収されにくい。緑色の光の波長は、青色の光の波長と赤色の光の波長のほぼ中間に位置し、緑色の光は、青色の光より吸収されにくく、赤色の光より吸収されやすい。それゆえ、青色の光は、Si層の表面近傍で、吸収される。これに対して、赤色の光の吸収は、青色の光よりもSi層の深い領域まで要する。 For example, when the embedded photodiode included in the image sensor of the present embodiment is formed of a silicon (Si) layer, the absorption coefficient of Si for blue light is large, and the absorption coefficient of Si for red light is blue. It is smaller than the absorption coefficient for light. Blue light having a short wavelength is relatively easily absorbed by the Si layer, and red light having a long wavelength is less easily absorbed by the Si layer than blue light. The wavelength of green light is located approximately halfway between the wavelength of blue light and the wavelength of red light, and green light is less likely to be absorbed than blue light and more easily absorbed than red light. Therefore, blue light is absorbed near the surface of the Si layer. On the other hand, absorption of red light requires a deeper region of the Si layer than blue light.
本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1を形成するための材料(ここでは、シリコン)の光の吸収特性を考慮して、フィルタと画素との対応関係に応じて、フォトダイオード1を形成するための半導体層の厚さ(膜厚)を確保するために、溝の深さが、カラーフィルタ層CFの各色に対応するように、それぞれ異なるように設定されることが好ましい。
In consideration of the light absorption characteristics of a material (here, silicon) for forming the embedded
例えば、図9に示されるように、青色のフィルタF1に対応するフォトダイオード11において、上述のように青色の光L1は、半導体層(シリコン層)101,111に吸収されやすく、光電変換されやすいため、フォトダイオード11の溝RX1内に埋め込まれるSi層101,111の膜厚は、比較的薄くてもよい。例えば、Si層101,111の膜厚は、0.3μm以上、1μm以下程度であることが好ましい。
For example, as shown in FIG. 9, in the
青色の光(青色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード11において、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード11が埋め込まれる溝RX1の底部(Si層101,111の底部)の位置Z1−Z1’は、例えば、Si基板150の表面Z0−Z0’の位置を基準として、0.3μmから1μmの範囲内の位置に設定される。
In the embedded
一方、赤色のカラーフィルタF3に対応するフォトダイオード13に関して、赤色の光L3は、青色や緑色の光L1,L2よりも吸収されにくく、フォトダイオードの光電変換が生じにくい。それゆえ、赤色に対応するフォトダイオード13を形成するためのSi層103,113の膜厚は、青色に対応するフォトダイオード11のSi層101,111の膜厚よりも厚くされる。例えば、Si層103,113は、3μmから4μm程度の膜厚で形成されることが好ましい。
On the other hand, with respect to the
赤色の光(赤色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード13に関して、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード13が埋め込まれる溝RX3の底部(Si層103,113の底部)の位置Z3−Z3’が、例えば、Si基板150の表面Z0−Z0’の位置から3μmから4μm以上の深さに位置するように、溝RX3が形成される。
Respect buried
緑色のカラーフィルタF2に対応するフォトダイオード12において、緑色の光L2は、青色の光L1よりも吸収されにくく、赤色の光L2より吸収されやすい。それゆえ、緑色のカラーフィルタF2に対応するフォトダイオード12を形成するためのSi層102,112の膜厚は、例えば、青色のカラーフィルタF1に対応するフォトダイオード11のSi層101,111の膜厚よりも厚ければよい。例えば、Si層102,112の膜厚は、2μm程度に設定される。
In the
緑色の光(緑色の光の波長域)を光電変換する埋め込み型フォトダイオード12に関して、Si基板150表面に対して垂直方向において、フォトダイオード12が埋め込まれる溝RX2の底部(Si層102,112の底部)の位置Z2−Z2’は、青色に対応するフォトダイオード11の溝RX1の底部の位置Z1−Z1’と赤色に対応するフォトダイオード13の溝RX3の底部の位置Z3−Z3’との間に、位置している。例えば、緑色に対応する埋め込み型フォトダイオード12において、溝RX2の底部がSi基板150の表面Z0−Z0’の位置から2μmから3μm程度の深さに位置するように、溝RX2が形成される。
Respect buried
画素アレイ120内における深さの異なる溝RX1,RX2,RX3の形成位置(レイアウト)は、あらかじめ設定されているカラーフィルタ層CF内のフィルタの配列パターンに基づいて、設定される。
The formation positions (layouts) of the grooves RX1, RX2, and RX3 having different depths in the
このように、本実施形態のイメージセンサにおいて、各画素に対応するフォトダイオード11,12,13に対して各色のフィルタF1,F2,F3を介して入射される光の波長(色)を考慮して、Si基板150表面に対して垂直方向における溝RX1,RX2,RX3の深さ異ならせ、信号電荷を生成するためのSi層101,102,103,111,112,113の厚さが確保される。
Thus, in the image sensor of this embodiment, the wavelength (color) of light incident on the
これによって、各色に対応したフォトダイオードの光電変換特性が確保され、形成される画像の画質を、向上できる。 Thereby, the photoelectric conversion characteristics of the photodiode corresponding to each color are ensured, and the image quality of the formed image can be improved.
但し、本実施形態の埋め込み型フォトダイオードを用いた単板式のイメージセンサにおいて、フォトダイオードが吸収する光の波長に応じて溝RXの深さを変更させることなしに、複数の溝の深さ(Si層の膜厚)を画素アレイ120内で同じにしてもよい。
However, in the single-plate image sensor using the embedded photodiode according to the present embodiment, the depth of the plurality of grooves (without changing the depth of the groove RX according to the wavelength of light absorbed by the photodiode) The film thickness of the Si layer may be the same in the
(2) 第2の実施形態
図10を参照して、第2の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)について、説明する。尚、本実施形態において、第1の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(2) Second embodiment
With reference to FIG. 10, the solid-state imaging device (for example, image sensor) of 2nd Embodiment is demonstrated. In the present embodiment, the same components / functions as those of the image sensor of the first embodiment will be described as necessary.
図10は、図4のV−V線に沿う本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオード1Xの構造を示す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the
図10に示されるように、本実施形態において、埋め込み型フォトダイオード1Xは、シリコンゲルマニウム層(以下、SiGe層と表記する)13を用いて、形成される。
As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the embedded
SiGe層13は、溝RX内に設けられている。SiGe層13は、n型のSiGe層であり、例えば、リン又はヒ素をn型のドーパントとして含んでいる。
The
例えば、SiGe層13の上面上には、上部Si層11が設けられている。但し、上部Si層11の代わりに、SiGe層が用いられてもよい。例えば、SiGe層13に隣接するn−型不純物領域113,151は、SiGe層13から拡散したGeを含んでいてもよい。
For example, the
SiGe層13を用いて埋め込み型フォトダイオードが形成される場合、SiGe層13が埋め込まれる溝RXの深さは、例えば、2μm程度に設定される。
When an embedded photodiode is formed using the
尚、本実施形態において、埋め込み型フォトダイオードに用いられる材料がSiからSiGeに変わるのみで、埋め込み型フォトダイオードの製造工程は、実質的に同じである。それゆえ、本実施形態のイメージセンサの製造工程の説明は、省略する。 In the present embodiment, the manufacturing process of the embedded photodiode is substantially the same except that the material used for the embedded photodiode is changed from Si to SiGe. Therefore, description of the manufacturing process of the image sensor of this embodiment is omitted.
本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1Xにおいて、SiGe層13が、Si基板150内の溝RX内に埋め込まれている。
In the embedded
赤色の光に対するSiGeの吸収係数は、赤色の光に対するSiの吸収係数より大きい。図9に示されるように、Siは赤色の光に対する吸収係数が低いため、赤色の光を光電変換するための埋め込み型フォトダイオード13は、緑色又は青色の光を検知するためのフォトダイオード11に比較して、赤色の光を吸収するSi層の厚さを大きくされ、溝の深さが深くされる。その結果として、赤色の光に対応するフォトダイオードは、青又は緑色の光に対応するフォトダイオードに比較して、溝のアスペクト比が大きくなるため、溝の形成が困難になったり、Si層を溝内に完全に埋め込むことが困難になったりする可能性がある。
The absorption coefficient of SiGe for red light is larger than the absorption coefficient of Si for red light. As shown in FIG. 9, Si is the absorption coefficient for the red light is low, buried
本実施形態のように、Siより赤色の光を吸収し易いSiGeを、埋め込み型フォトダイオードが含む不純物半導体層13に用いることによって、赤色の光に対するフォトダイオード1Xの光電変換効率を向上できる。
As in this embodiment, SiGe, which absorbs red light more easily than Si, is used for the
また、本実施形態のSiGeを用いた埋め込み型フォトダイオード1Xは、赤色の光を吸収する不純物半導体層の膜厚を大きくするために、Siを用いた埋め込み形フォトダイオードに比較して半導体層を埋め込む溝の深さを深くせずともよく、フォトダイオード1Xの不純物半導体層13が埋め込まれる溝RXの深さを、浅くできる。
Also, the embedded
溝RXの底部の位置ZZをSi基板150の表面側へ近づけることができるので、不純物半導体層を埋め込む溝RXの形成及び溝RXに対するフォトダイオード1Xの不純物半導体層の埋め込み性が改善され、イメージセンサ内に含まれる埋め込み型フォトダイオード1Xの加工難度が低減される。これによって、イメージセンサの製造歩留まりが向上する。
Since the position ZZ at the bottom of the trench RX can be brought closer to the surface side of the
以上のように、第2の実施形態の固体撮像装置によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られるとともに、イメージセンサの製造コストを低減できる。 As described above, according to the solid-state imaging device of the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the manufacturing cost of the image sensor can be reduced.
(3) 第3の実施形態
図11乃至図13を参照して、第3の実施形態の固体撮像装置(例えば、イメージセンサ)及びその製造方法について、説明する。尚、本実施形態において、第1及び第2の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(3) Third embodiment
A solid-state imaging device (for example, an image sensor) and a manufacturing method thereof according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the same components / functions as those of the image sensors of the first and second embodiments will be described as necessary.
(a) 構造
図11を用いて、第3の実施形態のイメージセンサの構造について説明する。
(A) Structure
The structure of the image sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
図11は、図4のV−V線に沿う、本実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの構造を示す断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the photodiode included in the image sensor of the present embodiment along the line VV in FIG.
埋め込み型フォトダイオードにおいて、SiGe層が溝内におけるSi基板の露出面上に直接形成された場合、溝RXを形成した際に生じた溝内のSi基板の露出面(溝の内側面)の結晶面に対するダメージ、SiGe層とSi基板との熱膨張率の違い、或いは、SiGe層と溝内におけるSi基板の結晶面との格子不整合により、結晶性の良いSiGe層が形成されない可能性がある。この結果として、SiGe層を用いて形成される埋め込み型フォトダイオードの特性(例えば、光電変換特性)が劣化する可能性がある。 In the embedded photodiode, when the SiGe layer is directly formed on the exposed surface of the Si substrate in the groove, a crystal of the exposed surface of the Si substrate in the groove (the inner surface of the groove) generated when the groove RX is formed. The SiGe layer with good crystallinity may not be formed due to damage to the surface, difference in thermal expansion coefficient between the SiGe layer and the Si substrate, or lattice mismatch between the SiGe layer and the crystal surface of the Si substrate in the groove. . As a result, the characteristics (for example, photoelectric conversion characteristics) of the embedded photodiode formed using the SiGe layer may be deteriorated.
図11に示されるように、本実施形態の埋め込み型フォトダイオード1Zは、溝RX内に設けられたSiGe層13を含んでいる。
本実施形態において、SiGe層13とSi基板150との間に、Si層16が設けられている。Si層16は、例えば、n型のドーパントを含んでいる。尚、Si層16は、SiGe層13よりも低い濃度のGeを含んでいてもよい。Si層16は、例えば、多結晶シリコン層、又は、エピタキシャルシリコン層、又は、アモルファスシリコン層である。
As shown in FIG. 11, the embedded
In the present embodiment, the
例えば、SiGe層13の上面上及びSi層16の上端上に、n型のSi層14が設けられている。Si層14のn型ドーパントの不純物濃度は、n型SiGe層13のn型ドーパントの不純物濃度より高くてもよいし、n型SiGe層13のn型ドーパントの不純物濃度以下でもよい。
不純物領域111,113を含む上部Si層11は、Si層14上に設けられている。
For example, an n-
The
尚、Si層11,15を溝RX内に設けずに、溝RXの内部を、SiGe層13とバッファ層としてのSi層16とで満たしてもよい。
In addition, without providing the Si layers 11 and 15 in the groove RX, the inside of the groove RX may be filled with the
SiGe層13の側面及び底面は、溝内に堆積されたSi層16に接触している。溝RX内において、SiGe層13は、Si基板150に接触せずに、Si層16に覆われている。Si層16は、SiGe層13とSi基板150との間のバッファ層(緩衝層)として機能する。
The side and bottom surfaces of the
本実施形態のように、SiGe層13が、Si基板150上に直接堆積されないことによって、溝RXの形成時に生じるSi基板150の結晶に対するダメージが、溝RX内に設けられるSiGe層13の結晶性に悪影響を及ぼすのを抑制できる。また、Si層16がSiGe層13とSi基板150と間に介在することによって、Si層16が緩衝層となって、SiGeとSiとの熱膨張率又は格子定数の違いに起因したSiGe層13の結晶性の劣化を抑制できる。この結果として、埋め込み型フォトダイオード1Zに用いられるSiGe層13の結晶性を改善することができる。
Since the
尚、第1の実施形態のような溝RX内に埋め込まれるSi層に対して、バッファ層としてのSi層16が溝RX内に設けられてもよい。
Note that the
以上のように、第3の実施形態の固体撮像装置によれば、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、フォトダイオードの特性を改善できる。 As described above, according to the solid-state imaging device of the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and the characteristics of the photodiode can be improved.
(b) 製造方法
図11乃至図13を用いて、第3の実施形態のイメージセンサの製造方法について説明する。尚、第1の実施形態で述べた製造方法と実質的に同じ工程に関する説明は、必要に応じて行う。
(B) Manufacturing Method A method of manufacturing the image sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, the description regarding the process substantially the same as the manufacturing method described in 1st Embodiment is given as needed.
図12に示されるように、p型Si基板150内に、所定の深さの溝RXが形成される。そして、形成された溝RX内が満たされないように、Si層16Aが、例えば、CVD法によって、Si基板150上に堆積される。Si層16Aは、溝RXの形状に沿って、溝RX内に形成され、溝RX内におけるSi基板150の露出面を覆う。形成直後のSi層16Aは、アンドープのSi層でもよいし、Si層16Aの堆積中に、Si層16Aに対して不純物(例えば、リン)が添加されてもよい。
As shown in FIG. 12, a trench RX having a predetermined depth is formed in the p-
Si基板表面に対して水平方向に対向する溝RXの内側面上のSi層16Aが、互いに接触しないように、Si層16Aは溝RX内に形成される。また、溝RXの開口部が、Si層16Aによって塞がらないように、Si層16Aが形成される。例えば、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの内側面上のSi層16Aの膜厚が、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの開口部の寸法(開口幅)の2分の1より小さくなるように、Si層16Aが堆積される。
The
そして、n型ドーパントを含むSiGe層13Aが、例えば、600℃から700℃程度の堆積温度のCVD法によって、溝RX内のSi層16A上に堆積される。SiGe層13Aは、Si層16Aを介して、溝RX内に埋め込まれる。リン又はヒ素などのn型ドーパントは、SiGe層13Aの堆積中に、SiGe層13A内に添加される。
Then, the
図13に示されるように、SiGe層及びSi層の上面が、Si基板150の表面よりもSi基板150の裏面側へ後退するように、SiGe層及びSi層が、エッチングされる。これによって、SiGe層13及びSi層16の上端は、溝RXの開口部よりもSi基板150の裏面側に位置する。
As shown in FIG. 13, the SiGe layer and the Si layer are etched so that the top surfaces of the SiGe layer and the Si layer are set back from the surface of the
溝RX内のSiGe層13上及びSi層16上に、n型Si層10が、堆積される。n型Si層10上に、アンドープSi層11Aが、堆積される。
An n-
尚、SiGe層13とSi基板150との間に、バッファ層としてのSi層16が形成されていれば、n型Si層14及びアンドープSi層11Aを形成せずに、SiGe層13の上端及びバッファ層としてのSi層16の上端がSi基板の表面と一致するように、SiGe層13及びSi層16が溝RXの内部に形成されてもよい。
If the
また、本実施形態において、溝RX内のSiGe層13の上面を、Si基板151の表面よりSi基板150の底部側へ後退させた後に、n型Si層14及びアンドープSi層11Aが、溝RX内のSiGe層13の上面上に、堆積される例が示されている。但し、n型Si層及びアンドープSi層が、溝RXを満たさないように堆積されたSiGe層13に連続して形成されてもよい。
In the present embodiment, after the upper surface of the
この後、図11に示されるように、第1の実施形態で述べた製造工程と同様に、アンドープSi層11Aの上面が、Si基板150の上面と一致された後、Si基板150に対して加熱処理が施され、Si層14,16が含むn型ドーパントが、Si基板150及びアンドープの上部Si層11内に、熱拡散される。これによって、上部Si層11内及びSi基板150内に、不純物半導体領域113,151が、形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 11, similarly to the manufacturing process described in the first embodiment, after the upper surface of the
さらに、トランスファゲート(電界効果トランジスタ)2及びフローティングディフュージョン6としての不純物半導体層60が、形成される。層間絶縁膜及び金属膜が、順次形成された後、画素アレイ120と上下に重なる位置に、カラーフィルタ層CF及びマイクロレンズアレイMLが形成される。
Further, an
以上の製造工程によって、本実施形態における埋め込み型のフォトダイオード1を含むイメージセンサが作製される。
Through the above manufacturing process, an image sensor including the embedded
本実施形態のイメージセンサの製造方法において、SiGe層13Aが溝RX内に形成される際、SiGe層13Aは、溝RX内におけるSi基板150の露出面を覆うSi層16A上に、堆積される。これによって、溝RXの形成によってSi基板150の露出面に生じたダメージが、SiGe層16Aに悪影響を及ぼすのを低減できる。また、SiGe層13とSi基板150との間にSi層が形成されることによって、SiGe層13とSi基板150との間の熱膨張率の違い及び格子不整合を、緩和できる。
この結果として、埋め込み型フォトダイオードが含む溝RX内のSiGe層13の結晶性を改善できる。
In the image sensor manufacturing method of the present embodiment, when the
As a result, the crystallinity of the
したがって、第3の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特性を改善されたフォトダイオードを含む固体撮像装置を提供できる。 Therefore, according to the method for manufacturing the solid-state imaging device of the third embodiment, it is possible to provide a solid-state imaging device including a photodiode having the same effects as those of the first and second embodiments and improved characteristics. .
(4) 変形例
図14乃至図16を参照して、第1乃至第3の実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例について、説明する。尚、本変形例において、第1乃至第3の実施形態のイメージセンサと同じ構成要素/機能の説明は、必要に応じて行う。
(4) Modification
A modification of the photodiode included in the image sensors of the first to third embodiments will be described with reference to FIGS. In the present modification, the same components / functions as those of the image sensors of the first to third embodiments will be described as necessary.
図14は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
図14に示されるように、フォトダイオード1の不純物半導体層10,11を埋め込む溝RXのアスペクト比が大きくなると、溝RXの断面形状は、テーパー状になる場合がある。この場合、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの底部の寸法D3は、Si基板150の表面に対して水平方向における溝RXの開口部の寸法D1より小さくなる。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
As illustrated in FIG. 14, when the aspect ratio of the trench RX in which the impurity semiconductor layers 10 and 11 of the
溝RXの形状に依存して、溝RX内に埋め込まれる不純物半導体層10において、半導体基板表面に対して水平方向における溝RXの底部側の不純物半導体層10の寸法D3が、半導体基板表面に対して水平方向における溝RXの開口部側の上部半導体層11の寸法D3より小さくなる。
Depending on the shape of the trench RX, in the
図15は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
例えば、フォトダイオード1Yの上部Si層11内において、p型不純物半導体領域(p型Si領域)111とn型Si層(又は、n型SiGe層)が含むドーパントの拡散に起因したn−型不純物半導体領域113との間に、p型又はn−型不純物半導体領域111,113とは異なる半導体領域115が設けられていてもよい。上部Si層11の2つの半導体領域111,113間の半導体領域115は、アンドープのSi層の形成に起因した真性半導体領域(例えば、i型Si領域)でもよいし、n型Si層(又は、n型SiGe層)よりも高いn型ドーパントの不純物濃度を含むn+型不純物半導体領域(例えば、n+型Si領域)でもよい。上部Si層11内の半導体領域115は、表面シールド層としてのp型Si領域111よりも高い又は低いp型ドーパントの不純物濃度を含むp型Si領域でもよい。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
For example, in the
図16は、実施形態のイメージセンサが含むフォトダイオードの変形例の1つを示す断面図である。
図16に示されるように、第2又は第3の実施形態で述べたSiGe層13を用いた埋め込み型フォトダイオード1Xが、第1の実施形態で述べたSi層を用いた埋め込み型フォトダイオード1と、同一のSi基板150内に設けられてもよい。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing one modification of the photodiode included in the image sensor of the embodiment.
As shown in FIG. 16, the embedded
この場合、SiGe層13を用いたフォトダイオード1Xは、カラーフィルタ層の赤色のフィルタに対応するように、画素アレイの所定の位置に設けられ、Si層10を用いたフォトダイオード1は、カラーフィルタ層の青色のフィルタに対応に対応するように、画素アレイの所定の位置に設けられる。カラーフィルタ層の緑色のフィルタに対応するフォトダイオードにおいて、SiGe層13を用いたフォトダイオード1Xが用いられてもよいし、Si層10を用いたフォトダイオード1が用いられてもよい。
In this case, the
例えば、SiGe層13を用いたフォトダイオード1XとSi層10を用いたフォトダイオード1とにおいて、フォトダイオードの特性(例えば、光電変換特性)及び加工難度を考慮して、Si基板150の表面に対して垂直方向におけるSiGe層13の底部(溝の底部)の位置が、Si基板150の表面に対して垂直方向におけるSi層10の底部(溝の底部)の位置と実質的に同じ深さに設定されてもよいし、互いに異なる位置に設定されてもよい。
For example, in the
尚、SiGe層は、イオン注入によってSi層内にGeを添加することによって、形成されてもよい。 The SiGe layer may be formed by adding Ge into the Si layer by ion implantation.
上述の各実施形態において、p型半導体基板(又は、p型半導体層)内の溝にn型半導体層が埋め込まれた構造の埋め込み型フォトダイオードの構造例が示されている。ただし、本実施形態の埋め込み型フォトダイオードは、n型半導体基板(又はn型ウェル領域)内の溝にp型半導体層が埋め込まれた構造を有していてもよい。 In each of the above-described embodiments, a structural example of a buried photodiode having a structure in which an n-type semiconductor layer is buried in a groove in a p-type semiconductor substrate (or a p-type semiconductor layer) is shown. However, the embedded photodiode of this embodiment may have a structure in which a p-type semiconductor layer is embedded in a groove in an n-type semiconductor substrate (or n-type well region).
上述の各実施形態において、本実施形態の埋め込み構造のフォトダイオードが、裏面照射型イメージセンサに用いられた例が示されているが、本実施形態の埋め込み構造のフォトダイオードは、表面照射型イメージセンサに用いられてもよい。表面照射型イメージセンサは、層間絶縁膜及び素子が形成された半導体基板の表面側が、被写体からの光の照射面となり、カラーフィルタ及びマクロレンズアレイが、層間絶縁膜上に、積層されている。 In each of the above-described embodiments, an example in which the photodiode with the embedded structure according to the present embodiment is used in a back-illuminated image sensor is shown. However, the photodiode with an embedded structure according to the present embodiment has a front-illuminated image. It may be used for a sensor. In the surface irradiation type image sensor, the surface side of a semiconductor substrate on which an interlayer insulating film and elements are formed serves as an irradiation surface of light from a subject, and a color filter and a macro lens array are stacked on the interlayer insulating film.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
120:画素アレイ、UC:単位セル、9:素子分離領域、1:フォトダイオード、2:トランジスタ(トランスファゲート)、6:フローティングディフュージョン、150:半導体基板、10,11:不純物半導体層、113,151:不純物半導体領域、RX:溝。 120: pixel array, UC: unit cell, 9: element isolation region, 1: photodiode, 2: transistor (transfer gate), 6: floating diffusion, 150: semiconductor substrate, 10, 11: impurity semiconductor layer, 113, 151 : Impurity semiconductor region, RX: Groove.
Claims (6)
前記画素アレイ内に設けられる複数のフォトダイオードと、
第1の波長帯域の色に対応する第1のフィルタ及び前記第1の波長帯域の波長より長い波長を含む第2の波長帯域の色に対応する第2のフィルタを含み、前記半導体基板の第1の面に対して垂直方向において前記画素アレイと重なる位置に設けられるカラーフィルタ層と、
を具備し、
前記各フォトダイオードは、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上面上に設けられる第2の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、前記第2の半導体層内の前記第1の半導体層側に設けられる前記第1の導電型の第2の不純物領域と、を含み、
前記フォトダイオードは、前記第1及び第2のフィルタのうちいずれか1つのフィルタにそれぞれ対応し、
前記第2のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さは、前記第1のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さより大きい、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate including a pixel array;
A plurality of photodiodes provided in the pixel array;
A first filter corresponding to a color of a first wavelength band and a second filter corresponding to a color of a second wavelength band including a wavelength longer than the wavelength of the first wavelength band; A color filter layer provided at a position overlapping with the pixel array in a direction perpendicular to one surface;
Comprising
Each of the photodiodes includes a first semiconductor layer of a first conductivity type embedded in a groove in the semiconductor substrate, a second semiconductor layer provided on an upper surface of the first semiconductor layer, A first impurity region of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate along the first semiconductor layer and the first semiconductor layer provided on the first semiconductor layer side in the second semiconductor layer. A second impurity region of a conductivity type of
The photodiode corresponds to any one of the first and second filters,
The depth of the trench in which the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the second filter is embedded is such that the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the first filter is embedded in the groove. Greater than the depth of the groove,
A solid-state imaging device.
前記画素アレイ内に設けられ、前記半導体基板内の溝内に埋め込まれた第1の導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層に沿って前記半導体基板内に設けられる前記第1の導電型の第1の不純物領域と、をそれぞれ含む複数のフォトダイオードと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate including a pixel array;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided in the pixel array and embedded in a groove in the semiconductor substrate; and the first semiconductor layer provided in the semiconductor substrate along the first semiconductor layer. A plurality of photodiodes each including a first impurity region of one conductivity type;
A solid-state imaging device comprising:
前記第1の半導体層の上面上に設けられる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層内の前記第1の半導体層側に設けられる前記第1の導電型の第2の不純物領域と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 Each photodiode is
A second semiconductor layer provided on an upper surface of the first semiconductor layer;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising: a second impurity region of the first conductivity type provided on the first semiconductor layer side in the second semiconductor layer.
をさらに具備し、
前記第2のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さは、前記第1のフィルタに対応する前記フォトダイオードの前記第1の半導体層が埋め込まれる前記溝の深さより大きい、
ことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A first filter corresponding to a color of a first wavelength band and a second filter corresponding to a color of a second wavelength band including a wavelength longer than the wavelength of the first wavelength band; A color filter layer provided at a position overlapping with the pixel array in a direction perpendicular to one surface;
Further comprising
The depth of the trench in which the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the second filter is embedded is such that the first semiconductor layer of the photodiode corresponding to the first filter is embedded in the groove. Greater than the depth of the groove,
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is provided.
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