JP2013211295A - Solid state image pickup device and method of manufacturing the same, and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、固体撮像装置及びその製造方法に係わる。また、固体撮像装置を備えた電子機器に係わる。 The present technology relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof. The present invention also relates to an electronic device including a solid-state imaging device.
固体撮像装置において、重要な特性の一つである、変換効率を向上するためには、周辺のトランジスタ等の回路素子とのフリンジ容量や、ゲートオーバーラップ容量等の、寄生容量を低減することが望ましい。 In order to improve conversion efficiency, which is one of the important characteristics in solid-state imaging devices, it is necessary to reduce parasitic capacitance such as fringe capacitance with peripheral circuit elements and gate overlap capacitance. desirable.
そこで、フローティングディフュージョンの高濃度の不純物領域を、転送ゲートから離して形成する構成が提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2を参照)。
このようにフローティングディフュージョンの高濃度の不純物領域を、転送ゲートから離して形成することにより、フローティングディフュージョンと転送ゲートとの間の寄生容量を低減して、変換効率の向上を図ることが可能になる。
Therefore, a configuration has been proposed in which a high concentration impurity region of the floating diffusion is formed away from the transfer gate (see, for example,
By forming the high-concentration impurity region of the floating diffusion away from the transfer gate in this way, it is possible to reduce the parasitic capacitance between the floating diffusion and the transfer gate and improve the conversion efficiency. .
また、従来の構成では、フローティングディフュージョンを素子分離領域に囲まれたアクティブ領域内に形成していた。そのため、フローティングディフュージョンの不純物領域を形成するマスクと、アクティブ領域を形成するマスクとの合わせずれが生じることがある。
このマスクの合わせずれが生じると、フローティングディフュージョンの特性のばらつきの原因となる。
In the conventional configuration, the floating diffusion is formed in the active region surrounded by the element isolation region. For this reason, misalignment between the mask for forming the impurity region of the floating diffusion and the mask for forming the active region may occur.
When this mask misalignment occurs, it causes variations in floating diffusion characteristics.
これに対して、フローティングディフュージョンの面積を大きくすると、マスクの合わせずれマージンを十分に確保することが可能になるが、画素サイズが大きくなってしまうため、画素サイズの微細化の妨げになる。 On the other hand, if the area of the floating diffusion is increased, a sufficient mask misalignment margin can be secured, but the pixel size is increased, which hinders miniaturization of the pixel size.
また、フローティングディフュージョンの不純物領域を転送ゲートから離して形成した構成では、転送ゲートから離す分、大きい面積を確保する必要があり、この場合も画素サイズが大きくなってしまうため、画素サイズの微細化の妨げになる。 In addition, in the structure in which the impurity region of the floating diffusion is formed away from the transfer gate, it is necessary to secure a large area by the distance from the transfer gate. In this case as well, the pixel size becomes large. It becomes an obstacle.
本技術の目的は、寄生容量を低減して変換効率を向上することができる固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。また、この固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。 An object of the present technology is to provide a solid-state imaging device that can reduce parasitic capacitance and improve conversion efficiency, and a manufacturing method thereof. Moreover, the electronic device provided with this solid-state imaging device is provided.
本技術の固体撮像装置は、半導体基体と、この半導体基体に形成された、フォトダイオードから成る光電変換部と、半導体基体に形成されたフローティングディフュージョンを含む。
そして、このフローティングディフュージョンに電荷を転送する、第1のゲート電極と、フローティングディフュージョンの電荷をリセットする、第2のゲート電極を含む。
さらに、フローティングディフュージョンの部分を少なくとも含んで、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の下の半導体基体よりも、半導体基体が掘り込まれて形成された、凹部を含む。
The solid-state imaging device according to the present technology includes a semiconductor substrate, a photoelectric conversion unit including a photodiode formed on the semiconductor substrate, and a floating diffusion formed on the semiconductor substrate.
A first gate electrode that transfers charges to the floating diffusion and a second gate electrode that resets the charges of the floating diffusion are included.
In addition, the semiconductor substrate includes a recess formed by digging into the semiconductor substrate rather than the semiconductor substrate below the first gate electrode and the second gate electrode, including at least the floating diffusion portion.
本技術の固体撮像装置の製造方法は、半導体基体に、フォトダイオードから成る光電変換部と、フローティングディフュージョンが形成された固体撮像装置を製造する方法である。
そして、半導体基体上に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成する工程と、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の半導体基体を掘り込んで、半導体基体に凹部を形成する工程を有する。
さらに、半導体基体の、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の凹部に、フローティングディフュージョンを形成する工程と、半導体基体に光電変換部を形成する工程を有する。
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present technology is a method for manufacturing a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion unit including a photodiode and a floating diffusion are formed on a semiconductor substrate.
Then, a step of forming the first gate electrode and the second gate electrode on the semiconductor substrate, and a semiconductor substrate between the first gate electrode and the second gate electrode are dug to form a recess in the semiconductor substrate. Forming.
Furthermore, the semiconductor substrate includes a step of forming a floating diffusion in a recess between the first gate electrode and the second gate electrode, and a step of forming a photoelectric conversion portion in the semiconductor substrate.
本技術の電子機器は、光学系と、固体撮像装置と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、固体撮像装置が上記本技術の固体撮像装置の構成である An electronic apparatus of the present technology includes an optical system, a solid-state imaging device, and a signal processing circuit that processes an output signal of the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device has the configuration of the solid-state imaging device of the present technology.
上述の本技術の固体撮像装置の構成によれば、フローティングディフュージョンの部分を少なくとも含んで、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の下の半導体基体よりも、半導体基体が掘り込まれて凹部が形成されている。
これにより、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、凹部に形成されたフローティングディフュージョンとの距離を多く取ることができ、第1のゲート電極及び第2のゲート電極とフローティングディフュージョンとの寄生容量を低減することが可能になる。
According to the above-described configuration of the solid-state imaging device of the present technology, the semiconductor substrate is dug and recessed, including at least the floating diffusion portion, rather than the semiconductor substrate below the first gate electrode and the second gate electrode. Is formed.
As a result, the distance between the first gate electrode and the second gate electrode and the floating diffusion formed in the recess can be increased, and the first gate electrode, the second gate electrode, and the floating diffusion are parasitic. The capacity can be reduced.
上述の本技術の固体撮像装置の製造方法によれば、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の半導体基体を掘り込んで、半導体基体に凹部を形成し、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の、この凹部にフローティングディフュージョンを形成する。
これにより、凹部に形成したフローティングディフュージョンと、第1のゲート電極及び第2のゲート電極との距離を多く取ることができ、第1のゲート電極及び第2のゲート電極とフローティングディフュージョンとの寄生容量を低減することが可能になる。
According to the above-described method for manufacturing a solid-state imaging device of the present technology, the semiconductor substrate between the first gate electrode and the second gate electrode is dug to form a recess in the semiconductor substrate, and the first gate electrode and A floating diffusion is formed in this recess between the second gate electrodes.
Thereby, it is possible to increase the distance between the floating diffusion formed in the recess and the first gate electrode and the second gate electrode, and the parasitic capacitance between the first gate electrode and the second gate electrode and the floating diffusion. Can be reduced.
上述の本技術の電子機器の構成によれば、本技術の固体撮像装置を備えているので、固体撮像装置において、第1のゲート電極及び第2のゲート電極とフローティングディフュージョンとの寄生容量を低減することが可能になる。 According to the configuration of the electronic apparatus of the present technology described above, since the solid-state imaging device of the present technology is provided, in the solid-state imaging device, the parasitic capacitance between the first gate electrode, the second gate electrode, and the floating diffusion is reduced. It becomes possible to do.
上述の本技術によれば、ゲート電極とフローティングディフュージョンとの寄生容量を低減することが可能になるので、変換効率を向上させることが可能になる。 According to the above-described present technology, the parasitic capacitance between the gate electrode and the floating diffusion can be reduced, so that the conversion efficiency can be improved.
また、フローティングディフュージョンを、半導体基体を掘り込んだ凹部に形成するので、ゲート電極とフローティングディフュージョンを水平方向に離さなくても、寄生容量を低減することができる。これにより、フローティングディフュージョンの部分の面積を増大させることなく、寄生容量を低減して変換効率を向上させることが可能になる。 In addition, since the floating diffusion is formed in the recess in which the semiconductor substrate is dug, the parasitic capacitance can be reduced without separating the gate electrode and the floating diffusion in the horizontal direction. This makes it possible to reduce the parasitic capacitance and improve the conversion efficiency without increasing the area of the floating diffusion portion.
以下、本技術を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(固体撮像装置)
2.第2の実施の形態(固体撮像装置)
3.第3の実施の形態(電子機器)
The best mode for carrying out the present technology (hereinafter referred to as an embodiment) will be described below.
The description will be given in the following order.
1. First embodiment (solid-state imaging device)
2. Second embodiment (solid-state imaging device)
3. Third embodiment (electronic device)
<1.第1の実施の形態(固体撮像装置)>
第1の実施の形態の固体撮像装置の概略構成図(平面図)を、図1に示す。
また、第1の実施の形態の固体撮像装置の画素の等価回路図を、図2に示す。
本実施の形態は、CMOS型固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)に、本技術を適用したものである。
<1. First Embodiment (Solid-State Imaging Device)>
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (plan view) of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
In the present embodiment, the present technology is applied to a CMOS solid-state imaging device (CMOS image sensor).
本実施の形態の固体撮像装置1は、図1に示すように、シリコン基板等の半導体基体11に、光電変換部を含む画素2が多数規則的に2次元配列された画素部3と、駆動回路等を含む周辺回路部とが形成されて成る固体撮像素子によって構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-
画素2は、光電変換部と、MOSトランジスタから成る画素トランジスタとを有する。
画素トランジスタとしては、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタを有する。
The
Examples of the pixel transistor include a transfer transistor, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection transistor.
周辺回路部は、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8等を有して構成されている。
The peripheral circuit section includes a vertical drive circuit 4, a column
垂直駆動回路4は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択して、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。
即ち、垂直駆動回路4は、画素部3の画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線9を通して、各画素2において受光量に応じて生成した信号電荷に基づいた画素信号を、カラム信号処理回路5に供給する。
The vertical drive circuit 4 is configured by, for example, a shift register, selects a pixel drive wiring, supplies a pulse for driving the pixel to the selected pixel drive wiring, and drives the pixels in units of rows.
That is, the vertical drive circuit 4 selectively scans the
カラム信号処理回路5は、画素2の例えば一列毎に配置されており、一行分の画素から出力される信号に対し、画素列毎にノイズ除去等の信号処理を行う。
即ち、カラム処理回路5は、画素2に特有の固定パターンノイズを除去するためのCDSや、信号増幅、AD変換等の信号処理を行う。
カラム信号処理回路5の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されている。
The column
That is, the
A horizontal selection switch (not shown) is connected to the
出力回路7は、カラム信号処理回路5のそれぞれから水平信号線10を通して順次供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
入出力端子12は、外部と信号のやり取りを行う。
The output circuit 7 performs signal processing and outputs the signals sequentially supplied from each of the column
The input /
図2に示すように、本実施の形態の固体撮像装置における画素2は、光電変換部となるフォトダイオードPDと、フローティングディフュージョンFDとを有する。また、画素2は、転送トランジスタTR、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び選択トランジスタSELの4つのトランジスタを有する。
As shown in FIG. 2, the
転送トランジスタTRは、そのソースがフォトダイオードPDのカソード側に接続され、ドレインがフローティングディフュージョンFDに接続されている。また、転送トランジスタTRの転送ゲート電極13には、転送パルスφTRを供給する転送配線が接続されている。
フォトダイオードPDで光電変換された信号電荷(本実施の形態では電子)は、転送トランジスタTRの転送ゲート電極13に転送パルスφTRが印加されることによって、フローティングディフュージョンFDに転送される。
The transfer transistor TR has a source connected to the cathode side of the photodiode PD and a drain connected to the floating diffusion FD. Further, a transfer wiring for supplying a transfer pulse φTR is connected to the
The signal charge (electrons in this embodiment) photoelectrically converted by the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD by applying a transfer pulse φTR to the
リセットトランジスタRSTは、そのドレインが電源電圧VDDに接続され、ソースがフローティングディフュージョンFDに接続されている。また、リセットトランジスタRSTのソース・ドレイン間のリセットゲート電極14には、リセットパルスφRSTを供給するリセット配線が接続されている。
フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送に先立って、リセットトランジスタRSTのリセットゲート電極14にリセットパルスφRSTを印加する。これにより、フローティングディフュージョンFDの電位が、電源電圧VDDによりVDDレベルにリセットされる。
The reset transistor RST has a drain connected to the power supply voltage VDD and a source connected to the floating diffusion FD. A reset wiring for supplying a reset pulse φRST is connected to the
Prior to the transfer of signal charges from the photodiode PD to the floating diffusion FD, a reset pulse φRST is applied to the
増幅トランジスタAMPは、そのドレインが電源電圧VDDに接続され、そのソースが選択トランジスタSELのドレインに接続されている。そして、増幅トランジスタAMPのソース・ドレイン間の増幅ゲート電極15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。
この増幅トランジスタAMPは、電源電圧VDDを負荷とするソースフォロア回路を構成しており、フローティングディフュージョンFDの電位変化に応じた画素信号が出力される。
The amplifying transistor AMP has its drain connected to the power supply voltage VDD and its source connected to the drain of the selection transistor SEL. The
The amplification transistor AMP constitutes a source follower circuit using the power supply voltage VDD as a load, and a pixel signal corresponding to the potential change of the floating diffusion FD is output.
選択トランジスタSELは、そのドレインが増幅トランジスタAMPのソースに接続され、そのソースが垂直信号線9に接続されている。また、選択トランジスタSELのソース・ドレイン間の選択ゲート電極16には、選択パルスφSELを供給する選択配線が接続されている。
画素2毎に選択パルスφSELが選択ゲート電極16に供給されることにより、増幅トランジスタAMPで増幅された画素信号が垂直信号線9に出力される。
The selection transistor SEL has its drain connected to the source of the amplification transistor AMP and its source connected to the
By supplying the selection pulse φSEL to the
以上の構成を有することにより、転送パルスφTRを転送ゲート電極12に供給することによって、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷が、転送トランジスタTRによりフローティングディフュージョンFDに読み出される。
フローティングディフュージョンFDに信号電荷が読み出されることにより、フローティングディフュージョンFDの電位が変位し、その電位変化が増幅ゲート電極15に伝達される。
そして、増幅ゲート電極15に供給された電位が増幅トランジスタAMPにより増幅され、画素信号として選択トランジスタSELにより選択的に垂直信号線9に出力される。
また、リセットゲート電極14にリセットパルスφRSTを供給することによって、フローティングディフュージョンFDに読み出された信号電荷は、リセットトランジスタRSTにより電源電圧VDD付近の電位と同電位になるようにリセットされる。
With the above configuration, by supplying the transfer pulse φTR to the
By reading the signal charge to the floating diffusion FD, the potential of the floating diffusion FD is displaced, and the potential change is transmitted to the
Then, the potential supplied to the
Further, by supplying the reset pulse φRST to the
そして、垂直信号線9に出力された画素信号は、その後、図1に示したカラム信号処理回路5、水平信号線10、出力回路7を介して出力される。
The pixel signal output to the
図2では、画素2に4つの画素トランジスタを用いる構成としたが、選択トランジスタSELを除く3つの画素トランジスタを用いる構成としても良い。
また、図2では、画素2毎に、それぞれ4つの画素トランジスタを用いる構成としていたが、複数の画素2で転送トランジスタTR以外の画素トランジスタを共有する構成としてもよい。
In FIG. 2, four pixel transistors are used for the
In FIG. 2, four pixel transistors are used for each
ところで、固体撮像装置(イメージセンサ)において、変換効率(光電変換された1個の電子がフローティングディフュージョンでどれだけの電圧に変換されるかを表す指標)を向上するためには、下記の方法が挙げられる。
(1)フローティングディフュージョンやリセットトランジスタのソース領域における接合容量を低減させる。
(2)周辺のトランジスタ等の回路素子とのフリンジ容量やゲートオーバーラップ容量といった寄生容量を低減させる。
(3)配線間の容量を低減させることや、ソースフォロアアンプの変調度を向上させる。
By the way, in a solid-state imaging device (image sensor), in order to improve the conversion efficiency (an index indicating how much voltage one photoelectrically converted electron is converted into by floating diffusion), the following method is used. Can be mentioned.
(1) The junction capacitance in the source region of the floating diffusion and the reset transistor is reduced.
(2) To reduce parasitic capacitance such as fringe capacitance and gate overlap capacitance with circuit elements such as peripheral transistors.
(3) Reducing the capacitance between wirings and improving the modulation degree of the source follower amplifier.
ここで、CMOS型固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)において、画素のフローティングディフュージョンFD及びその周辺に発生する寄生容量を、図21A及び図21Bを参照して説明する。図21AはCMOS型固体撮像装置の画素の等価回路図を示し、図21BはCMOS型固体撮像装置の画素のトランジスタの概略断面図を示している。
図21A及び図21Bに示すように、フローティングディフュージョンFDに影響を与える寄生容量としては、以下の寄生容量が挙げられる。
即ち、フローティングディフュージョンFDと転送ゲートトランジスタTRのゲート電極の寄生容量C1、フローティングディフュージョンFDとリセットトランジスタRSTのゲート電極の寄生容量C2が挙げられる。また、フローティングディフュージョンと増幅トランジスタAMPのソース・ドレインの寄生容量C3,C4が挙げられる。
Here, in the CMOS type solid-state imaging device (CMOS image sensor), the floating diffusion FD of the pixel and the parasitic capacitance generated around the pixel will be described with reference to FIGS. 21A and 21B. FIG. 21A shows an equivalent circuit diagram of a pixel of the CMOS solid-state imaging device, and FIG. 21B shows a schematic sectional view of a transistor of the pixel of the CMOS solid-state imaging device.
As shown in FIGS. 21A and 21B, the following parasitic capacitances can be cited as parasitic capacitances that affect the floating diffusion FD.
That is, the parasitic capacitance C1 of the floating diffusion FD and the gate electrode of the transfer gate transistor TR, and the parasitic capacitance C2 of the floating diffusion FD and the gate electrode of the reset transistor RST are included. In addition, floating diffusion and parasitic capacitances C3 and C4 of the source / drain of the amplification transistor AMP can be cited.
本技術は、変換効率を向上させるために、図21A及び図21Bに示した寄生容量C1,C2,C3,C4を低減させるものである。
そして、本実施の形態では、フローティングディフュージョンFD及びその周辺のトランジスタの構成を従来構成と変えることにより、図21A及び図21Bに示した寄生容量C1,C2,C3,C4を低減させるものである。
This technique reduces the parasitic capacitances C1, C2, C3, and C4 shown in FIGS. 21A and 21B in order to improve the conversion efficiency.
In this embodiment, the parasitic capacitances C1, C2, C3, and C4 shown in FIGS. 21A and 21B are reduced by changing the configuration of the floating diffusion FD and its peripheral transistors from the conventional configuration.
次に、本実施の形態の固体撮像装置1の要部の断面図を、図3A〜図3Cに示す。
図3Aは、図2の増幅トランジスタAMPやリセットトランジスタRSTの断面図を示している。
図3Bは、図2のフォトダイオードPDと転送トランジスタTRとフローティングディフュージョンFDの断面図を示している。
図3Cは、図2の選択トランジスタSELやその他のMOSトランジスタ(例えば、MOS周辺回路部のトランジスタ)の断面図を示している。
Next, sectional views of main parts of the solid-
FIG. 3A shows a cross-sectional view of the amplification transistor AMP and the reset transistor RST of FIG.
FIG. 3B shows a cross-sectional view of the photodiode PD, the transfer transistor TR, and the floating diffusion FD of FIG.
FIG. 3C shows a cross-sectional view of the selection transistor SEL of FIG. 2 and other MOS transistors (for example, transistors in the MOS peripheral circuit section).
図3Aに示すように、図2の増幅トランジスタAMPやリセットトランジスタRSTは、ゲート絶縁膜18上に形成された、増幅ゲート電極14又はリセットゲート電極15と、左右の半導体基体11内に形成された、ソース・ドレイン領域19を有する。
図3Bに示すように、図2の転送トランジスタTRは、ゲート絶縁膜18上に形成された転送ゲート電極13を有する。そして、転送ゲート電極13の左の半導体基体11内に、フォトダイオードPDから成る光電変換部が形成されており、転送ゲート電極13の右の半導体基体11内に、フローティングディフュージョンFDが形成されている。転送トランジスタTRの転送ゲート13によって、フォトダイオードPDで光電変換された電荷が、フローティングディフュージョンFDに転送される。
図3Cに示すように、図2の選択トランジスタSELやその他のMOSトランジスタは、ゲート絶縁膜18上に形成された、選択ゲート電極16又はゲート電極17と、左右の半導体基体11内に形成された、ソース・ドレイン領域19を有する。
As shown in FIG. 3A, the amplification transistor AMP and the reset transistor RST of FIG. 2 are formed in the left and
As shown in FIG. 3B, the transfer transistor TR in FIG. 2 has a
As shown in FIG. 3C, the selection transistor SEL and other MOS transistors in FIG. 2 are formed in the
半導体基体11としては、例えば、半導体基板単体、半導体基板及びその上に形成されたエピタキシャル層、他の基板上に形成された半導体層、等の構成が挙げられる。
半導体基体11の半導体材料としては、シリコンやその他の半導体元素、化合物半導体等を使用することができる。
Examples of the
As the semiconductor material of the
本実施の形態では、特に、図3A及び図3Bに示すように、リセットトランジスタや増幅トランジスタ、転送トランジスタにおいて、ゲート電極14,15,13の左右の半導体基体11が、ゲート絶縁膜18よりも下方に掘り込まれた、凹部11Aとなっている。
そして、掘り込まれた凹部11Aに、ソース・ドレイン領域19、フォトダイオードPD、フローティングディフュージョンFDが形成されている。
これに対して、図3Cに示すように、選択トランジスタやその他のMOSトランジスタは、半導体基体11が掘り込まれていない。
In the present embodiment, particularly, as shown in FIGS. 3A and 3B, in the reset transistor, the amplifying transistor, and the transfer transistor, the left and
A source /
On the other hand, as shown in FIG. 3C, the
図3A及び図3Bに示すように、ゲート電極14,15,13の左右の半導体基体11が、下方に掘り込まれた凹部11Aとなっていることにより、転送トランジスタのゲート電極13とフローティングディフュージョンFD間の距離を多くとることができる。また、リセットトランジスタのゲート電極14とソース領域19間の距離や、増幅トランジスタのゲート電極15とソース・ドレイン領域19間の距離を、多くとることができる。
これらの距離を多くとることにより、その部分における寄生容量を低減することが可能となるため、固体撮像装置の変換効率を向上させることができる。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the left and
By increasing these distances, it becomes possible to reduce the parasitic capacitance in that portion, so that the conversion efficiency of the solid-state imaging device can be improved.
図3A〜図3Cに示した、本実施の形態の固体撮像装置の構成は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
なお、図4〜図8の各図において、図Aは図3Aに対応し、図Bは図3Bに対応し、図Cは図3Cに対応する。
The configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment illustrated in FIGS. 3A to 3C can be manufactured, for example, as described below.
4-8, FIG. A corresponds to FIG. 3A, FIG. B corresponds to FIG. 3B, and FIG. C corresponds to FIG.
まず、図4A〜図4Cに示すように、半導体基体11上に、ゲート絶縁膜18と、ゲート電極を形成するための電極層(例えば、多結晶シリコン層)31を、順次形成する。
ここまでの工程は、通常のCMOS型固体撮像装置の製造工程と同様である。
First, as shown in FIGS. 4A to 4C, a
The steps up to here are the same as the manufacturing steps of a normal CMOS solid-state imaging device.
次に、図5A及び図5Bに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、転送トランジスタでは、電極層31の上をフォトレジスト32で覆う。
その後、図5Cに示すように、選択トランジスタや他のトランジスタでは、電極層31及びその下のゲート絶縁膜18をパターニングして、電極層31から成る、選択トランジスタのゲート電極16や他のトランジスタのゲート電極17を形成する。
Next, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, in the reset transistor, amplification transistor, and transfer transistor, the
Thereafter, as shown in FIG. 5C, in the selection transistor and other transistors, the
次に、図6Cに示すように、選択トランジスタや他のトランジスタでは、ゲート電極16,17及びその周囲を覆って、フォトレジスト33を形成する。
その後、図6A及び図6Bに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、転送トランジスタでは、電極層31及びその下のゲート絶縁膜18をパターニングする。これにより、電極層31から成る、各トランジスタのゲート電極14,15,13を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, in the selection transistor and other transistors, a
Thereafter, as shown in FIGS. 6A and 6B, in the reset transistor, the amplification transistor, and the transfer transistor, the
続いて、図7A及び図7Bに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、転送トランジスタでは、ゲート電極14,15,13の左右の半導体基体11をエッチングする。このエッチングの際に、ゲート電極14,15,13も、エッチング用のマスクとして利用する。
これにより、半導体基体11に凹部11Aを形成する。選択トランジスタや他のトランジスタでは、図7Cに示すように、図6Cに示した状態と同じ状態とする。
Subsequently, as shown in FIGS. 7A and 7B, in the reset transistor, the amplifying transistor, and the transfer transistor, the left and
Thereby, the
その後、選択トランジスタや他のトランジスタでは、図示しないが、ゲート電極16,17及びその周囲を覆っていた、フォトレジスト33を除去する。
次に、図8A〜図8Cに示すように、ゲート電極14,15,13,16,17をマスクとして用いて、半導体基体11にN型不純物を注入することにより、トランジスタのソース・ドレイン領域19及びフローティングディフュージョンFDを形成する。
Thereafter, in the selection transistor and other transistors, although not shown, the
Next, as shown in FIGS. 8A to 8C, by using the
その後、半導体基体11内に、フォトダイオードPDを構成する不純物領域を形成することにより、図3Bに示したフォトダイオードPDを形成する。
さらに、図示しないが、トランジスタのゲート電極13〜17の上方に、配線層と層間絶縁層から成る配線部を形成する。また、光を入射させる側に、カラーフィルタやマイクロレンズを形成する。
このようにして、図3A〜図3Cに示した、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
Thereafter, an impurity region constituting the photodiode PD is formed in the
Further, although not shown, a wiring portion composed of a wiring layer and an interlayer insulating layer is formed above the
In this manner, the solid-state imaging device of the present embodiment shown in FIGS. 3A to 3C can be manufactured.
なお、上述した製造方法では、選択トランジスタ及びその他のトランジスタのゲート電極16,17のパターニング工程を、転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅トランジスタのゲート電極13,14,15のパターニング工程よりも先に行っていた。
これに対して、転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅トランジスタのゲート電極13,14,15のパターニング工程を、選択トランジスタ及びその他のトランジスタのゲート電極16,17のパターニング工程よりも先に行うことも可能である。
また、例えば、先に各トランジスタのゲート電極のパターニングを行って、その後、凹部11Aを形成しない部分をマスクで覆って、半導体基体11に凹部11Aをエッチングにより形成することも可能である。
In the manufacturing method described above, the patterning process of the
On the other hand, the patterning process of the
Further, for example, the gate electrode of each transistor may be patterned first, and then a portion where the
図3〜図8では、ゲート電極の幅方向の断面図を示していた。
本実施の形態において、さらに、半導体基体11に凹部11Aを形成するマスクパターンの、ゲート電極の長手方向の位置を規定することにより、フローティングディフュージョンFDをアクティブ領域に位置合わせして形成することが可能になる。
この場合の固体撮像装置の構成及び製造方法について、以下、詳細に説明する。
3 to 8 show cross-sectional views in the width direction of the gate electrode.
In the present embodiment, the floating diffusion FD can be formed in alignment with the active region by defining the longitudinal position of the gate electrode of the mask pattern for forming the
The configuration and manufacturing method of the solid-state imaging device in this case will be described in detail below.
本実施の形態において、フローティングディフュージョンFDをアクティブ領域に位置合わせして形成した場合の、フローティングディフュージョン付近の平面図を図9Aに示す。また、図9AのB−Bにおける断面図を図9Bに示し、図9AのC−Cにおける断面図を図9Cに示す。
また、比較対照として、従来構成のフローティングディフュージョン付近の平面図を図20Aに示し、図20AのB−Bにおける断面図を図20Bに示し、図20AのC−Cにおける断面図を図20Cに示す。
FIG. 9A shows a plan view of the vicinity of the floating diffusion when the floating diffusion FD is formed in alignment with the active region in the present embodiment. 9B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 9A.
For comparison, FIG. 20A shows a plan view in the vicinity of the floating diffusion of the conventional configuration, FIG. 20B shows a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 20A, and FIG. 20C shows a cross-sectional view taken along CC in FIG. .
従来構成では、イオン注入のマスクの合わせずれによって、フローティングディフュージョンFDのN+領域が、アクティブ領域と素子分離領域との境界にかかることが無いようにする必要があった。
そのため、図20Aに示すように、N+領域から境界まで、合わせずれマージンxを取って、アクティブ領域20を広く形成していた。これにより、図20A及び図20Cに示すように、フローティングディフュージョンのN+領域を、素子分離領域21にかからないように形成することができる。
しかし、実際の製造工程では、イオン注入後の熱拡散等により、図20Aに破線で示すように、N+領域が当初の幅wから両側にx´広がって形成されてしまう。これにより、容量に効く面積が2x´分大きくなることになる。
また、この従来構成では、図20A及び図20Bに示すように、フローティングディフュージョンと転送トランジスタのゲート電極の間の寄生容量を低減するために、N+領域をゲート電極13から距離dの位置に形成している。
In the conventional configuration, it is necessary to prevent the N + region of the floating diffusion FD from reaching the boundary between the active region and the element isolation region due to misalignment of the mask for ion implantation.
Therefore, as shown in FIG. 20A, the
However, in the actual manufacturing process, due to thermal diffusion after ion implantation or the like, as indicated by a broken line in FIG. 20A, the N + region is formed to extend from the initial width w to x ′ on both sides. As a result, the area effective for the capacity is increased by 2 × ′.
In this conventional configuration, as shown in FIGS. 20A and 20B, an N + region is formed at a distance d from the
なお、従来構成において、図20Aに示した合わせずれマージンxを考慮しない場合には、合わせずれを生じたときに、フローティングディフュージョンのイオン注入が、逆の極性の不純物領域で形成された素子分離領域21内にもわたって行われる。
この場合、実効的なフローティングディフュージョンの面積が小さくなる。
In the conventional configuration, when the misalignment margin x shown in FIG. 20A is not taken into account, when the misalignment occurs, the element isolation region in which the ion implantation of the floating diffusion is formed by the impurity region having the
In this case, the effective floating diffusion area is reduced.
これに対して、図9A〜図9Cに示す構成では、アクティブ領域20の平面パターンと、半導体基体11をエッチングして凹部を形成する部分の平面パターンを同じとしているので、アクティブ領域20と位置合わせして、凹部が形成されている。そして、凹部となったアクティブ領域20のゲート電極13側の端部に、フローティングディフュージョンFDのN+領域を形成している。
これにより、図9Bに示すように、ゲート電極13から下にフローティングディフュージョンFDを離して形成している。
図9Cに示すように、アクティブ領域20では、半導体基体11をエッチングして凹部を形成しているので、アクティブ領域20と素子分離領域21は段差を有している。このため、素子分離領域21内にフローティングディフュージョンFDのイオン注入がされたとしても、実効的なフローティングディフュージョンFDは凹部のアクティブ領域20に規定される。これにより、マスクの合わせずれマージンを考慮せずに、従来よりも大きいマスクサイズで設計することが可能になる。
On the other hand, in the configuration shown in FIGS. 9A to 9C, the planar pattern of the
As a result, as shown in FIG. 9B, the floating diffusion FD is formed separately from the
As shown in FIG. 9C, in the
本実施の形態の構成において、合わせずれマージンの効果を考慮しない場合における、半導体基体11のエッチングの際のマスクパターンの平面図を、図10A〜図10Cに示す。図10A〜図10Cは、図3A〜図3Cのそれぞれの断面図に対応した平面図である。
図10A及び図10Bに示すように、マスクパターン22は、アクティブ領域20の幅や、ゲート電極14,15,13の長手方向の長さよりも、広い幅にしている。
マスクパターン22の内側のうち、ゲート電極14,15,13以外の部分において、半導体基体がエッチングされて、凹部が形成される。
この場合には、図9Cに示した断面図に対して、アクティブ領域20の左右の素子分離領域21の一部(マスクパターン22内の部分)もエッチングされて、凹部となる。
図10Cに示すように、半導体基体11にエッチングを行わないトランジスタの部分では、マスクパターン22を形成しない。
FIG. 10A to FIG. 10C are plan views of mask patterns when etching the
As shown in FIGS. 10A and 10B, the
Inside the
In this case, with respect to the cross-sectional view shown in FIG. 9C, part of the left and right
As shown in FIG. 10C, the
また、本実施の形態の構成において、合わせずれマージンの効果を考慮する場合における、半導体基体11のエッチングの際のマスクパターンの平面図を、図11A〜図11Cに示す。図11A〜図11Cは、図3A〜図3Cのそれぞれの断面図に対応した平面図である。
図11Bに示すように、フローティングディフュージョンを形成する部分では、マスクパターン22をアクティブ領域20と同じ幅にしている。
図11A及び図11Bに示すように、フローティングディフュージョン以外の半導体基体11にエッチングを行う部分では、マスクパターン22を図10A及び図10Bと同様としている。
マスクパターン22の内側のうち、ゲート電極14,15,13以外の部分において、半導体基体がエッチングされて、凹部が形成される。
この場合には、フローティングディフュージョンの部分では、図9Cに示した断面図と同様に、アクティブ領域20の左右の素子分離領域21はエッチングされず、アクティブ領域20のみが凹部となる。
図11Cに示すように、半導体基体11にエッチングを行わないトランジスタの部分では、図10Cと同様に、マスクパターン22を形成しない。
11A to 11C are plan views of the mask pattern when the
As shown in FIG. 11B, the
As shown in FIGS. 11A and 11B, the
Inside the
In this case, in the floating diffusion portion, as in the cross-sectional view shown in FIG. 9C, the left and right
As shown in FIG. 11C, the
ここで、図20A〜図20Cに示した従来構成に対して、図9A〜図9Cに示した本実施の形態の構成によって、どの程度寄生容量を低減できるか見積りを行った。
容量Cは、誘電率εと面積Sと距離dとから、下記の式(1)により求められる。
C=εS/d (1)
本実施の形態において半導体基体を掘る深さを、従来構成のゲート電極からN+領域までの距離dと、同一とした。そして、従来構成においてゲート電極との寄生容量として働く部分の面積を1として、前述したx´の大きさを変えたときの、本実施の形態の構成でゲート電極との寄生容量として働く部分の面積の相対値を、計算により求めた。
なお、図9A及び図20Aに示す、N+領域の幅wは、0.2μmとした。
Here, it was estimated how much the parasitic capacitance can be reduced by the configuration of the present embodiment shown in FIGS. 9A to 9C with respect to the conventional configuration shown in FIGS. 20A to 20C.
The capacitance C is obtained from the following equation (1) from the dielectric constant ε, the area S, and the distance d.
C = εS / d (1)
In this embodiment, the depth of digging the semiconductor substrate is the same as the distance d from the gate electrode of the conventional configuration to the N + region. Then, assuming that the area of the portion serving as the parasitic capacitance with the gate electrode in the conventional configuration is 1, the portion serving as the parasitic capacitance with the gate electrode in the configuration of the present embodiment when the size of x ′ described above is changed. The relative value of the area was obtained by calculation.
Note that the width w of the N + region shown in FIGS. 9A and 20A was 0.2 μm.
計算の結果、それぞれのx´の値に対する面積の相対値は、x´=0.05μmのとき0.667、x´=0.1μmのとき0.5、x´=0.15μmのとき0.4となった。
従って、本技術を適用した、本実施の形態の構成の方が、寄生容量として働く部分の面積が小さくなり、寄生容量が小さくなることがわかる。
また、x´が大きくなるほど、寄生容量の低減効果が顕著になることがわかる。
As a result of the calculation, the relative value of the area with respect to each value of x ′ is 0.667 when x ′ = 0.05 μm, 0.5 when x ′ = 0.1 μm, and 0 when x ′ = 0.15 μm. .4.
Therefore, it can be seen that the configuration of the present embodiment to which the present technology is applied reduces the area of the portion serving as the parasitic capacitance and reduces the parasitic capacitance.
It can also be seen that the effect of reducing the parasitic capacitance becomes more significant as x ′ increases.
上述の本実施の形態の固体撮像装置の構成によれば、ゲート電極14,15,13の左右の半導体基体11が、下方に掘り込まれた凹部11Aとなっている。そして、この凹部11Aに、フォトダイオードPD、フローティングディフュージョンFD、ソース・ドレイン領域19が形成されている。
これにより、転送トランジスタのゲート電極13とフローティングディフュージョンFD間の距離を多くとることができる。また、リセットトランジスタのゲート電極14とソース領域19間の距離や、増幅トランジスタのゲート電極15とソース・ドレイン領域19間の距離を、多くとることができる。
これらの距離を多くとることにより、その部分における寄生容量を低減することが可能となるため、固体撮像装置の変換効率を向上させることができる。
According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the left and right semiconductor bases 11 of the
Thereby, it is possible to increase the distance between the
By increasing these distances, it becomes possible to reduce the parasitic capacitance in that portion, so that the conversion efficiency of the solid-state imaging device can be improved.
また、本実施の形態の構成によれば、半導体基体11を掘り込んだ凹部11Aに、フローティングディフュージョンFDを形成しているので、ゲート電極とフローティングディフュージョンFDを水平方向に離さなくても、寄生容量を低減することができる。
これにより、フローティングディフュージョンFDの部分の面積を増大させることなく、従って画素サイズを増大させることなく、寄生容量を低減して、変換効率を向上させることが可能になる。
従って、画素サイズの微細化と、変換効率の向上とを共に実現することも可能になる。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the floating diffusion FD is formed in the
As a result, the parasitic capacitance can be reduced and the conversion efficiency can be improved without increasing the area of the floating diffusion FD, and thus without increasing the pixel size.
Accordingly, it is possible to achieve both the reduction in pixel size and the improvement in conversion efficiency.
さらに、図9A〜図9Cに示したように、アクティブ領域20と凹部11Aとを位置合わせして形成した場合には、アクティブ領域20とフローティングディフュージョンFDの合わせずれマージンを取る必要がなくなる。
そのため、アクティブ領域20及びフローティングディフュージョンFDの面積を低減して、その分、フォトダイオードPDの面積を拡大することや、画素サイズを低減することが可能になる。
Furthermore, as shown in FIGS. 9A to 9C, when the
Therefore, the areas of the
<2.第2の実施の形態(固体撮像装置)>
第2の実施の形態の固体撮像装置の要部の断面図を、図12A〜図12Cに示す。
本実施の形態も、第1の実施の形態と同様に、CMOS型固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)に、本技術を適用したものである。
<2. Second Embodiment (Solid-State Imaging Device)>
12A to 12C are cross-sectional views of main parts of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
In the present embodiment, as in the first embodiment, the present technology is applied to a CMOS type solid-state imaging device (CMOS image sensor).
第1の実施の形態では、フォトダイオードPDの部分の半導体基体11を掘り込んでいたので、掘り込みによって半導体基体11がダメージを受けることに起因して、フォトダイオードPDの部分の半導体基体11の表面付近の界面準位が増加する。
画素サイズ等の設計条件によるが、この界面準位の増加によって、暗電流の発生が増加して、画質に影響を及ぼす場合には、フォトダイオードPDの半導体基体11は掘り込まないことが望ましい。
In the first embodiment, since the
Depending on the design conditions such as the pixel size, it is desirable not to dig out the
本実施の形態では、図12Bに示すように、フォトダイオードPDの部分(光電変換部)では、半導体基体11に凹部11Aを形成していない。これにより、凹部11Aの形成に起因する、暗電流の発生の増加を防ぐことができる。
そして、図12A〜図12Cに示すように、フォトダイオードPDの部分以外は、図3A〜図3Cに示した第1の実施の形態の構成と同様にしている。即ち、リセットトランジスタと増幅トランジスタのソース・ドレイン領域19と、フローティングディフュージョンFDの部分では、半導体基体11に凹部11Aを形成し、選択トランジスタ及び他のトランジスタでは凹部11Aを形成しない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 12B, the
Then, as shown in FIGS. 12A to 12C, the configuration other than the photodiode PD is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 3A to 3C. That is, the
なお、その他の構成は、第1の実施の形態と同様であり、図1の平面図に示した構成を採用することができる。 Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the configuration shown in the plan view of FIG. 1 can be employed.
本実施の形態では、図12Aに示すように、リセットトランジスタや増幅トランジスタのゲート電極14,15の左右の半導体基体11が、ゲート絶縁膜18よりも下方に掘り込まれた、凹部11Aとなっている。また、図12Bに示すように、フローティングディフュージョンFDの部分の半導体基体11が、ゲート絶縁膜18よりも下方に掘り込まれた、凹部11Aとなっている。
そして、掘り込まれた凹部11Aに、ソース・ドレイン領域19、フローティングディフュージョンFDが形成されている。
これに対して、図12B及び図12Cに示すように、フォトダイオードPDの部分と、選択トランジスタやその他のMOSトランジスタは、半導体基体11が掘り込まれていない。
In this embodiment, as shown in FIG. 12A, the left and right semiconductor bases 11 of the
A source /
On the other hand, as shown in FIGS. 12B and 12C, the
図12A及び図12Bに示すように、ゲート電極14,15の左右の半導体基体11やフローティングディフュージョンFDの部分の半導体基体11が、下方に掘り込まれた凹部11Aとなっている。これにより、リセットトランジスタのゲート電極14とソース領域19間の距離や、増幅トランジスタのゲート電極15とソース・ドレイン領域19間の距離を、多くとることができる。また、転送トランジスタのゲート電極13とフローティングディフュージョンFD間の距離を多くとることができる。
これらの距離を多くとることにより、その部分における寄生容量を低減することが可能となるため、固体撮像装置の変換効率を向上させることができる。
また、フォトダイオードPDの部分は、半導体基体11が掘り込まれていないので、凹部の形成に起因する、暗電流の発生の増加を防ぐことができる。
As shown in FIGS. 12A and 12B, the left and
By increasing these distances, it becomes possible to reduce the parasitic capacitance in that portion, so that the conversion efficiency of the solid-state imaging device can be improved.
Further, since the
図12A〜図12Cに示した、本実施の形態の固体撮像装置の構成は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
なお、図13〜図16の各図において、図Aは図12Aに対応し、図Bは図12Bに対応し、図Cは図12Cに対応する。
The configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment shown in FIGS. 12A to 12C can be manufactured, for example, as described below.
13 to 16, FIG. A corresponds to FIG. 12A, FIG. B corresponds to FIG. 12B, and FIG. C corresponds to FIG.
まず、第1の実施の形態の製造方法の図4A〜図4Cに示した工程までと同様に、ゲート電極を形成するための電極層31の形成工程までの各工程を行う。
First, similarly to the steps shown in FIGS. 4A to 4C of the manufacturing method of the first embodiment, the respective steps up to the step of forming the
次に、図13Aに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタでは、電極層31の上をフォトレジスト32で覆う。
転送トランジスタでは、図13Bに示すように、フローティングディフュージョンを形成する側はフォトレジスト32で覆うが、破線で囲まれた、フォトダイオードを形成する部分は、フォトレジスト32で覆わない。
その後、図13B及び図13Cに示すように、フォトダイオードを形成する部分と、選択トランジスタや他のトランジスタでは、電極層31及びその下のゲート絶縁膜18をパターニングする。これにより、選択トランジスタや他のトランジスタでは、電極層31から成る、選択トランジスタのゲート電極16や他のトランジスタのゲート電極17を形成する。また、フォトダイオードを形成する部分では、半導体基体11の表面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 13A, in the reset transistor and the amplification transistor, the
In the transfer transistor, as shown in FIG. 13B, the side where the floating diffusion is formed is covered with the
Thereafter, as shown in FIGS. 13B and 13C, the
次に、図14B及び図14Cに示すように、フォトダイオード及び転送トランジスタの転送ゲート電極を形成する部分、並びに、選択トランジスタや他のトランジスタのゲート電極16,17及びその周囲を覆って、フォトレジスト33を形成する。
その後、図14A及び図14Bに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、フローティングディフュージョンを形成する部分では、電極層31及びその下のゲート絶縁膜18をパターニングする。これにより、電極層31から成る、各トランジスタのゲート電極14,15,13を形成する。
Next, as shown in FIG. 14B and FIG. 14C, a portion of the photodiode and the transfer transistor where the transfer gate electrode is formed, the
After that, as shown in FIGS. 14A and 14B, the
続いて、図15A及び図15Bに示すように、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、フローティングディフュージョンを形成する部分では、ゲート電極14,15,13の横の半導体基体11をエッチングする。このエッチングの際に、ゲート電極14,15,13も、エッチング用のマスクとして利用する。
これにより、半導体基体11に凹部11Aを形成する。選択トランジスタや他のトランジスタでは、図15Cに示すように、図14Cに示した状態と同じ状態とする。
Subsequently, as shown in FIGS. 15A and 15B, the
Thereby, the
その後、フォトダイオードを形成する部分や、選択トランジスタや他のトランジスタでは、図示しないが、ゲート電極16,17及びその周囲を覆っていた、フォトレジスト33を除去する。
次に、図16A〜図16Cに示すように、ゲート電極14,15,13,16,17をマスクとして用いて、半導体基体11にN型不純物を注入することにより、トランジスタのソース・ドレイン領域19及びフローティングディフュージョンFDを形成する。
Thereafter, the
Next, as shown in FIGS. 16A to 16C, by using the
その後、半導体基体11内に、フォトダイオードPDを構成する不純物領域を形成することにより、図12Bに示したフォトダイオードPDを形成する。
さらに、図示しないが、トランジスタのゲート電極13〜17の上方に、配線層と層間絶縁層から成る配線部を形成する。また、光を入射させる側に、カラーフィルタやマイクロレンズを形成する。
このようにして、図12A〜図12Cに示した、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
Thereafter, an impurity region constituting the photodiode PD is formed in the
Further, although not shown, a wiring portion composed of a wiring layer and an interlayer insulating layer is formed above the
In this way, the solid-state imaging device of the present embodiment shown in FIGS. 12A to 12C can be manufactured.
なお、上述した製造方法では、選択トランジスタ及びその他のトランジスタのゲート電極16,17のパターニング工程を、転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅トランジスタのゲート電極13,14,15のパターニング工程よりも先に行っていた。
これに対して、転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅トランジスタのゲート電極13,14,15のパターニング工程を、選択トランジスタ及びその他のトランジスタのゲート電極16,17のパターニング工程よりも先に行うことも可能である。
また、例えば、先に各トランジスタのゲート電極のパターニングを行って、その後、凹部11Aを形成しない部分をマスクで覆って、半導体基体11に凹部11Aをエッチングにより形成することも可能である。
In the manufacturing method described above, the patterning process of the
On the other hand, the patterning process of the
Further, for example, the gate electrode of each transistor may be patterned first, and then a portion where the
本実施の形態の構成において、合わせずれマージンの効果を考慮しない場合における、半導体基体11のエッチングの際のマスクパターンの平面図を、図17A〜図17Cに示す。図17A〜図17Cは、図12A〜図12Cのそれぞれの断面図に対応した平面図である。
図17A及び図17Bに示すように、マスクパターン22は、ゲート電極14,15,13の長手方向の長さよりも広い幅にしている。本実施の形態の場合には、フォトダイオードの部分は半導体基体を掘り込まないので、フォトダイオードの部分と転送トランジスタのゲート電極13の部分には、マスクパターン22を形成しない。
FIG. 17A to FIG. 17C are plan views of mask patterns when etching the
As shown in FIGS. 17A and 17B, the
また、本実施の形態の構成において、合わせずれマージンの効果を考慮する場合における、半導体基体11のエッチングの際のマスクパターンの平面図を、図18A〜図18Cに示す。図18A〜図18Cは、図12A〜図12Cのそれぞれの断面図に対応した平面図である。
図18Bに示すように、フローティングディフュージョンを形成する部分では、マスクパターン22をアクティブ領域20と同じ幅にしている。
図18Aに示すように、フローティングディフュージョン以外の半導体基体11にエッチングを行う部分では、マスクパターン22を図17Aと同様としている。マスクパターン22の内側のうち、ゲート電極14,15以外の部分において、半導体基体がエッチングされて、凹部が形成される。
この場合には、フローティングディフュージョンの部分では、図9Cに示した断面図と同様に、アクティブ領域20の左右の素子分離領域21はエッチングされず、アクティブ領域20のみが凹部となる。
図18B及び図18Cに示すように、フォトダイオードを形成する部分や、半導体基体11にエッチングを行わないトランジスタの部分では、図17B及び図17Cと同様に、マスクパターン22を形成しない。
18A to 18C are plan views of mask patterns when the
As shown in FIG. 18B, the
As shown in FIG. 18A, the
In this case, in the floating diffusion portion, as in the cross-sectional view shown in FIG. 9C, the left and right
As shown in FIGS. 18B and 18C, the
上述の本実施の形態の固体撮像装置の構成によれば、転送ゲート電極13の右の半導体基体11と、ゲート電極14,15の左右の半導体基体11が、下方に掘り込まれた凹部11Aとなっている。そして、この凹部11Aに、フローティングディフュージョンFD、ソース・ドレイン領域19が形成されている。
これにより、転送トランジスタのゲート電極13とフローティングディフュージョンFD間の距離を多くとることができる。また、リセットトランジスタのゲート電極14とソース領域19間の距離や、増幅トランジスタのゲート電極15とソース・ドレイン領域19間の距離を、多くとることができる。
これらの距離を多くとることにより、その部分における寄生容量を低減することが可能となるため、固体撮像装置の変換効率を向上させることができる。
According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the
Thereby, it is possible to increase the distance between the
By increasing these distances, it becomes possible to reduce the parasitic capacitance in that portion, so that the conversion efficiency of the solid-state imaging device can be improved.
また、本実施の形態の構成によれば、半導体基体11を掘り込んだ凹部11Aに、フローティングディフュージョンFDを形成しているので、ゲート電極とフローティングディフュージョンFDを水平方向に離さなくても、寄生容量を低減することができる。
これにより、フローティングディフュージョンFDの部分の面積を増大させることなく、従って画素サイズを増大させることなく、寄生容量を低減して、変換効率を向上させることが可能になる。
従って、画素サイズの微細化と、変換効率の向上とを共に実現することも可能になる。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the floating diffusion FD is formed in the
As a result, the parasitic capacitance can be reduced and the conversion efficiency can be improved without increasing the area of the floating diffusion FD, and thus without increasing the pixel size.
Accordingly, it is possible to achieve both the reduction in pixel size and the improvement in conversion efficiency.
さらに、本実施の形態では、フォトダイオードPDの部分には凹部11Aを形成していないため、エッチングにより凹部11Aを形成したことによる界面準位の増加に起因する暗電流の発生を防ぐことができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
さらにまた、本実施の形態においても、第1の実施の形態の図9A〜図9Cと同様に、アクティブ領域20と凹部11Aとを位置合わせして形成した場合には、アクティブ領域20及びフローティングディフュージョンFDの面積を低減することができる。そして、その分、フォトダイオードPDの面積を拡大することや、画素サイズを低減することが可能になる。
Furthermore, also in the present embodiment, as in FIGS. 9A to 9C of the first embodiment, when the
上述の各実施の形態では、本技術をCMOS型固体撮像装置に適用していた。
本技術は、CCD固体撮像装置にも、同様に適用することができる。
例えば、画素をマトリクス状に配置したCCD固体撮像装置では、水平転送レジスタに接続された水平出力ゲート電極の先にフローティングディフュージョンを設けている。また、画素をライン状に配置したCCD固体撮像装置では、転送レジスタに接続された出力ゲート電極の先にフローティングディフュージョンを設けている。これら水平出力ゲート電極や出力ゲート電極は、フローティングディフュージョンへ電荷を転送するゲート電極である。
さらに、フローティングディフュージョンの後段には、フローティングディフュージョンの電荷をリセットするために、リセットゲート電極とリセットドレインが設けられる。また、フローティングディフュージョンには、増幅トランジスタのゲート電極が電気的に接続される。この増幅トランジスタは、ソースフォロア回路を構成し、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷の量に対応した電圧を出力する。
CCD固体撮像装置に適用する場合、フローティングディフュージョンの部分(前段の出力ゲート電極から後段のリセットゲート電極までの部分)の半導体基体を掘り込んで、凹部を形成し、凹部にフローティングディフュージョンを形成すればよい。また、リセットゲート電極の先のリセットドレインとなる領域や、フローティングディフュージョンにゲートが接続された増幅トランジスタのソース・ドレイン領域も、同様に、半導体基体を掘り込んで凹部を形成しても良い。
In each of the above-described embodiments, the present technology is applied to the CMOS type solid-state imaging device.
The present technology can be similarly applied to a CCD solid-state imaging device.
For example, in a CCD solid-state imaging device in which pixels are arranged in a matrix, a floating diffusion is provided at the tip of a horizontal output gate electrode connected to a horizontal transfer register. In a CCD solid-state imaging device in which pixels are arranged in a line, a floating diffusion is provided at the tip of an output gate electrode connected to a transfer register. These horizontal output gate electrode and output gate electrode are gate electrodes that transfer charges to the floating diffusion.
Further, a reset gate electrode and a reset drain are provided in the subsequent stage of the floating diffusion in order to reset the charge of the floating diffusion. Further, the gate electrode of the amplification transistor is electrically connected to the floating diffusion. This amplification transistor constitutes a source follower circuit and outputs a voltage corresponding to the amount of charge accumulated in the floating diffusion.
When applied to a CCD solid-state imaging device, if a floating diffusion portion (portion from the output gate electrode at the previous stage to the reset gate electrode at the subsequent stage) is dug to form a recess and a floating diffusion is formed in the recess Good. Similarly, the semiconductor substrate may be dug to form a recess in the region that becomes the reset drain ahead of the reset gate electrode and the source / drain region of the amplification transistor whose gate is connected to the floating diffusion.
また、上述の各実施の形態では、電子を信号キャリアとして使用する構成であり、フローティングディフュージョンFDがN型領域、素子分離領域21がP型領域となっていた。
本技術は、正孔を信号キャリアとして使用して、フローティングディフュージョンFDをP型領域、素子分離領域をN型というように、全て逆導電型とした構成にも、同様に適用することが可能である。
In each of the above-described embodiments, electrons are used as signal carriers. The floating diffusion FD is an N-type region and the
The present technology can be similarly applied to a configuration in which holes are used as signal carriers, the floating diffusion FD is a P-type region, and the element isolation region is an N-type, which are all of a reverse conductivity type. is there.
また、上述の各実施の形態では、フローティングディフュージョンFDの部分や、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタのゲート電極の左右のソース・ドレイン領域において、半導体基体を掘り込んで凹部を形成していた。
本技術においては、これらの部分全部においてのみ、半導体基体を掘り込んで凹部を形成した構成に限定されるものではない。これらの部分のうち一部に凹部を形成した構成とすることや、さらに凹部を形成した部分を増やしたりすることも可能である。
本技術では、少なくとも、フローティングディフュージョンFDの部分(FDに電荷を転送する第1のゲート電極及びFDの電荷をリセットする第2のゲート電極との間の部分)において、半導体基体を掘り込んで凹部を形成する。これにより、CMOS型固体撮像装置の場合、図21A及び図21Bに示した寄生容量C1〜C4のうち、少なくともC1及びC2の寄生容量を低減することができる。
In the above-described embodiments, the semiconductor substrate is dug to form the recesses in the floating diffusion FD and the left and right source / drain regions of the gate electrodes of the reset transistor and the amplification transistor.
The present technology is not limited to the configuration in which the recess is formed by digging the semiconductor substrate only in all of these portions. It is possible to have a configuration in which a recess is formed in a part of these portions, or to further increase the number of portions in which the recess is formed.
In this technique, at least in the floating diffusion FD (the portion between the first gate electrode that transfers charge to the FD and the second gate electrode that resets the charge on the FD), the semiconductor substrate is dug into the recess. Form. Thereby, in the case of a CMOS type solid-state imaging device, at least the parasitic capacitances of C1 and C2 among the parasitic capacitances C1 to C4 shown in FIGS. 21A and 21B can be reduced.
また、本技術は、半導体基体に対して、トランジスタ等の回路素子を形成する回路形成面と、光を入射させる光入射面とを、ともに同じ側とした表面照射型構造と、反対の側とした裏面照射型構造の、いずれの構造にも適用することが可能である。 In addition, the present technology provides a surface irradiation type structure in which a circuit forming surface for forming circuit elements such as transistors and a light incident surface on which light is incident are both on the same side with respect to a semiconductor substrate, It can be applied to any of the back-illuminated structures.
本技術に係る固体撮像装置は、例えば、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、撮像機能を備えた他の機器等の、各種電子機器に適用することができる。 The solid-state imaging device according to the present technology can be applied to various electronic devices such as a camera system such as a digital camera and a video camera, a mobile phone having an imaging function, and other devices having an imaging function.
<3.第3の実施の形態(電子機器)>
第7の実施の形態の電子機器の概略構成図(ブロック図)を、図19に示す。
図19に示すように、この電子機器121は、固体撮像装置122、光学系123、シャッタ装置124、駆動回路125、信号処理回路126を有する。
<3. Third Embodiment (Electronic Device)>
FIG. 19 shows a schematic configuration diagram (block diagram) of an electronic apparatus according to the seventh embodiment.
As illustrated in FIG. 19, the
光学系123は、光学レンズ等により構成され、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置122の画素部に結像させる。これにより、固体撮像装置122内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系123は、複数個の光学レンズから構成された光学レンズ系としても良い。
固体撮像装置122としては、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用する。
シャッタ装置124は、固体撮像装置122への光照射期間及び遮光期間を制御する。
駆動回路125は、固体撮像装置122の転送動作及びシャッタ装置124のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路125から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置122の信号転送を行う。
信号処理回路126は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリ等の記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。
The
As the solid-
The
The
The
上述の本実施の形態の電子機器121の構成によれば、固体撮像装置122として、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用することにより、固体撮像装置において、寄生容量を低減して変換効率を向上することが可能になる。
According to the configuration of the
本技術において、撮像装置の構成は、図19に示した構成に限定されるものではなく、本技術に係る固体撮像装置を使用する構成であれば、図19に示した以外の構成とすることも可能である。 In the present technology, the configuration of the imaging device is not limited to the configuration illustrated in FIG. 19, and the configuration other than that illustrated in FIG. 19 is used as long as the configuration uses the solid-state imaging device according to the present technology. Is also possible.
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
(1)半導体基体と、前記半導体基体に形成された、フォトダイオードから成る光電変換部と、前記半導体基体に形成された、フローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する、第1のゲート電極と、前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットする、第2のゲート電極と、前記フローティングディフュージョンの部分を少なくとも含んで、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の下の前記半導体基体よりも、前記半導体基体が掘り込まれて形成された、凹部とを含む固体撮像装置。
(2)前記フローティングディフュージョンが画素毎に設けられ、前記光電変換部及び前記第1のゲート電極を含む転送トランジスタと、前記第2のゲート電極を含むリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンにゲート電極が接続された増幅トランジスタとをさらに有する前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記リセットトランジスタ及び前記増幅トランジスタのソース・ドレイン領域において、前記半導体基体に前記凹部が形成されている、前記(2)に記載の固体撮像装置。
(4)前記フローティングディフュージョンでは、前記凹部がアクティブ領域と位置合わせして形成されている、前記(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(5)前記光電変換部では、前記半導体基体に前記凹部が形成されていない、前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(6)半導体基体に、フォトダイオードから成る光電変換部と、フローティングディフュージョンが形成された固体撮像装置を製造する方法であって、前記半導体基体上に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成する工程と、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の前記半導体基体を掘り込んで、前記半導体基体に凹部を形成する工程と、前記半導体基体の、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の間の前記凹部に、前記フローティングディフュージョンを形成する工程と、前記半導体基体に前記光電変換部を形成する工程を有する固体撮像装置の製造方法。
(7)前記フローティングディフュージョンを画素毎に形成し、前記凹部を形成する工程において、前記第2のゲート電極を含むリセットトランジスタ及び、前記フローティングディフュージョンにゲート電極が接続された増幅トランジスタのソース・ドレイン領域となる部分にも、同時に前記半導体基体に凹部を形成する、前記(6)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(8)前記フローティングディフュージョンを形成する部分では、前記凹部をアクティブ領域と位置合わせして形成する、前記(6)又は(7)に記載の固体撮像装置の製造方法。
(9)光学系と、前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備えた電子機器。
In addition, this indication can also take the following structures.
(1) A semiconductor substrate, a photoelectric conversion portion made of a photodiode formed on the semiconductor substrate, a floating diffusion formed on the semiconductor substrate, and a first gate electrode for transferring electric charge to the floating diffusion And a second gate electrode that resets the charge of the floating diffusion, and at least a portion of the floating diffusion, than the semiconductor substrate under the first gate electrode and the second gate electrode, A solid-state imaging device including a recess formed by digging the semiconductor substrate.
(2) The floating diffusion is provided for each pixel, a transfer transistor including the photoelectric conversion unit and the first gate electrode, a reset transistor including the second gate electrode, and a gate electrode connected to the floating diffusion. The solid-state imaging device according to (1), further including an amplified transistor.
(3) The solid-state imaging device according to (2), wherein the recess is formed in the semiconductor substrate in a source / drain region of the reset transistor and the amplification transistor.
(4) The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3), wherein in the floating diffusion, the concave portion is formed in alignment with an active region.
(5) In the photoelectric conversion unit, the solid-state imaging device according to any one of (1) to (4), wherein the recess is not formed in the semiconductor substrate.
(6) A method of manufacturing a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion unit made of a photodiode and a floating diffusion are formed on a semiconductor substrate, wherein a first gate electrode and a second gate electrode are formed on the semiconductor substrate. Forming a recess in the semiconductor substrate, digging the semiconductor substrate between the first gate electrode and the second gate electrode, and forming the first gate of the semiconductor substrate. A method of manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming the floating diffusion in the recess between the electrode and the second gate electrode; and forming the photoelectric conversion unit on the semiconductor substrate.
(7) A source / drain region of a reset transistor including the second gate electrode and an amplification transistor having a gate electrode connected to the floating diffusion in the step of forming the floating diffusion for each pixel and forming the recess. The manufacturing method of the solid-state imaging device according to (6), wherein a concave portion is simultaneously formed in the semiconductor substrate in the portion to be.
(8) The method for manufacturing a solid-state imaging device according to (6) or (7), wherein the portion where the floating diffusion is formed is formed by aligning the concave portion with an active region.
(9) An electronic apparatus including an optical system, the solid-state imaging device according to any one of (1) to (5), and a signal processing circuit that processes an output signal of the solid-state imaging device.
本技術は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present technology is not limited to the above-described embodiments, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present technology.
1,122 固体撮像装置、2 画素、3 画素部、4 垂直駆動回路、5 カラム信号処理回路、6 水平駆動回路、7 出力回路、8 制御回路、9 垂直信号線、10 水平信号線、11 半導体基体、11A 凹部、12 入出力端子、13 転送ゲート電極、14 リセットゲート電極、15 増幅ゲート電極、16 選択ゲート電極、17 ゲート電極、18 ゲート絶縁膜、19 ソース・ドレイン領域、20 アクティブ領域、21 素子分離領域、22 マスクパターン、31 電極層、32,33 フォトレジスト、121 電子機器、123 光学系、124 シャッタ装置、125 駆動回路、126 信号処理回路、PD フォトダイオード、FD フローティングディフュージョン、TR 転送トランジスタ、RST リセットトランジスタ、AMP 僧服トランジスタ、SEL 選択トランジスタ、φTR 転送パルス、φRST リセットパルス、φSEL 選択パルス 1,122 solid-state imaging device, 2 pixels, 3 pixel units, 4 vertical drive circuit, 5 column signal processing circuit, 6 horizontal drive circuit, 7 output circuit, 8 control circuit, 9 vertical signal line, 10 horizontal signal line, 11 semiconductor Substrate, 11A recess, 12 input / output terminal, 13 transfer gate electrode, 14 reset gate electrode, 15 amplification gate electrode, 16 selection gate electrode, 17 gate electrode, 18 gate insulating film, 19 source / drain region, 20 active region, 21 Element isolation region, 22 mask pattern, 31 electrode layer, 32, 33 photoresist, 121 electronic device, 123 optical system, 124 shutter device, 125 drive circuit, 126 signal processing circuit, PD photodiode, FD floating diffusion, TR transfer transistor , RST reset transaction Star, AMP priest's garb transistor, SEL selection transistor, φTR transfer pulse, φRST reset pulse, φSEL selection pulse
Claims (9)
前記半導体基体に形成された、フォトダイオードから成る光電変換部と、
前記半導体基体に形成された、フローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する、第1のゲート電極と、
前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットする、第2のゲート電極と、
前記フローティングディフュージョンの部分を少なくとも含んで、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の下の前記半導体基体よりも、前記半導体基体が掘り込まれて形成された、凹部とを含む
固体撮像装置。 A semiconductor substrate;
A photoelectric conversion portion formed of a photodiode formed on the semiconductor substrate;
A floating diffusion formed on the semiconductor substrate;
A first gate electrode for transferring charge to the floating diffusion;
A second gate electrode that resets the charge of the floating diffusion;
A solid-state imaging device including at least a portion of the floating diffusion and a recess formed by digging the semiconductor substrate rather than the semiconductor substrate below the first gate electrode and the second gate electrode; apparatus.
前記半導体基体上に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成する工程と、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の間の前記半導体基体を掘り込んで、前記半導体基体に凹部を形成する工程と、
前記半導体基体の、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の間の前記凹部に、前記フローティングディフュージョンを形成する工程と、
前記半導体基体に前記光電変換部を形成する工程を有する
固体撮像装置の製造方法。 A method of manufacturing a solid-state imaging device in which a photoelectric conversion portion made of a photodiode and a floating diffusion are formed on a semiconductor substrate,
Forming a first gate electrode and a second gate electrode on the semiconductor substrate;
Digging the semiconductor substrate between the first gate electrode and the second gate electrode to form a recess in the semiconductor substrate;
Forming the floating diffusion in the recess of the semiconductor substrate between the first gate electrode and the second gate electrode;
A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising: forming the photoelectric conversion unit on the semiconductor substrate.
前記凹部を形成する工程において、前記第2のゲート電極を含むリセットトランジスタ及び、前記フローティングディフュージョンにゲート電極が接続された増幅トランジスタのソース・ドレイン領域となる部分にも、同時に前記半導体基体に凹部を形成する、請求項6に記載の固体撮像装置の製造方法。 Forming the floating diffusion for each pixel;
In the step of forming the recess, a recess is also formed in the semiconductor substrate at the same time in a portion that becomes a source / drain region of a reset transistor including the second gate electrode and an amplification transistor having a gate electrode connected to the floating diffusion. The manufacturing method of the solid-state imaging device according to claim 6 formed.
半導体基体と、前記半導体基体に形成された、フォトダイオードから成る光電変換部と、前記半導体基体に形成された、フローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する、第1のゲート電極と、前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットする、第2のゲート電極と、前記フローティングディフュージョンの部分を少なくとも含んで、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の下の前記半導体基体よりも、前記半導体基体が掘り込まれて形成された、凹部とを含む固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備えた
電子機器。 Optical system,
A semiconductor substrate, a photoelectric conversion portion made of a photodiode formed on the semiconductor substrate, a floating diffusion formed on the semiconductor substrate, a first gate electrode for transferring charge to the floating diffusion, and The semiconductor substrate including at least a portion of the second gate electrode and the floating diffusion that resets the charge of the floating diffusion, and the semiconductor substrate below the first gate electrode and the second gate electrode. A solid-state imaging device including a recess formed by digging
An electronic apparatus including a signal processing circuit that processes an output signal of the solid-state imaging device.
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