JP2019033195A - 撮像装置の製造方法 - Google Patents

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洋一郎 飯田
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旬史 岩田
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洋一 和田
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Abstract

【課題】製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上しうる撮像装置の製造方法を提供する。【解決手段】第1導電型の第1の半導体領域と第2導電型の第2の半導体領域とを含む埋め込み型の第1のダイオードと、第1導電型の第3の半導体領域と第2導電型の第4の半導体領域とを含む埋め込み型の第2のダイオードと、を有する撮像装置の製造方法であって、第1の領域と、第1の領域と第2の領域との間の第3の領域に、第1導電型の不純物をイオン注入する工程と、第2の領域と第3の領域とに第1導電型の不純物をイオン注入する工程と、を有し、第1の領域に第1の半導体領域を形成し、第2の領域に第3の半導体領域を形成し、第3の領域に第1の半導体領域及び第2の半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5の半導体領域を形成する。【選択図】図9

Description

本発明は、撮像装置の製造方法に関する。
撮像装置における白傷不良を抑制する技術として、光電変換部の電荷蓄積領域を構成する半導体領域の表面部に電荷蓄積領域とは逆導電型の半導体領域を配置した、いわゆる埋め込みダイオード構造を用いることが提案されている。特許文献1には、埋め込みフォトダイオードの表面部に配置する半導体領域を、光電変換部のレイアウトに応じた異なる方向からのイオン注入により形成することで、画素特性を均一化することが記載されている。
また、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、光電変換部とは別の場所に信号電荷を保持するための電荷保持部に、埋め込みダイオード構造を採用することがある。特許文献2には、電荷保持部を、光電変換部のフォトダイオードと同様の埋め込みダイオード構造により形成することが記載されている。
特開2006−303328号公報 特開2017−033996号公報
画素間の信号のクロストークの抑制や画素の高集積化等の観点から、素子間の分離特性を向上することは重要である。しかしながら、特許文献1及び特許文献2には、光電変換部や電荷保持部を構成する埋め込み型のダイオードについて、これらの間の分離特性に関する特段の検討や提案はなされていなかった。
本発明の目的は、埋め込み型のダイオードを有する撮像装置に関し、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上しうる撮像装置の製造方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、半導体基板の第1の領域の表面部に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の領域の内部に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、を含む埋め込み型の第1のダイオードと、前記半導体基板の第2の領域の表面部に設けられた前記第1導電型の第3の半導体領域と、前記第2の領域の内部に設けられた前記第2導電型の第4の半導体領域と、を含む埋め込み型の第2のダイオードと、を有する撮像装置の製造方法であって、前記第1の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間の第3の領域に、前記第1導電型の不純物をイオン注入する第1のイオン注入工程と、前記第2の領域と、前記第3の領域とに、前記第1導電型の不純物をイオン注入する第2のイオン注入工程と、を有し、前記第1のイオン注入工程により、前記第1の領域に、前記第1の半導体領域を形成し、前記第2のイオン注入工程により、前記第2の領域に、前記第3の半導体領域を形成し、前記第1のイオン注入工程と前記第2のイオン注入工程により、前記第3の領域に、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域よりも不純物濃度の高い前記第1導電型の第5の半導体領域を形成する撮像装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、埋め込みダイオードを有する撮像装置において、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上することができる。
本発明の第1実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の構造を示す平面図及び断面図である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の効果を説明する図である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その1)である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その2)である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その3)である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その4)である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その5)である。 本発明の第1実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図(その6)である。 本発明の第2実施形態による撮像装置及びその製造方法を示す平面図である。 本発明の第3実施形態による撮像装置及びその製造方法を示す平面図である。 本発明の第4実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第4実施形態による撮像装置の構造を示す平面図である。 本発明の第5実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第6実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。
本発明の第1実施形態による撮像装置及びその製造方法について、図1乃至図10を用いて説明する。図1は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図2は、本実施形態による撮像装置における画素の構成例を示す回路図である。図3は、本実施形態による撮像装置の構造を示す平面図及び概略断面図である。図4は、本実施形態による撮像装置の効果を説明する図である。図5乃至図10は、本実施形態による撮像装置の製造方法を示す平面図及び断面図である。
はじめに、本実施形態による撮像装置の構造について、図1乃至図3を用いて説明する。
本実施形態による撮像装置100は、図1に示すように、画素領域10と、垂直走査回路20と、読み出し回路30と、水平走査回路40と、制御回路50と、出力回路60とを有している。
画素領域10には、複数行及び複数列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素12が設けられている。画素領域10の画素アレイの各行には、第1の方向(図1において横方向)に延在して、制御線14が配されている。制御線14は、第1の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。本明細書では、制御線14の延在する第1の方向を、行方向と表記することがある。
また、画素領域10の画素アレイの各列には、第1の方向と交差する第2の方向(図1において縦方向)に延在して、出力線16が配されている。出力線16は、第2の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。本明細書では、出力線16の延在する第2の方向を、列方向と表記することがある。
垂直走査回路20は、画素領域10の各行に配された制御線14に接続されている。垂直走査回路20は、画素12から画素信号を読み出す際に画素12内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御線14を介して画素12に供給する回路部である。
読み出し回路30は、画素領域10の各列の出力線16に接続されている。画素12から読み出された画素信号は、出力線16を介して読み出し回路30に入力される。読み出し回路30は、画素12から読み出された画素信号に対して所定の信号処理、例えば増幅処理やAD変換処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路30は、差動増幅回路、サンプル・ホールド回路、AD変換回路等を含み得る。
水平走査回路40は、読み出し回路30において処理された信号を列毎に順次、出力回路60に転送するための制御信号を、読み出し回路30に供給する回路部である。出力回路60は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、読み出し回路30から読み出された画素信号を撮像装置100の外部の信号処理部に出力するための回路部である。
制御回路50は、垂直走査回路20、読み出し回路30及び水平走査回路40の動作やそのタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路20、読み出し回路30及び水平走査回路40に供給する制御信号の一部又は総ては、撮像装置100の外部から供給してもよい。
図2は、画素領域10を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図2には、画素領域10を構成する画素12のうち、4行×1列に配列された4個の画素12を抜き出して示している。なお、画素領域10を構成する画素12の数や配列は、特に限定されるものではない。
それぞれの画素12は、図2に示すように、光電変換部PDと、転送トランジスタM1とを有する。また、隣接する2つの画素12は、リセットトランジスタM2と、増幅トランジスタM3と、選択トランジスタM4とを共有している。図2の例では、上から1行目の画素12と上から2行目の画素12とにおいて、また、上から3行目の画素12と上から4行目の画素12とにおいて、それぞれリセットトランジスタM2、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4を共有している。
光電変換部PDは、例えばフォトダイオードである。光電変換部PDのフォトダイオードは、アノードが接地電圧端子に接続され、カソードが転送トランジスタM1のソースに接続されている。転送トランジスタM1のドレインは、リセットトランジスタM2のソース及び増幅トランジスタM3のゲートに接続されている。転送トランジスタM1のドレイン、リセットトランジスタM2のソース及び増幅トランジスタM3のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散領域(フローティングディフュージョンFD)である。フローティングディフュージョンFDに寄生する容量(浮遊拡散容量)は、電荷の保持部としての機能を備える。リセットトランジスタM2のドレインは、電源電圧線(VRES)に接続されている。増幅トランジスタM3のドレインは、電源電圧端子(VDD)に接続されている。増幅トランジスタM3のソースは、選択トランジスタM4のドレインに接続されている。選択トランジスタM4のソースは、出力線16に接続されている。
各行の制御線14は、図2に示す回路構成の場合、転送ゲート信号線TX、リセット信号線RES、選択信号線SELを含む。転送ゲート信号線TXは、転送トランジスタM1のゲートに接続される。リセット信号線RESは、リセットトランジスタM2のゲートに接続される。選択信号線SELは、選択トランジスタM4のゲートに接続される。
光電変換部PDは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換(光電変換)するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタM1は、オンすることにより光電変換部PDの電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDは、その容量による電荷電圧変換によって、光電変換部PDから転送された電荷の量に応じた電圧となる。増幅トランジスタM3は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタM4を介して図示しない電流源からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部(ソースフォロワ回路)を構成する。これにより増幅トランジスタM3は、フローティングディフュージョンFDの電圧に基づく信号を、選択トランジスタM4を介して出力線16に出力する。リセットトランジスタM2は、オンすることによりフローティングディフュージョンFDを電圧VRESに応じた電圧にリセットする。
図3(a)は、本実施形態による撮像装置の画素領域10の平面レイアウトを示す図である。図3(b)は、図3(a)のA−A′線断面図である。図3(c)は、図3(a)のB−B′線断面図である。
図3(a)には、列方向に並ぶ4つの画素12(図2の4つの画素12に対応)の構成要素のうち、光電変換部PD及び転送トランジスタM1のみを示している。画素12の他の構成要素、すなわちリセットトランジスタM2、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4は、図3(a)に示す画素配列の右側又は左側に配される。図3(a)において一点鎖線で囲まれた領域のそれぞれは、1つの画素12の光電変換部PD及び転送トランジスタM1が配される領域を示している。図3(a)ではこれらの領域を画素12の符号で表している。
n型のシリコン基板110の表面部には、図3(c)に示すように、活性領域を画定する素子分離領域112が設けられている。素子分離領域112は、列方向に延在するストライプ状の活性領域を画定し、この活性領域の中に、列方向に並ぶ複数の画素12の光電変換部PD、転送トランジスタM1及びフローティングディフュージョンFDが配されている。
光電変換部PDは、シリコン基板110の表面部に設けられたp型半導体領域144(第1の半導体領域)と、シリコン基板110の内部に、p型半導体領域144の底部に接して設けられたn型半導体領域134(第2の半導体領域)とを含む。或いは、光電変換部PDは、シリコン基板110の表面部に設けられたp型半導体領域150(第3の半導体領域)と、シリコン基板110の内部に、p型半導体領域150の底部に接して設けられたn型半導体領域134(第4の半導体領域)とを含む。いずれの光電変換部PDも、n型半導体領域134を電荷蓄積層とする埋め込みダイオード構造を有している。n型半導体領域134とp型半導体領域144とにより構成される光電変換部PDを含む画素12と、n型半導体領域134とp型半導体領域150とにより構成される光電変換部PDを含む画素12とは、列方向に交互に配されている。なお、p型半導体領域144とp型半導体領域150とは、別々に形成されることから異なる符号で表しているが、実質的には同じ特性や機能を備えた半導体領域である。
フローティングディフュージョンFDは、シリコン基板110の表面部にn型半導体領域134から離間して設けられたn型半導体領域158により構成されている。
転送トランジスタM1は、n型半導体領域134とn型半導体領域158との間のシリコン基板110上にゲート絶縁膜136を介して設けられたゲート電極138を含む。n型半導体領域134が転送トランジスタM1のソースに相当し、n型半導体領域158が転送トランジスタM1のドレインに相当する。
フローティングディフュージョンFD(n型半導体領域158)を共有する2つの画素12は、図3(a)に示すように、フローティングディフュージョンFDを中心として対称に配置されている。この2つの画素12の配列を基本単位として、列方向に繰り返し複数の基本単位が配列される。
フローティングディフュージョンFDを共有していないが列方向に隣接する画素12は、光電変換部PDが隣り合うように配されている。これら画素12の光電変換部PDは、一方がp型半導体領域144を含み、他方がp型半導体領域150を含む。これら画素12の光電変換部PDの間、すなわちp型半導体領域144とp型半導体領域150との間のシリコン基板110の表面部には、p型半導体領域152(第5の半導体領域)が設けられている。p型半導体領域152は、p型半導体領域144を形成する際に導入されるp型不純物と、p型半導体領域150を形成する際に導入されるp型不純物との双方が導入されてなる高濃度のp型半導体領域である。
フローティングディフュージョンFDを共有していないが列方向に隣接する画素12の間のシリコン基板110内には、これら画素12を分離するためのp型半導体領域122及び128(第6の半導体領域)が設けられている。シリコン基板110の深部には、光電変換部PDの深さを規定するp型半導体領域116が設けられている。
シリコン基板110の上には、層間絶縁膜166が設けられている。層間絶縁膜166には、p型コンタクト領域170(第8の半導体領域)及びp型半導体領域164(第7の半導体領域)を介してp型半導体領域128,122,116に電気的に接続されたコンタクトプラグ172が設けられている。コンタクトプラグ172は、ウェルに所定の電圧を供給するためのコンタクト電極である。
このように、本実施形態による撮像装置は、隣接する画素12の隣り合う光電変換部PDのp型半導体領域(p型半導体領域144,150)の間に、これらよりも不純物濃度の高いp型半導体領域152が設けられている。このように構成することにより、これら画素12の光電変換部PD間の分離特性を向上することができる。
図4は、隣接する画素12の光電変換部PD間の領域におけるポテンシャルの状態を示す図である。図4(b)は、p型半導体領域152を設けた場合のポテンシャル分布であり、本実施形態の撮像装置に対応している。比較として、図4(a)には、p型半導体領域152を設けていない場合のポテンシャル分布を示している。すなわち、図4(a)では、隣接する画素12の光電変換部PDの間に連続してp型半導体領域144が設けられている場合を想定している。
図4に示すように、隣接する画素12の光電変換部PDの間にp型半導体領域152を設けることにより、p型半導体領域152を設けない場合と比較して、これら画素12の間のポテンシャル障壁を高くすることができる。したがって、これら画素12間の分離特性を高めることができ、隣接する画素12への電荷の漏洩をより効果的に抑制することができる。
p型半導体領域152は、隣接する画素12の光電変換部PD間の分離特性を向上する機能を備えるほか、ウェルコンタクトの配置場所として利用することも有効である。すなわち、p型半導体領域152は、p型半導体領域144,150を形成する際に導入されるp型不純物が重ねて導入されてなる高濃度のp型半導体領域であり、コンタクトプラグ172との間のコンタクト抵抗を低減するうえで有用である。
また、素子分離領域112の側壁部及び底面部にチャネルストップ領域114(第9の半導体領域)を設ける場合、p型半導体領域152は、素子分離領域112の側壁部においてチャネルストップ領域114に接続されることが望ましい(図3(c)参照)。これにより、p型半導体領域152とチャネルストップ領域114との間の接続抵抗を低減することができ、チャネルストップ領域114においてウェル電位を取りやすくすることができる。したがって、素子分離領域112の近傍の領域が空乏化されにくくなり、素子分離領域112の近傍で発生する暗時ノイズを低減することができる。
次に、本実施形態による撮像装置の製造方法について、図5乃至図10を用いて説明する。
まず、半導体基板、例えばn型のシリコン基板110に、例えばLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)法やSTI(Shallow Trench Isolation)法等により、活性領域を画定する素子分離領域112を形成する。この際、素子分離領域112の側壁部及び底面部に、p型不純物をイオン注入し、チャネルストップ領域114を形成する。チャネルストップ領域114は、p型半導体領域144とp型半導体領域150とが重なる領域(p型半導体領域152)と少なくとも一部が重なるように形成する。このようにすることで、チャネルストップ領域114とコンタクトプラグ172との間の抵抗を低減することができ、チャネルストップ領域114において、ウェル電位を取りやすくすることができる。
次いで、シリコン基板110の深部に、ボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、光電変換部PDの深さを規定するp型半導体領域116を形成する(図5(a),(b),(c))。
次いで、フォトリソグラフィにより、画素12間の領域に開口部120を有するフォトレジスト膜118を形成する。
次いで、フォトレジスト膜118をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、シリコン基板110のp型半導体領域116よりも浅い位置に、深部の画素間分離領域として機能するp型半導体領域122を形成する(図6(a),(b))。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜118を除去する。
次いで、フォトリソグラフィにより、フローティングディフュージョンFDとなる領域を除く画素12間の領域に開口部126を有するフォトレジスト膜124を形成する。
次いで、フォトレジスト膜124をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、シリコン基板110のp型半導体領域122よりも浅い位置に、浅部の画素間分離領域として機能するp型半導体領域128を形成する(図6(a),(c))。
なお、光電変換部PDからフローティングディフュージョンFDへの電荷の転送に影響がなければ、フローティングディフュージョンFDとなる領域にもp型半導体領域128を形成するようにしてもよい。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜124を除去する。
次いで、フォトリソグラフィにより、光電変換部PDを形成する領域に開口部132を有するフォトレジスト膜130を形成する。
次いで、フォトレジスト膜130をマスクとしてリン(P)や砒素(As)等のn型不純物をイオン注入し、光電変換部PDの電荷蓄積領域となるn型半導体領域134を形成する(図7(a),(b))。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜130を除去する。
次いで、シリコン基板110の表面に、例えば熱酸化法やCVD法等により、酸化シリコン膜等よりなるゲート絶縁膜136を形成する。
次いで、ゲート絶縁膜136上に、ポリシリコン膜等の導電膜を堆積してパターニングし、転送トランジスタM1のゲート電極138を形成する(図7(a),(c))。
次いで、フォトリソグラフィにより、フローティングディフュージョンFDを共有する2つの画素12のうちの一方の光電変換部PDを露出する開口部142を有するフォトレジスト膜140を形成する。開口部142は、フローティングディフュージョンFDを共有しない隣接画素12の間の分離部にまで延在するように形成する。
次いで、フォトレジスト膜140及びゲート電極138をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、シリコン基板110の表面部に、光電変換部PDを埋め込み型にするためのp型半導体領域144を形成する。p型半導体領域144は、ゲート電極138から離間するように、当該ゲート電極138側に傾斜した斜め方向からイオン注入を行うことが望ましい(図8(a),(b))。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜140を除去する。
次いで、フォトリソグラフィにより、フローティングディフュージョンFDを共有する2つの画素12のうちの他方の光電変換部PDを露出する開口部148を有するフォトレジスト膜146を形成する。開口部148は、フローティングディフュージョンFDを共有しない隣接画素12の間の分離部にまで延在するように形成する。
次いで、フォトレジスト膜146及びゲート電極138をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、シリコン基板110の表面部に、光電変換部PDを埋め込み型にするためのp型半導体領域150を形成する。p型半導体領域150は、ゲート電極138から離間するように、当該ゲート電極138側に傾斜した斜め方向からイオン注入を行うことが望ましい。
これにより、フローティングディフュージョンFDを共有しない隣接画素12の間の分離部には、p型半導体領域144,150を構成するp型不純物が重複してイオン注入されてなる高濃度のp型半導体領域152が形成される(図9(a),(b))。
p型半導体領域144とp型半導体領域150とは、図8(b)及び図9(b)に示すように、異なる方向から行うイオン注入によって別々に形成される。したがって、p型半導体領域152は、フォトレジスト膜140,146のパターンを変更するだけで形成することができ、p型半導体領域152を形成するための特別な工程を追加する必要はない。
なお、本実施形態では簡略化のため4つの画素12のみを示しておりp型半導体領域152が形成される場所は1箇所のみとなっているが、p型半導体領域152は、列方向に光電変換部PDが隣接する画素12の間に周期的に形成される。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜146を除去する。
次いで、フォトリソグラフィにより、フローティングディフュージョンFDを共有する2つの画素12のゲート電極138間の領域に開口部156を有するフォトレジスト膜154を形成する。
次いで、フォトレジスト膜154をマスクとしてリン(P)や砒素(As)等のn型不純物をイオン注入し、フローティングディフュージョンFDを構成するn型半導体領域158を形成する(図9(a),(c))。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜154を除去する。
次いで、シリコン基板110の上に、フォトリソグラフィにより、p型半導体領域152が設けられた領域上に開口部162を有するフォトレジスト膜160を形成する。なお、開口部162は、ウェルに所定の電圧を供給するためのウェルコンタクトを形成する領域に対応する。必ずしも総てのp型半導体領域152の上に開口部162を配置する必要はない。
次いで、フォトレジスト膜160をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、p型半導体領域152とp型半導体領域122,128との間に、p型半導体領域164を形成する(図10(a),(b))。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜160を除去する。
次いで、シリコン基板110の上に、例えばCVD法等により、酸化シリコン膜等の絶縁膜を堆積し、層間絶縁膜166を形成する。
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜166に、p型半導体領域164上に配されたコンタクトホール168を形成する。
次いで、層間絶縁膜166をマスクとしてボロン(B)等のp型不純物をイオン注入し、コンタクトホール168内のシリコン基板110の表面部に、p型コンタクト領域170を形成する。p型コンタクト領域170は、p型半導体領域152とコンタクトプラグ172との接続部に設けられる。
なお、p型半導体領域164及びp型コンタクト領域170は、これらを挟む2つの画素12が対称となる位置に配置することが望ましい。このように構成することで、これら画素12における暗示のノイズの差を小さくすることができる。
また、p型半導体領域164及びp型コンタクト領域170は、コンタクトプラグ172とp型半導体領域152,128との間のコンタクト抵抗を低減するためのものである。コンタクトプラグ172とp型半導体領域152,128との間のコンタクト抵抗が十分に低い場合には、p型半導体領域164及びp型コンタクト領域170のうちの一方又は両方を設けなくてもよい。
次いで、例えば窒素雰囲気中で熱処理を行い、p型コンタクト領域170の形成の際にシリコン基板110に導入された結晶欠陥を回復する。
なお、シリコン基板110に導入された結晶欠陥を回復するための熱処理は、p型半導体領域144,150を形成した後、及びp型半導体領域164を形成した後にも行うことが望ましい。結晶欠陥の回復のしやすさという観点からは、p型コンタクト領域170の形成後にだけ熱処理を行うよりも、p型半導体領域144,150を形成した後、及びp型半導体領域164を形成した後に、複数回に分けて熱処理を行う方がよい。これにより、結晶欠陥を回復しやすくなり、暗時のノイズを低減することができる。
次いで、コンタクトホール168が設けられた層間絶縁膜166の上にバリアメタル及びタングステンを堆積後、これら導電膜をポリッシュバックし、コンタクトホール168内に配されたコンタクトプラグ172を形成する(図10(a),(c))。
この後、図示しない多層配線、カラーフィルタ、マイクロレンズ等を形成し、本実施形態による撮像装置を完成する。
このように、本実施形態によれば、埋め込みダイオードを有する撮像装置において、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上することができる。これにより、隣接する画素12の間の信号のクロストークを抑制することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による撮像装置及びその製造方法について、図11を用いて説明する。第1実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図11は、本実施形態による撮像装置及びその製造方法を示す平面図である。
第1実施形態では、列方向に隣接する画素12の光電変換部PDの間にp型半導体領域152を配置する例を示したが、行方向に隣接する画素12の光電変換部PDの間にp型半導体領域152を配置するように構成することもできる。
本実施形態による撮像装置では、素子分離領域112は、行方向に延在するストライプ状の活性領域112Aを画定している。この活性領域112Aの中に、行方向に並ぶ複数の画素12の光電変換部PD、転送トランジスタM1及びフローティングディフュージョンFDが配されている。活性領域112Aの列方向に隣接して、画素12毎に設けられた活性領域112Bは、リセットトランジスタM2、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4を含む読み出し回路部が配置される領域である。
本実施形態による撮像装置の製造方法では、隣接する画素12の光電変換部PDのp型半導体領域を、第1実施形態の場合と同様にして、別々のイオン注入工程で形成する。すなわち、一の画素12の光電変換部PDを構成するp型半導体領域144を形成した後(図11(b))、当該一の画素12の行方向に隣接する画素12の光電変換部PDを構成するp型半導体領域150を形成する(図11(c))。この際、これら画素12の間に、p型半導体領域144を形成する際に導入されるp型不純物とp型半導体領域150を形成する際に導入されるp型不純物との双方が導入される領域を設ける。これにより、p型半導体領域144とp型半導体領域150との間に、これらよりも高濃度のp型半導体領域152を形成する。
このように構成することで、行方向に隣接する画素12間の分離特性を高めることができ、隣接する画素12への電荷の漏洩をより効果的に抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、埋め込みダイオードを有する撮像装置において、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上することができる。これにより、隣接する画素12の間の信号のクロストークを抑制することができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による撮像装置及びその製造方法について、図12を用いて説明する。第1及び第2実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図12は、本実施形態による撮像装置及びその製造方法を示す平面図である。
第1及び第2実施形態では、列方向に隣接する画素12の光電変換部PDの間にp型半導体領域152を配置する例を示したが、隣接する画素12の光電変換部PDと電荷保持部MEMとの間にp型半導体領域152を配置するように構成することもできる。
グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置は、光電変換部PDとは別に電荷の保持が可能な電荷保持部MEMを備えている。電荷保持部MEMは、光電変換部PDと同様の埋め込みダイオード構造により構成することができる。この場合、隣接する画素12の光電変換部PDのp型半導体領域と電荷保持部MEMのp型半導体領域との間に高濃度のp型半導体領域を設けることで、これらの間のポテンシャル障壁を高めることができる。
図12(a)は、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置の平面レイアウトの一例を示している。列方向に隣接する画素12の光電変換部PD、電荷保持部MEM、フローティングディフュージョンFDは、1つの活性領域112A内に配置される。このレイアウトでは、隣接する画素12の光電変換部PDと電荷保持部MEMとが隣り合って配置されるため、これらの間のポテンシャル障壁を高め、光電変換部PDから隣の画素12の電荷保持部MEMへの電荷の漏洩を抑制する必要がある。
そこで、本実施形態による撮像装置の製造方法では、隣接する画素12の光電変換部PDのp型半導体領域と電荷保持部MEMのp型半導体領域とを、第1実施形態の場合と同様にして、別々のイオン注入工程で形成する。すなわち、一の画素12の光電変換部PDを構成するp型半導体領域144を形成した後(図12(b))、当該一の画素12の列方向に隣接する画素12の電荷保持部MEMを構成するp型半導体領域150を形成する(図12(c))。この際、これら画素12の間に、p型半導体領域144を形成する際に導入されるp型不純物とp型半導体領域150を形成する際に導入されるp型不純物との双方が導入される領域を設ける。これにより、p型半導体領域144とp型半導体領域150との間に、これらよりも高濃度のp型半導体領域152を形成する。
このように構成することで、行方向に隣接する画素12間の分離特性を高めることができ、隣接する画素12への電荷の漏洩をより効果的に抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、埋め込みダイオードを有する撮像装置において、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上することができる。これにより、隣接する画素12の間の信号のクロストークを抑制することができる。
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による撮像装置及びその製造方法について、図13及び図14を用いて説明する。第1乃至第3実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図13は、本実施形態による撮像装置における画素の構成例を示す回路図である。図14は、本実施形態による撮像装置の構造を示す平面図である。
本実施形態による撮像装置は、図13に示すように、それぞれの画素12が、2つの光電変換部PDA,PDBと、2つの転送トランジスタM1A,M1Bとを有する点で、第1実施形態による撮像装置とは異なっている。1つの画素12の光電変換部PDA,PDBは、1つのマイクロレンズ(図示せず)を共有しており、撮像光学系の異なる瞳領域を通過した光がそれぞれに入射するように構成されている。このように構成することで、光電変換部PDAからの信号と光電変換部PDBからの信号とに基づき、位相差方式の焦点検出が可能となる。
隣接する2つの画素12で読み出し回路部(リセットトランジスタM2、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4)を共有している点は、第1実施形態による撮像装置と同様である。本実施形態による撮像装置では、2つの画素の4つの光電変換部PDA,PDBが読み出し回路部を共有しているともいえる。
光電変換部PDA,PDBは、例えばフォトダイオードである。光電変換部PDAのフォトダイオードは、アノードが接地電圧端子に接続され、カソードが転送トランジスタM1Aのソースに接続されている。光電変換部PDBのフォトダイオードは、アノードが接地電圧端子に接続され、カソードが転送トランジスタM1Bのソースに接続されている。転送トランジスタM1A,M1Bのドレインは、リセットトランジスタM2のソース及び増幅トランジスタM3のゲートの接続ノード、すなわちフローティングディフュージョンFDに接続されている。読み出し回路部の構成は、第1実施形態による撮像装置と同様である。
各行の制御線14は、図13に示す回路構成の場合、転送ゲート信号線TXA,TXB、リセット信号線RES、選択信号線SELを含む。転送ゲート信号線TXAは、転送トランジスタM1Aのゲートに接続される。転送ゲート信号線TXBは、転送トランジスタM1Bのゲートに接続される。リセット信号線RESは、リセットトランジスタM2のゲートに接続される。選択信号線SELは、選択トランジスタM4のゲートに接続される。
図14は、本実施形態による撮像装置の画素領域10の平面レイアウトを示す図である。図14には、列方向に並ぶ4つの画素12(図13の4つの画素12に対応)の構成要素のうち、光電変換部PD及び転送トランジスタM1A,M1Bのみを示している。画素12の他の構成要素、すなわちリセットトランジスタM2、増幅トランジスタM3及び選択トランジスタM4は、図14に示す画素配列の右側又は左側に配される。図14において一点鎖線で囲まれた領域は、1つの画素12の光電変換部PDA,PDB及び転送トランジスタM1A,M1Bが配される領域を示している。
図14のA−A′線断面は、ウェルコンタクトが設けられていないほかは、図3(b)に示す第1実施形態による撮像装置と同様である。隣接する画素12の光電変換部PDA,PDBのp型半導体領域(p型半導体領域144,150)の間に、これらよりも高濃度のp型半導体領域152を設けることで、これら画素12の分離特性を向上することができる。
1つの画素12の光電変換部PDAと光電変換部PDBとは、同じ活性領域内に行方向に隣接して配される。光電変換部PDAと光電変換部PDBとは、p型半導体領域122,128により分離される。1つの画素12の光電変換部PDA,PDBを構成するp型半導体領域144又はp型半導体領域150は、個別に設けられていてもよいし、図14に示すように繋がっていてもよい。光電変換部PDA,PDBの間の領域にもp型半導体領域144又はp型半導体領域150を配することで、p型半導体領域122,128と相俟って、1つの画素12の光電変換部PDAと光電変換部PDBとの間の分離特性を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、埋め込みダイオードを有する撮像装置において、製造工程を複雑にすることなく、隣接して配置された埋め込みダイオードの間の分離性能を向上することができる。これにより、隣接する画素12の間の信号のクロストークを抑制することができる。
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による撮像システムについて、図15を用いて説明する。第1乃至第4実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図15は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の撮像システム200は、上記第1乃至第4実施形態のいずれかの構成を適用した撮像装置100を含む。撮像システム200の具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図15に、上述の各実施形態のいずれかの撮像装置100を適用したデジタルスチルカメラの構成例を示す。
図15に例示した撮像システム200は、撮像装置100、被写体の光学像を撮像装置100に結像させるレンズ202、レンズ202を通過する光量を可変にするための絞り204、レンズ202の保護のためのバリア206を有する。レンズ202及び絞り204は、撮像装置100に光を集光する光学系である。
撮像システム200は、また、撮像装置100から出力される出力信号の処理を行う信号処理部208を有する。信号処理部208は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。例えば、信号処理部208は、入力信号に対して、RGBの画素出力信号をY,Cb,Cr色空間へ変換する変換処理や、ガンマ補正などの所定の画像処理を施す。
撮像システム200は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部210、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部(外部I/F部)212を有する。更に撮像システム200は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体214、記録媒体214に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部(記録媒体制御I/F部)216を有する。なお、記録媒体214は、撮像システム200に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
更に撮像システム200は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部218、撮像装置100と信号処理部208に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部220を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム200は、少なくとも撮像装置100と、撮像装置100から出力された出力信号を処理する信号処理部208とを有すればよい。全体制御・演算部218及びタイミング発生部220は、撮像装置100の制御機能の一部又は全部を実施するように構成してもよい。
撮像装置100は、画像用信号を信号処理部208に出力する。信号処理部208は、撮像装置100から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部208は、画像用信号を用いて、画像を生成する。信号処理部208で生成された画像は、例えば記録媒体214に記録される。また、信号処理部208で生成された画像は、液晶ディスプレイなどからなるモニターに動画或いは静止画として映し出される。記録媒体214に記憶された画像は、プリンタなどによってハードコピーすることができる。
上述した各実施形態の撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、画素間のクロストークの少ない良質の画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態による撮像システム及び移動体について、図16を用いて説明する。図16は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
図16(a)は、車載カメラに関する撮像システム300の一例を示したものである。撮像システム300は、撮像装置310を有する。撮像装置310は、上述の各実施形態に記載の撮像装置100のいずれかである。撮像システム300は、撮像装置310により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部312と、撮像装置310により取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差取得部314を有する。また、撮像システム300は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部316と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部318と、を有する。ここで、視差取得部314や距離取得部316は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部318はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
撮像システム300は、車両情報取得装置320と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム300は、衝突判定部318での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU330が接続されている。すなわち、制御ECU330は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム300は、衝突判定部318での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置340とも接続されている。例えば、衝突判定部318の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU330はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置340は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム300で撮像する。図16(b)に、車両前方(撮像範囲350)を撮像する場合の撮像システム300を示した。車両情報取得装置320は、撮像システム300を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の各実施形態の撮像装置100を撮像装置310として用いることにより、本実施形態の撮像システム300は、測距の精度をより向上させることができる。
以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
また、上記実施形態では、信号電荷が電子(電荷蓄積領域や電荷保持領域がn型半導体領域)である撮像装置を例にして説明したが、本発明は信号電荷がホール(電荷蓄積領域や電荷保持領域がp型半導体領域)である撮像装置にも適用可能である。この場合、上述した各半導体領域は逆導電型となる。
また、上記第1実施形態では、p型半導体領域152が設けられた領域にウェルコンタクト(コンタクトプラグ172)を形成したが、ウェルコンタクトを配置する場所は特に限定されるものではなく、他の部分に配置するようにしてもよい。
また、第5及び第6実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システムを例示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図15及び図16に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
PD…光電変換部
MEM…電荷保持部
12…画素
100…撮像装置
110…シリコン基板
114,116,122,128,144,150,152,164,170…p型半導体領域
134,158…n型半導体領域

Claims (12)

  1. 半導体基板の第1の領域の表面部に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の領域の内部に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、を含む埋め込み型の第1のダイオードと、前記半導体基板の第2の領域の表面部に設けられた前記第1導電型の第3の半導体領域と、前記第2の領域の内部に設けられた前記第2導電型の第4の半導体領域と、を含む埋め込み型の第2のダイオードと、を有する撮像装置の製造方法であって、
    前記第1の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間の第3の領域に、前記第1導電型の不純物をイオン注入する第1のイオン注入工程と、
    前記第2の領域と、前記第3の領域とに、前記第1導電型の不純物をイオン注入する第2のイオン注入工程と、を有し、
    前記第1のイオン注入工程により、前記第1の領域に、前記第1の半導体領域を形成し、前記第2のイオン注入工程により、前記第2の領域に、前記第3の半導体領域を形成し、前記第1のイオン注入工程と前記第2のイオン注入工程により、前記第3の領域に、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域よりも不純物濃度の高い前記第1導電型の第5の半導体領域を形成する
    ことを特徴とする撮像装置の製造方法。
  2. 前記第1の半導体領域、前記第3の半導体領域及び前記第5の半導体領域を形成する工程の後に、第1の熱処理を行う工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置の製造方法。
  3. 前記第1のダイオードは、第1の画素の光電変換部を構成し、前記第2のダイオードは、前記第1の画素に隣接する第2の画素の光電変換部を構成する
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置の製造方法。
  4. 前記第1のダイオードは、第1の画素の光電変換部を構成し、前記第2のダイオードは、前記第1の画素に隣接する第2の画素の電荷保持部を構成する
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置の製造方法。
  5. 前記第3の領域の前記第5の半導体領域よりも深部に、前記第1の画素と前記第2の画素とを分離するための前記第1導電型の第6の半導体領域を形成する工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項3又は4記載の撮像装置の製造方法。
  6. 前記第5の半導体領域と前記第6の半導体領域との間に、前記第1導電型の第7の半導体領域を形成する工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項5記載の撮像装置の製造方法。
  7. 前記第7の半導体領域を形成する工程の後に、第2の熱処理を行う工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項6記載の撮像装置の製造方法。
  8. 前記第3の領域に、前記第5の半導体領域に電気的に接続されたコンタクト電極を形成する工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像装置の製造方法。
  9. 前記第5の半導体領域と前記コンタクト電極との接続部に、前記第1導電型の第8の半導体領域を形成する工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項8記載の撮像装置の製造方法。
  10. 前記第8の半導体領域を形成する工程の後に、第3の熱処理を行う工程を更に有する
    ことを特徴とする請求項9記載の撮像装置の製造方法。
  11. 前記半導体基板に、前記第1の領域、前記第2の領域及び前記第3の領域を含む活性領域を画定する素子分離領域を形成する工程を更に有し、
    前記第5の半導体領域を、前記素子分離領域の周囲に配された前記第1導電型の第9の半導体領域に電気的に接続する
    ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の撮像装置の製造方法。
  12. 前記第1のイオン注入工程と、前記第2のイオン注入工程とにおいて、前記第1導電型の不純物をイオン注入する方向が異なっている
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の撮像装置の製造方法。
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