JP3536832B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその製造方法

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、それぞれ撮像画素
を構成する複数の光電変換素子を有し、各光電変換素子
に蓄積された光電荷を複数のトランジスタを用いて読み
出す構造を有する固体撮像装置およびその製造方法に関
し、特に小型化や低電圧化等を可能とした固体撮像装置
およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、この種の固体撮像素子とし
て、各撮像画素毎に光電変換用のフォトダイオードと、
このフォトダイオードに蓄積した光電荷の転送、選択、
増幅、リセットを行う各種MOSトランジスタを設けた
MOS型固体撮像装置が提案されている。
【0003】図5は、このようなMOS型固体撮像装置
における従来の画素部の構成例を示す回路図である。こ
の図5は、フォトダイオード10に蓄積した光電子を垂
直信号線12に出力するまでの構成を示しており、垂直
信号線12の下端側は、後述するS/H・CDS回路の
信号処理回路への電圧出力となっている。また、垂直信
号線12の上端側は画素部の外で定電流源として機能す
るLoadトランジスタ14に接続されている。
【0004】そして、図示のように、フォトダイオード
(以下、PDという)10の周辺には、4つのMOSト
ランジスタ20、22、24、26が設けられている。
まず、リセットトランジスタ20および転送トランジス
タ22が、駆動電源(駆動電圧Vdd)とPD10の出
力との間に縦に接続されており、リセットトランジスタ
20のソースと転送トランジスタ22のドレインとの間
にフローティングディフュージョン部(以下、FD部と
いう)16が設けられている。また、選択トランジスタ
24と増幅トランジスタ26が、垂直信号線12と駆動
電源(駆動電圧Vdd)との間に縦に接続されており、
増幅トランジスタ26のゲートがFD部16に接続され
ている。
【0005】リセットトランジスタ20のゲートにはリ
セットパルスが入力され、転送トランジスタ22のゲー
トには転送パルスが入力され、選択トランジスタ24の
ゲートには選択パルスが入力されている。このような構
成において、選択トランジスタ24をONすると、増幅
トランジスタ26と撮像部外の定電流源14がソースフ
ォロアを組むので、垂直信号線12の電位は、増幅トラ
ンジスタ26のゲート電圧すなわちFD部16の電位に
追従した値となり、信号処理回路に入力される。なお、
実際には1本の垂直信号線に複数の画素部が接続されて
おり、選択トランジスタ24によって特定の画素が選択
される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な従来の固体撮像装置では、1つの画素にPDと4個の
トランジスタが必要であるので、画素の微細化が難しい
という欠点がある。したがって、画素の面積のうちトラ
ンジスタの占める面積をいかに減らして、PDの面積を
稼ぐかということは、常に最大の課題の1つである。ま
た、撮像部全体としても、その電流経路に選択トランジ
スタ、増幅トランジスタ、その間の拡散層が直列に並
び、特に小さな画素ではトランジスタのW長も小さいの
で抵抗が高く、電圧降下分により低電圧化が困難である
とともに、雑音も大きくなるという問題があった。
【0007】本発明は、このような実状に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、複数の各画素
部毎に設けられる増幅トランジスタと選択トランジスタ
の配置面積を縮小でき、小型化、低電圧化、低雑音化等
を可能とした固体撮像装置およびその製造方法を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、撮像部内に設
けられた複数の画素部に、受光量に応じて光電荷を蓄積
する光電変換手段と、前記光電変換手段に蓄積された光
電荷に対応する信号を取り出す増幅トランジスタと、前
記増幅トランジスタの出力を撮像部外の電流源に接続さ
れた信号線に選択的に接続する選択トランジスタとを設
け、前記画素部のゲート電極を少なくとも2層構造で形
成するとともに、前記増幅トランジスタのゲート電極を
前記2層構造の1層目で形成し、前記選択トランジスタ
のゲート電極を前記2層構造2層目で形成し、前記増幅
トランジスタのゲート電極の一部と前記選択トランジス
タのゲート電極の一部とを重ね合わせたことを特徴とす
る。
【0009】また本発明は、撮像部内に設けられた複数
の画素部に、受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換
手段と、前記光電変換手段に蓄積された光電荷を取り出
す増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの出力を
撮像部外の電流源に接続された信号線に選択的に接続す
る選択トランジスタとを設け、前記画素部のゲート電極
を少なくとも2層構造で形成するとともに、前記増幅ト
ランジスタのゲート電極を前記2層構造の1層目で形成
し、前記選択トランジスタのゲート電極を前記2層構造
の2層目で形成し、前記増幅トランジスタのゲート電極
の一部と前記選択トランジスタのゲート電極の一部とを
重ね合わせた固体撮像装置の製造方法であって、前記選
択トランジスタのチャネル層は、前記増幅トランジスタ
のゲート電極を前記1層目で形成した後にセルフアライ
ンによって前記選択トランジスタのゲート電極の下層領
域にイオン注入を行うことにより形成したことを特徴と
する。
【0010】本発明の固体撮像装置によれば、画素部の
ゲート電極を2層構造で形成するとともに、増幅トラン
ジスタのゲート電極を2層構造の1層目で形成し、選択
トランジスタのゲート電極を2層構造の2層目で形成
、前記増幅トランジスタのゲート電極の一部と前記選
択トランジスタのゲート電極の一部とを重ね合わせたこ
とにより、増幅トランジスタのゲートと選択トランジス
タのゲートとを間隔を開けずに近接配置することが可能
となるので、増幅トランジスタと選択トランジスタの配
置スペースを縮小でき、画素部の小型化による固体撮像
装置全体の小型化に貢献できる。また、その分、光電変
換手段の配置スペースを拡大することが可能であり、撮
像感度の向上等に寄与することも可能である。また、増
幅トランジスタと選択トランジスタを近接配置できるの
で、電流経路の抵抗を下げ、低電圧化と低雑音化が実現
できる。
【0011】本発明の固体撮像装置の製造方法によれ
ば、画素部のゲート電極を2層構造で形成するととも
に、増幅トランジスタのゲート電極を2層構造の1層目
で形成し、選択トランジスタのゲート電極を2層構造2
層目で形成し、前記増幅トランジスタのゲート電極の一
部と前記選択トランジスタのゲート電極の一部とを重ね
合わせることにより、増幅トランジスタと選択トランジ
スタの配置スペースを縮小でき、画素部の小型化による
固体撮像装置全体の小型化に貢献できる。また、その
分、光電変換手段の配置スペースを拡大することが可能
であり、撮像感度の向上等に寄与することも可能であ
る。また、増幅トランジスタと選択トランジスタを近接
配置できるので、電流経路の抵抗を下げ、低電圧化と低
雑音化が実現できる。さらに、この製造方法では、選択
トランジスタのチャネル層を、増幅トランジスタのゲー
ト電極を1層目で形成した後にセルフアラインによって
選択トランジスタのゲート電極の下層領域にイオン注入
を行うことにより形成したことにより、増幅トランジス
タの特性ばらつきを抑制することができ、2層ゲートで
問題となるポテンシャルギャップを無くすことができ
る。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態例につ
いて図面を参照して説明する。図1は、本発明の固体撮
像装置における画素部の構成例を示す回路図であり、図
2は、図1に示す画素部の動作例を示すタイミングチャ
ートである。また、図3は、図1に示す画素部が設けら
れるMOS型固体撮像装置の全体構成を示す平面図であ
る。この固体撮像装置において、図5に示す従来例と異
なるところは、画素部のゲート電極を少なくとも2層構
造で形成し、その1層目で増幅トランジスタ126のゲ
ート電極(増幅ゲート)を形成し、2層目で選択トラン
ジスタ124のゲート電極(選択ゲート)を形成し、両
者を一部重ね合わせたものである。なお、図1では、こ
の層構造を模式的に示している。
【0013】従来のように、1層でゲート電極を作成す
ると、増幅ゲートと選択ゲートの間にデザインルール程
度のスペースが必要となるが、本例の構成により、この
デッドスペースを無くすことができるので、その分、フ
ォトダイオードのスペースを大きくとることができる。
あるいは、画素部自体を小さくすることができる。ま
た、増幅ゲートと選択ゲートの間に拡散層が存在しない
ので、拡散層のシート抵抗と電圧低下が無くなり、ま
た、トランジスタのゲート端のLDD部に起因する抵抗
と電圧低下が増幅ゲートの片方の端部と選択ゲートの片
方の端部について無くなる。よって、低雑音化と低電圧
化が実現できる。なお、本例においては、画素部の増幅
ゲート以外の全てのゲート電極は、2層目のゲート電極
によって形成するものとする。
【0014】以下、本例の固体撮像装置の構成および動
作について順次説明する。図1に示すように、本例の固
体撮像装置の画素部は、フォトダイオード(PD)11
0、垂直信号線112、MOSトランジスタ120、1
22、124、126などを備えて構成されている。ま
た、図1において、垂直信号線112の下端側(後述す
るS/H・CDS回路への電圧出力)はハイインピーダ
ンスとなっており、垂直信号線112の上端側は画素部
の外で定電流源としてのLoadトランジスタ114に
接続されている。
【0015】リセットトランジスタ120および転送ト
ランジスタ122は、駆動電源(駆動電圧Vdd)とP
D110の出力との間に縦に接続されており、リセット
トランジスタ120のソースと転送トランジスタ122
のドレインとの間にFD部116が設けられている。ま
た、選択トランジスタ124と増幅トランジスタ126
は、垂直信号線112と駆動電源(駆動電圧Vdd)と
の間に縦に接続されており、増幅トランジスタ126の
ゲートにFD部116が接続されている。リセットトラ
ンジスタ120のゲートにはリセットパルスが入力さ
れ、転送トランジスタ122のゲートには転送パルスが
入力され、選択トランジスタ124のゲートには選択パ
ルスが入力されている。そして、本例では、増幅トラン
ジスタ126のゲート電極と選択トランジスタ124の
ゲート電極が2層構造の1層目と2層目で構成され、一
部重なり合う状態で形成されており、選択トランジスタ
124と増幅トランジスタ126が拡散層のない状態で
近接して形成されている。
【0016】次に、図3を用いて本例におけるMOS画
像型固体撮像装置の全体構成について簡単に説明する。
撮像部200は、上述した図1に示す構成の画素部を垂
直方向と水平方向の2次元行列状に多数設けたものであ
る。また、定電流部210は、各画素列に対応して多数
の定電流回路を設けたものであり、S/H・CDS部2
20は、各画素列に対応して多数のS/H・CDS回路
を設けたものである。垂直(V)選択手段230は、各
画素部の行を選択するものであり、水平(H)選択手段
240は、S/H・CDS部220で各S/H・CDS
回路に保持されている信号を順番に水平信号線118に
読み出すものである。この読み出された信号は、出力部
250で処理され、撮像信号として出力される。また、
TG260は、これらの各部の動作に必要なパルスを作
成して出力するタイミングジェネレータである。
【0017】次に、図2を用いて本例における画素部の
動作について説明する。まず、図2の横軸に示す「t
0」のタイミングでは、PD110に光電子を蓄積す
る。次に、「t1」のタイミングでLoadトランジス
タ114をONする。そして、「t2」のタイミングで
リセットトランジスタ120にリセットパルスを入力
し、FD部116をリセットする。次に、「t3」のタ
イミングで選択トランジスタ124をONする。この
後、「t4」に示す期間で、垂直信号線112の電位
(リセットレベル)を後段のS/H・CDS回路で取り
込む。そして、「t5」のタイミングで転送パルスを入
力し、PD110からFD部116に光電子を転送す
る。
【0018】この後、「t6」の期間で、再び垂直信号
線112の電位(光レベル)を後段のS/H・CDS回
路で取り込む。次に「t7」のタイミングで選択トラン
ジスタ124をOFFする。そして、「t8」のタイミ
ングでリセットパルスを入力し、FD部116を再びリ
セットする。最後に「t9」のタイミングでLoadト
ランジスタ114をOFFする。S/H・CDS回路
は、「t4」と「t6」で取り込んだ2つの信号の差を
取り、保持する。この信号が、上記のようにH選択手段
240によって順番に取り出される。
【0019】上述のように画素部では、リセット、選
択、転送の3つの横配線が通るが、選択ゲートはゲート
配線をそのまま横方向に延伸させて配線する。また、リ
セットゲートと転送ゲートは、横方向に通した金属配線
によって配線し、これによりゲートにコンタクトを落と
して電圧をかける。このようにする理由は、2層目の選
択ゲートが1層目の増幅ゲートに乗り上げ段差が生じる
ことにより、この近傍にコンタクトを落とすと歩留まり
と信頼性の低下が起こることが分かったからである。ま
た、横方向に走る金属配線が1行に2本となるので、光
学的開口を得やすくなり、画素の縮小に有効であるとい
う効果もある。また、転送ゲートとリセットゲートの配
線は金属レイヤで構成して抵抗を下げ、応答速度を高め
ることができる。
【0020】次に、図4は、以上のような固体撮像素子
における製造工程を示す断面図である。以下、この図4
を参照して本例における2層ゲートの形成工程について
説明する。まず、図4(A)において、シリコン基板4
0内に図示しない素子分離領域やWell領域を形成し
た後、後に増幅ゲートが形成される領域41に、閾値調
整用のAsをイオン注入(インプラ)し、その領域41
をPwellよりも薄いP型(p−)にする。次に、増
幅ゲート酸化膜42Aを形成後、1層目のゲート電極膜
となるPoly−Si(多結晶シリコン)を堆積し、リ
ンドープ、パターニングを順次行い、増幅ゲート43を
形成する。
【0021】次に、図4(B)において、後に選択ゲー
トが形成される領域44に、レジスト50のマスクを用
いて閾値調整用のAsをイオン注入する。ここで、増幅
ゲート端では、図示のように、セルフアライン(自己整
合)になるので、マスクの合わせずれの影響を受けない
ものとなる。また、ドーズ量は、p−領域41よりも多
く、この領域44を中性またはn−にする程度である。
次に、酸化膜42AをWet処理により一旦剥離し、再
酸化して酸化膜42Bを形成する。そして、その上層に
2層目のゲート電極膜となるPoly−Siを堆積し、
リンドープ、パターニングを順次行い、選択ゲート45
を2層目で形成する。次に、図4(C)において、両側
の領域46にLDDのAsイオン注入を行った後、LP
−CVDによってTEOS層47を堆積し、短時間の酸
化を行う。さらに、LP−CVDによってPoly−S
iを堆積し、全面エッチバックし、側壁48を形成す
る。次に、図4(D)において、LDD領域46のやや
外側にずれた領域49にn+のS/Dイオン注入を行
い、側壁48のPoly−SiをCDEによって除去す
る。なお、これ以降の工程は、本発明と直接関係しない
ため説明は省略する。
【0022】ここで、選択トランジスタの閾値調整用の
イオン注入領域はn型であり、かつ増幅ゲートの一方の
端部で自己整合で形成されることが特徴となる。すなわ
ち、増幅ゲートと選択ゲートの間は、10nm程度で薄
い酸化膜分の距離しか隔てられていないとはいえ、電流
を流すときにわずかなポテンシャルバリアができるが、
このポテンシャルバリアをn型のイオン注入領域によっ
て消失させることができる。また、このイオン注入領域
のエッジがばらつくと増幅トランジスタの特性のばらつ
きになるが、自己整合によりこれを防止することができ
る。
【0023】以上のような本実施の形態による固体撮像
装置においては、以下のような構成により、以下のよう
な効果を得ることが可能である。まず、増幅ゲートと選
択ゲートが間隔を空けずに隣接できるので、画素の小型
化が可能となり、またはフォトダイオードの大型化が可
能となる。また、電流パスの抵抗を下げ、低電圧化と低
雑音化が実現できる。また、選択ゲートだけをゲート配
線のみで横方向に直接配線し、リセットと転送ゲートを
上層の金属配線に上げて配線することから、図4に示す
ように2層ゲートの重なり合いに伴う段差を有する選択
ゲートにコンタクトを設ける場合の信頼性の低下を排除
し、2層ゲートで問題となる歩留まりと信頼性の低下を
防止できる。また、画素の光学的開口を広げることによ
り、画素部の小型化を達成できる。また、選択トランジ
スタの閾値調整のためのイオン注入領域として、増幅ゲ
ート形成後に自己整合でn型イオンを注入することで、
増幅トランジスタの特性ばらつきを抑制することができ
る。また、2層ゲートで問題となるポテンシャルギャッ
プを無くすことができる。
【0024】なお、以上は画素部を1つのフォトダイオ
ードと4つのMOSトランジスタによって構成した例に
ついて説明したが、本発明は、このような構成に限ら
ず、少なくとも光電変換手段と増幅、選択の2つのトラ
ンジスタを有する構成に適用することが可能であり、そ
の他の構成要素については適宜変形が可能であるものと
する。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置によれば、画素部のゲート電極を2層構造で形成する
とともに、増幅トランジスタのゲート電極を2層構造の
1層目で形成し、選択トランジスタのゲート電極を2層
構造の2層目で形成し、前記増幅トランジスタのゲート
電極の一部と前記選択トランジスタのゲート電極の一部
とを重ね合わせたことにより、増幅トランジスタのゲー
トと選択トランジスタのゲートとを間隔を開けずに近接
配置することが可能となるので、増幅トランジスタと選
択トランジスタの配置スペースを縮小でき、画素部の小
型化による固体撮像装置全体の小型化に貢献できる。ま
た、その分、光電変換手段の配置スペースを拡大するこ
とが可能であり、撮像感度の向上等に寄与することも可
能である。また、増幅トランジスタと選択トランジスタ
を近接配置できるので、電流経路の抵抗を下げ、低電圧
化と低雑音化が実現できる。
【0026】また、本発明の固体撮像装置の製造方法に
よれば、画素部のゲート電極を2層構造で形成するとと
もに、増幅トランジスタのゲート電極を2層構造の1層
目で形成し、選択トランジスタのゲート電極を2層構造
2層目で形成し、前記増幅トランジスタのゲート電極の
一部と前記選択トランジスタのゲート電極の一部とを重
ね合わせることにより、増幅トランジスタと選択トラン
ジスタの配置スペースを縮小でき、画素部の小型化によ
る固体撮像装置全体の小型化に貢献できる。また、その
分、光電変換手段の配置スペースを拡大することが可能
であり、撮像感度の向上等に寄与することも可能であ
る。また、増幅トランジスタと選択トランジスタを近接
配置できるので、電流経路の抵抗を下げ、低電圧化と低
雑音化が実現できる。さらに、この製造方法では、選択
トランジスタのチャネル層を、増幅トランジスタのゲー
ト電極を1層目で形成した後にセルフアラインによって
選択トランジスタのゲート電極の下層領域にイオン注入
を行うことにより形成したことにより、増幅トランジス
タの特性ばらつきを抑制することができ、2層ゲートで
問題となるポテンシャルギャップを無くすことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像装置における画素部の構成例
を示す回路図である。
【図2】図1に示す画素部の動作例を示すタイミングチ
ャートである。
【図3】図1に示す画素部を設けた固体撮像装置の全体
構成を示す平面図である。
【図4】図1に示す画素部の製造工程を示す断面図であ
る。
【図5】従来の固体撮像装置における画素部の構成例を
示す回路図である。
【符号の説明】
110……フォトダイオード(PD)、112……垂直
信号線、114……Loadトランジスタ、116……
FD部、118……水平信号線、120……リセットト
ランジスタ、122……転送トランジスタ、124……
選択トランジスタ、126……増幅トランジスタ、20
0……撮像部、210……定電流部、220……S/H
・CDS部、230……垂直(V)選択手段、240…
…H選択手段、250……出力部、260……TG。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撮像部内に設けられた複数の画素部に、 受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、 前記光電変換手段に蓄積された光電荷に対応する信号を
    取り出す増幅トランジスタと、 前記増幅トランジスタの出力を撮像部外の電流源に接続
    された信号線に選択的に接続する選択トランジスタとを
    設け、 前記画素部のゲート電極を少なくとも2層構造で形成す
    るとともに、 前記増幅トランジスタのゲート電極を前記2層構造の1
    層目で形成し、 前記選択トランジスタのゲート電極を前記2層構造の2
    層目で形成し、 前記増幅トランジスタのゲート電極の一部と前記選択ト
    ランジスタのゲート電極の一部とを重ね合わせた、 ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記選択トランジスタのチャネル層は、
    前記増幅トランジスタのゲート電極を前記1層目で形成
    した後にセルフアラインによって前記選択トランジスタ
    のゲート電極の下層領域にイオン注入を行うことにより
    形成されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮
    像装置。
  3. 【請求項3】 前記光電変換手段によって蓄積された光
    電荷を受け取り、前記増幅トランジスタのゲート電極に
    供給するフローティングディフュージョン部と、前記光
    電変換手段によって蓄積された光電荷を前記フローティ
    ングディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フ
    ローティングディフュージョン部に転送された光電荷を
    リセットするリセットトランジスタとを有することを特
    徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 前記画素部は、前記光電変換手段となる
    フォトセンサ素子と、前記転送手段となる転送トランジ
    スタと、前記リセットトランジスタと、前記増幅トラン
    ジスタと、前記選択トランジスタとからなることを特徴
    とする請求項3記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 前記選択トランジスタのゲートはゲート
    配線のまま配線し、前記転送トランジスタのゲートとリ
    セットトランジスタのゲートは上層の金属配線に上げて
    配線したことを特徴とする請求項記載の固体撮像装
    置。
  6. 【請求項6】 撮像部内に設けられた複数の画素部に、 受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、 前記光電変換手段に蓄積された光電荷に対応する信号を
    取り出す増幅トランジスタと、 前記増幅トランジスタの出力を撮像部外の電流源に接続
    された信号線に選択的に接続する選択トランジスタとを
    設け、 前記画素部のゲート電極を少なくとも2層構造で形成す
    るとともに、 前記増幅トランジスタのゲート電極を前記2層構造の1
    層目で形成し、 前記選択トランジスタのゲート電極を前記2層構造の2
    層目で形成し、 前記増幅トランジスタのゲート電極の一部と前記選択ト
    ランジスタのゲート電極の一部とを重ね合わせ た固体撮
    像装置の製造方法であって、 前記選択トランジスタのチャネル層は、前記増幅トラン
    ジスタのゲート電極を前記1層目で形成した後にセルフ
    アラインによって前記選択トランジスタのゲート電極の
    下層領域にイオン注入を行うことにより形成した、 ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記選択トランジスタのゲートはゲート
    配線のまま配線し、前記転送トランジスタのゲートとリ
    セットトランジスタのゲートは上層の金属配線に上げて
    配線するようにしたことを特徴とする請求項6記載の固
    体撮像装置の製造方法。
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