JP5428394B2 - 固体撮像装置とその製造方法、および撮像装置 - Google Patents
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Description
単位画素内で画素トランジスタが占める割合が大きくなると、フォトダイオードの占有面積が減少するため、感度の低下を来たすことになる。また図13に示すように、画素トランジスタのゲート電極120で入射光Lの一部(例えば斜め入射光)が反射もしくは吸収されてしまい、フォトダイオード110へ到達する光が減少することによっても、感度の低下を来たすという問題が発生する。
また、画素トランジスタの素子分離領域上へのオーバラップ分だけの面積を確保する必要があるため、フォトダイオード面積を拡大することができず、飽和電子数が低下するという問題が発生する。
さらに、素子が微細化したときに、素子分離領域130上へのゲート電極120のオーバラップ量が大きいと、フォトダイオード110の占有面積を小さくせざるを得なくなり、感度の低下を来たすことになる。
前記周辺回路部のトランジスタの第2ゲート電極の少なくとも一端は、前記周辺回路部を分離する前記素子分離領域上に形成されている。
[固体撮像装置の構成の第1例]
本発明の第1実施の形態に係る固体撮像装置の構成の第1例を、図1の概略構成断面図によって説明する。
また上記素子分離領域15は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造となっている。
また、上記半導体基板11の画素トランジスタ部13の形成領域および周辺回路部14のトランジスタの形成領域には、しきい値電圧(Vth)調整用の不純物領域17、18が形成されている。
したがって、第1ゲート電極22は、素子分離領域15上にオーバラップして形成されていない。
上記ゲート絶縁膜31は、例えば酸化シリコン膜で形成されている。もちろん、酸化シリコン膜以外の通常のMOSトランジスタに用いられるゲート絶縁膜材料で形成することもできる。
上記第1ゲート電極22は、例えば導電性のポリシリコンで形成されている。
また、例えば、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタの画素トランジスタ群が二つの光電変換部の共通の画素トランジスタとなっていてもよい。もしくは上記トランジスタ群が四つの光電変換部の共通の画素トランジスタとなっていてもよい。
上記素子分離領域15上に形成された第2ゲート電極32の部分は、別の配線等を接続するためのコンタクト部33となっている。このコンタクト部33は、例えば上記第2ゲート電極32の上記素子分離領域15上に形成された部分が幅広に形成されたものである。
上記第2ゲート電極形成膜43は、例えばポリシリコン膜で形成されている。または、例えば、タングステン(W)等の金属膜を用いることもできる。
本発明の第2実施の形態に係る固体撮像装置の構成の第2例を、図2の概略構成断面図によって説明する。第2例の固体撮像装置は、第1例の固体撮像装置1と、概ね同様であるが、以下の点で異なる。それは、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さを、周辺回路部14の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さよりも高く形成されている点である。
そして、上記素子分離領域15は、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さを、周辺回路部14の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さよりも高く形成されている。例えば、30nm〜100nm程度高く形成されている。また、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域15は、高く形成された分、浅く形成することができる。
また上記素子分離領域15は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造となっている。
また、上記半導体基板11の画素トランジスタ部13の形成領域および周辺回路部14のトランジスタの形成領域には、しきい値電圧(Vth)調整用の不純物領域17、18が形成されている。
したがって、第1ゲート電極22は、素子分離領域15上にオーバラップして形成されていない。
上記ゲート絶縁膜31は、例えば酸化シリコン膜で形成されている。もちろん、酸化シリコン膜以外の通常のMOSトランジスタに用いられるゲート絶縁膜材料で形成することもできる。
上記第1ゲート電極22は、例えば導電性のポリシリコンで形成されている。
また、例えば、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタの画素トランジスタ群が二つの光電変換部の共通の画素トランジスタとなっていてもよい。もしくは上記トランジスタ群が四つの光電変換部の共通の画素トランジスタとなっていてもよい。
上記素子分離領域15上に形成された第2ゲート電極32の部分は、別の配線等を接続するためのコンタクト部33となっている。このコンタクト部33は、例えば上記第2ゲート電極32の上記素子分離領域15上に形成された部分が幅広に形成されたものである。
上記第2ゲート電極形成膜43は、例えばポリシリコン膜で形成されている。または、例えば、タングステン(W)等の金属膜を用いることもできる。
また素子分離領域15上に第1ゲート電極22がオーバラップした状態に形成されていないので、画素トランジスタがオンすることによって、素子分離領域15下にキャリアが発生することはない。よって、従来のようなキャリアが光電変換部12に混入することでノイズの原因となる問題が解決されるので、高画質な撮像が可能になる。
タイミング発生回路225は、駆動回路221、画素用垂直走査回路223等の動作の基準となるタイミング信号や制御信号が生成される。
[固体撮像装置の製造方法の第1例]
本発明の第2実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第1例を、図4〜図5の製造工程断面図によって説明する。
上記半導体基板11には、例えば通常のシリコン基板を用いる。上記光電変換部12は、N型領域12Nとその上層に形成されたP+型領域12Pから構成されている。
上記素子分離領域15は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造とする。その製造方法は、例えば、上記半導体基板11に素子分離溝を形成するときのマスク用絶縁膜(図示せず)を所定の高さ、例えば素子分離領域15の絶縁体部16の高さに形成しておく。そして素子分離溝内に素子分離領域15を形成する素子分離用絶縁膜を埋め込み、上記マスク用絶縁膜上の余剰な素子分離用絶縁膜を除去する。この除去加工は、例えば化学的機械研磨(CMP)によって行う。その後、上記マスク用絶縁膜を除去することで、上記絶縁体部16を含めた素子分離領域15を形成することができる。
さらに、上記半導体基板11上の全面を被覆する第1ゲート電極形成膜41を形成する。この第1ゲート電極形成膜41は、例えばポリシリコン膜で形成される。このポリシリコン膜は、例えば化学気相成長(CVD)法によって形成されるが、その他の成膜方法であってもよい。また、ポリシリコンに限定されず、例えば、タングステン(W)等の金属膜を用いることもできる。
上記工程では、まず通常のレジスト塗布技術によって、上記第1ゲート電極形成膜41上にレジスト膜(図示せず)を形成する。次いで、リソグラフィー技術によってそのレジスト膜を露光、現像、ベーキングして画素トランジスタ部13の第1ゲート電極を形成するためのマスクパターン51を形成する。次に、このマスクパターン51をエッチングマスクに用いて、上記第1ゲート電極形成膜41をエッチングし、上記第1ゲート電極22を形成する。それとともに、その他の領域に形成された上記第1ゲート電極形成膜41をエッチングにより除去する。このエッチングでは、上記第1ゲート電極22のエッチング加工を高精度に行うために、異方性ドライエッチングが可能な反応性イオンエッチング(RIE)を用いることが好ましい。
このようにして、上記画素トランジスタ部13の第1ゲート電極22は、上記素子分離領域15の絶縁体部16間の上記半導体基板11上にゲート絶縁膜21を介して形成される。
通常、画素トランジスタ部13は、上記説明したような転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ等で構成されている。したがって、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、選択トランジスタ等が上記第1ゲート電極22で形成される。ここでは4トランジスタ構成としたが、3トランジスタ構成であっても、本願発明を適用できる。
なお、周辺回路部14のトランジスタの第2ゲート電極は、周辺回路部14の素子分離領域上にオーバラップさせて形成するため、上記第1ゲート電極形成膜41では形成することができない。そこで、上記ドライエッチングによって、周辺回路部14上の上記第1ゲート電極形成膜41は除去しておく。このとき、上記ゲート絶縁膜21もエッチングされるが、場合によっては、周辺回路部14、光電変換部12上に上記ゲート絶縁膜21が残される場合がある。このように、この時点では、上記ゲート絶縁膜21が残されていてもかまわない。
その後、上記マスクパターン51を除去する。図面では、上記マスクパターン51を除去する直前の状態を示した。
このように、ウエットエッチングで行うことで、上記窒化シリコン膜は等方的にエッチングされるので、素子分離領域15の側壁等に窒化シリコン膜が残ることはない。
また、この工程では、周辺回路部14にゲート絶縁膜を形成するために、周辺回路部14の半導体基板11表面に残されている上記ゲート絶縁膜21(前記図4(2)参照)等を異方性エッチングにより除去しておく。
また、周辺回路部14の素子分離領域15の高さを低くする工程は、例えば前記図5(4)によって説明した工程で行うこともできる。例えば、マスクパターン52を形成した直後に、周辺回路部14の素子分離領域15を選択的にエッチング処理することによって、その素子分離領域15の高さを低くすることが可能になる。
その後、上記マスクパターン52を除去する。図面では、上記マスクパターン52を除去する直前の状態を示した。
上記工程では、まず通常のレジスト塗布技術によって、上記第2ゲート電極形成膜43上にレジスト膜(図示せず)を形成する。次いで、リソグラフィー技術によってそのレジスト膜を露光、現像、ベーキングして周辺回路部14のトランジスタの第2ゲート電極を形成するためのマスクパターン53を形成する。次に、このマスクパターン53をエッチングマスクに用いて、上記第2ゲート電極形成膜43をエッチングし、上記第2ゲート電極32を形成する。それとともに、その他の領域に形成された上記第2ゲート電極形成膜43をエッチングにより除去する。このエッチングでは、上記第2ゲート電極32のエッチング加工を高精度に行うために、異方性ドライエッチングが可能な反応性イオンエッチング(RIE)を用いることが好ましい。
ただし、上記第2ゲート電極形成膜43のエッチングの際に、第1ゲート電極22脇の素子分離領域15の絶縁体部16がエッチングされ過ぎる場合には、トランジスタ特性が変動してしまう恐れがあるため、窒化シリコン膜を使用することが望ましい。
その後、上記マスクパターン53を除去する。図面では、上記マスクパターン53を除去する直前の状態を示した。
また、周辺回路部14においては、第2ゲート電極32のゲート長を最先端プロセスのゲート長としても、第2ゲート電極32の両端部分を素子分離領域15上にオーバラップさせる状態で形成することが可能になる。このため、第2ゲート電極32では、素子分離領域15上の第2ゲート電極32部分をコンタクトがとれる大きさのコンタクト部33に形成することが可能になる。
この点からも、信頼性の高い固体撮像装置を製造することができる。
本発明の第2実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第2例を、図8ないし図11の製造工程断面図によって説明する。第2例の製造方法は、第1例の製造方法と、概ね、第1例の製造方法と同様であるが、以下の点で異なる。それは、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域の半導体基板表面からの高さを、周辺回路部の周囲における素子分離領域の半導体基板表面からの高さよりも高く形成する点である。それ以外の工程は、第1例と同様である。
そして、上記素子分離領域15は、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さを、周辺回路部14の周囲における素子分離領域15の半導体基板11表面からの高さよりも高く形成する。例えば、30nm〜100nm程度高く形成する。また、画素トランジスタ部13の周囲における素子分離領域15は、高く形成された分、浅く形成することができる。
また上記素子分離領域15は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造とする。
さらに、上記半導体基板11上の全面を被覆する第1ゲート電極形成膜41を形成する。この第1ゲート電極形成膜41は、例えばポリシリコン膜で形成される。
上記工程では、まず上記第1ゲート電極形成膜41上に画素トランジスタ部13の第1ゲート電極を形成するためのマスクパターン51を形成する。次に、このマスクパターン51をエッチングマスクに用いて、上記第1ゲート電極形成膜41をエッチングし、上記第1ゲート電極22を形成する。それとともに、その他の領域に形成された上記第1ゲート電極形成膜41をエッチングにより除去する。このエッチングでは、上記第1ゲート電極22のエッチング加工を高精度に行うために、異方性ドライエッチングが可能な反応性イオンエッチング(RIE)を用いることが好ましい。
このようにして、上記画素トランジスタ部13の第1ゲート電極22は、上記素子分離領域15の絶縁体部16間の上記半導体基板11上にゲート絶縁膜21を介して形成される。
また、上記ドライエッチングによって、周辺回路部14上の上記第1ゲート電極形成膜41は除去しておく。このとき、上記ゲート絶縁膜21もエッチングされるが、場合によっては、周辺回路部14、光電変換部12上に上記ゲート絶縁膜21が残される場合があるが、この時点では、上記ゲート絶縁膜21が残されていてもかまわない。
その後、上記マスクパターン51を除去する。図面では、上記マスクパターン51を除去する直前の状態を示した。
この工程では、周辺回路部14にゲート絶縁膜を形成するために、周辺回路部14の半導体基板11表面に残されている上記ゲート絶縁膜21(前記図9(4)参照)等を異方性エッチングにより除去しておく。
その後、上記マスクパターン52を除去する。図面では、上記マスクパターン52を除去する直前の状態を示した。
上記工程では、まず、上記第2ゲート電極形成膜43上に周辺回路部14のトランジスタの第2ゲート電極を形成するためのマスクパターン53を形成する。次に、このマスクパターン53をエッチングマスクに用いて、上記第2ゲート電極形成膜43をエッチングし、上記第2ゲート電極32を形成する。それとともに、その他の領域に形成された上記第2ゲート電極形成膜43をエッチングにより除去する。このエッチングでは、上記第2ゲート電極32のエッチング加工を高精度に行うために、異方性ドライエッチングが可能な反応性イオンエッチング(RIE)を用いることが好ましい。
その後、上記マスクパターン53を除去する。図面では、上記マスクパターン53を除去する直前の状態を示した。
この点からも、信頼性の高い固体撮像装置を製造することができる。
[撮像装置の構成の一例]
次に、本発明の撮像装置に係る一実施の形態を、図12のブロック図によって説明する。この撮像装置は、本発明の固体撮像装置を用いたものである。
Claims (9)
- 半導体基板に、
入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を出力する画素トランジスタ部と、
前記光電変換部と前記画素トランジスタ部を有する画素部の周辺に形成された周辺回路部と、
前記光電変換部と前記画素トランジスタ部と前記周辺回路部を電気的に分離する素子分離領域を有し、
前記画素トランジスタ部の周囲の前記素子分離領域は、前記半導体基板表面より高く形成された絶縁体部を有し、
前記画素トランジスタ部のトランジスタの第1ゲート電極は前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して前記絶縁体部間に形成され、
前記周辺回路部のトランジスタの第2ゲート電極の少なくとも一端は、前記周辺回路部を分離する前記素子分離領域上に形成されている
固体撮像装置。 - 前記素子分離領域上に形成された前記第2ゲート電極部分がコンタクト部に形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記画素トランジスタ部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さは、前記周辺回路部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さよりも高い
請求項1記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に形成される光電変換部、画素トランジスタ部および周辺回路部を電気的に分離していて、前記半導体基板表面より高く形成された絶縁体部を有する素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記画素トランジスタ部の形成領域にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板上の全面を被覆する第1ゲート電極形成膜を形成する工程と、
前記画素トランジスタ部の形成領域に前記第1ゲート電極形成膜を残すように前記第1ゲート電極形成膜を除去して前記素子分離領域の前記絶縁体部上面を露出させる工程と、
前記画素トランジスタ部に前記第1ゲート電極形成膜で第1ゲート電極を形成するとともに、前記光電変換部上および前記周辺回路部上の前記第1ゲート電極形成膜を除去する工程と、
前記第1ゲート電極を被覆するエッチング防止膜を形成する工程と、
前記半導体基板上の全面を被覆する第2ゲート電極形成膜を形成する工程と、
前記エッチング防止膜が形成された前記第1ゲート電極を残した状態で、前記第2ゲート電極形成膜で前記周辺回路部のトランジスタの第2ゲート電極を形成する工程を有し、
前記周辺回路部のトランジスタの第2ゲート電極の少なくとも一端を、前記周辺回路部を分離する前記素子分離領域上に形成する
固体撮像装置の製造方法。 - 前記素子分離領域の前記絶縁体部を前記第1ゲート電極の高さよりも高く形成しておき、
前記第1ゲート電極形成膜を形成する際に、前記第1ゲート電極形成膜の膜厚を前記第1ゲート電極の所望の膜厚よりも厚く形成し、
前記素子分離領域の前記絶縁体部上面を露出させる工程で、前記絶縁体部とともに前記第1ゲート電極形成膜の膜厚を前記第1ゲート電極の所望の高さまで薄くする
請求項4記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記画素トランジスタ部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さを、前記周辺回路部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さよりも高く形成する
請求項4記載の固体撮像装置の製造方法。 - 入射光を集光する集光光学部と、
前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置を有する撮像部と、
光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
前記固体撮像装置は、
半導体基板に、
入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を出力する画素トランジスタ部と、
前記光電変換部と前記画素トランジスタ部を有する画素部の周辺に形成された周辺回路部と、
前記光電変換部と前記画素トランジスタ部と前記周辺回路部を電気的に分離する素子分離領域を有し、
前記画素トランジスタ部の周囲の前記素子分離領域は、前記半導体基板表面より高く形成された絶縁体部を有し、
前記画素トランジスタ部のトランジスタの第1ゲート電極は前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して前記絶縁体部間に形成され、
前記周辺回路部のトランジスタの第2ゲート電極の少なくとも一端は、前記周辺回路部を分離する前記素子分離領域上に形成されている
撮像装置。 - 前記固体撮像装置の前記素子分離領域上に形成された前記第2ゲート電極部分がコンタクト部に形成されている
請求項7記載の撮像装置。 - 前記固体撮像装置の前記画素トランジスタ部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さは、前記周辺回路部の周囲における前記素子分離領域の前記半導体基板表面からの高さよりも高い
請求項7記載の撮像装置。
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