JP5531580B2 - 固体撮像装置、および、その製造方法、電子機器 - Google Patents
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Description
1.実施形態1(PD上にTGがある場合)
2.実施形態2(TGがp型部とn型部を含む場合)
3.実施形態3(PDがp+領域を含まない場合))
4.実施形態4(TGのp型部にn型部と異なる電圧を印加する場合)
5.その他
(1)装置構成
(1−1)カメラの要部構成
図1は、本発明にかかる実施形態1において、カメラ40の構成を示す構成図である。
固体撮像装置1の全体構成について説明する。
本実施形態にかかる固体撮像装置の詳細内容について説明する。
固体撮像装置1において、フォトダイオード21は、図2に示した複数の画素Pに対応するように複数が配置されている。つまり、撮像面(xy面)において、水平方向xと、この水平方向xに対して直交する垂直方向yとのそれぞれに並んで設けられている。
固体撮像装置1において、画素トランジスタTrは、図2に示した複数の画素Pに対応するように複数が配置されている。各図に示すように、画素トランジスタTrとして、転送トランジスタ22と、増幅トランジスタ23と、選択トランジスタ24と、リセットトランジスタ25とが設けられている。
画素トランジスタTrにおいて、転送トランジスタ22は、図3に示すように、基板101の表面側に設けられている。そして、図4,図5に示すように、転送トランジスタ22は、フォトダイオード21にて生成された信号電荷を、増幅トランジスタ23のゲートへ電気信号として出力するように構成されている。具体的には、転送トランジスタ22は、転送線26からゲートに転送信号が与えられることによって、フォトダイオード21において蓄積された信号電荷を、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においては、電荷から電圧に変換されて、増幅トランジスタ23のゲートへ電気信号として入力される。
画素トランジスタTrにおいて、増幅トランジスタ23は、図3に示すように、基板101の表面側に設けられている。そして、図4,図5に示すように、増幅トランジスタ23は、フローティング・ディフュージョンFDにおいて、電荷から電圧へ変換された電気信号を増幅して出力するように構成されている。具体的には、増幅トランジスタ23は、ゲートが、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、増幅トランジスタ23は、ドレインが電源供給線Vddに接続され、ソースが選択トランジスタ24に接続されている。増幅トランジスタ23は、選択トランジスタ24がオン状態になるように選択されたときには、定電流源(図示なし)から定電流が供給されて、ソースフォロアとして動作する。このため、増幅トランジスタ23では、選択トランジスタ24に選択信号が供給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において、電荷から電圧へ変換された電気信号が増幅される。
画素トランジスタTrにおいて、選択トランジスタ24は、図3に示すように、基板101の表面側に設けられている。そして、図4,図5に示すように、選択トランジスタ24は、選択信号が入力された際に、増幅トランジスタ23によって出力された電気信号を、垂直信号線27へ出力するように構成されている。具体的には、図5に示すように、選択トランジスタ24は、選択信号が供給されるアドレス線28にゲートが接続されている。そして、選択トランジスタ24は、選択信号が供給された際にはオン状態になり、上記のように増幅トランジスタ23によって増幅された出力信号を、垂直信号線27に出力する。
画素トランジスタTrにおいて、リセットトランジスタ25は、図3に示すように、基板101の表面側に設けられている。そして、図4,図5に示すように、リセットトランジスタ25は、増幅トランジスタ23のゲート電位をリセットするように構成されている。具体的には、リセットトランジスタ25は、図5に示すように、リセット信号が供給されるリセット線29にゲートが接続されている。また、リセットトランジスタ25は、ドレインが電源供給線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。そして、リセットトランジスタ25は、リセット線29からリセット信号がゲートに供給された際に、フローティング・ディフュージョンFDを介して、増幅トランジスタ23のゲート電位を、電源電圧にリセットする。
この他に、図3に示すように、基板101の裏面側においては、カラーフィルタCFやマイクロレンズMLが、画素Pに対応して設けられている。カラーフィルタCFは、たとえば、ベイヤー配列で各色のフィルタ層が配置されている。
上記の固体撮像装置1を製造する製造方法の要部について説明する。
まず、図6に示すように、p型半導体領域101pa,101pb等の形成を実施する。
不純物濃度:1×1016〜1×1018cm−3(好ましくは、5×1016〜5×1017cm−3)
不純物濃度:1×1015〜1×1017cm−3(好ましくは、5×1015〜5×1016cm−3)
つぎに、図7に示すように、n型電荷蓄積領域101nb,p型半導体領域101pcを設けることで、フォトダイオード21を形成する。
不純物濃度:1×1016〜1×1018cm−3(好ましくは、5×1016〜5×1017cm−3)
不純物濃度:1×1017〜1×1019cm−3(好ましくは、5×1017〜5×1018cm−3)
つぎに、図8に示すように、絶縁膜20zとポリシリコン膜20Sとの形成を行う。
つぎに、図9に示すように、画素トランジスタTrを構成する各トランジスタ22,23,24,25について形成する。
不純物濃度:1×1019cm−3以上
上記の固体撮像装置1の動作について説明する。
固体撮像装置1を動作させる際には、まず、図10に示すように、(A)の「シャッタ期間」において、シャッタ動作を実施する。
つぎに、図10に示すように、(B)の「蓄積期間」において、蓄積動作を実施する。
つぎに、図10に示すように、(C)の「リセット期間」において、リセット動作を実施する。
つぎに、図10に示すように、(D)の「リセットレベル読出し期間」において、リセットレベルの読出し動作を実施する。
つぎに、図10に示すように、(E)の「転送期間」において、転送動作を実施する。
つぎに、図10に示すように、(F)の「信号レベル読出し期間」において、信号レベルの読出し転送動作を実施する。
よって、「転送期間」において、p型半導体領域101pcの電位が変動しないため、フォトダイオード21部分のポテンシャルが、図11(F)に示すように、転送トランジスタ22部分のポテンシャルより低く保たれる。このことによって、転送効率が向上する効果を得ることができる。
以上のように、本実施形態では、光を受光して信号電荷を生成するフォトダイオード21が、基板101の画素領域PAにおいて複数の画素Pに対応するように、複数設けられている。そして、フォトダイオード21にて生成された信号電荷を電気信号として出力する画素トランジスタTrが、基板101の面に設けられている。この画素トランジスタTrは、基板101において、フォトダイオード21が光を受光する裏面に対して反対側の表面に設けられている。また、画素トランジスタTrは、フォトダイオード21にて生成された信号電荷を、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へ転送する転送トランジスタ22を含む。この転送トランジスタ22は、ゲート電極22TGが、基板101の表面において、チャネル形成領域からフォトダイオード21が形成された部分に渡って、ゲート絶縁膜22zを介して延在するように形成されている。
(1)装置構成など
図12と図13は、本発明にかかる実施形態2において、固体撮像装置の要部を示す図である。
不純物濃度:1×1019cm−3以上(好ましくは、1×1020以上)
不純物濃度:1×1019cm−3以上(好ましくは、1×1020以上)
不純物濃度:5×1016〜5×1018cm−3(好ましくは、1×1017〜1×1018cm−3)
上記の固体撮像装置を製造する製造方法の要部について説明する。
つぎに、図15に示すように、画素トランジスタTrを構成する各トランジスタ22,23,24,25について形成する。
上記の固体撮像装置の動作について説明する。
このため、転送ゲート電極22TGのp型部22Gpおよびフォトダイオード21の間においては、転送ゲート電極22TGに印加される電位に関わらずに、常に、PN接合のビルトインポテンシャル(Φbi)分の電位差が生ずる。つまり、転送ゲート電極22TGのp型部22Gpにおいては、Φbi分の負のバイアスが印加された状態になる。
よって、フォトダイオード21のn型電荷蓄積領域101nbを、基板101の表面から、より浅い領域に形成出来るので、転送効率が向上する効果を得ることができる。
以上のように、本実施形態では、実施形態1と同様に、転送トランジスタ22は、ゲート電極22TGが、基板101の表面において、チャネル形成領域からフォトダイオード21が形成された部分に渡って、ゲート絶縁膜22zを介して延在するように形成されている。このため、本実施形態では、ゲート電極22TGへのパターン加工の際に実施されるエッチング処理によるダメージを、フォトダイオード21が、直接、受けることがなく、暗電流や白点などの発生を抑制できる。
(1)装置構成
図16は、本発明にかかる実施形態3において、固体撮像装置の要部を示す図である。
上記の固体撮像装置の動作について説明する。
このとき、p型部22Gpには、たとえば、Φbi分の負のバイアスが印加された状態になる。
よって、実施形態2と比較して、フォトダイオード21のn型電荷蓄積領域101nbを、基板101の表面から、より浅い領域に形成出来るので、転送効率が向上する効果を得ることができると同時に、p型半導体領域101pcを形成する工程を省略することが出来る。
以上のように、本実施形態では、実施形態2と同様に、転送トランジスタ22のゲート電極22TGが、基板101の表面で、チャネル形成領域からフォトダイオード21の形成部分に渡って、ゲート絶縁膜22zを介して延在するように形成されている。このため、本実施形態では、ゲート電極22TGへのパターン加工の際に実施されるエッチング処理によるダメージを、フォトダイオード21が、直接、受けることがなく、暗電流や白点などの発生を抑制できる。
(1)動作
図17は、本発明にかかる実施形態4において、固体撮像装置の動作を示す図である。
このように、転送トランジスタ22のp型部22Gpとn型部22Gnとのそれぞれに導通をとり、それぞれに異なる電位を与えるように構成している。このため、本実施形態においては、フォトダイオード21のキャリアを完全転送するポテンシャル設計の自由度を向上させることができる。
以上のように、本実施形態では、実施形態2と同様、転送トランジスタ22のゲート電極22TGが、基板101の表面で、チャネル形成領域からフォトダイオード21の形成部分に渡って、ゲート絶縁膜22zを介して延在するように形成されている。このため、本実施形態では、このパターン加工の際に実施されるエッチング処理によるダメージを、フォトダイオード21が、直接、受けることがなく、暗電流や白点などの発生を抑制できる。
上記の実施形態4では、図12に示す実施形態2の固体撮像装置について、図17に示す動作で駆動させる場合に関して説明したが、図16に示す実施形態3の固体撮像装置について、図17に示す動作で駆動させてもよい。
本発明の実施に際しては、上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例を採用することができる。
Claims (8)
- 半導体基板の画素領域において画素に入射した光を受光して信号電荷を生成する光電変換部と、
前記半導体基板において前記光電変換部が光を受光する第1の面に対して反対側の第2の面に設けられており、前記光電変換部にて生成された信号電荷を電気信号として出力する画素トランジスタと
を具備しており、
前記画素トランジスタは、前記光電変換部にて生成された信号電荷を、ドレインに相当するフローティング・ディフュージョンへ転送する転送トランジスタを、少なくとも含み、
前記転送トランジスタのゲート電極が、前記半導体基板の第2の面において、少なくともチャネル形成領域の上方を覆う第2導電型部分と、当該第2導電型部分から前記光電変換部の上方を覆うように延在する第1導電型部分とを有し、
前記第1導電型部分と前記第2導電型部分のそれぞれに導通をとって異なる電圧を印加する構成をさらに有する、
固体撮像装置。 - 前記転送トランジスタのゲート電極は、ポリシリコンを用いて形成されており、
当該ゲート電極の前記第1導電型部分は、前記第1導電型の不純物を含み、
当該ゲート電極の前記第2導電型部分は、前記第2導電型の不純物を含む、
請求項1から4のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記第1導電型は、p型であり、
前記第2導電型は、n型である、
請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1導電型部分と前記第2導電型部分のそれぞれに導通をとって異なる電圧を印加する構成は、前記第2導電型部分に転送信号を印加し、前記第1導電型部分に負の電圧を印加する、
請求項1から3の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部は、
第1導電型の第1不純物領域と、
前記第1導電型と異なる第2導電型の第2不純物領域と
を少なくとも含み、
前記第1不純物領域と前記第2不純物領域とが、前記半導体基板において前記第1の面の側から前記第2の面の側へ向かって、順次、形成されている、
請求項1から4の何れか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部は、
第1導電型の第3不純物領域をさらに含み、
前記第3不純物領域が、前記半導体基板において前記第2不純物領域よりも、前記第2の面の側に形成されている、
請求項5に記載の固体撮像装置。 - 半導体基板の画素領域において画素に入射した光を受光して信号電荷を生成する光電変換部と、
前記半導体基板において前記光電変換部が光を受光する第1の面に対して反対側の第2の面に設けられており、前記光電変換部にて生成された信号電荷を電気信号として出力する画素トランジスタと
を具備しており、
前記画素トランジスタは、前記光電変換部にて生成された信号電荷を、ドレインに相当するフローティング・ディフュージョンへ転送する転送トランジスタを、少なくとも含み、
前記転送トランジスタのゲート電極が、前記半導体基板の第2の面において、少なくともチャネル形成領域の上方を覆う第2導電型部分と、当該第2導電型部分から前記光電変換部の上方を覆うように延在する第1導電型部分とを有し、
前記第1導電型部分と前記第2導電型部分のそれぞれに導通をとって異なる電圧を印加する構成をさらに有する、
電子機器。 - 光を受光して信号電荷を生成する光電変換部を、半導体基板の画素領域において画素ごとに設ける光電変換部形成工程と、
前記光電変換部にて生成された信号電荷を電気信号として出力する画素トランジスタを、前記半導体基板において前記光電変換部が光を受光する第1の面に対して反対側の第2の面に設ける画素トランジスタ形成工程と
を具備しており、
前記画素トランジスタ形成工程は、
前記光電変換部にて生成された信号電荷を、ドレインに相当するフローティング・ディフュージョンへ転送する転送トランジスタを形成する、転送トランジスタ形成工程
を、少なくとも含み、
前記転送トランジスタ形成工程においては、当該転送トランジスタのゲート電極が、前記半導体基板の第2の面において、少なくともチャネル形成領域の上方を覆う第2導電型部分と、当該第2導電型部分から前記光電変換部の上方を覆うように延在する第1導電型部分とを有するように、前記転送トランジスタを形成し、
前記第1導電型部分と前記第2導電型部分のそれぞれに導通をとって異なる電圧を印加する構成を形成する工程をさらに有する、
固体撮像装置の製造方法。
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