JP5651982B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器 - Google Patents
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Description
すなわち、固体撮像装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に形成された第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部と、第1の半導体領域に形成された画素トランジスタを有する。第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に、素子分離領域に対して離間して形成された第2導電型のフローティングディフージョン領域と、フローティングディフージョン領域と素子分離領域の間に存在する第1の半導体領域上を覆うとともに、第1の半導体領域上からフローティングディフージョン領域上にかけて覆うように形成され、所要のバイアス電圧が印加される電極を有して構成される。
あるいは、固体撮像装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に形成された第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部と、第1の半導体領域に形成された画素トランジスタを有する。第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に、素子分離領域に対して離間して形成された第2導電型のフローティングディフージョン領域と、フローティングディフージョン領域と素子分離領域の間に存在する第1の半導体領域上を覆うとともに、第1の半導体領域上からフローティングディフージョン領域上にかけて覆うように形成された負の固定電荷を有する絶縁膜を有して構成される。
1.CMOS固体撮像装置の概略構成例
2.第1実施の形態(固体撮像装置の構成例と製造方法例)
3.第2実施の形態(固体撮像装置の構成例)
4.第3実施の形態(固体撮像装置の構成例)
5.第4実施の形態(固体撮像装置の構成例)
6.第5実施の形態(固体撮像装置の構成例)
7.第6実施の形態(電子機器の構成例)
図1に、本発明の各実施の形態に適用されるCMOS固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例の固体撮像装置1は、図1に示すように、半導体基板11例えばシリコン基板に光電変換部を含む複数の画素2が規則的に2次元アレイ状に配列された画素領域(いわゆる撮像領域)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2としては、1つの光電変換部と複数の画素トランジスタからなる単位画素を適用することができる。また、画素2としては、複数の光電変換部が転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有したいわゆる画素共有の構造を適用することができる。複数の画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタの4トランジスタ、あるいは選択トランジスタを省略した3トランジスタで構成することができる。
[固体撮像装置の構成例]
図2〜図3に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第1実施の形態を示す。図2は複数の画素が2次元アレイ状(いわゆるマトリックス状)に配列された撮像領域の単位画素に相当する領域の概略平面図(レイアウト)、図3は図2のA−A線上の概略断面構造をそれぞれ示す。
図8〜図9に、第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例1を示す。先ず、図8Aに示すように、n型のシリコン半導体基板22を用意する。このn型半導体基板22の表面に酸化処理してシリコン酸化膜を形成し、その上にCVD法によりシリコン窒化膜を堆積する。その後、シリコン窒化膜の素子分離領域を形成すべき領域部分を、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて選択的に除去し、次いでフィールド酸化処理して、LOCOS酸化膜による素子分離領域28を形成する。次に、n型半導体基板22の表面に、犠牲酸化処理を行って犠牲酸化膜59を形成する。その後、p型不純物、例えばボロン(B)イオン注入し、850℃の熱処理を行ってp型半導体ウェル領域23を形成する。素子分離領域28の形成前、あるいは形成後に素子分離領域28を囲むp型半導体領域29を形成する。
図10に、第1実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法例2を示す。本実施の形態は、素子分離領域28としてSTI構造の素子分離領域を用いた場合である。
図10Aに示すように、n型シリコン半導体基板22にp型半導体ウェル領域23を形成し、次いで、素子分離領域を形成すべき領域に所要の深さの溝61を形成する。溝61の内壁面にシリコン酸化膜62を形成した後、溝61内を通してp型半導体ウェル領域23に選択的にp型不純物、例えばボロン(B)をイオン注入して溝61を囲むように溝61の界面にp型半導体領域29を形成する。p型半導体ウェル領域23の表面には、犠牲酸化膜59が形成されている。
[固体撮像装置の構成例]
図11に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第2実施の形態を示す。本実施の形態は、グローバルシャッタ動作を行う固体撮像装置に適用した場合である。第2実施の形態に係る固体撮像装置71は、基本構成は、前述の第1実施の形態に係る固体撮像装置21と同様である。よって、図11において、図3と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
[固体撮像装置の構成例]
図13に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第3実施の形態を示す。本実施の形態は、グローバルシャッタ動作を行う固体撮像装置の他の例に適用した場合である。第3実施の形態に係る固体撮像装置71は、フォトダイオードPDとフローティングディフージョン領域FDとの間に、フォトダイオードPDの信号電荷を一旦保持する電荷保持部(いわゆるメモリ部)74を設けて構成される。電荷保持部74は、フォトダイオードPDに隣り合うように、p型半導体ウェル領域23に形成したn型半導体領域75と、その上にゲート絶縁膜31を介して形成されたゲート電極76とを有して形成される。n型半導体領域74は、例えばフローティングディフージョン領域FDとなるn型半導体領域と同じ工程で形成することができる。電荷保持部75とフローティングディフージョン領域FDとの間のp型半導体ウェル領域23の表面上に、ゲート絶縁膜31を介して転送ゲート電極32が形成される。電極53は、電荷保持部のゲート電極76及び転送ゲート電極32上をも被覆するように形成される。
[固体撮像装置の構成例]
図14に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第4実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置78は、前記の負のバイアス電圧を印加する電極53を省略し、代わりにフォトダイオードPD、フローティングディフージョン領域FDを被覆するように、全面に負の固定電荷を有する絶縁膜79を形成して構成される。この絶縁膜上79上にシリコン窒化膜30及びシリコン酸化膜40が順次形成される。負の固定電荷を有する絶縁膜79は、p型半導体ウェル領域23の表面に前述したホール濃度が上昇するホールアキューミュレーション状態が形成されるような膜厚であればよく、例えば3nm〜100nm程度の膜厚に形成される。
[固体撮像装置の構成例]
図15に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第5実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置81は、負の固定電荷を有する絶縁膜79を、シリコン酸化膜50、シリコン窒化膜30及びシリコン酸化膜40による積層絶縁膜上に層間絶縁膜82を介して一様に形成して構成される。その他の構成は、第4実施の形態と同様であるので、図15において、図14と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
[電子機器の構成例]
上述の本発明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、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
Claims (16)
- 第1導電型の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に形成された第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部と、
前記第1の半導体領域に形成された画素トランジスタと、
前記第1の半導体領域の素子分離領域で分離された前記領域内に、前記素子分離領域に対して離間して形成された第2導電型のフローティングディフージョン領域と、
前記フローティングディフージョン領域と前記素子分離領域の間に存在する前記第1の半導体領域上を覆うとともに、該第1の半導体領域上から該フローティングディフージョン領域上にかけて覆うように形成され、所要のバイアス電圧が印加される電極と
を有する固体撮像装置。 - 前記素子分離領域が絶縁膜で形成され、
前記絶縁膜を囲うように前記第1の半導体領域より不純物濃度が高い第1導電型の第3の半導体領域が形成され、
前記フローティングディフージョン領域は、前記第1及び第3の半導体領域より不純物濃度が高く、前記第3の半導体領域から離れている
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記電極に印加されるバイアス電圧は、前記第1の半導体領域の絶縁膜との界面における多数キャリア濃度を高める電圧である
請求項1又は2記載の固体撮像装置。 - 前記第1の半導体領域がp型であり、
前記電極に印加されるバイアス電圧が0Vまたは負電圧である
請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフージョン領域がn型であり、
前記フローティングディフージョン領域の不純物がAsを有している
請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記電極が遮光性を有する
請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部と前記画素トランジスタからなる複数の画素が規則的な2次元アレイ状に配列された撮像領域を有する
請求項1乃至6のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフージョン領域のpn接合を挟んで形成され一部が前記電極直下の半導体表面に存在し、前記素子分離領域に接触しない空乏層を有する
請求項1乃至7のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、第1導電型の第1の半導体領域、素子分離領域及び前記素子分離領域を囲う前記第1の半導体領域より不純物濃度が高い第1導電型の第3の半導体領域を形成する工程と、
前記素子分離領域で分離された領域内の第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部、及び前記領域内の前記素子分離領域に対して離間した第2導電型のフローティングディフージョン領域を形成する工程と、
前記第1の半導体領域にゲート電極を有する画素トランジスタを形成する工程と、
前記フローティングディフージョン領域と前記素子分離領域の間に存在する前記第1の半導体領域上を覆うとともに、該第1の半導体領域上から該フローティングディフージョン領域上にかけて覆うように、所要のバイアス電圧が印加される電極を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。 - 第1導電型の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に形成された第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部と、
前記第1の半導体領域に形成された画素トランジスタと、
前記第1の半導体領域の素子分離領域で分離された領域内に、前記素子分離領域に対して離間して形成された第2導電型のフローティングディフージョン領域と、
前記フローティングディフージョン領域と前記素子分離領域の間に存在する前記第1の半導体領域上を覆うとともに、該第1の半導体領域上から該フローティングディフージョン領域上にかけて覆うように形成された負の固定電荷を有する絶縁膜と
を有する固体撮像装置。 - 前記素子分離領域が絶縁膜で形成され、
前記絶縁膜を囲うように前記第1の半導体領域より不純物濃度が高い第1導電型の第3の半導体領域が形成され、
前記フローティングディフージョン領域は、前記第1及び第3の半導体領域より不純物濃度が高く、前記第3の半導体領域から離れている
請求項10記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフージョン領域がn型であり、
前記フローティングディフージョン領域の不純物がAsを有している
請求項10又は11記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換部と前記画素トランジスタからなる複数の画素が規則的な2次元アレイ状に配列された撮像領域を有する
請求項10乃至12のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフージョン領域のpn接合を挟んで形成され一部が前記負の固定電荷を有する絶縁膜直下の半導体表面に存在し、前記素子分離領域に接触しない空乏層を有する
請求項10乃至13のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に、第1導電型の第1の半導体領域及び素子分離領域、前記素子分離領域を囲う前記第1の半導体領域より不純物濃度が高い第1導電型の第3の半導体領域を形成する工程と、
前記素子分離領域で分離された領域内の第2導電型の第2の半導体領域を有する光電変換部、及び前記領域内の前記素子分離領域に対して離間した第2導電型のフローティングディフージョン領域を形成する工程と、
前記第1の半導体領域にゲート電極を有する画素トランジスタを形成する工程と、
前記フローティングディフージョン領域と前記素子分離領域の間に存在する前記第1の半導体領域上を覆うとともに、該第1の半導体領域上から該フローティングディフージョン領域上にかけて覆うように、負の固定電荷を有する絶縁膜を形成する工程
を有する固体撮像装置の製造方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置のフォトダイオードに入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
前記固体撮像装置は、請求項1乃至8、請求項10乃至14のいずれかに記載の固体撮像装置で構成される
電子機器。
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