JP5723921B2 - 裏面照射イメージセンサを動作させる方法 - Google Patents
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Description
nation)構造のイメージセンサに関する。本発明は、CMOSイメージセンサ又は
CCD(charge coupled device)のようなAPS(Active
Pixel Sensor)に適用することができる。
半導体素子であって、光を感知する受光素子(通常、フォトダイオード)部と、感知した
光を電気的信号に処理してデータ化するロジック回路部とから構成されている。
オードと、光電荷をピクセルのセンスノードに移送する電荷転送ゲートとを備える。
部にロジック回路が構成され、基板の上面から光が照射される表面照射(front i
llumination)構造を有する。しかし、フォトダイオードの上部に形成された
いくつかの上部層により、光損失を引き起こすため、フォトダイオードの光応答(pho
to−response)特性に優れていない。また、光子(photon)の透過深さ
(penetration depth)が深いため、入射される光フラックスの光電荷
への転換が困難である。
side illumination)構造のイメージセンサが紹介されている。
射構造のイメージセンサを示す。
程によってP型シリコン130に接合カソードとして機能するNウェル120を形成し、
その上にロジック回路(図示せず)及びメタル配線150などが形成される。その後、支
持基板140を取り付け、裏面工程によってSOIウエハの裏面シリコンを埋め込み酸化
層まで研磨し、非反射層220とマイクロレンズ230とを形成して裏面から光子が入射
されるようにする構造である。説明のない図面符号「125」は、クロストルク防止のた
めのPイオン注入領域であり、「160a、160b」は、絶縁層である。
シリコンを透過することによって表われる信号の損失を減らすために、フォトダイオード
の対応する位置にメタル反射層(metal reflector)(図1の240)を
別途に備えなければならない。したがって、メタル工程が追加されたり、又はメタルレイ
アウトが制約されることになる。
濃度及び深さなど)によって内部ポテンシャルが決定されて、空乏領域の幅が決まる。こ
れにより、基板の裏面近傍まで空乏領域が形成されなかった場合、裏面近傍で生成された
光電荷が自体のフォトダイオード空乏領域に到達できず、隣接するピクセルに移動するク
ロストルクが発生する。また、短波長に対する光感度もよくない。
、その目的は、裏面照射構造を有しながらも、別途にメタル反射層を備えなくてもよいイ
メージセンサを提供することにある。
コントロールすることができるため、クロストルクを改善できるイメージセンサを提供す
ることにある。
をピクセルセンスノードに伝達する効率及びタイミングを増大させたイメージセンサを提
供することにある。
基板の表面の下に形成され、前記半導体基板の裏面から光が照射されて光電荷を生成する
フォトダイオードと、前記半導体基板の表面の上部において前記フォトダイオードの上に
形成され、裏面照射される光を反射させ、かつ、前記フォトダイオードの空乏領域をコン
トロールするバイアスが印加される反射ゲートと、前記フォトダイオードからピクセルの
センスノードに光電荷を伝達するトランスファゲートとを備えることを特徴とする。
施できるようにするために、本発明の好ましい実施形態を説明する。
である。
P型ドーピング領域206とで構成されたフォトダイオードが形成される。P型ドーピン
グ領域206は、シリコン表面における暗電流を改善するためのものであって、通常、ピ
ンニング層(pinning layer)と呼ばれる。P型ドーピング領域206を省
略して、N型ドーピング領域204だけでフォトダイオードを構成することも可能である
。
ンズ244が形成される。マイクロレンズ244と基板202との間には絶縁層242が
形成される。絶縁層242は、酸化膜、窒化膜、又はこれらの積層膜からなることができ
る。このとき、酸化膜は、BPSG(BoroPhosphoSilicate Gla
ss)、PSG(PhosphoSilicate Glass)、BSG(BoroS
ilicate Glass)、USG(Un−doped Silicate Gla
ss)、TEOS(Tetra Ethyle Ortho Silicate)、HD
P(High Density Plasma)膜、シリコン酸化膜(SiO2)の中か
ら選択されるいずれか1つの膜で形成することができる。窒化膜は、シリコン窒化膜(S
ixNy、ここで、x、yは自然数)又はシリコン酸化窒化膜(SixOyN2、ここで
、x、yは自然数)で形成することができる。マイクロレンズ244と絶縁層242との
間にカラーイメージ実現のためのカラーフィルタを備えることができる。
路が形成されるが、本発明では、従来とは異なり、フォトダイオードの上に反射ゲート2
12、214が追加される。また、反射ゲートには、ポリシリコン212及び金属シリサ
イド膜214が積層されている。金属シリサイド膜は、例えばタングステンシリサイド膜
を用いることができる。金属シリサイド膜の代りに、タングステンのような金属膜を用い
ることもできる。なお、反射ゲートは、ポリシリコンなく、金属シリサイド又は金属膜を
単独で用いることができる。このように、反射ゲートは、導電性で、かつ、光反射に優れ
た物質として形成することができる。
加されることでフォトダイオードの空乏領域の大きさをコントロールする。すなわち、従
来では、フォトダイオードの工程条件に依存して空乏領域が決定されていたが、本発明で
は、反射ゲートによって空乏領域を基板の裏面近傍まで拡張することが可能であるため、
クロストルクを改善することができる。
は、短波長(ブルー波長)の光が裏面照射されるとき、裏面の表面近傍で発生した光電荷
を格納することが可能となり、短波長に対する光感度を向上させる効果をもたらす。
用いて生成されたネガティブバイアスを用いることができる。ネガティブチャージポンプ
は、イメージセンサのチップ内に共に集積することができる。
を抑制して反射させる特性があるため、裏面から照射される長波長の光に対する信号の損
失を減らすことができる。したがって、基板の表面に別のメタル反射層を備える必要がな
く、メタルレイアウトへの制約がなくなる。
するプラズマダメージと、それ以外の工程プロセス上のダメージからフォトダイオードを
保護する利点もある。
るとき、ピクセルのセンスノードであるN+フローティング拡散領域224に転送される
。フォトダイオードとトランスファゲートエッジとの間の基板の表面の下には、光電荷格
納のためのN+バッファ領域222が形成される。N+バッファ領域222は、光電荷転
送効率及びタイミングマージンを増大させる機能を果たす。 N+バッファ領域222が
省略された状態でフォトダイオードをトランスファゲートのエッジに整列させて形成する
こともできる。N+バッファ領域222が省略されると、その省略された領域の分、ピク
セル別にフォトダイオード領域を確保することができる長所がある。
面図である。
けるためにその説明を省略する。
スファゲートTxとが絶縁層302を介在して、一部オーバーラップされていることが分
かる。
ランスファゲートTxとを一部オーバーラップさせる場合、フォトダイオードの領域を確
保し、かつ、光電荷転送の効率及びタイミングの低下を防止することができる。
業者によく知られている4Tピクセル又は3Tピクセルなどのいずれにも適用することが
できる。すなわち、4Tピクセル又は3Tピクセルにおいて、反射ゲートを追加すればよ
い。また、2つ以上のフォトダイオードを1つのフローティング拡散及びピクセル回路を
共有するスキームにも適用することができる。
ズ除去のための通常のCDS信号処理技術を適用することができる。
CDにも適用が可能である。
線をレイアウトするとき、入射光のパス(path)を考慮する必要がない。
ントロールバイアスを用いて空乏領域の幅をコントロールすることにより、光電荷生成効
率、短波長の光感度、及びクロストルクを改善することができる。
、裏面から照射される長波長の光に対する信号の損失を減らすことができる。したがって
、基板の表面に別途のメタル反射層を備える必要がない。
からフォトダイオードを保護する。
明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形、及び変更が可能であるというこ
とが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者において明白であろう。
204 フォトダイオード用N型ドーピング領域
206 フォトダイオード用P型ドーピング領域(ピンニング層)
210 トランスファゲート
212 反射ゲートポリシリコン
214 反射ゲート金属シリサイド膜
222 N+バッファ領域
224 N+フローティング拡散領域
244 マイクロレンズ
Claims (22)
- 半導体基板の裏面から光を照射するステップと、
光電荷を生成し蓄積するために、前記裏面から照射された光を反射ゲートを使用してフォトダイオードの空乏領域の前面に反射させるステップであって、該フォトダイオードは、前記半導体基板とは異なる導電タイプのドーピング領域のみを含んでいる、ステップと、
前記空乏領域のサイズをコントロールするためにバイアス信号を前記反射ゲートに供給するステップと、
前記バイアス信号を受け取った後に前記空乏領域において前記光電荷を蓄積するステップと、
トランスファーゲートにより前記空乏領域からピクセルのセンスノードに光電荷を転送するステップであって、該トランスファーゲートは、前記反射ゲートにオーバーラップして形成されている、ステップと
を含んでいることを特徴とする方法。 - 前記反射ゲートはメタルシリコン層を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記フォトダイオードはピンニングされていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記バイアス信号を供給するステップは、前記空乏領域を前記基板の前記裏面の近傍まで拡張するバイアス信号を供給するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記基板の裏面に光を照射するステップは、短波長の光を照射することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記基板の裏面に光を照射するステップは、青色光を照射することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- イメージセンサのピクセルを操作する方法であって、
基板の裏面に光を照射するステップと、
光電荷を生成し蓄積するために、前記基板の表面近傍に配置された反射ゲートを用いて前記照射光をフォトダイオードの空乏領域に反射させるステップであって、前記フォトダイオードは前記基板の表面近傍に形成され、N型ドーピング領域とP型ドーピング領域とを含んでいる、ステップと、
前記反射ゲートでバイアス信号を受信し、前記空乏領域における空乏のサイズを制御するステップと、
前記バイアス信号を受信した後、前記空乏層内の光電荷を蓄積するステップと
光電荷を前記空乏領域から前記ピクセルのセンスノードにトランスファーゲートにより転送するステップであって、該トランスファーゲートは、前記反射ゲートにオーバーラップして形成されているステップと
を備える方法。 - 前記バイアス信号はネガティブバイアス電圧を含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- さらに、金属シリサイド層を含むために前記反射ゲートを形成するステップを備えることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記バイアス信号を受信するステップは、前記基板の前記裏面近傍の領域まで前記空乏領域を拡張させるバイアス信号を受信することを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記基板の裏面に光を照射するステップは、短波長光を照射することを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記基板の裏面に光を照射するステップは、青色光を照射することを特徴とする請求項11に記載の方法。
- イメージセンサのピクセルを形成する方法であって、
半導体基板の表面近傍にフォトダイオードを形成するステップと、
前記半導体基板の裏面近傍に絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層にカラーフィルタを形成するステップと、
前記カラーフィルタにマイクロレンズを形成するステップと、
前記半導体基板の前記表面において前記フォトダイードの近傍に、反射ゲートを形成するステップと、
前記反射ゲートとバイアス電圧サプライとの間に電気的接続を形成するステップと、
前記反射ゲートにオーバーラップするトランスファーゲートを形成するステップと
を備えることを特徴とする方法。 - 前記カラーフィルタを形成するステップは、短波長光を透過させるカラーフィルタを形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記カラーフィルタを形成するステップは、青色光を透過させるカラーフィルタを形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記絶縁層を形成するステップは、非反射材料から絶縁層を形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記非反射材料から絶縁層を形成するステップは、酸化膜、窒化膜、又はこれらの積層膜から選択された層を備える絶縁層を形成することを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記非反射材料から絶縁層を形成するステップは、BPSG(BoroPhosphoSilicate Glass)層、PSG(PhosphoSilicate Glass)層、BSG(BoroSilicate Glass)層、USG(Un−doped Silicate Glass)層、TEOS(Tetra ethyl Ortho silicate)層、HDP(High Density Plasma)層、シリコン酸化膜(SiO2)層の中から選択された層を含む絶縁層を形成することを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記非反射材料から絶縁層を形成するステップは、シリコン窒化膜(SixNy、ここで、x、yは自然数)層、又はシリコン酸化窒化膜(SixOyNz、ここで、x、y、zは自然数)層の中から選択された層を含む絶縁層を形成することを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 前記反射ゲートを形成するステップは、ポリシリコン層と金属シリサイド層の積層構造を形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記反射ゲートを形成するステップは、タングステンシリサイド層を形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 基板の裏面に光を与えるステップと、
前記与えられた光に応答して前記基板の空乏領域に光電荷を生成するステップであって、前記基板の表上面に近接して形成されたフォトダイオードに電荷を生成するステップを含み、前記フォトダイオードはN型ドーピング領域とP型ドーピング領域とを含むステップと、
前記与えられた光を前記空乏領域の表面に反射するため反射ゲートを使用するステップであって、前記与えられた光を前記フォトダイードの表面に反射するため前記反射ゲートを使用するステップを含み、前記反射ゲートは前記与えられた光の損失を減らす金属シリサイド膜又は金属膜を含むステップと、
前記反射された光を使用して前記空乏領域にさらなる光電荷を生成するステップと、
前記光電荷の集積期間中に前記空乏領域の中の空乏膜の幅をコントロールするため前記反射ゲートでネガティブバイアス信号を受信するステップであって、前記ネガティブバイアス信号は前記N型ドーピング領域と前記P型ドーピング領域との間のPN接合に供給されるステップと
前記光電荷を前記フォトダイオードからピクセルのセンスノードにトランスファーゲートにより転送するステップであって、該トランスファーゲートは、前記反射ゲートにオーバーラップして形成されている、ステップと
を含む、イメージセンサのピクセルを動作させる方法。
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