JP6541361B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。
特許文献1には、フォトダイオード部と転送MOSトランジスタ部とを有するCMOSエリアセンサが開示されている。フォトダイオード部は、表面P型不純物領域と、その下に配置されたN型不純物領域(電荷蓄積領域)と、少なくともその下に配置されたP型ウエルとで構成される。P型ウエルは、複数のP型不純物領域の積層によって構成される。P型ウエルは、N型不純物領域(電荷蓄積領域)の下の領域の他、転送MOSトランジスタおよびフローティングディフュージョンの下の領域に広がるように配置されている。
特開2010−245567号公報
固体撮像装置において、一般的に、画素サイズの縮小にともなって、転送トランジスタのゲート長が小さくなるとともに電荷蓄積領域とフローティングディフュージョンとの距離が小さくなる。電荷蓄積領域とフローティングディフュージョンとの距離が小さくなると、電荷蓄積領域からフローティングディフュージョンに電荷が漏れやすくなり、これは、例えば、飽和電荷数の低下をもたらしうる。
本発明は、画素サイズの縮小に有利な構造を有する固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の1つの側面に係る固体撮像装置は、第1導電型の電荷蓄積領域と、前記第1導電型のフローティングディフュージョンと、前記電荷蓄積領域の下に配置され、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第3半導体領域と、を含む積層半導体領域と、前記電荷蓄積領域と前記フローティングディフュージョンとの間および前記フローティングディフュージョンの下かつ前記積層半導体領域の上の領域に配置された前記第2導電型の第4半導体領域と、前記電荷蓄積領域の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するためのチャネルを前記第4半導体領域に形成する転送ゲートと、前記電荷蓄積領域および前記第4半導体領域の下かつ前記積層半導体領域の上の領域に配置された前記第2導電型の第5半導体領域と、を含み、前記積層半導体領域は、前記第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第3半導体領域とを含み、前記第1半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC1、前記第2半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC2、前記第3半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC3、前記第5半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC5とすると、C2<C3<C1およびC5<C3を満たす。
本発明によれば、画素サイズの縮小に有利な構造を有する固体撮像装置が提供される。
本発明の第1実施形態における画素アレイの1つの画素の断面構造を模式的に示す図。 半導体基板の深さ方向(図1のA−A’線)に沿った不純物濃度分布を例示する図。 パンチスルーストッパーの深さ(横軸)と電荷蓄積領域からフローティングディフュージョンへの電荷の漏れ量(縦軸)との関係を例示する図。 本発明の第2実施形態における画素アレイの1つの画素の断面構造を模式的に示す図。 本発明の第3実施形態における画素アレイの1つの画素の断面構造を模式的に示す図。 本発明の第1乃至第3実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す図。 本発明の第1乃至第3実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す図。 本発明の一つの実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
図8には、本発明の一つの実施形態の固体撮像装置100の構成が示されている。固体撮像装置100は、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素PIXが配列された画素アレイGAと、画素アレイGAを駆動し画素アレイGAから各画素PIXの信号を読み出す周辺回路PCとを含む。固体撮像装置100は、例えば、MOS型イメージセンサ、CCDイメージセンサまたは他の形式のイメージセンサとして構成されうる。
図1には、本発明の第1実施形態における画素アレイPAの1つの画素PIXの断面構造が模式的に示されている。固体撮像装置100、画素アレイPAまたは画素PIXは、電荷蓄積領域8、表面領域9、フローティングディフュージョン(以降はFDという)10、第4半導体領域20、積層半導体領域4、第5半導体領域11および転送ゲート7を含みうる。固体撮像装置100、画素アレイPAまたは画素PIXは、その他、素子分離部5、チャネルストッパ6、絶縁膜12、15、17、19、配線パターン14、16、18、コンタクトプラグ13などを含みうる。絶縁膜12、15、17は、層間絶縁層であり、絶縁膜19は、パッシベーション膜でありうる。固体撮像装置100、画素アレイPAまたは画素PIXは、更に、カラーフィルタおよび/またはマイクロレンズを含みうる。
以下の説明では、導電型を区別するために第1導電型および第2導電型という用語が使用される。第1導電型と第2導電型とは互いに異なる導電型である。第1導電型がn型である場合、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型である場合、第2導電型はn型である。
電荷蓄積領域8は、第1導電型の半導体領域で構成される。第1導電型がn型である場合には、電荷蓄積領域は、光電変換によって発生した電子および正孔のうち電子を蓄積する。第1導電型がp型である場合には、電荷蓄積領域8は、光電変換によって発生した電子および正孔のうち正孔を蓄積する。表面領域9は、第2導電型の半導体領域で構成される。この例では、電荷蓄積領域8、表面領域9および積層半導体領域4によって光電変換素子としてのフォトダイオード1が構成される。なお、表面領域9はなくてもよいが、これが設けられることによって暗電流によるノイズ成分が低威されうる。
FD10は、第1導電型の半導体領域で構成される。第4半導体領域20は、第2導電型の半導体領域で構成される。第4半導体領域20は、電荷蓄積領域8とFD10との間およびFD10の下かつ積層半導体領域4の上の領域に配置される。
電荷蓄積領域8、積層半導体領域4、FD10、第4半導体領域20、第5半導体領域11およびチャネルストッパ6は、半導体基板3に形成される。半導体基板3は、例えば、第1導電型の半導体基板であるが、第2導電型の半導体基板であってもよい。半導体基板3は、半導体基板の表面層(例えば、エピタキシャル成長層)であってもよい。
転送ゲート7は、第1導電型の電荷蓄積領域8に蓄積された電荷を第1導電型のFD10に転送するためのチャネルを第2導電型の第4半導体領域20に形成する。転送ゲート7は、ゲート電極であり、電荷蓄積領域8、FD10、第4半導体領域20および転送ゲート7は、MOSトランジスタ構造を有する。ここで、電荷蓄積領域8およびFD10の一方がソースに相当し、他方がドレインに相当する。
第5半導体領域11は、第2導電型の不純物領域で構成される。第2導電型の第5半導体領域11は、第1導電型の電荷蓄積領域8および第2導電型の第4半導体領域20の下かつ第2導電型の積層半導体領域4の上の領域に配置される。第5半導体領域11は、電荷蓄積領域8とFD10との間におけるパンチスルーの発生を防止するパンチスルーストッパーとして機能しうる。より具体的には、第5半導体領域11は、電荷蓄積領域8から延びる空乏層とFD10から延びる空乏層とがつながることを防止する。つまり、第5半導体領域11は、電荷蓄積領域8からFD10に対して電荷が漏れることを防止する。これにより、電荷蓄積領域8で蓄積可能な電荷の数、即ち飽和電荷数を増加させることができる。なお、第5半導体領域11は、少なくとも電荷蓄積領域8と第4半導体領域20の下にあればよく、FD10の下に延在しなくてもよい。
積層半導体領域4は、第2導電型の第1半導体領域4Aと、第1半導体領域4Aの上に配置された第2導電型の第2半導体領域4B、4Cと、第2半導体領域4B、4Cの上に配置された第2導電型の第3半導体領域4Dとを含む。この例では、第1半導体領域4Aと第3半導体領域4Dとの間に2つの第2半導体領域4B、4Cが配置されているが、第2半導体領域4B、4Cのうちの一方は取り除かれうる。第1半導体領域4Aと第3半導体領域4Dとの間には、第2半導体領域4B、4Cの他に追加の第2半導体領域が配置されてもよい。第1半導体領域4A、第2半導体領域4B、4C、第3半導体領域4Dは、それぞれ半導体基板3の深さ方向に沿った不純物濃度分布においてピークを有する。
図2には、半導体基板3の深さ方向(図1のA−A’線)に沿った不純物濃度分布の例が示されている。図3における4A、4B、4C、4D、11、20、8は、第1半導体領域4A、第2半導体領域4B、4C、第3半導体領域4D、第5半導体領域11、第4半導体領域20、電荷蓄積領域8の不純物濃度(の分布)を示している。ここで、実線で示された4A、4B、4C、4D、11、20は、第2導電型の不純物濃度であり、点線で示された8は第1導電型の不純物濃度分布である。
第1半導体領域4Aにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値をC1、第2半導体領域4B、4Cにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値をC2、第3半導体領域4Dにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値をC3とする。また、第5半導体領域11における第2導電型の不純物濃度のピーク値をC5、第4半導体領域20における第2導電型の不純物濃度のピーク値をC4とする。また、電荷蓄積領域8における第1導電型の不純物濃度のピーク値をC10とする。
第1半導体領域4Aにおける第2導電型の不純物濃度のピークは、分光感度を決めるポテンシャルピークを形成する。第1半導体領域4Aにおける第2導電型の不純物濃度のピークは、半導体基板3の深さ方向における電荷の移動を制限するポテンシャルバリアを形成する。このポテンシャルバリアは、光電変換によって発生した正および負の電荷(正孔および電子)のうち電荷蓄積領域8で蓄積すべき電荷が半導体基板3の深い方向に失われることを防止する。
第2半導体領域4B、4Cおよび第1半導体領域4Aは、光を第1半導体領域4Aに到達させる経路として機能する。第2半導体領域4B、4Cおよび第1半導体領域4Aはまた、光電変換によって発生した正および負の電荷(正孔および電子)のうち電荷蓄積領域8で蓄積すべき電荷を電荷蓄積領域8に移動させる経路として機能する。
以上の機能を実現するために、C2<C3<C1という条件が満たされるべきであり、この条件に加えて、3×C2≦C1が満たされることが好ましく、5×C2≦C1が満たされることがより好ましい。
図3には、パンチスルーストッパーとして機能しうる第5半導体領域11の深さ(横軸)と、電荷蓄積領域8からFD10への電荷の漏れ量(縦軸)との関係が例示されている。漏れ量が少ないことは、パンチスルーストッパーとしての機能が優れていることを意味する。横軸の0.0[μm]は、積層半導体領域4の最上部に位置する第3半導体領域4Dにおける第2導電型の不純物濃度のピークの深さ方向の位置である。また、横軸は、深い方向を+方向、浅い方向を−方向とされている。
図2に例示されるように、第5半導体領域11における第2導電型の不純物濃度のピークの位置(深さ)を、第3半導体領域4Dにおける第2導電型の不純物濃度のピークから半導体基板3の表面側に離すことによって電荷の漏れを低下させることができる。一方で、第2導電型の第5半導体領域11を浅い位置に配置すると、第5半導体領域11の上に配置されている第1導電型の電荷蓄積領域8の下端を上方に押し上げることになるので、飽和電荷数が小さくなる。また、第2導電型の第5半導体領域11の不純物濃度を濃くすることは、電荷蓄積領域8からFD10への電荷の漏れを低減することに有利であるが、その一方で飽和電荷数の低下を招く。
したがって、パンチスルーストッパーとして機能する第5半導体領域11の位置と不純物濃度は、要求されるパンチスルーストッパーとしての機能および飽和電荷数を考慮して定められるべきである。一例として、第5半導体領域11は、電荷蓄積領域8および第2導電型の第4半導体領域20の下、かつ、積層半導体領域4の上に配置されることが好ましい。ここで、第4半導体領域20は、電荷蓄積領域8とFD10との間およびFD10の下に配置される。あるいは、第5半導体領域11は、第5半導体領域11の不純物濃度がピークを示す深さが、第4半導体領域20の不純物濃度がピークを示す深さと第3半導体領域4Dの不純物濃度がピークを示す深さとの間に位置するように配置されることが好ましい。
また、実用的な飽和電荷数の実現の観点において、第5半導体領域11の不純物濃度は、C5<C3を満たすことが好ましい。一方、電荷蓄積領域8からFD10への電荷の漏れを低減するために、第5半導体領域11は、その不純物濃度分布が識別可能なピークを有するべきであり、更に、C3/4≦C5が満たされることが好ましい。ここで、前述のように、C3は、第3半導体領域4Dにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値、C5は、第5半導体領域11における第2導電型の不純物濃度のピーク値である。
その他、転送ゲート7を含むMOSトランジスタ構造における電荷の転送に関する特性の観点で、C5≧C4、および/または、C3>C4、および/または、C4<C1が満たされることが好ましい。第4半導体領域の不純物濃度を低くすることで、第5半導体領域11を設けることによって生じ得る転送効率の低下を低減することが出来る。ここで、C4は、前述のように、第4半導体領域20における第2導電型の不純物濃度のピーク値である。
以下、C1、C2、C3、C4、C5の好ましい範囲を例示的に説明するが、本発明は、この範囲に制限されるものではない。C1、C2、C3、C4、C5は、前述のC2<C3<C1、C5<C3などの濃度の条件を満たすことが好ましい。
第1半導体領域4Aにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値C1は、1×1016cm−3≦C1≦1×1018cm−3の範囲内であり、ピーク値C1を示す深さは、半導体基板3の表面から2.0μmから4.0μmの深さの範囲内であることが好ましい。一例において、C1は、1×1017cm−3である。
第2半導体領域4Bにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値C2は、1×1015cm−3≦C2≦5×1016cm−3の範囲内であり、ピーク値C2を示す深さは、半導体基板3の表面から1.2μmから2.5μmの深さの範囲内であることが好ましい。一例において、C2は、5×1015cm−3である。
第2半導体領域4Cにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値C2は、1×1015cm−3≦C2≦5×1016cm−3の範囲内であり、ピーク値C2を示す深さは、半導体基板3の表面から0.8μmから1.5μmの深さの範囲内であることが好ましい。
第3半導体領域4Dにおける第2導電型の不純物濃度のピーク値C3は、2×1015cm−3≦C3≦2×1017cm−3の範囲内であり、ピーク値C3を示す深さは、半導体基板3の表面から0.5μmから1.0μmの深さの範囲内であることが好ましい。一例において、C3は、3×1016cm−3である。
第5半導体領域11における第2導電型の不純物濃度のピークC5は、5×1014cm−3≦C5≦2×1017cm−3の範囲内であり、ピーク値C5を示す深さは、半導体基板3の表面から0.3μmから0.9μmの深さの範囲内であることが好ましい。一例において、C5は、2.5×1016cm−3である。
第4半導体領域20における第2導電型の不純物濃度のピーク値C4は、例えば、1×1014cm−3≦C4≦5×1016cm−3でありうる。電荷蓄積領域8における第1導電型の不純物濃度のピーク値C10は、例えば、2×1016cm−3でありうる。
表面領域9における第2導電型の不純物濃度のピーク値は、5×1019から5×1020cm−3の範囲内であることが好ましい。表面領域9における第2導電型の不純物濃度のピーク値は、典型的には、表面領域9における第1導電型の不純物濃度のピーク値より大きい。
以上のように、第1実施形態によれば、パンチスルーストッパーとして機能しうる第5半導体領域11を設けることにより、画素サイズが小さくなった場合においても、電荷蓄積領域8からFDへの電荷の漏れを低減することができる。
図4には、本発明の第2実施形態における画素アレイPAの1つの画素PIXの断面構造が模式的に示されている。第2実施形態は、パンチスルーストッパーとして機能しうる第5半導体領域11がFD10に隣接して配置された素子分離部5の下に配置された部分を含む点で、第1実施形態と異なる。第2実施形態は、他の点では、第1実施形態と共通している。第2実施形態では、第5半導体領域11の形成のためのレジストパターンを形成する際のアライメントずれの影響をなくすことができる。また、素子分離部5の下における信号電荷の移動をより抑制することが可能となる。
図5には、本発明の第3実施形態における画素アレイPAの1つの画素PIXの断面構造が模式的に示されている。第3実施形態は、積層半導体領域4が素子分離部5の下に配置された部分を含む点で、第2実施形態と異なり、他の点では、第2実施形態と共通している。第3実施形態では、積層半導体領域4の形成のためのレジストパターンを形成する際のアライメントずれの影響をなくすことができる。また、第3実施形態では、第5半導体領域11の形成のためのフォトマスクと積層半導体領域4を形成するためのフォトマスクとを共用することができる。
以下、図6および図7を参照しながら本発明の第1乃至第3実施形態の固体撮像装置100の製造方法を説明する。
まず、ステップS610において、半導体基板3に素子分離部5およびチャネルストッパ6が形成される。素子分離部5は、例えば、LOCOSまたはSTIでありうる。次いで、ステップS620では、半導体基板3の上にフォトリソグラフィー工程によってマスクMが形成される。このマスクMは、第1乃至第3実施形態のそれぞれに適合したものとされる。
次いで、ステップS630では、マスクMの開口部を通して半導体基板3にイオンを注入し、第2導電型の積層半導体領域4、第2導電型の第5半導体領域11および第2導電型の第4半導体領域20が形成される。次いで、ステップS640では、転送ゲート7を含むゲート電極、電荷蓄積領域8、表面領域9、FD10などを形成する。その後、層間絶縁膜、コンタクトプラグ、ヴィアプラグ、配線層、カラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成される。
以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末)も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理(例えば、圧縮、色処理など)する処理部とを含む。
1:フォトダイオード、3:半導体基板(第1導電型)、4:積層半導体領域(第2導電型)、4A:第1半導体領域(第2導電型)、4B:第2半導体領域(第2導電型)、4C:第2半導体領域(第2導電型)、4D:第3半導体領域、5:素子分離部、7:転送ゲート、8:電荷蓄積領域(第1導電型)、9:表面領域(第2導電型)、10:フローティングディフュージョン(第1導電型)、11:第5半導体領域(第2導電型)、20:第4半導体領域(第2導電型)、

Claims (16)

  1. 第1導電型の電荷蓄積領域と、
    前記第1導電型のフローティングディフュージョンと、
    前記電荷蓄積領域の下に配置され、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域の上に配置された前記第2導電型の第3半導体領域と、を含む積層半導体領域と、
    前記電荷蓄積領域と前記フローティングディフュージョンとの間および前記フローティングディフュージョンの下かつ前記積層半導体領域の上の領域に配置された前記第2導電型の第4半導体領域と、
    前記電荷蓄積領域の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するためのチャネルを前記第4半導体領域に形成する転送ゲートと、
    前記電荷蓄積領域および前記第4半導体領域の下かつ前記積層半導体領域の上の領域に配置された前記第2導電型の第5半導体領域と、を含み、
    前記第1半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC1、前記第2半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC2、前記第3半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC3、前記第5半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC5とすると、
    C2<C3<C1およびC5<C3
    を満たすことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第4半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク値をC4とすると、
    C5≧C4
    を更に満たすことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. C3>C4
    を更に満たすことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. C4<C1
    を更に満たすことを特徴とする請求項2又は3に記載の固体撮像装置。
  5. 3×C2≦C1
    を更に満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 5×C2≦C1
    を更に満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. C3/4≦C5
    を更に満たすことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記フローティングディフュージョンに隣接して配置された素子分離部を更に備え、
    前記第5半導体領域は、前記素子分離部の下に配置された部分を含む、
    ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記積層半導体領域は、前記素子分離部の下に配置された部分を含む、
    ことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。
  10. 前記電荷蓄積領域の上に配置された前記第2導電型の半導体領域を更に備える、
    ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  11. 1×1016cm−3≦C1≦1×1018cm−3
    1×1015cm−3≦C2≦5×1016cm−3
    2×1015cm−3≦C3≦2×1017cm−3
    5×1014cm−3≦C5≦2×1017cm−3
    を更に満たすことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  12. 前記第5半導体領域は、前記積層半導体領域と接するように配置されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  13. 前記第5半導体領域は、前記第3半導体領域と接するように配置されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  14. 前記第3半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク位置と前記第5半導体領域における前記第2導電型の不純物濃度のピーク位置との間の領域は、前記第2導電型の半導体領域である、
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  15. 前記第1半導体領域は、前記第1導電型の第6半導体領域の上に、前記第6半導体領域に接するように配置されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  16. 請求項1乃至15のいずれか1項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
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