KR20110011542A - 고체 촬상 장치와 그 제조 방법, 및 전자기기 - Google Patents
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Abstract
화소를 포함하는 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 화소는, 기판 내부에 형성된 매입형 포토 다이오드와; 상기 기판에 형성된 트렌치부 저부에 면하는 기판 내로서, 상기 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성된 매입형 플로팅 디퓨전과; 상기 매입형 포토 다이오드로부터 상기 매입형 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위해, 상기 트렌치부 내의 저부에 형성된 매입형 게이트 전극으로 구성된다.
Description
본 발명은, 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 해당 고체 촬상 장치를 구비한 전자기기에 관한 것이다.
CMOS형의 고체 촬상 장치는, 포토 다이오드와, 복수의 MOS 트랜지스터에 의해 1화소를 형성하고, 복수의 화소를 소요되는 패턴으로 배열하여 구성된다. 이 포토 다이오드는, 수광량에 응한 신호 전하를 생성하고 축적하는 광전 변환 소자이고, 복수의 MOS 트랜지스터는 포토 다이오드로부터의 신호 전하를 전송하기 위한 소자이다. 이들의 화소에서는, 조사된 광에 의해 신호 전하가 얻어지고, 얻어진 신호 전하는, 화소마다의 화소 신호로서 출력된다. 이와 같이 하여 출력된 화소 신호는, 소정의 신호 처리 회로에 의해 처리되고, 영상 신호로서 외부에 출력된다.
근래, 고체 촬상 장치의 특성 향상을 위해, 화소 사이즈의 축소나, 포화 전하량(Qs) 및 감도의 향상이 도모되고 있다. 하기 일본 특개2005-223084호 공보에는, 포화 전하량(Qs)이나, 감도를 저하시키는 일 없이, 화소 사이즈의 미세화를 가능하게 하기 위해, 반도체 기판의 깊이 방향으로 형성된 종형 게이트 전극을 갖는 전송 트랜지스터가 이용된 고체 촬상 장치에 관해 기재되어 있다.
도 33에, 일본 특개2005-223084호 공보에 기재된, 종래의 고체 촬상 장치의 개략 단면 구성을 도시한다.
도 33에 도시하는 바와 같이, 일본 특개2005-223084호 공보의 고체 촬상 장치(100)는, p형의 반도체 기판(101)과, 반도체 기판(101) 내에 형성된 각 화소를 구성하는 포토 다이오드(104)와, 전송 트랜지스터(Tra)로 구성된다.
포토 다이오드(104)는, 반도체 기판(101)의 표면측에 형성된 p형 고농도 불순물 영역(p+ 영역)(105)과, 이에 접하여 형성된 n형 고농도 불순물 영역(n+ 영역)(103), n형 저농도 불순물 영역(n-영역)(102)으로 구성된다. 포토 다이오드(PD)를 구성하는 주된 pn접합은, p+ 영역(105)과, n+ 영역(103)의 접합면에서 형성된다.
전송 트랜지스터(Tra)는, 포토 다이오드(104)에 축적된 신호 전하를 전송하기 위한 n채널 MOS 트랜지스터이다. 이 전송 트랜지스터(Tra)는, 반도체 기판(101)의 표면측에 마련된 플로팅 디퓨전부(107)와, 게이트 절연막(106)을 통하여, 반도체 기판(101)의 표면측부터 깊이 방향으로 형성되는 종형 게이트 전극(108)으로 구성된다. 종형 게이트 전극(108)은, 플로팅 디퓨전부(107)에, 게이트 절연막(106)을 통하여 접하고, 또한, 포토 다이오드(104)의 pn접합보다 깊은 위치까지 형성되어 있다. 이 종형 게이트 전극(108)은, 반도체 기판(101)의 표면측부터, 포토 다이오드(104)의 pn접합에 달하는 깊이까지 형성된 홈부에, 게이트 절연막(106)을 형성하고, 이 게이트 절연막(106)상의 홈부를 매입함에 의해 형성된다.
전송 트랜지스터(Tra)에서는, 전송 채널은, 종형 게이트 전극(108)에 따라 포토 다이오드(104)를 구성하는 pn접합부터, 플로팅 디퓨전부(107)에 닿하도록, 반도체 기판(101)의 깊이 방향으로 형성된다.
이와 같은 구성을 갖는 고체 촬상 장치(100)에서는, 반도체 기판(101)의 이면측부터 입사한 광은, 포토 다이오드(104)에 의해 광전 변환되어, 포토 다이오드(104)에 신호 전하가 축적된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tra)의 종형 게이트 전극(108)에 정(正)전압을 인가함에 의해, 포토 다이오드(104)에 축적된 신호 전하는, 도면의 파선(a)으로 도시하는 전송 경로를 통하여 플로팅 디퓨전부(107)에 판독된다.
이와 같이, 반도체 기판(101)의 깊이 방향으로 포토 다이오드(104)를 형성하고, 종형 게이트 전극(108)에서, 포토 다이오드(104)에 축적된 신호 전하를 판독하는 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 화소를 미세화한 경우에도, 포토 다이오드(104)의 포화 전하량(Qs)이나, 감도를 저하시키는 일이 없다. 또한, 이면 조사형으로 함에 의해, 광 조사측에는, MOS 트랜지스터나 배선층이 형성되지 않기 때문에, 개구 면적을 크게 취할 수 있다.
그러나, 종형 게이트 전극(108)에 의해 반도체 기판(101)에 매입된 포토 다이오드(104)에 축적된 신호 전하를 반도체 기판(101) 내부에서 반도체 기판(101)의 표면측에 판독하는 경우, 파선(a)으로 도시하는 바와 같이 전하 전송 경로가 매우 길어져 버린다. 이 때문에, 통상의 고체 촬상 장치에서 이용되는 평면형의 게이트 전극에 비교하여, 신호 전하의 완전 전송이 곤란해진다.
상술한 바와 같이, 포화 전하량의 향상을 도모하기 위해 반도체 기판 내부에 포토 다이오드를 형성하는 구성이 제안되어 있지만, 그 경우, 전송 경로가 매우 길어저서, 신호 전하의 완전 전송은 곤란하다.
상술한 점을 감안하여, 본 발명은, 높은 포화 전하량을 유지하면서, 양호한 신호 전하의 전송이 가능한 고체 촬상 장치, 및 그 제조 방법을 제공한다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자기기를 제공한다.
상기 과제를 해결하고, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 고체 촬상 장치는, 매입형 포토 다이오드와, 매입형 플로팅 디퓨전과, 매입형 게이트 전극으로 구성되는 화소를 갖고서 구성되어 있다. 매입형 포토 다이오드는, 기판 내부에 형성되어 있다. 매입형 플로팅 디퓨전은, 기판에 형성된 트렌치부 저부에 면하는 기판 내로서, 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성되어 있다. 매입형 게이트 전극은, 매입형 포토 다이오드로부터 매입형 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위해, 트렌치부 내의 저부에 형성되어 있다.
본 발명의 고체 촬상 장치에서는, 매입형 포토 포토 다이오드에서 생성, 축적된 신호 전하는, 매입형 게이트 전극에 의해, 매입형 플로팅 디퓨전에 전송된다. 매입형 플로팅 디퓨전은, 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성되기 때문에, 신호 전하는 짧은 전송 경로에 의해 전송된다.
또한, 본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 이하의 공정을 갖는다.
우선, 기판을 준비하는 공정과, 기판의 소망하는 영역을 에칭함에 의해, 기판에 소망하는 깊이의 트렌치부를 형성하는 공정을 갖는다. 다음에, 트렌치부 내의 저부에, 게이트 절연막을 통하여 매입형 게이트 전극을 형성하는 공정과, 트렌치부 내를 산화막으로 매입하는 공정을 갖는다. 다음에, 산화막 상부에 형성한 레지스트를 마스크로 하여 기판을 에칭함에 의해, 트렌치부 곁에 다시 해당 트렌치부와 동등한 깊이의 트렌치부를 형성하는 공정을 갖는다. 다음에, 트렌치부 곁에 다시 형성된 트렌치부 저부에 면하는 기판 내에, 산화막과 레지스트를 마스크로 하여 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 플로팅 디퓨전을 형성하는 공정을 갖는다. 또한, 트렌치부 형성 전 또는 후에, 기판의 매입형 플로팅 디퓨전과 동등한 깊이에 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해 매입형 포토 다이오드를 형성하는 공정을 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 이하의 공정을 갖는다. 우선, 기판을 준비하는 공정, 다음에, 기판 상부에 게이트 절연막을 통하여, 매입형 게이트 전극을 형성하는 공정을 갖는다. 다음에, 매입형 게이트 전극 곁의 기판 내에, 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 플로팅 디퓨전을 형성하는 공정을 갖는다. 다음에, 매입형 게이트 전극 및 매입형 플로팅 디퓨전이 형성된 영역 이외의 기판을 선택적으로 에피택셜 성장함에 의해, 트렌치부를 형성하는 공정을 갖는다. 또한, 매입형 게이트 전극을 형성하기 전, 또는 트렌치부를 형성한 후에, 매입형 게이트 전극 곁의 기판 내에, 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 포토 다이오드를 형성하는 공정을 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법에서는, 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 매입형 플로팅 디퓨전이 형성된다. 그리고, 매입형 포토 다이오드로부터 매입형 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위한 매입형 게이트 전극이 트렌치부 내의 저부에 형성된다. 이에 의해, 매입형 포토 다이오드에서 생성, 축적된 신호 전하가 매입형 플로팅 디퓨전에 전송된다. 또한, 매입형 플로팅 디퓨전은, 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성되기 때문에, 신호 전하는 짧은 전송 경로에 의해 전송된다.
본 발명의 전자기기는, 광학렌즈와, 상술한 본 발명의 고체 촬상 장치로서, 광학렌즈에 집광된 광이 입사되는 고체 촬상 장치와, 고체 촬상 장치로부터 출력되는 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖고서 구성되어 있다.
본 발명에 의하면, 높은 포화 전하량을 유지하면서, 양호한 신호 전하의 전송이 가능하게 된 고체 촬상 장치를 얻을 수 있다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용하여, 화질의 향상이 도모된 전자기기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS형의 고체 촬상 장치의 전체를 도시하는 개략 구성도.
도 2는 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치의 1화소분의 평면 구성도.
도 3은 도 2의 III-III선상에 따른 단면 구성도.
도 4는 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치에서, 반도체 기판 표면측에 전송 트랜지스터 이외의 화소 트랜지스터(예를 들면, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터, 등)를 형성한 경우의 주요부의 개략 단면 구성도.
도 5는 본 발명의 제 2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 6은 도 5의 VI-VI선상에 따른 단면 구성도.
도 7은 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 8은 도 7의 VIII-VIII선상에 따른 단면 구성도.
도 9의 A, B, C는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 10의 D, E, F는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 11의 G, H는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 12의 I, J는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 13의 A, B, C는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관한 제조 공정도.
도 14의 D, E, F는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관한 제조 공정도.
도 15는 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 16은 도 15의 XVI-XVI'선상에 따른 단면 구성도.
도 17은 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 배선층측 FD와 매입형 FD를 포토 다이오드 영역이 인접하는 모서리부에 구성하는 경우의 평면 구성도.
도 18은 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 단면 구성도.
도 19는 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 20은 도 19의 XX-XX선상에 따른 단면 구성도.
도 21은 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 22는 도 21의 XXII-XXII선상에 따른 단면 구성도.
도 23은 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 24는 도 23의 XXIV-XXIV선상에 따른 단면 구성도.
도 25는 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 26은 도 25의 XXVI-XXVI선상에 따른 단면 구성도.
도 27은 제 9의 실시 형태에 있어서, 매입형 FD를 공유한 때의 개략 평면 구성도.
도 28은 본 발명의 제 10의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 29는 도 28의 XXIX-XXIX선상에 따른 단면 구성도.
도 30은 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예(그 1).
도 31은 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예(그 2).
도 32는 본 발명의 제 11의 실시 형태에 관한 전자기기의 개략 구성도.
도 33은 종래예의 고체 촬상 장치의 개략 단면 구성도.
도 2는 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치의 1화소분의 평면 구성도.
도 3은 도 2의 III-III선상에 따른 단면 구성도.
도 4는 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치에서, 반도체 기판 표면측에 전송 트랜지스터 이외의 화소 트랜지스터(예를 들면, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터, 등)를 형성한 경우의 주요부의 개략 단면 구성도.
도 5는 본 발명의 제 2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 6은 도 5의 VI-VI선상에 따른 단면 구성도.
도 7은 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 8은 도 7의 VIII-VIII선상에 따른 단면 구성도.
도 9의 A, B, C는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 10의 D, E, F는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 11의 G, H는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 12의 I, J는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 1)에 관한 제조 공정도.
도 13의 A, B, C는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관한 제조 공정도.
도 14의 D, E, F는 제 3의 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관한 제조 공정도.
도 15는 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 16은 도 15의 XVI-XVI'선상에 따른 단면 구성도.
도 17은 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 배선층측 FD와 매입형 FD를 포토 다이오드 영역이 인접하는 모서리부에 구성하는 경우의 평면 구성도.
도 18은 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 단면 구성도.
도 19는 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 평면 구성도.
도 20은 도 19의 XX-XX선상에 따른 단면 구성도.
도 21은 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 22는 도 21의 XXII-XXII선상에 따른 단면 구성도.
도 23은 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 24는 도 23의 XXIV-XXIV선상에 따른 단면 구성도.
도 25는 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 26은 도 25의 XXVI-XXVI선상에 따른 단면 구성도.
도 27은 제 9의 실시 형태에 있어서, 매입형 FD를 공유한 때의 개략 평면 구성도.
도 28은 본 발명의 제 10의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성도.
도 29는 도 28의 XXIX-XXIX선상에 따른 단면 구성도.
도 30은 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예(그 1).
도 31은 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예(그 2).
도 32는 본 발명의 제 11의 실시 형태에 관한 전자기기의 개략 구성도.
도 33은 종래예의 고체 촬상 장치의 개략 단면 구성도.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치와 그 제조 방법, 및 전자기기의 한 예를, 도 1 내지 도 32를 참조하면서 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 이하의 순서로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 예로 한정되는 것이 아니다.
1. 제 1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
1-1 고체 촬상 장치 전체의 구성
1-2 주요부의 구성
2. 제 2의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
3. 제 3의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
3-1 주요부의 구성
3-2 제조 방법(그 1)
3-3 제조 방법(그 2)
4. 제 4의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
5. 제 5의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
6. 제 6의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
7. 제 7의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
8. 제 8의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
9. 제 9의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
10. 제 10의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
11. 제 11의 실시 형태 : 전자기기
<1. 제 1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
[1-1 고체 촬상 장치의 전체의 구성]
도 1은, 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS형의 고체 촬상 장치(1)의 전체를 도시하는 개략 구성도이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 실리콘으로 이루어지는 기판(11)상에 배열된 복수의 화소(2)로 구성되는 화소부(3)와, 수직 구동 회로(4)와, 칼럼 신호 처리 회로(5)와, 수평 구동 회로(6)와, 출력 회로(7)와, 제어 회로(8) 등을 갖고서 구성된다.
화소(2)는, 포토 다이오드로 이루어지는 수광부와, 복수의 MOS 트랜지스터로 구성되고, 기판(11)상에, 2차원 어레이형상으로 규칙적으로 복수 배열된다. 화소(2)를 구성하는 MOS 트랜지스터는, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 앰프 트랜지스터로 구성되는 4개의 MOS 트랜지스터라도 좋고, 또한, 선택 트랜지스터를 제외한 3개의 트랜지스터라도 좋다.
화소부(3)는, 2차원 어레이형상으로 규칙적으로 복수 배열된 화소(2)로 구성된다. 화소부(3)는, 실제로 광을 수광하고 광전 변환에 의해 생성된 신호 전하를 증폭하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 판독하는 유효 화소 영역과, 흑 레벨의 기준이 되는 광학적 흑을 출력하기 위한흑 기준 화소 영역(도시 생략)으로 구성되어 있다. 흑 기준 화소 영역은, 통상은, 유효 화소 영역의 외주부에 형성되는 것이다.
제어 회로(8)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 및 수평 구동 회로(6) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호 등을 생성한다. 그리고, 제어 회로(8)에서 생성된 클록 신호나 제어 신호 등은, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등에 입력된다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 화소부(3)의 각 화소(2)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사한다. 그리고, 각 화소(2)의 포토 다이오드에서 수광량에 응하여 생성한 신호 전하에 의거한 화소 신호를, 수직 신호선을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 예를 들면, 화소(2)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(2)로부터 출력되는 신호를 화소렬마다 흑 기준 화소 영역(도시하지 않지만, 유효 화소 영역의 주위에 형성된다)으로부터의 신호에 의해, 노이즈 제거나 신호 증폭 등의 신호 처리를 행한다. 칼럼 신호 처리 회로(5)의 출력단(段)에는, 수평 선택 스위치(도시 생략)가 수평 신호선(10)과의 사이에 마련되어 있다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(10)에 출력시킨다.
출력 회로(7)는, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 수평 신호선(10)을 통하여, 순차적으로 공급되는 신호에 대해 신호 처리를 행하여 출력한다.
[1-2 주요부의 구성]
도 2는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 1화소분의 평면 구성도이고, 도 3은, 도 2의 III-III선상에 따른 단면 구성도이다.
도 2, 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 화소(2)는, 반도체 기판(14)의 내부에 형성된 매입형 포토 다이오드(이하, PD)(23) 및 매입형 플로팅 디퓨전(이하, FD)(16)을 갖고서 구성되어 있다. 또한, 반도체 기판(14) 상부에는 매입형 게이트 전극(22)을 갖고서 구성되어 있다. 또한, 이들의 화소(2)가 형성된 반도체 기판(14)의 표면측에는 배선층(44)이 형성되어 있다.
반도체 기판(14)은, 제 1 도전형(이하, p형)의 실리콘 기판에 의해 구성되어 있다.
배선층(44)은, 반도체 기판(14)의 표면측에 층간 절연막(15)을 통하여 형성된 알루미늄(Al), 또는 구리(Cu)로 이루어지는 배선(19)을 갖고서 구성되어 있다. 도 3에서는, 배선층(44)에 형성되는 배선(19)을 1층만 도시하였지만, 실제로는, 복수층 적층된 구조가 된다.
매입형 PD(23)는, 반도체 기판(14)의 소정의 깊이에 형성된 p형 고농도 불순물 영역(18)과, p형 고농도 불순물 영역(18)의 하층에 형성된 제 2 도전형(이하, n형) 불순물 영역(17)으로 구성되어 있다. 즉, 매입형 PD(23)는, 주로, p형 고농도 불순물 영역(18)과 n형 불순물 영역(17)의 pn접합에 의해 구성되어 있다. 본 실시 형태예에서는, 이 매입형 PD(23)를 구성하는 pn접합이, 반도체 기판(14)의 표면부터 약 1㎛ 정도의 깊이가 되도록 구성되어 있다. 도 2의 평면도에서는, 화소(2)를 평면으로 본 때에, 매입형 PD(23)가 형성되어 있는 영역을 「포토 다이오드 영역(12)」으로서 도시한다.
매입형 FD(16)는, 반도체 기판(14)에 형성된 트렌치부(20) 저부에 상당하는 반도체 기판(14) 내에 형성된 n형 고농도 불순물 영역에 의해 구성되어 있고, 매입형 PD(23)와 동등한 깊이에 형성되어 있다. 즉, 트렌치부(20)는, 반도체 기판(14)의 표면부터 약 1㎛ 정도의 깊이에 형성되어 있다. 그리고, 매입형 FD(16)는, 반도체 기판(14)의 표면측에 층간 절연막(15)을 통하여 형성되어 있는 소망하는 배선(19)에 텅스텐(W)으로 이루어지는 콘택트부(21)를 통하여 접속되어 있다.
매입형 게이트 전극(22)은, 예를 들면 폴리실리콘으로 구성되어 있고, 반도체 기판(14)에 형성된 트렌치부(20) 내의 저부를 포함하는 반도체 기판(14)상에 게이트 절연막(24)을 통하여 형성되어 있다. 또한, 이 매입형 게이트 전극(22)은, 콘택트부(21)를 통하여, 반도체 기판(14)의 표면측에 형성된 소망하는 배선(19)에 접속되어 있다. 이 매입형 게이트 전극(22)은, 매입형 FD(16)와 매입형 PD(23) 사이의 반도체 기판(14) 상부에 형성되어 있고, 매입형 PD(23)에서 생성된 신호 전하를 매입형 FD(16)에 전송하기 위한 전송 트랜지스터(Tr1)를 구성하는 것이다. 본 실시 형태예의 전송 트랜지스터(Tr1)는, n채널 MOS 트랜지스터로 되어 있다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 도 2의 평면도에서 도시하는 바와 같이, 매입형 FD(16)에 걸처지지 않는 범위 내에서, 매입형 게이트 전극(22)이 트렌치부(20) 외부의 반도체 기판(14) 상부에 일부 비어져 나오도록 형성되어 있다. 이와 같이, 매입형 게이트 전극(22)을 일부 트렌치부(20) 외부에 비어져 나오도록 형성하여도 좋기 때문에, 게이트 전극 제조시에 있어서의 마스크 맞춤이 용이해진다. 또한, 매입형 게이트 전극(22) 자체를 크게할 수 있기 때문에, 콘택트부(21)의 형성이 용이해진다.
그리고, 반도체 기판(14)에서는, 매입형 PD(23), 매입형 FD(16), 및 매입형 게이트 전극(22)을 포함하여 구성되는 화소(2)는, 도 2에 도시하는 바와 같이 소자 분리 영역(13)으로 구획된 영역 내에 형성되어 있다. 소자 분리 영역(13)은, 예를 들면, p형의 고농도 불순물 영역에 형성되지만, 도 3에 도시하는 단면도에서는 도시를 생략하고 있다. 또한, 실제로는, 전송 트랜지스터(Tr1) 외에, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 등의 화소 트랜지스터도 구성되지만, 여기서는 도시를 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 반도체 기판(14)의 표면측부터 광을 조사하는 표면 조사형의 고체 촬상 장치로 하여도 좋고, 또한, 반도체 기판(14)의 이면측부터 광을 조사하는 이면 조사형의 고체 촬상 장치로서 구성하여도 좋다. 표면 조사형의 고체 촬상 장치로 하는 경우는, 반도체 기판 상부에 형성된 배선층(44) 상부에, 소망하는 광을 투과하기 위한 컬러 필터층과, 입사된 광을 효율적으로 매입형 PD(23)에 집광하기 위한 온 칩 렌즈를 차례로 형성한다. 또한, 이면 조사형의 고체 촬상 장치로 하는 경우는, 반도체 기판(14)의 배선층(44)이 형성된 측과는 반대측의 면인 이면에, 컬러 필터층과 온 칩 렌즈를 차례로 형성한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 반도체 기판(14) 내에 형성된 매입형 PD(23)에 있어서, 광전 변환에 의해, 입사광의 광량에 응한 신호 전하가 생성, 축적된다. 그리고, 배선층(44)에 형성된 배선(19) 및 콘택트부(21)를 통하여 매입형 게이트 전극(22)에 소망하는 전송 전압을 인가함에 의해, 매입형 PD(23)에 축적된 신호 전하는 화살표(R1)로 도시하는 바와 같이 전송 경로를 통하여 매입형 FD(16)에 전송된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 매입형 PD(23)에서 생성·축적된 신호 전하는, 도 3의 화살표(R1)로 도시하는 바와 같이, 그 매입형 PD(23)와 동등한 깊이에 형성된 매입형 FD(16)에 전송되기 때문에 양호한 전하 전송이 가능해진다. 종래의 고체 촬상 장치에서는, 도 28, 29에 도시한 바와 같이, 반도체 기판 내부에 포토 다이오드를 형성한 경우에는, 신호 전하를 기판 표면에 판독하기 때문에, 전송 경로가 길어져 버리고 전하 신호의 전송 나머지가 발생하는 문제가 있다. 그러나, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 전송 경로가 짧아지기 때문에, 전송 나머지 등의 문제가 해결된다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 매입형 PD(23)로 함에 의해, 반도체 기판(14) 표면에서의 구조물에 제한되는 일 없이, 반도체 기판(14) 내에 포토 다이오드 영역(12)을 넓힐 수 있다.
도 4에, 반도체 기판(14) 표면측에 전송 트랜지스터(Tr1) 이외의 화소 트랜지스터(25)(예를 들면, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터, 등)를 형성한 경우의 개략 단면 구성도를 도시한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 화소 트랜지스터(25)는, 반도체 기판(14)의 표면측에 형성된 소스·드레인 영역(26)과, 반도체 기판(14) 표면에, 게이트 절연막(42)을 통하여 형성된 게이트 전극(27)을 갖고서 구성된다. 이 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이, 화소 트랜지스터(25)가, 반도체 기판(14)의 포토 다이오드 영역(12) 내에 형성되었다고 하여도, 매입형 PD(23)의 형성 면적은 넓게 취할 수 있기 때문에, 포화 전하량(Qs)이 감소하는 일이 없다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(14)의 이면측부터 광(L)을 조사하는 광 조사형의 고체 촬상 장치로서 구성하는 경우에는, 개구 면적이 감소하는 일도 없다. 이 때문에, 화소 사이즈가 미세화된 경우에도, 높은 포화 전하량(Qs)을 유지하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에 의하면, 반도체 기판(14) 내에 높은 포화 전하량(Qs)을 갖는 매입형 PD(23)를 형성한 경우에도, 전송 효율을 감소시키는 일 없이, 매입형 FD(16)에 효율적으로 신호 전하를 전송하는 것이 가능해진다. 즉, 포화 전하량(Qs)의 증가와, 신호 전하의 완전 전송의 양립이 가능해진다.
<2. 제 2의 실시 형태>
다음에, 본 발명의 제 2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 5는, 본 발명의 제 2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 6은, 도 5의 VI-VI선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 5, 6에서, 도 2, 3에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 인접하는 2개의 화소(2)에서, 하나의 매입형 FD(16)를 공유하여 구성되어 있다. 이 경우, 도 6에 도시하는 바와 같이, 인접하는 2개의 포토 다이오드 영역(12)의 사이의 영역에, 트렌치부(20)가 형성되고, 그 트렌치부(20) 저부에 상당하는 반도체 기판(14) 내에 매입형 FD(16)가 형성되어 있다. 그리고, 매입형 FD(16)와, 그 매입형 FD(16)에 인접하는 각각의 매입형 PD(23) 사이의 트렌치부(20) 내저부에는, 각각의 화소(2)의 전송 트랜지스터(Tr1)를 구성하는 매입형 게이트 전극(22)이 형성되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 하나의 매입형 FD(16)를 공유하는 2개의 화소(2)에서, 각 매입형 PD(23)에 축적된 신호 전하는, 차례로 공유되어 있는 매입형 FD(16)에 판독된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 2개의 화소(2)에서, 하나의 매입형 FD를 공유할 수 있기 때문에, 2개의 화소(2)에 대해 하나의 트렌치부(20)를 형성하면 좋고, 전송 트랜지스터(Tr1)에 필요로 하는 면적의 감소가 도모된다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 트렌치부(20)가, 2화소에 걸쳐서 형성되기 때문에, 하나의 매입형 PD(23)에 대해 하나의 트렌치부(20)를 형성하는 경우에 비교하여, 트렌치부(20)를 크게 형성할 수 있고 제조가 용이해진다.
<3. 제 3의 실시 형태>
다음에, 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
[3-1 주요부의 구성]
도 7은, 본 발명의 제 3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 8은, 도 7의 VIII-VIII선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 7, 8에서, 도 2, 3에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치에서, 전송 트랜지스터(Tr1)를 구성하는 매입형 게이트 전극(28)이 트렌치부(20) 내에만 형성된 예이다.
즉, 매입형 게이트 전극(28)은 매입형 PD(23)로부터 매입형 FD에의 신호 전하의 전송 경로 상부가 되는 트렌치부(20) 내의 저부에만 형성되어 있고, 트렌치부(20) 측벽이나, 트렌치부(20) 그 밖의 반도체 기판(14) 표면에는 형성되지 않는다.
이상의 구성을 갖는 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서도, 제 1의 실시 형태와 마찬가지로 하여, 매입형 PD(23)로부터 그 매입형 PD(23)와 동등한 깊이에 형성된 매입형 FD(16)에 신호 전하가 전송된다. 그리고, 본 실시 형태예에서도, 전송 경로가 짧아지기 때문에 매입형 PD(23)에 축적된 신호 전하의 전송 나머지를 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 매입형 게이트 전극(28)이 트렌치부(20) 내 저부에만 형성된 구성으로 되어 있기 때문에, 매입형 게이트 전극(28)에 전송 전압을 인가한 때에 신호 전하의 전송 경로 이외의 반도체 기판(14)에의 전압의 인가가 이루어지지 않는다. 이에 의해, 매입형 PD(23) 내에 축적된 신호 전하를 효율적으로 매입형 FD(16)에 전송하는 것이 가능해진다.
[3-2 제조 방법(1)]
도 9의 A 내지 도 12의 J에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(1)에 관한 제조 공정도를 도시한다.
우선, 반도체 기판(14)을 준비하고, 도 9의 A에 도시하는 바와 같이 반도체 기판(14)의 소망하는 깊이에 p형 불순물 및 n형 불순물을 이온 주입함에 의해, p형 고농도 불순물 영역(18)과 n형 불순물 영역(17)을 형성하고, 매입형 PD(23)를 형성한다. 이 매입형 PD(23)는, 반도체 기판(14)의 소망하는 영역에 복수 형성한다. 그 후, 매입형 PD(23)에 인접하는 영역의 반도체 기판(14)을 표면부터 에칭 제거함에 의해, 매입형 PD(23)에 이른 깊이에 트렌치부(20)를 형성한다.
그 후, 도 9의 B에 도시하는 바와 같이, 트렌치부(20)의 저부 및 측벽을 포함하는 반도체 기판(14) 표면에 실리콘 산화막으로 이루어지는 산화막(29)을 성막한다.
그리고, 전면 에이치 백함에 의해, 도 9C에 도시하는 바와 같이 트렌치부(20)의 측벽에 형성된 산화막(29)만을 남긴다.
다음에, 도 10의 D에 도시하는 바와 같이, 트렌치부(20) 저부를 포함하는 반도체 기판(14) 전면에 실리콘 산화막으로 이루어지는 게이트 절연막(24)을 성막한다.
다음에, 도 10의 E에 도시하는 바와 같이, 트렌치부(20)를 매입하도록 반도체 기판(14) 전면에 폴리실리콘층(28a)을 퇴적한다. 이 경우, 폴리실리콘층(28a)의 윗면의 평탄도를 향상시키기 위해, CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 행하여도 좋다.
다음에, 도 10의 F에 도시하는 바와 같이, 폴리실리콘층(28a)을 에이치 백함에 의해, 트렌치부(20) 저부에만 폴리실리콘층(28a)으로 이루어지는 매입형 게이트 전극(28)을 형성한다.
다음에, 도 11의 G에 도시하는 바와 같이, 트렌치부(20) 저부에 형성된 매입형 게이트 전극(28)을 피복하여, 반도체 기판(14) 전면에 실리콘 산화막으로 이루어지는 산화막(30)을 형성한다. 그 후, 산화막(30) 윗면을 CMP에 의해 평탄화한다.
다음에, 도 11의 H에 도시하는 바와 같이, 산화막(30) 상부에, 소망하는 영역이 개구된 레지스트(31)를 형성하고, 상기 레지스트(31)를 마스크로 하여 레지스트(31)의 하층의 산화막(30) 및 반도체 기판(14)을 에칭 제거함에 의해, 다시 트렌치부(32)를 형성한다. 이 트렌치부(32)는 트렌치부(20)를 더욱 넓히도록 형성되는 것이고, 트렌치부(20)와 동등한 깊이에 형성된다.
다음에, 도 11I에 도시하는 바와 같이, 상기 레지스트(31)와 상기 산화막(30)을 마스크로 하여, 트렌치부(32) 저부에 면하는 반도체 기판(14)에 n형의 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 FD(16)를 형성한다.
이에 의해, 매입형 PD와 동등한 깊이에 형성된 매입형 FD(16)가 형성된다.
다음에, 도 12의 J에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(14) 표면에 층간 절연막(15), 콘택트부(21), 배선(19)을 통상 행하여지는 방법으로 형성함에 의해, 도 7, 및 도 8에 도시하는 고체 촬상 장치가 완성된다.
본 실시 형태예의 제조 방법(그 1)에서는, 매입형 PD(23)를 트렌치부(20) 형성 전에 행하였지만, 트렌치부(20)를 형성한 후에 행하여도 좋다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법은 이것로 한정되는 것이 아니다. 다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관해 설명한다.
[3-3 제조 방법(그 2)]
도 13의 A 내지 도 14의 F에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 제조 방법(그 2)에 관한 제조 공정도를 도시한다.
우선, 도 13의 A에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(14) 상부에, 실리콘 산화막으로 이루어지는 게이트 절연막(24)을 형성한다.
다음에, 도 13의 B에 도시하는 바와 같이, 게이트 절연막(24) 상부의 소망하는 영역에 폴리실리콘으로 이루어지는 매입형 게이트 전극(28)을 형성한다. 그 후, 매입형 게이트 전극(28)을 피복하도록 또한, 실리콘 산화막으로 이루어지는 산화막(33)을 형성한다.
다음에, 도 13의 C에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(14)의 매입형 게이트 전극(28)에 인접하는 한쪽 측의 소망하는 영역에, 이온 주입에 의해 p형 고농도 불순물 영역(18) 및 n형 불순물 영역(17)을 형성함에 의해 매입형 PD(23)를 형성한다. 또한, 반도체 기판(14)의 매입형 게이트 전극(28)에 인접하는 다른쪽 측의 소망하는 영역에, 이온 주입에 의해 n형 고농도 불순물 영역을 형성함에 의해, 매입형 FD(16)를 형성한다. 이 경우, 매입형 PD(23), 및 매입형 FD(16)는, 매입형 게이트 전극(28)을 마스크로 하여, 매입형 게이트 전극(28) 곁에 셀프 얼라인으로 형성된다.
다음에, 도 14의 D에 도시하는 바와 같이, 매입형 게이트 전극(28)과 매입형 FD(16) 상부의 산화막(33)만을 남기고, 산화막(33)을 에칭에 의해 제거하고, 반도체 기판(14)을 노출시킨다.
다음에, 도 14의 E에 도시하는 바와 같이, 에피택셜 성장법에 의해, 매입형 게이트 전극(28) 및 매입형 FD(16)가 형성된 영역 이외의 반도체 기판(14)을 선택 성장시킴에 의해, 트렌치부(20)를 형성한다.
다음에, 도 14의 F에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(14) 표면에 층간 절연막(15), 콘택트부(21), 배선(19)을 통상 행하여지는 방법으로 형성함에 의해, 도 7, 및 도 8에 도시하는 고체 촬상 장치가 완성된다.
이상의 제조 방법(그 2)에서는, 매입형 PD(23)를 매입형 게이트 전극(28)의 형성 전에 형성하는 예로 하였지만, 트렌치부(20)를 형성한 후에 형성할 수도 있다.
이와 같은 제조 방법(그 1, 그 2)에 의해, 트렌치부(20) 내의 저부에만 매입형 게이트 전극(28)을 형성할 수 있다.
<4. 제 4의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 15는, 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 16은, 도 15의 XVI-XVI선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 15, 16에서, 도 2, 3에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 제 1의 실시 형태의 고체 촬상 장치(1)에서의 화소(2)가, 배선층측 포토 다이오드(이하, PD) 및 배선층측 플로팅 디퓨전(이하, FD)을 또한 갖고서 구성되는 예이다. 도 15의 평면도에서는, 화소(2)를 평면으로 본 때에, 매입형 PD(23), 및 배선층측 PD(37)가 형성되어 있는 영역을 「포토 다이오드 영역(12)」으로서 도시한다.
배선층측 PD(37)는, 반도체 기판(14)의 표면측에 형성된 p형 고농도 불순물 영역(38)과 그 하층에 형성된 n형 불순물 영역(39)으로 구성되고, 주로, p형 고농도 불순물 영역(38)과 n형 불순물 영역(39) 사이의 pn접합에 의해 구성되어 있다. 또한, 이 배선층측 PD(37)는, 매입형 PD(23)의 상부에 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태예의 화소(2)는, 포토 다이오드 영역(12)에 있어서, 반도체 기판(14)의 깊이 방향으로 배선층측 PD(37)와 매입형 PD(23)의 2층의 포토 다이오드를 갖고서 구성되어 있다.
또한, 매입형 PD(23)와 배선층측 PD(37) 사이의 영역으로서, 트렌치부(20)의 측면에 접하는 영역에는, p형 고농도 불순물 영역에 의해, 포토 다이오드 분리 영역(40)이 형성되어 있다. 이 포토 다이오드 분리 영역(40)은, 매입형 PD(23)와 배선층측 PD(37)의 사이에서 신호 전하가 흐른 것을 막기 위해 형성된 것이고, 도 16에서 도시한 영역 외에, 도시하지 않지만, 매입형 PD(23)와 배선층측 PD(37)를 분리하는 소망하는 영역에 형성하여도 좋다. 또한, 이 포토 다이오드 분리 영역(40)을 구성하는 p형 고농도 불순물 영역은, 트렌치부(20) 측면(반도체 기판의 계면)의 결함에 기인하는 암전류를 억제하는 효과도 있다.
배선층측 FD(36)는, 포토 다이오드 영역(12)에 대해 매입형 FD(16)가 형성된 영역과는 대각(對角)이 되는 반도체 기판(14)의 표면측에, n형 고농도 불순물 영역에 의해 형성되어 있다.
그리고, 배선층측 PD(37)와 배선층측 FD 사이의 반도체 기판(14) 상부에는, 게이트 절연막(34)을 통하여 배선층측 게이트 전극(35)이 형성되어 있다. 또한, 배선층측 FD(36) 및 배선층측 게이트 전극(35)은 콘택트부(21)를 통하여, 반도체 기판(14)의 표면측에 형성된 소망하는 배선(19)에 접속되어 있다. 이 배선층측 게이트 전극(35)은, 배선층측 FD(36)와 배선층측 PD(37) 사이의 영역에 형성되어 있고, 배선층측 PD(37)에서 생성된 신호 전하를 배선층측 FD(36)에 전송하기 위한 전송 트랜지스터(Tr2)를 구성하는 것이다.
이상의 구성을 갖는 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 매입형 PD(23)에서 생성·축적된 신호 전하는 매입형 게이트 전극(22)에 전송 전압이 인가됨에 의해, 도 16의 화살표(R1)로 도시하는 바와 같이 매입형 FD(16)에 전송된다. 또한, 배선층측 PD(37)에서 생성·축적된 신호 전하는 게이트 전극(35)에 전송 전압이 인가됨에 의해, 도 16의 화살표(R2)로 도시하는 바와 같이 배선층측 FD(36)에 전송된다.
매입형 게이트 전극(22)과 배선층측 게이트 전극(35)에는 각각 별개의 전압을 인가하여도 좋고, 또한, 매입형 게이트 전극(22)과 배선층측 게이트 전극(35)을 배선(19)에 의해 전기적으로 접속함에 의해, 같은 전압을 인가하여도 좋다.
매입형 게이트 전극(22) 및 배선층측 게이트 전극(35)에 별개의 전압이 인가되는 경우에는, 매입형 PD(23) 및 배선층측 PD(37)의 신호 전하를, 다른 타이밍에서 매입형 FD(16) 및 배선층측 FD(36)에 각각 전송할 수 있다. 또한, 매입형 게이트 전극(22) 및 배선층측 게이트 전극(35)에 별개의 전압이 인가되는 경우에도, 매입형 PD(23) 및 배선층측 PD(37)의 신호 전하를 동시에 전송하는 것도 가능하다.
매입형 게이트 전극(22)과 배선층측 게이트 전극(35)이 배선(19)에 의해 접속되어 있는 경우에는, 매입형 PD(23) 및 배선층측 PD(37)의 신호 전하는, 각각 동시에 매입형 PD(16) 및 배선층측 FD(36)에 전송된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 포토 다이오드 영역(12) 내에 배선층측 PD(37)와 매입형 PD(23)의 2층의 포토 다이오드가 형성된다. 이 때문에, 2개의 포토 다이오드에서 생성된 신호 전하를 가산함에 의해, 높은 포화 전하량(Qs)을 얻을 수 있다.
본 실시 형태예에서는, 매입형 FD(16)와 배선층측 FD(36)가 포토 다이오드 영역(12)에 대해 대각 상(上)에 오는 구성으로 하였지만, 도 17에 도시하는 바와 같이, 매입형 FD(16)와 배선층측 FD(36)를 서로 인접하여 형성하는 예로 하여도 좋다. 이 경우에 있어서, 도 17의 XVI-XVI선상에 따른 단면 구성은, 도 16과 같은 구성이 채택된다.
그런데, 배선층측 PD(37)와 매입형 PD(23)에 의해, 2층의 포토 다이오드를 구성하는 경우, 반도체 기판(14) 내의 깊이 방향에서 광의 흡수률이 파장에 따라 다른 것을 이용한 종방향 분광을 할 수가 있다.
이하의 제 5의 실시 형태에서, 종방향 분광을 이용한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
<5. 제 5의 실시 형태>
도 18에, 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 개략 단면 구성을 도시한다. 여기서는, 반도체 기판의 배선층이 형성된 측부터 광이 조사되는 표면 조사형의 고체 촬상 장치를 예로 하여 설명한다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 18에서, 도 16에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 배선층(44) 상부의 광 조사측에는, 녹색(G)의 광(Lg)에 의한 신호 전하를 생성하는 유기 광전 변환층(41)을 형성한다. 또한, 배선층측 PD(37)는, 청색(B)의 광(Lb)에 의한 신호 전하를 생성하기 위해 반도체 기판(14)의 광입사면부터 개략 0.5㎛의 영역에 형성한다. 또한, 매입형 PD(23)는, 적색(R)의 광(Lr)에 의한 신호 전하를 생성하기 위해, 반도체 기판(14)이 예를 들면 3㎛의 두께인 경우는, 광입사면부터 개략 0.5㎛ 내지 3㎛의 영역에 형성한다. 반도체 기판(14)의 두께가 3㎛보다 두꺼운 경우는, 제 2의 매입형 PD(57)를 기판의 깊이 방향으로 넓힐 수 있다.
이상의 구성을 갖는 고체 촬상 장치에서는, 각 화소(2)에서, 녹색(G)의 광(Lg)에 의한 신호 전하는, 유기 광전 변환층(41)에서 생성된다. 또한, 청색(B)의 광(Lb)에 의한 신호 전하는 배선층측 PD(37)에서 생성된다. 또한, 적색(R)의 광(Lr)에 의한 신호 전하는 매입형 PD(23)에서 생성된다. 그리고, 유기 광전 변환층(41)에서 생성된 신호 전하는, 도시하지 않은 플로팅 디퓨전에 전송된다. 또한, 배선층측 PD(37)에서 생성된 신호 전하는, 배선층측 FD(36)에 전송된다. 또한, 매입형 PD(23)에서 생성된 신호 전하는, 매입형 PD(16)에 전송된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, RGB의 광중, 1색의 광을 유기 광전 변환층(41)에서 광전 변환하고, 나머지 2색을 반도체 기판(14) 내에 적층하여 형성된 2개의 포토 다이오드에서 각각 광전 변환한다. 이에 의해, 입사광을 종방향으로 분광하여 RGB의 광을 각각 별개에서 생성할 수 있기 때문에, 컬러 필터층을 구성할 필요가 없다. 또한, 1화소(2) 내에서, RGB의 광을 전부 광전 변환할 수 있기 때문에 1화소당의 광의 이용 효율이, 종래의 컬러 필터층을 별도 이용하여 분광을 행하는 화소보다도 3배 높아진다. 이 때문에, 감도의 향상이 도모된다.
또한, 본 실시 형태예에서는, 유기 광전 변환층(41)에서 흡수하는 광을 녹색의 광(Lg)으로 하는 예로 하였지만, 적색의 광(Lr)으로 하여도 좋고, 그 경우는, 청색의 광(Lb)을 배선층측 PD(37)에서 흡수하고, 녹색의 광을 매입형 PD(23)에서 흡수하는 구성으로 하면 좋다. 또한, 유기 광전 변환층(41)에서 흡수하는 광을 청색의 광(Lb)으로 하여도 좋고, 그 경우는, 녹색의 광(Lg)을 배선층측 PD(37)에서 흡수하고, 적색의 광(Lr)을 매입형 PD(23)에서 흡수하는 구성으로 하면 좋다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 유기 광전 변환층(41)에서 흡수하는 광을 녹색의 광(Lg)으로 함으로써, 반도체 기판(14) 내에서 흡수되는 광을, 파장이 벌어진 청색의 광(Lb)과 적색의 광(Lr)으로 할 수 있다. 이에 의해, 반도체 기판(14) 내에서의 광의 분리를 보다 확실하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는 표면 조사형의 고체 촬상 장치를 예로 하였지만, 이면 조사형의 고체 촬상 장치로 구성할 수도 있다. 그 경우는, 유기 광전 변환층(41)을 반도체 기판(14)의 이면측에 구성한다. 그리고, 광 입사측이 되는 매입형 PD(23)에서 보다 파장이 짧은 광을 흡수하고, 광 입사측부터 먼 배선층측 PD(37)에서 파장이 긴 광을 흡수하는 구성으로 하면 좋다.
<6. 제 6의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 19는, 본 발명의 제 6의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 20은, 도 19의 XX-XX선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 19, 20에서, 도 15, 16에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 인접하는 화소 사이에서, 배선층측 FD(36)와 매입형 FD(16)가 각각 공유되는 예이다.
도 19에 도시하는 바와 같이, 하나의 화소(2)를 주목하여 보면, 매입형 FD(16)와 배선층측 FD(36)는, 각각 포토 다이오드 영역(12)의 대각상에 형성되어 있다. 그리고, 매입형 FD(16)는, 그 화소(2)와 한쪽의 측에 인접하는 화소(2)와의 사이에서 공유되어 있고, 배선층측 FD(36)는, 그 화소(2)와 다른쪽의 측에 인접하는 화소(2)와의 사이에서 공유되어 있다. 즉, 배선층측 FD(36)와 매입형 FD(16)는, 각각 다른 방향으로 인접하는 화소 사이에서 공유되어 있다.
이 경우, 매입형 FD(16)의 공유 방법은, 제 2의 실시 형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.
배선층측 FD(36)는, 도 20에 도시하는 바와 같이, 어느 화소(2)와, 그 화소(2)에 인접하는 화소(2)에 형성된 2개의 배선층측 PD(37) 사이의 영역에 형성되어 있다. 그리고, 배선층측 FD(36)와 각 화소(2)의 배선층측 PD(37) 사이에는, 각각 배선층측 게이트 전극(35)이 형성되어 있다. 이에 의해, 배선층측 PD(37)에서 생성된 신호 전하는, 배선층측 게이트 전극(35)에의 소망하는 전압을 인가함에 의해, 화살표(R2)로 도시하는 전송 경로를 통하여, 인접 화소 사이에서 공유되는 배선층측 FD(36)에 전송된다. 또한, 인접 화소 사이에서 공유되는 배선층측 FD(36)에는, 각 화소(2)의 배선층측 PD(37)로부터 다른 타이밍에서 신호 전하가 전송된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 배선층측 FD(36)와 매입형 FD(16)가 인접하는 화소(2)에서 공유된다. 이에 의해, 배선층측 FD(36)와 매입형 FD(16)의 형성에 필요한 면적을 감소할 수 있고, 화소 사이즈의 축소화가 가능해지는 외에, 제 2의 실시 형태와 같은 효과를 이룬다.
<7. 제 7의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 21은, 본 발명의 제 7의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 22는, 도 21의 XXII-XXII선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 21, 22에서, 도 15, 16에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 하나의 화소 내에서의 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 접속되어 형성된 예이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 도 21에 도시하는 바와 같이, 폴리실리콘으로 이루어지는 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 하나의 화소 내에서 일체로 형성된 매입형 게이트 전극겸 배선층측 게이트 전극(50)이 구성되어 있다. 즉, 하나의 게이트 전극에 의해 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 구성되어 있다. 이와 같이, 매입형 게이트 전극(50a)과, 배선층측 게이트 전극(50b)이 접속된 구성으로 하기 때문에, 도 21에 도시하는 바와 같이, 매입형 FD(16)와 배선층측 FD(36)는, 화소(2) 내의 인접하는 모서리부에 각각 마련되는 것이 바람직하다. 매입형 FD(16)와 배선층측 FD(36)를 화소(2)의 인접하는 모서리부에 마련함에 의해, 양자의 거리가 가까워지고, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)을 용이하게 일체화하여 형성할 수 있다.
그리고, 이 매입형 게이트 전극겸 배선층측 게이트 전극(50)은, 도 22에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 매입형 게이트 전극(50a)측에 형성된 콘택트부(21)를 통하여 배선층(44)의 배선(19)에 접속되어 있다. 이 때, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)은 연결하여 형성되어 있기 때문에, 콘택트부(21)는, 하나의 화소(2)에 형성되는 매입형 게이트 전극겸 배선층측 게이트 전극(50)에 대해 하나 형성하면 좋다.
이상의 구성에 의해, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 1화소 내의 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)은 항상 동전위에 유지되어 있다. 그리고, 매입형 게이트 전극겸 배선층측 게이트 전극(50)에 소망하는 전송 전압을 인가함에 의해, 매입형 PD(23) 및 배선층측 PD(37)에 축적된 신호 전하는, 같은 타이밍에서, 각각 매입형 FD(16) 및 배선층측 FD(36)에 각각 전송된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 접속되어 형성되어 있기 때문에, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)에 제각기 콘택트부(21)를 형성할 필요가 없다. 이 때문에, 콘택트부(21)의 수를 줄일 수 있다.
그 밖에, 제 5의 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
<8. 제 8의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 23은, 본 발명의 제 8의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 24는, 도 23의 XXIV-XXIV선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 23, 24에서, 도 21, 22에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 제 7의 실시 형태예에 관한 고체 촬상 장치에서, 매입형 FD(16)를 인접하는 2개의 화소에서 공유하는 예이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 도 23, 24에 도시하는 바와 같이, 하나의 화소(2) 내에서, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 접속되어 구성되고, 또한, 인접하는 2개의 화소 사이에서 매입형 FD(16)를 공유하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 매입형 FD(16)는 2화소당 하나 형성되면 좋기 때문에, 매입형 FD(16)의 형성 면적을 줄일 수 있다. 또한, 하나의 화소(2) 내에서, 매입형 게이트 전극(50a)과 배선층측 게이트 전극(50b)이 일체로 형성되기 때문에, 매입형 게이트 전극겸 배선층측 게이트 전극(50)에 소망하는 전위를 주는 콘택트부(21)는 1개소 형성하면 좋다. 이 때문에, 콘택트부(21)의 수를 줄일 수 있다.
그 밖에, 제 1 및 제 4의 실시 형태와 같은 효과를 이룬다.
<9. 제 9의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 25는, 본 발명의 제 9의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 26은, 도 25의 XXVI-XXVI선상에 따른 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 25, 26에서 도 15, 16에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 제 4의 실시 형태의 고체 촬상 장치에서, 배선층측 FD(36)와 매입형 FD(16)가 포토 다이오드 영역(12)에 대해 같은 방향으로 형성된 예이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 도 26에 도시하는 바와 같이, 매입형 PD(27)로부터의 신호 전하의 판독 방향과, 배선층측 PD(37)로부터의 신호 전하의 판독 방향이, 화살표(R1 및 R2)로 도시하는 바와 같이, 동일 방향이 된다. 이에 의해, 매입형 PD(27)에 형성된 전송 트랜지스터(Tr1)와, 배선층측 PD(37)에 형성된 전송 트랜지스터(Tr2)는 서로 가까운 영역에 형성할 수 있기 때문에 배선이 용이해지고 화소 사이즈의 축소화에, 보다 유리한 구성이 된다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 도 27에 도시하는 바와 같이, 인접하는 화소(2)에서, 매입형 FD(16)를 공유하는 것이 가능하다.
<10. 제 10의 실시 형태 : 고체 촬상 장치>
다음에, 본 발명의 제 10의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 28은, 본 발명의 제 10의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 주요부의 개략 평면 구성이고, 도 29는, 도 28의 XXIX-XXIX선상에 따른 개략 단면 구성이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 같기 때문에 중복 설명을 생략한다. 또한, 도 28, 29에서, 도 15, 16에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 제 4의 실시 형태의 고체 촬상 장치에서, 2층의 매입형 포토 다이오드를 갖는 예이다.
도 28, 29에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 하나의 포토 다이오드 영역(12) 내에, 제 1의 매입형 PD(23)와, 제 2의 매입형 PD(57)와, 배선층측 PD(37)의 3개의 포토 다이오드를 갖고서 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 포토 다이오드 영역(12)에 3단의 포토 다이오드를 갖고서 구성되어 있다.
제 1의 매입형 PD(23)는, 예를 들면, 제 1의 실시 형태의 매입형 PD(23)와 같은 구성이 된다. 또한, 제 2의 매입형 PD(57)는, 제 1의 매입형 PD(23)의 더욱 하층에 형성된 p형 고농도 불순물 영역(58)과 n형 불순물 영역(59)의 pn접합을 갖고서 구성되어 있다.
그리고, 제 1의 매입형 PD(23) 및 제 2의 매입형 PD(57)에 대응하여, 제 1의 매입형 FD(16), 제 1의 매입형 게이트 전극(22), 제 2의 매입형 FD(56), 제 2의 매입형 게이트 전극(55)이 형성되어 있다.
제 1의 매입형 FD(16) 및 제 2의 매입형 FD(56)는, 계단형상(階段狀)으로 형성된 트렌치부(53)의 각단의 저부에 면하는 반도체 기판(14) 내에 각각 형성되어 있다. 계단형상으로 형성된 트렌치부(53)의 1단째의 깊이는, 제 1의 매입형 PD(23)와 같은 깊이에 형성되고, 2단째의 깊이는 제 2의 매입형 PD(57)와 같은 깊이에 형성되어 있다.
이 때문에, 제 1의 매입형 FD(16)는, 계단형상으로 형성된 트렌치부(53)의 1단째의 저부에 면하는 반도체 기판(14) 내에 형성되어 있다. 또한, 제 2의 매입형 FD(56)는, 계단형상으로 형성된 트렌치부(53)의 2단째의 저부(최저부)에 면하는 반도체 기판(14) 내에 형성되어 있다.
그리고, 제 1의 매입형 FD(16)와 제 2의 매입형 PD(57) 사이의 영역에는, p형 고농도 불순물 영역으로 이루어지는 분리 영역(60)이 형성되어 있다. 이 분리 영역(60)에 의해, 제 2의 매입형 PD(57)의 신호 전하가 제 1의 매입형 FD(16)에 누설되어 들어오는 것을 막을 수 있다. 도 29에서는, 제 1의 매입형 FD(16)의 하층에만 분리 영역(60)을 구성하는 예로 하였지만, 제 1의 매입형 PD(23)와 제 2의 매입형 PD(57) 사이의 영역에 분리 영역(60)을 형성하는 예로 하여도 좋다.
그리고, 제 1의 매입형 게이트 전극(22)은, 트렌치부(53) 내의 1단째의 저부를 포함하고, 제 1의 매입형 PD(23)와 제 1의 매입형 FD(16) 사이의 영역의 반도체 기판(14) 상부에 게이트 절연막(24)을 통하여 형성되어 있다. 제 1의 매입형 게이트 전극(22)은, 제 1의 매입형 PD(23)에 축적된 신호 전하를, 제 1의 매입형 FD(16)에 전송하기 위한 전송 트랜지스터(Tr1)를 구성하는 것이다.
제 2의 매입형 게이트 전극(55)은, 트렌치부(53) 내의 2단째의 저부(최저부)를 포함하고, 제 2의 매입형 PD(57)와 제 2의 매입형 FD(56) 사이의 영역의 반도체 기판(14) 상부에 게이트 절연막(54)을 통하여 형성되어 있다. 제 2의 매입형 게이트 전극(55)은, 제 1의 매입형 PD(57)에 축적된 신호 전하를, 제 2의 매입형 FD(56)에 전송하기 위한 전송 트랜지스터(Tr3)를 구성하는 것이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서는, 배선층측 PD(37)에서 생성, 축적된 신호 전하는, 화살표(R2)로 나타내는 전송 경로를 통과하고 배선층측 FD(36)에 전송된다. 또한, 제 1의 매입형 PD(23)에서 생성, 축적된 신호 전하는, 화살표(R1)로 도시하는 전송 경로를 통하여 제 1의 매입형 FD(16)에 전송된다. 또한, 제 2의 매입형 PD(57)에서 생성, 축적된 신호 전하는, 화살표(R3)로 도시하는 전송 경로를 통하여 제 2의 매입형 FD(56)에 전송된다.
이상과 같이, 매입형 PD의 깊이에 맞추어서 복수단으로 형성된 트렌치부를 형성함으로써, 복수단의 매입형 PD를, 그 매입형 PD와 동등한 깊이에 형성된 매입형 FD에 각각 전송할 수 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 제 1의 매입형 PD(23)와 제 2의 매입형 PD(57)에 의해, 2단의 매입형 PD를 형성하는 예로 하였지만, 2 이상의 매입형 PD를 형성하는 예로 하여도 좋다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에 의하면, 화소(2)의 포토 다이오드 영역(12) 내에, 복수단으로 포토 다이오드를 형성할 수 있기 때문에, 1화소당의 포화 전하량(Qs)이 증가한다. 또한, 반도체 기판(14) 내에 형성된 매입형 PD에서 생성, 축적된 신호 전하는, 그 매입형 PD와 동등한 깊이에 형성된 매입형 FD에 전송된다. 이 때문에, 전송 경로가 짧고, 전송 나머지를 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치를 종형 분광이 가능한 고체 촬상 장치로서 구성할 수도 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치를 표면 조사형으로, 또한 종형 분광이 가능한 고체 촬상 장치로서 이용하는 경우, 배선층측 PD(36)는, 청색(B)의 광에 의한 신호 전하를 생성하기 위해 반도체 기판(14)의 광입사면부터 대략 0.5㎛의 영역에 형성한다. 또한, 제 1의 매입형 PD(23)는, 녹색(G)의 광에 의한 신호 전하를 생성하기 위해, 반도체 기판(14)의 광입사면부터의 깊이가 대략 0.5㎛ 내지 1.5㎛의 영역에 형성한다. 또한, 제 2의 매입형 PD(57)는, 적색(R)의 광에 의한 신호 전하를 생성하기 위해, 반도체 기판(14)의 전체의 두께가 예를 들면 3㎛인 경우는 반도체 기판(14)의 광입사면부터의 깊이가 대략 1.5㎛ 내지 3㎛의 영역에 형성한다. 반도체 기판(14)의 두께가 3㎛보다 두꺼운 경우는, 제 2의 매입형 PD(57)를 기판의 깊이 방향으로 넓힐 수 있다.
이와 같이, 종형 분광이 가능한 고체 촬상 장치로서 이용한 경우, 반도체 기판(14)의 광 조사측에 컬러 필터층을 마련할 필요가 없다. 또한, 1화소 내에서, RGB의 광을 전부 광전 변환할 수 있기 때문에, 1화소당의 광의 이용 효율이, 종래의 컬러 필터를 이용하여 분광을 행하는 화소보다도 3배 높아진다. 이 때문에, 감도의 향상이 도모된다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서도, 배선층측 게이트 전극(35), 제 1의 매입형 게이트 전극(22), 제 2의 매입형 게이트 전극(55)을 일체로 형성하여, 동전위가 유지되는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 배선층측 게이트 전극(35), 제 1의 매입형 게이트 전극(22), 제 2의 매입형 게이트 전극(55)을 별개로 형성하고, 제각각의 전위로 제어하여도 좋다. 또한, 배선층측 게이트 전극(35), 제 1의 매입형 게이트 전극(22), 제 2의 매입형 게이트 전극(55)을 별개로 형성하여, 배선(19)으로 접속함에 의해, 동전위에 유지되는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서도, 제 6의 실시 형태와 마찬가지로 하여, 배선층측 FD(36), 및 제 2의 매입형 FD(16)를 인접하는 화소 사이에서 공유하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치와 같이, 반도체 기판(14)에 3층의 포토 다이오드를 구성하는 경우의 화소의 평면 레이아웃은, 여러가지의 구성을 취할 수 있다. 도 30에 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예를 도시한다.
도 30에서는, 배선층측 FD(36)와 제 1의 매입형 FD(16)와, 제 2의 매입형 FD(56)를 포토 다이오드 영역(12)에 대해 전부 다른 방향으로 형성하고 있다. 이 경우, 제 1의 매입형 FD(16)와 제 1의 매입형 게이트 전극(22)은, 제 1의 트렌치부(53a)에 형성하고, 제 2의 매입형 FD(56)와 제 2의 매입형 게이트 전극(55)은, 제 2의 트렌치부(53b)에 형성한다.
또한, 도 31에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 평면 레이아웃의 다른 예(그 2)를 도시한다. 도 31에서는, 배선층측 FD(36)와 제 1의 매입형 FD(16)와, 제 2의 매입형 FD(56)를 포토 다이오드 영역(12)에 대해 전부 같은 방향으로 형성하고 있다. 이 경우, 제 1의 매입형 FD(16)와 제 1의 매입형 게이트 전극(22)과, 제 2의 매입형 FD(56)와 제 2의 매입형 게이트 전극(55)은, 공통으로 형성된 동일한 트렌치부(53) 내에 형성된다. 또한, 이 때, 트렌치부(53)는, 도 29에 도시한 트렌치부와 같은 구성으로 하면 좋다.
상술한 제 1 내지 제 10의 실시 형태에서는, 입사광량에 응한 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬형상으로 배치되어 이루어지는 CMOS형 고체 촬상 장치에 적용한 경우를 예에 들어 설명하였다. 그러나, 본 발명은 CMOS형 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 또한 화소가 2차원 매트릭스형상으로 형성된 화소부의 화소열마다 칼럼 회로를 배치하여 이루어지는 칼럼 방식의 고체 촬상 장치 전반으로 한정하는 것도 아니다.
또한, 본 발명은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에도 적용 가능하다. 또한, 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 발명은, 화소부의 각 단위 화소를 행 단위로 차례로 주사하여 각 단위 화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체 촬상 장치로 한정되는 것이 아니다. 화소 단위로 임의의 화소를 선택하여, 해당 선택 화소로부터 화소 단위로 신호를 판독하는 X-Y 어드레스 형의 고체 촬상 장치에 대해서도 적용 가능하다.
또한, 고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 화소부와, 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 패키징된 촬상 기능을 갖는 모듈상태의 형태라도 좋다.
또한, 본 발명의 실시의 형태는, 상술한 제 1 내지 제 10의 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 그들을 조합시킨 구성이 가능하고, 여러가지의 변경이 가능하다. 또한, 상술한 예에서는, 주로 n채널 MOS 트랜지스터를 구성으로 하는 경우이지만, p채널 MOS 트랜지스터를 구성으로 할 수도 있다. p채널 MOS 트랜지스터로 하는 경우는, 각 도면에서, 그 도전형을 반전한 구성이 된다.
또한, 본 발명은, 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것이 아니라, 촬상 장치에도 적용 가능하다. 여기서, 촬상 장치란, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자기기인 것을 말한다. 또한, 전자기기에 탑재된 상기 모듈상태의 형태, 즉 카메라 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.
<11. 제 11의 실시 형태 : 전자기기>
다음에, 본 발명의 제 11의 실시 형태에 관한 전자기기에 관해 설명한다. 도 32는, 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 전자기기의 개략 구성도이다.
본 실시 형태예의 전자기기는, 상술한 본 발명의 제 1의 실시 형태에서의 고체 촬상 장치(1)를 전자기기(카메라)에 이용한 경우의 실시 형태를 나타낸다.
본 실시 형태에 관한 전자기기는, 고체 촬상 장치(1)와, 광학렌즈(210)와, 셔터 장치(211)와, 구동 회로(212)와, 신호 처리 회로(213)를 갖는다.
광학렌즈(210)는, 피사체로부터의 상광(像光)(입사광)을 고체 촬상 장치(1)의 촬상 면상에 결상시킨다. 이에 의해 고체 촬상 장치(1) 내에 일정기간 해당 신호 전하가 축적된다.
셔터 장치(211)는, 고체 촬상 장치(1)에의 광 조사 기간 및 차광 기간을 제어한다.
구동 회로(212)는, 고체 촬상 장치(1)의 전송 동작 및 셔터 장치(211)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(212)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 장치(1)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(213)는, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행하여진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는 모니터에 출력된다.
본 실시 형태예의 전자기기에서는, 고체 촬상 장치(1)에서 높은 포화 전하량(Qs)을 유지하면서, 신호 전하의 전송을 효율 좋게 행할 수 있기 때문에, 화질의 향상이 도모된다.
이와 같이, 고체 촬상 장치(1)를 적용할 수 있는 전자기기로서는, 카메라로 한정되는 것이 아니라, 디지털 스틸 카메라, 나아가서는 휴대전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치에 적용 가능하다.
본 실시 형태예에서는, 고체 촬상 장치(1)를 전자기기에 이용하는 구성으로 하였지만, 전술한 제 2 내지 제 10의 실시 형태에서의 고체 촬상 장치를 이용할 수도 있다.
본 발명은 일본특허출원 JP2009-174578(2009.07.27)의 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 첨부된 청구범위와 동등한 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 변경, 변형, 조합, 대체 등이 이루어질 수 있다.
Claims (12)
- 화소를 포함하는 고체 촬상 장치에 있어서,
상기 화소는,
기판 내부에 형성된 매입형 포토 다이오드와,
상기 기판에 형성된 트렌치부 저부에 면하는 기판 내로서, 상기 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성된 매입형 플로팅 디퓨전과,
상기 매입형 포토 다이오드로부터 상기 매입형 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위해, 상기 트렌치부 내의 저부에 형성된 매입형 게이트 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 화소는,
기판의 표면측에 형성된 배선층측 포토 다이오드와,
상기 기판의 표면측에 형성된 배선층측 플로팅 디퓨전과,
상기 배선층측 포토 다이오드로부터 상기 배선층측 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위해, 상기 기판 표면에 형성된 배선층측 게이트 전극을 또한 갖고서 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 매입형 게이트 전극과 상기 배선층측 게이트 전극은, 상기 화소 내에서 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 매입형 게이트 전극과 상기 배선층측 게이트 전극은 상기 기판 표면측에 형성된 배선에 의해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 매입형 포토 다이오드와 상기 배선층측 포토 다이오드에서는 다른 파장의 광에 의한 신호 전하가 생성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 반도체 기판의 광 입사측에는, 소정의 파장의 광에 의한 광전 변환에 의해 신호 전하를 생성하는 유기 광전 변환층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 매입형 플로팅 디퓨전은, 인접하는 화소 사이에서 공유되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 배선층측 플로팅 디퓨전은, 인접하는 화소 사이에서 공유되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 화소는, 상기 기판 내의 다른 깊이에 상기 매입형 포토 다이오드를 2 이상 가지며,
매입형 포토 다이오드에 대해, 상기 매입형 플로팅 디퓨전 및 상기 매입형 게이트 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판의 소망하는 영역을 에칭함에 의해, 상기 기판에 소망하는 깊이의 제 1의 트렌치부를 형성하는 공정과,
상기 제 1의 트렌치부 내의 저부에, 게이트 절연막을 통하여 매입형 게이트 전극을 형성하는 공정과,
상기 제 1의 트렌치부 내를 산화막으로 매입하는 공정과,
상기 산화막 상부에 형성한 레지스트를 마스크로 하여 상기 기판을 에칭함에 의해, 상기 제 1의 트렌치부 곁에 다시 상기 제 1의 트렌치부와 동등한 깊이의 제 2의 트렌치부를 형성하는 공정과,
상기 제 1의 트렌치부 곁에 다시 형성된 제 2의 트렌치부 저부에 면하는 기판의 일부에 상기 산화막과 상기 레지스트를 마스크로 하여 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 플로팅 디퓨전을 형성하는 공정과,
상기 트렌치부들의 형성 전 또는 후에, 상기 기판의 상기 매입형 플로팅 디퓨전과 동등한 깊이에 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해 매입형 포토 다이오드를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법. - 기판을 준비하는 공정과,
상기 기판 상부에 게이트 절연막을 통하여, 매입형 게이트 전극을 형성하는 공정과,
상기 매입형 게이트 전극 곁의 기판 내에, 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 플로팅 디퓨전을 형성하는 공정과,
상기 매입형 게이트 전극 및 상기 매입형 플로팅 디퓨전이 형성된 영역 이외의 상기 기판을 선택적으로 에피택셜 성장함에 의해, 트렌치부를 형성하는 공정과,
상기 매입형 게이트 전극을 형성하기 전, 또는 상기 트렌치부를 형성한 후에, 상기 기판에서 상기 매입형 게이트 전극 곁에, 소망하는 불순물을 이온 주입함에 의해, 매입형 포토 다이오드를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법. - 광학렌즈와,
기판 내부에 형성된 매입형 포토 다이오드와, 상기 기판에 형성된 트렌치부 저부에 면하는 기판에 상기 매입형 포토 다이오드와 동등한 깊이에 형성된 매입형 플로팅 디퓨전과, 상기 매입형 포토 다이오드로부터 상기 매입형 플로팅 디퓨전에 신호 전하를 전송하기 위해 상기 트렌치부 내의 저부에 형성된 매입형 게이트 전극으로 구성되는 화소를 포함하고, 상기 광학렌즈에 집광된 광이 입사되는 고체 촬상 장치와
상기 고체 촬상 장치로부터 출력되는 출력 신호를 처리한 신호 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기기.
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