KR20150130266A - 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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KR20150130266A
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타카시 나가노
하야토 이와모토
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토모유키 히라노
신페이 야마구치
슌스케 마루야마
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Abstract

고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 제조 방법 및 전자 기기가 제공된다. 더욱 구체적으로, 고체 촬상 소자(1)는 실리콘 기판(22) 및 상기 실리콘 기판에 형성된 제1의 포토 다이오드(33)를 포함한다. 상기 소자는 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 제1의 면을 가진 에피택셜층(21) 및 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재하는 게이트 전극(41)을 가진 전송 트랜지스터(31)를 또한 포함한다. 다른 실시의 형태에서, 제2의 반도체 기판에 형성된 복수의 화소를 가지고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭인 고체 촬상 소자를 제공한다. 플로팅 디퓨전은 에픽택셜층에 형성되고, 각각의 화소가 전송 게이트 전극 중 하나에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되는 복수의 전송 게이트 전극을 제공한다.

Description

고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 개시는, 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 특히, 포화 전하량 및 감도의 특성을 보다 개선할 수 있도록 한 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.
<관련된 출원에 대한 상호 참조>
본 출원은 2013년 7월 31일에 출원된 일본 우선권 특허 출원 JP213-159565 및 2013년 3월 11일에 출원된 일본 우선권 특허 출원 JP2013-048404의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 본 출원에 참조로서 인용된다.
종래, 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 기능을 구비한 전자 기기에서는, 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자가 사용되고 있다.
일반적으로, CMOS 이미지 센서에서는, 화소 사이즈의 미세화가 진행되는데 수반하여, 포토 다이오드 개구율을 최대화하기 위해, 화소를 공유하는 기술이 많이 채용되고 있다. 이 화소 공유 기술에서는, 복수의 화소 사이에서 트랜지스터를 공유하여, 화소부에서의 포토 다이오드 이외의 소자의 점유 면적을 최소화함에 의해, 포토 다이오드의 면적이 확보된다. 그리고, 화소 공유 기술을 이용함으로써, 예를 들면, 포토 다이오드의 포화 신호량이나 감도 등의 특성을 개선할 수 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4에는, 화소 공유 기술을 적용한 CMOS 이미지 센서에서의 다양한 화소부의 레이아웃이 개시되어 있다.
일본 특개2010-147965호 공보 일본 특개2010-212288호 공보 일본 특개2007-115994호 공보 일본 특개2011-049446호 공보
그런데, 종래의 CMOS 이미지 센서는, 포토 다이오드와 화소의 구동에 필요한 트랜지스터가, 실리콘 기판의 동일 평면상에 형성되어 있고, 각각의 최저한의 특성을 확보하기 위해 면적적으로 제약을 받고 있다. 예를 들면, 포토 다이오드의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선하기 위해 포토 다이오드 면적을 확대하면, 그에 수반하여, 트랜지스터의 영역은 축소되기 때문에, 트랜지스터에 기인하는 랜덤 노이즈가 악화하거나, 회로의 이득이 저하되어 버린다. 한편, 트랜지스터의 면적을 확보하면, 포토 다이오드의 포화 전하량 및 감도의 특성이 저하되게 된다. 따라서, 트랜지스터의 면적을 축소시키는 일 없이, 포토 다이오드의 포화 신호량 및 감도의 특성을 개선할 것이 요구되고 있다.
본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 포화 전하량 및 감도의 특성을 보다 개선할 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 하나의 실시의 형태에 따르면, 실리콘 기판을 가진 고체 촬상 장치를 제공한다. 적어도 제1의 포토 다이오드는 상기 실리콘 기판에 형성되어 있다. 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 제1의 면을 가진 에피택셜층 및 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재되는 게이트 전극을 가진 전송 트랜지스터가 또한 포함된다.
본 개시의 또 다른 실시의 형태에 따르면, 상기 고체 촬상 소자는 상기 에피택셜층에 형성되고 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 플로팅 디퓨전을 포함한다.
상기 에피택션층상에 형성된 복수의 화소 트랜지스터가 또한 포함될 수 있다. 상기 복수의 화소 트랜지스터는 적어도 상시 제1의 포토 다이오드가 형성된 상기 실리콘 기판의 적어도 일부분으로 덮을 수 있다.
상기 고체 촬상 소자는 상기 에피택셜층에 형성된 제2의 포토 다이오드를 더 포함할 수 있다. 상기 제2의 포토 다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉될 수 있다.
복수의 포토 다이오드는 상기 에픽택셜층에 형성될 수 있다. 상기 제1의 포토 다이오드 및 상기 에픽택셜층에 형성된 상기 포토다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉될 수 있다. 또한, 복수의 피닝층이 제공될 수 있으며, 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드는 상기 복수의 피닝층과 함께 깊이 방향으로 적층될 수 있다. 게다가, 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드 중 적어도 하나의 면적은, 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드의 다른 것 중 적어도 하나와 다른 상기 에피택셜층의 상기 제1의 면에 평행한 평면에서의 면적을 가질 수 있다. 상기 에피택셜층에 형성된 상기 포토 다이오드는 상기 실리콘 기판에 형성된 상기 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮을 수 있다. 플로팅 디퓨전은 또한 포함될 수 있으며, 상기 플로팅 디퓨전의 적어도 일부분은 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는다. 상기 고체 촬상 소자는 상기 에피택셜층상에 형성되고 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 복수의 화소 트랜지스터를 또한 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시의 형태에 따르면, 고체 촬상 소자가 제공된다. 상기 고체 촬상 소자는 복수의 화소를 포함하고, 상기 복수의 화소의 각각의 화소는 반도체 기판에 형성되어 있고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이다. 상기 고체 촬상 소자는 상기 반도체 기판상의 에피택셜층 및 상기 에피택셜층에 형성된 플로팅 디퓨전을 또한 포함한다. 복수의 전송 게이트 전극이 또한 제공되며, 각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 트랜지스터에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되어 있다.
상기 고체 촬상 소자의 적어도 어느 실시의 형태에 따르면, 상기 복수의 화소는 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치되어 있다. 상기 고체 촬상 소자는 상기 에피택셜층에 형성된 복수의 화소 트랜지스터를 또한 포함할 수 있다. 상기 복수의 전송 게이트 전극은 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시의 형태에 따르면, 고체 촬상 소자의 제조 방법에 제공된다. 상기 방법은 실리콘 기판에 포토 다이오드를 형성하는 것과 상기 실리콘 기판상에 에피택셜층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상기 에피택셜층의 표면으로부터 상기 실리콘 기판까지 굴입(堀入)함에 의해 굴입부(掘入部)를 형성하는 것을 더 포함하고, 상기 굴입부는 상기 포토 다이오드의 n형 영역을 둘러싸는 p웰에 도달한다. 또한, 상기 방법은 상기 굴입부의 내측 표면상에 게이트 산화막을 형성함으로써 게이트 전극을 형성하는 것을 포함한다.
다른 실시의 형태에 따르면, 광학계를 포함하는 전자 기기가 제공된다. 또한, 상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 제공한다. 상기 기기의 고체 촬상 소자는 온 칩 렌즈, 반사 방지막 및 실리콘 기판을 포함하고, 상기 반사 방지막은 상기 실리콘 기판의 제1의 면에 접속되고, 상기 온 칩 렌즈는 적어도 상기 반사 방지막에 의하여 상기 실리콘 기판의 상기 제1의 면으로부터 분리되어 있다. 적어도 제1의 포토 다이오드는 상기 실리콘 기판에 형성되어 있다. 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 제1의 면을 가진 에피택셜층이 또한 제공된다. 상기 고체 촬상 소자는 전송 트랜지스터를 또한 포함하고, 상기 전송 트랜지스터의 게이트 전극은 적어도 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재된다. 상기 기기는 상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 또 포함한다.
본 개시의 또 다른 실시의 형태에 따르면, 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 광학계 및 상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 포함한다. 상기 고체 촬상 소자는 반도체 기판에 형성되 복수의 화소를 포함하고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이다. 상기 고체 촬상 소자는 상기 반도체 기판상에 에피택셜층을 또한 포함하고, 플로팅 디퓨전은 상기 에피택셜층에 형성되어 있다. 복수의 전송 게이트 전극이 포함되고, 각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 전극 중 하나에 의하여 상기 플로팅 디퓨전에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 기기는 상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 또한 포함한다.
본 개시의 실시의 형태에 의하면, 포화 전하량 및 감도의 특성을 보다 개선할 수 있다.
본 개시의 실시의 형태의 추가적인 특징 및 장점은 특히 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자가 갖는 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 2a는 4화소 공유 구조를 채용한 화소의 구조를 도시하는 평면도.
도 2b는 4화소 공유 구조를 채용한 화소의 구조를 도시하는 평면도.
도 3a는 종래의 화소의 구조를 도시하는 평면도.
도 3b는 종래의 화소의 구조를 도시하는 단면도.
도 4는 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 5는 화소의 제2의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 6은 화소의 제3의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 7은 화소의 제4의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 8은 화소의 제5의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 9는 화소의 제6의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 10은 화소의 제7의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 11은 제1의 공정을 설명하는 단면도.
도 12는 제2의 공정을 설명하는 단면도.
도 13은 제3의 공정을 설명하는 단면도.
도 14는 제4의 공정을 설명하는 단면도.
도 15는 제5의 공정을 설명하는 단면도.
도 16은 제6의 공정을 설명하는 단면도.
도 17은 제7의 공정을 설명하는 단면도.
도 18은 제8의 공정을 설명하는 단면도.
도 19는 제9의 공정을 설명하는 단면도.
도 20은 제10의 공정을 설명하는 단면도.
도 21은 제11의 공정을 설명하는 단면도.
도 22는 제12의 공정을 설명하는 단면도.
도 23은 화소의 제8의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 24는 고체 촬상 소자의 제조에 이용되는 SOI 기판을 도시하는 도면.
도 25는 제21의 공정을 설명하는 단면도.
도 26은 제22의 공정을 설명하는 단면도.
도 27은 제23의 공정을 설명하는 단면도.
도 28은 제24의 공정을 설명하는 단면도.
도 29는 제25의 공정을 설명하는 단면도.
도 30은 제26의 공정을 설명하는 단면도.
도 31은 제27의 공정을 설명하는 단면도.
도 32는 제27의 공정을 설명하는 평면도.
도 33은 제28의 공정을 설명하는 단면도.
도 34는 제28의 공정을 설명하는 평면도.
도 35는 제29의 공정을 설명하는 단면도.
도 36은 제30의 공정을 설명하는 단면도.
도 37은 제31의 공정을 설명하는 단면도.
도 38은 제32의 공정을 설명하는 단면도.
도 39는 제33의 공정을 설명하는 단면도.
도 40은 제34의 공정을 설명하는 단면도.
도 41은 제35의 공정을 설명하는 단면도.
도 42는 제36의 공정을 설명하는 단면도.
도 43은 제37의 공정을 설명하는 단면도.
도 44는 제38의 공정을 설명하는 단면도.
도 45는 화소의 제9의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 46은 제41의 공정을 설명하는 단면도.
도 47은 제42의 공정을 설명하는 단면도.
도 48은 제43의 공정을 설명하는 단면도.
도 49는 제44의 공정을 설명하는 단면도.
도 50은 화소의 제10의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 51은 화소의 제11의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 52는 화소의 제12의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도.
도 53은 전자 기기에 탑재되는 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
이하, 본 기술을 적용한 구체적인 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1은, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자가 갖는 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 1에서는, 도 1의 상측이 고체 촬상 소자(1)의 이면측이 되고, 도 1의 하측이 고체 촬상 소자(1)의 표면측이 된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 소자(1)는, 화소 트랜지스터 영역(2) 및 포토 다이오드 영역(3)이, 고체 촬상 소자(1)의 깊이 방향(도 1의 수직 방향)으로 분리하도록 형성된다.
즉, 고체 촬상 소자(1)는, 도 1의 하측부터 차례로, P형 에피택셜층(21), 실리콘 기판(22), 반사 방지막(23), 컬러 필터층(24), 및 온 칩 렌즈(25)가 적층되어 구성되어 있다. 그리고, 고체 촬상 소자(1)에서는, 화소(11)마다, P형 에피택셜층(21)에 화소 트랜지스터(32)가 마련되고, 실리콘 기판(22)에 포토 다이오드(33)가 마련되어 있다. 또한, 화소(11)에는, 포토 다이오드(33)로부터 전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터(31)가 마련되어 있다.
여기서, 화소 트랜지스터(32)에는, 화소(11)를 구동하는데 필요한 소정수의 트랜지스터 중의, 전송 트랜지스터(31) 이외의 트랜지스터가 포함된다. 예를 들면, 4트랜지스터형의 구성에서는, 화소 트랜지스터(32)는, 증폭 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터이고, 3트랜지스터형의 구성에서는, 화소 트랜지스터(32)는, 증폭 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터이다. 또한, 도 1에서는, 그들 소정수의 트랜지스터의 어느 하나를 대표하여, 화소 트랜지스터(32)로서 도시하고 있다.
전송 트랜지스터(31)를 구성하는 게이트 전극(41)은, P형 에피택셜층(21)의 표면(도 1의 하방을 향하는 면)부터 포토 다이오드(33)까지 도달하도록, P형 에피택셜층(21)을 관통하도록 매입되어 형성된다. 게이트 전극(41)에 인접하도록 P형 에피택셜층(21)의 표면측에 형성되는 N형 영역(42)은, FD(Floating Diffusion : 플로팅 디퓨전)부로서 기능한다. 즉, N형 영역(42)은, 도시하지 않은 배선을 통하여 증폭 트랜지스터의 게이트 전극에 접속되어 있고, 전송 트랜지스터(31)를 통하여 포토 다이오드(33)로부터 전송된 전하를 축적하여, 증폭 트랜지스터의 게이트 전극에 인가한다.
화소 트랜지스터(32)는, P형 에피택셜층(21)의 표면에 적층되는 게이트 전극(43), 및, 게이트 전극(43)의 양측에 인접하도록 P형 에피택셜층(21)의 표면측에 형성되는 N형 영역(44 및 45)으로 구성된다. N형 영역(44 및 45) 중, 한쪽은 화소 트랜지스터(32)의 소스로서 기능하고, 다른쪽은 화소 트랜지스터(32)의 드레인으로서 기능한다. 또한, P형 에피택셜층(21)에서의 소자 분리는, 불순물 주입에 의해 행하여진다.
포토 다이오드(33)는, 실리콘 기판(22)에 형성되어 있고, 고체 촬상 소자(1)의 이면(도 1의 상측을 향하는 면)을 향하여 조사되는 광을 수광하여 광전 변환을 행하고, 그 광량에 응한 전하를 발생하여 축적한다.
온 칩 렌즈(25)는, 화소(11)마다, 포토 다이오드(33)에 조사되는 광을 집광하고, 컬러 필터층(24)은, 화소(11)마다 특정한 색(예를 들면, 적색, 청색, 및 녹색의 삼원색)의 파장역의 광을 투과한다. 또한, 반사 방지막(23)은, 온 칩 렌즈(25) 및 컬러 필터층(24)을 투과한 광이 반사하는 것을 방지한다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(1)는, 화소 트랜지스터 영역(2)인 P형 에피택셜층(21)에 화소 트랜지스터(32)가 형성되고, 포토 다이오드 영역(3)인 실리콘 기판(22)에 포토 다이오드(33)가 형성되도록 구성된다.
따라서 고체 촬상 소자(1)에서는, 예를 들면, 포토 다이오드(33)의 일부에 화소 트랜지스터(32)를 형성하는 영역이 침식한 구조(후술하는 도 3a 및 도 3b 참조)가 되는 것을 회피할 수가 있어서, 포토 다이오드(33)의 영역이 감소하는 것을 회피할 수 있다. 즉, 화소(11)의 구조로 함에 의해, 종래보다도 포토 다이오드(33)의 면적을 확대할 수가 있어서, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량이나 감도 등의 특성이 저하되는 것을 회피하고, 그들의 특성을 보다 개선할 수 있다.
또한, 고체 촬상 소자(1)에서는, 전송 트랜지스터(31) 및 화소 트랜지스터(32)의 면적을 확대할 수 있음과 함께, 트랜지스터가 비대칭으로 배치됨에 의해 화소끼리의 특성에 차이가 발생하는 것을 회피할 수 있다.
여기서, 도 2a 내지 도 3b을 참조하여, 종래의 화소의 구조와 비교하여 설명한다.
도 2a 및 도 2b에는, 4화소 공유 구조를 채용한 화소(11)의 구조가 도시되어 있고, 도 2a에는, 포토 다이오드 영역(3)에서의 평면적인 레이아웃이 도시되고, 도 2b에는, 화소 트랜지스터 영역(2)에서의 평면적인 레이아웃이 도시되어 있다. 또한, 도 3에는, 종래의 화소(11')의 구조가 도시되어 있고, 도 3a에는, 화소(11')의 단면적인 레이아웃이 도시되고, 도 3b에는, 화소(11')의 평면적인 레이아웃이 도시되어 있다.
도 3a에 도시하는 바와 같이, 화소(11')에서는, 포토 다이오드(33') 및 화소 트랜지스터(32')가 동일한 영역에, 즉, 어느 쪽도 실리콘 기판(22)에 형성되어 있다. 이 때문에, 화소(11')에서는, 포토 다이오드(33')의 일부에 화소 트랜지스터(32')를 형성하는 영역이 침식한 구조로 되어 있다.
이에 대해, 화소(11)에서는, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함에 의해, 화소(11')의 구성보다도, 포토 다이오드(33)의 면적을 확대할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 4개의 화소(11'-1 내지 11'-4)에 의한 공유 구조를 채용한 공유 화소(12')에서는, 화소 트랜지스터(32A'), 화소 트랜지스터(32B'), 및 화소 트랜지스터(32C')의 배치가 비대칭으로 되어 있다.
또한, 화소 트랜지스터(32A'), 화소 트랜지스터(32B') 및 화소 트랜지스터(32C') 각각의 용도가 다른 것보다, 그들의 면적이 다름에 의해 비대칭으로 되어 있다. 예를 들면, 화소(11'-3)와 화소(11'-4)는, 이접하는 화소 트랜지스터(32A') 및 화소 트랜지스터(32B')가 대칭인 레이아웃이기 때문에 특성은 개략 동일하게 된다. 그렇지만, 화소(11'-2)와 화소(11'-4)는, 이접하는 화소 트랜지스터(32C') 및 화소 트랜지스터(32B')의 면적이 다르기 때문에, 게이트에 의한 반사나 게이트 전압에 의한 포텐셜 변조의 영향이 달라서, 특성차가 발생한다. 또한, 화소(11'-1)는, 화소 트랜지스터가 인접하지 않음에 의해 영향을 받는 일이 없고, 화소(11'-2), 화소(11'-3), 및 화소(11'-4)와 특성이 다른 것으로 된다.
이에 대해, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 4개의 화소(11-1 내지 11-4)에 의한 공유 구조를 채용한 공유 화소(12)에서는, 화소(11-1 내지 11-4)를 완전히 대칭적으로 배치할 수 있기 때문에, 그들 사이의 특성에 차가 발생하는 것을 회피할 수 있다. 이에 의해, 화소(11-1 내지 11-4)의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 화소(11)에서는, 화소 트랜지스터(32A), 화소 트랜지스터(32B), 및 화소 트랜지스터(32C)를 배치하는 것이 가능한 면적을 넓게 확보할 수가 있어서, 채널 폭(W)과 채널 길이(L)의 비를 충분히 확보할 수 있다. 이에 의해, 화소 트랜지스터(32)에 기인한 랜덤 노이즈의 발생을 억제할 수가 있어서, 화소(11-1 내지 11-4)의 특성을 개선할 수 있다.
다음에, 도 4를 참조하여, 제1의 실시의 형태인 화소(11)의 구성에 관해 상세히 설명한다. 또한, 도 4에서는, 도 4의 상측이 고체 촬상 소자(1)의 표면측이 되고, 도 4의 하측이 고체 촬상 소자(1)의 이면측이 된다.
도 4에서는, 포토 다이오드(33)로서 도시되어 있는 부분은 N형 영역이고, 포토 다이오드(33)에 대해 이면측에 이면 피닝(Pinning)층(51)이 형성되고, 포토 다이오드(33)에 대해 표면측에 표면 피닝층(52)이 형성된다. 즉, 이면 피닝층(51)은, N형 영역인 포토 다이오드(33)의 이면에 접하도록 실리콘 기판(22) 및 반사 방지막(23)의 사이에 형성된다. 또한, 표면 피닝층(52)은, N형 영역인 포토 다이오드(33)의 표면에 접하도록 실리콘 기판(22)에 형성된다. 또한, 포토 다이오드(33)의 측면을 둘러싸도록 실리콘 기판(22)에 P웰(P-well)53이 형성된다.
또한, 전송 트랜지스터(31)의 게이트 전극(41)은, P형 에피택셜층(21) 및 실리콘 기판(22)에 매입되어 있고, 게이트 전극(41)이 매입된 부분을 덮도록, 포토 다이오드(33)로부터의 전하의 흐름을 제어하는 채널 영역(54)이 형성된다. 또한, 화소 트랜지스터(32)의 게이트 전극(43)의 저면을 덮도록, N형 영역(44 및 45)의 사이의 전하의 흐름을 제어하는 채널 영역(55)이 형성된다. 또한, 경사 방향에서의 광의 입사를 방지하기 위한 차광 금속(56)이 반사 방지막(23)에 형성된다.
이와 같이, 화소(11)에서는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성됨과 함께, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되어 있고, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)가 깊이 방향으로 다른 영역에 형성된다. 그리고, 화소(11)에서는, 포토 다이오드(33)로부터의 전하의 전송에, 게이트 전극(41)이 매입되도록 형성되는 전송 트랜지스터(31)가 사용된다.
따라서 화소(11)에서는, 상술한 바와 같이, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
다음에, 도 5에는, 화소(11)의 제2의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 또한, 이하의 각 실시의 형태에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
예를 들면, 도 5에 도시하는 바와 같이, 화소(11A)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11A)는, P형 에피택셜층(21)에 굴입부(掘入部)(61)를 형성하여 전송 트랜지스터(31A)가 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 포토 다이오드(33)의 전하를 전송하는데, 도 4의 화소(11)에서는, 매입형의 전송 트랜지스터(31)가 사용되고 있음에 대해, 화소(11A)에서는, 굴입부(61)에 형성된 전송 트랜지스터(31A)가 사용된다.
전송 트랜지스터(31A)는, 실리콘 기판(22)이 노출할 때까지 P형 에피택셜층(21)이 굴입(掘入)되어 형성된 굴입부(61)의 저면, 즉, 실리콘 기판(22)의 표면에 적층하도록 형성되는 게이트 전극(41A)을 갖고서 구성된다. 또한, 게이트 전극(41A)의 저면을 덮도록 실리콘 기판(22)에 채널 영역(54A)이 형성된다. 또한, FD부로서 기능하는 N형 영역(42A)이, 게이트 전극(41A)에 인접하도록, 포토 다이오드(33)에 대해 반대측이 되는 위치의 실리콘 기판(22)의 표면에 형성된다.
이와 같이, 화소(11A)에서도, 도 4의 화소(11)와 마찬가지로, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 화소(11A)에서는, 포토 다이오드(33)로부터 N형 영역(42A)(FD부)까지의 전송 경로를 단축할 수가 있어서, 전하의 전송 특성을 향상시킬 수 있다.
다음에, 도 6에는, 화소(11)의 제3의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 6에 도시하는 바와 같이, 화소(11B)는, 포토 다이오드(33B)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11B)는, 포토 다이오드(33B)에 접속되도록 P형 에피택셜층(21)에 N형 확산층(71)이 형성됨과 함께, P형 에피택셜층(21)의 표면에 전송 트랜지스터(31B)가 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 도 4의 화소(11)에서는, 매입형의 전송 트랜지스터(31)를 통하여 포토 다이오드(33)의 전하가 전송된다. 이에 대해, 화소(11B)에서는, 포토 다이오드(33B)와 함께 N형 확산층(71)에 전하가 축적되고, N형 확산층(71)을 통과하여 포토 다이오드(33B)의 전하가 전송된다.
화소(11B)에서는, 포토 다이오드(33B)의 일부가 실리콘 기판(22)의 표면에 노출하도록, 포토 다이오드(33B) 및 표면 피닝층(52B)이 형성된다. 그리고, 포토 다이오드(33B)의 실리콘 기판(22)의 표면에 노출하고 있는 부분에 접속하여, P형 에피택셜층(21)의 깊이 방향으로 연재되도록 N형 확산층(71)이 형성된다. 그리고, N형 확산층(71)의 표면측이 되는 P형 에피택셜층(21)에, N형 확산층(71)에 접하도록 표면 피닝층(72)이 형성된다.
전송 트랜지스터(31B)는, P형 에피택셜층(21)의 표면에 적층하도록 형성되는 게이트 전극(41B)을 갖고서 구성되고, 게이트 전극(41B)의 저면을 덮도록 P형 에피택셜층(21)에 채널 영역(54B)이 형성된다. 또한, FD부로서 기능하는 N형 영역(42B)이, 게이트 전극(41B)에 인접하도록, N형 확산층(71)에 대해 반대측이 되는 위치의 P형 에피택셜층(21)의 표면에 형성된다.
이와 같이, 화소(11B)에서도, 도 4의 화소(11)와 마찬가지로, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 화소(11B)에서는, N형 확산층(71) 및 표면 피닝층(72)에 의한 PN 접합이 형성되어 있고, N형 확산층(71)은, 포토 다이오드(33B)와 마찬가지로, 광전 변환을 행하여 전하를 축적할 수 있다. 즉, 화소(11B)는, 도 4의 화소(11)보다도, 광전 변환을 행하는 포토 다이오드의 총 체적(體積)이 증가하는 것으로 되기 때문에, 포화 전하량을 증가할 수 있다. 또한, N형 확산층(71)은, 화소(11B)에 광이 입사하는 방향에서 깊은 영역에 형성되어 있기 때문에, 적색의 파장역의 광의 광전 변환을 행하는 것이 되어, 화소(11B)는, 적색의 광의 감도의 상승을 도모할 수 있다.
또한, 화소(11B)는, N형 확산층(71)으로부터 전송 트랜지스터(31B)를 통하여 N형 영역(42B)(FD부)까지의 전송 경로를 단축할 수가 있어서, 전하의 전송 특성을 향상시킬 수 있다.
다음에, 도 7에는, 화소(11)의 제4의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 화소(11C)는, 포토 다이오드(33B)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11C)는, P형 에피택셜층(21)의 표면에, 소자 분리부(81)가 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 화소(11C)에서는, P형 에피택셜층(21)에서의 화소 트랜지스터(32) 및 N형 영역(42B)을 분리하기 위해, 산화막에 의해 구성되는 소자 분리부(81)가 형성된다. 이와 같이, P형 에피택셜층(21)에서의 소자 분리에, 불순물 확산층 외에 산화막을 이용할 수 있다.
이와 같이 구성되는 화소(11C)에서도, 도 4의 화소(11)와 마찬가지로, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
다음에, 도 8에는, 화소(11)의 제5의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 화소(11D)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11D)는, 포토 다이오드(33)의 측면을 둘러싸도록 매입 산화막(91)이 형성되어 있고, 매입 산화막(91)에 접속하도록, P형 에피택셜층(21)에 산화막(92)이 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다. 또한, 화소(11D)에서는, 화소 트랜지스터(32)와 전송 트랜지스터(31)의 사이에, 소자 분리를 행하기 위한 산화막(93)이 형성되어 있다.
이와 같이 구성되는 화소(11D)에서도, 도 4의 화소(11)와 마찬가지로, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 화소(11D)에서는, 이면측부터 매입 산화막(91)을 매입함으로써, 실리콘 기판(22)의 내부에서의 혼색 및 블루밍을 억제할 수 있다. 또한, 화소(11D)에서는, 실리콘 기판(22)에 형성되는 매입 산화막(91)과, P형 에피택셜층(21)에 형성되는 산화막(92)이 접속되는 구조로 함에 의해, 인접하는 다른 화소(11D)와의 사이를 완전히 분리할 수 있다.
또한, 화소(11D)에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 차광 금속(56)에 접속하도록 매입 산화막(91)이 형성된다. 이에 의해, 예를 들면, 온 칩 렌즈(25)에 의해 집광된 광이, 인접하는 다른 화소(11D)에 누출되어 버리는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 화소(11D)에서는, 온 칩 렌즈(25)에 의해 집광된 광을 포토 다이오드(33)에 확실하게 수광시킬 수 있고, 포토 다이오드(33)의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 화소(11D)에서, 매입 산화막(91)에 대신하여 차광 금속(56)과 동일한 재질, 예를 들면, 텅스텐과 같은 금속을, 포토 다이오드(33)의 측면을 둘러싸도록 실리콘 기판(22)에 매입하여도 좋다.
다음에, 도 9에는, 화소(11)의 제6의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 9에 도시하는 바와 같이, 화소(11E)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11E)는, P형 에피택셜층(21)과 실리콘 기판(22)의 사이에 배치되도록, 진(濃)한 P형의 에피택셜층(101)이 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 화소(11E)에서는, 도 4의 화소(11)의 표면 피닝층(52)을 형성하는 대신에, 실리콘 기판(22)의 표면에 대해 에피택셜 성장을 행할 때에 도핑을 행함(In situ doped epitaxial deposition)에 의해, 진한 P형의 에피택셜층(101)이 형성된다.
예를 들면, 양질의 에피택셜 성장을 행하기 위해서는, 1000도 정도의 가열 조건이 필요해진다. 그러면, 실리콘 기판(22) 내에 불순물 주입을 행하여 표면 피닝층(52)을 형성한 후에 에피택셜 성장을 시작한 경우에는, 에피택셜 성장 중의 가열에 의해, 계면 부근의 불순물이 확산하여 버리는 것이 상정된다. 이 경우, 계면 부근의 PN 접합을 가파른 프로파일로 작성하는 것이 곤란해지기 때문에, PN 접합의 용량이 감소하여 버려, 포화 전하량이 감소하게 된다.
이에 대해, 화소(11E)와 같이, 진한 P형의 에피택셜층(101)을 형성함에 의해, 소망하는 가파른 프로파일을 유지하면서 P형 에피택셜층(21)을 형성할 수 있다. 따라서, 화소(11E)에서는, 포화 전하량의 감소를 회피할 수 있다.
다음에, 도 10에는, 화소(11)의 제7의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 10에 도시하는 바와 같이, 화소(11F)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11F)는, P형 에피택셜층(21)에서, 화소 트랜지스터(32)와 포토 다이오드(33)와의 사이에, P형 에피택셜층(21)보다도 P형의 불순물 농도가 진한 불순물 영역인 웰(111)이 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 화소(11F)에서는, 웰(111)을 형성함에 의해, 예를 들면, P형 에피택셜층(21)의 불순물 농도가 엷(薄)은 경우라도, 포토 다이오드(33)와 화소 트랜지스터(32)와의 분리를 확실하게 행할 수 있다. 이에 의해, 예를 들면, 포토 다이오드(33)와 화소 트랜지스터(32)와의 거리를 단축하는 것, 즉, P형 에피택셜층(21)의 두께를 얇게 할 수가 있어서, 고체 촬상 소자(1)의 박화(薄化)를 도모할 수 있다.
또한, P형 에피택셜층(21)의 불순물 농도가 진하고, 포토 다이오드(33)와 화소 트랜지스터(32)와의 분리가 가능한 농도라면 웰(111)의 형성은 불필요하게 된다. 또한, P형 에피택셜층(21)의 두께는, 실리콘 기판(22)의 포토 다이오드(33)와 P형 에피택셜층(21)의 화소 트랜지스터(32)와의 특성이 마주 간섭하지 않는 영역이라면 제한되는 일은 없다.
다음에, 도 11 내지 도 22를 참조하여, 화소(11)를 갖는 고체 촬상 소자(1)의 제조 방법의 예에 관해 설명한다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 제1의 공정에서, n형의 실리콘 기판(22)(n-Si)에 대해, 포토 다이오드(33)가 형성된다. 즉, 실리콘 기판(22)에 n형의 불순물을 주입하여, 실리콘 기판(22)의 내부에 N형 영역(33b)(n)을 형성하고, N형 영역(33b)보다도 표면측에, N형 영역(33b)보다도 불순물 농도가 높은 N형 영역(33a)(n+)을 형성한다. 그리고, 실리콘 기판(22)에 진한 P형의 불순물을 주입하여, 실리콘 기판(22)의 표면에 표면 피닝층(52)(p+)을 형성함으로써, 포토 다이오드(33)가 형성된다. 또한, 실리콘 기판(22)에 P형의 불순물을 주입하여, N형 영역(33a 및 33b), 및, 표면 피닝층(52)의 측면을 둘러싸도록, 분리층이 되는 P웰(53)(p)을 형성한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 제2의 공정에서, 실리콘 기판(22)상에 결정 방위가 정돈된 단결정의 박막을 성장시키는 에피택셜 성장을 행함에 의해 P형 에피택셜층(21)(p-epi)을 형성한다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 제3의 공정에서, 매입형의 게이트 전극(41)(도 4) 를 형성하기 위해, P형 에피택셜층(21)의 표면부터 실리콘 기판(22)까지 굴입함에 의해 굴입부(121)를 형성한다. 여기서, 굴입부(121)는, 예를 들면, 게이트 전극(41)의 측면에 형성되는 채널 영역(54)이 포토 다이오드(33)에 접하는 위치에서 P웰(53)까지 도달하도록 굴입된다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 제4의 공정에서, P형 에피택셜층(21)에 n형의 불순물을 주입하여, 채널 영역(54) 및 채널 영역(55)을 형성한다. 그리고, P형 에피택셜층(21)의 표면, 및, 굴입부(121)의 내측 표면에 게이트 산화막(123)을 성막한다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 제5의 공정에서, 전송 트랜지스터(31)를 구성하는 게이트 전극(41), 및, 화소 트랜지스터(32)를 구성하는 게이트 전극(43)을 형성한다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 제6의 공정에서, P형 에피택셜층(21)의 게이트 전극(41)에 인접하는 부분에 진한 n형의 불순물을 주입하여, FD부로서 기능하는 N형 영역(42)(n++)을 형성한다. 동시에, P형 에피택셜층(21)의 게이트 전극(43)에 인접하는 양측의 부분에 진한 n형의 불순물을 주입하여, N형 영역(44 및 45)(n++)을 형성하여, 화소 트랜지스터(32)가 형성된다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 제7의 공정에서, P형 에피택셜층(21)상에 배선층(131)을 형성한다. 배선층(131)에는, 예를 들면, 도시하는 바와 같이, 다층으로 배치된 배선(132-1 내지 132-4)이 형성된다. 그리고, 게이트 전극(43) 및 게이트 전극(41), 및, 배선(132-1 내지 132-4)을 각각 접속하도록 콘택트부(133-1 내지 133-4)가 형성된다. 또한, 이 공정까지는, 실리콘 기판(22)의 표면이 상방을 향하게 하여, 실리콘 기판(22)의 표면측에 대한 처리가 행하여진다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 제8의 공정에서, 실리콘 기판(22)을 뒤집어서, 실리콘 기판(22)의 이면이 상방을 향하게 하고, 이 후, 실리콘 기판(22)의 이면측에 대한 처리가 시작된다.
도 19에 도시하는 바와 같이, 제9의 공정에서, 이면측부터 실리콘 기판(22)을 포토 다이오드(33)까지 에칭한다.
도 20에 도시하는 바와 같이, 제10의 공정에서, 실리콘 기판(22)에 대해 이면 피닝층(51)을 형성한다.
도 21에 도시하는 바와 같이, 제11의 공정에서, 이면 피닝층(51)에 반사 방지막(23)을 성막하고, 인접하는 다른 화소(11)와의 사이에, 반사 방지막(23)에 매입하도록 차광 금속(56)을 형성한다.
도 22에 도시하는 바와 같이, 제12의 공정에서, 반사 방지막(23)에 컬러 필터층(24)을 적층하고, 컬러 필터층(24)에 온 칩 렌즈(25)를 적층한다.
이상과 같은 공정에 의해 화소(11)가 형성된다.
이와 같은 제조 방법에 의해, 화소(11)는, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)를 다른 영역에 형성함으로써, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
또한, 화소(11)는, 실리콘 기판(22)에 포토 다이오드(33)를 형성한 후에, 실리콘 기판(22)에 대해 적층하도록 P형 에피택셜층(21)을 형성하기 때문에, 포텐셜의 구배가 가파르게 되도록 포토 다이오드(33)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 더욱 개선할 수 있다.
다음에, 도 23에는, 화소(11)의 제8의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 23에 도시하는 바와 같이, 화소(11G)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11G)는, FD부로서 기능하는 N형 영역(201)이 실리콘 기판(22)에 형성되고, 매입형의 전송 트랜지스터(31)의 저면만으로 포토 다이오드(33)로부터 N형 영역(201)에 전하를 전송하는 구성으로 되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 화소(11G)에서는, 전송 트랜지스터(31)를 구성하는 게이트 전극(41)의 저면이 산화막(123)을 통하여 실리콘 기판(22)에 접하도록 형성되고, 게이트 전극(41)의 저면에 대응하는 영역이 되는 실리콘 기판(22)에 채널 영역(203)이 형성된다. 그리고, 포토 다이오드(33)로부터 채널 영역(203)을 통하여 떨어진 위치가 되는 실리콘 기판(22)에 N형 영역(201)이 형성된다. 또한, N형 영역(201)과 N형 영역(33b)과의 사이를 분리하기 위해, N형 영역(201)과 N형 영역(33b)과의 사이에 P형 영역(202)이 형성된다.
또한, 화소(11G)에서는, P형 에피택셜층(21)을 관통하여 N형 영역(201)에 접속하도록 P형 에피택셜층(21)에 매입된 도체에 의해 콘택트부(211)가 형성되고, 콘택트부(211)는, 배선층(131)의 배선(132-6)에 접속된다.
또한, 콘택트부(211)의 측면에는, 예를 들면, 산화막으로 이루어지는 절연막(212-1)을 형성하여, 용량을 저감한다. 마찬가지로, 게이트 전극(41)과 배선(132-4)을 접속하는 콘택트부(133-4)의 측면에 절연막(212-2)이 형성되어, 게이트 전극(43)과 배선(132-3)을 접속하는 콘택트부(133-3)의 측면에 절연막(212-3)이 형성된다. 또한, 게이트 전극(43)의 측면에는 사이드 월(213-1)이 형성되고, 게이트 전극(41)의 측면에는 사이드 월(213-2)이 형성된다. 또한, 화소(11G)에서는, 화소 트랜지스터(32)를 분리하기 위한 분리부(204 및 205)가, P형 에피택셜층(21)에 형성된다.
이와 같은 구조를 채용하는 화소(11G)는, 종래의 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서와 마찬가지로, 포토 다이오드(33)로부터 N형 영역(201)(FD부)에 전하를 전송할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(33)의 포텐셜을 충분히 깊이 하여, 포화 전하량을 확보할 수 있다. 즉, 화소(11G)와 같이, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)가 깊이 방향으로 다른 영역에 형성한 구성을 채용하여도, 포토 다이오드(33)의 포텐셜을 종래의 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서와 동등의 깊이에 할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)가 깊이 방향으로 다른 영역에 형성하는 구성에 있어서, 단위 면적당의 포화 전하량의 저하를 회피할 수 있다. 또한, 포토 다이오드(33) 및 화소 트랜지스터(32)가 깊이 방향으로 다른 영역에 형성하는 구성으로 함으로써, 예를 들면, 증폭 트랜지스터의 면적을 크게할 수가 있어서, 종래의 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서의 구조보다도 노이즈를 저감할 수 있다.
또한, P형 에피택셜층(21)에서의 불순물 농도를 실리콘 기판(22)보다도 충분히 진하게 하여, 전송 트랜지스터(31)를 구성하는 게이트 전극(41)의 측벽부의 임계치 전압(Vth)을 저면에 대해 높게 설정함으로써, 저면부에만 채널이 형성되도록 할 수 있다.
다음에, 도 24 내지 도 44를 참조하여, 화소(11G)를 갖는 고체 촬상 소자(1)의 제조 방법의 예에 관해 설명한다.
이 예에서는, 도 24에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 소자(1)의 제조에, 실리콘 기판(22)상에 BOX층(2산화규소 절연막)(222) 및 SOI층(단결정 실리콘층)(223)을 적층한 SOI 기판(221)이 사용된다.
도 25에 도시하는 바와 같이, 제21의 공정에서, 실리콘 기판(22)에 대해, P형의 불순물을 주입하여 표면 피닝층(52)(p+)을 형성하고, n형의 불순물을 주입하여 N형 영역(33a)(n+)을 형성한다. 이에 의해, 표면 피닝층(52) 및 N형 영역(33a)으로 이루어지는 PN 접합이 형성된다.
도 26에 도시하는 바와 같이, 제22의 공정에서, 실리콘 기판(22)에 대해, n형의 불순물을 주입하여 N형 영역(33b)(n)을 형성함으로써, 포토 다이오드(33)가 형성된다. 또한, 진한 n형의 불순물을 주입하여, FD부로서 기능하는 N형 영역(201)(n)을 형성한다. 그리고, P형의 불순물을 주입하여, 포토 다이오드(33)의 측면을 둘러싸도록 P웰(53)(p)을 형성함과 함께, N형 영역(33b)과 N형 영역(201)과의 사이에, P웰(53)에 접속하도록 P형 영역(202)(p)을 형성한다.
도 27에 도시하는 바와 같이, 제23의 공정에서, 실리콘 기판(22)의 표면에 대해 에피택셜 성장 중에 도핑을 행함(In situ doped epitaxial deposition)에 의해, 화소 트랜지스터 영역(2)(도 1 참조)이 되는 P형 에피택셜층(21)을 형성한다.
여기서, 이면측의 프로세스에서의 리소그래피의 공정에서 표리를 합치시킬 때의 타겟으로서 이용하기 위한 마크를 형성한다.
도 28에 도시하는 바와 같이, 제24의 공정에서, 화소(11G)가 형성되는 영역과는 다른 영역, 예를 들면, 칩을 분할하는 개소 등에 트렌치(232)를 형성한다. 트렌치(232)는, 예를 들면, 트렌치(232)를 형성하는 개소 이외에 마스크(231)를 작성하여 에칭함에 의해 형성된다.
도 29에 도시하는 바와 같이, 제25의 공정에서, 예를 들면, 질화실리콘(SiN) 등의 절연물(233)을 트렌치(232)에 매입하고, 마스크(231)를 제거함과 함께 평탄화를 행하여, 마크를 형성한다.
도 30에 도시하는 바와 같이, 제26의 공정에서, P형 에피택셜층(21)에 대해 웰 및 채널을 형성하기 위한 불순물 주입을 행한다. 또한, P형 에피택셜층(21)을 형성할 때의 에피택셜 성장 중에 도핑을 행하고 있기 때문에, 반드시 웰을 형성하기 위한 불순물 주입을 행할 필요는 없다. 또한, P형 에피택셜층(21)상에 산화막(123)을 형성한다.
도 31에 도시하는 바와 같이, 제27의 공정에서, 매입형의 게이트 전극(41)을 형성하기 위한 트렌치(235)를 형성한다. 트렌치(235)는, 예를 들면, 트렌치(235)를 형성하는 개소 이외에, 질화실리콘(SiN) 등의 하드 마스크(234)를 작성하여 에칭함에 의해 형성된다. 여기서, 트렌치(235)의 패턴과 N형 영역(201)의 패턴과의 맞춤 어긋남의 영향을 억제하기 위해, N형 영역(201)에 오버랩하도록 트렌치(235)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 트렌치(235)를 형성한 후, 트렌치(235)의 저면에 n형의 불순물을 주입함에 의해 채널 영역(203)이 형성된다. 채널 영역(203)을 형성함에 의해, 전송 트랜지스터(31)에 의해 전하를 전송할 때에 게이트 전극(41)에 인가하는 전압 임계치(Vth)가 조정 가능하게 된다. 또한, 이 공정에서 채널 영역(203)을 형성함으로써, 전송 트랜지스터(31)의 게이트 전극(41)과 채널 영역(203)과의 셀프 얼라인화가 가능하게 된다.
또한, 도 32에는, 제27의 공정이 행하여진 때의 화소(11G)의 평면적인 레이아웃이 도시되어 있다. 도 32에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(33) 및 N형 영역(201)의 주위에 P웰(53)이 형성되어 있고, 포토 다이오드(33) 및 N형 영역(201)을 분리하도록 트렌치(235)가 형성된다. 즉, 평면적으로 본 때에, 트렌치(235)의 양단이 P웰(53)까지 연재되도록 트렌치(235)가 형성되어 있다.
도 33에 도시하는 바와 같이, 제28의 공정에서, P형 에피택셜층(21)의 표면, 및, 트렌치(235)의 내측 표면에 게이트 산화막(123)이 성막된다. 그리고, 게이트 전극(43) 및 게이트 전극(41)을 형성하고, 게이트 가공을 행함으로써, 화소 트랜지스터(32) 및 전송 트랜지스터(31)가 형성된다. 예를 들면, 게이트 전극(43) 및 게이트 전극(41)은, In-situ로 인을 도프한 어모퍼스 실리콘 등과 같이, 불순물 주입을 행하지 않아도 도체화(導體化)하고 있는 재료를 사용하는 것이 알맞다. 이것은, 불순물 주입을 행하는 경우에는, 트렌치(235)의 깊은 부분에 불순물을 주입하는 것이 곤란하기 때문이다.
또한, 도 34에는, 제28의 공정이 행하여진 때의 화소(11G)의 평면적인 레이아웃이 도시되어 있다. 도 34에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(33) 및 N형 영역(201)의 주위에 P웰(53)이 형성되어 있고, 포토 다이오드(33) 및 N형 영역(201)을 분리하도록 트렌치(235)가 형성된다. 즉, 평면적으로 본 때에, 트렌치(235)의 양단이 P웰(53)까지 연재되도록 트렌치(235)가 형성되어 있다. 또한, 화소(11G)에서는, 평면적으로 본 때에, 게이트 전극(43)(여기서는, 증폭 트랜지스터의 게이트 전극이 게이트 전극(43)으로서 도시되어 있다)과, 포토 다이오드(33)가 겹쳐지도록 배치된다.
도 35에 도시하는 바와 같이, 제29의 공정에서, P형의 불순물을 주입하여, 화소 트랜지스터(32)를 분리하기 위한 분리부(204 및 205)를 형성한다.
도 36에 도시하는 바와 같이, 제30의 공정에서, 게이트 전극(43)의 측면에 사이드 월(213-1)을 형성하고, 게이트 전극(41)의 측면에 사이드 월(213-2)을 형성한다. 또한, 이 공정에서, 실리콘 기판(22) 및 P형 에피택셜층(21)에 주입된 불순물을 활성화하기 위한 활성화 어닐이 행하여진다.
도 37에 도시하는 바와 같이, 제31의 공정에서, 배선층(131)을 구성하는 층간막(131-1)이 성막된다.
도 38에 도시하는 바와 같이, 제32의 공정에서, 콘택트부(133-3)를 형성하기 위한 개구부(236), 콘택트부(133-4)를 형성하기 위한 개구부(237), 및, 콘택트부(211)를 형성하기 위한 개구부(238)가 형성된다. 이때, FD부로서 기능하는 N형 영역(201)까지 노출하도록, 개구부(238)는, 층간막(131-1) 및 P형 에피택셜층(21)이 동시에 가공되어 형성된다.
도 39에 도시하는 바와 같이, 제33의 공정에서, 층간막(131-1)의 표면, 및, 개구부(236 내지 238)의 내측 표면에 절연막(239)을 성막한다.
도 40에 도시하는 바와 같이, 제34의 공정에서, 개구부(236 내지 238)의 저면에 형성되는 절연막(239)를 에치백함에 의해 제거한다. 이에 의해, 개구부(236)의 측면에 절연막(212-3)이 형성되고, 개구부(237)의 측면에 절연막(212-2)이 형성되고, 개구부(238)의 측면에 절연막(212-1)이 형성된다. 예를 들면, 절연막(212-1)을 형성함에 의해, 콘택트부(211)가 P형 에피택셜층(21)과 쇼트하는 것을 방지할 수 있다.
도 41에 도시하는 바와 같이, 제35의 공정에서, 예를 들면, 텅스텐(W)이나, 질화티탄(TiN), 티탄(Ti) 등의 메탈을, 개구부(236 내지 238)에 매입한다. 그리고, CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해 연마함에 의해, 콘택트부(133-3), 콘택트부(133-4), 및 콘택트부(211)가 형성된다.
도 42에 도시하는 바와 같이, 제36의 공정에서, 콘택트부(133-3), 콘택트부(133-4), 및 콘택트부(211)에 접속하도록, 배선(132-3), 배선(132-4), 및 배선(132-6)을 형성한다. 그리고, 층간막을 적층하고, 배선(132-1), 배선(132-2), 및 배선(132-5)을 형성하고, 또한 층간막을 적층함으로써, 다층 배선층으로 이루어지는 배선층(131)이 형성된다.
도 43에 도시하는 바와 같이, 제37의 공정에서, 예를 들면, 2산화규소(SiO2)로 이루어지는 맞붙임용 절연막(241)을 통하여, 배선층(131)에 지지 기판(242)을 맞붙인 후에 뒤집어서, 이면측에 대해 BOX층(222)(도 23)까지 박리를 행한다.
도 44에 도시하는 바와 같이, 제38의 공정에서, 실리콘 기판(22)에 반사 방지막(23)을 성막하고, 차광 금속(56)을 형성하고, 컬러 필터층(24)을 적층한 후에, 컬러 필터층(24)상에 온 칩 렌즈(25)를 형성한다.
이상과 같은 공정의 제조 방법에 의해, 화소(11G)를 갖는 고체 촬상 소자(1)를 제조할 수 있다.
다음에, 도 45에는, 도 23의 화소(11G)의 변형례인 화소(11H)의 구성례(제9의 실시의 형태)를 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 또한, 도 45의 화소(11H)에서, 도 23의 화소(11G)와 공통되는 구성에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
화소(11H)는, FD부로서 기능하는 N형 영역(201)으로부터의 전하를 끌어올리기 위해, P형 에피택셜층(21)에 형성되는 N형 영역(301)과, 배선층(131)에 형성되는 콘택트부(302)가 이용되는 점에서, 도 23의 화소(11G)와 다른 구성이 된다. 즉, N형 영역(301)은, P형 에피택셜층(21)을 관통하여 N형 영역(201)에 접속하도록, P형 에피택셜층(21)의 깊이 방향으로 연재되도록 형성되고, N형 영역(301)과 배선(132-6)을 접속하도록 콘택트부(302)가 형성된다.
이와 같이 구성되는 화소(11H)는, 도 23의 화소(11G)와 마찬가지로, 포토 다이오드(33)의 포화 전하량 및 감도의 특성을 개선할 수 있다.
다음에, 도 46 내지 도 49를 참조하여, 화소(11H)를 갖는 고체 촬상 소자(1)의 제조 방법의 예에 관해 설명한다.
예를 들면, 화소(11H)의 제조 공정에서, 상술한 제21의 공정(도 25)부터 제30의 공정(도 36)까지는 화소(11G)와 같은 처리가 행하여지고, 제30의 공정에서 활성화 어닐이 행하여지기 전에, 이하의 처리가 행하여진다.
도 46에 도시하는 바와 같이, 제41의 공정에서, P형 에피택셜층(21)에 n형의 불순물을 다단으로 주입하여, N형 영역(201)에 접속하고, P형 에피택셜층(21)의 깊이 방향으로 연재되도록, P형 에피택셜층(21)의 표면까지 N형 영역(301)이 형성된다.
도 47에 도시하는 바와 같이, 제42의 공정에서, 배선층(131)을 구성하는 층간막(131-1)이 성막된다.
도 48에 도시하는 바와 같이, 제43의 공정에서, 상술한 제32의 공정과 마찬가지로 개구부가 형성되고, 상술한 제35의 공정과 마찬가지로 콘택트부(133-3), 콘택트부(133-4), 및 콘택트부(302)가 형성된다. 이때, 콘택트부(302)를 형성하기 위한 개구부는 P형 에피택셜층(21)을 굴입하지 않도록 형성되기 때문에, 콘택트부(302)의 측면이 P형 에피택셜층(21)에 접촉하지 않도록 형성할 수가 있어서, 개구부에 절연막을 형성하는 공정은 불필요하게 된다.
도 49에 도시하는 바와 같이, 제44의 공정에서, 상술한 제36의 공정과 마찬가지로, 다층 배선층으로 이루어지는 배선층(131)이 형성된다. 그 후, 반사 방지막(23), 차광 금속(56), 컬러 필터층(24), 및 온 칩 렌즈(25)가 형성되는 공정이 행하여진다.
이상과 같은 공정의 제조 방법에 의해, 화소(11H)를 갖는 고체 촬상 소자(1)를 제조할 수 있다.
다음에, 도 50에는, 화소(11)의 제10의 실시의 형태의 구성례를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 50에 도시하는 바와 같이, 화소(11J)는, 포토 다이오드(33)가 실리콘 기판(22)에 형성되고, 화소 트랜지스터(32)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 공통되는 구성이 된다. 단, 화소(11J)는, P형 에피택셜층(21)에 포토 다이오드(302) 및 표면 피닝층(301)이 형성되는 점에서, 도 4의 화소(11)와 다른 구성이 된다.
즉, 화소(11J)에서는, 실리콘 기판(22)에 포토 다이오드(33)를 형성하고, 실리콘 기판(22)상에 P형 에피택셜층(21)을 형성한 후에, 광전 변환을 행하는 포토 다이오드(302)가 P형 에피택셜층(21)에 형성된다. 또한, 포토 다이오드(302)는, 전송 트랜지스터(31)의 게이트 전극(41)에 채널 영역(54)을 통하여 인접하도록 형성되어 있고, 포토 다이오드(302)에서 발생한 전하는, 포토 다이오드(33)의 전하와 마찬가지로, 전송 트랜지스터(31)를 통하여 전송된다.
이와 같이, 화소(11J)에서는, 실리콘 기판(22)의 포토 다이오드(33)에 더하여, P형 에피택셜층(21)에 포토 다이오드(302)를 마련함으로써, 포토 다이오드(33)와 포토 다이오드(302)에 의해 광전 변환을 행하여, 전하를 축적할 수 있다. 이에 의해, 화소(11J) 전체로서 포화 전하량을 증가할 수가 있어서, 감도의 특성을 개선할 수 있다.
다음에, 도 51에는, 도 50의 화소(11J)의 변형례인 화소(11K)의 구성례(제11의 실시의 형태)를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 50의 화소(11J)에서는, 단수의 포토 다이오드(302)가 P형 에피택셜층(21)에 형성되어 있었음에 대해, 화소(11K)에서는, 복수의 포토 다이오드(302)가 P형 에피택셜층(21)의 깊이 방향(도면의 상하 방향)으로 적층하도록 형성되어 있다. 즉, 도 51에 도시하는 바와 같이, 화소(11K)에서는, N층에 적층되는 포토 다이오드(302-1 내지 302-N) 및 표면 피닝층(301-1 내지 301-N)이 P형 에피택셜층(21)에 마련되어 있다.
이와 같이, 화소(11K)는, 포토 다이오드(302-1 내지 302-N)를 다단화함에 의해, 예를 들면, 화소(11J)보다도 포토 다이오드 용량(강한 전류 계면)을 증가할 수가 있어서, 더한층의 포화 전하량의 증가를 도모할 수 있다.
다음에, 도 52에는, 도 51의 화소(11K)의 변형례인 화소(11L)의 구성례(제12의 실시의 형태)를 도시하는 단면도가 도시되어 있다.
예를 들면, 도 51의 화소(11K)에서는, 복수의 개략 동일 면적의 포토 다이오드(302)가 적층되어 P형 에피택셜층(21)에 형성되어 있었음에 대해, 도 52에 도시하는 바와 같이, 화소(11L)에서는, 복수층의 포토 다이오드(302) 중의 일부가 다른 면적이 되도록 P형 에피택셜층(21)에 형성되어 있다. 즉, 화소(11L)는, 실리콘 기판(22)과 P형 에피택셜층(21)과의 계면 부근에 배치된 N층째의 포토 다이오드(302-N') 및 표면 피닝층(301-N')의 면적이, 다른 포토 다이오드(302) 및 표면 피닝층(301)의 면적보다도 넓게 형성된다.
즉, 화소(11L)에서는, 복수층의 포토 다이오드(302) 중, P형 에피택셜층(21)의 표면 부근에 배치된 일부의 포토 다이오드(302)의 면적이, 다른 포토 다이오드(302)의 면적보다 넓게 형성된다. 이때, 넓게 형성되는 포토 다이오드(302)의 면적은, P형 에피택셜층(21)에서 화소 트랜지스터(32)가 형성되는 영역을 침해하지 않는 범위에서, 화소(11L)가 형성되는 영역에서 최대의 면적이 되도록 설정된다. 또한, 도 52의 예에서는, 포토 다이오드(302-N')의 1층만이 넓게 형성되어 있지만, 1층만으로 한정되는 것이 아니다. 즉, P형 에피택셜층(21)의 표면 부근의 소정수층의 포토 다이오드(302)의 면적을, 다른 포토 다이오드(302)의 면적보다 넓게 형성할 수 있다. 이에 의해, P형 에피택셜층(21)에서의 무효 영역을 삭감할 수가 있어서, 더한층의 포화 전하량의 증가를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서는, n형의 실리콘 기판(22)에 대해 P형 에피택셜층(21)을 형성하는 구성의 고체 촬상 소자(1)에 관해 설명하였지만, 그 반대의 구성, 즉, s형의 실리콘 기판에 대해 N형 에피택셜층을 형성하는 구성을 채용하여도 좋다.
또한, 상술한 바와 같은 고체 촬상 소자(1)는, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 시스템, 촬상 기능을 구비하는 휴대 전화기, 또는, 촬상 기능을 구비하는 다른 기기라는 각종의 전자 기기에 적용할 수 있다.
도 50은, 전자 기기에 탑재되는 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 50에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(501)는, 광학계(502), 촬상 소자(503), 신호 처리 회로(504), 모니터(505), 및 메모리(506)를 구비하여 구성되고, 정지화상 및 동화상을 촬상 가능하다.
광학계(502)는, 1장 또는 복수장의 렌즈를 갖고서 구성되고, 피사체로부터의 상광(입사광)을 촬상 소자(503)에 유도하고, 촬상 소자(503)의 수광면(센서부)에 결상시킨다.
촬상 소자(503)로서는, 상술한 각 구성례의 화소(11)를 갖는 고체 촬상 소자(1)가 적용된다. 촬상 소자(503)에는, 광학계(502)를 통하여 수광면에 결상된 상에 응하여, 일정 기간, 전자가 축적된다. 그리고, 촬상 소자(503)에 축적된 전자에 응한 신호가 신호 처리 회로(504)에 공급된다.
신호 처리 회로(504)는, 촬상 소자(503)로부터 출력된 화소 신호에 대해 각종의 신호 처리를 시행한다. 신호 처리 회로(504)가 신호 처리를 시행함에 의해 얻어진 화상(화상 데이터)은, 모니터(505)에 공급되어 표시되거나, 메모리(506)에 공급되어 기억(기록)되거나 한다.
이와 같이 구성되어 있는 촬상 장치(501)에서는, 상술한 각 구성례의 화소(11)를 갖는 고체 촬상 소자(1)의 구성을 적용함에 의해, 포화 전하량 및 감도의 특성을 향상시킬 수 있고, 보다 양호한 화질의 화상을 취득할 수 있다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 화소마다 마련되고, 광전 변환을 행하여 수광량에 응한 전하를 발생하는 포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와,
상기 전송 트랜지스터 이외의, 상기 화소의 구동에 필요한 소정수의 트랜지스터를 포함하는 화소 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드가 형성되는 포토 다이오드 영역과,
상기 포토 다이오드 영역에 대해 깊이 방향으로 분리하여 형성되고, 상기 화소 트랜지스터가 형성되는 트랜지스터 영역을 구비하고,
상기 트랜지스터 영역은, 상기 포토 다이오드 영역에 상기 포토 다이오드를 형성한 후에, 상기 포토 다이오드 영역에 대해 적층하도록 형성되는 고체 촬상 소자.
(2) 상기 트랜지스터 영역은, 상기 포토 다이오드 영역이 되는 실리콘 기판의 표면에 대해 에피택셜 성장을 행함에 의해 형성되는 에피택셜층이고, 상기 에피택셜층의 표면에 상기 화소 트랜지스터가 형성되는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 전송 트랜지스터는, 상기 트랜지스터 영역의 표면측부터 상기 포토 다이오드까지 관통하도록 매입된 게이트 전극을 갖고서 구성되는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 전송 트랜지스터는, 상기 트랜지스터 영역의 표면측부터 상기 포토 다이오드 영역이 노출할 때까지 상기 트랜지스터 영역이 굴입되어 형성된 굴입부의 저면에 형성되는 상기 (1)부터 (3)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 상기 포토 다이오드 영역의 상기 포토 다이오드에 접하고, 상기 트랜지스터 영역의 표면 부근까지 형성되는 확산층을 또한 구비하고,
상기 전송 트랜지스터는, 상기 확산층을 통하여 상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 전송하도록, 상기 트랜지스터 영역의 표면에 형성되는 상기 (1)부터 (4)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 트랜지스터 영역에서 인접하는 다른 상기 화소와 분리하기 위한 소자 분리부를 또한 구비하는 상기 (1)부터 (5)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 포토 다이오드 영역에서 인접하는 다른 상기 화소와 분리하기 위한 제1의 소자 분리부와,
상기 제1의 소자 분리부에 접속하는 구조로, 상기 트랜지스터 영역에서 인접하는 다른 상기 화소와 분리하기 위한 제2의 소자 분리부를 또한 구비하는 상기 (1)부터 (6)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 상기 포토 다이오드 영역 및 상기 트랜지스터 영역의 사이에 배치되고, 에피택셜 성장을 행함에 의해 형성되는 불순물 농도가 진한 불순물 영역을 또한 구비하는 상기 (1)부터 (7)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(9) 상기 트랜지스터 영역에서의 상기 포토 다이오드와 상기 화소 트랜지스터와의 사이를 분리하기 위한 불순물 영역을 또한 구비하는 상기 (1)부터 (8)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(10) 상기 포토 다이오드 영역에, 상기 포토 다이오드에서 발생한 전하가 전송되는 플로팅 디퓨전부가 형성되어 있고, 상기 전송 트랜지스터는, 상기 트랜지스터 영역에 매입된 게이트 전극을 갖고서 구성되는 상기 (1)부터 (9)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(11) 상기 트랜지스터 영역을 관통하여 상기 플로팅 디퓨전부에 접속하도록 상기 트랜지스터 영역에 매입된 도체에 의해 형성되는 콘택트부를 또한 구비하는 상기 (1)부터 (10)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(12) 상기 트랜지스터 영역을 관통하여 상기 플로팅 디퓨전부에 접속하도록, 상기 트랜지스터 영역의 깊이 방향으로 연재되도록 형성되는 불순물 영역을 또한 구비하는 상기 (1)부터 (11)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(13) 상기 트랜지스터 영역에, 광전 변환을 행하여 수광량에 응한 전하를 발생하는 제2의 포토 다이오드가 형성되는 상기 (1)부터 (12)까지의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(14) 상기 트랜지스터 영역의 깊이 방향으로, 복수의 상기 제2의 포토 다이오드가 적층하도록 형성되는 상기 (13)에 기재된 고체 촬상 소자.
(15) 복수의 상기 제2의 포토 다이오드 중, 상기 트랜지스터 영역과 상기 포토 다이오드 영역과의 계면 부근에 배치되는 일부의 상기 제2의 포토 다이오드의 면적이, 다른 상기 제2의 포토 다이오드보다 넓게 형성되는 상기 (14)에 기재된 고체 촬상 소자.
<1> 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 형성된 제1의 포토 다이오드; 제1의 면이 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 에피택셜층 및 게이트 전극이 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재되는 전송 트랜지스터를 포함하는 고체 촬상 소자.
<2> 상기 에피택셜층에 형성되고, 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 플로팅 디퓨전을 더 포함하는 <1>에 기재된 고체 촬상 소자.
<3> 상기 에피택셜층상에 형성된 복수의 화소 트랜지스터를 더 포함하는 <1> 또는 <2>에 기재된 고체 촬상 소자.
<4> 상기 복수의 화소 트랜지스터는 적어도 상기 제1의 포토 다이오드가 형성된 상기 실리콘 기판의 적어도 일부분으로 덮는 <3>에 기재된 고체 촬상 소자.
<5> 상기 에피택셜층에 형성된 제2의 포토 다이오드를 더 포함하는 <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
<6> 상기 제2의 포토 다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 <5>에 기재된 고체 촬상 소자.
<7> 상기 에피택셜층에 형성된 복수의 포토 다이오드를 더 포함하는 <1> 내지 <6> 중 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
<8> 상기 제1의 포토 다이오드 및 상기 에피택셜층에 형성된 상기 포토 다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉되어 있는 <7>에 기재된 고체 촬상 소자.
<9> 복수의 피닝층을 더 포함하고, 상기 에픽택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드는 상기 복수의 피닝층과 함께 깊이 방향으로 적층되어 있는 <8>에 기재된 고체 촬상 소자.
<10> 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 에피택셜층의 적어도 하나의 면적은, 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드의 다른 것 중 적어도 하나와 다른 상기 에피택셜층의 상기 제1의 면에 평행한 평면에서의 면적을 갖는 <9>에 기재된 고체 촬상 소자.
<11> 상기 에피택셜층에 형성된 상기 포토 다이오드는 상기 실리콘 기판에 형성된 상기 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 <10>에 기재된 고체 촬상 소자.
<12> 플로팅 디퓨전을 더 포함하고, 상기 플로팅 디퓨전의 전어도 일부분은 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 <11>에 기재된 고체 촬상 소자.
<13> 복수의 화소 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 복수의 화소 트랜지스터는 상기 에피택셜층상에 형성되고 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 <12>에 기재된 고체 촬상 소자.
<14> 복수의 화소; 반고체 기판상의 에피택셜층; 상기 에피택셜층에 형성된 플로팅 디퓨전 및 복수의 전송 게이트 전극을 포함하고, 상기 복수의 화소의 각각의 화소는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이고, 각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 전극에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되어 있는 고체 촬상 소자.
<15> 상기 복수의 화소는 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치되어 있는 <14>에 기재된 고체 촬상 소자.
<16> 상기 에피택셜층에 형성된 복수의 화소 트랜지스터를 더 포함하는 <15>에 기재된 고체 촬상 소자.
<17> 상기 복수의 전송 게이트 전극은 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치되어 있는 <15> 또는 <16>에 기재된 고체 촬상 소자.
<18> 실리콘 기판에 포토 다이오드를 형성하고; 상기 실리콘 기판상에 에피택셜층을 형성하고; 상기 에피택셜층의 표면으로부터 상기 실리콘 기판까지 굴입함에 의해 굴립부를 형성하고; 상기 굴입부의 내측 표면상에 게이트 산화막을 형성함으로써 게이트 전극을 형성하고; 상기 굴입부는 상기 포토 다이오드의 N형 영역을 둘러싸는 P웰에 도달하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
<19> 광학계 및
상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 포함하고, 상가 고체 촬상 소자는, 온 칩 렌즈; 반사 방지막; 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 형성된 제1의 포토 다이오드; 제1의 면이 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 에피택셜층; 게이트 전극이 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재되는 전송 트랜지스터 및 상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 포함하고, 상기 반사 방지막은 상기 실리콘 기판의 상기 제1의 면에 접속되어 있고, 상기 온 칩 렌즈는 적어도 상기 반사 방지막에 의하여 상기 실리콘 기판의 상기 제1의 면으로부터 분리되어 있는 전자 기기.
<20> 광학계 및 상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 포함하고, 상가 고체 촬상 소자는, 복수의 화소; 반도체 기판상의 에피택셜층; 상기 에피택셜층에 형성된 플로팅 디퓨전; 복수의 전송 게이트 전극 및 상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 포함하고, 각각의 상기 복수의 화소는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이고, 각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 전극 중 하나에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되어 있는 전자 기기.
또한, 본 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
1 : 고체 촬상 소자
2 : 화소 트랜지스터 영역
3 : 포토 다이오드 영역
11 : 화소
12 : 공유 화소
21 : P형 에피택셜층
22 : 실리콘 기판
23 : 반사 방지막
24 : 컬러 필터층
25 : 온 칩 렌즈
31 : 전송 트랜지스터
32 : 화소 트랜지스터
33 : 포토 다이오드
41 : 게이트 전극
42 : N형 영역
43 : 게이트 전극
44 및 45 : N형 영역

Claims (20)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 형성된 제1의 포토 다이오드;
    제1의 면이 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 에피택셜층 및
    게이트 전극이 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재되는 전송 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성되고, 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 플로팅 디퓨전을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜층상에 형성된 복수의 화소 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 화소 트랜지스터는 적어도 상기 제1의 포토 다이오드가 형성된 상기 실리콘 기판의 적어도 일부분으로 덮는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성된 제2의 포토 다이오드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2의 포토 다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성된 복수의 포토 다이오드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1의 포토 다이오드 및 상기 에피택셜층에 형성된 상기 포토 다이오드는 상기 전송 트랜지스터의 상기 게이트 전극과 전기적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    복수의 피닝층을 더 구비하고, 상기 에픽택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드는 상기 복수의 피닝층과 함께 깊이 방향으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 에피택셜층의 적어도 하나의 면적은, 상기 에피택셜층에 형성된 상기 복수의 포토 다이오드의 다른 것 중 적어도 하나와 다른 상기 에피택셜층의 상기 제1의 면에 평행한 평면에서의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성된 상기 포토 다이오드는 상기 실리콘 기판에 형성된 상기 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    플로팅 디퓨전을 더 포함하고, 상기 플로팅 디퓨전의 전어도 일부분은 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    복수의 화소 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 복수의 화소 트랜지스터는 상기 에피택셜층상에 형성되고 상기 제1의 포토 다이오드의 적어도 일부분으로 덮는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  14. 복수의 화소;
    반고체 기판상의 에피택셜층;
    상기 에피택셜층에 형성된 플로팅 디퓨전 및
    복수의 전송 게이트 전극을 구비하고,
    상기 복수의 화소의 각각의 화소는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이고,
    각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 전극에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 화소는 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 에피택셜층에 형성된 복수의 화소 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 전송 게이트 전극은 상기 플로팅 디퓨전에 대해 대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  18. 실리콘 기판에 포토 다이오드를 형성하고;
    상기 실리콘 기판상에 에피택셜층을 형성하고;
    상기 에피택셜층의 표면으로부터 상기 실리콘 기판까지 굴입함에 의해 굴립부를 형성하고;
    상기 굴입부의 내측 표면상에 게이트 산화막을 형성함으로써 게이트 전극을 형성하고;
    상기 굴입부는 상기 포토 다이오드의 N형 영역을 둘러싸는 P웰에 도달하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  19. 광학계 및
    상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 구비하고,
    상가 고체 촬상 소자는,
    온 칩 렌즈;
    반사 방지막;
    실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 형성된 제1의 포토 다이오드;
    제1의 면이 상기 실리콘 기판의 표면에 인접한 에피택셜층;
    게이트 전극이 적어도 상기 제1의 포토 다이오드로부터 상기 제1의 면에 대향하는 상기 에피택셜층의 제2의 면까지 연재되는 전송 트랜지스터 및
    상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 포함하고,
    상기 반사 방지막은 상기 실리콘 기판의 상기 제1의 면에 접속되어 있고, 상기 온 칩 렌즈는 적어도 상기 반사 방지막에 의하여 상기 실리콘 기판의 상기 제1의 면으로부터 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  20. 광학계 및
    상기 광학계로부터 광을 수광하는 고체 촬상 소자를 포함하는 촬상 소자를 구비하고,
    상가 고체 촬상 소자는,
    복수의 화소;
    반도체 기판상의 에피택셜층;
    상기 에피택셜층에 형성된 플로팅 디퓨전;
    복수의 전송 게이트 전극 및
    상기 촬상 소자로부터 신호를 수신하는 신호 처리 회로를 포함하고,
    각각의 상기 복수의 화소는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 화소는 중심점에 대하여 대칭이고,
    각각의 상기 화소는 상기 전송 게이트 전극 중 하나에 의하여 상기 플로팅 디퓨전과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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