JP2011216530A - 固体撮像素子およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】単位画素120Aにおいては、メモリ部123とオーバーフローパス130の上部に配置される仕事関数の異なるゲート電極として、P型Poly-Siからなるゲート電極122Aと、N型Poly-Siからなるゲート電極122Bを配置して、それらのゲート電極122Aとゲート電極122Bのオフセットにより、フォトダイオード121とメモリ部123との境界部分のP型ウェル層132のポテンシャルを押し下げて、オーバーフローパス130を形成することで、オーバーフローバリアを安定して形成することができる。本発明は、例えば、光電変換素子から前記電荷保持領域に電荷を転送するオーバーフローパスが形成される画素構造を有するCMOSイメージセンサに適用できる。
【選択図】図8
Description
上記構成の単位画素20Aを有する固体撮像素子において、全画素同一の露光期間で撮像を行うグローバル露光を実現する方法のひとつとして、機械的な遮光手段を用いるメカニカルシャッタ方式が広く使われている。全画素同時に露光を開始し、全画素同時に露光を終了することによってグローバル露光が行われる。
図2は、メモリ部(MEM)を搭載したCMOSイメージセンサの単位画素の構成例を示す。
本出願人は、上述したメモリ部23を利用した方式での課題を解決する方法として、フォトダイオード21とメモリ部23の電荷転送経路において、ポテンシャルバリア(一般にオーバーフローバリアと呼ばれる)を形成しながら空乏状態で接続された画素構造を先に提案している(例えば、特許文献3参照)。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
5.変形例
[固体撮像素子の構成例]
図7は、本発明が適用される固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
次に、図7の画素アレイ部111に行列状に配置されている単位画素120の具体的な構造について説明する。単位画素120は、先に述べた、フォトダイオードとメモリ部がオーバーフローパスで一体化した画素構造を有しており、本実施の形態では、その構成例として、単位画素120A乃至単位画素120D(第1の実施の形態乃至第4の実施の形態)の構成について説明する。第1の実施の形態では、単位画素120Aについて説明する。
ここで、電荷保持領域としてのメモリ部123のゲート電極、すなわち、第1転送ゲート122のゲート電極122Aとゲート電極122Bの電位について説明する。
次に、図10を参照して、図8の単位画素120Aの製造工程について説明する。
[単位画素の構造]
次に、図11を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態と比べて、多結晶シリコンで形成されていた2つのゲート電極のうち、一方のゲート電極が金属により形成される点が異なっている。
次に、図12を参照して、図11の単位画素120Bの製造工程について説明する。
[単位画素の構造]
次に、図13を参照して、本発明の第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、第1の実施の形態と比べて、多結晶シリコンで形成されていた2つのゲート電極が共に、金属により形成される点が異なっている。
次に、図14及び図15を参照して、図13の単位画素120Cの製造工程について説明する。
[単位画素の構造]
次に、図16を参照して、本発明の第4の実施の形態について説明する。第4の実施の形態は、第1の実施の形態と比べて、不純物の注入において、P型Poly-SiとN型Poly-Siが形成される点が異なっている。
次に、図17を参照して、図16の単位画素120Dの製造工程について説明する。
第2の実施の形態の説明(図11)では、ゲート電極122Aとゲート電極122Bのうち、ゲート電極122AをP型の多結晶シリコンにより形成し、ゲート電極122Bを金属から形成されるとして説明したが、その逆、すなわち、ゲート電極122Aを金属により形成し、ゲート電極122BをN型の多結晶シリコンから形成されるとしてもよい。この場合、ゲート電極122Aは、第3の実施の形態(図13)で説明したように、P型Poly-Siの仕事関数に近い、例えば、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)などからなる群から構成された金属、又は、それらの金属を含む合金、若しくはそれらの金属の化合物などからなることになる。
図18は、本発明を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
Claims (15)
- 入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する第1転送ゲートと、
前記第1転送ゲートによって前記光電変換素子から転送される電荷を保持する電荷保持領域と、
前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートと、
前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域と
を有する複数の単位画素を備え、
前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分には、所定電荷量を決めるポテンシャルにて形成され、前記所定電荷量を超える電荷を信号電荷として、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に転送するオーバーフローパスが形成される構造を有しており、
前記第1転送ゲートには、前記オーバーフローパスの上部と前記電荷保持領域の上部にそれぞれ配置されるゲート電極として、仕事関数の異なる2つの電極が設けられている
固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、前記オーバーフローパスの上部の電極の仕事関数が、前記電荷保持領域の上部の電極の仕事関数よりも小さくなる
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、前記オーバーフローパスの上部の電極がN型の多結晶シリコンであり、前記電荷保持領域の上部の電極がP型の多結晶シリコンである
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記N型の多結晶シリコンと前記P型の多結晶シリコンは、絶縁層で分離されている
請求項3に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、同一層の多結晶シリコン構造であり、異なる不純物の注入により前記N型の多結晶シリコンと前記P型の多結晶シリコンとに分離されている
請求項3に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、前記オーバーフローパスの上部の電極が金属からなる電極であり、前記電荷保持領域の上部の電極がP型の多結晶シリコンである
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、前記オーバーフローパスの上部の電極がN型の多結晶シリコンであり、前記電荷保持領域の上部の電極が金属からなる電極である
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、前記オーバーフローパスの上部の電極と、前記電荷保持領域の上部の電極がそれぞれ異なる種類の金属からなる電極である
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記ゲート電極は、それぞれの電極が同一の配線に接続されている
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 半導体基板に、入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換領域から転送される電荷を保持する電荷保持領域を形成する工程と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する前記第1転送ゲートにおける前記電荷保持領域の上部に配置される第1ゲート電極と、前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートのゲート電極を形成する工程と、
前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分であって、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に所定電荷量を超える電荷を転送するオーバーフローパスの上部に配置される、前記第1ゲート電極と仕事関数の異なる第2ゲート電極を形成する工程と、
前記光電変換領域と、前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域を形成する工程と
を備える固体撮像素子の製造方法。 - 半導体基板に、入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換領域から転送される電荷を保持する電荷保持領域を形成する工程と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する前記第1転送ゲートと、前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートを形成する工程と、
前記光電変換領域と、前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域を形成する工程と、
前記第1転送ゲートにおける、前記電荷保持領域の上部に配置される第1ゲート電極、および、前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分であって、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に所定電荷量を超える電荷を転送するオーバーフローパスの上部に配置される、前記第1ゲート電極と仕事関数の異なる第2ゲート電極、並びに前記第2転送ゲートのゲート電極となる部分にイオンを注入する工程と
を備える固体撮像素子の製造方法。 - 前記イオンを注入する工程は、フォトレジストによるパターニングを行った後、P型のイオンを、前記第1転送ゲートの前記第1ゲート電極と、前記第2転送ゲートの前記ゲート電極となる部分に注入し、さらに、フォトレジストによるパターニングを行った後、N型となるイオンを、前記第1転送ゲートの前記第2ゲート電極に注入する
請求項11に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 半導体基板に、入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換領域から転送される電荷を保持する電荷保持領域を形成する工程と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する前記第1転送ゲートにおける前記電荷保持領域の上部に配置される第1ゲート電極と、前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートのゲート電極を形成する工程と、
前記光電変換領域と、前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域を形成する工程と、
前記半導体基板上に所定の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分であって、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に所定電荷量を超える電荷を転送するオーバーフローパスの上部に配置される、前記第1ゲート電極と仕事関数の異なる第2ゲート電極が配置可能となるように、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記層間絶縁膜の前記第2ゲート電極が配置可能な形状となった部分に、所定の絶縁膜を堆積して、所定の金属を積層した後、不要な金属層を除去することにより前記第2ゲート電極を形成する工程と
を備える固体撮像素子の製造方法。 - 半導体基板に、入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換領域から転送される電荷を保持する電荷保持領域を形成する工程と、
前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートのゲート電極を形成する工程と、
前記光電変換領域と、前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域を形成する工程と、
前記半導体基板上に所定の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する前記第1転送ゲートにおける前記電荷保持領域の上部に配置される第1ゲート電極が配置可能となるように、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記層間絶縁膜の前記第1ゲート電極が配置可能な形状となった部分に、所定の絶縁膜を堆積して、第1金属を積層した後、不要な金属層を除去することにより前記第1ゲート電極を形成する工程と、
前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分であって、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に所定電荷量を超える電荷を転送するオーバーフローパスの上部に配置される、前記第1ゲート電極と仕事関数の異なる第2ゲート電極が配置可能となるように、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記層間絶縁膜の前記第2ゲート電極が配置可能な形状となった部分に、所定の絶縁膜を堆積して、前記第1金属と異なる第2金属を積層した後、不要な金属層を除去することにより前記第2ゲート電極を形成する工程と
を備える固体撮像素子の製造方法。 - 入射光量に応じた電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送する第1転送ゲートと、
前記第1転送ゲートによって前記光電変換素子から転送される電荷を保持する電荷保持領域と、
前記電荷保持領域に保持された電荷を転送する第2転送ゲートと、
前記第2転送ゲートによって前記電荷保持領域から転送される電荷を信号として読み出すために保持する浮遊拡散領域と
を有する複数の単位画素を備え、
前記光電変換素子と前記電荷保持領域との境界部分には、所定電荷量を決めるポテンシャルにて形成され、前記所定電荷量を超える電荷を信号電荷として、前記光電変換素子から前記電荷保持領域に転送するオーバーフローパスが形成される構造を有しており、
前記第1転送ゲートには、前記オーバーフローパスの上部と前記電荷保持領域の上部にそれぞれ配置されるゲート電極として、仕事関数の異なる2つの電極が設けられている
固体撮像素子を搭載した電子機器。
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