JP5767465B2 - 固体撮像装置およびその製造方法ならびにカメラ - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法ならびにカメラに関する。
CCDセンサおよびCMOSセンサなどの固体撮像装置では、撮像領域に複数の画素が配列されていて、各画素は、光電変換部と、該光電変換部に蓄積された電荷を信号出力部に転送するチャネルを形成する転送ゲートとを有する。この信号出力部は、CCDセンサにおいては垂直CCDレジスタであり、CMOSセンサにおいては増幅用トランジスタのゲートが接続されたフローティングディフュージョンでありうる。光電変換部は、一般に、暗電流を抑えて信号電荷である電子を効率よく収集するため、半導体基板の表面から深さ方向に向かってp領域、n領域、n領域が配置された埋め込み構造を有する。ここで、p領域の下に接するn領域が信号電荷である電子の蓄積領域である。
蓄積領域に蓄積される最大電子数、即ち飽和電子数は、概ね蓄積領域の面積とポテンシャルの深さとの積に比例する。しかし、ポテンシャルが深いほど、信号出力部への電子の転送が困難になる。よって、特に画素面積が小さい場合には、飽和電子数の確保と信号転送性能の確保を両立させることは難しい。
特許文献1には、半導体基板の表面から深さ方向に向かって、p領域、n領域、p領域、n領域が配置された構造が開示されている。この構造では、蓄積領域であるn領域の下に接するようにp領域が配置されているので、蓄積領域であるn領域の厚さが制限される。飽和電子数は、n領域の厚さと不純物濃度との積によって決まる。n領域を空乏化するために必要な電圧は、n領域の厚さの1/2乗に比例する。空乏化電圧が小さいほど信号出力部への電子の転送が容易になるので、n領域の下に接するようにp領域を形成することにより、小さい空乏化電圧で大きな飽和電子数が得られ、飽和と転送性能との両立が容易になる。
特開2008−078302号公報
しかしながら、特許文献1に開示された構造では、空乏化したn領域のポテンシャル勾配が弱くなる。したがって、n領域で発生した電子が蓄積領域であるn領域によって収集されるためのドリフト力が小さくなり、これにより、感度が低下したり、クロストークが増大したりしうる。更には、画素間の横方向分離のためのp領域が配置された構成では、特に画素が縮小された場合において、該p領域がn層のポテンシャルを平坦化するように影響し、これにより感度の低下が更に顕著になりうる。すなわち、従来の画素の構造や特許文献1の構造では、飽和電荷量、転送性能および感度の全てに対する要求を満たすことが、特に画素が縮小された場合において困難になりうる。
本発明は、以上の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、飽和電荷量、転送性能および感度に対する要求を満たすために有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の1つの側面は、固体撮像装置に係り、該固体撮像装置は、第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の下面に接するように配置され電荷蓄積領域として機能する第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域によって取り囲まれた側面を含む第3半導体領域と、前記第2半導体領域から離隔して配置された第2導電型の第4半導体領域と、前記第2半導体領域に蓄積された電荷を前記第4半導体領域に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含み、前記第3半導体領域は、第1導電型の半導体領域であるか、第2導電型の不純物濃度が前記第2半導体領域よりも低い第2導電型の半導体領域である。
本発明によれば、飽和電荷量、転送性能および感度に対する要求を満たすために有利な技術を提供する。
本発明の第1、第2、第4実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す平面図。 本発明の第1実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す断面図。 本発明の第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。 ポテンシャル分布を例示する図。 本発明の第2実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す断面図。 本発明の第2実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。 本発明の第3実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す平面図。 本発明の第3実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す断面図。 本発明の第4実施形態の固体撮像装置の1つの画素の構成を示す断面図。
本発明の固体撮像装置は、CMOSセンサおよびCCDセンサなどのように、電荷蓄積領域に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンおよび垂直CCDレジスタなどの信号出力部に転送する機能を有する種々のセンサに適用されうる。固体撮像装置は、複数の画素を含み、各画素は、電荷蓄積領域を含む光電変換素子と、該電荷蓄積領域に蓄積された電荷(電子または正孔)を信号出力部に転送するチャネルを形成する転送ゲートとを含みうる。CMOSセンサでは、信号出力部としてのフローティングディフュージョンは、複数の画素あるいは複数の光電変換素子によって共有されうる。
特許請求の範囲で使用される「第1導電型」および「第2導電型」は、相互に異なる導電型を表現するために用いられる用語である。「第1導電型」がp型である場合には「第2導電型」はn型であり、「第1導電型」がn型である場合には「第2導電型」はp型である。以下では、説明の簡略化のために、「第1導電型」がp型であり、「第2導電型」はn型である例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、「第1導電型」がn型であり、「第2導電型」はp型である場合にも適用される。電荷蓄積領域として機能する半導体領域がn型である場合には、電荷蓄積領域には、光電変換によって生じた電子および正孔のうち電子が蓄積される。電荷蓄積領域として機能する半導体領域がp型である場合には、電荷蓄積領域には、光電変換によって生じた電子および正孔のうち正孔が蓄積される。また、以下では説明の簡略化のために、本発明をCMOSセンサに適用した例を説明するが、前述のように、本発明は、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を信号出力部に転送する機能を有する種々のセンサに適用されうる。
図1は、本発明の第1実施形態のCMOSセンサの1つの画素PIXの構成を示す平面図である。画素PIXは、フォトダイオード(以下、PD)1と、信号出力部としてのフローティングディフュージョン(以下、FD)3と、転送ゲート4とを含みうる。PD1は、電荷蓄積部を含み、入射した光に応じた量の電荷を発生してそれを電荷蓄積部に蓄積する。FD3の電位は、それに対して電荷が転送されてくると、その電荷の量に応じて変化する。即ち、FD3は、電荷の形式の信号を電圧の形式の信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。なお、FD3は、他のFDと接続していてもよく、また他のPDと共有されてもよい。転送ゲート4は、PD1の電荷蓄積部に蓄積された電荷をFD3に転送するためのチャネルを形成する。PD1をソースまたはドレインと考え、FD3をドレインまたはソースと考えると、PD1、FD3および転送ゲート4によってMOSトランジスタが構成されているものと理解することができる。PD1およびFD3は、素子分離2によって他の素子(画素内の他の素子、および、他の画素の素子)から分離されている。素子分離2は、絶縁体で構成されていても、PN接合によって構成されていてもよい。画素PIXは、その他の素子、例えば、FD3の電位に応じた信号を垂直信号線に出力する増幅MOSトランジスタ、FD3の電位をリセットするリセットMOSトランジスタが配置される領域5を含みうる。
図2は、図1のA−B線に沿った模式的な断面図である。画素PIXは、第1導電型(ここではp型)の第1半導体領域(p領域)13と、第1半導体領域13の下面に接するように配置された第2導電型(ここではn型)の第2半導体領域(n領域;電荷蓄積領域)14とを含む。画素PIXはまた、特徴的な構成として、第2半導体領域14によって取り囲まれた側面を含む第1導電型の第3半導体領域(p領域)15とを含む。画素PIXはまた、第2半導体領域14から離隔して配置された第2導電型の第4半導体領域であるFD3と、第2半導体領域14に蓄積された電荷をFD3に転送するためのチャネルを第2導電型の第5半導体領域(n領域)8に形成する転送ゲート4とを含む。転送ゲート4は、絶縁膜12を介して第5半導体領域8の上に配置される。第5半導体領域8は、第2半導体領域14の下面および第3半導体領域15の下面に接する部分、FD3に接する部分、および、転送ゲート4に印加される電位によってチャネルが形成される部分を含みうる。PD1およびFD3は、素子分離2によって他の素子(画素内の他の素子、および、他の画素の素子)から分離されている。画素PIXはまた、第5半導体領域8の下面に接する第1導電型の第6半導体領域9を更に含む。ここで、PD1は、第1半導体領域13、第2半導体領域14、第3半導体領域15、第4半導体領域8、第6半導体領域9で構成される。第1の導電型の第1半導体領域13は、PD1を埋め込み構造とし、第1導電型の第6半導体領域9は、PD1の深さを規定する。第1導電型の第6半導体領域9は、第2導電型の半導体領域(例えば、半導体基板)7の上に配置されうる。素子分離2の下には、チャネルストップを形成する第1導電型の半導体領域10が形成されうる。チャネルストップを形成する半導体領域10と、第6半導体領域9との間には、画素と画素とを相互に分離するための第1の導電型の半導体領域11が形成されうる。半導体領域11は、例えば、深さ方向に複数段の半導体領域で形成され、例えば複数の不純物濃度ピークを有しうる。
第1導電型の第3半導体領域15は、第1導電型の第6半導体領域9と接触しないように形成されうる。換言すると、第3半導体領域15の下面は、第1導電型の第6半導体領域9の上面よりも浅い位置に配置される。好ましくは、光電変換領域におけるポテンシャル勾配を低下させないように、第1導電型の第3半導体領域15の下面は、分離用の第1導電型の半導体領域11の最上端よりも浅い位置に配置される。第1導電型の第3半導体領域15は、第1導電型の第1半導体領域13と接触しないように配置されうる。換言すると、第3半導体領域15は、第2導電型の第2半導体領域14に接する上面を含みうる。
第1導電型の第3半導体領域15の側面の少なくとも上側部分を取り囲んでいる第2導電型の第2半導体領域14から第6半導体領域9に至るまでの第5半導体領域8は入射光が電子および正孔に変換される光電変換領域である。当該領域における電位勾配は、第3半導体領域15が存在しない構成における電位勾配とほぼ等しい。したがって、第5半導体領域8で発生した電子は、十分に高い効率で第2半導体領域14によって収集される。これは、高い感度を得ながらクロストークを低減するために有利である。
図3は、第3半導体領域15を形成するイオン注入工程を説明するための図である。第1実施形態の固体撮像装置の製造方法は、マスク形成工程と、イオン注入工程とを含みうる。マスク形成工程では、第3半導体領域15を形成すべき領域の上に開口OP1を有するマスクM1を形成する。イオン注入工程では、第1半導体領域13および第2半導体領域14が形成された基板に対してマスクM1を使って第1導電型を形成するためのイオンを注入する。また、イオン注入工程では、1つの画素の第2半導体領域14と他の画素の第2半導体領域14との間に、チャネルストップとして機能する第1導電型の半導体領域10が第3半導体領域15とともに形成されうる。ここで、第3半導体領域15を形成すべき領域のほか半導体領域10を形成すべき領域の上に開口を有するマスクM1を使用し、同一工程でこれらを形成してもよい。また、第3半導体領域15を形成する工程は第1半導体領域13および第2半導体領域14を形成する工程の前でもよい。この時、第3半導体領域15と第1導電型の半導体領域10とを同一工程で形成してもよい。また、第3半導体領域15は第1導電型(p領域)としたが、第2半導体領域14よりも低い不純物濃度を有する第2導電型(n領域)であってもよい。この場合には、イオン注入時の注入量を第1導電型を形成する場合よりも少なくすればよい。第1実施形態の固体撮像装置の製造方法は、第1導電型の半導体領域10の下に更に第1導電型の半導体領域11が形成されるように基板にイオンを注入する工程を更に含みうる。
図4(a)は、転送ゲート4によってチャネルが形成されていない状態(転送ゲート4を含む転送MOSトランジスタがオフしている状態)における図1のA−B線に沿ったポテンシャル分布を例示する図である。この状態では、電荷蓄積領域としての第2半導体領域14に電子が蓄積される。図4(b)は、転送ゲート4によってチャネルが形成されている状態(転送ゲート4を含む転送MOSトランジスタがオンしている状態)における図1のA−B線に沿ったポテンシャル分布を例示する図である。この状態では、電荷蓄積領域としての第2半導体領域14に蓄積された電子がチャネルを通してFD3に転送される。図4(a)、(b)において、太線は第1実施形態の画素におけるポテンシャル分布を例示し、細線は比較例におけるポテンシャル分布を例示している。ここで、比較例は、図2に示す構成から第3半導体領域15を取り去った構成を有する。なお、第1実施形態と比較例とにおいて、電荷蓄積領域としての第2半導体領域14に蓄積される電子数が同じになるように第2半導体領域14の不純物濃度が調整されている。
図4(a)に例示されるように、第1実施形態におけるポテンシャル分布の底部は、比較例よりも横方向に広がっている。これにより、第1実施形態におけるポテンシャル分布の底部は、比較例よりも、転送ゲート4に近づいている。これは、第2導電型の第2半導体領域14によって取り囲まれた側面を含む第1導電型の第3半導体領域15を設けたことによるものである。第1実施形態によれば、比較例よりも、PD1からFD3に至る経路にポテンシャルバリアが形成されにくい。よって、第1実施形態は、比較例よりも、FD3への電荷の転送性能が向上する。一方、第1実施形態におけるポテンシャル分布の底部は、比較例よりも高い。しかし、第1実施形態におけるポテンシャル分布の底部は前述のように横方向に広がっているので、これによって飽和電荷量の低下が抑えられる。なお、飽和電荷量は、第2半導体領域14の第2導電型の不純物の濃度を高めることによって増加させることができる。
したがって、第1実施形態における画素の構造は、特に画素が縮小された場合において、十分な感度、転送性能および飽和電荷量を得るために有利である。
図5を参照しながら本発明の第2実施形態のCMOSセンサの1つの画素PIXの構成を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第2実施形態の画素PIXは、第1実施形態における第1導電型の第3半導体領域15に代えて、第2導電型の第3半導体領域(n領域)150を有する。ここで、第3半導体領域(n領域)150の第2導電型の不純物濃度は、第2半導体領域(n領域)14の第2導電型の不純物濃度よりも低い。第3半導体領域(n領域)150の第2導電型の不純物濃度は、第5半導体領域(n領域)8の第2導電型の不純物濃度と同じでありうる。第2半導体領域14は、枠形状あるいはリング形状を有しうる。
図6は、第3半導体領域150が規定されるように第2半導体領域14を形成するためのイオンを基板に注入するイオン注入工程を説明するための図である。第2実施形態の固体撮像装置の製造方法は、第2半導体領域14を形成すべき領域に対応する領域に開口OP2を有するマスクM2を形成する工程と、第1半導体領域14が形成された基板に対してマスクM2を使ってイオンを注入するイオン注入工程とを含む。ここで、マスクM2は、第3半導体領域150を形成すべき領域に対応する部分を覆うように形成される。イオン注入工程では、マスクM2を使用することにより、第2導電型の第2半導体領域14によって取り囲まれた側面を含む第2導電型の第3半導体領域150が規定されるように、基板における第2半導体領域14を形成すべき領域に対してイオンを注入する。
第2実施形態における画素の構造によれば、第1実施形態における画素の構造によって形成されるポテンシャル分布と同様のポテンシャル分布が形成されうる。しかも、第1導電型の第3半導体領域15を形成しない分だけ画素の構造が簡単になる。
第2実施形態もまた、十分な感度、転送性能および飽和電荷量を得るために有利である。
図7および図8を参照しながら本発明の第3実施形態を説明する。図7は、本発明の第3実施形態のCMOSセンサの1つの画素PIXの構成を示す平面図である。図8は、図7のC−D線に沿った模式的な断面図である。なお、ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第3実施形態では、各画素が第2半導体領域14、第3半導体領域15および転送ゲート4を含み、1つの画素の第2半導体領域14と他の画素の第2半導体領域14との間に第1導電型の半導体領域20が配置されている。また、半導体領域20の上には絶縁体で構成される素子分離は配置されていない。PDとPDとを分離するために絶縁体(酸化膜)で構成された素子分離(例えば、LOCOSまたはSTI)を使用する場合、半導体と絶縁体との界面に構造不均一性が生じ、界面において電流が発生しうる。この電流は暗電流となるため画質低下の要因となる。第3実施形態では、隣接する画素間のPDとPDを相互に分離するために半導体領域20(不純物半導体領域)を用いる。ここで、ポテンシャル分布を制御するための第3半導体領域15と分離のための半導体領域20とは、同一工程で形成してもよく、この場合、工程を単純化することができる。なお、この第3半導体領域15を形成する工程は、第1半導体領域13および第2半導体領域14を形成する工程の前でも後でもよい。
第3実施形態は、十分な感度、転送性能および飽和電荷量を得るために有利であることに加えて、暗電流を低減するために有利である。
図9は、本発明の第4実施形態のCMOSセンサの1つの画素PIXの構成を示す図であり、図1のA−B線に沿った模式的な断面図である。ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第4実施形態の画素PIXは、第2半導体領域14の下面および第3半導体領域15の下面に接する部分を含む第1導電型の半導体領域(pウェル)16を更に含む。半導体領域16は、FD3に接する部分、および、転送ゲート4に印加される電位によってチャネルが形成される部分を含みうる。第4実施形態では、ポテンシャル勾配が小さくなりうるで、感度は低くなりうるが、高い転送性能が得られる。第4実施形態の画素の構造においても、第3半導体領域15の存在により、転送効率と飽和電荷量との双方に関して有利である。また、第2実施形態のように、第1導電型の半導体領域15の代わりに第2導電型の半導体領域150を採用しても同様である。
第1、第2、第3実施形態において、濃度が低い第2の導電型の第5半導体領域8は、空乏化して主たる光電変換領域になりうるが、第2の導電型の第5半導体領域8を濃度が高い第1導電型の半導体領域によって置き換えてもよい。また、各実施形態の構成は適宜組み合わせ可能である。
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する処理部とを含む。該処理部は、例えば、A/D変換器、および、該A/D変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (9)

  1. 第1導電型の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の下面に接するように配置され電荷蓄積領域として機能する第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第2半導体領域に接する上面、下面、および、前記第2半導体領域によって取り囲まれた側面を含み、前記第1半導体領域に接しない第3半導体領域と、
    前記第2半導体領域から離隔して配置された第2導電型の第4半導体領域と、
    前記第3半導体領域の前記下面および前記第2半導体領域の下面に接するように配置された第2導電型の第5半導体領域と、
    前記第2半導体領域に蓄積された電荷を前記第4半導体領域に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含み、
    前記第3半導体領域の前記上面から前記第3半導体領域の前記下面まで延びた部分は、第1導電型の半導体領域からなるか、第2導電型の不純物濃度が前記第2半導体領域よりも低い第2導電型の半導体領域からなる、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第5半導体領域の下面に接する第1導電型の第6半導体領域を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 複数の画素を有するように構成され、
    各画素が前記第2半導体領域、前記第3半導体領域および前記転送ゲートを含み、1つの画素の前記第2半導体領域と他の画素の前記第2半導体領域との間に第1導電型の半導体領域が配置されている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
  4. 複数の画素を有するように構成され、
    各画素が前記第2半導体領域、前記第3半導体領域および前記転送ゲートを含み、1つの画素の前記第2半導体領域と他の画素の前記第2半導体領域との間に第1導電型の半導体領域が配置され、
    前記第3半導体領域は、第1導電型の半導体領域であり、
    前記第3半導体領域および前記半導体領域は、同一の深さに配置され、かつ、同一の不純物濃度を有する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。
  5. 請求項1乃至のいずれか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。
  6. 第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の下面に接するように配置されて電荷蓄積領域として機能する第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域から離隔して配置された第2導電型の第4半導体領域と、第2導電型の第5半導体領域とが配された基板と、前記第2半導体領域に蓄積された電荷を前記第4半導体領域に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含む固体撮像装置の製造方法であって、
    第3半導体領域が形成されるように、前記基板に対して第1導電型のイオンを注入するイオン注入工程を含み、
    前記第3半導体領域は、前記第2半導体領域に接する上面、前記第5半導体領域に接する下面、および、前記第2半導体領域によって取り囲まれた側面を含み、前記第1半導体領域に接せず、
    前記第3半導体領域の前記上面から前記第3半導体領域の前記下面まで延びた部分は、第1導電型である、
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  7. 第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の下面に接するように配置されて電荷蓄積領域として機能する第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域から離隔して配置された第2導電型の第4半導体領域と、第2導電型の第5半導体領域とが配置された基板と、前記第2半導体領域に蓄積された電荷を前記第4半導体領域に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含む固体撮像装置の製造方法であって、
    第2導電型の第3半導体領域が形成されるように、前記基板に対して第1導電型のイオンを注入するイオン注入工程を含み、
    前記第3半導体領域は、前記第2半導体領域に接する上面、前記第5半導体領域に接する下面、および、前記第2半導体領域によって取り囲まれた側面を含み、前記第1半導体領域に接せず、
    前記第3半導体領域の前記上面から前記第3半導体領域の前記下面まで延びた部分は、第2導電型であり、第2導電型の不純物濃度が前記第2半導体領域よりも低い半導体領域である、
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  8. 前記固体撮像装置は、複数の画素を有し、各画素が前記第2半導体領域、前記第3半導体領域および前記転送ゲートを含み、
    前記イオン注入工程では、1つの画素の前記第2半導体領域と他の画素の前記第2半導体領域との間に、第1導電型の半導体領域が前記第3半導体領域とともに形成されるように、前記基板にイオンを注入する、
    ことを特徴とする請求項又はに記載の固体撮像装置の製造方法。
  9. 第1導電型の前記半導体領域の下に更に第1導電型の半導体領域が形成されるように前記基板にイオンを注入する工程を更に含むことを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置の製造方法。
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