JP4882962B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4882962B2 JP4882962B2 JP2007286435A JP2007286435A JP4882962B2 JP 4882962 B2 JP4882962 B2 JP 4882962B2 JP 2007286435 A JP2007286435 A JP 2007286435A JP 2007286435 A JP2007286435 A JP 2007286435A JP 4882962 B2 JP4882962 B2 JP 4882962B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photodiode
- transistor
- region
- imaging device
- state imaging
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
本発明は、飽和電荷量(Qs)の低下や感度の低下をさせることなく、画素サイズの微細化を可能にする固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that enables miniaturization of a pixel size without reducing a saturation charge amount (Qs) or a sensitivity.
固体撮像装置として、CMOS型固体撮像素子が知られている。このCMOS型固体撮像装置は、フォトダイオードと複数のトランジスタ、いわゆるMOSトランジスタとにより1画素を形成し、複数の画素を所要のパターンに配列して構成される。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換素子であり、複数のMOSトランジスタはフォトダイオードからの信号電荷を転送するための素子である。 As a solid-state imaging device, a CMOS type solid-state imaging device is known. This CMOS type solid-state imaging device is configured by forming one pixel by a photodiode and a plurality of transistors, so-called MOS transistors, and arranging the plurality of pixels in a required pattern. The photodiode is a photoelectric conversion element that generates and accumulates signal charges according to the amount of received light, and the plurality of MOS transistors are elements for transferring signal charges from the photodiodes.
図8に、イメージセンサに適用した従来のCMOS型固体撮像装置の例を示す。図8は画素の要部を示している。このCMOS型固体撮像装置51は、第1導電型、例えばp型のシリコン半導体基板52の表面側に各画素を区画するための画素分離領域65を形成し、各区画領域にフォトダイオード53と複数のMOSトランジスタ、すなわち電荷読み出しトランジスタ54、リセットトランジスタ55、アンプトランジスタ56及び垂直選択トランジスタ(図示せず)の4つのMOSトランジスタが形成されて単位画素60が構成される。そして、この画素60が多数個、2次元マトリックス状に配列される。
FIG. 8 shows an example of a conventional CMOS solid-state imaging device applied to an image sensor. FIG. 8 shows the main part of the pixel. In this CMOS type solid-state imaging device 51, a
フォトダイオード53は、p型半導体基板52の表面から所要の深さにわたってイオン注入により形成した第2導電型であるn型の半導体領域61[n+領域61a,n領域61b]と、このn型半導体領域61の表面に形成した高不純物濃度のp型半導体領域(p+領域)62とにより形成される。
The
各MOSトランジスタ54、55、56は、次のようにして構成される。p型半導体基板52の表面には、フォトダイオード53に隣接するように、高不純物濃度のn型半導体領域、すなわちn+ソース・ドレイン領域57、58、59がイオン注入により形成される。
電荷読み出しトランジスタ54は、n+ソース・ドレイン領域57と、フォトダイオード53の表面側の高不純物濃度のn+領域61aと、両領域57及び61a間の基板52上にゲート絶縁膜71を介して形成したゲート電極72とにより構成される。
リセットトランジスタ55は、n+ソース・ドレイン領域57及び58と、両領域57及び58間の基板52上にゲート絶縁膜71を介して形成したゲート電極73とにより構成される。ここで、n+ソース・ドレイン領域57は、フローティング・ディフュージョン(FD)と呼ばれている。
アンプトランジスタ56は、n型ソース・ドレイン領域58及び59と、両領域58及び59間の基板52上にゲート絶縁膜71を介して形成したゲート電極74とにより構成される。
垂直選択トランジスタは、図示せざるも同様に、対のソース・ドレイン領域と、その間の基板52上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極とにより構成される。
Each
The
The reset transistor 55 includes n + source /
The
Although not shown, the vertical selection transistor is composed of a pair of source / drain regions and a gate electrode formed on the
上述した各MOSトランジスタの回路配線は、後述と同様であるので説明を省略する。なお、各画素のリセットトランジスタ55とアンプトランジスタ56を接続するn型ソース・ドレイン領域58は接続導体75を介して電源配線76に接続される。さらに、基板52上には、層間絶縁膜78を介して電源配線76を含めた多層の配線77が形成される。
Since the circuit wiring of each MOS transistor described above is the same as that described later, description thereof is omitted. The n-type source /
このCMOS型固体撮像装置51は、半導体基板52の表面側から光をフォトダイオード53に入射し、フォトダイオード53において光電変換して受光量に応じた信号電荷を蓄積するようになされる。
In the CMOS type solid-state imaging device 51, light is incident on the
特許文献1の図5においても、上述したような単位画素を構成するフォトダイオード、電荷読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直転送トランジスタを同一基板上の同一平面に形成したMOS型イメージセンサの固体撮像素子が提案されていた(特許文献1、図5参照)。
上述したCMOS型固体撮像装置51では、多数の画素60を高集積するために微細化を行っているが、特に各画素領域では同一平面上にフォトダイオード53や電荷読み出しトランジスタ等の複数のトランジスタを配置するため、平面上の面積が夫々に必要になり、1画素の面積が増大してしまう傾向があった。このため、画素サイズの微細化が困難となり、あるいは、画素サイズを微細化した場合には、フォトダイオード53の面積が縮小してしまうことにより、飽和電荷量(Qs)の低下や感度の低下をまねくなどの問題があった。
In the above-described CMOS solid-state imaging device 51, miniaturization is performed in order to highly integrate a large number of
本発明は、上述の点に鑑み、飽和電荷量(Qs)の低下や感度の低下をさせるとこなく、画素サイズの微細化を可能にする固体撮像装置を提供するものである。 In view of the above, the present invention provides a solid-state imaging device capable of miniaturizing the pixel size without reducing the saturation charge amount (Qs) or the sensitivity.
本発明に係る固体撮像装置は、フォトダイオードとトランジスタからなる画素が半導体基板に形成され、トランジスタが半導体基板の表面に形成され、フォトダイオードの高濃度領域間で形成されるpn接合部が半導体基板の内部に在り、フォトダイオードのpn接合部の一部が、半導体基板表面の形成された前記トランジスタの下部に延在するように形成され、画素において、フォトダイオードの信号電荷を読み出すための電荷読み出しトランジスタのチャネル部分が、半導体基板表面に対して深さ方向に形成され、電荷読み出しトランジスタのゲート電極の底部に対応する部分において、フォトダイオードを構成する第2導電型の半導体領域と電荷読み出しトランジスタのゲート絶縁膜との間に、フォトダイオードを構成する第1導電型の半導体領域と離間する状態で、第1導電型または第2導電型の半導体領域が形成され、半導体基板の裏面から光を前記フォトダイオードに入射することを特徴とする。 In a solid-state imaging device according to the present invention, a pixel including a photodiode and a transistor is formed on a semiconductor substrate, a transistor is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a pn junction formed between the high-concentration regions of the photodiode is a semiconductor substrate. And a part of the pn junction of the photodiode is formed so as to extend below the transistor formed on the surface of the semiconductor substrate , and the charge for reading out the signal charge of the photodiode in the pixel The channel portion of the read transistor is formed in the depth direction with respect to the surface of the semiconductor substrate, and in the portion corresponding to the bottom of the gate electrode of the charge read transistor, the second conductivity type semiconductor region and the charge read transistor constituting the photodiode A first conductivity type constituting a photodiode between the gate insulating film and In a state in which separated from the semiconductor region, a first conductivity type or semiconductor regions of the second conductivity type is formed, characterized in that incident from the back surface of the semiconductor substrate a light to the photodiode.
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、電荷読み出しトランジスタのゲート電極及びゲート絶縁膜の底部を、フォトダイオードのpn接合部の深さ以上の深い位置に形成することが適当である。 As a preferred embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, it is appropriate to form the gate electrode of the charge readout transistor and the bottom of the gate insulating film at a position deeper than the depth of the pn junction of the photodiode.
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、電荷読み出しトランジスタとフォトダイオードとの接続部に対応するゲート電極を、フォトダイオードの中央部分に位置させることが適当である。
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、電荷読み出しトランジスタの一方の第2導電型のソース・ドレイン領域を、フォトダイオードを構成する第2導電型の半導体領域に兼ねさせることが適当である。
As a preferred form of the solid-state imaging device of the present invention, it is appropriate to position the gate electrode corresponding to the connection portion between the charge readout transistor and the photodiode in the central portion of the photodiode.
As a preferred form of the solid-state imaging device of the present invention, it is appropriate to make one second conductivity type source / drain region of the charge readout transistor also serve as the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode.
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、イオン注入で形成されたフォトダイオードを構成する第2導電型の半導体領域と、電荷読み出しトランジスタの半導体基板表面に形成された他方の第2導電型のソース・ドレイン領域との間の距離で、電荷読み出しトランジスタの実効チャネル長を決定することが適当である。 As a preferred embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode formed by ion implantation and the other second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate of the charge readout transistor. the distance between the source and drain regions, Ru is suitably der to determine the effective channel length of the charge readout transistor.
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、フォトダイオードを構成する第1導電型の高濃度半導体領域と、電荷読み出しトランジスタのゲート絶縁膜との間に前記高濃度半導体領域よりも低濃度の第1導電型の半導体領域を形成することが適当である。 As a preferred embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, the first conductivity type high-concentration semiconductor region constituting the photodiode and the gate insulating film of the charge readout transistor have a lower concentration than the high-concentration semiconductor region. It is appropriate to form a semiconductor region of one conductivity type.
本発明の固体撮像装置によれば、フォトダイオードの高濃度領域間で形成されるpn接合部が、一部半導体表面に形成されたトランジスタの下部に延在するように、半導体基板の内部に設けることにより、画素面積を縮小してもフォトダイオードの面積を大きく維持することができる。従って、飽和電荷量(Qs)や感度を低下させずに画素サイズを微細化することができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, the pn junction formed between the high-concentration regions of the photodiode is provided inside the semiconductor substrate so as to extend partially below the transistor formed on the semiconductor surface. Thus, even if the pixel area is reduced, the area of the photodiode can be maintained large. Therefore, the pixel size can be reduced without reducing the saturation charge amount (Qs) and sensitivity.
画素において、電荷読み出しトランジスタのチャネル部分を半導体基板表面に対して深さ方向に形成することにより、トランジスタとフォトダイオードを上下に重なるように立体的に形成することができ、フォトダイオードの面積を大きくして画素サイズの微細化を実現することが可能になる。
電荷読み出しトランジスタのゲート電極及びゲート絶縁膜の底部を、フォトダイオードのpn接合部の深さ以上の深い位置に形成することにより、チャネル部分がフォトダイオードとソース・ドレイン領域間に確実に形成され、電荷読み出しトランジスタの動作を確実にすることができる。
In the pixel, by forming the channel portion of the charge readout transistor in the depth direction with respect to the surface of the semiconductor substrate, the transistor and the photodiode can be formed in three dimensions so as to overlap each other, thereby increasing the area of the photodiode. Thus, the pixel size can be reduced.
By forming the gate electrode of the charge readout transistor and the bottom of the gate insulating film at a position deeper than the depth of the pn junction of the photodiode, the channel portion is reliably formed between the photodiode and the source / drain region, The operation of the charge readout transistor can be ensured.
電荷読み出しトランジスタのゲート電極を、フォトダイオードの中央部分に位置して形成することにより、フォトダイオードの周辺とゲート電極との距離が同じにすることができ、フォトダイオードの全ての信号電荷を転送残りなく効率よく電荷読み出しトランジスタへ転送することができる。
電荷読み出しトランジスタの一方の第2導電型のソース・ドレイン領域が、フォトダイオードを構成する第2導電型の半導体領域と兼ねていることにより、電荷読み出しトランジスタの実効チャネル長を決定することができる。
By forming the gate electrode of the charge readout transistor at the center of the photodiode, the distance between the periphery of the photodiode and the gate electrode can be made the same, and all the signal charges of the photodiode remain untransferred. And efficiently transferred to the charge readout transistor.
Since the second conductivity type source / drain region of one of the charge readout transistors also serves as the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode, the effective channel length of the charge readout transistor can be determined.
イオン注入で形成されたフォトダイオードの第2導電型の半導体領域と、電荷読み出しトランジスタの基板表面に形成された他方の第2導電型のソース・ドレイン領域との間の距離で、電荷読み出しトランジスタの実効チャネル長が決定されるので、電荷読み出しトランジスタのゲート電極の底部位置に多少のばらつきがあっても、実効チャネル長の変動がなく、信頼性の高い固体撮像装置を提供するこができる。 The distance between the second conductivity type semiconductor region of the photodiode formed by ion implantation and the other second conductivity type source / drain region formed on the substrate surface of the charge readout transistor is the effective channel length is determined, even if there is some variation in the bottom position of the gate electrode of the charge readout transistor, no variation in the effective channel length, Ru can this be provided a highly reliable solid-state imaging device.
フォトダイオードの第1導電型の高濃度半導体領域とゲート絶縁膜との間にこの高濃度半導体領域より低濃度の第1導電型の半導体領域を形成することにより、フォトダイオードの電荷蓄積容量を保持しつつ、電荷読み出しトランジスタでの信号電荷の転送を容易にすることができる。 The charge storage capacity of the photodiode is maintained by forming a first conductivity type semiconductor region having a lower concentration than the high concentration semiconductor region between the first conductivity type high concentration semiconductor region of the photodiode and the gate insulating film. However, it is possible to facilitate the transfer of the signal charge in the charge reading transistor.
電荷読み出しトランジスタのゲート電極の底部に対応する部分において、フォトダイオードの第2導電型の半導体領域と電荷読み出しトランジスタのゲート絶縁膜との間に第1導電型または第2導電型の半導体領域を形成することにより、フォトダイオードの欠陥などによるリーク電流の発生を抑制することができる。また、フォトダイオードの第1導電型の高濃度半導体領域とゲート絶縁膜との間にこの高濃度半導体領域より低濃度の第1導電型の半導体領域を形成することにより、フォトダイオードの電荷蓄積容量を保持しつつ、電荷読み出しトランジスタでの信号電荷の転送を容易にすることができる。 A semiconductor region of the first conductivity type or the second conductivity type is formed between the second conductivity type semiconductor region of the photodiode and the gate insulating film of the charge read transistor in a portion corresponding to the bottom of the gate electrode of the charge readout transistor. By doing so, it is possible to suppress the occurrence of leakage current due to a defect of the photodiode. Further, by forming a first conductivity type semiconductor region having a lower concentration than the high concentration semiconductor region between the first conductivity type high concentration semiconductor region of the photodiode and the gate insulating film, the charge storage capacitor of the photodiode is formed. It is possible to facilitate the transfer of signal charges in the charge reading transistor.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図2に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS型固体撮像装置に適用される単位画素の等価回路の一実施の形態を示す。このCMOS型固体撮像装置の単位画素20は、図2に示すように、フォトダイオード3と、4つのMOSトランジスタ、すなわち電荷読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6及び垂直選択トランジスタ7とで構成される。そして、フォトダイオード3が電荷読み出しトランジスタ4の一方の主電極に接続され、電荷読み出しトランジスタ4の他方の主電極がリセットトランジスタ5の一方の主電極に接続される。リセットトランジスタ5の他方の主電極がアンプトランジスタ6の一方の主電極に接続されると共に、アンプトランジスタ6の他方の主電極が垂直選択トランジスタ7の一方の主電極に接続される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 shows an embodiment of an equivalent circuit of a unit pixel applied to a solid-state imaging device according to the present invention, that is, a CMOS solid-state imaging device. As shown in FIG. 2, the
また、電荷読み出しトランジスタ4とリセットトランジスタ5の接続中点に対応するFD(フローティング・ディフージョン)がアンプトランジスタ6のゲート電極に接続される。リセットトランジスタ5とアンプトランジスタ6の接続中点が、電源Vddからの電源配線8に接続される。さらに、垂直選択トランジスタ7の他方の主電極が、垂直信号線9に接続される。垂直信号線9と水平信号線(図示せず)との間に水平選択トランジスタ17が接続される。
そして、電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極には垂直読み出しパルスφTGが印加され、リセットトランジスタ5のゲート電極にはリセットパルスφRが印加され、垂直選択トランジスタ7のゲート電極には垂直選択パルスφSELが印加される。
An FD (floating diffusion) corresponding to the midpoint of connection between the
A vertical read pulse φTG is applied to the gate electrode of the charge read
このような単位画素20が多数個、2次元マトリクス状に配列されてCMOS型固体撮像装置が構成される。
A large number of
この単位画素20においては、光電変換によってフォトダイオード4に信号電荷が蓄積される。電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極に垂直読み出しパルスφTGが印加されることにより、電荷読み出しトランジスタ4が導通し、フォトダイオード3の信号電荷がFDに転送されることで、FDの電位が変化する。このFDの信号電圧がアンプトランジスタ6のゲート電極に印加され、アンプトランジスタ6によって信号電流に変換される。一方、垂直選択トランジスタ7のゲート電極に垂直選択パルスφSELが印加されることによって垂直選択トランジスタ7が導通し、信号電流が垂直信号線9に現れる。この信号電流は、水平選択パルスにより水平選択トランジスタ17を経て、水平信号線に流れ、出力部から出力される。
In the
次に、図1を用いて、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS型固体撮像装置の一実施の形態を説明する。なお、本例は図2に示す1フォトダイオード、4トランジスタからなる単位画素20を備えたCMOS型固体撮像装置に適用しているが、これに限らず、MOSトランジスタの数を異にした他の単位画素を備えたCMOS型固体撮像装置にも適用できる。
Next, an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, that is, a CMOS solid-state imaging device will be described with reference to FIG. Although this example is applied to the CMOS type solid-state imaging device including the
図1は、画素の要部を示しており、単位画素ではフォトダイオード3と、3つのMOSトランジスタである電荷読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5及びアンプトランジスタ6との構成部分を表している。
本実施の形態に係るCMOS型固体撮像装置1は、第1導電型、例えばp型のシリコン半導体基板2の表面側に各画素を区画するための画素分離領域25を形成し、各区画領域にフォトダイオード3と複数のMOSトランジスタ、本例では電荷読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6及び垂直選択トランジスタ(図示せず)の4つのMOSトランジスタを形成して単位画素20が構成される。この画素60が多数個、2次元マトリックス状に配列される。画素分離領域25は、例えばフィールド絶縁膜(SiO2膜)で形成される。
FIG. 1 shows a main part of a pixel. In a unit pixel, the
The CMOS type solid-state imaging device 1 according to the present embodiment forms a
そして、本実施の形態においては、特に、半導体基板2の表面に複数のMOSトランジスタ、すなわち電荷読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6及び垂直選択トランジスタ(図示せず)が形成され、フォトダイオード3がこれら電荷読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6及び垂直選択トランジスタ(図示せず)の下方に位置するように、半導体基板2の内部に形成される。このとき、フォトダイオード3の信号電荷を読み出すための電荷読み出しトランジスタ4のチャネル部分が、半導体基板2の表面に対して深さ方向、好ましくは垂直方向に形成される。
In this embodiment, in particular, a plurality of MOS transistors, that is, a
フォトダイオード3は、基板2の表面側に形成した高不純物濃度のp型半導体領域(p+ 領域)12と、これに接して基板2の裏面側に向かう深さ方向に形成された高濃度不純物領域(n+ 領域)11A及び低不純物濃度領域(n領域)11Bからなるn型半導体領域11とにより構成される。フォトダイオード3の主たるpn接合jは、p+領域12とn+領域11Aで形成される。従って、このpn接合jは、半導体基板2内部に在って、一部のpn接合が上記MOSトランジスタの下部に延在するように形成される。この場合、図1で明らかなように、基板表面側から見たときには、フォトダイオード3は画素分離領域で区画された隣り合う単位画素20、20の領域に跨がって形成される。基板裏面側から見たときには、フォトダイオード3の領域が単位画素20の領域に対応する。
The
電荷読み出しトランジスタ4においては、半導体基板2の表面に高不純物濃度のn型半導体領域、いわゆるn+ソース・ドレイン領域14が形成され、また、n+ソース・ドレイン領域14に接するように、半導体基板2の表面からフォトダイオード3の例えばpn接合jより深い位置に溝部18が形成される。すなわち、pn接合部jを超えてn+領域11A内部に達する深さ方向、好ましくは基板面に対して垂直方向の溝部18が形成される。この溝部18内壁に、n+ソース・ドレイン領域14とフォトダイオード3のn+領域11A間に渡るようにゲート絶縁膜(例えばシリコン酸化膜等)10が形成され、このゲート絶縁膜10上に溝部18を埋め込む柱状のゲート電極19が形成される。これによって、電荷読み出しトランジスタ4のチャネル部21は、溝部18の内壁に対応して半導体基板面に対して深さ方向、好ましくは垂直方向に形成される。なお、ゲート電極19及びゲート絶縁膜10の底部は、フォトダイオード3のpn接合部jの深さ位置に対応して形成するようにしても良い。
In the
さらに、電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極19の底部を含む下部周辺部に対応した部分において、フォトダイオード3を構成するn+領域11Aとゲート絶縁膜10との間に、p+半導体領域12より低不純物濃度のp型半導体領域(p−領域)またはn型半導体領域(n−領域)13a、本例ではp−領域が形成される。また、フォトダイオード3を構成する高不純物濃度のp型半導体領域(p+領域)12において、ゲート絶縁膜10の近傍部分13bが、低不純物濃度のp型領域(p−領域)として形成される。この場合、p−領域13aとp−領域13bは同じ濃度で形成することができる。
Further, in the portion corresponding to the lower peripheral portion including the bottom portion of the
そして、一方のn+ソース・ドレイン領域14と、他方のn+ソース・ドレイン領域を兼ねるフォトダイオード3のn+領域11Aと、ゲート電極19とにより、電荷読み出しトランジスタ4が構成される。このn+ソース・ドレイン領域14は、FD(フローティング・ディフュージョン)となる。
The
ここで、フォトダイオード3で光電変換され蓄積された信号電荷の全てを、効率よく電荷読み出しトランジスタ4へ読み出す必要がある。このために、電荷読み出しトランジスタ4とフォトダイオード3の接続部に対応した電荷読み出しトランジスタ4のゲート部、すなわちゲート電極19は、図1に示すように、フォトダイオード3の周辺からの距離が同程度となる中央部分に形成することが望ましい。図1では、ゲート電極19がゲート絶縁膜10を介してソース・ドレイン領域14と画素分離領域25に接するように形成される。
Here, it is necessary to efficiently read out all the signal charges photoelectrically converted and accumulated by the
また、上記のn+ソース・ドレイン領域14と同時に、p型半導体基板2の他の表面に高不純物濃度のn型半導体領域、すなわちn+ソース・ドレイン領域15、16が形成される。
そして、リセットトランジスタ5は、n+ソース・ドレイン領域14、15と、両n+ソース・ドレイン領域14及び15間のp型半導体基板2上にゲート絶縁膜10を介して形成したゲート電極24とのよって構成される。また、アンプトランジスタ6は、n+ソース・ドレイン領域15、16と、両n+ソース・ドレイン領域15及び16間のp型半導体基板2上にゲート絶縁膜10を介して形成したゲート電極24とによって構成される。垂直選択トランジスタ7(図2参照)も、図示せざるも同様に、対のn+ ソース・ドレイン領域とその間のp型半導体基板2上にゲート絶縁膜10を介して形成したゲート電極とによって構成される。
At the same time as the n + source /
The reset transistor 5 includes n + source /
上述した各ゲート電極19、23、24は、例えばポリシリコン膜で形成することができる。また、接続導体29及び配線27、28等も例えばポリシリコン膜で形成することができる。
Each of the
各MOSトランジスタ4〜6、垂直選択トランジスタ等を形成した半導体基板2上には、層間絶縁膜26を介して電源配線28を含む多層の配線27が形成される。多層配線のうちの、電源配線28は、各画素のFD(フローティング・ディフュージョン)となるn+ソース・ドレイン領域14に接続導体29を介して接続される。
On the
上述の実施の形態では、電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極19の底部を含む下部周辺部に対応した部分において、フォトダイオード3を構成するn+領域11Aとゲート絶縁膜10との間に、低不純物濃度のp型半導体領域(p−領域)13aを形成した。しかし、その他、図3に示すように、電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極19の底部に対応した部分のみにおいて、フォトダイオード3を構成するn+領域11Aとゲート絶縁膜10との間に、低不純物濃度のp型半導体領域(p−領域)13cを形成することもできる。
In the above-described embodiment, a low impurity concentration is provided between the n +
上述したCMOS型固体撮像装置1においては、半導体基板2の裏面より光Lを入射し、この光Lをフォトダイオード3で受光するようになされる。なお、図示せざるも、半導体基板2の裏面には、カラーフィルター、その上の各画素20に対応した位置にオンチップマイクロレンズ等が形成される。
In the CMOS solid-state imaging device 1 described above, light L is incident from the back surface of the
次に、図4〜図7を用いて、上述したCMOS型固体撮像装置1の製造方法、特にフォトダイオード3、電荷読み出しトランジスタ4を含む要部の製法の実施の形態を説明する。
先ず、図4Aに示すように、p型半導体基板2の各画素形成領域の所要の深さ位置に、フォトダイオード3となるn型半導体領域(n+ 領域11A,n領域11B)11と、p型半導体領域、すなわち中央のp−領域13bとこれを挟む両側のp+領域12をイオン注入により選択的に形成する。
次に、図4Bに示すように、p−領域13bの中央部分に対応して基板2の表面からn+領域11A内に達するように、基板深さ方向、好ましくは垂直方向に柱状の溝部18を、例えば選択エッチングにより形成する。次いで、柱状の溝部18の内壁面及び基板2の表面にCVD法あるいは熱酸化法により、ゲート絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)10を成膜する。
Next, an embodiment of a method for manufacturing the above-described CMOS type solid-state imaging device 1, particularly a method for manufacturing a main part including the
First, as shown in FIG. 4A, an n-type semiconductor region (n +
Next, as shown in FIG. 4B,
次に、図5Cに示すように、低濃度のp型不純物を例えば斜めイオン注入により導入して、フォトダイオード3のn+領域11Aの、溝部18の底部を含む下部周辺部に対応する部分にp−領域13aを形成する。
次に、図6Dに示すように、溝部18内が埋まるように基板表面全面に例えばポリシリコン膜31を堆積し、ゲート電極を形成する領域上にレジストマスク32を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, a low-concentration p-type impurity is introduced by, for example, oblique ion implantation, so that the n +
Next, as shown in FIG. 6D, for example, a
次に、図7Eに示すように、レジストマスク32を介してポリシリコン膜31をパターニングして溝部18内に埋め込まれた柱状のゲート電極19を形成する。
次に、図7Fに示すように、画素分離領域25、各MOSトランジスタのn+ソース・ドレイン領域14、15及び16をイオン注入により形成する。次いで、他のポリシリコン膜によるゲート電極23、24を形成する。ゲート電極19、23、24等は同時に形成することができる。
また、各MOSトランジスタを形成した後、溝部18を形成して柱状のゲート電極19を形成することも可能である。
Next, as shown in FIG. 7E, the
Next, as shown in FIG. 7F, the
It is also possible to form the
この製法では、電荷読み出しトランジスタ4を形成する前に、フォトダイオード3をイオン注入により形成するので、溝部18の形成ばらつきがあっても、容易かつ正確に実効ゲート長dを決定することができる。すなわち、フォトダイオード3を構成するn+領域11Aと、電荷読み出しトランジスタ4のn+ソース・ドレイン領域14の底部間の距離により、実効ゲート長dが決定される。
In this manufacturing method, the
上述の本実施の形態に係るCMOS型固体撮像装置によれば、画素領域20においてフォトダイオード3が、基板表面に形成された複数のMOSトランジスタ、例えば読み出しトランジスタ4、リセットトランジスタ5、アンプトランジスタ6、垂直転送トランジスタ(図示せず)等の下部に位置するように立体的に配置されるので、フォトダイオード3の面積を大きくしながら、画素面積を縮小することができる。すなわち、フォトダイオードの面積が大きくなり、かつ受光が基板裏面から行われるので、飽和電荷量(Qs)、感度低下させることなく画素サイズの微細化を図ることができる。
According to the above-described CMOS solid-state imaging device according to the present embodiment, the
フォトダイオード3からの電荷の読み出しは、半導体基板2の表面に対して深さ方向、好ましくは垂直方向にチャネル部21が形成された電荷読み出しトランジスタ4により実現することができる。また、電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極19をフォトダイオード3中央部に位置させることで、フォトダイオード3の全域の信号電荷をチャネル部21を通して電荷読み出しトランジスタ4へ効率良く読み出すことができる。従って、電気的にフォトダイオード3からの電荷の読み出しが容易となる。
Reading of charges from the
電荷読み出しトランジスタ4のn+ソース・ドレイン領域14が、フォトダイオード3を構成するn+領域11Aと兼ねていることにより、電荷読み出しトランジスタ4の実効チャネル長dを決定することができる。
電荷読み出しトランジスタ4のゲート電極19及びゲート絶縁膜10の底部を、フォトダイオード3のpn接合部jの深さと同じ位置またはpn接合部jより深い位置に形成することにより、チャネル部分21がフォトダイオード3とn+ ソース・ドレイン領域14間に確実に形成され、電荷読み出しトランジスタ4の動作を確実にすることができる。
Since the n + source /
By forming the
また、フォトダイオード3のn+領域11Aが電荷読み出しトランジスタ4の他方のn+ソース・ドレイン領域を兼ね、さらに電荷読み出しトランジスタ4の柱状のゲート電極19の下部をフォトダイオード3のpn接合部jの位置よりも深く延在させること、フォトダイオード3の、形成後に電荷読み出しトランジスタ4を形成することで、電荷読み出しトランジスタ4の実効ゲート長dをフォトダイード3のn+領域11Aの深さ位置で決定することができる。
The n +
すなわち、溝部18の形成のばらつきがあっても正確な実効ゲート長dを決定できる。電荷読み出しトランジスタ4のゲート絶縁膜10とフォトダイオード3のn+領域11Aとの間にp−領域13aを設けることで、フォトダイオード3の欠陥などによるリーク電流の発生を抑制することができる。さらに、電荷読み出しトランジスタ4のゲート絶縁膜10とフォトダイオード3のp+半導体領域12との間にp−領域13bを設けることで、フォトダイード3の電荷蓄積容量を保持しつつ、電荷読み出しトランジスタ4での電荷の転送を容易にすることが可能となる。
In other words, the accurate effective gate length d can be determined even if there is variation in the formation of the
本発明の固体撮像装置の好ましい形態としては、半導体基板の裏面から光をフォトダイオードに入射することが適当である。
半導体領域の裏面から光をフォトダイオードに入射するようにしたことにより、フォトダイオードの面積が大きいことと相俟って、飽和電荷量や感度を低下させることなく、画素サイズの微細化を図ることができる。
As a preferred form of the solid-state imaging device of the present invention, it is appropriate to make light incident on the photodiode from the back surface of the semiconductor substrate.
By making light incident on the photodiode from the back side of the semiconductor region, the pixel size can be reduced without reducing the saturation charge amount and sensitivity, coupled with the large area of the photodiode. Can do.
1・・CMOS型固体撮像装置、2・・半導体基板、3・・フォトダイオード、4・・電荷読み出しトランジスタ、5・・リセットトランジスタ、6・・アンプトランジスタ、7・・垂直選択トランジスタ、8・・電源配線、9・・垂直信号線、10・・ゲート絶縁膜、11・・n型半導体領域、12・・高不純物濃度のp型半導体領域(p+領域)、14・・n+ソース・ドレイン領域、15、16・・n+ソース・ドレイン領域、17・・水平選択トランジスタ、18・・溝部、19,23、24・・ゲート電極、20・・単位画素、21・・チャネル部、25・・画素分離領域、26・・層間絶縁膜、27、28・・配線、29・・接続導体、32・・レジストマスク、60・・画素、51・・CMOS型固体撮像装置、52・・シリコン半導体基板、53・・フォトダイオード、54・・電荷読み出しトランジスタ、55・・リセットトランジスタ、56・・アンプトランジスタ、57、58、59・・n+ソース・ドレイン領域、61・・n型の半導体領域、62・・p型半導体領域、74・・ゲート電極、75・・接続導体、76・・電源配線、77・・多層の配線、78・・層間絶縁膜
1..CMOS type solid-
Claims (6)
前記トランジスタが前記半導体基板の表面に形成され、
前記フォトダイオードの高濃度領域間で形成されるpn接合部が前記半導体基板の内部に在り、該フォトダイオードの前記pn接合部の一部が、半導体基板表面の形成された前記トランジスタの下部に延在するように形成され、
前記画素において、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出すための電荷読み出しトランジスタのチャネル部分が、前記半導体基板表面に対して深さ方向に形成され、
前記電荷読み出しトランジスタのゲート電極の底部に対応する部分において、前記フォトダイオードを構成する第2導電型の半導体領域と電荷読み出しトランジスタのゲート絶縁膜との間に、前記フォトダイオードを構成する第1導電型の半導体領域と離間する状態で、第1導電型または第2導電型の半導体領域が形成され、
前記半導体基板の裏面から光を前記フォトダイオードに入射する
ことを特徴とする固体撮像装置。 A pixel composed of a photodiode and a transistor is formed on a semiconductor substrate,
The transistor is formed on a surface of the semiconductor substrate;
A pn junction formed between the high-concentration regions of the photodiode is inside the semiconductor substrate, and a part of the pn junction of the photodiode extends under the transistor formed on the surface of the semiconductor substrate. Formed to exist ,
In the pixel, a channel portion of a charge reading transistor for reading a signal charge of the photodiode is formed in a depth direction with respect to the semiconductor substrate surface,
In a portion corresponding to the bottom of the gate electrode of the charge readout transistor, the first conductivity constituting the photodiode is disposed between the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode and the gate insulating film of the charge readout transistor. A semiconductor region of the first conductivity type or the second conductivity type is formed in a state of being separated from the semiconductor region of the mold,
A solid-state imaging device , wherein light is incident on the photodiode from the back surface of the semiconductor substrate .
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device of the bottom of the gate electrode and the gate insulating film, according to claim 1, characterized in that it is formed at a position deeper than the depth of the pn junction of the photodiode of the charge readout transistor.
ことを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像装置。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a gate electrode corresponding to a connection portion between the charge readout transistor and the photodiode is located at a central portion of the photodiode. 4.
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の固体撮像装置。 One of the second conductivity type source and drain regions of said charge readout transistor, according to claim 1, characterized in that also serves as the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode Solid-state imaging device.
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像装置。 The distance between the second conductivity type semiconductor region constituting the photodiode formed by ion implantation and the other second conductivity type source / drain region formed on the surface of the semiconductor substrate of the charge readout transistor. in solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the effective channel length of the electric charge readout transistor is determined.
ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の固体撮像装置。 The first conductivity type semiconductor region having a lower concentration than the high concentration semiconductor region is formed between the first conductivity type high concentration semiconductor region constituting the photodiode and the gate insulating film of the charge readout transistor. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007286435A JP4882962B2 (en) | 2007-11-02 | 2007-11-02 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007286435A JP4882962B2 (en) | 2007-11-02 | 2007-11-02 | Solid-state imaging device |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004028353A Division JP4341421B2 (en) | 2004-02-04 | 2004-02-04 | Solid-state imaging device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008066742A JP2008066742A (en) | 2008-03-21 |
| JP4882962B2 true JP4882962B2 (en) | 2012-02-22 |
Family
ID=39289110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007286435A Expired - Fee Related JP4882962B2 (en) | 2007-11-02 | 2007-11-02 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4882962B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4798205B2 (en) | 2008-10-23 | 2011-10-19 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and imaging device |
| JP4924617B2 (en) * | 2009-01-05 | 2012-04-25 | ソニー株式会社 | Solid-state image sensor, camera |
| JP5195864B2 (en) * | 2010-10-13 | 2013-05-15 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and imaging device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4173765A (en) * | 1978-05-26 | 1979-11-06 | Eastman Kodak Company | V-MOS imaging array |
| JP3759435B2 (en) * | 2001-07-11 | 2006-03-22 | ソニー株式会社 | XY address type solid-state imaging device |
-
2007
- 2007-11-02 JP JP2007286435A patent/JP4882962B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008066742A (en) | 2008-03-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4341421B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| JP5537523B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| US10825849B2 (en) | Solid-state image pickup device | |
| KR100758321B1 (en) | Image sensor with embedded photodiode region and fabrication method thereof | |
| JP4882962B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| JP4894275B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| KR20100079390A (en) | Unit pixel in image sensor and method for manufacturing thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110823 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111014 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111108 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111121 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141216 Year of fee payment: 3 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4882962 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141216 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |