JP5325006B2

JP5325006B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP5325006B2
Application number: JP2009104321A
Authority: JP
Inventors: 三佳森; 徹沖野; 悠介大竹; 一夫藤原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: US8471351B2; CN102282674B; WO2010122622A1; US20110291162A1; JP2010258095A; CN102282674A

Description

本発明は、光電変換部を含む画素部がアレイ状に配列された固体撮像装置に関する。

近年、ＭＯＳ型の固体撮像装置は、低消費電力駆動及び高速撮像が可能な装置として注目されており、携帯機器カメラ、車載カメラ及び監視カメラと幅広い分野で搭載され始めている。

図６は、一般的なＭＯＳ型の固体撮像装置の構成を示した回路図である。図６に示すように、光電変換部（フォトダイオード）１０１を含む画素部１００がアレイ状に配列されて撮像領域２００を構成している。光電変換部１０１で光電変換された電荷は、転送トランジスタ１０３によって、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）１０２に転送される。浮遊拡散層１０２に転送された電荷は、増幅トランジスタ１０４で増幅され、垂直シフトレジスタ１０８で選択された選択トランジスタ１０６を介して、出力信号線１１１に伝達され、さらに、水平シフトレジスタ１０９を介して、出力端１１２から出力される。なお、浮遊拡散層１０２に蓄積されている余剰電荷は、ドレイン領域が電源線１０７に接続されたリセットトランジスタ１０５により排出される。

図７は、上記画素部１００の一般的な構成を示した断面図である。図７に示すように、基板２０１に、光電変換部１０１、浮遊拡散層１０２、及び増幅トランジスタ１０４のソース・ドレイン領域が形成され、隣接する画素部１００は、絶縁分離部２０２で電気的に分離されている。

ところで、基板２０１中に入射した赤色光などの長波長光は、基板２０１中の深い領域まで進入するため、光電変換された電荷の一部が隣接する画素部１００までリーク拡散すると、混色やブルーミングの発生原因となる。そこで、このようなリーク拡散による混色等を防止するために、図７に示すように、絶縁分離部２０２下方の浅い領域に分離拡散層２０３を形成するとともに、分離拡散層２０３下方の深い領域に、幅の狭い分離拡散層２０４をさらに形成する方法が、特許文献１、２等に記載されている。

また、固体撮像装置の高速化が進むと、増幅トランジスタ１０４が形成される基板２１０の電位が、増幅トランジスタの高速動作時に変動すると、増幅トランジスタの動作が不安定になる。そこで、図７に示すように、基板２０１の高濃度ウエル領域２０５を形成し、この高濃度ウエル領域２０５内に増幅トランジスタ１０４を形成する方法がとられている。これにより、増幅トランジスタ１０４が高速動作しても、ウエル領域２０５の電位変動を抑制することができるため、増幅トランジスタ１０４を安定して動作させることができる。

特開平１１−２８４１６８号公報米国特許第５８５９４６２号明細書

複数の画素部１００をアレイ状に配置したレイアウトにおいて、隣接する画素部１００を電気的に分離する絶縁分離部２０２は、光電変換部１０１間に増幅トランジスタ１０４が配置されていない領域と、光電変換部１０１間に増幅トランジスタ１０４が配置されている領域とを有する。従って、光電変換部１０１間に増幅トランジスタ１０４が配置されていない領域は、絶縁分離部２０２の最も幅の狭い領域となる。

画素部１００の微細化に伴い、この最小幅の絶縁分離部２０２がさらに狭小化されると、深い領域に形成された分離拡散層２０４は、浅い領域に形成された分離拡散層２０３よりも幅が狭くなっているため、光電変換部１０１の底部が分離拡散層２０４側に拡大する幅が大きくなる。そのため、基板２０１中に斜め方向に入射した長波長光（赤色光）が、光電変換部１０１の底部の横方向に拡大した領域まで進入すると、光電変換された電荷の一部が隣接する画素部１００までリーク拡散し、混色やブルーミングが発生するおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、固体撮像装置を微細化しても、混色やブルーミングの発生のない、高解像度及び高感度な固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面における固体撮像装置は、複数の画素部がアレイ状に配列された固体撮像装置であって、画素部は、基板内に形成された第１導電型の拡散領域からなる光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷を浮遊拡散層に転送する転送トランジスタと、浮遊拡散層に転送された電荷を出力線に出力する増幅トランジスタとを備え、隣接する光電変換部間、及び光電変換部と増幅トランジスタ間は、それぞれ絶縁分離部で電気的に分離されており、絶縁分離部は、光電変換部間に増幅トランジスタが配置されていない第１の領域と、光電変換部間に増幅トランジスタが配置されている第２の領域とを少なくとも有し、絶縁分離部の下方には、第２導電型の分離拡散層が形成され、分離拡散層は、第１の分離拡散層と、第１の分離拡散層下方に形成された第２の分離拡散層とからなり、第１の領域において、絶縁分離部下方に形成された第２の分離拡散層の幅は、第１の分離拡散層の幅よりも広い。

このような構成により、第１の領域における最小幅の絶縁分離部においても、光電変換部の底部が、第２の分離拡散層側に拡大するのを抑制できるため、長波長光（赤色光）が光電変換部の底部領域まで進入しても、光電変換された電荷の一部が隣接する光電変換部までリーク拡散するのを抑制することができる。また、第１の分離拡散層を第２の分離拡散層よりも幅を狭くしているので、光電変換部の浅い領域における開口面積が広がるため、短波長光（青色光または緑色光）の感度を向上させることができる。これにより、固体撮像装置を微細化しても、混色やブルーミングの発生のない、高解像度及び高感度な固体撮像装置を実現することが可能となる。

ある好適な実施形態において、上記第２の領域における絶縁分離部間にある増幅トランジスタのソース・ドレイン領域は、第１の分離拡散層と同時に形成されたウエル領域内に形成されており、第２の領域における絶縁分離部下方に形成された第２の分離拡散層の幅は、第１の領域における絶縁分離部下方に形成された第２の分離拡散層の幅より広い。

このような構成により、ウエル領域のシート抵抗を低減できるため、増幅トランジスタ１０４が高速動作しても、ウエル領域の電位変動を抑制することができ、これにより、増幅トランジスタを安定して高速動作させることができる。

ある好適な実施形態において、上記第１の分離拡散層の不純物濃度は、第２の分離拡散層の不純物濃度よりも高くなっている。

ある好適な実施形態において、上記第１の分離拡散層及び第２の分離拡散層は、それぞれ、異なるエネルギーのイオン注入を複数回行うことによって形成されたものである。

本発明によれば、固体撮像装置を微細化しても、混色やブルーミングの発生を抑制し、高解像度及び高感度を維持することのできる固体撮像装置を実現することができる。

本発明の一実施形態におけるアレイ状に配置された画素部のレイアウトを示した平面図である。（ａ）は、図１におけるIIa−IIa線に沿った断面図、図２（ｂ）は、図１におけるIIb−IIb線に沿った断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、幅の異なる第２の分離拡散層を形成した場合の光電変換部の形状と混色の発生率を示した図である。本実施形態の変形例を示した図で、（ａ）は、図１におけるIIa−IIa線に沿った断面図、（ｂ）は、図１におけるIIb−IIb線に沿った断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における画素部の製造方法を示した断面図である。従来のＭＯＳ型の固体撮像装置の構成を示した回路図である。従来の画素部の構成を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

本発明に係わる固体撮像装置は、複数の画素部がアレイ状に配列されたＭＯＳ型の固体撮像装置であって、その基本的な回路構成は、図６に示した構成と同じである。

図１は、本発明の一実施形態におけるアレイ状（２×２）に配置された画素部１０のレイアウトを示した平面図である。また、図２（ａ）は、図１におけるIIa−IIa線に沿った断面図、図２（ｂ）は、図１におけるIIb−IIb線に沿った断面図である。

図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、画素部１０は、基板（ｎ型半導体基板２０上にｐ⁻半導体層２１が形成された構成からなる）内に形成されたｎ型（第１導電型）の拡散領域からなる光電変換部（フォトダイオード）１１と、光電変換部１１に蓄積された電荷を浮遊拡散層１２に転送する転送トランジスタ１３と、浮遊拡散層１２に転送された電荷を出力線（不図示）に出力する増幅トランジスタ１４と、浮遊拡散層１２に蓄積された余剰電荷を排出するリセットトランジスタ１５とを備えている。

図１に示すように、浮遊拡散層１２及び増幅トランジスタ１４は、隣接する画素部１０（図１では、上下方向に隣接する画素部）と共有化して配置されている。これにより、上下方向に隣接する画素部１０間には、浮遊拡散層１２及び増幅トランジスタ１４が配置されていないため、光電変換部１１を上下方向に伸ばして、光電変換部１１の領域を拡大することができる。なお、上下方向に隣接する光電変換部１１に蓄積された電荷は、各画素部１０の転送トランジスタ１３によって独立に浮遊拡散層１２に転送されるため、電荷の混同は生じない。

ここで、隣接する光電変換部１１間、及び光電変換部１１と増幅トランジスタ１４間は、それぞれ絶縁分離部２２で電気的に分離されている。そして、絶縁分離部２２は、図２（ａ）に示すように、光電変換部１１間に増幅トランジスタ１４が配置されていない第１の領域Ａと、図２（ｂ）に示すように、光電変換部１１間に増幅トランジスタ１４が配置されている第２の領域Ｂとを有している。

絶縁分離部２２の下方には、ｐ型（第２導電型）の分離拡散層が形成されており、分離拡散層は、第１の分離拡散層２３と、第１の分離拡散層２３下方に形成された第２の分離拡散層２４とからなっている。そして、図２（ａ）に示すように、第１の領域Ａにおいて、絶縁分離部２２下方に形成された第２の分離拡散層２４の幅は、第１の分離拡散層２３の幅よりも広くなっている。

このような構成により、第１の領域Ａにおける最小幅の絶縁分離部２２においても、光電変換部１１の底部が、第２の分離拡散層２４側に拡大するのを抑制できるため、光電変換部１１の底部まで光が進入しても、光電変換された電荷の一部が隣接する光電変換部１１までリーク拡散することを抑制することができる。また、第１の分離拡散層２３を第２の分離拡散層２４よりも幅を狭くしているので、光電変換部１１の浅い領域における開口面積が広がるため、短波長光（青色光または緑色光）の感度を向上させることができる。これにより、固体撮像装置を微細化しても、混色やブルーミングの発生のない、高解像度及び高感度な固体撮像装置を実現することが可能となる。

また、図２（ｂ）に示すように、第２の領域Ｂにおける絶縁分離部２２間にある増幅トランジスタ１４のソース・ドレイン領域（不図示）は、第１の分離拡散層２３と同時に形成されたウエル領域２５内に形成されている。

このような構成により、増幅トランジスタ１４は高濃度のウエル領域２５内に形成されるため、増幅トランジスタ１４が高速動作しても、ウエル領域２５の電位変動を抑制することができ、これにより、増幅トランジスタ１４を安定して動作させることができる。

なお、第２の領域Ｂにおいては、隣接する光電変換部１１間は、第１の領域Ａにおける光電変換部１１間よりも十分に距離が離れているため、絶縁分離部２２下方に形成された第２の分離拡散層２４の幅は、第１の分離拡散層２３の幅よりも広くする必要はない。また、第１の分離拡散層２３の不純物濃度を、第２の分離拡散層２４の不純物濃度よりも高くしておくことによって、より高濃度のウエル領域２５が形成されるため、増幅トランジスタ１４をより安定して動作させることができる。

また、光電変換部１１間にリセットトランジスタ１５や選択トランジスタが配置されている絶縁分離部２２においても、トランジスタを形成するウエル領域を第１の分離拡散層２３と同時に形成することによって、上記と同様の効果を奏することができる。

本発明において、第１の分離拡散層２３及び第２の分離拡散層２４の不純物濃度は、必ずしも一様である必要はない。また、第１の分離拡散層２３及び第２の分離拡散層２４は、それぞれ、異なるエネルギーのイオン注入を複数回行うことによって形成することができる。例えば、光電変換部１１の深さが１μｍ程度である場合、イオン注入のエネルギーを、３００ｋｅＶ〜３０００ｋｅＶの範囲で３回以上に分けてイオン注入することによって、光電変換部１１よりも深く第２の分離拡散層２４を形成することができる。

第１の分離拡散層２３の不純物濃度は、典型的には、１Ｅ１５〜１Ｅ２０／ｃｍ^３の範囲にあり、第２の分離拡散層２４の不純物濃度は、１Ｅ１４〜１Ｅ１９／ｃｍ^３の範囲にある。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）で示した第１の領域Ａにおける絶縁分離部２２下方に、幅の異なる第２の分離拡散層を形成した場合の光電変換部１１の形状と混色の発生率を求めた結果を示した図である。

ここで、絶縁分離部２２の幅を０．６μｍ、第１の分離拡散層２３の幅Ｗ_１を０．６μｍとし、第２の分離拡散層２４の幅Ｗ_２を、０．３μｍ、０．６μｍ、０．９μｍに変えて分離拡散層を形成した。また、第１の分離拡散層２３は、不純物濃度を１Ｅ１９／ｃｍ^３、注入エネルギーを１００ｋｅＶ、２００ｋｅＶ、３００ｋｅＶの３回に分けてイオン注入により形成した。また、第２の分離拡散層２４は、不純物濃度を１Ｅ１８／ｃｍ^３、注入エネルギーを４００ｋｅＶ、６００ｋｅＶ、８００ｋｅＶ、１０００ｋｅＶの４回に分けてイオン注入により形成した。

また、隣接する一方の画素に赤色フィルタを設け、他方の画素に青色フィルタを設け、赤色（６５０ｎｍ）光を入射した際に、赤色フィルタを設けた画素の出力に対する青色フィルタを設けた画素の出力を測定し、これを混色の発生率とした。

図３（ｃ）に示すように、第２の分離拡散層２４の幅Ｗ_２を、第２の分離拡散層２３の幅Ｗ_１よりも広くした場合、光電変換部１１の底部が第２の分離拡散層２４側に拡大するのが抑制されていることが分かる。その結果、混色の発生率が１０％から０％に低減されている。これは、赤色光が光電変換部１１の底部まで進入しても、光電変換された電荷の一部が隣接する光電変換部１１までリーク拡散するのを防止できたためと考えられる。

本発明において、「基板」は、光電変換部１１が形成される基材を意味する。従って、本発明における「基板」は、図２（ａ）、（ｂ）に示したようなｎ型半導体基板２０上にｐ⁻半導体層２１が形成された構成に限らず、種々の構成を取り得る。例えば、ｎ型半導体基板２０にｎ型のエピタキシャル層が形成され、その上にｐ⁻半導体層２１が形成された構成であってもよい。また、ｐ型の単一基板であってもよい。なお、ｎ型半導体基板２０を用いる場合、ｎ型半導体基板２０に電源電圧を印加することによって、絶縁分離部２２の下方で発生する光電変換による電荷が、光電変換部１１に洩れ出ることを防止することができる。また、高濃度のｐ型半導体基板上にｐ型半導体層が形成された構成の基板を用いた場合には、少数キャリアのライフタイムが短いため、光電変換部１１または分離拡散層２４下方で光電変換により発生する電荷は直ぐに消失し、隣接する光電変換部１１に洩れ出るのを防止できる。

光電変換部１１は、例えば、１Ｅ１４〜１Ｅ１７／ｃｍ^３の範囲の不純物濃度で形成される。この場合、絶縁分離部２２下方の分離拡散層２３の不純物濃度は、光電変換部１１の不純物濃度よりも高いことが好ましい。これにより、光電変換部１１間の電位障壁を高めることができるため、光電変換部１１で蓄積された電荷が、隣接する光電変換部１１に流入するのを防止でき、その結果、混色やブルーミングを低減することができる。

絶縁分離部２２は、光電変換部１１の開口面積を確保するために、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造に形成することが好ましいが、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）構造でも構わない。また、絶縁分離部２２を、ＳＴＩ構造にした場合、ＳＴＩ界面の格子欠陥による暗時に発生した電荷が光電変換部１１に流入するのを防止するため、絶縁分離部２２の周辺をｐ型層で覆っておくのが好ましい。

図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例における画素部１０の構成を示した図で、図４（ａ）は、図１におけるIIa−IIa線に沿った断面図、図４（ｂ）は、図１におけるIIb−IIb線に沿った断面図である。

本変形例の特徴は、図４（ｂ）に示すように、第２の領域Ｂにおける絶縁分離部２２間にある増幅トランジスタ１４のソース・ドレイン領域は、第１の分離拡散層２３と同時に形成されたウエル領域２５内に形成され、第２の領域Ｂにおける絶縁分離部２２下方に形成された第２の分離拡散層２４の幅が、第１の領域Ａにおける絶縁分離部２２下方に形成された第２の分離拡散層２４の幅より広いことを特徴とする。

このような構成により、固体撮像装置を微細化しても、ウエル領域２５のシート抵抗を低くすることができる。例えば、第２の分離拡散層２４の不純物濃度を１Ｅ１８／ｃｍ^３にした場合、第２の分離拡散層２４の幅Ｗ_２を、０．４μｍから０．２μｍだけ広くすると、第２の領域Ｂにおけるウエル領域２５のシート抵抗（すなわち、第１及び第２の分離拡散層２３、２４のシート抵抗）は、約２０％程度低減することができる。これにより、増幅トランジスタ１０４が高速動作しても、ウエル領域２５の電位変動を抑制することができ、その結果、増幅トランジスタを安定して高速動作させることができる。なお、長波長光（赤色）の感度は、第２の分離拡散層２４の幅Ｗ_２を０．９μｍにした場合でも、Ｗ_２が０．３μｍの場合に比べて、わずか２％程度しか低下しなかった。

次に、図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施形態における画素部の製造方法を説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、図１におけるIIa−IIa線に沿った断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板２０の表面に、通常の方法を用いてＳＴＩ構造の絶縁分離部２２を形成する。なお、ＳＴＩ構造の側壁周囲には、不純物濃度が１Ｅ１５／ｃｍ^３〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のｐ型層を設けている。次に、レジストマスクを用いて、イオン注入により、半導体基板２０の画素領域にｐ型半導体層２１を形成する。光電変換部をｐ型半導体層２１の深部まで拡大するため、ｐ型半導体層２１の不純物濃度は、１Ｅ１４／ｃｍ^３〜１Ｅ１７／ｃｍ^３の低濃度にしている。

次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁分離部２２間の所望領域が開口されたレジストマスクを用いて、ＡｓまたはＰ原子をイオン注入して、ｎ型の光電変換部１１を形成する。なお、光電変換部１１をｐ型半導体層２１の深部まで拡大するため、２００ｋｅＶ〜１６００ｋｅＶの異なる注入エネルギーで複数回イオン注入して形成している。ここで、光電変換部１１の不純物濃度は、１Ｅ１４／ｃｍ^３〜１Ｅ１７／ｃｍ^３である。

次に、絶縁分離部２２間の所望領域が開口されたレジストマスクを用いて、Ｂ原子をイオン注入して、絶縁分離部２２の下方にｐ型の第１の分離拡散層２３を形成する。なお、画素部を構成する増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、及び周辺回路を構成するｎ型トランジスタのウエル領域を、第１の分離拡散層２３と同時に形成する。第１の分離拡散層２３の不純物濃度は、１Ｅ１５／ｃｍ^３〜１Ｅ１９／ｃｍ^３で、１０ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの異なる注入エネルギーで複数回イオン注入して形成している。

次に、絶縁分離部２２間の所望領域が開口されたレジストマスクを用いて、Ｂ原子をイオン注入して、第１の分離拡散層２３下方に、ｐ型の第２の分離拡散層２４を形成する。なお、レジストマスクの開口部は、第１の分離拡散層２３を形成するときのレジストマスクの開口部よりも広くしておく。そのため、レジストマスクの開口部を形成するための分解能は高くする必要がないため、膜厚の厚いレジストを用いることができる。従って、注入エネルギーを高くしてもイオンがレジストを突き抜けることなく、第１の分離拡散層２３の下方に第２の分離拡散層２４を形成することができる。第２の分離拡散層２４の不純物濃度は、１Ｅ１５／ｃｍ^３〜１Ｅ１９／ｃｍ^３で、３００ｋｅＶ〜３０００ｋｅＶの異なる注入エネルギーで複数回イオン注入して形成している。その後、光電変換部１１の表面で発生する電荷が、光電変換部１１内部に漏れ込まないように、光電変換部１１の表面にｐ型層を形成する。このｐ型層の不純物濃度は、１Ｅ１６／ｃｍ^３〜１Ｅ２０／ｃｍ^３である。その後、レジストマスクを用いて、イオン注入により、増幅トランジスタ等のトランジスタ領域にソース・ドレイン（不図示）を形成する。

最後に、図５（ｃ）に示すように、絶縁分離部２２の上に、配線２６を形成して、図１に示した画素部１０を完成させる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。

本発明の固体撮像装置は、高解像度及び高感度な固体撮像装置に好適に用いることができる。

１０画素部
１１光電変換部
１２浮遊拡散層
１３転送トランジスタ
１４増幅トランジスタ
１５リセットトランジスタ
２０ｎ型半導体基板
２１ｐ型半導体層
２２絶縁分離部
２３第１の分離拡散層
２４第２の分離拡散層
２５ウエル領域
２６配線

Claims

複数の画素部がアレイ状に配列された固体撮像装置であって、
前記画素部は、
基板内に形成された第１導電型の拡散領域からなる光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を浮遊拡散層に転送する転送トランジスタと、
前記浮遊拡散層に転送された電荷を出力線に出力する増幅トランジスタと、
を備え、
隣接する前記光電変換部間、及び前記光電変換部と前記増幅トランジスタ間は、それぞれ絶縁分離部で電気的に分離されており、
前記絶縁分離部は、前記光電変換部間に前記増幅トランジスタが配置されていない第１の領域と、前記光電変換部間に前記増幅トランジスタが配置されている第２の領域とを少なくとも有し、
前記絶縁分離部の下方には、第２導電型の分離拡散層が形成され、
前記分離拡散層は、第１の分離拡散層と、該第１の分離拡散層下方に形成された第２の分離拡散層とからなり、
前記第１の領域において、前記絶縁分離部下方に形成された前記第２の分離拡散層の幅は、前記第１の分離拡散層の幅よりも広く、
前記第２の領域における前記絶縁分離部間にある前記増幅トランジスタのソース・ドレイン領域は、前記第１の分離拡散層と同時に形成されたウエル領域内に形成されており、
前記第２の領域における前記絶縁分離部下方に形成された前記第２の分離拡散層の幅は、前記第１の領域における前記絶縁分離部下方に形成された前記第２の分離拡散層の幅より広い、固体撮像装置。
前記第１の分離拡散層の不純物濃度は、前記第２の分離拡散層の不純物濃度よりも高くなっている、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の分離拡散層及び前記第２の分離拡散層は、それぞれ、異なるエネルギーのイオン注入を複数回行うことによって形成されたものである、請求項１または２に記載の固体撮像装置。