(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に位置し入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターと、を備えた固体撮像装置であって、
前記フォトダイオードは、
前記半導体基板に位置する第１導電型の第１拡散層と、
前記第１拡散層より前記半導体基板の第１面の近くに位置する第２導電型の第２拡散層と、
を含み、
前記検出トランジスターは、
平面視で前記第２拡散層内に位置するゲート電極と、
平面視で前記ゲート電極を挟んで位置する第１導電型のソース部及びドレイン部と、
前記ゲート電極と前記半導体基板の前記第１面との間に位置するゲート絶縁膜と、
を含み、
前記ソース部及び前記ドレイン部は、前記半導体基板の前記第１面と接する領域を含み、前記ソース部が第２導電型の前記第２拡散層を介して前記第１拡散層から離間して位置し、前記ドレイン部が第２導電型の第３の層を介して前記第１拡散層から離間して位置し、前記第３の層は、前記第２拡散層の不純物濃度よりも低濃度の第２導電型不純物を含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ドレイン部が平面視で前記第２拡散層の外側に位置することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第１拡散層は、
前記ソース部の不純物濃度及び前記ドレイン部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型不純物を含む第１領域と、
前記第１領域の不純物濃度よりも更に低濃度の第１導電型不純物を含み、前記第１領域と前記第２拡散層との間に位置する第２領域と、
を含む、固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、
前記第２拡散層内に位置し、且つ平面視で前記ゲート電極の少なくとも一部と重なって位置し、前記第２拡散層の不純物濃度よりも高濃度の第２導電型不純物を含むキャリアポケットを更に含み、
前記第２拡散層の一部が、前記キャリアポケットと前記第１拡散層との間にも位置している、固体撮像装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記キャリアポケット及び前記ゲート電極の平面形状はそれぞれリング状であり、前記ソース部及び前記ドレイン部の一方は平面視で前記ゲート電極の内側に位置し、他方は平面視で前記ゲート電極の外側に位置する、固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記第１導電型はＮ型であり、前記第２導電型はＰ型である、固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサーとして用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置に代わって、閾値変調型の固体撮像装置が提案されている。閾値変調型の固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配列された複数の画素を備えており、各画素は、１つのフォトダイオードと、１つのトランジスターと、を含んでいる。
【０００３】
閾値変調型の固体撮像装置の各画素において、フォトダイオードは、入射光の強度に応じて光発生電荷（ホール又は電子）を発生させる。発生した電荷は、トランジスターの閾値電圧を変化させる。トランジスターの閾値電圧の変化は、トランジスターの飽和領域動作時のソース電圧として読み出される。これによって、入射光の強度に応じたソース電圧、すなわち画素データが得られる。複数の画素に対応する複数の画素データを用いることによって、１枚の画像データが生成される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１３６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような従来の固体撮像装置においては、トランジスターのソースに接続されたソースラインを共通にする複数の固体撮像素子のうち、素子選択のための電位がトランジスターのゲートに印加されていない非選択素子に強い光が入射したときに、光強度が見かけ上小さくなって出力される現象（黒スミア）が発生することがある。
【０００６】
この黒スミアが発生する原因の１つは、半導体基板内に形成されたＮ型のウェル領域が、トランジスターのドレイン（Ｎ型）に接続されており、このＮ型のウェル領域とトランジスターのソース領域（Ｎ型）との間に、Ｐ型の領域を介してリーク電流が発生するためであると考えられる。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、固体撮像装置における黒スミアの発生を抑制することに関連している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの態様において、固体撮像装置は、半導体基板に位置し入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターと、を備えた固体撮像装置であって、フォトダイオードは、半導体基板に位置する第１導電型の第１拡散層と、第１拡散層より半導体基板の第１面の近くに位置する第２導電型の第２拡散層と、を含み、検出トランジスターは、平面視で第２拡散層内に位置するゲート電極と、平面視でゲート電極を挟んで位置する第１導電型のソース部及びドレイン部と、ゲート電極と半導体基板の第１面との間に位置するゲート絶縁膜と、を含み、ソース部及びドレイン部は、半導体基板の第１面と接する領域を含み、第２導電型の第２拡散層又は第２導電型の第３の層を介して第１拡散層から離間して位置する。
この態様によれば、第１導電型のソース部及びドレイン部の両方が、第２導電型の層を介して第１導電型の第１拡散層から離間して位置する。これにより、ソース部とドレイン部との間での第１拡散層を介したリーク電流の発生を抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【０００９】
上述の態様において、第１拡散層は、ソース部の不純物濃度及びドレイン部の不純物濃度よりも低濃度の第１導電型不純物を含む第１領域と、第１領域の不純物濃度よりも更に低濃度の第１導電型不純物を含み第１領域と第２拡散層との間に位置する第２領域と、を含むことが望ましい。
これによれば、第１領域から第２拡散層に至るポテンシャルカーブを緩やかにし、空乏層が広がり易い状態とすることにより、リーク電流の発生を抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【００１０】
上述の態様において、第２拡散層内に位置し、且つ平面視でゲート電極の少なくとも一部と重なって位置し、第２拡散層の不純物濃度よりも高濃度の第２導電型不純物を含むキャリアポケットを更に含み、第２拡散層の一部が、キャリアポケットと第１拡散層との間にも位置していることが望ましい。
これによれば、キャリアポケットと第１拡散層との間を離間させ、キャリアポケットの電位上昇を抑制できる。その結果、キャリアポケットと半導体基板の表面との間に、ソース部とドレイン部とを導通させる意図しないチャネルが形成されることを抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【００１１】
上述の態様において、キャリアポケット及びゲート電極の平面形状はそれぞれリング状であり、ソース部及びドレイン部の一方は平面視でゲート電極の内側に位置し、他方は平面視でゲート電極の外側に位置することが望ましい。また、第１導電型はＮ型であり、第２導電型はＰ型であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】１つの実施形態を構成する固体撮像素子の平面図。
【図２】図１の固体撮像素子のII−II線における断面図。
【図３】図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図４】図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図５】図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００１４】
＜１．構成＞
図１は、本発明の１つの実施形態に係る固体撮像装置を構成する固体撮像素子を概念的に示す平面図である。図２は、図１に示す固体撮像素子のII−II線における断面図である。固体撮像装置は、固体撮像素子１を複数規則的に配列して構成されている。１つの固体撮像素子１は、１つのフォトダイオード１０と、１つの検出トランジスター２０と、複数（例えば２つ）の固体撮像素子１に共通のリセットトランジスター３２と、を含んでいる。
【００１５】
フォトダイオード１０、検出トランジスター２０及びリセットトランジスター３２は、半導体基板１１０の表面（第１面）側に形成されている。半導体基板１１０は、第２導電型（例えば、Ｐ型）の基板である。なお、基板自体が第２導電型である場合に限らず、第１導電型（例えば、Ｎ型）の半導体基板の表面側に、第２導電型のウェルが形成されていても良い。
【００１６】
＜１−１．フォトダイオード＞
半導体基板１１０内には、第１導電型の第１拡散層１１が形成されている。第１拡散層１１よりも半導体基板１１０の表面に近い位置には、第２導電型の第２拡散層１２が形成されている。第１導電型の第１拡散層１１と、第２導電型の第２拡散層１２とで、フォトダイオード１０が構成される。第１拡散層１１は、第１導電型不純物を含む第１領域１１ａと、第１領域１１ａよりも低濃度の第１導電型不純物を含む第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃとを含んでいる。第２領域１１ｂは、第１領域１１ａと第２拡散層１２との間に位置している。
【００１７】
半導体基板１１０の最表面には、第１導電型のピニング層１３が形成されている。ピニング層１３は、基板表面における暗電流の発生を防止している。なお、各図におけるＮ及びＰへの添え字＋及び−は、それぞれ、不純物濃度の濃い部分（添え字＋）及び薄い部分（添え字−）であることを示している。
【００１８】
＜１−２．検出トランジスター＞
検出トランジスター２０は、半導体基板１１０上にゲート絶縁膜２５を介して形成されたゲート電極２６を含んでいる。ゲート電極２６は、平面視でリング状に形成されている。半導体基板１１０の表面には、平面視でゲート電極２６の外側を囲む領域の一部に、第１導電型のドレイン領域２７が形成されている。第１導電型のドレイン領域２７は、第２導電型の層２２を介して、第１導電型の第１拡散層１１から離間して位置している。
【００１９】
また、平面視でゲート電極２６に囲まれる領域における半導体基板１１０の表面は、第１導電型のソース領域２８となっており、このソース領域２８は、半導体基板１１０上のソースコンタクト２８ａを介して信号出力線２８ｂに接続されている。第１導電型のソース領域２８は、第２導電型の第２拡散層１２を介して、第１導電型の第１拡散層１１から離間して位置している。本実施形態では、平面視でゲート電極２６の外側を囲む領域の一部にドレイン領域２７を、平面視でゲート電極２６に囲まれる領域における半導体基板１１０の表面にソース領域２８を形成しているがこれに限定されない。平面視でゲート電極２６の外側を囲む領域の一部にソース領域２８を、平面視でゲート電極２６に囲まれる領域における半導体基板１１０の表面にドレイン領域２７を形成してもよい。
【００２０】
半導体基板１１０の検出トランジスター２０直下の領域には、フォトダイオード１０を構成する第１導電型の第１拡散層１１と、フォトダイオード１０を構成する第２導電型の第２拡散層１２とが延在している。光を受光したフォトダイオード１０において発生した電荷（例えば、正孔）は、検出トランジスター２０直下の第２導電型の第２拡散層１２内に形成された高濃度の第２導電型半導体領域であるキャリアポケット２４に転送され、蓄積される。この電荷蓄積により、検出トランジスター２０に基板バイアスがかかり、検出トランジスター２０の閾値電圧が変化するので、この閾値電圧の変化量（飽和領域動作時におけるソース電圧の変化量）を入射光量として検出する。
【００２１】
＜１−３．リセットトランジスター＞
リセットトランジスター３２は、半導体基板１１０上に絶縁膜（図示せず）を介して形成されたゲート電極３６（図１）を含んでいる。ゲート電極３６は、リセットトランジスター３２の両端側において、それぞれ絶縁膜（図示せず）を介して２つの検出トランジスター２０の各ゲート電極２６上に延在している。また、ゲート電極３６の中央部には貫通孔３６ａが形成されており、この貫通孔３６ａの直下においては、半導体基板１１０表面に高濃度の第２導電型半導体領域である排出部（図示せず）が形成されている。この排出部は、図示しない配線に接続されている。
【００２２】
検出トランジスター２０によって入射光量を検出した後、ゲート電極３６に閾値以上の電圧を印加すると、第２導電型のキャリアポケット２４と第２導電型の排出部との間にチャネルが形成される。これにより、キャリアポケット２４に転送されて蓄積された上述の電荷は、排出部を介して排出される。従って、キャリアポケット２４に蓄積された電荷は、第１拡散層１１を介して排出しなくてもよい。
【００２３】
＜２．製造方法＞
図３及び図４は、図１に示す固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。なお、図３及び図４において、フォトレジストや犠牲酸化膜等の図示を省略している。まず、図３（Ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板１１０に、所定パターンのフォトレジストを介して第１導電型の不純物イオンを注入することにより、第１拡散層１１を形成する。
【００２４】
例えば、最初に比較的高濃度の第１導電型不純物を含む第１領域１１ａを半導体基板１１０の所定深さ位置に形成し、次に、半導体基板１１０を熱処理して第１導電型不純物を拡散させることによって、第１領域１１ａよりも低濃度の第１導電型不純物を含む第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃを形成する。
【００２５】
或いは、最初に第１導電型不純物を含む第１領域１１ａを半導体基板１１０の所定深さ位置に形成し、次に、イオン注入条件を変えて、第１領域１１ａよりも低濃度の第１導電型不純物を含む第２領域１１ｂを半導体基板１１０の浅い位置に形成してもよい。
【００２６】
次に、図３（Ｂ）に示すように、第１拡散層１１よりも表面側の浅い位置に、所定パターンのフォトレジストを介して第２導電型不純物のイオンを注入することにより、第２拡散層１２を形成する。これにより、フォトダイオード１０が形成される。
【００２７】
次に、図３（Ｃ）に示すように、所定パターンのフォトレジストを介して半導体基板１１０に第１導電型不純物のイオンを注入することにより、ドレイン領域２７を形成する。ドレイン領域２７は、半導体基板１１０の表面側の浅い位置に、第１拡散層１１に達しないように形成される。ドレイン領域２７と第１拡散層１１との間には、第２導電型の層２２が残る。
【００２８】
次に、図４（Ｄ）に示すように、所定パターンのフォトレジストを介して半導体基板１１０に第２導電型不純物のイオンを注入することにより、第２導電型の第２拡散層１２内にキャリアポケット２４を形成する。さらに、所定パターンのフォトレジストを介して半導体基板１１０に第１導電型不純物のイオンを注入することにより、第１導電型のピニング層１３を形成する。
【００２９】
次に、図４（Ｅ）に示すように、半導体基板１１０上にゲート絶縁膜２５となる酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜２９を形成した後、酸化シリコン膜２９上にゲート電極２６を形成する。ゲート電極２６は、例えば、第１の導電型にドープされた多結晶シリコンによって形成される。
【００３０】
次に、図５（Ｆ）に示すように、酸化シリコン膜２９上及びゲート電極２６上に、サイドウォールとなる酸化膜３０を堆積させる。また、酸化膜３０上に、層間絶縁膜３１を堆積させる。
【００３１】
次に、図５（Ｇ）に示すように、層間絶縁膜３１、酸化膜３０及び酸化シリコン膜２９の各一部をエッチングして半導体基板１１０の表面を露出させる。そして、層間絶縁膜３１、酸化膜３０及び酸化シリコン膜２９をマスクとしてイオン注入を行うことにより、第１導電型のソース領域２８を形成する。その後、ソースコンタクト２８ａ及び信号出力線２８ｂ（図２参照）等の配線工程を経て、固体撮像素子１及び複数の固体撮像素子１を有する固体撮像装置が製造される。
【００３２】
＜３．本実施形態の効果＞
以上説明した実施形態によれば、第１導電型のソース領域２８が、第２導電型の第２拡散層１２を介して第１導電型の第１拡散層１１から離間して位置しており、第１導電型のドレイン領域２７が、第２導電型の層２２を介して第１導電型の第１拡散層１１から離間して位置している。これにより、ソース領域とドレイン領域との間での第１拡散層を介したリーク電流の発生を抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【００３３】
また、第１導電型の第１拡散層１１が、第１領域１１ａと、第１領域１１ａよりも低濃度の第１導電型不純物を含む第２領域１１ｂとを含み、第２領域１１ｂが、第１領域１１ａと第２導電型の第２拡散層１２との間に位置している。これにより、第１領域１１ａから第２導電型の第２拡散層１２に至るポテンシャルカーブを緩やかにし、空乏層が広がり易い状態とすることにより、リーク電流の発生を抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【００３４】
また、フォトダイオード１０を構成する第２拡散層１２の一部が、キャリアポケット２４と第１拡散層１１との間にも位置しているので、キャリアポケット２４と第１拡散層１１との間を離間させ、キャリアポケット２４の電位上昇を抑制できる。その結果、キャリアポケット２４と半導体基板１１０の表面との間に、ソース領域とドレイン領域とを導通させる意図しないチャネルが形成されることを抑制し、黒スミアの発生を抑制することができる。
【００３５】
また、以上の実施形態によれば、黒スミア対策としてトランジスターを別途追加する等の複雑化を回避できる。また、深いフォトダイオード１０が形成されるため、赤感度の増加が期待される。
【符号の説明】
【００３６】
１…固体撮像素子、１０…フォトダイオード、１１…第１導電型の第１拡散層、１１ａ…第１領域、１１ｂ…第２領域、１１ｃ…第３領域、１２…第２導電型の第２拡散層、１３…ピニング層、２０…検出トランジスター、２２…第２導電型の層、２４…キャリアポケット、２５…ゲート絶縁膜、２６…ゲート電極、２７…ドレイン領域、２８…ソース領域、２８ａ…ソースコンタクト、２８ｂ…信号出力線、２９…酸化シリコン膜、３０…酸化膜、３１…層間絶縁膜、３２…リセットトランジスター、３６…ゲート電極、３６ａ…貫通孔、１１０…半導体基板。
【図１】
0006007524.tif 000002
【図２】
0006007524.tif 000003
【図３】
0006007524.tif 000004
【図４】
0006007524.tif 000005
【図５】
0006007524.tif 000006