(57)【要約】【課題】縦型の転送トランジスタを備える固体撮像装置において、飽和電荷量のばらつきが低減され、歩留まりの向上が図られた固体撮像装置を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。【解決手段】基板３０と、基板３０に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部ＰＤを備える。また、光電変換部ＰＤの深さに応じて基板３０の一方の面側から深さ方向に形成された溝部２９に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極２０を備える。そして、縦型の転送ゲート電極２０を備える固体撮像装置において、光電変換部ＰＤに蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパス２７が、転送ゲート電極２０の底部に形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部の深さに応じて前記基板の一方の面側から深さ方向に形成された溝部に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極と、
前記転送ゲート電極の底部に形成され、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパスと、
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、前記光電変換部からの信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域を備え、
前記オーバーフローパスは、前記光電変換部と前記フローティングディフュージョン領域とを接続する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記転送ゲート電極が形成された前記溝部の周囲は、界面準位調整用の第１導電型、又は第２導電型の不純物イオン注入領域が形成されている
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換部は、単位画素内において前記基板の深さ方向に複数層形成され、各光電変換部の電荷蓄積領域となる第２導電型半導体領域は接続され、前記オーバーフローパスに接続されている
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、単位画素内において、前記基板の深さ方向に複数層形成され、各光電変換部に対応して前記転送ゲート電極が複数形成されている
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程と、
前記基板の光電変換部が形成された領域に隣接する領域に、前記光電変換部の電荷蓄積領域となる第２導電型の半導体領域に接続可能な深さに、第２導電型の半導体領域からなるオーバーフローパスを形成する工程と、
前記光電変換部に隣接し、前記オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域上部に、溝部を形成する工程と、
前記溝部に、ゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程と、
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、前記オーバーフローパスとなる第２導電型半導体領域に接続する、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域を形成する工程と、
を含む固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記溝部に転送ゲート電極を形成する前の工程において、前記溝部の側面及び底面に、第１導電型、又は第２導電型の半導体領域からなる界面準位調整用の不純物イオン注入領域を形成する工程
を含む請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】
基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程と、
前記基板上に、前記基板の光電変換部が形成された領域に隣接する所望の領域を開口する開口部を有するマスクを形成し、前記マスクを介してエッチングすることにより、所望の深さの溝部を形成する工程と、
前記マスクを介して第２導電型の不純物をイオン注入することにより、オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域をセルフアラインで形成する工程と、
前記溝部内にゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程と、
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域を、前記オーバーフローパスと接続するように形成する工程と、
を含む固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記溝部に転送ゲート電極を形成する前の工程において、前記溝部の側面及び底面に、第１導電型、又は第２導電型の半導体領域からなる界面準位調整用の不純物イオン注入領域を形成する工程
を含む請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
光学レンズと、
前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、
前記固体撮像装置は、
基板と、前記基板に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部と、前記光電変換部の深さに応じて前記基板の一方の面側から深さ方向に形成された溝部に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の底部に形成され、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパスとを備える
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、縦型トランジスタを有する固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置に大別される。これら固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。また、近年、カメラ付き携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器に搭載される固体撮像装置としては、電源電圧が低く、消費電力の観点などからＣＭＯＳイメージセンサが多くも用いられている。
【０００３】
近年、特許文献１にあるように、半導体基板の深さ方向に形成された複数のフォトダイオードを有し、画素サイズの微細化が図られたＣＭＯＳ型の固体撮像装置が提案されている。深さ方向に形成されたフォトダイオードは、半導体基板に対して垂直方向に転送チャネルを有し、縦型の転送ゲート電極で構成される転送トランジスタを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１４２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の裏面照射型の固体撮像装置や、Ｐ型の半導体基板を用いて構成される表面型の固体撮像装置では、フォトダイオードの飽和電荷量を越えて生成された信号電荷は、基板の光入射面側と反対側に排出できない。このため、このような固体撮像装置では、フォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷を、フローティングディフュージョンにオーバーフローするラテラルオーバーフロー構造が採られる。そして、特許文献１のような縦型の転送トランジスタを備える固体撮像装置では、強い光により、飽和電荷量を超えた信号電荷は、転送トランジスタの転送チャネルを通ってフローティングディフュージョンに排出される構成とされている。
【０００６】
特許文献１のように、オーバーフローする信号電荷が縦型の転送トランジスタの転送チャネルを通る構成では、基板に掘り込んで形成された縦型ゲート電極の側周部を通る。このため、縦型ゲート電極の形状や形成位置のばらつきがある場合、オーバーフローする信号電荷の経路が変化してしまうため飽和電荷量のばらつき、ダイナミックレンジの減少、歩留まりの低下が引き起こされる可能性が高い。また、このような構造では、信号電荷の転送時の転送経路と、オーバーフローさせる場合の経路とがほぼ同一となり、設計が困難と成り得る。
【０００７】
上述の点に鑑み、本開示は、縦型の転送トランジスタを備える固体撮像装置において、飽和電荷量のばらつきが低減され、歩留まりの向上が図られた固体撮像装置を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の固体撮像装置は、基板と、基板に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部と、光電変換部の深さに応じて前記基板の一方の面側から深さ方向に形成された溝部に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極を備える。また、転送ゲート電極の底部に形成され、光電変換部に蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパスを備える。
【０００９】
本開示の固体撮像装置では、オーバーフローパスが縦型の転送ゲート電極の底部を通るように形成されるため、画素内において、通常の信号電荷の転送経路と、信号電荷をオーバーフローさせる場合の経路を別に設計できる。
【００１０】
本開示の固体撮像装置の製造方法は、基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程を有する。また、基板の光電変換部が形成された領域に隣接する領域に、光電変換部の電荷蓄積領域となる第２導電型の半導体領域に接続可能な深さに、第２導電型の半導体領域からなるオーバーフローパスを形成する工程を有する。また、光電変換部に隣接し、オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域上部に、溝部を形成する工程と、溝部にゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程を有する。また、転送ゲート電極に隣接する領域に、オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域に接続する、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域を形成する工程を有する。
【００１１】
本開示の固体撮像装置の製造方法では、溝部を形成する前にオーバーフローパスが形成される。そして、転送ゲート電極底部に位置するオーバーフローパスと、フローティングディフュージョン領域の下層に位置するオーバーフローパスとを同時に形成することができる。
【００１２】
本開示の他の固体撮像装置の製造方法は、基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程を有する。また、基板上に、光電変換部が形成された領域に隣接する所望の領域を開口する開口部を有するマスクを形成し、マスクを介してエッチングすることにより、所望の深さの溝部を形成する工程を有する。また、マスクを介して第２導電型の不純物をイオン注入することにより、オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域をセルフアラインで形成する工程を有する。また、溝部内にゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程を有する。また、転送ゲート電極に隣接する領域に、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域をオーバーフローパスと接続するように形成する。
【００１３】
本開示の他の固体撮像装置の製造方法では、オーバーフローパスとなる第１の第２導電型半導体領域を、溝部を形成する際のマスクと同一のマスクにより形成する。これにより、転送ゲート電極の底部に、オーバーフローパスとなる第１の第２導電型半導体領域がセルフアラインで形成される。
【００１４】
本開示の電子機器は、光学レンズと、光学レンズに集光された光が入射される、上述した本開示の固体撮像装置と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備える。
【００１５】
本開示の電子機器では、固体撮像装置において、オーバーフローパスが転送ゲート電極の底部に形成されるので、画素内において、通常の信号電荷の転送経路と、信号電荷をオーバーフローさせる場合の経路を別に設計できる。これにより、画質の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１６】
本開示によれば、縦型の転送トランジスタを備える固体撮像装置において、飽和電荷量のばらつきが低減され、歩留まりの向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の第１の実施形態に固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素におけるフォトダイオードと転送トランジスタＴｒを含む領域の平面構成図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線上に沿う断面構成図である。
【図４】比較例に係る固体撮像装置の単位画素の平面構成図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線上に沿う断面構成図である。
【図６】Ａ〜Ｃ  本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。
【図７】Ｄ〜Ｆ  本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。
【図８】Ｇ、Ｈ  本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。
【図９】変形例１に係る固体撮像装置の単位画素におけるフォトダイオードＰＤと転送トランジスタＴｒを含む領域の平面構成を示した図である。
【図１０】変形例２に係る固体撮像装置の要部の断面構成図である。
【図１１】Ａ、Ｂ、Ｃ  本実施形態例の固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。
【図１２】Ｄ、Ｅ、Ｆ  本実施形態例の固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。
【図１３】Ａ、Ｂ  本開示の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。
【図１４】本開示の第４の実施形態に係る固体撮像装置の断面を示す構成図である。
【図１５】本開示の第５の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本開示の実施形態に係る固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器の一例を、図１〜図１５を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置
１−１  固体撮像装置全体の構成
１−２  要部の構成
１−３  製造方法
１−４  動作説明
１−５  変形例１
１−６  変形例２
２．第２の実施形態：固体撮像装置の製造方法
３．第３の実施形態：固体撮像装置の製造方法
４．第４の実施形態：固体撮像装置
５．第５の実施形態：電子機器
【００１９】
〈１．第１の実施形態：固体撮像装置〉
［１−１  固体撮像装置全体の構成］
図１は、本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
本実施形態例の固体撮像装置１は、シリコンからなる基板１１上に配列された複数の画素２から構成される画素領域３と、垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。
【００２０】
画素２は、フォトダイオードからなる光電変換部と、複数の画素トランジスタとから構成され、基板１１上に２次元アレイ状に規則的に複数配列される。画素２を構成する画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、アンプトランジスタで構成される４つのＭＯＳトランジスタであってもよく、また、選択トランジスタを除いた３つのトランジスタであってもよい。
【００２１】
画素領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。画素領域３は、実際に光を受光し光電変換によって生成された信号電荷を増幅してカラム信号処理回路５に読み出す有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域（図示せず）とから構成されている。黒基準画素領域は、通常は、有効画素領域の外周部に形成されるものである。
【００２２】
制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。
【００２３】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路５に供給する。
【００２４】
カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０とのあいだに設けられている。
【００２５】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
【００２６】
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して、順次に供給される信号に対し信号処理を行い出力する。
【００２７】
［１−２  要部の構成］
図２に、本実施形態例の固体撮像装置１の単位画素２におけるフォトダイオードＰＤと転送トランジスタＴｒを含む領域の平面構成を示し、図３に、図２のＡ−Ａ線上の沿う断面構成を示す。また、以下の説明では、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型として説明する。
【００２８】
本実施形態例の固体撮像装置１は、ｎ型、又はｐ型のシリコンからなる半導体基板３０に形成されたｐ型のウェル領域２１に、フォトダイオードＰＤ及び複数の画素トランジスタＴｒからなる画素２が形成されている。図２及び図３では、複数の画素トランジスタのうち、縦型トランジスタで構成された転送トランジスタＴｒのみ図示し、他の画素トランジスタは図示を省略する。
【００２９】
各画素２は、ｐ型半導体領域からなる画素分離領域２２により区画された領域内に形成されている。単位画素２では、半導体基板３０内の深さ方向に複数層（図３では２層）に形成された第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を備える。第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、光電変換素子を構成するものであり、半導体基板３０の深さ方向に順に形成されたｐ型半導体領域２３、ｎ型半導体領域２４、ｐ型半導体領域２５、ｎ型半導体領域２６で構成されている。
【００３０】
半導体基板３０の表面側に形成された第１フォトダイオードＰＤ１は、主に、半導体基板３０の最表面に形成されたｐ型半導体領域２３とその下層に形成されたｎ型半導体領域２４との間のｐｎ接合ｊａで構成されている。そして、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域２４は電荷蓄積領域とされ、第１フォトダイオードＰＤ１で生成された信号電荷はｎ型半導体領域２４に蓄積される。第２フォトダイオードＰＤ２は、主に、第１フォトダイオードＰＤ１の電荷蓄積領域となるｎ型半導体領域２４の下層に形成されたｐ型半導体領域２５と、その下層に形成されたｎ型半導体領域２６との間のｐｎ接合ｊｂで構成されている。そして、第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域２６は電荷蓄積領域とされ、第２フォトダイオードＰＤ２で生成された信号電荷は、ｎ型半導体領域２６に蓄積される。
【００３１】
縦型の転送トランジスタＴｒは、半導体基板３０の表面側から深さ方向に垂直に延びる
転送ゲート電極２０と、転送ゲート電極２０に近接して形成されたフローティングディフュージョン領域ＦＤとで構成されている。
転送ゲート電極２０は、半導体基板３０の深さ方向に形成された溝部２９内に形成された柱状の埋め込み電極２０ａと、埋め込み電極２０ａ上部において、半導体基板３０表面に張り出すように形成された表面電極２０ｂとで構成されている。これらの埋め込み電極２０ａ及び表面電極２０ｂは例えばポリシリコンで構成されており、それぞれ、溝部２９内、及び半導体基板３０表面に、例えば酸化膜で構成されるゲート絶縁膜２８を介して形成されている。
【００３２】
フローティングディフュージョン領域ＦＤは、半導体基板３０の表面側に形成された高濃度のｎ型半導体領域で構成されており、転送ゲート電極２０の表面電極２０ｂに近接するように形成されている。そして、転送トランジスタＴｒは、図２に示すように単位画素２の端、すなわち、フォトダイオードＰＤが形成された領域の端に形成されている。
【００３３】
半導体基板３０の深さ方向に形成された縦型の転送ゲート電極２０を形成するための溝部２９の内周面には、ゲートの界面準位調整用の不純物イオン注入領域３３が形成される。本実施形態例では、不純物イオン注入領域３３として、暗電流を抑制するための高濃度のｐ型半導体領域が形成されている。ｐ型半導体領域からなる不純物イオン注入領域３３は、溝部２９を選択エッチングなどで形成したときの結晶欠陥や歪みに起因してゲート絶縁膜２８と半導体基板３０との界面から発生する暗電流、白傷となる電荷（電子）を再結合させて消滅させる機能を有する。
【００３４】
さらに、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の転送ゲート電極２０側の領域では、それぞれのフォトダイオードのｎ型半導体領域２４、２６とを電気的に接続するｎ型半導体領域からなる転送路３２が形成されている。転送路３２を形成するために、第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｐ型半導体領域２５が転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ａから所要の距離だけオフセットして形成されている。つまり、ｐ型半導体領域２５は、転送路３２の幅の分だけ埋め込み電極２０ａから離れて形成されている。転送路３２が形成されることにより、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域２４と第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域２６との間で信号電荷が移動可能となる。
【００３５】
そして、本実施形態例の固体撮像装置１では、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２とフローティングディフュージョン領域ＦＤとの間にオーバーフローパス２７が形成されている。このオーバーフローパス２７は、埋め込み電極２０ａの底部に形成された第１のｎ型半導体領域２７ａとフローティングディフュージョン領域ＦＤの下層に形成された第２のｎ型半導体領域２７ｂとで構成される。また、オーバーフローパス２７を構成する第１及び第２のｎ型半導体領域２７ａ、２７ｂは、転送路３２を構成するｎ型半導体領域よりも低濃度に形成されている。そして、オーバーフローパス２７は、転送路３２、不純物イオン注入領域３３、及びフローティングディフュージョン領域ＦＤに接するように形成されている。このオーバーフローパス２７により、フォトダイオードＰＤから溢れた信号電荷ｅは、図３に示すように、埋め込み電極２０ａの底部を通り、フローティングディフュージョン領域ＦＤに排出される。
【００３６】
また、本実施形態例では、図示を省略するが、半導体基板３０の表面側に、他の画素トランジスタを構成するリセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ等が画素毎に形成されている。さらに、図示しないが、半導体基板３０の表面側には、層間絶縁膜を介して複数層の配線を配置した多層配線層が形成されている。
【００３７】
また、本実施形態例の固体撮像装置１は、光Ｌを半導体基板３０の裏面側から照射する裏面照射型の固体撮像装置として構成されている。このため、図示を省略するが、半導体基板３０の裏面側には、ｎ型半導体領域２６に接するように暗電流抑制のためのｐ型半導体領域が高濃度に形成される。さらに、半導体基板３０の裏面側には、図示を省略するが、平坦化膜を介してカラーフィルタ層、及びオンチップレンズが画素毎に形成される。
【００３８】
［１−３  動作説明］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の動作を説明する。電荷蓄積時には、半導体基板３０の裏面側から入射した光が第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に吸収され、光電変換されることにより、光量に応じた信号電荷が生成される。生成された信号電荷（本実施形態例では電子）は、ポテンシャル勾配にしたがってｎ型半導体領域２４、２６に移動し、ポテンシャルエネルギーが最小となるところで蓄積される。すなわち、第１フォトダイオードＰＤ１ではｎ型半導体領域２４に蓄積され、第２フォトダイオードＰＤ２ではｎ型半導体領域２６に蓄積される。各ｎ型半導体領域２４、２６は完全に空乏化しており、そのポテンシャルに信号電荷が蓄積される。
【００３９】
そして、強い光が入射された場合、生成される信号電荷は多くなり、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のいずれかの飽和電荷量を超える。そうすると、その飽和電荷量を超えた信号電荷は、転送路３２のポテンシャルを越えて、他の飽和に達していないフォトダイオードのｎ型半導体領域に蓄積される。
【００４０】
一例として、最初に第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域２４が飽和電荷量に達すると、その飽和電荷量を超えた信号電荷は、転送路３２を通り隣接する第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域２４に蓄積される。第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域２６が飽和電荷量に達すると、その飽和電荷量を超えた信号電荷ｅは転送ゲート電極２０の底部に形成されたオーバーフローパス２７を通ってフローティングディフュージョン領域ＦＤに移動する。
【００４１】
本実施形態例の固体撮像装置１では、半導体基板３０の深さ方向に複数のフォトダイオードＰＤ（ＰＤ１、ＰＤ２）を積層し転送路３２を介して各ｎ型半導体領域２４、２６を接続している。そして、電荷蓄積時に、いずれかのフォトダイオードＰＤ（ＰＤ１、ＰＤ２）で飽和電荷量に達すると、その飽和電荷量を越えた信号電荷は転送路３２を介して他の飽和していないフォトダイオードＰＤ（ＰＤ１、ＰＤ２）に蓄積される。この構成により、画素サイズを微細化した場合でも、単位画素当たりの実効的な飽和電荷量が増加し、ダイナミックレンジを大きくでき、コントラストを向上することができる。
【００４２】
一方、電荷転送時には、転送ゲート電極２０に所望の転送パルスが印加されることにより、転送ゲート電極２０の周囲に形成された転送路３２の電位が深くなる。これにより、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に蓄積された信号電荷は、主に、半導体基板３０の表面側の転送路３２を通り、縦型の転送ゲート電極２０を回り込んでフローティングディフュージョン領域ＦＤに読み出される。
【００４３】
すなわち、本実施形態例では、通常の信号電荷の転送経路とオーバーフローパス２７が分離されるので、信号電荷の転送とオーバーフローパス２７の設計自由度が増加し、独立に最適化することができる。
【００４４】
さらに、転送トランジスタＴｒを縦型トランジスタとして構成すると共に、転送トランジスタＴｒを画素２の端に形成することにより、フォトダイオードＰＤの面積を大きくとることができ、単位体積当たりの飽和電荷量を増加することができる。縦型の転送ゲート電極２０の全体を覆ってｐ型半導体領域からなる不純物イオン注入領域３３を形成したことにより、埋め込み電極２０ａの側面及び底部に存在する欠陥などに起因する暗電流の発生を抑制し、白傷の発生を抑制することができる。
【００４５】
図４に比較例に係る固体撮像装置の単位画素の平面構成を示し、図５に図４のＢ−Ｂ線上に沿う断面構成を示す。図４及び図５において、図２及び図３に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００４６】
図４及び図５は、図２及び図３のオーバーフローパス２７が形成されておらず、図４及び図５に示す固体撮像装置では、半導体基板３０表面の埋め込み電極２０ａを囲む領域がオーバーフローパス８０を構成する。比較例では、電荷蓄積時において、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の飽和電荷量を超えた信号電荷ｅは、図４及び図５の矢印で示すように、埋め込み電極２０ａを回り込んでフローティングディフュージョン領域ＦＤに排出される。比較例における固体撮像装置は、オーバーフローパス８０は、通常の信号電荷の転送路としても用いられる経路である。
【００４７】
図５では、オーバーフローパス８０は図示されないが、図４に示すように、オーバーフローパス８０は埋め込み電極２０ａの周りに形成されるため、埋め込み電極２０ａの径よりも大きい範囲に形成する必要がある。そして、比較例の固体撮像装置では、埋め込み電極２０ａの形状や形成位置がばらつくと、オーバーフローパス８０の領域内での電位の印加状態にばらつきが発生してしまう。そうすると、飽和電荷量のばらつきや、ダイナミックレンジの減少、歩留まりの低下が引き起こされる。また、比較例の固体撮像装置において、オーバーフローパス８０に対して埋め込み電極２０ａの位置が変動すると、オーバーフローが加速される可能性があり、飽和電荷量の低下を引き起こす。このように、比較例の固体撮像装置では、埋め込み電極２０ａの形状や形成位置のばらつきが品質に直接的に影響しやすい構成である。
【００４８】
これに対し、本実施形態例では、オーバーフローパス２７は、埋め込み電極２０ａの底部に形成されればよく、転送路３２とフローティングディフュージョン領域ＦＤを接続する範囲に形成されればよい。したがって、本実施形態例では、オーバーフローパス２７の埋め込み電極２０ａ底部における形成領域は、図２に示すように、半導体基板３０に柱状に形成された転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ａの外径とほぼ同じ程度にまで縮小して形成することができる。これにより、余分な領域にオーバーフローパス用のｎ型半導体領域を形成する必要がなく、埋め込み電極２０ａの製造ばらつきに対してロバストな構造となる。
【００４９】
［１−４  製造方法］
図６〜図８は、本実施形態例の固体撮像装置１の製造工程図である。図６〜図８を用いて、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法について説明する。
【００５０】
まず、図６Ａに示すように、半導体基板３０のｐ型のウェル領域２１に、表面側からのイオン注入により第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のｎ型半導体領域２４、２６、及び転送路３２を構成するｎ型半導体領域を形成する。その後、半導体基板３０の表面側からｐ型の不純物をイオン注入することにより、第２フォトダイオードＰＤ２のｐ型半導体領域２５を所要の位置に形成する。また、画素分離領域２２は、半導体基板３０の各画素２を区画する位置には、ｐ型の不純物領域を高濃度にイオン注入することにより形成する。
【００５１】
次に、図６Ｂに示すように、半導体基板３０の表面に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成されたＳｉＮからなる絶縁膜３１を成膜し、転送ゲート電極２０を形成する部分に対応して、半導体基板３０表面を露出する開口部３１ａを形成する。そして、その開口部３１ａが形成された絶縁膜３１をマスクとして、半導体基板３０を所望の深さにまでエッチング除去する。これにより、半導体基板３０の転送ゲート電極２０が形成される領域に溝部２９を形成する。
【００５２】
続いて、同じく開口部３１ａが形成された絶縁膜３１をマスクとし、ｐ型の不純物をイオン注入することにより、図６Ｃに示すように、溝部２９の側面及び底面に界面準位調整用の不純物イオン注入領域３３を形成する。このとき、溝部２９の側面には、チルト角をつけた斜めイオン注入によりｐ型半導体領域からなる不純物イオン注入領域３３を形成する。
【００５３】
次に、同じく開口部３１ａが形成された絶縁膜３１をマスクとして、ｎ型の不純物をイオン注入することにより、図７Ｄに示すように、不純物イオン注入領域３３よりも下層にオーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａを形成する。このとき、イオン注入されたｎ型不純物の拡散により、第１のｎ型半導体領域２７ａは絶縁膜３１の開口部３１ａよりも大きい領域に形成される。また、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２側では、転送路３２を構成するｎ型半導体領域に接するようにオーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａを形成する。オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａは、そのポテンシャルが、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域２４、２６や転送路３２を構成するｎ型半導体領域のポテンシャルよりも浅くなるように形成する。
【００５４】
本実施形態例では、オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａは、転送ゲート電極２０を埋め込む溝部２９を形成するための絶縁膜３１からなるマスクを用いて形成することができる。この結果、転送ゲート電極２０が形成される部分の直下にセルフアラインで形成することができる。また、溝部２９の形成後にオーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａを形成するため、オーバーフローパス２７を、溝部２９の底部から一定の距離に精度良く形成できる。
【００５５】
次に、図７Ｅに示すように、マスクとして用いた絶縁膜３１を除去し、その後、溝部２９の内周面を含む半導体基板３０の表面にゲート絶縁膜２８を形成する。ゲート絶縁膜２８としては、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。
【００５６】
次に、溝部２９内に埋め込むように、かつ、半導体基板３０の表面を被覆するように、例えばポリシリコン膜からなるゲート電極材料を形成し、パターニングする。これにより、図７Ｆに示すように、半導体基板３０表面に張り出す表面電極２０ｂと溝部２９内に埋め込まれた柱状の埋め込み電極２０ａからなる転送ゲート電極２０を形成する。このとき、図示を省略するが、半導体基板３０の表面側には、他の画素トランジスタを構成するゲート電極も形成する。
【００５７】
次に、図８Ｇに示すように、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が形成された領域と、転送ゲート電極２０を介して隣接する領域であって、フローティングディフュージョン領域ＦＤが形成される領域を開口するフォトレジスト膜３４を形成する。続いて、先に形成したオーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａとほぼ同じ深さに、ｎ型の不純物をイオン注入することで第２のｎ型半導体領域２７ｂを形成する。この第２のｎ型半導体領域２７ｂと、転送ゲート電極２０の底部に形成された第１のｎ型半導体領域２７ａとにより、オーバーフローパス２７が構成される。
【００５８】
その後、表面側に、ｎ型の不純物を、オーバーフローパス２７を構成する不純物濃度よりも高濃度にイオン注入することで、フローティングディフュージョン領域ＦＤを形成する。フローティングディフュージョン領域ＦＤの深さは、転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ａの深さに応じて調整すればよく、任意に設定することができる。なお、本実施形態例では、フローティングディフュージョン領域ＦＤの下層にオーバーフローパス２７を構成する第２のｎ型半導体領域２７ｂを形成したが、第２のｎ型半導体領域２７ｂは必ずしも形成しなくてもよい。例えば、フローティングディフュージョン領域ＦＤを埋め込み電極２０ａの深さまで形成し、オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａとフローティングディフュージョン領域ＦＤを接続する構成としてもよい。
【００５９】
本実施形態例では、フローティングディフュージョン領域ＦＤの形成時において、オーバーフローパス２７を構成する第２のｎ型半導体領域２７ｂを形成している。このオーバーフローパス２７を構成する第２のｎ型半導体領域２７ｂは、ある程度基板表面から深い位置に形成するため、フォトレジスト膜３４は、転送ゲート電極２０を全て覆うように形成するのが好ましい。
【００６０】
次に、図８Ｈに示すように、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が形成される領域を開口するフォトレジスト膜３５を形成し、そのフォトレジスト膜３５を介して半導体基板３０表面に、ｐ型の不純物を高濃度にイオン注入する。これにより、暗電流を抑制すると共に、第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｐ型半導体領域２３が形成される。本実施形態例では、ｐ型半導体領域２３は、転送ゲート電極２０に接する側において、セルフアラインで形成される。
【００６１】
その後、通常の方法を用いて多層配線層を形成し、半導体基板３０の裏面側に、平坦化膜、カラーフィルタ層、オンチップレンズを順に形成することで本実施形態例の固体撮像装置が完成する。
【００６２】
本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法では、オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａを、転送ゲート電極２０を形成する溝部２９を形成するためのマスクと同一のマスクを介して形成する。このため、転送ゲート電極２０の底部にセルフアラインで第１のｎ型半導体領域２７ａを形成することができ、転送ゲート電極２０との位置を精度良く合わせることができる。このため、オーバーフローパス２７に対する転送ゲート電極２０の形成位置がばらつくことがない。これにより、画素毎のオーバーフローパス２７の変動や飽和電荷量のばらつきを低減することができる。
【００６３】
また、本実施形態例の固体撮像装置１では、転送ゲート電極２０をオンしたときの通常の信号電荷の転送経路と、電荷蓄積時において信号電荷をオーバーフローさせるためのオーバーフローパス２７を、それぞれ独立に形成している。このため、それぞれの領域を最適に形成することができる。これにより、図４及び図５に示した比較例に係る固体撮像装置に比べ、電荷転送効率の改善や飽和電荷量の増加を図ることができる。
【００６４】
［１−５  変形例１］
次に、本実施形態例の変形例１に係る固体撮像装置について説明する。図９は、変形例１に係る固体撮像装置の単位画素におけるフォトダイオードＰＤと転送トランジスタＴｒを含む領域の平面構成を示した図である。変形例１に係る固体撮像装置は、本実施形態例の固体撮像装置と、縦型の転送ゲート電極の埋め込み電極２０ｃの形状のみが異なる例である。図９において、図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００６５】
変形例１では、埋め込み電極２０ｃを、フォトダイオードＰＤが形成される領域からフローティングディフュージョン領域ＦＤにかけて長く形成している。そして、この場合も、埋め込み電極２０ｃの底部に形成されるオーバーフローパス２７は、埋め込み電極２０ｃを形成する溝部を形成する際に、セルフアラインで形成する。変形例１のように、転送ゲート電極の埋め込み電極２０ｃを、フォトダイオードＰＤが形成される領域からフローティングディフュージョン領域ＦＤにかけて長く形成することにより、オーバーフローパス２７も長く形成することができる。このように、本実施形態例の転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ｃの形状が変形した場合にもそれに合わせたオーバーフローパス２７が形成することができ、画素毎のばらつきも低減できる。
【００６６】
そして、変形例１に示すように、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョン領域ＦＤの間の領域においてオーバーフローパス２７を長く保つことができるので、フローティングディフュージョン領域ＦＤとオーバーフローパス２７の接続が容易になる効果がある。
【００６７】
［１−６  変形例２］
次に、本実施形態例の変形例２に係る固体撮像装置について説明する。図１０は、変形例２に係る固体撮像装置の要部の断面構成図である。図１０において、図３に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００６８】
変形例２では、転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ａの周りの界面準位調整用の不純物イオン注入領域３６を、ｎ型の不純物を低濃度にイオン注入したｎ−領域で構成する例である。縦型の転送ゲート電極２０を形成するために、半導体基板３０に溝部２９を形成するが、溝部２９を彫り込む影響による欠陥の発生が少ない場合、溝部２９から発生する暗電流は少なくなる。このような場合には、図１０に示すように、溝部２９の周りの不純物イオン注入領域３６を、オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａ、及び第２のｎ型半導体領域２７ｂよりも濃度の薄いｎ−領域とすることができる。
このように、転送ゲート電極２９の埋め込み電極２０ａの周りの不純物イオン注入領域３６をｎ−領域とすることにより、信号電荷の転送が改善される効果がある。
【００６９】
〈２．第２の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図１１及び図１２は、本実施形態例の固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。なお、本実施形態で形成される最終的な固体撮像装置の構成は、図３と同様であるから説明を省略し、その製造方法についてのみ説明する。
【００７０】
まず、図６Ａと同様にして、半導体基板３０に第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域２４、２６、及びｐ型半導体領域２５を形成し、画素分離領域２２を形成する。その後、図１１Ａに示すように、オーバーフローパス２７を形成する領域が開口されたフォトレジスト膜４０を形成する。そして、そのフォトレジスト膜４０を介して半導体基板３０の表面からｎ型の不純物をイオン注入することにより、オーバーフローパス２７を構成するｎ型半導体領域２７ｃを形成する。このオーバーフローパス２７を構成するｎ型半導体領域２７ｃは、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のｎ型半導体領域２４、２６や、転送路３２を構成するｎ型半導体領域よりもポテンシャルが浅くなるように形成する。
【００７１】
次に、オーバーフローパス２７を形成するためのフォトレジスト膜４０を除去した後、図１１Ｂに示すように、半導体基板３０上に、転送ゲート電極２０の埋め込み電極２０ａを形成する領域よりもやや大きい領域を開口するフォトレジスト膜４１を形成する。そして、そのフォトレジスト膜４１を介してｐ型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、界面準位調整用の不純物イオン注入領域３３となるｐ型不純物領域３３ａを形成する。このとき、不純物イオン注入領域３３となるｐ型不純物領域３３ａは、オーバーフローパス２７を構成するｎ型半導体領域２７ｃよりも浅い位置に形成する。これにより、ｐ型不純物領域３３ａの下層、及びフォトダイオードＰＤが形成される側とは反対側に隣接する領域に、オーバーフローパス２７を構成する第１のｎ型半導体領域２７ａと第２のｎ型半導体領域２７ｂが残る。
【００７２】
次に、フォトレジスト膜４１を除去した後、図１１Ｃに示すように、半導体基板３０の表面に例えばＣＶＤ法でＳｉＮからなる絶縁膜４２を成膜し、転送ゲート電極２０を形成する部分に対応して、半導体基板３０表面を露出する開口部４２ａを形成する。ここでは、不純物イオン注入領域３３が形成された領域の範囲内を開口する絶縁膜４２を形成する。そして、その開口部４２ａが形成された絶縁膜４２をマスクとして、半導体基板３０を所望の深さにまでエッチング除去する。これにより、半導体基板３０の転送ゲート電極２０が形成される領域に溝部２９を形成する。
【００７３】
次に、マスクとして用いた絶縁膜４２を除去し、図１２Ｄに示すように、溝部２９の内周面を含む半導体基板３０の表面にゲート絶縁膜２８を形成する。ゲート絶縁膜２８としては、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。
【００７４】
次に、溝部２９内に埋め込むように、かつ、半導体基板３０の表面を被覆するように、例えばポリシリコン膜からなるゲート電極材料を形成し、パターニングする。これにより、一部半導体基板３０表面に張り出すと共に、溝部２９内に埋め込まれた柱状の転送ゲート電極２０を形成する。このとき、図示を省略するが、半導体基板３０の表面側には、他の画素トランジスタを構成するゲート電極も形成する。
【００７５】
次に、図１２Ｆに示すように、第２のｎ型半導体領域２７ｂの上部の、フローティングディフュージョン領域ＦＤが形成される領域が開口されたフォトレジスト膜４３を形成する。そして、そのフォトレジスト膜４３を介してｎ型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、フローティングディフュージョン領域ＦＤを形成する。このフローティングディフュージョン領域ＦＤは、前段で形成されたオーバーフローパス２７を構成するｎ型半導体領域２７ｂに接続される。
【００７６】
本実施形態例では、フローティングディフュージョン領域ＦＤは、半導体基板３０の表面側へのイオン注入によって形成することができるので、フォトレジスト膜４３で転送ゲート電極を全て被覆しなくてもよい。このため、フォトレジスト膜４３の開口が転送ゲート電極２０上部に重なるように形成することで、フローティングディフュージョン領域ＦＤの転送ゲート電極２０側の位置あわせをセルフアラインで行うことができる。
【００７７】
その後、図８と同様の工程で暗電流抑制のためのｐ型半導体領域２３を形成する。そして、通常の方法を用いて多層配線層を形成し、半導体基板３０の裏面側に、平坦化膜、カラーフィルタ層、オンチップレンズを順に形成することで本実施形態例の固体撮像装置が完成する。
本実施形態例における固体撮像装置でも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
〈３．第３の実施形態：固体撮像装置の製造方法〉
次に、本開示の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図１３Ａ及びＢは、本実施形態例の固体撮像装置の製造方法を示す工程図である。なお、本実施形態で形成される最終的な固体撮像装置の構成は、図３と同様であるから説明を省略し、その製造方法についてのみ説明する。
【００７９】
本実施形態例の固体撮像装置の製造方法では、第２の実施形態に係る図１１Ａの工程と同様にしてオーバーフローパス２７となるｎ型半導体領域２７ｃを形成する。その後、図１３Ａに示すように、半導体基板３０の表面に、例えばＣＶＤ法で形成されたＳｉＮからなる絶縁膜４４を成膜する。そして、絶縁膜４４において、転送ゲート電極２０を形成する部分に対応する領域に半導体基板３０表面を露出する開口部４４ａを形成する。続いて、その開口部４４ａが形成された絶縁膜４４をマスクとして、半導体基板３０を所望の深さにまでエッチング除去する。これにより、半導体基板３０の転送ゲート電極２０が形成される領域に溝部２９を形成する。
【００８０】
続いて、図１３Ｂに示すように、前工程と同じく開口部４４ａが形成された絶縁膜４４をマスクとし、ｐ型の不純物をイオン注入することにより、溝部２９の側面及び底面に、界面準位調整用の不純物イオン注入領域３３となるｐ型不純物領域を形成する。このとき、溝部２９の側面には、チルト角をつけた斜めイオン注入により不純物イオン注入領域３３を形成する。
その後の工程は、第２の実施形態と同様であるから重複説明を省略する。
【００８１】
本実施形態例では、溝部２９の形成と、界面準位調整用の不純物イオン注入領域３３の形成とを同一のマスク（絶縁膜４４）で形成することができるので、工程数の削減が可能となる。
【００８２】
〈４．第４の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本開示の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１４は、本実施形態例の固体撮像装置５０の要部の断面構成図である。本実施形態例の固体撮像装置５０は、半導体基板３０の深さ方向でＲ、Ｇ、Ｂの分光を行う例である。図１４において、図３に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００８３】
図１４に示すように、本実施形態例の固体撮像装置５０では、画素分離領域２２で囲まれる単位画素内において、半導体基板３０の表面側から３層のフォトダイオードＰＤ（第１〜第３フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３）が形成されている。
【００８４】
半導体基板３０の一番表面側に形成された第１フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板３０の最表面に形成されたｐ型半導体領域７０とその下層のｎ型半導体領域７１との間のｐｎ接合ｊ１により構成されている。また、半導体基板３０の中腹に形成された第２フォトダイオードＰＤ２は、第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｎ型半導体領域７１の下層に形成されたｐ型半導体領域７２と、その下層に形成されたｎ型半導体領域７３との間のｐｎ接合ｊ２により構成されている。また、半導体基板３０の裏面側、すなわち、光照射面側に形成された第３フォトダイオードＰＤ３は、第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｎ型半導体領域７３の下層に形成されたｐ型半導体領域７４と、その下層に形成されたｎ型半導体領域７５との間のｐｎ接合ｊ３により構成されている。
【００８５】
そして、第１フォトダイオードＰＤ１が形成された領域の端部には、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域７１に達する深さに形成された縦型の第１転送ゲート電極５１が形成されている。第１転送ゲート電極５１は、半導体基板３０の表面から深さ方向に柱状に埋め込まれて形成された埋め込み電極５１ａと、埋め込み電極５１ａ上部において、半導体基板３０の表面に張り出すように形成された表面電極５１ｂとで構成されている。埋め込み電極５１ａは、半導体基板３０の表面から第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｎ型半導体領域に達する深さに形成された溝部５４内に埋め込まれている。そして、埋め込み電極５１ａ及び表面電極５１ｂは、ゲート絶縁膜を２８介して溝部５４内及び半導体基板３０表面に形成されている。
【００８６】
また、溝部５４を囲む半導体基板３０の領域では、界面準位調整用のｐ型不純物領域からなる不純物イオン注入領域６２が形成されている。さらに、第１転送ゲート電極５１の第１フォトダイオードＰＤ１に面する側とは反対側の領域には、ｎ型の高濃度不純物領域で構成された第１フローティングディフュージョン領域ＦＤ１が形成されている。
【００８７】
そして、第１転送ゲート電極５１の底部に形成された不純物イオン注入領域６２の下層から第１フローティングディフュージョン領域ＦＤ１の下層にかけて、ｎ型半導体領域からなるオーバーフローパス５９が形成されている。このオーバーフローパス５９は、第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｎ型半導体領域７１と第１フローティングディフュージョン領域ＦＤ１を電気的に接続するように形成される。また、オーバーフローパス５９を構成するｎ型半導体領域におけるポテンシャルは、第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｎ型半導体領域７１や、第１フローティングディフュージョン領域ＦＤ１のポテンシャルよりも浅く構成されている。
【００８８】
また、第２フォトダイオードＰＤ２が形成された領域の端部には、第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域７３に達する深さに形成された縦型の第２転送ゲート電極５２が形成されている。第２転送ゲート電極５２は、半導体基板３０の表面から深さ方向に柱状に埋め込まれて形成された埋め込み電極５２ａと、埋め込み電極５２ａ上部において、半導体基板３０の表面に張り出すように形成された表面電極５２ｂとで構成されている。埋め込み電極５２ａは、半導体基板３０の表面から第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｎ型半導体領域７３に達する深さに形成された溝部５５内に埋め込まれている。そして、埋め込み電極５２ａ及び表面電極５２ｂは、ゲート絶縁膜２８を介して溝部５５内及び半導体基板３０表面に形成されている。
【００８９】
また、溝部５５を囲む半導体基板３０の領域では、界面準位調整用のｐ型不純物領域からなる不純物イオン注入領域５７が形成されている。さらに、第２転送ゲート電極５２の第２フォトダイオードＰＤ２に面する側とは反対側の領域には、ｎ型の高濃度不純物領域で構成された第２フローティングディフュージョン領域ＦＤ２が形成されている。
【００９０】
そして、第２転送ゲート電極５２の底部に形成された不純物イオン注入領域５７の下層から第２フローティングディフュージョン領域ＦＤ２の下層にかけて、ｎ型半導体領域からなるオーバーフローパス６０が形成されている。このオーバーフローパス６０は、第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｎ型半導体領域と第２フローティングディフュージョン領域ＦＤ２を電気的に接続するように形成される。また、オーバーフローパス６０を構成するｎ型半導体領域におけるポテンシャルは、第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｎ型半導体領域７３や、第２フローティングディフュージョン領域ＦＤ２のポテンシャルよりも浅く構成されている。
【００９１】
また、第３フォトダイオードＰＤ３が形成された領域の端部には、第３フォトダイオードＰＤ３のｎ型半導体領域７５に達する深さに形成された縦型の第３転送ゲート電極５３が形成されている。第３転送ゲート電極５３は、半導体基板３０の表面から深さ方向に柱状に埋め込まれて形成された埋め込み電極５３ａと、埋め込み電極５３ａ上部において、形成された半導体基板３０の表面に張り出すように形成された表面電極５３ｂとで構成されている。埋め込み電極５３ａは、半導体基板３０の表面から第３フォトダイオードＰＤ３を構成するｎ型半導体領域７５に達する深さに形成された溝部５６内に埋め込まれている。そして、埋め込み電極５３ａ及び表面電極５３ｂは、ゲート絶縁膜２８を介して溝部５６内及び半導体基板３０表面に形成されている。
【００９２】
また、溝部５６を囲む半導体基板３０の領域では、界面準位調整用のｐ型不純物領域からなる不純物イオン注入領域５８が形成されている。さらに、第３転送ゲート電極５３の第３フォトダイオードＰＤ３に面する側とは反対側の領域には、ｎ型の高濃度不純物領域で構成された第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ３が形成されている。
【００９３】
そして、第３転送ゲート電極５３の底部に形成された不純物イオン注入領域５８の下層から第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ３の下層にかけて、ｎ型半導体領域からなるオーバーフローパス６１が形成されている。このオーバーフローパス６１は、第３フォトダイオードＰＤ３を構成するｎ型半導体領域７５と第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ３を電気的に接続するように形成される。また、オーバーフローパス６１を構成するｎ型半導体領域におけるポテンシャルは、第３フォトダイオードＰＤ３を構成するｎ型半導体領域７５や、第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ３のポテンシャルよりも浅く構成されている。
【００９４】
また、本実施形態例では、第１フォトダイオードＰＤ１と第２フォトダイオードＰＤ２は、第２フォトダイオードＰＤ２を構成するｐ型半導体領域７２により電気的に分離されている。そして、第２フォトダイオードＰＤ２と第３フォトダイオードＰＤ３とは、第３フォトダイオードＰＤ３を構成するｐ型半導体領域７４により電気的に分離されている。
【００９５】
以上の本実施形態例の固体撮像装置５０では、半導体基板３０の光入射側に形成された第３フォトダイオードＰＤ３では波長は短い青色（Ｂ）の光が吸収され、光電変換される。これにより、第３フォトダイオードＰＤ３のｎ型半導体領域７５では、青色の光による信号電荷が蓄積される。また、第２フォトダイオードＰＤ２では、中波長の緑色（Ｇ）の光が吸収され、光電変換される。これにより、第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域７３では、緑色の光による信号電荷が蓄積される。また、第１フォトダイオードＰＤ１では、波長が長い赤色（Ｒ）の光が吸収され、光電変換される。これにより、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域７１では、赤色の光による信号電荷が蓄積される。
【００９６】
本実施形態例においても、第１フォトダイオードＰＤ１で蓄積され、飽和電荷量を超えた分の信号電荷は、第１転送ゲート電極５１の底部に形成されたオーバーフローパス５９を通って、第１フローティングディフュージョン領域ＦＤ１に排出される。
また、第２フォトダイオードＰＤ２で蓄積され、飽和電荷量を超えた分の信号電荷は、第２転送ゲート電極５２の底部に形成されたオーバーフローパス６０を通って、第２フローティングディフュージョン領域ＦＤ２に排出される。
また、第３フォトダイオードＰＤ３で蓄積され、飽和電荷量を超えた分の信号電荷は、第３転送ゲート電極５３の底部に形成されたオーバーフローパス６１を通って、第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ３に排出される。
【００９７】
また、第１〜第３転送ゲート電極５１〜５３をオンした場合には、それぞれ第１〜第３フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積された信号電荷が、半導体基板３０表面近くを通って、第１〜第３フローティングディフュージョン領域ＦＤ１〜ＦＤ３に転送される。
【００９８】
本実施形態例の固体撮像装置５０は、半導体基板３０の深さ方向で分光することにより、単位画素内でＲ、Ｇ、Ｂの信号電荷を取得することができる。その他、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
以上の第１〜第４の実施形態に係る固体撮像装置では、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に説明したが、裏面照射型のＣＣＤ型固体撮像装置に本技術を適用することもできる。この場合も、光電変換部を電気的に分離する絶縁分離部を、光入射面とは反対側の面から形成した溝部に絶縁膜を埋め込んで形成することにより、上述した第１〜第４の実施形態における効果と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
さらに、第１〜第４の実施形態に係る固体撮像装置では、裏面照射型の固体撮像装置について説明したが、半導体基板の光照射面側とは反対側の基板方向に信号電荷をオーバーフローさせない構造の表面型固体撮像装置に本技術を適用することができる。
【０１０１】
また、上述の第１〜第４の実施形態に係る固体撮像装置では、主としてｎチャネルＭＯＳトランジスタを構成とした場合であるが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタを構成とすることもできる。ｐチャネルＭＯＳトランジスタとする場合は、各図において、その導電型を反転した構成となる。
【０１０２】
また、本開示では、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【０１０３】
さらに、本開示は、画素領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素領域と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０１０４】
また、本開示は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
【０１０５】
〈５．第５の実施形態：電子機器〉
次に、本開示の第５の実施形態に係る電子機器について説明する。図１５は、本開示の第５の実施形態に係る電子機器９１の概略構成図である。
【０１０６】
本実施形態に係る電子機器９１は、固体撮像装置９２と、光学レンズ９３と、シャッタ装置９４と、駆動回路９５と、信号処理回路９６とを有する。本実施形態例の電子機器９１は、固体撮像装置９２として上述した本開示の第１の実施形態における固体撮像装置１を電子機器（カメラ）に用いた場合の実施形態を示す。
【０１０７】
光学レンズ９３は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置９２の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置９２内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。シャッタ装置９４は、固体撮像装置９２への光照射期間および遮光期間を制御する。駆動回路９５は、固体撮像装置９２の転送動作およびシャッタ装置９４のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路９５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置９２の信号転送を行なう。信号処理回路９６は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
【０１０８】
本実施形態例の電子機器９１では、固体撮像装置９２においてブルーミングの抑制や飽和特性の向上が図られるため、画質の向上が図られる。
【０１０９】
固体撮像装置９２を適用できる電子機器９１としては、カメラに限られるものではなく、デジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
【０１１０】
本実施形態例においては、固体撮像装置９２として、第１の実施形態における固体撮像装置１を電子機器に用いる構成としたが、前述した第２〜第４の実施形態で製造した固体撮像装置を用いることもできる。
【０１１１】
なお、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
（１）
基板と、
前記基板に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部の深さに応じて前記基板の一方の面側から深さ方向に形成された溝部に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極と、
前記転送ゲート電極の底部に形成され、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパスと、
を備える固体撮像装置。
（２）
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、前記光電変換部からの信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域を備え、
前記オーバーフローパスは、前記光電変換部と前記フローティングディフュージョン領域とを接続する
（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記転送ゲート電極が形成された前記溝部の周囲は、界面準位調整用の第１導電型、又は第２導電型の不純物イオン注入領域が形成されている
（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記光電変換部は、単位画素内において前記基板の深さ方向に複数層形成され、各光電変換部の電荷蓄積領域となる第２導電型半導体領域は接続され、前記オーバーフローパスに接続されている
（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記光電変換部は、単位画素内において、前記基板の深さ方向に複数層形成され、各光電変換部に対応して前記転送ゲート電極が複数形成されている
（３）に記載の固体撮像装置。
（６）
基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程と、
前記基板の光電変換部が形成された領域に隣接する領域に、前記光電変換部の電荷蓄積領域となる第２導電型の半導体領域に接続可能な深さに、第２導電型の半導体領域からなるオーバーフローパスを形成する工程と、
前記光電変換部に隣接し、前記オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域上部に、溝部を形成する工程と、
前記溝部に、ゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程と、
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、前記オーバーフローパスとなる第２導電型半導体領域に接続する、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域を形成する工程と、
を含む固体撮像装置の製造方法。
（７）
前記溝部に転送ゲート電極を形成する前の工程において、前記溝部の側面及び底面に、第１導電型、又は第２導電型の半導体領域からなる界面準位調整用の不純物イオン注入領域を形成する工程
を含む（６）に記載の固体撮像装置の製造方法。
（８）
基板に、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程と、
前記基板上に、前記基板の光電変換部が形成された領域に隣接する所望の領域を開口する開口部を有するマスクを形成し、前記マスクを介してエッチングすることにより、所望の深さの溝部を形成する工程と、
前記マスクを介して第２導電型の不純物をイオン注入することにより、オーバーフローパスとなる第２導電型の半導体領域をセルフアラインで形成する工程と、
前記溝部内にゲート絶縁膜を介して電極材料を埋め込み、縦型の転送ゲート電極を形成する工程と、
前記転送ゲート電極に隣接する領域に、第２導電型の半導体領域からなるフローティングディフュージョン領域を、前記オーバーフローパスと接続するように形成する工程と、
を含む固体撮像装置の製造方法。
（９）
前記溝部に転送ゲート電極を形成する前の工程において、前記溝部の側面及び底面に、第１導電型、又は第２導電型の半導体領域からなる界面準位調整用の不純物イオン注入領域を形成する工程
を含む（８）に記載の固体撮像装置の製造方法。
（１０）
光学レンズと、
前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、
前記固体撮像装置は、
基板と、前記基板に形成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する光電変換部と、前記光電変換部の深さに応じて前記基板の一方の面側から深さ方向に形成された溝部に埋め込まれて形成された縦型の転送ゲート電極と、前記転送ゲート電極の底部に形成され、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をオーバーフローさせるオーバーフローパスとを備える
電子機器。
【符号の説明】
【０１１２】
１、５５、９２・・・固体撮像装置、２・・・画素、３・・・画素領域、４・・・垂直駆動回路、５・・・カラム信号処理回路、６・・・水平駆動回路、７・・・出力回路、８・・・制御回路、１０・・・水平信号線、１１・・・基板、２０・・・転送ゲート電極、２０ａ、５２ａ、５３ａ・・・埋め込み電極、２０ｂ、５２ｂ、５３ｂ・・・表面電極、２０ｃ・・・埋め込み電極、２１・・・ウェル領域、２１・・・ウェル領域、２２・・・画素分離領域、２３、２５、３３ａ、７０、７２、７４・・ｐ型半導体領域、２４、２６、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、７１、７３、７５・・・ｎ型半導体領域、２７、５９、６０、６１、８０・・・オーバーフローパス、２８・・・ゲート絶縁膜、２９、５４、５５、５６・・・溝部、３０・・・半導体基板、３１、４２、４４・・・絶縁膜、３１ａ、４２ａ、４４ａ・・・開口部、３２・・・転送路、３３、３６、５７、５８、６２・・・不純物イオン注入領域、３４、３５、４０、４１、４３・・・フォトレジスト膜、５１・・・第１転送ゲート電、５２・・・第２転送ゲート電極、５３・・・第３転送ゲート電極、９１・・・電子機器、９３・・・光学レンズ、９４・・・シャッタ装置、９５・・・駆動回路、９６・・・信号処理回路、ＦＤ１・・・第１フローティングディフュージョン領域、ＦＤ２・・・第２フローティングディフュージョン領域、ＦＤ３・・・第３フローティングディフュージョン領域、ｊ１、ｊ２、ｊ３・・・ｐｎ接合、ＰＤ１・・・第１フォトダイオード、ＰＤ２・・・第２フォトダイオード、ＰＤ３・・・第３フォトダイオード
【図１】
2012199489.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2012199489.tif 000011
【図１０】
2012199489.tif 000012
【図１１】
2012199489.tif 000013
【図１２】
2012199489.tif 000014
【図１３】
2012199489.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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