(57)【要約】【課題】画質の安定化を図りながら、画素の微細化を図ることができる構成の増幅型固体撮像装置を提供する。【解決手段】増幅型固体撮像装置は、半導体基板２と、第１導電型のウェル領域３と、第２導電型のフォトダイオードと、読み出しトランジスタ、増幅トランジスタ及びリセットトランジスタとを有する。読み出しトランジスタのドレイン、増幅トランジスタのドレイン及びソースの各々を構成する拡散領域８、１０、１２は、第２導電型を有する。また、拡散領域１２に隣接する領域には、ウェル領域に基準電圧を印加するための領域であるウェルコンタクトが形成されている。ウェルコンタクトを構成する第１導電型の拡散領域１４は、拡散領域８、１０、１２と同一活性領域内に形成され、且つ、第２導電型の拡散領域１２に対して、分離ゲート１３により分離されている。【選択図】図３
2009283530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された第１導電型のウェル領域と、
前記第１導電型と反対の導電型の第２導電型のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから信号を読み出す第２導電型の拡散領域を要素中に含む読み出しトランジスタと、
前記半導体基板に形成され、第２導電型の拡散領域を要素中に含む増幅トランジスタと、
前記半導体基板に形成され、第２導電型の拡散領域を要素中に含むリセットトランジスタと、
前記半導体基板に形成され、前記ウェル領域に基準電圧を印加する領域としてのウェルコンタクトとを備え、
前記ウェルコンタクトは、第１導電型の拡散領域を含み、
前記ウェルコンタクトに属する拡散領域は、前記増幅トランジスタまたは前記リセットトランジスタにおける前記拡散領域に対し、同一活性領域内であって、且つ、間に分離ゲート電極が介挿されている
ことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２】
１画素１セルタイプが採用されるものであって、
１つの前記フォトダイオードと、１つの前記読み出しトランジスタと、１つの前記増幅トランジスタと、１つの前記リセットトランジスタとを以って１画素が構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の増幅型固体撮像装置。
【請求項３】
多画素１セルタイプが採用されるものであって、
複数の前記フォトダイオードと、複数の前記読み出しトランジスタと、１つの前記増幅トランジスタと、１つの前記リセットトランジスタとを以って１画素が構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の増幅型固体撮像装置。
【請求項４】
前記ウェルコンタクトの拡散領域と前記分離ゲートとの間に、コンタクトが跨設されている
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の増幅型固体撮像装置。
【請求項５】
前記半導体基板の主面に沿う方向において、前記フォトダイオードの周囲を囲む状態で、溝型素子分離が形成されている
ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の増幅型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は増幅型固体撮像装置に関し、特に、各画素内における素子分離構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に係る増幅型固体撮像装置の構成について、図８および図９を用い説明する。図８（ａ）は、従来技術に係る増幅型固体撮像装置の概略構成を示す回路図であり、図８（ｂ）は、画素構成を示すレイアウト図である。
図８（ａ）に示すように、一般的な増幅型固体撮像装置では、各画素９０１に、１つのフォトダイオード９２１と３つのトランジスタ２２、２４、２５を有し構成されている。そして、増幅型固体撮像装置では、撮像領域９２０に複数の画素９０１がｍ列×ｎ行の２次元に配列されている。各画素９０１は、上記要素の他に、フローディングディフュージョン（以下では、「ＦＤ」と記載する。）９２３及びウェルコンタクト９２６を有している。
【０００３】
各画素９０１では、増幅トランジスタ９２５が、画素部ＶＤＤ配線９２８と負荷トランジスタ回路９３４に接続されてソースフォロアを形成し、増幅トランジスタ９２５の出力は垂直信号線９２７に接続されている。増幅トランジスタ９２５に入力された信号は、垂直信号線９２７を介して、水平読み出し回路９３５に伝達される。そして、水平走査回路９３６を用いて各画素９０１の信号が選択され出力される。
【０００４】
各画素９０１におけるウェルコンタクト９２６は、読み出しトランジスタ９２２、リセットトランジスタ９２４、及び増幅トランジスタ９２５の基準電位を安定的に供給するために設けられており、ウェル配線９２９に接続されている。
図８（ｂ）に示すように、従来技術に係る増幅型固体撮像装置の画素９０１は、素子分離領域９０５と、素子分離領域９０５以外の活性領域９０４ｄ、９０４ｅとに分かれている。活性領域９０４ｄには、フォトダイオード９２１及び拡散領域９０８、９１０、９１２が形成されている。活性領域９０４ｅには拡散領域９１４が形成されている。
【０００５】
また、各画素９０１では、読み出しトランジスタゲート電極（以下では、「読み出しゲート」と記載する。）９０７、リセットトランジスタゲート電極（以下では、「リセットゲート」と記載する。）９０９及び増幅トランジスタゲート電極（以下では、「増幅ゲート」と記載する。）９１１が形成されている。
各ゲート９０７、９０９、９１１と活性領域９０４ｄの重なり部分は、それぞれ図８（ａ）に示す読み出しトランジスタ９２２、リセットトランジスタ９２４及び増幅トランジスタ９２５のチャンネル領域を形成している。拡散領域９０８は、読み出しトランジスタ９２２のドレインにあたり、フォトダイオード９２１に蓄積された電荷が転送されて、拡散領域９０８で電圧に変換されて増幅トランジスタ９２５のゲートである増幅ゲート９１１に第１の金属配線９１６を介して接続される。即ち、拡散領域９０８は、ＦＤ９２３を構成して、またリセットトランジスタ９２４のソースを構成している。
【０００６】
拡散領域９１０は、リセットトランジスタ９２４のドレインと増幅トランジスタ９２５のドレインとを構成して、第１の金属配線９１６を介して画素ＶＤＤ配線９２８に接続されている。拡散領域９１２は、増幅トランジスタ９２５のソースを構成して、第１の金属配線９１６を介して垂直信号線９２７に接続されている。
拡散領域９１４は、ウェルコンタクト９２６を形成している。拡散領域９０８、９１０、９１２、９１４及びゲート９０７、９０９、９１１の上には、コンタクト９１５が設けられ、コンタクト９１５を介して第１の金属配線９１６に接続されている。
【０００７】
図９に示すように、従来技術に係る増幅型固体撮像装置では、半導体基板９０２に第１導電型（例えば、ｐ型）の不純物領域からなるウェル９０３が形成されている。ウェル９０３内には、第２導電型(例えば、ｎ型）の不純物領域からなる拡散領域９０８、９１０、９１２と第１導電型（例えば、ｐ型）の不純物領域からなる拡散領域９１４が形成されている。
【０００８】
拡散領域９１２は、増幅トランジスタ９２５のソースを構成して、拡散領域９１４は、コンタクト９１５を用いたウェルコンタクト９２６（図８（ａ）を参照。）を構成している。図９では図示を省略しているが、フォトダイオード９２１も第２導電型の不純物領域から形成されている。拡散領域９１４は、拡散領域９１２及びフォトダイオード９２１の形成領域と異なる導電型の不純物領域からなり、拡散領域９１４は、拡散領域９１２およびフォトダイオード９２１から素子分離領域９０５により分離されている。
【０００９】
特許文献１では、画素９０１内のウェル９０３にウェルコンタクト９２６を設けない場合に、画素領域９２０内のトランジスタの基準電位であるウェル電位が分布を有するため、暗時出力が分布をもつシェーディングが発生して画質を劣化することが指摘されている。この問題に対処するために、図８（ａ）に示すように、従来技術に係る増幅型固体撮像装置では、画素領域９２０内にウェルコンタクト９２６を配置してウェル電位の安定化を図るという技術が採用されている。
【００１０】
また、特許文献２では、単位セル９０１内にウェルコンタクト９２６を設ける場合に、他の構成セルに影響を与えること、特に、読み出しトランジスタの残像特性が劣化することが指摘されている。特許文献２では、この問題に対処するために、ウェルコンタクト９２６をフォトダイオード９２１の形成領域に形成することが提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２３０４００号公報
【特許文献２】特開２００６−０５９９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
高性能のＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｉｌｌ  Ｃａｍｅｒａ）分野、ムービーカメラ分野でともに高画素化、高精細化が進み多画素化しており、単位セルからの信号電荷の高速読み出が必要なっている。このために画素９０１のウェル電位の安定化が必須でウェルコンタクト９２６を画素内に配置することが必要である。
ところが、画素９０１内にウェルコンタクト９２６を配置する場合には、その分だけ画素９０１における他の構成要素の面積を小さくする必要が生じ、例えば、残像増加などの読み出しトランジスタ９２２の特性劣化を生ずることになる。逆に、その他の構成要素の面積を維持する場合には、画素面積を微細化が難しくなるという課題がある。
【００１２】
上記特許文献２では、フォトダイオード９２１の形成領域にウェルコンタクトを配置する構成が提案されているが、このような構成を採用する場合には、光学特性に多大な影響があることが指摘されており、フォトダイオード９２１の形成領域と分離してウェルコンタクト９２６の形成領域を配置することが望ましい、とされている。このため、図８（ａ）、（ｂ）および図９に示すように、従来技術に係る増幅型固体撮像装置では、フォトダイオード９２１から離れた領域にウェルコンタクト９２６の拡散領域９１４が形成されている。
【００１３】
ウェルコンタクト（拡散領域）９１４は、フォトダイオード９２１やトランジスタ９２２、９２４、９２５を形成する拡散領域９１２などとは異なる導電型をもつため、フォトダイオード９２１とトランジスタ９２２、９２４、９２５を形成する拡散領域９１２などが形成されている活性領域９０４ｄに対して、分離された活性領域９０４ｅにウェルコンタクト（拡散領域）９１４が形成されている。
【００１４】
上記のような構成を採用する場合には、ウェルコンタクト９１４の活性領域９０４ｅが、活性領域９０４ｄに対して素子分離領域９０５により分離されて形成されるため、素子分離領域９０５の面積と活性領域９０４ｅの形成に必要な面積とを確保する必要がある。このため、従来技術に係る増幅型固体撮像装置では、素子分離領域９０５の面積と活性領域９０４ｅの形成に必要な面積とを確保する分だけ、画素９０１の面積が大きくなり、より一層の微細化を図ることが難しくなるという課題がある。
【００１５】
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、画質の安定化を図りながら、画素の微細化を図ることができる構成の増幅型固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明に係る増幅型固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に形成された第１導電型のウェル領域と、第１導電型と反対の導電型の第２導電型のフォトダイオードと、フォトダイオードから信号を読み出す機能を有し、第２導電型の拡散領域を要素中に含む読み出しトランジスタと、半導体基板に形成され、第２導電型の拡散領域を要素中に含む増幅トランジスタと、半導体基板に形成され、第２導電型の拡散領域を要素中に含むリセットトランジスタと、半導体基板に形成され、ウェル領域に基準電圧を印加する領域としてのウェルコンタクトとを備える。
そして、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、ウェルコンタクトが第１導電型の拡散領域を含むものであって、当該ウェルコンタクトにおける拡散領域（第１導電型）が、増幅トランジスタまたはリセットトランジスタにおける拡散領域（第２導電型）に対し、同一活性領域内であって、且つ、間に分離ゲート電極が介挿された状態で形成されている。よって、ウェルコンタクトにおける拡散領域は、増幅トランジスタまたはリセットトランジスタの拡散領域（第２導電型）に対して、分離ゲート電極により分離されている。
【００１７】
ここで、「分離ゲート電極」とは、半導体基板の主面上（ゲート絶縁膜上）に形成された電極であり、ゲート電極が電源／グランドに接続されることによって常にオフ状態のトランジスタを構成するゲート電極をいう。
また、上記本発明に係る増幅型固体撮像装置では、  １画素１セルタイプの構成を採用することも、多画素１セルタイプの構成を採用することも可能である。１画素１セルタイプの構成では、１つのフォトダイオードと、１つの読み出しトランジスタと、１つの増幅トランジスタと、１つのリセットトランジスタとを以って１画素が構成される。一方、多画素１セルタイプの構成では、複数のフォトダイオードと、複数の読み出しトランジスタと、１つの増幅トランジスタと、１つのリセットトランジスタとを以って１画素が構成される。
【００１８】
また、上記本発明に係る増幅型固体撮像装置では、ウェルコンタクトの拡散領域と分離ゲートとの間に、コンタクトが跨設されている、という構成を採用することができる。
また、上記本発明に係る増幅型固体撮像装置では、半導体基板の主面に沿う方向において、フォトダイオードの周囲を囲む状態で、溝型素子分離が形成されている、という構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記のように、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、ウェル領域に基準電位を印加するウェルコンタクトを備えるので、ウェル領域の電位の安定化が図られる。このため、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、暗時出力が分布を有さず、シェーディングの発生が抑えられる。
また、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、ウェルコンタクトの活性領域を分離していないので、活性領域を分離する素子分離領域と分離した活性領域の形成のために余分な面積を必要としない。このため、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、画素における必要となる活性領域の面積を縮小することができ、これによりウェルコンタクトの形成領域のための必要な画素面積を縮小することができる。
【００２０】
従って、本発明に係る増幅型固体撮像装置では、画素内にウェルコンタクトを配置して、シェーディングの不具合無く高速読み出しが可能であって、且つ、画素面積を小さくでき画素の微細化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下では、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の各実施の形態は、本発明の構成およびそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる一例であって、本発明は、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
（第１の実施の形態）
１．増幅型固体撮像装置１０００の概略構成
本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の概略構成について、図１を用い説明する。図１は、増幅型固体撮像装置１０００の概略構成を示す回路図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００は、複数の画素１からなる画素領域２０と、画素領域２０の周辺に配設され、画素領域２０における画素１の駆動を実行する周辺回路部から構成されている。周辺回路部には、垂直走査回路３３、負荷トランジスタ回路３４、水平読み出し回路３５および水平走査回路３６が含まれている。
【００２３】
（１）画素領域
画素領域２０は、複数の画素１により構成されているが、複数の画素１は、半導体基板の主面に沿って、ｍ行×ｎ列の二次元配置されている。なお、図１では、半導体基板を図示していないが、紙面に沿う方向が半導体基板の主面に沿う方向に該当する。
図１に示すように、画素１は、増幅型の単位画素であり、その相当域に同一の回路構成を有している。画素１は、フォトダイオード２１と、３つのトランジスタ（読み出しトランジスタ２２、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５）などにより構成されている。また、増幅型撮像装置１０００では、各画素１にＦＤ２３及びウェルコンタクト２６を有している。
各画素１では、フォトダイオード２１で光電変換が行われる。そして、光電変換により生成された信号電荷は、読み出しトランジスタ２２によって転送され、電圧変換された後、増幅トランジスタ２５のゲートに入力される。増幅トランジスタ２５は、画素部ＶＤＤ配線２８と負荷トランジスタ回路３４に接続されてソースフォロアを形成し、増幅トランジスタ２５の出力は垂直信号線２７に接続されている。
増幅トランジスタ２５に入力された信号は、垂直信号線２７を介して、水平読み出し回路３５に伝達される。そして、水平走査回路３６を用いて各画素１の信号が選択され出力される。この動作を、垂直走査回路３３に接続されている読み出しトランジスタ制御線３１、リセットトランジスタ制御線３０を垂直方向に順次走査することによって行い、２次元配列の全画素１から出力することができる。
ウェルコンタクト２６は、読み出しトランジスタ２２、リセットトランジスタ２４及び増幅トランジスタ２５の基準電位を安定的に供給するために配置されており、ウェル配線２９に接続されている。
【００２４】
（２）周辺回路部
垂直走査回路３３および水平走査回路３６は、画素１あるいは水平読み出し回路３５に対し、順次駆動（スイッチング）パルスを出力する。
また、水平読み出し回路３５には、列単位でスイッチング素子が形成されており（図示を省略。）、水平走査回路３６からのパルスを受けて順次ＯＮ状態となる。負荷トランジスタ回路３４は、垂直信号線２７を介して増幅トランジスタ２５と接続されてソースフォロワーを構成する。
【００２５】
増幅型固体撮像装置１０００では、上記構成をもって、光電変換により生成された信号電荷が、垂直走査回路３３で選択された行と、画像信号保持部がＯＮ状態となっている列との交差した画素１から読み出されるようになっている。
２．画素１のレイアウト
図２を用い、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００における画素１のレイアウトについて説明する。図１は、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１を示す平面レイアウト図である。
【００２６】
図２に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１が、図８（ｂ）に示す従来技術に係る画素のレイアウト上相違する点は、ウェルコンタクトの拡散領域１４がトランジスタの拡散領域及びフォトダイオードの拡散領域と同一の活性領域として形成されている点である。
図２に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１内には、素子分離領域５が形成され、また、内部に唯一の活性領域４が形成されている。この活性領域４内には、フォトダイオード２１、読み出しトランジスタ２２のドレインでありＦＤ２３にあたる拡散領域８、リセットトランジスタ２４及び増幅トランジスタ２５のドレインにあたる拡散領域１０、増幅トランジスタ２５のソースにあたる拡散領域１２及びウェルコンタクト２６にあたる拡散領域１４が形成されている。
【００２７】
また、画素１においては、読み出しトランジスタゲート電極（以下では、「読み出しゲート」と記載する。）７、リセットトランジスタゲート電極（以下では、「リセットゲート」と記載する。）９、増幅トランジスタゲート電極（以下では、「増幅ゲート」と記載する。）１１及び分離ゲート電極（以下では、「分離ゲート」と記載する。）１３が配設されている。分離ゲート１３は、拡散領域１２と拡散領域１４を分離するために設けられている。
【００２８】
次に、図２のＡ−Ａ’断面構造について、図３を用い説明する。
図３に示すように、増幅型固体撮像装置１０００の断面においては、半導体基板２内に第１導電型の不純物領域からなるウェル３が形成されている。そして、ウェル３は、隣り合う画素１間が、素子分離領域５により分離されており、素子分離領域５を除く領域が活性領域４と定義できる。ここで、半導体基板２としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を採用することができ、素子分離領域５は、例えば、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などから構成されている。
活性領域４内においては、ウェル３内にトランジスタ２２、２４、２５のソースおよびドレインにあたる拡散領域８、１０、１２が形成されている。これら拡散領域８、１０、１２は、ウェル３の第１導電型とは反対の関係となる第２導電型の不純物領域から構成されている。
拡散領域８と拡散領域１０との間であって、その上部には、リセットゲート９が形成されており、拡散領域１０と拡散領域１２との間であって、その上部には、増幅ゲート１１が形成されている。
【００２９】
また、拡散領域１２と素子分離領域５との間には、拡散領域１２に対し距離をあけた状態で第１導電型の拡散領域１４が形成されている。この拡散領域１４は、ウェルコンタクト２６を構成する。  また、第２導電型の拡散領域１２と第１導電型の拡散領域１４との間であって、その上部には、分離ゲート１３が形成されている。
拡散領域１２、１４は、分離ゲート１３に自己整合的に形成され、分離ゲート１３を用いて拡散領域１２、１４が分離形成されている。拡散領域１０、１２、１４及びゲート９、１１、１３の上部には、これらを覆う状態に層間絶縁膜１９が形成され、これを挿通するコンタクト１５が形成されている。
【００３０】
図２に示すように、各拡散領域８、１０、１２、１４及びゲート７、９、１１は、コンタクト１５を介して、金属配線に接続されている。また、拡散領域１４は、コンタクト１５を介して、第１の金属配線１６に接続されており、ウェル配線２９を構成する。
３．増幅型固体撮像装置１０００の構成上の特徴及び優位性
以上のように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では、画素１の構成において、ウェルコンタクトの拡散領域１４をトランジスタ２２、２４、２５と同一の活性領域４に形成していることを特徴とする。このため、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では、トランジスタ２２、２４、２５のソース、ドレインにあたる拡散領域１２が、分離ゲート電極１３で分離されている。
【００３１】
以上より、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では、画素１において、ウェルコンタクト２６とトランジスタ２２、２４、２５とが同一の活性領域４に形成されているので、素子分離領域の面積と独立して活性領域形成するために必要な余分な面積の分だけ面積縮小が図れ（図２及び図３を参照。）、画素１のサイズを上記従来技術に係る増幅型固体撮像装置（図８（ｂ）及び図９を参照。）に比べ縮小することが可能となる。
【００３２】
例えば、１３０［ｎｍ］ノードのプロセスを想定して、図２のＡ−Ａ’断面部分の画素１の垂直方向の長さを見積もる場合に、各寸法は次のように算出される。
（１−１）素子分離領域５の距離：０．２［μｍ］
（１−２）ゲート電極で挟まれ、且つ、コンタクト１５が形成されている拡散領域、即ち、拡散領域１０、１１の縦方向距離：０．４［μｍ］
（１−３）ゲート電極と素子分離領域に挟まれ、且つ、コンタクト１５が形成されている拡散領域、即ち、拡散領域８、１４の縦方向の距離：０．３５［μｍ］
（１−４）リセットトランジスタ２４及び増幅トランジスタ２５は、３．３［Ｖ］系のトランジスタであり、ゲート９、１１のゲート長：０．３５［μｍ］
（１−５）分離ゲート電極１３の縦方向長さ：０．１［μｍ］
（１−６）画素１の垂直方向長さ：２．５［μｍ］
従って、本実施の形態に係る構成を採用する場合には、１３０［ｎｍ］ノードのプロセスを想定する場合に、２．５［μｍ］の画素１を形成することが可能となる。
【００３３】
一方、同様に従来技術に係る増幅型固体撮像装置について、１３０［ｎｍ］ノードのプロセスを想定して、図８（ｂ）のＣ−Ｃ’断面部分の画素９０１の垂直方向の長さを見積もると、各寸法は次のように算出される。
（２−１）拡散領域９１２、９１４の分離距離（素子分離領域９０５の幅方向距離）：０．２［μｍ］
（２−２）孤立した活性領域９０４ｅに形成された拡散領域９１４の縦方向距離：０．５［μｍ］
（２−３）画素９０１の垂直方向長さ：２．７５［μｍ］
上記項目（１−６）と項目（２−３）との比較において、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１では、上記構成を採用することにより、従来技術に係る増幅型固体撮像装置の画素９０１に比べて、垂直方向長さを０．２５［μｍ］縮小することができることが分かる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００で採用する画素１は、レイアウト面において、フォトダイオード２１が矩形状にひずみが無く形成されており、且つ、フォトダイオード２１の領域にウェルコンタクトが形成されていない（図２を参照）。このため、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では、上記特許文献２で提案されている技術を採用する場合には問題となる感度シェーディングという問題を発生することがない。
（第２の実施の形態）
１．画素４１のレイアウトと優位性
第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の構成について、図４及び図５を用い説明する。図４は、第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の画素４１を平面的に示すレイアウト図である。図５は、図４で示した画素４１のＢ−Ｂ’断面構造を示す断面図である。なお、図４及び図５では、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００と略同一の構成を採用する部分については、同一の符号を付し、以下での詳細な説明を省略する。
【００３５】
図４に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、画素４１において、ウェルコンタクト２６（図１を参照。）にあたる拡散領域１４上に形成されたコンタクト４５の構成が、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１との相違点である。即ち、上記第１の実施の形態に係る画素１では、コンタクト１５が拡散領域１４上に限定された状態で配置されている（図２及び図３を参照）。
【００３６】
一方、図４に示すように、本実施の形態に係る画素４１では、コンタクト４５が縦方向に長さが長い長方形状となっており、分離ゲート１３に一部が重なるようなシェアードコンタクトの形状に形成されている。図５にも示すように、本実施の形態に係る画素４１が上記第１の実施の形態に係る画素１と相違する点は、コンタクト４５が分離ゲート１３上に重なるように形成されている点である。
【００３７】
また、図４及び図５に示すように、画素４１では、第１の金属配線４６が、その一部において、コンタクト４５を覆うような状態で形成されている。このように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、コンタクト４５をシェアードコンタクトの形状に形成することにより、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では必要であったコンタクト１５と分離ゲート１３との間の分離距離（図２を参照。）を確保する必要がなくなる。
【００３８】
従って、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、上記分離距離を確保する必要がない分だけ、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００に対して、画素４１における縦方向のサイズをより縮小することが可能となる。
例えば、上記同様に、１３０［ｎｍ］ノードのプロセスを想定して、図４のＢ−Ｂ’断面部分の画素４１の垂直方向の長さを見積もる場合に、各寸法は次のように算出される。
【００３９】
（３−１）拡散領域１４の縦方向の距離：０．３［μｍ］
（３−２）画素４１の垂直方向長さ：２．４５［μｍ］
なお、上記項目（３−１）の算出では、上記実施の形態１における拡散領域１４の縦方向の距離（０．３５［μｍ］）と比べて、コンタクト４５と分離ゲート１３との分離距離の分：０．０５［μｍ］が縮小可能であることが勘案されている。
【００４０】
従って、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、画素４１の垂直方向長さを２．４５［μｍ］まで縮小することが可能である。
２．製造方法
次に、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の製造方法、特に、画素４１の製造方法について、図６を用い説明する。図６は、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置における画素４１の製造工程を模式的に示す工程断面図である。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、半導体基板２のウェル３に対して、ＳＴＩからなる素子分離領域５を形成する。なお、図６では、半導体基板２については、そこに形成されているウェル３のみを図示している。ここで、素子分離領域５の形成においては、ＳＴＩの代わりに、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いる事も可能である。
【００４２】
続いて、素子分離領域５が形成されたウェル３の主面に対して、ゲート９、１１、１３を形成する。ゲート９、１１、１３は、リン（Ｐ）がドープされたｎ型のポリシリコンからなる。
図６（ｂ）に示すように、ゲート１３の一部を含むウェル３の一部をフォトレジスト１７で被覆する。フォトレジスト１７の形成には、例えば、リソグラフィー技術を用いる。
【００４３】
続いて、上記フォトレジスト１７が被覆形成された状態の半導体基板２に対し、第２導電型の不純物を構成するイオン化された原子あるいは分子を打ち込む。打ち込む原子あるいは分子としては、例えば、ｎ型とすると砒素（Ａｓ）あるいはリン（Ｐ）のイオン化された原子を採用できる。
図６（ｃ）に示すように、一旦、半導体基板２からフォトレジスト１７を除去した後、残りの領域を覆うようにフォトレジスト１８被覆形成する。フォトレジスト１８の形成にも、リソグラフィー技術を用いることができる。
【００４４】
続いて、上記フォトレジスト１８が被覆形成されたウェル３の主面に対して、第１導電型の不純物を形成するイオン化された原子あるいは分子を打ち込む。打ち込む原子あるいは分子としては、例えば、ｐ型とするとボロン（Ｂ）のイオン化された原子、あるいはＢＦ３のイオン化された分子を採用することができる。
図６（ｄ）に示すように、上記のようにイオン注入を行った後に、熱アニールにより注入された領域を活性化する。この活性化により、第２導電型の拡散領域８、１０、１２、及び第１導電型の拡散領域１４が形成される。図６（ｄ）に示すように、拡散領域１２と拡散領域１４とは、ゲート（分離ゲート）１３により自己整合的に形成されている。
【００４５】
図６（ｅ）に示すように、ゲート９、１１、１３およびウェル３の主面を被覆するように、シリコン酸化膜を成膜する。続いて、シリコン酸化膜の所定箇所（ゲート９上及び拡散領域８、１０、１２、１４上）にコンタクトホール１９ａを開設する。これにより、コンタクトホール１９ａが形成された層間絶縁膜１９が形成される。
なお、シリコン酸化膜へのコンタクトホール１９ａの形成の前には、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用い、主面の平坦化を行う。また、コンタクトホール１９ａの形成には、リソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いる。
【００４６】
また、ウェルコンタクトになる拡散領域１４上のコンタクトホール１９ａについては、分離ゲート１３上にも重なるように形成される。
図６（ｆ）に示すように、コンタクトホール１９ａの内方に対して、タングステン（Ｗ）を埋め込む。タングステンの埋め込みには、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）法を用い、タングステンが埋め込まれた後において、層間絶縁膜１９と埋め込み部分との主面とを、ＣＭＰを用い平坦化する。
【００４７】
続いて、タングステンが埋め込まれた部分を含む層間絶縁膜１９上に対して、バリアメタルとして、タンタル（Ｔａ）及びタンタルナイトライド（ＴａＮ）の薄膜を、スパッター法を用い形成する。さらに、その上に対して、アルミニウム（Ａｌ）膜をスパッター法を用い形成する。
続いて、リソグラフィー技術とドライエッチング技術とを用い、所定形状に上記積層膜を加工し、第１の金属配線４６を形成する。
【００４８】
以上のようにして、図５に示す画素４１が形成されることになる。即ち、ウェルコンタクト２６とウェル配線２９を構成する拡散領域１４と、それに接続されたシェアードコンタクトからなるコンタクト４５と第１の金属配線４６とが形成される。
なお、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００では、画素１において、拡散領域１４上のコンタクト１５が、シェアードコンタクトではなく、単純なコンタクトであるが、このような構成を採用する場合には、コンタクトホール１９ａを分離ゲート１３上に重ならないように形成すればよい。この点を除き、上記第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の製造方法は、図６で示す製造方法と共通する。
（第３の実施の形態）
上記第１及び第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置は、１単位セルで１画素１、４１が構成される１画素１セルタイプを採用することとした。即ち、上記第１及び第２の実施の形態に係る画素１、４１は、フォトダイオード２１、読み出しトランジスタ２２、フローティングディフュージョン２３、リセットトランジスタ２４、増幅トランジスタ２５、及びウェルコンタクト２６を構成要素として有する１単位セルで１画素が構成されている。
【００４９】
これに対して、本実施の形態では、多画素１セルタイプの画素構成が採用された増幅型固体撮像装置を一例として用いる。上記第１及び第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、１画素１セルタイプの画素構成を採用することから、画素１、４１の微細化に限界がある。よって、より微細な画素とするためには、以下で説明する多画素１セルタイプの画素構成が採用される。
【００５０】
多画素１セルの画素構成を採用する本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の画素５１のレイアウトについて、図７を用い説明する。図７は、第３の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の画素５１を平面的に示すレイアウト図である。
図７に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、２つのフォトダイオード２１ａ、２１ｂが、フォトダイオード２１ａ、２１ｂを除く構成要素を共有化する２画素／１セルタイプの単位セル構成を採用している。なお、図７の単位セルのレイアウトについても、上記第２の実施の形態に係る画素４１と略同一の部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５１】
図７に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の単位セル５１では、１つの素子分離領域５と複数（３つ）の活性領域４ａ、４ｂ、４ｃとが形成されている。活性領域４ａ内には、複数の２つのフォトダイオード２１ａ、２１ｂと、フローティングディフュージョン（ＦＤ）を構成する拡散領域８ａが形成されている。
複数のフォトダイオード２１ａ、２１ｂは、それぞれ活性領域４ａ上に形成された読み出しゲート電極７ａ、７ｂにより拡散領域８ａに結合されている。活性領域４ｂには、拡散領域８ａと第１の金属配線１６を介して結合されフローティングディフュージョンを構成する拡散領域８ｂと、画素ＶＤＤ配線に接続されたリセットトランジスタのドレインにあたる拡散領域１０ａと、ウェルコンタクトを構成する拡散領域１４とが形成されている。活性領域４ｂ上には、リセットゲート９と分離ゲート１３が形成されている。
【００５２】
図７に示すように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置においても、上記第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置と同様に、拡散領域１０ａと拡散領域１４とは分離ゲート１３により分離されている。
また、拡散領域１４上には、分離ゲート１３と重なるシェアードコンタクトからなるコンタクト４５が形成されており、その上に形成された第１の金属配線５６と接続されている。
【００５３】
活性領域４ｃ内には、増幅トランジスタのドレインにあたる拡散領域１０ｂと、増幅トランジスタのソースにあたる拡散領域１２とが形成されている。増幅トランジスタのドレインにあたる拡散領域１０ｂは、上層の第１の金属配線を介して画素ＶＤＤ配線と接続されている。また、活性領域４ｃ上には、増幅ゲート１１が形成されている。このように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、活性領域４ｃに増幅トランジスタの構成要素のみが形成されている。
【００５４】
本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置においても、ウェルコンタクトを構成する拡散領域１４が、リセットトランジスタが形成されている活性領域と同一の活性領域内に形成されリセットトランジスタの拡散領域１０ａと分離ゲート１３により分離されている。このため、単位セル５１においては、上記第１及び第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置と同様に、拡散領域１４が孤立の活性領域に形成される場合と比較して画素の微細化を図られている。
【００５５】
また、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置においても、ウェルコンタクトを構成する拡散領域１４の上に、シェアードコンタクトからなるコンタクト４５が形成されている。このため、本実施の形態においても、上記第２の実施の形態と同様に、単純なコンタクトを用いる場合と比較して画素の微細化が図られる。
本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、トランジスタを形成する活性領域４ａ、４ｂ、４ｃが複数箇所に分けて配置されているが、リセットトランジスタを形成する活性領域と同一の活性領域４ｂ内にウェルコンタクトを形成する拡散領域１４が形成されており、増幅トランジスタは単独の活性領域４ｃ内に形成されている。このため、本実施の形態では、増幅トランジスタが大きな面積を占めることが可能であり、トランジスタのゲート長を大きく取ることができる。
【００５６】
増幅型固体撮像装置においては、増幅トランジスタで発生するＲＴＳ（Ｒａｎｄｏｍ  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ  Ｓｉｇｎａｌ）雑音は、ゲート長が大きいほど小さくなることが知られており、増幅トランジスタのゲート長が比較的大きくで取ることができる本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、構成面からＲＴＳノイズを低減できるという優位性も有する。
【００５７】
また、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、リセットトランジスタの拡散領域８ｂとフローティングディフュージョンの拡散領域８ａとが、素子分離領域５によって分離され、互いの間が第１の金属配線で接続されている。しかし、リセットトランジスタの拡散領域８ｂとフローティングディフュージョンの拡散領域８ａとを素子分離領域５により分離する必要は必ずしもなく、素子分離領域５で互いを分離しない構成を採用する場合には、さらなる微細化が図れるとともに、拡散領域８ａと拡散領域８ｂとを接続するための第１の金属配線を省略することが可能である。
【００５８】
また、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、リセットトランジスタのドレインである拡散領域１０ａの隣にウェルコンタクトを配置しているが、増幅トランジスタとリセットトランジスタの配置を入れ替えて、増幅トランジスタのドレイン領域の隣にウェルコンタクトを配置することも可能である。
以上のように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、多画素１セルタイプの画素構成を採用し、複数のフォトダイオード２１ａ、２１ｂがフォトダイオード２１ａ、２１ｂを除く構成要素を共有化するものである。即ち、本実施の形態では、複数のフォトダイオード２１ａ、２１ｂがそれぞれの読み出しゲートを介して、一つの拡散領域からなるフローティングディフュージョン（ＦＤ）に結合されるており、これにより、フローティングディフュージョン（ＦＤ）に接続されている増幅トランジスタ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）をリセットするリセットトランジスタを複数のフォトダイオード２１ａ、２１ｂが共有して利用する。このような構成を採用することで、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、画素構成要素の数を減らして画素の微細化が図られている。
【００５９】
このように、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、多画素１セルタイプの画素構成を採用することで、素子の微細化が図られているが、他方、画素の構成要素の共有化することでフローティングディフュージョン（ＦＤ）の面積が大きくなったり、フローティングディフュージョン（ＦＤ）の拡散領域と増幅ゲートとを繋げる金属配線の長くなったりすることが考えられる。これにより、多画素１セルの画素構成を採用する場合には、フローティングディフュージョン（ＦＤ）全体の容量が増加して、フォトダイオード２１ａ、２１ｂから読み出される信号電荷を電圧に変換する変換ゲインが低下して感度が低下する欠点も有する。
【００６０】
従って、上記第１及び第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置では、１画素１セルタイプの画素構成を採用することで、多画素１セルタイプの画素構成を採用する上記第３の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置に比べて、より高感度化が図れるという優位性を有する。
（その他の事項）
上記第１及び第２及び第３の各実施の形態においては、画素内に３種類のトランジスタ（読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ）を備える構成としているが、トランジスタの構成はこれに限定されるものではなく、例えば、上記特許文献２で提案されているように、４種類のトランジスタ（読み出しトランジスタ、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）を備える構成を採用することも可能である。選択トランジスタを加えて４種類のトランジスタを備える画素を採用する場合においても、トランジスタの構成を除く、上記第１及び第２及び第３の各実施の形態と同様の構成を採用することができる。このような構成を採用する場合にも、上記同様に、画素のウェル電位を安定化しかつ画素の微細化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、高画素であり、且つ、高速読み出しが可能なデジタルスチルカメラや高精細ムービーカメラ用途の増幅型固体撮像装置を実現するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の概略構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１の構成を示すレイアウト図である。
【図３】第１の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置１０００の画素１の構成を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の画素４１の構成を示すレイアウト図である。
【図５】第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の画素４１の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の製造工程を示す工程断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の単位セル５１の構成を示すレイアウト図である。
【図８】（ａ）は、従来技術に係る増幅型固体撮像装置の概略構成を示す回路図であり、（ｂ）は、従来技術に係る増幅型固体撮像装置の画素構成を示すレイアウト図である。
【図９】従来技術に係る増幅型固体撮像装置の画素構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１、４１．画素
２．半導体基板
３．ウェル
４、４ａ、４ｂ、４ｃ．活性領域
５．素子分離領域
７、７ａ、７ｂ．読み出しゲート
８、８ａ、８ｂ．拡散領域（フローティングディフュージョン）
９．リセットゲート
１０、１０ａ、１０ｂ．拡散領域（画素ＶＤＤ）
１１．増幅ゲート
１２．拡散領域
１３．分離ゲート
１４．拡散領域（ウェルコンタクト）
１５、１５ａ、４５．コンタクト（ウェルコンタクト）
１６、４６、５６．第１の金属配線
１７、１８．フォトレジスト
１９．層間絶縁膜
１９ａ．コンタクトホール
２０．画素領域
２１、２１ａ、２１ｂ．フォトダイオード
２２．読み出しトランジスタ
２３．フローティングディフュージョン
２４．リセットトランジスタ
２５．増幅トランジスタ
２６．ウェルコンタクト
２７．垂直信号線
２８．画素ＶＤＤ配線
２９．ウェル配線
３０．リセットトランジスタ制御線
３１．読み出しトランジスタ制御線
３３．垂直走査回路
３４．負荷トランジスタ回路
３５．水平読み出し回路
３６．水平走査回路
５１．単位セル
１０００．増幅型固体撮像装置
【図１】
2009283530.tif 000003
【図２】
2009283530.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009283530.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009283530.tif 000008
【図７】
2009283530.tif 000009
【図８】
2009283530.tif 000010
【図９】
2009283530.tif 000011