JP2006073567A - 固体撮像素子及びそのレイアウト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェルコンタクトの配置スペースを縮小でき、画素の微細化や特性の向上に寄与する。
【解決手段】 同一のウェル領域に例えば４つ１組で画素を設け、各画素に対応して４つの高濃度拡散領域部とウェルコンタクト（コンタクトプラグ）を設ける場合、４つのウェルコンタクトの中心を高濃度拡散領域部の中心に対して互いに異なる４方向に意図的にずらした状態でレイアウトする。この場合、４つのウェルコンタクトのずれ量は、合わせずれがない状態で、各コンタクトプラグと高濃度拡散領域部との接続面積が所望のコンタクト抵抗を得るための最小面積以上（例えばコンタクトプラグの断面の１／４の面積以上）になるように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板に形成したウェル領域に光電変換素子を設けるとともに、このウェル領域の電位を安定化させるためのウェルコンタクトを設けた固体撮像素子及びそのレイアウト方法に関する。

従来、この種の固体撮像素子では、シリコン基板に設けたウェル領域中に光電変換素子（フォトダイオード）を含む複数の画素を２次元方向に配列した画素アレイ部を有する構成において、ウェル領域の電位を安定化するために、画素アレイ部内のウェル領域上にコンタクトプラグを配置して基準電位を印加することが知られている（例えば特許文献１参照）。なお、このようなウェル領域に対するコンタクトをウェルコンタクトというものとする。
このようなウェルコンタクトを設けた固体撮像素子の場合、ウェル領域と同じ導電型の高濃度拡散領域部をウェル領域内に配置し、この高濃度拡散領域部にコンタクトプラグを接続することにより、コンタクト抵抗値を下げる構造をとる。その際、リソグラフィ工程等の加工上の合わせずれがあることから、レイアウト設計の際には、予めその合せずれ量を考慮してデザインルールを決めていき、コンタクトプラグ径に対して高濃度拡散領域部を大きくとるようになっている。

図７は従来の固体撮像素子におけるウェルコンタクトのレイアウト例を示す平面図であり、図８は図７に示すレイアウト例で合わせずれが生じた状態を示す平面図である。さらに、図９は図８に示す合わせずれが生じた場合の上部配線とコンタクトとの位置関係を示している。
このレイアウト例は、コンタクトプラグが高濃度拡散領域部に対して断面積の１／４重なると、所望のコンタクト抵抗が得られる場合の４画素分のレイアウト例を示している。図示のように、４画素は同一のレイアウトとなっている。
まず、図７に示すように、ウェル領域１０内に２次元アレイ状に画素１２が配置され、そのコーナー部に高濃度拡散領域部１４が形成され、この高濃度拡散領域部１４にコンタクトプラグが接触するコンタクト領域１６が形成されている。また、各画素１２のその他の領域がフォトダイオードの受光部等に用いることができる有効領域１８である。
高濃度拡散領域部１４は、ウェル領域１０に対して例えばリソグラフィとイオン注入により形成する。また、ウェルコンタクトは、例えばリソグラフィとエッチングによってコンタクトホールを形成した後、タングステン等の埋め込みによりコンタクトプラグを形成する。
そして、図８では、図中に矢印で示すように、リソグラフィ時に右上方向に最大のずれが発生した場合で、合せずれ量の見積もりから各コンタクトの面積の１／４が高濃度拡散領域部に重なっており、所望のコンタクト抵抗を得るための限界の合わせずれ量となっている。また、この場合、図９に示すように、上部配線２０とコンタクトプラグ１６Ａとがずれて接続不良が生じる原因となる。
特公平８−２１７０４号公報

しかしながら、上述のような合わせずれを考慮したレイアウトによって画素アレイ部内にウェルコンタクトを設けることは、ウェルコンタクト用のスペースによって画素の面積が大きくなり、画素の微細化を図る上で障害となってしまう。一方、ウェルコンタクトは、ある面積に対して１つあれば十分であり、上記特許文献１のように、複数色あるカラーフィルタの１組毎に配して総数を減らすこともできるが、このようにした場合、カラーフィルタの各色毎に大幅に異なった画素レイアウトになり、特性上好ましくない。
また、合わせずれをなくす方法としては、コンタクトホールを空けてから高濃度拡散領域部を形成する、いわゆるコンタクトインプラの技術も知られているが、拡散部の抵抗値を下げるために、画素アレイ部の周辺領域でサリサイドプロセスを用いることが主流になっており、このようなプロセスを用いた場合、コンタクトホールを空けてからのイオン注入では熱処理がかけられないため、不純物の活性化ができないという問題がある。また、画素アレイ部を先に作り、後から周辺領域のサリサイド化を行うことも考えられるが、工程数の増加を招く問題がある。
また、高濃度拡散領域部をフォトダイオードのウェル領域と逆の導電型の領域に近接させると、電界強度が強くなり、暗電流や白傷といった逆バイアスリーク起因の画像欠陥を招く。そのため、フォトダイオードと高濃度拡散領域部とは一定距離（例えば電界強度が３０Ｖ／μｍ以下になるように）を置いて配置する必要があり、画素の微細化の妨げとなる。

そこで本発明は、ウェルコンタクトの配置スペースを縮小でき、画素の微細化や特性の向上に寄与することが可能な固体撮像素子及びそのレイアウト方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、半導体基板に設けた素子形成領域となるウェル領域と、前記ウェル領域の表面に形成された複数の高濃度拡散領域部と、
前記高濃度拡散領域部上に設けられる複数のウェルコンタクトとを有し、同一のウェル領域に設けられる複数の高濃度拡散領域部に対応する複数のウェルコンタクトが、少なくとも高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトと、高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向と異なる第２の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトとを含むことを特徴とする。
また本発明のレイアウト方法は、半導体基板に設けた素子形成領域となるウェル領域と、前記ウェル領域の表面に形成された複数の高濃度拡散領域部と、前記高濃度拡散領域部上に設けられる複数のウェルコンタクトとを有する固体撮像素子のレイアウト方法であって、同一のウェル領域に設けられる複数の高濃度拡散領域部に対応する複数のウェルコンタクトに、少なくとも高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトと、高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向と異なる第２の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトとを含ませることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子及びそのレイアウト方法によれば、同一のウェル領域に複数のウェルコンタクトを設ける場合、ウェルコンタクトの中心を高濃度拡散領域部の中心に対して意図的にずらし、複数のウェルコンタクトが第１の基板面方向にずれたウェルコンタクトと、第２の基板面方向にずれたウェルコンタクトの少なくとも２種類を含むようにしたことから、実際の製造工程で合わせずれが生じた場合、ずれ方向の異なるウェルコンタクトのうち、いずれかのウェルコンタクトは高濃度拡散領域部からずれるが、他のウェルコンタクトは高濃度拡散領域部に有効に接続されるようになり、結果として一部のウェルコンタクトによって十分な電位安定機能を得ることができる。
このため、従来のように、合わせずれに備えて面積の大きい高濃度拡散領域部を設ける必要がなく、また、高濃度拡散領域部から完全にずれたコンタクトについては、同じ型の高濃度拡散領域に接触しない限り電気的な悪影響を及ぼすことはなく、無視することが可能であることから、高濃度拡散領域部の面積の縮小や隣接する素子領域との間隔の縮小を図ることができ、固体撮像素子における画素の縮小化や信号特性の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態では、同一のウェル領域に例えば４つ１組で画素を設け、各画素に対応して４つの高濃度拡散領域部とウェルコンタクト（コンタクトプラグ）を設ける場合、４つのウェルコンタクトの中心を高濃度拡散領域部の中心に対して互いに異なる４方向に意図的にずらした状態でレイアウトする。この場合、４つのウェルコンタクトのずれ量は、合わせずれがない状態で、各コンタクトプラグと高濃度拡散領域部との接続面積が所望のコンタクト抵抗を得るための最小面積以上（例えばコンタクトプラグの断面の１／４の面積以上）になるように設定する。
このようにすれば、実際の製造工程で合わせずれが生じた場合、ずれ方向の異なるウェルコンタクトのうち、いずれかのウェルコンタクトは高濃度拡散領域部から完全にずれて非接続状態となる場合もあるが、いずれかのウェルコンタクトは高濃度拡散領域部に最小でも１／４より大きい面積で有効に接続されるようになり、結果として４つ１組の画素を設けたウェル領域のウェルコンタクトのうち、一部のウェルコンタクトは必ず１／４の面積で高濃度拡散領域部に接続されることになり、１つのウェル領域に対して必要かつ十分な電位安定機能を得ることができる。

図１は本発明の実施例の固体撮像素子におけるウェルコンタクトのレイアウト例を示す平面図である。また、図２は図１に示すレイアウト例で合わせずれが生じた状態を示す平面図であり、図３は図１に示すレイアウト例の上部配線層との関係を示す平面図である。
本実施例の固体撮像素子は、同一のウェル領域１００に４つ１組で画素１１０を設け、各画素１１０に対応して４つの高濃度拡散領域部１２０とウェルコンタクト（コンタクトプラグ）１３０を設けたものであり、ウェル領域１００内に２次元アレイ状に画素１１０が配置され、その左上コーナー部に高濃度拡散領域部１２０が形成され、この高濃度拡散領域部１２０にウェルコンタクト１３０のコンタクトプラグ１３０Ａが配置されている。また、各画素１１０のその他の領域がフォトダイオードの受光部等に用いることができる有効領域１４０である。
また、本実施例では、１つのウェル領域１００内で少なくとも１つのコンタクトプラグ１３０Ａと高濃度拡散領域部１２０との接続面積がコンタクトプラグ１３０Ａの断面の１／４の面積以上であれば、ウェル領域１００の電位を安定化するのに十分な所望のコンタクト抵抗を得られる寸法設計となっている。

そして、１つのウェル領域１１０内の４つのウェルコンタクト１３０は、それぞれ異なる方向にずれた状態でレイアウトされている。具体的には、図中の右上のウェルコンタクト１３０は高濃度拡散領域部１２０に対して斜め４５度で右上方向にずれて形成され、左上のウェルコンタクト１３０は高濃度拡散領域部１２０に対して斜め４５度で左上方向にずれて形成され、右下のウェルコンタクト１３０は高濃度拡散領域部１２０に対して斜め４５度で右下方向にずれて形成され、左下のウェルコンタクト１３０は高濃度拡散領域部１２０に対して斜め４５度で左下方向にずれて形成されている。そして、各ウェルコンタクト１３０のずれ量は、合わせずれがない状態で、各コンタクトプラグ１３０Ａと高濃度拡散領域部１２０との接続面積が所望のコンタクト抵抗を得るための最小面積であるコンタクトプラグ１３０Ａの断面積の１／４以上になるように設定されている。
また、図３に示すように、上層配線１５０は画素列方向に沿って配線されているが、本実施例では、上述のようなウェルコンタクト１３０のずれとは別に、各上層配線１５０は高濃度拡散領域部１２０の位置に合わせてレイアウトされている。

このような固体撮像素子において、図２に示すように、実際の製造工程において矢印のような合わせずれが生じた場合、４つのウェルコンタクト１３０は全体的に位置ずれするが、それぞれ高濃度拡散領域部１２０に対して予め方向の異なるずれを有するため、いずれかのウェルコンタクト１３０が高濃度拡散領域部１２０の中心から遠ざかった分だけ、他のウェルコンタクト１３０は高濃度拡散領域部１２０の中心に近づく方向にずれることになり、その分、接触面積が大きくなってコンタクト抵抗を低下させるように作用する。また、上層配線１５０に対しても同様の原理で十分な接続状態を確保できる。
この結果、４つのウェルコンタクト１３０によるコンタクト抵抗はウェル領域１１０の十分な電位安定化を得るための値になる。なお、位置ずれしたウェルコンタクトは、高濃度拡散領域部１２０と同じ導電型（本例ではＰ＋型）の高濃度拡散領域に接触しなければ導通しないため、フォトダイオード等の他の領域に影響しないことになる。
このようなレイアウト方法により、高濃度拡散領域部１２０を大きく形成する必要がなくなり、有効領域を拡張でき、画素の微細化と素子の特性向上に貢献できる。

図４は本実施例の構造を埋め込みフォトダイオードを有する画素部に適用した例を示す図であり、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は断面図である。
図４（Ｂ）において、シリコン基板２１０に設けたＰ型ウェル領域２２０には素子分離部（ＳＴＩ）２３０が形成され、このＰ型ウェル領域２２０内に埋め込みフォトダイオード２００が設けられている。このフォトダイオード２００は、電荷蓄積層となるＮ型不純物領域２０１と、その上層のＰ＋型不純物領域２０２とを有する。また、フォトダイオード２００の側部には高濃度拡散領域部２４０が形成され、この高濃度拡散領域部２４０の上にウェルコンタクト（コンタクトプラグ）２５０が形成されている。なお、高濃度拡散領域部２４０とウェルコンタクト２５０のレイアウトは図１〜図３で説明した通りである。

図５は本実施例の構造をＣＣＤ固体撮像素子に適用した例を示す平面図である。
本例では、同一のウェル領域３００内に４つの画素３１０が設けられ、各画素列に沿ってＣＣＤ垂直レジスタ３２０が形成されている。このような構成においても、上述したレイアウト方法により、各画素３１０のコーナー部に高濃度拡散領域部３３０を形成し、その上にウェルコンタクト（コンタクトプラグ）３４０をずれた状態で配置する。
図６は本実施例の構造をＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した例を示す平面図である。
本例においても、同一のウェル領域４００内に４つの画素４１０が設けられ、各画素４１０はフォトダイオード領域４１１と画素トランジスタ領域４１２より構成されている。このような構成においても、上述したレイアウト方法により、各画素４１０のフォトダイオード領域４１１側のコーナー部に高濃度拡散領域部４２０を形成し、その上にウェルコンタクト（コンタクトプラグ）４３０をずれた状態で配置する。

また、上述した実施例では、上層配線の位置を高濃度拡散領域部に合わせて形成したが、ウェルコンタクト（コンタクトプラグ）のずれに合わせて予めずれてレイアウトするようにしてもよい。
さらに、変形例として、複数の画素を１組とし、そこに１つのウェルコンタクトを配する場合、その複数組でウェルコンタクトのずらし方向を変えるような構成とするようにしてもよい。また、上述したレイアウトを画素部ではなく、例えば、垂直選択回路部や水平選択回路部、あるいはその他の周辺回路に用いることも可能である。

図１は本発明の実施例の固体撮像素子におけるウェルコンタクトのレイアウト例を示す平面図である。 図１に示すレイアウト例で合わせずれが生じた状態を示す平面図である。 図１に示すレイアウト例の上部配線との関係を示す平面図である。 図１に示すレイアウト例を埋め込みフォトダイオードを有する画素部に適用した例を示す平面図及び断面図である。 図１に示すレイアウト例をＣＣＤ固体撮像素子に適用した例を示す平面図である。 図１に示すレイアウト例をＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した例を示す平面図である。 従来の固体撮像素子におけるウェルコンタクトのレイアウト例を示す平面図である。 図７に示すレイアウト例で合わせずれが生じた状態を示す平面図である。さ 図８に示す合わせずれが生じた場合の上部配線とコンタクトとの位置関係を示す平面図である。

符号の説明

１００……ウェル領域、１１０……画素、１２０……高濃度拡散領域部、１３０……ウェルコンタクト、１３０Ａ……コンタクトプラグ、１４０……有効領域、１５０……上層配線。

Claims (7)

1. 半導体基板に設けた素子形成領域となるウェル領域と、
   前記ウェル領域の表面に形成された複数の高濃度拡散領域部と、
   前記高濃度拡散領域部上に設けられる複数のウェルコンタクトとを有し、
   同一のウェル領域に設けられる複数の高濃度拡散領域部に対応する複数のウェルコンタクトが、少なくとも高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトと、高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向と異なる第２の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトとを含む、
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記複数のウェルコンタクトのコンタクトプラグとその上部に配置される配線層が、少なくとも高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向に中心のずれたコンタクトプラグ及び配線層と、高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向と異なる第２の基板面方向に中心のずれたコンタクトプラグ及び配線層とを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の高濃度拡散領域部及び複数のウェルコンタクトを複数の光電変換素子が形成される画素アレイ部のウェル領域に設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の高濃度拡散領域部及び複数のウェルコンタクトを前記画素アレイ部の動作を制御する垂直選択回路及び水平選択回路を形成するウェル領域に設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記ウェルコンタクトのずれ量は、合わせずれがない状態で、各コンタクトプラグと高濃度拡散領域部との接続面積が所望のコンタクト抵抗を得るための最小面積以上になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
6. 半導体基板に設けた素子形成領域となるウェル領域と、
   前記ウェル領域の表面に形成された複数の高濃度拡散領域部と、
   前記高濃度拡散領域部上に設けられる複数のウェルコンタクトとを有する固体撮像素子のレイアウト方法であって、
   同一のウェル領域に設けられる複数の高濃度拡散領域部に対応する複数のウェルコンタクトに、少なくとも高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトと、高濃度拡散領域部の中心から第１の基板面方向と異なる第２の基板面方向に中心のずれたウェルコンタクトとを含ませる、
   ことを特徴とする固体撮像素子のレイアウト方法。
7. 前記ウェルコンタクトのずれ量を、合わせずれがない状態で、各コンタクトプラグと高濃度拡散領域部との接続面積が所望のコンタクト抵抗を得るための最小面積以上になるように設定することを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子のレイアウト方法。

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