JP2006190739A - Solid state imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気的特性が優れた固体撮像装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having excellent electrical characteristics and a method for manufacturing the same.
携帯電話などに搭載される固体撮像装置として、CCD(電荷結合素子)型のイメージセンサと、CMOS型のイメージセンサと、がある。CCD型のイメージセンサは画質に優れ、CMOS型のイメージセンサは消費電力が少なく、プロセスコストが低い。近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のMOS型固体撮像装置が提案されている。閾値電圧変調方式のMOS型固体撮像装置については、例えば、特許文献1に開示されている。
As a solid-state imaging device mounted on a cellular phone or the like, there are a CCD (charge coupled device) type image sensor and a CMOS type image sensor. A CCD type image sensor has excellent image quality, and a CMOS type image sensor has low power consumption and low process cost. In recent years, a MOS type solid-state imaging device of a threshold voltage modulation method that has both high image quality and low power consumption has been proposed. A threshold voltage modulation type MOS solid-state imaging device is disclosed in, for example,
イメージセンサは、センサセルをマトリクス状に配列し、初期化、蓄積、読み出しの3つの状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。特許文献1によって開示されたイメージセンサは、各単位画素が、蓄積を行うための受光ダイオードと、読み出しを行うためのトランジスタとを有している。
The image sensor obtains an image output by arranging sensor cells in a matrix and repeating three states of initialization, accumulation, and readout. In the image sensor disclosed in
図11は特許文献1に開示されているイメージセンサを示す模式的断面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the image sensor disclosed in
図11のイメージセンサは、基板100上において、各単位画素毎に、受光ダイオード111と絶縁ゲート型電界効果トランジスタ112とが隣接配置されている。トランジスタ112のゲート電極113はリング状に形成されており、ゲート電極113の中央の開口部分には、ソース領域114が形成されている。ゲート電極113の周辺にはドレイン領域115が形成されている。
In the image sensor of FIG. 11, a
受光ダイオード111の開口領域から入射した光によって発生した電荷(光発生電荷)は、ゲート電極113下方のP型のウェル領域116に転送されて、この部分に形成されたキャリアポケット117に蓄積される。キャリアポケット117に蓄積された光発生電荷によってトランジスタ112の閾値電圧が変化する。これにより、入射光に対応した信号(画素信号)を、トランジスタ112のソース領域114から取り出すことができるようになっている。
Charges (photogenerated charges) generated by light incident from the opening region of the
リング状のゲート電極113を含む基板上には図示しない層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜上に配線層等が形成される。この配線層とソース領域114とは、層間絶縁膜に設けたコンタクトホールを介して電気的に接続されるようになっている。一般的には、例えばコンタクトホール内には、先ずチタン及びチタンナイトライドの2層構造の膜を形成する。チタンナイトライド上のコンタクトホール内は、タングステンで充填されるようになっている。これらのチタンナイトライド及びタングステンに接してアルミニウム等の配線層を形成する。リング状のゲート電極113の中央のソース領域114は、基板表面のコンタクトホール内においてチタンに接し、チタン、チタンナイトライド及びタングステンを介して、配線層に接続される。
ところで、リングゲートは、ゲート用のマスクを用いたフォトリソグラフィ工程によって形成される。そして、ゲートをマスクにして、リングゲートの中央開口部分に、自己整合的にソース領域を形成し、次いで、層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜に形成するコンタクトホールは、ソースコンタクト用のマスクを用いたリソグラフィ工程によって形成される。この場合には、コンタクトホールがリングゲートの中央開口の略中央に位置するようにアライメントが施される。 By the way, the ring gate is formed by a photolithography process using a gate mask. Then, using the gate as a mask, a source region is formed in a self-aligned manner in the central opening of the ring gate, and then an interlayer insulating film is formed. The contact hole formed in the interlayer insulating film is formed by a lithography process using a source contact mask. In this case, the alignment is performed so that the contact hole is positioned substantially at the center of the center opening of the ring gate.
しかしながら、製造ばらつきによってコンタクトホールのアライメントにずれが生じる。コンタクトホールがリングゲートの中央開口部分の中央に位置しない場合には、コンタクトホール内の導通材料と、リングゲートとの間の距離が位置によって異なることになり、ドレイン領域からソース領域に流れる電流量にばらつきが生じる。 However, misalignment occurs in contact hole alignment due to manufacturing variations. If the contact hole is not located at the center of the center opening of the ring gate, the distance between the conductive material in the contact hole and the ring gate will vary depending on the position, and the amount of current flowing from the drain region to the source region Variation occurs.
このように、ソースコンタクトの位置の製造ばらつきによって、センサー特性にばらつきが生じるという問題点があった。 As described above, there is a problem that the sensor characteristics vary due to the manufacturing variation of the position of the source contact.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ソースへのコンタクト部分を自己整合的に形成することを可能にすることによって特性を改善することができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a solid-state imaging device capable of improving characteristics by allowing a contact portion to a source to be formed in a self-aligned manner and a method for manufacturing the same. The purpose is to provide.
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子と該光電変換素の隣に形成されたトランジスタとを含む固体撮像装置において、基板と、前記光電変換素子及び前記トランジスタの形成領域の前記基板に形成された第1拡散層と、前記光電変換素子の形成領域の前記第1の拡散層上に形成された第2拡散層と、前記トランジスタの形成領域の前記第1の拡散層上に形成され、前記第2拡散層と連続して形成された第3拡散層と、前記第3拡散層上方の前記基板上に形成された、開口部を有するゲート電極と、前記開口部下方の前記基板に形成されたソース領域と、前記ソース領域の前記基板上、第1導電材料によって形成されたコンタクト接触層と、前記ゲート電極及びコンタクト接触層を含む基板上方に形成された絶縁膜と、前記コンタクト接触層上方の前記絶縁膜に開口されたコンタクトホールに前記コンタクト接触層に接して形成された導電材料とを具備したことを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a transistor formed adjacent to the photoelectric conversion element. The solid-state imaging device is formed on the substrate in a formation region of the substrate and the photoelectric conversion element and the transistor. The first diffusion layer formed, the second diffusion layer formed on the first diffusion layer in the photoelectric conversion element formation region, and the first diffusion layer in the transistor formation region, A third diffusion layer formed continuously with the second diffusion layer; a gate electrode having an opening formed on the substrate above the third diffusion layer; and formed on the substrate below the opening. A source contact region, a contact contact layer formed of a first conductive material on the substrate of the source region, an insulating film formed over the substrate including the gate electrode and the contact contact layer, and the contact contact Characterized by comprising a conductive material formed in contact with the contact holes formed in the insulating film layer above the contact contacting layer.
このような構成によれば、光電変換素子形成領域に発生した光発生電荷は、第2拡散層から第3拡散層に転送される。第3拡散層内に保持された光発生電荷によってトランジスタのチャネルの閾値電圧が制御されて、光発生電荷に応じた画素信号がトランジスタから出力される。ソース領域の基板表面には、導電性の材料によって形成されたコンタクト接触層が設けられる。基板上方に形成された絶縁膜には、コンタクト接触層上方においてコンタクトホールが形成される。このコンタクトホール内には、コンタクト接触層に接して導電材料が形成される。即ち、ソース領域はコンタクト接触層を介してコンタクトホール内の導電材料に電気的に接続される。従って、コンタクトホールをコンタクト接触層上方に形成すれば、その位置がゲート電極の開口部の中心に位置しない場合でも、均一な電気的特性を得ることができる。 According to such a configuration, photogenerated charges generated in the photoelectric conversion element formation region are transferred from the second diffusion layer to the third diffusion layer. The threshold voltage of the channel of the transistor is controlled by the photogenerated charge held in the third diffusion layer, and a pixel signal corresponding to the photogenerated charge is output from the transistor. A contact contact layer formed of a conductive material is provided on the substrate surface of the source region. In the insulating film formed above the substrate, a contact hole is formed above the contact contact layer. In this contact hole, a conductive material is formed in contact with the contact contact layer. That is, the source region is electrically connected to the conductive material in the contact hole via the contact contact layer. Therefore, if the contact hole is formed above the contact contact layer, uniform electrical characteristics can be obtained even when the position is not located at the center of the opening of the gate electrode.
また、前記ゲート電極は、前記開口部側の側面にサイドウォールを有することを特徴とする。 Further, the gate electrode has a sidewall on the side surface on the opening side.
このような構成によれば、サイドウォールによって、コンタクト接触層とゲート電極とが短絡することが防止される。 According to such a configuration, the contact contact layer and the gate electrode are prevented from being short-circuited by the sidewall.
また、前記コンタクト接触層は、前記開口部内の前記基板表面及び前記サイドウォール表面上に形成されることを特徴とする。 The contact contact layer may be formed on the substrate surface and the sidewall surface in the opening.
このような構成によれば、コンタクトホールの位置が比較的大きくずれた場合でも、確実にコンタクトホール内の導電材料とソース領域との電気的導通を図ることができる。 According to such a configuration, even when the position of the contact hole is relatively large, electrical conduction between the conductive material in the contact hole and the source region can be ensured.
また、前記コンタクト接触層は、ポリシリコン又はシリコン材料によって構成されることを特徴とする。 The contact contact layer is made of polysilicon or silicon material.
このような構成によれば、コンタクト接触層を適切な抵抗値にすることができると共に、後述するように、水素吸蔵性を十分に低くして基板表面のダングリングボンドの発生を抑制することができる。 According to such a configuration, the contact contact layer can have an appropriate resistance value, and, as will be described later, the hydrogen occlusion property can be sufficiently lowered to suppress the generation of dangling bonds on the substrate surface. it can.
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、光電変換素子と該光電変換素子の隣に形成されたトランジスタとを含む固体撮像装置の製造方法において、前記光電変換素子及び前記トランジスタの形成領域の一導電型の基板に、逆導電型の第1拡散層を形成する工程と、前記光電変換素子の形成領域の前記第1拡散層上に一導電型の第2拡散層を形成する工程と、前記トランジスタの形成領域の前記第1の拡散層上に、前記第2拡散層と連続するように一導電型の第3拡散層を形成する工程と、前記第3拡散層上方の前記基板上方に開口部を有するゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の前記開口部側の側面にサイドウォールを形成する工程と、前記第3拡散層上の前記基板表面側にソース領域を形成する工程と、前記ソース領域の前記基板上に、第1導電材料によってコンタクト接触層を形成する工程と、前記ゲート電極及びコンタクト接触層を含む基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記コンタクト接触層上方の前記絶縁膜に開口されたコンタクトホールに前記コンタクト接触層に接して導電材料を形成する工程とを具備したことを特徴とする。 The solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a transistor formed adjacent to the photoelectric conversion element. Forming a reverse conductivity type first diffusion layer on the one conductivity type substrate; forming a one conductivity type second diffusion layer on the first diffusion layer in the photoelectric conversion element formation region; Forming a third diffusion layer of one conductivity type on the first diffusion layer in the transistor formation region so as to be continuous with the second diffusion layer; and above the substrate above the third diffusion layer Forming a gate electrode having an opening in the substrate, forming a sidewall on a side surface of the gate electrode on the opening side, and forming a source region on the substrate surface side on the third diffusion layer And the source region Forming a contact contact layer on the substrate with a first conductive material; forming an insulating film on the substrate including the gate electrode and the contact contact layer; and opening the insulating film above the contact contact layer. Forming a conductive material in contact with the contact contact layer in the contact hole formed.
このような構成によれば、基板上に第1拡散層が形成され、この第1拡散層上に、第2及び第3拡散層が形成される。第2拡散層は、光電変換素子形成領域に形成されて、光発生電荷を発生させる。第3拡散層はトランジスタの形成領域に形成されて、第2拡散層からの光発生電荷が転送されて、トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御する。ソース領域の基板表面には、導電性の材料によって形成されたコンタクト接触層が設けられる。基板上方に形成された絶縁膜には、コンタクト接触層上方においてコンタクトホールが形成される。このコンタクトホール内には、コンタクト接触層に接して導電材料が形成される。即ち、ソース領域はコンタクト接触層を介してコンタクトホール内の導電材料に電気的に接続される。従って、コンタクトホールをコンタクト接触層上方に形成すれば、その位置がゲート電極の開口部の中心に位置しない場合でも、均一な電気的特性を得ることができる。 According to such a configuration, the first diffusion layer is formed on the substrate, and the second and third diffusion layers are formed on the first diffusion layer. The second diffusion layer is formed in the photoelectric conversion element formation region and generates photogenerated charges. The third diffusion layer is formed in the transistor formation region, and photogenerated charges from the second diffusion layer are transferred to control the threshold voltage of the transistor channel. A contact contact layer formed of a conductive material is provided on the substrate surface of the source region. In the insulating film formed above the substrate, a contact hole is formed above the contact contact layer. In this contact hole, a conductive material is formed in contact with the contact contact layer. That is, the source region is electrically connected to the conductive material in the contact hole via the contact contact layer. Therefore, if the contact hole is formed above the contact contact layer, uniform electrical characteristics can be obtained even when the position is not located at the center of the opening of the gate electrode.
前記コンタクト接触層は、ポリシリコン又はシリコン材料によって構成されることを特徴とする。 The contact contact layer is made of polysilicon or silicon material.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本実施の形態に係る固体撮像装置の1センサセルの断面形状を示す模式的な断面図、図2は本実施の形態に係る固体撮像装置の1センサセルの平面形状を示す説明図である。なお、図1は図2のA−A’線断面図である。図3は素子の全体構造を等価回路によって示す回路ブロック図である。図4乃至図7は素子の製造方法を説明するための工程図である。図8乃至図10は素子の製造方法を説明するための平面図である。なお、上記各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of one sensor cell of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing a planar shape of one sensor cell of the solid-state imaging device according to the present embodiment. . 1 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2. FIG. 3 is a circuit block diagram showing the entire structure of the element by an equivalent circuit. 4 to 7 are process diagrams for explaining a method of manufacturing an element. 8 to 10 are plan views for explaining a method for manufacturing the element. In each of the above drawings, the scale is different for each layer and each member so that each layer and each member can be recognized in the drawing.
<センサセルの構造>
本実施の形態における固体撮像装置は、単位画素であるセンサセルがマトリクス状に配列されて構成されたセンサセルアレイを有している。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を収集・蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで1画面の画像信号が得られる。
<Structure of sensor cell>
The solid-state imaging device according to the present embodiment has a sensor cell array in which sensor cells that are unit pixels are arranged in a matrix. Each sensor cell collects and accumulates photogenerated charges generated according to incident light, and outputs a pixel signal at a level based on the accumulated photogenerated charges. An image signal of one screen can be obtained by arranging the sensor cells in a matrix.
先ず、図1及び図2を参照して各センサセルの構造について説明する。図2は1つのセンサセルを示している。また、本実施の形態は光発生電荷として正孔を用いる例を示している。光発生電荷として電子を用いる場合でも同様に構成可能である。なお、図1は図2のA−A’線で切断したセルの断面構造を示している。 First, the structure of each sensor cell will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows one sensor cell. This embodiment shows an example in which holes are used as photogenerated charges. Even in the case where electrons are used as the photo-generated charges, the same configuration is possible. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the cell cut along the line A-A ′ of FIG. 2.
図2の平面図に示すように、単位画素であるセンサセル3内に、フォトダイオードPDと変調トランジスタTMとが隣接して設けられている。変調トランジスタTMとしては、例えば、NチャネルディプレッションMOSトランジスタが用いられる。
As shown in the plan view of FIG. 2, a photodiode PD and a modulation transistor TM are provided adjacent to each other in a
光電変換素子形成領域であるフォトダイオードPD形成領域においては、基板1の表面に配線層を形成する段階において、光を透過する開口領域が形成される。基板1表面の比較的浅い位置には前記開口領域よりも広い領域のP型のウェルであり、光電変換素子によって発生した光発生電荷を収集する第2拡散層としての収集ウェル4が形成されている。収集ウェル4上には基板1の表面に、ピニング層としてのN型の拡散層32が形成されている。
In the photodiode PD formation region, which is a photoelectric conversion element formation region, an opening region that transmits light is formed in the step of forming a wiring layer on the surface of the
収集ウェル4と略同じ基板深さの位置には、変調トランジスタTM形成領域にP型のウェルであり、収集ウェル4に収集された光発生電荷が転送されて変調トランジスタTMを制御するための第3拡散層としての変調用ウェル5が形成されている。なお、図1の例では、収集ウェル4と変調用ウェル5とは、一体的に形成されたPウェル24の各部分によって構成されるが、別々に形成してもよい。 A P-type well is formed in the modulation transistor TM formation region at a position substantially the same substrate depth as that of the collection well 4, and the photo-generated charges collected in the collection well 4 are transferred to control the modulation transistor TM. A modulation well 5 as a three diffusion layer is formed. In the example of FIG. 1, the collection well 4 and the modulation well 5 are configured by the respective parts of the P well 24 formed integrally, but may be formed separately.
変調用ウェル5上には、基板1表面に環状のゲート(リングゲート)6が形成されており、リングゲート6の中央の開口6a部分の基板1表面近傍領域には、高濃度N型領域であるソース領域7が形成されている。なお、図2ではリングゲート6及び後述するキャリアポケット等は円形状で示してあるが、楕円形状或いは任意の多角形状(例えば8角形状)であってもよい。リングゲート6の周囲にはN型のドレイン領域8が形成されている。ドレイン領域8の所定位置には、基板1表面近傍にN+層のドレインコンタクト領域(図示せず)が形成される。
An annular gate (ring gate) 6 is formed on the surface of the
変調用ウェル5は変調トランジスタTMのチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調用ウェル5内には、リングゲート6の下方にP型の高濃度領域であるキャリアポケット10が形成されている。変調トランジスタTMは、変調用ウェル5、リングゲート6、ソース領域7及びドレイン領域8によって構成されて、変調用ウェル5(キャリアポケット10)に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。
The modulation well 5 controls the threshold voltage of the channel of the modulation transistor TM. A
ドレイン領域8、拡散層22、拡散層21、拡散層21’及び拡散層32がドレイン電圧の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードPDの開口領域下方においては、拡散層32と収集ウェル4との境界面、拡散層21と収集ウェル4の境界面から空乏層が収集ウェル4の全体及びその周囲に広がる。空乏領域において、前記開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、上述したように、発生した光発生電荷は収集ウェル4に収集されるようになっている。
The
収集ウェル4に収集された電荷は、変調用ウェル5に転送されてキャリアポケット10に保持される。これにより、変調トランジスタTMのソース電位は、変調用ウェル5に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードPDへの入射光に応じたものとなる。
The charges collected in the collection well 4 are transferred to the modulation well 5 and held in the
<センサセルの断面>
更に、図1を参照して、センサセル3の断面構造を詳細に説明する。
<Sensor cell cross section>
Furthermore, the cross-sectional structure of the
隣接するセル同士のフォトダイオードPD形成領域(PD)と変調トランジスタTM形成領域(TM)との間にアイソレーション領域22が設けられている。基板1の比較的深い位置には、P型基板1の全域に第1拡散層としてのN型ウェル21,21’が形成されている。フォトダイオード形成領域のN型ウェル21上には、P型の収集ウェル4が形成されている。収集ウェル4上の基板表面側には、ピニング層であるN型の拡散層32が形成されている。N型ウェル21は基板の比較的深い位置まで形成されている。
An
一方、変調トランジスタTM形成領域においては、基板1上にP型埋込層23が形成されている。P型埋込層23によってN型ウェル21’は基板の比較的浅い位置までに制限される。P型埋込層23上のN型ウェル21’上には、P型の変調用ウェル5が形成されている。変調用ウェル5内には、キャリアポケット10が形成されている。
On the other hand, a P-type buried
キャリアポケット10は、リングゲート6の下方に、平面的には環状に形成されている。キャリアポケット10は、P+拡散による十分に濃い濃度の拡散層である。
The
変調トランジスタTM形成領域においては、基板表面にゲート酸化膜31を介してリングゲート6が形成され、リングゲート6下の基板表面にはチャネルを構成するN型の拡散層27が形成される。リングゲート6は、導電材料による下層6aと絶縁層6bとの2相構造を有する。また、リングゲート6の側面にはサイドウォール6cが形成されている。リングゲート6の中央開口6d部分には基板表面にN+拡散層が形成されてソース領域7を構成する。
In the modulation transistor TM formation region, the
ソース領域7は、サイドウォール6cを含むリングゲート6をマスクにして、リングゲート6の中央開口6d内に自己整合的に形成されるようになっている。
The
また、リングゲート6の周囲の基板表面にはN型拡散層が形成されてドレイン領域8を構成する。チャネルを構成するN型拡散層27はソース領域7とドレイン領域8とに電気的に接続される。また前記アイソレーション領域22はN型ウェル21、21‘およびドレイン領域8とに電気的に接続される。
Further, an N-type diffusion layer is formed on the substrate surface around the
本実施の形態においては、ソース領域7上の基板表面側、即ち、リングゲート6の中央開口6d内の基板表面及びサイドウォール6c表面には、例えば、ポリシリコンやシリコン材料によるコンタクト接触層9が形成されている。
In the present embodiment, a
例えば、コンタクト接触層9としては、アルミニウム、ポリシリコン、エピタキシャル成長させたシリコン、タングステン、タングステンシリサイド、タングステンナイトライド等の水素吸蔵性が十分に低い材料を用いる。
For example, the
コンタクト接触層9は、リングゲート6の上面(絶縁層6b)まで延設されている。即ち、図2の符号9にて示す円内の全域に設けられている。なお、コンタクト接触層9はある程度広い領域に構成した方がよいが、必ずしもリングゲート6の上面まで延設する必要はなく、ソースコンタクトのアライメント精度に応じた範囲に形成すればよい。
The
コンタクト接触層9は、例えば、基板全面に形成した導電材料をエッチングすることによって得られる。この場合には、リングゲート6以外の部分とリングゲート6の外周縁辺部とを覆うマスクを用いると共に、サイドウォール6cを含むリングゲート6をマスクとして利用したエッチングを行う。これにより、コンタクト接触層9は、リングゲート6の中央開口6d内に自己整合的に形成されるようになっている。
The
一部がコンタクト接触層9に覆われたリングゲート6を含み、基板表面の全域に、層間絶縁膜41が形成されている。ソース領域7上の層間絶縁膜41には、コンタクトホール42が形成されており、コンタクトホール42には導電材料43が埋め込まれている。例えば、導電材料43としてチタン及びチタンナイトライドの2層構造膜が採用される。更に、導電材料43で囲まれたコンタクトホール42内は、例えばタングステン(図示せず)が埋め込まれ、これらの導電材料が層間絶縁膜41上に形成される図示しない配線層に接続されるようになっている。
An interlayer insulating
<装置全体の回路構成>
次に、図3を参照して本実施の形態に係る固体撮像装置全体の回路構成について説明する。
<Circuit configuration of the entire device>
Next, a circuit configuration of the entire solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
固体撮像装置61は図2のセンサセル3を含むセンサセルアレイ62とセンサセルアレイ62中の各センサセル3を駆動する回路63〜65とを有している。センサセルアレイ62は、セル3をマトリクス状に配置して構成されている。センサセルアレイ62は、例えば、640×480のセル3と、オプティカルブラック(OB)のための領域(OB領域)を含む。OB領域を含めると、センサセルアレイ62は例えば712×500のセル3で構成される。
The solid-state imaging device 61 includes a
各センサセル3は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタTMとを含む。フォトダイオードPDは入射光に応じた電荷(光発生電荷)を生じさせ、生じた電荷は収集ウェル4(図3では接続点PDWに相当)内に収集される。収集ウェル4に収集された光発生電荷は、変調トランジスタTMの閾値変調用の変調用ウェル5(図3では接続点TMWに相当)内のキャリアポケット10に転送されて保持される。
Each
変調トランジスタTMは、キャリアポケット10に光発生電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット10内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタTMのソース電圧は、キャリアポケット10内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードPDの入射光の明るさに対応したものとなる。
The modulation transistor TM is equivalent to a change in the back gate bias due to the photogenerated charge held in the
このように各セル3は、変調トランジスタTMのリングゲート6、ソース領域7及びドレイン領域8に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、読み出し及び排出等の動作を呈する。なお、ソース領域7からは、コンタクト接触層9及びコンタクトホール42内の導電材料43等を介して層間絶縁膜41上の図示しない配線に信号が出力される。
In this manner, each
図示しないセル3の各部には図3に示すように、垂直駆動走査回路63、ドレイン駆動回路64及び水平駆動走査回路65から信号が供給されるようになっている。垂直駆動走査回路63は、各行のゲート線67に走査信号を供給し、ドレイン駆動回路64は各列のドレイン領域8にドレイン電圧を印加する。また、水平駆動走査回路65は、各ソース線66に接続されたスイッチ68に駆動信号を供給する。
Signals are supplied to each part of the cell 3 (not shown) from a vertical
各セル3は、センサセルアレイ62に水平方向に配列された複数のソース線66と垂直方向に配列された複数のゲート線67との交点に対応して設けられている。水平方向に配列された各ラインの各セル3は、変調トランジスタTMのリングゲート6が共通のゲート線67に接続され、垂直方向に配列された各列の各セル3は、変調トランジスタTMのソースが共通のソース線66に接続される。
Each
複数のゲート線67の1つにオン信号(選択ゲート電圧)を供給することで、オン信号が供給されたゲート線67に共通接続された各セルが同時に選択されて、これらの選択されたセルの各ソースから各ソース線66を介して画素信号が出力される。垂直駆動走査回路63は1フレーム期間においてゲート線67にオン信号を順次シフトさせながら供給する。オン信号が供給されたラインの各セルからの画素信号が1ライン分同時に各ソース線66から読み出されて各スイッチ68に供給される。1ライン分の画素信号は水平駆動走査回路65によって、スイッチ68から画素毎に順次出力(ライン出力)される。
By supplying an ON signal (selection gate voltage) to one of the plurality of
各ソース線66に接続されたスイッチ68は、共通の定電流源(負荷回路)69を介して映像信号出力端子70に接続されている。各センサセル3の変調トランジスタTMのソースは定電流源69に接続されることになり、センサセル3のソースフォロワ回路が構成される。
The switch 68 connected to each
なお、後述する製造工程中のサイドウォール6cの形成工程から、導電材料43の形成工程までの間のいずれかのタイミングで、水素シンタリングが実施されている。例えば、水素雰囲気下で約400℃に加熱することで、水素シンタリングを行う。
It should be noted that hydrogen sintering is performed at any timing from the side wall 6c forming step in the manufacturing step described later to the step of forming the
ところで、ソースコンタクトの形成時には、ばらつきが生じて、コンタクトホール42がソース領域の略中心にくるとは限らない。コンタクトホール42のアライメント精度によっては、コンタクトホール42の位置が中央開口6dの中心から比較的大きくずれることがある。図1及び図2のコンタクトホール42は、中央開口6dに対して図1では紙面左側にずれて形成された例を示している。
By the way, when the source contact is formed, variations occur, and the
しかし、本実施の形態においては、ソース領域7の基板表面及びリングゲート6のサイドウォール6cの表面にはコンタクト接触層9が形成されている。コンタクトホール42内に形成する導電材料43は、コンタクト接触層9を介してソース領域7に接続されて、ソースコンタクトが達成される。即ち、コンタクトホール42がコンタクト接触層9上に形成されれば、コンタクトホール42の形成位置がずれた場合でも、電気的特性に変化はない。
However, in the present embodiment, the
また、コンタクト接触層9としてポリシリコン等の比較的水素吸蔵性が低い材料を用いている。そして、このコンタクト接触層9上にコンタクトホールの埋込層として、チタン及びチタンナイトライドの2層構造の導電材料43が形成されている。即ち、ソース領域7上方の基板表面と導電材料43を構成するチタン材料との間には、水素吸蔵性が十分に低いコンタクト接触層9が形成されている。これにより、基板表面から水素が取り去られることを阻止することができ、水素シンタリングによってダングリングボンドを低減させることができる。これにより、電気特性に優れた固体撮像装置を得ることができる。
The
また、コンタクトエッチングの際に、基板に直接ダメージを与えないことから、暗電流の発生を抑制することができるという利点もある。 Further, since the substrate is not directly damaged during contact etching, there is an advantage that generation of dark current can be suppressed.
なお、本実施の形態においては、リングゲート6の中央開口6d側の側面にも絶縁材料によるサイドウォール6cが形成されており、コンタクト接触層9とリングゲート6の層6aとが短絡することを防止することができる。
In the present embodiment, a side wall 6c made of an insulating material is also formed on the side surface of the
ところで、従来のように、ソース領域7とコンタクトホール42の埋込層とを直接接続する場合には、その接触抵抗が大きいことから、ソース領域7を濃い濃度で形成する必要がある。この場合には、ソース領域7も深い位置まで形成され、N型ウェル21’からソース領域7を経由したリーク経路が形成されやすくなり、黒スミアが生じるという欠点があった。
By the way, when the
これに対し、本実施の形態においては、ソース領域7はポリシリコン材料等によるコンタクト接触層9に接続されており、そのため接触抵抗が小さい。その結果、ソース領域7の濃度を薄くすることが可能である。そうすると、ソース領域7の深さも浅くなり、N型ウェル21’からソース領域7を経由したリーク経路が形成されにくくなって、黒スミアを低減することができるという利点もある。
On the other hand, in the present embodiment, the
<プロセス>
次に、素子の製造方法について図4乃至図7の工程図及び図8乃至図10の平面形状の説明図を参照して説明する。図6乃至図8は図9乃至図10のA−A’切断線の位置における断面を示している。図4乃至図7において、基板上の矢印はイオン打ち込みを行うことを示している。
<Process>
Next, a method for manufacturing the element will be described with reference to process diagrams of FIGS. 4 to 7 and plan views of FIGS. 8 to 10. 6 to 8 show cross sections taken along the line AA ′ in FIGS. 9 to 10. 4 to 7, arrows on the substrate indicate that ion implantation is performed.
図4(a)に示すように、用意したP基板1の全面に、例えばボロン(B)イオンをイオン打ち込みして、基板1表面側において、P型ウェル24を形成する。このP型ウェル24は、フォトダイオード形成領域において収集ウェル4を構成し、変調トランジスタ形成領域において、変調用ウェル5を構成する。
As shown in FIG. 4A, for example, boron (B) ions are implanted into the entire surface of the
次に、フォトダイオード形成領域以外の部分にレジストマスク91を形成して、例えば燐(リン(P))イオンの打ち込みを行ってN型ウェル21を形成する(図8(a))。このイオン注入はフォトダイオード形成領域について比較的深い位置まで行う(図4(b))。
Next, a resist
次に、基板1にリンのイオン打ち込みを行うことによって、P型ウェル24の下方にN型ウェルを形成する。こうして、フォトダイオード形成領域についてはN型ウェル21、変調トランジスタ形成領域についてはN型ウェル21’が形成される(図4(c))。
Next, phosphorus ions are implanted into the
次に、図4(d)に示すように、レジストマスク92を用いて、変調トランジスタ形成領域において、P型不純物を深くイオン注入して、P型埋込層23を形成する(図8(b))。更に、同一のレジストマスク92を用いて、基板1表面近傍に、変調トランジスタTMのチャネルを得るためのN型拡散層27を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, a P-type buried
次に、図5(a)に示すように、レジストマスク93を形成して、素子分離用のアイソレーション領域22を形成する(図8(c))。次いで、図5(b)に示すように、基板1表面にゲート酸化膜31を熱酸化によって形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, a resist
次に、図5(c)に示すように、レジストマスク94(図9(a))を用いて、リングゲート6下方の変調用ウェル5内に、濃いP+拡散層によるキャリアポケット10を形成する。リングゲート6の平面形状は、図9(a)に示すように、環状である。次に、図5(d)に示すように、ゲート酸化膜31上に、変調トランジスタTMのリングゲート6を形成する(図9(b))。なお、リングゲート6は、導電材料による下層6aと絶縁層6bとの2層構造である。
Next, as shown in FIG. 5C, a
次に、図6(a)に示すように、リングゲート6の中央開口6dを塞ぐように形成されたレジストマスク96及びリングゲート6(図9(c))をマスクとして、N型不純物をイオン注入して、基板1表面にピニング層としてのN型拡散層32を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, N-type impurities are ionized using the resist
次に、図6(b)に示すように、リングゲート6にサイドウォール6cを形成するために、酸化膜51を堆積させる。次いで、図6(c)に示すように、異方性エッチングによって、サイドウォール6cを形成する。次に、リングゲート6の外側をレジストマスクで覆い(図示省略)、このレジストマスク及びサイドウォール6cを含むリングゲート6をマスクとしてイオン打ち込み行い、自己整合的にソース領域7を形成する(図6(c))。
Next, as shown in FIG. 6B, an oxide film 51 is deposited in order to form the sidewall 6 c on the
更に、本実施の形態においては、図6(c)の基板を水素雰囲気下におき、400℃で加熱することで、水素シンタリングを実施する。これにより、ソース領域7の基板表面近傍におけるダングリングボンドが除去される。
Further, in this embodiment, hydrogen sintering is performed by placing the substrate of FIG. 6C in a hydrogen atmosphere and heating at 400 ° C. Thereby, dangling bonds in the vicinity of the substrate surface of the
次に、図6(d)に示すように、コンタクト接触層9を形成するために、水素吸蔵性が十分に低い材料、例えば、ポリシリコン材料52を、基板表面に形成する。コンタクト接触層9を構成するポリシリコン材料52は、水素吸蔵性が十分に低いので、ソース領域7の基板表面において結合した水素は殆どコンタクト接触層9に取込まれない。即ち、コンタクト接触層9によってダングリングボンドが増加することを抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 6D, in order to form the
次に、図7(a)に示すように、リングゲート6の中央開口6dからリングゲート6の上面まで達するレジストマスク97(図10(a))を用いてエッチングを行い、図7(b)に示すコンタクト接触層9を形成する。コンタクト接触層9の平面サイズは、ソースコンタクト形成工程におけるアライメント精度に応じて決定してもよい。
Next, as shown in FIG. 7A, etching is performed using a resist mask 97 (FIG. 10A) reaching the upper surface of the
次に、リングゲート開口及びフォトダイオード形成領域を覆うレジストマスク98及びリングゲート6(図10(b))をマスクとして、N型不純物をイオン注入してドレイン領域8を形成する(図7(c))。
Next, using the resist
次に、基板1表面上に層間絶縁膜41を形成した後、リングゲート6の開口の中央部に達するコンタクトホール42を形成する(図7(d))。ソース領域7上方の基板表面及びその周囲のリングゲート6のサイドウォール6c表面には、コンタクト接触層9が形成されていることから、コンタクトホール42は必ずコンタクト接触層9上に形成される。
Next, after forming an
コンタクト接触層9が形成されていることから、コンタクトホール42を形成するためのエッチングに際して、基板表面がエッチングによるダメージを受けることを防止することができる。これにより、暗電流の発生を抑制することが可能となる。
Since the
以後、コンタクトホール42に、チタン及びチタンナイトライドの2層構造を有する導電材料を形成し、更に、導電材料43で囲まれたコンタクトホール42内に、例えばタングステンによる埋込層を形成する。
Thereafter, a conductive material having a two-layer structure of titanium and titanium nitride is formed in the
これにより、導電材料43はコンタクト接触層9を介してソース領域7に接続されることになる。コンタクト接触層9がソース領域7の基板表面の全域に形成されていることから、コンタクトホール42がコンタクト接触層9上に形成されていれば、その位置に拘わらず、ソースコンタクトの電気特性を均一にすることができる。
As a result, the
まり、水素吸蔵性が高いチタンによって構成される導電材料43とソース領域7との間に、水素吸蔵性が十分に低いコンタクト接触層9を設けているので、ダングリングボンドの発生を抑制して、電気的特性を改善することもできる。
That is, since the
1…基板、4…収集ウェル、5…変調用ウェル、6…リングゲート、7…ソース領域、8…ドレイン領域、9…コンタクト接触層、10…キャリアポケット、PD…フォトダイオード、TM…変調トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
基板と、
前記光電変換素子及び前記トランジスタの形成領域の前記基板に形成された第1拡散層と、
前記光電変換素子の形成領域の前記第1の拡散層上に形成された第2拡散層と、
前記トランジスタの形成領域の前記第1の拡散層上に形成され、前記第2拡散層と連続して形成された第3拡散層と、
前記第3拡散層上方の前記基板上に形成された、開口部を有するゲート電極と、
前記開口部下方の前記基板に形成されたソース領域と、
前記ソース領域の前記基板上に、第1導電材料によって形成されたコンタクト接触層と、
前記ゲート電極及びコンタクト接触層を含む基板上方に形成された絶縁膜と、
前記コンタクト接触層上方の前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールに形成された第2導電材料と、を具備したことを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a transistor formed next to the photoelectric conversion element,
A substrate,
A first diffusion layer formed on the substrate in a formation region of the photoelectric conversion element and the transistor;
A second diffusion layer formed on the first diffusion layer in the formation region of the photoelectric conversion element;
A third diffusion layer formed on the first diffusion layer in the transistor formation region and formed continuously with the second diffusion layer;
A gate electrode having an opening formed on the substrate above the third diffusion layer;
A source region formed in the substrate below the opening;
A contact contact layer formed of a first conductive material on the substrate of the source region;
An insulating film formed over the substrate including the gate electrode and the contact contact layer;
A contact hole formed in the insulating film above the contact contact layer;
And a second conductive material formed in the contact hole.
前記光電変換素子及び前記トランジスタの形成領域の一導電型の基板に、逆導電型の第1拡散層を形成する工程と、
前記光電変換素子の形成領域の前記第1拡散層上に一導電型の第2拡散層を形成する工程と、
前記トランジスタの形成領域の前記第1の拡散層上に、前記第2拡散層と連続するように一導電型の第3拡散層を形成する工程と、
前記第3拡散層上方の前記基板上方に開口部を有するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の前記開口部側の側面にサイドウォールを形成する工程と、
前記第3拡散層上の前記基板表面側にソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域の前記基板上に、第1導電材料によってコンタクト接触層を形成する工程と、
前記ゲート電極及びコンタクト接触層を含む基板上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記コンタクト接触層上方の前記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに第2導電材料を形成する工程と、を具備したことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 In a method for manufacturing a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element and a transistor formed next to the photoelectric conversion element,
Forming a first diffusion layer of reverse conductivity type on a substrate of one conductivity type in the formation region of the photoelectric conversion element and the transistor;
Forming a second diffusion layer of one conductivity type on the first diffusion layer in the formation region of the photoelectric conversion element;
Forming a third diffusion layer of one conductivity type on the first diffusion layer in the transistor formation region so as to be continuous with the second diffusion layer;
Forming a gate electrode having an opening above the substrate above the third diffusion layer;
Forming a sidewall on a side surface of the gate electrode on the opening side;
Forming a source region on the surface of the substrate on the third diffusion layer;
Forming a contact contact layer with a first conductive material on the substrate in the source region;
Forming an insulating film over the substrate including the gate electrode and the contact contact layer;
Forming a contact hole in the insulating film above the contact contact layer;
And a step of forming a second conductive material in the contact hole.
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