JP2006253316A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＭＯＳ固体撮像装置において、ＭＯＳトランジスタの耐圧の問題、１／ｆノイズの問題の解決を図る。
【解決手段】 単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の電界効果トランジスタを有するＭＯＳ型固体撮像装置の、その電界効果トランジスタのうちの一部の電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、他の電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さと異なる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置、特にその単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（以下、主としてＭＯＳトランジスタという。）を有するＭＯＳ（ないしはＣＭＯＳ）型固体撮像装置と固体撮像装置の製造方法に関する。
図１は、ＭＯＳ型固体撮像装置の一例の概略構成図を示す。この固体撮像装置は、多数の単位画素１が、水平・垂直方向に配置された撮像部２０と、垂直駆動回路２１、水平駆動回路１２等の周辺回路を有する。
単位画素１は、例えば図２示すように、センサーとしての光電変換素子のフォトダイオード２と、これに受光量に応じて発生した信号電荷の読み出しを行う読み出し用ＭＯＳトランジスタ３と、この信号電荷量に応じた電圧もしくは電流に変換するＦＤ（フローティングディフージョン）アンプＭＯＳトランジスタ４と、ＦＤリセットＭＯＳトランジスタ５と、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６とを有して成る（特許文献１参照）。
ところが、固体撮像装置において、その読み出し用ＭＯＳトランジスタにおいてさまざまな問題が生じている。
これは、単位画素を構成する上述したＭＯＳが、同一厚さの酸化膜によるゲート絶縁膜によって形成されていることによることがわかった。
例えば、上述したように、光電変換素子のフォトダイオード２から信号電荷を読み出す読み出し用ＭＯＳトランジスタ３は、そのゲートと、そのドレインすなわちＦＤ間に高電界がかかり、ゲート絶縁膜が破壊してしまうという読み出し用トランジスタ３の耐圧に問題がある。
これは、トランジスタがオフのとき、ゲート領域下層の空乏化によるリーク電流を抑制し、ノイズの低減化を図るためにトランジスタ形成部のウエル領域に対しゲート電位を負電位に設定するものであり（特許文献２参照）、また、センサー部の蓄積された信号電荷量すなわち飽和信号量を高め、ダイナミックレンジを向上させるために、ＦＤの電位、すなわち読み出しＭＯＳトランジスタのドレインの電圧を高電位にする必要があることによって、その耐圧が問題となってくるものである。
一方、信号電荷を電圧または電流に変換するアンプＭＯＳトランジスタにあっては、その変換時に、ノイズ信号を発生するという問題がある。この信号変換時に発生するノイズは、ＭＯＳトランジスタのゲート部の例えばＳｉ−ＳｉＯ２との界面の準位が伝導に関わるキャリアをランダムに捕獲したり放出したりするというキャリア数を変調することにより生じる１／ｆノイズであることがわかっている。
この１／ｆノイズ量νは、次式（１）または（２）で表される。
ν２＝ａｆ／（ＣOX・２・Ｌ・Ｗ・ｆ） （１）
または、
ν２＝ａｆ／（ＣOX・・Ｌ・Ｗ・ｆ） （２）
ここで、ＣOXは、ゲート絶縁膜容量
Ｌは、ゲート長
Ｗは、ゲート幅
ｆは、動作周波数
ａｆは、ｎチャネルＭＯＳにあっては、５×１０−３１［Ｃ２／ｃｍ２］
ｐチャネルＭＯＳにあっては、５×１０−３２［Ｃ２／ｃｍ２］
上述の式によって明らかなように、１／ｆノイズ量νは、ゲート絶縁膜の容量、すなわち膜厚に依存する。
しかしながら、通常の構成においては、このアンプＭＯＳトランジスタにおいても、他のトランジスタと同一のゲート絶縁膜の厚さに選定されていることから、１／ｆノイズの低減に制約があった。
特開２０００−２９９４５３号公報 特開２００３−１４３４８０号公報
本発明の目的は、上述した固体撮像装置における上述した諸問題、すなわち耐圧の改善、１／ｆノイズの改善を図ることができる固体撮像装置と固体撮像装置の製造方法とを提供するものである。
本発明による固体撮像装置は、単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有するＭＯＳ型固体撮像装置であって、上記複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのうちの一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、他の少なくとも一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さと異なる構成としたことを特徴とする。
本発明は、上記単位画素の上記光電変換素子に隣接する信号電荷の読み出し用絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、上記単位画素の他の電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さに比し大に選定されたことを特徴とする。
本発明は、上記単位画素の上記信号電荷を電圧もしくは電流信号に変換するアンプ絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、上記単位画素の他の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さに比し小に選定されたことを特徴とする。
本発明による固体撮像装置の製造方法は、単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有し、上記複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタの一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、他の少なくとも一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタの厚さと異なる構成による固体撮像装置の製造方法であって、そのゲート絶縁膜の形成工程が、半導体基板表面に、最終的に第１の厚さのゲート絶縁膜を形成する第１の開口と、上記第１の厚さに比し小なる第２の厚さのゲート絶縁膜を形成する第２の厚さの開口とが少なくとも形成されたゲート絶縁膜形成の第１のマスク層を形成する工程と、上記第１および第２の開口に上記第１の厚さに比して小なる厚さの第１の絶縁層を形成する工程と、上記第１の開口内の上記第１の絶縁層を覆い、上記第２の開口内の上記第１の絶縁層を露呈させる開口を有する第２のマスク層を形成する工程と、上記第２のマスク層の開口を通じて上記第１の絶縁層を除去する工程と、上記第２のマスク層を除去して上記第１のマスク層の上記第１および第２の開口を通じて上記第２の厚さのゲート絶縁膜を形成する工程とを有し、上記第１の厚さのゲート絶縁膜が、上記第１および第２の絶縁層の重複形成部によって形成され、上記第２の厚さのゲート絶縁膜が上記第２の絶縁層によって形成されるようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、ＭＯＳ型固体撮像装置における単位画素内の複数のＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳトランジスタト呼称する場合においても、ゲート絶縁が酸化膜であることに限定されるものではない）について、そのゲート絶縁膜を、従来におけるように、均一膜厚とすることなく、読み出し用ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜の厚さを大とすることによって耐圧を高めることができ、そのドレイン電圧が高められることから、ダイナミックレンジの増大化を図ることができるものである。
また、アンプＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜の厚さを小とすることによって、ゲート絶縁膜容量Ｃｏｘを高めることができるので、前記１／ｆノイズの関係式（１）または（２）から明らかなように、１／ｆノイズの低減化を図ることができるものである。
また、本発明製造方法によれば、上述したゲート絶縁膜の膜厚が異なる電界効果トランジスタを、膜厚の大なるゲート絶縁膜については、一旦最終的に形成するゲート絶縁膜に比し、薄い第１の絶縁膜と、最終的に形成する小なる膜厚のゲート絶縁膜の形成との重複部分によって形成するのみであるので、簡潔に製造することができるものである。
本発明によるＭＯＳトランジスタの実施の形態について例示説明する。しかしながら、本発明によるＭＯＳ固体撮像装置は、この例示に限定されるものではない。
図１は、本発明によるＭＯＳ型固体撮像装置を実施する固体撮像装置の概略構成図で水平・および垂直方向にマトリックス状に、それぞれ複数個の単位画素１が配列された撮像部２０と、垂直駆動回路２１、水平駆動回路２２等の周辺回路を有して成る。
単位画素１は、前述の図２を参照して説明したように、センサーとしての光電変換素子のフォトダイオード２と、これに受光量に応じて発生した信号電荷の読み出しを行う読み出し用ＭＯＳトランジスタ３と、この信号電荷量に応じた電圧もしくは電流に変換するＦＤ（フローティングディフージョン）アンプＭＯＳトランジスタ４と、ＦＤのリセットＭＯＳトランジスタ５と、垂直選択用スイッチ素子としての垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６とを有して成る。
そして、各行（水平線）毎に、読み出し用ＭＯＳトランジスタ３のゲート電極が共通に垂直読み出し線７に接続され、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６のゲート電極が、共通の垂直選択線８に接続される。
また、各列（垂直線）のリセットＭＯＳトランジスタ５のゲート電極が共通の水平リセット線９に接続され、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６のドレインが共通の垂直信号線１０に接続される。
各垂直信号線１０は図１で示した水平スイッチ素子２３のＭＯＳトランジスタを介してそれぞれ水平信号線２４に接続され、アンプ２５を介して出力端子ｔに接続される。
各垂直選択線８と垂直読み出し線７とは、垂直駆動回路２１に接続され、それぞれ垂直走査パルスと垂直読み出しパルスが印加される。
水平リセット線９と水平スイッチ素子２３の制御電極すなわちゲート電極とは、水平駆動回路２２に接続され、順次水平リセットパルスと、水平走査パルスが印加される。
このようにして、垂直駆動回路２１から垂直選択線８に垂直走査パルスが印加された状態で、かつ垂直読み出し線に所要のパルス電圧が印加され、さらに、垂直信号線９のスイッチ素子２３に、水平走査パルスが印加されてオン状態とされた位置の単位画素１において、選択的にそのアンプＭＯＳトランジスタ４の出力が、垂直選択用ＭＯＳトランジスタから選択抽出され、これが水平スイッチ素子２３を通じて水平信号線に導入され、アンプ２５によって増幅された出力端子ｔから撮像信号として取り出される。
そして、本発明においては、単位画素１を構成する複数のＭＯＳトランジスタにおいて、そのゲート絶縁膜を変える。
図３および図４を参照して本発明による実施例１（図３）および実施例２（図４）を説明する。
図３および図４は、各固体撮像装置における１つの単位画素における、光電変換素子（フォトダイオード）−読み出し用ＭＯＳトランジスタ３−リセットＭＯＳトランジスタ５−アンプＭＯＳトランジスタ４−垂直選択ＭＯＳトランジスタ６を横切る概略断面図である。
図３および図４のいずれも、各ＭＯＳトランジスタがｎチャネルＭＯＳトランジスタである場合を例示する。
この場合、半導体基板３０に、ｐ型のウエル領域３１が形成され、光電変換素子のフォトダイオード２を形成するｎ型のウエル領域３２が形成され、これに表面に高濃度ｐ型の電荷蓄積層が形成されたｎ型領域が形成されている。
そして、この光電変換素子２に隣接して読み出し用ＭＯＳトランジスタ３が形成され、更に、リセットＭＯＳトランジスタ５、アンプＭＯＳトランジスタ４、垂直選択ＭＯＳトランジスタ６が隣接するドレイン領域とソース領域とを共通のｎ型のドレインないしソース領域とし、これら間上にそれぞれ各ゲート電極５３，５５，５４，５６が、それぞれゲート絶縁膜４３，４５，４４，４６を介して形成されて、それぞれ読み出し用ＭＯＳトランジスタ３、リセットＭＯＳトランジスタ５、アンプＭＯＳトランジスタ４、垂直選択ＭＯＳトランジスタ６が形成される。
これら各ＭＯＳトランジスタにおいては、各ドレインないしソース領域３３のゲート側に隣接する側に低濃度のドレインないしソース領域３３Ｌが形成されたいわゆるＬＤＤ（Lightly Doped Drain）トランジスタ構成とした場合である。
［実施例１］
この例においては、図３に示すように、読み出し用ＭＯＳトランジスタ３のゲート絶縁膜４３の膜厚を例えば９ｎｍとして、他のＭＯＳトランジスタ４，５，６の各ゲート絶縁膜４４，４５，４６の膜厚の例えば６ｎｍに比して大にした場合である。
この実施例によれば読み出し用ＭＯＳトランジスタ３のゲート・ドレイン間の耐圧が高められ、冒頭に述べたように、ダイナミックレンジを大とすることができる。
［実施例２］
この例においては、図４に示すように、アンプＭＯＳトランジスタ４のゲート絶縁膜４３の膜厚を、他のＭＯＳトランジスタ３，５，６の各ゲート絶縁膜４３，４５，４６の膜厚の例えば９ｎｍに比して小の例えば６ｎｍにした場合である。
この実施例によれば、アンプＭＯＳトランジスタ４のＣｏｘを大とすることができることによって１／ｆノイズの低減化が図られる。
したがって、例えば実施例１において、読み出し用ＭＯＳトランジスタ３のゲート絶縁膜を大とし、アンプＭＯＳトランジスタを含めた他のＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜を小とすることによって、ダイナミックレンジを高めることができる。
次に本発明による上述した本発明による固体撮像装置の製造方法の実施の形態例を説明する。この場合、各半導体領域の形成方法、すなわち上述した各ウエル領域や、光電変換素子(フォトダイオード)の形成方法、および各ＭＯＳトランジスタのドレインないしソース領域、ゲート電極の形成等は、通常の方法によることができるものであるが、その厚さが異なるゲート絶縁膜の形成工程に、特有の方法が採られることから、その一例を図５を参照して説明する。
この場合、必要とする厚さの大なるゲート絶縁膜を有するＭＯＳトランジスタ、例えば実施例１における読み出し用ＭＯＳトランジスタ３を形成する領域（第１の領域６１とする）と、それ以外のＭＯＳトランジスタ４，５，６を形成する領域（第２の領域６２とする）を代表的に示す。
図５Ａに示すように、例えばＳｉよりなる半導体基板３０の第１および第２の領域６１および６２上に第１および第２の開口７０Ｗ１および７０Ｗ２を有するマスク層７０を形成する。このマスク層は、例えば局部的熱酸化いわゆるＬＯＣＯＳによって形成した分離絶縁層によって構成することができる。
これら第１および第２の領域６１および６２に最終的に形成する膜厚の大なるゲート絶縁膜４３の厚さより小なる厚さＴ１を有する第１の絶縁層８１を、例えば半導体基板３０の表面熱酸化によって形成する。
図５Ｂに示すように、半導体基板３０上に、例えばフォトリソグラフィによって第２の領域６２に開口７１Ｗが形成されたフォトレジスト層による第２のマスク層７１を形成する。この開口７１Ｗの形成は、先の第２の開口７０Ｗ２よりは大に、また開口７０Ｗ１に到ることがない程度に裕度が大きい位置合わせによって形成することができる。
図５Ｃに示すように、第２のマスク層７１をエッチングマスクとして開口７１Ｗを通じて第１の領域６２の第１の絶縁層８１をエッチング除去する。
図５Ｄに示すように、第２のマスク層７１を除去して、第１および第２の領域６１および６２に更に例えば第２の熱酸化によって厚さＴ２の第２の絶縁層８２を形成する。
このようにして、第１の領域６１においては、第１および第２の絶縁層の形成、すなわち第１および第２の熱酸化条件例えば時間調整によって、大なる厚さＴ３を有する第３の絶縁層８３による厚い目的とするゲート絶縁膜４３を形成することができる。
したがって、図５Ｅに示すように、例えば第１の領域６１においては、厚さが大なる読み出しＭＯＳトランジスタゲ３のゲート絶縁膜４３を形成することができ、第２の領域６２においては、小なる厚さを有するアンプＭＯＳトランジスタ４、リセットＭＯＳトランジスタ５、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６の各ゲート絶縁膜４４，４５，４６が形成される。
したがって、これらにゲート電極Ｇを形成し、図示しないが、低濃度ドレインないしはソース領域３３Ｌの形成、ゲート電極Ｇの側面にいわゆるサイドウオールを形成して、ドレインないしはソース領域３３を形成することによって、図３に示す単位画素を有する固体撮像装置を形成することができる。
そして、上述した実施例２の構成とするときは、図５の第１の領域６１において、読み出し用ＭＯＳトランジスタ３、リセットＭＯＳトランジスタ５、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ６の各ゲート絶縁膜４３，４５，４６の形成部とし、第２の領域６２がアンプＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜４４形成部とされる。
このようにして、本発明製造方法によれば、簡潔な工程によって厚さの異なるゲート絶縁膜によるＭＯＳトランジスタを形成することができる。
尚、上述した例では、主としてｎチャネルＭＯＳトランジスタ構成とした場合であるが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタ構成とすることもでき、この場合、各図において、その導電型を反転した構成とする。
本発明による固体撮像装置の一実施の形態の概略構成図である。 本発明による固体撮像装置の単位画素の一実施の形態を示す概略構成図である。 本発明による固体撮像装置の一実施の形態の要部の概略断面図である。 本発明による固体撮像装置の一実施の形態の要部の概略断面図である。 Ａ〜Ｅは、本発明による固体撮像装置の一実施の形態の一部の製造方法の製造工程図である。
符号の説明
１……単位画素、２……光電変換素子（フォトダイオード）、３……読み出し用ＭＯＳトランジスタ、４……アンプ用ＭＯＳトランジスタ、５……リセットＭＯＳトランジスタ、６……垂直選択用ＭＯＳトランジスタ、７……垂直読み出し線、８……垂直選択線、９……水平リセット線、１０……垂直信号線、２０……撮像部、２１……垂直駆動回路、２２……水平駆動回路、２３……水平スイッチ素子、２４……水平信号線、２５……アンプ、３０……半導体基板、３１……ｐウエル領域、３２……ｎウエル領域、３３……低濃度ドレインないしソース領域、３３Ｌ……低濃度ドレインないしソース領域、４３〜４６……ゲート絶縁膜、５３〜５６……ゲート電極、６１……第１の領域、６２……第２の領域、７０……分離領域、７１……マスク層、７１Ｗ……開口、８１……第１の絶縁層、８２……第２の絶縁層、８３……第３の絶縁層、Ｇゲート電極

Claims (4)

  1. 単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有するＭＯＳ型固体撮像装置であって、
    上記複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタの一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、他の少なくとも一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さと異なる構成としたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 上記単位画素の上記光電変換素子に隣接する信号電荷の読み出し絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、上記単位画素の他の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さに比し大に選定されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 上記単位画素の上記信号電荷を電圧もしくは電流信号に変換するアンプ絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、上記単位画素の他の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さに比し小に選定されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 単位画素が、少なくとも光電変換素子と、複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有し、上記複数の絶縁ゲート形電界効果トランジスタの一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さが、他の少なくとも一部の絶縁ゲート形電界効果トランジスタの厚さと異なる構成による固体撮像装置の製造方法であって、
    そのゲート絶縁膜の形成工程が、
    半導体基板表面に、最終的に第１の厚さのゲート絶縁膜を形成する第１の開口と、上記第１の厚さに比し小なる第２の厚さのゲート絶縁膜を形成する第２の厚さの開口とが形成されたゲート絶縁膜形成の第１のマスク層を形成する工程と、
    上記第１および第２の開口に上記第１の厚さに比して小なる厚さの第１の絶縁層を形成する工程と、
    上記第１の開口内の上記第１の絶縁層を覆い、上記第２の開口内の上記第１の絶縁層を露呈させる開口を有する第２のマスク層を形成する工程と、
    上記第２のマスク層の開口を通じて上記第１の絶縁層を除去する工程と、
    上記第２のマスク層を除去して上記第１のマスク層の上記第１および第２の開口を通じて上記第２の厚さのゲート絶縁膜を形成する工程とを有し、
    上記第１の厚さのゲート絶縁膜が、上記第１および第２の絶縁層の重複形成部によって形成され、上記第２の厚さのゲート絶縁膜が上記第２の絶縁層によって形成されるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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