JP2008016612A - Solid-state image sensing element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
近年のデジタルカメラ、カメラ搭載型携帯電話等の普及によるデジタル化、及びストレ
ージの大容量化に伴い、小型で高精細な固体撮像素子の需要が増加している。特に、一般
的な半導体製造工程であるCMOSプロセスにより製造可能なCMOS型固体撮像素子(
以下、CMOSセンサという)の需要が高まっている。このようなCMOSセンサは、近
年において、更なる小型化、多画素化の要求が高まっている。これらの要求を達成するた
めに、画素サイズの微細化が重要な課題となっている。
With the recent popularization of digital cameras, camera-equipped mobile phones, and the like and the increase in storage capacity, the demand for small, high-definition solid-state imaging devices is increasing. In particular, a CMOS solid-state image sensor (manufactured by a CMOS process, which is a general semiconductor manufacturing process)
The demand for CMOS sensors is increasing. In recent years, such CMOS sensors have been increasingly demanded for further downsizing and increasing the number of pixels. In order to achieve these requirements, miniaturization of the pixel size has become an important issue.
このような画素サイズの微細化は、光電変換部としてのフォトダイオードの占める面積
の減少を加速させるため、固体撮像素子としてのS/Nの悪化が避けられない。すなわち
、画素の微細化と共に入射光量は低下し、画素部に蓄積される信号電荷量は低下する。こ
の、画素の微細化は、画素を構成する増幅トランジスタのチャネル面積をも縮小させる。
その結果、増幅トランジスタにおいて発生する1/f雑音が増加するという問題がある。
この1/f雑音は、画素の微細化に伴い強度が低下した前記信号電荷に対する大きな雑音
となり、固体撮像素子としてのS/Nの悪化の大きな原因となる。
Such miniaturization of the pixel size accelerates the reduction of the area occupied by the photodiode as the photoelectric conversion unit, and thus the S / N as the solid-state imaging device is inevitably deteriorated. In other words, the amount of incident light decreases with the miniaturization of pixels, and the amount of signal charge accumulated in the pixel portion decreases. This miniaturization of the pixel also reduces the channel area of the amplification transistor constituting the pixel.
As a result, there is a problem that 1 / f noise generated in the amplification transistor increases.
This 1 / f noise becomes a large noise with respect to the signal charge whose strength is reduced as the pixel is miniaturized, and is a major cause of deterioration of S / N as a solid-state imaging device.
一般的に、固体撮像素子には、増幅トランジスタの閾値ばらつきに起因する固定パター
ン雑音及び画素内部の電荷電圧変換(QV変換)構造であるフォローティングフュージョ
ンでのリセット雑音等を除去するためにCDS(Correlated Double
Sampling:相関二重サンプリング)回路が設けられている。これにより、CDS
回路のサンプリング周波数以下の低周波雑音成分は除去される。
In general, a solid-state imaging device has a CDS (removal noise) to remove fixed pattern noise caused by threshold variation of amplification transistors and reset noise in a following fusion that is a charge-voltage conversion (QV conversion) structure inside a pixel. Correlated Double
A Sampling (correlated double sampling) circuit is provided. As a result, CDS
Low frequency noise components below the circuit sampling frequency are removed.
しかしながら、上述した画素の微細化が進むにつれて、増幅トランジスタのチャネル面
積もより縮小化され、CDS回路のサンプリング周波数(fs)よりも高周波数側に存在
する1/f雑音も無視することが出来なくなってきた(図6参照)。
However, as the above-described pixel miniaturization proceeds, the channel area of the amplification transistor is further reduced, and 1 / f noise existing on the higher frequency side than the sampling frequency (fs) of the CDS circuit cannot be ignored. (See FIG. 6).
なお、アナログ・デジタル混成回路を有する半導体集積回路装置の雑音特性(1/f雑
音)を向上させる技術として、トランジスタのソース領域とドレイン領域との間に埋め込
みチャネル層を備える技術が開示されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、固体撮像素子においては、1/f雑音の除去も重要の課題であり、それ
とともに、選択トランジスタのオフ特性が重視される。
However, in the solid-state imaging device, removal of 1 / f noise is also an important issue, and importance is attached to the off characteristics of the selection transistor.
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、画素の微細化に伴うS/Nの悪化を抑制
し、選択トランジスタのオフ特性を向上することができる固体撮像素子を提供することを
目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing the deterioration of S / N due to pixel miniaturization and improving the off characteristics of a selection transistor. To do.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、光電変換を行
う光電変換画素が複数配置された撮像領域と、前記撮像領域から出力された信号電荷の雑
音を除去するCDS回路と、を備え、前記光電変換画素は、光電変換を行う光電変換素子
と、前記光電変換素子に接続された転送トランジスタと、前記転送トランジスタに接続さ
れたリセットトランジスタ及び増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに直列接続さ
れた選択トランジスタと、を備え、前記増幅トランジスタは、前記半導体基板内に設けら
れた第1導電型の第1ウェル領域と、前記第1ウェル領域内に設けられた第2導電型の第
1ソース領域及び第1ドレイン領域と、前記第1ウェル領域内の前記第1ソース領域と前
記第1ドレイン領域との間に設けられ、前記第1ソース領域及び前記第1ドレイン領域よ
りも不純物濃度が低い第2導電型の第1チャネル不純物領域と、少なくとも前記第1チャ
ネル不純物領域上に設けられた第1ゲート絶縁膜と、前記第1ゲート絶縁膜を介して前記
第1チャネル不純物領域上に設けられた第1ゲート電極と、を備え、前記選択トランジス
タは、前記半導体基板内に設けられた第1導電型の第2ウェル領域と、前記第2ウェル領
域内に設けられた第2導電型の第2ソース領域及び第2ドレイン領域と、前記第2ウェル
領域内の前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域との間に設けられた第1導電型のチ
ャネル領域と、少なくとも前記チャネル領域上に設けられた第2ゲート絶縁膜と、前記第
2ゲート絶縁膜を介して前記チャネル領域上に設けられた第2ゲート電極と、を備え、前
記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との間の前記半導体基板内には絶縁層が設けられ
、前記絶縁層上には、前記第1ソース領域と前記第2ドレイン領域とを電気的に接続する
接続部が設けられ、前記第1ウェル領域の不純物濃度よりも前記第2ウィル領域の不純物
濃度が高いことを特徴とする。
The solid-state imaging device according to the present invention removes noise of a semiconductor substrate, an imaging region provided on the semiconductor substrate, in which a plurality of photoelectric conversion pixels that perform photoelectric conversion are arranged, and signal charges output from the imaging region. A photoelectric conversion element that performs photoelectric conversion, a transfer transistor connected to the photoelectric conversion element, a reset transistor and an amplification transistor connected to the transfer transistor, and the amplification A selection transistor connected in series to the transistor, wherein the amplification transistor includes a first conductivity type first well region provided in the semiconductor substrate, and a second conductivity provided in the first well region. A first source region and a first drain region of the mold, and between the first source region and the first drain region in the first well region. A first channel impurity region of a second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the first source region and the first drain region, a first gate insulating film provided on at least the first channel impurity region, A first gate electrode provided on the first channel impurity region via the first gate insulating film, and the selection transistor is a second well of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate. A region, a second conductivity type second source region and a second drain region provided in the second well region, and between the second source region and the second drain region in the second well region A channel region of the first conductivity type provided in the channel, a second gate insulating film provided at least on the channel region, and a second gate insulating film provided on the channel region via the second gate insulating film. An insulating layer is provided in the semiconductor substrate between the first well region and the second well region, and the first source region and the second electrode are provided on the insulating layer. A connection portion for electrically connecting the drain region is provided, and the impurity concentration of the second Will region is higher than the impurity concentration of the first well region.
本発明によれば、画素の微細化に伴うS/Nの悪化を抑制し、選択トランジスタのオフ
特性を向上することができる固体撮像素子を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device that can suppress the deterioration of S / N due to pixel miniaturization and improve the off characteristics of the selection transistor.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に本発明の実施形態に係る固体撮像素子のチップ構成の一例を説明する概略平面図
を示す。
FIG. 1 is a schematic plan view for explaining an example of a chip configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子100は、図1に示すように、撮像領域101と、撮像
領域101の周辺に設けられた、負荷トランジスタ部102、CDS回路部103、V選
択手段104、H選択手段105、AGC(自動ゲイン制御)回路106、ADC(A/
D変換器)107、デジタルアンプ108、TG(タイミングジェネレータ)回路109
が配置されている。
As shown in FIG. 1, the solid-
D converter) 107,
Is arranged.
撮像領域101は、入射した光を電荷に変換する光電変換画素200(図1では図示せ
ず)がアレイ上に複数配列されている。
In the
上述した構成のうち、ADC107は、CDS回路103と一体で構成された、カラム
型のCDS−ADC回路としてもよい。
Among the configurations described above, the
また、TG回路109、AGC回路106、ADC回路107、デジタルアンプ108
は各々別のチップ上に形成されていてもよい。
In addition, the
May be formed on different chips.
図2は、図1に示す撮像領域101及び負荷トランジスタ部102の具体的な構成の一
部を表す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a part of a specific configuration of the
図2に示すように、撮像領域101内に設けられた光電変換画素200は、光電変換を
行う光電変換素子(以下、単に、PDという)201と、PD201に接続された転送ト
ランジスタ202と、転送トランジスタ202に接続されたフローティングディフュージ
ョン(以下、単に、FDという)203と、FD203を介して転送トランジスタ202
に接続されたリセットトランジスタ204及び増幅トランジスタ205と、増幅トランジ
スタ205に直列接続された選択トランジスタ206とを備えている。
As shown in FIG. 2, a
The
詳しくは、PD201は、転送トランジスタ202のドレイン領域に形成されている。
FD203は、転送トランジスタ202のソースと、リセットトランジスタ204のドレ
インと、増幅トランジスタ205のゲートにそれぞれ接続されている。リセットトランジ
スタ204のソースはVddに接続されている。増幅トランジスタ205のドレインはV
ddに、ソースは選択トランジスタ206のドレインに接続されている。選択トランジス
タ206のソースは、垂直信号線207に接続されている。
Specifically, the
The
The source is connected to the drain of the
また、垂直信号線207の一端は、負荷トランジスタ部102内の負荷トランジスタ2
08のドレインに接続され、負荷トランジスタ208のソースはグランドに接続されてい
る。また、垂直信号線207のもう一端は撮像領域101の外部のCDS回路103に接
続されている。
One end of the
The drain of the
垂直信号線207に垂直に接続されている増幅トランジスタ205、負荷トランジスタ
208はソースフォロア回路を構成し、FD203に発生する信号電圧をCDS回路10
3に出力する。
The
3 is output.
増幅トランジスタ205に直列接続された選択トランジスタ206はスイッチとして動
作し、非選択行の増幅トランジスタ205と垂直信号線207とを分離する。
The
図2においては、光電変換画素200内部に光電変換(PD201)、信号電荷蓄積(
PD201)、qv変換(FD203)、ソースフォロア回路(増幅トランジスタ205
、負荷トランジスタ208)をそれぞれ形成しているが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、必要に応じて複数のPD201、転送トランジスタ202を一つのFD203
に接続することで、その他のリセットトランジスタ204、増幅トランジスタ205、選
択トランジスタ206を共有してもよく、2画素1セル、4画素1セル等の構成をとるこ
とが可能である。また、図2に示す増幅トランジスタ205と選択トランジスタ206と
を入れ替えて構成してもよい。
In FIG. 2, photoelectric conversion (PD 201), signal charge accumulation (
PD201), qv conversion (FD203), source follower circuit (amplification transistor 205)
, The load transistors 208) are formed. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of
The
図3に、本発明の実施形態に係る増幅トランジスタ205と選択トランジスタ206の
断面図を示す。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
本実施形態に係る増幅トランジスタ205、選択トランジスタ206は、図3に示すよ
うに、半導体基板1上に隣接して設けられている。増幅トランジスタ205は、半導体基
板1内に設けられた第1ウェル領域2aと、第1ウェル領域2a内に設けられた第1ソー
ス領域3a及び第1ドレイン領域3bと、第1ウェル領域2a内の第1ソース領域3aと
第1ドレイン領域3bとの間に設けられたチャネル不純物領域4aと、チャネル不純物領
域4a上に設けられたゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜5を介してチャネル不純物領域4
a上に設けられた第1ゲート電極6aとを備えている。選択トランジスタ206は、第1
ウェル領域2aに隣接して半導体基板1内に設けられた第2ウェル領域2bと、第2ウェ
ル領域2b内に設けられた第2ソース領域3c及び第2ドレイン領域3dと、第2ウェル
領域2b内の第2ソース領域3c及び第2ドレイン領域3dとの間に設けられたチャネル
領域4bと、チャネル領域4b上に設けられたゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜5を介し
て、チャネル領域4b上に設けられた第2ゲート電極6bとを備えている。
The
a
A
第1ウェル領域2aと第2ウェル領域2bとの間の半導体基板1内には層間絶縁層7が
設けられ、第1ウェル領域2aと第2ウェル領域2bとは層方向において電気的に分離さ
れている。また、増幅トランジスタ205の第1ソース領域3aと、選択トランジスタ2
06の第2ドレイン領域3dは、例えば、ゲート絶縁層5を介して、接続配線8により電
気的に接続されている。
An interlayer insulating
The
半導体基板1は、p型の半導体シリコン基板で構成されている。
The
第1ウェル領域2a及び第2ウェル領域2bは、p型の半導体シリコン層(p−wel
l(1)及びp−well(2))で構成されている。これらの領域は、例えば、半導体
基板1の表面からp型の不純物(例えば、ボロン)をイオン注入することで形成すること
ができる。
The
l (1) and p-well (2)). These regions can be formed, for example, by ion-implanting p-type impurities (for example, boron) from the surface of the
第1ソース領域3a、第1ドレイン領域3b、第2ソース領域3c及び第2ドレイン領
域3dは、それぞれ高濃度のn型の不純物が拡散された高濃度n型不純物拡散層(以下、
n+層という)で構成されている。これらの領域は、例えば、半導体基板1の表面からn
型の不純物(例えば、リン)を高濃度にイオン注入することで形成することができる。
The
n + layer). These regions are, for example, n from the surface of the
It can be formed by ion-implanting a type impurity (for example, phosphorus) at a high concentration.
チャネル不純物領域4aは、第1ソース領域3a及び第1ドレイン領域3bよりも不純
物濃度が低いn型の不純物拡散層で構成されている。チャネル不純物領域4aは、例えば
、半導体基板1の表面からn型の不純物をイオン注入することで形成することができる。
The
チャネル領域4bは、第2ソース領域3cと第2ドレイン領域3dとの間に設けられた
領域、いわゆる第2ウェル領域2bで構成されている。なお、上述したチャネル不純物領
域4aとチャネル領域4bとは、それぞれその言葉を使い分けて説明しているが、チャネ
ル不純物領域4aとは、n型の不純物が拡散されたn型不純物拡散領域のことを示し、チ
ャネル領域4bとは、n型の不純物が拡散されていないp型不純物拡散領域のことを示す
。
The
ゲート絶縁膜5は、例えば、シリコン酸化膜あるいは酸窒化膜で構成されている。ゲー
ト絶縁膜5として酸窒化膜を用いる場合は、半導体基板1上に酸化膜を形成し、更に、酸
化膜上に窒化処理を施すことで形成することができる。
The
なお、図3では、ゲート絶縁膜5は、半導体基板1上、すなわち、増幅トランジスタ2
05の第1ソース領域3a、第1ドレイン領域3b、チャネル不純物領域4a、選択トラ
ンジスタ206の第2ソース領域3c、第2ドレイン領域3d、チャネル領域4b及び層
間絶縁層7上に設けられた構成を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく
、少なくともチャネル不純物領域4a上及びチャネル領域4b上に設けられていればよい
。
In FIG. 3, the
The
第1ゲート電極6a、第2ゲート電極6bは、例えば、n型の多結晶シリコン層で構成
されている。第1ゲート電極6a及び第2ゲート電極6bは、例えば、LP−CVD法な
どによりn型の多結晶シリコン層成膜後、パターニングして形成することができる。
The
層間絶縁層7は、例えば、埋め込み酸化膜で構成されている。層間絶縁層7は、例えば
、半導体基板1にトレンチエッチングを施し、その後、酸化シリコン層を埋め込み、CM
Pにより平坦化することで形成することができる。
The interlayer insulating
It can be formed by flattening with P.
接続配線8は、例えば、Al配線を用いることができる。接続配線8は、図3に示すよ
うに、層間絶縁層7上にゲート絶縁膜5が形成されている場合は、ゲート絶縁膜5に対し
て、第1ソース領域3a及び第2ドレイン領域3dへのコンタクトホールを形成して、A
lなどをスパッタ法などにより形成してパターンニングすることで形成することができる
。
For the
It can be formed by forming l and the like by sputtering and patterning.
第1ウェル領域2aは、チャネル不純物領域4aを形成する関係上、比較的低濃度の不
純物拡散層で構成されていることが好ましい。第1ウェル領域2aの不純物濃度が高濃度
で構成されている場合は、チャネル不純物領域4aに形成されるチャネルが、表面近傍に
ポテンシャルピークを持ってしまい、低雑音化のための埋め込みチャネル化ができなくな
る場合もあり、また、増幅トランジスタのチャネル変調度(α=δΦ/δVg)が低下し
てしまうため好ましくない。
The
これに対し、第2ウェル領域2bの不純物濃度は、選択トランジスタのオフ特性を重視
して、比較的高濃度で構成されていることが好ましい。第2ウェル領域2bの不純物濃度
が低濃度で構成されている場合は、選択トランジスタのオフ特性が悪くなるので好ましく
ない。
On the other hand, it is preferable that the impurity concentration of the
すなわち、選択トランジスタ206の第2ウェル領域2bの不純物濃度は、増幅トラン
ジスタ205の第1ウェル領域2aの不純物濃度より高いほうが好ましい。すなわち、固
体撮像素子として1/f雑音を低減し、かつ、選択トランジスタのオフ特性を向上させる
ためには、半導体基板1の各々隣接した領域に、濃度の異なるウェル領域を形成しなけれ
ばならない。
That is, the impurity concentration of the
しかしながら、半導体基板1上の各々隣接した領域に、不純物濃度が異なる2つのウェ
ル領域をお互いの領域の介在無しに、単に、隣接して形成するのは実質不可能である。例
えば、図4に示すように隣接した第1ウェル領域2aと第2ウェル領域2bとの間に層間
絶縁層7を設けないで、イオン注入等により、それぞれ不純物濃度を変えた第1ウェル領
域2a及び第2ウェル領域2bを形成した場合は、不純物濃度の高い第2ウェル領域2b
から不純物濃度が低い第1ウェル領域2aへの不純物拡散が発生し、第1ウェル領域2a
の濃度が制御できなくなるため好ましくない。
However, it is practically impossible to simply form two well regions having different impurity concentrations adjacent to each other on the
Impurity diffusion from the first to the
This is not preferable because the concentration of the liquid cannot be controlled.
以上の構成を満たす増幅トランジスタ205と選択トランジスタ206は、例えば、下
記の条件で構成される。
The
・半導体基板1の不純物濃度・・・2×1015cm−3、
・第1ウェル領域2aの不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・第2ウェル領域2bの不純物濃度・・・5×1017cm−3
・n+層の表面の不純物濃度・・・1×1021cm−3、
・チャネル不純物層4aの最大不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・ゲート絶縁膜5の厚さ・・・5nm
※前記不純物濃度の測定値は、「SIMS」法による。
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of second
Impurity concentration on the surface of the n + layer: 1 × 10 21 cm −3 ,
The maximum impurity concentration of the
・ Thickness of gate insulating film 5: 5 nm
* The measured value of the impurity concentration is based on the “SIMS” method.
なお、負荷トランジスタ208についても、増幅トランジスタ205と同様な構成を備
えることがより好ましい。図5に、本実施形態に係る負荷トランジスタ208における断
面図を示す。負荷トランジスタ208は、半導体基板1内に設けられた第3ウェル領域2
cと、第3ウェル領域2c内に設けられた第3ソース領域3e及び第3ドレイン領域3f
と、第3ウェル領域2c内の第3ソース領域3eと第3ドレイン領域3fとの間に設けら
れたチャネル不純物領域4cと、チャネル不純物領域4c上に設けられたゲート絶縁膜5
と、ゲート絶縁膜5を介してチャネル不純物領域4c上に設けられた第3ゲート電極6c
とを備えている。
It is more preferable that the
c, a
A
And a
And.
半導体基板1は、p型の半導体シリコン基板で構成されている。
The
第3ウェル領域2cは、p型の半導体シリコン層(p−well(3))で構成されて
いる。この領域は、例えば、半導体基板1の表面からp型の不純物をイオン注入すること
で形成することができる。
The
第3ソース領域3e、第3ドレイン領域3fは、それぞれ高濃度のn型の不純物が拡散
されたn+層で構成されている。これらの領域は、例えば、半導体基板1の表面からn型
の不純物を高濃度にイオン注入することで形成することができる。
The
チャネル不純物領域4cは、第3ソース領域3e及び第3ドレイン領域3fよりも不純
物濃度が低いn型の不純物拡散層で構成されている。チャネル不純物領域4cは、例えば
、半導体基板1の表面からn型の不純物をイオン注入することで形成することができる。
The
ゲート絶縁膜5は、例えば、シリコン酸化膜あるいは酸窒化膜で構成されている。ゲー
ト絶縁膜5として酸窒化膜を用いる場合は、半導体基板1上に酸化膜を形成し、更に、酸
化膜上に窒化処理を施すことで形成することができる。
The
なお、図5では、ゲート絶縁膜5は、半導体基板1上、すなわち、負荷トランジスタ2
08の第3ソース領域3e、第3ドレイン領域3f、チャネル不純物領域4c上に設けら
れた構成を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも、チャネ
ル不純物領域4c上に設けられていればよい。
In FIG. 5, the
Although the structure is provided on the
第3ゲート電極6cは、例えば、n型の多結晶シリコン層で構成されている。第3ゲー
ト電極6cは、例えば、LP−CVD法などによりn型の多結晶シリコン層成膜後、パタ
ーニングして形成することができる。
The
このように、負荷トランジスタ208にもチャネル不純物領域4cを設けることで、負
荷トランジスタ208内で発生する1/f雑音も抑制することができるため、固体撮像素
子全体的な1/f雑音を低減することができ、S/Nの悪化を抑制することができる。
As described above, by providing the
以上の構成を満たす負荷トランジスタ208は、例えば、下記の条件で構成される。
The
・第3ウェル領域の不純物濃度・・・5×1016cm−3
・N+層の表面の不純物濃度・・・1×1021cm−3、
・チャネル層4bの最大不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・ゲート絶縁膜5の厚さ・・・5nm
※前記不純物濃度の測定値は、「SIMS」法による。
-Impurity concentration of the
Impurity concentration on the surface of the N + layer: 1 × 10 21 cm −3 ,
-Maximum impurity concentration of the
・ Thickness of gate insulating film 5: 5 nm
* The measured value of the impurity concentration is based on the “SIMS” method.
また、上述した第1実施形態に係る固体撮像素子は、以下に述べる効果もある。 Moreover, the solid-state imaging device according to the first embodiment described above also has the effects described below.
FD203のqv変換における変換ゲインは、FD203の容量に反比例する。垂直信
号線207におけるS/Nを低減するためには、前述した1/f雑音を低減すると共に、
この変換ゲインを大きくすることで信号電圧を増加させることも重要な要素である。
The conversion gain in the qv conversion of the
Increasing the signal voltage by increasing the conversion gain is also an important factor.
FD203は、図2に示すように、転送トランジスタ202のドレイン容量とリセット
トランジスタ204のソース容量により形成される容量である。さらに、FD203でq
v変換された信号電圧を読み出すために、増幅トランジスタ204のゲートに接続されて
いる。
As shown in FIG. 2, the
In order to read the v-converted signal voltage, it is connected to the gate of the
よって、転送トランジスタ202のドレイン容量とリセットトランジスタ204のソー
ス容量により形成される容量を制御することで、FD203は、増幅トランジスタ205
のゲート容量を低減する効果があり、その結果、FD203のqv変換ゲインを大きくし
、信号電圧を増加させ、垂直信号線207のS/Nを改善する効果もある。
Therefore, by controlling the capacitance formed by the drain capacitance of the
As a result, the qv conversion gain of the
(実施例1)
図1乃至図3に示す固体撮像素子をCMOSプロセスにより作製した。この時の図3に
示す増幅トランジスタ205及び選択トランジスタ206は、下記で構成した。
(Example 1)
The solid-state imaging device shown in FIGS. 1 to 3 was manufactured by a CMOS process. The
・半導体基板1の不純物濃度・・・2×1015cm−3
・第1ウェル領域2aの不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・第2ウェル領域2bの不純物濃度・・・5×1017cm−3
・ゲート及びソース領域3a〜3d・・・1×1021cm−3、
・チャネル層4aの最大不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・ゲート絶縁膜3の厚さ・・・5nm
以上の構成を示す固体撮像素子を動作させて、撮像特性を評価した。
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of second
Gate and
The maximum impurity concentration of the
・ Thickness of the
The solid-state imaging device having the above configuration was operated, and imaging characteristics were evaluated.
その結果、増幅トランジスタを埋め込みチャネル型にすることによりS/Nは3dB向
上し、また選択トランジスタのオフ特性は良好であり、所望の撮像特性をえることができ
た。
As a result, by making the amplifying transistor a buried channel type, the S / N was improved by 3 dB, the off characteristics of the selection transistor were good, and desired imaging characteristics could be obtained.
(比較例1)
図1乃至図3に示す固体撮像素子をCMOSプロセスにより作製した。この時の図3に
示す増幅トランジスタ205及び選択トランジスタ206は、下記で構成した。
(Comparative Example 1)
The solid-state imaging device shown in FIGS. 1 to 3 was manufactured by a CMOS process. The
・半導体基板1の不純物濃度・・・2×1015cm−3
・第1ウェル領域2aの不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・第2ウェル領域2bの不純物濃度・・・5×1016cm−3
・ゲート及びソース領域3a〜3d・・・1×1021cm−3、
・チャネル層4aの最大不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・ゲート絶縁膜3の厚さ・・・5nm
以上の構成を示す固体撮像素子を動作させて、撮像特性を評価した。
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of the
Impurity concentration of second
Gate and
The maximum impurity concentration of the
・ Thickness of the
The solid-state imaging device having the above configuration was operated, and imaging characteristics were evaluated.
その結果、選択行の画素において飽和相当の信号が発生した場合、非選択行の飽和して
いない増幅トランジスタを介した電流が流れてしまい、信号線には飽和(0[V])より
も高い電圧が発生してしまい、結果的に飽和電圧が低下することになりダイナミックレン
ジが低下してしまった。
As a result, when a signal corresponding to saturation is generated in the pixel in the selected row, a current flows through the non-saturated amplification transistor in the non-selected row, and the signal line is higher than saturation (0 [V]). A voltage is generated, resulting in a decrease in saturation voltage and a decrease in dynamic range.
(比較例2)
図1乃至図3に示す固体撮像素子をCMOSプロセスにより作製した。この時の図3に
示す増幅トランジスタ205及び選択トランジスタ206は、下記で構成した。
(Comparative Example 2)
The solid-state imaging device shown in FIGS. 1 to 3 was manufactured by a CMOS process. The
・半導体基板1の不純物濃度・・・2×1015cm−3
・第1ウェル領域2aの不純物濃度・・・5×1017cm−3、
・第2ウェル領域2bの不純物濃度・・・5×1017cm−3
・ゲート及びソース領域3a〜3d・・・1×1021cm−3、
・チャネル層4aの最大不純物濃度・・・5×1016cm−3、
・ゲート絶縁膜3の厚さ・・・5nm
以上の構成を示す固体撮像素子を動作させて、撮像特性を評価した。
-Impurity concentration of the
-Impurity concentration of the
Impurity concentration of second
Gate and
The maximum impurity concentration of the
・ Thickness of the
The solid-state imaging device having the above configuration was operated, and imaging characteristics were evaluated.
その結果、選択トランジスタのオフ特性は十分であり、撮像特性は正常であったが、増
幅トランジスタのチャネルが埋め込みチャネル型にならず、S/Nは向上せず、さらに、
増幅トランジスタのチャネル変調度(α=δΦ/δVg)が低下してしまうことでデバイ
ス感度が低下してしまった。
As a result, the off characteristics of the selection transistor were sufficient and the imaging characteristics were normal, but the channel of the amplification transistor was not a buried channel type, the S / N was not improved,
The device sensitivity is reduced due to a decrease in the channel modulation degree (α = δΦ / δVg) of the amplification transistor.
(その他)
実施例1よりも、第1ウェル領域2aの不純物濃度が高い場合は、増幅トランジスタの
チャネルが埋め込みチャネル型にならず、S/Nは向上せず、さらに、増幅トランジスタ
のチャネル変調度(α=δΦ/δVg)が低下してしまうことでデバイス感度が低下して
しまった。
(Other)
When the impurity concentration of the
実施例1よりも、第2ウェル領域2bの不純物濃度が低い場合は、選択トランジスタの
オフ特性が不十分であり、非選択状態である「選択トランジスタゲート電圧=0[V]」
の状態においても選択トランジスタのチャネル電位は0[V]よりも高く、その結果、選
択行の画素において飽和相当の信号が発生した場合、非選択行の飽和していない増幅トラ
ンジスタを介した電流が流れてしまい、信号線には飽和(0[V])よりも高い電圧が発
生してしまい、結果的に飽和電圧が低下することになりダイナミックレンジが低下してし
まった。
When the impurity concentration of the
Even in this state, the channel potential of the selected transistor is higher than 0 [V]. As a result, when a signal corresponding to saturation is generated in the pixel of the selected row, the current through the unsaturated amplifying transistor in the unselected row is As a result, a voltage higher than saturation (0 [V]) is generated on the signal line. As a result, the saturation voltage is lowered and the dynamic range is lowered.
1 半導体基板
2a 第1ウェル領域
2b 第2ウェル領域
3a 第1ソース領域
3b 第1ゲート領域
3c 第2ソース領域
3d 第2ゲート領域
3e 第3ソース領域
3f 第3ゲート領域
4a チャネル不純物領域
4b チャネル領域
4c チャネル不純物領域
5 ゲート絶縁膜
6a 第1ゲート電極
6b 第2ゲート電極
6c 第3ゲート電極
7 層間絶縁層
8 接続配線
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記半導体基板上に設けられ、光電変換を行う光電変換画素が複数配置された撮像領域
と、
前記撮像領域から出力された信号電荷の雑音を除去するCDS回路と、を備え、
前記光電変換画素は、
光電変換を行う光電変換素子と、
前記光電変換素子に接続された転送トランジスタと、
前記転送トランジスタに接続されたリセットトランジスタ及び増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに直列接続された選択トランジスタと、を備え、
前記増幅トランジスタは、
前記半導体基板内に設けられた第1導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域内に設けられた第2導電型の第1ソース領域及び第1ドレイン領域
と、
前記第1ウェル領域内の前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間に設けられ
、前記第1ソース領域及び前記第1ドレイン領域よりも不純物濃度が低い第2導電型の第
1チャネル不純物領域と、
少なくとも前記第1チャネル不純物領域上に設けられた第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜を介して前記第1チャネル不純物領域上に設けられた第1ゲート
電極と、を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板内に設けられた第1導電型の第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域内に設けられた第2導電型の第2ソース領域及び第2ドレイン領域
と、
前記第2ウェル領域内の前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域との間に設けられ
た第1導電型のチャネル領域と、
少なくとも前記チャネル領域上に設けられた第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜を介して前記チャネル領域上に設けられた第2ゲート電極と、を
備え、
前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との間の前記半導体基板内には絶縁層が設け
られ、前記絶縁層上には、前記第1ソース領域と前記第2ドレイン領域とを電気的に接続
する接続部が設けられ、前記第1ウェル領域の不純物濃度よりも前記第2ウィル領域の不
純物濃度が高いことを特徴とする固体撮像素子。 A semiconductor substrate;
An imaging region provided on the semiconductor substrate and provided with a plurality of photoelectric conversion pixels for performing photoelectric conversion;
A CDS circuit for removing noise of signal charges output from the imaging region,
The photoelectric conversion pixel is
A photoelectric conversion element that performs photoelectric conversion;
A transfer transistor connected to the photoelectric conversion element;
A reset transistor and an amplification transistor connected to the transfer transistor;
A selection transistor connected in series to the amplification transistor,
The amplification transistor is
A first conductivity type first well region provided in the semiconductor substrate;
A first source region and a first drain region of a second conductivity type provided in the first well region;
A second channel of a second conductivity type provided between the first source region and the first drain region in the first well region and having an impurity concentration lower than that of the first source region and the first drain region; An impurity region;
A first gate insulating film provided on at least the first channel impurity region;
A first gate electrode provided on the first channel impurity region via the first gate insulating film,
The selection transistor is:
A second well region of a first conductivity type provided in the semiconductor substrate;
A second source region and a second drain region of a second conductivity type provided in the second well region;
A channel region of a first conductivity type provided between the second source region and the second drain region in the second well region;
A second gate insulating film provided on at least the channel region;
A second gate electrode provided on the channel region via the second gate insulating film,
An insulating layer is provided in the semiconductor substrate between the first well region and the second well region, and the first source region and the second drain region are electrically connected to the insulating layer. A solid-state imaging device comprising a connecting portion to be connected, wherein the impurity concentration of the second Will region is higher than the impurity concentration of the first well region.
前記負荷トランジスタは、
前記半導体基板内に設けられた第1導電型の第3ウェル領域と、
前記第3ウェル領域内に設けられた第2導電型の第3ソース領域及び第3ドレイン領域
と、
前記第3ウェル領域内の前記第3ソース領域と前記第3ドレイン領域との間に設けられ
、前記第3ソース領域及び前記第3ドレイン領域よりも不純物濃度が低い第2チャネル不
純物領域と、
少なくとも前記第2チャネル不純物領域上に設けられた第3ゲート絶縁膜と、
前記第3ゲート絶縁膜を介して前記第2チャネル不純物領域上に設けられた第3ゲート
電極と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 A load transistor connected to the selection transistor and the CDS circuit;
The load transistor is
A third well region of a first conductivity type provided in the semiconductor substrate;
A third source region and a third drain region of the second conductivity type provided in the third well region;
A second channel impurity region provided between the third source region and the third drain region in the third well region and having an impurity concentration lower than that of the third source region and the third drain region;
A third gate insulating film provided on at least the second channel impurity region;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a third gate electrode provided on the second channel impurity region via the third gate insulating film.
項1又は2に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the connection portion is a connection wiring provided on the gate insulating film.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006185776A JP2008016612A (en) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | Solid-state image sensing element |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006185776A JP2008016612A (en) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | Solid-state image sensing element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008016612A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9667893B2 (en) | 2013-11-19 | 2017-05-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Noise removing device and imaging device |
JP2019033399A (en) * | 2017-08-08 | 2019-02-28 | ローム株式会社 | Differential circuit |
WO2020017115A1 (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging element and imaging device |
-
2006
- 2006-07-05 JP JP2006185776A patent/JP2008016612A/en active Pending
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US11558571B2 (en) | 2018-07-19 | 2023-01-17 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Solid-state imaging element and imaging device |
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