JP2012191146A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、画素領域のトランジスタにシリサイドが形成された固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device in which silicide is formed in a transistor in a pixel region.
MOS(Metal Oxide Semiconductor)型固体撮像装置は、フォトダイオードにより検出された信号を増幅するMOSトランジスタを各画素に備えているため、CCD(Charge Coupled Device)型固体撮像装置と比較して高感度である。 Since a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type solid-state imaging device has a MOS transistor for amplifying a signal detected by a photodiode in each pixel, it has higher sensitivity than a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device. is there.
近年、固体撮像装置の画像読み取り速度の向上が求められている。画像読み取り速度を向上するために、トランジスタのゲート及びソース/ドレインに高融点金属を含む半導体化合物(シリサイド)を自己整合的に形成して、CMOSロジック回路における寄生抵抗を低減している。 In recent years, improvement in image reading speed of a solid-state imaging device has been demanded. In order to improve the image reading speed, a semiconductor compound (silicide) containing a refractory metal is formed in a self-aligned manner at the gate and source / drain of the transistor to reduce parasitic resistance in the CMOS logic circuit.
従来のMOS型固体撮像装置について図6及び図7を参照しながら説明する。図6(a)及び(b)に示すように、従来の固体撮像装置の画素領域100には、複数の単位画素110が二次元状に配列されている。それぞれの単位画素110は、フォトダイオード111、転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114及び選択トランジスタ115により構成されている。感光領域100の周囲には、列方向に画素を選択する垂直シフトレジスタ120、行方向に画素を選択する水平シフトレジスタ130、及び垂直シフトレジスタ120と水平シフトレジスタ130に必要なパルスを供給するタイミング発生回路140等のタイミング回路が設けられている。
A conventional MOS type solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 6A and 6B, a plurality of
このようなMOS型固体撮像装置を高速動作させるために、画素を構成するトランジスタに、CMOSロジック回路等に用いられている高融点金属を含むシリサイドが形成された構成が用いられている。しかしながら、フォトダイオードの上にシリサイドを形成すると、接合リーク電流が増大して撮像特性が劣化することが知られている。そこで、図7に示すように、フォトダイオードの拡散層201の上にはシリサイド210を形成せず、画素を構成するトランジスタのゲート202及びソース/ドレイン203にはシリサイド210を形成することにより、高速で且つリーク電流を低減できる構成が、特許文献1等に提示されている。
In order to operate such a MOS type solid-state imaging device at high speed, a configuration in which a silicide including a refractory metal used in a CMOS logic circuit or the like is formed in a transistor constituting a pixel is used. However, it is known that when silicide is formed on a photodiode, the junction leakage current increases and the imaging characteristics deteriorate. Therefore, as shown in FIG. 7, the
一般に、シリサイドを形成するプロセスは、シリコン基板の上に高融点金属膜を堆積した後に高温処理を行い、シリコン基板と接触する部分にのみ選択的にシリサイドを形成する工程からなる。この際に、シリコン基板の上に自然酸化膜が形成されていると、シリサイドの形成が抑制されて抵抗が増大することとなる。このため、シリコン基板の上に高融点金属膜を堆積する直前に、高融点金属膜を堆積させる装置内でアルゴンプラズマを用いたクリーニングをシリコン基板に対して行う。自然酸化膜を除去した後に、真空状態でシリコン基板の上に高融点金属膜を堆積することにより、シリコン基板の上に自然酸化膜が形成されることを防止できる。しかしながら、プラズマクリーニング処理により、シリコン基板へのダメージが増大する。 In general, the process of forming a silicide includes a process of performing a high temperature treatment after depositing a refractory metal film on a silicon substrate and selectively forming a silicide only on a portion in contact with the silicon substrate. At this time, if a natural oxide film is formed on the silicon substrate, formation of silicide is suppressed and resistance increases. For this reason, immediately before depositing the refractory metal film on the silicon substrate, cleaning using argon plasma is performed on the silicon substrate in an apparatus for depositing the refractory metal film. After removing the natural oxide film, a refractory metal film is deposited on the silicon substrate in a vacuum state, thereby preventing the natural oxide film from being formed on the silicon substrate. However, the plasma cleaning process increases damage to the silicon substrate.
図8に示すように、ダメージを受けたシリコン基板301の上に形成された画素領域内トランジスタ302の拡散層(ソース/ドレイン部)304の上に高融点金属膜303を形成し、熱処理を行うと、高融点金属膜303は拡散層304を突き抜けるようにシリコン基板301中に異常拡散(スパイク305)する。画素領域内トランジスタ302の拡散層304にスパイク305が発生した場合には、約5×10−16A/μmのリーク電流により画像欠陥である白キズが生じ、また、フレーム毎の出力が変化するランダムテレグラフシグナル(random telegraph signal:RTS)ノイズが発生するおそれがある。
As shown in FIG. 8, a
図9は一般的な固体撮像装置の画素アレイのレイアウトを示しており、半導体基板にフォトダイオードが形成され、そこにシリサイドが形成されていない拡散層401、シリサイドが形成された拡散層402、及びポリシリコンからなるゲートパターン403が形成されている。拡散層401、402は、それぞれSTI(shallow trench isolation)により素子分離されている。スパイクは、ゲートパターン403に一端側のみが接する拡散層402のうち、ゲートパターン403から拡散層402のゲートパターン403と反対側の端部までの距離で定義されるフィンガー長404が比較的長い領域405において発生する。
FIG. 9 shows a layout of a pixel array of a general solid-state imaging device. A photodiode is formed on a semiconductor substrate, a
そこで、白キズ及びRTSノイズを防止するために、このようなスパイクによるリーク電流を抑制する必要がある。 Therefore, in order to prevent white scratches and RTS noise, it is necessary to suppress leakage current due to such spikes.
本発明は前記の問題に鑑み、その目的は、接合リーク電流が生じる原因となるシリサイド材料のスパイクを防止して、画像欠陥である白キズ及びRTSノイズを低減できるようにすることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent white flaws and RTS noise, which are image defects, by preventing a spike of a silicide material that causes a junction leakage current.
前記の目的を達成するために、本発明は固体撮像装置を、トランジスタの拡散層の近傍にダミーパターンが形成された構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a solid-state imaging device has a configuration in which a dummy pattern is formed in the vicinity of a diffusion layer of a transistor.
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、シリコンからなる半導体基板の上に形成され、入射光を光電変換するフォトダイオード、フォトダイオードで得られた信号を転送するための転送トランジスタ、及び信号を増幅するための画素内トランジスタを含む複数の単位画素が一次元状又は二次元状に配列された感光領域を備え、画素内トランジスタは、ゲートパターンとシリサイドが形成された拡散層とを含み、半導体基板の上において、拡散層の表面の少なくとも一辺の近傍にダミーパターンが形成されている。 Specifically, a solid-state imaging device according to the present invention is formed on a silicon semiconductor substrate and photoelectrically converts incident light, a transfer transistor for transferring a signal obtained by the photodiode, and a signal A plurality of unit pixels including an in-pixel transistor for amplifying the light source, each of which includes a photosensitive region arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner, the in-pixel transistor including a gate pattern and a diffusion layer formed with a silicide, On the semiconductor substrate, a dummy pattern is formed in the vicinity of at least one side of the surface of the diffusion layer.
本発明の固体撮像装置によると、拡散層の表面の少なくとも一辺の近傍にシリコンからなるダミーパターンが形成されているため、接合リーク電流が生じる原因となるシリサイド材料のスパイクを防止し、画像欠陥である白キズ及びRTSノイズを低減できる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, since a dummy pattern made of silicon is formed in the vicinity of at least one side of the surface of the diffusion layer, it is possible to prevent a silicide material spike that causes a junction leakage current and prevent image defects. Certain white scratches and RTS noise can be reduced.
本発明に係る固体撮像装置において、ゲートパターンから拡散層のゲートパターンと反対側の端部までの長さは、ゲートパターンの高さの2倍以下であることが好ましい。 In the solid-state imaging device according to the present invention, it is preferable that the length from the gate pattern to the end of the diffusion layer opposite to the gate pattern is not more than twice the height of the gate pattern.
本発明に係る固体撮像装置によると、接合リーク電流が生じる原因となるシリサイド材料のスパイクを防止して、画像欠陥である白キズ及びRTSノイズを低減できる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, it is possible to prevent a silicide material spike that causes a junction leakage current, and to reduce white defects and RTS noise that are image defects.
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置について図1〜図5を参照しながら説明する。図1に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置では、シリコンからなる半導体基板に形成された画素領域(感光領域)10には、複数の単位画素が二次元状に配列されている。それぞれの単位画素には、入射光を光電変換するフォトダイオード、該フォトダイオードで得られた信号を転送するための転送トランジスタ、及び転送された信号を増幅する画素内トランジスタが形成されている。画素領域10のうち、フォトダイオードにはシリサイドが形成されていない複数の拡散層11が形成されている。拡散層11同士の間であり、画素内トランジスタが形成されている領域Aには、シリサイドが上部に形成された複数の拡散層12が形成され、拡散層12同士の間には膜厚が約180nmのポリシリコンからなるゲートパターン13が形成されている。拡散層11、12は、それぞれSTIにより素子分離されている。この拡散層12の最小拡散層幅W1は約0.33μmであり、拡散層11と拡散層12との間の最小素子分離幅W2は約0.22μmである。本実施形態におけるシリサイドの形成は、まず、約0.067Paの圧力下において約145Vの負電圧であるDCバイアス条件でアルゴンプラズマを用いたクリーニングを半導体基板に対して行った後に、コバルトを半導体基板の上に約10nmの厚さで堆積する。この後に、約440℃で1回目のアニールを60秒間行い、シリコン基板の上の未反応のコバルトを選択除去した後、約750℃で2回目のアニールを30秒間行うことによりシリサイドが形成される。シリサイドが形成された拡散層12の表面の少なくとも一辺に隣接するSTI領域に例えばポリシリコン等のシリコン材料からなるダミーパターン(ポリシリコンパターン)14が形成されている。
A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of unit pixels are two-dimensionally arranged in a pixel region (photosensitive region) 10 formed on a silicon semiconductor substrate. In each unit pixel, a photodiode for photoelectrically converting incident light, a transfer transistor for transferring a signal obtained by the photodiode, and an in-pixel transistor for amplifying the transferred signal are formed. In the
一般に、高融点金属を含むシリサイドを形成する場合には、シリコンからなる半導体基板の上の自然酸化膜を除去するために、高融点金属膜を半導体基板に堆積する前に、半導体基板に対してプラズマクリーニングが行われる。このプラズマクリーニングは、基板面に対して45°程度傾いた方向へのエッチング効果が大きいことが知られている。このため、半導体基板のうち、ゲートパターン13から一定の距離(概ねゲートパターン13の高さの2倍以上)をおいた領域に微小なダメージが形成され易い。その結果、シリサイド形成のための熱処理を行う際に、高融点金属が半導体基板内に異常拡散してスパイクが発生する。 In general, when a silicide containing a refractory metal is formed, before the refractory metal film is deposited on the semiconductor substrate, the semiconductor substrate is removed in order to remove a natural oxide film on the semiconductor substrate made of silicon. Plasma cleaning is performed. This plasma cleaning is known to have a large etching effect in a direction inclined by about 45 ° with respect to the substrate surface. For this reason, minute damage is likely to be formed in a region of the semiconductor substrate at a certain distance from the gate pattern 13 (approximately twice or more the height of the gate pattern 13). As a result, when the heat treatment for forming the silicide is performed, the refractory metal abnormally diffuses in the semiconductor substrate and a spike is generated.
図2に示すように、プラズマクリーニングの際のDCバイアスを低減することにより、画像欠陥の原因となる5×10−16A/μm以上のリーク電流を引き起こすスパイクの発生率を軽減することができる。しかしながら、クリーニング効果を維持するために、DCバイアスを下げることが可能な範囲に限界(図中のa)があり、スパイクの十分な改善効果が期待できない。 As shown in FIG. 2, by reducing the DC bias at the time of plasma cleaning, it is possible to reduce the incidence of spikes that cause a leakage current of 5 × 10 −16 A / μm or more that causes image defects. . However, in order to maintain the cleaning effect, there is a limit (a in the figure) in the range in which the DC bias can be lowered, and a sufficient improvement effect of spikes cannot be expected.
そこで、本実施形態においては、シリサイド化する拡散層に隣接した素子分離上にポリシリコンパターン14を設けた。これによりプラズマクリーニングの際に、基板面に対して45°程度の角度で半導体基板に入射されるイオンがポリシリコンパターン14に妨げられるため、半導体基板が受けるダメージを低減することができ、スパイクの発生を大幅に低減することができる。本実施形態においては、拡散層から約150nm離れた位置の1箇所に幅が約0.1μmのポリシリコンパターン14を配置することにより効果が得られる。なお、図1では、ポリシリコンパターン14は拡散層12と同じ長さで図示されているが、拡散層12よりも長くても構わない。
Therefore, in the present embodiment, the
図3に示すように、ゲートパターン13から拡散層12のゲートパターン13と反対側の端部までの距離(フィンガー長)を短くすることにより、プラズマクリーニングの際に、半導体基板がダメージを受ける領域を少なくしてスパイク発生率を低減できる。また、拡散層12の近傍にポリシリコンパターン14を配置していない場合と比較して、拡散層12の近傍にポリシリコンパターンを配置した場合では、よりスパイク発生率を低減でき、フィンガー長を所定の長さb以下にすることにより、スパイクを完全に防止することも可能である。本実施形態においては、拡散層12から約150nm離れた位置の1箇所に幅が約0.1μmのポリシリコンパターン14を配置し、フィンガー長をゲートパターン13の高さの2倍以下となる350nm以下にすることにより、スパイクが発生することを防止できる。
As shown in FIG. 3, by shortening the distance (finger length) from the
次に、スパイクの発生を防止する効果があるポリシリコンパターンの形成のレイアウトについて図4及び図5を参照しながら説明する。 Next, a layout for forming a polysilicon pattern having an effect of preventing the occurrence of spikes will be described with reference to FIGS.
図4(a)に示すように、トランジスタの拡散層12の両側にポリシリコンパターン14を形成してもよい。また、図4(b)に示すように、トランジスタの拡散層12の表面の3辺の近傍にポリシリコンパターン14を形成してもよい。
As shown in FIG. 4A,
また、図4(a)及び(b)は、ポリシリコンパターン14が、拡散層12に平行に形成される場合を示しているが、図5に示すように、ポリシリコンパターン14は、必ずしも拡散層12に平行でなくてもよい。
4A and 4B show the case where the
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置によると、プラズマクリーニングによる半導体基板が受けるダメージが低減され、スパイクを防止することができる。その結果、高感度な固体撮像装置を高い製造歩留まりで形成することができる。 According to the solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, damage to the semiconductor substrate due to plasma cleaning is reduced, and spikes can be prevented. As a result, a highly sensitive solid-state imaging device can be formed with a high manufacturing yield.
なお、本実施形態では、STIによる素子分離を対象としているが、LOCOS(local oxidation of sillicon)による素子分離の場合にも適用できる。 In this embodiment, element isolation by STI is targeted, but it can also be applied to element isolation by LOCOS (local oxidation of silicon).
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。本発明の特徴は、スパイクの発生による白キズが増大しない範囲で、後にシリサイドを形成する拡散層に隣接するSTI領域にポリシリコンパターンを配置し、且つフィンガー長を短くすることである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention. A feature of the present invention is that a polysilicon pattern is disposed in an STI region adjacent to a diffusion layer where a silicide is to be formed later, and a finger length is shortened within a range in which white scratches due to spikes do not increase.
従って、その技術的思想を逸脱しない範囲において、上述のレイアウトを他の同等のレイアウトに置換することは可能である。 Therefore, it is possible to replace the above-mentioned layout with another equivalent layout without departing from the technical idea.
また、本発明は、MOS型固体撮像装置の製造に特に適するが、画素領域内にシリサイドを形成するトランジスタを備える全ての固体撮像装置に適用することができる。拡散層のレイアウトを上述のレイアウトと同一にすることにより、高感度の固体撮像装置を得ることが可能となる。 In addition, the present invention is particularly suitable for manufacturing a MOS solid-state imaging device, but can be applied to all solid-state imaging devices including a transistor that forms silicide in a pixel region. By making the layout of the diffusion layer the same as that described above, a highly sensitive solid-state imaging device can be obtained.
本発明に係る固体撮像装置は、画像欠陥である白キズ及びRTSノイズを低減でき、特に、画素領域のトランジスタにシリサイド構造が形成された固体撮像装置等に有用である。 The solid-state imaging device according to the present invention can reduce white defects and RTS noise, which are image defects, and is particularly useful for a solid-state imaging device in which a silicide structure is formed in a transistor in a pixel region.
10 画素領域(感光領域)
11 (シリサイドが形成されていない)拡散層
12 (シリサイドが形成された)拡散層
13 ゲートパターン
14 ポリシリコンパターン(ダミーパターン)
10 pixel area (photosensitive area)
11 Diffusion layer 12 (silicide is not formed) Diffusion layer 13 (silicide is formed) 13
Claims (2)
前記画素内トランジスタは、ゲートパターンと上部にシリサイドが形成された拡散層とを含み、
前記半導体基板の上において、前記拡散層の表面の少なくとも一辺の近傍にダミーパターンが形成されていることを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photodiodes formed on a semiconductor substrate made of silicon and including a photodiode for photoelectrically converting incident light, a transfer transistor for transferring a signal obtained by the photodiode, and an in-pixel transistor for amplifying the signal Comprising a photosensitive region in which the unit pixels are arranged one-dimensionally or two-dimensionally,
The in-pixel transistor includes a gate pattern and a diffusion layer having silicide formed thereon,
A solid-state imaging device, wherein a dummy pattern is formed in the vicinity of at least one side of the surface of the diffusion layer on the semiconductor substrate.
Priority Applications (1)
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JP2011055771A JP2012191146A (en) | 2011-03-14 | 2011-03-14 | Solid-state imaging device |
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