JP2016526791A - フォトダイオード - Google Patents
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Abstract
本発明は、第一型の基板を備えるフォトダイオードを提供する。第一型の基板内に、第二型のドーピングウェル及び第二型のドーピング領域が備われ、且つ、第二型のドーピングウェルを取り囲むが第二型のドーピングウェルに接触しない分離層が形成される。第二型のドーピング領域が、第二型のドーピングウェル内に形成され、且つ第二型のドーピングウェルの表面から延びる。保護層が第一型の基板を覆う。接触導体が保護層を貫通して、接触層及び導電条を備える。この接触層が当該導電条の一端に形成され、且つ第二型のドーピング領域に接触して接続される。従来技術に比べて、本発明は、フォトダイオードの分離領域が第二型のドーピングウェルに接触しないことにより、分離層と活性領域の間のインターフェースにおける欠陥による暗電流の干渉を回避する。
Description
本発明は、画像センサに関し、特に、フォトダイオードに関する。
相補形金属酸化膜半導体（CMOS）画像センサは、主に、フォトダイオードを備えるアクティブ画像マトリクス（active pixel matrix）または画像センサセル（image sensor cell）マトリクスを備えており、これらの二種のマトリクスは、入射した画像光エネルギーをデジタル信号に変換することができる。従来の画像センサセル（image sensor cell）は、光強度を検出するフォトダイオード（photodiode）及び隣接するトランジスタを備えている。
上記トランジスタ及び周辺領域における他の付加デバイスは、制御・信号処理回路及び周辺の論理回路を備え、フォトダイオードタイプの相補形金属酸化膜半導体画像センサ（photodiode-type CMOS image sensor）を構成する。このため、製造コスト及びプロセスの複雑さを低減するために、フォトダイオードタイプの相補形金属酸化膜半導体画像センサの周辺における回路及び主な領域内における画像センサセルのトランジスタは、同一のプロセスステップで形成されている。
しかしながら、上記方法は、通常、主な光検出領域内における画像センサセルのトランジスタの電気的性質の不良を招く。具体的には、半導体と酸化層のインターフェースには、シリコンダングリングボンド欠陥（Si dangling bond defect）に起因して、表面再結合センター（recombination center）が生じ、デバイスの少数キャリアの寿命が低減され、漏れ電流が生じる。そして、自己整合シリサイド（self-aligned silicidation）及び周辺の回路（例えば、CMOS論理回路）のゲートとドレイン／ソースが形成される際に、この自己整合珪化物は同時にフォトダイオードの表面に形成されるため、上記欠陥は一層ひどくなる。このように、画像センサセルに暗電流（dark current）が生じ、さらに、信号／騒音（S/N or SNR, Signal-to-noise ratio）の比率が低減され、センサ装置の品質に影響を及ぼすことを招く。
半導体プロセス技術の進歩に伴い、相補形金属酸化膜半導体（CMOS、complementary metal oxide semiconductor）デバイスプロセス技術がデバイス縮小及び高精度を要求する場合、デバイスの間の干渉がますます明らかになるので、デバイスの間の絶縁のための浅溝槽分離（STI、shallow trench isolation）はますます大切になる。周知のフォトダイオードでは、フォトダイオードを取り囲む分離層と活性領域の間のインターフェースにおける欠陥は、暗電流を招く恐れがあり、フォトダイオードの側面部分の周辺にあるまたはシリコン基板に隣接するシリコンダングリングボンドも暗電流を招く恐れがある。つまり、入射光がない場合、表面物理学によって、フォトダイオードを取り囲むインターフェース部分には、ダングリングボンドが形成されており、キャリアがインターフェースを移動する際に、あるキャリアがランダムに捕えられ、そして、このエネルギーレベルで放出され、暗電流が生じることを招くことにより、画像センサによって取り込まれる画像の品質は悪くなる。
本発明は、レイアウト（layout）の設計により、分離層を井戸領域から一定の距離で離して設置することにより、フォトダイオードの分離層が高応力で隣接するＮ型の井戸格子の転位を招き、漏れ電流(Leakage Current)が生じる従来技術の問題を解決することを目的とする。
本発明は、上表面を備える第一型の基板と、前記第一型の基板内に形成され、前記第一型の基板に隣接する面領域がＰＮ接合インターフェースである第二型のドーピングウェルと、前記第二型のドーピングウェル内に形成され、且つ前記第二型のドーピングウェルの表面から延びる第二型のドーピング領域と、前記第一型の基板内に形成され、且つ第二型のドーピングウェルに接触しない分離領域と、前記第一型の基板の上表面に形成され、且つ前記第二型のドーピングウェル及び前記第二型のドーピング領域を覆う保護層と、前記保護層を貫通して、接触層及び導電条を備え、前記接触層が当該導電条の一端に形成され、且つ前記第二型のドーピング領域に接触して接続される接触導体と、を備えるフォトダイオードである。
具体的には、前記第一型の基板がＰ型の基板である。
具体的には、前記第二型のドーピングウェルが相対的に低い濃度でドーピングされ、前記第二型のドーピング領域が相対的に高い濃度でドーピングされる。
具体的には、前記接触層が金属シリサイド層である。
具体的には、前記分離領域が窒化珪素または二酸化珪素である。
具体的には、前記分離領域が選択酸化層、浅溝槽分離層またはフィールド酸化層である。
具体的には、前記保護層が透明導電酸化物層及びポリシリコン層を備え、前記透明導電酸化物層が前記ポリシリコン層の上に設置される。
具体的には、前記ポリシリコン層の厚さが０．１μｍである。
具体的には、前記ポリシリコン層が前記第一型の基板に電気的に接続される。
具体的には、前記接触導体が接触プラグである。
従来技術に比べて、本発明は、フォトダイオードの分離領域が第二型のドーピングウェルに接触しないことにより、分離層と活性領域の間のインターフェースにおける欠陥による暗電流の干渉を回避する。
以下に、本発明の実施形態における図面を参照しながら、本発明の実施形態による技術手段を明瞭に、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態によるフォトダイオードの上面図であり、図２は、図１におけるＡ-Ａ線に沿った断面概略図である。本発明のフォトダイオード１００は、第一型の基板１０２、第二型のドーピングウェル１１８、第二型のドーピング領域１１９、空乏領域１０９、ＰＮ接合インターフェース１０７、分離領域１０６、接触層１２０、接触導体１０３及び保護層（図示せず）を備える。第一型の基板１０２は、光線入射面である上表面を備え、上記保護層がこの第一型の基板１０２の上表面に形成される。第二型のドーピングウェル１１８は、第一型の基板１０２内に形成され、第一型の基板１０２における第二型のドーピングウェル１１８に隣接する面領域がＰＮ接合インターフェース１０７を形成する。第二型のドーピング領域１１９は、第二型のドーピングウェル１１８内に形成され、且つ、第二型のドーピングウェル１１８の表面から延び、第二型のドーピングウェル１１８の表面に露出する。上記接触導体１０３は、接触プラグである。
一実施形態では、上記第一型の基板１０２がＰ型の基板であり、第二型のドーピングウェル１１８がＮ型のドーピングウェルである。第二型のドーピング領域１１９は、第二型のドーピングウェル１１８の表面に設置され、相対的に高い濃度のＮ型のドーピング領域である。
上記空乏領域１０９は、図面における破線で囲まれた領域であり、この領域が第一型の基板１０２の第二型のドーピングウェル１１８に隣接するＰＮ接合インターフェース１０７の周辺領域に限定される。
上記第一型の基板１０２内には、フォトダイオード１００の分離素子であり且つ第二型のドーピングウェル１１８に接触しない分離領域１０６が備わる。具体的には、本発明の分離領域１０６と第二型のドーピング領域１１９との間には、間隔領域２１２が備わり、当該間隔領域２１２は、空乏領域１０９が覆う領域の一部であり、間隔領域２１２の内部構造が空乏領域１０９の内部構造が同じである。このため、本発明の実施形態によれば、分離領域１０６を第二型のドーピング領域１１９と分離して設置し、つまり、分離領域１０６が第一型の基板１０２の第二型のドーピングウェル１１８に隣接するＰＮ接合インターフェース１０７に接触することなく、分離領域１０６が空乏領域１０９の側面から拡散する範囲を限定するフォトダイオード１００を提供する。そのうち、分離領域１０６は、窒化珪素または二酸化珪素からなり、且つ、選択酸化（LOCOS、local oxidation of silicon）、浅溝槽分離（STI、shallow trench isolation）及びフィールド酸化（FOX、field oxide）等のプロセスで形成された分離層であってもよい。
上記保護層は、第二型のドーピングウェル１１８及び第二型のドーピング領域１１９を覆う。第一型の基板１０２の上表面には、接触導体１０３が更に形成され、この接触導体１０３が接触層１２０及び導電条（図示せず）を備え、接触層１２０が当該導電条の他端に形成される。接触導体１０３は、保護層を貫通して第二型のドーピング領域１１９に接触する際に、導電条の下端にある接触層１２０を介して第二型のドーピング領域１１９に接触し且つ電気的に接続される。
このため、第二型のドーピングウェル１１８の上表面が光子を吸収する場合、空乏領域１０９内の多数の電子−正孔対が光子のエネルギーを吸収し始め、そして、電子−正孔対の電子と正孔が離れ、電流が生じる。分離領域１０６は、電流が生じる領域を限定するためのものであり、生じた電流が、第二型のドーピング領域１１９に設置される接触導体１０３を介してCMOS回路にガイドされる。
図３を参照すると、上記分離領域１０６が第二型のドーピング領域１１９と分離して設置されるため、分離領域１０６と第二型のドーピング領域１１９との間には、間隔領域２１２が形成される。一実施形態では、間隔領域２１２の幅範囲が５０μｍ以上であってもよい。このように、分離領域１０６が第二型のドーピング領域１１９に接触しないため、エッチング（etching）、化学機械研磨（CMP）及び低圧化学蒸着（LPCVD）等の分離プロセスにより分離領域１０６が溝槽側壁構造を損害し、構造の機械的応力（mechanical stress）により転位（dislocation）等の欠陥が生じ、隣接するＮ型井戸における格子漏れ電流が増加する問題を招く。
図３を参照すると、本発明の一実施形態では、第一型の基板１０２内に分離領域１０６が形成された後、且つ、イオン注入（ion implantation）が行われる前に、不動態化層２１３が設置される。この不動態化層２１３は、間隔領域２１２及び分離領域１０６に設置され、以後のイオン注入マスクとして、イオン注入時の不純物が分離領域１０６と第二型のドーピング領域１１９との間の間隔領域２１２に進入することを防止する。このように、イオン注入不純物が誘電材料に拡散し、汚染と破壊が生じ、分離領域１０６と第二型のドーピング領域１１９との間に漏れ電流が生じる問題を低減できる。
図２を参照すると、本発明は、第一型の基板１０２の上表面に保護層（図示せず）が形成され、保護層が第二型のドーピングウェル１１８及び第二型のドーピング領域１１９を覆うフォトダイオード１００を提供する。接触導体１０３が接触層１２０及び導電条（図示せず）を備え、接触層１２０が導電条の他端に形成される。接触導体１０３は、保護層を貫通して第二型のドーピング領域１１９に接触する際に、導電条の下端にある接触層１２０を介して第二型のドーピング領域１１９に接触して電気的に接続される。
上記接触層１２０は、自己整合シリサイドプロセスで製造された金属シリサイド層であり、種々の種類の金属、例えば、チタン（Ti）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、パラジウム（Pd）またはプラチナ（Pt）、及び合金、例えば、チタン／タングステン（Ti/W）、チタン／モリブデン（Ti/Mo）、コバルト／タングステン（Co/W）またはコバルト／モリブデン（Co/Mo）を用いることができる。
フォトダイオード１００の表面の金属シリサイドが漏れ電流のソースになり、表面再結合センターを低減する現象を低減するために、一実施形態では、本発明は、接触層１２０のサイズ範囲が接触導体１０３の下表面の周辺に限定された領域を超えないフォトダイオード１００を提供する。フォトダイオード１００の表面にあり、接触導体１０３によって覆わなく、つまり、接触導体１０３から延出する一部の金属シリサイド接触層１２０を取り除くことにより、この接触層１２０による漏れ電流の影響を低減する。
また、フォトダイオードにおける入射光の吸収深さは入射光の波長に関し、波長が短い光が、フォトダイオードの表面に隣接する部分に吸収され、波長が長い光が、深い吸収深さを有する。フォトダイオードタイプの相補形金属酸化膜半導体画像センサのスペクトルに対する検出については、赤外光（７００−８００ｎｍ）が好ましく、好適な量子効率の波長が８５０ｎｍである。スペクトル応答が、光波長の増加に従って、上がっているため、波長が長い光子は、貫通深さが深くなり、ＰＮ接合インターフェースに隣接するため、変換効率が高くなる（ＰＮ接合インターフェースにおける内部電場は効率的に光子を吸収した電子―正孔対を分離することができるためである）。しかしながら、光波長が短い波長である場合、吸収光は表面の近くに止まり、再結合され易くなり、応答性が下げる。このため、フォトダイオードは、入射波長が短い光、例えば青色光を吸収する際に、表面吸収（surface absorption）及び電子−正孔対再結合が生じる現象に起因して、赤外光等の波長が長い光源を主な吸収光源とするフォトダイオードへの応用に一定の程度の障害がかかる。
本発明は、保護層の構造を設計することにより、赤外光等の長い波長を主な吸収光源とするフォトダイオード１００に応用する。図５を参照すると、本発明の一実施形態であるが、そのうち、保護層は、透明導電酸化物層２１４及びポリシリコン層２１５を備える積層構造であり、当該透明導電酸化物層２１４がポリシリコン層２１５の上に設置される。ポリシリコン層２１５及び透明導電酸化物層２１４は、第一型の基板１０２に電気的に接続され、透明導電酸化物層２１４及びポリシリコン層２１５は波長が短い入射光を吸収した後に生じる光電流（photoelectric current）を、ポリシリコン層２１５に電気的に接続される電極２１６を介して接地して取り除く。それによって、透明導電酸化物層２１４及びポリシリコン層２１５は、波長が短い迷光をフィルタリングする機能を有する。
上記透明導電酸化物層２１４は、金属化合物導電膜層であり、好ましくは、酸化インジウムスズ（ITO、Indium Tin Oxide）導電膜層である。
上記透明導電酸化物層２１４は、金属化合物導電膜層であり、好ましくは、酸化インジウムスズ（ITO、Indium Tin Oxide）導電膜層である。
上記透明導電酸化物層２１４及びポリシリコン層２１５は、上下に積層され、接触導体１０３の周辺と第一型の基板１０２の上表面に形成され、この領域が元来周知のフィールド酸化領域等の分離物の設置領域である。波長が長い光、例えば８５０ｎｍの赤外光は、シリコン材料における吸収深さが約１３μｍであるが、第二型のドーピングウェル１１８の深さは２μｍ（井戸イオン注入深さ）だけである。このため、大部分の波長が長い光は、電場に吸収されない、空乏領域外の第一型の基板１０２内に進入する。ポリシリコン層２１５の設置は、上記第二型のドーピングウェル１１８のドーピング濃度ピーク（peak concentration）を深くする機能を有し、それによって、吸収深さが深い波長が長い光の第二型のドーピングウェル１１８における光子吸収効率（absorption efficiency）を上げる。
以上は、本発明の好適な実施形態であるが、当業者にとっては、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に、若干の改善及び改良を加えてもよく、また、これらの改善及び改良が請求の範囲に記載された範疇に属する。
１００ フォトダイオード
１０２ 第一型の基板
１０３ 接触導体
１０６ 分離領域
１０７ ＰＮ接合インターフェース
１０９ 空乏領域
１１８ 第二型のドーピングウェル
１１９ 第二型のドーピング領域
１２０ 接触層
２１２ 間隔領域
２１３ 不動態化層
２１４ 透明導電酸化物層
２１５ ポリシリコン層
２１６ 電極
１０２ 第一型の基板
１０３ 接触導体
１０６ 分離領域
１０７ ＰＮ接合インターフェース
１０９ 空乏領域
１１８ 第二型のドーピングウェル
１１９ 第二型のドーピング領域
１２０ 接触層
２１２ 間隔領域
２１３ 不動態化層
２１４ 透明導電酸化物層
２１５ ポリシリコン層
２１６ 電極
Claims (10)
- 上表面を備える第一型の基板と、
前記第一型の基板内に形成され、前記第一型の基板に隣接する面領域がＰＮ接合インターフェースである第二型のドーピングウェルと、
前記第二型のドーピングウェル内に形成され、且つ前記第二型のドーピングウェルの表面から延びる第二型のドーピング領域と、
前記第一型の基板内に形成され、且つ第二型のドーピングウェルに接触しない分離領域と、
前記第一型の基板の上表面に形成され、且つ前記第二型のドーピングウェル及び前記第二型のドーピング領域を覆う保護層と、
前記保護層を貫通して、接触層及び導電条を備え、前記接触層が当該導電条の一端に形成され、且つ前記第二型のドーピング領域に接触して接続される接触導体と、
を備えることを特徴とするフォトダイオード。 - 前記第一型の基板がＰ型の基板であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記第二型のドーピングウェルが相対的に低い濃度でドーピングされ、前記第二型のドーピング領域が相対的に高い濃度でドーピングされることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記接触層が金属シリサイド層であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記分離領域が窒化珪素または二酸化珪素であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記分離領域が選択酸化層、浅溝槽分離層またはフィールド酸化層であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記保護層が透明導電酸化物層及びポリシリコン層を備え、前記透明導電酸化物層が前記ポリシリコン層の上に設置されることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
- 前記ポリシリコン層の厚さが０．１μｍであることを特徴とする請求項７に記載のフォトダイオード。
- 前記ポリシリコン層が前記第一型の基板に電気的に接続されることを特徴とする請求項７に記載のフォトダイオード。
- 前記接触導体が接触プラグであることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
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