JP2022105230A - Imaging device, and manufacturing method of imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、撮像装置および撮像装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to an image pickup apparatus and a method for manufacturing the image pickup apparatus.
MOS(Metal Oxide Semiconductor)型の撮像装置として積層型の撮像装置が提案されている。積層型の撮像装置では、半導体基板の最表面に光電変換層が積層され、光電変換層内において光電変換によって発生した電荷を電荷蓄積領域(「フローティングディフュージョン(FD)」と呼ばれる)に蓄積する。撮像装置は、半導体基板内でCCD(Charge Coupled Device)回路またはCMOS(Complementary MOS)回路を用いてその蓄積された電荷を読み出す。例えば特許文献1は、そのような撮像装置を開示している。
As a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type image pickup device, a laminated type image pickup device has been proposed. In a laminated image pickup device, a photoelectric conversion layer is laminated on the outermost surface of a semiconductor substrate, and charges generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer are accumulated in a charge storage region (referred to as "floating diffusion (FD)"). The image pickup apparatus reads out the accumulated charge using a CCD (Chage Coupled Device) circuit or a CMOS (Complementary MOS) circuit in the semiconductor substrate. For example,
また、非積層型の撮像装置として、埋め込み型のフォトダイオードを有する撮像装置であって、画素領域および周辺回路領域の構成要素の最適化に関する技術も提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Further, as a non-stacked image pickup device, a technique for optimizing components of a pixel region and a peripheral circuit region in an image pickup device having an embedded photodiode has been proposed (see, for example, Patent Document 2). ..
上述した従来の撮像装置では、リーク電流(以下、「暗電流」と称する場合がある。)をさらに低減するための技術開発が望まれている。 In the above-mentioned conventional image pickup apparatus, it is desired to develop a technique for further reducing the leakage current (hereinafter, may be referred to as "dark current").
本開示の限定的ではないある例示的な一実施形態は、暗電流による影響を抑制して高画質で撮像を行うことが可能な撮像装置および撮像装置の製造方法を提供する。 An exemplary embodiment of the present disclosure provides an image pickup apparatus and a method for manufacturing an image pickup apparatus capable of suppressing the influence of a dark current and performing an image pickup with high image quality.
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。 According to some non-limiting exemplary embodiments of the present disclosure, the following are provided.
本開示の一形態に係る撮像装置は、複数の画素を備える撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域に電気的に接続され、第1ゲート電極、第1ソース、第1ドレインおよび前記第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォールを含む第1トランジスタと、前記第1ゲート電極に接続される第1プラグと、前記第1プラグに接する第1シリサイド層と、前記第1サイドウォールおよび前記第1シリサイド層に接する第1絶縁層とを備える。 The image pickup device according to one embodiment of the present disclosure is an image pickup device including a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels has a photoelectric conversion unit and a charge storage region for accumulating charges generated by the photoelectric conversion unit. A first transistor electrically connected to the charge storage region and including a first gate electrode, a first source, a first drain and a first sidewall located on the side wall of the first gate electrode, and the first gate. It includes a first plug connected to an electrode, a first silicide layer in contact with the first plug, and a first insulating layer in contact with the first sidewall and the first silicide layer.
また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システムまたは方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、モジュール、システムおよび方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。 Also, inclusive or specific embodiments may be implemented in elements, devices, modules, systems or methods. In addition, the comprehensive or specific embodiment may be realized by any combination of elements, devices, devices, modules, systems and methods.
また、開示された実施の形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および/または利点は、明細書および図面に開示された様々な実施の形態または特徴によって個々に提供され、これらの1つ以上を得るために全てを必要とはしない。 Also, the additional effects and advantages of the disclosed embodiments will be apparent from the specification and drawings. The effects and / or advantages are provided individually by the various embodiments or features disclosed in the specification and drawings, and not all are required to obtain one or more of these.
本開示の一態様によれば、暗電流による影響を抑制して高画質で撮像を行うことが可能な撮像装置および撮像装置の製造方法が実現される。 According to one aspect of the present disclosure, an image pickup device and a method for manufacturing an image pickup device capable of suppressing the influence of dark current and performing image pickup with high image quality are realized.
(本発明の基礎となった知見)
一般に、撮像装置には、光電変換層で光電変換された信号電荷を、半導体基板に設けられた駆動回路部に伝送するためのコンタクト、いわゆる電荷蓄積領域が必要になる。半導体基板における電荷蓄積領域には、種々のpn接合部が形成されている。特に、これらのpn接合部で金属による不純物準位が形成されるとリーク電流が発生する。また、リーク電流による電荷は光電変換された信号電荷と区別がつかないので、雑音となり得る。その結果、撮像装置の性能が劣化する。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
Generally, the image pickup apparatus requires a contact, that is, a so-called charge storage region, for transmitting the signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion layer to the drive circuit unit provided on the semiconductor substrate. Various pn junctions are formed in the charge storage region of the semiconductor substrate. In particular, when an impurity level due to metal is formed at these pn junctions, a leak current is generated. Moreover, since the charge due to the leak current is indistinguishable from the photoelectrically converted signal charge, it can become noise. As a result, the performance of the image pickup device deteriorates.
本願発明者は、ベタ膜の実験において、シリサイド層が形成されることを抑制するシリコン酸化層からなる保護層であるシリサイドブロック層を形成した後にシリサイド層を形成したところ、シリサイドブロック層に1.0×1012~1.0×1013[atoms/cm-2]程度の比較的高濃度のNi、PtまたはTiといった金属が含有されていることを見出した。シリサイドブロック層に残存した金属は、後工程の熱処理により電荷蓄積領域へ拡散し、画素部の暗電流の悪化に繋がってしまう。より詳しくは、シリサイド形成後の工程で実施される熱処理にて、シリサイド形成時に金属で汚染されたシリサイドブロック層と接する単結晶シリコンやポリシリコンから金属が拡散して、電荷蓄積領域に拡散することにより、シリコンなどの半導体基板内に金属の不純物準位を発生させて暗電流特性を悪化させる。しかしながら、上記特許文献1および特許文献2では、このような暗電流特性の悪化を抑制する対策が講じられているとはいえない。そこで、本願発明者は、シリサイドに汚染されたシリサイドブロック層を選択的に除去することによって、電荷蓄積領域へ拡散される金属の量を低減させ、その結果、暗電流特性の悪化が抑制される撮像装置を考案するに至った。
In the solid film experiment, the inventor of the present application formed a silicide block layer, which is a protective layer made of a silicon oxide layer that suppresses the formation of the silicide layer, and then formed the silicide layer. It was found that a metal such as Ni, Pt or Ti having a relatively high concentration of about 0 × 10 12 to 1.0 × 10 13 [atoms / cm -2 ] was contained. The metal remaining in the silicide block layer diffuses into the charge storage region by the heat treatment in the subsequent process, which leads to deterioration of the dark current in the pixel portion. More specifically, in the heat treatment performed in the step after silicide formation, the metal diffuses from the single crystal silicon or polysilicon in contact with the silicide block layer contaminated with the metal at the time of silicidation formation, and diffuses into the charge storage region. As a result, metal impurity levels are generated in a semiconductor substrate such as silicon, and the dark current characteristics are deteriorated. However, it cannot be said that the above-mentioned
このような知見に基づいて、本願発明者は、新規な構造を備えた撮像装置に想到した。本開示の一態様の概要は以下のとおりである。 Based on such findings, the inventor of the present application has come up with an image pickup apparatus having a novel structure. The outline of one aspect of the present disclosure is as follows.
本開示の一態様である撮像装置は、複数の画素を備える撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域に電気的に接続され、第1ゲート電極、第1ソース、第1ドレインおよび前記第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォールを含む第1トランジスタと、前記第1ゲート電極に接続される第1プラグと、前記第1プラグに接する第1シリサイド層と、前記第1サイドウォールおよび前記第1シリサイド層に接する第1絶縁層とを備える。 The image pickup device according to one aspect of the present disclosure is an image pickup device including a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels has a photoelectric conversion unit and a charge storage region for accumulating charges generated by the photoelectric conversion unit. A first transistor electrically connected to the charge storage region and including a first gate electrode, a first source, a first drain and a first sidewall located on the side wall of the first gate electrode, and the first gate. It includes a first plug connected to an electrode, a first silicide layer in contact with the first plug, and a first insulating layer in contact with the first sidewall and the first silicide layer.
上記構成により、金属に汚染されたシリサイドブロック層が選択的に取り除かれているので、電荷蓄積領域へ拡散する金属の量を低減することが可能になる。このことにより、暗電流が低減されて画素特性が向上する。また、第1トランジスタの第1ゲート電極に接続された第1プラグの表面には第1シリサイド層が形成されているので、第1プラグと導電構造との接続におけるコンタクト抵抗が低減され、第1トランジスタの高速動作が可能になる。 With the above configuration, the metal-contaminated silicide block layer is selectively removed, so that the amount of metal diffused into the charge storage region can be reduced. As a result, the dark current is reduced and the pixel characteristics are improved. Further, since the first silicide layer is formed on the surface of the first plug connected to the first gate electrode of the first transistor, the contact resistance in the connection between the first plug and the conductive structure is reduced, and the first High-speed operation of the transistor becomes possible.
ここで、第2ゲート電極、第2ソースおよび第2ドレインを含む第2トランジスタを備え、前記第2ゲート電極は、第1半導体層と、前記第1半導体層上に位置する第2シリサイド層とを含み、前記第1絶縁層は、前記第2シリサイド層に接してもよい。 Here, a second transistor including a second gate electrode, a second source, and a second drain is provided, and the second gate electrode includes a first semiconductor layer and a second silicide layer located on the first semiconductor layer. The first insulating layer may be in contact with the second silicide layer.
上記構成により、シリサイド化された第2トランンジスタでは、第2ゲート電極とコンタクトプラグとの接触抵抗を低減させることが可能のために、第2トランジスタの駆動時の遅延が低減され、第2トランジスタの動作速度向上が可能になる。 With the above configuration, in the silicated second transistor, the contact resistance between the second gate electrode and the contact plug can be reduced, so that the delay during driving of the second transistor is reduced, and the second transistor is reduced. It is possible to improve the operating speed of.
また、前記複数の画素を駆動する駆動信号を出力する周辺回路を備え、前記周辺回路は、前記第2トランジスタを含んでもよい。 Further, a peripheral circuit for outputting a drive signal for driving the plurality of pixels may be provided, and the peripheral circuit may include the second transistor.
上記構成により、画素部の周辺回路として搭載されている垂直走査回路、水平走査回路、カラム信号処理回路、制御回路にシリサイド化された第2トランジスタが含まれることになり、その結果、周辺回路の高速動作可能になり、撮像素子のフレームレートの向上に寄与する。 With the above configuration, the vertical scanning circuit, the horizontal scanning circuit, the column signal processing circuit, and the control circuit, which are mounted as peripheral circuits of the pixel portion, include the second transistor sylated, and as a result, the peripheral circuit It enables high-speed operation and contributes to the improvement of the frame rate of the image sensor.
また、前記周辺回路は、第3ゲート電極、第3ソースおよび第3ドレインを含む第3トランジスタを含み、前記第3ゲート電極は、第2半導体層を含み、前記第1絶縁層は、前記第2半導体層に接してもよい。 Further, the peripheral circuit includes a third transistor including a third gate electrode, a third source and a third drain, the third gate electrode includes a second semiconductor layer, and the first insulating layer is the first. 2 It may be in contact with the semiconductor layer.
上記構成により、周辺回路を構成するESD(Electro-Static Discharge)による静電破壊に対する耐性を向上させるため、ソース領域及びドレイン領域のうちの一部分に対してシリサイド形成を行なわない領域が具備される。このような非シリサイドの第3トランジスタと直列に接続された抵抗素子を設けることにより、耐圧向上が可能になる。また、金属に汚染されたシリサイドブロック層も除去されているため、暗電流が低減されて画素特性が向上する。 With the above configuration, in order to improve the resistance to electrostatic discharge due to ESD (Electro-Static Discharge) constituting the peripheral circuit, a region in which silicide is not formed is provided in a part of the source region and the drain region. By providing a resistance element connected in series with such a non- silicide third transistor, the withstand voltage can be improved. Further, since the silicide block layer contaminated with metal is also removed, the dark current is reduced and the pixel characteristics are improved.
また、前記周辺回路は、抵抗素子を含み、前記抵抗素子は、第3半導体層を含み、前記第1絶縁層は、前記第3半導体層に接してもよい。 Further, the peripheral circuit may include a resistance element, the resistance element may include a third semiconductor layer, and the first insulating layer may be in contact with the third semiconductor layer.
上記構成により、周辺回路には非シリサイド抵抗素子が含まれるので、例えば、周辺回路のADC(Analog-to-Digital Converter)のようにビット数が大きく、高精度になるほど抵抗値のバラツキを小さく抑えることが必要とされる回路が実現される。特に、10ビットを超えるような分解能を持つ高精度なADCの場合、各抵抗素子の抵抗値のバラツキは、一般的に1%よりも小さくなるように抑える必要がある。そこで、温度特性に非常に鈍感(低温度係数)で温度によって抵抗が変動しないようにするために、周辺回路のカラム信号処理回路で必要な素子として、非シリサイド抵抗素子が提供される。また、DAC(Digital-to-Analog-Converter)のように、高抵抗が必要な回路で、小面積で周辺回路に搭載可能で、非シリサイド抵抗素子同士の抵抗比のばらつきが小さい、つまり、絶対値はばらついても比率がばらつかないような抵抗素子も提供される。また、金属に汚染されたシリサイドブロック層も除去されているため、暗電流が低減されて画素特性が向上する。 With the above configuration, the peripheral circuit includes a non- silicide resistance element. Therefore, for example, as in the ADC (Analog-to-Digital Converter) of the peripheral circuit, the larger the number of bits and the higher the accuracy, the smaller the variation in resistance value is suppressed. The required circuit is realized. In particular, in the case of a high-precision ADC having a resolution exceeding 10 bits, it is generally necessary to suppress the variation in the resistance value of each resistance element to be smaller than 1%. Therefore, in order to prevent the resistance from fluctuating depending on the temperature due to the extremely insensitivity to the temperature characteristics (low temperature coefficient), a non- silicide resistance element is provided as an element required in the column signal processing circuit of the peripheral circuit. In addition, it is a circuit that requires high resistance, such as DAC (Digital-to-Analog-Converter), and can be mounted on peripheral circuits in a small area, and the variation in resistance ratio between non- silicide resistant elements is small, that is, absolute. A resistance element is also provided in which the ratio does not vary even if the value varies. Further, since the silicide block layer contaminated with metal is also removed, the dark current is reduced and the pixel characteristics are improved.
また、前記第1半導体層と前記第3半導体層とは同じ材料で構成されてもよい。 Further, the first semiconductor layer and the third semiconductor layer may be made of the same material.
上記構成により、ESD対策のための非シリサイドトランジスタと抵抗値バラツキの抑制に必要な非シリサイド抵抗素子とを、異なる材料を用いることなく、同じ材料を用いて、周辺回路に同時に効率よく搭載することが可能になり、コスト低減などが可能になる。 With the above configuration, the non- silicide transistor for ESD countermeasures and the non- silicide resistance element necessary for suppressing the variation in resistance value can be efficiently mounted in the peripheral circuit at the same time by using the same material without using different materials. Will be possible, and cost reduction will be possible.
また、前記第1トランジスタは、前記電荷蓄積領域に蓄積された前記信号電荷をリセットしてもよい。 Further, the first transistor may reset the signal charge accumulated in the charge storage region.
上記構成により、電荷蓄積領域に電気的に接続されたリセットトランジスタのゲート電極に接続されたプラグの表面がシリサイドに覆われるので、プラグとプラグに接続される導電構造との接触抵抗が低減化される。 With the above configuration, the surface of the plug connected to the gate electrode of the reset transistor electrically connected to the charge storage region is covered with silicide, so that the contact resistance between the plug and the conductive structure connected to the plug is reduced. To.
本開示の一態様である撮像装置の製造方法は、第1ゲート電極、第1ソースおよび第1ドレインを含む第1トランジスタと、前記第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォールと、を備える半導体基板上に、前記第1ゲート電極および前記第1サイドウォールの上方に位置する保護層を形成する第1工程と、前記保護層を貫通し、前記第1ゲート電極に接続する第1プラグを形成する第2工程と、前記第1プラグおよび前記保護層上に第1シリサイド層を形成する第3工程と、前記保護層を除去する第4工程と、前記第1サイドウォールおよび前記第1シリサイド層を覆う第1絶縁層を形成する第5工程とをこの順に含む。 A method of manufacturing an image pickup apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a first transistor including a first gate electrode, a first source and a first drain, and a first sidewall located on a side wall of the first gate electrode. The first step of forming a protective layer located above the first gate electrode and the first sidewall on the provided semiconductor substrate, and the first plug penetrating the protective layer and connecting to the first gate electrode. The second step of forming the protective layer, the third step of forming the first silicide layer on the first plug and the protective layer, the fourth step of removing the protective layer, the first sidewall and the first step. The fifth step of forming the first insulating layer covering the silicide layer is included in this order.
上記構成により、金属に汚染されたシリサイドブロック層である保護層が除去されるため、暗電流が低減されて画素特性が向上する。また、第1トランジスタの第1ゲート電極に接続された第1プラグ上には第1シリサイド層が形成されているので、第1プラグと導電構造との接続におけるコンタクト抵抗が低減され、第1トランジスタの高速動作が可能になる。 With the above configuration, the protective layer, which is a silicide block layer contaminated with metal, is removed, so that the dark current is reduced and the pixel characteristics are improved. Further, since the first silicide layer is formed on the first plug connected to the first gate electrode of the first transistor, the contact resistance in the connection between the first plug and the conductive structure is reduced, and the first transistor is used. High-speed operation is possible.
ここで、前記第4工程は、ウェットエッチングによって行われてもよい。 Here, the fourth step may be performed by wet etching.
上記構成により、保護層はウェットエッチングによって除去されるので、ドライエッチングによる除去と比べるとプラズマ発生時によるイオン衝撃による半導体基板の表層へのエッチングダメージが抑制できる。また、荷電粒子によるゲート保護層へのチャージアップが防げる。 With the above configuration, since the protective layer is removed by wet etching, etching damage to the surface layer of the semiconductor substrate due to ion impact due to plasma generation can be suppressed as compared with removal by dry etching. In addition, it is possible to prevent charge-up to the gate protective layer due to charged particles.
また、前記ウェットエッチングは、APM(Ammonia-hydrogen Peroxide Mixture)エッチングであってもよい。 Further, the wet etching may be APM (Ammonia-hydrogen Peroxide Mixture) etching.
上記構成により、第1シリサイド層を除去することなく保護層だけを選択的に除去することが可能になる。 With the above configuration, it is possible to selectively remove only the protective layer without removing the first silicide layer.
また、前記第1絶縁層は、シリコン窒化層であってもよい。 Further, the first insulating layer may be a silicon nitride layer.
上記構成により、第1絶縁層は安定したシリコン窒化層で形成されるので、第1絶縁層よりも後にコンタクトプラグを形成する時に、第1絶縁層がドライエッチングのエッチングストッパーになりうる。 With the above configuration, since the first insulating layer is formed of a stable silicon nitride layer, the first insulating layer can serve as an etching stopper for dry etching when the contact plug is formed after the first insulating layer.
また、前記第1絶縁層は、ALD(Atomic Layer Deposition)法を用いて形成されてもよい。 Further, the first insulating layer may be formed by using an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
上記構成により、ALD法による成膜はカバレッジ性が十分に高いので、保護層の除去後のわずかな隙間でも第1絶縁層を成膜することが可能になる。 With the above configuration, the film formation by the ALD method has sufficiently high coverage, so that the first insulating layer can be formed even with a slight gap after the protective layer is removed.
また、前記保護層は、シリコン酸化層であってもよい。 Further, the protective layer may be a silicon oxide layer.
上記構成により、保護層はシリコン酸化層で構成されるので、ウェットエッチングにより容易に保護層を除去できる。 With the above configuration, since the protective layer is composed of a silicon oxide layer, the protective layer can be easily removed by wet etching.
また、前記保護層は、オゾンとTEOS(TetraEthOxySilane)とをソースガスとして用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成されてもよい。 Further, the protective layer may be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using ozone and TEOS (TetraEthOxySilane) as a source gas.
上記構成により、低温処理で成膜することにより不純物の拡散を抑制することが可能になる。また、このようなCVDによる成膜はカバレッジが良好なため、トランジスタのゲート電極間が狭小になってもボイド(隙間)を発生させることなく成膜することが可能になる。 With the above configuration, it is possible to suppress the diffusion of impurities by forming a film by low temperature treatment. Further, since the film formation by CVD has good coverage, it is possible to form a film without generating voids (gap) even if the space between the gate electrodes of the transistor becomes narrow.
また、前記第2工程と前記第3工程との間に、前記半導体基板を拡散炉で加熱する第6工程を含んでもよい。 Further, a sixth step of heating the semiconductor substrate in a diffusion furnace may be included between the second step and the third step.
上記構成により、第1プラグに導電性を付与することが可能になる。また、シリサイド形成前に加熱を実施することにより、シリサイドの凝集を抑制し、抵抗値の上昇を防止することが可能になる。 With the above configuration, it becomes possible to impart conductivity to the first plug. Further, by performing heating before forming the silicide, it becomes possible to suppress the aggregation of the silicide and prevent the resistance value from increasing.
また、前記第6工程において、前記半導体基板を800℃以上の温度で加熱してもよい。 Further, in the sixth step, the semiconductor substrate may be heated at a temperature of 800 ° C. or higher.
上記構成により、電荷蓄積領域部へのイオン注入やドライエッチング時のダメージによる結晶欠陥を回復させる。更に、保護層の膜質が緻密になることにより、金属が、シリサイド層形成時に、保護層に捕獲される。 With the above configuration, crystal defects due to damage during ion implantation or dry etching into the charge storage region can be recovered. Further, as the film quality of the protective layer becomes dense, the metal is captured by the protective layer when the silicide layer is formed.
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、一の実施形態と他の実施形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。また、本明細書において、「平面視」とは、半導体基板に垂直な方向から見たときのことを言う。 The present disclosure is not limited to the following embodiments. Further, it can be appropriately changed as long as it does not deviate from the range in which the effect of the present invention is exhibited. Furthermore, it is also possible to combine one embodiment with another. In the following description, the same or similar components are designated by the same reference numerals. In addition, duplicate explanations may be omitted. Further, in the present specification, "planar view" means a view from a direction perpendicular to the semiconductor substrate.
(実施の形態1)
図1から図4を参照しながら、実施の形態1に係る撮像装置の構造および機能を説明する。
(Embodiment 1)
The structure and function of the image pickup apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
図1は、本開示の実施の形態1に係る撮像装置100の例示的な構成を示すブロック図である。図1に示す撮像装置100は、半導体基板60に形成された複数の画素10および周辺回路40を有する。画素10は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部12を有する。
FIG. 1 is a block diagram showing an exemplary configuration of the
図1に示す例では、画素10が、m行n列の複数の行および列に配列されている。ここで、m、nは、独立して1以上の整数を表す。画素10は、半導体基板60に例えば2次元に配列されることにより、撮像領域R1を形成する。
In the example shown in FIG. 1, the
画素10の数および配置は、図示する例に限定されない。例えば、撮像装置100に含まれる画素10の数は、1つであってもよい。この例では、各画素10の中心が正方格子の格子点上に位置しているが、例えば、各画素10の中心が、例えば、三角格子または六角格子の格子点上に位置するように複数の画素10を配置してもよい。例えば、画素10を1次元に配列してもよく、この場合、撮像装置100をラインセンサとして利用し得る。
The number and arrangement of the
図1に例示する構成において、周辺回路40は、垂直走査回路42、および水平信号読み出し回路44を含む。図1に例示するように、周辺回路40は、付加的に、制御回路46を含み得る。また、後述するように、周辺回路40が、例えば、画素10などに対して所定の電圧を供給する電圧供給回路をさらに含むこともあり得る。周辺回路40は、例えば、信号処理回路または出力回路をさらに含んでいてもかまわない。
In the configuration exemplified in FIG. 1, the
周辺回路40は、例えば、撮像領域R1の周辺に位置する周辺領域R2に設けられている。図1に示される例では、周辺領域R2は、撮像領域R1の周囲を囲む環状の領域であるが、これに限らない。周辺領域R2は、撮像領域R1の二辺に沿ったL字状の領域、または、撮像領域R1の一辺に沿った長尺状の領域であってもよい。
The
垂直走査回路42は、行走査回路とも呼ばれ、複数の画素10の各行に対応して設けられたアドレス信号線34との接続を有する。後述するように、複数の画素10の各行に対応して設けられる信号線は、アドレス信号線34に限定されず、垂直走査回路42には、複数の画素10の行ごとに複数の種類の信号線が接続され得る。水平信号読み出し回路44は、列走査回路とも呼ばれ、複数の画素10の各列に対応して設けられた垂直信号線35との接続を有する。
The
制御回路46は、例えば、撮像装置100の例えば外部から与えられる指令データおよびクロックを受け取って撮像装置100の全体を制御する。典型的には、制御回路46は、タイミングジェネレータを有し、垂直走査回路42、水平信号読み出し回路44に駆動信号を供給する。図1中、制御回路46から延びる矢印は、制御回路46からの出力信号の流れを模式的に表現している。制御回路46は、例えば1以上のプロセッサを含むマイクロコントローラによって実現され得る。制御回路46の機能は、汎用の処理回路とソフトウェアとの組み合わせによって実現されてもよいし、このような処理に特化したハードウェアによって実現されてもよい。
The
図2は、本開示の第1の実施形態に係る撮像装置100の例示的な回路構成を模式的に示す。図2では、図面が複雑となることを避けるために、2行2列に配列された4つの画素10Aが代表して示されている。これら画素10Aの各々は、図1に示す画素10の一例であり、光電変換部12としての光電変換構造12Aを有し、光電変換構造12Aに電気的に接続された信号検出回路14Aを含む。後に図面を参照して詳しく説明するように、光電変換構造12Aは、半導体基板60の上方に配置された光電変換層を含む。すなわち、ここでは、撮像装置100として積層型の撮像装置を例示する。なお、本明細書において、「上方」、「下方」、「上面」および「下面」などの用語は、あくまでも部材間の相互の配置を指定するために用いており、撮像装置100の使用時における姿勢を限定する意図ではない。
FIG. 2 schematically shows an exemplary circuit configuration of the
各画素10Aの光電変換構造12Aは、蓄積制御線31との接続を有する。撮像装置100の動作時、蓄積制御線31には所定の電圧が印加される。例えば、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、正の電荷を信号電荷として利用する場合であれば、撮像装置100の動作時に蓄積制御線31に例えば10V程度の正電圧が印加され得る。以下では、信号電荷として正孔を利用する場合を例示する。
The
図2に例示する構成において、信号検出回路14Aは、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26を含む。後に図面を参照して詳しく説明するように、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26は、典型的には、光電変換構造12Aを支持する半導体基板60に形成された電界効果トランジスタである。以下では、特に断りの無い限り、トランジスタとしてNチャンネルMOSを用いる例を説明する。
In the configuration exemplified in FIG. 2, the
図2において模式的に示すように、信号検出トランジスタ22のゲートは、光電変換構造12Aに電気的に接続されている。所定の電圧を動作時に蓄積制御線31に印加することにより、例えば正孔を電荷蓄積ノード(電荷蓄積領域)FDに信号電荷として蓄積することができる。ここで、電荷蓄積ノードFDは、信号検出トランジスタ22のゲートを光電変換部12に接続するノードであり、後に図面を参照して説明するように、半導体基板60に形成された不純物領域をその一部に含む。図示する例において、電荷蓄積ノードFDは、光電変換構造12Aによって生成された電荷を一時的に保持する機能を有する。
As schematically shown in FIG. 2, the gate of the
信号検出トランジスタ22のドレインおよびソースの一方は、電源配線32に接続されている。撮像装置100の動作時に各画素10Aに電源電圧VDDを供給する。電源電圧VDDは、例えば、3.3Vである。信号検出トランジスタ22のドレインおよびソースの他方は、アドレストランジスタ24を介して垂直信号線35に接続される。信号検出トランジスタ22は、ドレインおよびソースの他方に電源電圧VDDの供給を受けることにより、電荷蓄積ノードFDに蓄積された信号電荷の量に応じた信号電圧を出力する。
One of the drain and the source of the
信号検出トランジスタ22と垂直信号線35との間に接続されたアドレストランジスタ24のゲートには、アドレス信号線34が接続されている。したがって、垂直走査回路42は、アドレストランジスタ24のオンおよびオフを制御する行選択信号をアドレス信号線34に印加することにより、選択した画素10Aの信号検出トランジスタ22の出力を、対応する垂直信号線35に読み出すことができる。なお、アドレストランジスタ24の配置は、図2に示す例に限定されず、信号検出トランジスタ22のドレインと電源配線32との間であってもよい。
The
垂直信号線35の各々には、負荷回路45およびカラム信号処理回路47が接続されている。負荷回路45は、信号検出トランジスタ22とともにソースフォロワ回路を形成する。カラム信号処理回路47は、行信号蓄積回路とも呼ばれ、例えば、相関2重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ-デジタル変換を行う。水平信号読み出し回路44は、複数のカラム信号処理回路47から水平共通信号線49に信号を順次読み出す。負荷回路45およびカラム信号処理回路47は、上述の周辺回路の一部であり得る。
A
リセットトランジスタ26のゲートには、垂直走査回路42との接続を有するリセット信号線36が接続される。リセット信号線36は、アドレス信号線34と同様に複数の画素10Aの行ごとに設けられる。垂直走査回路42は、アドレス信号線34に行選択信号を印加することによってリセットの対象となる画素10Aを行単位で選択することができる。また、垂直走査回路42は、リセット信号線36を介してリセットトランジスタ26のゲートにリセット信号を印加することにより、選択された行のリセットトランジスタ26をオン及びオフを切り替えることができる。リセットトランジスタ26がオンとされることにより、電荷蓄積ノードFDの電位がリセットされる。
A
この例では、リセットトランジスタ26のドレインおよびソースの一方は、電荷蓄積ノードFDに接続され、ドレインおよびソースの他方は、複数の画素10Aの列ごとに設けられたフィードバック線53のうちの対応する1つに接続されている。すなわち、この例では、光電変換部12の電荷を初期化するリセット電圧として、フィードバック線53の電圧が電荷蓄積ノードFDに供給される。
In this example, one of the drain and source of the
図2に例示する構成において、撮像装置100は、反転増幅器50を帰還経路の一部に含むフィードバック回路16Aを有する。図2に示すように、反転増幅器50は、複数の画素10Aの列ごとに設けられており、上述のフィードバック線53は、複数の反転増幅器50のうちの対応する1つの出力端子に接続されている。反転増幅器50は、上述の周辺回路40の一部であり得る。
In the configuration exemplified in FIG. 2, the
図2に示すように、反転増幅器50の反転入力端子は、対応する列の垂直信号線35に接続され、反転増幅器50の非反転入力端子には、撮像装置100の動作時、参照電圧Vrefが供給される。アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26をオンとすることにより、その画素10の出力を負帰還させる帰還経路を形成することができる。帰還経路の形成により、垂直信号線35の電圧が、反転増幅器50の非反転入力端子への入力電圧である参照電圧Vrefに収束する。換言すれば、帰還経路の形成により、電荷蓄積ノードFDの電圧が、垂直信号線35の電圧が参照電圧Vrefとなるような電圧にリセットされる。参照電圧Vrefとしては、電源電圧および接地の範囲内の任意の大きさの電圧を用い得る。参照電圧Vrefは、例えば1Vまたは1V近傍の正電圧である。帰還経路の形成により、リセットトランジスタ26をオフすることに伴って発生するリセットノイズを低減可能である。
As shown in FIG. 2, the inverting input terminal of the inverting
続いて、画素10Aのデバイス構造の詳細について、図3および図4を用いて説明する。
Subsequently, the details of the device structure of the
図3は、本開示の実施の形態1に係る撮像装置100の画素10Aのデバイス構造の一例を模式的に示す断面図である。図4は、本実施の形態に係る撮像装置100の画素10Aにおける各素子のレイアウトの一例を示す模式的な平面図である。図4は、半導体基板60の法線方向に沿って図3に示す画素10Aを見たときの、半導体基板60に形成された各素子の配置を模式的に示している。図4中のIII-III線に沿って画素10Aを切断して展開すれば、図3に示す断面が得られる。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of the device structure of the
図4では、模式図を簡略化するために第1絶縁層71、第2絶縁層72、第3絶縁層73、第4絶縁層74、シリサイド層75の記載を省略する。
In FIG. 4, the description of the first insulating
図3を参照する。画素10Aは、半導体基板60と、半導体基板60の上方に配置された光電変換構造12Aと、導電構造89とを含む。図示するように、光電変換構造12Aは、半導体基板60を覆う層間絶縁層90に支持されている。導電構造89は、層間絶縁層90の内部に配置されている。図示する例において、層間絶縁層90は、複数層の絶縁層を含む。導電構造89は、層間絶縁層90の内部に配置された複数層の配線層のそれぞれの一部を含む。層間絶縁層90中に配置された複数層の配線層は、例えば、アドレス信号線34、リセット信号線36、垂直信号線35、電源配線32およびフィードバック線53の少なくともひとつをその一部に有する配線層を含み得る。言うまでもないが、層間絶縁層90中の絶縁層の数および配線層の数は、この例に限定されず、任意に設定可能である。
See FIG. The
光電変換構造12Aは、層間絶縁層90上に形成された画素電極12a、光の入射する側に配置された対向電極12c、および、これらの電極間に配置された光電変換層12bを含む。光電変換構造12Aの光電変換層12bは、有機材料または無機材料から形成される。無機材料は、例えばアモルファスシリコンである。光電変換層12bは、対向電極12cを介して入射した光を受けて、光電変換により正および負の電荷を生成する。光電変換層12bは、典型的には、複数の画素10Aにわたって連続的に形成される。光電変換層12bは、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。光電変換層12bは、画素10Aごとに分離して設けられていてもよい。
The
対向電極12cは、透明導電性材料から形成された透光性の電極である。透明導電性材料は、例えばITO(Indium Tin Oxide)である。本明細書における「透光性」の用語は、光電変換層12bが吸収可能な波長の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。典型的には、対向電極12cは、光電変換層12bと同様に、複数の画素10Aにわたって形成される。つまり、対向電極12cは、複数の画素10Aによって共用されている。言い換えると、画素10Aごとに設けられた光電変換部12は、対向電極12cの、画素10Aごとに異なる部位を備える。対向電極12cは、画素10Aごとに分離して設けられていてもよい。
The
図3において図示が省略されているが、対向電極12cは、上述の蓄積制御線31との接続を有する。撮像装置100の動作時、蓄積制御線31の電位を制御して対向電極12cの電位を画素電極12aの電位よりも例えば高くする。これにより、光電変換で生成された正および負の電荷のうち正の電荷を画素電極12aによって選択的に収集することができる。複数の画素10Aにわたって連続した単一の層の形で対向電極12cを形成してもよい。これにより、複数の画素10Aの対向電極12cに一括して所定の電位を印加することが可能になる。
Although not shown in FIG. 3, the
画素電極12aは、例えば、金属、金属窒化物、または、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンから形成される。ここでの金属は、例えば、アルミニウムまたは銅である。画素電極12aは、隣接する他の画素10の画素電極12aから空間的に分離されることにより、他の画素10の画素電極12aから電気的に分離される。
The
導電構造89は、複数の配線およびコンタクトプラグを含み、その一端は、画素電極12aに接続されている。導電構造89の他端は、後述する電荷蓄積領域の一例であるn型不純物領域67nに接続される。複数の配線は、例えば、銅もしくはタングステンなどの金属、または、金属窒化物もしくは金属酸化物などの金属化合物から形成されてもよい。後述するように、複数の配線およびコンタクトプラグは、導電性が付与されたポリシリコンから形成されていてもよい。半導体基板60に形成された回路素子に導電構造89の他端が接続されることにより、光電変換部12の画素電極12aと半導体基板60上の回路とが互いに電気的に接続される。
The
ここで、半導体基板60に注目する。図3に模式的に示すように、半導体基板60は、支持基板61と、支持基板61上に形成された1以上の半導体層とを含む。ここでは、支持基板61として、p型シリコン基板を例示する。
Here, attention is paid to the
図3に例示する構成において、半導体基板60は、支持基板61上のp型半導体層61pと、p型半導体層61p上のn型半導体層62nと、n型半導体層62n上のp型半導体層63pと、p型半導体層63p上に位置する第1半導体層としてのp型半導体層65pとを有する。典型的には、p型半導体層63pは、支持基板61の全面にわたって形成される。p型半導体層61p、n型半導体層62n、p型半導体層63pおよびp型半導体層65pの各々は、典型的には、エピタキシャル成長で形成した半導体層への不純物のイオン注入によって形成される。p型半導体層63pおよびp型半導体層65pにおける不純物濃度は、互いに同程度であり、かつ、p型半導体層61pの不純物濃度よりも高い。
In the configuration exemplified in FIG. 3, the
第2半導体層としてのn型半導体層62nは、p型半導体層61pとp型半導体層63pとの間に位置する。図3においては図示が省略されているが、n型半導体層62nには、不図示のウェルコンタクトが接続される。ウェルコンタクトは、撮像領域R1の外側に設けられ、撮像装置100の動作時、n型半導体層62nの電位は、ウェルコンタクトを介して制御される。n型半導体層62nを設けることにより、信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域への支持基板61または周辺回路からの少数キャリアの流入が抑制される。
The n-
さらに、この例では、半導体基板60は、p型半導体層61pとn型半導体層62nとを貫通するようにしてp型半導体層63pと支持基板61との間に設けられたp型領域64を有する。p型領域64は、p型半導体層63pおよびp型半導体層65pと比較して高い不純物濃度を有し、p型半導体層63pと支持基板61とを互いに電気的に接続する機能を有する。
Further, in this example, the
支持基板61は、図3においては不図示の、撮像領域R1の外側に設けられた基板コンタクトとの接続を有する。撮像装置100の動作時、基板コンタクトを介して、支持基板61およびp型半導体層63pの電位が制御される。また、p型半導体層63pに接するようにp型半導体層65pを配置することにより、撮像装置100の動作時にp型半導体層63pを介してp型半導体層65pの電位を制御することが可能である。
The
図3に例示する構成において、電荷蓄積領域の一例であるn型不純物領域67nが、p型半導体層65p中に形成されている。図3に模式的に示すように、n型不純物領域67nは、半導体基板60の表面の近傍に形成されており、その少なくとも一部は、半導体基板60の表面に位置している。ここでは、n型不純物領域67nは、第1領域67aと、第1領域67a内に位置し、第1領域67aよりも相対的に不純物濃度の高い第2領域67bとを含んでいる。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the n-
半導体基板60の光電変換構造12A側の主面上には、絶縁層が配置される。この例では、半導体基板60の光電変換構造12A側の主面は、第1絶縁層71、第2絶縁層72及び第3絶縁層73によって覆われている。第1絶縁層71は、例えばシリコン窒化層である。第2絶縁層72は、例えば二酸化シリコン層であり、第3絶縁層73は、例えば二酸化シリコン層である。第2絶縁層72が、複数の絶縁層を含む積層構造を有していてもよく、同様に、第3絶縁層73も、複数の絶縁層を含む積層構造を有していてもよい。第3絶縁層73は、いわゆるゲート絶縁層である。
An insulating layer is arranged on the main surface of the
第3絶縁層73上には、第2絶縁層72とゲート電極22e、24e、26eを有する。ゲート電極22e、24e、26eには、イオン注入によりn型不純物が高濃度で形成されている。このn型不純物によりゲート電極22e、24e、26eは、低抵抗化され導電性が付与されている。ゲート電極22e、24e、26eの側壁部には、第4絶縁層74が、第2絶縁層72の一部を介して有する。第4絶縁層は、サイドウォールスペーサ(「サイドウォール」とも呼ばれる)が形成される。第4絶縁層は、複数の絶縁層を含む積層構造を有している。例えば、二酸化シリコン層とシリコン窒化層の複数層で形成されており、第1絶縁層71と接するのは、シリコン窒化層であることが望ましい。このことにより、サイドウォール形成のドライエッチング時に、第4絶縁層74のシリコン窒化層と第2絶縁層72の二酸化シリコンとのエッチング選択比により、第2絶縁層72がエッチングストッパーとして機能し、n型不純物領域67nへのエッチングを抑制することができる。結果として、撮像領域R1の半導体基板60表面が、ドライエッチング時に半導体基板60を露出させることがなく、ドライエッチング時にプラズマ照射によりイオン化した粒子が、n型不純物領域67nに直接衝突することがなく、いわゆるドライエッチング時のダメージによる結晶欠陥が抑制されることにより、暗電流が低減される。
The second insulating
第2絶縁層72は、オフセットサイドウォールスペーサ(「オフセットサイドウォール」とも呼ばれる)であり、周辺回路40のトランジスタ形成時にトランジスタの回路速度向上のためのオーバーラップ容量の低減と半導体基板60内にシリサイド層形成前のファーネス炉(拡散炉)による熱処理によるトランジスタのショートチャネル改善のために有する層である。この熱処理は、イオン注入により形成される不純物領域の欠陥を回復するために実施される。作成するデバイスルールが、ゲート長がサブミクロンより微細、望ましくは130nmより微細なトランジスタ形成時に使用される。ゲート長が150nm以上より長い時は、第2絶縁層72は省略してもかまわない。
The second insulating
第1絶縁層71、第2絶縁層72および第3絶縁層73の積層構造には、コンタクトホールh1、コンタクトホールh2、コンタクトホールh3およびコンタクトホールh4が設けられている。つまり、コンタクトホールh1、コンタクトホールh2、コンタクトホールh3およびコンタクトホールh4の各々は、第1絶縁層71、第2絶縁層72および第3絶縁層73の積層構造を介して半導体基板60と接続している。例えば、コンタクトホールh1は、n型不純物領域67nの第2領域67b上に設けられている。コンタクトホールh2は、n型不純物領域68an上に設けられている。コンタクトホールh3は、n型不純物領域68bn上に設けられている。コンタクトホールh4は、n型不純物領域68dn上に設けられている。
The laminated structure of the first insulating
図3に示す例では、導電構造89とシリサイド層75を介して接続されるコンタクトプラグCp1内に、コンタクトホールh1が設けられおり、第2領域67bに接続されている。これにより、n型不純物領域67nが、コンタクトプラグCp1、シリサイド層75および導電構造89を介して光電変換部12の画素電極12aに電気的に接続されている。n型不純物領域67nには、光電変換部12で生成された信号電荷が蓄積される。
In the example shown in FIG. 3, the contact hole h1 is provided in the contact plug Cp1 connected to the
pウェルとしてのp型半導体層65pと、n型不純物領域67nとの間のpn接合によって形成される接合容量が信号電荷の少なくとも一部を蓄積する容量として機能する。これにより、n型不純物領域67nは、信号電荷を一時的に保持する電荷蓄積領域として機能する。導電構造89およびn型不純物領域67nは、上述の電荷蓄積ノードFDの少なくとも一部を構成するといえる。
The junction capacitance formed by the pn junction between the p-
なお、n型不純物領域67nにおける第2領域67bの形成は必須ではない。ただし、比較的高い不純物濃度を有する第2領域67bにコンタクトプラグCp1を接続することにより、コンタクト抵抗を低減する効果が得られる。
The formation of the
半導体基板60には、信号検出回路14Aが形成される。上述したように、信号検出回路14Aは、信号検出トランジスタ22と、アドレストランジスタ24と、リセットトランジスタ26とを含む。
A
信号検出トランジスタ22は、n型不純物領域68bnをソースおよびドレインの一方として含み、n型不純物領域68cnをソースおよびドレインの他方として含む。信号検出トランジスタ22は、さらに、第3絶縁層73上に設けられたゲート電極22eを含む。第3絶縁層73のうちゲート電極22eと半導体基板60との間に位置する部分は、信号検出トランジスタ22のゲート絶縁層として機能する。ゲート電極22eは、コンタクトプラグCp5と導電構造89を介して画素電極12aおよびn型不純物領域67nに接続されている。例えば、ゲート電極22eは、アドレス信号線34およびリセット信号線36が位置するレイヤーにおいて、導電構造89のうち画素電極12aとコンタクトプラグCp1とを互いに接続する部分に接続されている。
The
n型不純物領域68bnには、コンタクトプラグCp3が接続されている。コンタクトプラグCp3の一部は、コンタクトホールh3内に設けられている。コンタクトプラグCp3には、ソースフォロワ電源としての上述の電源配線32が電気的に接続される。なお、電源配線32は、図3においては図示が省略されている。
A contact plug Cp3 is connected to the n-type impurity region 68bn. A part of the contact plug Cp3 is provided in the contact hole h3. The
アドレストランジスタ24は、n型不純物領域68cnをソースおよびドレインの一方として含み、n型不純物領域68dnをソースおよびドレインの他方として含む。アドレストランジスタ24は、さらに、第3絶縁層73上に設けられたゲート電極24eを含む。第3絶縁層73のうちゲート電極24eと半導体基板60との間に位置する部分は、アドレストランジスタ24のゲート絶縁層として機能する。アドレス信号線34は、コンタクトプラグCp6と導電構造89を介してゲート電極24eと接続される。この例では、アドレストランジスタ24と信号検出トランジスタ22との間でn型不純物領域68cnが共有されることにより、これらのトランジスタが互いに電気的に接続されている。
The
n型不純物領域68dnには、コンタクトプラグCp4が接続されている。コンタクトプラグCp4の一部は、コンタクトホールh4内に設けられている。コンタクトプラグCp4は、垂直信号線35に電気的に接続される。
A contact plug Cp4 is connected to the n-type impurity region 68dn. A part of the contact plug Cp4 is provided in the contact hole h4. The contact plug Cp4 is electrically connected to the
リセットトランジスタ26は、電荷蓄積領域に電気的に接続される第1トランジスタの一例であり、n型の電荷蓄積領域であるn型不純物領域67nを第1ソースとしてのソースおよび第1ドレインとしてのドレインの一方として含み、n型不純物領域68anをドレインおよびソースの他方として含む。つまり、リセットトランジスタ26のソースおよびドレインの一方と電荷蓄積領域とは共有され、これにより、リセットトランジスタ26のソースおよびドレインの一方と電荷蓄積領域とが電気的に接続されている。リセットトランジスタ26は、さらに、第3絶縁層73上に設けられた第1ゲート電極としてのゲート電極26eを含む。ゲート電極26eと半導体基板60との間に位置する部分は、リセットトランジスタ26のゲート絶縁層として機能する。リセット信号線36は、第1プラグの一例であるコンタクトプラグCp7、シリサイド層75および導電構造89を介してゲート電極26eと接続される。コンタクトプラグCp7は、第1ゲート電極としてのゲート電極26eに接続され、例えば、導電性を持たせるために不純物がドープされたポリシリコンで形成されている。
The
n型不純物領域68anは、図3に示すように、コンタクトプラグCp2に接続されている。コンタクトプラグCp2の一部は、コンタクトホールh2内に設けられている。コンタクトプラグCp2は、シリサイド層75および導電構造89を介してフィードバック線53に電気的に接続されている。
The n-type impurity region 68an is connected to the contact plug Cp2 as shown in FIG. A part of the contact plug Cp2 is provided in the contact hole h2. The contact plug Cp2 is electrically connected to the
コンタクトプラグCp1~Cp7上面と側面には、第1シリサイドを含む第1シリサイド層の一例であるシリサイド層75(つまり、金属半導体化合物層)が形成される。シリサイド層75は、金属層からなり、導電構造89との接続部におけるコンタクト抵抗を低減することができる。シリサイド層75は、ロングスロースパッタリング方式を用いて堆積しているため、コンタクトプラグCp1~Cp7側面の方が、上面より膜厚が薄くなる。
A silicide layer 75 (that is, a metal semiconductor compound layer), which is an example of the first silicide layer containing the first silicide, is formed on the upper surface and the side surface of the contact plugs Cp1 to Cp7. The
第1絶縁層71は、シリサイド層75とサイドウォールである第4絶縁層74とに接する。第1絶縁層71は、シリコン窒化層であり、層間絶縁層90は、二酸化シリコン層である。導電構造89のコンタクトエッチング時には、第1絶縁層71のシリコン窒化層と層間絶縁層90の二酸化シリコンとのエッチング選択比により、第1絶縁層71がエッチングストッパーとして機能し、シリサイド層75の過剰エッチングを低減することができる。特に、ゲート電極の膜厚により高さが増加した、ゲート電極22e、24e、26e上のコンタクトプラグCp5、Cp6、Cp7上のシリサイド層75の過剰エッチングの低減に効果がある。
The first insulating
第1絶縁層71は、コンタクトプラグCp1~7のシリサイド層75が形成されていない、底部(コンタクトプラグ下方)と接していいてもよい。シリサイド層75形成時には、シリサイド層75の形成を選択的にブロックするための保護層であるシリサイドブロック層(図示せず)が存在していたが、その後に除去されている。つまり、シリサイド形成時において金属が、1.0×1012~1.0×1013[atoms/cm-2]程度の金属が、シリサイドブロック層に含有されるために、シリサイド層75形成後に、シリサイドブロック層が薬液により除去されている(ウェットエッチング)。シリサイドブロック層は、例えば、シリコン酸化層、具体的には、二酸化シリコン層で20~35nm程度の膜厚で形成され、シリサイド層75形成後には、二酸化シリコン層は10~25nm程度に減少する。二酸化シリコンの膜厚が、減少する理由は、金属を形成するときのスパッタリング成膜時に、枚葉式ケミカルドライクリーニング(CDT)というスパッタリング前の反応を阻害する酸化物残渣などを除去するために、コンタクトプラグCp1~7の表面を清浄化させる処理とシリサイド層75形成時の薬液による膜減りのためである。また、シリサイドブロック層として、二酸化シリコン層を使用するのは、ウェットエッチングにより容易に除去が可能であるためである。他に考えられる半導体製造工程で使用される絶縁層として、シリコン窒化層があるが、ウェットエッチングによる除去が困難である。例えば、シリコン窒化層は、高温(150~170℃)の燐酸にて、ウェットエッチングが可能であるが、同時に金属ともエッチングされてしまうために、シリサイドブロック層を除去する工程には不適である。そのために、本実施の形態では、シリサイドブロック層として、二酸化シリコン層が使用される。
The first insulating
第1絶縁層71は、カバレッジの良好なALD(Atomic Layer Deposition)という成膜方式で形成され、コンタクトプラグCp1~7の底部と第2絶縁層72の隙間にも形成される。この断面図では、コンタクトプラグCp1~7は、模式的に四角形で記載したが、逆台形形状でも構わない。
The first insulating
シリサイドブロック層は、周辺回路40における非シリサイドトランジスタや非シリサイド抵抗素子の形成、及び、撮像領域R1における第2絶縁層72の形成後に、二酸化シリコン層を半導体基板60全面にわたり成膜することにより、形成される。シリサイドブロック層は、フォトリソグラフィーとドライエッチングにて選択的に除去され、非シリサイドトランジスタや非シリサイド抵抗素子の形成のために残された膜、及び、撮像領域R1に残された膜である。
The silicide block layer is formed by forming a silicon dioxide layer over the entire surface of the
第1絶縁層71は、第4絶縁層74(サイドウォール)とゲート電極22e、24e、26e上のコンタクトプラグCp5、Cp6、Cp7上のシリサイド層75に接する特徴的な構造体である。第1絶縁層71の形成により、シリサイド形成時における金属が、シリサイド形成後の後工程による熱処理でコンタクトホールh1介してn型不純物領域67nへ侵入し、n型不純物領域67nへ拡散した金属によって不純物準位が形成されてしまうことを防ぐことができる。
The first insulating
図5~7は、撮像領域R1における第1絶縁層71の形成過程を工程順に詳細に示している。
FIGS. 5 to 7 show in detail the process of forming the first insulating
図5は、撮像領域R1におけるリセットトランジスタ26近傍を拡大したレイアウト図と断面図であり、コンタクトプラグCp1~Cp7にシリサイド層75を形成した直後における図を示す。つまり、図5は、第1ゲート電極、第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォール、第1ソースおよび第1ドレインを含む第1トランジスタを備える半導体基板上に、第1ゲート電極および第1サイドウォールの上方に位置する保護層を形成する第1工程と、保護層を貫通し、第1ゲート電極に接続する第1プラグを形成する第2工程と、第1プラグおよび保護層上にシリサイドを形成する第3工程とを終えた直後における断面図を示す。リセットトランジスタ26を例示しているが、アドレストランジスタ24と信号検出トランジスタ22も、形成過程は同様のため一例で示す。図5の(a)は、レイアウトを示し、図5の(a)におけるV-V線での断面図を図5の(b)に示す。図5の(b)に示されるように、コンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7上面および側面にシリサイド層75が形成されている。コンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7は、燐ドープされたポリシリコンからなる。次に、燐ドープされたポリシリコンは、導電性を付与するために熱処理が加えられている。第1シリサイドとしては、例えばチタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドなどが挙げられるが、本実施の形態では、シリサイド層75が細線抵抗で有利なニッケル(Ni)シリサイドであるとして説明する。Niを含むシリサイド層75は、NiSi層、NiPtSi層、およびこれらの積層から選択されることが好ましく、以下のようにして形成することができる。ここでは、NiSi層を形成する例を説明する。まず、コンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7とシリサイドブロック層76上面に、Ni層である金属層(膜厚約5~20nm)をスパッタリング法により形成する。スパッタリング法は、ロングスロースパッタ法を用いる。ロングスロースパッタ法は、ターゲット(この場合、NiSi合金)と半導体基板60間距離が長く、通常のスパッタ法は40~70mm程度の距離であるが、ロングスロースパッタ法は200~300mm程度距離である。このことにより、真空チャンバー中でプラズマを発生させると、ターゲットに衝突したアルゴンガスイオンによりスパッタ粒子(図示せず)が放射状に飛び出し、半導体基板60へ到達する。放射状に飛び出したスパッタ粒子は、半導体基板60までの距離が短ければ、斜めから入射するスパッタ粒子成分が多いためコンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7の側壁に堆積する。しかし、ロングスロースパッタ法のようにシリコン基板までの距離が長ければ、スパッタ粒子が指向性を高めて、斜めから入射する成分を減少させて側壁部への堆積を抑制する。このことは、シリサイドブロック層76を除去するときのコンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7の底部に対する薬液時間を短くすることができる利点となる。このとき、シリサイドブロック層76中に、Niが含有される。つづいて、ランプルアニール装置にて、たとえば250~350℃で、第1の熱処理を行う。
FIG. 5 is an enlarged layout view and cross-sectional view of the vicinity of the
これにより、Ni2Si層が形成される。その後、未反応の金属層をSPM(硫酸過水、SalfaricAcid/HydrogenPeroxide(/Water)Mixture)等を用いた薬液によりNi2Si層を選択除去する。このとき、シリサイドブロック層76上のNiは除去される。つづいて、ランプルアニール装置にて、たとえば350~400℃で、第2の熱処理を行う。これにより、NiSi層が形成される。図5では、平面視において、コンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7は、露出していない。リセットトランジスタ26のゲート電極26eは、下面で接する第3絶縁層73を除く、上面のコンタクトプラグCp7の接続部(h5)以外と側壁部とは、第2絶縁層72に被覆されている。図5では、平面視において、リセットトランジスタ26のゲート電極26eは、露出していない。シリサイドブロック層76は、コンタクトホールh1、h2、h5以外は、第2絶縁層72上を被覆し、第4絶縁層74(サイドウォール)と接する。図5では、平面視においてシリサイド層75とシリサイドブロック層76のみ露出している。
As a result, the Ni2Si layer is formed. Then, the unreacted metal layer is selectively removed from the Ni2Si layer with a chemical solution using SPM (hydrosulfuric acid hydrogen peroxide, Salfaric Acid / Hydrogen Peroxide (/ Water) Mixture) or the like. At this time, Ni on the
図6は、撮像領域R1におけるリセットトランジスタ26近傍を拡大したレイアウト図(図6の(a))と断面図(図6の(a)のVI-VI線での断面図)であり、図5に続く、保護層であるシリサイドブロック層76を除去した後における図を示す。つまり、図6は、保護層を除去する第4工程を終えた直後における断面図を示す。図5のシリサイドブロック層76を、薬液でシリサイド層75とエッチングの選択比をもたせることにより、シリサイドブロック層76を選択的にエッチングする。ここで、エッチングは、ウェットエッチングとドライエッチングの2種類あるが、ウェットエッチングを使用する理由は、ドライエッチングと比べるとプラズマ発生時によるイオン衝撃による半導体基板60への表層へのエッチングダメージを抑制できるためである。また、荷電粒子による第3絶縁層73へのチャージアップが防げるため、ウェットエッチングを用いた方が望ましい。
6A and 6B are an enlarged layout view (FIG. 6 (a)) and a sectional view (FIG. 6 (a) sectional view taken along the line VI-VI) in the vicinity of the
具体的な薬液は、APM(Ammonia-hydrogen Peroxide Mixture)溶液を使用することにより、10~25nm程度のシリサイドブロック層76を除去することができる。このとき、シリサイド層75は、APM溶液によりエッチングされない。ゲート電極26eの側壁には、第2絶縁層72がゲート電極26eを囲むように形成され、第4絶縁層74が第2絶縁層72を介して、ゲート電極26e側壁を囲むように形成されている。図6に示されるシリサイドブロック層76除去後は、平面視において、シリサイド層75、第2絶縁層72、第4絶縁層74が露出している。
As a specific chemical solution, the
図6の(b)に示されるように、コンタクトホールh1の半径をd、シリサイド層75を含むコンタクトプラグCp1の半径をDとする。(D-d)幅が大きい場合は、第1絶縁層71が(D-d)の空隙に入りにくくなる。よって、(D-d)幅が、30nm以上の場合は、シリサイドブロック層76の一部が、コンタクトホールh1近傍に残存しても構わない。この時、コンタクトホールh1近傍残されたシリサイドブロック層76は、シリサイド形成時における金属のスパッタリング成膜時にコンタクトプラグCp1に保護されているために、金属に暴露されることない。よって、コンタクトホールh1近傍残されたシリサイドブロック層76は、金属によって汚染されていない層であるため、暗電流悪化の原因にはならない。一般的には、(D-d)幅のプロセス設計は、工程で使用する露光設備(リソグラフィー)により決まり、重ね合わせ精度(つまり、既に形成されているパターンに新たなパターンを形成したときのずれ)が良好の場合は、(D-d)幅は小さくできる。
As shown in FIG. 6B, the radius of the contact hole h1 is d, and the radius of the contact plug Cp1 including the
図7は、撮像領域R1におけるリセットトランジスタ26近傍を拡大したレイアウト図(図7の(a))と断面図(図7の(a)のVII-VII線での断面図)であり、第2コンタクトプラグCa1~Ca3を形成した直後における図を示す。つまり、図7は、第1サイドウォールおよび第1シリサイドを覆う第1絶縁層71を形成する第5工程、その後の第2コンタクトプラグCa1~Ca3の形成を終えた直後における断面図を示す。第2コンタクトプラグCa1、Ca2、Ca3は、導電構造89に含まれる第1配線層(図示せず)と接続する。この時、層間絶縁層90は、CVD(Chemical Vapor Deposition)で形成される二酸化シリコン層であり、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により研磨されて第2コンタクトプラグ形成前に平坦化される。第2コンタクトプラグCa1、Ca2、Ca3を形成するエッチング時に、第1絶縁層71は、エッチングストッパーの役割を果たす。その後、形成された孔に導電性材料のW(タングステン)などの導電体を埋め込む。第2コンタクトプラグの形成直後は、平面視において、層間絶縁層90、第2コンタクトプラグCa1、Ca2、Ca3が露出している。第1絶縁層71は、層間絶縁層90と下方で接している。
7A and 7B are an enlarged layout view ((a) of FIG. 7) and a cross-sectional view (cross-sectional view of FIG. 7A by lines VII-VII) in the vicinity of the
図8は、比較例に係る撮像装置の撮像領域のシリサイドブロック層76を残したデバイス構造を示す断面図(図8の(a))と本開示の実施の形態1に係る撮像装置100の撮像領域R1のシリサイドブロック層76を除去したデバイス構造の断面図(図8の(b))とを示す。図8の(a)では、コンタクトプラグCp1、Cp2、Cp7の底部以外は、金属(図面における環状形状のもの)がシリサイドブロック層76に含有されている様子が模式図で示されている。金属は、後工程の熱処理による拡散により、コンタクトプラグCp1の材料であるポリシリコンを介してn型不純物領域67nに捕獲されて、金属による不純物準位を形成する。この金属の不純物準位は、暗電流悪化の原因になる。図8の(b)では、金属が含有された層が存在しないため、金属の不純物準位の形成がなく暗電流悪化の懸念が低減される。
FIG. 8 is a cross-sectional view ((a) of FIG. 8) showing a device structure in which the
以上、図5~8にて工程順に従って、撮像領域R1におけるシリサイドブロック層76の除去と第1絶縁層71が形成される過程を示した。次に周辺領域R2についても同様に示す。
As described above, FIGS. 5 to 8 show the process of removing the
図9は、周辺領域R2の第1絶縁層71の形成後の断面図を示す。図9の(a)が、第2トランジスタの一例であるシリサイドトランジスタ55を示し、図9の(b)が、第3トランジスタの一例である非シリサイドトランジスタ56を示し、図9の(c)が、非シリサイド抵抗素子の一例である非シリサイド抵抗素子57を示す。
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the peripheral region R2 after the formation of the first insulating
図9(a)では、素子分離領域69を含んだ半導体基板60上に、p型不純物領域(pウェル)80を形成する。以下、n型のMOSトランジスタを主に記載するが、p型のMOSトランジスタでも構わない。ここでは、p型のMOSトランジスタの形成に関しては省略する。p型不純物領域80内には、n型不純物領域81とn+型不純物領域82が注入により、LDD(Lightly Doped Drain)構造を形成する。第2ソースおよび第2ドレインの一例であるn+型不純物領域82で形成されたソースおよびドレインの上には、第2シリサイドを含む第2シリサイド層の一例であるシリサイド層75が形成される。第2シリサイドとしては、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドなどが挙げられる。ゲート絶縁層である第3絶縁層73を介してゲート電極55eが形成され、ゲート電極55e上にもシリサイド層75が形成されている。ゲート電極55eの側壁には、第2絶縁層72が形成され、撮像領域R1とは異なり、半導体基板60の表面には残らない。サイドウォールである第4絶縁層74が、第2絶縁層72と接するように形成される。第1絶縁層71は、シリサイド層75に接する。
In FIG. 9A, a p-type impurity region (p-well) 80 is formed on the
図9の(b)は、第3トランジスタの一例である非シリサイドトランジスタ56の構造を示し、第3ソースおよび第3ドレインの一例であるn+型不純物領域82で形成されたソースおよびドレインの上と、第3ゲート電極の一例であるゲート電極56eとの上にシリサイド層75が形成されていない。第1絶縁層71は、n+型不純物領域82で形成されたソースおよびドレインの上面とゲート電極56eの上面に接している。このトランジスタの役割は、近年、トランジスタの微細化及び高密度化に応じて高集積化が進み、それに伴い、静電放電(以下、サージという。)によってもたらされるダメージに弱くなっている。例えば、外部接続用パッドから侵入するサージによって入力回路、出力回路及び入出力回路、さらには内部回路等に含まれるトランジスタが破壊され、性能が低下する。このため、周辺回路40には、外部接続用のパッドと、入力回路、出力回路、入出力回路又は内部回路との間に、トランジスタのソース・ドレイン部にシリサイドを形成しない領域を有する静電放電(ESD)保護トランジスタが設けることにより、サージ対策を実施している。図9の(b)に示される非シリサイドトランジスタ56は、このようなESD保護トランジスタとして好適である。
FIG. 9B shows the structure of the non-
図9の(c)は、非シリサイド抵抗素子57であり、素子分離領域69上に形成されている。ゲート絶縁層である第3絶縁層73を介して、第3半導体層の一例であるポリシリコンで構成されるゲート電極である抵抗素子本体57eが形成され、抵抗素子本体57eの側壁には、第2絶縁層72が形成され、第2絶縁層72を介してサイドウォールである第4絶縁層74が形成されている。抵抗素子本体57eの上には、第1絶縁層71が被覆している。この非シリサイド抵抗素子57は、カラム信号処理回路で使用される10ビットを超えるような分解能を持つ高精度なADCの形成や、小規模面積で形成できるDACの形成に使用可能である。
FIG. 9C shows a non-
図10~15は、図9に示された周辺領域R2における第1絶縁層71の形成までの過程を工程順に詳細に記載する。図10~図15の(a)は、図9の(a)に示されるシリサイドトランジスタ55を示し、図10~図15の(b)は、図9の(b)に示される非シリサイドトランジスタ56を示し、図10~図15の(c)は、図9の(c)に示される非シリサイド抵抗素子57を示す。
10 to 15 show in detail the process up to the formation of the first insulating
図10は、周辺領域R2における第2絶縁層72の成膜後での断面図を示す。ゲート絶縁層である第3絶縁層73上に、ポリシリコン層からなるゲート電極55e、56eと抵抗素子本体57eを化学気相成長(CVD)で成膜を行う。ゲート電極55e、56eと抵抗素子本体57eには、n型不純物がイオン注入より導入されている。n型不純物は、例えば燐である。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにて、ポリシリコン層とゲート絶縁層をエッチングする。次に、CVDでHTO(High Temperature Oxide)膜を700~800℃で成膜を行い、第2絶縁層72をゲート電極55e、56eと抵抗素子本体57eと半導体基板60の表面を被覆する。
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the second insulating
図11は、周辺領域R2における第4絶縁層74の成膜後での断面図を示す。第2絶縁層72は、ドライエッチングされ半導体基板60の表面まで露出される。この時、ゲート電極55e、56eと抵抗素子本体57e側壁部には、第2絶縁層72がドライエッチング時の異方性エッチングによって選択的に残される。図11の(a)で形成されるシリサイドトランジスタ55において、第2絶縁層72は、オフセットサイドウォール層とよばれ、シリサイドトランジスタ55のオーバーラップ容量の低減と撮像装置100の製造方法に固有のシリサイド層形成前のファーネス炉(拡散炉)による熱処理から悪化するシリサイドトランジスタ55のショートチャネル改善に大きな役割を果たす。また、オフセットサイドウォール層形成時のドライエッチングについては、撮像領域R1はレジスト(図示せず)で被覆されており、ドライエッチングされない。そのため、撮像領域R1内には第2絶縁層72が残る。
FIG. 11 shows a cross-sectional view of the fourth insulating
次に、ゲート電極55e、56eと抵抗素子本体57eと第2絶縁層72をマスクとしてn型不純物領域81が形成される。このn型不純物領域81は、LDDを形成するために行われ、エクステンション注入とも呼ばれる。次に、第4絶縁層74をCVDにより形成する。第4絶縁層74は、単膜でも複数層の膜でも構わない。以下に記載する内容は、二酸化シリコン層とシリコン窒化層の2層構造で、ゲート電極からより離れた外側にシリコン窒化層が形成される。例えば、バッチ式縦形ホットウオール形減圧CVD装置にて、二酸化シリコン層は、有機系液体原料ガスとしてTEOS(TetraEthOxySilane、Si(OC2H5)4)を用いた成膜が行われる。膜厚均一性とカバレッジが優れているために、この手法が用いられる。次に、シリコン窒化層は、前記有機系液体原料ガスとは、BTBAS(BIS(TERTIARY‐BUTYL‐AMINO)SILANE、SiH2(NH(C4H9))2)を用いた成膜が行われる。成膜温度の低温化とカバレッジが優れているために、この手法が用いられる。
Next, the n-
図12は、周辺領域R2におけるシリサイドブロック層76の成膜後での断面図を示す。ドライエッチングにより、第4絶縁層74のエッチングを実施し、半導体基板60表面まで露出させる。その後、イオン注入によりソース・ドレイン注入を行う。ソース・ドレイン注入は、図11で実施されるエクステンション注入より不純物濃度が高い。なお、非シリサイド抵抗素子57には、エクステンション注入とソース・ドレイン注入は実施されない。
FIG. 12 shows a cross-sectional view of the
次に、シリサイドブロック層76は、二酸化シリコン層で20~35nm程度の膜厚で形成される。シリサイドブロック層76は、例えば、TEOSとオゾンとをソースガスに用いた準常圧CVD(つまり、SACVD(Sub-Atmosphere Pressure-CVD))法により形成される。350~450℃の温度範囲、10~50Torrの圧力範囲で気相反応を行うことにより、二酸化シリコン層を成長させることができる。SACVD法は、低温処理可能で、カバレッジに優れるため使用される。シリサイドブロック層76までの工程で、撮像領域R1と周辺領域R2での半導体基板60への注入による不純物形成はすべて終えているため、低温処理で成膜することにより不純物の拡散を抑制することが可能になる。更に、近年の素子面積の縮小化によって、ウェハあたりの取れ数を多くするために、トランジスタ素子間が縮小化されている。そのため、周辺領域R2のトランジスタのゲート電極間が狭小になってきているために、段差被覆性の良好なSACVD法は、ゲート電極間のボイド(隙間)を発生させることなく成膜することが可能になる。
Next, the
次に、半導体基板60を拡散炉で加熱する第6工程として、撮像領域R1のn型不純物領域67n部のイオン注入やドライエッチング時のダメージによる結晶欠陥を回復させるために、拡散炉による800℃以上の熱処理を追加する。このことにより、暗電流が低減されるとともにSACVD法の形成されたシリサイドブロック層76の膜質が緻密になり、次工程のシリサイド層75形成時に、金属がシリサイドブロック層76を突き抜けて半導体基板60表面まで達することがなく、シリサイドブロック層76に金属が捕獲される。シリサイド層75の形成後に、拡散炉による800℃以上の熱処理を追加すると、低抵抗の金属シリサイドは、高温熱処理を施すと凝集が発生し、抵抗値が上昇してしまう問題があるのでシリサイド形成前に行うことが望ましい。
Next, as a sixth step of heating the
図13は、周辺領域R2におけるシリサイド層75の形成後での断面図を示す。つまり、図13は、シリサイドを形成する第3工程を終えた直後における断面図を示す。撮像領域R1と周辺領域R2の非シリサイドトランジスタ56、非シリサイド抵抗素子57の3領域をレジスト(図示せず)で被覆した後に、ドライエッチングを行う。このことにより、シリサイドトランジスタ55が、半導体基板60上のソース・ドレインであるn+型不純物領域82とゲート電極55e上が露出される。次に、図5で記載した方法でNiを含むシリサイド層75をn+型不純物領域82とゲート電極55e上に形成する。非シリサイドトランジスタ56と非シリサイド抵抗素子57に形成されているシリサイドブロック層76には、金属がこのとき含有される。
FIG. 13 shows a cross-sectional view of the peripheral region R2 after the formation of the
図14は、周辺領域R2におけるシリサイドブロック層76の除去後での断面図を示す。つまり、図14は、保護層を除去する第4工程を終えた直後における断面図を示す。図6で記載したように、APMにより、シリサイド層75を除去することなくシリサイドブロック層76だけを選択的に除去することが可能である。このとき、二酸化シリコンで形成されている第2絶縁層72や素子分離領域69に対するAPMによるエッチングを抑制するために、APM薬液の濃度は、1~10%程度の希釈したものを使用する。このことにより、シリサイドブロック層76のみに対してAPMエッチングの時間調整で対応可能になり、第2絶縁層72や素子分離領域69へのエッチングを最小限に減らすことが可能になる。
FIG. 14 shows a cross-sectional view of the peripheral region R2 after removal of the
図15は、周辺領域R2における第1絶縁層71の成膜後での断面図を示す。つまり、図15は、シリサイドを覆う第1絶縁層を形成する第5工程を終えた直後における断面図を示す。原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition:ALD法)によって、シリコン窒化層(ALD-SiN層)を成膜する。例えば、シリコン窒化層を形成する場合、DCS(SiH2Cl2、ジクロルシラン)とNH3(アンモニア)を交互に供給することにより、300~500℃の低温で高品質の成膜が可能である。このように、ALD法では、複数種類の反応性ガスを1種類ずつ交互に供給することによって成膜を行う。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が0.1nm/サイクルとすると、2nmの膜を形成する場合、処理を20サイクル行う。このことにより、原子層レベルでの均一な膜厚コントロールを可能としている。更に、ALD法はカバレッジ性も十分に高いので、図6でしめされるシリサイドブロック層76の除去後のわずかな隙間でも成膜することが可能である。
FIG. 15 shows a cross-sectional view of the first insulating
図16は、本開示の実施の形態1に係る撮像装置100の周辺領域R2における第1絶縁層71の形成後での断面図(図16の(a)~(c))と、シリサイドブロック層76を残したときの比較例に係る撮像装置の第1絶縁層71の形成後での断面図(図16の(d)~(f))を示す。図16の(a)と(d)とが、シリサイドトランジスタ55を示し、図16の(b)と(e)とが、非シリサイドトランジスタ56を示し、図16の(c)と(f)とが、非シリサイド抵抗素子57を示す。図16の(a)と(d)とに示されるシリサイドトランジスタ55は、同一構造を有する。一方、図16の(b)と(e)とに示される非シリサイドトランジスタ56は、異なる構造を有する。図16の(b)に示される非シリサイドトランジスタ56には、第1絶縁層71の下方に、シリサイドブロック層76が形成されていないが、図16の(e)に示される非シリサイドトランジスタ56には、第1絶縁層71の下方に、シリサイドブロック層76が形成されている点が異なる。図16の(c)と(f)とに示される非シリサイド抵抗素子57は、異なる構造を有する。図16の(c)に示される非シリサイド抵抗素子57には、第1絶縁層71の下方に、シリサイドブロック層76が形成されていないが、図16の(f)に示される非シリサイド抵抗素子57には、第1絶縁層71の下方に、シリサイドブロック層76が形成されている点が異なる。
16 is a cross-sectional view ((a) to (c) of FIGS. 16) after the formation of the first insulating
(実施の形態1の変形例)
図17は、本開示の実施の形態1の変形例に係る撮像装置の画素10Aのデバイス構造の一例を模式的に示す断面図である。各コンタクトプラグCp1~Cp7において、コンタクトプラグ上面や側面へのシリサイド層75が、除去されている点だけが図3に示された実施の形態1と異なる。コンタクトプラグCp1~7と導電構造との接続におけるコンタクト抵抗を低減させるためには、シリサイド層75を形成することが望ましいが、コンタクトプラグCp1~7が高濃度に不純物がドーピングされている場合、シリサイド層75はなくてもよい。
(Modified Example of Embodiment 1)
FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing an example of the device structure of the
本変形例に係る撮像装置の製造では、各コンタクトプラグCp1~Cp7形成後に、SACVD法で二酸化シリコン層を20~35nm程度の膜厚で保護膜を追加形成する。周辺領域R2の第2トランジスタの一例であるシリサイドトランジスタを形成するために、半導体基板とゲート電極表面部を露出させる必要性ある。よって、実施の形態1と異なり、シリサイドブロック層76のドライエッチングの時間を調整する必要がある。さらに、第2トランジスタへシリサイド層75形成後に、実施の形態1と異なり、シリサイドブロック層76の膜厚が異なるためAPMエッチングの時間を調整する必要がある。このように、製造工程について、実施の形態1との違いは、シリサドブロック層76のドライエッチング時間とAPMエッチングの時間変更のみであり、その他の製造工程は全て実施の形態1と同一手法で実施可能である。
In the manufacture of the image pickup apparatus according to this modification, after the contact plugs Cp1 to Cp7 are formed, a protective film is additionally formed with a silicon dioxide layer having a film thickness of about 20 to 35 nm by the SACVD method. In order to form a silicide transistor which is an example of the second transistor in the peripheral region R2, it is necessary to expose the semiconductor substrate and the surface portion of the gate electrode. Therefore, unlike the first embodiment, it is necessary to adjust the dry etching time of the
以上から、本開示の撮像装置100では、シリサイドブロック層76の除去により暗電流が低減され、かつ、シリサイドを備えたトランジスタにより、高速動作が可能になる。また、周辺回路に非シリサイドトランジスタを備えることにより、ESD対策が施され、トランジスタ素子の破壊が抑制される。更に、周辺回路において非シリサイド抵抗素子をADCやDACで使用することにより、カラム信号処理回路で必要な素子性能が提供され、画素特性が向上する。
From the above, in the
(実施の形態2)
次に、図18から図20を参照しながら、実施の形態2に係る撮像装置の構造および機能を説明する。
(Embodiment 2)
Next, the structure and function of the image pickup apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 18 to 20.
図18は、本開示の第2の実施形態に係る撮像装置200の例示的な回路構成を模式的に示す。図18では、図面が複雑となることを避けるために、2行2列に配列された4つの画素210Aが代表して示されている。これら画素210Aの各々は、図1に示す画素10の一例であり、光電変換部12としての埋め込み型のフォトダイオード228を有し、フォトダイオード228に電気的に接続された複数のMOSトランジスタによって構成された信号検出回路240Aを含む。後に図面を参照して詳しく説明するように、フォトダイオード228は、半導体基板60内に配置された光電変換部を含む。すなわち、ここでは、撮像装置200として埋め込み型のフォトダイオード228の撮像装置を例示する。
FIG. 18 schematically shows an exemplary circuit configuration of the
以下、実施の形態1と同じ構成要素については、実施の形態1と同様の符号を付して説明を省略し、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。 Hereinafter, the same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals as those of the first embodiment, the description thereof will be omitted, and the points different from those of the first embodiment will be mainly described.
図18に例示する構成において、信号検出回路240Aは、転送トランジスタ227、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26を含む。後に図面を参照して詳しく説明するように、転送トランジスタ227、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26は、典型的には、フォトダイオード228を支持する半導体基板60に形成された電界効果トランジスタである。以下では、特に断りの無い限り、トランジスタとしてNチャンネルMOSを用いる例を説明する。
In the configuration exemplified in FIG. 18, the
フォトダイオード228は、光電変換と光電変換で生じた信号電荷を蓄積する役割を行い、転送トランジスタ227との接続を有する。撮像装置200の動作時、転送トランジスタ227のゲートには、転送制御線237が接続されている。フォトダイオード228は、外部からの入射光を光電変換し光量に応じた信号電荷を生成する。フォトダイオード228と転送トランジスタ227を通じて信号電荷が、電荷蓄積領域の一例であるフローティングディフュージョン(FD)部へ転送される。このとき、FD部に電荷が転送されることによってFD部の電位が変化する。つまり、FD部は、電荷電圧変換部として機能する。また、FD部は、信号電荷を排出するためのリセットトランジスタ26のソースまたはドレインとFD部の信号電荷を電圧信号に変換する信号検出トランジスタ22のゲート電極を含む。
The
図19は、本開示の実施の形態2に係る撮像装置200の画素210Aにおける各素子のレイアウトの一例を示す模式的な平面図である。本実施の形態に係る撮像装置200は、埋め込み型のフォトダイオード228を有する。フォトダイオード228は、転送トランジスタ227、信号検出トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ26と同じ平面(つまり、半導体基板60の主面)上にレイアウトされる。
FIG. 19 is a schematic plan view showing an example of the layout of each element in the
図20は、本開示の実施の形態2に係る撮像装置200の画素210Aのデバイス構造の一例を模式的に示す断面図である。図19中のXIX-XIX線に沿って画素210Aを切断して展開すれば、図20に示す断面が得られる。
FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing an example of the device structure of the
本図に示されるように、フォトダイオード228は、半導体基板60の表面の近傍に形成されており、その少なくとも一部は、半導体基板60の表面に位置している。フォトダイオード228は、例えば、p型等の第一導電型の第1領域228aと、n型等の第二導電型の第2領域228bとで構成される。転送トランジスタ227は、ソースおよびドレインの一方として、フォトダイオード228を共有しており、ソースおよびドレインの他方として、電荷蓄積領域の一例であるn型不純物領域67nを共有している。転送トランジスタ227のゲート電極227e、ゲート電極227eに接続されるコンタクトプラグCp28、コンタクトプラグCp28の上面および側面を覆うシリサイド層275、ゲート電極227eの側壁に位置する第4絶縁層274、第4絶縁層274およびシリサイド層275に接する第1絶縁層71などは、リセットトランジスタ26と同じ構造である。よって、転送トランジスタ227は、電荷蓄積領域に電気的に接続され、第1ゲート電極としてのゲート電極227e、第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォールとしての第4絶縁層274、第1ソースおよび第1ドレインを含む第1トランジスタの一例でもある。なお、シリサイド層275は、形成されなくてもよい。
As shown in this figure, the
なお、層間絶縁層90の上面には、シリコン窒化層で構成されるパッシベーション層290が形成され、さらに、パッシベーション層290の上で、かつ、フォトダイオード228の上方には、マイクロレンズ291が形成されている。なお、パーシベーション層290とマイクロレンズ291の間には、平坦化層やカラーフィルターを形成されていてもよい。
A
このような本実施の形態に係る撮像装置200では、実施の形態1と同様に、シリサイドブロック層76の除去により暗電流が低減され、かつ、シリサイドを備えたトランジスタにより、高速動作が可能になる。
In the
図21は、本開示の実施の形態2の変形例に係る撮像装置の画素310Aのデバイス構造の一例を模式的に示す断面図である。各トランジスタにおいて、ゲート絶縁層として第3絶縁層73が各ゲート電極の直下だけに形成されている点だけが図20に示された実施の形態2と異なる。なお、図20の実施の形態2と同様に、シリサイド層275は、形成されなくてもよい。また、フォトダイオード228上の第3絶縁層73、第2絶縁層72、第1絶縁層71の膜構成は、図20と同様である。このような実施の形態2の変形例に係る撮像装置でも、実施の形態1及び2と同様に、シリサイドブロック層76の除去により暗電流が低減され、かつ、シリサイドを備えたトランジスタにより、高速動作が可能になる。
FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing an example of the device structure of the
以上、本開示に係る撮像装置および撮像装置の製造方法について、実施の形態1、2および変形例に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態および変形例に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態および変形例に施したものや、実施の形態および変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲内に含まれる。 Although the image pickup apparatus and the manufacturing method of the image pickup apparatus according to the present disclosure have been described above based on the first and second embodiments and the modified examples, the present disclosure is not limited to these embodiments and the modified examples. do not have. As long as it does not deviate from the gist of the present disclosure, various modifications that can be conceived by those skilled in the art are applied to the embodiments and modifications, and other embodiments constructed by combining some components in the embodiments and modifications are also available. , Included within the scope of this disclosure.
例えば、上記実施の形態2およびその変形例では、周辺回路は、実施の形態1と同様の構成を備えてもよい。これにより、埋め込み型フォトダイオードの撮像装置が、周辺回路において、シリサイドトランジスタを備えることで、周辺回路の高速動作が可能になり、また、非シリサイドトランジスタを備えることで、ESD対策が施され、トランジスタ素子の破壊が抑制される。更に、周辺回路において非シリサイド抵抗素子をADCやDACで使用することにより、カラム信号処理回路で必要な素子性能が提供され、画素特性が向上する。 For example, in the second embodiment and its modifications, the peripheral circuit may have the same configuration as that of the first embodiment. As a result, the image pickup device of the embedded photodiode is equipped with a silicide transistor in the peripheral circuit to enable high-speed operation of the peripheral circuit, and by including a non- silicide transistor, ESD countermeasures are taken and the transistor is provided. Destruction of the element is suppressed. Further, by using the non- silicide resistance element in the ADC or DAC in the peripheral circuit, the element performance required in the column signal processing circuit is provided, and the pixel characteristics are improved.
本開示の撮像装置は、暗電流による影響を抑制して高画質で撮像を行うことが可能な撮像装置として、例えばデジタルカメラなどに有用である。より具体的には、本開示の撮像装置は、例えば、医療用カメラ、ロボット用カメラ、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。 The image pickup apparatus of the present disclosure is useful for, for example, a digital camera as an image pickup apparatus capable of suppressing the influence of a dark current and performing an image pickup with high image quality. More specifically, the image pickup apparatus of the present disclosure can be used for, for example, a medical camera, a robot camera, a security camera, a camera mounted on a vehicle, and the like.
10、10A、210A、310A 画素
12 光電変換部
12A 光電変換構造
12a 画素電極
12b 光電変換層
12c 対向電極
14A、240A 信号検出回路
16A フィードバック回路
22 信号検出トランジスタ
24 アドレストランジスタ
26 リセットトランジスタ
22e、24e、26e、55e、56e、227e ゲート電極
31 蓄積制御線
32 電源配線
34 アドレス信号線
35 垂直信号線
36 リセット信号線
40 周辺回路
42 垂直走査回路
44 水平信号読み出し回路
45 負荷回路
46 制御回路
47 カラム信号処理回路
50 反転増幅器
53 フィードバック線
55 シリサイドトランジスタ
56 非シリサイドトランジスタ
57 非シリサイド抵抗素子
57e 抵抗素子本体
60 半導体基板
61 支持基板
61p、63p、65p p型半導体層
62n n型半導体層
67n、68an~68dn n型不純物領域
69 素子分離領域
71 第1絶縁層
72 第2絶縁層
73 第3絶縁層
74、274 第4絶縁層(サイドウォール)
75、275 シリサイド層
76 シリサイドブロック層(保護層)
80 p型不純物領域(pウェル)
81 n型不純物領域
82 n+型不純物領域
89 導電構造
90 層間絶縁層
100、200 撮像装置
227 転送トランジスタ
228 フォトダイオード(PD)
237 転送制御線
290 パッシベーション層
291 マイクロレンズ
R1 撮像領域
R2 周辺領域
FD 電荷蓄積ノード
Cp1、Cp2、Cp3、Cp4、Cp5、Cp6、Cp7、Cp28 コンタクトプラグ
Ca1、Ca2、Ca3 第2コンタクトプラグ
h1、h2、h3、h4、h5 コンタクトホール
d コンタクトホールh1の半径
D Cp1の半径
10, 10A, 210A,
75, 275
80 p-type impurity region (p-well)
81 n-type impurity region 82 n + -
237
Claims (16)
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域に電気的に接続され、第1ゲート電極、第1ソース、第1ドレインおよび前記第1ゲート電極の側壁に位置する第1サイドウォールを含む第1トランジスタと、
前記第1ゲート電極に接続される第1プラグと、
前記第1プラグに接する第1シリサイド層と、
前記第1サイドウォールおよび前記第1シリサイド層に接する第1絶縁層と、
を備える撮像装置。 An image pickup device equipped with a plurality of pixels.
Each of the plurality of pixels
Photoconverter and
A charge storage region that stores the charge generated by the photoelectric conversion unit, and
A first transistor electrically connected to the charge storage region and comprising a first gate electrode, a first source, a first drain and a first sidewall located on the side wall of the first gate electrode.
The first plug connected to the first gate electrode and
The first silicide layer in contact with the first plug and
The first insulating layer in contact with the first sidewall and the first silicide layer,
An image pickup device equipped with.
前記第2ゲート電極は、第1半導体層と、前記第1半導体層上に位置する第2シリサイド層と、を含み、
前記第1絶縁層は、前記第2シリサイド層に接する、
請求項1に記載の撮像装置。 A second transistor including a second gate electrode, a second source and a second drain,
The second gate electrode includes a first semiconductor layer and a second silicide layer located on the first semiconductor layer.
The first insulating layer is in contact with the second silicide layer.
The imaging device according to claim 1.
前記周辺回路は、前記第2トランジスタを含む、
請求項2に記載の撮像装置。 A peripheral circuit that outputs a drive signal for driving the plurality of pixels is provided.
The peripheral circuit includes the second transistor.
The imaging device according to claim 2.
前記第3ゲート電極は、第2半導体層を含み、
前記第1絶縁層は、前記第2半導体層に接する、
請求項3に記載の撮像装置。 The peripheral circuit includes a third transistor including a third gate electrode, a third source and a third drain.
The third gate electrode includes a second semiconductor layer, and the third gate electrode includes a second semiconductor layer.
The first insulating layer is in contact with the second semiconductor layer.
The imaging device according to claim 3.
前記抵抗素子は、第3半導体層を含み、
前記第1絶縁層は、前記第3半導体層に接する、
請求項3または請求項4に記載の撮像装置。 The peripheral circuit includes a resistance element.
The resistance element includes a third semiconductor layer, and the resistance element includes a third semiconductor layer.
The first insulating layer is in contact with the third semiconductor layer.
The imaging device according to claim 3 or 4.
請求項5に記載の撮像装置。 The first semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of the same material.
The imaging device according to claim 5.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の撮像装置。 The first transistor resets the signal charge stored in the charge storage region.
The imaging device according to any one of claims 1 to 6.
前記保護層を貫通し、前記第1ゲート電極に接続する第1プラグを形成する第2工程と、
前記第1プラグおよび前記保護層上に第1シリサイド層を形成する第3工程と、
前記保護層を除去する第4工程と、
前記第1サイドウォールおよび前記第1シリサイド層を覆う第1絶縁層を形成する第5工程と、
をこの順に含む、撮像装置の製造方法。 The first gate electrode and the first gate electrode are on a semiconductor substrate including a first transistor including a first gate electrode, a first source and a first drain, and a first sidewall located on a side wall of the first gate electrode. 1 The first step of forming a protective layer located above the sidewall,
A second step of forming a first plug that penetrates the protective layer and connects to the first gate electrode.
A third step of forming the first silicide layer on the first plug and the protective layer, and
The fourth step of removing the protective layer and
The fifth step of forming the first insulating layer covering the first sidewall and the first silicide layer, and the fifth step.
A method of manufacturing an image pickup apparatus, which includes the above in this order.
請求項8に記載の撮像装置の製造方法。 The fourth step is performed by wet etching.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to claim 8.
請求項9に記載の撮像装置の製造方法。 The wet etching is APM (Ammonia-hydrogen Peroxide Mixture) etching.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to claim 9.
請求項8から請求項10のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。 The first insulating layer is a silicon nitride layer.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to any one of claims 8 to 10.
請求項8から請求項11のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。 The first insulating layer is formed by using an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to any one of claims 8 to 11.
請求項8から請求項12のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。 The protective layer is a silicon oxide layer.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to any one of claims 8 to 12.
請求項13に記載の撮像装置の製造方法。 The protective layer is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using ozone and TEOS (TetraEthOxySilane) as a source gas.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to claim 13.
請求項8から請求項14のいずれか一項に記載の撮像装置の製造方法。 Between the second step and the third step, a sixth step of heating the semiconductor substrate in a diffusion furnace is included.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to any one of claims 8 to 14.
請求項15に記載の撮像装置の製造方法。 In the sixth step, the semiconductor substrate is heated at a temperature of 800 ° C. or higher.
The method for manufacturing an image pickup apparatus according to claim 15.
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