JP3658384B2 - MOS type imaging device and camera incorporating the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルカメラ等に使用されるMOS型撮像装置およびこれを組み込んだカメラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
MOS型撮像装置は、各画素に形成されたMOSトランジスタを含む増幅回路を用いて、各画素の信号を増幅して読み出すイメージセンサである。近年、このMOS型撮像装置、特に、CMOS(complementary MOS)プロセスで製造されるいわゆるCMOSイメージセンサは、低電圧・低消費電力であり、周辺回路とワン・チップ化できるという長所を有するため、PC用小型カメラなどの携帯機器の画像入力素子として注目されている。
【0003】
従来のMOS型撮像装置においては、周辺回路領域の各回路が、nチャンネルMOSトランジスタとpチャンネルMOSトランジスタを両方使用するCMOS技術を用いて設計さている。一方、撮像領域においては、各画素を構成するMOSトランジスタの全てが、nチャンネルMOSトランジスタである。この画素を構成するnチャンネルMOSトランジスタは、通常、周辺回路領域で使用されるnチャンネルMOSトランジスタと同一構造とされる。
【0004】
図4は、下記特許文献1等で提案されている従来のMOS型撮像装置の周辺回路領域に用いられるCMOSトランジスタの構造を示す断面図である。半導体基板21内に、n型ウェル26およびp型ウェル25が形成されている。n型ウェル内26にpチャンネルMOSトランジスタ22が、p型ウェル25内にnチャンネルMOSトランジスタ23がそれぞれ形成されており、このトランジスタ同士間は、素子分離部24により電気的に分離されている。素子分離部24には、選択酸化法(LOCOS:local oxidation of silicon)により形成された酸化膜27が用いられる。また、更に微細化が進むと、素子分離部には、図5に示すように、STI(Shallow Trench Isolation)により形成された酸化膜28が用いられる。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−110953
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
MOS撮像装置は、前記したように各画素内に増幅回路を備えているため、少ない信号を増幅でき、高感度を実現できる。その反面、フォトダイオードに漏れ込むリーク電流が大きいと、それが増幅されてしまうため、大きな雑音となるという問題があった。
【0007】
上記従来のMOS型撮像装置においては、前記したように、画素を構成するnチャンネルMOSトランジスタは、周辺回路領域で使用されるnチャンネルMOSトランジスタ、すなわち、CMOSトランジスタのnチャンネルMOSトランジスタと同一構造とされる。また、トランジスタ間の素子分離部の構造についても、撮像領域と周辺回路領域とで同一構造とされる。
【0008】
しかしながら、周辺回路領域に用いられるCMOSトランジスタは、半導体LSIの微細化技術の大きな流れを受けて開発されたものであり、高速化を主な目的として製造がチューニングされており、リーク電流には注意が払われていないのが現状である。例えば、図4に示すようなCMOSトランジスタにおいては、素子分離部に用いられる酸化膜27は、基板21の熱酸化により形成されるため、その膜厚の約半分程度が基板21を大きく侵食している。また、図5に示すCMOSトランジスタにおいては、素子分離部に用いられる酸化膜28は、基板21に形成された溝を充填するものであり、その膜厚全部が基板21を侵食している。このような素子分離部においては、基板の酸化膜で侵食された部分に大きなストレスが発生するため、大きなリーク電流が発生する。そのため、このようなCMOSトランジスタの素子分離構造をそのまま撮像領域に適用すると、リーク電流による雑音が非常に大きくなるという問題があった。
【0009】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、リーク電流に起因する雑音の小さいMOS型撮像装置およびMOS型撮像装置を用いたカメラを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明のMOS型撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された複数の単位画素が配列された撮像領域と、前記半導体基板上に形成された前記撮像領域を動作させるための駆動回路を含む周辺回路領域とを備え、前記単位画素はフォトダイオードとMOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタと第1の素子分離部を備え、前記周辺回路領域は前記駆動回路内の素子を分離する第2の素子分離部を備えたMOS型撮像装置であって、
前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が、
A.前記基板を侵食しないように前記基板上に形成され、かつ膜厚が500nm以下である電気的絶縁膜、
B.前記基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下で、かつ水素アニール処理が施され、前記基板上に形成された電気的絶縁膜、および、
C.前記基板内に形成された不純物拡散領域
から選ばれる少なくとも一つであって、かつ、前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が同一構造であることを特徴とする。
【0011】
次に本発明のカメラは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された複数の単位画素が配列された撮像領域と、前記半導体基板上に形成された前記撮像領域を動作させるための駆動回路を含む周辺回路領域とを備え、前記単位画素はフォトダイオードとMOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタと第1の素子分離部を備え、前記周辺回路領域は前記駆動回路内の素子を分離する第2の素子分離部を備え、
前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が、
A.前記基板を侵食しないように前記基板上に形成され、かつ膜厚が500nm以下である電気的絶縁膜、
B.前記基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下で、かつ水素アニール処理が施され、前記基板上に形成された電気的絶縁膜、および、
C.前記基板内に形成された不純物拡散領域
から選ばれる少なくとも一つであって、かつ、前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が同一構造であるMOS型撮像装置を組み込んだことを特徴とする。
【0012】
本発明において、「第1の素子分離部」は、同一画素内に存在する素子間を電気的に分離するために形成される。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が、
A.前記基板を侵食しないように前記基板上に形成された電気的絶縁膜、
B.前記基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下である前記基板上に形成された電気的絶縁膜、および、
C.前記基板内に形成された不純物拡散領域
から選ばれる少なくとも一つで構成されているため、基板にかかるストレスが小さくなり、リーク電流を抑制することができる。その結果、リーク電流に起因した雑音を低減することができる。また、前記Bの場合は、基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下と浅く形成することで素子分離部のストレスを小さくできリーク電流を抑制することができる。
【0014】
前記MOS型撮像装置においては、前記不純物拡散領域が、イオン注入により形成されたものであることが好ましい。
【0015】
また、前記MOS型撮像装置においては、前記絶縁膜の膜厚が、1nm以上500nm以下であることが好ましい。
【0016】
また、前記MOS型撮像装置においては、前記撮像領域において、前記フォトダイオードに隣接するように形成された前記第1の素子分離部が、前記基板内に形成された不純物拡散領域で構成されていることが好ましい。
【0017】
また、前記MOS型撮像装置においては、前記駆動回路の少なくとも一部が、ダイナミック回路であることが好ましい。消費電力を低下させることができるからである。
【0018】
前記MOS型撮像装置においては、前記フォトダイオードの表層部に、暗電流抑制層が形成されていることが好ましい。この好ましい例によれば、フォトダイオード上の基板表面付近の欠陥から発生するリーク電流を抑制することができる。
【0019】
以下、図面を用いて説明する。
【0020】
図2は、本発明のMOS型撮像装置の一例を示す図である。この固体撮像装置は、複数の画素6が一次元状または二次元状に配置された撮像領域7と、その周囲に配置された周辺回路領域とを備えている。
【0021】
このMOS型撮像装置は、同一の半導体基板上に、複数の画素6が二次元状に配列された撮像領域7と、画素選択のための垂直シフトレジスタ8および水平シフトレジスタ9と、前記シフトレジスタに必要なパルスを供給するタイミング発生回路10とを備えている(以下、撮像領域7以外の領域、すなわち垂直シフトレジスタ8、水平シフトレジスタ9およびタイミング発生回路10を含む領域を、「周辺回路領域」という。)。撮像領域7においては、各画素6が、フォトダイオード1と、転送用トランジスタ2、リセット用トランジスタ3、増幅用トランジスタ4および選択用トランジスタ5の4個のMOSトランジスタとで構成されている。また、周辺回路領域においては、垂直シフトレジスタ8、水平シフトレジスタ9およびタイミング発生回路10が、複数のMOSトランジスタを用いて構成されている。
【0022】
撮像領域7を構成する各画素6は、フォトダイオード1と、転送用トランジスタ2、リセット用トランジスタ3、増幅用トランジスタ4および選択用トランジスタ5の4個のMOSトランジスタとを含んでいる。転送用トランジスタ2は、フォトダイオード1をソースとし、ドレインが増幅用トランジスタ4のゲートと電気的に接続されている。増幅用トランジスタ4は、ドレインが電源電圧と、ソースが選択用トランジスタ5のドレインと電気的に接続されている。また、リセット用トランジスタ2は、ソースが転送用トランジスタ2のドレインと、ドレインが電源電圧と電気的に接続されている。また、選択用トランジスタ5は、ソースが出力線に接続されている。
【0023】
各トランジスタの役割を簡単に説明すると、転送用トランジスタ2は、フォトダイオード1で光電変換されて発生した信号電荷を検出部(転送用トランジスタ2のドレイン)に転送するためのトランジスタである。検出部は、信号電荷を蓄積し、その電荷に応じた電圧を増幅用トランジスタ4へ入力するという機能を果たす。増幅用トランジスタ4は、検出部の電圧を増幅する機能を果たし、選択用トランジスタ5は、増幅用トランジスタ4の出力を取り出すスイッチであり、信号を読み出す画素を選択する機能を果たす。また、リセット用トランジスタ2は、検出部に蓄積された信号電荷を一定時間毎に排出する機能を果たす。
【0024】
図1(a)および図1(b)は、MOSトランジスタおよびその周辺の構造の一例を示す断面図である。このMOSトランジスタ12においては、p型半導体基板11(または、p型ウェル)内に、n型拡散領域であるソース14およびドレイン15が形成されている。ソース14とドレイン15との間に対応する半導体基板11上には、絶縁膜16を介して、ゲート電極17が形成されている。
【0025】
また、図1(a)および図1(b)に示すように、MOSトランジスタ12同士間は素子分離部13により電気的に分離されている。素子分離部13は、図1(a)に示すような、半導体基板11上に分離酸化膜18が形成された構造、または、図1(b)に示すような、半導体基板11内に分離拡散領域19が形成された構造とすることができる。また、分離酸化膜18および分離拡散領域19の両方が形成された構造であってもよい。なお、この素子分離部の構造については、後に詳説する。
【0026】
フォトダイオード1は、p型半導体基板(またはp型ウェル)内に形成されたn型拡散領域である。前記したように、フォトダイオードは転送用トランジスタのソースを構成しており、他のMOSトランジスタのソースと同様に、フォトダイオードに隣接する領域には素子分離部が形成されている。
【0027】
更に、フォトダイオードであるn型拡散領域の表層部には、暗電流抑制層として、p型拡散領域が形成されていることが好ましい。この場合、暗電流抑制層は、フォトダイオードに隣接するように形成された素子分離部にまで伸長していることが好ましい。すなわち、素子分離部が分離酸化膜で構成される場合は、分離酸化膜の下方にまで伸長していることが好ましく、素子分離部が分離拡散領域で構成される場合は、分離拡散領域内にまで伸長していることが好ましい。
【0028】
なお、上記説明においては、各画素を構成するMOSトランジスタとして、nチャンネルMOSトランジスタを用いた場合を例示したが、pチャンネルMOSトランジスタを用いることも可能である。この場合、MOSトランジスタは、n型半導体基板(または、n型ウェル)内に、p型拡散領域であるソースおよびドレインが形成された構造となる。また、フォトダイオードはp型拡散領域で構成され、暗電流抑制層はn型拡散領域で構成される。
【0029】
周辺回路領域は、図2に示すように、画素選択のための水平シフトレジスタ8および垂直シフトレジスタ9、これらのシフトレジスタの動作に必要なパルスを供給するタイミング発生回路10などの駆動回路を含んでいる。
【0030】
この周辺回路は、消費電力の低下を図るため、駆動回路はダイナミック回路を用いて構成されることが好ましい。図3は、水平シフトレジスタおよび垂直シフトレジスタに用いることが可能なダイナミック回路の一例を示す回路図である。
【0031】
通常、ダイナミック回路は、容量(図3の20a、20bおよび20c)にデータをダイナミックに保持するため、リーク電流が大きいと、データがリーク電流により破壊されるおそれがある。しかし、本実施形態においては、駆動回路のMOSトランジスタ間を分離する素子分離部として、リーク電流の小さい構造を採用しているため、このような問題を軽減することができる。
【0032】
駆動回路は、複数のMOSトランジスタを含んでおり、このMOSトランジスタ同士間は素子分離部で電気的に分離されている。素子分離部の構造としては、撮像領域における素子分離部と同様の構造を採用することができる。すなわち、半導体基板上に分離酸化膜が形成された構造、半導体基板内に分離拡散領域が形成された構造、または、分離酸化膜および分離拡散領域の両方が形成された構造とすることができる。この素子分離部の構造については、後に詳説する。
【0033】
更に、撮像領域の画素を構成するMOSトランジスタおよび周辺回路領域の駆動回路を構成するMOSトランジスタは、全て同一構造を有していることが好ましい。製造プロセスの簡素化を図ることができるからである。
【0034】
次に、撮像領域および周辺回路領域における、MOSトランジスタ間の素子分離部について説明する。
【0035】
前記したように、撮像領域および周辺回路領域のいずれにおいても、素子分離部の構造としては、半導体基板上に分離酸化膜が形成された構造(以下、「第1の実施形態」という。)、または、半導体基板内に分離拡散領域が形成された構造(以下、「第2の実施形態」という。)が採用される。
【0036】
図1(a)は、第1の実施形態に係る素子分離部の一例を示す断面図である。この素子分離部13においては、半導体基板11上に分離酸化膜18が形成されている。分離酸化膜18は、半導体基板11を侵食しない膜であり、例えば、半導体基板の平坦な表面に形成された堆積膜である。このような分離酸化膜18は、例えば、CVD法などにより形成することができる。
【0037】
図6は、分離酸化膜の差によるリーク電流比較図である。
【0038】
分離酸化膜18の膜厚は、図6のBに示すように800nmと厚い場合には、分離酸化膜18の形成後に熱処理工程などの影響で、分離酸化膜18とソース14またはドレイン15の境界領域でにある分離酸化膜18の端部に応力が集中してしまう。その結果、図6のAに示す選択酸化法(LOCOS:local oxidation of silicon)により形成された酸化膜27よりも応力が大きくなり、リーク電流が1.3倍に増加した。そのため、分離酸化膜18の膜厚を500nm以下、好ましくは、400nm以下、更に好ましくは250nm以下にすることで、分離酸化膜18の端部のリーク電流を、選択酸化法(LOCOS:local oxidation of silicon)により形成された酸化膜27のリーク電流よりも低減することができた。図6のCに示すように分離酸化膜18が250nmの場合で、0.8倍に低減することができた。
【0039】
一般的にCMOSのLSIなどは、単位セル内にGND電源があるためにGNDから分離酸化膜の下を通ってVDD(たとえば3V)に電流が流れる可能性があるため分離酸化膜を300nm程度に厚くして素子分離の耐圧を向上する必要がある。しかし増幅型単位画素の場合には画素内にGND電源が必ずしも必要とされないため、分離酸化膜18を4〜250nmと薄くすることができ、分離酸化膜18のリークを低減することができた。
【0040】
さらに、分離酸化膜18の形成後に水素雰囲気中でアニール処理を行うことで分離酸化膜18の端部の応力で発生した欠陥を改善することができ、リーク電流を更に低減することができ、図6のEに示すように0.4倍に低減できた。
【0041】
また、図1(a)は、分離酸化膜18は、半導体基板11を侵食しないように基板上に形成された絶縁膜の例を示したが、実験結果では、分離酸化膜18が半導体基板を侵食する深さが50nm以下である場合には、水素雰囲気中でアニール処理を行うことで、選択酸化法(LOCOS:local oxidation of silicon)により形成された酸化膜27よりもリーク電流を低減することができ、図6のDに示すように0.6倍にリーク電流を抑えることができた。
【0042】
図1(b)は、第2の実施形態に係る素子分離部の一例を示す断面図である。この素子分離部13においては、半導体基板11内に、分離拡散領域19が形成されている。この第2の実施形態によれば、前記第1の実施形態よりも更に優れたリーク電流抑制効果を得ることができる。分離拡散領域19としては、nチャンネルMOSトランジスタ同士間を分離する場合はp型拡散領域が用いられ、pチャンネルMOSトランジスタ同士間を分離する場合はn型拡散領域が用いられる。この分離拡散領域19は、例えば、半導体基板内にp型またはn型不純物をイオン注入することにより形成することができる。
【0043】
分離拡散領域19の不純物濃度および拡散深さについては、MOSトランジスタ12を電気的に分離できればよく、特に限定するものではない。不純物濃度は、例えば1014〜1022cm-3、好ましくは1015〜1020cm-3、更に好ましくは1017〜1020cm-3であり、拡散深さは、例えば0μmを超え且つ7μm以下、好ましくは0μmを超え且つ2μm以下、更に好ましくは0μmを超え且つ1μm以下である。
【0044】
また、素子分離部は、分離酸化膜および分離拡散領域を併用した構造であってもよい(以下、このような構造を「第3の実施形態」という。)。このような構造によれば、分離酸化膜と半導体基板との界面でリーク電流が発生した場合でも、このリーク電流を分離拡散領域で再結合させることができるため、更なるリーク電流低減効果が得られる。
【0045】
撮像領域においては、少なくともフォトダイオードに隣接する素子分離部の構造として、前記第2の実施形態を採用することが好ましい。優れたリーク電流抑制効果を得ることができるからである。また、撮像領域におけるその他の素子分離部の構造としては、前記第2の実施形態を採用することもできるが、特に、前記第1の実施形態または第3の実施形態を採用することが好ましい。画素内の増幅回路の高速動作を実現することができるからである。
【0046】
一方、周辺回路領域においては、素子分離部の構造として、前記第1の実施形態または第3の実施形態を採用することが好ましい。駆動回路の高速動作を実現することができるからである。
【0047】
撮像領域における素子分離部の構造と、周辺回路領域における素子分離部の構造は、第1の実施形態、第2の実施形態および第3の実施形態から、それぞれ個別に選択することができる。以下に、その組み合わせの好適な例を挙げる。
【0048】
第1番目の例は、撮像領域における素子分離部と周辺回路領域における素子分離部とを同一構造とするものである。この場合、素子分離部の構造としては、前記第2の実施形態を採用することもできるが、特に、前記第1の実施形態または第3の実施形態を採用することが好ましい。
【0049】
第2番目の例は、撮像領域における素子分離部の構造として、前記第2の実施形態を採用し、周辺回路領域における素子分離部の構造として、前記第1の実施形態または前記第3の実施形態を採用したものである。このような構造によれば、フォトダイオードに漏れ込むリーク電流を低減し、且つ、駆動回路の高速化を実現できる。
【0050】
第3番目の例は、撮像領域においては、フォトダイオードに隣接する素子分離部の構造として前記第2の実施形態を、その他の素子分離部の構造として前記第1の実施形態または前記第3の実施形態を採用し、且つ、周辺回路領域においては、素子分離部の構造として、前記第1の実施形態または前記第3の実施形態を採用したものである。
【0051】
このような構造によれば、フォトダイオードに漏れ込むリーク電流を低減し、且つ、駆動回路および画素内の増幅回路の高速化を実現できる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のMOS型撮像装置によれば、MOSトランジスタ同士間の素子分離部を特定の構造とすることにより、リーク電流に起因した雑音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施形態に係る素子分離部の一例を示す断面図である。(b)は第2の実施形態に係る素子分離部の一例を示す断面図である。
【図2】本発明のMOS型撮像装置の構成を示す図である。
【図3】本発明のMOS型撮像装置の駆動回路に用い得るダイナミック回路の一例を示す回路図である。
【図4】従来のMOS型撮像装置を構成するCMOSトランジスタ及び素子分離部の構造を示す断面図である。
【図5】従来のMOS型撮像装置を構成するCMOSトランジスタ及び素子分離部の構造を示す断面図である。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る分離酸化膜の差によるリーク電流比較図である。
【符号の説明】
1 フォトダイオード
2,3,4,5 MOSトランジスタ
6 画素
7 撮像領域
8 垂直シフトレジスタ
9 水平シフトレジスタ
10 タイミング発生回路
11 半導体基板
12 MOSトランジスタ
13 素子分離部
14 ソース
15 ドレイン
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート
18 分離酸化膜
19 分離拡散領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MOS type image pickup apparatus used for a digital camera or the like and a camera incorporating the same.
[0002]
[Prior art]
The MOS type imaging device is an image sensor that amplifies and reads out a signal of each pixel using an amplifier circuit including a MOS transistor formed in each pixel. In recent years, this type of MOS imaging device, in particular, a so-called CMOS image sensor manufactured by a CMOS (complementary MOS) process has the advantages of low voltage and low power consumption and can be integrated into one chip with peripheral circuits. Attention has been focused on as an image input element for portable devices such as small cameras.
[0003]
In the conventional MOS type imaging device, each circuit in the peripheral circuit region is designed by using a CMOS technology that uses both an n-channel MOS transistor and a p-channel MOS transistor. On the other hand, in the imaging region, all of the MOS transistors constituting each pixel are n-channel MOS transistors. The n-channel MOS transistors constituting this pixel usually have the same structure as the n-channel MOS transistors used in the peripheral circuit region.
[0004]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a CMOS transistor used in the peripheral circuit region of a conventional MOS imaging device proposed in
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-110953 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since the MOS imaging device includes an amplifier circuit in each pixel as described above, it can amplify a small number of signals and realize high sensitivity. On the other hand, if the leak current leaking into the photodiode is large, it will be amplified, resulting in a problem of large noise.
[0007]
In the conventional MOS type imaging device, as described above, the n-channel MOS transistors constituting the pixels have the same structure as the n-channel MOS transistors used in the peripheral circuit region, that is, the n-channel MOS transistors of the CMOS transistors. Is done. Also, the structure of the element isolation portion between the transistors is the same in the imaging region and the peripheral circuit region.
[0008]
However, CMOS transistors used in the peripheral circuit area have been developed in response to the large trend of semiconductor LSI miniaturization technology, and their production has been tuned mainly for speeding up. Is not paid. For example, in a CMOS transistor as shown in FIG. 4, since the
[0009]
An object of the present invention is to provide a MOS type imaging device having a low noise caused by a leakage current and a camera using the MOS type imaging device in order to solve the above-described conventional problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a MOS type imaging device of the present invention includes a semiconductor substrate, an imaging region in which a plurality of unit pixels formed on the semiconductor substrate are arranged, and the imaging formed on the semiconductor substrate. A peripheral circuit region including a drive circuit for operating the region, wherein the unit pixel includes a photodiode, a metal-oxide-semiconductor (MOS) transistor, and a first element isolation unit, and the peripheral circuit region includes the drive A MOS-type imaging device including a second element isolation unit that isolates elements in a circuit,
The first element isolation part and the second element isolation part are:
A. An electrically insulating film formed on the substrate so as not to erode the substrate and having a film thickness of 500 nm or less ;
B. A depth of erosion of the substrate of 1 nm or more and 50 nm or less , and an electrical insulating film formed on the substrate that has been subjected to a hydrogen annealing treatment ; and
C. I at least one Der selected from impurity diffusion region formed in said substrate, and said first element isolation portion and the second isolation portion is characterized by the same structure der Rukoto.
[0011]
Next, a camera according to the present invention includes a semiconductor substrate, an imaging region in which a plurality of unit pixels formed on the semiconductor substrate are arranged, and a drive circuit for operating the imaging region formed on the semiconductor substrate. The unit pixel includes a photodiode, a MOS (metal-oxide-semiconductor) transistor, and a first element isolation unit, and the peripheral circuit area isolates elements in the driving circuit. 2 element isolation parts,
The first element isolation part and the second element isolation part are:
A. An electrically insulating film formed on the substrate so as not to erode the substrate and having a film thickness of 500 nm or less ;
B. A depth of erosion of the substrate of 1 nm or more and 50 nm or less , and an electrical insulating film formed on the substrate that has been subjected to a hydrogen annealing treatment ; and
C. I at least one Der selected from impurity diffusion region formed in said substrate, and said first element isolation portion and the second isolation portion incorporates MOS type imaging device Ru same structure der It is characterized by that.
[0012]
In the present invention, the “first element isolation portion” is formed to electrically isolate elements existing in the same pixel.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the first element isolation part and the second element isolation part are:
A. An electrically insulating film formed on the substrate so as not to erode the substrate,
B. An electrical insulating film formed on the substrate having a depth of eroding the substrate of 1 nm to 50 nm, and
C. Since it is composed of at least one selected from the impurity diffusion regions formed in the substrate, the stress applied to the substrate is reduced, and the leakage current can be suppressed. As a result, noise caused by leakage current can be reduced. In the case of B, when the depth of erosion of the substrate is as shallow as 1 nm or more and 50 nm or less, the stress of the element isolation portion can be reduced and the leakage current can be suppressed.
[0014]
In the MOS imaging device, it is preferable that the impurity diffusion region is formed by ion implantation.
[0015]
In the MOS imaging device, it is preferable that the insulating film has a thickness of 1 nm to 500 nm.
[0016]
In the MOS type imaging device, the first element isolation portion formed so as to be adjacent to the photodiode in the imaging region is constituted by an impurity diffusion region formed in the substrate. It is preferable.
[0017]
In the MOS imaging device, it is preferable that at least a part of the drive circuit is a dynamic circuit. This is because power consumption can be reduced.
[0018]
In the MOS type imaging device, it is preferable that a dark current suppressing layer is formed on a surface layer portion of the photodiode. According to this preferred example, it is possible to suppress a leakage current generated from a defect near the substrate surface on the photodiode.
[0019]
Hereinafter, it demonstrates using drawing.
[0020]
FIG. 2 is a diagram showing an example of the MOS type imaging device of the present invention. This solid-state imaging device includes an
[0021]
This MOS type imaging device includes an
[0022]
Each pixel 6 constituting the
[0023]
The role of each transistor will be briefly described. The transfer transistor 2 is a transistor for transferring a signal charge generated by photoelectric conversion by the
[0024]
FIG. 1A and FIG. 1B are cross-sectional views showing an example of a MOS transistor and its peripheral structure. In the
[0025]
Further, as shown in FIGS. 1A and 1B, the
[0026]
The
[0027]
Furthermore, it is preferable that a p-type diffusion region is formed as a dark current suppression layer in the surface layer portion of the n-type diffusion region which is a photodiode. In this case, it is preferable that the dark current suppression layer extends to the element isolation portion formed so as to be adjacent to the photodiode. That is, when the element isolation portion is formed of an isolation oxide film, it is preferably extended to below the isolation oxide film. When the element isolation portion is configured of an isolation diffusion region, It is preferable to extend to.
[0028]
In the above description, the case where an n-channel MOS transistor is used as the MOS transistor constituting each pixel is exemplified, but a p-channel MOS transistor can also be used. In this case, the MOS transistor has a structure in which a source and a drain which are p-type diffusion regions are formed in an n-type semiconductor substrate (or an n-type well). The photodiode is composed of a p-type diffusion region, and the dark current suppression layer is composed of an n-type diffusion region.
[0029]
As shown in FIG. 2, the peripheral circuit region includes driving circuits such as a horizontal shift register 8 and a vertical shift register 9 for pixel selection, and a
[0030]
In order to reduce the power consumption of this peripheral circuit, the drive circuit is preferably configured using a dynamic circuit. FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a dynamic circuit that can be used in the horizontal shift register and the vertical shift register.
[0031]
Normally, a dynamic circuit dynamically retains data in a capacity (20a, 20b, and 20c in FIG. 3). Therefore, if the leakage current is large, the data may be destroyed by the leakage current. However, in the present embodiment, since a structure with a small leakage current is employed as the element isolation portion that isolates the MOS transistors of the drive circuit, such a problem can be reduced.
[0032]
The drive circuit includes a plurality of MOS transistors, and the MOS transistors are electrically separated from each other by an element separation unit. As the structure of the element isolation part, the same structure as the element isolation part in the imaging region can be adopted. That is, a structure in which an isolation oxide film is formed on a semiconductor substrate, a structure in which an isolation diffusion region is formed in the semiconductor substrate, or a structure in which both an isolation oxide film and an isolation diffusion region are formed can be employed. The structure of this element isolation part will be described in detail later.
[0033]
Furthermore, it is preferable that the MOS transistors constituting the pixels in the imaging region and the MOS transistors constituting the drive circuit in the peripheral circuit region all have the same structure. This is because the manufacturing process can be simplified.
[0034]
Next, an element isolation portion between MOS transistors in the imaging region and the peripheral circuit region will be described.
[0035]
As described above, in both the imaging region and the peripheral circuit region, the structure of the element isolation portion is a structure in which an isolation oxide film is formed on a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “first embodiment”). Alternatively, a structure in which an isolation diffusion region is formed in a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “second embodiment”) is employed.
[0036]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an example of an element isolation unit according to the first embodiment. In the
[0037]
FIG. 6 is a comparison diagram of leakage current due to the difference in the isolation oxide film.
[0038]
When the thickness of the
[0039]
In general, a CMOS LSI or the like has a GND power supply in a unit cell, so that a current may flow from GND to the VDD (for example, 3 V) through the isolation oxide film. It is necessary to improve the breakdown voltage of element isolation by increasing the thickness. However, in the case of an amplifying unit pixel, a GND power supply is not necessarily required in the pixel, so that the
[0040]
Further, by performing an annealing process in a hydrogen atmosphere after the formation of the
[0041]
Further, FIG. 1A shows an example of an insulating film formed on the substrate so that the
[0042]
FIG. 1B is a cross-sectional view illustrating an example of the element isolation portion according to the second embodiment. In the
[0043]
The impurity concentration and diffusion depth of the
[0044]
The element isolation portion may have a structure in which an isolation oxide film and an isolation diffusion region are used together (hereinafter, such a structure is referred to as “third embodiment”). According to such a structure, even when a leak current occurs at the interface between the isolation oxide film and the semiconductor substrate, the leak current can be recombined in the isolation diffusion region, so that a further effect of reducing the leak current can be obtained. It is done.
[0045]
In the imaging region, it is preferable to employ the second embodiment as the structure of the element isolation part adjacent to at least the photodiode. This is because an excellent effect of suppressing leakage current can be obtained. Further, as the structure of the other element isolation portion in the imaging region, the second embodiment can be adopted, but it is particularly preferable to adopt the first embodiment or the third embodiment. This is because high-speed operation of the amplifier circuit in the pixel can be realized.
[0046]
On the other hand, in the peripheral circuit region, it is preferable to adopt the first embodiment or the third embodiment as the structure of the element isolation portion. This is because high-speed operation of the drive circuit can be realized.
[0047]
The structure of the element isolation part in the imaging region and the structure of the element isolation part in the peripheral circuit region can be individually selected from the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment. Below, the suitable example of the combination is given.
[0048]
In the first example, the element isolation part in the imaging region and the element isolation part in the peripheral circuit region have the same structure. In this case, as the structure of the element isolation portion, the second embodiment can be adopted, but it is particularly preferable to adopt the first embodiment or the third embodiment.
[0049]
The second example employs the second embodiment as the structure of the element isolation section in the imaging region, and the first embodiment or the third implementation as the structure of the element isolation section in the peripheral circuit region. The form is adopted. According to such a structure, it is possible to reduce the leakage current that leaks into the photodiode and to increase the speed of the drive circuit.
[0050]
In the third example, in the imaging region, the second embodiment is used as the structure of the element isolation section adjacent to the photodiode, and the first embodiment or the third configuration is used as the structure of the other element isolation section. In the peripheral circuit region, the first embodiment or the third embodiment is employed as the structure of the element isolation portion.
[0051]
According to such a structure, it is possible to reduce the leakage current that leaks into the photodiode and to increase the speed of the drive circuit and the amplifier circuit in the pixel.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the MOS type imaging device of the present invention, the noise caused by the leakage current can be reduced by making the element isolation part between the MOS transistors have a specific structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an element isolation portion according to a first embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing which shows an example of the element separation part which concerns on 2nd Embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a MOS type imaging apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a dynamic circuit that can be used in the drive circuit of the MOS type imaging device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a CMOS transistor and an element isolation part constituting a conventional MOS type imaging device.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a CMOS transistor and an element isolation part constituting a conventional MOS type imaging device.
FIG. 6 is a leakage current comparison diagram due to the difference in the isolation oxide film according to the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体基板上に形成された複数の単位画素が配列された撮像領域と、
前記半導体基板上に形成された前記撮像領域を動作させるための駆動回路を含む周辺回路領域とを備え、
前記単位画素はフォトダイオードとMOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタと第1の素子分離部を備え、
前記周辺回路領域は前記駆動回路内の素子を分離する第2の素子分離部を備えたMOS型撮像装置であって、
前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が、
A.前記基板を侵食しないように前記基板上に形成され、かつ膜厚が500nm以下である電気的絶縁膜、
B.前記基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下で、かつ水素アニール処理が施され、前記基板上に形成された電気的絶縁膜、および、
C.前記基板内に形成された不純物拡散領域
から選ばれる少なくとも一つであって、かつ、前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が同一構造であることを特徴とするMOS型撮像装置。A semiconductor substrate;
An imaging region in which a plurality of unit pixels formed on the semiconductor substrate are arranged;
A peripheral circuit region including a drive circuit for operating the imaging region formed on the semiconductor substrate,
The unit pixel includes a photodiode, a MOS (metal-oxide-semiconductor) transistor, and a first element isolation unit.
The peripheral circuit region is a MOS type imaging device including a second element isolation unit that isolates elements in the drive circuit,
The first element isolation part and the second element isolation part are:
A. An electrically insulating film formed on the substrate so as not to erode the substrate and having a film thickness of 500 nm or less ;
B. A depth of erosion of the substrate of 1 nm to 50 nm and an electrical insulating film formed on the substrate that has been subjected to a hydrogen annealing treatment ; and
C. I at least one Der selected from impurity diffusion region formed in said substrate, and, MOS said first element isolation portion and said second element isolation portion is characterized by the same structure der Rukoto Type imaging device.
前記半導体基板上に形成された複数の単位画素が配列された撮像領域と、
前記半導体基板上に形成された前記撮像領域を動作させるための駆動回路を含む周辺回路領域とを備え、
前記単位画素はフォトダイオードとMOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタと第1の素子分離部を備え、
前記周辺回路領域は前記駆動回路内の素子を分離する第2の素子分離部を備え、
前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が、
A.前記基板を侵食しないように前記基板上に形成され、かつ膜厚が500nm以下である電気的絶縁膜、
B.前記基板を侵食する深さが1nm以上50nm以下で、かつ水素アニール処理が施され、前記基板上に形成された電気的絶縁膜、および、
C.前記基板内に形成された不純物拡散領域
から選ばれる少なくとも一つであって、かつ、前記第1の素子分離部および前記第2の素子分離部が同一構造であるMOS型撮像装置を組み込んだことを特徴とするカメラ。A semiconductor substrate;
An imaging region in which a plurality of unit pixels formed on the semiconductor substrate are arranged;
A peripheral circuit region including a drive circuit for operating the imaging region formed on the semiconductor substrate,
The unit pixel includes a photodiode, a MOS (metal-oxide-semiconductor) transistor, and a first element isolation unit.
The peripheral circuit region includes a second element isolation unit that isolates elements in the drive circuit,
The first element isolation part and the second element isolation part are:
A. An electrically insulating film formed on the substrate so as not to erode the substrate and having a film thickness of 500 nm or less ;
B. A depth of erosion of the substrate of 1 nm to 50 nm and an electrical insulating film formed on the substrate that has been subjected to a hydrogen annealing treatment ; and
C. I at least one Der selected from impurity diffusion region formed in said substrate, and said first element isolation portion and the second isolation portion incorporates MOS type imaging device Ru same structure der A camera characterized by that.
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