JP4994747B2 - Photoelectric conversion device and imaging system - Google Patents
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Description
本発明は光電変換装置、特にMOS型光電変換装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a MOS type photoelectric conversion device.
近年、光電変換装置はディジタルスチルカメラ、ビデオカムコーダーを中心とする二次元画像入力装置の撮像装置として、あるいはファクシミリ、スキャナーを中心とする一次元画像読み取り装置として、急速に需要が広がっている。
これらの光電変換装置としてCCDやMOS型光電変換装置が用いられている。
In recent years, the demand for photoelectric conversion devices is rapidly expanding as an imaging device for a two-dimensional image input device centering on a digital still camera and a video camcorder, or as a one-dimensional image reading device centering on a facsimile and a scanner.
CCD and MOS type photoelectric conversion devices are used as these photoelectric conversion devices.
このような光電変換装置は、光電変換領域において発生するノイズの低減が必要となる。ノイズの一つとして、光電変換領域に配されたMOSトランジスタで発生するホットキャリアの問題がある。ホットキャリアとは、MOSトランジスタのゲートに電圧を印加した際に、ドレイン領域とチャネル端部とで構成されるPN接合に強い電界が印加され,これにより発生するキャリアである。光電変換装置のように、微小な信号を扱うデバイスにおいてはこのようなホットキャリアにより発生するノイズが特に問題となる場合がある。 Such a photoelectric conversion device needs to reduce noise generated in the photoelectric conversion region. As one of the noises, there is a problem of hot carriers generated in a MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region. Hot carriers are carriers generated when a strong electric field is applied to a PN junction composed of a drain region and a channel end when a voltage is applied to the gate of a MOS transistor. In a device that handles minute signals such as a photoelectric conversion device, noise generated by such hot carriers may be particularly problematic.
このノイズの低減方法の一例として、画素を構成するMOSトランジスタをLDD構造(Lightly Doped Drain)とする方法がある(特許文献1)。このような構造にすることによって、ゲート下に構成されるチャネルとドレインとの電界強度が緩和され、ホットキャリアの影響を低減することが可能となる。
特許文献1によると、画素を構成するMOSトランジスタをLDD構造とすることにより素子特性の劣化を抑制できるとされている。
According to
しかしながら、このような構成で、微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化を行うと、MOSトランジスタのサイドスペーサ底部において拡散領域と反射防止膜の間のゲート絶縁膜が薄くなる。これにより、ホットキャリアによりトランジスタ特性の信頼性が低下するという課題がある。 However, when the gate insulating film is thinned with miniaturization in such a configuration, the gate insulating film between the diffusion region and the antireflection film becomes thin at the bottom of the side spacer of the MOS transistor. As a result, there is a problem that reliability of transistor characteristics is reduced by hot carriers.
本発明は上記課題を解決するものである。 The present invention solves the above problems.
上述課題に鑑み、本発明における光電変換装置は、複数の光電変換素子と該光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出すための第1のMOSトランジスタとが配された光電変換領域と、前記第1のMOSトランジスタの駆動もしくは前記光電変換領域から読み出される信号の増幅の少なくとも一方を行なう第2のMOSトランジスタが配された周辺回路領域とが、同一の半導体基板に配され、前記光電変換素子の受光面に反射防止膜が配された光電変換装置であって、前記第1のMOSトランジスタのドレインの不純物濃度は、前記第2のMOSトランジスタのドレインの不純物濃度よりも低く、前記第2のMOSトランジスタは、ゲート電極の側壁にシリコン窒化膜を含む絶縁膜からなるサイドスペーサが配されたLDD構造を有しており、前記サイドスペーサとドレインとの間に配されたシリコン酸化膜は、前記光電変換領域に配された反射防止膜と前記光電変換素子の受光面との間に配されたシリコン酸化膜より厚いことを特徴とする。 In view of the above problems, a photoelectric conversion device according to the present invention includes a photoelectric conversion region in which a plurality of photoelectric conversion elements and a first MOS transistor for reading a signal based on the charge of the photoelectric conversion elements are arranged, and the first And a peripheral circuit region in which a second MOS transistor that performs at least one of driving the MOS transistor or amplifying a signal read from the photoelectric conversion region is disposed on the same semiconductor substrate, and receiving light of the photoelectric conversion element A photoelectric conversion device having an antireflection film on a surface thereof, wherein an impurity concentration of a drain of the first MOS transistor is lower than an impurity concentration of a drain of the second MOS transistor, and the second MOS transistor has an LDD structure in which the side spacer was arranged made of an insulating film containing silicon nitride film on the side wall of the gate electrode The silicon oxide film disposed between the side spacer and the drain is thicker than the silicon oxide film disposed between the antireflection film disposed in the photoelectric conversion region and the light receiving surface of the photoelectric conversion element. Features.
本発明によれば、光電変換領域、周辺回路領域それぞれに適したMOSトランジスタを配することが可能となる。加えて、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタへのホットキャリアの影響を低減することが可能となる。 According to the present invention, MOS transistors suitable for the photoelectric conversion region and the peripheral circuit region can be arranged. In addition, the influence of hot carriers on the MOS transistors arranged in the peripheral circuit region can be reduced.
本発明の構成について説明する。本発明において、光電変換領域とは複数の光電変換素子と該光電変換素子の電荷に基づく信号を読み出すMOSトランジスタが配された領域である。このMOSトランジスタは1つの光電変換素子に対して複数設け、電荷の増幅を行なうことも可能である。 The configuration of the present invention will be described. In the present invention, the photoelectric conversion region is a region where a plurality of photoelectric conversion elements and a MOS transistor for reading a signal based on the charge of the photoelectric conversion elements are arranged. A plurality of MOS transistors can be provided for one photoelectric conversion element to amplify the charge.
周辺回路領域とは、上述の光電変換領域に配されたMOSトランジスタを駆動する回路、光電変換領域からの信号を増幅する回路等が配された領域である。 The peripheral circuit region is a region where a circuit for driving a MOS transistor disposed in the above-described photoelectric conversion region, a circuit for amplifying a signal from the photoelectric conversion region, and the like are disposed.
図1に光電変換装置の平面配置図を示す。111が光電変換領域である。ひとつの光電変換素子から読み出される信号の単位を画素とすると、光電変換素子が配されている領域を画素領域と呼ぶこともできる。画素は、1つの光電変換素子及びこの光電変換素子から出力線へ信号を読み出すための素子集合の最小単位である。この素子集合に含まれるのは、後述する転送MOSトランジスタなどの転送部、増幅MOSトランジスタなどの増幅部、リセットMOSトランジスタなどのリセット部である。隣接する光電変換素子において、上記素子を共有することも可能であるが、この場合にも1つの光電変換素子の信号を読み出すための素子集合の最小単位で定義づけられる。 FIG. 1 shows a plan layout of the photoelectric conversion device. Reference numeral 111 denotes a photoelectric conversion region. When a unit of a signal read from one photoelectric conversion element is a pixel, an area where the photoelectric conversion element is arranged can be called a pixel area. A pixel is a minimum unit of an element set for reading one photoelectric conversion element and a signal from the photoelectric conversion element to an output line. The element set includes a transfer unit such as a transfer MOS transistor described later, an amplification unit such as an amplification MOS transistor, and a reset unit such as a reset MOS transistor. Adjacent photoelectric conversion elements can share the above elements, but in this case as well, they are defined by the minimum unit of an element set for reading a signal of one photoelectric conversion element.
112が光電変換領域から読み出された信号を増幅するための信号処理回路である。ただし、増幅回路に限らず、画素のノイズをCDS処理により除去する回路であっても良い。また単に複数列から並列に読み出される信号をシリアルに変換するための回路であっても良い。113は光電変換領域に配されたMOSトランジスタを駆動するための垂直シフトレジスタである。114は信号処理回路のMOSトランジスタを駆動するための水平シフトレジスタである。112〜114が周辺回路領域に含まれうる。また、更に光電変換装置においてAD変換を行なう場合には、AD変換回路がこれに含まれても良い。
ここで、光電変換領域と周辺回路領域とにそれぞれ配されるMOSトランジスタについて述べる。 Here, the MOS transistors respectively disposed in the photoelectric conversion region and the peripheral circuit region will be described.
MOSトランジスタをLDD構造とした場合に、電界緩和領域の濃度が低すぎる場合や幅が広すぎる場合には、トランジスタの寄生抵抗(直列抵抗)が増大し、駆動力や静特性を大きく損なう結果となる。特に駆動力や回路特性が重要となる場合には電界緩和領域を狭くする、つまりドレイン領域の不純物濃度をある程度高くするのが好ましい。周辺回路領域においてはこのようなMOSトランジスタを用いるのがよい。一方、微細化等の目的でより電界を緩和する必要のある場合には電界緩和領域を広く形成することが望ましい。つまりドレイン領域の不純物濃度をある程度低くするのが好ましい。 When the MOS transistor has an LDD structure, if the concentration of the electric field relaxation region is too low or too wide, the parasitic resistance (series resistance) of the transistor increases, and the driving force and static characteristics are greatly impaired. Become. In particular, when the driving force and circuit characteristics are important, it is preferable to narrow the electric field relaxation region, that is, increase the impurity concentration of the drain region to some extent. Such a MOS transistor is preferably used in the peripheral circuit region. On the other hand, when it is necessary to further relax the electric field for the purpose of miniaturization or the like, it is desirable to form a wide electric field relaxation region. That is, it is preferable to reduce the impurity concentration in the drain region to some extent.
したがって、光電変換領域に配されるMOSトランジスタのドレイン領域の不純物濃度を周辺回路領域に配されるMOSトランジスタの不純物濃度よりも低くするのが好ましい。これを実現するための1つの例として、周辺回路領域に配されるMOSトランジスタをLDD構造とし、光電変換領域に配されるMOSトランジスタのドレインを、LDD構造を構成するための不純物濃度の低い半導体領域で構成することが考えられる。 Therefore, it is preferable to make the impurity concentration of the drain region of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region lower than the impurity concentration of the MOS transistor arranged in the peripheral circuit region. As one example for realizing this, a MOS transistor disposed in the peripheral circuit region has an LDD structure, and a drain of the MOS transistor disposed in the photoelectric conversion region is a semiconductor having a low impurity concentration for constituting the LDD structure. It can be considered to be composed of regions.
ここで更に、周辺回路領域に配されるMOSトランジスタのホットキャリア対策を考える。上述したように周辺回路領域に配されるMOSトランジスタはLDD構造であり、ゲート端(チャネル端)に近い側の不純物濃度は低く,ドレインのその他の領域には更に不純物が注入され不純物濃度が高くなっている。通常、この不純物濃度の高い領域はシリコン窒化膜などのサイドスペーサ(サイドウォール)をマスクにイオン注入により形成される。そうするとドレインのサイドスペーサ端部下の領域で、不純物濃度が高くなり、大きな電界が生じやすい。またサイドスペーサとドレイン領域の間にはシリコン酸化膜が形成されている。したがって、この領域は高濃度半導体領域/SiO/SiNという積層構造になっている。このような積層構造ではSiO/SiN界面もしくはSiN内に電子をトラップする準位が生じ、高濃度半導体領域からのホットキャリアがこの準位にトラップされやすい。このトラップされやすさは、シリコン酸化膜の膜厚により変化し、シリコン酸化膜の膜厚が厚いほどトラップされにくい。これは、ホットキャリアがシリコン酸化膜をトンネルして準位にトラップされるためであると考えられる。したがって、周辺回路領域のMOSトランジスタのサイドスペーサ周辺はホットキャリアが発生しやすい状態となっている。これに対し、シリコン酸化膜を厚くすることによりホットキャリアによる影響を低減することが可能となる。ここで、上述した理由により光電変換領域はすでに低濃度の半導体領域によりドレインが形成されており、このようなホットキャリアは生じにくい構成となっている。 Here, a countermeasure against hot carriers of the MOS transistor arranged in the peripheral circuit region is further considered. As described above, the MOS transistor disposed in the peripheral circuit region has an LDD structure, the impurity concentration on the side near the gate end (channel end) is low, and impurities are implanted into other regions of the drain to increase the impurity concentration. It has become. Usually, this high impurity concentration region is formed by ion implantation using a side spacer (side wall) such as a silicon nitride film as a mask. As a result, the impurity concentration is high in the region below the end of the side spacer of the drain, and a large electric field is likely to occur. A silicon oxide film is formed between the side spacer and the drain region. Therefore, this region has a laminated structure of high concentration semiconductor region / SiO / SiN. In such a laminated structure, a level for trapping electrons occurs in the SiO / SiN interface or SiN, and hot carriers from the high-concentration semiconductor region are easily trapped in this level. The ease of trapping varies depending on the film thickness of the silicon oxide film, and the greater the film thickness of the silicon oxide film, the less likely it is trapped. This is presumably because hot carriers tunnel through the silicon oxide film and are trapped in the level. Accordingly, hot carriers are likely to be generated around the side spacers of the MOS transistors in the peripheral circuit region. On the other hand, the influence of hot carriers can be reduced by increasing the thickness of the silicon oxide film. Here, for the reason described above, the drain is already formed in the photoelectric conversion region by the low concentration semiconductor region, and such a hot carrier is hardly generated.
したがって、サイドスペーサとドレインと間に配されるシリコン酸化膜の厚さを、光電変換領域に配されたMOSトランジスタのドレイン領域表面に形成されたシリコン酸化膜の厚さよりも厚くする。これにより上述したように、光電変換領域、周辺回路領域それぞれに適したMOSトランジスタを配することが可能となる。加えて、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタのホットキャリアによる影響を低減することが可能となる。 Therefore, the thickness of the silicon oxide film disposed between the side spacer and the drain is made larger than the thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the drain region of the MOS transistor disposed in the photoelectric conversion region. Thereby, as described above, it is possible to arrange MOS transistors suitable for the photoelectric conversion region and the peripheral circuit region. In addition, the influence of hot carriers on the MOS transistors arranged in the peripheral circuit region can be reduced.
ここで更に、MOSトランジスタの構造に関して詳細に述べる。 Here, the structure of the MOS transistor will be further described in detail.
上述したように、光電変換領域に配されたMOSトランジスタのドレイン領域の不純物濃度が、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタの不純物濃度よりも低い。この1つの例として、光電変換領域に配されたドレインの不純物濃度の低い領域が、周辺回路領域に配されたドレインの不純物濃度の低い領域よりも広い領域に渡って配されている構成が考えられる。 As described above, the impurity concentration of the drain region of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region is lower than the impurity concentration of the MOS transistor arranged in the peripheral circuit region. As an example of this, a configuration in which a region having a low impurity concentration of the drain disposed in the photoelectric conversion region is disposed over a region wider than a region having a low impurity concentration of the drain disposed in the peripheral circuit region is considered. It is done.
MOSトランジスタの電界緩和に実効的に効果があるのは、ゲート端からドレインと導電体が直接接する領域(第1の領域)にかけての部分である。したがって、第1の領域とゲート端の間の領域の不純物濃度を、光電変換領域の方が周辺回路領域に比べて低くすることによって大きな電界緩和効果を得ることができる。 An effective effect in reducing the electric field of the MOS transistor is a portion from the gate end to the region (first region) where the drain and the conductor are in direct contact. Therefore, a large electric field relaxation effect can be obtained by lowering the impurity concentration in the region between the first region and the gate end in the photoelectric conversion region as compared with the peripheral circuit region.
具体的には、光電変換領域に配されたMOSトランジスタ(第1のMOSトランジスタ)のドレインは導電体と直接接触している第1の領域を有している。そして、第1の領域よりもMOSトランジスタのチャネル側に配された第2の領域を有している。また、周辺回路領域102に配されるMOSトランジスタ(第2のMOSトランジスタ)も同様に、ドレインは導電体であるプラグと電気的に接続されている。ドレインは、プラグと直接接触している第1の領域と、第1の領域よりもチャネル側に配されている第2の領域とを有している。そして更に、第2の領域はチャネルに近接する第3の領域と、第1の領域と第3の領域の間に配された第4の領域とを有している。そして第2の領域は第4の領域よりも不純物濃度が低い。
Specifically, the drain of the MOS transistor (first MOS transistor) disposed in the photoelectric conversion region has a first region that is in direct contact with the conductor. And it has the 2nd field arranged by the channel side of a MOS transistor rather than the 1st field. Similarly, the MOS transistor (second MOS transistor) arranged in the
図2にて更に詳細に説明する。図2(a)が周辺回路領域に配されるMOSトランジスタの平面図、及びA−A´における断面図である。図2(b)が光電変換領域に配されるMOSトランジスタの平面図及びB−B´における断面図である。2001はゲート電極であり、2002はソース、2003は導電体の接続領域(第1の領域)である。2004はゲートに近接して配された不純物濃度の低い半導体領域(第3の領域)である。2005は第1の領域と第3の領域の間に配された第3の領域よりも不純物濃度の高い領域である。2006はチャネルと第1の領域の間に配された不純物濃度の低い半導体領域(第2の領域)である。この第2の領域は、第4の領域よりも不純物濃度は低い。
This will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 2A is a plan view of a MOS transistor arranged in the peripheral circuit region and a cross-sectional view taken along line AA ′. FIG. 2B is a plan view of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region and a cross-sectional view taken along line BB ′.
このような構造により、光電変換領域に配されたMOSトランジスタのホットキャリアを低減することが可能となる。また、周辺回路領域においては、駆動力や回路特性が重要となるMOSトランジスタの電界緩和領域を比較的狭く形成することが可能となる。 With such a structure, it is possible to reduce hot carriers of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region. Further, in the peripheral circuit region, the electric field relaxation region of the MOS transistor in which the driving force and circuit characteristics are important can be formed relatively narrow.
次に本発明に適用可能な光電変換装置の画素の等価回路図の一例を図3に示す。光電変換領域は、少なくとも光電変換素子1と転送MOSトランジスタ2とリセットMOSトランジスタ4と増幅MOSトランジスタ5を含んでいる。リセットMOSトランジスタのドレインに供給する電圧により画素を選択する構成としている。光電変換素子は例えばフォトダイオードであり、入射光を光電変換により電荷に変換する。転送MOSトランジスタは光電変換素子の電荷を増幅部の入力部に転送する転送部として機能する。増幅MOSトランジスタは光電変換素子で生じた電荷による電位変化を、信号線に出力するものである。ここで電位変化させる対象は、光電変換素子から電荷が転送される際にフローティングとなっているノードであればよく、フローティングディフュージョン(浮遊拡散領域:FD)が用いられる。このFDと増幅MOSトランジスタのゲートが接続されており、FDの電位変化に基づく信号を信号線に出力する。この時、ソースフォロワ動作により電荷を増幅して出力するため、MOSトランジスタ5は増幅素子といえる。電源7、増幅MOSトランジスタ5、信号線、定電流源6によりソースフォロワ回路を構成している。この例では、リセットMOSトランジスタのドレイン電圧により選択動作を行なっているが、選択用MOSトランジスタを設けて、これにより選択を行なってもよい。
Next, an example of an equivalent circuit diagram of a pixel of a photoelectric conversion device applicable to the present invention is shown in FIG. The photoelectric conversion region includes at least the
以下、本発明の実施の形態について実施例を挙げ、図面を用いて詳細に説明する。本発明は各実施例に限定されるものではなく、発明の主旨を超えない範囲で、組み合わせ、変更可能である。また各実施例においては特定のMOSトランジスタのみを例にあげて説明するが、各領域に配される全てのMOSトランジスタに各実施例の構造を適用することも可能である。また上記説明ではドレインを例に挙げて説明したが、ソースもこのような構成になっていてもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments, and can be combined and modified within the scope not exceeding the gist of the invention. In each embodiment, only a specific MOS transistor will be described as an example. However, the structure of each embodiment can be applied to all MOS transistors arranged in each region. In the above description, the drain has been described as an example, but the source may have such a configuration.
(第1の実施形態)
図4は本発明による第1の実施形態による光電変換装置の断面構造を、光電変換部および周辺回路領域について示したものである。101は光電変換部、102は周辺回路領域を示す。103は第1導電型の半導体領域である。104は第2導電型の半導体領域(ウェル)である。103と104によりPN接合を構成し光電変換素子として機能するフォトダイオードを構成している。103は信号電荷と同導電型であり、信号電荷が電子の場合にはN型の半導体領域となる。105は第2導電型の半導体領域であり、暗電流低減のために設けられている。またフォトダイオードの受光面には光学的な反射防止膜106が配されている。これは、フォトダイオード表面の界面反射を低減させる働きをする。反射防止膜106はSiNおよびSiOを含む積層構造で形成することが可能である。この反射防止膜は後述するコンタクトホール底部を除いて光電変換領域を覆って配されている。ここで反射防止膜は光電変換領域全体を覆っていることが望ましい。
(First embodiment)
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention with respect to the photoelectric conversion unit and the peripheral circuit region. Reference numeral 101 denotes a photoelectric conversion unit, and
107は転送MOSトランジスタのゲートであり、半導体領域103の電荷を転送する。108は第1導電型の半導体領域であり、転送MOSトランジスタにより電荷が転送される領域である。後述するように、転送された電荷に基づいて変化する電圧を読み出すため電圧変換部とよぶこともできる。また転送MOSトランジスタにより電荷が転送される際に電気的に浮遊状態となっているため、フローティングディフュージョン(以下FD)とよぶこともできる。電圧信号は、光電変換領域101に配された増幅MOSトランジスタ109によって信号線に読み出される。その後、周辺回路領域102に配されたMOSトランジスタ110によって構成される読み出し回路によって光電変換装置外に読み出される。
本実施形態では、光電変換領域に配されたMOSトランジスタのドレインと周辺回路領域に配されたMOSトランジスタのドレインが異なる構造となっている。FD108とMOSトランジスタ109のソース、ドレインと、MOSトランジスタ110のソース、ドレイン領域は異なる構造になっている。すなわち、FD108とMOSトランジスタ109のソース、ドレイン領域には、不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域111は配されない。そして不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域114、コンタクトホール115下に形成された不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域116により構成されている。
In the present embodiment, the MOS transistor drain disposed in the photoelectric conversion region and the MOS transistor drain disposed in the peripheral circuit region have different structures. The source and drain of the
ここでサイドスペーサ113は反射防止膜106と同一の層構成にすることもできる。不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域114はゲート電極112に対してセルフアラインで形成することができ、サイドスペーサ113下にも形成されている。そして、不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域111はサイドスペーサ113に対してセルフアラインで形成することができ、サイドスペーサ113下および反射防止膜106下には形成されない。
Here, the
このような構成によれば、反射防止膜106のエッチングを光電変換領域内で行わないため、光電変換素子に対するエッチングダメージを低減することができる。また、反射防止膜106形成後はコンタクトホール以外に半導体表面を露出する工程が無く、金属元素などによる汚染を防止できる。結果として暗時の点欠陥の発生率を下げることができる。一般にLDD構造をもつMOSトランジスタは、低濃度の電界緩和領域(不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域114)において電界緩和をすることができ、より低濃度、もしくはより幅広く低濃度領域を設計することで電界緩和効果を高めることができる。これにより、ホットキャリア発生を抑制することができ、信頼性および耐圧を向上させることができる。しかしながら電界緩和領域の濃度が低すぎる場合や幅が広すぎる場合には、トランジスタの寄生抵抗(直列抵抗)が増化し、駆動力や静特性を大きく損なう結果となる。故に特に駆動力や回路特性が重要となる周辺回路領域では電界緩和領域は比較的狭く形成するのが望ましい。
According to such a configuration, since the antireflection film 106 is not etched in the photoelectric conversion region, etching damage to the photoelectric conversion element can be reduced. In addition, after the formation of the antireflection film 106, there is no step of exposing the semiconductor surface other than the contact holes, and contamination by metal elements or the like can be prevented. As a result, the occurrence rate of point defects in the dark can be lowered. In general, a MOS transistor having an LDD structure can relax an electric field in a low-concentration electric field relaxation region (first conductivity
本実施形態の構成によれば、この両者を満足することができる。本実施形態の光電変換領域のMOSトランジスタでは実効的に電界緩和の効果をもつ部分はゲート107、112端からコンタクトホール115下に形成された不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域116にかけての部分である。これによって大きな電界緩和効果を得ることができる。なお、不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域116は、コンタクトホール115形成後にホールを通してイオン注入することでコンタクトホールにセルフアラインで形成することができる。このため、トランジスタのサイズを小さく設計することが可能となる。不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域116は良好な電気的接続を得るためには設けた方がよい。
According to the configuration of the present embodiment, both can be satisfied. In the MOS transistor in the photoelectric conversion region of the present embodiment, the portion having the effect of effectively relaxing the electric field extends from the ends of the
上述の効果に加えて、本実施形態においては、FD108のリークに由来する画素欠陥、ランダムノイズを低減する効果がある。図4のとおり、FD108は低濃度の電界緩和領域(不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域114)で構成されておりゲート端部以外での電界緩和効果も大きい。すなわちウェル104との間に形成される接合部および分離部下のチャネルストップ領域(図示せず)等との間に形成される接合における電界を緩和することができる。この結果、FD108のリークを減らすことができるため、読み出し時のランダムノイズを低減することができる。また、FD108のリーク電流が突発的に大きな画素の発生する確率はFD108の電界と相関があることが経験的に解っており、点欠陥も抑制することが可能である。
In addition to the above-described effects, this embodiment has an effect of reducing pixel defects and random noise resulting from the leakage of the
次に、周辺回路領域のMOSトランジスタの構成に関して述べる。MOSトランジスタ110のサイドスペーサ113と、不純物濃度の低い第1導電型の半導体領域114との間にシリコン酸化膜118が配されている。そして、光電変換領域においても反射防止膜と半導体基板(FD108)の間にシリコン酸化膜119が配されている。シリコン酸化膜118はシリコン酸化膜119よりも膜厚が厚い。図4のh1がシリコン酸化膜119の膜厚であり、h2がシリコン酸化膜118の膜厚となる。したがってh2のほうがh1よりも大きいということになる。これにより、シリコン窒化膜/シリコン酸化膜界面もしくはシリコン窒化膜のトラップ準位にホットキャリアがトラップされ難い構造となる。これはホットキャリアがシリコン酸化膜をトンネルする確率を下げることができるためである。したがって、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタのホットキャリアによる影響を低減することができる。この結果、ホットキャリア発生によるの信頼性を向上させることができる。
Next, the configuration of the MOS transistor in the peripheral circuit region will be described. A silicon oxide film 118 is disposed between the
また、図4のようにMOSトランジスタのゲート112の上部(上面)に、シリコン酸化膜117を配してもよい。これは例えば熱酸化により形成することができる。シリコン酸化膜117は、不純物濃度の高い第1導電型の半導体領域111の形成時にゲート電極を突き抜けてイオン注入されるのを低減することが可能となる。これにより、MOSトランジスタ特性の変動、ばらつき増大を防止することができる。
Further, as shown in FIG. 4, a
なお、上記実施形態においては光電変換部のMOSトランジスタと同じ導電タイプの周辺回路領域MOSトランジスタについて述べたが、周辺回路領域はCMOS構成とすることが可能である。そして、光電変換領域のMOSトランジスタと反対の導電タイプのMOSトランジスタについてもサイドスペーサ構造をとることが可能である。ホットキャリアの発生しやすいnMOSトランジスタに対して特に効果が大きい。したがって、光電変換領域のnMOSトランジスタであり、周辺回路領域のnMOSトランジスタと光電変換領域のnMOSトランジスタの関係が上記構成となっている場合に特に大きな効果を得ることができる。 In the above embodiment, the peripheral circuit region MOS transistor having the same conductivity type as that of the MOS transistor of the photoelectric conversion unit has been described. However, the peripheral circuit region may have a CMOS configuration. A side spacer structure can also be adopted for a MOS transistor having a conductivity type opposite to the MOS transistor in the photoelectric conversion region. This is particularly effective for an nMOS transistor in which hot carriers are easily generated. Therefore, it is an nMOS transistor in the photoelectric conversion region, and a particularly great effect can be obtained when the relationship between the nMOS transistor in the peripheral circuit region and the nMOS transistor in the photoelectric conversion region has the above configuration.
一方、光電変換領域に配されたMOSトランジスタがpMOSトランジスタであった場合、ホットキャリアの問題の重要性は低くなるが、微細画素の加工しやすさという効果は得られる。また、本実施形態においては106は反射防止膜として機能するが、106を酸化膜単層のように反射防止条件では無いセンサにおいても電界緩和、点欠陥の低減などの効果を得ることができる。 On the other hand, when the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region is a pMOS transistor, the importance of the hot carrier problem is reduced, but the effect of ease of processing of a fine pixel can be obtained. In this embodiment, 106 functions as an antireflection film. However, even if the sensor is not in antireflection conditions, such as a single oxide film 106, effects such as electric field relaxation and point defect reduction can be obtained.
(第2の実施形態)
本実施例においては、光電変換装置の製造方法に関して説明する。図5(a)〜(e)に製造方法のフローを示す。
(Second Embodiment)
In this embodiment, a method for manufacturing a photoelectric conversion device will be described. FIGS. 5A to 5E show a flow of the manufacturing method.
まず、図5(a)に示すように、シリコンなどの半導体基板38に第1導電型(N型)のウェル(不図示)と第2導電型(P型)のウェル39を形成し、STI、選択酸化法などにより素子分離領域41を形成する。尚、説明のため図5(a)〜図5(e)では光電変換領域101と周辺回路領域102を、隣接させて描いている。
First, as shown in FIG. 5A, a first conductivity type (N type) well (not shown) and a second conductivity type (P type) well 39 are formed on a
続いて、図5(b)に示すように、各MOSトランジスタのゲート電極31、32、42をポリシリコンにより形成した後、n型不純物を導入して光電変換素子を構成するフォトダイオードの半導体領域33を形成する。次に、p型不純物を導入してフォトダイオードを埋め込み構造とするための表面p型領域35を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, after the
次に、ゲート電極をマスクにしたイオン注入によりn型不純物を導入し、ゲート電極側面に自己整合した低不純物濃度のソース、ドレインの一部を構成する半導体領域3、34、44を形成する。
Next, n-type impurities are introduced by ion implantation using the gate electrode as a mask to form
そして、素子分離領域、ゲート電極を除く半導体基板表面に、薄いシリコン酸化膜30bを形成する。薄いシリコン酸化膜30bは、ポリシリコンゲート電極を形成する異方性ドライエッチにおいて半導体基板表面のゲート酸化膜を残存させてもよい。もしくは、後述するシリコン窒化膜36を堆積する前に熱酸化して形成してもよい。または、堆積により形成してもよい。
Then, a thin
そして、図5(c)に示すように、シリコン窒化膜36を形成し、その上にシリコン酸化膜37を形成する。このシリコン窒化膜、シリコン酸化膜から構成される絶縁膜36、37は光電変換領域101、周辺回路領域102を覆って形成される。これにより光電変換領域を保護することが可能となる。またこの積層構造は光電変換素子の受光表面における反射防止膜として機能する。
Then, as shown in FIG. 5C, a
次に光電変換領域上にレジスト50を形成し、周辺回路領域102のシリコン窒化膜36、およびシリコン酸化膜37をエッチバックする。こうして、図5(d)に示すように、周辺回路領域102のゲート電極42の側壁にシリコン窒化膜36b、およびシリコン酸化膜37bからなるサイドスペーサを形成する。そして熱処理を行いゲート電極42上にシリコン酸化膜117を形成する。更に、この熱処理によりシリコン酸化膜30cに対して追酸化を行い、シリコン酸化膜の膜厚を厚くする。これにより、光電変換領域に配されるシリコン酸化膜30cよりも膜厚を厚くする。
Next, a resist 50 is formed on the photoelectric conversion region, and the
そして、周辺回路領域102のゲート電極とサイドスペーサをイオン注入用のマスクにしてn型不純物を導入する。これによりサイドスペーサ側面に自己整合したソース、ドレインを構成する高不純物濃度の半導体領域43を形成する。この時、シリコン酸化膜117がゲート電極42を突き抜けてチャネル部に注入される不純物イオンの量を低減することが可能となる。こうして、図5(d)に示したような構造が得られる。
Then, an n-type impurity is introduced using the gate electrode and the side spacer in the
つぎに、図5(e)に示すように、層間絶縁膜として機能するBPSGなどの絶縁膜40を光電変換領域、周辺回路領域全体を覆うように成膜する。つぎに、光電変換領域のシリコン窒化膜36aをエッチングストッパに用いてコンタクトホール42a、42bを異方性ドライエッチングにより開口する。そして、光電変換領域101のコンタクト底部の接触する部分が半導体基板上に自己整合したコンタクトホールを形成する。そして、コンタクトホール42a、42bの中に導電体を充填して電極を形成する。こうして、図5(e)に示す構造が得られる。
Next, as shown in FIG. 5E, an insulating
シリコン酸化膜を形成した後のいずれかの工程において、350℃以上の熱処理が施されることが望ましい。 In any step after the formation of the silicon oxide film, it is desirable to perform heat treatment at 350 ° C. or higher.
図5(e)に示したように、反射防止膜と光電変換素子の受光面との間に配されたシリコン酸化膜の膜厚h1と、周辺回路領域のMOSトランジスタに配されたサイドスペーサとドレインとの間に配されたシリコン酸化膜の膜厚h2を比較するとh2のほうが厚い。これにより、周辺回路領域のMOSトランジスタの動作の高速化及びホットキャリアによる影響を低減することが可能となる。 As shown in FIG. 5 (e), the film thickness h1 of the silicon oxide film disposed between the antireflection film and the light receiving surface of the photoelectric conversion element, the side spacer disposed in the MOS transistor in the peripheral circuit region, When the thickness h2 of the silicon oxide film disposed between the drain and the drain is compared, h2 is thicker. As a result, it is possible to increase the operation speed of the MOS transistors in the peripheral circuit region and reduce the influence of hot carriers.
以上の説明はnMOSトランジスタを用いた例について説明したが、CMOSプロセスで光電変換装置を作製する場合には、導電型を変えれば同じようにpMOSトランジスタを作ることができる。 In the above description, an example using an nMOS transistor has been described. However, when a photoelectric conversion device is manufactured by a CMOS process, a pMOS transistor can be similarly manufactured by changing the conductivity type.
以上、本実施例において、光電変換領域に配されたMOSトランジスタのソース、ドレインは低不純物濃度の半導体領域からなるシングルドレイン構造である。そして、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタはLDD構造を有する。光電変換領域に配されたMOSトランジスタの低不純物濃度領域は、周辺回路領域に配されたMOSトランジスタのLDD構造の低不純物濃度領域と同一の工程で形成されうる。 As described above, in this embodiment, the source and drain of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region have a single drain structure composed of a low impurity concentration semiconductor region. The MOS transistor arranged in the peripheral circuit region has an LDD structure. The low impurity concentration region of the MOS transistor arranged in the photoelectric conversion region can be formed in the same process as the low impurity concentration region of the LDD structure of the MOS transistor arranged in the peripheral circuit region.
このようなプロセスで形成した光電変換装置は、光電変換領域のMOSトランジスタのホットキャリアによる特性劣化の抑制と、周辺回路領域のMOSトランジスタの高駆動能力実現及びホットキャリアによる特性劣化の抑制を両立することができる。 The photoelectric conversion device formed by such a process achieves both suppression of characteristic deterioration due to hot carriers of MOS transistors in the photoelectric conversion area, realization of high drive capability of MOS transistors in peripheral circuit areas, and suppression of characteristic deterioration due to hot carriers. be able to.
また、光電変換部のコンタクトホールは反射防止膜をエッチングストッパに用いた場合には、自己整合的に半導体基板表面のみに接触するため、MOSトランジスタのソース・ドレインとウェル間のリーク電流を抑制できる。 In addition, when the antireflection film is used as an etching stopper, the contact hole of the photoelectric conversion portion contacts only the surface of the semiconductor substrate in a self-aligning manner, so that leakage current between the source / drain and well of the MOS transistor can be suppressed. .
また絶縁膜を、光電変換領域においては反射防止膜およびコンタクトのエッチングストッパとして用い、周辺回路部においてはMOSトランジスタのサイドスペーサとして用いれば、製造コストを低く抑えることができる。 Further, if the insulating film is used as an antireflection film and a contact etching stopper in the photoelectric conversion region and is used as a side spacer of the MOS transistor in the peripheral circuit portion, the manufacturing cost can be reduced.
また、絶縁膜を水素分子を多量に含むシリコン窒化膜で形成した場合には、トランジスタの界面あるいはフォトダイオード上のシリコン/シリコン酸化膜界面のトラップをより効果的に低減することができる。 Further, when the insulating film is formed of a silicon nitride film containing a large amount of hydrogen molecules, trapping at the transistor interface or the silicon / silicon oxide film interface on the photodiode can be more effectively reduced.
(撮像システムの例)
図6は、上述した光電変換装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、光電変換装置1004に結像させる。光電変換装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。光電変換装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
(Example of imaging system)
FIG. 6 shows an example of a circuit block when the above-described photoelectric conversion device is applied to a camera. A
1 光電変換素子
101 光電変換領域
102 周辺回路領域
2、4、5、109 光電変換領域に配されるMOSトランジスタ
110 周辺回路領域に配されるMOSトランジスタ
106、107 反射防止膜
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1のMOSトランジスタの駆動もしくは前記光電変換領域から読み出される信号の増幅の少なくとも一方を行なう第2のMOSトランジスタが配された周辺回路領域とが、同一の半導体基板に配され、
前記光電変換素子の受光面に反射防止膜が配された光電変換装置であって、
前記第1のMOSトランジスタのドレインの不純物濃度は、前記第2のMOSトランジスタのドレインの不純物濃度よりも低く、
前記第2のMOSトランジスタは、ゲート電極の側壁にシリコン窒化膜を含む絶縁膜からなるサイドスペーサが配されたLDD構造を有しており、
前記サイドスペーサとドレインとの間に配されたシリコン酸化膜は、前記光電変換領域に配された反射防止膜と前記光電変換素子の受光面との間に配されたシリコン酸化膜より厚いことを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion region in which a plurality of photoelectric conversion elements and a first MOS transistor for reading a signal based on charges of the photoelectric conversion elements are arranged;
A peripheral circuit region in which a second MOS transistor that performs at least one of driving the first MOS transistor or amplifying a signal read from the photoelectric conversion region is disposed on the same semiconductor substrate;
A photoelectric conversion device in which an antireflection film is disposed on a light receiving surface of the photoelectric conversion element,
The impurity concentration of the drain of the first MOS transistor is lower than the impurity concentration of the drain of the second MOS transistor,
It said second MOS transistor has an LDD structure in which the side spacer was arranged made of an insulating film containing silicon nitride film on the side wall of the gate electrode,
The silicon oxide film disposed between the side spacer and the drain is thicker than the silicon oxide film disposed between the antireflection film disposed in the photoelectric conversion region and the light receiving surface of the photoelectric conversion element. A featured photoelectric conversion device.
前記サイドスペーサは、前記シリコン窒化膜の上に設けられたシリコン酸化膜を含むことを特徴とする請求項2あるいは3のいずれかに記載の光電変換装置。4. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the side spacer includes a silicon oxide film provided on the silicon nitride film. 5.
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