JP5274118B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体撮像装置に関し、詳しくは画素毎に信号増幅部を有する固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a signal amplification unit for each pixel.
固体撮像装置の代表的なものには、ホトダイオードおよびCCDシフトレジスタからなるCCDセンサと、ホトダイオードおよびMOSトランジスタからなるAPS(Active Pixel Sensor)等のCMOSセンサと呼ばれるものがある。 Typical solid-state imaging devices include a CCD sensor composed of a photodiode and a CCD shift register, and a CMOS sensor such as an APS (Active Pixel Sensor) composed of a photodiode and a MOS transistor.
APSは、1画素毎にホトダイオード、MOSスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するための増幅回路などを含み、「XYアドレッシング」や「センサと信号処理回路の1チップ化」などが可能といった多くのメリットを有している。しかし、その一方で1画素内の素子数が多いことから、画素開口率の小さいことや、光学系の大きさを決定するチップサイズの縮小化が困難であり、市場の大部分をCCDが占めている。 APS includes photodiodes, MOS switches, and amplification circuits for amplifying signals from the photodiodes for each pixel, and offers many advantages such as "XY addressing" and "single-chip sensor and signal processing circuit". have. However, on the other hand, since the number of elements in one pixel is large, it is difficult to reduce the pixel aperture ratio and to reduce the chip size that determines the size of the optical system, and the CCD occupies most of the market. ing.
近年は、MOSトランジスタの微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の1チップ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりから、注目を集めている。 In recent years, it has attracted attention due to the improvement in the miniaturization technology of MOS transistors and the increasing demand for “single-chip sensor and signal processing circuit” and “low power consumption”.
図11に従来のAPSの画素部およびそれを用いた固体撮像装置の等価回路図を示す。これらは、非特許文献1で報告されている。従来技術の構成を以下簡単に説明する。 FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram of a pixel portion of a conventional APS and a solid-state imaging device using the pixel portion. These are reported in Non-Patent Document 1. The configuration of the prior art will be briefly described below.
光電変換部は、CCD等で用いられている埋め込み型のホトダイオードである。埋め込み型のホトダイオードは、表面に濃いp層を設けることで、SiO2面で発生する暗電流を抑制し、また、蓄積部のn層と表面のp層との間にも接合容量を設けることができ、ホトダイオードの飽和電荷量を増やすことができる。 The photoelectric conversion unit is an embedded photodiode used in a CCD or the like. The embedded photodiode suppresses the dark current generated on the SiO 2 surface by providing a thick p layer on the surface, and also provides a junction capacitance between the n layer of the storage portion and the p layer on the surface. And the saturation charge amount of the photodiode can be increased.
光電変換部PPDで蓄積した光信号電荷QsigをMOSトランジスタからなる転送部TXを介し、浮遊拡散領域(Floating Diffusion Area)に読み出す。 The optical signal charge Q sig accumulated in the photoelectric conversion unit PPD is read out to a floating diffusion area through a transfer unit TX made of a MOS transistor.
この浮遊拡散領域の容量CFDにより、信号電荷Qsig/CFDに電圧変換し、ソースフォロワ回路を通して信号を読み出す。
しかしながら従来技術においては、電荷蓄積部であるn層が表面から離れた部分にあるため、ここから電荷を浮遊拡散領域に読み出すためには、転送部に用いているMOSトランジスタ(転送MOSトランジスタ)の制御電極には、通常のMOSトランジスタに比べ高い電圧を印加する必要があった。 However, in the prior art, the n layer that is the charge storage portion is located at a portion away from the surface, and in order to read the charge from here to the floating diffusion region, the MOS transistor (transfer MOS transistor) used in the transfer portion It was necessary to apply a higher voltage to the control electrode than a normal MOS transistor.
図3は、通常のMOSトランジスタと転送MOSトランジスタのチャネル部のポテンシャルを表した図である。図によれば、図上左側から光線が入射され、右側に透明なSiO2,SiN等の透明絶縁膜と、ホトダイオードの濃いp層と、n層とが順次積層されている。そのとき、印加時のポテンシャルで示すレベル変化曲線を表す。 FIG. 3 is a diagram showing the potentials of the channel portions of a normal MOS transistor and a transfer MOS transistor. According to the figure, light is incident from the left side of the figure, and a transparent insulating film such as transparent SiO 2 , SiN, etc., a dark p layer of a photodiode, and an n layer are sequentially laminated on the right side. At this time, a level change curve indicated by the potential at the time of application is represented.
即ち、図3のポテンシャル図に示す通り、n層が表面から離れた部分にあるため、ポテンシャルをより大きく曲げる必要があるためである。 That is, as shown in the potential diagram of FIG. 3, since the n layer is in a portion away from the surface, it is necessary to bend the potential more greatly.
通常のMOSトランジスタの閾値電圧Vthが、以下の式で与えられる。 A threshold voltage Vth of a normal MOS transistor is given by the following equation.
ここで、φFは、フェルミポテンシャル、 Vsは、基板バイアス
εSiは、Siの誘電率 qは、電子の電荷量
Nsubは、基板の不純物濃度 VFBは、フラットバンド電圧
COXは、浮遊拡散領域の寄生容量
これに対し、埋め込みホトダイオードからの転送MOSトランジスタの閾値電圧Vthは、以下の式で与えられる。Xj はホトダイオード部の表面のp層の接合深さである。
Here, φ F is Fermi potential, Vs is substrate bias ε Si , Si dielectric constant q is electron charge amount Nsub is substrate impurity concentration V FB is flat band voltage C OX is floating diffusion On the other hand, the threshold voltage Vth of the transfer MOS transistor from the embedded photodiode is given by the following equation. X j is the junction depth of the p layer on the surface of the photodiode portion.
両者の差は、基板濃度が高いほど、顕著になるため、素子の微細化に伴い基板濃度が高くなるほど、電荷読み出しが困難になる。 The difference between the two becomes more prominent as the substrate concentration is higher. Therefore, the higher the substrate concentration is associated with the miniaturization of elements, the more difficult it is to read out charges.
具体的には、酸化膜厚が15nm、p型ウェル濃度を8×1016cm−3において、通常のMOSトランジスタの閾値電圧が約0.7voltであるのに対し、埋め込まれたソースの閾値電圧は、5.0voltにも達してしまう。従来技術においては、閾値電圧の上昇に伴い、ホトダイオードから殆ど全部の電荷を読み出すことはできない。この結果、ホトダイオードに電荷の読み残しが生じ、残像やノイズとなって画像が著しく劣化させるという問題があった。 Specifically, the threshold voltage of the embedded source is about 0.7 volt while the threshold voltage of the normal MOS transistor is about 0.7 volt at the oxide film thickness of 15 nm and the p-type well concentration of 8 × 10 16 cm −3 . Reaches 5.0 volts. In the prior art, as the threshold voltage increases, almost all charges cannot be read from the photodiode. As a result, there is a problem in that unread reading of charges occurs in the photodiode, resulting in an afterimage or noise, and the image is significantly deteriorated.
本発明者らはこの問題点を解決するため、図1に示す通り、ホトダイオードと転送MOSトランジスタの間に電荷蓄積層と同じ導電型の領域を設けた。例えば、p型のウェル中にn型の電荷蓄積部と電荷蓄積部の表面部に濃いp型表面層からなるホトダイオードの場合は、n型の不純物領域を設けるのである。以下この領域をバイパス領域と称する。この結果、電荷蓄積部の電子はポテンシャルの低いバイパス領域を介し転送MOSトランジスタの表面を通り浮遊拡散に達するため、従来技術よりも、転送MOSトランジスタの閾値電圧を小さくできる。 In order to solve this problem, the inventors provided a region of the same conductivity type as that of the charge storage layer between the photodiode and the transfer MOS transistor as shown in FIG. For example, an n-type impurity region is provided in the case of a photodiode comprising an n-type charge storage portion in a p-type well and a thick p-type surface layer on the surface of the charge storage portion. Hereinafter, this region is referred to as a bypass region. As a result, the electrons in the charge storage section pass through the surface of the transfer MOS transistor via the bypass region having a low potential and reach floating diffusion, so that the threshold voltage of the transfer MOS transistor can be made smaller than in the prior art.
しかしながら、バイパス領域という概念は、既にCCDシフトレジスタを用いた撮像デバイスにおいて、実施されており、図12(b)に示すように、1989年のテレビジョン学会技術報告Vol.13,No.11により報告されている。バイパス領域は、マスクにより表面の濃いp層をズラして作製していることが、図12(a)に示すようにレジストを設けて表面の濃いp層を形成することで説明されている。 However, the concept of the bypass region has already been implemented in an imaging device using a CCD shift register. As shown in FIG. 12B, the Television Society Technical Report Vol. 13, no. 11 reported. The fact that the bypass region is produced by shifting the p-layer having a thick surface with a mask is explained by forming a p-layer having a thick surface by providing a resist as shown in FIG.
バイパス領域は次の様な条件を満たさなければならない。
1)バイパス領域として機能させるため、ある程度以上の濃度および幅が必要
2)空乏転送するため、全ての読み出し条件に対し、バイパス領域は空乏化する
即ち、バイパス領域の濃度と幅は1)により下限、2)により上限が決定する。画素の縮小化に伴い基板濃度が上昇するとバイパス領域の濃度と幅の許容範囲は狭まってしまう。
The bypass area must satisfy the following conditions:
1) A certain level of concentration and width are required to function as a bypass region. 2) The depletion transfer causes the bypass region to be depleted for all readout conditions. That is, the concentration and width of the bypass region are lower than 1). 2) determines the upper limit. As the substrate density increases as the pixels are reduced, the allowable range of the density and width of the bypass region is reduced.
また、CCDシフトレジスタを用いた場合、構成上、次の様な制約がある。
1)転送MOSトランジスタのドレイン領域に当たる垂直CCDシフトレジスタのチャネル領域であるn領域の濃度が低いこと
2)転送MOSトランジスタのゲート電圧とドレイン領域(垂直CCDシフトレジスタのチャネル領域)の電圧との差は、不純物濃度差から生じるヴィルトインポテンシャル(Built in Potecial)程度と低い
この結果から、CCDシフトレジスタを用いた撮像デバイスにおいては、転送MOSトランジスタのドレイン領域からの電気力線は、何らホトダイオード側には影響を及ぼさない。
Further, when a CCD shift register is used, there are the following restrictions on the configuration.
1) The density of the n region which is the channel region of the vertical CCD shift register corresponding to the drain region of the transfer MOS transistor is low. 2) The difference between the gate voltage of the transfer MOS transistor and the voltage of the drain region (channel region of the vertical CCD shift register). As a result, in an imaging device using a CCD shift register, the electric lines of force from the drain region of the transfer MOS transistor are not on the photodiode side. Has no effect.
本発明の1つの側面は、第1導電型の第1の半導体領域の中に配置された第2導電型の第2の半導体領域、及び前記第2の半導体領域の光入射側に接して配置された第1導電型の第3の半導体領域を有する光電変換部と、前記第1の半導体領域の中に配置された第2導電型の第4の半導体領域と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記第4の半導体領域に転送するチャネルを形成するように前記光電変換部と前記第4の半導体領域との間における前記第1の半導体領域の上に絶縁膜を介して配置された制御電極と、を有する固体撮像装置において、前記第2の半導体領域は、前記制御電極における前記第3の半導体領域の側の領域の下方かつ前記第3の半導体領域の側方に位置する領域を含む部分を含み、前記部分は、前記制御電極の前記領域の下方の深さ方向において、表面近くに位置する第2導電型の不純物の濃度ピークを有する、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention is a second conductive type second semiconductor region disposed in the first conductive type first semiconductor region, and a light incident side of the second semiconductor region. Stored in the photoelectric conversion unit having the third semiconductor region of the first conductivity type, the fourth semiconductor region of the second conductivity type disposed in the first semiconductor region, and the photoelectric conversion unit. Disposed on the first semiconductor region between the photoelectric conversion portion and the fourth semiconductor region via an insulating film so as to form a channel for transferring the signal charge to the fourth semiconductor region. In the solid-state imaging device having the control electrode, the second semiconductor region is located below the third semiconductor region side of the control electrode and to the side of the third semiconductor region. includes a moiety comprising said portion of said control electrode In the depth direction of the lower serial region has a concentration peak of the second conductivity type impurity that is located near the surface, characterized in that.
この結果、本発明においては、ドレイン領域からの電気力線はホトダイオード側に作用させることが可能であり、この効果により、電荷蓄積層からの電子の引き抜きを助ける効果がある。 As a result, in the present invention, the electric lines of force from the drain region can act on the photodiode side, and this effect has the effect of assisting the extraction of electrons from the charge storage layer.
従って、前述に述べたバイパス領域の濃度と幅の許容範囲を従来に比べ、広げることができる。本発明のポテンシャルの様子を図2に示す。 Therefore, the allowable range of the concentration and width of the bypass region described above can be expanded as compared with the conventional case. The state of the potential of the present invention is shown in FIG.
本発明によれば、固体撮像装置のホトダイオードに蓄積された光電荷を転送する転送MOSトランジスタの閾値を小さくして、ダイナミックレンジを広くできる。とくに、ホトダイオードと転送MOSトランジスタの制御電極間に電子又は正孔の蓄積電荷を効果的に転送できるバイパス領域の拡散浮遊領域を設けているので、
1)拡散浮遊領域の不純物濃度を高く設定でき、転送スイッチの制御電極に印加されたバイアスにより、ウェルと拡散浮遊領域間に生じる空乏層をp型ウェル側に有効に広げることができる。このことは、読み出し時の電圧(リセット電圧)を任意かつ直接的に入力できるためである。
According to the present invention, the dynamic range can be widened by reducing the threshold value of the transfer MOS transistor that transfers the photocharge accumulated in the photodiode of the solid-state imaging device. In particular, a diffusion floating region in the bypass region that can effectively transfer the accumulated charge of electrons or holes between the photodiode and the control electrode of the transfer MOS transistor is provided.
1) The impurity concentration of the diffusion floating region can be set high, and the depletion layer generated between the well and the diffusion floating region can be effectively expanded to the p-type well side by the bias applied to the control electrode of the transfer switch. This is because a voltage (reset voltage) at the time of reading can be input arbitrarily and directly.
2)CCDセンサのように、不純物プロファイルのビルトインポテンシャルで決定できる程度の小さいダイナミックレンジに対し、外部電圧で制御可能な広いダイナミックレンジを確保できる。 2) A wide dynamic range that can be controlled by an external voltage can be ensured against a small dynamic range that can be determined by the built-in potential of the impurity profile, as in a CCD sensor.
3)読み出し時の電圧を適正にすることで、バイパス領域近傍のポテンシャル障壁を適度に押し下げ、光電荷を読み出しやすくする。 3) By optimizing the voltage at the time of reading, the potential barrier in the vicinity of the bypass region is moderately pushed down to make it easier to read the photocharges.
図1は、本発明の特徴を最も良く表した断面構造図である。図1において、光電変換素子は、n型基板101上に、p型ウェル102を形成し、その上にホトダイオードのn層104を形成し、その上にホトダイオードのp層105を表面を濃くして形成し、転送MOSトランジスタのゲート領域103を絶縁層を介してホトダイオード側面に形成し、転送MOSトランジスタのゲート領域103とホトダイオードの側面の間には、ホトダイオードのn層から連続するバイパス領域106が形成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram that best represents the features of the present invention. In FIG. 1, the photoelectric conversion element is formed by forming a p-type well 102 on an n-type substrate 101, forming a photodiode n-layer 104 thereon, and forming a photodiode p-layer 105 thereon with a thickened surface. The gate region 103 of the transfer MOS transistor is formed on the side surface of the photodiode via an insulating layer, and a bypass region 106 continuous from the n layer of the photodiode is formed between the gate region 103 of the transfer MOS transistor and the side surface of the photodiode. Has been.
また、転送MOSトランジスタのゲート領域103の側面下部に拡散浮遊領域FD107が形成されており、拡散浮遊領域FD107は出力回路の増幅用MOSトランジスタのゲートに接続され、増幅用MOSトランジスタのソースには、行選択スイッチ用MOSトランジスタ111のドレインが接続され、行選択スイッチ用MOSトランジスタ111のソースには増幅用MOSトランジスタの負荷となる電流源I112が接続されてソースフォロワ増幅回路を構成している。 In addition, a diffusion floating region FD107 is formed below the side surface of the gate region 103 of the transfer MOS transistor. The diffusion floating region FD107 is connected to the gate of the amplification MOS transistor of the output circuit, and the source of the amplification MOS transistor includes The drain of the row selection switch MOS transistor 111 is connected, and the source of the row selection switch MOS transistor 111 is connected to a current source I112 serving as a load of the amplification MOS transistor to constitute a source follower amplifier circuit.
また、拡散浮遊領域FD107には、拡散浮遊領域FD107のリセット用のリセットMOSトランジスタのソースが接続され、そのドレインはリセット電源109が接続されている。 The diffusion floating region FD107 is connected to the source of a reset MOS transistor for resetting the diffusion floating region FD107, and the drain is connected to the reset power source 109.
次に、読み出し動作を説明しながら、本発明の特徴を詳しく説明する。光が入射し、光電変換により生成された電子がホトダイオードのn層に蓄積する。この時、転送MOSトランジスタはOFF状態にある。所定の蓄積時間が経過したのち、転送MOSトランジスタの制御電極(ゲート領域)103に正の電圧を印加し、転送MOSトランジスタをON状態にし、ホトダイオードのn層の蓄積電荷を拡散浮遊領域に転送する。転送MOSトランジスタをON状態にする前に、予め、拡散浮遊領域を所定の電圧にリセットしておく。蓄積電荷が拡散浮遊領域に転送されると、拡散浮遊領域の電圧は、転送電荷Qsig と拡散浮遊容量CFDを用いると、転送電荷が電子であるため、Qsig /CFD分の電圧がリセット電圧から低下する。ホトダイオードの蓄積層がp型であるならば、転送電荷は正孔であるため、逆に電圧は上昇する。 Next, features of the present invention will be described in detail while explaining a read operation. Light enters and electrons generated by photoelectric conversion accumulate in the n-layer of the photodiode. At this time, the transfer MOS transistor is in an OFF state. After a predetermined accumulation time has elapsed, a positive voltage is applied to the control electrode (gate region) 103 of the transfer MOS transistor, the transfer MOS transistor is turned on, and the accumulated charge in the n layer of the photodiode is transferred to the diffusion floating region. . Before the transfer MOS transistor is turned on, the diffusion floating region is reset to a predetermined voltage in advance. When the accumulated charge is transferred to the diffusion floating region, the voltage of the diffusion floating region is Q sig / C FD because the transfer charge is an electron when the transfer charge Q sig and the diffusion floating capacitance C FD are used. Decreases from reset voltage. If the storage layer of the photodiode is p-type, since the transfer charge is a hole, the voltage rises conversely.
この様なAPSにおいては、拡散浮遊領域107のリセット直後の出力信号Vr1を一旦保持し、リセット信号にQsig /CFD分だけ重畳された出力信号Vsig1との差分(Vsig1−Vr1)をとることで、拡散浮遊領域107のリセットノイズの大部分を除去することができる。特に、ホトダイオードと転送MOSトランジスタ103が以下に述べる条件を満たすことが、より高いノイズの除去率を達成する。即ち、ホトダイオードのn層に蓄積された信号電荷をより高い割合で読み出すことが重要である。 In such an APS, the output signal V r1 immediately after the reset of the diffusion floating region 107 is temporarily held, and the difference (V sig1 −V r1 ) from the output signal V sig1 superimposed on the reset signal by Q sig / C FD. ), Most of the reset noise in the diffusion floating region 107 can be removed. In particular, when the photodiode and the transfer MOS transistor 103 satisfy the conditions described below, a higher noise removal rate is achieved. In other words, it is important to read out the signal charge accumulated in the n layer of the photodiode at a higher rate.
詳しく説明すると、信号を読み出し後のリセット電圧から、Qsig /CFDの電圧だけ低下した拡散浮遊領域の電圧をVFDsig1とし、転送MOSトランジスタが充分なON状態であるならば、ホトダイオードのn層には、p型のウェルと表面の濃いp層のGND電位に対しVFDsig1の逆バイアスが印加される。この時n層には、p型のウェルと表面の濃いp層から空乏層が延び、ホトダイオードのn層全体を空乏化させることで、ホトダイオードに信号電荷を殆ど残さずに拡散浮遊領域に信号電荷を読み出すことができる。 More specifically, if the voltage in the diffusion floating region, which is lower than the reset voltage after reading the signal by the voltage of Q sig / C FD , is VFD sig 1 , and the transfer MOS transistor is in a sufficiently ON state, the n layer of the photodiode A reverse bias of VFD sig1 is applied to the GND potential of the p-type well and the deep p-layer on the surface. At this time, in the n layer, a depletion layer extends from the p-type well and the deep p layer on the surface, and the entire n layer of the photodiode is depleted, so that the signal charge is left in the diffusion floating region without leaving almost any signal charge in the photodiode. Can be read out.
この場合、拡散浮遊領域に信号電荷を読み出すのと同時に、ホトダイオードのリセットも行っている。読み出し後、即ちホトダイオードのn層にVFDsig1の逆バイアスが印加された状態で、n層に残る電子数が0個ならば、リセット直後の出力信号Vr1とリセット信号にQsig /CFD分だけ重畳された出力信号Vsig1との差分をとることでリセットノイズを完全に除去することができ、Vsig1−Vr1=Qsig /CFD×A(Aは画素毎にある出力回路のゲイン)という出力信号を得ることができる。 In this case, the photodiode is reset simultaneously with reading out the signal charges to the diffusion floating region. If the number of electrons remaining in the n layer is zero after reading, that is, with the reverse bias of VFD sig1 applied to the n layer of the photodiode, the output signal V r1 and the reset signal immediately after the reset will be Q sig / C FD By taking the difference from the superimposed output signal V sig1 , the reset noise can be completely removed, and V sig1 −V r1 = Q sig / C FD × A (A is the gain of the output circuit for each pixel. ) Output signal can be obtained.
この出力信号に画素毎にある出力回路のノイズΔVn1が重畳され、最終的なエリアセンサとして形成された集積回路ICからの出力には、画素毎の出力回路以後の読み出し系のノイズΔVn2が重畳される。 The output circuit noise ΔV n1 for each pixel is superimposed on the output signal, and the output from the integrated circuit IC formed as a final area sensor has a readout system noise ΔV n2 after the output circuit for each pixel. Superimposed.
以上の様な読み出しを実現するためには、ホトダイオードのn層に逆バイアスを印加し、n層全体が空乏化しはじめる電圧をVdep とすれば、Vdep <Vsig1とする必要がある。ここでホトダイオードの空乏化電圧とは、広くは、
蓄積部の蓄積電荷数<ネット不純物数
となる逆バイアス電圧を意味する。理想的には、読み出し後にホトダイオードのn層に残る電子数は0個であるが、どの程度完全に読み出すかは設計事項となる。実質的には、先に述べた、読み出し系のノイズΔVn1、ΔVn2に比べ充分に小さければよい。
In order to realize reading as described above, if a reverse bias is applied to the n layer of the photodiode and the voltage at which the entire n layer begins to be depleted is V dep , it is necessary to satisfy V dep <V sig1 . Here, the depletion voltage of a photodiode is broadly
It means a reverse bias voltage in which the number of accumulated charges in the accumulation unit <the number of net impurities. Ideally, the number of electrons remaining in the n-layer of the photodiode after reading is zero, but how completely read out is a matter of design. In practice, it is sufficient if it is sufficiently smaller than the noises ΔV n1 and ΔV n2 of the readout system described above.
ここで重要なのは、以上の様な動作を実現するためには、転送MOSトランジスタを充分なON状態にする必要があり、本発明はそのための技術として、埋め込み型のホトダイオードと転送MOSトランジスタの間にバイパス領域106を設けた。このバイパス領域は、図2に示す様に、必ずしも半導体表面と接している必要はない。なぜならば、バイパス領域はホトダイオードのn層と転送MOSトランジスタのチャネルとの間に介在するものであり、埋め込みチャネルであるならば、当然、バイパス領域は表面に達する必要はない。また、表面にチャネルがある場合でも、バイパス領域が表面のチャネルに達することが最良ではあるが、達しなくとも、前述の式に従い、従来技術と比べ充分に低い閾値電圧を有する転送MOSトランジスタを得ることができる。 What is important here is that the transfer MOS transistor needs to be in a sufficiently ON state in order to realize the operation as described above, and the present invention provides a technique for this purpose between an embedded photodiode and a transfer MOS transistor. A bypass region 106 was provided. As shown in FIG. 2, the bypass region does not necessarily need to be in contact with the semiconductor surface. This is because the bypass region is interposed between the n-layer of the photodiode and the channel of the transfer MOS transistor, and of course, if it is a buried channel, the bypass region does not need to reach the surface. Even if there is a channel on the surface, it is best that the bypass region reaches the channel on the surface, but even if it does not, a transfer MOS transistor having a sufficiently lower threshold voltage than the prior art is obtained according to the above formula. be able to.
また更に、このバイパス領域が転送MOSトランジスタのゲート下に存在することも効果を上げるポイントであり、ゲート電圧が印加されると、ゲート下のポテンシャルが押し上げられるが、バイパスにもこの効果が加わり、よりポテンシャルを低くすることが可能となる。 Furthermore, the fact that this bypass region exists under the gate of the transfer MOS transistor is also an effective point, and when a gate voltage is applied, the potential under the gate is pushed up, but this effect is also added to the bypass, It becomes possible to lower the potential.
本発明の特徴は、転送MOSトランジスタが、拡散浮遊領域と接続していることであり、以下の様な効果があることを本発明者らは見出した。 The inventors of the present invention have found that the transfer MOS transistor is connected to the diffusion floating region and has the following effects.
1)拡散浮遊領域の不純物濃度は、高く設定でき、印加されたバイアスにより、ウェルと拡散浮遊領域間に生じる空乏層をp型ウェル側に有効に広げることができる。このことは、読み出し時の電圧(リセット電圧)を任意かつ直接的に入力できるためである。 1) The impurity concentration of the diffusion floating region can be set high, and the depletion layer generated between the well and the diffusion floating region can be effectively spread to the p-type well side by the applied bias. This is because a voltage (reset voltage) at the time of reading can be input arbitrarily and directly.
2)CCDの様に、不純物プロファイルのビルトインポテンシャルで決定できる程度の小さいダイナミックレンジに対し、外部電圧で制御可能な広いダイナミックレンジを確保できる。 2) As with a CCD, a wide dynamic range that can be controlled by an external voltage can be secured against a small dynamic range that can be determined by the built-in potential of an impurity profile.
3)読み出し時の電圧を適正にすることで、バイパス領域近傍のポテンシャル障壁を適度に押し下げ読み出しやすくする。 3) By making the voltage at the time of reading appropriate, the potential barrier in the vicinity of the bypass region is moderately pushed down to facilitate reading.
APSにおいては、1画素に含まれるトランジスタが多いため、画素の縮小化を行うためにはトランジスタ自身の微細化を行わなければならず、必然的にホトダイオードや転送MOSトランジスタのウェル濃度が上昇する。また、トランジスタの微細化に伴い、電源電圧の低電圧化を図る必要がある。ホトダイオードの取り扱い電荷量を維持したまま、空乏化電圧Vdep を低くするためには、空乏化ホトダイオードの蓄積層(図1においてはn層)の不純物濃度を高くかつ薄層化する必要があり、バイパス領域もホトダイオードのn層と同様に空乏化する必要があるため、バイパス領域の幅も狭くする必要がある。 In APS, since there are many transistors included in one pixel, in order to reduce the size of the pixel, the transistor itself must be miniaturized, which inevitably increases the well concentration of the photodiode and the transfer MOS transistor. In addition, with the miniaturization of transistors, it is necessary to reduce the power supply voltage. In order to reduce the depletion voltage V dep while maintaining the amount of charge handled by the photodiode, it is necessary to increase the impurity concentration of the accumulation layer (n layer in FIG. 1) of the depletion photodiode and to reduce the thickness. Since the bypass region needs to be depleted similarly to the n-layer of the photodiode, the width of the bypass region also needs to be reduced.
さらに、ホトダイオードのn層およびバイパス領域の幅の加工寸法精度が厳しくなる一方、ウェル濃度が上昇し、そうすると加工バラツキ要因は増え、より一層の加工寸法精度が要求され、歩留まり劣化につながる。特にバイパス領域の幅は、シリコン基板の面方向の精度であり、一般的に深さ方向より、加工精度が低く、歩留まり劣化の大きな要因になる。本発明においては、前述の3)の効果により、バイパス領域の幅の許容範囲を広げ、歩留まりが向上する。 Furthermore, while the processing dimensional accuracy of the width of the n-layer and bypass region of the photodiode becomes severe, the well concentration increases, thereby increasing the processing variation factor, requiring further processing dimensional accuracy and leading to yield deterioration. In particular, the width of the bypass region is the accuracy in the surface direction of the silicon substrate, and generally the processing accuracy is lower than that in the depth direction, which is a major factor in yield deterioration. In the present invention, the allowable range of the width of the bypass region is widened and the yield is improved by the effect 3) described above.
また、本発明においては、加工方法を以下の様にすることで、バイパス領域の幅の加工精度を向上させ、歩留まりを向上させる。 In the present invention, the processing method is as follows, thereby improving the processing accuracy of the width of the bypass region and improving the yield.
従来技術であるCCDのバイパス領域は、転送MOSトランジスタの制御電極形成前のホトダイオードのn層のイオンインプラと、転送MOSトランジスタの制御電極をマスク材にした表面の濃いp層のイオンインプラにより形成されるため、バイパス領域の幅は露光装置の位置合わせ精度により、その幅は大きくバラツクものである。この様な製造方法になってしまうのは、CCDはその動作電圧が高く、ホトダイオードのn層の空乏化電圧も高いため、一般的には、p型ウェルとホトダイオードのn層の接合深さは、0.5μm以上と深い。そのため、制御電極の厚さが高々0.5μmであることから、制御電極をマスク材にイオンインプラすることはできないからである。 The bypass region of the CCD, which is the prior art, is formed by the ion implantation of the n layer of the photodiode before the formation of the control electrode of the transfer MOS transistor and the ion implantation of the deep p layer of the surface using the control electrode of the transfer MOS transistor as a mask material. For this reason, the width of the bypass region varies greatly depending on the alignment accuracy of the exposure apparatus. The reason for this manufacturing method is that the operating voltage of the CCD is high and the depletion voltage of the n-layer of the photodiode is also high. Therefore, in general, the junction depth between the p-type well and the n-layer of the photodiode is Deep as 0.5 μm or more. Therefore, since the thickness of the control electrode is at most 0.5 μm, the control electrode cannot be ion-implanted into the mask material.
これに対し本発明は、例えば、実施例3で示す様に、ホトダイオードのn層を転送MOSトランジスタの制御電極、例えば多結晶シリコンをマスク材にし、斜めにイオン注入することでバイパス領域を形成することで、その幅を制御電極からイオンインプラの投影飛程で決定することができる。イオンインプラの投影飛程を利用するため、加工精度は高い。その他、以降の実施例で幾つか例を示すが、本質的には、バイパス領域を転送MOSトランジスタの制御電極をマスク材とし、イオンインプラを用いて形成することにより、その加工精度を向上させるものである。 In contrast, in the present invention, as shown in the third embodiment, for example, a bypass region is formed by implanting ions obliquely using the n layer of the photodiode as a control electrode of a transfer MOS transistor, for example, polycrystalline silicon as a mask material. Thus, the width can be determined by the projection range of the ion implantation from the control electrode. Processing accuracy is high because the projection range of ion implantation is used. In addition, some examples will be shown in the following embodiments. Essentially, the bypass region is formed by using the control electrode of the transfer MOS transistor as a mask material and using ion implantation, thereby improving the processing accuracy. It is.
前述に示したものは、電子を蓄積した場合を例にあげ、本発明の特徴について説明しているが、本発明は、正孔を蓄積する場合や、蓄積電荷および転送MOSトランジスタのタイプに限定されるものではない。 In the above, the case where electrons are stored is taken as an example, and the features of the present invention are described. However, the present invention is limited to the case where holes are stored and the types of stored charges and transfer MOS transistors. Is not to be done.
図4を用いて実施例1について説明する。本実施例のホトダイオードとその周辺は以下の手順で形成される。 Example 1 will be described with reference to FIG. The photodiode of this embodiment and its periphery are formed by the following procedure.
n型基板901に対し、イオンインプラを用いボロンを導入し、熱処理を行い、表面濃度が約2×1016cm−3のp型ウェル902を形成し、ホトレジスト908を形成して、ホトダイオードのn層904を形成した<図4(a)>。 Boron is introduced into the n-type substrate 901 using ion implantation, heat treatment is performed, a p-type well 902 having a surface concentration of about 2 × 10 16 cm −3 is formed, a photoresist 908 is formed, and the n-type substrate 901 is formed. A layer 904 was formed <FIG. 4A>.
さらに、熱酸化法により基板表面全般にゲート酸化膜910を30nm形成後、転送MOSトランジスタの制御電極903を形成した<図4(b)>。 Further, a gate oxide film 910 having a thickness of 30 nm is formed on the entire substrate surface by a thermal oxidation method, and then a control electrode 903 of the transfer MOS transistor is formed (FIG. 4B).
つぎに、基板表面のホトダイオード上と制御電極の一部の他の領域にホトレジスト909を形成し、窒素雰囲気中で950℃/20分の熱処理を施した後、制御電極903をマスクに表面の濃いp層905を形成した<図4(c)>。 Next, a photoresist 909 is formed on the photodiode on the substrate surface and in some other region of the control electrode, and after heat treatment in a nitrogen atmosphere at 950 ° C./20 minutes, the control electrode 903 is used as a mask to form a deep surface. A p-layer 905 was formed (FIG. 4C).
通常の半導体製造工程に従い、砒素からなる拡散浮遊領域907を形成した<図4(d)>。 A diffusion floating region 907 made of arsenic was formed in accordance with a normal semiconductor manufacturing process <FIG. 4D>.
この工程で、通常のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成した。 In this step, a source / drain region of a normal MOS transistor was formed.
この後、通常の半導体製造工程に従い、第1の層間絶縁膜、コンタクト、第1金属配線、第2の層間絶縁膜、第1金属配線と第2金属配線を接続するビア、第2金属配線、パッシベーション膜を順次形成した。 Thereafter, in accordance with a normal semiconductor manufacturing process, a first interlayer insulating film, a contact, a first metal wiring, a second interlayer insulating film, a via connecting the first metal wiring and the second metal wiring, a second metal wiring, A passivation film was sequentially formed.
この結果、約100nmのバイパス領域906を形成した。両側が濃いn型拡散層からなる、通常のMOSトランジスタの閾値電圧と、ソースが埋め込みのn層からなる転送MOSトランジスタのバイパス領域のない場合と、ある場合(本発明)の閾値電圧をそれぞれ評価したところ、0.7volt、2.2volt、0.7voltであった。この結果、バイパス領域により、閾値電圧が通常のMOSトランジスタ並みに低下していることを確認した。閾値電圧が低下することにより、浮遊拡散領域のダイナミックレンジが少なくとも1.5volt広がったことが解る。 As a result, a bypass region 906 of about 100 nm was formed. The threshold voltage of a normal MOS transistor composed of a thick n-type diffusion layer on both sides and the threshold voltage of the case where there is no bypass region of the transfer MOS transistor composed of a buried n layer of the source and the case of the present invention are evaluated As a result, they were 0.7 volts, 2.2 volts, and 0.7 volts. As a result, it was confirmed that the threshold voltage was reduced to the level of a normal MOS transistor due to the bypass region. It can be seen that the dynamic range of the floating diffusion region has increased by at least 1.5 volts as the threshold voltage decreases.
図5を用いて実施例2を説明する。本実施例のホトダイオードとその周辺は以下の手順で形成される。 Example 2 will be described with reference to FIG. The photodiode of this embodiment and its periphery are formed by the following procedure.
n型基板601に対し、イオンインプラを用いボロンを導入し、熱処理を行い、表面濃度が約4×1016cm−3のp型ウェル602を形成した。熱酸化法によりゲート酸化膜を15nm形成後、多結晶シリコンを400nm堆積し、転送MOSトランジスタの制御電極603を形成した<図5(a)>。 Boron was introduced into the n-type substrate 601 using ion implantation, and heat treatment was performed to form a p-type well 602 having a surface concentration of about 4 × 10 16 cm −3 . After forming a gate oxide film with a thickness of 15 nm by thermal oxidation, polycrystalline silicon was deposited with a thickness of 400 nm to form a control electrode 603 of a transfer MOS transistor <FIG. 5A>.
その後、ホトレジスト608と制御電極603をマスク材に燐を100KeVでイオンインプラを行った。 Thereafter, phosphorus was ion-implanted at 100 KeV using the photoresist 608 and the control electrode 603 as a mask material.
この時、多結晶シリコンの膜厚400nmに対し、燐の投影飛程と標準偏差がそれぞれ120nm、45nmであり、多結晶シリコンが十分なマスク材として機能した<図5(b)>。 At this time, the projected range and standard deviation of phosphorus were 120 nm and 45 nm, respectively, with respect to the film thickness of 400 nm of polycrystalline silicon, and the polycrystalline silicon functioned as a sufficient mask material (FIG. 5B).
つぎに、ホトレジスト608を除去し、窒素雰囲気において950℃20分の熱処理を行い、燐を若干拡散させた後に、再度ホトレジスト609を形成し、ホトレジスト609と制御電極603をマスク材に、BF2を35KeVでイオンインプラを行った<図5(c)>。 Next, the photoresist 608 is removed, heat treatment is performed at 950 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere, phosphorus is slightly diffused, a photoresist 609 is formed again, and BF 2 is formed using the photoresist 609 and the control electrode 603 as a mask material. Ion implantation was performed at 35 KeV <FIG. 5 (c)>.
通常の半導体製造工程に従い、砒素からなる拡散浮遊領域607を形成した<図5(d)>。この工程で、通常のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成した。 A diffusion floating region 607 made of arsenic was formed in accordance with a normal semiconductor manufacturing process <FIG. 5D>. In this step, a source / drain region of a normal MOS transistor was formed.
この後、通常の半導体製造工程に従い、第1の層間絶縁膜、コンタクト、第1金属配線、第2の層間絶縁膜、第1金属配線と第2金属配線を接続するビア、第2金属配線、パッシベーション膜を順次形成した。 Thereafter, in accordance with a normal semiconductor manufacturing process, a first interlayer insulating film, a contact, a first metal wiring, a second interlayer insulating film, a via connecting the first metal wiring and the second metal wiring, a second metal wiring, A passivation film was sequentially formed.
この結果、約100nmのバイパス領域606を形成した。両側が濃いn型拡散層からなる、通常のMOSトランジスタの閾値電圧と、ソースが埋め込みのn層からなる転送MOSトランジスタのバイパス領域のない場合の閾値電圧と、ある場合(本発明)の閾値電圧とをそれぞれ評価したところ、0.7volt、3.5volt、0.7voltであった。バイパス領域により、閾値電圧が通常のMOSトランジスタ並みに低下していることを確認した。 As a result, a bypass region 606 of about 100 nm was formed. The threshold voltage of a normal MOS transistor composed of a thick n-type diffusion layer on both sides, the threshold voltage when there is no bypass region of a transfer MOS transistor composed of a buried n layer of the source, and the threshold voltage when present (the present invention) And were evaluated to be 0.7, 3.5, and 0.7 volt, respectively. It was confirmed that the threshold voltage was reduced to the same level as a normal MOS transistor due to the bypass region.
図5および図6を用いて実施例3を説明する。本実施例のホトダイオードとその周辺は以下の手順で形成される。 Example 3 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. The photodiode of this embodiment and its periphery are formed by the following procedure.
図5において、n型基板601に対し、イオンインプラを用いボロンを導入し、熱処理を行い、表面濃度が約4×1016cm−3のp型ウェル602を形成した。熱酸化法によりゲート酸化膜を15nm形成後、多結晶シリコンを400nm堆積し、転送MOSトランジスタの制御電極603を形成した<図5(a)>。 In FIG. 5, boron was introduced into the n-type substrate 601 using ion implantation, and heat treatment was performed to form a p-type well 602 having a surface concentration of about 4 × 10 16 cm −3 . After forming a gate oxide film with a thickness of 15 nm by thermal oxidation, polycrystalline silicon was deposited with a thickness of 400 nm to form a control electrode 603 of a transfer MOS transistor <FIG. 5A>.
その後、ホトレジスト1008と制御電極1003をマスク材に燐を斜めから100KeVでイオンインプラを行った。この時のイオン注入角度θは20°とした。この斜めのイオンインプラを行うため、イオンインプラ直後でも燐が制御電極1003下にまで及んでいる。この時、多結晶シリコンの膜厚400nmに対し、燐の投影飛程と標準偏差がそれぞれ120nm、45nmであり、多結晶シリコンが十分なマスク材として機能した<図6>。 Thereafter, ion implantation was performed at an angle of 100 KeV with phosphorus using the photoresist 1008 and the control electrode 1003 as a mask material. The ion implantation angle θ at this time was 20 °. In order to perform this oblique ion implantation, phosphorus extends under the control electrode 1003 even immediately after the ion implantation. At this time, the projected range and standard deviation of phosphorus were 120 nm and 45 nm, respectively, with respect to the thickness of 400 nm of polycrystalline silicon, and polycrystalline silicon functioned as a sufficient mask material <FIG. 6>.
再度ホトレジスト609を形成し、ホトレジスト609と制御電極603をマスク材にBF2を35KeVでイオンインプラを行った。この時のイオン注入角度θは、チャネリング抑制のための7°とした<図5(c)>。 A photoresist 609 was formed again, and ion implantation was performed with BF 2 at 35 KeV using the photoresist 609 and the control electrode 603 as a mask material. The ion implantation angle θ at this time was set to 7 ° for suppressing channeling (FIG. 5C).
通常の半導体製造工程に従い、砒素からなる拡散浮遊領域607を形成した<図5(d)>。 A diffusion floating region 607 made of arsenic was formed in accordance with a normal semiconductor manufacturing process <FIG. 5D>.
この工程で、通常のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成した。 In this step, a source / drain region of a normal MOS transistor was formed.
この後、通常の半導体製造工程に従い、第1の層間絶縁膜、コンタクト、第1金属配線、第2の層間絶縁膜、第1金属配線と第2金属配線を接続するビア、第2金属配線、パッシベーション膜を順次形成した。 Thereafter, in accordance with a normal semiconductor manufacturing process, a first interlayer insulating film, a contact, a first metal wiring, a second interlayer insulating film, a via connecting the first metal wiring and the second metal wiring, a second metal wiring, A passivation film was sequentially formed.
この結果、約100nmのバイパス領域606を形成した。両側が濃いn型拡散層からなる、通常のMOSトランジスタの閾値電圧と、ソースが埋め込みのn層からなる転送MOSトランジスタのバイパス領域のない場合の閾値電と、ある場合(本発明)の閾値電圧をそれぞれ評価したところ、0.7volt、3.5volt、0.7voltであった。バイパス領域により、閾値電圧が通常のMOSトランジスタ並みに低下していることを確認した。 As a result, a bypass region 606 of about 100 nm was formed. A threshold voltage of a normal MOS transistor composed of a thick n-type diffusion layer on both sides, a threshold voltage when there is no bypass region of a transfer MOS transistor whose source is a buried n layer, and a threshold voltage when present (the present invention) Were evaluated to be 0.7, 3.5, and 0.7 volt, respectively. It was confirmed that the threshold voltage was reduced to the same level as a normal MOS transistor due to the bypass region.
燐を斜めにイオンインプラしてバイパス領域を形成するため、実施例2において燐を拡散させるための窒素雰囲気において950℃、20分の熱処理を省略した。この結果、半導体プロセスの熱処理時間を短くすることができ、より信号処理などに用いられる周辺のMOSトランジスタの微細化が可能となった。 In order to form a bypass region by ion implantation of phosphorus obliquely, the heat treatment at 950 ° C. for 20 minutes in the nitrogen atmosphere for diffusing phosphorus in Example 2 was omitted. As a result, the heat treatment time of the semiconductor process can be shortened, and the peripheral MOS transistors used for signal processing and the like can be further miniaturized.
本発明の実施例4として、実施例3における形成過程で、燐のイオンインプラをバイパス領域を設けるための第1のイオンインプラと、ホトダイオードのn層を設けるための第2のイオンインプラの2回に分けて行った。 As a fourth embodiment of the present invention, in the formation process in the third embodiment, the first ion implantation for providing the bypass region for the phosphorus ion implantation and the second ion implantation for providing the n layer of the photodiode are performed twice. I went to divide.
第1のイオンインプラは、イオン注入角度θ=45°、80KeVで表面の濃いp層のプロファイルを考慮し、表面近くにピーク値を配置するとともにバイパス領域を確保するため、イオン注入角度θは、20°より大きくした。 In the first ion implantation, the ion implantation angle θ = 45 °, considering the profile of the p-layer with a deep surface at 80 KeV, and arranging the peak value near the surface and securing the bypass region, the ion implantation angle θ is It was larger than 20 °.
第2のイオンインプラは、ホトダイオードのn層の空乏化電圧を制御するために、イオン注入角度θ=7°、90KeVで行った。 The second ion implantation was performed at an ion implantation angle θ = 7 ° and 90 KeV in order to control the depletion voltage of the n-layer of the photodiode.
上記実施例により、バイパス領域のイオンインプラと、ホトダイオードのn層のイオンインプラを分けることで、イオン注入角度、イオン注入エネルギー、イオン注入ドーズ量をそれぞれの特性に合わせて最適化することができた。 By dividing the ion implantation in the bypass region and the ion implantation in the n layer of the photodiode according to the above embodiment, the ion implantation angle, ion implantation energy, and ion implantation dose amount could be optimized according to the respective characteristics. .
図7を用いて実施例5を説明する。本実施例のホトダイオードとその周辺は以下の手順で形成される。 Example 5 will be described with reference to FIG. The photodiode of this embodiment and its periphery are formed by the following procedure.
n型基板1101に対し、イオンインプラを用いボロンを導入し、熱処理を行い、表面濃度が約2×1016cm−3のp型ウェル1102を形成し、ホトダイオードのn層を形成した。熱酸化法によりゲート酸化膜を30nm形成後、転送MOSトランジスタの制御電極を形成した。その後、ホトレジスト1108と制御電極1103をマスク材に燐を100KeVでイオンインプラを行った<図7(a)>。 Boron was introduced into the n-type substrate 1101 using ion implantation and heat treatment was performed to form a p-type well 1102 having a surface concentration of about 2 × 10 16 cm −3 , and an n-layer of a photodiode was formed. After forming a gate oxide film with a thickness of 30 nm by a thermal oxidation method, a control electrode of a transfer MOS transistor was formed. Thereafter, ion implantation was performed at 100 KeV using phosphorus 1100 and the control electrode 1103 as a mask material (FIG. 7A).
拡散浮遊領域にLDD用の低濃度n層を設けた後、サイドスペーサを幅150nmで形成した<図7(b)>。 After providing a low concentration n layer for LDD in the diffusion floating region, side spacers were formed with a width of 150 nm <FIG. 7B>.
ホトレジスト1109を形成し、ホトレジスト1109と制御電極1103およびサイドスペーサをマスク材に、BF2を35KeVでイオンインプラを行った。この時のイオン注入角度θは、チャネリング抑制のための7°とした<図7(c)>。 A photoresist 1109 was formed, and ion implantation was performed at 35 KeV with BF 2 using the photoresist 1109, the control electrode 1103, and the side spacer as a mask material. The ion implantation angle θ at this time is set to 7 ° for suppressing channeling (FIG. 7C).
通常の半導体製造工程に従い、砒素からなる拡散浮遊領域1107を形成した<図7(d)>。 A diffusion floating region 1107 made of arsenic was formed in accordance with a normal semiconductor manufacturing process <FIG. 7 (d)>.
この工程で、通常のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成した。 In this step, a source / drain region of a normal MOS transistor was formed.
この後、通常の半導体製造工程に従い、第1の層間絶縁膜、コンタクト、第1金属配線、第2の層間絶縁膜、第1金属配線と第2金属配線を接続するビア、第2金属配線、パッシベーション膜を順次形成した。 Thereafter, in accordance with a normal semiconductor manufacturing process, a first interlayer insulating film, a contact, a first metal wiring, a second interlayer insulating film, a via connecting the first metal wiring and the second metal wiring, a second metal wiring, A passivation film was sequentially formed.
この結果、約150nmのバイパス領域1106を形成した。両側が濃いn型拡散層からなる、通常のMOSトランジスタの閾値電圧と、ソースが埋め込みのn層からなる転送MOSトランジスタのバイパス領域のない場合の閾値電圧と、ある場合(本発明)の閾値電圧とをそれぞれ評価したところ、0.7volt、3.5volt、0.7voltであった。バイパス領域により、閾値電圧が通常のMOSトランジスタ並みに低下していることを確認した。ここで、上記サイドスペーサはマスク手段に対応するものである。 As a result, a bypass region 1106 of about 150 nm was formed. The threshold voltage of a normal MOS transistor composed of a thick n-type diffusion layer on both sides, the threshold voltage when there is no bypass region of a transfer MOS transistor composed of a buried n layer of the source, and the threshold voltage when present (the present invention) And were evaluated to be 0.7, 3.5, and 0.7 volt, respectively. It was confirmed that the threshold voltage was reduced to the same level as a normal MOS transistor due to the bypass region. Here, the side spacer corresponds to the mask means.
なお、マスク手段は、サイドスペーサの代わりに、シリサイドやサリサイド等を形成してもよいことは勿論である。 Of course, the mask means may form silicide, salicide, or the like instead of the side spacers.
図5および図6、図8を用いて実施例6を説明する。本実施例のホトダイオードとその周辺は以下の手順で形成される。 Example 6 will be described with reference to FIGS. 5, 6, and 8. The photodiode of this embodiment and its periphery are formed by the following procedure.
n型基板601に対し、イオンインプラを用いボロンを導入し、熱処理を行い、表面濃度が約4×1016cm−3のp型ウェル602を形成した。熱酸化法によりゲート酸化膜を15nm形成後、多結晶シリコンを400nm堆積し、転送MOSトランジスタの制御電極603を形成した<図5(a)>。 Boron was introduced into the n-type substrate 601 using ion implantation, and heat treatment was performed to form a p-type well 602 having a surface concentration of about 4 × 10 16 cm −3 . After forming a gate oxide film with a thickness of 15 nm by thermal oxidation, polycrystalline silicon was deposited with a thickness of 400 nm to form a control electrode 603 of a transfer MOS transistor <FIG. 5A>.
その後、ホトレジスト1008と制御電極1003をマスク材に燐を斜めから100KeVでイオンインプラを行った。この時のイオン注入角度θは10°とした。この斜めのイオンインプラを行うため、イオンインプラ直後でも燐が制御電極下にまで及んでいる。この時、多結晶シリコンの膜厚400nmに対し、燐の投影飛程と標準偏差がそれぞれ120nm、45nmであり、多結晶シリコンが十分なマスク材として機能した<図6>。 Thereafter, ion implantation was performed at an angle of 100 KeV with phosphorus using the photoresist 1008 and the control electrode 1003 as a mask material. The ion implantation angle θ at this time was 10 °. In order to perform this oblique ion implantation, phosphorus extends under the control electrode even immediately after the ion implantation. At this time, the projected range and standard deviation of phosphorus were 120 nm and 45 nm, respectively, with respect to the thickness of 400 nm of polycrystalline silicon, and polycrystalline silicon functioned as a sufficient mask material <FIG. 6>.
再度ホトレジスト1209を形成し、ホトレジスト1209と制御電極1203をマスク材にBF2を35KeVでイオンインプラを行った。この時のイオン注入角度θは、−15°とした<図8>。 A photoresist 1209 was formed again, and ion implantation was performed at 35 KeV with BF 2 using the photoresist 1209 and the control electrode 1203 as a mask material. The ion implantation angle θ at this time was −15 ° <FIG. 8>.
この結果、制御電極1203が影となり、表面の濃いp層は、制御電極から400*sin(15)=100nm離れて設けることができた。 As a result, the control electrode 1203 was shaded, and the p-layer with a thick surface could be provided 400 * sin (15) = 100 nm away from the control electrode.
通常の半導体製造工程に従い、砒素からなる拡散浮遊領域607を形成した<図5(d)>。この工程で、通常のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を形成した。 A diffusion floating region 607 made of arsenic was formed in accordance with a normal semiconductor manufacturing process <FIG. 5D>. In this step, a source / drain region of a normal MOS transistor was formed.
この後、通常の半導体製造工程に従い、第1の層間絶縁膜、コンタクト、第1金属配線、第2の層間絶縁膜、第1金属配線と第2金属配線を接続するビア、第2金属配線、パッシベーション膜を順次形成した。 Thereafter, in accordance with a normal semiconductor manufacturing process, a first interlayer insulating film, a contact, a first metal wiring, a second interlayer insulating film, a via connecting the first metal wiring and the second metal wiring, a second metal wiring, A passivation film was sequentially formed.
この結果、約150nmのバイパス領域606を形成した。両側が濃いn型拡散層からなる、通常のMOSトランジスタの閾値電圧と、ソースが埋め込みのn層からなる転送MOSトランジスタのバイパス領域のない場合の閾値電圧と、ある場合(本発明)の閾値電圧とをそれぞれ評価したところ、0.7volt、3.5volt、0.7voltであった。バイパス領域により、閾値電圧が通常のMOSトランジスタ並みに低下していることを確認した。 As a result, a bypass region 606 of about 150 nm was formed. The threshold voltage of a normal MOS transistor composed of a thick n-type diffusion layer on both sides, the threshold voltage when there is no bypass region of a transfer MOS transistor composed of a buried n layer of the source, and the threshold voltage when present (the present invention) And were evaluated to be 0.7, 3.5, and 0.7 volt, respectively. It was confirmed that the threshold voltage was reduced to the same level as a normal MOS transistor due to the bypass region.
燐を斜めにイオンインプラしてバイパス領域を形成するため、実施例2において燐を拡散させるための窒素雰囲気において950℃、20分の熱処理を省略した。この結果、半導体プロセスの熱処理時間を短くすることができ、より信号処理などに用いられる周辺のMOSトランジスタの微細化が可能となった。 In order to form a bypass region by ion implantation of phosphorus obliquely, the heat treatment at 950 ° C. for 20 minutes in the nitrogen atmosphere for diffusing phosphorus in Example 2 was omitted. As a result, the heat treatment time of the semiconductor process can be shortened, and the peripheral MOS transistors used for signal processing and the like can be further miniaturized.
実施例1から実施例6のホトダイオード705および転送MOSトランジスタQ1を用い、図9に示す画素構成からなり、図10に示す読み出し回路からなるエリアセンサを作製した。 Using the photodiode 705 and the transfer MOS transistor Q1 of Examples 1 to 6, an area sensor having the pixel configuration shown in FIG. 9 and the readout circuit shown in FIG. 10 was produced.
図9においては、ホトダイオード705および転送MOSトランジスタの転送スイッチQ1を備え、Q2は拡散浮遊領域をリセットするためのリセットMOSトランジスタのリセットスイッチ、Q3は拡散浮遊領域をゲートに接続され、ソース側の負荷として接続される定電流源812からなるソースフォロワ増幅回路の入力MOSトランジスタ、Q4は読み出し画素を選択するための選択スイッチである。 In FIG. 9, a photodiode 705 and a transfer switch Q1 of a transfer MOS transistor are provided, Q2 is a reset switch of a reset MOS transistor for resetting the diffusion floating region, Q3 is connected to the gate of the diffusion floating region, and a load on the source side The input MOS transistor Q4 of the source follower amplifier circuit composed of the constant current source 812 connected as is a selection switch for selecting a readout pixel.
これらから構成された光電変換素子の画素セルを3行3列に用いた固体撮像装置を図10に示している。 FIG. 10 shows a solid-state imaging device using pixel cells of photoelectric conversion elements composed of these in 3 rows and 3 columns.
図9及び図10の基本的な動作を以下に説明する。
1)リセットスイッチQ2によりソースフォロワの入力ゲートにリセット電圧を入力するリセット動作と、選択スイッチQ4による、行選択を行う。
2)ソースフォロワの入力ノードの浮遊拡散領域のゲートをフローティングにし、リセットノイズおよびソースフォロワMOSの閾値電圧のバラツキなどの固定パタンノイズからなるノイズ成分の読み出しを行い、その情報を信号蓄積部805に一旦保持する。
3)その後、転送スイッチQ1を開閉し、光信号により生成されたホトダイオードの蓄積電荷をソースフォロワの入力ノードに転送し、前述のノイズ成分と光信号成分の和を読み出し、信号蓄積部805に保持する
4)共通信号線への転送スイッチ808,808′を介して、共通信号線809,809′に、ノイズ成分の信号と、ノイズ成分と光信号成分の和の信号とをそれぞれ共通信号線1(808),共通信号線2(808′)の転送スイッチを導通して、読み出し、それぞれ各出力アンプ810を介して出力811,811′として出力する。
The basic operation of FIGS. 9 and 10 will be described below.
1) A reset operation for inputting a reset voltage to the input gate of the source follower by the reset switch Q2 and a row selection by the selection switch Q4 are performed.
2) Floating the gate of the floating diffusion region at the input node of the source follower, reading out noise components including fixed pattern noise such as reset noise and variation in threshold voltage of the source follower MOS, and sending the information to the signal storage unit 805 Hold once.
3) Thereafter, the transfer switch Q1 is opened and closed, the accumulated charge of the photodiode generated by the optical signal is transferred to the input node of the source follower, the sum of the noise component and the optical signal component is read out, and held in the signal storage unit 805 4) The common signal lines 809 and 809 ′ are connected to the common signal line 1 via the transfer switches 808 and 808 ′ to the common signal line, respectively. (808), the transfer switch of the common signal line 2 (808 ') is turned on, read out, and output as outputs 811 and 811' via the output amplifiers 810, respectively.
その後、出力811と811′の差をとることでリセットノイズおよび固定パタンノイズを除去して、光信号成分を取り出し、S/Nの高い画像信号を得ることができる。 Thereafter, by taking the difference between the outputs 811 and 811 ′, the reset noise and the fixed pattern noise are removed, the optical signal component is extracted, and an image signal having a high S / N can be obtained.
上記方法で読み出しを行い、信号とノイズ評価を行った。その結果、各ビット毎のダイナミックレンジ(S/N)=75〜85dBという高いS/Nを得た。また、各実施例におけるS/Nのバラツキを評価した結果、バラツキの大きさは、次の通りであり、
実施例3、実施例4<実施例2、実施例5、実施例6<<実施例1
結果として、低温でかつ制御電極による自己整合的な形成方法が、より有効であることを示している。
Reading was performed by the above method, and signal and noise were evaluated. As a result, a high S / N of dynamic range (S / N) = 75 to 85 dB for each bit was obtained. In addition, as a result of evaluating the S / N variation in each example, the size of the variation is as follows,
Example 3, Example 4 <Example 2, Example 5, Example 6 << Example 1
As a result, it is shown that a low-temperature and self-aligned formation method using a control electrode is more effective.
本発明は画素毎に信号増幅部を有する固体撮像装置に適用されるものである。 The present invention is applied to a solid-state imaging device having a signal amplification unit for each pixel.
101,501,601,901,1001,1101 半導体基板
102,502,602,902,1002,1102 ウェル
103,603,903,1003,1103 転送MOSトランジスタの制御電極
104,504,604,904,1004,1104 ホトダイオードのn層
105,505,605,905,1105 ホトダイオードの表面の濃いp層
106,606,906,1106 バイパス領域
107,607,907,1107 拡散浮遊領域
108 リセットMOSトランジスタ
109 リセット電極
110 出力回路(ソースフォロワ)の入力MOSトランジスタ
111 選択スイッチ用のMOSトランジスタ
112 ソースフォロワの定電流負荷
113 出力端子
301 酸化膜
302 ホトダイオードのn層のフェルミ準位
303 バイパス領域のフェルミ準位
304 閾値電圧の電圧印加時のポテンシャル
305 閾値電圧の電圧印加時のポテンシャル
608,609,908,909,1008 ホトレジスト
101, 501, 601, 901, 1001, 1101 Semiconductor substrate 102, 502, 602, 902, 1002, 1102 Well 103, 603, 903, 1003, 1103 Control electrodes 104, 504, 604, 904, 1004 of the transfer MOS transistor 1104 Photodiode n-layer 105, 505, 605, 905, 1105 Dark p-layer 106, 606, 906, 1106 on the surface of the photodiode Bypass region 107, 607, 907, 1107 Diffusion floating region 108 Reset MOS transistor 109 Reset electrode 110 Output circuit (Source follower) input MOS transistor 111 Select switch MOS transistor 112 Source follower constant current load 113 Output terminal 301 Oxide film 302 Photo diode n Fermi level 303 bypass region Fermi level potential when a voltage is applied potential 305 threshold voltage when a voltage is applied in 304 threshold voltage 608,609,908,909,1008 photoresist of
Claims (4)
前記第1の半導体領域の中に配置された第2導電型の第4の半導体領域と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記第4の半導体領域に転送するチャネルを形成するように前記光電変換部と前記第4の半導体領域との間における前記第1の半導体領域の上に絶縁膜を介して配置された制御電極と、
を有する固体撮像装置において、
前記第2の半導体領域は、前記制御電極における前記第3の半導体領域の側の領域の下方かつ前記第3の半導体領域の側方に位置する領域を含む部分を含み、前記部分は、前記制御電極の前記領域の下方の深さ方向において、表面近くに位置する第2導電型の不純物の濃度ピークを有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A second conductivity type second semiconductor region disposed in the first conductivity type first semiconductor region; and a first conductivity type second semiconductor region disposed in contact with the light incident side of the second semiconductor region. A photoelectric conversion unit having three semiconductor regions;
A fourth semiconductor region of the second conductivity type disposed in the first semiconductor region;
On the first semiconductor region between the photoelectric conversion unit and the fourth semiconductor region so as to form a channel for transferring the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the fourth semiconductor region A control electrode disposed via an insulating film;
In a solid-state imaging device having
Said second semiconductor region includes a portion including a region located on the side of the lower and the third semiconductor region of the side area of the third semiconductor region in said control electrode, said part, said control A concentration peak of a second conductivity type impurity located near the surface in a depth direction below the region of the electrode ;
A solid-state imaging device.
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