JP6514033B2 - Buried channel type deep depleted channel transistor - Google Patents
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Description
本技術は、深空乏化チャネルトランジスタに関し、より具体的には、埋込チャネル型の深空乏化チャネルトランジスタを製造する方法及びそれによるデバイスに関する。 The present technology relates to a deep depleted channel transistor, and more particularly, to a method of manufacturing a buried channel deep depleted channel transistor and a device based thereon.
ピクセル(画素)ベースのイメージセンサはしばしば、極めて低い信号レベルで動作することを必要とされ、これらのセンサを電気的雑音及び熱雑音の影響を受けやすいものにしている。様々な種類のノイズセンサの中で、より低い雑音検出下限を達成することに対するイメージセンサセルの1つの特定の制限要因は、ソースフォロアトランジスタのランダムテレグラフシグナル(RTS)ノイズである。RTSノイズは、イメージセンサ回路の出力に、出力信号における正及び負の小さいランダムなジッタで影響を及ぼす。RTSノイズは概して、トランジスタ内のゲート酸化膜/チャネル界面又はその付近にある欠陥に関連した電子又は正孔の捕獲(トラッピング)及び脱捕獲(デトラッピング)によって引き起こされる。 Pixel-based image sensors are often required to operate at very low signal levels, making them susceptible to electrical and thermal noise. Among various types of noise sensors, one particular limiting factor of the image sensor cell for achieving a lower noise detection limit is the random telegraph signal (RTS) noise of the source follower transistor. RTS noise affects the output of the image sensor circuit with small positive and negative random jitter in the output signal. RTS noise is generally caused by the trapping or detrapping of electrons or holes associated with defects at or near the gate oxide / channel interface in the transistor.
残念ながら、RTSノイズの存在、及び結果として生じるイメージセンサの読み出し画素値の不正確さは、不正確な画像又は雑音の多い画像を作り出してしまい得る。RTSノイズを抑制する1つの手法は、埋込チャネルトランジスタを利用することである。埋込チャネルトランジスタは典型的に、プレーナMOS(金属酸化膜半導体)トランジスタのチャネル領域をカウンタードーピングすることによって形成される。埋込チャネルトランジスタにおいて、チャネル領域内のドーピング構造は、ゼロのゲートバイアスで導通チャネルをもたらす。そこで、埋込チャネルトランジスタは、適切なゲートバイアス電圧でチャネル領域を空乏化させることによってターンオフされる。意図される動作レジームにおいては、チャネルの導通部分がゲート酸化膜/チャネル界面から離隔されたままであるように、幾らかのバイアスが印加される。これは、酸化膜/チャネル界面の欠陥によってキャリアが捕獲される可能性を有意に低減する。従って、埋込チャネルトランジスタは、キャリアに捕獲/脱捕獲イベントがあまり伴わない傾向にあるので、より低いRTSノイズを示すと期待されている。 Unfortunately, the presence of RTS noise, and the resulting inaccuracies in the read out pixel values of the image sensor, can produce inaccurate or noisy images. One way to suppress RTS noise is to use buried channel transistors. Buried channel transistors are typically formed by counter doping the channel region of planar MOS (metal oxide semiconductor) transistors. In a buried channel transistor, the doping structure in the channel region provides a conduction channel with zero gate bias. The buried channel transistor is then turned off by depleting the channel region with the appropriate gate bias voltage. In the intended operating regime, some bias is applied such that the conducting portion of the channel remains separated from the gate oxide / channel interface. This significantly reduces the possibility of carrier capture by defects at the oxide / channel interface. Thus, buried channel transistors are expected to exhibit lower RTS noise as carriers tend to be less associated with capture / decapture events.
残念ながら、従来の埋込チャネルトランジスタは、短チャネル効果の影響をいっそう受けやすく、それが、スイッチとしての有効性を低下させるとともに、そのスケーリングを制限してしまう。例えば、埋込チャネルトランジスタは、ドレイン誘起障壁低下、チャネル長を短縮することに伴う閾値電圧(Vt)ロールオフ、及びパンチスルーのような、2次元(2D)効果をいっそう起こしやすいものである。一部の種類のイメージセンサ回路において、これらの欠点は、従来の埋込チャネルトランジスタによって提供される低めのRTSに関連する如何なる利点にも勝ってしまい得る。 Unfortunately, conventional buried channel transistors are more susceptible to short channel effects, which reduces their effectiveness as switches and limits their scaling. For example, buried channel transistors are more prone to two-dimensional (2D) effects such as drain induced barrier lowering, threshold voltage (Vt) roll-off with decreasing channel length, and punch-through. In some types of image sensor circuits, these drawbacks may outweigh any advantages associated with the lower RTS provided by conventional buried channel transistors.
半導体デバイス、及びそのようなデバイスを製造する方法を提供する。 Semiconductor devices and methods of manufacturing such devices are provided.
一態様において、半導体デバイスは、第1導電型の少なくとも1つのデバイス領域を持つ半導体基板と、前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成され且つチャネル長だけ離隔された、第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第2導電型のチャネル領域と、前記チャネル領域の下方且つ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で、前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第1導電型のスクリーニング領域とを含む。前記スクリーニング領域の実効ドーピング密度は、前記少なくとも1つのデバイス領域の実効ドーピング密度より実質的に高い。半導体デバイスは更に、前記チャネル領域の上方で前記少なくとも1つのデバイス領域の上に形成されたゲート構造を含む。前記チャネル領域は、前記ゲート構造におけるバイアス電圧に応答して、前記ゲート構造の下の表面空乏層と、前記チャネル領域と前記スクリーニング領域との境界面の位置の埋込空乏層と、前記表面空乏層と前記埋込空乏層との間の、前記ソース領域及び前記ドレイン領域を電気的に結合する埋込チャネル層とを提供するように変更され、且つ前記埋込空乏層は実質的に前記チャネル領域内に位置する。 In one aspect, a semiconductor device comprises: a semiconductor substrate having at least one device region of a first conductivity type; a source region of a second conductivity type formed within said at least one device region and separated by a channel length; A drain region, a channel region of the second conductivity type formed in the at least one device region between the source region and the drain region, and the source region and the drain region below the channel region And a screening region of the first conductivity type formed in the at least one device region. The effective doping density of the screening area is substantially higher than the effective doping density of the at least one device area. The semiconductor device further includes a gate structure formed over the at least one device region above the channel region. The channel region is responsive to a bias voltage in the gate structure to provide a surface depletion layer under the gate structure, a buried depletion layer at a position of an interface between the channel region and the screening region, and the surface depletion. A buried channel layer electrically coupling the source region and the drain region between a layer and the buried depletion layer, and the buried depletion layer substantially corresponds to the channel Located in the area.
図面は、開示される技術の例示的且つ非限定的な記述を提供するものである。
添付の図面を参照して本技術を説明するが、図面全体を通して、同様又は等価な要素は、似通った参照符号を用いて指し示す。図面は、縮尺通りに描いたものではなく、とっさの技術を例示するために提供されるに過ぎない。以下、本技術の幾つかの態様を、例示のための適用例を参照して説明する。理解されるべきことには、本技術の十分な理解を提供するために、数多くの具体的詳細事項、関係、及び方法を説明する。しかしながら、当業者が直ちに認識するように、本技術は、これらの具体的詳細事項のうちの1つ以上を用いずして実施されることもでき、あるいは他の方法を用いて実施されることもできる。また、本技術を不明瞭にしないよう、周知の構造や処理については詳細には示していない。本技術は、例示する作用又は結果の順序によって限定されるものではなく、何故なら、一部の作用が異なる順序で起こされてもよく、且つ/或いは他の作用又は結果と同時に起こされてもよいからである。また、例示する作用又は結果の、必ずしも全てが、本技術による方法を実行するために必要とされるわけではない。 The present technology is described with reference to the accompanying drawings, wherein like or equivalent elements are designated with similar reference numerals throughout the drawings. The drawings are not drawn to scale but are merely provided to illustrate the technology of the moment. Hereinafter, some aspects of the present technology will be described with reference to application examples for illustrative purposes. It should be understood that numerous specific details, relationships, and methods are set forth in order to provide a thorough understanding of the present technology. However, as one skilled in the art will immediately appreciate, the present technology may be practiced without one or more of these specific details, or with other methods. You can also. Also, well known structures and processes have not been shown in detail in order not to obscure the technology. The present technology is not limited by the illustrated order of actions or results, because some actions may occur in a different order and / or may occur simultaneously with other actions or results Because it is good. Also, not all illustrated acts or results are necessarily required to practice the methods of the present technology.
イメージセンサ及びその他の用途に関する既存の埋込チャネルトランジスタの限界に鑑み、本技術は、短チャネル効果を回避しながら低RTSノイズを可能にする改善された埋込チャネルトランジスタに向けられる。故に、本技術に係る埋込チャネルトランジスタは、イメージセンサ内のソースフォロアとして効果的に使用されて、イメージセンサ又はその他のデバイスにおいて全体として低減された読み出し雑音(リードアウトノイズ)を提供することができる。 In view of the limitations of existing buried channel transistors for image sensors and other applications, the present technology is directed to an improved buried channel transistor that enables low RTS noise while avoiding short channel effects. Hence, the buried channel transistor according to the present technology can be effectively used as a source follower in an image sensor to provide an overall reduced readout noise (readout noise) in an image sensor or other device it can.
イメージセンサ回路、低雑音増幅器回路、又は雑音の影響を受けやすいその他の回路に適した、本技術に係る改善された埋込チャネルトランジスタは、深空乏化チャネル(Deeply Depleted Channel;DDC)トランジスタに関連する構造及び技術に従って製造されることができる。DDCトランジスタは、高濃度ドープされたスクリーニング(仕切り)層又は領域を含み、その上にエピタキシャル層が成長されてソースとドレインとの間のチャネルをサポートするMOSトランジスタである。スクリーニング領域の存在は、とりわけ、短チャネル効果を抑制し、短チャネル効果は、以下に限られないが、ドレイン誘起障壁低下、チャネル長を短縮することに伴うVtロールオフ、及びパンチスルーのような、2次元(2D)効果を含む。 Improved buried channel transistors according to the present technology, suitable for image sensor circuits, low noise amplifier circuits, or other circuits susceptible to noise, are associated with Deeply Depleted Channel (DDC) transistors Can be manufactured according to the structure and technology to be A DDC transistor is a MOS transistor that includes a heavily doped screening layer or region on which an epitaxial layer is grown to support the channel between the source and drain. The presence of the screening region suppresses, inter alia, the short channel effect, such as, but not limited to, drain induced barrier lowering, Vt roll off with shortening of the channel length, and punch through. , Including two-dimensional (2D) effects.
また、DDCトランジスタは、改善されたVtバラつきを有し、故に、動作電圧のいっそう大きなスケーリングを可能にする。従って、DDCトランジスタは、より信頼できるVt設定、向上されたデバイス特性(例えば、移動度、相互コンダクタンス、及び駆動電流)、強いボディ係数、及び低減された接合静電容量(ジャンクションキャパシタンス)が提供されることを可能にする。また、異なるトランジスタデバイスタイプのための異なるVt狙いを提供するために、ポケット注入若しくはハロー(halo)注入を使用せずに、又はゲート酸化膜に隣接したチャネル注入を必要とせずに、DDCトランジスタに合わせてドーピングプロファイルを選択することができる。 Also, the DDC transistor has an improved Vt variation, thus allowing greater scaling of the operating voltage. Thus, DDC transistors are provided with more reliable Vt settings, improved device characteristics (eg, mobility, transconductance, and drive current), strong body coefficient, and reduced junction capacitance (junction capacitance). Make it possible. Also, to provide different Vt targets for different transistor device types, without using pocket or halo implants, or without the need for channel implants adjacent to the gate oxide, to the DDC transistors. The doping profile can be selected together.
例示の目的で、図1は、従来のDDCトランジスタ100の一形態を示している。DDCトランジスタ100は、ゲート電極102と、ソース104と、ドレイン106と、実質的にアンドープのチャネル110の上に位置するゲート誘電体128とを含んでいる。ソース104及びドレイン106にそれぞれ隣接して位置付けられた、低濃度ドープされたソース・ドレインエクステンション(SDE)132が、互いに向かって延在して、トランジスタチャネル長を設定する。
For the purpose of illustration, FIG. 1 shows one form of a
DDCトランジスタ100は、N型ドーパント材料で形成されたソース104及びドレイン106を有するNチャネルトランジスタとして示されており、ソース及びドレインは、基板116上に形成されたPウェル114を提供する例えばP型ドープトシリコン基板などの半導体基板上に形成されている。
本開示において、用語“半導体基板”又は“基板”は、その上に半導体デバイスを形成するのに使用される如何なる種類の基板をも意味し、数例挙げれば、単結晶基板、半導体・オン・インシュレータ(SOI)基板、及びエピタキシャル膜・オン・半導体基板(EPI)基板を含む。また、これら様々な実施形態は、主として、シリコンに基づく半導体材料(例えば、シリコンや、ゲルマニウム及び/又は炭素とのシリコンの合金)に適合する材料及びプロセスに関して記述されることになるが、本技術はこの点で限定されるものではない。むしろ、これら様々な実施形態は、如何なる種類の半導体材料を用いて実施されてもよい。 In the present disclosure, the terms "semiconductor substrate" or "substrate" refer to any type of substrate used to form a semiconductor device thereon, including, in a few examples, a single crystal substrate, a semiconductor-on. It includes an insulator (SOI) substrate and an epitaxial film on semiconductor substrate (EPI) substrate. Also, these various embodiments will be described primarily in terms of materials and processes compatible with silicon based semiconductor materials (eg, silicon, alloys of silicon with germanium and / or carbon) Is not limited in this respect. Rather, these various embodiments may be implemented using any type of semiconductor material.
図1のNチャネルDDCトランジスタはまた、ソース104とドレイン106との間に延在した、P型ドーパント材料で形成された、高濃度ドープされたスクリーニング領域112を含んでいる。さらに、P型ドーパント材料で形成されたVt設定領域111も設けられ得る。スクリーニング領域112の上方で、DDCトランジスタ100は、実質的にアンドープのチャネル110を含んでいる。アンドープのチャネル110は、エピタキシャル成長されたシリコンを用いて、あるいは、アンドープの結晶シリコンをもたらすことが意図されるその他の堆積技術を用いて形成され得る。ここでは、用語“アンドープ”は、5×1017原子/cm3未満の実効若しくは活性ドーパント濃度若しくは密度を意味し、用語“活性ドーパント濃度”又は“実効ドーパント濃度”は、半導体材料内で電気的に活性であって正孔又は電子を提供するドーパントの濃度を意味する。
The N-channel DDC transistor of FIG. 1 also includes a heavily doped
DDCトランジスタ100は、様々なトランジスタデバイスタイプを提供するのに使用されることができる。そのようなトランジスタデバイスタイプは、以下に限られないが、PFET、NFET、デジタル若しくはアナログの回路用に仕立てられたFET、高電圧FET、高/標準/低周波FET、複数の異なる電圧若しくは電圧範囲で動作するように最適化されたFET、低/高パワーFET、及び、低、標準、若しくは高Vtトランジスタ(すなわち、低Vt、標準Vt、若しくは高Vtであり、それぞれ、LVt、RVt、若しくはHVtとしても参照される)等々を含む。トランジスタデバイスタイプは通常、電気特性(例えば、Vt、移動度、相互コンダクタンス、線形性、雑音、パワー)によって区別され、これら自体が特定の用途(例えば、信号処理又はデータ記憶)に適したものであることができる。例えばシステム・オン・チップ(SoC)などの複雑な集積回路は、所望の回路性能を達成するために複数の異なるトランジスタデバイスタイプを有する多数の異なる回路ブロックを含み得るので、様々なトランジスタデバイスタイプをもたらすように容易に製造されることが可能なトランジスタ構造を使用することが望ましい。
DDCトランジスタ100を形成するための典型的なプロセスは、スクリーニング領域112を形成することで開始し得る。特定の実施形態において、スクリーニング領域は、Pウェル114を有する基板116を用意し、その上にスクリーニング領域ドーパント材料を注入することによって形成される。スクリーニング領域を形成することには、例えば、その場(in−situ)ドープによるエピタキシャルシリコン堆積、又はエピタキシャルシリコン堆積とそれに続く垂直入射ドーパント注入(ゲート102から下方に或る垂直距離だけ埋め込まれた高濃度ドープ領域をもたらす)など、その他の方法が使用されてもよい。特定の実施形態において、スクリーニング領域は、ソース104及びドレイン106の垂直厚さのおよそ1/3から1/4であるとして図1に示される規定厚さを有するとともに、スクリーニング領域の頂面がゲートの下方およそLg/1.5からLg/5の距離(ただし、Lgはゲート長である)に位置するように位置付けられる。スクリーニング領域は、STI(シャロートレンチアイソレーション)形成の前又は後に形成されることができる。
A typical process for forming
シリコンベースのDDCトランジスタでは、ボロン(B)、インジウム(In)又はその他のP型材料がNMOSスクリーニング領域ドーパントに使用され、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、若しくはリン(P)、又はその他のN型材料がPMOSスクリーニング領域ドーパントに使用され得る。典型的なDDCトランジスタにおけるスクリーニング領域112は、約5×1018から1×1020ドーパント原子/cm3の間の範囲とし得るかなりの実効ドーパント濃度を有することができる。概して、DDCトランジスタのスクリーニング領域112が上記範囲の上端のドーパント濃度を有する場合、スクリーニング領域112は同時にDDCトランジスタのVt設定領域としても機能することができる。
In silicon-based DDC transistors, boron (B), indium (In) or other P-type materials are used as NMOS screening area dopants, and arsenic (As), antimony (Sb) or phosphorus (P) or other N-type materials may be used for PMOS screening area dopants. The
スクリーニング領域ドーパントの配設後に行われる全ての処理工程に関し、それらは、スクリーニング領域112からのドーパントマイグレーションを回避するために低サーマルバジェット内で行われることができ、すなわち、スクリーニング領域112からの望ましくないドーパントマイグレーション又は望ましくないほどのドーパントマイグレーションを実効的に引き起こすことなく後続工程を実行するように後続工程の温度設定を最適化して行われることができる。ドーパントの不所望のマイグレーションを抑制するために、スクリーニング領域の上に耐ドーパントマイグレーション層を形成してもよい。この層は、ゲルマニウム(Ge)、炭素(C)、又は、ドーパントマイグレーションを阻止するその他のドーパントを含むことができ、また、ボロンドープされたスクリーニング領域に特に有用である(ボロンは、他のドーパント材料よりも拡散しやすい材料である)。耐ドーパントマイグレーション層は、イオン注入、その場ドープエピタキシャル成長、又はその他のプロセスによって形成され得る。
For all processing steps performed after placement of the screening area dopants, they can be performed within the low thermal budget to avoid dopant migration from the
上述のように、Vt設定領域111がスクリーニング領域112の上に位置付けられ得る。Vt設定領域111は、スクリーニング領域に隣接するか、スクリーニング領域の中に組み込まれるか、あるいはスクリーニング領域から縦方向にオフセットされるか、の何れかとし得る。特定の構成において、Vt設定領域111は、デルタドーピングによりスクリーニング領域112内にドーパントを注入すること、制御されたその場堆積、又は原子層成長によって形成される。それに代わる実施形態において、Vt設定領域111は、Vt設定領域111を形成するようにスクリーニング領域112からのドーパントの所望の拡散を引き起こすのに有効な所定の熱サイクルレシピを用いた、スクリーニング領域112からアンドープチャネル110へのドーパント材料の制御された外方拡散によって形成され得る。好ましくは、Vt設定領域111は、アンドープのエピタキシャル層が形成される前に形成されるが、例外もあり得る。Vtは、そのデバイスに望ましいVtを達成するのに適したVt設定領域111のドーパント濃度及び厚さの狙いを定めることによって設計される。上述のように、スクリーニング領域112の濃度が十分に高い場合、スクリーニング領域112がVt設定領域として機能することができ、別個のVt設定領域は必要とされない。
As mentioned above, the
典型的に、Vt設定領域111は、実質的にアンドープのチャネル層をゲート誘電体128に直に隣接して残すように、好ましくはチャネル長の1/5倍から1/2倍の縦方向距離である規定距離だけゲート誘電体128の下方にあるように製造される。Vt設定領域111のドーパント濃度は、ゲートに対するVt設定領域111の位置を考慮に入れたそのデバイスの所望のVtに依存する。特定の例において、Vt設定領域111は、約1×1018ドーパント原子/cm3と約1×1019ドーパント原子/cm3との間の実効ドーパント濃度を有する。他の例では、Vt設定領域111は、スクリーニング領域112内のドーパントの濃度のおよそ1/3から1/2である実効ドーパント濃度を有するように設計され得る。
Typically, the
チャネルの最後の層は好ましくは、ブランケット(全面)エピタキシャルシリコン堆積によって形成されるが、選択エピタキシャル堆積が用いられてもよい。チャネル110は、スクリーニング領域112及びVt設定領域111の上に構築され、デバイスの電気的な仕様に合わせて仕立てられた或る選択された厚さを有する。アンドープチャネル領域110(好ましくは、5×1017原子/cm3未満の導電率改変ドーパント濃度を有する)の厚さは、およそ5−25nmの範囲とすることができ、通常、より低いVtのデバイスには、より厚いアンドープチャネル領域110が用いられる。上述のように、所望のアンドープチャネル領域110厚さを達成するため、所与のアンドープチャネル領域110厚さに合わせたVt設定領域111をもたらすよう、熱サイクルを用いて、スクリーニング領域112からエピタキシャル層の一部へのドーパントの外方拡散が引き起こされ得る。好ましくは、チャネル領域110が形成された後にアイソレーション(素子分離)構造が形成されるが、アイソレーションはまた、特に選択エピタキシを用いてチャネル領域110を形成する場合、事前に形成されてもよい。
The last layer of the channel is preferably formed by blanket epitaxial silicon deposition, although selective epitaxial deposition may be used.
そして、ポリシリコンゲート又は金属ゲートスタックを含み得るゲート電極102と、SDE132と、スペーサ130と、ソース104及びドレイン106構造とを、従来からの製造法を用いて形成することにより、DDCトランジスタ100が完成される。
The
DDCトランジスタでの使用に適したトランジスタ構造及び製造法の更なる例は、Scott E. Thompson等による「Electronic Devices and Systems, and Methods for Making and Using the Same」なるタイトルの米国特許第8,273,617号、Lucian Shifren等により2010年9月30日に出願された「Advanced Transistors with Vt Set Dopant Structures」なるタイトルの米国特許出願第12/895,785号、Lucian Shifren等による「Advanced Transistors with Punch Through Suppression」なるタイトルの米国特許第8,421,162号、「Low Power Semiconductor Transistor Structure and Method of Fabrication Thereof」なるタイトルの米国特許第8,530,286号、Reza Arghavani等により2010年12月17日に出願された「Transistor with Vt Set Notch and Method of Fabrication Thereof」なるタイトルの米国特許出願第12/971,955号、Zhao等により2013年6月25日に出願された「Semiconductor Structure with Multiple Transistors having Various Threshold Voltages and Method of Fabrication Thereof」なるタイトルの米国特許出願第13/926,555号、及びLance Scudder等により2012年5月29日に出願された「Method for Substrate Preservation During Transistor Fabrication」なるタイトルの米国特許出願第13/482,394号に開示されており、それらそれぞれの内容を全体としてここに援用する。 Further examples of transistor structures and fabrication methods suitable for use in DDC transistors can be found in Scott E. et al. US Patent No. 8, 273, 617, entitled "Electronic Devices and Systems, and Methods for Making and Using the Same" by Thompson et al., "Advanced Transistors with Vt filed September 30, 2010 by Lucian Shifren et al. U.S. patent application Ser. No. 12 / 895,785 entitled "Set Dopant Structures", U.S. Pat. No. 8,421,162 entitled "Advanced Transistors with Punch Through Suppression" by Lucian Shifren et al., "Low Power Semiconductor T" No. 8,530,286 entitled “Ansistor Structure and Method of Fabrication Thereof”, “Transistor with Vt Set Notch and Method of Fabrication Thereof” filed on Dec. 17, 2010 by Reza Arghavani et al. No. 12 / 971,955, filed on Jun. 25, 2013 by Zhao et al., "Semiconductor Structure with Multiple Transistors Having Various Threshold Voltages and Method of Fabrication Thereo" No. 13 / 926,555 entitled “Method for Substrate Preservation During Transistor Fabrication” filed May 29, 2012 by Lance Scudder et al. No. 394, the contents of each of which are incorporated herein in their entirety.
本技術は、従来の埋込チャネルトランジスタに伴う問題を軽減すべく、DDCトランジスタアーキテクチャの主な特質を活用する。特に、DDCトランジスタにおける有利な構成(例えば、高濃度ドープされたスクリーニング領域及び実質的にアンドープのチャネルの形成)を用いて、埋込チャネルトランジスタの動作を改善し、例えば、イメージセンサチップ上のソースフォロアトランジスタとしての使用に関して、埋込チャネルトランジスタの有利な用法を提供することができる。結果として、本技術に係る埋込チャネルトランジスタは、(DDCコンポーネントにより)有意な短チャネル効果を回避することによって埋込チャネルデバイスのスケーリングを可能し、同時に、(埋込チャネルにより)必要とされる低RTSノイズ特性を提供する。 The present technology exploits the main features of the DDC transistor architecture to alleviate the problems associated with conventional buried channel transistors. In particular, using advantageous configurations in DDC transistors (e.g. the formation of heavily doped screening areas and substantially undoped channels) to improve the operation of buried channel transistors, for example source on an image sensor chip An advantageous use of the buried channel transistor can be provided for use as a follower transistor. As a result, the buried channel transistor according to the present technology allows the scaling of the buried channel device by avoiding significant short channel effects (by the DDC component) and at the same time is required (by the buried channel) Provides low RTS noise characteristics.
図2は、本技術に従ったバイアス条件下のDDC埋込(buried)チャネル(DDC−BC)トランジスタ200の例示的な断面図である。図2に示すように、トランジスタ200は、DDC−BCトランジスタ及びその他のトランジスタタイプのためのデバイス領域を提供するように予め画成されたドープトウェル206を含み得る半導体基板205上に形成される。トランジスタ200は、高濃度ドープされたスクリーニング領域210を含むことができ、スクリーニング領域210は、上述の様々なDDCトランジスタ構成に従った単一のドープト層又は複数のドープト層(例えば、スクリーニング層及びVt設定層)とし得る。高濃度ドープされたスクリーニング領域210は、例えばアンチモン(Sb)又はヒ素(As)といった、PFETトランジスタをサポートするn型領域を作り出す一助となるドーパントを含み得る。なお、高濃度ドープされたスクリーニング領域210は、それに代えて、例えばボロン(B)又はフッ化ボロン(BF2)といった、NFETトランジスタをサポートするp型領域を作り出す一助となるドーパントを含むこともできる。このようなp型ドーパントの場合、これらのドーパントは、Bを適所に保持して不所望の外方拡散を防ぐ助けとなるよう、炭素(C)注入でのゲルマニウム(Ge)プレアモルファス化とともに注入され得る。
FIG. 2 is an exemplary cross-sectional view of a DDC buried channel (DDC-BC)
本技術において、高濃度ドープされたスクリーニング領域210のドーパント濃度は、非埋込チャネルDDCデバイスの場合よりも低いものとなる。実際に狙う濃度及びスクリーニング領域の形態(すなわち、層又は領域の数)はデバイス仕様に依存するが、例えば、高濃度ドープされたスクリーニング領域210は好ましくは、約1×1018原子/cm3から1×1019原子/cm3の間のドーパント濃度を有する。特定の実施形態において、図2に示すように、高濃度ドープされたスクリーニング領域210は、ソース230及びドレイン235構造の間を横方向に延在し、また、図1のDDCトランジスタ100(スクリーニング領域112が、ソース及びドレイン104、106の間を横方向に延在しているが、ソース及びドレイン104、106の底面の下まで延在していない)のようにではなく、ソース230及びドレイン235構造の底面を越えて延在することができる。基板の表面から下方への、高濃度ドープされたスクリーニング領域210の深さは、DDC−BCトランジスタの短チャネル効果を軽減するという所望の効果を達成するとともに、ソース230及びドレイン235からのパンチスルーリーク回避するように選定される。
In the present technology, the dopant concentration in the heavily doped
チャネル部分215は、ブランケットアンドープエピタキシャル成長及びその後のイオン注入によって形成され得る。ブランケットエピタキシャル成長を用いることの1つの利点は、均一な厚さのエピタキシャル層を成長させることができることであるが、ブランケットエピタキシャル成長を用いることの結果として、その後に、トランジスタアイソレーション構造(図示せず)を、従来のトランジスタアイソレーション構造形成プロセスと比較して低下された温度で形成する必要がある。代わりに、選択エピタキシャル成長を用いてチャネル層215を形成することもできる。選択エピタキシャル成長を用いることが好ましいことであり得る1つの理由は、選択エピタキシャル成長は所望のドーパント材料でドープされることで埋込チャネルデバイスを形成することができ、それにより、ドープされた埋込チャネル領域を形成するためのその後のイオン注入の工程を回避することができることである。高濃度ドープされたスクリーニング領域210が形成された後に成長されるアンドープのエピタキシャル層を用いることの1つの利点は、高濃度ドープされたスクリーニング領域210の材料からチャネル部分215内へのドーパントの拡散が制限されることである。
様々な実施形態において、チャネル部分215は、ソース230及びドレイン235と同じ極性のドーパント材料でドープされるように作製される。故に、ソース230及びドレイン235がボロン又はその他のp型ドーパントでドープされるPFETでは、チャネル部分215は、ボロン又はその他のp型ドーパントでドープされる。しかしながら、チャネル部分215内のドーパントの実効若しくは活性濃度は、ソース230及びドレイン235の活性若しくは実効ドーパント濃度より、数桁の大きさ又はそれ以上に至って、遥かに低いように選定され得る。
In various embodiments,
なお、チャネル部分215が当初において真性からn型である場合、所望の活性若しくは実効濃度のn型ドーパントを達成するため、ドーピング量は、n型ドーパントの実効濃度に一致するカウンタードーピングに基づき、その後、より高い量までドープされて、製造時のチャネル部分215の正味の極性が、所望の埋込チャネルトランジスタを形成するのに十分な目標実効濃度となるようにされる。上述のように、用語“活性ドーパント濃度”又は“実効ドーパント濃度”は、半導体材料内で電気的に活性であって正孔又は電子を提供するドーパントの濃度を意味する。
It should be noted that if the
ポリシリコン又は金属とし得るものであるゲート電極220が、チャネル領域215内の電流の大きさを調節する。ゲート電極220は、金属酸化膜半導体デバイスのゲートを提供するよう、ゲート酸化物層222の上に形成され得る。ゲート電極220に電圧が印加されるとき、生成される電界が、ゲート酸化膜222のすぐ下の近傍で(バイアスが負であるか正であるかに依存して)チャネル領域215に電子又は正孔の枯渇を被らせて、空乏化された層223(表面空乏層)を形成する。故に、この空乏化は、空乏化層223の下のチャネル領域215内に埋込チャネル層225を形成させる。また、スクリーニング領域210とチャネル領域215との間の界面に、相異なる導電型に起因して、埋込空乏層227も生じることができる。スクリーニング領域210における有意に高いドーピングにより、埋込空乏層227は主としてチャネル領域215内に位置する。一部の実施形態において、図2に示すように、埋込空乏層227は実質的にチャネル領域215内にのみ形成される。様々な実施形態において、層223、225及び227の最終的な幅は、ドーピング濃度とデバイスのバイアス条件とに依存して様々となる。特定の実施形態において、スクリーニング領域210とチャネル領域215との間のドーピング差による空乏化の量は、ゲート220におけるバイアスによる空乏化の量よりかなり小さいものとなる。すなわち、図2に示すように、表面空乏層223の厚さは、埋込空乏領域227の厚さよりかなり大きくなり得る。
A
本技術に係るDDC−BCトランジスタの動作は、図3A及び3Bに示すように、従来の埋込チャネルデバイスの状況で説明されることができる。図3Aは、バイアスをかける前の埋込チャネルデバイス300を示している。図3Aではp型基板として描かれた基板305が配設されている。この例においてはpウェルであるウェル310が、NFETトランジスタのウェルを形成している。ゲート電極312がゲート酸化膜320の上にある。ソース330及びドレイン335が、As若しくはP、又はNFETを生み出すその他の材料を用いてドープされ得る。チャネル325が、ソース330及びドレイン335と同じ極性の材料でドープされ、しかし、ソース330及びドレイン335内のドーパントの濃度より低い濃度を有し、チャネル325内に空乏領域又は空乏層形成を作り出すことが可能にされる。
The operation of the DDC-BC transistor according to the present technology can be described in the context of a conventional buried channel device, as shown in FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A shows the buried
図3Bは、ゲート電圧バイアス下での埋込チャネルデバイス300を示している。ゲート電極312に電圧を印加することによってデバイスがバイアスされるとき、チャネル領域325の上側部分360(表面空乏層)からの(バイアスが負であるか正であるかに依存して)電子又は正孔の枯渇により埋込チャネル層350が生じ、その結果、ソース330及びドレイン335を電気的に結合する埋込チャネル層350が形成される。しかしながら、印加ゲートバイアス条件に対してソース330及びドレイン335が共に近過ぎる場合、例えばパンチスルー390などの短チャネル効果が発生し得る。
FIG. 3B shows the buried
本技術においては、DDC−BC構成を用いることによって、従来の埋込トランジスタに係るこの短チャネル効果の問題が軽減される。再び図2を参照するに、高濃度ドープされたスクリーニング層又は領域210を含めることは、短チャネル効果を防止し、あるいは短チャネル効果の量を低減する。故に、DDC−BCトランジスタ200においては、埋込チャネルトランジスタ300で観測されるパンチスルー390が抑制あるいは排除される。故に、DDC−BCトランジスタ200は、埋込チャネルトランジスタ300ではパンチスルーを生じさせることになるチャネル長を、同じ又は同様のゲートバイアス条件でサポートすることができる。
In the present technology, the DDC-BC configuration alleviates this short channel effect problem with conventional buried transistors. Referring again to FIG. 2, the inclusion of the heavily doped screening layer or
DDC−BCトランジスタは、従来の埋込チャネルトランジスタと比較して改善された雑音性能及び短チャネル性能を提供する。本技術に係るDDC−BCトランジスタは、改善された特性が要求あるいは所望される用途において、従来の埋込トランジスタを置き換えるように使用され得る。例えば、上述のように、埋込チャネルトランジスタの主要な用法は、イメージセンサ回路内のソースフォロアとしてである。しかしながら、上述のように、従来の埋込チャネルトランジスタは、この用途に理想的なものではない。対照的に、本技術に係るDDC−BCトランジスタを利用することで、従来の埋込チャネルトランジスタに伴うイメージセンサ回路の欠陥のないイメージセンサ回路を提供することができる。 DDC-BC transistors provide improved noise and short channel performance as compared to conventional buried channel transistors. DDC-BC transistors according to the present technology can be used to replace conventional embedded transistors in applications where improved properties are required or desired. For example, as noted above, the primary use of buried channel transistors is as a source follower in an image sensor circuit. However, as mentioned above, conventional buried channel transistors are not ideal for this application. In contrast, utilizing the DDC-BC transistor according to the present technology, it is possible to provide an image sensor circuit without defects in the image sensor circuit associated with conventional buried channel transistors.
基本的なソースフォロア回路は典型的に、ドレインが固定電圧でバイアスされるMOSトランジスタと、一般的に外部供給される電流負荷とを含む。ソースフォロアは、イメージセンサにおいて、電圧レベルシフタとして使用される。ソースフォロア動作は通常、四端子デバイスとしてもよい単一のMOSトランジスタに基づく。トランジスタにおける短チャネル効果が十分に封じ込められるとすれば、ゲート−ソース間の電圧が、ドレインとソースとの間の導電性の一次決定因子である。或る一定の電流負荷、或るドレイン電圧、或るソース電圧、及び或る規定ゲートバイアスを有する基本的なソースフォロア構成においては、ゲート及びソースの電圧が互いに追従して一定電流を維持する。ゲート電圧が変化するとき、ソース電圧はそれに従って同じ方向に変化しなければならない。ゲートを入力と見なし、且つソースを電気回路網の出力と見なす場合、ソースはゲートのアクションに追いかける(フォローする)。 The basic source follower circuit typically includes a MOS transistor whose drain is biased at a fixed voltage, and a current load generally supplied externally. Source followers are used as voltage level shifters in image sensors. Source follower operation is usually based on a single MOS transistor, which may be a four terminal device. The gate-source voltage is the primary determinant of conductivity between drain and source, provided that the short channel effect in the transistor is well contained. In a basic source follower configuration with a constant current load, a drain voltage, a source voltage, and a defined gate bias, the gate and source voltages follow each other to maintain a constant current. When the gate voltage changes, the source voltage must change accordingly in the same direction. If the gate is considered as an input and the source as an output of the electrical network, the source follows the action of the gate.
本技術によるDDC−BCトランジスタを組み入れたイメージセンサ回路400を、図4に模式的に例示する。回路400は、DDC−BCソースフォロアトランジスタ404のゲートに結合されたゲート制御回路401を含んでいる。ゲート制御回路は、収集した光子を電気信号へと変換するフォトダイオード402と、この電気信号をDDC−BCソースフォロア404に中継する転送ゲート405とを含むことができる。ゲート制御回路401はまた、パストランジスタ又はリセットトランジスタ406とキャパシタ407とを含むことができる。様々な実施形態において、ゲート制御回路401はまた、DDC−BCソースフォロア404のゲートに適切な信号を提供するための更なるコンポーネントを含み得る。
An
回路400は更に、DDC−BCソースフォロア404のソースに結合された出力回路408を含むことができる。出力回路408はまた、パスゲート又は転送ゲート409と、イメージセンサ回路400を選択して、フォトダイオード402の出力に基づくデータを収集するための他のコンポーネントとを含み得る。様々な実施形態において、トランジスタ405、406及び409は、従来型トランジスタ又はDDCトランジスタとし得る。
動作においては、何百万個もの個々の回路400がアレイ状に配設されてイメージ(像)を検出する。そして、回路400(及びイメージセンサアレイ内の他の同様の回路)が、フォトダイオード402に入射した光強度に比例的に整合した電気信号を更なる増幅及び処理のために転送し、最終的にデジタル画像が得られる。
In operation, millions of
ここまで、本技術に係るDDC−BCトランジスタの幾つかの例示実施形態を説明してきたが、本開示にて、続いて、このようなデバイスを製造する方法を説明する。 Having thus described several exemplary embodiments of DDC-BC transistors according to the present technology, the present disclosure will now continue to describe methods of fabricating such devices.
図5は、DDC−BCトランジスタを製造するための第1の例示的な方法500における工程群のプロセスフローを提示している。このプロセスフローは、PFET及びNFETであるDDC−BCトランジスタが存在し得ること、並びに、DDC−BCトランジスタが、同じ半導体基板上のDDCデバイス及び非DDC領域とともに製造され得ることを検討している。
FIG. 5 presents a process flow of steps in a first
方法500は、基板を用意する工程505で開始する。上述のように、基板は、デバイス領域を画成する1つ以上のウェル領域を含むことができる。さらに、基板は、デバイス領域間のアイソレーション領域を既に含んでいてもよい。工程510にて、マスクを用いて、後で製造される部分をマスクオフして保護する。具体的には、工程510でのマスキングは、DDC NFET領域を形成することを意図して、PFET領域と非DDC NFET領域とをマスクオフするように構成される。しかしながら、留意すべきことには、本開示は、PFET又はNFETのどちらのデバイスタイプを最初に作製するかという順序は様々な実施形態において切り替えられ得る、ということを企図するものである。工程510でのマスキングを実現するため、1つ以上のハードマスク層、1つ以上のフォトレジスト層、又はこれらの組み合わせを含め、何らかの種類のマスク材料が用いられ得る。工程510でのマスキングはまた、所定のマスクパターンによるフォトリソグラフィを用いたマスクのパターニングを伴う。
工程515にて、上述のスクリーン(仕切り)の組み合わせのうちの何れかを用いて、NFET用のDDCドープト領域を形成する。Vt層の別個のドーピングも実行され得る。特定の一実施形態において、DDCドープト領域は、基板の追って形成される頂面から或る特定の距離に位置するように狙いを定めたドーパントピークを有する所望の実効ドーパント濃度をドーパント活性化後にもたらすように、選択された注入条件(例えば、種、エネルギー、及びドーズ量)でのイオン注入を用いて形成される。
At
工程520にて、工程510のマスクを除去し、NFET領域と非DDC PFET領域(あれば)とをマスクオフする別のマスクを配置する。次いで、工程525にて、上述のスクリーンの組み合わせのうちの何れかを用いて、PFET用のDDCドープト領域を形成する。これらの工程は、工程510及び515と実質的に同様の手法で行われ得る。
At
工程530にて、工程520のマスクを除去する。その後、工程535にて、基板の全域でブランケットエピタキシャル層を堆積することができる。ブランケットエピタキシャル層の厚さは、DDCトランジスタ(埋込型又はその他)に要求されるデバイス特性に従って選定され得る。このエピタキシャル層の例示的な最終膜厚は、10nmから100nmの範囲内とし得る。工程535において、エピタキシャル層堆積に先立って、欠陥を最小化すべく基板上への結晶性半導体材料(好ましくは、真性シリコン)のクリーンな形成を確保するために適当な工程を採用することができる。このエピタキシャル層は、基板がその製造プロセスを続けるにつれて予期される膜損失を考慮に入れて、このエピタキシャル層の最終厚さが仕様を満足するように予め選択された厚さまで、可能な限り均一に成長される。
At
なお、工程535で設けられるエピタキシャル層は、基板を覆うブランケット(全面)膜として堆積され、あるいは選択的に堆積され得る。層の種類は、堆積方法に基づいて選択され得る。また、主に記載しているのは、ブランケットエピタキシャル層が実質的にアンドープの層として堆積されるというものであるが、様々な実施形態はこの点で限定されるものではない。一部の実施形態において、この層にその場ドーピングを提供することで、工程545又は555で必要とされる後続の注入量を排除あるいは制限することができる。
Note that the epitaxial layer provided in
工程540にて、PFET及び非埋込チャネルDDCトランジスタの領域を、これらの領域が処理されることを防止するためにマスクオフする。その後、工程545にて、追って形成されるNFETデバイスタイプと同じ極性のドーパントを、ブランケットエピタキシャル層によって画成されたチャネル領域に注入して、埋込チャネルDDCトランジスタデバイス領域を設ける。仕様に一致するチャネルの実効ドーパント濃度(これは概して、ドープされたソース及びドレイン領域の濃度より1桁から2桁低い濃度とし得る)をもたらすように、ドーピング条件が選定される。
At
工程550にて、工程540のマスクを除去し、別のマスクで、NFET及び非埋込チャネルDDCトランジスタの領域を覆う。なお、このプロセスは最初にPFETをマスクオフことに関して記述されているが、どちらのデバイスタイプを最初に処理するかという順序は切り替えられ得る。次いで、工程555にて、追って形成されるPFETデバイスタイプと同じ極性のドーパントを、埋込チャネルDDCトランジスタデバイスのチャネル領域に注入する。仕様に一致するチャネルの実効ドーパント濃度(これは概して、ドープされたソース及びドレイン領域の濃度より1桁から2桁低い濃度とし得る)をもたらすように、ドーピング条件が選定される。記載のプロセスが企図することには、必要に応じてダメージを除去してエピタキシャル層を再結晶化するために適当なアニールが実行され得るが、サーマルバジェットは、チャネル内のドーパントの不必要あるいは不所望の拡散及びマイグレーションを回避するように設定され、また、チャネルが好ましくは真性(5×1017原子/cm3未満の実効又は活性ドーパント濃度を有する)として維持される非埋込チャネルDDCデバイスのものを含めて、チャネル及びスクリーニング領域の中のドーパント材料の所望の濃度をその他の方法で維持するように設定される。
At
工程555の後、工程560にて、デバイスを完成するのに必要な更なる処理を実行し得る。これは、ソース領域及びドレイン領域の形成、ゲート構造の形成、必要な更なる注入、及びメタライゼーションを含み得る。これら更なる工程は、必要に応じて、異なるデバイスタイプに対してと一緒に行われ、あるいは別々に行われ得る。
After
図6は、DDC−BCトランジスタを製造するための第2の例示的な方法600における工程群のプロセスフローを提示している。上述の図5の場合と同様に、図6の方法600は、PFET及びNFETであるDDC−BCトランジスタが存在し得ること、並びに、DDC−BCトランジスタが、同じ半導体基板上のDDCデバイス及び非DDC領域とともに製造され得ることを検討している。
FIG. 6 presents a process flow of steps in a second
方法600は、基板を用意する工程605で開始する。上述のように、基板は、デバイス領域を画成する1つ以上のウェル領域を含むことができる。さらに、基板は、デバイス領域間のアイソレーション領域を既に含んでいてもよい。工程610にて、マスクを用いて、後で製造される部分をマスクオフして保護する。具体的には、工程610でのマスキングは、DDC NFET領域を形成することを意図して、PFET領域と非DDC NFET領域とをマスクオフするように構成される。しかしながら、留意すべきことには、本開示は、PFET又はNFETのどちらのデバイスタイプを最初に作製するかという順序は様々な実施形態において切り替えられ得る、ということを企図するものである。工程610でのマスキングを実現するため、1つ以上のハードマスク層、1つ以上のフォトレジスト層、又はこれらの組み合わせを含め、何らかの種類のマスク材料が用いられ得る。工程610でのマスキングはまた、所定のマスクパターンによるフォトリソグラフィを用いたマスクのパターニングを伴う。
工程615にて、上述のスクリーン(仕切り)の組み合わせのうちの何れかを用いて、NFET用のDDCドープト領域を形成する。Vt層の別個のドーピングも実行され得る。特定の一実施形態において、DDCドープト領域は、基板の追って形成される頂面から或る特定の距離に位置するように狙いを定めたドーパントピークを有する所望の実効ドーパント濃度をドーパント活性化後にもたらすように、選択された注入条件(例えば、種、エネルギー、及びドーズ量)でのイオン注入を用いて形成される。
At
工程620にて、工程610のマスクを除去し、NFET領域と非DDC PFET領域(あれば)とをマスクオフする別のマスクを配置する。次いで、工程625にて、上述のスクリーンの組み合わせのうちの何れかを用いて、PFET用のDDCドープト領域を形成する。これらの工程は、工程610及び615と実質的に同様の手法で行われ得る。工程630にて、工程620のマスクを除去する。
At
方法600においては、方法500においてのようにブランケットエピタキシャル膜を設けるのではなく、スクリーニング領域のための注入が、分布のピークが基板の表面より下にあるようにして実行される。故に、これは、高濃度ドープされたスクリーニング領域と、該スクリーニング領域の上の、低濃度ドープあるいはアンドープのチャネル領域とをもたらす。このような構成を実現するため、工程615及び625での注入は、図5の工程515及び525のものとは異なるように選定され得る。例えば、図5の方法500の工程515での注入条件はおよそ3keVから15keV(ドーパント種に依存する)のエネルギーに設定され得るが、工程615での注入エネルギーはおよそ一桁高いエネルギーに設定され得る。この工程で、Vt層の別個のドーピングも実行されることができ、すなわち、二重スクリーン方式が実現され得る。同様に、工程626において、適切な注入エネルギーは、図5の方法500の工程525で用いられる注入エネルギーより、およそ一桁高いものとなる。
In
工程640にて、PFET及び非埋込チャネルDDCトランジスタの領域を、これらの領域が処理されることを防止するためにマスクオフする。その後、工程645にて、追って形成されるNFETデバイスタイプと同じ極性のドーパントをチャネル領域に注入して、埋込チャネルDDCトランジスタデバイス領域を設ける。仕様に一致するチャネルの実効ドーパント濃度(これは概して、ドープされたソース及びドレイン領域の濃度より一桁から二桁低い濃度とし得る)をもたらすように、ドーピング条件が選定される。このドーピングは、先行する注入からのカウンタードーピングを提供するように選択され得る。
At
工程650にて、工程640のマスクを除去し、別のマスクで、NFET及び非埋込チャネルDDCトランジスタの領域を覆う。なお、このプロセスは最初にPFETをマスクオフことに関して記述されているが、どちらのデバイスタイプを最初に処理するかという順序は切り替えられ得る。次いで、工程655にて、追って形成されるPFETデバイスタイプと同じ極性のドーパントを、埋込チャネルDDCトランジスタデバイスのチャネル領域に注入する。仕様に一致するチャネルの実効ドーパント濃度(これは概して、ドープされたソース及びドレイン領域の濃度より一桁から二桁低い濃度とし得る)をもたらすように、ドーピング条件が選定される。このドーピングは、先行する注入からのカウンタードーピングを提供するように選択され得る。
At
記載のプロセスが企図することには、必要に応じてダメージを除去してエピタキシャル層を再結晶化するために適当なアニールが実行され得るが、サーマルバジェットは、チャネル内のドーパントの不必要あるいは不所望の拡散及びマイグレーションを回避するように設定され、また、チャネルが好ましくは真性(5×1017原子/cm3未満の実効又は活性ドーパント濃度を有する)として維持される非埋込チャネルDDCデバイスのものを含めて、チャネル及びスクリーニング領域の中のドーパント材料の所望の濃度をその他の方法で維持するように設定される。 While the described process contemplates, if necessary, an appropriate anneal may be performed to remove damage and recrystallize the epitaxial layer, but the thermal budget may be an unnecessary or unnecessary dopant in the channel. A non-embedded channel DDC device configured to avoid desired diffusion and migration, and in which the channel is preferably maintained as intrinsic (with an effective or active dopant concentration of less than 5 × 10 17 atoms / cm 3 ) The desired concentration of dopant material in the channel and screening area is set to otherwise be maintained, including
工程655の後、工程660にて、デバイスを完成するのに必要な更なる処理を実行し得る。これは、ソース領域及びドレイン領域の形成、ゲート構造の形成、必要な更なる注入、及びメタライゼーションを含み得る。これら更なる工程は、必要に応じて、異なるデバイスタイプに対してと一緒に行われ、あるいは別々に行われ得る。
After
以上にて、本技術の様々な実施形態を説明してきたが、理解されるべきことには、これらは、限定ではなく、単に例として提示したものである。ここでの開示に従って、本技術の精神又は範囲を逸脱することなく、開示した実施形態に対する数多くの変形が為され得る。故に、本技術の広がり及び範囲は、上述の実施形態の何れかによって限定されるべきでない。むしろ、本技術の範囲は、以下の請求項及びその均等範囲に従って定められるべきである。 While various embodiments of the present technology have been described above, it should be understood that they are presented by way of example only and not limitation. Numerous variations to the disclosed embodiments can be made in accordance with the disclosure herein without departing from the spirit or scope of the present technology. Thus, the breadth and scope of the present technology should not be limited by any of the above described embodiments. Rather, the scope of the technology should be determined in accordance with the following claims and their equivalents.
本技術を1つ以上の実装例に関して図示して説明してきたが、本明細書及び添付の図面を読んで理解した当業者は、均等な改変及び変更に気付くことになる。また、本技術の特定の特徴を、幾つかの実装例のうちのたった1つに関して開示していることがあるが、そのような特徴が、所与又は特定の用途に関して望ましくて有利であるように、他の実装例の1つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。 Although the present technology has been illustrated and described with respect to one or more implementations, one of ordinary skill in the art who has read and understood the present specification and the accompanying drawings will be aware of equivalent modifications and alterations. Also, while certain features of the technology may be disclosed for only one of several implementations, such features may be desirable and advantageous for a given or particular application. May be combined with one or more other features of other implementations.
ここで使用されている用語は、単に特定の実施形態を記述する目的でのものであり、本技術を限定することを意図したものではない。ここでは、単数形の“a”、“an”及び“the”は、文脈が別のことを明示していない限り、同様に複数形を含むことを意図している。また、用語“含んでいる”、“含む”、“持っている”、“持つ”、“備える”、又はこれらの異形が詳細な説明及び/又は請求項の何れが使用される範囲において、これらのような用語は、用語“有している”と同様の包含を意図したものである。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present technology. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" are intended to include the plural as well, unless the context clearly indicates otherwise. In addition, the terms "include", "include", "have", "have", "include", or variations of these in the scope where any of the description and / or claims are used. Terms such as are intended for inclusion similar to the term "having."
別の定義がされない限り、ここで使用される全ての用語(技術用語及び科学用語を含む)は、本技術が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。また、述べられた値又は特性に関してここで使用される用語“約”、“実質的に”、及び“およそ”は、上で別の指定がされていない限り、述べられた値又は特性の20%以内であることを指し示すよう意図したものである。さらに理解されるように、例えば広く使用されている辞書で定義されている用語などの用語は、当該技術分野の状況でのそれらの意味と一致する意味を有するとして解釈されるべきであり、ここで明示的にそのように定義されない限り理想的な意味又は形式ばった意味で解釈されるものではない。 Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this technology belongs. Also, the terms "about", "substantially", and "approximately" as used herein with respect to the stated value or characteristic are intended to mean 20 of the stated value or characteristic unless stated otherwise above. It is intended to indicate that it is within%. As will be further appreciated, terms such as those defined in the widely used dictionary, for example, should be construed as having a meaning consistent with their meaning in the state of the art, and here It is not to be interpreted in an ideal or formal sense unless explicitly defined as such in.
本出願は、「Image Sensor Transistor and Circuit」なるタイトルの2013年5月24日に出願された米国仮特許出願第61/827,070号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、その内容を全体としてここに援用する。 This application claims priority to, and the benefit of, US Provisional Patent Application No. 61 / 827,070, filed May 24, 2013, entitled "Image Sensor Transistor and Circuit", the contents of which are incorporated herein by reference. Is incorporated herein by reference in its entirety.
以上の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) 第1導電型の少なくとも1つのデバイス領域を持つ半導体基板と、
前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成され且つチャネル長だけ離隔された、第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第2導電型のチャネル領域と、
前記チャネル領域の下方且つ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で、前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第1導電型のスクリーニング領域であり、該スクリーニング領域の実効ドーピング密度は、前記少なくとも1つのデバイス領域の実効ドーピング密度より実質的に高い、スクリーニング領域と、
前記チャネル領域の上方で前記少なくとも1つのデバイス領域の上に形成されたゲート構造と
を有し、
前記チャネル領域は、前記ゲート構造におけるバイアス電圧に応答して、前記ゲート構造の下の表面空乏層と、前記チャネル領域と前記スクリーニング領域との境界面の位置の埋込空乏層と、前記表面空乏層と前記埋込空乏層との間の、前記ソース領域及び前記ドレイン領域を電気的に結合する埋込チャネル層とを提供するように変更され、且つ
前記埋込空乏層は実質的に前記チャネル領域内に位置する、
半導体デバイス。
(付記2) 前記チャネル領域は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の前記第2導電型の実効ドーピング密度より低く且つ前記スクリーニング領域の前記第1導電型の実効ドーピング密度より低い前記第2導電型の実効ドーピング密度を有する、付記1に記載の半導体デバイス。
(付記3) 前記チャネル領域は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の実効ドーピング密度の1/10以下の実効ドーピング密度を有する、付記1に記載の半導体デバイス。
(付記4) 前記スクリーニング領域は、約1×1018cm−3から5×1020cm−3の間の実効ドーピング密度を有する、付記1に記載の半導体デバイス。
(付記5) 前記埋込空乏層は、完全に前記チャネル領域内に位置する、付記1に記載の半導体デバイス。
(付記6) 当該半導体デバイスは更に、
第1の基準電圧ノードと第2の基準電圧ノードとの間で直列に電気的に結合されたリセットトランジスタとフォトダイオードとを有するゲート制御回路と、
前記ソース領域に電気的に結合された出力回路と
を有し、
前記ドレイン領域は、電源ノードに電気的に結合され、前記ゲート構造は、前記リセットトランジスタと前記フォトダイオードとの間の、ゲート制御ノードを規定する前記ゲート制御回路の部分、に電気的に結合される、
付記1に記載の半導体デバイス。
(付記7) 前記ゲート制御回路は更に、前記ゲート制御ノードと前記フォトダイオードとの間に直列に電気的に結合された転送ゲートを有し、前記出力回路はパストランジスタを有する、付記6に記載の半導体デバイス。
(付記8) 半導体デバイスを製造する方法であって、
第1導電型の1つ以上の第1のデバイス領域を持つ半導体基板を用意し、
前記第1のデバイス領域のうちの少なくとも1つの中に、前記第1導電型の少なくとも1つの第1のドーパントを添加して、前記第1のデバイス領域の実効ドーピング密度より実質的に高い実効ドーピング密度を持つ前記第1導電型のスクリーニング層を前記半導体基板の表面に画成し、
少なくとも前記第1のデバイス領域のうちの前記少なくとも1つの上に、半導体材料の、実質的にアンドープの層を形成し、
前記第1のデバイス領域のうちの前記少なくとも1つの上の前記実質的にアンドープの層の中に、第2導電型の少なくとも1つの第2のドーパントを添加して、前記スクリーニング層の上方にチャネル層を画成し、且つ
ゲート構造と、それに付随した、前記第1のデバイス領域内でチャネル長だけ離隔された前記第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、を形成してMOSFETデバイスを構築する、
ことを有する方法。
(付記9) 前記実質的にアンドープの層を形成することは、前記半導体基板の表面を覆って前記半導体材料のブランケットエピタキシャル層を堆積することを有する、付記8に記載の方法。
(付記10) 前記少なくとも1つの第1のドーパントを添加することは、約1×1018cm−3から5×1020cm−3の間の前記第1導電型の実効ドーピング密度を前記スクリーニング層内にもたらす注入条件を用いて、前記少なくとも1つの第1のドーパントを注入することを有する、付記8に記載の方法。
(付記11) 前記少なくとも1つの第2のドーパントを添加することは、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の実効ドーピング密度の1/10以下の前記第2導電型の実効ドーピング密度を前記チャネル層内にもたらす注入条件を用いて、前記少なくとも1つの第2のドーパントを注入することを有する、付記8に記載の方法。
(付記12) 前記ソース領域及び前記ドレイン領域の前記形成は、前記スクリーニング層が前記ソース領域と前記ドレイン領域との下及び間に位置することをもたらす注入条件を用いて、前記第2導電型の1つ以上のドーパントを前記第1のデバイス領域のうちの前記少なくとも1つの中に注入することを有する、付記8に記載の方法。
(付記13) 半導体デバイスを製造する方法であって、
第1導電型の1つ以上の第1のデバイス領域を持つ半導体基板を用意し、
前記第1のデバイス領域のうちの少なくとも1つの中に、前記第1導電型の少なくとも1つの第1のドーパントを添加して、前記半導体基板の表面の下方の前記第1導電型のスクリーニング層と、前記スクリーニング層の上方のチャネル層とを画成し、前記スクリーニング層は、前記第1のデバイス領域の実効ドーピング密度より実質的に高い実効ドーピング密度を持ち、
前記チャネル層の中に第2導電型の少なくとも1つの第2のドーパントを添加し、且つ
ゲート構造と、それに付随した、前記第1のデバイス領域内でチャネル長だけ離隔された前記第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、を形成してMOSFETデバイスを構築する、
ことを有する方法。
(付記14) 前記少なくとも1つの第1のドーパントを添加することは、約1×1018cm−3から5×1020cm−3の間の前記第1導電型の実効ドーピング密度を前記スクリーニング層内にもたらす注入条件を用いて、前記少なくとも1つの第1のドーパントを注入することを有する、付記13に記載の方法。
(付記15) 前記少なくとも1つの第2のドーパントを添加することは、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の実効ドーピング密度の1/10以下の前記第2導電型の実効ドーピング密度を前記チャネル層内にもたらす注入条件を用いて、前記少なくとも1つの第2のドーパントを注入することを有する、付記13に記載の方法。
(付記16) 前記ソース領域及び前記ドレイン領域の前記形成は、前記スクリーニング層が前記ソース領域と前記ドレイン領域との下及び間に位置することをもたらす注入条件を用いて、前記第2導電型の1つ以上のドーパントを前記第1のデバイス領域のうちの前記少なくとも1つの中に注入することを有する、付記13に記載の方法。
Further, the following appendices will be disclosed in connection with the above description.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate having at least one device region of a first conductivity type,
Source and drain regions of the second conductivity type formed in the at least one device region and separated by a channel length;
A channel region of the second conductivity type formed in the at least one device region between the source region and the drain region;
A screening region of the first conductivity type formed in the at least one device region below the channel region and between the source region and the drain region, the effective doping density of the screening region being: A screening region substantially higher than an effective doping density of the at least one device region;
A gate structure formed above the at least one device region above the channel region;
The channel region is responsive to a bias voltage in the gate structure to provide a surface depletion layer under the gate structure, a buried depletion layer at a position of an interface between the channel region and the screening region, and the surface depletion. A buried channel layer electrically coupling the source region and the drain region between a layer and the buried depletion layer, and the buried depletion layer substantially corresponds to the channel Located in the area,
Semiconductor devices.
(Supplementary Note 2) The channel region has a second conductivity type lower than the effective doping density of the second conductivity type of the source region and the drain region and lower than the effective doping density of the first conductivity type of the screening region. The semiconductor device according to statement 1, having an effective doping density.
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the channel region has an effective doping density of 1/10 or less of the effective doping density of the source region and the drain region.
4. The semiconductor device of claim 1 wherein the screening region has an effective doping density between about 1 × 10 18 cm −3 and 5 × 10 20 cm −3 .
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the buried depletion layer is completely located in the channel region.
(Supplementary Note 6) The semiconductor device is further
A gate control circuit having a reset transistor and a photodiode electrically coupled in series between the first reference voltage node and the second reference voltage node;
An output circuit electrically coupled to the source region;
The drain region is electrically coupled to a power supply node, and the gate structure is electrically coupled to a portion of the gate control circuit defining a gate control node between the reset transistor and the photodiode. The
The semiconductor device according to appendix 1.
The gate control circuit according to claim 6, further comprising a transfer gate electrically coupled in series between the gate control node and the photodiode, and the output circuit having a pass transistor. Semiconductor devices.
(Supplementary Note 8) A method of manufacturing a semiconductor device,
Preparing a semiconductor substrate having one or more first device regions of a first conductivity type;
At least one first dopant of the first conductivity type is added into at least one of the first device regions, and an effective doping substantially higher than an effective doping density of the first device regions Defining a screening layer of the first conductivity type having a density on the surface of the semiconductor substrate,
Forming a substantially undoped layer of semiconductor material on the at least one of the at least first device regions;
Adding at least one second dopant of a second conductivity type into the substantially undoped layer on the at least one of the first device regions to form a channel above the screening layer Defining a layer and forming a gate structure and an accompanying source and drain region of said second conductivity type separated by a channel length within said first device region to construct a MOSFET device Do,
How to have that.
9. The method of claim 8, wherein forming the substantially undoped layer comprises depositing a blanket epitaxial layer of the semiconductor material over the surface of the semiconductor substrate.
(Supplementary note 10) The adding of the at least one first dopant may be performed by setting the effective doping density of the first conductivity type to about 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 as the screening layer. Clause 9. The method of clause 8, comprising implanting the at least one first dopant using implant conditions resulting therein.
(Supplementary note 11) Adding the at least one second dopant means adding an effective doping density of the second conductivity type to the channel layer within 1/10 or less of an effective doping density of the source region and the drain region. Clause 9. The method of clause 8, comprising implanting the at least one second dopant using the resulting implant conditions.
(Supplementary Note 12) The formation of the source region and the drain region may be performed using an implantation condition that causes the screening layer to be positioned below and between the source region and the drain region. Clause 9. The method of clause 8, comprising implanting one or more dopants into the at least one of the first device regions.
(Supplementary Note 13) A method of manufacturing a semiconductor device,
Preparing a semiconductor substrate having one or more first device regions of a first conductivity type;
Adding at least one first dopant of the first conductivity type into at least one of the first device regions to form a screening layer of the first conductivity type below the surface of the semiconductor substrate; Defining a channel layer above the screening layer, the screening layer having an effective doping density substantially higher than an effective doping density of the first device region,
At least one second dopant of a second conductivity type doped into the channel layer, and a gate structure and associated second conductivity type separated by a channel length within the first device region To form a MOSFET device by forming a source region and a drain region of
How to have that.
(Supplementary Note 14) The adding of the at least one first dopant may be performed by setting the effective doping density of the first conductivity type to about 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 as the screening layer. 17. The method of paragraph 13, comprising implanting the at least one first dopant using implant conditions resulting therein.
(Additional Note 15) Adding the at least one second dopant means adding an effective doping density of the second conductivity type to the channel layer within 1/10 or less of an effective doping density of the source region and the drain region. 15. The method of paragraph 13, comprising implanting the at least one second dopant using the resulting implant conditions.
(Supplementary Note 16) The formation of the source region and the drain region may be performed using an implantation condition that causes the screening layer to be positioned below and between the source region and the drain region. 15. The method of paragraph 13, comprising implanting one or more dopants into the at least one of the first device regions.
200 DDC埋込チャネルトランジスタ
205 半導体基板
206 ドープトウェル
210 スクリーニング領域
215 チャネル領域
220 ゲート電極
222 ゲート酸化膜
223 表面空乏層
225 埋込チャネル層
227 埋込空乏層
230 ソース
235 ドレイン
400 イメージセンサ回路
401 ゲート制御回路
404 ソースフォロア
408 出力回路
200 DDC buried
Claims (12)
前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成され且つチャネル長だけ離隔された、第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第2導電型のチャネル領域と、
前記チャネル領域の下方且つ前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で、前記少なくとも1つのデバイス領域内に形成された、前記第1導電型のスクリーニング領域であり、該スクリーニング領域の実効ドーピング密度は、前記少なくとも1つのデバイス領域の実効ドーピング密度より高い、スクリーニング領域と、
前記チャネル領域の上方で前記少なくとも1つのデバイス領域の上に形成されたゲート構造と
を有し、
前記チャネル領域は、前記ゲート構造におけるバイアス電圧に応答して、前記ゲート構造の下の表面空乏層と、前記チャネル領域と前記スクリーニング領域との境界面の位置の埋込空乏層と、前記表面空乏層と前記埋込空乏層との間の、前記ソース領域及び前記ドレイン領域を電気的に結合する埋込チャネル層とを提供するように変更され、且つ
前記埋込空乏層は前記チャネル領域内に位置し、前記埋込空乏層の厚さは前記表面空乏層の厚さより薄い、
半導体デバイス。 A semiconductor substrate having at least one device region of a first conductivity type;
Source and drain regions of the second conductivity type formed in the at least one device region and separated by a channel length;
A channel region of the second conductivity type formed in the at least one device region between the source region and the drain region;
A screening region of the first conductivity type formed in the at least one device region below the channel region and between the source region and the drain region, the effective doping density of the screening region being: wherein Ri has high by the effective doping density of at least one device region, and screening area,
A gate structure formed above the at least one device region above the channel region;
The channel region is responsive to a bias voltage in the gate structure to provide a surface depletion layer under the gate structure, a buried depletion layer at a position of an interface between the channel region and the screening region, and the surface depletion. between the buried depletion and the layer, the source region and the changed drain regions to provide a buried channel layer electrically coupled, and the buried depletion layer prior Symbol channel region The buried depletion layer is thinner than the surface depletion layer ,
Semiconductor devices.
第1の基準電圧ノードと第2の基準電圧ノードとの間で直列に電気的に結合されたリセットトランジスタとフォトダイオードとを有するゲート制御回路と、
前記ソース領域に電気的に結合された出力回路と
を有し、
前記ドレイン領域は、電源ノードに電気的に結合され、前記ゲート構造は、前記リセットトランジスタと前記フォトダイオードとの間の、ゲート制御ノードを規定する前記ゲート制御回路の部分、に電気的に結合される、
請求項1乃至5の何れか一項に記載の半導体デバイス。 The semiconductor device is further
A gate control circuit having a reset transistor and a photodiode electrically coupled in series between the first reference voltage node and the second reference voltage node;
An output circuit electrically coupled to the source region;
The drain region is electrically coupled to a power supply node, and the gate structure is electrically coupled to a portion of the gate control circuit defining a gate control node between the reset transistor and the photodiode. The
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
第1導電型の1つ以上の第1のデバイス領域を持つ半導体基板を用意し、
前記第1のデバイス領域のうちの少なくとも1つの中に、前記第1導電型の少なくとも1つの第1のドーパントを添加して、前記第1のデバイス領域の実効ドーピング密度より高い実効ドーピング密度を持つ前記第1導電型のスクリーニング層を前記半導体基板の表面に画成し、
前記半導体基板の表面を覆って半導体材料のブランケットエピタキシャル層を堆積してアンドープの層を形成し、
前記第1のデバイス領域のうちの前記少なくとも1つの上の前記アンドープの層の中に、第2導電型の少なくとも1つの第2のドーパントを添加して、前記スクリーニング層の上方にチャネル層を画成し、
前記チャネル層を囲む素子分離構造を形成し、且つ
ゲート構造と、前記第1のデバイス領域内でチャネル長だけ離隔された前記第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、を形成してMOSFETデバイスを構築する、
ことを有する方法。 A method of manufacturing a semiconductor device, comprising
Preparing a semiconductor substrate having one or more first device regions of a first conductivity type;
At least one in said first conductivity type of at least one first dopant is added, the first effective doping density effective doping density by Ri have high device region of said first device region Defining on the surface of the semiconductor substrate a screening layer of the first conductivity type having
Depositing a blanket epitaxial layer of semiconductor material over the surface of the semiconductor substrate to form an undoped layer;
In said at least one layer of a previous Kia Ndopu over of said first device region, at least one second dopant of the second conductivity type is added, the channel layer above the screening layer Define
Forming an isolation structure surrounding the channel layer, and a gate structure and, prior Symbol first device region and said second conductivity type source and drain regions of which are separated by a channel length, the form to the MOSFET Build the device,
How to have that.
第1導電型の1つ以上の第1のデバイス領域を持つ半導体基板を用意し、
前記第1のデバイス領域のうちの少なくとも1つの中に、前記第1導電型の少なくとも1つの第1のドーパントを添加して、前記半導体基板の表面の下方の前記第1導電型のスクリーニング層と、
前記半導体基板の表面を覆って半導体材料のブランケットエピタキシャル層を堆積して前記スクリーニング層の上方のチャネル層と、
前記チャネル層を囲む素子分離構造とを形成し、
前記スクリーニング層は、前記第1のデバイス領域の実効ドーピング密度より高い実効ドーピング密度を持ち、
前記チャネル層の中に第2導電型の少なくとも1つの第2のドーパントを添加し、且つ
ゲート構造と、前記第1のデバイス領域内でチャネル長だけ離隔された前記第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、を形成してMOSFETデバイスを構築する、
ことを有する方法。 A method of manufacturing a semiconductor device, comprising
Preparing a semiconductor substrate having one or more first device regions of a first conductivity type;
Adding at least one first dopant of the first conductivity type into at least one of the first device regions to form a screening layer of the first conductivity type below the surface of the semiconductor substrate; ,
Depositing a blanket epitaxial layer of semiconductor material over the surface of the semiconductor substrate to form a channel layer above the screening layer ;
Forming an element isolation structure surrounding the channel layer;
The screening layer has the effective doping density effective doping density by Ri have high of the first device region,
Adding at least one second dopant of the second conductivity type in said channel layer, and a gate structure and, prior Symbol source region of the first channel length in the device regions only spaced apart the second conductivity type To form a MOSFET device by forming the
How to have that.
The formation of the source region and the drain region may be performed using one or more of the second conductivity type using implantation conditions that result in the screening layer being located below and between the source region and the drain region. A method according to any one of claims 8 to 11 , comprising implanting dopants into the at least one of the first device regions.
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