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JP2004247647A - Photo-diode and image sensor - Google Patents

Photo-diode and image sensor Download PDF

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JP2004247647A
JP2004247647A JP2003037923A JP2003037923A JP2004247647A JP 2004247647 A JP2004247647 A JP 2004247647A JP 2003037923 A JP2003037923 A JP 2003037923A JP 2003037923 A JP2003037923 A JP 2003037923A JP 2004247647 A JP2004247647 A JP 2004247647A
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JP
Japan
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region
photodiode
peripheral electrode
isolation portion
conductivity type
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003037923A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Fukami
彰 深見
Yuichi Egawa
雄一 江川
Shiro Akamatsu
史郎 赤松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trecenti Technologies Inc
Original Assignee
Trecenti Technologies Inc
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Publication date
Application filed by Trecenti Technologies Inc filed Critical Trecenti Technologies Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of preventing an excess leakage current in the p-n junction section of a photo-diode. <P>SOLUTION: p-Wells 3 and the photo-diode D<SB>1</SB>separated from element isolation sections 2 formed to the main surface of a semiconductor substrate 1 and composed of an n<SP>+</SP>-type region 4a surrounded by the p-wells 3 are formed to an active region surrounded by the element isolation sections 2. A peripheral electrode 7a composed of a silicon polycrystalline film formed on the active region from the peripheral section of the region 4a to the element isolation section 2 through a silicon oxide film 6a is arranged at a specified distance from the region 4a, and a voltage higher than the voltage applied to the region 4a is applied to the peripheral electrode 7a. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードに関し、特に、CMOSイメージセンサに備わるフォトダイオードに適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、画像を電気信号に変換する撮像デバイスとして、撮像管や光電子増倍管に換わりイメージセンサ(固体撮像デバイス)が用いられている。イメージセンサは、フォトダイオード等の光電変換素子を2次元に多数配列させ、各光電変換素子で得られた信号電荷をスイッチングまたは転送により出力端子まで順次走査し、そこから信号電荷を読み出すものである。イメージセンサとして、MOS(Metal Oxide Semiconductor)、CCD(Charge Coupled Device)、CPD(Charge Priming Device)、CSD(Charge Sweep Device)などの様々なタイプが開発されているが、高速化が要求される分野ではCMOS(Complementary MOS)タイプが主流になっている。
【0003】
CMOSイメージセンサにも幾つかの種類があるが、一般には1つのフォトダイオードと1つの電界効果トランジスタ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:以下MISFETと記す)との組み合わせで受光部の画素が形成される。各画素はアレイ状に並べられて垂直、水平シフトレジスタに接続されており、各画素に入射された光をフォトダイオードで光電変換し、垂直、水平シフトレジスタによって各画素を順次走査することにより、全画素の信号が出力端子に読み出される(例えば、非特許文献1および2参照。)。
【0004】
なお、受光部領域とスイッチ部領域とからなる画素で、受光部領域とスイッチ部領域とが隣合わせになるように配置し、各画素の受光部領域は、所定の1次元方向で隣接する画素の受光部領域と隣合わせになるように配置した構成が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
また、フォトダイオード等の光電変換部の基板表面からのn型領域の深さを、光電変換部の基板表面からの素子分離絶縁層の深さよりも深く形成して、リーク電流による再生画像の著しい劣化を防ぐ方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
【非特許文献1】
竹村裕夫著「CCDカメラ技術入門」コロナ社出版、1997年12月15日、P37−41
【0007】
【非特許文献2】
Kevin Ng、“Technology Review of Charge−Coupled Device and CMOS Based Electronic Imagers”2001年11月21日、[2002年10月10日検索]、インターネット<URL:http://www.eecg.toronto.edu/ ̄kphang/ece1352f/papers/ng_CCD.pdf>
【0008】
【特許文献1】
特開平10−326341号公報
【0009】
【特許文献2】
特開平10−308507号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
CMOSイメージセンサの受光部の1画素は、例えばn−p接合フォトダイオードとnチャネルMISFETとから構成される。基板にn型不純物が導入されてなるn型領域とp型不純物が導入されてなるp型領域とによってn−p接合フォトダイオードが形成されるが、n型領域はnチャネルMISFETのソース・ドレインを構成するn型領域と同一工程、p型領域はpウェルと同一工程で形成される。さらに隣接するフォトダイオードの間は、素子分離部によって電気的に分離される。
【0011】
ところで、フォトダイオードに逆バイアスを印加した場合、微小な電流、いわゆるリーク電流が流れる。微小とはいえリーク電流が流れると、画像のノイズレベルが上がる、待機電流が大きくなり消費電力が増加するなどの問題が生じる。このため、リーク電流の低減はフォトダイオードにとって重要な課題である。
【0012】
しかしながら、本発明者が検討したところ、フォトダイオードのn型領域とp型領域との界面(以下、pn接合界面と記す)が素子分離部または基板の表面に形成された絶縁膜に直接接触すると、リーク電流が大きくなることが明らかとなった。
【0013】
図17に、本発明者が検討したフォトダイオードを示す。図17(a)は、pn接合界面が素子分離部に接しているフォトダイオードD、同図(b)は、pn接合界面が半導体基板の表面に形成された絶縁膜に接しているフォトダイオードDを示す半導体基板の要部断面図である。
【0014】
シリコン単結晶からなる半導体基板51の主面には絶縁膜からなる素子分離部52に囲まれた活性領域が形成され、この活性領域にはp型不純物が導入されてなるpウェル53が形成されている。pウェル53はp型領域54を介して接地電位GNDに接続される。さらにpウェル53に囲まれてn型不純物が導入されてなるn型領域55が形成されており、pウェル53とn型領域55とでフォトダイオードD,Dのpn接合部を構成する。またフォトダイオードD,Dが形成された半導体基板51の表面には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜56が形成されている。
【0015】
以下、低電界におけるリーク電流を考える。フォトダイオードD,Dのpn接合界面の底面部Lでは、逆バイアスVrによって空乏層57内に生じる生成電流がリーク電流になると考えられる。一方素子分離部52を構成する絶縁膜または絶縁膜56に接するpn接合界面の周辺部Lでは、逆バイアスVrによって空乏層57内に生じる生成電流に、半導体基板51と素子分離部52を構成する絶縁膜との界面(図17(a))に流れる電流、または半導体基板51と絶縁膜56との界面(図17(b))に流れる電流を付加した電流がリーク電流になると考えられる。これは、上記界面において半導体基板51を構成するシリコン単結晶のシリコン結合が切れていること、界面準位により電子正孔対の生成再結合が生じることなどに起因する。さらに周辺部Lでは、pn接合界面が素子分離部52を構成する絶縁膜または絶縁膜56に接していることから電界が局所的に高くなり、同じ電圧下でも底面部Lよりも生成電流が大きくなる可能性がある。
【0016】
本発明の目的は、フォトダイオードのpn接合部における過大なリーク電流を防止することのできる技術を提供することにある。
【0017】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0019】
本発明は、半導体基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、pウェルと、前記素子分離部から離間し、pウェルに囲まれたn型領域と、n型領域の周辺部から素子分離部までの間の活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有するフォトダイオードであって、周囲電極の一部は素子分離部上に載り上がり、周囲電極とn型領域とは所定の距離をおいて配置され、n型領域に印加する電圧よりも高い電圧が周囲電極に印加されるものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0021】
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1であるイメージセンサの受光部を構成するフォトダイオードとMISFETとを組み合わせたフォトダイオードセルの等価回路である。
【0022】
イメージセンサの受光部を構成する各フォトダイオードセルは、フォトダイオードDと、フォトダイオードDで蓄えた信号電荷をフォトダイオードセルの外に伝える際にスイッチとして機能するMISFETQnとからなる。各フォトダイオードセルは、MISFETQnのゲートに画素選択線を介して印加されるパルスによってスイッチングされ、フォトダイオードDに蓄えられた信号電荷がデータ線を介して出力に取り出される。光が各フォトダイオードセルに入射されるとフォトダイオードDで光電変換されて、光の強弱に応じた信号電荷が時間とともに蓄積される。
【0023】
図2は、本実施の形態1であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図、図3は、図2のフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【0024】
p型のシリコン単結晶からなる半導体基板1の主面には、素子分離部2に囲まれた活性領域が形成され、活性領域にはp型不純物、例えばボロンが導入されてなるpウェル3が形成されている。この半導体基板1の表面にはn型不純物、例えばリンまたはヒ素が導入されてなるn型領域4aが形成されており、pウェル3とn型領域4aとでフォトダイオードDのpn接合部を構成する。pウェル3は、他の活性領域に形成された不純物濃度が相対的に高いp型領域5を介して接地電位に接続される。またn型領域4aは、素子分離部2から、例えば0.5〜2.0μm程度離れて形成されている。
【0025】
半導体基板1の表面にはn型不純物が導入されてなるMISFETQnのソース・ドレインを構成する一対のn型領域4bが形成されており、n型領域4bの一部はフォトダイオードDのn型領域4aと一体に形成される。
【0026】
MISFETQnのソース・ドレインを構成する一対のn型領域4bの間には、図示はしないが、しきい値電圧制御層が形成されている。このしきい値電圧制御層の上には酸化シリコン膜6aからなるゲート絶縁膜6が形成されている。さらにゲート絶縁膜6の上にはシリコン多結晶膜からなるゲート電極7が形成され、ゲート電極7の側壁にはサイドウォールスペーサ8が形成されている。このゲート電極7は画素選択線として機能する。なお、ゲート電極7は、シリコン多結晶膜およびシリサイド膜が下層から順に堆積された積層膜、またはシリコン多結晶膜および金属膜が下層から順に堆積された積層膜で構成してもよい。
【0027】
また、フォトダイオードDが形成される活性領域の周囲の上に素子分離部2にも載り上がって、MISFETQnのゲート電極7と同一層の導体膜からなる電極(以下、周囲電極と言う)7aが、n型領域4aから所定の距離をおいて設けられている。この周囲電極7aの下の活性領域にはMISFETQnのゲート絶縁膜6と同一層の酸化シリコン膜6aが形成され、周囲電極7aの側壁には、MISFETQnのサイドウォールスペーサ8と同一層の絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ8aが形成されている。なお、上記周囲電極7aは、MISFETQnのゲート電極7とショートさせないために、活性領域の全ての周囲には形成せず、MISFETQnに近いところで切れている。
【0028】
MISFETQnのゲート電極7の上層には、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜9が形成されている。この絶縁膜9には、MISFETQnのn型領域4bなどの必要部分に達するコンタクトホール10が開孔している。コンタクトホール10の内部にはバリア膜、例えば窒化チタン膜および金属膜、例えばタングステン膜が埋め込まれてプラグ11が形成されており、このプラグ11を介して、配線12がMISFETQnのn型領域4bなどの必要部分に接続されている。
【0029】
次に、本実施の形態1のフォトダイオードにおけるリーク電流について、図4に示すMISFETを省略してフォトダイオードのみをとりだした概略断面図を用いて説明する。
【0030】
フォトダイオードDのn−p接合のn型領域4a側に逆バイアスVrを印加する際、周囲電極7aには逆バイアスVrよりも高い電圧Vgを印加する。例えば逆バイアスVrを1V、電圧Vgを2Vとする。p型領域5の不純物濃度および周囲電極7aの仕事関数にも依存するが、MISFETQnのしきい値電圧が1V程度とすると、周囲電極7a直下のpウェル3に反転層のn層13が形成される。n層13は孤立しているのでn型領域4aからn層13へ流れる電流はない。
【0031】
さらに、n型領域4aとn層13との間隔はサイドウォールスペーサ8aの寸法で決まるが、この寸法を0.1μmオーダとしてn型領域4aに1Vの逆バイアスを印加すると、n型領域4aとn層13との間(A部)に空乏層14が形成される。この空乏層14の横方向の幅は、前記図17(b)に示したフォトダイオードDのn型領域55の周辺部に形成される空乏層57の幅よりも狭くなる。またn型領域4aの周辺部(B部)に生じる空乏層14はn層13の下にできるものであることから逆バイアスVrの影響を受けにくく、またその幅は、逆バイアスVrの電界による空乏層(n型領域4aの底面部の空乏層)の幅よりも狭くなる。
【0032】
生成電流の発生確率または半導体基板の表面における電子正孔対の生成再結合の確率は、空乏層の幅に比例して少なくなることから、フォトダイオードDのpn接合界面の周辺部におけるリーク電流が、周囲電極7aを設けないフォトダイオード、例えば、前記図17(b)に示すフォトダイオードDのpn接合接合界面の周辺部におけるリーク電流よりも小さくなる。これによって、フォトダイオードDのpn接合部全体におけるリーク電流は、周囲電極7aを設けないフォトダイオードのpn接合部全体におけるリーク電流よりも小さくすることができる。
【0033】
図5に、本実施の形態1であるフォトダイオードのpn接合部におけるリーク電流を示す。横軸はn型領域に印加される逆バイアスVr、縦軸はリーク電流Irである。パラメータには、周囲電極に印加される電圧Vgを用いた。
【0034】
逆バイアスVrが約1.2V以下では、電圧Vgが2Vの場合のリーク電流は、電圧Vgが0Vの場合のリーク電流よりも約1桁小さくなる。なお逆バイアスVrが1.2Vより大きくなると、反転層が消滅するため、電圧Vgを印加してもリーク電流Irが急激に増加する。この遷移電圧は電圧Vgによって変わるので、フォトダイオードを使用する際に印加される電圧が1V以下であれば電圧Vgを2V、2V以下であれば電圧Vgを3Vとすればよい。
【0035】
次に、本実施の形態1であるイメージセンサの受光部を構成するフォトダイオードセルの製造方法の一例を図6〜図10に示す半導体基板の要部断面図を用いて工程順に示す。
【0036】
まず、図6に示すように、例えばp型のシリコン単結晶からなる半導体基板(円形の薄い板状に加工した半導体ウエハ)1を用意する。次に、半導体基板1を熱酸化してその表面に厚さ0.01μm程度の薄い酸化シリコン膜を形成し、続いてその上層にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で厚さ0.1μm程度の窒化シリコン膜を堆積する。この後、レジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜、酸化シリコン膜および半導体基板1を順次エッチングすることにより、素子分離領域の半導体基板1に深さ0.35μm程度の素子分離溝2aを形成する。
【0037】
次に、半導体基板1上に酸化シリコン膜2bを堆積する。続いて半導体基板1を1000℃程度で熱処理して、素子分離溝2aに埋め込んだ酸化シリコン膜2bを焼き締める。次に、酸化シリコン膜2bをエッチバックまたはCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨して、素子分離溝2aの内部に酸化シリコン膜2bを残す。その後、熱リン酸を用いたウェットエッチングで窒化シリコン膜を除去することにより素子分離部2を形成する。
【0038】
なお、半導体基板1上に酸化シリコン膜2bを堆積する前に、熱酸化法によって酸化シリコン膜を成膜する工程を加えて、半導体基板1と酸化シリコン膜2bとの界面をより清浄にしてもよい。また素子分離部2の形成に、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法を用いてもよい。
【0039】
次に、半導体基板1に不純物をイオン注入し、pウェル3を形成する。pウェル3にはp型不純物、例えばボロンをイオン注入する。p型不純物としてボロンをイオン注入する際の打ち込み条件としては、エネルギー100〜200keV、ドーズ量5×1012cm−2を例示することができる。この後、pウェル3にMISFETQnのしきい値を制御するための不純物をイオン注入してもよい。次いで熱酸化法またはCVD法により、半導体基板1の表面にMISFETQn形成領域ではゲート絶縁膜6となる厚さ10nm程度の酸化シリコン膜6aを形成する。
【0040】
次に、図7に示すように、n型不純物、例えばリンが導入された厚さ200nm程度のシリコン多結晶膜をCVD法で半導体基板1上に堆積した後、レジストパターンをマスクとしてシリコン多結晶膜をエッチングし、シリコン多結晶膜からなるゲート電極7および周囲電極7aを形成する。この後、半導体基板1に、例えば900℃程度のドライ酸化処理を施す。
【0041】
次に、イオン注入を避ける領域をレジストパターンRPで覆い、これをマスクとして半導体基板1にn型不純物、例えばリンまたはヒ素をイオン注入して、ソース・ドレインを構成するn型エクステンション(Extension)領域4bを形成する。n型不純物としてリンをイオン注入する際の打ち込み条件としては、エネルギー50keV、ドーズ量2×1013cm−2を例示することができる。なおイオン注入を避ける領域とは、周囲電極7aとそれを僅かにオーバーラップする領域(後に形成されるサイドウォールスペーサ8aの長さと合わせ余裕を足した領域)およびpウェル3の給電部となるp型領域5などである。
【0042】
次に、図8に示すように、レジストパターンRPを除去した後、半導体基板1上に厚さ150nm程度の酸化シリコン膜を堆積する。続いてこの酸化シリコン膜を、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法で異方性エッチングしてゲート電極7の側壁にサイドウォールスペーサ8、周囲電極7aの側壁にサイドウォールスペーサ8aを形成する。この後、熱酸化法またはCVD法により、厚さ10nm程度の酸化シリコン膜(図示は省略)を形成する。
【0043】
次に、イオン注入を避ける領域をレジストパターンRPで覆い、これをマスクとして半導体基板1にn型不純物、例えばリンまたはヒ素をイオン注入し、フォトダイオードDのn型領域4aおよびMISFETQnのソース・ドレインを構成するn型拡散領域4bを形成する。なおイオン注入を避ける領域とはpウェル3の給電部となるp型領域5などである。n型不純物としてヒ素をイオン注入する際の打ち込み条件としては、エネルギー80keV、ドーズ量2×1015cm−2を例示することができる。これにより、n型エクステンション領域4bとn型拡散領域4bとでMISFETQnのソース・ドレインを構成するn型領域4bが形成される。この場合、n型エクステンション領域4bの不純物濃度を相対的に低く、n型拡散領域4bの不純物濃度を相対的に高くすることにより、ゲート電極7端部の電界緩和ができるLDD(Lightly Doped Drain)構造のソース・ドレインが形成される。
【0044】
次に、図9に示すように、レジストパターンRPをマスクとして、半導体基板1にp型不純物、例えばボロンをイオン注入して、pウェル3の給電部となるp型領域5を形成する。その後、レジストパターンRPを除去した後、半導体基板1に、例えば窒素雰囲気中において900〜1000℃、10秒程度の熱処理を施す。
【0045】
次に、図10に示すように、半導体基板1上に、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜9を形成した後、この絶縁膜9を、例えばCMP法で研磨することによりその表面を平坦化する。続いてレジストパターンをマスクとしたエッチングによって絶縁膜9にコンタクトホール10を形成する。このコンタクトホール10はMISFETQnのソース・ドレインを構成するn型領域4b上などの必要部分に形成する。
【0046】
さらにコンタクトホール10の内部を含む半導体基板1の全面に窒化チタン膜を、例えばCVD法で形成し、さらにコンタクトホール10を埋め込むタングステン膜を、例えばCVD法で形成する。その後、コンタクトホール10以外の領域の窒化チタン膜およびタングステン膜を、例えばCMP法により除去してコンタクトホール10の内部にプラグ11を形成する。
【0047】
次に、半導体基板1上に、例えばアルミニウム合金膜を形成した後、レジストパターンをマスクとしたエッチングによってアルミニウム合金膜を加工し、前記図3に示す配線12を形成する。アルミニウム合金膜は、例えばスパッタ法により形成できる。その後、パッシベーション膜で半導体基板1の全面を覆うことにより、フォトダイオードDとMISFETQnとを組み合わせたフォトダイオードセルが略完成する。
【0048】
このように、本実施の形態1によれば、フォトダイオードDのpn接合界面の周辺部における空乏層の延びを抑えることができるので、生成電流の発生確率または半導体基板1の表面での電子正孔対の生成再結合の確率が小さくなり、フォトダイオードDのpn接合部におけるリーク電流を低減することができる。
【0049】
(実施の形態2)
図11は、本実施の形態2であるフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【0050】
前記実施の形態1で示したフォトダイオードDと同様に、半導体基板1の主面にp型ウェル3およびn型領域4aからなるn−p接合フォトダイオードDが形成されており、pウェル3はp型領域5を介して接地電位に接続される。しかし、フォトダイオードDが形成される活性領域の上に、n型領域4aを囲んでMISFETQnのゲート電極7と同一層の導体膜からなる周囲電極7aが設けられている。またn型領域4aは、周囲電極7bが取り囲む内側で、かつそのサイドウォールスペーサ8aに対して自己整合的にpウェル3の表面に形成されており、周囲電極7aの外側、すなわち周囲電極7aと素子分離部2との間のpウェル3には形成されない。
【0051】
図12は、本実施の形態2であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図の一例である。図12(a)に、第1のフォトダイオードセルを示し、同図(b)に第2のフォトダイオードセルを示す。
【0052】
図12(a)に示す第1のフォトダイオードセルでは、フォトダイオードDに設けられた周囲電極4aが素子分離部2の端部から離れて活性領域の上のみにあってn型領域4aの周囲を取り囲んでいる。周囲電極7aは閉じたものでなく、MISFETQn形成領域近傍で切れている。これはMISFETQnのソース・ドレインを構成するn型領域4bとフォトダイオードDのn型領域4aとを繋げるためである。pn接合界面は周囲電極7aが切れた(開孔した)箇所の近傍にある。
【0053】
図12(b)に示す第2のフォトダイオードセルでは、MISFETQn形成領域近傍に周囲電極7aの開孔があることは前記第1のフォトダイオードセルと同じであるが、終端部が素子分離部2上に乗り上げている。pn接合界面の境界は周囲電極7aによって規定される。
【0054】
次に、本実施の形態2のフォトダイオードにおけるリーク電流について図13に示す概略断面図を用いて説明する。
【0055】
フォトダイオードDのn−p接合のn型領域4aに印加する逆バイアスVrおよび周囲電極7aに印加する電圧Vgの条件は、前記実施の形態1と同じである。例えば逆バイアスVrを1V、電圧Vgを2Vとすると、周囲電極7a直下のpウェル3に反転層のn層13が形成される。さらにn型領域4aの底面部、n型領域4aとn層13との間(A部)、n層13の下(B部)およびn型領域4aとは反対側のn層13の側面(C部)に空乏層14が形成される。上記B部およびC部に生じる空乏層14は逆バイアスVrの影響を受けにくく、またその幅は、逆バイアスVrの電界による空乏層(n型領域4aの底面部の空乏層)の幅よりも狭くなる。
【0056】
なお、前記図11に示したフォトダイオードDは、幾つかのレジストパターンは異なるが、前記実施の形態1の図6〜図10に示したフォトダイオードDの製造方法とほぼ同じ工程で形成することができる。
【0057】
このように、本実施の形態2によれば、前記実施の形態1と同様に、フォトダイオードDのpn接合界面の周辺部における空乏層14の延びを抑えて、フォトダイオードDのpn接合部におけるリーク電流を低減することができる。また、フォトダイオードDのn型領域4aから空乏層14の端部が絶縁膜と接する点(図13のC点)までの距離は、前記実施の形態1に記載したフォトダイオードDのn型領域4aから空乏層14の端部が絶縁膜と接する点(図3のB点)までの距離に比べて遠くなるので、フォトダイオードDでは、フォトダイオードDに比して、絶縁膜と接する空乏層14の端部における電界が弱くなり、表面リーク電流を低減することができる。
【0058】
(実施の形態3)
図14は、本実施の形態3であるフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【0059】
前記実施の形態2で示したフォトダイオードDと同様に、半導体基板1の主面にp型ウェル3およびn型領域4aからなるn−p接合フォトダイオードDが形成されており、フォトダイオードDが形成される活性領域の上に、n型領域4aを囲んでMISFETQnのゲート電極7と同一層の導体膜からなる周囲電極7aが設けられている。しかし、フォトダイオードDでは、周囲電極7aの外側、すなわち周囲電極7aと素子分離部2との間のpウェル3にn型領域4cが形成される。このn型領域4cは、周囲電極7aの内側に形成されたn型領域4aと電気的に分離されており、配線には接続せずにフローティングにするか、または配線に接続して接地電位とする。
【0060】
図15は、本実施の形態3であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図の一例である。図15(a)に、第1のフォトダイオードセルを示し、同図(b)に第2のフォトダイオードセルを示す。
【0061】
図15に示すように、周囲電極7aの外側、すなわち周囲電極7aと素子分離部2との間のpウェル3にn型領域4cを形成する以外は、前記実施の形態2に示したフォトダイオードセルの平面レイアウト図と同じである。図15(a)に示す第1のフォトダイオードセルでは、pn接合界面が周囲電極7aが切れた(開孔した)箇所の近傍にある。
【0062】
次に、本実施の形態3のフォトダイオードにおけるリーク電流について、図16に示すフォトダイオードの概略断面図を用いて説明する。
【0063】
フォトダイオードDのn−p接合のn型領域4aに印加する逆バイアスVrおよび周囲電極7aに印加する電圧Vgの条件は、前記実施の形態1と同じである。例えば逆バイアスVrを1V、電圧Vgを2Vとすると、周囲電極7a直下のpウェル3に反転層のn層13が形成される。さらにn型領域4aの底面部、n型領域4aとn層13との間(A部)、n層13の下(B部)、n型領域4aとは反対側のn層13の側面(C部)およびn型領域4cの下(D部)に空乏層14が形成される。上記B部、C部およびD部に生じる空乏層14は逆バイアスVrの影響を受けにくく、またその幅は、逆バイアスVrの電界による空乏層(n型領域4aの底面部の空乏層)の幅よりも狭くなる。
【0064】
なお、前記図14に示したフォトダイオードDは、幾つかのレジストパターンは異なるが、前記実施の形態1の図6〜図10に示したフォトダイオードDの製造方法とほぼ同じ工程で形成することができる。
【0065】
このように、本実施の形態3によれば、前記実施の形態1と同様に、フォトダイオードDのpn接合界面の周辺部における空乏層14の延びを抑えて、フォトダイオードDのpn接合部におけるリーク電流を低減することができる。また、フォトダイオードDのn型領域4aから空乏層14の端部が絶縁膜と接する点(図16のD点)までの距離は、前記実施の形態1に記載したフォトダイオードDのn型領域4aから空乏層14の端部が絶縁膜と接する点(図3のB点)までの距離に比べて遠くなるので、フォトダイオードDでは、フォトダイオードDに比して、絶縁膜と接する空乏層14の端部における電界が弱くなり、表面リーク電流を低減することができる。
【0066】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0067】
たとえば、前記実施の形態では、CMOSイメージセンサに適用した場合について説明したが、他の撮像デバイス、例えばCCDの画素にも本発明は適用可能である。
【0068】
また、前記実施の形態では、フォトダイオードをn−p接合としたが、逆の導電型、すなわちp−n接合としてもよい。この場合、p型とn型とが逆になるが、前記実施の形態と同様な効果が得られる。
【0069】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【0070】
フォトダイオードのn−p接合を構成するn型領域の周辺部の空乏層幅を狭くして、pn接合界面の周辺部におけるリーク電流を低減することにより、pn接合部のリーク電流を低減することができる。さらにリーク電流を低減することによってノイズレベルを下げることができるので、鮮明な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態1であるイメージセンサの受光部を構成するフォトダイオードとMISFETとを組み合わせたフォトダイオードセルの等価回路図である。
【図2】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図である。
【図3】本実施の形態1であるフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【図4】本実施の形態1であるフォトダイオードのリーク電流を説明するためのフォトダイオードを示す概略断面図である。
【図5】本実施の形態1であるフォトダイオードのpn接合部におけるリーク電流を示すグラフ図である。
【図6】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの製造方法の一例を示す半導体基板の要部断面図である。
【図7】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの製造方法の一例を示す半導体基板の要部断面図である。
【図8】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの製造方法の一例を示す半導体基板の要部断面図である。
【図9】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの製造方法の一例を示す半導体基板の要部断面図である。
【図10】本実施の形態1であるフォトダイオードセルの製造方法の一例を示す半導体基板の要部断面図である。
【図11】本実施の形態2であるフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【図12】本実施の形態2であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図の一例である。図(a)は第1のフォトダイオードセル、図(b)は第2のフォトダイオードセルの平面レイアウト図である。
【図13】本実施の形態2であるフォトダイオードのリーク電流を説明するためのフォトダイオードを示す概略断面図である。
【図14】本実施の形態3であるフォトダイオードセルを示す半導体基板の要部断面図である。
【図15】本実施の形態3であるフォトダイオードセルの平面レイアウト図の一例である。図(a)は第1のフォトダイオードセル、図(b)は第2のフォトダイオードセルの平面レイアウト図である。
【図16】本実施の形態3であるフォトダイオードのリーク電流を説明するためのフォトダイオードを示す概略断面図である。
【図17】(a),(b)は本発明者が検討したフォトダイオードを示す半導体基板の要部断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離部
2a 素子分離溝
2b 酸化シリコン膜
3 pウェル
4a n型領域
4b n型領域
4b n型エクステンション領域
4b n型拡散領域
4c n型領域
5 p型領域
6 ゲート絶縁膜
6a 酸化シリコン膜
7 ゲート電極
7a 周囲電極
8 サイドウォールスペーサ
8aサイドウォールスペーサ
9 絶縁膜
10 コンタクトホール
11 プラグ
12 配線
13 n層
14 空乏層
51 半導体基板
52 素子分離部
53 pウェル
54 p型領域
55 n型領域
56 絶縁膜
57 空乏層
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード
Qn MISFET
底面部
周辺部
Vr 逆バイアス
Vg 電圧
GND 接地電位
RP レジストパターン
RP レジストパターン
RP レジストパターン
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photodiode, and more particularly, to a technique effective when applied to a photodiode provided in a CMOS image sensor.
[0002]
[Prior art]
At present, an image sensor (solid-state imaging device) is used as an imaging device for converting an image into an electric signal instead of an imaging tube or a photomultiplier tube. The image sensor has a large number of two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements such as photodiodes, sequentially scans or transfers signal charges obtained by each photoelectric conversion element to an output terminal, and reads out signal charges therefrom. . As an image sensor, various types of fields such as MOS (Metal Oxide Semiconductor), CCD (Charge Coupled Device), CPD (Charge Priming Device), and CSD (Charge Sweep Device) have been developed, and various types of fields requiring high speed have been developed. In this case, a CMOS (Complementary MOS) type has become mainstream.
[0003]
Although there are several types of CMOS image sensors, in general, a pixel of a light receiving section is formed by a combination of one photodiode and one field effect transistor (hereinafter, referred to as a MISFET). . Each pixel is arranged in an array and connected to a vertical and horizontal shift register.Light incident on each pixel is photoelectrically converted by a photodiode, and each pixel is sequentially scanned by a vertical and horizontal shift register. The signals of all the pixels are read out to the output terminals (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
[0004]
Note that, in the pixel including the light receiving section area and the switch section area, the light receiving section area and the switch section area are arranged so as to be adjacent to each other, and the light receiving section area of each pixel is a pixel of the adjacent pixel in a predetermined one-dimensional direction. A configuration in which the light-receiving portion is arranged adjacent to the light-receiving portion region is disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0005]
Further, the depth of the n-type region from the substrate surface of the photoelectric conversion unit such as a photodiode is formed to be deeper than the depth of the element isolation insulating layer from the substrate surface of the photoelectric conversion unit, so that a reproduced image due to leak current is remarkable. A method for preventing deterioration is disclosed (for example, see Patent Document 2).
[0006]
[Non-patent document 1]
Hiroo Takemura, "Introduction to CCD Camera Technology," Corona Publishing, December 15, 1997, pp. 37-41.
[0007]
[Non-patent document 2]
Kevin Ng, "Technology Review of Charge-Coupled Devices and CMOS Based Electronic Images", November 21, 2001, [Search October 10, 2002], Internet <URL: http: // www. eecg. toronto. edu / @ kpang / ece1352f / papers / ng_CCD. pdf>
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-326341
[0009]
[Patent Document 2]
JP-A-10-308507
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
One pixel of the light receiving section of the CMOS image sensor is, for example, n + -Consists of a p-junction photodiode and an n-channel MISFET. N obtained by introducing an n-type impurity into a substrate + The n-type region and the p-type region into which the p-type impurity is introduced + -P junction photodiode is formed, but n + The type region is n which constitutes the source / drain of the n-channel MISFET. + The p-type region is formed in the same step as the p-well, and the p-type region is formed in the same step as the p-well. Further, adjacent photodiodes are electrically isolated by an element isolation portion.
[0011]
By the way, when a reverse bias is applied to the photodiode, a minute current, that is, a so-called leak current flows. If the leakage current flows though it is very small, problems such as an increase in the noise level of the image, an increase in the standby current and an increase in power consumption occur. For this reason, reduction of leakage current is an important issue for photodiodes.
[0012]
However, the present inventor studied that the photodiode n + It has been found that when the interface between the mold region and the p-type region (hereinafter referred to as a pn junction interface) directly contacts the element isolation portion or the insulating film formed on the surface of the substrate, the leak current increases.
[0013]
FIG. 17 shows a photodiode studied by the present inventors. FIG. 17A shows a photodiode D having a pn junction interface in contact with an element isolation portion. 4 FIG. 2B shows a photodiode D in which the pn junction interface is in contact with the insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate. 5 FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor substrate, showing the structure of FIG.
[0014]
An active region surrounded by an element isolation portion 52 made of an insulating film is formed on a main surface of a semiconductor substrate 51 made of silicon single crystal, and a p well 53 doped with a p-type impurity is formed in this active region. ing. p well 53 is p + Connected to ground potential GND via mold region 54. Furthermore, n surrounded by p well 53 and having n-type impurities introduced therein + A mold region 55 is formed. + Photodiode D with the mold region 55 4 , D 5 Of the pn junction. Also, the photodiode D 4 , D 5 An insulating film 56 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate 51 on which is formed.
[0015]
Hereinafter, a leakage current in a low electric field will be considered. Photodiode D 4 , D 5 Bottom part L of pn junction interface 1 In this case, it is considered that the generated current generated in the depletion layer 57 by the reverse bias Vr becomes the leak current. On the other hand, the peripheral portion L of the pn junction interface in contact with the insulating film or the insulating film 56 constituting the element isolation portion 52 2 Then, the current generated in the depletion layer 57 due to the reverse bias Vr is added to the current flowing at the interface (FIG. 17A) between the semiconductor substrate 51 and the insulating film constituting the element isolation portion 52, or the semiconductor substrate 51 and the insulating film. It is considered that the current obtained by adding the current flowing to the interface with the interface 56 (FIG. 17B) becomes the leak current. This is due to the fact that the silicon bond of the silicon single crystal constituting the semiconductor substrate 51 is broken at the interface, and the generation and recombination of electron-hole pairs occur due to the interface state. Furthermore, peripheral part L 2 In this case, since the pn junction interface is in contact with the insulating film or the insulating film 56 forming the element isolation portion 52, the electric field locally increases, and the bottom portion L 1 There is a possibility that the generated current will be larger than that.
[0016]
An object of the present invention is to provide a technique capable of preventing an excessive leakage current at a pn junction of a photodiode.
[0017]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0019]
According to the present invention, a p-well is formed in an active region surrounded by an element isolation portion formed on a main surface of a semiconductor substrate, and an n-region separated from the element isolation portion and surrounded by the p-well is formed. + Type region and n + And a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the mold region and the element isolation portion with an insulating film interposed therebetween. And the surrounding electrode and n + Is arranged at a predetermined distance from the mold region, and n + A voltage higher than the voltage applied to the mold region is applied to the surrounding electrodes.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
[0021]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit of a photodiode cell in which a photodiode and a MISFET constituting a light receiving unit of the image sensor according to the first embodiment are combined.
[0022]
Each photodiode cell that constitutes the light receiving portion of the image sensor has a photodiode D 1 And the photodiode D 1 And a MISFET Qn functioning as a switch when transmitting the signal charge stored in the step S1 to the outside of the photodiode cell. Each photodiode cell is switched by a pulse applied to the gate of the MISFET Qn via a pixel selection line, and the photodiode D 1 Is taken out to the output via the data line. When light enters each photodiode cell, the photodiode D 1 The signal charge corresponding to the intensity of light is accumulated with time.
[0023]
FIG. 2 is a plan layout diagram of the photodiode cell according to the first embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor substrate showing the photodiode cell of FIG.
[0024]
An active region surrounded by an element isolation portion 2 is formed on a main surface of a semiconductor substrate 1 made of a p-type silicon single crystal, and a p-well 3 into which a p-type impurity, for example, boron is introduced, is formed in the active region. Is formed. An n-type impurity such as phosphorus or arsenic is introduced on the surface of the semiconductor substrate 1. + A mold region 4a is formed, and the p well 3 and n + Photodiode D with the mold region 4a 1 Of the pn junction. The p well 3 has a relatively high impurity concentration formed in another active region. + Connected to ground potential via mold region 5. And n + The mold region 4 a is formed at a distance of, for example, about 0.5 to 2.0 μm from the element isolation part 2.
[0025]
On the surface of the semiconductor substrate 1, a pair of n-type regions 4b forming the source / drain of the MISFET Qn into which n-type impurities are introduced are formed, and a part of the n-type region 4b is a photodiode D 1 N + It is formed integrally with the mold region 4a.
[0026]
Although not shown, a threshold voltage control layer is formed between the pair of n-type regions 4b constituting the source / drain of the MISFET Qn. On this threshold voltage control layer, a gate insulating film 6 made of a silicon oxide film 6a is formed. Further, a gate electrode 7 made of a polycrystalline silicon film is formed on the gate insulating film 6, and a sidewall spacer 8 is formed on a side wall of the gate electrode 7. This gate electrode 7 functions as a pixel selection line. The gate electrode 7 may be formed of a laminated film in which a silicon polycrystalline film and a silicide film are sequentially deposited from a lower layer, or a laminated film in which a silicon polycrystalline film and a metal film are sequentially deposited from a lower layer.
[0027]
Also, the photodiode D 1 Is formed on the element isolation portion 2 above the periphery of the active region where the gate electrode 7 of the MISFET Qn is formed of a conductive film in the same layer as the gate electrode 7 (hereinafter, referred to as a peripheral electrode) 7a. + It is provided at a predetermined distance from the mold region 4a. A silicon oxide film 6a of the same layer as the gate insulating film 6 of the MISFET Qn is formed in the active region below the peripheral electrode 7a, and a side wall of the peripheral electrode 7a is formed of an insulating film of the same layer as the sidewall spacer 8 of the MISFET Qn. Is formed. The peripheral electrode 7a is not formed all around the active region and is cut off near the MISFET Qn in order not to short-circuit the gate electrode 7 of the MISFET Qn.
[0028]
An insulating film 9 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the gate electrode 7 of the MISFET Qn. A contact hole 10 is formed in the insulating film 9 to reach a required portion such as the n-type region 4b of the MISFET Qn. A plug 11 is formed by embedding a barrier film, for example, a titanium nitride film and a metal film, for example, a tungsten film, inside the contact hole 10, and through this plug 11, the wiring 12 is connected to the n-type region 4 b of the MISFET Qn or the like. Connected to the necessary parts.
[0029]
Next, a leakage current in the photodiode of the first embodiment will be described with reference to a schematic cross-sectional view in which the MISFET shown in FIG. 4 is omitted and only the photodiode is taken out.
[0030]
Photodiode D 1 N + -P junction n + When applying the reverse bias Vr to the mold region 4a, a voltage Vg higher than the reverse bias Vr is applied to the peripheral electrode 7a. For example, assume that the reverse bias Vr is 1 V and the voltage Vg is 2 V. p + Although it depends on the impurity concentration of the mold region 5 and the work function of the peripheral electrode 7a, if the threshold voltage of the MISFET Qn is about 1 V, an n-layer 13 as an inversion layer is formed in the p well 3 immediately below the peripheral electrode 7a. . Since the n-layer 13 is isolated, n + No current flows from mold region 4a to n-layer 13.
[0031]
Further, n + The distance between the mold region 4a and the n-layer 13 is determined by the size of the side wall spacer 8a. + When a reverse bias of 1 V is applied to the mold region 4a, n + A depletion layer 14 is formed between mold region 4a and n-layer 13 (part A). The width of the depletion layer 14 in the horizontal direction is equal to the photodiode D shown in FIG. 5 N + The width is smaller than the width of the depletion layer 57 formed around the mold region 55. And n + The depletion layer 14 generated in the peripheral portion (part B) of the mold region 4a is formed under the n-layer 13, so that the depletion layer 14 is hardly affected by the reverse bias Vr. (N + It becomes narrower than the width of the depletion layer at the bottom of the mold region 4a.
[0032]
The probability of generation of a generation current or generation and recombination of electron-hole pairs on the surface of the semiconductor substrate decreases in proportion to the width of the depletion layer. 1 The leakage current at the peripheral portion of the pn junction interface is caused by the photodiode without the peripheral electrode 7a, for example, the photodiode D shown in FIG. 5 Is smaller than the leakage current at the periphery of the pn junction junction interface. Thereby, the photodiode D 1 Can be made smaller than the leak current in the entire pn junction of the photodiode without the peripheral electrode 7a.
[0033]
FIG. 5 shows a leakage current at the pn junction of the photodiode according to the first embodiment. The horizontal axis is n + The reverse bias Vr applied to the mold region and the vertical axis is the leak current Ir. The voltage Vg applied to the surrounding electrodes was used as a parameter.
[0034]
When the reverse bias Vr is about 1.2 V or less, the leak current when the voltage Vg is 2 V is about one digit smaller than the leak current when the voltage Vg is 0 V. Note that when the reverse bias Vr is larger than 1.2 V, the inversion layer disappears, so that the leak current Ir sharply increases even when the voltage Vg is applied. Since the transition voltage changes depending on the voltage Vg, the voltage Vg may be 2 V if the voltage applied when the photodiode is used is 1 V or less, and 3 V if the voltage applied is 2 V or less.
[0035]
Next, an example of a method for manufacturing a photodiode cell forming a light receiving portion of the image sensor according to the first embodiment will be described in the order of steps with reference to the cross-sectional views of main parts of the semiconductor substrate shown in FIGS.
[0036]
First, as shown in FIG. 6, a semiconductor substrate (semiconductor wafer processed into a circular thin plate) 1 made of, for example, a p-type silicon single crystal is prepared. Next, the semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a thin silicon oxide film having a thickness of about 0.01 μm on the surface thereof, and then, a nitride film having a thickness of about 0.1 μm is formed thereon by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. A silicon film is deposited. Thereafter, the silicon nitride film, the silicon oxide film, and the semiconductor substrate 1 are sequentially etched using the resist pattern as a mask, thereby forming an element isolation groove 2a having a depth of about 0.35 μm in the semiconductor substrate 1 in the element isolation region.
[0037]
Next, a silicon oxide film 2b is deposited on the semiconductor substrate 1. Subsequently, the semiconductor substrate 1 is heat-treated at about 1000 ° C., and the silicon oxide film 2b buried in the element isolation trench 2a is hardened. Next, the silicon oxide film 2b is polished by etch-back or CMP (Chemical Mechanical Polishing) to leave the silicon oxide film 2b inside the isolation trench 2a. After that, the element isolation portion 2 is formed by removing the silicon nitride film by wet etching using hot phosphoric acid.
[0038]
Before depositing the silicon oxide film 2b on the semiconductor substrate 1, a step of forming a silicon oxide film by a thermal oxidation method is added to further clean the interface between the semiconductor substrate 1 and the silicon oxide film 2b. Good. Further, the LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method may be used for forming the element isolation portion 2.
[0039]
Next, impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate 1 to form a p-well 3. A p-type impurity, for example, boron is ion-implanted into the p-well 3. Implantation conditions for ion implantation of boron as a p-type impurity include an energy of 100 to 200 keV and a dose of 5 × 10 5 12 cm -2 Can be exemplified. Thereafter, an impurity for controlling the threshold value of the MISFET Qn may be ion-implanted into the p-well 3. Next, a silicon oxide film 6a having a thickness of about 10 nm to be a gate insulating film 6 in the MISFET Qn formation region is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 by a thermal oxidation method or a CVD method.
[0040]
Next, as shown in FIG. 7, after a silicon polycrystalline film having a thickness of about 200 nm into which an n-type impurity, for example, phosphorus is introduced, is deposited on the semiconductor substrate 1 by a CVD method, the silicon polycrystalline film is formed using the resist pattern as a mask. The film is etched to form a gate electrode 7 and a peripheral electrode 7a made of a polycrystalline silicon film. Thereafter, the semiconductor substrate 1 is subjected to, for example, a dry oxidation process at about 900 ° C.
[0041]
Next, a region where ion implantation is to be avoided is defined by a resist pattern RP. 1 And an n-type impurity such as phosphorus or arsenic is ion-implanted into the semiconductor substrate 1 using the mask as a mask to form an n-type extension (extension) region 4b constituting a source / drain. 1 To form Implantation conditions for ion implantation of phosphorus as an n-type impurity include an energy of 50 keV and a dose of 2 × 10 4. Thirteen cm -2 Can be exemplified. The region where the ion implantation is to be avoided is defined as a region that slightly overlaps the peripheral electrode 7a (a region in which the margin is added to the length of the sidewall spacer 8a to be formed later) and the p serving as the power supply portion of the p-well 3. + Mold region 5 and the like.
[0042]
Next, as shown in FIG. 1 Is removed, a silicon oxide film having a thickness of about 150 nm is deposited on the semiconductor substrate 1. Subsequently, the silicon oxide film is anisotropically etched by, for example, RIE (Reactive Ion Etching) to form a sidewall spacer 8 on the side wall of the gate electrode 7 and a side wall spacer 8a on the side wall of the peripheral electrode 7a. Thereafter, a silicon oxide film (not shown) having a thickness of about 10 nm is formed by a thermal oxidation method or a CVD method.
[0043]
Next, a region where ion implantation is to be avoided is defined by a resist pattern RP. 2 And n-type impurities, for example, phosphorus or arsenic are ion-implanted into the semiconductor substrate 1 using the mask as a mask. 1 N + Region 4a and n-type diffusion region 4b forming the source / drain of MISFET Qn 2 To form The region where the ion implantation is to be avoided is defined as p serving as a power supply portion of the p well 3. + Mold region 5 and the like. Implantation conditions for ion implantation of arsenic as an n-type impurity include an energy of 80 keV and a dose of 2 × 10 4. Fifteen cm -2 Can be exemplified. Thereby, the n-type extension region 4b 1 And n-type diffusion region 4b 2 Thus, an n-type region 4b constituting the source / drain of the MISFET Qn is formed. In this case, the n-type extension region 4b 1 Impurity concentration of the n-type diffusion region 4b 2 The source / drain having an LDD (Lightly Doped Drain) structure capable of relaxing the electric field at the end of the gate electrode 7 is formed by relatively increasing the impurity concentration of the gate electrode 7.
[0044]
Next, as shown in FIG. 3 Is implanted into the semiconductor substrate 1 with a p-type impurity, for example, boron. + The mold region 5 is formed. After that, resist pattern RP 3 Is removed, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment at 900 to 1000 ° C. for about 10 seconds, for example, in a nitrogen atmosphere.
[0045]
Next, as shown in FIG. 10, after an insulating film 9 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1, the surface of the insulating film 9 is flattened by polishing the insulating film 9 by, for example, a CMP method. . Subsequently, a contact hole 10 is formed in the insulating film 9 by etching using the resist pattern as a mask. The contact hole 10 is formed in a necessary portion such as on the n-type region 4b constituting the source / drain of the MISFET Qn.
[0046]
Further, a titanium nitride film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the inside of the contact hole 10 by, for example, a CVD method, and a tungsten film for filling the contact hole 10 is formed by, for example, a CVD method. Then, the plug 11 is formed inside the contact hole 10 by removing the titanium nitride film and the tungsten film in the region other than the contact hole 10 by, for example, the CMP method.
[0047]
Next, after forming, for example, an aluminum alloy film on the semiconductor substrate 1, the aluminum alloy film is processed by etching using a resist pattern as a mask to form the wiring 12 shown in FIG. The aluminum alloy film can be formed by, for example, a sputtering method. Thereafter, by covering the entire surface of the semiconductor substrate 1 with a passivation film, the photodiode D 1 And a MISFET Qn are almost completed.
[0048]
As described above, according to the first embodiment, the photodiode D 1 Of the depletion layer in the peripheral portion of the pn junction interface can be suppressed, so that the generation probability of the generation current or the generation and recombination probability of the electron-hole pair on the surface of the semiconductor substrate 1 decreases, and the photodiode D 1 Leakage current at the pn junction can be reduced.
[0049]
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor substrate showing a photodiode cell according to the second embodiment.
[0050]
Photodiode D shown in Embodiment 1 1 Similarly, the p-type well 3 and the n-type well 3 + N composed of the mold region 4a + -P junction photodiode D 2 Are formed, and the p well 3 has p + Connected to ground potential via mold region 5. However, the photodiode D 2 Is formed on the active region where n is formed. + Surrounding the mold region 4a, there is provided a peripheral electrode 7a made of a conductor film of the same layer as the gate electrode 7 of the MISFET Qn. And n + The mold region 4a is formed inside the surrounding of the peripheral electrode 7b and on the surface of the p-well 3 in a self-aligned manner with respect to the side wall spacer 8a. It is not formed in the p well 3 between the portion 2.
[0051]
FIG. 12 is an example of a plan layout diagram of the photodiode cell according to the second embodiment. FIG. 12A shows a first photodiode cell, and FIG. 12B shows a second photodiode cell.
[0052]
In the first photodiode cell shown in FIG. 2 Is provided only on the active region away from the end of the element isolation portion 2 and n + It surrounds the periphery of the mold region 4a. The peripheral electrode 7a is not closed, but is cut off near the MISFET Qn formation region. This is because the n-type region 4b constituting the source / drain of the MISFET Qn and the photodiode D 2 N + This is for connecting the mold region 4a. The pn junction interface is near the location where the peripheral electrode 7a has been cut (opened).
[0053]
In the second photodiode cell shown in FIG. 12B, the peripheral electrode 7a has an opening near the MISFET Qn formation region in the same manner as in the first photodiode cell. Riding up. The boundary of the pn junction interface is defined by the surrounding electrode 7a.
[0054]
Next, a leakage current in the photodiode according to the second embodiment will be described with reference to a schematic sectional view shown in FIG.
[0055]
Photodiode D 2 N + -P junction n + The conditions of the reverse bias Vr applied to the mold region 4a and the voltage Vg applied to the peripheral electrode 7a are the same as in the first embodiment. For example, when the reverse bias Vr is 1 V and the voltage Vg is 2 V, an n-layer 13 as an inversion layer is formed in the p-well 3 immediately below the peripheral electrode 7a. And n + Bottom part of mold region 4a, n + Between the mold region 4a and the n-layer 13 (part A), below the n-layer 13 (part B) and n + A depletion layer 14 is formed on the side surface (part C) of n layer 13 opposite to mold region 4a. The depletion layer 14 generated in the portions B and C is hardly affected by the reverse bias Vr, and has a width equal to the width of the depletion layer (n) due to the electric field of the reverse bias Vr. + It becomes narrower than the width of the depletion layer at the bottom of the mold region 4a.
[0056]
The photodiode D shown in FIG. 2 Although some resist patterns are different, the photodiodes D shown in FIGS. 1 Can be formed in substantially the same steps as in the method of manufacturing.
[0057]
As described above, according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the photodiode D 2 Of the depletion layer 14 in the peripheral portion of the pn junction interface of the photodiode D 2 Leakage current at the pn junction can be reduced. Also, the photodiode D 2 N + The distance from the mold region 4a to the point where the end of the depletion layer 14 is in contact with the insulating film (point C in FIG. 13) is equal to the photodiode D described in the first embodiment. 2 N + Since the distance from the mold region 4a to the point where the end of the depletion layer 14 contacts the insulating film (point B in FIG. 3) is longer, the photodiode D 2 Then, photodiode D 1 The electric field at the end of the depletion layer 14 in contact with the insulating film is weakened, and the surface leakage current can be reduced.
[0058]
(Embodiment 3)
FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor substrate showing a photodiode cell according to the third embodiment.
[0059]
Photodiode D shown in Embodiment 2 2 Similarly, the p-type well 3 and the n-type well 3 + N composed of the mold region 4a + -P junction photodiode D 3 Are formed, and the photodiode D 3 Is formed on the active region where n is formed. + Surrounding the mold region 4a, there is provided a peripheral electrode 7a made of a conductor film of the same layer as the gate electrode 7 of the MISFET Qn. However, the photodiode D 3 Then, the n-well is formed in the p-well 3 outside the peripheral electrode 7a, that is, + The mold region 4c is formed. This n + The mold region 4c is formed on the inside of the peripheral electrode 7a. + It is electrically separated from the mold region 4a, and is floated without being connected to the wiring, or is connected to the wiring to be at the ground potential.
[0060]
FIG. 15 is an example of a plan layout diagram of the photodiode cell according to the third embodiment. FIG. 15A shows a first photodiode cell, and FIG. 15B shows a second photodiode cell.
[0061]
As shown in FIG. 15, the n-well is located outside the peripheral electrode 7 a, that is, in the p-well 3 between the peripheral electrode 7 a and the element isolation portion 2. + Except for forming the mold region 4c, it is the same as the plan layout diagram of the photodiode cell shown in the second embodiment. In the first photodiode cell shown in FIG. 15A, the pn junction interface is near the location where the peripheral electrode 7a has been cut (opened).
[0062]
Next, a leakage current in the photodiode of Embodiment 3 will be described with reference to a schematic cross-sectional view of the photodiode illustrated in FIG.
[0063]
Photodiode D 3 N + -P junction n + The conditions of the reverse bias Vr applied to the mold region 4a and the voltage Vg applied to the peripheral electrode 7a are the same as in the first embodiment. For example, if the reverse bias Vr is 1 V and the voltage Vg is 2 V, an n-layer 13 as an inversion layer is formed in the p-well 3 immediately below the peripheral electrode 7a. And n + Bottom part of mold region 4a, n + Between the mold region 4a and the n-layer 13 (part A), below the n-layer 13 (part B), n + Side surface (part C) of n layer 13 opposite to mold region 4a and n + A depletion layer 14 is formed below (D portion) the mold region 4c. The depletion layer 14 generated in the B, C, and D portions is hardly affected by the reverse bias Vr, and has a width equal to the depletion layer (n) due to the electric field of the reverse bias Vr. + It becomes narrower than the width of the depletion layer at the bottom of the mold region 4a.
[0064]
The photodiode D shown in FIG. 3 Although some resist patterns are different, the photodiodes D shown in FIGS. 1 Can be formed in substantially the same steps as in the method of manufacturing.
[0065]
Thus, according to the third embodiment, as in the first embodiment, the photodiode D 3 Of the depletion layer 14 in the peripheral portion of the pn junction interface of the photodiode D 3 Leakage current at the pn junction can be reduced. Also, the photodiode D 3 N + The distance from the mold region 4a to the point where the end of the depletion layer 14 contacts the insulating film (point D in FIG. 16) is the photodiode D described in the first embodiment. 1 N + Since the distance from the mold region 4a to the point where the end of the depletion layer 14 contacts the insulating film (point B in FIG. 3) is longer, the photodiode D 3 Then, photodiode D 1 The electric field at the end of the depletion layer 14 in contact with the insulating film is weakened, and the surface leakage current can be reduced.
[0066]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment of the invention. However, the invention is not limited to the embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say, there is.
[0067]
For example, in the above-described embodiment, a case where the present invention is applied to a CMOS image sensor has been described. However, the present invention can be applied to other imaging devices, for example, pixels of a CCD.
[0068]
In the above embodiment, the photodiode is n + -P junction, but the opposite conductivity type, ie, p + A -n junction may be used. In this case, the p-type and the n-type are reversed, but the same effect as in the above embodiment can be obtained.
[0069]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0070]
Photodiode n + N forming a p-junction + By reducing the width of the depletion layer at the periphery of the mold region and reducing the leakage current at the periphery of the pn junction interface, the leakage current at the pn junction can be reduced. Further, since the noise level can be reduced by reducing the leak current, a clear image can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a photodiode cell in which a photodiode and a MISFET constituting a light receiving unit of the image sensor according to the first embodiment are combined.
FIG. 2 is a plan layout diagram of the photodiode cell according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor substrate showing the photodiode cell according to the first embodiment;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a photodiode for describing a leak current of the photodiode according to the first embodiment.
FIG. 5 is a graph showing a leakage current at a pn junction of the photodiode according to the first embodiment.
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating an example of a method for manufacturing a photodiode cell according to Embodiment 1;
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating an example of a method for manufacturing a photodiode cell according to Embodiment 1;
8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating an example of a method for manufacturing a photodiode cell according to Embodiment 1; FIG.
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating an example of a method for manufacturing a photodiode cell according to Embodiment 1;
10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating an example of a method for manufacturing a photodiode cell according to Embodiment 1; FIG.
FIG. 11 is a sectional view of a principal part of a semiconductor substrate showing a photodiode cell according to the second embodiment;
FIG. 12 is an example of a plan layout diagram of a photodiode cell according to the second embodiment. FIG. 1A is a plan layout diagram of a first photodiode cell, and FIG. 2B is a plan layout diagram of a second photodiode cell.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a photodiode for describing a leak current of the photodiode according to the second embodiment.
FIG. 14 is a sectional view of a principal part of a semiconductor substrate showing a photodiode cell according to the third embodiment;
FIG. 15 is an example of a plan layout diagram of a photodiode cell according to the third embodiment. FIG. 1A is a plan layout diagram of a first photodiode cell, and FIG. 2B is a plan layout diagram of a second photodiode cell.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a photodiode for describing a leak current of the photodiode according to the third embodiment.
FIGS. 17A and 17B are cross-sectional views of main parts of a semiconductor substrate showing a photodiode studied by the present inventors.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 Element separation unit
2a Element isolation groove
2b Silicon oxide film
3 p-well
4an + Type area
4b n-type region
4b 1 n-type extension region
4b 2 n-type diffusion region
4c n + Type area
5 p + Type area
6 Gate insulating film
6a Silicon oxide film
7 Gate electrode
7a Surrounding electrode
8 Side wall spacer
8a sidewall spacer
9 Insulating film
10 Contact hole
11 plug
12 Wiring
13 n layers
14 Depletion layer
51 Semiconductor substrate
52 Element separation unit
53 p-well
54 p + Type area
55 n + Type area
56 Insulating film
57 Depletion layer
D 1 Photodiode
D 2 Photodiode
D 3 Photodiode
D 4 Photodiode
D 5 Photodiode
Qn MISFET
L 1 Bottom
L 2 Peripheral part
Vr reverse bias
Vg voltage
GND Ground potential
RP 1 Resist pattern
RP 2 Resist pattern
RP 3 Resist pattern

Claims (5)

基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、第1導電型の第1領域と、前記素子分離部から離間し、前記第1領域に囲まれた前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域と、前記第2領域の周辺部から前記素子分離部までの間の前記活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有し、
前記周囲電極の一部は前記素子分離部上に載り上がり、前記周囲電極と前記第2領域とは所定の距離をおいて配置され、前記第2領域に印加する電圧よりも高い電圧が前記周囲電極に印加されることを特徴とするフォトダイオード。
An active region surrounded by an isolation portion formed on a main surface of the substrate, a first region of a first conductivity type, and a first conductivity type separated from the isolation portion and surrounded by the first region; A second region of a second conductivity type different from the first region, and a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the second region and the element isolation portion via an insulating film. Has,
A part of the peripheral electrode rises on the element isolation portion, the peripheral electrode and the second region are arranged at a predetermined distance, and a voltage higher than a voltage applied to the second region is applied to the peripheral region. A photodiode which is applied to an electrode.
基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、第1導電型の第1領域と、前記素子分離部から離間し、前記第1領域に囲まれた前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域と、前記第2領域の周辺部から前記素子分離部までの間の前記活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有し、
前記周囲電極と前記第2領域、および前記周囲電極と前記素子分離部とはそれぞれ所定の距離をおいて配置され、前記第2領域に印加する電圧よりも高い電圧が前記周囲電極に印加されることを特徴とするフォトダイオード。
An active region surrounded by an isolation portion formed on a main surface of the substrate, a first region of a first conductivity type, and a first conductivity type separated from the isolation portion and surrounded by the first region; A second region of a second conductivity type different from the first region, and a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the second region and the element isolation portion via an insulating film. Has,
The peripheral electrode and the second region, and the peripheral electrode and the element isolation portion are respectively arranged at predetermined distances, and a voltage higher than a voltage applied to the second region is applied to the peripheral electrode. A photodiode characterized by the above-mentioned.
基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、第1導電型の第1領域と、前記素子分離部から離間し、前記第1領域に囲まれた前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域と、前記第2領域の周辺部から前記素子分離部までの間の前記活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有し、
前記周囲電極と前記第2領域、および前記周囲電極と前記素子分離部とはそれぞれ所定の距離をおいて配置され、前記周囲電極から前記素子分離部までの間の前記活性領域に前記第2導電型の第3領域が形成され、前記第2領域に印加する電圧よりも高い電圧が前記周囲電極に印加されることを特徴とするフォトダイオード。
An active region surrounded by an isolation portion formed on a main surface of the substrate, a first region of a first conductivity type, and a first conductivity type separated from the isolation portion and surrounded by the first region; A second region of a second conductivity type different from the first region, and a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the second region and the element isolation portion via an insulating film. Has,
The peripheral electrode and the second region, and the peripheral electrode and the element isolation portion are arranged at a predetermined distance from each other, and the active region between the peripheral electrode and the element isolation portion is provided with the second conductive layer. A photodiode, wherein a third region of a mold is formed, and a voltage higher than a voltage applied to the second region is applied to the peripheral electrode.
基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、第1導電型の第1領域と、前記素子分離部から離間し、前記第1領域に囲まれた前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域と、前記第2領域の周辺部から前記素子分離部までの間の前記活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有し、前記周囲電極の一部は前記素子分離部上に載り上がり、前記周囲電極と前記第2領域とは所定の距離をおいて配置され、前記第2領域に印加する電圧よりも高い電圧が前記周囲電極に印加されるフォトダイオードと、
ソース・ドレインを構成する前記第2導電型の第3領域の一方が前記フォトダイオードの前記第2領域に繋がる電界効果トランジスタとを備えることを特徴とするイメージセンサ。
An active region surrounded by an isolation portion formed on a main surface of the substrate, a first region of a first conductivity type, and a first conductivity type separated from the isolation portion and surrounded by the first region; A second region of a second conductivity type different from the first region, and a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the second region and the element isolation portion via an insulating film. A part of the peripheral electrode is mounted on the element isolation portion, the peripheral electrode and the second region are arranged at a predetermined distance, and is higher than a voltage applied to the second region. A photodiode, wherein a voltage is applied to the surrounding electrodes;
An image sensor, characterized in that one of the second regions of the second conductivity type constituting a source / drain includes a field effect transistor connected to the second region of the photodiode.
基板の主面に形成された素子分離部に囲まれた活性領域に、第1導電型の第1領域と、前記素子分離部から離間し、前記第1領域に囲まれた前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2領域と、前記第2領域の周辺部から前記素子分離部までの間の前記活性領域の上に絶縁膜を介して設けられた導電材料からなる周囲電極とを有し、前記周囲電極の一部は前記素子分離部上に載り上がり、前記周囲電極と前記第2領域とは所定の距離をおいて配置され、前記第2領域に印加する電圧よりも高い電圧が前記周囲電極に印加されるフォトダイオードと、
ソース・ドレインを構成する前記第2導電型の第3領域の一方が前記フォトダイオードの前記第2領域に繋がる電界効果トランジスタとを備えるイメージセンサであって、
前記周囲電極を構成する導電材料と、前記電界効果トランジスタのゲート電極を構成する導電材料とは同一層であることを特徴とするイメージセンサ。
An active region surrounded by an isolation portion formed on a main surface of the substrate, a first region of a first conductivity type, and a first conductivity type separated from the isolation portion and surrounded by the first region; A second region of a second conductivity type different from the first region, and a peripheral electrode made of a conductive material provided on the active region between the peripheral portion of the second region and the element isolation portion via an insulating film. A part of the peripheral electrode is mounted on the element isolation portion, the peripheral electrode and the second region are arranged at a predetermined distance, and is higher than a voltage applied to the second region. A photodiode, wherein a voltage is applied to the surrounding electrodes;
An image sensor comprising: a field-effect transistor in which one of the second regions of the second conductivity type forming a source / drain is connected to the second region of the photodiode;
An image sensor, wherein a conductive material forming the peripheral electrode and a conductive material forming a gate electrode of the field effect transistor are in the same layer.
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