(57)【要約】【課題】光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】本発明に係る半導体装置は、シリコン基板１に形成された光センサー用トランジスタ９及び比較用トランジスタ１０を有する半導体装置であって、前記光センサー用トランジスタは、シリコン基板上に形成されたゲート酸化膜２ａと、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極３ａと、ゲート電極の側壁下に形成され、シリコン基板に形成されたソース及びドレイン領域４，５と、を有するものであり、比較用トランジスタ１０は、シリコン基板上に形成されたゲート酸化膜２ｂと、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極の側壁下に形成され、シリコン基板に形成されたソース及びドレイン領域６，７と、を有するものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタを有する半導体装置であって、
前記光センサー用トランジスタは、半導体基板上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第１のソース領域及び第１のドレイン領域と、を有するものであり、
前記比較用トランジスタは、前記半導体基板上に形成された第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第２のソース領域及び第２のドレイン領域と、を有するものである半導体装置。
【請求項２】
前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知する回路をさらに有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路は、前記光センサー用トランジスタに電圧ストレスを印加し且つ前記比較用トランジスタに電圧ストレスを印加しない状態で、前記光センサー用トランジスタ及び前記比較用トランジスタに光を照射することにより、前記光センサー用トランジスタのしきい値電圧が変動した場合、前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知するものである請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが格子状に配置された受光部を備えた半導体装置であって、
前記光センサー用トランジスタは、半導体基板上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第１のソース領域及び第１のドレイン領域と、を有するものであり、
前記比較用トランジスタは、前記半導体基板上に形成された第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第２のソース領域及び第２のドレイン領域と、を有するものである半導体装置。
【請求項５】
前記格子状に配置された各々の光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知する回路をさらに有する請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記回路は、各々の光センサー用トランジスタに電圧ストレスを印加し且つ各々の比較用トランジスタに電圧ストレスを印加しない状態で、前記受光部に光を照射することにより、前記光センサー用トランジスタのしきい値電圧が変動した場合、前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知し、該しきい値電圧の差を画像データに変換するものである請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
第１のゲート電極、第１のソース領域及び第１のドレイン領域を有する光センサー用トランジスタ、及び、第２のゲート電極、第２のソース領域及び第２のドレイン領域を有する比較用トランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に第１及び第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のゲート絶縁膜上に第１のゲート電極を形成すると共に前記第２のゲート絶縁膜上に第２のゲート電極を形成する工程と、
前記第１及び第２のゲート電極をマスクとして前記半導体基板に不純物を導入することにより、前記第１のゲート電極の側壁下の前記半導体基板に第１のソース領域及び第１のドレイン領域を形成すると共に前記第２のゲート電極の側壁下の前記半導体基板に第２のソース領域及び第２のドレイン領域を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係わり、特に、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光センサーは、現在、光が当たっているか否かを検知するものである。光センサーとして現在、一般的に利用されているのは、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣｄＳ（ｃａｄｍｉｕｍ  ｓｕｌｐｈｉｄｅ）セルなどである。
フォトダイオードは、光が入射すると格子に結合されていた電子が、結合を解き放たれて自由な電子となり、自由な電子や正孔が発生し、これらの電子や正孔が空乏領域へ移動し、光の強弱に比例した強さの逆電流になるものである。
【０００３】
フォトトランジスタは、バイポーラトランジスタの構造を持った２端子光検出素子であり、光によって生成された電子・正孔対をトランジスタ作用により増幅し、光電流をコレクタ電流として検出するものである。
ＣｄＳセルは、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の一つでウルツ鉱型、閃亜鉛鉱型の結晶構造を示し、大きな光伝導性が特徴で光伝導素子に主に用いられている。
【０００４】
ここに挙げたものは、何れも光起電力効果、光導電効果等を利用して光センサーとして作動するものである。また、上述した光センサーは、光を当てたときだけその量をカウントし、光が当たっていないときは元の状態にもどるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製品において、光センサーとしての製品は多数存在する。また、ヒューズやメモリセルなどの状態を記憶できるデバイスを用いて、その製品の特性としているものも多数存在する。
しかし、光センサーと記憶できるデバイスの両方を兼ね備えた機能を持たせようとすると、前段階では製品としてチップを組み合わせるしかなく、また、１チップ化しようとすると、特にＣｄＳセルの場合、工程が複雑になり、技術的に難しい。
【０００６】
また、前述した光センサーで光が当たった量をトータルでカウントしようとすると、光センサー以外にメモリなどの別部品により管理するシステムが必要となる。そうすると部品点数が増えて、コストが高くなり、製造に手間がかかり、信頼性も低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を備えた半導体装置及びその半導体装置を低いコストで容易に製造できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トランジスタがある電圧ストレスの下で光が照射されると急速にしきい値電圧が変動（劣化）することを利用した光センサー機能とメモリ機能の両方を備えた半導体装置及びその製造方法である。半導体装置に光を照射した後にトランジスタのしきい値電圧の変化量を検出することにより、光照射の度合いを測定することが可能である。
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタを有する半導体装置であって、
前記光センサー用トランジスタは、半導体基板上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第１のソース領域及び第１のドレイン領域と、を有するものであり、
前記比較用トランジスタは、前記半導体基板上に形成された第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第２のソース領域及び第２のドレイン領域と、を有するものである。
【００１０】
上記半導体装置によれば、ゲート電極、ソース及びドレイン領域を有する光センサー用トランジスタ及びゲート電極、ソース及びドレイン領域を有する比較用トランジスタを半導体基板上に形成する。つまり、トランジスタが所定の電圧ストレスの下で光を当てると急速にしきい値電圧が変動（劣化）することを利用することにより、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を１チップに備えた半導体装置を作製することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る半導体装置においては、前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知する回路をさらに有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る半導体装置において、前記回路は、前記光センサー用トランジスタに電圧ストレスを印加し且つ前記比較用トランジスタに電圧ストレスを印加しない状態で、前記光センサー用トランジスタ及び前記比較用トランジスタに光を照射することにより、前記光センサー用トランジスタのしきい値電圧が変動した場合、前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知するものであることも可能である。
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが格子状に配置された受光部を備えた半導体装置であって、
前記光センサー用トランジスタは、半導体基板上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第１のソース領域及び第１のドレイン領域と、を有するものであり、
前記比較用トランジスタは、前記半導体基板上に形成された第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極の側壁下に形成され、前記半導体基板に形成された第２のソース領域及び第２のドレイン領域と、を有するものである。
【００１４】
上記半導体装置によれば、光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが格子状に配置された受光部を半導体基板に形成する。つまり、トランジスタが所定の電圧ストレスの下で光を当てると急速にしきい値電圧が変動（劣化）することを利用することにより、写真の感光フィルムのようなものとして使用することが可能となる。よって、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を半導体基板に備えた半導体装置を作製することができる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体装置においては、前記格子状に配置された各々の光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知する回路をさらに有することも可能である。
【００１６】
また、本発明に係る半導体装置においては、前記回路は、各々の光センサー用トランジスタに電圧ストレスを印加し且つ各々の比較用トランジスタに電圧ストレスを印加しない状態で、前記受光部に光を照射することにより、前記光センサー用トランジスタのしきい値電圧が変動した場合、前記光センサー用トランジスタと前記比較用トランジスタのしきい値電圧の差を検知し、該しきい値電圧の差を画像データに変換するものである。
【００１７】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１のゲート電極、第１のソース領域及び第１のドレイン領域を有する光センサー用トランジスタ、及び、第２のゲート電極、第２のソース領域及び第２のドレイン領域を有する比較用トランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に第１及び第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のゲート絶縁膜上に第１のゲート電極を形成すると共に前記第２のゲート絶縁膜上に第２のゲート電極を形成する工程と、
前記第１及び第２のゲート電極をマスクとして前記半導体基板に不純物を導入することにより、前記第１のゲート電極の側壁下の前記半導体基板に第１のソース領域及び第１のドレイン領域を形成すると共に前記第２のゲート電極の側壁下の前記半導体基板に第２のソース領域及び第２のドレイン領域を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面図である。
【００１９】
まず、シリコン基板１の表面上に熱酸化法によりゲート酸化膜２ａ，２ｂを形成し、ゲート酸化膜２ａ，２ｂの上にポリシリコン膜をＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により堆積する。次いで、このポリシリコン膜をパターニングすることにより、シリコン基板１の上にはゲート酸化膜を介してゲート電極３ａ，３ｂが形成される。
【００２０】
次いで、このゲート電極をマスクとして自己整合的にシリコン基板に不純物を導入することにより、シリコン基板１にはソース及びドレイン領域４〜７が形成される。ついで、ゲート電極３ａ，３ｂを含む全面上にはシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜８をＣＶＤ法により形成する。次いで、層間絶縁膜８の上にレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして層間絶縁膜８をエッチングすることにより、層間絶縁膜８にはコンタクトホール（図示せず）が設けられる。
【００２１】
次いで、コンタクトホール内及び層間絶縁膜８上に導電膜を堆積し、この導電膜をパターニングすることにより配線（図示せず）が形成される。配線はゲート電極３ａ，３ｂ、ソース及びドレイン領域４〜７に電気的に接続される。このようにしてゲート電極３ａ、ソース及びドレイン領域４，５は光センサー用トランジスタ９を構成し、ゲート電極３ｂ、ソース及びドレイン領域６，７は比較用トランジスタ１０を構成する。尚、光センサー用トランジスタ９及び比較用トランジスタ１０によって光センサーとしての機能とメモリ機能（状態を記憶できる機能）の両方を備えた半導体装置が構成される。
【００２２】
また、光センサーとして使用する前の両トランジスタ９，１０はしきい値電圧が同一となっている。光センサー用トランジスタ９及び比較用トランジスタ１０それぞれには、両者のしきい値電圧の差を検知する回路（図示せず）が接続されている。
【００２３】
次に、上記半導体装置を光センサーとして使用する方法について説明する。
光センサー用トランジスタ９には所定の電圧ストレスを印加し、比較用トランジスタ１０には電圧ストレスを印加しない。この状態で両トランジスタ９，１０に光１１が当たると、電圧ストレスを印加している光センサー用トランジスタ９のしきい値電圧は急速に変動（劣化）するが、電圧ストレスを印加していない比較用トランジスタ１０のしきい値電圧は変化しない。そして、光センサー用トランジスタ９に照射された光１１の度合い（照射量）によってしきい値電圧の変化量が異なる。
【００２４】
図２は、図１に示す半導体装置に相当する回路構成の一例を示す図である。
図３は、図２に示す電源側ライン、出力１及び出力２それぞれの電圧レベルを示す図である。
図４は、ゲート電圧ＶＧとドレイン電流ＩＤの関係を示すグラフである。
【００２５】
光センサー用トランジスタ９には光が照射されて図４（Ａ）に示すようにしきい値電圧が変動し、比較用トランジスタのしきい値電圧は図４（Ｂ）に示すように変化していない。この状態で、光センサー用トランジスタ９からの出力１と比較用トランジスタ１０からの出力２をしきい値電圧の差を検知する回路（図示せず）に導入する。この際、光センサー用トランジスタ９のしきい値電圧が変動しているため、図３に示すように、電圧レベルは電源側ラインレベル、出力２レベル、出力１レベルの順に低くなっている。そして、前記しきい値電圧の差を検知する回路によって出力１レベルと出力２レベルを比較してしきい値電圧の差を導出する。
【００２６】
次いで、導出したしきい値電圧の差が光センサー用トランジスタ９のしきい値電圧の変動分に相当する。このしきい値電圧の変動分と光センサー用トランジスタ９に照射される光の量の関係を予め求めておくことにより、検出したしきい値電圧の変動分から照射された光の量を検出することが可能となる。
【００２７】
上記実施の形態１によれば、ゲート電極３ａ、ソース及びドレイン領域４，５からなる光センサー用トランジスタ９及びゲート電極３ｂ、ソース及びドレイン領域６，７からなる比較用トランジスタ１０と両トランジスタ９，１０それぞれに接続された両トランジスタのしきい値電圧の差を検知する回路（図示せず）をシリコン基板１上に形成する。つまり、トランジスタが所定の電圧ストレスの下で光を当てると急速にしきい値電圧が変動（劣化）することを利用することにより、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を１チップに備えた半導体装置を作製することができる。
【００２８】
また、本実施の形態による半導体装置では、従来の光センサーに比べて機能が単純で部品点数が少ないので、製造コストを抑えることができ、製造の手間も少なくなり、信頼性も向上させることができる。また、光センサー用トランジスタ９のチャネル領域の不純物濃度やソース領域及びドレイン領域の不純物濃度などの設定値を制御することにより、光センサー用トランジスタのしきい値電圧の変動スピードをある範囲でコントロールすることができる。
【００２９】
また、両トランジスタ９，１０の上方にフィルターを設けることにより、両トランジスタ９，１０に照射される光の波長をコントロールすることも可能である。また、光センサー用トランジスタ９のしきい値電圧が一度シフトしたら、該トランジスタ９に電力を供給しなくてもその状態を保持できるという利点がある。
【００３０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による半導体装置を模式的に示す構成図である。この半導体装置は受光部１２を有しており、この受光部１２は図１に示す光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが格子状に配置されたて構成されている。つまり、各格子部分１２ａに光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが形成されており、光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタそれぞれは回路１３に配線によって接続されている。回路１３は、各光センサー用トランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのシフト量を実施の形態１と同様の方法により検出するものである。
【００３１】
上記半導体装置は、光センサー用トランジスタがある電圧ストレスの下、光を当てることにより急速にしきい値電圧Ｖｔｈが変動（劣化）することを利用して、それを写真の感光フィルムのようなもの（新しい画像蓄積方式）として使用するものである。光センサー用トランジスタに当たる光の強さにより光センサー用トランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈが様々に変化する。このため、光照射後に各格子１２ａに配置した光センサー用トランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈを回路１３で読み取ることにより、画像データに変換することができる。尚、照射される光の波長により変化する量を把握しておけば、カラー化も可能である。
【００３２】
図６は、図５に示す半導体装置に光を照射し、その照射部分を画像として表した図である。斜線が描かれている領域（即ちコ字形の領域）１２ｂに光が照射され、その領域１２ｂの光センサー用トランジスタのしきい値電圧が変動したのを回路１３によって検出し、その検出した光センサー用トランジスタの格子部分に斜線を表している。
【００３３】
上記実施の形態２によれば、光センサー用トランジスタ及び比較用トランジスタが格子状に配置された受光部１２と、各格子部分の光センサー用トランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのシフト量を検出する回路１３とをシリコン基板上又は１チップに形成する。つまり、トランジスタが所定の電圧ストレスの下で光を当てると急速にしきい値電圧が変動（劣化）することを利用することにより、写真の感光フィルムのようなものとして使用することが可能となる。よって、光センサーとしての機能と状態を記憶できるメモリ機能の両方を１チップに備えた半導体装置を作製することができる。
【００３４】
また、本実施の形態による半導体装置では、実施の形態１と同様に、従来の光センサーに比べて機能が単純で部品点数が少ないので、製造コストを抑えることができ、製造の手間も少なくなり、信頼性も向上させることができる。また、光センサー用トランジスタのチャネル領域の不純物濃度やソース領域及びドレイン領域の不純物濃度などの設定値を制御することにより、光センサー用トランジスタのしきい値電圧の変動スピードをある範囲でコントロールすることができる。
【００３５】
また、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、両トランジスタの上方にフィルターを設けることにより、両トランジスタに照射される光の波長をコントロールすることも可能である。また、光センサー用トランジスタのしきい値電圧が一度シフトしたら、該トランジスタに電力を供給しなくてもその状態の画像を保持できるという利点がある。
【００３６】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、図２に示すような回路構成の具体例を挙げているが、この回路構成に限定されるものではなく、トランジスタの組み合わせによって種々の回路構成に変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による半導体装置を示す断面図。
【図２】図１に示す半導体装置に相当する回路構成の一例を示す図。
【図３】図２に示す電源側ライン、出力１、出力２の電圧レベルを示す図。
【図４】ゲート電圧ＶＧとドレイン電流ＩＤの関係を示すグラフ。
【図５】実施の形態２による半導体装置を模式的に示す構成図。
【図６】図５の半導体装置に光を照射して照射部分を画像として表した図。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２ａ，２ｂ…ゲート酸化膜、３ａ，３ｂ…ゲート電極、４〜７…ソース領域及びドレイン領域、８…層間絶縁膜、９…光センサー用トランジスタ、１０…比較用トランジスタ、１１…光、１２…受光部、１２ａ…格子部分、１２ｂ…斜線が描かれている領域（コ字形の領域）、１３…回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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