JP2000031451A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固体イメージセンサにおいて、画素となるフォ
トダイオードの電荷蓄積用の「容量」を減少させること
なく光電変換の「感度」を上昇させる。 【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板の表層部に
形成されたＰウエル１２と、Ｐウエルの表層部で絶縁分
離された素子領域内に形成されたＮ型不純物領域を有す
るフォトダイオードおよびフォトダイオードから信号を
読み出すためのＮＭＯＳトランジスタの活性領域を含む
単位セルが二次元の行列状に配置された撮像領域とを具
備し、フォトダイオードのＮ型不純物領域１７１の底面
部は少なくとも２つ以上の凸部１７２を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置およ
びその製造方法に係り、特に光電変換部（フォトダイオ
ード）の構造およびその形成方法に関するもので、例え
ばビデオカメラなどに使用される。

【０００２】

【従来の技術】図５は、１画素毎に画素信号の読み出し
が可能な読み出し回路を備えた従来のＭＯＳ型固体イメ
ージセンサにおいて、撮像領域に二次元の行列状に配置
された１ピクセル／１ユニット（１画素）の単位セルの
等価回路を示している。

【０００３】図５に示す単位セルは、固体イメージセン
サの撮像領域に二次元の行列状に配置されて形成されて
おり、フォトダイオード１のアノード側に接地電位が与
えられ、フォトダイオード１のカソード側は読み出しト
ランジスタ（シャッタゲートトランジスタ）３を介して
増幅トランジスタ４のゲートに接続されるとともにリセ
ットトランジスタ６を介してリセット電位ＶＲに接続さ
れている。

【０００４】上記読み出しトランジスタ３のゲートには
読取り線２が接続されており、リセットトランジスタ６
のゲートにはリセット線７が接続されている。また、前
記増幅トランジスタ４は、一端側が垂直信号線５に接続
され、他端側が垂直選択トランジスタ９を介して電源電
位Ｖccに接続されており、上記垂直選択トランジスタ９
のゲートには垂直選択線（アドレス線）８が接続されて
いる。

【０００５】また、図示しないが、固体イメージセンサ
の撮像領域外には、前記読取り線２を選択駆動するため
の垂直シフトレジスタ、前記垂直信号線５の一端側に接
続される負荷トランジスタ、前記垂直信号線５の他端側
にノイズキャンセラー回路を介して一端側が接続される
水平読み出しトランジスタ、この水平読み出しトランジ
スタの他端側に接続される水平信号線、前記水平読み出
しトランジスタのゲートを選択駆動するための水平シフ
トレジスタ、前記水平信号線と所定電位ノードとの間に
接続される水平リセットトランジスタなどが設けられ
る。

【０００６】なお、２ピクセル／１ユニット（２画素）
の単位セルが撮像領域に二次元の行列状に配置される固
体イメージセンサも本願出願人により提案されている
（特願平８−２４８３６１号）。

【０００７】次に、図５に示した単位セルを二次元の行
列状に配置された撮像領域を有する固体イメージセンサ
における単位セルの動作の概要を説明する。各単位セル
において、フォトダイオード１の入射光が光電変換され
て生じた信号電荷は、フォトダイオード１に蓄積され
る。この信号電荷を読み出す前に、前記リセット線７に
“Ｈ”レベルのリセット信号が与えられてリセットトラ
ンジスタ６がオンになり、増幅トランジスタ４のゲート
電位が所望の電位にリセットされる。

【０００８】次に、読取り線２に“Ｈ”レベルの読取り
信号が与えられて読み出しトランジスタ３がオンになる
ことにより、前記フォトダイオード１の蓄積電荷が読み
出しトランジスタ３を介して増幅トランジスタ４のゲー
トに転送され、このゲート電位を変化させる。

【０００９】この時、垂直選択線８に“Ｈ”レベルの選
択信号が与えられると、垂直選択トランジスタ９がオン
になり、この垂直選択トランジスタ９を介して増幅トラ
ンジスタ４に電源電位Ｖccが供給される。これにより、
ソースフォロア接続されている増幅トランジスタ４は、
ゲートの電位を増幅（電荷／電圧変換）して垂直信号線
５に出力する。

【００１０】ところで、フォトダイオード１に要求され
る主な項目としては、より多くの電荷を発生させるため
の「感度」と、光電変換により発生した電荷をより多く
蓄積しておくための「容量」が挙げられる。

【００１１】しかし、従来のフォトダイオード１の構造
は、「感度」と「容量」を独立に制御できず、両者はト
レードオフの関係になっている。以下、この点について
詳細に説明する。

【００１２】図６（ａ）乃至（ｃ）は、図５に示した単
位セルを二次元の行列状に配置された撮像領域を有する
固体イメージセンサを製造する際のフォトダイオード１
および読み出しトランジスタ（ＮＭＯＳトランジスタ）
３の形成工程における断面構造の一例を示している。

【００１３】まず、図６（ａ）に示すように、Ｐ型シリ
コン基板１１上にＰ型半導体層（Ｐウエル）１２を形成
し、その表層部に選択的に素子分離領域１３として例え
ば選択酸化膜を形成した後、基板表面にゲート絶縁膜
（通常、シリコン酸化膜）１４を形成する。

【００１４】その後、前記素子分離領域１３により絶縁
分離された素子領域内のゲート絶縁膜１４上に選択的に
ＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲート電極１５（図
５中の読取り線２の一部）を形成し、フォトダイオード
形成予定領域以外の領域上にレジストパターン１６を形
成し、このレジストパターン１６をマスクとしてＰウエ
ル１２にリン（Ｐ）をイオン注入して光電変換蓄積領域
（フォトダイオード）のＮ型不純物領域（およびそれに
隣接するＮＭＯＳトランジスタのソース領域）１７を形
成する。

【００１５】次に、前記レジストパターン１６を除去
し、図６（ｂ）に示すように、ＮＭＯＳトランジスタの
ドレイン形成予定領域以外の領域上にレジストパターン
１８を形成し、このレジストパターン１８をマスクとし
てＰウエル１２にリン（Ｐ）をイオン注入してドレイン
領域１９を形成する。

【００１６】この際、予めＮＭＯＳトランジスタ用のチ
ャネルイオンインプラを行うことによって、ＬＤＤ（ラ
イトリー・ドープト・ドレイン）構造のドレイン領域を
形成する場合が多い。

【００１７】また、前記素子分離領域１３の底面下には
フィールドイオンインプラ領域を形成する場合が多い。
また、前記素子分離領域１３上には、図示しないが、他
のＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲート電極配線な
どの配線が形成される。

【００１８】この後、前記レジストパターン１８を除去
すると、図６（ｃ）に示すような構造が得られる。この
ような構造を有する固体イメージセンサの使用に際し
て、電源電位Ｖccは例えば３．３Ｖが使用され、Ｐウエ
ル１２は接地電位に接続され、Ｐ型基板１１およびＰウ
エル１２は接地電位に接続され、Ｐウエル１２にはフォ
トダイオードのＮ型不純物領域１７との接合部に空乏層
１０が存在するようになる。

【００１９】なお、シリコン基板としてＮ型を使用する
場合には、Ｎ型基板に電源電位Ｖccより高い所定電位
（例えば１０Ｖ）のバイアスが印加される。ところで、
図６（ｃ）に示した構造を有するフォトダイオードの
「感度」を上げるための手法として、従来は、フォトダ
イオードのＮ型不純物領域１７あるいはＰウエル１２の
不純物濃度を減少させ、両者の接合部の空乏層１０の幅
を広げるようにしていた。

【００２０】しかし、このように対策は、「感度」を上
げることは可能であるが、フォトダイオードのＮ型不純
物領域１７とＰウエル１２との接合容量が減少してしま
うので、フォトダイオードでの光電変換により発生した
電荷をより多く蓄積しておくことができなくなる。

【００２１】したがって、フォトダイオードの電荷蓄積
用の「容量」を減少させることなく「感度」を上昇させ
ることが困難であり、これを達成しようとすると、製造
プロセスのマージンが非常に狭くなり、実現が困難であ
った。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
固体イメージセンサのフォトダイオードの構造は、光電
変換の「感度」と電荷蓄積用の「容量」を独立に制御で
きず、両者はトレードオフの関係になっており、「容
量」を減少させることなく「感度」を上昇させることが
困難であるという問題があった。

【００２３】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、半導体層の表層部にＰＮ接合を有するフォト
ダイオードの電荷蓄積用の「容量」を減少させることな
く光電変換の「感度」を上昇させることが容易になる固
体撮像装置を提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、半導体基板と、前記半導体基板の表層部に形成され
たＰウエルと、前記Ｐウエルの表層部で絶縁分離された
素子領域内に形成されたＮ型領域を有するフォトダイオ
ードおよび前記フォトダイオードから信号を読み出すた
めのＮＭＯＳトランジスタの活性領域を含む単位セルが
二次元の行列状に配置された撮像領域とを具備し、前記
フォトダイオードのＮ型領域の底面部は少なくとも２つ
以上の凸部を有することを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。 ＜第１実施例＞第１実施例のＭＯＳ型固体イメージセン
サは、１画素の単位セルが二次元の行列状に配置された
アレイからなる撮像領域を具備し、各単位セルは例えば
図５を参照して前述した等価回路を有するように形成さ
れており、図６（ｃ）を参照して前述した従来例の断面
構造と比べて、フォトダイオードの構造が異なる。

【００２６】図１（ａ）、（ｂ）および図２（ａ）、
（ｂ）は、第１実施例に係るＭＯＳ型固体イメージセン
サを製造する際のフォトダイオードおよび読み出しトラ
ンジスタ（ＮＭＯＳトランジスタ）の形成工程における
断面構造の一例を示している。

【００２７】図３は、図２（ｂ）の一部に対応する平面
パターンの一例を示している。以下、図１および図２を
参照しながらフォトダイオードおよび読み出しトランジ
スタ（ＮＭＯＳトランジスタ）の形成工程の一例を説明
する。

【００２８】まず、図１（ａ）に示すように、Ｐ型シリ
コン基板１１上にＰウエル１２を形成し、その表層部に
選択的に素子分離領域１３として例えば選択酸化膜を形
成した後、基板表面にゲート絶縁膜（通常、シリコン酸
化膜）１４を形成する。

【００２９】その後、前記素子分離領域１３により絶縁
分離された素子領域内のゲート絶縁膜１４上に選択的に
ＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲート電極１５（図
５中の読取り線２の一部）を形成し、フォトダイオード
形成予定領域以外の領域上に第１のレジストパターン１
６を形成し、この第１のレジストパターン１６をマスク
としてＰウエル１２にＮ型不純物、例えばリン（Ｐ）を
イオン注入して光電変換蓄積領域（フォトダイオード）
の第１のＮ型不純物領域（およびそれに隣接するＮＭＯ
Ｓトランジスタのソース領域）１７１を形成する。

【００３０】次に、図１（ｂ）に示すように、前記第１
のレジストパターン１６を除去し、イオン注入により前
記第１のＮ型不純物領域１７１の底面部に少なくとも２
つ以上の凸部を形成するために、この凸部形成予定領域
以外の領域上に、例えば３本の縦桟状の第２のレジスト
パターン１６ａを形成する。

【００３１】そして、この第２のレジストパターン１６
ａをマスクとしてＮ型不純物、例えば前記第１のＮ型不
純物領域１７１の形成時と同様のリン（Ｐ）をイオン注
入してフォトダイオードの第１のＮ型不純物領域１７１
の底面部から突出させるように第２のＮ型不純物領域１
７２を形成する。

【００３２】この際、第２のレジストパターン１６ａ
は、それをマスクとして形成される第２のＮ型不純物領
域１７１の３本の凸部の相互間隔が、第２のＮ型不純物
領域１７２とＰウエル１２との接合部にデバイス使用時
に図２（ｂ）に示すように生じる空乏層２０の幅よりも
広いように、つまり、近接する凸部のそれぞれ近傍に生
じる空乏層２０の先端部同士が連ならないようにパター
ニングしておくことが望ましい。

【００３３】さらに、前記第２のＮ型不純物領域１７２
を形成するためのイオン注入の条件として、イオン加速
エネルギーは第１のＮ型不純物領域１７１を形成する時
のイオン加速エネルギーよりも高くなり、イオン注入量
は第１のＮ型不純物領域１７１を形成する時のイオン注
入量よりも少なくなることが望ましい。

【００３４】次に、図１（ｃ）に示すように、前記第２
のレジストパターン１６ａを除去し、ＮＭＯＳトランジ
スタのドレイン形成予定領域以外の領域に第３のレジス
トパターン１８を形成し、この第３のレジストパターン
１８をマスクとしてＰウエル１２にリン（Ｐ）をイオン
注入してドレイン領域１９を形成する。

【００３５】この際、予めＮＭＯＳトランジスタ用のチ
ャネルイオンインプラを行うことによって、ＬＤＤ構造
のドレイン領域を形成する場合が多い。また、前記素子
分離領域１３の底面下にはフィールドイオンインプラ領
域を形成する場合が多い。また、前記素子分離領域１３
上には、図示しないが、他のＭＯＳトランジスタのポリ
シリコンゲート電極配線などの配線が形成される。

【００３６】この後、前記第３のレジストパターン１８
を除去すると、図２（ｂ）に示すような構造および図３
に示すような平面パターンを有するフォトダイオードが
得られる。

【００３７】このような構造を有する固体イメージセン
サの使用に際して、電源電位Ｖccは例えば３．３Ｖが使
用され、Ｐ型基板１１およびＰウエル１２は接地電位に
接続される。

【００３８】上記したような構造のフォトダイオードを
有する固体イメージセンサの動作は、図５を参照して前
述した従来の動作と基本的に同様であるので説明を省略
するが、フォトダイオードの電荷蓄積用の「容量」を減
少させることなく光電変換の「感度」を上昇させること
が可能になっている。

【００３９】即ち、フォトダイオードのＮ型不純物領域
の底面部は少なくとも２つ以上の凸部を有し、図２
（ｂ）に示すように、Ｐウエル１２にはフォトダイオー
ドの第１のＮ型不純物領域１７１との接合部および第２
のＮ型不純物領域１７２との接合部に空乏層２０が存在
するようになる。

【００４０】この場合、フォトダイオードのＮ型不純物
領域の底面部に凸部を有さない従来例と比べて、フォト
ダイオードのＮ型不純物領域とＰウエルとの接合部に生
じる空乏層２０の面積（ひいては「容量」）が広がって
おり、フォトダイオードで発生した電荷をより多く蓄積
することが可能になる。

【００４１】しかも、第２のＮ型不純物領域１７２の凸
部相互の間隔が第２のＮ型不純物領域１７２とＰウエル
１２との接合部に生じる空乏層２０の幅よりも広いよう
に形成されることにより、近接する凸部のそれぞれ近傍
に生じる空乏層２０の先端部同士が連ならないので、空
乏層２０の面積が従来例よりも確実に広がる。

【００４２】したがって、フォトダイオードの光電変換
の「感度」を上昇させるためにＮ型不純物領域あるいは
Ｐウエルの不純物濃度を減少させ、両者の接合部の空乏
層の幅を広げるようにしても、「容量」の低下を抑制さ
せることが可能になる。

【００４３】つまり、図２（ｂ）に示すような構造のフ
ォトダイオードによれば、電荷蓄積用の「容量」を減少
させることなく光電変換の「感度」を上昇させることが
容易になり、これを達成するための製造プロセスのマー
ジンが大きくなる。

【００４４】なお、上記第１実施例のフォトダイオード
１の形成工程では、フォトダイオードのＮ型不純物領域
の底面部に少なくとも２つ以上の凸部を形成するために
少なくとも２回以上のイオン注入を行う。この場合、２
つ以上のイオン種あるいは加速エネルギーによりイオン
注入を行う。

【００４５】このように形成されたフォトダイオードの
Ｎ型不純物領域の特徴は、 （１）フォトダイオードのＮ型不純物領域の素子表面部
付近のイオン注入面積がＮ型不純物領域の深部のイオン
注入面積よりも広い。

【００４６】（２）濃度が異なる少なくとも２つ以上の
不純物層により構成されている。 （３）深さが異なる少なくとも２つ以上の不純物層によ
り構成されている。 （４）少なくとも２つ以上のイオン種あるいは加速エネ
ルギーによりイオン注入されてなり、注入されたイオン
の濃度のピークがＰウエルの深さ方向に１つだけ存在す
るような不純物濃度分布を有する。

【００４７】＜第２実施例＞第２実施例のＭＯＳ型固体
イメージセンサは、第１実施例のＭＯＳ型固体イメージ
センサと比べて、図４に示すように第１のＮ型不純物領
域１７１の底面部に形成される凸部（第２のＮ型不純物
領域１７２）が平面的にみて格子状に形成されている点
が異なり、その他は同じである。

【００４８】第２実施例のＭＯＳ型固体イメージセンサ
の形成工程は、図１および図２を参照して前述した第１
実施例のＭＯＳ型固体イメージセンサの形成工程と比べ
て、図１（ｂ）の工程において使用する第２のレジスト
パターン１６ｂとして、フォトダイオードの第１のＮ型
不純物領域１７１の上方部分に格子状のレジストパター
ンを形成する点が異なり、その他は同じであるので説明
を省略する。

【００４９】なお、上記各実施例は、図５を参照して前
述したような等価回路を有する１画素の単位セルのアレ
イを有する固体イメージセンサを示したが、前述したよ
うな２画素の単位セルのアレイを有する固体イメージセ
ンサにも本発明を適用可能である。

【００５０】

【発明の効果】上述したように本発明の固体撮像装置お
よびその製造方法によれば、半導体層の表層部にＰＮ接
合を有するフォトダイオードの電荷蓄積用の「容量」を
減少させることなく光電変換の「感度」を上昇させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るＭＯＳ型固体イメー
ジセンサにおけるフォトダイオードおよびＮＭＯＳトラ
ンジスタの形成工程の一部を示す断面図。

【図２】図１の工程に続く工程を示す断面図。

【図３】図２（ｂ）の一部に対応する平面パターンを示
す図。

【図４】本発明の第２実施例に係るＭＯＳ型固体イメー
ジセンサにおけるフォトダイオード付近の平面パターン
を示す図。

【図５】１画素毎に画素信号の読み出しが可能な読み出
し回路を備えた従来のＭＯＳ型固体イメージセンサにお
ける１画素の単位セルを示す等価回路図。

【図６】従来のＭＯＳ型固体イメージセンサにおけるフ
ォトダイオードおよびＮＭＯＳトランジスタの形成工程
を示す断面図。

【符号の説明】

１１…Ｐ型シリコン基板、 １２…Ｐウエル、 １３…素子分離領域、 １４…ゲート絶縁膜、 １５…ポリシリコンゲート電極、 １６…第１のレジストパターン、 １６ａ…第２のレジストパターン、 １７１…フォトダイオードの第１のＮ型不純物領域、 １７２…第２のＮ型不純物領域、 １８…第３のレジストパターン、 １９…ドレイン領域、 ２０…空乏層。

フロントページの続き (72)発明者 猪熊 英幹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝多摩川工場内 Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA14 CA03 CA18 DD04 EA14 FA06 FA28 FA33 FA42 5C024 AA01 CA12 CA15 CA31 FA01 GA01 GA31

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板の表層部に形成されたＰウエルと、 前記Ｐウエルの表層部で絶縁分離された素子領域内に形
   成されたＮ型不純物領域を有するフォトダイオードおよ
   び前記フォトダイオードから信号を読み出すためのＮＭ
   ＯＳトランジスタの活性領域を含む単位セルが二次元の
   行列状に配置された撮像領域とを具備し、 前記フォトダイオードのＮ型領域の底面部は少なくとも
   ２つ以上の凸部を有することを特徴とする固体撮像装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の固体撮像装置において、 前記フォトダイオードのＮ型不純物領域は、不純物濃度
   が異なる少なくとも２つ以上の不純物層により構成され
   ていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の固体撮像装置に
   おいて、 前記フォトダイオードのＮ型不純物領域は、深さが異な
   る少なくとも２つ以上の不純物層により構成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   固体撮像装置において、 前記フォトダイオードのＮ型不純物領域は、少なくとも
   ２つ以上のイオン種あるいは加速エネルギーによりイオ
   ン注入されてなり、注入されたイオンの濃度のピークが
   Ｐウエルの深さ方向に１つだけ存在するような不純物濃
   度分布を有することを特徴とする固体撮像装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の固体撮像装置において、 前記フォトダイオードのＮ型不純物領域は、素子表面部
   付近のイオン注入面積がＮ型不純物領域の深部のイオン
   注入面積よりも広いことを特徴とする固体撮像装置。
6. 【請求項６】 半導体基板上にＰウエルを形成し、その
   表層部に選択的に素子分離領域を形成した後、基板表面
   にゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記素子分離領域により絶縁分離された素子領域内のフ
   ォトダイオード形成予定領域以外の領域上に第１のレジ
   ストパターンを形成し、前記第１のレジストパターンを
   マスクとして前記ＰウエルにＮ型不純物をイオン注入し
   てフォトダイオードの第１のＮ型不純物領域を形成する
   工程と、 前記第１のＮ型不純物領域の底面部に形成しようとする
   少なくとも２つ以上の凸部領域以外の領域上に第２のレ
   ジストパターンを形成し、前記第２のレジストパターン
   をマスクとしてＮ型不純物をイオン注入して前記第１の
   Ｎ型不純物領域の底面部から突出させるように第２のＮ
   型不純物領域を形成する工程とを具備することを特徴と
   する固体撮像装置の製造方法。