JP2002016242A - Mos型固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
Mos型固体撮像装置及びその製造方法Info
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Abstract
微細化されても、電荷転送能力向上とパンチスルー防止
を同時に実現する。 【解決手段】 p+ 型パンチスルー防止領域6は、フ
ォトダイオードのn−型信号蓄積領域2直下には形成さ
れていない。n− 型信号蓄積領域2は、p型半導体基
板1内に形成される。p+ 型パンチスルー防止領域6
は、フォトダイオード及び読み出しゲートが形成される
素子領域A以外の素子領域Bには、その素子領域Bの全
体に形成される。また、p+ 型パンチスルー防止領域
6は、素子間のパンチスルー防止のため、絶縁分離層1
0の直下にも形成される。n型第1半導体領域4直下に
は、p+ 型パンチスルーストッパ5を形成してもよ
い。
Description
装置のデバイス構造に関し、特に、ゲート長(チャネル
長)が短く、ゲート酸化膜が薄いために、パンチスルー
が問題となるようなMOSトランジスタを有するMOS
型固体撮像装置に使用される。
素分の回路構成を示している。
するためのフォトダイオード21、フォトダイオード2
1の電荷を検出部(検出ノード)Dに転送するための読
み出しゲート22、検出部Dの電荷(電位)をリセット
するためのリセットゲート23、検出部Dの電位を増幅
する増幅ゲート24及び選択された画素の電位を出力す
るための選択ゲート25から構成される。
において光電変換され、かつ、信号蓄積領域に蓄積され
た電荷は、読み出しゲート22を経由して検出部Dに転
送される。フォトダイオード21から検出部Dに転送さ
れた電荷は、検出部Dの電位を変化させる。増幅ゲート
24は、この検出部Dの電位変化を増幅するため、増幅
された信号電位が画素から出力される。
は、フォトダイオード(光電変換部)21の信号蓄積領
域に蓄積された電荷の全てを検出部Dに完全に転送する
こと、さらには、全画素内のフォトダイオード21の特
性を安定させることなどを目的として、半導体基板(又
はウェル領域)の不純物濃度は、できるだけ薄くするこ
とが求められている。
不純物濃度の値が低い場合において、画素容量の増大
(画素の高密度化)のためにMOSトランジスタが微細
化され、その結果、MOSトランジスタのゲート長(チ
ャネル長)が短くなり、かつ、そのゲート酸化膜が薄く
なると、ゲート制御に関係なく、MOSトランジスタの
ソースからドレインに電荷が流れるというパンチスルー
が発生する。
号(電荷)がMOSトランジスタを流れることになり、
固体撮像装置の正常動作を確保できなくなる。
要となる。従来、ロジック製品においては、このパンチ
スルーを防止するために、半導体基板の内部(表面から
十分に深い位置)にパンチスルー防止領域が設けられて
いる。
スタのソースとドレインの間のリークを防止するもので
あるため、通常、半導体基板がp型、MOSトランジス
タのソース及びドレインがn型の場合には、パンチスル
ー防止領域は、p型となる。そして、このようなパンチ
スルー防止領域は、ロジック製品に対しては、パンチス
ルーの防止に非常に有効な手段となっている。
は、半導体基板の内部(表面から十分に深い位置)に、
フォトダイオードを形成する必要がある。フォトダイオ
ードは、例えば、p型半導体基板とn型信号蓄積領域
(不純物領域)から構成されるため、この信号蓄積領域
を半導体基板の内部(表面から十分に深い位置)に形成
しなければならない。
止領域を形成しようとすると、フォトダイオードの信号
蓄積領域を構成する不純物(例えば、リン)の導電型
(例えば、n型)と、パンチスルー防止領域を構成する
不純物(例えば、ホウ素)の導電型(例えば、p)は、
互いに逆となる。しかも、上述のように、これら信号蓄
積領域とパンチスルー防止領域は、半導体基板の内部の
ほぼ同じ位置(表面から十分に深い位置)に形成され
る。
ルー防止領域を適用しようとすると、通常、パンチスル
ー防止領域を形成した後に、パンチスルー防止領域内に
信号蓄積領域を形成することになるため、信号蓄積領域
を形成する際には、パンチスルー防止領域の導電型(例
えば、p型)を反転させるに十分な量の不純物(例え
ば、n型不純物)を注入しなければならない。
ドの信号蓄積領域に蓄積された電荷の全てを完全に読み
出すためには、フォトダイオードの空乏化電位をできる
だけ小さくすることが重要となる。フォトダイオードの
空乏化電位を小さくするためには、フォトダイオードの
信号蓄積領域をできるだけ低い不純物濃度で安定的に形
成することが有効となる。
の信号蓄積領域をパンチスルー防止領域内に形成する場
合には、パンチスルー防止領域の導電型(例えば、p
型)を反転させるに十分な量の不純物(例えば、n型不
純物)を半導体基板内に導入しなければならない。単純
に見積もっても、パンチスルー防止領域のp型不純物濃
度よりも高い不純物濃度のn型不純物を半導体基板内に
注入する必要がある。
純物による影響が互いに相殺される点を考慮すると、フ
ォトダイオードの信号蓄積領域の不純物濃度は、概ね、
イオン注入により半導体基板内に注入されるn型不純物
量dnからパンチスルー防止領域を構成するp型不純物
の不純物濃度dpを引いた値(dn−dp)に等しくな
る。
注入されるn型不純物量dn及びパンチスルー防止領域
を構成するp型不純物の不純物濃度dpは、共に、比較
的大きな数値となる。つまり、大きな数値から大きな数
値を引いて小さい数値を得ようとする場合には、大きな
数値の小さな変動が小さな数値の大きな変動となるた
め、MOS型固体撮像装置にパンチスルー防止領域を適
用した場合には、フォトダイオードの信号蓄積領域の不
純物濃度を、薄くし、かつ、安定して得ることが非常に
難しくなる。
入するn型不純物の不純物濃度の小さな変動が、フォト
ダイオードの信号蓄積領域の不純物濃度の大きな変動と
なり、これに伴い、フォトダイオードの空乏化電位も大
きく変動し、安定的に、信号蓄積領域の電荷を読み出す
ことができなくなる。
固体撮像装置においては、画素容量の増大(画素の高密
度化)に起因し、MOSトランジスタのゲート長が短
く、ゲート酸化膜の厚さが薄くなって、パンチスルーが
問題となってきている。一方、既に、ロジック製品など
において実用化されているパンチスルー防止領域を、単
に、MOS型固体撮像装置に適用することは、フォトダ
イオードの信号蓄積領域の存在により非常に困難となっ
ている。
は、フォトダイオードの信号蓄積領域の不純物濃度を、
薄く、かつ、安定させ、フォトダイオードの空乏化電位
を、低く、かつ、安定させることが好ましい。しかし、
パンチスルー防止領域を設けると、このパンチスルー防
止領域の導電型を反転させて信号蓄積領域を形成しなけ
ればならないため、信号蓄積領域を、低不純物濃度で、
かつ、安定的に形成できなくなるからである。
ては、MOSトランジスタが微細化され、パンチスルー
が問題となるような場合に、パンチスルー防止のための
パンチスルー防止領域を設けると、フォトダイオードの
空乏化電位を低く、かつ、安定させることが困難で、均
一な電荷転送能力を持つMOS型固体撮像装置を安定的
に製造することができなかった。
れたもので、その目的は、フォトダイオードの信号蓄積
領域を、低不純物濃度で、かつ、安定的に形成できると
共に、MOSトランジスタが微細化されても、パンチス
ルーを防止することができるMOS型固体撮像装置及び
その製造方法を提案することにある。
型固体撮像装置は、第1導電型の半導体基板内に形成さ
れる光電変換素子と、前記半導体基板の第1素子領域内
に形成され、前記光電変換素子により生成される電荷を
読み出すための第2導電型の第1MOSトランジスタ
と、前記半導体基板の第2素子領域内に形成される第2
導電型の第2MOSトランジスタとを備え、前記第2素
子領域の全体にパンチスルーを防止するための第1導電
型のパンチスルー防止領域が設けられている。
に、前記第1及び第2素子領域を取り囲む絶縁分離層を
備え、前記パンチスルー防止領域は、前記絶縁分離層の
直下にも設けられている。
子領域の周辺部に前記絶縁分離層に沿って設けられてい
る。
前記パンチスルー防止領域の端までの幅は、前記パンチ
スルー防止領域を形成する際に使用するマスク材の合わ
せずれ以上に確保されている。前記幅は、例えば、0.
2μm以上に設定される。
ー防止領域の位置は、前記絶縁分離層の直下における前
記パンチスルー防止領域の位置よりも深い。
画素を有し、各画素は、前記光電変換素子、前記第1M
OSトランジスタ及び前記第2MOSトランジスタを有
している。
に形成され、前記第1MOSトランジスタのソースが前
記光電変換素子の第2導電型の信号蓄積領域となる。
に、前記第1MOSトランジスタのドレインの直下に形
成される第1導電型のパンチスルーストッパを備える。
OSトランジスタのドレインの直下に設けられている。
また、前記パンチスルー防止領域は、前記第1MOSト
ランジスタのドレイン及びチャネルの一部を覆ってい
る。
記信号蓄積領域から構成され、前記信号蓄積領域の直下
には、前記パンチスルー防止領域が設けられていない。
積領域に隣接している。
ー防止領域の深さは、例えば、0.2μm以上0.4μ
m以下に設定される。
ート長は、例えば、0.4μm以下に設定され、ゲート
酸化膜の厚さは、例えば、10nm以下に設定される。
製造方法は、第1導電型の半導体基板上に絶縁分離層を
形成し、前記絶縁分離層に取り囲まれた第1及び第2素
子領域を形成する工程と、イオン注入法により前記半導
体基板内に第1導電型の不純物を注入し、少なくとも前
記絶縁分離層の直下及び前記第2素子領域内の全体に、
パンチスルーを防止するための第1導電型のパンチスル
ー防止領域を形成する工程と、前記第1素子領域内に、
光電変換素子及び前記光電変換素子により生成された電
荷を読み出すための第1MOSトランジスタを形成する
と共に、前記第2素子領域内に、第2MOSトランジス
タを形成する工程とを備える。
るような加速エネルギー及びドーズ量で、前記半導体基
板内に注入される。
タの閾値を決定するチャネルイオン注入時のマスクをそ
のまま使用して、前記半導体基板内に注入される。
を覆うレジスト層をマスクとして、前記半導体基板内に
注入される。
離層から一定幅だけ前記第1素子領域に入り込んだ位置
よりも内側の領域であって、前記光電変換素子の第2導
電型の信号蓄積領域上に形成される。
にも注入される。
明のMOS型固体撮像装置及びその製造方法について詳
細に説明する。
実施の形態に関わるMOS型固体撮像装置のデバイス構
造を示している。
えば、1×1015atoms/cm3 を有してい
る。半導体基板1は、フォトダイオードのアノードとな
っており、例えば、半導体基板1は、接地電位に設定さ
れている。但し、半導体基板1内にp型ウェル領域を形
成し、このp型ウェル領域をフォトダイオードのアノー
ドとしてもよい。この場合、p型ウェル領域の不純物濃
度は、例えば、1×10 15atoms/cm3 に設
定される。
分離する絶縁分離層10が配置される。本例では、絶縁
分離層10は、例えば、LOCOS( Local Oxidation
ofSilicon )法により形成されるフィールド酸化膜と
なっているが、これに代えて、例えば、STI( Shall
ow Trench Isolation )法により形成される酸化膜を用
いてもよい。
域Aは、例えば、図10に示すフォトダイオード21と
読み出しゲート22が形成される領域となっている。ま
た、絶縁分離層10により取り囲まれた素子領域Bは、
例えば、図10に示すリセットゲート23、増幅ゲート
24、選択ゲート25などの素子(フォトダイオード2
1及び読み出しゲート22以外の素子)が形成される領
域となっている。
(表面から十分に深い位置)には、n− 型信号蓄積領
域2が配置される。また、本例では、n− 型信号蓄積
領域2は、p+ 型パンチスルー防止領域6内に形成さ
れることなく、半導体基板1内に直接形成される。n
− 型信号蓄積領域2内には、p++型表面シールド層
3が配置される。
の内部(表面から十分に深い位置)であって、n− 型
信号蓄積領域2が配置される部分とは異なる部分に、p
+型パンチスルーストッパ5が配置される。p+ 型パ
ンチスルーストッパ5内には、n型第1半導体領域4が
配置される。
領域4の間のp型読み出しチャネル領域9上には、例え
ば、SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由し
て、読み出しゲート電極8が配置される。読み出しゲー
ト電極8は、例えば、n型不純物を含んだ導電性ポリシ
リコン膜から構成される。読み出しゲート電極8は、図
10の読み出しゲート22のゲート電極である。
(表面から十分に深い位置)には、パンチスルーを防止
するためのp+ 型パンチスルー防止領域6が配置され
る。p+ 型パンチスルー防止領域6は、素子領域Bの
全体に配置されている。p+ 型パンチスルー防止領域6
内には、n型第2半導体領域11及びn型第3半導体領
域12が配置される。
領域12の間のp型チャネル領域13上には、例えば、
SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由して、
ゲート電極14が配置される。ゲート電極14は、例え
ば、n型不純物を含んだ導電性ポリシリコン膜から構成
される。ゲート電極14は、例えば、図10のリセット
ゲート23、増幅ゲート24、選択ゲート25などのM
OSトランジスタのゲート電極となる。
造の特徴は、第一に、p+ 型パンチスルー防止領域6
がn− 型信号蓄積領域2の直下に形成されていない点
にある。つまり、本発明では、n− 型信号蓄積領域2
は、半導体基板1内に直接形成され、p+ 型パンチス
ルー防止領域6内に形成されないため、n− 型信号蓄
積領域2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成す
ることができる。
(例えば、ボロン濃度)は、上述のように、例えば、1
×1015atoms/cm3 に設定され、p+ 型
パンチスルー防止領域6の不純物濃度(例えば、ボロン
濃度)は、例えば、1×101 7atoms/cm3
に設定される。
防止領域6の不純物濃度よりも2桁も小さい不純物濃度
を有する半導体基板1内に、n− 型信号蓄積領域2を
形成することになるため、n型不純物のイオン注入によ
るドーズ量を低く設定でき、結果として、n− 型信号
蓄積領域2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成
できるようになる。
は、絶縁分離層10の直下及び素子領域Bの全体に形成
されるが、素子領域Aにおいては、n型第1半導体領域
4の直下にのみ、p+ 型パンチスルーストッパ5が形
成される。即ち、n型第1半導体領域4は、図10に示
す検出部(検出ノード)Dとなるものであり、n−型信
号蓄積領域2のように、その不純物濃度を低く設定する
必要がない。
は、p+ 型パンチスルーストッパ5を形成し、例え
ば、n型第1半導体領域4と他のn型半導体領域との間
で生じるパンチスルーを防止する必要がある。
は、絶縁分離層10の直下に確実に形成されていること
が必要である。絶縁分離層10を挟む2つのn型半導体
領域の間のパンチスルーを有効に防止するためである。
防止領域6は、絶縁分離層10を形成した後、ゲート電
極8,14を形成する前に、所定の加速エネルギー及び
所定のドーズ量のイオン注入法により形成される。この
ときのイオン注入の条件を、不純物(例えば、ボロン)
が絶縁分離層10を突き抜けるような条件に設定する
と、図1に示すように、絶縁分離層10が存在しない素
子領域Bにおいては、不純物は、半導体基板1の深い位
置まで到達し、p+ 型パンチスルー防止領域6は、半
導体基板1の表面から十分に深い位置に形成される。
さは、例えば、8nm程度に設定され、ゲート電極14
のゲート長(チャネル長)は、例えば、0.4μm程度
に設定される。また、p++型表面シールド層3の不純
物濃度は、例えば、1×10 18atoms/cm3
程度に設定され、p+ 型パンチスルーストッパ5及び
p+ 型パンチスルー防止領域6の不純物濃度は、例え
ば、共に、1×101 7atoms/cm3 程度に設
定される。
の形態に関わるMOS型固体撮像装置によれば、フォト
ダイオードの信号蓄積領域を、低不純物濃度で、かつ、
安定的に形成できると共に、MOSトランジスタが微細
化されても、パンチスルーを防止することもできる。
MOS型固体撮像装置は、p+ 型パンチスルー防止領
域6に特徴を有する。
体撮像装置では、読み出しゲート(素子領域AのMOS
トランジスタ)のソース側にフォトダイオードを形成
し、そのドレイン側に検出部(検出ノード)Dとしての
n型第1半導体領域4が配置される。そして、このn型
第1半導体領域4の直下に、p+ 型パンチスルースト
ッパ5が、p+ 型パンチスルー防止領域6とは別に形
成される。
とp+ 型パンチスルー防止領域6は、互いに同じ目的
(パンチスルー防止)で、かつ、互いに同じ不純物濃度
で形成される。従って、n型第1半導体領域4の直下に
は、p+ 型パンチスルーストッパ5ではなく、p+
型パンチスルー防止領域6を形成してもよいことは言う
までもない。
体領域4の直下にも、p+ 型パンチスルー防止領域6
を形成する。その結果、本実施の形態では、p+ 型パ
ンチスルーストッパ5が不要となり、その分だけ、製造
工程が簡略化されるという効果を得ることができる。
撮像装置について説明する。
MOS型固体撮像装置のデバイス構造を示している。
えば、1×1015atoms/cm3 を有してい
る。半導体基板1は、フォトダイオードのアノードとな
っており、例えば、半導体基板1は、接地電位に設定さ
れている。但し、半導体基板1内にp型ウェル領域を形
成し、このp型ウェル領域をフォトダイオードのアノー
ドとしてもよい。この場合、p型ウェル領域の不純物濃
度は、例えば、1×10 15atoms/cm3 に設
定される。
分離する絶縁分離層10が配置される。本例では、絶縁
分離層10は、例えば、LOCOS( Local Oxidation
ofSilicon )法により形成されるフィールド酸化膜と
なっているが、これに代えて、例えば、STI( Shall
ow Trench Isolation )法により形成される酸化膜を用
いてもよい。
域Aは、例えば、図10に示すフォトダイオード21と
読み出しゲート22が形成される領域となっている。ま
た、絶縁分離層10により取り囲まれた素子領域Bは、
例えば、図10に示すリセットゲート23、増幅ゲート
24、選択ゲート25などの素子(フォトダイオード2
1及び読み出しゲート22以外の素子)が形成される領
域となっている。
(表面から十分に深い位置)には、n− 型信号蓄積領
域2が配置される。また、本例では、n− 型信号蓄積
領域2は、p+ 型パンチスルー防止領域6内に形成さ
れることなく、半導体基板1内に直接形成される。n
− 型信号蓄積領域2内には、p++型表面シールド層
3が配置される。
の内部(表面から十分に深い位置)であって、n− 型
信号蓄積領域2が配置される部分とは異なる部分に、p
+型パンチスルー防止領域6が配置される。p+ 型パ
ンチスルー防止領域6内には、n型第1半導体領域4が
配置される。
領域4の間のp型読み出しチャネル領域9上には、例え
ば、SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由し
て、読み出しゲート電極8が配置される。読み出しゲー
ト電極8は、例えば、n型不純物を含んだ導電性ポリシ
リコン膜から構成される。読み出しゲート電極8は、図
10の読み出しゲート22のゲート電極である。
(表面から十分に深い位置)には、パンチスルーを防止
するためのp+ 型パンチスルー防止領域6が配置され
る。p+ 型パンチスルー防止領域6は、素子領域Bの
全体に配置されている。p+ 型パンチスルー防止領域6
内には、n型第2半導体領域11及びn型第3半導体領
域12が配置される。
領域12の間のp型チャネル領域13上には、例えば、
SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由して、
ゲート電極14が配置される。ゲート電極14は、例え
ば、n型不純物を含んだ導電性ポリシリコン膜から構成
される。ゲート電極14は、例えば、図10のリセット
ゲート23、増幅ゲート24、選択ゲート25などのM
OSトランジスタのゲート電極となる。
造においても、上述の第1実施の形態に関わるMOS型
固体撮像装置と同様に、p+ 型パンチスルー防止領域
6がn− 型信号蓄積領域2の直下に形成されていな
い。つまり、本発明では、n− 型信号蓄積領域2は、半
導体基板1内に直接形成され、p+ 型パンチスルー防
止領域6内に形成されないため、n− 型信号蓄積領域
2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成すること
ができる。
(例えば、ボロン濃度)は、上述のように、例えば、1
×1015atoms/cm3 に設定され、p+ 型
パンチスルー防止領域6の不純物濃度(例えば、ボロン
濃度)は、例えば、1×101 7atoms/cm3
に設定される。
防止領域6の不純物濃度よりも2桁も小さい不純物濃度
を有する半導体基板1内に、n− 型信号蓄積領域2を
形成することになるため、n型不純物のイオン注入によ
るドーズ量を低く設定でき、結果として、n− 型信号
蓄積領域2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成
できるようになる。
は、絶縁分離層10の直下に確実に形成されていること
が必要である。絶縁分離層10を挟む2つのn型半導体
領域の間のパンチスルーを有効に防止するためである。
防止領域6は、絶縁分離層10を形成した後、ゲート電
極8,14を形成する前に、所定の加速エネルギー及び
所定のドーズ量のイオン注入法により形成される。この
ときのイオン注入の条件を、不純物(例えば、ボロン)
が絶縁分離層10を突き抜けるような条件に設定する
と、図2に示すように、絶縁分離層10が存在しない素
子領域においては、不純物は、半導体基板1の深い位置
まで到達し、p+ 型パンチスルー防止領域6は、半導
体基板1の表面から十分に深い位置に形成される。
さは、例えば、8nm程度に設定され、ゲート電極14
のゲート長(チャネル長)は、例えば、0.4μm程度
に設定される。また、p++型表面シールド層3の不純
物濃度は、例えば、1×10 18atoms/cm3
程度に設定され、p+ 型パンチスルーストッパ5及び
p+ 型パンチスルー防止領域6の不純物濃度は、例え
ば、共に、1×101 7atoms/cm3 程度に設
定される。
の形態に関わるMOS型固体撮像装置によれば、フォト
ダイオードの信号蓄積領域を、低不純物濃度で、かつ、
安定的に形成できると共に、MOSトランジスタが微細
化されても、パンチスルーを防止することもできる。
MOS型固体撮像装置も、p+ 型パンチスルー防止領
域6に特徴を有する。
体撮像装置では、読み出しゲート(素子領域AのMOS
トランジスタ)のドレイン側のn型第1半導体領域4の
直下にも、p+ 型パンチスルー防止領域6が形成され
る。
パンチスルー防止領域6は、素子領域Aにおいて、n型
第1半導体領域4の直下だけでなく、読み出しゲート
(MOSトランジスタ)の読み出しゲート電極8直下の
チャネルの一部を覆うように形成される。
域6を、n型第1半導体領域4の直下及び読み出しゲー
トのチャネルの一部に形成することは、イオン注入時の
マスクパターンを変形するだけで容易に実現できる。
撮像装置について説明する。
MOS型固体撮像装置のデバイス構造を示している。
えば、1×1015atoms/cm3 を有してい
る。半導体基板1は、フォトダイオードのアノードとな
っており、例えば、半導体基板1は、接地電位に設定さ
れている。但し、半導体基板1内にp型ウェル領域を形
成し、このp型ウェル領域をフォトダイオードのアノー
ドとしてもよい。この場合、p型ウェル領域の不純物濃
度は、例えば、1×10 15atoms/cm3 に設
定される。
分離する絶縁分離層10が配置される。本例では、絶縁
分離層10は、例えば、LOCOS( Local Oxidation
ofSilicon )法により形成されるフィールド酸化膜と
なっているが、これに代えて、例えば、STI( Shall
ow Trench Isolation )法により形成される酸化膜を用
いてもよい。
域Aは、例えば、図10に示すフォトダイオード21と
読み出しゲート22が形成される領域となっている。ま
た、絶縁分離層10により取り囲まれた素子領域Bは、
例えば、図10に示すリセットゲート23、増幅ゲート
24、選択ゲート25などの素子(フォトダイオード2
1及び読み出しゲート22以外の素子)が形成される領
域となっている。
(表面から十分に深い位置)には、n− 型信号蓄積領
域2が配置される。また、本例では、n− 型信号蓄積
領域2は、p+ 型パンチスルー防止領域6内に形成さ
れることなく、半導体基板1内に直接形成される。n
− 型信号蓄積領域2内には、p++型表面シールド層
3が配置される。
の内部(表面から十分に深い位置)であって、n− 型
信号蓄積領域2が配置される部分とは異なる部分(読み
出しゲートの読み出しチャネル領域9の一部を含む)
に、p+ 型パンチスルー防止領域6が配置される。p
+ 型パンチスルー防止領域6内には、n型第1半導体
領域4が配置される。
領域4の間のp型読み出しチャネル領域9上には、例え
ば、SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由し
て、読み出しゲート電極8が配置される。読み出しゲー
ト電極8は、例えば、n型不純物を含んだ導電性ポリシ
リコン膜から構成される。読み出しゲート電極8は、図
10の読み出しゲート22のゲート電極である。
(表面から十分に深い位置)には、パンチスルーを防止
するためのp+ 型パンチスルー防止領域6が配置され
る。p+ 型パンチスルー防止領域6は、素子領域Bの
全体に配置されている。p+ 型パンチスルー防止領域6
内には、n型第2半導体領域11及びn型第3半導体領
域12が配置される。
領域12の間のp型チャネル領域13上には、例えば、
SiO2 から構成されるゲート酸化膜7を経由して、
ゲート電極14が配置される。ゲート電極14は、例え
ば、n型不純物を含んだ導電性ポリシリコン膜から構成
される。ゲート電極14は、例えば、図10のリセット
ゲート23、増幅ゲート24、選択ゲート25などのM
OSトランジスタのゲート電極となる。
造においても、上述の第1及び第2実施の形態に関わる
MOS型固体撮像装置と同様に、p+ 型パンチスルー
防止領域6がn− 型信号蓄積領域2の直下に形成され
ていない。つまり、本発明では、n− 型信号蓄積領域
2は、半導体基板1内に直接形成され、p+ 型パンチ
スルー防止領域6内に形成されないため、n− 型信号
蓄積領域2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成
することができる。
(例えば、ボロン濃度)は、上述のように、例えば、1
×1015atoms/cm3 に設定され、p+ 型
パンチスルー防止領域6の不純物濃度(例えば、ボロン
濃度)は、例えば、1×101 7atoms/cm3
に設定される。
防止領域6の不純物濃度よりも2桁も小さい不純物濃度
を有する半導体基板1内に、n− 型信号蓄積領域2を
形成することになるため、n型不純物のイオン注入によ
るドーズ量を低く設定でき、結果として、n− 型信号
蓄積領域2を、低い不純物濃度で、かつ、安定的に形成
できるようになる。
は、絶縁分離層10の直下に確実に形成されていること
が必要である。絶縁分離層10を挟む2つのn型半導体
領域の間のパンチスルーを有効に防止するためである。
防止領域6は、絶縁分離層10を形成した後、ゲート電
極8,14を形成する前に、所定の加速エネルギー及び
所定のドーズ量のイオン注入法により形成される。この
ときのイオン注入の条件を、不純物(例えば、ボロン)
が絶縁分離層10を突き抜けるような条件に設定する
と、図3に示すように、絶縁分離層10が存在しない素
子領域においては、不純物は、半導体基板1の深い位置
まで到達し、p+ 型パンチスルー防止領域6は、半導
体基板1の表面から十分に深い位置に形成される。
さは、例えば、8nm程度に設定され、ゲート電極14
のゲート長(チャネル長)は、例えば、0.4μm程度
に設定される。また、p++型表面シールド層3の不純
物濃度は、例えば、1×10 18atoms/cm3
程度に設定され、p+ 型パンチスルーストッパ5及び
p+ 型パンチスルー防止領域6の不純物濃度は、例え
ば、共に、1×101 7atoms/cm3 程度に設
定される。
の形態に関わるMOS型固体撮像装置によれば、フォト
ダイオードの信号蓄積領域を、低不純物濃度で、かつ、
安定的に形成できると共に、MOSトランジスタが微細
化されても、パンチスルーを防止することもできる。
型固体撮像装置の製造方法について説明する。なお、以
下の説明は、上述の第1乃至第3実施の形態に関わるM
OS型固体撮像装置の全ての製造方法に適用可能なもの
である。各実施の形態に独自のステップについては、そ
の都度、説明することにする。
より、p型半導体基板1上に、絶縁分離層10を形成す
る。この後、熱酸化により、絶縁分離層10に取り囲ま
れた素子領域A,B上に、バッファ酸化膜15を形成す
る。
して、MOSトランジスタの閾値を決定するためのいわ
ゆるチャネルイオン注入を行い、p型読み出しチャネル
領域9を形成する。同様に、素子領域Bに対して、MO
Sトランジスタの閾値を決定するためのいわゆるチャネ
ルイオン注入を行い、p型チャネル領域13を形成す
る。
回のイオン注入工程により形成される。この場合、両チ
ャネル領域9,13を形成するために、2回のPEP
( Photo Engraving Process )が必要になる。しか
し、素子領域A,Bに形成されるMOSトランジスタの
閾値を互いに同じに設定する場合には、両チャネル領域
9,13は、1回のイオン注入工程により形成できる。
この場合、両チャネル領域9,13を形成するためのP
EPは、1回でよい。
により、素子領域A上に、マスクとしてのレジストパタ
ーン(レジスト層16)を残存させる。
を素子領域Aの全体を覆うようにすると、上述の第1実
施の形態に関わるデバイスの製造方法となる。また、素
子領域A上の一部にレジスト層16が配置されないよう
にすれば、上述の第2及び第3実施の形態に関わるデバ
イスの製造方法となる。
16をマスクにして、p型不純物(例えば、ボロン)を
イオン注入すれば、半導体基板1の内部には、p+ 型
パンチスルー防止領域6が形成される。
が、例えば、半導体基板1の表面から0.2〜0.4μ
mの位置に形成されるように、イオン注入時の加速エネ
ルギーが設定される。但し、この条件は、当然に、絶縁
分離層10の直下にもp+型パンチスルー防止領域6が
形成されるようなものでなければならない。
不純物濃度が、例えば、1×101 7atoms/cm
3 程度となるように、イオン注入時のドーズ量が設定
される。本例では、p+ 型パンチスルー防止領域6を
形成するためのイオン注入は、1回であることを前提と
しているが、2回以上のイオン注入によりp+ 型パン
チスルー防止領域6を形成するようにしてもよい。
件について説明する。即ち、p+ 型パンチスルー防止
領域6を形成するに当たって、実際は、レジスト層16
は、素子領域Aのサイズよりも一回り小さなサイズに設
定される。その理由は、p+ 型パンチスルー防止領域
6が素子領域Aの周辺において素子領域Aに少しだけ入
り込むようにすれば、絶縁分離層10に形成されるダメ
ージにフォトダイオードの空乏層が達することを防止で
きるからである。
素子領域Aに入り込む幅Xは、マスク(レジスト層1
6)の合わせずれを考慮し、その合わせずれ以上に設定
することが好ましい。例えば、その幅Xは、0.2μm
程度又はそれ以上の値に設定される。
5を除去し、さらに、熱酸化法により、素子領域B上
に、10nm以下の厚さ、例えば、8nm程度のゲート
酸化膜7を形成する。この後、素子領域A上のレジスト
層16を除去し、さらに、素子領域A上のバッファ酸化
膜15を除去する。
り、素子領域A上に、10nm以下の厚さ、例えば、8
nm程度のゲート酸化膜7を形成する。
膜7と素子領域Bのゲート酸化膜7を異なるステップに
より形成したが、当然に、同一のステップにより形成し
てもよい。この場合、図5のレジスト層16を除去した
後、素子領域A,B上のバッファ酸化膜15が同時に除
去され、かつ、素子領域A,B上に、同時にゲート酸化
膜7が形成される。
ン膜の形成、レジスト層の形成、PEP、RIEという
ステップを経由すると、素子領域Aのゲート酸化膜7上
には、読み出しゲート電極8が形成され、素子領域Bの
ゲート酸化膜7上には、ゲート電極14が形成される。
Eというステップを経由すると、ゲート電極8,14の
側壁には、いわゆるサイドウォール(スペーサ)が形成
される。
バイスの製造方法に関しては、図6に示すように、レジ
スト層の塗布及びPEPにより、素子領域A上の一部に
開口を有するレジストパターン(レジスト層17)を形
成する。そして、イオン注入法により、レジスト層17
をマスクにして、半導体基板1内にp型不純物(例え
ば、ボロン)を注入し、p+ 型パンチスルーストッパ
5を形成する。この後、レジスト層17は、除去され
る。
わるデバイスの製造方法に関しては、当然に、p+ 型
パンチスルーストッパ5を形成するステップについて
は、不要である。
布及びPEPにより、素子領域A上のフォトダイオード
を形成する領域に開口を有するレジストパターン(レジ
スト層18)を形成する。そして、イオン注入法によ
り、レジスト層18及びサイドウォールをマスクにし
て、半導体基板1内にp型不純物(例えば、BF2 )
を注入し、p++型表面シールド層3を形成する。この
後、レジスト層18を除去する。
14の側壁に存在するサイドウォールを除去する。そし
て、再び、レジスト層の塗布及びPEPにより、素子領
域A上のフォトダイオードを形成する領域に開口を有す
るレジストパターン(レジスト層18’)を形成する。
この後、イオン注入法により、レジスト層18’をマス
クにして、半導体基板1内にn型不純物(例えば、リ
ン)を注入し、n− 型信号蓄積領域2を形成する。
る。
塗布及びPEPにより、素子領域A上の一部及び素子領
域B上に開口を有するレジストパターン(レジスト層1
9)を形成する。この後、イオン注入法により、レジス
ト層19及びゲート電極9,14をマスクにして、半導
体基板1内にn型不純物(例えば、リン)を注入し、n
型第1乃至第3半導体領域4,11,12を形成する。
ン工程などが行われるが、それについては、省略する。
像装置が完成する。
MOS型固体撮像装置において、p+ 型パンチスルー
ストッパ5は、省略しても構わない。この場合、p+
型パンチスルーストッパ5を形成するステップ(製造方
法の説明を参照)が省略され、製造コストの低減に貢献
できる。また、第2及び第3実施の形態に関わるMOS
型固体撮像装置によらずとも、p+ 型パンチスルー防
止領域6を素子領域Aに一定幅Xだけ入り込ませれば
(図5参照)、素子領域AのMOSトランジスタにおい
ても、パンチスルー防止の効果は、十分に得ることがで
きる。
OS型固体撮像装置において、p+ 型パンチスルー防止
領域6は、MOSトランジスタの閾値を決定するための
イオン注入時に用いるマスクをそのまま用いて、p型不
純物のイオン注入により形成してもよい。この変形例
は、素子領域A内の読み出しゲート(MOSトランジス
タ)のチャネル部に対して、チャネルイオン注入を行わ
ない場合に適用されるものである。
OS型固体撮像装置においては、p型半導体基板内にn
チャネルMOSトランジスタを形成した例であったが、
例えば、本発明は、n型半導体基板内にpチャネルMO
Sトランジスタを形成する場合にも適用可能である。
型固体撮像装置及びその製造方法によれば、フォトダイ
オードの信号蓄積領域直下には、p+ 型パンチスルー
防止領域が形成されていない。一方、p+ 型パンチス
ルー防止領域は、ソースがフォトダイオードの信号蓄積
領域となる読み出しゲート(MOSトランジスタ)が形
成される素子領域に少なくとも一定幅だけ入り込み、か
つ、その素子領域以外の素子領域の全体に形成される。
短くなり、そのゲート酸化膜の厚さが薄くなった場合に
おいても、MOSトランジスタのパンチスルーと素子間
(絶縁分離層を挟む2つの素子の間)のパンチスルーを
共に防止することが可能となる。また、フォトダイオー
ドの信号蓄積領域を、p+ 型パンチスルー防止領域の
導電型を反転させて形成する必要がないため、単一画素
に形成されるフォトダイオードの空乏化電位を低く、か
つ、安定させることができる。
撮像装置を示す断面図。
撮像装置を示す断面図。
撮像装置を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
法の一工程を示す断面図。
域、 3 :p++型表面シール
ド層、 4 :n型第1半導体領
域、 5 :p+ 型パンチスル
ーストッパ、 6 :p+ 型パンチスル
ー防止領域、 7 :ゲート酸化膜、 8 :読み出しゲート電
極、 9 :p型読み出しチャネ
ル領域、 10 :絶縁分離層、 11 :n型第2半導体領
域、 12 :n型第3半導体領
域、 13 :p型チャネル領
域、 14 :ゲート電極、 15 :バッファ酸化膜、 16,17,18,18’,19 :レジスト層、 21 :フォトダイオード、 22 :読み出しゲート、 23 :リセットゲート、 24 :増幅ゲート、 25 :選択ゲート、 26 :垂直走査回路、 27 :水平走査回路、 28 :負荷ゲート。
Claims (21)
- 【請求項1】 第1導電型の半導体基板内に形成される
光電変換素子と、前記半導体基板の第1素子領域内に形
成され、前記光電変換素子により生成される電荷を読み
出すための第2導電型の第1MOSトランジスタと、前
記半導体基板の第2素子領域内に形成される第2導電型
の第2MOSトランジスタとを具備し、前記第2素子領
域の全体にパンチスルーを防止するための第1導電型の
パンチスルー防止領域が設けられていることを特徴とす
るMOS型固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記第1及び第2素子領域を取り囲む絶
縁分離層を具備し、前記パンチスルー防止領域は、前記
絶縁分離層の直下にも設けられていることを特徴とする
請求項1記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記パンチスルー防止領域は、前記第1
素子領域の周辺部に前記絶縁分離層に沿って設けられて
いることを特徴とする請求項2記載のMOS型固体撮像
装置。 - 【請求項4】 前記絶縁分離層から前記第1素子領域内
の前記パンチスルー防止領域の端までの幅は、前記パン
チスルー防止領域を形成する際に使用するマスク材の合
わせずれ以上に確保されていることを特徴とする請求項
3記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項5】 前記幅は、0.2μm以上であることを
特徴とする請求項4記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項6】 前記第2素子領域における前記パンチス
ルー防止領域の位置は、前記絶縁分離層の直下における
前記パンチスルー防止領域の位置よりも深いことを特徴
とする請求項2記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項7】 前記MOS型固体撮像装置は、複数の画
素を有し、各画素は、前記光電変換素子、前記第1MO
Sトランジスタ及び前記第2MOSトランジスタを有し
ていることを特徴とする請求項1記載のMOS型固体撮
像装置。 - 【請求項8】 前記光電変換素子は、前記第1素子領域
内に形成され、前記第1MOSトランジスタのソースが
前記光電変換素子の第2導電型の信号蓄積領域となるこ
とを特徴とする請求項1記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項9】 前記第1MOSトランジスタのドレイン
の直下に形成される第1導電型のパンチスルーストッパ
を具備することを特徴とする請求項8記載のMOS型固
体撮像装置。 - 【請求項10】 前記パンチスルー防止領域は、前記第
1MOSトランジスタのドレインの直下に設けられてい
ることを特徴とする請求項8記載のMOS型固体撮像装
置。 - 【請求項11】 前記パンチスルー防止領域は、前記第
1MOSトランジスタのドレイン及びチャネルの一部を
覆っていることを特徴とする請求項8記載のMOS型固
体撮像装置。 - 【請求項12】 前記光電変換素子は、前記半導体基板
と前記信号蓄積領域から構成され、前記信号蓄積領域の
直下には、前記パンチスルー防止領域が設けられていな
いことを特徴とする請求項8記載のMOS型固体撮像装
置。 - 【請求項13】 前記パンチスルー防止領域は、前記信
号蓄積領域に隣接していることを特徴とする請求項12
記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項14】 前記第2素子領域における前記パンチ
スルー防止領域の深さは、0.2μm以上0.4μm以
下に設定されていることを特徴とする請求項1記載のM
OS型固体撮像装置。 - 【請求項15】 前記第1及び第2MOSトランジスタ
のゲート長は、0.4μm以下に設定され、ゲート酸化
膜の厚さは、10nm以下に設定されていることを特徴
とする請求項1記載のMOS型固体撮像装置。 - 【請求項16】 第1導電型の半導体基板上に絶縁分離
層を形成し、前記絶縁分離層に取り囲まれた第1及び第
2素子領域を形成する工程と、イオン注入法により前記
半導体基板内に第1導電型の不純物を注入し、少なくと
も前記絶縁分離層の直下及び前記第2素子領域内の全体
に、パンチスルーを防止するための第1導電型のパンチ
スルー防止領域を形成する工程と、前記第1素子領域内
に、光電変換素子及び前記光電変換素子により生成され
た電荷を読み出すための第1MOSトランジスタを形成
すると共に、前記第2素子領域内に、第2MOSトラン
ジスタを形成する工程とを具備することを特徴とするM
OS型固体撮像装置の製造方法。 - 【請求項17】 前記不純物は、前記絶縁分離層を突き
抜けるような加速エネルギー及びドーズ量で、前記半導
体基板内に注入されることを特徴とする請求項16記載
のMOS型固体撮像装置の製造方法。 - 【請求項18】 前記不純物は、前記第2MOSトラン
ジスタの閾値を決定するチャネルイオン注入時のマスク
をそのまま使用して、前記半導体基板内に注入されるこ
とを特徴とする請求項16記載のMOS型固体撮像装置
の製造方法。 - 【請求項19】 前記不純物は、前記第1素子領域上の
一部を覆うレジスト層をマスクとして、前記半導体基板
内に注入されることを特徴とする請求項16記載のMO
S型固体撮像装置の製造方法。 - 【請求項20】 前記レジスト層は、少なくとも前記絶
縁分離層から一定幅だけ前記第1素子領域に入り込んだ
位置よりも内側の領域であって、前記光電変換素子の第
2導電型の信号蓄積領域上に形成されることを特徴とす
る請求項19記載のMOS型固体撮像装置の製造方法。 - 【請求項21】 前記不純物は、前記第1素子領域内の
一部にも注入されることを特徴とする請求項16記載の
MOS型固体撮像装置の製造方法。
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