JP2003101004A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 残像量を減少することが可能な固体撮像装置
及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置
は、Ｐ型の半導体層１０上にゲート絶縁膜１２を介して
選択的に形成されたゲート電極１４と、このゲート電極
１４の一端の半導体層１０の表面に形成されたＮ型の第
１の拡散層１５と、ゲート電極１４の他端の半導体層１
０の表面に形成されたＮ型の第２の拡散層１７と、この
第２の拡散層１７と接して半導体層１０内に形成された
Ｎ型の電荷蓄積層１９と、電荷蓄積層１９上に形成され
たＰ型の表面シールド層２１とを具備する。そして、電
荷蓄積層１９の不純物濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至１８
×１０¹⁶ｃｍ^-3とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、増幅機能を備えた
固体撮像装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、画素の内部に増幅機能を備えた増
幅型固体撮像装置に関する数々の技術が提案されてい
る。この増幅型固体撮像装置は、画素数の増加やイメー
ジサイズの縮小による画素サイズの縮小に適したものと
して期待されている。また、増幅型固体撮像装置は、Ｃ
ＣＤ（Charge Coupled Device）に比べて低消費電力で
あること、さらに、センサ部分と周辺回路部分とが同じ
ＣＭＯＳ（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）
プロセスを使うため、センサ部分と周辺回路部分との統
合が容易であることからも非常に期待されている。

【０００３】図１２は、従来技術による増幅型固体撮像
装置の概略的な構成図を示す。図１２に示すように、従
来技術による固体撮像装置は、多画素化されており、同
一基板上に、光電変換素子であるフォトダイオード４１
と読み出しトランジスタ４２とが並設される。また、読
み出しゲート４２には増幅トランジスタ４３とリセット
トランジスタ４４が接続されている。そして、フォトダ
イオード４１による光電変換により発生した信号電荷で
電荷蓄積層の電位を変調して、その電位により画素内部
の増幅トランジスタ４３を変調することで、画素内部に
増幅機能をもたせている。

【０００４】このような増幅型固体撮像装置では、フォ
トダイオード４１のＮ型電荷蓄積層の表面に読み出しゲ
ートの端部から離してＰ型表面シールド層を形成し、こ
の表面シールド層と読み出しゲートとの間にＮ型拡散層
を形成する。この構造により、電荷蓄積層に蓄積された
電荷を読み出し易くし、ＣＣＤの電源電圧よりも低い
３．３Ｖ程度の低電圧化を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術による固体撮像装置では、高濃度のＰ型基板に対
してＮ型電荷蓄積層を形成することは難しく、電荷蓄積
層の不純物濃度を所望値に設定することが困難であっ
た。これにより、電荷蓄積層に蓄積された電荷を完全に
転送することが難しくなり、残像が多量に発生するとい
う致命的な問題が生じていた。

【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的とするところは、残像量を減少
することが可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために以下に示す手段を用いている。

【０００８】本発明の第１の視点による固体撮像装置
は、第１導電型の半導体層上にゲート絶縁膜を介して選
択的に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一端
の前記半導体層の表面に形成された第２導電型の第１の
拡散層と、前記ゲート電極の他端の前記半導体層の表面
に形成された第２導電型の第２の拡散層と、前記第２の
拡散層と接して、前記半導体層内に形成された第２導電
型の第３の拡散層と、前記第３の拡散層上に形成された
第１導電型の第４の拡散層とを具備し、前記第３の拡散
層の不純物濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至１８×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3である。

【０００９】本発明の第２の視点による固体撮像装置の
製造方法は、第１導電型の半導体層上にゲート絶縁膜を
介してゲート電極を選択的に形成する工程と、前記ゲー
ト電極の一端の前記半導体層の表面に第２導電型の第１
の拡散層を形成する工程と、前記ゲート電極の他端の前
記半導体層の表面に第２導電型の第２の拡散層を形成す
る工程と、第２導電型の不純物のドーズ量を０．６×１
０¹²ｃｍ^-2乃至１８×１０¹²ｃｍ^-2としてイオン注入及
び熱処理を行うことにより、前記半導体層内に前記第２
の拡散層と接して第２導電型の第３の拡散層を形成する
工程と、前記第３の拡散層上に第１導電型の第４の拡散
層を形成する工程とを含む。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、
共通する部分には共通する参照符号を付す。

【００１１】図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮
像装置の概略的な断面図を示す。図１に示すように、本
発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、例えばＭＯＳ
（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ３１のよ
うなＭＩＳ（Metal InsulatorSemiconductor）トランジ
スタと、このＭＯＳトランジスタ３１に隣接するＰＮＰ
型の埋め込みフォトダイオード３２とで構成される。フ
ォトダイオード３２は、第２の拡散層１７と、電荷蓄積
層１９と、表面シールド層２１とからなる。

【００１２】具体的には、Ｐ型の半導体層１０上に、ゲ
ート絶縁膜１２を介して、ＭＯＳトランジスタ３１の読
み出しゲート電極１４が選択的に形成されている。そし
て、ゲート電極１４の一端の半導体層１０の表面にＮ型
の第１の拡散層１５が形成され、ゲート電極１４の他端
の半導体層１０の表面にＮ型の第２の拡散層１７が形成
されている。また、第２の拡散層１７と所定間隔離間し
て、半導体層１０の表面にＰ型の表面シールド層２１が
形成されている。また、第２の拡散層１７及び表面シー
ルド層２１の下には、第２の拡散層１７と接するＮ型の
電荷蓄積層１９が形成されている。

【００１３】このような固体撮像装置では、フォトダイ
オード３２に光が入射された場合、入射された光が光電
変換されて、電荷蓄積層１９に信号電荷が蓄積される。
そして、ゲート電極１４に正電圧を加えることによっ
て、電荷蓄積層１９に蓄積された信号電荷は、第１の拡
散層１５に読み出される。

【００１４】ここで、表面シールド層２１は、半導体層
１０の表面における空乏化を抑制して、接合リーク電流
の発生を低減する役割を有する。また、第２の拡散層１
７は、電荷蓄積層１９と第１の拡散層１５との間で表面
シールド層２１による電位障壁が発生することを抑制し
て、電荷蓄積層１９に蓄積された信号電荷を第１の拡散
層１５へ読み出し易くする役割を有する。

【００１５】尚、電荷蓄積層１９は、半導体層１０の表
面から所定間隔離間して、半導体層１０の内部に形成さ
れることが望ましい。これは、Ｎ型の電荷蓄積層１９を
半導体層１０の表面にも存在させることによってＰ型の
表面シールド層２１の形成が困難となることを防止する
ためである。また、第２の拡散層１７は、図１に示すよ
うに電荷蓄積層１９よりも浅く形成することに限定され
ず、電荷蓄積層１９よりも深く形成してもよい。

【００１６】図２は、本発明の一実施形態に係る電荷蓄
積層における不純物濃度と残像及び飽和電圧との関係図
を示す。図３は、本発明の一実施形態に係る電荷蓄積層
におけるドーズ量と残像及び飽和電圧との関係図を示
す。

【００１７】まず、図２、図３を参照して、残像と不純
物濃度及びドーズ量との関係について説明する。一般的
に、固体撮像装置で用いる周波数は、テレビ等の動画を
考えると３０Ｈｚであるが、電話等の通信回線を用いて
の動画ではもう少し低くなり、１０Ｈｚ乃至１５Ｈｚ程
度である。そこで、周波数が例えば１０Ｈｚの場合、許
容残像値は９ｍＶ以下であるため、不純物濃度は１８×
１０¹⁶ｃｍ^-3以下、ドーズ量は６×１０¹²ｃｍ^-2以下で
あることが要求される。また、周波数が例えば１５Ｈｚ
の場合、許容残像値は６ｍＶ以下であるため、不純物濃
度は１２×１０ ¹⁶ｃｍ^-3以下、ドーズ量は４×１０¹²ｃ
ｍ^-2以下であることが要求される。

【００１８】次に、図２、図３を参照して、飽和電圧と
不純物濃度及びドーズ量との関係について説明する。飽
和電圧は、画像の鮮明度を高く保つために、所定以上の
電圧に設定する必要がある。標準光量での感度は１５０
ｍＶ程度であり、この値以上の飽和電圧が必要とされ
る。このため、飽和電圧は、例えば１５０ｍＶ以上、好
ましくは２５０ｍＶ以上の電圧値が要求される。従っ
て、例えば１５０ｍＶ以上の飽和電圧が必要な場合は、
不純物濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、ドーズ量は０．６
×１０¹²ｃｍ^-2以上であることが要求される。また、例
えば２５０ｍＶ以上の飽和電圧が必要な場合は、不純物
濃度は３×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、ドーズ量は２×１０¹²ｃ
ｍ^-2以上であることが要求される。

【００１９】以上のように、電荷蓄積層１９の不純物濃
度Ａは、１×１０¹⁶ｃｍ^-3≦Ａ≦１８×１０¹⁶ｃｍ^-3や
３×１０¹⁶ｃｍ^-3≦Ａ≦１２×１０¹⁶ｃｍ^-3であること
が望ましい。また、電荷蓄積層１９のドーズ量Ｘは、
０．６×１０¹²ｃｍ^-2≦Ｘ≦１８×１０¹²ｃｍ^-2や２×
１０¹²ｃｍ^-2≦Ｘ≦４×１０¹²ｃｍ^-2であることが望ま
しい。

【００２０】尚、電荷蓄積層１９が上記のような不純物
濃度Ａの場合、半導体層１０の不純物濃度Ｂは、１×１
０¹⁵ｃｍ^-3程度であることが望ましい。同様に、第２の
拡散層１７の不純物濃度Ｃは、１×１０¹⁶ｃｍ^-3≦Ｃ≦
１×１０¹⁷ｃｍ^-3であればよいが、１×１０¹⁷ｃｍ^-3程
度が最も望ましい。そして、第２の拡散層１７は、電荷
蓄積層１９よりも高濃度であることが望ましい。

【００２１】図４乃至図１０は、本発明の一実施形態に
係る固体撮像装置の製造工程の断面図を示す。以下に、
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法につ
いて説明する。

【００２２】まず、図４に示すように、公知の技術を用
いて、イオン注入及び熱拡散が行われ、Ｐ型の半導体層
１０内にＰウェル１１が形成される。次に、半導体層１
０上にゲート絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１２が形
成され、半導体層１０内にＬＯＣＯＳ（Local Oxidatio
n Of Silicon）構造の素子分離領域１３が選択的に形成
される。次に、トランジスタのしきい値を決定するため
のイオン注入が行われる。次に、ゲート絶縁膜１２上に
例えばポリシリコンからなるゲート電極１４やゲート配
線（図示せず）が選択的に形成される。次に、光リソグ
ラフィとイオン注入を用いて、ゲート電極１４の一端部
の半導体層１０の表面に、Ｎ型の第１の拡散層１５が形
成される。

【００２３】次に、図５に示すように、ゲート絶縁膜１
２及びゲート電極１４上にレジスト１６が塗布され、こ
のレジスト１６がパターニングされる。

【００２４】次に、図６に示すように、パターニングさ
れたレジスト１６をマスクとして、半導体層１０内にイ
オン注入が行われ、ゲート電極１４の他端部の半導体層
１０の表面にＮ型の第２の拡散層１７が形成される。こ
こで、イオン注入は、Ｎ型不純物として例えばＰ（リ
ン）を用い、加速エネルギーが例えば１００ＫｅＶ、ド
ーズ量が例えば２×１０¹³ｃｍ^-2の条件で行われる。そ
の後、アッシャー等により、レジスト１６が除去され
る。

【００２５】次に、図７に示すように、ゲート絶縁膜１
２及びゲート電極１４上にレジスト１８が塗布され、こ
のレジスト１８がパターニングされる。

【００２６】次に、図８に示すように、パターニングさ
れたレジスト１８をマスクとして、半導体層１０内にイ
オン注入が行われ、半導体層１０内にＮ型の電荷蓄積層
１９が形成される。ここで、イオン注入は、Ｎ型不純物
として例えばＰを用い、加速エネルギーが例えば１６０
ＫｅＶ乃至８００ＫｅＶ、ドーズ量が例えば２×１０ ¹²
ｃｍ^-2の条件で行われる。その後、アッシャー等によ
り、レジスト１８が除去される。

【００２７】次に、図９に示すように、ゲート絶縁膜１
２及びゲート電極１４上にレジスト２０が塗布され、こ
のレジスト２０がパターニングされる。

【００２８】次に、図１０に示すように、パターニング
されたレジスト２０をマスクとして、半導体層１０内に
イオン注入が行われ、Ｐ型の表面シールド層２１が形成
される。ここで、イオン注入は、Ｐ型不純物として例え
ばＢ（ボロン）を用い、加速エネルギーが例えば１０Ｋ
ｅＶ乃至５０ＫｅＶ、ドーズ量が例えば１×１０¹³ｃｍ
^-2乃至１×１０¹⁵ｃｍ^-2の条件で行われる。その後、ア
ッシャー等により、レジスト２０が除去され、図１に示
す構造が形成される。

【００２９】この後は、既知の技術を用いて固体撮像装
置が形成される。つまり、ゲート絶縁膜１２及びゲート
電極１４上に、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate
Glass）やＰＳＧ（Phosphorous Silicate Glass）等の
ガラス質の絶縁膜（図示せず）が形成されて平滑化され
る。次に、この絶縁膜上に膜厚が例えば４０００Åのア
ルミニウム等の金属膜（図示せず）が堆積され、この金
属膜がＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等でパターニン
グされる。これにより、遮光膜（図示せず）や配線電極
（図示せず）が形成される。この後、例えばシリコン窒
化膜からなるパッシベーション膜（図示せず）が形成さ
れ、さらに、色フィルター（図示せず）やマイクロレン
ズ（図示せず）が形成されることにより、固体撮像装置
が完成する。

【００３０】上記本発明の実施の形態によれば、電荷蓄
積層１９の形成時のドーズ量Ｘを０．６×１０¹²ｃｍ^-2
乃至１８×１０¹²ｃｍ^-2に調整し、電荷蓄積層１９の不
純物濃度Ａを１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至１８×１０¹⁶ｃｍ^-3
とする。その結果、図１１に示すように、従来の残像量
は１１ｍＶであったのに対し、本発明の残像量を３ｍＶ
にすることができる。従って、残像量を１／３以上減少
させることができ、画像センサに重要である良好な残像
特性の固体撮像装置を提供することができる。また、上
述するように、電荷蓄積層１９のドーズ量及び不純物濃
度を調整することにより、画像の鮮明度を高く保つこと
も可能である。

【００３１】また、電荷蓄積層１９よりも高濃度の第２
の拡散層１７が、電荷転送経路であるゲート電極１４の
端部に形成されている。このため、電荷蓄積層１９と第
１の拡散層１５との間で表面シールド層２１による電位
障壁が発生することを抑制できる。従って、電荷蓄積層
１９内に蓄積された電荷の読み出しを容易に行うことが
できるため、読み出し電圧の低電圧化を図ることが可能
である。

【００３２】尚、上記実施の形態では、Ｐ型の半導体層
１０を用いたが、Ｎ型の半導体層を用いることも可能で
あり、種々の拡散層の導電型を適宜変更することも可能
である。また、Ｎ型不純物としては、Ｐ以外にも、例え
ば、Ａｓ（ヒ素）、Ｎ（窒素）などを用いてもよい。ま
た、素子分離領域１３は、ＬＯＣＯＳ構造の代わりに、
微細化に有利なＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構
造を用いてもよい。

【００３３】その他、本発明は、上記実施の形態に限定
されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しな
い範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、
上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開
示される複数の構成要件における適宜な組み合わせによ
り種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示さ
れる全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、
発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決で
き、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場
合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽
出され得る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、残
像量を減少することが可能な固体撮像装置及びその製造
方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる固体撮像装置を示
す断面図。

【図２】本発明の一実施形態に係る電荷蓄積層における
不純物濃度と残像及び飽和電圧との関係を示す図。

【図３】本発明の一実施形態に係る電荷蓄積層における
ドーズ量と残像及び飽和電圧との関係を示す図。

【図４】本発明の一実施形態に係わる固体撮像装置の製
造工程を示す断面図。

【図５】図４に続く、本発明の一実施形態に係わる固体
撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図６】図５に続く、本発明の一実施形態に係わる固体
撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図７】図６に続く、本発明の一実施形態に係わる固体
撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図８】図７に続く、本発明の一実施形態に係わる固体
撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図９】図８に続く、本発明の一実施形態に係わる固体
撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図１０】図９に続く、本発明の一実施形態に係わる固
体撮像装置の製造工程を示す断面図。

【図１１】本発明の一実施形態に係わる固体撮像装置の
残像特性と従来技術による固体撮像装置の残像特性との
比較図。

【図１２】従来技術による固体撮像装置を示す概略的な
回路図。

【符号の説明】

１０…半導体層、 １１…Ｐウェル、 １２…素子分離領域、 １３…ゲート絶縁膜、 １４…ゲート電極、 １５…拡散層、 １６、１８、２０…レジスト、 １７…第１のフォトダイオード拡散層、 １９…第２のフォトダイオード拡散層、 ２１…第３のフォトダイオード拡散層、 ３１…ＭＯＳトランジスタ、 ３２…フォトダイオード。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の半導体層上にゲート絶縁膜
   を介して選択的に形成されたゲート電極と、 前記ゲート電極の一端の前記半導体層の表面に形成され
   た第２導電型の第１の拡散層と、 前記ゲート電極の他端の前記半導体層の表面に形成され
   た第２導電型の第２の拡散層と、 前記第２の拡散層と接して、前記半導体層内に形成され
   た第２導電型の第３の拡散層と、 前記第３の拡散層上に形成された第１導電型の第４の拡
   散層とを具備し、 前記第３の拡散層の不純物濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至
   １８×１０¹⁶ｃｍ^-3であることを特徴とする固体撮像装
   置。
2. 【請求項２】 前記第３の拡散層の不純物濃度は、３×
   １０¹⁶ｃｍ^-3乃至１２×１０¹⁶ｃｍ^-3であることを特徴
   とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記半導体層の不純物濃度は、１×１０
   ¹⁵ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記第２の拡散層の不純物濃度は、１×
   １０¹⁶ｃｍ^-3乃至１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装
   置。
5. 【請求項５】 前記第２の拡散層の不純物濃度は、１×
   １０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１乃至３の
   いずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散層
   よりも高濃度であることを特徴とする請求項１乃至３の
   いずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 前記第３の拡散層は、前記半導体層の表
   面から所定間隔離間して前記半導体層の内部に形成され
   ていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項
   に記載の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散層
   よりも浅く形成されていることを特徴とする請求項１乃
   至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 【請求項９】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散層
   よりも深く形成されていることを特徴とする請求項１乃
   至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 【請求項１０】 第１導電型の半導体層上にゲート絶縁
    膜を介してゲート電極を選択的に形成する工程と、 前記ゲート電極の一端の前記半導体層の表面に第２導電
    型の第１の拡散層を形成する工程と、 前記ゲート電極の他端の前記半導体層の表面に第２導電
    型の第２の拡散層を形成する工程と、 第２導電型の不純物のドーズ量を０．６×１０¹²ｃｍ^-2
    乃至１８×１０¹²ｃｍ ^-2としてイオン注入及び熱処理を
    行うことにより、前記半導体層内に前記第２の拡散層と
    接して第２導電型の第３の拡散層を形成する工程と、 前記第３の拡散層上に第１導電型の第４の拡散層を形成
    する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造
    方法。
11. 【請求項１１】 前記ドーズ量は、２×１０¹²ｃｍ^-2乃
    至４×１０¹²ｃｍ^-2であることを特徴とする請求項１０
    に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記第３の拡散層の不純物濃度は、３
    ×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至１２×１０¹⁶ｃｍ^-3であることを特
    徴とする請求項１０又は１１に記載の固体撮像装置の製
    造方法。
13. 【請求項１３】 前記半導体層の不純物濃度は、１×１
    ０¹⁵ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１０乃至１２
    のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記第２の拡散層の不純物濃度は、１
    ×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴
    とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の固体
    撮像装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記第２の拡散層の不純物濃度は、１
    ×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１０乃至
    １３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散
    層よりも高濃度であることを特徴とする請求項１０乃至
    １３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記第３の拡散層は、前記半導体層の
    表面から所定間隔離間して前記半導体層の内部に形成さ
    れることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１
    項に記載の固体撮像装置の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散
    層よりも浅く形成されることを特徴とする請求項１０乃
    至１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方
    法。
19. 【請求項１９】 前記第２の拡散層は、前記第３の拡散
    層よりも深く形成されることを特徴とする請求項１０乃
    至１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方
    法。