JP2004335674A - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受光部20と隣りの受光部の垂直電荷転送部30との間に、当該垂直電荷転送部30の転送方向に沿ってチャネルストップ部50を形成してなるCCD固体撮像素子において、チャネルストップ部50の内部にゲッター部60を形成することにより、入射光によって半導体基板の表面で発生し、基板表面に沿って横方向に拡散して読み出し側と反対側のチャネルストップ部50に入る電子をゲッター部60によって捕獲し、転送チャネル領域31に漏れ込むのを確実に抑制する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法に関し、特に画素(受光部)間チャネルストップ部を不純物の接合分離にて形成する固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子、例えばCCD(Charge Coupled Device)固体撮像素子特有の欠点の一つとしてスミアが挙げられる。スミアは、撮像画中に輝度の高い被写体があると、光の漏れ込みによって上下方向(垂直方向)に縞状の明るい帯(縦筋)ができる現象である。固体撮像素子におけるスミアの主成分に関して、図7を用いて以下に説明する。図7は、CCD固体撮像素子における受光部および垂直電荷転送部の構成を示す断面図である。
【0003】
図7において、受光部(光電変換部)101は、シリコン基板102の表層部に形成されたn型不純物拡散領域103とp型ウェル領域104とのpn接合によるフォトダイオードによって構成されている。垂直電荷転送部105は、シリコン基板102の表層部に形成されたn型不純物の転送チャネル領域106およびその下のp型不純物領域107と、シリコン基板102上にゲート絶縁膜108を介して形成された転送電極109とから構成されている。
【0004】
読み出しゲート部110は、転送電極109の一部をゲート電極として兼用しており、当該ゲート電極とその下のシリコン基板102の表層部に形成されたp型不純物領域111とによって構成されている。受光部101と隣り受光部の垂直電荷転送部105との間のシリコン基板102の表層部には、p型不純物のチャネルストップ部112が形成されている。また、垂直電荷転送部105の各々を覆うように遮光膜113が形成されている。
【0005】
上記構成の受光部101および垂直電荷転送部105において、スミアの一般的な主成分は、次の4つの成分▲1▼〜▲4▼に大別される。成分▲1▼は、斜め入射光により基板深部で光電変換によって発生した電子−正孔のうち、電子が転送チャネル領域106へ漏れ込んで発生するスミア成分である。成分▲2▼は、斜め入射光がシリコン基板102と遮光膜113や転送電極109との間で反射し、転送チャネル領域106へ漏れ込んで当該転送チャネル領域106で電子が発生することに起因するスミア成分である。
【0006】
成分▲3▼は、遮光膜113/転送電極109を直接透過する入射光成分が転送チャネル領域106内で電子を発生することに起因するスミア成分である。成分▲4▼は、入射光によってシリコン基板102の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、読み出しゲート部110のp型不純物領域111またはチャネルストップ部112を通過して転送チャネル領域106へ漏れ込むことによって発生するスミア成分である。
【0007】
これら4成分▲1▼〜▲4▼のうち、特にスミアの成分として支配的である上記成分▲4▼を改善するために、従来は、転送チャネル等であるn型拡散層の側方に位置する制御部や分離部の不純物濃度を半導体基板のp型ウェルよりも高く形成することにより、n型拡散層近傍の電位勾配をほとんど無くし、半導体基板の表面に沿った拡散電流を小さく制限してスミアを低減するようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−77647号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、制御部や分離部の不純物濃度の設定によってn型拡散層近傍の電位勾配を全く無くすることは難しいことから、半導体基板表面に沿った拡散電流をある程度小さく制限できるのものの、これを完全になくすことは困難であるため、当該拡散電流に起因するスミアを確実に抑制するのは難しい。
【0010】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スミア成分のうち、入射光によって半導体基板の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、チャネルストップ部を通過して転送チャネル領域に漏れ込む成分を確実に抑制可能な固体撮像素子および当該固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像素子は、入射光を光電変換する受光部と、前記受光部から読み出される信号電荷を転送する電荷転送部と、前記受光部と隣りの受光部の電荷転送部との間に設けられたチャネルストップ部と、前記チャネルストップ部内に形成されたゲッター部とを備えた構成となっている。
【0012】
上記構成の固体撮像素子において、入射光によって半導体基板の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、読み出し側と反対側のチャネルストップ部に入ると、チャネルストップ部内のゲッター部がこれを捕獲する。これにより、スミアの成分として支配的な入射光に起因する電子が、チャネルストップ部を通過して転送チャネル領域に漏れ込むのを確実に抑制できる。また、ゲッター部が受光部の近傍に位置することで、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制できる。
【0013】
本発明による固体撮像素子の製造方法は、入射光を光電変換する受光部と、前記受光部から読み出される信号電荷を転送する電荷転送部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板上における前記受光部と隣りの受光部の電荷転送部との間の領域にチャネルストップ部を形成する第1の工程と、前記チャネルストップ部の領域内にゲッター部を形成する第2の工程とを少なくとも含んでいる。
【0014】
固体撮像素子の製造に当たって、チャネルストップ部の領域内にゲッター部を形成することで、当該ゲッター部は入射光によって半導体基板の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、読み出し側と反対側のチャネルストップ部に入った際にこれを捕獲する作用をなすことになる。したがって、スミアの成分として支配的な入射光に起因する電子が、チャネルストップ部を通過して転送チャネル領域に漏れ込むのを確実に抑制でき、しかもゲッター部が受光部の近傍に位置することで、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制できることになるため、スミア特性に優れ、白傷欠陥の少ない固体撮像素子を製造できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係るCCD固体撮像素子の主要部(受光部および垂直電荷転送部)の構成を示す断面図である。図1において、エピタキシャル基板10は、CZ(Czochralski)法で成長させたシリコン基板であるn型のCZ基板11の上にエピタキシャル層12を形成し、その上にさらにp型のウェル領域13を形成した構成となっている。
【0017】
p型ウェル領域13内に受光部(光電変換部)20、垂直電荷転送部40、読み出しゲート部30およびp型チャネルストップ部50が形成されている。具体的には、受光部(画素)20は、p型ウェル領域14と当該ウェル領域14内に形成されたn型不純物拡散領域21とのpn接合によるフォトダイオードにより構成され、n型不純物拡散領域21上、即ち基板表面側にp型の正電荷(正孔)蓄積領域(p++層)17を有する構成となっている。
【0018】
垂直電荷転送部30は、p型ウェル領域14内に形成されたn型転送チャネル領域(p+ 層)31と、当該転送チャネル領域31の直下に形成された第2のp型ウェル領域32と、エピタキシャル基板10上にONO膜(SiO2/SiN/SiO2)構造のゲート絶縁膜71を介して形成された多結晶シリコンからなる例えば2層構造の転送電極33とから構成されている。
【0019】
読み出しゲート部40は、垂直電荷転送部30の転送電極33の一部をゲート電極として兼用し、当該ゲート電極とその下のチャネル領域とによって構成されている。チャネルストップ部50はp型不純物(p+ 層)によって構成されている。また、垂直電荷転送部30の各々を覆うように、層間絶縁膜72を介してアルミニウムやタングステン等からなる遮光膜73が形成されている.
【0020】
図2は、第1実施形態に係るCCD固体撮像素子の平面図である。図2において、垂直電荷転送部30には第1層目の転送電極33−1と第2層目の転送電極33−2とがオーバーラップした状態で交互に繰り返して配列されている。チャネルストップ部50は、受光部20と隣りの受光部の垂直電荷転送部30との間に、当該垂直電荷転送部30の転送方向に沿って形成されている。
【0021】
図1および図2において、チャネルストップ部50の内部には、ゲッタリングサイトであるゲッター部60が形成されている。このゲッター部60は、入射光によってエピタキシャル基板10の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、読み出し側と反対側のチャネルストップ部50を通過して隣りの転送チャネル領域31に漏れ込む成分を捕獲する作用をなす。
【0022】
ここで、ゲッター部60、即ちゲッタリングサイトとしてはいろいろな物が考えられる。ゲッタリング技術としては、一般的に、シリコン基板中の酸素を基板内部のみに析出させ、これをゲッタリングサイトとするIG(Intrinsic Gettering)法、基板裏面にポリシリコンや高濃度燐(Phos.)領域等を形成し、シリコンとの歪み応力を利用してゲッタリングサイトを形成するEG(Extrinsic Gettering)法等がある。
【0023】
これに対して、ゲッター部60のように、画素間のチャネルストップ部50の領域内に局所的に形成でき、電気的に中性でかつ拡散が小さいゲッタリングサイトとしては,4族の不純物元素をイオン注入して形成するゲッタリング技術が一番望ましい。具体的には、4族の不純物元素として例えば炭素イオンを5×1013 cm−2 以上、好ましくは5×1013 〜5×1015 cm−2のドーズ量で注入し、ゲッタリングサイトとする。但し、イオン注入する4族の不純物元素としては、炭素に限られるものではなく、ゲルマニウム、錫、鉛等であっても良い。
【0024】
炭素をイオン注入するに際し、炭素のドーズ量を5×1013 cm−2 以上にすることで、この炭素のイオン注入による高密度の結晶欠陥の形成と応力の発生とを十分に行うことができるため、電子を捕獲するゲッタリング能力を高めることができる。また、炭素のドーズ量を5×1015 cm−2以下にすることで、エピタキシャル基板10の表面の結晶性の劣化を少なく抑えることができる。
【0025】
ゲッター部60の形成に当たっては、チャネルストップ部50の領域からはみ出さないように、当該チャネルストップ部50の内部に形成する必要がある。何故ならば、ゲッター部60がチャネルストップ部50の領域からはみ出ると、当該ゲッター部60が有する欠陥や準位によって電子が発生し、白傷欠陥や暗電流成分の原因となってしまうためである。チャネルストップ部50の領域からはみ出さないようにゲッター部60を形成するには、イオン注入する際のドーズ量、エネルギーあるいは角度などを適宜選定するようにすれば良い。
【0026】
このように、ゲッター部60をチャネルストップ部50の領域からはみ出さないように形成することで、チャネルストップ部50とゲッター部60との間にはP+層のみの領域が残り、この領域を介して入射光によって基板表面で発生した電子が拡散し得るが、平均自由工程が従来構造に比べて長くなるため、電子/正孔の再結合が起こる確率が増える。これにより、転送チャネル領域31に漏れ込む電子数を低減でき、結果としてスミア特性を改善できる。
【0027】
上述したように、受光部20と隣りの受光部の垂直電荷転送部30との間に、当該垂直電荷転送部30の転送方向に沿ってチャネルストップ部50を形成してなるCCD固体撮像素子において、チャネルストップ部50の内部にゲッター部60を形成することにより、入射光によってエピタキシャル基板10の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向(水平方向)に拡散し、読み出し側と反対側のチャネルストップ部50を通過する際にゲッター部60によって捕獲されるため、チャネルストップ部50を通過して転送チャネル領域31に漏れ込むスミア成分を確実に抑制できる。
【0028】
ゲッター部60で捕獲される電子は、スミアの成分として支配的な成分であるため、チャネルストップ部50内にゲッター部60を形成することで、スミア特性を大幅に改善できる。しかも、ゲッター部60が受光部20の近傍に位置しているため、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制することができる。
【0029】
なお、本実施形態では、受光部20と隣りの受光部の垂直電荷転送部30との間、即ち水平方向の画素間にチャネルストップ部50を形成してなるCCD固体撮像素子において、チャネルストップ部50の内部にゲッター部60を形成するとしたが、これに限られるものではない。すなわち、図3に示すように、混色の防止を目的として、垂直方向の画素間にもチャネルストップ部50′を形成してなるCCD固体撮像素子において、水平方向の画素間のチャネルストップ部50のみならず、垂直方向の画素間にもチャネルストップ部50′の内部にもゲッター部60′を形成することも可能である。これにより、入射光によってエピタキシャル基板10の表面で発生し、基板表面に沿って縦方向(垂直方向)に拡散する電子についても捕獲することができるためスミア特性をさらに改善できる。
【0030】
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態に係るCCD固体撮像素子の主要部の構成を示す断面図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
【0031】
本実施形態に係るCCD固体撮像素子は、受光部20、垂直電荷転送部30、読み出しゲート部40、チャネルストップ部50およびゲッター部60を形成する半導体基板として、エピタキシャル層12を形成する前のシリコン基板であるn型CZ基板11の表面に、炭素イオンを1×1015 cm−2のドーズ量でイオン注入して炭素注入領域14を形成した後、エピタキシャル層12を形成してなるエピタキシャル基板10′を用いた構成を採っており、それ以外の構成は基本的に第1実施形態に係る固体撮像素子の構成と同じである。
【0032】
かかる構成のCCD固体撮像素子において、炭素注入領域14中の炭素が酸素の析出を加速してCZ基板11に高密度の結晶欠陥を形成しており、この結晶欠陥がゲッタリングサイトになっている。また、CZ基板11を形成している元素(シリコン)と炭素注入領域14中の炭素とで共有結合半径が異なることによって応力が発生しており、この応力自体もゲッタリングサイトになっている。このため、CZ基板11中に元々存在している不純物および結晶欠陥や、エピタキシャル層12を形成する際およびその後に固体撮像素子を形成する際に導入される不純物および結晶欠陥が強力にゲッタリングされる。
【0033】
上述したように、半導体基板として炭素注入領域14を有するエピタキシャル基板10′を用い、当該エピタキシャル基板10′上に垂直電荷転送部30、読み出しゲート部40、チャネルストップ部50およびゲッター部60を形成した構成を採ることにより、第1実施形態と同様の効果、即ちゲッター部60によるスミア特性の改善効果に加えて、炭素注入領域14によって不純物および結晶欠陥を強力にゲッタリングできるため、CCD固体撮像素子の白傷欠陥や暗電流成分を大幅に低減できる効果を得ることができる。
【0034】
[製造方法]
次に、第2実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法について、図5および図6の製造工程図を用いて説明する。図5および図6において、図4と同等部分には同一符号を付して示している。
【0035】
先ず、図5(A)に示すように、CZ法で成長させたシリコン基板であるn型のCZ基板11を準備する。このCZ基板11は、主面が(100)面を有し、例えば比抵抗10Ωcmの直径200mmの基板である。このCZ基板11に対して、その表面に熱酸化膜81を介して4族の不純物元素、例えば炭素を1×1015cm−2のドーズ量で注入して炭素注入領域14を形成する。炭素のイオン注入後アニールを施し、しかる後熱酸化膜81を除去する。
【0036】
次に、図5(B)に示すように、CZ基板11の一主面にSiHC13ソースガスによる水素還元法を用いて、例えば1110℃のエピタキシャル成長温度にて、例えば8μmのn型シリコンエピタキシャル層2を成長させる。次いで、図5(C)に示すように、n型シリコンエピタキシャル層12に第1のp型ウェル領域13を形成する。
【0037】
次に、図5(D)に示すように、p型ウェル領域13の表面上にONO膜(SiO2/SiN/SiO2)構造のゲート絶縁膜71を形成し、第1のp型ウェル領域13内にn型およびp型不純物を選択的にイオン注入して、垂直電荷転送部30を構成するn型の転送チャネル領域31およびp型のチャネルストップ部50と、第2のp型ウェル領域32をそれぞれ形成する。また、チャネルストップ部50の内部に、炭素イオンを選択的に5×1013 cm−2 以上、好ましくは5×1013 〜5×1015 cm−2のドーズ量で注入してゲッター部60を形成する。
【0038】
次に、図6(A)に示すように、垂直電荷転送部30の2層構造の転送電極33(図2の第1層目、第2層目の転送電極33−1,33−2)を多結晶シリコンで形成する。次いで、図6(B)に示すように、転送電極33をマスクとして用いて第1のp型ウェル領域13内にn型およびp型不純物を選択的にイオン注入して、受光部20を構成するn型不純物拡散領域21およびp型の正電荷蓄積領域17を形成する。
【0039】
次に、素子全面に亘って層間絶縁膜72を形成した後、垂直電荷転送部30上を覆う遮光膜73をアルミニウムあるいはタングステン等によって形成する。以降、周知のカラーフィルタやオンチップレンズを順に形成することにより、目的のCCD固体撮像素子を得る。なお、第1実施形態に係るCCD固体撮像素子を製造する場合には、図5(A)において、炭素注入領域14を形成する工程が省かれることになる。
【0040】
上述したように、チャネルストップ部50の領域内にゲッター部60を形成することにより、当該ゲッター部60は入射光によって半導体基板の表面で発生した電子が基板表面に沿って横方向に拡散し、読み出し側と反対側のチャネルストップ部50に入った際にこれを捕獲する作用をなすことになる。したがって、スミアの成分として支配的な入射光に起因する電子が、チャネルストップ部50を通過して転送チャネル領域31に漏れ込むのを確実に抑制でき、しかもゲッター部60が受光部20の近傍に位置することで、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制できることになるため、スミア特性に優れ、白傷欠陥の少ないCCD固体撮像素子を製造できる。
【0041】
なお、図6において、転送電極33の下部のゲート絶縁膜71についてはONO膜構造となっているが、受光部20の領域のみのゲート絶縁膜については付け直してSiO2膜としている。但し、本発明は、このゲート絶縁膜の構造に限定されるものではない。
【0042】
また、ここでは、n型Siエピタキシャル基板上に形成されたp型のウェル領域13の表面にn型拡散領域21を形成して、p型ウェル13とn型拡散領域21とのpn接合によってフォトダイオードを形成するタイプのCCD固体撮像素子を製造する場合を例に挙げて説明したが、p型のSiエピタキシャル基板にn型不純物領域を形成してフォトダイオードを作成するタイプのCCD固体撮像素子にも同様に適用できる。
【0043】
また、層内レンズを複数個有するタイプのCCD固体撮像素子や、縦型オーバーフローバリア形成後にエピタキシャル層を形成し,近赤外線にも感度を持つタイプのCCD固体撮像素子、さらには紫外線に透過性を有する膜のみにて受光部を形成するタイプのCCD固体撮像素子にも適用できることは勿論である。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体撮像素子によれば、チャネルストップ部の内部にゲッター部を設けることにより、当該ゲッター部が入射光によって半導体基板の表面で発生し、基板表面に沿って横方向に拡散して読み出し側と反対側のチャネルストップ部に入る電子を確実に捕獲することができるためスミア特性を改善でき、またゲッター部が受光部の近傍に位置することで、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制できる。
【0045】
本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、チャネルストップ部の内部にゲッター部を形成することにより、スミアの成分として支配的な入射光に起因する電子がチャネルストップ部を通過して転送チャネル領域に漏れ込むのを確実に抑制できるとともに、プロセス起因で混入する金属不純物による白傷欠陥や暗電流成分についても抑制できるため、スミア特性に優れ、白傷欠陥の少ない固体撮像素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るCCD固体撮像素子の主要部の構成を示す断面図である。
【図2】チャネルストップ部の構成の一例を示す平面図である。
【図3】チャネルストップ部の構成の他の例を示す平面図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係るCCD固体撮像素子の主要部の構成を示す断面図である。
【図5】第2実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その1)である。
【図6】第2実施形態に係るCCD固体撮像素子の製造方法の手順を示す工程図(その2)である。
【図7】従来例に係るCCD固体撮像素子の主要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
10…エピタキシャル基板、11…CZ基板、12…n型エピタキシャル層、13…第1のp型ウェル領域、14…炭素注入領域、20…受光部、21…n型拡散領域、22…正電荷蓄積領域、30…垂直電荷転送部、31…転送チャネル領域、32第2のp型ウェル領域、33,33−1,33−2…転送電極、40…読み出しゲート部、50…チャネルストップ部、60…ゲッター部
Claims (12)
- 入射光を光電変換する受光部と、
前記受光部から読み出される信号電荷を転送する電荷転送部と、
前記受光部と隣りの受光部の電荷転送部との間に設けられたチャネルストップ部と、
前記チャネルストップ部内に形成されたゲッター部と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記ゲッター部は、4族の不純物元素によって形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記4族の不純物元素が炭素である
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記チャネルストップ部は、前記電荷転送部の転送方向で隣り合う受光部間にも設けられており、
前記ゲッター部は、前記電荷転送部の転送方向で隣り合う受光部間の前記チャネルストップ部にも形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記ゲッター部は、4族の不純物元素によって形成されている
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。 - 前記4族の不純物元素が炭素である
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。 - 入射光を光電変換する受光部と、前記受光部から読み出される信号電荷を転送する電荷転送部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
半導体基板上における前記受光部と隣りの受光部の電荷転送部との間の領域にチャネルストップ部を形成する第1の工程と、
前記チャネルストップ部の領域内にゲッター部を形成する第2の工程と
を少なくとも含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2の工程では、4族の不純物元素をイオン注入することによって前記ゲッター部を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記4族の不純物元素が炭素である
ことを特徴とする請求項8記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第1の工程では、前記電荷転送部の転送方向で隣り合う受光部間の領域にも前記チャネルストップ部を形成し、
前記第2の工程では、前記電荷転送部の転送方向で隣り合う受光部間の前記チャネルストップ部の領域にも前記ゲッター部を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2の工程では、4族の不純物元素をイオン注入することによって前記ゲッター部を形成する
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記4族の不純物元素が炭素である
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像素子の製造方法。
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