JP2006165161A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単位画素の光電変換効率を向上させることができる固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｐウェル領域２が形成されたＮ型シリコン基板１上にフォトレジスト３を形成した後、イオン注入法によりＮ型領域４およびＰ型領域５を形成してフォトダイオードを形成する。フォトレジスト３の上面３Ａは、曲面で形成され、フォトレジスト３は、その厚さが中央部が最も薄く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに厚くなるように形成されている。Ｎ型領域４の底面４Ａは、中央部が前記半導体基板の厚さ方向に最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成され、Ｐ型領域４の底面（ＰＮ接合面）５Ａは、Ｎ型領域４の底面４Ａと同一形状に形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換素子の光電変換効率を向上させる固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来、固体撮像装置では、単位画素の開口率を大きくしたり、マイクロレンズの集光効率を向上させることで、光電変換素子の光電変換効率を向上させている。
しかしながら、近年、ますます多画素化が進み、単位画素の面積が小さくなり、さらなる光電変換効率の向上が望まれている。このため、例えばフォトダイオードの場合には、ＰＮ接合のそれぞれの不純物領域の不純物濃度を高め、光電変換効率を向上させている（非特許文献１参照）。
米本和也著ＣＱ出版社「ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージ・センサの基礎と応用」第９２頁〜第９４頁

しかしながら、従来の固体撮像装置及びその製造方法では、光電変換素子の不純物領域の不純物濃度を過度に高くすると、白点等の欠陥画素が多発するといった問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、単位画素の光電変換効率を向上させることができる固体撮像装置及びその製造方法を提供するにある。

上記目的を達成するため、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面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された複数の光電変換部とを備え、前記光電変換部は、第１の導電型領域と第１の導電型領域上に積層され、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された第２の導電型領域とを有し、前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域との間の境界面は、ＰＮ接合面を構成し、前記第１の導電型領域は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置であって、前記底面の少なくとも一部は、前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成され、前記ＰＮ接合面は、前記底面と同一形状に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に素子形成用のウェル領域を前記半導体基板の表面に臨むように形成するウェル領域形成工程と、前記ウェル領域形成工程で形成されたウェル領域に第１の導電型領域を形成する第１の導電型領域形成工程と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように第２の導電型領域を第１の導電型領域上に積層して形成する第２の導電型領域形成工程とを含み、前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域との間にＰＮ接合面を構成して光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、前記第１の導電型形成工程で形成された第１の導電型領域は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置の製造方法であって、前記第１の導電型形成工程は、前記底面の少なくとも一部を前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成し、前記第２の導電型形成工程は、前記ＰＮ接合面を前記底面と同一形状に形成することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、第１の導電型領域の底面の少なくとも一部を前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成し、第２の導電型領域の底面であるＰＮ接合面を前記底面と同一形状に形成する。
したがって、平面状に形成された従来のＰＮ接合面に比べ、ＰＮ接合面の面積を増大させることができるので、単位画素の電子の発生数を増大させて、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。また、第１の導電型領域の底面と第２の導電型領域の底面であるＰＮ接合面とを同一形状に形成するので、ＰＮ接合面の近傍に電子を均一に発生させることができる。したがって、信号電荷の読み出しを安定して行うことができる。

上記目的を達成するため、半導体基板の表面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域に第１の導電型領域と第２の導電型領域とを積層し、第１の導電型領域と第２の導電型領域との間の境界面にＰＮ接合面を構成して光電変換部（フォトダイオード）を形成する。第１の導電型領域の底面の少なくとも一部を前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成し、第２の導電型領域の底面であるＰＮ接合面を前記底面と同一形状に形成する。

以下、本発明の実施例１の固体撮像装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。
図１は、実施例１の固体撮像装置及びその製造方法を示す断面図である。
実施例１の固体撮像装置は、図１（Ａ）に示すように、図示しないＰウェル領域２が形成されたＮ型シリコン基板１上にフォトレジスト３を形成した後、図１（Ｂ）に示すように、イオン注入法によりＮ型領域４およびＰ型領域５を形成し、Ｎ型領域４およびＰ型領域５からなる光電変換素子（フォトダイオード）を形成したものである。
なお、Ｐウェル領域２、Ｎ型領域４およびＰ型領域５の形成順は、とくに限定されるものではなく、どの領域を先に形成してもよい。

フォトレジスト３の上面３Ａは、曲面で形成され、フォトレジスト３は、その厚さが中央部が最も薄く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに厚くなるように形成されている。このようなフォトレジスト３を使用してイオン注入法によりＮ型領域４およびＰ型領域５を形成すると、Ｎ型領域４の底面４Ａは、中央部が前記半導体基板の厚さ方向に最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成され、Ｐ型領域４の底面（ＰＮ接合面）５Ａは、Ｎ型領域４の底面４Ａと同一形状に形成される。

このように実施例１の固体撮像装置及びその製造方法によれば、ＰＮ接合面がゆるやかな曲面で形成されるので、ＰＮ接合面が平面状に形成される従来のＰＮ接合面に比べ、その面積を増大させることができる。したがって、単位画素の電子の発生数を増大させて、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。また、Ｎ型領域４の底面４ＡとＰ型領域５の底面（ＰＮ接合面）５Ａとを同一形状に形成するので、ＰＮ接合面５Ａの近傍に電子を均一に発生させることができる。したがって、信号電荷の読み出しを安定して行うことができる。

Ｎ型領域４の底面４ＡおよびＰ型領域５の底面（ＰＮ接合面）５Ａは、例えば、図１の場合と反対に、外周部がシリコン基板１の厚さ方向に最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成してもよい。
また、Ｎ型領域４の底面４ＡおよびＰ型領域５の底面（ＰＮ接合面）５Ａの全体でなく、その一部、例えば中央部や外周部を曲面で構成してもよい。
これらの場合のように、Ｎ型領域４の底面４ＡおよびＰ型領域５の底面（ＰＮ接合面）５Ａは、ＰＮ接合面５Ａの近傍で電子が均一に発生するような形状であればよい。

フォトレジスト３は、いわゆるグレートーンマスクを使用してシリコン基板１上に形成することができる。グレートーンマスクは、光の透過量を制御してフォトレジストの膜厚を変化させる。グレートーンマスクは、例えば、微細パターンを構成する透過部および遮光部の面積を変化させることにより、また、描画機の露光量を変化させることにより、光の透過量を制御するように作製することができる。

図２は、汚染防止膜の形成を示す図である。
図２に示すように、フォトレジスト３を形成する前に、Ｎ型シリコン基板１上に汚染防止膜６を形成するとよい。汚染防止膜６は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜から構成され、イオン注入の際にフォトレジスト３に含まれる金属等の不純物がＮ型シリコン基板１内に進入するのを防止する。

図３は、フォトレジスト３の変形例を示す図である。
図３に示すように、フォトレジスト３を、フォトレジスト３１およびフォトレジスト３２から構成するとよい。フォトレジスト３１は、Ｎ型領域４およびＰ型領域５の側面と同一の側面を有し、その上面３１Ａは、Ｎ型領域４の底面４ＡおよびＰ型領域５の底面（ＰＮ接合面）５Ａを形成する。フォトレジスト３２は、フォトレジスト３１の側面を囲む、すなわちＮ型領域４およびＰ型領域５の側面を囲む側壁から構成される。フォトレジスト３２によりイオン注入の際に打ち込まれるイオンの隣接画素への混入を防止することができる。したがって、Ｎ型領域４およびＰ型領域５の側面を精度良く形成することができる。

実施例１の固体撮像装置及びその製造方法を示す断面図である。 汚染防止膜の形成を示す図である。 フォトレジスト３の変形例を示す図である。

符号の説明

１……Ｎ型シリコン基板、２……Ｐウェル領域、３……フォトレジスト、４……フォトダイオードのＮ型領域、５……フォトダイオードのＰ型領域、６……汚染防止膜。

Claims (16)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の表面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された複数の光電変換部とを備え、
   前記光電変換部は、第１の導電型領域と第１の導電型領域上に積層され、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された第２の導電型領域とを有し、
   前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域との間の境界面は、ＰＮ接合面を構成し、
   前記第１の導電型領域は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置であって、
   前記底面の少なくとも一部は、前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成され、
   前記ＰＮ接合面は、前記底面と同一形状に形成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記底面は、曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記底面は、中央部が前記半導体基板の厚さ方向に最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記底面は、外周部が前記半導体基板の厚さ方向に最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の中央部であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の外周部であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 半導体基板に素子形成用のウェル領域を前記半導体基板の表面に臨むように形成するウェル領域形成工程と、
   前記ウェル領域形成工程で形成されたウェル領域に第１の導電型領域を形成する第１の導電型領域形成工程と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように第２の導電型領域を第１の導電型領域上に積層して形成する第２の導電型領域形成工程とを含み、前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域との間にＰＮ接合面を構成して光電変換部を形成する光電変換部形成工程と、
   前記第１の導電型形成工程で形成された第１の導電型領域は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記第１の導電型形成工程は、前記底面の少なくとも一部を前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成し、
   前記第２の導電型形成工程は、前記ＰＮ接合面を前記底面と同一形状に形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記底面は、曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記底面は、中央部が最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記底面は、外周部が最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の中央部であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の外周部であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記第１の導電型形成工程は、前記第１の導電型の不純物のイオン注入を行う第１のイオン注入工程であり、
    前記第２の導電型形成工程は、前記第２の導電型の不純物のイオン注入を行う第２のイオン注入工程であり、
    前記光電変換部形成工程は、前記第１および第２のイオン注入工程の前に前記第１の導電型形成工程で形成すべき前記第１の導電型領域の前記底面と同一形状の上面を有するフォトレジストを前記半導体基板上に形成するフォトレジスト形成工程を含み、
    前記第１および第２のイオン注入工程は、前記フォトレジスト形成工程で形成されたフォトレジストを介してイオン注入を行うことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記フォトレジスト形成工程は、グレートーンマスクを使用して前記フォトレジストを形成することを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。
15. 前記光電変換部形成工程は、前記フォトレジスト形成工程の前に、前記第１および第２のイオン注入工程の際に前記フォトレジストに含まれる不純物が前記半導体基板を汚染するのを防止するための汚染防止膜を前記半導体基板上に形成する汚染防止膜形成工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 前記フォトレジストは、第１および第２のフォトレジストから構成され、
    前記フォトレジスト形成工程は、
    前記第１の導電型領域形成工程で形成すべき前記第１の導電型領域の前記底面と同一形状の前記上面を有する第１のフォトレジストを形成する第１の工程と、
    前記光電変換部形成工程で形成される前記光電変換部の側面を前記ウェル領域と区画するように前記第１のフォトレジストの周囲を囲む側壁から構成される第２のフォトレジストを形成する第２の工程とを含むことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。

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