JP2007115948A - 固体撮像装置、その製造方法及びそれを用いたカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＴＩ構造を形成する際に電荷蓄積部が減少することを抑え、ダイナミックレンジが大きな固体撮像装置及びカメラを実現できるようにする。
【解決手段】固体撮像装置は、シリコンからなる基板１に形成され、電荷蓄積部４を有するフォトダイオード２と、フォトダイオード２からの電荷を読み出すＭＯＳ型トランジスタと、基板１の光電変換部２とＭＯＳ型トランジスタとの間の領域に形成された溝部に埋め込まれた絶縁材料からなるＳＴＩ構造の素子分離領域３とを備えている。溝部の側壁にはフォトダイオード２と接するように、電荷蓄積部４の導電型と反対の導電型を有する側壁層７が形成されており、側壁層７の厚さは、５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。

ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置は、各画素を構成するフォトダイオードに蓄積された信号を、ＭＯＳ型トランジスタを含む増幅回路によって読み出すイメージセンサである。このＭＯＳ型固体撮像装置は低電圧で動作すると共に、高速電荷読み出しが可能であり、さらに周辺回路とワンチップ化することができるという長所を有している。このため、ＭＯＳ型固体撮像装置はパーソナルコンピュータ用小型カメラ及び携帯電話等の携帯機器に用いる撮像素子として注目されている。

しかし、ＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Cuppled Device）型の固体撮像装置と比べ、セルサイズが大きく、感度が劣るという傾向があり、さらなるセルサイズの縮小及び感度の向上が必要とされている。

ＭＯＳ型固体撮像装置において、半導体基板の上に形成されたフォトダイオードである光電変換部とＭＯＳ型トランジスタとをそれぞれ分離する素子分離領域には、一般的に熱酸化膜であるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）が形成されている。しかし、ＬＯＣＯＳを用いた場合には、素子分離特性を満たすために素子分離領域の幅を広くする必要がある。さらに、ＬＯＣＯＳを形成する場合にバーズビークが発生するため、活性領域の幅を十分に確保する必要がある。このため、一画素あたりの素子分離領域の占有面積及び活性領域の占有面積を大きくしなければならないので、セルサイズを縮小することは困難である。

このため、素子分離領域としてシリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜に側壁及び底面が覆われた溝部に、ＳｉＯ₂等の絶縁膜が埋め込まれた浅溝型構造の素子分離（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）を用いることが試みられている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

素子分離領域をＳＴＩ構造により形成した場合には、バーズビークが発生しないので素子分離領域が受光領域にはみ出すことはない。従って、ＭＯＳ型トランジスタの活性領域の幅を狭くすることができるので、受光領域の面積の減少を防ぎ、受光領域の面積を大きく確保することができる。また、ＳＴＩ構造の素子分離領域は、絶縁材料の幅をＬＯＣＯＳ構造等よりも狭くすることができるため、素子分離領域の面積を縮小できる。従って、一画素あたりに占める素子分離領域の面積を小さくすることができるので、フォトダイオードの感度を向上させることが可能となる。
特開２００４−３９８３２公報、 特開平１１−２７４４５４号公報

しかしながら、従来のＳＴＩ構造を有するＭＯＳ型固体撮像装置においては、セルサイズの縮小については考慮されているがダイナミックレンジの低下については考慮されていないという問題がある。

ＭＯＳ型固体撮像装置においてＳＴＩ構造の素子分離領域を形成する際には、溝部の側壁及び底面を熱酸化することによりＳｉＯ₂膜を形成している。また、ＭＯＳ型トランジスタのゲート絶縁膜にも熱酸化により形成されたＳｉＯ₂膜が用いられている。これは、ＭＯＳ型固体撮像装置においては、電荷蓄積量を確保する必要から２Ｖ以上の電圧で駆動するため、ゲート絶縁膜を薄膜化する必要がなく、熱酸化により形成されたＳｉＯ₂膜を用いても耐圧の劣化等が生じないことによる。

一方、光電変換部と素子分離領域との間には、分離特性を向上させるために光電変換部の電荷蓄積部と逆の導電型を有する不純物拡散層であるチャネルストッパ層が形成されている。熱酸化法により溝部の側壁及び底面にＳｉＯ₂膜を形成する場合及びゲート絶縁膜を熱酸化法により形成する場合には、熱処理プロセスにおいてチャネルストッパ層が広がり、電荷蓄積部のサイズが小さくなるという問題が生じる。特に画素のサイズが３μｍ角以下の場合には、電荷蓄積部の減少によりダイナミックレンジが大きく減少するため大きな問題となる。

本発明は、前記従来の問題を解決し、ＳＴＩ構造の素子分離領域を形成する際に電荷蓄積部が減少することを抑え、ダイナミックレンジが大きな固体撮像装置及びカメラを実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置を、光電変換部と素子分離領域との間に形成されたチャネルストッパ層が薄く、光電変換部のサイズが縮小されない構成とする。

具体的に本発明に係る固体撮像装置は、シリコンからなる基板に形成され、電荷を蓄積する電荷蓄積部を含む光電変換部と、基板に形成され、光電変換部から蓄積された電荷を読み出すＭＯＳ型トランジスタと、基板における光電変換部とＭＯＳ型トランジスタとの間の領域に形成された溝部に絶縁材料が埋め込まれてなる、浅溝型構造の素子分離領域と、溝部の側壁部と光電変換部との間の領域に形成され、電荷蓄積部と導電型が異なるチャネルストッパ層とを備え、チャネルストッパ層の厚さは、５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、チャネルストッパ層の厚さは、５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下であるため、チャネルストッパ層により光電変換部のサイズが減少することがない。従って、電荷蓄積部の電荷蓄積容量が減少することがないので、ダイナミックレンジが大きい固体撮像装置を実現することができる。

本発明の固体撮像装置において、ＭＯＳ型トランジスタはゲート絶縁膜を有し、素子分離領域は、溝部の側壁を覆う側壁酸化膜を有し側壁酸化膜及びゲート絶縁膜は、減圧湿式酸化法により形成されたシリコン酸化膜であることが好ましい。このような構成とすることにより、チャネルストッパ層の厚さを確実に５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下とすることができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、シリコンからなる基板に、電荷を蓄積する電荷蓄積部を有する光電変換部を形成する工程（ａ）と、基板の光電変換部と隣接する部分に素子分離領域となる溝部を形成する工程（ｂ）と、溝部の側壁に電荷蓄積部と導電型が異なるチャネルストッパ層を形成する工程（ｃ）と、減圧湿式酸化法により溝部の側壁を覆う側壁酸化膜を形成する工程（ｄ）を備えていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、チャネルストッパ層を覆う側壁酸化膜を減圧湿式酸化（ＩＳＳＧ）法により形成する工程を備えているため、側壁酸化膜を形成する際にチャネルストッパ層が熱拡散することを抑えることができる。従って、光電変換部のサイズが減少することを防止できるので、電荷蓄積部の電荷蓄積容量が減少することがない。その結果、ダイナミックレンジが大きい固体撮像装置を実現することが可能となる。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、工程（ｄ）よりも後に、基板における素子分離領域により光電変換部と絶縁された領域にＭＯＳ型トランジスタを形成する工程をさらに備え、ＭＯＳ型トランジスタを形成する工程において、ゲート絶縁膜を減圧湿式酸化法により形成することが好ましい。

このような構成とすることにより、ゲート絶縁膜を形成する際にチャネルストッパ層が熱拡散することを抑えることができるため、電荷の蓄積容量の減少を確実に防ぐことができる。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、ゲート絶縁膜は、窒素を含んでいることが好ましい。

本発明のカメラは、本発明の固体撮像装置を備えていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置、その製造方法及びそれを用いたカメラによれば、ＳＴＩ構造を形成する際に電荷蓄積部が減少することを抑え、ダイナミックレンジが大きな固体撮像装置及びカメラを実現できる。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は一実施形態に係る固体撮像装置の光電変換部の周辺領域における断面構造を示している。図１において配線及び層間絶縁膜の記載は省略している。

図１に示すようにシリコンからなる基板１の表面付近に、光電変換部であるフォトダイオード２とＭＯＳ型トランジスタの活性層１３とが素子分離領域３により互いに絶縁されて形成されている。フォトダイオード２は基板１の表面側からＰ⁺型の表面層５、Ｎ型の電荷蓄積層４及びＰ^-型層６が順次積層されたＰ⁺ＮＰ^-型の構造を有している。

フォトダイオード２に入射した光は、電荷蓄積層４とＰ^-型層６とのＰＮ接合界面に到達すると光電変換されて正孔と電子とを発生させる。このため、入射光量に応じた信号電荷（電子）が、電荷蓄積層４と表面層５との間に生じる空乏領域及び電荷蓄積層４とＰ^-型層６との間に生じる空乏層領域に蓄積される。なお、最上面に設けられた表面層５により、フォトダイオード２の表面において熱エネルギー等でランダムに発生する電荷を低減することができる。

フォトダイオード２と活性層１３との間に形成された素子分離領域３は、浅溝型の素子分離（ＳＴＩ）構造を有し、溝部の側壁及び底面に形成された側壁酸化膜１０と、側壁酸化膜１０に覆われた溝部を埋める絶縁膜９とにより形成されている。側壁酸化膜１０は、厚さが１０ｎｍ〜４０ｎｍのＳｉＯ₂膜である。これは、熱酸化法で形成され、ＳＴＩエッジ部が丸められて、ゲート電極とトランジスタ活性領域のＳＴＩエッジ近傍の距離が広がるので、トランジスタ活性領域のゲートエッジ部の電界集中が低減でき、その結果、ハンプ特性が改善される。

また、素子分離領域３はチャネルストッパ層であるＰ⁺型の側壁層７に囲まれている。これは、表面層５と同様の効果により素子分離領域３と基板１との界面においてランダムに発生する電荷を低減するために形成されている。従って、側壁層７のうちの少なくともフォトダイオード２の側面と素子分離領域３の側面との間の部分は、固体撮像装置のノイズ特性改善のために不可欠である。しかし、Ｐ⁺型の側壁層７の厚さが厚くなるとＮ型の電荷蓄積層４のサイズが小さくなり、フォトダイオード２のダイナミックレンジが低下する。従って、側壁層７の厚さは５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下であることが好ましい。

本実施形態においては、ＭＯＳ型トランジスタとしてＮ型のトランジスタを用いているため、基板１のＭＯＳ型トランジスタが形成された領域にはＰ型のウェル８が形成されている。また、活性層１３の上にはゲート酸化膜１１が形成され、ゲート酸化膜１１の上にはゲート電極１２が形成されている。本実施形態においては、ゲート酸化膜１１は厚さが３ｎｍ〜１５ｎｍのＳｉＯ₂膜である。

以下に、一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図２は本実施形態の固体撮像装置の製造方法を工程順に示している。

図２（ａ）に示すように、基板１の表面付近にフォトダイオード２を形成した後、フォトダイオード２と隣接する領域に素子分離領域３を形成するための溝部３ａを形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように溝部３ａの側壁及び底面にホウ素を注入して、Ｐ⁺型の側壁層７を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように溝部３ａの側壁及び底面に側壁酸化膜１０を形成する。側壁酸化膜１０は、減圧湿式（ＩＳＳＧ：In Situ Steam Generation）酸化法により形成する。ＩＳＳＧ酸化法による酸化機構は、水素と酸素を燃焼する際に発生するラジカル酸化種による酸化であり、シリコン原子上に活性酸化種が直接寄与することにより酸化が行われる。具体的に、水素含有ガス及び酸素含有ガスをチャンバ内に導入し、酸化膜を形成するシリコン基板が配置されたチャンバ内で反応させることにより蒸気を発生させる。例えば、２ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する場合には、反応温度が９５０℃で圧力が１７００Ｐａのチャンバー内において、５％の水素を含む酸素を４．９５Ｌ導入して１１秒間反応させる。本実施形態においては、側壁酸化膜の膜厚は１０ｎｍ〜４０ｎｍであり、数分間の処理により形成することができる。

熱酸化法により側壁酸化膜を形成する場合には、８５０℃〜１１００℃の温度で数時間程度の加熱を行う必要があるため、ＩＳＳＧ酸化法を用いることにより、熱処理時間を大幅に短縮することができる。従って、側壁層７が不純物の熱拡散により拡大して、フォトダイオード２のサイズが縮小することを抑えることができる。

次に、図３（ａ）に示すように溝部３ａにＳｉＯ₂からなる絶縁膜９を埋め込んだ後、ＭＯＳ型トランジスタのゲート酸化膜１１を形成する。ゲート酸化膜１１をＩＳＳＧ酸化法により形成することにより、側壁層７が熱拡散することを抑えることができる。本実施形態においては、フォトダイオード２の上にも酸化膜を形成している。なお、ゲート酸化膜１１を形成する際にチャンバ内に窒素を添加することにより、ゲート酸化膜１１が窒素を含む構成としてもよい。これにより、低電圧トランジスタのためにゲート絶縁膜を薄膜化した場合においても、ゲート酸化膜のリークを低減することができる。

次に、図３（ｂ）に示すようにゲート電極１２を形成した後、ゲート電極１２をマスクとしてＮ型不純物の注入を行い、活性領域１３を形成する。

図４は側壁酸化膜１０及びゲート酸化膜１１の形成方法と側壁層７の厚さ及び飽和電子数との関係を示している。なお、フォトダイオード２のサイズは３μｍ×３μｍとした。図４に示すように側壁酸化膜１０及びゲート酸化膜を熱酸化法により形成した場合には、側壁層７の厚さが約３００ｎｍであり、飽和電子数は８０００個であった。

一方、側壁酸化膜１０又はゲート酸化膜１１をＩＳＳＧ酸化法を用いて形成することにより側壁層７の熱拡散が抑えられるため、側壁層７の厚さは約半分の１５０ｎｍ〜２００ｎｍとなった。従って、フォトダイオード２のサイズが熱酸化法により側壁酸化膜１０及びゲート酸化膜１１を形成した場合と比べて１．２倍程増加する。その結果、電荷蓄積層４の電荷蓄積容量が増加し、飽和電子数も９０００個〜９５００個程度に増加した。

さらに、側壁酸化膜１０及びゲート酸化膜１１の両方をＩＳＳＧ酸化法により形成した場合には、側壁層７の厚さは５０ｎｍとなり、熱拡散法により形成した場合の６分の１となった。これにより飽和電子数も１０５００個に増加しており、フォトダイオード２のダイナミックレンジが大きくなった。

以上説明したように、側壁酸化膜１０及びゲート酸化膜１１のうちの少なくとも一方をＩＳＳＧ酸化法により形成することにより側壁層７の熱拡散を抑えることが可能となり、フォトダイオード２のサイズが減少することを防止し、ダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明の固体撮像装置、その製造方法及びそれを用いたカメラは、ＳＴＩ構造を形成する際に電荷蓄積部が減少することを抑え、ダイナミックレンジが大きな固体撮像装置及びカメラを実現できるという効果を有し、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置、その製造方法及びカメラ等に有用である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の光電変換部の周辺領域を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の特性を従来の固体撮像装置の特性と比較して示す表である。

符号の説明

１ 基板
２ フォトダイオード（光電変換部）
３ 素子分離領域
３ａ 溝部
４ 電荷蓄積部
５ 表面層
６ Ｐ^-型層
７ 側壁層（チャネルストッパ層）
８ ウェル
９ 絶縁膜
１０ 側壁酸化膜
１１ ゲート酸化膜
１２ ゲート電極
１３ 活性領域

Claims (6)

1. シリコンからなる基板に形成され、電荷を蓄積する電荷蓄積部を含む光電変換部と、
   前記基板に形成され、前記光電変換部から蓄積された電荷を読み出すＭＯＳ型トランジスタと、
   前記基板における前記光電変換部と前記ＭＯＳ型トランジスタとの間の領域に形成された溝部に絶縁材料が埋め込まれてなる、浅溝型構造の素子分離領域と、
   前記溝部の側壁部と前記光電変換部との間の領域に形成され、前記電荷蓄積部と導電型が異なるチャネルストッパ層とを備え、
   前記チャネルストッパ層の厚さは、５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ＭＯＳ型トランジスタはゲート絶縁膜を有し、
   前記素子分離領域は、前記溝部の側壁を覆うように形成された側壁酸化膜を有し
   前記側壁酸化膜及びゲート絶縁膜は、減圧湿式酸化法により形成されたシリコン酸化膜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. シリコンからなる基板に、電荷を蓄積する電荷蓄積部を含む光電変換部を形成する工程（ａ）と、
   前記基板の前記光電変換部と隣接する領域に素子分離領域となる溝部を形成する工程（ｂ）と、
   前記溝部の側壁にイオン注入を行うことにより、前記電荷蓄積部と導電型が異なるチャネルストッパ層を形成する工程（ｃ）と、
   減圧湿式酸化法により前記溝部の側壁を覆う側壁酸化膜を形成する工程（ｄ）を備えていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
4. 前記工程（ｄ）よりも後に、前記基板における前記素子分離領域により前記光電変換部と分離された領域にＭＯＳ型トランジスタを形成する工程をさらに備え、
   前記ＭＯＳ型トランジスタを形成する工程において、ゲート絶縁膜を減圧湿式酸化法により形成することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記ゲート絶縁膜は、窒素を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 請求項１又は２に記載の固体撮像装置を備えていることを特徴とするカメラ。
   

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