JP2007201088A

JP2007201088A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2007201088A
Application number: JP2006016533A
Authority: JP
Inventors: Taketo Watanabe; 武人渡邉
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】白キズの発生を効果的に抑えることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、垂直ＣＣＤ５に読み出される電荷を蓄積するｎ型の不純物からなるｎ層２と、ｎ層２上に形成されたｐ型の不純物からなるｐ層３とを含む光電変換素子を有し、ｐ層３は、不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層３ａと、低濃度不純物層３ａの表面部で且つ平面視において低濃度不純物層３ａの内側の領域に形成された不純物濃度が相対的に高い高濃度不純物層３ｂとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子に関する。

特許文献１には、ｎ型不純物層を有し光電変換により信号電荷を生成するフォトダイオード部と、信号電荷を転送する電荷転送部と、フォトダイオード部のｎ型不純物層の上に形成されノイズを低減するためのノイズ低減用ｐ型不純物層とを備えたＣＣＤ固体撮像装置において、ノイズ低減用ｐ型不純物層が、受光面側に形成された不純物濃度が相対的に高い高濃度不純物層とフォトダイオード部側に形成された不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層とからなるＣＣＤ固体撮像装置が開示されている。

上記ＣＣＤ型固体撮像装置によれば、高濃度不純物層とフォトダイオード部との間に低濃度不純物層が介在しているため、ノイズ低減用ｐ型不純物層とフォトダイオード部の間の電界が緩和され、白キズを抑えることが可能である。

特開平８−９７３９２号公報

しかし、上記ＣＣＤ型固体撮像装置は、フォトダイオード部の周囲に形成される素子分離領域と、高濃度不純物層とが直接接続されているため、隣の電荷転送部と高濃度不純物層との間でリーク電流が大きくなり、このリーク電流による白キズが発生する恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、白キズの発生を効果的に抑えることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であって、ＣＣＤに読み出される電荷を蓄積する第一の導電型の不純物からなる第一の不純物層と、前記第一の不純物層上に形成された前記第一の導電型とは反対の第二の導電型の不純物からなる第二の不純物層とを含む光電変換素子とを備え、前記第二の不純物層は、不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層と、前記低濃度不純物層の表面部に形成された不純物濃度が相対的に高い高濃度不純物層とからなり、前記高濃度不純物層は、その受光面以外が前記低濃度不純物層によって囲まれている。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の不純物層に蓄積された電荷を前記ＣＣＤに読み出すための電荷読み出し領域と、前記電荷読み出し領域を除く前記光電変換素子の周囲に形成された前記第二の導電型からなる素子分離層とを備え、前記低濃度不純物層の不純物濃度が前記素子分離層の不純物濃度よりも低い。

本発明の固体撮像素子は、前記低濃度不純物層の端部から前記高濃度不純物層の端部までの長さが０．１μｍ以上である。

本発明によれば、白キズの発生を効果的に抑えることが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子の半導体基板上方の部材を取り去った状態の平面模式図である。
半導体基板１は、第一の導電型であるｎ型の半導体基板１ａと、ｎ型半導体基板１ａ上に形成された第二の導電型であるｐ型のｐウェル層１ｂとから構成される。ｐウェル層１ｂの表面部には、ｐ型不純物層（以下、ｐ層と略す）３が形成され、ｐ層３の下にｎ型不純物層（以下、ｎ層と略す）２が形成されている。ｎ層２内及びｎ層２とｐウェル層１ｂとのｐｎ接合で光電変換されて発生した電荷（電子及び正孔）がｎ層２に蓄積される。又、ｐ層３で発生した電荷もｎ層２に蓄積される。ｐ層３とｎ層２とｐウェル層１ｂとによって光電変換素子が構成される。ｐ層３は、ｎ層２の上部の空乏層から半導体基板１表面にノイズが発生するのを防ぐために設けられている。ｐ層３についての詳細は後述する。

ｐ層３及びｎ層２の右隣には、少し離間してｎ層からなる垂直ＣＣＤ５が形成されている。ｐ層３及びｎ層２と垂直ＣＣＤ５との間のｐウェル層１ｂには、光電変換素子で発生してｎ層２に蓄積された電荷を垂直ＣＣＤ５に読み出すための電荷読み出し領域６が形成される。垂直ＣＣＤ５上方には、ＯＮＯ膜等からなるゲート絶縁膜１０を介して、垂直ＣＣＤ５を駆動するための駆動電極と電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極８が形成されている。電極８上にはタングステンやアルミニウム等からなる遮光膜９が形成されている。遮光膜９には、光電変換素子の上方において開口が形成されている。

光電変換素子の周囲には、その光電変換素子に蓄積された電荷が読み出される垂直ＣＣＤ５との間に形成される電荷読み出し領域６を除く部分に、その光電変換素子に蓄積された電荷が読み出されない隣接する垂直ＣＣＤ５（以下隣接垂直ＣＣＤ５という）や、その光電変換素子に隣接する光電変換素子等の他の素子との分離を図るための高濃度のｐ型不純物からなる素子分離層７が形成されている。

ｐ層３は、ｐ型不純物の不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層３ａと、低濃度不純物層３ａの表面部に形成された不純物濃度が低濃度不純物層３ａよりも高い高濃度不純物層３ｂとからなる２層構造である。ここで、低濃度不純物層３ａの表面部とは、低濃度不純物層３ａの表面を含む表面付近の内部のことを示す。低濃度不純物層３ａの不純物濃度は、素子分離層７の不純物濃度や、電荷読み出し領域６の不純物濃度よりも低くなっており、これにより、スミアを防止することが可能である。

図２に示すように、高濃度不純物層３ｂは、低濃度不純物層３ａの表面部で且つ平面視において低濃度不純物層３ａが形成されている領域よりも内側の領域に形成されている。ここで、低濃度不純物層３ａが形成されている領域よりも内側の領域は、低濃度不純物層３ａの形成された領域の周縁部を含まない領域とする。つまり、高濃度不純物層３ｂは、その受光面を除く部分が低濃度不純物層３ａによって囲まれている。
電荷読み出し領域６や素子分離層７と、高濃度不純物層３ｂとが直接接続されていると、隣接垂直ＣＣＤ５と高濃度不純物層３ｂとの間でリーク電流が大きくなり、白キズが発生する恐れがある。そこで、図１，２に示すように、電荷読み出し領域６や素子分離層７と、高濃度不純物層３ｂとの間に低濃度不純物層３ａが介在するような構造にすることで、白キズの発生を防止することができる。又、低濃度不純物層３ａは、高濃度不純物層３ｂとｎ層２との間の電界を緩和して白キズを抑える機能も果たす。又、図１，２に示すように、電荷読み出し領域６と高濃度不純物層３ｂとの間に低濃度不純物層３ａが介在するような構造にすることで、ｎ層２に蓄積された電荷を垂直ＣＣＤ５に読み出す際の読み出し電圧を下げられるという効果も得ることができる。

図３は、図２に示した低濃度不純物層３ａの端部から高濃度不純物層３ｂの端部までの長さＬと、隣接垂直ＣＣＤ５と高濃度不純物層３ｂ間のリーク電流との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図３に示すように、図２に示した長さＬが０．１μｍ以上になると、リーク電流が急激に少なくなることが分かる。このように、リーク電流を抑えて白キズの発生を効果的に防ぐためには、長さＬが０．１μｍ以上であることが特に好ましい。

図４は、図２に示した低濃度不純物層３ａの端部から高濃度不純物層３ｂの端部までの長さＬと、電荷読み出し領域６に印加する読み出し電圧との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図４に示すように、図２に示した長さＬが大きくなるほど、読み出し電圧を低くできることが分かる。

以下、図１に示す固体撮像素子の製造方法を説明する。ｐ層３を形成するまでの製造工程は従来と同様である。ｐ層３の形成工程は、低濃度不純物層３ａを形成する低濃度不純物層３ａ形成工程と、高濃度不純物層３ｂを形成する高濃度不純物層３ｂ形成工程とを含む。低濃度不純物層３ａ形成工程と高濃度不純物層３ｂ形成工程では、所定のマスクを用いてボロンを用いたイオン注入を行った後、９００℃〜１０００℃の熱処理を行うことにより、ｐ層３を形成する。又、ｐ層３の形成工程では、低濃度不純物層３ａを形成した後、低濃度不純物層３ａの表面部で且つ平面視において低濃度不純物層３ａの内側の領域にイオン注入を行って高濃度不純物層３ｂを形成する。

まず、低濃度不純物層３ａ形成工程では、所定のマスクを用いて、低濃度不純物層３ａの不純物濃度が、電荷読み出し領域６及び素子分離層７の不純物濃度よりも低くなるように、ドーズ量：１×１０^１２／ｃｍ^２〜１×１０^１３／ｃｍ^２，注入エネルギ：１５〜３０ｋｅＶの条件によるイオン注入を行って低濃度不純物層３ａを形成する。その後、高濃度不純物層３ｂ形成工程へと移る。高濃度不純物層３ｂ形成工程では、低濃度不純物層３ａ形成工程で用いたマスクよりも小さいマスクを用いて、平面視での低濃度不純物層３ａの形成された領域よりも内側の領域に対し、ドーズ量：５×１０^１３／ｃｍ^２〜２×１０^１４／ｃｍ^２，注入エネルギ：７〜１０ｋｅＶの条件によるイオン注入を行って高濃度不純物層３ｂを形成する。高濃度不純物層３ｂ形成工程では、低濃度不純物層３ａの端部から高濃度不純物層３ｂの端部までの長さＬが０．１μｍ以上となるように領域を設定して、イオン注入を行うことが好ましい。

以上で説明したイオン注入の条件範囲は、ゲート絶縁膜１０の膜厚が１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内で、低濃度不純物層３ａの半導体基板１表面からの深さが２００ｎｍとなり、高濃度不純物層３ｂの半導体基板１表面からの深さが２０ｎｍとなるように、シミュレーション及び実験により最適化したものである。

又、以上の説明において、ｎ層２は特許請求の範囲の第一の不純物層に相当し、ｐ層３は特許請求の範囲の第二の不純物層に相当する。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図図１に示す固体撮像素子の半導体基板上方の部材を取り去った状態の平面模式図図２に示した低濃度不純物層の端部から高濃度不純物層の端部までの長さＬと、隣接垂直ＣＣＤと高濃度不純物層間のリーク電流との関係を示すシミュレーション結果を示す図図２に示した低濃度不純物層の端部から高濃度不純物層の端部までの長さＬと、電荷読み出し領域に印加する読み出し電圧との関係を示すシミュレーション結果を示す図

符号の説明

１半導体基板
２ｎ層
３ｐ層
３ａ低濃度不純物層
３ｂ高濃度不純物層
５垂直ＣＣＤ
６電荷読み出し領域
７素子分離層
８電極
９遮光膜
１０ゲート絶縁膜

Claims

ＣＣＤ型の固体撮像素子であって、
ＣＣＤに読み出される電荷を蓄積する第一の導電型の不純物からなる第一の不純物層と、
前記第一の不純物層上に形成された前記第一の導電型とは反対の第二の導電型の不純物からなる第二の不純物層とを含む光電変換素子とを備え、
前記第二の不純物層は、不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層と、前記低濃度不純物層の表面部に形成された不純物濃度が相対的に高い高濃度不純物層とからなり、
前記高濃度不純物層は、その受光面以外が前記低濃度不純物層によって囲まれている固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記第一の不純物層に蓄積された電荷を前記ＣＣＤに読み出すための電荷読み出し領域と、
前記電荷読み出し領域を除く前記光電変換素子の周囲に形成された前記第二の導電型からなる素子分離層とを備え、
前記低濃度不純物層の不純物濃度が前記素子分離層の不純物濃度よりも低い固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記低濃度不純物層の端部から前記高濃度不純物層の端部までの長さが０．１μｍ以上である固体撮像素子。