JP2007208052A

JP2007208052A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2007208052A
Application number: JP2006025874A
Authority: JP
Inventors: Maki Saito; 斎藤　　牧
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】表面ｐ層を光電変換素子表面に設けた固体撮像素子における暗電流抑制とスミア抑制とを両立させる。
【解決手段】表面に高濃度不純物拡散層３６が形成された複数の光電変換素子３４が半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成され、半導体基板３２の上に絶縁層４０が積層された固体撮像素子３０において、前記各光電変換素子の直上の絶縁層４０と高濃度不純物層３６との間の界面部分にそれぞれ不純物拡散抑制層５０を形成する。この結果、高濃度不純物拡散層３６の不純物濃度を必要以上に濃くする必要なくなり、暗電流の抑制とスミアの抑制を両立させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明はＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサ等の固体撮像素子に係り、特に、暗電流抑制とスミア低減を図るのに好適に固体撮像素子に関する。

図２は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の略一画素分の断面模式図である。この固体撮像素子１は、ｎ型シリコン基板２の表面部にｐウェル層３が形成され、このｐウェル層３の表面部に、ｐウェル層３との間でｐｎ接合（フォトダイオード：光電変換素子）を構成するｎ領域４が形成される。

図示の例では、ｎ領域４の右脇に素子分離領域を構成するｐ領域５が形成され、ｎ領域４の表面に、ｐ領域５に連続する表面ｐ層６が設けられる。尚、この例はＣＣＤ型固体撮像素子であるため、ｐウェル層３には電荷転送路を構成するｎ領域（埋め込みチャネル）７も設けられる。

これらの各領域３，４，５，６，７が形成された半導体基板２の最表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）でなるゲート絶縁膜１０が積層され、その上に、フォトダイオード（ｎ領域４）の受光面上に開口１１ａを有する遮光膜１１が積層される。遮光膜１１の下には、電荷転送路を構成する転送電極膜（ポリシリコン膜）１２が絶縁層１３を介して埋設される。

遮光膜１１の上には平坦化層１５が積層され、その上にカラーフィルタ層１６が積層され、最上部に、トップマイクロレンズ１７が積層される。

ｎ領域４の表面に表面ｐ層６を設けるのは、暗電流を抑制するためである。p層６は、例えばボロン（Ｂ）を半導体基板表面にドープすることで形成され、空乏層が界面（表面ｐ層６とゲート絶縁膜１０との界面）に接触しない様にしている。

尚、表面ｐ層６を開示した従来技術として、例えば下記特許文献１がある。

特開平８―９７３９２号公報

図３は、図２に示す表面ｐ層６とその上に積層されるゲート絶縁膜１０との界面付近のボロン濃度分布を示す図である。シリコン（Ｓｉ）基板２の表面にボロン（Ｂ）をドープして表面ｐ層６を形成するため、シリコン基板２の表面のボロン濃度は「大」となっている。

しかし、ボロン元素Ｂは、シリコンＳｉ基板と酸化シリコンＳｉＯ_２の偏析係数の違いにより、酸化シリコン膜１０内に拡散してしまい、図３の矢印Ａで示す様に、界面におけるシリコン基板側のボロン濃度は低くなってしまう。このため、界面におけるシリコン基板側の実効的なボロン濃度を確保するために、表面ｐ層６内に拡散させるボロン濃度を必要以上に濃くし、暗電流の抑制効果を確保しなければならないという問題がある。

しかしながら、表面ｐ層６のボロン濃度を必要以上に濃くすると、電荷転送路（図２のｎ領域４の左側ｎ領域７）方向のポテンシャル勾配が大きくなり、遮光膜開口１１ａからゲート絶縁膜１０内に入り多重反射した迷光により発生した浮遊キャリアが電荷転送路内に流れ込みやすくなり、スミアの原因になってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、暗電流抑制とスミア低減を両立させることができる固体撮像素子を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、表面に高濃度不純物拡散層が形成された複数の光電変換素子が半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成され、該半導体基板の上に絶縁層が積層された固体撮像素子において、前記各光電変換素子の直上の前記絶縁層と前記高濃度不純物拡散層との間の界面部分にそれぞれ不純物拡散抑制層を形成したことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記半導体がシリコンであり、前記絶縁層が酸化シリコンであり、前記高濃度不純物拡散層がボロン拡散層であり、前記不純物拡散抑制層がボロン拡散抑制層であることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記ボロン拡散抑制層が、窒化シリコン層または窒化酸化層または窒素含有酸化層または高誘電率絶縁層であることを特徴とする。

本発明によれば、不純物拡散抑制層を設けたため、高濃度不純物拡散層の不純物濃度を必要以上に濃くする必要ないため、暗電流が抑制され、また、スミアを抑制することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の略１画素分の断面模式図である。

本実施形態に係る固体撮像素子３０は、ｎ型半導体基板３２の表面部にｐウェル層３３が形成され、このｐウェル層３３の表面部に、ｐウェル層３３との間でｐｎ接合（フォトダイオード：光電変換素子）を構成するｎ領域３４が形成される。

図示の例では、ｎ領域３４の右脇に素子分離領域を構成するｐ領域３５が形成され、ｎ領域３４の表面に、ｐ領域３５に連続する表面ｐ層（ｐ型不純物が高濃度に拡散された層）３６が設けられる。また、ｐウェル層３３には垂直電荷転送路を構成するｎ領域（埋め込みチャネル）３７も設けられる。

これらの各領域３３，３４，３５，３６，３７が形成された半導体基板３２の最表面には、ゲート絶縁膜４０が積層される。このゲート絶縁膜４０は、ＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造でなり、酸化膜は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜４１で構成され、その酸化シリコン膜４１内の所要箇内に例えば窒化シリコン層４２が埋設されることで構成される。

ゲート絶縁膜４０の上には、フォトダイオード（ｎ領域３４）の受光面上に開口４３ａを有する遮光膜４３が積層される。遮光膜４３の下には、垂直電荷転送路を構成する転送電極膜（例えばポリシリコン膜）４４が絶縁層４５を介して埋設される。

遮光膜４３の上には平坦化層４７が積層され、その上にカラーフィルタ層４８が積層され、最上部に、トップマイクロレンズ４９が積層される。

本実施形態の固体撮像素子３０は更に、ｎ領域３４の受光面直上且つ表面ｐ層３６の表面と、その上のゲート絶縁膜４０下面との間の界面に、不純物拡散抑制膜５０を設けている。この不純物拡散抑制膜５０は、表面ｐ層３６内のｐ型不純物がゲート絶縁膜４０内に拡散するのを抑制する材料で構成される。

本実施形態では、半導体基板としてシリコンを用い、開口部４３ａのゲート絶縁膜４０としてシリコン酸化膜４１を用い、表面高濃度不純物拡散層３６としてボロンをドープした表面ｐ層３６を用いているため、ボロン拡散抑制膜５０として、例えば窒化シリコン膜や窒化酸化膜を用いる。或いは、Ｓｉ―ＳｉＯ_２界面のＳｉＯ_２側表面に窒素原子を含有させた酸化膜（例えば、ＳｉＯＮ）を形成することでも良い。或いは、高誘電率絶縁膜いゆわるＨｉｇｈ―Ｋ膜を用いることもできる。

ボロン拡散抑制膜５０は、図１に図示する例では、フォトダイオード（ｎ領域４）を形成し、その表面に表面ｐ層３６を形成した後、表面ｐ層３６の上にボロン拡散抑制膜５０を直付けする様に積層し、その上にゲート絶縁膜４０を積層している。

しかし、表面ｐ層３６を形成しその上にゲート絶縁膜４０を積層した後、窒素イオンを打ち込むことで、界面にボロン拡散抑制層５０を形成することも可能である。この場合、ボロン拡散抑制層５０は、界面より上のゲート絶縁膜４０側に形成しても、界面より下の半導体基板（表面ｐ層３６）側に形成して良い。

斯かるＣＣＤ型固体撮像素子３０に入射光が入ってきた場合、入射光はマイクロレンズ４９で集光され、カラーフィルタ層４８を透過した所定色光が開口４３ａを通り、透明な絶縁膜４０，ボロン拡散抑制膜５０，表面ｐ層３６を通過してｎ領域３４内に入射され、ｎ領域３４内に、受光量に応じた電子が信号電荷として蓄積される。

図示しない撮像素子駆動回路から読み出しパルスが印加されると、ｎ領域３４内の電子がｎチャネル３７に読み出され、以後、転送電極４４に転送パルスが印加されることでこの電子が転送され、固体撮像素子３０から出力される。

入射光量に依存しない暗電流成分の電子が発生した場合、この電子は表面ｐ層３６のボロンＢによるホールにトラップされ、自由に移動できなくなる。このため、ｎ領域３４内の信号電荷がｎチャネル３７に読み出されるときでも信号電荷に暗電流分の電子が混入することが回避される。

本実施形態の場合、ボロン拡散抑制膜５０が設けられているため、表面ｐ層３６を形成するときに必要以上にボロンＢを表面ｐ層３６内にドープする必要がなく、低い濃度の表面ｐ層３６で十分に暗電流が抑制可能となる。

この結果、ｎチャネル３７方向のポテンシャル勾配は小さくなる。開口４３ａに斜めに入射してくる光がゲート絶縁膜４０内を多重反射して迷光が生じ、この迷光によって浮遊電子が発生しても、この浮遊電子をｎチャネル３７方向に移動させるポテンシャル勾配が小さいため、浮遊電子がｎチャネル３７上の信号電荷に混入して生じるスミアも効果的に抑制可能となる。

尚、上述した実施形態では、ＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、ＣＭＯＳ型固体撮像素子等、表面ｐ層を光電変換素子表面に搭載しその上に絶縁層を積層した他の種類の固体撮像素子にも同様に適用できるのはいうまでもない。

本発明に係る固体撮像素子は、暗電流抑制とスミア抑制を両立させることができるため、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の略一画素分の断面模式図である。従来のＣＣＤ型固体撮像素子の略一画素分の断面模式図である。従来の表面ｐ層とゲート絶縁膜との間の界面付近のボロン濃度分布を示す図である。

符号の説明

３０固体撮像素子
３２半導体基板
３３ｐウェル層
３４ｎ領域（フォトダイオードの電荷蓄積部：光電変換素子）
３５素子分離領域
３６表面ｐ層
４０ＯＮＯ構造のゲート絶縁膜
４１酸化シリコン膜
４３遮光膜
４３ａ遮光膜開口
４８カラーフィルタ層
４９マイクロレンズ
５０不純物（ボロン）拡散抑制膜

Claims

表面に高濃度不純物拡散層が形成された複数の光電変換素子が半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成され、該半導体基板の上に絶縁層が積層された固体撮像素子において、前記各光電変換素子の直上の前記絶縁層と前記高濃度不純物拡散層との間の界面部分にそれぞれ不純物拡散抑制層を形成したことを特徴とする固体撮像素子。
前記半導体がシリコンであり、前記絶縁層が酸化シリコンであり、前記高濃度不純物拡散層がボロン拡散層であり、前記不純物拡散抑制層がボロン拡散抑制層であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記ボロン拡散抑制層が、窒化シリコン層または窒化酸化層または窒素含有酸化層または高誘電率絶縁層であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。