JP2008066732A - Ｃｍｏｓイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の反射概念を用いた新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサを通して製造工程を単純化するとともに、光の受光面積を最大限に確保する。
【解決手段】フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサの製造方法として、半導体基板１００をエッチングし、一側面が傾斜して形成された傾斜面、及び他側面が前記半導体基板に対して垂直な受光面を含む傾斜溝部と、前記傾斜溝部の前記受光面の一側に定義される素子形成部とを形成する段階と、前記傾斜溝部の前記傾斜面に選択的に反射膜２６０を形成する段階と、前記素子形成部内の半導体基板１００の内部に、半導体基板１００の表面に対して垂直な複数のフォトダイオード３２０、３４０、３６０を互いに離隔して形成する段階と、前記素子形成部の半導体基板１００の表面に少なくとも一つのＭＯＳトランジスタを形成する段階とを含んでＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を構成する。
【選択図】図２Ｄ
【解決手段】フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサの製造方法として、半導体基板１００をエッチングし、一側面が傾斜して形成された傾斜面、及び他側面が前記半導体基板に対して垂直な受光面を含む傾斜溝部と、前記傾斜溝部の前記受光面の一側に定義される素子形成部とを形成する段階と、前記傾斜溝部の前記傾斜面に選択的に反射膜２６０を形成する段階と、前記素子形成部内の半導体基板１００の内部に、半導体基板１００の表面に対して垂直な複数のフォトダイオード３２０、３４０、３６０を互いに離隔して形成する段階と、前記素子形成部の半導体基板１００の表面に少なくとも一つのＭＯＳトランジスタを形成する段階とを含んでＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を構成する。
【選択図】図２Ｄ
Description
本発明は、半導体素子の製造方法に関するもので、より詳細には、ＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法に関するものである。
一般的に、イメージセンサは、光学映像を電気信号に変換させる半導体素子として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）と、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサとに大きく分類される。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサは、周辺回路である制御回路及び信号処理回路を同時に集積できるＣＭＯＳ技術を用いて画素数だけのＭＯＳトランジスタを作り、これを通して出力を検出するスイッチング方式を採用する。
ＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオード及び複数のＭＯＳトランジスタで構成される。図１は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサの断面図である。図１に示すように、半導体基板、例えばシリコン基板１０には、イオン注入工程及びシリコンエピタキシャル成長法を繰り返して行うことで、赤色光、緑色光及び青色光を受光するフォトダイオード２２，２４，２６がそれぞれ形成される。より詳細には、基板１０内に赤色フォトダイオード２２のためのイオン注入層を形成した後、その上に第１シリコンエピタキシャル層１２を形成する。その後、第１エピタキシャル層１２内に再びイオン注入工程を通して緑色フォトダイオード２４を形成するとともに、第１エピタキシャル層１２の一部領域に赤色フォトダイオード２２とのコンタクトのためのプラグ４２を形成する。次に、再びシリコンエピタキシャル成長工程を行って第２シリコンエピタキシャル層１４を形成した後、第２シリコンエピタキシャル層１４内に青色フォトダイオード２６を形成するとともに、緑色フォトダイオード２４とのコンタクトのためのプラグ４６及び赤色フォトダイオード２２とのコンタクトのためのプラグ４４を形成する。そして、第２シリコンエピタキシャル層１４上には、フォトダイオード２２、２４、２６によって集まった光電荷を運送する複数のＭＯＳトランジスタを形成する。複数のＭＯＳトランジスタは、一般的なＭＯＳトランジスタと類似した形態で、ゲート３０、ゲート絶縁膜３２及びスペーサー３４を含む。
上述した構造のＣＭＯＳイメージセンサでは、赤色フォトダイオード２２及び緑色フォトダイオード２４の面積が青色フォトダイオード２６の面積より大きいが、信号伝達のための各トランジスタが最上部に配置されるので、結果的には、青色フォトダイオード２６が占める面積のみが実質的な受光面積になる。したがって、形成されたフォトダイオードの面積よりも、実質的に用いられる受光面積が小さい。また、赤色フォトダイオード２２または緑色フォトダイオード２４の信号処理のために形成された各プラグ４２、４４、４６は、一般的にイオン注入工程を通して形成されるが、外部から光が照射される場合、これらプラグによって信号の雑音が発生しうる。さらに、赤色、緑色及び青色フォトダイオードが互いに干渉し合うことを防止するためには、これら各フォトダイオードをそれぞれ独立的に形成すべきであるので、それぞれのエピタキシャル層に各フォトダイオードを隔離するための別途のイオン注入層を形成する必要がある。
本発明は、光の反射概念を用いた新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサを通して製造工程を単純化するとともに、光の受光面積を最大限に確保することを目的とする。
上記のような目的を達成するための本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサの製造方法として、半導体基板をエッチングし、一側面が傾斜して形成された傾斜面、及び他側面が前記半導体基板に垂直な受光面を含む傾斜溝部と、前記傾斜溝部の前記受光面の一側に定義される素子形成部とを形成する段階と、前記傾斜溝部の前記傾斜面に選択的に反射膜を形成する段階と、前記素子形成部内の前記基板内部で互いに隔離し、前記基板表面に垂直な複数のフォトダイオードを形成する段階と、前記素子形成部の前記基板表面に少なくとも一つのＭＯＳトランジスタを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によると、反射概念を用いた新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサを提供することができる。特に、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、入射光を９０°で反射させてフォトダイオードに入射させる方式であるので、フォトダイオード上に光を遮断する障害物を形成しても構わない。したがって、積層構造の素子を形成するのに一層有利であり、光の受光面積を一層拡張することができる。また、各フォトダイオードとＭＯＳトランジスタが最短距離で接続されるので、複雑なイオン注入工程を通してプラグを形成する必要がない。したがって、多段階のプラグによる信号の雑音を防止できるので、結果として素子の性能が向上するという効果がある。
以下、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法の好適な実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図２Ａ乃至図２Ｄを参照すると、本発明に係るフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサでは、例えば、シリコン半導体基板１００に、一側面が傾斜して形成された傾斜面２２０、及び他側面が半導体基板１００に対して垂直な受光面２４０を含む傾斜溝部Ａと、傾斜溝部Ａの受光面２４０の一側に定義される素子形成部Ｂとが形成される。そして、傾斜溝部Ａの傾斜面２２０には、選択的に反射膜２６０が形成される。また、素子形成部Ｂの内部には、基板表面に対して垂直な複数のフォトダイオード３２０、３４０、３６０が互いに離隔して形成される。併せて、素子形成部Ｂの基板表面には、ゲート電極４００、ゲート絶縁膜４４０及びスペーサー４２０を含む少なくとも一つのＭＯＳトランジスタが形成される。
ここで、反射膜２６０は、可視光線を反射する金属膜で形成されることが好ましい。また、複数のフォトダイオードは、青色フォトダイオード３２０、緑色フォトダイオード３４０及び赤色フォトダイオード３６０を含み、受光面２４０から順に形成される。通常、青色光の浸透深さが小さく、赤色光の浸透深さが大きいので、青色フォトダイオード３２０が受光面２４０に最も近接して形成され、赤色フォトダイオード３６０が受光面２４０から最も遠い位置に形成されることが好ましい。併せて、反射膜２６０によって反射された光が受光面２４０に垂直に入射されるように、傾斜面２２０は、基板表面に対して４５°の傾斜度を有することが好ましい。
次に、上述した構造のＣＭＯＳイメージセンサを製造する方法を、図２Ａ乃至図２Ｄに基づいて説明する。
まず、シリコン半導体基板１００を準備した後、図２Ａに示すように、基板の一部をエッチングし、一側面が傾斜した傾斜溝部Ａを形成する。この傾斜溝部Ａによって、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを形成する領域である素子形成部Ｂが定義される。特に、傾斜溝部Ａを形成するとき、その一側面は４５°で傾斜した傾斜面２２０になり、その他側面は、基板表面に対して垂直な受光面２４０になる。
次に、可視光線に対する反射度の優れた金属膜を基板全面に蒸着する。その結果、図２Ｂに示すように、傾斜面２２０には、選択的に反射膜２６０が形成される。傾斜面２２０に反射膜２６０を選択的に形成するためには、まず、基板全面に金属膜を蒸着した後、基板表面を研磨（例えば、化学的機械的研磨）し、基板表面に蒸着された金属膜を除去すればよい。他の方法としては、素子形成部Ｂ上に写真工程を通して感光膜パターンを形成し、その上に金属膜を蒸着した後、感光膜を除去することで、傾斜溝部Ａの傾斜面２２０のみに金属膜を形成することができる。
その後、図２Ｃに示すように、素子形成部Ｂ内にイオン注入工程を繰り返して行い、複数のフォトダイオード３２０，３４０，３６０を形成する。このイオン注入工程は、フォトダイオード形成のための従来の方法によって進行される。このとき、イオン注入エネルギーを調節することで、各フォトダイオードのためのイオン注入層は、基板表面に対して垂直に、すなわち、受光面２４０に対して平行に形成される。特に、複数のフォトダイオード３２０，３４０，３６０は、素子形成部Ｂ内で互いに隔離して形成され、受光面２４０から青色フォトダイオード３２０、緑色フォトダイオード３４０及び赤色フォトダイオード３６０の順に形成される。
最後に、図２Ｄに示すように、一般的なトランジスタ形成工程を通して、素子形成部Ｂの上面にゲート電極４００、ゲート絶縁膜４４０及びスペーサー４２０を含むＭＯＳトランジスタを形成する。ここで、各フォトダイオード３２０，３４０，３６０から発生した信号を伝達できるように、各フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを電気的に連結するための所定のプラグ（図示せず）が形成される。その結果、基板に対して垂直に入射された光が反射膜２６０によって９０°で反射され、反射された光は、受光面２４０に垂直に入射されて各フォトダイオードに集光されることで、電気的信号に変換される。
本発明によると、反射概念を用いた新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサを提供することができる。特に、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、入射光を９０°で反射させてフォトダイオードに入射させる方式であるので、フォトダイオード上に光を遮断する障害物を形成しても構わない。したがって、積層構造の素子を形成するのに一層有利であり、光の受光面積を一層拡張することができる。また、各フォトダイオードとＭＯＳトランジスタが最短距離で接続されるので、複雑なイオン注入工程を通してプラグを形成する必要がない。したがって、多段階のプラグによる信号の雑音を防止できるので、結果として素子の性能が向上する。
１００ シリコン半導体基板
２２０ 傾斜面
２４０ 受光面
２２０ 傾斜面
２４０ 受光面
Claims (10)
- フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサの製造方法として、
半導体基板をエッチングし、一側面が傾斜して形成された傾斜面、及び他側面が前記半導体基板に対して垂直な受光面を含む傾斜溝部と、前記傾斜溝部の前記受光面の一側に定義される素子形成部とを形成する段階と、
前記傾斜溝部の前記傾斜面に選択的に反射膜を形成する段階と、
前記素子形成部内の前記半導体基板の内部に、前記半導体基板の表面に対して垂直な複数のフォトダイオードを互いに離隔して形成する段階と、
前記素子形成部の前記基板表面に少なくとも一つのＭＯＳトランジスタを形成する段階と、を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。 - 前記反射膜は、可視光線を反射する金属膜で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記複数のフォトダイオードは、青色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記受光面から順に青色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードが形成されることを特徴とする請求項３に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記傾斜溝部の前記傾斜面は、前記基板表面に対して４５°の傾斜度で形成されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを含むＣＭＯＳイメージセンサとして、
一側面が傾斜して形成された傾斜面、及び他側面が半導体基板に対して垂直な受光面を含む傾斜溝部と、前記傾斜溝部の前記受光面の一側に定義される素子形成部とを含む半導体基板と、
前記傾斜溝部の前記傾斜面に選択的に形成された反射膜と、
前記素子形成部内の前記基板内部で互いに離隔しており、前記基板表面に対して垂直な複数のフォトダイオードと、
前記素子形成部の前記基板表面に形成された少なくとも一つのＭＯＳトランジスタと、を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。 - 前記反射膜は、可視光線を反射する金属膜で形成されたことを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
- 前記複数のフォトダイオードは、青色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
- 前記受光面から順に青色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードが形成されたことを特徴とする請求項８に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
- 前記傾斜溝部の前記傾斜面は、前記基板表面に対して４５°の傾斜度を有することを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
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