JP2008182076A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光及び赤外光に対応した画素を備える固体撮像装置の赤外光に関する感度及び飽和出力を向上し且つ混色を抑制する。
【解決手段】固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板１０１に、第１導電型の第１不純物層（１０５又は１５５）及び第１不純物層の下方に位置する第２導電型の第２不純物層（１０９又は１５９）を有する光電変換部（１０３又は１５３）をそれぞれ備えた複数の画素が配列され、複数の画素は、可視光に対応する可視光用画素Ｂ及び赤外光に対応する赤外光用画素Ａを含む。赤外光用画素Ａにおける第２不純物層１０９は、可視光用画素Ｂにおける第２不純物層１５９よりも深い位置に設けられている。赤外光用画素Ａにおいて、第１不純物層１０５と第２不純物層１０９との間に、第１導電型の第３不純物層１０６を更に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置とその製造方法に関し、特に、半導体基板上に形成された異なる複数の可視光と赤外光とにそれぞれ対応する画素を備える固体撮像装置と固体撮像装置の製造方法に関する。

従来の固体撮像装置は、順に赤色光、緑色光及び青色光にそれぞれ対応するＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素を備える。これらの画素の構成を、図７（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ順に示す。

図７（ａ）〜（ｃ）に示すそれぞれの画素は、ＬＯＣＯＳ分離膜１０によって表面が区画された半導体基板のＰウェル１６に設けられている。Ｐウェル１６の表面付近に設けられたＰ＋拡散領域１４と、その下方に設けられたＮ−拡散領域１５とによってダイオード領域１１が構成されている。ダイオード領域１１に並んでＬＯＣＯＳ分離膜１０の反対側に、ダイオード領域１１から電荷を転送するための電荷転送ゲート１２が半導体基板上にゲート酸化膜１８を介して形成されている。電荷転送ゲート１２の側面にはサイドウォール１７が設けられ、電荷転送ゲート１２を挟んでダイオード領域１１の反対側に、ＦＤ層１３が形成されている。ＦＤ層１３は、Ｎ−拡散層１３ａと、Ｎ−拡散層１３ａよりも不純物濃度が高いＮ＋拡散層１３ｂとが重複した構成を有する。

このような画素が受光する赤色光、緑色光及び青色光は波長がそれぞれ異なり、赤色光の波長が最も長く、緑色光がそれに次いで長く、青色光の波長が最も短い。波長が長いほどシリコン基板内における吸収係数が低く、基板深部まで光が到達するため、比較的深い領域においても光電変換される。逆に、波長が短い光は基板の浅い部分でほぼ吸収されるため、比較的深い領域においては光電変換されない。

そのため、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、対応する光の波長に合わせてＰ＋拡散領域１４及びＮ−拡散領域１５の深さを設定し、これらの境界に形成される空乏層及びＮ−拡散領域１５とＰウェル１６との境界に形成される空乏層が、それぞれの波長の光に起因するキャリアを取り込むように設定されている。当然ながら、図７（ａ）に示すＲ画素においてＰ＋拡散領域１４及びＮ−拡散領域１５が最も深い深さＤｒを有し、図７（ｂ）のＧ画素においてそれに次ぐ深さＤｇに設定され、図７（ｃ）のＢ画素において最も浅い深さＤｂとなっている。
特開２００６−１３５２５２号公報

近年、夜間の防犯監視、安全運転支援等の目的のため、赤外光検出用の固体撮像装置の要望が高まりつつある。

前記の従来の固体撮像装置では、各波長の光の強度を高い精度で検出するために、Ｐ＋拡散領域１４及びＮ−拡散領域１５の深さを設定している。しかし、可視光より波長の長い赤外光は基板深部まで光が到達するため、従来同様にＰ＋拡散領域１４及びＮ−拡散領域１５の深さを変更するだけでは固体撮像素子として十分な赤外光の感度を得ることができない。よって、赤外光に対する感度の向上が課題となっている。

以上の課題に鑑み、本発明は、赤外光に対する感度と飽和出力を向上し、赤外線に対する感度が高い固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板に、それぞれ第１導電型の第１不純物層及び第１不純物層の下方に位置する第２導電型の第２不純物層を有する光電変換部を備えた複数の画素が配列され、複数の画素は、可視光に対応する可視光用画素及び赤外光に対応する赤外光用画素を含み、赤外光用画素における第２不純物層は、可視光用画素における第２不純物層よりも深い位置に設けられ、赤外光用画素において、第１不純物層と、第２不純物層との間に、第１導電型の第３不純物層を更に備える。

本発明の固体撮像装置によると、赤外光用画素の第２不純物層は、可視光用画素の第２不純物層に比べて半導体基板におけるより深い位置に形成されている。このため、赤外光用画素の第１不純物層は、可視光用画素の第１不純物層に比べて半導体基板のより深い位置にまで広がっている。この結果、可視光よりも波長の長い赤外光について、より深い位置まで到達した光によって光電変換された電荷の分だけ感度を上げることができる。

これに加えて、赤外光用画素における第１不純物層と第２不純物層との間には、第１不純物層と同じ導電型の第３不純物層が設けられている。このことにより、赤外光による光電変換によって生じた電荷を効率よく集めることができ、半導体基板のより深い領域において光電変換される赤外光に対する感度を向上することができる。また、飽和出力も向上する。この際、半導体基板のより浅い領域において光電変換される可視光についての感度は劣化することなく維持される。

尚、可視光用画素について、対象とする波長に応じて複数の種類が設けられていても良い。この場合、赤外光用画素における第２不純物層は、いずれの可視光用画素における第２不純物層に比べても深い位置に設けられている。

また、可視光用画素及び赤外光用画素は、それぞれ、光電変換部を素子分離する素子分離部を更に備え、赤外光用画素における素子分離部は、可視光用画素における素子分離よりも深く形成されていることが好ましい。

このようにすると、赤外光用画素の素子分離部が可視光用画素の場合よりも深く形成されているため、可視光用画素の場合よりも深い位置まで広がっている赤外光用画素の第１不純物層について、確実に周囲の活性領域との電気的接続を抑制することができる。これにより、半導体基板の深い領域において光電変換される赤外光に応じた電荷を、赤外光が入射した当該画素の第１不純物層に確実に蓄積することができ、混色の発生を抑制することができる。

また、可視光用画素及び赤外光用画素における素子分離部は、それぞれ、第２導電型不純物領域によって囲まれており、該第２導電型不純物領域の不純物濃度は、前記第２不純物層の不純物濃度よりも高いことが好ましい。

これにより、素子分離部の深さに合わせて素子分離部を囲む第２導電型不純物領域は、電気的接続の抑制をより確実なものとする。また、第１導電型である第１不純物層と接触する第２導電型の不純物領域のうち、第２導電型不純物領域の不純物濃度が第２不純物層よりも高くなる。このため、第１不純物層と第２導電型不純物領域とのＰＮ接合における空乏層は、第１不純物層と第２不純物層とのＰＮ接合における空乏層よりも狭い幅を有することになり、空乏層容量がより大きくなる。この結果、赤外光用画素において蓄積可能な電荷量が大きくなり、赤外光に対する飽和出力が向上する。

尚、素子分離部の深さが深くなると、その周囲に形成される第２導電型不純物領域の深さについても深くなり、結果として第１不純物層と接触する第２導電型不純物領域の面積が大きくなる。このため、素子分離部の深さを深くすることによって蓄積可能な電荷量が大きくなり、飽和出力が向上する。

また、可視光用画素及び赤外光用画素は、いずれも、素子分離部の下方に設けられ且つ第２導電型の不純物が導入されたチャネルストッパー層を更に備え、赤外光用画素におけるチャネルストッパー層の不純物濃度は、可視光用画素におけるチャネルストッパー層の不純物濃度よりも高いことが好ましい。

このようにすると、チャネルストッパー層により、第１不純物層と周囲の活性領域との電気的接続を抑制することができる。更に、チャネルストッパー層の不純物濃度の違いから、可視光用画素の場合よりも深い位置まで広がっている赤外光用画素の第１不純物層について、より確実に周囲の活性領域との電気的接続を抑制することができる。このため、半導体基板の深い領域において光電変換される赤外光に応じた電荷を、赤外光が入射した当該画素の第１不純物層に確実に蓄積し、混色の発生を抑制することができる。

また、第１不純物層と接触する第２導電型であるチャネルストッパー層の不純物濃度が高くなると、チャネルストッパー層と第１不純物層とのＰＮ接合における空乏層の幅がより小さくなり、空乏層容量は大きくなる。このため、第１不純物層に蓄積される電荷量が大きくなり、結果として赤外光に対する飽和出力が高くなる。

また、第３不純物層の面積は、赤外光用画素における第１不純物層の面積よりも小さいことが好ましい。尚、面積とは、半導体基板の主面に垂直な方向から見た際の面積を意味する。

このようにすると、固体撮像装置の製造工程中の熱処理において第３不純物層が拡散した場合にも、第３不純物層に含まれる不純物がチャネルストッパー層等の他の領域における不純物プロファイルに与える影響を低減することができる。

このため、既存の固体撮像装置製造工程に本発明の固体撮像装置を適用して赤外光用画素を形成するようにした場合にも、注入工程の合わせ込みを減らすことができ、製造工程の複雑化を抑制することができる。つまり、不純物プロファイルに影響が現われると、各部のトランジスタの特性が変化するおそれがある。このような変化に対応して特性を維持するためには、装置の製造工程において注入条件を変更する等の工程が必要となり、開発スピードが遅くなること、製造コストが増加すること等のデメリットが生じる。しかし、本発明の固体撮像装置を用いると、このような点を解決することができる。

また、第３不純物層には、第１導電型の不純物としてリンが導入されていることが好ましい。リンは熱拡散しやすい元素であるため、第３不純物層を半導体基板の深い位置にまで拡散させることができる。これにより、可視光に比べて波長の長い赤外光による光電変換によって発生する電荷を増やし、赤外光に対する感度を向上することができる。

前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板に、第１導電型の第１不純物層及び第１不純物層の下方に位置する第２導電型の第２不純物層を有する光電変換部を備えた複数の画素を配列する固体撮像装置の製造方法において、複数の画素のうちの可視光に対応する可視光用画素を形成する工程（ａ）と、複数の画素のうちの赤外光に対応する赤外光用画素を形成する工程（ｂ）とを備え、工程（ａ）において赤外光用画素に形成する第２不純物層は、前記工程（ｂ）において可視光用画素に形成する第２不純物層よりも深い位置に設けると共に、工程（ｂ）は、赤外光用画素において、第１不純物層と、第２不純物層との間に、第１導電型の第３不純物層を形成する工程を含む。

このようにすると、本発明の固体撮像装置を製造することができる。

尚、本発明の固体撮像装置の製造方法において、可視光用画素及び赤外光用画素における、光電変換部をそれぞれ素子分離する素子分離部を形成する工程を更に備え、赤外光用画素における素子分離部は、可視光用画素における素子分離部よりも深く形成することが望ましい。

このようにすると、より確実に周囲の活性領域との電気的接続を抑制することができる。また、半導体基板の深い領域において光電変換される赤外光に応じた電荷を、赤外光が入射した当該画素の第１不純物層に確実に蓄積し、混色の発生を抑制することができる。

本発明の固体撮像装置によると、赤外光用画素における光電変換部を構成する第１不純物層及び第２の不純物層が可視光用画素の場合に比べて深く形成されていると共に、該第１不純物層と第２の不純物層との間に第１不純物層と同じ導電型の第３不純物層が設けられていることにより、赤外光に対する感度及び飽和出力が向上している。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置１００の要部断面を示す図である。

固体撮像装置１００は、例えばシリコン基板であるＮ型の半導体基板１０１を用いて形成され、赤外光を効率良く光電変換するための赤外光用画素Ａと、可視光を効率良く光電変換するための可視光用画素Ｂとを備えている。

ここで、可視光用画素Ｂとして、可視光の中でも異なる波長帯の光のそれぞれについて感度を向上するため、複数の種類の画素（例えば、赤色光、緑色光及び青色光にそれぞれ対応する画素）が設けられていても良い。図１には、赤外光用画素Ａ及び可視光用画素Ｂがそれぞれ一つずつ示されている。また、図１において、配線、層間絶縁膜及び蓄積された電荷を読み出すためのトランジスタ等は図示を省略している。

赤外光用画素Ａにおいて、素子分離部１０２によって半導体基板１０１が区画され、その内側に、半導体基板１０１の表面からＰ⁺ ＮＰ^- 型の構造を有するフォトダイオード部１０３が形成されている。フォトダイオード部１０３は、より詳しく述べると、半導体基板１０１の表面に設けられたＰ⁺ 型不純物領域１０４、その下に設けられ且つＮ型不純物層であるＮ型電荷蓄積領域１０５（請求項に言う第１不純物層に相当する）、その更に下方に設けられたＰ型不純物層であるＰ型シリコン層１０９（請求項に言う第２不純物層に相当する）及びＮ型電荷蓄積領域１０５とＰ型シリコン層１０９との間に設けられた追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６（請求項に言う第３不純物層に相当する）を有する。

また、素子分離部１０２の側面及び底面を覆うように、Ｐ型不純物領域１０８が形成されている。また、素子分離部１０２の下方には、Ｐ型不純物が導入されたチャネルストッパー層１０７が設けられている。素子分離部１０２、素子分離部１０２を囲むＰ型不純物領域１０８及びチャネルストッパー層１０７によってＮ型電荷蓄積領域１０５は半導体基板１０１の主面に沿う向きについて囲まれ、半導体基板１０１の周囲の領域との電気的接続が抑制された構造となっている。

次に、可視光用画素Ｂにおける構造は、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６に相当する構成要素が設けられていないことを除き、赤外光用画素Ａと同様である。つまり、素子分離部１５２による区画の内側に、Ｐ⁺ 型不純物領域１５４、Ｎ型電荷蓄積領域１５５及びＰ型シリコン層１５９からなるフォトダイオード部１５３が設けられている。これと共に、素子分離部１５２の側面及び底面を囲むＰ型不純物領域１５８と、素子分離部１５２の下方に設けられたチャネルストッパー層１５７とが備えられている。

但し、赤外光用画素ＡにおいてＰ型シリコン層１０９が形成されている深さＤ_A は、可視光用画素ＢにおいてＰ型シリコン層１５９が形成されている深さＤ_B よりも深くなっている。

以下、赤外光用画素Ａにおける光電変換について説明する。赤外光用画素Ａに対して赤外光が入射すると、Ｎ型電荷蓄積領域１０５において光電変換により電荷が発生する。このように発生した電荷は、Ｎ型電荷蓄積領域１０５とＰ⁺ 型不純物領域１０４との間、Ｎ型電荷蓄積領域１０５と素子分離部１０２を囲むＰ型不純物領域１０８との間、Ｎ型電荷蓄積領域１０５とＰ型シリコン層１０９との間、及び、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６とＰ型シリコン層１０９との間にそれぞれ生じる空乏層に主に蓄積される。

可視光用画素Ｂにおいては、可視光の入射によって同様に光電変換と電荷の蓄積が行なわれる。

ここで、Ｐ型シリコン層１０９の深さＤ_A よりもＰ型シリコン層１５９の深さＤ_B の方が深いことから、赤外光用画素Ａにおいて、可視光よりも波長の長い赤外光に対する感度が向上している。

また、Ｎ型電荷蓄積領域１０５とＰ型シリコン層１０９との間には追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６が設けられている。このため、半導体基板１０１のより深い領域（追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６の設けられている付近）における感度と飽和出力とが向上すると共に、より大きな電荷を蓄積することができ、赤外光に対する感度が向上している。

つまり、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６の存在により、これが無い場合に比べ、Ｐ型シリコン層１０９上の分水嶺が深部側にシフトし、Ｎ型である領域に蓄えられる電荷が増加する。ここで、分水嶺とは、基板側（Ｐ型シリコン層１０９より下部のＮ型である領域）と、フォトダイオード１０３のＮ型である領域（追加Ｎ型領域１０６を含む）とを分け隔てるＰ型シリコン層１０９のポテンシャル障壁（ポテンシャルの高い領域）をいう。追加Ｎ型領域１０６が形成されていることにより、該分水嶺の中心位置（Ｐ型シリコン層の中心）が基板１０１の深部にシフトする。つまり、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６の分だけＮ型である領域が広がる（Ｐ型である領域が小さくなる）ため、それに応じて感度と飽和出力が向上する。

また、半導体基板１０１の表面付近に設けられているＰ⁺ 型不純物領域１０４は、フォトダイオード部１０３の表面の欠陥に起因した電荷がＮ型電荷蓄積領域１０５に蓄積されるのを妨げる働きを有する。更に、素子分離部１０２を囲むＰ型不純物領域１０８と半導体基板１０１との界面に起因した電荷が、Ｎ型電荷蓄積領域１０５において光電変換により生じた電荷と混合するのを妨げる機能を有する。これらのことは、いずれも、固体撮像装置のノイズ特性を向上するために必要となる。

また、素子分離部１０２を囲むＰ型不純物領域１０８は、Ｐ⁺ 型不純物領域１０４とＰ型シリコン層１０９とを電気的に接続している。

尚、各部における不純物濃度は、例えば、次のような範囲の値とすることができる。つまり、Ｐ⁺ 型不純物層１０４及び１５４は５．０×１０¹⁸〜５．０×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｎ型電荷蓄積領域１０５及び１５５は５．０×１０¹⁵〜５．０×１０¹⁶ｃｍ^-3、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６は５．０×１０¹⁴〜５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3、チャネルストッパー層１０７は５．０×１０¹⁷〜５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、チャネルストッパー層１５７は１．０×１０¹⁷〜１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｐ型不純物領域１０８及び１５８は１．０×１０¹⁷〜１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｐ型シリコン層１０９及び１５９は５．０×１０¹⁴〜５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3とすることができる。

また、次の各部の半導体基板１０１表面からの深さは、例えば、次のような範囲の値とすることができる。つまり、Ｎ型電荷蓄積領域１０５及び１５５は１μｍ〜２μｍ、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６は２μｍ〜３μｍ、Ｐ型シリコン層１０９は３μｍ〜５μｍ、Ｐ型シリコン層１５９は２μｍ〜４μｍとすることができる。

次に、図１に示す固体撮像装置１００の製造方法を説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、固体撮像装置１００の製造方法を説明するための図である。

まず、半導体基板１０１に、赤外光用画素Ａを形成する領域における素子分離部１０２及び素子分離部１０２を囲むＰ型不純物領域１０８と、可視光用画素Ｂを形成する領域における素子分離部１５２及び素子分離部１５２を囲むＰ型不純物領域１５８とを形成する。

このためには、初めに、図２（ａ）に示す工程を行なう。つまり、半導体基板１０１上に、シリコン酸化膜からなるパッド絶縁膜２０１を膜厚１ｎｍ〜５０ｎｍ程度に形成し、その上にシリコン窒化膜等の耐酸化性膜２０２を膜厚５０〜４００ｎｍに形成する。

次に、耐酸化性膜２０２上に、素子分離部１０２及び１５２の形成する領域に合わせた開口を有するレジスト２０３をパターニングする。該レジスト２０３をマスクとしたエッチングによる選択的な除去を行ない、パッド絶縁膜２０１及び耐酸化性膜２０２に開口を設ける。この後、レジスト２０３を除去する。ここで、パッド絶縁膜２０１及び耐酸化性膜２０２に設ける開口は、素子分離部１０２及び１５２の形成する領域に合わせたものであり、画素サイズの設計値に依存する大きさを有する。尚、本実施形態の場合にはハードマスク（耐酸化性膜２０２）としてシリコン窒化膜を用いているが、これに代えて、シリコン酸化膜を用いることも可能である。

次に、図２（ｂ）に示すように、パッド絶縁膜２０１及び耐酸化性膜２０２をマスクとするドライエッチングにより、半導体基板１０１に対して素子分離部１０２及び１５２を設けるための溝２０４を形成する。ここで、溝２０４の深さは、フォトダイオード部１０３及び１５３を周囲の活性領域から電気的に分離するために、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とする。

続いて、溝２０４の内壁の部分の半導体基板１０１に対してボロンをイオン注入することにより、Ｐ型不純物領域１０８及び１５８を形成する。このようにすると、耐酸化性膜２０２をマスクとしてセルフアラインに形成されるため、マスク合わせを行なうことは不要であり、マスク合わせのズレによる各画素間のバラツキを避けることができる。

この後、図２（ｃ）に示すように、溝２０４をシリコン酸化膜によって埋め込み、ＣＭＰ法を用いて表面を平坦化し、耐酸化性膜２０２及びパッド絶縁膜２０１を除去する。このようにして、それぞれＰ型不純物領域層１０８及び１５８によって側面及び底面を囲まれた素子分離部１０２及び１５２が形成される。

尚、図には示していないが、チャネルストッパー層１０７及び１５７は溝２０４へのシリコン酸化膜埋め込みの後に注入を行なって形成する。更に、やはり図示は省略しているが、ＭＯＳトランジスタ形成のための各種の不純物注入についても行なう。

更に、フォトダイオード部１０３及び１５３を形成するための各種の不純物注入を行なう。このためには、まず、図２（ｄ）に示すように、可視光用画素Ｂ上に開口を有するレジスト２０５を形成し、イオン注入によってＰ型シリコン層１５９及びＮ型電荷蓄積領域１５５Ｐ⁺ 型不純物領域１５４（いずれも図２（ｄ）においては図示省略、図１を参照）を形成する。尚、Ｐ⁺ 型不純物領域１５４については、この時点で行なっても良いし、ゲート形成後に行なっても良い。

次に、図２（ｅ）に示すように、赤外光用画素Ａ上に開口を有するレジスト２０６を形成し、イオン注入により、Ｐ型シリコン層１０９、Ｎ型電荷蓄積領域１０５及びＰ⁺ 型不純物領域１０４（いずれも図２（ｅ）においては図示省略、図１を参照）を形成する。この際、Ｐ型シリコン層１０９及びＮ型電荷蓄積領域１０５の形成に関し、可視光用画素ＢのＰ型シリコン層１５９及びＮ型電荷蓄積領域１５５を形成する場合に比べてイオン注入の注入エネルギーを大きくすることにより、半導体基板１０１のより深い位置にそれぞれ形成されるようにする。

また、赤外光用画素Ａ上に開口を有するレジスト２０６が形成された状態において、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６（図２（ｅ）においては図示省略）を形成するためのイオン注入を行なう。ここで、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６を形成するために、不純物としてリンを用いるのがよい。リンは熱拡散しやすいため、半導体基板の深い位置まで容易に広げることができる。これにより、赤外光用画素Ａにおける赤外線に対する感度を容易に向上することができる。

以上のようにして、図１に示す構造が得られる。この後、図には示さないが、ゲート形成及び配線形成等を行ない、固体撮像装置を完成する。

尚、図２（ｄ）に示す可視光用画素Ｂにおける注入工程の前に、図２（ｅ）に示す赤外光用画素Ａにおける注入工程を行なうという工程順序を取ることも可能である。

また、以上の説明では素子分離部１０２及び１５２としてＳＴＩ素子分離を用いた場合を説明している。しかし、これに代えて、ＬＯＣＯＳ法を用いて同様に赤外光用画素Ａ及び可視光用画素Ｂを形成することも可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態の固体撮像装置１００ａの要部断面を示す図である。ここで、本実施形態の固体撮像装置１００ａは、第１の実施形態の固体撮像装置１００（図１参照）と同様の構造を有している。そこで、相違点について詳しく述べ、同じである点については、図３において図１と同じ符号を用いることによって説明を省略する。

図１の固体撮像装置１００において、素子分離部１０２と１５２とは同じ深さ（１５０〜３００ｎｍ程度）に形成されている。これに対し、図３に示す本実施形態の固体撮像装置１００ａの場合、可視光用画素Ｂにおける素子分離部１５２が１５０〜３００ｎｍ程度の深さであるのに対し、赤外光用画素Ａにおける素子分離部１０２ａは、より深く、３００〜５００ｎｍ程度となっている。

これに伴い、赤外光用画素ＡにおけるＰ型不純物領域１０８ａは素子分離部１０２ａの側面及び底面を囲うように形成されているため、やはり可視光用画素ＢにおけるＰ型不純物領域１５８よりも深く形成されている。

このように、赤外光用画素Ａにおいて素子分離部１０２ａ及びＰ型不純物領域１０８ａが深くなっていることにより、可視光用画素Ｂに比べて深く形成されている赤外光用画素Ａのフォトダイオード部１０３が、より確実に周囲の活性領域から電気的に分離されている。また、半導体基板１０１のより深い位置における赤外線の光電変換によって生じた電荷について、より確実に蓄積することができる。このため、混色が生じる可能性が抑制されている。

また、素子分離部１０２ａを囲うＰ型不純物領域１０８ａについても深くなっているため、Ｐ型不純物領域１０８ａとＮ型電荷蓄積領域１０５との接合の面積が大きくなっている。Ｐ型不純物領域１０８ａにおける不純物濃度をＰ型シリコン層１０９における不純物濃度よりも高くすることにより、Ｐ型不純物領域１０８ａとＮ型電荷蓄積領域１０５との接合における空乏層は、Ｐ型シリコン層１０９とＮ型電荷蓄積領域１０５との接合における空乏層よりも狭くなる。空乏層が狭くなると、該空乏層における空乏層容量は大きくなる。これらの結果、Ｐ型不純物領域１０８ａが深くなっていることにより、蓄積される電荷量が大きくなる。このため、赤外光用画素Ａにおける赤外線に対する飽和出力が向上する。

本実施形態の固体撮像装置１００ａは、第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様にして製造することができる。但し、赤外光用画素Ａの素子分離部１０２ａと、可視光用画素Ｂの素子分離部１５２とについて、溝を別々に形成する必要がある。

つまり、第１の実施形態の固体撮像装置１００の場合、素子分離部１０２及び素子分離部１５２は同じ１５０〜３００ｎｍ程度の深さに形成されているため、同時に形成することができる。しかし、本実施形態の場合、異なる深さに形成されている素子分離部１０２ａと素子分離部１５２とを形成するため、シリコン酸化膜を埋め込む溝を別々に形成しなければならない。このためには、例えば、第１の実施形態において図２（ａ）〜（ｃ）により説明した素子分離部の製造工程と同様の工程を二度繰り返す方法を取ることができる。これを以下に説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の半導体装置１００ａの製造方法、特に素子分離部１０２ａ及び１５２の形成方法を説明する図である。

まず、図４（ａ）に示すように、可視光用画素Ｂにおいて素子分離部１５２を形成する位置に開口を有するパッド絶縁膜２０１（膜厚１ｎｍ〜５０ｎｍ程度）及びその上のシリコン窒化膜等からなる耐酸化性膜２０２（膜厚５０〜４００ｎｍ程度）を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、パッド絶縁膜２０１及び耐酸化性膜２０２をマスクとするドライエッチングにより、溝２０４ａを形成する。次に、ボロンのイオン注入によりＰ型不純物領域１５８を形成した後、溝２０４ａにシリコン酸化膜を埋め込み、ＣＭＰ研磨により表面を平坦化して素子分離部１５２とする。

次に、図４（ｃ）に示すように、赤外光用画素Ａにおいて素子分離部１０２ａを形成する位置に開口を有するパッド絶縁膜２０１ａ（膜厚１ｎｍ〜５０ｎｍ程度）及びその上のシリコン窒化膜等からなる耐酸化性膜２０２ａ（膜厚５０〜４００ｎｍ程度）を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、パッド絶縁膜２０１ａ及び耐酸化性膜２０２ａをマスクとするドライエッチングにより、溝２０４ｂを形成する。この際、可視光用画素Ｂの溝２０４ａを形成した際よりもエッチング時間を長くすることにより、溝２０４ａよりも深い溝２０４ｂを形成する。具体例としては、溝２０４ａの深さを１５０〜３００ｎｍとするのに対し、溝２０４ｂの深さを３００〜５００ｎｍとする。

更に、ボロンのイオン注入によりＰ型不純物領域１０８ａを形成した後、溝２０４ｂにシリコン酸化膜を埋め込むと共にＣＭＰ法により表面を平坦化すると、素子分離部１５２よりも深い素子分離部１０２ａが形成される。

素子分離部１０２ａ及び素子分離部１５２を形成する個々の行程については、第１の実施形態と同様であるため詳しい説明は省略する。

これにより、可視光用画素Ｂのフォトダイオード部１５３に比べて深いフォトダイオード部１０３が形成されている赤外光用画素Ａにおいて、フォトダイオード部１０３と周囲の活性領域との電気的な分離が確実に行なわれる。

この後、第１の実施形態の場合と同様にして各種のイオン注入を行ない、フォトダイオード部１０３及び１５３を形成する。このようにして図３に示す構造を得た後、更に、ゲート形成及び配線形成等を行ない、固体撮像装置を完成する。

尚、本実施形態の場合にも、素子分離部１０２及び１５２としてＳＴＩ素子分離に代えてＬＯＣＯＳ法を用いることは可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施形態の固体撮像装置１００ｂの要部断面を示す図である。ここで、本実施形態の固体撮像装置１００ｂは、第１の実施形態の固体撮像装置１００（図１参照）と同様の構造を有している。そこで、相違点について詳しく述べ、同じである点については、図５において図１と同じ符号を用いることによって説明を省略する。

第１の実施形態の固体撮像装置１００において、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６は、図１の断面に示すように、一方のチャネルストッパー層１０７から他方のチャネルストッパー層１０７にまで達するように形成されている。このため、図１の断面のように、半導体基板１０１の主面に沿った方向について、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６はＮ型電荷蓄積領域１０５と同等の幅を有している。また、半導体基板１０１の主面に垂直に見た際の面積を考えると、Ｎ型電荷蓄積領域１０５とほぼ同等になっている。

これに対し、図５に示す本実施形態の固体撮像装置１００ｂの場合、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂはチャネルストッパー層１０７に接していない。このように、図５の断面にも示されている通り、半導体基板１０１の主面の沿った方向について、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂはＮ型電荷蓄積領域１０５に比べて幅が狭い。このため、Ｎ型電荷蓄積領域１０５に比べ、半導体基板１０１の主面に垂直に見た際の追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂの面積は小さくなっている。例えば、Ｎ型電荷蓄積領域１０５の面積に対し、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂの面積を５０〜９５％程度とする。

このようになっているため、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂが製造工程中の熱処理等によって拡散した場合にも、主面に平行な方向について不純物が過度に広がるのを抑えることができる。これにより、チャネルストッパー層１０７を含む他の不純物領域のプロファイルに及ぼす影響を低減することができる。

このことから、固体撮像装置１００ｂの赤外光用画素Ａの構造を既存の可視光に対応する固体撮像装置に追加して形成する場合にも、注入工程の合わせ込みを減らすことができる。

固体撮像装置１００ｂは、第１の実施形態の固体撮像装置１００と概ね同様にして製造することができる。但し、本実施形態の場合の追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂは、Ｎ型電荷蓄積領域１０５に比べて幅が小さいため、追加Ｎ型電荷蓄積領域１０６ｂをイオン注入によって形成する際には、図６に示すように、対応する大きさの開口を有するマスク２２０を設ける。

本発明の固体撮像装置によると、可視光に対する感度を低下することなく赤外光に対する感度を向上すると共に混色を避けることができ、同一の半導体基板に可視光用画素と赤外光用画素とを共に設ける固体撮像装置にも有用である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の構造を説明するための断面図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、固体撮像装置１００の製造方法を説明するための図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１００ａの構造を説明するための断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、固体撮像装置１００ａの製造方法を説明するための図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１００ｂの構造を説明するための断面図である。 図６は、固体撮像装置１００ｂの製造方法を説明するための図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、従来の固体撮像装置におけるフォトダイオード部分を示す断面図である。

符号の説明

１００ 固体撮像装置
１００ａ、１００ｂ 固体撮像装置
１０１ 半導体基板
１０２、１０２ａ 素子分離部
１０３ フォトダイオード部
１０４ Ｐ⁺ 型不純物領域
１０５ Ｎ型電荷蓄積領域
１０６、１０６ｂ 追加Ｎ型電荷蓄積領域
１０７ チャネルストッパー層
１０８、１０８ａ Ｐ型不純物領域
１０９ Ｐ型シリコン層
１５２ 素子分離部
１５３ フォトダイオード部
１５４ Ｐ⁺ 型不純物領域
１５５ Ｎ型電荷蓄積領域
１５７ チャネルストッパー層
１５８ Ｐ型不純物領域
１５９ Ｐ型シリコン層
２０１、２０１ａ パッド絶縁膜
２０２、２０２ａ 耐酸化性膜
２０３ レジスト
２０４ 溝
２０４ａ、２０４ｂ 溝
２０５、２０６ レジスト
２２０ レジスト

Claims (8)

1. 第１導電型の第１不純物層及び前記第１不純物層の下方に位置する第２導電型の第２不純物層をそれぞれ有する光電変換部を備えた複数の画素が配列され、
   前記複数の画素は、可視光に対応する可視光用画素及び赤外光に対応する赤外光用画素を含み、
   前記赤外光用画素における前記第２不純物層は、前記可視光用画素における前記第２不純物層よりも深い位置に設けられ、
   前記赤外光用画素において、前記第１不純物層と前記第２不純物層との間に、第１導電型の第３不純物層を更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記可視光用画素及び前記赤外光用画素は、それぞれ、前記光電変換部を素子分離する素子分離部を更に備え、
   前記赤外光用画素における前記素子分離部は、前記可視光用画素における前記素子分離よりも深く形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２において、
   前記可視光用画素及び前記赤外光用画素における前記素子分離部は、それぞれ、第２導電型不純物領域によって囲まれており、
   前記第２導電型不純物領域の不純物濃度は、前記第２不純物層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２又は３において、
   前記可視光用画素及び前記赤外光用画素は、いずれも、前記素子分離部の下方に設けられ且つ第２導電型の不純物が導入されたチャネルストッパー層を更に備え、
   前記赤外光用画素における前記チャネルストッパー層の不純物濃度は、前記可視光用画素における前記チャネルストッパー層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
   前記第３不純物層の面積は、前記赤外光用画素における前記第１不純物層の面積よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
   前記第３不純物層には、第１導電型の不純物としてリンが導入されていることを特徴とする固体撮像装置。
7. 第１導電型の半導体基板に、第１導電型の第１不純物層及び前記第１不純物層の下方に位置する第２導電型の第２不純物層を有する光電変換部を備えた複数の画素を配列する固体撮像装置の製造方法において、
   前記複数の画素のうちの可視光に対応する可視光用画素を形成する工程（ａ）と、
   前記複数の画素のうちの赤外光に対応する赤外光用画素を形成する工程（ｂ）とを備え、
   前記工程（ｂ）において前記赤外光用画素に形成する前記第２不純物層は、前記工程（ａ）において前記可視光用画素に形成する前記第２不純物層よりも深い位置に設けると共に、
   前記工程（ｂ）は、前記赤外光用画素において、前記第１不純物層と、前記第２不純物層との間に、第１導電型の第３不純物層を形成する工程を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 請求項７において、
   前記可視光用画素及び前記赤外光用画素における、前記光電変換部をそれぞれ素子分離する素子分離部を形成する工程を更に備え、
   前記赤外光用画素における前記素子分離部は、前記可視光用画素における前記素子分離部よりも深く形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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