JP2009105380A

JP2009105380A - 固体撮像装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2009105380A
Application number: JP2008219969A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Hirata; 達也平田; Motonari Katsuno; 元成勝野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】実効チャネル幅の減少を抑制できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、Ｐウェル１０１の内部に形成され、光を信号電荷に変換し蓄積する信号蓄積部１０２と、Ｐウェル１０１の上に形成されるゲート電極１０４と、ゲート電極１０４から見てＹ方向において信号蓄積部１０２とは反対側に形成されるドレイン領域１０５と、信号蓄積部１０２、ゲート電極１０４及びドレイン領域１０５が形成される領域を囲むように形成される絶縁性の素子分離部１０７と、素子分離部１０７の側面及び底面に接して形成され、Ｐウェル１０１よりも不純物濃度の高い欠陥抑制層１０８と、ゲート電極１０４のＸ方向における端部下に形成される読み出しチャネル拡大領域１１１とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、信号蓄積部に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しトランジスタを備える固体撮像装置に関する。

固体撮像装置の分野において、増幅型固体撮像装置（ＭＯＳイメージセンサ）の構造に関する数多くの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。増幅型固体撮像装置
は、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）イメージセンサと比較して低消費電力であるという利点がある。さらに、増幅型固体撮像装置は、センサ部分と周辺回路とを同じＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスを用いて製造できるので、センサ部分と周辺回路との統合が容易であるという利点がある。

以下、特許文献１記載の従来の固体撮像装置について説明する。
図２３〜図２５は、特許文献１記載の従来技術の固体撮像装置の構成を示す図である。
図２３は、１画素分の光電変換部及び信号読み出し部の構成を示す平面図である。図２４は、図２３のＹ１−Ｙ２面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。図２５は、図２３のＸ１−Ｘ２面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。

図２３〜図２５に示すように、各画素は、Ｐウェル１０１内に形成される。各画素は、信号蓄積部（フォトダイオード）１０２と、ゲート酸化膜１０３と、ゲート電極１０４と、ドレイン領域１０５と、表面シールド層１０６と、素子分離部１０７と、欠陥抑制層１０８と、容量拡大領域１１２とを含む。

信号蓄積部１０２は、Ｐウェル１０１の内部に形成されるＮ型拡散層である。信号蓄積部１０２は、光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積する光電変換部である。

ゲート電極１０４は、信号蓄積部１０２に隣接してＰウェル１０１の上にゲート酸化膜１０３を介して形成される。

信号蓄積部１０２と、ゲート電極１０４と、ドレイン領域１０５とは１つのＭＯＳトランジスタ（読み出しトランジスタ）を構成する。当該ＭＯＳトランジスタは、信号蓄積部１０２に蓄積された信号電荷を読み出す信号読み出し部を構成する。

表面シールド層１０６は、Ｐ型拡散層である。表面シールド層１０６は、信号蓄積部１０２の上部であり、Ｐウェル１０１の表面に形成される。

素子分離部１０７は、半導体基板を掘り込んだＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）である。

欠陥抑制層１０８は、Ｐ型拡散層であり、素子分離部１０７の側面及び底面に隣接して形成される。欠陥抑制層１０８は、素子分離部１０７を形成することにより発生する結晶欠陥を抑制するための層である。

容量拡大領域１１２は、欠陥抑制層１０８と信号蓄積部１０２とを隔てるように形成される。容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２よりＮ型不純物濃度が高い。

以上の構成により、特許文献１記載の固体撮像装置は、容量拡大領域１１２を備えることで、欠陥抑制層１０８を形成することによる、信号蓄積部１０２における信号電荷の蓄積量の減少を低減できる。
特開２００６−３２４４８２号公報

しかしながら、特許文献１記載の固体撮像装置では、微細化によりゲート電極１０４の幅が短くなると、信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を転送するチャネルの幅が短くなる。これにより、欠陥抑制層１０８による実効チャネル幅の減少が顕著になってくるという問題がある。

以下、上記問題の詳細について、図２６を用いて説明する。
図２６は、図２５の線Ｘ３−Ｘ４における不純物濃度の分布を示す図である。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）はＮ型不純物濃度の分布を示す図であり、図２６（ｃ）及び図２６（ｄ）はＰ型不純物濃度の分布を示す図であり、図２６（ｅ）及び図２６（ｆ）はＮ型とＰ型とをあわせた全不純物濃度の分布を示す図である。また、図２６（ｂ）、図２６（ｄ）、及び図２６（ｆ）は、図２６（ａ）、図２６（ｃ）、及び図２６（ｅ）に比べて、微細化により画素サイズが小さくなったことにより、Ｘ３−Ｘ４の距離が短くなった場合の不純物濃度の分布を示す図である。

図２６（ａ）及び図２６（ｂ）に示すように、Ｎ型不純物濃度はＸ方向の位置によらず一定である。一方、図２６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、Ｐ型不純物濃度は、ゲート電極１０４の中央部下に比べて欠陥抑制層１０８に近いところで高く、欠陥抑制層１０８から離れるほど低くなる。これは、Ｐ型不純物濃度の高い欠陥抑制層１０８の形成に起因している。

図２７は、欠陥抑制層１０８を形成するＰ型不純物のイオン注入の概念図である。図２７に示すように、レジスト１０９を用いて、素子分離部１０７が形成される溝の側面表面からイオン注入が行われる。この時、欠陥の多い素子分離部１０７の側面表面付近にＰ型不純物濃度のピークが形成されるようにイオン注入が行われる。従って、素子分離部１０７の側面表面の位置Ｘ３及びＸ４付近がＰ型不純物濃度のピークになる。

よって、図２６（ｅ）及び図２６（ｆ）に示すように、Ｎ型とＰ型とをあわせた全不純物濃度は、ゲート電極１０４の中央部下に比べて欠陥抑制層１０８に近いところで高くなる。これにより、読み出しトランジスタの実効チャネル幅が減少する。特に、図２６（ｆ）に示すように、微細化により画素サイズが小さくなった場合には、Ｘ３−Ｘ４の距離が短くなるので、実効チャネル幅の減少が顕著になる。

これにより、従来の固体撮像装置では、信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を完全に転送できない場合が生じる。よって、従来の固体撮像装置では、転送できずに信号蓄積部１０２に残った電子の数である残像電子数が増加してしまう。

そこで、本発明は、実効チャネル幅の減少を抑制できる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、第１導電型の第１領域を含む半導体基板と、前記第１領域の内部に形成され、光を信号電荷に変換し、当該信号電荷を蓄積する第２導電型の信号蓄積部と、前記第１領域の上に形成されるゲート電極と、前記ゲート電極から見て前記信号蓄積部とは反対側の前記第１領域に形成される第２導電型のドレイン領域と、前記信号蓄積部、ゲート電極及びドレイン領域が形成される領域を囲むように形成される絶縁性の素子分離部と、前記素子分離部の側面及び底面に接して形成され、前記第１領域よりも不純物濃度の高い第１導電型不純物導入領域と、前記ゲート電極のゲート幅方向の端部下の前記第１領域に形成される第２導電型不純物導入領域とを備える。

この構成によれば、ゲート電極のゲート幅方向の端部下に、ゲート電極下の中央部より第２導電型の不純物濃度が高いチャネル拡大領域（第２導電型不純物導入領域）が形成される。これにより、本発明に係る固体撮像装置は、欠陥抑制層（第１導電型不純物導入領域）を形成することで生じる読み出しトランジスタの実効チャネル幅の減少を抑制できる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、微細化による残像電子数の増加を低減できる。

また、前記第１導電型不純物導入領域は欠陥抑制領域であり、第２導電型不純物導入領域はチャネル拡大領域であってもよい。

また、前記第２導電型不純物導入領域の第１導電型の不純物濃度は、第２導電型の不純物濃度より高くてもよい。

また、前記第１導電型不純物導入領域の少なくとも一部分は、前記ゲート電極下に形成され、前記第２導電型不純物導入領域は、前記第１導電型不純物導入領域に接してもよい。

この構成によれば、ゲート電極下に形成される欠陥抑制層に接する領域の第２導電型の不純物濃度を増加させることができる。これにより、本発明に係る固体撮像装置は、欠陥抑制層を形成することで生じる実効チャネル幅の減少を抑制できる。

また、前記第２導電型不純物導入領域は、前記ゲート電極の前記ゲート幅方向の両方の端部下の前記第１領域に形成されてもよい。

この構成によれば、ゲート電極下のゲート幅方向の両端部に第２導電型の不純物濃度が高い領域が形成されるので、実効チャネル幅の減少をさらに抑制できる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記信号蓄積部の前記ゲート幅方向の側面に接して形成され、前記信号蓄積部より第２導電型の不純物濃度が高い第２導電型の容量拡大領域を備えてもよい。

この構成によれば、欠陥抑制層を形成することにより生じる電荷蓄積量の減少を低減できる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記信号蓄積部の上方の前記第１領域に形成され、前記第１領域よりも第１導電型の不純物濃度の高い第１導電型の表面シールド層を備えてもよい。

この構成によれば、信号蓄積部の上方に信号蓄積部と逆の導電型の表面シールド層を形成することで、暗電流の発生を低減できる。

また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に第１導電型の第１領域を形成する工程と、前記第１領域の内部に、光を信号電荷に変換し、当該信号電荷を蓄積する第２導電型の信号蓄積部を形成する工程と、前記第１領域の上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極から見て前記信号蓄積部とは反対側の前記第１領域に第２導電型のドレイン領域を形成する工程と、前記信号蓄積部、ゲート電極及びドレイン領域が形成される領域を囲むように絶縁性の素子分離部を形成する工程と、前記素子分離部の側面及び底面に接し、前記第１領域よりも不純物濃度の高い第１導電型不純物導入領域を形成する工程と、前記ゲート電極のゲート幅方向の端部下の前記第１領域に第２導電型不純物導入領域を形成する工程とを含む。

これによれば、ゲート電極のゲート幅方向の端部下に、ゲート電極下の中央部より第２導電型の不純物濃度が高いチャネル拡大領域（第２導電型不純物導入領域）が形成される。これにより、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、欠陥抑制層（第１導電型不純物導入領域）を形成することで生じる読み出しトランジスタの実効チャネル幅の減少を抑制することによって、微細化による残像電子数の増加を低減できる固体撮像装置を製造できる。

また、前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記信号蓄積部の上方の前記第１領域に、前記第１領域よりも第１導電型の不純物濃度の高い第１導電型の表面シールド層を形成する工程を含んでもよい。

また、前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記第２導電型不純物導入領域の形成に用いられるイオン注入マスクを用いて、前記信号蓄積部の前記ゲート幅方向の側面に接し、前記信号蓄積部より第２導電型の不純物濃度が高い第２導電型の容量拡大領域を形成する工程を含んでもよい。

また、複数の画素のそれぞれに、前記信号蓄積部と、前記ゲート電極と、前記ドレイン領域と、前記第２導電型不純物導入領域と、前記容量拡大領域とを形成し、前記複数の画素のうち２以上に対して連続する注入スペースパターンを有する前記イオン注入マスクを用いて、前記容量拡大領域及び前記第２導電型不純物導入領域を形成してもよい。

これによれば、複数の画素における注入スペースパターンが微細なパターンにならないので、チャネル拡大領域及び容量拡大領域を安定して形成できる。これにより、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、特性ばらつきを低減できるので、製造歩留まりを向上できる。

以上より、本発明は、実効チャネル幅の減少を抑制できる固体撮像装置を提供できる。

以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、読み出しトランジスタのゲート電極１０４下のゲート幅方向（チャネル幅方向）の端部に形成され、Ｎ型不純物濃度が高い領域を備える。これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、欠陥抑制層１０８を形成することによる実効チャネル幅の減少を抑制できるので、微細化による残像電子数の増加を低減できる。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＭＯＳイメージセンサであり、平面状に配置された複数の画素を備える。各画素はそれぞれ光電変換部と信号読み出し部とを含む。

図１〜図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の１画素の構成を示す図である。図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の１画素の構成を示す平面図である。図２は、図１のＹ３−Ｙ４面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。図３は、図１のＸ１−Ｘ２面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、図２３〜図２５と同様の要素には同一の符号を付している。

図１〜図３に示すように、各画素は、半導体基板（図示せず）に形成されたＰウェル１０１内に形成される。各画素は、信号蓄積部（フォトダイオード）１０２と、ゲート酸化膜１０３と、ゲート電極１０４と、ドレイン領域１０５と、表面シールド層１０６と、素子分離部１０７と、欠陥抑制層１０８と、読み出しチャネル拡大領域１１１とを備える。

なお、図１のＹ１−Ｙ２面における断面構造は、図２に示す構造において読み出しチャネル拡大領域１１１を除いた構成である。

Ｐウェル１０１は、半導体基板に形成され、そのＰ型不純物濃度は１Ｅ１２／ｃｍ³〜１Ｅ１６／ｃｍ³程度である。

信号蓄積部１０２は、Ｐウェル１０１の内部に形成されるＮ型拡散層で、そのＮ型不純物濃度は２Ｅ１６／ｃｍ³〜２Ｅ１７／ｃｍ³程度である。信号蓄積部１０２は、光を信号電荷に変換する光電変換部である。信号蓄積部１０２は、変換した信号電荷を蓄積する。

ゲート酸化膜１０３は、Ｐウェル１０１の上に形成される。
ゲート電極１０４は、信号蓄積部１０２に接してＰウェル１０１の上にゲート酸化膜１０３を介して形成される。

ドレイン領域１０５は、Ｎ型拡散層であり、そのＮ型不純物濃度は１Ｅ１７／ｃｍ³〜１Ｅ１９／ｃｍ³程度である。ドレイン領域１０５は、ゲート電極１０４から見てＹ方向（図１における縦方向）において信号蓄積部１０２とは反対側のＰウェル１０１の表面に形成される。

表面シールド層１０６は、Ｐ型拡散層であり、そのＰ型不純物濃度は１Ｅ１９／ｃｍ³〜１Ｅ２１／ｃｍ³程度である。表面シールド層１０６は、信号蓄積部１０２の上方であり、Ｐウェル１０１の表面に形成される。表面シールド層１０６は、Ｐウェル（Ｐ型不純物濃度は１Ｅ１２／ｃｍ³〜１Ｅ１６／ｃｍ³程度）よりＰ型不純物濃度が高い。表面シールド層１０６は、信号蓄積部１０２と逆の導電型の層であり、暗電流の発生を低減するための層である。

素子分離部１０７は、絶縁性の材料により形成され、各画素を電気的に分離する。具体的には、素子分離部１０７は、半導体基板を掘り込んだＳＴＩである。素子分離部１０７は、信号蓄積部１０２、ゲート電極１０４及びドレイン領域１０５が形成される領域を囲むように形成される。言い換えると、素子分離部１０７は信号蓄積部１０２及び読み出しトランジスタを囲むように形成される。

欠陥抑制層１０８は、Ｐ型拡散層（Ｐ型不純物導入領域）であり、そのＰ型不純物濃度は１Ｅ１７／ｃｍ³〜１Ｅ１８／ｃｍ³程度であり、素子分離部１０７の側面及び底面に接して形成される。欠陥抑制層１０８は、Ｐウェル１０１（Ｐ型不純物濃度は１Ｅ１２／ｃｍ³〜１Ｅ１６／ｃｍ³程度）よりもＰ型不純物濃度が高い。欠陥抑制層１０８は、素子分離部１０７を形成することにより発生する結晶欠陥を抑制するための層である。

また、素子分離部１０７及び欠陥抑制層１０８のゲート電極１０４側の一部は、ゲート電極１０４下に形成される。

読み出しチャネル拡大領域１１１は、ゲート電極１０４のゲート幅方向（Ｘ方向）における両端部の下のＰウェル１０１に形成される。読み出しチャネル拡大領域１１１は、ゲート電極１０４下のゲート幅方向において欠陥抑制層１０８に接して形成される。

読み出しチャネル拡大領域１１１は、Ｐウェル１０１にＮ型不純物をイオン注入することにより形成されるＮ型不純物領域（Ｎ型不純物導入領域）であり、そのＮ型不純物濃度は１Ｅ１５／ｃｍ³〜１Ｅ１６／ｃｍ³程度である。なお、ここでは、Ｎ型不純物をイオン注入する（Ｎ型不純物を導入する）ことで形成する領域を、Ｎ型不純物領域（Ｎ型不純物導入領域）と呼ぶ。

また、読み出しチャネル拡大領域１１１のＮ型不純物濃度は、読み出しチャネル拡大領域１１１のＰ型不純物濃度よりも低いために、読み出しチャネル拡大領域１１１は物理的にはＰ型の極性を有し、Ｐ型領域として機能する。

また、読み出しチャネル拡大領域１１１は、ゲート電極１０４の中央部下の読み出しチャネル拡大領域１１１でないＰウェル１０１の領域（Ｎ型不純物濃度は１Ｅ１４／ｃｍ³〜１Ｅ１５／ｃｍ³程度）に比べてＮ型不純物濃度が高い。読み出しチャネル拡大領域１１１は、ゲート電極１０４下の読み出しチャネル拡大領域１１１が形成されない領域に比べて、Ｎ型不純物濃度が２倍以上高い。読み出しチャネル拡大領域１１１は、信号蓄積部１０２及び欠陥抑制層１０８とは異なる不純物領域である。

なお、図１及び図２に示すように、読み出しチャネル拡大領域１１１は、読み出しトランジスタの転送方向であるゲート長方向（Ｙ方向）において、ゲート電極１０４下のみに形成されているが、さらにゲート電極１０４下以外の信号蓄積部１０２の上の領域に形成されてもよい。

図４は、従来の固体撮像装置と、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置との、図３及び図２５の位置Ｘ３−Ｘ４における不純物濃度の分布を示す図である。図４（ａ）はＮ型不純物濃度の分布を示す図であり、図４（ｂ）はＰ型不純物濃度の分布を示す図であり、図４（ｃ）はＮ型とＰ型とをあわせた全不純物濃度の分布を示す図である。

図４（ａ）に示すように、従来の固体撮像装置のＮ型不純物濃度２０１は、Ｘ方向の位置によらず一定であるが、本実施の形態の固体撮像装置のＮ型不純物濃度２００では、素子分離部１０７に近い領域のＮ型不純物濃度が、ゲート電極１０４の中央部下のＮ型不純物濃度に比べて高い。

また、図４（ｂ）に示すように、従来の固体撮像装置及び本実施の形態の固体撮像装置において、Ｐ型不純物濃度２０２及び２０３の分布は、同様である。位置Ｘ３−Ｘ４におけるＰ型不純物濃度２０２及び２０３は、Ｐ型不純物濃度の高い欠陥抑制層１０８により、ゲート電極１０４の中央部下に比べて欠陥抑制層１０８に近いところで高く、欠陥抑制層１０８から離れるほど低くなる。これは、Ｐ型不純物濃度の高い欠陥抑制層１０８の形成に起因している。

図４（ｃ）に示すように、従来の固体撮像装置のＮ型とＰ型をあわせた全不純物濃度２０５に比べ、本実施の形態の固体撮像装置の全不純物濃度２０４では、ゲート電極１０４下のＰ型領域における特にＰ型不純物濃度の高い領域が減少する。これにより、本実施の形態の固体撮像装置の実効チャネル幅２１０は、従来の固体撮像装置の実効チャネル幅２１１に比べ、長くなる。ここで、実効チャネル幅とは、物理的にはＰ型の極性を有することによりＰ型領域として機能し、かつ全不純物濃度がゲート電極１０４の中央部下と等しいかそれ以下の領域の幅である。例えば、実効チャネル幅とは、全不純物濃度が９Ｅ１６／ｃｍ³と等しいかそれ以下の領域の幅である。

以上より、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、欠陥抑制層１０８の形成による読み出しトランジスタの実効チャネル幅の減少を低減できるので、残像電子数の増加を低減できる。特に、本発明は、微細化により、欠陥抑制層１０８による実効チャネル幅の減少が顕著になるときに有効である。例えば、１画素のセル面積が２μｍ×２μｍ程度で、Ｘ３−Ｘ４の長さが１μｍ程度のとき、従来の固体撮像装置では、実効チャネル幅２１１は０．２μｍ程度になるが、本実施の形態の固体撮像装置では、実効チャネル幅２１０は０．６μｍ程度になり、実効チャネル幅２１１に比べて長くできる。

次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。
図５〜図１０は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。

まず、図５に示すように、半導体基板に、Ｐウェル１０１を形成する。次に、図６に示すように、Ｐウェル１０１上にナイトライド膜１１５を堆積する。次に、図７に示すように、ナイトライド膜１１５をパターニングし、パターニングされたナイトライド膜１１５をマスクとして用いてエッチングすることで素子分離部１０７を形成するための溝を形成する。次に、図８に示すように、ナイトライド膜１１５をハードマスクとして用いたＰ型不純物のイオン注入により、当該溝の底面及び側面に欠陥抑制層１０８を形成する。次に、当該溝に絶縁性の材料（例えば、酸化シリコン等）を埋め込むことで、素子分離部１０７を形成する。

次に、ナイトライド膜１１５を除去した後、図９に示すようにレジスト１１６を用いたＮ型不純物のイオン注入により、信号蓄積部１０２を形成する。次に、図１０に示すように、レジスト１１７を用いたＮ型不純物のイオン注入により、読み出しチャネル拡大領域１１１を形成する。

次に、ゲート酸化膜１０３及びゲート電極１０４が順次形成される。次に、レジストを用いたＰ型不純物のイオン注入により表面シールド層１０６が形成され、レジストを用いたＮ型不純物のイオン注入によりドレイン領域１０５が順次形成される。

以上の工程により、図１〜図３に示す固体撮像装置が形成される。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置の構成に加えて、さらに、信号蓄積部１０２のＸ方向の端部に形成される容量拡大領域１１２を備える。これにより、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、欠陥抑制層１０８を設けることによって縮小した信号蓄積部１０２の電荷蓄積量を回復し、電荷蓄積量の縮小に起因する飽和特性及び感度特性の劣化を低減できる。

図１１〜図１３は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の１画素の構成を示す図である。図１１は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の１画素の構成を示す平面図である。図１２は、図１１のＹ３−Ｙ４面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１３は、図１１のＸ１−Ｘ２面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、図１〜図３と同様の要素には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。また、図１１において、明瞭化のため、読み出しチャネル拡大領域１１１は図示していない。

また、図１１におけるＹ１−Ｙ２面における固体撮像装置の構成は実施の形態１と同様である。

図１１〜図１３に示すように、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置の構成に加えて、さらに、容量拡大領域１１２を備える。

容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２のＸ方向における両側面に接して形成される。容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２よりＮ型不純物濃度が高いＮ型領域であり、そのＮ型不純物濃度は４Ｅ１６／ｃｍ³〜４Ｅ１７／ｃｍ³程度である。容量拡大領域１１２は、読み出しチャネル拡大領域１１１に接して、読み出しチャネル拡大領域１１１の下に形成される。

また、容量拡大領域１１２は、欠陥抑制層１０８に接して形成される。つまり、容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２と欠陥抑制層１０８とを隔てるように形成される。

以上により、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置の効果に加え、欠陥抑制層１０８を設けることによって縮小した信号蓄積部１０２の電荷蓄積量を回復することできる。これにより、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、信号電荷を蓄積する領域の縮小に起因する飽和特性や感度特性の劣化を低減できる。

次に、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法では、同一のイオン注入マスクを用いて、読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２を形成する。なお、他の工程は、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

図１４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法における読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２の形成に用いられるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。

図１４に示すイオン注入マスク１２１を用いることで、１枚のマスクで、読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２を形成できる。これにより、マスクの製造コスト、及び製造工程におけるマスクあわせの工程を削減できる。

また、図１４では、信号蓄積部１０２及びゲート電極１０４におけるＸ方向の端部のみに注入スペースパターンを有するイオン注入マスク１２１を示したが、以下に示すイオン注入マスク１２２を用いてもよい。

図１５は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法における読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２の形成に用いられるイオン注入マスクの変形例の構成を示す平面図である。

図１４に示すイオン注入マスク１２１では、イオンが注入される注入スペースパターンが各画素で個別に形成される。一方、図１５に示すイオン注入マスク１２２では、注入スペースパターンがＹ方向の複数の画素で連続して形成される。

図１６は、イオン注入マスク１２１及び１２２により形成された、横２画素×縦３画素分のレジストパターンを示す平面図である。図１６（ａ）は、イオン注入マスク１２１を用いて形成したレジストパターンを示す平面図であり、図１６（ｂ）は、イオン注入マスク１２２を用いて形成したレジストパターンを示す平面図である。

なお、ここでは説明の明瞭化のため、横２画素×縦３画素を示しているが、実際には、ＭＯＳイメージセンサは１Ｍ以上の画素数が主流であり、縦横ともに数千画素単位で使用されることが多い。

図１６（ａ）に示すようにイオン注入マスク１２１を用いた場合、各画素においてレジストスペース１３１は独立している。

一方、図１６（ｂ）に示すようにイオン注入マスク１２２を用いた場合、縦１列（実際には縦方向に配置された数千画素）においてレジストスペース１３２はつながっている。
すなわち、微細な孤立スペースパターンがないので、画素を微細化した場合でも読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２を安定して形成できる。これにより、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、特性ばらつきが低減できるので、製造歩留まりを向上できる。

なお、イオン注入マスク１２１の角部分の形を工夫することでレジストが丸まらないように改善することもできる。

また、縦１列の画素のうち２以上の画素に対して連続する注入スペースパターンを有するイオン注入マスクを用いて、容量拡大領域１１２及び読み出しチャネル拡大領域１１１を形成してもよい。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置は、実施の形態２に係る固体撮像装置の構成に対して、さらに、信号蓄積部１０２のＹ方向における、ゲート電極１０４が形成される側と反対側の端部に容量拡大領域１１２が形成される。

図１７は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の製造方法における読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２の形成に用いられるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。

図１７に示すイオン注入マスク１２３を用いることで、信号蓄積部１０２の４方向の端部のうち、ゲート電極１０４側を除いた３方向の端部に容量拡大領域１１２が形成される。つまり、容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２のＸ方向における両方の側面、及びＹ方向におけるゲート電極１０４側と反対の側面に接して形成される。

例えば、図１７におけるＹ１−Ｙ２面における断面構造は、図２４と同様である。また、図１７におけるＸ１−Ｘ２面及びＹ３−Ｙ４面における断面構造は、それぞれ、図１３及び図１２と同様である。

以上の構成により、実施の形態３に係る固体撮像装置は、実施の形態２に係る固体撮像装置に比べて、容量拡大領域１１２の面積が大きくなるので、欠陥抑制層１０８を設けることによって縮小した信号蓄積部１０２の電荷蓄積量をさらに回復できる。これにより、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置は、信号電荷を蓄積する領域の縮小に起因する飽和特性及び感度特性の劣化をさらに低減できる。

図１８は、実施の形態２及び実施の形態３に係る固体撮像装置の位置Ｙ１−Ｙ２における信号蓄積時の電位ポテンシャルの分布を示す図である。図１８において、電位ポテンシャル２２１は、実施の形態２に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルであり、電位ポテンシャル２２０は、実施の形態３に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルである。

図１８に示すように、電位ポテンシャル２２０は、電位ポテンシャル２２１に比べて、信号蓄積領域の位置Ｙ１側の立ち上りが鋭角になり、ポテンシャルの立ち上がり位置が位置Ｙ１に近くなる。これにより実施の形態３に係る固体撮像装置は、実施の形態２に係る固体撮像装置に比べ、蓄積時に信号蓄積部１０２に蓄積できる飽和電子数が増加する。

一方で、実施の形態３に係る固体撮像装置は、実施の形態２に係る固体撮像装置に比べて、ポテンシャルポケットが発生しやすいという問題点がある。

以下、その理由について説明する。
図１９は、実施の形態３に係る固体撮像装置の位置Ｙ１−Ｙ２における電位ポテンシャルの分布を示す図である。図１９（ａ）は信号蓄積部１０２に信号電荷を蓄積されている時の電位ポテンシャルを示す図であり、図１９（ｂ）は信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を転送する時の電位ポテンシャルを示す図である。

図１９（ａ）に示すように、イオン注入マスク１２３がＹ２方向にマスクずれした場合、Ｙ１付近の容量拡大領域１１２が大きくなりすぎてしまい、信号蓄積領域にポテンシャルポケット１４１が発生する。

図１９（ｂ）に示すように、ゲート電極１０４に正の電圧を印加して信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を転送するときに、ポテンシャルポケット１４１に溜まった信号（電子）は転送できないので、残像電子数が増加してしまう。

なお、将来的に製造技術の精度向上により、イオン注入マスク１２３のマスクずれが小さくなった場合には、製造工程のマスクずれによる残像電子数の増加は少なくなる。これにより、実施の形態３に係る固体撮像装置は、実施の形態２に係る固体撮像装置に比べて、より望ましい形状となる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置の構成に対して、さらに、信号蓄積部１０２のＹ方向における、ゲート電極１０４が形成される側に容量拡大領域１１２が形成される。

図２０は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の製造方法における読み出しチャネル拡大領域１１１及び容量拡大領域１１２の形成に用いられるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。

図２０に示すイオン注入マスク１２４を用いることで、信号蓄積部１０２の４方向の端部の全てに容量拡大領域１１２が形成される。つまり、容量拡大領域１１２は、信号蓄積部１０２のＸ方向における両方の側面、及びＹ方向における両方の側面に接して形成される。

なお、図２０におけるＸ１−Ｘ２面及びＹ３−Ｙ４面における断面構造は、それぞれ、図１３及び図１２と同様である。

また、図２０におけるＹ１−Ｙ２面における断面構造は、図２４に示す断面構造に加え、さらに、信号蓄積部１０２のゲート電極１０４側の側面に容量拡大領域１１２が形成された構造である。

以上の構成により、実施の形態４に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置に比べて、容量拡大領域１１２が大きくなるので、欠陥抑制層１０８を設けることによって縮小した信号蓄積部１０２の電荷蓄積量をさらに回復できる。これにより、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置は、信号電荷を蓄積する領域の縮小に起因する飽和特性及び感度特性の劣化をさらに低減できる。

図２１は、実施の形態３及び実施の形態４に係る固体撮像装置の位置Ｙ１−Ｙ２における蓄積時の電位ポテンシャルの分布を示す図である。図２１において、電位ポテンシャル２２２は、実施の形態４に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルであり、電位ポテンシャル２２０は、実施の形態３に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルである。

図２１に示すように、電位ポテンシャル２２２は、電位ポテンシャル２２０に比べて、信号蓄積領域の位置Ｙ２側の立ち上りが鋭角になり、ポテンシャルの立ち上がり位置が位置Ｙ２に近くなる。これにより、実施の形態４に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置に比べ、蓄積時に信号蓄積部１０２に蓄積できる飽和電子数が増加する。

一方で、実施の形態４に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置に比べて、ポテンシャルポケットが発生しやすいという問題点がある。

以下、その理由について説明する。
図２２は、実施の形態４に係る固体撮像装置の位置Ｙ１−Ｙ２における電位ポテンシャルの分布を示す図である。図２２（ａ）は信号蓄積部１０２に信号電荷が蓄積されている時の電位ポテンシャルを示す図であり、図２２（ｂ）は信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を転送する時の電位ポテンシャルを示す図である。

イオン注入マスク１２４がＹ１方向にマスクずれした場合、Ｙ２付近の容量拡大領域１１２が大きくなりすぎてしまい、図２２（ａ）に示すように、信号蓄積領域にポテンシャルポケット１４２が発生する。

図２２（ｂ）に示すように、ゲート電極１０４に正の電圧を印加して信号蓄積部１０２からドレイン領域１０５に信号（電子）を転送するときに、ポテンシャルポケット１４２に溜まった信号（電子）は転送できないので、残像電子数が増加してしまう。

また、イオン注入マスク１２４がＹ２方向にマスクずれした場合には、表面付近のＮ型不純物濃度が高い領域がゲート電極１０４下の大部分に形成されるので、実効ゲート長が短くなるという問題もある。これにより、信号蓄積部１０２に信号を蓄積するときに、ドレイン領域１０５に信号（電子）がもれだして飽和電子数が逆に減少してしまう場合もある。

なお、将来的に製造技術の精度向上により、イオン注入マスク１２４のマスクずれが小さくなった場合には、製造工程のマスクずれによる残像電子数の増加は少なくなる。これにより、実施の形態４に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置に比べて、より望ましい形状となる。

以上、本発明の実施の形態１〜４に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記説明では、半導体基板（Ｎ型半導体基板）に形成されたＰウェル１０１に画素を形成する例を説明したが、Ｐ型半導体基板に直接形成してもよい。つまり、上述した本発明に係る各画素の構成は、半導体基板に含まれるＰ型領域に形成されればよい。

また、上記説明における、Ｐ型及びＮ型を全て反転させた構成であってもよい。
また、上記説明では、読み出しチャネル拡大領域１１１が、ゲート幅方向のゲート電極１０４の両端部の下に形成されているが、一方の端部の下のみに形成されてもよい。

また、上記説明では、実施の形態２において信号蓄積部１０２のＸ方向の両端部に容量拡大領域１１２が形成されているが、一方の端部にのみ形成されてもよい。

また、上記説明では、実施の形態４において信号蓄積部１０２の全ての端部に容量拡大領域１１２が形成される例にについて述べたが、信号蓄積部１０２のＸ方向の両端部及びＹ方向のゲート電極１０４側の端部にのみ容量拡大領域１１２が形成されてもよい。

また、実施の形態３及び４において、各画素に対して個別のスペースパターンを有するイオン注入マスクを用いる例について述べたが、図１６（ｂ）と同様に縦１列において、つながったスペースパターンを有するイオン注入マスクを用いてもよい。

また、上記説明では、表面シールド層１０６と信号蓄積部１０２（及び容量拡大領域１１２）とは、縦方向（半導体基板の厚さ方向）において接していないが、接してもよい。

また、上記説明では、Ｙ方向の断面において、信号蓄積部１０２の上方で表面シールド層１０６が形成されていない領域があるが、信号蓄積部１０２の上方であり、ゲート電極１０４が形成される領域以外の領域の全面に表面シールド層１０６を形成してもよい。

本発明は、固体撮像装置に適用でき、特に、固体撮像装置を搭載した各種の撮影装置及び携帯電話装置に代表される撮影装置付きモバイル機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示すＹ方向の断面図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示すＸ方向の断面図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のゲート電極下のＸ方向の不純物濃度の分布を示す図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を示すＹ方向の断面図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の構成を示すＸ方向の断面図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置におけるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置におけるイオン注入マスクの変形例の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置におけるレジストパターンの構成を示す平面図である。本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置におけるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。本発明の実施の形態２及び実施の形態３に係る固体撮像装置の信号蓄積時の電位ポテンシャルの分布を示す図である。本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルの分布を示す図である。本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置におけるイオン注入マスクの構成を示す平面図である。本発明の実施の形態３及び実施の形態４に係る固体撮像装置の信号蓄積時の電位ポテンシャルの分布を示す図である。本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の電位ポテンシャルの分布を示す図である。従来の固体撮像装置の構成を示す平面図である。従来の固体撮像装置の構成を示すＹ方向の断面図である。従来の固体撮像装置の構成を示すＸ方向の断面図である。従来の固体撮像装置のゲート電極下のＸ方向の不純物濃度の分布を示す図である。従来の固体撮像装置における欠陥抑制層を形成するためにイオン注入工程を模式的に示す図である。

符号の説明

１０１Ｐウェル
１０２信号蓄積部（フォトダイオード）
１０３ゲート酸化膜
１０４ゲート電極
１０５ドレイン領域
１０６表面シールド層
１０７素子分離部
１０８欠陥抑制層
１１１読み出しチャネル拡大領域
１１２容量拡大領域
１１５ナイトライド膜
１１６、１１７レジスト
１２１、１２２、１２３、１２４イオン注入マスク
１３１、１３２レジストスペース
１４１、１４２ポテンシャルポケット
２００、２０１Ｎ型不純物濃度
２０２、２０３Ｐ型不純物濃度
２０４、２０５全不純物濃度
２１０、２１１実効チャネル幅
２２０、２２１、２２２電位ポテンシャル

Claims

第１導電型の第１領域を含む半導体基板と、
前記第１領域の内部に形成され、光を信号電荷に変換し、当該信号電荷を蓄積する第２導電型の信号蓄積部と、
前記第１領域の上に形成されるゲート電極と、
前記ゲート電極から見て前記信号蓄積部とは反対側の前記第１領域に形成される第２導電型のドレイン領域と、
前記信号蓄積部、ゲート電極及びドレイン領域が形成される領域を囲むように形成される絶縁性の素子分離部と、
前記素子分離部の側面及び底面に接して形成され、前記第１領域よりも不純物濃度の高い第１導電型不純物導入領域と、
前記ゲート電極のゲート幅方向の端部下の前記第１領域に形成される第２導電型不純物導入領域とを備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記第１導電型不純物導入領域は欠陥抑制領域であり、第２導電型不純物導入領域はチャネル拡大領域である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第２導電型不純物導入領域の第１導電型の不純物濃度は、第２導電型の不純物濃度より高い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
前記第１導電型不純物導入領域の少なくとも一部分は、前記ゲート電極下に形成され、
前記第２導電型不純物導入領域は、前記第１導電型不純物導入領域に接する
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体撮像装置。
前記第２導電型不純物導入領域は、前記ゲート電極の前記ゲート幅方向の両方の端部下の前記第１領域に形成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記信号蓄積部の前記ゲート幅方向の側面に接して形成され、前記信号蓄積部より第２導電型の不純物濃度が高い第２導電型の容量拡大領域を備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置は、さらに、
前記信号蓄積部の上方の前記第１領域に形成され、前記第１領域よりも第１導電型の不純物濃度の高い第１導電型の表面シールド層を備える
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
半導体基板に第１導電型の第１領域を形成する工程と、
前記第１領域の内部に、光を信号電荷に変換し、当該信号電荷を蓄積する第２導電型の信号蓄積部を形成する工程と、
前記第１領域の上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極から見て前記信号蓄積部とは反対側の前記第１領域に第２導電型のドレイン領域を形成する工程と、
前記信号蓄積部、ゲート電極及びドレイン領域が形成される領域を囲むように絶縁性の素子分離部を形成する工程と、
前記素子分離部の側面及び底面に接し、前記第１領域よりも不純物濃度の高い第１導電型不純物導入領域を形成する工程と、
前記ゲート電極のゲート幅方向の端部下の前記第１領域に第２導電型不純物導入領域を形成する工程とを含む
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、
前記信号蓄積部の上方の前記第１領域に、前記第１領域よりも第１導電型の不純物濃度の高い第１導電型の表面シールド層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、
前記第２導電型不純物導入領域の形成に用いられるイオン注入マスクを用いて、前記信号蓄積部の前記ゲート幅方向の側面に接し、前記信号蓄積部より第２導電型の不純物濃度が高い第２導電型の容量拡大領域を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項８又は９記載の固体撮像装置の製造方法。
複数の画素のそれぞれに、前記信号蓄積部と、前記ゲート電極と、前記ドレイン領域と、前記第２導電型不純物導入領域と、前記容量拡大領域とを形成し、
前記複数の画素のうち２以上に対して連続する注入スペースパターンを有する前記イオン注入マスクを用いて、前記容量拡大領域及び前記第２導電型不純物導入領域を形成する
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。