JP2010147193A - 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】暗電圧抑制に必要なフォトダイオードの表面Ｐ＋層を高濃度化した場合の読出し電圧上昇による残像不良を抑えることができ、その結果、残像不良が無く、暗時ノイズ（暗電流）の低減可能な固体撮像装置を得る。
【解決手段】固体撮像装置１００の製造方法において、ゲート電極１１０、および窒化膜１１１の、ゲート電極１１０の側面上の部分（サイドウォール部）１１１ａをイオン注入マスクとしてボロン（Ｂ）をイオン注入して、フォトダイオードを構成するＰ＋導電型の表面ＰＤ拡散層１０６を、該ゲート電極１１０に対して自己整合的に、該窒化膜１１１の膜厚に相当する一定距離Ｘだけ離して形成する。
【選択図】図４
【解決手段】固体撮像装置１００の製造方法において、ゲート電極１１０、および窒化膜１１１の、ゲート電極１１０の側面上の部分（サイドウォール部）１１１ａをイオン注入マスクとしてボロン（Ｂ）をイオン注入して、フォトダイオードを構成するＰ＋導電型の表面ＰＤ拡散層１０６を、該ゲート電極１１０に対して自己整合的に、該窒化膜１１１の膜厚に相当する一定距離Ｘだけ離して形成する。
【選択図】図４
Description
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器に関し、特に、埋込み式フォトダイオードからなる受光部を備え、低電圧駆動で受光部からの信号電荷の読出しが可能で、低ノイズかつ高画質を実現した固体撮像装置、その製造方法、並びにこのような固体撮像装置を用いた電子情報機器に関する。
従来から固体撮像装置には、ＣＣＤ型の固体撮像装置と、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置とがあり、例えば、特許文献１には、ＣＣＤ型の固体撮像装置が開示されている。
図１１は、この文献に開示の固体撮像装置を説明する概略図である。
図１１に示す従来の固体撮像装置２００は、ウェハ等の基板１にセンサ領域（受光部）を構成するｎ型不純物拡散層５と、受光部で生成された信号電荷を転送する転送チャネル領域（電荷転送部）を構成するｐ型不純物拡散層７と、受光部で生成された信号電荷を転送チャネル領域に読み出す読み出しゲート領域（ＲＯＧ）を構成するｐ型不純物拡散層３０とを有している。また、この固体撮像装置２００では、基板１上には、センサ領域と対応する部分に開口１９ａを有する転送電極１９がゲート絶縁膜１８を介して形成されている。
ここで、転送チャネル領域の拡散層７とセンサ領域の不純物拡散層５および読み出しゲート領域の拡散層３０は、転送電極１９の形成前に形成されており、センサ領域表面のｐ型拡散層９は、転送電極１９の開口１９ａを介してのイオン注入により形成されたものである。
なお、図１１に示す固体撮像装置２００では、基板１のｎ型エピタキシャル層２を形成する前に、暗電流や白傷を低減するための炭素注入領域３４が形成されている。また、基板１上にはｎ型シリコンエピタキシャル層２が形成され、該エピタキシャル層２内には、ｐ型ウエル領域４が形成されている。そして、このｐ型半導体ウェル領域４内には、ｎ型およびｐ型不純物の選択的なイオン注入により、上記転送チャネル領域の拡散層７と、ｐ型のチャネルストップ層８と、他のｐ型ウェル領域１０とがそれぞれ形成されている。
このような構成において、転送電極１９を読み出しゲート領域（ＲＯＧ）３０や不純物拡散領域５よりも後で形成するため、転送電極１９の開口形成の位置ズレ等によって読み出しゲート（ＲＯＧ）３０と転送電極の開口の端部との間に基板表面方向に沿った距離（Ｘ）が生じる。
この固体撮像装置では、この距離（Ｘ）を例えばウェハ毎に実測し、このＸの値に応じて、ゲート領域３０と拡散層９との間の領域が適切な濃度になるよう、センサ領域表面のｐ型拡散層９を形成するためのボロンのイオン注入角度を調整するようにしている。
特開２００５−１５９０６２号公報
以上説明したように、特許文献１に開示の固体撮像装置の製造方法では、転送電極の開口に介してセンサ領域の表層部にイオン注入する際、転送電極の開口端部と読み出しゲート領域の端部との位置関係に基づいてイオン注入角度を設定して、センサ領域の表面のｐ型拡散層９と読み出しゲート領域３０との間の領域での不純物濃度を調整している。つまり、読み出しゲート電極加工後、その上の層間絶縁膜（サイドウォール）の形成前にイオン注入角度を設定し、暗電圧を抑制するための表面Ｐ＋層を形成し、これによりプロセスばらつきによる特性変動を抑制し、固体撮像装置の信頼性向上、生産性向上を図っている。
しかしながら、このような工程により得られたｐ型表面拡散層では、暗電流のさらなる低減のために高濃度化しようとすると、これに伴って、読み出しゲート電極直下の領域での不純物濃度が高くなることから、残像が増大してしまい、画質劣化を招くといった問題がある。
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、暗電流抑制のために受光部表面に形成するｐ型拡散層を高濃度化しても読み出し電圧上昇による残像不良を抑えることができる固体撮像装置およびその製造方法、並びにこのような固体撮像装置を用いた電子情報機器を得ることを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、複数の入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該光電変換部から該電荷蓄積部に信号電荷を読み出す電荷読出部とを備えた固体撮像装置であって、該光電変換部、該電荷蓄積部、および該電荷読出部を構成する複数の拡散層が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成され、該電荷読出部を構成する読み出しゲート電極と、該読み出しゲート電極の側面に形成された絶縁性サイドウォールとを備え、該光電変換部を構成する表面拡散層は、該読み出しゲート電極に対して該絶縁性サイドウォールにより自己整合的に位置決めされているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記半導体基板は、第１導電型半導体基板であり、該第１導電型半導体基板には、第２導電型のウエル領域が形成されており、該第２導電型ウエル領域には、前記光電変換部を構成する第１導電型フォトダイオード領域が形成され、前記光電変換部を構成する表面拡散層は、該第１導電型フォトダイオード領域上に形成された第２導電型フォトダイオード拡散層であることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第１導電型フォトダイオード領域は、前記隣接する光電変換部が電気的に分離されるよう第２導電型分離拡散領域により囲まれていることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記読み出しゲート電極は、その端部が前記第１導電型フォトダイオード領域の端部の少なくとも一部領域と重なるよう、前記第１導電型半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜を介して形成されていることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記絶縁性サイドウォールは、前記半導体基板上に前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成された絶縁被覆層の、該読み出しゲート電極の側面上に位置する部分であることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記絶縁性サイドウォールは、前記半導体基板上に前記読み出しゲート電極側面上にのみ残るよう、該読み出しゲート電極に対して自己整合的に形成されたゲート電極側壁絶縁膜であることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記光電変換部を構成する表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に位置決めされた第２導電型フォトダイオード領域であることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記光電変換部を構成する表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上のゲート電極側壁絶縁膜をマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に位置決めされた第２導電型フォトダイオード領域であることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されているドーパントはボロンであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第２導電型フォトダイオード領域としての表面拡散層は、その不純物濃度Ｘの範囲を、２Ｅ１８≦Ｘ≦１Ｅ１９ｃｍ−３としたものであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第２導電型フォトダイオード領域としての表面拡散層は、その厚さＹの範囲を０．０５≦Ｙ≦０．３０ｕｍとしたものであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記絶縁性サイドウォールは、その幅Ｚの範囲を０．０２≦Ｚ≦０．１０ｕｍとしたものであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記半導体基板の絶縁性サイドウォールの下側に位置する、前記読み出しゲート電極と前記表面拡散層としての第２導電型フォトダイオード領域の間の領域は、該第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されたドーパントを活性化する熱処理により、該第２導電型フォトダイオード領域から該ドーパントを該読み出しゲート電極端まで熱拡散させて該第２導電型フォトダイオード領域を拡張した領域であることが好ましい。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、複数の入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該光電変換部から電荷蓄積部に信号電荷を読み出す電荷読出部とを備えた固体撮像装置を製造する方法であって、半導体基板上に該電荷読出部を構成する読み出しゲート電極を形成する工程と、該読み出しゲート電極の側面に絶縁性サイドウォールを自己整合的に形成する工程と、該読み出しゲート電極およびその側面の絶縁性サイドウォールをマスクとするイオン注入により、該光電変換部を構成する表面拡散層を該読み出しゲート電極に対して位置決めして形成する工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記読み出しゲート電極を形成する前工程として、前記半導体基板としての第１導電型半導体基板に第２導電型のウエル領域を形成する工程と、該第２導電型ウエル領域に、前記光電変換部を構成する第１導電型フォトダイオード領域を形成する工程とを含み、前記表面拡散層の形成工程では、該表面拡散層として、該第１導電型フォトダイオード領域上に第２導電型フォトダイオード領域を形成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第１導電型フォトダイオード領域は、前記隣接する光電変換部が電気的に分離されるよう第２導電型分離拡散領域により囲まれていることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記読み出しゲート電極を形成する工程では、前記読み出しゲート電極は、その端部が前記第１導電型フォトダイオード領域の端部の少なくとも一部領域と重なるよう、前記第１導電型半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記絶縁性サイドウォールを形成する工程では、前記半導体基板上に絶縁被覆層を、前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成して、該絶縁被覆層の該読み出しゲート電極側面上の部分として該絶縁性サイドウォールを形成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記絶縁性サイドウォールを形成する工程では、前記半導体基板上に絶縁被覆層を、前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成し、その後、該絶縁被覆層をエッチバックして、該読み出しゲート電極側面上にのみ該絶縁被覆層を残して該絶縁性サイドウォールを形成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記光電変換部を構成する表面拡散層の形成工程では、該表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に第２導電型フォトダイオード領域として形成されることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記光電変換部を構成する表面拡散層の形成工程では、該表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に第２導電型フォトダイオード領域として形成されることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第２導電型フォトダイオード領域にはドーパントとしてボロンをイオン注入することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第２導電型フォトダイオード領域の不純物濃度Ｘの範囲を、２Ｅ１８≦Ｘ≦１Ｅ１９ｃｍ−３とすることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第２導電型フォトダイオード拡散領域としての表面拡散層は、その厚さＹの範囲が０．０５≦Ｙ≦０．３０ｕｍとなるよう形成されていることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記絶縁性サイドウォールは、その幅Ｚの範囲が０．０２≦Ｚ≦０．１０ｕｍとなるよう形成されていることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記半導体基板の絶縁性サイドウォールの下側に位置する、前記読み出しゲート電極と前記表面拡散層としての第２導電型フォトダイオード領域の間の部分には、前記第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されたドーパントを活性化する熱処理により、該第２導電型フォトダイオード領域から該ドーパントを該読み出しゲート電極の端部まで熱拡散させて該第２導電型領域を形成することが好ましい。
本発明に係る電子情報機器は、被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、該撮像部は、上記の固体撮像装置であり、そのことにより上記目的が達成される。
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、光電変換部を構成する表面拡散層の形成にあたり、読出しゲート電極に隣接して設けられた絶縁性サイドウォールをマスクとしてドーパントの注入を行うことで、暗電流を低減するために表面拡散層の高濃度化した場合においても、残像不良を抑えることが可能となり、その結果、低電圧駆動で読出し可能な低ノイズ且つ高画質な撮像を実現することができる。
また本発明においては、前記絶縁性サイドウォールを、半導体基板上に読み出しゲート電極および第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成された絶縁被覆層の、該読み出しゲート電極の側面上に位置する部分としているので、第１導電型フォトダイオード領域に対する製造工程での汚染混入（コンタミ）を回避して、安定して高品質な固体撮像装置を提供することができ、生産性の向上を図ることができる。
また、本発明においては、前記絶縁性サイドウォールを、半導体基板上に読み出しゲート電極側面上にのみ残るよう、該読み出しゲート電極に対して自己整合的に形成されたゲート電極側壁絶縁膜としているので、絶縁性サイドウォールを構成する絶縁層の不要部分を除去したりするためのフォトリソ工程が不要となるため、より簡便な方法で高品質な固体撮像装置を安定して提供でき、生産性の向上を図ることができる。
以上のように、本発明によれば、半導体基板上に該電荷読出部を構成する読み出しゲート電極を形成し、該読み出しゲート電極の側面に絶縁性サイドウォールを自己整合的に形成し、該読み出しゲート電極およびその側面の絶縁性サイドウォールをマスクとするイオン注入により、該光電変換部を構成する表面拡散層を該読み出しゲート電極に対して位置決めして形成するので、読み出しゲート電極側部の絶縁性サイドウォールにより表面拡散層が読み出しゲート電極に対して自己整合することとなり、これにより、読み出しゲート電極と光電変換部を構成する表面拡散層との距離を精度よくかつ再現性よく規定することができ、この結果、残像不良を抑えつつ、暗電圧を低く抑えた、低ノイズ且つ高画質な固体撮像装置を安定して提供できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る固体撮像装置を説明する平面図であり、該固体撮像装置を構成する画素の要部のレイアウトを示している。また、図２は、この実施形態１の固体撮像装置を説明する断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面の構造を示している。
図１は本発明の実施形態１に係る固体撮像装置を説明する平面図であり、該固体撮像装置を構成する画素の要部のレイアウトを示している。また、図２は、この実施形態１の固体撮像装置を説明する断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面の構造を示している。
この実施形態１の固体撮像装置１００では、Ｎ型シリコン基板（Ｎ−Ｓｕｂ）１０１上に形成されたＰ−ウエル１０２に、光電変換部（以下、受光部あるいはフォトダイオードともいう。）を構成するＮ−導電型のＰＤ拡散層１０３がマトリクス状に配列され、該ＰＤ拡散層１０３に対向するように電荷蓄積部（ＦＤ）を構成するＮ＋導電型のＦＤ拡散層１０５が形成されている。また、これらの拡散層１０３および１０５の間には、光電変換部で生成された信号電荷をＦＤ拡散層（電荷蓄積部）１０５に読み出す読み出し部（チャンネル領域）を構成するＰ−導電型の読み出し拡散層１０７が形成されている。この読み出し拡散層１０７上には、ゲート酸化膜１０９を介して、ポリシリコンなどからなる読み出しゲート電極１１０が配置されている。
ここで、ＰＤ拡散層１０３は、隣接する受光部間を電気的に分離するＰ−導電型の分離拡散層１０４により囲まれており、ＰＤ拡散層１０３上には、隣接する受光部間に跨るようＰ＋導電型の表面ＰＤ拡散層１０６が形成されている。この表面ＰＤ拡散層１０６の読み出しゲート電極側端と、これに対向するゲート電極１１０の側端との距離Ｘは、該読み出しゲート電極１１０および表面ＰＤ拡散層１０６上に下地の段差を反映するようＣＶＤ法により形成された絶縁膜の、該読み出しゲート電極側壁部分（サイドウォール部分）１１１ａの幅により規定されている。つまり、上記距離Ｘは、上記絶縁膜１１１の膜厚と等しくなっている。
また、上記表面ＰＤ拡散層１０６の読み出しゲート電極側端と、これに対向する読み出し拡散層１０７との間の領域は、上記Ｐ＋導電型の表面ＰＤ拡散層からＰ型不純物が拡散したＰ−導電型の表面拡散層（表面Ｐ−層）１０８となっている。なお、上記Ｐ−型分離拡散層１０４の不純物濃度は、上記Ｐ−型読み出し拡散層１０７の不純物濃度より高くなっている。
次に、製造方法について説明する。
図３および図４は、本実施形態１による固体撮像装置を製造する方法を説明する断面図であり、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、基板上に読み出しゲート電極を形成するまでの処理を工程順に示し、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、読み出しゲート電極の形成後、フォトダイオード部の表面Ｐ＋層を形成するまでの処理を工程順に示している。
まず、例えば、Ｎ型導電性を有するシリコンなどの半導体基板（Ｎ−Ｓｕｂ）１０１上にＰ−ウエル１０２を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入により該Ｐ−ウエル１０２に砒素（Ａｓ）を選択的にイオン注入して、受光部（フォトダイオード）を構成するＮ−型導電性拡散層１０３を形成する（図３（ａ））。
続いて、ボロン（Ｂ）を選択的にイオン注入して、各受光部を電気的に分離するＰ−型分離拡散層１０４を該Ｎ−型導電性拡散層１０３を囲むように形成し、さらに、該Ｎ−型導電性拡散層１０３の一端側にボロン（Ｂ）を選択的にイオン注入して、読み出しゲート部を構成するＰ−導電型の読み出し拡散層１０７を形成する（図３（ｂ））。
その後、該Ｐ−導電型の読み出し拡散層１０７上にゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）を形成した後、ポリシリコン層のパターニングにより、読み出し拡散層１０７上にゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）を介して読み出しゲート電極１１０を形成し、さらに該ゲート電極１１０をマスクとして砒素（Ａｓ）あるいはリン（Ｐ）をイオン注入して、ゲート電極１１０に対して自己整合的にＮ＋型ＦＤ拡散層１０５を形成する（図３（ｃ））。
次に、全面にＣＶＤ法により窒化膜（ＳｉＮ膜）１１１を、下地の段差が反映されるよう０．０２〜０．１０ｕｍの厚さに形成し、その後、フォトリソグラフィ処理により、第１のレジスト膜Ｒ１を、そのレジスト開口Ｒ１ａが上記ＦＤ拡散層１０５上の領域に位置するよう形成する（図４（ａ））。
そして、該レジスト膜Ｒ１をエッチングマスクとして窒化膜１１１をエッチングして、該窒化膜１１１の、上記ＦＤ拡散層１０５上の部分を配線とのコンタクト領域として開口し、該レジスト膜Ｒ１を除去した後、さらに、第２のレジスト膜Ｒ２を、少なくとも、Ｎ＋導ＦＤ拡散層１０５が覆われるように形成し、該第２のレジスト膜Ｒ２、ゲート電極１１０、および該窒化膜１１１のゲート電極側壁部１１１ａをイオン注入マスクとしてボロン（Ｂ）をイオン注入して、Ｐ＋型表面ＰＤ拡散層１０６を、該ゲート電極側壁部１１１ａに対して自己整合的に、該窒化膜１１１の膜厚に相当する一定距離Ｘだけ離して形成する（図４（ｂ））。この表面ＰＤ拡散層１０６の厚さは、０．０５〜０．３０ｕｍの範囲であり、またそのボロン濃度は、２Ｅ１８〜１Ｅ１９ｃｍ−３である。
さらに、上記レジスト膜Ｒ２を除去した後、ランプアニールによりイオン注入領域を活性化して、Ｐ＋型表面ＰＤ拡散層１０６から不純物であるボロンを、窒化膜１１１のゲート電極側壁部１１１ａの下側にまで拡散させ、これにより上記読み出し拡散層１０７と表面ＰＤ拡散層１０６との間に表面Ｐ−層１０８を形成する（図４（ｃ））。
その後は、固体撮像装置を構成する層間絶縁膜、配線層（遮光膜を含む）、レンズ層、カラーフィルタ、および表面保護膜などを形成して固体撮像装置を完成する。
具体的には、表面拡散層の濃度を２Ｅ１８ｃｍ−３以上とすることで、暗電圧が少なくとも半減する。
図５および図６は、本発明の効果を説明する図であり、図５は表面拡散層の濃度と暗電流改善比率との関係を示し、図６は、表面拡散層の濃度と残像との関係を示している。
図５では、本発明のようにＰ＋型表面ＰＤ拡散層１０６をゲート電極側壁部１１１ａに対して自己整合的に形成した場合の、表面拡散層の濃度に対する暗電流改善率を、グラフＬ１ａ（Ｓ／Ｗセルフアライン）で示し、従来技術（特許文献１）のように、Ｐ＋型表面ＰＤ拡散層１０６をゲート電極１１０に対して自己整合的に形成した場合の、表面拡散層の濃度に対する暗電流改善率を、グラフＬ１ｂ（Ｇａｔｅセルフアライン）で示している。
このグラフＬ１ａおよびＬ１ｂから分かるように、表面Ｐ＋層１０６のボロン濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３まで増加するにつれて、暗電流比率が急激に低下していることが分かる。従って、表面Ｐ＋層１０６のボロン濃度が、図５に示されているように、２Ｅ１８ｃｍ−３から１Ｅ１９ｃｍ−３の範囲であれば、暗電流を大きく低減できることが分かる。
また、図６では、本発明のようにＰ＋型表面ＰＤ拡散層１０６をゲート電極側壁部１１１ａに対して自己整合的に形成した場合の、表面拡散層の濃度に対する残像の程度を、グラフＬ２ａ（Ｓ／Ｗセルフアライン）で示し、従来技術（特許文献１）のように、Ｐ＋型表面ＰＤ拡散層１０６をゲート電極１１０に対して自己整合的に形成した場合の、表面拡散層の濃度に対する残像の程度を、グラフＬ２ｂ（Ｇａｔｅセルフアライン）で示している。
ここで、残像の程度は、固体撮像装置の出力信号に基づいて求めている。簡単に説明すると、例えば、固体撮像装置に光を照射した後に１回読み出し動作を行って出力信号レベルＡを求め、さらにその後、再度読み出し動作を行って出力信号レベルＢを求める。残像がないときは、理想的には出力信号レベルＢは０となり、残像があるときは、出力信号レベルＢに残像の割合に応じた信号レベルが現われる。そして、ここでは、残像の割合は、上記出力信号レベルＡと出力信号レベルＢとの比率から求めている。
このグラフＬ２ａおよびＬ２ｂから分かるように、表面Ｐ＋層１０６のボロン濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３まで増加するにつれて増加する残像の割合は、本発明では従来技術に比べて小さいことが分かる。例えば、表面Ｐ＋層１０６のボロン濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３であるときには、本発明では従来技術に比べて残像が１／６程度に低減されている。具体的には、本発明のように、読み出しゲート側壁のサイドウォールに対して自己整合的に表面ＰＤ拡散層１０６を形成した場合、従来技術のように、表面ＰＤ拡散層の濃度が１Ｅ１９ｃｍ−３以下の範囲で、読み出しゲートに対して自己整合的に表面ＰＤ拡散層１０６を形成した場合に比べて、残像を１／６以下に低減されることとなる。
このような構成の本実施形態１の固体撮像装置１００では、Ｎ−型ＰＤ拡散層１０３上の高濃度表面Ｐ＋層１０６を、ゲート電極のサイドウォール１１１ａを形成した後、該ゲート電極に対して自己整合的に形成するので、サイドウォール（Ｓ／Ｗ）１１１ａが注入マスクとなり、読み出しゲート電極１１０と表面Ｐ＋層１０６との間のオフセットを精度よくかつ再現性よく設定することができ、これにより、暗電圧抑制に必要な表面Ｐ＋層の高濃度化を行った場合の読出し電圧上昇による残像不良を抑えることができる。その結果、残像不良が無く、暗時ノイズ（暗電圧）の低減可能な固体撮像装置を特性のばらつきなく安定して製造することができる。
またこの実施形態１では、絶縁性サイドウォールを、半導体基板上に読み出しゲート電極および第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成された絶縁膜（窒化膜）１１１の、該読み出しゲート電極の側面上に位置する部分１１１ａとしているので、Ｎ−型拡散領域１０３などに対する製造工程での汚染混入（コンタミ）を、窒化膜１１により回避して、安定して高品質な固体撮像装置を提供することができ、生産性の向上を図ることができる。
（実施形態２）
図７は本発明の実施形態２に係る固体撮像装置を説明する平面図であり、該固体撮像装置を構成する画素の要部のレイアウトを示している。また、図８は、この実施形態２の固体撮像装置を説明する断面図であり、図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面の構造を示している。
図７は本発明の実施形態２に係る固体撮像装置を説明する平面図であり、該固体撮像装置を構成する画素の要部のレイアウトを示している。また、図８は、この実施形態２の固体撮像装置を説明する断面図であり、図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面の構造を示している。
この実施形態２の固体撮像装置１００ａは、実施形態１の固体撮像装置１００における読み出しゲート電極１１０上に下地の段差が反映されるよう形成したＣＶＤ膜１１１を、該ゲート電極１１０の側壁部のみに残るようエッチバックした構造となっており、この点で、上記実施形態１００の固体撮像装置１００とは異なっている。
すなわち、この実施形態２の固体撮像装置１００ａでは、Ｎ型シリコン基板（Ｎ−Ｓｕｂ）１０１上に形成されたＰ−ウエル１０２にＮ−導電型のＰＤ拡散層１０３がマトリクス状に配列され、該ＰＤ拡散層１０３に対向するようにＮ＋導電型のＦＤ拡散層１０５が形成されている。また、これらの拡散層１０３および１０５の間にはチャンネル領域としてのＰ−導電型の読み出し拡散層１０７が形成されている。この読み出し拡散層１０７上には、ゲート酸化膜１０９を介して読み出しゲート電極１１０が配置されている。
ここで、ＰＤ拡散層１０３は、隣接する受光部間を電気的に分離するＰ−導電型の分離拡散層１０４により囲まれており、ＰＤ拡散層１０３上には、隣接する受光部間に跨るようＰ＋導電型の表面ＰＤ拡散層１０６が形成されている。この表面ＰＤ拡散層１０６の読み出しゲート電極側端と、これに対向するゲート電極１１０の側端との距離Ｘは、読み出しゲート電極側壁部分（サイドウォール部分）１１１ｃの幅により規定されている。このサイドウォール部分１１１ｃは、該読み出しゲート電極および表面ＰＤ拡散層上に下地の段差を反映するようＣＶＤ法により形成された絶縁膜（窒化膜）１１１を、エッチバックして形成したものである。
また、上記表面ＰＤ拡散層１０６の読み出しゲート電極側端と、これに対向する読み出し拡散層１０７との間の領域は、上記Ｐ＋導電型の表面ＰＤ拡散層からＰ型不純物が拡散したＰ−導電型の表面拡散層（表面Ｐ−層）１０８となっている。
次に、製造方法について説明する。
図９は、本実施形態２による固体撮像装置を製造する方法を説明する断面図であり、図９（ａ）〜図９（ｄ）は、読み出しゲート電極の形成後、フォトダイオード部の表面Ｐ＋層を形成するまでの処理を工程順に示している。
この実施形態２の固体撮像装置の製造方法では、基板上に読み出しゲート電極を形成するまでの工程は、実施形態１の固体撮像装置の製造方法と同様に行われる（図３（ａ）〜図３（ｃ）参照）。
そして、上記のように基板上に読み出しゲート電極１１０を形成した後、全面にＣＶＤ法により窒化膜（ＳｉＮ膜）１１１を、下地の段差が反映されるよう０．０２〜０．１０ｕｍの厚さに形成する（図９（ａ））
その後、等方性エッチングによりＣＶＤ膜１１１を、読み出しゲート電極１１０の側面上に側壁窒化膜（サイドウォール）１１１ｃが残るようエッチバックする。（図９（ｂ））。
その後、等方性エッチングによりＣＶＤ膜１１１を、読み出しゲート電極１１０の側面上に側壁窒化膜（サイドウォール）１１１ｃが残るようエッチバックする。（図９（ｂ））。
その後の工程では、実施形態１で説明した図４（ｂ）および図４（ｃ）に示す工程と同様の処理を行う。
つまり、レジスト開口Ｒａを有するレジスト膜ＲをＮ＋導電型のＦＤ拡散層１０５が覆われるように形成し、該レジスト膜Ｒ、ゲート電極１１０、およびゲート電極側壁部１１１ｃをイオン注入マスクとしてボロン（Ｂ）をイオン注入して、Ｐ＋導電型の表面ＰＤ拡散層１０６を、該ゲート電極１１０に対して自己整合的に、該窒化膜（ＣＶＤ膜）１１１の膜厚に相当する一定距離Ｘだけ離して形成する（図９（ｃ））。この表面ＰＤ拡散層１０６の厚さは、０．０５〜０．３０ｕｍの範囲であり、またそのボロン濃度は、２Ｅ１８〜１Ｅ１９ｃｍ−３である。
さらに、上記レジスト膜Ｒを除去した後、ランプアニールによりイオン注入領域を活性化して、表面ＰＤ拡散層１０６から不純物であるボロンを、窒化膜のゲート電極側壁部１１１ｃの下側にまで拡散させ、これにより上記読み出し拡散層１０７と表面ＰＤ拡散層１０６との間に表面Ｐ−層１０８を形成する（図９（ｄ））。
その後は、固体撮像装置を構成する層間絶縁膜、配線層（遮光膜を含む）、レンズ層、カラーフィルタ、および表面保護膜などを形成して固体撮像装置を完成する。
このような構成の本実施形態２の固体撮像装置１００ａでは、高濃度の表面Ｐ＋層１０６の形成を、ゲート電極側壁に形成したサイドウォール１１１ｃに対して自己整合的に行うので、サイドウォール１１１ｃがイオン注入マスクとなり、読み出しゲート電極１１０と表面Ｐ＋層１０６との間のオフセットを精度よくかつ再現性よく設定することができ、これにより、暗電圧抑制に必要な表面Ｐ＋層の高濃度化を行った場合の読出し電圧上昇による残像不良を抑えることができる。その結果、残像不良が無く、暗時ノイズ（暗電圧）の低減可能な固体撮像装置を特性のばらつきなく安定して製造することができる。
また、この実施形態２では、読み出しゲート電極を形成した後に下地の段差が反映されるよう形成したＣＶＤ膜を、全面エッチバックして、ゲート電極側面上にサイドウォールを形成しているので、ＣＶＤ膜の、ＦＤ拡散層１０６上の部分に、配線とのコンタクトを形成するための開口を形成する処理が不要となり、フォトリソ工程などを削減することができ、引いては、より簡便な方法で高品質な固体撮像装置を安定して提供でき、生産性の向上を図ることができる。
さらに、上記実施形態１および２では、特に説明しなかったが、上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの、画像入力デバイスを有した電子情報機器について以下簡単に説明する。
（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３として、実施形態１および２の少なくとも１つの固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３として、実施形態１および２の少なくとも１つの固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
図１０に示す本発明の実施形態３による電子情報機器９０は、本発明の上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを、被写体の撮影を行う撮像部９１として備えたものであり、このような撮像部による撮影により得られた高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部９２と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示部９３と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信部９４と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有している。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、埋込み式フォトダイオードからなる受光部を備え、低電圧駆動で受光部からの信号電荷の読出しが可能で、低ノイズかつ高画質を実現した固体撮像装置、その製造方法、並びにこのような固体撮像装置を用いた電子情報機器の分野において、固体撮像装置における暗電流抑制のために受光部表面に形成するｐ型拡散層を高濃度化しても読み出し電圧上昇による残像不良を抑えることができるものである。
９０ 電子情報機器
９１ 撮像部
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段
１００、１００ａ 固体撮像装置
１０１ Ｎ型シリコン基板（Ｎ−Ｓｕｂ）
１０２ Ｐ−ウエル
１０３ Ｎ−導電型のＰＤ拡散層
１０４ Ｐ−導電型の分離拡散層
１０５ Ｎ＋導電型のＦＤ拡散層
１０６ Ｐ＋導電型の表面ＰＤ拡散層
１０７ Ｐ−導電型の読み出し拡散層
１０８ Ｐ−導電型の表面拡散層（表面Ｐ−層）
１１０ 読み出しゲート電極
１１１ ＣＶＤ絶縁膜
１１１ａ ゲート電極側壁部分（サイドウォール部分）
１１１ｂ ＣＶＤ絶縁膜開口
１１１ｃ ゲート電極側壁（サイドウォール）
９１ 撮像部
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段
１００、１００ａ 固体撮像装置
１０１ Ｎ型シリコン基板（Ｎ−Ｓｕｂ）
１０２ Ｐ−ウエル
１０３ Ｎ−導電型のＰＤ拡散層
１０４ Ｐ−導電型の分離拡散層
１０５ Ｎ＋導電型のＦＤ拡散層
１０６ Ｐ＋導電型の表面ＰＤ拡散層
１０７ Ｐ−導電型の読み出し拡散層
１０８ Ｐ−導電型の表面拡散層（表面Ｐ−層）
１１０ 読み出しゲート電極
１１１ ＣＶＤ絶縁膜
１１１ａ ゲート電極側壁部分（サイドウォール部分）
１１１ｂ ＣＶＤ絶縁膜開口
１１１ｃ ゲート電極側壁（サイドウォール）
Claims (27)
- 複数の入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該光電変換部から該電荷蓄積部に信号電荷を読み出す電荷読出部とを備えた固体撮像装置であって、
該光電変換部、該電荷蓄積部、および該電荷読出部を構成する複数の拡散層が形成された半導体基板と、
該半導体基板上に形成され、該電荷読出部を構成する読み出しゲート電極と、
該読み出しゲート電極の側面に形成された絶縁性サイドウォールとを備え、
該光電変換部を構成する表面拡散層は、該読み出しゲート電極に対して該絶縁性サイドウォールにより自己整合的に位置決めされている固体撮像装置。 - 請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板は、第１導電型半導体基板であり、
該第１導電型半導体基板には、第２導電型のウエル領域が形成されており、
該第２導電型ウエル領域には、前記光電変換部を構成する第１導電型フォトダイオード領域が形成され、
前記光電変換部を構成する表面拡散層は、該第１導電型フォトダイオード領域上に形成された第２導電型フォトダイオード拡散層である固体撮像装置。 - 請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記第１導電型フォトダイオード領域は、前記隣接する光電変換部が電気的に分離されるよう第２導電型分離拡散領域により囲まれている固体撮像装置。 - 請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記読み出しゲート電極は、その端部が前記第１導電型フォトダイオード領域の端部の少なくとも一部領域と重なるよう、前記第１導電型半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜を介して形成されている固体撮像装置。 - 請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記絶縁性サイドウォールは、前記半導体基板上に前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成された絶縁被覆層の、該読み出しゲート電極の側面上に位置する部分である固体撮像装置。 - 請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記絶縁性サイドウォールは、前記半導体基板上に前記読み出しゲート電極側面上にのみ残るよう、該読み出しゲート電極に対して自己整合的に形成されたゲート電極側壁絶縁膜である固体撮像装置。 - 請求項５に記載の固体撮像装置において、
前記光電変換部を構成する表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に位置決めされた第２導電型フォトダイオード領域である固体撮像装置。 - 請求項６に記載の固体撮像装置において、
前記光電変換部を構成する表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上のゲート電極側壁絶縁膜をマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に位置決めされた第２導電型フォトダイオード領域である固体撮像装置。 - 請求項７または８に記載の固体撮像装置において、
前記第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されているドーパントはボロンである固体撮像装置。 - 請求項９に記載の固体撮像装置において、
前記第２導電型フォトダイオード領域としての表面拡散層は、その不純物濃度Ｘの範囲を、２Ｅ１８≦Ｘ≦１Ｅ１９ｃｍ−３としたものである固体撮像装置。 - 請求項９に記載の固体撮像装置において、
前記第２導電型フォトダイオード領域としての表面拡散層は、その厚さＹの範囲を０．０５≦Ｙ≦０．３０ｕｍとしたものである固体撮像装置。 - 請求項９に記載の固体撮像装置において、
前記絶縁性サイドウォールは、その幅Ｚの範囲を０．０２≦Ｚ≦０．１０ｕｍとしたものである固体撮像装置。 - 請求項７または８に記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板の絶縁性サイドウォールの下側に位置する、前記読み出しゲート電極と前記表面拡散層としての第２導電型フォトダイオード領域の間の領域は、該第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されたドーパントを活性化する熱処理により、該第２導電型フォトダイオード領域から該ドーパントを該読み出しゲート電極端まで熱拡散させて該第２導電型フォトダイオード領域を拡張した領域である固体撮像装置。 - 複数の入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、該光電変換部から電荷蓄積部に信号電荷を読み出す電荷読出部とを備えた固体撮像装置を製造する方法であって、
半導体基板上に該電荷読出部を構成する読み出しゲート電極を形成する工程と、
該読み出しゲート電極の側面に絶縁性サイドウォールを自己整合的に形成する工程と、
該読み出しゲート電極およびその側面の絶縁性サイドウォールをマスクとするイオン注入により、該光電変換部を構成する表面拡散層を該読み出しゲート電極に対して位置決めして形成する工程とを含む固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１４に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記読み出しゲート電極を形成する前工程として、
前記半導体基板としての第１導電型半導体基板に第２導電型のウエル領域を形成する工程と、
該第２導電型ウエル領域に、前記光電変換部を構成する第１導電型フォトダイオード領域を形成する工程とを含み、
前記表面拡散層の形成工程では、該表面拡散層として、該第１導電型フォトダイオード領域上に第２導電型フォトダイオード領域を形成する固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記第１導電型フォトダイオード領域は、前記隣接する光電変換部が電気的に分離されるよう第２導電型分離拡散領域により囲まれている固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記読み出しゲート電極を形成する工程では、
前記読み出しゲート電極は、その端部が前記第１導電型フォトダイオード領域の端部の少なくとも一部領域と重なるよう、前記第１導電型半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成される固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記絶縁性サイドウォールを形成する工程では、
前記半導体基板上に絶縁被覆層を、前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成して、該絶縁被覆層の該読み出しゲート電極側面上の部分として該絶縁性サイドウォールを形成する固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記絶縁性サイドウォールを形成する工程では、
前記半導体基板上に絶縁被覆層を、前記読み出しゲート電極および前記第１導電型フォトダイオード領域を覆うよう下地の段差を反映して形成し、その後、該絶縁被覆層をエッチバックして、該読み出しゲート電極側面上にのみ該絶縁被覆層を残して該絶縁性サイドウォールを形成する固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１８に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記光電変換部を構成する表面拡散層の形成工程では、
該表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に第２導電型フォトダイオード領域として形成される固体撮像装置の製造方法。 - 請求項１９に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記光電変換部を構成する表面拡散層の形成工程では、
該表面拡散層は、前記読み出しゲート電極およびその側面上の絶縁性サイドウォールをマスクとする第２導電型のドーパントのイオン注入により自己整合的に第２導電型フォトダイオード領域として形成される固体撮像装置の製造方法。 - 請求項２０または２１に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記第２導電型フォトダイオード領域にはドーパントとしてボロンをイオン注入する固体撮像装置の製造方法。 - 請求項２２に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記第２導電型フォトダイオード領域の不純物濃度Ｘの範囲を、２Ｅ１８≦Ｘ≦１Ｅ１９ｃｍ−３とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項２２に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記第２導電型フォトダイオード拡散領域としての表面拡散層は、その厚さＹの範囲が０．０５≦Ｙ≦０．３０ｕｍとなるよう形成されている固体撮像装置の製造方法。 - 請求項２２に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記絶縁性サイドウォールは、その幅Ｚの範囲が０．０２≦Ｚ≦０．１０ｕｍとなるよう形成されている固体撮像装置の製造方法。 - 請求項２０または２１に記載の固体撮像装置の製造方法において、
前記半導体基板の絶縁性サイドウォールの下側に位置する、前記読み出しゲート電極と前記表面拡散層としての第２導電型フォトダイオード領域の間の部分には、前記第２導電型フォトダイオード領域にイオン注入されたドーパントを活性化する熱処理により、該第２導電型フォトダイオード領域から該ドーパントを該読み出しゲート電極の端部まで熱拡散させて該第２導電型領域を形成する固体撮像装置の製造方法。 - 被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、
該撮像部は、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の固体撮像装置である電子情報機器。
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