JP2010171042A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置において、フォトダイオードの受光面積を減少させることなくフォトダイオード領域の電位を安定化する。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０１に複数の画素がアレイ状に配列され、複数の画素のそれぞれは、Ｎ型拡散層からなるフォトダイオード領域１０３と、フォトダイオード領域１０３上に形成され且つＰ型拡散層からなる埋め込み領域１０４とを備え、埋め込み領域１０４上に電気的に接続するようにポリシリコン部１１７が形成されている
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ等に用いられる固体撮像素子の構造に関し、特に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のフォトダイオード領域における電位を安定化させることのできる撮像素子に関する。

近年、デジタルカメラ、ビデオカメラ等用いられる撮像素子は、画素数の増大、フレームレートの向上が進んでいることから、画素サイズを縮小すると共に、高速性能を高めることが必要となっている。

図４は、一般的なＣＣＤデバイス１０における一画素分の断面図である。図４のＣＣＤデバイス１０において、Ｎ型拡散層からなるエピ基板１１中にＰ型拡散層からなる埋め込み分離領域１２と、その上方にＮ型拡散層からなるフォトダイオード領域１３とが形成されている。外部から照射された光によって生成された電荷は、フォトダイオード領域１３に蓄積される。該電荷がエピ基板１１の表面部において再結合により消滅するのを防止するために、フォトダイオード領域１３上にはＰ型拡散層からなる埋め込み領域１４が形成されている。

また、エピ基板１１の表面部において、埋め込み領域１４と並んでＰ型拡散層からなる読み出しチャネル領域１６及びＮ型拡散層からなる垂直転送領域１５が形成されている。フォトダイオード領域１３に蓄積された電荷は、読み出しチャネル領域１６を経由して垂直転送領域１５に転送され、継いで水平転送領域（図示せず）に転送され、最終的には画像信号として外部回路にて処理される。

垂直転送領域１５の側方及び下方に、それぞれＰ型拡散層として、チャネルストップ領域１７及び分離領域１８が形成され、フォトダイオード領域１３に蓄積された電荷が読み出しチャネル領域１６以外に漏れ出すのを防止している。

エピ基板１１上に誘電膜からなるゲート絶縁膜１９が形成され、垂直転送領域１５の上方にゲート絶縁膜１９を介してゲート電極２０が形成されている。ゲート電極２０に信号を与えることにより、フォトダイオード領域１３から垂直転送領域１５への電荷の転送と、垂直転送領域１５から水平転送領域への電荷の転送が制御される。

フォトダイオード領域１３の上方には、照射された光信号が効率良く届くように、シリコン窒化膜からなる反射防止膜２１が形成されている。ゲート電極２０上を含むエピ基板１１上を覆うようにシリコン酸化膜からなる絶縁膜２２が形成されている。更に金属製の遮光膜２３が形成され、これが開口された部分であるフォトダイオード領域１３以外には受光される光が入射しないようになっている。

撮像素子は、アレイ状に配列された上記のような画素と、各画素からの信号を処理する外部回路とを備えている。ここで、撮像素子の場合、カメラのレンズの大きさが決まっているため、ＣＣＤデバイスの面積を一定にする必要がある。つまり、一画素を構成する各拡散層の幅は限定されており、画素数を増加させるためには一画素あたりの面積を小さくする必要がある。

また、撮像素子について、受光した光を基板に到達させる必要があることから、フォトダイオード領域には金属配線を設けることができないという制約がある。そのため、撮像素子は一般にアレイ状に配列された数百万以上の画素を備えているが、その最外周部の画素においてのみ電位が固定され、他の画素については拡散層によって繋がっているだけである。このことから、撮像素子の場合、素子サイズを縮小すると拡散層の幅が狭くなるために拡散抵抗が増大し、結果として、画素の拡散層における電位が安定しなくなる場合がある。このように画素の拡散層における電位が安定しない状態になると、高速な入力信号に対する応答が不可能になる。

そこで、撮像素子における拡散層の電位を安定化させる方法が提案されている。その一例として、以下に、図５を参照しながら、特許文献１に公開されている撮像素子について説明する。

図５は、特許文献１のＣＣＤデバイスを説明する図であり、１画素程度の断面図である。図５において、エピ基板１１、埋め込み分離領域１２、フォトダイオード領域１３、埋め込み領域１４、垂直転送領域１５、読み出しチャネル領域１６、チャネルストップ領域１７、分離領域１８、ゲート絶縁膜１９、ゲート電極２０、反射防止膜２１及び絶縁膜２２については、一般的なＣＣＤデバイス構造として図４により説明したものと同様である。

アルミニウムからなる遮光膜２３についても、フォトダイオード領域１３以外の部分を覆うように形成されている点は同じである。しかし、ゲート電極２０の側方（読み出しチャネル領域１６が形成されている側）において絶縁膜２２が一部除去されていることにより、遮光膜２３は埋め込み領域１４と電気的に接続されている。

この構成により、ＣＣＤデバイスの埋め込み領域１４は、比抵抗の低いアルミニウムからなる遮光膜２３と直接接続されているため、電位が安定化されている。また、埋め込み領域１４には読み出しチャネル領域１６及びチャネルストップ領域１７が電気的に接続されているため、これらの拡散層の電位についても同時に安定化する。
特開平６−２２４４０３号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術の場合、遮光膜２３を使って埋め込み領域１４の電位をとるために、遮光膜２３をフォトダイオード領域１３側に延ばす必要がある。このため、フォトダイオード領域１３上の受光面積が減少する。

また、ゲート電極２０には一般に１０Ｖ程度の電圧が印加されること及び遮光膜２３の電位を固定することから、ゲート電極２０と遮光膜２３との間の絶縁耐圧を確保する必要がある。このため、絶縁膜２２を薄膜化することができず、遮光膜２３がフォトダイオード領域１３側に延びてしまうことになる。この点からも、フォトダイオード領域１３の受光面積が更に減少する。

前記に鑑み、本発明の目的は、受光面積を減少させることなく埋め込み領域の電位を安定化する方法を提供することである。

前記の目的を達成するため、本願発明者は、以下のような検討を行なった。

まず、ＣＣＤデバイスは、フォトダイオードに対して照射された光をフォトダイオード領域において光電変換し、電荷として蓄積する。フォトダイオード領域上には、基板表面における再結合を防止するために、Ｐ型の埋め込み領域が設けられるのが一般的である。ここで、埋め込み領域は、読み出しチャネル領域、チャネルストップ領域等と電気的に接続されている。このため、埋め込み領域の電位を安定化させることにより、ＣＣＤの読み出し転送速度、分離特性等を安定化させることができる。

埋め込み領域の電位を固定するためには、メタル配線を用いて埋め込み領域を固定電位と接続するのが理想的である。しかし、フォトダイオード領域に入射されるべき光を反射してしまうため、金属製の配線を用いることはできない。

そこで、本願発明者は、高濃度にドーピングされたポリシリコンを用いて埋め込み領域の電位を固定することを着想した。

以上から、本発明に係る半導体装置は、基板に複数の画素が配列された半導体装置であって、複数の画素のそれぞれは、Ｎ型拡散層からなるフォトダイオード領域と、フォトダイオード領域上に形成され且つＰ型拡散層からなる埋め込み領域とを備え、埋め込み領域上に、埋め込み領域と電気的に接続するようにポリシリコン部が形成されている。

本発明の半導体装置によると、埋め込み領域上にポリシリコン部が形成され且つ電気的に接続されていることにより、埋め込み領域の電位が安定化されている。また、各画素において、埋め込み領域と電気的に接続された読み出しチャネル領域、チャネルストップ領域等も備えられているとすると、これらの領域についても電気的に安定化する。このように、各領域が電気的に安定化することにより、半導体装置は、高速な入力信号に対する応答性等、良好な性能を発揮することができる。

金属配線とは異なり、ポリシリコン部は入射光を反射することがないため、フォトダイオード領域の上方に問題なく形成することができる。また、受光面積を減少させることなしに以上の効果を発揮することができるため、感度の低下を招くこともない。

尚、ポリシリコン部は、Ｐ型にドーピングされていることが好ましい。

これにより、Ｐ型拡散層である埋め込み領域に対して電気的に接続される。

次に、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板に複数の画素が配列された半導体装置の製造方法において、基板上部に、複数の画素ごとにフォトダイオード領域及びその上に位置する埋め込み領域を形成する工程（ａ）と、埋め込み領域上を含む基板上を覆う絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、埋め込み領域上の絶縁膜を選択的に除去する工程（ｃ）と、絶縁膜の除去された領域に、Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部を選択的に形成する工程（ｄ）とを備える。

このようにすると、埋め込み領域上にポリシリコン部を備える本発明の半導体装置を製造することができる。

また、本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板に複数の画素が配列された半導体装置の製造方法において、基板上部に、複数の画素ごとにフォトダイオード領域を形成する工程（ａ）と、フォトダイオード領域上を含む基板上を覆う絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、フォトダイオード領域上の絶縁膜を選択的に除去する工程（ｃ）と、絶縁膜の除去された領域に、Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部を選択的に形成する工程（ｄ）と、熱処理により、Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部からフォトダイオード領域上部にＰ型不純物を導入し、埋め込み領域を形成する工程（ｅ）とをそなえる。

このようにすると、埋め込み領域にあらかじめＰ型の不純物を高濃度に添加しておくことにより、ポリシリコンからの固層拡散によってフォトダイオードを形成することが可能となる。このようにして形成された埋め込み領域は、ポリシリコンに対してセルフアラインメントとなるため、アラインメント精度の要求が無くなるという利点がある。

また、フォトダイオードに蓄積される電荷の量を大きくするためには、埋め込み領域を限りなく浅く形成することが望ましい。よって、一般に、イオン注入による形成よりも拡散層を浅く形成することができるポリシリコンからの固層拡散を用いることが有用である。

本発明に係る半導体装置によると、受光面積を減らすことなく埋め込み領域の電位が安定化された半導体装置を提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、例えばＣＣＤデバイスである本実施形態の撮像装置１００について、その画素一つ程度を含む範囲を示す図である。図１（ａ）が平面図であり、そのIb-Ib'線及びIc-Ic'線における断面が順に図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示されている。但し、図１（ａ）においては、一部構成要素のみが示されている。

また、図２は、撮像装置１００において二次元アレイ状に配列された画素１３４と、画素１３４から出力された信号を処理する外部回路１３５とを模式的に示す平面図である。以下、水平方向及び垂直方向とは、いずれも図２のような画素１３４の配列の方向に基づいて言うものである。

図１（ｂ）に示す通り、撮像装置１００は、Ｎ型拡散層からなるエピ基板１０１を用いて形成されている。エピ基板１０１中にはＰ型拡散層からなる埋め込み分離領域１０２が形成され、その上方に、Ｎ型拡散層からなるフォトダイオード領域１０３が形成されている。フォトダイオード領域１０３において、外部から照射された光によって生成された電荷が蓄積される。フォトダイオード領域１０３上にはＰ型拡散層からなる埋め込み領域１０４が形成され、フォトダイオード領域１０３に蓄積された電荷が、エピ基板１０１の表面部において再結合により消滅するのを防止している。

また、エピ基板１０１の表面部において、埋め込み領域１０４に対して順に並ぶように、Ｐ型拡散層からなる読み出しチャネル領域１０６と、Ｎ型拡散層からなる垂直転送領域１０５とが形成されている。フォトダイオード領域１０３に蓄積された電荷は、読み出しチャネル領域１０６を経由して垂直転送領域１０５に転送され、継いで垂直転送領域１０５から水平転送領域（図示せず）に転送され、最終的には画像信号として外部回路１３５（図２参照）にて処理される。

垂直転送領域１０５に対し、それぞれＰ型拡散層として、読み出しチャネル領域１０６とは反対側のエピ基板１０１の表面部にはチャネルストップ領域１０７、下方には分離領域１０８が形成されている。これらの領域は、フォトダイオード領域１０３に蓄積された電荷が読み出しチャネル領域１０６以外に漏れ出すのを防止している。

エピ基板１０１の表面を覆うように誘電膜からなるゲート絶縁膜１０９が形成され、該ゲート絶縁膜１０９を介して垂直転送領域１０５の上方に、ゲート電極１１０が形成されている。ゲート電極１１０に信号を与えることにより、フォトダイオード領域１０３から垂直転送領域１０５への電荷の転送と、垂直転送領域１０５から水平転送領域への電荷の転送が制御される。

また、図１（ａ）及び（ｃ）に示す通り、各画素を垂直方向に分離するように、エピ基板１０１中に、Ｐ型拡散層からなる垂直分離領域１１６が形成されている。

また、埋め込み領域１０４上に直接接するように、ポリシリコン部１１７が形成されている。ポリシリコン部１１７は、例えばボロンが１×１０²⁰／ｃｍ³ 程度の高濃度にドープされ、埋め込み領域１０４と電気的に良好に接続されている。

更に、ポリシリコン部１１７は、固定電位に電気的に接続されている。例えば、ポリシリコン部１１７は、画素のアレイの外側の接地電位等に電気的に接続されている。これにより埋め込み領域１０４等の電気的安定を確実にしている。

フォトダイオード領域１０３の上方（ポリシリコン部１１７上）には、シリコン窒化膜からなる反射防止膜１１１が形成され、撮像装置１００の上方から照射された光信号が効率良くフォトダイオード領域１０３に届くようになっている。ゲート電極１１０上を含むエピ基板１０１上を覆うようにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１２が形成されている。更に、フォトダイオード領域１０３以外の部分を覆うように金属製の遮光膜１１３が形成され、フォトダイオード領域１０３以外には受光される光が入射しないようになっている。

以上のように構成された撮像装置１００において、埋め込み領域１０４は、高濃度のボロンがドープされていることにより低抵抗となったポリシリコン部１１７と電気的に接続されている。このため、ＣＣＤ等である撮像装置１００の全画素において、埋め込み領域１０４の電位がポリシリコン部１１７を経由して安定している。更に、読み出しチャネル領域１０６、チャネルストップ領域１０７、分離領域１０８、垂直分離領域１１６等についても、埋め込み領域１０４を経由して電位が安定している。

このように、ポリシリコン部１１７を備えることにより各画素の拡散層における電位を安定させることができ、その結果、高速な入力信号に対する応答性、読み出し特性、分離特性等の劣化を防ぐことができる。また、このことは、フォトダイオード領域１０３の受光面積を減少させることなく実現できる。

次に、例示的撮像装置１００の製造方法について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、撮像装置１００の製造方法を説明する模式的な断面図であり、図１（ｂ）に対応する。

図３（ａ）の構造を形成する工程から説明する。まず、Ｎ型のエピ基板１０１中に、Ｐ型拡散層である埋め込み分離領域１０２を形成する。このためには、例えば、不純物としてボロンを用い、ドーズ量１×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー２．０ＭｅＶの条件にて注入を行なえば良い。

エピ基板１０１中に形成された各領域についても、不純物を打ち込むことにより形成する。以下には、それぞれの注入の条件について具体例を示す。

Ｎ型拡散層であるフォトダイオード領域１０３について、ドーズ量１×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー２．５ＭｅＶの条件にてリンを注入する。同じくＮ型拡散層である垂直転送領域１０５について、ドーズ量５×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー２５０ｋｅＶの条件にて砒素を注入する。Ｐ型拡散層である読み出しチャネル領域１０６について、ドーズ量５×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー６０ｋｅＶの条件にてボロンを注入する。Ｐ型拡散層であるチャネルストップ領域１０７について、ドーズ量７×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー６０ｅＶの条件にてボロンを注入する。Ｐ型拡散層である分離領域１０８について、ドーズ量２×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー４００ｋｅＶの条件にてボロンを注入する。

更に、図３（ａ）には示されていない垂直分離領域１１６についても、ドーズ量１．５×１０¹²／ｃｍ³ 、注入エネルギー３ＭｅＶの条件にてボロンを注入することにより形成する。

以上の各領域を形成した後、例えば９００℃のパイロ酸化により、エピ基板１０１上に厚さ３０ｎｍのゲート絶縁膜１０９を形成する。

次に、図３（ｂ）に示す工程を行なう。ここでは、まず、ウェットエッチングによりフォトダイオード領域１０３上方の部分のゲート絶縁膜１０９を選択的に除去する。次に、例えば１×１０²⁰／ｃｍ³ 程度の高濃度にボロンが添加されたポリシリコンをＣＶＤ法により堆積し、ドライエッチングによりフォトダイオード領域１０３上方に選択的にパターン化することにより、ポリシリコン部１１７を形成する。

次に、図３（ｃ）の工程を行なう。ここでは、例えば９００℃で且つ窒素雰囲気下のアニールを行なうことにより、ポリシリコン部１１７からフォトダイオード領域１０３の表面部にボロンを固層拡散させる。これにより、例えば深さ０．２μｍ程度のＰ型拡散層である埋め込み領域１０４を形成する。

次に、図３（ｄ）の工程を行なう。まず、ポリシリコン部１１７上に反射防止膜１１１を形成する。このためには、例えば、シリコン窒化膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積した後、ドライエッチングによりポリシリコン部１１７上に選択的に残して反射防止膜１１１とする。

次に、垂直転送領域１０５上方に、ゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１０を形成する。このためには、例えば、Ｎ型不純物がドープされたポリシリコンをＣＶＤ法により堆積し、ドライエッチングにより垂直転送領域１０５上方に選択的に残すようにすればよい。ここで、ポリシリコン部１１７はその上に設けられた反射防止膜１１１によってマスキングされているため、ゲート電極１１０の加工の際に侵食されるおそれはない。

次に、反射防止膜１１１、ゲート電極１１０等を覆うように、絶縁膜１１２を形成する。これは、例えば、ＣＶＤ法により厚さ５０ｎｍのＴＥＯＳ（Tetraetylorthosilicate）膜として形成する。更に、絶縁膜１１２上に、遮光膜１１３を形成する。このためには、例えば、アルミニウム膜をＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）により形成した後、ドライエッチングにより所定の領域（フォトダイオード領域１０３の上方等）に開口を有するように成形する。

この後、最終保護膜（図示省略）の形成、活性化アニール等を行なうと、撮像装置１００が完成する。このような撮像装置１００の動作については、既に説明した通りである。

尚、以上の例では、ポリシリコン部１１７から不純物を拡散することにより埋め込み領域１０４を形成した。このようにすると、ポリシリコン部１１７に対してセルフアラインメントに埋め込み領域１０４を形成することができ、アラインメント精度が要求されないという利点がある。また、イオン注入等を用いるよりも浅い埋め込み領域１０４とすることができ、これは、フォトダイオードに蓄積される電荷量を大きくするために有利である。しかし、イオン注入によって埋め込み領域１０４を形成しても良い。

本発明の半導体装置によると、感度の低下を避けながら高速な入力信号に対する応答性等、良好な性能を発揮する撮像装置及びその製造方法が実現でき、例えばデジタルカメラ、ビデオカメラ等に用いるＣＣＤデバイスとしても有用である。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本開示の半導体装置について示す平面図及び断面図である。 図２は、本開示の半導体装置における画素の配列と周辺回路とを示す図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、本開示の半導体装置の製造方法を説明するための図である。 図４は、一般的なＣＣＤデバイスにおける一画素分程度の範囲を示す断面図である。 図５は、他の一般的なＣＣＤデバイスにおける一画素分程度の範囲を示す断面図である。

１００ 撮像装置
１０１ エピ基板
１０２ 埋め込み分離領域
１０３ フォトダイオード領域
１０４ 埋め込み領域
１０５ 垂直転送領域
１０６ 読み出しチャネル領域
１０７ チャネルストップ領域
１０８ 分離領域
１０９ ゲート絶縁膜
１１０ ゲート電極
１１１ 反射防止膜
１１２ 絶縁膜
１１３ 遮光膜
１１６ 垂直分離領域
１１７ ポリシリコン部
１３４ 画素
１３５ 外部回路

Claims (5)

1. 基板に複数の画素が配列された半導体装置であって、
   前記複数の画素のそれぞれは、Ｎ型拡散層からなるフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域上に形成され且つＰ型拡散層からなる埋め込み領域とを備え、
   前記埋め込み領域上に、前記埋め込み領域と電気的に接続するようにポリシリコン部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１の半導体装置において、
   前記ポリシリコン部は、Ｐ型にドーピングされていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２の半導体装置において、
   前記ポリシリコン部は、固定電位に電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
4. 基板に複数の画素が配列された半導体装置の製造方法において、
   前記基板上部に、前記複数の画素ごとにフォトダイオード領域及びその上に位置する埋め込み領域を形成する工程（ａ）と、
   前記埋め込み領域上を含む前記基板上を覆う絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記埋め込み領域上の前記絶縁膜を選択的に除去する工程（ｃ）と、
   前記絶縁膜の除去された領域に、Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部を選択的に形成する工程（ｄ）とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 基板上部に複数の画素が配列された半導体装置の製造方法において、
   前記基板上に、前記複数の画素ごとにフォトダイオード領域を形成する工程（ａ）と、
   前記フォトダイオード領域上を含む前記基板上を覆う絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記フォトダイオード領域上の前記絶縁膜を選択的に除去する工程（ｃ）と、
   前記絶縁膜の除去された領域に、Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部を選択的に形成する工程（ｄ）と、
   熱処理により、前記Ｐ型不純物がドーピングされたポリシリコン部から前記フォトダイオード領域上部にＰ型不純物を導入し、埋め込み領域を形成する工程（ｅ）とをそなえることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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