JP2011222802A

JP2011222802A - 固体撮像素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011222802A
Application number: JP2010091223A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Ishikawa; 通弘石川
Original assignee: Toshiba Information Systems Japan Corp
Current assignee: Toshiba Information Systems Japan Corp
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】感度を低下させることなく混色を適切に防止する。
【解決手段】フォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離され、この光を入射するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が、赤色、緑色、青色の順に浅くされている。
【選択図】図２

Description

この発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、感度を低下させることなく混色を防止することが可能に構成された固体撮像素子及びその製造方法に関するものである。

従来、固体撮像素子はその断面が図４に示されるように構成されている。上部にマイクロレンズ８が設けられていると共に、マイクロレンズ８を通過した光を赤色、緑色、青色に分解するカラーフィルタ７１、７２、７３が設けられている。

固体撮像素子には、例えば、Ｐ型半導体基板６０に、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層６１、６２、６３が形成されており、このＮ型不純物層６１、６２、６３における表面側に、シールド及びフォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層６４、６５、６６が形成されている。また、各Ｎ型不純物層６１、６２、６３の側壁には、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層６７、６８、６９、７０が形成されている。

上記によって、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７１側を見込んだ領域が、赤画素９１であり、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７２側を見込んだ領域が、緑画素９２であり、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７３側を見込んだ領域が、青画素９３である。

このような赤画素９１、緑画素９２、青画素９３を複数備える固体撮像素子においては、Ｎ型不純物層６１、６２、６３と、Ｐ型不純物層６４、６５、６６とＰ型不純物層６７、６８、６９、７０が画素の色に無関係に、同一工程で形成されている。

上述のようにして構成される固体撮像素子の赤画素９１、緑画素９２、青画素９３におけるフォトダイオードのポテンシャルと、半導体基板表面からの位置関係（ポテンシャル・プロファイル）を示すと、図５に示すようになっている。即ち、固体撮像素子の赤画素９１、緑画素９２、青画素９３におけるフォトダイオードのポテンシャル・プロファイルＯＣ１、ＯＣ２、ＯＣ３は、全く同じ曲線であって、同じ位置に最大ポテンシャルを有している。

ところで、半導体基板を例えばＳｉ（シリコン）とした場合、赤色光、緑色光、青色光の順に吸収係数が大きいこと、光エネルギーの半分が吸収されるＳｉ表面からの位置は赤色光、緑色光、青色光の順に浅くなること、長波長の赤色光はＳｉ表面から深い位置においても光電変換するが短波長の青色光はＳｉ表面から浅い位置において光電変換すること、が知られている。

従って、赤色光が上記固体撮像素子の表面から入射すると、固体撮像素子の赤画素９１においては、表面から深い位置においても光電変換が行われ、これにより発生した電荷は、隣の緑画素９２のフォトダイオードへも蓄積される。このように、従来の固体撮像素子においては、光電変換により発生した電荷が、隣接する画素のフォトダイオードへも蓄積されるため混色が生じる。

上記に対し、２次元イメージセンサやラインセンサ等のカラー画像を読み取る固体撮像素子及びその製造方法として、センサ部のｎ型不純物の多段構成の一部を拡大させ、かつ、その拡大領域を画素毎に最適な深さで形成することにより、隣接画素で異なる位置に拡大部を設け、隣接画素間の干渉を回避し、感度向上と混色防止を両立させるものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−８６７８３号公報

しかしながら特許文献１に記載の発明にあっては、センサ部のｎ＋不純物を複数回に分けてエネルギやマスクパターンを変えてイオン注入を行い、多段構成のプロファイルを持つセンサ構造としているため、製造工程が増加するという問題がある。またマスクパターン間に合わせずれが生じると、センサ部に蓄積された電荷を完全に転送できず残像が発生するという問題がある。

本発明は上記のような固体撮像素子及びその製造方法における現状に鑑みなされたもので、その目的は感度を低下させることなく混色を適切に防止することが可能な固体撮像素子を提供することである。また、他の目的は、上記固体撮像素子を容易に製造することができる製造方法を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、入射する光の波長領域が異なる複数のフォトダイオードを半導体基板内に備え、波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子は、フォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離され、この光を入射するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が、赤色、緑色、青色の順に浅くされていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、入射する光の波長領域が異なる複数のフォトダイオードを半導体基板内に備える固体撮像素子について、波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置を調整するに際し、電荷を蓄積する不純物層形成イオン注入の加速電圧を調整することを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法では、固体撮像素子のフォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離されるように構成されており、この光を入射するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置を、赤色、緑色、青色の順に浅くするに際し、電荷を蓄積する不純物層形成イオン注入の加速電圧を、赤色、緑色、青色の順に低くすることを特徴とする。

本発明によれば、波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されているので、ある画素において光電変換された電荷が隣接する画素近くで発生してもポテンシャル・プロファイルが異なるために隣接する画素に蓄積されぬようにでき、混色を防止することが可能である。また波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されているので、感度が低下することはない。

本発明によれば、フォトダイオードの最大ポテンシャル位置が、赤色、緑色、青色の順に浅くされているので、赤画素において光電変換された電荷が隣接する例えば緑画素近くで発生してもポテンシャル・プロファイルが異なるために緑画素に蓄積されず、混色を防止することが可能である。また緑色光に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されているので、緑画素の感度が低下することはない。

本発明に係る固体撮像素子の実施例を示す平面図。本発明に係る固体撮像素子の実施例を示す縦断面図。本発明に係る固体撮像素子の実施例におけるフォトダイオードのポテンシャル・プロファイルを示す図。従来例の固体撮像素子を示す縦断面図。従来例の固体撮像素子におけるフォトダイオードのポテンシャル・プロファイルを示す図。

以下、添付図面を参照して本発明に係る固体撮像素子とその製造方法の実施例を説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態の固体撮像素子は、フォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離されるものであり、各画素の平面配列は、図１に示すように格子状に並べられたベイヤ型配列を採用することができる。

本実施例に係る固体撮像素子は、その断面が図２に示されるように構成されている。即ち、上部にマイクロレンズ８が設けられていると共に、マイクロレンズ８を通過した光を赤色、緑色、青色に分解するカラーフィルタ７１、７２、７３が設けられている。

実施例に係る固体撮像素子では、例えば、Ｐ型半導体基板１０に、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層１１、１２、１３が形成されており、このＮ型不純物層１１、１２、１３における表面側に、シールド及びフォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層１４、１５、１６が形成されている。また、各Ｎ型不純物層１１、１２、１３の側壁には、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２５、２６、２７、２８が形成されている。

上記によって、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７１側を見込んだ領域に、赤画素２１が形成されており、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７２側を見込んだ領域に、緑画素２２が形成されており、マイクロレンズ８からカラーフィルタ７３側を見込んだ領域に、青画素２３が形成されている。

既に説明した通り、赤色光、緑色光、青色光が、半導体基板１０で光電変換する表面からの位置は、波長によって異なり、赤色光、緑色光、青色光の順に浅くなる。

このため、本実施例においては、フォトダイオードの最大ポテンシャル位置を、上記光の波長に応じて調整する。光の波長が短くなるほど、対応するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置を浅くする。従って、フォトダイオードの最大ポテンシャル位置を、赤画素２１、緑画素２２、青画素２３の順に浅くする。

上記のようにしたフォトダイオードのポテンシャル・プロファイルを図３に示す。ＰＲは、赤画素２１に対応するポテンシャル・プロファイルを示し、ＰＧは、緑画素２２に対応するポテンシャル・プロファイルを示し、ＰＢは、青画素２３に対応するポテンシャル・プロファイルを示している。ＲＭＡＸは、赤画素２１における最大ポテンシャル位置を示し、ＧＭＡＸは、緑画素２２における最大ポテンシャル位置を示し、ＢＭＡＸは、青画素２３における最大ポテンシャル位置を示している。

このような固体撮像素子は次のようにして製造される。Ｐ型半導体基板１０について、赤画素２１、緑画素２２、青画素２３のそれぞれに応じたＮ型不純物層１１、１２、１３のマスクを用いて、赤画素２１、緑画素２２、青画素２３について独立にＮ型不純物層１１、１２、１３を形成する。

Ｎ型不純物層１１、１２、１３の形成に際して、イオン注入の加速電圧を、赤画素２１、緑画素２２、青画素２３の順で、低く設定して独立の工程で形成する。即ち、Ｎ型不純物層１１の形成に際して、イオン注入の加速電圧を最も高く（大きく）して独立して形成し、Ｎ型不純物層１３の形成に際して、イオン注入の加速電圧を最も低く（小さく）して独立して形成する。また、Ｎ型不純物層１２の形成に際して、イオン注入の加速電圧を、上記の間として独立して形成する。

次に、Ｐ型不純物層２５、２６、２７、２８の全てに対応するマスクを用意し、共通にイオン注入してＰ型不純物層２５、２６、２７、２８を同時に形成する。更に、Ｐ型不純物層１４、１５、１６の全てに対応するマスクを用意し、共通にイオン注入してＰ型不純物層１４、１５、１６を同時に形成する。

上記のようにして製造された固体撮像素子によれば、次の動作がなされる。例えば、赤色光が赤画素２１の上部から入射し、緑画素２２のＮ型不純物層１２近くの深い位置において光電変換が生じたとする。しかし、この光電変換が生じた位置に対し、緑画素２２のフォトダイオードは離れており、上記光電変換による電荷は、緑画素２２のフォトダイオードに蓄積されることはない。つまり、混色を防止することが可能となる。また緑色光に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されているので、緑画素２２の感度が低下することはない。

上記で示した各層の構成（Ｎ型、Ｐ型）は一例に過ぎず、固体撮像素子の構成に応じて適宜なものとなる。また、本発明は、半導体基板がＳｉに限定されることはなく、また、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型など各種の固体撮像素子に適用できる。

８マイクロレンズ
１０Ｐ型半導体基板
１１、１２、１３Ｎ型不純物層
１４、１５、１６Ｐ型不純物層
２１、２２、２３画素
２５、２６、２７、２８Ｐ型不純物層
７１、７２、７３カラーフィルタ

Claims

入射する光の波長領域が異なる複数のフォトダイオードを半導体基板内に備え、波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が調整されていることを特徴とする固体撮像素子。
フォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離され、この光を入射するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置が、赤色、緑色、青色の順に浅くされていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
入射する光の波長領域が異なる複数のフォトダイオードを半導体基板内に備える固体撮像素子について、波長領域に応じてフォトダイオードの最大ポテンシャル位置を調整するに際し、電荷を蓄積する不純物層形成イオン注入の加速電圧を調整することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
固体撮像素子のフォトダイオードに入射する光が、赤色、緑色、青色に分離されるように構成されており、この光を入射するフォトダイオードの最大ポテンシャル位置を、赤色、緑色、青色の順に浅くするに際し、電荷を蓄積する不純物層形成イオン注入の加速電圧を、赤色、緑色、青色の順に低くすることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。