JP2012044004A - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制する。
【解決手段】受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域に応じて、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。例えば、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、電荷転送トランジスタ3の読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くするようにイオン注入方向を、X軸方向およびY軸方向から所定角度(ここでは45度)で傾き、かつ互いの角度が直角である4方向(図1の矢印(1)〜(4))のイオン注入方向に調整する。
【選択図】図1
【解決手段】受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域に応じて、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。例えば、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、電荷転送トランジスタ3の読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くするようにイオン注入方向を、X軸方向およびY軸方向から所定角度(ここでは45度)で傾き、かつ互いの角度が直角である4方向(図1の矢印(1)〜(4))のイオン注入方向に調整する。
【選択図】図1
Description
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
近年、CMOS型固体撮像素子が急速に普及している。CMOS型固体撮像素子はCCD型固体撮像素子に比べて動作が高速で低電力という面で優れている。しかし、CMOS型固体撮像素子は、暗電流のために画質が劣化することが知られており、特に、暗電流の影響は、低輝度下で撮像した際の表示のざらつきとして現れる。この暗電流の原因であるが、半導体基板と酸化膜の界面の界面準位に起因していることが知られている。とりわけ、半導体基板に埋め込まれているSTIなどの素子分離領域の界面準位が暗電流発生の原因とされている。
この暗電流発生の問題を解決するために、従来、様々な技術が提案されており、例えば特許文献1のように素子分離領域としてSTI用の溝が形成されている状態、例えば図16に示すように、フォトダイオードPD、転送ゲートGおよび電荷検出部としてのフローティングディヒュージョンFDの周囲や、トランジスタのゲートGおよびその両側のソース領域およびドレイン領域の周囲にSTI用の溝が形成され、このSTI用の溝に対して、フォトダイオードPDの極性と逆極性を持つ不純物をイオン注入して、STIの素子分離領域を囲むように不純物層を逆導電型で形成することにより、暗電流を抑制する方法が知られている。
この場合のイオン注入方向は特に指定されていないものの、満遍なくイオン注入するために図16の矢印に示すように8方向に順次行っている。STI周辺(溝周辺)に均一に不純物として例えばボロンをイオン注入して、転送ゲートGのようにSTIと活性化領域との境界が斜めに形成されているところがあっても、これに対応するようにイオン注入方向(1)および(2)を含む角度でイオン注入を行っている。
上記従来の構成では、暗電流抑制をするために、1E13/cm2程度若しくはそれ以上の不純物濃度でイオン注入する必要がある。ところが、フォトダイオードPDや転送ゲートGなどを囲むように素子分離領域のSTIおよび活性化領域が形成されるため、転送ゲートGの下に比較的濃度の高い不純物、例えばボロンがドープされると、フォトダイオードPDから蓄積信号電荷を読み出す場合に読み出し口が狭まって信号電荷を読み出し難くなるという問題を有していた。
例えば、図17に示すように、信号電荷(電子)をフォトダイオード100(PD)内に蓄積する固体撮像素子の場合に、前述したように、p型不純物が転送トランジスタ101のチャネル領域101aに、フォトダイオード100(PD)とは逆導電型の高い不純物でイオン注入されると、電荷読み出し口が狭まって電子の転送が困難になる。このため、フォトダイオード100(PD)からの読み出しトランジスタ101のゲート101b(G)下の不純物注入量は電子若しくは正孔の読み残しをなくすためと、暗電圧抑制のバランスを考慮して精密に設計されなければならない。フローティングディヒュージョンFDであるフローティング領域105の検出電荷電圧をリセットするためのリセットトランジスタ102もイオン注入のコントロールを誤ると、リセット、電荷読み出し時のフローティング領域105の電位と、電源電位にある拡散領域106の電位との関係で、ザラつき表示不良が起こる。なお、103は増幅トランジスタ(ソースフォロアトランジスタ)であり、104は選択トランジスタ(セレクトトランジスタ)であって、フローティング領域105の検出電荷電圧に応じて増幅されて選択トランジスタ104を通して信号線107に画素毎の撮像信号として出力される。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が2次元マトリクス状に設けられ、該受光部毎に隣接して、該受光部からの信号電荷が電荷転送トランジスタにより各電荷電圧変換部にそれぞれ電荷転送されて信号電圧に変換され、変換された信号電圧に応じて増幅されて該画素毎の撮像信号として出力される固体撮像素子の製造方法において、該受光部の周囲の素子分離領域、該電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変える素子分離領域形成工程を有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記受光部の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域の活性層の素子分離領域の不純物濃度を薄くするように前記イオン注入方向を調整する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるイオン注入方向として、前記受光部の隣接する2辺をX軸方向およびY軸方向とした場合に、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度で傾きかつ互いの角度が直角である4方向のイオン注入方向に調整する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における素子分離領域形成工程は、前記受光部、前記電荷転送トランジスタおよび前記電荷電圧変換部を構成する活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する溝形成工程と、該受光部の隣接する2辺をX軸方向およびY軸方向とした場合に、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度傾きかつ互いの角度が直角である4方向のイオン注入方向または、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度傾きかつ互いに対向した2方向のイオン注入方向により、該溝内に、該受光部とは逆極性の不純物イオンを注入する不純物イオン注入工程と、該溝内に絶縁材料を充填して素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記受光部の角部分から前記電荷転送トランジスタの読み出し領域および前記電荷電圧変換部を、前記X軸方向および前記Y軸方向に対して30度〜60度の範囲内で傾いた方向に形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、
前記溝形成工程は、該リセットトランジスタおよび該増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する。
前記溝形成工程は、該リセットトランジスタおよび該増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記受光部の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度以外の傾斜した角度で形成し、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域および前記電荷電圧変換部の周囲の平行な溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度の角度で形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記受光部の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度以外の傾斜した角度で形成し、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタの少なくともいずれかの活性領域の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度の角度で形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記電荷転送トランジスタおよび前記電荷電圧変換部の周囲の平行な溝のレイアウト方向または、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタの少なくともいずれかの活性領域の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度±10度および90度±10度の角度で形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における0度および90度以外の傾斜した角度は、30度、45度および60度のいずれかである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における素子分離領域は、STI、フィールド酸化膜、LOCOS法による絶縁膜、シリコン酸化物および、該シリコン酸化物以外のナイトライト材料を含む材料のいずれかにより形成され、その外側に前記不純物層を形成する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるイオン注入方向の角度は、ウェハ平面に垂直方向に対して7度〜30度の範囲で傾ける。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における不純物層を形成するための不純物イオン注入後に熱処理により、注入された不純物イオンを拡散および活性化させる熱処理工程を更に有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における不純物イオンの注入と前記素子分離領域の溝の形成を同一マスクを用いて行う。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における不純物イオンの注入前でかつ前記溝を形成するためのエッチング前に、前記溝を形成するためのマスクを用いて別のイオン注入を行って前記不純物層とは別の不純物層を形成することにより、基板表面の不純物層の不純物濃度を確保する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるイオン種は、前記受光部を形成するイオン種の極性と同一の極性を持つイオン種を、該受光部を形成するイオン種の極性と反対のイオン種よりも濃度が少なくなるように更にイオン注入する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、前記受光部の周囲の素子分離領域、前記電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および該電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域の他、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域に応じて、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。
本発明の固体撮像素子は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が2次元マトリクス状に設けられ、該受光部毎に隣接して、該受光部からの信号電荷が電荷転送トランジスタにより各電荷電圧変換部にそれぞれ電荷転送されて信号電圧に変換され、変換された信号電圧に応じて増幅されて該画素毎の撮像信号として出力される固体撮像素子において、該受光部の周囲の素子分離領域、該電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における受光部の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くしている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、前記受光部の周囲の素子分離領域、前記電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および前記電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域、さらに、該リセットトランジスタおよび該増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域に応じて、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
本発明においては、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が2次元マトリクス状に設けられ、受光部毎に隣接して、受光部からの信号電荷が電荷転送トランジスタにより各電荷電圧変換部にそれぞれ電荷転送されて信号電圧に変換され、変換された信号電圧に応じて増幅されて画素毎の撮像信号として出力される固体撮像素子およびその製造方法において、受光部の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。この場合、受光部の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、電荷転送トランジスタの読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くするようにイオン注入方向を調整する。
このように、受光部の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えているため、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することが可能となる。
以上により、本発明によれば、受光部の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えているため、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる。
以下に、本発明の固体撮像素子の製造方法の実施形態1および、この固体撮像素子の製造方法の実施形態1を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態2について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1におけるCMOS型固体撮像素子およびその製造方法を説明するための要部構成例を示す平面図である。
図1は、本発明の実施形態1におけるCMOS型固体撮像素子およびその製造方法を説明するための要部構成例を示す平面図である。
図1において、本実施形態1のCMOS型固体撮像素子1は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部2(フォトダイオードPD)が2次元マトリクス状に配設され、その平面視矩形状の受光部2の一つの角部分に転送トランジスタ3(読み出しトランジスタ)の転送ゲートGが配設されている。平面視矩形状の受光部の角部分から斜め方向(45度右下方向)に転送ゲートGを介して電荷電圧変換部(フローティングディヒュージョンFD)としてのフローティング領域4が配設されている。
また、CMOS型固体撮像素子1は、複数の画素部のそれぞれに、画素部毎に光電変換部として受光部2が設けられ、各受光部2に隣接して、各受光部2からの信号電荷がフローティング領域4に電荷転送するための電荷転送トランジスタ3の他に、受光部2毎に電荷転送トランジスタ3によりフローティング領域4に電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて画素部毎の撮像信号として読み出すための読出回路(図示せず)を有している。この読出回路(図示せず)において、撮像信号の読み出し前に、フローティング領域4の電位をリセットトランジスタによりリセットし、さらに、リセット後であって撮像信号の読み出し後に、フローティング領域4の検出電荷電圧に応じて増幅トランジスタ(図示せず)で増幅された画素毎の撮像信号を、行毎に選択トランジスタ(図示せず)で選択して、信号線(図示せず)に出力するようになっている。ここでは、読出回路(図示せず)を構成する各トランジスタ5を受光部2(フォトダイオードPD)に隣接して配置している。
さらに、CMOS型固体撮像素子1では、受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の転送ゲート下の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域、さらに読出回路(図示せず)を構成する各トランジスタ5の周囲の素子分離領域において、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。
具体的には、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度が濃く、電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の活性層の周囲および読出回路(図示せず)を構成する各トランジスタ5の周囲における素子分離領域の不純物濃度を薄くしている。これによって、イオン注入量を注入場所(受光部2の周囲と電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の周囲など)に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる。また、読出回路(図示せず)を構成する各トランジスタ5の閾値を低くすることができる。
また、CMOS型固体撮像素子1の製造方法において、受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の転送ゲート下の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域で、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変える素子分離領域形成工程を有している。
この素子分離領域形成工程は、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度が濃く、電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の活性層の周囲における素子分離領域の不純物濃度が薄くなるようにイオン注入方向を調整している。これによっても、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所(受光部2の周囲と電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の周囲)に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる。
素子分離領域形成工程は、より具体的には、受光部2、電荷転送トランジスタ3および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4を構成する活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する溝形成工程と、受光部2の隣接する2辺をX軸方向およびY軸方向とした場合に、X軸方向およびY軸方向から所定角度(ここでは45度)で傾き、かつ互いの角度が直角である4方向(図1の矢印(1)〜(4))のイオン注入方向または、X軸方向およびY軸方向から所定角度傾き(ここでは45度)、かつ互いに対向した2方向(図1の矢印(1)および(2)または矢印(3)および(4))のイオン注入方向により、溝内に、受光部2とは逆極性の不純物イオンを注入する不純物イオン注入工程と、この溝内に絶縁材料を充填して素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有している。
ここで、受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の転送ゲート下の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域、さらには読出回路(図示せず)におけるトランジスタ周囲の素子分離領域で、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えることについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
CMOS型固体撮像素子1の製造方法における素子分離領域形成工程の溝形成工程において、図2に示すように、まず、受光部2、電荷転送トランジスタ3の転送領域およびフローティング領域4の活性層外周に沿った図2に示す素子分離領域の溝15を、所定開口パターンを有した積層膜(酸化膜21、窒化膜22およびレジスト膜23)をマスクとして、半導体基板11にエッチング処理により掘り込むことができる。これによって、電荷転送トランジスタ3および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4を構成する活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝15を形成することができる。レジスト膜23の膜厚は2000nm以下である。
次に、図2に示すように、素子分離領域形成工程の不純物イオン注入工程において、XZ面内で傾いた矢印30の方向から不純物イオンを、マスクの所定開口を通して素子分離領域の溝15内にイオン注入する。このとき、レジスト膜23はあってもなくてもよい。しかし、レジスト膜23の有無により半導体基板11の表面の不純物イオンのドーズ量が変化する。矢印30はZ軸からは傾いているが、XZ面に平行である。この条件では、側面×印、底面□印の所に、より多く不純物イオンがドーズされ、手前の側面△印の所は不純物イオンのドーズ量が少なくなる。
そこで、図3に示すように、XZ面に平行でYZ面に対して対称な反対方向(矢印31)からもイオン注入を行うことにより、溝15内のドーズ量(不純物濃度)をY軸で対称(溝15内の両側壁で同じ)にすることができる。これによって、素子分離領域の溝15内の左右側壁に均等に不純物イオンを注入することができる。
図4に示すように、イオン注入方向を90度変えて、YZ面に平行でXZ面に対して対称な方向からの不純物イオンの注入を2回行うと、底面□印の所に注入されるが、両側面△印の所は不純物イオンのドーズ量が底面□印の所に比べて少なくなっている。
一般的に、不純物イオンのドーズ後にレジスト膜23が積まれているときは、レジスト膜23を除去した後に、素子分離領域の溝15内を埋め込むように絶縁膜としての酸化膜を堆積して素子分離領域を形成する。これによって、この素子分離用のフィールド酸化膜の周囲に空乏層が接しないように、受光部2の極性と逆極性の不純物がイオン注入された不純物層を、フィールド酸化膜の周囲に形成している。これによって、画素を微細化しても、暗電流を抑制することができる。
ところが、フィールド酸化膜の周辺に濃度の濃い不純物層を形成すると、電荷転送トランジスタ3や、リセットトランジスタ若しくはソースフォロアトランジスタ(増幅トランジスタ)などの閾値が上昇し、受光部2からの電荷転送トランジスタ3を通したフローティング領域4への信号電荷の読み出し動作、フローティング領域4のリセット動作、ソースフォロア動作などが困難になる。そこで、本実施形態1では、素子分離領域16の平面視配設方向に対する不純物イオンの平面視注入方向を調節することにより、所定トランジスタ、例えば電荷転送トランジスタの転送ゲートG下のイオン注入量を調整し、これによって、暗電流を抑制しながら、画素の読み出し特性を改善することができる。
以下に、素子分離領域の平面視配設方向に対する不純物イオンの平面視注入方向の調節について詳細に説明する。
図5のサンプルレイアウトで本実施形態1の素子分離領域形成工程における不純物イオン注入構成について詳細に説明する。
図5(a)では読み出し回路を構成するリセットトランジスタなどのトランジスタを示し、図5(b)では、受光部2、電荷転送トランジスタ3の読み出し領域およびフローティング領域を示している。
これらの受光部2、電荷転送トランジスタ3の読み出し領域およびフローティング領域4を構成する活性領域12の周りに素子分離領域16がある。また、読み出し回路を構成するトランジスタを構成する活性領域12の周りにも素子分離領域16がある。読み出し回路を構成するトランジスタのゲート18および電荷転送トランジスタ3のゲート17がある。
活性領域12の一部の斜めの素子分離領域16に挟まれている領域を、図6(b)に示すように活性領域13とする。この活性領域13は電荷転送トランジスタ3のゲート17の下にある。
不純物イオンの注入は、XY軸に平行な4方向30、31、32、33と、XY軸から45度傾いた4方向34、35、36、37がある。
図6において、合計8方向で不純物イオンを素子分離領域となる領域16に順次注入した場合、×印で示したように、全ての活性領域側壁に均等な不純物濃度でイオン注入される。
今度は、図7に示すように、XY軸に平行な4方向30、31、32、33で均等にイオン注入した場合には、×印よりも不純物濃度が高い○印で示した活性領域13の側壁の不純物濃度がより高くなっている。これでは、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度が濃く、電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の活性層の周囲における素子分離領域の不純物濃度が薄くするイオン注入方向の調整とは全く逆になっている。
一方、図8に示すように、XY軸から45度傾いた4方向34、35、36、37で均等にイオン注入した場合には、×印よりも不純物濃度が低い△印で示した活性領域13の側壁の不純物濃度がより低くなる。これによって、案電流抑制のために受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度が濃く、信号電荷の読み出しを容易にするために、電荷転送トランジスタ3の転送ゲートG下の活性層13の周囲における素子分離領域の不純物濃度を薄くするようにイオン注入方向を調整することができる。なお、図9および図10のXY軸から45度傾いた各2方向(互いに対向する2方向)の場合は、注入される不純物濃度について図に示した通りである。
さらに、図11に示すように、X軸に平行な対向する2方向30、31だけで均等に注入した場合、○印で示した活性領域12の側壁の不純物濃度が最も高くなり、△印で示した活性領域12の側壁の不純物濃度はこれよりも低くなる。
本実施形態1では、イオン注入量(不純物濃度)を制御可能な箇所は、受光部2、電荷転送トランジスタ、フローティング領域4、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタの活性領域の周囲の拡散層であるが、受光部2の周囲の素子分離領域における側壁(拡散層)の不純物濃度は増えるようにすることで、暗電流発生の抑制に効果がある。望ましくは、フォトダイオードの側壁は不純物濃度が最も濃くなるように制御すればよい。一方、電荷転送トランジスタの周囲の素子分離領域の側壁の不純物濃度は減るようにすることにより、信号電荷の読み出し特性、残像の抑制に効果がある。望ましくは読み出しトランジスタの側壁(拡散層)は最も不純物濃度が薄くなるように制御すればよい。
以上の説明によって、図5(a)および図5(b)の各トランジスタのゲートG下の不純物イオン注入量(不純物濃度)を他の箇所(受光部2の周囲の素子分離領域など)と変えることができる。
このように、受光部2の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子3の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部としてのフローティング領域4の周囲の素子分離領域に応じて、受光部2とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている。例えば、受光部2の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、電荷転送トランジスタ3の読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くするようにイオン注入方向を、X軸方向およびY軸方向から所定角度(ここでは45度)で傾き、かつ互いの角度が直角である4方向(図1の矢印(1)〜(4))のイオン注入方向に調整する。これによって、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる。
なお、本実施形態1では、図5(a)および図5(b)の各トランジスタの配置としたが、これに限らず、図12および図13の各トランジスタの斜め配置とすることもできる。この場合の各トランジスタのサンプルレイアウトについて説明する。
図12および図13のトランジスタのパターンとしては(a)と(b)が主なパターンとなるが、ソースとドレインのいずれかが(a)で、もう一方が(b)というパターンもあり得る。この場合のトランジスタは、読出回路(図示せず)を構成するトランジスタとすることができる。
図5(a)のトランジスタを図8(a)の方法でイオン注入した場合と比較すると、図13においてXY軸から45度傾いた4方向34、35、36、37で均等にイオン注入した場合、△印で示した活性領域13の側壁の不純物濃度が低くなる。
図12において、XY軸に平行な4方向30、31、32、33だけで均等にイオン注入した場合、活性領域13側壁の不純物濃度が高くなる。これによって、図5(a)と図12(a)および(b)のトランジスタのゲート下の注入量を変えることができる。また、トランジスタも図11のように2回のイオン注入でドーズ量をコントロールすることもできる。
なお、本実施形態1では、イオン注入方向と素子分離領域の配置方向の角度を45度に設定してドーズ量を制御したが、これに限らず、イオン注入方向と素子分離領域の配置方向の角度を30度または60度等様々設定することにより、ドーズ量を制御することができる。
なお、本実施形態1では、Z軸からのイオン注入角度は7度としたが、これに限らず、図14のイオン注入30に示すようにZ軸からの傾き38において、イオン注入角度を大きくすれば底面よりも側壁へのイオン注入量を増やすことができる。望ましくは7度以上30度または45度以下でイオン注入すればよい。
また、本実施形態1では、溝15の側壁に不純物濃度を均等にイオン注入することを仮定したが、これに限らず、X方向若しくはY方向でレイアウトの対称性のあるところはドーズ量を揃えておき、対称性のないところでドーズ量を変えることにより最適なドーズ量でイオン注入することができる。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、イオン注入のイオン種は、受光部2(フォトダイオード)を形成するイオン種と逆の極性を持つイオン種であることが望ましい。受光部2(フォトダイオード)がn型であるならばp型の不純物であることが望ましく、ボロンであることが望ましい。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、受光部2(フォトダイオード)と同一の極性を持つイオン種を素子分離領域の側壁側に更に近いところにイオン注入することにより表面近傍のポテンシャルの障壁が大きくなり、信号電荷が受光部2(フォトダイオード)へ流れ込む障壁にすることができる。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、不純物のイオン注入の加速エネルギーは100keV以下であり、素子分離領域と活性化領域の境界の近傍に主にイオン注入することが望ましい。また、不純物の注入量は1E14/cm2以下で十分にイオン注入することにより暗電流抑制の効果が大きい。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、イオン注入時のマスクは、酸化膜、窒化膜の複合膜、若しくはレジスト膜も加えた複合膜であることが望ましい。このとき、レジスト膜厚は2000nm以下であることが望ましい。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、素子分離領域は、フィールド酸化膜、LOCOSおよびSTIのいずれかにより形成することができる。または、素子分離領域はシリコン酸化物で形成することもできる。さらに、素子分離領域はシリコン酸化物に加え、シリコン酸化物以外の材料を含む材料で形成することもできる。さらに、望ましくは、イオン注入後に熱処理でイオン拡散および活性化すればよい。さらに、素子分離領域形成とイオン注入処理を同一マスクですることができる。さらに、素子分離領域形成のエッチング前にイオン注入することにより表面により濃い注入をすることができる。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、活性層13などの傾斜した溝15がフォトダイオードPDを囲む少なくとも一部の素子分離領域を形成してもよいし、傾斜した溝がフォトダイオードの読み出しトランジスタ3の少なくとも一部の素子分離領域を形成してもよいし、傾斜した溝がリセットトランジスタの少なくとも一部の素子分離領域を形成してもよく、傾斜した溝がソースフォロアトランジスタ(増幅トランジスタ)の少なくとも一部の素子分離領域を形成してもよく、傾斜した溝がセレクトトランジスタの少なくとも一部の素子分離領域を形成してもよいことは言うまでもないことである。
さらに、本実施形態1では、特に説明しなかったが、イオン注入後に熱処理により注入イオンを拡散および活性化させる熱処理工程を更に有している。また、イオン注入と素子分離領域の溝15の形成を同一マスクで行っている。さらに、イオン注入前でかつ溝15を形成するためのエッチング前に溝15を形成するためのマスクで別のイオン注入を行い、不純物層を形成する。これは基板表面の不純物層の不純物濃度を確保するためである。イオン注入によるイオン種はフォトダイオードPDを形成するイオン種の極性と同一の極性を持つイオン種を、フォトダイオードPDを形成するイオン種の極性と反対のイオン種よりも少なくなるように更にイオン注入する。さらに、イオン種は、フォトダイオードPDを形成するイオン種の極性と反対の極性を持つイオン種である。ここでは、イオン種はボロンである。
さらに、本実施形態1においてさらに説明する。画素アレイの並びにおいて信号線の方向を縦、選択線の方向を横として、素子分離領域の一部を縦方向および横方向以外で形成し、不純物のイオン注入を縦横方向のいずれかの対称性を維持しつつイオン注入方向を縦横方向に対し角度をつけて少なくとも4回のイオン注入方向で注入して不純物層を形成してもよい。この場合、イオン注入方向を縦横方向のいずれかの対称性を維持しつつ少なくとも4回のイオン注入で異なる不純物注入量で不純物層を形成してもよい。また、複数の受光部2の画素アレイの並びにおいて信号線の方向を縦、選択線の方向を横として、素子分離領域の一部を縦方向および横方向以外で形成し、イオン注入方向を縦横に対して45度傾いた4回のイオン注入で不純物層を形成することができる。この場合、イオン注入を縦横方向のいずれかの対称性を維持しつつ4回の注入方向で異なる不純物の注入量で不純物層を形成してもよい。さらに、フォトダイオードPDの側壁の不純物濃度が他の側壁(電荷転送トランジスタ3の側壁)よりも最も濃くなるように素子分離領域の向きを設定してもよい。さらに、電荷転送トランジスタ3の側壁の不純物濃度が他の側壁(フォトダイオードPDの側壁)よりも最も薄くなるように素子分離領域の向きを設定してもよい。
(実施形態2)
図15は、本発明の実施形態2として、本発明の実施形態1の固体撮像素子1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15は、本発明の実施形態2として、本発明の実施形態1の固体撮像素子1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15において、本実施形態2の電子情報機器90は、上記実施形態1の固体撮像素子からの撮像号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置91と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理をした後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部92と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理をした後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段93と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段94と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力手段95とを有している。なお、この電子情報機器90として、これに限らず、固体撮像装置91の他に、メモリ部92と、表示手段93と、通信手段94と、プリンタなどの画像出力手段95とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
この電子情報機器90としては、前述したように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、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置(PDA)などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
したがって、本実施形態2によれば、この固体撮像装置91からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段95により良好にプリントアウト(印刷)したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部92に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
以上のように、本発明の好ましい実施形態1、2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1、2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1、2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、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、受光部の周囲の素子分離領域、電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えているため、素子分離領域のパターンと不純物注入の角度を最適化し、イオン注入量を注入場所に応じて制御することにより、画素の読み出し特性を改善しかつ暗電流を抑制することができる。
1 CMOS型固体撮像素子
2 受光部(フォトダイオードPD)
3 転送トランジスタ(読み出しトランジスタ)
4 フローティング領域(電荷電圧変換部;フローティングディヒュージョンFD)
5 読出回路を構成する各トランジスタ
11 半導体基板
12,13 活性領域
15 溝
16 素子分離領域
17 電荷転送トランジスタのゲート
18 読み出し回路を構成するトランジスタのゲート
21 酸化膜
22 窒化膜
23 レジスト膜
30〜37 矢印(イオン注入方向)
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力手段
2 受光部(フォトダイオードPD)
3 転送トランジスタ(読み出しトランジスタ)
4 フローティング領域(電荷電圧変換部;フローティングディヒュージョンFD)
5 読出回路を構成する各トランジスタ
11 半導体基板
12,13 活性領域
15 溝
16 素子分離領域
17 電荷転送トランジスタのゲート
18 読み出し回路を構成するトランジスタのゲート
21 酸化膜
22 窒化膜
23 レジスト膜
30〜37 矢印(イオン注入方向)
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力手段
Claims (21)
- 被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が2次元マトリクス状に設けられ、該受光部毎に隣接して、該受光部からの信号電荷が電荷転送トランジスタにより各電荷電圧変換部にそれぞれ電荷転送されて信号電圧に変換され、変換された信号電圧に応じて増幅されて該画素毎の撮像信号として出力される固体撮像素子の製造方法において、
該受光部の周囲の素子分離領域、該電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変える素子分離領域形成工程を有している固体撮像素子の製造方法。 - 前記素子分離領域形成工程は、前記受光部の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域の活性層の素子分離領域の不純物濃度を薄くするように前記イオン注入方向を調整する請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記イオン注入方向として、前記受光部の隣接する2辺をX軸方向およびY軸方向とした場合に、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度で傾きかつ互いの角度が直角である4方向のイオン注入方向に調整する請求項2に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記素子分離領域形成工程は、
前記受光部、前記電荷転送トランジスタおよび前記電荷電圧変換部を構成する活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する溝形成工程と、
該受光部の隣接する2辺をX軸方向およびY軸方向とした場合に、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度傾きかつ互いの角度が直角である4方向のイオン注入方向または、該X軸方向および該Y軸方向から所定角度傾きかつ互いに対向した2方向のイオン注入方向により、該溝内に、該受光部とは逆極性の不純物イオンを注入する不純物イオン注入工程と、
該溝内に絶縁材料を充填して素子分離領域を形成する素子分離領域形成工程とを有する請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記受光部の角部分から前記電荷転送トランジスタの読み出し領域および前記電荷電圧変換部を、前記X軸方向および前記Y軸方向に対して30度〜60度の範囲内で傾いた方向に形成する請求項3に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、
前記溝形成工程は、該リセットトランジスタおよび該増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域形成のための溝を形成する請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記受光部の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度以外の傾斜した角度で形成し、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域および前記電荷電圧変換部の周囲の平行な溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度の角度で形成する請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記受光部の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度以外の傾斜した角度で形成し、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタの少なくともいずれかの活性領域の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度および90度の角度で形成する請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記電荷転送トランジスタおよび前記電荷電圧変換部の周囲の平行な溝のレイアウト方向または、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタの少なくともいずれかの活性領域の周囲の溝のレイアウト方向を、前記イオン注入方向に対して0度±10度および90度±10度の角度で形成する請求項7または8に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記0度および90度以外の傾斜した角度は、30度、45度および60度のいずれかである請求項7または8に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記素子分離領域は、STI、フィールド酸化膜、LOCOS法による絶縁膜、シリコン酸化物および、該シリコン酸化物以外のナイトライト材料を含む材料のいずれかにより形成され、その外側に前記不純物層を形成する請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記イオン注入方向の角度は、ウェハ平面に垂直方向に対して7度〜30度の範囲で傾ける請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記不純物層を形成するための不純物イオン注入後に熱処理により、注入された不純物イオンを拡散および活性化させる熱処理工程を更に有する請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記不純物イオンの注入と前記素子分離領域の溝の形成を同一マスクを用いて行う請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記不純物イオンの注入前でかつ前記溝を形成するためのエッチング前に、前記溝を形成するためのマスクを用いて別のイオン注入を行って前記不純物層とは別の不純物層を形成することにより、基板表面の不純物層の不純物濃度を確保する請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記イオン種は、前記受光部を形成するイオン種の極性と同一の極性を持つイオン種を、該受光部を形成するイオン種の極性と反対のイオン種よりも濃度が少なくなるように更にイオン注入する請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、
前記受光部の周囲の素子分離領域、前記電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および該電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域の他、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域に応じて、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の受光部が2次元マトリクス状に設けられ、該受光部毎に隣接して、該受光部からの信号電荷が電荷転送トランジスタにより各電荷電圧変換部にそれぞれ電荷転送されて信号電圧に変換され、変換された信号電圧に応じて増幅されて該画素毎の撮像信号として出力される固体撮像素子において、
該受光部の周囲の素子分離領域、該電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域で、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている固体撮像素子。 - 前記受光部の周囲の素子分離領域の不純物濃度を濃く、前記電荷転送トランジスタの読み出し領域の活性層における素子分離領域の不純物濃度を薄くしている請求項18に記載の固体撮像素子。
- 前記電荷電圧変換部における信号電荷読み出し前の電位を所定電位にリセットするためのリセットトランジスタと、該電荷電圧変換部のリセット後で信号電荷読み出し後の電位に応じて増幅して画素毎の撮像信号として出力する増幅トランジスタとを有し、
前記受光部の周囲の素子分離領域、前記電荷転送トランジスタ素子の読み出し領域の素子分離領域および前記電荷電圧変換部の周囲の素子分離領域、さらに、該リセットトランジスタおよび該増幅トランジスタを構成する各活性領域の周囲の素子分離領域に応じて、該受光部とは逆極性の不純物層の不純物濃度を変えている請求項18に記載の固体撮像素子。 - 請求項18〜20に記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
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