JP2012511830A - 側部にオーバーフロードレインを備えるイメージセンサ - Google Patents
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Abstract
側部オーバーフロードレイン(610)及びチャネルストップ(608)が、二重マスクプロセス(1300,1500)を用いることによって作製される。各側部オーバーフロードレインは各対応するチャネルストップ内部に作製される。2つのマスク層を用いることで、各側部オーバーフロードレインの一端は、各対応するチャネルストップの端部に対して位置合わせされる。
Description
本発明は概して、デジタルカメラ及び他の種類の像取得装置において用いられるイメージセンサに関し、より詳細には、側部オーバーフロードレイン及びチャネルストップ領域を有するイメージセンサに関する。
典型的な電子イメージセンサは、2次元アレイをなすように配置された多数の感光性画素（「ピクセル」）を有する。画素は、その画素に衝突する光に応じて電荷を蓄積する。各画素は蓄積可能な最大量の電荷を有する。画素によって収集される電荷の合計数が、その画素の電荷容量を超えて、かつ余剰電荷が隣接する画素へ広がるとき、「ブルーミング」として知られている現象が起こる。一の既知であるブルーミング防止法は、画素内部に側部オーバーフロードレイン(LOD)を形成することで、電荷が隣接する画素へ広がる前に、余剰電荷をその画素から排除する手段を供する。
図1-3は、従来技術による側部オーバーフロードレイン及びチャネルストップの形成方法を図示している。最初に図1に示されているように、絶縁層100が基板又はウエル102全体にわたって形成される。続いて窒化物層104が絶縁層100全体にわたって形成される。
図2は、窒化物層104上に形成されて、かつ幅W1を有する開口部を形成するようにパターニングされるマスク層200を図示している。開口部内で曝露される窒化物層104の一部はエッチングされる。窒化物層104は一般的に、その窒化物層104の厚さのばらつきを調節するようにオーバーエッチングされる。このオーバーエッチングは絶縁層100の一部302を除去する。続いてドーパントが、基板102へ注入される（矢印によって表されている）ことで、チャネルストップ204が形成される。チャネルストップ204は、電荷が水平方向に隣接する画素へ広がるのを防止する。
続いてマスク層200が除去され、他のマスク層300が、残された窒化物層104上及び絶縁層100の曝露部分上に形成される（図3）。マスク層300は、幅W2を有する開口部を形成するようにパターニングされる。第2開口部内において曝露されている窒化物層104の一部はエッチングされる。繰り返しになるが、窒化物層104は典型的には、その窒化物層104の厚さのばらつきを考慮するようにオーバーエッチングされることで、絶縁層100の他の部分は除去される。続いてドーパントは、基板102へ注入される（矢印によって表されている）ことで、側部オーバーフロードレイン304が形成される。
側部オーバーフロードレイン領域を覆う全ての窒化物層104が、側部オーバーフロードレイン304の形成前に除去されることを保証するため、W2は一般的にW1と重なることで、重なり領域306が形成される。図2及び図3に図示されているように、窒化物層104がエッチングされるとき、重なり領域306内に存在する絶縁層100の一部分308は2回エッチングされる。この二重エッチングは一部分308を完全に除去することで、基板102の上面を曝露して、後続処理工程中での基板表面の損傷を許してしまう恐れがある。基板102の上面102を曝露又は損傷することは、結果として基板102の汚染を生じさせ、かつイメージセンサ内に欠陥−たとえばクラスタ欠陥−を生成してしまう恐れがある。
側部オーバーフロードレイン及びチャネルストップが、二重マスク層プロセスを用いて作製される。第1マスク層は絶縁層全体にわたって形成される。前記絶縁層は、第1伝導型を有する基板、層、又はウエル上に設けられる。前記第1マスク層は、1つ以上の第1開口部を形成するようにパターニングされる。続いて前記基板、層、又はウエルと同一の伝導型を有する（複数の）ドーパントが、前記第1開口部を介して、前記基板、層、又はウエルへ注入されることで、1つ以上のチャネルストップが形成される。
続いて第2マスク層が、前記第1マスク層上に形成され、かつ1つ以上の第2開口部を形成するようにパターニングされる。各第2開口部は、各対応する第1開口部の一部内に設けられる。前記第2マスク層の一部は、前記第1開口部の残りの部分内に設けられる。続いて前記第1伝導型とは反対の第2伝導型を有する1つ以上のドーパントが、各第2開口部を介して、各エッチストップへ注入されることで、側部オーバーフロードレインが形成される。前記第1マスク層と第2マスク層により、各側部オーバーフロードレインの端部は、各対応するチャネルストップの端部に対して（実質的に）位置合わせされる。続いて前記第1マスク層と第2マスク層は除去される。当該装置は、既知の作製方法を用いることによってさらに処理される。
本発明は、下地の層を損傷させることなく1つ以上の側部オーバーフロードレインを形成するという利点を有する。それに加えて本発明は、最小の部位サイズを有する側部オーバーフロードレイン及びチャネルストップを形成する正確で繰り返し可能な方法を供する。これは特に、高解像度イメージセンサにおいて有利である。
本発明の実施例は、以下の図面を参照することでより良く理解される。図の素子は必ずしも違いに正しい縮尺で描かれているわけではない。
図の参照にあたって、全図を通じて同様の番号は同様の部品を指称する。
図4は、本発明の実施例による像取得装置の簡略化されたブロック図である。像取得装置400は、図4においてはデジタルカメラとして実装される。当業者は、デジタルカメラは、本発明を含むイメージセンサを利用可能な像取得装置の単なる一例であることを理解する。他の種類の像取得装置−たとえば携帯電話のカメラ、スキャナ、及びデジタルビデオカムコーダ−が本発明によって利用されて良い。
デジタルカメラ400では、対象物の情景からの光402が撮像ステージ404へ入力される。撮像ステージ404は、従来の素子−たとえばレンズ、中性密度フィルタ、絞り、及びシャッター−を有して良い。光402は、撮像ステージ404によって集光されることで、イメージセンサ406上に像が生成される。イメージセンサ406は、入射光を電気信号へ変換することによって、1つ以上の像を取得する。デジタルカメラ400は、処理装置408、メモリ410、ディスプレイ412、及び1つ以上の追加の入出力(I/O)素子414をさらに有する。図4の実施例においては別個の素子として図示されていないものの、撮像ステージ404は、イメージセンサ406及び場合によってはデジタルカメラ400の1つ以上の追加の素子と一体化されることで、カメラモジュールが形成されても良い。たとえば本発明の実施例では、処理装置又はメモリはイメージセンサ406と一体化されて良い。
処理装置408はたとえば、マイクロプロセッサ、中央処理演算装置(CPU)、用途特定集積回路(ASIC)、デジタル信号処理装置(DSP)、若しくは他の処理装置、又は上記装置を複数組み合わせたものとして実装されて良い。撮像ステージ404及びイメージセンサ406の様々な素子は、タイミング信号又は処理装置408からの他の信号によって制御されて良い。
メモリ410は、任意の種類のメモリを任意に組み合わせたものとして備えられて良い。任意の種類のメモリとはたとえば、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)、フラッシュメモリ、ディスクベースのメモリ、取り外し可能メモリ、又は他の種類の記憶素子である。イメージセンサ406によって取得される所与の像は、処理装置408によって記憶され、かつディスプレイ412上に表示されて良い。ディスプレイ412は典型的にはアクティブマトリックスカラー液晶ディスプレイ(LCD)412であるが、他の種類のディスプレイが用いられても良い。追加のI/O素子414はたとえば、様々なスクリーン上の制御、ボタン又は他のユーザーインターフェース、ネットワークインターフェース、又はメモリカードインターフェースを有して良い。
図4に図示されているデジタルカメラは、当業者に既知の種類の追加又は代替の素子を有して良いことに留意して欲しい。本明細書において明示又は説明されていない素子は当業者に既知の素子から選ばれて良い。前述したように、本発明は、広範囲にわたる像取得装置において実装されて良い。また本明細書に記載された実施例のある態様は、像取得装置の1つ以上の処理装置によって実行されるソフトウエアの少なくとも一部において実装されても良い。そのようなソフトウエハは、当業者に知られているように、本明細書の教示によって与えられたように、単純に実装されて良い。
ここで図5を参照すると、本発明の実施例による、図4に図示されたイメージセンサ406の簡略化されたブロック図が図示されている。イメージセンサ406は、図4に図示された真の二相完全フレーム電荷結合素子(CCD)イメージセンサ（後述）として実装される。本発明による他の実施例は、この型のイメージセンサに限定されない。単なる例示によって、イメージセンサ406は、本発明による他の実施例のインターラインCCDイメージセンサ又は3相若しくは4相CCDイメージセンサとして実装されて良い。
イメージセンサ406は、画像化領域502を形成するように典型的には行と列に配置された多数の画素500を有する。各画素500はシフト素子として構成される。ここで画素の各列は垂直シフトレジスタを構成する。画素500によって像が取得された後、蓄積された電荷は画像化領域502によって読み取られる。像の読み取りの間、垂直シフトレジスタは、各列の蓄積された電荷又は信号を、水平シフトレジスタ504へ移動させる。続いて垂直シフトレジスタ504は、電荷を出力増幅器506へ移動させる。
図6は、本発明の実施例による、図5に図示された画素500の簡略図である。前述したように、図5のイメージセンサ406は、真の2相CCDイメージセンサとして実装される。CCDイメージセンサが多数の相を有するとき、垂直CCDの各々は、多数の部分すなわち「相」に分離されることで、構造を介した電荷移動が助けられる。よって真の2相CCDでは、垂直CCD内の各シフト素子は、第1位相シフト素子600及び第2位相シフト素子602を有する。
バリア領域604と606はそれぞれ、画素500内の各シフト素子600と602を、垂直に隣接する画素から分離し、かつ垂直CCDを介した電荷輸送を助ける。チャネルストップ608は、電荷が水平に隣接する画素へ広がるのを防止するように、画素500内部に形成される。側部オーバーフロードレイン610（破線で示されている）は、チャネルストップ608の内部に形成され、かつ画素500から余剰電荷すなわち意図しない電荷を除去するのに用いられる。側部オーバーフロードレイン610は、本発明の実施例におけるチャネルストップ608のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。
オーバーフローバリア領域も画素500内に形成される。簡明を期すため、オーバーフローバリア領域は図6に図示されていない。オーバーフローバリア領域は、任意の知られた作製方法を用いて設計及び作製されて良い。オーバーフローバリア領域は、たとえば特許文献1及び2に記載されている。
そして最終的には、ゲート電極612と614は、画素500にわたって形成され、かつ光が電極612と614を通過することを可能にする透明材料で作られる。透明材料の例には、多結晶シリコン及びインジウム−スズ−酸化物(ITO)が含まれるが、これらに限定されるわけではない。ゲート電極612と614は、シフト素子600と602を介した電荷の移動を開始させる。電圧が電極612と614へ交互に印加されることで、一のシフト素子から次のシフト素子へ電荷が移動する。矢印616は、各垂直シフトレジスタを介した電荷の移動方向を表している。
ここで図7-図12を参照すると、本発明の実施例による、側部オーバーフロードレイン610及びチャネルストップ608を形成する方法を図示した、図6の線A-A’に沿った画素500の一部の断面が図示されている。図7は、多数の初期製造工程が完了した後の画素の一部を図示している。この段階での画素は、層702全体にわたって形成された絶縁層700を有する。本発明の実施例では、単なる例示として、絶縁層700は、酸化物−窒化物−酸化物(ONO)層（それぞれ層704、層706、及び層708）として実装される。層702は、n型若しくはp型伝導のいずれかを有する基板、層、又はウエルとして備えられる。
続いてハードマスク層800が、絶縁層700全体にわたって形成され、かつ開口部800が形成されるようにパターニングされる（図8）。単なる例として、ハードマスク層800は、シリコン窒化物層又はシリコン酸化物層として形成されて良い。開口部802内で曝露される酸化物層708及び窒化物層706の一部は除去される。本発明の実施例によると、酸化物層704は、除去されず、かつ保護及び遮蔽層として機能する。
続いて第2マスク層900は、ハードマスク層800上に形成され、かつ開口部902が形成されるようにパターニングされる（図9）。本発明の実施例によると、第2マスク層900は、ハードマスク層800上にフォトレジストを堆積することによって形成される。開口部902は開口部802の一部分に存在する。開口部802の他の部分には第2マスク層900が充填されている。
続いて1つ以上のドーパントが層702へ注入される（矢印によって表される）ことで、側部オーバーフロードレイン610が形成される。側部オーバーフロードレイン610を形成するのに用いられる（複数の）ドーパントは、層702の伝導型とは反対の伝導型である。たとえば層702がp型のドーパントを有する場合には、側部オーバーフロードレイン610はn型ドーパントを有するように形成される。砒素は、側部オーバーフロードレイン610が形成されるように、1×1014原子/cm2の濃度で注入可能な典型的なn型ドーパントである。
次に図10に図示されているように、マスク層900は除去され、かつ1つ以上のドーパントが、開口部802を介して側部オーバーフロードレイン610及び層702の隣接部へ注入される（矢印によって表される）ことで、チャネルストップ608が形成される。チャネルストップ608を形成するのに用いられる1つ以上のドーパントは、層702と同一の伝導型を有する。本発明の実施例によると、たとえば層702がp型伝導性を有する場合には、チャネルストップ608を形成するのに用いられる1つ以上のドーパントはp型ドーパントである。単なる例示として、ホウ素は、チャネルストップ608が形成されるように、1×1013原子/cm2の濃度で注入可能な典型的なp型ドーパントである。
2つのマスク層800と900が用いられるので、側部オーバーフロードレイン610の一端は、チャネルストップ608の端部に対して（実質的に）位置合わせされる。続いてハードマスク層800が除去される結果、図11に図示された構造となる。フィールド酸化領域1200が、チャネルストップ608及び側部オーバーフロードレイン610全体にわたって形成される（図12）。フィールド酸化領域1200は、任意の既知の方法を用いることによって形成されて良い。ここで画素500がさらに処理されて良い。後続処理工程は、埋め込みチャネル、側部オーバーフロードレイン610に隣接して設けられたオーバーフローバリア領域、及び上に設けられたゲート電極の形成を有して良い。
図13-図15は、本発明の実施例による、図8-図10に図示された方法に代わって実行可能な代替方法を図示する、図6の線A-A’に沿った画素500の一部の断面図である。図13に図示された処理工程は図7の後に実行される。マスク層1300は、絶縁層700上に形成され、かつ第1開口部1302を形成するようにパターニングされる（図13）。本発明の実施例によると、マスク層1300は、絶縁層700全体にわたってフォトレジストを堆積することによって形成される。本発明の他の実施例によると、マスク層1300は、絶縁層700全体にわたってハードマスク層を堆積することによって形成される。
続いて1つ以上のドーパントが、開口部1302を介して層702へ注入される（矢印によって表される）ことで、チャネルストップ608が形成される。本発明の実施例によると、たとえば層702がp型伝導性を有する場合には、チャネルストップ608を形成するのに用いられる1つ以上のドーパントはp型ドーパントである。単なる例示として、ホウ素は、チャネルストップ608が形成されるように、1×1013原子/cm2の濃度で注入可能な典型的なp型ドーパントである。本発明の他の実施例では、層702がn型伝導性を有するときには、チャネルストップ608を形成するのに1つ以上のn型ドーパントが用いられて良い。
次に図14に図示されているように、開口部1302内で曝露されている酸化物層708及び窒化物層706が除去される。本発明の実施例によると、酸化物層708及び窒化物層706は、プラズマエッチングによりエッチングされる。本発明の実施例によると、酸化物層704は除去されず、かつ保護及び遮蔽層として機能する。
続いてマスク層1500が、マスク層1300全体にわたって形成され、かつ第2開口部1502を形成するようにパターニングされる（図15）。マスク層1500は、マスク層1300全体にわたってフォトレジストを堆積することによって形成される。第2開口部1502は第1開口部1302の一部分に設けられ、かつマスク層1500の一部分は開口部1302の残りの部分に設けられる。
続いて1つ以上のドーパントが、開口部1502を介してチャネルストップ608へ注入される（矢印によって表される）ことで、側部オーバーフロードレイン610が形成される。二重マスク層1300と1500により、側部オーバーフロードレイン610の一端は、チャネルストップ608の端部に対して（実質的に）位置合わせされる。側部オーバーフロードレイン610を形成するのに用いられる（複数の）ドーパントは、チャネルストップ608とは反対の伝導型である。たとえばチャネルストップ608がp型ドーパントを有する場合には、側部オーバーフロードレイン610はn型ドーパントを有するように形成される。単なる例示として、砒素は、側部オーバーフロードレイン610が形成されるように、1×1014原子/cm2の濃度で注入可能な典型的なn型ドーパントである。
側部オーバーフロードレイン610が形成された後、図15のマスク層1500及びマスク層1300は除去される。その結果、図11に図示された画素構造となる。ここで図12に図示されているように、フィールド酸化領域1200が、チャネルストップ608及び側部オーバーフロードレイン610全体にわたって形成される。フィールド酸化膜1200は任意の既知の方法を用いることによって形成されて良い。画素500はさらに処理されて良い。後続処理工程は、埋め込みチャネル、側部オーバーフロードレイン610に隣接して設けられたオーバーフローバリア領域、及び上に設けられたゲート電極の形成を有して良い。
図7-図15に図示された方法によって形成された側部オーバーフロードレイン610及びチャネルストップ608は、従来技術に係る構造よりも小さな寸法を有して良い。この理由は、図9の開口部902のサイズ及び図15の開口部1502のサイズが、開口部802（図8）及び1302（図13）についての実現可能な最小サイズよりも小さいからである。従来のリソグラフィ法を用いて形成されるとき、開口部802及び1302についての最小寸法は、従来のリソグラフィ法によって得ることのできる最小寸法によって定められ、かつ制約を受ける。しかし本発明は、最小の部位サイズを有する側部オーバーフロードレイン及びチャネルストップを作製する正確で繰り返し可能な方法を供する。
本発明は、本発明の特別な実施例を参照しながら説明された。しかし変化型及び修正型が、本発明の技術的範囲から逸脱することなく当業者により実行可能であることは、明らかである。単なる例示として、図8及び図9-図10に図示された製造工程の順序は反転させても良い。よって側部オーバーフロードレイン610及びチャネルストップ608の形成後に開口部802内で曝露されている酸化物層708及び窒化物層706が除去される。それに加えて、層702及びチャネルストップ608の伝導型がn型であって良い一方で、側部オーバーフロードレイン610の伝導型はp型である。
100 絶縁層
102 基板、層、又はウエル
104 窒化物層
200 マスク層
202 絶縁層の一部
204 チャネルストップ
300 マスク層
302 絶縁層の一部
304 側部オーバーフロードレイン
306 重なり領域
308 絶縁層の一部分
400 デジタルカメラ
402 光
404 撮像ステージ
406 イメージセンサ
408 処理装置
410 メモリ
412 ディスプレイ
414 入出力(I/O)素子
500 画素
502 画像化領域
504 水平シフトレジスタ
506 出力増幅器
600 シフト素子
602 シフト素子
604 バリア領域
606 バリア領域
608 チャネルストップ
610 側部オーバーフロードレイン
612 ゲート電極
614 ゲート電極
616 電荷の移動方向を表す矢印
700 絶縁層
702 層
704 酸化物
706 窒化物
708 酸化物
800 ハードマスク層
802 開口部
900 第2マスク層
902 開口部
1200 フィールド酸化物
1300 マスク層
1302 開口部
1500 マスク層
1502 開口部
102 基板、層、又はウエル
104 窒化物層
200 マスク層
202 絶縁層の一部
204 チャネルストップ
300 マスク層
302 絶縁層の一部
304 側部オーバーフロードレイン
306 重なり領域
308 絶縁層の一部分
400 デジタルカメラ
402 光
404 撮像ステージ
406 イメージセンサ
408 処理装置
410 メモリ
412 ディスプレイ
414 入出力(I/O)素子
500 画素
502 画像化領域
504 水平シフトレジスタ
506 出力増幅器
600 シフト素子
602 シフト素子
604 バリア領域
606 バリア領域
608 チャネルストップ
610 側部オーバーフロードレイン
612 ゲート電極
614 ゲート電極
616 電荷の移動方向を表す矢印
700 絶縁層
702 層
704 酸化物
706 窒化物
708 酸化物
800 ハードマスク層
802 開口部
900 第2マスク層
902 開口部
1200 フィールド酸化物
1300 マスク層
1302 開口部
1500 マスク層
1502 開口部
Claims (5)
- イメージセンサ内に1つ以上の側部オーバーフロードレインを作製する方法であって：
第1伝導型を有する層上に設けられた絶縁層全体にわたって第1マスク層を形成する工程；
前記第1マスク層をパターニングすることで、チャネルストップが形成される場所に1つ以上の第1開口部を形成する工程；
前記第1伝導型である1つ以上のドーパントを、前記1つ以上の第1開口部を介して、前記第1伝導型を有する層へ注入することで、前記層内に1つ以上のチャネルストップを形成する工程；
前記第1マスク層及び前記1つ以上の第1開口部全体にわたって第2マスク層を形成する工程；
前記第2マスク層をパターニングすることで、前記1つ以上の側部オーバーフロードレインが形成される場所に1つ以上の第2開口部を形成する工程であって、前記第2開口部の各々は、各対応する第1開口部の一部分に設けられ、かつ前記第2マスク層の一部は各第1開口部の他の部分に設けられる、工程；並びに、
前記第1伝導型とは反対の第2伝導型である1つ以上のドーパントを、前記1つ以上の第2開口部を介して各チャネルストップへ注入することで、前記1つ以上の側部オーバーフロードレインを作製する工程；
を有する方法。 - 前記第1マスク層及び前記第2マスク層を除去する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
- 各チャネルストップ及び対応する側部オーバーフロードレイン全体にわたってフィールド酸化物領域を形成する工程をさらに有する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1マスク層及び前記1つ以上の第1開口部全体にわたって第2マスク層を形成する前に、前記1つ以上の第1開口部内で曝露された前記絶縁層の少なくとも一部を除去する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
- 層内に設けられたチャネルストップ内部に形成された側部オーバーフロードレイン；並びに、
前記チャネルストップ及び前記側部オーバーフロードレイン全体にわたって形成されたフィールド酸化物領域；
を有するイメージセンサであって、
前記側部オーバーフロードレインの一端は、前記チャネルストップの端部に対して位置合わせされている、
イメージセンサ。
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