JP3544175B2 - 半導体装置を用いた固体撮像装置及びカメラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法、半導体装置を用いた固体撮像装置並びに固体撮像システムに関し、主として、ディジタルカメラなどに用いられる半導体装置及びその製造方法、半導体装置を用いた固体撮像装置並びに固体撮像システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置は、主として2種類のタイプがあり、用いている固体撮像素子により大別されている。1つはCCD撮像素子を用いたものであり、もう1つはMOS型撮像素子を用いたものである。MOS型撮像素子を用いた固体撮像素子は、CCD撮像素子を用いた固体撮像装置に比して消費電力の小さいというメリットがある。また、一般に、固体撮像素子の素子性能としては、高S/N比、良好なリニアリティ、広いダイナミックレンジ(Dレンジ)などが求められている。
【0003】
S/N比を向上させるためには、画素開口率の向上などによって信号強度を大きくしたり、ノイズを小さくすることが必要であるが、以下、まずMOS型撮像素子の構造を説明し、つづいてMOS型撮像素子におけるノイズ発生のメカニズムについて説明する。
【0004】
図9は、従来のMOS型撮像素子(CMOSセンサ)の模式的な断面図である。図9において、701はP型半導体基板もしくはN型半導体基板中に形成されたPウェル領域、702は素子分離を行うための選択酸化膜、703は選択酸化膜702の下形成されたチャネルストップ層、704は選択酸化膜702によって自己整合的に形成されており光キャリアを蓄積するフォトダイオードの蓄積領域(ここではN型不純物領域)、705は蓄積領域704に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極、706は光キャリアの読み出し先である読み出し領域である。
【0005】
なお、図9には図示していないが、読み出し領域706はアンプに接続されており、読み出し領域706に読み出された光キャリアはアンプによって増幅された後に、外部に読み出される。
【0006】
また、蓄積領域704で光キャリアを蓄積している時や、蓄積した光キャリアの読み出し期間中に光キャリア以外のフォトダイオードの逆方向電流が発生することでセンサのノイズレベルが低下する。
【0007】
特に、ストレスの多く発生している選択酸化膜702の縁(バーズビーク)付近では格子欠陥が多く、ここにフォトダイオードの空乏層が接触と逆方向電流は激増する。そこで以下に示すようなCMOSセンサが提案されている。
【0008】
図10は、特開平10−98176号公報や特開平10−308507号公報などに記載されているCMOSセンサの模式的な断面図である。なお、図10において、図9と同様の部分には同一符号を付している。図10に示すように、フォトダイオードの蓄積領域704の選択酸化膜702側を距離L分だけ狭めて、空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにしている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにするために、フォトダイオードの蓄積領域704の選択酸化膜702側を距離L分だけ狭めているので、その分だけフォトダイオードのサイズが小さくなり感度が低下する。空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにするための手法として、距離L分だけ狭めるのは、やむを得ないにしろ、感度の低下を最小限にするためには、極力、距離Lは短くする必要がある。
【0010】
また、図10に示すように蓄積領域704を形成するには、たとえばレジストを用いるが、画素毎に距離Lのばらつきがあれば、得られる画像がばらつく原因となり、チップ間で補正が必要になる。
【0011】
さらに、距離Lの領域は、低濃度領域であるPウェル領域701が形成されることになるので、距離Lの領域では空乏層が広がり易く、そのため、空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにするには、距離Lは十分な長さである必要があり、これでは蓄積領域の面積率が低下しひいては感度が低下する。また、これを防ぐためには画素ピッチの拡大等の作業を行わなければならない。
【0012】
ここで、たとえば特開平10−108507号公報によると、選択酸化膜702の縁に濃いp領域を形成するという旨が記載されているが、これによっても、この濃いp領域を形成する際にアライメントずれが生じれば、得られる画像にばらつきが生じるし、そうでなくても製造工程が増加する。
【0013】
以上説明したように、結局、空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにするために、フォトダイオードの蓄積領域704の選択酸化膜702側を距離L分だけ狭めるという手法では種々の問題が生じるので、他の手法によって、空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにする必要がある。
【0014】
そこで、本発明は、感度の維持しつつ空乏層が選択酸化膜702の縁に接触しないようにしてS/N比を向上させることを課題とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置において、前記チャネルストップ層は、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されていることを特徴とする。
更に本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域はバーズビークを覆うように形成されている前記チャネルストップ層と隣接して形成されていて、前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする。
更に本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域は第一導電型の半導体領域であり、前記チャネルストップ層は第二導電型の半導体領域であり、前記蓄積領域及び前記チャネルストップ層は第二導電型のウェル領域に形成されていて、前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする。
【0016】
また本発明は、上記半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域は前記チャネルストップ層に隣接して形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、光キャリアを蓄積する蓄積領域を有し、前記蓄積領域を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた固体撮像装置において、前記蓄積領域は前記チャネルストップ層に隣接して形成され、両領域と前記選択酸化膜は、縦方向に積層した部分を有することを特徴とする。
【0017】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型のウェル領域上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜の側壁に対して斜めにイオン注入を行う工程と、前記窒化膜をマスクとして選択酸化膜を形成する工程と、前記注入したイオンを拡散させて前記選択酸化膜のバーズビークを覆うようにチャネルストップ層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【0018】
さらにまた、本発明の固体撮像システムは、上記固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする。
【0019】
すなわち、本発明は、選択酸化膜のバーズビークを覆うように選択酸化膜を形成することによって、空乏層とバーズビークとの接触を防止して暗時の逆方向電流が流れないようにしている。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【0021】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面図である。図1において、101はP型半導体基板もしくはN型半導体基板中に形成されたPウェル領域、103は素子分離を行うための選択酸化膜、104は選択酸化膜103の下及び蓄積領域107の一部に接触するように形成されているp+型のチャネルストップ層、107は選択酸化膜103によって自己整合的に形成されており光キャリアを蓄積するフォトダイオードの蓄積領域(ここではN型不純物領域)、106は蓄積領域107に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極、108は光キャリアの読み出し先である読み出し領域である。
【0022】
なお、図1には図示していないが、読み出し領域108はアンプに接続されており、読み出し領域108に読み出された光キャリアはアンプによって増幅された後に、外部に読み出される。また、図1の各領域の不純物領域の極性はP型とN型とが逆のホール蓄積タイプの固体撮像素子であってもよい。
【0023】
図1に示すように、本実施形態では、チャネルストップ層104を選択酸化膜103の下のみならず、蓄積領域107の一部にも接触するように形成しており、蓄積領域107近傍に形成したチャネルストップ層104によって、空乏層が選択酸化膜103の縁に接触しないようにしている。
【0024】
図2は、図1に示す固体撮像素子の製造工程図である。図2に示すように、まず、Pウェル領域101上に、後の工程において選択酸化膜103を形成する際にマスクパターンとして用いられるSiN膜102を形成する。ここでは、チャネルストップ層104を形成するためのイオン注入工程では、イオンをPウェル領域101に対して斜めに注入してSiN膜102下に不純物領域109を形成して、SiN膜102下にもチャネルストップ層104を形成できるようにしている(図2(a))。
【0025】
ここで、具体的には、たとえば、Pウェル領域101を形成している半導体基板をシリコン基板とし、イオン種をボロンとし、注入時の加速エネルギー300keVとし、注入角度θ1を60°とすると、平均イオン飛程rpは0.1μmとなり、横方向のもぐり込み量rpxは、[平均イオン飛程rp×sinθ1]であるので、計算すると0.087μmとなる。
【0026】
次に、熱酸化を行って選択酸化膜103を形成する。熱酸化による熱によって、一部が選択酸化膜103のバーズビークを覆うように拡散したチャネルストップ層104が形成される(図2(b))。なお、前工程で注入されたイオンは、熱によってさらに横方向へ拡散する。すなわち、もぐり込み量rpxは大きくなる。
【0027】
なお、必要に応じて、熱酸化処理の後に、不活性ガス中でさらに熱処理を行うと、選択酸化膜103は、酸化されないため膜厚は変わらないが、チャネルストップ層104は、さらに横方向へもぐり込む。
【0028】
次に、SiN膜102をPウェル領域101から剥離して、その後、ゲート酸化膜105を形成する(図2(c))。それから、ポリシリコンをデポ、パターニングしてゲート電極106を形成する(図2(d))。次に、ゲート電極106及び選択酸化膜103をマスクとして、自己整合的(セルフアライン)にフォトダイオードの蓄積領域107を形成する(図2(e))。そして、読み出し領域108を形成すれば、図1に示す固体撮像素子が完成する。
【0029】
なお、実際には、さらに単層又は複数の配線層及びビアホールを形成し、ビアホールを通じて配線層と読み出し領域108とを電気的に接続し、配線層はアンプに接続される。
【0030】
図3は、図1の平面図である。図3において、501は選択酸化膜103のバーズビークである。なお、図1は、図3のA−A間の断面図である。本実施形態では、角度θ1,θ2でそれぞれイオン注入を行い、図3の上下側に、チャネルストップ層104を形成している。これにより、蓄積領域107の図3における左右側は、マスクパターンによってPウェル領域101との界面が形成される。
【0031】
本実施形態によれば、フォトダイオードの蓄積領域107まわりに発生する空乏層は、Pウェル領域101より濃度の高いチャネルストップ層104により選択酸化膜103から隔離されるために、選択酸化膜103のバーズビークに接触しない。このため、暗時の逆方向電流を抑制することができ、ノイズレベルの改善が図れる。
【0032】
また、本実施形態では、読み出し領域108に関しても同様な効果を得ることができ、光キャリアの読み出し後の転送時におけるノイズを改善することも可能である。さらに、本実施形態では蓄積領域107の面積を選択パターンによって自己整合的に決めることによって、面積のバラツキを抑え、面内、チップ間で特性を均一にしている。
【0033】
また、チャネルストップ層104は、バーズビーク501を覆うように形成しているので、バーズビーク501での逆方向電流の発生を抑えることができ、固体撮像素子のノイズレベルは向上する。さらに、蓄積領域107を選択酸化膜103に対して自己整合的に形成しているので、蓄積領域107が大きくなり、そのため、飽和電荷量が増大し、S/N比やDレンジが向上し、また感度も向上する。
【0034】
(実施形態2)
図4は、本発明の実施形態2の固体撮像装置内の固体撮像素子に係るSiN膜の形成方法の説明図である。図4において、202,203はSiN膜であり図1の102に相当する。204〜206は不純物領域であり、図2(a)の109に相当する。
【0035】
図4に示すように、SiN膜202,203をそれぞれマスクとして、SiN膜202,203の側壁に対して角度θでイオン注入すると、チャネルストップ層となる不純物領域204〜206が形成される。
【0036】
ここで、不純物領域204〜206がそれぞれ形成されるのは、SiN膜202,203間の間隔が狭い場合である。すなわち、SiN膜202,203間の間隔が広ければ、不純物領域204,205がそれぞれ別々に形成されず、これらは1つの領域となる。
【0037】
そこで、SiN膜202,203間の下にも、もれなく不純物領域を形成するために、以下説明するような手法を用いる。
【0038】
図5は、本発明の実施形態2の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。図5に示すように、SiN膜202,203のそれぞれの高さをH、SiN膜202,203間の隙間をL、イオン飛程をrpとしたときに、見かけ上の侵入深さrpyは、
rpy=rp×cosθ
で示すことができる。
【0039】
また、SiN膜203の側壁に対して角度θでイオン注入したときにSiN膜202,203間でSiN膜203がマスクとなり不純物領域304が形成されない部分の断面方向の長さをdは、
d=(rpy+H)×tanθ=(rp×cosθ+H)×tanθ
で示すことができる。
【0040】
ここで、
d<L/2
であれば、図5に示すようにSiN膜202,203間の下で、分離しない1つの不純物領域304が形成される。つまり、
L>2×(rp×cosθ+H)×tanθ
を満たすように、SiN膜202,203の厚さH、イオン注入角度θ、SiN膜202,203間L、イオン飛程rpを選択すればよい。
【0041】
(実施形態3)
図6は、本発明を実施形態3の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図であり、図4に示した状態から、さらに、SiN膜202の側面と平行に、イオン注入を行った後の様子を示している。
【0042】
本発明の実施形態2で、図5を用いて種々の条件を変えて分離しない1つの不純物領域304を形成する手法について説明したが、たとえば種々の条件変更ができないような場合には、図6に示すように、図4に示した状態から、さらにSiN膜202の側面と平行に、SiN膜202,203間にイオン注入を行って、不純物領域207を形成してもよい。
【0043】
(実施形態4)
実施形態1では、図4を用いて説明したように、では、例えばウエハローテーションを90度毎に4回に分けてイオンを打ち込んだときの様子を示しているのに対して本発明の実施形態4では、図7に示すように、例えばウエハローテーションを180度ごとに2回に分けてイオンを打ち込むことにより以下の効果を得ることができる。なお、図7において図1,図4に示した部分と同様の部分には、同一符号を付している。
【0044】
つまり、本実施形態ではトランジスタのゲート電極106下のチャネル幅は、この部分においてはチャネルストップ層104が無いために、実効的に広くなり、良好な転送特性が確保され、転送スピードが速くなる。また、設計上、MOSトランジスタの微細化を行うことが可能である。
【0045】
なお、図4で説明したイオンの打ち込みは、4回だけでなく複数回、もしくはウエハを回転させながら行ってもよい。
【0046】
(実施形態5)
図8は、本発明の実施形態5の固体撮像システムの構成図である。図8において、1はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、2は被写体の光学像を固体撮像素子4に結像させるレンズ、3はレンズを通った光量を可変するための絞り、4はレンズ2で結像された被写体を画像信号として取り込む固体撮像素子、5は固体撮像素子4から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、6は固体撮像素子4より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、7はA/D変換器6より出力された画像データに各種の補正等を行う信号処理部、8は固体撮像素子4,撮像信号処理回路5,A/D変換器6,信号処理部7に各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生部、9は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、10は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、11は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、12は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、13は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部である。
【0047】
つぎに、図8の動作について説明する。バリア1がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器6などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部9は絞り3を開放にし、固体撮像素子4から出力された信号は、撮像信号処理回路5をスルーしてA/D変換器6へ出力される。A/D変換器6は、その信号をA/D変換して、信号処理部7に出力する。信号処理部7は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部9で行う。
【0048】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部9は絞りを制御する。つぎに、固体撮像素子4から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部9で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【0049】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子4から出力された画像信号は、撮像信号処理回路5において補正等がされ、さらにA/D変換器6でA/D変換され、信号処理部7を通り全体制御・演算9によりメモリ部10に蓄積される。その後、メモリ部10に蓄積されたデータは、全体制御・演算部9の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体12に記録される。また外部I/F部13を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、選択酸化膜のバーズビークを覆うようにチャネルストップ層を形成するので、感度の維持しつつ空乏層が選択酸化膜のバーズビークに接触しないようにすることが可能となり、S/Nの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面図である。
【図2】図1に示す固体撮像素子の製造工程図である。
【図3】図1の平面図である。
【図4】本発明の実施形態2の固体撮像装置内の固体撮像素子に係るSiN膜の形成方法の説明図である。
【図5】本発明の実施形態2の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。
【図6】本発明の実施形態3の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。
【図7】本発明の実施形態4の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な平面図である。
【図8】本発明の実施形態5の固体撮像システムの構成図である。
【図9】従来のMOS型撮像素子の模式的な断面図である。
【図10】従来のMOS型撮像素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
101,701 Pウェル領域
102,202,203,302,303 SiN膜
103,702 選択酸化膜
104,703 チャネルストップ層
105 ゲート酸化膜
106,705 ゲート電極
107,704 蓄積領域
108,706 読み出し領域
204〜207,304,305 チャネルストップ層となる不純物領域
501 バーズビーク
Claims (3)
- 半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、
前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、
前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、
前記蓄積領域はバーズビークを覆うように形成されている前記チャネルストップ層と隣接して形成されていて、
前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、
該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする固体撮像装置。 - 半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、
前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、
前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、
前記蓄積領域は第一導電型の半導体領域であり、
前記チャネルストップ層は第二導電型の半導体領域であり、
前記蓄積領域及び前記チャネルストップ層は第二導電型のウェル領域に形成されていて、
前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、
該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1又は2記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、
前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とするカメラ。
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