JP3707178B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばCCD型の固体撮像素子等の固体撮像素子に係わる。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子の一種であるCCD固体撮像素子においては、センサ部を半導体領域内にイオン注入による不純物拡散を行って形成したフォトダイオードにより構成している。
従来は、このCCD撮像素子のセンサ部を形成するイオン注入工程は、作業の効率化の観点からも1回のみの工程で行われてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近ますます進むCCD固体撮像素子の微細化に伴い、センサ部のパターンやブルーミング耐性や読み出し電圧等の電気特性のより細かい調節が要求されてきている。
しかも、コストダウンをするためにウエハ径の拡大が図られており、このためウエハ面内の製造の均一性やロット毎の安定性の向上も要求度が厳しくなる一方である。
【0004】
このような要求に対して、従来からの単純な1回のみのイオン注入によるセンサ部の形成工程では、もはや対応できなくなくなってきている。
【0005】
上述した問題の解決のために、本発明においては、受光部を形成するイオン注入工程を制御することにより、ダイナミックレンジが大きい、ブルーミング耐性、読み出し電圧、スミア等の特性を改善した固体撮像素子を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成され、不純物拡散領域の幅が、垂直転送レジスタの電荷転送方向において、正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成されて成る構成である。
【0007】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、不純物拡散領域の幅が、垂直転送レジスタの電荷転送方向において、正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成されることにより、センサ部が広がっており取り扱える信号電荷の量が大きいので、ダイナミックレンジの大きい固体撮像素子を構成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成され、不純物拡散領域の幅が、垂直転送レジスタの電荷転送方向において、正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成されて成る固体撮像素子である。
【0017】
以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施例を説明する。
図1は、本発明の固体撮像素子の実施例、本例ではCCD固体撮像素子の撮像領域即ち有効画素領域を上から観た図であり、遮光膜を透視して、第1転送電極及び第2転送電極のパターンがわかるように表示している。
【0018】
このCCD固体撮像素子1は、図1に示すように、撮像領域において、複数の画素を構成するセンサ部2がマトリックス状に配列された、各センサ部列の一側にCCD構造の垂直転送レジスタ6が形成されて成る。3は、センサ部2の開口である。垂直転送レジスタ6は、センサ部2から読み出しゲート部を介して信号電荷を転送する2つの垂直転送電極、即ち第1垂直転送電極4及び第2垂直転送電極5を有して形成される。そして、図1中矢印aの方向が垂直転送方向になる。
【0019】
図1中に示すA−B線に沿った方向が水平転送方向(水平転送部は図示せず)であり、A−B線上の断面を図2に示す。また、C−D線に沿った方向が垂直転送方向(実際に電荷が移動する方向なので以下順方向と呼ぶ)であり、C−D線上の断面を図3に示す。
【0020】
例えばn型のシリコンからなる半導体基板11に、オーバーフローバリアとなる第1のp型半導体ウエル領域12が形成され、この第1のp型半導体ウエル領域12内に、受光部2を構成するn型の不純物拡散領域13及び読み出しゲート部14、垂直転送レジスタ6を構成するn型の転送チャネル領域15、画素分離部(必要に応じてp型のチャネルストップ領域を形成する)16がそれぞれ形成されている。
また、n型の不純物拡散領域13の上部にはp型の正電荷蓄積領域17、n型の転送チャネル領域15の下には第2のp型半導体ウエル領域18がそれぞれ形成されている。p型半導体ウエル領域12とn型不純物拡散領域13とp型の正電荷蓄積領域17によって、いわゆるHAD(ホールアキュミュレイテッドダイオード)センサによるセンサ部2が構成される。
【0021】
第1のp型半導体ウエル領域12が形成された半導体基板11の表面には、ゲート絶縁膜19が形成され、このゲート絶縁膜19を介して読み出しゲート部14、転送チャネル領域15、チャネルストップ領域16上に第1垂直転送電極4及び第2垂直転送電極5が形成される。
A−B線上の断面では第2垂直転送電極5のみが形成され、C−D断面では第1垂直転送電極4上に層間絶縁膜20を介して第2垂直転送電極5が形成されている。転送チャネル領域15、ゲート絶縁膜19及び垂直転送電極4,5によって垂直転送レジスタ6が構成される。
【0022】
そして、これらの垂直転送電極4,5を覆って層間絶縁膜20が形成され、これの上にAl等の金属等からなる遮光膜21が形成され、垂直転送電極4及び5の上面及び側面を覆うと共に、受光部に対応して遮光膜に開口3が形成されている。
さらに全体を覆って酸化膜等の透明な絶縁膜からなるパッシベーション膜22が形成され、その上にガラス等の透明な絶縁膜からなる平坦化膜23が形成されている。平坦化膜23の平坦化された表面の上にはオンチップカラーフィルター24が形成され、最上部にオンチップレンズ25が形成されて成る。
【0023】
本例では、特にセンサ部2を構成する不純物拡散領域13の幅W1 を、図9(垂直転送方向の断面図)の比較例で示すような、通常の一方向のイオン注入の場合の不純物拡散領域13の幅W2 より大に形成する。
【0024】
センサ部2の開口3は、遮光膜6の開口3パターンによって設定されるが、実際の電荷蓄積量は、半導体基板11内のセンサ部2を形成する不純物元素の分布で決まる。
本例においては、不純物拡散領域13の幅W1 を大きく、即ちセンサ部2を広く形成していることにより、センサ部全体の電荷蓄積量を大きくしている。
これによりCCD固体撮像素子1のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【0025】
このように、不純物拡散領域の幅W1 を、通常の垂直方向のイオン注入の場合の不純物拡散領域の幅W2 より大に形成するには、後述するように、垂直転送順方向に傾斜したイオン注入工程及び垂直転送方向とは逆方向に傾斜したイオン注入工程を行えばよい。
【0026】
次に本発明の固体撮像素子の製造方法について説明する。
通常、センサ部を形成するn型ドーパントの注入にイオン注入法を用いる場合には、チャネリング抑制のためウエハ法線(即ち、半導体ウエハの面に対して垂直方向の線)に対して5°以上傾斜させ、かつ結晶軸から20°以上回転させて施されるのが一般的である。
【0027】
これに対して、本発明の固体撮像素子の製造方法では、図3及び図4に示すように、センサ部2に対応する領域に矢印Iで示すように、半導体ウエハ30におけるウエハ法線31に対して7°以上45°以下傾斜させてイオン注入を行う。
7°未満では傾斜させてイオン注入する効果が充分ではなく、45°を越えると、遮光膜21等に一部が遮られるため、いずれも好ましくない。
このとき、垂直転送方向(図1中C→D)に対する傾斜方向のなす角度は、ブルーミング耐性即ち隣接画素への信号電荷の漏れへの耐性や、読み出し等の電気特性で決定される。
【0028】
例えば、センサ部付近の平面図を示す図5において、画素分離部16から読み出しゲート部14へ向けてウエハ法線に対して7°傾斜注入する場合(矢印A)は、垂直転送方向と平行にウエハ法線に対して7°傾斜注入する注入する場合(矢印B)と比べてブルーミング耐性が約0.5V低下し、読み出しゲート部14からチャネルストップ領域16へ向けてウエハ法線に対して7°傾斜注入する注入する場合(矢印C)と比べて約1V低下する。
【0029】
つまり、画素分離部16から読み出しゲート部14へ向けてウエハ法線に対して7°傾斜注入する(矢印A)ことにより、転送電極4,5の下部の読み出しゲート部14側に不純物拡散領域13が広く注入され、実質的な読み出しゲート長を調節することができる。
【0030】
このように、センサ部2を形成するドーパントのイオン注入角度は、ブルーミング、読み出し、撮像時の基板印加電圧、スミア等のトレードオフ関係にある特性値の所望のバランスを得るための制御パラメーターとして用いることができる。
【0031】
従来は、細かいブルーミング特性の調節は、製造上の不均一性、不安定性の点で有意差が得られる程度(前述したように0.5V程度)であり、1回のイオン注入工程で垂直転送方向に対して平行な方向のみ、或いは垂直転送方向に対して垂直な方向のみのイオン注入しか行われておらず、センサ部2の不純物拡散領域13の位置はシフトすることはあっても、その大きさはほぼ不変であり、センサポテンシャルの大きさ(深さ)が同一であれば、飽和電荷量もほぼ不変であった。
【0032】
飽和電荷量が大きければ、ダイナミックレンジも増加するが、飽和電荷量を上げるために、センサポテンシャルを大きく(深く)しようとすると、不純物濃度を濃く、即ちイオン注入におけるドーズ量を大きくする必要がある。ところが、ドーズ量を多くすると結晶欠陥密度が増加し、いわゆる白傷発生数が増加する。
【0033】
そこで、図1〜図3に示した実施例においては、このような白傷発生数を増加させずダイナミックレンジを増加させる手段として、センサ部2を形成するイオン注入を垂直転送方向に平行な方向で互いに逆の向きに、2回のイオン注入工程にそれぞれ半分程度のドーズ量に分けて行うようにした。
これにより、図3に示したように、前述の図9の比較例と比較してセンサ部2の不純物拡散領域13が拡大し、取り扱い電荷量が増加する。ブルーミング耐性等の電気特性のバランスは、平面パターンの微細な調節で行えば良く、白傷発生数を増加させることなく飽和電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを広げることができる。
【0034】
この効果を発揮するためには、垂直方向の隣り合うセンサ部2間の画素分離部16(図3参照)を狭くする効果が充分に得られるように、ウエハ法線から7°以上傾斜させることが必要になる。
【0035】
また、パターンの微細な調整でブルーミング耐性等の電気特性の調節を完全に行うことが困難な場合には、従来からの手法を合わせ持つような、図6の矢印にて示すような、垂直転送方向から水平方向に45°回転した方向等の中間的な角度からの注入に設定することもできる。
【0036】
一方、例えば水平方向に互いに逆向きに、同じドーズ量で2回イオン注入した場合には、図7に水平方向の断面図を示すように、不純物拡散領域13を水平方向に広げて、飽和電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを広げることができる。
この場合には、さらに読み出しゲート部14及び画素分離部16の幅が変化するので、読み出し特性やブルーミング耐性等の特性も変化する。これらの特性の変化が固体撮像素子において問題のない程度に本イオン注入の傾斜角等の条件や、読み出しゲート部14及び画素分離部16の不純物濃度等の条件を設定する。
【0037】
また、イオン注入工程は、垂直転送順方向、逆方向、読み出しゲート部から画素分離部への方向即ち垂直転送方向と垂直な方向というように3回以上の作業に分けることもできる。
【0038】
さらに、2回に分ける場合のイオン注入のドーズ量の配分を、半分ずつではなく、例えば垂直転送順方向(図1中C→D)に2/3のドーズ量、逆方向(図1中D→C)に1/3のドーズ量と配分すれば、図8Aに平面図、図8Bに図8AのP−P′ポテンシャル図を示すように、受光部2内で垂直転送順方向にポテンシャル勾配が形成され、センサポテンシャル中心はわずかに垂直転送順方向(図1中Dの側)に寄る。すると、読み出しは垂直転送順方向側の電極、即ち第2転送電極5で行われるため、読み出しに必要な印加電圧が従来の構造よりも低下する。
このように、2回以上のイオン注入のドーズの配分によって、電気特性を調整するという新しい機能も得られる。
【0039】
また、本発明製法によれば、さらにイオン注入の傾斜角、垂直転送方向からの角度、ドーズ量の配分の各条件を、ウエハ面内の複数に区分した領域でそれぞれ設定して変化させることにより、電気特性のウエハ面内分布を吸収することもでき、製造装置の状態の経時変化を吸収することもできる。
即ち、例えば半導体ウエハ面での注入方向の角度を前回より20°小さくする等フィードバックを行って、これらの条件を調節することにより、製造の安定化や、ウエハ面内の均一性向上を図ることができる。
【0040】
本発明は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0041】
【発明の効果】
上述の本発明による固体撮像素子によれば、不純物拡散領域が広がっていることにより、取り扱い電荷量が増加し、ダイナミックレンジが広がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像素子の実施例の概略構成図(平面図)である。
【図2】図1のA−Bにおける断面図である。
【図3】図1のC−Dにおける断面図である。
【図4】イオン注入の方向を説明する図である。
【図5】イオン注入の方向を説明する図である。
【図6】イオン注入の方向を説明する図である。
【図7】本発明による固体撮像素子の他の実施例の水平方向の断面図である。
【図8】本発明による固体撮像素子のさらに他の実施例の構成図である。A 平面図である。B 図8AのP−P′断面における受光部のポテンシャル図である。
【図9】通常のイオン注入方法でセンサ部を形成した比較例の固体撮像素子の垂直転送方向の断面図である。
【符号の説明】
1 CCD固体撮像素子、2 センサ部、3 開口、4 第1転送電極、5 第2転送電極、6 垂直転送レジスタ、11 半導体基板、12 第1のp型半導体ウエル領域、13 不純物拡散領域、14 読み出しゲート部、15 転送チャネル領域、16 画素分離部、17 正電荷蓄積領域、18 第2のp型半導体ウエル領域、19 ゲート絶縁膜、20 層間絶縁膜、21 遮光膜、22パッシベーション膜、23 平坦化膜、24 オンチップカラーフィルター、25 オンチップレンズ、30 半導体ウエハ、31 ウエハ放線、I イオン注入方向、W1 ,W2 不純物拡散領域の幅
Claims (1)
- 半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、
上記センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、
上記不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成され、
上記不純物拡散領域の幅が、上記垂直転送レジスタの電荷転送方向において、上記正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成されて成る
ことを特徴とする固体撮像素子。
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