JP3752773B2

JP3752773B2 - 固体撮像装置とその製造方法

Info

Publication number: JP3752773B2
Application number: JP09765297A
Authority: JP
Inventors: 康丸山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH10289992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子とその製造方法に関し、特に固体撮像素子の感度の改善とそのための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳトランジスタやＣＣＤ（Chage Coupled Device）を用いた固体撮像素子が撮像用の装置に広く用いられるようになっている。これは光電変換によって蓄積された電荷を利用し、電荷をアレイ状に転送して平面のイメージを出力するものである。最近では、カラーで１／４型で３８万画素のものが製品化されているなど、小型、小撮像面積で、多画素のものへと改良が進んできている。
【０００３】
ところで、撮像装置が小型で画素数が増えれば増えるほど、単位画素当たりの受光面積が小さくなるので、雑音に強い撮像が正しく行われるためには単位光電変換素子の感度が高いものが要求されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、固体撮像素子には、より小型軽量であることが要求されている。このためには受光部面積が小さくなっても感度が落ちないように、さらに感度の向上が望まれている。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決して、比較的簡単な方法によって、その受光感度を向上したＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像素子を実現し、さらに、そのような固体撮像装置を製造する方法を、従来からある手法を用いて、比較的簡単な方法で実現することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって順次読み出す固体撮像装置において、前記ＭＯＳトランジスタのゲート下に、ソース近傍が他部より深くなるようなポテンシャル分布を有し、このＭＯＳトランジスタのゲート下に蓄積される光電変換により発生した電荷をソース側に寄せて蓄積させることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって順次読み出す固体撮像装置の製造方法において、前記ＭＯＳトランジスタのゲートの長さ方向に形状の異なる複数のマスクを用いて複数回の不純物打ち込みを行って、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くすることを特徴とする。
【０００８】
あるいは、本発明は、この固体撮像装置の製造方法において、前記ＭＯＳトランジスタのソースのみが開口したマスクを用いて不純物打ち込みを行い、この不純物打ち込み終了後に熱処理により不純物の拡散を行って、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くすることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる固体撮像装置を添付図面を参照にして詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の固体撮像装置の個々の固体撮像素子の基本的な構成を示す部分的な平面図と断面図である。
図１において、１はソース（Source）、２はゲート（Gate）、３はドレイン（Drain ）、４はセンサー（Sensor）、５はＮ−プラグ（N-Plug）、６はソース領域に打たれたセンサーと同一極性のポテンシャルなどの調整用の領域、７は蓄積された信号電荷を掃き出す機能を有するＯＦＢ（Over Flow Barrier ）、８は半導体基板である。
【００１０】
また、図２に図１の実施の形態のＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像装置の基本回路図を示す。
図２において２１は垂直シフトレジスタ、２２は水平シフトレジスタ、２３は垂直信号線、２４は映像信号出力線、２５は単位固体撮像素子であるＭＯＳトランジスタ、２６は受光部である。
【００１１】
まず、この固体撮像装置の動作を図２に沿って説明する。
この固体撮像装置に信号光が入力されると、この固体撮像装置の単位固体撮像素子であるＭＯＳトランジスタ２５の光電変換機能が働いて、そのゲートの下のに光の強さに応じた電荷が蓄積される。図２では光ダイオードのシンボルで示しているが、これがＭＯＳトランジスタ２５のゲート下の光電変換機能を有したセンサー部分にあたる。
【００１２】
このように、光電変換による電荷がゲート下に蓄積され終わると、垂直シフトレジスタ２１と水平シフトレジスタ２２に、それぞれＹクロック、Ｈクロックを加え、これによって両レジスタに発生するパルスでＭＯＳトランジスタ２５のスイッチマトリクスを順次操作し、光電変換で蓄積された電荷にたいしてソースフォロワ動作を行った時のソース電位の変調量を順番に信号として映像信号出力線２４に読み出して行く。これによって光電変換された電荷に対応した映像信号を固体撮像素子から出力することができる。
図２では、ソースからの出力の取り出し形式をソースフォロワの形式にしているが、抵抗の代わりにコンデンサを備えた容量負荷型の動作形式にしてもさしつかえない。
【００１３】
このような固体撮像装置の受光部の単位となるＭＯＳトランジスタは、本実施の形態では、図１（ａ）に示すように格子上に配列されて受光部２６を形成している。
このＭＯＳトランジスタはそのゲート２の下で光電変換し、この部分に蓄積された電荷によって、容量負荷動作またはソースフォロワ動作を行った時のソース電位の変調を信号として読み出す。このような動作原理の基では、ゲート２下で光電変換された時の電荷の大きさが同じであっても、電荷が蓄積される蓄積位置がソース電極１に近ければ近い程、また表面チャネルに近ければ近いほど、ソース電位に対する影響が大きくなってくる。
【００１４】
図１（ｂ）は図１（ａ）のＭＯＳトランジスタ部分の直線Ａ−Ｂでの断面図である。この図で示されるように、センサー４内の不純物濃度はソース１の近傍で高くなっている。
このように、ゲート２の下の不純物濃度をソース１の近傍で高くすることによって、後に図３および図４で説明するように、センサー４のポテンシャルをソース１側で深くすることができ、この結果、電荷の蓄積位置がソース電極１に近付いて行く。
【００１５】
このように本実施の形態では、増幅型撮像素子のセンサー４部分でゲート２の長さ方向にゲート２の下の不純物濃度を変化させ、電荷の蓄積位置をソース１側に近寄せるようにしている。
【００１６】
このようにして不純物濃度をソース１側で高くした本実施の形態の場合の断面ポテンシャルプロファィルのシミュレーション結果を図３に示す。さらに比較のために、従来の場合の断面ポテンシャルプロファィルのシミュレーション結果を図４に示す。
このポテンシャルプロファィルを比較してみると、ポテンシャルの最深部２０が図３では、図４の従来の場合よりも右側に、すなわちソース１側よりに移動していることがわかる。このように最深部２０がソース１側に移動しているということはセンサー４のポテンシャルがソース１側でより低くなったことを意味している。
【００１７】
この図３のシミュレーション結果に示すように、ゲート２の長さ方向（図１（ａ）の直線Ａ−Ｂ方向）についてゲート２の下の不純物濃度を変化させ、ソース１側で不純物濃度を高くするようにすると、センサー４部分のポテンシャルプロファィルを、その最深部２０がソース１よりになるように変化させることができる。ポテンシャルの最深部２０がソース１に近付けば、センサー４のポテンシャルはソース１側で低くなることになり、ゲート２の下の全体で光電変換した電荷は、このポテンシャルの低いソース１側に集まってくる。
これによって、ゲート２の下の全体の電荷量が同一であっても、電荷がソース１に与える影響がより大きくなり、したがって電荷に伴うソース電位の変調度が大きくなってきて、このため、同じ光量によって出力が大きくとれるという高感度化の効果が得られる。
【００１８】
次に、このような不純物濃度の分布の構成を実現する製造方法の一実施の形態を、図５および図６に示す。
図５（ａ）のように表面にＳｉ表面酸化膜９を構成し、ＯＦＢ７が設けられた半導体基板８に対して、まず図５（ｃ）のような第１のレジストマスク１０を用いて、図５（ｂ）のように第１回目のセンサーイオンインプランテーション（Ion Implantation）を行い、不純物を打ち込む。この第１のレジストマスク１０は、センサー４の領域のうち、特にソース１の近傍の部分だけを開口したマスクである。
【００１９】
次に、第１回目のセンサーイオンインプランテーションを行った基板８に対して、図６（ｂ）のような第２のレジストマスク１１を用いて、図６（ａ）のように第２回目のセンサーイオンインプランテーションを行って、さらに不純物を打ち込む。この第２のレジストマスク１１の開口部分は、第１のレジストマスク１０とソース１側の部分で開口のエッジが一致し、ドレイン３側ではさらに広く開口されたものである。
さらに、この後、レジストマスクなしで図６（ｃ）のように第３回目のセンサーイオンインプランテーションを行って必要な不純物濃度を達成する。
この結果、図６（ｄ）に示すように、図１（ａ）に示したような構成が実現される。
【００２０】
このように、複数の開口部分の異なるレジストマスクを用いてイオンインプランテーションを繰り返し、その繰り返しの回数をソース１の近傍で他の部分よりも多くすることによって、センサー４部分の不純物濃度をソース１の近傍で他の部分よりも高く形成することができる。
このように複数枚のマスクを用いてイオンインプランテーションを繰り返すことによって、比較的簡単な従来からある手法を使って、センサー領域の不純物濃度をソース１側の部分で高くし、ソース１近傍の部分でのポテンシャルを低くすることができる。
【００２１】
イオンインプランテーションの技術は、近年非常に進歩した技術であり、常に状況をモニタしながらイオンの数を把握しながら、また、打ち込みの深さやプロファイルを制御しながら精密な不純物導入が可能になっている。また、レジストや他の膜をマスクとした場合の選択性も優れている。
したがって、このような手法を用いることによって、ゲート２の下の部分全体で光電変換によって発生した電荷を、このポテンシャルが一番低いソース１側の部分に集めることができ、このように電荷がソース１側の周辺に集まれば、蓄積電荷のソース電位に及ぼす影響を高くすることができるので、比較的簡単な従来からの手法で高感度の固体撮像装置を実現することができる。
【００２２】
図７は、不純物濃度の分布の構成を実現する製造方法の他の実施の形態を示したものである。
この方法では、図７（ａ）のように表面にＳｉ表面酸化膜９を構成し、ＯＦＢ７が設けられた半導体基板８に対して、まず図７（ｃ）のようなソース１の部分だけを開口したレジストマスク１２を用いて、図７（ｂ）のようにセンサーイオンインプランテーションを行い、不純物を打ち込む。
その後、熱拡散の手法を用いて、図７（ｂ）でイオンインプランテーションによって打ち込んだ不純物をセンサー領域に拡散させる。
この結果、図７（ｄ）に示すように、図１（ａ）に示したようなＭＯＳトランジスタの構成が実現される。
【００２３】
このようにすると、図５および図６の実施の形態の場合と同様に、比較的簡単に、従来からの手法によって、センサー領域の不純物濃度をソース１側の部分で高く、ポテンシャルを低くすることができる。したがって、ゲート２の下の部分の全体で光電変換によって発生した電荷を、このポテンシャルが低いソース１側の部分に集めることができて、蓄積電荷がソース電位に及ぼす影響を高くすることができるので、比較的簡単な従来からの手法で高感度の撮像素子を実現することができる。また、イオンインプランテーション後の熱処理工程は、結晶構造の再生に必要な工程であるので、処理時間は長くなるものの工程を特に増やす必要なく全処理が実現できるので、効率的である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって、容量負荷動作またはソースフォロワ動作で、このＭＯＳトランジスタソースから順次読み出す固体撮像装置において、このＭＯＳトランジスタのゲート下の不純物濃度を不均一にし、ソース側でより高くする。
これによって、電荷の蓄積位置をよりソース側に寄せるようにすることができ、ゲートの下の部分全体で光電変換によって発生した電荷を、このポテンシャルが低いソース側の部分に集めることができる。この結果、蓄積電荷がソース電位に及ぼす影響を高くして、高感度の撮像素子を実現することができる。
【００２５】
また、このような固体撮像装置を製造する方法として、本発明では、単位撮像素子を構成するＭＯＳトランジスタのゲートの長さ方向に形状（例えば開口の形状）の異なる複数のマスクを用いて複数回のセンサーイオンインプランテーションを行い、ＭＯＳトランジスタの、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を、他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くする。
これにより、従来から確立されている手法を用いて、比較的簡単な方法で、ＭＯＳトランジスタのゲート下の不純物濃度をソース側でより高くすることができる。
【００２６】
さらに、ＭＯＳトランジスタのソースのみが開口したマスクを用いて不純物打ち込みを行い、続いて、この不純物打ち込み終了後に熱処理により不純物の拡散を行って、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くする。
これにより、従来から確立されている手法を用いて、比較的簡単な方法で、ＭＯＳトランジスタのゲート下のポテンシャル分布を、ソース側でより深くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の固体撮像装置の固体撮像素子の構成を示す平面図および断面図。
【図２】図１に示す固体撮像装置の基本回路図。
【図３】本実施の形態の固体撮像素子の断面ポテンシャルプロファィルのシミュレーション結果。
【図４】従来の固体撮像素子の断面ポテンシャルプロファィルのシミュレーション結果。
【図５】本発明の固体撮像装置の製造方法の一実施の形態を示す説明図。
【図６】本発明の固体撮像装置の製造方法の一実施の形態を示す説明図（続き）。
【図７】本発明の固体撮像装置の製造方法の他の実施の形態を示す説明図。
【符号の説明】
１……ソース、２……ゲート、３……ドレイン、４……センサー、５……Ｎ−プラグ、６……ポテンシャル調整用の領域、７……ＯＦＢ、８……基板、９……Ｓｉ表面酸化膜、１０、１１、１２……レジストマスク、２０……ポテンシャルの最深部、２１……垂直シフトレジスタ、２２……水平シフトレジスタ、２３……垂直信号線、２４……映像信号出力線、２５……ＭＯＳトランジスタ、２６……受光部。

Claims

光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって順次読み出す固体撮像装置において、
前記ＭＯＳトランジスタのゲート下に、ソース近傍が他部より深くなるようなポテンシャル分布を有し、
このＭＯＳトランジスタのゲート下に蓄積される光電変換により発生した電荷をソース側に寄せて蓄積させる
ことを特徴とする固体撮像装置。
光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって順次読み出す固体撮像装置の製造方法において、
前記ＭＯＳトランジスタのゲートの長さ方向に形状の異なる複数のマスクを用いて複数回の不純物打ち込みを行い、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を、他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くする
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
光電変換機能と信号電荷読み出し機能を有するＭＯＳトランジスタからなる単位撮像素子を複数マトリクス状に平面上に配列し、光電変換機能によってこの単位撮像素子に蓄積された電荷に対応する信号電荷を信号電荷読み出し機能によって順次読み出す固体撮像素子の製造方法において、
前記ＭＯＳトランジスタのソースのみが開口したマスクを用いて不純物打ち込みを行い、この不純物打ち込み終了後に熱処理により不純物の拡散を行って、ソース近傍のゲート下の不純物濃度を他の部分のゲート下の不純物濃度よりも高くする
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。