JP4051059B2 - Cmosイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はCMOSイメージセンサ及びその製造方法に関し、特にイメージセンサのアクティブ領域とフィールド領域との境界面がイオン注入によって損傷しないCMOSイメージセンサ及びその製造方法に関するものである。
イメージセンサは、光学映像を電気信号に変換させる半導体素子であって、大きく電荷結合素子(CCD)とCMOSイメージセンサとに区分される。電荷結合素子は、それぞれのMOSキャパシターが互いに非常に近接した状態で、電荷キャリアがキャパシターに格納及び移送される素子であり、一方、CMOSイメージセンサは、制御回路や信号処理回路を周辺回路として使用するCMOS技術を用いて画素数だけのMOSトランジスタを作り、これを用いて出力を検出するスイッチング方式を採用する素子である。
CCDは、駆動方式が複雑で電力消耗が多く、マスク工程のステップ数が多いため、信号処理回路をCCDチップ内に設けることができないなどの短所があるが、最近ではこのような短所を克服ためにサブマイクロンCMOS製造技術を用いたCMOSイメージセンサの開発が活発に進んでいる。
CMOSイメージセンサでは単位画素内にフォトダイオードとMOSトランジスタを形成させ、スイッチング方式で信号を検出することでイメージを得ているが、上述したようにCMOS製造技術を利用するため、全力消耗が少なく、かつマスクの数も20個程度で30〜40個のマスクが必要なCCD工程に比べて工程が非常に単純である。このため、信号処理回路を単一のチップ内に集積することができ、製品の小型化による多様な応用が可能である。
CMOSイメージセンサの構成を説明すると次の通りである。図1及び図2は従来技術に係るCMOSイメージセンサの単位画素の構造を概略的に示した回路図とレイアウトである。参考までに、CMOSイメージセンサを構成するトランジスタの個数は3つ以上の多様な形態であるが、説明の便宜上3つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサを中心に記述する。
図1及び図2に示したように、CMOSイメージセンサの単位画素100は、光感知手段としてのフォトダイオード110と、3つのNMOSトランジスタとで構成されている。
3つのトランジスタのうち、リセットトランジスタ(Rx)120は、フォトダイオード110で生成された光電荷を移送させる役割、及び信号検出のために電荷を排出する役割を果たし、ドライバートランジスタ(Dx)130はソースフォロワーとしての役割を果たす。又、セレクトトランジスタ(Sx)140はスイッチング及びアドレッシングのためのものである。
一方、単位画素のイメージセンサにおいて、電荷の移動を円滑にするためにフォトダイオード110がリセットトランジスタ(Rx)120のソースの役割を実施するようになっており、このために単位画素のイメージセンサ製造過程で、図2に示したように、前記フォトダイオード110の部分を含む領域に低濃度又は高濃度の不純物イオンを注入する工程を適用している。図2のA−A’線に沿った断面に対する製造工程を詳しく見てみると次の通りである。参考までに、図2の実線はアクティブ領域160を示す。
まず、図3aに示したように、シャロートレンチアイソレーション(STI)工程などを用いて、素子分離膜121の形成が完了したp型半導体基板101上にゲート絶縁膜122及びゲート電極123を順次形成する。ここで、図示してはいないが、前記p型基板内にp型エピ層を予め形成することができる。
基板の全面上に感光膜を塗布した後、フォトリソグラフィー工程を用いてフォトダイオード領域を決める感光膜パターンを形成する。この時、感光膜パターンはゲート電極を露出させない。
このような状態で、基板の全面上に低濃度の不純物イオン、例えばn型の不純物イオンを注入して基板内部に所定の深さを持つ低濃度の不純物領域(n-)を形成する。
そして、図3bに示したように、低濃度の不純物領域を露出させないようにして別の感光膜パターンを形成し、これをイオン注入マスクとして用いて前記ゲート電極のドレイン領域にLDD構造のための低濃度の不純物領域を形成する。
その後、図3cに示したように、ゲート電極の側壁にスペーサーを形成し、n型不純物領域(n-)上にp型不純物領域(Po)を形成してフォトダイオード形成工程を完了する。フォトダイオードが完成した状態で、高濃度の不純物イオンを選択的に注入してゲート電極のドレイン領域に高濃度の不純物領域(n+)を形成すると図2のA-A’線で示した工程は完了する。
しかしながら、従来のCMOSイメージセンサ製造方法において、フォトダイオード形成のための低濃度の不純物イオン注入工程時のアクティブ領域は勿論、素子分離膜の全面にもイオン注入が実施される。この時、素子分離膜とアクティブ領域の間の境界面に注入されたイオンによって基板のその部分に欠陥が発生する。
このようなイオン注入による欠陥は電荷又は正孔キャリアの発生を引き起こし、電荷と正孔の再結合場所を提供することになり、フォトダイオードの漏洩電流を増加させる。即ち、光が全くない状態でもフォトダイオードからフローティング拡散領域に電子が移動する現象である暗電流が発生する。暗電流は、主にシリコン表面の近く、素子分離膜とpoの境界、素子分離膜とn-の境界、poとn-の境界さらにはp領域とn-領域またはダングリングボンドで発生する各種の欠陥によって引き起こされ、CMOSイメージセンサの低照度(low illumination)特性を悪化させる。
アメリカ特許第6,462,365号ではフォトダイオードの損傷によって発生する暗電流を抑制するための方法として、フォトダイオード領域に対応する部位に素子分離膜とトランスファーゲートを形成することを提案した。この他にも暗電流を最小化するための様々な方法が提案されているが、素子分離膜とアクティブ領域の間の境界面でのイオン注入による欠陥発生に対する効果的な方法がまだ提示されていていない。
本発明は上記の問題点を解決するために案出したもので、イメージセンサのアクティブ領域とフィールド領域との境界面がイオン注入によって損傷することないイメージセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のCMOSイメージセンサは、フィールド領域によって区画されるアクティブ領域を具備する第1導電型の半導体基板と、前記アクティブ領域の所定の部位に形成されているフォトダイオードと、前記フォトダイオードの周縁に沿って形成された素子分離膜と、前記素子分離膜の側面部に形成されている高濃度の第1導電型不純物イオン領域とを含むことを特徴とする。
本発明のCMOSイメージセンサの製造方法は、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する段階と、前記トレンチの側面に高濃度の第1導電型不純物イオン領域を形成する段階と、前記トレンチに絶縁膜を形成させて素子分離膜を形成する段階と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極を順次形成する段階と、前記ゲート電極と前記素子分離膜の間の基板内部にフォトダイオードのための第2導電型の不純物領域を形成する段階とを含むことを特徴とする。
好ましくは、前記トレンチ形成段階は、半導体基板上に犠牲酸化膜とハードマスク層を順次積層する過程と、前記基板のフィールド領域に前記犠牲酸化膜及びハードマスク層に開口部を形成させ、前記開口部内の基板の表面を露出させる過程と、前記ハードマスク層をエッチングマスクとして用いて前記露出した基板にトレンチを形成する過程とで構成することである。
好ましくは、前記高濃度の第1導電型不純物イオン領域を形成する段階は、高濃度の第1導電型不純物イオンを前記基板に所定の角度だけ傾斜した角度(θ)でトレンチの少なくとも1側面に注入することである。
Wが前記素子分離膜とゲート電極の間の幅、H1がフォトダイオード領域のための第2導電型の不純物イオン領域の深さ、前記H2が中濃度又は高濃度の第1導電型不純物イオン注入時に使われる感光膜パターンの高さとするとき、好ましくは、前記傾斜した角度(θ)は、tanθ= W/(H1+H2)の式である。。
好ましくは、高濃度の第1導電型不純物イオン領域は100〜300Åの幅である。
好ましくは、前記高濃度の第1導電型不純物イオンはホウ素(B)又はフッ化ホウ素(BF2)イオンのうち何れかのイオンである。
好ましくは、前記高濃度の第1導電型不純物イオン領域は、第1導電型の不純物イオンを1E12〜1E15 ions/cm2の濃度で注入して形成することができる。
本発明に係るCMOSイメージセンサ及びその製造方法には次のような効果がある。
CMOSイメージセンサの単位画素を形成する際に、フォトダイオードを取り囲む素子分離膜の形成時、素子分離膜のためのトレンチの側面部にフォトダイオードの(n-)領域と反対の導電型である高濃度のp型不純物イオン領域を予め形成することによって、フォトダイオードの(n-)領域の形成時に引き起こされる素子分離膜の境界面の損傷による暗電流の発生などを最小化することができる。
以下、 添付の図面に基づいて本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を詳細に説明する。
図4は本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの構造を示した断面図で、図5a〜5gは本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。図6は本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの単位画素を示したレイアウトである。
まず、本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサのレイアウトを詳しく見ると、図6に示したように、フィールド領域によってアクティブ領域が決められるが、アクティブ領域は太い実線423の内側領域に該当する。アクティブ領域の所定部位とオーバーラップするようにリセットトランジスタ(Rx)120のゲート電極123、ドライバートランジスタ(Dx)130のゲート電極、セレクトトランジスタ140のゲート電極が配置される。
一方、アクティブ領域の一部分にはフォトダイオード(PD)が形成されるが、フォトダイオードの内側の周縁に沿って半導体基板と同一の導電型の不純物イオン領域、例えば高濃度のP型不純物イオン領域(P+)440が基板の内部に形成されている。
即ち、(P+)領域440は、フィールド領域の素子分離膜とフォトダイオード領域の間の境界面に形成されている。
図6のB-B’線によるCMOSイメージセンサの断面構造を図4に基づいて説明する。
図4に示したように、 P++型半導体基板401上にP-型エピ層が形成されている。また、半導体基板401のアクティブ領域を隔離するために基板401のフィールド領域に素子分離膜406aが形成されている。基板401のアクティブ領域となった領域上にはゲート絶縁膜122とゲート電極123が順次に形成されており、ゲート電極123及びゲート絶縁膜122の側壁にはスペーサー129が形成されている。
ゲート電極123と素子分離膜406aによってフォトダイオード領域が決められる。フォトダイオードは低濃度のn型不純物領域(n-)409とその下の基板401のp型エピ層(p-epi)がpn接合を形成している。また、ゲート電極123の片側の基板401内部にはLDD構造を有するドレイン領域(n+)が形成されている。
一方、素子分離膜406aとフォトダイオード領域の間の境界面には高濃度のP型不純物イオン領域(P+)440が形成されている。(P+)領域440はフォトダイオード領域のための低濃度のn型不純物領域(n-)409の形成時に素子分離膜406aとフォトダイオード領域の間の境界面がイオン注入で損傷するのを防止して、電子と正孔が再結合する場所を提供する役割を果たす。
以下、かかる構造を有する本発明実施形態のCMOSイメージセンサの製造方法を詳細に説明する。
まず、図5aに示したように、半導体基板401、例えばp型単結晶シリコン基板401(P++-sub.)上に高温の熱酸化工程によって犠牲膜として犠牲酸化膜402を40〜150Åの厚さで成長させる。基板401内にp型エピ層(p-epi.)を予め形成させておくことができる。
p型エピ層(p-epi.)は、フォトダイオードでの空乏領域を大きくかつ深く形成させて、光電荷を集めるための低電圧フォトダイオードの能力を増加させ、ひいては光感度を改善させる役割を果たす。
そして、犠牲酸化膜402上に低圧の気相成長(CVT)工程によってハードマスク層としての犠牲窒化膜403を500〜1500Åの厚さで積層させる。犠牲酸化膜402は、半導体基板401と犠牲窒化膜403のストレスを緩和させるためのものである。犠牲窒化膜403はトレンチの形成時にエッチングマスク層として用いられ、後続の化学機械的研磨工程でエッチング停止膜としての役割も担当する。
その後、基板401のフィールド領域に感光膜(図示せず)の開口部が位置するように前記感光膜のパターンを基板401のアクティブ領域上に形成させ、感光膜のパターンをエッチングマスクとして用いて開口部内の犠牲窒化膜403と犠牲酸化膜402を異方性エッチング特性を有する乾式エッチング工程、例えば反応性イオンエッチング工程によって完全にエッチングさせることで基板401のフィールド領域を露出させる。その後、感光膜のパターンを除去する。
そして、残った犠牲窒化膜403をエッチングマスク層として用いて、露出したフィールド領域の基板401を反応性イオンエッチング工程によって3000Å程度の浅い深さにエッチングする。これにより、基板401のフィールド領域にトレンチ404が形成される。
このような状態で図5bに示したように残存する犠牲窒化膜403をイオン注入マスクとして用いて、高濃度のp型不純物イオン、例えばホウ素(B)又はフッ化ホウ素(BF2)イオンを基板401に所定の角度だけ傾斜した角度で1E12〜1E15ions/cm2の濃度で注入して、トレンチ404の側面に高濃度のp型不純物イオン領域(P+)440を形成する。(P+)領域の幅(d)は100〜300Å程度に形成することが好ましい。
この時、(P+)領域のためのイオン注入時の角度はトレンチ404の幅(W)、トレンチ404の深さ(H2)、基板401上の犠牲酸化膜402及び犠牲窒化膜403の高さ(H1)を考慮して適切な角度を決定するが、それらの関係は次の式で表すことができる。

tanθ= W/(H1 +H 2)

(P+)領域440は、フォトダイオード領域、正確には後続の工程で形成されるフォトダイオードのための(n-)領域と素子分離膜406aの間の境界面に位置しており、暗電流の発生を低減させる役割を果たす。より具体的に説明すると、フォトダイオードを形成するために注入された不純物イオン(n-)によって素子分離膜406aとフォトダイオード領域の間の境界面にイオン注入による欠陥が発生するが、これらの欠陥によって電荷キャリアが発生し、その発生した電荷キャリアがフローティング拡散領域に移動して暗電流を引き起こしていた。(P+)領域は電荷キャリアを捕獲して暗電流の発生を予め防止する役割を果たす。
このトレンチ404側面へのイオン注入は1回以上実施し、特定の方向に傾斜した角度でイオン注入した後、トレンチ404の他の側面にも高濃度のp型不純物イオンを注入するためにそれぞれの側面にも同一の角度で傾斜させてイオンを注入する。これにより、トレンチ404の側面には同一の形態の高濃度のp型不純物イオン領域440が形成される。
高濃度のp型不純物イオン領域440がトレンチ404の側面部に形成された状態で、図5cに示したように、半導体基板401のトレンチ404内を含めた表面に絶縁膜、例えば熱酸化膜405を熱酸化膜工程によって200〜400Åの厚さで成長させる。ここで、熱酸化膜405はトレンチ404形成後にプラズマによる損傷、及び高濃度P型不純物イオンの注入による損傷などを治癒させるためのものであり、正確にはトレンチ404内を含めた半導体基板401の表面上の原子配列に存在するダングリングボンドを取り除くためである。
又、熱酸化膜405は、後に形成される素子分離膜406aとの接合特性を向上させる役割も担当する。しかし、この熱酸化膜405の形成は選択的であって、熱酸化膜405を形成せずに次の工程を進めることもできる。
図5dを参照すると、トレンチ404内及びトレンチを除く基板表面上の犠牲窒化膜403上に素子分離膜用絶縁膜406をトレンチ404を充分に埋めるように基板401の全面に厚く積層させる。この時、トレンチ404内の素子分離膜用絶縁膜406には空間、つまりボイドが存在しないことが好ましい。ここで、素子分離膜用絶縁膜406は半導体素子の設計ルールによって多少差異があるが、O3−TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate)常圧CVD(APCVD)工程や高密度プラズマCVD(HDP CVD)工程によって積層することができる。
説明の便宜上、素子分離膜用絶縁膜406が単一層からなることを基準に説明したが、素子分離膜用絶縁膜406は、例えば酸化膜と窒化膜で構成された2重以上の複数層からなることも可能である。
そして、図5eに示したように、素子分離膜用絶縁膜406を化学機械的研磨工程によって研磨させることで、犠牲窒化膜403に平坦化させる。その後、高温熱処理工程によってトレンチ404内の素子分離膜用絶縁膜406を緻密化させる。その後、図5fに示したように、犠牲窒化膜403及び犠牲酸化膜402をフッ酸溶液などを用いてエッチングして取り除く。これにより、トレンチ404内に素子分離膜406aが形成される。
以上の過程を通じてCMOSイメージセンサの素子分離膜406aが形成された状態で通常のCMOSイメージセンサの製造工程を進める。ここで、素子分離膜406aが形成された位置をより正確に表現すると、素子分離膜406aは、図6のフォトダイオード領域PDを取り囲む部位の素子分離膜406aのことを言う。
素子分離膜406aが形成された状態で、図5gに示したように、アクティブ領域の所定部位にゲート絶縁膜122及びゲート電極123を順次に形成する。ゲート電極123はリセットトランジスタのゲート電極123であり、4T型CMOSイメージセンサの場合にはトランスファートランジスタのゲート電極123に該当する。
その後、ゲート電極123のソース又はドレイン領域にLDD構造のための低濃度の不純物イオン領域を形成する。LDD構造のための低濃度の不純物イオン領域の形成は後続のフォトダイオード領域のための不純物イオン注入工程後に実施することも可能である。
このような状態で、基板401の全面上に感光膜を塗布した後、選択的にパターニングしてフォトダイオード領域を区画する感光膜パターンを形成する。即ち、感光膜パターンによってゲート電極123と素子分離膜406aの間の基板401の表面が露出する。その後、基板401の全面上にフォトダイオード形成のための低濃度の不純物イオン工程を実施する。これにより、フォトダイオードのための低濃度の不純物イオン領域(n-)409が形成され、基板401のp-エピ層(p-epi)とpn接合を成すフォトダイオードが完成する。
上記の工程を通じて形成されるフォトダイオードのための低濃度の不純物イオン領域(n-)409は素子分離膜406aと接するようになるが、素子分離膜406aの側部に高濃度のp型不純物イオン領域440が予め形成されているため、(n-)領域の形成時にイオン注入によって引き起こされる素子分離膜406aとフォトダイオード領域の間の境界面での諸般問題点、即ち、電子又は正孔キャリアの発生、フォトダイオードでの電流漏洩などは、高濃度のp型不純物イオン領域が電子と正孔が再結合する場所を提供することによって予め防止できる。
以後、図面に示してはいないが、フォトダイオード領域の基板401表面の内部に中濃度のp型不純物イオン注入、フローティング拡散領域の形成など、通常のCMOSイメージセンサの製造単位工程を適用すると、本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法は完了する。
従来の技術に係るCMOSイメージセンサの単位画素の構造を概略的に示した回路図である。 従来の技術に係るCMOSイメージセンサの単位画素を示したレイアウトである。 図2のA−A′線による工程断面図である。 図2のA−A′線による工程断面図である。 図2のA−A′線による工程断面図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの構造断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明実施形態に係るCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明に係るCMOSイメージセンサの単位画素を示したレイアウトである。
符号の説明
122 ゲート絶縁膜
123 ゲート電極
129 スペーサー
401 半導体基板
406a 素子分離膜
409 フォトダイオードのための低濃度の第2導電型不純物イオン領域
411 中濃度の第1導電型不純物イオン領域
440 高濃度の第1導電型不純物イオン領域

Claims (5)

  1. 第1導電型低濃度エピ層を有する第1導電型の半導体基板上に犠牲層を形成させる段階と、
    前記犠牲層に開口を形成させ、その開口を形成させた犠牲層をマスクとして前記第1導電型の半導体基板のフィールド領域にトレンチを形成する段階と、
    前記第1導電型低濃度エピ層内の前記トレンチの側面部に、前記犠牲層をそのままマスクとして用いて高濃度の第1導電型不純物イオン領域を形成する段階であって、高濃度の第1導電型不純物イオンを前記基板に所定の角度だけ傾斜した角度(θ)でトレンチの一側部又は両側部に注入し、 前記傾斜した角度(θ)は

    tanθ= W/(H1+H2)の式であり、

    前記Wは前記トレンチの幅、前記H1は前記基板上に形成させた犠牲層の高さ、前記H2は前記トレンチの深さである、前記高濃度の第1導電型不純物イオン領域を形成する段階と、
    前記トレンチに素子分離用の絶縁膜を堆積させて素子分離膜を形成する段階と、
    前記半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極を順次形成する段階と、
    前記第1導電型低濃度エピ層内のアクティブ領域の所定の部分にフォトダイオードのための第2導電型の不純物領域を形成する段階とを含み、
    前記アクティブ領域の所定の部分に形成させた前記第2導電型の不純物領域は、前記第1導電型の高濃度不純物イオン領域が、当該第2導電型の不純物領域と前記素子分離との間の境界面になるように形成される
    とを特徴とするCMOSイメージセンサの製造方法。
  2. 第1導電型の半導体基板上に犠牲層を形成させる段階は、前記半導体基板上に前記犠牲層を形成させるための犠牲酸化膜とハードマスク層を順次積層する過程で構成され
    前記トレンチ形成段階は、
    前記基板のフィールド領域に前記犠牲酸化膜及びハードマスク層の開口部を形成させ、前記開口部内の基板の表面を露出させる過程と、
    前記ハードマスク層をエッチングマスクとして用いて前記露出した基板にトレンチを形成する過程とで構成されることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  3. 高濃度の第1導電型不純物イオン領域は100〜300Åの幅で形成することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  4. 前記高濃度の第1導電型不純物イオンはホウ素(B)又はフッ化ホウ素(BF2)イオンのうち、何れかのイオンであることを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
  5. 前記高濃度の第1導電型不純物イオン領域は、第1導電型の不純物イオンを1E12〜1E15 ions/cm2の濃度で注入して形成することを特徴とする請求項1に記載のCMOSイメージセンサの製造方法。
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