JP4487634B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、黒基準となる信号を生成するためのＯＰＢ（optical black）部を備えた固体撮像素子及びその製造方法に関する。

従来より、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子においては、多数の画素を２次元配列で設けた半導体基板上に上層膜を介して遮光膜を配置し、この遮光膜に各画素に対応して設けた開口部から各画素のフォトダイオード（光電変換素子）に光を入射させることにより、各フォトダイオードにおいて入射光量に応じた信号電荷を生成し、これを読み出すことで画像信号を得るようになっている（例えば、特許文献１参照）。
そして、このようなイメージセンサでは、一般に、画像信号の輝度レベルを決定するための基準となる黒基準レベルを得るために、遮光膜で遮蔽した領域にフォトダイオードを設け、このフォトダイオードから得られる信号レベルを黒基準として採用するＯＰＢ（optical black）部を設けるようになっている。
特開２００１−８１１３号公報

ところで、従来のイメージセンサに設けられるＯＰＢ部は、基本的に有効画素のフォトダイオードと同様の工程によってフォトダイオードを形成し、有効画素と共通の遮光膜によってフォトダイオードの受光部を遮蔽する、つまり開口部を開けない状態で配置するようになっている。
しかしながら、このような方法でＯＰＢ部を形成した場合、遮光膜で遮光した後の工程で、遮光膜の有無（つまり、開口部の有無）によってフォトダイオードに及ぼす影響が有効画素とＯＰＢ部とで異なり、有効画素のフォトダイオードとＯＰＢ部のフォトダイオードとで特性上の段差が生じる場合がある。
このため、実際に必要となる黒基準レベルに誤差が生じ、その誤差が大きくなると、例えば暗時に有効画素の信号レベルがＯＰＢ部の信号レベルより大きいときには、黒となるべきところが黒にならないので、不自然な画像となってしまう。
また、逆に暗時に有効画素の信号レベルがＯＰＢ部の信号レベルより小さいときには、ＯＰＢ部より小さい信号レベルの有効画素が黒と認識されて無視され、映るべき画像が消えてしまい、不自然な画像となってしまう。
なお、有効画素とＯＰＢ部との特性上の段差を除去する方法として、両者の形状を変化させる方法も可能であるが、この場合には、有効画素とは別のマスクを用いてＯＰＢ部を作成することが必要となり、製造工程の煩雑化や製造コストの増大を招くという問題があった。

そこで本発明は、製造工程を煩雑化や製造コストの増大を招くことなく、有効画素とＯＰＢ部との特性上の段差を除去し、適正な黒基準レベルによる画像出力を実現できる固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の製造方法は、光電変換素子を含む半導体素子が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に上層膜を介して配置される遮光膜とを備え、前記遮光膜に形成した開口部より入射した光を受光して光電変換を行う光電変換素子を有する複数の有効画素と、前記遮光膜に遮蔽された暗状態で黒基準となる信号を生成する光電変換素子を有するＯＰＢ部とを前記半導体基板に形成した固体撮像素子の製造方法であって、前記ＯＰＢ部の光電変換素子に対し、前記有効画素の光電変換素子には注入しない追加の不純物注入を行うことにより、当該ＯＰＢ領域と当該有効画素との黒基準レベルの誤差に係わる特性上の段差を除去できる不純物プロファイルを得る工程を設けたことを特徴とする。
また、本発明の固体撮像素子は、光電変換素子を含む半導体素子が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に上層膜を介して配置される遮光膜とを備えるとともに、前記半導体基板に、前記遮光膜に形成した開口部より入射した光を受光して光電変換を行う光電変換素子を有する複数の有効画素と、前記遮光膜に遮蔽された暗状態で黒基準となる信号を生成する光電変換素子を有するＯＰＢ部とを備え、
前記ＯＰＢ部の光電変換素子は、前記有効画素の光電変換素子には注入しない追加の不純物が注入されたことにより、当該ＯＰＢ領域と当該有効画素との黒基準レベルの誤差に係わる特性上の段差を除去できる不純物プロファイルを有していることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、ＯＰＢ部の光電変換素子に有効画素の光電変換素子には注入しない追加の不純物を注入することにより、有効画素とＯＰＢ部との特性上の段差を除去することから、大幅な工程の追加を行うことなく、有効画素とＯＰＢ部の特性を一致させることができ、製造工程を煩雑化や製造コストの増大を招くことなく、適正な黒基準レベルによる画像出力を実現できる効果がある。

本発明の実施の形態による固体撮像素子及びその製造方法は、半導体基板に有効画素とＯＰＢ部のフォトダイオードを形成する場合に、マスク等の形状は共通で行うものの、ＯＰＢ部のフォトダイオードについては、追加の不純物イオン注入を行い、その後の工程で生じる遮光膜（開口部）の有無に伴って生じる特性上の段差を除去するようにする。
なお、追加の不純物イオン注入は、ＯＰＢ部のフォトダイオードの全体に行ってもよいが、部分的に行うことも可能であり、フォトダイオードの不純物プロファイル等に応じて最適な領域を適宜選択して行えば、さらに特性の向上を図ることが可能である。

図１〜図３は本発明の実施例による固体撮像素子の構造を示す図であり、図１は有効画素の素子配置を示す平面図、図２はＯＰＢ部の素子配置を示す平面図である。また、図３は有効画素とＯＰＢ部の積層構造を示す断面図であ利、図１のα−α´断面及びβ−β´断面を示している。
本実施例において、有効画素とＯＰＢ部は基本的に共通の構造を有しており、フォトダイオード部分に対する不純物の注入状態だけが相違点である。

まず、図１において、有効画素１０には、光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１が設けられ、このフォトダイオードＰＤ１から信号電荷をフローティングデフュージョン部ＦＤ１に転送する転送ゲート１１と、フローティングデフュージョン部ＦＤ１の電位を電圧信号または電流信号に変換する増幅ゲート１２と、フローティングデフュージョン部ＦＤ１の電位を電源電位ＶＤＤにリセットするリセットゲート１３と、増幅ゲートの出力信号を出力信号線に接続する選択ゲート１４の各ＭＯＳトランジスタが設けられている。
一方、図２に示すように、ＯＰＢ部２０にも、光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ２が設けられ、このフォトダイオードＰＤ２から信号電荷をフローティングデフュージョン部ＦＤ２に転送する転送ゲート２１と、フローティングデフュージョン部ＦＤ２の電位を電圧信号または電流信号に変換する増幅ゲート２２と、フローティングデフュージョン部ＦＤ２の電位を電源電位ＶＤＤにリセットするリセットゲート２３と、増幅ゲートの出力信号を出力信号線に接続する選択ゲート２４の各ＭＯＳトランジスタが設けられている。なお、有効画素１０及びＯＰＢ部２０は素子分離領域１によって隣接画素と分離されている。

また、図３において、半導体基板３０の上層に設けたＰ型領域３１には、有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１とＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２が形成されている。有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１は上層のＰ＋層３２と下層のＮ層３３を含み、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２は上層のＰ＋層３４と下層のＮ‐層３５を含んでいる。つまり、有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１とＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２とで不純物濃度が異なり、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２に追加のＰ型イオン注入を行うことで、下層のＮ型不純物濃度をＮ−にしている。また、有効画素１０とＯＰＢ部２０とで、Ｎ型イオンの注入工程を分けて行うようにしている。
また、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の側部には、上述した転送ゲート１１、２１が配置されており、半導体基板３０の上面に絶縁膜４０を介して転送ゲート電極３６、３７が設けられるとともに、その外側にフローティングデフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２となるＮ＋層３８、３９が形成されている。
また、半導体基板３０の上部には、絶縁膜４０及び転送ゲート電極３６、３７の上層に層間絶縁膜４１を介して複数層の配線層４２が設けられ、層間絶縁膜４１の上面に遮光膜４３が配置されている。この遮光膜４３は、アルミ膜等からなり、有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１の受光領域に対応して開口部４３Ａが形成されているが、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２については開口部を持たず、完全な遮蔽構造となっている。
なお、遮光膜の上部には、さらに上層膜を介してカラーフィルタやオンチップレンズが配置されるが、本発明の構成には直接関係しないため、ここでは省略する。

次に、本実施例の特徴となるフォトダイオードのイオン注入工程について説明する。
本実施例において、有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１とＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２の特性上の段差を除去するため、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２には、有効画素１０のフォトダイオードＰＤ１には導入しない追加のイオン注入を行う。
この追加のイオン注入は、新規のイオン注入工程を用いるのではなく、従来から既存のイオン注入工程を１回または複数回繰り返すことにより、工程の大幅追加を伴うことなく安価に実現できる。
また、追加するイオン注入は、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２の特性上の段差を除去するために、ＯＰＢ部２０の暗電流の発生量を最適化するように、イオン種及びドーズ量と注入エネルギを決定するものとする。なお、最終的な条件は、試作実験等によって詳細を決定することができる。

また、イオン注入は、フォトダイオードＰＤ２の全体に行うようにしてもよいが、部分的に行うようにしてもよい。図２はフォトダイオードＰＤ２の部分領域に追加のイオン注入を行う例を示しており、斜線で示した領域５１が追加のイオン注入領域である。
例えば、図３に示す不純物プロファイルを得るために、Ｐ型イオンを追加注入する場合には、このＰ型イオン注入によってフォトダイオードの光電変換領域が浅くなるため、転送ゲート２１から離した領域（具体的には転送ゲートに隣接する辺を除く３辺に沿う領域）にイオン注入を行うことにより、信号電荷の読み出し特性に影響を与えないようにする。
また、図４は図２と異なるイオン注入領域を選択した例を示している。この例は、図３に示す不純物プロファイルを得るために、Ｎ型イオンを追加注入する場合である。この場合、追加のイオン注入は斜線領域５２で示すように、転送ゲート２１の近傍領域に行う。つまり、Ｎ型イオン注入によってフォトダイオードの光電変換領域が深くなるため、転送ゲート２１の近傍領域にイオン注入を行うことにより、信号電荷の読み出し特性に影響を与えないようにする。

以上のように本実施例では、ＯＰＢ部２０のフォトダイオードＰＤ２の特性上の段差を除去するために、既存のイオン注入工程を重複して用いた追加のイオン注入を行うようにしたことから、フォトダイオード自体の構造を変更することなく、イオン種、エネルギ、ドーズ量の変更を行うだけで済み、試作等も容易である。特に、イオン注入用のテストマスクを決定できれば、後はエネルギやドーズ量を変えて試作作業を繰り返せばよく、設備の増加を伴わず、容易に特性を最適化することが可能である。
したがって、ＯＰＢ部２０の特性段差低減の試作回数や作業時間を大幅に増加することなく、最適な特性を実現できる。

本発明の実施例１に係る固体撮像素子の有効画素の素子配置を示す平面図である。 図１に示す固体撮像素子のＯＰＢ部の素子配置の第１の例を示す平面図である。 図１に示す固体撮像素子の素子構造を示す断面図である。 図１に示す固体撮像素子のＯＰＢ部の素子配置の第２の例を示す平面図である。

符号の説明

ＰＤ１、ＰＤ２……フォトダイオード、１０……有効画素、１１、２１……転送ゲート、１２、２２……増幅ゲート、１３、２３……リセットゲート、１４、２４……選択ゲート、２０……ＯＰＢ部、３０……半導体基板、３１……Ｐ型領域、３２、３４……Ｐ＋層、３３……Ｎ層、３５……Ｎ‐層、３６、３７……転送ゲート電極、３８、３９……Ｎ＋層、４０……絶縁膜、４１……層間絶縁膜、４２……配線層、４３……遮光膜、４３Ａ……開口部。

Claims (7)

1. 光電変換素子を含む半導体素子が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に上層膜を介して配置される遮光膜とを備え、前記遮光膜に形成した開口部より入射した光を受光して光電変換を行う光電変換素子を有する複数の有効画素と、前記遮光膜に遮蔽された暗状態で黒基準となる信号を生成する光電変換素子を有するＯＰＢ部とを前記半導体基板に形成した固体撮像素子の製造方法であって、
   前記ＯＰＢ部の光電変換素子に対し、前記有効画素の光電変換素子には注入しない追加の不純物注入を行うことにより、当該ＯＰＢ領域と当該有効画素との黒基準レベルの誤差に係わる特性上の段差を除去できる不純物プロファイルを得る工程を設けた、
   固体撮像素子の製造方法。
2. 前記追加の不純物注入は有効画素とＯＰＢ部で共通する不純物注入工程をＯＰＢ部だけに１回または複数回追加して行う請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記追加の不純物注入は前記ＯＰＢ部の光電変換素子の一部に注入する請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記追加の不純物注入は前記ＯＰＢ部の光電変換素子における読み出しゲートから離れた位置に注入する請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記追加の不純物注入は前記ＯＰＢ部の光電変換素子における読み出しゲートの近傍位置に注入する請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 光電変換素子を含む半導体素子が形成される半導体基板と、前記半導体基板上に上層膜を介して配置される遮光膜とを備えるとともに、前記半導体基板に、前記遮光膜に形成した開口部より入射した光を受光して光電変換を行う光電変換素子を有する複数の有効画素と、前記遮光膜に遮蔽された暗状態で黒基準となる信号を生成する光電変換素子を有するＯＰＢ部とを備え、
   前記ＯＰＢ部の光電変換素子は、前記有効画素の光電変換素子には注入しない追加の不純物が注入されたことにより、当該ＯＰＢ領域と当該有効画素との黒基準レベルの誤差に係わる特性上の段差を除去できる不純物プロファイルを有する
   固体撮像素子。
7. 前記ＯＰＢ部の光電変換素子は、その一部に前記追加の不純物が注入されている請求項６記載の固体撮像素子。

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