JP4789463B2 - 光電変換装置とその製造方法,及び撮像システム - Google Patents

光電変換装置とその製造方法,及び撮像システム Download PDF

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Description

本発明は光電変換装置、より具体的にはMOS型光電変換装置及びその製造方法に関するものである。
光電変換装置は、近年ディジタルスチルカメラ、ビデオカムコーダを中心とする2次元画像入力装置の光電変換装置として、あるいはファクシミリ、スキャナを中心とする1次元画像読み取り装置として利用され、急速に需要が高まっている。
この光電変換装置としてCCDやMOS型光電変換装置が用いられている。MOS型光電変換装置の代表としては、周辺回路も含めてCMOSプロセスで形成するCMOS光電変換装置(以下、「CMOSセンサ」という)が実用化されている。
図8は、従来のCMOSセンサの画素の回路構成図である。1は光を信号電荷に変換する光電変換素子としてのフォトダイオード(以下、「PD」という)であり、2はPDで発生した信号電荷を転送する転送MOSトランジスタ、3は信号電荷を電圧に変換するための浮遊拡散領域(以下、「FD」という)、4はFD3及びPD1をリセットするためのリセットMOSトランジスタ、5はアレイ中の任意の1行を選択するための選択MOSトランジスタ、6は信号電荷を増幅するためのソースフォロワMOSトランジスタであり、これらで画素が形成され、7は1つの列で共通化され画素信号を読み出す読み出し線、8は定電流源である。図示していないが、この画素からの信号を処理するための回路、および画素内のトランジスタを駆動するための駆動回路(シフトレジスタ)の一方、もしくは両方が、同一基板内に周辺回路として形成されている。各画素(定電流源8を除く)は、アレイ状に配置され光電変換装置を構成する。
図9は、従来のCMOSセンサを搭載した光電変換装置の画素の模式的断面図であって、特に図8におけるPD1と転送MOSトランジスタ2の部分を表わした図である。11はN型シリコン基板、12はP型ウエル(井戸)、13aはシリコン酸化膜からなるMOSトランジスタのゲート絶縁膜、13bは受光部上のシリコン酸化膜、14は転送MOSトランジスタ2のゲート電極、15はPD1を形成するためのN型電荷蓄積領域、16はPD1を埋め込み構造とするための表面P型領域、17は素子分離のための選択酸化膜、18はFD3を形成し、転送MOSトランジスタ2のドレイン領域ともなっているN型不純物領域、19はゲート電極14と第1の配線層21を絶縁するシリコン酸化膜、20はコンタクトプラグ、22は第1の配線層21と第2の配線層23を絶縁する層間絶縁膜、24は第2の配線層23と第3の配線層25を絶縁する層間絶縁膜、26はパッシベーション膜である。カラー用光電変換装置では、パッシベーション膜26の上層に更に不図示のカラーフィルタ層、さらに感度向上のためのマイクロレンズを形成する。12のP型不純物領域と15のN型不純物領域によりPD3が形成されている。
表面から入射した光は第3の配線層25によって規定される開口部を通して、PDに入る。光はPDのN型電荷蓄積領域15或いはP型ウエル12内で吸収され、電子・ホール対を生成する。このうち電子はN型電荷蓄積領域15に蓄積される。蓄積された後、転送ゲート14をオンすることにより、よりポテンシャルの低いFD3へ読み出しがおこなわれる。この読み出し動作後に、N型電荷蓄積領域15を転送MOSを介してリセット動作することにより一定の電圧に完全空乏化され、FD3は転送ゲート14がオフした後に同様のリセット動作により一定の電圧に保持されている。
CMOSセンサにおいて、PD中で発生したキヤリアを、読み出し動作時に転送ゲート14を介して効率的にFD3へ転送するには、N型電荷蓄積領域15を所望の電圧で空乏化、特に好ましくは完全空乏化することが非常に重要である。この空乏化電圧は、光電変換装置の種類、使用目的などによって決定され、PDが取り扱い可能な電荷量、ノイズ特性、駆動電圧等によって、種々の空乏化電圧が設定され、光電変換装置の特性を左右する重要なパラメータとなる。
同時に、N型電荷蓄積領域15は転送ゲート14左端下部に表面P型領域16と、P型ウエル12にはさまれるような形で分布しており、この領域15aの濃度プロファイルが、空乏化されたN型電荷蓄積領域15からの電荷の通り道(転送路15a)となるために、転送特性を左右するもう一つの重要なパラメータとなっている。
以上示した表面P型領域やN型電荷蓄積領域領域15などの半導体領域は、所望の領域にフォトリソグラフィーによるパターニングを実施した後、イオンインプランテーション技術によって形成されるが、前述した様に所望の空乏化電圧を精度良く得るために、エネルギーおよびドーズ量の精度が重要であることはいうまでもない。
また、前述した転送路15aは、転送ゲート14の左端部下に潜り込み(ゲート電極下の少なくとも一部に配されるように)且つ所望の濃度で形成される必要がある。そのため、ウエハミラー面の法線に対して一定の角度傾けて注入を行っている。このとき、ビームの注入角度のみならず、平行度などもウエハ面内で均一に注入される必要があり、所望の転送特性のばらつきを最小にするために重要な制御技術となっている。
また、イオンインプランテーションのプロファイルを制御するもう一つのパラメータとして、半導体基板に対するイオン注入を基板に垂直な方向からでなく、傾けた方向から行ないチャネリングによる不純物プロファイルの深さ方向のばらつきを低減する方法が知られている。
例えば、結晶面方位(100)面を一主面とする半導体基板を用いてイオン注入を行う場合には、チャネリングを避けるためには、イオン注入方向を基板垂直方向から7°程度傾ければ良いことは良く知られている。
そこで、イオン注入自体は垂直方向から行い、且つ上記チャネリングを避けるために、半導体基板の主面を結晶面方位(100)面に対し3°乃至7°だけ傾斜(オフアングル)させた半導体基板を使用する方法や(特許文献1)、結晶面方位(100)面に垂直な<100>軸を(011)面および
Figure 0004789463
面方向へ3.5°乃至10°傾斜させた面を一主面とする半導体基板を使用する方法(特許文献2)などが提案されている。
また、チャネリングは基板表面に酸化膜のような非晶質膜が形成されていても抑制される。金属などの汚染を避けるために、イオン注入時には表面に10〜30nm程度の酸化膜が形成されていることが多い。基板表面に酸化膜が形成された状態で10〜200keV程度の比較的低いエネルギーでイオン注入が行われる従来のプロセスでは、上述した公報記載の従来技術が有効性を発揮することと思われる。
また、<011>方向に4°傾けた半導体基板を用い、半導体基板に垂直方向からイオン注入を行う場合にも、上述した公報記載の従来技術と同様の効果があり、イオン注入時の基板表面にシリコン酸化膜などの非晶質層があることやイオン注入後に高温、かつ、長時間の熱処理があることによって比較的均一な不純物導入層の形成が可能になる。
特開平4−343479号公報 特開平7−172990号公報
以上述べたように、CMOS型光電変換装置のPD構造は既存のCMOSプロセスを使用できる利点があるものの、撮像性能向上のためにはいくつかの問題点を含んでいる。
第一の問題点は、PDを構成する半導体領域形成において、半導体基板に対して所望の転送特性を満足するように注入角度を決めてイオンインプランテーションを行う必要があることである。単にフォトレジストなどの射影を気にして注入角度を垂直にしてイオンインプランテーションを行う場合には、特許文献1や特許文献2にて示されるように、半導体基板の主面方位を傾けることでチャネリングをある程度抑制することが可能である。しかし、N型電荷蓄積領域15を形成する場合のように、ゲート下に存在する半導体領域の高精度での位置決め、及び濃度設定が要求される場合には、特許文献1,2のような製造方法を用いたとしてもチャネリングの影響により高精度な位置決め、濃度設定は困難となる。それは、主面に対して垂直な方向からイオンインプランテーションを行う場合に、チャネリングがおきないようにオフアングル方向を決定しているためで、転送MOSトランジスタのゲート電極下の一部に半導体領域を形成するために傾いた方向からもイオン注入する工程が含まれる場合が想定されていないためである。PDのN型電荷蓄積領域および表面P型領域形成時の注入角度は、0〜45°までの広範囲な組み合わせで実施されるため、注入角度によっては、特許文献2のように、結晶主面方位(100)面から(011)面もしくは
Figure 0004789463
面方向へ傾いた主面を有する半導体基板でもチャネリングを防止することはできない。
第二の問題点は、CMOSセンサの高集積化、微細化とともに、駆動電圧が低電圧化し、
イオンインプランテーション時のマスク酸化膜の薄膜化やPD形成後の熱処理による不純物プロファイルの活性化が、熱処理温度の低温化によってチャネリングを打ち消すほどの効果を発揮できなくなっていることである。
このようなプロセスの微細化、低温化は、今後のCMOSセンサにとっては必須のプロセスインテグレーションであり、既存のチャネリング防止対策では、固体撮像素子の高集積化、大口径基板使用に対して重大な障害となる。
第三の問題点は、通常のCMOSセンサの画素配列は、画素ピッチが均等になるように配列されており、また、その向きも同一の方向で配列されているが、特に、大判のCMOSセンサにおいては、露光装置の描画エリアの制約上、製品のレイアウトは長方形になる場合がある。このような場合、PDおよび転送ゲートの向きは、ノッチあるいはオリフラに対して90、180、270°いずれかの方向でレイアウトされる場合が多く、PD形成時に処理されるイオンインプランテーションに対するチャネリングの最適解と一致しない場合が多々発生する。
本発明の目的は、半導体基板の光電変換素子を形成するための主面のオフアングル方向と、光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入の方向を規定することにより、撮像性能向上に寄与するPD構造を実現できる、光電変換装置およびその製造方法を提供することである。
上記目的を達成する手段として、本発明は、素子を形成する一主面のオフアングル方向と光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入の方向を規定するものである。
本発明は、所定方向に沿ってみたとき(100)面と成す角度が3.5°≦θ≦4.5°となる一主面を有するシリコン基板の前記一主面に複数の光電変換素子が配された光電変換装置の製造方法であって前記光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入工程を有し、前記イオン注入工程におけるイオン注入の方向は、前記複数の光電変換素子のそれぞれに対して同一の角度であって、前記一主面に垂直な方向に対して0°<φ≦45°を満たす、角度φを成し、該注入方向の前記一主面へ投影した方向は、前記所定方向を主面へ投影した方向と、0°<α<90°を満たす、角度αを成すことを特徴とする。
本発明によれば、イオンインプランテーション時のチャネリングの影響によるフォトダイオードの空乏化電圧のばらつきが低減され、フォトダイオード特性を向上することが可能となる。
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(実施形態1)
図1(a)は、本実施形態におけるCMOSセンサのPD領域形成方法を説明するための図であり、特に半導体基板の素子を形成するための一主面のオフアングル方向と、PD、転送ゲート及びFDの配置関係を示す図である。また、図1(b)はPD、転送ゲート及びFDの平面図及び該平面図のA−A‘の断面を示したものである。ここで、各PD領域はあらかじめ所望の不純物濃度プロファイルで形成されたP型のウエル領域内に形成され、LOCOS分離など素子分離領域17によって素子ごとに電気的に分離され、ポリシリコンまたはシリサイド材料をパターニングして転送ゲート2が形成されている。
本実施形態では、ウエハノッチ位置は
Figure 0004789463
面方向を示しており、素子が形成される一主面が、(100)面を基準として、該(100)面に垂直な
Figure 0004789463
方向に4°オフアングルされた半導体基板を用いる。そして、PDを基準としたFDの配置方向はノッチが形成された
Figure 0004789463
方向であり、N型電荷蓄積領域15は
Figure 0004789463
方向から転送ゲート下へ潜り込むように所望の角度、具体的にはオフアングルされた主面に垂直な方向に対して0<φ≦45°の角度で注入される。光電変換素子を構成する半導体領域が、転送MOSトランジスタのゲート電極下の一部に配されており、光電変換素子を基準としたゲート電極下に配される領域の方向が、前記オフアングル方向に対して、0°<α<90°の角度を成した構成となっている。
本実施形態においては、N型電荷蓄積領域15が注入される方向、正確には、注入される方向の主面に投影された方向とオフアングル方向とが45度の関係であるため、N型電荷蓄積領域15の注入角度によらず、チャネリング特性が低減される。図2にオフアングル方向と、イオン注入方向の、主面へ投影された方向との成す角度を説明するための概略図を示す。実際には主面は(100)面を基準にオフアングルを有する基板となっているが、説明のため(100)面を主面として図示している。矢印方向がイオン注入方向を主面に投影した方向を示しており、オフアングル方向である
Figure 0004789463
面方向と角度α=45°を成している。
図3は、図2のA−A´線での断面を示す図である。主面に垂直な方向とイオン注入方向の成す角度はφで示され、φは素子の特性に応じて0°<φ≦45°で設定される。またθがオフアングル角度であり、θとして4°が好ましいが、3.5°≦θ≦4.5°の範囲で設定すればよい。
ここで、オフアングル方向とイオン注入方向の主面に投影された方向の成す角度αに関しては、αが例えば0°、90°であると、オフアングルされた主面とイオン注入方向が平行になる場合が存在し、その平行になった場合には、チャネリングを妨げるシリコン原子が存在しないために、イオンが基板の深さ方向にばらつきをもって存在してしまうため0°と90°を除いた0°<α<90°に設定されるのである。この場合に45°の方向が、最もシリコン原子が密に存在する方向であるため好ましく、40°≦α≦50°の範囲にあればよい。
本実施形態においては、オフアングル方向として
Figure 0004789463
面方向に4°オフアングルされた主面を有する半導体基板を用いたが、基本となる主面が(100)である場合には(001)面方向へ4°オフアングルされた主面を有する半導体基板を用いても、
Figure 0004789463
方向もしくは
Figure 0004789463
面方向からイオン注入を行えば同様の効果を得ることができる。また、この組み合わせに限られるものではなく、素子を形成するための主面が、(100)面を基準として、(100)面に垂直な少なくとも二つの面のそれぞれとの成す角度が、3.5°≦θ≦4.5°となるようなオフアングルを有し、光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入方向が、素子が形成される一主面に垂直な方向に対して0°<φ≦45°の角度を成し、該注入方向の、主面へ投影した方向が、二つの面方向に対して、0°<α<90°の角度を成していればよい。その中で特にα=45°が好ましいものである。
また実質的に、上述のようにイオン注入方向を規定することにより、光電変換素子を構成するためのPD、及び転送ゲートの向きとオフアングル方向が45°の角度となり、N型電荷蓄積領域の注入角度によらず、チャネリング特性を抑えることが可能となる。
(実施形態2)
図4は、本実施形態におけるCMOSセンサのPD領域形成方法、特に半導体基板の主面方位とPD、転送ゲート及びFDを示す図である。
各PD領域の形成条件は、実施形態1と同様であり、本実施形態では、ウエハノッチ位置は
Figure 0004789463
であり、主面が
Figure 0004789463
面方向に4°オフアングルされた基板に対し、FDが光電変換素子に対して、(011)方向に配置され、N型電荷蓄積領域15は
Figure 0004789463
方向から所望の角度、具体的にはオフアングルを有する主面に垂直な方向に対して0〜45°の角度で転送ゲート下へ潜り込むよう(少なくとも転送ゲート下の一部に配されるよう)に注入する。
実施形態1と同様、イオン注入方向の主面へ投影した方向が、オフアングル方向と45°の角度をなすため、チャネリングによる光電変換装置への特性の低下を抑えることが可能となる。また実質的に、上述のようにイオン注入方向を規定することにより、光電変換素子を構成するためのPD及び転送ゲートの向きとオフアングル方向が45°の角度をなすため、N型電荷蓄積領域の注入角度によらず、チャネリング特性を抑えることが可能となる。
(実施形態3)
本実施形態においては、実施形態1、2で説明した構成の両者を有する構成となっている。本実施形態におけるCMOSセンサのPD領域形成方法、特に半導体基板の主面方位とPD、転送ゲート及びFDを図5に示す
本実施形態では、PDが二つのグループに分かれて配されており、それぞれ90°直交した配置となっており、N型電荷蓄積領域のフォトリソグラフィー及びイオンインプランテーションは、各PDに対して2回ずつ行われる。
ウエハノッチ位置及びオフアングル方向は実施形態1と同様であるが、いずれのN型電荷蓄積領域注入時においても、オフアングル方向となす角度が45°のため、チャネリング特性がどちらのPDに対しても低減することが可能となる。
下表1は、実施形態1〜3について、800万画素相当のエリアセンサの出力値から、ばらつき値を計測した値である。比較例1(図)及び2(図)で作成したサンプルの測定値を列挙する。図の構成においては、
Figure 0004789463
面方向からイオンインプランテーションを行い、オフアングル方向は
Figure 0004789463
面方向である。また図の構成においては、
Figure 0004789463
面方向からイオンインプランテーションを行い、オフアングル方向は
Figure 0004789463
面方向である。表1に示すように、本発明を用いることにより比較例と比べて、およそ1/2のばらつきを実現できることがわかった。
Figure 0004789463
なお、以上示した実施形態については、オフアングルの傾き方向が同一の面方位方向であれば、オフアングル角度が主面方位に対して対称な−4°の場合も同様の効果を発揮できることはいうまでもない。また、オフアングル角度は、ウエハ製造誤差を±0.5°程度含むものであるが、本発明によれば、オフアングル方向と注入角度の関係が常に45°であるために、上記製造誤差を問題とするものでは無い。さらに、本実施形態の手法は、埋め込み型PDを用いるプロセスに対しても、エピタキシャル成長した面方位が基板のオフアングル方向を維持することから同様の効果があることも確認されている。
さらに、以上示した実施形態は、光電変換装置としてCMOS型センサを用いて説明したが、CCD型センサに適用した場合は、FDがVCCDに置き換わるのみであり、同様の効果が得られることは言うまでもない。
(実施形態4)
図10は、本発明による光電変換装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、光電変換装置1004に結像させる。光電変換装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。光電変換装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
(a)は実施形態1におけるCMOSセンサの半導体基板とPD形成方法を示す図である。(b)は実施形態1におけるCMOSセンサのPD近傍の平面図を示す図である。 基準面とそれに垂直である各結晶方位面、及びイオン注入方向の成す角度を説明するための図である。 図2のA−A’断面の概略図である。 実施形態2におけるCMOSセンサの半導体基板とPD形成方法を示す図である。 実施形態3におけるCMOSセンサの半導体基板とPD形成方法を示す図である。 従来技術におけるCMOSセンサの半導体基板とPD形成方法の一例を説明するための図である。 従来技術におけるCMOSセンサの半導体基板とPD形成方法の他の例を説明するための図である。 CMOSセンサの1画素の回路構成を説明するための図である。 CMOSセンサの1画素の断面を説明するための模式的断面図である。 本発明の光電変換装置を撮像システムに応用したシステム図である。
符号の説明
1 フォトダイオード
2、14 転送ゲート
3 フローティングディフュージョン
4 リセットMOSトランジスタ
5 選択MOSトランジスタ
6 ソースフォロアMOSトランジスタ
7 読み出し線
8 低電流源
11 N型シリコン基板
12 P型ウエル
13b ゲート酸化膜
15 N型電荷蓄積領域
16 表面P型層
17 選択酸化膜
18 N型高濃度領域
19 シリコン酸化膜
20 コンタクトプラグ
21 第1の配線層
22 第1の層間絶縁膜
23 第2の配線層
24 第2の層間絶縁膜
25 第3の配線層
26 パッシベーション膜

Claims (13)

  1. 所定方向に沿ってみたとき(100)面と成す角度が3.5°≦θ≦4.5°となる一主面を有するシリコン基板の前記一主面に複数の光電変換素子が配された光電変換装置の製造方法であって
    前記光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入工程を有し、
    前記イオン注入工程におけるイオン注入の方向は、
    前記複数の光電変換素子のそれぞれに対して同一の角度であって、
    前記一主面に垂直な方向に対して0°<φ≦45°を満たす、角度φを成し、
    該注入方向の前記一主面へ投影した方向は、前記所定方向を主面へ投影した方向と、0°<α<90°を満たす、角度αを成すことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
  2. 前記所定方向は(001)面方向あるいは
    Figure 0004789463

    方向であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置の製造方法。
  3. 前記一主面はエピタキシャル層の表面であることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置の製造方法。
  4. 更に、前記光電変換素子からの電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョンを形成する工程と、該フローティングディフュージョンへ電荷を転送するMOSトランジスタを形成する工程を有しており、前記フローティングディフュージョンは、前記転送MOSトランジスタのゲート電極を挟んで、前記光電変換素子と対向する位置に形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換装置の製造方法。
  5. 前記光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入工程において、
    前記光電変換素子を構成する半導体領域、前記転送MOSトランジスタのゲート電極下の一部に延在するように形成され
    前記半導体領域の延在する方向は、前記所定方向を主面へ投影した方向と、40°≦α≦50°を満たす、角度αを成すことを特徴とする請求項4に記載の光電変換装置の製造方法。
  6. (001)面方向あるいは
    Figure 0004789463

    面方向に沿ってみたとき(100)面と成す角度が3.5°≦θ≦4.5°となる一主面を有するシリコン基板の前記一主面に、複数の光電変換素子と、該光電変換素子からの信号を転送する転送MOSトランジスタを有する光電変換装置の製造方法であって
    前記光電変換素子を構成する半導体領域を形成するためのイオン注入工程を有し、
    前記イオン注入工程におけるイオン注入の方向は、
    前記転送MOSトランジスタのゲート電極の下に少なくとも前記半導体領域の一部が延在するように、前記一主面に垂直な方向に対して0°<φ≦45°を満たす、角度φを成し、且つ、
    該注入方向の前記一主面に投影した方向が、前記(001)面方向あるいは
    Figure 0004789463

    面方向を前記一主面に投影した方向と、0°<α<90°を満たす、角度αを成すことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
  7. 前記角度αは、40°≦α≦50°を満たすことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置の製造方法。
  8. 前記一主面はエピタキシャル層の表面であることを特徴とする請求項6または7に記載の光電変換装置の製造方法。
  9. 所定方向に沿ってみたとき(100)面と成す角度が3.5°≦θ≦4.5°となる一主面を有するシリコン基板の前記一主面に、複数の光電変換素子と、該光電変換素子からの信号を転送する転送MOSトランジスタを有する光電変換装置であって
    前記光電変換素子を構成する半導体領域が、前記転送MOSトランジスタのゲート電極下の一部に延在しており、該延在する方向は、前記所定方向を前記一主面に投影した方向と、0°<α<90°を満たす、角度αを成すことを特徴とする光電変換装置。
  10. 前記所定方向は(001)面方向あるいは
    Figure 0004789463

    方向であることを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。
  11. 前記αは、40°≦α≦50°を満たすことを特徴とする請求項9または10に記載の光電変換装置。
  12. 前記一主面はエピタキシャル層の表面であることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  13. 請求項9〜12のいずれか1項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、該光電変換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撮像システム。
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