JP4972838B2

JP4972838B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP4972838B2
Application number: JP2001276133A
Authority: JP
Inventors: 正典大橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003086783A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元イメージセンサやラインセンサ等のカラー画像を読み取る固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の固体撮像素子において、撮像画素（セル）の微細化に伴う感度低下を補うために、単位セル当たりの量子効率を上げることが必須となっている。
そこで、従来は、例えばオンチップマイクロレンズの形状を工夫することなどにより、入射光量を有効にセンサ領域に取り込む施策が取られてきているが、センサ領域に取り込まれた入射光が、その後、シリコン（Ｓｉ）基板中で光電変換され、信号電荷として有効にフォトダイオードに蓄積されなければ、スミア成分となったり、シリコン基板のドレイン側に捨てられてしまい、結果的に感度として寄与することはできない。
【０００３】
そして、光電変換された電荷をセンサ領域に有効に蓄積させるためには、フォトダイオードの下層電荷蓄積領域であるｎ領域を３次元的に極力拡大する必要がある。
その拡大方法として、（１）シリコン基板の深さ方向にｎ領域を拡大する方法と、（２）シリコン基板の２次元方向（基板面方向）にｎ領域を拡大する方法が考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）の深さ方向にｎ領域を拡大する方法では、オーバーフローバリアの位置を深く形成することで実現し得るが、センサ領域のセルサイズに対する深さ方向のアスペクト比が大きくなるため、３次元的な締め付けが発生しないように、スムーズなプロファイルを形成することが困難となってきている。
図２は、一般的な縦形オーバーフロードレインを有するＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部における不純物プロファイルを示す説明図であり、図３は、オーバーフローバリアの位置を深く形成したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部における不純物プロファイルを示す説明図である。
なお、各図において、それぞれ縦軸はポテンシャルレベルφ（Ｖ）を示し、横軸はシリコン基板における表面からの深さ位置を示している。
【０００５】
図示のように、センサ部は、入射光が光電変換された後、電荷の蓄積を行うｎ型層と、オーバーフローバリアを形成するｐ型層、および界面準位によって発生する電荷の湧き出し（暗電流）を抑制するようにセンサ部のシリコン表面をピニングさせるｐ型高濃度層（ｐ＋）から構成されている。
上述した深さ方向にセンサ領域（ｎ領域）を拡大する構成では、図３に示すように、オーバーフローバリアをシリコン表面からより深い位置に形成し、その間をｎ−領域による繋ぎ空乏層を滑らかに伸ばすプロファイルをとることによって実現することができる。
【０００６】
図５及び図６は、このようにセンサのｎ領域をシリコン基板の深さ方向に拡大したＣＣＤ固体撮像素子の構造を示す断面図であり、図５は水平方向に隣接する画素間の構造を示し、図６は垂直方向に隣接する画素間の構造を示している。
図５において、シリコン基板１０の上層にＲＧＢに対応する各画素のセンサ領域１１Ａ、１１Ｂが配置され、各センサ領域１１Ａ、１１Ｂの間には垂直転送レジスタ１２が形成されている。
そして、シリコン基板１０の上面には、絶縁膜１３を介して各垂直転送レジスタ１２に対応して転送電極１４が配置され、その上面に遮光膜１６が配置されている。
【０００７】
また、図６においては、各垂直転送レジスタ１２のための転送電極１４、１５が配置され、その上面に遮光膜１６が配置されている。
図示のように、各センサ領域１１Ａ、１１Ｂのｎ領域をシリコン基板１０の深さ方向に拡大すると、シリコン基板１０の深部において隣接するｎ領域同士が近接し過ぎ、特に垂直転送レジスタ１２が介在しない垂直方向の隣接画素の間で混色の懸念が発生する。
【０００８】
一方、上記（２）のプロファイルの２次元方向に単純にｎ領域を拡大する方法は、垂直転送電極領域の縮小による取り扱い電荷の減少や、読み出しゲートの縮小によるブルーミングマージンの減少、さらには隣接するセルへの混色等、基本特性の劣化を招いてしまう。
【０００９】
そこで本発明の目的は、セルサイズの縮小に伴う感度低下や混色を抑制できる固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、撮像画素を構成するセンサ部と、センサ部で蓄積した信号電荷を転送する転送レジスタとを備える。そして、センサ部は、半導体基体の表面に形成された高濃度の第１導電型不純物層と、高濃度の第１導電型不純物層の下層に形成された低濃度の第１導電型不純物層とからなる。また、低濃度の第１導電型不純物層が、半導体基体の深さ方向に３層以上形成され、隣り合う撮像画素間で、異なる深さ位置の低濃度の第１導電型不純物層が面方向に拡大されている。
【００１１】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、撮像画素を構成するセンサ部の高濃度の第１導電型不純物層と第１導電型不純物層とを形成する方法であって、半導体基体の表面に不純物イオン注入を行い、半導体基体の表面に高濃度の第１導電型不純物層を形成する工程と、半導体基体に、多段階に異なるエネルギでイオン注入を行い、高濃度の第１導電型不純物層の下層に、３層以上の低濃度の第１導電型不純物層を形成する工程とを有する。そして、低濃度の第１導電型不純物層を形成する工程において、異なるエネルギでイオン注入を行う際のマスクパターンを画素毎に最適化し、隣り合う撮像画素間で、異なる深さ位置の低濃度の第１導電型不純物層を面方向に拡大する。
【００１２】
本発明の固体撮像素子では、互いに隣接する撮像画素の信号電荷蓄積領域が、各撮像画素が受け持つ入射光の波長に対応して決定される半導体基板の異なる深さ位置で半導体基板の面方向に拡大されていることから、隣接する信号電荷蓄積領域の近接を防止しつつ、入射光の波長に最適な深さ位置で信号電荷蓄積領域を拡大できる。
したがって、信号電荷蓄積領域の拡大による感度向上効果と、隣接する信号電荷蓄積領域の分離による混色抑制効果の両方を実現することが可能となり、セルサイズの縮小に伴う画質の劣化を防止でき、高品位の固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法では、複数回の不純物イオン注入によって、固体撮像素子の互いに隣接する撮像画素の信号電荷蓄積領域を、各撮像画素が受け持つ入射光の波長に対応して決定される半導体基板の異なる深さ位置で半導体基板の面方向に拡大することから、容易な製造工程によって隣接する信号電荷蓄積領域の近接を防止しつつ、入射光の波長に最適な深さ位置で信号電荷蓄積領域を拡大できる。
したがって、信号電荷蓄積領域の拡大による感度向上効果と、隣接する信号電荷蓄積領域の分離による混色抑制効果の両方を実現することが可能となり、セルサイズの縮小に伴う画質の劣化を防止でき、高品位の固体撮像素子を製造することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
本実施の形態では、固体撮像素子における受光画素部の不純物プロファイルを各画素が受け持つ色毎に最適化させるために、センサ部のｎ＋不純物を複数回に分けてエネルギやマスクパターンを変えてイオン注入を行い、深さ方向への光電変換効率を上げた多段構成のプロファイルを持つセンサ構造において、受光画素上のカラーフィルタによりフィルタリングされた入射波長に応じて光電変換が有効に行われるように、センサ部のｎ＋不純物の多段構成の一部を拡大させ、かつ、その拡大領域を画素毎に最適な深さで形成することにより、感度向上と混色防止を両立させるようにしたものである。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態によるＣＣＤ固体撮像素子の構造を示す断面図であり、垂直方向に隣接する画素間の構造を示している。
本例において、シリコン基板１１０の上層にＲＧＢに対応する各画素のセンサ領域１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃが配置されている。なお、図１では省略しているが、各センサ領域１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃの水平方向の画素間には図５に示す構造と同様に垂直転送レジスタが形成されている。
また、シリコン基板１１０の上面には、絶縁膜１１３を介して各垂直転送レジスタに対応して上下２相の転送電極１１４、１１５が配置され、その上面に遮光膜１１６が配置されている。
【００１６】
そして、このようなシリコン基板１１０の上面には、各撮像画素に対してＲＧＢの３色光を分離して入射させるカラーフィルタ１２０が設けられている。
このカラーフィルタ１２０は、センサ領域１１１Ａに青色（Ｂｌｕｅ）光を入射させ、センサ領域１１１Ｂに緑色（Ｇｒｅｅｎ）光を入射させ、センサ領域１１１Ｃに赤色（Ｒｅｄ）光を入射させる。
そして、各センサ領域１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃは、上層のｎ＋型不純物領域による光電変換層の下層にｎ−型不純物領域による空乏層をシリコン基板１１０の深さ方向に拡大させて信号電荷蓄積領域としたものであり、このような不純物プロファイル構造により、オーバーフローバリアの位置を深く形成し、感度の向上を図るようにしたものである。
【００１７】
そして、このような不純物プロファイル構造のセンサ領域１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃは、複数回（図示の例では７段階）に分割したイオン注入によって形成されており、各回のイオン注入エネルギとマスクパターンを変化させることにより、各色を受け持つ画素のセンサ領域１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ毎に異なる深さ位置に基板面方向に拡大した不純物領域を有している。
すなわち、最も波長の短いＢｌｕｅ画素（センサ領域１１１Ａ）については、最も浅い位置のｎ−型不純物領域を拡大し、次に波長の短いＧｒｅｅｎ画素（センサ領域１１１Ｂ）については、上から３段目のｎ−型不純物領域を拡大し、最も波長の長いＲｅｄ画素（センサ領域１１１Ｃ）については、下から１段目及び２段目のｎ−型不純物領域を拡大する。
これにより、入射光の波長に最適な深さ位置のｎ−型不純物領域を基板面方向に拡大し、各画素における感度の向上を達成し、かつ、隣接画素間で異なる深さ位置でｎ−型不純物領域を拡大させることで互いの分離状態を確保し、混色の抑制を実現する。
【００１８】
図４は、シリコン基板における入射波長毎のオーバーフローバリアの形成位置と感度との関係を示す説明図であり、縦軸は分光感度、横軸は入射波長（μｍ）を示し、各折れ線は０．３μｍから１２μｍまでの各位置における分光特性カーブ（計算値）を示している。
ここで、Ｂｌｕｅ光（Ｂｌｕｅフィルタを透過した光）は、約４５０ｎｍ（０．４５μｍ）の波長に感度ピークを持つ分光カーブを持つため、Ｓｉ基板表面から３μｍ程度の深さにオーバーフローバリアがあれば、センサ領域で効率よく光電変換がなされるが、Ｇｒｅｅｎ光（Ｇｒｅｅｎフィルタを透過した光）は５００〜５５０ｎｍ付近に感度ピークを持つため、有効な光電変換を得るためには、５μｍ程度の深さにオーバーフローバリアを形成する必要がある。
【００１９】
さらに、Ｒｅｄ光（Ｒｅｄフィルタを透過した光）については、６００〜６５０ｎｍ付近に感度ピークを持つため、必要なオーバーフローバリアの深さ位置は１０μｍ以上となる。
これを言い換えれば、オーバーフローバリアの位置を予め深く形成しておき、それぞれの画素が受け持つ波長に併かせて、上述の色毎に異なる光電変換の深さにおけるセンサ領域のみを拡大しておけば、隣り合う画素のセンサ領域を互いに侵すことなく、効率よく光電変換を行うことが可能となる。
【００２０】
したがって、このようなプロファイル構造の作成方法の一例として、次のような手順を採用することが可能である。
まず、１０μｍ以上の深さにオーバーフローバリアを高エネルギイオン注入（Ｂｏｒｏｎ：８〜１０ＭｅＶ）や２層Ｅｐｉ法等で形成した後、図３に示すｎ＋領域にあたる領域を全画素同時に形成する。このｎ＋領域はセンサ部のミニマムポテンシャルを決めるものであり、ＡｓまたはＰｈｏｓで約０．５μｍ程度の深さに形成する。
その後、このｎ＋領域とオーバーフローバリアまでをポテンシャル的に滑らかに空乏領域が広がるように、多段階に異なるエネルギでイオン注入を行い、ｎ−領域を形成する。このｎ−領域は、先のｎ＋領域に対して高エネルギ、かつ低濃度で形成する。
【００２１】
そして、このｎ−領域の多段イオン注入（インプラ）作業毎に、先に述べたＢｌｕｅ、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎそれぞれの波長がＳｉ中で光電変換される深さに相当するエネルギのマスクパターンを画素毎に最適化する。
すなわち、図１に示すように、ｎ−領域を形成する多段のインプラ作業において、３μｍ以下の深さに打ち込むインプラでは、そのときのマスクパターンは、Ｂｌｕｅ光を扱う画素（センサ領域１１１Ａ）の開口のみを他の画素よりも拡大させておく。
また、３〜５μｍの深さに打ち込むインプラ作業時のマスクパターンは、Ｇｒｅｅｎ光を扱う画素（センサ領域１１１Ｂ）の開口のみを他の画素より拡大させておく。
同様に、Ｒｅｄ光を扱う画素（センサ領域１１１Ｃ）は５μｍ以上の深さに打ち込むインプラ作業時において、マスクパターンの開口を他の画素より拡大させておく。
【００２２】
その後、通常の方法で転送電極を形成した後、最表面のＰ＋領域を転送電極に対して自己整合的によるインプラ作業によって形成し、通常の遮光膜等を形成する。
以上のような本例の製造方法では、各センサの信号電荷蓄積領域を構成するｎ−領域を多段インプラによって形成するため、それぞれのインプラ毎にパターンの最適化が容易に行え、図１に示すようなセンサプロファイルを容易に実現することが可能である。
なお、多段ｎ領域のイオン打ち込み段数は、図１の例では７段の例で示しているが、オーバーフローバリアの位置やセンサを取り巻く不純物の２次元的な締め付け効果などの影響に応じて、最適段数は適宜変更が可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、互いに隣接する撮像画素の信号電荷蓄積領域が、各撮像画素が受け持つ入射光の波長に対応して決定される半導体基板の異なる深さ位置で半導体基板の面方向に拡大されていることから、隣接する信号電荷蓄積領域の近接を防止しつつ、入射光の波長に最適な深さ位置で信号電荷蓄積領域を拡大できる。
したがって、隣接する画素同士でセンサ領域が干渉せず、特に垂直方向に隣接する画素間の電荷混色が発生しにくい構造となり、信号電荷蓄積領域の拡大による感度向上効果と、隣接する信号電荷蓄積領域の分離による混色抑制効果の両方を実現することが可能となる。
この結果、セルサイズの縮小に伴う画質の劣化を防止でき、高品位の固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００２４】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法では、複数回の不純物イオン注入によって、固体撮像素子の互いに隣接する撮像画素の信号電荷蓄積領域を、各撮像画素が受け持つ入射光の波長に対応して決定される半導体基板の異なる深さ位置で半導体基板の面方向に拡大することから、容易な製造工程によって隣接する信号電荷蓄積領域の近接を防止しつつ、入射光の波長に最適な深さ位置で信号電荷蓄積領域を拡大できる。
したがって、隣接する画素同士でセンサ領域が干渉せず、特に垂直方向に隣接する画素間の電荷混色が発生しにくい構造の固体撮像素子を容易に製造でき、信号電荷蓄積領域の拡大による感度向上効果と、隣接する信号電荷蓄積領域の分離による混色抑制効果の両方を実現することが可能となる。
この結果、セルサイズの縮小に伴う画質の劣化を防止でき、高品位の固体撮像素子を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるＣＣＤ固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図２】一般的な縦形オーバーフロードレインを有するＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部における不純物プロファイルを示す説明図である。
【図３】オーバーフローバリアの位置を深く形成したＣＣＤ固体撮像素子のセンサ部における不純物プロファイルを示す説明図である。
【図４】シリコン基板における入射波長毎のオーバーフローバリアの形成位置と感度との関係を示す説明図である。
【図５】従来のＣＣＤ固体撮像素子における水平方向に隣接する画素間の構造を示す断面図である。
【図６】従来のＣＣＤ固体撮像素子における垂直方向に隣接する画素間の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１０……シリコン基板、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ……センサ領域、１１３……絶縁膜、１１４、１１５……転送電極、１１６……遮光膜、１２０……カラーフィルタ。

Claims

撮像画素を構成するセンサ部と、前記センサ部で蓄積した信号電荷を転送
する転送レジスタとを備え、
前記センサ部は、半導体基体の表面に形成された高濃度の第１導電型不純物層と、前記高濃度の第１導電型不純物層の下層に形成された低濃度の第１導電型不純物層とからなり、
前記低濃度の第１導電型不純物層が、前記半導体基体の深さ方向に３層以上形成され、
隣り合う前記撮像画素間で、異なる深さ位置の前記低濃度の第１導電型不純物層が面方向に拡大されている
固体撮像素子。
前記撮像画素上にカラーフィルタを備え、互いに隣接する前記撮像画素は、異なる色の撮像を受け持つ画素である請求項１記載の固体撮像素子。
赤青緑の３色を受け持つ撮像画素のうち、青画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を最も浅い深さ位置で拡大し、緑画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を２番目に浅い深さ位置で拡大し、赤画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を最も深い位置で拡大した請求項２記載の固体撮像素子。
撮像画素を構成するセンサ部の高濃度の第１導電型不純物層と第１導電型不純物層とを形成する方法であって、
半導体基体の表面に不純物イオン注入を行い、前記半導体基体の表面に高濃度の前記第１導電型不純物層を形成する工程と、
前記半導体基体に、多段階に異なるエネルギでイオン注入を行い、前記高濃度の第１導電型不純物層の下層に、３層以上の低濃度の前記第１導電型不純物層を形成する工程と、を有し、
前記低濃度の第１導電型不純物層を形成する工程において、異なるエネルギでイオン注入を行う際のマスクパターンを画素毎に最適化し、隣り合う前記撮像画素間で、異なる深さ位置の前記低濃度の第１導電型不純物層を面方向に拡大する
固体撮像素子の製造方法。
前記撮像画素上に、互いに隣接する撮像画素間で異なる色のカラーフィルタを形成する工程を有する請求項４記載の固体撮像素子の製造方法。
前記低濃度の第１導電型不純物層を形成する工程において、赤青緑の３色を受け持つ撮像画素のうち、青画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を最も浅い深さ位置で面方向に拡大し、緑画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を２番目に浅い深さ位置で面方向に拡大し、赤画素の前記低濃度の第１導電型不純物層を最も深い位置で面方向に拡大する請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。