JP5132641B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＭＯＳ型の固体撮像装置に係わり、特に光電変換部が形成される半導体基板の裏面側から光を入射させる裏面照射型の固体撮像装置の製造方法に関する。
ＣＭＯＳセンサを始めとする固体撮像装置は、現在では、デジタルスチルカメラやビデオムービー、また監視カメラ等多様な用途で使われている。そして最近、画素サイズの縮小に伴うＳ／Ｎ低下を抑制するために、裏面照射型の固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。この種の装置では、画素に入射する光が配線層に阻害されることなくＳｉ内に形成された受光領域に到達することができるので、微細な画素においても高い量子効率を実現することができる。
裏面照射型の固体撮像装置においては、受光領域となるＳｉ内に入射された入射光は光電子を生成するが、光電子は熱拡散によりその一部が隣接画素に漏れこんでしまいクロストークとなってしまう。そこで、クロストークを低減させるために、隣接画素間にｐウェル（画素分離領域）を設けて拡散電位差を発生させることにより光電子拡散を抑制する構造となっている。
しかし、このような構造では次のような問題があった。画素間分離ｐウェルは、マスクを用いたイオン注入により、Ｓｉ基板の表面側から選択的にＢ（ボロン）イオンを高エネルギーで注入することで形成される。このとき、画素微細化と共に素子分離となるｐウェルの幅は狭くする必要があり、従ってイオン注入マスクは、開口幅が狭く、高エネルギーに耐えうるほど十分に厚くする必要がある。ところが、厚いマスクと細い開口を作ることは困難であり、狭い開口部分の一部にマスク材料が残留する場合がある。この場合、ｐウェルがＳｉ基板の光入射面にまで形成されず、光電子拡散によるクロストークが発生してしまい、再生画面上で混色が増加して色再現性の劣化した再生画像しか得られなくなる。
また、基板表面側からのイオン注入による画素分離ｐウェルは、イオンの散乱により基板裏面側で広がってしまう。そして、光の入射側で画素分離の幅が広がることは、クロストークを増大させる要因となる。
特開２００３−３１７８５号公報 特開２００６−１２８３９２号公報
本発明の目的は、画素サイズを縮小しても画素間分離を確実に行うことができ、裏面照射型の画素の微細化に伴うクロストークの増加を防止することができ、色再現性の向上をはかり得るＭＯＳ型の固体撮像装置の製造方法を提供することにある。
本発明の一態様に係わる固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層が形成されたＳＯＩ基板に対し、前記半導体層にｎ型不純物を一様にドープすると共に、該半導体層の裏面側に前記一様にドープされたｎ型不純物よりも高濃度のｎ型不純物をドープする工程と、前記ＳＯＩ基板の表面上に、画素パターンの開口を有する画素分離パターンのマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記半導体層の表面側から該層内に、前記画素分離パターンと反転パターンにｐ型の不純物をイオン注入し、該イオン注入により前記基板の表面側から裏面側にかけて幅が広くなるテーパ状のｐ型の光電変換部を形成すると共に、イオン注入されなかった部分を前記基板の表面側から裏面側にかけて幅が狭くなるテーパ状の画素分離領域としてｎ型のままに保持し、且つ前記半導体層の裏面近傍をｎ型のまま保持する工程と、前記マスクを除去した後に、前記半導体層の表面上に前記光電変換部で得られる光信号を読み出すための信号走査回路部を形成する工程と、前記信号走査回路部上に支持基板を接着する工程と、前記支持基板の接着後に、前記半導体基板及び埋め込み絶縁膜を前記半導体層から剥離する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、画素サイズを縮小しても画素間分離を確実に行うことができ、裏面照射型の画素の微細化に伴うクロストークの増加を防止することができ、色再現性の向上をはかることができる。
第１の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の画素の構成を示す断面図。 図１の固体撮像装置におけるカラーフィルタ配置例を示す図。 第１の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成を示す図。 第１の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 比較例の問題点を説明するための工程断面図。 第２の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の製造工程を示す断面図。
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の画素の構成を示す断面図である。
Ｓｉ層（半導体基板）１３の内部に単位画素に相当する複数のｐ型層（光電変換部）１６が形成され、これらのｐ型層１６はｎ型層（画素分離領域）１７により画素毎に分離されている。ｎ型層１７は、Ｓｉ層１３の表面（下面）側よりも裏面（上面）側で幅が狭くなっており、またＳｉ層１３の裏面近傍に裏面全体にわたって浅く形成されている。
Ｓｉ層１３の表面側でｐ型層１６には、電荷蓄積層２１及び読み出しトランジスタ２２等が形成されている。Ｓｉ層１３の表面上には、各種配線層２３及び層間絶縁膜２４が形成され、これらにより信号走査回路部２０が設けられている。そして、信号走査回路部２０上には支持基板３０が接着されている。
Ｓｉ層１３の裏面側にはＳｉ窒化膜４１が形成され、このＳｉ窒化膜４１上に、各画素に対応してカラーフィルタ４２が設けられている。そして、各フィルタ４２上にはマイクロレンズ４３が設けられている。カラーフィルタ４２の配列は、例えば図２に示すようにベイヤ配置となっている。図２でＲと示した画素は主に赤の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置された画素、Ｇと示した画素は主に緑の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置された画素、Ｂと示した画素は主に青の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置された画素である。このように、隣接する画素は異なる色信号を取得するようにカラーフィルタが配置されている。
図３に、ＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成の一部を示す。
撮像領域内に、光電変換のためのフォトダイオード５２、フォトダイオード５２の信号を読み出す読み出しトランジスタ５３、読み出した信号を増幅する増幅トランジスタ５４、信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ５５、信号電荷をリセットするリセットトランジスタ５６、からなる単位画素５１が二次元状に配列されている。なお、図では説明を簡単にするために画素配置を２×２にしたが、実際にはこれより多くの単位画素が配列される。
垂直シフトレジスタ６１から水平方向に配線されている水平アドレス線６３は対応する垂直選択トランジスタ５５のゲートに接続され、信号を読み出すラインを決めている。読み出し線６２は対応する読み出しトランジスタ５３のゲートに接続され、リセット線６４は対応するリセットトランジスタ５６のゲートに結線されている。また、垂直選択トランジスタ５５とリセットトランジスタ５６の共通接続端は電源端６５に接続されている。
増幅トランジスタ５４のソースは垂直信号線６６に接続され、垂直信号線６６の一端には負荷トランジスタ６７が設けられている。垂直信号線６６の他端は、ＣＤＳ雑音除去回路６８を介して水平信号線６９に接続されている。なお、トランジスタ５３，５４，５５，５６，６７等の信号走査回路部は、ｐ型トランジスタである。
このような構成において、読み出し行の選択トランジスタ５５が、垂直シフトレジスタ６１から送られる行選択パルスによりＯＮ状態になる。続いて、同様にして送られたリセットパルスによりリセットトランジスタ５６がＯＮ状態になり浮遊拡散層の電位に近い電圧にリセットされ、その後リセットゲートはＯＦＦ状態になる。その後、読み出しトランジスタ５３がＯＮ状態になりフォトダイオード５２に蓄積された信号電荷が浮遊拡散層に読み出され、浮遊拡散層の電位が読み出された信号電荷数に応じて変調される。変調された信号はソースフォロワを構成するＭＯＳトランジスタにより垂直信号線６６に読み出される。
次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法を、図４及び図５を参照して説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１上に埋め込み絶縁膜１２を介してＳｉ層（半導体層）１３を形成したＳＯＩ基板１０を用意し、Ｓｉ層１３の全体にＰ（燐）等のｎ型不純物をドープする。
次いで、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉ層１３の表面上に画素パターンの開口を有する画素分離パターンにマスク１５を形成する。このマスク１５は、例えば電子ビームリソグラフィにより形成すれば良く、マスク１５の厚さは十分に厚く、遮蔽部（画素分離パターン）に比して開口部（画素パターン）の面積が大きくなっている。
次いで、図４（ｃ）に示すように、マスク１５を用いて、Ｓｉ層１３にＢ（ボロン）をイオン注入することにより、Ｓｉ層１３内にｐ型層（光電変換部）１６を形成する。このとき、Ｓｉ層１３内でのイオンの散乱によりｐ型層１６の幅は基板表面部よりも内部（裏面側）で広くなる。Ｂがイオン注入された領域はｐ型拡散層となるが、マスク１５により遮蔽されＢがイオン注入されなかったＳｉ領域はｎ型拡散層のままとなり、それが画素間分離のｎウェル（画素分離領域）１７となる。信号電荷は従来とは極性が異なりホールとなる。ここで、イオン注入の最大深さをＳｉ層１３の裏面よりも手前に設定しておくことにより、Ｓｉ層１３の裏面部１８はｎ型層に保持することができる。この裏面部１８のｎ型層は、暗電流の防止に有効である。
次いで、図５（ｄ）に示すように、マスク１５を除去した後に、Ｓｉ層１３の表面部に電荷蓄積層２１や読み出しトランジスタ２２等を形成する。なお、図には示さないが、Ｓｉ層１３には、図３の各ＭＯＳトランジスタが形成される。また、全てのＭＯＳトランジスタはｐチャネル型である。
次いで、図５（ｅ）に示すように、電荷蓄積層２１及び各種トランジスタ等を形成したＳｉ層１３の表面部上に層間絶縁膜２３及び配線層２４を形成する。これにより、信号走査回路部２０が形成される。続いて、信号走査回路部２０上に支持基板３０を接着する。
次いで、図５（ｆ）に示すように、Ｓｉ層１３からＳｉ基板１１及び埋め込み絶縁膜１２を剥離する。これ以降は、Ｓｉ層１３の裏面にＳｉ窒化膜４１を介してカラーフィルタ４２を形成し、更にマイクロレンズ４３等を形成することにより、図１に示す構造が得られる。
ここで、本実施形態による効果を、従来方法と比較して説明する。
図６は、比較例として、従来方法により画素分離領域を形成する工程を示す。従来方法では、図６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板９１上に埋め込み絶縁膜９２を介してＳｉ層９３を形成したＳＯＩ基板９０を用意し、Ｓｉ層９３の全体にｎ型不純物をドープする。更に、Ｓｉ層９３の埋め込み絶縁膜９２との境界付近にｐ型層９４を形成する。
次いで、図６（ｂ）に示すように、画素分離パターンの開口を有するマスク９５を形成した後、Ｂをイオン注入することにより、画素分離のためのｐ型層（画素分離領域）９７を形成する。ここで、ｐ型層９７を形成する際のイオン注入マスク９５は、開口幅が狭く、高エネルギーイオン注入のマスクとして耐え得るほどに十分に厚くする必要がある。しかし、厚いマスク９５で細い開口を作ることは困難であり、狭い開口を形成しようとしても図６（ｂ）のように開口部分に一部マスク材料が残留してしまい、イオン注入がＳｉの深い位置に行われなくなる。この場合、ｐ型層９７がＳｉ層９３の光入射面にまで形成されないので、光電子拡散によるクロストークが発生してしまい、再生画面上で混色が増加して色再現性の劣化した再生画像しか得られなくなる。
これに対し本実施形態では、画素間の分離領域となるｎウェルは、ｎ型不純物のイオン注入により形成するのではなく、ｐ型不純物のイオン注入による反転パターンとして形成される。即ち、予めｎ型にドープされたＳｉ層１３にフォトダイオード部分への選択的な高エネルギーＢイオンを注入することによりｐ型層１６を形成するが、この際にｐ型に反転せずにｎ型のままとなっている部分で画素分離領域が形成される。
Ｂイオン注入時のマスクは開口が十分に広く取れるので、イオン注入時のマスク材がマスク開口部分に残留してしまうというような問題は発生しない。従って、画素分離となるｎウェルは光照射面側まで問題なく分離形成されるので、光により生成された電荷の熱拡散によるクロストークは発生しない。このため、再生画面上で色再現性の良い良好な画像が得られる。
なお、本実施形態でフォトダイオードの極性を従来と変えるのは、同じエネルギーでイオン注入を行った場合には、Ｂ（ボロン）の方がｎ型拡散層形成の際に用いられるＰ（燐）よりもイオン飛程が長いためである。イオン飛程が長いので深い位置にまでフォトダイオードを形成でき、従ってそれにより反転形成されるｎウェルが光照射面側まで分離形成が可能となるためである。Ｐ等のイオンであってもＳｉ層の表面から裏面までイオン注入できる場合は、従来と同様に電荷蓄積部をｎ型にし、画素分離領域をｐ型にしても良い。
また、図６の例では、イオン注入時の拡散により画素分離層が基板表面から深い位置（裏面に近い部分）で広くなっている。この場合、基板裏面側から入射した光が画素分離層で光電変換され、その電荷が隣接する光電変換部に入ることになり、これはクロストークを増大させる要因となる。
これに対し本実施形態では、イオン注入により電荷蓄積部を形成するために、電荷蓄積部は基板裏面に近い位置で広くなっており、その反転パターンである画素分離層は基板裏面に近い位置で幅が狭くなっている。この場合、基板裏面側から入射した光が画素分離層で光電変換されることは少なく、従ってクロストークの発生を抑制することができる。
このように本実施形態によれば、信号走査回路及びその配線層が形成されるＳｉ表面側とは反対側のＳｉ裏面から光を入射させる構成としているので、画素に入射する光が配線層に阻害されることなくＳｉ内に形成された受光領域に到達することができる。このため、微細な画素においても高い量子効率を実現することができ、画素を縮小しても高いＳ／Ｎを維持することができる。
これに加え本実施形態では、ｎ型のＳｉ層１３にｐ型不純物をイオン注入することにより電荷蓄積領域と反転パターンに画素分離を行っているので、画素サイズが縮小されて画素間素子分離幅を縮小したとしても、画素間に形成される素子分離領域となるウェルがＳｉ基板の深さ方向に途切れることなく光照射面側表面まで形成される。このため、電荷の熱拡散により発生するクロストークが発生せず、従って色再現性の高い解像度の高い再生画像を実現することができる。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係わるＭＯＳ型固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、図４及び図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３の裏面に予めｎウェルを形成しておくことにある。
図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１上に埋め込み絶縁膜１２を介してＳｉ層１３を形成したＳＯＩ基板を用意し、Ｓｉ層１３にｎ型不純物をドープする。ここで、Ｓｉ層１３の底部１４には高濃度のｎ型不純物をドープする。具体的には、絶縁膜１２上にｎ+ 型のＳｉ層１４を形成した後、その上にｎ型のＳｉ層１３を形成すればよい。また、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１３に高エネルギーのイオン注入でｎ+ 層１４を形成しても良い。
次いで、図７（ｂ）に示すように、Ｓｉ層１３の表面上に画素分離パターンのマスク１５を形成した後に、Ｂをイオン注入する。このとき、ＢはＳｉ層１３の裏面に達しても良い。Ｓｉ層１３の裏面がｎ+ 型であるため、ｐ型不純物がある程度ドープされても基板裏面はｎ型を維持することになる。
これ以降は第１の実施形態と同様に、信号走査回路部２０の形成、支持基板３０の接着、カラーフィルタ４２及びマイクロレンズ４３の形成を行うことにより、図１に示す構造の固体撮像装置が完成することになる。
このように本実施形態では、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、次のような効果も得られる。即ち、マスク１５を形成する前にＳｉ層１３の底部１４に高濃度のｎ型不純物をドープしておくことにより、ｐ型の不純物をイオン注入する際にイオン注入深さを厳密に制御する必要がなくなる。このため、光電変換部となるｐウェルを形成する際のプロセス裕度が増す利点がある。
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されものではない。実施形態では、光電変換部をｐ型、画素分離領域をｎ型としたが、これらの関係を逆にすることも可能である。また、信号走査回路部の回路構成は図２に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、フィルタ配置はベイヤ配置に限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
また、光電変換部を形成するための半導体基板は必ずしもＳｉに限るものではなく、他の半導体材料を用いることもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
１０…ＳＯＩ基板
１１…Ｓｉ基板
１２…埋め込み絶縁膜
１３…Ｓｉ層
１５…マスク
１６…ｐ型層（光電変換部）
１７…ｎ型層（画素分離領域）
１８…ｎ型層
２０…信号走査回路部
２１…電荷蓄積層
２２…読み出しトランジスタ
２３…層間絶縁膜
２４…配線層
３０…支持基板
５１…単位画素
５２…フォトダイオード
５３…読み出しトランジスタ
５４…増幅トランジスタ
５５…垂直選択トランジスタ
５６…リセットトランジスタ
６１…垂直シフトレジスタ
６２…読み出し線
６３…水平アドレス線
６４…リセット線
６５…電源端
６６…垂直信号線
６７…負荷トランジスタ
６８…ＣＤＳ雑音除去回路
６９…水平信号線

Claims (1)

  1. 半導体基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層が形成されたＳＯＩ基板に対し、前記半導体層にｎ型不純物を一様にドープすると共に、該半導体層の裏面側に前記一様にドープされたｎ型不純物よりも高濃度のｎ型不純物をドープする工程と、
    前記ＳＯＩ基板の表面上に、画素パターンの開口を有する画素分離パターンのマスクを形成する工程と、
    前記マスクを用いて前記半導体層の表面側から該層内に、前記画素分離パターンと反転パターンにｐ型の不純物をイオン注入し、該イオン注入により前記基板の表面側から裏面側にかけて幅が広くなるテーパ状のｐ型の光電変換部を形成すると共に、イオン注入されなかった部分を前記基板の表面側から裏面側にかけて幅が狭くなるテーパ状の画素分離領域としてｎ型のままに保持し、且つ前記半導体層の裏面近傍をｎ型のまま保持する工程と、
    前記マスクを除去した後に、前記半導体層の表面上に前記光電変換部で得られる光信号を読み出すための信号走査回路部を形成する工程と、
    前記信号走査回路部上に支持基板を接着する工程と、
    前記支持基板の接着後に、前記半導体基板及び埋め込み絶縁膜を前記半導体層から剥離する工程と、
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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