JPH03181171A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、受光部としていわゆる埋め込み型フォトダイ
オードを有する固体撮像素子およびその製造方法に関す
る。

［従来の技術］ 固体撮像素子の受光部にｐｎ接合型フォトダイオードを
用いると、フォトダイオードのｎ型領域の表面が完全に
空乏化することにより、５ｉ−３ｉＯ２界面に存在する
表面準位による暗電流成分が多くなり低照度時の固体撮
像素子のＳ／Ｎ比が劣化する。

従来、この暗電流を低減するためにフォトダイオードの
ｎ型領域の表面に濃度の高いｐ＋型領領域形成し、フォ
トダイオードをいわゆる埋め込み型にして、ｎ型領域の
空乏層が基板表面に到達しないようにしていた。

第３図（ａ）〜（ｇ）は、従来の埋め込み型フォトダイ
オードを受光部に用いた固体撮像素子の製造工程を示す
セル部の断面図である。

まず、ｎ型半導体基板１上にｐ型ウェル層２を形成する
［第３図（ａ）］、続いて、半導体基板上にシリコン酸
化膜３、シリコン窒化１１１Ｉ４を順に成長させ、その
上にフォトレジスト８ａを塗布しこれに露光・現像を施
した後、プラズマエツチング法を用いてフォトダイオー
ドおよび電荷転送領域となる部分のシリコン窒化膜４を
除去する［第３図（ｂ）］。

次いで、電荷転送領域を形成すべき部分をフォトレジス
トで覆い、これとシリコン窒化膜４とをマスクとしてイ
オン注入を行いフォトダイオードのｎ型領域５を形成し
、続いて、ｎ型領域５をフォトレジストで覆いこれとシ
リコン窒化膜４とをマスクにしてイオン注入を行って電
荷転送領域となるｎ型領域６を形成する［第３図（Ｃ〉
］。

次に、シリコン窒化膜４をマスクとして熱酸化を行い選
択的に比較的厚いシリコン酸化膜７を成長させた後、シ
リコン窒化膜４をウェットエツチング法により除去する
０次に、電荷読み出し領域をフォトレジスト８ｂで被覆
し、これとシリコン酸化Ｍ７をマスクにイオン注入を行
いチャネルストップ領域となるｐ＋型領領域９を形成す
る［第３図（ｄ）］。

次に、フォトレジスト８ｂを除去し、シリコン酸化膜３
．７をエツチング除去した後、熱酸化により第１のゲー
ト酸化膜（図示なし）を形成し、減圧ＣＶＤ法により多
結晶シリコン層を堆積し、これにフォトリソグラフィー
技術およびドライエツチング法を適用して、電荷転送を
行なうための第１の多結晶シリコン電ｉ（図示なし）を
形成する。第１の多結晶シリコン電極をマスクとして第
１のゲート酸化膜をエツチング除去し、新たに熱酸化を
行って第２のゲート酸化膜１１ａを形成した後、第１の
多結晶シリコン電極を形成したのと同様の手法を用いて
、フォトダイオードから電荷転送領域への信号電荷の読
み出しおよび電荷転送を行う第２の多結晶シリコン電極
１２を形成する「　雷　ＱＦｉｌｉｌ／　　ρ　）　１
露出している第２のゲート酸化膜１１ａをエツチング除
去し、さらに熱酸化を行って薄いシリコン酸化膜１３を
形成してから多結晶シリコン電極１２をマスクとして、
イオン注入を行い、フォトダイオード表面に浅いｐ＋型
領領域１４形成する［第３図（ｆ）］、１１％に、層間
絶縁膜１５を形成した後、アルミニウム膜１６を形成す
ることにより、従来の埋め込みフォトダイオードを受光
部として有する固体撮像素子が得られる［第３図（ｇ）
］。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の埋め込み型フォトダイオードを受光部と
する固体撮像素子では、フォトダイオードのｎ型領域と
、表面層のｐ１領域をそれぞれ別の工程によって形成し
ているので、フォトレジスト工程の目合わせ誤差および
加工寸法のばらつきにより、フォトダイオードのｎ型領
域５と多結晶シリコン電極１２との重なり寸法を一定範
囲内に抑えることは困難である。

そして−第４　’ｒ５１１　（ａ　）に示すように−こ
の電なり部分Ｘが大きいときには、第４図（ｂ）のＡに
示すように、電極１２下に深いポテンシャル井戸が形成
され、また、逆に第５図（ａ）に示すように、この重な
り部分Ｘが小さいときには、電極下に第５図（ｂ）のＢ
に示すように、電位障壁が形成されて、いずれの場合に
もフォトダイオードから電荷転送領域へのスムースな電
荷の転送が阻害される。

ところで、本発明者は、先に上記欠点を解消するものと
して多結晶シリコン電極をマスクとしてフォトダイオー
ドのｎ型領域５とその表面を覆うρ１型領域１４とを形
成する製造方法を提案したく平成１年特許［１２５６８
２号〉。しかし、この方法では、フォトダイオードのｎ
型領域とｐ＋型領領域を同一の多結晶シリコン電極をマ
スクとして形成するものであり、多結晶シリコンとｎ型
領域との重なり寸法がｎ型不純物の拡散条件のみによっ
て決定されるので、上記型なり寸法を精確にコントロー
ルすることが困難であった。

［課題を解決するための手段］ 本発明の固体撮像素子は、第１導電型半導体層内に、表
面に第１導電型半導体薄層を有する第２導電型の光電変
換領域と、該光電変換領域において発生した信号電荷の
転送を受ける第２導電型の電荷被転送領域と、前記光電
変換領域内で発生した信号電荷を前記電荷被転送領域へ
読み出すための電荷読み出し領域とが設けられ、前記電
荷読み出し領域上にゲート絶縁膜と電荷転送ｔ８ｉｉと
が電荷転送電極の端部がゲート絶縁膜の端部より後退し
た形状に設けられたものであって、■前記電荷転送電極
は前記ゲート絶縁膜に、■前記光電変換領域は前記電荷
転送電極に、■前記第１導電型半導体薄層は前記ゲート
絶縁膜に、それぞれ自己整合されて形成されたものであ
る。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図（ａ）〜（ｇ＞は、本発明の第１の実施例を示す
主な製造工程におけるセル部の断面図である。

まず、ｎ型半導体基板１上にｐ型ウェル層２を形成する
［第１図（ａ）］　、続いて、シリコン酸化膜３、シリ
コン窒化膜４を順に成長させた後、フォトレジスト８ａ
をマスクとしてプラズマエツチングを施して、フォトダ
イオードおよび電荷転送領域となる部分のシリコン窒化
膜４を除去する［第１図（ｂ）］。

フォトレジスト８ａを除去し、新たにフォトダイオード
形成部分をフォトレジストで被覆し、このフォトレジス
トとシリコン窒化膜４とをマスクとして電荷転送領域と
なるｎ型領域６をイオン注入法および不純物熱拡散によ
り形成する［第１図（ｃ）］。

次に、シリコン窒化膜４をマスクとして熱酸化を行い、
選択的に比較的厚いシリコン酸化膜７を成長させ、シリ
コン窒化膜４をウェットエツチング法により除去する。

続いて、電荷読み出し領域となる部分をフォトレジスト
８ｂで覆い、このフォトレジスト８ｂとシリコン酸化膜
７をマスクにイオン注入してチャネルストップ領域とな
るｐ＋型領領域９形成する［第１図（ｄ）］ 次に、フォトレジスト８ｂを除去し、シリコン酸化膜３
．７をエツチング除去し、新たに熱酸化を行って、シリ
コン酸化膜から戒る第１のゲート絶縁膜（図示なし〉を
形成する。次いで減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコンを
堆積し、さらに、フォトレジストプロセスおよび異方性
プラズマエツチング法を用いて電荷転送を行う第１の多
結晶シリコン電極（図示なし）を形成する。引き続き、
露出している前記第１のゲート絶縁膜をエツチング除去
し、新たに熱酸化膜を行うことによりシリコン酸化膜１
７を形成した後、減圧ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜１
８を堆積し、さらに熱酸化を施して窒化膜１８上に薄い
熱酸化膜（図示なし）を形成してシリコン酸化膜／シリ
コン窒化膜／シリコン酸化膜の３層構造から成る第２の
ゲート絶縁膜１１を形成する。続いて、減圧ＣＶＤ法に
より多結晶シリコンを堆積しさらにフォトレジストプロ
セスおよび異方性プラズマエツチング法により多結晶シ
リコンおよび窒化膜１８をパターニングしてフォトダイ
オードがら電荷転送領域への信号電荷の読み出しおよび
電荷転送を行うための第２の多結晶シリコン電ｉ１２を
形成する。引き続き、等方性プラズマエツチングを施し
、多結晶シリコンと窒化膜とのエツチングレート差を利
用して前記第２の多結晶シリコン電極１２の端部がシリ
コン窒化１１１ｊ１８の端部がら所望の距離だけ後退す
るように加工する。次に、第２のゲート絶縁膜１】の一
部を構成するシリコン窒化膜１８および第２の多結晶シ
リコン電ｆｉ１２をマスクにシリコン酸化膜１７をエツ
チング除去しさらに熱酸化を行うことにより薄い酸化膜
１３を形成する。しがる後、前記第２の多結晶シリコン
電極１２をマスクとしてイオン注入を行い、熱処理を施
してフォトダイオードを構成するｎ型領域５を形成する
［第１図（ｅ〉］。

次に、第２の多結晶シリコン電ｉ１２がら所望のＶＩｒ
！、１ｗだけ突出した第２のゲート絶縁膜１１をマスク
として、イオン注入を行い、ｎ型領域５の表面に浅いｐ
＋型領領域１４形成する［第１図（ｆ）］、さらに、周
辺トランジスタ部のｎ＋＋散層（図示なし）を形成した
後、眉間絶縁膜１５を堆積し、遮光および配線用アルミ
ニウム膜１６を形成する［第１図（ｇ）］。

このように構成された固体撮像素子では、第２の多結晶
シリコン電極１２が、第２のゲート絶縁膜１１に自己整
合されてその端部が第２のゲート絶縁膜１１の端部から
所望の距離だけ後退しており、そして、フォトダイオー
ドを構成するｎ型領域５が第２の多結晶シリコン電極１
２に対して、また、ｐ＋型領領域１２第２のゲート絶縁
膜１１に対して自己整合されて形成されているので、第
２の多結晶シリコンｔｆ！１２、ｎ型領域５およびｐ＋
型領領域１４相互の距離を精確にコントロールでき、フ
ォトダイオードから電荷転送領域へ信号電荷を読み出す
際に、ポテンシャルの窪みや障壁が発生しないようにす
ることができる。

次に、第２図（ａ）〜（ｃ）を参照して本発明の第２の
実施例について説明する。この実施例では、第１図（ｄ
）に示した工程までは先の実施例と同様の工程を経る。

第１図（ｄ）の工程が終了した状態を第２図（ａ）に示
す。この状態から、フォトレジスト８ｂとシリコン酸化
膜３．７を除去し、熱酸化により、シリコン酸化膜１７
ａを形成する。続いて、減圧ＣＶＤ法により、シリコン
窒化膜１８ａを成長させ、さらにその上に薄く熱酸化Ｍ
（図示なし〉を形成してシリコン酸化膜／シリコン窒化
膜／シリコン酸化膜の３層構造から成る第１のゲート絶
縁膜１０を形成する０次に、減圧ＣＶＤ法により多結晶
シリコンを堆積し、フォトレジストプロセスおよび異方
性プラズマエツチング法により、多結晶シリコンのみを
バターニングして電荷転送を行う第１の多結晶シリコン
電極（図示せず）を形成する。続いて、熱酸化を行って
第１の多結晶シリコン電極の表面に酸化膜を形成した後
、減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコンを堆積し、フォト
レジストプロセスおよび異方性プラズマエツチング法に
より、多結晶シリコンとシリコン窒化膜１８ａとをパタ
ーニングしてフォトダイオードから電荷転送領域への信
号電荷の読み出しおよび電荷転送を行う第２の多結晶シ
リコン電極１２を形成する。次に、等方性プラズマエツ
チングを行いエツチングレートの差を利用して前記第２
の多結晶シリコン電極１２の端部がシリコン窒化膜１８
ａの端部がら所望の距離だけ後退するように加工する０
次に、シリコン窒化膜１８ａおよび第２の多結晶シリコ
ン電ｆ！１２をマスクにシリコン酸化膜１７ａをエツチ
ング除去し、さらに熱酸化を行うことにより薄い酸化膜
１３を形成し、しかる後、前記第２の多結晶シリコン電
極１２をマスクとしてイオン注入を行い熱処理を施すこ
とによりフォトダイオードを構成するｎ型領域５を形成
する［第２図（ｂ）］。

その後は、先の実施例と同様に、第１のゲート絶縁ＪＩ
ＩＩＯをマスクとしてイオン注入を行って、ｐ１型領域
１４を形成し、引き続き、眉間絶縁膜１５、アルミニウ
ム膜１６を形成する［第２図（Ｃ）］。

本実施例によれば、第１および第２の多結晶シリコン電
極下に形成されるポテンシャル井戸の深さに差が生じな
いようにすることができる。

以上の実施例では、電荷転送手段としてＢＣＣＤを用い
、その転送電極は２層構造を有するものであったが、本
発明はこれに限定されるものではなく、ＣＣＤとしては
５ＣＣＤを用いることもでき、また、転送電極は１層あ
るいは３Ｎ構造のものとすることができる。さらに本発
明は、ＣＣＤ型のみならずＭＯＳ型の固体撮像素子にも
適用しうるちのである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による固体撮像素子は、埋
め込み型フォトダイオードと、ゲート絶縁膜と、電荷転
送電極とを有し、■前記転送電極が前記ゲート絶縁膜に
対し、■フォトダイオードを構成する第２導電型領域が
前記電荷転送電極に対し、■前記第２導電型領域の表面
を覆う第１導電型半導体薄層が前記ゲート絶縁膜に対し
て、それぞれ、自己整合されて猛威されたものであるの
で、本発明によれば、電荷転送電極、フォトダイオード
を構成する第２導電型領域及び該第２導電型領域の表面
を覆う第１導電型の半導体薄層の３者の相互の位置を精
確に設定することができる。

したがって、本発明によれば、従来例の場合に問題とな
った、フォトレジストプロセスにおける目合わせ誤差や
加工時の誤差によって前記電荷転送電極下に生じるポテ
ンシャル窪みやポテンシャル障壁を防止することができ
、フォトダイオードからの信号電荷の読み出しを効率高
く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図＜ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施例を説明
するための半導体装置の断面図、第２図（ａ）〜（ｃ）
は、本発明の第２の実施例を説明するための半導体装置
の断面図、第３図（ａ）〜（ｇ）は、従来例を説明する
ための半導体装置の断面図、第４図（ａ）、（ｂ）、第
５図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来例の断面図とその
ポテンシャル分布図である。 １・・・ｎ型半導体基板、　　２・・・ｐ型ウェル層、
３・・・シリコン酸化膜、　　４・・・シリコン窒化膜
、５・・・ｎ型領域（フォトダイオード）、　　６・・
・ｎ型領域（電荷転送領域）、　　７・・・シリコン酸
化膜、　　　８ａ、８ｂ・・・フォトレジスト、　　　
９・・・ｐ＋型領領域チャネルストップ領域）、　　　
１０・・・第１のゲート絶縁膜、　　１１・・・第２の
ゲート絶縁膜、　　ｌｌａ・・・第２のゲート酸化膜、
１２・・・第２の多結晶シリコン電極、　　１３・・・
シリコン酸化膜、　　１４・・・ｐ＋型領領域　　１５
・・・層間絶縁膜、　　１６・・・アルミニウム膜、１
７．１７ａ・・・シリコン酸化膜、　　１８．１８ａ・
・・シリコン窒化膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型半導体層の表面領域内に形成された表
   面に第１導電型半導体薄層を有する第２導電型の光電変
   換領域と、前記第１導電型半導体層の表面領域内に形成
   された、前記光電変換領域において発生した信号電荷の
   転送を受ける第２導電型の電荷被転送領域と、前記第１
   導電型半導体層の表面領域内に設けられた、前記光電変
   換領域から信号電荷を前記電荷被転送領域へ読み出すた
   めの電荷読み出し領域と、前記電荷読み出し領域上に形
   成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上にその端
   部がゲート絶縁膜の端部より後退して形成された電荷転
   送電極とを備えた固体撮像素子において、 （１）前記電荷転送電極は前記ゲート電極に対し、（２
   ）前記光電変換領域は前記電荷転送電極に対し、（３）
   前記第１導電型半導体薄層は前記ゲート絶縁膜に対し、 それぞれ自己整合されて形成されていることを特徴とす
   る固体撮像素子。
2. （２）第１導電型半導体層上にゲート絶縁膜材料層を形
   成する工程と、該ゲート絶縁膜材料層上に電荷転送電極
   材料層を形成する工程と、前記電荷転送電極材料層と前
   記ゲート絶縁膜材料層とに選択的エッチングを施してゲ
   ート絶縁膜と電荷転送電極とを電荷転送電極の端部がゲ
   ート絶縁膜の端部より後退した形状に形成する工程と、
   前記電荷転送電極をマスクとして第２導電型不純物を導
   入して光電変換領域を形成する工程と、前記ゲート絶縁
   膜をマスクとして第１導電型不純物を導入して前記光電
   変換領域上を覆う第１導電型半導体薄層を形成する工程
   とを具備する固体撮像素子の形成方法。
3. （３）ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜
   及びシリコン酸化膜の三層の膜から構成されている請求
   項２記載の固体撮像素子の製造方法。