JPH03285335A - 電荷転送素子の製造方法 - 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 本発明は、固体撮像素子等に使用される電荷転送素子お
よびその製造方法に関する。

従来の技術 近年、半導体集積回路技術の進展にともない、多画素高
密度な固体撮像素子が実現されるようになってきている
。固体撮像素子は高密度化するに従い、受光部のフォト
ダイオードの面積を縮小し、電荷転送素子領域部（以下
、転送チャネル部と称する）の面積も縮小せざるを得な
いところまできている。したがって転送可能電荷量の減
少、すなわち固体撮像素子としてのダイナミックレンジ
の減少が問題になるが、従来は転送チャネル部のゲート
酸化膜を薄（するか、転送チャネル部の不純物濃度の最
適化によって対処してきた。

以下に従来の電荷転送素子について説明する。

第３図は従来の固体撮像素子の単位画素の断面図である
。なお、以下の説明では一般的によ（使用されるＮチャ
ネル型固体撮像素子の場合を例として従来の電荷転送素
子を説明する。

第３図に示すように、Ｐ型半導体基板２１の上に深いＮ
型領域２２を形成し、この部分をフォトダイオードとし
て使用する。また半導体基板２１の上にＮ型領域２３を
形成し、これにより埋め込みチャネル型電荷転送素子の
転送チャネル部分を構成する。次に画素となるフォトダ
イオードの分離を確実にするために、Ｐ型分Ｍ領域２４
を形成する。このＰ型分離領域２４は一般にはチャイ、
ルストッパーと呼ばれる。次にゲート酸化膜２５を形成
し、埋め込みチャネルの転送ゲート電極２６を形成する
。次にフォトダイオード部分の深いＮ型領域２２の表面
に浅いＰ型頭域２７を形成してフォトダイオード表面の
界面準位からの暗電流の発生を防ぐ。次に転送ゲート電
極２６の表面に層間絶縁膜２８を形成した後に、不要部
分への光の入射を防ぐための遮光膜２９を形成する。こ
の上に素子の表面保護膜３０を形成する。なお、３１は
フォトダイオードから埋め込みチャネル部分への電荷の
流れを制御するトランスファーゲート部である。転送ゲ
ート電極２６は印加する電圧を変えることにより、単な
る埋め込みチャネル内の電荷の転送と、フォトダイオー
ドからの電荷の読み出しとに使い分けられている。

このような構成の固体撮像素子では、画素数を増加して
高解像度化を計るために、転送チャネルを構成するＮ型
領域２３の幅を狭くしたり、ゲート酸化膜２５を薄（し
たり、Ｎ型領域２３の不純物濃度分布を最適化したりす
ることにより、単位画素部を小さくしても性能が低下し
ないようにしている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の従来の構成では、単位画素部の縮小
に応じて電荷転送素子部分の転送可能電荷量は基本的に
減少せざるを得ない。従って固体撮像素子としてのダイ
ナミックレンジが低下するという課題を何していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、単位画素部
のサイズが同一でも著しいダイナミックレンジの増加を
可能とする電荷転送素子とその製造方法を提供すること
を目的とする。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために本発明の電荷転送素子は、半
導体基板表面に凸型部を設け、凸型部の頂点平面、側壁
面および基底面の全てに転送チャネル部分を形成するこ
とにより、側壁面の二倍だけ従来の平面構造に比べ転送
チャネル幅が増えたことと同等の効果が得られる構成と
したものである。

作用 この構成によって、素子表面に占める転送チャネル部分
の面積、幅を変更することなく、転送ヂャ不ル幅が増え
たことになり、従来よりも多くの電荷を運ぶことができ
るようになる。従って、固体撮像素子の撮像素子面積を
増加させることなくダイナミックレンジの増加が可能と
なる。さらに、従来よりも狭い素子表面上の転送チャネ
ル幅で同等量の電荷転送が可能となり、電荷転送素子の
高密度化、高感度化が従来と同様な半導体基板の処理で
可能となる。

実施例 以下、本発明の一実施例を固体撮像素子を例として図面
を参照しながら説明する。第１図（ａ）〜（ｊ）は本発
明の一実施例における電荷転送素子の製造方法を説明す
るための製造工程順に示した固体撮像素子の画素部分の
断面図、第２図（ａ）　（ｂ）はイオン注入角度を説明
するための構成図である。まず本発明の一実施における
電荷転送素子の製造方法について説明する。

第１図（ａ）に示すように、Ｐ型半導体基板１の表面に
熱酸化、またはＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａ
ｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔ　ｉｏｎ　）法により、第１の
酸化１１２（たとえば膜厚ｇＯｎｍ）を形成し、この第
１の酸化膜２の上にレジスト膜をパターニングし第１の
マスク３ａを形成する。次に、同図（ｂ）に示すように
、第１のマスク３ａにより第１の酸化膜２とその下のＰ
型半導体基板１を深さ１０００ｎｍだけ異方性エツチン
グしてＰ型半導体基板１に凸型部４を形成する。次に、
同図（Ｃ）に示すように再度レジスト膜をパターニング
してＰ型半導体基板１の表面に第２のマスク３ｂを形成
する。この後に、Ｐ型半導体基板１を入射イオンビーム
に対して４５度傾けて燐または砒素等の転送チャネル形
成用の不純物をイオン注入する。加速電圧としては、凸
型部４の側壁面および基底面に注入される不純物の量を
３　Ｘ　１０　”ａｔｏｍｓ／　ｃ−としたときに、凸
型部４の頂点面のＰ型半導体基板１内に半透過性の遮蔽
膜（第１酸化膜２がこの役割を果たす）を貫通して１　
、５　Ｘ　１０１２ａｔｏｍｓ／　ｃｊのイオンが注入
されるような加速電圧を選択する。また、従来の平面型
転送チャネルの時に３　Ｘ　１０”ａｔｏ■ｓ　／　ｃ
ｄイオン注入していた撮像素子を、本発明の凸型転送チ
ャネルで実現するためには凸型部４の側壁面にも３Ｘ　
１０”ａｔｏｍｓ／ｃｉの注入をする必要がある。

従って、イオン注入機の注入量の設定値は４５度シリコ
ン基板が傾いていることを考慮して（３×１０”／ｃｏ
ｓ４５°）に増やさなれけば、従来と同じ不純物濃度に
ならない。

第１図（Ｃ）の凸型部４の左側１′１１壁面と左側基底
面のＰ型半導体基板１の表面には、凸型部４がイオンビ
ームを遮蔽するために、右ｇ４４５度からのイオン注入
時にはイオンは注入されない。次に、同図（ｄ）では、
イオン注入を左ｆｔ４４５度の傾きで、同図（ｅ）の時
と同一の加速電圧、注入量で行なう。これら７回の注入
により、凸型部４の左右の側壁面、基底面および頂点面
には同等量の不純物が拡散されたＮ型領域５が形成され
る。次に、同図（ｅ）はフォトダイオード形成用の深い
Ｎ型領域６を適当なマスク材によりＰ型半導体基板１の
表面にイオン注入して形成した状態である。深いＮ型領
域６を熱拡散するときに転送チャネル部であるＮ型領域
５の拡散深さも深くなる。この深いＮ型領域６形成用の
イオン注入の時に、第１酸化膜２はエツチングにより除
去されていても、レジスト等のマスク材で遮蔽されてい
れば差し支えない。次に同図（ｆ）に示すように、燐合
う画素のフォトダイオードを分離するために、Ｐ型半導
体基板１と同じＰ型分離領域７を、適当なマスク材のパ
ターニングとイオン注入工程により形成する。このＰ型
分離領域７は通常、チャネルストッパーと呼ばれている
ものである。次に同図（ｇ）に示すように、不要となっ
た第１酸化膜２をエツチング除去した後にＰ型半導体基
板１の表面にゲート酸化膜８を熱酸化、またはＣＶ　Ｄ
法などにより形成する。次に同図（最に示すように転送
ゲート用ポリシリコン膜をゲート酸化膜８の上に堆積し
てパターニングし、転送ゲート電極９を形成する。必要
に応じて、ポリシリコン膜を酸化し、二層目のポリシリ
コン膜を堆積し転送ゲート電極を形成しても良い。第１
図では二層目の転送ゲート電極は図面の煩雑さを避ける
ために省略しである。次に同図（ｉ）に示すようにフォ
トダイオードを構成する深いＮ型領域６の表面に浅いＰ
型領域ＩＯを形成して、ゲート酸化膜８とＮ型領域６の
界面から発生する暗電流を抑制する。次に、層間絶縁膜
１１を形成した後に、アルミニウム等の金属膜で遮光Ｉ
ＰＪ　１２を堆積してパターニングし、フォトダイオー
ド部分だけに光が入るようにして、その伯の部分は遮光
する。

ここでは、Ｐ型半導体基板１上に第１の酸化膜２を形成
したが、窒化膜やオキシナイトライド膜を用いることが
できる。

また、固体撮像素子ではなく、単体で用いる電荷転送素
子を形成する場合には、本実施例の浅いＰ型領域１０や
アルミニウム等の遮光［１２を形成する必要はない。

第１図（ｊ）は、以上のようにして形成した固体撮像素
子の最終断面構造であり、素子に表面保護膜１３を被覆
した状態である。

本発明において、上記実施例では凸型部４へのＮ型領域
５形成用の不純物拡散をイオン注入で実施した場合を示
した。斜めイオン注入によりＮ型領域５形成用の不純物
拡散を行なう時は、Ｐ型半導体基板１への４５度の斜め
イオン注入と、凸型部４の頂点面のイオン注入時の不純
物遮蔽能力が側壁部表面または基底面の二倍であること
が望ましい。このため、第１図（ａ）〜（ｄ）の第１酸
化膜２の膜厚は、イオン注入の加速電圧を決定する上で
重要となる。−例として第１酸化膜２として、８０ｎｍ
のシリコン熱酸化膜を用い、Ｎ型領域５形成用不純物と
して燐を用いた時は、イオン注入の加速電圧を１２０Ｋ
ｅＶにしてＰ型半導体基板１をイオンビームに対して４
５度傾けてイオン注入することにより、凸型部４の頂点
平面のＰ型半導体基板１には、ｌｌ＆膜の無い側壁面、
底部平面の半分の量にイオンが注入される。第１図（Ｃ
）で右側側壁面と右側基底面のイオン注入し、この時凸
型部４の頂点平面には所定の半分の量しかイオン注入さ
れない。次に、第１図（ｄ）で左側側壁面と左側基底面
の所定量の不純物をイオン注入すると、同図（Ｃ）での
注入量と合わせて頂点平面には結果よして所定量のイオ
ン注入が行なわれたことになる。４５度の角度でイオン
注入した場合、表面での反射による注入量の低下が考え
られるが、シリコン基板での実測の結果、４５度の角度
では９５９ｂ以」二のイオンがシリコン基板内に正常に
拡散されることを確認した。

第２図（ａ）　（ｂ）はイオン注入角度を説明するため
の構成図である。同図（ａ）はＰ型半導体基板１の表面
に対して垂直に凸型部４を形成したときであり、この時
はＰ型半導体基板１０表面に対して４５度の入射角度で
イオン注入をすることにより、凸型部４の側壁面と基底
面の両方の被イオン注入面に対するイオンビームの入射
角度が等しくなる。

従って、両方の被イオン注入面に対して同量の不純物が
注入される。第２図（ｂ）は、凸型部４の側壁面がＰ型
半導体基板１の表面に対して垂直でなく、角度ωの傾き
をもっていたときの場合である。このときのイオン注入
は、Ｐ型半導体基板１の表面に対してω／２の角度で行
なうことにより、凸型部４の側壁面と基底面の両方の平
面に対するイオンビームの入射角度が等しくなる。凸型
部４の側壁面の傾斜角度により、イオン注入角度の最適
値が決定される。

Ｎ型領域５を形成するだめの不純物拡散方法に、イオン
注入以外にガス拡散法または固体拡散法等の表面方向依
存性の無い手段を用いる場合は上記のような凸型部４の
表面の頂点平面の遮蔽膜（第１酸化膜２）が不要である
ことは言うまでもなく、Ｎ型領域５を形成しない領域を
熱酸化膜等のマスク材で遮蔽してお（たけて良い。

以上述べた実施例ではＰ型半導体基板を用いたＮチャネ
ル型電荷転送素子の場合について説明したが、Ｎ型半導
体基板を用いたＰチャネル型電荷転送素子の場合でも同
様の効果が得られる。

発明の効果 以上のように本発明は、半導体基板上に形成した凸型部
の頂点平面、側壁面および基底面に不純物拡散して転送
チャネル領域を形成しており、平面に転送ヂャ不ルを形
成した従来のものに比べ実効的に凸型部の高さ（例えば
１０００　ｎ　ｍ　、）の２倍程度面積を増加させたの
と同じ効果を持たせることのできる優れた電荷転送素子
を実現できるものである。

したがって、本発明による電荷転送素子を固体撮像素子
に適用した場合、単位画素サイズを縮小してもダイナミ
ックレンジの低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｊ）は本発明の一実施例における電荷
転送素子の製造方法を説明するための製造工程順に示し
た固体撮像素子の画素部分の断面図、第２ｎ　（ａ）　
、　（ｂ）はイオン注入角度を説明するための図、第３
図は従来の固体撮像素子の単位画素の断面図である。 １・・・・・・Ｐ型半導体基板（半導体基板）、４・・
・・・・凸型部、５・・・・・・Ｎ型領域（他方導電型
領域）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方導電型の半導体基板に電荷転送チャネルの転
   送方向に垂直な断面形状が凸型である凸型部を設け、そ
   の凸型部の頂点平面、側壁部および凸型部裾の基底面の
   うちの少なくとも二面に不純物濃度が等しい他方導電型
   領域を設けた電荷転送素子。
2. （２）一方導電型の半導体基板上に第１の絶縁膜を選択
   的に形成する工程と、前記第１の絶縁膜をマスクとして
   半導体基板をエッチングし凸型部を形成する工程と、凸
   型部間の基底面上に凸型部近傍を除いてマスクを形成す
   る工程と、半導体基板に対して斜め方向からイオン注入
   し、凸型部の頂点平面、側壁面および基底面に他方導電
   型の第１の拡散層を形成する工程と、前記マスクを除去
   した後前記第１の拡散層との間に間隔を空けて深い他方
   導電型の第２の拡散層を形成する工程と、前記第２の拡
   散層と前記第１の拡散層とを分離するための一方導電型
   の第３の拡散層を形成する工程と、全面に第２の絶縁膜
   を形成する工程と、前記凸型部および第２の拡散層の一
   部を覆う多結晶シリコン膜を形成する工程とを備えた電
   荷転送素子の製造方法。
3. （３）多結晶シリコン膜を形成する工程に続いて、半導
   体基板上に第３の絶縁膜を形成したその第３の絶縁膜上
   で凸型部および第２の拡散層の一部の上にあたる位置に
   金属膜を形成する工程を付加した請求項２記載の電荷転
   送素子の製造方法。
4. （４）第１の拡散層を形成する工程が異なる方向からの
   ２回のイオン注入による工程である請求項２または３記
   載の電荷転送素子の製造方法。
5. （５）凸型部が台形状であり、第１の拡散層を形成する
   工程が側壁面と半導体基板の基底面との成す角度を二等
   分する方向からのイオン注入による工程である請求項２
   または３記載の電荷転送素子の製造方法。