JPH0442574A - 電荷転送素子とその製造方法 - 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 本発明は、電荷転送素子とその製造方法に関するもので
ある。

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。

固体撮像素子を高密度化するためには、電荷転送素子領
域部分（以下、転送チャネルと呼ぶ）の面積を縮小しな
ければならない。

転送チャネルの面積を縮小すると転送可能電荷量の減少
、即ち固体撮像素子としてのダイナミックレンジの減少
が問題となる。

第２図は従来の固体撮像素子の単位画素部の断面図であ
る。なお以下の説明では一般的に良く用いられているＮ
チャネル型固体撮像素子の場合を例として説明を行う。

第２図に示すようにＰ型半導体基板１にＮ型の半導体領
域であるフォトダイオード２を形成する。また半導体基
板１にＮ型拡散層３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
に画素と成るフォトダイオード２の画素間の分離を確実
にするために、基板と同じＰ型板散層４を形成する。こ
のＰ型板散層４部分は、一般にチャネルストッパーと呼
ばれる。次にゲート酸化膜５を形成し、転送チャネル部
であるＮ型拡散層３の上にポリシリコン等の転送ゲート
電極６を形成する。次にフォトダイオード部分のＮ型層
の表面に、基板と同じＰ型の浅い拡散層７を形成してフ
ォトダイオード表面、ゲート酸化膜との界面準位による
暗電流の発生を抑制する。次に転送電極６の表面に層間
絶縁膜８を形成し、この上に遮光用の金属薄膜９を形成
、パターニングして、フォトダイオード以外の不要部分
への光の入射を防ぐ。最後に素子の表面保護膜１０を形
成する。

尚、１１の部分はフォトダイオード２から転送チャネル
部分のＮ型拡散層３への電荷の流れを制御するトランス
ファーゲート部分に相当する。転送電極６は、印加する
電圧を変えることにより、転送チャネルのＮ型拡散層３
内の電荷を転送するだけの働きと、フォトダイオード２
から転送チャネルのＮ型拡散層３内への電荷の読み込み
との２種類の働きをする。

このような従来構成の固体撮像素子では、高解像度化を
図るために、転送チャネルのＮ型拡散層３の幅を狭くし
たり、トランスファーゲート１１の幅を狭くしたり、ゲ
ート酸化膜５を薄（したり、転送チャネル部分のＮ型拡
散層３の不純物濃度を最適化したりすることにより、単
位画素の大きさを小さくしても性能が低下しないように
取り組んでいる。

発明が解決しようとする課題 このような従来の素子構造では、単位画素の縮小に応じ
て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は低下する
。

本発明は、このような従来の固体撮像素子の構造に比べ
て、同一の単位画素サイズでも著しい転送可能電荷量の
増加、ダイナミックレンジの増加、素子感度の向上を可
能とする固体撮像素子の構造と、その具体的な製造方法
を提供するものである。

課題を解決するための手段 本発明は、半導体基板表面にトレンチエツチングにより
凹型の溝を掘る。次に、凹型上面の平面部、溝内側壁面
、溝の底の底部面の三種類の平面部の内、少なくとも二
種類以上の平面に、斜めイオン注入と、半導体基板にほ
ぼ垂直なイオン注入を用いることにより転送チャネル形
成用の不純物拡散を行う。これにより、従来と同一な単
位画素面積であっても、凹型上面の平面部、溝内側壁面
、溝の底の底部面の内少なくとも二種類以上の平面を転
送チャネルとして用いることができるようになる。これ
により溝内側壁面の高さの２倍だけ、従来の平面構造の
転送チャネル幅が増えた事と同等の効果が得られるよう
になる。従って、素子のダイナミックレンジの増加、感
度の向上、単位画素サイズの縮小等が容易に可能となる
。

作用 本発明による固体撮像素子の構造では、単位画素面積に
占める転送チャネル用の面積２幅を変更する事な（、従
来より凹型転送チャネルのトレンチ溝の深さの二倍に相
当する分だけ実効的な転送チャネル幅を増やすことがで
きるようになる。

従って、従来と同じ画素面積であっても、はるかに多く
の電荷を転送できるようになる。従来構造に比べて、著
しいダイナミックレンジの増加が可能となる。さらに従
来よりも狭い単位画素上の転送チャネル幅で同等量の電
荷を転送できるため、その分だけフォトダイオード面積
を増やすことができ、素子感度の向上が可能となる。ま
た感度、ダイナミックレンジが従来量等で良ければ、素
子の高解像度化ができるようになる。

実施例 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）〜（ｉ）は本発明の電荷転送素子の製造方
法を説明する第１の実施例を示す。第１図では、電荷転
送素子の単位画素部分の製造工程順断面図である。

第１図（ａ）に示すように、半導体基板１１の表面に、
第一酸化膜１２を形成する。この第一酸化膜１２の上に
レジスト等のマスク材１３をパターニングして形成する
。この第一酸化膜１２０部分は、シリコン窒化膜等の材
料で代用することは可能である。

次に第１図（ｂ）に示すように、マスク材１３により第
一酸化膜１２とその下の半導体基板をトレンチエツチン
グして凹型の溝を形成する。第１酸化膜１２の表面から
凹型溝の底部までの深さは溝の開口幅にほぼ等しく成る
ことが必要である。

次に、マスク材１３を除去した後に転送チャネル形成用
のリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ　）等の不純物をイオン注入
法により拡散する。これにより、凹型右側壁面には転送
チャネル用のＮ型拡散層１４が形成される。このイオン
注入時のイオンビームの方向は、凹型転送チャネルの電
荷転送方向に垂直な断面に平行であり、かつ半導体基板
面に対して斜め４５度程度の入射角を持つ。第１図（ｂ
）は左上方より４５度の入射角でイオン注入を行う工程
である。凹型の溝内壁面の右側壁面のみに不純物が注入
される。この時被注入対象面がイオンビームに対して４
５度の傾きを持っている。このため被注入対象面に単位
面積当り０個のイオンを注入しようとすると、側壁面に
対するイオンビームの入射角度をω度とし、イオン注入
機の設定値は単位面積当り（Ｃ／　ｃ　ｏ　ｓ　４５°
）個のイオンを注入することで不純物のドーズ量が求ま
る。さらにイオン注入の加速電圧は、側壁面に対して垂
直方向からＤｋｅｖ、でイオン注入されることを想定し
ている時、ドーズ量と同様に（Ｄ／ｃｏｓ４５°）ｋｅ
ｙ、という、想定したＤｋｅｖ、より高い加速電圧で注
入しなければ、所定の深さまで不純物は到達しない。こ
の時、凹型の上部表面は第１酸化膜１２で被覆されてい
るために不純物は注入されない。また凹型溝の左側内壁
面も、イオンビームの陰となるために不純物は注入され
ない。

次に第１図（Ｃ）に示すように凹型溝の左側壁面のみに
不純物のイオン注入を行う為に、右上方４５゜の方向か
らイオン注入を行う。この時のイオン注入加速電圧、注
入ドーズ量等は、第１図（ｂ）の時と同じく、左側壁面
が入射イオンビームに対して４５°傾斜していることを
考慮して設定しなくてはならない。このイオン注入゛に
より、凹型左側壁面に転送チャネル用のＮ型拡散層１５
が形成される。

次に第１図（ｄ）に示すように、転送チャネルを形成し
ない半導体基板１１表面の領域を、レジスト等のマスク
材１６で被覆する。次に半導体基板面にほぼ垂直な角度
（±７°７°）で、転送チャネル形成用の不純物をイオ
ン注入する。この時のイオン注入は、加速電圧Ｄｋｅｖ
、ドーズ量は単位面積当り０個のイオンが注入されるよ
うに設定すれば良い。この結果、転送チャンネルとなる
凹型溝の上部面、凹型溝の底部面に転送チャネル形成用
のＮ型拡散層１７．１８が形成される。

次に第１図（ｅ）に示すように、第１図（ｄ）で用いた
マスク材１６を除去した後に、半導体基板１１の表面の
フォトダイオードを形成する所以外を、再度レジスト等
のマスク材をパターニングすることにより被覆する。次
にフォトダイオード形成用の不純物イオンとしてリン（
Ｐ）、砒素（Ａｓ）等を半導体基板にほぼ垂直な角度で
所定の加速電圧で注入する。これにより、フォトダイオ
ード用Ｎ型拡散層１９が形成される。

次に第１図（ｆ）に示すように、第１図（ｅ）で用いた
マスク材１６を除去した後に、フォトダイオードの分離
を確実にするために、Ｐ型拡散層（通称：チャネルスト
ッパー）２０を規定するために、マスク材２１を再度半
導体基板１１上に被覆してパターニングする。この後に
Ｐ型不純物としてボロン（Ｂ）、弗化ポロン（ＢＦ２　
）等をイオン注入してチャネルストッパー２０を形成す
る。

次に第１図（ｇ）に示すように、第１図（ｆ）で用いた
マスク材２１を除去し、充分に半導体基板１１表面を洗
浄した燐に、ゲート酸化膜２２を形成する。ゲート酸化
膜２２の上にポリシリコン等の転送電極２３を形成し、
パターニングする。フォトダイオード表面のゲート酸化
膜２２部分は、入射光を良く通すためにポリシリコン等
のゲート電極で覆われないようにしてお（。

次に第１図（ｈ）に示すように、フォトダイオード表面
に浅いＰ型拡散層２４をイオン注入で形成する。このＰ
型拡散層２４は、フォトダイオード表面の界面準位から
発生する暗電流を抑制する働きがあり、チャネルストッ
パーと電気的につながっている。

次に第１図（ｉ）に示すように、ポリシリコン等の転送
電極、フォトダイオード用Ｎ型拡散層１９部分の表面に
シリコン酸化膜等の光をよく透過する眉間絶縁膜２５を
形成して固体撮像素子表面をできるだけ平坦化する。次
に、′遮光用金属薄膜２６をアルミニウム等の金属系薄
膜で形成、パターニングして、入射光がフォトダイオー
ド用Ｎ型拡散層１９部分だけに届くようにして他の表面
領域を遮光する。最後に固定撮像素子の表面に表面保護
膜２７を形成して素子が完成する。

以上、本発明ではＰ型半導体基板に形成した例を説明し
たが、逆にＮ型半導体基板を用いた、Ｐ型転送チャネル
形成方法の場合にも、本発明が同様に実施可能であるこ
とは言うまでもない。さらに、第１図（ｂ）〜ω）の凹
型転送チャネルの溝内壁部と溝の上部面に不純物を拡散
する方法として、第１図（ｄ）の工程でマスク材１６と
して耐熱性の高い材料、例えばシリコン窒化膜、シリコ
ン酸化膜等を用いて、ガス拡散、固体拡散等の方法で行
うことができるのは、言うまでもない。しかし、現状で
はイオン注入より優れた不純物濃度の制御性のよい不純
物拡散方法がないので、この実施例ではイオン注入法を
用いた例を示した。

発明の詳細 な説明したように、本発明は半導体基板表面を凹型に加
工する工程と、凹型の上部面と、溝の左右の内壁面と、
溝の底部平面の三種類の半導体基板面に深さ方向に同−
Ｎ類の転送チャネル形成用の不純物を同一濃度拡散する
工程により、固体撮像素子の転送チャネル幅を従来と同
じ単位画素面積の中でも実効的に凹型の溝の深さの二倍
だけ転送チャネル幅が増えたことになる。単位画素面積
内の転送チャネル幅を狭くしても従来と同程度の転送可
能電荷量を保持できる。このため、素子の高感度化、単
位画素面積の縮小、高解像度化を図ることができる。従
来の固体撮像素子を製造している拡散工場であれば、４
５度程度の斜めイオン注入可能な装置のみを新設すれば
、上記構造の固体撮像素子を容易に量産することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｉ）は本発明の一実施例を説明するた
めの固体撮像素子の工程順断面図、第２図は従来の固体
撮像素子を説明するための断面図である。 １１・・・・・・半導体基板、１２・・・・・・第一酸
化膜、１３・・・・・・マスク材、１４・・・・・・Ｎ
型拡散層、１５・・・・・・Ｎ型拡散層、１６・・・・
・・マスク材、１７・・・・・・底部平面のＮ型拡散層
、１８・・・・・・上部平面のＮ型拡散層、１９・・・
・・・フォトダイオード用Ｎ型拡散層、２０・・・・・
・チャネルストッパー、２１・・・・・・マスク材、２
２・・・・・・ゲート酸化膜、２３・・・・・・ポリシ
リコン転送電極、２４・・・・・・浅いＮ型拡散層、２
５・・・・・・層間絶縁膜、２６・・・・・・遮光用金
属薄膜、２７・・・・・・表面保護膜。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名＼　　（ くミヘ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板と、前記半導体基板表面に形成された
   溝と、少なくとも前記講周辺の前記半導体基板中に形成
   された拡散層と、少なくとも前記溝内部の前記半導体基
   板上に形成された転送電極を備え、前記拡散層が、前記
   溝周辺の前記半導体基板表面、前記溝の側壁表面、前記
   溝の底面部表面の内、少なくとも２つの表面の拡散層の
   不純物濃度がほぼ等しいことを特徴とする電荷転送素子
   。
2. （２）半導体基板上の所定領域に酸化膜を形成する工程
   と、前記酸化膜をマスクに前記半導体基板をエッチング
   し溝を形成する工程と、前記半導体基板の全表面に４５
   度程度の入射角でイオン注入する工程と、前記酸化膜を
   除去する工程と、前記半導体基板上の所定領域にマスク
   材を形成する工程と、前記半導体基板の全表面に８３度
   程度の入射角でイオン注入する工程を有することを特徴
   とする電荷転送素子の製造方法。
3. （３）溝の深さが前記溝の開口幅とほぼ等しいことを特
   徴とする請求項２記載の電荷転送素子の製造方法。