JP2007036034A - 固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオードを深く形成することができる固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 半導体基板１１上に第１のエピタキシャル層１３を積層し、第１のエピタキシャル層１３に光電変換層の一部１５を形成し、その後、第１のエピタキシャル層１３の上にエピタキシャル成長させて第２のエピタキシャル層１６を形成し、第１のエピタキシャル層１３における光電変換層の一部１５に連なるように第２のエピタキシャル層１６に光電変換層の残りの部分３３を形成する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、フォトダイオードを深く形成することができる固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子に関する。

従来、固体撮像素子として、例えば下記特許文献１に示すように、受光エリアと受光エリアを駆動し、画像信号を取り出すための垂直並びに水平の走査回路を備えた構成のものが知られている。

図１７は、従来の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。従来の固体撮像素子１００は、Ｎ型半導体基板１０１上に、高濃度エピタキシャル層１０２と低濃度エピタキシャル層１０３とが順に積層され、低濃度エピタキシャル層１０３にＰウェル層１０４が形成されている。Ｐウェル層１０４にはフォトダイオード１０６と該フォトダイオード１０６の上方に正電荷蓄積領域１０７が形成されている。また、Ｐウェル層１０４において隣接する領域に電荷転送路１０９が形成され、該電荷転送路１０９が形成された領域の表面に転送電極１０５が形成されている。さらに、図１７の固体撮像素子は、一例としてオーバーフロードレイン方式の構成を有し、低濃度エピタキシャル層１０３においてＰウェル層１０４に並んでオーバーフロードレイン領域１０８が形成され、電荷転送前に、フォトダイオード１０６に蓄積した余剰の電子がオーバーフロードレイン領域１０８を介して素子外部へ送り出される。

特開平３−１６９０７６号公報

ところで、現在、固体撮像素子の高感度化に対する要望がある。固体撮像素子の高感度化を図る手段としては、固体撮像素子上にマイクロレンズを形成する方法や層内レンズを形成して集光効率を改善する方法があるが、光量の低下が避けられず微細化には対応できないという問題があった。

そこで、光の集光効率を改善して感度を向上させるのではなく、フォトダイオード１０６を固体撮像素子１００の基板の厚さ方向（図中の上下方向）に対して深くなるように形成し、光の吸収領域を深い領域まで延設することで感度を向上させることが考えられる。しかし、フォトダイオード１０６を深い領域に亘って形成するにはイオン注入の加速電圧を上げればよいが、装置性能上、加速電圧の上限があり、かつ、注入するイオンの加速に応じてフォトレジストの膜厚を十分に厚くする必要があり、また、注入されるイオンの領域が基板の面方向へ拡がってしまうため微細化を図ることが極めて困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、フォトダイオードを深く形成することができる固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子を提供することにある。

本発明の上記目的は、光電変換層を備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板上に第１のエピタキシャル層を積層し、前記第１のエピタキシャル層に前記光電変換層の一部を形成し、その後、前記第１のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長させて第２のエピタキシャル層を形成し、前記第１のエピタキシャル層における前記光電変換層の一部に連なるように前記第２のエピタキシャル層に前記光電変換層の残りの部分を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。
また、第３、第４、、、と複数のエピタキシャル層を形成してもよく、上記目的は、光電変換層を備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板上に複数のエピタキシャル層を積層し、前記複数のエピタキシャル層の積層させる方向に前記光電変換層が連なるように形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。

また、本発明の上記目的は、光電変換層を備えた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上に積層された第１のエピタキシャル層と、前記第１のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長させてなる第２のエピタキシャル層とを備え、前記第１のエピタキシャル層に前記光電変換層の少なくとも一部が形成され、前記光電変換層の一部と連なるように、前記第２のエピタキシャル層に前記光電変換層の残りの部分が形成されていることを特徴とする固体撮像素子によって達成される。
さらに、第３、第４、、、と複数のエピタキシャル層を形成してもよく、上記目的は、光電変換層を備えた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上にそれぞれエピタキシャル成長させることで積層された複数のエピタキシャル層と、前記複数のエピタキシャル層の積層させる方向に前記光電変換層が連なるように形成されていることを特徴とする固体撮像素子によって達成される。

本発明によれば、第１のエピタキシャル層と、該第１のエピタキシャル層に積層された第２のエピタキシャル層との両方にわたって光電変換層が形成されている。そして、第１のエピタキシャル層に光電変換層の一部を形成した後、第２のエピタキシャル層に光電変換層の残りの部分を形成すれば、単一の層に高い加速電圧によってイオン注入を行って光電変換層を形成することなく、積層方向に十分な深さを有する光電変換層を形成することができる。第１のエピタキシャル層と第２のエピタキシャル層のそれぞれの厚みを、通常の加速電圧によるイオン注入可能な寸法とすれば、フォトレジストの膜厚を厚くする必要がない。
また、光電変換層を形成する際に、一度に深く形成することを回避できることから、光電変換層の光の吸収領域が基板の平面方向に拡散されてしまうことを防止することができ、微細化が妨げられてしまうことを防止することができる。

本発明によれば、フォトダイオードを深く形成することができる固体撮像素子の製造方法及び固体撮像素子を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
先ず、図１から図７を参照して、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法の第１実施形態を説明する。
半導体基板１１は、例えば、ｎ型のシリコン基板である。図１に示すように、半導体基板１１上に、同導電型の高不純物濃度のエピタキシャル層１２と、低不純物濃度のエピタキシャル層１３とが順に積層される。本実施形態では、低不純物濃度のエピタキシャル層１３が第１のエピタキシャル層として機能する。

図２に示すように、低不純物濃度のエピタキシャル層１３のオーバーフロードレイン領域を図示しないフォトレジストでマスクした後、ｐウェル層１４をイオン注入によって形成する。そして、ｐウェル層１４における画素領域に対応する領域に、フォトダイオードを高不純物濃度の導電型（本実施形態ではｎ＋）のイオンを注入し、光電変換層として機能するフォトダイオード１５を形成する。

次に、図３に示すように、低不純物濃度のエピタキシャル層１３上に、該エピタキシャル層１３と同導電型（つまり、ｎ型）のエピタキシャル成長によって、第２のエピタキシャル層１６を形成する。

第２のエピタキシャル層１６を形成した後、図４に示すように、該第２のエピタキシャル層１６において、第１のエピタキシャル層１４のｐウェル層１４に対応する領域を除く領域（オーバーフロードレイン領域）にマスクとなるフォトレジストＲ１を形成し、ｐ型不純物イオンを注入することでｐウェル層１７を形成する。

図５に示すように、第２のエピタキシャル層１６にｐ型不純物イオンを注入することで縦型オーバーフロードレイン１８領域を形成する。また、ｐウェル層１７上にマスクとなるフォトレジスト（図示しない）を所定のパターンで形成した後、ｎ型の不純物イオンを注入して電荷転送領域３１を形成し、この電荷転送領域３１上に転送電極３２をエッチング等により形成する。電荷転送領域３１の両側にはＰ型不純物イオンを注入することでチャンネルストップ領域と電荷読出領域を形成する。

次に、図６に示すように、転送電極３２上やフォトダイオード３３形成領域以外にマスクとなるフォトレジストＲ２を形成した後、高濃度不純物のｎ＋イオンを注入し、フォトダイオード３３を形成する。ここで、フォトダイオード３３は、第１のエピタキシャル層１３に形成されたフォトダイオード１５に対して、第２のエピタキシャル層１６の底部で接触して連なるように、形成される。

図７に示すように、第２のエピタキシャル層１６に形成されたフォトダイオード３３の上部に該フォトダイオード３３の導電型と反対の導電型で、高濃度の不純物、すなわちｐ＋型のイオンが注入され正電荷蓄積領域３４が形成される。こうして、固体撮像素子１０が製造される。固体撮像素子１０において、フォトダイオード１５及び３３からなる光電変換層は、その一部が第１のエピタキシャル層１３に存在し、光電変換層の残りの部分が第２のエピタキシャル層１６に存在するように設けられている。そして、フォトダイオード１５及び３３が、各エピタキシャル層１３，１６の積層方法に重ね合わされることで、光電変換層の深さ寸法Ｄ１を実質上、延長している。ここで、光電変換層の深さ寸法Ｄ１を２μｍから３μｍとすることができる。

本実施形態の固体撮像素子の製造方法によれば、第１のエピタキシャル層１３と、該第１のエピタキシャル層１３に積層された第２のエピタキシャル層１６との両方にわたって光電変換層（フォトダイオード１５，３３）が形成されている。そして、第１のエピタキシャル層１３に光電変換層の一部（フォトダイオード１５）を形成した後、第２のエピタキシャル層１６に光電変換層の残りの部分（フォトダイオード３３）を形成することで、単一の層に高い加速電圧によってイオン注入を行って光電変換層を形成することなく、積層方向に十分な深さを有する光電変換層を形成することができる。第１のエピタキシャル層１３と第２のエピタキシャル層１６のそれぞれの厚みを、通常の加速電圧によるイオン注入可能な寸法とすれば、フォトレジストの膜厚を厚くする必要がない。
また、光電変換層を形成する際に、一度に深く形成することを回避できることから、光電変換層が基板の平面方向に拡散されてしまうことを防止することができ、固体撮像素子１０における画像領域の微細化が妨げられてしまうことを防止することができる。

なお、本実施形態の固体撮像素子１０及びその製造方法においては、半導体基板１１上に第１のエピタキシャル層１３と第２のエピタキシャル１６とを２層積層させた構成としたが、３層以上の構成としてもよい。つまり、本発明にかかる固体撮像素子及びその製造方法は、複数のエピタキシャル層（例えば、第３のエピタキシャル層、第４のエピタキシャル層など）を積層し、複数のエピタキシャル層の積層させる方向に光電変換層が連なるように形成してもよい。

次に、図８及び図９を参照し、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法の第２実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

先ず、上記第１実施形態と同様に、図１及び２の手順を行い、ｎ型の半導体基板１１上に高濃度不純物（ｎ型）のエピタキシャル層１２と第１のエピタキシャル層として機能する低濃度不純物（ｎ型）のエピタキシャル層１３とを順に積層する。また、第１のエピタキシャル層１３の上部に、同様にｐウェル層１４を形成し、このｐウェル層１４に高濃度不純物であるｎ＋をイオン注入しフォトダイオード１５を形成する。

次に、本実施形態では、第１のエピタキシャル層１３上に、該第１のエピタキシャル層１３とは導電型が反対の導電型であるｐ型をエピタキシャル成長させることで、第２のエピタキシャル層として機能するｐ型エピタキシャル層４１を形成している。

本実施形態のように、第１のエピタキシャル層１３と異なる導電型で第２のエピタキシャル層４１を形成した場合には、所定の領域をマスクするパターニングのフォトレジストＲ３を塗布した状態で、図９に示すように、オーバーフロードレイン領域に第１のエピタキシャル層１３と等しい導電型であるｎ型不純物をイオン注入してｎ型ドープ領域４２を形成する。そして、フォトレジストＲ３を除去し、上記実施形態における図５及び図６と同様の手順によって、第１のエピタキシャル層１３と第２のエピタキシャル層４１との両方にまたがってフォトダイオードが形成された固体撮像素子１０を得ることができる。

本実施形態の固体撮像素子の製造方法によれば、第１のエピタキシャル層１３と第２のエピタキシャル層４１との導電型が同一か否かにかかわらず、両方の層１３，４１にわたって光電変換層を連なるように形成することで、第１実施形態と同様に、積層方向に十分な深さを有する光電変換層を形成することができる。また、固体撮像素子１０における画像領域の微細化が妨げられてしまうことを防止することができる。

次に、図１０から図１５を参照して、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法の第３実施形態を説明する。
本実施形態では、図１０に示すように、ｎ型のシリコン基板である半導体基板５１上に、平らなｐ型層５２が形成され、該ｐ型層５２上に第１のエピタキシャル層として機能するｎ型エピタキシャル層５３が積層されている。ｐ型層５２は、半導体基板５１にｎ型エピタキシャル層５３を形成した後で、イオン注入することで形成されてもよい。

図１１、１２に示すように、第１のエピタキシャル層５３の上部に、Ｐウェル層５４をイオン注入で形成し、さらに、光電変換層を形成する領域以外の領域を所定のパターニングのフォトレジストＲ４によってマスクし、高濃度不純物であるｎ＋をイオン注入することで、フォトダイオード５５を形成する。

次に、第１のエピタキシャル層５３上に、第１のエピタキシャル層５３と同じ導電型であるｎ型不純物をエピタキシャル成長により形成し、第２のエピタキシャル層５６を形成する。

第２のエピタキシャル層５６を形成した後、図１３に示すように、該第２のエピタキシャル層５６において、第１のエピタキシャル層５４のｐウェル層５４に対応する領域を除く領域（オーバーフロードレイン領域）にマスクとなるフォトレジストＲ５を形成し、ｐ型不純物イオンを注入することでｐウェル層５７を形成する。

図１４、１５に示すように、第２のエピタキシャル層５６にｐ型不純物イオンを注入することで縦型オーバーフロードレイン６８領域を形成する。また、ｐウェル層５７上にマスクとなるフォトレジスト（図示しない）を所定のパターンで形成した後、ｎ型の不純物イオンを注入して電荷転送領域６１を形成し、この電荷転送領域６１上に転送電極６２をエッチング等により形成する。電荷転送領域６１の両側にはＰ型不純物イオンを注入することでチャンネルストップ領域や電荷読出領域を形成する。

次に、転送電極６２上にマスクとなるフォトレジストＲ６を形成した後、高濃度不純物のｎ＋イオンを注入し、フォトダイオード６３を形成する。ここで、フォトダイオード６３は、第１のエピタキシャル層５３に形成されたフォトダイオード５５に対して、第２のエピタキシャル層５６の底部で接触して連なるように、形成される。

図１６に示すように、第２のエピタキシャル層５６に形成されたフォトダイオード６３の上部に該フォトダイオード６３の導電型と反対の導電型で、高濃度の不純物、すなわちｐ＋型のイオンが注入され正電荷蓄積領域６４が形成される。こうして、固体撮像素子１０が製造される。固体撮像素子１０において、フォトダイオード５５及び６３からなる光電変換層は、その一部が第１のエピタキシャル層５３に存在し、光電変換層の残りの部分が第２のエピタキシャル層５６に存在するように設けられている。そして、フォトダイオード５５及び６３が、各エピタキシャル層５３，５６の積層方法に重ね合わされることで、光電変換層の深さ寸法Ｄ１を実質上、延長している。ここで、光電変換層の深さ寸法Ｄ２を２μｍから３μｍとすることができる。

本実施形態によれば、第１のエピタキシャル層５３に光電変換層の一部（フォトダイオード５５）を形成した後、第２のエピタキシャル層５６に光電変換層の残りの部分（フォトダイオード６３）を形成することで、単一の層に高い加速電圧によってイオン注入を行って光電変換層を形成することなく、積層方向に十分な深さを有する光電変換層を形成することができる。第１のエピタキシャル層５３と第２のエピタキシャル層５６のそれぞれの厚みを、通常の加速電圧によるイオン注入可能な寸法とすれば、フォトレジストの膜厚を厚くする必要がない。
また、光電変換層を形成する際に、一度に深く形成することを回避できることから、光電変換層の光の吸収領域が基板の平面方向に拡散されてしまうことを防止することができ、固体撮像素子１０における画像領域の微細化が妨げられてしまうことを防止することができる。

なお、本実施形態において、第１のエピタキシャル層５３と等しい導電型でエピタキシャル成長を行い第２のエピタキシャル層５６を形成したが、上記第２実施形態のように、第１のエピタキシャル層５３と異なる導電型（つまり、ｐ型）でエピタキシャル成長を行い第２のエピタキシャル層を形成した後で、イオン注入によりｎ＋型のフォトダイオードを形成してもよい。

半導体基板状にエピタキシャル層を積層する手順を示す図である。 第１のエピタキシャル層にｐウェル層及びフォトダイオードを形成する手順を示す図である。 第１実施形態の製造方法により、第１のエピタキシャル層上に第２のエピタキシャル層を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層にｐウェル層を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層にオーバーフロードレイン領域及び転送電極を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層にフォトダイオードを形成する手順を示す図である。 本発明にかかる固体撮像素子の第１実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態の方法により、第１のエピタキシャル層に第２のエピタキシャル層を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層にｎ型ドープ領域を形成する手順を示す図である。 第３実施形態の方法において、半導体基板に第１のエピタキシャル層を形成する手順を示す図である。 第１のエピタキシャル層にフォトダイオードを形成する手順を示す図である。 第１のエピタキシャル層上に第２のエピタキシャル層を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層に転送電極を形成する手順を示す図である。 第２のエピタキシャル層にフォトダイオードを形成する手順を示す図である。 本発明にかかる固体撮像素子の構成を示す図である。 本発明にかかる固体撮像素子の第３実施形態の構成を示す図である。 従来の固体撮像素子の構成を示す図である。

符号の説明

１１ 半導体基板
１３，５３ 第１のエピタキシャル層
１５，５５ フォトダイオード（光電変換層の一部）
３３，６３ フォトダイオード（光電変換層の残りの部分）
１６，４１，５６ 第２のエピタキシャル層

Claims (4)

1. 光電変換層を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記半導体基板上に第１のエピタキシャル層を積層し、前記第１のエピタキシャル層に前記光電変換層の一部を形成し、その後、前記第１のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長させて第２のエピタキシャル層を形成し、前記第１のエピタキシャル層における前記光電変換層の一部に連なるように前記第２のエピタキシャル層に前記光電変換層の残りの部分を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 光電変換層を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記半導体基板上に複数のエピタキシャル層を積層し、前記複数のエピタキシャル層の積層させる方向に前記光電変換層が連なるように形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
3. 光電変換層を備えた固体撮像素子であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に積層された第１のエピタキシャル層と、
   前記第１のエピタキシャル層の上にエピタキシャル成長させてなる第２のエピタキシャル層とを備え、
   前記第１のエピタキシャル層に前記光電変換層の少なくとも一部が形成され、前記光電変換層の一部と連なるように、前記第２のエピタキシャル層に前記光電変換層の残りの部分が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
4. 光電変換層を備えた固体撮像素子であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上にそれぞれエピタキシャル成長させることで積層された複数のエピタキシャル層と、
   前記複数のエピタキシャル層の積層させる方向に前記光電変換層が連なるように形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
   

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