JP4758061B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、増幅型ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置に関し、特に低電圧での読み出しを可能とし、画像欠陥（特に白キズ、暗電流に代表される）を抑制した固体撮像装置に関するものである。

増幅型ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置は、各画素を構成するセル毎に、フォトダイオードで検出した信号をトランジスタで増幅する構造を有し、高感度という特徴を持つ。固体撮像装置の最大の問題の一つは、シリコン半導体のｐｎ接合の逆方向リーク電流である。このリーク電流が入射光により発生する信号電流と分離できないため雑音となり、固体撮像素子の性能を劣化させる。このリーク電流の原因の一つは、シリコン基板にかかるストレスによるものである。

図４は、シリコン基板１０１上に、ゲート絶縁膜１０２、ゲート電極１０３を形成した状態を示す。この構造において、シリコン基板１０１の表面近傍でリーク電流の原因となるストレスがかかっていた領域は、ゲート電極１０３の端からその周辺近傍に亘るゲート端領域１０４であった。実際に、このゲート端領域１０４内部で、ストレス起因の結晶欠陥１０５が観測された。このような結晶欠陥は、ゲート電極１０３下では観測されなかった。このことから従来は、高性能の固体撮像素子を設計する場合、ゲート端領域１０４の部分で発生するリーク電流を如何に抑えるかが重要であった。このゲート端領域１０４は、ゲート電極１０３の図中左方に形成されるフォトダイオードから信号電荷を読み出す時の電荷の通過点でもあるため、電荷を読み出し易くする条件と、リーク電流を抑圧する条件のトレードオフの設計がなされることになる。

最近、シリコン半導体の微細化が進むにつれ、リーク電流の原因として、ストレスのかかっている場所が、上述の領域以外でも問題になることが判明した。図５に示すように、従来に比べて薄いゲート絶縁膜１０２ａが形成されると、従来のゲート端領域１０４よりも、ゲート下領域１０６で発生するリーク電流が大きいことが判明してきた。ゲート下領域１０６で発生するリーク電流のうち、フォトダイオード領域１０７に流れ込むリーク電流１０８が問題であり、ドレイン領域１０９に流れ込むリーク電流１１０は、雑音とならないので問題ない。ゲート電極１０３下からフォトダイオード領域１０７に流れ込むリーク電流１０８を如何に抑制するかと言うことと同時に、フォトダイオードから信号電荷を読み出し易くするトレードオフの設計をどうするかが課題となってきた。

次に、従来の固体撮像装置のセル断面の構造について、図６を参照しながら説明する。図６は、従来の固体撮像装置のセル断面図である（例えば特許文献１参照）。Ｓｉ基板１上にＰウェル２が形成され、Ｐウェル２内部に、光電変換するためのＮ型フォトダイオード領域３が形成されている。このＮ型フォトダイオード領域３に、ゲート電極４の一端が隣接している。ゲート電極４の下部はＭＯＳ型トランジスタ構造を有しており、ゲート酸化膜５、トランジスタの閾値注入領域６が形成されている。そして、このゲート電極４の他端には、Ｎ型ドレイン領域７が隣接して形成されている。光電変換された電子は、Ｎ型フォトダイオード領域３で蓄積され、Ｎ型ドレイン領域７に転送され、信号として検出される。Ｎ型フォトダイオード領域３の上面には、ゲート電極４の一端に隣接して高濃度のＰ型拡散層８が、そして、Ｐ型拡散層８に隣接して高濃度のＰ型拡散層９が形成されている。高濃度のＰ型拡散層９は、フォトダイオードの上面をシールドする表面シールド層であり、結晶欠陥や金属汚染によるＳｉ−ＳｉＯ₂界面の界面準位への影響を抑制するために形成されている。上記フォトダイオードおよび複数のＭＯＳトランジスタの各素子間は、素子分離部１０によって分離されている。
特開平１１−２７４４５０号公報

上記従来の技術においては、ゲート近傍のＰ型拡散層８の濃度を、表面シールド層を形成するＰ型拡散層９の濃度よりも低くすることで、読み出し特性を向上させいている。しかしながら、ゲート電極４近傍のＰ型拡散層８の濃度を薄くすると、Ｓｉ−ＳｉＯ₂界面の界面準位や、Ｓｉ基板１中の活性準位を十分に不活性化することが出来ず、画像欠陥（白キズ、暗電流に代表される）等の問題が発生する欠点があった。

本発明は、低電圧での読み出し特性が良好で、画像欠陥が十分に抑制された固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、Ｓｉ基板上のＰ型ウェル内部に形成された、入射光を光電変換するためのＮ型のフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域に一端が隣接し、前記Ｓｉ基板の上にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の他端に隣接するＮ型のドレイン領域と、前記フォトダイオード領域およびＭＯＳトランジスタの組からなる各素子間を分離するＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離領域とを備える。上記課題を解決するために、前記ゲート電極の一端部は、前記フォトダイオード領域とオーバーラップし、前記フォトダイオード領域の上部から前記ドレイン領域に至る表面部に、前記ゲート電極の一端から所定距離離間して配置されたＰ型の第１の濃度Ｃ１を有する第１領域と、一端が前記第１領域に隣接し他端が少なくとも前記ゲート電極の一端部まで配置されたＰ型の第２の濃度Ｃ２を有する第２領域と、一端が前記第２領域に隣接し他端が前記ドレイン領域に隣接して配置されたＰ型の第３の濃度Ｃ３を有する第３領域とが形成され、各濃度の関係が、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３、またはＣ１≒Ｃ２＞Ｃ３であり、前記第２領域のＰ型拡散層の底部が、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深い位置にある。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、上記構成の固体撮像装置を製造する方法であって、前記各濃度を、Ｐ型拡散層を形成するイオン注入におけるドーズ量を制御することにより調整し、前記第２領域を形成する時のイオン注入における加速エネルギーを、前記第１領域を形成する時より大きくすることにより、前記第２領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くすること特徴とする。

上記固体撮像装置の構成によれば、Ｐ型第２及びＰ型第３領域のＰ型拡散層の濃度を個別に制御することで、３Ｖ以下の低電圧動作が可能であり、しかも画像欠陥を非常に少なくすることができる。

本発明の固体撮像装置において、前記第３領域のＰ型拡散層の底部が、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深い位置にあることが好ましい。また、前記第２領域は前記ゲート電極とオーバーラップすることが好ましい。また、前記ゲート酸化膜の厚みは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記第３領域を形成する時のイオン注入における加速エネルギーを、前記第１領域を形成する時より大きくすることにより、前記第３領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くすることが好ましい。

また、前記第２領域形成時のイオン注入以降の熱処理によって、前記第２領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くすることができる。前記熱処理を、ゲート酸化膜形成工程における熱処理とすることができる。また、前記ゲート酸化膜形成工程に、１０５０℃で３０分以上のアニール工程を更に施すことが好ましい。また、前記第２領域は前記ゲート電極とオーバーラップさせることが好ましい。また前記ゲート酸化膜の厚みは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における固体撮像装置のセル構造を示す断面図である。Ｓｉ基板１上のＰウェル２内に、入射光を光電変換するための、Ｎ型のフォトダイオード領域３が形成されている。ゲート電極４は、その一端部がフォトダイオード領域３との間にオーバーラップ領域を形成するように設けられている。ゲート電極４の他端に隣接して、Ｎ型のドレイン領域７が形成されている。ゲート電極４の下部には、ゲート酸化膜５が１０ｎｍ以下の厚さで形成されている。ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離部１０により、フォトダイオードおよび複数のＭＯＳトランジスタから構成された各素子間が分離されている。

フォトダイオード領域３の表面部には、Ｐ型の第１の濃度を有するＰ型第１領域１１と、Ｐ型の第２の濃度を有するＰ型第２領域１２が形成されている。Ｐ型第２領域１２に隣接しドレイン領域７に亘る領域には、Ｐ型の第３の濃度を有するＰ型第３領域１３が形成されている。Ｐ型第１領域１１は、フォトダイオード領域３の外端縁から、ゲート電極４の近接端から所定距離離れた位置に亘る領域に形成されている。Ｐ型第２領域１２は、一端がＰ型第１領域１１に隣接し、他端はゲート電極４とオーバーラップしている。但し、Ｐ型第２領域１２は、ゲート電極４とオーバーラップせずに隣接していてもよい。

この構造において、Ｐ型第１領域１１の濃度をＣ１、Ｐ型第２領域１２の濃度をＣ２、Ｐ型第３領域１２の濃度をＣ３で表せば、各濃度の関係は、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３もしくは、Ｃ１≒Ｃ２＞Ｃ３である。

ここで、画像欠陥（白キズ、暗電流に代表される）の非常に少ない個体撮像装置を得るためには、Ｐ型第２領域１２を形成するための、Ｂ＋イオン注入のドーズ量が、２．０Ｅ１２／ｃｍ²以上であることが望ましい。また、高濃度のＰ型第１領域１１を熱拡散によってゲート電極４下まで拡散することによって、Ｐ型第１領域１１よりも濃度の低いＰ型第２領域１２を形成してもよい。

読み出し特性に関しては、Ｎ型フォトダイオード領域３がゲート電極４とオーバーラップしているので、Ｐ型第３領域１３のＢ＋ドーズ量を制御することで、低電圧動作が可能な個体撮像装置を得ることが出来る。ゲート電極４とフォトダイオード領域３との間のオーバーラップ領域の長さ、ずなわち、図１における横方向の距離は、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲に設定することが望ましい。また、Ｐ型第３領域１３を形成するためのＢ＋ドーズ量は、Ｐ型第２領域１２よりも小さいことが望ましい。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２における固体撮像装置のセル構造を示す断面図である。上述した実施の形態１と同様の部分については、同一の参照番号を付与しており、説明は省略する。

本実施の形態では、実施の形態１におけるＰ型第２領域１２に代えて、Ｐ型第２Ａ領域１４が形成されている。Ｐ型第２Ａ領域１４は、Ｐ型拡散層の底部が、Ｐ型第１領域１１、及びＰ型第３領域１３のＰ型拡散層の底部よりも深い位置にあることが特徴である。Ｐ型第２Ａ領域１４のＰ型拡散層の底部を、Ｐ型第１領域及び、Ｐ型第３領域よりも深くするには、イオン注入の加速エネルギーを大きくする。すなわち、Ｐ型第１領域１１の加速エネルギーをＥ１、Ｐ型第２Ａ領域１４の加速エネルギーをＥ２Ａ、Ｐ型第３領域１３の加速エネルギーをＥ３で表せば、各加速エネルギーの関係は、Ｅ１≒Ｅ３＜Ｅ２Ａである。

この構造によって、Ｎ型フォトダイオード領域３とゲート電極４がオーバーラップした領域において、ゲート電極４端近傍に発生する活性準位を不活性化することができ、画像欠陥（白キズ、暗電流に代表される）を更に改善することができる。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３における固体撮像装置のセル構造を示す断面図である。上述した実施の形態１と同様の部分については、同一の参照番号を付与しており、説明は省略する。

本実施の形態では、実施の形態１におけるＰ型第２領域１２、及びＰ型第３領域１３に代えて、Ｐ型第２Ｂ領域１５、及びＰ型第３Ａ領域１６が形成されている。Ｐ型第２Ｂ領域１５、及びＰ型第３Ａ領域１６のＰ型拡散層の底部が、Ｐ型第１領域よりも深い位置にあることが特徴である。この構造を得るために、Ｐ型拡散層形成時のイオン注入のエネルギーを大きくすることによって、Ｐ型第２Ｂ領域１５及びＰ型第３Ａ領域１６のＰ型拡散層の底部を、Ｐ型第１領域１１よりも深くする。すなわち、Ｐ型第１領域１１の加速エネルギーをＥ１、Ｐ型第２Ｂ領域１５の加速エネルギーをＥ２Ｂ、Ｐ型第３Ａ領域１６の加速エネルギーをＥ３Ａで表せば、各加速エネルギーの関係は、Ｅ１＜Ｅ２Ｂ≒Ｅ３Ａである。

また、深さを異ならせる他の方法として、イオン注入後の熱処理によって、Ｐ型拡散層を下方向に熱拡散させて、Ｐ型拡散層の底部をより深くする方法を用いることが出来る。この時の熱処理は、ゲート酸化膜５を形成する工程を兼用することが出来る。また、ゲート酸化工程にアニール工程を追加することによって、より大きい効果を得ることが出来る。この時のアニール温度は、１０５０℃以上が望ましい。アニールの追加により、Ｎ型フォトダイオード領域３とゲート電極４がオーバーラップした領域における、ゲート電極４端近傍に発生した活性準位が不活性化される。それだけでなく、それまでに蓄積された応力、特に素子分離部１０に蓄積された応力を緩和し、そのような応力に起因する結晶欠陥起因の画像欠陥（白キズ、暗電流に代表される）の抑制に対しても効果が得られる。

本発明は、良好な低電圧での読み出し特性とともに、画像欠陥の十分な抑制を可能とするので、増幅型ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置に好適である。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置のセル構造を示す断面図 本発明の実施の形態２における固体撮像装置のセル構造を示す断面図 本発明の実施の形態３における固体撮像装置のセル構造を示す断面図 固体撮像装置のゲート近傍での画像欠陥の発生について説明する断面図 ゲート絶縁膜が薄い場合の同画像欠陥の発生について説明する断面図 従来例の固体撮像装置のセル構造を示す断面図

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ Ｐウェル
３ Ｎ型フォトダイオード
４ ゲート電極
５ ゲート酸化膜
６ 閾値注入領域
７ ドレイン領域
８ Ｐ型拡散層
９ Ｐ型拡散層
１０ 素子分離
１１ Ｐ型第１領域
１２ Ｐ型第２領域
１３ Ｐ型第３領域
１４ Ｐ型第２Ａ領域
１５ Ｐ型第２Ｂ領域
１６ Ｐ型第３Ａ領域

Claims (12)

1. Ｓｉ基板上のＰ型ウェル内部に形成された、入射光を光電変換するためのＮ型のフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域に一端が隣接し、前記Ｓｉ基板の上にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極と、
   前記ゲート電極の他端に隣接するＮ型のドレイン領域と、前記フォトダイオード領域およびＭＯＳトランジスタの組からなる各素子間を分離するＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離領域とを備えた固体撮像装置において、
   前記ゲート電極の一端部は、前記フォトダイオード領域とオーバーラップし、
   前記フォトダイオード領域の上部から前記ドレイン領域に至る表面部に、前記ゲート電極の一端から所定距離離間して配置されたＰ型の第１の濃度Ｃ１を有する第１領域と、一端が前記第１領域に隣接し他端が少なくとも前記ゲート電極の一端部まで配置されたＰ型の第２の濃度Ｃ２を有する第２領域と、一端が前記第２領域に隣接し他端が前記ドレイン領域に隣接して配置されたＰ型の第３の濃度Ｃ３を有する第３領域とが形成され、
   各濃度の関係が、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３、またはＣ１≒Ｃ２＞Ｃ３であり、
   前記第２領域のＰ型拡散層の底部が、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深い位置にあることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第３領域のＰ型拡散層の底部が、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深い位置にある請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２領域は前記ゲート電極とオーバーラップする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記ゲート酸化膜の厚みは１０ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. Ｓｉ基板上のＰ型ウェル内部に形成された、入射光を光電変換するためのＮ型のフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域に一端が隣接し、前記Ｓｉ基板の上にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極と、
   前記ゲート電極の他端に隣接するＮ型のドレイン領域と、前記各フォトダイオード領域およびＭＯＳトランジスタの組からなる各素子間を分離するＳＴＩ構造の素子分離領域とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
   前記ゲート電極を、その一端部が前記フォトダイオード領域とオーバーラップするように形成し、
   前記フォトダイオード領域の上部から前記ドレイン領域に至る表面部に、前記ゲート電極の一端から所定距離離間して配置されたＰ型の第１の濃度Ｃ１を有する第１領域と、一端が前記第１領域に隣接し他端が少なくとも前記ゲート電極の一端部まで配置されたＰ型の第２の濃度Ｃ２を有する第２領域と、一端が前記第２領域に隣接し他端が前記ドレイン領域に隣接して配置されたＰ型の第３の濃度Ｃ３を有する第３領域とを、各濃度の関係が、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３、またはＣ１≒Ｃ２＞Ｃ３となるように形成し、
   前記各濃度を、Ｐ型拡散層を形成するイオン注入におけるドーズ量を制御することにより調整し、
   前記第２領域を形成する時のイオン注入における加速エネルギーを、前記第１領域を形成する時より大きくすることにより、前記第２領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くすること特徴とする固体撮像装置の製造方法。
6. 前記第３領域を形成する時のイオン注入における加速エネルギーを、前記第１領域を形成する時より大きくすることにより、前記第３領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くする請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記第２領域形成時のイオン注入以降の熱処理によって、前記第２領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くする請求項５または６記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 前記第３領域形成時のイオン注入以降の熱処理によって、前記第３領域のＰ型拡散層の底部を、前記第１領域のＰ型拡散層の底部よりも深くする請求項５〜７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記熱処理が、ゲート酸化膜形成工程における処理である請求項７または８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記ゲート酸化膜形成工程に、１０５０℃で３０分以上のアニール工程を更に施す請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記第２領域は前記ゲート電極とオーバーラップさせる請求項５〜１０のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記ゲート酸化膜の厚みは１０ｎｍ以下とする請求項５〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。

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