JP2005317639A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

光電変換素子の暗電流を抑える
【課題】
【解決手段】 ｐ型半導体層１０２、ｎ型半導体層１０３、ｐ型の表面層１０４を有するフォトダイオードと、フォトダイオード上の一部に形成された反射防止膜１０８と、フォトダイオードと隣接する素子との間に形成された素子分離絶縁膜１０５と、素子分離絶縁膜１０５の下に形成されたｐ型のチャネルストップ層１０６と、素子分離絶縁膜１０５上に形成された配線層１０７とを備えた光電変換装置において、ｐ型の表面層１０４の端部上に反射防止膜１０８が設けられておらず、反射防止膜１０８の設けられていないｐ型の表面層１０４の端部は、反射防止膜直下のｐ型の表面層１０４より深く形成されている。ｐ型の表面層１０４の端部により少数キャリアの拡散を防ぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は光電変換装置及びその製造方法、撮像システムに係わり、特に素子領域に表面層を有する光電変換素子を有し、素子分離領域下に高濃度半導体領域を有する光電変換装置及びその製造方法、撮像システムに関する。

光電変換素子を含む固体撮像素子を１次元あるいは２次元に配列したイメージセンサはディジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに数多く搭載されている。固体撮像素子には例えばＣＣＤ固体撮像装置や増幅型固体撮像装置などがある。

これらの固体撮像装置は多画素化の傾向に有り、１画素の面積の縮小にともないフォトダイオード面積もまた減少していく傾向にある。したがってより小さな信号電荷量を扱う必要が生じると共にノイズ成分となるフォトダイオードのリーク電流をより小さくしていく必要性が生じてきている。

特許文献１に開示された、従来の増幅型固体撮像装置の一画素分の構造を図８に示す。この固体撮像装置は、信号電荷を受光部１３から検出部１４に転送してこの検出部で生じる電位変化を出力する方式を採用した固体撮像装置であり、各画素は、受光部１３と、転送用トランジスタ（図中１２はゲート電極を示す）、増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ（リセット用ＦＥＴ）および選択用トランジスタ(選択用ＦＥＴ)の４個のトランジスタとを含んでいる。転送用トランジスタは、受光部１３をソースとするトランジスタであり、そのドレインである拡散領域１４ａが増幅用トランジスタのゲートと電気的に接続されている。増幅用トランジスタは、ソースが電源電圧と、ドレインが選択用トランジスタのソースと各々電気的に接続されている。また、リセット用トランジスタは、ソースが拡散領域１４ａと、ドレインが電源電圧と各々電気的に接続されている。また、選択用トランジスタは、ドレインが出力線に接続されている。

ｐ型シリコン基板１０内にｎ型不純物拡散領域である受光部１３および検出部１４ａが形成されており、両領域間の上方には絶縁膜１１を介して転送ゲート電極１２が形成されている。

また、反射防止膜１５ａが、受光部１３の少なくとも一部を被覆するよう形成されている。このような固体撮像装置において隣接する素子に電荷が漏れこまないように、素子分離領域下にチャネルストップ層を設ける場合がある。
特開２０００−１２８２２号

ところが、上記のような固体撮像装置においては、素子分離領域上に形成されている導電体層の電位がハイレベル（例えば＋５Ｖ）に印加された場合、その下のＰ型チャネルストップ層の実効的な濃度が低下してしまい、導電体層の下部において少数キャリア濃度が増加してしまう。この少数キャリア（電子）がフォトダイオード中に拡散することによりフォトダイオードの暗電流が増大するという課題が発生する。そして、この暗電流の増加によりノイズが増大しＳ／Ｎの劣化が生じるという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、第１導電型の第１の半導体領域、前記第１の半導体領域中に形成された第２導電型の第２の半導体領域及び前記第２の半導体領域上に形成された第１導電型の第３の半導体領域を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子上の一部に形成された反射防止膜と、
前記光電変換素子と隣接する素子との間に形成された素子分離絶縁膜と、
前記素子分離絶縁膜の下に形成された前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域と、
前記素子分離絶縁膜上に形成された導電体層とを備えた光電変換装置において、
前記第３の半導体領域の端部上に前記反射防止膜が設けられておらず、前記反射防止膜の設けられていない第３の半導体領域の端部は、前記反射防止膜直下の第３の半導体領域より深く形成されていることを特徴とする。

また本発明の光電変換装置は、第１導電型の第１の半導体領域、前記第１の半導体領域中に形成された第２導電型の第２の半導体領域及び前記第２の半導体領域上に形成された第１導電型の第３の半導体領域を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子と隣接する素子との間に形成された素子分離絶縁膜と、
前記素子分離絶縁膜の下に形成された前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域と、
前記素子分離絶縁膜上に形成された導電体層とを備えた光電変換装置において、
前記第３の半導体領域の端部は、前記端部以外の第３の半導体領域より深く形成されていることを特徴とする。

本発明の光電変換装置の製造方法は、第１導電型の第１の半導体領域に、素子分離絶縁膜と、該素子分離絶縁膜下に設けられる、前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域とを形成する工程と、
前記素子分離絶縁膜で区分される素子領域の前記第１の半導体領域中に第２導電型の第２の半導体領域を形成する工程と、
前記第２の半導体領域上に反射防止膜を形成する工程と、
前記素子領域へのイオン注入により、端部が反射防止膜直下よりも深く形成される第３の半導体領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明において、反射防止膜は光電変換素子と反射防止膜との屈折率の差により生ずる光電変換素子面での反射を抑制する膜である。

本発明によれば、光電変換素子の暗電流をより抑えることができ、よりＳ／Ｎの良い光電変換装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の断面を示した図である。

図１において、１０１はｎ型半導体基板、１０２はｎ型半導体基板１０１に形成される第１の半導体領域となるｐ型半導体層、１０３はｐ型半導体層１０２中に形成される第２の半導体領域となるｎ型半導体層、１０４はｎ型半導体層１０３上に形成される第３の半導体領域となるｐ型の表面層であり、ｐ型半導体層１０２とｎ型半導体層１０３と表面層１０４とで光電変換素子となるフォトダイオードを形成している。１０５は素子分離絶縁膜となる素子分離領域、１０６は第４の半導体領域となるｐ型のチャネルストップ層、１０７は導電体層となる配線層である。このように、表面に濃いp型層（表面層）を形成したフォトダイオードは、表面の暗電流を抑えることができ、埋め込み型のフォトダイオードと呼ばれる。またフォトダイオード上には反射防止膜１０８がＳｉＯ_２膜とＳｉＮ膜との２層により形成されている。なお、ここでは第１の半導体領域をｎ型半導体基板１０１に設けたｐ型半導体層としているが、ｐ型半導体基板とし、ｐ型半導体基板に第２の半導体領域となるｎ型半導体層１０３を設けてもよい。

本実施形態では、フォトダイオードの表面層上には反射防止膜が存在しない領域があり、反射防止膜直下の表面層よりも反射防止膜が存在しない表面層の端部の方が深く形成されている。

図８に示した構成で素子分離領域下にチャネルストップ層を設けた構成においては、フォトダイオードから電荷を読み出す場合、素子分離領域上に形成されている配線層の電位がハイレベル（例えば＋５Ｖ）に印加され、その下のＰ型チャネルストップ層の実効的な濃度が低下してしまい、配線層の下部のチャネルストップ層において少数キャリア濃度が増加してしまうことになる。

しかし本実施形態では図２に示すように、導電体層となる配線層１０７の下部のチャネルストップ層で少数キャリアが増加しても、フォトダイオードとチャネルストップ層１０６との間に濃いｐ^＋層である表面層１０４の端部が存在する為、少数キャリアのフォトダイオードへの拡散を低減することが可能となる。

このことにより、フォトダイオードの暗電流を抑制することができＳ／Ｎの良い光電変換装置を提供することができる。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図１の光電変換装置を形成する工程を示す図である。
図３（ａ）に示すように、ｎ型の半導体基板１０１の表面にｐ型の半導体層１０２を形成し、その表面に犠牲酸化膜３０１をたとえば２００Å成長させる。その後窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜３０２を１５００Å堆積後、素子分離用のマスクを用いて窒化シリコン膜３０２を通常のフォトリソグラフィ技術でパターンニングし、そのパターンに対して自己整合的にＰ型のチャネルストップ層１０６になる不純物、例えばホウ素イオン（Ｂ^＋）を１．５Ｅ１３（１．５×１０^１３）ｃｍ^−２ ６０kｅＶで領域３０３に注入する。

次いで選択酸化を行い選択酸化膜（ＬＯＣＯＳ）を例えば４０００Å形成し、犠牲酸化膜３０１と窒化シリコン膜３０２を除去する。次いでフォトダイオードのｎ型層にあたるｎ型半導体層１０３を形成した後、反射防止膜１０８をＳｉＮ／ＳｉＯ_２で６００Å程度堆積し（例えばＳｉＮ／ＳｉＯ_２＝５００Å／８０Åとする。ＳｉＯ_２はゲート酸化膜の残膜を用いてもよい。）、パターンニングすると図３（ｂ）に示す構成となる。

なお反射防止膜１０８のパターンニングは図３（ｂ）ではｎ型半導体層１０３より小さくなっているが、ｎ型半導体層１０３よりも大きくパターンニングされる場合もある。この場合、素子分離領域１０５の端とｎ型半導体層１０３の間になるようにパターンニングする。

レジスト塗布後、パターンニングして、図３（ｃ）のレジストパターン３０４を形成した後、フォトダイオードの表面層１０４を反射防止膜１０８を突き抜ける条件、例えば３〜７Ｅ１３（３〜７×１０^１３）ｃｍ^−２ ３０〜８０ｋｅＶで注入する。この実施形態では６Ｅ１３（６×１０^１３）ｃｍ^−２ ３５ｋｅＶとした。その結果、反射防止膜直下の表面層領域よりも反射防止膜が存在しない表面層領域の端部の方が深く形成されている構造を形成することができる。

（実施形態２）
図４は本発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の断面を示した図である。図４において図１と同一構成部材に関しては同一符号を付する。
図４において、５０１はＳｉＮ膜のみにより形成されている反射防止膜である。このように反射防止膜をＳｉＮ膜のみで形成することができ、本実施形態においても、本発明の第１の実施形態と同様の効果が得られる。反射防止膜の膜厚は例えば、４００Åとする。

（実施形態３）
図５は本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の断面を示した図である。図５において図１と同一構成部材に関しては同一符号を付する。

図５において、５０２はいわゆるリセス選択酸化分離により形成された素子分離絶縁膜（リセス選択酸化膜）である。リセス選択酸化分離とは選択酸化時のせり上がりを抑制するために分離領域となる部分をエッチング等により基板を削ってから選択酸化を行うことをいう。

リセス選択酸化分離を用いると、表面段差が小さくなるので微細な配線を加工するのに適している。しかしながら、基板を削ってから選択酸化膜を形成する為ダメージが大きく暗電流が大きくなることが知られている。そのため、本実施形態の表面ｐ層は実施形態１より若干深く濃く形成するのが好ましい。本実施形態においても、本発明の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（実施形態４）
図６は本発明の第４の実施形態に係る光電変換装置の断面を示した図である。図６において図１と同一構成部材に関しては同一符号を付する。

図６において、６０１はいわゆるトレンチ分離により形成されている素子分離絶縁膜である。トレンチ分離とは分離領域となる部分を溝状に除去し、表面を酸化し更にその中に酸化材料や多結晶材料で溝を埋め込むものである。

トレンチ分離の場合このような深いｐ層を形成しても素子分離領域が広がらずフォトダイオードのｎ層があまり小さくならずにすむというメリットがあり、より多くの電子をフォトダイオードに蓄積することができる。本実施形態においても、本発明の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

以上説明した各実施形態では、反射防止膜を設けない領域の方が反射防止膜を設けた領域よりも深い領域にまでイオン注入されることを利用して、表面層領域の端部を深く形成したが、反射防止膜が形成されない光電変換装置においても表面層領域の端部を深く形成することができ、図２に示したような少数キャリアのフォトダイオードへの拡散を防止することができる。反射防止膜が形成されない光電変換装置において表面層領域の端部を深く形成するには、図３（ｂ）に示すフォトダイオードのｎ型層にあたるｎ型半導体層１０３を形成した後、表面層領域の形成のためのイオン注入を行い、さらに表面層領域の端部を開口したフォトレジストを形成し、注入エネルギーを高くして表面層領域の端部のみにイオン注入すればよい。また、上記プロセスを用いて光電変換領域の全面に反射防止膜を設けても良い。

また各実施形態では、光電変換素子と素子分離絶縁膜とを有する光電変換装置の構成を説明したが、かかる光電変換装置と、図８に示す転送用トランジスタ、増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ（リセット用ＦＥＴ）および選択用トランジスタ(選択用ＦＥＴ)の４個のトランジスタとを組み合わせて、図８に示すような増幅型の固体撮像装置を構成することができる。

次に上記各実施形態の光電変換装置を用いて図８の固体撮像装置を作製し、この固体撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。かかる固体撮像装置を用いた撮像システムとしては、スチルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどが挙げられる。ここでは図７に基づいて、かかる固体撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

図７は本発明による光電変換装置を含む固体撮像装置を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。

図７において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子（固体撮像装置）、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。

バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

本発明は素子領域に表面層を有する光電変換素子を有し、素子分離領域下に高濃度半導体領域を有する光電変換装置に用いられ、光電変換素子の暗電流の低下が求められる光電変換装置に適用される。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の断面を示する図である。 本発明の第１の実施形態の効果を説明する図である。 本発明の第１の実施形態のプロセスフローを説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の断面を示する図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の断面を示する図である。 本発明の第４の実施形態に係る光電変換装置の断面を示する図である。 本発明による光電変換装置を含む固体撮像装置を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。 従来の増幅型固体撮像装置の一画素分の構造を説明する図である。

符号の説明

１０１ ｎ型半導体基板
１０２ ｐ型半導体層
１０３ ｎ型半導体層
１０４ ｐ型の表面層
１０５，５０２ 素子分離領域
１０６ ｐ型のチャネルストップ層
１０７ 配線層
１０８，５０１ 反射防止膜
５０２，６０１ 素子分離絶縁膜

Claims (11)

1. 第１導電型の第１の半導体領域、前記第１の半導体領域中に形成された第２導電型の第２の半導体領域及び前記第２の半導体領域上に形成された第１導電型の第３の半導体領域を有する光電変換素子と、
   前記光電変換素子上の一部に形成された反射防止膜と、
   前記光電変換素子と隣接する素子との間に形成された素子分離絶縁膜と、
   前記素子分離絶縁膜の下に形成された前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域と、
   前記素子分離絶縁膜上に形成された導電体層とを備えた光電変換装置において、
   前記第３の半導体領域の端部上に前記反射防止膜が設けられておらず、前記反射防止膜の設けられていない第３の半導体領域の端部は、前記反射防止膜直下の第３の半導体領域より深く形成されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 第１導電型の第１の半導体領域、前記第１の半導体領域中に形成された第２導電型の第２の半導体領域及び前記第２の半導体領域上に形成された第１導電型の第３の半導体領域を有する光電変換素子と、
   前記光電変換素子と隣接する素子との間に形成された素子分離絶縁膜と、
   前記素子分離絶縁膜の下に形成された前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域と、
   前記素子分離絶縁膜上に形成された導電体層とを備えた光電変換装置において、
   前記第３の半導体領域の端部は、前記端部以外の第３の半導体領域より深く形成されていることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１に記載の光電変換装置において、前記反射防止膜がＳｉＮ／ＳｉＯ_２の２層構造で形成されていることを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項１に記載の光電変換装置において、前記反射防止膜がＳｉＮ膜によって形成されていることを特徴とする光電変換装置。
5. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、前記素子分離絶縁膜が選択酸化膜であることを特徴とする光電変換装置。
6. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、前記素子分離絶縁膜がリセス選択酸化膜であることを特徴とする光電変換装置。
7. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、前記素子分離絶縁膜がトレンチ分離により形成されていることを特徴とする光電変換装置。
8. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、前記第３の半導体領域の端部は前記第４の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に挟まれるように形成されていることを特徴とする光電変換装置。
9. 請求項１に記載の光電変換装置において、前記第３の半導体領域は、前記反射防止膜の形成後のイオン注入によって形成されることを特徴とする光電変換装置。
10. 第１導電型の第１の半導体領域に、素子分離絶縁膜と、該素子分離絶縁膜下に設けられる、前記第１の半導体領域の濃度よりも高濃度の第１導電型の第４の半導体領域とを形成する工程と、
    前記素子分離絶縁膜で区分される素子領域の前記第１の半導体領域中に第２導電型の第２の半導体領域を形成する工程と、
    前記第２の半導体領域上に反射防止膜を形成する工程と、
    前記素子領域へのイオン注入により、端部が反射防止膜直下よりも深く形成される第３の半導体領域を形成する工程と、
    を有する光電変換装置の製造方法
11. 請求項１〜９のいずれかの請求項に記載の光電変換装置と、該光電変換装置へ光を結像する光学系と、該光電変換装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。