JP4284062B2 - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に、CMOSイメージセンサの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、イメージセンサは、光学画像(optical image)を電気的信号に変換させる半導体装置であって、電荷結合素子(Charge Coupled Device:CCD)は、個々のMOS(Metal−Oxide−Silicon)キャパシタが互いに非常に近接した位置にありながら電荷キャリアがキャパシタに格納されて移送される素子であり、CMOSイメージセンサは、制御回路及び信号処理回路を周辺回路に使用するCMOS技術を利用して画素の数ほどMOSトランジスタを作り、これを利用して順に出力を検出するスイッチング方式を採用する素子である(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
このようなイメージセンサは、外部からの光を受光して光電荷を生成及び蓄積する光感知部分上部にカラーフィルタが配列されており、カラーフィルタアレイ(Color Filter Array:CFA)は、赤(Red)、緑(Green)及び青(Blue)の3つのカラーからなるか、黄(Yellow)、マゼンタ(Magenta)及びシアン(Cyan)の3つのカラーからなる。
【0004】
また、イメージセンサは、光を感知する光感知部分と感知された光を電気的信号に処理してデータ化するロジック回路部分とから構成されているが、光感度を上げるため、全体イメージセンサ素子において光感知部分の面積が占める比率(Fill Factor)を大きくしようという努力がなされているが、根本的にロジック回路部分を除去できないので、制限された面積下でのこのような努力には限界がある。
したがって、光感度を上げるため、光感知部分以外の領域に入射する光の経路を変えて光感知部分に集める集光技術が登場したが、このような集光のために、イメージセンサはカラーフィルタ上にマイクロレンズ(microlens)を形成する方法を用いている。
【0005】
通常のCMOSイメージセンサの単位画素は、一つのフォトダイオード(Photodiode:PD)と、4つのNMOS(Tx、Rx、Sx、Dx)から構成され、4つのNMOS(Tx、Rx、Sx、Dx)は、フォトダイオードPDで収束された光電荷(Photo−generated charge)をフローティング拡散領域(Floating Diffusion:FD)に運送するためのトランスファートランジスタ(Transfer transistor:Tx)、所望の値にノードの電位をセッティングし電荷(Cpd)を排出してフローティング拡散領域FDをリセットさせるためのリセットトランジスタ(Reset transistor:Rx)、ソースフォロワバッファ増幅器(Source Follower Buffer Amplifier)役割をするドライブトランジスタ(Drive transistor:Dx)、スイッチングでアドレッシング(Addressing)できるようにするセレクトトランジスタ(Select transistor:Sx)から構成される。
【0006】
ここでトランスファートランジスタTx及びリセットトランジスタRxは、ネイティブトランジスタ(Native NMOS)を利用し、ドライブトランジスタDx及びセレクトトランジスタSxは、一般的なトランジスタ(Normal NMOS)を利用し、リセットトランジスタRxは、CDS(Correlated Double Sampling)のためのトランジスタである。
上記のようなCMOSイメージセンサの単位画素は、ネイティブトランジスタを使用してフォトダイオード領域PDで可視光線波長帯域の光を感知した後、感知された光電荷をフローティング拡散領域FDに、すなわち、ドライブトランジスタDxのゲートに伝達した量を出力端Voutで電気的信号に出力する。
【0007】
図1は、従来の技術に係るCMOSイメージセンサを示す断面図であって、フォトダイオード、トランスファートランジスタ及びフローティング拡散領域のみを示している。
図1を参照すると、p+基板11にエピタキシャル成長されたp−エピタキシャル層12が形成され、p−エピタキシャル層12に素子間隔離のためのフィールド酸化膜14が形成され、フィールド酸化膜14の下部には、n−チャネルフィールドストップ層(n−channel field stop layer)のためのフィールドストップ層13が形成される。
【0008】
ここで、フィールドストップ層13は、フィールド酸化膜14が形成されるp−エピタキシャル層12に傾斜なしにイオン注入するため、フィールド酸化膜14下のみに位置する。したがって、フォトダイオードをなすn−−拡散層16は、フィールド酸化膜14のエッジと境界をなすだけであって、フィールドストップ層13はn−−拡散層16の面積に影響を及ぼさない。
そして、p−エピタキシャル層12上にスペーサ17が両側壁に形成されたトランスファートランジスタのゲート電極Tx15が形成され、ゲート電極15の一側エッジに揃えられ(aligned)つつp−エピタキシャル層12内部に深いn−−拡散層16が形成され、深いn−−拡散層16上部とp−エピタキシャル層12表面下部にゲート電極の一側に形成されたスペーサ17に揃えられつつ浅いpo−拡散層18が形成される。
【0009】
結局、深いn−−拡散層16と浅いpo−拡散層18とからなるフォトダイオードPDが形成され、ゲート電極15の他側に形成されたスペーサ17に揃えられつつp−エピタキシャル層12内にフローティング拡散領域(FD)19が形成される。
一方、n−−拡散層16を形成するためのイオン注入マスクMK1は、一側面がトランスファートランジスタのゲート電極の中央に揃えられ、他側面が活性領域に侵入しないフィールド酸化膜上に整列される(図2参照)。
【0010】
図2は、図1に係るレイアウト図であって、トランスファートランジスタのゲート電極Txの一側にフォトダイオードPDが形成される活性領域に所定の幅だけ重なりながら形成され、ゲート電極の他側下にはフローティング拡散領域FDが形成される。
そして、フィールド酸化膜(FOX)により定義された活性領域において、フォトダイオードPDは、相対的に広い面積を有しフォトダイオードPDからフローティング拡散領域FDにはボトルネック効果(bottle neck effect)を与えながらその面積が狭くなる。
【0011】
一方、図1に示すように、フォトダイオードをなすn−−拡散層16の形成の際イオン注入マスクMK1が実質的に形成されるn−−拡散層16より広い線幅を有するので、n−−拡散層16は、トランスファートランジスタのゲート電極Txと重なった部分を除外した全活性領域に形成されてフィールド酸化膜(FOX)と接することになる。
上述した従来技術では、フォトダイオードのn−−拡散層16とp−領域(po−拡散層、p−エピタキシャル層)との間に逆バイアスがかかると、n−−拡散層16とp領域の不純物濃度が適切に調節された時、n−−拡散層16が完全空乏されながらn−−拡散層16下部に存在するp−エピタキシャル層12と、n−−拡散層16上部に存在するpo−拡散層18に空乏領域が拡張されるが、ドーパント濃度が相対的に低いp−エピタキシャル層12により多くの空乏層拡張がおきる。
【0012】
このようなフォトダイオードPDを有するイメージセンサでは、フォトダイオードPDに格納された電子(e)をフォトダイオードPDから取り出して電気的出力信号(電圧または電流)を得ることになるが、最大出力信号は、フォトダイオードPDから取り出すことができる電子の数と直接的に比例するため、出力信号を増加させるためには、光によりフォトダイオード(PD)内で生成及び格納される電子の数を増加させなければならない。
上述したように、フォトダイオードPDの空乏層で発生された電子が電気的信号(電圧または電流)に変換されるが、表面から深い所まで幅広く空乏層が形成できるように、表面層(po−拡散層)のドーパント濃度が下部層(n−−拡散層及びp−エピタキシャル層)のドーパント濃度より非常に高くなるようにイオン注入をするようになる。
【0013】
一方、上記のような従来の技術は、入射光が入射される時、空乏層であるn−−拡散層16で電子ホール対(Electron Hole Pair:EHP)が発生するが、この中でホール(H)は、p+−半導体基板11に抜け出すことになり、電子(e)が蓄積されていてトランスファートランジスタTxを介してフローティング拡散領域(FD)19に移動してイメージデータ化される。
しかし、上述した従来の技術は、フィールド酸化膜14のエッジにはフィールド酸化膜14の酸化工程時、結晶欠陥(crystalline defects)が主に発生するが、このような結晶欠陥には、ポイント欠陥(point defet)、ライン欠陥(line defect)、面積欠陥(area defect)、体積欠陥(volume defect)などがある。
【0014】
結局、光が入射されない状態でフィールド酸化膜14エッジの欠陥により電子(e)が生成されて、n−−拡散層16に格納されることによって、フォトダイオードPDからフローティング拡散領域(FD)19に暗電流(Dark current:D)が流れるという問題点がある。
言い換えれば、光が入射する場合のみにフォトダイオードの空乏層(n−−拡散層)で電子が生成及び格納された後、フローティング拡散領域に電子が移動して電流が流れるべきであるが、フィールド酸化膜14エッジの欠陥は、光による入力がなくても熱的に電荷を発生させやすい状態にあるので、欠陥が複数存在すると、光がない暗い状態でもイメージセンサがあたかも光が入るような反応を示す非正常状態を示す。
【0015】
これを解決するため、図2に示すように、深いn−−拡散層を形成するためのイオン注入マスクMK1より相対的に線幅が小さいイオン注入マスクMK2を用いて深いn−−拡散層を形成する方法が提案されたが、この方法は、n−−拡散層を形成するためのイオン注入マスクMK2工程時自己整列されないため、オーバーレイ(overlay)等に敏感であるという短所があり、後続熱工程によりn−−拡散層がフィールド酸化膜(FOX)のエッジ近くに拡散するという問題が発生する。
【0016】
【非特許文献1】
A CMOS IMAGE SENSOR WITH A SIMPLE FIXED PATTERN NOISE REDUCTION TECHNOLOGY AND A HOLE ACCUMULATION DIODE(IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS,VOL.35,NO.12 DECEMBER 2000,PAGES2038−2043)
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記従来のイメージセンサ及びその製造方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、フィールド酸化膜エッジに発生した結晶欠陥による暗電流生成を抑制することに好適なイメージセンサ及びその製造方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明によるイメージセンサは、半導体層と、前記半導体層の所定部分にフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域より相対的に面積が狭いフローティング拡散領域と、前記フォトダイオード領域と前記フローティング拡散領域とを接続させるボトルネック構造のチャネル領域からなる活性領域と、前記活性領域を電気的に隔離させるフィールド領域と、前記フォトダイオード領域側に第1の幅ほど拡張されて前記フィールド領域よりより広い面積を有する前記フィールド領域下部のフィールドストップ層と、前記チャネル領域を覆ってチャネル領域に接した前記フォトダイオード領域の一側面の全領域に第2の幅ほど重なった一側面を有する前記半導体層上のゲート電極とを含んでなり、前記フィールドストップ層が前記チャネル領域及び前記フローティング拡散領域に接する一部分では拡張されず、前記フィールド領域下に形成されることを特徴とする。
【0019】
また、上記目的を達成するためになされた本発明によるイメージセンサは、
半導体層上に前記半導体層の一側表面を露出させる第1素子分離マスクを形成するステップと、前記露出された半導体層内に前記第1素子分離マスクの露出面積より広い面積を有する第1拡散層を形成するステップと、前記半導体層上に前記半導体層の他側表面を露出させる第2素子分離マスクを形成するステップと、前記露出された半導体層内に前記第2素子分離マスクの露出面積と同じ面積を有する第2拡散層を形成するステップと、前記第1拡散層上に前記第1拡散層より第1の幅ほど縮小されて第1フィールド酸化膜を形成すると同時に前記第2拡散層上に前記第2拡散層と同じ面積を有する第2フィールド酸化膜を形成するステップと、前記半導体層の前記第1フィールド酸化膜により定義される、フォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域より相対的に面積が狭いフローティング拡散領域と、前記フォトダイオード領域と前記フローティング拡散領域とを接続させるボトルネック構造のチャネル領域からなる活性領域において、前記チャネル領域を覆ってチャネル領域に接続された前記フォトダイオード領域の一側面の全領域にわたって第2の幅ほど重なった一側面を有し、前記第2フィールド酸化膜とに重なるゲート電極を形成するステップと、前記半導体層内に前記ゲート電極の一側エッジと前記第1拡散層に自己整列される第3拡散層を形成するステップと、前記第3拡散層内に前記ゲート電極の一側エッジからスペーサ幅の距離を置いて整列される第4拡散層を形成するステップとを含んでなることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るイメージセンサ及びその製造方法の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図3は、本発明の第1の実施例に係るCMOSイメージセンサの平面図であって、フォトダイオードPD、トランスファートランジスタのゲート電極Tx及びフローティング拡散領域FDを示している。
【0023】
図3に示すように、半導体基板21と、半導体基板21の所定部分にフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDより相対的に面積が狭いフローティング拡散領域FD及びフォトダイオードPDとフローティング拡散領域FDとを接続させるボトルネック構造のチャネル領域Chからなる活性領域が形成される。
そして、活性領域を電気的に隔離させるフィールド酸化膜26が形成され、活性領域側に第1の幅ほど拡張されてフィールド酸化膜26より広い面積を有してフィールド酸化膜26下部にフィールドストップ層25が形成される。
そして、チャネル領域Chを覆ってチャネル領域Chに接続されたフォトダイオードPDの一側面の全領域にわたって第2の幅ほど重なった一側面を有してフローティング拡散領域(FD)に他側面が揃えられるゲート電極27が半導体基板21上に形成される。
【0024】
一方、フォトダイオードPDは、ゲート電極Txの一側面とフィールドストップ層25に揃えられて形成されたn−−拡散層29と、ゲート電極27の一側面から所定距離を置いてフィールドストップ層25に揃えられてn−−拡散層29内に形成されたpo−拡散層31とからなる。
一方、ゲート電極27の他側にはn+−拡散層33が形成される。
【0025】
図4乃至図8は、図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図であり、図9乃至図12は、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程平面図である。
以下、図4乃至図8、図9乃至図12を共に参照しながら説明する。
【0026】
図4に示すように、高濃度p型不純物がドーピングされたp+−半導体基板21上にp−エピタキシャル層22を成長させた後、p−エピタキシャル層22上にパッド酸化膜23とパッド窒化膜24を形成する。
ここで、p−エピタキシャル層22を成長させる理由は、低濃度p−エピタキシャル層22が存在するので、フォトダイオードPDの空乏層の深さを増加させることができるため、優れた光感度特性が得られ、フォトダイオードPDの空乏層が到達しないp+−半導体基板21の深い所で発生し得る光電荷等の不規則な移動による単位画素間クロストーク現象を高濃度のp+−半導体基板21の存在により光電荷を再結合させることによって防止できるためである。
【0027】
次に、パッド窒化膜24上に素子分離マスク(図示せず)を形成した後、素子分離マスクにより露出されたパッド窒化膜24を先にエッチングし、連続してパッド窒化膜24エッチング後露出されたパッド酸化膜23をエッチングしてフィールド酸化膜が形成されるp−エピタキシャル層22表面を露出させる。
ここで、露出されたp−エピタキシャル層22表面の一部は、フィールド酸化膜が形成される領域であり、露出されないp−エピタキシャル層22は、活性領域である。
【0028】
次に、素子分離マスクを除去した後、素子分離マスク除去後露出されたパッド窒化膜24をマスクにして露出された一部p−エピタキシャル層22の表面にn−チャネルフィールドストップ層(以下「フィールドストップ層」と記す)25のための不純物を傾斜(tilt)角を与えながら回転及びツイスト(twist)させてイオン注入する。
この場合、フィールドストップ層25を形成するためのイオン注入は、ボロン(11B)を3.0×1013cm−3ドーズ量と30keVのイオン注入エネルギーで所定傾斜角(α)を与え回転(×4)させながら実行する。
【0029】
このように、傾斜及び回転を与えながら不純物をイオン注入すると、傾斜及び回転なしにイオン注入して形成する場合に比べて、フィールドストップ層25が活性領域と重なる長さ(x)が増加する。
【0030】
一方、フィールドストップ層25を形成するためのイオン注入マスクは、パッド窒化膜24を利用したが、別途のイオン注入マスクを利用することもできる。フィールドストップ層25の平面図(図9)を説明すると、フィールド酸化膜が形成される領域からパッド窒化膜24により露出されたp−エピタキシャル層22内にxほど侵入したフィールドストップ層25が形成されることが分かる。
【0031】
図5に示すように、フィールドストップ層25が形成されたp−エピタキシャル層22の表面を酸化させて、フィールドストップ層25上にフィールド酸化膜26を成長した後、パッド窒化膜24とパッド酸化膜23を除去する。
この場合、フィールド酸化膜26により定義される活性領域は、図9を参照すると、広い面積を有する第1活性領域ACT1、第1活性領域ACT1より相対的に面積及び長短軸の幅が小さい第2活性領域ACT2、及び第1活性領域ACT1と第2活性領域ACT2とを接続させるボトルネック構造‘A’の第3活性領域ACT3である。
【0032】
ここで、第1活性領域ACT1は、フォトダイオードPDが形成される領域であり、第2活性領域ACT2は、フローティング拡散領域FDが形成される領域であり、第3活性領域ACT3は、トランスファートランジスタのチャネル(Channel:ch)が形成される領域である。
以下、第1活性領域ACT1、第2活性領域ACT2、第3活性領域ACT3を各々フォトダイオードPD、フローティング拡散領域FD、チャネル領域chと略して示す。
【0033】
一方、フィールド酸化膜26を形成する前に、図面には示さなかったが、以後熱工程による側面拡散を通してドライブトランジスタDxとセレクトトランジスタSxを内包できるように、p−ウェルをp−エピタキシャル層22の所定領域に形成する。
次に、パッド酸化膜23除去後単位画素の4個のトランジスタの中でドライブトランジスタDxとセレクトトランジスタSxを形成するための一般的なトランジスタ製造工程を実行する。
【0034】
図面に示さなかったが、p−ウェル内にトランジスタのしきい電圧(Threshold voltage)を調節するしきい電圧調節イオンのイオン注入工程と、パンチスルー特性を調節するp型不純物の深いイオン注入工程を実施し、このようなイオン注入工程は、フォトダイオードPDが形成される活性領域とトランスファートランジスタのソース/ドレイン(すなわち、フローティング拡散領域)が形成される領域には実行されない。
【0035】
図6に示すように、単位画素の4個のトランジスタのゲート電極を形成するために、導電膜を蒸着し、感光膜を塗布した後、露光及び現像によりパターンニングしてゲート電極形成用感光膜パターン(図示せず)を形成する。
この場合、以後形成されるトランスファートランジスタTxの一側面におけるフォトダイオードPDのドーピングプロファイルが電荷運送効率を決定するようになるので、ゲート電極の厚さを十分に厚くしてフォトダイオードを形成するための高エネルギーn型不純物イオン注入と低エネルギーp型不純物イオン注入をトランスファートランジスタTxの一側面で揃えることができるようにする。
【0036】
次に、ゲート電極形成用感光膜パターンをエッチングマスクとして導電膜をエッチングして単位画素の4個のトランジスタのゲート電極27を形成する。ここで、図面に示されたゲート電極27は、トランスファートランジスタTxのゲート電極である。
この場合、ゲート電極27は、ゲート電極27下部の第3活性領域ACT3がボトルネック構造を有するので、フォトダイオードPDが形成される活性領域に重なる長軸の幅w1を大きく増加させることができる(図10参照)。
【0037】
したがって、チャネル領域がボトルネック構造であるトランスファートランジスタにおいて、ドレイン電流Idsatやしきい電圧Vtなどの主要パラメーター(parameter)を決定するトランジスタ幅(width:w)は、フォトダイオードに重なるゲート電極の長軸の幅w1ではなく、フローティング拡散領域FDの短軸の幅w2である。
例えば、広い幅の通路から狭い幅の通路に電流が流れる場合、狭い幅の通路の幅により流れる速度が決定されるのであって、広い幅の通路の幅は速度に関係ない。
【0038】
次いで、ゲート電極27を含む全面に感光膜を塗布した後、感光膜を選択的にパターンニングして高エネルギーで低濃度n型不純物n−をイオン注入するための第1マスク28を形成する。
この場合、第1マスク28の一側面は、ゲート電極27の中央に揃えられ、他側面はフォトダイオードPD内部に入る部分なしにフィールド酸化膜26上の所定部分に揃えられる(図10参照)。
【0039】
次に、第1マスク28をイオン注入マスクとして、高エネルギーで低濃度n型不純物n−をイオン注入して、n−−拡散層29を形成する。
この場合、n−−拡散層29は、一側がゲート電極27の一側エッジに揃えられ、他側がフィールドストップ層25の片側エッジに揃えられる。すなわち、たとえフィールド酸化膜26の一部をオープンさせるイオン注入マスクを使用するとしても、n−−拡散層29は、所定幅(x)ほど活性領域に侵入したフィールドストップ層25によりフィールド酸化膜26に接しない。
【0040】
結局、n−−拡散層29は、ゲート電極27とフィールドストップ層25により揃えられつつ、フィールドストップ層25によりフィールド酸化膜26のエッジと電気的に隔離される。
そして、フォトダイオードの一側面を十分に覆うように、ゲート電極27の両側終端を拡張させ、フィールドストップ層25によりn−−拡散層29が揃えられるので、従来n−−拡散層29を形成するためのレティクルの修正なしにそのまま適用可能である。
【0041】
このように、レティクルの修正なしにn−−拡散層29を形成すると、新しいレティクル製作が不要となりコストが低減され、フィールド酸化膜26とn−−拡散層29との間の距離調節のための工程調節(tuning)が自在となり、n−−拡散層29が揃えられるので、マスクオーバーレイマージン確保が可能となる。
もし、新しいレティクルを利用してn−−拡散層29を形成する場合には、フィールド酸化膜26とn−−拡散層29との間の距離調節のための工程制御が困難である。
【0042】
図10を参照すると、n−−拡散層29は、長軸がより長くなったゲート電極27の一側面に揃えられ、ゲート電極27の一側面に揃えられた部分を除外した残りの部分はフィールドストップ層25により揃えられてフォトダイオードPD内に形成される。
したがって、n−−拡散層29をゲート電極27の長軸の両端に揃えさせず一側面のみに揃えさせることによって、暗電流の原因となるn−−拡散層29とフィールド酸化膜26の角地域が接することを最小化する。
【0043】
第1マスク28を除去した後、後続工程で、図面には示さなかったが、単位画素の4個のトランジスタのLDD(Lightly Doped Drain)構造を形成するためのイオン注入工程が実行される。まず、全面に感光膜を塗布した後、露光及び現像によりパターンニングしてLDD構造を形成するための第2マスク(図示せず)を形成した後、第2マスクをイオン注入マスクとして低濃度n型不純物をp−ウェル(図示せず)内に注入してLDD構造(図示せず)を形成する。この場合、p−エピタキシャル層22に形成されるべきであるフォトダイオードと2個のネイティブトランジスタTx、Rxが形成される領域にはLDD構造を形成するためのイオン注入は実行されない。
【0044】
第2マスク(図示せず)を除去した後、図7に示すように、全面にスペーサ用絶縁膜を蒸着した後、絶縁膜を全面エッチングしてゲート電極27の両側壁に接するスペーサ30を形成する。
次いで、ブランケット(blanket)イオン注入法で低エネルギーp型不純物poをイオン注入して、n−−拡散層29及びゲート電極27の一側面に露出されたp−エピタキシャル層22に同時にpo−拡散層31を形成する。この場合、n−−拡散層29内に形成されるpo−拡散層31は、スペーサ30の厚さほど距離を置いてスペーサに揃えさせる。
【0045】
一方、ブランケットイオン注入法であるので、ゲート電極27の他側面に露出されたp−エピタキシャル層22にもpo−拡散層が形成されるが、p−エピタキシャル層22と同じp型不純物で形成されて別途の作用をしない。
上述した低エネルギーp型不純物poのイオン注入を通してpo−拡散層31とn−−拡散層29とからなる浅いpn接合が形成され、p−エピタキシャル層22/n−−拡散層29/po−拡散層31からなるpnp型フォトダイオードが形成される。
po−拡散層31の平面図(図11)を述べると、po−拡散層31は、一側面がスペーサ(図示せず)に揃えられ、残りの部分はフィールドストップ層25に揃えられる。
【0046】
図8に示すように、全面に感光膜を塗布し露光及び現像によりパターニングして、ソース/ドレイン領域を形成するための第3マスク(図示せず)を形成した後、第3マスクをイオン注入マスクに高濃度n型不純物n+をイオン注入して、単位画素内にドライブトランジスタDxとセレクトトランジスタSxのソース/ドレイン領域(図示せず)とトランスファートランジスタTxとリセットトランジスタRxのソース/ドレイン領域、すなわち、フローティング拡散領域FDであるn+−拡散層33を形成する。
【0047】
図12に示すように、第3マスクは、トランスファートランジスタのゲート電極27の他側面及びこの他側面に隣接するフローティング拡散領域FDを露出させて、トランスファートランジスタのゲート電極27の中央に揃えられる。すなわち、フォトダイオードが形成された領域には、高濃度n型不純物がイオン注入されないようにする。
【0048】
図13は、本発明の第2の実施例に係るCMOSイメージセンサの平面図である。
図13に示すように、半導体基板41、半導体基板41の所定部分にフォトダイオードPD、フォトダイオードPDより相対的に面積が狭いフローティング拡散領域FD及びフォトダイオードPDとフローティング拡散領域FDとを接続させるボトルネック構造のチャネル領域Chからなる活性領域が形成される。
そして、活性領域を電気的に隔離させるフィールド酸化膜46が形成され、フォトダイオード側に第1の幅ほど拡張されてフィールド酸化膜46より広い面積を有してフィールド酸化膜46下部にフィールドストップ層44aが形成される。
【0049】
すなわち、フィールドストップ層44aがフォトダイオードが形成される活性領域のみに拡張されてチャネル領域ch及びフローティング拡散領域FDではフィールド酸化膜46下に形成される。
そして、チャネル領域Chを覆ってチャネル領域Chに接続されたフォトダイオードPDの一側面の全領域にわたって第2の幅ほど重なった一側面を有してフローティング拡散領域FDに他側面が揃えられるゲート電極47が半導体基板41上に形成される。
【0050】
一方、フォトダイオードPDは、ゲート電極47の一側面とフィールドストップ層44aに揃えて形成されたn−−拡散層48と、ゲート電極47の一側面から所定距離を置いてフィールドストップ層44aに揃えられてn−−拡散層48内に形成されたpo−拡散層50からなる。
一方、ゲート電極47の他側には、n+−拡散層51が形成される。
【0051】
後述する第2の実施例に係る工程では、フィールドストップ層を形成するためのイオン注入の際、傾斜角に敏感なトランジスタのチャネル領域とその以外の領域を各々異なるマスクに区分して進行する方法を提供する。
図14乃至図17は、図13のII−II’線に沿って、CMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【0052】
図14に示すように、高濃度p型不純物がドーピングされたp+−半導体基板41上にp−エピタキシャル層42を成長させた後、p−エピタキシャル層42上に第1イオン注入マスク43を形成する。
この場合、第1イオン注入マスク43により露出されたp−エピタキシャル層42は、フォトダイオードに隣接したフィールド酸化膜が形成される部分である。
【0053】
次に、第1イオン注入マスク43に露出されたp−エピタキシャル層42の表面に第1フィールドストップ層44aのための不純物を傾斜角を与えながら回転またはツイストさせてイオン注入する。
この場合、第1フィールドストップ層44Aを形成するためのイオン注入は、ボロン(11B)を3.0×1013cm−3ドーズ量と30keVのイオン注入エネルギーで所定傾斜角(α)を与えて回転(×4)させながら実行する。
【0054】
このように、傾斜及び回転を与えながら不純物をイオン注入すると、傾斜及び回転なしにイオン注入して形成する場合に比べて、第1フィールドストップ層44Aが活性領域とオーバーラップされる長さ(x)が増加する。
第1フィールドストップ層44Aの平面図(図13)を説明すると、フィールド酸化膜が形成される領域からフォトダイオード内に(x)ほど侵入した第1フィールドストップ層44Aが形成されることが分かる。
【0055】
図15に示すように、第1イオン注入マスク43を除去した後、全面に第2イオン注入マスク45を形成する。この場合、第2イオン注入マスク45により露出されたp−エピタキシャル層42は、トランスファートランジスタのチャネル領域に隣接したフィールド酸化膜が形成される部分である。
次に、第2イオン注入マスク43に露出されたp−エピタキシャル層42の表面に第2フィールドストップ層44Bのための不純物を傾斜なしにイオン注入する。
【0056】
この場合、第2フィールドストップ層44Bを形成するためのイオン注入は、ボロン(11B)を3.0×1013cm−3ドーズ量と30keVのイオン注入エネルギーで実行する。
このように、傾斜なしに不純物をイオン注入すると、第1フィールドストップ層44Aが活性領域と重ならないので平面図(図13)では現れない。
【0057】
一方、上述した第1イオン注入マスク43及び第2イオン注入マスク45は、第1の実施例と同様に、LOCOS工程のためのパッド酸化膜とパッド窒化膜を利用するが、各々互いに異なるレティクルを利用する。
言い換えれば、パッド酸化膜とパッド窒化膜を同時にパターンニングして第1フィールドストップ層44Aが形成される一部p−エピタキシャル層42を露出させた後、第1フィールドストップ層44Aを形成するためのイオン注入を実施し、連続して第1フィールドストップ層44aを除外したp−エピタキシャル層42の他の表面を露出させた後、第2フィールドストップ層44Bを形成するためのイオン注入を実施する。
【0058】
図16に示すように、第1、第2フィールドストップ層44A、44Bが形成されたp−エピタキシャル層42表面を酸化させてフィールドストップ層44A、44B上にフィールド酸化膜46を成長させる。
ここで、フォトダイオードPDが形成される活性領域に所定幅(x)ほど侵入した第1フィールドストップ層44Aは、活性領域とフィールド酸化膜46とを電気的に隔離させ、トランスファートランジスタのチャネル領域が形成される活性領域と隣接したフィールド酸化膜46下部の第2フィールドストップ層44Bはこれらを電気的に隔離させない。
後続ゲート電極、n−−拡散層及びpo−拡散層工程を含む全ての工程は第1の実施例と同様である。
【0059】
以後の工程は、図17に示すように、p−エピタキシャル層42上に4個のトランジスタのゲート電極47を形成する。ここで、図面に示すゲート電極47は、トランスファートランジスタTxのゲート電極である。
この場合、ゲート電極47は、ゲート電極47下部のチャネル領域がボトルネック構造を有するので、フォトダイオードPDが形成される活性領域に重なる長軸の幅w1を大きく増加させることができる。
【0060】
したがって、チャネル領域がボトルネック構造であるトランスファートランジスタにおいて、ドレイン電流Idsatやしきい電圧Vtなどの主要パラメーターを決定するトランジスタ幅(width:w)は、フォトダイオードに重なるゲート電極の長軸の幅w1ではなくフローティング拡散領域FDの短縮の幅w2である(図13)。
次いで、ゲート電極47の中央に一側面が揃えられ他側面はフォトダイオードPD内部に入る部分なしにフィールド酸化膜46上の所定部分に揃えられるイオン注入マスクに低濃度n型不純物n−をイオン注入してn−−拡散層48を形成する。
【0061】
次に、LDD(図示せず)形成を完了した後、全面にスペーサ用絶縁膜を蒸着した後、絶縁膜を全面エッチングしてゲート電極47の両側壁に接するスペーサ49を形成する。
次いで、ブランケットイオン注入法により低エネルギーp型不純物poをイオン注入して、n−−拡散層48及びゲート電極47の一側面に露出されたp−エピタキシャル層42に同時にpo−拡散層50を形成する。この場合、n−−拡散層48内に形成されるpo−拡散層50はスペーサ49の厚さほど距離を置いてスペーサ49に揃えられる。
【0062】
上述した低エネルギーp型不純物poのイオン注入を通してpo−拡散層50とn−−拡散層48とからなる浅いpn接合が形成され、p−エピタキシャル層42/n−−拡散層48/po−拡散層50からなるpnp型フォトダイオードが形成される。
次に、n+−拡散層が形成されるp−エピタキシャル層42を露出させるマスクを利用してイオン注入マスクに高濃度n型不純物n+をイオン注入して単位画素内にドライブトランジスタDxとセレクトトランジスタSxのソース/ドレイン領域(図示せず)とトランスファートランジスタTxとリセットトランジスタRxのソース/ドレイン領域、すなわちフローティング拡散領域FDであるn+−拡散層51を形成する。
【0063】
上述した第1の実施例及び第2の実施例は、CMOSイメージセンサのみでなく、CCD(Charge Coupled Device)の暗電流抑制のために適用可能な工程でも利用できる。
【0064】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【0065】
【発明の効果】
上述した本発明によると、暗電流免疫性(immunity)に優れたイメージセンサを製造できる効果がある。
そして、フォトダイオードをなす深いn−−拡散層を形成するためのイオン注入の際自己整列が可能な暗電流除去構造を適用するので、工程マージンを向上させることができる効果がある。
また、n−−拡散層とフィールド酸化膜との間の距離がレティクルにより固定されず、n−−拡散層形成際の傾斜角に応じて変化する可変値であるので、イメージセンサの光特性調節が容易な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術に係るCMOSイメージセンサの素子断面図である。
【図2】従来の技術に係るCMOSイメージセンサの平面図である。
【図3】本発明の第1の実施例に係るCMOSイメージセンサの平面図である。
【図4】図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図6】図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図7】図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図8】図3のI−I’線に沿って、第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図9】第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程平面図である。
【図10】第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程平面図である。
【図11】第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程平面図である。
【図12】第1の実施例によるCMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程平面図である。
【図13】本発明の第2実施例に係るCMOSイメージセンサの平面図である。
【図14】図13のII−II’線に沿って、CMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図15】図13のII−II’線に沿って、CMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図16】図13のII−II’線に沿って、CMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図17】図13のII−II’線に沿って、CMOSイメージセンサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
21、41 半導体基板
22、42 p−エピタキシャル層
23 パッド酸化膜
24 パッド窒化膜
25 フィールドストップ層
26、46 フィールド酸化膜
27、47 ゲート電極
28 第1マスク
29、48 n−−拡散層
30、49 スペーサ
31、50 po−拡散層
33、51 n+−拡散層
43 第1イオン注入マスク
44A 第1フィールドストップ層
44B 第2フィールドストップ層
45 第2イオン注入マスク
Claims (4)
- 半導体層と、
前記半導体層の所定部分にフォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域より相対的に面積が狭いフローティング拡散領域と、前記フォトダイオード領域と前記フローティング拡散領域とを接続させるボトルネック構造のチャネル領域からなる活性領域と、
前記活性領域を電気的に隔離させるフィールド領域と、
前記フォトダイオード領域側に第1の幅ほど拡張されて前記フィールド領域よりより広い面積を有する前記フィールド領域下部のフィールドストップ層と、
前記チャネル領域を覆ってチャネル領域に接した前記フォトダイオード領域の一側面の全領域に第2の幅ほど重なった一側面を有する前記半導体層上のゲート電極とを含んでなり、
前記フィールドストップ層が前記チャネル領域及び前記フローティング拡散領域に接する一部分では拡張されず、前記フィールド領域下に形成されることを特徴とするイメージセンサ。 - 半導体層上に前記半導体層の一側表面を露出させる第1素子分離マスクを形成するステップと、
前記露出された半導体層内に前記第1素子分離マスクの露出面積より広い面積を有する第1拡散層を形成するステップと、
前記半導体層上に前記半導体層の他側表面を露出させる第2素子分離マスクを形成するステップと、
前記露出された半導体層内に前記第2素子分離マスクの露出面積と同じ面積を有する第2拡散層を形成するステップと、
前記第1拡散層上に前記第1拡散層より第1の幅ほど縮小されて第1フィールド酸化膜を形成すると同時に前記第2拡散層上に前記第2拡散層と同じ面積を有する第2フィールド酸化膜を形成するステップと、
前記半導体層の前記第1フィールド酸化膜により定義される、フォトダイオード領域と、前記フォトダイオード領域より相対的に面積が狭いフローティング拡散領域と、前記フォトダイオード領域と前記フローティング拡散領域とを接続させるボトルネック構造のチャネル領域からなる活性領域において、前記チャネル領域を覆ってチャネル領域に接続された前記フォトダイオード領域の一側面の全領域にわたって第2の幅ほど重なった一側面を有し、前記第2フィールド酸化膜とに重なるゲート電極を形成するステップと、
前記半導体層内に前記ゲート電極の一側エッジと前記第1拡散層に自己整列される第3拡散層を形成するステップと、
前記第3拡散層内に前記ゲート電極の一側エッジからスペーサ幅の距離を置いて整列される第4拡散層を形成するステップとを含んでなることを特徴とするイメージセンサの製造方法。 - 前記第1拡散層を形成するステップは、不純物を傾斜角を与えながら回転及びツイストさせてイオン注入することを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第2拡散層を形成するステップは、不純物を垂直にイオン注入することを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサの製造方法。
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