JP4654521B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の固体撮像素子の一例を示す平面図、図３は図２における点線の矩形領域Ｒを詳しく示す部分拡大平面図、図４の（Ａ）は図３におけるＡ−Ａ’線に沿った部分断面側面図、図４の（Ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ’線に沿った部分断面側面図である。
【０００３】
図２に示した固体撮像素子１０２は一例としてインターライン型の固体撮像素子であり、シリコンから成る半導体基板１０４上に多数の光電変換素子１０６を相互に間隔をおきマトリクス状に配列して構成されている。そして光電変換素子１０６の各列ごとに垂直電荷転送レジスター１０８が、光電変換素子１０６の列方向（矢印Ｖ）に延設され、垂直電荷転送レジスター１０８の一端部に水平電荷転送レジスター１１０が、光電変換素子１０６の行方向（矢印Ｈ）に延設されている。水平電荷転送レジスター１１０の一方の端部にはアンプ部１１２が形成されている。
【０００４】
このような構成において、各列の各光電変換素子１０６が光を受けて生成した電荷は、光電変換素子１０６と垂直電荷転送レジスター１０８との間に介在する不図示の読み出し領域を経て、対応する垂直電荷転送レジスター１０８に出力され、垂直電荷転送レジスター１０８はこの電荷を順次、水平電荷転送レジスター１１０に向けて転送する。水平電荷転送レジスター１１０は各垂直電荷転送レジスター１０８から電荷を受け取ってアンプ部１１２に転送し、アンプ部１１２は転送されてきた電荷にもとづき出力端子１１４を通じて映像信号を出力する。
【０００５】
断面図を参照して光電変換素子１０６周辺を詳しく説明すると、図４の（Ｂ）に示したように、光電変換素子１０６はｐ型の半導体基板１０４の表面部に局所的に積層されたｐ型領域１１５およびｎ型領域１１６を含み、図４の（Ｂ）ではその左側の半導体基板表面部に、対応する垂直電荷転送レジスター１０８が形成されている。垂直電荷転送レジスター１０８の上には第２層目の転送電極１１８が絶縁膜１２０を介して形成され、その上には絶縁膜１２０を介して遮光膜１２２が形成されている。
【０００６】
また、図４の（Ｂ）において光電変換素子１０６の右側にはチャネルストップ領域として高濃度のｐ型不純物をたとえばイオン注入法により導入したｐ型領域１２４が形成されている。このｐ型領域１２４は、図３に示したように、平面視では各光電変換素子１０６を、垂直電荷転送レジスター１０８側を除いて囲む形で形成されている。
【０００７】
したがって、光電変換素子１０６の列方向の断面では、図４の（Ａ）に示したように、隣接する光電変換素子１０６の間にチャネルストップ領域としてのｐ型領域１２４が配置されている。
また、図４の（Ａ）に示した断面位置では、ｐ型領域１２４の上に第１層目の転送電極１２６、および第２層目の転送電極１１８が絶縁膜１２０を介して積層され、その上を遮光膜１２２が覆っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように各光電変換素子１０６の周囲、すなわち画素の周囲に高濃度の不純物によるｐ型領域１２４を形成することで画素間に高いポテンシャルバリアが生成され、各画素が分離される。その結果、各光電変換素子１０６が受光して生成した信号電荷は各光電変換素子１０６ごとに独立して垂直電荷転送レジスター１０８に供給されることになる。
【０００９】
しかしながら、このｐ型領域１２４によるポテンシャルバリアは基板表面から深い位置へ向かうにしたがってしだいに均一化される。そのため、光電変換素子１０６のｎ型領域１１６が深く形成されるような構造の場合には、ｐ型領域１２４が充分に作用せず、隣接する光電変換素子１０６間で信号電荷が混合する結果となる。このような信号電荷の混合が発生すると固体撮像素子１０２の解像度が低下し、またカラー画像を撮影する固体撮像素子の場合には、隣接する光電変換素子１０６は相互に異なる色に対応しているため画素間の混色が発生してしまう。
【００１０】
この問題は、高エネルギーでｐ型不純物を導入し、ｐ型領域１２４を深く形成することで回避できる。しかし、高エネルギーのイオン注入は制御性が悪く、横方向への広がりも大きいことから、光電変換素子１０６が高密度で配列され個々の光電変換素子１０６のサイズが小さい場合には、この手法を用いることは困難である。さらに、イオン注入時のマスキングのためのレジスト層は、高エネルギーのイオン注入に耐えられるよう厚く形成しなければならず、この点からも微細加工が難しくなり、光電変換素子１０６のサイズが小さい場合にはｐ型領域１２４を深く形成することは困難である。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、サイズの小さい光電変換素子を高密度で配列する場合でも、各光電変換素子を容易かつ確実に分離して信号電荷の混合にともなう解像度の低下や混色を防止できる固体撮像素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上に相互に近接して配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子は前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型および第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は前記半導体基板の表面側に形成されている固体撮像素子であって、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成され、前記光電変換素子と、同光電変換素子に隣接する前記トレンチとの間の半導体基板表面部に、前記第２導電型の領域と接して当該トレンチよりも浅い高濃度の第２導電型の不純物を含む領域が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に相互に近接して配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子は前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型および第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は前記半導体基板の表面側に形成された固体撮像素子の製造方法であって、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチを形成し、前記光電変換素子と、同光電変換素子に隣接する前記トレンチとの間の半導体基板表面部に、前記第２導電型の領域と接して当該トレンチよりも浅い高濃度の第２導電型の不純物を含む領域を形成することを特徴とする。
【００１３】
このように本発明の固体撮像素子、並びに本発明の製造方法により製造した固体撮像素子では、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成されているので、各光電変換素子により生成された信号電荷は、このトレンチにより阻止されて、隣接する他の光電変換素子による信号電荷と混合することがない。その結果、解像度が低下したり画素間で混色が起こるといった問題は発生しない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１の（Ａ）および（Ｂ）は本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面図である。図中、図２ないし図４と同一の要素には同一の符号が付されている。
ここで説明する実施の形態例としての固体撮像素子は、一例としてインターライン型の固体撮像素子であり、基本的な構成は図２に示した固体撮像素子１０２と同様の構成となっている。すなわち、シリコンから成る半導体基板上に多数の光電変換素子を相互に間隔をおきマトリクス状に配列して構成され、光電変換素子の各列ごとに垂直電荷転送レジスターが、光電変換素子の列方向に延設され、垂直電荷転送レジスターの一端部に水平電荷転送レジスターが配置されている。また水平電荷転送レジスターの一方の端部にはアンプ部が形成されている。なお、光電変換素子はここではフォトダイオードであるとする。
【００１５】
そして、図１の（Ａ）は図４の（Ａ）と同様、光電変換素子の列方向における光電変換素子周辺の詳しい断面を示し、図１の（Ｂ）は図４の（Ｂ）と同様、光電変換素子の行方向における光電変換素子周辺の詳しい断面を示している。
本実施の形態例は、チャネルストップ領域としてトレンチを形成する点で、従来の固体撮像素子と異なっている。すなわち、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示したように、実施の形態例の固体撮像素子２では、ｎ型領域１１６（本発明に係わる第１導電型の領域）およびｐ型領域１１５（本発明に係わる第２導電型の領域）から成る光電変換素子１０６のそれぞれの周囲の半導体基板表面部に、ｎ型領域１１６の底部６より深い位置に至るトレンチ８が形成されている。
【００１６】
トレンチ８は、従来の固体撮像素子におけるｐ型領域１２４と同様の位置に形成されており、したがって平面視においても図３に示した従来の固体撮像素子１０２のｐ型領域１２４と同様、垂直電荷転送レジスター１０８と、同垂直電荷転送レジスター１０８に対応する光電変換素子１０６との間の箇所を除いて、光電変換素子１０６を囲む形で形成されている。
【００１７】
トレンチ８の内面には、図１の（Ａ）および（Ｂ）に示したように、本実施の形態例では絶縁膜１０が被着され、そして内側に金属材料１２が充填されている。トレンチ８の内面に被着させる上記絶縁膜１０は、たとえば、半導体基板１０４の熱酸化によるシリコンの酸化膜として形成することができ、トレンチ８内に充填する金属材料１２はたとえばアルミニウムを堆積させることで形成することができる。
【００１８】
また、光電変換素子１０６と、この光電変換素子１０６に隣接するトレンチ８との間における半導体基板表面部に、高濃度の不純物を含むｐ型領域１４（本発明に係わる高濃度の第２導電型の不純物を含む領域）が比較的浅く形成されている。この高濃度の不純物を含むｐ型領域１４は、光電変換素子１０６と、対応する垂直電荷転送レジスター１０８との間の箇所を除いて、光電変換素子１０６の周囲に形成されている。また、図１（Ｂ）から明らかなように、光電変換素子１０６のｐ型領域１１５と、高濃度の不純物を含むｐ型領域１４とは、互いに接して形成されている。
【００１９】
電極や遮光膜に関しては従来の固体撮像素子と同様であり、図１の（Ｂ）に示したように、垂直電荷転送レジスター１０８の上に第２層目の転送電極１１８が絶縁膜１２０を介して形成され、その上に絶縁膜１２０を介して遮光膜１２２が形成されている。また、図１の（Ａ）に示した断面位置では、トレンチ８および高濃度の不純物を含むｐ型領域１４の上に転送電極１２６、１１８が絶縁膜１２０を介して積層され、その上を遮光膜１２２が覆っている。
【００２０】
このように本実施の形態例の固体撮像素子２では、光電変換素子１０６のそれぞれの周囲の半導体基板表面部に、光電変換素子１０６を構成するｎ型領域１１６の底部６より深い位置に至るトレンチ８が形成されているので、各光電変換素子１０６により生成された信号電荷は、このトレンチ８により阻止されて、隣接する他の光電変換素子１０６による信号電荷と混合することがない。そのため、解像度が低下したり画素間で混色が起こるといった問題は発生しない。
【００２１】
また、本実施の形態例では、トレンチ８内に金属材料１２が充填されているので、光電変換素子１０６の受光部に斜めに入射した光、あるいは光電変換素子１０６内で散乱した光などは、光電変換素子１０６の側部から出射した後、金属材料１２の側面で反射されて再度光電変換素子１０６内に入射し、その結果、光電変換素子１０６の感度が向上する。
【００２２】
このようなトレンチ８は、エッチングなど従来から広く用いられている技術により容易に形成することができる。具体的には、たとえば、転送電極１２６、１１８や斜光膜１２２を形成する前の段階で、まず従来通り、たとえばイオン注入法によって高濃度の不純物を含むｐ型領域１４を形成する。その後、半導体基板表面にたとえばシリコン窒化膜を形成し、パターン化してトレンチ８の形成箇所のみ開口させ、そしてこのパターン化したシリコン窒化膜をマスクとして選択的エッチング（たとえばドライエッチング）を行い、トレンチ８を必要な深さに形成する。
【００２３】
本実施の形態例の固体撮像素子２では、トレンチ８の形成がこのように容易であることから、サイズの小さい光電変換素子１０６を高密度で配列するような場合でも、各光電変換素子１０６を確実に分離して解像度の低下や混色を防止することができる。
【００２４】
なお、本実施の形態例では、トレンチ８内に金属材料１２を充填するとしたが、金属材料１２を充填せず、絶縁材料を充填したり、あるいは空洞構造とすることも可能である。その場合にも、トレンチ８はチャネルストップ領域としての機能を果たすため、各光電変換素子１０６により生成された信号電荷は、トレンチ８により阻止されて、隣接する他の光電変換素子１０６による信号電荷と混合することがない。そのため、解像度が低下したり画素間で混色が起こるといった問題は発生しない。
ただし、光電変換素子１０６の側部などから出射した光がトレンチ部で反射して再度光電変換素子１０６内に入射するという作用は得られないか、あるい弱まるので、この点では、高い光反射率を得るためにトレンチ８内に金属材料１２を充填する構造とすることが望ましい。
【００２５】
本実施の形態例では、トレンチ８とともに高濃度の不純物を含むｐ型領域１４をも形成するとしたが、この高濃度の不純物を含むｐ型領域１４を形成する目的は画素を分離することではなく、光電変換素子１０６を構成するｎ型領域１１６の下方に溜まった正孔を速やかに排出するためのものである。したがって、特に深いものとする必要はなく、その形成は容易である。
トレンチ８を形成する際にシリコン窒化膜によるマスクを用いるとしたが、マスクの材料としては、エッチングの際に半導体基板１０４よりエッチングレートが低い材料であれば、必ずしもシリコン窒化膜でなくてもよい。
【００２６】
また、本実施の形態例では、光電変換素子１０６はマトリクス状に配列されているとしたが、リニアイメージセンサーなどのように、光電変換素子が直線的に配列されている場合にも本発明は有効であり、各光電変換素子１０６の周囲にトレンチを形成することで同様の効果を得ることができる。
本実施の形態例では、固体撮像素子２は、インターライン型であるとしたが、以上の説明から明らかなように本発明が各光電変換素子１０６周辺の構造に係わるものであるため、電荷の転送方式がインターライン型以外の方式であっても本発明は適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子、並びに本発明の製造方法により製造した固体撮像素子では、各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、光電変換素子を構成する第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成されているので、各光電変換素子により生成された信号電荷は、このトレンチにより阻止されて、隣接する他の光電変換素子による信号電荷と混合することがない。その結果、解像度が低下したり画素間で混色が起こるといった問題は発生しない。
そして、上記トレンチはエッチングなど従来から広く用いられている技術により容易に形成することができるので、サイズの小さい光電変換素子を高密度で配列するような場合でも解像度の低下や混色を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）および（Ｂ）は本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面図である。
【図２】 従来の固体撮像素子の一例を示す平面図である。
【図３】 図２の固体撮像素子の一部を詳しく示す部分拡大平面図である。
【図４】 （Ａ）は図３におけるＡ−Ａ’線に沿った部分断面側面図、（Ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ’線に沿った部分断面側面図である。
【符号の説明】
２……固体撮像素子、６……光電変換素子のｎ型領域の底部、８……トレンチ、１０……絶縁膜、１２……金属材料、１４……高濃度の不純物を含むｐ型領域、１０２……固体撮像素子、１０４……半導体基板、１０６……光電変換素子、１０８……垂直電荷転送レジスター、１１０……水平電荷転送レジスター、１１２……アンプ部、１１４……出力端子、１１５……光電変換素子のｐ型領域、１１６……光電変換素子のｎ型領域、１１８……転送電極、１２０……絶縁膜、１２２……遮光膜、１２４……ｐ型領域、１２６……転送電極。

Claims (11)

1. 半導体基板上に相互に近接して配列された複数の光電変換素子を備え、
   前記光電変換素子は前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型および第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は前記半導体基板の表面側に形成されている固体撮像素子であって、
   各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチが形成され、
   前記光電変換素子と、同光電変換素子に隣接する前記トレンチとの間の半導体基板表面部に、前記第２導電型の領域と接して当該トレンチよりも浅い高濃度の第２導電型の不純物を含む領域が形成されている
   固体撮像素子。
2. 前記トレンチの内面に絶縁膜が被着されている
   請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記トレンチの内側に金属材料が充填されている
   請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記トレンチの内側に絶縁材料が充填されている
   請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記半導体基板はシリコンから成り、前記絶縁膜はシリコンの酸化物により形成されている
   請求項２記載の固体撮像素子。
6. 前記金属材料はアルミニウムである
   請求項３記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換素子は前記半導体基板上にマトリクス状に配列され、前記光電変換素子の各列ごとに垂直電荷転送レジスターが前記光電変換素子の列方向に延設され、前記垂直電荷転送レジスターは対応する列の前記光電変換素子から電荷を取り込んで転送し、前記トレンチは、前記垂直電荷転送レジスターと、同垂直電荷転送レジスターに対応する前記光電変換素子との間の箇所を除いて、前記光電変換素子の周囲に形成されている
   請求項１〜６の何れかに記載の固体撮像素子。
8. 半導体基板上に相互に近接して配列された複数の光電変換素子を備え、前記光電変換素子は前記半導体基板の表面部に局所的に積層された第１導電型および第２導電型の領域を含み、前記第２導電型の領域は前記半導体基板の表面側に形成された固体撮像素子の製造方法であって、
   各光電変換素子の周囲の半導体基板表面部に、前記第１導電型の領域の底部より深い位置に至るトレンチを形成し、
   前記光電変換素子と、同光電変換素子に隣接する前記トレンチとの間の半導体基板表面部に、前記第２導電型の領域と接して当該トレンチよりも浅い高濃度の第２導電型の不純物を含む領域を形成する
   固体撮像素子の製造方法。
9. 前記半導体基板表面にシリコン窒化膜を形成し、パターン化して前記トレンチの形成箇所を開口させ、前記パターン化したシリコン窒化膜をマスクとして選択的エッチングを行うことで前記トレンチを形成する
   請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 前記トレンチ内に、絶縁膜を介して金属材料を充填するか、または絶縁材料を充填する
    請求項８または９記載の固体撮像素子の製造方法。
11. 前記トレンチ内は空洞構造とする
    請求項８または９記載の固体撮像素子の製造方法。

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