(57)【要約】【課題】受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子のリーク電流の抑制を図り、受光信号に重畳されるノイズ成分の低減を図ること。【解決手段】本発明は、受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、能動素子の領域を分離する素子分離領域と、素子分離領域を囲む第１の不純物領域と、第１の不純物領域より濃度の低い不純物によって構成される領域であって、第１の不純物領域と能動素子との間に設けられる第２の不純物領域とを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、
前記能動素子の領域を分離する素子分離領域と、
前記素子分離領域を囲む第１の不純物領域と、
前記第１の不純物領域より濃度の低い不純物によって構成される領域であって、前記第１の不純物領域と前記能動素子との間に設けられる第２の不純物領域と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記能動素子はトランジスタであり、
前記トランジスタのソースおよびドレインの少なくとも一方の周辺に当該ソースおよびドレインより不純物濃度が低い第３の不純物領域が設けられている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記能動素子は、前記受光領域で取り込んだ電荷を電圧に変換する不純物注入部と隣接するトランジスタである
請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記能動素子は、前記受光領域と隣接するトランジスタである
請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
受光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された電気信号を処理する信号処理装置とを有し、
前記固体撮像装置が、
受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、
前記能動素子の領域を分離する素子分離領域と、
前記素子分離領域を囲む第１の不純物領域と、
前記第１の不純物領域より濃度の低い不純物によって構成される領域であって、前記第１の不純物領域と前記能動素子との間に設けられる第２の不純物領域と
を有する電子機器。
【請求項６】
半導体基板に能動素子を形成する領域を囲む不純物領域を形成し、当該不純物領域の内側に素子分離領域を形成する工程と、
前記能動素子を形成する領域の内側に開口を有するマスクを形成し、当該マスクを介して前記能動素子を形成する領域に不純物を注入し、能動素子を形成する工程と
を有する固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、電子機器および固体撮像装置の製造方法に関する。詳しくは、受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子のリーク電流の抑制を図る固体撮像装置、電子機器および固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラ、複写機、カメラ付携帯などに数多く搭載されている。これらの固体撮像素子は微細化および多画素化の傾向に有り、フォトダイオードの面積も減少していく傾向にある。その結果、信号電荷量も減少するため、フォトダイオード、フローティングディフュージョン、リセットトランジスタにおけるリーク電流を小さく抑えて、ノイズを抑制する必要がある。
【０００３】
一般に、酸化膜とシリコン基板との界面には欠陥が多数存在し、この界面にＰＮ接合が形成されると、界面の欠陥を介してＰＮ接合で発生する電界に依存したリーク電流が発生する。特に、素子分離領域を形成する酸化膜の端部では応力により結晶欠陥が発生することから、この応力が集中する領域にＰＮ接合が形成されることで大きなリーク電流が発生する。そこで、特許文献１では、素子分離領域の界面をＰ型半導体層で覆う構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９９４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、素子分離領域の界面には電界の強い領域は形成されないが、素子分離領域の外側のＰ型−Ｗｅｌｌ領域と、隣接する素子のＮ領域とから形成されるＰＮ接合において高濃度のＰ型とＮ型とが接してしまう。これにより、ＰＮ接合の濃度勾配が急峻となり、ＰＮ接合での電界が強くなる。さらに、トランジスタ領域では酸化膜界面に急峻なＰＮ接合が形成されることになり、リーク電流の増加を抑制できないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子のリーク電流の抑制を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、能動素子の領域を分離する素子分離領域と、素子分離領域を囲む第１の不純物領域と、第１の不純物領域より濃度の低い不純物によって構成される領域であって、第１の不純物領域と能動素子との間に設けられる第２の不純物領域とを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。
【０００８】
このような本発明では、素子分離領域を第１の不純物領域で囲むため、素子分離領域の界面で発生する応力集中による結晶欠陥でのリーク電流を抑制できる。また、第１の不純物領域と能動素子との間に第２の不純物領域が設けられているため、能動素子と第１の不純物領域とが隣接する場合に比べて濃度勾配を緩くすることができる。
【０００９】
ここで、能動素子はトランジスタであり、このトランジスタのソースおよびドレインの少なくとも一方の周辺に第３の不純物領域が設けられているものでもある。これにより、トランジスタのソースおよびドレインの少なくとも一方と素子分離領域との間の濃度勾配が更に緩くなる。
【００１０】
また、本発明は、半導体基板に能動素子を形成する領域を囲む不純物領域を形成し、当該不純物領域の内側に素子分離領域を形成する工程と、能動素子を形成する領域の内側に開口を有するマスクを形成し、当該マスクを介して能動素子を形成する領域に不純物を注入し、能動素子を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法である。
【００１１】
このような本発明では、素子分離領域が不純物領域で囲まれるため、素子分離領域の界面で発生する応力集中による結晶欠陥でのリーク電流を抑制できる。また、不純物領域と能動素子との間に間隔が設けられることから、能動素子と第１の不純物領域とが隣接する場合に比べて濃度勾配を緩くすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受光領域で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子のリーク電流の抑制を図ることができ、受光信号における白点欠陥の視認を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の固体撮像装置（第１の構成）を説明する模式断面図である。
【図２】図１に示す本実施形態の固体撮像装置の構成において、不純物濃度分布とバイアスを印加したときの電界強度分布の一例を示す図である。
【図３】本実施形態の固体撮像装置（第２の構成）を説明する模式断面図である。
【図４】図３に示す本実施形態の固体撮像装置の構成において、不純物濃度分布とバイアスを印加したときの電界強度分布の一例を示す図である。
【図５】電界強度とリーク電流との関係を示す図である。
【図６】本実施形態の固体撮像装置の製造方法の一例を説明する模式図（その１）である。
【図７】本実施形態の固体撮像装置の製造方法の一例を説明する模式図（その２）である。
【図８】本実施形態の電子機器の構成例を示すブロック図である。
【図９】比較例の構成での不純物濃度分布とバイアスを印加したときの電界強度分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像装置の構成（第１の構成、第２の構成の例）
２．固体撮像装置の製造方法
３．電子機器
【００１５】
＜１．固体撮像装置の構成＞
［第１の構成］
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置（第１の構成）を説明する模式断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、半導体基板等の半導体材料に形成されるもので、受光領域１０で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、能動素子の領域を分離する素子分離領域２０とを備えている。
【００１６】
ここで、能動素子は、受光領域１０で取り込んだ電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部（フローティングディフュージョン）１１に隣接し、電荷電圧変換部１１に電荷を転送する転送トランジスタＴｒ１、電荷電圧変換部１１に送られた電荷を排出するリセットトランジスタＴｒ２、その他、受光領域１０に隣接するトランジスタが挙げられる。
【００１７】
受光領域１０は、半導体材料に形成されるＮ＋型およびＰ＋型の領域によって構成されるフォトダイオードであり、受光量に応じた電荷を生成する。受光領域１０に隣接して設けられる電荷電圧変換部１１は、受光領域１０で生成した電荷を電圧に変換し、受光信号として出力する不純物注入部である。この受光領域１０と電荷電圧変換部１１との間に転送トランジスタＴｒ１が設けられている。転送トランジスタＴｒ１のゲート電極（転送電極）Ｇに所定の電圧が印加されることで、受光領域１０から電荷が読み出され、電荷電圧変換部１１へ送られることになる。
【００１８】
リセットトランジスタＴｒ２と転送トランジスタＴｒ１とは、間に設けられた素子分離領域２０によって分離されている。リセットトランジスタＴｒ２は、電荷電圧変換部１１に送られた電荷を排出するものである。すなわち、リセットトランジスタＴｒ２のゲート電極Ｇに所定の電荷が印加されると、電荷電圧変換部１１の電荷がリセットトランジスタＴｒ２を介して排出されることになる。
【００１９】
本実施形態の固体撮像装置では、素子分離領域２０を囲む第１の不純物領域３０としてＰ＋型の領域が設けられている。さらに、この第１の不純物領域３０と能動素子との間に、第１の不純物領域３０より濃度の低いＰ−型から成る第２の不純物領域４０が設けられている。これにより、能動素子におけるソース領域またはドレイン領域（Ｓ／Ｄ）と素子分離領域２０を囲む第１の不純物領域３０との間の濃度勾配が、能動素子と第１の不純物領域３０とが隣接する場合に比べて緩く設けられる構成となる。
【００２０】
つまり、能動素子におけるトランジスタのソース領域およびドレイン領域はＮ＋の不純物領域として設けられており、このソース領域またはドレイン領域とＰ＋領域から成る第１の不純物領域との間に、Ｐ−型から成る第２の不純物領域が設けられる。このため、ソース領域またはドレイン領域であるＮ＋領域と第１の不純物領域であるＰ＋領域との間にＰ−領域が介在し、ドレイン領域（Ｎ＋領域）と第１の不純物領域（Ｐ＋領域）とが隣接する場合に比べて濃度勾配が緩くなる。
【００２１】
図２は、図１に示す本実施形態の固体撮像装置の構成において、不純物濃度分布とバイアスを印加したときの電界強度分布の一例を示す図であり、上図は不純物濃度分布、下図は電界強度分布である。ここでは、トランジスタのソース領域を形成する不純物の打ち込み領域と素子分離領域との距離を１００ｎｍ離した場合の例である。上図の不純物濃度分布では、−４〜５の数値のうち正側の数値がＮ型、負側の数値がＰ型を示しており、いずれも数値の絶対値が大きいほど不純物濃度が濃いことを示している。また、下図の電界強度分布では、０〜９の数値において値が大きいほど電界強度が強いことを示している。
【００２２】
本実施形態の固体撮像装置の構成では、応力が集中する欠陥の多い素子分離領域の端部（図１のＡ部）はＰ型から成る第１の不純物領域で覆い、かつ、ＰＮ接合の濃度勾配を緩やかにして、電界を緩和している。
【００２３】
ここで、比較例として、素子分離領域が第１の不純物領域で囲まれていない構造での不純物濃度分布と電界強度分布の一例を図９に示す。比較例の構造では、素子分離領域の端部のＰＮ接合の濃度勾配が本実施形態に比べて大きいため、最大電界強度の値が０．８１ＭＶ／ｃｍとなっている。一方、図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置の構成では、最大電界強度の値が０．６６ＭＶ／ｃｍまで減少する。
【００２４】
図５は、電界強度とリーク電流との関係を示す図である。この図は、Shockley Read HallのTAT modelに基づくΓと電界強度との関係を、リーク電流と電界強度との関係に換算したものである。この図で横軸は電界強度、縦軸はリーク電流（相対値）である。これによると、電界強度が比較例の構造の０．８１ＭＶ／ｃｍから本実施形態の０．６６ＭＶ／ｃｍまで落ちている。したがって、リーク電流が約１／７まで減少することになる。
【００２５】
［第２の構成］
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置（第２の構成）を説明する模式断面図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の構成と同様、半導体材料に形成されるもので、受光領域１０で取り込んだ電荷を取り扱う能動素子と、能動素子の領域を分離する素子分離領域２０とを備えている。
【００２６】
ここで、能動素子は、受光領域１０で取り込んだ電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部（フローティングディフュージョン）１１に隣接し、電荷電圧変換部１１に電荷を転送する転送トランジスタＴｒ１、電荷電圧変換部１１に送られた電荷を排出するリセットトランジスタＴｒ２や、その他、受光領域１０に隣接するトランジスタが挙げられる。
【００２７】
受光領域１０は、半導体材料に形成されるＮ＋型およびＰ＋型の領域によって構成されるフォトダイオードであり、受光量に応じた電荷を生成する。受光領域１０に隣接して設けられる電荷電圧変換部１１は、受光領域１０で生成した電荷を電圧に変換し、受光信号として出力する部分である。この受光領域１０と電荷電圧変換部１１との間に転送トランジスタＴｒ１が設けられている。転送トランジスタＴｒ１のゲート電極（転送電極）Ｇに所定の電圧が印加されることで、受光領域１０から電荷が読み出され、電荷電圧変換部１１へ送られることになる。
【００２８】
リセットトランジスタＴｒ２と転送トランジスタＴｒ１とは、間に設けられた素子分離領域２０によって分離されている。リセットトランジスタＴｒ２は、電荷電圧変換部１１に送られた電荷を排出するものである。すなわち、リセットトランジスタＴｒ２のゲート電極Ｇに所定の電荷が印加されると、電荷電圧変換部１１の電荷がリセットトランジスタＴｒ２を介して排出されることになる。
【００２９】
また、本実施形態の固体撮像装置では、素子分離領域２０を囲む第１の不純物領域３０としてＰ＋領域が設けられている。さらに、この第１の不純物領域３０と能動素子との間に、第１の不純物領域３０より濃度の低いＰ−から成る第２の不純物領域４０が設けられている。また、第２の構成では、能動素子であるトランジスタのソース領域およびドレイン領域（Ｓ／Ｄ）の少なくとも一方の周辺に、ソース、ドレイン領域（Ｓ／Ｄ）と同じ導電型で、かつ、ソース、ドレイン領域（Ｓ／Ｄ）の不純物濃度より低い第３の不純物領域５０が設けられている。
【００３０】
図３に示す例では、リセットトランジスタＴｒ２のソース領域およびドレイン領域（Ｓ／Ｄ）の周辺に、ソース領域およびドレイン領域（Ｓ／Ｄ）であるＮ＋の不純物より濃度の低いＮ−から成る第３の不純物領域５０が設けられている。転送トランジスタＴｒ１には設けられていないが、必要に応じてこちらにも設けてもよい。
【００３１】
このように、トランジスタのソース領域、ドレイン領域（Ｓ／Ｄ）の周辺を第３の不純物領域５０で囲むことで、ソース領域、ドレイン領域（Ｓ／Ｄ）から素子分離領域２０を囲む第１の不純物領域３０までの間の不純物濃度勾配を第１の構成よりも緩めることができる。したがって、さらに電界を緩和し、リーク電流の低減を図ることが可能となる。
【００３２】
図４は、図３に示す本実施形態の固体撮像装置の構成において、不純物濃度分布とバイアスを印加したときの電界強度分布の一例を示す図であり、上図は不純物濃度分布、下図は電界強度分布である。ここでは、トランジスタのソース領域を形成する不純物の打ち込み領域と素子分離領域との距離を１００ｎｍ離した場合の例である。上図の不純物濃度分布では、−４〜５の数値のうち正側の数値がＮ型、負側の数値がＰ型を示しており、いずれも数値の絶対値が大きいほど不純物濃度が濃いことを示している。また、下図の電界強度分布では、０〜９の数値において値が大きいほど電界強度が強いことを示している。
【００３３】
本実施形態の固体撮像装置の構成では、応力が集中する欠陥の多い素子分離領域の端部はＰ型から成る第１の不純物領域で覆い、かつ、ＰＮ接合の濃度勾配を第１の構成（図１）より緩やかにして、電界を緩和している。したがって、最大電界強度の値が０．５９ＭＶ／ｃｍまで小さくなっている。これにより、図５に示す電界強度とリーク電流との関係から、本実施形態の固体撮像装置では、リーク電流が比較例（図９参照）に比べて約１／８に減少する。
【００３４】
＜２．固体撮像装置の製造方法＞
図６〜図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を説明する模式図である。先ず、図６（ａ）に示すように、半導体基板Ｓ上に素子分離領域２０を形成する。半導体基板Ｓには、例えばシリコン（Ｓｉ）基板を用い、素子分離領域２０は、例えば絶縁膜（ＳｉＯ2）からからなるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）やＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)構造で形成する。
【００３５】
ここで、図６（ａ）に示す素子分離領域２０の形成にあたり、素子分離領域２０の形成前、もしくは形成後に、素子分離領域２０の周辺を覆うようにＰ型半導体層である第１の不純物領域３０を形成しておく。図示されていないが、素子分離領域２０および第１の不純物領域３０は、トランジスタを構成する領域を囲むように設けられている。
【００３６】
次いで、図６（ｂ）に示すように、半導体基板ＳにトランジスタＴｒとなるチャネルおよびゲート絶縁膜を介したゲート電極Ｇを形成した後、トランジスタＴｒのソース領域とドレイン領域（Ｓ／Ｄ）の双方、または片方にＮ型不純物の添加を実施する。この不純物添加の際に、マスクＭとして用いられる絶縁膜の開口寸法を、素子分離領域２０の第１の不純物領域３０で囲まれた領域よりも小さくしておく。例えば、マスクＭの開口の縁と第１不純物領域３０の端部との距離ｄが５０ｎｍ以上設けられるようにしておく。
【００３７】
図７は、ソース領域、ドレイン領域の不純物添加の際のマスクレイアウトを示す図である。素子分離領域２０を囲む第１の不純物領域３０は、アクティブ領域を囲むように形成され、このアクティブ領域内にゲート電極Ｇが形成されている。ソース領域およびドレイン領域は、ゲート電極Ｇを介した不純物添加によってゲート電極Ｇに対して自己整合的に形成される。
【００３８】
さらに、本実施形態では、素子分離領域２０の第１の不純物領域３０で囲まれるアクティブ領域の内側に開口を有するマスクＭを形成している。すなわち、マスクＭの開口の縁と第１不純物領域３０の端部（アクティブ領域の端部）との距離ｄが先に示したように５０ｎｍ以上設けられるよう開口の位置が設定される。このマスクＭおよびゲート電極Ｇを介して不純物を添加することにより、ソース領域およびドレイン領域は、素子分離領域２０の第１の不純物領域３０との間で隙間を開けた状態で形成されることになる。
【００３９】
ここで、ソース、ゲート領域を形成するための不純物の添加条件は、例えば、イオン種としてヒ素、もしくはリンを用い、エネルギーとして１０〜２０ｋｅＶ、ドーズ量として５×１０14ｃｍ-2以上とする。
【００４０】
また、同じマスクＭを用い、イオン種、ドーズ量を変えて不純物添加工程を複数回行うことにより、図６（ｃ）に示すように、ソース、ドレイン領域の周辺に、ソース、ドレイン領域と同じ導電型で、かつ、ソース、ドレイン領域の不純物濃度より低い第３の不純物領域５０を形成することができる。この不純物を添加する条件は、例えば、イオン種としてヒ素、もしくはリンを用い、エネルギーとして２０〜４０ｋｅＶ、ドーズ量として１×１０13ｃｍ-2〜１×１０14ｃｍ-2とする。
【００４１】
その後、不純物を活性化させるための熱工程を経て、図１、図３に示すような本実施形態の固体撮像装置が完成する。
【００４２】
なお、上記説明した本実施形態の固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法では、能動素子としてトランジスタを例としたが、トランジスタ以外でも受光領域１０のような電荷を取り扱うダイオードであっても適用可能である。
【００４３】
＜３．電子機器＞
図８は、本実施形態に係る電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図８に示すように、撮像装置９０は、レンズ群９１を含む光学系、固体撮像装置９２、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８等を有している。これらのうち、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８がバスライン９９を介して相互に接続された構成となっている。
【００４４】
レンズ群９１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置９２の撮像面上に結像する。固体撮像装置９２は、レンズ群９１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置９２として、先述した本実施形態の固体撮像装置が用いられる。
【００４５】
表示装置９５は、液晶表示装置や有機ＥＬ(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置９６は、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を、不揮発性メモリやビデオテープ、ＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
【００４６】
操作系９７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系９８は、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６および操作系９７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【００４７】
このような撮像装置９０は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。この固体撮像装置９２として先述した本実施形態に係る固体撮像装置を用いることで、ノイズの抑制された高画質の撮像装置を提供できることになる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…受光領域、１１…電荷電圧変換部、２０…素子分離領域、３０…第１の不純物領域、４０…第２の不純物領域、５０…第３の不純物領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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