(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
MOSトランジスタと半導体受光素子を集積した光センサで、前記受光素子がPN接合からなり、前記PN接合に光照射により発生した電荷を蓄積する方式の光センサの製造方法において、前記受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接しておらず、前記MOSトランジスタは、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接している光センサの製造方法であって、前記受光素子のPN接合のうち深い拡散となる拡散領域と同じ導電型を有する、前記MOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、次いで前記受光素子の前記拡散領域を形成するための不純物注入をし、前記MOSトランジスタのウエル領域と前記受光素子の前記拡散領域を形成するための前記不純物注入をした領域に選択酸化膜を形成した後に、前記拡散領域及びその周囲となる領域をフォトレジストでマスクして、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物をウエハに選択的に注入することを含む、光センサの製造方法。
【請求項２】
MOSトランジスタと半導体受光素子を集積した光センサで、前記受光素子がPN接合からなり、前記PN接合に光照射により発生した電荷を蓄積する方式の光センサの製造方法において、前記受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接しておらず、前記MOSトランジスタは、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接している光センサの製造方法であって、前記受光素子のPN接合のうち深い拡散となる拡散領域と同じ導電型を有する、前記MOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、次いで前記受光素子の前記拡散領域およびその周囲となる部分を含む領域の基板を露出した後、前記拡散領域を形成するための不純物をフォトレジストをマスクとして選択的に注入し、前記MOSトランジスタのウエル領域を形成するための前記不純物注入をした領域と、前記受光素子の前記拡散領域及びその周囲となる部分を含む領域に選択酸化膜を形成した後に、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物をウエハ全面に注入することを含む、光センサの製造方法。
【請求項３】
MOSトランジスタと半導体受光素子を集積した光センサで、前記受光素子がPN接合からなり、前記PN接合に光照射により発生した電荷を蓄積する方式の光センサの製造方法において、前記受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接しておらず、前記MOSトランジスタは、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接している光センサの製造方法であって、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのどちらか一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、次いで前記MOSトランジスタのウエル領域を形成するための前記不純物注入をした領域に選択酸化膜を形成した後に、前記受光素子のPN接合のうち深い拡散となる拡散領域が形成される領域及びその周囲となる領域をフォトレジストでマスクして、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、次いで前記受光素子の前記拡散領域を形成する部分を除く領域をフォトレジストでマスクして、前記拡散領域を形成するための不純物注入をすることを含む、光センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
MOSトランジスタと半導体受光素子を集積した光センサは、受光素子を1次元、2次元アレイ状に集積することが容易であり、光ディスク装置のピックアップ受光素子、カメラのオートフォーカス受光素子、ファクシミリ装置、イメージスキャナの原稿読み取り部、デジタルカメラ、ビデオカメラなどに広く応用されている。本発明は、これら民生品に広く使われているMOSトランジスタと半導体受光素子を集積した光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体受光素子からなる光センサには、光照射により受光部で発生した電荷を出力アンプまで伝送する方式の違いから、CCD方式とCMOS方式の２つに大別される。CCD方式の光センサは、受光部で発生した電荷の伝送ロスが少なく、伝送中のノイズが小さいため、SN比が高く、高画質な画像を得ることができ、ホームビデオを中心に広く使われている。しかしながら、CCD方式の光センサは、通常使われるIC、LSIに比べて高い電圧の電源を複数必要とし、消費電力も大きい。また、その製造方法は、IC、LSIなどの集積回路を構成するCMOSの製造方法と大きく異なるため、画像処理などの付加機能を集積することは困難である。
【０００３】
近年、携帯機器の発展に伴い、IC、LSIはより低い電源電圧で、より低消費電力で、より高機能なものが望まれている。光センサにおいても同様であり、低電圧動作、低消費電力、付加機能の集積化が求められている。CMOS方式の光センサは、IC、LSIを構成するMOSトランジスタで動作するため、IC、LSIと同じ低電圧動作、低消費電力が可能であり、製造方法もIC、LSIと同じであるため、高機能な処理機能回路を集積することが容易である。このため、CCD方式の光センサに代わる技術として、CMOS方式の光センサが注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、CMOS方式の光センサは、受光部で発生した電荷を伝送する際に受けるノイズが大きく、CCD方式に比べて画質が悪い。ノイズ低減のため、電荷を増幅して伝送するための回路を受光部の近傍に設置すると、CCDに比べて受光部の面積が相対的に小さくなり、感度が悪くなるという問題がある。
【０００５】
また、付加回路の集積化のためには、IC、LSIを構成するMOSトランジスタの特性を変えることなく光センサを製造する必要がある。MOSトランジスタは、ウエル領域の中に形成されるが、一般によく採用されている、PチャネルMOSトランジスタあるいはNチャネルMOSトランジスタのどちらか一方のウエル領域に不純物を注入した後に、前記不純物を注入した領域のみに選択酸化により厚い酸化膜を形成して、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域に不純物をマスクなしで注入する、セルフアラインツインウエル方式を使ってウエル領域を形成している場合、PチャネルMOSトランジスタとNチャネルMOSトランジスタのウエル領域は必ず接しており、半導体基板にはPチャネルMOSトランジスタあるいはＮチャネルMOSトランジスタのいずれかの不純物注入によるウエル領域が形成される。このため、受光素子となるPN接合を新たに形成しても、 PチャネルMOSトランジスタあるいはＮチャネルMOSトランジスタのいずれかのウエル領域と接することになる。
【０００６】
一般的に、MOSトランジスタの微細化がすすむと、MOSトランジスタのウエル領域の不純物濃度は高くなる。一方、PN接合の容量は、PN接合を形成する領域の不純物濃度が高いほど大きくなる。このため、IC、LSIの集積度を上げ、高速動作を高めるために、MOSトランジスタの微細化をすすめるほど、受光素子となるPN接合の容量は大きくなる傾向にある。
【０００７】
また、光センサの多画素化がすすむにつれて、受光素子の面積は小さくなり、受光素子の感度は低くなる。更に、受光素子の感度は、受光素子に届いた光子により発生する電荷量Qと、ダイオードからなる受光素子のP N接合部の容量Cとから決まるQ/Cに比例するため、受光素子の感度は、PN接合の容量が大きいほど小さくなる。このため、IC、LSIのMOSトランジスタ製造プロセスにより光センサを製造する場合、MOSトランジスタが微細になるほど、受光素子の感度はより悪くなる傾向にある。
【０００８】
また、光センサとなるPN接合部の不純物濃度を低くするために、MOSトランジスタのウエル領域の不純物濃度を変更したり、MOSトランジスタのウエル領域を形成する工程における酸化工程などの熱処理条件を変更すれば、MOSトランジスタの特性が変化してしまうおそれがある。この場合、MOSトランジスタで構成する電子回路の設計に大きな負荷が発生することになる。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決して、IC、LSIを構成するMOSトランジスタの特性を変えることなく光センサを製造でき、且つ受光素子の感度が高い光センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、MOSトランジスタと集積した半導体受光素子からなる光センサで、前記受光素子がPN接合からなり、前記PN接合に光照射により発生した電荷を蓄積する方式の光センサにおいて、前記受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接していないことを特徴とする光センサ及びその製造方法である。受光素子のPN接合は、受光素子の不純物領域と不純物濃度の低い半導体基板からなるため、PN接合の容量を小さくでき、受光素子の感度を上げることができる。
【００１１】
PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成して、ウエルの形成はセルフアラインツインウエルによる場合は、MOSトランジスタと集積した半導体受光素子からなる光センサで、前記受光素子がP N接合からなり、前記PN接合に光照射により発生した電荷を蓄積する方式の光センサにおいて、前記受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接していない光センサにおいて、前記MOSトランジスタは、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接していることを特徴とする構成の光センサとすればよい。
【００１２】
この場合、 PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルM OSトランジスタのどちらか一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、不純物を注入したMOSトランジスタのウエル領域の上を選択酸化した後に、受光素子及びその周囲となる領域をフォトレジストによりマスクして、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をすることで、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域を形成する製造方法により、受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接しておらず、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接している光センサが可能になる。
【００１３】
また、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのどちらか一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をし、不純物を注入したMOSトランジスタのウエル領域の上と、受光素子及びその周囲となる領域を選択酸化した後に、もう一方のMOSトランジスタのウエル領域を形成するための不純物注入をマスクなしで注入することで、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域を形成することで、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域を形成する製造方法により、受光素子のPN接合がMOSトランジスタのウエル領域と接しておらず、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタの両方とも半導体基板に不純物を注入してウエル領域を形成しており、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのウエル領域が接している光センサが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例の光センサにおけるMOSトランジスタ及び受光部の断面図が図１である。本実施例においては、P型（100）のシリコン基板６にPチャネルMOSトランジスタ１０、５０、NチャネルMOSトランジスタ２０、３０、４０、受光素子であるPN接合ダイオード１を形成した。PチャネルMOSトランジスタ１０、５０は、ポリシリコンからなるゲート１２、５２と、ソース、ドレイン領域であるP+領域１３、５３が、N型ウエル領域１１、５１の中に形成されている。NチャネルMOSトランジスタ２０、３０、４０は、ポリシリコンからなるゲート２２、３２、４２と、ソース、ドレイン領域であるN+領域２３、３３、４３が、P型ウエル領域２１、３１、４１の中に形成してある。各トランジスタは、厚いフィールド酸化膜６８で分離されており、フィールド酸化膜６８の下層には、N型ウエル領域１１、５１には、ウエル領域よりも不純物濃度が高いN±領域１４、５４が形成してあり、P型ウエル領域２１、３１、４１には、ウエル領域よりも不純物濃度が高いP±領域２４、２５、３４、３５、４４が形成してある。
【００１５】
シリコン基板と極性の異なるN型ウエル領域１１、５１はP型ウエル領域２１、３１、４１と接している。受光素子であるダイオード１は、N型領域である２とP型シリコン基板６で構成している。N型領域２の中には、コンタクトをとるためのN+領域３が形成してある。N型領域２の上層には、フィールド酸化膜８を形成してあり、受光する光は、フィールド酸化膜８を通してダイオード１に到達する。N型領域２とP型ウエル領域２１、３１との間には、不純物が注入されていない領域９が設けてある。不純物が注入されていない領域９が存在するため、受光素子であるダイオード１のN型領域２とP型シリコン基板６のPN接合の不純物濃度を低くすることが可能になり、PN接合に形成される空乏層は大きく広がることができる。このため、ダイオード１のPN接合部の容量は小さくできる。また、N型ウエル領域１１、５０はP型ウエル領域２１、４１、３１に接しているためN型ウエルとP型ウエルとの間の耐圧、容量、リーク電流は、受光素子ダイオード１がない通常のCMOSプロセスで形成したN型ウエル、P型ウエルの特性と同じにできる。
【００１６】
本実施例においては、P型シリコン基板に光センサを作製した実施例であるが、N型シリコンに光センサを作製しても同様の効果を得ることができる。N型シリコン基板による実施例について説明すると、図１において、N型（100）のシリコン基板６にNチャネルMOSトランジスタ１０、５０、PチャネルMOSトランジスタ２０、３０、４０、受光素子であるPN接合ダイオード１を形成した。NチャネルMOSトランジスタ１０、５０は、ポリシリコンからなるゲート１２、５２と、ソース、ドレイン領域であるN+領域１３、５３が、P型ウエル領域１１、５１の中に形成されている。PチャネルMOSトランジスタ２０、３０、４０は、ポリシリコンからなるゲート２２、３２、４２と、ソース、ドレイン領域であるP+領域２３、３３、４３が、N型ウエル領域２１、３１、４１の中に形成してある。各トランジスタは、厚いフィールド酸化膜６８で分離されており、フィールド酸化膜６８の下層には、P型ウエル領域１１、５１には、ウエル領域よりも不純物濃度が高いP±領域１４、５４が形成してあり、N型ウエル領域２１、３１、４１には、ウエル領域よりも不純物濃度が高いN±領域２４、２５、３４、３５、４４が形成してある。シリコン基板と極性の異なるP型ウエル領域１１、５１はN型ウエル領域２１、３１、４１と接している。受光素子であるダイオード１は、P型領域である２とN型シリコン基板６で構成している。P型領域２の中には、コンタクトをとるためのP+領域３が形成してある。P型領域２の上層には、フィールド酸化膜８を形成してあり、受光する光は、フィールド酸化膜８を通してダイオード１に到達する。P型領域２とN型ウエル領域２１、３１との間には、不純物が注入されていない領域９が設けてある。
【００１７】
不純物が注入されていない領域９が存在するため、受光素子であるダイオード１のP型領域２とN型シリコン基板６のPN接合の不純物濃度を低くすることが可能になり、PN接合に形成される空乏層は大きく広がることができる。このため、ダイオード１のPN接合部の容量は小さくできる。また、P型ウエル領域１１、５０はN型ウエル領域２１、４１、３１に接しているためN型ウエルとP型ウエルとの間の耐圧、容量、リーク電流は、受光素子ダイオード１がない通常のCMOSプロセスで形成したN型ウエル、P型ウエルの特性と同じにできる。
【００１８】
図１の実施例では、受光素子であるダイオード１の上層に厚いフィールド酸化膜８を形成していたが、図７のように受光素子であるダイオード１の上層を薄いゲート酸化膜としても良い。この場合も受光素子の感度を高める効果は、図１の実施例と同様である。
【００１９】
図２により、P型シリコン基板６に、図１もしくは図７の光センサのN型ウエル領域１１、５１、P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成するための第１の製造方法を説明する。P型シリコン基板６に、熱酸化により300Åの膜厚のシリコン酸化膜１０１とCVDにより500Åの膜厚のシリコン窒化膜１０２を形成する（2-Ｂ）。N型ウエル領域１１、５１を形成する部分のシリコン窒化膜をエッチングで除去した領域１０３を形成して、燐イオン１０４を1×1013/cm2注入する(2-Ｃ)。 N型領域２を形成する部分のシリコン窒化膜をエッチングで除去した領域１１３を形成して、燐イオン１１４を2×1012/cm2注入する(2-Ｄ)。熱酸化により領域１０３、１１３に1200Åの選択酸化膜１０５、１１５を形成する(2-Ｅ)。シリコン窒化膜１０２を全面除去した後に、受光素子のN型領域２及びその周囲９となる領域をフォトレジストでマスクして、硼素イオン１０６を1×1013/cm2注入する(2-Ｆ)。このとき、厚い酸化膜１０５、１１５がマスクとなり、領域１０３、１１３には硼素イオンが注入されることはない。最後に1175℃で6時間のドライブイン処理をして、N型ウエル領域１１、５１、P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成する(2-Ｇ)。この後の製造工程は通常のCMOSと同じ処理をすることで図１あるいは図７の光センサを製造することができる。
【００２０】
図３により、P型シリコン基板６に、図１もしくは図７の光センサのN型ウエル領域１１、５１、P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成するための第２の製造方法を説明する。 P型シリコン基板６に、熱酸化により300Åの膜厚のシリコン酸化膜１０１とCVDにより500Åの膜厚のシリコン窒化膜１０２を形成する（3-Ｂ）。N型ウエル領域１１、５１を形成する部分のシリコン窒化膜をエッチングで除去した領域１０３を形成して、燐イオン１０４を1×1013/cm2注入する(3-Ｃ)。N型領域２を形成する部分とその周囲９となる部分のシリコン窒化膜をエッチングで除去した領域１２３を形成する(3-Ｄ)。フォトレジストにより、N型領域２を形成する部分１１３を除く領域をマスクして、燐イオン１１４を2×1012/cm2注入する(3-Ｅ)。熱酸化により領域１０３、１２３に1200Åの選択酸化膜１０５、１２５を形成する(3-Ｆ)。シリコン窒化膜１０２を全面除去した後に、ウエハ全面に硼素イオン１０６を1×1013/cm2注入する(3-Ｇ)。このとき、厚い酸化膜１０５、１２５がマスクとなり、領域１０３、１２３には硼素イオンが注入されることはない。最後に1175℃で6時間のドライブイン処理をして、 N型ウエル領域１１、５１、P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成する(3-Ｈ)。この後の製造工程は通常のCMOSと同じ処理をすることで図１あるいは図７の光センサを製造することができる。
【００２１】
図４により、 P型シリコン基板６に、図１もしくは図７の光センサのN型ウエル領域１１、５１、P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成するための第３の製造方法を説明する。 P型シリコン基板６に、熱酸化により300Åの膜厚のシリコン酸化膜１０１とCVDにより500Åの膜厚のシリコン窒化膜１０２を形成する（4-Ｂ）。N型ウエル領域１１、５１を形成する部分のシリコン窒化膜をエッチングで除去した領域１０３を形成して、燐イオン１０４を1×1013/cm2注入する(4-Ｃ)。熱酸化により領域１０３に1200Åの選択酸化膜１０５を形成する(4-Ｄ)。シリコン窒化膜１０２を全面除去した後に、受光素子のN型領域２及びその周囲９となる領域をフォトレジストでマスクして、硼素イオン１０６を1×1013/cm2注入する(4-Ｅ)。
【００２２】
このとき、厚い酸化膜１０５がマスクとなり、領域１０３には硼素イオンが注入されることはない。N型領域２を形成する部分１１３を除く領域をフォトレジストでマスクして、燐イオン１１４を2×1012/cm2注入する(4-Ｆ)。最後に1175℃で6時間のドライブイン処理をして、 N型ウエル領域１１、５１、 P型ウエル領域２１、３１、４１、及び受光素子のN型領域２を形成する(3-Ｇ)。この後の製造工程は通常のCMOSと同じ処理をすることで図１あるいは図７の光センサを製造することができる。
【００２３】
図６に、図１の本発明の光センサと図５の従来の光センサの受光部の感度を示す。受光部であるダイオードのPN接合部の容量が約1/2に低減できたため、感度が約２倍に向上できていることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、IC、LSIを構成するMOSトランジスタの特性を変えることなく光センサを製造でき、且つ受光素子の感度が高い光センサを提供することができる。このため、安価で、低電源、低消費電力で、高機能な処理回路を集積した高感度な光センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の光センサの断面図
【図２】本発明の第１の光センサの製造方法の第１の実施例
【図３】本発明の第１の光センサの製造方法の第２の実施例
【図４】本発明の第１の光センサの製造方法の第３の実施例
【図５】従来の光センサの断面図
【図６】本発明の光センサと従来の光センサの受光部の感度特性
【図７】本発明の第２の光センサの断面図
【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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