(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、
前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、
前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、
前記蓄積領域はバーズビークを覆うように形成されている前記チャネルストップ層と隣接して形成されていて、
前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、
該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、
前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、
前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、
前記蓄積領域は第一導電型の半導体領域であり、
前記チャネルストップ層は第二導電型の半導体領域であり、
前記蓄積領域及び前記チャネルストップ層は第二導電型のウェル領域に形成されていて、
前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、
該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、
前記固体撮像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カメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法、半導体装置を用いた固体撮像装置並びに固体撮像システムに関し、主として、ディジタルカメラなどに用いられる半導体装置及びその製造方法、半導体装置を用いた固体撮像装置並びに固体撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置は、主として２種類のタイプがあり、用いている固体撮像素子により大別されている。１つはＣＣＤ撮像素子を用いたものであり、もう１つはＭＯＳ型撮像素子を用いたものである。ＭＯＳ型撮像素子を用いた固体撮像素子は、ＣＣＤ撮像素子を用いた固体撮像装置に比して消費電力の小さいというメリットがある。また、一般に、固体撮像素子の素子性能としては、高Ｓ／Ｎ比、良好なリニアリティ、広いダイナミックレンジ（Ｄレンジ）などが求められている。
【０００３】
Ｓ／Ｎ比を向上させるためには、画素開口率の向上などによって信号強度を大きくしたり、ノイズを小さくすることが必要であるが、以下、まずＭＯＳ型撮像素子の構造を説明し、つづいてＭＯＳ型撮像素子におけるノイズ発生のメカニズムについて説明する。
【０００４】
図９は、従来のＭＯＳ型撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）の模式的な断面図である。図９において、７０１はＰ型半導体基板もしくはＮ型半導体基板中に形成されたＰウェル領域、７０２は素子分離を行うための選択酸化膜、７０３は選択酸化膜７０２の下形成されたチャネルストップ層、７０４は選択酸化膜７０２によって自己整合的に形成されており光キャリアを蓄積するフォトダイオードの蓄積領域（ここではＮ型不純物領域）、７０５は蓄積領域７０４に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極、７０６は光キャリアの読み出し先である読み出し領域である。
【０００５】
なお、図９には図示していないが、読み出し領域７０６はアンプに接続されており、読み出し領域７０６に読み出された光キャリアはアンプによって増幅された後に、外部に読み出される。
【０００６】
また、蓄積領域７０４で光キャリアを蓄積している時や、蓄積した光キャリアの読み出し期間中に光キャリア以外のフォトダイオードの逆方向電流が発生することでセンサのノイズレベルが低下する。
【０００７】
特に、ストレスの多く発生している選択酸化膜７０２の縁（バーズビーク）付近では格子欠陥が多く、ここにフォトダイオードの空乏層が接触と逆方向電流は激増する。そこで以下に示すようなＣＭＯＳセンサが提案されている。
【０００８】
図１０は、特開平１０−９８１７６号公報や特開平１０−３０８５０７号公報などに記載されているＣＭＯＳセンサの模式的な断面図である。なお、図１０において、図９と同様の部分には同一符号を付している。図１０に示すように、フォトダイオードの蓄積領域７０４の選択酸化膜７０２側を距離Ｌ分だけ狭めて、空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにするために、フォトダイオードの蓄積領域７０４の選択酸化膜７０２側を距離Ｌ分だけ狭めているので、その分だけフォトダイオードのサイズが小さくなり感度が低下する。空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにするための手法として、距離Ｌ分だけ狭めるのは、やむを得ないにしろ、感度の低下を最小限にするためには、極力、距離Ｌは短くする必要がある。
【００１０】
また、図１０に示すように蓄積領域７０４を形成するには、たとえばレジストを用いるが、画素毎に距離Ｌのばらつきがあれば、得られる画像がばらつく原因となり、チップ間で補正が必要になる。
【００１１】
さらに、距離Ｌの領域は、低濃度領域であるＰウェル領域７０１が形成されることになるので、距離Ｌの領域では空乏層が広がり易く、そのため、空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにするには、距離Ｌは十分な長さである必要があり、これでは蓄積領域の面積率が低下しひいては感度が低下する。また、これを防ぐためには画素ピッチの拡大等の作業を行わなければならない。
【００１２】
ここで、たとえば特開平１０−１０８５０７号公報によると、選択酸化膜７０２の縁に濃いｐ領域を形成するという旨が記載されているが、これによっても、この濃いｐ領域を形成する際にアライメントずれが生じれば、得られる画像にばらつきが生じるし、そうでなくても製造工程が増加する。
【００１３】
以上説明したように、結局、空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにするために、フォトダイオードの蓄積領域７０４の選択酸化膜７０２側を距離Ｌ分だけ狭めるという手法では種々の問題が生じるので、他の手法によって、空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにする必要がある。
【００１４】
そこで、本発明は、感度の維持しつつ空乏層が選択酸化膜７０２の縁に接触しないようにしてＳ／Ｎ比を向上させることを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置において、前記チャネルストップ層は、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されていることを特徴とする。
更に本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域はバーズビークを覆うように形成されている前記チャネルストップ層と隣接して形成されていて、前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする。
更に本発明は、半導体素子を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記チャネルストップ層は、少なくとも一部において選択酸化膜のバーズビークを覆うように形成されており、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域は第一導電型の半導体領域であり、前記チャネルストップ層は第二導電型の半導体領域であり、前記蓄積領域及び前記チャネルストップ層は第二導電型のウェル領域に形成されていて、前記蓄積領域に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極を有し、該ゲート電極下のチャネル部分には、前記選択酸化膜のバーズビークを覆うように前記チャネルストップ層が形成されていないことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、上記半導体装置を用いた固体撮像装置であって、前記半導体素子は光キャリアを蓄積する蓄積領域を有する光電変換素子であり、前記蓄積領域は前記チャネルストップ層に隣接して形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、光キャリアを蓄積する蓄積領域を有し、前記蓄積領域を分離する選択酸化膜と、前記選択酸化膜下に形成されたチャネルストップ層とを備えた固体撮像装置において、前記蓄積領域は前記チャネルストップ層に隣接して形成され、両領域と前記選択酸化膜は、縦方向に積層した部分を有することを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法は、第１導電型のウェル領域上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜の側壁に対して斜めにイオン注入を行う工程と、前記窒化膜をマスクとして選択酸化膜を形成する工程と、前記注入したイオンを拡散させて前記選択酸化膜のバーズビークを覆うようにチャネルストップ層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１８】
さらにまた、本発明の固体撮像システムは、上記固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像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。
【００１９】
すなわち、本発明は、選択酸化膜のバーズビークを覆うように選択酸化膜を形成することによって、空乏層とバーズビークとの接触を防止して暗時の逆方向電流が流れないようにしている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面図である。図１において、１０１はＰ型半導体基板もしくはＮ型半導体基板中に形成されたＰウェル領域、１０３は素子分離を行うための選択酸化膜、１０４は選択酸化膜１０３の下及び蓄積領域１０７の一部に接触するように形成されているｐ＋型のチャネルストップ層、１０７は選択酸化膜１０３によって自己整合的に形成されており光キャリアを蓄積するフォトダイオードの蓄積領域（ここではＮ型不純物領域）、１０６は蓄積領域１０７に蓄積された光キャリアを読み出すためのゲート電極、１０８は光キャリアの読み出し先である読み出し領域である。
【００２２】
なお、図１には図示していないが、読み出し領域１０８はアンプに接続されており、読み出し領域１０８に読み出された光キャリアはアンプによって増幅された後に、外部に読み出される。また、図１の各領域の不純物領域の極性はＰ型とＮ型とが逆のホール蓄積タイプの固体撮像素子であってもよい。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態では、チャネルストップ層１０４を選択酸化膜１０３の下のみならず、蓄積領域１０７の一部にも接触するように形成しており、蓄積領域１０７近傍に形成したチャネルストップ層１０４によって、空乏層が選択酸化膜１０３の縁に接触しないようにしている。
【００２４】
図２は、図１に示す固体撮像素子の製造工程図である。図２に示すように、まず、Ｐウェル領域１０１上に、後の工程において選択酸化膜１０３を形成する際にマスクパターンとして用いられるＳｉＮ膜１０２を形成する。ここでは、チャネルストップ層１０４を形成するためのイオン注入工程では、イオンをＰウェル領域１０１に対して斜めに注入してＳｉＮ膜１０２下に不純物領域１０９を形成して、ＳｉＮ膜１０２下にもチャネルストップ層１０４を形成できるようにしている（図２（ａ））。
【００２５】
ここで、具体的には、たとえば、Ｐウェル領域１０１を形成している半導体基板をシリコン基板とし、イオン種をボロンとし、注入時の加速エネルギー３００ｋｅＶとし、注入角度θ１を６０°とすると、平均イオン飛程ｒｐは０．１μｍとなり、横方向のもぐり込み量ｒｐｘは、［平均イオン飛程ｒｐ×ｓｉｎθ１］であるので、計算すると０．０８７μｍとなる。
【００２６】
次に、熱酸化を行って選択酸化膜１０３を形成する。熱酸化による熱によって、一部が選択酸化膜１０３のバーズビークを覆うように拡散したチャネルストップ層１０４が形成される（図２（ｂ））。なお、前工程で注入されたイオンは、熱によってさらに横方向へ拡散する。すなわち、もぐり込み量ｒｐｘは大きくなる。
【００２７】
なお、必要に応じて、熱酸化処理の後に、不活性ガス中でさらに熱処理を行うと、選択酸化膜１０３は、酸化されないため膜厚は変わらないが、チャネルストップ層１０４は、さらに横方向へもぐり込む。
【００２８】
次に、ＳｉＮ膜１０２をＰウェル領域１０１から剥離して、その後、ゲート酸化膜１０５を形成する（図２（ｃ））。それから、ポリシリコンをデポ、パターニングしてゲート電極１０６を形成する（図２（ｄ））。次に、ゲート電極１０６及び選択酸化膜１０３をマスクとして、自己整合的（セルフアライン）にフォトダイオードの蓄積領域１０７を形成する（図２（ｅ））。そして、読み出し領域１０８を形成すれば、図１に示す固体撮像素子が完成する。
【００２９】
なお、実際には、さらに単層又は複数の配線層及びビアホールを形成し、ビアホールを通じて配線層と読み出し領域１０８とを電気的に接続し、配線層はアンプに接続される。
【００３０】
図３は、図１の平面図である。図３において、５０１は選択酸化膜１０３のバーズビークである。なお、図１は、図３のＡ−Ａ間の断面図である。本実施形態では、角度θ１，θ２でそれぞれイオン注入を行い、図３の上下側に、チャネルストップ層１０４を形成している。これにより、蓄積領域１０７の図３における左右側は、マスクパターンによってＰウェル領域１０１との界面が形成される。
【００３１】
本実施形態によれば、フォトダイオードの蓄積領域１０７まわりに発生する空乏層は、Ｐウェル領域１０１より濃度の高いチャネルストップ層１０４により選択酸化膜１０３から隔離されるために、選択酸化膜１０３のバーズビークに接触しない。このため、暗時の逆方向電流を抑制することができ、ノイズレベルの改善が図れる。
【００３２】
また、本実施形態では、読み出し領域１０８に関しても同様な効果を得ることができ、光キャリアの読み出し後の転送時におけるノイズを改善することも可能である。さらに、本実施形態では蓄積領域１０７の面積を選択パターンによって自己整合的に決めることによって、面積のバラツキを抑え、面内、チップ間で特性を均一にしている。
【００３３】
また、チャネルストップ層１０４は、バーズビーク５０１を覆うように形成しているので、バーズビーク５０１での逆方向電流の発生を抑えることができ、固体撮像素子のノイズレベルは向上する。さらに、蓄積領域１０７を選択酸化膜１０３に対して自己整合的に形成しているので、蓄積領域１０７が大きくなり、そのため、飽和電荷量が増大し、Ｓ／Ｎ比やＤレンジが向上し、また感度も向上する。
【００３４】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２の固体撮像装置内の固体撮像素子に係るＳｉＮ膜の形成方法の説明図である。図４において、２０２，２０３はＳｉＮ膜であり図１の１０２に相当する。２０４〜２０６は不純物領域であり、図２（ａ）の１０９に相当する。
【００３５】
図４に示すように、ＳｉＮ膜２０２，２０３をそれぞれマスクとして、ＳｉＮ膜２０２，２０３の側壁に対して角度θでイオン注入すると、チャネルストップ層となる不純物領域２０４〜２０６が形成される。
【００３６】
ここで、不純物領域２０４〜２０６がそれぞれ形成されるのは、ＳｉＮ膜２０２，２０３間の間隔が狭い場合である。すなわち、ＳｉＮ膜２０２，２０３間の間隔が広ければ、不純物領域２０４，２０５がそれぞれ別々に形成されず、これらは１つの領域となる。
【００３７】
そこで、ＳｉＮ膜２０２，２０３間の下にも、もれなく不純物領域を形成するために、以下説明するような手法を用いる。
【００３８】
図５は、本発明の実施形態２の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。図５に示すように、ＳｉＮ膜２０２，２０３のそれぞれの高さをＨ、ＳｉＮ膜２０２，２０３間の隙間をＬ、イオン飛程をｒｐとしたときに、見かけ上の侵入深さｒｐｙは、
ｒｐｙ＝ｒｐ×ｃｏｓθ
で示すことができる。
【００３９】
また、ＳｉＮ膜２０３の側壁に対して角度θでイオン注入したときにＳｉＮ膜２０２，２０３間でＳｉＮ膜２０３がマスクとなり不純物領域３０４が形成されない部分の断面方向の長さをｄは、
ｄ＝（ｒｐｙ＋Ｈ）×ｔａｎθ＝（ｒｐ×ｃｏｓθ＋Ｈ）×ｔａｎθ
で示すことができる。
【００４０】
ここで、
ｄ＜Ｌ／２
であれば、図５に示すようにＳｉＮ膜２０２，２０３間の下で、分離しない１つの不純物領域３０４が形成される。つまり、
Ｌ＞２×（ｒｐ×ｃｏｓθ＋Ｈ）×ｔａｎθ
を満たすように、ＳｉＮ膜２０２，２０３の厚さＨ、イオン注入角度θ、ＳｉＮ膜２０２，２０３間Ｌ、イオン飛程ｒｐを選択すればよい。
【００４１】
（実施形態３）
図６は、本発明を実施形態３の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図であり、図４に示した状態から、さらに、ＳｉＮ膜２０２の側面と平行に、イオン注入を行った後の様子を示している。
【００４２】
本発明の実施形態２で、図５を用いて種々の条件を変えて分離しない１つの不純物領域３０４を形成する手法について説明したが、たとえば種々の条件変更ができないような場合には、図６に示すように、図４に示した状態から、さらにＳｉＮ膜２０２の側面と平行に、ＳｉＮ膜２０２，２０３間にイオン注入を行って、不純物領域２０７を形成してもよい。
【００４３】
（実施形態４）
実施形態１では、図４を用いて説明したように、では、例えばウエハローテーションを９０度毎に４回に分けてイオンを打ち込んだときの様子を示しているのに対して本発明の実施形態４では、図７に示すように、例えばウエハローテーションを１８０度ごとに２回に分けてイオンを打ち込むことにより以下の効果を得ることができる。なお、図７において図１，図４に示した部分と同様の部分には、同一符号を付している。
【００４４】
つまり、本実施形態ではトランジスタのゲート電極１０６下のチャネル幅は、この部分においてはチャネルストップ層１０４が無いために、実効的に広くなり、良好な転送特性が確保され、転送スピードが速くなる。また、設計上、ＭＯＳトランジスタの微細化を行うことが可能である。
【００４５】
なお、図４で説明したイオンの打ち込みは、４回だけでなく複数回、もしくはウエハを回転させながら行ってもよい。
【００４６】
（実施形態５）
図８は、本発明の実施形態５の固体撮像システムの構成図である。図８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固体撮像素子、５は固体撮像素子４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、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等を行う信号処理部、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駆動手段であ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は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、１２は画像データの記録又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外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部である。
【００４７】
つぎに、図８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、つぎ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、撮像信号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部７に出力する。信号処理部７は、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。
【００４８】
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。つぎに、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。
【００４９】
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、撮像信号処理回路５において補正等がされ、さらに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１０に蓄積される。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。また外部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。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、選択酸化膜のバーズビークを覆うようにチャネルストップ層を形成するので、感度の維持しつつ空乏層が選択酸化膜のバーズビークに接触しないようにすることが可能となり、Ｓ／Ｎの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の製造工程図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】本発明の実施形態２の固体撮像装置内の固体撮像素子に係るＳｉＮ膜の形成方法の説明図である。
【図５】本発明の実施形態２の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な断面の一部を示す図である。
【図７】本発明の実施形態４の固体撮像装置内の固体撮像素子の模式的な平面図である。
【図８】本発明の実施形態５の固体撮像システムの構成図である。
【図９】従来のＭＯＳ型撮像素子の模式的な断面図である。
【図１０】従来のＭＯＳ型撮像素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０１，７０１  Ｐウェル領域
１０２，２０２，２０３，３０２，３０３  ＳｉＮ膜
１０３，７０２  選択酸化膜
１０４，７０３  チャネルストップ層
１０５  ゲート酸化膜
１０６，７０５  ゲート電極
１０７，７０４  蓄積領域
１０８，７０６  読み出し領域
２０４〜２０７，３０４，３０５  チャネルストップ層となる不純物領域
５０１  バーズビーク
【図１】
0003544175.tif 000002
【図２】
0003544175.tif 000003
【図３】
0003544175.tif 000004
【図４】
0003544175.tif 000005
【図５】
0003544175.tif 000006
【図６】
0003544175.tif 000007
【図７】
0003544175.tif 000008
【図８】
0003544175.tif 000009
【図９】
0003544175.tif 000010
【図１０】
0003544175.tif 000011