(57)【要約】【課題】斜め光が入射する撮像部の周辺部においても、スミアの発生を抑制し感度を向上させることができる。【解決手段】半導体基板２２中に、光を受光して光電変換を行う受光部２５と、各受光部２５で蓄積した電荷を転送する垂直電荷転送部２９を設けた複数の撮像画素２１が２次元状に配列され、互いに隣接する撮像画素２１の受光部２５を分離するための分離領域４４が格子状に設けられている撮像部において、当該各分離部の位置に応じ前記分離領域４４の幅が異なることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板中に、光を受光して光電変換を行う受光部と、各受光部で蓄積した電荷を転送する垂直電荷転送部を設けた複数の撮像画素が２次元状に配列され、互いに隣接する撮像画素の受光部を分離するための分離領域が格子状に設けられている撮像部において、当該各分離部の位置に応じ前記分離領域の幅が異なることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記撮像部における中央部から周辺部へいくに従い、前記分離領域の幅が狭くなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記撮像部における中央部から周辺部へいくに従い、前記分離領域の幅の比率が垂直方向と水平方方向で異なることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
シリコン基板中に、光を受光して光電変換を行う受光部と、各受光部で蓄積した電荷を転送する垂直電荷転送部を設けた複数の撮像画素が２次元状に配列され、互いに隣接する撮像画素の受光部を分離するための分離領域が格子状に設けられている撮像部において、当該各分離部の位置に応じ前記分離領域の幅が異なる固体撮像装置の製造方法であり、
前記シリコン基板の表面に、シリコンの酸化物または窒化物による無機膜を形成する工程と、
前記無機膜の上に、下層レジストを形成する工程と、
前記下層レジストの上に、前記下層レジストより反応性イオンエッチングが遅い上層レジストを形成し、さらにこれをパターンニングする工程と、
前記上層レジストからなるパターンをマスクとして、前記下層レジストを反応性イオンエッチングによりエッチングする工程と、
前記分離領域を形成するために、前記シリコン基板の特定箇所に高い注入エネルギーによるイオン注入を行う工程とを含む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およびその製造方法に関するものであり、特に、入射光を有効に光電変換するため受光部を基板深く形成している固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、図５ないし図７を参照しながら、従来技術の固体撮像装置（特許文献１）を説明する。
【０００３】
図５は固体撮像装置の概略構成を示す平面図、図６は図５のVI-VI線の撮像部内の入射光概略図、図７は図５のVII-VII線の画素部の構造断面図である。
【０００４】
図５において、固体撮像装置は、格子状に配置した複数の撮像画素２１と垂直電荷転送部２９とからなる撮像部２０と、水平電荷転送部１２ならびにＡＭＰ部（増幅器）１１にて構成されている。
【０００５】
撮像画素２１は、図７に示すように、第１導電型、例えばｎ型のシリコンからなる半導体基板２２の深い位置に、オーバーフローバリア領域となる第２導電型、即ちｐ型の第１の半導体ウェル領域２３が形成され、第１のｐ型半導体ウェル領域２３上に、例えばｐ-領域、ノンドープ領域、ｎ-領域等の比抵抗の高い高抵抗領域２４が形成される。
【０００６】
高抵抗領域２４の表面に、マトリックス配列の各受光部２５を構成するｎ+半導体領域２６及びこの上のｐ+正電荷蓄積領域２７が形成される。
【０００７】
ｐ+正電荷蓄積領域２７は、界面準位による暗電流の発生をおさえる。ｎ+半導体領域２６は、いわゆる電荷蓄積領域となる。
【０００８】
ｎ+半導体領域２６下の高抵抗領域２４には、ｎ+半導体領域２６から第１のｐ型半導体ウェル領域、いわゆるオーバーフローバリア領域２３に達する電荷収集領域となる、高抵抗領域２４よりは濃度の高いｎ-半導体領域４０が形成される。
【０００９】
高抵抗領域２４の各受光部列の一側に対応する位置に、読み出しゲート領域２８を挟んで垂直電荷転送部２９となるｎ型の埋め込み転送チャネル領域（以下、電荷転送部と称する）３０が形成される。電荷転送部３０の周りを囲むように、第２のｐ型半導体ウェル領域３１が形成される。
【００１０】
さらに、受光部２５を含む各画素を区画するｐ型のチャネルストップ領域３２が形成される。
【００１１】
電荷転送部３０、チャネルストップ領域３２及び読み出しゲート部２８上に、ゲート絶縁膜３４を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極３５が形成され、電荷転送部３０、ゲート絶縁膜３４及び転送電極３５によりＣＣＤ構造の垂直電荷転送部２９が構成される。
【００１２】
転送電極３５上を被覆する層間絶縁膜３６を介して、受光部２５の開口を除く他部全面に、例えばＡｌによる遮光膜３７が形成される。
【００１３】
さらに、平坦化膜３８、色フィルタ（図示せず）を介して各受光部２５に対応して受光部２５への入射光を集光する、いわゆるマイクロレンズ３９が形成される。
【００１４】
特に、受光部２５の電荷蓄積領域となるｎ+半導体領域２６より深く、かつオーバーフローバリア領域として働く第１のｐ型半導体ウェル領域２３よりは浅いｎ-半導体領域４０内の位置に、新たに第２のｎ型半導体領域４１を形成する。
【００１５】
ｎ型半導体領域４１は、ｎ+半導体領域２６より広く、本例では読み出しゲート領域２８を越えて垂直電荷転送部２９の下まで入り込むように形成する。
【００１６】
第２のｎ型半導体領域（以下、ｎ半導体領域と称する）４１の濃度は、ｎ+半導体領域２６より薄く、例えばｎ+半導体領域２６の少なくとも半分以下の濃度で、かつｎ-半導体領域４０の濃度より大きい濃度にする。
【００１７】
理由は、電荷蓄積される領域をｎ+半導体領域２６の位置にしないと電荷の読み出しができないので、ポテンシャルプロファイルがｎ半導体領域４１からｎ+半導体領域２６に向かって緩やかに上昇するような濃度設定にするためである。
【００１８】
ここで、ｎ半導体領域４１は、垂直電荷転送部２９下とｎ+半導体領域２６下とで分けて形成し、濃度が異なった部分からなっても構わないが、電位的にはｎ半導体領域４１が一体となっていることが必要である。
【００１９】
このｎ半導体領域４１の深さは、垂直電荷転送部２９のオーバーフローバリアとなる第２のｐ型半導体ウェル領域３１のバリアを潰さない程度に深い位置から、つまり第２のｐ型半導体ウェル領域３１の一部にかかってもいいが、電位のバリアをつぶさない程度に深いところから、第１のｐ型半導体ウェル領域２３の手前までの深さのどこであっても構わない。但し、受光部２５の飽和信号量を一定とすると、深い位置ほどｎ半導体領域４１は、低濃度にしなければならない。
【００２０】
受光部２５の光電変換する領域は、ｎ+半導体領域２６と、これから基板下方向へ向かって伸びる空乏層のうち第１のｐ型半導体ウェル領域２３の手前のｎ-半導体領域４０と、ｎ半導体領域４１とからなる。
【００２１】
さらにｎ半導体領域４１とほぼ同等の深さに、第２のｐ型半導体ウェル領域３１から第１のｐ型チャネルストップ領域３２にかけて、分離領域となる第２のｐ型チャネルストップ領域４４を形成する。
【００２２】
この構造によれば、ｎ+半導体領域２６下の深い位置に垂直電荷転送部２９の下まで入り込むようにｎ半導体領域４１を形成することにより、電荷収集領域４３を垂直電荷転送部２９下まで伸ばすことができる。これにより、斜めに入射した光Ｌも、受光部２５の電荷収集領域４１内を通過する割合が多くなり、捨てていた電荷を集めることができ、感度を向上することができる。
【００２３】
ところで、ｎ半導体領域４１により形成される電荷収集領域４３を垂直電荷転送部２９下部へ伸ばしていくと、やがて隣接の受光部２５へ空乏層が伸びてしまい、ブルーミングが発生してしまう。
【００２４】
そこで、ｎ半導体領域４１とほぼ同等の深さに、第２のｐ型半導体ウェル領域３１から第１のｐ型チャネルストップ領域３２にかけて、第２のｐ型チャンネルストップ領域４４を形成することにより、電位障壁を形成し確実にブルーミングを防止している。
【００２５】
第２のｐ型チャネルストップ領域４４を有する構成であれば、ｎ半導体領域４１を第２のｐ型半導体ウェル領域３１下へ大きく張り出すことが可能となり、よりぎりぎりまで確実に電荷収集領域４３を増加させることができる。また、第２のｐ型チャネルストップ領域４４の濃度が大きければ、このｐ型チャネルストップ領域４４の近くまでｎ半導体領域４１を伸ばすことができる。
【特許文献１】特開２００１−１８５７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
しかしながら、従来の固体撮像装置では、基板に対して斜め光Ｌが入射しやすい撮像部の周辺部ではスミア特性が悪化するという問題がある。
【００２７】
すなわち、図６に示すように、撮像部の周辺部に配された撮像画素２１ａ，２１ｃにおいては、マイクロレンズ３９の光軸が光の入射方向にシフトしていることから、斜め光Ｌがマイクロレンズ３９により有効に受光部２５に集光されることとなる。
【００２８】
しかしながら、図７のように、受光部２５を深さ方向において深く形成している場合であっても、斜めから入ってくる光が、受光部２５の形成領域とは外れた位置において光電変換されて、当該光電変換された信号電荷が受光部２５に有効に蓄積されない場合がある。また、一部の光は光電変換されぬままｐ不純物領域２３，４４およびシリコン基板２２まで進み、電荷が基板に捨てられてしまっている。
【００２９】
このように、受光部２５を基板深くにまで形成する方法は、特に周辺部において、先に述べたシリコン基板中で光電変換され電荷転送部３０に流れ込むスミア発生モードについての有効な対策とはならず、また電荷発生領域の広さが充分でなく電荷を基板に捨てているという問題がある。
【００３０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、斜め光が入射する撮像部の周辺部においても、スミアの発生を抑制し感度を向上させることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板中に、光を受光して光電変換を行う受光部と、各受光部で蓄積した電荷を転送する垂直電荷転送部を設けた複数の撮像画素が２次元状に配列され、互いに隣接する撮像画素の受光部を分離するための分離領域が格子状に設けられている撮像部において、当該各分離部の位置に応じ前記分離領域の幅が異なることを特徴とする。
【００３２】
具体的には、前記撮像部における中央部から周辺部へいくに従い、前記分離領域の幅が狭くなる。また、前記撮像部における中央部から周辺部へいくに従い、前記分離領域の幅の比率が垂直方向と水平方方向で異なる。
【００３３】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、シリコン基板中に、光を受光して光電変換を行う受光部と、各受光部で蓄積した電荷を転送する垂直電荷転送部を設けた複数の撮像画素が２次元状に配列され、互いに隣接する撮像画素の受光部を分離するための分離領域が格子状に設けられている撮像部において、当該各分離部の位置に応じ前記分離領域の幅が異なる固体撮像装置の製造方法であり、前記シリコン基板の表面に、シリコンの酸化物または窒化物による無機膜を形成する工程と、前記無機膜の上に、下層レジストを形成する工程と、前記下層レジストの上に、前記下層レジストより反応性イオンエッチングが遅い上層レジストを形成し、さらにこれをパターンニングする工程と、前記上層レジストからなるパターンをマスクとして、前記下層レジストを反応性イオンエッチングによりエッチングする工程と、前記分離領域を形成するために、前記シリコン基板の特定箇所に高い注入エネルギーによるイオン注入を行う工程とを含む。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の固体撮像装置およびその製造方法によれば、斜め光が入射する撮像部の周辺部においてもスミアの発生を抑制し、感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における固体撮像装置およびその製造方法について説明する。
【００３６】
図１および図３は固体撮像装置における撮像部の周辺部の断面構成を示すものであり、図２は撮像部の中央部における断面構成を示すものである。本実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像素子に適用している。
【００３７】
本固体撮像装置において、ｎ型シリコンからなる半導体基板２２には、その深い位置にオーバーフローバリア領域となる第１のｐ型ウェル領域２３が形成されている。受光部２５は画素となるものであり、複数の受光部２５が画素として格子状（マトリクス状）に配列されている。受光部２５は、ｎ+型不純物領域２６とこの上のｐ+型不純物領域２７とにより構成されている。ｎ+型不純物領域２６は発生した電荷が主に蓄積される電荷蓄積領域であり、ｐ+型不純物領域２７は界面順位による暗電流の発生を抑える領域である。ｎ+型不純物領域２６下のｎ-不純物領域４０は、光を受光して光電変換により電荷が主に発生する電荷発生領域である。
【００３８】
ｎ-不純物領域４０の各受光部列の一側に対応する位置に、読み出しゲート部２８を挟んでｎ型の電荷転送部３０が形成されている。電荷転送部３０の周りを囲むように、第２のｐ型ウェル領域３１が形成されている。また、受光部２５を含む各画素を区画するｐ型のチャネルストップ領域３２，４４が形成されている。
【００３９】
電荷転送部３０、チャネルストップ領域３２及び読み出しゲート部２８上に、ゲート絶縁膜３４を介して、例えば多結晶シリコンからなる転送電極３５が形成されている。さらに、転送電極３５上を被膜する層間絶縁膜３６を介して、受光部２５の開口を除く他部全面に、例えばＷ等による遮光膜３７が形成される。
【００４０】
さらに、平坦化膜３８、カラーフィルタ（図示せず）を介して各受光部２５へ入射光を集光する、いわゆるマイクロレンズ３９が形成されている。
【００４１】
以上の構成において、本実施の形態では、撮像部の周辺部の第１のｐ型のチャネルストップ領域（以下、分離領域と称する）４４を中央部より狭く形成している。以下に、このような構造を用いる理由について説明する。
【００４２】
一般的に、固体撮像装置は、さらなる画質向上に応えるため、画素の小型化により配列密度を高くし解像度を上げること、それに伴う感度低下を補うことが必要である。画素が小型化された場合、入射する光量は減少し、各画素の受光部２５の感度特性が低下する。そこで、感度向上のため受光部２５の開口となる遮光膜３７の開口部を水平方向に大きくすると、垂直電荷転送部２９への光の混入によるスミアが発生し易くなる。また、遮光膜３７の開口部を垂直方向に大きくすると、転送電極３５が細り抵抗が高くなるため撮像部にて電荷転送電圧の鈍りが生じる。
【００４３】
このように、水平方向ならびに垂直方向に、受光部の開口を大きくするのには限界があるため、受光部２５の上方にマイクロレンズ３９を設け、受光部２５への集光効率を高める工夫がなされている。
【００４４】
また、上述した画素サイズの縮小およびカメラや使用するレンズの小型化により、撮像部の周辺部では斜め光成分が入射しやすくなるため、深いシリコン基板中で光電変換された電荷が電荷転送部３０に流れ込み、スミアの発生が顕著になってきている。
【００４５】
この対策の一つとして、マイクロレンズ形成用フォトマスク描画時に倍率補正を行い、撮像部の周辺部において開口部に対してマイクロレンズ３９の位置をずらすことで斜め光に対しても開口中心に集光する構造が用いられてきた。
【００４６】
しかしながら、マイクロレンズ３９単独で集光効率を高めることは技術的に困難であるため、近年では深いシリコン基板中で光電変換される電荷をも有効に信号電荷として取り出せるよう、受光部２５を従来のものより深く形成する技術が提案されている。
【００４７】
受光部２５は、入射光が光電変換された後、電荷の蓄積を行うｎ+型不純物領域２６と、ｎ+型不純物領域２６の基板表面部分に形成され、界面順位によって発生する電荷の湧き出し（暗電流）を抑制するためのｐ+型不純物領域２７を形成している。
【００４８】
さらに受光部２５下には、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）を形成するｐ型ウェル領域２３を基板深くに形成しておき、入射光が光電変換された後に電荷の蓄積を行うｎ+不純物領域２６と上記のｐ型ウェル領域２３との間を繋ぐように、ｎ-不純物領域４０が形成されており、受光部２５の空乏層を滑らかに伸ばすようにしている。
【００４９】
この構造においては、ｎ-不純物領域４０は、注入エネルギーを換えて多段階でイオン注入して形成する。
【００５０】
このように、本実施の形態の固体撮像装置では、入射した光Ｌは、マイクロレンズ３９により受光部２５に集光され、受光部２５で光電変換された入射光量に応じた量の信号電荷が発生する。この電荷は、受光部２５内のｎ+不純物領域２６内で一定期間蓄積され後、電荷として読み出されることから、基板深くにおいて光電変換し発生した電荷を基板に捨てずに有効にｎ+不純物領域２６において蓄積することができ、感度を向上させることができる。
【００５１】
さらに、撮像部２０の周辺部２１ａ，２１ｃにおいては斜め光Ｌが入射するが、周辺部２１ａ，２１ｃの第１のｐ型のチャネルストップ領域（分離領域）４４を中央部２１ｂより狭く形成することにより、電荷発生領域を広げることができる。すなわち、電荷発生領域を通過する光の割合を多くすることができ、より多くの電荷を集めることができ、固体撮像装置の感度特性を向上させることができる。
【００５２】
なお、固体撮像装置は撮像部２０の中央部２１ｂから周辺部２１ａ，２１ｃにいくに従って、基板面の法線に対する入射光の角度が大きくなって斜め光が入射しやすくなる。したがって、本実施の形態は、分離領域４４も、撮像部２０の中央部２１ｂから周辺部２１ａ，２１ｃにいくに従って連続的に小さくなるように形成されることが好ましい。
【００５３】
さらに、本実施の形態では、分離領域４４の濃度は、第１のｐ型半導体ウェル領域２３の深さや、ｎ+不純物領域２６の不純物量、画素サイズにより全体の電位で決まるため一概に言うことはできないが、電位障壁を形成し確実にブルーミングを防止できるよう設定する。
【００５４】
次に、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法について、一例を説明する。
【００５５】
図１〜３に示すように、半導体基板２２に第１のｐ型半導体ウェル領域２３を形成し、このｐ型半導体ウェル領域２３上のｎ-不純物領域４０に電荷転送部３０、第２のｐ型半導体ウェル領域３１、ｐ型チャネルストップ領域３２，４４を形成する。
【００５６】
分離領域４４の幅および位置で光電変換領域４０を制御するためには、これまでより狭い領域に、深い個所にまで不純物を注入しなければならない。そのためには、高い注入エネルギーに十分なイオン阻止能力を確保するため、フォトレジスト層を厚く形成する必要があり、本実施の形態では複数のレジスト層からなる多層レジスト法を用いた。
【００５７】
図４に、２層レジスト時のプロセスフロー概要を示す。下層レジスト５１は高い注入エネルギーに十分なイオン阻止能力を確保するため、レジストを厚膜に塗布する。下層レジスト５１が十分に架橋されてない場合、上層レジスト５２を露光した際に発生した酸を下層レジスト５１が吸い取り、上層レジスト５２のパターン不良になる恐れがあるため、２００度程度のベークが必要である。上層レジスト５２には、微細パターン形成が可能であり高いエッチング耐性があるレジストが必要であるため、例えばＳｉ含有レジストを塗布する。
【００５８】
上層レジスト５２の露光・現像後、酸素プラズマによるエッチングにより、上層レジスト５２の表面をＳｉＯ2化させ、その上層レジスト５２をマスクとし下層レジストをエッチングする。これにより、高いアスペクト比のレジストを形成し、高い注入エネルギーにより分離領域４４を形成する。
【００５９】
また、下層レジスト５１のエッチング、具体的には酸素プラズマによるエッチングの際、基板にプラズマの影響が及ばぬように、酸化膜や窒化膜等のＣＶＤ系無機膜の保護膜上から注入する方が望ましい。
【００６０】
なお、ポリイミド、酸化膜や窒化膜等のＣＶＤ系無機膜および金属膜などによる下地レジストパターン形成の際のハードマスクと成りうる材料のパターン形成も考えられるが、ポリイミドでは微細加工が困難であり、ＣＶＤ系無機膜は一般に引っ張り方向の膜応力が大きいため膜厚を厚くするとクラックを発生し、金属膜は成膜や剥離が難しく、またノックオン現象による金属汚染の原因となり撮像素子の画質を劣化させてしまう。
【００６１】
次に、受光部２５のｐ+不純物領域２７を形成し、さらに、ゲート絶縁膜３４、転送電極３５を形成する。以後の工程は通常と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
以上説明を行ったように、本実施の形態の構成によれば、従来の製造工程に多層レジスト法の１工程を追加するだけで実現できる。
【００６３】
また、電荷発生領域４０を垂直電荷転送部２９下まで伸ばすことができる。これにより、マイクロレンズ３９を通して斜めに入射した光Ｌであってもフォトダイオードの電荷発生領域４０を通過割合が多くなり、従来捨てていた電荷を集めることができ、感度を向上させることができる。
【００６４】
さらに、前記実施の形態では、分離領域４４を水平方向に並設したものであるが、図示してないが垂直方向においても同様に分離領域４４を並設して、撮像部２０に分離領域４４を格子状に形成してもよい。これにより、斜めに入射した光Ｌがフォトダイオードの電荷収拾領域４０を通過する割合がより一層多くなり、従来捨てていた電荷を集めることができ、感度をより一層向上させることができる。なお、分離領域４４の幅の比率は、垂直方向と水平方方向で等しくしてもよく、あるいは異なるようにしてもよい。すなわち、撮像部２０に格子状に形成した垂直方向と水平方方向の分離領域４４の幅を、撮像部２０の中央部２１ｂから周辺部２１ａ，２１ｃにいくに従って、同じ割合にて連続して狭くしてもよく、あるいは異なる割合にて連続して狭くしもよい。例えば、水平方向に並設した分離領域４４が周辺に向かって狭くなる割合に対して、垂直方向に並設した分離領域４４が周辺に向かって狭くなる割合を小さくしたり、逆に大きくしたりしてもよい。
【００６５】
なお、本発明の固体撮像装置は、画素の大小に関わらず応用可能である。また、受光部の空乏領域を深く形成して近赤外線領域にも感度を有せしめた固体撮像装置にも好適である。さらに、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他様々な構成を取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の固体撮像装置は、スミアの低減や感度が要求されるカラーカメラ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態の固体撮像装置における撮像部の周辺部の断面図
【図２】本発明の実施の形態の固体撮像装置における撮像部の中央部の断面図
【図３】本発明の実施の形態の固体撮像装置における撮像部の周辺部の断面図
【図４】本発明の実施の形態における２層レジストプロセスフローの概略図
【図５】固体撮像装置の概略構成を示す平面図
【図６】図５のVI-VI断面図
【図７】図５のVII-VII断面図
【符号の説明】
【００６８】
２０  撮像部
２１  撮像画素
２２  半導体基板
２５  受光部
２９  垂直電荷転送部
４４  分離領域
【図１】
2007189129.tif 000003
【図２】
2007189129.tif 000004
【図３】
2007189129.tif 000005
【図４】
2007189129.tif 000006
【図５】
2007189129.tif 000007
【図６】
2007189129.tif 000008
【図７】
2007189129.tif 000009