JP2006165143A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造の過剰電荷の通路を設け、ブルーミング信号の発生を抑制する固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｐウェル領域２が形成されたＮ型シリコン基板１上にフォトレジスト３を形成した後、イオン注入法により光電変換部（フォトダイオード）４を形成する。フォトレジスト３の上面３Ａは、曲面で形成され、フォトレジスト３は、その厚さが中央部が最も薄く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに厚くなるように形成されている。光電変換部４の底面４Ａは、中央部がＮ型シリコン基板１の厚さ方向に最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成される。これにより、光電変換部４の底面４Ａの中央部の下のＰウェル領域２の膜厚の薄い部分が過剰電荷の逃げ道となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブルーミング信号の発生を抑制する固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、ダイナミックレンジを超える強い光が入射されると、フォトダイオードに蓄積された信号電荷が漏れ出し、ブルーミング信号が発生する。
このブルーミング信号の発生を抑制する方法及び装置として、過剰電荷が流れる通路、例えばオーバフロードレインを設けて過剰電荷を基板に吸収したり、ＲＡＢ（retrace drive antiblooming）回路を設けて過剰電荷を排出する方法及び装置が提案されている（非特許文献１参照）。
安藤隆男／菰淵寛仁著日本理工出版会「固体撮像装置の基礎」第１５０頁〜第１５７頁

しかしながら、従来の固体撮像装置では、過剰電荷を逃がすための通路や、ＲＡＢ回路を設けるため、固体撮像装置の構造が複雑になるといった問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、単純な構造の過剰電荷の通路を設け、ブルーミング信号の発生を抑制する固体撮像装置及びその製造方法を提供するにある。

上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された複数の光電変換部とを備え、前記光電変換部は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置であって、前記底面の少なくとも一部は、蓄積されて漏れ出した信号電荷が前記ウェル領域を通して前記半導体基板に漏れ出すように前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に素子形成用のウェル領域を前記半導体基板の表面に臨むように形成するウェル領域形成工程と、前記ウェル領域形成工程で形成されたウェル領域に複数の光電変換部を前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成する光電変換部形成工程とを含み、前記光電変換部形成工程で形成された光電変換部は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置の製造方法であって、前記光電変換部形成工程は、前記光電変換部に蓄積されて漏れ出した信号電荷が前記ウェル領域を通して前記半導体基板に漏れ出すように前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで前記底面の少なくとも一部を形成することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、前記光電変換部に蓄積されて漏れ出した信号電荷が前記ウェル領域を通して前記半導体基板に漏れ出すように前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで前記光電変換部の底面の少なくとも一部を形成する。
したがって、単純な構造の過剰電荷の通路を形成することができる。単位画素の面積を増大させることもなく、また、過剰電荷の通路を構成する新たな素子を設ける必要もない。

半導体基板の表面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域に光電変換部（フォトダイオード）を形成する。光電変換部の過剰電荷がウェル領域を通して半導体基板に漏れ出すように光電変換部の下方に位置するウェル領域の部分が薄くなるような深さで光電変換部の底面の少なくとも一部を形成する。

以下、本発明の実施例１の固体撮像装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。
図１は、実施例１の固体撮像装置及びその製造方法を示す断面図である。
実施例１の固体撮像装置は、図１（Ａ）に示すように、図示しないＰウェル領域２が形成されたＮ型シリコン基板１上にフォトレジスト３を形成した後、図１（Ｂ）に示すように、イオン注入法により光電変換部（フォトダイオード）４を形成したものである。
なお、Ｐウェル領域２および光電変換部４の形成順は、とくに限定されるものではなく、どちらの領域を先に形成してもよい。

フォトレジスト３の上面３Ａは、曲面で形成され、フォトレジスト３は、その厚さが中央部が最も薄く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに厚くなるように形成されている。このようなフォトレジスト３を使用してイオン注入法により光電変換部４を形成すると、光電変換部４の底面４Ａは、中央部が前記半導体基板の厚さ方向に最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成される。これにより、光電変換部４のポテンシャルの傾斜が形成され、光電変換部４の底面４Ａの中央部の下のＰウェル領域２の膜厚の薄い部分が過剰電子の逃げ道（ブルーミングパス）ＢＰとなる。

実施例１の固体撮像装置及びその製造方法では、光電変換部４の飽和信号を超える強い光が入射されると、漏れ出した過剰電荷が光電変換部４の底面４Ａの中央部、すなわちウェル領域２の膜厚が薄い部分を通してＮ型シリコン基板１に逃げ出し、Ｎ型シリコン基板１に吸収される。したがって、単純な構造の過剰電荷の通路を形成することができる。単位画素の面積を増大させることもなく、また、過剰電荷の通路を構成する新たな素子を設ける必要もない。

光電変換部４の底面４Ａは、例えば、図１の場合と反対に、外周部がシリコン基板１の厚さ方向に最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成してもよい。
また、光電変換部４の底面４Ａの全体でなく、その一部、例えば中央部や外周部を曲面で構成してもよい。

フォトレジスト３は、いわゆるグレートーンマスクを使用してシリコン基板１上に形成することができる。グレートーンマスクは、光の透過量を制御してフォトレジストの膜厚を変化させる。グレートーンマスクは、例えば、微細パターンを構成する透過部および遮光部の面積を変化させることにより、また、描画機の露光量を変化させることにより、光の透過量を制御するように作製することができる。
光電変換部４は、通常のフォトマスクを使用して平面状の底面を形成した後、グレートーンマスクを使用して底面４Ａを有する湾曲部を形成してもよい。

図２は、汚染防止膜の形成を示す図である。
図２に示すように、フォトレジスト３を形成する前に、Ｎ型シリコン基板１上に汚染防止膜５を形成するとよい。汚染防止膜５は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜から構成され、イオン注入の際にフォトレジスト３に含まれる金属等の不純物がＮ型シリコン基板１内に進入するのを防止する。

図３は、フォトレジスト３の変形例を示す図である。
図３に示すように、フォトレジスト３を、フォトレジスト３１および３２から構成するとよい。フォトレジスト３１は、光電変換部４の側面と同一の側面を有し、その上面３１Ａは、光電変換部４の底面４Ａを形成する。フォトレジスト３２は、フォトレジスト３１の側面を囲む、すなわち光電変換部４の側面を囲む側壁から構成される。フォトレジスト３２によりイオン注入の際に打ち込まれるイオンの隣接画素への混入を防止することができる。したがって、光電変換部４の側面を精度良く形成することができる。

本発明の固体撮像装置及びその製造方法は、特に、ＣＭＯＳイメージセンサに有効である。例えばＣＣＤイメージセンサの場合には、シリコン基板１の裏面側から電圧を印加して過剰電荷を誘導することができる。これに対し、ＣＭＯＳイメージセンサの場合には、撮像部以外の周辺回路、例えばＡＤ変換回路や信号処理回路に影響を与えてしまうので、単純にシリコン基板１の裏面側から電圧を印加することができないからである。

実施例１の固体撮像装置及びその製造方法を示す断面図である。 汚染防止膜の形成を示す図である。 フォトレジスト３の変形例を示す図である。

符号の説明

１……Ｎ型シリコン基板、２……Ｐウェル領域、３……フォトレジスト、４……光電変換部（フォトダイオード）、５……汚染防止膜。

Claims (16)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の表面に臨むように形成された素子形成用のウェル領域と、前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成された複数の光電変換部とを備え、前記光電変換部は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置であって、
   前記底面の少なくとも一部は、蓄積されて漏れ出した信号電荷が前記ウェル領域を通して前記半導体基板に漏れ出すように前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記底面は、曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記底面は、中央部が最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記底面は、外周部が最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の中央部であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の外周部であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 半導体基板に素子形成用のウェル領域を前記半導体基板の表面に臨むように形成するウェル領域形成工程と、
   前記ウェル領域形成工程で形成されたウェル領域に複数の光電変換部を前記ウェル領域の表面に臨むまたは近接するように形成する光電変換部形成工程とを含み、
   前記光電変換部形成工程で形成された光電変換部は、前記表面から最も離れた底面を有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記光電変換部形成工程は、前記光電変換部に蓄積されて漏れ出した信号電荷が前記ウェル領域を通して前記半導体基板に漏れ出すように前記光電変換部の下方に位置する前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで前記底面の少なくとも一部を形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記底面は、曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記底面は、中央部が最も深く、中央部から外周部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記底面は、外周部が最も深く、外周部から中央部に至るに従ってしだいに深さが浅くなる曲面で形成されることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の中央部であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記ウェル領域の部分が薄くなるような深さで形成された前記底面の一部は、前記底面の外周部であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記光電変換部形成工程は、
    形成すべき前記光電変換部の前記底面と同一形状の上面を有するフォトレジストを前記半導体基板上に形成するフォトレジスト形成工程と、
    前記フォトレジスト形成工程で形成されたフォトレジストを介して不純物のイオン注入を行うイオン注入工程とを含むことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記フォトレジスト形成工程は、グレートーンマスクを使用して前記フォトレジストを形成することを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。
15. 前記光電変換部形成工程は、前記フォトレジスト形成工程の前に前記イオン注入工程の際に前記フォトレジストに含まれる不純物が前記半導体基板を汚染するのを防止するための汚染防止膜を前記半導体基板上に形成する汚染防止膜形成工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 前記フォトレジストは、第１および第２のフォトレジストから構成され、
    前記フォトレジスト形成工程は、
    前記光電変換部の前記底面と同一形状の前記上面を有する第１のフォトレジストを形成する第１の工程と、
    前記光電変換部形成工程で形成される前記光電変換部の側面を前記ウェル領域と区画するように前記第１のフォトレジストの周囲を囲む側壁から構成される第２のフォトレジストを形成する第２の工程とを含むことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
    

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