JP2006344644A - 固体撮像装置およびカメラならびに固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子分離用領域の電気的な分離特性を確保しつつ、画素サイズの微細化及び受光領域面積の増大を実現すると共に、ランダムノイズ及び白キズの少ない固体撮像装置およびカメラならびに固体撮像装置の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板１の上部に配置するフォトダイオード２と、フォトダイオード２と素子分離領域３によって分離されたＭＯＳＦＥＴの活性領域とを有する固体撮像装置において、素子分離領域３の上部の幅を、下部の幅よりも広くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に複数の画素を有する撮像領域が設けられた固体撮像装置およびカメラならびに固体撮像装置の製造方法に関する。

ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置は、各画素を構成するフォトダイオードに蓄積された信号を、ＭＯＳトランジスタを含む増幅回路によって読み出すイメージセンサである。このＭＯＳ型固体撮像装置は低電圧で動作すると共に、高速電荷読み出しが可能であり、さらに周辺回路とワンチップ化することができるという長所を有している。

このため、ＭＯＳ型固体撮像装置はパーソナルコンピュータ用小型カメラ及び携帯電話等の携帯機器に用いる撮像素子として注目されている。近年、ＭＯＳ型固体撮像装置では特に、セルサイズの縮小化および高感度化が求められている。

図８は一般的なＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成の一例を示す回路図である。なお、図８に示す回路構成は、従来の固体撮像装置だけでなく、本発明の固体撮像装置にも採用することができる。図８に示すように、一般的なＭＯＳ型固体撮像装置は、複数の画素２６がマトリックス状に配列された撮像領域２７と、画素を選択するための垂直シフトレジスタ２８及び水平シフトレジスタ２９と、垂直シフトレジスタ２８及び水平シフトレジスタ２９に必要なパルスを供給するタイミング発生回路３０とが１つの基板の上に設けられている。

撮像領域２７に配置された各画素２６は、光電変換を行うフォトダイオード部２１とこれに付随するＭＯＳ型トランジスタとからなり、フォトダイオード部２１で蓄積された電荷は転送用トランジスタ２２によって、フローティングディフュージョン部３６に転送される。フローティングディフュージョン部３６のドレインは、電源３３に接続されたリセット用トランジスタ２３のソースと共有されている。ドレインが電源３３に接続された増幅用トランジスタ２４のゲートは、フローティングディフュージョン部３６と接続されている。また、増幅用トランジスタ２４のソースは、選択用トランジスタ２５のドレインと接続されて、選択用トランジスタ２５のソースは、出力パルス線３５と接続されている。

転送用トランジスタ２２のゲート、リセット用トランジスタ２３のゲート及び選択用トランジスタ２５のゲートは、それぞれ垂直シフトレジスタ２８からの出力パルス線３１、出力パルス線３２及び出力パルス線３４に接続されている。

撮像領域２７において、半導体基板の上に形成された光電変換部２１及び各ＭＯＳ型トランジスタをそれぞれ分離する素子分離用領域には、一般的に熱酸化膜であるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）が形成されている。しかし、ＬＯＣＯＳを用いた場合には、所望の素子分離特性を得るためには素子分離領域の幅を広くする必要がある。さらに、ＬＯＣＯＳを形成する場合にはバーズビークが発生するため、活性領域幅を十分に確保する必要がある。このため、一画素あたりの素子分離領域の占有面積及び活性領域の占有面積を大きくしなければならないので、セルサイズを縮小することは困難である。

このような問題を解決する方法として、以下のような従来技術がある（特許文献１参照）。図９は、従来の固体撮像装置におけるフォトダイオード部分の構成を示す断面図である。

図９に示すように、シリコン基板５３の最表面部には、表面からの電荷の漏洩を防止する、厚さが薄いＰ⁺型シリコン層５６が設けられており、Ｐ⁺型シリコン層５６の下には、上から順に信号電荷蓄積領域であるＮ型シリコン層５４とＰ^-型シリコン層５５とを有するフォトダイオード６２が形成されている。

シリコン基板５３の表面におけるフォトダイオード６２の周囲には、シリコン基板５３の最表面からＮ型シリコン層５４と同程度の深さにまで達する素子分離領域５２が設けられており、素子分離領域５２は、ウェルの内表面を覆うシリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜６１と、シリコン酸化膜６１の上からウェルを埋めるＳｉＯ₂等の絶縁膜とを有するＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造である。これにより、基板表面においてフォトダイオード６２は、周辺の他の素子から電気的に分離されている。

また、シリコン基板５３のうちフォトダイオード６２の底部に接する部分にはＰ型ディープウエル５９が設けられており、Ｐ⁺型シリコン層５６とＰ型ディープウエル５９とは、シリコン基板５３のうち素子分離領域５２の側面及び底面を取り囲む部分に設けられたＰ⁺型チャネルストッパ層５７と、Ｐ⁺型チャネルストッパ層５７の下側に順に設けられたＰ型表面ウエル５８及びＰ型プラグウエル６０とによって電気的に接続されている。これにより、Ｎ型の信号電荷蓄積領域（Ｎ型シリコン層５４）は基板内においても周辺素子から電気的に分離されている。このため、この構造では信号電荷の漏洩が少ない。

フォトダイオード６２の受光領域５１（シリコン基板のうち素子分離領域５２に囲まれる部分）に入射した光は、Ｎ型シリコン層５４とＰ⁺型シリコン層５６又はＰ^-型シリコン層５５とのＰＮ接合部に達すると正孔と電子に変換され、入射光の光量に応じた信号電荷（電子）が信号電荷蓄積部であるＮ型シリコン層５４に主に蓄積される。

本従来例においては、素子分離領域５２がＳＴＩ構造であるため、バーズビークは発生せず、素子分離領域が受光領域５１にはみ出すことはない。従って、ＭＯＳ型トランジスタの活性領域の幅を十分に確保する必要がないため、受光領域５１の面積の減少を防ぎ、受光領域５１の面積を大きく確保することができる。また、ＳＴＩ構造の素子分離領域５２では、素子分離に必要な絶縁材料の幅がＬＯＣＯＳ構造等と比べて狭い。そのため、素子分離としてＳＴＩ構造を採用した場合には、素子分離構造自体の面積を縮小できる。よって、フォトダイオードの感度を向上させることができ、一画素あたりのサイズを小さくすることができる。
特開２００４−３９８３２号公報

しかしながら、前記従来例においては、シリコン基板５３のうち素子分離領域５２の側面及び底面を取り囲む部分には、Ｐ⁺ 型チャネルストッパ層５７がイオン注入により形成されている。よって、ＭＯＳ型固体撮像装置を製造する熱処理工程で、Ｐ⁺ 型チャネルストッパ層５７が広がり、光電変換された電荷を蓄積するＮ型シリコン層５４が減少してくる。特に、セルサイズ３μｍ以下の固体撮像装置においては、上記原因により、ダイナミックレンジの減少が顕著になる。

さらに、ＳＴＩ構造の素子分離領域を形成する場合に、ＳＴＩ構造の底のエッジ部には、局所的にシリコン基板に引っ張り応力が生じている。一方、ＳＴＩ構造の底の周囲に位置する領域には電荷が蓄積するＮ型シリコン層５４が配置しており、光電変換された電荷以外に、応力により発生した欠陥に起因した電荷がＮ型シリコン層５４（フォトダイオードの信号電荷蓄積部）に蓄積される。つまり、光が入射した際に発生する電荷以外に、光が受光領域に入射していない場合にも不要な電荷が発生し、発生した不要な電荷がＮ型シリコン層５４に蓄積されるため、この電荷が、画素間の特性ばらつき及び入射光がない場合に発生する白点である白キズの原因となり、フォトダイオードの感度が低下するという問題が生じてしまう。

本発明は、電荷蓄積領域としてのＮ型シリコン層を確保してダイナミックレンジの減少を防止することができると共に、応力に起因して発生する電荷に由来するランダムノイズ及び白キズの発生を防止することができる固体撮像装置およびカメラならびに固体撮像装置の製造方法を実現することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の一形態の固体撮像装置は、シリコン基板の上部に形成された、光電変換部を含む撮像領域と、前記シリコン基板のうち前記光電変換部を囲む部分の少なくとも一部に形成され、下部の幅が上部の幅よりも狭い素子分離と、前記撮像領域のうち、前記素子分離によって前記光電変換部と電気的に分離される領域に形成されたＭＯＳ型トランジスタとを備える。

本発明の一形態の固体撮像装置によると、素子分離の下部に隣接する領域では、従来よりも光電変換部を広く確保することができる。これにより、光電変換部の電荷蓄積層を広く確保することができるため、セルサイズが小さい場合であっても電荷蓄積量を増加させることができる。さらに、素子分離の底部のエッジ部を光電変換部から遠ざけることができる。このエッジ部では、局所的に引っ張り応力が強く発生しており、ノイズを引き起こす不要電荷が発生しやすい。しかし、光電変換部から電気的障壁を設けて空間的に遠くすることで、ノイズを低減することができる。

本発明の一形態の固体撮像装置の製造方法は、シリコン基板の上に窒化シリコン膜を形成してパターニングを行うことにより、前記窒化シリコン膜に開口を形成する工程（ａ）と、前記窒化シリコン膜の開口の側面のうち少なくとも一方の上にサイドウォールを形成する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記窒化シリコン膜および前記サイドウォールをマスクとしてエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に素子分離溝を形成する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）の後に、前記サイドウォールを除去する工程（ｄ）と、前記工程（ｄ）の後に、前記窒化シリコン膜をマスクとしてエッチングを行うことにより、前記素子分離溝のうちの下部の幅を上部の幅よりも狭くする工程（ｅ）とを備える。

本発明の一形態の固体撮像装置の製造方法は、シリコン基板の上に窒化シリコン膜を形成してパターニングすることにより、前記窒化シリコン膜に開口を形成する工程（ａ）と、前記窒化シリコン膜をマスクとして、臭化水素を含むガスを用いてエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に、下部の幅が上部の幅よりも狭い素子分離溝を形成する工程（ｂ）とを備える。

本発明において、上述のそれぞれの製造方法により得られる固体撮像装置では、素子分離のうちの下部の幅を上部の幅よりも広くすることができる。

これにより、素子分離の下部に隣接する領域では、従来よりも光電変換部を広く確保することができる。これにより、光電変換部の電荷蓄積層を広く確保することができるため、セルサイズが小さい場合であっても電荷蓄積量を増加させることができる。さらに、素子分離の底部のエッジ部を光電変換部から遠ざけることができる。このエッジ部では、局所的に引っ張り応力が強く発生しており、ノイズを引き起こす不要電荷が発生しやすい。しかし、光電変換部から電気的障壁を設けて空間的に遠くすることで、ノイズを低減することができる。

本発明の固体撮像装置およびカメラならびにその製造方法によれば、素子分離用領域の電気的な分離特性を確保しつつ、画素サイズの微細化及び受光領域面積の増大を実現すると共に、ランダムノイズ及び白キズの低減が可能となる。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。なお、シリコン基板１に形成される配線及び層間膜は省略する。図１に示すように、本実施形態において、光電変換部であるフォトダイオード２は、シリコン基板１の上部に設けられたＰ⁺ＮＰ^-型の構造を有する。このＰ⁺ＮＰ^-型の構造とは、具体的には、Ｎ型のシリコン基板１の最上部に設けられた薄いＰ⁺型表面層５と、Ｐ⁺型表面層５の下に設けられた、電荷蓄積領域となるＮ型シリコン層４と、Ｎ型シリコン層４の下に設けられたＰ^-型シリコン層６とからなる。

フォトダイオード２に入射した光は、Ｎ型シリコン層４とＰ⁺型表面層５又はＰ―型シリコン層６とのＰＮ接合界面に到達すると、光電変換されて正孔と電子とを発生させる。このため、入射光量に応じた信号電荷（電子）が、Ｎ型シリコン層４とＰ⁺型表面層５との間に生じる空乏層領域及びＮ型シリコン層４とＰ^-型シリコン層６との間に生じる空乏層領域に蓄積される。なお、最上面に設けられたＰ⁺型表面層５により、フォトダイオード２の表面においてランダムノイズに起因して発生する電荷を低減することができる。

フォトダイオード２の側方は、少なくとも一部が素子分離領域３によって囲まれている。素子分離領域３は、基板の下方に向かって幅が狭くなる階段状に形成されている。言い換えると、素子分離領域３では、幅が上部から下部に向かって非連続的に変化している。また、素子分離領域３は、階段溝１６の表面を熱酸化することにより形成された側壁酸化膜１０ａと、側壁酸化膜１０ａの上から階段溝１６を埋める絶縁膜１０ｂとを有している。素子分離領域３によって、フォトダイオード２は、蓄積された電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタの活性領域（ソース・ドレイン領域）９と電気的に分離されている。なお、このＭＯＳトランジスタとしては、図８におけるＭＯＳトランジスタ２２、２３、２４、２５がある。

そして、シリコン基板１のうち素子分離領域３の側面及び底面を取り囲む領域には、ＭＯＳトランジスタの活性領域と反対導電型のＰ⁺型側壁層７が設けられている。Ｐ⁺型側壁層７は、電荷蓄積領域であるＮ型シリコン層４の側面に接して設けられている。このＰ⁺型側壁層７によって、Ｐ⁺型表面層５とＰ型シリコン層８とが電気的に接続される。さらに、Ｐ⁺型側壁層７は、素子分離領域３の界面付近で発生するノイズを引き起こす不要電荷がＮ型シリコン層４へ流入することを防ぐ。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図２（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。

本実施形態の製造方法では、まず、図２（ａ）に示す工程で、シリコン基板１の上に厚さ１ｎｍ〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなるパッド絶縁膜１１を形成する。パッド絶縁膜１１の上には、厚さ５０ｎｍ〜４００ｎｍのシリコン窒化膜等からなる耐酸化性膜１２を形成する。そして、耐酸化性膜１２の上に、所定の領域に開口を有するレジスト（図示せず）を形成する。

続いて、図２（ｂ）に示す工程で、レジストをマスクとしてエッチングを行うことにより、パッド絶縁膜１１と耐酸化性膜１２とを選択的に除去して、シリコン基板１の上面を露出する開口１３を形成する。その後レジストを除去する。なお、開口１３の幅は、０．１３μｍ〜３０．０μｍ程度に設定する。

続いて、図２（ｃ）に示す工程で、開口１３内に、厚さ１０〜３００ｎｍほどの酸化膜（図示せず）を形成して、エッチングを行うことにより、開口１３の側面にサイドウォール１４を形成する。このときのサイドウォール１４の幅によって、後に形成する素子分離領域３（図３（ｃ）等に示す）の下部の幅が決まる。そのため、サイドウォール１４の幅を、素子分離領域３（図１等に示す）の下部の幅が電気的特性及び低ノイズ特性及び広ダイナミックレンジ特性を満たすように調節する。

続いて、図２（ｄ）に示す工程で、耐酸化性膜１２及びサイドウォール１４をマスクとしてシリコン基板１を選択的にエッチングする溝部形成工程により、溝部１５を形成する。なお、溝部１５の深さは、１０ｎｍ〜４００ｎｍとする。

続いて、図３（ａ）に示す工程で、サイドウォール１４をウエットエッチングで除去する。エッチング時間をサイドウォール１４の幅に合わせて調整することにより、サイドウォール１４を完全に除去する。

続いて、図３（ｂ）に示す工程で、耐酸化性膜１２をマスクとしてシリコン基板１に対して選択的なエッチングを行う。これにより、階段溝１６を形成する。なお、階段溝１６を形成した後に、図２（ｃ）〜図３（ｂ）までの工程を繰り返して行った場合には、段数が増加した階段溝１６を形成することができる。この場合には、各段のコーナー部分の局所応力をさらに削減することができる。なお、階段溝１６の上面の幅に対する下面の幅は０．７以下であることが好ましい。

続いて、図３（ｃ）に示すような構造を実現するために、階段溝１６の側面及び底面に熱酸化により側壁酸化膜１０ａを形成した後に、階段溝１６の内壁に対し、Ｐ型不純物であるボロンを、注入エネルギーが２．０ＫｅＶ〜５０ＫｅＶで、ドーズ量が１×１０¹¹／ｃｍ² 〜１×１０¹⁵／ｃｍ² の条件で注入する。これにより、シリコン基板１のうち階段溝１６の側面及び底面に位置する領域に、Ｐ⁺型シリコン層７が形成される。さらに、ＣＶＤ法を行うことにより、階段溝１６内に酸化膜からなる絶縁膜１０ｂを埋め込む。その後、ＣＭＰ研磨又はドライエッチングにより耐酸化性膜１２及びパッド絶縁膜１１の一部を除去した後、さらにウエットエッチングを行って残存する部分を除去する。その後、所望の領域に、Ｎ型シリコン層４、Ｐ⁺型表面層５、Ｐ^-型シリコン層６、Ｐ⁺型側壁層７、Ｐ型シリコン層８、活性領域９をイオン注入により形成する。

続いて、周知の方法により、図に示してないが、ゲート絶縁膜、ゲート配線、層間絶縁膜、信号線及びパルス伝達線等を形成する。以上の工程により、本実施形態の半導体装置を製造することができる。

本実施形態では、素子分離領域３の側壁を階段状とすることにより、主に二つの効果を得ることができる。第一に、素子分離領域３の幅が下に向かって狭くなっているため、素子分離領域３の下部に隣接する領域では、従来よりもＰ⁺型側壁層７がＮ型シリコン層４の領域の方に入り込まなくなる。これにより、従来よりもＮ型シリコン層４を広く確保することができる。つまり、通常では、セルサイズが小さくなるにつれて、Ｐ⁺型側壁層７を形成する際のＰ⁺型の不純物の熱拡散によってＮ型シリコン層４が顕著に小さくなるが、本実施形態では、素子分離領域３の下部の幅を狭くすることにより、十分にＮ型シリコン層４の幅を確保することができる。Ｎ型シリコン層は電荷蓄積層として機能するため、本実施形態の構造では、セルサイズが小さい場合であっても電荷蓄積量を増加させることができる。

第二に、素子分離領域３の底部のエッジ部をＮ型シリコン層４から遠ざけることができる。このエッジ部では、局所的に引っ張り応力がシリコン基板１に強く発生しており、ノイズを引き起こす不要電荷が発生しやすい。しかし、Ｎ型シリコン層４から電気的障壁を設けて空間的に遠くすることで、ノイズを低減することができる。

なお、階段溝１６の上面の幅に対する下面の幅は０．７以下であることが好ましい。この場合には、ダイナミックレンジ特性と相関関係があるフォトダイオード２に蓄積される飽和電子数を、従来よりも増加させることができる。

また、本実施形態では、階段溝１６の側壁を熱酸化して側壁酸化膜１０ａを形成するときに、階段溝１６の上部エッジ部にバーズビークを形成する。これにより、この領域にリーク電流が発生することを抑制することができ、ハンプ特性を低減することができる。

ＳＴＩを素子分離として用いた従来の固体撮像装置においては、１００万画素あたり約１００００個の白キズが観測された。それに対し、本実施形態の固体撮像装置においては、白キズ数は３００個以下であった。なお、白キズは入射光がない場合に１０ｍＶ以上の出力を示す画素において測定した。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。なお、シリコン基板１に形成される配線及び層間膜は省略する。図１に示すように、本実施形態において、光電変換部であるフォトダイオード２は、シリコン基板１の上部に設けられたＰ⁺ＮＰ^-型の構造を有する。このＰ⁺ＮＰ^-型の構造とは、具体的には、Ｎ型のシリコン基板１の最上部に設けられた薄いＰ⁺型表面層５と、Ｐ⁺型表面層５の下に設けられた、電荷蓄積領域となるＮ型シリコン層４と、Ｎ型シリコン層４の下に設けられたＰ^-型シリコン層６とからなる。

フォトダイオード２に入射した光は、Ｎ型シリコン層４とＰ⁺型表面層５又はＰ―型シリコン層６とのＰＮ接合界面に到達すると、光電変換されて正孔と電子とを発生させる。このため、入射光量に応じた信号電荷（電子）が、Ｎ型シリコン層４とＰ⁺型表面層５との間に生じる空乏層領域及びＮ型シリコン層４とＰ^-型シリコン層６との間に生じる空乏層領域に蓄積される。なお、最上面に設けられたＰ⁺型表面層５により、フォトダイオード２の表面においてランダムノイズに起因して発生する電荷を低減することができる。

フォトダイオード２の側方は、少なくとも一部が素子分離領域３によって囲まれている。素子分離領域３の側面のうちフォトダイオード２が設けられている側の側面は、階段状に形成されている。これにより、素子分離領域３の幅が、上部から下部に向かって非連続的に変化する。この側面が階段状に形成されていることにより、素子分離領域３の幅は下方に向かって狭くなっている。素子分離領域３は、溝１８の表面を熱酸化することにより形成された側壁酸化膜１０ａと、側壁酸化膜１０ａの上から溝１８を埋める絶縁膜１０ｂとを有している。素子分離領域３によって、フォトダイオード２は、蓄積された電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタの活性領域（ソース・ドレイン領域）９と電気的に分離されている。なお、このＭＯＳトランジスタとは、図８におけるＭＯＳトランジスタ２２、２３、２４、２５がある。

そして、シリコン基板１のうち素子分離領域３の側面及び底面を取り囲む領域には、Ｐ⁺型側壁層７が設けられている。Ｐ⁺型側壁層７は、電荷蓄積領域であるＮ型シリコン層４の側面に接して設けられている。このＰ⁺型側壁層７によって、Ｐ⁺型表面層５とＰ型シリコン層８とが電気的に接続される。さらに、Ｐ⁺型側壁層７は、素子分離領域３の界面付近で発生するノイズを引き起こす不要電荷がＮ型シリコン層４へ流入することを防ぐ。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図５（ａ）〜図６（ｃ）は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。

本実施形態の製造方法では、まず、第１の実施形態と同様の方法で、図５（ａ）〜（ｃ）に示す工程を行う。

次に、図５（ｄ）に示す工程で、リソグラフィー法により、開口１３の両側方に設けられたサイドウォール１４のうち、フォトダイオード２に近い側のサイドウォール１４のみをレジスト１７で覆い、遠い側のサイドウォール１４を露出させる。

続いて、図６（ａ）に示す工程で、フッ酸溶液を用いてエッチングを行うことにより、活性領域９に近い側のサイドウォール１４を除去する。その後、エッチングを行うことにより、シリコン基板１を選択的に除去して、溝部１５を形成する。なお、溝部１５の深さは、１０ｎｍ〜４００ｎｍとする。

続いて、図６（ｂ）に示す工程で、フォトダイオード２側のサイドウォール１４を除去して、シリコン基板１を選択的にエッチングすることにより、溝１８を形成する。

続いて、図６（ｃ）に示すような構造を実現するために、溝１８の側面及び底面に熱酸化により側壁酸化膜１０ａを形成した後に、溝１８の内壁に対し、Ｐ型不純物であるボロンを、注入エネルギーが２．０ＫｅＶ〜５０ＫｅＶで、ドーズ量が１×１０¹¹／ｃｍ² 〜１×１０¹⁵／ｃｍ² の条件で注入する。これにより、シリコン基板１のうち溝１８の側面及び底面に位置する領域にＰ⁺型シリコン層７が形成される。さらに、ＣＶＤ法を行うことにより、溝１８内に酸化膜を埋め込む。その後、ＣＭＰ研磨又はドライエッチングにより耐酸化性膜１２及びパッド絶縁膜１１の一部を除去した後、さらにウエットエッチングを行って残存する部分を除去する。その後、所望の領域に、Ｎ型シリコン層４、Ｐ＋型表面層５、Ｐ^-型シリコン層６、Ｐ⁺型側壁層７、Ｐ型シリコン層８、活性領域９をイオン注入により形成する。

続いて、周知の方法により、図に示してないが、ゲート絶縁膜、ゲート配線、層間絶縁膜、信号線及びパルス伝達線等を形成する。以上の工程により、本実施形態の半導体装置を製造することができる。

なお、上記第１および第２の実施形態では、サイドウォール１４を用いて素子分離領域３の上部の幅に対する下部の幅を０．７以下にした。しかしながら、本発明では、エッチングの条件を調整することにより、素子分離領域３の下部の幅を上部の幅よりも狭くすることができる。図７は、エッチングガス中における臭化水素ガスと酸素ガスとの比を変更した場合において、分離溝の上部の幅と下部の幅との比が変化する様子を示すグラフ図である。図７に示すように、臭化水素ガス中における酸素ガスの比が０．２％以上７．３％以下の範囲内であれば、溝の上部の幅に対する下部の幅が０．７以下になる。したがって、このようなガス比率のエッチングガスを用いてエッチングを行えば、サイドウォールを用いずに本発明の素子分離を形成することができる。なお、この場合の素子分離溝の形状は、階段状ではなく、シリコン基板１の下部へ向かうにしたがって連続的に幅の狭くなるテーパー形状となる。この方法によれば、低コストプロセスで本発明の固体撮像装置を製造することができる。

本実施形態では、主に二つの効果を得ることができる。第一に、素子分離領域３の幅が下に向かって狭くなっているため、素子分離領域３の下部に隣接する領域では、従来よりもＰ⁺型側壁層７がＮ型シリコン層４の領域の方に入り込まなくなる。これにより、従来よりもＮ型シリコン層４を広く確保することができる。つまり、通常では、セルサイズが小さくなるにつれて、Ｐ⁺型側壁層７を形成する際のＰ⁺型の不純物の熱拡散によってＮ型シリコン層４が顕著に小さくなるが、本実施形態では、素子分離領域３の下部の幅を狭くすることにより、十分にＮ型シリコン層４の幅を確保することができる。Ｎ型シリコン層は電荷蓄積層として機能するため、本実施形態の構造では、セルサイズが小さい場合であっても電荷蓄積量を増加させることができる。

第二に、素子分離領域３の底部のエッジ部をＮ型シリコン層４から遠ざけることができる。このエッジ部では、局所的に引っ張り応力がシリコン基板１に強く発生しており、ノイズを引き起こす不要電荷が発生しやすい。しかし、Ｎ型シリコン層４から電気的障壁を設けて空間的に遠くすることで、ノイズを低減することができる。

なお、溝１８の上面の幅に対する下面の幅は０．７以下であることが好ましい。この場合には、ダイナミックレンジ特性と相関関係があるフォトダイオード２に蓄積される飽和電子数を、従来よりも増加させることができる。

また、本実施形態では、溝１８の側壁を熱酸化して側壁酸化膜１０ａを形成するときに、溝１８の上部エッジ部にバーズビークを形成する。これにより、この領域にリーク電流が発生することを抑制することができ、ハンプ特性を低減することができる。

また、本実施形態において、素子分離領域３の側面のうち活性領域９と接する側の側面は、基板の下方に向かって連続的に幅を狭くすることが好ましい。この場合には、素子分離領域３のうち活性領域９と接する部分に段差がないため、活性領域９とＰ型シリコン層８とで形成される空乏領域に、エッジ部分が含まれない。そのため、活性領域におけるリーク電流の増加を防ぐことができる。

ＳＴＩを素子分離として用いた従来の固体撮像装置においては、１００万画素あたり約１００００個の白キズが観測された。それに対し、本実施形態の固体撮像装置においては、白キズ数は３００個以下であった。なお、白キズは入射光がない場合に１０ｍＶ以上の出力を示す画素において測定した。

なお、上記実施形態の固体撮像装置は、カメラに用いると有用である。

本発明の固体撮像装置およびカメラならびに固体撮像装置の製造方法では、素子分離領域のエッジ部の応力に起因して発生する電荷に由来するランダムノイズ及び白キズの発生を防止して、感度の低下を防止することができる。また、セルサイズが縮小化してもダイナミックレンジを確保できる。以上の点で、産業上の利用可能性は高い。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 エッチングガス中における臭化水素ガスと酸素ガスとの比を変更した場合において、分離溝の上部の幅と下部の幅との比が変化する様子を示すグラフ図である。 一般的なＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成の一例を示す回路図である。 従来の固体撮像装置におけるフォトダイオード部分の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ フォトダイオード
３ 素子分離領域
４ Ｎ型シリコン層
５ 型表面層
６ Ｐ^-型シリコン層
７ Ｐ⁺型シリコン層
８ Ｐ型シリコン層
９ 活性領域
１０ａ 側壁酸化膜
１０ｂ 絶縁膜
１１ パッド絶縁膜
１２ 耐酸化性膜
１３ 開口
１４ サイドウォール
１５ 溝部
１６ 階段溝
１７ レジスト
１８ 溝
２１ フォトダイオード部
２１ 光電変換部
２２ 転送用トランジスタ
２３ リセット用トランジスタ
２４ 増幅用トランジスタ
２５ 選択用トランジスタ
２６ 画素
２７ 撮像領域
２８ 垂直シフトレジスタ
２９ 水平シフトレジスタ
３０ タイミング発生回路
３１ 出力パルス線
３２ 出力パルス線
３３ 電源
３４ 出力パルス線
３５ 出力パルス線
３６ フローティングディフュージョン部

Claims (16)

1. シリコン基板の上部に形成された、光電変換部を含む撮像領域と、
   前記シリコン基板のうち前記光電変換部を囲む部分の少なくとも一部に形成され、下部の幅が上部の幅よりも狭い素子分離と、
   前記撮像領域のうち、前記素子分離によって前記光電変換部と電気的に分離される領域に形成されたＭＯＳ型トランジスタとを備える固体撮像装置。
2. 前記素子分離では、幅が上部から下部に向かって非連続的に変化する、請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記素子分離の側面のうち前記光電変換部に近い側の側面に段差が形成されていることにより、前記幅が非連続的に変化する、請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記素子分離の側面のうち前記ＭＯＳ型トランジスタに近い側の側面には段差が形成されていない、請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記素子分離では、幅が上部から下部に向かって連続的に変化する、請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記素子分離において、最上部の幅に対する最下部の幅の比は０より大きく０．７以下である、請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記素子分離は、前記シリコン基板に形成された溝に絶縁膜が埋め込まれた構造を有しており、前記シリコン基板のうち前記素子分離の周囲を囲む部分は、前記ＭＯＳ型トランジスタのソース及びドレイン領域と反対導電型の不純物を含む、請求項１記載の固体撮像装置。
8. 前記溝と前記絶縁膜との間には、熱酸化により形成された酸化シリコン膜が配置している、請求項７記載の固体撮像装置。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えるカメラ。
10. シリコン基板の上に窒化シリコン膜を形成してパターニングを行うことにより、前記窒化シリコン膜に開口を形成する工程（ａ）と、
    前記窒化シリコン膜の開口の側面のうち少なくとも一方の上にサイドウォールを形成する工程（ｂ）と、
    前記工程（ｂ）の後に、前記窒化シリコン膜および前記サイドウォールをマスクとしてエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に素子分離溝を形成する工程（ｃ）と、
    前記工程（ｃ）の後に、前記サイドウォールを除去する工程（ｄ）と、
    前記工程（ｄ）の後に、前記窒化シリコン膜をマスクとしてエッチングを行うことにより、前記素子分離溝のうちの下部の幅を上部の幅よりも狭くする工程（ｅ）と
    を備える固体撮像装置の製造方法。
11. 前記工程（ｅ）の後に、前記シリコン基板のうち前記素子分離溝の表面に露出する部分を熱酸化することにより、酸化シリコン膜を形成する工程（ｆ）と、
    前記工程（ｆ）の後に、前記シリコン基板のうち前記素子分離溝の表面に位置する部分に不純物を注入する工程と、
    前記工程（ｆ）の後に、前記酸化シリコン膜を挟んで前記素子分離溝を絶縁膜で埋めることにより、素子分離を形成する工程とを備える、請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記シリコン基板の一部に光電変換部を形成する工程と、
    前記シリコン基板のうち、前記素子分離によって前記光電変換部と電気的に分離される領域に、ＭＯＳ型トランジスタを形成する工程とを備える、請求項１１記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記工程（ｂ）では、前記開口の両側面の上に前記サイドウォールを形成した後に、前記ＭＯＳ型トランジスタを形成する領域に近い側の前記サイドウォールのみを除去する、請求項１２記載の固体撮像装置。
14. シリコン基板の上に窒化シリコン膜を形成してパターニングすることにより、前記窒化シリコン膜に開口を形成する工程（ａ）と、
    前記窒化シリコン膜をマスクとして、臭化水素を含むガスを用いてエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に、下部の幅が上部の幅よりも狭い素子分離溝を形成する工程（ｂ）とを備える、固体撮像装置の製造方法。
15. 前記工程（ｂ）の後に、前記シリコン基板のうち前記素子分離溝の表面に露出する部分を熱酸化することにより、酸化シリコン膜を形成する工程（ｃ）と、
    前記工程（ｃ）の後に、前記シリコン基板のうち前記素子分離溝の表面に位置する部分に不純物を注入する工程と、
    前記工程（ｃ）の後に、前記酸化シリコン膜を挟んで前記素子分離溝を絶縁膜で埋めることにより、素子分離を形成する工程とを備える、請求項１４記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 前記工程（ｂ）では、前記ガスとして酸素も含むガスを用い、前記臭化水素の流量に対する前記酸素の流量の比が０．２％以上７．３％以下である、請求項１４記載の固体撮像装置の製造方法。

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