JP2004259911A

JP2004259911A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004259911A
Application number: JP2003048612A
Authority: JP
Inventors: Akira Fujishima; 亮藤嶋; Hiroaki Tanaka; 弘明田中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】センサ領域へのスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物の拡散を防止してセンサ蓄積面積を確保し、シャッター電圧の増加を抑制する。
【解決手段】ＣＣＤ型の固体撮像素子の製造方法であって、第１イオン注入により第１イオン注入マスク２１の第１イオン注入開口部２２を通して半導体基板１にＰ型不純物層１２を形成する工程と、第２イオン注入により第２イオン注入マスク３１の第１イオン注入開口部２２よりも広い第２イオン注入開口部３２を通して半導体基板１にＮ型不純物層１３を形成する工程とを備え、第２イオン注入開口部３２は、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＰ型不純物層１２の半導体基板面方向の大きさと、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＮ型不純物層１３の半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部２１よりも広く形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の製造方法に関し、詳しくは転送チャネルとなるＮ型不純物層の形成工程とその下面に接合して形成されるスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層の形成工程に特徴を有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電荷結合素子型の固体撮像素子では、多画素化に伴うユニットセルの微細化が進行している。このため、イオン注入された不純物の熱拡散による影響度が従来のものに比べて大きくなってきている。熱拡散の影響を受けているものの一つにセンサの感度を電気的に調節する電子シャッターの電圧（シャッター電圧）の増加という問題がある。
【０００３】
従来、垂直レジスタの転送チャネルとなるＮ型不純物層とスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層を形成する際のマスクパターンは同一マスクにてイオン注入していた（例えば、特許文献１参照。）。これは、Ｎ型不純物層とＰ型不純物層のマスクズレによる影響を抑えることが本来の目的である。
【０００４】
従来の垂直レジスタの転送チャネルとなるＮ型不純物層とスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層の形成方法を、図４の製造工程図によって説明する。
【０００５】
図４（１）に示すように、半導体基板１１１上にレジスト膜１２１を塗布形成する。その後、イオン注入領域を開口するための露光、現像工程を行い、上記レジスト膜１２１にイオン注入開口部１２２を形成する。次いで図４（２）に示すように、上記レジスト膜１２１をイオン注入マスクに用いて、上記半導体基板１１１中にＰ型不純物をイオン注入する。この結果、半導体基板１１１中にはＰ型不純物層１１２が形成される。次いで図４（３）に示すように、上記レジスト膜１２１をイオン注入マスクに用いて、上記半導体基板１１１中にＮ型不純物をイオン注入する。この結果、半導体基板１１１中にはＰ型不純物層１１２上に接合するＮ型不純物層１１３が形成される。
【０００６】
その後、不純物の活性化を行うために熱処理を行う。この結果、図４（４）に示すように、Ｐ型不純物層１１２中のＰ型不純物がＮ型不純物層１１３中のＮ型不純物よりも拡散係数が大きいため、Ｐ型不純物層１１２はＮ型不純物層１１３よりも広く拡散し、センサ領域１０３にまで拡散されることになる。また、Ｐ型不純物層１１２の拡散を考慮して、レジスト膜１２１に形成するイオン注入開口部１２２を狭く形成すると、Ｎ型不純物層１１３が狭くなるという問題が生じる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２８８４８３号公報（第００２２段落、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同一マスクを用いてＮ型不純物層とＰ型不純物層とを形成する方法では、Ｎ型不純物とＰ型不純物の拡散係数の違いにより、たとえ同一マスクにてイオン注入されたとしてもＰ型不純物の方がより広く拡散することになる。このため、Ｎ型不純物で形成されたセンサ領域にスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物が拡散してしまい、センサ蓄積面積を減少させ、シャッター電圧の増加を招いていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた固体撮像素子の製造方法である。
【００１０】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、転送チャネルとなるＮ型不純物層の下面に接合してスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層を形成する工程を備えた電荷結合素子型の固体撮像素子の製造方法であって、第１イオン注入マスクに形成された第１イオン注入開口部を通して第１イオン注入により半導体基板に前記Ｐ型不純物層を形成する工程と、第２イオン注入マスクに形成されたもので前記第１イオン注入開口部よりも広い第２イオン注入開口部を通して第２イオン注入により前記半導体基板に前記Ｎ型不純物層を形成する工程とを備え、前記第２イオン注入開口部は、前記第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後の前記Ｐ型不純物層の前記半導体基板面方向の大きさと、前記第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後の前記Ｎ型不純物層の前記半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部よりも広く形成される。
【００１１】
上記固体撮像素子の製造方法では、第２イオン注入開口部は、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＰ型不純物層の半導体基板面方向の大きさと、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＮ型不純物層の半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部よりも広く形成されることから、出来あがりのＰ型不純物層およびＮ型不純物層は半導体基板面方向の大きさが、Ｐ型不純物層とＮ型不純物層とが同一の大きさに形成されることになる。したがって、本発明の固体撮像素子の製造方法では、従来のような同一イオン注入マスクを用いてＰ型不純物層およびＮ型不純物層を形成する製造方法のように、Ｐ型不純物層がセンサ領域にまで拡散するということがなくなる。なお、第１、第２イオン注入開口部の大きさは、イオン注入後の熱工程によるＮ型不純物およびＰ型不純物の拡散量を考慮して決定すればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、一般的な電荷結合素子型の固体撮像素子のレイアウト構成を図２によって説明する。
【００１３】
図２に示すように、半導体基板１上に垂直レジスタ２が並列に複数列形成されている。各垂直レジスタ２の一方側には複数のセンサ部３が１列に形成されている。そして各垂直レジスタ端には水平レジスタ４が形成され、水平レジスタ４の出力端に電荷電圧変換部５等の出力回路が備えられている。本発明の主要部は、図２中のＡ−Ａ線断面である。以下、Ａ−Ａ線断面において説明する。
【００１４】
本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態を、図１の製造工程図によって説明する。
【００１５】
図１（１）に示すように、半導体基板１上にレジスト膜を塗布成膜して第１イオン注入マスク２１を形成する。その後、Ｐ型不純物をイオン注入するための第１イオン注入領域を開口するための露光、現像工程を行い、上記第１イオン注入マスク２１に第１イオン注入開口部２２を形成する。この第１イオン注入開口部２２は垂直レジスタパターンの下方に位置するように形成される。この第１イオン注入開口部２２の大きさは、半導体基板１にＰ型不純物をイオン注入し、熱工程を経た後の拡散されたＰ型不純物層の広さ（半導体基板面方向の広さ、すなわち半導体基板上方から見た広さ）を想定して設計される。言い換えれば、Ｐ型不純物層の熱工程による拡散長を考慮して設計される。
【００１６】
次いで図１（２）に示すように、上記第１イオン注入マスク２１を用いて、上記半導体基板１中にＰ型不純物をイオン注入する。上記Ｐ型不純物のイオン注入条件は、一例として、注入イオンにホウ素を用い、打ち込みエネルギーを２００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０^１１個／ｃｍ^２〜１×１０^１２個／ｃｍ^２に設定した。この結果、半導体基板１中にはスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層１２が形成される。その後、上記第１イオン注入マスク２１を除去する。
【００１７】
次いで図１（３）に示すように、半導体基板１上にレジスト膜を塗布成膜して第２イオン注入マスクする。その後、Ｎ型不純物をイオン注入するための第２イオン注入領域を開口するための露光、現像工程を行い、上記第２イオン注入マスク３１に第２イオン注入開口部３２を形成する。この第２イオン注入開口部３２は、Ｎ型不純物をイオン注入し、熱工程を経た後のＮ型不純物層の半導体基板面上から見た大きさと、Ｐ型不純物層の半導体基板面上から見た大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部２２よりも広く形成される。
【００１８】
次いで図１（４）に示すように、上記第２イオン注入マスク３１をイオン注入マスクに用いて、上記半導体基板１中にＮ型不純物をイオン注入する。上記Ｎ型不純物のイオン注入条件は、例えば、注入イオンにヒ素もしくはリンを用い、ヒ素を用いた場合には、打ち込みエネルギーを５０ｋｅＶ〜４００ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０^１２個／ｃｍ^２〜１×１０^１３個／ｃｍ^２に設定する。ここでは、一例として、打ち込みエネルギーを２００ｋｅＶ、ドーズ量を７×１０^１２個／ｃｍ^２に設定した。
【００１９】
その後、熱処理を行う。この熱処理は、例えば、８００℃〜１１００℃のＮ_２ガスもしくはＯ_２／Ｎ_２ガス雰囲気中で１０分〜９０分間行う。ここでは、Ｏ_２／Ｎ_２ガス雰囲気中で１０００℃、６０分の熱処理を行った。
【００２０】
この結果、図１（５）に示すように、半導体基板１中には、Ｐ型不純物層１２上に接合する転送チャネルとなるＮ型不純物層１３が、半導体基板面方向の大きさ、すなわち半導体基板１上方から見た大きさがＰ型不純物層１２と同じ大きさに形成される。このとき、Ｐ型不純物層１２もＮ型不純物層１３もセンサ領域３に接触することはなかった。すなわち読み出しゲート領域１５下方にＰ型不純物層１２が拡散するのが防止される。その後、上記第２イオン注入マスク３１〔図１（４）参照〕を除去する。
【００２１】
その後、図３に示すように、Ｎ型不純物層１３およびＰ型不純物層１２のセンサ領域３とは反対側の半導体基板１にチャネルストップ（画素分離）層１７を形成する。なお、上記説明したように、Ｎ型不純物層１３とセンサ領域３との間が読み出しゲート領域１５となる。次いで、半導体基板１上ゲート絶縁膜４１を介して垂直転送電極４２を形成する。この垂直転送電極は、３相駆動方式、４相駆動方式等、駆動方式に応じて２層もしくは３層に形成される。さらに、図示はしないが、層間絶縁膜、カラーフィルタ、オンチップレンズ等を形成して、固体撮像素子が完成される。
【００２２】
次に、半導体基板中の不純物の拡散について説明する。シリコン基板中を拡散する不純物の拡散係数Ｄは、一般的にＤ＝Ｄ^０（Ｅ_Ａ／ｋＴ）…（１）式によって求められる。ここで、Ｄ^０は拡散定数、Ｅ_Ａは活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。また、不純物の拡散長Ｌを近似的に表すと、Ｌ＝２√（Ｄｔ）…（２）式によって表される。ここで、Ｄは拡散係数、ｔは時間である。今、ヒ素（Ａｓ）の拡散長をＬ_Ａｓ、ホウ素（Ｂ）の拡散長をＬ_Ｂとすると、拡散長の違いＸは、Ｘ＝Ｌ_Ｂ−Ｌ_Ａｓとなる。イオン注入マスクを形成する場合には拡散長の違いを考慮する必要がある。
【００２３】
したがって、Ｎ型不純物をイオン注入する際に用いるイオン注入マスクとなる第１イオン注入マスク２１のイオン注入開口部２２の幅（所望の垂直レジスタ幅に相当）をＷ_Ｎとすれば、Ｐ型不純物をイオン注入する際に用いるイオン注入マスクとなる第２イオン注入マスク３１のイオン注入開口部３２幅をＷ_Ｐとすれば、Ｗ_Ｐ＝Ｗ_Ｎ−２Ｘとなる。よって、Ｗ_Ｐ＝Ｗ_Ｎ−２（Ｌ_Ｐ−Ｌ_Ｎ）＝Ｗ_Ｎ−４（√（Ｄ_Ｐｔ）−√（Ｄ_Ｎｔ））となる。ここで、Ｌ_ＰはＰ型不純物の拡散長であり、Ｌ_ＮはＮ型不純物の拡散長であり、Ｄ_ＰはＰ型不純物の拡散係数であり、Ｄ_ＮはＮ型不純物の拡散係数である。
【００２４】
今、Ｐ型不純物にホウ素（Ｂ）を用い、Ｎ型不純物にヒ素（Ａｓ）を用い、垂直レジスタ幅を１μｍ、熱工程（熱処理）の温度を１０００℃、その処理時間を１時間とすると、ヒ素（Ａｓ）の拡散係数Ｄ_Ａｓは、Ｄ_Ａｓ＝１．４８×１０^−１５ｃｍ^２／ｓとなる。一方、ホウ素（Ｂ）の拡散係数Ｄ_Ｂは、Ｄ_Ｂ＝１．４×１０^−１４ｃｍ^２／ｓとなる。このように、ホウ素（Ｂ）はヒ素（Ａｓ）よりも１０倍速い拡散係数となっている。また、ホウ素（Ｂ）の拡散長Ｌ_ＢはＬ_Ｂ＝０．１４２μｍとなり、ヒ素（Ａｓ）の拡散長Ｌ_ＡｓはＬ_Ａｓ＝０．０４６μｍとなる。このように、ホウ素（Ｂ）はヒ素（Ａｓ）よりも３倍長い拡散長となっている。また、拡散係数の大きなホウ素（Ｂ）も９００℃で１時間の熱処理の場合には、Ｌ_Ｂ＝０．０３６μｍとなり、拡散の影響は微小なものとなる。
【００２５】
したがって、垂直レジスタ幅を１μｍとした場合のＰ型不純物のイオン注入マスクとなる第１イオン注入マスク２１に形成されるイオン注入開口部２２の幅は、Ｗ−２Ｘ≒０．８μｍ（Ｘ＝０．１４２μｍ−０．０４６μｍ≒０．１μｍ）となる。
【００２６】
上記固体撮像素子の製造方法では、第２イオン注入開口部３２は、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後におけるＰ型不純物層１２の半導体基板面方向の大きさと、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後におけるＮ型不純物層１３の半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部２２よりも広く形成されることから、できあがりのＰ型不純物層１２およびＮ型不純物層１３は半導体基板面方向の大きさが、Ｐ型不純物層１２とＮ型不純物層１３とが同一の大きさに形成されることになる。したがって、本発明の固体撮像素子の製造方法では、従来のような同一イオン注入マスクを用いてＰ型不純物層１２およびＮ型不純物層１３を形成する製造方法のように、Ｐ型不純物層１２がセンサ領域３にまで拡散するということがなくなる。なお、第１、第２イオン注入開口部２２、３２の大きさは、イオン注入後の熱工程によるＮ型不純物およびＰ型不純物の拡散量を考慮して決定すればよい。
【００２７】
よって、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、センサ領域３のいわゆる締め付けが軽減されるためにシャッター電圧の低減を図ることができる。
【００２８】
なお、Ｎ型不純物層１３とＰ型不純物層１２の形成順に関しては、今回Ｐ型不純物層１２を先に形成するような製造工程を例として挙げたが、この限りではない。また、本発明ではＮ型不純物層１３の形成時のマスクに対してＰ型不純物層１２の形成時のマスクを細める際、両側を細めているが、片側だけ（例えば、チャネルストップ側（図面Ｐ型不純物層１２の左側もしくは読み出しゲート領域１５側）を狭めるようにしても良い。
【００２９】
また、Ｎ型不純物層で形成されるセンサ領域３と垂直レジスタ下のスミア・ブルーミング抑止層となるＰ型不純物層１２の距離は、ユニットセルサイズの縮小にともない、このセンサ領域（Ｎ型不純物層）３とＰ型不純物層１２との距離が１μｍ未満の場合に有効となる。この理由は、センサ領域（Ｎ型不純物層）３とＰ型不純物層１２との距離が１μｍ以上離れて形成される場合には、従来の技術であっても、センサ領域（Ｎ型不純物層）３とＰ型不純物層１２とは接合しない状態に形成することが可能である。ところが、従来の技術では、Ｐ型不純物層１２とセンサ領域３との距離が１μｍ未満では接合する。一方、本発明の製造方法によれば、Ｐ型不純物層１２とセンサ領域３との距離が１μｍ未満であっても互いに接合しないように形成することができるためである。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、垂直レジスタの転送チャネルとなるＮ型不純物層を形成するための第２イオン注入マスクに対して、スミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層を形成するための第１イオン注入マスクを別々のマスクにして、第２イオン注入開口部は、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＰ型不純物層の半導体基板面方向の大きさと、第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後のＮ型不純物層の半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部よりも広く形成されることから、できあがりのＰ型不純物層およびＮ型不純物層は半導体基板面方向の大きさが、Ｐ型不純物層とＮ型不純物層とが同一の大きさに形成することができる。このため、センサ領域を形成するＮ型不純物層へのＰ型不純物の拡散を抑制することができ、その結果、センサの蓄積面積が十分に確保することができるのでシャッター電圧の低減が図れる。さらに、シャッター電圧改善対策としてのセンサ領域へＮ型不純物の追加イオン注入を無くすことも可能となり得るので、センサの容量が増え、そのため、読み出し電圧とブルーミングのマージンを稼ぐことも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態を示す製造工程図である。
【図２】一般的な電荷結合素子型の固体撮像素子のレイアウト構成図である。
【図３】本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態を示す製造工程図である。
【図４】従来の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、１２…Ｐ型不純物層、１３…Ｎ型不純物層、２１…第１イオン注入マスク、２２…第１イオン注入開口部、３１…第２イオン注入マスク、３２…第２イオン注入開口部

Claims

転送チャネルとなるＮ型不純物層の下面に接合してスミア・ブルーミング抑止用のＰ型不純物層を形成する工程を備えた電荷結合素子型の固体撮像素子の製造方法であって、
第１イオン注入マスクに形成された第１イオン注入開口部を通して第１イオン注入により半導体基板に前記Ｐ型不純物層を形成する工程と、
第２イオン注入マスクに形成されたもので前記第１イオン注入開口部よりも広い第２イオン注入開口部を通して第２イオン注入により前記半導体基板に前記Ｎ型不純物層を形成する工程とを備え、
前記第２イオン注入開口部は、前記第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後の前記Ｐ型不純物層の前記半導体基板面方向の大きさと、前記第１、第２イオン注入後の熱工程を経た後の前記Ｎ型不純物層の前記半導体基板面方向の大きさとが同一になるように、第１イオン注入開口部よりも広く形成される
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。