JP2005159062A - 固体撮像装置の製造方法およびイオン注入角度算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入角度を制御してプロセスばらつきによる特性変動を抑制し、固体撮像装置の信頼性向上、生産性向上を可能とする。
【解決手段】本発明は、基板１にセンサ領域、転送チャネル領域７およびセンサ領域と転送チャネル領域７との間となる読み出しゲート３０とを形成する工程と、基板１上に転送電極１９を形成し、この転送電極１９のセンサ領域上に開口を形成する工程と、転送電極１９の開口を介してセンサ領域の表層部にイオン注入するにあたり、転送電極１９の開口の端部と読み出しゲート３０の端部との位置関係に基づく角度を設定して注入を行う工程とを備える固体撮像装置の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、読み出しゲートを形成した後で転送電極を形成する固体撮像装置の製造方法およびこの製造方法で用いるイオン注入の角度を算出するイオン注入角度算出プログラムに関する。

デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話をはじめとする民生用カメラや、監視・画像認識・放送局等の業務用カメラに広く用いられているＣＣＤ固体撮像素子では、カメラの小型化、高画素化、高機能化への発展に伴い、単位画素当りの面積が次第に小さくなり、現在の先端商品では２．５μｍ角程度のＣＣＤ固体撮像素子が生産されている。

そのために、感度、ダイナミックレンジ、スミア、転送効率、残像、ダーク電流等の特性を劣化させずにフォトダイオードやＣＣＤ転送チャネルを微細化する必要がある。この微細化には、微細パターン加工技術、高加速イオン注入技術、低温酸化・熱処理技術等の発展が必要である。これにより、それぞれのｎ型拡散層やｐ型拡散層から不純物種が、非所望領域で不要に拡散するのを抑制することができ、微小な領域で所望の深さに所望濃度の不純物領域を任意に形成することができる。

図６は、従来の固体撮像装置を説明する断面図である。この固体撮像装置は、エピタキシャル半導体基板３のｎ型エピタキシャル層２にｐ型のウェル領域４を形成し、このｐ型ウェル領域４内に、ｎ型の不純物拡散領域５と垂直転送レジスタ６を構成するｎ型転送チャンネル領域７、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０、およびｐ型チャネルストッパ領域８が形成され、ｎ型不純物拡散領域５上にｐ型領域９が部分的に形成され、ｎ型転送チャネル領域7の直下に第２のｐ型ウェル領域１０が形成されている。

また、ｎ型不純物拡散領域５とｐ型ウェル領域４とのｐｎ接合によるフォトダイオードによって受光部（光電変換部）１１が構成されている。さらに、転送チャネル領域７、チャネルストッパ領域８、および読み出しゲート（ＲＯＧ）３０にゲート絶縁膜１８(ONO膜)を介して第１および第２の多結晶シリコンからなる複数の転送電極１９が形成されている。さらに、層間絶縁膜２０を介して各垂直転送レジスタ６上を覆うようにＡｌ（アルミニウム）またはＷ（タングステン）の遮光膜２１が形成されている。

この固体撮像装置の場合、ｎ型不純物拡散領域５と読み出しゲート（ＲＯＧ）３０は、転送電極１９を形成する前に、レジストパターンによる局所的なイオン注入により形成されている。これら不純物領域を転送電極１０の形成前に形成するのは、（１）光電変換部をできるだけ広い体積にすることで、感度向上やダイナミックレンジ向上（飽和信号量の向上）を図る、（２）ｎ型転送チャンネル領域７とｎ型不純物拡散領域５間のポテンシャル差を小さくすることで、耐ブルーミング特性（ＶＡＢ）を維持しながら読み出し電圧（ＶＴ）を低減すること、が主な目的である。ＣＣＤ固体撮像素子の微細化に伴い、このような構造が特性改善に有利であり、広く使われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００-７７６４７号公報

しかしながら、従来の固体撮像装置の製造方法では、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０と正電荷蓄積領域９（ＨＡＤセンサ構造）とがセルフアラインで形成されないために、プロセスでの線幅やズレのばらつきにより、両者の間に完全なｐ型領域でない部分（ｐ型の不完全領域５０）ができてしまうケースがある。ｐ型の不完全領域５０では、シリコン／シリコン酸化膜界面に存在する界面準位から電子の発生があり、暗電流や微小な白傷の原因となる。

そもそも、ＨＡＤセンサ構造は、光電変換部のｎ型不純物拡散領域５表面に正電荷蓄積領域９を設けることで、この界面準位に起因する電子の発生を抑制しようとしたものであるが、ｐ型の不完全領域５０があるとこれが無効となってしまう。また、逆に正電荷蓄積領域９が読み出しゲート（ＲＯＧ）３０と重なるケースでは、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０のポテンシャル障壁が大きくなり、ｎ型不純物拡散領域５にたまった電荷（電子）をｎ型転送チャンネル領域７へ読み出しにくくなり、読み出し不良の原因となる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板にセンサ領域、転送チャネル領域およびセンサ領域と転送チャネル領域との間となる読み出しゲートとを形成する工程と、基板上に転送電極を形成し、転送電極のセンサ領域上に開口を形成する工程と、開口を介してセンサ領域の表層部にイオン注入するにあたり、この開口の端部と読み出しゲートの端部との位置関係に基づく角度を設定して注入を行う工程とを備える固体撮像装置の製造方法である。

また、このイオン注入の角度を算出するにあたり、転送電極の開口の端部と読み出しゲートの端部との基板表面方向に沿った距離を入力するステップと、入力した距離に対応したイオン注入の角度を算出するステップとを備えるイオン注入角度算出プログラムでもある。

このような本発明では、読み出しゲートやセンサ領域を転送電極の形成前に造り込む製造方法において、転送電極の開口からセンサ領域表層部へイオン注入してセンサ部表面ｐ＋領域（ＨＡＤセンサ）を形成する際、そのイオン注入の角度を転送電極の開口と読み出しゲートとの位置関係によって設定するため、読み出しゲートと転送電極開口との位置ズレがあってもセンサ領域表層部に正確な電荷蓄積領域を構成できるようになる。

したがって、本発明によれば、読出しゲート（ＲＯＧ）を転送電極形成前に形成し、イオン注入によってセンサ領域表層部に電荷蓄積領域であるＨＡＤセンサ部を転送電極のセルフアラインで形成する場合において、読み出しゲート（ＲＯＧ）と転送電極開口部の端部との距離を求め、その結果に応じて、イオン注入角度を設定できることから、実効的な読み出しゲート（ＲＯＧ）と転送電極開口部の端部と距離をコントロールすることができ、プロセスのばらつきによる要因を補正することが可能となる。その結果として、Ｖｔ（読み出し電圧）−ＶＡＢ（耐ブルーミング特性）と微小白点とが両立する範囲に補正でき、歩留を総合的に確保することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る製造方法の製造対象となる固体撮像装置の構成を説明する模式断面図である。この固体撮像装置は、ウェハ等の基板１にセンサ領域となる不純物拡散領域５と、転送チャネル領域７と、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０とが形成され、センサ領域と対応する部分に開口を備えた転送電極１９が基板１上にゲート絶縁膜１８を介して形成されている。

転送チャネル領域７とセンサ領域となる不純物拡散領域５および読み出しゲート（ＲＯＧ）３０は転送電極１９が形成される前に設けられており、転送電極１９の開口を介してイオン注入が行われ、センサ領域表層部に正電荷蓄積領域９（ＨＡＤセンサ部）が形成される。

このような構成において、転送電極１９を読み出しゲート（ＲＯＧ）３０や不純物拡散領域５よりも後で形成するため、転送電極１９の開口形成の位置ズレ等によって読み出しゲート（ＲＯＧ）３０と転送電極の開口の端部との間に基板表面方向に沿った距離（Ｘ）が生じる。本実施形態では、この距離（Ｘ）を例えばウェハ毎に実測し、このＸの値に応じて、Ｘ領域のｐ領域を適切な濃度にすべく、正電荷蓄積領域９を形成するボロンのイオン注入角度を変化させる点に特徴がある。

正電荷蓄積領域９は転送電極１９のセルフアラインで形成される。ＲＯＧ−電極間距離（Ｘ）と、読み出し電圧（ＶＴ）と耐ブルーミング特性（ＶＡＢ）との差、および微小白傷との関係は、一般的に図２に示すようになる。

すなわち、ＸがプラスになればなるほどＶＴ−ＶＢＡの差は小さくなるものの、微小白傷が増加し、一方、Ｘがマイナスになればなるほど微小白傷は減少するものの、ＶＴ−ＶＢＡの差が大きくなる。

したがって、このＸをイオン注入の角度によってコントロールすることにより、固体撮像装置の特性、つまり読み出しゲート（ＲＯＧ）３０を介した転送チャネル領域７への電荷転送特定を安定させることが可能となる。

具体的には、Ｘの値がプラスの場合は図１に示すイオン注入の角度<3>で、Ｘの値がゼロの場合は<1>のストレートで、Ｘの値がマイナスの場合はイオン注入の角度<2>でボロンをイオン注入すればよい。なお、図１に示す固体撮像装置では、エピタキシャル半導体基板のｎ型エピタキシャル層１’を形成する前に、暗電流や白傷を低減するための炭素注入領域（ゲッターシンク）３４を形成した例となっている。

図２に示すＲＯＧ−電極間距離（Ｘ）と、読み出し電圧（ＶＴ）と耐ブルーミング特性（ＶＡＢ）との差、および微小白傷との関係は、デバイス毎にその構造やデザイン等によって異なるので、予め、個々に相関を求めておくのが望ましい。また、ボロン注入の実角度、濃度、エネルギーに関しても同様である。さらに、ボロンの斜め注入による横拡散の距離には限界があるので、その範囲内に、距離Ｘを予め、制御しておく必要もある。

次に、図３〜図５の模式断面図に沿って本実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ型のＣＺシリコン基板から成る基板１を用意する。このＣＺシリコン基板は、主面が（100）面を有し、比抵抗１０Ωcmの直径２００ｍｍ基板であり、表面には熱酸化膜３１を介して、炭素３２が1×１０¹⁵cm^-2注入されている。これにより、暗電流や白傷を低減できる（特開平６−３３８５０７号公報参照）。

イオン注入後、アニールを施し、熱酸化膜３１を除去する。次に、図３（ｂ）に示すように、基板１の一主面にSiHCl₃ソースガスによる水素還元法を用いて、１１１０℃のエピタキシャル成長温度で、６μmのｎ型シリコンエピタキシャル層２を成長する。

次に、図３（ｃ）に示すように、ｎ型シリコンエピタキシャル層２に第１のｐ型半導体ウェル領域４を形成した後、図４（ａ）に示すように、上記ｐ型ウェル領域４の表面上に絶縁膜１８を形成し、第１のｐ型半導体ウェル領域４内にｎ型およびｐ型不純物を選択的にイオン注入して、垂直転送レジスタを構成するｎ型の転送チャネル領域７と、ｐ型のチャネルストップ領域８と、第２のｐ型ウェル領域１０とをそれぞれ形成する。さらに、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０、ｎ型の不純物拡散領域５を形成する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜１８を介してポリシリコン（Poly-Si）やタングステン（W）、タングステンシリサイド（WSi）から成る転送電極１９を形成後、ＲＯＧ/ポリ端距離（Ｘ）を線幅および合わせマークのずれデータから、ウェハ単位、またはロット単位もしくはチップ単位で測定する。

そして、予め求めてある図２に示すデータ（ＲＯＧ/ポリ端距離（Ｘ）とＶＴ-ＶＡＢとの相関図）から、正電荷蓄積領域９を形成するBoron（ボロン）のイオン注入角度を図５に示す<1>〜<3>の間となる最適な角度に決定し、目的の固体撮像装置を得る。

なお、図５において転送電極９の下部のゲート絶縁膜１８は、SiO₂/SiN/SiO₂（NON膜）構造となっているが、受光部１１の下部のみは付け直してSiO₂膜としている。また、転送電極９は単層であっても、２層もしくは３層であってもよい。ただし、本発明はこの構造に限定されるものではない。

さらに、この固体撮像装置は、ｎ型Ｓｉエピタキシャル基板上に形成された、ｐ型のウェル領域表面にｎ型不純物領域を形成して、ｐ型ウェルとｎ型拡散領域とのＰＮ接合によって、フォトダイオード（ＰＤ）を形成した例であるが、ｐ型のＳｉエピタキシャル基板にｎ型不純物領域を形成してＰＤを作成する場合にも適用できる。さらに、層内レンズを複数個有するタイプの固体撮像装置や、縦型オーバーフローバリア形成後にエピタキシャル層を形成し、近赤外線にも感度を持つ固体撮像装置、紫外線に透過性を有する膜のみにて受光部を形成した固体撮像装置にも、適用可能である。

次に、上記説明したイオン注入の角度を算出するプログラムについて説明する。すなわち、本実施形態に係るイオン注入角度の算出プログラムは、上記のような固体撮像装置の製造方法、つまり、読み出しゲート（ＲＯＧ）３０およびセンサ領域を転送電極１９の形成前に構成し、転送電極１９の開口を介してセンサ領域の表層にイオン注入を行って正電荷蓄積領域（ＨＡＤセンサ）９を形成する方法を行うにあたり、予めイオン注入の角度をコンピュータによって算出するためのものである。

したがって、イオン注入角度の算出プログラムはＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録されていたり、コンピュータのハードディスクにインストールされたり、ネットワークを介して配信できるもので、コンピュータのＣＰＵ（中央演算装置）によって実行されることになる。

本実施形態に係るイオン注入角度の算出プログラムは、転送電極１９の開口の端部と読み出しゲート（ＲＯＧ）３０の端部との基板表面方向に沿った距離（Ｘ）を入力するステップと、この入力した距離（Ｘ）に対応したイオン注入の角度を算出するステップとを備える。

ここで、イオン注入の角度を算出するにあたり、予め上記距離（Ｘ）とイオン注入の角度との関係を示すデータ（図２に示す関係）を求めておき、これを参照することで短時間で的確なイオン注入角度の算出を行う。この転送電極１９の開口の端部と読み出しゲート（ＲＯＧ）の端部との基板表面方向に沿った距離（Ｘ）とイオン注入角度との関係を示すデータは予め実験やシミュレーション計算によって求められ、データベース化されている。

したがって、このプログラムのユーザは、コンピュータの入力手段を用いて転送電極１９の開口の端部と読み出しゲート（ＲＯＧ）の端部との基板表面方向に沿った距離（Ｘ）を入力すれば、この距離（Ｘ）に対応したイオン注入角度の計算結果を得ることが可能となる。

なお、上記距離（Ｘ）とイオン注入の角度との関係を示すデータは、予め実験等で得たデータを用いるほか、設定された条件に基づき、入力された距離（Ｘ）から所定の計算式によって求めるようにしてもよい。

本実施形態に係る固体撮像装置の構成を説明する模式断面図である。 ＲＯＧ−電極間距離（Ｘ）と、読み出し電圧（ＶＴ）と耐ブルーミング特性（ＶＡＢ）との差、および微小白傷との関係を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する模式断面図（その３）である。 従来の固体撮像装置を説明する断面図である。

符号の説明

１…基板、２…エピタキシャル層、３…エピタキシャル基板、４…第１のｐ型半導体ウェル領域、５…不純物拡散領域、７…転送チャネル領域、８…チャネルストップ領域、１９…転送電極、３０…読み出しゲート（ＲＯＧ）

Claims (5)

1. 基板にセンサ領域、転送チャネル領域および前記センサ領域と前記転送チャネル領域との間となる読み出しゲートとを形成する工程と、
   前記基板上に転送電極を形成し、前記転送電極の前記センサ領域上に開口を形成する工程と、
   前記開口を介して前記センサ領域の表層部にイオン注入するにあたり、前記開口の端部と前記読み出しゲートの端部との位置関係に基づく角度を設定して注入を行う工程と
   を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記位置関係は、前記開口の端部と前記読み出しゲートの端部との前記基板表面方向に沿った距離である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記角度は、前記センサ領域から前記読み出しゲートを介した前記転送チャネル領域への電荷の転送特性の影響度合いに応じて決定される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記イオン注入のイオンはボロンである
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 基板にセンサ領域、転送チャネル領域および前記センサ領域と前記転送チャネル領域との間となる読み出しゲートとを形成し、前記基板上に転送電極を形成し、前記転送電極の前記センサ領域上に開口を形成した状態で、前記開口を介して前記センサ領域の表層部にイオン注入する角度を算出するプログラムにおいて、
   前記開口の端部と前記読み出しゲートの端部との前記基板表面方向に沿った距離を入力するステップと、
   前記距離に対応した前記イオン注入の角度を算出するステップと
   を備えることを特徴とするイオン注入角度算出プログラム。
   

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