JP2005191311A - 固体撮像装置の製造方法及び固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来の固体撮像装置の受光部（光電変換領域）より深い、また、欠陥の少ない光電変換領域を有する受光部を備える固体撮像装置の製造方法及びそのような製造方法により製造される固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板１に対して法線方向からボロンのイオン注入４を行い、受光部のｐ型領域５を形成する。ボロンのイオン注入条件は、イオン注入エネルギ数百〜４ＭｅＶ、イオン注入量１×１０10〜１×１０12ｉｏｎｓ／ｃｍ2 であり、半導体基板１表面の法線方向に対するイオン注入角度（θ）は０度±０．２度である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン注入により形成する受光部を備える固体撮像装置の製造方法及び固体撮像装置に関する。
従来の固体撮像装置の製造方法では、シリコンなどの半導体基板へのイオン注入により転送部とｐｎ接合（光電変換領域）を有する受光部を形成し、ゲート酸化膜を形成した後、ＣＶＤ（化学気相成長）によって形成された多結晶からなるゲート電極を形成する。受光部は、ｎ型基板にｐ型不純物としてのボロンを高エネルギで深くイオン注入して形成されたｐウエル（ｐ−ｗｅｌｌ）と、画素部のみにｐウエルより浅くｎ型不純物としてのリンをイオン注入して形成されるｐｎ接合と、半導体基板表面のＳｉ−ＳｉＯ2 界面でのリーク電流を抑制する為に半導体基板の表面に浅くイオン注入されるボロンにより形成されるｐ+ 領域にてよって構成される。このときのイオン注入条件はチャネリングを起こさないような、イオン注入角度を選択し注入することが一般的である。
図６は従来の固体撮像装置の製造工程途中での状態を説明する断面図である。なお、図面の見易さを考慮して断面を示す斜線は全て省略している。半導体基板２１にエピタキシャル層２２を積層形成した後、受光部を形成するために、レジスト膜２３を塗布し、受光部パターンに対応する開口部２３ｈを形成する。次に、受光部のｐ型領域２５を形成するために、イオン注入２４によりボロンイオンが半導体基板２１に注入される。このときのイオン注入角度θは半導体基板２１の法線２１ｖに対して通常は７度に設定される。
固体撮像装置の製造方法として、センサ部（受光部）を形成するイオン注入工程でのイオン注入角度はウエハ法線から７度以上４５度以下の範囲内で傾斜させて行い、このイオン注入工程をウエハ法線から傾斜したイオン注入角度の方向が相異なる２回以上のイオン注入工程に分けて行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば、センサ部を形成するイオン注入工程を、ウエハ法線から７度以上４５度以下の範囲内で傾斜させて行い、かつイオン注入方向を異にして２回以上行うことにより、センサ部の不純物拡散領域を傾斜させた方向に横に広げて形成することができる。このような方法を採る理由は、シリコンの１００結晶（半導体基板の表面が１００結晶面）に対しては、７度以下、４５度以上ではいわゆるチャネリングが発生するからである。
チャネリングとは、結晶格子に対して特定の方向からイオン注入したときに、イオンが散乱されずに結晶深部にまで到達する現象である（例えば特許文献２参照）。従って、通常は軸チャネリング防止のために、イオン注入角度θは７度に設定され、オリエンテーションフラットが＜１１０＞方向のウエハにおいては、面チャネリング防止のために、回転角Φは４５度、１３５度、２２５度、３１５度（以下４５度で代表する）を避けて設定される。
また、他の従来の固体撮像装置の製造方法として、トランスファゲート（電荷転送部と受光部との間のゲート電極に対応する部分）のフォトダイオード（受光部）側のエッジの方向を＜１００＞方向に±１５度以内のずれでほぼ一致させ、このエッジの方向に平行にイオン注入することにより、面チャネリングの発生を防止したものが知られている（例えば特許文献２参照）。これによれば、従来に比べて同一ウエハに形成される各トランスファゲートに対しスタッガ配置された各フォトダイオードのポテンシャルを均一にすることができ、エネルギバリアによる読出不良の発生を防止することが可能となり、歩留りの向上を図ることができるとしている。つまり、固体撮像装置の特性の安定化にはチャネリングを発生させないイオン注入条件でイオン注入することの必要性が示されている。
特開平１０−２０９４２３号公報 特開平５−１６０３８２号公報
ところが、チャネリングを生じないイオン注入角度θでイオン注入する場合には、イオン注入深さはチェネリングを生じる場合よりも当然浅くなり、本来受光部（光電変換領域）として有効に働くべき半導体基板の表面からの深さ４μｍ〜６μｍ領域には、イオン注入が到達できず光電変換領域が形成されないことになる。また、このような深さの領域に光電変換領域を形成するとすれば、ｐ型不純物としてのボロン（Ｂ）では約４ＭｅＶ以上、ｎ型不純物としての砒素（Ａｓ）では約２ＭｅＶ以上の高エネルギでのイオン注入が必要となる。これを実現するにはイオン注入エネルギとするために大きな加速器を必要とすることから、巨大かつ高価なイオン注入装置が必要となり、実用上の大きな問題がある。
上述したように、従来の固体撮像装置の製造方法においては、チャネリングを生じないイオン注入角度θでイオン注入することにより光電変換領域を形成することから、必要な深さの光電変換領域を形成することが容易ではないという問題があった。また、必要な深さの光電変換領域を形成するためには大型のイオン注入装置が必要になるという問題があった。
本発明は、斯かる問題に鑑みてなされたものであり、結晶面を制御したＳｉ基板に、故意にチャネリングを生じる条件下でイオン注入を行うことにより、従来と同様な低エネルギで安定性良く、また、従来に比較して深く、ダメージの少ないイオン注入を行うことができ、従来の固体撮像装置の受光部（光電変換領域）より深い、また、欠陥の少ない光電変換領域を有する受光部を備える固体撮像装置の製造方法及びそのような製造方法により製造される固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に電荷転送部とｐｎ接合を有する受光部とを備える固体撮像装置の製造方法において、前記ｐｎ接合のｐ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入を行うことにより形成されることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記ｐｎ接合のｎ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入を行うことにより形成されることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記半導体基板の表面は１００結晶面であることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記イオン注入条件はイオン注入角度が前記半導体基板表面の法線方向に対して±０．２度以内であることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記イオン注入条件はイオン注入角度が前記半導体基板の法線方向に対して７度であり、かつ前記半導体基板のノッチに対して回転角が４５度、１３５度、２２５度、３１５度のいずれかであることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板に電荷転送部とｐｎ接合を有する受光部とを備える固体撮像装置において、前記ｐｎ接合のｐ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でのイオン注入により形成されたものであることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置では、前記ｐｎ接合のｎ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でのイオン注入により形成されたものであることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置では、前記ｐ層は半導体基板の表面から４〜６μｍの深さを有することを特徴とする。
本発明にあっては、ｐｎ接合を有する受光部の形成に際し、ｐ型領域をチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入することとしたので、低いイオン注入エネルギで深いｐ型領域を形成することができ、光電変換効率の良い受光部を備えた固体撮像装置の製造方法及び固体撮像装置となる。
本発明にあっては、ｐｎ接合を有する受光部の形成に際し、ｎ型領域をチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入することとしたので、低いイオン注入エネルギで深いｎ型領域を形成することができ、光電変換効率の良い受光部を備えた固体撮像装置の製造方法及び固体撮像装置となる。
本発明にあっては、固体撮像装置の受光部のｐｎ領域を半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件（イオン注入角度）のもとで形成するので、低エネルギでのイオン注入により深い拡散領域（ｐｎ接合部）を有するフォトダイオードを形成することができる。また、低エネルギでのイオン注入でフォトダイオードを形成するのでダメージの少ないフォトダイオードを形成することができる。また、大型のイオン注入装置を必要としないで、簡単なイオン注入工程で受光部を形成することができる。従って、光電変換効率の高い高感度の固体撮像装置の製造方法及びそのような固体撮像装置を提供することができる。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。各図はいずれも断面図であるが、図面の見易さを考慮して斜線は全て省略する。
図１は受光部（光電変換部）のｐ型領域を形成するためのイオン注入の状況を説明する断面図である。例えばｎ型のＳｉ単結晶で構成される半導体基板１は、１００面精度を０〜０．５度以下、オリエンテーションフラット又はノッチ位置精度を０〜０．５度以下に制御されている。半導体基板１の表面にはｎ型のエピタキシャル層２が堆積される。エピタキシャル層２の表面にレジスト膜３を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を適用して受光部パターンに対応する開口部３ｈを開口する。その後、ボロンのイオン注入４を行い、受光部のｐ型領域５を形成する。
ボロンのイオン注入条件は、イオン注入エネルギ数百〜４ＭｅＶ、イオン注入量１×１０10〜１×１０12ｉｏｎｓ／ｃｍ2 であり、半導体基板１表面の法線方向に対するイオン注入角度（θ）は０度±０．２度である。イオン注入角度としては、この他に法線方向に対するイオン注入角度（γ）は７度で、かつ半導体基板１のノッチ（又はウエハ状態での半導体基板１のオリエンテーションフラット）に対して回転角（Φ）は４５度（１３５度、２２５度、又は３１５度）としても同様な作用効果が得られる。なお、角度の数値の０．２度、７度、４５度、１３５度、２２５度、又は３１５度について、多少の許容範囲があることは技術常識として言うまでもない。イオン注入条件によっても変動するが、チャネリングが発生することから、注入飛程Ｒｐで約１．５倍程度深く注入できる。従って、ｐ型領域５の深さを４〜６μｍ程度に形成することが容易に可能となる。また、結晶性への影響についてはチャネリングが発生することから、結晶へのダメージはほとんど問題にならない。
図２は電荷転送部のｐ型領域を形成するためのイオン注入の状況を説明する断面図である。受光部のｐ型領域５を形成した後、半導体基板１の表面にレジスト膜６を塗布し、フォトリソグラフィ技術を適用して電荷転送部パターンに対応する開口部６ｈを開口する。その後、ボロンのイオン注入７を行い、電荷転送部８（ポテンシャルの井戸）を形成する。なお、このときのイオン注入条件は従来のイオン注入条件と同様である。
図３は受光部（光電変換部）のｎ型領域を形成するためのイオン注入の状況を説明する断面図である。図２の工程の後、例えばＳｉＯ2 、又はＳｉＮで構成されるゲート酸化膜９をＳｉＯ2換算で約３０〜６０ｎｍ程度形成し、その上に導電性のＳｉ配線膜を形成した後、適宜のパターンでパターニングすることでＳｉ配線１０を形成する。Ｓｉ配線１０などの表面にレジスト膜１１を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を適用して受光部パターン（ｐ型領域５）に対応する開口部１１ｈを開口する。その後、リンのイオン注入１２を行い、ｐ型領域５の表面部分に受光部のｎ型領域１３を形成する。つまり、ｐｎ接合を備えたフォトダイオード（受光部）が形成される。
リンのイオン注入条件は、イオン注入エネルギ２００〜４ＭｅＶ、イオン注入量１×１０12〜５×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2 であり、半導体基板１表面の法線方向に対するイオン注入角度（θ）は０度±０．２度である。イオン注入角度としては、この他に法線方向に対するイオン注入角度（γ）は７度で、かつ半導体基板１のノッチ（又はウエハ状態での半導体基板１のオリエンテーションフラット）に対して回転角（Φ）は４５度（１３５度、２２５度、又は３１５度）としても同様な作用効果が得られる。なお、角度の数値の０．２度、７度、４５度、１３５度、２２５度、又は３１５度について、多少の許容範囲があることは技術常識として言うまでもない。イオン注入条件によっても変動するが、チャネリングが発生することから、注入飛程Ｒｐで約１．５倍程度深く注入できる。従って、ｎ型領域１３の深さを２〜４μｍ程度に形成することが容易に可能となる。また、結晶性への影響についてはチャネリングが発生することから、結晶へのダメージはほとんど問題にならない。
図４は半導体基板の表面に保護膜及び遮光膜を形成した状態を示す断面図である。ｎ型領域１３を形成した後、受光部（ｎ型領域１３）の表面付近に、光電変換された電荷の取り出し効率を向上するためにボロンをイオン注入（図示省略）する。ボロンのイオン注入条件は、イオン注入エネルギ２０〜１００ｋｅＶ、イオン注入量１×１０13〜５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2 である。その後、アニ−ルにより、イオン注入したイオンを活性化し受光部（ｐ型領域５、ｎ型領域１３）、転送部８を確立する。次に半導体基板１の全面に保護膜１４を形成し、さらに受光部以外の領域を遮光膜１５で覆う。
図５は遮光膜の上部に層間保護膜を形成した状態を示す断面図である。遮光膜１５を形成した後、層間保護膜１６を形成し、さらに半導体基板１の内部に形成された各部との間で必要なコンタクトを取るためのコンタクトホール（図示省略）を開口し、アルミニウムなどで構成される配線（図示省略）を形成することにより、固体撮像装置が製造される。
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の各製造工程での状態を説明する断面図である。 従来の固体撮像装置の製造工程途中での状態を説明する断面図である。
符号の説明
１ 半導体基板
２ エピタキシャル層
４ イオン注入
５ ｐ型領域
８ 電荷転送部
１２ イオン注入
１３ ｎ型領域

Claims (8)

  1. 半導体基板に電荷転送部とｐｎ接合を有する受光部とを備える固体撮像装置の製造方法において、
    前記ｐｎ接合のｐ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入を行うことにより形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  2. 前記ｐｎ接合のｎ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でイオン注入を行うことにより形成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。
  3. 前記半導体基板の表面は１００結晶面であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置の製造方法。
  4. 前記イオン注入条件はイオン注入角度が前記半導体基板表面の法線方向に対して±０．２度以内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の固体撮像装置の製造方法。
  5. 前記イオン注入条件はイオン注入角度が前記半導体基板の法線方向に対して７度であり、かつ前記半導体基板のノッチに対して回転角が４５度、１３５度、２２５度、３１５度のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の固体撮像装置の製造方法。
  6. 半導体基板に電荷転送部とｐｎ接合を有する受光部とを備える固体撮像装置において、
    前記ｐｎ接合のｐ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でのイオン注入により形成されたものであることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 前記ｐｎ接合のｎ型領域は半導体基板に対してチャネリングを生じるイオン注入条件でのイオン注入により形成されたものであることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記ｐ層は半導体基板の表面から４〜６μｍの深さを有することを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像装置。
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