JP2008300741A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造工程を複雑にすることなく、高エネルギーでイオン注入を行っても、結晶欠陥を防止することができ、暗電流を抑えられる個体撮像装置の製造方法を提供できる。
【解決手段】半導体基板にフォトダイオード層をイオン注入により埋め込み形成する工程と、このフォトダイオード層上にシールド層をイオン注入により埋め込み形成する工程を含む固体撮像装置の製造方法のうち、少なくともシールド層を形成するイオン注入工程において、このイオン注入工程期間に少なくとも１回以上のイオン注入工程休止期間を設けることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体基板中に形成される不純物拡散層の製造方法、特に、固体撮像装置におけるフォトダイオード層およびフォトダイオード層上に形成されるシールド層の製造方法に関する。
固体撮像装置に形成される光電変換部は、例えばＮ型半導体基板を使用する場合には、このＮ型半導体基板中にＰ型不純物拡散領域が形成され、Ｎ型半導体基板とこのＰ型不純物拡散領域の境界においてＰＮ接合が形成される。このＰＮ接合部は、光電変換を行う受光部として機能する。Ｐ型不純物拡散領域上には、製造工程における物性および熱エネルギーから、このＰ型不純物拡散領域を保護するためのシールド層として機能するＮ＋型不純物拡散領域が形成される。これらＰ型不純物拡散領域とＮ＋型不純物拡散領域が形成されたＮ型半導体基板上には、絶縁膜である酸化膜が形成され、この酸化膜上であり、かつ、Ｎ＋型不純物拡散領域が酸化膜を介して下部にない部分にはゲート電極が配置される。このゲート電極は、受光部により生成された信号電荷を、信号電荷転送部へと転送するための電極である。
上記の固体撮像装置の光電変換部の形成において、従来は、不純物となるイオンの注入を、高いイオン注入エネルギーで一度に行うことでシールド層を形成していた。しかし、不純物拡散領域からなるシールド層を形成する場合に、イオン注入で用いられるエネルギー範囲は、半導体基板の結晶を構成する原子の結合エネルギーよりはるかに大きいため、入射イオンに衝突された原子は塑性変形となり格子点からはじき出されて結晶欠陥を生じていた。この塑性変形による結晶欠陥によって、半導体原子の格子間の結合エネルギーは弱くなり、結晶欠陥がない場合において禁制帯であったエネルギー準位中に、エネルギー準位を持つ。よって、バンドギャップが狭くなってしまうため、禁制帯において電子が価電子帯から導電帯に移動してしまい、これが暗電流の原因となった。
また、イオン注入を行った半導体基板に対して、アニールを行うことで結晶欠陥を回復させる方法が一般的だが、この工程による重金属トラップによって、禁制帯にエネルギー準位を持つため、これが暗電流の原因となった。
このようなイオン注入工程に関する問題に対して、高エネルギーイオン注入を行っても結晶欠陥を防止することができる方法が知られている。
すなわち、不純物拡散層を形成する工程において、半導体基板表面近くでは、この基板に使われている元素と原子半径が近いイオンを用い、１００keV以上３００keV以下の注入エネルギーでイオン注入を行い、一方、半導体基板の深い部分では、この基板に使われている元素と質量が近いイオンを用い、３００keV以上４０００keV以下の注入エネルギーでイオン注入を行うものである(特許文献１)。
しかし、上記工程においては、同一の不純物拡散領域を形成する際に、異なるイオンを用いなければならず、製造工程が複雑になるという問題がある。
以上に示したように、従来の不純物拡散層を形成する工程においては、高エネルギーでイオン注入を行っていたため結晶欠陥が生じ、これによって暗電流が発生していた。また、上記の問題を解決する手段として、異なるイオンを用いて同一の不純物拡散領域を形成する方法があるが、この方法は、製造工程が複雑になるという問題がある。
特開２００７−１０９８１８号公報
本発明の課題は、製造工程を複雑にすることなく、高エネルギーでイオン注入を行っても、結晶欠陥を防止することができ、暗電流を抑えられる個体撮像装置の製造方法を提供することにある。
本発明による固体撮像装置の製造方法は、半導体基板にフォトダイオード層をイオン注入により埋め込み形成する工程と、このフォトダイオード層上にシールド層をイオン注入により埋め込み形成する工程を含む固体撮像装置の製造方法のうち、少なくともシールド層を形成するイオン注入工程において、このイオン注入工程期間に少なくとも１回以上のイオン注入工程休止期間を設けることを特徴とするものである。
本発明によれば、製造工程を複雑にすることなく、高エネルギーでイオン注入を行っても結晶欠陥を防止することができ、暗電流を抑えられる個体撮像装置が得られる。
以下に、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明により製造される固体撮像装置の光電変換部を示す断面図である。同図に示されるように、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１には、Ｐ型不純物拡散領域１２がイオン注入により埋め込み形成される。このＰ型不純物拡散領域１２とＮ型Ｓｉ半導体基板１１との境界部分はＰＮ接合となっており、これによりフォトダイオード１３を形成している。Ｐ型不純物拡散領域１２上には、Ｎ＋型不純物拡散領域１４が同じくイオン注入により埋め込み形成される。このＮ＋型不純物拡散領域１４は前述したように、Ｐ型不純物拡散領域１２のシールド層として機能する。これらＰ型不純物拡散領域１２上およびＮ＋型不純物拡散領域１４が埋め込み形成されたＮ型Ｓｉ半導体基板１１上には絶縁膜であるＳｉＯ２酸化膜１５が形成される。この酸化膜１５上の、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１に隣接する部分には、フォトダイオード１３によって生成された信号電荷を、信号電荷転送部（図示せず）に転送するためのゲート電極１６が配置されている。このゲート電極１６に電圧パルスが印加されることにより、フォトダイオード１３で生成された信号電荷を信号電荷転送部に転送することができる。
次に、このような固体撮像装置の製造方法について、図２〜図５を用いて説明する。なお、この固体撮像装置の製造方法は、光電変換部以外は一般的な方法で製造されるため、ここでは光電変換部についてのみ説明する。
まず、図２に示すように、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１の表面にＳｉＯ２酸化膜１５を形成する。その表面にレジスト膜１７を全面に形成し、フォトダイオード１３を形成する部分に開口１８を形成し、イオン注入用のマスクを形成する。
次いで、このマスクの開口１８を介してボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）などの不純物をイオン注入により、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１内に注入する。その後熱処理によるアニール工程を経て、図３に示すように、Ｐ型不純物拡散領域１２を形成する。
次に、再び、イオン注入用のマスクの開口１８を介して、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）などの不純物をイオン注入により、Ｐ型不純物拡散領域１２の表面領域内に注入する。このイオン注入に際しては、所定の注入エネルギーにより所定の時間に亘ってイオン注入工程を行った後、イオン注入を一旦休止する。この休止時間は、例えば３０分以上１時間以内である。この休止期間後、上記のイオン注入工程とほぼ同じイオン注入エネルギーで、再びイオン注入を開始する。これらのイオン注入時間は、例えば３００秒である。その後、熱処理によるアニール工程を経て、図４に示すように、Ｐ型不純物拡散領域１２の表面領域にＮ＋型不純物拡散領域１４を形成する。
最後に、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１上に形成されているレジスト膜１７を除去し、酸化膜１５上の、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１に隣接する部分にゲート電極１６を形成する。
以上の工程にしたがって光電変換部を形成するが、Ｎ＋型不純物拡散領域１４を形成するイオン注入工程に関して、所定のイオン注入エネルギーは、不純物が注入された後のイオン濃度分布が図５に示すような分布になるように、酸化膜１５の厚さ及び注入エネルギーを調節してイオン注入を行う。すなわち、図５に示されるように、イオン濃度分布のピークがＮ＋不純物拡散領域１４内に存在し、かつ、イオン濃度分布のピークに対して80%の濃度を示す部分が、Ｎ＋不純物拡散領域１４上に形成される酸化膜１５内に存在するものであり、20keV以下のイオン注入エネルギーにより可能である。このイオン注入時間は、例えば３００秒である。また、休止期間は複数回もうけてもよい。その際のエネルギー量は、できるだけ低いイオン注入エネルギーとなるように、複数回に分けて注入する。
このようにして、図１に示すような固体撮像装置の光電変換部が実現される。
次に、本発明の製造方法においては、結晶欠陥が防止できる理由について図６、図７を参照して説明する。
図６（a）は、Ｓｉ半導体基板に不純物イオンＢが注入される様子を示している。イオン注入を行うことで、同図（b）に示すように、Ｓｉ半導体基板を形成するＳｉ結晶が衝撃により歪み、変形する。この結晶の変形は初期においては弾性変形であるが、注入エネルギーが大きいか、長時間にわたると弾性変形の限界を超え、同図（c）に示すように、Ｓｉ結晶の塑性変形状態になり、さらには結晶結合が一部切断され破壊される状態になる。この結果結晶欠陥１９が生じる。
他方、図７に示すように、Ｓｉ半導体基板に不純物イオンを注入し（同図（a））、Ｓｉ半導体結晶が弾性変形状態に至った際（同図(b)）、塑性変形状態至る前に、イオン注入工程を休止することで、結合が弾性復帰によって元の状態に戻る（同図（c））ことが判明した。このように、本発明においては、Ｓｉ半導体基板の結晶を構成するＳｉ原子の結合状態が、塑性変形状態になる前に、イオン注入工程を最低３０分程度休止することによって、結合状態は弾性復帰し、元の状態に戻る。このようなイオン注入工程を繰り返すことにより、結晶欠陥を生ずることなく、所望のイオン濃度を達成した不純物半導体領域が形成される。
図８に、従来一般に行われている、連続的なイオン注入によるイオン注入工程と、本発明によるイオン注入工程における、イオン注入量と、Ｓｉ基板を構成するＳｉ結晶における原子の変位量を示す。
図８より、所望のイオン注入量を達成したときのＳｉ半導体基板の結晶を構成するＳi原子の結合は、従来の工程であれば塑性変形状態となっているが、本発明によるイオン注入方法を行うことで弾性変形状態を保っていることがわかる。
以上のイオン注入方法は、本実施例においてはＮ＋型不純物拡散領域１４を形成するために用いたが、本実施例以外にも、例えばＰ型不純物拡散領域１２を形成するためのイオン注入工程においても有効である。
さらに、本実施例と極性が異なる光電変換部を形成する場合、すなわち、Ｐ型Ｓｉ半導体基板に埋め込み形成され、フォトダイオードとして機能するＮ型不純物拡散領域、および、このＮ型不純物拡散領域上に、シールド層として機能するＰ＋型不純物拡散領域の形成に関しても、本発明によるイオン注入方法は有効である。
一般的な固体撮像装置の光電変換部を示す断面図である。 本発明によって製造される固体撮像装置の光電変換部の製造工程を示す断面図である。 本発明によって製造される固体撮像装置の光電変換部の製造工程を示す断面図である。 本発明によって製造される固体撮像装置の光電変換部の製造工程を示す断面図である。 本発明によるイオン注入を行うときに必要なイオン注入エネルギーの設定方法を示す図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法の原理を説明するためのＳｉ半導体基板の結晶構造の模式図である。 同じく本発明の固体撮像装置の製造方法の原理を説明するためのＳｉ半導体基板の結晶構造の模式図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法における、イオン注入量と、Ｓｉ基板を構成するＳｉ結晶における原子の変位量を従来の製造方法と対比して示す図である。
符号の説明
１１：Ｎ型Ｓｉ半導体基板、１２：Ｐ型不純物拡散領域、１３：フォトダイオード、１４：Ｎ＋型不純物拡散領域、１５：ＳｉＯ２酸化膜、１６：ゲート電極、１７：レジスト膜、１８：開口、１９：結晶欠陥

Claims (4)

  1. 半導体基板にフォトダイオード層をイオン注入により埋め込み形成する工程と、このフォトダイオード層上にシールド層をイオン注入により埋め込み形成する工程を含む固体撮像装置の製造方法のうち、少なくともシールド層を形成するイオン注入工程において、このイオン注入工程期間に少なくとも１回以上のイオン注入工程休止期間を設けることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  2. イオン注入エネルギーは、イオン注入によって形成される半導体基板内イオン濃度分布のピーク値を示す深さがシールド層に存在し、かつ、このピーク値に対して80%の値であるイオン濃度を示す深さがシールド層上に形成される酸化膜内に存在するもの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。
  3. 前記各イオン注入工程のイオン注入エネルギーは、各回ほぼ同じエネルギー量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。
  4. イオン注入工程終了後に、アニール工程を含む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。
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