JP2009194005A

JP2009194005A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP2009194005A
Application number: JP2008030270A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Yoshida; 貢吉田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】固体撮像素子の暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧を低電圧化する固体撮像素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】信号電荷蓄積層１０上の転送電極９とは離れた領域に第２の開口部を有するフォトレジストを形成する工程と、フォトレジストを用いてゲート酸化膜８ａの一部を除去する工程と、基板上からフォトレジストを除去する工程と、ゲート酸化膜８ａ上から注入エネルギーの異なるイオン注入を少なくとも２回行って、信号電荷蓄積層の基板主面側に正孔蓄積層１１を形成する工程とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は固体撮像素子の製造方法に関し、特に固体撮像素子の暗電流の増加を抑制して読み出し電圧の低電圧化を実現する固体撮像素子の製造方法に関する。

近年、固体撮像素子の高画質化を目的に、センサ部の信号電荷蓄積層の半導体基板主面側に正孔蓄積層を形成し、センサ部における暗電流を抑制して感度向上を図る固体撮像素子が提案されている。熱励起により信号電荷蓄積層の基板主面側で発生した電子を正孔蓄積層が捕捉して暗電流の発生を抑制する。

しかし、この固体撮像素子では、信号電荷蓄積層や正孔蓄積層を形成するために基板中に導入した不純物は、これらの不純物の活性化熱処理工程やその後の熱処理工程で横方向に転送電極下にまで拡散する。

特に、正孔蓄積層を形成するために導入したＰ型不純物が転送電極下に拡散した場合には、転送電極下の読み出し領域における信号電荷蓄積層側のＰ型不純物の濃度が大きくなる。その結果、読み出し電圧Ｖｔが高くなり、信号電荷蓄積層から読み出し領域を介して信号転送領域に信号電荷を読み出し難くなる。これを防止するために、正孔蓄積層のＰ型不純物の濃度や拡散深さを小さくすると、正孔蓄積層が暗電流を抑制できなくなる。

そこで、読み出し領域に近い部分の正孔蓄積層のＰ型不純物濃度を低くする固体撮像素子が提案されている。この固体撮像素子は暗電流と読み出し電圧の上昇とを抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−４０７９４号公報

しかしながら、光学系の小型化に伴い単位画素セルサイズも小型化した固体撮像素子では、素子分離領域の幅が狭くなり、素子分離領域両側のＰ型の正孔蓄積層とＮ型の信号転送領域とが接近する。

素子分離部領域はＰ型不純物によってＮ型の信号電荷蓄積部とＮ型の信号転送領域とを分離するが、正孔蓄積層のＰ型不純物の濃度は素子分離領域のＰ型不純物の濃度以上であるため、ＰＮ分離領域においてＰ型の不純物濃度が高くなる。そして、素子分離領域での電界強度が高くなり、読み出し電圧印加時にＰＮ分離領域のブレイクダウンによるホットエレクトンが発生して暗電流特性が劣化する。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、固体撮像素子の単位画素セルサイズが小型化しても暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧の低電圧化を実現する固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の主面側に信号転送領域と素子分離領域とを形成する工程と、基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜上に第１の開口部を有する転送電極を形成する工程と、基板の主面側で第１の開口部に対応する領域に信号電荷蓄積層を形成する工程と、信号電荷蓄積層上の転送電極とは離れた領域に第２の開口部を有するマスクを形成する工程と、マスクを用いてゲート絶縁膜の一部を除去する工程と、基板上からマスクを除去する工程と、ゲート絶縁膜上から注入エネルギーの異なるイオン注入を少なくとも２回行って、信号電荷蓄積層の基板主面側に正孔蓄積層を形成する工程とを有する。

この方法により、暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧の低電圧化を実現する固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、注入エネルギーの異なるイオン注入は、注入イオンがゲート絶縁膜を突き抜けない注入エネルギーのイオン注入と、注入イオンがゲート絶縁膜を突き抜ける注入エネルギーのイオン注入とである。

この方法により、正孔蓄積層の周辺部の正孔蓄積層を構成する不純物の濃度が小さい固体撮像素子を製造することができる。

また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、注入エネルギーの異なるイオン注入は、注入エネルギーが小さいイオン注入のドーズ量が、注入エネルギーの大きいイオン注入のドーズ量より多い。

本発明の固体撮像素子の製造方法による固体撮像素子は、正孔蓄積層の周辺部の不純物濃度が正孔蓄積層の中央部の不純物濃度よりも小さい。したがって、読み出し領域では正孔蓄積層の不純物が転送電極下に拡散することによる影響が抑えられ、素子分離領域では不純物濃度の上昇が抑えられて電界強度が緩和される。しかも、正孔蓄積層の中央部では不純物濃度及び拡散深さが確保されて、基板主面側で熱励起された電荷の捕捉能力が保たれ暗電流の防止効果が維持される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧の低電圧化を実現する固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１乃至図４はそれぞれ本発明の実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一工程を示す断面図である。本実施の形態の固体撮像素子は垂直転送部、水平転送部、出力部を有するＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）型であり、図１乃至図４は垂直転送部の電荷転送方向と垂直な方向での断面図である。

図１に示すように、固体撮像素子が形成される半導体基板１は素子分離部２、信号転送部３、読み出しゲート部４、センサ部５に領域を分けることができる。素子分離部２からセンサ部５までが単位画素セルサイズに相当する。Ｐ型の半導体基板１にはシリコンを用いる。Ｐ型基板１の代わりにＰウェル層を用いても良い。

素子分離部２の基板主面側に素子分離幅を０．３μｍ程度に設定したＰ型の素子分離領域６を形成し、素子分離部２に隣接する信号転送部３の基板主面側にＮ型の信号転送領域７を形成する。信号転送部３は上記の垂直転送部に相当する。

素子分離部２、信号転送部３及び読み出しゲート部４の上に、ゲート酸化膜及びゲート窒化膜で構成されるＯＮＯゲート絶縁膜８を介してポリシリコンの転送電極９を形成する。転送電極９は、センサ部５上に開口部９ａを有している。転送電極９を形成するときにセンサ部５上の開口部９ａに対応するところに、ゲート絶縁膜８の一部であるゲート酸化膜８ａを残すようにする。

転送電極９をマスクに用いたイオン注入によって、センサ部５における基板１の主面側にＮ型不純物を導入してＮ型の信号電荷蓄積層１０を形成する。信号電荷蓄積層１０と信号転送領域７との間の基板１は、Ｐ型の読み出し領域１ａになる。

次に、図２に示すように、基板１上に、センサ部５上で転送電極９、読み出し領域１ａ及び素子分離領域６から所定距離を離れた領域に開口部１２ａを有するフォトレジスト１２を形成する。

ウエットエッチング法を用いて、開口部１２ａ下のゲート酸化膜８ａを除去し，センサ部５上にゲート酸化膜８ａの開口部８ｂを形成する。基板１上からフォトレジスト１２を除去する。

次に、図３に示すように、転送電極９とセンサ部５上のゲート酸化膜８ａとをマスクにして１回目のイオン注入を行いＰ型不純物（Ｂ＋）を導入して、センサ部５に正孔蓄積層１１ａを形成する。この１回目のイオン注入の注入エネルギーは注入イオンがゲート酸化膜８ａを突き抜けないように設定して、正孔蓄積層１１ａを開口部８ｂ下に形成する。なお、ゲート酸化膜８ａ下のＰ型不純物の濃度が開口部８ｂ下のＰ型不純物の濃度のピーク値の０．１％以下であれば、１回目のイオン注入の注入イオンがゲート酸化膜８ａを実質的に突き抜けていないものとする。

次に、図４に示すように、１回目のイオン注入に続けて２回目のイオン注入を行いＰ型不純物を導入して、センサ部５に正孔蓄積層１１ｂ及び正孔蓄積層１１ｃを形成する。２回目のイオン注入の注入エネルギーは注入イオンがゲート酸化膜８ａを突き抜けるように設定して、Ｐ型不純物（Ｂ＋）をセンサ部５の基板主面側に導入する。２回目のイオン注入の注入ドーズ量は１回目のイオン注入のドーズ量よりも少なくする。

基板１中に導入した各不純物の活性化熱処理を行う。これにより、正孔蓄積層１１ａ、正孔蓄積層１１ｂ、正孔蓄積層１１ｃを有する正孔蓄積層１１を、信号電荷蓄積層１０の基板主面側に設けた構造の固体撮像素子を得る。なお、正孔蓄積層１１ｂの幅αと正孔蓄積層１１ｃの幅βの比は１：２〜１：４の範囲が良い。正孔蓄積層１１ｃの幅が狭くなりすぎると熱励起された電荷の正孔蓄積層１１ｃでの補足能力が不足して暗電流を防止できなくなる。逆に正孔蓄積層１１ｃの幅が広くなりすぎると正孔蓄積層１１ｂの幅が狭くなり、読み出し電圧Ｖｔの上昇を防止できなくなる。

本実施の形態によると、センサ部５における読み出し領域１ａ側と素子分離領域６側とをそれぞれ所定の幅のゲート酸化膜８ａで覆い、１回目のイオン注入はゲート酸化膜８ａをマスクとして注入イオンがゲート酸化膜８ａを突き抜けないような注入エネルギーに設定するため、センサ部５の読み出し領域１ａ側と素子分離領域６側とにはＰ型不純物は導入されない。

そして、２回目のイオン注入は注入イオンがゲート酸化膜８ａを突き抜けるような注入エネルギーで、かつ、１回目のイオン注入より注入ドーズ量を少なくするため、正孔蓄積層１１は、センサ部５の読み出し領域１ａ側、及び、素子分離領域６側におけるＰ型不純物の濃度及び拡散深さの値が中央部分におけるこれらの値よりも小さくなる。正孔蓄積層１１のＰ型不純物のピーク濃度を周辺部は１Ｅ１７／ｃｍ^３〜１Ｅ１８／ｃｍ^３程度と、中央部を１Ｅ１９／ｃｍ^３〜１Ｅ２０／ｃｍ^３程度である。

このため、正孔蓄積層１１を構成するＰ型不純物が転送電極１０下に拡散することによる影響を抑えて、読み出しゲート部４で信号電荷蓄積層１０から信号転送領域７へ信号が読み出し難くなることや、素子分離部２でＰ型不純物濃度が上昇し、電界強度が高まり、読み出し電圧印加時のブレイクダウンによりホットエレクトンが発生しやすくなることを防止できる。

しかも、正孔蓄積層の中央部分は、Ｐ型不純物の濃度及び拡散深さを確保できることから、基板１表面で熱励起された電荷の捕捉能力を保ち、暗電流の防止効果を維持して、暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧の低電圧化を実現することができる。

なお、本実施の形態において、上記の１回目のイオン注入と２回目のイオン注入とは逆の順序で行っても良い。

また、ゲート絶縁膜はゲート酸化膜とゲート窒化膜との組み合わせに限られるものではなく、例えばゲート酸化膜単層であってもよい。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、暗電流の増加を抑制し、読み出し電圧の低電圧化が図れる固体撮像素子を提供することができ、固体撮像素子の高画質化に有用である。

本発明の実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一工程を示す断面図本発明の実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一工程を示す断面図本発明の実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一工程を示す断面図本発明の実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一工程を示す断面図

符号の説明

１基板
６素子分離領域
７信号転送領域
８ゲート絶縁膜
９転送電極
１０信号電荷蓄積層
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ正孔蓄積層
１２フォトレジスト

Claims

半導体基板の主面側に信号転送領域と素子分離領域とを形成する工程と、
前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に第１の開口部を有する転送電極を形成する工程と、
前記基板の主面側で前記第１の開口部に対応する領域に信号電荷蓄積層を形成する工程と、
前記信号電荷蓄積層上の前記転送電極とは離れた領域に第２の開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて前記ゲート絶縁膜の一部を除去する工程と、
前記基板上から前記マスクを除去する工程と、
前記ゲート絶縁膜上から注入エネルギーの異なるイオン注入を少なくとも２回行って、前記信号電荷蓄積層の前記基板主面側に正孔蓄積層を形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記注入エネルギーの異なるイオン注入は、注入イオンが前記ゲート絶縁膜を突き抜けない注入エネルギーのイオン注入と、注入イオンが前記ゲート絶縁膜を突き抜ける注入エネルギーのイオン注入とであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
前記注入エネルギーの異なるイオン注入は、注入エネルギーが小さいイオン注入のドーズ量が、注入エネルギーの大きいイオン注入のドーズ量より多いことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子の製造方法。