JP2011114063A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の寸法及びパターンで不純物層を形成する。
【解決手段】半導体基板１１に対して、厚さ２μｍ以上のレジスト４２を塗布する。第１ストライプパターン（横方向に向けられたストライプが一定間隔で配列されたパターン）を有する露光マスクを用いて、レジスト４２に対して第１回目の露光を行う。その後に、第２ストライプパターン（縦方向に向けられたストライプが一定間隔で配列されたパターン）を有する露光マスクを用いて、レジスト４２に対して第２回目の露光を行なう。合計２回の露光により得られるレジストマスク５５をマスクにしてｐ型のイオン注入する。これにより、半導体基板１１の深い位置に、画素間を分離する画素間分離領域３３が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、レジストマスクを用いて半導体基板にイオン注入することにより、半導体基板内の深い位置に不純物層領域を形成する固体撮像装置の製造方法に関する。

デジタルカメラには、撮像手段として、CCD型やMOS型固体撮像装置が設けられている。固体撮像装置は、半導体基板上に一定のピッチで配列された多数のフォトダイオードを備えており、これらフォトダイオードで被写体からの光を検出する。各フォトダイオードは入射した光の量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷は垂直転送領域によって読み出される。フォトダイオードで蓄積できる最大の電荷量（飽和電荷量）は、半導体基板に対するバイアス電圧の印加によって形成されるポテンシャルバリアの高さによって定められる。

フォトダイオードに強い光が入射すると、飽和電荷量以上の過剰電荷が蓄積される。この過剰電荷が、隣接するフォトダイオードや垂直転送領域に流れ込むと、画面が白くなる画素間ブルーミングが起こりうるため、高画質な画像を得ることが困難となる。そこで、ポテンシャルバリアが残るようにバイアス電圧を変化させることによって、過剰電荷を基板から引き出すことができる。これにより画素間ブルーミングを抑制することができる。

しかしながら、近年では、固体撮像装置の微細化（高画素化）が進展している。これに伴って、フォトダイオードのサイズも縮小しているため、各画素における飽和電荷量も低くなっている。したがって、上述のように、画素間ブルーミングを抑制するために過剰電荷を引き出すことによって、逆に、画像を得るために最低限必要な電荷量を確保することが困難となる。

そこで、例えば特許文献１に示すように、フォトダイオードの画素間に、垂直電極領域よりも更に深い位置に画素間分離領域を設けることで、バイアス電圧を引き上げることなく、画素間ブルーミングを抑制することができる。この画素間分離領域は、レジストマスクが塗布された半導体基板に対して、ｐ型不純物をイオン注入することにより形成される。

特開２００７−５３２５０号公報

しかしながら、垂直電極領域よりも更に深い位置に画素間分離領域を形成するには、非常に高い打ち込みエネルギーでイオン注入する必要がある。したがって、レジストマスクの厚みが小さい場合には、垂直電極領域の下方だけでなく、その周辺にもイオン注入してしまうおそれがある。これに対して、レジストマスクの厚みを大きくすると、レジストに対して侵入する露光光の深さが浅くなる、即ち十分な焦点深度を得ることができなくなるおそれがある。十分な焦点深度が得られない状態で露光が行なわれたレジストマスクは、マスク開口の面積が画素間分離領域が形成される部分の面積よりも小さくなる。そのため、このようなレジストマスクをマスクにしてイオン注入がなされると、所望の面積よりも小さく、また所望の寸法及びパターンと異なる画素間分離領域が形成されることとなる。

本発明は、垂直電極領域の下方の画素間分離領域のように、半導体基板の深い位置にある不純物層を形成する場合であっても、十分な焦点深度が確保された状態で露光されたレジストマスクを用いてイオン注入することによって、所望の寸法及びパターンで不純物層を形成することができる固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の製造方法は、厚さ２μｍ以上のレジストを半導体基板に対して塗布する塗布工程と、所定方向に向けられた第１ストライプパターンが形成された露光マスクを用いて、前記レジストに対し露光を行う第１露光工程と、前記第１ストライプパターンは異なる方向に向けられた第２ストライプパターンが形成された露光マスクを用いて、前記第１露光工程を経たレジストに対し露光を行なう第２露光工程と、前記第２露光工程を経たレジストを現像して、レジストパターンを形成する現像工程と、前記レジストパターンをマスクにしてｐ型のイオン注入することによって、画素間を分離する画素間分離領域を形成する画素間分離領域形成工程とを備えることを特徴とする。

前記第１ストライプパターンと前記第２ストライプパターンとは互いに直交することが好ましい。前記第１ストライプパターンと前記第２ストライプパターンとは斜めに交差していることが好ましい。

前記画素間分離領域は、フォトダイオードで蓄積した電荷を読み出す垂直転送領域の下方に形成されていることが好ましい。画素間分離領域形成工程では、４００ｋｅＶ〜１．０ＭｅＶの加速電圧でイオン注入することが好ましい。

本発明によれば、所定方向に向けられたストライプが一定間隔で配列された第１ストライプパターンを有する露光マスクを用いて、レジストに対し第１回目の露光を行い、その後に、第１ストライプパターンのストライプとは異なる方向に向けられたストライプが一定間隔で配列された第２ストライプパターンを有する露光マスクを用いて、第１回目の露光を経たレジストに対して第２回目の露光を行い、合計２回の露光で得られた厚み２μｍ以上のレジストマスクをマスクにイオン注入することによって、画素間分離領域のような半導体基板の深い位置にある不純物層を、所望の寸法及びパターンで形成することができる。

固体撮像装置の断面図である。 画素間分離領域を形成する工程を示すフローチャートである。 画素間分離領域を形成する工程を（Ａ）〜（Ｅ）の順で説明するための説明図である。 露光装置の概略図である。 露光装置の一部である露光マスクの概略図である。 格子パターン状のレジストパターンを示す平面図である。 一方のストライプが他方のストライプに対して斜めに交差するレジストパターンを示す平面図である。 （Ａ）はストライプが斜め右上に向いた第１ストライプパターンを示す平面図であり、（Ｂ）はストライプが斜め左上に向いた第２ストライプパターンを示す平面図である。 （Ａ）はストライプが縦方向に向いた第２ストライプパターンが形成された露光マスクの一部を示す平面図であり、（Ｂ）は格子パターンが形成された露光マスクの一部を示す平面図である。 格子パターンが形成された露光マスクを用いて、画素間分離領域を形成する工程を示すフローチャートである。 （Ａ）は第２ストライプパターンを用いて形成されたレジストパターンを示す概略図であり、（Ｂ）はレジストパターンの上面における空間像を示す平面図であり、（Ｃ）はレジストパターンの下面における空間像を示す平面図である。 最初に第２ストライプパターンで第１回目の露光を行い、その後に第２ストライプパターンで第２回目の露光を行なうことによって、実質的に格子状に露光を行なうことを説明する説明図である。 （Ａ）は格子パターンの露光マスクを用いて形成されたレジストパターンを示す概略図であり、（Ｂ）はレジストパターンの上面における空間像を示す平面図であり、（Ｃ）はレジストパターンの下面における空間像を示す平面図である。 はストライプが縦方向に向いた第２ストライプパターンが形成された露光マスクの一部を示す平面図である。 図１４の所定部分（◆と◆との間で連結される領域）におけるFEMを示すグラフである。 図１４の所定部分（◆と◆との間で連結される領域）におけるSidewall Angle vs Focusを示すグラフである。 図１４の所定部分（◆と◆との間で連結される領域）におけるEL vs DoFを示すグラフである。 格子パターンが形成された露光マスクの一部を示す平面図である。 図１８の所定部分（◆と◆との間で連結される領域）におけるFEMを示すグラフである。 図１８の所定部分におけるSidewall Angle vs Focusを示すグラフである。 図１８の所定部分におけるEL vs DoFを示すグラフである。

図１に示すように、本発明の製法により得られる固体撮像装置１０は、ｎ基で形成される半導体基板１１の中に、被写体からの光を電荷に変換して蓄積するｎ型領域のフォトダイオード１２を備えている。このフォトダイオード１２の上には、高濃度の表面ｐ^＋型領域１３が形成されている。また、半導体基板１１の上には、被写体からの光が入射するマイクロレンズ１５と、このマイクロレンズ１５を経た光のうち所定波長の光を透過させるカラーフィルター１６と、このカラーフィルターの下方に位置する平坦化領域１７とが設けられている。また、マイクロレンズ１５等が設けられた半導体基板１１と反対側の面には、半導体基板１１に対して基板電圧を印加するオーバーフロードレイン端子２０が取り付けられている。

半導体基板１１内には、フォトダイオード１２の下方に、ｐ⁻型領域である第１オーバーフローバリア領域２１と、ｐ−ｗｅｌ型領域である第２オーバーフローバリア領域２２とが設けられている。第１オーバーフローバリア領域２１及び第２オーバーフローバリア領域２２は、フォトダイオード１２に蓄積する電荷量（飽和電荷量）を定めるポテンシャルバリアを形成する。

オーバーフロードレイン端子２０を介して半導体基板１１に正の電圧を印加することで、ポテンシャルバリアの高さは低下する。ポテンシャルバリアの高さが低下すると、フォトダイオード１２の飽和電荷量は減少する。また、半導体基板１１に対して印加する電圧は、強い光がフォトダイオード１２に入射して、過剰電荷が発生した場合であっても、その過剰電圧を半導体基板１１から引き出して、画素間ブルーミングを抑制することができるような電圧に設定されている。

フォトダイオード１２の側方には、ｐ型領域２４，２５と、ｎ型領域からなるＶＣＣＤの垂直転送領域２６が形成されている。垂直転送領域２６の上には、酸化シリコン等の絶縁膜２７が形成され、その上に、ポリシリコン等からなる垂直転送電極２８が形成されている。垂直転送電極２８は、垂直転送領域２６の上方だけでなく、その両脇のｐ型領域２４の上方にも形成されている。垂直転送電極２８は、電荷読み出し時に正の電荷が印加されることで、ｐ型領域２４が形成するポテンシャルバリアを低下させる。このポテンシャルバリアを低下させることによって、フォトダイオード１２から垂直転送領域２６に電荷を読み出す。

垂直転送電極２８の上には、酸化シリコン等の絶縁膜３０と、その表面上にタングステン等で形成された遮光膜３１とが設けられている。ただし、フォトダイオード１２の上方は受光エリアとなっているため、この部分には遮光膜３１が設けられていない。したがって、被写体からの光はフォトダイオード１２のみに入射し、それ以外は遮光膜３１で入射が遮られる。

垂直転送領域２６の下方には、ｐ型の画素間分離領域３３が形成されている。この画素間分離領域３３は、隣接するフォトダイオード１２間の電荷移動を防止するする。これによって、画素間ブルーミングを防止することができるとともに、フォトダイオード１２から垂直転送領域２６への不要な電荷の漏れ込みを防ぐことで、スミア（垂直転送の途中に余剰の電荷が垂直転送路に流れ込んで、画像中に垂直な白い帯が見えてしまう現象）を抑制することもできる。

画素間分離領域３３は、例えばＢ（ボロン）等のｐ型不純物をドーズ量１．０×１０^１１〜５．０×１０^１１ｃｍ^−２、打ち込みエネルギー（加速電圧ともいう）４００ｋｅＶ〜１．０ＭｅＶ、好ましくは８００ＫｅＶのイオン注入によって形成される。イオン注入は、後述するように、画素間分離領域３３に対応したパターンが形成されたレジストマスク５５（図６参照）を用いて行なわれる。

次に、半導体基板内に画素間分離領域を形成する工程について、図２のフローチャートに従って説明する。まず、図３（Ａ）に示すようなウエハーなどの半導体基板１１を、レジストパターン形成装置（図示省略）に入れる。そして、半導体基板１１の表面に薄い酸化膜４０を形成した後、この酸化膜４０全体に対してイオン注入を行って、ボロン（Ｂ）を半導体基板１１に導入する。この後に不純物イオンの活性化を行なうことによって、図３（Ｂ）に示すように、半導体基板１１内に第１オーバーフローバリア領域２１及び第２オーバーフローバリア領域２２が形成される。

次に、図３（Ｃ）に示すように、酸化膜４０全体にレジスト４２を塗布する。ここで、レジストは厚膜レジストであることが好ましく、その厚みは、後述するように、画素間分離領域を形成する際のイオン注入にも耐えうる程の厚み、例えば２μｍ以上とすることが好ましい。そして、図３に示すような露光装置４５を用いて、レジスト４２に対して露光（Exposure）を行なう。露光装置４５は、露光光４６ａを発する光源４６と、一定の方向に向けられたストライプ４７ａが等間隔に配列された周期ストライプパターンを有する露光マスク４７と、この露光マスク４７を経た光を集光する集光レンズ４８と、集光レンズ４８の光軸Ｌを中心として露光マスク４７を一定角度だけ回転させる回転機構４９とを備えている。

露光を行なうに際しては、まず、回転機構４９を操作し、露光マスク４７のストライプを横方向（Ｘ方向）に向ける（第１ストライプパターン５０）。そして、この状態で第１回目の露光を行う。第１回目の露光が完了すると、レジスト４２を加熱して硬化させる処理（Post Exposure Bake（ＰＥＢ））を行なう。

次に、図５に示すように、回転機構を操作し、露光マスクを９０度回転させて、露光マスクのストライプを縦方向（Ｘ方向と直交するＹ方向）に向ける（第２ストライプパターン５２）。そして、この状態で第２回目の露光を行なう。第２回目の露光が完了すると、第１回目の露光と同様に、レジスト４２を加熱して硬化させる処理を行なう。この処理が完了すると、現像（Development）が行なわれる。これによって、図３（Ｄ）及び図６に示すように、第１ストライプパターン５０と第２ストライプパターン５２とが互いに直交し合った格子パターンを有するレジストマスク５５が形成される。そして、レジストマスク５５が形成された半導体基板１１をレジストパターン形成装置から出し、出した半導体基板１１をイオン注入装置（図示省略）に入れる。

次に、図３（Ｅ）に示すように、レジストマスク５５をマスクにして、ｐ型不純物をイオン注入する。これにより、半導体基板１１の中に画素間分離領域３３が形成される。その後、半導体基板１１を画素間分離領域形成装置から出す。イオン注入はドーズ量及び打ち込みエネルギーともに極めて大きいものであるが、レジストマスク５５の厚みは２μｍ以上あるため、レジストマスク５５のうちマスク開口５５ａ（図６参照）以外から、イオンが半導体基板１１に打ち込まれることはない。さらには、レジストの厚みは２μｍ以上あるものの、十分な焦点深度を有しているため、露光光４６ａはレジストマスク５５の上面から下面までまんべんなく照射される。したがって、現像時には露光部分のレジストを確実に除去することができるため、所望パターンのレジストマスク５５を得ることができる。このようなレジストマスク５５を用いてイオン注入を行なうことによって、画素間分離領域３３を所望の寸法、面積、パターン、アスペクト比（縦と横の比率）で形成することができる。

なお、上記実施形態では、レジストパターンを形成する際、ストライプが横方向に無為得た第１ストライプパターンで第１回目の露光を行い、その後にストライプが縦方向に向いた第２ストライプパターンで第２回目の露光を行なったが、反対に、第２周キストライプパターンで第１回目の露光を行い、第１ストライプパターンで第２回目の露光を行なってもよい。また、縦のストライプと横のストライプとが直交した格子パターンの他、図７に示すように、ストライプが斜めに交差しているレジストパターン５８を用いてもよい。この場合、図８（Ａ）に示すように、斜め右上に向かうストライプが一定間隔で形成された第１ストライプパターン６０を用いて第１回目の露光を行い、その後に、図８（Ｂ）に示すように、斜め左上に向かうストライプが一定間隔で形成された第２ストライプパターン６２を用いて第２回目の露光を行なうことによって、図７のレジストパターン５８を形成する。

また、上記実施形態では、ストライプパターンの向きを変えて合計２回の露光を行なったが、これに限らず、各露光毎にストライプパターンの向きを変えて露光を行なえば、露光の回数は３回以上であってもよい。

また、上記実施形態では、第２回目の露光後に現像を行なったが、これに加えて、第１回目の露光後にも現像を行なってもよい。

本発明について、実施例及び比較例により更に具体的に説明する。

実施例では、図９（Ａ）に示すような、ストライプが縦方向に向いた第２ストライプパターン５２を有する露光マスク４７を用いた場合に、レジストパターン、空間像、フォーカス量とレジストパターンの仕上がり寸法との関係（Focus Exposure Matrix（ＦＥＭ））、フォーカス量とレジストのマスク開口における側面の角度との関係（Sidewall Angle vs Focus）、露光量と焦点深度との関係（EL vs DoF）がどのようになるかについて、露光シミュレーションを行なった。一方、比較例では、図９（Ｂ）に示すような、格子パターンが形成された露光マスクを用いた場合に、実施例と同様の露光シミュレーションを行なった。なお、露光パターン以外については、実施例及び比較例ともに同一条件でシミュレーションを行なった。シミュレーションソフトとしては「Prolith」を用いた。また、図９（Ｂ）の格子パターンが形成された露光マスクを用いて画素間分離領域を形成する工程は、図１０に示すように、「レジスト塗布」→「露光」→「レジスト硬化処理」→「現像」→「イオン注入」の手順で行なわれる。

実施例で得られる図１１（Ａ）のレジストパターンは、図９（Ａ）の露光マスクのパターンとはほぼ一致している。これは露光光に基づく回折光の影響は一方向のみであるため、図１１（Ｂ）のレジストパターンの上面と図１１（Ｃ）のレジストパターンの下面とでは、空間像に変化が生じないためである。また、第２ストライプパターンで露光したに加えて、ストライプを横向きにした第１ストライプパターンで２度目の露光を行なうことで、図１２に示すように、実質的に格子状パターンで露光した場合と同じことになるとともに、レジストの上面から下面まで確実に露光光を到達させることができるため、所望のレジストパターンを得ることができる、

これに対して、比較例で得られる図１３（Ａ）のレジストパターンは、図１３（Ｂ）のレジストパターン上面と図１３（Ｃ）の下面とで空間像が異なっているように、図９（Ｂ）の露光マスクのパターンとは一致していない。これは、縦／横／斜めから入射する回折光によってパターン形状や有効焦点深度が影響を受けているためである。

また、実施例では、露光マスクのうち所定部分（図１４で◆と◆との間で連結される領域）により得られるＦＥＭ、Sidewall Angle vs Focus、EL vs DoFは図１５〜図１７で表され、比較例では、露光マスクのうち所定部分（図１８で◆と◆との間で連結される領域）により得られるＦＥＭ、Sidewall Angle vs Focus、EL vs DoFは図１９〜図２１で表される。ここで、図１５、図１６、図１９、図２０における各グラフは、それぞれ露光量が異なっていることを示している。

FEMについては、図１５と図１９とを比較してみると、実施例ではどのような露光量であっても、フォーカス量に対するレジストパターン仕上がり寸法はほぼ同じパターンが得られる。これに対して、比較例では露光量によって仕上がり寸法のパターンが異なっていることが分かる。また、Sidewall Angle vs Focusについては、図１６と図２０とを比較してみると、実施例ではフォーカス量の変化に対して、Sidewall Angle値の変動が比較例に比べて小さいことが分かる。また、有効焦点深度については、図１７と図２１を比較してみると、比較例に対して実施例の方が大きいことが分かる。これらシミュレーション結果から、実施例のレジストパターンは、露光マスクのパターンとほぼ同じものを得ることができることが分かる。

１０ 固体撮像装置
１１ 半導体基板
１２ フォトダイオード
２８ 垂直転送領域
３３ 画素間分離領域
４２ レジスト
４５ 露光装置
５０，６０ 第１ストライプパターン
５２，６２ 第２ストライプパターン
５５，５８ レジストパターン

Claims (5)

1. 厚さ２μｍ以上のレジストを半導体基板に対して塗布する塗布工程と、
   所定方向に向けられた第１ストライプパターンが形成された露光マスクを用いて、前記レジストに対し露光を行う第１露光工程と、
   前記第１ストライプパターンは異なる方向に向けられた第２ストライプパターンが形成された露光マスクを用いて、前記第１露光工程を経たレジストに対し露光を行なう第２露光工程と、
   前記第２露光工程を経たレジストを現像して、レジストパターンを形成する現像工程と、
   前記レジストパターンをマスクにしてｐ型のイオン注入することによって、画素間を分離する画素間分離領域を形成する画素間分離領域形成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. 前記第１ストライプパターンと前記第２ストライプパターンとは互いに直交す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. 前記第１ストライプパターンと前記第２ストライプパターンとは斜めに交差してい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. 前記画素間分離領域は、フォトダイオードで蓄積した電荷を読み出す垂直転送領域の下方に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 画素間分離領域形成工程では、４００ｋｅＶ〜１．０ＭｅＶの加速電圧でイオン注入することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の固体撮像装置の製造方法。

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