JP2012084750A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素が微細化されても、不純物のイオン濃度分布にばらつきのない画素間分離層を有する固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することができる。
【解決手段】固体撮像装置１は、面方位制御された第１導電型のシリコン基板１００と、シリコン基板１００に形成された、第１導電型のフォトダイオード部１０２と第１導電型の電荷蓄積部１０９とを有する画素セル３と、画素セル３の周囲に形成された、第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層１０４とを備え、画素間分離層１０４は、画素間分離層１０４の底部とシリコン基板１００との境界におけるイオン濃度分布が、少なくともフォトダイオード部１０２とシリコン基板１００との境界および電荷蓄積部１０９とシリコン基板１００との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオン注入されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばＣＣＤ固体撮像素子、ＭＯＳ型固体撮像素子等の固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。

固体撮像装置は、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を画素に備わった増幅トランジスタの制御電極に導き、信号電荷量に応じた出力を増幅トランジスタの主電極から増幅して出力するものである。特に、増幅型の固体撮像装置としては、増幅トランジスタとしてＭＯＳトランジスタを使ったＣＭＯＳセンサの開発に力が注がれている。

固体撮像装置の製造プロセスでは、画素特性のばらつき要因となるチャネリング現象を抑制するために、ウェハ法線（即ち、半導体ウェハ面に対して垂直方向の線）に対して７°傾斜させてイオン注入し拡散層を形成することが一般的である（例えば、特許文献1参照）。

チャネリング現象とは、結晶性の物質の結晶軸や結晶面とほぼ平行にイオンを入射すると、結晶格子を構成する原子の幾何学的配置から、注入されたイオンが結晶を構成している原子に衝突せず、格子間を抜けていく現象である。このようなイオン注入の場合、イオンを結晶軸や結晶面と非平行に入射した場合に比べてイオン注入の深さのバラツキは大きくなる。そのため、特許文献１では、チャネリング現象を抑制するために半導体ウェハ面に対して垂直方向の線）に対して７°傾斜させてイオン注入し拡散層を形成している。単結晶シリコンの場合には、（１１０）面に対して垂直にイオン注入を行った場合に最もチャネリング現象が生じ易い。

また、オーバーフロードレインの形成や基板から深い位置までのフォトダイオードの形成には、ウェハ表面から基板中２．５μｍ以上の深い位置に不純物をイオン注入する必要がある。また、感度向上のためにはさらに深い位置まで拡散層を形成する必要がある（例えば、特許文献２参照）。

そのため、イオン注入の加速エネルギーは１ＭｅＶ超の高エネルギーが必要とされている。しかし、注入したイオンが所望の領域から突き抜けないよう、マスクパターンのフォトレジスト膜は３μｍを超える厚さにまで厚膜化される必要がある。

特開平１０−２０９４２３号公報 特開２００１−１８５７１１号公報

しかしながら、画素間分離層の形成においては、オーバーフロードレインやフォトダイオードよりも基板の深い領域までイオンを注入することが求められる。また、画素寸法が微細化されると、例えば、傾斜角度を７°として高エネルギーで不純物のイオンを注入しても、高アスペクト比のフォトレジスト膜、つまり、厚膜のフォトレジスト膜により画素間分離層のパターンが形成されたレジストパターンを使用すると、レジストパターンが影になって所望の微細領域にイオンが全く注入されないことがある。また、不純物分布のテール部（不純物が注入された領域の底部）では、イオン注入したい領域（フォトレジストの開口）の一方の外側に不純物が広がり、精度の良い（理想的な)不純物濃度分布を得られず、隣接画素間で混色が発生する課題がある。

例えば、図１３は、シリコン基板３００上にレジストパターン３０３を形成し、ウェハ法線に対して傾斜角度７°でイオン注入を実施する場合の説明図である。図１３に示すように、レジストパターン３０３は、シリコン基板３００上に、膜厚が３．６μｍのフォトレジスト膜により形成されている。シリコン基板３００に傾斜角度７°でイオン注入する場合、シリコン基板３００に達するイオンは、レジストパターン３０３の端から横方向に４４２ｎｍずれた位置から注入される。したがって、開口の幅が４００ｎｍの場合には、イオンはシリコン基板３００に達せず、シリコン基板３００に全く注入されない。

また、図１４は図１３と同様の構造に傾斜角度２°でイオン注入を実施する場合の説明図である。図１４に示すように、シリコン基板３００に傾斜角度を２°でイオン注入を実施する場合、シリコン基板３００に達するイオンは、レジストパターン３０３の端から横方向に１２６ｎｍずれた位置から注入される。したがって、開口の幅が４００ｎｍの場合には、拡散層３０４のようにイオン分布のテール部（不純物が注入された領域の底部）は、イオン注入したい領域の一方の外側に広がる。

上記課題に鑑み、本発明は、画素が微細化されても、不純物のイオン濃度分布にばらつきのない画素間分離層を有する固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、面方位制御された第１導電型のシリコン基板と、前記シリコン基板に形成された、第１導電型のフォトダイオード部と第１導電型の電荷蓄積部とを有する画素セルと、前記画素セルの周囲に形成された、前記第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層とを備え、前記画素間分離層は、前記画素間分離層の底部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布が、少なくとも前記フォトダイオード部と前記シリコン基板との境界および前記電荷蓄積部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオン注入されている。

また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、面方位制御された第１導電型のシリコン基板に、第１導電型のフォトダイオード部を形成する工程と、前記フォトダイオード部を含む画素セルの周囲の前記シリコン基板に、前記第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層を形成する工程と、前記画素セルに、第１導電型の電荷蓄積部を形成する工程とを少なくとも含み、前記画素間分離層を形成する工程において、前記画素間分離層の底部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布が、少なくとも前記フォトダイオード部と前記シリコン基板との境界および前記電荷蓄積部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオンを注入する。

この構成によれば、注入されたイオンは、結晶を構成している原子に衝突せず、格子間を抜けてシリコン基板の深い領域まで達する。これにより、横方向に広がるイオンは減少する。また、不純物のイオン濃度分布のテール部（イオンが注入された領域の底部）におけるイオン濃度分布は、少なくともフォトダイオード部とシリコン基板との境界および電荷蓄積部とシリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化している形状になる。したがって、画素間分離層は隣接する各画素を有効に分離することができるので、隣接画素の混色が生じるのを防止することができる。

また、チャネリング現象により同一の加速エネルギーで従来の方法よりも１．５倍程度の深い位置までイオンを注入することができるので、イオンの加速エネルギーを低くすることができる。これにより、フォトレジストの膜厚を薄くすることができる。

また、画素セルが微細化されてもイオンを注入する範囲をさらに精度よく規定でき、固体撮像装置の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

また、前記画素間分離層を形成する工程において、１回分のイオン注入により前記シリコン基板の深さ方向に２つのイオン濃度ピークを有するように前記シリコン基板にイオンを注入し、前記１回分のイオン注入を複数回繰り返すことが好ましい。

この構成によれば、チャネリング現象を利用することにより、１回分のイオン注入において、同一の注入エネルギーでチャネリング現象が生じていない場合のイオン濃度ピークとチャネリング現象が生じている場合のイオン濃度ピーク（チャネリングピーク）の２種類のピークの深さの領域にイオン注入を行うことができる。また、１回分のイオン注入を複数回繰り返すことにより、所定の深さの画素間分離層を形成することができる。ここで、チャネリングピークのほうが、チャネリング現象が生じていない場合のイオン濃度ピークよりも基板の深い領域に形成される。したがって、深さの異なる２つの領域にイオンを同時に注入することができるので、画素間分離層の製造工程を半減できる。

また、前記画素間分離層を形成する工程において、前記シリコン基板の法線方向に対し±０．１°以内の傾斜角度で前記シリコン基板にイオンを注入することが好ましい。

この構成によれば、イオンの注入角度の誤差を±０．１°以内と小さくすることにより、結晶性の物質の結晶軸や結晶面とほぼ平行にイオンを注入することができる。注入されたイオンは、結晶を構成している原子に衝突せず、格子間を抜けてシリコン基板の深い領域まで達する。横方向に広がるイオンが減少するので、例えば深いフォトダイオードを形成しても、深い領域でフォトダイオード分離が不十分となることがない。また、チャネリング現象により同一の加速エネルギーで従来の方法よりも１．５倍程度の深い位置までイオンを注入することができるので、フォトレジストを薄くすることができる。これにより、画素セルが微細化されてもイオンを注入する範囲をさらに精度よく規定でき、固体撮像装置の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

また、前記シリコン基板の結晶方位に対する前記イオンの注入角度を検出し、前記シリコン基板の角度を調整する工程をさらに含むことが好ましい。

この構成によれば、シリコン基板に対するイオンの注入角度を検出して精度よく調整することができる。したがって、チャネリング現象を効率よく利用してシリコン基板の深い領域まで画素間分離層を形成することが可能である。

また、前記シリコン基板の結晶方位は、（１１０）面に面方位制御されていることが好ましい。

また、前記シリコン基板は、結晶方位に対し±０．０５°以内に面方位制御されていることが好ましい。

この構成によれば、シリコン基板の面方位を制御することによりシリコン基板に対するイオンの注入角度を精度よく調整して、チャネリング現象を効率よく利用してシリコン基板の深い領域まで画素間分離層を形成することが可能である。

また、前記画素間分離層を形成する工程の前に、前記シリコン基板上にレジストパターンを形成する工程をさらに含み、前記画素間分離層を形成する工程において、前記画素間分離層は、前記レジストパターンの高さよりも深く形成されることが好ましい。

この構成によれば、レジストパターンの高さよりも画素間分離層の深さのほうが大きいので、シリコン基板に精度よくイオン注入を行うことができる。

また、前記画素間分離層を形成する工程の前に、前記シリコン基板の上面に二酸化シリコン膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。

この構成によれば、二酸化シリコン膜を形成した後イオン注入を行うので、イオン注入によりシリコン基板がダメージを受けるのを防止することができる。また、シリコン基板の表面に金属などの汚染物質が付着したり、シリコン基板に汚染物質が導入したりするのを防止することができる。

また、前記二酸化シリコン膜の膜厚は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、二酸化シリコン膜を設けた場合でも、イオン注入の注入角度の擾乱を最低限に抑制でき、チャネリング現象を利用してシリコン基板の深い領域まで画素間分離層を形成することが可能である。

本発明によると、画素が微細化されても、不純物のイオン濃度分布にばらつきのない画素間分離層を有する固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る画素の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の工程を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るビーム角度検出器の概略構成図である。 イオンビームの角度の検出を説明するための図である。 スリットに入射されるイオンビームを表す図である。 複数個のビーム角度検出器によるイオンビームの角度の検出を説明するための図である。 各注入角度でのシリコン基板深さ方向に対するイオン濃度分布を示す図である。 イオンビームの注入角度に対するチャネリング阻害指標図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の深さ方向に対するイオン濃度分布図である。 図１０における本実施形態の場合の注入深さに対するイオン濃度分布を詳細に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の工程を示す図である。 従来の傾斜角度７°での拡散層形成方法の説明図である。 従来の傾斜角度２°での拡散層形成方法の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、面方位制御された第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板に形成された、第１導電型のフォトダイオード部と第１導電型の電荷蓄積部とを有する画素セルと、画素セルの周囲に形成された、第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層とを備え、画素間分離層は、画素間分離層の底部とシリコン基板との境界におけるイオン濃度分布が、少なくともフォトダイオード部とシリコン基板との境界および電荷蓄積部とシリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオン注入されている。このような構成により、画素が微細化されても、不純物のイオン濃度分布にばらつきのない画素間分離層を有する固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る第１の実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態に係る画素の構成を示す図であり、図２（ａ）は、画素アレイの構成を示す図、図２（ｂ）は、画素セルの構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、ＭＯＳ型の固体撮像装置であり、複数の画素セル３がアレイ状に並べられた画素アレイ２と、画素アレイ２を行方向に選択する垂直走査回路と、画素アレイ２から列方向に信号を読み出す読出し回路とを備えている。

各画素セル３は、シリコン基板上に形成されたリセットトランジスタ１０と、増幅トランジスタ１１と、転送トランジスタ１２とを備えている。

図２（ａ）は、画素アレイ２の構成を示す図であり、複数の画素セル３は、画素アレイ２において、後に説明する第２拡散層１０４により、隣接する画素セル３から分離されている。

また、図２（ｂ）は、画素セル３の構成を示す図である。画素セル３は、リセットトランジスタ１０と、増幅トランジスタ１１と、転送トランジスタ１２とを備えている。また、画素セル３は、シリコン基板１００の深い領域に、ｐ型不純物としてボロンが注入された第３拡散層１０５を有している。

転送トランジスタ１２は、第１拡散層１０２と、ゲート電極１０７と、第４拡散層１０９とを備えている。ここで、第１拡散層１０２は、固体撮像装置１において光信号を電気信号に変換するフォトダイオード部、第４拡散層１０９はフォトダイオード部で電気信号に変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部（フローティングディフュージョン）である。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｆ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の工程を示す図であり、図２に示した転送トランジスタ１２を例として示している。

まず、図３（ａ）に示すように、第１導電型であるｎ型のシリコン基板１００を準備する。シリコン基板１００として、例えば、上面が（１１０）面に面方位制御されている単結晶シリコンを準備する。単結晶シリコンの場合、（１１０）面に対して垂直にイオン注入を行った場合に最もチャネリング現象が生じ易いためである。また、シリコン基板１００は、結晶方位に対し±０．０５°以内に面方位制御されているものを準備する。

次に、シリコン基板１００上に、フォトリソグラフィー技術により、フォトダイオード部が形成される位置に開口を設けた第１レジストパターン１０１を形成する。そして、ｎ型不純物として、例えば砒素を加速エネルギー２００ｋｅＶ、ドーズ量７Ｅ１２／ｃｍ²でイオン注入し、第１拡散層１０２を形成する。

第１レジストパターン１０１を除去した後、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１００上に、画素間分離層を形成する位置に開口を設けた第２レジストパターン１０３を形成する。画素間分離層は、各画素セル３を電気的に分離するためのものであり、イオン注入により形成される。

ここで、例えば、画素間分離層の幅が４００ｎｍ、画素セル３の幅が１μｍ、レジスト膜厚が２．４μｍであれば、レジストパターン１０３のアスペクト比は２．４、レジストパターン１０３の開口された領域であるイオン注入領域のアスペクト比は６である。

次に、シリコン基板１００（シリコンウェハ）の法線に対して±０．１°の傾斜角度で、第２導電型であるｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型不純物として、例えばボロン（Ｂ）を用いる。加速エネルギーを１．２ＭｅＶ、８００ｋｅＶ、６００ｋｅＶ、４００ｋｅＶ、２００ｋｅＶと順次変更して、ドーズ量１Ｅ１２／ｃｍ²でイオン注入し、画素間分離層となる第２拡散層１０４を形成する。シリコン基板１００の法線に対して±０．１°の傾斜角度でイオン注入することにより、チャネリング現象が生じ、シリコン基板１００の深い領域までイオンが注入されるので、第２拡散層１０４はシリコン基板１００において深く形成される。なお、第１導電型および第２導電型は、ｎ型およびｐ型でなく、ｐ型およびｎ型であってもよい。

その後、図３（ｃ）に示すように、第２レジストパターン１０３を除去し、シリコン基板１００上に、画素セル３の位置に開口を設けたレジストパターンを形成する。そして、シリコンウェハの法線に対して±０．１°の傾斜角度で、ｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型不純物として、例えばボロン（Ｂ）を用いる。加速エネルギーを２．１ＭｅＶとして、ドーズ量１Ｅ１２／ｃｍ²でイオン注入し、第３拡散層１０５を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、シリコン基板１００の表面の熱酸化により、ＳｉＯ₂からなるゲート絶縁膜１０６を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１０６上にポリシリコン膜をＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術により転送トランジスタ１２のゲート電極１０７を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、転送トランジスタ１２において電荷蓄積部が形成される位置に開口を設けた第３レジストパターン１０８を形成する。そして、ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）をイオン注入し、電荷蓄積部である第４拡散層１０９を形成する。その後、図３（ｆ）に示すように、レジストパターン１０８を除去する。

イオンビームをシリコンウェハの法線に対して精度よく０°に制御する方法の一例を以下に示す。図４は、互いにスリット幅が異なるスリット３枚から構成されるビーム角度検出器の概略構成図である。図４（ａ）には、ビーム角度検出器１２０とシリコンウェハ１２１との位置関係を示している。

図４（ａ）に示すように、ビーム角度検出器１２０は、３枚の互いに間隔を離して設置されたスリット（スリット１、スリット２、スリット３）を備えている。また、図４（ｂ）〜図４（ｄ）はそれぞれスリット１、スリット２、スリット３の構成を示している。図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示すように、最もビーム側に設けられたスリット１の幅が最も狭く、ビームから離れるにしたがいスリット幅は広くなる。

また、スリット１、スリット２、スリット３は、図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示すように、絶縁物１２５によりそれぞれ左右に分離されている。つまり、スリット１は、図４（ｂ）に示すように、絶縁物１２５によりスリット片Ｓ１１、Ｓ１２に分離されている。スリット片Ｓ１１、Ｓ１２には、独立した電流計Ａ１１、Ａ１２がそれぞれ接続されており、スリット片Ｓ１１、Ｓ１２に入射するイオンビームに対応した電流をモニターできるようになっている。同様に、図４（ｃ）に示すように、スリット２は絶縁物１２５によりスリット片Ｓ２１、Ｓ２２に分離されている。スリット片Ｓ２１、Ｓ２２には、独立した電流計Ａ２１、Ａ２２がそれぞれ接続されている。また、図４（ｄ）に示すように、スリット３は絶縁物１２５によりスリット片Ｓ３１、Ｓ３２に分離されている。スリット片Ｓ３１、Ｓ３２には、独立した電流計Ａ３１、Ａ３２がそれぞれ接続されている。

ここで、ビーム角度検出器１２０によるイオンビームの角度の検出について説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、イオンビームの角度検出を説明するための図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、スリットに入射されるイオンビームを示す図である。

図５（ａ）に示すように、イオンビームが完全にシリコンウェハ１２１の表面の法線に平行（０°）の場合を考える。イオンビームはまずスリット１に入射する。このとき、スリット１のスリット幅より広いイオンビームはスリット１を通過できず、スリット片Ｓ１１、Ｓ１２に入射される。そのため、図６（ａ）に示すように、スリット片Ｓ１１、Ｓ１２にそれぞれ接続された電流計Ａ１１、Ａ１２には電流が流れる。このとき、イオンビームはシリコンウェハ１２１の表面の法線に平行に入射されるため、スリット片Ｓ１１とＳ１２に入射するイオンビーム電流は等しくなり、その結果、電流計Ａ１１、Ａ１２の値は等しくなる（Ａ１１＝Ａ１２）。なお、電流の絶対値は、イオンビーム電流とイオンビーム形状により決定されるので、ここではＡ１１＝Ａ１２となることのみ、あるいはＡ１１／Ａ１２＝１となることが重要である。

スリット１を抜けたイオンビームは、続いてスリット２およびスリット３に入射される。スリット２およびスリット３はスリット１よりスリット幅が広いため、スリット片Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３２にイオンビームが入射されることはない。よって、スリット片Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３２にそれぞれ接続された電流計Ａ２１、Ａ２２、Ａ３１、Ａ３２に流れる電流は、それぞれ０となる。

次に、図５（ｂ）に示すように、イオンビームが単純に一方向に傾いた場合を考える。図５（ｂ）に示すように、スリット１にイオンビームが斜めに入射されると、スリット片Ｓ１１に入射されるイオンビームは、スリット片Ｓ１２に入射されるイオンビームより多くなるため、電流計Ａ１１、Ａ１２の値は電流計Ａ１１のほうが大きくなる（Ａ１１＞Ａ１２）。しかし、図６（ｂ）に示すように、スリット１を通過したイオンビームは、一方向に傾いたままスリット２に入射される。このとき、スリット２の幅はスリット１の幅よりも大きいが、イオンビームは傾いているため、スリット２のスリット片Ｓ２１に入射される。イオンビームはスリット片Ｓ１１のほうに傾いているため、スリット２のスリット片Ｓ２２には、入射されない。よって、電流計Ａ１１のみに電流が流れ、電流計Ａ２２には電流が流れない。

スリット２を抜けたイオンビームは、さらにスリット３の幅より幅の広いスリット３のスリット片Ｓ３１、Ｓ３２のうちスリット片Ｓ３１に入射される。ただし、スリット片Ｓ３１に入射されるかはイオンビームの傾きしだいである。このとき、スリット１とスリット２の距離、スリット２とスリット３の距離、さらにスリット１、スリット２、スリット３のスリット幅、各スリットのスリット片Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３２に入射する電流値を検出すれば、イオンビームがシリコンウェハ１２１に対してどの程度傾いているか幾何学計算で求めることができる。

なお、スリット２、スリット３のスリット片Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ３１、Ｓ３２にイオンビームが入射しないように、スリット片Ｓ１１、Ｓ１２に接続された電流計Ａ１１、Ａ１２の値が所定値になるようにイオンビームの照射方向の調整を行ってもよい。イオンビームの照射方向の調整でイオンビームの角度が補正できないときは、シリコンウェハ１２１自身を傾ける（具体的には、シリコンウェハ１２１はプラテン（図示せず）上に固定されているのでプラテンを機械的に傾ける）ことでイオンビーム角度のずれを補正することが可能となる。

なお、ビーム角度検出器１２０において、スリットの数は最低２個あれば十分であり、スリット間の間隔が広いほど角度分解能は高くなる。好ましくは、スリットの数は３個あれば十分であり、それ以上の個数ではビームライン中にこのビーム角度検出器１２０を挿入することでビームラインが長くなるため得策ではない。

これまでは、イオンビームは平行ビームで広がらないことを前提にしたが、次に、イオンビーム広がり（ビームダイバージェンス）がある場合について述べる。ここでは、イオンビームが均等に広がることを仮定している。

図５（ｃ）に示すように、イオンビームはまずスリット１に入射し、図６（ｃ）に示すように、スリット片Ｓ１１、Ｓ１２に接続された電流計Ａ１１、Ａ１２に流れる電流の値は等しくなる（Ａ１１＝Ａ１２）。ここで、ビームダイバージェンスは存在してもビームは傾いているわけではないので、スリット１のスリット片Ｓ１１、Ｓ１２に入射されるイオンビームの量は等しい。

図５（ｃ）に示すように、スリット１を抜けたイオンビームはスリット２に向けて広がり、スリット２のスリット片Ｓ２１、Ｓ２２に接続された電流計Ａ２１、Ａ２２に流れる電流の値として検出される。電流計Ａ２１、Ａ２２に流れる電流の値は等しく（Ａ２１＝Ａ２２）、電流計Ａ１１、Ａ１２に流れる電流の値より小さい。

さらに、スリット２を抜けたイオンビームはスリット３に向けて広がり、スリット３のスリット片Ｓ３１、Ｓ３２に接続された電流計Ａ３１、Ａ３２を流れる電流の値として計測される。電流計Ａ３１、Ａ３２に流れる電流の値は等しく（Ａ３１＝Ａ３２）、電流計Ａ２１、Ａ２２を流れる電流の値より小さい。電流計Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２、Ａ３１、Ａ３２を流れる電流の値と各スリットの幅、各スリット間の間隔からビーム広がり角度を計算することができる。例えば、電流計Ａ２１、Ａ２２、Ａ３１、Ａ３２で検出される電流の値が０となるように、イオンビーム広がりを制御すればよい。

イオンビーム広がりは、シリコンウェハ１２１の傾斜を調整しても解消できないので、イオンビームのビームライン側でのビーム整形が必要となる。どうしてもビーム整形ができない場合は、スリットにてビーム中心付近のみ取り出して用いることも可能である。イオンビームの中心付近は、広がりが小さいからである。

このように、複数個のスリットに入射される電流を検出し、これらの電流が０になるようにイオンビームを調整することで、シリコンウェハ１２１に入射されるイオンビームの角度制御が可能である。

なお、ここではシリコンウェハ１２１の一方向（水平方向）のイオンビームの角度測定について述べたが、シリコンウェハ１２１の複数の方向においてこの角度測定を行ってもよい。

図７は、複数個のビーム角度検出器１２０によるイオンビームの角度の検出を説明するための図である。図７に示すように、ビーム角度検出器１２０は、シリコンウェハ１２１に対して、位置Ｃｃ、Ｃｕ、Ｃｂ、Ｃｒ、Ｃｌにそれぞれ１つずつ設けられている。これにより、シリコンウェハ１２１の広い範囲にわたって、イオンビームの角度を検出し調整することができる。

また、ビーム角度検出器１２０は、複数個備えた構成でなくても、一のビーム角度検出器１２０が水平、垂直方向を移動し複数の位置でイオンビームを検出する構成であってもよい。なお、このイオンビーム角度検出器１２０によるイオンビーム角度の検出は、イオン注入開始前に実施されるものであり、注入角度測定および補正作業の完了後ビーム角度検出器１２０がビームライン外に退避する機構を有してもよい。

次に、イオンビームの角度を変更して、シリコン基板１００にｐ型の不純物としてボロンを注入する場合のボロン濃度分布について説明する。図８は、各注入角度でのシリコン基板１００の深さ方向に対するボロン濃度分布を示す図である。図８に示すように、イオンビームが完全にシリコン基板１００（シリコンウェハ）の法線に平行（０°）に精度よく注入される場合、チャネリング現象が生じる。つまり、イオンビームがシリコン基板１００に対して０°で入射された場合、図８に示すように、不純物であるボロンのイオン濃度分布は、注入深さが２．４μｍと３．０μｍの２つの深さにおいてボロンの濃度ピーク（イオン濃度ピーク）を有する。注入深さ２．４μｍにおけるイオン濃度ピークは、チャネリング現象によらずにボロンが注入されたイオン濃度ピーク（主ピーク）である。また、注入深さ２．８μｍにおけるイオン濃度ピークは、チャネリング現象によってシリコン基板１００の深い領域までボロンが注入されたイオン濃度ピーク（チャネリングピーク）である。

つまり、チャネリング現象を利用すると、チャネリング現象を利用しない場合に比べて１．２〜１．３倍程度の深さまでイオンを注入することができる。なお、このときのイオンの加速エネルギーは、いずれの場合も同一である。また、チャネリングピークのほうがチャネリング現象が生じていないイオン濃度ピークよりもイオン濃度が高い。

具体的には、図８において注入深さ３．０〜３．５μｍ付近に示すイオン濃度分布のテール部（イオンが注入された領域の底部）とシリコン基板１００との境界におけるイオン濃度分布が、少なくともチャネリング現象が生じていないイオン注入により形成されるフォトダイオード部（第１拡散層１０２）とシリコン基板１００との境界および電荷蓄積部（第４拡散層１０９）とシリコン基板１００との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化している形状になる。つまり、注入深さ３．０〜３．５μｍ付近において、ボロンが注入された第２拡散層１０４は、広がらず、また、第２拡散層１０４の深い領域で細くならず、シリコン基板１００と明確に区別できることになる。また、深い領域にボロンが注入されているので、第２拡散層１０４は隣接する画素セル３を分離する画素間分離層として有効に機能しうる。

これに対し、イオンビームがシリコンウェハの法線に対して０．３°で注入された場合には、注入深さが２．４μｍと３．０μｍの２つの深さにおいてボロンの濃度ピーク（イオン濃度ピーク）を有するものの、チャネリング現象が生じていないイオン濃度ピークのほうがチャネリングピークよりもボロンのイオン濃度が高くなり、イオン濃度分布のテール部における濃度分布にばらつきが発生している。したがって、上記したイオンビームの角度がシリコンウェハに対して０°の場合と同様の効果を得ることは難しい。

また、シリコンウェハに対して２°でイオン注入されたものでは、注入深さ２．４μｍにおいて、チャネリング現象によらずにボロンが注入されたイオン濃度ピークは見られるものの、注入深さ２．８μｍにおけるチャネリングピークはほとんど見られず、イオンが深い領域まで注入されていないことがわかる。したがって、上記したイオンビームの角度がシリコンウェハに対して０°の場合と同様の効果を得ることは難しい。

なお、本実施形態において、「急峻」とは、注入深さが０．１μｍ変化するのに対し、イオン濃度が１ｄｅｃａｄｅ（桁）以上低下する場合をいう。したがって、図８において、イオンビームの角度がシリコンウェハに対して０°の場合には、イオン濃度分布のテール部における濃度分布は急峻であるが、イオンビームの角度がシリコンウェハに対して０．３°、２°の場合には、イオン濃度分布のテール部における濃度分布は急峻ではない。

図９は、イオンビームの注入角度に対するチャネリング阻害指標図である。図９よりイオンビームの注入角度が±０．２°より大きくずれると、チャネリングの阻害が顕著になりチャネリング現象による深い領域へのイオンの注入が不十分となる。これに対し、イオンビームの注入角度が±０．１°以内に抑えられると、チャネリング現象により深い領域へ注入されたイオンの濃度が高くなるので、上記したイオン濃度分布のテール部における濃度分布のばらつきを抑制できる。

図１０に、従来と本実施形態の場合の注入深さに対するボロンのイオン濃度分布を示す。図１０に示す従来のイオン濃度の結果は、イオンビームの角度誤差を十分制御しないでシリコンウェハの法線に対して０°で高エネルギー注入した場合のボロン濃度の深さ方向分布を、シリコンウェハのセンターとエッジとで計測したものである。また、本実施形態のイオン濃度の結果は、±０．１°以内に角度誤差を制御した場合のボロンのイオン濃度分布である。

また、図１１は、図１０における本実施形態の場合の注入深さに対するボロンのイオン濃度分布を詳細に示した図である。

図１０において、「従来０°Ｅｄｇｅ」および「従来０°Ｃｅｎｔｅｒ」として示したボロン濃度分布のグラフは、±０．１°以内に角度誤差を制御していない場合のものである。

±０．１°以内に角度誤差を制御していない場合のグラフは、図１０において「本発明０°」として示した、±０．１°以内に角度誤差を制御した場合のグラフに比べて、ボロンのイオン濃度分布のテール部における濃度分布ばらつきがブロードである。これは、チャネリング現象が一部生じている状態であり、チャネリング現象の発生度合いによってテール部におけるボロンのイオン濃度分布が変化していることを示している。また、±０．１°以内に角度誤差を制御していないイオン注入の場合、シリコンウェハのセンターとエッジでの同一の深さにおけるイオン濃度分布のばらつきが顕著である。

一方、本実施形態に示す、±０．１°以内に角度誤差を制御したイオン注入の場合には、シリコンウェハのセンターとエッジとでイオン濃度分布が重なる程度にシリコンウェハの面内のイオン濃度分布バラツキは低減されている。

また、±０．１°以内に角度誤差を制御した場合には、チャネリングピークとチャネリング現象が生じていない場合のイオン濃度ピークとが同程度の濃度になり、深さ方向の広い範囲にわたってブロードな濃度分布を形成する。

詳細には、図１１に示すように、加速エネルギーを２００ｋｅＶ、４００ｋｅＶ、６００ｋｅＶ、８００ｋｅＶ、１．２ＭｅＶと順次変更して、ドーズ量１Ｅ１２／ｃｍ²でボロンをイオン注入した場合、各加速エネルギーによるイオン注入において、チャネリングピークとチャネリング現象を生じないイオン濃度ピークの２つのピークが生じ、各加速エネルギーによるこれらのピークの重ね合わせにより、注入深さ１．０μｍ〜２．８μｍにおいてブロードなイオン濃度分布を達成している。

したがって、チャネリング現象が生じていないイオン濃度ピークによるイオン注入で深さ方向の広い範囲にわたって一定の濃度の第２拡散層１０４を形成する場合、従来であればほぼ均等に１０段程度の注入エネルギーで順次ボロンをイオン注入することによって形成していたのに対し、本実施形態における方法によれば、同一の注入エネルギーで、チャネリングピークとチャネリング現象が生じていないピークの２種類のピークによるイオン注入が同時に行われるため、５段程度の注入エネルギーにより、チャネリング現象が生じていないイオン濃度ピークによるイオン注入と同等の深さ方向にわたって一定濃度の拡散層を形成することができる。これにより、第２拡散層１０４の製造工程を半減できる効果も得られる。

本実施形態によると、画素間分離層である第２拡散層１０４の形成に±０．１°の傾斜角度でのイオン注入を用いて注入角度の誤差を小さくすることにより、横方向に広がるイオンが減少する。また、チャネリング現象により深い領域に第２拡散層１０４を形成しても、深い領域で隣接するフォトダイオード部の分離が不十分となることがない。これにより、隣接画素間の混色を抑えることができる。

また、チャネリング現象により同一の加速エネルギーで従来の方法よりも１．３〜１．５倍程度の深い領域までイオンを注入することができるので、フォトレジストの膜厚を通常の３．６μｍから２．４μｍへと薄くすることができる。したがって、レジストパターン１０３のアスペクト比を３．６から２．４へ、レジストパターン１０３の開口された位置であるイオン注入領域のアスペクト比を９から６へと低減できる。よって、イオン注入領域をさらに精度よく規定でき、固体撮像装置１の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１２（ａ）〜図１２（ｆ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の工程を示す図である。図１２（ｄ）〜（ｆ）については、第１の実施形態と同等である。図１２（ａ）〜（ｃ）については、第１の実施形態に対して、イオン注入前に例えば熱酸化によってシリコン基板１００上に二酸化シリコン膜２１０を形成し、第１拡散層１０２、第２拡散層１０４、第３拡散層１０５を形成するイオン注入工程の完了後、二酸化シリコン膜２１０を除去する点が異なっている。

二酸化シリコン膜２１０ごしにイオン注入することは従来より実施されてきている。二酸化シリコン膜２１０は、イオンの注入によりシリコン基板１００がダメージを受けるのを防止するため、および、シリコン基板１００の表面へ金属などの汚染物質が付着・導入するのを予防するために設けられるものである。

ここで、チャネリング現象を利用してシリコン基板１００の深い領域まで拡散層を形成する場合、二酸化シリコン膜２１０はアモルファス構造であるため、厚すぎるとシリコン基板１００にイオンが到達するまでに注入角度が擾乱を受け、制御性よくチャネリング現象を発生させることを阻害する。そのため、二酸化シリコン膜２１０を使用する場合は、二酸化シリコン膜２１０の膜厚を２０ｎｍ以下にすることが望ましい。２０ｎｍ以下の二酸化シリコン膜２１０であれば、イオン注入の注入角度の擾乱を最低限に抑制でき、チャネリング現象を利用してシリコン基板１００の深い領域まで第２拡散層１０４を形成することが可能になる。なお、本実施形態では、一例として膜厚１０ｎｍの二酸化シリコン膜２１０を用いている。

本実施形態によると、第１の実施形態と同様に画素間分離層である第２拡散層１０４の形成に±０．１°の傾斜角度でのイオン注入を用いて注入角度の誤差を小さくしている。これにより、横方向に広がるイオンが減少するので、シリコン基板１００の深い領域に拡散層を形成しても、隣接するフォトダイオードの分離が深い領域において不十分となることがない。したがって、隣接画素間の混色を抑えることができる。

また、チャネリング現象により同一の加速エネルギーで従来の方法よりも１．３〜１．５倍程度の深い領域までイオンを導入することができる。これにより、フォトレジストの膜厚を通常の３．６μｍから２．４μｍへと薄くすることができる。したがって、レジストパターン１０３のアスペクト比を３．６から２．４へ、レジストパターン１０３の開口された部分であるイオン注入領域のアスペクト比を９から６へと低減できる。よって、イオン注入領域をさらに精度よく規定でき、固体撮像装置の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１２（ｆ）で、画素間分離層の第２拡散層１０４の形成に±０．１°の傾斜角度でのイオン注入を用いて注入角度の誤差を小さくするため、制御性よくチャネリング現象が生じ、イオン濃度分布はチャネリングを生じない場合のイオン濃度ピーク（主ピーク）の深さより深い位置にチャネリングピークをもつ。なお、最深部のイオン濃度分布は、この場合チャネリングピークにより形成されるため、最深部での深さ方向への不純物の広がりは表層部の不純物の広がりに対して急峻な分布となる。また、横方向に広がるイオンも減少するので、第２拡散層１０４を深く形成しても深い領域でフォトダイオード分離が不十分となることがない。したがって、隣接画素間の混色を抑えることができ、固体撮像装置１の歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。

例えば、シリコン基板は結晶方位に対し±０．０５°以内に精度良く面方位制御されていれば、バルク上にエピタキシャル層を有するいわゆるエピウェハであってもよく、同様に、ＳＯＩ基板であってもよい。

なお、イオン注入の角度誤差を±０．０５°以下にするとさらに大きな効果を得ることができるのは言うまでもない。

また、シリコン基板の結晶方位は、（１１０）面に限らず、その他の結晶方位であってもよい。

また、イオンの注入角度の検出は、上記した方法に限らず、その他の方法により検出してもよい。

また、本発明によれば幅が小さいパターンにおいても深い拡散層を精度よく形成できるので、例えば、バイポーラトランジスタのウェルを囲む分離などの微細なデバイスや、他のデバイス、特に、高耐圧デバイスにおいても適用可能である。

また、本発明に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法には、上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明に係る固体撮像装置を備えたディジタルスチルカメラも本発明に含まれる。

本発明は、画素が微細化されても隣接画素間の混色を抑制できる固体撮像装置および固体撮像装置を製造する方法等に有用である。

１ 固体撮像装置
２ 画素アレイ
３ 画素セル
１００、３００ シリコン基板
１０１ 第１レジストパターン
１０２ 第１拡散層（フォトダイオード部）
１０３ 第２レジストパターン
１０４ 第２拡散層（画素間分離層）
１０５ 第３拡散層
１０６ ゲート絶縁膜
１０７ 電極
１０８ 第３レジストパターン
１０９ 第４拡散層（電荷蓄積部）
１２０ ビーム角度検出器
１２１ シリコンウェハ（シリコン基板）
２１０ 二酸化シリコン膜
３０３ レジストパターン
３０４ 拡散層

Claims (10)

1. 面方位制御された第１導電型のシリコン基板と、
   前記シリコン基板に形成された、第１導電型のフォトダイオード部と第１導電型の電荷蓄積部とを有する画素セルと、
   前記画素セルの周囲に形成された、前記第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層とを備え、
   前記画素間分離層は、前記画素間分離層の底部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布が、少なくとも前記フォトダイオード部と前記シリコン基板との境界および前記電荷蓄積部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオン注入されている
   固体撮像装置。
2. 面方位制御された第１導電型のシリコン基板に、第１導電型のフォトダイオード部を形成する工程と、
   前記フォトダイオード部を含む画素セルの周囲の前記シリコン基板に、前記第１導電型と異なる第２導電型の画素間分離層を形成する工程と、
   前記画素セルに、第１導電型の電荷蓄積部を形成する工程とを少なくとも含み、
   前記画素間分離層を形成する工程において、前記画素間分離層の底部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布が、少なくとも前記フォトダイオード部と前記シリコン基板との境界および前記電荷蓄積部と前記シリコン基板との境界におけるイオン濃度分布よりも急峻に変化するようにイオンを注入する
   固体撮像装置の製造方法。
3. 前記画素間分離層を形成する工程において、１回分のイオン注入により前記シリコン基板の深さ方向に２つのイオン濃度ピークを有するように前記シリコン基板にイオンを注入し、
   前記１回分のイオン注入を複数回繰り返す
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記画素間分離層を形成する工程において、前記シリコン基板の法線方向に対し±０．１°以内の傾斜角度で前記シリコン基板にイオンを注入する
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記シリコン基板の結晶方位に対する前記イオンの注入角度を検出し、前記シリコン基板の角度を調整する工程をさらに含む
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 前記シリコン基板の結晶方位は、（１１０）面に面方位制御されている
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記シリコン基板は、結晶方位に対し±０．０５°以内に面方位制御されている
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 前記画素間分離層を形成する工程の前に、前記シリコン基板上にレジストパターンを形成する工程をさらに含み、
   前記画素間分離層を形成する工程において、前記画素間分離層は、前記レジストパターンの高さよりも深く形成される
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記画素間分離層を形成する工程の前に、前記シリコン基板の上面に二酸化シリコン膜を形成する工程をさらに含む
   請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記二酸化シリコン膜の膜厚は、２０ｎｍ以下である
    請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。

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