JP3009118B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

固体撮像素子の製造方法

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JP3009118B2
JP3009118B2 JP4256015A JP25601592A JP3009118B2 JP 3009118 B2 JP3009118 B2 JP 3009118B2 JP 4256015 A JP4256015 A JP 4256015A JP 25601592 A JP25601592 A JP 25601592A JP 3009118 B2 JP3009118 B2 JP 3009118B2
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克也 石川
義和 佐野
裕幸 岡田
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子の製造方
法に関し、特にフォトダイオードの洩れ電流を改善する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、固体撮像素子を用いたビデオカメ
ラ等が広く普及している。固体撮像素子は、光を電気信
号に変換するフォトダイオードと、その電気信号を転送
する電荷転送素子部とで構成されている。しかし、フォ
トダイオードでは、入射する光の特性等によって、過剰
な電荷を発生したり、あるいはフォトダイオードでの電
荷の蓄積量が少ない等、種々の問題が発生している。
【0003】フォトダイオードに生じる異常電荷の発生
や消滅を抑えようとすると、シリコン基板表面に存在す
る界面準位による悪影響を防止することが必要である。
そのためにフォトダイオード表面側にフォトダイオード
の導電型と反対の導電型の電荷蓄積層を形成している。
これはフォトダイオードからの空乏層領域の伸びを抑え
込み、シリコン基板表面の界面準位による悪影響を除く
ことができる。この従来の方法について図9〜11を用
いて説明する。
【0004】図9〜11において、1はP型シリコン基
板あるいはPウェルを有するシリコン基板、2は酸化膜
あるいは窒化膜を含む絶縁膜、3は転送電極、4はP型
ウェル、5は転送領域、6はチャンネルストッパ領域、
7はボロンイオンビーム、8はフォトダイオード、9は
傾斜したボロンイオンビームが注入された領域、10は
正孔蓄積層、11はボロンイオンビーム、12は不純物
濃度の低い領域である。
【0005】図9において、基板1にチャンネルストッ
パ領域6となるP型領域を形成する。さらにCCDチャ
ンネル部のP型ウェル4と転送チャンネルであるN型の
転送領域5が形成される。基板1上に絶縁膜2を形成
し、その上に転送電極3をパターンニングする。さら
に、この転送電極3を酸化する。この絶縁膜2で囲まれ
た開口部を設ける。この後、この開口部にフォトダイオ
ード8を比較的薄い濃度のN型不純物層をイオン注入す
ることによって形成する。
【0006】次に図10において、P型の正孔蓄積層1
0をボロンイオンビーム11を用いて形成する。このと
きにP型の不純物領域である正孔蓄積層10を形成する
理由は、固体撮像素子を動作したとき、N型不純物であ
るフォトダイオード8から延びる空乏化領域に、基板1
と絶縁膜2との界面が取り込まれてしまうと、その界面
に存在する界面準位の影響で異常電荷の発生が起こる。
これによって、固体撮像素子の画像に欠陥を発生させる
ような固体撮像素子の特性劣化が防がれる。このように
フォトダイオード8の空乏化領域が絶縁膜2の界面まで
達することを防ぐために、比較的濃度が高く、浅いP型
不純物領域の正孔蓄積層10を形成する。この正孔蓄積
層10には、不純物濃度が1017cm-3を越えるボロン
不純物が必要である。このため、ここに注入されるイオ
ン注入量はかなり多くなり、たとえば100nmの酸化
膜を通して50keVの加速エネルギーにて1×1014
cm-2程度のドーズ量が必要となる。このとき、フォト
ダイオード8の端部においては、正孔蓄積層10の濃度
が十分でない領域12が存在する。このためフォトダイ
オード18による空乏化領域が、図11に示す矢印のよ
うに、基板1と絶縁膜2との界面に達してしまう。フォ
トダイオード8が基板1と逆バイアスされ、空乏化領域
が基板1中に伸びてくると、正孔蓄積層10の濃度が低
い領域において、空乏化領域が基板1と絶縁膜2との界
面にまで到達してしまう。するとフォトダイオード8の
端部に存在する界面準位の影響を受け特性の劣化を招
く。このような現象は、フォトダイオード8のすべての
周辺部分で発生する可能性がある。
【0007】しかし、これに対して、周辺のチャンネル
ストッパ領域6の不純物濃度をむやみに上げることはで
きない。また、その位置を精密にコントロールするのを
単純な工程で行うことはむずかしい。このため、後述の
図4において、電荷を読み出す図示左の辺の領域ではP
型の表面濃度が読出し特性に大きく影響するため、すべ
ての周りの辺のP型不純物濃度を上げてしまう。また、
フォトダイオード8と正孔蓄積層10との形成を同じマ
スクを用いて、イオン注入時に基板1を7°傾斜させて
一方向にだけ傾斜注入を行なうと、傾斜されていない他
の辺の端部でやはりボロンの不純物濃度が不足し、画像
の欠陥が発生する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたよう
に、従来の固体撮像装置の製造方法では、フォトダイオ
ード8の端部に正孔蓄積層10の不純物濃度が不足する
領域12が形成される。また、特にこの領域12には、
基板1の表面まで到達する空乏化領域が形成されるこ
と、さらには転送電極3の端部下には、エッチングや電
極酸化時に、体積変化によるストレス歪やエッチング損
傷が生じる。これに起因して界面準位の密度が増大しや
すくなる。このために、これらの現象はフォトダイオー
ド8の中央部に比べると極めて悪い形成条件となり、画
像欠陥ができる。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の固体撮像装置の製造方法は、一導電型
基板あるいは同導電型のウェルを有するシリコン基板に
複数個の辺で囲まれたフォトダイオードを形成する工程
と、前記フォトダイオードの前記シリコン基板表面に正
孔蓄積層となる同導電型の不純物領域を形成するにあた
り、前記フォトダイオードの上部より見て前記フォトダ
イオードの少なくとも三つ以上の異なった方向の辺に対
して傾斜イオン注入をする。
【0010】また、基板上に絶縁膜を介して電極を形成
する工程と、少なくとも前記電極を注入マスクにして前
記基板表面に正孔蓄積層を形成する工程と、前記正孔蓄
積層を形成した後に前記電極端部にサイドウォールを形
成してから読出し電極の方向に入り込む角度でイオン注
入を行うことによって、正孔蓄積層下にフォトダイオー
ドを形成する。
【0011】
【作用】本発明の構成により、フォトダイオードのシリ
コン基板表面に正孔蓄積層となる同導電型の不純物領域
を形成するにあたり、フォトダイオードの上部より見て
前記フォトダイオードの少なくとも三つ以上の異なった
方向の辺に対して傾斜イオン注入をすることにより、P
型層の形成がマスク開口部の下に横方向に浸入するため
傾斜角度のパラメーターによって入り込む量を精密に制
御することができる。また、数種類の方向に注入するた
めにさまざまな方向の入り込み量を制御することができ
る。その結果、フォトダイオードの周辺部の表面の界面
準位密度の影響を受け難い“白傷”に強い固体撮像素子
の実現ができる。
【0012】正孔蓄積層形成の注入後にマスクの電極を
酸化あるいは堆積絶縁膜を堆積してエッチングを行なう
などして、サイドウォールスペーサーを形成した後に、
フォトダイオード形成のためのN型不純物をこの正孔蓄
積層を追い越す条件を用いて注入し形成する方法を用い
ても同様のことができる。
【0013】
【実施例】図1〜2は、本発明の第一の実施例における
工程断面図である。
【0014】図において、21はP型シリコン基板ある
いはPウェルを有するシリコン基板、22は酸化膜ある
いは窒化膜を含む絶縁膜、23は転送電極、24はP型
ウェル、25は転送領域、26はチャンネルストッパ領
域、27はイオンビーム、28はフォトダイオード、2
9は傾斜したボロンイオンビームが注入された領域、3
0は正孔蓄積層、31は傾斜ボロンイオンビーム、32
は縦方向に傾斜したボロンイオンビーム、33は転送ゲ
ート、34は読出しゲートを兼ねた転送ゲート、図1に
おいて、P型シリコン基板またはP型のウェルを有する
基板21上に転送電極23を形成する。転送電極23を
酸化して、約100nm程度の膜厚の酸化膜22を形成
する。この後、リンイオンビーム27を、加速エネルギ
300〜700keV、ドーズ量(1〜5)×1012
-2にて注入を行い、フォトダイオード28を形成す
る。
【0015】次に図2で、正孔蓄積層30を形成するた
めにP型不純物であるボロンイオン注入31を行う。こ
のとき、イオン注入の角度は15°、加速エネルギー5
0keV、ドーズ量0.67×1014cm-2で3回繰り
返し注入する。このときダイオード28の周辺の領域す
べてにイオンを注入させるために、基板1を所定の位置
にセットし1回目のイオン注入する(このときを回転角
0°という)、次に基板1を90°回転させ(このとき
を回転角90°という)2回目のイオン注入を行う。さ
らに基板1を所定の位置から180°回転させた位置
(このときを回転角180°という)で3回目のイオン
注入を行う、いわゆる間欠ステップ注入で形成する。た
だし、回転角270°ではイオン注入は行わない。この
ときのイオン注入の様子を説明するために固体撮像装置
の断面図を図3に示した。
【0016】また、図4はこのようにして形成した固体
撮像装置の平面図である。この間欠ステップ注入を用い
ると、読出しゲートを兼ねた転送ゲート34の下の領域
にイオン注入は行われない。すなわち紙面の上、右、下
の三つの辺の方向にイオンが入り込むようにイオン注入
を行う。
【0017】フォトダイオード28の読出しゲートを兼
ねた転送ゲート34の方向に入り込む方向に燐の傾斜角
度イオン注入を行う。
【0018】次に第二の実施例について述べる。四方向
のすべてのフォトダイオードの4辺に入り込む方向で、
注入角度10〜20°において、50keVで総ドーズ
量2×1014cm-2注入する。または連続回転注入にて
同様の注入を行う。
【0019】図5にボロンイオンの注入角度と転送電極
23下への入り込み量との関係を示す。
【0020】通常、周辺全ての方向に入り込む方向にボ
ロンイオンを傾斜角度注入を行なう。第二の実施例の試
料ではフォトダイオードの電荷をCCD領域に読み出す
ために高い電圧を必要とするが、フォトダイオード形成
のために燐イオンが読出し部に入り込む方向に注入した
試料では、第一の実施例で示した条件である三方向に注
入した試料の読出し特性と遜色のない特性を示した。
【0021】ここで三方向のステップで注入するときに
は、トータルドーズ量の1/3のドーズで各注入を行
う。四方向のステップでは、一回当たりのドーズ量をト
ータルドーズ量の1/4の量とする。その他として連続
回転の注入においてもある回転角の範囲でのみイオンビ
ームを寸断するイオン注入装置の機能を用いてもこの注
入を実現できる。
【0022】本発明によって形成した試料における白傷
良品の、従来形成品との相対的な良品率の結果を、図6
に示す。この結果、試料の白傷の良品率においてほぼ同
様の10%を越える改善効果が認められた。
【0023】本発明の第二の方法と同じ効果を実現でき
る方法として、次の第三の実施方法について、図7およ
び図8を用いて説明する。基板1には正孔蓄積層52が
形成されている。正孔蓄積層52の端部は、基板1上部
に形成された電極53端部とほぼ一致している。電極5
3は基板1上に絶縁膜54を介して形成されている。さ
らに、電極53上には絶縁膜55が形成されている。こ
こでは、ボロンイオンビーム51により正孔蓄積層52
を形成する。また、このとき形成されている電極53の
端部にサイドウォール57を形成した後、フォトダイオ
ード部58を形成するための燐イオンビーム56を注入
する。このときのサイドウォール57の形成は、電極5
3を酸化する方法、または堆積薄膜を異方性エッチング
でもって膜厚分よりやや厚くエッチングし、マスク段差
部にのみ薄膜を残留させる方法で形成される。この方法
によってフォトダイオード部58より大きな正孔蓄積層
52を形成することができる。ただし後者の方法では電
極53の上に絶縁膜55が必要である。
【0024】このときにフォトダイオード部58の形成
のための燐イオンビーム56を読出し電極53の方向に
入り込む角度で注入することで、読出しの電圧を低減す
ることができ、従来の特性と同様の特性となる。
【0025】以上の方法により第二の発明と同様の形状
を実現できる。この結果についても、白傷良品率が従来
品との比較において格段によくなる。この燐の注入にお
いて、読出し電極の方向以外の方向へ入り込む注入を行
うことによって、飽和電子数を増大する。
【0026】
【発明の効果】以上の結果に示すように、フォトダイオ
ードの電極部端のシリコンと酸化膜の界面付近の濃度を
横方向にまで精密に入り込ませて濃度を上昇させ制御す
ることによって著しい改善が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法の一実施例を説明するための
断面図
【図2】本発明の製造方法の一実施例を説明するための
断面図
【図3】本発明の入り込み注入を説明するための図
【図4】フォトダイオード部の平面図
【図5】注入角度とマスク端部からの入り込みとの関係
を示す図
【図6】白傷不良率の比較を示す図
【図7】本発明の第三の実施例を説明するための断面図
【図8】本発明の第三の実施例においてイオン注入方向
を変えた一例を説明するための断面図
【図9】従来例の固体撮像装置の断面図
【図10】従来例の固体撮像装置の断面図
【図11】空乏層のマスク端部での伸びを説明する図
【符号の説明】
21 基板 22 絶縁膜 23 転送電極 24 ウェル 25 転送領域 26 チャンネルストッパ領域 27 ボロンイオンビーム 28 フォトダイオード部 29 ボロンイオンビーム 30 正孔蓄積層 31、32 ボロンイオンビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 裕幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (72)発明者 立川 景士 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−18058(JP,A) 特開 平4−207077(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/148 H01L 21/265 H01L 31/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一導電型の基板あるいは同導電型のウェル
    を有するシリコン基板に複数個の辺で囲まれたフォトダ
    イオードを形成する工程と、前記フォトダイオードの前
    記シリコン基板表面に正孔蓄積層となる同導電型の不純
    物領域を形成するにあたり、前記フォトダイオードの上
    部より見て前記フォトダイオードの少なくとも三つ以上
    の異なった方向の辺に対して傾斜イオン注入をすること
    を特徴とする固体撮像素子の製造方法。
  2. 【請求項2】前記フォトダイオードの周りの全ての辺に
    対して連続回転あるいは複数回ステップの傾斜イオン注
    入をすることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素
    子の製造方法。
  3. 【請求項3】前記フォトダイオードの周辺で、電子の読
    出しゲートとなる辺以外であって、前記読出しゲートと
    ほぼ90度に接する二辺及び対向する1辺の三方向の辺
    に対して傾斜イオン注入をすることを特徴とする請求項
    1に記載の固体撮像素子の製造方法。
  4. 【請求項4】基板上に絶縁膜を介して電極を形成する工
    程と、少なくとも前記電極を注入マスクにして前記基板
    表面に正孔蓄積層を形成する工程と、前記正孔蓄積層を
    形成した後に前記電極端部にサイドウォールを形成して
    から読出し電極の方向に入り込む角度でイオン注入を行
    うことによって、前記正孔蓄積層下にフォトダイオード
    を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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