JP3743132B2

JP3743132B2 - 固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP3743132B2
Application number: JP21207997A
Authority: JP
Inventors: 淳浅井; 満山下
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2017-08-06
Also published as: JPH1154740A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の要部を示す。
このＣＣＤ固体撮像素子３０は、撮像領域において、複数の画素を構成するセンサ部５１がマトリックス状に配列され、各センサ部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ５２が形成されて成る。
【０００３】
ＣＣＤ固体撮像素子３０は、撮像領域において、複数の画素を構成するセンサ部５１がマトリックス状に配列され、各センサ部列の一側に、ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ５２が形成されて成る。
ＣＣＤ固体撮像素子３０は、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造を有して成り、例えばｎ型のシリコンからなる半導体基板３１に、オーバーフローバリアとなる第１のＰ型半導体ウエル領域３２が形成され、この第１のｐ型半導体ウエル領域３２内に、センサ部５１を構成するｎ型の不純物拡散領域３３、読み出しゲート部４２、垂直転送レジスタ５２を構成するｎ型の転送チャネル領域３４及び画素分離部を構成するｐ型のチャネルストップ領域３５がそれぞれ形成されている。
【０００４】
また、ｎ型の不純物拡散領域３３の上部には、センサ部５１の表面層となるｐ型の正電荷領域３６が形成される。このｐ型の正電荷蓄積領域３６とｎ型の不純物拡散領域３３とｐ型の半導体ウエル領域３２によって、いわゆるＨＡＤ（ホールアキュミュレイテッドダイオード）センサによるセンサ部５１が形成される。ｎ型の転送チャネル領域３４の下には、第２のｐ型半導体ウエル領域４４が形成されている。
【０００５】
第１のｐ型半導体ウエル領域３２が形成された半導体基板３１の表面には、ゲート絶縁膜３７が形成され、読み出し部４２、転送チャネル領域３４、チャネルストップ領域３５上に、このゲート絶縁膜３７を介して、例えば多結晶シリコン層による転送電極３８が形成される。転送チャネル領域３４、ゲート絶縁膜３７及び転送電極３８によって、垂直転送レジスタ５２が構成される。
【０００６】
そして、転送電極３８を覆って層間絶縁膜３９が形成され、これの上にＡｌ等による遮光膜４０が形成され、転送電極３８の上面及び側面を覆うと共に、センサ部に対応して遮光膜４０に開口部４３が形成されている。
さらに、全体を覆って酸化膜等の透明な絶縁膜からなるパッシベーション膜４１が形成され、その上に、透明な絶縁膜からなる平坦化膜４６が形成されている。平坦化膜４６の表面上には、オンチップカラーフィルター４７が形成され、最上部にオンチップレンズ４８が形成されている。
【０００７】
上述の固体撮像素子３０のチャネルストップ領域３５及びセンサ部５１を構成するｎ型の不純物拡散領域３３、Ｐ型の正電荷蓄積領域３６は、図７に示すような方法で形成される。
まず、図７Ａに示すように、半導体基板３１に第１のｐ型ウエル領域３２を形成し、このｐ型ウエル領域３２に、第２のｐ型ウエル領域４４、ｎ型の転送チャネル領域３４を形成し、更に基板表面にゲート絶縁膜３７を形成した後、フォトレジストマスク５４を介して、ｐ型不純物５５を選択的にイオン注入してｐ型のチャネルストップ領域３５を形成する。
【０００８】
次に、図７Ｂに示すように、フォトレジストマスク５４を除去し、ゲート絶縁膜３７上に転送電極３８を形成し、層間絶縁膜３９を形成した後、転送電極３８をマスクして、ｎ型不純物５６をイオン注入してｎ型の不純物拡散領域３３を形成し、続いてｐ型不純物５７をイオン注入してｐ型の正電荷蓄積領域３６を形成する。
【０００９】
この図７Ａ，Ｂで示すように、チャネルストップ領域３５、センサ部を形成するｎ型不純物拡散領域３３及びｐ型の正電荷蓄積領域３６を形成するためには、気相拡散法よりも熱処理量が小さく微細な拡散層を形成できるイオン注入法を用いる場合が多くなっている。イオン法入作業は受光部３３を形成するイオン注入に限らず、一般に最小限の軸・面チャネリング抑制できるように、ウエハ法線に対して５〜７°程度傾斜させ、かつ、結晶軸から２０°以上回転させて注入することが多い。
【００１０】
このような注入法では、ウエハ法線からの傾きが小さいため、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストで形成したパターンとほぼ同等のパターンで不純物層が形成される。その後、層間絶縁膜を形成するための酸化や不純物活性化のためのアニール等、様々な熱処理により不純物層が拡がるので、素子の微細化は、このフォトリソグラフィの微細化によって進められてきた。従って、画素分離部即ち、チャネルストップ領域３５を縮小するためには、フォトリソグラフィの解像度を高め、狭い開口部５９（図７Ａ参照）が得られるような技術開発が必要であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、年々素子の微細化が進むのに伴い、より高い電気特性が得られるようにして、より微細なパターンを形成するためには、上から見た各領域の平面パターンをそのまま形成する技術では限界があり、層の下に潜り込ませたり、上にずらしながら重ね合わせる等の階層設計が重要になってきている。
すなわち、従来からの単純な、ほぼ鉛直方向のイオン注入によるセンサ部や画素分離部の形成方法では、固体撮像素子をいっそう微細化するという時代の要求に応えられなくなってきている。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みて成されたものであり、撮像素子のより微細化を可能にした固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、センサ部の表面層を形成する不純物イオン注入を、ウエハ法線から１０°以上傾斜させてセンサ部からみて形成すべき画素分離部側へ向って行う。
【００１６】
この製法においては、センサ部の表面層を形成する不純物イオン注入を、ウエハ法線から１０°以上傾斜させ、センサ部からみて画素分離部へ向かって行うことにより、センサ部の表面層と画素分離部が同時に形成され、画素分離部が小さく形成できる。従って、より微細化された固体撮像素子を製造することができる。
【００１７】
一方、センサ部の表面層から読み出しゲート部への不純物の横方向拡散が小さくなり、読み出しゲート部のセンサ部側の不純物濃度が低くなり、読み出し電圧の低減が図れる。
また、センサ部に表面層と一体に形成される画素分離部の不純物が隣接する垂直転送レジスタの転送チャネル領域へ横方向拡散して転送チャネル領域の一部を相殺する量が小さくなる。
さらに、センサ部の表面層と画素分離部が同時に形成されるので、製造工程数が低減する。画素分離部は最も微細な領域であり、この微細な領域を形成するための難易度の高い工程を省略することができる。
【００１８】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、センサ部の表面層を形成する不純物イオン注入工程において、不純物イオン注入によって、センサ部の表面層と画素分離部とを同時に形成する
この製法においては、センサ部の表面層と画素分離部が同時に形成されるので、製造工程数が低減する。画素分離部は最も微細な領域であり、この微細な領域を形成するための難易度の高い工程を省略することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体撮像素子は、複数のセンサ部と、各センサ部列に対応した垂直転送レジスタと、センサ部の一側に形成された読み出しゲート部と、センサ部の他側に形成された画素分離部を有し、センサ部の中心の層に対して、センサ部の表面層が画素分離側にずれ、かつセンサ部の表面層と画素分離部とが、同一のイオン注入層で形成された構成とする。
【００２０】
また、本発明は、上記固体撮像素子において、センサ部の中心の層が、第１導電型の半導体層で形成され、センサ部の表面層が、第２導電型の電荷蓄積層で形成され、画素分離部が、第２導電型のチャネルストップ領域で形成された構成とする。
【００２１】
さらに、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、センサ部の表面層を形成する不純物イオン注入工程において、不純物イオン注入を、ウエハ法線から１０°以上傾斜させ、センサ部からみて、画素分離部を形成すべき側へ向かって行い、センサ部の表面層と前記画素分離部とを同時に形成する。
【００２２】
また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、不純物イオン注入を転送電極が形成された後に行う。
【００２３】
以下、本発明の固体撮像素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す。
図１は、ＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域、即ち有効画素領域を上から見た図であり、遮光膜を一部透視して、第１転送電極及び第２転送電極のパターンが分かるように表示されている。
図２は、図１の水平方向に沿ったＡ−Ａ線上の断面を示す。
【００２４】
このＣＣＤ固体撮像素子１は、図１に示すように、撮像領域において、複数の画素を構成するセンサ部２がマトリックス状に配列され、各センサ部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が形成されて成る。
【００２５】
４は、センサ部２の開口、即ち遮光膜５に設けられたセンサ部２が臨む開口である。垂直転送レジスタ３は、センサ部２から読み出しゲート部を介して読み出された信号電荷を転送するための、例えば多結晶シリコン層からなる２層の垂直転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕、即ち、第１層目の第１転送電極６Ａ及び第２層目の第２転送電極６Ｂを有して形成される。１５は、後述するように、センサ部２の表面層となる電荷蓄積層と同時に形成された画素分離部を構成するチャネルストップ領域を示す。図１中矢印ａの方向が垂直転送方向になる。
【００２６】
そして、このＣＣＤ固体撮像素子１は、いわゆる縦型オーバーフロードレインを有して成り、図２に示すように、第１導電型、例えばｎ型のシリコンからなる半導体基板１１に、オーバーフローバリアとなる第２導電型例えばｐ型の第１半導体ウエル領域１２が形成され、この第１のｐ型半導体ウエル領域１２内に、センサ部２の中心の層を構成するｎ型の不純物拡散領域１３、読み出しゲート部２２、垂直転送レジスタ３を構成するｎ型の転送チャネル領域１４及び後述する画素分離部を構成するｐ型のチャネルストップ領域１５がそれぞれ形成されている。
【００２７】
また、ｎ型の不純物拡散領域１３の上部には、センサ部２の表面層を構成する電荷蓄積層、本例ではｐ型の正電荷（ホール）領域１６が形成される。このｐ型の正電荷蓄積領域１６とｎ型の不純物拡散領域１３とｐ型の半導体ウエル領域１２によって、いわゆるＨＡＤ（ホールアキュミュレイテッドダイオード）センサによるセンサ部２が形成される。ｎ型の転送チャネル領域１４の下には、第２のｐ型半導体ウエル領域２４が形成されている。
【００２８】
第１のｐ型半導体ウエル領域１２が形成された半導体基板１１の表面には、ゲート絶縁膜１７が形成され、このゲート絶縁膜１７を介して、読み出し部２２、転送チャネル領域１４、チャネルストップ領域１５上に、例えば多結晶シリコン層による転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕が形成される。転送チャネル領域１４、ゲート絶縁膜１７及び転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕によって、垂直転送レジスタ３が構成される。
【００２９】
そして、転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕を覆って層間絶縁膜１９が形成され、これの上に例えばＡｌ等による遮光膜５が形成され、転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕の上面及び側面を覆うと共に、センサ部に対応して遮光膜５に開口部４が形成されている。
さらに、全体を覆って酸化膜等の透明な絶縁膜からなるパッシベーション膜２１が形成され、その上に、透明な絶縁膜からなる平坦化膜２６が形成されている。平坦化膜２６の表面上には、オンチップカラーフィルター２７が形成され、最上部にオンチップレンズ２８が形成されて成る。
【００３０】
本実施の形態では、特に、センサ部２の表面層であるｐ型の正電荷蓄積領域１６をセンサ部２の中心の層であるｎ型の不純物拡散層１３に対して画素分離部側にずらすようにして、ｎ型の不純物拡散層１６と画素分離部となる転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕下のｐ型チャネルストップ領域１５とを同一のｐ型イオン注入層２９で一体に形成する。
【００３１】
ここで、正電荷蓄積領域１６を画素分離側にずらすことにより、正電荷蓄積領域１６と転送チャネル領域１４間の読み出しゲート部２２の間隔は、前述した図６の従来のそれよりも大きくなる。
【００３２】
ただし、正電荷蓄積領域１６の一つの機能は、センサ部２においてシリコン─ゲート絶縁膜（いわゆるＳｉ−ＳｉＯ₂）界面の準位から発生した暗電流の原因となる電子が、ｎ型不純物拡散層１３に入り込まないように抑制することにある。従って、正電荷蓄積領域１６は、界面凖位からの電子を抑制できる範囲内の不純物濃度で形成される。
【００３３】
垂直方向に隣接するセンサ部２間の画素分離部では、センサ部２と隣接画素の垂直転送レジスタ３間の画素分離部の幅より充分広いのでチャネルストップ領域は不要である。
【００３４】
本発明のＣＣＤ固体撮像素子１によれば、同一のイオン注入層２９によって、センサ部２の正電荷蓄積層１６と画素分離部となるチャネルストップ領域１５が一体に形成されるので、センサ部２と隣接画素の垂直転送レジスタ３間の画素分離部、即ち、チャネルストップ領域１５の幅を小さくすることができ、撮像素子のより微細化を可能とする。
【００３５】
そして、チャネルストップ領域１５による画素分離部が小さくなることにより、垂直転送レジスタ３及びセンサ部２の面積を大きくすることができ、垂直転送レジスタ３及びセンサ部２の取扱い電荷量が増大し、ダイナミックレンジの大きな優れた撮像画素が得られる。
また、上記の垂直転送レジスタ３における取扱い電荷量の増大分をセンサ部２の開口に振り向ければ、感度を増大することができる。
【００３６】
次に、本発明のＣＣＤ固体撮像素子１の製造方法、特にセンサ部２の正電荷蓄積領域１６及び画素分離部となるチャネルストップ領域１５の形成について説明する。
【００３７】
先ず、図３Ａに示すように、半導体基板１１に第１のｐ型ウエル領域１２を形成し、この第１のｐ型ウエル領域１２に第２のｐ型ウエル領域２４、ｎ型の転送チャネル領域１４を形成し、さらに、基板表面にゲート絶縁膜１７を介して垂直転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕を形成し、垂直転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕を覆うように層間絶縁膜１９を形成する。
【００３８】
さらに、垂直転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕をマスクにｎ型不純物６６をイオン注入してセンサ部２の中心の層であるｎ型不純物拡散層１３を形成する。この時のイオン注入は、従来と同様に、ウエハ法線（即ち、半導体ウエハの面に対して垂直方向の線）６８に対して５〜７°程度（図３Ａのα）傾斜させて行う。
【００３９】
次に、図３Ｂに示すように、同じく垂直転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕をマスクにｐ型不純物６７をイオン注入してｐ型の正電荷蓄積領域１６及び画素分離部となるｐ型のチャネルストップ領域１５を同時に形成する。この時のイオン注入は、その注入角度βをウエハ法線に対して１０°以上、即ち１０〜４５°、好ましくは、３０〜４０°としてセンサ部２からみて、画素分離部を形成すべき領域側に向けて行う。この角度βでイオン注入すると、ｐ型不純物６７は、転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕下の画素分離部とすべき領域へ到達し、この結果、正電荷蓄積領域１６と画素分離部となるチャネルストップ領域１５が同時に形成される。
【００４０】
ｐ型不純物６７のイオン注入角度βが１０°より小さいと、ｐ型不純物６７が転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕下に打ち込まれずチャネルストップ領域１５の同時形成が難しい。イオン注入角度βが４５°を超えると、正電荷蓄積領域１６がｎ型不純物拡散層１３に対してずれ量が大きくなり、センサ部２において界面準位からの電子を抑制するのが不十分になる。
【００４１】
ここで、従来（図７参照）の画素分離部のチャネルストップ領域３５形成のための、例えばホウ素（ボロン）のイオン注入条件は、ゲート絶縁膜３７の形成前に注入する場合、打ち込みエネルギー４０〜１００ｋｅＶ程度で、ドーズ量０．５〜３×１０¹²ｃｍ^-2程度であり、センサ部５１表面の正電荷蓄積領域３６を形成のための、例えばホウ素（ボロン）のイオン注入条件が、打ち込みエネルギー１０〜５０ＫｅＶ程度で、ドーズ量０．５〜３×１０¹³ｃｍ^-2程度である。従って、本発明において、図３Ｂのｐ型不純物６７としてホウ素（ボロン）を、打ち込みエネルギー１０〜５０ＫｅＶ程度、ドーズ量０．５〜３×１０¹³ｃｍ^-2程度でイオン注入すれば、正電荷蓄積領域１６と同時に形成されるｐ型チャネルストップ領域１５は、画素分離の機能を充分に発揮する。
【００４２】
深さ方向には、図３Ａにおいて、第２のｐ型半導体ウエル領域２４が垂直転送レジスタ３のｎ型の転送チャネル領域１４とセンサ部２の中心の層であるｎ型不純物拡散層１３を分離するため、それらの形成条件を変えなくても、総合的に見て画素分離を損なうことは無い。
【００４３】
例えば、センサ部２の形成条件の一例は、次の通りである。
ｐ⁺正電荷蓄積領域１６：Ｂ（ボロン）、
打ち込みエネルギー＝１０〜５０ＫｅＶ、
ドーズ量＝０．５〜３×１０¹³ｃｍ^-2
ｎ型不純物拡散層１３（中心の層）：Ｐ（リン）、
打ち込みエネルギー＝２００〜１０００ｋｅＶ、
ドーズ量＝１〜５×１０¹²ｃｍ^-2
第１のＰ型半導体ウエル領域（オーバーフローバリア）１２：Ｂ（ボロン）
打ち込みエネルギー＝１０００〜４０００ｋｅＶ、
ドーズ量＝０．３〜３×１０¹¹ｃｍ^-2
シリコン半導体基板１１：Ｐ（リン）
抵抗＝１〜１００Ω・ｃｍ
【００４４】
また、垂直転送レジスタ３の形成条件の一例は、次の通りである。
ｎ型転送チャネル領域１４：Ｐ（リン）、
打ち込みエネルギー＝３０〜２００ｋｅＶ
ドーズ量＝１〜８×１０¹²ｃｍ^-2
第２のｐ型半導体ウエル領域２４：Ｂ（ボロン）、
打ち込みエネルギー１００〜１０００ｋｅＶ
ドーズ量＝０．５〜５×１０¹¹ｃｍ^-2
【００４５】
図４は、上述の製法にて得られた本発明の画素のポテンシャル（即ち水平方向の画素断面のポテンシャル等高線）のシュミレーションを示し、図５は、従来製法にて得られた画素のポテンシャル（即ち水平方向の画素断面のポテンシャル等高線）のシュミレーションを示す。
【００４６】
上述した本発明の製造方法によれば、図４の本発明における画素のポテンシャルと、図５の従来における画素のポテンシャルとの比較から分かるように、センサ部２の正電荷蓄積領域１６から読み出しゲート２２へのｐ型不純物の横方向拡散が小さくなり、読み出しゲート部２２のセンサ部２側のｐ型不純物濃度が低くなり、読み出しゲート部２２に印加する電圧に対する追随性が高くなり、読み出し電圧を低減することができる。
【００４７】
そして、本発明では、読み出し切る電位より低い所で、即ち、読み出しゲート部２２をオンしない時に、読み出しゲート部のゲートバリアによって、センサ部２から垂直転送レジスタ３への電荷が漏れ出すのを阻止する、いわゆるブルーミング耐性は、従来と変わらない。
【００４８】
転送電極６〔６Ａ，６Ｂ〕を形成した後に、イオン注入によって画素分離部となるｐ型チャネルストップ領域１５を形成するため、転送電極６の形成時、或いは層間絶縁膜１９の形成時の熱処理を受けず、チャネルストップ領域１５が受ける被熱処理量が従来に比べて小さくなり、従って、小さな画素分離部、即ちチャネルストップ領域１５が形成できる。
【００４９】
また、同様に被熱処理量が小さいので、チャネルストップ領域１５のｐ型不純物が隣接する垂直転送レジスタ３のｎ型の転送チャネル領域１４へ横方向拡散して、転送チャネル領域１４の一部を相殺する量も従来に比べて小さくなり（即ち相殺されて転送チャネル領域１４が減る面積が小さくなり）、垂直転送レジスタ３における取扱い電荷量が増大する。この結果、ダイナミックレンジの大きな優れた撮像画質が得られる。
【００５０】
センサ部２の正電荷蓄積領域１６と画素分離のチャネルストップ領域１５を同じイオン注入工程で同時に形成するので、従来のチャネルストップ領域を形成するための工程が省略される。従って、製造工程を減らすことができ、コストダウンが可能となる。
すなわち、最も微細なチャネルストップ領域を形成する難易度の高い工程を省略することができるので、製造歩留りが向上し、コストダウンが可能となる。
【００５１】
なお、上述の本発明の実施の形態では、Ｎ型基板を使用した場合について説明したが、その他Ｐ型基板を使用した場合でも、上述と逆型の不純物を用いることにより、本発明を同様に適用できる。
また、インターライン・トランスファ方式、フレームインタライン・トランスファ方式のいずれの方式でも、本発明を同様に適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る製造方法によれば、転送電極を形成した後に、不純物イオン注入により、センサ部の表面層と同時に画素分離部を形成するので、被熱処理量が小さく、小さな画素分離を形成することができる。従って、電極形成前に画素分離部を形成する従来の製造方法と比較すると、垂直転送部及び受光部の取扱い電荷量が増大し、ダイナミックレンジの優れた撮像画質が得られる撮像素子を製造することができる。
【００５４】
さらに、最も微細で高度の技術を要する画素分離部を形成する工程が不要となり、製造工程を削減できるのでコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の平面概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面概略図である。
【図３】Ａ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す工程図である。Ｂ本発明に係る固体撮像素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明に係る画素のポテンシャル図である。
【図５】従来の画素のポテンシャル図である。
【図６】従来の固体撮像素子の概略断面図である。
【図７】従来の固体撮像素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１，３０固体撮像素子、２、５１センサ部、３、５２垂直転送レジスタ
４，４３開口部、６〔６Ａ，６Ｂ〕，３８転送電極、
１１，３１シリコン基板、１２，３２第１のＰ型半導体ウエル領域、
１４，４４第２のＰ型半導体ウェル領域、１５，３５画素分離部、
１６，３６正電荷蓄積領域、１７，３７ゲート絶縁膜、
１９，３９層間絶縁膜、２０，４０Ａｌ遮光膜、
２２，４２読み出しゲート部、２４，３４転送チャネル領域、

Claims

センサ部の表面層を形成する不純物イオン注入工程において、
該不純物イオン注入を、ウエハ法線から１０°以上傾斜させ、前記センサ部からみて、画素分離部を形成すべき側へ向って行い、
前記センサ部の表面層と前記画素分離部とを同時に形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記不純物イオン注入は、転送電極を形成した後に行う
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。