JP3867312B2

JP3867312B2 - イオン注入方法

Info

Publication number: JP3867312B2
Application number: JP34677195A
Authority: JP
Inventors: 淳浅井; 洋一大塚
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: JPH09162137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入方法に関し、更に詳細にはイオン注入領域の位置及び面積を微細に調整できるイオン注入方法、特にＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成に適したイオン注入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、基板にイオンを注入してイオン注入領域を形成する際、イオン注入は、ポリシリコン、ＳｉＯ₂などのデバイス構成材料やホトレジスト等で形成されるマスクパターンの上から基板に向け施され、これによりパターンで定められた開口の位置及び面積に合致するようにイオン注入領域が形成されている。従って、イオン注入領域を所定通りの位置及び面積で基板に形成するためには、ホトリソグラフィ法等で形成するマスクパターンの精度を高める必要がある。
ホトリソグラフィ法でマスクパターンを形成する際、マスクパターンの精度を決める因子は、使用する光学装置の作動精度、例えばフォトリソグラフィステッパーの作動精度であって、特に、フォトリソグラフィステッパーのショット毎に移動する機械的精度である。従来、マスクパターンの開口の精度、従ってイオン注入領域の位置及び面積は、フォトリソグラフィステッパーの作動精度の限界から、０．１μm 以下の単位で微細に調整することは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスの微細化に伴い、イオン注入領域の位置及び面積を０．１μm 単位で制御する必要が生じて来ている。
ここで、ＣＣＤ撮像素子を例にしてイオン注入領域の位置及び面積の調整の必要性を説明する。最近のＣＣＤ撮像素子では、単セル分離部（画素分離部）幅や蓄積電荷読み出し部幅が、マスク上で０．４〜０．７μｍ程度にまで縮小されており、また転送部幅も１μｍ程度になっている。従って、ＣＣＤ撮像素子において、蓄積・転送電荷量を確保しつつ電場強度を緩和するためには、垂直転送部を形成するイオン注入領域の位置及び面積を０．１μｍ単位で調整することが必要である。
【０００４】
図６から図８を参照しつつ、垂直転送部形成のための従来のイオン注入方法を説明する。図６は、垂直転送部形成のためのイオン注入が従来の方法で行われたＣＣＤ撮像素子の有効画素の積層構造１０を示す断面図である。図６中、１１はＳｉ基板、１２はｐ^-型のオーバーフローバリア層、１３は絶縁膜、２１はｐ^-ウエルからなる転送バリア部、２２はｎ型の垂直転送部、２３はｐ^-型の読み出しバリア部、２４はｎ型の受光部、２５はｐ⁺型のホール蓄積部、２６はチャネルストップ、３１はポリシリコンからなる転送電極、３２はポリシリコン酸化膜からなる絶縁膜、３３はＰＳＧ等のパッシベーション膜及び３４はＡｌからなる遮光膜である。
図６は、更に、基板表面の絶縁膜１３の下側界面から約０．２〜０．３μｍ深さに位置する水平方向断面３５に沿ったポテンシャルの電位を示している。断面３５から下向きに＋電位が取ってあり、電子にとっては上に凸のポテンシャルがバリアとなる。
【０００５】
従来、垂直転送部を形成するために、先ず、基板１１上に、図７に示すように、ホトレジスト層４０を成膜する。図７中、１２はオーバーフローバリア層１２、及び１３は酸化絶縁膜である。
次いで、フォトレジスト層４０をｇ線，ｉ線，エキシマレーザーなどの光で露光し、現像して、所望のパターンを形成し、これをマスクとして第１次イオン注入及び第２次イオン注入を連続して行い、続いて熱処理を施し、注入した不純物イオンを拡散させている。第１次イオン注入により転送バリア部２１を、第２次イオン注入により垂直転送部２２をそれぞれ形成している。
イオン注入工程の後、引き続き、転送電極３１、ホール蓄積部２５、受光部２４及びポリシリコン酸化膜３２を形成し、図８に示すような積層構造を得る。更に、ＰＳＧ等のパッシベーション膜３３及びＡｌの遮光膜３４を形成すると、図６に示すような積層構造１０を備えたＣＣＤ撮像素子有効画素を得ることができる。
【０００６】
ところで、蓄積・転送電荷量を確保しつつ電場強度を緩和するためには、垂直転送部下層２１及び垂直転送部上層２２を形成する際に、垂直転送部２２の幅を転送バリア部２１より僅かに小さくして、垂直転送部２２を転送バリア部２１により包み込むような形にすることが有効である。
しかし、従来の方法では、同じマスクパターンを使用して転送バリア部２１及び垂直転送部２２を形成しているので、第２次イオン注入により形成した垂直転送部の幅と第１次イオン注入により形成した転送バリア部の幅とは、図７に示すように、殆ど同じになる。
【０００７】
そこで、転送バリア部２１を形成する第１次イオン注入の際のマスクパターンの開口径より僅かに小さい開口径のマスクパターンを形成して第２次イオン注入を行って転送バリア部２１の幅より狭い垂直転送部２２を形成しようとしても、上述したように、このような高精度のマスク合わせを可能にするように、ホトリソグラフィ法で使用する装置の作動精度を高めることは難しい。従って、ステッパーの位置合わせ精度の限界から、通常、０．１μｍ程度のズレが発生するため、所望のマスクパターンを得ることはできない。
また、注入イオンの拡散を制御して垂直転送部の幅を調整しようとしても、それは技術的に難しく、注入する不純物元素の種類により熱拡散係数が異なるため、垂直転送部２２の幅は、転送バリア部２１の幅に対して僅かに異なるものの、イオン注入時に同一パターンを使用している限り、基本的には深さ方向にしか自由度が無いことが判る。
【０００８】
以上、説明したように、従来の方法では、イオン注入領域の位置及び面積を微細に調整できるようなマスクパターンを得ることは難しい。そこで、本発明の目的は、イオン注入に際し、マスクパターンの開口の位置及び面積を微細に調整する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るイオン注入方法は、基板上にホトレジスト層からなるマスクパターンを形成し、ホトレジスト層をマスクにしてイオン注入する際、
ホトレジスト層にリフロー熱処理を施して、マスクパターンの開口部の下端縁の開口径を縮小させ、それによってイオン注入領域の位置及び面積を調整することを特徴としている。
【００１０】
リフロー熱処理の条件は、縮小させる割合、使用するホトレジストの種類、マスクパターンの開口の大きさ等により異なり、実績、実験等により決定する。
【００１１】
本発明に係るイオン注入方法は、特にＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成に適している。本発明に係るイオン注入方法は、ＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成工程で、基板の絶縁膜上にホトレジスト層からなるマスクパターンを形成し、ホトレジスト層をマスクにしてイオン注入により転送バリア部を形成し、次いで別のイオンを注入して垂直転送部を形成するに当たり、
ホトレジスト層にリフロー熱処理を施して、マスクパターンの開口部の下端縁の開口径を縮小させ、それによって垂直転送部を形成するイオン注入領域の位置及び面積を調整することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
図１は本発明方法で形成したＣＣＤ撮像素子有効画素の積層構造のＨ方向断面図、図２から図５は図１の積層構造の形成に本発明方法を適用した場合のＣＣＤ撮像素子有効画素の各工程毎のＨ方向断面図である。
本発明方法では、従来の方法と同様にして、先ず、イオン注入によりＳｉ基板１１にｐ^-型のオーバーフローバリア層１２を形成し、次いで熱酸化により絶縁膜１３を成膜する。続いて、開口部４２を有するマスクパターンをホトレジスト層４０によってホトリソグラフィ法により形成し、次いで、図２に示すように、ホトレジスト層４０をマスクにしてイオン注入によりｐ^-ウエルからなる転送バリア部２１を形成する。
【００１３】
次に、ホトレジスト層４０にリフロー熱処理を施して、開口部４２の下端部４４周りのホトレジスト層４０を流動化し、それにより、図３に示すように下端部４４の端縁４６の開口径を縮小させる。リフロー熱処理の条件は、使用するホトレジストの種類に異なるが、例えばｉ線用ポジレジストを使用して、厚さを１〜２μm のマスクパターンを形成する場合には、基板を１〜１０分の間１００〜１５０℃の範囲の温度に維持することによりリフロー熱処理を施すことが出来る。また、適用パターンの開口幅は１μｍ程度が効果的である。
【００１４】
次に、開口径を縮小させたマスクパターンを有するホトレジスト層４０をマスクにして、垂直転送部２２を形成するためのイオン注入を行う。この結果、図４に示すように、転送バリア部２１より幅の狭い垂直転送部２２を形成することができる。
引き続き、従来の方法と同様にして、転送電極３１、ホール蓄積部２５、受光部２４及びポリシリコン酸化膜３２を形成し、図４に示すような積層構造を得る。更に、従来の方法と同様にして、ＰＳＧ等のパッシベーション膜３３及びＡｌの遮光膜３４を形成すると、図１に示すような積層構造４８を備えたＣＣＤ撮像素子有効画素を得ることができる。
【００１５】
ホール蓄積部２５の蓄積電荷の読み出し特性は、読み出し部２３の幅、不純物濃度、並びに転送バリア部２１、垂直転送部２２、受光部２４、及びホール蓄積部２５等のホール蓄積部２５の周辺のポテンシャルにより決定される。
本発明方法により形成した積層構造４８の基板表面の絶縁膜１３の下側界面から約０．２〜０．３μｍ深さに位置する水平方向断面３５に沿ったポテンシャルは、図１に示す通りである。図１では、断面３５から下向きに＋電位が取ってある。尚、図１の一点鎖線は、図６の一点鎖線と一致する位置に延びている。
【００１６】
本発明方法で作製した図１に示すＣＣＤ撮像素子の積層構造４８は、従来の方法で作製した図６に示すＣＣＤ撮像素子の積層構造１０と比較して、垂直転送部２１の水平方向（以下、Ｈ方向と略記）幅が小さく、ｐ−ウェルからなる転送バリア部２２によって包むように形成されている。
しかも、転送バリア部２２が読み出し部２３やチャンネルストップ２６と連続しているので、転送バリア部２２は、読み出し部２３を実効的に幅広くかつ不純物濃度を高くし、更には同様にチャンネルストップ２６を幅広くかつ不純物濃度を高くするか、濃度勾配を緩和するかすることができる。
よって、本実施例では、図１に示すように、読み出し部２３およびチャンネルストップ２６のポテンシャルピーク位置が、従来の方法により作製した図６に示す積層構造１０に比べて、受光部２４より垂直転送部２２の近くに位置している。それにより、ポテンシャルスロープが受光部２４側に長くなって、読み出し部２３に入射した光が光電変換して発生した電子は、容易に受光部２４側へ移動することができるので、スミア量が減り、また感度が向上する。
【００１７】
また、垂直転送部２２と読み出し部２３との境界、垂直転送部２２とチャンネルストップ２６との界面において、垂直転送部２２の不純物濃度勾配が、従来の方法により作製した図６に示す積層構造１０に比べて、緩やかに出来るため、電場強度が低減され、熱励起で湧き出す電子・ホールが減少するので、それが発生原因となるノイズが低減され、また結晶欠陥が発生原因となる白線縦筋ノイズが低減される。
【００１８】
以上のように、本発明方法によれば、ホトレジスト層をリフローさせて開口径を縮小させると言うセルフアライメント手法により、イオン注入領域を微細な面積、例えば０．１μm 単位で縮小できると評価できる。
【００１９】
以上の実施例では、ＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成を例にして説明したが、ＭＯＳトランジスタの製造方法で広く用いられるＬＤＤ法と同様の作用によって、開口縁の両端において不純物濃度勾配が緩やかになる。よって、ＭＯＳトランジスタの製造方法にも適用できる。特に、ＬＤＤ型のＭＯＳＦＥＴの製造の際のイオン注入に当たり、イオン注入領域の位置及び面積を微細に調整する時にも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子の製造において、基板上にホトレジスト層からなるマスクパターンを形成し、ホトレジスト層をマスクにしてイオン注入する際、ホトレジスト層にリフロー熱処理を施して、マスクパターンの開口部の下端縁の開口径を縮小させ、それによって（１）第１次イオン注入及び第２次イオン注入を連続して行う場合でも、後に注入する第２次イオン注入のイオン注入領域の面積を先に注入する第１次イオン注入のイオン注入領域の面積よりも小さくでき、また（２）パターンの開口面積変更を自己整合を保持しつつ行える。
本発明方法では、フォトリソグラフィステッパーの合わせずれが含まれないため、精度の高いパターン開口の位置、面積の微細調整を行うことができる。
また、本発明方法をＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成に適用した場合、スミア量及びノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法により製造したＣＣＤ素子有効画素の積層構造を示すＨ方向断面図である。
【図２】基板上にホトレジスト膜を成膜し、マスクパターンを形成し、第１次イオン注入を行って転送バリア部を形成した状態での基板のＨ方向断面図である。
【図３】ホトレジスト層をリフローさせた状態での基板のＨ方向断面図である。
【図４】第２次イオン注入を行って垂直転送部を形成した状態での基板のＨ方向断面図である。
【図５】図４に引き続く工程で得た積層構造を示す基板のＨ方向断面図である。
【図６】従来方法により製造したＣＣＤ素子有効画素の積層構造を示すＨ方向断面図である。
【図７】従来方法により形成した転送バリア部及び垂直転送部を示す基板のＨ方向断面図である。
【図８】図７に引き続く工程で得た積層構造を示す基板のＨ方向断面図である。
【符号の説明】
１０従来方法により得たＣＣＤ撮像素子の有効画素の積層構造
１１Ｓｉ基板
１２オーバーフローバリア
１３絶縁膜
２１転送バリア部
２２垂直転送部
２３読み出しバリア層
２４受光部
２５ホール蓄積部
２６チャネルストップ
３１転送電極
３２絶縁膜
３３ＰＳＧ膜
３４遮光膜
３５水平断面
４０ホトレジスト層
４２開口部
４４下端部
４６端縁
４８本発明方法により得たＣＣＤ撮像素子の有効画素の積層構造

Claims

ＣＣＤ撮像素子の垂直転送部の形成工程で、基板の絶縁膜上にホトレジスト層からなるマスクパターンを形成し、ホトレジスト層をマスクにしてイオン注入により転送バリア部を形成し、次いで別のイオンを注入して垂直転送部を形成するに当たり、
ホトレジスト層にリフロー熱処理を施して、マスクパターンの開口部の下端縁の開口径を縮小させ、それによって垂直転送部を形成するイオン注入領域の位置及び面積を調整することを特徴とするイオン注入方法。