JP4216935B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に電荷蓄積可能な領域を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノンインタレース方式の固体撮像装置は、電子スチルカメラや新しいテレビジョン方式のカメラで用いられ、全画素読み出しを行うことができる。すなわち、全ての受光素子（画素）から信号を同時に読み出すことができる。
【０００３】
ノンインタレース方式の固体撮像装置の一例が、特開平１０−１３６３９２号公報（特願平８−２８８８５７号）及び特開平１０−１３６２６４号公報（特願平８−２８８８５８号）にて提案されている。以下、これらに記載されている固体撮像装置を説明する。
【０００４】
図１４は、固体撮像装置の平面図である。
フォトダイオード（光電変換素子）１１ａ〜１１ｄは第１のフォトダイオード行、フォトダイオード１２ａ〜１２ｄは第２のフォトダイオード行、フォトダイオード１３ａ〜１３ｄは第３のフォトダイオード行、フォトダイオード１４ａ〜１４ｄは第４のフォトダイオード行、そしてフォトダイオード１５ａ〜１５ｄは第５のフォトダイオード行を構成する。フォトダイオードは、受光した光を電荷に変換し、蓄積する。
【０００５】
各フォトダイオード列の左側には、第１の垂直電荷転送路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄが配列する。各フォトダイオード列の右側には、第２の垂直電荷転送路１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄが配列する。以下、第１の垂直電荷転送路１６ａ〜１６ｄを第１の垂直電荷転送路１６と呼び、第２の垂直電荷転送路１７ａ〜１７ｄを第２の垂直電荷転送路１７と呼ぶ。
【０００６】
フォトダイオードに蓄積された電荷は、トランスファゲートを介して垂直電荷転送路１６又は１７に読み出される。垂直電荷転送路１６及び１７は、複数の転送段を有し、１個のフォトダイオードに対して少なくとも１個の転送段を有する。１個の転送段には、例えば４電極が接続される。垂直電荷転送路１６及び１７は、電荷を上から下方向（垂直方向）に転送する。
【０００７】
チャネル位置変換部１８は、垂直電荷転送路１６及び１７上のチャネル位置を変換して水平電荷転送路２０に接続する。垂直電荷転送路１６及び１７上の電荷は、水平電荷転送路２０上で水平方向に同一間隔で並ぶように水平電荷転送路２０に転送される。
【０００８】
素子分離層１９は、垂直電荷転送路１６と１７間及びフォトダイオード間及び垂直電荷転送路１６，１７とその転送路に関係しないフォトダイオードとの間をそれぞれ電気的に分離する。
【０００９】
水平電荷転送路２０は、複数の転送段を有し、垂直電荷転送路１６，１７からチャネル位置変換部１８を介して転送された電荷を１行単位で受け取り、右から左方向（水平方向）に転送する。出力アンプ２１は、水平電荷転送路２０から転送された電荷量に対応する電圧を出力する。この電圧値は、画素値に相当する。フォトダイオードは、画素に相当する。フォトダイオードを２次元行列状に配列することにより、２次元画像の信号を得ることができる。
【００１０】
第１及び第２の垂直電荷転送路１６及び１７上の電荷を同一のタイミングで水平電荷転送路２０に転送することができる。水平電荷転送路２０は、１行分の電荷を１回の転送動作で転送することができる。
【００１１】
固体撮像装置の上には、３色のカラーフィルタが形成されている。すなわち、フォトダイオードの受光部上にＧ，Ｂ，Ｒと記した色フィルタが形成される。ここで、Ｇは緑（グリーン）、Ｂは青（ブルー）そしてＲは赤（レッド）を示す。Ｇ、Ｂ及びＲフィルタで覆われたフォトダイオードは、それぞれＧ信号、Ｂ信号及びＲ信号に対応する電荷を生成する。
【００１２】
Ｇフィルタで覆われたフォトダイオード内の電荷は、その左隣に位置する第１の垂直電荷転送路１６に読み出されて転送される。Ｂフィルタ及びＲフィルタで覆われたフォトダイオード内の電荷は、その右隣に位置する第２の垂直電荷転送路１７に読み出されて転送される。各色毎に同一方向に電荷が読み出されるので、各色特性は全固体撮像装置領域にわたり均一になる。
【００１３】
垂直方向ピッチＷｖは、垂直方向に隣接する２個のフォトダイオードを１単位としたときの隣接単位間の垂直方向の配列ピッチである。水平方向ピッチＷｈは、フォトダイオード間の水平方向の配列ピッチである。垂直方向ピッチＷｖと水平方向ピッチＷｈとは、互いにほぼ等しく設定されている。
【００１４】
一般に、画像の解像度を決定する輝度信号は、Ｇ信号を主とし、Ｒ信号とＢ信号を従としてそれらを加重加算して生成される。垂直方向に隣接する２個のフォトダイオードの組が撮像サンプリング単位とされる。全ての撮像サンプリング単位において必ずＧ信号用のフォトダイオードが配置され、ＧとＲ信号あるいはＧとＢ信号用のフォトダイオードが交互に対を成して配置される。撮像サンプリング単位には、垂直方向に２個のフォトダイオードが配置されるので、画像の解像度を向上させることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｇフィルタで覆われたフォトダイオード内の電荷は、その左側の第１の垂直電荷転送路１６に読み出される。Ｒ及びＢフィルタで覆われたフォトダイオード内の電荷は、その右側の第２の垂直電荷転送路１７に読み出される。
【００１６】
Ｇフィルタで覆われたダイオードは全て同じ方向に読み出されるので、Ｇ信号の特性は均一である。同様に、Ｒ及びＢ信号の特性も均一である。色毎の信号特性が均一であれば、画像の画質は維持される。
【００１７】
しかし、ある色と他の色との間で信号特性が大きく異なることは好ましくない。また、素子特性が大きく異なることも好ましくない。さらに、固体撮像装置間で特性が異なることも好ましくない。
【００１８】
本発明の目的は、均一な特性を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、各々が共通導電型領域の表面に電荷蓄積可能な被読出領域と読出領域の組みを有し、さらに各々が被読出領域と読出領域との間の共通導電型領域の上に第１の絶縁膜を介して設けられるゲート電極を有し、ゲート電極に印加する電圧に応じて被読出領域から読出領域に電荷を読み出すことができる第１及び第２のセルを含む半導体装置であって、被読出領域と読出領域とを結ぶ方向に沿って半導体基板面に対して垂直面方向の断面をとった時に第１のセルでは被読出領域が読出領域に対して半導体基板断面左側に設けられ、第２のセルでは被読出領域が読出領域に対して半導体基板断面右側に設けられる半導体装置の製造方法であって、（ａ）半導体基板表面に設けられる一の導電型の共通導電型領域の表面にそれとは逆導電型の第１のセルの読出領域及び第２のセルの読出領域を形成する工程と、（ｂ）半導体基板表面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１のセルの読出領域の断面左上における前記第１の絶縁膜上に第１のセルのゲート電極を形成し、前記第２のセルの読出領域の断面右上における前記第１の絶縁膜上に第２のセルのゲート電極を形成する工程と、（ｄ）前記第１及び第２のセルのゲート電極をマスクとして半導体基板表面に対して斜め方向から第１のイオン注入を行い、前記第１及び第２のセルの読出領域と同じ導電型の第１のセルの被読出領域の一部を形成する第１の電荷蓄積領域を前記第１のゲート電極の断面左下の前記共通導電型領域に形成し、前記第１の電荷蓄積領域と同じ導電型の第２のセルの被読出領域の一部を形成する第２の電荷蓄積領域を前記第２のセルのゲート電極の断面右下の前記共通導電型領域に形成する工程と、（ｅ）前記第１及び第２のセルのゲート電極をマスクとして前記第１のイオン注入の場合に対して逆斜め方向から第２のイオン注入を行い、前記第１の電荷蓄積領域と同じ導電型の第１のセルの被読出領域の一部を形成する第３の電荷蓄積領域を前記第１のセルのゲート電極の断面左下の前記共通導電型領域及び前記第１の電荷蓄積領域に形成し、前記第３の電荷蓄積領域と同じ導電型の第２のセルの被読出領域の一部を形成する第４の電荷蓄積領域を前記第２のセルのゲート電極の断面右下の前記共通導電型領域及び前記第２の電荷蓄積領域に形成する工程と、（ｆ）前記半導体基板上方に、前記第１及び第３の電荷蓄積領域の重なり部分に開口を有するとともに、前記第２及び第４の電荷蓄積領域の重なり部分に開口を有するレジストマスクを形成し、ティルト角０°でイオン注入を行って、該第１〜第４の電荷蓄積領域とは逆導電型の表面シールド領域を、前記第１のセルのゲート電極から離れて該第１及び第３の電荷蓄積領域の重なり部分の表面に形成するとともに、前記第２のセルのゲート電極から離れて該第２及び第４の電荷蓄積領域の重なり部分の表面に形成する工程とを含み、前記第１のセルのゲート電極は、前記第１及び第３の電荷蓄積領域を含む第１のセルの被読出領域に蓄積されている電荷を前記共通導電型領域を介して前記第１のセルの読出領域に読み出すことができ、前記第２のセルのゲート電極は、前記第２及び第４の電荷蓄積領域を含む第２のセルの被読出領域に蓄積されている電荷を前記共通導電型領域を介して前記第２のセルの読出領域に読み出すことができる半導体装置の製造方法が提供される。
【００２０】
第１及び第２のセルのゲートは、互いに異なる方向に電荷を読み出すことができる。斜め方向から第１のイオン注入を行い、逆斜め方向から第２のイオン注入を行うことにより、両者の読み出し特性を均一化させることができる。また、斜め方向及び逆斜め方向からイオン注入を行うことにより、読み出し電圧を低くすることができると共に、チャネリングを防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１〜図８は、本発明の実施例による図１４に示す固体撮像装置の製造方法を示す基板断面図である。図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）、図６（Ａ）、図７（Ａ）及び図８（Ａ）は、Ｂ又はＲフィルタで覆われたフォトダイオードの周辺領域（画素領域）Ｐｂｒにおける基板断面図である。一方、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、Ｇフィルタで覆われたフォトダイオードの周辺領域（画素領域）Ｐｇにおける基板断面図である。
【００２２】
青又は赤色画素領域Ｐｂｒと緑色画素領域Ｐｇは、共に半導体基板に対してある垂直面方向の断面を示す。両者の断面は、必ずしも同じ垂直面内である必要はないが、平行の垂直面の断面である。
【００２３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）において、ｐ型領域３１は、シリコン（半導体）基板上のｐ型ウエル又はｐ型シリコン層である。まず、フォトリソグラフィ及びイオン注入法により、ｐ型領域の表面に、ｎ型領域３２及びその隣にｐ型領域３３を形成する。この際、青又は赤色画素領域Ｐｂｒ（図１（Ａ））では、ｎ型領域３２の右隣にｐ型領域３３を形成し、緑色画素領域Ｐｇ（図１（Ｂ））では、ｎ型領域３２の左隣にｐ型領域３３を形成する。ｎ型領域３２は、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）として機能する。ｐ型領域３３は、垂直電荷転送路内に電荷を閉じ込めるためのチャネルストップ領域である。
【００２４】
次に、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基板表面を酸化させ、基板表面にシリコン酸化膜（絶縁膜）３４を形成する。
【００２５】
次に、化学気相成長（ＣＶＤ）法により、シリコン酸化膜３４上にポリシリコン（多結晶シリコン）層を形成し、そのポリシリコン層をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定形状にパターニングする。
【００２６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３４上に、所定形状のポリシリコン層３５が形成される。青又は赤色画素領域Ｐｂｒ（図３（Ａ））では、ポリシリコン層３５がｎ型領域３２の上から左上を覆うように形成され、緑色画素領域Ｐｇ（図３（Ｂ））では、ポリシリコン層３５がｎ型領域３２の上から右上を覆うように形成される。
【００２７】
ポリシリコン層３５は、フォトダイオードから垂直電荷転送路に電荷を読み出すためのトランスファゲートとして機能する。ポリシリコン層３５は、導電層であればよく、ポリシリコンの他、金属で形成してもよい。
【００２８】
次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ポリシリコン層３５の表面を酸化させ、ポリシリコン層３５の表面上にシリコン酸化膜（絶縁膜）３６を形成する。
【００２９】
図４（Ａ）に示す青又は赤色画素領域Ｐｂｒは、図４（Ｂ）に示す緑色画素領域Ｐｇに対して左右方向が逆に形成される。すなわち、領域ＰｂｒとＰｇとは、互いに基板表面に対する垂線を軸として対称関係を有する。
【００３０】
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化膜３４及び３６上にレジストパターン３９を形成する。この際、青又は赤色画素領域Ｐｂｒ（図５（Ａ））では、レジストパターン３９がポリシリコン層３５の左側の開口部を画定し、緑色画素領域Ｐｇ（図５（Ｂ））では、レジストパターン３９がポリシリコン層３５の右側に開口部を画定する。
【００３１】
次に、レジストパターン３９とシリコン酸化膜３６とポリシリコン層３５をマスクとして、斜め方向からｎ型不純物（例えばリン）３７をイオン注入する。イオン注入条件は、例えば、ドーズ量が１×１０¹²ｃｍ^-2、加速電圧が３００〜８００ｋｅＶである。
【００３２】
ｎ型不純物３７の入射角は、ティルト角及びローテーション角により表すことができる。
【００３３】
図９（Ａ）は、ティルト角を説明するための基板断面図である。不純物イオン５１は、基板５０の表面に斜め方向から打ち込まれる。ティルト角αは、基板５０表面に対する垂線と不純物イオン５１の入射線とのなす角である。
【００３４】
図９（Ｂ）は、ローテーション角を説明するための基板表面図である。基板の表面は、図９（Ｂ）の紙面と平行である。例えば、図９（Ｂ）の右から左へ不純物イオンを入射させるときのローテーション角βを０°とする。すなわち、図１４において、緑色フィルタで覆われるフォトダイオードから垂直電荷転送路１６に電荷が読み出される方向をローテーション角β＝０°とする。その場合、図９（Ｂ）において、上から下方向へ入射させるときのローテーション角βが９０°、左から右方向へ入射させるときのローテーション角βが１８０°、下から上方向へ入射させるときのローテーション角βが２７０°になる。すなわち、０°の線を基準として、反時計方向にローテーション角βが変化する。図１４において、青又は赤色フィルタで覆われるフォトダイオードから垂直電荷転送路１７に電荷が読み出される方向はローテーション角β＝１８０°になる。
【００３５】
図５（Ａ）及び（Ｂ）において、ｎ型不純物３７の入射角は、ティルト角が７°であり、ローテーション角が１８０°である。不純物イオン３７は、レジストパターン３９、シリコン酸化膜３６及びポリシリコン層３５をマスクとして、基板表面に打ち込まれる。
【００３６】
マスクとなるポリシリコン層３５及びシリコン酸化膜３６の合計膜厚は、約０．５μｍである。ｐ型領域３１の表面には、ｎ型領域３８が形成される。ｎ型領域３８とｐ型領域３１の接合面は、フォトダイオードとして機能する。
【００３７】
不純物イオン３７を斜め打ち込みすると、青又は赤色画素領域Ｐｂｒにおけるｎ型領域３８と緑色画素領域Ｐｇにおけるｎ型領域３８とは形成される位置が異なる。青又は赤色画素領域Ｐｂｒでは、ｎ型領域３８がポリシリコン層３５の左下にもぐりこむように形成され、緑色画素領域Ｐｇでは、シリコン酸化膜３６及びポリシリコン層３５がマスクとして投影され、ｎ型領域３８がポリシリコン層３６の右端から離れた位置に形成される。
【００３８】
青又は赤色画素領域Ｐｂｒでは、不純物イオン３７の斜め打ち込み及び不純物イオン３７の基板中の拡散により、ｎ型領域３８の右端がポリシリコン層３５の下方における最適位置まで形成される。ｎ型領域３８の右端は、右側に行きすぎても左側に行きすぎてもよくなく、最適位置がある。ｎ型領域３８の右端が左側に行きすぎると、ポリシリコン層（トランスファゲート）３５に印加する読み出し電圧が高くなってしまい、右端が右側に行きすぎるとフォトダイオードから垂直電荷転送路への電荷漏れが大きくなってしまう。
【００３９】
仮に、ティルト角を０°にすると、ｎ型領域３８はポリシリコン３５の下方への広がりが小さくなり、ｎ型領域３８を最適位置に形成することができない。
【００４０】
緑色画素領域Ｐｇでは、不純物イオン３７の斜め打ち込み及び不純物イオン３７の基板中の拡散により、ｎ型領域３８がその右上のレジストパターン３９の下方にまで形成され、その右隣のｐ型領域３３との間にｐｎ接合を形成する。
【００４１】
緑色画素領域Ｐｇでは、ｎ型領域３８の左端位置がポリシリコン層３５及びシリコン酸化膜３６のマスクにより、セルフアラインで高精度に決まる。
【００４２】
また、（１１１）面方位のシリコン基板に対して不純物イオン３７注入のティルト角を７°にすることにより、不純物イオンが不必要に基板の奥深くまで侵入するチャネリングを防止することができる効果を有する。
【００４３】
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、レジストパターン３９、シリコン酸化膜３６及びポリシリコン層３５をマスクとして、逆斜め方向からｎ型不純物４２をイオン注入する。ｎ型不純物４２の入射角は、例えば、ティルト角が７°であり、ローテーション角が０°であり、ｎ型不純物３７（図５（Ａ）及び（Ｂ））の入射角に比べて、ティルト角が同じであり、ローテーション角が１８０°異なる。イオン注入におけるドーズ量及び加速電圧は、ｎ型不純物３７（図５（Ａ）及び（Ｂ））のイオン注入条件と同じにする。
【００４４】
レジストパターン３９、シリコン酸化膜３６及びポリシリコン層３５をマスクとして、逆斜め方向からｎ型不純物４２をイオン注入することにより、シリコン基板の表面にｎ型領域が形成される。
【００４５】
ｐ型領域３１の表面には、高濃度ｎ型領域４１及びその両隣に低濃度ｎ型領域４０が形成される。高濃度ｎ型領域４１は、２回のイオン注入による高濃度のｎ型不純物を含む領域である。低濃度ｎ型領域４０は、１回のイオン注入による低濃度のｎ型不純物を含む領域である。
【００４６】
２回のイオン注入により、青又は赤色画素領域Ｐｂｒと緑色画素領域Ｐｇとは、垂線を軸として対称になる。ｎ型不純物を斜め打ち込みすることにより、ｎ型領域４０は、ポリシリコン層３５の下方における最適位置を端部として形成される。
【００４７】
ｎ型領域４０，４１とｐ型領域３１との接合面は、フォトダイオード４３を構成する。その右側のｎ型領域３２は、垂直電荷転送路４４を構成する。青又は赤色画素領域Ｐｂｒでは、フォトダイオード４３からその右の垂直電荷転送路４４に電荷を読み出すことができ、緑色画素領域Ｐｇでは、フォトダイオード４３からその左の垂直電荷転送路４４に電荷を読み出すことができる。
【００４８】
次に、フォトダイオード４３から垂直電荷転送路４４への電荷通路におけるポテンシャル分布を説明する。
【００４９】
図６（Ａ）の下段に、電子に対するポテンシャル分布線ＬＰを示す。フォトダイオード４３は、高濃度ｎ型領域４１及び低濃度ｎ型領域４０を有するため、ポテンシャルの凹部からなるポテンシャルポケット４５を有する。ポテンシャルポケット４５内の電荷は、垂直電荷転送路４４に転送されにくく、電荷の転送効率が下がってしまう。緑色画素領域Ｐｇでも、青又は赤色画素領域Ｐｂｒと同様に、ポテンシャルポケットができる。これらのポテンシャルポケットは、次のイオン注入工程により除去される。
【００５０】
次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、基板表面にレジストパターン４８を形成する。次に、レジストパターン４８をマスクとして、ティルト角を０°にしてｐ型不純物（例えばボロン）４７をイオン注入する。イオン注入条件は、例えば、ドーズ量が１×１０¹³〜５×１０¹⁴ｃｍ^-2、加速電圧が２０〜８０ｋｅＶである。
【００５１】
イオン注入により、ｐ⁺ 型領域４６がｎ型領域４１の表面に形成される。ｐ⁺ 型領域４６の横幅は、ｎ型領域４１の横幅に対して同じか或いは少し広いことが好ましい。ｐ型不純物４７が基板中で拡散することによりｐ⁺ 型領域４６が広がることを考慮し、レジストパターン４８の開口部を狭めに設定する必要がある。
【００５２】
図７（Ａ）の下段に、電子に対するポテンシャル分布線ＬＰを示す。ｐ型不純物４７をｎ型領域４１の表面に打ち込むことにより、ｎ型領域４１が補償される。その結果、フォトダイオード４３におけるポテンシャル分布はほぼ均一になり、ポテンシャルポケットがなくなる。ポテンシャルポケットをなくすことにより、フォトダイオード４３から垂直電荷転送路４４へ効率的に電荷を読み出すことができる。緑色画素領域Ｐｇにおいても、青又は赤色画素領域Ｐｂｒと同様にポテンシャルポケットがなくなる。
【００５３】
次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ポリシリコン層（トランスファゲート）３５上のシリコン酸化膜３６の一部を除去し、シリコン酸化膜３６に孔を形成する。
【００５４】
次に、層形成、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、その孔を埋めるように所定パターンの第２ポリシリコン層Ｐｙ２を形成する。第２ポリシリコン層Ｐｙ２は、トランスファゲート３５に電気的に接続される。
【００５５】
その後、基板表面に所定パターンの遮光膜７１を形成する。遮光膜７１は、例えばＡｌからなり、ｐ⁺ 型領域４６の上方に開口部を有する。次に、基板表面に合成樹脂からなるマイクロレンズ層７２を形成する。マイクロレンズ層７２の上に色フィルタを形成することができる。以上で、固体撮像素子が完成する。
【００５６】
マイクロレンズ層７２を介してフォトダイオード４３に光が入射されると、フォトダイオード４３は電荷を生成して蓄積する。
【００５７】
図８（Ａ）の下段に、電子に対するポテンシャル分布線ＬＰを示す。第２ポリシリコンＰｙ２を介してトランスファゲート３５に所定の正電位を印加すると、トランスファゲート３５の下方に位置する基板表面のポテンシャルが下がる。その結果、フォトダイオード４３内の電子４９は、その右の垂直電荷転送路４４に読み出される。緑色画素領域Ｐｇにおいても、青又は赤色画素領域Ｐｂｒと同様に電子を読み出すことができる。ただし、緑色画素領域Ｐｇでは、フォトダイオード４３内の電子は、その左の垂直電荷転送路４４に読み出される。
【００５８】
上記のｐ⁺ 型領域４６は、フォトダイオード４３の表面に形成される。このｐ⁺ 型領域４６がなくても、フォトダイオード４３は機能する。ｐ⁺ 型領域４６がないフォトダイオードを不完全空乏化フォトダイオードと呼び、ｐ⁺ 型領域４６があるフォトダイオードを完全空乏化フォトダイオードと呼ぶ。次に、ｐ⁺ 型領域４６を設けることの効果を説明する。
【００５９】
シリコン酸化膜３４とフォトダイオード４３との間の界面では、ダングリングボンドや格子ミスマッチが生じ、その界面にジェネレーションリコンビネーションセンタ（ＧＲセンタ）が発生する。ＧＲセンタでは、電子−ホール対の生成／再結合が生じる。
【００６０】
不完全空乏化ダイオードでは、ｐ⁺ 型領域４６がないため、ＧＲセンタで発生した電荷がノイズとして悪影響を与える。その結果、フォトダイオード４３に光を照射しなくても電荷が発生し、暗電流が大きくなる。
【００６１】
完全空乏化ダイオードでは、ｐ⁺ 型領域４６が設けられる。ｐ型領域３１の表面は、グランドに接続されるので、ｐ⁺ 型領域４６の電位はほぼ０Ｖになる。このｐ⁺ 型領域４６がフォトダイオード４３の表面をシールドする。すなわち、上記のＧＲセンタで発生した電荷は、ｐ⁺ 型領域４６内でリコンビネーションして消滅する。その結果、フォトダイオード４３の暗電流を極めて小さくすることができる。
【００６２】
なお、ｐ⁺ 型領域４６は、高濃度ｎ型領域４１の表面にのみ形成している。ｐ⁺ 型領域４６を低濃度ｎ型領域４０の表面にも形成することが考えられるが、そのようにすると、ｐ⁺ 型領域４６の電位がほぼ０Ｖであるため、フォトダイオード４３から垂直電荷転送路４４に電荷を読み出すためには、トランスファゲート３５に高電圧を印加しなければならない不都合が生じる。
【００６３】
そのため、ｐ⁺ 型領域４６は、トランスファゲート３５から所定距離だけ離れた位置に形成することが好ましい。そのｐ⁺ 型領域４６の位置に合わせて、高濃度ｎ型領域４１を形成する必要がある。
【００６４】
図１０（Ａ）は、２個のフォトダイオード４３の周辺部の表面図である。
赤色フィルタで覆われるフォトダイオード４３は、トランスファゲート３５の下方を通過して、右側の垂直電荷転送路に読み出される。緑色フィルタで覆われるフォトダイオード４３は、トランスファゲート３５の下方を通過して、左側の垂直電荷転送路に読み出される。
【００６５】
第１ポリシリコン層Ｐｙ１及び第２ポリシリコン層Ｐｙ２は、２層重ね合せ電極として形成され、垂直電荷転送路の駆動電極として機能する。トランスファゲート３５は、第２ポリシリコン層Ｐｙ２に接続される。
【００６６】
２個のフォトダイオード４３の右の垂直電荷転送路には、２本の第１のポリシリコン層Ｐｙ１と２本の第２のポリシリコン層を含む合計４本のポリシリコン層が接続される。
【００６７】
同様に、２個のフォトダイオード４３の左の垂直電荷転送路にも、２本の第１のポリシリコン層Ｐｙ１と２本の第２のポリシリコン層を含む合計４本のポリシリコン層が接続される。
【００６８】
つまり、フォトダイオード１個当たり４本のポリシリコン層が垂直電荷転送路に接続される。この４本のポリシリコン層は、垂直電荷転送路の駆動電極であり、例えば４相パルスの供給を受ける。その場合、垂直電荷転送路は、４相駆動で電荷を転送する。
【００６９】
垂直電荷転送路は、フォトダイオード１個当たり１個の転送段を持つので、固体撮像装置は、全画素読み出しを行うことができる。
【００７０】
図１０（Ａ）において、ｎ型不純物３７は、第１回目のイオン注入により打ち込まれる不純物であり、ティルト角が７°であり、ローテーション角が１８０°である。ｎ型不純物４２は、第２回目のイオン注入により打ち込まれる不純物であり、ティルト角が７°であり、ローテーション角が０°である。
【００７１】
なお、イオン注入装置によっては、装置の構造上、ローテーション角を０°又は１８０°にしてイオン注入を行うことができない場合がある。２回のイオン注入におけるローテーション角は、互いに１８０°異なる場合に限定されない。次に、他のローテーション角でイオン注入を行う例を示す。
【００７２】
図１０（Ｂ）は、他のローテーション角でイオン注入を行う場合を示す。
ｎ型不純物３７は、第１回目のイオン注入により打ち込まれる不純物であり、ティルト角が７°であり、ローテーション角が１５５°である。ｎ型不純物４２は、第２回目のイオン注入により打ち込まれる不純物であり、ティルト角が７°であり、ローテーション角が２５°である。この場合、ローテーション角は、互いに１３０°異なる。
【００７３】
２回のイオン注入におけるローテーション角の関係を説明する。まず、赤色フィルタで覆われるフォトダイオード４３の重心と緑色フィルタで覆われるフォトダイオード４３の重心とを結ぶ線６５を仮想する。２回のイオン注入におけるローテーション角は、線６５に対して互いにほぼミラー対称であればよい。ほぼミラー対称は、その誤差が±１０°以内が好ましい。
【００７４】
ここでは、線６５に直交する線が、ローテーション角が０°又は１８０°になる。ローテーション角は、０°以上１８０°以下の範囲から選ぶことが好ましい。１８０°を超えて３６０°未満の範囲にローテーション角を設定すると、フォトダイオード４３の下隣に位置する第２ポリシリコン層Ｐｙ２が邪魔して、基板に不純物を打ち込めない領域が生じ、好ましくない。ローテーション角は、０°以上４５°以下の範囲及び１３５°以上１８０°以下の範囲から選ぶことがより好ましい。
【００７５】
また、２回のイオン注入におけるティルト角は、共に４°以上が好ましい。
青又は赤色フィルタで覆われるフォトダイオードから電荷を読み出す方向と緑色フィルタで覆われるフォトダイオードから電荷を読み出す方向とは、１８０°異なる場合に限定されない。次に、他の読み出し方向を有する固体撮像装置を示す。
【００７６】
図１１は、他の読み出し方向を示す固体撮像装置の表面図である。フォトダイオード４３から垂直電荷転送路４４に電荷を読み出す場合を説明する。緑色フィルタで覆われるフォトダイオード４３内の電荷は右下方向に読み出され、青又は赤色フィルタで覆われるフォトダイオード４３内の電荷は左下方向に読み出される。この場合、両者の読み出し方向のなす角は、１８０°未満である。両者の読み出し方向は、異なればよいが、９０°以上１８０°以下が好ましい。
【００７７】
図１４に示す固体撮像装置は、フォトダイオードを２次元に配列したエリアセンサである。次に、フォトダイオードを１次元に配列したリニアセンサについて説明する。
【００７８】
図１２は、リニアセンサの表面図である。リニアセンサは、例えばイメージスキャナに用いられる。
【００７９】
緑、赤、緑、青色フィルタで覆われるフォトダイオード４３ｇ，４３ｒ，４３ｇ，４３ｂが、順次繰り返し、１次元に配列される。緑色用フォトダイオード４３ｇ内の電荷は、トランスファゲート３５を介して、下方の電荷転送路５５に読み出される。青及び赤色用フォトダイオード４３ｂ，４３ｒ内の電荷は、トランスファゲート３５を介して、上方の電荷転送路５４に読み出される。
【００８０】
上方の電荷転送路５４は、電荷を右から左方向に転送し、出力アンプ５６に供給する。出力アンプ５６は、電荷量に応じた電圧を出力する。出力アンプ５６からは、青及び赤色信号が出力される。
【００８１】
下方の電荷転送路５５は、電荷を右から左方向に転送し、出力アンプ５７に供給する。出力アンプ５７は、電荷量に応じた電圧を出力する。出力アンプ５７からは、緑色信号が出力される。
【００８２】
緑色用フォトダイオード４３ｇと青及び赤色フォトダイオード４３ｂ，４３ｒとは、電荷の読み出し方向が異なる。このリニアセンサについても、上記の製造方法と同様な方法で製造することができる。
【００８３】
上記のエリアセンサ（図１４）及びリニアセンサ（図１２）は、電荷転送路（電荷結合素子（ＣＣＤ））を有するイメージセンサであるが、電荷結合素子を有さないイメージセンサであるＭＯＳセンサにも、本実施例による製造方法を用いることができる。
【００８４】
図１３（Ａ）は、ＭＯＳセンサの電気回路図である。
ＭＯＳセンサは、メモリと同様に、第１のアドレス線ＡＤ１及び第２のアドレス線ＡＤ２によりセル６２ａ又は６２ｂ等が選択される。
【００８５】
セル６２ａは、フォトダイオード５８ａ及びｎチャネルＭＯＳ型トランジスタ６１ａを有する。フォトダイオード５８ａは、アノードがグランドに接続され、カソードがトランジスタ６１ａのソース６４ａに電気的に接続される。実際には、カソードとソースを同じｎ型領域で共用できる。
【００８６】
トランジスタ６１ａは、ソース６４ａの他、ゲート５９ａ及びドレイン６０ａを有する。ゲート５９ａは、トランスファゲートに相当し、その上の第１のアドレス線ＡＤ１に接続され、ドレイン６０ａは、その右の第２のアドレス線ＡＤ２に接続される。
【００８７】
セル６２ｂは、セル６２ａと同様に、フォトダイオード５８ｂ及びｎチャネルＭＯＳ型トランジスタ６１ｂを有する。セル６２ａと６２ｂとは、垂直線を軸とした対称関係にある。
【００８８】
セル６２ａでは、トランジスタ６１ａのドレイン６０ａが右の第２のアドレス線ＡＤ２に接続され、セル６２ｂでは、トランジスタ６１ｂのドレイン６０ｂが左の第２のアドレス線ＡＤ２に接続される。
【００８９】
図１３（Ｂ）は、セル６２ａの構造を示す基板表面図である。トランスファゲート５９ａの左にフォトダイオード５８ａが配置され、トランスファゲート５９ａの右にｎ⁺ 型領域６０ａが形成される。このｎ⁺ 型領域６０ａは、トランジスタ６１ａのドレインである。フォトダイオード５８ａ内の電荷（電子）６３ａは、トランスファゲート５９ａを介して、その右側のドレイン６０ａに読み出される。
【００９０】
図１３（Ｃ）は、セル６２ｂの構造を示す基板表面図である。トランスファゲート５９ｂの右にフォトダイオード５８ｂが配置され、トランスファゲート５９ｂの左にｎ⁺ 型領域（ドレイン）６０ｂが形成される。フォトダイオード５８ｂ内の電子６３ｂは、トランスファゲート５９ｂを介して、その左側のドレイン６０ｂに読み出される。
【００９１】
セル６２ａでは電子６３ａが右方向に読み出され、セル６２ｂでは電子６３ｂが左方向に読み出される。セル６２ａと６２ｂとでは、電子の読み出し方向が異なる。
【００９２】
このＭＯＳセンサも、上記のエリアセンサ及びラインセンサと同様に、イメージセンサとして機能し、本実施例による製造方法を用いることができる。
【００９３】
本実施例による製造方法は、上記３つのイメージセンサに限らず、メモリ等の他の半導体装置にも適用することができる。例えば、図１３（Ａ）に示すＭＯＳセンサにおいて、フォトダイオードを電荷蓄積素子として用いれば、ＤＲＡＭとして使用することができる。
【００９４】
仮に、図５（Ａ）及び（Ｂ）の工程において、ティルト角を０°にしてイオン注入を行い、フォトダイオードのｎ型領域３８を形成すると、青又は赤色画素領域Ｐｂｒでｎ型領域３８は右端の位置が左側に移動して形成されてしまう。その結果、フォトダイオードから垂直電荷転送路に電荷を読み出すには、トランスファゲート３５に印加する電圧（読み出し電圧）を高電圧にしなければならない。
【００９５】
本実施例のように、青又は赤色画素領域Ｐｂｒでトランスファゲート３５の下方にまでｎ型領域３８を形成するように、例えばティルト角を７°にして斜め方向からイオン注入を行うことが好ましい。ｎ型領域３８の右端をトランスファゲート３５の下方における最適位置に形成することにより、電荷の読み出し電圧を低くすることができる。
【００９６】
また、ティルト角を４°以上にしてイオン注入することにより、チャネリングを防止することができる。
【００９７】
本実施例のように、２回のイオン注入によりフォトダイオードのｎ型領域を実際に形成した結果、半導体ウエハ面内のフォトダイオードの特性のばらつきが低減した。これにより、固体撮像装置の歩留りが向上し、固体撮像装置の性能が向上した。１チップ内のフォトダイオードの性能が均一化すると共に、半導体ウエハ内の複数チップの性能も均一化した。
【００９８】
この効果は、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、イオン注入では、半導体ウエハ内の位置により、不純物イオンの入射角及び速度が少しずれる。このずれが素子の不均一化につながる。本実施例のように、２回のイオン注入をローテーション角がミラー対称になるように行えば、第１回目のイオン注入によるずれと第２回目のイオン注入によるずれとが相殺されるために、素子の均一性が向上したものと考えられる。
【００９９】
なお、フォトダイオードのｎ型領域を形成するためのイオン注入は２回に限定されず、２回以上であれば何回でもよい。上記の２回のイオン注入を行った後、ティルト角を０°にしてイオン注入を行い、合計３回のイオン注入を行ってもよい。
【０１００】
また、イオン注入を４回行ってもよい。その場合、例えば、図５（Ａ）及び（Ｂ）の工程で、ローテーション角を１８０°と１５５°にして２回のイオン注入を行い、図６（Ａ）及び（Ｂ）の工程で、ローテーション角を０°と２５°にして２回のイオン注入を行うことができる。ティルト角を変えてイオン注入を行うようにしてもよい。
【０１０１】
フォトダイオードから電子を読み出して転送する場合を説明したが、フォトダイオードからホールを読み出して転送するようにしてもよい。その場合は、ｎ型領域とｐ型領域の導電型を逆にして製造すればよい。
【０１０２】
イメージセンサは、カラー画像を撮像するものに限らず、白黒画像を撮像するものでもよい。イメージセンサに色フィルタを設けなければ、白黒画像を撮像することができる。
【０１０３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１及び第２のセルのゲートは、互いに異なる方向に電荷を読み出すことができる。斜め方向から第１のイオン注入を行い、逆斜め方向から第２のイオン注入を行うことにより、両者の読み出し特性を均一化させることができる。また、斜め方向及び逆斜め方向からイオン注入を行うことにより、読み出し電圧を低くすることができる共に、チャネリングを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による半導体装置の製造方法を示す基板断面図である。
【図２】図１に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図３】図２に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図４】図３に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図５】図４に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図６】図５に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図７】図６に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図８】図７に続く製造方法を示す基板断面図である。
【図９】図９（Ａ）はティルト角を説明するための基板断面図であり、図９（Ｂ）はローテーション角を説明するための基板表面図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び（Ｂ）は半導体装置の表面図である。
【図１１】電荷読み出し方向を示す半導体装置の表面図である。
【図１２】リニアセンサの表面図である。
【図１３】図１３（Ａ）はＭＯＳセンサの電気回路図であり、図１３（Ｂ）及び（Ｃ）はセル部の基板表面図である。
【図１４】固体撮像装置の表面図である。
【符号の説明】
１１〜１５ フォトダイオード
１６，１７ 垂直電荷転送路
１８ チャネル位置変換部
１９ 素子分離層
２０ 水平電荷転送路
２１ 出力アンプ
３１ ｐ型領域
３２ ｎ型領域
３３ ｐ型領域
３４，３６ シリコン酸化膜
３５ ポリシリコン層
３７，４２ ｎ型不純物イオン
３８ ｎ型領域
３９ レジストパターン
４０，４１ ｎ型領域
４３ フォトダイオード
４４ 垂直電荷転送路
４５ ポテンシャルポケット
４６ ｐ⁺ 型領域
４７ ｐ型不純物イオン
４８ レジストパターン
４９ 電子
５１ イオン入射線
５４，５５ 電荷転送路
５６，５７ 出力アンプ
５８ フォトダイオード
５９ ゲート
６０ ドレイン
６１ ＭＯＳ型トランジスタ
６２ セル
６３ 電子
７１ 遮蔽膜
７２ マイクロレンズ層
Ｐｙ１，Ｐｙ２ ポリシリコン層
Ｐｂｒ 青又は赤色画素領域
Ｐｇ 緑色画素領域

Claims (2)

1. 各々が共通導電型領域の表面に電荷蓄積可能な被読出領域と読出領域の組みを有し、さらに各々が被読出領域と読出領域との間の共通導電型領域の上に第１の絶縁膜を介して設けられるゲート電極を有し、ゲート電極に印加する電圧に応じて被読出領域から読出領域に電荷を読み出すことができる第１及び第２のセルを含む半導体装置であって、被読出領域と読出領域とを結ぶ方向に沿って半導体基板面に対して垂直面方向の断面をとった時に第１のセルでは被読出領域が読出領域に対して半導体基板断面左側に設けられ、第２のセルでは被読出領域が読出領域に対して半導体基板断面右側に設けられる半導体装置の製造方法であって、
   （ａ）半導体基板表面に設けられる一の導電型の共通導電型領域の表面にそれとは逆導電型の第１のセルの読出領域及び第２のセルの読出領域を形成する工程と、
   （ｂ）半導体基板表面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記第１のセルの読出領域の断面左上における前記第１の絶縁膜上に第１のセルのゲート電極を形成し、前記第２のセルの読出領域の断面右上における前記第１の絶縁膜上に第２のセルのゲート電極を形成する工程と、
   （ｄ）前記第１及び第２のセルのゲート電極をマスクとして半導体基板表面に対して斜め方向から第１のイオン注入を行い、前記第１及び第２のセルの読出領域と同じ導電型の第１のセルの被読出領域の一部を形成する第１の電荷蓄積領域を前記第１のゲート電極の断面左下の前記共通導電型領域に形成し、前記第１の電荷蓄積領域と同じ導電型の第２のセルの被読出領域の一部を形成する第２の電荷蓄積領域を前記第２のセルのゲート電極の断面右下の前記共通導電型領域に形成する工程と、
   （ｅ）前記第１及び第２のセルのゲート電極をマスクとして前記第１のイオン注入の場合に対して逆斜め方向から第２のイオン注入を行い、前記第１の電荷蓄積領域と同じ導電型の第１のセルの被読出領域の一部を形成する第３の電荷蓄積領域を前記第１のセルのゲート電極の断面左下の前記共通導電型領域及び前記第１の電荷蓄積領域に形成し、前記第３の電荷蓄積領域と同じ導電型の第２のセルの被読出領域の一部を形成する第４の電荷蓄積領域を前記第２のセルのゲート電極の断面右下の前記共通導電型領域及び前記第２の電荷蓄積領域に形成する工程と、
   （ｆ）前記半導体基板上方に、前記第１及び第３の電荷蓄積領域の重なり部分に開口を有するとともに、前記第２及び第４の電荷蓄積領域の重なり部分に開口を有するレジストマスクを形成し、ティルト角０°でイオン注入を行って、該第１〜第４の電荷蓄積領域とは逆導電型の表面シールド領域を、前記第１のセルのゲート電極から離れて該第１及び第３の電荷蓄積領域の重なり部分の表面に形成するとともに、前記第２のセルのゲート電極から離れて該第２及び第４の電荷蓄積領域の重なり部分の表面に形成する工程と
   を含み、
   前記第１のセルのゲート電極は、前記第１及び第３の電荷蓄積領域を含む第１のセルの被読出領域に蓄積されている電荷を前記共通導電型領域を介して前記第１のセルの読出領域に読み出すことができ、前記第２のセルのゲート電極は、前記第２及び第４の電荷蓄積領域を含む第２のセルの被読出領域に蓄積されている電荷を前記共通導電型領域を介して前記第２のセルの読出領域に読み出すことができる半導体装置の製造方法。
2. さらに、（ｇ）フォトダイオードを形成するために前記表面シールド領域の上方に開口部を有する遮光層を形成する工程を含む請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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