JP4274145B2

JP4274145B2 - 固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP4274145B2
Application number: JP2005126565A
Authority: JP
Inventors: 淳浅井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: JP2005236325A

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法に係わる。

固体撮像素子の一種であるＣＣＤ固体撮像素子においては、センサ部を半導体領域内にイオン注入による不純物拡散を行って形成したフォトダイオードにより構成している。
従来は、このＣＣＤ撮像素子のセンサ部を形成するイオン注入工程は、作業の効率化の観点からも１回のみの工程で行われてきた。

しかしながら、最近ますます進むＣＣＤ固体撮像素子の微細化に伴い、センサ部のパターンやブルーミング耐性や読み出し電圧等の電気特性のより細かい調節が要求されてきている。
しかも、コストダウンをするためにウエハ径の拡大が図られており、このためウエハ面内の製造の均一性やロット毎の安定性の向上も要求度が厳しくなる一方である。

このような要求に対して、従来からの単純な１回のみのイオン注入によるセンサ部の形成工程では、もはや対応できなくなくなってきている。

上述した問題の解決のために、本発明においては、受光部を形成するイオン注入工程を制御することにより、ダイナミックレンジが大きい、ブルーミング耐性、読み出し電圧、スミア等の特性を改善した固体撮像素子を製造する固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、センサ部を構成する不純物拡散領域を形成するイオン注入工程を、固体撮像素子を形成する半導体ウエハのウエハ法線から７°以上４５°以下傾斜させて行い、イオン注入工程を、ウエハ法線から傾斜した方向が、それぞれ垂直転送レジスタの電荷転送方向の互いに逆向きである、２回以上のイオン注入工程に分けて行い、不純物拡散領域の幅を、垂直転送レジスタの電荷転送方向において、正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成するものである。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、センサ部を構成する不純物拡散領域を形成するイオン注入工程を、固体撮像素子を形成する半導体ウエハのウエハ法線から７°以上４５°以下傾斜させて行い、イオン注入工程を、ウエハ法線から傾斜した方向が、それぞれ垂直転送レジスタの電荷転送方向とは直交する方向の互いに逆向きである、２回以上のイオン注入工程に分けて行い、不純物拡散領域の幅を、垂直転送レジスタの電荷転送方向と直交する方向において、正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成するものである。

上述の本発明製法によれば、センサ部を形成するイオン注入工程を、ウエハ法線から７°以上４５°以下傾斜させ、且つイオン注入を互いに逆向きで２回以上行うことにより、センサ部の不純物拡散領域を傾斜させた方向に横に広げて形成することができる。
また、逆向きの２回以上のイオン注入工程に分けて行うことにより、電気的特性を制御することができる。
逆向きに２回イオン注入を行うと、両側に不純物拡散領域を広げるため、センサ部を広く形成して、取り扱い電荷量を多くすることができる。

上述の本発明によれば、不純物拡散領域が広がることにより、取り扱い電荷量が増加し、ダイナミックレンジが広がる。

以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施例を説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の実施例、本例ではＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域即ち有効画素領域を上から観た図であり、遮光膜を透視して、第１転送電極及び第２転送電極のパターンがわかるように表示している。

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た、各センサ部列の一側にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ６が形成されて成る。３は、センサ部２の開口である。垂直転送レジスタ６は、センサ部２から読み出しゲート部を介して信号電荷を転送する２つの垂直転送電極、即ち第１垂直転送電極４及び第２垂直転送電極５を有して形成される。そして、図１中矢印ａの方向が垂直転送方向になる。

図１中に示すＡ−Ｂ線に沿った方向が水平転送方向（水平転送部は図示せず）であり、Ａ−Ｂ線上の断面を図２に示す。また、Ｃ−Ｄ線に沿った方向が垂直転送方向（実際に電荷が移動する方向なので以下順方向と呼ぶ）であり、Ｃ−Ｄ線上の断面を図３に示す。

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１のｐ型半導体ウエル領域１２が形成され、この第１のｐ型半導体ウエル領域１２内に、受光部２を構成するｎ型の不純物拡散領域１３及び読み出しゲート部１４、垂直転送レジスタ６を構成するｎ型の転送チャネル領域１５、画素分離部（必要に応じてｐ型のチャネルストップ領域を形成する）１６がそれぞれ形成されている。
また、ｎ型の不純物拡散領域１３の上部にはｐ型の正電荷蓄積領域１７、ｎ型の転送チャネル領域１５の下には第２のｐ型半導体ウエル領域１８がそれぞれ形成されている。ｐ型半導体ウエル領域１２とｎ型不純物拡散領域１３とｐ型の正電荷蓄積領域１７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が構成される。

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１９が形成され、このゲート絶縁膜１９を介して読み出しゲート部１４、転送チャネル領域１５、チャネルストップ領域１６上に第１垂直転送電極４及び第２垂直転送電極５が形成される。
Ａ−Ｂ線上の断面では第２垂直転送電極５のみが形成され、Ｃ−Ｄ断面では第１垂直転送電極４上に層間絶縁膜２０を介して第２垂直転送電極５が形成されている。転送チャネル領域１５、ゲート絶縁膜１９及び垂直転送電極４，５によって垂直転送レジスタ６が構成される。

そして、これらの垂直転送電極４，５を覆って層間絶縁膜２０が形成され、これの上にＡｌ等の金属等からなる遮光膜２１が形成され、垂直転送電極４及び５の上面及び側面を覆うと共に、受光部に対応して遮光膜に開口３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２２が形成され、その上にガラス等の透明な絶縁膜からなる平坦化膜２３が形成されている。平坦化膜２３の平坦化された表面の上にはオンチップカラーフィルター２４が形成され、最上部にオンチップレンズ２５が形成されて成る。

本例では、特にセンサ部２を構成する不純物拡散領域１３の幅Ｗ_１を、図９（垂直転送方向の断面図）の比較例で示すような、通常の一方向のイオン注入の場合の不純物拡散領域１３の幅Ｗ_２より大に形成する。

センサ部２の開口３は、遮光膜６の開口３パターンによって設定されるが、実際の電荷蓄積量は、半導体基板１１内のセンサ部２を形成する不純物元素の分布で決まる。
本例においては、不純物拡散領域１３の幅Ｗ_１を大きく、即ちセンサ部２を広く形成していることにより、センサ部全体の電荷蓄積量を大きくしている。
これによりＣＣＤ固体撮像素子１のダイナミックレンジを大きくすることができる。

このように、不純物拡散領域の幅Ｗ_１を、通常の垂直方向のイオン注入の場合の不純物拡散領域の幅Ｗ_２より大に形成するには、後述するように、垂直転送順方向に傾斜したイオン注入工程及び垂直転送方向とは逆方向に傾斜したイオン注入工程を行えばよい。

次に本発明の固体撮像素子の製造方法について説明する。
通常、センサ部を形成するｎ型ドーパントの注入にイオン注入法を用いる場合には、チャネリング抑制のためウエハ法線（即ち、半導体ウエハの面に対して垂直方向の線）に対して５°以上傾斜させ、かつ結晶軸から２０°以上回転させて施されるのが一般的である。

これに対して、本発明の固体撮像素子の製造方法では、図３及び図４に示すように、センサ部２に対応する領域に矢印Ｉで示すように、半導体ウエハ３０におけるウエハ法線３１に対して７°以上４５°以下傾斜させてイオン注入を行う。
７°未満では傾斜させてイオン注入する効果が充分ではなく、４５°を越えると、遮光膜２１等に一部が遮られるため、いずれも好ましくない。
このとき、垂直転送方向（図１中Ｃ→Ｄ）に対する傾斜方向のなす角度は、ブルーミング耐性即ち隣接画素への信号電荷の漏れへの耐性や、読み出し等の電気特性で決定される。

例えば、センサ部付近の平面図を示す図５において、画素分離部１６から読み出しゲート部１４へ向けてウエハ法線に対して７°傾斜注入する場合（矢印Ａ）は、垂直転送方向と平行にウエハ法線に対して７°傾斜注入する注入する場合（矢印Ｂ）と比べてブルーミング耐性が約０．５Ｖ低下し、読み出しゲート部１４からチャネルストップ領域１６へ向けてウエハ法線に対して７°傾斜注入する注入する場合（矢印Ｃ）と比べて約１Ｖ低下する。

つまり、画素分離部１６から読み出しゲート部１４へ向けてウエハ法線に対して７°傾斜注入する（矢印Ａ）ことにより、転送電極４，５の下部の読み出しゲート部１４側に不純物拡散領域１３が広く注入され、実質的な読み出しゲート長を調節することができる。

このように、センサ部２を形成するドーパントのイオン注入角度は、ブルーミング、読み出し、撮像時の基板印加電圧、スミア等のトレードオフ関係にある特性値の所望のバランスを得るための制御パラメーターとして用いることができる。

従来は、細かいブルーミング特性の調節は、製造上の不均一性、不安定性の点で有意差が得られる程度（前述したように０．５Ｖ程度）の１回のイオン注入工程で垂直転送方向に対して平行な方向のみ、或いは垂直転送方向に対して垂直な方向のみしか行われておらず、センサ部２の不純物拡散領域１３の位置はシフトすることはあっても、その大きさはほぼ不変であり、センサポテンシャルの大きさ（深さ）が同一であれば、飽和電荷量もほぼ不変であった。

飽和電荷量が大きければ、ダイナミックレンジも増加するが、飽和電荷量を上げるために、センサポテンシャルを大きく（深く）しようとすると、不純物濃度を濃く、即ちイオン注入におけるドーズ量を大きくする必要がある。ところが、ドーズ量を多くすると結晶欠陥密度が増加し、いわゆる白傷発生数が増加する。

そこで、図１〜図３に示した実施例においては、このような白傷発生数を増加させずダイナミックレンジを増加させる手段として、センサ部２を形成するイオン注入を垂直転送方向に平行な方向で互いに逆の向きに、２回のイオン注入工程にそれぞれ半分程度のドーズ量に分けて行うようにした。
これにより、図３に示したように、前述の図９の比較例と比較してセンサ部２の不純物拡散領域１３が拡大し、取り扱い電荷量が増加する。ブルーミング耐性等の電気特性のバランスは、平面パターンの微細な調節で行えば良く、白傷発生数を増加させることなく飽和電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを広げることができる。

この効果を発揮するためには、垂直方向の隣り合うセンサ部２間の画素分離部１６（図３参照）を狭くする効果が充分に得られるように、ウエハ法線から７°以上傾斜させることが必要になる。

また、パターンの微細な調整でブルーミング耐性等の電気特性の調節を完全に行うことが困難な場合には、従来からの手法を合わせ持つような、図６の矢印にて示すような、垂直転送方向から水平方向に４５°回転した方向等の中間的な角度からの注入に設定することもできる。

一方、例えば水平方向に互いに逆向きに、同じドーズ量で２回イオン注入した場合には、図７に水平方向の断面図を示すように、不純物拡散領域１３を水平方向に広げて、飽和電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを広げることができる。
この場合には、さらに読み出しゲート部１４及び画素分離部１６の幅が変化するので、読み出し特性やブルーミング耐性等の特性も変化する。これらの特性の変化が固体撮像素子において問題のない程度にイオン注入の傾斜角等の条件を設定する。

また、イオン注入工程は、垂直転送順方向、逆方向、読み出しゲート部から画素分離部への方向即ち垂直転送方向と垂直な方向というように３回以上の作業に分けることもできる。

さらに、２回に分ける場合のイオン注入のドーズ量の配分を、半分ずつではなく、例えば垂直転送順方向（図１中Ｃ→Ｄ）に２／３のドーズ量、逆方向（図１中Ｄ→Ｃ）に１／３のドーズ量と配分すれば、図８Ａに平面図、図８Ｂに図８ＡのＰ−Ｐ′ポテンシャル図を示すように、受光部２内で垂直転送順方向にポテンシャル勾配が形成され、センサポテンシャル中心はわずかに垂直転送順方向（図１中Ｄの側）に寄る。すると、読み出しは垂直転送順方向側の電極、即ち第２転送電極５で行われるため、読み出しに必要な印加電圧が従来の構造よりも低下する。
このように、２回以上のイオン注入のドーズの配分によって、電気特性を調整するという新しい機能も得られる。

また、本発明製法によれば、さらにイオン注入の傾斜角、垂直転送方向からの角度、ドーズ量の配分の各条件を、ウエハ面内の複数に区分した領域でそれぞれ設定して変化させることにより、電気特性のウエハ面内分布を吸収することもでき、製造装置の状態の経時変化を吸収することもできる。
即ち、例えば半導体ウエハ面での注入方向の角度を前回より２０°小さくする等フィードバックを行って、これらの条件を調節することにより、製造の安定化や、ウエハ面内の均一性向上を図ることができる。

本発明は、上述の例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でその他様々な構成が取り得る。

本発明による固体撮像素子の実施例の概略構成図（平面図）である。図１のＡ−Ｂにおける断面図である。図１のＣ−Ｄにおける断面図である。イオン注入の方向を説明する図である。イオン注入の方向を説明する図である。イオン注入の方向を説明する図である。本発明による固体撮像素子の他の実施例の水平方向の断面図である。本発明による固体撮像素子のさらに他の実施例の構成図である。Ａ平面図である。Ｂ図８ＡのＰ−Ｐ′断面における受光部のポテンシャル図である。通常のイオン注入方法でセンサ部を形成した比較例の固体撮像素子の垂直転送方向の断面図である。

符号の説明

１ＣＣＤ固体撮像素子、２センサ部、３開口、４第１転送電極、５第２転送電極、６垂直転送レジスタ、１１半導体基板、１２第１のｐ型半導体ウエル領域、１３不純物拡散領域、１４読み出しゲート部、１５転送チャネル領域、１６画素分離部、１７正電荷蓄積領域、１８第２のｐ型半導体ウエル領域、１９ゲート絶縁膜、２０層間絶縁膜、２１遮光膜、２２パッシベーション膜、２３平坦化膜、２４オンチップカラーフィルター、２５オンチップレンズ、３０半導体ウエハ、３１ウエハ放線、Ｉイオン注入方向、Ｗ_１，Ｗ_２不純物拡散領域の幅

Claims

半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、
上記センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、
上記不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、
上記センサ部を構成する不純物拡散領域を形成するイオン注入工程を、上記固体撮像素子を形成する半導体ウエハのウエハ法線から７°以上４５°以下傾斜させて行い、
上記イオン注入工程を、上記ウエハ法線から傾斜した方向が、それぞれ上記垂直転送レジスタの電荷転送方向の互いに逆向きである、２回以上のイオン注入工程に分けて行い、
上記不純物拡散領域の幅を、上記垂直転送レジスタの電荷転送方向において、上記正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
半導体領域内にセンサ部を構成する不純物拡散領域がマトリックス状に形成され、
上記センサ部の各列に沿って、信号電荷の転送が行われる垂直転送レジスタが形成され、
上記不純物拡散領域の表面に、正電荷蓄積領域が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、
上記センサ部を構成する不純物拡散領域を形成するイオン注入工程を、上記固体撮像素子を形成する半導体ウエハのウエハ法線から７°以上４５°以下傾斜させて行い、
上記イオン注入工程を、上記ウエハ法線から傾斜した方向が、それぞれ上記垂直転送レジスタの電荷転送方向とは直交する方向の互いに逆向きである、２回以上のイオン注入工程に分けて行い、
上記不純物拡散領域の幅を、上記垂直転送レジスタの電荷転送方向と直交する方向において、上記正電荷蓄積領域の幅よりも大に形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。