JP4407138B2

JP4407138B2 - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP4407138B2
Application number: JP2003078341A
Authority: JP
Inventors: 智鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004274002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の製造方法に関する。具体的には、固体撮像素子において、画素毎の受光部の感度のバラツキを低減させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体撮像素子は、二次元マトリクス状に配置された多数の画素と、画素出力をそれぞれ読み出しアンプに転送する水平転送部とを有している。各画素は、受光量に応じた信号電荷を生成する受光部と、この信号電荷を水平転送部に順次転送する垂直転送部とで構成されている。
【０００３】
受光部の構造は、例えば、半導体基板の表面側から順に、高濃度Ｐ型層、Ｎ型層、Ｐ型ウェル層を有するものである。高濃度Ｐ型層は、界面準位により生じる電荷の湧き出し（暗電流）がＮ型層に到達することを防止する。Ｎ型層は、高濃度Ｐ型層とＰ型層との間に形成され、光電変換により生成される信号電荷を蓄積する。Ｐ型ウェル層は、オーバーフローバリアを形成する。この構造では、通常、高濃度Ｐ型層及びＮ型層は、垂直転送部の転送電極（以下、垂直転送電極という）を形成後、この垂直転送電極をマスクとしたイオン注入により形成される。即ち、垂直転送電極の形状は、受光部の開口形状を決定する。
【０００４】
垂直転送電極は、フォトリソグラフィ解像度などの精度上、形状的にくびれた部分を有していることがある。このため、一方向から不純物イオンを打ち込んだ場合、くびれた部分の下の領域には、不純物イオンが注入がされない。従って、くびれた部分の下の領域は、高濃度Ｐ型層として形成されず、不純物未形成領域となる。不純物未形成領域は、垂直転送電極の際に存在するため、垂直転送電極に正の電圧が印加された場合に空乏化しやすい。従って、不純物未形成領域は、暗電流を発生しやすくし、暗時の画質に悪影響を与えるおそれがある。
【０００５】
そこで、特許文献１は、受光部を形成するイオン注入を、複数回に分けて多方向から行う方法を提案している。これにより、上述したくびれた部分の下の領域にも不純物拡散領域を形成することを試みている。
【特許文献１】
特開２００１−３０８３０４号公報（第２−４項、第３−８図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体撮像素子においては、画素毎の受光部の感度が均一であることが望ましい。画素毎の受光部の感度のバラツキが大きいと、撮像画像に僅かな輝度ムラが生じるおそれがあるからである。この感度のバラツキは、受光部の面積が大きい固体撮像素子ほど大きくなる。しかし、上述した特許文献１では、受光部の感度のバラツキに関しては、考慮されていない。
【０００７】
そこで、本発明は、固体撮像素子において、画素毎の受光部の感度のバラツキを低減させる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１〜請求項３の発明では、固体撮像素子は、半導体基板と、光電変換部と、信号転送部とを備えている。光電変換部は、半導体基板に形成された不純物拡散領域を有し、受光量に応じた信号電荷を生成する。信号転送部は、半導体基板に形成され、光電変換部が生成する信号電荷を、それぞれ読み出し回路に転送する。
【０００９】
請求項１の固体撮像素子の製造方法は、第１工程と、第２工程と、第３工程とを有する複数回注入工程により、不純物拡散領域を形成することを特徴とする。第１工程は、半導体基板に対して、第１のチルト角度でイオン注入を行うものでる。第２工程は、第１工程の後、半導体基板を、半導体基板の中央部を中心として半導体基板の両面に平行に予め定められた角度回転させるものである。第３工程は、第２工程の後、回転後の停止した半導体基板に、第１のチルト角度とは異なる第２のチルト角度でイオン注入を行うものである。
【００１１】
請求項２の固体撮像素子の製造方法は、請求項１記載の発明において、ドーズ量及び加速電圧を同一条件として複数回注入工程が行われることを特徴とする。
請求項３の固体撮像素子の製造方法は、請求項１または請求項２記載の発明において、以下の３点を特徴とする。第１に、光電変換部は、半導体基板の表面側に形成された第１導電型の表面領域と、表面領域における半導体基板の内部側に隣接して形成された第２導電型の埋め込み領域とを有する埋め込み型フォトダイオードである。第２に、表面領域は、第１導電型のイオンを注入する複数回注入工程により形成される。第３に、埋め込み領域は、第２導電型のイオンを注入する複数回注入工程により形成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明における固体撮像素子のブロック図を示している。図において、固体撮像素子１０は、二次元マトリクス状に配置された多数の画素１２と、水平ＣＣＤ１６と、読み出しアンプ１８とで構成されている。
【００１３】
各画素１２は、センサ部２２と、読み出しゲート領域２３と、垂直ＣＣＤ２４とを有している。センサ部２２は、受光量に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。垂直ＣＣＤ２４は、センサ部２２で生成された信号電荷（画素出力）を、水平ＣＣＤ１６に順次転送する。水平ＣＣＤ１６は、垂直ＣＣＤ２４から転送される信号電荷を、読み出しアンプ１８に順次転送する。
【００１４】
図２は、図１の固体撮像素子１０の単位画素の断面模式図を示している。各画素１２は、Ｎ型の半導体基板２８上に形成されたＰ型ウェル領域３０上に各部を形成することで構成されている。まず、センサ部２２は、Ｐ型表面領域３４及びＮ型埋め込み領域３６からなる埋め込み型フォトダイオードとして形成されている。
【００１５】
垂直ＣＣＤ２４は、Ｎ型の埋め込みチャネル領域４０と、その下のＰ型領域４２と、絶縁膜４４を介して埋め込みチャネル領域４０の上方に形成された転送電極４６とで構成されている。転送電極４６は、例えば、ポリシリコンにより、Ｐ型表面領域３４の縁まで延在するように形成されている。Ｎ型埋め込み領域３６に蓄積される信号電荷は、読み出しゲート領域２３を介して、埋め込みチャネル領域４０に転送される。
【００１６】
また、センサ部２２における読み出しゲート領域２３と反対側には、Ｐ型のチャネルストップ領域５４が形成されている。そして、垂直ＣＣＤ２４の転送電極４６の上部は、絶縁膜４４を介して、センサ部２２が開口するように遮光膜５８で覆われている。遮光膜５８は、例えば、アルミニウムで形成されている。
以下、請求項と本実施形態との対応関係を説明する。なお、以下に示す対応関係は、参考のために示した一解釈であり、本発明を限定するものではない。
【００１７】
請求項記載の光電変換部は、センサ部２２に対応する。
請求項記載の信号転送部は、垂直ＣＣＤ２４及び水平ＣＣＤ１６に対応する。
請求項記載の読み出し回路は、読み出しアンプ１８に対応する。
「Ｎ型半導体の導電型」及び「Ｐ型半導体の導電型」のうち、一方が請求項記載の「第１導電型」に対応し、他方が請求項記載の「第２導電型」に対応する。
【００１８】
図３は、上述した固体撮像素子１０の製造方法の要部を示す模式的工程断面図である。以下、図３を用いて、固体撮像素子１０の製造方法を説明する。
まず、従来と同様の製造工程により、水平ＣＣＤ１６、垂直ＣＣＤ２４、チャネルストップ領域５４などを形成する。
【００１９】
次に、センサ部２２のＮ型埋め込み領域３６を形成するため、図示しないイオン注入装置を用いてイオン注入を２回行う。図３（ａ）は、この状態を示している。これら２回の注入において、注入条件はチルト角度のみを変え、入射方向その他を変えない。注入条件は、例えば、イオン種をＰ⁺（原子量３１のリン）、加速電圧を１３０ｋｅＶ、ドーズ量を２×１０¹²ｃｍ^-2、１回目の注入のチルト角度θ１を１２°、２回目の注入のチルト角度θ２を１６°にする。
【００２０】
なお、本実施形態では、チルト角度（入射角度）は、「イオン注入の際、不純物イオンが照射される角度を、半導体基板の表面に垂直な方向（半導体基板の厚さ方向）から何度傾けるか」を意味する。また、本実施形態では、入射方向（注入方向）は、「イオン注入に際して、ウェハの状態の半導体基板を時計盤に見立てた場合、何時の向き（入射方向）から不純物イオンを注入するか」を意味する。
【００２１】
次に、センサ部２２のＰ型表面領域３４を形成するため、注入条件のうちチルト角度のみを変えて、イオン注入を２回行う。図３（ｂ）は、この状態を示している。注入条件は、例えば、イオン種をＢ⁺（原子量１１のボロン）、加速電圧を５０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０¹²ｃｍ^-2、１回目の注入のチルト角度θ３を７°、２回目の注入のチルト角度θ４を１０°にする。これら２回の注入において、入射方向は変えない。
【００２２】
次に、熱処理によって各層の不純物イオンを活性化する。図３（ｃ）は、この状態を示している。この後さらに、従来と同様の工程を実施し、図２に示した構造を形成する。
なお、イオン化したアクセプタ不純物（この例ではＢ⁺）、及びイオン化したドナー不純物（この例ではＰ⁺）のうち、一方が請求項記載の「第１導電型の不純物イオン」に対応し、他方が請求項記載の「第２導電型の不純物イオン」に対応する。
【００２３】
以下、従来の製造方法と、本実施形態の製造方法との違いについて説明する。まず、従来の製造方法において画素毎の受光部の感度がばらつく理由を説明する。
図４（ａ）は、半導体ウェハの表面における、従来のイオン注入の軌跡を示す説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）において、１チップの固体撮像素子の領域を拡大した模式的平面図である。通常、イオン注入工程では、図４（ａ）に示すように、イオンビームが一筆書きのようにウェハ表面の全域に照射される。
【００２４】
実際のイオンビームの軌跡は、図４（ｂ）のように密であり、ウェハの一方の端から他方（反対側）の端に向けての１回の一筆書きの照射において、照射ムラが少なくなるように制御される。例えば、ビーム断面が円形である場合、ビーム断面の中心が通過する部分では、１回の横方向の走査（図４（ａ）参照）において、他の部分より照射を受ける時間が長くなる。この場合、例えば、ビームの横方向の軌跡が適切な程度で重なるように走査すれば、１回の一筆書きの照射において、照射ムラが少なくなる。実際は、ウェハの一方の端から他方（反対側）の端に向けての、或いは逆方向の一筆書きの照射を何回か行うことで、注入される不純物イオン濃度のバラツキを低減させている。
【００２５】
しかしながら、それでも照射量の多い部分と、少ない部分とが生じる。照射量の多い部分の下の領域では、不純物濃度が濃くなる。この不純物濃度のばらつき方は、ビーム軌跡によるものであり、イオン注入装置毎に異なる。通常、注入される不純物濃度のバラツキは１％未満であるが、光電変換を行う不純物拡散領域の不純物濃度は、画素毎に僅かにばらつくことになる。そして、このバラツキが画素毎の受光部の感度を僅かにばらつかせることを、本発明者は解明した。
【００２６】
固体撮像素子のように、１チップの全域に亘って極めて均一な特性を要求される半導体装置では、僅かなバラツキもないことが望ましい。そこで、本実施形態では、イオン注入装置固有のビーム軌跡による画素毎の不純物濃度の僅かなバラツキをさらに低減させるため、従来とは異なる製造方法を提案した。
図５は、本実施形態のようにチルト角度のみを変えてイオン注入を２回行う場合の、ビーム軌跡を示す平面模式図である。なお、前記したように実際のビーム軌跡は図５に示したものより密である。
【００２７】
図５に示されるように、チルト角度を変えてイオン注入を２回行えば、２回目のビーム軌跡は、イオン注入装置固有の特性により、１回目のビーム軌跡と異なる確率が非常に高い。これは、チルト角度を変えているので、イオンビームの直射断面積が変化することにもよる。即ち、１回目の注入において照射量の少ない部分では、２回目の注入において照射量が１回目より多くなる可能性が高い。従って、ウェハの全域において、ビームの照射量、即ち、注入される不純物濃度を従来より均一にできる。この結果、イオン注入装置固有のビーム軌跡による、画素１２毎のセンサ部２２の感度の僅かなバラツキをさらに低減できる。
【００２８】
＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態における、固体撮像素子の製造方法の要部を示している。第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施形態は、センサ部２２のＰ型表面領域３４及びＮ型埋め込み領域３６を形成する工程が異なることを除いて、第１の実施形態と同じである。
【００２９】
本実施形態におけるＮ型埋め込み領域３６を形成する工程では、注入条件のうちチルト角度及び入射方向のみを変えて、イオン注入を２回行う。１回目、２回目の注入における入射方向以外の条件は、例えば、第１の実施形態で述べた１回目、２回目のリン注入とそれぞれ同じでよい。１回目の注入の入射方向は、例えば、図６（ａ）に示すように、オリエンテーションフラットの方向にする。２回目の注入では、図６（ｂ）に示すように、半導体基板２８を、基板の中心点を中心に１２０°回転させ、１回目の注入とは入射方向を１２０°ずらす。
【００３０】
Ｐ型表面領域３４を形成する工程も、同様に注入条件のうちチルト角度及び入射方向のみを変えて、イオン注入を２回行う。１回目、２回目の注入における入射方向以外の条件は、例えば、第１の実施形態で述べた１回目、２回目のボロン注入とそれぞれ同じでよい。上述と同様に、２回目の注入では、１回目の注入とは入射方向を１２０°ずらす。
【００３１】
図７は、１つのウェハに形成された全ての固体撮像素子に均一な光を照射し、各画素からの出力を測定した結果の模式図である。但し、この測定結果は、各固体撮像素子を最終的に実装した後、受光面に均一な光を照射して各画素からの出力を測定したものである。図７（ａ）は、従来の製造方法により製造された固体撮像素子の測定結果に対応し、図７（ｂ）は、本実施形態の製造方法により製造された固体撮像素子１０の測定結果に対応する。
【００３２】
図７（ａ）から明らかなように、従来の製造方法では、画素毎に感度がばらついている。そして、感度の高い領域は、イオン注入時の一筆書きのようなビーム軌跡により照射量が多くなった領域であると、ほぼ断定できる。一方、本実施形態の製造方法による固体撮像素子１０では、図７（ｂ）のように、感度のバラツキは殆どない。
【００３３】
以上、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、２回目のイオン注入を、１回目とは１２０°ずれた別の方向から、チルト角度も変えて行う。このため、２回目のイオン注入のビーム軌跡は、１回目の軌跡と交差する。従って、１回目の注入においてビームの照射量の少ない部分が、２回目の注入において１回目より多く照射を受ける可能性は、さらに高くなる。この結果、ウェハの全域における不純物注入濃度、即ち、固体撮像素子１０の画素１２間のセンサ部２２の感度を殆ど均一にできる。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態における、固体撮像素子の製造方法の要部を示す流れ図である。第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施形態は、センサ部２２のＰ型表面領域３４及びＮ型埋め込み領域３６を形成する工程が異なることを除いて、第１の実施形態と同じである。以下、図７に示すステップ番号に従って、本実施形態における固体撮像素子の製造方法を説明する。
【００３５】
［ステップＳ１］
従来と同様の工程で、多数の半導体ウェハ（半導体基板２８）に、水平ＣＣＤ１６、垂直ＣＣＤ２４、チャネルストップ領域５４などを形成する。次に、これら半導体ウェハを、Ａロット及びＢロットの２つのグループに分ける。
［ステップＳ２］
Ａロットの半導体ウェハにＮ型埋め込み領域３６を形成するため、イオン注入装置６６Ａ（図示せず）を用いて、リンを注入する。このときの注入条件は、例えば、第１の実施形態で述べた１回目のリン注入と同じでよい。
【００３６】
同時に、Ｂロットの半導体ウェハにＮ型埋め込み領域３６を形成するため、イオン注入装置６６Ａとは異なるイオン注入装置６６Ｂ（図示せず）を用いて、リンを注入する。このときの注入条件は、Ａロットのものと同じにする。
［ステップＳ３］
Ｎ型埋め込み領域３６の不純物濃度のムラを低減させるため、イオン注入装置６６Ｂを用いて、Ａロットの半導体ウェハにリンを注入する。同時に、イオン注入装置６６Ａを用いて、Ｂロットの半導体ウェハにリンを注入する。このときの注入条件は、どちらもステップＳ２と同じにする。
【００３７】
［ステップＳ４］
ステップＳ２、Ｓ３と同様の工程で、Ｐ型表面領域３４を形成する。まず、イオン注入装置６６Ｃ（図示せず）を用いてＡロットの半導体ウェハにボロンを注入し、イオン注入装置６６Ｄ（図示せず）を用いてＢロットの半導体ウェハにボロンを注入する。なお、イオン注入装置６６Ｃ、６６Ｄは、互いに異なるものである。次に、Ａロットの半導体ウェハにイオン注入装置６６Ｄを用いてボロンを注入し、Ｂロットの半導体ウェハにイオン注入装置６６Ｃを用いてボロンを注入する。このときの注入条件は、全て同じにする。例えば、第１の実施形態で述べた１回目のボロン注入と同じ条件でよい。以下、従来と同様の工程を実施し、図２に示した構造を形成する。
【００３８】
前述したように、ビーム軌跡はイオン注入装置固有のものであり、同じメーカー製の同じ型番の２つの装置を用いて同じ条件で照射しても、ビーム軌跡は僅かに異なる。これは、イオン注入装置を作製する上での加工精度上、例えば、ビーム照射口の形状、寸法、取り付け位置等が若干ばらつくためである。
このため、本実施形態のように、異なる２つのイオン注入装置により注入を２回行えば、２回目の注入のビーム軌跡は、１回目の軌跡と異なる可能性が非常に高い。従って、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ステップＳ２、Ｓ３での計４つのイオン注入を同じ条件で行い、ステップＳ４での計４つのイオン注入も同じ条件で行う。即ち、同一のイオン注入工程を、複数のイオン注入装置を用いて同時に行えるので、その時間を短縮できる。
【００３９】
＜本発明の補足事項＞
なお、第１及び第２の実施形態では、１つの不純物拡散領域を形成するイオン注入を２回行う例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。１つの不純物拡散領域を形成するイオン注入を、毎回チルト角度を変えて３回以上行ってもよい。この場合、さらに不純物濃度の均一化を期待できる。
【００４０】
第２の実施形態では、１回目と２回目のイオン注入において、入射方向を１２０°変える例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。１回目と２回目のビーム軌跡が確実に異なるような角度で、半導体基板２８を回転させればよい。半導体基板２８を回転させる角度を０°〜１８０°の範囲で定義すれば、この回転角度は、１０°〜１７０°の範囲であることが望ましい。
【００４１】
第２の実施形態では、半導体基板２８を回転させることで、イオン注入の入射方向を変える例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。イオン注入装置のイオン照射口と半導体基板２８との相対位置関係が保たれていれば、イオン照射口の位置（向き）を変えることで、イオン注入の入射方向を変えてもよい。
【００４２】
第３の実施形態では、２つのイオン注入装置を用いて１つの不純物拡散領域を形成する例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。１つの不純物拡散領域を形成するに際して、３つ（または４つ以上）のイオン注入装置を用いて、イオン注入を３回（または４回以上）行ってもよい。この場合、ウェハの全域において、注入される不純物濃度の僅かなバラツキを、さらに低減できる。
【００４３】
第３の実施形態では、１つの不純物拡散領域を形成するために２つのイオン注入装置を用いてイオン注入を２回行うに際して、注入条件を全て同じにする例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。イオン注入装置毎に、チルト角度のみ、または入射方向のみを変えてイオン注入を行ってもよい。或いは、イオン注入装置毎に、チルト角度及び入射方向を変えてイオン注入を行ってもよい。
【００４４】
第３の実施形態では、１つの不純物拡散領域を形成するために異なる２つのイオン注入装置を用いてイオン注入を２回行う例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。前記した理由により、同じメーカー製の同じ型番の２つのイオン注入装置を用いてもよい。
第１〜第３の実施形態では、Ｎ型埋め込み領域３６を形成後、Ｐ型表面領域３４を形成する例を述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。Ｐ型表面領域３４を形成後、Ｎ型埋め込み領域３６を形成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の固体撮像素子の製造方法に従えば、イオン注入装置固有のビーム軌跡による、注入される不純物濃度のバラツキを低減できる。このため、固体撮像素子における画素毎の受光部の感度の僅かなバラツキをさらに低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における固体撮像素子のブロック図である。
【図２】第１の実施形態における固体撮像素子の単位画素の断面模式図である。
【図３】第１の実施形態における、固体撮像素子の製造方法の要部を示す模式的工程断面図である。
【図４】半導体ウェハの表面における、従来のイオン注入のビーム軌跡を示す説明図である。
【図５】第１の実施形態における、チルト角度を変えてイオン注入を行う場合のビーム軌跡を示す説明図である。
【図６】第２の実施形態における固体撮像素子の製造方法の要部を示す説明図である。
【図７】１つのウェハに形成された全ての固体撮像素子に均一な光を照射し、各画素から出力を測定した結果を示す平面模式図である。
【図８】第３の実施形態における固体撮像素子の製造方法を説明する流れ図である。
【符号の説明】
１０固体撮像素子
１２画素
１６水平ＣＣＤ
１８読み出しアンプ
２２センサ部
２３読み出しゲート領域
２４垂直ＣＣＤ
２８半導体基板
３０Ｐ型ウェル領域
３４Ｐ型表面領域
３６Ｎ型埋め込み領域
４０埋め込みチャネル領域
４２Ｐ型領域
４４絶縁膜
４６転送電極
５４チャネルストップ領域
５８遮光膜
６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄイオン注入装置

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板に形成された不純物拡散領域を有し、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部と、
前記半導体基板に形成され、前記光電変換部が生成する信号電荷を、読み出し回路に転送する信号転送部と
を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
前記半導体基板に対して、第１のチルト角度でイオン注入を行う第１工程と、
前記第１工程の後、前記半導体基板を、前記半導体基板の中央部を中心として前記半導体基板の両面に平行に予め定められた角度回転させる第２工程と、
回転後の停止した前記半導体基板に、前記第１のチルト角度とは異なる第２のチルト角度でイオン注入を行う第３工程とを有する複数回注入工程により、前記不純物拡散領域を形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
請求項１記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記複数回注入工程は、ドーズ量及び加速電圧を同一条件として行われる
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
請求項１または請求項２記載の固体撮像素子の製造方法において、
前記光電変換部は、前記半導体基板の表面側に形成された第１導電型の表面領域と、前記表面領域における前記半導体基板の内部側に隣接して形成された第２導電型の埋め込み領域とを有する埋め込み型フォトダイオードであり、
前記表面領域は、第１導電型の不純物イオンを注入する前記複数回注入工程により形成され、
前記埋め込み領域は、第２導電型の不純物イオンを注入する前記複数回注入工程により形成される
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。