JP5178209B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、電荷の転送方向に沿った濃度勾配を有する不純物領域が形成されたＣＣＤ装置の製造方法に関するものである。

従来のＣＣＤ装置は、半導体基板に電荷が転送される領域である埋め込みチャネルが形成され、この上部には、電荷の転送方向に対して垂直方向に、複数の転送電極が互いに平行に配置されていた。また、各転送電極下の埋め込みチャネルには、電荷の転送方向に向かってポテンシャルが深くなるような濃度勾配を有する不純物領域が形成されていた。従って、電荷は常にポテンシャルが深い領域に局在することになり、これによって高速かつ効率のよい電荷の転送を実現していた。

このような濃度勾配を有する不純物領域の製造方法に関して、次の方法が知られていた。すなわち、レジスト膜をリフロー処理によって軟化させ、表面張力を利用してレジスト膜の端部が勾配を有するように加工されたマスクを用い、このマスクの勾配を介して不純物を半導体基板に注入するものである。これによって、１回の不純物注入で不純物の濃度に勾配を設けていた（特許文献１）。

しかし、上記のＣＣＤ装置の製造方法には、次のような問題があった。

すなわち、リフロー処理は表面張力を利用しているため、これによって形成されるレジスト膜の勾配形状は、必ず上に凸の形状であった。さらに、勾配を設けることができるのはレジスト膜の端部のみであるため、長距離にわたって勾配を有するレジスト膜を形成することができず、結果として長距離にわたって濃度勾配を有する不純物領域を形成することができなかった。このように、上記の製造方法においては、形成されるレジスト膜の構造に制限され、自由な濃度プロファイルを有する不純物領域を形成することができなかった。
特開平５−２６７２０６号公報

本発明の課題は、自由な濃度プロファイルの形状を有する不純物領域を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板に埋め込みチャネルを形成する工程と、前記埋め込みチャネルの上部に酸化膜を介してレジスト層を一様に形成する工程と、電荷の転送方向に沿って光の透過率が連続的に変化する複数の透過領域が電荷の転送方向に沿って列状に配列されたグレーティングマスクを用いて前記レジスト層を露光する工程と、露光された前記レジスト層を現像することにより、電荷の転送方向に沿って膜厚が連続的に変化する複数の領域が電荷の転送方向に沿って列状に配列されたレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクを介して前記埋め込みチャネルにイオンを注入することにより、それぞれが電荷の転送方向に沿って連続的に変化する不純物濃度を有し、電荷の転送方向に沿って列状に配列された複数の第１の不純物領域を形成する工程と、前記レジストマスクを除去後、前記複数の第１の不純物領域上の所定の位置にそれぞれ、酸化膜を介して転送電極を形成する工程と、を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、自由な濃度プロファイルの形状を有する不純物領域を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下に、本発明によって製造される半導体装置及びその製造方法の実施形態を図１〜図１５を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置を示し、同図(a)はこのＣＣＤ装置を示す上面図であり、同図(b)は、同図(a)の破線A−A’構造断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置は、ｐ型の半導体基板１１にｎ型の埋め込みチャネル１２が形成されている。さらに埋め込みチャネル１２内には複数のｎ＋型の不純物領域１３が形成されている。これらの不純物領域１３は、それぞれが電荷の転送方向に向かって濃度が濃くなるような濃度勾配を有しており、不純物領域１３の最も濃度が濃い箇所と、これに隣接する不純物領域１３のうち、最も濃度が薄い箇所とは互いに接合されている。このように形成された不純物領域１３の最も濃度が濃い箇所を含む一部の上には、それぞれ酸化膜１４を介して転送電極１５が配置されている。これら複数の転送電極１５は、電荷の転送方向に対して垂直かつ、互いに平行に配置されている。

次に、実施形態１に係るＣＣＤ装置の動作について、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置に形成されるポテンシャルを示し、同図(a)は、φ１に接続される転送電極１５に負の電圧を供給するクロックパルス、φ2に接続される転送電極１５に正の電圧を供給するクロックパルスが印加された場合のポテンシャルのプロファイルを示し、同図(b)は、φ１に接続される転送電極１５に正の電圧を供給するクロックパルス、φ2に接続される転送電極１５に負の電圧を供給するクロックパルスが印加された場合のポテンシャルのプロファイルを示す。なお、これらの図において、点線はクロックパルスを印加する前のポテンシャルプロファイル、実線はクロックパルスを印加したときのポテンシャルプロファイルを示している。

まず図２(a)に示すように、φ１に接続される転送電極１５に負の電圧を有するクロックパルス、φ2に接続される転送電極１５に正の電圧を有するクロックパルスが印加されたとき、φ１に接続される転送電極１５下のポテンシャル浅く形成され、φ２に接続される転送電極１５下のポテンシャルは深く形成される。このとき、φ２に接続される転送電極１５下にポテンシャルの井戸が形成されるため、電荷１６はφ２に接続される転送電極１５下に形成された不純物領域１３に局在することになる。

この状態で図２(b)に示すように、φ１に接続される転送電極１５に正の電圧を供給するクロックパルス、φ2に接続される転送電極１５に負の電圧を供給するクロックパルスが印加されたとき、φ１に接続される転送電極１５下のポテンシャルは浅く形成され、φ２に接続される転送電極１５下のポテンシャルは深く形成される。このとき、φ１に接続される転送電極１５下にポテンシャルの井戸が形成されるため、φ２に接続される転送電極１５下に形成された不純物領域１３に局在していた電荷１６は、φ１に接続される転送電極１５下に形成された不純物領域１３に転送される。ここで転送される電荷１６は、常にポテンシャルの深い領域に局在するため、高速かつ高効率に電荷１６を転送することが可能となる。以上の動作を繰り返すことで、電荷１６は転送される。

次に、図１に示す第１の実施形態に係るＣＣＤ装置の製造方法について、図３〜図９を用いて詳細に説明する。図６及び図８を除く図３〜図９はいずれも、図１(a)の破線A−A’に沿った構造断面図を示している。

はじめに、図３に示すように、ｎ型の埋め込みチャネル１２が形成された半導体基板１１上に、酸化膜１４を形成する。

続いて、図４に示すように、不純物領域１３を形成するためのマスクとなるレジスト層１７を、酸化膜１４上に一様に形成する。

続いて、図５に示すように、電荷１６の転送方向に向かって除々に光の透過率が高くなるようにドットが形成されたグレーティングマスク１８を用いてレジスト層１７を露光する。このグレーティングマスク１８を用いたときの光１９の透過率とドットの密度の関係を図６に示す。図６に示すように、ドットが密になる箇所ほどマスクの透過率は低くなるため、レジスト層１７の露光量は少なくなる。

続いて、図７に示すように、露光されたレジスト層１７を現像する。ここで、レジスト層１７に対する露光量と現像時のレジスト層１７の残膜厚の関係を図８に示す。図８に示すように、レジスト層１７に対する露光量が多くなるほど現像後のレジスト層１７の残膜厚は薄くなる。このため、グレーティングマスク１８が有するドットの密度の変化に応じた勾配を有するレジストマスク１７’を形成することができる。

続いて、図９に示すように、勾配を有するレジストマスク１７’を介してｎ型のイオン２０を埋め込みチャネル１２に注入する。このとき、レジストマスク１７’の膜厚が厚い箇所ほどイオン２０が注入される量は少なくなるため、１回のイオン注入で、レジストマスク１７’の勾配と同じ濃度勾配を有する不純物領域１３を形成することができる。

最後に、勾配を有するレジストマスク１７’を除去後、転送電極１５を所定の位置に配置することで、図１に示すようなＣＣＤ装置を製造することができる。

以上のように、本実施形態におけるＣＣＤ装置の製造方法によれば、グレーティングマスク１８が有するドットの密度の変化に応じた勾配を有するレジストマスク１７’を形成し、このレジストマスク１７’を介してイオン２０の注入を行うことで、転送電極１５の下に長い勾配を有する不純物領域１３を形成することができる。このような不純物領域１３を形成することによって、長い電極幅の転送電極１５を形成すること及び、転送電極１５の配置間隔を長く形成することが可能となる。従って、電荷１６の転送長が長い場合であっても、高速かつ高効率な電荷１６の転送に必要な転送電極１５の数を減らすことが可能であり、これらの転送電極１５にクロックパルスを供給するクロックドライバの消費電力を小さくすることが可能である。

なお、本実施形態においては、不純物領域１３をｎ型の不純物領域としたため、電荷１６の転送方向に対して光の透過率が高く変化するグレーティングマスク１８を用いた。しかし、不純物領域１３をｐ型の不純物領域とする場合には、電荷１６の転送方向に向かって光の透過率が低く変化するグレーティングマスクを用いてレジスト層１７を露光・現像したものを用いてイオン注入を行えば、電荷１６の転送方向に向かって深くなるポテンシャルを形成することができる。

以上に示した第１の実施形態に係るＣＣＤ装置は、例えばＣＣＤイメージセンサの様々な箇所に用いることができる。図１０に、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置を用いたＣＣＤイメージセンサの上面図を示す。図１０に示すＣＣＤイメージセンサは、半導体基板１１に埋め込み形成され、受光した光を電荷に変換する複数の光電変換素子１０１と、これらの光電変換素子１０１で生成された電荷を読み出す複数の読み出しゲート１０２と、それぞれの読み出しゲート１０２で読み込まれた電荷を転送するための転送路である埋め込みチャネル１０３と、を具備している。さらに埋め込みチャネル１０３は、それぞれの読み出しゲート１０２に読み込まれた電荷を転送する複数の垂直転送チャネル１０３−１と、これら垂直転送チャネル１０３−１によって転送された電荷を、出力回路１０４に転送する水平転送チャネル１０３−２からなる。

このようなＣＣＤイメージセンサは、複数の読み出しゲート１０２上に配置された読み出しゲート電極１０５にパルスを印加することで、各光電変素子１０１で生成された電荷１６を、それぞれに接続された読み出しゲート１０２に読み込む。読み込まれた電荷１６は、それぞれの読み出しゲート１０２に接続された垂直転送チャネル１０３−１上に配置された垂直転送電極１０６−１にパルスを印加することで、垂直転送チャネル１０３−１内を移動し、水平転送チャネル１０３−２に転送される。水平転送チャネル１０３−２に転送された電荷は、この上部に配置される複数の水平転送電極１０６−２にパルスを印加することで、水平転送チャネル１０３−２内を移動し、出力回路１０４に転送される。

このようなＣＣＤイメージセンサにおいて、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置は、垂直転送部及び水平転送部に用いることができる。図１１は、図１０の破線A-A’に沿った垂直転送部の構造断面図を示し、図１２は、図１０の破線B-B’に沿った水平転送部の構造断面図を示す。

図１１及び図１２に示すように、垂直転送チャネル１０３−１や水平転送チャネル１０３−２に、第１の実施形態に係るＣＣＤ装置を用いることで、低消費電力で、高速かつ高効率に電荷を転送することが可能になる。また、高効率に電荷を転送することが可能であるため、従来のように、電荷の転送方向に向かって転送チャネル１０３のチャネル幅を広げることで飽和電荷量を高くする必要はなく、直線状に転送チャネル１０３を形成することが可能となる。よって、転送チャネル１０３の設計が容易になる。さらに、図１０に示すように、電荷の転送路長に差がある場合であっても、転送路長が長い箇所ほど急な濃度勾配を有する不純物領域１３を形成することで、電荷を高速に転送させることが可能であるため、電荷の転送時間の違いによる遅延を防止することも可能である。

（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態に係るＣＣＤ装置を示し、同図(a)はこのＣＣＤ装置を示す上面図であり、同図(b)は、同図(a)の破線A−A’構造断面図である。

図１３に示す第２の実施形態に係るＣＣＤ装置は、ｐ型の半導体基板２１の表面にｎ型の埋め込みチャネル２２が形成されている。さらに埋め込みチャネル２２内には、電荷の転送方向に向かって濃度が濃くなるような勾配を持つ複数のｎ＋型の第１の不純物領域２３−１が形成されている。さらに、これらの第１の不純物領域２３−１の間には、第１の不純物領域２３−１と同じ濃度勾配である第２のｎ＋型の不純物領域２３−２が形成されており、これら第１の不純物領域２３−１および第２の不純物領域２３−２は互いに接合している。また、これら第１の不純物領域２３−１および第２の不純物領域２３−２上には酸化膜２４が形成され、このうち、第１の不純物領域２３−１上には酸化膜２４を介して転送電極２５が電荷の転送方向に対して垂直かつ、所定の間隔を有して平行に配置されている。

次に、第２の実施形態に係るＣＣＤ装置の動作について、図１４を用いて説明する。本実施形態においては、第１の実施形態のようないわゆる２相駆動ではなく、１相の駆動クロックのみで動作する、いわゆる単相駆動である。図１４は、第２の実施形態に係るＣＣＤ装置に形成されるポテンシャルを示し、同図(a)は、クロックパルスが転送電極に供給されていないときのポテンシャルプロファイルを示し、図１４(b)は、正の電圧を供給するクロックパルスが印加された場合のポテンシャルプロファイルを示す。なお、これらの図において、点線は電圧を印加する前のポテンシャルプロファイル、実線は電圧を印加したときのポテンシャルプロファイルを示している。

まず図１４(a)に示すように、クロックパルスが印加されないとき、転送電極２５下に形成された第１の不純物領域２３−１に局在していた電荷２６は、転送電極２５間に形成された第２の不純物領域２３−２に転送される。この状態で図１４(b)に示すように、φ１に正の電圧を供給するクロックパルスが印加されたとき、転送電極２５下のポテンシャルは深く形成される。従って、第２の不純物領域２３−２に局在していた電荷２６は、第１の不純物領域２３−１に呼び込まれるように転送される。このような第２の実施形態に係るＣＣＤ装置であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。また、第２の実施形態においては単相駆動であるため、実施形態１と比べて、クロックパルスを供給するクロックドライバの簡略化及び、駆動タイミングの簡易化が可能である。

このような第２の実施形態に係るＣＣＤ装置の製造方法は、第１の実施形態とほぼ同様である。しかし、第２の実施形態に係るＣＣＤ装置の製造方法においては、転送電極２５を形成後、この転送電極２５をマスクとして用いてさらにイオン注入を行う工程をさらに有する。

以上に本実施の形態のＣＣＤ装置及びその製造方法を示したが、実施の形態はこれらに限るものではない。

例えば、上記の各実施形態においては、グレーティングマスク１８の光の透過率が一定の割合で変化するものであり、これによって一定の勾配を有する（第１の）不純物領域１３（２３−１）を形成していた。しかし、ドットを有するグレーティングマスク１８を用いて勾配を有するレジストマスク１７´を形成する方法は、ドットの密度を自由に決定することで、レジストマスク１７´を自由な形状に形成することが可能である。従って、上記の実施形態で示した不純物領域１３（２３−１）の形成方法によれば、１回のイオン注入で、自由な濃度プロファイルを有する不純物領域１３（２３−１）を形成することができる。例えば、図１５に示すように、下に凸の濃度プロファイルを有する不純物領域３１を形成することも可能である。このような不純物領域３１を形成することで、下に凸のポテンシャルプロファイル３２が形成されるため、ポテンシャルの深い領域が広く形成される。これによって、ポテンシャルが深い領域に局在できる電荷３３は多くなるため、飽和電荷量を高くすることが可能となる。従って、チャネル幅を狭くすることも可能である。従って、ＣＣＤ装置の小型化も可能となる。

また、本実施形態においては、ドットを有するグレーティングマスクを用いて勾配を有するレジストマスクを形成していたが、光の透過率に差異を有するグレーティングマスクであれば、どんなマスクであっても同様の効果を得ることが可能である。

また、上記に説明した実施形態においては埋め込みチャネル及び第１の不純物領域の導電型をｎ型、第２の不純物領域の導電型はｐ型であった。しかし、第１、第２の不純物領域の濃度プロファイルによって形成されるポテンシャルプロファイルが、電荷の転送方向に向かって深くなる勾配を有するようなポテンシャルプロファイルであれば、チャネル領域や不純物領域がどんな導電型であってもよい。ただし、これらの導電型の組み合わせによって形成されるポテンシャルプロファイルは変化するため、それぞれに適切なクロックパルスを各電極に供給する必要がある。

また、第１の実施形態においては、正負の互いに逆相のクロックパルスを、連続して配置される転送電極に対して交互に、同じタイミングで供給していたが、電圧の大小の異なる２種類のクロックパルスを同様に同じタイミングで供給してもよい。

また、本発明の実施形態においてはＣＣＤ装置の不純物領域を形成する方法について説明したが、本発明は、濃度勾配を有する不純物領域が形成された半導体装置全てにおいて適用可能である。例えば、上記に示した実施の形態において、３個の転送電極を有し、この３個の電極が順にドレイン電極、ゲート電極、ソース電極に対応したＭＯＳ型トランジスタを製造する場合においても適用可能である。すなわち、ゲート電極の下に形成されるチャネル不純物領域において、上述した製造方法と同様に、上述した濃度勾配と同様の不純物領域を形成することも可能である。なおこの場合、ドレイン電極、ソース電極の下にそれぞれ形成される不純物領域は、濃度勾配を有する不純物領域である必要はない。

第１の実施形態のＣＣＤ装置を示し、同図(a)はこの電荷転送素子を示す上面図であり、同図(b)は、同図(a)の破線A−A’構造断面図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の動作を説明する説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の製造方法を説明するための説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の製造方法を説明するための説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の製造で使用するグレーティングマスクを示す上面図及びこれを用いた露光を説明するための説明図である。 グレーティングマスクのドット密度とこのマスクの光の透過率の関係を説明する説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の製造方法を説明するための説明図である。 光の透過率とレジスト残膜厚の関係を説明する説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置の製造方法を説明するための説明図である。 第１の実施形態のＣＣＤ装置を用いたＣＣＤイメージセンサを示す上面図である。 図１０の破線A-A’に沿った垂直転送チャネルの構造断面図である。 図１０の破線B-B’に沿った水平転送チャネルの構造断面図である。 第２の実施形態のＣＣＤ装置を示し、同図(a)はこのＣＣＤ装置を示す上面図であり、同図(b)は、同図(a)の破線A−A’構造断面図である。 第２の実施形態のＣＣＤ装置の動作を説明する説明図である。 ポテンシャルプロファイルの形状を説明する説明図である。

符号の説明

１１，２１：ｐ型半導体基板
１２、２２：埋め込みチャネル
１３、２３−１：（第１の）不純物領域
２３−２：第２の不純物領域
１４、２４：酸化膜
１５、２５：転送電極
１６、２６：電荷
１７：レジスト層
１７’：レジストマスク
１８：グレーティングマスク
１９：光
２０：不純物
３１：下に凸の濃度プロファイルを有する不純物領域
３２：下に凸のポテンシャルプロファイル
３３：電荷
１０１：光電変換素子
１０２：読み出しゲート
１０３：埋め込みチャネル
１０３−１：垂直転送チャネル
１０３−２：水平転送チャネル
１０４：出力回路
１０５：読み出しゲート電極
１０６−１：垂直転送電極
１０６−２：垂直転送電極

Claims (4)

1. 半導体基板に埋め込みチャネルを形成する工程と、
   前記埋め込みチャネルの上部に酸化膜を介してレジスト層を一様に形成する工程と、
   電荷の転送方向に沿って光の透過率が連続的に変化する複数の透過領域が電荷の転送方向に沿って列状に配列されたグレーティングマスクを用いて前記レジスト層を露光する工程と、
   露光された前記レジスト層を現像することにより、電荷の転送方向に沿って膜厚が連続的に変化する複数の領域が電荷の転送方向に沿って列状に配列されたレジストマスクを形成する工程と、
   前記レジストマスクを介して前記埋め込みチャネルにイオンを注入することにより、それぞれが電荷の転送方向に沿って連続的に変化する不純物濃度を有し、電荷の転送方向に沿って列状に配列された複数の第１の不純物領域を形成する工程と、
   前記レジストマスクを除去後、前記複数の第１の不純物領域上の所定の位置にそれぞれ、酸化膜を介して転送電極を形成する工程と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 複数の前記転送電極を形成後、さらに、
   これらの転送電極をマスクとしてそれぞれの前記第１の不純物領域にイオンを注入することにより、複数の第２の不純物領域を形成する工程、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記グレーティングマスクは、前記透過領域の光の透過率の変化をドットの密度で制御するマスクであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記埋め込みチャネル、前記第１の不純物領域、および前記第２の不純物領域の導電型はそれぞれｎ型であり、前記グレーティングマスクは、前記透過領域のドットの密度を制御することにより、電荷の転送方向に沿って光の透過率が高く変化するマスクであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。