JPH07240388A - 半導体装置のイオン注入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ラスタスキャン方式によるイオン注入法にお
いて、イオン注入量のばらつきを抑制して半導体装置に
均一な濃度の拡散層を形成することを可能にする。 【構成】 イオン注入する半導体基板１０１を所要の回
転角度にて離散的に回動位置させながら、複数回に分け
て半導体基板のイオン注入領域に対してラスタスキャン
方式によりイオンビーム１０６を走査してイオン注入を
行う。半導体基板１０１は０度よりも大きく１８０度以
下の範囲の所要の回転角度で離散的に回転位置を変化さ
せる。イオン注入量の均一化が可能となり、固体撮像装
置の光電変換部の拡散層を形成したときには、撮像した
画像特性の劣化を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置を製造する際
に用いられるイオン注入方法に関し、特に固体撮像装置
の光電変換部を形成する際のイオン注入に適用して好適
なイオン注入方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な固体撮像装置の一例を図５に示
す。この固体撮像装置はインターライン転送方式と称さ
れるものの概略平面構成図であり、複数列の電荷転送装
置（ＣＣＤ）からなる垂直電荷転送部３０１と、前記各
垂直電荷転送部３０１の片側に隣接して配置された光電
変換部３０２と、各垂直電荷転送部３０１の一端に電気
的に結合して直角方向に配置された水平電荷転送部３０
３と、その一端に設けられた出力変換部３０４とを備え
ている。

【０００３】この固体撮像装置では、多数の光電変換部
３０２に入射光量に応じて蓄積された信号電荷が映像信
号のフレーム同期、またはフィールド同期に対応して垂
直電荷転送部３０１に読み出された後、映像信号の水平
走査周期毎に垂直電荷転送部３０１内を並列に一端方向
に順次転送される。垂直電荷転送部３０１の一端まで転
送された信号電荷は、水平走査同期毎に水平電荷転送部
３０３へ並列に転送される。水平電荷転送部３０３へ転
送された信号電荷は、次の周期で垂直電荷転送部３０１
から信号電荷が転送されてくる間に水平方向に順次転送
され、出力変換部３０４から映像信号として外部に取り
出される。

【０００４】このような固体撮像装置の光電変換部や電
荷転送部を構成する不純物の拡散層の形成に際しては、
従来からイオン注入法が広く用いられている。イオン注
入法を用いてこの種の拡散層を形成する場合、一般には
中電流型イオン注入装置が主流として用いられており、
その大半はイオンビームを垂直及び水平偏向周波数の合
成で決定される走査線に沿って複数回にわたって平行に
半導体基板（半導体ウェハ）表面に走査させるラスタス
キャン方式が採用されている。

【０００５】図６は図５に示した光電変換部の製造方法
を工程順に示す図であり、図５のＩ−Ｉ線に沿う光電変
換部の断面に相当する。先ず、図６（ａ）のように、Ｎ
型半導体基板２０１上に、例えば気相拡散法等によりＰ
型ウェル層２０２を形成し、その表面に熱酸化法により
シリコン酸化膜２０３を順次形成する。続いて、図６
（ｂ）のように、写真食刻法によりフォトレジスト２０
４をパターニングして多数個の光電変換部に相当する個
所を開口し、このフォトレジスト２０４をマスクとして
リンのイオンビーム２０６を照射することにより、リン
イオンの選択注入を行い、これにより光電変換部のＮ型
拡散層２０５が形成される。

【０００６】このＮ型拡散層２０５を形成する際のリン
のイオン注入に際しては、図７に示すように、垂直及び
水平静電偏向周波数の合成で決定されるイオンビーム走
査線上をイオンビーム２０６が一定速度で移動すること
により、半導体基板２０１の全面に対してイオンビーム
が走査されることで行われる。なお、ここではイオンビ
ーム２０６は半導体基板２０１の表面に垂直な方向に対
して７度の入射角に設定した例を図示している。

【０００７】続いて、図６（ｃ）のように、写真食刻法
及びイオン注入法により素子分離領域となる高濃度Ｐ型
領域２０７を形成した後、光電変換部の境界部に絶縁膜
２０８と、第１及び第２の導電性電極２０９，２１０を
順次形成する。続いて、この第１及び第２の導電性電極
２０９，２１０をマスクとして、例えばＮ型半導体基板
２０１に対してイオンビーム２０６を照射することによ
り、ボロンイオンの選択注入を行い、光電変換部の高濃
度Ｐ型拡散層２１１が形成される。

【０００８】ここで用いられるラスタスキャン方式のイ
オン注入装置においても、ボロンのイオン注入は図７に
示したような垂直及び水平静電偏向周波数の合成で決定
されるイオンビーム走査線上をイオンビーム２０６が一
定速度で移動して半導体基板２０１の全面を走査するこ
とによって行われる。ここでも、ボロンのイオンビーム
は７度の入射角で半導体基板に照射させた例を示してい
る。最後に、図６（ｄ）のように、遮光用の金属膜２１
２と保護絶縁膜２１３を順次形成することにより、固体
撮像装置の光電変換部が形成される。

【０００９】このようなラスタスキャン方式を採用する
イオン注入法では、イオンビームの走査線の数はイオン
ビームを偏向走査させる静電偏向周波数によって一義的
に決定され、数十μｍから数百μｍの間隔でイオンビー
ムの走査が行われる。一方、この走査線上を移動しなが
らイオン注入を行うイオンビームスポットは、その直径
や形状を高精度に設定することが難しいため、結果とし
て走査されるイオンビームが重なり状態で照射される部
分が生じ、半導体基板の全面にわたって均一なイオン注
入が行われなくなることがある。

【００１０】このため、数μｍから数１０μｍの光電変
換部が数ｍｍから数十ｍｍにわたり縦横に配置される固
体撮像装置の光電変換部をこのようなラスタスキャン方
式のイオンビーム走査によるイオン注入法により形成し
たときには、各光電変換部の拡散層におけるイオン注入
量が不均一になってしまう。このようなイオン注入量の
不均一が固体撮像装置の光電変換部に生じると、Ｎ型拡
散層を形成するリンのイオン注入ばらつき、及び高濃度
Ｐ型領域のばらつきは光電変換部における容量ばらつき
となり、画像特性の劣化を生じることになる。即ち、各
光電変換部のＮ型拡散層や高濃度Ｐ型拡散層における濃
度のばらつきによって、各光電変換部における光電効率
に差が生じ、撮像により得られる電気信号のレベルが均
一にならず、撮像画面において明暗のむらが生じること
がある。また、高濃度Ｐ型拡散層の濃度のばらつきによ
って、シリコンと酸化膜の界面で発生する電流が高濃度
Ｐ型拡散層の濃度の低い部分において再結合されて光電
変換部に漏れ込んで偽信号を発生し、これが撮像画面に
おける白欠陥不良を発生させる。

【００１１】このような問題に対して、イオンビームス
ポットの直径をイオンビームの走査間隔である数百μｍ
に比較して大きな１０ｍｍ〜２０ｍｍに設定した上で走
査を行ない、かつイオンビームスポットの形状を円形と
して電流密度を均一化することで、イオンビーム走査に
より形成する各拡散層におけるイオン注入量の均一化を
図った手法が特開平４−３３６４３４号公報に提案され
ている。或いは半導体基板を所定の方向に回転させなが
らイオン注入することで拡散層におけるイオン注入量の
均一化を図った手法が特開昭６２−１４５７２９号公報
に提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
手法では、イオンビームスポットの直径や形状を定量的
に測定するための測定方法が確立されていないため、イ
オンビームを所望のビーム径や形状に管理することは困
難であり、所期の効果を得ることは難しい。また、仮
に、例えば紙等にイオンビームを照射してスポットの直
径や形状が測定できるとした場合でも、ビームを照射す
る対象物の表面高さ位置の違いや表面の傾斜等の要因に
よってスポットの直径が形状が変化されることがあるた
め、これらの点についても管理を行う必要があること
は、イオン注入工程が複雑、かつ面倒なものになるとい
う問題がある。

【００１３】また、後者の手法では、イオンビームの走
査周期、即ち垂直及び水平静電偏向周波数と、半導体基
板の回転速度との関係を適切に調整しないと均一なイオ
ン注入を行うことは難しい、例えば、イオンビームの走
査周期と半導体基板の回転周期とが同期したような場合
には、半導体基板上のイオン注入量の不均一な定常的な
粗密パターン（一般にロックパターン、ロック現象と称
される）が発生し、逆にイオン注入量のばらつきが一層
大きくなり、光電変換部の画像測定の劣化を生じるとい
う問題がある。この同期条件はシミュレーションにより
事前に予測可能ではあるが、イオン注入装置自体に製造
ばらつきが存在しているため、その管理が複雑で困難と
なり、前記したロック現象を確実に回避することができ
ないという問題がある。

【００１４】

【発明の目的】本発明の目的は、イオン注入量のばらつ
きを抑制して半導体装置に均一な濃度の拡散層を形成す
ることを可能にしたイオン注入方法を提供することにあ
る。また、本発明の他の目的は、イオン注入量のばらつ
きを抑制して固体撮像装置の光電変換部の拡散層を均一
な濃度で形成することを可能にしたイオン注入方法を提
供する。更に、本発明の目的は、均一な濃度のイオン注
入を容易にしかも確実に行うことを可能にしたイオン注
入方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入方法
は、イオン注入する半導体基板を所要の回転角度にて離
散的に回動位置させながら、複数回に分けて半導体基板
のイオン注入領域に対してイオンビームをラスタスキャ
ン方式で走査することを特徴とする。また、本発明のイ
オン注入方法は、固体撮像装置の光電変換部としての拡
散層をイオン注入法により形成するに際し、半導体基板
を所要の回転角度にて離散的に回動位置させながら、複
数回に分けて光電変換部にイオンビームをラスタスキャ
ン方式で走査することを特徴とする。

【００１６】ここで、半導体基板は０度よりも大きく１
８０度以下の範囲の所要の回転角度で離散的に回転位置
を変化させ、垂直及び水平偏向周波数の合成で決定され
る走査により光電変換部にイオンビームを走査する。ま
た、半導体基板を４個の異なる回転角度位置でイオンビ
ーム走査してイオン注入する場合には、回転角度を３０
度に設定することが好ましい。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例を説明するための図であ
り、図５に示したような固体撮像装置の光電変換部を形
成する工程を示すＩ−Ｉ線に沿う断面図である。先ず、
図１（ａ）のように、Ｎ型半導体基板１０１上に気相拡
散法等によりボロン等を拡散してＰ型ウェル層１０２を
形成し、かつその表面を熱酸化してシリコン酸化膜１０
３を形成する。続いて、図１（ｂ）のように、写真食刻
法によりフォトレジスト１０４をパターニングして光電
変換部に相当する個所に窓を開口し、このフォトレジス
ト１０４をマスクとして、例えばＮ型半導体基板１０１
に対して入射角７度にてイオンビーム１０６を照射する
ことにより、リンイオンの選択注入を行い、これにより
光電変換部のＮ型拡散層１０５が形成される。

【００１８】図２はここで用いられるラスタスキャン方
式のイオン注入を行うためのイオン注入装置の概略構成
図である。１１はイオンビームを発生させるイオンビー
ム発生器、１２は発生されたイオンビーム１０６を所要
のビーム径に収束させるレンズ、１３はイオンビーム１
０６を平面上で垂直，水平方向に走査させる偏向器、１
４はイオン注入される半導体基板（半導体ウェハ）１０
１を載置するステージであり、イオンビーム発生器１１
において発生されてレンズ１２により所定のビーム径と
されたイオンビーム１０６は、垂直及び水平静電偏向周
波数の合成で決定される走査信号によって駆動される偏
向器１３によって偏向されながらステージ１４上に載置
された半導体基板１０１に照射される。また、前記ステ
ージ１４はカム機構等で構成される傾斜機構部１５によ
って半導体基板１０１の表面をイオン注入装置の光軸に
対して任意の角度に傾斜させ、イオンビームの入射角を
任意に設定し得るように構成される。また、ステージ１
４にはパルスモータ等を用いた回転機構部１６が設けら
れ、半導体基板１０１を水平方向の任意の角度に回転さ
せ、或いは任意の角度に回転位置させることができるよ
うに構成される。

【００１９】そして、前記したリンイオンのイオン注入
に際しては、ステージを傾斜機構部１５により傾斜させ
てＮ型半導体基板１０１の表面をイオン注入装置の光軸
と垂直な面に対して７度だけ傾斜させた上で、図３に示
すように、ステージ１４を回転機構部１６によりＮ型半
導体基板１０１の円心を軸にして、例えば９０度の回転
角度にて離散的に回転位置させ、かつ回転位置において
それぞれイオンビーム１０６の走査を行っている。この
例では、図３のように、初期の回転位置の（ａ）におい
て前記したラスタスキャン方式によるイオン注入を行
い、次いでＮ型半導体基板１０１を初期位置に対して右
方向に９０度回転させた回転位置（ｂ）において再び同
様なラスタスキャン方式によるイオン注入を行い、更に
再度右に９０度回転させた回転位置（ｃ）において、最
後に更に右に９０度回転させた回転位置（ｄ）において
それぞれ同様にラスタスキャン方式によるイオン注入を
行っている。

【００２０】続いて、図１（ｃ）のように、図示を省略
したフォトレジストを写真食刻法により形成したマスク
を利用したイオン注入法により素子分離領域となる高濃
度Ｐ型領域１０７を形成した後、電荷転送部となるシリ
コン酸化膜等の絶縁膜１０８と、第１及び第２の導電性
電極１０９，１１０を順次形成する。なお、この第１及
び第２の導電性電極１０９，１１０は隣接する光電変換
部を相互に絶縁分離するためのものであることは言うま
でもない。続いて、この第１及び第２の導電性電極１０
９，１１０をマスクとして、例えばＮ型半導体基板１０
１に対して入射角度７度にてイオンビーム１０６を照射
することにより、ボロンイオンの選択注入を行い、光電
変換部の高濃度Ｐ型拡散層１１１が形成される。

【００２１】ここで用いられるラスタスキャン方式のイ
オン注入装置においても、ボロンのイオン注入は図３に
示したようにＮ型半導体基板１０１の円心を軸にして、
例えば９０度の回転角度にてＮ型半導体基板１０１を離
散的に回転位置させながら複数回に分けてそれぞれイオ
ンビームＩＢを走査することによって行われる。最後
に、図１（ｄ）のように、第１及び第２の導電性電極１
０９，１１０を含む光電変換部以外の領域に遮光用の金
属膜１１２を形成し、全面に窒化膜等の保護絶縁膜１１
３を形成することにより、固体撮像装置の光電変換部が
形成される。

【００２２】このような製造方法で形成される固体撮像
装置では、光電変換部を構成するＮ型拡散層１０５及び
高濃度Ｐ型拡散層１１１のイオン注入に際し、Ｎ型半導
体基板１０１を９０度の回転角度で回転位置させながら
イオンビーム１０６の走査を行っているため、イオン注
入量にイオンビームのスポット径や形状、イオンビーム
走査間隔等の影響を受けることが少なくなり、各部にお
けるイオン注入量のばらつき、特に光電変換部における
イオン注入量のばらつきが抑制される。このため、半導
体基板上に縦横に配置された光電変換部の容量ばらつき
を抑制することができる。

【００２３】本発明者における実験試作によると、１８
０度の回転角度にてＮ型半導体基板１０１を離散的に回
転位置させながら複数回に分けてイオン注入した場合、
光電変換部の容量ばらつきを従来の一般的なものよりも
約１５％低減することができた。また、９０度の回転の
場合には容量ばらつきを約４５％低減することができ、
３０度の回転の場合には容量ばらつきを８５％低減する
ことができた。

【００２４】なお、１８０度以上の回転角度θの場合
は、（θ−１８０）度の場合と同じであることは言うま
でもなく、したがって本発明は０度から１８０度の回転
角度で任意に回転位置を変化させながらイオンビーム走
査を行えばよいことが判る。また、イオンビームを走査
する回数と回転角度との間には相互関係があることが認
められており、この実施例のように、４回のラスタスキ
ャン方式のイオンビーム走査によりイオン注入を行う場
合には、回転角度を３０度に設定することがイオン注入
量のばらつきを抑制する上で有効であることが判る。

【００２５】また、光電変換部を構成する高濃度Ｐ型拡
散層１１１におけるイオン注入量のばらつきが抑えられ
ているため、シリコン／酸化膜の界面にて発生する発生
電流の再結合が抑制され、撮像画面における白欠陥不良
を抑制することができ、画像特性を向上することができ
る。図４はその状態を示す図であり、半導体基板を固定
してイオンビーム走査を行ったもの、従来のように半導
体基板を回転させながらイオンビーム走査を行ったも
の、本発明のように回転位置を変化させながらイオンビ
ーム走査を行ったものを比較すると、本発明の方法によ
るものが最も白欠陥不良の発生が少ないことが判る。

【００２６】なお、前記実施例では、Ｎ型半導体基板に
対してイオンビームの入射角を７度に設定した例を示し
ているが、本発明はラスタスキャン方式のイオン注入方
法が有するイオン注入量の不均一性を解消するためのも
のであるため、半導体基板に対するイオンビームの入射
角に影響を受けるものではない。

【００２７】また、前記実施例では本発明を固体撮像装
置の光電変換部をイオン注入法により製造する例を示し
ているが、イオン注入量のばらつきを抑制して均一な不
純物濃度の拡散層が要求される半導体装置の拡散層をイ
オン注入する場合にも適用することが可能である。ま
た、半導体基板を離散的に回転位置させる回転角度は、
イオンビームを走査するラスタスキャン方式の走査速
度、走査間隔等に多少の影響を受けるため、形成する拡
散層の不純物濃度、拡散深さ、平面寸法や形状等に応じ
て最適な回転角度を予め求めておくことが好ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体基
板を所要の回転角度にて離散的に回動位置させながら、
複数回に分けてラスタスキャン方式のイオンビーム走査
を行うことにより、ラスタスキャン方式に潜在している
イオン注入量のばらつきを抑制してイオン注入によって
形成される拡散層のイオン注入量の均一化を図り、拡散
層の不純物濃度を均一化し、半導体装置の特性を改善す
ることができる。例えば、本発明のイオン注入方法を固
体撮像装置の光電変換部としての拡散層の形成に適用す
ることにより、光電変換部の拡散層を均一な濃度で形成
することが可能になり、白欠陥不良や出力レベルの不均
一等を抑制でき、画像特性を改善することが可能とな
る。

【００２９】また、本発明方法を実現するに際しては、
ラスタスキャン方式を採用するイオン注入装置におい
て、単に半導体基板を所要の回転角度にて離散的に回動
位置させるだけでよいので、イオン注入装置には半導体
基板のステージに回転機構を備えるのみでよく、既にこ
の種の回転機構を備えるイオン注入装置においてはその
まま直ちに本発明を実施することができる。更に、本発
明は、半導体基板に対するイオンビーム走査の回数との
関係から適切な回転角度を設定することで、イオン注入
量のばらつきを極めて高い効率で改善することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を固体撮像装置の光電変換部に適用した
一実施例の製造方法を工程順に示す断面図である。

【図２】本発明にかかるイオン注入装置の概略構成図で
ある。

【図３】本発明にかかるイオン注入方法を模式的に示す
平面図である。

【図４】本発明と従来方法とにおける白欠陥不良を比較
した図である。

【図５】本発明が適用される固体撮像装置の概略構成図
である。

【図６】従来の光電変換部の製造方法を工程順に示す断
面図である。

【図７】従来のイオン注入方法を模式的に示す平面図で
ある。

【符号の説明】

１０１ Ｎ型半導体基板 １０２ Ｐ型ウェル層 １０５ Ｎ型拡散層 １０６ イオンビーム １０７ 高濃度Ｐ型層 １０９ 第１の導電性電極 １１０ 第２の導電性電極 １１１ 高濃度Ｐ型拡散層 １１２ 金属膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板にイオン注入して拡散層を形
   成するイオン注入方法において、半導体基板を所要の回
   転角度にて離散的に回動位置させながら、複数回に分け
   て前記半導体基板のイオン注入領域に対してイオンビー
   ムをラスタスキャン方式で走査することを特徴とする半
   導体装置のイオン注入方法。
2. 【請求項２】 半導体基板にイオン注入して光電変換部
   としての拡散層を形成する固体撮像装置の製造に際し、
   半導体基板を所要の回転角度にて離散的に回動位置させ
   ながら、複数回に分けて前記光電変換部にイオンビーム
   をラスタスキャン方式で走査することを特徴とする半導
   体装置のイオン注入方法。
3. 【請求項３】 半導体基板は０度よりも大きく１８０度
   以下の範囲の所要の回転角度で離散的に回転位置を変化
   させ、垂直及び水平偏向周波数の合成で決定される走査
   により光電変換部にイオンビームを走査する請求項２の
   半導体装置のイオン注入方法。
4. 【請求項４】 半導体基板を４個の異なる回転角度位置
   でイオンビーム走査してイオン注入する場合、回転角度
   を３０度に設定する請求項３の半導体装置のイオン注入
   方法。