JP2009147211A - 半導体装置の製造方法、半導体装置、及び、固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な不純物拡散領域を形成することが可能な半導体装置の製造方法、半導体装置、及び、固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１にイオン注入によって不純物拡散領域８を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板１の上に、不純物拡散領域８の位置に基づいて所定の幅で開口するホール部４ａを有する下地層４を形成する工程と、下地層４の上に、ホール部４ａの内部に空隙６ａを有する拡散抑制膜６を形成する工程と、拡散抑制膜６の上から半導体基板１に不純物をイオン注入し、空隙６ａの下方位置に不純物拡散領域８を形成する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、具体的には、半導体装置の表面にイオン注入によって微小なドーピング領域を形成する半導体装置の製造方法、半導体装置、及び、固体撮像装置に関する。

イメージセンサに用いられる固体撮像素子などを構成する半導体装置には、不純物イオンをイオン注入することで、転送領域や浮遊拡散領域として機能する不純物拡散領域が形成されている。不純物拡散領域を形成する場合には、フォトリソグラフィー工程によって、イオンを注入する領域を除く他の領域をパターン形成されたレジスト材料層で覆い、露呈した領域にイオンを注入する。

下記特許文献１は、イオン注入によって不純物領域を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に関し、半導体基板上にフォトレジストを用いて不純物領域設定用領域をパターニング、エッチングしてゲート電極と配線領域を形成している。

特開平５−２６７６０４号公報

ところで、現在、固体撮像素子などの高精細化及び高性能化が進んでおり、半導体基板に形成する不純物拡散領域の微細化が図られている。しかし、現在のフォトリソグラフィー手段では、パターニングの解像限界は露光設備の性能によるものの、通常、レジスト材料層の厚さが０．５μｍ程度の場合では、イオンを注入して形成する不純物拡散領域のために露呈した開口の径は０．２μｍ程度が限界であり、それより小さい寸法の微細領域へ選択的にイオン注入を行う手段がないというのが実情である。
また、固体撮像素子の出力部に形成される浮遊拡散領域の場合には、半導体基板上に、出力側の配線層に接続されるためのコンタクト領域にフォトリソグラフィー工程によって形成されたコンタクトホールから不純物イオンを注入してコンタクト領域に浮遊拡散領域を形成する。しかし、浮遊拡散領域を微細化する場合に該浮遊拡散領域をパターニングしたレジスト材料層を形成して、イオン注入を行うとレジスト材料層からのノックオン現象によってコンタクト領域が汚染されやすくなることが懸念されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、微細な不純物拡散領域を形成することが可能な半導体装置の製造方法、半導体装置、及び、固体撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）半導体基板にイオン注入によって不純物拡散領域を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に、前記不純物拡散領域の位置に基づいて所定の幅で開口するホール部を有する下地層を形成する工程と、
前記下地層の上に、前記ホール部の内部に空隙を有する拡散抑制膜を形成する工程と、
前記拡散抑制膜の上から前記半導体基板に不純物をイオン注入し、前記空隙の下方位置に前記不純物拡散領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）前記拡散抑制膜が導電性材料で構成され、前記不純物拡散領域が高濃度の不純物を拡散させてなる浮遊拡散領域であり、前記ホール部が前記浮遊拡散領域に前記拡散抑制膜を電気的に接触させるコンタクトホールとすることを特徴とする上記（１）に記載の半導体装置の製造方法。
（３）前記拡散抑制膜が、前記半導体基板上にＣＶＤ又はＰＶＤによって形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の半導体装置の製造方法。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法で製造した半導体装置。
（５）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法で製造した固体撮像装置。

本発明にかかる製造方法によれば、半導体基板の不純物拡散領域の位置に基づいて形成されたホール部に拡散抑制膜によって空隙が形成されている。イオン注入のときに不純物イオンは、ホール部以外の領域では、拡散抑制膜の厚さ方向に注入されて留まるが、ホール部の空隙においては不純物イオンの飛程が妨げられることがないため、不純物イオンの飛程距離が実質的に延びて半導体基板の表面に不純物イオンがドーピングされる。ホール部を区画する下地層の側面には拡散抑制膜が被覆されており、この側面においては注入された不純物イオンが留まるようになるため、ホール部の空隙の下方位置の半導体基板の表面に不純物拡散領域が形成され、この不純物拡散領域の面積はホール部の開口面積よりも小さくなる。このため、目的とする不純物拡散領域の大きさに合わせてホール部の開口の大きさを設定することで、フォトレジスト層を用いなくても微細な不純物拡散領域を形成することができる。

本発明によれば、微細な不純物拡散領域を形成することが可能な半導体装置の製造方法、半導体装置、及び、固体撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
本発明にかかる半導体装置は、固体撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子、その他、半導体基板にイオン注入によって不純物拡散領域やそれと同等の機能を有する領域を形成する半導体装置に適用することができる。

半導体基板は、例えば、シリコン基板などを用いることができる。また、半導体基板は不純物をイオン注入することによって不純物拡散領域を形成することができるものであれば特に限定されない。

図１は、半導体基板に不純物拡散領域を形成する工程を説明する図である。
不純物拡散領域８を形成する半導体基板１を用意し、半導体基板１におけるイオン注入を行う面に、下地層４をパターン形成する。ここで、下地層４は酸化シリコンやＢＰＳＧ（boro-phospho-silicate glass）などの絶縁膜を用いてもよく、または、電極層や遮光膜などを兼ねた導電性材料からなる層で形成してもよい。

下地層４には、不純物拡散領域８の位置に基づいて所定の幅Ｄで開口するホール部４ａが設けられている。ホール部４ａの幅Ｄは適宜決定することができ、不純物拡散領域８より僅かに大きな開口面積となるように形成されている。下地層４の厚さＴは、例えば０．５μｍ以下とすることができる。

下地層４を形成した後、該下地層４のホール部４ａを含む領域に拡散抑制膜６をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの成膜手法によって形成する。拡散抑制膜６を形成する手法はＣＶＤに限定されず、後述するように、ホール部４ａに空隙６ａを形成できれば他の手法を用いてもよい。

拡散抑制膜６としては、ポリシリコンなどの半導体素子を構成する膜を用いることができる。ここで、拡散抑制膜６は、下地層４のホール部４ａの内部に空隙６ａを有している。空隙６ａは、ボイドとも称され、拡散抑制膜６を形成した際に、ホール部４ａの幅Ｄがある程度小さい場合にホール部４ａに拡散抑制膜６が完全に埋め込まれないことに起因して形成される。空隙６ａの上部は、拡散抑制膜６の一部がオーバーハング状に張り出して空隙６ａを密閉するように覆っており、このとき空隙６ａが完全に密閉されていてもよく、または、一部開口していてもよい。

拡散抑制膜６を形成した後、該拡散抑制膜６を介して半導体基板１の表面に不純物のイオン注入を行う。図１中の矢印は、イオン注入時におけるドーパントのエネルギーとその方向を示している。注入されるイオンのエネルギーは、拡散抑制膜６の表面において一定であり、通常であれば、拡散抑制膜６の側壁内で留まるようにエネルギーが設定される。なお、注入するイオンは、半導体基板１まで到達しない範囲であれば下地層４中に注入されるエネルギーで打ち込まれていてもよい。本実施形態では、ホール部４ａの拡散抑制膜６の膜厚が、空隙６ａによってホール部４ａの側壁以外の領域に比べて薄くなっており、注入されたイオンの飛程距離がホール部４ａの側壁以外の領域に比べて延びる。すると、下地層４上に積層された拡散抑制膜６に注入された不純物イオンは、該拡散抑制膜６中に留まるが、下地層４のホール部４ａの空隙６ａにおいては、不純物イオンの飛程が妨げられることが少ないため、不純物イオンの飛程距離が実質的に延びて半導体基板１の表面に不純物イオンがドーピングされる。言い換えると、イオンは、空隙６ａの下の拡散抑制膜の厚さ分を突き抜けるエネルギーで注入される。ホール部４ａを区画する下地層４の側面には拡散抑制膜６が被覆されており、この側面においては注入された不純物イオンが留まるようになるため、ホール部４ａの空隙の下方位置の半導体基板１の表面に不純物拡散領域８が形成され、この不純物拡散領域８の面積はホール部４ａの開口面積よりも小さくなる。

また、下地層４のホール部４ａに基づいて不純物拡散領域８を形成するため、フォトレジストを用いる必要がなく、フォトレジストをパターン形成する露光・現像工程を省くことができ、また、イオン注入する際にレジスト材からのノックオン現象による汚染の発生を防止することができる。

本発明にかかる製造方法を用いれば、半導体基板に微小な不純物拡散領域を形成することができ、例えば、固体撮像素子の出力アンプ部の浮遊拡散領域を形成する工程に適用することができる。

図２は、浮遊拡散領域を形成する手順を模式的に示す断面図である。
先ず、半導体基板１１に、図示しないフォトダイオードなどの光電変換部、電荷転送チャネル、チャネルストップ領域、電荷読み出し領域素子分離絶縁膜を形成し、その後、図２（ａ）に示すようにゲート絶縁膜１２を形成する。なお、ゲート絶縁膜１２は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを積層した、所謂、ＯＮＯ膜構造とすることができ、または、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを積層した２層構造としてもよい。

ゲート絶縁膜意１２上にポリシリコンからなる電極材料層１４を形成する。その後、図２（ｂ）に示すように、浮遊拡散領域を形成する領域のゲート絶縁膜１２及び電極材料層１４をパターンエッチングし、除去する。こうすることで、ゲート絶縁膜１２及び電極材料層１４に半導体基板１１の表面が露呈するホール部１４ａが形成される。

ホール部１４ａを開口させた後で、図２（ｃ）に示すように、ホール部１４ａが形成された領域を含め、電極材料層１４の表面に該電極材料層１４と同じ材料又は他の導電性材料からなる配線層１６をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）又はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）によって形成する。配線層１６は、出力ゲート側のゲート電極と半導体基板１に形成する浮遊拡散層ＦＤとを電気的に接続する。このとき、配線層１６はホール部１４ａの内部に形成された空隙１６ａを有している。本実施形態では、目標とする浮遊拡散領域ＦＤの大きさに応じてホール部１４ａの開口寸法を設定する。

図２（ｄ）に示すように、配線層１６を形成した後、該配線層１６を介して半導体基板１１の表面にイオン注入を行う。本実施形態の構成では、半導体基板１１の表面に予め形成されたＮ型の不純物領域に、高濃度のＮ+型不純物拡散領域を形成する。図２（ｄ）では、イオン注入時におけるイオンの方向を矢印で示している。注入されるイオンのエネルギーは、配線層１６の表面において一定であり、注入されるイオンは配線層１６の膜中で留まるようにエネルギーが設定される。ホール部１４ａの配線層１６の膜厚が、空隙１６ａによってホール部１４ａの側壁以外の領域に比べて薄くなっており、注入されたイオンの飛程距離がホール部１４ａの側壁以外の領域に比べて延びる。すると、配線層１６に注入された不純物イオンは該配線層１６中に留まり、電極材料層１４のホール部１４ａの空隙１６ａにおいては不純物イオンの飛程が妨げられることがないため、不純物イオンの飛程距離が実質的に延びて半導体基板１１の表面に不純物イオンがドーピングされる。ホール部１４ａを区画する電極材料層１４の側面には配線層１６が被覆されており、この側面においては注入された不純物イオンが留まるようになるため、ホール部１４ａの空隙の下方位置における半導体基板１１の表面に浮遊拡散領域ＦＤが形成され、この浮遊拡散領域ＦＤの面積はホール部１４ａの開口面積よりも小さくなる。

また、配線層１６は、浮遊拡散領域ＦＤの拡散する領域を規制するとともに、半導体基板１１にホール部１４ａを介して露呈したコンタクト領域とコンタクトをとる構成である。

上記の半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置及び固体撮像装置は、半導体基板に形成する不純物拡散領域の微細化を実現することができる。固体撮像装置では、出力部に形成される浮遊拡散領域を形成する場合に、レジスト材料層を形成する必要がなく、イオン注入時にレジスト材料層のノックオン現象に起因するコンタクト領域の汚染が発生することを防止することができる。

本実施形態では、下地層として電極材料層１４を用いたが、特にこれに限定されず、他の導電性の層や絶縁層などを用いてもよい。

半導体基板に不純物拡散領域を形成する工程を説明する図である。 浮遊拡散領域を形成する手順を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１，１１ 半導体基板
４ 下地層
４ａ，１４ａ ホール部
６ 拡散抑制膜
６ａ，１６ａ 空隙
８ 不純物拡散領域
１６ 配線層
ＦＤ 浮遊拡散層

Claims (5)

1. 半導体基板にイオン注入によって不純物拡散領域を形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体基板の上に、前記不純物拡散領域の位置に基づいて所定の幅で開口するホール部を有する下地層を形成する工程と、
   前記下地層の上に、前記ホール部の内部に空隙を有する拡散抑制膜を形成する工程と、
   前記拡散抑制膜の上から前記半導体基板に不純物をイオン注入し、前記空隙の下方位置に前記不純物拡散領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記拡散抑制膜が導電性材料で構成され、前記不純物拡散領域が高濃度の不純物を拡散させてなる浮遊拡散領域であり、前記ホール部が前記浮遊拡散領域に前記拡散抑制膜を電気的に接触させるコンタクトホールと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. 前記拡散抑制膜が、前記半導体基板上にＣＶＤ又はＰＶＤによって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 上記請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法で製造した半導体装置。
5. 上記請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法で製造した固体撮像装置。

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