JP2013191594A - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上可能とする。
【解決手段】半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で第１領域の隣に位置する第２領域に、フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターを形成する固体撮像装置の製造方法であって、第１領域に、フォトダイオードを構成する第１導電型の第１拡散層及び第１拡散層よりも第１面の近くに位置する第２導電型の第２拡散層と、半導体基板の第１面に位置する第１導電型の第３拡散層と、を形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。

イメージセンサーとして用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置に代わって、閾値変調型の固体撮像装置が提案されている。閾値変調型の固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配列された複数の画素を備えており、各画素は、１つのフォトダイオードと、１つのトランジスターと、を含んでいる。

閾値変調型の固体撮像装置の各画素において、フォトダイオードは、入射光の強度に応じて光発生電荷（ホール又は電子）を発生させる。発生した電荷は、トランジスターの閾値電圧を変化させる。トランジスターの閾値電圧の変化は、トランジスターの飽和領域動作時のソース電圧として読み出される。これによって、入射光の強度に応じたソース電圧、すなわち画素データが得られる。複数の画素に対応する複数の画素データを用いることによって、１枚の画像データが生成される。

下記の特許文献１には、固体撮像装置を構成するトランジスターを形成するために、半導体基板の表面を熱酸化してゲート絶縁膜を形成した後に、閾値電圧調整のためにチャネルドープ層を形成したり、ゲート電極の下方に電荷を集めるためにキャリアポケットを形成したりすることが開示されている。

特許第３３１３６８３号公報（段落００４０〜００４３、図６、図７）

閾値変調型の固体撮像装置において、フォトダイオードで発生した電荷に応じたトランジスターの閾値電圧の変化は、トランジスターのゲート絶縁膜の厚さに依存する。ゲート絶縁膜が厚い方が、変換効率を上げることができる。

（１）しかしながら、特許文献１の技術において、ゲート絶縁膜を厚くした場合には、上述のチャネルドープ層やキャリアポケットを形成するためのイオン注入において、厚いゲート絶縁膜をイオンが通過できるように、イオン注入エネルギーを高くしなければならない。イオン注入エネルギーを高くすると、注入ばらつきが大きくなってしまうため、ゲート絶縁膜を厚くすることには限界がある。

（２）仮に、チャネルドープ層やキャリアポケットの形成後に熱酸化によってゲート絶縁膜を形成しようとした場合には、先に注入したイオンが熱によって拡散し、イオン濃度プロファイルの形成が困難となる。

また、フォトダイオード表面に、ピニングと言われる暗電流防止のためのイオン注入を行う場合にも、ゲート絶縁膜を厚くしようとすれば、上述の（１）及び（２）と同様の問題があった。従って、特許文献１の技術においては、ゲート絶縁膜を厚くすることが困難であり、Ｓ／Ｎ比の向上に限界があった。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上可能とすることに関連している。

本発明の幾つかの態様において、固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で第１領域の隣に位置する第２領域に、フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターを形成する固体撮像装置の製造方法であって、第１領域に、フォトダイオードを構成する第１導電型の第１拡散層及び第１拡散層よりも第１面の近くに位置する第２導電型の第２拡散層と、半導体基板の第１面に位置する第１導電型の第３拡散層と、を形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、を含む。
この態様によれば、フォトダイオードを構成する第１及び第２拡散層と、半導体基板の第１面に位置する第３拡散層と、を形成する工程（ａ）の後に、ゲート絶縁膜を堆積させるので、イオン注入後に、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成することができる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

本発明の他の態様において、固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で第１領域の隣に位置する第２領域に、フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターを形成する固体撮像装置の製造方法であって、検出トランジスターを構成するチャネルドープ層を形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、を含む。
この態様によれば、チャネルドープ層を形成する工程（ａ）の後に、ゲート絶縁膜を堆積させるので、イオン注入後に、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成することができる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

本発明の他の態様において、固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で第１領域の隣に位置する第２領域に、フォトダイオードで発生した光発生電荷が転送されるキャリアポケットと、キャリアポケットに蓄積された光発生電荷を検出する検出トランジスターと、を形成する固体撮像装置の製造方法であって、キャリアポケットを形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、を含む。
この態様によれば、キャリアポケットを形成する工程（ａ）の後に、ゲート絶縁膜を堆積させるので、イオン注入後に、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成することができる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

上述の態様において、工程（ｂ）は、ＣＶＤ法によって酸化膜を堆積させる工程であることが望ましい。
これによれば、良質な酸化膜をゲート絶縁膜として堆積させることができる。

上述の態様において、工程（ｂ）は、厚さ４００Å以上のゲート絶縁膜を堆積させる工程であることが望ましい。
これによれば、ゲート絶縁膜を厚くして感度を向上させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

上述の態様において、温度８５０℃以下の環境で前記ゲート絶縁膜を堆積させる工程であることが望ましい。
これによれば、半導体基板内のイオンの熱による拡散を抑制することができる。

１つの実施形態を構成する固体撮像素子の平面図及び断面図。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．構成＞
図１は、本発明の１つの実施形態に係る固体撮像装置を構成する固体撮像素子を概念的に示す図である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。固体撮像装置は、固体撮像素子１を複数規則的に配列して構成されている。１つの固体撮像素子１は、１つのフォトダイオード１０と、１つの検出トランジスター２０とを含んでいる。検出トランジスター２０は、後述のようにリング状のゲート電極２６を有している。

フォトダイオード１０及び検出トランジスター２０は、半導体基板１１０の表面（第１面）側に形成されている。半導体基板１１０は、第２導電型（例えば、Ｐ型）の基板である。なお、基板自体が第２導電型である場合に限らず、第１導電型（例えば、Ｎ型）の半導体基板の表面側に、第２導電型のウェルが形成されていても良い。

＜１−１．フォトダイオード＞
半導体基板１１０内には、第１導電型の第１拡散層１１が形成されている。第１導電型の第１拡散層１１よりも半導体基板１１０の表面に近い位置には、第２導電型の第２拡散層１２が形成されている。第１導電型の第１拡散層１１と、第２導電型の第２拡散層１２とで、フォトダイオード１０が構成される。半導体基板１１０の最表面には、第１導電型の第３拡散層（ピニング層）１３が形成されている。第３拡散層１３は、基板表面における暗電流の発生を防止している。なお、各図におけるＮ及びＰへの添え字＋及び−は、それぞれ、不純物濃度の濃い部分（添え字＋）及び薄い部分（添え字−）であることを示している。

＜１−２．検出トランジスター＞
検出トランジスター２０は、半導体基板１１０上にゲート絶縁膜２５を介して形成されたゲート電極２６を含んでいる。ゲート電極２６は、平面視でリング状に形成されている。半導体基板１１０の表面には、平面視でゲート電極２６の外側を囲む領域の一部に、第１導電型のドレイン領域２７が形成されている。また、半導体基板１１０の表面には、平面視でゲート電極２６に囲まれる領域に第１導電型のソース領域２８が形成され、半導体基板１１０上のソースコンタクト２８ａを介して信号出力線２８ｂに接続されている。また、半導体基板１１０の表面には、平面視でゲート電極２６と重なるように、第１導電型のチャネルドープ層２３が形成されている。

半導体基板１１０の検出トランジスター２０直下の領域には、フォトダイオード１０の第１導電型の第１拡散層１１に接続された第１導電型の半導体領域２１と、フォトダイオード１０の第２導電型の第２拡散層１２に接続された第２導電型の半導体領域２２とが形成されている。光を受光したフォトダイオード１０において発生した電荷（例えば、正孔）は、第２導電型の半導体領域２２内に形成された高濃度の第２導電型半導体領域であるキャリアポケット２４に転送され、蓄積される。この電荷蓄積により、検出トランジスター２０に基板バイアスがかかり、検出トランジスター２０の閾値電圧が変化するので、この閾値電圧の変化量（飽和領域動作時におけるソース電圧の変化量）を入射光量として検出する。

＜２．製造方法＞
図２〜図５は、図１に示す固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。まず、図２（Ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板１１０の表面を熱酸化することにより、犠牲酸化膜１１１を形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＢを形成し、フォトレジストＲＢをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第１導電型の第１拡散層１１及び第２導電型の第２拡散層１２を形成する。これにより、フォトダイオード１０が形成される。その後、フォトレジストＲＢを除去する。なお、図２〜図４において、矢印はイオンの注入方向を示している。

次に、図２（Ｃ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＣを形成し、フォトレジストＲＣをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第１導電型の半導体領域２１及び第２導電型の半導体領域２２を形成する。その後、フォトレジストＲＣを除去する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＤを形成し、フォトレジストＲＤをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第１導電型のドレイン領域２７を形成する。その後、フォトレジストＲＤを除去する。

次に、図３（Ｅ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＥを形成し、フォトレジストＲＥをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第２導電型の半導体領域２２内にキャリアポケット２４を形成する。その後、フォトレジストＲＥを除去する。

次に、図３（Ｆ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＦを形成し、フォトレジストＲＦをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第１導電型のチャネルドープ層２３を形成する。その後、フォトレジストＲＦを除去する。

次に、図４（Ｇ）に示すように、半導体基板１１０の犠牲酸化膜１１１上に所定パターンでフォトレジストＲＧを形成し、フォトレジストＲＧをマスクとして犠牲酸化膜１１１を介してイオン注入を行うことにより、第１導電型の第３拡散層（ピニング層）１３を形成する。その後、フォトレジストＲＧを除去する。なお、第３拡散層１３の形成は、図２（Ｂ）に示した第１拡散層１１及び１２を形成する工程の直後に、フォトレジストＲＢをマスクとして行ってもよい。

次に、図４（Ｈ）に示すように、犠牲酸化膜１１１を除去して半導体基板１１０の表面を露出させる。次に、図４（Ｉ）に示すように、半導体基板１１０の表面に、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法により、ゲート絶縁膜２５となる酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜２９を堆積させる。

酸化シリコン膜２９の堆積条件は、温度８５０℃以下、例えば８００℃以下とすることが望ましい。酸化シリコン膜２９の膜厚は、４００Å以上、例えば１０００Åとすることが好ましい。また、ＣＶＤ法によって得られる酸化シリコン膜２９は、温度６００℃以上の高温環境で得られるＨＴＯ（high temperature oxide）膜が望ましいが、温度６００℃以下の低温環境で得られるＬＴＯ（low temperature oxide）膜でもよく、プラズマＣＶＤによって得られる膜でもよい。

次に、図５（Ｊ）に示すように、酸化シリコン膜２９上に、ゲート電極２６を形成する。ゲート電極２６は、例えば、第１の導電型にドープされた多結晶シリコンによって形成される。

次に、図５（Ｋ）に示すように、酸化シリコン膜２９上及びゲート電極２６上に、サイドウォールとなる酸化膜３０を堆積させる。また、酸化膜３０上に、層間絶縁膜３１を堆積させる。

次に、図５（Ｌ）に示すように、層間絶縁膜３１、酸化膜３０及び酸化シリコン膜２９の各一部をエッチングして半導体基板１１０の表面を露出させる。そして、層間絶縁膜３１、酸化膜３０及び酸化シリコン膜２９をマスクとしてイオン注入を行うことにより、第１導電型のソース領域２８を形成する。その後、ソースコンタクト２８ａ及び信号出力線２８ｂ（図１参照）等の配線工程を経て、固体撮像素子１及び複数の固体撮像素子１を有する固体撮像装置が製造される。

＜３．本実施形態の効果＞
以上説明した実施形態によれば、図４（Ｇ）に示した第３拡散層（ピニング層）１３を形成する工程の後に、図４（Ｉ）に示したようにゲート絶縁膜を堆積させるので、ゲート絶縁膜を厚くしてもイオン注入の障害にならず、イオン注入のばらつきを抑制できる。また、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成するので、ゲート絶縁膜を厚くしても、ピニング層のイオンが拡散することを抑制できる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、雑音成分の影響を低減し、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、図３（Ｆ）に示したチャネルドープ層２３を形成する工程の後に、図４（Ｉ）に示したようにゲート絶縁膜を堆積させるので、ゲート絶縁膜を厚くしてもイオン注入の障害にならず、イオン注入のばらつきを抑制できる。また、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成するので、ゲート絶縁膜を厚くしても、チャネルドープ層２３のイオンが拡散することを抑制できる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、雑音成分の影響を低減し、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、図３（Ｅ）に示したキャリアポケット２４を形成する工程の後に、図４（Ｉ）に示したようにゲート絶縁膜を堆積させるので、ゲート絶縁膜を厚くしてもイオン注入の障害にならず、イオン注入のばらつきを抑制できる。また、熱酸化よりも低温でゲート絶縁膜を形成するので、ゲート絶縁膜を厚くしても、キャリアポケット２４のイオンが拡散することを抑制できる。従って、ゲート絶縁膜を厚くすることができ、雑音成分の影響を低減し、固体撮像装置のＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、ゲート絶縁膜を堆積させることによって形成するので、半導体基板の表面を酸化させる場合に比べて、半導体基板の表面が浸食されることが抑制される。

＜４．他の製造方法＞
上述の説明では、図４（Ｈ）に示した犠牲酸化膜１１１を除去する工程の後に、図４（Ｉ）に示したＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９を厚さ１０００Å程度に堆積させる工程を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４（Ｈ）に示した犠牲酸化膜１１１を除去する工程の後に、半導体基板１１０の表面を僅かに熱酸化し、例えば厚さ１００Å程度の熱酸化膜を形成した後に、図４（Ｉ）に示したＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９を厚さ９００Å程度に堆積させ、熱酸化膜とＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９との膜厚の合計が目標膜厚となるようにしてもよい。

これによれば、熱酸化膜の形成時間が僅かで済むため、半導体基板１１０内のイオンが熱によって拡散することが抑制され、図２〜図５に示した実施形態と同様の効果が得られる。また、ゲート絶縁膜が緻密な熱酸化膜を含むため、ゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。

また、上述の説明では、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）及び図４（Ｇ）に示したイオン注入工程の後に、図４（Ｈ）に示した犠牲酸化膜１１１を除去する工程と、図４（Ｉ）に示したＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９を厚さ１０００Å程度に堆積させる工程を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）及び図４（Ｇ）に示したイオン注入工程の前に、犠牲酸化膜１１１を除去し、半導体基板１１０の表面を僅かに熱酸化し、例えば厚さ１００Å程度の熱酸化膜を形成してもよい。この場合、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）及び図４（Ｇ）に示したイオン注入工程は、厚さ１００Å程度の熱酸化膜を通して行い、これらのイオン注入工程の後に、図４（Ｉ）に示したＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９を厚さ９００Å程度に堆積させ、熱酸化膜とＣＶＤ法による酸化シリコン膜２９との膜厚の合計が目標膜厚となるようにしてもよい。

これによれば、熱酸化膜の膜厚が薄いため、イオン注入エネルギーを高くする必要性が低減され、図２〜図５に示した実施形態と同様の効果が得られる。また、ゲート絶縁膜が緻密な熱酸化膜を含むため、ゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。

１…固体撮像素子、１０…フォトダイオード、１１…第１導電型の第１拡散層、１２…第２導電型の第２拡散層、１３…第１導電型の第３拡散層、２０…検出トランジスター、２１…第１導電型の半導体領域、２２…第２導電型の半導体領域、２３…チャネルドープ層、２４…キャリアポケット、２５…ゲート絶縁膜、２６…ゲート電極、２７…ドレイン領域、２８…ソース領域、２８ａ…ソースコンタクト、２８ｂ…信号出力線、２９…酸化シリコン膜、３０…酸化膜、３１…層間絶縁膜、１１０…半導体基板、１１１…犠牲酸化膜、ＲＢ、ＲＣ、ＲＤ、ＲＥ、ＲＦ、ＲＧ…フォトレジスト。

Claims (6)

1. 半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で前記第１領域の隣に位置する第２領域に、前記フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターを形成する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記第１領域に、前記フォトダイオードを構成する第１導電型の第１拡散層及び前記第１拡散層よりも前記半導体基板の第１面の近くに位置する第２導電型の第２拡散層と、前記第１面に位置する第１導電型の第３拡散層と、を形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、
   工程（ａ）の後に、前記検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、
   を含む、固体撮像装置の製造方法。
2. 半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で前記第１領域の隣に位置する第２領域に、前記フォトダイオードで発生した光発生電荷を検出する検出トランジスターを形成する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記検出トランジスターを構成するチャネルドープ層を形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、
   工程（ａ）の後に、前記検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、
   を含む、固体撮像装置の製造方法。
3. 半導体基板の第１領域に、入射光に応じた光発生電荷を発生するフォトダイオードを形成し、平面視で前記第１領域の隣に位置する第２領域に、前記フォトダイオードで発生した光発生電荷が転送されるキャリアポケットと、前記キャリアポケットに蓄積された光発生電荷を検出する検出トランジスターと、を形成する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記キャリアポケットを形成するために、不純物のイオンを注入する工程（ａ）と、
   工程（ａ）の後に、前記検出トランジスターを構成するゲート絶縁膜を堆積させる工程（ｂ）と、
   を含む、固体撮像装置の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   工程（ｂ）は、ＣＶＤ法によって酸化膜を堆積させる工程である、固体撮像装置の製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
   工程（ｂ）は、厚さ４００Å以上の前記ゲート絶縁膜を堆積させる工程である、固体撮像装置の製造方法。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
   工程（ｂ）は、温度８５０℃以下の環境で前記ゲート絶縁膜を堆積させる工程である、固体撮像装置の製造方法。

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