(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を蓄積する蓄積領域を含む光電変換素子と、前記蓄積領域に蓄積された電荷を電荷電圧変換部に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含む複数の画素が半導体基板に形成され、前記蓄積領域が、前記蓄積領域に対応する前記転送ゲートの下まで延びていて、前記複数の画素が、隣接するＮ個の画素（Ｎは２以上の自然数）を各々が含む、複数の画素グループで構成され、各画素グループにおいて、Ｎ個の画素のそれぞれの前記チャネルによる電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向であるように、前記蓄積領域と前記転送ゲートとが配された固体撮像装置の製造方法であって、
各画素グループに対して１つの開口を有するレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
各画素グループにおけるＮ個の画素のそれぞれの前記転送ゲートの下にイオンが注入されるようなＮ個のイオン注入方向で、前記開口を通して前記半導体基板にイオンを注入することによって、各画素グループにおけるＮ個の画素のそれぞれの前記蓄積領域を形成する蓄積領域形成工程と、
を含み、
前記Ｎ個のイオン注入方向のそれぞれが、各画素グループにおけるＮ個の画素のうち当該イオン注入方向に対応する少なくとも１つの画素の前記転送ゲートの下にイオンが注入される方向であることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記蓄積領域形成工程において、前記Ｎ個のイオン注入方向でのイオンの注入は、イオン注入方向の互いに異なるＮ回のイオンの注入によって行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記転送ゲートのゲート幅に沿った方向をＸ軸、前記転送ゲートのゲート長に沿った方向をＹ軸、前記半導体基板の表面の法線をＺ軸とし、ＸＺ平面と前記イオン注入方向とのなす角度をα、前記レジストパターンの高さをＨ、前記レジストパターンの前記開口のＹ軸方向における幅をＬ、前記レジストパターンの前記開口に露出した２つの前記転送ゲートの間の距離をＷとしたきに、
Ｌ／２＜Ｈ・ｔａｎα＜（Ｌ＋Ｗ）／２
を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項４】
各画素グループにおけるＮ個の画素の前記蓄積領域を相互に分離する半導体領域を形成する工程を更に含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
Ｎ＝２又は４である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
各画素グループを構成する画素が相互に面対称性を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、チャネル領域およびゲート電極を含むＭＯＳトランジスタと、該ゲート電極の下で該チャネル領域に接したフォトダイオード領域とを含む画素を有する固体撮像装置の製造方法が開示されている。特許文献２には、複数の画素を面対称に配置したセンサアレイが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０６０３８０号公報
【特許文献２】特開２００６−２２２４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法を特許文献２に記載のセンサアレイの製造に適用すると、隣接する画素の不純物領域を形成するために、互いに異なる方向からイオン注入を実施することになる。この場合、通常は、それぞれのイオン注入において互いに異なるレジストパターンを形成することになるであろう。ところが、フォトダイオード領域を形成するためのイオン注入の回数分のレジストパターンを形成すると、工程数が増加したり、レジストパターン間の位置合わせ誤差による画素の特性のばらつきなどの問題が発生する。
【０００５】
本発明は、固体撮像装置の製造の簡略化および／または画素の特性のばらつきの低減に有利な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの側面は、電荷を蓄積する蓄積領域を含む光電変換素子と、前記蓄積領域に蓄積された電荷を電荷電圧変換部に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含む複数の画素が半導体基板に形成され、前記蓄積領域が、前記蓄積領域に対応する前記転送ゲートの下まで延びていて、前記複数の画素が、隣接するＮ個の画素（Ｎは２以上の自然数）を各々が含む、複数の画素グループで構成され、各画素グループにおいて、Ｎ個の画素のそれぞれの前記チャネルによる電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向であるように、前記蓄積領域と前記転送ゲートとが配された固体撮像装置の製造方法であって、各画素グループに対して１つの開口を有するレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、各画素グループにおけるＮ個の画素のそれぞれの前記転送ゲートの下にイオンが注入されるようなＮ個のイオン注入方向で、前記開口を通して前記半導体基板にイオンを注入することによって、各画素グループにおけるＮ個の画素のそれぞれの前記蓄積領域を形成する蓄積領域形成工程と、を含み、前記Ｎ個のイオン注入方向のそれぞれが、各画素グループにおけるＮ個の画素のうち当該イオン注入方向に対応する少なくとも１つの画素の前記転送ゲートの下にイオンが注入される方向である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、固体撮像装置の製造の簡略化および／または画素の特性のばらつきの低減に有利な製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するためのレイアウト図である。
【図２】本発明の第１実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するための断面図である。
【図５】注入工程における望ましい条件について説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するためのレイアウト図である。
【図８】本発明の第３実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するためのレイアウト図である。
【図９】本発明の第３実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するためのレイアウト図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の固体撮像装置は、複数の画素が二次元状に配置された画素アレイ、該画素アレイにおける行を選択する行選択回路、該画素アレイにおける列を選択する列選択回路、該画素アレイから信号を列信号線を介して読み出す読み出し回路を含みうる。画素アレイ、行選択回路、列選択回路および読み出し回路は、半導体基板に形成される。典型的には、読み出し回路は、該画素アレイにおける該行選択回路によって選択された行の画素の信号を読み出し、該列選択回路は、該読み出し回路によって読み出された１行分の画素の信号の中から外部に出力すべき信号を選択する。
【００１０】
各画素は、電荷を蓄積する蓄積領域を含む光電変換素子と、該蓄積領域に蓄積された電荷を電荷電圧変換部（フローティングディフュージョン）に転送するためのチャネルを形成する転送ゲートとを含む。ここで、複数の画素によって電荷電圧変換部が共有されてもよいし、各画素が電荷電圧変換部を有していてもよい。各画素、または、電荷電圧変換部を共有する複数の画素は、電荷電圧変換部の電圧をリセットするリセットスイッチと、電荷電圧変換部の電圧に応じた信号を列信号線に出力する増幅部とを含みうる。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明するためのレイアウト図である。図２は、図１のＡ−Ａ'線における断面図である。なお、図１において、レジストパターン１０６は、転送ゲート１０３の形成の後に転送ゲート１０３の上に形成される。第１実施形態の固体撮像装置では、電荷を蓄積する蓄積領域１０４を含む光電変換素子と、蓄積領域１０４に蓄積された電荷を電荷電圧変換部１０５に転送するためのチャネルを形成する転送ゲート１０３とを含む複数の画素が半導体基板１００に形成されている。図面中では、転送ゲート１０３は、相互に区別するために１０３ａ〜１０３ｆとして、蓄積領域１０４は、相互に区別するために１０４ａ〜１０４ｆとして、電荷電圧変換部１０５は、相互に区別するために１０５ａ〜１０５ｃとして記載されている。図１および図２に示す例では、２つの画素によって１つの電荷電圧変換部、１つのリセットスイッチおよび１つの増幅部が共有されている。リセットスイッチは、ゲートＲＧを有するＭＯＳトランジスタによって構成されうる。増幅部は、ゲートＡＧを有するＭＯＳトランジスタによって構成されうる。
【００１２】
半導体基板１００は、例えば、半導体領域１０１とその上に配置されたウェル領域１０２とを含みうる。半導体領域１０１は、第１導電型のシリコン基板でありうる。ウェル領域（或いは、不純物半導体領域）１０２は、第２導電型でありうる。ウェル領域１０２の中には、第１導電型の蓄積領域１０４が形成されうる。ここで、第１導電型がＮ型、第２導電型がＰ型であってもよいし、第１導電型がＰ型、第２導電型がＮ型であってもよい。半導体基板１０１の表面（ウェル領域１０２の表面）の上には酸化膜等の絶縁膜が形成され、該絶縁膜の上には転送ゲート１０３が形成されている。第１導電型がＮ型であり第２導電型がＰ型である場合は、蓄積領域１０４には電子が蓄積され、第１導電型がＰ型であり第２導電型がＮ型である場合は、蓄積領域１０４には正孔が蓄積される。
【００１３】
蓄積領域１０４は、ウェル領域１０２における転送ゲート１０３の下まで延びている。これにより、蓄積領域１０４の電荷を電荷電圧変換部１０５に転送するために転送ゲート１０３に与えるべき電圧を小さく抑えることができ、低電源電圧化が可能になる。蓄積領域１０４は、その上面が半導体基板１００の表面（ウェル領域１０２の表面）よりも深い位置に配置されることが好ましい。このような構成を有する光電変換素子は、埋め込み型と呼ばれ、半導体基板１００の表面と絶縁膜（酸化膜）との界面で生じうる暗電流によるノイズを低減することができる。
【００１４】
図１および図２に示す例では、隣接する２つの画素でそれぞれ構成される複数の画素グループが規則的に配列されている。この例では、各画素グループは、２つの電荷蓄積領域１０４（例えば、１０４ａ、１０４ｂ）と、２つの転送ゲート１０３（例えば、１０３ｂ、１０３ｃ）とを含む。各画素グループにおいて、転送ゲート１０３（例えば、１０３ｂ、１０３ｃ）の下に形成されるチャネルによる電荷の転送方向は、相互に遠ざかる方向である。各画素グループにおいて、それを構成する２つの画素（或いは、２つの蓄積領域１０４）は、典型的には、相互に面対称に配置されうる。また、図１および図２に示す例では、１つの画素グループに属する１つの画素とそれに隣接する１つの画素グループに属する１つの画素とによって１つの電荷電圧変換部、１つのリセットスイッチおよび１つの増幅部が共有されている。このような構成は、画素密度の向上に有利である。
【００１５】
図２に示す例では、共通のウェル１０２と蓄積領域１０４とによって光電変換素子が形成されている。光電変換素子で発生した電荷は、当該光電変換素子の蓄積領域１０４に蓄積される。転送ゲート１０３は、ＭＯＳトランジスタのゲートとして機能する。行選択回路から転送ゲート１０３にアクティブレベルの電圧が供給されることによって転送ゲート１０３の下にＭＯＳトランジスタのチャネルが形成され、蓄積領域１０３に蓄積された電荷が該チャネルを通して電荷電圧変換部１０５に転送される。
【００１６】
以下、図３、４を参照しながら第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する。ここでは、より具体的な例を提供するために、第１導電型がＮ型であり第２導電型がＰ型である場合について説明するが、その反対の場合にも本発明は成立する。まず、図３（ａ）に示す工程において、Ｎ型の半導体基板を準備し、該半導体基板にボロンを注入する。これにより、Ｎ型の半導体領域１０１の上にＰ型のウェル領域１０２が配置された半導体基板１００が得られる。次に、図３（ｂ）に示す工程において、半導体基板１００の表面（ウェル領域１０２の表面）の上に不図示の絶縁膜（酸化膜）を形成した後、その上にポリシリコン膜を形成する。そして、該ポリシリコン膜をパターニングすることによって転送ゲート１０３を形成する。
【００１７】
次に、図３（ｃ）に示すレジストパターン形成工程を実施する。レジストパターン形成工程では、転送ゲート１０３が形成された半導体基板１００の上にフォトリソグラフィー工程によってレジストパターン１０６を形成する。ここで、レジストパターン１０６は、各画素グループに対して１つの開口ＯＰを有する。図３（ｃ）において、各開口ＯＰは、２画素分の蓄積領域に対応する面積を有する。第１実施形態では、各画素グループは、隣接する２つの画素で構成され、各画素グループは、２つの転送ゲート１０３の下に形成されるチャネルによる電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向であるように構成される。
【００１８】
次に、図４（ａ）、（ｂ）に示す蓄積領域形成工程を実施する。まず、図４（ａ）に示す工程において、転送ゲート１０３の下にイオンが注入されるイオン注入方向で、レジストパターン１０６の各開口ＯＰを通して、各画素グループにおける２つの画素から選択される１つの画素の蓄積領域（ここでは、１０４ｂ、１０４ｄ。）を形成すべき領域にイオン（例えば、砒素または燐）を注入する。次に、図４（ｂ）に示す工程において、転送ゲート１０３の下にイオンが注入されるイオン注入方向で、レジストパターン１０６の各開口ＯＰを通して、各画素グループにおける２つの画素から選択される他の１つの画素の蓄積領域（ここでは、１０４ａ、１０４ｃ。）を形成すべき領域にイオン（例えば、砒素または燐）を注入する。即ち、各画素グループにおける２つの画素の全ての蓄積領域１０４が形成されるようにレジストパターン１０６を用いて２回の注入工程が実施される。ここで、２回の注入工程のそれぞれにおいて、各画素グループにおける２つの画素のうち該当する１つの画素の転送ゲート１０３の下にイオンが注入されるようにイオン注入方向が設定される。
【００１９】
図４（ａ）に示す注入工程におけるイオン注入方向の半導体基板１００の表面に沿った方向の成分（＋Ｙ方向）は、図４（ｂ）に示す注入工程におけるイオン注入方向の半導体基板１００の表面に沿った方向の成分（−Ｙ方向）の反対でありうる。また、図４（ａ）に示す注入工程におけるイオン注入方向と図４（ｂ）に示す注入工程におけるイオン注入方向とは、図４（ａ）、（ｂ）のＸＺ平面に平行な面を対称面として面対称な関係でありうる。ここで、１つの画素グループの２つの転送ゲート１０３は、当該対称面に関して面対称でありうる。このように、２つのイオン注入工程におけるイオン注入方向を対称面に関して面対称にするとともに、１つの画素グループの２つの転送ゲート１０３を当該対称面に関して面対称にすることにより、画素間の特性ばらつきを低減することができる。また、２つのイオン注入工程で共通のレジストパターン１０６を使用することにより、レジストパターンの形成工程および剥離工程を減らすことができるとともに、レジストパターン同士の位置合わせ誤差による画素間の特性ばらつきの問題を解決することができる。
【００２０】
なお、半導体基板の表面の法線に対してイオン注入方向を傾けるイオン注入（以下、斜めイオン注入）では、レジストパターンの影になる領域にはイオンが注入されない。よって、画素ごとに開口を有するレジストパターンを使って斜めイオン注入を行うと、光電変換素子の蓄積領域の面積が制限され、飽和電荷量が低下しうる。一方、第１実施形態によれば、２つの画素で構成される各画素グループに対して１つの開口の設けて該開口を通して斜めイオン注入を行うので、光電変換素子の蓄積領域の面積を大きくすることができ、飽和電荷量を改善することができる。
【００２１】
上記の２つのイオン注入工程は、同時に実施されてもよい。そのためには、例えば、イオンを発生するイオン源、イオンを輸送するビームライン、イオンを加速する加速管を含むイオン注入機構を２系統有するイオン注入装置を準備すればよい。
【００２２】
次に、図４（ｃ）に示す工程において、蓄積領域１０４が形成された半導体基板１００の上にレジストパターンを形成し、該レジストパターンの開口を通して半導体基板１００（ウェル領域１０２）にイオンを注入する。これによって、第１導電型の電荷電圧変換部１０５が形成される。なお、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すイオン注入工程は、熱処理工程を伴っていてもよい。
【００２３】
以下、図４（ａ）、（ｂ）における注入工程における望ましい条件について説明する。図５に示すように、転送ゲート１０３のゲート幅に沿った方向をＸ軸、転送ゲート１０３のゲート長方向に沿った方向をＹ軸、半導体基板１００の表面の法線ＮＬをＺ軸とし、ＸＺ平面と蓄積領域１０４の形成時におけるイオン注入方向とのなす角度（注入角度）をαとする。また、レジストパターン１０６の高さをＨ、レジストパターン１０６のＹ軸方向における開口幅をＬ、レジストパターン１０６の開口ＯＰに露出した２つの転送ゲート１０３間の距離をＷとする。このとき、
Ｌ／２＜Ｈ・ｔａｎα＜（Ｌ＋Ｗ）／２  ・・・（１）
を満たすことが望ましい。式（１）におけるＨ・ｔａｎα＜（Ｌ＋Ｗ）／２の条件を満たすことにより、半導体基板１００に向けて照射されたイオンの少なくとも一部を半導体基板１００に到達させること、即ち、蓄積領域１０３を形成することができる。式（１）におけるＬ／２＜Ｈ・ｔａｎαの条件を満たすことにより、面対称性を有する隣接画素間でイオンが注入される領域を空間的に分離することができる。式（１）を満たすためには、画素に対してレジストパターンの高さＨ、開口幅Ｌ、注入角度α、転送ゲート１０３間の距離Ｗの全部または一部を調整すればよい。
【００２４】
なお、第１実施形態は、２つの画素が面対称に配置されている場合のみならず、電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向（例えば、反対方向）である場合に適用可能である。
【００２５】
図６を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の製造方法は、前述のフォトレジスト１０６の１つの開口を通して形成される２つの画素（換言すると、１つの画素グループを構成する２つの画素。）のそれぞれの蓄積領域１０４（例えば、１０４ａ、１０４ｂ）を相互に分離する半導体領域１０７を形成する工程を含む。半導体領域１０７は、蓄積領域１０４の導電型（第１導電型）とは反対の導電型（第２導電型）を有する。半導体領域１０７は、混色の防止、感度の向上に寄与する。半導体領域１０７は、特に、相互に異なるイオン注入方向でなされるイオン注入で形成される２つの蓄積領域１０４が相互にオーバラップする場合、或いは、イオンの拡散によって２つの蓄積領域１０４が相互にオーバラップする場合に有用である。第２実施形態では、例えばレジストパターン１０６の高さＨが式（１）を満たさない場合においても、隣接する２つの蓄積領域１０４を相互に分離することができる。
【００２６】
図７〜図９を参照しながら本発明の第３実施形態の固体撮像装置およびその製造方法を説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１又は第２実施形態に従いうる。第３実施形態では、レジストパターン１０６の１つの開口はＯＰは、４画素分の蓄積領域１０４に対応する面積を有する。第３実施形態では、各画素グループは、隣接する４つの画素で構成され、各画素グループは、４つの転送ゲート１０３の下に形成されるチャネルによる電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向であるように構成される。図７に示す例では、１つの画素グループを構成する４つの画素の面対称性がＸ軸に沿った対称面、および、Ｙ軸に沿った対称面に関して成り立つ。第３実施形態では、ＸＺ平面だけでなく、ＹＺ平面にも交差するイオン注入方向を選択することができる。
【００２７】
例えば、図８に例示するように、転送ゲート１０３が画素の配列方向に対して斜め方向に延びるように構成されている場合において、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に交差するようにイオン注入方向を設定することができる。この場合においても、転送ゲート１０３の下まで光電変換素子の蓄積領域１０４を延ばすことができ、電荷の転送性能を向上させるがことができる。図８に示す例では、１つのレジストパターン１０６の１つの開口を通して４つのイオン注入方向で半導体基板にイオンを注入することによって１つの画素グループを構成する４つの画素の蓄積領域１０４を形成することができる。４つのイオン注入方向でのイオン注入は、典型的には、４回のイオン注入でなされうる。
【００２８】
ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に交差するようにイオン注入方向を決定する代わりに、図９に模式的に例示されるように、Ｘ軸に平行なイオン注入方向とＹ軸に平行なイオン注入方向とを別個に実施してもよい。この場合、Ｘ軸に平行なイオン注入方向とＹ軸に平行なイオン注入方向との双方でイオンが注入される領域の不純物濃度が高くなる。この方法においては、第２実施形態における分離用の半導体領域１０７のように、４つの蓄積領域１０４を相互に分離するように半導体領域を形成することが好ましい。
【００２９】
本発明は、更に、隣接するＮ個の画素（Ｎは２以上の自然数）で構成される各画素グループにおいて転送ゲート１０３の下に形成されるチャネルによる電荷の転送方向が相互に遠ざかる方向である場合にも適用可能である。この場合、各注入工程では、転送ゲートの下にイオンが注入されるイオン注入方向で、レジストパターン１０６の各開口ＯＰを通して、各画素グループにおけるＮ個の画素から選択される１つの画素の蓄積領域１０３を形成すべき領域にイオンが注入される。そして、このような注入工程は、各画素グループにおけるＮ個の画素の全ての蓄積領域１０４が形成されるように、選択された画素（即ち、蓄積領域を形成すべき画素）に応じてイオン注入方向を変更しながらＮ回にわたって実施される。なお、第１〜第３実施形態は、Ｎが偶数である場合の例であるが、Ｎは奇数であってもよい。ただし、Ｎが奇数である場合には、レイアウト効率が悪くなるかもしれない。
【００３０】
第１〜第３実施形態は、複数の画素によって１つの電荷電圧変換部、１つのリセットスイッチおよび１つの増幅部が共有されている。本発明は、このような例に限られるものではなく、画素毎に１つの電荷電圧変換部、１つのリセットスイッチおよび１つの増幅部が配されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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