(57)【要約】      （修正有）【課題】感度を低下させずに、暗電流の低減、読み出し電圧の安定化を実現し、また、読み出し電極上の第二絶縁膜に十分な厚さを確保する固体撮像装置の製造方法の提供。【解決手段】一導電型の半導体基板１の主面部に、光電変換領域を構成する逆導電型の第一不純物領域２、および信号電荷を転送する素子を構成する逆導電型の埋め込みチャネル領域３を形成し、半導体基板上に第一絶縁膜４を形成する。次に、信号電荷を読み出し転送する読み出し電極５を、埋め込みチャネル領域上を含む範囲に形成し、読み出し電極を被覆する第二絶縁膜６を形成する。次に、全面にサイドウォール形成膜７ａを形成し、エッチング選択比に基づくサイドウォール形成膜の選択的エッチングにより、読み出し電極の側壁に第二絶縁膜を介してサイドウォール７を形成する。読み出し電極とサイドウォールをマスクとするイオン注入により自己整合的に、一導電型の第二不純物領域８を形成する。【選択図】図１Ｃ
2005286316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体基板の主面部に、光電変換領域を構成する逆導電型の第一不純物領域を選択的に形成する工程と、
前記半導体基板の主面部に前記光電変換素子からの信号電荷を転送する転送素子を構成する逆導電型の埋め込みチャネル領域を形成する工程と、
前記半導体基板上に第一絶縁膜を形成する工程と、
前記光電変換素子からの信号電荷を読み出し転送する読み出し電極を、前記第一絶縁膜上の前記埋め込みチャネル領域上を含む範囲に形成する工程と、
前記読み出し電極を被覆する第二絶縁膜を形成する工程と、
前記第二絶縁膜の上を含む前記半導体基板の上にサイドウォール形成膜を形成する工程と、
前記第二絶縁膜に対するエッチング速度が前記サイドウォール形成膜に対するエッチング速度よりも高いエッチングにより前記サイドウォール形成膜を選択的に除去して、前記読み出し電極の側壁に前記第二絶縁膜を介して前記サイドウォール形成膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記読み出し電極と前記サイドウォールをマスクとするイオン注入により自己整合的に、前記光電変換領域の表面に一導電型の第二不純物領域を形成する工程と、
前記サイドウォールを除去する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記サイドウォールを形成する工程において、前記第二絶縁膜に対する前記サイドウォール形成膜のエッチング選択比が３０以上である請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記第一絶縁膜に対する前記サイドウォール形成膜のエッチング選択比が３０以上である請求項２記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項４】
前記第二絶縁膜がシリコン酸化膜であり、かつ前記サイドウォール形成膜がシリコンである請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
前記第二絶縁膜がシリコン酸化膜であり、かつ前記サイドウォール形成膜がアモルファスシリコンである請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
前記第二絶縁膜がシリコン酸化膜であり、かつ前記サイドウォール形成膜がシリコン窒化膜である請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記一導電型の第２の不純物領域を形成する工程のイオン注入は、前記読み出し電極および前記サイドウォールによる影が出来るよう、前記読み出し電極の上方から、前記半導体基板基板に垂直な方向に対して読み出し側に傾いた方向で行う請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】
前記サイドウォールをウェットエッチングによって除去する請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記サイドウォール形成膜の膜厚は、前記読み出し電極の厚さの５０〜３００％である請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記読み出し電極はメタル電極である請求項６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、暗電流が低減され、かつ読み出し電圧が安定化された固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、特許文献１に示されるような埋め込み型フォトダイオード構造を用いたものが一般的である。また、スミアを低減させる取り組みとしては、特許文献２に示されるような構造を用いることが一般的である。
【０００３】
以下に、従来の代表的な固体撮像装置の製造方法について説明する。図３は、従来の固体撮像装置の要部断面図である。図４は、同固体撮像装置の光電素子分離部を横切る方向（素子分離方向）の断面図である。
【０００４】
図３、図４において、２１はＰ型半導体基板であり、主面領域に、光電変換素子を構成するＮ型不純物領域２２、垂直ＣＣＤの埋め込みチャネル２３、Ｐ+型不純物領域２７、および素子分離領域３０が形成されている。Ｐ型半導体基板２１の表面には絶縁膜２４が形成され、その上に、埋め込みチャネル２３に重なるように読み出し電極２５が形成されている。読み出し電極２５は、絶縁膜２６、保護膜２８により被覆されている。さらにその上には、遮光膜２９が、Ｎ型不純物領域２２の上方のみに開口を設けて形成されている。
【０００５】
従来の固体撮像装置の受光部では、暗電流の低減のために、Ｎ型不純物領域２２の表面をＰ+型不純物領域２７で覆っていた。このＰ+型不純物領域２７は、読み出し電極２５に対して自己整合的に、主にボロンをイオン注入し、熱処理することによって形成される。
【０００６】
このような従来の製造方法では、暗電流を低減するためには、Ｐ+型不純物領域２７の不純物濃度および拡散長の最適化が必要となる。すなわち空乏層の端が半導体基板２１と絶縁膜２４との界面に接しないようにする必要がある。
【０００７】
上記の従来の構成では、表面のＰ+型不純物領域２７と読み出し電極２５とが重なっているので、信号電荷を安定に読み出すためには、Ｎ型不純物領域２２と埋め込みチャネル２３の距離Ｌ１を長くする必要がある。一方、スミアの低減には、遮光膜２９が読み出し電極２５を完全に覆うように、光電変換素子を構成するＮ型不純物領域２２の上にも張り出している必要がある。そうすると、光電変換素子の開口寸法Ｓ１が減少し、感度が低下するという課題を有していた。
【０００８】
またＰ+不純物領域２７と垂直ＣＣＤの埋め込みチャネル２３の間の距離Ｌ２を十分に設けながら開口寸法Ｓ１を確保するために、Ｐ+不純物領域２７の形成にレジストパターンのマスクを用いる方法もある。しかし、読み出し電極２５とＰ+不純物領域２７の距離が一定になり難いため、読み出し電圧のばらつきが発生する。また、微細化が進むと、読み出し電極２５の段差の影響で開口部の形状もばらつき、読み出し電圧だけでなく感度のばらつきも発生するという課題を有していた。
【０００９】
また、垂直分離方向の光電変換素子部から分離部にかけてのＰ+型不純物領域２７の濃度勾配が急峻であることから、電界集中を起こしやすい構造となっている。そのため、スミア特性を更に劣化させてしまうという課題を有していた。
【００１０】
特許文献３には、上記の問題を解決するための方法が開示されている。特許文献３には、読み出し電極の側壁にサイドウォールを形成し、読み出し電極およびサイドウォールをマスクとしてイオン注入を行い、Ｐ+不純物領域を形成する方法が記載されている。
【特許文献１】特開昭５７−０６２５５７号公報
【特許文献２】特開平８−１３０２９９号公報
【特許文献３】特開平５−１０２４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献３に記載の方法は、サイドウォールの形成にレジストパターンをマスクとして用いるので、上記従来例における、Ｐ+不純物領域２７の形成にレジストパターンを用いる方法と同様、レジストパターンの形成位置のばらつきに起因して、サイドウォールの厚みもばらつく。従って、上記問題は解決されない。
【００１２】
一方、素子構造の微細化、低電圧化に伴い、読み出し電極２５上の絶縁膜２６も薄膜化される傾向にある。読み出し電極２５上には、絶縁膜２６を挟んで、さらに転送電極等の電極が設けられることが多い。絶縁膜２６が薄膜化された場合、サイドウォール形成時にエッチングされて絶縁膜２６の膜厚が薄くなると、読み出し電極２５とその上層の電極の間の絶縁が不十分になる。
【００１３】
本発明は、感度を低下させることなく、暗電流の低減、読み出し電圧の安定化、および低電圧化を実現できるとともに、読み出し電極上の絶縁膜に十分な厚さを確保して、読み出し電極とその上層の電極との絶縁を十分に得ることが可能な固体撮像装置の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】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置の製造方法は、一導電型の半導体基板の主面部に、光電変換領域を構成する逆導電型の第一不純物領域を選択的に形成する工程と、前記半導体基板の主面部に前記光電変換素子からの信号電荷を転送する転送素子を構成する逆導電型の埋め込みチャネル領域を形成する工程と、前記半導体基板上に第一絶縁膜を形成する工程と、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出し転送する読み出し電極を、前記第一絶縁膜上の前記埋め込みチャネル領域上を含む範囲に形成する工程と、前記読み出し電極を被覆する第二絶縁膜を形成する工程と、前記第二絶縁膜の上を含む前記半導体基板の上にサイドウォール形成膜を形成する工程と、前記第二絶縁膜に対するエッチング速度が前記サイドウォール形成膜に対するエッチング速度よりも高いエッチングにより前記サイドウォール形成膜を選択的に除去して、前記読み出し電極の側壁に前記第二絶縁膜を介して前記サイドウォール形成膜からなるサイドウォールを形成する工程と、前記読み出し電極と前記サイドウォールをマスクとするイオン注入により自己整合的に、前記光電変換領域の表面に一導電型の第二不純物領域を形成する工程と、前記サイドウォールを除去する工程とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、読み出し電極の側壁に形成したサイドウォールをマスクとして自己整合的に第二不純物領域を形成することにより、第二不純物領域を高い位置精度で形成することができる。サイドウォールの寸法のばらつきは、レジストパターンの寸法のばらつきよりも小さいからである。そのため、読み出し電極と第二不純物領域との重なりを極力少なくすることができ、また、信号電荷転送のための埋め込みチャネル領域に対する読み出し電極の突き出し長さを低減させることができ、開口を拡大して感度を向上させることができる。さらに、サイドウォールによる遮蔽効果により、垂直分離方向の光電素子部から分離部にかけての第二不純物領域の濃度勾配を緩やかにすることができ、電界集中を発生させないため、スミア特性を向上させることが出来る。しかも、
第二絶縁膜とサイドウォール形成膜のエッチング選択比を利用してサイドウォールを形成するので、第二絶縁膜の膜厚は実質的に減少しない。従って、読み出し電極上の絶縁膜に十分な厚さを確保して、読み出し電極とその上層の電極との絶縁を十分に図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の固体撮像装置の製造方法において好ましくは、前記サイドウォールを形成する工程で、前記第二絶縁膜に対する前記サイドウォール形成膜のエッチング選択比を３０以上とする。さらに好ましくは、前記第一絶縁膜に対する前記サイドウォール形成膜のエッチング選択比を３０以上とする。
【００１７】
また、前記第二絶縁膜をシリコン酸化膜とし、かつ前記サイドウォール形成膜をシリコンとすることができる。あるいは、前記第二絶縁膜をシリコン酸化膜とし、かつ前記サイドウォール形成膜をアモルファスシリコンとすることができる。あるいは、前記第二絶縁膜をシリコン酸化膜とし、かつ前記サイドウォール形成膜をシリコン窒化膜とすることができる。
【００１８】
また好ましくは、前記一導電型の第２の不純物領域を形成する工程のイオン注入は、前記読み出し電極および前記サイドウォールによる影が出来るよう、前記読み出し電極の上方から、前記半導体基板基板に垂直な方向に対して読み出し側に傾いた方向で行う。
【００１９】
前記サイドウォールをウェットエッチングによって除去することができる。前記サイドウォール形成膜の膜厚は、前記読み出し電極の厚さの５０〜３００％とすることが好ましい。前記読み出し電極はメタル電極とすることができる。
【００２０】
以下本発明の一実施の形態における固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１Ａ〜１Ｄは、同製造方法の工程を示す断面図である。また、図２は、同製造方法における固体撮像装置の素子分離方向の断面図である。
【００２１】
まず図１Ａに示すように、Ｐ型のシリコン基板１の主面領域に、光電変換素子を構成するＮ型不純物領域２と、Ｎ型埋め込みチャネル領域３とを選択的に形成する。次にシリコン基板１の表面に、第一絶縁膜４を介して読み出し電極５を形成する。読み出し電極５の材質はポリシリコンである。第一絶縁膜４は、例えば、いわゆるＯＮＯゲート絶縁膜構造で形成され、基板側から順に熱酸化ＳｉＯ2膜／減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるシリコン窒化膜／シリコンナイトライド酸化膜で構成される。また図２に示すように、素子分離領域１１を形成する。
【００２２】
次に図１Ｂに示すように、読み出し電極５を被覆する第二絶縁膜６を形成する。第二絶縁膜６は、読み出し電極５を熱酸化して形成されたシリコン酸化膜であり、その膜厚はおよそ８０ｎｍである。次に、シリコン基板１の全面にアモルファスシリコン膜（サイドウォール形成膜）７ａを形成する。アモルファスシリコン膜７ａの膜厚は、１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。
【００２３】
次に、このアモルファスシリコン膜７ａを選択的にドライエッチング（エッチバック）する。そのためにエッチング条件を、第二絶縁膜６に対するエッチング速度がアモルファスシリコン膜７ａに対するエッチング速度よりも高くなるように設定する。それにより、図１Ｃに示すように、読み出し電極５の側壁にサイドウォール７を形成する。
【００２４】
次に、読み出し電極５とサイドウォール７とをマスクとして自己整合的に、図１Ｃ中に矢印で示すように、シリコン基板１に垂直な方向に対して、読み出し側（図中左側）に傾いた方向のイオン注入により、Ｎ型不純物領域２の表面にＰ+型不純物領域８を形成する。このような斜め方向からのイオン注入は、通常、注入深さをＮ型不純物領域２の表面の適度な位置に制御し易いことから採用される。
【００２５】
図１Ｃでは、読み出し電極５とＰ+型不純物領域８とが読出し側で離れているが、製造工程が完了した段階では、途中の熱処理の履歴により図１Ｄに示すように、Ｐ+型不純物領域８がＮ型不純物領域２表面全体を覆うように不純物が拡散する。このような構造を確実に得るために、イオン注入傾斜角度を０度より大きく２０度以下の範囲で調整する。一方、図１Ｄに示す工程では、サイドウォール７をエッチングにより除去した後、保護膜９を形成し、その後遮光膜１０を形成し開口部を開ける。
【００２６】
上述の製造工程中、サイドウォール７の形成に際しては、アモルファスシリコン膜と第一絶縁膜４および第二絶縁膜６とのエッチング選択比を利用するので、エッチング選択比が３０以上であることが望ましい。
【００２７】
サイドウォール７は、Ｐ+型不純物領域８を形成するときのマスク材（ストッパー）として利用されるため、多結晶シリコンよりもアモルファスシリコンの方が好ましい。サイドウォールの寸法のばらつきは、レジストその他を使う時の１０％に比べて、３％に向上する。また、サイドウォール７の膜厚は、読み出し特性と白キズ特性の両方を満足させるために、仕上がり膜厚が、読み出し電極５の厚さの５０〜３００％の範囲にあることが望ましい。ここで言うサイドウォール７の膜厚は、読み出し電極５の側面上での膜厚であり、従って、シリコン基板１の面方向における幅に相当する。また、サイドウォール７の仕上がり膜厚を読み出し電極５の厚さの５０〜３００％にするために、アモルファスシリコンの成膜厚は、読み出し電極５の厚さの５０〜３００％の膜厚にすることが望ましい。
【００２８】
また、サイドウォール７を除去する工程は、Ｐ+型不純物領域８上にプラズマ等によるダメージを与えないよう、ウェットエッチングを用いる方が望ましい。また、サイドウォール７は完全に除去するのではなく、受光効率に影響のない範囲で、Ｐ+型不純物領域８上にダメージの少ないようにエッチングすることが好ましい。
【００２９】
以上の工程を用いた製造方法によれば、サイドウォールの寸法のばらつきが、レジストマスク等の寸法のばらつきに比べて小さいので、読み出し電極５の下にＰ+型不純物領域８が潜り込む量を極力低減させても、読み出し電極５とＰ+型不純物領域８の隣接した位置関係を確保することができる。また、Ｐ+型不純物領域８の影響により読み出し電極５のポテンシャルが変調される割合が減少し、読み出し電圧の安定化および低電圧化を実現できる。
【００３０】
またＰ+型不純物領域８を位置精度よく形成できることにより、読み出し電極５の実効ゲート長である垂直ＣＣＤのＮ型埋め込みチャネル領域３と、Ｐ+型不純物領域８との間隔Ｌ２を短くできるので、光電変換素子の開口を増大させることができる。また垂直分離方向の光電素子部から分離部にかけてのＰ+型不純物領域８の濃度勾配が緩やかであることから、電解集中を起こさず、スミア特性も良好となる。
【００３１】
また、第二絶縁膜６に対するアモルファスシリコン膜７ａのエッチング選択比を３０以上とすることにより、第二絶縁膜６の膜厚減少は、実質的に無く程度に抑制される。従って、第二絶縁膜６上に更に転送電極等が設けられた場合でも、読み出し電極５とその上層の電極との間の絶縁は十分に保たれる。
【００３２】
例えば、読み出し電極５とのその上層の電極との間の最大定格電圧を２５Ｖとすると、第二絶縁膜６として許容される最小の膜厚は、５０ｎｍである。そのため、成膜直後の第二絶縁膜６の膜厚を上述のように８０ｎｍとすれば、サイドウォール７形成のためのエッチングにおいて、膜厚の減少量は、３０ｎｍ以下に抑制する必要がある。このとき、第二絶縁膜６に対するアモルファスシリコン膜７ａのエッチング選択比が、例えば１０以下であるとすると、例えば、アモルファスシリコン膜７ａの膜厚を２５０ｎｍとし、５０％のオーバーエッチを行った場合、膜厚減少量は約３８ｎｍとなり、許容される最小の膜厚を下回る。これに対して、本実施の形態のように、選択比が３０以上であれば、膜厚減少量は約１０ｎｍ程度となり、第二絶縁膜６の絶縁耐性は確保される。なお、第二絶縁膜６がポリシリコンを熱酸化して得られるため、凹凸による電界集中も考慮すると、選択比が２０であっても十分とは言えない場合がある。
【００３３】
なお上述の例では、光電変換素子を構成するＮ型不純物領域２と読み出し電極５が重なっていない構造としたが、互いに重なりを持っている構造、あるいは互いに離れている構造の固体撮像装置に、本実施の形態を適用して同様の効果を得ることは可能である。
【００３４】
また上述の例では、読み出し電極５が転送電極まで兼ねる構造としたが、読み出し電極５以外に転送電極が存在する場合に本実施の形態を適用して、同様の効果を得ることは可能である。
【００３５】
また上述の例では、Ｐ+不純物領域８をＮ型不純物領域２表面を覆うように形成する際、イオン注入傾斜角度を調整したが、サイドウォール７の膜厚を調整することによって同様の効果を得ることは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、感度を低下させることなく、暗電流の低減、読み出し電圧の安定化、および低電圧化を実現できるとともに、読み出し電極上の絶縁膜に十分な厚さを確保して、読み出し電極とその上層の電極との絶縁を十分に得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】本発明の一実施の形態における固体撮像装置の製造方法の工程を示す断面図
【図１Ｂ】同製造方法における図１Ａの次の工程を示す断面図
【図１Ｃ】同製造方法における図１Ｂの次の工程を示す断面図
【図１Ｄ】同製造方法における図１Ｃの次の工程を示す断面図
【図２】同工程により製造される固体撮像装置の素子分離方向の断面図
【図３】従来の製造方法により製造された固体撮像装置の要部断面図
【図４】同固体撮像装置の素子分離方向の断面図
【符号の説明】
【００３８】
１  シリコン基板
２  Ｎ型不純物領域（光電変換領域）
３  Ｎ型埋め込みチャネル領域（埋め込みチャネル）
４  絶縁膜
５  読み出し電極
６  絶縁膜（第１の膜）
７  サイドウォール
８  Ｐ+型不純物領域（第２の不純物領域）
９  保護膜
１０  遮光膜
１１  素子分離領域
【図１Ａ】
2005286316.tif 000003
【図１Ｂ】
2005286316.tif 000004
【図１Ｃ】
2005286316.tif 000005
【図１Ｄ】
2005286316.tif 000006
【図２】
2005286316.tif 000007
【図３】
2005286316.tif 000008
【図４】
2005286316.tif 000009