(57)【要約】【課題】読み出しトランジスタのチャネルばらつきを低減させ、画素特性を向上させることができる固体撮像装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１に、読み出しトランジスタ４、７、８と読み出しトランジスタに接して形成されたフォトダイオード領域５とを備える。半導体基板表面にイオン注入してチャネル領域を形成し、チャネル領域４の一部を含む半導体基板にイオン注入してフォトダイオード領域を形成し、半導体基板上にチャネル領域および一部のフォトダイオード領域とを覆うゲート絶縁膜７およびゲート電極８を形成し、フォトダイオード領域を形成する工程は、半導体基板上に、フォトダイオード領域を形成する領域に開口を設けたマスクをパターン形成し、半導基板に垂直下向きに対して、チャネル領域に近づく側へ傾いた向きにイオン注入を行う。【選択図】図１
2007317877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に、チャネル領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極を有する読み出しトランジスタと前記読み出しトランジスタに接して形成されたフォトダイオード領域とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
前記半導体基板表面にイオン注入して前記チャネル領域を形成し、前記チャネル領域の一部を含む前記半導体基板にイオン注入して前記フォトダイオード領域を形成し、前記半導体基板上に前記チャネル領域および一部の前記フォトダイオード領域とを覆う前記ゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を形成し、
前記フォトダイオード領域を形成する工程は、
前記半導体基板上に、前記フォトダイオード領域を形成する領域に開口部を設けたマスクをパターン形成し、
前記半導基板に垂直下向きに対して、前記チャネル領域に近づく側へ傾いた向き、または前記半導基板に垂直下向きに対して、前記ゲート電極が形成される領域内に位置した前記マスクの開口部の一辺に対して平行に傾いた向きにイオン注入を行うことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記マスクをパターン形成する工程において、前記ゲート電極が形成される領域の半導体基板の一部が露出するように開口部を設ける請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記フォトダイオード領域を形成する工程は、
前記イオン注入の後に、前記半導体基板の表面に前記マスク上から前記イオン注入と逆導電型のイオンを注入する請求項１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、特に増幅型ＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置の一つとして増幅型ＭＯＳイメージセンサを用いた固体撮像装置が注目されている。この固体撮像装置は、１画素を構成するセルごとにフォトダイオードで検出した画素信号をトランジスタで増幅するものであり、高感度であるという特徴をもつ。このような固体撮像装置では、二次元に配列された画素を有する撮像部を水平走査または垂直走査する回路としてダイナミック型シフトレジスタが用いられ、回路の簡素化、高密度化及び低消費電力化が図られている。
【０００３】
フォトダイオードで検出された信号（電荷量）は、読み出しトランジスタと呼ばれる固体撮像装置特有のトランジスタで読み出され、フローティングディフュージョンアンプに蓄積され、その後、増幅トランジスタによって電圧信号として出力される。この一連の信号の読み出し動作において、読み出しトランジスタの特性ばらつきが、飽和特性などの画素特性のばらつきに直結することが問題となっている。
【０００４】
読み出しトランジスタの特性ばらつきの原因の１つにチャネリングの問題がある。チャネリングとは、イオン注入において半導体基板の原子配列の隙間を通じて注入されたイオンが半導体基板の所定位置より深い位置に到達することである。チャネリングを防止するために、イオン注入の入射角を半導体基板の面に垂直な方向から７〜８度傾けることが行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図７（ｃ）は、読み出しトランジスタの断面図であり、図７（ａ）、（ｂ）は、読み出しトランジスタを形成する工程断面図である。シリコン基板１０１にＰ型ウェル１０２および素子分離領域１０３が形成されている。Ｐ型ウェル１０２にはＮ型フォトダイオード領域１１１が形成され、その表面にはＰ型拡散層１１３が形成されている。Ｐ型拡散層１１３に接し、Ｐ型ウェル１０２の表面にチャネル領域１１２が形成されている。また、チャネル領域１１２に接したシリコン基板１０１の表面にはフローティングディフュージョン１１４が形成されている。チャネル領域１１２および一部のＰ型拡散層１１３上にゲート絶縁膜１０７と、ゲート絶縁膜１０７上のゲート電極１０８が形成されている。
【０００６】
図７（ｃ）に示す読み出しトランジスタでは、チャネル領域の長さはゲート長あるいはゲート電極領域の長さより短く、チャネル領は域の一端がゲート電極１０８直下のゲート領域内に形成される。これは、フォトダイオードで生成された入射光に基づく電荷を効率良く読み出すためである。通常のＭＯＳトランジスタでは、ゲートの両端にソースおよびドレインがあり、その間にチャネル領域が形成されるが、固体撮像装置（ＭＯＳセンサ）では、フォトダイオード（Ｎ型）とフローティングディフュージョン（Ｎ型）の間にチャネル領域が形成される。すなわち、ゲート電極１０８下のフォトダイオード拡散層端とフローティングディフュージョン間がチャネル領域となる。
【０００７】
このような読み出しトランジスタの製造工程について説明する。まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板１０１にＰ型ウェル１０２および素子分離領域１０３を形成する。つぎに、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１の表面全面に読み出しゲートのチャネル領域１１２（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｂｏｒｏｎ）を形成する。つぎに、シリコン基板１０１上にゲート電極１０８（形成されていないので破線で示す）が形成される領域を一部覆うようにしてレジスト１１５をパターン形成する。レジスト１１５は、ゲート電極１０８が形成される領域を一部露出させるように形成されている。
【０００８】
つぎに、レジスト１１５をマスクとしてＮ型イオン１１６を注入し、チャネル領域１１２を規定すると供にＮ型フォトダイオード１１１を形成する。注入されるＮ型イオン１１６は、チャネリングを防止するために、シリコン基板１０１の表面に垂直下向きから、チャネル領域１１２が形成される領域から離れる向きへ傾いて注入される。つぎに、レジスト１１５をマスクとしてＰ型不純物を注入し、Ｎ型フォトダイオード１１１を最終的に埋め込み型フォトダイオードとし、Ｎ型フォトダイオード１１１形成時のイオン注入１１６によって発生する結晶欠陥を不活性化するＰ型拡散層１１３を形成する。
【０００９】
つぎに、レジスト１１５を除去し、チャネル領域１１２および一部のＰ型拡散層１１３上にゲート絶縁膜１０７および読み出しゲート電極１０８を形成する。最後にフローティングディフュージョン部を開口したマスク（図示せず）を用いてＮ型不純物を注入し、チャネル領域１１２を規定しつつ、フローティングディフュージョン１１４を形成する。読み出し動作時において、チャネル領域１１２の長さ（図のＡ）がチャネル長となる。
【特許文献１】特開平６−３３３８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、固体撮像素子の微細化が進み、読み出しトランジスタも微細化されていく中で、レジストの膜厚の薄い部分を通過したイオンが、チャネル領域１１２に分散して注入されることにより、トランジスタの特性のばらつきが顕著になってきている。
【００１１】
図８は、図７に示す固体撮像装置を微細化して形成した固体撮像装置の断面構成を示す断面図である。微細化以外は図７に示す構成と同様であり、図７に示す構成要素に対応する構成要素は同一の符号を付して説明を省略する。Ｎ型フォトダイオード１１１を形成するイオン注入において、レジスト１１５内を通過するＮ型の不純物イオン１１７は、レジスト１１５によって拡散され、進行方向がばらついてレジスト１１５を通過し、一部がシリコン基板１０１の表面に達する。
【００１２】
シリコン基板１０１の表面に到達したイオン１１７により、図８（ｂ）に示すＰ型拡散層１１３の右端が設計より長くなる。このため、ゲート電極１０８下のＮ型フォトダイオード１１１の端部位置にばらつきが生じ、Ｎ型フォトダイオード１１１とフローティングディフュージョン１１４の間に形成されるチャネル領域１１２の長さにばらつきが生じることとなる。
【００１３】
例えば、Ｎ型フォトダイオード１１１へのイオン注入がレジスト１１５を突き抜けない場合のチャネル長Ａに対して、イオン注入がレジスト１１５を突き抜けた場合はチャネル長Ｂとなり、チャネル長は短くなる。チャネル長のばらつきは、読み出しトランジスタの閾値ばらつきを発生させ、飽和などの画素特性の劣化原因となる。また、このばらつきは、セルごとにより異なり、出力される画像の質が劣化する。
【００１４】
本発明は、読み出しトランジスタのチャネルばらつきを低減させ、画素特性を向上させることができる固体撮像装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、上記課題を解決するために、半導体基板に、チャネル領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極を有する読み出しトランジスタと前記読み出しトランジスタに接して形成されたフォトダイオード領域とを備えた固体撮像装置の製造方法において、前記半導体基板表面にイオン注入して前記チャネル領域を形成し、前記チャネル領域の一部を含む前記半導体基板にイオン注入して前記フォトダイオード領域を形成し、前記半導体基板上に前記チャネル領域および一部の前記フォトダイオード領域とを覆う前記ゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を形成し、前記フォトダイオード領域を形成する工程は、前記半導体基板上に、前記フォトダイオード領域を形成する領域に開口部を設けたマスクをパターン形成し、前記半導基板に垂直下向きに対して、前記チャネル領域に近づく側へ傾いた向き、または前記半導基板に垂直下向きに対して、前記ゲート電極が形成される領域内に位置した前記マスクの開口部の一辺に対して平行に傾いた向きにイオン注入を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、イオン注入の向きをレジストの影が生じない向きとすることで、読み出しトランジスタのチャネルばらつきを低減させ、画素特性を向上させることができる固体撮像装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記マスクをパターン形成する工程において、前記ゲート電極が形成される領域の半導体基板の一部が露出するように開口を設けることもできる。この構成によりゲート領域の一部にフォトダイオードを形成することができ、フォトダイオードにより生じた電荷の読み出しを効率良く行うことができる。
【００１８】
また、前記フォトダイオード領域を形成する工程は、前記イオン注入の後に、前記半導体基板の表面に前記マスク上から前記イオン注入と逆導電型のイオンを注入することもできる。この構成により、フォトダイオードの表面におけるイオン注入により生じた結晶欠陥を不活性化することができる。
【００１９】
以下、本発明の固体撮像装置における実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の１画素を構成するフォトダイオード、読み出しトランジスタおよびフローティングディフュージョンの一構成例を示す断面図である。シリコン基板１にＰ型ウェル２が形成されている。Ｐ型ウェル２には、電気的に領域を分割する素子分離領域３が形成されている。素子分離領域に囲まれたＰ型ウェル２内に埋め込みフォトダイオードを構成するＮ型フォトダイオード領域５が形成されている。Ｎ型フォトダイオード領域５の表面にはＰ型拡散層６が形成されている。
【００２１】
Ｐ型拡散層６に接するＰ型ウェル２の表面にチャネル領域４が形成されている。チャネル領域４は、埋め込みフォトダイオードで発生した電荷をフローティングディフュージョン９へ送る。チャネル領域４に接するＰ型ウェル２の表面にフローティングディフュージョン９が形成されている。フローティングディフュージョン９は、フォトダイオードからの電荷量に応じた電圧を生じさせる。この電圧は、増幅トランジスタ（図示せず）のゲート電極に印加され、埋め込みフォトダイオードにより発生された電荷量の信号が増幅され、読み出される。
【００２２】
チャネル領域４および一部のＰ型拡散層６上にゲート絶縁膜７およびゲート絶縁膜７上にゲート電極８が形成されている。ゲート電極８には、チャネル領域４に電荷の通過をさせるか否かを制御する電圧信号が印加される。読み出しトランジスタは、チャネル領域４、ゲート絶縁膜７およびゲート電極８で構成されている。
【００２３】
次に、上記構成の固体撮像装置の製造方法、特にＮ型フォトダイオード領域５を形成するためのイオン注入について図２を参照しながら説明する。図２は、上記工程における固体撮像装置の製造途中の断面図である。まず、Ｐ型ウェル２に素子分離領域３が形成されたシリコン基板１の表面にボロンなどのＰ型不純物を注入してチャネル領域４（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｂｏｒｏｎ）を形成する。
【００２４】
つぎにチャネル領域４上に、ゲート電極８（図２において破線で示す）が形成される領域を一部露出し、Ｎ型フォトダイオード領域５が形成される領域に開口を設けるようにレジスト１１をパターン形成する。ゲート電極８が形成される領域のうちレジストパターンにより露出される領域は、ゲート電極８が形成される領域の６０〜８０％である。レジスト１１は、ＫｒＦ線用に用いられる約１．５μｍの厚膜レジストを用い、レジスト開口幅としては１．２μｍ□程度である。図２において、レジスト１１のゲート電極８が形成される側をレジスト１１ａ、他方をレジスト１１ｂとする。つぎに、図２に示すようにレジスト１１をマスクとしてＮ型イオンを注入してＮ型フォトダイオード領域５を形成する。
【００２５】
ここで、図２に示すように、イオン１２の注入の向きは、ゲート電極８が形成される位置において、鉛直下向きからレジスト１１の影が発生しない向き、つまり、鉛直下向きから、チャネル領域４が形成される領域に近づく側へ傾いた向きである。イオン注入は、イオン種が砒素であり、注入加速エネルギーが５５０ｋｅＶ〜６５０ｋｅＶであり、注入の向きが基板法線に対して角度７度の向きで行われる。
【００２６】
ゲート電極８側のレジスト１１ａに入射するイオン１４は、シリコン基板１に近い領域においてレジスト１１ａに入り込むと、シリコン基板１に到達する。しかし、レジスト１１ａに入射したイオン１４は、レジスト１１ａを通過するが、この場合はレジスト１１ａに入り込んだ位置からシリコン基板１までの距離が短いので進行方向が多少乱れても、到達位置のばらつきが小さい。そのため、レジスト１１ａによってこのレジスト端近傍の水平方向のＮ型不純物プロファイリングが制御されており、チャネル長のばらつきを抑制することができる。
【００２７】
一方、レジスト１１ｂには、シリコン基板１の法線方向に対して傾いて注入されるイオン１２の影が発生し、一部のイオン１３がＮ型フォトダイオード領域５側のレジスト１１ｂ内に入り込み、進行方向にばらつきが生じる。さらに、レジスト１１ｂ内に入ったイオン１３の一部がレジスト１１ｂを通過する。通過したイオン１３は進行方向がばらつき、シリコン基板１の表面に達する位置が大きくばらつく。しかし、イオン１３は、読み出しトランジスタのチャネル領域４までは、ほとんど到達しない。このため、チャネル領域４は、レジスト１１ｂの影によるばらつきの影響を受けることがないため、読み出しゲート電圧の閾値ばらつきを抑えることができる。
【００２８】
つぎに、レジスト１１をマスクとしてＰ型不純物を注入してＰ型拡散層６を形成する。また、同時にＮ型フォトダイオード領域５を形成した時のイオン注入によって発生した結晶欠陥を不活性化する。このＮ型フォトダイオード領域５の一端は、ゲート電極４の下に配置されることになる。
【００２９】
つぎに、レジスト１１を除去し、シリコン基板１の表面上にゲート絶縁膜７およびゲート絶縁膜７上にゲート電極８を形成する。さらに、ゲート電極８上にレジスト（図示せず）を形成しパターニングする。パターニングされたレジストをマスクとしてエッチングすることにより、ゲート絶縁膜７およびゲート電極８を規定する。レジストを除去した後に、さらに、Ｐ型ウェル２およびゲート電極８上にレジスト（図示せず）を形成し、ゲート電極８に対してＮ型フォトダイオード領域５が形成された側と反対側に開口を有するようにレジストをパターニングする。パターニングされたレジストをマスクとして、Ｐ型ウェル２にＮ型不純物を注入することによりフローティングディフュージョン９を形成する。
【００３０】
以上のような工程により製造された固体撮像装置において、ゲート電極８直下の領域のチャネル領域４は、Ｎ型フォトダイオード領域５を形成するためのＮ型イオン注入時に、レジスト１１ａを突き抜けたイオン１４が、チャネル領域のばらつきに関与することを抑制することができる。そのため、ゲート閾値電圧および飽和特性のばらつきを抑制することができ、画素特性を向上させることが可能となる。
【００３１】
イオン注入の他の方法としては、鉛直下向きに対して、レジスト１１ｂの辺に対して平行に傾いた向きから、Ｎ型フォトダイオード領域５を形成するためのイオン注入を行う方法がある。この方法によっても、注入されるイオンに対して、レジスト１１が影とならないので、ゲート閾値電圧および飽和特性のばらつきを抑制することができ、画素特性を向上させることが可能となる。
【００３２】
次に、イオン注入の向きによる読み出しトランジスタの閾値電圧および飽和出力のばらつきを示す実験結果を示す。図３は、Ｐ型拡散層６を形成する際の半導体装置の平面図である。レジスト１１には、上述した開口パターンが形成されている。なお、実際には形成されていないが、後の工程で形成されるゲート電極８の形成予定位置を破線で示す。
【００３３】
ゲート電極８が形成される対辺からレジスト１１の開口の中心を結ぶ向き（矢印１５）を基準（０度）として、図３の紙面左、下、右から開口の中心へ向かう向き（それぞれ矢印１６、１７、１８）の角度をそれぞれ９０度、１８０度、−９０度とする。
【００３４】
図４（ａ）〜（ｃ）は、図３においてイオン注入の向きを示す図である。図４（ａ）は、０度、９０度、１８０度、−９０度の４方向からのイオン注入を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の注入の向きを２４度ずらした場合、つまり、２４度、１１４度、２０４度、−６６度の４方向からのイオン注入を示す。図４（ｃ）は、本実施の形態で示したように、読み出しゲート電極形成領域において、イオン注入がレジストの影にならない向きである２４度の１方向からのイオン注入を示す。
【００３５】
レジスト膜厚１．５μｍ、注入加速エネルギー６００ｋｅＶ、基板法線に対する注入角度を７度としてイオン注入を行い、読み出しトランジスタを製造した。このとき、読み出しトランジスタのゲート長０．５５μｍ、ゲート幅１．２μｍである。
【００３６】
図５は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す向きからイオン注入を行って製造した読み出しトランジスタの閾値電圧値を測定し、累積度数分布として示した実験結果のグラフである。横軸は規格化された読み出しトランジスタの閾値電圧であり、縦軸は累積度数分布である。
【００３７】
図５に示す＊２１、△２２、●２３は、それぞれ図４（ａ）〜（ｃ）の向きからイオン注入を行って製造したトランジスタの閾値電圧値の測定結果である。＊２１、△２２は、読み出しゲートの閾値電圧値が低い側へ尾を引いている。これは、読み出しゲートの閾値電圧値が低いトランジスタが製造されたことを示し、閾値電圧値にばらつきが生じていることを示す。一方、本実施の形態で用いた方法による●２３には、尾が見られない。つまり、閾値電圧値がほとんどばらついていないことを示している。
【００３８】
図６は、図４（ａ）および図４（ｃ）の向きにイオン注入を行って製造したトランジスタにおける飽和出力値を累積度数分布として示す実験結果のグラフである。横軸は規格化された飽和出力値であり、縦軸は累積度数分布である。飽和出力とは、飽和光量の光を照射したときの画素からの出力であるが、フォトダイオードの大きさ（φｍｉｎ）や読み出しトランジスタの閾値に大きく影響される。
【００３９】
図６に示す＊２４、●２５は、それぞれ図４（ａ）、（ｃ）の方向からイオン注入を行って製造したトランジスタの飽和出力値の測定結果である。＊２４は、０．８９〜１．１８の範囲であるが、●２５は、０．９０〜１．１１とばらつき（標準偏差）を約３０％低減する結果となり、本発明の効果が実証された。
【００４０】
以上のように、Ｎ型フォトダイオード領域形成のイオン注入を−９０度〜０度〜＋９０度の範囲、つまり、半導基板に垂直下向きから、チャネル領域に近づく側へ傾いた向き、または半導基板に垂直下向きから、マスクの開口の前記ゲート電極が形成される領域に位置した一辺に対して平行に傾いた向きから行うことにより、ゲート電極側のレジスト１１端の影の影響を受けずにトランジスタを製造することができる。そのため、ゲート下チャネル領域へＮ型不純物が注入することを抑制し、読み出しトランジスタの閾値ばらつきや画素の飽和ばらつきを低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のトランジスタの製造方法は、イオン注入のばらつきを抑え、閾値電圧および飽和出力値のばらつきを抑えることができるトランジスタを製造することができ、ＣＭＯＳイメージセンサに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図
【図２】同上固体撮像装置の製造方法を示す断面図
【図３】同上固体撮像装置の製造方法のイオン注入の向きを示す平面図
【図４】同上固体撮像装置の製造方法のイオン注入の向きを示す平面図
【図５】同上固体撮像装置の読み出しトランジスタの閾値電圧の累積度数を示すグラフ
【図６】同上固体撮像装置の読み出しトランジスタの飽和出力の累積度数を示すグラフ
【図７】従来の固体撮像装置の製造方法を示す断面図
【図８】従来の固体撮像装置の製造方法を示す断面図
【符号の説明】
【００４３】
１  シリコン基板
２  Ｐ型ウェル
３  素子分離領域
４  チャネル領域
５  Ｎ型フォトダイオード領域
６  Ｐ型拡散層
７  ゲート絶縁膜
８  ゲート電極
９  フローティングディフュージョン
１１、１１ａ、１１ｂ  レジスト
１２、１３、１４  イオン
【図１】
2007317877.tif 000003
【図２】
2007317877.tif 000004
【図３】
2007317877.tif 000005
【図４】
2007317877.tif 000006
【図５】
2007317877.tif 000007
【図６】
2007317877.tif 000008
【図７】
2007317877.tif 000009
【図８】
2007317877.tif 000010