JP2011077388A - Method of manufacturing solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
【課題】固体撮像素子の光電変換部を取り囲む分離領域を効率的に形成する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板において光電変換部を取り囲む分離領域を有する固体撮像素子の製造方法が提供される。この製造方法は、半導体基板の上に、光電変換部を覆う島状の遮蔽部を有するイオン注入マスクを形成するマスク形成工程と、少なくとも遮蔽部の傾斜した側面を通じて半導体基板にイオンを注入することによって分離領域を形成するイオン注入工程とを含み、側面は、遮蔽部の上方に向かって遮蔽部の面積が小さくなるように形成されることを特徴とする。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a technique for efficiently forming a separation region surrounding a photoelectric conversion unit of a solid-state imaging device.
A method of manufacturing a solid-state imaging device having a separation region surrounding a photoelectric conversion portion in a semiconductor substrate is provided. In this manufacturing method, a mask forming step for forming an ion implantation mask having an island-shaped shielding portion covering a photoelectric conversion portion on a semiconductor substrate, and ions are implanted into the semiconductor substrate through at least an inclined side surface of the shielding portion. And the ion implantation step of forming an isolation region by the step, wherein the side surface is formed so that the area of the shielding portion becomes smaller toward the upper side of the shielding portion.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は固体撮像素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid-state imaging device.
近年、高画質かつ高速な固体撮像素子としてCMOS型の固体撮像素子の進歩が著しい。市場からの高解像化の要求に応えるために、CMOS型の固体撮像素子の画素間隔は縮小される傾向にある。画素間隔が小さくなると、一つの画素から隣接する画素へ電荷が混入しやすくなる。これに対して、特許文献1には、隣接する画素間に深い不純物層を設けることで、電荷に対するポテンシャルバリアを形成する技術が記載されている。 In recent years, CMOS solid-state image sensors have made remarkable progress as high-quality and high-speed solid-state image sensors. In order to meet the demand for higher resolution from the market, the pixel interval of a CMOS type solid-state imaging device tends to be reduced. When the pixel interval is reduced, charges are easily mixed from one pixel to an adjacent pixel. On the other hand, Patent Document 1 describes a technique for forming a potential barrier against electric charges by providing a deep impurity layer between adjacent pixels.
一般に、不純物層を形成するために、半導体基板に対してイオンが注入される。注入されたイオンによる不純物原子の分布範囲は、イオンを注入する際の加速エネルギーによって決まるため、1回のイオン注入工程では加速エネルギーに応じた一定の深さの領域にしかイオンを注入できない。したがって、特許文献1に記載された技術では、基板の表面から深い位置まで続く領域に連続的な不純物層を形成するためには、加速エネルギーの設定を変更してイオンを複数回注入する必要がある。そのため、イオン注入工程の回数が増加し、製造コストが増加するという問題があった。本発明は、固体撮像素子の光電変換部を取り囲む分離領域を効率的に形成する技術を提供することを目的とする。 In general, ions are implanted into a semiconductor substrate to form an impurity layer. Since the distribution range of the impurity atoms by the implanted ions is determined by the acceleration energy at the time of ion implantation, ions can be implanted only into a region having a certain depth according to the acceleration energy in one ion implantation step. Therefore, in the technique described in Patent Document 1, in order to form a continuous impurity layer in a region extending from the surface of the substrate to a deep position, it is necessary to change the setting of the acceleration energy and to implant ions a plurality of times. is there. Therefore, there has been a problem that the number of ion implantation steps increases and the manufacturing cost increases. An object of this invention is to provide the technique which forms efficiently the isolation | separation area | region surrounding the photoelectric conversion part of a solid-state image sensor.
本発明は、半導体基板において光電変換部を取り囲む分離領域を有する固体撮像素子の製造方法に係り、該方法は、半導体基板の上に、前記光電変換部を覆う島状の遮蔽部を有するイオン注入マスクを形成するマスク形成工程と、少なくとも前記遮蔽部の傾斜した側面を通じて前記半導体基板にイオンを注入することによって前記分離領域を形成するイオン注入工程とを含む。ここで、前記側面は、前記遮蔽部の上方に向かって前記遮蔽部の面積が小さくなるように形成される。 The present invention relates to a method of manufacturing a solid-state imaging device having a separation region surrounding a photoelectric conversion unit in a semiconductor substrate, and the method includes ion implantation having an island-shaped shielding unit covering the photoelectric conversion unit on the semiconductor substrate. A mask forming step of forming a mask, and an ion implantation step of forming the isolation region by implanting ions into the semiconductor substrate through at least the inclined side surface of the shielding portion. Here, the side surface is formed so that the area of the shielding portion becomes smaller toward the upper side of the shielding portion.
本発明によれば、固体撮像素子の光電変換部を取り囲む分離領域を効率的に形成する技術が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which forms efficiently the isolation | separation area | region surrounding the photoelectric conversion part of a solid-state image sensor is provided.
以下、本発明の実施形態を添付の図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
〔第1の実施形態〕
図1を用いて本実施形態による固体撮像素子の製造方法を説明する。図1(a)は本実施形態の製造方法の初期段階における構造体100を示す。図1(a)に示す構造体100を形成するために、N型(第1の導電型)の半導体基板に、P型半導体を形成するためのイオン(例えば、ホウ素)を複数回注入する。それにより、半導体基板の表面から深さ方向に連続的な濃度分布でP型(第1の導電型とは反対の第2の導電型)のウェル領域102が形成される。ここで、半導体基板の表面とウェル領域102の表面とが一致しうる。例えば、注入するイオンの最大加速エネルギーを2〜3MeVの範囲から選択し、ドーズ量を1〜1013/cm2の範囲から選択することができる。また、注入するイオンの最小加速エネルギーを200〜300keVの範囲から選択し、ドーズ量を1011/cm2程度とすることができる。この設定では、半導体基板の表面から3μm程度の深さまでイオンが注入され、ウェル領域102の下にN型の半導体領域101が残る。
[First Embodiment]
The manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A shows the
続いて、ウェル領域102の表面に、素子分離用のLOCOS酸化膜103を形成する。LOCOS酸化膜103は光電変換部104を取り囲むように形成される。LOCOS酸化膜103によって、光電変換部104は他の素子(例えば、同一画素内のトランジスタや隣接画素内の光電変換部から分離される。
Subsequently, a
図1(b)は、ウェル領域102の表面に対して側面が垂直に立った遮蔽部を有するレジストパターン111が形成された構造体110を示す。図1(b)に示す構造体110を形成するために、まず、図1(a)に示した構造体100にレジスト材料を塗布する。レジスト材料として例えば東京応化工業株式会社製THMR−iP5700HPを使用し、4.0μmの膜厚になるようにレジスト材料を塗布する。続いて、構造体100に塗布されたレジスト材料をフォトリゾグラフィ工程によってパターニングして、レジストパターン111を形成する。レジストパターン111は島状の複数の遮蔽部を有し、それぞれの遮蔽部は光電変換部104を覆う位置に形成される。パターニングにより形成される遮蔽部の側面はウェル領域102の表面に対して垂直となる。遮蔽部同士の間隔d1が0.8μmとなるように露光パラメータを調整する。
FIG. 1B shows a
図1(c)は、側面が傾斜した遮蔽部を有するイオン注入マスク121が形成された構造体120を示す。図1(c)に示す構造体120を形成するために、図1(b)に示した構造体110に熱処理を施す。例えば、構造体110に180℃で120秒の熱処理を施してリフローさせる。このように、熱処理が施されたレジストパターン111をイオン注入マスク121とよぶ。このマスク形成工程により、熱処理が施されたそれぞれの遮蔽部は変形する。その結果、それぞれの遮蔽部の側面122は、遮蔽部の上方に向かうほど遮蔽部の断面積が小さくなるように傾斜する。言い換えると、それぞれの遮蔽部の側面122は、側面122とウェル領域102の露出部の表面とのなす角123が90度より大きくなるように傾斜する。例えば、遮蔽部の上部における間隔d2、遮蔽部の下部における間隔d3、および遮蔽部の高さd4の値がそれぞれ、1.2μm、0.4μm、および3.5μmとなるように熱処理の際のパラメータを設定する。
FIG. 1C shows a
図1(d)は、光電変換部104よりも高い濃度のP型の分離領域131が形成された構造体130を示す。図1(d)に示す構造体130を形成するために、図1(c)に示した構造体120にイオン(例えばホウ素)を注入する。イオン注入マスク121における遮蔽部間の開口部132を通して注入されたイオンは、設定された深さまで注入される。一方、側面122を通して注入されたイオンは、イオン注入マスク121の残膜厚に応じた深さまで注入される。すなわち、残膜厚と、ウェル領域102の表面からイオンが到達する位置までの距離との合計は、イオンの注入位置に関わらず、ほぼ一定となる。イオンが到達可能な距離よりも残膜厚が厚い位置で注入されたイオンは遮蔽部内にとどまる。したがって、光電変換部104に対してイオンが注入されることはない。イオン注入マスク121は傾斜した側面122を有するため、図1(d)に示すように、同一の設定でイオンを1回注入するだけで、ウェル領域102の表面から、設定された位置まで続く深い分離領域131が形成される。図1(d)に示す例では、側面122と開口部132との両方を通じて構造体120にイオンが注入される。しかし、側面122のみを通じて構造体120にイオンを注入して分離領域131を形成してもよい。これは、例えば、開口部132にマスク処理を別途に施してからイオンを注入することによって実現される。
FIG. 1D shows a
画素領域内のMOSトランジスタの閾値電圧変動を抑制するために、ウェル領域102の表面から分離領域131の下端までの深さは0.8μm以上であることが望ましい。そのためには、ホウ素をドーパントとして約350KeV以上の加速エネルギーでイオンを注入するのが望ましい。例えば、加速エネルギーを約2.0MeV、ドーズ量を4×1013/cm2とし、ウェル領域102の表面に垂直な方向からホウ素を注入する。
In order to suppress the threshold voltage fluctuation of the MOS transistor in the pixel region, the depth from the surface of the
図1(e)は、フォトダイオード等が形成された構造体140を示す。まず、図1(d)に示した構造体130からイオン注入マスク121を剥離する。続いて、ポリシリコン電極及びゲート酸化膜141、フォトダイオードのN型領域142、フォトダイオードを埋め込むための浅いP型領域143、およびMOSトランジスタのソースドレインとなるN型領域144を形成する。
FIG. 1E shows a
以上のように、本実施形態によれば、イオンを1回だけ注入することによって、光電変換部であるフォトダイオードを取り囲む分離領域を形成することが可能となる。その結果、従来に比べて、このような分離領域を有する固体撮像素子の製造コストを低減することが出来る。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to form the isolation region surrounding the photodiode as the photoelectric conversion unit by implanting ions only once. As a result, it is possible to reduce the manufacturing cost of the solid-state imaging device having such a separation region as compared with the conventional case.
〔第2の実施形態〕
図2を用いて本実施形態による固体撮像素子の製造方法を説明する。第1の実施形態と同様の要素は同一の参照番号を付して説明を省略する。図2(a)は本実施形態の製造方法の初期段階における構造体200を示す。構造体200は、表面から近い順に、N型領域203、P型領域202、およびN型領域201が形成されている。P型領域202は、例えば、加速エネルギーを約2〜3MeV、ドーズ量を1013/cm2程度とした条件でN型の半導体基板にイオンを注入することで形成される。この場合に、注入されるイオンの深さは3〜4μm程度、3σは0.6μm程度であるため、半導体基板の表面からP型領域202の上面までに注入されたイオンがとどまることはない。この結果、N型領域903はN型領域901と同等の不純物濃度になる。
[Second Embodiment]
The manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Elements similar to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. FIG. 2A shows the
図2(a)に示した構造体200に対して第1の実施形態と同様の手順を施すことによって、図2(b)に示す構造体210が形成される。この場合も、半導体基板において光電変換部を取り囲むP型の深い分離領域131が形成される。
A
〔その他の実施形態〕
図3は、本発明の好適な実施形態の撮像装置(カメラ)の概略構成を示す図である。撮像装置300は、上記の実施形態の固体撮像素子に代表される固体撮像装置304を備える。
[Other Embodiments]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an imaging apparatus (camera) according to a preferred embodiment of the present invention. The
被写体の光学像は、レンズ302によって固体撮像装置304の撮像面に結像する。レンズ302の外側には、レンズ302のプロテクト機能とメインスイッチを兼ねるバリア301が設けられうる。レンズ302には、それから出射される光の光量を調節するための絞り303が設けられうる。固体撮像装置304から複数チャンネルで出力される撮像信号は、撮像信号処理回路305によって各種の補正、クランプ等の処理が施される。撮像信号処理回路305から複数チャンネルで出力される撮像信号は、A/D変換器306でアナログ−ディジタル変換される。A/D変換器306から出力される画像データは、信号処理部307によって各種の補正、データ圧縮などがなされる。固体撮像装置304、撮像信号処理回路305、A/D変換器306及び信号処理部307は、タイミング発生部308が発生するタイミング信号にしたがって動作する。
An optical image of the subject is formed on the imaging surface of the solid-
ブロック305〜308は、固体撮像装置304と同一チップ上に形成されてもよい。撮像装置300の各ブロックは、全体制御・演算部309によって制御される。撮像装置300は、その他、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部310、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース(I/F)部311を備える。記録媒体312は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。撮像装置300は、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部313を備えてもよい。
The
次に、図3に示す撮像装置300の動作について説明する。バリア301のオープンに応じて、メイン電源、コントロール系の電源、A/D変換器306等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部309が絞り303を開放にする。固体撮像装置304から出力された信号は、撮像信号処理回路305をスルーしてA/D変換器306へ提供される。A/D変換器306は、その信号をA/D変換して信号処理部307に出力する。信号処理部307は、そのデータを処理して全体制御・演算部309に提供し、全体制御・演算部309において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部309は、決定した露出量に基づいて絞り303を制御する。
Next, the operation of the
次に、全体制御・演算部309は、固体撮像装置304から出力され信号処理部307で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、レンズ302を駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズ302を駆動し、距離を演算する。
Next, the overall control /
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置304から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路305において補正等がされ、A/D変換器306でA/D変換され、信号処理部307で処理される。信号処理部307で処理された画像データは、全体制御・演算部309によりメモリ部310に蓄積される。
Then, after the in-focus state is confirmed, the main exposure starts. When the exposure is completed, the imaging signal output from the solid-
その後、メモリ部310に蓄積された画像データは、全体制御・演算部309の制御により記録媒体制御I/F部311を介して記録媒体312に記録される。また、画像データは、外部I/F部313を通してコンピュータ等に提供されて処理されうる。
Thereafter, the image data stored in the
Claims (5)
半導体基板の上に、前記光電変換部を覆う島状の遮蔽部を有するイオン注入マスクを形成するマスク形成工程と、
少なくとも前記遮蔽部の傾斜した側面を通じて前記半導体基板にイオンを注入することによって前記分離領域を形成するイオン注入工程とを含み、
前記側面は、前記遮蔽部の上方に向かって前記遮蔽部の面積が小さくなるように形成される
ことを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a solid-state imaging device having a separation region surrounding a photoelectric conversion unit in a semiconductor substrate,
A mask forming step of forming an ion implantation mask having an island-shaped shielding portion covering the photoelectric conversion portion on the semiconductor substrate;
An ion implantation step of forming the isolation region by implanting ions into the semiconductor substrate through at least the inclined side surface of the shielding part,
The manufacturing method according to claim 1, wherein the side surface is formed so that an area of the shielding portion decreases toward the upper side of the shielding portion.
前記半導体基板の上にレジスト材料を塗布する工程と、
前記塗布されたレジスト材料をパターニングする工程と、
前記パターニングされたレジスト材料に熱処理を施すことによって前記イオン注入マスクを形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。 The mask forming step includes
Applying a resist material on the semiconductor substrate;
Patterning the applied resist material;
3. The method according to claim 1, further comprising: forming the ion implantation mask by performing a heat treatment on the patterned resist material. 4.
前記光電変換部は、前記第2の導電型の半導体領域に含まれ、
前記分離領域は、前記第2の導電型の半導体領域において前記光電変換部を取り囲むように形成された、前記光電変換部よりも濃度が高い領域である
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の製造方法。 The semiconductor substrate has a semiconductor region of a first conductivity type and a semiconductor region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type located thereon,
The photoelectric conversion unit is included in the semiconductor region of the second conductivity type,
5. The isolation region according to claim 1, wherein the isolation region is a region having a higher concentration than the photoelectric conversion unit, which is formed so as to surround the photoelectric conversion unit in the semiconductor region of the second conductivity type. The manufacturing method of any one of Claims 1.
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| WO2013077068A1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-05-30 | 住友電気工業株式会社 | Method for manufacturing semiconductor device |
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2009
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