JP2004200319A - Imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法にかかり、特に電荷転送電極の形成に関する。
【0002】
【従来の技術】
エリアセンサ等に用いられるCCD固体撮像素子は、フォトダイオードなどの光電変換部と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数個隣接して配置される。
【0003】
近年、固体撮像素子においては、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいるが、画素数の増加に伴い信号電荷の高速転送、すなわち電荷転送電極の高速パルスによる駆動が必要となるため、電荷転送電極の微細化、低抵抗化が求められている。
【0004】
従来、電荷転送電極には不純物ドープのなされた多結晶シリコン膜を用いてきた。
【0005】
しかしながら、従来の固体撮像素子では、微細化に伴い、電極間リークなどの短絡不良が生じやすく、またフォトリソグラフィによる精度が十分に得られない、あるいは、転送路のポテンシャルが不均一となり転送不良になるというような問題が顕在化している。
【0006】
また、電荷転送電極の微細化および電荷転送電極材料の低抵抗化への要求は高まる一方である。
このような要求の中で、電荷転送電極の膜厚は低減される傾向にあり、多結晶シリコン膜の膜厚が薄くなると、ゲート酸化膜の耐圧が低下するという問題がでてきている。
【0007】
そこで本発明者らは種々の考察を重ねた結果、これらの問題が多結晶シリコンの結晶粒および粒界に起因するものであることを発見した。
【0008】
すなわち多結晶シリコン膜の場合、結晶粒に起因して表面に凹凸を有する膜となる。通常多結晶シリコン膜を用いた電荷転送電極では、多結晶シリコン膜の表面を酸化して電極間絶縁膜を形成する場合も多い。
【0009】
このように多結晶シリコン膜の表面を酸化して酸化シリコン膜を形成する場合、結晶粒の影響で、体積膨張による応力が働きその力を緩和させるため、電極表面に形成される酸化シリコン膜表面にも凹凸が形成されることがある。
【0010】
この場合、この突起が絶縁膜を介して隣接する電極に接近すると、電極間のリークが起こり短絡不良を生じることがある。
【0011】
また、微細化が進むと電極表面の凹凸の影響でフォトリソ工程において乱反射による露光精度の悪化により、電極間のショートが発生したり、電極配線が細くなり、抵抗上昇や配線切れが生じ易いという問題がある。
【0012】
また、多結晶シリコン膜形成時の結晶粒径の不均一性やリン処理時の不純物ドープの不均一性に起因して電極下や隣接する電極間に均等に電圧がかかりにくくなるという問題がある。このため、転送路のポテンシャルが不均一となり転送不良となり易い。
【0013】
また、薄い多結晶シリコン膜をパターニングする場合、エッチング工程において、粒界からエッチングガスの浸込みが生じ、ゲート電極を構成する多結晶シリコン膜の粒界に相当する領域でゲート酸化膜が消失したり薄くなったりすることがあった。このためゲート耐圧が低下する。
【0014】
このように、結晶粒の影響により電極表面の平坦性が低下するという問題は従来から、問題となっており、種々の対策が立てられている。例えば、DRAMのキャパシタ電極の形成において、成膜工程を2回に分け、一旦温度を下げて再び成膜することにより、表面の平坦化および低抵抗化をはかるという方法が提案されている(特許文献1参照)。
【0015】
【特許文献1】
特開平5−347258号公報
【0016】
この場合は、絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜であり、下地は、ゲート酸化膜のように薄いものではないため、電荷転送電極の場合のような多結晶シリコン膜の粒界に起因する耐圧低下のような問題はない。
【0017】
また、DRAMの場合は、キャパシタ電極自体の比抵抗の低減と、キャパシタ電極表面の凹凸の低減が課題となっている。
【0018】
キャパシタ電極の下層は厚い層間絶縁膜であるため、電荷転送電極の場合のように、下層に存在するゲート酸化膜との界面における不純物分布が、問題になることはなかった。
【0019】
これに対し、固体撮像素子では、前述したように、エッチング工程において粒界に相当する領域ではゲート酸化膜が薄くなり、ゲート耐圧が低下するという問題があった。
【0020】
特に、多層電極構造の場合、段差が大きくなるため、第1層電極と第2層電極との間の層間絶縁膜の場合は、エッジでは表面に凹凸が形成されている上に膜厚も薄く、特にエッジで膜厚が薄い部分が形成されやすく、電界がかかるため、電流集中により短絡を生じ易い。従って特に、粒界に起因する層間絶縁膜の薄肉化の問題が深刻となっている。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の固体撮像素子では、電荷転送電極表面の結晶粒に起因する微細な凹凸により、酸化膜に短絡が生じ易いという問題があった。
また、短絡が生じないまでも電極内の不純物濃度や膜質が不均一であるため電極下の面内ポテンシャルが不均一となったり、隣接する電極間にかかる電界強度にばらつきが生じやすく、特性劣化の原因となっていた。
また特に微細でかつ薄型の電荷転送電極の場合、粒界に起因するゲート酸化膜の耐圧不良が深刻であった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、電極の薄型化、微細化に際しても、歩留まり低下を生じることなく、高速転送の可能な電荷転送素子を提供することを目的とする。
【0022】
また、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、電荷転送電極の形成に際し、不純物ドープしながらアモルファスシリコン膜を形成し、これを熱処理により、多結晶化し、膜質の均一な電極を形成する。
【0024】
すなわち、本発明の固体撮像素子では、半導体基板表面に形成された光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送部とを具備した固体撮像素子において、電荷転送部の電荷転送電極が、ドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含むことを特徴とする。
【0025】
かかる構成によれば、電荷転送電極が、ドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含むように構成されているため、電極内の結晶粒径や不純物濃度が均一となり、電極下や隣接する電極間にかかる電圧が一定になり、転送不良を生じたりすることなく、薄膜化に際しても、ゲート酸化膜の消失などによる耐圧不良もなく、微細化および高集積化に際しても転送特性にすぐれた固体撮像素子を提供することが可能となる。
また電極表面の凹凸が低減されるため、フォトリソ工程における乱反射も小さくなり、結果として露光精度が向上し、転送電極配線の信頼性が向上する。
【0026】
また、この電荷転送電極は、前記半導体基板表面にゲート酸化膜を介して形成されたドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含む第1層電極と、前記ゲート酸化膜上から、電極間絶縁膜を介して前記第1層電極上に乗り上げるように形成されたドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含む第2層電極とを含む2層電極構造をなすことを特徴とする。
【0027】
かかる構成によれば、電極間絶縁膜を薄肉化しても第1層電極および第2層電極がドープトアモルファスシリコンの結晶化によって形成されているため不純物濃度が均一で結晶粒による凹凸がないため、電界集中もなく、短絡や転送不良を生じたりすることなく、転送特性の良好な固体撮像素子を提供することが可能となる。
【0028】
また、このドープトアモルファスシリコン膜表面に金属シリサイド膜を形成するようにすれば、シリサイド化が均一に進行するため局部的なせり上がりが発生しにくくなり、電極間ショートを抑制することができる。ドープトアモルファスシリコン膜の膜厚をさらに小さくしても低抵抗化をはかることができ、均一な不純物濃度を維持することができる。従ってさらに転送特性の向上をはかることが可能となる。またシリサイド化のための熱処理時に結晶化がなされるため、工数の増大もない。
【0029】
本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、半導体基板表面に形成された光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送するた電荷転送部とを具備した固体撮像素子の製造方法において、電荷転送部の電荷転送電極を形成する工程が、前記半導体基板表面に、ゲート酸化膜を介してドープトアモルファスシリコン膜を成膜する成膜工程と、前記ドープトアモルファスシリコン膜を熱処理により多結晶化する結晶化工程とを含むことを特徴とする。
【0030】
かかる構成によれば、電荷転送電極が、ドープトアモルファスシリコン膜をアニールして多結晶シリコン膜を形成することにより形成されるため、ドーピング工程が不要となる上、電極内の結晶粒や不純物濃度が均一となり、電極下や隣接する電極間にかかる電圧が一定で、転送特性にすぐれた固体撮像素子を提供することが可能となる。また、工数の増大もなく容易に形成可能である。
【0031】
また結晶化に際しては、前記ドープトアモルファスシリコン膜の表面を酸化する酸化工程と同時に実行されるようにすれば、工数の増大もない。
【0032】
また望ましくは、ドープトアモルファスシリコン膜上に、金属膜を形成し、シリサイド化を行うと同時に結晶化を行うようにすれば、工数の増大なしに、低抵抗で信頼性の高い電荷転送電極を得ることが可能となる。
【0033】
また、さらにシリサイド化されずに残った金属膜を選択的に除去し、さらに前記金属シリサイド膜をアニールするようにすれば、これらのシリサイド化およびアニール工程で結晶化がなされるため、容易に低抵抗で信頼性の高い電荷転送電極を得ることが可能となる。
【0034】
また、この金属シリサイド膜としては、チタンシリサイドを用いるようにすれば、より低抵抗化をはかることが可能となる。
【0035】
さらに望ましくは、金属シリサイド膜として、コバルトシリサイドを用いるようにすれば、後続工程における熱による凝集もなく、より低抵抗のシリサイド膜を形成することが可能となる。
【0036】
また、金属シリサイド膜としては、ニッケル、パラジウム、プラチナ、タンタルのシリサイドとしてもよい。
【0037】
なおこのシリサイド化工程は、窒素雰囲気中で690から800℃に加熱するのがよい。
また、シリサイド化されずに残った金属膜を除去した後、1stアニールが不十分であれば、800℃以上に加熱すれば、シリサイド膜の低抵抗をはかることが可能となる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
(第1の実施の形態)
図1に、本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図1(a)は、その光電変換部から電荷転送電極までを示す概略平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面図である。
図1に示すように、シリコン基板1には、複数のフォトダイオード30が形成されて光電変換部を構成しており、フォトダイオードで検出した信号電荷を転送するための電荷転送電極40が、フォトダイオード30の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送電極40によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネル(図示せず)は、電荷転送電極40が延在する方向と交差する方向に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。なお、図1(a)においては、電極間絶縁膜3の内、フォトダイオード領域と電荷転送電極40との境界近傍に形成されるものの記載を省略してある。
【0039】
図1(b)に示すように、シリコン基板1内には、フォトダイオード30、電荷転送チャネル(図示せず)、チャネルストップ領域31、電荷読み出し領域(図示せず)が形成され、シリコン基板1表面には、絶縁膜(以下、ゲート酸化膜と記述する。)2が形成される。ゲート酸化膜2表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜3とドープトアモルファスシリコンを結晶化して形成された多結晶シリコン膜4a、4bからなる電荷転送電極40が形成されている。電極間絶縁膜3は、多結晶シリコン膜4a、4bの一方、例えば多結晶シリコン膜4aの側壁から成膜されるものである。
【0040】
固体撮像素子の上方には、フォトダイオード30部分を除いて遮光膜50が設けられ、さらにカラーフィルタ60、マイクロレンズ(図示せず)が設けられる。また、電荷転送電極40と遮光膜50との間、および遮光膜50とカラーフィルタ60との間は、絶縁性物質が充填される。電荷転送電極40および電極間絶縁膜3を除いて従来のものと同様であるので説明を省略する。また、図1では、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子を示しているが、正方格子型の固体撮像素子にも適用可能であることはいうまでもない。
【0041】
次に、図2を用いてこの固体撮像素子の製造工程について説明する。まず、図2(a)に示すように、n型のシリコン基板1表面に、膜厚15nmの酸化シリコン膜と、膜厚50nmの窒化シリコン膜と、膜厚10nmの酸化シリコン膜を形成し、3層構造のゲート酸化膜2を形成する。続いてこのゲート酸化膜2上に、SiH4とPH3との混合ガス(流量比: SiH4:PH3=1000:91.1、ここでPH3は1%のN2希釈)を反応性ガスとして用いた減圧CVD法により、膜厚0.4μmのドープトアモルファスシリコン膜4asを形成する。このときの基板温度は500〜600℃とする。続いて、減圧CVD法によりエッチングストッパ層となる酸化シリコン膜6を形成し、そしてこの上層にレジストを厚さ0.8〜1.4μmとなるように塗布する。
【0042】
そして、フォトリソグラフィにより所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅0.5μmのレジストパターンRを形成する。
【0043】
この後、図2(b)に示すように、HBrとO2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンRをマスクとし、ゲート酸化膜2をエッチングストッパとしてドープトアモルファスシリコン膜4asと酸化シリコン膜6とを選択的にエッチング除去したのち、レジストパターンRを剥離除去する。ここではECRあるいはICPなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【0044】
続いて、図2(c)に示すように、酸素雰囲気中で900℃30秒のRTAを行い、熱酸化によりTEOSとO2との混合ガスを用いた減圧CVD法により膜厚30nmの酸化シリコン膜からなる第2の絶縁膜3aを形成する。このときドープトアモルファスシリコン膜4asは結晶化され多結晶シリコン膜4aとなる。
【0045】
そして図2(d)に示すように、異方性エッチングにより、垂直方向にのみエッチングを進行させ、多結晶シリコン膜4aの側壁にのみ第2の絶縁膜(酸化シリコン膜)3aを残すようにエッチングを行い、側壁絶縁膜からなる電極間絶縁膜3を形成する。
【0046】
次に、図2(e)に示すように、前記ドープトアモルファスシリコン膜の形成工程と同様にしてSiH4とPH3の混合ガスを用いた減圧CVD法により膜厚0.4〜1.4μmのドープトアモルファスシリコン膜4bsを形成する。
【0047】
そして、図2(f)に示すように、基板表面をCMPにより研磨し、さらに化学的エッチングにより、電極間絶縁膜3の上面が露呈するまでエッチングし、電荷転送電極となる多結晶シリコン膜4aおよびドープトアモルファスシリコン膜4bsを個々に分離する。そして900℃30秒のRTAを行い、ドープトアモルファスシリコン膜4bsを結晶化し多結晶シリコン膜4bとする。
そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図1に示したような固体撮像素子を得る。
【0048】
この方法によれば、不純物をドープしながらアモルファスシリコン膜を形成しこれを、後続の熱処理工程で多結晶化することによりドープト多結晶シリコン膜とし、容易に、表面および下面が平坦で均一なドープト多結晶シリコン膜からなる電荷転送電極を形成することが可能となる。
【0049】
また電荷転送電極の膜厚が薄い場合にも粒界に起因するゲート酸化膜の損傷もなく、ゲート酸化膜とドープトアモルファスシリコン膜との界面も平坦で均一なものとなっている。
従って転送特性の向上をはかることが可能となる。
【0050】
また、特別な熱処理工程を経ることなく、熱酸化のための加熱工程で結晶化されるため、拡散長ののびもなく微細で信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。
さらにまた、工数の低減を図ることができ、製造コストの低減と、歩留まりの向上をはかることが可能となる。
【0051】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、電荷転送電極の導電層をドープトアモルファスシリコン膜を結晶化して形成した多結晶シリコン膜1層で形成したが、第2の実施の形態では、電荷転送電極の低抵抗化を図るために、表面側に金属シリサイドを含む導電膜を形成した2層構造としている。ここではシリサイド化と同時にアモルファスシリコン膜を結晶化し多結晶シリコン膜としたことを特徴とする。
【0052】
図3に、本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図3は、図1(a)と対応する断面図であり、多結晶シリコン膜4a、4bの上層に、チタンシリサイド膜5Sなどの導電膜が積層されている。導電膜としては、タングステン、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、あるいはこれらのシリサイド、あるいはアルミニウムなどを利用してもよい。他の部分については図1の固体撮像素子と同様であるので、説明を省略する。
【0053】
図4(a)乃至(h)にその工程図を示すが、図4(a)乃至(e)の工程は、第1の実施の形態の工程図を示す図2(a)乃至(e)と同様であるので、説明を省略する。
【0054】
この後、図4(f)に示すように、HBrとO2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより多結晶シリコン膜4a、ドープトアモルファスシリコン膜4bsの表面をエッチング除去し、電極間絶縁膜3の頂部を上端面よりも低い位置まで露呈させる。そして、図4(g)に示すように、多結晶シリコン膜4a、ドープトアモルファスシリコン膜4bsの上層に、スパッタリング法により、膜厚600〜800nmのチタン又はコバルト膜5を形成する。このときの基板温度は0〜500℃であった。このとき、表面の凹凸はなく平坦な表面となっている。
【0055】
そして900℃30秒のRTAによりシリサイド化をはかるとともにドープトアモルファスシリコンの結晶化を行う。これによりドープトアモルファスシリコン膜は多結晶シリコン膜となる。そして多結晶シリコン膜4a、4bとチタン膜5sとの界面がシリサイド化される。
【0056】
続いて、図4(h)に示すように、SC−1(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5)ウェットエッチング(35℃10分)により、電極間絶縁膜3上にシリサイド化されることなく残留するチタン膜5sを除去する。
【0057】
このようにして、多結晶シリコン膜4a、4bとチタンシリサイド膜5とからなる電荷転送電極を個々に分離する。そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図1に示したような固体撮像素子を得る。なお、この場合、チタン膜5が充分な遮光効果が得られる程度の厚さとすることにより、遮光膜を省略することも可能である。
【0058】
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。第1および第2の実施の形態では、ドープトアモルファスシリコンの結晶化を酸化シリコン膜の形成工程、シリサイド化工程で実行したが、別工程として行ってもよい。多結晶シリコン膜にイオン注入して形成する場合にも、900から950℃30分程度のドライブイン熱処理が必要であることからみても、別工程としても工数の増大にはならないことがわかる。
【0059】
このようにして製造が容易でかつ信頼性の高い電荷転送電極の形成が可能となる。
【0060】
また、前記実施の形態では、単層電極構造について説明したが、第1層電極上に第2層電極が乗り上げるような構造においても適用可能であり、結晶化のための熱処理は後で同時に実行するようにすればよいため、工数の増大なしに信頼性の高い電極を形成することが可能となる。
【0061】
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態として、2層電極構造をもつ固体撮像素子の製造方法について説明する。
【0062】
この固体撮像素子は、電荷転送電極の構造が2層構造となっている以外は前記第1の実施の形態の図1で説明したものと同様に形成されている。
【0063】
すなわち、図5(e)に要部断面図を示すように、所望の素子領域の形成されたシリコン基板1表面に、ゲート酸化膜2を介して配列形成される多結晶シリコン4aからなる第1層電極と、ゲート酸化膜上から前記第1層電極上に乗り上げるように形成された多結晶シリコン4bからなる第2層電極とからなる2層構造の電荷転送電極4を有し、この第1層および第2層電極の端部が側壁絶縁膜6を介して分離され、この側壁絶縁膜6から露呈する第1層および第2層電極表面に自己整合的にチタンシリサイド膜5Sを形成し、電荷転送電極の低抵抗化をはかるもので耐圧不良や短絡のない固体撮像素子を形成するようにしたことを特徴とする。
【0064】
なおこのゲート酸化膜は、酸化シリコン膜2aと窒化シリコン膜2bと酸化シリコン膜2cとの3層構造膜で構成される。
【0065】
そしてこの固体撮像素子は、所望の素子領域の形成されたシリコン基板1表面に、ゲート酸化膜2を介して配列形成される2層構造の電荷転送電極4が、側壁絶縁膜を有する第1層および第2層電極上にチタン膜を形成し、シリサイド化を行い、シリサイド化されずに残ったチタン膜を選択的に除去することにより、自己整合的に、金属シリサイド層を形成される。
【0066】
またこの電極間絶縁膜3は、第1層電極形成後にフォトリソグラフィによって形成される
【0067】
次にこの固体撮像素子の製造工程について説明する。
まず、n型のシリコン基板1表面に、膜厚15nmの酸化シリコン膜と、膜厚50nmの窒化シリコン膜と、膜厚10nmの酸化シリコン膜を形成し、3層構造のゲート酸化膜2を形成する。
【0068】
続いて、このゲート酸化膜2上に、PH3を添加するとともにHeで希釈したSiH4を反応性ガスとして用いた減圧CVD法により、膜厚0.4μmの第1層アモルファスシリコン膜4asを形成する。このときの基板温度は500〜600℃とする。
【0069】
続いて、そしてこの上層にポジレジストを厚さ0.5〜1.4μmとなるように塗布する。
【0070】
そして、フォトリソグラフィにより所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅0.3から数μmのレジストパターンを形成する。
【0071】
この後、HBrとO2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンをマスクとし、ゲート酸化膜2をエッチングストッパとして第1層多結晶シリコン膜を選択的にエッチング除去したのち、レジストパターンを剥離除去し、第1層電極を形成する。ここではECRあるいはICPなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【0072】
続いて、熱酸化により第1層電極の表面に膜厚80nmの酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜3を形成する。
【0073】
このようにして、電極間絶縁膜3を形成する。
【0074】
次に、PH3とSiH4ガスを用いた減圧CVD法により膜厚0.4〜0.7μmの第2層アモルファスシリコン膜4bsを形成し、第1層アモルファスシリコン膜の場合と同様にフォトリソグラフィによりパターニングし、第2層電極を形成する。
【0075】
そして、図5(a)に示すように、この上層に減圧CVD法により酸化シリコン膜6を形成する。
【0076】
そして、図5(b)に示すように、異方性エッチングにより、第1層及び第2層電極のアモルファスシリコン膜を露出させ、また第1層及び第2層電極の側壁に酸化シリコン膜6を残留せしめる。なおこの側壁絶縁膜の幅は、酸化シリコン膜の膜厚によって制御可能であり、酸化シリコン膜の膜厚を上げていくと側壁絶縁膜の幅も広くなり、隣接電極間の短絡マージンを広げることができる。また第1および第2の電極上の酸化シリコン膜の膜厚が160nmの場合、側壁絶縁膜の幅は160nmである。また、この熱酸化工程でドープトアモルファスシリコン膜は多結晶シリコン膜となる。この酸化シリコン膜は減圧CVD法によって形成したが、熱酸化膜あるいは熱酸化膜とCVD法によって形成した酸化シリコン膜との積層構造体でもよい。
【0077】
そして、図5(c)に示すように、第1層および第2層電極を構成する多結晶シリコン膜4a、4bの上層に、スパッタリング法などにより、膜厚50〜300nmのチタン膜5を形成する。
【0078】
続いて、図5(d)に示すように、760℃90秒のRTA(急速熱処理)を行い、第1及び第2層電極としてのの多結晶シリコン膜4a、4bとチタン膜5との界面に同時にチタンシリサイド5Sを形成する。なお、縮退濃度までリンをドープした多結晶シリコンではシリサイド化のための加熱温度は760℃が最適である。 このとき多結晶シリコンとチタンとの反応は第1および第2の電極上でのみ起こり、側壁絶縁膜6で覆われているフォトダイオード上や、絶縁膜で覆われている周辺回路上のチタンは未反応のままとなる。ただし、このチタンシリサイドはC−49結晶構造を有し、第1及び第2層電極とで構成される電荷転送電極としての比抵抗は比較的高い。
【0079】
この後、図5(e)に示すように、アンモニアと過酸化水素水の混合液を用いたSC−1処理を行い、未反応のチタン膜を除去し、800℃90秒のアニール工程を経てチタンシリサイドの低抵抗化をはかり、多結晶シリコン膜とチタンシリサイドとの2層構造の電荷転送電極が形成される。
【0080】
そしてこの上層に膜厚100nmのP−TEOS膜を形成した後、膜厚700nmのBPSG膜を形成し、850℃でリフローし平坦化して絶縁膜70、を得る。この後遮光膜、カラーフィルタ50、マイクロレンズ60などを形成して、図1に示したような固体撮像素子を得る。
【0081】
この方法によれば、第1層及び第2層電極を構成するドープトアモルファスシリコン膜を、熱酸化工程およびシリサイド化工程における熱処理を利用して多結晶化を行うことができ、不純物濃度が均一でかつ結晶性の高い多結晶シリコン膜を得ることができる。
【0082】
また、第1層及び第2層電極を構成するドープトアモルファスシリコン膜の側壁に側壁絶縁膜を形成し、この側壁絶縁膜から露呈するドープトアモルファスシリコン膜の表面にチタンシリサイド膜を形成しているため、耐圧不良や短絡が生じることはない。従って微細で信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
【0083】
また、表面反射率が高く、ハレーションなどにより加工が難しい金属膜のパターニングが不要となる。すなわち、表面反射の影響により精度が低下したりすることなく、ドープトアモルファスシリコン膜のパターンを形成すると共にエッジを側壁絶縁膜で被覆し、このパターン上でのみシリサイド化を生ぜしめ、金属シリサイド膜を選択的に形成することにより、2層構造の電荷転送電極を自己整合的に形成することができる。また2層構造の電荷転送電極を1回のシリサイド化工程で多結晶化するとともにシリサイド化しているため、高温工程の回数を少なくすることができる。従って、マスクずれもなく高精度で信頼性の高い電荷転送電極を持つ固体撮像素子を形成することが可能となる。
【0084】
さらに、フォトダイオード形成時に、シリコン面が露出した際に金属が触れると汚染の原因となるが、この例では、金属膜の形成もシリサイド化のための熱処理も1回ですむ上、RTAを用いるため短時間ですむ。従って、フォトダイオード形成後に電極形成を行うようにしても、拡散長の伸びによる接合面のずれも少なく高品質の固体撮像素子を形成することができる。従って金属イオンによるフォトダイオードの汚染を防止することができ、信頼性の向上をはかることができる。
【0085】
膜厚400nmのn型多結晶シリコンでは、通常シート抵抗は20Ω/cm2であるが、本実施の形態では膜厚120nmのチタンをスパッタリングにより形成した場合で、1μm幅の転送電極で2Ω/cm2と大幅に抵抗の低減をはかることができた。
【0086】
本実施の形態のハニカムCCDにおいては、全画素読み出し方式であっても転送電極は2層電極構造で構成することができ、シリサイド層が他の位相の転送電極にさえぎられることなく電極の長手方向に沿って連続的に形成することができる。従って転送電極の長手方向の全長にわたって低抵抗化することができる。また転送電極は一様にシリサイド化されているため、電極材料の仕事関数の変化による電荷転送路でのポテンシャル変動が発生せず、シリサイド化されていない部分での電極の抵抗上昇を生じることがない。
【0087】
なお、前記実施の形態では、ドープトアモルファスシリコンから一旦760℃90秒程度のRTAによりC49構造にし、SC−1処理を行い、不要部のチタン膜を除去した後、800℃90秒程度の熱処理を行いC54構造にして低抵抗化するというプロセスを用いたが、シリサイド化のための熱処理温度を800℃とし一挙にC54構造のチタンシリサイド膜を形成してもよい。このようにして形成されたチタンシリサイド膜は安定で低抵抗(比抵抗:15Ω・cm)である。
【0088】
また、チタンシリサイドの凝集反応による転送電極の上昇はみられなかった。これは高温長時間の熱処理工程なしに形成されるためであると考えられる。
【0089】
また、前記実施の形態では第1層および第2層電極の端部に側壁絶縁膜を形成し、この側壁絶縁膜から露呈する第1層および第2層電極表面にのみ選択的に、シリサイド化を行うようにしているため、シリサイド化のための熱処理温度を800℃とし一挙にC54構造のチタンシリサイド膜を形成しても、側壁絶縁膜の存在により、電極間の短絡もなく高信頼性を維持することができる。
【0090】
さらにまた、前記実施の形態では、P−TEOS膜を形成した後、続いてBPSG膜を形成したが、BPSG膜の形成に先立ち、遮光膜としてのタングステン膜を形成してもよい。
【0091】
なおここで用いる金属シリサイド膜としては、チタンシリサイドのほか、タンタル、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、白金のシリサイドなどが適用可能である。またこれらの金属シリサイドの上層にさらにこれらチタン、タンタル、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、白金の窒化物、合金、化合物、複合物を形成しても良い。
【0092】
なお、本実施の形態は垂直転送電極、水平転送電極ともに適用可能である。
【0093】
また、前記実施の形態では、固体撮像素子の電荷転送電極をドープトアモルファスシリコンの結晶化によって得られる多結晶シリコン膜で形成したが、これに限定されることなく配線、あるいはMOSFETのゲート電極などにも適用可能である。
【0094】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電極内の結晶粒や不純物濃度が均一となり、電極下や隣接する電極間にかかる電圧が一定になり、転送特性の高い固体撮像素子を提供することが可能となる。
【0095】
また、表面に凹凸がなく平坦な多結晶シリコン膜を得ることができるため、多結晶シリコン膜として成膜した多結晶シリコン膜を用いた場合に比べてフォトリソ工程における乱反射も小さく、露光精度の向上をはかることができ、転送電極配線の信頼性の向上をはかることが可能となる。
【0096】
さらに電荷転送電極の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することが可能となる。また、電荷転送電極の低抵抗化により電極の高さをさらに低くすることができ、かつ表面の平坦化を図ることができるため、色むらなどの段差に起因する光学特性不良を低減することが可能となる。さらに、高速転送が可能となるためスミアなどの光学特性を改善することができ、高品質で信頼性の高いCCDを得ることが可能となる。
【0097】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、工数の増大なしに製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板
2・・・第1の絶縁膜(ゲート酸化膜)
3a・・・第2の絶縁膜(酸化シリコン膜)
3・・・電極間絶縁膜
4as、4bs・・・ドープトアモルファスシリコン膜
4a、4b・・・多結晶シリコン膜
5S・・チタン膜
5・・チタンシリサイド
6・・・酸化シリコン膜
30・・・フォトダイオード
31・・・チャネルストップ領域
40・・・電荷転送電極
50・・・遮光膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly to formation of a charge transfer electrode.
[0002]
[Prior art]
A CCD solid-state imaging device used for an area sensor or the like includes a photoelectric conversion unit such as a photodiode and a charge transfer unit including a charge transfer electrode for transferring a signal charge from the photoelectric conversion unit. A plurality of charge transfer electrodes are arranged adjacent to each other on a charge transfer path formed on the semiconductor substrate.
[0003]
In recent years, in solid-state imaging devices, the number of imaging pixels has increased to more than gigapixels, but with the increase in the number of pixels, high-speed transfer of signal charge, that is, driving by high-speed pulses of the charge transfer electrode, There is a demand for miniaturization and low resistance of charge transfer electrodes.
[0004]
Conventionally, a polycrystalline silicon film doped with impurities has been used for the charge transfer electrode.
[0005]
However, conventional solid-state imaging devices are prone to short-circuit defects such as inter-electrode leakage due to miniaturization, and sufficient accuracy cannot be obtained by photolithography. The problem of becoming has become apparent.
[0006]
In addition, demands for miniaturization of charge transfer electrodes and low resistance of charge transfer electrode materials are increasing.
In such a demand, the thickness of the charge transfer electrode tends to be reduced, and as the polycrystalline silicon film becomes thinner, the breakdown voltage of the gate oxide film decreases.
[0007]
As a result of various investigations, the present inventors have discovered that these problems are caused by polycrystalline silicon crystal grains and grain boundaries.
[0008]
That is, in the case of a polycrystalline silicon film, the surface has irregularities due to crystal grains. Usually, in a charge transfer electrode using a polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film is oxidized to form an interelectrode insulating film.
[0009]
When a silicon oxide film is formed by oxidizing the surface of the polycrystalline silicon film in this way, the stress caused by the volume expansion works due to the influence of the crystal grains, and the force is relaxed. Therefore, the surface of the silicon oxide film formed on the electrode surface Also, irregularities may be formed.
[0010]
In this case, when this protrusion approaches an adjacent electrode through the insulating film, a leak between the electrodes may occur and a short circuit failure may occur.
[0011]
In addition, as miniaturization progresses, there is a problem that short-circuiting between electrodes occurs due to deterioration of exposure accuracy due to irregular reflection in the photolithography process due to the unevenness of the electrode surface, electrode wiring becomes thin, resistance rises and wiring breakage is likely to occur. There is.
[0012]
In addition, there is a problem that it is difficult to apply a voltage evenly under the electrodes or between adjacent electrodes due to non-uniformity of crystal grain size when forming a polycrystalline silicon film and non-uniformity of impurity doping during phosphorus treatment. . For this reason, the potential of the transfer path is non-uniform and transfer failure is likely to occur.
[0013]
Further, when patterning a thin polycrystalline silicon film, an etching gas permeates from the grain boundary in the etching process, and the gate oxide film disappears in a region corresponding to the grain boundary of the polycrystalline silicon film constituting the gate electrode. Sometimes it became thinner. For this reason, the gate breakdown voltage decreases.
[0014]
Thus, the problem that the flatness of the electrode surface is lowered due to the influence of crystal grains has been a problem in the past, and various measures have been taken. For example, in the formation of a capacitor electrode of a DRAM, a method has been proposed in which the film formation process is divided into two steps, and the film is formed again at a reduced temperature, thereby flattening the surface and reducing the resistance (patent). Reference 1).
[0015]
[Patent Document 1]
JP-A-5-347258
[0016]
In this case, it is a polycrystalline silicon film formed on the insulating film, and since the base is not as thin as the gate oxide film, it is caused by the grain boundary of the polycrystalline silicon film as in the case of the charge transfer electrode. There is no problem such as reduced pressure resistance.
[0017]
In the case of a DRAM, there are problems in reducing the specific resistance of the capacitor electrode itself and reducing the irregularities on the surface of the capacitor electrode.
[0018]
Since the lower layer of the capacitor electrode is a thick interlayer insulating film, the impurity distribution at the interface with the gate oxide film existing in the lower layer did not become a problem as in the case of the charge transfer electrode.
[0019]
On the other hand, as described above, the solid-state imaging device has a problem that the gate oxide film becomes thin in the region corresponding to the grain boundary in the etching process, and the gate breakdown voltage is lowered.
[0020]
In particular, in the case of a multilayer electrode structure, the level difference becomes large. Therefore, in the case of an interlayer insulating film between the first layer electrode and the second layer electrode, unevenness is formed on the surface at the edge and the film thickness is also thin. In particular, a portion having a thin film thickness is likely to be formed at the edge, and an electric field is applied. Therefore, in particular, the problem of thinning of the interlayer insulating film due to the grain boundary is serious.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional solid-state imaging device has a problem that a short circuit is likely to occur in the oxide film due to fine unevenness caused by crystal grains on the surface of the charge transfer electrode.
In addition, even if a short circuit does not occur, the impurity concentration and film quality in the electrode are non-uniform, so the in-plane potential under the electrode is non-uniform, and the electric field strength applied between adjacent electrodes is likely to vary, resulting in characteristic deterioration. It was the cause.
In particular, in the case of a fine and thin charge transfer electrode, the breakdown voltage of the gate oxide film due to the grain boundary is serious.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a charge transfer element capable of high-speed transfer without causing a decrease in yield even when an electrode is thinned and miniaturized.
[0022]
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device that is easy to manufacture and highly reliable.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, when forming the charge transfer electrode, an amorphous silicon film is formed while doping impurities, and this is polycrystallized by heat treatment to form an electrode having a uniform film quality.
[0024]
That is, in the solid-state imaging device according to the present invention, in the solid-state imaging device including the photoelectric conversion unit formed on the surface of the semiconductor substrate and the charge transfer unit that transfers the charge generated in the photoelectric conversion unit, the charge transfer unit The charge transfer electrode includes a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film.
[0025]
According to such a configuration, since the charge transfer electrode is configured to include a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film, the crystal grain size and impurity concentration in the electrode are uniform, The voltage applied between the electrodes below and between adjacent electrodes is constant, and transfer defects do not occur. Transfer is possible even when thinning and miniaturization and high integration without thinning, withstand voltage failure due to loss of gate oxide film, etc. It is possible to provide a solid-state imaging device having excellent characteristics.
Further, since unevenness on the electrode surface is reduced, irregular reflection in the photolithography process is also reduced, and as a result, the exposure accuracy is improved and the reliability of the transfer electrode wiring is improved.
[0026]
The charge transfer electrode includes a first layer electrode including a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film formed on the semiconductor substrate surface via a gate oxide film, and the gate oxide film. Two layers including a second layer electrode including a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film formed so as to run on the first layer electrode via an interelectrode insulating film from above It has an electrode structure.
[0027]
According to such a configuration, even if the interelectrode insulating film is thinned, the first layer electrode and the second layer electrode are formed by crystallization of doped amorphous silicon, so that the impurity concentration is uniform and there are no irregularities due to crystal grains. Therefore, it is possible to provide a solid-state imaging device having good transfer characteristics without causing electric field concentration and without causing a short circuit or a transfer failure.
[0028]
Further, if a metal silicide film is formed on the surface of the doped amorphous silicon film, silicidation proceeds uniformly, so that local rise does not easily occur, and a short circuit between electrodes can be suppressed. Even if the thickness of the doped amorphous silicon film is further reduced, the resistance can be reduced and a uniform impurity concentration can be maintained. Therefore, the transfer characteristics can be further improved. In addition, since crystallization is performed during the heat treatment for silicidation, the number of man-hours is not increased.
[0029]
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a solid-state imaging device including a photoelectric conversion unit formed on the surface of a semiconductor substrate and a charge transfer unit that transfers charges generated by the photoelectric conversion unit. In the manufacturing method, the step of forming the charge transfer electrode of the charge transfer unit includes a step of forming a doped amorphous silicon film on the surface of the semiconductor substrate via a gate oxide film, and a step of forming the doped amorphous silicon film. And a crystallization step of polycrystallizing by heat treatment.
[0030]
According to such a configuration, the charge transfer electrode is formed by annealing the doped amorphous silicon film to form a polycrystalline silicon film, so that a doping step is not required, and crystal grains and impurity concentrations in the electrode are eliminated. Therefore, it is possible to provide a solid-state imaging device having a uniform transfer voltage under the electrodes and between adjacent electrodes and having excellent transfer characteristics. Further, it can be easily formed without increasing the number of man-hours.
[0031]
In addition, when crystallization is performed simultaneously with the oxidation step for oxidizing the surface of the doped amorphous silicon film, the number of man-hours is not increased.
[0032]
Desirably, if a metal film is formed on the doped amorphous silicon film and silicidation is performed simultaneously with crystallization, a charge transfer electrode having low resistance and high reliability can be obtained without increasing the number of steps. Can be obtained.
[0033]
Further, if the metal film remaining without being silicidized is selectively removed, and the metal silicide film is further annealed, crystallization is performed in these silicidation and annealing processes, so that it can be easily reduced. It becomes possible to obtain a charge transfer electrode having high reliability with resistance.
[0034]
Further, if titanium silicide is used as the metal silicide film, the resistance can be further reduced.
[0035]
More preferably, if cobalt silicide is used as the metal silicide film, it is possible to form a silicide film having a lower resistance without aggregation due to heat in the subsequent process.
[0036]
The metal silicide film may be nickel, palladium, platinum, or tantalum silicide.
[0037]
Note that this silicidation step is preferably heated to 690 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere.
Moreover, if the first annealing after the removal of the metal film that has not been silicided is insufficient, the silicide film can be reduced in resistance by heating to 800 ° C. or higher.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic plan view showing the photoelectric conversion portion to the charge transfer electrode, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
As shown in FIG. 1, a plurality of
[0039]
As shown in FIG. 1B, a
[0040]
Above the solid-state imaging device, a
[0041]
Next, the manufacturing process of this solid-state image sensor will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, a 15 nm thick silicon oxide film, a 50 nm thick silicon nitride film, and a 10 nm thick silicon oxide film are formed on the surface of an n-
[0042]
Then, exposure is performed using a desired mask by photolithography, and development and washing are performed to form a resist pattern R having a pattern width of 0.5 μm.
[0043]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, HBr and O 2 Then, the doped amorphous silicon film 4as and the
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 2 (c), RTA at 900 ° C. for 30 seconds is performed in an oxygen atmosphere, and TEOS and
[0045]
Then, as shown in FIG. 2D, the etching is advanced only in the vertical direction by anisotropic etching so that the second insulating film (silicon oxide film) 3a is left only on the side wall of the
[0046]
Next, as shown in FIG. 2E, SiH is formed in the same manner as the doped amorphous silicon film forming step. Four And PH Three A doped amorphous silicon film 4bs having a film thickness of 0.4 to 1.4 μm is formed by a low pressure CVD method using a mixed gas of
[0047]
Then, as shown in FIG. 2F, the surface of the substrate is polished by CMP, and further etched by chemical etching until the upper surface of the interelectrode
Then, an insulating film, a light shielding film, and the like are formed on this upper layer to obtain a solid-state imaging device as shown in FIG.
[0048]
According to this method, an amorphous silicon film is formed while doping impurities, and this is polycrystallized in a subsequent heat treatment step to obtain a doped polycrystalline silicon film. It becomes possible to form a charge transfer electrode made of a polycrystalline silicon film.
[0049]
Further, even when the charge transfer electrode is thin, the gate oxide film is not damaged due to the grain boundary, and the interface between the gate oxide film and the doped amorphous silicon film is flat and uniform.
Therefore, it is possible to improve transfer characteristics.
[0050]
In addition, since it is crystallized in a heating process for thermal oxidation without passing through a special heat treatment process, it is possible to form a fine and highly reliable solid-state imaging device without increasing the diffusion length.
Furthermore, the number of man-hours can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced and the yield can be improved.
[0051]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the conductive layer of the charge transfer electrode is formed of one polycrystalline silicon film formed by crystallizing a doped amorphous silicon film. However, in the second embodiment, the charge transfer electrode has a low conductivity layer. In order to achieve resistance, a two-layer structure in which a conductive film containing metal silicide is formed on the surface side is employed. Here, the amorphous silicon film is crystallized into a polycrystalline silicon film simultaneously with silicidation.
[0052]
FIG. 3 shows a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1A, in which a conductive film such as a titanium silicide film 5S is stacked on the
[0053]
FIGS. 4A to 4H show the process diagrams. FIGS. 4A to 4E show the process diagrams of the first embodiment. FIGS. Since it is the same as that, the description is omitted.
[0054]
Thereafter, as shown in FIG. 4 (f), HBr and O 2 The surfaces of the
[0055]
Then, silicidation is performed by RTA at 900 ° C. for 30 seconds, and the doped amorphous silicon is crystallized. As a result, the doped amorphous silicon film becomes a polycrystalline silicon film. Then, the interface between the
[0056]
Subsequently, as shown in FIG. 4 (h), SC-1 (NH Four OH: H 2 O 2 : H 2 O = 1: 1: 5) The
[0057]
In this way, the charge transfer electrodes made of the
[0058]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first and second embodiments, the crystallization of doped amorphous silicon is performed in the silicon oxide film forming step and the silicidation step, but may be performed as a separate step. Even when ion implantation is performed on the polycrystalline silicon film, it can be seen that the number of man-hours does not increase as a separate process even if a drive-in heat treatment at 900 to 950 ° C. for about 30 minutes is required.
[0059]
In this way, it is possible to form a charge transfer electrode that is easy to manufacture and highly reliable.
[0060]
In the above-described embodiment, the single-layer electrode structure has been described. However, the present invention can also be applied to a structure in which the second-layer electrode runs on the first-layer electrode, and the heat treatment for crystallization is performed at the same time later. Therefore, it is possible to form a highly reliable electrode without increasing the number of steps.
[0061]
(Fourth embodiment)
Next, a method for manufacturing a solid-state imaging device having a two-layer electrode structure will be described as a fourth embodiment of the present invention.
[0062]
This solid-state imaging device is formed in the same manner as that described in FIG. 1 of the first embodiment except that the structure of the charge transfer electrode has a two-layer structure.
[0063]
That is, as shown in the sectional view of the main part in FIG. 5 (e), the first composed of the
[0064]
This gate oxide film is constituted by a three-layer structure film of a
[0065]
In this solid-state imaging device, the charge transfer electrode 4 having a two-layer structure arranged on the surface of the
[0066]
The interelectrode
[0067]
Next, the manufacturing process of this solid-state image sensor will be described.
First, a silicon oxide film having a thickness of 15 nm, a silicon nitride film having a thickness of 50 nm, and a silicon oxide film having a thickness of 10 nm are formed on the surface of the n-
[0068]
Subsequently, on the
[0069]
Subsequently, a positive resist is applied to the upper layer so as to have a thickness of 0.5 to 1.4 μm.
[0070]
Then, exposure is performed using a desired mask by photolithography, and development and washing are performed to form a resist pattern having a pattern width of 0.3 to several μm.
[0071]
After this, HBr and O 2 The first polysilicon film is selectively removed by etching using the resist pattern as a mask by reactive ion etching using a mixed gas with the
[0072]
Subsequently, an interelectrode
[0073]
In this way, the interelectrode
[0074]
Next, PH3 and SiH Four A second layer amorphous silicon film 4bs having a film thickness of 0.4 to 0.7 μm is formed by a low pressure CVD method using gas, and patterned by photolithography in the same manner as in the case of the first layer amorphous silicon film. Form.
[0075]
Then, as shown in FIG. 5A, a
[0076]
Then, as shown in FIG. 5 (b), the amorphous silicon films of the first and second layer electrodes are exposed by anisotropic etching, and the
[0077]
Then, as shown in FIG. 5C, a
[0078]
Subsequently, as shown in FIG. 5D, RTA (rapid heat treatment) at 760 ° C. for 90 seconds is performed, and the interface between the
[0079]
Thereafter, as shown in FIG. 5 (e), SC-1 treatment using a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution is performed, the unreacted titanium film is removed, and an annealing process is performed at 800 ° C. for 90 seconds. The resistance of titanium silicide is reduced, and a charge transfer electrode having a two-layer structure of a polycrystalline silicon film and titanium silicide is formed.
[0080]
Then, after forming a P-TEOS film with a thickness of 100 nm on this upper layer, a BPSG film with a thickness of 700 nm is formed, and reflowed at 850 ° C. and planarized to obtain the insulating film 70. Thereafter, a light shielding film, a
[0081]
According to this method, the doped amorphous silicon film constituting the first layer and the second layer electrode can be polycrystallized using heat treatment in the thermal oxidation step and the silicidation step, and the impurity concentration is uniform. In addition, a polycrystalline silicon film having high crystallinity can be obtained.
[0082]
Further, a sidewall insulating film is formed on the sidewalls of the doped amorphous silicon film constituting the first layer and second layer electrodes, and a titanium silicide film is formed on the surface of the doped amorphous silicon film exposed from the sidewall insulating film. Therefore, no breakdown voltage failure or short circuit occurs. Accordingly, it is possible to obtain a fine and highly reliable solid-state imaging device.
[0083]
Further, it is not necessary to pattern a metal film that has a high surface reflectance and is difficult to process due to halation or the like. In other words, the doped amorphous silicon film pattern is formed and the edge is covered with a sidewall insulating film without reducing accuracy due to the influence of surface reflection, and silicidation occurs only on this pattern, thereby forming a metal silicide film. By selectively forming the charge transfer electrode, a charge transfer electrode having a two-layer structure can be formed in a self-aligned manner. In addition, since the charge transfer electrode having a two-layer structure is polycrystallized and silicided in one silicidation process, the number of high-temperature processes can be reduced. Therefore, it is possible to form a solid-state imaging device having a highly accurate and reliable charge transfer electrode without mask displacement.
[0084]
In addition, when a photodiode is formed, if metal is touched when the silicon surface is exposed, contamination may be caused. In this example, the metal film and the heat treatment for silicidation are required only once, and RTA is used. So it takes a short time. Therefore, even when the electrodes are formed after the formation of the photodiode, a high-quality solid-state imaging device can be formed with little displacement of the joint surface due to the extension of the diffusion length. Therefore, contamination of the photodiode by metal ions can be prevented, and reliability can be improved.
[0085]
For n-type polycrystalline silicon with a thickness of 400 nm, the sheet resistance is usually 20 Ω / cm. 2 However, in this embodiment, when titanium having a thickness of 120 nm is formed by sputtering, a transfer electrode having a width of 1 μm is 2 Ω / cm. 2 It was possible to greatly reduce the resistance.
[0086]
In the honeycomb CCD of the present embodiment, the transfer electrode can be configured with a two-layer electrode structure even in the all-pixel readout method, and the longitudinal direction of the electrode can be achieved without the silicide layer being interrupted by the transfer electrode of another phase. Can be formed continuously. Therefore, the resistance can be reduced over the entire length of the transfer electrode in the longitudinal direction. In addition, since the transfer electrode is uniformly silicided, potential fluctuations in the charge transfer path due to changes in the work function of the electrode material do not occur, and the resistance of the electrode in the non-silicided portion may increase. Absent.
[0087]
In the above embodiment, the doped amorphous silicon is once made into a C49 structure by RTA at about 760 ° C. for about 90 seconds, SC-1 treatment is performed, the unnecessary portion of the titanium film is removed, and then heat treatment at about 800 ° C. for about 90 seconds. Although the process of reducing the resistance by forming the C54 structure is used, the titanium silicide film having the C54 structure may be formed at a time by setting the heat treatment temperature for silicidation to 800 ° C. The titanium silicide film thus formed is stable and has a low resistance (specific resistance: 15 Ω · cm).
[0088]
Further, no increase in the transfer electrode due to the titanium silicide aggregation reaction was observed. This is considered to be because it is formed without a high-temperature and long-time heat treatment step.
[0089]
Further, in the above-described embodiment, sidewall insulating films are formed at the ends of the first layer and second layer electrodes, and silicidation is selectively performed only on the surfaces of the first layer and second layer electrodes exposed from the sidewall insulating films. Therefore, even if a titanium silicide film having a C54 structure is formed at a time by setting the heat treatment temperature for silicidation to 800 ° C., the presence of the sidewall insulating film ensures high reliability without any short circuit between the electrodes. Can be maintained.
[0090]
Furthermore, in the above-described embodiment, the BPSG film is formed after the P-TEOS film is formed, but a tungsten film as a light shielding film may be formed prior to the formation of the BPSG film.
[0091]
As the metal silicide film used here, in addition to titanium silicide, silicide of tantalum, tungsten, molybdenum, nickel, cobalt, platinum, or the like can be applied. Further, nitrides, alloys, compounds, and composites of titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, nickel, cobalt, platinum may be formed on the upper layer of these metal silicides.
[0092]
Note that this embodiment can be applied to both vertical transfer electrodes and horizontal transfer electrodes.
[0093]
In the above-described embodiment, the charge transfer electrode of the solid-state imaging device is formed of a polycrystalline silicon film obtained by crystallization of doped amorphous silicon. However, the present invention is not limited to this, and wiring, MOSFET gate electrodes, etc. It is also applicable to.
[0094]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the crystal grains and the impurity concentration in the electrode are uniform, the voltage applied under the electrode and between adjacent electrodes is constant, and a solid-state imaging device having high transfer characteristics is provided. It becomes possible.
[0095]
In addition, since a flat polycrystalline silicon film with no irregularities on the surface can be obtained, the irregular reflection in the photolithography process is smaller than when a polycrystalline silicon film formed as a polycrystalline silicon film is used, and the exposure accuracy is improved. Thus, the reliability of the transfer electrode wiring can be improved.
[0096]
Furthermore, the thickness of the charge transfer electrode is reduced to improve the light receiving efficiency of the photoelectric conversion unit, and high-speed and high-sensitivity transfer is possible without degrading the electrical breakdown voltage between the charge transfer electrodes, and low power consumption. A solid-state image sensor can be provided. In addition, by reducing the resistance of the charge transfer electrode, the height of the electrode can be further reduced and the surface can be flattened, so that optical characteristic defects due to steps such as color unevenness can be reduced. It becomes possible. Furthermore, since high-speed transfer is possible, optical characteristics such as smear can be improved, and a high-quality and highly reliable CCD can be obtained.
[0097]
In addition, according to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device that is easy to manufacture and highly reliable without increasing the number of steps.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a solid-state imaging element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a solid-state imaging element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Silicon substrate
2... First insulating film (gate oxide film)
3a: second insulating film (silicon oxide film)
3 ... Interelectrode insulating film
4as, 4bs ... doped amorphous silicon film
4a, 4b ... polycrystalline silicon film
5S ・ ・ Titanium film
5. Titanium silicide
6 ... Silicon oxide film
30 ... Photodiode
31 ... Channel stop region
40: Charge transfer electrode
50 ... Light-shielding film
Claims (9)
前記電荷転送部の電荷転送電極が、
ドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含むことを特徴とする固体撮像素子。In a solid-state imaging device comprising a photoelectric conversion unit formed on the surface of a semiconductor substrate, and a charge transfer unit that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit,
The charge transfer electrode of the charge transfer unit is
A solid-state imaging device comprising a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film.
前記ゲート酸化膜上から、電極間絶縁膜を介して前記第1層電極上に乗り上げるように形成されたドープトアモルファスシリコン膜をアニールして形成された多結晶シリコン膜を含む第2層電極とを含む2層電極構造をなすことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。The charge transfer electrode includes a first layer electrode including a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film formed on a surface of the semiconductor substrate via a gate oxide film;
A second layer electrode including a polycrystalline silicon film formed by annealing a doped amorphous silicon film formed so as to run on the first layer electrode from above the gate oxide film via an interelectrode insulating film; 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a two-layer electrode structure including
前記電荷転送部の電荷転送電極を形成する工程が、
前記半導体基板表面に、ゲート酸化膜を介してドープトアモルファスシリコン膜を成膜する成膜工程と、
前記ドープトアモルファスシリコン膜を熱処理により多結晶化する結晶化工程とを含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。In a method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising: a photoelectric conversion unit formed on the surface of a semiconductor substrate; and a charge transfer unit that transfers charges generated in the photoelectric conversion unit.
Forming a charge transfer electrode of the charge transfer portion,
A film forming step of forming a doped amorphous silicon film on the surface of the semiconductor substrate via a gate oxide film;
And a crystallization step of polycrystallizing the doped amorphous silicon film by heat treatment.
前記結晶化工程は、同時に前記ドープトアモルファスシリコン膜と前記金属膜との界面に、金属シリサイド膜を形成するシリサイド化工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。Forming a metal film on the doped amorphous silicon film,
6. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein the crystallization step includes a silicidation step of simultaneously forming a metal silicide film at an interface between the doped amorphous silicon film and the metal film. .
さらに前記金属シリサイド膜をアニールする工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子の製造方法。A step of selectively removing the metal film remaining without being silicided;
7. The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 6, further comprising a step of annealing the metal silicide film.
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JP2017524911A (en) * | 2014-06-11 | 2017-08-31 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | Vehicle rider system |
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