JP2004363480A - Manufacturing method of solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の製造方法に係り、特に単層電極CCD(電荷結合素子)構造をもつ固体撮像素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
エリアセンサ等の撮像デバイスであるCCDを用いた固体撮像素子は、基本構造として、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電荷読み出し部と、読み出し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。この電荷転送電極は、半導体基板表面に形成された電荷転送チャネル上に複数個隣接して配置され、クロック信号で順次に駆動される。
【0003】
従来、電荷転送電極は、2層電極構造をとるものが主流であり、第1の電極(下層電極)形成後、絶縁膜を挟んで第2の電極(上層電極)を形成するという方法がとられている(例えば特許文献1)。この場合は、電荷転送電極のパターニング後に、新たに上記電荷転送電極のパターンに位置合わせして形成した、開口をもつレジストパターンを形成し、光電変換部の電極材料をエッチング除去し、光電変換部を構成するフォトダイオード形成のためのイオン注入を行うという方法がとられている。
【0004】
また、特許文献2においても、2層電極構造の固体撮像素子において、光電変換部の形成に際し、上層側の第2の電荷転送電極を形成した後、受光部形成のための開口を形成し、イオン注入を行う方法が提案されている。
【0005】
また、近年単層電極構造の固体撮像素子が提案されている。例えば、電極材料を堆積後、フォトダイオードの拡散層形成用の開口パターンを有するレジストをエッチングマスクにしたドライエッチングで、上記単層の電極材料に拡散層形成用の開口部を形成し、引き続いて上記レジストをマスクにしたイオン注入を行いフォトダイオードの拡散層を形成した後に、上記電極材料をドライエッチングし電荷転送電極を形成する技術も提案されている(特許文献3)。
【0006】
また、このような単層構造の固体撮像素子では、電極形成のための工数が低減されるだけでなく、2層電極構造の電荷転送電極で生じていた第1の電極/第2の電極間の重なり部分はなくなり、隣接する電荷転送電極間の浮遊容量を小さくすることができる。
【0007】
このように、固体撮像素子の微細化が進み、電荷転送電極の高速駆動が容易になり信号電荷の高速転送が進むと共に、固体撮像素子の製造工程が以前に増して短縮されてきている。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−120476号公報
【特許文献2】
特開平5−90562号公報
【特許文献3】
特開平9−064333号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば特許文献1に記載されたように、電荷転送電極形成後、開口を設けたレジストマスクを用いてフォトダイオードの拡散層を形成する方法では、フォトリソグラフィ工程において開口が位置ずれした時に、上記拡散層領域と前述した電荷読み出し部の電荷転送電極の端縁との間で位置ズレが生じ、上記領域間での電荷転送効率が低下し、微細化に伴いこの位置ずれは極めて深刻な問題となる。
さらにまた、特許文献2に記載されたように、電荷転送電極をマスクにしたイオン注入によってフォトダイオードの拡散層を形成する方法では、イオン注入のマスクとなり得る電極材料を用いる必要があるため、電極材料の選択に制約がある。また、イオン注入において加速イオンの電荷転送電極突き抜けが起こるために、高エネルギーによる深いイオン注入ができなくなり、結果、光電変換効率の向上が難しくなる。
【0010】
また、2層電極構造の場合、工数が多く生産作業性が悪いのみならず、表面が平坦ではないため、光電変換部の電極材料を除去するためのレジストパターンの形成に際し、高精度の開口を形成するのが困難であるという問題がある。これは感度のばらつきを招き、光電変換特性の低下の原因となっていた。
【0011】
また、特許文献3に記載された方法では、単層電極構造の電荷転送素子が形成されるが、フォトダイオードの拡散層を形成した後に電荷転送電極をドライエッチングで加工するために、このドライエッチング工程で拡散層の表面にエッチング損傷が生じ易くなり、白キズの発生頻度が高くなるという問題を有する。
【0012】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、電荷転送電極端とフォトダイオードの拡散層との位置ずれを防止するとともに白キズの発生を抑制し、微細かつ高精度で信頼性の高い固体撮像素子を提供することを目的とする。
また本発明では、生産性の向上をはかることを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、光電変換部と、単層構造の電荷転送電極を備え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、電荷転送部の電極間領域に絶縁膜が配置されるとともに、前記電極間領域以外の前記電荷転送部と前記光電変換部との表面を覆う電極材料が配置された半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板表面に、前記光電変換部に相当する領域に開口を有するレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして前記開口に露呈する前記電極材料をエッチングする工程と、前記レジストを残したまま前記光電変換部にイオン注入を行う工程とを含むこととを特徴とする。
【0014】
すなわち、本発明では、電荷転送部の電極間領域に絶縁膜が配置されるとともに、前記電極間領域以外の前記電荷転送部と前記光電変換部との表面を覆う電極材料が配置された半導体基板に対し、光電変換部のフォトダイオード形成領域の電極材料をエッチング除去するための開口を有するレジストを形成し、開口形成後、レジストを残した状態でイオン注入を行い光電変換部を形成するようにしており、すべて平坦面に対してリソグラフィを行うことができるため、微細化に際し、極めて高精度の開口を形成することができる。そして、この開口形成のためのレジストを残したままで光電変換部形成のためのイオン注入を行うことにより、自己整合的にフォトダイオードの形成がなされることになる。
【0015】
また、電極間分離領域を形成するための分離溝(ギャップ)形成に際しては、光電変換部上を覆う電極材料は残っているため、エッチングによる光電変換部のダメージに起因する白キズの発生を防止することができる。
【0016】
また、上記方法において、前記半導体基板を準備する工程は、半導体基板表面全体に前記電極材料を形成する工程と、前記半導体基板上の前記電極間領域に相当する領域に開口を有するレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして前記電極材料をエッチングし分離溝を形成する工程と、前記分離溝内に絶縁膜を形成する工程とを含む
【0017】
さらにまた、上記方法において、前記半導体基板を準備する工程は、半導体基板上の前記電極間領域に相当する領域に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の形成された前記半導体基板表面全体に前記電極材料を形成する工程と、前記絶縁膜上の前記電極材料を除去し、表面を平坦化する工程とを含むことを特徴とする。
【0018】
このように本発明では、電荷転送電極を構成する単層電極材のエッチング加工に用いたレジストマスクを、光電変換部のフォトダイオードを形成するための不純物イオン注入用のマスクとしてそのまま使用するため、フォトダイオードが電荷転送電極に対して自己整合的に形成できるために、高精度の寸法制御が可能になり固体撮像素子の微細化あるいは画素数の増加が容易になる。そして、この開口に用いたレジストマスクを、イオン注入のマスクとして使用しているため、実際は、電荷転送電極のフォトダイオード形成領域との境界即ち、フォトダイオード形成領域側の端縁は、フォトダイオード形成領域の開口時に形成されることになり、フォトダイオードは電荷読み出し電極の端縁に自己整合的に形成されることから、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷(電子あるいは正孔)が電荷読み出しチャネルを通って埋め込みチャネルへと効率よく移送される。
このようにして、光電変換部から電荷転送部への電荷転送効率が大幅に向上する。
【0019】
また、一連の製造工程が効率化され、その製造コストの低減が可能となる。
【0020】
また、本発明では、上記不純物イオン注入において、レジストマスクと電荷転送電極とが注入マスクになるために、イオンの加速エネルギーを高くすることができ深い拡散層が容易に形成でき、高い光電変換効率を有する光電変換部が容易に形成できるようになる。
【0021】
更に本発明では、電荷転送電極をエッチング加工で形成した後にフォトダイオードの拡散層を形成するために、従来の技術で説明したようなフォトダイオードの拡散層での結晶損傷の問題はなくなり、白キズの発生確率は大幅に低減する。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図1乃至5に基づいて説明する。以下の実施の形態では、本発明の特徴となる、光電変換部のフォトダイオードと電荷転送部の形成方法を工程順に説明する。
【0023】
(第1の実施の形態)
本実施の形態では、微細加工技術の進展に伴い単層の電極材料をエッチング加工することで、狭い電極間分離領域を有する単層電極構造の電荷転送電極からなる固体撮像素子の形成が可能となり、この点に着目し、1回のフォトリソグラフィ工程で容易に加工でき、かつエッチングによるダメージに起因する白キズの発生がなく特性のばらつきのない固体撮像素子を形成するものである。
図1乃至5は、第1の実施の形態を説明するための、光電変換部のフォトダイオードと電荷転送部の製造工程図である。図1と図3は、レジストパターンの平面説明図であり、図2、図4、図5は、上記平面図のA−A′断面図である。
【0024】
図2(a)に示すように、例えば不純物濃度1016原子/cm3程度のp型のシリコン基板1表面に、電荷転送チャネルとなるn−型のCCD埋め込みチャネル2を形成する。ここで、図示しないが素子分離部となるp+型のチャネルストッパが基板表面の所定の領域に形成されている。次いで、基板表面を熱酸化し膜厚30nm程度の酸化シリコン膜3aを形成し、続いてLPCVD(減圧CVD)法で膜厚50nm程度の窒化シリコン膜3bを形成し、再び酸化して膜厚3nm程度の酸化シリコン膜3cを形成し、いわゆるONO構造のゲート酸化膜3を形成する。
【0025】
そして、単層電極材料となるタングステンポリサイド膜で電極材料膜4をゲート酸化膜3上に堆積する。このタングステンポリサイド膜は、膜厚100nm程度のn+ 型ポリシリコン層上に膜厚200nm程度のタングステンシリサイド層が積層して形成される。ここで、電極材料膜4として、その他にチタンポリサイド膜、コバルトポリサイド膜等の高融点金属のシリサイド層とポリシリコン層の積層膜を用いてもよい。
【0026】
次に、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて、電極材料膜4上に第1のレジストマスクR1を形成する。図1に平面図を示すように、第1のレジストマスクR1には第1の分離開口5および第2の分離開口6のパターンが一定のピッチで形成されている。これらの分離開口は埋め込みチャネル2のパターンに対して交差し、そのパターン幅は0.2μm程度に形成される。このフォトリソグラフィ工程において、フォトレジストへのパターン転写は、周知のKrFエキシマレーザ光を用いて行う。前記パターン幅は0.1μm以下でもよい。望ましくはLELACS法を用いてレジストパターンの開口幅を狭くするようにすれば、より微細なパターン形成が可能となる。
【0027】
次に、図2(b)に示すように、第1のレジストマスクR1をエッチングマスクにして、電極材料膜4をRIE(反応性イオンエッチング)でドライエッチングする。このようにして、所定の領域である第1の分離開口5下および第2の分離開口6下の電極材料膜4を選択的に除去し、分離ギャップ域を有する分離された電極材料膜4に加工する。ここで、エッチングガスには、HBrとCl2 の混合ガスを用いる。このガスでは酸化シリコン膜3cとのエッチング選択比が高く酸化シリコン膜3cはほとんどエッチングされずエッチングストッパとして機能する。
【0028】
次に、図2(c)に示すように、第1のレジストマスクR1を周知のアッシング法で除去し、O3 とTEOS(テトラエトキシシラン)を反応ガスとしたAPCVD(常圧CVD)法で膜厚100nm程度の酸化シリコン膜を全面に堆積させ電極間絶縁膜7を形成する。この成膜方法は埋め込み性に優れており、上記電極材料膜4の分離ギャップ域は完全に酸化シリコン膜で充填される。上記方法の他、埋め込み性に優れた成膜方法としては、SOG法、減圧CVD法などを用いてもよい。
【0029】
次に、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて、図4(a)に示すように、上記電極間絶縁膜7上にPD開口8のパターンをもつ第2のレジストマスクR2を形成する。図3の平面図に示すように、第2のレジストマスクR2には、光電変換部のフォトダイオード領域になる多数のフォトダイオード部形成用開口(PD開口)8が一定間隔で2次元的に配列される。ここで、PD開口8のパターンは第2の分離開口6のパターンと一部で重なるように形成する。
【0030】
続いて、図4(b)に示すように、第2のレジストマスクR2をエッチングマスクにして、電極間絶縁膜7と分離された電極材料膜4を反応性イオンエッチング(RIE)で順次にドライエッチングする。ここで、電極間絶縁膜7のエッチングガスとしては、例えばC4 F8 を用い、電極材料膜4のエッチングガスとしては上述したHBrとCl2 の混合ガスを用いる。この第2のレジストマスクR2をエッチングマスクにしたPD開口8下の電極材料膜4のエッチング除去で初めて、単層の電荷転送電極となる第1の転送電極9、第2の転送電極10、第3の転送電極11、第4の転送電極12等が所定のピッチで形成されることになる。上述したように、PD開口8のパターンと第2の分離開口6のパターンとが重なるように形成されることで、上記第2の転送電極10と第3の転送電極11が完全に分離される。ここで、第1の転送電極9および第3の転送電極11は、フォトダイオードからの電荷読み出し部の電荷読み出し電極としての役割も有するものである。
【0031】
次に、図4(c)に示すように、上記第2のレジストマスクR2をそのままイオン注入マスクにして、ONO構造のゲート酸化膜3を通してリンイオン13をシリコン基板1表面に注入する。ここで、注入条件として、加速エネルギーは500〜600keV、ドーズ量は1010〜1013/cm2 程度に設定する。このようにして、n型拡散層14を形成する。続いて、周知のアッシング法で第2のレジストマスクR2を除去し、窒素ガス雰囲気で900℃のアニール処理を施す。このアニール処理で、シリコン基板1中のリン不純物の活性化と注入損傷の回復を行う。
【0032】
このようにして、図5(a)に示すように、p型のシリコン基板1とn型拡散層14とでフォトダイオードが形成される。ここで、n型拡散層14の不純物濃度は1017原子/cm2 程度であり、その深さは1μm程度である。次に、O2 雰囲気で800℃程度の熱酸化を施し、第1の転送電極9の側壁を酸化(側面酸化)する。このようにして、図5(b)に示すように、p型のシリコン基板1表面にn− 型の埋め込みチャネル2が形成され、酸化シリコン膜3a、3cと窒化シリコン膜3bから成るONO構造のゲート酸化膜3を介して、シリコン基板1上に第1の転送電極9、第2の転送電極10、第3の転送電極11、第4の転送電極12と所定数の電荷転送電極が形成される。ここで、第1の転送電極9は電荷読み出し部の電荷読み出し電極として機能するため、図に示す電荷読み出しチャネル15上部にも形成される構造になる。この電荷読み出し電極の駆動により、上記フォトダイオードのn型拡散層14からの電荷(電子)を埋め込みチャネル2に読み出すことになる。以上が固体撮像素子の基本構造となる。
【0033】
なお、図示しないが、素子分離部となるp+ 型のチャネルストッパは、上記n型拡散層14の周辺域に電荷読み出しチャネル15領域を除いて形成される。
また、以後の工程において、更に上部に層間絶縁膜を挟んで、遮光膜、カラーフィルター、集光用のマイクロレンズ等が周知の技術を用いて形成されるが、これらの説明は省略する。
【0034】
この他、本発明の実施の形態では、図1において、全ての第2の分離開口6を横方向につなぎ、第1の分離開口5と同じように横方向に延びるパターンとなるようにしてもよい。そして、図3において、PD開口8の領域に形成された上記電荷転送電極の電極間ギャップにも幅0.2μm程度の電極間絶縁膜が形成されるようになるが、n型拡散層14の深さは1μm程度になり、フォトダイオードが上記電極間絶縁膜の下部で途切れることはない。この場合でも同様に、高精度、高性能な光電変換部が容易に形成される。
【0035】
このように本発明では、単層電極材あるいは電荷転送電極のエッチング加工に用いるレジストマスクを、フォトダイオードの拡散層を形成するための不純物イオン注入用のマスクとしてそのまま使用するために、フォトダイオードが電荷転送電極に対して自己整合的に形成でき、固体撮像素子の微細化あるいは画素数の増加が更に容易になる。また、一連の製造工程が効率化され製造コストの低減が容易になる。
【0036】
そして、本発明では、上記不純物イオン注入において、レジストマスクと電荷転送電極とが注入マスクになるために、イオンの加速エネルギーを高くすることができ深い拡散層を容易に形成することができる。このために、光電変換効率の高いフォトダイオードが容易に形成できるようになる。これは、比較的に低濃度の不純物で深い拡散層が形成できるために、光電変換部での受光において、フォトダイオードの空乏層が拡散層側に拡がり易くなり、そこで発生する電荷が効率よく拡散層に取り込めるようになるからである。
【0037】
また、フォトダイオードは電荷読み出し電極に自己整合的に形成されることから、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷(電子あるいは正孔)が電荷読み出しチャネルを通って埋め込みチャネルへと効率よく移送できる。このようにして、光電変換部から電荷転送部への電荷転送効率が大幅に向上するようになる。
【0038】
更に本発明では、上述したように、電荷転送電極をエッチング加工で形成した後にフォトダイオードの拡散層を形成している。このために、上記電荷転送電極エッチング加工による誘起欠陥等の損傷が拡散層に生じることは無くなる。このようなドライエッチング誘起の結晶欠陥は、特許文献2の場合のように、イオン注入した拡散層にドライエッチングが付加される場合に生じ易く、しかも、そのアニールによる結晶回復が難しいものである。このような理由から、本発明の方法によれば、特許文献2で見られたような白キズの発生確率は大幅に低減するようになる。
【0039】
(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。
前記第1の実施の形態では、半導体基板表面に電極材料を形成し、電極間分離領域に分離溝を形成し、これに絶縁膜を充填したが、本発明の第2の実施の形態として、半導体基板上の前記電極間領域に相当する領域に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の形成された半導体基板表面全体に前記電極材料を形成し、この絶縁膜上の電極材料をCMPあるいはエッチバックなどにより除去し、表面を平坦化し、電荷転送部の電極間領域に絶縁膜が配置されるとともに、前記電極間領域以外の前記電荷転送部と前記光電変換部との表面を覆う電極材料が配置された半導体基板を形成するようにしてもよい。
【0040】
すなわち、電極間に絶縁膜を形成するに際し、多結晶シリコン膜などの酸化可能な膜上に、目的とする電極間距離よりも幅広のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを等方的に処理してパターン幅を縮小化し、このレジストパターンをマスクとしてこの多結晶シリコン膜をパターニングし、これを酸化することにより、狭幅の電極間絶縁膜を形成する。
【0041】
この方法によれば、レジストパターンを解像限界で形成し、これをさらに縮小化処理を行うことにより、幅を微細化することができ、容易に微細パターンを得ることが可能となる。
【0042】
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、図6(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3aと、膜厚50nmの窒化シリコン膜3bと、膜厚10nmの酸化シリコン膜3cを形成し、3層構造のゲート絶縁膜3を形成する。続いてこのゲート絶縁膜3上に、減圧CVD法により、膜厚0.4μmのノンドープの多結晶シリコン膜14を形成する。このときの基板温度は500℃とする。そしてこの上層にOFPRと指称する東京応化製のレジストパターンを厚さ0.8〜1.4μmとなるように塗布しフォトリソグラフィにより、パターン幅0.35μmのレジストパターンR3を形成する。このとき解像限界が0.35μmであった。
【0043】
この後、図6(b)に示すように、レジストパターンを酸素あるいは窒素添加のマイクロ波ダウンストリームタイプアッシング装置を用いて、アッシングを行い、レジストパターンR3の幅を0.1mmに縮小化し、レジストパターンR4とした。このときアッシングは常温で行った。
【0044】
続いて図6(c)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R4をマスクとして多結晶シリコン膜14を選択的にエッチング除去したのち、レジストパターンR4を剥離除去する。個々では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。
【0045】
そして図7(a)に示すように、この多結晶シリコン膜14をHCl+O2雰囲気中でパイロジェニック酸化を行い、酸化シリコン膜とし、電極間絶縁膜7を形成する。
【0046】
この後、SiCl4とH2との混合ガスを用いた減圧CVD法により膜厚50から150mの多結晶シリコン膜4aを形成する。この後WF6とH2SO4とを用いた減圧CVD法により、膜厚500〜600nmのタングステン薄膜4bを形成する。このときの基板温度は500℃であった。
このとき、基板表面の凹凸はなく平坦な表面となっている。
これを、図7(b)に示すように、CMPにより前記基板表面を研磨および化学的エッチングを行い、電極間絶縁膜3の上面が露呈するまでエッチングする。
【0047】
最後に、CVD法により表面に酸化シリコン膜を形成し、図7(c)に示すように、電極間絶縁膜7によって分離された多結晶シリコン膜4aとタングステン膜4bとの2層膜からなる電荷転送電極を形成する。
この後の工程は前記第1の実施の形態で説明した図4(a)乃至(c)の工程と同様である。
【0048】
この方法によっても、高精度で信頼性の高い固体撮像素子を高精度に形成することができる。
【0049】
以上の実施の形態では、光電変換で発生する電荷が電子の場合について説明しているが、電荷が正孔の場合でも本発明は同様に適用できる。但し、この場合には、上述した不純物の導電型を全て逆にすればよい。また、上記の実施の形態ではゲート酸化膜はONO構造の場合について説明しているが、酸化シリコン膜のみで構成してもよい。
【0050】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内において、適宜可能である。
【0051】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明では、電荷転送部の電極間領域に絶縁膜が配置されるとともに、前記電極間領域以外の前記電荷転送部と前記光電変換部との表面を覆う電極材料が配置された半導体基板を準備し、光電変換部を構成するフォトダイオードと電荷転送電極との間を規定する端縁を規定するための電極材料のエッチング加工に用いるレジストマスクを、フォトダイオードの拡散層を形成するための不純物イオン注入用のマスクとしてそのまま使用する。このため、フォトダイオードが電荷転送電極に対して自己整合的に形成でき、高精度の寸法制御が容易になり固体撮像素子の微細化あるいは画素数の増加が更に容易になる。また、一連の製造工程が効率化され製造コストの低減が容易になる。
【0052】
そして、レジストパターンをマスクとしてイオン注入を行うため、イオン注入深さを深くすることができ、光電変換効率の高いフォトダイオードを容易に形成することができる。また、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷が電荷読み出しチャネルを通って埋め込みチャネルへと効率よく移送され、光電変換部から電荷転送部への電荷転送効率が大幅に向上する。
【0053】
更に、電荷転送電極をエッチング加工した後にフォトダイオードの拡散層を形成するために、上記エッチング加工の工程で生じるフォトダイオードの損傷問題は無くなり、白キズの発生確率は大幅に低減するようになる。
【0054】
このように、本発明によれば、工程が短縮し生産性の向上をはかることができると共に、特に光電変換部のフォトダイオードの特性が大幅に向上し、低コストで高性能な固体撮像素子の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明する固体撮像素子の一製造工程の平面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の平面図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態を説明する固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 埋め込みチャネル
3 ゲート酸化膜
3a,3c 酸化シリコン膜
3b 窒化シリコン膜
4 電極材料膜
4a 多結晶シリコン膜
4b タングステン膜
5 第1の分離開口
6 第2の分離開口
7 電極間絶縁膜
8 PD開口
9 第1の転送電極
10 第2の転送電極
11 第3の転送電極
12 第4の転送電極
13 リンイオン
14 n型拡散層
15 電荷読み出しチャネル
R1 第1のレジストマスク
R2 第2のレジストマスク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a solid-state imaging device, and more particularly to a method for manufacturing a solid-state imaging device having a single-layer electrode CCD (charge coupled device) structure.
[0002]
[Prior art]
A solid-state imaging device using a CCD, which is an imaging device such as an area sensor, has, as a basic structure, a photoelectric conversion unit such as a photodiode, a charge readout unit from the photoelectric conversion unit, and a charge transfer for transferring the readout charge. And a charge transfer portion including an electrode. A plurality of these charge transfer electrodes are arranged adjacent to each other on a charge transfer channel formed on the surface of the semiconductor substrate, and are sequentially driven by a clock signal.
[0003]
Conventionally, a charge transfer electrode has a two-layer electrode structure, and after forming a first electrode (lower layer electrode), a method of forming a second electrode (upper layer electrode) with an insulating film in between is used. (For example, Patent Document 1). In this case, after patterning the charge transfer electrode, a resist pattern having an opening, which is newly formed in alignment with the pattern of the charge transfer electrode, is formed, and the electrode material of the photoelectric conversion unit is removed by etching. A method of performing ion implantation for forming a photodiode constituting the structure is employed.
[0004]
Also in
[0005]
In recent years, a solid-state imaging device having a single-layer electrode structure has been proposed. For example, after the electrode material is deposited, an opening for forming the diffusion layer is formed in the single-layer electrode material by dry etching using a resist having an opening pattern for forming the diffusion layer of the photodiode as an etching mask. There has also been proposed a technique of forming a charge transfer electrode by dry etching the electrode material after forming a diffusion layer of a photodiode by performing ion implantation using the resist as a mask (Patent Document 3).
[0006]
Further, in such a single-layer structure solid-state imaging device, not only the man-hours for electrode formation are reduced, but also between the first electrode and the second electrode generated in the charge transfer electrode having the two-layer electrode structure. Therefore, the stray capacitance between adjacent charge transfer electrodes can be reduced.
[0007]
As described above, miniaturization of the solid-state imaging device advances, high-speed driving of the charge transfer electrode is facilitated, and high-speed transfer of the signal charge advances, and the manufacturing process of the solid-state imaging device has been shortened more than before.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-120476 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-90562 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-064333
[Problems to be solved by the invention]
However, as described in
Furthermore, as described in
[0010]
In addition, in the case of the two-layer electrode structure, not only the man-hours and the production workability are bad, but also the surface is not flat. Therefore, when forming a resist pattern for removing the electrode material of the photoelectric conversion portion, a high-precision opening is formed. There is a problem that it is difficult to form. This has caused a variation in sensitivity, which has caused a decrease in photoelectric conversion characteristics.
[0011]
In the method described in
[0012]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and prevents the positional displacement between the charge transfer electrode end and the diffusion layer of the photodiode and suppresses the occurrence of white scratches, and is a fine, highly accurate and highly reliable solid. An object is to provide an imaging device.
Another object of the present invention is to improve productivity.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, in a method for manufacturing a solid-state imaging device including a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit including a charge transfer electrode having a single layer structure, an insulating film is disposed in an inter-electrode region of the charge transfer unit. A step of preparing a semiconductor substrate in which an electrode material covering the surfaces of the charge transfer unit and the photoelectric conversion unit other than the inter-electrode region is disposed; and a region corresponding to the photoelectric conversion unit on the semiconductor substrate surface Forming a resist having an opening; etching the electrode material exposed to the opening using the resist as a mask; and implanting ions into the photoelectric conversion portion while leaving the resist; It is characterized by.
[0014]
That is, in the present invention, a semiconductor substrate in which an insulating film is disposed in an inter-electrode region of the charge transfer unit and an electrode material covering the surfaces of the charge transfer unit and the photoelectric conversion unit other than the inter-electrode region is disposed. In contrast, a resist having an opening for etching and removing the electrode material in the photodiode formation region of the photoelectric conversion portion is formed, and after the opening is formed, ion implantation is performed with the resist remaining to form the photoelectric conversion portion. In addition, since lithography can be performed on all flat surfaces, an extremely accurate opening can be formed when miniaturization is performed. Then, by performing ion implantation for forming the photoelectric conversion portion while leaving the resist for forming the opening, a photodiode is formed in a self-aligning manner.
[0015]
In addition, when forming a separation groove (gap) for forming an interelectrode separation region, the electrode material covering the photoelectric conversion portion remains, so that white scratches caused by damage to the photoelectric conversion portion due to etching are prevented. can do.
[0016]
In the above method, the step of preparing the semiconductor substrate includes a step of forming the electrode material on the entire surface of the semiconductor substrate, and a resist having an opening in a region corresponding to the region between the electrodes on the semiconductor substrate. Etching the electrode material using the resist as a mask to form a separation groove, and forming an insulating film in the separation groove.
Furthermore, in the above method, the step of preparing the semiconductor substrate includes a step of forming an insulating film in a region corresponding to the region between the electrodes on the semiconductor substrate, and the entire surface of the semiconductor substrate on which the insulating film is formed. Forming the electrode material; and removing the electrode material on the insulating film to planarize the surface.
[0018]
As described above, in the present invention, the resist mask used for etching the single-layer electrode material constituting the charge transfer electrode is used as it is as a mask for impurity ion implantation for forming the photodiode of the photoelectric conversion portion. Since the photodiode can be formed in a self-aligned manner with respect to the charge transfer electrode, highly accurate dimensional control is possible, and the solid-state imaging device can be easily miniaturized or the number of pixels can be easily increased. Since the resist mask used for this opening is used as a mask for ion implantation, the boundary between the charge transfer electrode and the photodiode formation region, that is, the edge on the photodiode formation region side is actually the photodiode formation. Since the photodiode is formed at the edge of the charge readout electrode in a self-aligned manner, the charge (electrons or holes) generated by photoelectric conversion by the photodiode is the charge readout channel. Efficiently transferred to the buried channel.
In this way, the charge transfer efficiency from the photoelectric conversion unit to the charge transfer unit is greatly improved.
[0019]
Moreover, a series of manufacturing processes is made efficient, and the manufacturing cost can be reduced.
[0020]
In the present invention, since the resist mask and the charge transfer electrode serve as an implantation mask in the impurity ion implantation, ion acceleration energy can be increased, a deep diffusion layer can be easily formed, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained. It becomes possible to easily form a photoelectric conversion part having
[0021]
Furthermore, in the present invention, since the diffusion layer of the photodiode is formed after the charge transfer electrode is formed by etching, the problem of crystal damage in the diffusion layer of the photodiode as described in the prior art is eliminated. The probability of occurrence is greatly reduced.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following embodiments, a method for forming a photodiode and a charge transfer portion of a photoelectric conversion portion, which is a feature of the present invention, will be described in the order of steps.
[0023]
(First embodiment)
In this embodiment, a single-layer electrode material is etched with the progress of microfabrication technology, so that it is possible to form a solid-state imaging device including a charge transfer electrode having a single-layer electrode structure having a narrow interelectrode separation region. Focusing on this point, a solid-state imaging device that can be easily processed in a single photolithography process and that does not cause white flaws due to damage caused by etching and has no variation in characteristics is formed.
1 to 5 are manufacturing process diagrams of a photodiode and a charge transfer unit of a photoelectric conversion unit, for explaining the first embodiment. 1 and 3 are plan explanatory views of the resist pattern, and FIGS. 2, 4 and 5 are cross-sectional views taken along the line AA ′ of the plan view.
[0024]
As shown in FIG. 2A, for example, an n − type CCD buried
[0025]
Then, an
[0026]
Next, a first resist mask R1 is formed on the
[0027]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0028]
Next, as shown in FIG. 2C, the first resist mask R1 is removed by a well-known ashing method, and an APCVD (atmospheric pressure CVD) method using O 3 and TEOS (tetraethoxysilane) as reaction gases. A silicon oxide film having a thickness of about 100 nm is deposited on the entire surface to form an interelectrode
[0029]
Next, as shown in FIG. 4A, a second resist mask R2 having a pattern of PD openings 8 is formed on the interelectrode
[0030]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, the
[0031]
Next, as shown in FIG. 4C,
[0032]
In this manner, as shown in FIG. 5A, a photodiode is formed by the p-
[0033]
Although not shown, a p + -type channel stopper serving as an element isolation portion is formed in the peripheral region of the n-
Further, in the subsequent processes, a light shielding film, a color filter, a condensing microlens, and the like are formed by using a well-known technique with an interlayer insulating film interposed therebetween, but the description thereof is omitted.
[0034]
In addition, in the embodiment of the present invention, in FIG. 1, all the
[0035]
Thus, in the present invention, since the resist mask used for etching the single layer electrode material or the charge transfer electrode is used as it is as a mask for impurity ion implantation for forming the diffusion layer of the photodiode, It can be formed in a self-aligned manner with respect to the charge transfer electrode, and further miniaturization of the solid-state imaging device or increase in the number of pixels becomes easier. In addition, a series of manufacturing processes is made efficient, and manufacturing costs can be easily reduced.
[0036]
In the present invention, since the resist mask and the charge transfer electrode serve as an implantation mask in the impurity ion implantation, the ion acceleration energy can be increased and a deep diffusion layer can be easily formed. For this reason, a photodiode with high photoelectric conversion efficiency can be easily formed. This is because a deep diffusion layer can be formed with a relatively low concentration of impurities, so that the depletion layer of the photodiode tends to spread toward the diffusion layer when receiving light at the photoelectric conversion portion, and the charges generated there are efficiently diffused. This is because it can be taken into the layer.
[0037]
In addition, since the photodiode is formed on the charge readout electrode in a self-aligned manner, charges (electrons or holes) generated by photoelectric conversion by the photodiode can be efficiently transferred to the buried channel through the charge readout channel. In this way, the charge transfer efficiency from the photoelectric conversion unit to the charge transfer unit is greatly improved.
[0038]
Furthermore, in the present invention, as described above, the diffusion layer of the photodiode is formed after the charge transfer electrode is formed by etching. Therefore, damage such as induced defects due to the charge transfer electrode etching process does not occur in the diffusion layer. Such a crystal defect induced by dry etching is likely to occur when dry etching is added to the ion-implanted diffusion layer as in
[0039]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment, the electrode material is formed on the surface of the semiconductor substrate, the separation groove is formed in the interelectrode separation region, and this is filled with the insulating film. However, as the second embodiment of the present invention, An insulating film is formed in a region corresponding to the inter-electrode region on the semiconductor substrate, the electrode material is formed on the entire surface of the semiconductor substrate on which the insulating film is formed, and the electrode material on the insulating film is CMPed or etched back. Etc., and the surface is flattened, and an insulating film is disposed in the interelectrode region of the charge transfer portion, and an electrode material covering the surfaces of the charge transfer portion and the photoelectric conversion portion other than the interelectrode region is disposed. A formed semiconductor substrate may be formed.
[0040]
That is, when forming an insulating film between electrodes, a resist pattern wider than the target inter-electrode distance is formed on an oxidizable film such as a polycrystalline silicon film, and this resist pattern is processed isotropically. Then, the pattern width is reduced, the polycrystalline silicon film is patterned using the resist pattern as a mask, and oxidized to form a narrow interelectrode insulating film.
[0041]
According to this method, by forming a resist pattern at the resolution limit and further performing a reduction process, the width can be reduced and a fine pattern can be easily obtained.
[0042]
Next, the manufacturing process of this solid-state image sensor will be described.
First, as shown in FIG. 6A, a
[0043]
Thereafter, as shown in FIG. 6B, the resist pattern is ashed using a microwave downstream type ashing device to which oxygen or nitrogen is added, and the width of the resist pattern R3 is reduced to 0.1 mm. The pattern was R4. At this time, ashing was performed at room temperature.
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the
[0045]
Then, as shown in FIG. 7A, the
[0046]
Thereafter, a
At this time, the substrate surface has no irregularities and is a flat surface.
As shown in FIG. 7B, the surface of the substrate is polished and chemically etched by CMP until the upper surface of the interelectrode
[0047]
Finally, a silicon oxide film is formed on the surface by the CVD method, and as shown in FIG. 7C, it consists of a two-layer film of a
Subsequent steps are the same as the steps of FIGS. 4A to 4C described in the first embodiment.
[0048]
Also by this method, a highly accurate and highly reliable solid-state imaging device can be formed with high accuracy.
[0049]
In the above embodiment, the case where the charge generated by photoelectric conversion is an electron has been described, but the present invention can be similarly applied even when the charge is a hole. However, in this case, all the conductivity types of the impurities described above may be reversed. In the above embodiment, the gate oxide film is described as having an ONO structure. However, the gate oxide film may be formed of only a silicon oxide film.
[0050]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately made within the scope of the technical idea of the present invention.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the insulating film is disposed in the inter-electrode region of the charge transfer portion, and the electrode material covering the surfaces of the charge transfer portion and the photoelectric conversion portion other than the inter-electrode region is disposed. Prepared a semiconductor substrate, a resist mask used for etching an electrode material for defining an edge that defines between the photodiode constituting the photoelectric conversion portion and the charge transfer electrode, and a diffusion layer of the photodiode It is used as it is as a mask for impurity ion implantation to form. For this reason, the photodiode can be formed in a self-aligned manner with respect to the charge transfer electrode, and high-precision dimensional control is facilitated, and the solid-state imaging device is further miniaturized or the number of pixels is further facilitated. In addition, a series of manufacturing processes is made efficient, and manufacturing costs can be easily reduced.
[0052]
Since ion implantation is performed using the resist pattern as a mask, the ion implantation depth can be increased, and a photodiode with high photoelectric conversion efficiency can be easily formed. In addition, charges generated by photoelectric conversion by the photodiode are efficiently transferred to the buried channel through the charge readout channel, and the charge transfer efficiency from the photoelectric conversion unit to the charge transfer unit is greatly improved.
[0053]
Further, since the diffusion layer of the photodiode is formed after the charge transfer electrode is etched, the photodiode damage problem that occurs in the etching process is eliminated, and the probability of occurrence of white scratches is greatly reduced.
[0054]
As described above, according to the present invention, the process can be shortened and the productivity can be improved, and the characteristics of the photodiode of the photoelectric conversion unit can be greatly improved. Manufacturing becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of one manufacturing process of a solid-state imaging device for explaining a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the solid-state imaging device for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of a manufacturing process of the solid-state imaging device for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the solid-state imaging device for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the solid-state imaging device for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a solid-state imaging device for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a solid-state imaging device for explaining a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
電荷転送部の電極間領域に絶縁膜が配置されるとともに、前記電極間領域以外の前記電荷転送部と前記光電変換部との表面を覆う電極材料が配置された半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板表面に前記光電変換部に相当する領域の表面に開口を有するレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして前記開口に露呈する前記電極材料をエッチングする工程と、
前記レジストを残したまま前記光電変換部にイオン注入を行う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 including a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit including a charge transfer electrode having a single layer structure,
A step of preparing a semiconductor substrate in which an insulating film is disposed in an inter-electrode region of the charge transfer unit and an electrode material covering a surface of the charge transfer unit and the photoelectric conversion unit other than the inter-electrode region is disposed;
Forming a resist having an opening on the surface of the region corresponding to the photoelectric conversion portion on the surface of the semiconductor substrate;
Etching the electrode material exposed to the opening using the resist as a mask;
And a step of ion-implanting the photoelectric conversion portion while leaving the resist remaining.
半導体基板表面に前記電極材料を形成する工程と、
前記半導体基板上の前記電極間領域に相当する領域に開口を有するレジストを形成する工程と
前記レジストをマスクとして前記電極材料をエッチングし分離溝を形成する工程と、
前記分離溝内に絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。The step of preparing the semiconductor substrate includes:
Forming the electrode material on a semiconductor substrate surface;
Forming a resist having an opening in a region corresponding to the inter-electrode region on the semiconductor substrate, etching the electrode material using the resist as a mask, and forming a separation groove;
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: forming an insulating film in the separation groove.
半導体基板上の前記電極間領域に相当する領域に絶縁膜を形成する工程と
前記絶縁膜の形成された前記半導体基板表面全体に前記電極材料を形成する工程と、
前記絶縁膜上の前記電極材料を除去し、表面を平坦化する工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。The step of preparing the semiconductor substrate includes:
Forming an insulating film in a region corresponding to the inter-electrode region on a semiconductor substrate; forming the electrode material on the entire surface of the semiconductor substrate on which the insulating film is formed;
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: removing the electrode material on the insulating film and flattening a surface.
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US8114695B2 (en) * | 2008-10-24 | 2012-02-14 | Unisantis Electronics Singapore Pte Ltd. | Solid-state image pickup element, solid-state image pickup device and production method therefor |
-
2003
- 2003-06-06 JP JP2003162455A patent/JP2004363480A/en active Pending
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US8114695B2 (en) * | 2008-10-24 | 2012-02-14 | Unisantis Electronics Singapore Pte Ltd. | Solid-state image pickup element, solid-state image pickup device and production method therefor |
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