JP2005217085A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＴＩプロセスによる半導体基板内のストレスを軽減し、撮像特性の向上や集積密度の向上を図る。
【解決手段】 ＣＭＯＳイメージセンサのＳＴＩプロセスにおいて、撮像画素領域２０と周辺回路領域３０とで、異なる工程を用いるものとし、周辺回路領域３０のＳＴＩでは従来と同様のテーパ角度（例えば８５度程度）を有するトレンチ溝３１を形成し、撮像画素領域２０のＳＴＩでは従来より小さいテーパ角度（例えば６５度以下）を有するトレンチ溝２１を形成する。基本的なテーパ制御は従来技術に則り、ドライエッチングのＨＢｒとＯ2 の比で制御を行い、テーパ角の６５度以下の領域では、ＨＢｒ＋Ｏ2 の総流量に対してほぼ同流量以上の希釈ガス（Ｈｅ）を添加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を２次元アレイ状に配置した撮像画素領域と、この光電変換素子の駆動や撮像信号の処理を行うための各論理回路を搭載した周辺回路領域とを設けた固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に半導体基板上に形成される素子分離用のトレンチ溝の形状を改良し、撮像特性の向上や集積密度の向上を図ることが可能な固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来、例えばＣＭＯＳ型イメージセンサ等においては、複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素領域と、この撮像画素領域の周辺に画素の走査回路や画素信号処理回路等の各種論理回路を配置した周辺回路領域が同一半導体チップ上に形成されている。
そして、撮像画素領域の各画素に設けた光電変換素子（フォトダイオード等）によって光電変換した信号電荷を各画素毎に設けた各種トランジスタによる読み出し回路によって順次読み出し、周辺回路領域に設けたノイズ除去、ゲイン制御、ＡＤ変換、色補正処理等の信号処理回路によって必要な信号処理を行うことにより、ディジタル撮像信号を生成して出力する。

ところで、このような固体撮像装置では、シリコン基板の表面に各種素子を分離するための絶縁層を形成する必要があり、そのためのトレンチ溝、いわゆるＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)を形成し、そこに絶縁層を配置するようになっている。なお、このトレンチ溝を形成する工程をＳＴＩプロセスという。そして、従来は、撮像画素領域と周辺回路領域で共通のＳＴＩプロセスを用いており、例えばハロゲンガス（Ｃｌ2 、ＨＢｒ）に少量のＯ2 を添加したガスを用いてドライエッチングを行うようになっていた。
また、トレンチ溝の内側面のテーパ角（半導体基板面とのなす角）が所望のテーパ角を有する溝を形成する場合には、ハロゲンガス（Ｃｌ2 、ＨＢｒ）とＯ2 の流量を制御することにより、ドライエッチングによるバイプロダクトの生成を利用してテーパ角の制御を行うようにしていた。
特願２００３−１５０１０８

しかしながら、上記従来のＳＴＩプロセスでは、ハロゲンガスとＯ2 の流量制御によってトレンチ溝のテーパ角の制御を行うことから、テーパ角とバイプロダクトの残渣がトレードオフの関係となってしまい、７０度程度がテーパ角制御の限界となっていた。そして、これ以上のテーパ角を付けようとすると、さらにエッチストップが生じ、残渣の発生増加、さらに成膜を増やすとブラックシリコン化が始まり、制御不可能となってしまう。

しかし、このような急峻な角度の内側面を有するトレンチ溝を形成した場合、半導体基板の内部にストレスを与えることになり、特に撮像画素領域では、このＳＴＩプロセスによるストレスが半導体基板内の結晶欠陥を招き、光電変換領域の近傍に生じた結晶欠陥が画素信号に白点ノイズとして生じ、画質劣化の原因となるという課題があった。
そこで本発明は、ＳＴＩプロセスによる半導体基板内のストレスを軽減し、撮像特性の向上や集積密度の向上を図ることが可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に受光光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記信号電荷の読み出し手段とを含む複数の画素と、前記半導体基板に形成される各素子を分離するためのトレンチ溝と、前記トレンチ溝内に配置される絶縁物とを有し、少なくとも前記複数の画素が形成される領域に形成されるトレンチ溝は、前記トレンチ溝の内側面と半導体基板の基板面とのなす角度が６５度以下に形成されていることを特徴とする。

また本発明の製造方法は、半導体基板上に受光光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記信号電荷の読み出し手段とを含む複数の画素と、前記半導体基板に形成される各素子を分離するためのトレンチ溝と、前記トレンチ溝内に配置される絶縁物とを有する固体撮像装置の製造方法であって、少なくとも前記複数の画素が形成される領域に形成されるトレンチ溝を形成する場合に、ハロゲンガスと酸素ガスに加えて希釈ガスを混入させたガスによってドライエッチングを行い、前記トレンチ溝の内側面と半導体基板の基板面とのなす角度を６５度以下に形成したことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、撮像画素領域のトレンチ溝のテーパ角度（トレンチ溝の内側面と半導体基板の基板面とのなす角度）を６５度以下に形成したことにより、トレンチ溝の急峻なテーパ面による半導体基板内のストレスを軽減することができ、このストレスに伴う光電変換領域の近傍における結晶欠陥の発生を抑制できることから、画素信号の白点ノイズを減少させ、画質及び撮像特性の向上や集積密度の向上を図ることができる効果がある。

本発明の実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサのＳＴＩプロセスにおいて、複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素領域と、各種論理回路を搭載した周辺回路領域とで、異なる工程を用いるものとし、周辺回路領域のＳＴＩでは従来と同様のテーパ角度（例えば８５度程度）を有するトレンチ溝を形成し、撮像画素領域のＳＴＩでは従来より小さいテーパ角度（すなわち緩い傾斜で、例えば６５度以下）を有するトレンチ溝を形成する。
また、製造方法として、基本的なテーパ制御は従来技術に則りＨＢｒとＯ2 の比で制御を行う。そして、本実施の形態で必要なテーパ角の６５度以下の領域では、上述のように従来は残渣が発生していたが、本実施の形態では、これを解決するために、ＨＢｒ＋Ｏ2 の総流量に対してほぼ同流量以上の希釈ガス（Ｈｅ）を添加する。これにより、テーパ角には影響を与えずに残渣のみが無くなることが確認された。
また、本実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサの撮像画素領域のテーパ形状だけを従来と変更することから、撮像画素領域と周辺回路領域の作り分けを行っている。そのため、ＳＴＩプロセスのエッチングに、ハードマスクではなく、部分的にレジストマスクを用いる。
よって、積層する膜種としては、Ｓｉの酸化物以外にＳｉＢｒｘ、ＳｉＣｘなど、複数のデポジションによりテーパ角を制御している。この複数のデポジションと希釈ガスとの組み合わせにより、６５度以下のテーパコントロールが実現できる。

図１は本発明の実施例による固体撮像装置の概要を示す説明図である。
本例の固体撮像装置は、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されており、半導体基板１０上に撮像画素領域２０と周辺回路領域３０を設けたものである。撮像画素領域２０は、受光光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子（フォトダイオード）と、この光電変換素子で生成した信号電荷を電気信号（画素信号）に変換して読み出すための各種の画素トランジスタとを含む複数の画素を２次元アレイ状に配置したものである。
また、周辺回路領域３０は、撮像画素領域２０の各画素トランジスタを制御して光電変換した画素信号を読み出すための駆動走査回路や、読み出した画素信号を処理してカラー画像信号を得るための信号処理回路が設けられている。なお、図１では、これらの回路をまとめて周辺回路部３０Ａ、３０Ｂとして示している。

図２は図１に示す本例の固体撮像装置における素子分離領域（ＬＯＣＯＳ）を形成するためのトレンチ溝の断面形状を従来例と対比して示す断面図であり、図２（Ａ）は本例の撮像画素領域２０のトレンチ溝形状を示し、図２（Ｂ）は本例の周辺回路領域３０のトレンチ溝形状を示している。また、図２（Ｃ）は従来例の撮像画素領域４０のトレンチ溝形状を示し、図２（Ｄ）は従来例の周辺回路領域５０のトレンチ溝形状を示している。
図２（Ａ）に示すように、本例の撮像画素領域２０のトレンチ溝２１は、半導体基板１０の基板面とトレンチ溝２１の内側面とのなす狭角（テーパ角）が６５度となっているが、他のトレンチ溝、すなわち図２（Ｂ）の周辺回路領域３０のトレンチ溝３１、図２（Ｃ）の撮像画素領域４０のトレンチ溝４１、図２（Ｄ）の周辺回路領域５０のトレンチ溝５１は、いずれも半導体基板１０の基板面とトレンチ溝３１、４１、５１の内側面とのなす狭角（テーパ角）が８５度となっている。
このように本例の固体撮像装置では、撮像画素領域２０のトレンチ溝２１のテーパ角を６５度とし、従来例の８５度より小さく（すなわち、トレンチ溝の内側面を緩やかに）したことにより、半導体基板１０内のストレスを低減でき、結晶欠陥の発生を抑制して白点ノイズの発生を防止することができる。
また、周辺回路領域３０のトレンチ溝３１は、従来と同様のテーパ角度である８５度程度とすることで、従来のトランジスタ等の論理回路の特性に影響を与えることがなく、設計変更等を必要とせず、適正な動作特性を容易に実現できる。

次に、本例における固体撮像装置の製造方法について説明する。
図３は本実施例の固体撮像装置におけるトレンチ溝の加工工程を示す断面図であり、図中の右側が撮像画素領域２０のトレンチ溝２１の加工形状を示し、左側が周辺回路領域３０のトレンチ溝３１の加工形状を示している。
まず、図３（Ａ）では、シリコン基板１００上にトレンチ溝のパターンに合わせてハードマスク１１０をパターニングした後、撮像画素領域２０側だけフォトレジストマスク１２０を積層し、従来と同様の条件でプラズマドライエッチングを行い、周辺回路領域３０のトレンチ溝３１の加工を行う。これにより、周辺回路領域３０にテーパ角が８５度のトレンチ溝３１を形成する。
次に、図３（Ｂ）に示すように、撮像画素領域２０のフォトレジストマスク１２０を除去した後、周辺回路領域３０側だけフォトレジストマスク１３０を積層し、従来とは異なる条件でプラズマドライエッチングを行い、撮像画素領域２０のトレンチ溝２１の加工を行う。これにより、撮像画素領域２０にテーパ角が６５度のトレンチ溝２１を形成する。

本実施例では、周辺回路領域３０側のエッチングは、従来と同様に、例えばＨＢｒに少量のＯ2 を加えたエッチングガスをメインに行い、ＨＢｒとＯ2の比によってテーパ制御を行う。一方、撮像画素領域２０側のエッチングは、ＨＢｒ＋Ｏ2 の総流量に対してほぼ同流量以上の希釈ガス（Ｈｅ）を添加したエッチングガスを用い、希釈ガス（Ｈｅ）の流量を制御することにより、ＨＢｒとＯ2のバランスを崩すことなく、残渣の発生を抑制して６５度のテーパ角制御を実現する。具体的なエッチング条件としては、例えば、内圧を５０ｍＴ、供給電力を３００Ｗとした処理室内に、ＨＢｒ／Ｏ２／Ｈｅ＝７５／１０／１００ｓｃｃｍの流量比で各ガスを流すことにより、テーパ角６５度以下が達成される。
また、実験データにより、さらにＨｅ流量のみを上げていくと、残渣マージンが広がり、テーパ角を付けることができることが確認できる。すなわち、 希釈ガスを入れることによりＯ２とＢｒ*の比を同等に保ったまま希釈することにより、テーパ角に殆ど影響を与えずに残渣マージンを広げていると考えられる。また、成膜のバランスとしてＳｉＯ系よりもＣ系の積層の比率が増えることも要因として考えられる。さらに、低圧化などせずに済むため、プラズマ密度もある程度保てるために解離も安定し、形状への影響が極めて少ないと考えられる。

図４はＳＴＩ領域に生じるストレスの加工条件との関係（依存性）を示す説明図であり、図４（Ａ）はトレンチ溝のテーパ角による依存性、図４（Ｂ）はトレンチ溝の深さによる依存性、図４（Ｃ）は熱処理温度による依存性を示している。
図示のように、ＳＴＩ領域に生じるストレスは、トレンチ溝のテーパ角による依存性が大きく、このテーパ角が７０度以上になるとストレスが大幅に増加し、トレンチ溝の深さや熱処理温度による影響よりも大きい悪影響を受けることになる。
そこで、本実施例のようにテーパ角を６５度以下に押さえることにより、ＳＴＩ領域に生じるストレスを有効に低減できる。特に本実施例で実現するテーパ角の６５度以下の領域では、ＬＯＣＯＳの生成によるストレスと同等のストレスに抑えることが可能となり、白点ノイズの抑制に十分な効果を得ることが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は以上の具体例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述したＨＢｒに変わるガスとしてＨＣｌやＨＩなどが考えられる。また、Ｏ2の代替または成膜ガスとしてＮ2 を用いることが可能である。

本発明の実施例による固体撮像装置の概要を示す説明図である。 図１に示す固体撮像装置のトレンチ溝の断面形状を従来例と対比して示す断面図である。 図１に示す固体撮像装置のトレンチ溝の加工工程を示す断面図である。 ＳＴＩ領域に生じるストレスの加工条件との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０……半導体基板、２０……撮像画素領域、２１、３１……トレンチ溝、３０……周辺回路領域、３０Ａ，３０Ｂ……周辺回路部。

Claims (5)

1. 半導体基板上に受光光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記信号電荷の読み出し手段とを含む複数の画素と、前記半導体基板に形成される各素子を分離するためのトレンチ溝と、前記トレンチ溝内に配置される絶縁物とを有し、
   少なくとも前記複数の画素が形成される領域に形成されるトレンチ溝は、前記トレンチ溝の内側面と半導体基板の基板面とのなす角度が６５度以下に形成されている、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記半導体基板上に前記複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素領域と、前記複数の画素の駆動及び画素信号の処理を行う各種論理回路を搭載した周辺回路領域とを有し、前記撮像画素領域のトレンチ溝の内側面と前記周辺回路領域のトレンチ溝の内側面が異なる角度で形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 半導体基板上に受光光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記信号電荷の読み出し手段とを含む複数の画素と、前記半導体基板に形成される各素子を分離するためのトレンチ溝と、前記トレンチ溝内に配置される絶縁物とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   少なくとも前記複数の画素が形成される領域に形成されるトレンチ溝を形成する場合に、
   ハロゲンガスと酸素ガスに加えて希釈ガスを混入させたガスによってドライエッチングを行い、前記トレンチ溝の内側面と半導体基板の基板面とのなす角度を６５度以下に形成した、
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
4. 前記半導体基板上に前記複数の画素を２次元アレイ状に配置した撮像画素領域と、前記複数の画素の駆動及び画素信号の処理を行う各種論理回路を搭載した周辺回路領域とを有し、前記撮像画素領域のトレンチ溝と前記周辺回路領域のトレンチ溝とを別の工程によって形成し、前記撮像画素領域のトレンチ溝の内側面と前記周辺回路領域のトレンチ溝の内側面が異なる角度で形成したことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記希釈ガスの混入量を前記メインガスの混入量の同等以上にしたことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の製造方法。
   

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