JP2005260160A

JP2005260160A - 固体撮像素子の製造方法、タングステン層のエッチング方法

Info

Publication number: JP2005260160A
Application number: JP2004072987A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamauchi; 博史山内
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】タングステンからなる遮光膜の裾部を小さくすることができる固体撮像素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の固体撮像素子の製造方法は、（１）基板２の受光面側に光電変換部３を形成し、光電変換部３に隣接して転送電極１３を基板２上に形成し、（２）光電変換部３及び転送電極１３を覆うようにタングステン層１７ａを形成し、（３）光電変換部３の上方に開口を形成するように、タングステン層１７ａをエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む。
発明者は、上記エッチングガスを用いて、タングステン層１７ａのエッチングを行うと、タングステン層１７ａのエッチングが基板垂直方向に進むと共に、基板水平方向にも進むことを見出した。そして、このようなガスを用いると、裾部の小さい遮光膜１７を形成することができることを見出し、本発明を完成させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法及びタングステン層のエッチング方法に関する。

図２は、従来の固体撮像素子５１の構造を示す断面図である。図２において、基板５２の受光表面側には、光電変換部５３、チャネルストッパ５５、電荷転送領域５７及びゲート読み出し部５９が形成されている。また、基板５２上には、ゲート絶縁膜６１、転送電極６３、層間絶縁膜６５及び遮光膜６７が形成されている。遮光膜６７は、通常、タングステンからなり、その裾部６９が光電変換部５３上に延びている。

以下、図２及び図３を用いて、このような固体撮像素子５１の製造方法について説明する。

まず、基板５２の受光面側に光電変換部５３、チャネルストッパ５５、電荷転送領域５７を形成する。次に、ゲート絶縁膜６１、転送電極６３、層間絶縁膜６５を形成する。次に、基板全面にタングステン層６７ａを形成し、図３（ａ）に示す構造を得る。

次に、転送電極６３を覆うレジストパターン７１を形成し、図３（ｂ）に示す構造を得る。レジストパターン７１は、通常、転送電極６３よりも広い幅で形成する。その理由は、レジストパターン７１を転送電極６３と同じ幅か、それよりも狭い幅で形成すると、タングステン層６７ａをパターニングする際に、転送電極６３の側面又は上面の部分にあるタングステン層６７ａも除去されてしまい、パターニング後のタングステン層６７ａが遮光膜として働かなくなるからである。

次に、レジストパターン７１をマスクとして、タングステン層６７ａのパターニングを行い、図２に示す構造を得る。

この後、パシペーション膜、平坦化膜、カラーフィルタ層及びオンチップレンズなどを形成し、従来の固体撮像素子５１の製造を完了する。

従来、タングステン層６７ａのパターニングは、例えば、フッ素化合物及び酸素からなるガス混合体から形成されるプラズマを用いて、行われていた（例えば、特許文献１参照。）。
特表２００３−５１７２０６号公報

上記のガス混合体から形成されるプラズマを用いたパターニングは、異方性が強いので、レジストパターン７１の形状がほぼそのままタングステン層６７ａに反映されていた。そのため、タングステン層６７ａがパターニングされて形成される遮光膜６７は、光電変換部５３上に裾部６９を有していた。この裾部６９は、光電変換部５３への入射光の一部を反射し、光電変換部５３への入射光量を減少させ、固体撮像素子の感度を低下させる。

この問題は、固体撮像素子の小型化に伴い、ますます深刻になりつつある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、タングステンからなる遮光膜の裾部を小さくすることができる固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、（１）基板の受光面側に光電変換部を形成し、光電変換部に隣接して転送電極を基板上に形成し、（２）光電変換部及び転送電極を覆うようにタングステン層を形成し、（３）光電変換部の上方に開口を形成するように、タングステン層をエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む。

発明者は、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含むエッチングガスを用いて、タングステン層のエッチングを行うと、基板垂直方向にタングステン層のエッチングが進むと共に、基板水平方向にもタングステン層のエッチング（サイドエッチング）が進むことを見出した。

そして、このようなガスを用いると、転送電極よりも幅の広いレジストパターンを形成して、タングステン層のエッチングを行う場合であっても、裾部の小さい遮光膜を形成することができることを見出し、本発明を完成させた。

本発明によると、裾部の小さい遮光膜を容易に形成することができるため、光電変換部に入射する光の光量を増大させることができ、その結果、感度の高い固体撮像素子を容易に製造することができる。

１．第１の実施形態
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法は、（１）基板の受光面側に光電変換部を形成し、光電変換部に隣接して転送電極を基板上に形成し、（２）光電変換部及び転送電極を覆うようにタングステン層を形成し、（３）光電変換部の上方に開口を形成するように、タングステン層をエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む。

１−１．工程（１）基板の受光面側に光電変換部を形成し、光電変換部に隣接して転送電極を基板上に形成する工程
基板の受光面側に光電変換部を形成する。また、光電変換部に隣接して、チャネルストッパを形成することが好ましい。この場合、隣接する固体撮像素子が互いに素子分離されるからである。基板には、シリコンなどの半導体基板などを用いることができる。基板自体がｎ型又はｐ型であってもよく、光電変換部を形成する領域にｎ型又はｐ型のウェルが形成されていてもよい。光電変換部には、ホールアキュムレート領域が形成されていてもよい。

基板上に、通常は、ゲート絶縁膜を介して転送電極が形成される。また、転送電極は、光電変換部に隣接して形成される。転送電極の下方であって、基板の受光面側には、通常は、電荷転送領域が形成される。電荷転送領域は、光電変換部に対して、所定の間隔を隔てて形成されている。その所定の間隔は、読み出しゲート部となる。なお、「基板上に」は、「絶縁膜又は保護膜などを介して基板上に」という概念も含む。他の「膜上に」又は「層上に」などについても同様である。

ゲート絶縁膜は、ＳｉＯ₂などの単層膜（ＭＯＳ構造）又はＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂などの三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）などからなる。ゲート絶縁膜の厚さは、ＳｉＯ₂などの単層膜（ＭＯＳ構造）の場合、好ましくは、５０〜６０ｎｍである。５０ｎｍ以上の場合、印加電圧によりゲート絶縁膜が破壊されず、６０ｎｍ以下の場合、受光素子部で生成した光電子を十分に転送部へ転送することが出来るためである。
また、ゲート絶縁膜の厚さは、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂などの三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）の場合、好ましくは、ＳｉＯ₂：１０ｎｍ／ＳｉＮ：４０ｎｍ／ＳｉＯ₂：３０ｎｍ（上層から下層への順の各層の厚さ）である。この組合せの場合、ゲート絶縁膜の破壊がなく、受光素子部で生成した電子を十分転送できるからである。

転送電極は、好ましくは、ポリシリコンからなる。転送電極は、例えば、第１転送電極及び第２転送電極からなる。第１転送電極と第２転送電極とは、後述する層間絶縁膜などで互いに絶縁されている。転送電極は、例えば、ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成し、それをパターニングして形成される。このパターニングの際、ポリシリコン膜のみをパターニングしてもよく、併せて、ゲート絶縁膜もパターニングしてもよい。ゲート絶縁膜をパターニングする場合、ゲート絶縁膜のうち、光電変換部の上方にある部分が、除去される。

１−２．工程（２）光電変換部及び転送電極を覆うようにタングステン層を形成する工程
通常は、転送電極を覆うように層間絶縁膜を形成し、その後、光電変換部及び転送電極を覆うようにタングステン層を形成する。ここで、「タングステン層」とは、タングステン若しくはタングステンシリサイド、又はこれらの少なくとも１つを含む材料からなる層を意味する。

層間絶縁膜は、例えば、ＢＰＳＧ膜、シリコン熱酸化膜又は窒化シリコン膜からなる。層間絶縁膜は、その厚さは、上層に形成されるカラーフィルタ層やオンチップレンズの膜厚や集光性能により光学的に最適な膜厚に設定する必要がある。

層間絶縁膜は、転送電極のみを覆うように形成してもよく、転送電極及び光電変換部を覆うように形成してもよい。転送電極のパターニングの際に、光電変換部上方のゲート絶縁膜を除去した場合は、タングステン層と光電変換部との間を絶縁するために、層間絶縁膜は、転送電極及び光電変換部を覆うように形成することが好ましい。

また、タングステン層を形成する前に、光電変換部上に絶縁膜（酸化シリコン膜若しくは窒化シリコン膜、又はこれらの組合せなど）を形成する工程を備えてもよい。この場合、タングステン層は、その絶縁膜を介して、得られた基板上に形成される。

タングステン層は、タングステン層の膜質（例えば結晶方位など）により遮光特性（透過率）が異なるため一概に厚さを規定することはできないが、スミア特性が許容される限り薄く形成することが望ましい。厚膜化によって受光素子部の面積が小さくなるためである。タングステン層は、スパッタ法又はＣＶＤ法などで形成することができる。

１−３．工程（３）光電変換部の上方に開口を形成するように、タングステン層をエッチングする工程
１−３−１．マスク層
エッチングは、光電変換部の少なくとも一部を覆い、かつ、転送電極を覆うマスク層をマスクとして用いて行われることが好ましい。マスク層は、例えば、フォトレジストからなり、フォトリソグラフィ及びエッチング技術などを用いて所望の形状で形成することができる。このようなマスク層を用いると、タングステン層のうち、転送電極の側部又は上部に対応する部分にダメージを与えることなく、タングステン層をエッチングして遮光膜を形成することができる。光電変換部の少なくとも一部を覆っているので、従来の方法によれば、遮光膜の裾部が大きくなり、光電変換部に入射する光量が減少するが、本発明の方法によれば、遮光膜の裾部が小さくなり、光電変換部に入射する光量が増加する。遮光膜の裾部が小さくなる理由は、本発明の方法によれば、タングステン層のうち、マスク層の下方部分にもエッチングが進むからである。

１−３−２．エッチングガス
エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む。フッ素化合物ガスは、例えば、ＣＦ₄、ＮＦ₃及びＳＦ₆からなる群から選択される。不活性ガスは、好ましくは、Ｈｅ又はＡｒなどの希ガスからなり、さらに好ましくはＨｅからなる。Ｈｅが好ましいのは、基板水平方向へのタングステン層のエッチング（サイドエッチング）が特に促進されるからである。

また、不活性ガスは、その混合割合が、エッチングガス全体の３〜３０ｖｏｌ％であることが好ましい。この範囲において、垂直方向へのエッチングの度合いが適切になるからである。

また、その圧力が、２００〜６００ｍＴであることが好ましい。この範囲において、上記エッチング特性を維持しつつ、プラズマを均一に生成することができるからである。

エッチングガスは、他の種類のガスを含んでいてもよいが、フッ素化合物ガス及び不活性ガスのみからなることが好ましい。例えば、Ｃｌ₂を含んでいる場合は異方性が強調され、横方向への加工が困難となり、また、Ｎ₂を含んでいる場合は、レジスト側壁がポリマー生成により保護されるため横方向への加工が進行しなくなるからである。

また、タングステン層は、基板垂直方向のエッチングレートが、基板水平方向のエッチングレートの３倍以下であることが好ましい。３倍以下の場合に、遮光膜の裾部を特に小さくすることができるからである。エッチングガスがフッ素化合物ガス及び不活性ガスを含み、かつ、上述した種々の条件を適宜調節することにより、この条件を達成することができる。

また、タングステン層のエッチングは、絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いて行われることが好ましい。この場合、基板にダメージを与えることなく、タングステン層のエッチングを行うことができるからである。

また、タングステン層は、タングステン層のエッチングレートが、絶縁膜のエッチングレートの８倍以上となることが好ましい。この場合、絶縁膜にダメージを与えることなく、タングステン層のエッチングを行うことができるからである。エッチングガスがフッ素化合物ガス及び不活性ガスを含み、かつ、上述した種々の条件を適宜調節することにより、この条件を達成することができる。

２．第２の実施形態
本発明の第２の実施形態に係るタングステン層のエッチング方法は、（１）タングステン層を基板上に形成し、（２）タングステン層をエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む。

タングステン層の形成及びエッチングについての説明は、第１の実施形態と同様である。このエッチング方法は、ＣＣＤだけでなくＣＭＯＳイメージセンサーなどの固体撮像素子全般の製造に用いることができる。

本発明は、タングステン層が、凸部を有する基板上に、凸部を覆うように形成される場合に、特に有効である。本発明によれば、凸部よりも広く、かつ、タングステン層よりも狭い範囲を覆うマスク層を形成し、このマスク層をマスクとして用いてタングステン層をエッチングすることにより、タングステン層を凸部とほぼ同じサイズにパターニングすることができる。従って、タングステン層の微細加工が必要な場合に、本発明は特に有効である。
また、工程（１）の前に、基板上に絶縁膜を形成する工程を備え、タングステン層は、その絶縁膜を介して、得られた基板上に形成され、タングステン層のエッチングは、絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いて行われることが好ましい。この場合、基板にダメージを与えずに、タングステン層のエッチングを行うことができるからである。

図１は、実施例１に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。以下、図１を用いて、本実施例に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。

まず、ｐ型ウェルが形成された基板２の受光面側にｎ型の光電変換部３、ｐ⁺型のチャネルストッパ５、ｎ型の電荷転送領域７を形成する。電荷転送領域７と光電変換部３の間が読み取りゲート部９となる。

次に、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂などの三層膜からなるゲート絶縁膜１１、ポリシリコンからなる転送電極１３、ＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜１５を形成する。転送電極１３のパターニングの際にゲート絶縁膜１１も併せてパターニングする。また、層間絶縁膜１５は、転送電極１３及び光電変換部３を覆うように形成される。次に、基板２全面にタングステン層１７ａを形成し、図１（ａ）に示す構造を得る。

次に、転送電極１３を覆うレジストパターン２１を形成し、図１（ｂ）に示す構造を得る。レジストパターン２１は、転送電極１３よりも広い幅で形成する。ここまでは、従来の方法と同じである。

次に、レジストパターン２１をマスクとして、タングステン層１７ａのパターニングを行う。タングステン層１７ａのパターニングは、ＳＦ₆とＨｅガスを圧力４００ｍＴｏｒｒに保ち、それぞれ１００ｓｃｃｍおよび４０ｓｃｃｍ混合し、ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）４００Ｗによって励起し発生したプラズマを用いて行う。その後連続してＳＦ６とＨｅガスを用いて選択比を第１のステップより高選択となるように圧力およびＲＦパワー等を調整した第２のステップで処理する。このときウェーハを設置するステージは例えば２０℃に保持する。このとき、Ｗ遮光膜は主にＳＦ₆ガスによってエッチングが進行するがＨｅガスの添加効果によってプラズマの電子温度が低下し、基板垂直方向への加工の度合いが小さくなり、その結果、横方向への加工が促進される。

このような条件で加工することにより、タングステン層１７のうち、レジストパターン２１の下部においてもエッチングが進行し、図１（ｃ）に示す構造を得る。図１（ｃ）において、遮光膜１７は、裾部を有していないか、有していてもそのサイズは従来のものよりも小さい。このように、本発明によれば、裾部が小さい遮光膜を容易に形成することができ、その結果、感度の高い固体撮像素子を製造することができることが分かる。なお、上記条件でタングステン層１７のパターニングを行うと、タングステン層１７の下の層間絶縁膜１５に対するダメージも小さい。

次に、Ｏ₂プラズマを用いて、レジストパターン２１を除去し、図１（ｄ）に示す構造を得る。

この後、パシペーション膜、平坦化膜、カラーフィルタ層及びオンチップレンズなどを形成し、本発明の固体撮像素子の製造を完了する。

本発明の実施例１に係る固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。従来の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

２、５２基板
３、５３光電変換部
５、５５チャネルストッパ
７、５７電荷転送領域
９、５９読み取りゲート部
１１、６１ゲート絶縁膜
１３、６３転送電極
１５、６５層間絶縁膜
１７ａ、６７ａタングステン層
１７、６７遮光膜
６９遮光膜の裾部
２１、７１レジストパターン
５１従来の固体撮像素子

Claims

（１）基板の受光面側に光電変換部を形成し、光電変換部に隣接して転送電極を基板上に形成し、（２）光電変換部及び転送電極を覆うようにタングステン層を形成し、（３）光電変換部の上方に開口を形成するように、タングステン層をエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含む固体撮像素子の製造方法。
タングステン層のエッチングは、光電変換部の少なくとも一部を覆い、かつ、転送電極を覆うマスク層をマスクとして用いて行われる請求項１に記載の製造方法。
フッ素化合物ガスは、ＣＦ₄、ＮＦ₃及びＳＦ₆からなる群から選択される請求項１に記載の製造方法。
不活性ガスは、Ｈｅ又はＡｒからなる請求項１に記載の製造方法。
不活性ガスは、その混合割合が、エッチングガス全体の３〜３０ｖｏｌ％である請求項１に記載の製造方法。
エッチングガスは、その圧力が、２００〜６００ｍＴである請求項１に記載の製造方法。
工程（２）の前に、光電変換部上に絶縁膜を形成する工程を備え、
タングステン層は、その絶縁膜を介して、得られた基板上に形成され、
タングステン層のエッチングは、絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いて行われる請求項１に記載の製造方法。
工程（２）の前に、光電変換部上に絶縁膜を形成する工程を備え、
タングステン層は、その絶縁膜を介して、得られた基板上に形成され、
タングステン層のエッチングレートが、絶縁膜のエッチングレートの８倍以上となる請求項１に記載の製造方法。
タングステン層は、基板垂直方向のエッチングレートが、基板水平方向のエッチングレートの３倍以下である請求項１に記載の製造方法。
（１）タングステン層を基板上に形成し、（２）タングステン層をエッチングする工程を備え、エッチングに用いるエッチングガスは、フッ素化合物ガス及び不活性ガスを含むタングステン層のエッチング方法。
タングステン層は、凸部を有する基板上に、凸部を覆うように形成される請求項１０に記載の方法。
タングステン層のエッチングは、凸部よりも広く、かつ、タングステン層よりも狭い範囲を覆うマスク層をマスクとして用いて行われる請求項１０に記載の方法。
工程（１）の前に、基板上に絶縁膜を形成する工程を備え、
タングステン層は、その絶縁膜を介して、得られた基板上に形成され、
タングステン層のエッチングは、絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いて行われる請求項１０に記載の製造方法。
フッ素化合物ガスは、ＣＦ₄、ＮＦ₃及びＳＦ₆からなる群から選択される請求項１０に記載の方法。
不活性ガスは、Ｈｅからなる請求項１０に記載の方法。