JP2006128396A

JP2006128396A - 固体撮像装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006128396A
Application number: JP2004314377A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nagai; 謙一永井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP4680568B2

Abstract

【課題】安定で信頼性の高い絶縁膜によって電気的に分離された一対の転送ゲート電極を形成可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板１上に形成されたゲート絶縁膜３上に第１導電体層を形成する工程と、第１導電体層をパターンニングして第１転送ゲート電極５を形成する工程と、第１転送ゲート電極５の表面を酸化して絶縁膜７を形成する工程と、前記絶縁膜７上に第２導電体層を形成する工程と、第２導電体層を平坦化して第２転送ゲート電極９を形成する工程と、第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜７をエッチングする工程と、第１及び第２転送ゲート電極５，９の表面を酸化してこれらの間に絶縁膜７ｂを形成する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置の製造方法に関する。

従来の固体撮像装置の転送ゲート電極部分の製造方法（例えば、特許文献１を参照）の一例について、図３を用いて説明する。

まず、基板５１上にゲート絶縁膜５３を形成し、その上に、第１ポリシリコンゲート電極５５をパターン形成する。絶縁膜５７の形成後、第１ポリシリコンゲート電極用のポリシリコン膜５９ａを全面に形成し、図３（ａ）に示す構造を得る。

次に、ＣＭＰ法により研磨して、第１ポリシリコンゲート電極５５上のポリシリコン膜５９ａを除去し、第２ポリシリコンゲート電極５９を形成し、図３（ｂ）に示す構造を得る。
特開平１１−２６７４３号公報

しかし、上記方法によって第１及び第２ポリシリコンゲート電極５５，５９を形成すると、両者を互いに絶縁する絶縁膜５７の特性が不安定であることがあった。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、安定で信頼性の高い絶縁膜によって電気的に分離された一対の転送ゲート電極を形成可能な半導体装置の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜上に第１導電体層を形成する工程と、第１導電体層をパターンニングして第１転送ゲート電極を形成する工程と、第１転送ゲート電極の表面を酸化して絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第２導電体層を形成する工程と、第２導電体層を平坦化して第２転送ゲート電極を形成する工程と、第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜をエッチングする工程と、第１及び第２転送ゲート電極の表面を酸化してこれらの間に絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の発明者は、第１転送ゲート電極の表面を酸化して得られる絶縁膜には、第１導電体層をパターンニングして得られる第１転送ゲート電極表面に残留する不純物（例えば、水素、塩素、臭素、炭素、弗素など）が包含され、この不純物が絶縁膜の特性（例えば、耐圧、リーク電流、ＴＢＢＤなど）を悪化させていることを見出し、さらに、この絶縁膜を一旦除去し、再度表面酸化によって絶縁膜を形成すると、不純物含有量が小さく、それ故に、特性の安定した転送ゲート電極間絶縁膜が得られることを見出し、本発明の完成に到った。

本発明によれば、上述したように、不純物含有量が小さい転送ゲート電極間絶縁膜が得られるので、安定で信頼性の高い絶縁膜によって電気的に分離された一対の転送ゲート電極を形成可能な半導体装置の製造方法が提供される。

１．半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜上に第１転送ゲート電極用の第１導電体層を形成する工程
「半導体基板」には、固体撮像装置の製造に使用可能な種々の基板を用いることができ、例えば、シリコン基板を用いることができる。また、この半導体基板には、通常、予め、光電変換部や電荷転送領域などの固体撮像装置が必要とする種々の構成が形成されている。

「ゲート絶縁膜」は、単層であっても多層であってもよいが、例えば、酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜をこの順に積層した多層膜であることが好ましい。ゲート絶縁膜の直下には、通常、電荷転送領域が形成される。

「第１導電体層」は、転送ゲート電極を形成可能な種々の材料で形成することができ、多結晶シリコンで形成することが好ましい。なぜなら、多結晶シリコン層は、ＣＶＤ法などで容易に形成することができ、さらに、熱酸化によって容易に表面に良質の酸化膜（酸化シリコン膜）を形成することができるからである。また、多結晶シリコン層には、その導電率を高めるために、種々の不純物がドープされていることが好ましい。なお、ここでの「導電体」には、転送ゲート電極としての機能を果たすの十分な導電率を有しているものが含まれる。

また、第１導電体層には、後工程で表面酸化により絶縁膜を形成するので、第１導電体層は、酸化物が絶縁体になる材料で形成する。

２．第１導電体層をパターンニングして第１転送ゲート電極を形成する工程
第１導電体層をパターニングして、第１転送ゲート電極を形成する。また、このパターニングによって、第１導電体層の一部を除去して、光電変換部の上方及び第２転送ゲート電極が形成される領域に開口を形成する。第２転送ゲート電極は、通常、隣接する２つの第１転送ゲート電極間の領域を埋めるように形成される。このため、パターニング後の第１導電体層のテーパー角度が８０〜９０度となるようパターニングしておくと、第１及び第２転送ゲート電極の境界近傍では、両者が一部重なる。この場合、この重なりのために、上記境界近傍に通常発生するポテンシャルポケットの発生を抑えることができ、従って、ポテンシャルポケットでの信号電荷の転送残しを減少させることができる。第１導電体層のパターニングは、ＲＩＥ法などを用いて行うことができる。また、テーパー角度の調整は、エッチングガスの組成やバイアスパワーを調節することによって行う。なお、ここでの「第１転送ゲート電極」とは、第１導電体層をパターニングして得られるものを広く含み、パターニング直後の形状のままで転送ゲート電極として使用可能なもののみでなく、追加の加工によって最終的な転送ゲート電極の形状になるものも含む。後述する「第２転送ゲート電極」についても同様である。

３．第１転送ゲート電極の表面を酸化して絶縁膜を形成する工程
上述の通り、第１導電体層は、酸化物が絶縁体になる材料で形成されているので、本工程により、第１導電体層の表面が酸化されて絶縁膜が形成される。第１転送ゲート電極の表面には、通常、上記パターニング工程の際に種々の不純物が残留する。そして、この不純物が酸化の際に絶縁膜に取り込まれることがある。絶縁膜は、不純物を取り込むと、耐圧、リーク電流、ＴＤＤＢなど種々の特性が不安定になり、その信頼性が低下する。本発明では、この信頼性の低い絶縁膜ではなく、信頼性の高い転送ゲート電極間絶縁膜を形成可能な半導体装置の製造方法を提供する。

ここで形成される絶縁膜の厚さは、表面酸化の温度や時間などを適宜変更することによって調節可能である。また、この絶縁膜の厚さは、好ましくは、最終の第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜厚の半分程度にする。なぜなら、この絶縁膜が薄すぎると、第１及び第２転送ゲート電極間距離が小さくなりすぎ、後の再酸化工程で適切な厚さのゲート電極間絶縁膜を形成することが困難になり、この絶縁膜が厚すぎると、酸化膜によるゲート電極の浸食が大きくなりすぎると共に光電変換部上方の開口部を狭めることがあるからである。「半分程度」とは、厳密に半分である場合のみでなく、上記理由付けが妥当する範囲をも含む趣旨である。

４．前記絶縁膜上に第２導電体層を形成する工程
第２導電体層は、好ましくは、第１導電体層と同じ材料で形成することができる。第２導電体層は、通常、第１転送ゲート電極上、及び隣接する２つの第１転送ゲート電極間に形成（堆積）される。なお、第１導電体層についての説明は、基本的に、第２導電体層についても当てはまる。

５．第２導電体層を平坦化して第２転送ゲート電極を形成する工程
第２導電体層を平坦化すると、第１転送ゲート電極上の部分が除去されて、隣接する２つの第１転送ゲート電極間の部分が残り、第２転送ゲート電極が形成される。第１及び第２転送ゲート電極は、通常、第１、第２、第１、第２・・・と順に並ぶ。なお、第１及び第２転送ゲート電極という名称は、製造方法を特定するために付した名称である。本発明の方法によって、３相駆動、４相駆動などを行う固体撮像素子も製造することができ、このような場合を本発明の範囲に含まれる。

６．第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜をエッチングする工程
この工程でのエッチングによって、第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜が除去される。上述したように、この絶縁膜には、不要な不純物が含まれることがあるので、この絶縁膜は、信頼性が低い。従って、一旦この絶縁膜を除去し、後工程で信頼性の高い絶縁膜を再度形成する。エッチングの種類は限定されないが、本発明の目的を達成するために、エッチングの後に不純物が残留しない方法で行うことが好ましい。通常は、ドライエッチングよりもウェットエッチングが好ましく、例えば、酸化シリコン膜のエッチングは、弗酸水溶液を用いて行うことが好ましい。

７．第１及び第２転送ゲート電極の表面を酸化してこれらの間に絶縁膜を形成する工程
この工程では、第１及び第２転送ゲート電極を再度酸化して、前工程で形成された転送ゲート電極間に絶縁膜を形成する。この工程で形成される絶縁膜の不純物含有量は、前工程で形成されたものよりも小さいので、この絶縁膜を用いると信頼性の高い固体撮像素子を製造することができる。また、第１及び第２転送ゲート電極の酸化は、好ましくは、酸化により形成される絶縁膜の厚さが、最終の第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜厚の半分程度である。なぜなら、この絶縁膜が薄すぎると、第１及び第２転送ゲート電極間が絶縁膜で充填されず、後工程で薬液の染み込みなどの問題が生じる場合があり、この絶縁膜が厚すぎると、酸化膜によるゲート電極の浸食が大きくなりすぎることがあるからである。なお、「半分程度」とは、厳密に半分である場合のみでなく、上記理由付けが妥当する範囲をも含む趣旨である。

図１を用いて、本発明の固体撮像装置の製造方法の実施例を説明する。図１は、本発明固体撮像装置の製造工程を示す、転送ゲート電極に沿った断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面上にゲート絶縁膜３として例えば２０ｎｍのシリコン酸化膜３ａと３０ｎｍのシリコン窒化膜３ｂを形成し、続いて第１多結晶シリコン層５ａを４００ｎｍ成膜する。なお、ここで用いるシリコン基板１には、固体撮像装置が通常必要とする光電変換部、分離領域、電荷転送領域（何れも図示せず）などがイオン注入などの方法で予め形成されている。

次に、図１（ｂ）に示すように、多結晶シリコン層５ａ上に、フォトレジストからなるマスク層を形成し、このマスク層を用いて、ＲＩＥ法により、多結晶シリコン層５ａをパターンニングし、第１転送ゲート電極５を得る。このとき多結晶シリコン層５ａとシリコン窒化膜３ｂの選択比は無限大であるので、エッチングはシリコン窒化膜３ｂでストップする。また、多結晶シリコン層５ａの加工断面のテーパー角度６は８０度以上９０未満の範囲になるようＲＩＥエッチングの異方性を調整している。この異方性の調整は、エッチングガスの混合比やバイアスパワーを調節することによって行う。

次に、図１（ｃ）に示すように第１転送ゲート電極５の表面を２０ｎｍ酸化し、シリコン酸化膜７を形成する。従来は、この酸化膜７をそのまま第１及び第２転送ゲート電極を電気的に分離するための絶縁膜として用いていたが、この酸化膜は、上記ＲＩＥエッチング工程で第１転送ゲート電極５の表面に残留した不純物（例えば、水素、塩素、臭素、炭素、弗素など）を含んでいることがあるので、この酸化膜をそのまま転送ゲート電極間絶縁膜として用いると耐圧、リーク電流、ＴＢＢＤなどの特性が不安定になる場合がある。
本実施例では、この酸化膜は一旦除去し、後工程で再度新しい酸化膜を形成することによって、特性が安定した転送ゲート電極間絶縁膜が形成されることを確保している。

次に、図１（ｄ）に示すように、第２多結晶シリコン層９ａを上記ＲＩＥエッチングで形成した溝が十分埋め込まれる程度の膜厚、例えば４５０ｎｍ成膜する。

次に図２（ｅ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、第１多結晶シリコン表面が露出するまで表面を研磨する。この際に、第２多結晶シリコン層９ａがパターニングされて、第２転送ゲート電極９が形成される。この状態で、第１及び第２転送ゲート電極５，９は、酸化膜７によって、互いに電気的に絶縁されている。

次に、図２（ｆ）に示すように、第１及び第２転送ゲート電極５，９間のシリコン酸化膜７を例えば弗酸によるウェットエッチングにより除去する。次に（ｇ）に示すように、第１及び第２転送ゲート電極５，９を２０ｎｍ相当再酸化し、電極間シリコン酸化膜７ａを形成する（なお、この際、同時に第１及び第２転送ゲート電極５，９の表面にもシリコン酸化膜が形成される。）。第１転送ゲート電極５表面の残留不純物は、酸化膜７を除去する際に一緒に除去されるので、この新たな酸化膜７ａは、実質的に不純物を含有せず、その特性が安定している。なお、シリコンが酸化されて酸化シリコンになる際に、その体積が概ね２倍程度に増大するので、上記酸化工程によって、上記エッチングにより形成された溝は、酸化シリコンによって充填される。
この後、遮光膜、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（何れも図示せず）を形成し、本実施例に係る固体撮像素子の製造を完了する。

本発明に係わる固体撮像装置における電荷転送部の製造工程を示す断面図である。本発明に係わる固体撮像装置における電荷転送部の製造工程を示す断面図である。従来の固体撮像装置における電荷転送部の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１：シリコン基板３：ゲート絶縁膜３ａ：シリコン酸化膜３ｂ：シリコン窒化膜５：第１転送ゲート電極５ａ：第１多結晶シリコン層６：テーパー角度７：シリコン酸化膜９：第２転送ゲート電極９ａ：第２多結晶シリコン層

Claims

半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜上に第１導電体層を形成する工程と、第１導電体層をパターンニングして第１転送ゲート電極を形成する工程と、第１転送ゲート電極の表面を酸化して絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第２導電体層を形成する工程と、第２導電体層を平坦化して第２転送ゲート電極を形成する工程と、第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜をエッチングする工程と、第１及び第２転送ゲート電極の表面を酸化してこれらの間に絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
第１及び第２導電体層は、それぞれ、多結晶シリコンからなる請求項１に記載の製造方法。
第１転送ゲート電極の表面に形成する絶縁膜は、その厚さが最終の第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜厚の半分程度であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
第１及び第２転送ゲート電極の酸化は、酸化により形成される絶縁膜の厚さが、最終の第１及び第２転送ゲート電極間絶縁膜厚の半分程度であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
第１導電体層のパターニングは、パターニング後のテーパー角度が８０〜９０度となるように行われることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。