JP2007266480A - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷転送電極の電極間距離を狭くすることが可能な実用性の高い固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板１表面に形成されたゲート酸化膜２上に第１の導電性膜３’のパターンを形成する工程（図３（ａ））と、ゲート酸化膜２及び第１の導電性膜３’上に、第１の導電性膜３’のパターンを反映した形状の第２の導電性膜４を形成する工程（図３（ｂ））と、隣接する２つの第１の導電性膜３’の間のゲート絶縁膜２上方にある第２の導電性膜４のうち、該隣接する２つの第１の導電性膜３’のそれぞれの側壁に沿って形成された部分同士の間に形成された隙間Ｓをゲート酸化膜２表面にまで移動させる工程（図３（ｃ））と、第２の導電性膜４を酸化して、隣接する２つの第１の導電性膜３’同士の間に絶縁膜を形成する工程（図３（ｄ））とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を転送するための単層構造の電荷転送電極を含む電荷転送部とを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

エリアセンサ等に用いられるＣＣＤ型の固体撮像素子は、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、順次駆動される。

固体撮像素子においては、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、電荷転送電極の低抵抗化が求められている。低抵抗化の方法として、電荷転送電極を多結晶シリコンなどのシリコン系導電性材料と金属シリサイドとの２層構造とすることが提案されている。

一方、撮影画素数の増加により光電変換部領域が狭くなる傾向にあるが、狭い領域で多くの光を集めるためには、光電変換部表面に対して電荷転送電極形成部などの光電変換部周辺の高さをより低くして電極による光のけられ（遮断）を低減することが重要である。そのため、電荷転送電極を互いに重なることなく配置したいわゆる単層構造の電荷転送電極が提案されている。電荷転送電極を単層構造とすると、段差が低減され、転送電極部上の遮光膜の被覆性が向上し、より効果的である。

しかし、単層構造の電荷転送電極を高速パルスで駆動する場合、隣接する電荷転送電極の電極間距離（ギャップ）を狭く形成する（０．１μｍ以下）必要がある。この程度のパターンサイズを得るためには平坦な表面でＥＢ直描法を用いるなど、高価なステッパを使用する必要があり、また、電極パターンを得ることができたとしても、微細な電極間領域に絶縁膜を充填するのは極めて困難であり、耐圧劣化の原因ともなり、実用上は充分でなかった。

単層電極の狭ギャップ形成に関する文献として特許文献１〜３が挙げられる。

特開２００４−６６７１号公報 特開２００４−１１９７９５号公報 特開平５−１１４６１７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電荷転送電極の電極間距離を狭くすることが可能な実用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。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を転送するための単層構造の電荷転送電極を含む電荷転送部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記電荷転送電極の形成工程が、半導体基板表面に形成されたゲート酸化膜上に第１の導電性膜のパターンを形成する第１の導電性膜パターン形成工程と、前記ゲート酸化膜及び前記第１の導電性膜上に、前記第１の導電性膜のパターンを反映した形状の第２の導電性膜を形成する第２の導電性膜形成工程と、隣接する２つの前記第１の導電性膜の間にある前記ゲート絶縁膜の上方に形成された前記第２の導電性膜のうち、前記隣接する２つの第１の導電性膜のそれぞれの側壁に沿って形成された部分同士の間に形成された隙間を前記ゲート酸化膜表面にまで移動させる隙間移動工程と、前記第２の導電性膜を酸化して、前記隣接する２つの第１の導電性膜同士の間に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを含む。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記隙間移動工程において前記第２の導電性膜をエッチバックして前記隙間を移動させる。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記第２の導電性膜がポリシリコンからなる。

本発明によれば、電荷転送電極の電極間距離を狭くすることが可能な実用性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１，２に示す固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換部であるフォトダイオード３０が多数形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図１中のＹ方向）に転送するための電荷転送部４０が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。

電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された単層電極構造の電荷転送電極３（第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域３４とを含む。電荷転送電極３は、行方向（図１中のＸ方向）に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向に延在する蛇行形状となっている。

図２に示すように、シリコン基板１の表面部にはｐウェル層９が形成され、ｐウェル層９の表面部にはｐ領域３０ａが形成され、ｐ領域３０ａの下にはｎ領域３０ｂが形成され、ｐ領域３０ａとｎ領域３０ｂがフォトダイオード３０を構成し、フォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。

ｐ領域３０ａの右側には、少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層９には電荷読み出し領域３４が形成される。

シリコン基板１表面にはＯＮＯ膜や酸化シリコン膜等からなるゲート酸化膜２が形成され、電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート酸化膜２を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成される。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は電極間絶縁膜５によって絶縁される。垂直転送チャネル３３の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離が図られる。

電荷転送電極３の上には酸化シリコン膜６が形成され、更にその上に中間層７０が形成される。中間層７０のうち、７１は遮光膜、７２はＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）からなる絶縁膜、７３はＰ−ＳｉＮからなる絶縁膜（パッシベーション膜）、７４は透明樹脂膜からなる平坦化層である。遮光膜７１は、フォトダイオード３０の開口部分を除いて設けられており、シリコン基板１内のフォトダイオード３０の一部以外に光が入らないようにしている。中間層７０上方には、カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０が設けられる。カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０との間は、絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層６１が充填される。

本実施形態の固体撮像素子は、フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力される構成である。

次に上述した固体撮像素子の製造工程のうち、電荷転送電極３の形成工程について図３を参照して説明する。電荷転送電極の形成工程以外の製造工程は従来の固体撮像素子と同様である。

図３は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の電荷転送電極の形成工程を示す断面模式図である。図３では、第１の電極３ａとこれに隣接する第２の電極３ｂの形成工程を説明するための断面のみを示している。

まず、ｎ型のシリコン基板１表面に、酸化シリコン膜と、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜を順に積層した３層構造のゲート酸化膜２を形成する。ゲート酸化膜２は酸化シリコン膜からなる単層構造であっても良い。

次に、このゲート酸化膜２上に、第１の導電性膜３’のパターンを形成する（図３（ａ））。例えば、減圧ＣＶＤ法により、第１の導電性膜３’としてポリシリコン膜を形成したあと、この膜をフォトリソ及びエッチングによってパターニングして、第１の導電性膜３’のパターンを形成する。

次に、ゲート酸化膜２及び第１の導電性膜３’上に、第１の導電性膜３’のパターンを反映した形状の第２の導電性膜４を形成する（図３（ｂ））。例えば、第２の導電性膜４をポリシリコン膜とし、これを例えば減圧ＣＶＤ法によって成膜する。このときの第２の導電性膜４の成膜条件は、平面視において、隣接する２つの第１の導電性膜３’の間にあるゲート絶縁膜２、の上方に形成される第２の導電性膜４のうち、該隣接する２つの第１の導電性膜３’のそれぞれの側壁に沿って形成された部分同士の間に、図３に示す隙間Ｓが形成されるような条件とする。第２の導電性膜４は、隙間Ｓを作りやすくするために、カバレッジ性の高い材料を用いることが好ましい。

次に、隙間Ｓを、ゲート酸化膜２表面にまで移動させる（図３（ｃ））。例えば、第２の導電性膜４を、第１の導電性膜３’の上面が露出するまでエッチバックすることで、隙間Ｓをゲート酸化膜２表面にまで到達させることができる。

次に、第２の導電性膜４を例えば減圧ＣＶＤ法によって酸化して絶縁膜５を形成する（図３（ｄ））。隙間Ｓを挟んで対向する２つの第２の導電性膜４は、それぞれ酸化されることによって膨張するため、この酸化によって隙間Ｓは埋まる。第１の導電性膜３’の上部の一部は酸化により絶縁膜５に変化し、酸化されなかった部分が第１の電極３ａと第２の電極３ｂとなる。

このような製造方法によれば、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間の距離を０．１μｍ以下にすることが容易となる。例えば、図３（ａ）に示すように、第１の導電性膜３’同士の間の距離が０．１μｍとなるように第１の導電性膜３’をパターニングし、図３（ｂ）に示す距離ＡとＢがそれぞれ０．０３μｍとなり、隙間Ｓが０．０４μｍとなるように、第２の導電性膜４の成膜条件を設定して第２の導電性膜４を成膜し、隙間Ｓを移動させた後、第１の導電性膜３’の側壁が酸化されない程度に酸化条件を設定して、第２の導電性膜４を酸化することで、第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間の距離を０．１μｍにすることができる。

図３（ａ）に示す状態の後、例えば、第１の導電性膜３’の側壁を酸化することで電極間絶縁膜を形成することも考えられるが、このようにする場合、第１の導電性膜３’の側壁が酸化により絶縁膜に変化するため、第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間の距離は０．１μｍよりも大きくなってしまう。したがって、この場合、図３（ａ）に示す隣接する２つの第１の導電性膜３’間の距離を０．１μｍよりも小さくする必要があるため、高価なステッパが必要となる。これに対し、本実施形態で説明した製造方法によれば、隣接する２つの第１の導電性膜３’間の距離を０．１μｍにしておけば、第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間の距離を０．１μｍにすることができるため、それほど高価なステッパを用いることなく、電極の形成が可能となる。

又、本実施形態で説明した製造方法によれば、第２の導電性膜４の酸化量を調整することで、第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間の距離を微調整することも可能であり、第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間の距離の制御が容易となる。

又、本実施形態で説明した製造方法によれば、第１の電極３ａと第２の電極３ｂを同時に形成することができるため、第１の電極３ａを形成してから電極間絶縁膜を形成し、その後に第２の電極３ｂを形成する従来の方法に比べて、工程数を大幅に削減することができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図 図１のＡ−Ａ線断面模式図 本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の電荷転送電極の形成工程を示す図

符号の説明

１ シリコン基板
２ ゲート酸化膜
３ａ，３ｂ 電荷転送電極
３’ 第１の導電性膜
４ 第２の導電性膜
５ 電極間絶縁膜
Ｓ 隙間

Claims (3)

1. 光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を転送するための単層構造の電荷転送電極を含む電荷転送部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記電荷転送電極の形成工程が、
   半導体基板表面に形成されたゲート酸化膜上に第１の導電性膜のパターンを形成する第１の導電性膜パターン形成工程と、
   前記ゲート酸化膜及び前記第１の導電性膜上に、前記第１の導電性膜のパターンを反映した形状の第２の導電性膜を形成する第２の導電性膜形成工程と、
   隣接する２つの前記第１の導電性膜の間にある前記ゲート絶縁膜の上方に形成された前記第２の導電性膜のうち、前記隣接する２つの第１の導電性膜のそれぞれの側壁に沿って形成された部分同士の間に形成された隙間を前記ゲート酸化膜表面にまで移動させる隙間移動工程と、
   前記第２の導電性膜を酸化して、前記隣接する２つの第１の導電性膜同士の間に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
2. 請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記隙間移動工程では、前記第２の導電性膜をエッチバックして前記隙間を移動させる固体撮像素子の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記第２の導電性膜がポリシリコンからなる固体撮像素子の製造方法。

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