JP2009081254A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リフトオフ法を用いた遮光膜の成膜時の耐熱温度を向上させる。
【解決手段】受光部３が形成されたシリコン基板１０上にゲート絶縁膜１４を形成し、このゲート絶縁膜１４上に転送電極１５を形成し、その表面に層間絶縁膜１６を形成した後、層間絶縁膜１６上及びゲート絶縁膜１４上にシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜上を平坦化し、その平坦面上の開口部形成位置にレジストマスク３１を形成する。このレジストマスク３１に基づいてシリコン酸化膜をエッチングし、レジストマスク３１下に逆テーパ状にシリコン酸化膜３０ａを残存させる（図４（Ａ））。そして、全面に遮光膜１７を成膜し（図４（Ｂ））、シリコン酸化膜３０ａを選択的にエッチングすることにより、シリコン酸化膜３０ａとシリコン酸化膜３０ａ上の遮光膜１７とを除去して開口部１７ａを形成する（図４（Ｃ））。
【選択図】図４

Description

本発明は、光電変換素子により生成した信号電荷を電圧信号に変換して出力する固体撮像装置及びその製造方法に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型等の固体撮像装置には、光電変換素子以外に光が入らないように、光電変換素子の直上位置に開口部を有し、開口部外の領域を遮光する遮光膜が形成されている。この遮光膜の開口部は、通常、レジストマスクに基づいたエッチングにより形成されている。

具体的には、まず、光電変換素子等が形成されたシリコン基板上に絶縁膜及び電極を形成し、これらを覆うように金属膜からなる遮光膜を成膜する。この遮光膜上に、光電変換素子の直上位置が開口したレジストマスクをフォトリソグラフィ技術によって形成する。そして、そのレジストマスクに基づいて遮光膜をエッチングすることにより、光電変換素子の直上位置に開口部を形成する。このエッチングには、微細加工に適した異方性エッチングとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が採用されているが、このＲＩＥ方式では、遮光膜と絶縁膜との選択性が乏しく、オーバーエッチングにより遮光膜下の絶縁膜をエッチングしてしまう。この絶縁膜は、遮光膜から金属不純物等がシリコン基板内へ拡散し、白点や固定欠陥が生じることを防止する役割を果たしているため、エッチングされ過ぎることは好ましくない。この対策として絶縁膜を厚く形成すると、遮光膜とシリコン基板との間が広がり、遮光膜下へ侵入する光が多くなることにより、スミアが生じ易くなるといった問題が生じる。

そこで、特許文献１において、遮光膜の下地としての絶縁膜をエッチングすることなく開口部を形成することができる遮光膜の形成方法が提案されている。この遮光膜の形成方法は、いわゆるリフトオフ法を用いた方法であり、遮光膜を成膜する前に、絶縁膜上の開口形成位置にレジストマスクを形成しておき、全面に遮光膜を成膜した後、そのレジストマスクをその上面に形成された遮光膜ごと剥離除去することにより開口部を形成する方法である。
特開平９−１０２５９５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示された遮光膜の形成方法では、レジストマスク上に遮光膜を成膜するため、この遮光膜の成膜温度を、レジストの耐熱温度以内としなければならない。フォトレジストの耐熱温度の上限は２００℃程度であるため、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で３００〜４００℃程度の成膜温度が要されるタングステン（Ｗ）等の金属膜を遮光膜として用いることは不可能である。近年、タングステンからなる遮光膜が広く使用されているため、タングステンを使用する場合においてもリフトオフ法を適用可能とすることが望まれている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、リフトオフ法を用いた遮光膜の成膜時の耐熱温度を向上させることができる固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置の製造方法は、シリコン基板内に形成された受光部の直上位置に開口部を有し、前記開口部外の領域を遮光する遮光膜を備えた固体撮像装置の製造方法において、前記シリコン基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記シリコン酸化膜上の開口部形成位置にレジストマスクを形成するマスク形成工程と、前記レジストマスクに基づいて前記シリコン酸化膜をエッチングし、前記レジストマスク下のみに前記シリコン酸化膜を残存させる酸化膜エッチング工程と、全面に遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングすることにより、前記シリコン酸化膜と前記シリコン酸化膜上の遮光膜とを除去して開口部を形成する開口部形成工程と、を備えたことを特徴とする。

なお、前記酸化膜エッチング工程では、前記レジストマスク下に残存する前記シリコン酸化膜の側壁を、上面側から下面側に向けて内方に傾斜した逆テーパ状とすることが好ましい。これにより、シリコン酸化膜の側壁が遮光膜で覆われることが防止され、エッチングにより除去し易くなる。

また、前記酸化膜エッチング工程では、気相ＨＦ処理により前記シリコン酸化膜をエッチングすることが好ましい。気相ＨＦ処理では、酸化膜質の違いにより選択的にエッチングすることが可能であり、この場合には、前記絶縁膜は熱酸化膜であり、前記シリコン酸化膜はＣＶＤ酸化膜であることが好ましい。

また、前記酸化膜エッチング工程では、ウェットエッチングにより前記シリコン酸化膜をエッチングすることも好ましい。ウェットエッチングでは、シリコン酸化膜を選択的にエッチングすることが可能であり、この場合には、前記絶縁膜は、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した積層膜からなることが好ましい。

また、本発明の固体撮像装置は、上記いずれかに記載の製造方法により製造されたことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、受光部の直上位置に、開口形状に対応するようにパターニングしたシリコン酸化膜を用いて、いわゆるリフトオフ法により遮光膜の開口部を形成するため、遮光膜の成膜時の耐熱温度を向上させることができる。シリコン酸化膜の耐熱温度は４００℃以上であるため、３００〜４００℃の成膜温度が要されるタングステン等を遮光膜として用いることができる。

図１において、本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置２は、インターライン転送方式のＣＣＤ型イメージセンサとして構成され、受光部３が水平方向（Ｘ方向）とこれに直交する垂直方向（Ｙ方向）に沿って２次元マトリクス状（正方格子状）に配列されている。各受光部３には、読み出しゲート４が隣接して設けられており、読み出しゲート４には、垂直列ごとに垂直転送路５が接続されている。また、各垂直転送路５の終端には、水平転送路６が共通に接続されている。さらに、水平転送路６の終端には、出力アンプ７が接続されている。

各受光部３は、入射光量に応じた量の信号電荷を光電変換により生成し蓄積する。蓄積期間（露光期間）が終了すると、各受光部３に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート４を介して一斉に垂直転送路５に移送される。垂直転送路５に移送された信号電荷は、順に水平転送路６に向けて垂直転送され、一行ずつ水平転送路６に移送される。水平転送路６に移送された信号電荷は、順に出力アンプ７に向けて水平転送され、画素単位ごとに出力アンプ７に入力される。出力アンプ７は、入力された信号電荷を順に電荷量に応じた電圧信号に変換し、撮像信号として外部に出力する。

図１のＩ−Ｉ線に沿う断面構造を示す図２において、ｎ型シリコン基板（半導体基板）１０の表層にｐ型ウェル層１１が形成されている。ｐ型ウェル層１１内には、ｎ型層からなり光電変換により信号電荷（この場合は電子）を生成して蓄積する受光部（光電変換素子）３が形成されている。この受光部３の上には、暗電流を防止するためのｐ^＋型のホール蓄積層１２が形成されている。受光部３の一方の側方には、ｐ型ウェル層１１の表層部からなる読み出しゲート４を介して、ｎ型層からなる垂直転送路５が形成されている。受光部３の他方の側方には、ｐ^＋型層からなるチャネルストップ１３を介して隣接画素に属する垂直転送路５が形成されている。

シリコン基板１０の表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるゲート絶縁膜１４が形成され、このゲート絶縁膜１４上には、垂直転送路５、読み出しゲート４、及びチャネルストップ１３の略直上を覆うように、ポリシリコンからなる転送電極１５が形成されている。この転送電極１５の表面には、酸化シリコンからなる層間絶縁膜１６が形成されている。この層間絶縁膜１６上には、転送電極１５の上方及び側方を覆うとともに受光部３の直上位置に開口部１７ａを有するタングステンからなる遮光膜１７が形成されている。

遮光膜１７上には、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなるパッシベーション膜１８が形成されており、パッシベーション膜１８上には有機膜からなる平坦化膜１９が形成されている。そして、この平坦化膜１９上には、カラーフィルタ２０が形成されており、カラーフィルタ２０の上には、有機膜からなる平坦化膜２１を介してマイクロレンズ２２が形成されている。

次に、固体撮像装置２の製造方法を図３及び図４に示す各工程図に沿って説明する。なお、図３及び図４は、図１のＩ−Ｉ線に沿う断面における製造工程を示し、シリコン基板１０内については、受光部３以外の図示を省略している。

シリコン基板１０内にｐ型及びｎ型の不純物イオンをそれぞれ注入することにより、前述のｐ型ウェル層１１、受光部３、ホール蓄積層１２、チャネルストップ１３、垂直転送路５、読み出しゲート４等（図２参照）を形成する。この後、図３（Ａ）に示すように、熱酸化法によってシリコン基板１０上にシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜１４を形成し、このゲート絶縁膜１４上にＣＶＤ法によってポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィによって形成したレジストマスクに基づいてポリシリコン膜をパターニングすることにより転送電極１５を形成し、さらに熱酸化法により、転送電極１５の表面上にシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなる層間絶縁膜１６を形成する。

次いで、図３（Ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、層間絶縁膜１６及びゲート絶縁膜１４上を覆うように全面にシリコン酸化膜３０を堆積する。なお、このシリコン酸化膜３０は、ＣＶＤ法により成膜されたシリコン酸化膜であることから、ＣＶＤ酸化膜と称される。次いで、図３（Ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、シリコン酸化膜３０の上面を研摩して平坦化し、この平坦面上にレジスト材を塗布してフォトリソグラフィを行うことにより、受光部３の直上位置（遮光膜の開口部形成位置）に、形成する開口部の形状に対応したレジストマスク３１を形成する。

次いで、レジストマスク３１に基づいて、シリコン酸化膜３０に対してドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））を行うことにより、図４（Ａ）に示すように、レジストマスク３１下のみにシリコン酸化膜３０ａを残存させる。この残存したシリコン酸化膜３０ａの形状としては、その側壁が、上面側から下面側に向けて内方に傾斜した逆テーパ状であることが好ましい。これは、後の遮光膜の成膜の際に、シリコン酸化膜３０ａの側部が遮光膜で覆われてしまい、シリコン酸化膜３０ａの剥離除去が困難になるのを防止するためである。この逆テーパ状形状を形成するには、エッチング条件の調整により可能であり、エッチングの方向性（鉛直方向と水平方向との比率）をエッチング実行時に変化させることにより為し得る。例えば、エッチングの進行に応じて、鉛直方向への異方性から等方性の度合いを強めていけばよい。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、スパッタ法によって全面にタングステンからなる遮光膜１７を形成する。なお、遮光膜１７の形成に先立って、スパッタ法により、チタンナイトライドからなる密着性層（図示せず）を形成してもよい。このときのスパッタ法による成膜温度は、３００〜４００℃程度であるが、シリコン酸化膜３０ａは、その成膜温度以上の耐熱性を有するため、従来のような問題はなく、タングステン等の高融点金属からなる遮光膜１７を通常の方法で成膜可能である。

次いで、気相ＨＦ（フッ化水素）処理によるエッチングにより、図４（Ｃ）に示すように、シリコン酸化膜３０ａをその上面に形成された遮光膜１７ごと剥離除去し、洗浄を行うことにより、開口部１７ａを形成する。気相ＨＦ処理は、気相ＨＦガス中の水分濃度を制御することで、酸化膜質の違いによりエッチングレートを大きく変化させることが可能なエッチング技術である。本実施形態の場合には、熱酸化膜に対するＣＶＤ酸化膜のエッチングレートを高めることで、熱酸化膜からなるゲート絶縁膜１４にダメージを与えずに、ＣＶＤ酸化膜からなるシリコン酸化膜３０ａのみを選択的にエッチングすることができる。

この後、通常の方法にて、パッシベーション膜１８、平坦化膜１９、カラーフィルタ２０、平坦化膜２１、及びマイクロレンズ２２を順に形成することにより、固体撮像装置２が完成する。

なお、上記第１の実施形態では、ゲート絶縁膜１４を熱酸化膜、シリコン酸化膜３０をＣＶＤ酸化膜として形成しているが、シリコン酸化膜３０は、ゲート絶縁膜１４と膜質が異なるシリコン酸化膜であればよく、ＢＰＳＧ膜やＰＳＧ膜とすることも好適である。また、ゲート絶縁膜１４は、熱酸化膜に限られず、ＣＶＤ酸化膜として形成してもよいし、熱酸化膜上にＣＶＤ酸化膜を積層した積層型の膜としてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５に示すように、本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置４０は、シリコン窒化膜４１が設けられていること以外は、上記第１の実施形態と同一の構成である。同一の部分については第１の実施形態と同一の符号を付し、説明は省略する。

シリコン窒化膜４１は、層間絶縁膜１６及びゲート絶縁膜１４上を覆うように形成されており、ゲート絶縁膜１４とともに遮光膜１７の下地膜となっている。また、シリコン窒化膜４１は、マイクロレンズ２２を介して入射した入射光の反射を防止するための、反射防止膜として機能している。

この固体撮像装置４０の製造方法を図６に示す各工程図に沿って説明する。第１の実施形態と同様に、図６は、図１のＩ−Ｉ線に沿う断面における製造工程を示し、シリコン基板１０内については、受光部３以外の図示を省略している。

受光部３等が形成されたシリコン基板１０上にシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜１４を形成し、このゲート絶縁膜１４上に転送電極１５を形成し、転送電極１５の表面上にシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなる層間絶縁膜１６を形成するまでの工程は、上記と同様であり、本実施形態では、さらに、図６（Ａ）に示すように、ＣＶＤ法によって、層間絶縁膜１６及びゲート絶縁膜１４上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）４１を形成する。

次いで、上記第１の実施形態と同様に、図６（Ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によって全面にシリコン酸化膜４２を堆積し、シリコン酸化膜４２の上面をＣＭＰ法によって平坦化した後、図６（Ｃ）に示すように、この平坦面上の遮光膜の開口部形成位置に、形成する開口部の形状に対応したレジストマスク４３を形成する。次いで、レジストマスク４３に基づいてドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））を行うことにより、図７（Ａ）に示すように、レジストマスク４３下のみにシリコン酸化膜４２ａを残存させる。この残存したシリコン酸化膜４２ａは、上記第１の実施形態と同様に、その側壁が、上面側から下面側に向けて内方に傾斜した逆テーパ状であることが好ましい。

次いで、図７（Ｂ）に示すように、スパッタ法によって全面にタングステンからなる遮光膜１７を形成する。なお、遮光膜１７の形成に先立って、スパッタ法により、チタンナイトライドからなる密着性層（図示せず）を形成してもよい。このときのスパッタ法による成膜温度は、３００〜４００℃程度であるが、シリコン酸化膜４２ａは、その成膜温度以上の耐熱性を有するため、従来のような問題はなく、タングステン等の高融点金属からなる遮光膜１７を通常の方法で成膜可能である。

次いで、本実施形態では、ウェットエッチングにより、図７（Ｃ）に示すように、シリコン酸化膜４２ａをその上面に形成された遮光膜１７ごと剥離除去し、洗浄を行うことにより、開口部１７ａを形成する。このウェットエッチングの薬液としては、ＨＦ水溶液を用いる。このウェットエッチングでは、シリコン窒化膜に比べ、シリコン酸化膜に対するエッチングレートが極めて高いため、シリコン窒化膜４１にダメージを与えずに、シリコン酸化膜４２ａのみを選択的にエッチングすることができる。

この後、通常の方法にて、パッシベーション膜１８、平坦化膜１９、カラーフィルタ２０、平坦化膜２１、及びマイクロレンズ２２を順に形成することにより、固体撮像装置４０が完成する。

なお、上記第２の実施形態では、ゲート絶縁膜１４を熱酸化膜、シリコン酸化膜４２をＣＶＤ酸化膜として形成しているが、シリコン酸化膜４２は、ＢＰＳＧ膜やＰＳＧ膜とすることも好適である。また、ゲート絶縁膜１４は、熱酸化膜に限られず、ＣＶＤ酸化膜として形成してもよいし、熱酸化膜上にＣＶＤ酸化膜を積層した積層型の膜としてもよい。

また、上記第２の実施形態では、ウェットエッチングによりシリコン酸化膜４２ａを除去するリフトオフを行っているが、ウェットエッチングに代えて、気相ＨＦ処理を用いることも勿論可能である。

また、上記第１及び第２の実施形態では、固体撮像装置としてインターライン転送方式のＣＣＤ型イメージセンサを例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものでなく、フレーム転送方式のＣＣＤ型イメージセンサにも適用可能である。さらには、本発明は、ＣＭＯＳ型イメージセンサ等にも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置を示す概略平面図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿う縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置の製造工程を示す縦断面図（その１）である。 本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置の製造工程を示す縦断面図（その２）である。 本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置の製造工程を示す縦断面図（その１）である。 本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置の製造工程を示す縦断面図（その２）である。

符号の説明

２ 固体撮像装置
３ 受光部
１０ シリコン基板
１４ ゲート絶縁膜
１５ 転送電極
１６ 層間絶縁膜
１７ 遮光膜
１７ａ 開口部
３０ シリコン酸化膜
３１ レジストマスク
４０ 固体撮像装置
４１ シリコン窒化膜
４２ シリコン酸化膜
４３ レジストマスク

Claims (7)

1. シリコン基板内に形成された受光部の直上位置に開口部を有し、前記開口部外の領域を遮光する遮光膜を備えた固体撮像装置の製造方法において、
   前記シリコン基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
   前記シリコン酸化膜上の開口部形成位置にレジストマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記レジストマスクに基づいて前記シリコン酸化膜をエッチングし、前記レジストマスク下のみに前記シリコン酸化膜を残存させる酸化膜エッチング工程と、
   全面に遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、
   前記シリコン酸化膜を選択的にエッチングすることにより、前記シリコン酸化膜と前記シリコン酸化膜上の遮光膜とを除去して開口部を形成する開口部形成工程と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記酸化膜エッチング工程では、前記レジストマスク下に残存する前記シリコン酸化膜の側壁を、上面側から下面側に向けて内方に傾斜した逆テーパ状とすることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記酸化膜エッチング工程では、気相ＨＦ処理により前記シリコン酸化膜をエッチングすることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記絶縁膜は熱酸化膜であり、前記シリコン酸化膜はＣＶＤ酸化膜であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記酸化膜エッチング工程では、ウェットエッチングにより前記シリコン酸化膜をエッチングすることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 前記絶縁膜は、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した積層膜からなることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 請求項１から６いずれか１項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする固体撮像装置。

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