JP2009200262A - 半導体装置およびその製造方法、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器 Download PDF

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Abstract

【課題】2層のゲート電極を絶縁する電極絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる固体撮像装置を得る。
【解決手段】半導体基板101上に形成された第1のゲート電極103と、該半導体基板101および該第1の電極103上にこれらに跨るよう形成された第2のゲート電極106と、該第1の電極と該第2の電極とを絶縁する電極絶縁膜134とを備えた固体撮像装置において、該電極絶縁膜134を、第1の絶縁膜113から得られた、該第1のゲート電極103上に位置する電極上部分113aと、該第1の絶縁膜113とは層の異なる第2の絶縁膜114から得られた、該第1のゲート電極103の側面上に位置する電極側壁部分114aとを有する構造とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器に関し、特に隣接する電極、例えばCCD(Charge Coupled Device)における隣接するゲート電極を絶縁する絶縁膜の構造および形成方法に関するものである。
従来から、カメラ付携帯、デジタルスチルカメラ(DSC)、監視カメラなどでは、撮像装置として、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどの固体撮像装置が用いられている。
図2は、従来の固体撮像装置であるCCDイメージセンサを説明する図であり、図2(a)は、このCCDイメージセンサの構成を概略的に示している。
このCCDイメージセンサ100は、マトリクス状(二次元状)に配列され、光電変換を行う複数の光電変換素子(フォトダイオード)PDと、各フォトダイオード列に対応して設けられ、該フォトダイオードで発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送部(垂直CCD)121と、この垂直転送部121からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部(水平CCD)122と、この水平転送部122の終端に接続され、水平方向に転送されてきた信号電荷を増幅して信号電圧として出力する出力部123とを有している。ここで、各フォトダイオードPDは、垂直転送部121の対応する部分とともに、このCCDイメージセンサ100における各画素Pxを構成している。
図2(b)は、CCDイメージセンサ100を構成するフォトダイオードPDおよび垂直転送部121のレイアウトを示す平面図である。
図2(b)に示すように、例えば、N型シリコン基板中に形成されたP型拡散領域などの半導体基板101上には、フォトダイオードPDを構成するN型拡散領域(以下、PD拡散領域という。)10がマトリクス状に配列されており、垂直方向に並ぶPD拡散領域10の列に沿って、対応する垂直転送部を構成するN型拡散領域(CCD拡散領域)11が配置されている。また、該半導体基板101上には、絶縁膜(図示せず)を介して、垂直転送部121を構成する第1のゲート電極103および第2のゲート電極106が形成されている。ここで、ゲート電極103および106は、水平方向に並ぶPD拡散領域10の列に沿って延び、各CCD拡散領域11上では、隣接する第1および第2のゲート電極103および106は、それぞれの端部が上記絶縁膜を介して重なるよう配置されている。なお、水平転送部(水平CCD)122においても、このような第1および第2のゲート電極が、一部が重なるよう隣接して交互に配置されている。
ところで、近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、撮像デバイスを構成する電荷結合素子(CCD)においても、低消費電力化および高速化が進んできている。
CCDのゲート電極は、垂直転送部および水平転送部のいずれにおいても、電荷の転送方向に対し、絶縁膜(以下、電極絶縁膜ともいう。)を挟んですき間なく並んだ構造をしている。
従来は、例えば、この電極絶縁膜は、主に多結晶シリコンからなる第1のゲート電極(下層側のゲート電極)を熱酸化する方法で、あるいは絶縁材料を堆積し、その堆積により得られた絶縁膜をフォトリソグラフィ・エッチング技術により選択的に除去する方法で形成されており、以下簡単にこれらの方法について説明する。
図3は、2層のゲート電極を絶縁する絶縁膜を、絶縁材料の堆積と選択的なエッチング処理とにより形成する方法を工程順(図3(a)〜図3(g))に説明する図である。
まず、シリコン基板(以下、ウエハともいう。)101上に熱酸化膜102a、シリコン窒化膜102b、およびシリコン酸化膜102cからなるONO膜102をゲート絶縁膜として形成する。その後、このONO膜102上に、n型多結晶シリコン膜を形成し、これをパターニングして第1のゲート電極103を形成する(図3(a))。
次に、シリコン基板101の全面に絶縁膜104を、第1のゲート電極103による段差が実質的に平坦化される程度の厚さに堆積し(図3(b))、続いてこの絶縁膜104を、上記第1のゲート電極103上での厚さが所定の厚さとなるまでエッチバックもしくは表面研磨する(図3(c))。
その後、絶縁膜104上にパターニングしたレジスト膜105を形成し(図3(d))、このレジスト膜105をマスクとして絶縁膜104を選択的にエッチングして、第1のゲート電極103の上面および側面に所定厚さの絶縁膜104aを残す(図3(e))。
最後に、上記レジスト膜105を除去し(図3(f))、第2のゲート電極106を、n型多結晶シリコン膜の選択的なエッチング処理により、隣接する第1のゲート電極103の間に、該第1および第2のゲート電極103および106の端部が絶縁膜104aを介して重なるよう形成する(図3(f))。
ところで、この方法では、第1および第2のゲート電極103および106の間の水平方向の絶縁膜の膜厚がフォトリソグラフィの精度に依存するため、この絶縁膜の膜厚は、これらの電極間での絶縁耐圧を考慮した膜厚に設定する必要があり、転送効率を考慮した薄い膜厚に設定することは困難である。
一方、上述した第1のゲート電極の熱酸化により、第1および第2のゲート電極間の絶縁膜(電極絶縁膜)を形成する方法では、この絶縁膜の水平方向の膜厚は、第1のゲート電極に対して自己整合的に決定されることから、転送効率を考慮して薄く設定することができる。
図4は、この熱酸化を用いた電極絶縁膜の形成方法を工程順(図4(a)〜図4(c))に説明する図である。
まず、図3で説明した方法と同様に、シリコン基板101上に、熱酸化膜102a、シリコン窒化膜102b、およびシリコン酸化膜102cからなるONO膜102をゲート絶縁膜として形成し、その後、このONO膜102上に第1のゲート電極103を形成する(図4(a))。
次に、この第1のゲート電極103に熱酸化処理を施して、該ゲート電極103の上面および側面にシリコン酸化膜103aを形成する(図4(b))。
その後、図3で説明したように、第2のゲート電極106を、多結晶シリコン膜の選択的なエッチング処理により形成する(図4(c))。
ところが、この熱酸化により、第1および第2のゲート電極間の絶縁膜を形成する方法では、第1のゲート電極の熱酸化の際に、第1のゲート電極の側端下部が熱酸化されて二酸化ケイ素に変化し、ゲート電極の側端下部で、ゲート絶縁膜が厚くなってしまう。
なお、特許文献1には、半導体集積回路、特にダイナミックランダムメモリ(DRAM)の製造方法が開示されている。この文献に開示の方法は、第1のゲート電極と第2のゲート電極との間の層間絶縁膜を、第2のゲート電極直下のゲート絶縁膜の形成プロセスとは独立したプロセスで形成することにより、第2のゲート絶縁膜を薄くしつつ、これらの第1および第2のゲート電極間での絶縁耐圧を確保できるものである。特に、この文献の方法では、図3で説明したように、第1のゲート電極の形成後に全面に層間絶縁膜を形成し、その後、この層間絶縁膜の、第2のゲート電極が配置される部分を選択的に除去し、その後、この第2のゲート電極が配置される部分にゲート絶縁膜を形成する方法が開示されている。
特開昭60−245159号公報
以上説明したように、従来の絶縁膜の形成方法では、隣接するゲート電極を絶縁する絶縁膜(電極絶縁膜)を、ゲート電極材料の熱酸化を招くことなく、絶縁破壊が起こらない程度の薄い膜厚で形成することは困難であった。
つまり、CCDにおいては、第1のゲート電極と第2のゲート電極を電荷の転送方向に隣接して配置し、これに印加する電圧を制御することで、半導体基板中に形成した電荷転送領域内で信号電荷を転送する。
このような電荷転送動作を行うCCDでは、このゲート電極間の水平方向の絶縁膜厚は、ゲート電極に印加される電圧による絶縁破壊を生じない範囲内でできるだけ薄く形成することが転送効率に対し有利である。
しかしながら、図3に示す従来の層間絶縁膜の形成方法では、ゲート電極間の水平方向の絶縁膜厚がフォトリソグラフィの精度に依存し、このため、製造誤差を考慮した場合、層間絶縁膜の膜厚を、電荷転送に悪影響が生じる程度に厚い膜厚に、つまり絶縁耐圧を確保する上で必要な膜厚以上の膜厚に設定せざるを得ないという問題点があった。
また、図4に示すように、隣接するゲート電極を絶縁する絶縁膜(電極絶縁膜)を熱酸化により形成する方法では、第1のゲート電極下のゲート絶縁膜は、デバイス特性安定化のため、熱酸化膜、シリコン窒化膜、二酸化シリコンで構成されていることから、第1のゲート電極の側端下部が熱酸化されて二酸化ケイ素に変化し、基板と電極との間の距離が大きくなる現象(スマイリング現象)が生ずる。その結果、基板の、第1のゲート電極側端部の下側部分で、電位分布が変化することにより、電荷の転送効率に悪影響を与えるという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、要求される絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる半導体装置およびその製造方法、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された多層電極構造を有する半導体装置であって、該半導体基板上に形成された第1の電極と、該半導体基板および該第1の電極上にこれらに跨るよう形成された第2の電極と、該第1の電極と該第2の電極とを絶縁する電極絶縁膜とを備え、該電極絶縁膜は、第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記半導体装置において、前記電極絶縁膜は、前記電極上部分と前記電極側壁部分とで絶縁耐圧が等しくなるよう、該電極上部分の膜厚と該電極側壁部分の膜厚とを実質的に等しくしたものであることが好ましい。
本発明は、上記半導体装置において、前記電極絶縁膜の電極上部分は、前記第1の電極と同一の平面形状を有することが好ましい。
本発明は、上記半導体装置において、前記第1および第2の電極はそれぞれ、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された第1および第2のゲート電極であり、該ゲート絶縁膜の膜厚は、該第1のゲート電極の下側部分と該第2のゲート電極の下側部分とで実質的に等しいことが好ましい。
本発明は、上記半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に下側酸化膜、窒化膜、および上側酸化膜を順次積層してなる3層構造を有することが好ましい。
本発明は、上記半導体装置において、前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜を備え、該第3の絶縁膜は、その一部が前記第2のゲート電極の下側に位置し、該第2のゲート電極の下側部分が、前記3層構造のゲート絶縁膜の上側酸化膜を構成するものであることが好ましい。
本発明に係る固体撮像装置は、異なる信号電圧が印加される第1および第2のゲート電極を有する固体撮像装置であって、該第1のゲート電極と第2のゲート電極とを絶縁する電極絶縁膜を備え、該第1のゲート電極と第2のゲート電極とは、それぞれの一部が該電極絶縁膜を介して重なるよう配置されており、該電極絶縁膜は、第1の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記電極絶縁膜は、前記電極上部分と前記電極側壁部分とで絶縁耐圧が等しくなるよう、前記電極上部分の膜厚と前記電極側壁部分の膜厚とを実質的に等しくしたものであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、複数の光電変換素子を二次元状に配列してなる素子アレイの各垂直方向列に沿って配置され、該各光電変換素子で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を備え、前記第1および第2のゲート電極は、該垂直電荷転送部における転送ゲートを構成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、複数の光電変換素子を二次元状に配列してなる素子アレイの各垂直方向列に沿って配置され、該各光電変換素子で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、該各垂直電荷転送部からの信号電荷を該素子アレイの水平方向に沿って転送する水平電荷転送部とを備え、前記第1および第2のゲート電極は、該水平電荷転送部における転送ゲートを構成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第1および第2の電極下側のゲート絶縁膜は、上下の酸化膜の間に窒化膜を挿入してなる3層構造を有し、該ゲート絶縁膜の膜厚は、該第1のゲート電極の下側部分と該第2のゲート電極の下側部分とで実質的に等しいことが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置において、前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜を備え、該第3の絶縁膜は、その一部が前記第2のゲート電極の下側に位置し、該第2のゲート電極の下側部分が、前記3層構造のゲート絶縁膜の上側の酸化膜を構成するものであることが好ましい。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1および第2の2層の電極を有する半導体装置を製造する方法であって、半導体基板上に導体膜および第1の絶縁膜を順次形成するステップと、該導電膜および該第1の絶縁膜のパターニングにより、該第1の電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成するステップと、該電極上絶縁膜の表面および該第1の電極の側面を覆うよう全面に第2の絶縁膜を形成するステップと、該第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1の電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するステップとを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記半導体装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜は、前記第1の電極の側面での膜厚が、前記第1の電極の上面での前記第1の絶縁膜の膜厚と等しくなるよう形成することが好ましい。
本発明は、上記半導体装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜の異方性エッチングの後に、前記第2の電極を前記第1の電極と一部が重なるよう形成するステップを含むことが好ましい。
本発明は、上記半導体装置の製造方法において、前記導体膜および前記第1の絶縁膜を形成する前に、前記半導体基板上に下側酸化膜、窒化膜、および上側酸化膜を順次積層してゲート絶縁膜を形成するステップと、前記第2の絶縁膜の異方性エッチングにより露出した該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去し、その後、前記電極上絶縁膜および前記電極側壁絶縁膜の表面、ならびに該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去した部分に、第3の絶縁膜として酸化膜を形成するステップとを含み、該第3の絶縁膜の、該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去した部分での膜厚は、前記第1のゲート電極下側での上側酸化膜の膜厚と等しいことが好ましい。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、異なる信号電圧が印加される第1および第2のゲート電極を有する固体撮像装置を製造する方法であって、下地層上に導電膜および第1の絶縁膜を順次形成し、その後、該導電膜および該第1の絶縁膜のパターニングにより、該第1のゲート電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成するステップと、該電極上絶縁膜の表面および該第1のゲート電極の側面を覆うよう全面に第2の絶縁膜を形成するステップと、該第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1のゲート電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するステップと、該第2のゲート電極を該第1のゲート電極と一部が重なるよう形成するステップとを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第2の絶縁膜は、前記第1のゲート電極の側面での膜厚が、該第1のゲート電極の上面での前記第1の絶縁膜の膜厚と等しくなるよう形成することが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第1および第2のゲート電極はそれぞれ、二次元状に配列された複数の光電変換素子の各々で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する転送ゲートであることが好ましい。
本発明は、上記固体撮像装置の製造方法において、前記第1および第2のゲート電極はそれぞれ、二次元状に配列された複数の光電変換素子の各々で光電変換により得られた信号電荷を水平方向に転送する転送ゲートであることが好ましい。
本発明に係る電子情報機器は、被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、該撮像部は、請求項7ないし12のいずれかに記載の固体撮像装置であり、そのことにより上記目的が達成される。
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、半導体基板上に形成された第1の電極と、該半導体基板および該第1の電極上にこれらに跨るよう形成された第2の電極と、該第1の電極と該第2の電極とを絶縁する電極絶縁膜とを備え、該電極絶縁膜を、第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する構造としたので、上記電極絶縁膜の第1の電極上の部分を形成した後、該電極絶縁膜の第1の電極の側面上の部分を、該第1の電極に対して自己整合的に形成することが可能となる。これにより、上記電極絶縁膜の電極側壁部分は、第1の電極の熱酸化、あるいは絶縁膜のフォトリソグラフィー技術を用いたパターニングを行うことなく形成することができる。その結果、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
また、本発明においては、前記電極絶縁膜は、前記電極上部分と前記電極側壁部分とで絶縁耐圧が等しくなるよう、前記電極上部分の膜厚と前記電極側壁部分の膜厚とを実質的に等しくすることにより、第1の電極の上での絶縁膜の膜厚が必要以上に厚くなるのを回避して、素子の平坦化を図ることができる。また、第1の電極の側壁部分での絶縁膜の膜厚が必要以上に厚くなるのを回避して、第1の電極とこれに隣接する第2の電極との距離を絶縁破壊の起こらない程度に短くできる。
また、本発明においては、前記第1および第2の電極をそれぞれ、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された第1および第2のゲート電極とし、該ゲート絶縁膜の膜厚を、該第1のゲート電極の下側部分と該第2のゲート電極の下側部分とで実質的に等しくしたので、第1および第2のゲート電極の下側での基板中の電位分布を同等にすることができる。例えば、第1および第2のゲート電極が、CCDなどの転送ゲートを構成する場合には、高い転送効率を実現することができる。
また、本発明においては、前記ゲート絶縁膜を、前記半導体基板上に下側酸化膜、窒化膜、および上側酸化膜を順次積層してなる3層構造としているので、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることができる。
また、本発明においては、前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜を備え、該第3の絶縁膜を、その一部が前記第2のゲート電極の下側に位置し、該第2のゲート電極の下側部分が、前記3層構造のゲート絶縁膜の上側酸化膜を構成する構造としたので、第1のゲート電極の3層構造のゲート絶縁膜と、第2のゲート電極の3層構造のゲート絶縁膜とで、膜厚をそろえることができる。
本発明においては、導電膜およびその上に形成した第1の絶縁膜のパターニングにより、第1の電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成し、その後、該電極上絶縁膜の表面および該第1の電極の側面を覆うよう全面に形成した第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1の電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するので、上記電極絶縁膜の電極側壁部分は、第1の電極の熱酸化、あるいは絶縁膜のフォトリソグラフィー技術を用いたパターニングを行うことなく形成することができる。その結果、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
以上のように、本発明によれば、半導体基板上に形成された第1の電極と、該半導体基板および該第1の電極上にこれらに跨るよう形成された第2の電極と、該第1の電極と該第2の電極とを絶縁する電極絶縁膜とを備え、該電極絶縁膜を、第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する構造としたので、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる効果がある。
本発明によれば、導電膜およびその上に形成した第1の絶縁膜のパターニングにより、第1の電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成し、その後、該電極上絶縁膜の表面および該第1の電極の側面を覆うよう全面に形成した第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1の電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するので、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1に係る半導体装置である固体撮像装置を説明する図であり、ゲート電極部分の断面構造を、その製造工程順(図1(a)〜図1(f))に示している。特に、図1(f)では、図2(b)のA−A線部分に相当する、垂直転送部(垂直CCD)の電荷転送方向における2層のゲート電極の断面構造を示している。
本実施形態1の固体撮像装置は、図2(a)に示すCCDイメージセンサ100と同様に、複数の光電変換素子(フォトダイオード)PDと、各フォトダイオードで発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送部121と、この垂直転送部121からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部122と、この水平転送部122からの信号電荷を増幅して信号電圧として出力する出力部123とを有している。
そして、この実施形態1の固体撮像装置は、上記垂直転送部121を構成する2層のゲート電極103および106は、図1(f)に示すように複数の絶縁膜により絶縁されている。
すなわち、この実施形態1の固体撮像装置は、半導体基板101上に形成された第1のゲート電極103と、該半導体基板101および該第1の電極103上にこれらに跨るよう形成された第2のゲート電極106と、該第1のゲート電極と該第2のゲート電極とを絶縁する電極絶縁膜134及び115とを備えている。この電極絶縁膜134は、第1の絶縁膜113から得られた、該第1のゲート電極103上に位置する電極上部分113と、該第1の絶縁膜113とは層の異なる第2の絶縁膜114から得られた、該第1のゲート電極103の側面上に位置する電極側壁部分114aとを有している。ここで、電極絶縁膜134の電極上部分113aは、第1のゲート電極103と同一の平面形状を有している。
この電極絶縁膜134は、その電極上部分113aとその電極側壁部分114aとで絶縁耐圧が等しくなるよう、電極上部分113aの膜厚と電極側壁部分114aの膜厚とを設定している。例えば、第1の絶縁膜113と第2の絶縁膜114が同一材料である場合は、電極上部分113aの膜厚と電極側壁部分114aの膜厚とは実質的に等しくするのが望ましい。但し、第1の絶縁膜113と第2の絶縁膜114が異なる材料であり、絶縁性の異なるものである場合は、電極絶縁膜134の電極上部分113aとその電極側壁部分114aとで絶縁耐圧が等しくするには、電極上部分113aの膜厚と電極側壁部分114aの膜厚とは、実質的に異なるものとなる。
また、上記第1のゲート電極103および第2のゲート電極106はそれぞれ、上記半導体基板101上にゲート絶縁膜102を介して配置されており、このゲート絶縁膜の膜厚は、第1のゲート電極103の下側部分と第2のゲート電極106の下側部分とで実質的に等しい。また、第1のゲート電極103下側のゲート絶縁膜は、半導体基板101上に下側の熱酸化膜102a、シリコン窒化膜102b、および上側の酸化膜(HTO膜)102c1を順次積層してなる3層構造を有している。また、第2のゲート電極106下側のゲート絶縁膜は、半導体基板101上に下側の熱酸化膜102a、シリコン窒化膜102b、および上側の酸化膜(HTO膜)115aを順次積層してなる3層構造を有している。ここで、第2のゲート電極106下側の酸化膜(HTO膜)115aは、前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜115の一部である。
なお、図1では、図2(b)に示されている、CCDを構成する基板表面の拡散領域11は省略している。
次に本実施形態1の固体撮像装置の製造方法について説明する。
まず、この実施形態の固体撮像装置の製造方法では、半導体基板101の表面領域に、フォトダイオードPD、垂直CCD121、水平CCD122など(図2(b)参照)を構成する拡散領域を形成する。なお、ここでは、半導体基板101としてシリコン基板(以下、ウエハともいう。)を用いている。
その後、図1(a)に示すように、シリコン基板(以下、ウエハともいう。)101上に熱酸化膜102aを、熱酸化処理により、例えば20nm程度の厚さに形成する。次に、該熱酸化膜102a上に、CVDなどの気相成長により、例えば厚さ50nm程度のシリコン窒化膜102bを形成し、さらにその上に、気相成長により、例えば厚さ10nm程度のシリコン酸化膜102cを形成する。このようにして、上記シリコン基板101上には、熱酸化膜102a、シリコン窒化膜102b、およびシリコン酸化膜102cからなるONO膜102がゲート絶縁膜として形成される。
さらに、このONO膜102上に、第1のゲート電極膜である多結晶シリコン膜130を気相成長により50nm〜500nm程度の厚さに形成し、その後、上記多結晶シリコン膜130がn型導電型を持つように、この多結晶シリコン膜130にイオン注入もしくは気相拡散により不純物(例えばリン)を注入する。
なお、この不純物の導入は、多結晶シリコン膜130の形成後に行う方法に限らず、例えば、多結晶シリコン膜130の形成中に、多結晶シリコンの堆積と同時に行うようにしてもよい。
その後、上記第1のゲート電極膜130上に、その上面を覆うよう絶縁膜113を気相成長により形成する。例えば、この絶縁膜113として、高温CVDにより、第1のHTO膜(High Tenperature Oxcide)膜を30〜200nm程度の厚さに成膜する。なお、この絶縁膜113は、高温CVDなどの気相成長に限らず、例えば、熱酸化により形成してもよい。
続いて、図1(b)に示すように、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いて、絶縁膜113および第1のゲート電極膜130を加工する。つまり第1のゲート電極膜130およびその上の絶縁膜113を選択的にエッチングして、第1のゲート電極103およびその上の絶縁膜(電極上絶縁膜)113aを形成する。また、このときのエッチング量は、第1のゲート電極103の配置領域以外で多結晶シリコンが除去され、かつエッチングがONO膜(ゲート絶縁膜)102の最上部の酸化膜102c中で止まる程度とする。
次に、図1(c)に示すように、高温CVDなどの気相成長により、全面に絶縁膜として、第2のHTO膜114を30〜200nm程度の厚さに成膜する。
さらに、図1(d)に示すように、ウエハ上面から異方性エッチング技術を用いて、第2のHTO膜114を、そのONO膜102および第1のゲート電極103上の部分が除去されるまでエッチングする。またことのき、エッチングにより、ONO膜102の最上部の酸化膜102cも除去される。
ただし、この時のエッチング処理は異方性であるので、第2のHTO膜114の、第1のゲート電極103の両側部は、ゲート電極側壁114aとして残る。
次に、図1(e)に示すように、全面に気相成長で酸化膜115を堆積させる。この酸化膜115は、例えばHTO膜(第3のHTO膜)であり、その膜厚を、上記ONO膜の上側の酸化膜102cの膜厚と等しくなるように10nm程度としたものである。また、このHTO膜115は、第2のゲート電極下の電気特性安定化のために形成されている。
なお、この時、上記固体撮像装置を構成する別のデバイスモジュール、例えば、画素が配列されている撮像領域の周辺の回路の形成のため、熱酸化工程が必要になった場合、上記酸化膜115の形成の前に、酸化防止膜としてシリコン窒化膜を5〜10nm程度気相成長法で形成するようにしてもよい。
その後、図1(f)に示すように、第2のゲート電極106を、第1のゲート電極103と一部が絶縁膜を介して重なるよう隣接させて形成する。
その後は、カラーフィルタやマイクロレンズなどの固体撮像装置の構成部材を形成して、固体撮像装置を完成する。
なお、上記説明では、主に、固体撮像装置のゲート電極の形成プロセスについて説明しているが、固体撮像装置の画素アレイの周辺に位置する周辺回路の構成要素の形成処理も、必要に応じて、上記電極形成の各処理と同時に、あるいは、上記電極形成の各処理と前後して行われる。
このような構成の本実施形態1の固体撮像装置では、半導体基板101上に形成された第1のゲート電極103と、該半導体基板および該第1の電極103上にこれらに跨るよう形成された第2のゲート電極106と、該第1のゲート電極103と該第2のゲート電極106とを絶縁する電極絶縁膜134とを備え、該電極絶縁膜134を、第1の絶縁膜113から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分113aと、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜114から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分114aとを有する構造としたので、上記電極絶縁膜134の第1のゲート電極上の部分113aを形成した後、該電極絶縁膜134の第1の電極の側面上の部分114aを、該第1のゲート電極103に対して自己整合的に形成することが可能となる。これにより、上記電極絶縁膜134の電極側壁部分114aは、第1のゲート電極103の熱酸化、あるいは絶縁膜のフォトリソグラフィー技術を用いたパターニングを行うことなく形成することができる。その結果、隣接して配置された第1および第2のゲート電極を絶縁する電極絶縁膜134の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
また、上記電極絶縁膜134は、電極上部分113aと電極側壁部分114aとで絶縁耐圧が等しくなるよう、それぞれの膜厚を実質的に等しくすることにより、第1のゲート電極103の上での絶縁膜の膜厚が必要以上に厚くなるのを回避して、素子の平坦化を図ることができる。また、第1のゲート電極の側壁部分での絶縁膜114aの膜厚が必要以上に厚くなるのを回避して、第1のゲート電極103とこれに隣接する第2のゲート電極106との距離を絶縁破壊の起こらない程度に短くでき、垂直CCDを転送効率の高いものとできる。
また、ゲート絶縁膜の膜厚を、第1のゲート電極103の下側部分と第2のゲート電極106の下側部分とで実質的に等しくしたので、第1および第2のゲート電極の下側での基板中の電位分布を同等にすることができる。これによっても、CCDにおける転送効率の向上を図ることができる。
また、ゲート絶縁膜を、半導体基板上に下側酸化膜102a、窒化膜102b、および上側酸化膜102cあるいは115aを順次積層してなる3層構造としているので、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることができる。
また、上記電極絶縁膜134の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜115を、その一部115aが第2のゲート電極106の下側に位置し、該第3の絶縁膜115の、第2のゲート電極の下側部分115aが、3層構造のゲート絶縁膜の上側酸化膜を構成する構造としたので、第1のゲート電極103下側の3層構造のゲート絶縁膜と、第2のゲート電極106下側の3層構造のゲート絶縁膜とで、膜厚をそろえることができる。
さらに、本実施形態の固体撮像装置の製造方法では、導電膜(多結晶シリコン膜)130およびその上に形成した第1の絶縁膜(HTO膜あるいは熱酸化膜)113のパターニングにより、該第1のゲート電極103およびその上に位置する電極上絶縁膜113aを形成し、その後、該電極上絶縁膜113aの表面および該第1のゲート電極103の側面を覆うよう全面に形成した第2の絶縁膜(HTO膜)114の異方性エッチングにより、該第1のゲート電極103の側面上に電極側壁絶縁膜114aを形成するので、該電極絶縁膜134の第1のゲート電極側面上部分114aを、該第1のゲート電極103に対して自己整合的に形成することが可能となる。これにより、上記電極絶縁膜134の電極側壁部分114aは、第1のゲート電極103の熱酸化、あるいは絶縁膜のフォトリソグラフィー技術を用いたパターニングを行うことなく形成することができる。その結果、隣接して配置された第1および第2のゲート電極103および106を絶縁する電極絶縁膜134の膜厚を、電極側端部114aでの電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
また、本実施形態1の製造方法によれば、ゲート電極は熱酸化を受けないので、ゲート電極材料としては、多結晶シリコンの他に、多結晶シリコンと金属シリサイド(例としてタングステンシリサイド)の積層膜を用いることもできる。これにより、ゲート電極の低抵抗化を図ることができる。
なお、本実施形態1では、上記垂直転送部121を構成する2層のゲート電極103および106を絶縁する電極絶縁膜を、図1(f)に示すように、第1の絶縁膜113から得られた、該第1のゲート電極103上に位置する電極上部分113と、該第1の絶縁膜113とは層の異なる第2の絶縁膜114から得られた、該第1のゲート電極103の側面上に位置する電極側壁部分114aとを有する構造としているが、水平転送部122(図2(a)参照)を構成する2層のゲート電極を絶縁する電極絶縁膜を、第1の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する構造としてもよい。
(実施形態2)
なお、上記実施形態1では、特に説明しなかったが、上記実施形態1の固体撮像装置のを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態1の固体撮像装置を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷(印字)して出力(プリントアウト)する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
さらに、上記実施形態では、半導体装置として固体撮像装置を例にあげて説明したが、上記実施形態における2層の電極間を絶縁する電極絶縁膜の構造は、固体撮像装置以外の半導体装置における、一部が重なるよう配置された、それぞれ異なる信号電圧が印加される2層の電極を絶縁する絶縁膜の構造として用いることができる。
さらに、本発明の基本原理、つまり隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する電極絶縁膜を、第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する構造とすることにより、電極絶縁膜をその絶縁破壊が起こらないように薄膜化できる点は、2層以上の多層の電極構造を有する半導体装置における2層間の電極を絶縁する絶縁膜に適用することができる。
以上のように、本発明の好ましい実施形態1および2を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、半導体装置およびその製造方法、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子情報機器の分野において、隣接して配置された第1および第2の電極を絶縁する電極絶縁膜を、第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する構造とすることにより、該電極絶縁膜の膜厚を、電極側端部での電極材料の熱酸化を回避しつつ、絶縁耐圧に応じた薄い膜厚にすることができる。
図1は本発明の実施形態1による半導体装置である固体撮像装置を説明する図であり、ゲート電極部分の断面構造を、その製造工程順(図1(a)〜図1(f))に示している。 図2は、従来の固体撮像装置であるCCDイメージセンサを説明する図であり、図2(a)は、CCDイメージセンサの構成を概略的に示し、図2(b)は、CCDイメージセンサを構成するフォトダイオードおよび垂直転送部のレイアウトを示している。 図3は、2層のゲート電極を絶縁する絶縁膜を絶縁材料の堆積と選択的なエッチング処理とにより形成する方法を、工程順(図3(a)〜図3(g))に説明する図である。 図4は、2層のゲート電極を絶縁する絶縁膜を熱酸化により形成する方法を、工程順(図4(a)〜図4(c))に説明する図である。
符号の説明
100 CCDイメージセンサ
101 半導体基板
102 ONO膜(ゲート絶縁膜)
102a 下側の熱酸化膜
102b シリコン窒化膜
102c1 上側の酸化膜(HTO膜)
103 第1のゲート電極
106 第2のゲート電極
113 第1の絶縁膜
113a 電極上部分
114 第2の絶縁膜
114a 電極側壁部分
115a 上側の酸化膜(HTO膜)
121 垂直転送部
122 水平転送部
130 多結晶シリコン膜(第1のゲート電極膜)
134 電極絶縁膜
PD 光電変換素子(フォトダイオード)

Claims (21)

  1. 半導体基板上に形成された多層電極構造を有する半導体装置であって、
    該半導体基板上に形成された第1の電極と、
    該半導体基板および該第1の電極上にこれらに跨るよう形成された第2の電極と、
    該第1の電極と該第2の電極とを絶縁する電極絶縁膜とを備え、
    該電極絶縁膜は、
    第1の絶縁膜から得られた、該第1の電極上に位置する電極上部分と、
    該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1の電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記電極絶縁膜は、前記電極上部分と前記電極側壁部分とで絶縁耐圧が等しくなるよう、該電極上部分の膜厚と該電極側壁部分の膜厚とを実質的に等しくしたものである半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、
    前記電極絶縁膜の電極上部分は、前記第1の電極と同一の平面形状を有する半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1および第2の電極はそれぞれ、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された第1および第2のゲート電極であり、
    該ゲート絶縁膜の膜厚は、該第1のゲート電極の下側部分と該第2のゲート電極の下側部分とで実質的に等しい半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に下側酸化膜、窒化膜、および上側酸化膜を順次積層してなる3層構造を有する半導体装置。
  6. 請求項5に記載の半導体装置において、
    前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜を備え、
    該第3の絶縁膜は、その一部が前記第2のゲート電極の下側に位置し、該第2のゲート電極の下側部分が、前記3層構造のゲート絶縁膜の上側酸化膜を構成するものである半導体装置。
  7. 異なる信号電圧が印加される第1および第2のゲート電極を有する固体撮像装置であって、
    該第1のゲート電極と第2のゲート電極とを絶縁する電極絶縁膜を備え、
    該第1のゲート電極と第2のゲート電極とは、それぞれの一部が該電極絶縁膜を介して重なるよう配置されており、
    該電極絶縁膜は、
    第1の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極上に位置する電極上部分と、
    該第1の絶縁膜とは層の異なる第2の絶縁膜から得られた、該第1のゲート電極の側面上に位置する電極側壁部分とを有する固体撮像装置。
  8. 請求項7に記載の固体撮像装置において、
    前記電極絶縁膜は、前記電極上部分と前記電極側壁部分とで絶縁耐圧が等しくなるよう、前記電極上部分の膜厚と前記電極側壁部分の膜厚とを実質的に等しくしたものである固体撮像装置。
  9. 請求項8に記載の固体撮像装置において、
    複数の光電変換素子を二次元状に配列してなる素子アレイの各垂直方向列に沿って配置され、該各光電変換素子で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を備え、
    前記第1および第2のゲート電極は、該垂直電荷転送部における転送ゲートを構成する固体撮像装置。
  10. 請求項8に記載の固体撮像装置において、
    複数の光電変換素子を二次元状に配列してなる素子アレイの各垂直方向列に沿って配置され、該各光電変換素子で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
    該各垂直電荷転送部からの信号電荷を該素子アレイの水平方向に沿って転送する水平電荷転送部とを備え、
    前記第1および第2のゲート電極は、該水平電荷転送部における転送ゲートを構成する固体撮像装置。
  11. 請求項7に記載の固体撮像装置において、
    前記第1および第2の電極下側のゲート絶縁膜は、上下の酸化膜の間に窒化膜を挿入してなる3層構造を有し、該ゲート絶縁膜の膜厚は、該第1のゲート電極の下側部分と該第2のゲート電極の下側部分とで実質的に等しい固体撮像装置。
  12. 請求項11に記載の固体撮像装置において、
    前記電極絶縁膜の表面を覆うよう形成された、酸化膜からなる第3の絶縁膜を備え、
    該第3の絶縁膜は、その一部が前記第2のゲート電極の下側に位置し、該第2のゲート電極の下側部分が、前記3層構造のゲート絶縁膜の上側の酸化膜を構成するものである固体撮像装置。
  13. 第1および第2の2層の電極を有する半導体装置を製造する方法であって、
    半導体基板上に導体膜および第1の絶縁膜を順次形成するステップと、
    該導電膜および該第1の絶縁膜のパターニングにより、該第1の電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成するステップと、
    該電極上絶縁膜の表面および該第1の電極の側面を覆うよう全面に第2の絶縁膜を形成するステップと、
    該第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1の電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するステップとを含む半導体装置の製造方法。
  14. 請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2の絶縁膜は、前記第1の電極の側面での膜厚が、前記第1の電極の上面での前記第1の絶縁膜の膜厚と等しくなるよう形成する半導体装置の製造方法。
  15. 請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2の絶縁膜の異方性エッチングの後に、前記第2の電極を前記第1の電極と一部が重なるよう形成するステップを含む半導体装置の製造方法。
  16. 請求項15に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記導体膜および前記第1の絶縁膜を形成する前に、前記半導体基板上に下側酸化膜、窒化膜、および上側酸化膜を順次積層してゲート絶縁膜を形成するステップと、
    前記第2の絶縁膜の異方性エッチングにより露出した該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去し、その後、前記電極上絶縁膜および前記電極側壁絶縁膜の表面、ならびに該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去した部分に、第3の絶縁膜として酸化膜を形成するステップとを含み、
    該第3の絶縁膜の、該ゲート絶縁膜の上側酸化膜を除去した部分での膜厚は、前記第1のゲート電極下側での上側酸化膜の膜厚と等しい半導体装置の製造方法。
  17. 異なる信号電圧が印加される第1および第2のゲート電極を有する固体撮像装置を製造する方法であって、
    下地層上に導電膜および第1の絶縁膜を順次形成し、その後、該導電膜および該第1の絶縁膜のパターニングにより、該第1のゲート電極およびその上に位置する電極上絶縁膜を形成するステップと、
    該電極上絶縁膜の表面および該第1のゲート電極の側面を覆うよう全面に第2の絶縁膜を形成するステップと、
    該第2の絶縁膜の異方性エッチングにより、該第1のゲート電極の側面上に電極側壁絶縁膜を自己整合的に形成するステップと、
    該第2のゲート電極を該第1のゲート電極と一部が重なるよう形成するステップとを含む固体撮像装置の製造方法。
  18. 請求項17に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記第2の絶縁膜は、前記第1のゲート電極の側面での膜厚が、該第1のゲート電極の上面での前記第1の絶縁膜の膜厚と等しくなるよう形成する固体撮像装置の製造方法。
  19. 請求項18に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記第1および第2のゲート電極はそれぞれ、二次元状に配列された複数の光電変換素子の各々で光電変換により得られた信号電荷を垂直方向に転送する転送ゲートである固体撮像装置の製造方法。
  20. 請求項18に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記第1および第2のゲート電極はそれぞれ、二次元状に配列された複数の光電変換素子の各々で光電変換により得られた信号電荷を水平方向に転送する転送ゲートである固体撮像装置の製造方法。
  21. 被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、
    該撮像部は、請求項7ないし12のいずれかに記載の固体撮像装置である電子情報機器。
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