JP2010177418A - 固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光膜下の反射防止膜と、遮光膜開口を形成するエッチング工程をなくし、ゲート電極と遮光膜との層間絶縁膜を薄膜化してスミア特性の劣化対策と、遮光膜開口と反射防止膜のパタニングを自己整合的に行い、遮光膜開口を最大限、反射防止膜で覆う。
【解決手段】シリコン基板１上に酸化膜６とゲート電極７を形成、ゲート電極表面に酸化膜８の形成後、反射防止膜下地の酸化膜６の膜厚調整する工程（ａ）、反射防止膜となるＳｉＮ膜９と、これをパタニングする酸化膜１０の成膜後、レジスト１１を塗布パタニングする工程（ｂ）、レジスト１１をマスクとし、酸化膜１０をエッチングでパタニングする工程（ｃ）、レジスト１１を除去し、酸化膜１０をマスクとしＳｉＮ膜９をエッチングし、反射防止膜を形成する工程（ｄ）、層間絶縁膜１２、遮光膜１３を成膜する工程（ｅ）と、酸化膜１０が露出するまで遮光膜１３を平坦化する工程（ｆ）により製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、遮光膜と反射防止膜の製造方法によって、スミア不良を対策する固体撮像装置に係り、その製造方法および装置に関するものである。

近年、固体撮像装置の微細化が進み、遮光膜の開口に反射防止膜を形成して、フォトダイオードに効率的に光を取り入れる構造が標準的に採用されている。

以下、従来の技術の形態を、図面を参照しながら説明する。図７（ａ）〜（ｆ）は従来の固体撮像装置で画素部の反射防止膜と遮光膜の製造方法を示す断面図を示したものである。

図７（ａ）のように、シリコン基板１中に、例えば、一般的なマスク合わせ工程と注入工程とレジスト除去工程を繰り返して、ｎ型拡散層であるフォトダイオード２と、ＣＣＤ３と、ｐ型拡散領域である読み出し制御注入領域４と、チャネルストップ５を形成した後、シリコン基板１の上にゲート絶縁膜となる酸化膜６とゲート電極７を形成したのち、ゲート電極表面の酸化膜８を形成し、反射防止膜の下地となる酸化膜６の膜厚をエッチングにより調整しておく。

シリコン基板１は、ｐ型拡散層のものを使用するか、ｐ型不純物をドーピングすることにより、ｐ型領域にしておく。フォトダイオード２は、光が入射したときに発生した電子を蓄積する。読み出し制御注入領域４は、ゲート電極７の電圧が低いときには、フォトダイオード２に蓄積された電子をそのままにしておき、ゲート電極７の電圧が高いときには、フォトダイオード２に蓄積された電子をＣＣＤ３に読み出すような濃度に設定しておく。チャネルストップ５は、ゲート電極７の電圧が高いときも、低いときも、フォトダイオード２からＣＣＤ３に、フォトダイオード２に蓄積された電子が移動することのないような濃度に設定しておく。ＣＣＤ３は、ゲート電極７の電圧を高くして、読み出し制御注入領域４を経由して、フォトダイオード２から電子を読み出した後に、電子を転送していくチャネルである。

次に、反射防止膜となるＳｉＮ膜９を成膜し、その上に、反射防止膜をパタニングするためのハードマスクとなる酸化膜１０を成膜し、その後、第１のレジスト１１を塗布パタニングし（図７（ｂ）参照）、この第１のレジスト１１をマスクとして、酸化膜１０をエッチングによりパタニングした後（図７（ｃ）参照）、第１のレジスト１１を除去する。その後、パタニングした酸化膜１０をハードマスクとしてＳｉＮ膜９をリン酸ボイルによりエッチングして、反射防止膜を形成する（図７（ｄ）参照）。

反射防止膜として用いるＳｉＮ膜９に減圧ＳｉＮ膜を用いた場合は、上記のようにＳｉＮ膜９に穴を開けておかないと、減圧ＳｉＮ膜は水素を通さない特性があるので、最終工程での水素シンターによる水素が供給されず、未結合手の水素による終端がなされずに暗電流が増加するという問題が発生する。従って、上記のようにＳｉＮ膜９に穴を開ける工程が必須になる。

なお、反射防止膜として用いるＳｉＮ膜９に常圧ＳｉＮ膜を用いた場合は、常圧ＳｉＮ膜は水素を通す特性があるので、上記のようにＳｉＮ膜９に穴を開ける必要はなく、上記の工程にうちＳｉＮ膜９を成膜した後の工程は不要である。

次に、層間絶縁膜１２と遮光膜１３を成膜した後、第２のレジスト１４を塗布、パタニングする（図７（ｅ）参照）。その後、第２のレジスト１４をマスクとして遮光膜１３をエッチングしたのち、第２のレジスト１４を除去する（図７（ｆ）参照）。

反射防止膜であるＳｉＮ膜９は、フォトダイオード２の表面を覆うように形成して、フォトダイオード２に光が入射するときに、フォトダイオード表面で反射される光の成分を減らし、フォトダイオード２に入射する光量を増やすので、感度特性を向上する効果がある。

遮光膜１３は、ＣＣＤ３上を覆い、フォトダイオード２上を開口することにより、ＣＣＤ３には光が入射しないようにし、フォトダイオード２には光が入射するよう制御する役割をする。ＣＣＤ３の遮光が不十分だとスミア特性が劣化し、フォトダイオード２上の遮光膜１３の開口が不十分だと感度特性が劣化する。（特許文献１参照）
特許第３２０４２１６号公報

しかしながら、このような従来の技術では、反射防止膜であるＳｉＮ膜と遮光膜は別々のマスク合わせ工程で形成するので、必ずマスク合わせズレが発生する。そのため、マスク合わせズレがあっても遮光膜の開口を反射防止膜であるＳｉＮ膜が覆うことができるように、ゲート電極上まで反射防止膜で覆っている。そのために、遮光膜下の膜構成は、反射防止膜の下地となる酸化膜と、反射防止膜、層間絶縁膜の３層構造になっており、遮光膜とシリコン基板との距離が厚膜化するため、そこから光が漏れこんで、スミア特性が劣化するという課題があった。

また、層間絶縁膜は、遮光膜の開口を形成するエッチング時の下地となるが、このときのエッチングダメージを低減するために、層間絶縁膜は、一定の厚さが必要なため、薄膜化できない。このことも、遮光膜とシリコン基板との距離を厚膜化し、そこから光が漏れこんで、スミア特性が劣化するという課題があった。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであって、遮光膜下の反射防止膜をなくし、さらに遮光膜開口を形成するエッチング工程をなくすことにより、遮光膜開口のエッチング時のダメージを考慮することなく、ゲート電極と遮光膜との層間耐圧のみで層間絶縁膜の膜厚を決定することにより層間絶縁膜を薄膜化して、遮光膜とシリコン基板との距離を薄膜化してスミア特性の劣化を対策するとともに、遮光膜開口の形成と反射防止膜のパタニングを自己整合的に行うことにより、遮光膜開口を最大限、反射防止膜で覆うことのできる固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る固体撮像装置の製造方法は、シリコン基板の上にゲート絶縁膜となる酸化膜とゲート電極を形成する工程と、ゲート電極表面に酸化膜を形成し、反射防止膜の下地となる酸化膜の膜厚をエッチングにより調整する工程と、その後、反射防止膜となるＳｉＮ膜を成膜し、その上に、反射防止膜をパタニングするためのハードマスクとなる酸化膜を成膜する工程と、その後、レジストを塗布パタニングし、レジストをマスクとして、酸化膜をエッチングによりパタニングした後、レジストを除去する工程と、その後、パタニングした酸化膜をハードマスクとしてＳｉＮ膜をリン酸ボイルによりエッチングして、反射防止膜を形成する工程と、その後、遮光膜を成膜する工程と、ハードマスクの酸化膜が露出するまで遮光膜を平坦化する工程とからなることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１の固体撮像装置の製造方法における遮光膜を平坦化する工程において、ハードマスクの酸化膜下の反射防止膜となるＳｉＮ膜が露出するように、ＳｉＮ膜を厚く成膜することを特徴とする。

また、請求項３に記載の固体撮像装置は、請求項１または２記載の固体撮像装置の製造方法によって、パタニングした酸化膜をハードマスクとしＳｉＮ膜をエッチングして形成した反射防止膜と、反射防止膜の形成後、その上に成膜した遮光膜とを備え、ハードマスクの酸化膜が露出するまで遮光膜を平坦化し、遮光膜の開口と、反射防止膜とのマスク合わせにズレのない構造としたことを特徴とする。

また。請求項４に記載の発明は、請求項３の固体撮像装置において、遮光膜を平坦化する際、ハードマスクの酸化膜下の反射防止膜となるＳｉＮ膜が露出するように、ＳｉＮ膜を厚く成膜した導波路となる反射防止膜を備え、平坦化により遮光膜の上面と導波路となる反射防止膜の上面がほぼ同じ位置にあることを特徴とする。

前記方法および構成によれば、遮光膜下の反射防止膜をなくし、さらに遮光膜開口を形成するエッチング工程をなくすことにより、遮光膜開口のエッチング時のダメージを考慮することなく、ゲート電極と遮光膜との層間耐圧のみで層間絶縁膜の膜厚を決定することで層間絶縁膜を薄膜化でき、遮光膜とシリコン基板との距離も薄膜化してスミア特性の劣化対策ができる。また、遮光膜開口の形成と反射防止膜のパタニングを自己整合的に行うことで、遮光膜開口を最大限、反射防止膜で覆うことができる。

本発明によれば、遮光膜とシリコン基板との距離を薄膜化してスミア特性の劣化を対策できるとともに、遮光膜開口を最大限、反射防止膜で覆うことができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す平面図で、図２（ａ）〜（ｆ）は図１のＡ−Ａ’の断面図である。また、図３は固体撮像装置を示す図１のＢ−Ｂ’の断面図である。ここで、前記従来例を示す図７において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。

図２（ａ）のように、シリコン基板１中に、例えば、一般的なマスク合わせ工程と注入工程とレジスト除去工程を繰り返して、ｎ型拡散層であるフォトダイオード２と、ＣＣＤ３と、ｐ型拡散領域である読み出し制御注入領域４と、チャネルストップ５を形成した後、シリコン基板１の上にゲート絶縁膜となる酸化膜６とゲート電極７を形成したのち、ゲート電極表面の酸化膜８を形成し、反射防止膜の下地となる酸化膜６の膜厚をエッチングにより調整しておく。

シリコン基板１は、ｐ型拡散層のものを使用するか、ｐ型不純物をドーピングすることにより、ｐ型領域にしておく。フォトダイオード２は、光が入射したときに発生した電子を蓄積する。読み出し制御注入領域４は、ゲート電極７の電圧が低いときには、フォトダイオード２に蓄積された電子をそのままにしておき、ゲート電極７の電圧が高いときには、フォトダイオード２に蓄積された電子をＣＣＤ３に読み出すような濃度に設定しておく。チャネルストップ５は、ゲート電極７の電圧が高いときも、低いときも、フォトダイオード２からＣＣＤ３に、フォトダイオード２に蓄積された電子が移動することのないような濃度に設定しておく。ＣＣＤ３は、ゲート電極７の電圧を高くして、読み出し制御注入領域４を経由して、フォトダイオード２から電子を読み出した後に、電子を転送していくチャネルである。

次に、反射防止膜となるＳｉＮ膜９を成膜し、その上に、反射防止膜をパタニングするためのハードマスクとなる酸化膜１０を成膜し、その後、第１のレジスト１１を塗布パタニングし（図２（ｂ）参照）、この第１のレジスト１１をマスクとして、酸化膜１０をエッチングによりパタニングした後（図２（ｃ）参照）、第１のレジスト１１を除去する。その後、パタニングした酸化膜１０をハードマスクとしてＳｉＮ膜９をリン酸ボイルによりエッチングして、反射防止膜を形成する（図２（ｄ）参照）。酸化膜１０は、ＴＥＯＳ(Tetra Ethyl OrthoSilicate)膜またはＨＴＯ(High TemperatureOxide)膜を用いる。

次に、層間絶縁膜１２と遮光膜１３を成膜した後（図２（ｅ）参照）、ハードマスクとなる酸化膜１０が露出するまで、遮光膜１３をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)またはエッチバックにより平坦化する（図２（ｆ）参照）。

反射防止膜をパタニングするためのハードマスクとなる酸化膜１０の膜厚は、図２（ｆ）において、遮光膜１３の平坦化後に遮光膜１３の表面から酸化膜１０の表面が露出することが必要である。ゲート電極７の膜厚が１５０ｎｍから３００ｎｍとし、遮光膜１３に遮光率の高いタングステンを用いれば、遮光膜１３の平坦化後の仕上がり膜厚は、１５０ｎｍから２００ｎｍ必要なので、両者を合わせた３００ｎｍから５００ｎｍの膜厚が、ハードマスクとなる酸化膜１０の膜厚として最低必要な膜厚となる。遮光膜１３の成膜する膜厚は、図２（ｆ）において、遮光膜１３の平坦化後の仕上がり膜厚が前述のように１５０ｎｍから２００ｎｍ必要なので、これに加工マージンを加味した膜厚を成膜する。

以上の方法によれば、遮光膜１３下の反射防止膜をなくし、さらに遮光膜１３の開口を形成するエッチング工程をなくすことにより、遮光膜１３の開口のエッチング時のダメージを考慮することなく、ゲート電極７と遮光膜１３との層間耐圧のみで層間絶縁膜１２の膜厚を決定することにより層間絶縁膜１２を薄膜化でき、遮光膜１３とシリコン基板１との距離を薄膜化してスミア特性の劣化を対策できる。

従来、層間絶縁膜１２の膜厚は、遮光膜１３の開口形成時においてエッチングダメージを低減するために、７０から１００ｎｍ必要であったのに対し、本発明によれば、ゲート電極７と遮光膜１３との層間耐圧のみを考慮して、層間絶縁膜１２の膜厚は、４０ｎｍに薄膜化できる。さらに、ＳｉＮ膜９は、反射防止の目的のため、５０ｎｍから７０ｎｍの膜厚が必須で、薄膜化できないが、本発明によれば、遮光膜１３下のＳｉＮ膜９はなくすことができるので、ＳｉＮ膜９の膜厚５０ｎｍから７０ｎｍ分だけ、遮光膜１３とシリコン基板１との距離を薄膜化できる。

このように、遮光膜１３とシリコン基板１との距離を、従来よりも、８０ｎｍから１３０ｎｍ薄膜化できる。また、遮光膜１３の開口の形成と反射防止膜となるＳｉＮ膜９のパタニングを自己整合的に行うことにより、マスク合わせズレを考慮することなく、遮光膜１３の開口を最大限、反射防止膜であるＳｉＮ膜９で覆うことができ、フォトダイオード２に入射する光の、フォトダイオード表面上での反射成分を最小にできるという効果もある。

さらに、遮光膜１３の開口の形成が完了した時点で装置が平坦化されているのが構造上の特長であり、遮光膜１３の開口の形成後に、遮光膜１３の上面に形成する上凸レンズや、オンチップフィルタ形成のための平坦化がすでに完了していることとなり、装置の低背化を容易にでき、感度向上・スミア低減に有利である。

図３の固体撮像装置の断面図（図１に示すＢ−Ｂ’の断面）において、フォトダイオード２をフォトダイオード分離注入領域１５によって挟んだ構造になっており、遮光膜１３は、フォトダイオード２以外の領域を遮光するレイアウトにしてある。

また、遮光膜１３を平坦化するときに露出するのが、ハードマスクとなる酸化膜１０ではなく、反射防止膜となるＳｉＮ膜９となるようにＳｉＮ膜９を十分厚く成膜すれば、酸化膜の屈折率は１．５から１．７程度、ＳｉＮ膜の屈折率は２．０から２．２程度なので、フォトダイオード２の上にＳｉＮ膜の導波路を形成でき、感度向上・スミア低減に有利である。

図４（ａ）〜（ｄ）は反射防止膜となるＳｉＮ膜を厚く形成した固体撮像装置の製造方法を示す断面図であり、図４（ａ）は、遮光膜１３を平坦化するときに、反射防止膜となるＳｉＮ膜９となるようにＳｉＮ膜９を十分厚く成膜したときの、遮光膜１３の平坦化後の断面図である。

遮光膜１３を平坦化した後、層間絶縁膜１６を成膜する。層間絶縁膜１６は、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）膜あるいはＮＳＧ（Nondoped Silicate Glass）膜を用い、膜厚は１００ｎｍから２００ｎｍである。その後、チップ周辺で配線のための導電膜の成膜と加工を行い、その後、５００ｎｍから１０００ｎｍのＳｉＮ膜１７を成膜した後、第３のレジスト１８をパタニングする（図４（ｂ）参照）。

その後、１１０度から１３０度のベークを行い、図４（ｃ）のように、第３のレジスト１８を曲面にする。その後、異方性のエッチング条件にて、第３のレジスト１８の形状を、ＳｉＮ膜１７に転写して、図４（ｄ）のようにＳｉＮ膜のレンズを形成する。図４（ｄ）に示すように光１９が入射したとき，ＳｉＮ膜９が導波路の役割を果たして、フォトダイオード２に光を集光することができる。

なお、本発明は、単層ゲートのＣＣＤ固体撮像装置の製造工程において説明したが、２層ゲートのＣＣＤ固体撮像装置においても同様に有効である。

また、遮光膜１３は図１のようにフォトダイオード２以外を遮光する格子状の形状として説明したが、図５のように遮光膜１３の形状が、ＣＣＤ３上を覆うストライプ状の平面構造であっても、同様に有効である。

図６は、遮光膜１３を平坦化後の図５のＣ−Ｃ’の断面図である。この方向の断面では、図３には存在する遮光膜１３は存在しないが、ハードマスクとなる酸化膜１０の最上部で平坦化後の高さは、図３のように遮光膜１３の最上部の高さと一致する高さで平坦に仕上がる。

また、ＳｉＮ膜９として、減圧ＳｉＮ膜を用いた場合は、最終工程の水素シンターの効果を得るためにＳｉＮ膜に穴を開ける工程が必須なので、本発明は当然有効であるが、ＳｉＮ膜として常圧ＳｉＮ膜を用いた場合で最終工程の水素シンターの効果を得るためにＳｉＮ膜に穴を開ける工程が必要でない場合も、遮光膜１３とシリコン基板１との距離を薄膜化してスミア特性を改善できるので、本発明は有効である。

以上説明したように、本発明は、単層ゲートの固体撮像装置におけるゲート間層間膜の膜厚を薄膜化して、転送効率不良を対策する方法等に有効である。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す平面図 本実施の形態における固体撮像装置の製造方法（ａ）〜（ｆ）の断面で、図１のＡ−Ａ’を示す断面図 本実施の形態における固体撮像装置の断面で、図１のＢ−Ｂ’を示す断面図 本実施の形態における固体撮像装置の製造方法（ａ）〜（ｄ）の断面で、ＳｉＮ膜を厚く成膜し導波路を形成した断面図 本実施の形態における固体撮像装置の製造方法で、別の遮光膜を形成した平面図 本実施の形態における固体撮像装置に別の遮光膜を形成した断面で、図５のＣ−Ｃ’を示す断面図 従来の固体撮像装置の製造方法（ａ）〜（ｆ）を示す断面図

１ シリコン基板
２ フォトダイオード
３ ＣＣＤ
４ 読み出し制御注入領域
５ チャネルストップ
６ 酸化膜
７ ゲート電極
８ ゲート電極表面の酸化膜
９，１７ ＳｉＮ膜
１０ 酸化膜
１１ 第１のレジスト
１２，１６ 層間絶縁膜
１３ 遮光膜
１４ 第２のレジスト
１５ フォトダイオード分離注入領域
１８ 第３のレジスト
１９ 光

Claims (4)

1. シリコン基板の上にゲート絶縁膜となる酸化膜とゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極表面に酸化膜を形成し、反射防止膜の下地となる酸化膜の膜厚をエッチングにより調整する工程と、
   その後、前記反射防止膜となるＳｉＮ膜を成膜し、その上に、前記反射防止膜をパタニングするためのハードマスクとなる酸化膜を成膜する工程と、
   その後、レジストを塗布パタニングし、前記レジストをマスクとして、前記酸化膜をエッチングによりパタニングした後、前記レジストを除去する工程と、
   その後、前記パタニングした酸化膜をハードマスクとして前記ＳｉＮ膜をリン酸ボイルによりエッチングして、前記反射防止膜を形成する工程と、
   その後、遮光膜を成膜する工程と、
   前記ハードマスクの酸化膜が露出するまで前記遮光膜を平坦化する工程とからなることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記遮光膜を平坦化する工程において、前記ハードマスクの酸化膜下の前記反射防止膜となるＳｉＮ膜が露出するように、前記ＳｉＮ膜を厚く成膜することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 請求項１または２記載の固体撮像装置の製造方法によって、パタニングした酸化膜をハードマスクとしＳｉＮ膜をエッチングして形成した反射防止膜と、前記反射防止膜の形成後、その上に成膜した遮光膜とを備え、前記ハードマスクの酸化膜が露出するまで前記遮光膜を平坦化し、前記遮光膜の開口と、前記反射防止膜とのマスク合わせにズレのない構造としたことを特徴とする固体撮像装置。
4. 前記遮光膜を平坦化する際、前記ハードマスクの酸化膜下の前記反射防止膜となるＳｉＮ膜が露出するように、前記ＳｉＮ膜を厚く成膜した導波路となる前記反射防止膜を備え、
   前記平坦化により前記遮光膜の上面と前記導波路となる反射防止膜の上面がほぼ同じ位置にあることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。

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