JP2012019085A - Solid-state imaging device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置及びその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same.
CMOSイメージセンサは、複数の単位画素領域が配置されている撮像領域と、撮像領域の周辺に設けられた周辺論理回路領域とを備える。単位画素領域は、それぞれ、特定の波長の光を通すカラーフィルタと、カラーフィルタを通過した光が入射し、入射光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、フォトダイオードの信号電荷の読み出し等を行うMOSトランジスタとを有する。また、周辺論理回路領域は、AD変換や画像処理を行う回路を有し、これらの回路を構成するMOSトランジスタが設けられている。以下では、単位画素領域に設けられたMOSトランジスタを画素トランジスタ、周辺論理回路領域に設けられたMOSトランジスタをロジックトランジスタと呼ぶこととする。また、画素トランジスタのゲート電極膜を画素ゲート電極膜、ロジックトランジスタのゲート電極膜をロジックゲート電極膜と呼ぶこととする。 The CMOS image sensor includes an imaging area in which a plurality of unit pixel areas are arranged, and a peripheral logic circuit area provided around the imaging area. Each unit pixel area has a color filter that transmits light of a specific wavelength, a photodiode that receives light that has passed through the color filter, generates a signal charge according to the amount of incident light, and reads out the signal charge of the photodiode. And a MOS transistor for performing. The peripheral logic circuit area has circuits for performing AD conversion and image processing, and MOS transistors that constitute these circuits are provided. Hereinafter, the MOS transistor provided in the unit pixel region is referred to as a pixel transistor, and the MOS transistor provided in the peripheral logic circuit region is referred to as a logic transistor. The gate electrode film of the pixel transistor is called a pixel gate electrode film, and the gate electrode film of the logic transistor is called a logic gate electrode film.
周辺論理回路領域の微細化に伴い、ロジックゲート電極膜が薄膜化している。ロジックゲート電極膜と同様に画素ゲート電極膜を薄膜化した場合、画素トランジスタの拡散層形成の際の注入イオンが、画素ゲート電極膜を通過してチャネル領域に到達することを防止するために、画素ゲート電極膜上に形成されるブロック膜(イオン注入時ブロック膜)を厚膜化する必要がある。 With the miniaturization of the peripheral logic circuit region, the logic gate electrode film is thinned. When the pixel gate electrode film is thinned in the same manner as the logic gate electrode film, in order to prevent implanted ions at the time of forming the diffusion layer of the pixel transistor from reaching the channel region through the pixel gate electrode film, It is necessary to increase the thickness of the block film (block film during ion implantation) formed on the pixel gate electrode film.
しかし、ブロック膜を厚膜化すると、イオン注入のためのレジストパターンを加工する際に、高アスペクト比となるスペース部分でレジスト開口性の低下に伴うレジスト残渣が発生し、画素トランジスタの拡散層が形成されず、画素特性が劣化するという問題が生じていた。 However, when the block film is made thicker, when a resist pattern for ion implantation is processed, a resist residue is generated in the space portion having a high aspect ratio due to a decrease in resist opening property, and a diffusion layer of the pixel transistor is formed. There was a problem that the pixel characteristics were deteriorated without being formed.
本発明は、周辺論理回路領域を微細化し、かつ画素特性の劣化を防止する固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a manufacturing method thereof for miniaturizing a peripheral logic circuit region and preventing deterioration of pixel characteristics.
本実施形態によれば、固体撮像装置の製造方法は、複数の単位画素領域が配置されている撮像領域と、撮像領域の周辺に設けられた周辺論理回路領域とを備える固体撮像装置の製造方法である。この方法は、半導体基板上に第1膜厚の電極膜を形成する工程と、前記電極膜上にブロック膜を形成する工程と、前記ブロック膜上の、前記単位画素領域におけるトランジスタのゲート電極形成領域に第1レジストパターンを形成する工程と、前記第1レジストパターンをマスクとして前記ブロック膜を除去する工程と、前記第1レジストパターンをマスクとして前記電極膜を前記第1膜厚より薄い第2膜厚に加工する工程と、前記第1レジストパターンを除去する工程と、前記第2膜厚の前記ブロック膜上の、前記周辺論理回路領域におけるトランジスタのゲート電極形成領域に第2レジストパターンを形成する工程と、前記ブロック膜及び前記第2レジストパターンをマスクとして前記電極膜を除去する工程と、を備える。 According to the present embodiment, a method for manufacturing a solid-state imaging device includes: an imaging region in which a plurality of unit pixel regions are arranged; and a peripheral logic circuit region provided around the imaging region. It is. The method includes the steps of forming an electrode film having a first thickness on a semiconductor substrate, forming a block film on the electrode film, and forming a gate electrode of a transistor in the unit pixel region on the block film. Forming a first resist pattern in the region; removing the block film using the first resist pattern as a mask; and forming a second electrode film having a thickness smaller than the first film thickness using the first resist pattern as a mask. Forming a second resist pattern in a gate electrode formation region of the transistor in the peripheral logic circuit region on the block film having the second thickness; and a step of removing the first resist pattern; And a step of removing the electrode film using the block film and the second resist pattern as a mask.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図7は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程断面図である。 1 to 7 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a solid-state imaging device according to this embodiment.
図1に示すように、シリコン基板(半導体基板)100の表面部に、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域101を形成する。例えば、シリコン基板100上に、素子分離領域101を形成する領域が開口したシリコン窒化膜等からなるマスク材(図示せず)を形成し、このマスク材を用いて反応性イオンエッチング(RIE)等の異方性エッチングによりシリコン基板100に溝を形成する。そして、化学気相成長(CVD)法等によりこの溝にシリコン酸化膜等からなる素子分離絶縁膜を堆積させる。そして、マスク材をストッパとして、化学的機械研磨(CMP)法等によりエッチバックを行う。エッチバック後、マスク材を除去する。このようにして素子分離領域101を形成することができる。なお、素子分離領域101の上面は、マスク材の膜厚分だけ、シリコン基板100の表面より高くなっている。
As shown in FIG. 1, an
なお、素子分離領域101は、固体撮像装置における、複数の単位画素領域が配置されている撮像領域Aと、撮像領域の周辺に設けられた周辺論理回路領域Bのそれぞれに形成される。ここで、固体撮像装置の単位画素領域は、特定の波長の光を通すカラーフィルタと、カラーフィルタを通過した光が入射し、入射光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードと、フォトダイオードの信号電荷の読み出し等を行うMOSトランジスタとが設けられる領域をいう。また、固体撮像装置の周辺論理回路領域Bは、AD変換や画像処理を行う回路を構成するMOSトランジスタが設けられる領域をいう。
Note that the
また、以下の説明では、撮像領域A(単位画素領域)に設けられるMOSトランジスタを画素トランジスタ、周辺論理回路領域Bに設けられるMOSトランジスタをロジックトランジスタと称する。また、画素トランジスタのゲート電極を画素ゲート電極、ロジックトランジスタのゲート電極をロジックゲート電極と称する。 In the following description, a MOS transistor provided in the imaging region A (unit pixel region) is referred to as a pixel transistor, and a MOS transistor provided in the peripheral logic circuit region B is referred to as a logic transistor. In addition, the gate electrode of the pixel transistor is referred to as a pixel gate electrode, and the gate electrode of the logic transistor is referred to as a logic gate electrode.
図2に示すように、シリコン基板100上にトランジスタのゲート絶縁膜となる絶縁膜102を形成する。絶縁膜102は例えばシリコン酸窒化(SiON)膜である。そして、絶縁膜102及び素子分離領域101上に画素ゲート電極及びロジックゲート電極となる電極膜103を形成する。電極膜103は例えば低圧CVD(LPCVD)法等により堆積された膜厚185nm程度のポリシリコン膜である。
As shown in FIG. 2, an
次に、電極膜103上に、ブロック膜104を形成する。ブロック膜104は、後に行う画素トランジスタの拡散層を形成するためのイオン注入工程時に、イオンが画素ゲート電極を通過してシリコン基板100に到達することを防止するための膜である。ブロック膜104は例えばLPCVD法等により堆積された膜厚150nm程度のシリコン窒化膜である。
Next, the
続いて、ブロック膜104上にフォトレジストを塗布し、撮像領域Aの画素ゲート電極が設けられる領域が残存するようにフォトレジストをパターン加工して、レジストパターン110を形成する。
Subsequently, a photoresist is applied on the
図3に示すように、レジストパターン110をマスクとして、ブロック膜104をRIE法等によりエッチング除去する。波形モニタを用いてブロック膜104のエッチング終了を検出した後、エッチング条件を切り替えて、レジストパターン110をマスクとして電極膜103をエッチングし、電極膜103を所定膜厚に加工する。ここで所定膜厚とは、ロジックゲート電極に求められる膜厚であり、例えば150nm程度である。
As shown in FIG. 3, using the
図4に示すように、レジストパターン110をウェットエッチングで除去する。次に、電極膜103上にフォトレジストを塗布し、周辺論理回路領域Bのロジックゲート電極が設けられる領域が残存するようにフォトレジストをパターン加工して、レジストパターン120を形成する。
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、ブロック膜104及びレジストパターン120をマスクとして、電極膜103をRIE法等により除去する。これにより、画素ゲート電極103aと、画素ゲート電極103aよりサイズの小さい(膜厚が薄い、ゲート長が短い)ロジックゲート電極103bを形成することができる。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、レジストパターン120をウェットエッチングで除去する。次に、シリコン基板100上にフォトレジストを塗布し、撮像領域Aの画素トランジスタが設けられる領域が開口するようにフォトレジストをパターン加工して、レジストパターン130を形成する。続いて、イオン注入法によりシリコン基板100表面部にイオンを注入し、拡散層(イオン注入層)105を形成する。注入するイオンは例えばボロン又はリンである。
As shown in FIG. 6, the
ここで、画素ゲート電極103aは、ロジックゲート電極103bのように薄膜化されておらず、膜厚が厚いため、ブロック膜104を厚膜化しなくても、イオンが画素ゲート電極103aを貫通してシリコン基板100(画素トランジスタのチャネル領域)に到達することを防止できる。従って、画素トランジスタの特性劣化を防止できる。
Here, since the
図7に示すように、レジストパターン130をウェットエッチングで除去する。次に、シリコン基板100、画素ゲート電極103a、及びロジックゲート電極103bの表面に保護膜106を形成する。保護膜106は例えばシリコン酸化膜である。そして、保護膜106に対してブロック膜104を選択的にウェットエッチングして、ブロック膜104を除去する。
As shown in FIG. 7, the
その後、公知の方法で、図8に示すように、層間絶縁膜141の堆積、コンタクト142の形成、及び配線143の形成を繰り返すことで積層構造を形成する。そして、撮像領域Aの層間絶縁膜141を配線143の直上までエッチングして薄膜化し、カラーフィルタ144及びマイクロレンズ145を形成する。カラーフィルタ144は特定の波長の光を通すものであり、例えばR(赤色)、G(緑色)、B(青色)の3色が1組となっている。
Thereafter, as shown in FIG. 8, a stacked structure is formed by repeating deposition of the
なお、カラーフィルタ144下方のシリコン基板100表面部にはフォトダイオード146が設けられている。フォトダイオード146の形成については、上述の図1乃至図7に示す工程では説明しなかったが、画素ゲート電極103aの形成後、ブロック膜104の除去前に、フォトダイオード146部分のみ開口するレジストパターンを形成し、シリコン基板100にイオン注入を行うことで、フォトダイオード146となる不純物層を形成することができる。フォトダイオード146となる不純物層は、n型領域及びp型領域からなるpn接合により構成される。
A
図8は概略図であり、撮像領域A及び周辺論理回路領域Bの構造を限定するものではない。 FIG. 8 is a schematic diagram and does not limit the structures of the imaging region A and the peripheral logic circuit region B. FIG.
このように、本実施形態によれば、薄膜化したロジックゲート電極103bを形成して周辺論理回路領域Bを微細化し、かつ、画素トランジスタの特性劣化を防止した固体撮像装置を製造することができる。
Thus, according to the present embodiment, it is possible to manufacture a solid-state imaging device in which the
(比較例)比較例による固体撮像装置の製造方法を図9を用いて説明する。なお、図9に示す比較例において、図1〜図8に示す実施の形態と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。 (Comparative Example) A method of manufacturing a solid-state imaging device according to a comparative example will be described with reference to FIG. In addition, in the comparative example shown in FIG. 9, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as embodiment shown in FIGS. 1-8, and description is abbreviate | omitted.
比較例における画素ゲート電極203aは、上記実施形態における画素ゲート電極103aより膜厚が小さく、ロジックゲート電極103bの膜厚と同程度になっている。また、比較例では、画素ゲート電極103aの膜厚が小さくなっているため、ブロック膜204が、上記実施形態におけるブロック膜104より膜厚が大きくなっている。ロジックゲート電極203aを構成するポリシリコンは、ブロック膜204よりイオンの透過防止性が高い。従って、イオンがシリコン基板100に到達することを上記実施形態と同程度に防止するためには、ロジックゲート電極203aの膜厚を薄くした分より、ブロック膜204の膜厚を厚くした分を大きくする必要がある。従って、比較例による画素ゲート電極203a及びブロック膜204の膜厚の合計は、上記実施形態におけるゲート電極103a及びブロック膜104の膜厚の合計より大きくなっている。
The
図9に示すように、イオン注入による画素トランジスタの拡散層205形成のために、撮像領域Aの画素トランジスタが設けられる領域が開口するようなレジストパターン230を形成する場合、画素ゲート電極203a及びブロック膜204の合計膜厚が大きいことで高アスペクト比となるスペース部分で、レジスト残渣231が発生する。
As shown in FIG. 9, when forming a resist
レジスト残渣231が発生すると、イオン注入を行っても、画素トランジスタの拡散層205が一部しか形成されず、画素特性が劣化するおそれがある。
When the resist
また、ブロック膜204が窒化膜で形成されている場合、このブロック膜204を除去する際に形成されるマスク材(上記実施形態における保護膜106)は酸化膜となる。ブロック膜204は厚膜化しているため、マスク材の酸化膜も厚くする必要がある。一般に酸化膜を形成するプロセスは高温処理であり、厚い酸化膜のマスク材を形成するということは、トランジスタを長時間高温下におくことになり、トランジスタの特性を劣化させるおそれがある。
When the
また、ブロック膜204を酸化膜で形成した場合、マスク材を形成しても、厚膜化したブロック膜204を除去する際に、素子分離領域101を構成する酸化膜も除去され、トランジスタの特性が劣化するおそれがある。
In the case where the
また、ブロック膜204を除去しないことも考えられるが、その場合、撮像領域Aに設けられるカラーフィルタとフォトダイオードとの距離が遠くなり、フォトダイオードの感度特性が低下する。
Although it is conceivable that the
このように、ロジックゲート電極103bにあわせて画素ゲート電極203aを薄くし、ブロック膜204を厚膜化した場合、固体撮像装置の性能劣化をもたらすおそれがある。
As described above, when the
一方、上記実施形態によれば、ロジックゲート電極103bを薄膜化しつつ、画素ゲート電極103aは薄膜化しないため、ブロック膜104を厚膜化する必要はない。従って、画素特性の劣化を防止し、かつ周辺論理回路領域を微細化できる。
On the other hand, according to the above embodiment, the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
100 シリコン基板
101 素子分離領域
102 絶縁膜
103 電極膜
103a 画素ゲート電極
103b ロジックゲート電極
104 ブロック膜
105 拡散層
110、120、130 レジストパターン
100
Claims (5)
半導体基板上に第1膜厚の電極膜を形成する工程と、
前記電極膜上にブロック膜を形成する工程と、
前記ブロック膜上の、前記単位画素領域におけるトランジスタのゲート電極形成領域に第1レジストパターンを形成する工程と、
前記第1レジストパターンをマスクとして前記ブロック膜を除去する工程と、
前記第1レジストパターンをマスクとして前記電極膜を前記第1膜厚より薄い第2膜厚に加工する工程と、
前記第1レジストパターンを除去する工程と、
前記第2膜厚の前記ブロック膜上の、前記周辺論理回路領域におけるトランジスタのゲート電極形成領域に第2レジストパターンを形成する工程と、
前記ブロック膜及び前記第2レジストパターンをマスクとして前記電極膜を除去する工程と、
を備える固体撮像装置の製造方法。 A solid-state imaging device manufacturing method comprising an imaging area in which a plurality of unit pixel areas are arranged, and a peripheral logic circuit area provided around the imaging area,
Forming an electrode film having a first thickness on a semiconductor substrate;
Forming a block film on the electrode film;
Forming a first resist pattern on a gate electrode formation region of the transistor in the unit pixel region on the block film;
Removing the block film using the first resist pattern as a mask;
Processing the electrode film into a second film thickness smaller than the first film thickness using the first resist pattern as a mask;
Removing the first resist pattern;
Forming a second resist pattern on a gate electrode formation region of a transistor in the peripheral logic circuit region on the block film having the second film thickness;
Removing the electrode film using the block film and the second resist pattern as a mask;
A method for manufacturing a solid-state imaging device.
前記第2レジストパターンを除去する工程と、
前記半導体基板上に、前記単位画素領域におけるトランジスタ形成領域が開口した第3レジストパターンを形成する工程と、
前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板に、前記第1膜厚の電極膜及び当該電極膜上に形成された前記ブロック膜をマスクとしてイオンを注入する工程と、
をさらに備え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。 After the step of removing the electrode film,
Removing the second resist pattern;
Forming a third resist pattern in which a transistor formation region in the unit pixel region is opened on the semiconductor substrate;
Implanting ions into the semiconductor substrate in the transistor formation region using the first film thickness electrode film and the block film formed on the electrode film as a mask;
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 1, further comprising:
前記第3レジストパターンを除去する工程と、
前記ブロック膜を除去する工程と、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上の、前記単位画素領域のフォトダイオード上方にカラーフィルタを形成する工程と、
をさらに備え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。 After the step of implanting the ions,
Removing the third resist pattern;
Removing the block film;
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a color filter on the insulating film above the photodiode in the unit pixel region;
The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 3, further comprising:
前記単位画素領域は、
半導体基板の表面部に設けられたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に設けられたカラーフィルタと、
前記フォトダイオードの信号電荷を取り出し、ゲート電極の膜厚が第1膜厚である第1トランジスタと、
を有し、
前記周辺論理回路領域は、ゲート電極の膜厚が前記第1膜厚より薄い第2膜厚である第2トランジスタを有することを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device comprising: an imaging region in which a plurality of unit pixel regions are arranged; and a peripheral logic circuit region provided around the imaging region,
The unit pixel region is
A photodiode provided on the surface of the semiconductor substrate;
A color filter provided above the photodiode;
A first transistor in which a signal charge of the photodiode is taken out and a gate electrode has a first film thickness;
Have
The peripheral logic circuit region includes a second transistor in which a gate electrode has a second film thickness that is smaller than the first film thickness.
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