JP2013021154A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置、及びその製造方法に関し、特に、転送電極及び電荷転送部を有するＣＣＤ固体撮像素子、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a CCD solid-state imaging device having a transfer electrode and a charge transfer portion, and a manufacturing method thereof.
従来、半導体基板に電荷転送部を形成し、電荷転送部の上部に層間絶縁膜を介して、転送電極を配置し、転送電極に駆動パルスを印加することで、電荷転送部から信号電荷の転送を行うＣＣＤ固体撮像素子が提供されている。また、固体撮像素子のセルサイズの微細化に伴い、単位セルあたりの入射光が減少し、感度特性は一般的に低下する。そこで、デジタルカメラやビデオカメラ等において、高感度化の要求が高まっている。一方、画素数増加に伴い、高速駆動に対する電荷転送速度の確保も重要である。そして、電荷転送速度向上の施策として、光電変換によって生成された信号電荷を高速に転送するために、信号電荷の転送を行う、ポリシリコン等で形成された転送電極に対して、転送電極よりもシート抵抗の低いシャント配線を接続する構造が提案されている。そして、シャント配線の材料としては、製造の容易性などの点でタングステン（Ｗ）が有望であるとされている。 Conventionally, a charge transfer part is formed on a semiconductor substrate, a transfer electrode is arranged on the upper part of the charge transfer part via an interlayer insulating film, and a drive pulse is applied to the transfer electrode to transfer signal charges from the charge transfer part. There is provided a CCD solid-state imaging device for performing the above. Further, with the miniaturization of the cell size of the solid-state imaging device, the incident light per unit cell decreases, and the sensitivity characteristics generally deteriorate. Therefore, there is an increasing demand for higher sensitivity in digital cameras and video cameras. On the other hand, as the number of pixels increases, it is important to secure a charge transfer rate for high-speed driving. As a measure for improving the charge transfer speed, the transfer of the signal charge, which is made of polysilicon or the like, that transfers the signal charge in order to transfer the signal charge generated by the photoelectric conversion at a higher speed than the transfer electrode. A structure for connecting a shunt wiring having a low sheet resistance has been proposed. As a material for the shunt wiring, tungsten (W) is considered promising in terms of ease of manufacture.
特許文献１には、半導体基板表面に受光部が形成され、半導体基板上に転送電極を有する電荷転送部が形成されたＣＣＤ固体撮像素子が開示されている。ここで、転送電極と電気的に接続され、電荷転送を行うシャント配線が転送電極上に配置されている。 Patent Document 1 discloses a CCD solid-state imaging device in which a light receiving portion is formed on the surface of a semiconductor substrate and a charge transfer portion having a transfer electrode is formed on the semiconductor substrate. Here, a shunt wiring electrically connected to the transfer electrode and performing charge transfer is disposed on the transfer electrode.
シャント配線の役割は、転送電極にパルス電圧を印加し、電荷転送を行うことにある。また、シャント配線を転送電極上に配置することにより、受光部へ入射される光が転送電極直下の電荷転送部に入射するのを遮光する役割も果たす。ここで、シャント配線として機能させるためには、シート抵抗の増大を防ぐことが必要である。そして、遮光機能を確保するためには、一定以上の膜厚が必要である。 The role of the shunt wiring is to perform a charge transfer by applying a pulse voltage to the transfer electrode. Further, by arranging the shunt wiring on the transfer electrode, it also serves to shield light incident on the light receiving portion from entering the charge transfer portion immediately below the transfer electrode. Here, in order to function as a shunt wiring, it is necessary to prevent an increase in sheet resistance. In order to ensure the light shielding function, a film thickness of a certain level or more is required.
しかし、特許文献１に係るＣＣＤ固体撮像素子では、セルサイズが微細化されると、単位セルあたりの受光部の幅が狭まるため、受光部付近の入射光がシャント配線に阻害され、感度特性が低下するという問題がある。
ここで、シャント配線の膜厚を薄くし、受光部上部に配置されるカラーフィルターから受光部までの距離を縮めると、感度特性は向上する。しかし、シャント配線の膜厚を薄くすることにより、シャント配線のシート抵抗が増加し、高速駆動時の電荷転送速度が低下するという問題がある。また、シャント配線の膜厚を薄くすることにより、シャント配線を入射光が透過し、転送電極直下にある電荷転送部において、擬似信号が発生するという問題がある。
However, in the CCD solid-state imaging device according to Patent Document 1, when the cell size is reduced, the width of the light receiving unit per unit cell is narrowed, so that incident light in the vicinity of the light receiving unit is hindered by the shunt wiring, and the sensitivity characteristic is reduced. There is a problem of lowering.
Here, when the film thickness of the shunt wiring is reduced and the distance from the color filter disposed on the light receiving unit to the light receiving unit is shortened, the sensitivity characteristic is improved. However, by reducing the thickness of the shunt wiring, there is a problem that the sheet resistance of the shunt wiring increases and the charge transfer speed during high-speed driving decreases. In addition, there is a problem that by making the film thickness of the shunt wiring thin, incident light is transmitted through the shunt wiring, and a pseudo signal is generated in the charge transfer portion directly below the transfer electrode.
以上を鑑み、本発明の目的は、ＣＣＤ固体撮像素子において、セルサイズが微細化しても高速駆動時の電荷転送特性を向上させることを目的とする。さらに、感度を向上させることを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to improve charge transfer characteristics during high-speed driving even when the cell size is reduced in a CCD solid-state imaging device. Furthermore, it aims at improving a sensitivity.
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、受光部及び電荷転送部を有する半導体基板と、電荷転送部上に配置された転送電極と、転送電極上に配置され、転送電極と接続する第１の金属膜とを有し、第１の金属膜は、グレインサイズの小さい金属層とグレインサイズの大きい金属層とをそれぞれ１層以上有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体装置は、受光部及び電荷転送部を有する半導体基板と、電荷転送部上に配置された転送電極と、転送電極上に配置され、転送電極と接続する第１の金属膜と、第１の金属膜の上に絶縁膜を介して配置された第２の金属膜とを有し、第１の金属膜と第２の金属膜は、異なるグレインサイズの金属層であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a light receiving unit and a charge transfer unit, a transfer electrode disposed on the charge transfer unit, a transfer electrode disposed on the transfer electrode, A first metal film connected to the first metal film, wherein the first metal film includes one or more metal layers each having a small grain size and one metal layer having a large grain size.
The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a light receiving portion and a charge transfer portion, a transfer electrode disposed on the charge transfer portion, and a first metal disposed on the transfer electrode and connected to the transfer electrode. And a second metal film disposed on the first metal film via an insulating film, and the first metal film and the second metal film are metal layers having different grain sizes. It is characterized by that.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に受光部及び電荷転送部を形成する工程（ａ）と、電荷転送部上に転送電極を形成する工程（ｂ）と、転送電極上に、転送電極と接続する第１の金属膜を形成する工程（ｃ）とを有し、第１の金属膜は、グレインサイズの小さい金属層とグレインサイズの大きい金属層とをそれぞれ１層以上有することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a light receiving portion and a charge transfer portion on a semiconductor substrate, a step (b) of forming a transfer electrode on the charge transfer portion, and a transfer electrode on the transfer electrode. And (c) forming a first metal film connected to the transfer electrode, wherein the first metal film includes one or more metal layers each having a small grain size and a metal layer having a large grain size. It is characterized by having.
本発明に係る半導体装置、及びその製造方法によると、サイズの微細化とともに、シャント配線の高さを低くしても、高速駆動時の電荷転送特性を低下を抑制できる。さらに、遮光性を損なうことなく、デバイスの高感度化を実現することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to suppress a reduction in charge transfer characteristics during high-speed driving even if the size of the shunt wiring is reduced as well as the size is reduced. Furthermore, high sensitivity of the device can be realized without impairing the light shielding property.
以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。但し、実施形態に記載の材料及び数値等は、単に好ましい材料及び数値等を記載したに過ぎず、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、本発明の実施形態は、本発明の効果を奏する範囲内において、種々の形態に変形可能である。また、本発明の実施形態に係る半導体装置の例として、固体撮像素子を使用して説明する。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the materials and numerical values described in the embodiments are merely the preferable materials and numerical values, and the present invention is not limited thereto. That is, the embodiment of the present invention can be modified into various forms within the scope of the effects of the present invention. In addition, as an example of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a solid-state image sensor is used for description.
（本実施形態に係る半導体装置の説明）
以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図１、図２を参照しながら説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る固体撮像素子は、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶からなる半導体基板１００内の上面に、入射光から電荷を生成する（電荷は光電変換により生成）受光部１００ａと受光部１００ａにおいて発生した電荷を転送するための電荷転送部１０２ａを有する。また、電荷転送部１０２ａの上にゲート絶縁膜１０１を介して転送電極１０２を有し、転送電極１０２の上に、例えばシリコン酸化膜などからなり、コンタクトホールを有する絶縁膜１０３ａを有する。また、コンタクトホールの側面及び底面を覆うように高融点金属を有するバリアメタル膜１０５を１層以上有している。また、バリアメタル膜１０５の上にグレインサイズの大きい層１０６ａとグレインサイズの小さい層１０６ｂがそれぞれ１層以上形成された金属膜１０６を有している。また、金属膜１０６の上には、例えばシリコン酸化膜などからなる絶縁膜１０３ｂを有する。また、絶縁膜１０３ｂの上には、金属膜１０７を有している。また、金属膜１０７及び受光部１００ａの上には透明絶縁膜１０８ａ、１０８ｂが順次形成されている。また、透明絶縁膜１０８ｂの上には複数のカラーフィルター層１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃが形成されている。
(Description of Semiconductor Device According to this Embodiment)
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention generates charges from incident light on the upper surface in a semiconductor substrate 100 made of, for example, silicon (Si) single crystal (the charges are generated by photoelectric conversion). Generation) The light receiving unit 100a and the charge transfer unit 102a for transferring charges generated in the light receiving unit 100a are provided. Further, the transfer electrode 102 is provided on the charge transfer portion 102a via the gate insulating film 101, and the transfer electrode 102 is provided with an insulating film 103a made of, for example, a silicon oxide film and having a contact hole. In addition, one or more barrier metal films 105 having a refractory metal are provided so as to cover the side and bottom surfaces of the contact holes. The barrier metal film 105 includes a metal film 106 in which one or more layers 106a and 106b having a large grain size are formed. On the metal film 106, an insulating film 103b made of, for example, a silicon oxide film is provided. A metal film 107 is provided over the insulating film 103b. Further, transparent insulating films 108a and 108b are sequentially formed on the metal film 107 and the light receiving portion 100a. In addition, a plurality of color filter layers 109a, 109b, and 109c are formed on the transparent insulating film 108b.
なお、金属膜１０６は、１層目のシャント配線として機能し、かつ、遮光膜としても機能することとなる。そして、金属膜１０７は、２層目のシャント配線として機能し、かつ、遮光膜としても機能することとなる。そして、金属膜１０６、１０７は、タングステン（Ｗ）などの高融点金属であることが好ましい。なお、金属膜１０６、１０７の大部分がタングステンであれば、構わない。 The metal film 106 functions as a first layer shunt wiring and also functions as a light shielding film. The metal film 107 functions as a second layer shunt wiring and also functions as a light shielding film. The metal films 106 and 107 are preferably a refractory metal such as tungsten (W). It should be noted that most of the metal films 106 and 107 may be tungsten.
また、固体撮像素子のセルサイズは約１．３ｘ１．３μｍ２程度よりも小さくなるようにすることが望ましい。ここでセルとは、１つの受光部と電荷転送部からなる領域を言い、固体撮像素子中において、複数個のセルがマトリクス状に配置されている。
次に、図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて、金属膜１０６の構成を詳細に説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１における領域Ａの拡大図である。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、概略図を示しており、各層の詳細は図３（ａ）、（ｂ）に示すものとする。
The cell size of the solid-state image sensor is desirably smaller than about 1.3 × 1.3 μm 2 . Here, the cell refers to a region composed of one light receiving portion and a charge transfer portion, and a plurality of cells are arranged in a matrix in the solid-state imaging device.
Next, the configuration of the metal film 106 will be described in detail with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c). 2A to 2C are enlarged views of the region A in FIG. 2A to 2C are schematic views, and details of each layer are shown in FIGS. 3A and 3B.
まず、図２（ａ）は、グレインサイズの大きい層１０６ａの上にグレインサイズの小さい層１０６ｂが形成されている構成を示している。ここで、グレインサイズの大きい層１０６ａ中には、サイズが大きいグレイン１０６ａａが複数個配列しており、グレインサイズの小さい層１０６ｂ中には、サイズが小さいグレイン１０６ｂｂが複数個配列している。また、グレインサイズの大きい層１０６ａの厚さは、グレインサイズの小さい層１０６ｂの厚さよりも厚い方が好ましい。 First, FIG. 2A shows a configuration in which a layer 106b having a small grain size is formed on a layer 106a having a large grain size. Here, a plurality of grains 106aa having a large size are arranged in the layer 106a having a large grain size, and a plurality of grains 106bb having a small size are arranged in the layer 106b having a small grain size. Further, it is preferable that the layer 106a having a large grain size is thicker than the layer 106b having a small grain size.
ここで、金属膜１０６がタングステン（Ｗ）であるとして、膜厚と抵抗値の関係性を検討する。
まず、グレインサイズが同じである金属膜１０６の膜厚が９０ｎｍのときには、抵抗値は１．８８Ω程度であり、膜厚が８０ｎｍのときには、抵抗値は２．１１Ω程度であり、膜厚を薄くすることにより、抵抗値が高くなってしまう。
Here, the relationship between the film thickness and the resistance value is examined on the assumption that the metal film 106 is tungsten (W).
First, when the film thickness of the metal film 106 having the same grain size is 90 nm, the resistance value is about 1.88Ω, and when the film thickness is 80 nm, the resistance value is about 2.11Ω, and the film thickness is reduced. As a result, the resistance value increases.
一方、グレインサイズが異なる金属膜１０６の膜厚が９０ｎｍ（グレインサイズが小さい層の膜厚は１５ｎｍ、グレインサイズが大きい層の膜厚は７５ｎｍ）のときには、抵抗値は、１．６９Ω程度であり、膜厚が８０ｎｍ（グレインサイズが小さい層の膜厚は１５ｎｍ、グレインサイズが大きい層の膜厚は６５ｎｍ）のときには、抵抗値は、１．９５Ω程度となり、膜厚を薄くしても、抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。 On the other hand, when the film thickness of the metal film 106 having a different grain size is 90 nm (the film thickness of the layer having a small grain size is 15 nm and the film thickness of the layer having a large grain size is 75 nm), the resistance value is about 1.69Ω. When the film thickness is 80 nm (the film thickness of the layer having a small grain size is 15 nm and the film thickness of the layer having a large grain size is 65 nm), the resistance value is about 1.95Ω. It becomes possible to suppress an increase in value.
また、グレインサイズが異なる金属膜１０６の膜厚が９０ｎｍ（グレインサイズが小さい層の膜厚は５ｎｍ、グレインサイズが大きい層の膜厚は８５ｎｍ）のときには、抵抗値は、１．５１Ω程度であり、膜厚が７１ｎｍ（グレインサイズが小さい層の膜厚は５ｎｍ、グレインサイズが大きい層の膜厚は６６ｎｍ）のときには、抵抗値は、１．９５Ω程度となり、膜厚を薄くしても、抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。 Further, when the film thickness of the metal film 106 having different grain sizes is 90 nm (the film thickness of the layer having a small grain size is 5 nm and the film thickness of the layer having a large grain size is 85 nm), the resistance value is about 1.51Ω. When the film thickness is 71 nm (the film thickness of the layer having a small grain size is 5 nm and the film thickness of the layer having a large grain size is 66 nm), the resistance value is about 1.95Ω. It becomes possible to suppress an increase in value.
以上のように、グレインサイズが大きい金属膜をシャント配線として用いることにより、膜厚を薄くしても、抵抗値を下げることが可能となる。一方、グレインサイズの小さい金属膜をシャント配線として用いると、遮光性が向上する。従って、グレインサイズが異なる金属膜をシャント配線として用いることにより、膜厚を薄くしても、抵抗値を下げることが可能となり、遮光性の低下を抑制することが可能となる。 As described above, by using a metal film having a large grain size as a shunt wiring, the resistance value can be lowered even if the film thickness is reduced. On the other hand, when a metal film having a small grain size is used as the shunt wiring, the light shielding property is improved. Therefore, by using a metal film having a different grain size as the shunt wiring, the resistance value can be lowered even if the film thickness is reduced, and the light shielding property can be prevented from being lowered.
なお、図２（ｂ）に示すように、グレインサイズの小さい層１０６ｂの上にグレインサイズの大きい層１０６ａが形成されている構成でも構わない。このような構成としても、膜厚を薄くしても抵抗値を下げることができる。
なお、図２（ｃ）に示すように、グレインサイズの大きい層、グレインサイズの小さい層、グレインサイズの大きい層がこの順に積層されている構成でも構わない。このような構成としても、膜厚を薄くしても抵抗値を下げることができる。
As shown in FIG. 2B, a configuration in which a large grain size layer 106a is formed on a small grain size layer 106b may be employed. Even in such a configuration, the resistance value can be lowered even if the film thickness is reduced.
In addition, as shown in FIG.2 (c), the structure by which the layer with a large grain size, the layer with a small grain size, and the layer with a large grain size are laminated | stacked in this order may be sufficient. Even in such a configuration, the resistance value can be lowered even if the film thickness is reduced.
ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて、グレインサイズの異なる金属膜について説明する。なお、グレインサイズとは、グレインとグレインの境界間の最短距離 （図３（ａ）、図３（ｂ）における四角部ａ１、ｂ１の横幅）の平均値で表されるものと定義している。
図３（ａ）は、タングステンにおけるグレインサイズの小さい層のＳＥＭ写真である。図３（ａ）に示すように、約２０ｎｍ程度（１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下程度）のグレインサイズを持つ層をグレインサイズの小さい層と呼んでいる。
Here, metal films having different grain sizes will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). The grain size is defined as an average value of the shortest distance between the grain boundaries (the lateral widths of the square portions a1 and b1 in FIGS. 3A and 3B). .
FIG. 3A is an SEM photograph of a layer having a small grain size in tungsten. As shown in FIG. 3A, a layer having a grain size of about 20 nm (about 10 nm or more and about 30 nm or less) is called a layer having a small grain size.
図３（ｂ）は、タングステンにおけるグレインサイズの大きい層のＳＥＭ写真である。図３（ｂ）に示すように、約１５０ｎｍ程度（１００ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下程度）のグレインサイズを持つ層をグレインサイズの大きい層と呼んでいる。
以上で説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子は、グレインサイズの異なる層を有する金属膜をシャント配線として利用することにより、規定の配線抵抗内で十分な薄膜化を図ることが可能となり、遮光性の低化を抑制することも可能となる。
FIG. 3B is an SEM photograph of a layer having a large grain size in tungsten. As shown in FIG. 3B, a layer having a grain size of about 150 nm (about 100 nm or more and about 250 nm or less) is called a layer having a large grain size.
As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment can be sufficiently thinned within a specified wiring resistance by using a metal film having layers having different grain sizes as a shunt wiring. Thus, it is possible to suppress a decrease in light shielding performance.
なお、第２の金属膜においても、第１の金属膜と同様の構成であっても構わない。また、当然ながら第１の金属膜において、図２（ａ）のような構成を取り、第２の金属膜において、図２（ｂ）のような構成を取ることは可能であり、図２（ａ）〜図２（ｃ）の構成を自由に組み合わせることは可能である。
（本実施形態に係る半導体装置の製造方法の説明）
次に、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４（ａ）〜図４（ｆ）を参照しながら説明する。
Note that the second metal film may have the same configuration as the first metal film. Naturally, the first metal film can be configured as shown in FIG. 2A, and the second metal film can be configured as shown in FIG. 2B. It is possible to freely combine the configurations of a) to FIG.
(Description of Manufacturing Method of Semiconductor Device According to this Embodiment)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (f).
まず、図４（ａ）に示すように、例えばシリコン(Ｓｉ）単結晶からなる半導体基板１００内の上面に、入射光から電荷を生成する（電荷は光電変換により生成）受光部１００ａを形成する。また、受光部１００ａにおいて発生した電荷を転送するための電荷転送部１０２ａを半導体基板１００内の上面に形成する。その後、電荷転送部１０２ａの上にゲート絶縁膜１０１を介して転送電極１０２を形成する。ここで、電荷転送部１０２ａは、ｐｎダイオードからなることが好ましい。 First, as shown in FIG. 4A, a light receiving unit 100a that generates charges from incident light (charges are generated by photoelectric conversion) is formed on the upper surface of a semiconductor substrate 100 made of, for example, silicon (Si) single crystal. . In addition, a charge transfer portion 102 a for transferring charges generated in the light receiving portion 100 a is formed on the upper surface in the semiconductor substrate 100. Thereafter, the transfer electrode 102 is formed on the charge transfer portion 102a via the gate insulating film 101. Here, the charge transfer unit 102a is preferably made of a pn diode.
次に、図４（ｂ）に示すように、転送電極１０２の上に、例えばシリコン酸化膜などからなる絶縁膜１０３ａを形成する。その後、リソグラフィーやエッチング処理などを行い、絶縁膜１０３ａにコンタクトホール１０４を形成する。なお、コンタクトホール１０４の底面には、転送電極１０２が露出している。
次に、図４（ｃ）に示すように、コンタクトホール１０４の側面及び底面を覆うように、半導体基板全面の上に高融点金属を有するバリアメタル膜１０５を１層以上形成する。ここで、バリアメタル膜１０５は、例えば、チタン、窒化チタン、窒化タングステンなどからなることが好ましく、これらが単層であっても構わないし、これらが積層していても構わない。その後、バリアメタル膜１０５の上に高融点金属からなる金属膜１０６を形成する。ここで、金属膜１０６は、グレインサイズの異なる層から形成される必要がある。つまり、金属膜１０６は、グレインサイズの大きい層とグレインサイズの小さい層がそれぞれ１層以上形成されている必要がある。
Next, as shown in FIG. 4B, an insulating film 103 a made of, for example, a silicon oxide film is formed on the transfer electrode 102. Thereafter, lithography or etching is performed to form the contact hole 104 in the insulating film 103a. Note that the transfer electrode 102 is exposed on the bottom surface of the contact hole 104.
Next, as shown in FIG. 4C, at least one barrier metal film 105 having a refractory metal is formed on the entire surface of the semiconductor substrate so as to cover the side and bottom surfaces of the contact hole 104. Here, the barrier metal film 105 is preferably made of, for example, titanium, titanium nitride, tungsten nitride, or the like. These may be a single layer or may be laminated. Thereafter, a metal film 106 made of a refractory metal is formed on the barrier metal film 105. Here, the metal film 106 needs to be formed from layers having different grain sizes. That is, the metal film 106 needs to have one or more layers each having a large grain size and a layer having a small grain size.
具体的には、金属膜１０６は、グレインサイズの大きい層１０６ａの上にグレインサイズの小さい層１０６ｂが形成されている構成であることが好ましい。また、金属膜１０６は、グレインサイズの小さい層１０６ｂの上にグレインサイズの大きい層１０６ａが形成されている構成であっても構わない。また、金属膜１０６は、グレインサイズの大きい層、グレインサイズの小さい層、グレインサイズの大きい層がこの順に積層されている構成であっても構わない。ここで、金属膜１０６は、１層目のシャント配線として機能し、かつ、遮光膜としても機能することとなる。そして、金属膜１０６は、タングステン（Ｗ）などの高融点金属であることが好ましい。なお、金属膜１０６の大部分がタングステンであれば、構わない。なお、グレインサイズの大きい層１０６ａの膜厚は、グレインサイズの小さい層１０６ｂの膜厚よりも厚いほうが好ましい。 Specifically, the metal film 106 preferably has a structure in which a layer 106b having a small grain size is formed on a layer 106a having a large grain size. Further, the metal film 106 may have a configuration in which a large grain size layer 106a is formed on a small grain size layer 106b. The metal film 106 may have a structure in which a layer having a large grain size, a layer having a small grain size, and a layer having a large grain size are stacked in this order. Here, the metal film 106 functions as a first layer shunt wiring and also functions as a light shielding film. The metal film 106 is preferably a refractory metal such as tungsten (W). Note that most of the metal film 106 may be tungsten. Note that the layer 106a having a large grain size is preferably thicker than the layer 106b having a small grain size.
次に、図４（ｄ）に示すように、バリアメタル１０５と金属膜１０６に対して、リソグラフィー、エッチング処理を施し、受光部１００ａ上を露出させる。
次に、図４（ｅ）に示すように、絶縁膜１０３ｂを転送電極１０２上方に形成する。その後、金属膜１０７を絶縁膜１０３ｂの上に形成する。ここで、金属膜１０７は、２層目のシャント配線として機能し、かつ、遮光膜としても機能することとなる。そして、金属膜１０７は、タングステン（Ｗ）などの高融点金属であることが好ましい。なお、金属膜１０７の大部分がタングステンであれば、構わない。なお、必要があれば、金属膜１０７の下層にチタン、窒化チタン、窒化タングステン膜などの高融点金属からなるバリアメタルを堆積しておいても構わない。
Next, as shown in FIG. 4D, the barrier metal 105 and the metal film 106 are subjected to lithography and etching to expose the light receiving portion 100a.
Next, as shown in FIG. 4E, an insulating film 103b is formed above the transfer electrode. Thereafter, a metal film 107 is formed on the insulating film 103b. Here, the metal film 107 functions as a second-layer shunt wiring and also functions as a light shielding film. The metal film 107 is preferably a refractory metal such as tungsten (W). Note that most of the metal film 107 may be tungsten. If necessary, a barrier metal made of a refractory metal such as titanium, titanium nitride, or tungsten nitride film may be deposited below the metal film 107.
次に、図４（ｆ）に示すように、金属膜１０７ａ及び受光部１００ａの上に透明絶縁膜１０８ａ、１０８ｂを順次形成する。その後、透明絶縁膜１０８ｂの上に複数のカラーフィルター層１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃを形成する。
（グレインサイズの異なる金属膜を形成する方法の説明）
ここで、グレインサイズの異なる金属膜を形成する方法について説明する。
Next, as shown in FIG. 4F, transparent insulating films 108a and 108b are sequentially formed on the metal film 107a and the light receiving portion 100a. Thereafter, a plurality of color filter layers 109a, 109b, and 109c are formed on the transparent insulating film 108b.
(Description of the method for forming metal films with different grain sizes)
Here, a method of forming metal films having different grain sizes will be described.
まず、グレインサイズの小さい金属膜を形成する方法について説明する。グレインサイズの小さい金属膜を形成するためには、スパッタ法、又はＣＶＤ（Chemical Vapor deposition）法を用いてタングステンなどからなる金属膜を薄く形成することが必要である。ＣＶＤ法を用いる場合は、反応初期にタングステン核が成長することで、グレインサイズが増大してしまう。そのため、できるだけ金属膜を薄く形成することが望ましい。具体的には、膜厚としては、１ｎｍ程度以上２０ｎｍ程度以下の間で成膜されることが望ましい。また、ＣＶＤ法を用いる場合は、フッ化タングステンガスを水素化シリコンガス(例えばシランガス)で還元することで成膜する。そして、成膜温度は、２００℃程度以上５００℃程度以下であることが望ましく、フッ化タングステンガスの流量を水素化シリコンガス流量よりも高流量とすることが望ましい。 First, a method for forming a metal film having a small grain size will be described. In order to form a metal film having a small grain size, it is necessary to form a thin metal film made of tungsten or the like by using a sputtering method or a CVD (Chemical Vapor deposition) method. When the CVD method is used, the grain size increases because tungsten nuclei grow in the early stage of the reaction. Therefore, it is desirable to form the metal film as thin as possible. Specifically, the film thickness is preferably between about 1 nm and about 20 nm. In the case of using the CVD method, the film is formed by reducing tungsten fluoride gas with silicon hydride gas (eg, silane gas). The film formation temperature is preferably about 200 ° C. or more and about 500 ° C. or less, and the flow rate of the tungsten fluoride gas is preferably higher than the flow rate of the silicon hydride gas.
次に、グレインサイズの大きい金属膜を形成する方法について説明する。グレインサイズの大きい金属膜を形成するためには、ＣＶＤ法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、もしくはこれらの組み合わせを用いて金属膜を形成することが必要である。具体例としては、まず、フッ化タングステンガスを水素化シリコンガスもしくは水素化ボロン（例えばジボラン）ガスで還元してＡＬＤ法により成膜する。成膜温度は、２００℃程度以上５００℃程度以下であることが望ましく、フッ化タングステンガスの流量を水素化シランガス流量もしくは水素化ボロンガスよりも低流量とすることが望ましく、膜厚は１ｎｍ程度以上１０ｎｍ程度以下とすることが望ましい。その後、水素化シランガスもしくは水素化ボロンガスを５ｓから１２０ｓ程度の間暴露する。その後、フッ化タングステンガスを水素ガスで還元してＣＶＤ法により成膜する。成膜温度としては、２００℃程度以上５００℃程度以下であることが望ましく、フッ化タングステンガスの流量を水素ガス流量よりも低流量とし、膜厚は３０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下とすることが望ましい。 Next, a method for forming a metal film having a large grain size will be described. In order to form a metal film having a large grain size, it is necessary to form the metal film using a CVD method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or a combination thereof. As a specific example, first, tungsten fluoride gas is reduced with silicon hydride gas or boron hydride (for example, diborane) gas, and a film is formed by the ALD method. The film formation temperature is preferably about 200 ° C. or more and about 500 ° C. or less, the tungsten fluoride gas flow rate is preferably lower than the hydrogenated silane gas flow rate or the boron hydride gas flow rate, and the film thickness is about 1 nm or more. It is desirable that the thickness be about 10 nm or less. After that, hydrogenated silane gas or hydrogenated boron gas is exposed for about 5 seconds to 120 seconds. Thereafter, the tungsten fluoride gas is reduced with hydrogen gas, and a film is formed by a CVD method. The film formation temperature is preferably about 200 ° C. or more and about 500 ° C. or less, the flow rate of tungsten fluoride gas is set lower than the hydrogen gas flow rate, and the film thickness is preferably about 30 nm or more and about 200 nm or less. .
以上のように、グレインサイズの小さい金属膜を形成する方法とグレインサイズの大きい金属膜を形成する方法とを組み合わせることにより、シャント配線として機能し、かつ、遮光膜として機能する金属膜を形成することができる。
なお、グレインサイズの小さい金属層とグレインサイズの大きい金属層を形成する工程の間に、必要に応じ、大気暴露や、水素化シリコンガスもしくは水素化ボロンガスを暴露させてもよい。このようにすると、グレインサイズの制御がしやすくなる。
As described above, by combining the method of forming a metal film having a small grain size and the method of forming a metal film having a large grain size, a metal film that functions as a shunt wiring and functions as a light shielding film is formed. be able to.
In addition, between the process of forming a metal layer having a small grain size and a metal layer having a large grain size, exposure to the atmosphere, or a silicon hydride gas or a boron hydride gas may be performed as necessary. This makes it easy to control the grain size.
（比較例についての説明）
ここで、グレインサイズの同じ金属膜をシャント配線として使用する場合を、比較例として説明する。図５（ａ）は、セルサイズが微細化される前の固体撮像素子の断面図を示す。図５（ａ）に示すように、セルサイズが小さくないと、受光部に十分な量の光が到達する。図５（ｂ）は、セルサイズが微細化された後の固体撮像素子の断面図を示す。図５（ｂ）に示すように、セルサイズが小さいと、受光部上の間隔が狭くなるため、受光部付近の入射光がシャント配線により遮光されてしまう。その結果、感度の低下の問題が発生する。図５（ｃ）は、シャント配線を薄くして、固体撮像素子全体の高さを低くした固体撮像素子の断面図を示す。図５（ｃ）に示すように、カラーフィルター層から受光部までの距離が縮まるため、受光部付近の入射光がシャント配線によって遮光されにくくなる。そのため、感度特性は向上する。しかし、シャント配線が薄くなることにより、シート抵抗が増大するという問題が発生する。
(Description of comparative example)
Here, a case where a metal film having the same grain size is used as a shunt wiring will be described as a comparative example. FIG. 5A shows a cross-sectional view of the solid-state imaging device before the cell size is reduced. As shown in FIG. 5A, if the cell size is not small, a sufficient amount of light reaches the light receiving portion. FIG. 5B shows a cross-sectional view of the solid-state imaging device after the cell size is miniaturized. As shown in FIG. 5B, when the cell size is small, the interval on the light receiving portion is narrowed, so that incident light near the light receiving portion is blocked by the shunt wiring. As a result, the problem of a decrease in sensitivity occurs. FIG. 5C is a cross-sectional view of the solid-state image sensor in which the shunt wiring is thinned to reduce the overall height of the solid-state image sensor. As shown in FIG. 5C, since the distance from the color filter layer to the light receiving portion is reduced, incident light near the light receiving portion is not easily shielded by the shunt wiring. Therefore, the sensitivity characteristic is improved. However, since the shunt wiring becomes thin, there arises a problem that the sheet resistance increases.
（グレインサイズの異なる金属膜を形成することによる効果）
一方、本実施形態に係る固体撮像素子のように、グレインサイズの小さい金属膜とグレインサイズの大きい金属膜をそれぞれ１層以上堆積することでシャント配線を形成すると、電荷転送効率特性を損なうことなく(配線シート抵抗特性を上昇させることなく)、数十パーセント程度の薄膜化が可能となる。
(Effects of forming metal films with different grain sizes)
On the other hand, when the shunt wiring is formed by depositing one or more metal films each having a small grain size and a metal film having a large grain size as in the solid-state imaging device according to the present embodiment, the charge transfer efficiency characteristics are not impaired. It is possible to reduce the film thickness to about several tens of percent (without increasing the wiring sheet resistance characteristics).
そのため、図５（ｃ）に示したように、シャント配線を薄くしたとしても、シャント配線のシート抵抗の上昇を抑制することができる。また、遮光性能の低下を抑制することも可能となる。さらに、カラーフィルター層から受光部までの距離が縮めることができるので、受光部付近の入射光がシャント配線によって遮光されにくくなり、感度特性が大幅に上昇することが期待される。 Therefore, as shown in FIG. 5C, even if the shunt wiring is thinned, an increase in sheet resistance of the shunt wiring can be suppressed. It is also possible to suppress a decrease in light shielding performance. Furthermore, since the distance from the color filter layer to the light receiving portion can be reduced, it is expected that incident light near the light receiving portion is not easily shielded by the shunt wiring, and the sensitivity characteristics are expected to be significantly improved.
（本実施形態に係る半導体装置の変形例の説明）
以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置の変形例について、図６、図７を参照しながら説明する。
図１と図６との相違点は、図６においては、金属膜１０６をシャント配線として利用し、金属膜１０７を遮光膜として使用している点にある。より具体的には、図７（ａ）に示すように、金属膜１０６にはグレインサイズの大きな層を使用し、金属膜１０７にはグレインサイズの小さい層を使用している。別の言い方をすると、金属膜１０６の方が、金属膜１０７よりもグレインサイズが大きい。図１においては、一つのシャント配線において、低抵抗機能と遮光機能を備えるようにしたが、別々の金属膜にそれぞれ低抵抗機能と遮光機能を持たせるようにしても構わない。
(Description of Modification of Semiconductor Device According to this Embodiment)
Hereinafter, modifications of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The difference between FIG. 1 and FIG. 6 is that, in FIG. 6, the metal film 106 is used as a shunt wiring and the metal film 107 is used as a light shielding film. More specifically, as shown in FIG. 7A, the metal film 106 is a layer having a large grain size, and the metal film 107 is a layer having a small grain size. In other words, the metal film 106 has a larger grain size than the metal film 107. In FIG. 1, one shunt wiring is provided with a low resistance function and a light shielding function. However, separate metal films may have a low resistance function and a light shielding function, respectively.
なお、金属膜１０６の膜厚は金属膜１０７の膜厚よりも厚い方が好ましい。グレインサイズが大きい金属膜の方が厚く形成しやすいので、製法面でメリットがある。
また、図７（ｂ）に示すように、金属膜１０６を遮光膜として利用し、金属膜１０７のみをシャント配線として使用しても構わない。より具体的には、金属膜１０６にはグレインサイズの小さな層を使用し、金属膜１０７にはグレインサイズの大きい層を使用している。
Note that the thickness of the metal film 106 is preferably larger than the thickness of the metal film 107. A metal film with a larger grain size is thicker and easier to form, and has an advantage in terms of manufacturing.
Further, as shown in FIG. 7B, the metal film 106 may be used as a light shielding film, and only the metal film 107 may be used as a shunt wiring. More specifically, a layer having a small grain size is used for the metal film 106, and a layer having a large grain size is used for the metal film 107.
（本実施形態に係る半導体装置の製造方法の変形例の説明）
また、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の変形例について図８（ａ）〜図８（ｆ）を参照しながら説明する。
図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｄ）、図８（ｆ）の形成方法は、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｄ）、図４（ｆ）の形成方法と同様なので説明を省略する。ここでは、図８（ｃ）、図８（ｅ）の形成方法における要点を簡潔に説明する。
(Description of Modification of Semiconductor Device Manufacturing Method According to this Embodiment)
A modification of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
8 (a), 8 (b), 8 (d), and 8 (f) are formed by the methods shown in FIGS. 4 (a), 4 (b), 4 (d), and 4 (f). ), The description is omitted. Here, the main points in the forming method of FIGS. 8C and 8E will be briefly described.
まず、図８（ｃ）においては、グレインサイズが略同等でグレインサイズの大きい金属膜１０６を形成している。また、図８（ｅ）において、グレインサイズが略同等でグレインサイズの小さい金属膜１０７を形成している。
なお、本変形例の構成を図１の構成に矛盾の無い範囲で適用することは可能である。
First, in FIG. 8C, a metal film 106 having a large grain size and a substantially equal grain size is formed. In FIG. 8E, a metal film 107 having a grain size substantially the same and a small grain size is formed.
It should be noted that the configuration of the present modification can be applied within a range consistent with the configuration of FIG.
以上説明したように、本発明は、シャント配線を有する固体撮像素子において、動画撮影等の際の高速駆動に対しても電荷転送特性を損なうことなく、デバイスの高感度化を実現できる。 As described above, according to the present invention, in a solid-state imaging device having a shunt wiring, high device sensitivity can be realized without impairing charge transfer characteristics even when driving at a high speed during moving image shooting or the like.
１００ 半導体基板
１００ａ 受光部
１０１ ゲート絶縁膜
１０２ 転送電極
１０３ａ 絶縁膜
１０４ コンタクトホール
１０５ バリアメタル
１０６ａ グレインサイズの大きい金属層
１０６ｂ グレインサイズの小さい金属層
１０６ 金属膜
１０３ｂ 絶縁膜
１０７ 金属膜
１０８ａ 透明膜
１０８ｂ 透明膜
１０９ａ カラーフィルター
１０９ｂ カラーフィルター
１０９ｃ カラーフィルター
１０６ａａ、１０７ａａ 大きいサイズのグレイン
１０６ｂｂ、１０７ｂｂ 小さいサイズのグレイン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor substrate 100a Light-receiving part 101 Gate insulating film 102 Transfer electrode 103a Insulating film 104 Contact hole 105 Barrier metal 106a Metal layer with large grain size 106b Metal layer with small grain size 106 Metal film 103b Insulating film 107 Metal film
108a transparent film 108b transparent film 109a color filter 109b color filter 109c color filter 106aa, 107aa large size grain 106bb, 107bb small size grain
Claims (18)
前記電荷転送部上に配置された転送電極と、
前記転送電極上に配置され、前記転送電極と接続する第１の金属膜とを有し、
前記第１の金属膜は、グレインサイズの小さい金属層とグレインサイズの大きい金属層とをそれぞれ１層以上有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a light receiving portion and a charge transfer portion;
A transfer electrode disposed on the charge transfer unit;
A first metal film disposed on the transfer electrode and connected to the transfer electrode;
The first metal film has one or more metal layers each having a small grain size and one metal layer having a large grain size.
前記グレインサイズの小さい金属層に含まれるグレインのサイズは、１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置。 The size of the grains contained in the metal layer having a large grain size is 100 nm or more and 250 nm or less,
10. The semiconductor device according to claim 1, wherein a size of a grain contained in the metal layer having a small grain size is 10 nm or more and 30 nm or less.
前記電荷転送部上に配置された転送電極と、
前記転送電極上に配置され、前記転送電極と接続する第１の金属膜と、
前記第１の金属膜の上に絶縁膜を介して配置された第２の金属膜とを有し、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜は、異なるグレインサイズの金属層であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a light receiving portion and a charge transfer portion;
A transfer electrode disposed on the charge transfer unit;
A first metal film disposed on the transfer electrode and connected to the transfer electrode;
A second metal film disposed on the first metal film via an insulating film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal film and the second metal film are metal layers having different grain sizes.
前記電荷転送部上に転送電極を形成する工程（ｂ）と、
前記転送電極上に、前記転送電極と接続する第１の金属膜を形成する工程（ｃ）とを有し、
前記第１の金属膜は、グレインサイズの小さい金属層とグレインサイズの大きい金属層とをそれぞれ１層以上有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a light receiving portion and a charge transfer portion on a semiconductor substrate (a);
Forming a transfer electrode on the charge transfer portion (b);
A step (c) of forming a first metal film connected to the transfer electrode on the transfer electrode;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first metal film has at least one metal layer having a small grain size and one metal layer having a large grain size.
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