JP2867469B2 - 電荷転送装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸化膜，窒化膜，酸化膜の積層膜（いわゆる
MONOS構造）により電荷の転送を行うための転送電極が
形成される電荷転送装置とその製造方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、転送電極が酸化膜を形成した窒化膜上に設
けられる電荷転送装置とその製造方法において、転送電
極以外のゲート電極を窒化膜よりも下層の配線層を用い
て形成することにより、電荷転送装置の信頼性を向上さ
せるものである。

〔従来の技術〕

CCD固体撮像素子等の電荷転送装置は、複数の層によ
り形成された転送電極を用いて、電荷の転送を行ってい
る。この転送電極は、例えば２層で形成する場合、１層
目が所定の間隔だけ離間して並列したパターンで形成さ
れ、２層目がそのパターン間を覆いながら並列するパタ
ーンに形成される。１層目の電極を例えばポリシリコン
層で形成した時では、酸化処理することで容易にポリシ
リコン層が酸化膜に被覆される。従って、転送電極間の
ピッチを微細な間隔にする場合に極めて有利とされる。

ところで、各セル毎のフォトダイオードと電荷転送部
（レジスタ）の間に読み出しゲートが形成されるインタ
ーライン転送型やフレームインターライン転送型の固体
撮像素子は、従来、その読み出しゲートが転送電極の一
部を延在させる形で形成されていた。しかし、読み出し
ゲートを単独で制御することで信号が簡素化されるた
め、電極を３層構造とし、第１層目を読み出しゲートの
ような電極に、第２層目，第３層目を転送電極にする構
造にすることが案出されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような転送電極を有した電極転送部の構造とし
て、酸化膜上に電極を形成したMOS構造とする例も知ら
れるが、ゲート耐圧や膜厚の均一性等の問題から、その
ゲート絶縁膜の構造を酸化膜，窒化膜，酸化膜を積層し
た所謂MONOS構造とする例が知られる。そして、上述の
ように、読み出しゲートを単独の層とする場合では、電
荷転送部に３層のポリシリコン層が順次形成され、パタ
ーニングされることになる。

ところが、シリコン基板上に酸化膜，窒化膜，酸化膜
を積層形成し、その後、３層のポリシリコン層からなる
ゲート電極，転送電極を形成するものでは、そのゲート
絶縁膜の膜厚を均一することが困難となる。

すなわち、３層ポリシリコン層を用いる場合、まず、
シリコン基板上に酸化膜；窒化膜，酸化膜を順次形成し
た後、第１層目のポリシリコン層を被着し、これをパタ
ーニングする。この時、第１層目のポリシリコン層が除
去される領域では、オーバーエッチングにより、窒化膜
上の酸化膜が多少削られる。次に、第１層目のポリシリ
コン層を被覆する酸化膜を熱酸化で形成するが、この場
合には、ポリシリコン層上に形成する酸化膜の膜厚が規
制されるため、十分な酸化膜を窒化膜上に回復させるこ
とができない。次に、転送電極となる第２層目のポリシ
リコン層を被着し、これをパターニングする。この場
合、第２層目のポリシリコン層は凹凸の有る領域に形成
されるため、70〜100％程度のオーバーエッチングが必
要とされ、このオーバーエッチングの際に窒化膜上の酸
化膜が削られ、さらに窒化膜も削られてしまう。第３層
目のポリシリコン層は、その窒化膜が削られた領域に形
成されるために、結局、第３層目のポリシリコン層の下
部と第２層目のポリシリコン層の下部で、窒化膜の膜厚
が異なることになり、転送電極のポテンシャルが設計値
からずれてしまう等の問題が生ずる。

そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、窒化膜
の膜厚が異なるような問題を防止し、装置の信頼性を向
上させるような電荷転送装置及びその製造方法の提供を
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述したような目的を達成するため、本発明に係る電
荷転送装置は、半導体基板上に酸化膜を介して形成され
た第１層目の配線層をパターニングして形成された転送
電極以外のゲート電極と、そのゲート電極上及び上記酸
化膜上に積層して形成された窒化膜及び酸化膜と、上記
窒化膜及び酸化膜上に形成された第２層目の配線層をパ
ターニングして形成された第１の転送電極と、上記第２
の配線層上に形成された第３層目の配線層をパターニン
グして形成された第２の転送電極とを有するように構成
したものである。

ここで、転送電極以外のゲート電極として、CCD固体
撮像素子における読み出しゲート電極やオーバーフロー
コントロールゲート、あるいは固体撮像素子や遅延素子
等における出力回路等の周辺回路のMOSトランジスタの
ゲート電極、出力ゲート、プリチャージゲート等が挙げ
られる。

次に、上記電荷転送装置を形成するための本発明の電
荷転送装置の製造方法は、半導体基板上に酸化膜を介し
て第１層目の配線層を形成し、その第１層目の配線層を
パターニングして転送電極以外のゲート電極を形成する
工程と、そのゲート電極上及び上記酸化膜上に窒化膜及
び薄い酸化膜を積層して形成する工程と、上記窒化膜及
び薄い酸化膜上に第２層目の配線層を形成し、その第２
層目の配線層をパターニングする工程と、全面に第３層
目の配線層を形成し、主に第２層目の配線層が除去され
た領域にその第３層目の配線層をパターニングして残存
させる工程とを有することを特徴とする。

〔作用〕

電荷転送装置の構造を窒化膜より下層の配線層（例え
ば第１層目のポリシリコン層）を用いて転送電極以外の
ゲート電極を形成することにより、窒化膜とその上部に
形成される酸化膜は、そのゲート電極のパターニングの
際に削られることがない。逆に、窒化膜上の酸化膜は、
窒化膜の下層にのみ配線層が有る状態で酸化されるため
に、十分に酸化することができる。従って、十分に酸化
された状態の酸化膜上で転送電極となる配線層（例えば
第２層目のポリシリコン層）をパターニングしても、酸
化膜から窒化膜まで削られるようなことはなく、従っ
て、転送電極の下部でゲート絶縁膜の膜厚がばらつくよ
うなことはない。

〔実施例〕

本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明す
る。

第１の実施例 本実施例は、３層のポリシリコン層より電極が構成さ
れるインターライン転送型のCCD固体撮像素子の例であ
り、撮像部における各画素の読み出しゲートを第１層目
のポリシリコン層で形成した例である。

第１図は本実施例のCCD固体撮像素子の撮像部の一部
を示す図であり、ｐ型のシリコン基板１上にシリコン酸
化膜２を介して第１層目のポリシリコン層からなる読み
出しゲート電極３が形成されている。ｐ型のシリコン基
板１の表面には、読み出しゲート電極３の下部の領域を
挟んでセンサー部４と埋め込みチャンネル層５がそれぞ
れｎ型の不純物領域により形成されている。センサー部
４は、被写体からの光を受光して信号電荷への変換を行
うための領域である。また、埋め込み層チャンネル層５
は、Ｖ方向に電荷を転送して行くための層である。ここ
で、読み出しゲート電極３の下部の絶縁膜は、シリコン
酸化膜２のみであり、第１層目のポリシリコン層をパタ
ーニングして形成された読み出しゲート電極３はMOS構
造とされる。

上記読み出しゲート電極３は、ポリシリコン層を酸化
して形成したシリコン酸化膜９に被覆されており、当該
読み出しゲート電極３よりも上部の膜とされるシリコン
窒化膜６と、そのシリコン窒化膜６の表面を酸化して形
成されたシリコン酸化膜７が、上記シリコン酸化膜９の
一部を覆う形状に形成されている。すなわち、読み出し
ゲート電極３はシリコン窒化膜６よりも下層に形成され
る。このシリコン窒化膜６とシリコン酸化膜７を積層さ
せた領域の上には、第２層目のポリシリコン層と第３層
目のポリシリコン層により第1,第２の転送電極8,10が形
成される。第１の転送電極８は、第２層目のポリシリコ
ン層をパターニングして形成され、読み出しゲート電極
３上から埋め込みチャンネル層５上に亘り、シリコン基
板１上にシリコン酸化膜2,シリコン窒化膜6,シリコン酸
化膜７を介して形成される。従って、第１の転送電極８
は、MONOS構造とされる。この第１の転送電極８は、電
荷転送方向であるＶ方向に互いに離間したパターンで形
成される。また、同様に、第２の転送電極10は、第３層
目のポリシリコン層をパターニングして形成され、電荷
転送方向であるＶ方向に互いに離間したパターンで形成
される。この第２の転送電極10は、第１の転送電極８の
パターンの間で臨んだシリコン酸化膜７上に形成され、
各パターンのＶ方向の端部は、第１の転送電極８上に重
なる。第２の転送電極10も第１の転送電極８と同様にシ
リコン基板１上にシリコン酸化膜2,シリコン窒化膜6,シ
リコン酸化膜７を介して形成される。従って、第２の転
送電極10もMONOS構造とされる。なお、これら第1,第２
の転送電極8,10は、それぞれ第２層目のポリシリコン
層，第３層目のポリシリコン層を酸化して形成されたシ
リコン酸化膜11,12にそれぞれ被覆される。

このような構造のCCD固体撮像素子は、読み出しゲー
ト電極３がMOS構造とされ、シリコン窒化膜6,シリコン
酸化膜７の存在により、第1,第２の転送電極8,10がMONO
S構造とされる。このシリコン窒化膜6,シリコン酸化膜
７は、第１層目のポリシリコン層からなる読み出しゲー
ト電極３の形成後に形成されるため、第１層目のポリシ
リコン層のパターニングの際のダメージがなく、特にシ
リコン酸化膜７は、十分な酸化により形成される。そし
て、シリコン酸化膜７は、第２層目のポリシリコン層の
エッチングの時のみエッチングされ、シリコン窒化膜６
まで削られるような問題は生じない。このように第1,第
２の転送電極8,10の下部のシリコン窒化膜６が削られる
ような問題が生じないために、第1,第２の転送電極8,10
は共に等しい膜厚のシリコン窒化膜6,シリコン酸化膜７
の上部に形成される。このため、各転送電極8,10同士で
のポテンシャルの設定値からのずれは未然に防止される
ことになる。

また、上記シリコン窒化膜6,シリコン酸化膜７は、共
に読み出しゲート電極３上で切断されるが、この切断
は、第1,第２のの転送電極8,10とセルフアラインで行う
ことも可能である。従って、素子の微細化を図った場合
に有利である。また、上記シリコン窒化膜６は、第１層
目のポリシリコン層と第２層目のポリシリコン層の間の
層間絶縁膜としても機能し、第２層目以上のポリシリコ
ン層のエッチングの際の第１層目のポリシリコン層の保
護膜としても機能する。

第２の実施例 本実施例は、周辺回路のMOSトランジスタのゲート電
極と、電荷転送部の終端部のプリチャージゲート電極及
び出力ゲート電極が、第１層目のポリシリコン層により
形成され、第2,第３層目のポリシリコン層を用いて転送
電極が形成されるCCDの例である。

その構造は、第２図に示すように、同一の基板を分け
て図示したシリコン基板21a,21b上に、それぞれ電荷転
送部と周辺回路の各素子を形成している。

電荷転送部側の上記シリコン基板21a上には、シリコ
ン酸化膜22を介して、プリチャージゲート電極23及び出
力ゲート電極24が第１層目のポリシリコン層をパターニ
ングして形成されている。従って、プリチャージゲート
電極23,出力ゲート電極24はMOS構造とされる。プリチャ
ージゲート電極23に隣接したシリコン基板21aの表面に
は、プリチャージドレイン領域25が形成され、プリチャ
ージゲート電極23と出力ゲート電極24の間の領域には、
浮遊拡散領域26が形成される。この電荷転送部の埋め込
みチャンネル層27上には、シリコン酸化膜22が形成され
ているが、さらにシリコン窒化膜28と、そのシリコン窒
化膜を酸化して得られたシリコン酸化膜29が形成されて
いる。これらシリコン窒化膜28とシリコン酸化膜29は、
埋め込みチャンネル層27上のシリコン酸化膜22上に形成
され、出力ゲート電極24上で終端するパターンに形成さ
れる。

そして、上記埋め込みチャンネル層27上には、第１の
転送電極30と第２の転送電極31が形成される。第１の転
送電極30は第２層目のポリシリコン層をパターニングし
て形成され、第２の転送電極31は第３層目のポリシリコ
ン層をパターニングして形成される。これら第1,第２の
転送電極30,31は、シリコン酸化膜22,シリコン窒化膜2
8,シリコン酸化膜29上に形成されるため、MONOS構造と
される。そして、特にシリコン酸化膜29がエッチングさ
れるのは、第２層目のポリシリコン層である第１の転送
電極30のパターニングの際のみであることから、シリコ
ン酸化膜29の下部のシリコン窒化膜28までエッチングさ
れるようなことはない。なお、各転送電極30,31はシリ
コン酸化膜により被膜されるが、第２図中は図示を省略
している。

周辺回路側のシリコン基板21b上には、シリコン酸化
膜22が形成され、そのシリコン酸化膜22の上部には出力
回路の電解効果型トランジスタのゲート電極32が形成さ
れている。このゲート電極32に隣接したシリコン基板21
bの表面には、ソース・ドレイン領域33,33が形成され
る。この周辺回路における素子は、ゲート電極32が第１
層目のポリシリコン層をパターニングして形成され、ゲ
ート絶縁膜がシリコン酸化膜22のみであるためにMOS構
造とされる。

このような構造の本実施例のCCDは、第１層目のポリ
シリコン層により、周辺回路の素子のゲート電極32,電
荷転送部のプリチャージゲート電極23,出力ゲート電極2
4が形成され、第２層，第３層目のポリシリコン層を用
いて転送電極30,31が形成される。この構造において、
シリコン窒化膜28,シリコン酸化膜29は、第１層目のポ
リシリコン層のパターニング後に形成されるため、シリ
コン酸化膜29がエッチングされるのは、第２層目のポリ
シリコン層のパターニングの際のみとなり、シリコン窒
化膜28までもエッチングにより除去されるような問題は
抑えられることになる。

また、第1,第２の転送電極30,31は、共に削られてい
ないシリコン窒化膜28等の上部に形成されるため、MONO
S構造から転送電極の耐圧や信頼性に優れることにな
り、ポテンシャルの設計値とのずれ等も防止できる。

第３の実施例 本実施例は、第１の実施例の構造のCCD固体撮像素子
の製造方法の例である。

まず、第３図ａに示すように、単結晶のｐ型のシリコ
ン基板41上にシリコン酸化膜42を形成する。次に、読み
出しゲート電極となる第１層目のポリシリコン層43を形
成し、この第１層目のポリシリコン層43を所要の読み出
しゲート電極のパターンにパターニングする。次いで、
この第１層目のポリシリコン層43を酸化して、該第１層
目のポリシリコン層43を被覆するシリコン酸化膜44を形
成する。なお、シリコン酸化膜44を形成する代わりに、
シリコン酸化膜42を除去し、ゲート酸化処理を行っても
良い。上記読み出しゲート電極とされる第１層目のポリ
シリコン層43に隣接したシリコン基板41上には、ｎ型の
不純物領域45やn⁺型の不純物領域46が形成される。これ
ら不純物領域45,46の形成は、例えばイオン注入法によ
り読み出しゲート電極とセルフアラインで行われる。ま
た、不純物領域45,46の形成は、さらに後の工程で行う
ことも可能である。

次に、第３図ｂに示すように、全面にシリコン窒化膜
47が形成される。このシリコン窒化膜47は、例えばCVD
法によって形成され、転送電極のゲート耐圧の向上のた
めや、酸化による膜厚の変動防止のために形成される。
次に、このシリコン窒化膜47の表面は、酸化されて薄い
シリコン酸化膜48が得られる。この酸化の際、表面に存
在する膜は窒化膜のみであるため、第１層目のポリシリ
コン層43の形成後であっても、制約なく十分な膜厚の酸
化膜の形成が可能である。

次に、全面に第２層目のポリシリコン層49が形成さ
れ、この第２層目のポリシリコン層49は、第３図ｃに示
すように、第１の転送電極のパターンにパターニングさ
れる。この転送電極のパターンは、電荷の転送方向で互
いに間隔を開けながら並ぶ複数の帯状の電極パターンか
らなるものとされる。このパターニングは、表面が凹凸
であるために、オーバーエッチングされることになる
が、先に薄いシリコン酸化膜48は十分な膜厚になされて
いるために、シリコン窒化膜47までも削られてしまうよ
うなことがない。従って、転写電極の下部の絶縁膜の膜
厚は全体に亘って均一なものにすることが可能である。
このような第２層目のポリシリコン層49の後、その第２
層目のポリシリコン層49が酸化され、該第２層目のポリ
シリコン層49の表面に層間絶縁膜としてのシリコン酸化
膜50が形成される。また、同時に、その酸化によって、
シリコン窒化膜47上のシリコン酸化膜48も再び形成され
ることになる。

次に、第３図ｄに示すように、第３層目のポリシリコ
ン層51が形成され、この第３層目のポリシリコン層51が
パターニングされる。この第３層目のポリシリコン層51
のパターンは、第２層目のポリシリコン層49の帯状パタ
ーンの間の領域を覆うパターンであって、転送方向にお
いては、第２層目のポリシリコン層49の端部上に第３層
目のポリシリコン層51が一部重複する。この第３層目の
ポリシリコン層51も第２層目のポリシリコン層49と同様
に、シリコン酸化膜42,シリコン窒化膜47,シリコン酸化
膜48をゲート絶縁膜とし、従って、転送電極の構造はMO
NOS構造とされる。

次に、第３層目のポリシリコン層51を酸化して、その
第３層目のポリシリコン層51を被覆する酸化膜52を形成
した後、第３図ｅに示すように、第２層目のポリシリコ
ン層49及び第３層目のポリシリコン層51をマスクとし
て、薄いシリコン酸化膜48,シリコン窒化膜47を切断す
る。これによって、センサー部として機能する不純物領
域46上の窒化膜が除去される。以下、一般のプロセスに
従って、アルミ配線層，層間絶縁膜，遮光膜等が形成さ
れ、CCD固体撮像素子が完成する。

このような本実施例のCCD固体撮像素子の製造方法で
は、薄いシリコン酸化膜48は、第２層目のポリシリコン
層49のパターニングの際のみエッチングされるだけであ
り、オーバーエッチングした場合であっても、その下部
のシリコン窒化膜47まで削られることが防止される。こ
のため、転送電極を構成する第２層目，第３層目のポリ
シリコン層49,51の下部のシリコン窒化膜47は電荷転送
部全体に亘って均一の膜厚となり、電荷転送の信頼性を
高くすることができる。

また、転送電極がMONOS構造となるために、ゲート耐
圧が確保されることになる。

〔発明の効果〕

本発明の電荷転送装置及びその製造方法では、転送電
極以外のゲート電極が、窒化膜より下層の配線層を加工
して形成されるため、窒化膜上に酸化膜を形成し、その
上部に多層の転送電極を形成する場合に、その酸化膜が
転送電極以外のゲート電極の形成の時のダメージを受け
ていないため、その酸化膜の下部の窒化膜まで削られて
しまうようなことがない。このため、転送電極をゲート
絶縁膜の耐圧を確保できるMONOS構造にすることがで
き、転送電極全体に亘って均一の膜厚のゲート絶縁膜を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電荷転送装置の一例の要部を一部破断
して示す断面斜視図、第２図は本発明の電荷転送装置の
他の一例の要部を示す断面図、第３図ａ〜第３図ｅは本
発明の電荷転送装置の製造方法の一例を説明するための
各々工程断面図である。 1,21a,21b,41……シリコン基板 2,7,22,29,42,48……シリコン酸化膜 ３……読み出しゲート電極 6,28,47……シリコン窒化膜 8,30……第１の転送電極 10,31……第２の転送電極 23……プリチャージゲート電極 24……出力ゲート電極 32……ゲート電極 43……第１層目のポリシリコン層 49……第１層目のポリシリコン層 51……第１層目のポリシリコン層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に酸化膜を介して形成された
   第１層目の配線層をパターニングして形成された転送電
   極以外のゲート電極と、 そのゲート電極上及び上記酸化膜上に積層して形成され
   た窒化膜及び酸化膜と、 上記窒化膜及び酸化膜上に形成された第２層目の配線層
   をパターニングして形成された第１の転送電極と、 上記第２の配線層上に形成された第３層目の配線層をパ
   ターニングして形成された第２の転送電極とを有する電
   荷転送装置。
2. 【請求項２】半導体基板上に酸化膜を介して形成された
   第１層目の配線層を形成し、その第１層目の配線層をパ
   ターニングして転送電極以外のゲート電極を形成する工
   程と、 そのゲート電極上及び上記酸化膜上に窒化膜及び薄い酸
   化膜を積層して形成する工程と、 上記窒化膜及び薄い酸化膜上に第２層目の配線層を形成
   し、その第２層目の配線層をパターニングする工程と、 全面に第３層目の配線層を形成し、主に第２層目の配線
   層が除去された領域にその第３層目の配線層をパターニ
   ングして残存させる工程とを有することを特徴とする電
   荷転送装置の製造方法。