JP4081094B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の画素部からなる撮像部を有する半導体装置、特に、撮像部を高融点金属からなる遮光膜により覆った半導体装置の製造方法に関する。

複数の画素部を行列状に配列された撮像部を有する固体撮像装置等の半導体装置は、画素部内の光検出部（フォトダイオード）以外への光の入射によるノイズを抑制するために、一般的に電荷転送部などの表面を遮光膜により覆っている。遮光膜としては、タングステン（以下Ｗ）などの高融点金属膜を使用する場合がある
例えば、特許文献１には、クロックパルスを供給する給電配線が遮光膜を兼ねる構造の固体撮像装置を開示している。

図１７は、従来技術における固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。この固体撮像装置は、撮像部２、水平転送ＣＣＤ５、アンプ６、第１転送電極線７、第２転送電極線８、第３転送電極線９、第４転送電極線１０、ボンディングパッド１１、遮光膜１２、交差配線部５３を備える。

撮像部２は、行列状に配列された複数のフォトダイオード３と、フォトダイオード３の列毎に設けられた複数の垂直転送ＣＣＤ４とを含む。露光により各フォトダイオード３に蓄積された信号電荷は、一斉に全垂直転送ＣＣＤ４に読み出される。各垂直転送ＣＣＤ４は、信号電荷を水平転送ＣＣＤ５に順次転送する。水平転送ＣＣＤ５は各垂直転送ＣＣＤ４から一行分の信号電荷が転送される毎に、その行内の各画素に対応する信号電荷をアンプ６に順次転送する。

垂直転送ＣＣＤ４は、ポリシリコンにより形成された第１転送電極と第２転送電極とが部分的に重なって交互に形成されている。順に並ぶ４つの第１、第２、第１、第２転送電極には、例えば垂直方向の転送を駆動するための４相の転送クロック信号φ１〜φ４が印加される。転送クロック信号φ１〜φ４が印加される第１転送電極または第２転送電極をそれぞれ、第１転送電極線７、第２転送電極線８、第３転送電極線９、第４転送電極線１０と呼ぶものとする。

撮像部２の上には遮光膜１２が形成されている。この遮光膜１２は、撮像部２の上を覆うようにＷなどの高融点金属膜により形成される。

交差配線部５３は、遮光膜１２と同時に形成された配線用の高融点金属膜と、通常のアルミ配線とが交差する部分である。この交差配線５３は、撮像部２の周辺の任意の場所に形成可能である。

図１８は、交差配線部５３およびその周辺を拡大した平面図である。また、図１９は、図１８中のＺ−Ｚ’断面を示す断面図である。これらの図において、遮光膜６０は、遮光膜１２と同時に配線用に形成され、複数のコンタクトホール５９を通してアルミ配線５５及び５６と電気的に接続されている。遮光膜６０の上には、シリコン酸化膜などの絶縁膜５８を挟んで、他のアルミ配線５７と交差している。
特許第２５４１４７０号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、遮光膜６０として用いられるＷは、下地のシリコン酸化膜との密着性が悪く、また製造工程内での熱処理時に下地のシリコン酸化膜と熱膨張率が異なるので、熱応力によりさらに密着性が低下するという問題がある。。

加えて、最近になってカメラの小型化等の要請により、固体撮像装置自体も薄くする必要性が生じている。このため、製造工程においてシリコンウェーハとしての強度が必要なくなった段階で、ウェーハの裏面を研削してチップを薄くする工程が必要となっている。この研削工程において、画素部への傷や研削飛沫の付着を防止する表面保護のために、粘着テープをウェーハ表面に貼り付け、研削後に粘着テープを除去することがある。このとき、上記のようにウェーハ表面の密着性の悪いＷの遮光膜６０が剥離してしまうことがあるという問題がある。

さらには、画素数の増加に伴い、動画再生のフレームレートと画質を確保するために画素混合等の技術が利用されているが、これを行うためには多相駆動が必要となる。これを実現するためには、１画素程度以下の配線幅の微細な配線が必要となるが、上記のように、密着性の悪いWの遮光膜６０は、形成途中で、剥離してしまうという問題がある。

本発明は上記課題に鑑み、配線として用いられる遮光膜と下地と密着性を高めた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、複数の画素部からなる撮像部と、撮像部を遮光する高融点金属からなる遮光膜と、撮像部の周辺において遮光膜を配線に用いた配線パターンとを有する半導体装置の製造方法であって、垂直転送電極及び水平転送電極の形成と同時に、垂直転送電極及び水平転送電極と同じ材料を用いて、前記配線パターンを形成すべき配線領域内に突起部を形成する非平坦部形成ステップと、前記撮像部上の遮光膜の形成と同時に、前記配線領域上に遮光膜を配線パターンとして形成する遮光膜形成ステップと、前記撮像部内の画素部上の開口部の形成と同じプロセスによって、前記配線パターンに開口部を形成する開口部形成ステップとを有する。

この構成によれば、新たな製造プロセスを追加することなく容易に非平坦部を製造することができ、製造コストを押し上げることなく実施することができる。

本発明の半導体装置によれば、遮光膜を配線として用いた配線パターンと下地との密着性を高めることができる。その結果、熱膨張率の差による熱応力に対して耐性を高めことができる。さらに、半導体装置の研削後に表面に貼り付けられた粘着テープの除去による遮光膜の剥離を防止することができる。これらの効果を活用して、広い面積の配線交差部の形成が可能となり、配線抵抗を低減できる。また、微細な配線パターンについても形成が可能となり、さまざまな駆動方法に対応できる撮像素子が実現できる。

また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、新たな製造プロセスを追加することなく容易に非平坦部を製造することができ、製造コスト高を招かない。

図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。この固体撮像装置は、撮像部２、水平転送ＣＣＤ５、アンプ６、第１転送電極線７、第２転送電極線８、第３転送電極線９、第４転送電極線１０、ボンディングパッド１１、遮光膜１２、交差配線部１３を備える。同図は、図１７と比較して交差配線部５３の代わりに交差配線部１３を有する点が異なっている。

交差配線部１３は、撮像部２の周辺の任意の配線箇所に形成され、遮光膜１２と同時に形成された配線用の高融点金属膜と、通常のアルミ配線とが交差する部分である。ここでいう、配線用の高融点金属膜は、遮光膜を配線として用いた配線パターンであり、例えば、タングステン、その合金、タングステンを主材料とする積層膜等により形成される。この配線パターンは、配線パターン中の平坦部の広がりを制限するために非平坦部を有している。この非平坦部により、配線パターンと下地との密着性を向上させている。

図１において、撮像部２は、行列状に配列された複数のフォトダイオード３と、フォトダイオード３の列毎に設けられた複数の垂直転送ＣＣＤ４とを含む。露光により各フォトダイオード３に蓄積された信号電荷は、一斉に全垂直転送ＣＣＤ４に読み出される。各垂直転送ＣＣＤ４は、信号電荷を水平転送ＣＣＤ５に順次転送する。水平転送ＣＣＤ５は各垂直転送ＣＣＤ４から一行分の信号電荷が転送される毎に、その行内の各画素に対応する信号電荷をアンプ６に順次転送する。

垂直転送ＣＣＤ４は、ポリシリコンにより形成された第１転送電極と第２転送電極とが部分的に重なって交互に形成されている。順に並ぶ４つの第１、第２、第１、第２転送電極には、例えば垂直方向の転送を駆動するための４相の転送クロック信号φ１〜φ４が印加される。転送クロック信号φ１は、１つおきの第１転送電極に印加され、転送クロック信号φ２は、１つおきの第２転送電極に印加される。また転送クロック信号φ３は、他の１つおきの第１転送電極に印加され、転送クロック信号φ４は、他の１つおきの第２転送電極に印加される。第１、第２転送電極に、転送クロック信号φ１〜φ４を供給する配線を第１転送電極線７、第２転送電極線８、第３転送電極線９、第４転送電極線１０と呼ぶものとする。

撮像部２の上には遮光膜１２が形成されている。この遮光膜１２は、撮像部２の上を覆うようにタングステンなどの高融点金属膜により形成される。

図２は、交差配線部１３およびその周辺を拡大した平面図である。また、図３は、図２中のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。これらの図において、配線パターン２０は、高融点金属膜からなる配線パターンであり、遮光膜１２と同時に配線用に形成され、複数のコンタクトホール５９を通してアルミ配線１５及び１６と電気的に接続されている。配線パターン２０は、シリコン酸化膜などの絶縁膜１８を挟んで、アルミ配線１７と交差している。

配線パターン２０は、非平坦部を有している。この非平坦部には、図２の平面図に示すような複数の開口部２１と、図３の断面図に示すように複数の突起部２２により段差とがある。これらにより、下地（シリコン酸化膜）との密着性を高め、耐熱応力、耐剥離性を向上させている。図２、図３では、便宜上４つの開口部２１、図３では２つの突起部２２をそれぞれ図示してあるが、例えば、配線パターン２０の面積は数万平方μｍオーダ、開口部２１および突起部２２の径は、数μｍオーダでよい。また、微細配線においては、配線パターン２０の面積は、数平方μmから数十平方μmオーダである。

図４は、交差配線部１３における配線パターン２０に設けられる開口部２１および突起部２２の具体例を示す図である。同図において、配線パターン２０は、開口部２３を有し、また、ポリシリコン２５、２６により形成された突起の上に金属薄膜として形成されることにより段差を有している。この例では、ポリシリコン２５、２６の突起は、撮像部２内に垂直転送電極または水平転送電極と同様の形状を有している。

図４と対比するため図５に、１画素部に相当する垂直転送電極の平面図を示す。図５において、ポリシリコン２５は垂直転送路４の上に形成された第１転送電極と、第１転送電極線または第３転送電極線とを形成する。また、ポリシリコン２６は垂直転送路４の上に形成された第２転送電極と、第２転送電極線または第４転送電極線とを形成する。これらは絶縁膜を挟んで遮光膜１２の下に凸状に形成される。遮光膜１２は、この凸状の突起物の上に金属薄膜として形成され、垂直転送ＣＣＤ４および水平転送ＣＣＤ５を遮光している。

これに対して、図４におけるポリシリコン２５、２６は、第１、第２転送電極、第１〜第４転送電極線として形成されるのではなく、その上に形成される配線パターン２０に非平坦部を与えるために単に凸状の突起物として形成される。

図６は、図４中のＡ１−Ａ１’断面を示す断面図である。同図のようにＡ１−Ａ１’断面には、シリコン基板２７の上に、ゲート絶縁膜２８と、ポリシリコン２５、２６と、絶縁膜２９、配線パターン２０、絶縁層１８が形成される。配線パターン２０は、二層のポリシリコン２５、２６を覆う突起状の絶縁層２９の表面に形成される。その結果、配線パターン２０は、部分的に凸状の突起部を非平坦部として有することになる。Ａ１−Ａ１’断面における配線パターン２０以下の層構成は、ポリシリコン２５、２６の突起間のシリコン基板にフォトダイオードが形成されていない点を除いて、図５におけるＡ２−Ａ２’断面とほぼ同じである。

図７は、図４中のＢ１−Ｂ１’断面を示す断面図である。同図のようにＢ１−Ｂ１’断面には、シリコン基板２７の上に、ゲート絶縁膜２８と、ポリシリコン２５、２６と、絶縁膜２９、配線パターン２０、絶縁層１８が形成される。配線パターン２０は、二層のポリシリコン２５、２６を覆う突起状の絶縁層２９の表面に形成される。配線パターン２０は、絶縁層２９を挟んで部分的に重なるポリシリコン２５、２６を覆う凹凸状の絶縁層２９の表面に形成される。その結果、配線パターン２０は、凹凸形状を非平坦部として有することになる。Ｂ１−Ｂ１’断面における配線パターン２０以下の層構成は、図５におけるＢ２−Ｂ２’断面とほぼ同じである。

図８は、図４中のＣ１−Ｃ１’断面を示す断面図である。同図のようにＣ１−Ｃ１’断面には、シリコン基板２７の上に、ゲート絶縁膜２８と、ポリシリコン２６と、絶縁膜２９、配線パターン２０、絶縁層１８が形成される。配線パターン２０は、ポリシリコン２６を覆う突起状の絶縁層２９の表面に形成される。配線パターン２０は、絶縁増２９を突起状の絶縁層２９の表面に形成される。その結果、配線パターン２０は、部分的に凸形状を非平坦部として有することになる。Ｃ１−Ｃ１’断面における配線パターン２０以下の層構成は、図５におけるＣ２−Ｃ２’断面とほぼ同じである。

図９は、図４に示した配線パターンの製造方法を示すフローチャートである。図９では図４中のＡ１−Ａ１’断面の形成過程を示している。その製造工程を以下の（１）〜（７）に説明する。
（１）図９（ａ）に示すように、シリコン基板２７表面を熱酸化法等によりシリコン酸化膜３２を形成し、酸化膜３２上にシリコン窒化膜３３をＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法により積層することによりゲート絶縁膜２８を形成する。さらに絶縁膜２８の上にポリシリコン層を形成し、レジストの塗布、露光および現像によりポリシリコン２５を形成し、再度、熱酸化法等によりポリシリコン２５の周囲に絶縁膜２９を形成する。さらに、その上に、ポリシリコン２６を同様に形成する。この時、ゲート絶縁膜２８の表面のシリコン窒化膜３３上はほとんど酸化されることが無いので、ポリシリコン２５上にのみ酸化膜が形成される。
（２）図９（ｂ）に示すように、ポリシリコン２６上に、熱酸化法等によりシリコン酸化膜（絶縁膜）を形成し、ポリシリコン２５および２６の周囲に絶縁膜２９を形成する。ポリシリコン２５および２６形成用マスクは、撮像部２と配線パターン２０とで１つでよく、撮像部２内の第１、第２転送電極用のパターンと同じパターンを配線パターン２０の領域に有していればよい。これにより、配線パターン２０用の突起２２を、第１、第２転送電極と同じプロセスで形成することができる。
（３）図９（ｃ）に示すように、絶縁膜２９形成後の全面にスパッタリング法によりタングステンを蒸着する。本例ではタングステンを蒸着しているが、チタンやコバルトなど次の遮光膜となる金属膜のＣＶＤの種層（シード層）となる材料であれば、他の材料を使用することができる。このスパッタリングでは、放電によって生じたプラズマのなかのイオンを加速してＷ金属膜表面にぶつけることにより、下地との密着性を向上させている。
（４）図９（ｄ）に示すように、タングステンシード層の上にＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によりＷを蒸着することにより金属膜を形成する。この金属膜は、タングステンの合金、タングステンを主材料とする積層膜としてもよい。これによりタングステン金属膜３０が、遮光膜１２および配線パターン２０として形成される。勿論、ＣＶＤ法を用いることなく、スパッタリング法だけで遮光膜を形成しても構わない。或は、シード層の替わりにシリコン膜をＣＶＤ法によって形成した後、タングステン等の高融点金属をスパッタリング法やＣＶＤ法により積層し、熱処理を施すことによってタングステンシリサイド等の合金としても構わない。
（５）図９（ｅ）に示すように、Ｗ金属膜上６にフォトレジスト３１を形成し、リソグラフィにより、Ｗ金属膜３１を部分的に除去する。その際、フォトレジスト３１のパターンは、撮像部２における開口部（つまりフォトダイオード上）と配線パターン２０中の開口部とを除く部分に形成される。
（６）図９（ｆ）に示すように、フォトレジスト３１を除去する。このように撮像部１２上の遮光膜および交差配線用の配線パターン２０を同じプロセスにより同時に形成することができる。
（７）図９（ｇ）に示すように、配線パターン２０の上にシリコン酸化膜等の絶縁膜１８を形成する。この絶縁膜１８の上には、アルミ配線等が形成される。

この製造方法によれば、配線パターン２０内に設けられる非平坦部は、段差、凹凸形状、開口部等として、垂直転送電極及び水平転送電極の形成と同じプロセス、および、遮光膜の形成と同じプロセスによって形成することができる。

以上説明してきたように、本実施の形態における半導体装置によれば、遮光膜１２と同じプロセスで形成される金属膜を配線として用いた配線パターン２０が非平坦部（突起部２２や開口部２３）を有するので、配線パターン２０と下地のシリコン酸化膜との密着性を高めることができる。その結果、熱膨張率の違いによる熱応力に対して耐性を高めことができる。

さらに、半導体装置の研削後に表面に貼り付けられた粘着テープの除去による配線パターンの剥離を防止することができる。

粘着テープ除去による配線パターンの剥離防止は、非平坦部が配線パターン２０中の平坦部の広がりを制限しているからである。つまり、平坦部が一定面積以上の広がりを持たないように、非平坦部を設けることにより、剥離を防止している。実験によれば、配線パターン中の平坦部が約１万μ平方ｍ以上である場合、剥離しやすいことが分かっている。非平坦部は、撮像部２の突起部および開口部ほど密に形成しなくともよく、平坦部を一定面積以下に制限するように随所に設ければよい。

ただし、配線パターン２０中の突起部および開口部を撮像部２の突起部および開口部と同じすれば、熱応力に対する耐性および粘着テープ除去に対する耐性をより一層向上させることができる。

続いて、上記実施形態における変形例について説明する。
（ａ）図１０は、交差配線部１３の配線パターン２０における非平坦部の他の例を示す説明図である。同図における配線パターン２０は、細長い突起部２２と開口部２１とを有している。図１１は、図１０中のＸ−Ｘ’断面図である。図１１の突起部２２は、図８と同様に、ポリシリコン２５の周囲を覆う絶縁層２９の凸形状を利用している。
（ｂ）図１２は、配線パターン２０における非平坦部の他の例を示す説明図である。同図における配線パターン２０は、点状の突起部２２と開口部２１とを有している。同図のように、突起部２２は点状であってもよい。この突起部２２の断面も図１１と同様の構造として形成することができる。
（ｃ）図１３は、配線パターン２０における非平坦部の他の例を示す説明図である。同図において配線パターン２０は、細長いスリット状の開口部２１を有している。このように、配線パターン２０は非平坦部として開口部だけを有している場合であっても、密着性および耐剥離性を向上させることができる。
（ｄ）図１４は、配線パターン２０における非平坦部の他の例を示す説明図である。この配線パターン２０は、円形の開口部２１を有している。開口部２１の形状は矩形等でよく形状を問わない。
（ｅ）図１５は、配線パターン２０における非平坦部のさらに他の例を示す説明図である。図１６は、図１５中のＣ−Ｃ'断面図である。図１６において、シリコン基板２７の上に、ゲート絶縁膜２８を介し、配線パターン２０に沿ってポリシリコン２５のパターン層が形成されており、ポリシリコン２５のパターン層には凹部３５が設けられている。ここで形成されたポリシリコン２５を下地層として、この上に絶縁膜２９を介して配線パターン２０が形成されており、配線パターン２０の配線材料が凹部３５に埋め込まれるように形成されている。

このように、配線パターン２０は、非平坦部として配線パターン２０の底面から一部凸形状に突出して基板側に埋め込まれる構造を有することで、密着性および耐剥離性をさらに向上させることができる。ここで、凹部３５を配線材料で隙間なく埋めるため、凹部３５の幅Ｗｈは配線パターン２０を形成するパターン膜厚の２倍以下の幅にすることが好ましい。

本発明の半導体装置は、複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置、カメラに適しており、例えば、イメージセンサー、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに備えられるカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 交差配線部の平面図である。 交差配線部の断面図である。 交差配線部におけるタングステン配線下の凹凸形状の具体例を示す説明図である。 画素部の平面図である。 図４中のＡ１−Ａ１’断面図である。 図４中のＢ１−Ｂ１’断面図である。 図４中のＣ１−Ｃ１’断面図である。 （ａ）〜（ｇ）製造工程を示す図である。 交差配線部のタングステン配線下における凹凸形状の他の例を示す説明図である。 図１０中のＸ−Ｘ’断面図である。 配線パターンにおける非平坦部を示す他の例を示す説明図である。 配線パターンにおける非平坦部を示す他の例を示す説明図である。 配線パターンにおける非平坦部を示す他の例を示す説明図である。 配線パターンにおける非平坦部のさらに他の例を示す説明図である。 図１８中のＣ−C'断面図である。 従来技術における固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 従来技術における交差配線部の平面図である。 図１６中のＺ−Ｚ’断面平面図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 撮像部
３ フォトダイオード
４ 垂直転送ＣＣＤ
５ 水平転送ＣＣＤ
７〜１０ 第１〜第４転送電極線
１１ ボンディングパッド
１２ 遮光膜
１３ 交差配線部１３
１５〜１７ アルミ配線
１８ 絶縁膜
１９ コンタクト
２０ 配線パターン
２１、２３ 開口部
２２ 突起部
２５、２６ ポリシリコン
２７ シリコン基板
２８、２９ 絶縁膜
３０ 金属膜
３１ フォトレジスト
３５ 凹部

Claims (1)

1. 複数の画素部からなる撮像部と、撮像部を遮光する高融点金属からなる遮光膜と、撮像部の周辺において遮光膜を配線に用いた配線パターンとを有する半導体装置の製造方法であって、
   垂直転送電極及び水平転送電極の形成と同じプロセスによって、前記配線パターンを形成すべき配線領域内に突起部を形成する非平坦部形成ステップと、
   前記撮像部上の遮光膜の形成と同じプロセスによって、前記突起部が形成された配線領域上に遮光膜を配線パターンとして形成する遮光膜形成ステップと、
   前記撮像部内の画素部上の開口部の形成と同じプロセスによって、前記配線パターンに開口部を形成する開口部形成ステップと
   を有することを特徴とする製造方法。

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