JP4137161B1 - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 配線材料に銅を用いた場合においても、好適な水素終端化処理を行なうことが可能な光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、半導体基板上に多層配線構造が配された光電変換装置の製造方法であって、層間絶縁膜の、前記トランジスタの電極に対応する領域にホールを形成する工程と、前記ホールに導電体を埋め込む工程と、水素供給膜を形成する工程と、第一の温度で熱処理し前記水素供給膜から前記半導体基板へ水素を供給する工程と、配線材料に銅を用いて前記多層配線構造を形成する工程と、前記多層配線構造を覆って保護膜を形成する工程と、を有し、多層配線構造を形成する工程及び保護膜を形成する工程は第１の温度よりも低い温度で行なう。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明は、半導体基板上に多層配線構造が配された光電変換装置の製造方法であって、層間絶縁膜の、前記トランジスタの電極に対応する領域にホールを形成する工程と、前記ホールに導電体を埋め込む工程と、水素供給膜を形成する工程と、第一の温度で熱処理し前記水素供給膜から前記半導体基板へ水素を供給する工程と、配線材料に銅を用いて前記多層配線構造を形成する工程と、前記多層配線構造を覆って保護膜を形成する工程と、を有し、多層配線構造を形成する工程及び保護膜を形成する工程は第１の温度よりも低い温度で行なう。
【選択図】 図１
Description
本発明は光電変換装置の製造方法に関するものであり、詳細には配線に銅を用いた光電変換装置の製造方法に関するものである。
光電変換装置は、デジタルカメラ用のセンサとして盛んに用いられている。近年このような光電変換装置として、画素の読み出し回路に複数のＭＯＳトランジスタを用いたＭＯＳ型光電変換装置が用いられている。
ＭＯＳ型光電変換装置は、ＣＣＤに比べて、それぞれのＭＯＳトランジスタを駆動する配線、信号を読み出す配線の本数が増える。したがって、複数の配線層が層間絶縁膜を介して積層された多層配線構造が用いられる。このような配線の材料においては従来アルミニウムが多く用いられてきた。これに対して、更に配線ピッチを微細化するため、もしくは配線の膜厚を薄くして光電変換装置を低背化するために配線材料として銅を用いることが特許文献１に記載されている。
また光電変換装置は、半導体基板の欠陥が暗電流の発生源となり、信号を劣化させる原因となる場合があった。これに対して水素を半導体基板に供給することにより、基板表面のダングリングボンドを終端化させる技術（水素終端化技術）が提案されている。このような技術の１つとして特許文献２には、タングステンによるコンタクトプラグを形成した後、窒素と水素とを含む雰囲気での加熱処理もしくは水素雰囲気での加熱処理を行うことが開示されている。
特開２００３−２６４２８１号公報
特開２００３−２６４２７７号公報
半導体基板の結晶欠陥や界面準位を回復させるために水素終端させることは光電変換装置において重要であるが、水素の半導体基板への供給にはその温度が重要であり、一定の温度以上の熱処理を行なう必要がある。
しかし配線形成後の熱処理では、例えば４００℃以上の高温になると、配線抵抗の上昇や配線材料のストレスマイグレーションが発生する場合がある。特に、配線材料が銅になるとアルミニウムに比べて低温で上述した配線抵抗の上昇や配線材料のストレスマイグレーションが起こる場合がある。更に、熱処理の温度と処理時間によっては半導体基板の裏面側から表面側への銅の拡散が問題となる場合がある。これは、成膜する工程においてある一定量の銅が半導体基板裏面に付着することが原因と考えられる。
つまり配線材料として銅を用いた場合には、これまでよく用いられてきた配線材料がアルミニウムの場合の水素終端処理をそのまま用いることができない。配線の材料として銅を用いた場合の好適な終端化処理に関しては充分な検討がなされていなかった。
更に特許文献２では、コンタクト窓にタングステンを被着形成し、コンタクト窓外のタングステンを除去した状態で熱処理をしている。しかしながら、半導体基板の結晶欠陥や界面準位を回復させるための水素が十分に供給されず、結果として十分な暗電流の低減効果が得られない場合がある。つまり、水素雰囲気で熱処理を行なうだけでは、水素が供給されると同時に、半導体基板の上部へ水素が抜けてしまう。
本発明は上記課題に鑑み、配線材料に銅を用いた場合においても、好適な水素終端化処理を行なうことが可能な光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体基板に光電変換素子と該光電変換素子から信号を読み出すトランジスタとが配され、前記半導体基板上に多層配線構造が配された光電変換装置の製造方法であって、前記光電変換素子およびトランジスタ上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、前記第１の層間絶縁膜の、前記トランジスタの電極に対応する領域にホールを形成する工程と、前記ホールに導電体を埋め込む工程と、前記第１の層間絶縁膜と屈折率が異なる水素供給膜を、前記第１の層間絶縁膜上及び前記導電体上の全面に形成する工程と、第１の温度で熱処理し前記水素供給膜から前記半導体基板へ水素を供給する工程と、前記水素供給膜の、前記光電変換素子に対応する領域をエッチングにより除去する工程と、前記水素供給工程の後に、配線材料に銅を用いて前記多層配線構造を形成する工程と、を有し、前記多層配線構造を形成する工程は、前記水素供給膜のエッチングにより除去された領域を埋め込むように第２の層間絶縁膜を形成する工程と、前記第２の層間絶縁膜にエッチングにより第１の配線溝を形成する工程と、前記第１の配線溝に銅を埋め込む工程と、前記第２の層間絶縁膜と屈折率が異なり、前記配線材料である銅の拡散を抑制する拡散抑制膜を前記第２の層間絶縁膜及び該第２の層間絶縁膜に配された配線を覆って全面に形成する工程と、前記拡散抑制膜の前記光電変換素子に対応する領域をエッチングにより除去する工程と、前記拡散抑制膜のエッチングにより除去された領域を埋め込むように第３の層間絶縁膜を形成する工程と、前記第３の層間絶縁膜にエッチングにより第２の配線溝を形成する工程と、前記第２の配線溝に銅を埋め込む工程と、をこの順に有し、更に、前記多層配線構造を形成する工程の後に、前記多層配線構造を覆って保護膜を形成する工程を有し、前記多層配線構造を形成する工程及び前記保護膜を形成する工程は、前記第１の温度よりも低く且つ、前記配線材料である銅がストレスマイグレーションを起こさない温度で行ない、前記拡散抑制膜は、前記第３の層間絶縁膜をエッチングする際のエッチングストップ膜として機能し且つ、前記水素供給膜に比べて、前記第３の層間絶縁膜のエッチング条件におけるエッチング速度が速いことを特徴とする。
本発明によれば、配線材料に銅を用いた場合においても、好適な水素終端化処理を行なうことが可能となる。
本発明は、水素終端化を行なう際に、ある一定以上の温度で熱処理を行なうことにより、暗電流低減効果が高いことを見出したことに基づいて成されたものである。しかしながら、この水素終端化に適した温度は、配線材料に銅を用いた場合には、配線の特性を劣化させるため好ましくない。したがって、水素終端化処理をする工程を、トランジスタの電極と配線との電気的接続を取るための導電体（プラグ）を形成した後であって、配線材料となる銅を成膜する前に上述したある一定以上の温度で水素終端化処理を行なうことを特徴としている。この時、水素終端化処理を行なった後においては、水素終端化処理を行なった温度よりも低温において全ての工程を行なう。これにより、配線材料に銅を用いた光電変換装置においても好適な水素終端化による暗電流低減を達成することが可能となる。
ここで水素終端化処理を行う温度は４００℃以上が望ましい。また水素終端化処理時の温度の上限は、トランジスタの電極、つまり、ソース、ドレインにシリサイドを形成する場合には、シリサイドが熱的影響を受けることによるコンタクト抵抗の変動が小さくなるように、シリサイド形成のための熱処理の温度以下が望ましい。具体的には８００℃以下が望ましい。
図１に本発明の光電変換装置の断面図の一例を示す。ここでは光電変換素子となるフォトダイオード及びフォトダイオードの電荷を転送する転送トランジスタを含んだ部分の断面図を示す。半導体基板上に多層配線構造が配された構成となっている。
１０は光電変換素子の一部を構成する第１導電型の半導体領域である。１１は１０とＰＮ接合を構成する第２導電型の半導体領域である。半導体領域１０、１１によりフォトダイオードが構成されている。半導体領域１０は信号電荷を蓄積する領域であり、信号電荷と同導電型である。信号電荷が電子の場合はＮ型、ホールの場合はＰ型となる。さらに半導体領域１０の表面に第２導電型の半導体領域１２を配し、表面の欠陥の影響を低減させる構造としてもよい。
１３は、隣接する素子間を電気的に分離するための素子分離領域である。１４は、第１導電型の半導体領域である。半導体領域１４は、半導体領域１０に蓄積された信号電荷が転送される領域であり、後述する増幅素子の入力部として機能している。電荷が転送された後、半導体領域１４の電位が浮遊状態で信号を読み出すためフローティングディフュージョンとよぶこともできる。
１５は、半導体領域１０から１４へ信号電荷を転送するための転送ゲートである。半導体領域１０、１４及び転送ゲート１５により、転送用ＭＯＳトランジスタを構成している。１６は半導体基板に配された半導体領域と上層の配線層との電気的接続、ＭＯＳトランジスタのゲート電極と上層の配線層との電気的接続を行なう導電性プラグである。１７は金属拡散抑制膜（バリアメタル）である。これは例えばＴｉＮで構成することができる。
１８は第１の層間絶縁膜である。上述した光電変換素子上、トランジスタ上に配されている。例として、ＢＰＳＧ、Ｐ−ＳｉＯ２（プラズマＣＶＤ法で形成されたシリコン酸化膜）を用いることができる。
１９は水素供給膜である。例として、水素を多量に含んだシリコン窒化膜を用いることができる。例えば、膜中の水素濃度は、１×１０２１ｃｍ−３以上である。このように多量の水素を含むシリコン窒化膜７は、例えば、枚葉式ＣＶＤ（化学気相成長）装置によって形成される。この際、プラズマＣＶＤ法で膜を形成することにより、所望の水素濃度の膜を得ることが容易となる。
２０は第２〜４の層間絶縁膜である。Ｐ−ＳｉＯ２を用いることができる。２１は、配線層である。配線材料としては銅を用いている。２２は金属拡散抑制膜である。例として、ＴａＮ、ＴｉＮを用いることができる。
２３は金属拡散抑制膜である。また配線を埋め込む溝を形成する際に用いるエッチング工程におけるエッチングストップ膜として用いることもできる。例として、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜などを用いることができる。以下，拡散抑制膜およびエッチングストップ膜として共用可能な膜を拡散抑制膜とする。最上層に設けられた層２３は、主に拡散抑制膜として機能する。
２４は保護膜である。例えば、ＳｉＮ膜を用いることができる。更に保護膜上には必要に応じて、カラーフィルタ、マイクロレンズを設けてもよい。これらは、多層配線構造を覆って配されている。
次に、図１０に光電変換装置の１画素の等価回路図を示す。
ＰＤが光電変換素子として機能するフォトダイオードである。Ｑ１がＰＤの電荷を転送する転送用ＭＯＳトランジスタである。ＦＤは増幅素子の入力部として機能する半導体領域（フローティングディフュージョン）である。図１の半導体領域１４がこれにあたる。Ｑ２がＦＤの電位をリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタである。Ｑ３がＦＤの電荷に基づく信号を増幅する増幅回路の一部を構成する増幅用ＭＯＳトランジスタである。これは図示しない定電流源とともに増幅回路となるソースフォロワ回路の一部を構成している。Ｑ４は特定の画素の信号を選択して読み出すための選択用ＭＯＳトランジスタである。５０１はＱ２，Ｑ３のドレインに電源電圧を供給するための電源線である。５０２はＱ２を駆動するためのリセットゲート線、５０３はＱ４を駆動するための選択ゲート線である。５０４は各画素の信号が読み出される垂直信号線である。５０６はＱ１を駆動するための転送用ゲート線である。また他の例としては画素を選択する方式としてＱ４を設けずにＦＤの電位をＱ２により制御して画素を選択する構成にすることもできる。また複数の画素で特定の素子、たとえばＱ２，Ｑ３などを共有化することもできる。このような画素が一次元状もしくは二次元状に複数配されて光電変換装置が構成される。
次に図１に示した光電変換装置の製造工程を説明する。各図において図１と同一の構成には同一の符号を付す。
まず図２に示すように通常の方法により、半導体基板に光電変換素子、半導体領域、素子分離領域を形成し、シリコン酸化膜等の絶縁膜を形成した後、上述した各トランジスタのゲート電極を形成する。そして、層間絶縁膜１８を形成する。
その後、上層の配線と電気的な接続が必要な領域に対応して層間絶縁膜１８にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールを形成した後に、必要に応じて、コンタクトホールに埋め込む導電体と半導体領域との電気抵抗を低減させるための不純物注入を行なう。不純物注入を行なった後に、６００〜１０００℃、好ましくは８００℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を拡散させる。これは半導体の不純物濃度を高める不純物に限らず、コバルトを注入してシリサイドとすることも可能である。
次に図３に示すように、金属拡散抑制膜１７およびプラグ１６となる導電体を成膜して、コンタクトホールを導電体で埋め込む。その後、ＣＭＰ工程により、プラグ部以外の導電体を除去して平坦化を行ない、コンタクトプラグを形成する。導電体としては、Ｗなどを用いることができる。
その後、図４に示すように、水素供給膜１９を形成する。水素供給膜としては水素を多量に含んだシリコン窒化膜などを用いることが可能である。また、プラズマＣＶＤ法で膜を形成することにより、所望の水素濃度の膜を得ることが容易となる。またこのときの膜中水素濃度は１×１０２１ ｃｍ−３以上であればよい。
その後、４００℃≦Ｔ≦８００℃の温度条件(第１の温度)で熱処理を行なう。温度処理の際の雰囲気は、例えば窒素、水素雰囲気で行なう熱処理により、水素供給膜１９に含まれた水素が半導体基板に拡散し、ダングリングボンドの終端化を行い欠陥を低減させることが可能となる。そして、これにより光電変換装置における暗電流を低減させることが可能となる。
次に、図５に示すように、フォトダイオードに対応する領域に配された水素供給膜を、エッチングにより除去する。これは、水素供給膜とその上下に配された層間絶縁膜の屈折率が大きく異なり、水素供給膜と層間絶縁膜の界面で入射光が反射し、光電変換装置としての感度が低下するためである。しかし、水素供給膜と層間絶縁膜との屈折率の差がそれほど大きくない場合には、受光部上にそのまま残してもよい。
次に図６に示すように、水素供給膜が除去された領域を埋め込むように層間絶縁膜２０を成膜する。層間絶縁膜としてはシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法で形成することができる。
次に図７に示すように、水素供給膜１９、層間絶縁膜２０に配線溝を形成する。そして銅の拡散を抑制する拡散抑制膜２２をＴａ、ＴａＮ等で形成した後、銅を埋め込み、配線を形成する。そしてＣＭＰ工程により配線部以外の銅を取り除き平坦化を行なう。
次に図８に示すように拡散抑制膜２３を成膜する。これは、エッチングストップ膜として機能させることも可能である。具体的には、シリコン窒化膜などをプラズマＣＶＤ法で形成する。ここでエッチングストップ膜は、水素供給膜１９に比べてエッチング速度がはやいほうがよい。ここでのエッチング速度は、層間絶縁膜をエッチングする際の条件においての速度である。発明者らの検討により、水素供給膜は多量の水素を含んでおり膜質が硬くなりやすく、この水素供給膜１９と拡散抑制膜(エッチングストップ膜)２３を同様のプロセス条件で形成すると、エッチングの条件が厳しくなることがわかった。それにより、エッチングを大きなエネルギー、長時間で行なう必要となり、高精度な制御が難しくなる。したがって、エッチングストップ膜（拡散抑制膜）は、水素供給膜に比べてエッチング速度がはやいほうがよい。
次にフォトダイオードに対応する領域に配された拡散抑制膜２３をエッチングにより除去する。そして、拡散抑制膜２３が除去された領域を埋め込むように層間絶縁膜２０を成膜する。更にその上層にハードマスク膜２５を成膜し、この上層のハードマスク膜２５を層間絶縁膜２０に形成する配線溝の幅でエッチングをする。ハードマスク膜２５は例えばＳｉＮ膜を用いることができる。
次に図９に示すようにレジストを塗布、露光し、層間絶縁膜２０をエッチングにより除去することでまずビアホールを形成する。更にレジストを除去後、ハードマスク膜２５をハードマスクとして層間絶縁膜２０に配線溝を形成する。そして銅の拡散を抑制する拡散抑制膜をＴａ、ＴａＮ等で形成した後、銅を埋め込む。そしてＣＭＰ工程により配線以外の銅，拡散抑制膜を取り除き、平坦化を行う。この際に同時にハードマスク層２５も除去される。
これら配線工程は、水素供給膜を形成し、水素供給を行なう際の温度に比べて低温で行なう。更に熱処理の時間も短くするのが好ましい。
次に図１に示すように拡散抑制膜２３を成膜し、フォトダイオードに対応する領域に配された拡散抑制膜をエッチングにより除去する。そして拡散抑制膜２３が除去された領域を埋め込むように層間絶縁膜２０を成膜する。
その後、保護膜２４を形成する。この際の温度は、水素供給膜を形成する温度及び半導体基板に水素を供給する温度よりも低い。つまり、水素供給膜の成膜条件に比べて低温で且つ、短時間で成膜を行った。これにより既に形成されている配線に過剰な熱履歴を与えることが無い。しかしながら配線工程前に既に水素供給を行なっているため、一定量のダングリングボンドが終端化されている。
更に保護膜２４上にレジストを塗布、露光してのフォトダイオードに対応する領域にレジストを残してエッチングすることでレンズを形成してもよい。これによって上方から入射する光を効率良くフォトダイオードに導入することが可能となる。
このように本発明においては、半導体基板に形成された半導体領域と配線層を電気的に接続するプラグを形成後であって、配線を形成する前に水素供給膜を形成し、熱処理を行なった後、配線を形成している。これにより、従来、水素供給工程において必要であった、長時間で高温の熱履歴を配線に与えることなく水素供給を行なうことが可能となった。したがって、銅のように比抵抗の小さい材料を配線に用いることと、半導体基板の欠陥を抑制することを両立することが可能となった。
１６ 導電性プラグ
１９ 水素供給膜
２１ 銅配線
２２ 金属拡散抑制膜
２３ 拡散抑制膜（エッチングストップ膜）
１９ 水素供給膜
２１ 銅配線
２２ 金属拡散抑制膜
２３ 拡散抑制膜（エッチングストップ膜）
Claims (1)
- 半導体基板に光電変換素子と該光電変換素子から信号を読み出すトランジスタとが配され、前記半導体基板上に多層配線構造が配された光電変換装置の製造方法であって、
前記光電変換素子およびトランジスタ上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜の、前記トランジスタの電極に対応する領域にホールを形成する工程と、
前記ホールに導電体を埋め込む工程と、
前記第１の層間絶縁膜と屈折率が異なる水素供給膜を、前記第１の層間絶縁膜上及び前記導電体上の全面に形成する工程と、
第１の温度で熱処理し前記水素供給膜から前記半導体基板へ水素を供給する工程と、
前記水素供給膜の、前記光電変換素子に対応する領域をエッチングにより除去する工程と、
前記水素供給工程の後に、配線材料に銅を用いて前記多層配線構造を形成する工程と、を有し、
前記多層配線構造を形成する工程は、
前記水素供給膜のエッチングにより除去された領域を埋め込むように第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜にエッチングにより第１の配線溝を形成する工程と、
前記第１の配線溝に銅を埋め込む工程と、
前記第２の層間絶縁膜と屈折率が異なり、前記配線材料である銅の拡散を抑制する拡散抑制膜を前記第２の層間絶縁膜及び該第２の層間絶縁膜に配された配線を覆って全面に形成する工程と、
前記拡散抑制膜の前記光電変換素子に対応する領域をエッチングにより除去する工程と、
前記拡散抑制膜のエッチングにより除去された領域を埋め込むように第３の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第３の層間絶縁膜にエッチングにより第２の配線溝を形成する工程と、
前記第２の配線溝に銅を埋め込む工程と、をこの順に有し、
更に、前記多層配線構造を形成する工程の後に、前記多層配線構造を覆って保護膜を形成する工程を有し、
前記多層配線構造を形成する工程及び前記保護膜を形成する工程は、前記第１の温度よりも低く且つ、前記配線材料である銅がストレスマイグレーションを起こさない温度で行ない、
前記拡散抑制膜は、前記第３の層間絶縁膜をエッチングする際のエッチングストップ膜として機能し且つ、前記水素供給膜に比べて、前記第３の層間絶縁膜のエッチング条件におけるエッチング速度が速いことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
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