JP4194295B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関するものであり、特に単層構造の電荷転送電極の電極間絶縁膜の微細化および高品質化を図った固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エリアセンサ等に用いられるＣＣＤ固体撮像素子は、光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数隣接して配置され、順次駆動される。
【０００３】
電荷転送電極を有する固体撮像素子は、撮影画素数の増加の要求により微細化が進むと、斜めからの入射光に対して集光できる面積が少なくなり、感度が低下するという問題がある。そのため、光電変換部以外の領域の厚さをできるだけ薄くすることが求められている。また、光電変換部以外の領域は、遮光膜を形成する必要があるため、できるだけ平坦にするのが好ましい。
【０００４】
そのため、電荷転送電極を重なり合うことなく配置したいわゆる単層配線電極を有する固体撮像素子が提案されている。この固体撮像素子は、隣接する電荷転送電極の間に電極間絶縁膜が配置され、電荷転送電極の材料としては、多結晶シリコン等のシリコン系導電材料が用いられる。
【０００５】
一方、固体撮像素子は、大型化および画素数の増加に伴って信号電荷の高速転送が必要となっており、単層構造の電荷転送電極を高速パルスで駆動する場合、隣接する電荷転送電極の電極間距離（ギャップ）を狭く形成する（０．１μｍ以下）必要がある。また、電極間の絶縁は、高い電気的耐圧が要求される。
【０００６】
このような電極パターンを得るためには平坦な表面でEB直描法を用いるなど、高価なステッパを使用する必要があり、また、電極パターンを得ることができたとしても、微細な電極間領域に絶縁膜を充填するのは極めて困難であり、耐圧劣化の原因ともなって、実用上は不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することを目的とする。また、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面の絶縁膜上に、複数の電荷転送電極が形成されたものであって、隣接する前記電荷転送電極は、電極間絶縁膜によって分離されるとともに、互いに重なることなく配置されており、前記電極間絶縁膜は、隣接する前記電荷転送電極の一方の側壁から成膜された絶縁膜で構成したものである。
【０００９】
このような構成とすると、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することができる。また、表面の平坦化を図ることができ、この上層に配線構造を形成するような場合にも効率よくパターン形成を行うことが可能となる。
【００１０】
本発明の固体撮像素子における前記電極間絶縁膜によって形成される前記電荷転送電極間の間隔は、０．１μｍ以下である。電荷転送電極間の間隔が０．１μｍ以下の場合、電極間に絶縁膜を充填するのは極めて困難であるが、電極間絶縁膜を、隣接する前記電荷転送電極の一方の側壁から成膜するので、電荷転送電極間の間隔を０．１μｍ以下とすることができる。したがって、高速パルスによる駆動も可能な低抵抗で信頼性の高い固体撮像素子を提供することができる。
【００１１】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、前記電極間絶縁膜の上端と同一表面となるように構成されているものである。このような構成とすると、最大限に電極導体を充填することができ、低抵抗化を図ることができる上、表面の平坦化を図ることができる。
【００１２】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、シリコン系材料からなる導電性膜を含むものである。
【００１３】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、シリコン系材料からなるシリコン系導電性膜と、この上層に形成された金属を含む導電性膜との多層構造膜で構成されるものである。このような構成とすると、さらに電極の低抵抗化を図ることが可能となる。
【００１４】
本発明の固体撮像素子における前記導電性膜は、タングステンを含むものである。このような構成とすると、低抵抗化を図ることができるとともに、タングステンによって遮光機能を得ることができ、低コストで信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板表面の第１の絶縁膜上に、複数の電荷転送電極が形成された固体撮像素子の製造方法であって、前記第１の絶縁膜上に、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第１の導電性膜を形成する第１の導電性膜形成工程と、この上層に前記第１の導電性膜を構成する材料に対してエッチング選択性を有する材料からなるエッチングストッパ層を形成する工程と、フォトリソグラフィにより前記第１の導電性膜および前記エッチングストッパ層とをパターニングし、前記第１の導電性膜と前記エッチングストッパ層との２層構造パターンを形成する工程と、前記２層構造パターンを覆うように、基板表面全体に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記２層構造パターンの側壁にのみ前記第２の絶縁膜を残すように前記第２の絶縁膜を垂直方向に、異方性エッチングする側壁絶縁膜形成工程と、この上層に、前記２層構造パターン全体を覆って表面が平坦となるまで、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第２の導電性膜を形成する第２の導電性膜形成工程と、前記エッチングストッパが露呈するまで、前記第２の導電性膜をエッチバックするエッチバック工程と、前記エッチングストッパを除去するエッチングストッパ除去工程とを含み、前記第１の絶縁膜が、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との３層構造の絶縁膜であり、前記エッチング選択性を有する材料が窒化シリコンであり、前記第２の絶縁膜が酸化シリコン膜である。
【００１６】
この方法によれば、１個おきに形成した電荷転送電極の側壁に、異方性エッチングを用いて電極間絶縁膜を形成するので、微細でかつ信頼性の高い固体撮像素子を容易に形成できる。また、電極間絶縁膜を、直接熱酸化によって形成するのではなく、側壁絶縁膜として自己整合的に形成するため、低温での形成が可能な上、解像限界を超えた微細幅のパターンや微細溝への埋め込みが不要である。
また、前記第２の絶縁膜として酸化シリコン膜を利用しており、酸化シリコン膜は、導電性不純物を含まないため、薄い膜圧でも電気的耐圧を高くすることができる。
【００１７】
また、前記側壁絶縁膜形成工程は、前記第１の絶縁膜をエッチングストッパとして異方性エッチングを行う工程を含むものである。係る構成によれば、基板表面の第１の絶縁膜をエッチングストッパとして異方性エッチングを行うようにしているため、第１の絶縁膜の膜減りが防止され、耐圧特性の低下を防止することが可能となる。
【００１８】
本発明の製造方法においては、前記第１および第２の導電性膜は、多結晶シリコン膜を利用するものである。
【００１９】
本発明の製造方法における前記エッチバック工程は、化学的研磨法（ＣＭＰ）法によるものである。
【００２１】
本発明の製造方法は、前記エッチングストッパ除去工程の後、さらに、前記側壁絶縁膜の上端よりも低い位置まで、前記第１および第２の導電性膜の表面をエッチングするエッチング工程と、表面全体に金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記側壁絶縁膜の頂面が露呈するまで前記金属膜をエッチバックし、表面を平坦化する平坦化工程とを含むものである。
【００２２】
このような構成とすると、導電性膜を多結晶シリコン膜などで形成する場合、抵抗値の低減が難しいが、この上層に金属膜を容易に積層することができ、低抵抗で信頼性の高い電荷転送電極を形成することが可能となる。
【００２３】
このように本発明によれば、異方性エッチングを用いて第１層の電荷転送電極の側壁に形成した絶縁膜を電極間絶縁膜とし、さらにこれらの間に第２層の電荷転送電極形成しているため、表面の平坦化を図ることができるとともに、デバイスの高さを低減することができ、フォトリソ工程やエッチング工程での加工マージンが広がり、高価なステッパなどの半導体製造装置を用いることなく高歩留まりの固体撮像素子を得ることが可能となる。また高品質の絶縁膜を電極間絶縁膜として用いているため、電気的耐圧の改善を図ることが出来歩留まりが向上する。さらに、微細な幅の電極間領域に絶縁材料を埋め込む必要がなく、電気的耐圧の低下を防止することができ、歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図１（ａ）は、その電荷転送電極までを示す概略平面図であり、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。図１に示すように、シリコン基板１には、複数のフォトダイオード３０が形成され、フォトダイオードで検出した信号電荷を転送するための電荷転送電極４０が、フォトダイオード３０の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送電極４０によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネル（図示せず）は、電荷転送電極４０が延在する方向と交差する方向に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。なお、図１（ａ）においては、電極間絶縁膜３の内、フォトダイオード領域と電荷転送電極４０との境界近傍に形成されるものの記載を省略してある。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１内には、フォトダイオード３０、電荷転送チャネル（図示せず）、チャネルストップ領域３１、電荷読み出し領域（図示せず）が形成され、シリコン基板１表面には、絶縁膜（以下、ゲート絶縁膜と記述する。）２が形成される。ゲート絶縁膜２表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜３と多結晶シリコン膜４ａ、４ｂからなる電荷転送電極４０が形成される。電極間絶縁膜３は、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの一方、例えば多結晶シリコン膜４ａの側壁から成膜されるものである。
【００２７】
固体撮像素子の上方には、フォトダイオード３０部分を除いて遮光膜５０が設けられ、さらにカラーフィルタ６０、マイクロレンズ（図示せず）が設けられる。また、電荷転送電極４０と遮光膜５０との間、および遮光膜５０とカラーフィルタ６０との間は、絶縁性物質が充填される。電荷転送電極４０および電極間絶縁膜３を除いて従来のものと同様であるので説明を省略する。また、図１では、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子を示しているが、インターライン型の固体撮像素子にも適用可能であることはいうまでもない。
【００２８】
次に、図２を用いてこの固体撮像素子の製造工程について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、３層構造のゲート絶縁膜２を形成する。続いてこのゲート絶縁膜２上に、Ｈｅで希釈したＳｉＨ4とＰＨ3との混合ガスを反応性ガスとして用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ａを形成する。このときの基板温度は６００〜７００℃とする。続いて、減圧ＣＶＤ法によりエッチングストッパ層となる酸化シリコン膜６を形成し、そしてこの上層にＴＨＭＲと称する東京応化製のレジストを厚さ０．８〜１．４μｍとなるように塗布する。
【００２９】
そして、フォトリソグラフィにより所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅０．５μｍのレジストパターンＲを形成する。このとき解像限界が０．５μｍであった。
【００３０】
この後、図２（ｂ）に示すように、ＨＢｒとＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンＲをマスクとし、ゲート絶縁膜２をエッチングストッパとして多結晶シリコン膜４ａと酸化シリコン膜６とを選択的にエッチング除去したのち、レジストパターンＲを剥離除去する。ここではＥＣＲあるいはＩＣＰなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【００３１】
続いて、図２（ｃ）に示すように、、ＴＥＯＳとＯ2との混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの酸化シリコン膜からなる第２の絶縁膜３ａを形成する。
【００３２】
そして図２（ｄ）に示すように、異方性エッチングにより、垂直方向にのみエッチングを進行させ、多結晶シリコン膜４ａの側壁にのみ第２の絶縁膜（酸化シリコン膜）３ａを残すようにエッチングを行い、側壁絶縁膜からなる電極間絶縁膜３を形成する。
【００３３】
次に、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＨ4とＰＨ3の混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚０．４〜１．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ｂを形成する。
【００３４】
そして、図２（ｆ）に示すように、基板表面をＣＭＰにより研磨し、さらに化学的エッチングにより、電極間絶縁膜３の上面が露呈するまでエッチングして、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂとからなる電荷転送電極を個々に分離する。そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図１に示したような固体撮像素子を得る。
【００３５】
この方法によれば、電極間絶縁膜としての絶縁膜のパターンを形成する際に異方性エッチングを用いた側壁残しにより、微細でかつ信頼性の高い電極間絶縁膜が容易に形成される。したがって、解像限界よりも小さな、微細な電極間絶縁膜を有する固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、電荷転送電極の導電層を多結晶シリコン膜１層で形成したが、第２の実施の形態では、電荷転送電極の低抵抗化を図るために、表面側に金属を含む導電膜を形成した２層構造としている。
【００３７】
図３に、本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図３は、図１（ａ）と対応する断面図であり、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、タングステン膜５などの導電膜が積層されている。導電膜としては、タングステンシリサイドでもよく、また、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、あるいはこれらのシリサイド、あるいはアルミニウムなどを利用してもよい。他の部分については図１の固体撮像素子と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図４（ａ）ないし（ｈ）にその工程図を示すが、図４（ａ）ないし（ｅ）の工程は、第１の実施の形態の工程図を示す図２（ａ）ないし（ｅ）と同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
この後、図４（ｆ）に示すように、ＨＢｒとＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの表面をエッチング除去し、電極間絶縁膜３の頂部を上端面よりも低い位置まで露呈させる。そして、図４（ｇ）に示すように、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、ＷＦ6とＨ2とを用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚５００〜６００ｎｍのタングステン膜５を形成する。このときの基板温度は５００℃であった。このとき、基板表面の凹凸はなく平坦な表面となっている。
【００４０】
続いて、図４（ｈ）に示すように、ＣＦ4とＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、電極間絶縁膜３の頂面が露呈し、基板表面が平坦となるようにエッチバックし、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂ、タングステン膜５からなる電荷転送電極を個々に分離する。そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図１に示したような固体撮像素子を得る。なお、この場合、タングステン膜５が充分な遮光効果が得られる程度の厚さとすることにより、遮光膜を省略することも可能である。
【００４１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第１および第２の実施の形態では、多結晶シリコン膜４ａのパターニングのためのマスクあるいはエッチバックの際のエッチングストッパ層として、酸化シリコン膜６を用いたが、酸化シリコン膜に限定されることなく窒化シリコン膜でもよいし、クロム薄膜などの金属膜でもよい。下層の多結晶シリコン膜および、上層に形成する多結晶シリコン膜とのエッチング選択性をもつ材料であればよい。
【００４２】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの表面を、電極間絶縁膜３の上端面よりも低い位置まで除去した後、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、タングステン膜５を形成したが、第４の実施の形態は、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂを形成後、タングステン膜５ａ、５ｂを形成するものである。
【００４３】
次に、この固体撮像素子の製造工程について、図５（ａ）ないし（ｆ）を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、３層構造のゲート絶縁膜２を形成する。続いて、このゲート絶縁膜２上に、ＳｉＨ4とＰＨ3との混合ガスを反応性ガスとして用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ａを形成し、さらに、ＷＦ6を用いたＣＶＤ法によりタングステン膜５ａを形成する。このときの基板温度は５００℃とする。
【００４４】
続いて、減圧ＣＶＤ法により酸化シリコン膜６を形成し、そしてこの上層にＦＤＵＲと称する東京応化製のレジストを厚さ０．８〜１．４μｍとなるように塗布する。そしてフォトリソグラフィにより、所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅０．３５μｍのレジストパターンＲを形成する。このとき解像限界が０．３５μｍであった。
【００４５】
この後、図５（ｂ）に示すように、Ｃｌ2とＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンＲをマスクとして、酸化シリコン膜６とタングステンシリサイド膜４ｂとをパターニングした後、ゲート絶縁膜２をエッチングストッパとして多結晶シリコン膜４ａを選択的にエッチング除去し、さらに、レジストパターンＲを剥離除去する。ここではＥＣＲあるいはＩＣＰなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【００４６】
次いで、図５（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳとＯ2との混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの酸化シリコン膜からなる第３の絶縁膜３ａを形成する。
【００４７】
そして、図５（ｄ）に示すように、異方性エッチングにより、垂直方向にのみエッチングを進行させ、多結晶シリコン膜４ａとタングステンシリサイド膜５ａの側壁にのみ第３の絶縁膜３ａを残すようにエッチングを行い、側壁絶縁膜からなる電極間絶縁膜３を形成する。
【００４８】
続いて、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＨ4とＰＨ3の混合ガスを用いたＣＶＤ法により膜厚０．３μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ｂを形成し、さらにＷＦ6を用いたＣＶＤ法によりタングステン膜５ｂを形成する。そして、図５（ｆ）に示すように、エッチバックにより、第２の絶縁膜６が露呈するまで異方性エッチングを行う。
【００４９】
なお、第４の実施の形態におけるタングステン膜５ａ、５ｂに換えて、タングステンシリサイド膜を利用してもよい。また、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、あるいはこれらのシリサイド、あるいはアルミニウムなども利用できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することが可能となる。また、電荷転送電極の低抵抗化により電極の高さをさらに低くすることができ、かつ表面の平坦化を図ることができるため、色むなどの段差に起因する光学特性不良を低減することが可能となる。さらに、高速転送が可能となるためスミアなどの光学特性を改善することができ、高品質で信頼性の高いＣＣＤを得ることが可能となる。
【００５１】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図５】本発明の第４の実施の形態の固体撮像素子製造工程を示す図
【符号の説明】
１・・・シリコン基板
２・・・第１の絶縁膜（ゲート絶縁膜）
３ａ・・・第２の絶縁膜（酸化シリコン膜）
３・・・電極間絶縁膜
４ａ、４ｂ・・・多結晶シリコン膜
５ａ、５ｂ、５・・・タングステン膜
６・・・酸化シリコン膜
３０・・・フォトダイオード
３１・・・チャネルストップ領域
４０・・・電荷転送電極
５０・・・遮光膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関するものであり、特に単層構造の電荷転送電極の電極間絶縁膜の微細化および高品質化を図った固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エリアセンサ等に用いられるＣＣＤ固体撮像素子は、光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数隣接して配置され、順次駆動される。
【０００３】
電荷転送電極を有する固体撮像素子は、撮影画素数の増加の要求により微細化が進むと、斜めからの入射光に対して集光できる面積が少なくなり、感度が低下するという問題がある。そのため、光電変換部以外の領域の厚さをできるだけ薄くすることが求められている。また、光電変換部以外の領域は、遮光膜を形成する必要があるため、できるだけ平坦にするのが好ましい。
【０００４】
そのため、電荷転送電極を重なり合うことなく配置したいわゆる単層配線電極を有する固体撮像素子が提案されている。この固体撮像素子は、隣接する電荷転送電極の間に電極間絶縁膜が配置され、電荷転送電極の材料としては、多結晶シリコン等のシリコン系導電材料が用いられる。
【０００５】
一方、固体撮像素子は、大型化および画素数の増加に伴って信号電荷の高速転送が必要となっており、単層構造の電荷転送電極を高速パルスで駆動する場合、隣接する電荷転送電極の電極間距離（ギャップ）を狭く形成する（０．１μｍ以下）必要がある。また、電極間の絶縁は、高い電気的耐圧が要求される。
【０００６】
このような電極パターンを得るためには平坦な表面でEB直描法を用いるなど、高価なステッパを使用する必要があり、また、電極パターンを得ることができたとしても、微細な電極間領域に絶縁膜を充填するのは極めて困難であり、耐圧劣化の原因ともなって、実用上は不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することを目的とする。また、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面の絶縁膜上に、複数の電荷転送電極が形成されたものであって、隣接する前記電荷転送電極は、電極間絶縁膜によって分離されるとともに、互いに重なることなく配置されており、前記電極間絶縁膜は、隣接する前記電荷転送電極の一方の側壁から成膜された絶縁膜で構成したものである。
【０００９】
このような構成とすると、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することができる。また、表面の平坦化を図ることができ、この上層に配線構造を形成するような場合にも効率よくパターン形成を行うことが可能となる。
【００１０】
本発明の固体撮像素子における前記電極間絶縁膜によって形成される前記電荷転送電極間の間隔は、０．１μｍ以下である。電荷転送電極間の間隔が０．１μｍ以下の場合、電極間に絶縁膜を充填するのは極めて困難であるが、電極間絶縁膜を、隣接する前記電荷転送電極の一方の側壁から成膜するので、電荷転送電極間の間隔を０．１μｍ以下とすることができる。したがって、高速パルスによる駆動も可能な低抵抗で信頼性の高い固体撮像素子を提供することができる。
【００１１】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、前記電極間絶縁膜の上端と同一表面となるように構成されているものである。このような構成とすると、最大限に電極導体を充填することができ、低抵抗化を図ることができる上、表面の平坦化を図ることができる。
【００１２】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、シリコン系材料からなる導電性膜を含むものである。
【００１３】
本発明の固体撮像素子における前記電荷転送電極は、シリコン系材料からなるシリコン系導電性膜と、この上層に形成された金属を含む導電性膜との多層構造膜で構成されるものである。このような構成とすると、さらに電極の低抵抗化を図ることが可能となる。
【００１４】
本発明の固体撮像素子における前記導電性膜は、タングステンを含むものである。このような構成とすると、低抵抗化を図ることができるとともに、タングステンによって遮光機能を得ることができ、低コストで信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板表面の第１の絶縁膜上に、複数の電荷転送電極が形成された固体撮像素子の製造方法であって、前記第１の絶縁膜上に、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第１の導電性膜を形成する第１の導電性膜形成工程と、この上層に前記第１の導電性膜を構成する材料に対してエッチング選択性を有する材料からなるエッチングストッパ層を形成する工程と、フォトリソグラフィにより前記第１の導電性膜および前記エッチングストッパ層とをパターニングし、前記第１の導電性膜と前記エッチングストッパ層との２層構造パターンを形成する工程と、前記２層構造パターンを覆うように、基板表面全体に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記２層構造パターンの側壁にのみ前記第２の絶縁膜を残すように前記第２の絶縁膜を垂直方向に、異方性エッチングする側壁絶縁膜形成工程と、この上層に、前記２層構造パターン全体を覆って表面が平坦となるまで、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第２の導電性膜を形成する第２の導電性膜形成工程と、前記エッチングストッパが露呈するまで、前記第２の導電性膜をエッチバックするエッチバック工程と、前記エッチングストッパを除去するエッチングストッパ除去工程とを含み、前記第１の絶縁膜が、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との３層構造の絶縁膜であり、前記エッチング選択性を有する材料が窒化シリコンであり、前記第２の絶縁膜が酸化シリコン膜である。
【００１６】
この方法によれば、１個おきに形成した電荷転送電極の側壁に、異方性エッチングを用いて電極間絶縁膜を形成するので、微細でかつ信頼性の高い固体撮像素子を容易に形成できる。また、電極間絶縁膜を、直接熱酸化によって形成するのではなく、側壁絶縁膜として自己整合的に形成するため、低温での形成が可能な上、解像限界を超えた微細幅のパターンや微細溝への埋め込みが不要である。
また、前記第２の絶縁膜として酸化シリコン膜を利用しており、酸化シリコン膜は、導電性不純物を含まないため、薄い膜圧でも電気的耐圧を高くすることができる。
【００１７】
また、前記側壁絶縁膜形成工程は、前記第１の絶縁膜をエッチングストッパとして異方性エッチングを行う工程を含むものである。係る構成によれば、基板表面の第１の絶縁膜をエッチングストッパとして異方性エッチングを行うようにしているため、第１の絶縁膜の膜減りが防止され、耐圧特性の低下を防止することが可能となる。
【００１８】
本発明の製造方法においては、前記第１および第２の導電性膜は、多結晶シリコン膜を利用するものである。
【００１９】
本発明の製造方法における前記エッチバック工程は、化学的研磨法（ＣＭＰ）法によるものである。
【００２１】
本発明の製造方法は、前記エッチングストッパ除去工程の後、さらに、前記側壁絶縁膜の上端よりも低い位置まで、前記第１および第２の導電性膜の表面をエッチングするエッチング工程と、表面全体に金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記側壁絶縁膜の頂面が露呈するまで前記金属膜をエッチバックし、表面を平坦化する平坦化工程とを含むものである。
【００２２】
このような構成とすると、導電性膜を多結晶シリコン膜などで形成する場合、抵抗値の低減が難しいが、この上層に金属膜を容易に積層することができ、低抵抗で信頼性の高い電荷転送電極を形成することが可能となる。
【００２３】
このように本発明によれば、異方性エッチングを用いて第１層の電荷転送電極の側壁に形成した絶縁膜を電極間絶縁膜とし、さらにこれらの間に第２層の電荷転送電極形成しているため、表面の平坦化を図ることができるとともに、デバイスの高さを低減することができ、フォトリソ工程やエッチング工程での加工マージンが広がり、高価なステッパなどの半導体製造装置を用いることなく高歩留まりの固体撮像素子を得ることが可能となる。また高品質の絶縁膜を電極間絶縁膜として用いているため、電気的耐圧の改善を図ることが出来歩留まりが向上する。さらに、微細な幅の電極間領域に絶縁材料を埋め込む必要がなく、電気的耐圧の低下を防止することができ、歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図１（ａ）は、その電荷転送電極までを示す概略平面図であり、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。図１に示すように、シリコン基板１には、複数のフォトダイオード３０が形成され、フォトダイオードで検出した信号電荷を転送するための電荷転送電極４０が、フォトダイオード３０の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送電極４０によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネル（図示せず）は、電荷転送電極４０が延在する方向と交差する方向に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。なお、図１（ａ）においては、電極間絶縁膜３の内、フォトダイオード領域と電荷転送電極４０との境界近傍に形成されるものの記載を省略してある。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１内には、フォトダイオード３０、電荷転送チャネル（図示せず）、チャネルストップ領域３１、電荷読み出し領域（図示せず）が形成され、シリコン基板１表面には、絶縁膜（以下、ゲート絶縁膜と記述する。）２が形成される。ゲート絶縁膜２表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜３と多結晶シリコン膜４ａ、４ｂからなる電荷転送電極４０が形成される。電極間絶縁膜３は、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの一方、例えば多結晶シリコン膜４ａの側壁から成膜されるものである。
【００２７】
固体撮像素子の上方には、フォトダイオード３０部分を除いて遮光膜５０が設けられ、さらにカラーフィルタ６０、マイクロレンズ（図示せず）が設けられる。また、電荷転送電極４０と遮光膜５０との間、および遮光膜５０とカラーフィルタ６０との間は、絶縁性物質が充填される。電荷転送電極４０および電極間絶縁膜３を除いて従来のものと同様であるので説明を省略する。また、図１では、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子を示しているが、インターライン型の固体撮像素子にも適用可能であることはいうまでもない。
【００２８】
次に、図２を用いてこの固体撮像素子の製造工程について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、３層構造のゲート絶縁膜２を形成する。続いてこのゲート絶縁膜２上に、Ｈｅで希釈したＳｉＨ4とＰＨ3との混合ガスを反応性ガスとして用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ａを形成する。このときの基板温度は６００〜７００℃とする。続いて、減圧ＣＶＤ法によりエッチングストッパ層となる酸化シリコン膜６を形成し、そしてこの上層にＴＨＭＲと称する東京応化製のレジストを厚さ０．８〜１．４μｍとなるように塗布する。
【００２９】
そして、フォトリソグラフィにより所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅０．５μｍのレジストパターンＲを形成する。このとき解像限界が０．５μｍであった。
【００３０】
この後、図２（ｂ）に示すように、ＨＢｒとＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンＲをマスクとし、ゲート絶縁膜２をエッチングストッパとして多結晶シリコン膜４ａと酸化シリコン膜６とを選択的にエッチング除去したのち、レジストパターンＲを剥離除去する。ここではＥＣＲあるいはＩＣＰなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【００３１】
続いて、図２（ｃ）に示すように、、ＴＥＯＳとＯ2との混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの酸化シリコン膜からなる第２の絶縁膜３ａを形成する。
【００３２】
そして図２（ｄ）に示すように、異方性エッチングにより、垂直方向にのみエッチングを進行させ、多結晶シリコン膜４ａの側壁にのみ第２の絶縁膜（酸化シリコン膜）３ａを残すようにエッチングを行い、側壁絶縁膜からなる電極間絶縁膜３を形成する。
【００３３】
次に、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＨ4とＰＨ3の混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚０．４〜１．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ｂを形成する。
【００３４】
そして、図２（ｆ）に示すように、基板表面をＣＭＰにより研磨し、さらに化学的エッチングにより、電極間絶縁膜３の上面が露呈するまでエッチングして、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂとからなる電荷転送電極を個々に分離する。そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図１に示したような固体撮像素子を得る。
【００３５】
この方法によれば、電極間絶縁膜としての絶縁膜のパターンを形成する際に異方性エッチングを用いた側壁残しにより、微細でかつ信頼性の高い電極間絶縁膜が容易に形成される。したがって、解像限界よりも小さな、微細な電極間絶縁膜を有する固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、電荷転送電極の導電層を多結晶シリコン膜１層で形成したが、第２の実施の形態では、電荷転送電極の低抵抗化を図るために、表面側に金属を含む導電膜を形成した２層構造としている。
【００３７】
図３に、本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図３は、図１（ａ）と対応する断面図であり、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、タングステン膜５などの導電膜が積層されている。導電膜としては、タングステンシリサイドでもよく、また、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、あるいはこれらのシリサイド、あるいはアルミニウムなどを利用してもよい。他の部分については図１の固体撮像素子と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図４（ａ）ないし（ｈ）にその工程図を示すが、図４（ａ）ないし（ｅ）の工程は、第１の実施の形態の工程図を示す図２（ａ）ないし（ｅ）と同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
この後、図４（ｆ）に示すように、ＨＢｒとＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの表面をエッチング除去し、電極間絶縁膜３の頂部を上端面よりも低い位置まで露呈させる。そして、図４（ｇ）に示すように、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、ＷＦ6とＨ2とを用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚５００〜６００ｎｍのタングステン膜５を形成する。このときの基板温度は５００℃であった。このとき、基板表面の凹凸はなく平坦な表面となっている。
【００４０】
続いて、図４（ｈ）に示すように、ＣＦ4とＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、電極間絶縁膜３の頂面が露呈し、基板表面が平坦となるようにエッチバックし、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂ、タングステン膜５からなる電荷転送電極を個々に分離する。そして、この上層に絶縁膜、遮光膜などを形成して、図１に示したような固体撮像素子を得る。なお、この場合、タングステン膜５が充分な遮光効果が得られる程度の厚さとすることにより、遮光膜を省略することも可能である。
【００４１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第１および第２の実施の形態では、多結晶シリコン膜４ａのパターニングのためのマスクあるいはエッチバックの際のエッチングストッパ層として、酸化シリコン膜６を用いたが、酸化シリコン膜に限定されることなく窒化シリコン膜でもよいし、クロム薄膜などの金属膜でもよい。下層の多結晶シリコン膜および、上層に形成する多結晶シリコン膜とのエッチング選択性をもつ材料であればよい。
【００４２】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの表面を、電極間絶縁膜３の上端面よりも低い位置まで除去した後、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂの上層に、タングステン膜５を形成したが、第４の実施の形態は、多結晶シリコン膜４ａ、４ｂを形成後、タングステン膜５ａ、５ｂを形成するものである。
【００４３】
次に、この固体撮像素子の製造工程について、図５（ａ）ないし（ｆ）を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜を形成し、３層構造のゲート絶縁膜２を形成する。続いて、このゲート絶縁膜２上に、ＳｉＨ4とＰＨ3との混合ガスを反応性ガスとして用いた減圧ＣＶＤ法により、膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ａを形成し、さらに、ＷＦ6を用いたＣＶＤ法によりタングステン膜５ａを形成する。このときの基板温度は５００℃とする。
【００４４】
続いて、減圧ＣＶＤ法により酸化シリコン膜６を形成し、そしてこの上層にＦＤＵＲと称する東京応化製のレジストを厚さ０．８〜１．４μｍとなるように塗布する。そしてフォトリソグラフィにより、所望のマスクを用いて露光し、現像、水洗を行い、パターン幅０．３５μｍのレジストパターンＲを形成する。このとき解像限界が０．３５μｍであった。
【００４５】
この後、図５（ｂ）に示すように、Ｃｌ2とＯ2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジストパターンＲをマスクとして、酸化シリコン膜６とタングステンシリサイド膜４ｂとをパターニングした後、ゲート絶縁膜２をエッチングストッパとして多結晶シリコン膜４ａを選択的にエッチング除去し、さらに、レジストパターンＲを剥離除去する。ここではＥＣＲあるいはＩＣＰなどのエッチング装置を用いるのが望ましい。
【００４６】
次いで、図５（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳとＯ2との混合ガスを用いた減圧ＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの酸化シリコン膜からなる第３の絶縁膜３ａを形成する。
【００４７】
そして、図５（ｄ）に示すように、異方性エッチングにより、垂直方向にのみエッチングを進行させ、多結晶シリコン膜４ａとタングステンシリサイド膜５ａの側壁にのみ第３の絶縁膜３ａを残すようにエッチングを行い、側壁絶縁膜からなる電極間絶縁膜３を形成する。
【００４８】
続いて、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＨ4とＰＨ3の混合ガスを用いたＣＶＤ法により膜厚０．３μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ｂを形成し、さらにＷＦ6を用いたＣＶＤ法によりタングステン膜５ｂを形成する。そして、図５（ｆ）に示すように、エッチバックにより、第２の絶縁膜６が露呈するまで異方性エッチングを行う。
【００４９】
なお、第４の実施の形態におけるタングステン膜５ａ、５ｂに換えて、タングステンシリサイド膜を利用してもよい。また、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、あるいはこれらのシリサイド、あるいはアルミニウムなども利用できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電荷転送電極領域の厚さを薄くして、光電変換部の受光効率を向上させるとともに、電荷転送電極間の電気的耐圧を劣化させることなく、高速かつ高感度の転送が可能で低消費電力の固体撮像素子を提供することが可能となる。また、電荷転送電極の低抵抗化により電極の高さをさらに低くすることができ、かつ表面の平坦化を図ることができるため、色むなどの段差に起因する光学特性不良を低減することが可能となる。さらに、高速転送が可能となるためスミアなどの光学特性を改善することができ、高品質で信頼性の高いＣＣＤを得ることが可能となる。
【００５１】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図５】本発明の第４の実施の形態の固体撮像素子製造工程を示す図
【符号の説明】
１・・・シリコン基板
２・・・第１の絶縁膜（ゲート絶縁膜）
３ａ・・・第２の絶縁膜（酸化シリコン膜）
３・・・電極間絶縁膜
４ａ、４ｂ・・・多結晶シリコン膜
５ａ、５ｂ、５・・・タングステン膜
６・・・酸化シリコン膜
３０・・・フォトダイオード
３１・・・チャネルストップ領域
４０・・・電荷転送電極
５０・・・遮光膜
Claims (4)
- 半導体基板表面の第１の絶縁膜上に、複数の電荷転送電極が形成された固体撮像素子の製造方法であって、
前記第１の絶縁膜上に、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第１の導電性膜を形成する第１の導電性膜形成工程と、
この上層に前記第１の導電性膜を構成する材料に対してエッチング選択性を有する材料からなるエッチングストッパ層を形成する工程と、
フォトリソグラフィにより前記第１の導電性膜および前記エッチングストッパ層とをパターニングし、前記第１の導電性膜と前記エッチングストッパ層との２層構造パターンを形成する工程と、
前記２層構造パターンを覆うように、基板表面全体に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記２層構造パターンの側壁にのみ前記第２の絶縁膜を残すように前記第２の絶縁膜を垂直方向に、異方性エッチングする側壁絶縁膜形成工程と、
この上層に、前記２層構造パターン全体を覆って表面が平坦となるまで、前記電荷転送電極の少なくとも一部を構成する第２の導電性膜を形成する第２の導電性膜形成工程と、
前記エッチングストッパが露呈するまで、前記第２の導電性膜をエッチバックするエッチバック工程と、
前記エッチングストッパを除去するエッチングストッパ除去工程とを含み、
前記側壁絶縁膜形成工程は、前記第１の絶縁膜をエッチングストッパとして異方性エッチングを行う工程を含み、
前記第１の絶縁膜が、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との３層構造の絶縁膜であり、
前記エッチング選択性を有する材料が窒化シリコンであり、
前記第２の絶縁膜が酸化シリコン膜である固体撮像素子の製造方法。 - 請求項１記載の製造方法であって、
前記第１および第２の導電性膜は、多結晶シリコン膜である固体撮像素子の製造方法。 - 請求項１または２記載の製造方法であって、
前記エッチバック工程は、化学的研磨法（ＣＭＰ）法によるものである固体撮像素子の製造方法。 - 請求項１ないし３のいずれか１項記載の製造方法であって、
前記エッチングストッパ除去工程の後、
さらに、前記側壁絶縁膜の上端よりも低い位置まで、前記第１および第２の導電性膜の表面をエッチングするエッチング工程と、
表面全体に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記側壁絶縁膜の頂面が露呈するまで前記金属膜をエッチバックし、表面を平坦化する平坦化工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
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