JP4314005B2

JP4314005B2 - 固体撮像素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP4314005B2
Application number: JP2002282877A
Authority: JP
Inventors: 秀樹郡山; 貞二安海; 透蜂谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004119796A

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かかり、特に電極間絶縁膜に関する。
【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個隣接して配置され、順次駆動される。
【０００３】
固体撮像素子においては、撮像画素数の増加が進んでいるが、画素数の増加に伴い信号電荷の高速転送、すなわち電荷転送電極の高速パルスによる駆動が必要となるため、電荷転送電極の低抵抗化が求められている。また、縦横方向シュリングに伴う、配線断面積の縮小により配線抵抗の増加が問題となる。そこで低抵抗化の方法として、電荷転送電極を多結晶シリコンなどのシリコン系導電性材料と金属あるいは金属シリサイドとの２層構造とすることが提案されている。
【０００４】
しかし、多結晶シリコンを用いた電極の場合、電極間絶縁膜は多結晶シリコン電極表面の熱酸化による酸化シリコン膜を用いていた。しかしながら、金属電極を用いた場合、熱酸化による酸化シリコン等の層間絶縁膜を形成することはできない。そこで電極間絶縁膜の形成に際しては、CVD法などを用いて緻密な酸化シリコン膜を形成する必要がある。しかしながら、緻密な膜を形成しようとすると高温プロセスが必要となり、高温プロセス中に金属膜あるいは金属シリサイド膜の表面が酸化され、実質的に配線の実効的断面積が減少し、抵抗の増大を招く結果となっていた。また、酸化はされなくとも凝集などの変質化を生じ、低抵抗配線を形成するのは困難であった。
また、多結晶シリコン電極と異なり、金属電極の加工は技術的に難しい。例えば電極用金属材料の表面は多結晶シリコンに比べ表面反射率が高くパターニングする際にハレーションの問題が生じたり、金属材料を加工するため新たに技術や装置が必要となる（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−４０７９３号公報
【０００６】
【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、金属電極表面の酸化を防ぎ、低抵抗で信頼性の高い電極配線を有する電荷転送素子を提供することを目的とする。
【０００７】
すなわち、高速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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、半導体基板表面に、ゲート酸化膜を介して配列形成される複数の電荷転送電極が、金属を含み、前記電荷転送電極間に配設される電極間絶縁膜が、前記電荷転送電極の表面が酸化されない条件で成膜可能な第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上層に形成され、前記第1の絶縁膜よりも緻密な第2の絶縁膜とを具備したことを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、金属膜を酸化することなく成膜可能な材料からなる第1の絶縁膜を金属膜パターンの上に成膜し、金属膜を第１の絶縁膜で被覆した状態で、第2の絶縁膜を形成しているため、酸素の存在下で高温にさらしても金属膜は酸化されることなく、緻密な絶縁膜を形成することが可能となり、配線抵抗の低減を図るとともに信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００１０】
望ましくは、前記第1の絶縁膜として低温下で形成可能である上、酸素原子の少ない条件下で形成することのできる窒化シリコン膜を用いることにより、第1の絶縁膜の成膜時に金属膜を良好に酸化から保護することができる。
【００１１】
またこの第1の絶縁膜としては窒化酸化シリコン膜を用いてもよい。この場合同一のチャンバー内で成膜初期に窒素の含有確率の高いガスを用いて成膜し、後にガスの組成のみを変更して成膜するようにしてもよい。
【００１２】
望ましくは、この第２の絶縁膜はCVD法によって形成するようにすれば、緻密で信頼性の高い膜を制御性よく形成することができる。
【００１３】
また望ましくは、この第２の絶縁膜はSOG法、高密度プラズマCVD法、減圧CVD法、常圧CVD法、準常圧CVD法、ＥＢ蒸着法、スパッタリング法などによって形成された絶縁膜を用いてもよい。特に、高密度プラズマCVD法によれば、緻密で高耐圧の絶縁膜を形成することが可能となる。
【００１４】
また望ましくは、前記電荷転送電極を、タングステン、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、コバルト、白金あるいはこれらのシリサイドを用いた場合に特に有効である。タングステンなどは特に酸化により高抵抗化を招くことが多いが、本発明の電極間絶縁膜を用いることにより、低抵抗で高耐圧の固体撮像素子を提供することが可能となる。
【００１５】
本発明の方法では、半導体基板表面に、ゲート絶縁膜を介して、金属を含む材料からなる電荷転送電極を配列して形成する電荷転送電極形成工程と、前記電荷転送電極の上層に、前記電荷転送電極の表面が酸化されない条件で第1の絶縁膜からなる電極間絶縁膜を形成する第1の成膜工程と、前記第1の絶縁膜上に前記第1の絶縁膜よりも緻密な膜質となるような条件で、第2の絶縁膜を形成する第2の成膜工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、まず金属膜を酸化しない条件下で第1の絶縁膜を成膜し、この第1の絶縁膜で金属膜を被覆した状態で、第2の絶縁膜を形成しているため、酸素の存在下で高温にさらしても金属膜は酸化されることなく、緻密な絶縁膜を形成することが可能となり、配線抵抗の低減を図るとともに信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００１７】
望ましくは、前記第１の成膜工程は、前記第２の成膜工程よりも窒素含有率が高く、低温下での成膜工程をとることにより、同一チャンバー内で同一装置を用いて連続的に形成することも可能である。例えば窒素含有量を増大したＣＶＤ条件下で窒化シリコンあるいは窒化酸化シリコン膜を形成し、この後窒素の供給を停止し、高温下で酸化シリコン膜を形成することにより、緻密な酸化シリコン膜を形成することが可能である。
【００１８】
望ましくは、前記第1の成膜工程はプラズマCVD法により窒化シリコン膜を形成することにより、表面にダメージを与えることもなく、信頼性の高い絶縁膜の形成が可能となる。
【００１９】
前記第２の成膜工程は高密度プラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成することにより、緻密で高耐圧の絶縁膜の形成が可能となる。
なお、第２の膜は膜厚と膜質を選択することにより、電極形成時の露光波長に対する多重干渉効果を低減しうるようにするのが望ましい。
また、第１および第２の膜は電極形成時のハードマスクとして利用できるようにするのが望ましい。
【００２０】
【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。
（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、その光電変換部から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。
この固体撮像素子は、図１（ｂ）に要部断面図を示すように、電荷転送電極４０が、タングステンシリサイド電極４からなり、前記タングステンシリサイド電極間に配設される電極間絶縁膜が、プラズマCVD法で形成された窒化シリコンからなる第1の絶縁膜５と、前記第1の絶縁膜５の上層に形成され、前記第1の絶縁膜５よりも緻密な第2の絶縁膜６とで構成されていることを特徴とする。
【００２１】
この固体撮像素子は、図１（ｂ）に、電荷転送部の要部断面図を示すように、所望の素子領域の形成されたシリコン基板１表面に、ゲート酸化膜２を介して配列形成される単層構造の電荷転送電極４０が、低温形成可能な酸化防止膜としての窒化シリコンからなる第1の絶縁膜5と、この上層を被覆する酸化シリコン膜からなる緻密な第2の絶縁膜６とで構成されたことを特徴とする。
【００２２】
なお図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。
【００２３】
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３１は、図１（ａ）では図示していないが、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。
【００２４】
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３１、チャネルストップ領域３２、電荷読み出し領域３３が形成され、シリコン基板１表面には、ゲート酸化膜２が形成される。ゲート酸化膜２表面には、第１及び第２の絶縁膜５、６からなる電極間絶縁膜３で絶縁分離された電荷転送電極４０が形成される。
【００２５】
電荷転送電極４０は、上述したとおりであるが、電荷転送電極４０の上面には保護膜としての、酸化シリコン膜（図示せず）が形成されることもある。
【００２６】
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７０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、絶縁性の透明樹脂等が充填される。電荷転送電極４０および電極間絶縁膜５、６を除いて通例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。
【００２７】
次にこの固体撮像素子の製造工程について説明する。
まず、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。
【００２８】
続いてこのゲート絶縁膜２上に、Ｈｅで希釈したWF₆とＳｉＨ₄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のタングステンシリサイド膜４を形成する。このときの基板温度は４００〜６００℃とする。ここで金属膜の単層電極あるいは多結晶シリコン膜と金属膜との積層電極とを用いるようにしてもよい。
【００２９】
そして、図２（ａ）に示すように、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、レジストパターンＲを形成する。
【００３０】
この後、図２（ｂ）に示すように、ＳＦ₆とＣｌ₂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タングステンシリサイド膜を選択的にエッチング除去し、電極パターンを形成したのち、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、ＳｉＨ₄とN₂とＨ₂Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記タングステンシリサイド膜４からなる電極パターンの周りに膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜からなる第１の絶縁膜５を形成する。このときの基板温度は３００〜４００℃であった。
【００３２】
続いて、図２（ｄ）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１００〜２００ｎｍの酸化シリコン膜からなる第２の絶縁膜６を形成する。このときの基板温度は３００〜４００℃であった。
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。
【００３３】
この方法によれば、金属膜を酸化することなく成膜可能な材料からなる第1の絶縁膜で金属膜を被覆した状態で、第2の絶縁膜を形成しているため、酸素の存在下で高温にさらしても金属膜は酸化されることなく、緻密な絶縁膜を形成することが可能となり、配線抵抗の低減を図り、高速駆動が可能で信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。
【００３４】
なお、ここで第１の絶縁膜としては、膜厚３０ｎｍの窒化シリコン膜を用いたが、膜厚については２０〜５０ｎｍ程度が望ましい。第１の絶縁膜の膜厚は、第１の絶縁膜自身の成膜工程で金属膜が酸化されない程度の膜厚であって、かつ第２の絶縁膜の成膜工程で、金属膜が酸化されないように保護し得る程度の膜厚とするのが望ましい。
【００３５】
また第１の絶縁膜として窒化シリコン膜を用いたが、窒化シリコン膜に限定されることなくプラズマＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜など、金属膜を酸化させない程度の低酸素・低温形成可能な絶縁膜であればよい。そして第２の絶縁膜についても、第１の絶縁膜が酸化防止膜として作用し得る程度の条件で形成したものであって、緻密で高耐圧の絶縁膜であれば、適宜選択可能である。
【００３６】
なおここで用いる金属膜としては、タングステンシリサイドのほか、また、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、コバルトのシリサイドなどが適用可能である。
【００３７】
（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２の実施の形態では、低抵抗電極であるタングステンシリサイド膜４からなる電荷転送電極のパターンのパターニングに先立ち、タングステンシリサイド膜4の表面に反射防止膜としての窒化酸化シリコン７を形成しておくようにし、ハレーションによる電荷転送電極の電極パターン精度の低下を防止するものである。他については前記第1の実施の形態と同様である。
【００３８】
すなわち、図2（ａ）に示した前記第1の実施の形態と同様にして、タングステンシリサイド膜４を形成したのち、プラズマＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの窒化酸化シリコン膜からなる反射防止膜を形成し、この上層にレジストを塗布し図３（ａ）に示すように、フォトリソグラフィによりレジストパターンＲを形成する。ここで窒化酸化シリコン膜は露光波長における無機反射防止膜となるような条件で形成する。
【００３９】
そして、図３（ｂ）に示すように、このレジストパターンをマスクとして窒化酸化シリコン膜をパターニングしたのち、この酸化シリコン膜7のパターンをマスクとしてタングステンシリサイド膜4をパターニングする。
【００４０】
そして前記第1の実施の形態と同様に第1の絶縁膜５を形成し（図３（ｃ））、更に第2の絶縁膜6を形成する（図３（ｄ））。
【００４１】
この方法によれば、前記第1の実施の形態による効果に加え、電極パターンの形成に際し、反射防止膜を形成するようにしているため、ハレーションによるパターン精度の低下を防止することができる。
【００４２】
（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３の実施の形態では、前記第2の実施の形態における反射防止膜である窒化酸化シリコン膜８の上層に酸化防止膜である酸化シリコン膜９を形成しておき、この窒化シリコン膜9及び酸化シリコン膜8をマスクとしてタングステンシリサイド膜４からなる電荷転送電極のパターンのパターニングを行うようにしたことを特徴とするものである。この例では、タングステンシリサイド膜4の表面に反射防止膜としての窒化酸化シリコン膜８と電極加工エッチングハードマスクとしての酸化シリコン９とを形成しておくようにし、電極加工時の反射防止効果とエッチングハードマスクとを兼ねる。他については前記第1乃至第２の実施の形態と同様である。
【００４３】
すなわち、図2（ａ）に示した前記第1の実施の形態と同様にして、タングステンシリサイド膜４を形成したのち、プラズマＣＶＤ法により膜厚３０ｎｍの窒化酸化シリコン膜８からなる反射防止膜および膜厚１００〜３０ｎｍの酸化シリコン膜９からなるパターニング用ハードマスクを形成し、この上層にレジストを塗布し図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィによりレジストパターンＲを形成する。
【００４４】
そして、図４（ｂ）に示すように、このレジストパターンをマスクとして酸化シリコン膜９と窒化酸化シリコン膜８をパターニングする。
【００４５】
そして、図４（ｃ）に示すように、この酸化シリコン膜９及び窒化酸化シリコン膜８のパターンをマスクとしてタングステンシリサイド膜4をパターニングする。
【００４６】
そして前記第1の実施の形態と同様に窒化シリコン膜からなる第1の絶縁膜５を形成し（図４（ｄ））、更に酸化シリコン膜からなる第2の絶縁膜6を形成する（図４（ｅ））。
【００４７】
このようにして高精度でかつ低抵抗の電荷転送電極のパターン形成が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、転送電極の低抵抗化が可能となり、高速で信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。
また、配線抵抗が小さく、高速転送の可能な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。
【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を示す図である。
【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である。
【図３】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である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２ゲート酸化膜
３電極間絶縁膜
４タングステンシリサイド膜
５第１の絶縁膜
６第２の絶縁膜

Claims

半導体基板表面に、ゲート酸化膜を介して配列形成される複数の電荷転送電極が、金属を含み、
前記電荷転送電極間に配設される電極間絶縁膜が、前記電荷転送電極の表面が酸化されない条件で成膜可能な第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上層に前記電荷転送電極間に充填されるように形成され、前記第１の絶縁膜と異なる第２の絶縁膜とを具備し、
前記第１の絶縁膜は窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜であり、
前記第２の絶縁膜が前記第１の絶縁膜よりも緻密であり、
前記第１の絶縁膜が、前記第２の絶縁膜よりも窒素含有率が高く且つ低温下での成膜工程で形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。
前記第２の絶縁膜はＣＶＤ法によって形成された絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第２の絶縁膜はＳＯＧ法、高密度プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、準常圧ＣＶＤ法、スパッタ法、ＥＢ蒸着法によって形成された絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記電荷転送電極は、タングステン、タンタル、チタン、モリブデン、ニッケル、コバルト、白金あるいはこれらのシリサイドであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
半導体基板表面に、ゲート酸化膜を介して、金属を含む材料からなる電荷転送電極を配列して形成する電荷転送電極形成工程と、
前記電荷転送電極の上層に、前記電荷転送電極の表面が酸化されない条件で第１の絶縁膜からなる電極間絶縁膜を形成する第１の成膜工程と、
前記第１の絶縁膜上に前記電荷転送電極間に充填される条件で、前記第１の絶縁膜と異なる第２の絶縁膜を形成する第２の成膜工程とを含み、
前記第１の絶縁膜は窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜であり、
前記第１の成膜工程が前記第２の成膜工程よりも窒素含有率が高く且つ低温下での成膜工程であることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記第１の成膜工程と前記第２の成膜工程は、同一チャンバー内で同一装置を用いて連続的に行われるものであり、
前記第１の成膜工程は、前記窒素を含有したＣＶＤ条件下で前記窒化シリコン膜あるいは前記窒化酸化シリコン膜をＣＶＤ法により形成する工程であり、
前記第２の成膜工程は、前記第１の成膜工程の後、前記窒素の供給を停止し、前記第１の成膜工程よりも高温下でＣＶＤ法により前記酸化シリコン膜を形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法。