JP4700928B2

JP4700928B2 - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP4700928B2
Application number: JP2004151848A
Authority: JP
Inventors: 秀樹郡山
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP2005333058A

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法に関する。

エリアセンサ等に用いられるＣＣＤを用いた固体撮像素子は、フォトダイオードなどからなる光電変換部と、この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備えた電荷転送部とを有する。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。

近年、ＣＣＤの高画素化に伴い、固体撮像素子においては、高解像度化、高感度化への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。
このような状況の中で更なる高速駆動を実現するためには電荷転送電極の低抵抗化への要求が高く、また微細化には縦方向シュリンクが必須である。
従来、ＣＣＤの高速駆動を企図して、シャント配線を設けたものが提案されている（特許文献１乃至４参照）。

しかしながら、微細化が進むにつれて、パターンの微細化においては縦方向シュリンクが重要となり、シャント配線では感度の向上を望めないという問題があった。
また、第１層電極上に第２層電極を重ねた複数電極構造では、第２層目あるいはそれ以降の電極分離が第１層電極上で行なわれるため、微細化が進むとパターニングが極めて困難となる。

そこで、電極間絶縁膜を挟んで電極を並置した単層電極構造が提案されている（特許文献５，６）。
例えば、特許文献５では、図１０（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に埋め込みチャネル層等を形成し、表面にゲート絶縁膜１０２を介して、多結晶シリコン層からなる第１層導電性膜１０３ａを形成し、これをパターニングし、第１の電極を形成し、さらにこの第１の電極の周りに酸化シリコン膜１０４を形成する。

この後、図１０（ｂ）に示すように、更にこの上層に多結晶シリコン層からなる第２層導電性膜１０３ｂを形成する。
そして、図１０（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法により表面の平坦化を行い、単層電極構造の電荷転送部を形成する。

この方法では、平坦化が可能となるが、電荷転送電極は多結晶シリコン層で構成されており、低抵抗化には限界があった。
一方、電極の低抵抗化をはかるために多結晶シリコン層の上に金属シリサイド層を形成したいわゆるポリサイド構造の電荷転送電極も提案されている。

この場合は、ＣＭＰ法の適用が困難であることから、積層して平坦化する方法をとらず、１回の成膜で形成した導電性層にギャップを形成しパターニングする方法がとられている。この方法では、微細化が進むにつれてパターン限界を超えた狭ギャップ化が必要となる。そこで、例えば図１１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィでパターニングし、電極間ギャップを形成した後、多結晶シリコンの側壁残しによりサイドウォールを形成し、電極間ギャップを狭小化する方法が提案されている（特許文献７）。

この方法では、例えば、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上にゲート絶縁膜１０２を介して多結晶シリコン層からなる第１層導電性膜１０３ａおよび金属シリサイド１０３ｍを形成し、これをパターニングし、第１の電極を形成する。

この後、図１１（ｂ）に示すように、更にこの上層に多結晶シリコン層からなる第２層導電性膜１０３ｂを形成し、異方性エッチングにより、第１の電極の側壁にサイドウォールを残留せしめる。

そして、図１１（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法によりサイドウォールによって狭小化された電極間領域に酸化シリコン膜１０４を充填する。

この方法ではサイドウォールによって電極間距離が規定されることになり、ばらつきが生じ易く、安定した形成が困難であるという問題があった。

また、電極形成後は電極間の狭ギャップに酸化シリコン膜などの絶縁膜を埋め込む必要があり、ボイドＶが生じ易く、これがリークの原因となることもあり、微細かつ高速動作の可能な電荷転送素子を安定して得ることは困難であった。

特開平１１−２７４４４５号公報特開平１１−１８６５４０号公報特開平１１−１６８２０４号公報特開２００１−１３５８１１号公報特開平１１−２６７４３号公報特開平８−２７４３０７号公報特開平５−１２９５８３号公報

このように、従来の固体撮像素子では、縦方向のシュリンクに対しては鈍化しており、微細化に際し、電極材料の低抵抗化による高速化は極めて困難であった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高速駆動でかつ微細化の可能な固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを具備した固体撮像素子を製造する方法であって、
前記電荷転送電極の製造工程が、
シリコン系導電性膜上に金属または金属シリサイドの膜を形成し、その上に絶縁膜のマスクを形成して、当該マスクにより、前記シリコン系導電性膜と前記金属または金属シリサイドの膜をパターニングして、シリコン系導電性膜の上に金属または金属シリサイドの膜が形成され、その上に絶縁膜を有する複数の第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極の側壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記側壁に絶縁膜を形成した後、前記第１の電極の上層及び間にシリコン系導電性膜を形成し、前記シリコン系導電性膜が前記第１の電極の間に分離して位置するように前記第１の電極上の前記シリコン系導電性膜を除去して表面を平坦化する工程と、
平坦化した前記表面に金属膜を形成してシリサイド化の処理を行い、シリサイド化されなかった前記金属膜を除去して、前記第１の電極の間に位置する前記シリコン系導電性膜の上に金属シリサイドの膜が形成された第２の電極を形成する工程と、を含む。
この方法によれば、制御が容易で低抵抗の電荷転送電極を容易に形成することができる。

また本発明は、前記平坦化工程は、レジストエッチバック工程であるものを含む。

また本発明は、前記平坦化工程は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により平坦化する工程であるものを含む。
第１の電極の上面の金属または金属シリサイドは第２電極のパターニングの際、エッチングストッパとして作用するため膜減りもなく平坦な表面を効率よく形成することができる。

また本発明は、前記第１の電極のパターンは、周縁部に電気的接続を有しないダミーパターンを含む。
ダミーパターンを形成しておくことにより、基板の周縁部において、ＣＭＰによる過研磨や、レジストエッチバックによるオーバーエッチに起因する膜減りが生じるのを防止することができる。
また本発明の方法は、前記第２の電極を形成する工程が、前記第２層導電性膜としてシリコン系導電性膜を形成し、平坦化して、第１の電極によって分離したのち、金属層を形成し、シリサイド化し、シリサイド化されなかった金属層を除去する工程を含む。
これにより、第２の電極は、フォトリソグラフィを用いることなく自己整合的に第１の電極間にパターン形成できることになる。

本発明によれば、電荷転送電極を平坦化し薄膜化するとともに第１層および第２層導電性膜の両方が金属または金属シリサイドを含むようにすることで、低抵抗で、高感度の固体撮像素子を形成することが可能となる。

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）
この固体撮像素子は、図１および図２に示すように、電荷転送電極が、多結晶シリコン層３ａとタングステンシリサイド膜４ａとからなるポリメタル構造の第１層導電性膜からなる第１の電極Ａと、多結晶シリコン層３ｂとチタンシリサイド４Ｓとからなるシリサイド構造の第２層導電性膜からなる第２の電極Ｂとが交互に並置された、単層電極構造で形成されたことを特徴とする。

上記構成によれば、第１の電極Ａと、第２の電極Ｂとが交互に並置され、両方が金属または金属シリサイドを含むように構成されているため、平坦化が可能でかつ低抵抗であるため、シャント配線も不要であり、縦方向のシュリンクと高速化との両方が可能となる。従って微細化も可能で高感度で信頼性の高い固体撮像素子の形成が可能となる。

他の構造は従来の固体撮像素子と同様であり、光電変換部３０と、前記光電変換部３０で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部４０とを具備し、光電変換部に開口を持つように形成された遮光膜（図示せず）および表面がほぼ平坦となるように前記光電変換部に充填されたＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）膜からなる平坦化膜等を含む中間層７０とを具備し、さらにこの中間層上に、フィルタ５０およびレンズ６０を形成してなることを特徴とするものである。
これにより、良好に表面の平坦化をはかることができ、大幅に薄型化をはかることができる。

なおこのゲート酸化膜２は、酸化シリコン膜２ａと窒化シリコン膜２ｂと酸化シリコン膜２ｃとの３層構造膜で構成される。

なお、図１は断面概要図、図２は平面概要図である。シリコン基板１には、複数のフォトダイオード領域３０が形成され、フォトダイオード領域３０で検出した信号電荷を転送するための電荷転送部４０が、フォトダイオード領域３０の間に形成される。

電荷転送電極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は、図２では図示していないが、電荷転送部４０が延在する方向と交差する方向に、形成される。

なお、図２においては、電極間絶縁膜の内、フォトダイオード領域３０と電荷転送部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。

また図１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（図示せず）、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、ゲート酸化膜２が形成される。ゲート酸化膜２表面には、電荷転送電極（第１層多結晶シリコン膜３ａとタングステン膜４ａとからなる第１の電極Ａ、第２層多結晶シリコン膜３ｂとタングステンシリサイド４Ｓとからなる第２の電極Ｂ）と第１の電極Ａの側壁に形成された酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜８とが並置するように形成され、単層電極構造を構成している。

電荷転送部４０は、上述したとおりであるが、図１に示すように、電荷転送部４０の電荷転送電極上面には中間層７０が形成される。そしてフォトダイオード領域３０（光電変換部）部分を除いて図示しない遮光膜、窒化シリコン膜からなる反射防止層が設けられ、凹部にＢＰＳＧ膜からなる平坦化膜が形成される。そしてこの上層に透明樹脂膜からなるパッシベーション膜が設けられる。

そしてこの中間層７０の上方には、さらにカラーフィルタ５０、マイクロレンズ６０が設けられる。また、カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０との間には、必要に応じて絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層が充填されていてもよい。
また、この例では、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子を示しているが、正方格子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。

次にこの固体撮像素子の製造工程について図３乃至および図９を参照しつつ詳細に説明する。
まず、不純物濃度１．０×１０^１６ｃｍ^−３程度のｎ型のシリコン基板１表面に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜２ａと、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜２ｂと、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜２ｃを形成し、３層構造のゲート酸化膜２を形成する。

続いて、このゲート酸化膜２上に、減圧ＣＶＤ法により、膜厚５０〜３００nmの第１層多結晶シリコン膜３ａを形成する。このときの基板温度は５００〜６００℃とする。そしてこの上層にＣＶＤ法により膜厚１００〜３００nmのタングステンシリサイド膜４ａを形成する。そしてさらにこの上層にＣＶＤ法により膜厚５０〜１００nmの窒化シリコン膜５、プラズマＴＥＯＳを用いた膜厚１００〜２００nmの酸化シリコン膜６を順次積層する（図３（ａ））。

この後、フォトリソグラフィにより第１のレジストパターンを形成する（図３（ｂ））。

そして、この酸化シリコン膜６と窒化シリコン膜５とをＣＨＦ_３とＣ_２Ｆ_６とＯ_２とＨｅとを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングし（図３（ｃ））、アッシングによりレジストパターンＲ１を除去しハードマスクを形成する（図３（ｄ））。

このようにして得られた酸化シリコン膜６と窒化シリコン膜５との２層膜からなるハードマスクを用いてタングステンシリサイド膜４ａおよび第１層多結晶シリコン膜３ａをエッチングする（図４（ａ））。このエッチングに際してはＨＢｒとＯ_２との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、第１の電極および周辺回路の配線を形成する。ここではＥＣＲ(電子サイクロトロン共鳴：Electron Cycrotoron Resonance)方式あるいはＩＣＰ（誘導結合Inductively Coupled Plasma）方式などのエッチング装置を用いるのが望ましい。

この後、９００℃のＮ_２＋Ｏ_２雰囲気中で表面を熱酸化することにより、この第１の電極の側壁に膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜７を形成する（図４（ｂ））。

そしてこの上層に減圧ＣＶＤ法により、膜厚２００〜４００ｎｍのＨＴＯ（酸化シリコン）膜８を形成する（図４（ｃ））。

そして反応性イオンエッチングにより水平部分に堆積された酸化シリコン膜８を除去し側壁に残留させサイドウォール（絶縁膜）を形成する（図４（ｄ））。このとき基板表面の反応性イオンエッチングによるダメージを低減するために、若干水平部分にも残留させるようにする。

続いて、ウエットエッチングにより水平部分に残留した酸化シリコン膜を除去する（図５（ａ））。

この後さらに、９５０℃のＮ_２＋Ｏ_２＋Ｈ_２雰囲気中で表面を熱酸化することによりＮＯ膜（酸化シリコン膜２ａおよび窒化シリコン膜２ｂ）の表面酸化を行い、ウエットエッチングで除去された酸化シリコン膜を補充する（図５（ｂ））。このとき基板表面は窒化シリコン膜２ｂであるため、少量の酸化シリコン膜しか形成されない。

そしてさらにこの上層に減圧ＣＶＤ法により、ＯＮＯ膜のトップ酸化膜として膜厚３〜１０ｎｍのＨＴＯ（酸化シリコン）膜８Ｓを形成する（図５（ｃ））。

続いて、この上層に、減圧ＣＶＤ法により、第１の電極の高さ以上となるように第２層多結晶シリコン膜３ｂを形成する。このときの基板温度は５００〜６００℃とする（図６（ａ））。

さらに、ＣＭＰ法により突出部の第２層多結晶シリコン膜３ｂを除去し、表面の平坦化を行なう（図６（ｂ））。

さらに、膜厚５０〜３００ｎｍのチタン膜４ｂを形成し（図６（ｃ））、ＲＴＡ法により６５０〜７５０℃３０〜１２０秒のアニ−ルによりシリサイド化を行いチタンシリサイド４Ｓを形成する（図７（ａ））。

この後ＳＣ―１処理（アンモニア過水処理）により未反応膜を除去しさらに、７５０〜８５０℃３０〜１２０秒のアニ−ル処理を行なう（図７（ｂ））。

そして電極のパターニングを行い、光電変換部の窓開けを行なう。
まず第１の電極のパターニングの際と同様に、ハードマスク形成のための膜厚５０〜１００nmの窒化シリコン膜９とプラズマＴＥＯＳを用いて膜厚１００〜２００nmの酸化シリコン膜１０とを形成する（図７（ｃ））。

この後フォトリソグラフィにより第２のレジストパターンＲ２を形成する（図８（ａ））。

そして、この酸化シリコン膜１０をＣＨＦ_３とＣＦ_４とＡｒとを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングし（図８（ｂ））、アッシングによりレジストパターンＲ２を除去しハードマスクを形成する（図８（ｃ））。

このようにして得られた酸化シリコン膜１０と窒化シリコン膜９との２層膜からなるハードマスクを用いてタングステンシリサイド層４Ｓおよび第２層多結晶シリコン膜４ａをエッチングする（図９（ａ））。このエッチングに際してはＨＢｒとＯ_２またはＣｌ_２とＯ_２との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、光電変換部の窓を形成する。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。

そして膜厚５００ｎｍのＨＴＯ（酸化シリコン）膜１１を形成する（図９（ｂ））。

そして反応性イオンエッチングにより水平部分に堆積された酸化シリコン膜１１を除去し側壁に残留させサイドウォールを形成する（図９（ｃ））。このとき基板表面の反応性イオンエッチングによるダメージを低減するために、若干水平部分にも残留させるようにする。

続いて、ウエットエッチングにより水平部分に残留した酸化シリコン膜１１を除去する（図９（ｄ））。

このようにして、低抵抗の電荷転送電極が形成される。

そして反射防止膜および遮光層、平坦化膜等の中間層７０を形成し、カラーフィルタ５０、マイクロレンズ６０などを形成して、図１および図２に示したような固体撮像素子を得る。

この固体撮像素子によれば、電荷転送電極が多結晶シリコン層３ａとタングステンシリサイド膜４ａとからなる第１の電極と、多結晶シリコン層３ｂとチタンシリサイド層４Ｓとからなる第２の電極とが酸化シリコン膜８で構成されたサイドウォールを介して交互に並置されており、低抵抗の単層構造電極を構成しているため、シャント配線が不要で、高速化および微細化が可能となる。

この方法によれば、０．１μｍ程度の電極間距離をもつ微細化構造の形成が可能となる。

また、平坦化工程において、エッチングストッパを用いたり、ダミーパターンを用いたりして、膜減りを防止することもできる。これはＣＭＰによる平坦化においても有効である場合もある。ここで用いるダミーパターンは、周辺回路部との電気的接続を有しないものであってもよい。
なおエッチングストッパ層と反射防止層とをかねてもよく、窒化シリコン（プラズマＳｉＮ）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜など、平坦化膜であるＢＰＳＧ膜に対してエッチングあるいは研磨選択性のある材料であればよい。また、エッチングストッパとして遮光膜を用いてもよい。なお、反射防止層はエッチング除去されてしまう場合があるが、遮光膜がエッチング選択性をもつことにより、過研磨による膜減りを防止することができる。

（第２の実施の形態）
前記第１の実施の形態では、第１の電極と第２の電極とを異なる材料で構成したが、いずれも金属シリサイド層を表面に形成した構造であってもよい。
また金属としてはタングステンに限定されることなくチタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）など適宜変更可能である。さらにシリコン層としても多結晶シリコンに限定されることなくアモルファスシリコン層、マイクロクリスタルシリコン層など適宜変更可能である。

なお、製造方法については前記実施の形態に限定されることなく適宜変更可能である。

以上説明してきたように、本発明によれば、低抵抗で薄型の単層電極構造の電荷転送電極を構成しているため、縦方向のシュリンクをはかることができ光入射角に対するマージンを減少することができるため、小型カメラなど、微細でかつ高感度の固体撮像装置の形成に有効である。

本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子を示す上面図である。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。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。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。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。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。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。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。従来例の固体撮像素子の製造工程の一例を示す図である。従来例の固体撮像素子の製造工程の一例を示す図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ゲート酸化膜
３ａ第１層多結晶シリコン膜
３ｂ第２層多結晶シリコン膜
４ａタングステンシリサイド膜
４Ｓチタンシリサイド膜
５窒化シリコン膜
６酸化シリコン膜
８酸化シリコン膜
９窒化シリコン膜
１０酸化シリコン膜
３０フォトダイオード領域
４０電荷転送部
５０カラーフィルタ
６０マイクロレンズ
７０中間層

Claims

光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部とを具備した固体撮像素子を製造する方法であって、
前記電荷転送電極の製造工程が、
シリコン系導電性膜上に金属または金属シリサイドの膜を形成し、その上に絶縁膜のマスクを形成して、当該マスクにより、前記シリコン系導電性膜と前記金属または金属シリサイドの膜をパターニングして、シリコン系導電性膜の上に金属または金属シリサイドの膜が形成され、その上に絶縁膜を有する複数の第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極の側壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記側壁に絶縁膜を形成した後、前記第１の電極の上層及び間にシリコン系導電性膜を形成し、前記シリコン系導電性膜が前記第１の電極の間に分離して位置するように前記第１の電極上の前記シリコン系導電性膜を除去して表面を平坦化する工程と、
平坦化した前記表面に金属膜を形成してシリサイド化の処理を行い、シリサイド化されなかった前記金属膜を除去して、前記第１の電極の間に位置する前記シリコン系導電性膜の上に金属シリサイドの膜が形成された第２の電極を形成する工程と、
を含む固体撮像素子の製造方法。
請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記平坦化工程は、レジストエッチバック工程である固体撮像素子の製造方法。
請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記平坦化工程は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により平坦化する工程である固体撮像素子の製造方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記第１の電極のパターンは、周縁部に電気的接続を有しないダミーパターンを含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。