JP4705791B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

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本発明は、固体撮像素子製造方法にかかり、特に電荷転送電極パターニング方法に関する。
エリアセンサ等に用いられるCCD固体撮像素子は、フォトダイオードなどの光電変換部と、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、固体撮像素子においては、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでおり、光電変換部領域が狭くなる傾向にあるが、狭い領域で多くの光を集めるためには、光電変換部表面に対して電荷転送電極形成部など、光電変換部周辺の高さをより低くすることが重要である。そのため、電荷転送電極を互いに重なることなく配置したいわゆる単層構造の電荷転送電極が提案されている。電荷転送電極を単層構造とすると、段差が低減され、転送電極部上の遮光膜の被覆性が向上し、より効果的である。
しかし、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。この程度のパターンサイズを得るためには、高価なステッパを使用する必要がある。また、微細な電極間距離をもつ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り、実用上は充分でなかった。
このような状況の中で、電極材料膜を装置全面に被着し、単位セルあたり1箇所以上の領域を溝状に分離することで電荷転送電極を形成した後、電荷転送電極のうち読み出し電極をかねる部分に開口部を形成しこの開口部を形成するためのマスク材料および電極材料膜をマスクとしてイオン注入を行うことによって、光電変換部と電荷読み出し電極との位置ずれをなくし、光電変換部から電荷転送部への信号電荷の読み出し特性を安定化させる方法が提案されている(特許文献1)
特開2000−183324号公報
ところでこのような固体撮像素子においては、高速駆動をはかるために、隣接する電荷転送電極間の電極間距離は、0.1μm以下とする必要があり、かつ高い電気的耐圧が要求される。しかしながら、上記方法では、電極間配線の耐圧確保が十分でないという問題があった。また、電荷転送電極を形成した後、イオン注入をおこなっているため、電荷転送電極の膜厚を大きくすると、イオン注入が設計どおりに行われないことがあった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、電荷転送電極間の耐圧を劣化させることなく精度よく狭ギャップの単層構造の電荷転送電極を有する固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
また、光学特性を劣化することなく、表面が平坦で高感度の固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板表面に、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形成する方法であって、前記電荷転送電極の形成工程が、ゲート酸化膜上に導電性膜を形成する工程と、隣接する少なくとも2つの電荷転送電極が一体的となるように、前記導電性膜をパターニングする工程と、前記パターニングする工程で得られたパターンの回りを絶縁化処理して絶縁膜で被覆する工程と、光電変換部のイオン注入を行い、フォトダイオード領域を形成した後に、基板表面全体に反射防止膜を塗布して平坦化する工程と、前記反射防止膜上にレジストパターンを形成してエッチングを行い、前記絶縁膜から前記ゲート酸化膜に到達するように前記導電性膜をテーパエッチングして、前記電荷転送電極に前記ゲート酸化膜上から上方に広がる分離溝を形成し、少なくとも2つの電荷転送電極に分離する工程と、前記分離溝から前記電荷転送電極上に至る電極間絶縁膜を成膜する工程とを含む。
この構成によれば、導電性膜をパターニングして回りを絶縁膜で被覆し電荷転送電極を形成した後、この絶縁膜の上から分離溝を形成して少なくとも2つの電荷転送電極に分離し、この分離溝から電荷転送電極上に至るように、望ましくは基板表面全体を覆うように電極間絶縁膜を形成しているため、絶縁性を確保することができ、微細な分離溝でありながらも高耐圧化をはかることができる。また、最終段階に近い時点で分離溝が形成されるため、表面の平坦性が良好で分離溝のパターン精度が良好である。また、分離溝と電荷転送電極との間には分離溝を最小限に抑えることができ、電荷転送電極の断面積を最大限にとることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法では、前記分離する工程が、光電変換部のイオン注入を行い、フォトダイオード領域を形成した後に実行され、分離工程に先立ち、光電変換部のイオン注入、あるいは電荷転送部のイオン注入を行うようにしているため、イオン注入が行いにくいというような不都合はない。
また本発明の固体撮像素子の製造方法では、前記分離する工程が、前記絶縁膜の上から、エッチングにより前記ゲート酸化膜に到達するように前記導電性膜をエッチングするものであるため、電荷転送電極となる導電性膜が直接的にダメージを受けることなく分離が達成される。またゲート酸化膜のエッチングストッパとして分離溝を形成することができるため制御性が良好である。特にゲート酸化膜がONO膜である場合には、窒化シリコン膜をエッチングストッパとして良好にエッチングを停止させることができ、さらにこの窒化シリコンを除去するようにすれば、初期特性を向上させるために、最後に行われる水素アニール工程における水素の通り道もこの分離溝で良好に確保されることになる。従って、光電変換部を窒化シリコン膜を含む反射防止膜で被覆した場合にも、光電変換部の近傍に水素の通り道を形成するための開口を特別に形成することなく、この分離溝の部分で代用することができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法では、前記エッチングする工程が、前記ゲート酸化膜上から上方に広がる分離溝を形成するテーパエッチング工程であるため、分離溝から電荷転送電極上にかけて形成される電極間絶縁膜の段差被覆性が良好となり、高耐圧化を図ることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法では、前記分離する工程に先立ち、基板表面全体に有機系の反射防止膜を塗布し平坦化する工程を含み、平坦化された基板表面に分離溝を形成するようにしたものであるため、基板表面を有機系の反射防止膜により平坦化した状態で分離溝が形成されるので、フォトリソグラフィの精度が極めて良好となり、微細な分離溝を形成することができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記電極間絶縁膜を成膜する工程は、低温プラズマによるラジカル酸化を行うことにより、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜する工程であるものを含む。
この構成によれば、低温プラズマによるラジカル酸化を行うことによって、段差被覆性が良好かつ、緻密で高耐圧の絶縁膜を得ることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記分離する工程は、前記ゲート酸化膜上で0.1μm以下の幅を持つ分離溝を形成する工程であるものを含む。
この構成によれば、前記ゲート酸化膜上で0.1μm以下の幅を持つ分離溝を形成しているため、低電圧駆動が可能となり、高耐圧が維持されていることから、信頼性の高い固体撮像素子を得ることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記導電性膜を形成する工程は、シリコン系導電性膜を成膜する工程を含むものを含む。
この構成によれば、通例の方法で作業性よく成膜することができる。またこの場合は酸素を供給しながらレーザ加工することにより、同時に酸化膜が形成され確実な絶縁分離が作業性よく行われる。ここでシリコン系導電性膜としては、ドープトアモルファスシリコン、ドープトポリシリコンなど導電性の高いシリコン膜が用いられる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記導電性膜を形成する工程は、金属シリサイド膜を成膜する工程を含むものを含む。
この構成によれば、金属シリサイドはシリコン系導電性膜よりも低抵抗であるため、電極断面積が小さくても低抵抗の電極を得ることができる。また、この方法によれば、作業性よく、金属シリサイドとすることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記導電性膜を形成する工程は、タングステン膜を成膜する工程を含むものを含む。
この構成によれば、さらに低抵抗化をはかることができ、また遮光膜としても有効である。また、不要部はこの分離溝形成のためのフォトリソグラフィ工程で除去することができるため、遮光膜の形成と同時に実現することができる。ここで配線と電気的に分離しなければならない遮光膜は、配線部にも一旦分離溝を形成し、この分離溝に、電極間絶縁膜絶縁膜を充填すればよいため、パターン設計上の制約も少ない。
なお、直接タングステン膜を形成すると、密着性に問題がある場合には窒化チタン(TiN)層との2層膜で構成するようにすれば、密着性および保護性にすぐれた膜を形成することが可能となる。
以上説明してきたように、本発明によれば、電気的耐圧の高い微細な単層電極構造をもつ固体撮像素子を提供することが可能となる。
また微細化が可能であることから多画素のCCDセンサを提供することができる。
表面の平坦化をはかるとともに、電荷転送電極の高さを低くできるため、色むらなどの段差に起因する光学特性不良を改善することができる。
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。
(実施の形態1)
図1、2に、本発明の実施の形態1の固体撮像素子の概略構成図を示す。図1は素子部および周辺回路部の断面図である。また図3は平面概要図である。図2は図1のA−A断面図である。図3乃至図5は、工程断面図である。図中、簡略化のために、シリコン基板に形成される不純物領域および電極は省略し、概要のみを示す。
シリコン基板1には、複数のフォトダイオード領域(光電変換部)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。なお、シリコン基板1内に形成される素子領域については省略した。
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。
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が形成されて光電変換部を構成しており、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3を配列してなる電荷転送部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。本実施の形態では、電荷転送部を、隣接する2つの電荷転送電極が一体形状となるようにするとともに周辺回路部をパターニングして単層構造の電荷転送部を形成するとともに、反射防止膜を形成した後、光電変換部のイオン注入を行い、この後有機系の反射防止膜Oを全面に塗布し、平坦化した後、フォトリソグラフィにより電荷転送電極3をエッチング除去し、電極間ギャップGを形成し、この上層全体に低温プラズマによる酸窒化シリコン膜およびCVD酸化膜からなる電極間絶縁膜6Sを形成することにより、狭ギャップの電荷転送電極を単層構造で形成するものである。この電極間ギャップGは、ゲート酸化膜2上で0.1μm、上部で0.2μmであって、断面V字状となるように形成されており、電荷転送電極は下部で幅が広く、上部では幅が狭くなるようにテーパ面を形成している。
つまり、表面を平坦化し、ほぼすべてのプロセスを終了後、電荷転送電極にスリットを形成して電極間ギャップを形成し、平坦性を維持しつつ狭い電極間ギャップをもつ新しい構造の電荷転送電極を備えた固体撮像素子を提供するものである。ここでは有機系の反射防止膜Oは電極間ギャップGの形成後除去している。
またここではシリコン基板1の周縁部の周辺回路部に到達するようにアルミニウム層からなる配線が形成され、外部接続端子を構成している。
また、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、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、ゲート酸化膜と記述する。)2が形成される。ゲート酸化膜2表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜6Sで分割されたドープトアモルファスシリコン膜からなる電荷転送電極3(3a、3b)が形成されている。
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が設けられ、さらにカラーフィルタ50、平坦化膜80、マイクロレンズ60が設けられる。また、本実施の形態では、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、図3乃至5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3(a)に示すように、通常の方法により、n型のシリコン基板1表面に、ゲート酸化膜2および、電荷転送部40および周辺回路部で電極および配線パターン3を形成するドープトアモルファスシリコン膜を形成する。そしてこの上層に酸化シリコン膜4および窒化シリコン膜5を形成する。
ここで、ゲート酸化膜2は、シリコン基板1表面に形成された、膜厚15nm〜35nmの酸化シリコン膜(SO)2aと、膜厚50nmの窒化シリコン膜(SN)2bと、膜厚10nmの酸化シリコン膜(SO)2cとからなる3層(ONO)構造をなすものである。
そしてこのゲート酸化膜2上に電荷転送電極3となるドープトアモルファスシリコン膜が形成されている。
これらは通常の方法により形成されるため本実施の形態では説明を省略する。
そしてこのようにして電荷転送電極および周辺回路部の配線部を構成するアモルファスシリコン層3の上層に、LPCVD法により厚さ20nmの酸化シリコン膜4を形成する。このときの成膜条件は、750℃、圧力:1.2Torr、SiHを50sccm、NO2500sccmとする。窒化シリコン膜の場合は780℃、圧力:0.5Torr、NH900sccm、SiHClを90sccmとする。その後窒素を流量10SLM、SiHを0.09SLM、NHを0.50SLMで流しながら、窒化シリコン膜5を形成する。なお、下地材料、電荷転送電極および周辺回路部の配線部を構成する導電性材料が金属材料である場合には、プラズマCVDが用いられる。プラズマCVDの場合の成膜条件は、400℃、で圧力:2.0Torr、RFパワー(13.56MHz:0.3kW)、RFパワー(270kHz:0.7kW):TEOS:1.5ml/min,O:10SLMとする。
そして、この上層に図3(a)に示すように、レジストR1を塗布しフォトリソグラフィにより、パターニングし、隣接する2つの電荷転送電極が一体となるようにするとともに周辺回路部のパターンを形成するように構成したレジストパターンR1を形成する。
さらに、図3(b)に示すように、このレジストパターンR1をマスクとして異方性エッチングにより、パターニングし、電荷転送電極および周辺回路部の配線部を形成する。
この後図3(c)に示すように、レジストパターンR1をアッシングにより除去する。
そして、この上層に低温プラズマによるラジカル酸化を行い酸化シリコン膜6Sを形成する(図4(a))。このときの成膜温度は、400℃とする。
この後、光電変換部に反射防止膜6として窒化シリコン膜を形成した後、不純物イオンを注入し、フォトダイオード(図示せず)を形成する(図4(b))。
この後、全面に有機系反射防止膜6pであるBARCを塗布し、基板表面を平坦化した後、この上層にレジストパターンR2を形成する(図4(c))。このギャップ幅は0.2μmとする。この有機系反射防止膜の形成により平坦な表面を得ることができるため、微細な電極間領域を高精度に形成することができる。
そして、このレジストパターンR2をマスクとして異方性エッチングにより、電極間領域Oを形成する。反射防止膜6p、酸化シリコン6S、窒化シリコン膜5、酸化シリコン膜4までは異方性エッチングにより急峻な断面形状を得るようにエッチング条件を設定する。そしてこの後、ドープトアモルファスシリコン膜3はエッジが78度程度になるテーパ状断面構造を持つようにエッチングし、ゲート酸化膜2上では0.1μm程度となるようにする(図5(a))。このときのエッチング条件は、室温で圧力0.6Pa、RFパワー35Wで、エッチングガスとしてHBr:60sccm、O:5sccmとする。この後レジストパターンR2および平坦化に用いた有機反射防止膜6pを除去する。このとき、ゲート酸化膜の窒化シリコン膜2bをエッチングストッパとしてパターニングするが、最後にこのギャップGの窒化シリコン2bをエッチング除去する。
そして、この上層に低温プラズマによるラジカル酸化により、膜厚10nmの酸化シリコン膜を形成したのち、CVD法により酸化シリコン膜(HTO膜)8を形成し、膜厚40〜50nm程度となるようにする(図5(b))。このときの成膜条件は、700℃、原料ガスとしてTEOS/O/N-=100/5/50sccmとする。ここで金属系材料を用いる場合にはプラズマCVD法を用いる。このとき基板温度は400℃程度である。
そして、密着性改善のためにスパッタリング法により膜厚50nmのTiN膜を形成したのち、CVD法によりタングステン膜11を成膜しパターニングして光電変換部に開口をもつ遮光膜を形成する。
そして、平坦化膜としてのBPSG膜10、平坦化膜70、カラーフィルタ50、平坦化膜80、レンズ60を形成し、図1乃至2に示すような固体撮像素子が形成される。
この方法によれば、微細でかつ電気的耐圧の高い電荷転送電極を有する固体撮像素子を提供することができる。また微細化が可能であることから多画素のCCDセンサを提供することができる。さらに、表面の平坦化をはかるとともに、電荷転送電極の高さを低くできるため、色むらなどの段差に起因する光学特性不良を改善することができる。
さらにまた、工数の大幅な増大もなく、歩留まりの向上をはかることが可能となる。
また、有機反射防止膜で平坦化した後、電荷転送電極をパターニングしているため、狭ギャップを高精度に形成することができる。加えて電荷転送電極が単層構造である上、極めて平坦な表面形状を持つことから、上部のフォトリソ工程やエッチング工程の加工マージンが広がり、微細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。
また電極間絶縁膜の形成に低温プラズマによるラジカル酸化を用いて形成しているため低温形成が可能となり、不純物の異常拡散を防止することができる。
さらに電極間絶縁膜の形成に低温プラズマによるラジカル酸化を用いているため、電極としてドープトアモルファスシリコンを用いた場合にも、酸化に面方位依存性がでにくく、微細化が可能となる。
またこのギャップに形成したラジカル酸化を用いた酸化シリコン膜は、シンタリング時の水素を光電変換部のシリコンとゲート酸化膜の酸化シリコンとの界面に良好に供給する経路となり、暗時出力の低減に有効である。従って光電変換部上の反射防止膜に水素の通路を形成するための開口を形成する工程が不要となる。
電極間絶縁膜はプラズマによるラジカル酸化を用いて形成した酸化シリコンとHTO膜との2層膜で構成することにより、絶縁性が高く、電荷転送電極上はすでに酸化シリコンおよび窒化シリコン膜で被覆されているため、薄くて十分な耐圧を確保することができるため、HTO膜は極力薄く形成することができる。従って斜め入射光による多重反射に起因するスミアの低減に有効である。
また光導波路構造をとることにより更なる高感度化をはかることができる。
前記実施の形態ではゲート酸化膜としてONO膜を用い、ギャップの形成に際し、窒化シリコン膜まで除去したが、さらにボトム酸化膜2aをウェットエッチングにより除去し、低温プラズマによるラジカル酸窒化膜および、減圧CVD法によるHTO膜を用いて光電変換部を積層構造の酸化シリコン膜で覆った構造としてもよい。
また単層のゲート酸化膜を用いてもよいことはいうまでもない。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態1では、電荷転送電極をドープトアモルファスシリコンで構成したが、本実施の形態では、図6に示すように導電性膜13としてドープトアモルファスシリコン膜と窒化チタン膜とタングステン膜との3層膜を用いている。この場合、遮光膜が不要となるため、高さをより低くすることができる。ここでドープトアモルファスシリコン膜を用いるのは仕事関数をあわせるためである。
また、不要部はこの分離溝形成のためのフォトリソグラフィ工程で除去することができるため、遮光膜の形成と同時に実現することができる。ここで配線と電気的に分離しなければならない遮光膜は、配線部にも一旦分離溝を形成し、この分離溝に、電極間絶縁膜絶縁膜を充填すればよいため、パターン設計上の制約も少ない。また構成によれば、さらに低抵抗化をはかることができ、また遮光膜としても有効である。
なお、直接タングステン膜を形成すると、密着性に問題がある場合には窒化チタン(TiN)層との2層膜で構成するようにすれば、密着性および保護性にすぐれた膜を形成することが可能となる。
以上説明してきたように、本発明によれば、微細でかつ高感度の固体撮像素子を形成することができることから小型のデジタルカメラをはじめ、種々のデバイスに適用可能である。
本発明の実施の形態1の固体撮像素子の断面概略図である。 本発明の実施の形態1の固体撮像素子の平面概略図である。 本発明の実施の形態1の固体撮像素子の製造工程を示す概略図である。 本発明の実施の形態1の固体撮像素子の製造工程を示す概略図である。 本発明の実施の形態1の固体撮像素子の製造工程を示す概略図である。 本発明の実施の形態2の固体撮像素子を示す概略図である。
符号の説明
1 シリコン基板
2 ゲート酸化膜
3 電荷転送電極(アモルファスシリコン膜)
4 酸化シリコン膜
5 窒化シリコン膜
6 酸化シリコン膜(電極間絶縁膜)
13 電荷転送電極(窒化チタン膜+タングステン膜)
30 フォトダイオード
40 電荷転送電極
50 カラーフィルタ
60 マイクロレンズ
70 平坦化膜
80 平坦化膜

Claims (6)

  1. 半導体基板表面に、
    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形成する方法であって、
    前記電荷転送電極の形成工程が、
    ゲート酸化膜上に導電性膜を形成する工程と、
    隣接する少なくとも2つの電荷転送電極が一体的となるように、前記導電性膜をパターニングする工程と、
    前記パターニングする工程で得られたパターンの回りを絶縁化処理して絶縁膜で被覆する工程と、
    光電変換部のイオン注入を行い、フォトダイオード領域を形成した後に、基板表面全体に反射防止膜を塗布して平坦化する工程と、
    前記反射防止膜上にレジストパターンを形成してエッチングを行い、前記絶縁膜から前記ゲート酸化膜に到達するように前記導電性膜をテーパエッチングして、前記電荷転送電極に前記ゲート酸化膜上から上方に広がる分離溝を形成し、少なくとも2つの電荷転送電極に分離する工程と、
    前記分離溝から前記電荷転送電極上に至る電極間絶縁膜を成膜する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
  2. 請求項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記電極間絶縁膜を成膜する工程は、
    低温プラズマによるラジカル酸化を行うことにより、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜する工程である固体撮像素子の製造方法。
  3. 請求項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記分離する工程は、前記ゲート酸化膜上で0.1μm以下の幅を持つ分離溝を形成する工程である固体撮像素子の製造方法。
  4. 請求項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記導電性膜を形成する工程は、シリコン系導電性膜を成膜する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
  5. 請求項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記導電性膜を形成する工程は、金属シリサイド膜を成膜する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
  6. 請求項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記導電性膜を形成する工程は、タングステン膜を成膜する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
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