JP4715110B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法に関する。

ＣＣＤ固体撮像素子では、電荷転送部として、ＣＣＤ構造を有する転送レジスタが設けられ、フォトダイオードから成る受光センサ部で光電変換され蓄積された信号電荷を転送レジスタに読み出して、転送レジスタにおいて信号電荷が転送されるように構成されている。

そして、転送レジスタは、信号電荷が転送される転送チャネルの上に、絶縁膜を介して転送電極が形成されて構成される。信号電荷を転送するためには、隣接する転送電極に互いに位相の異なる電圧パルスを印加する必要があり、またチャネルに断絶を生じないようにする必要がある。そのため、転送電極を第１層及び第２層の２層の電極層により構成すると共に、第１層の転送電極に、第２層の転送電極の端部が少しオーバーラップするようにしている（例えば特許文献１参照。）。
特開平９−３１２３９０号公報

デジタルカメラの多画素化や小型化に対応して、固体撮像素子の画素セルの微細化が進んできている。
そして、固体撮像素子の画素セルの微細化を図ると共に、高い感度を有することも要望されるため、光の取り込み効率をいかに上げていくかが大きな課題となる。

しかしながら、２層の電極層から成る転送電極がオーバーラップした構成では、受光センサ部の周囲の凹凸が、転送電極のオーバーラップ部で大きくなり、この部分で入射光が一部遮られてしまう。このため、光の取り込み効率を向上させることが困難である。
転送電極のオーバーラップ部では、厚さが通常１μｍ以上にもなるため、特に画素セルのサイズが３μｍ以下となり、受光センサ部上の開口幅が１μｍ程度に縮小されると、オーバーラップ部により入射光が一部遮られてしまうことが問題になる。

これに対して、転送電極のオーバーラップをなくして、単層の電極層から転送電極を構成したＣＣＤ固体撮像素子も提案されている。

しかしながら、この構造においても、ある程度低いシート抵抗とするために、転送電極の厚さが０．５μｍ程度に厚くなると、画素セルサイズが２μｍ角程度に縮小されたＣＣＤ固体撮像素子では、受光センサ部上の開口近傍において、転送電極が入射光を遮り易くなってしまう。

上述した問題の解決のために、本発明においては、入射光が遮られにくい構造とすることにより、集光効率を向上することができ、高い感度を有する固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部の少なくとも一側に転送電極が設けられ、この転送電極が同一層の電極層のみから構成された固体撮像素子を製造する方法であって、転送電極を形成する工程と、この転送電極を覆って、全面に絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上に転送電極の端縁から転送電極の内側に後退させた抜きパターンにレジストを形成した後に、絶縁膜をエッチバックして、転送電極の側面にサイドウォール絶縁層を形成すると共に、転送電極上に絶縁膜を残存させる工程と、さらにエッチングを続行し、サイドウォール絶縁層を縮小させて、転送電極の電極層の壁面と上面との角部を露出させる工程と、等方性エッチングにより、この露出した転送電極の電極層の角部を除去する工程とを少なくとも有するものである。

上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、転送電極を形成する工程と、この転送電極を覆って、全面に絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上に転送電極の端縁から転送電極の内側に後退させた抜きパターンにレジストを形成した後に、絶縁膜をエッチバックして、転送電極の側面にサイドウォール絶縁層を形成すると共に、転送電極上に絶縁膜を残存させる工程と、さらにエッチングを続行し、サイドウォール絶縁層を縮小させて、転送電極の電極層の壁面と上面との角部を露出させる工程と、等方性エッチングにより、この露出した転送電極の電極層の角部を除去する工程とを少なくとも有するため、電極層の角部が除去された構成の転送電極を形成することができる。
これにより、受光センサ部へ斜めに入射する光が遮られず、また転送電極のシート抵抗を比較的低くすることが可能である構成の固体撮像素子を製造することが可能になる。

上述の本発明によれば、受光センサ部へ斜めに入射する光を遮らないようにすることが可能になるため、集光効率を向上することができ、これにより高い感度を得ることが可能になる。
また、転送電極の断面積をある程度確保して、転送電極のシート抵抗を比較的低くすることが可能になるため、駆動の高速化を図ることが可能になる。
即ち、高い感度を有し、かつ高速の駆動が可能である高性能の固体撮像素子を実現することが可能になる。

そして、本発明により、固体撮像素子の微細化に伴って顕著に生じる問題（感度の低下や抵抗の上昇等）を解決することができるため、固体撮像素子の微細化を可能にして、固体撮像素子の多画素化や高密度化を図ることができる。また、固体撮像素子の小型化を図ることも可能になる。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図を図１及び図２に示す。図１は要部（撮像領域）の拡大図を示し、図２は図１のＡ−Ａにおける断面図を示す。
本実施の形態は、本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用したものである。

この固体撮像素子２０は、マトリクス状に配置された受光センサ部１の各列の一側に垂直転送レジスタ３が形成されて、撮像領域が構成されている。
撮像領域外においては、図示しないが垂直転送レジスタ３の一端に接続して水平転送レジスタが設けられ、水平転送レジスタの一端に出力部が設けられる。

垂直転送レジスタ３は、半導体基体１０内に形成された転送チャネル領域５と、ゲート絶縁膜６と、転送電極２とにより構成される。
転送電極２は、第１の転送電極２Ａ及び第２の転送電極２Ｂにより構成されている。第１の転送電極２Ａは、受光センサ部間の部分（配線部）と、垂直転送レジスタ３に沿って図１中上側に延びる電極部とを有している。第２の転送電極２Ｂは、受光センサ部間の部分（配線部）と、垂直転送レジスタ３に沿って図１中下側に延びる電極部とを有している。
そして、これら第１の転送電極２Ａ及び第２の転送電極２Ｂは、同一層の電極層のみから構成されている。

第１の転送電極２Ａ及び第２の転送電極２Ｂの材料としては、例えば多結晶シリコン膜、タングステンシリサイド膜又はタングステン、タングステンナイトライド、或いは多結晶シリコン膜と金属膜とを併用した膜（積層膜又は合金膜）等の導電膜により構成することが可能である。
ゲート絶縁膜６は、例えば、図示しないが、シリコン酸化膜・シリコンナイトライド膜・シリコン酸化膜の３層の積層構造、即ちＯＮＯ構造とすることができる。

また、転送電極２上には、層間絶縁膜７を介して遮光膜４が形成されている。この遮光膜４は、受光センサ部１上に開口が形成されている。
さらに、遮光膜４よりも上方には、図示しないが、必要に応じて、平坦化膜、カラーフィルター、オンチップレンズ等が設けられる。

本実施の形態の固体撮像素子２０においては、特に、垂直転送レジスタ３の転送電極２（２Ａ，２Ｂ）が、その受光センサ部１側の壁面の一部において、電極層の壁面と上面との角部が除去された部分（斜面）１１を設けている。

なお、図２では、図１の一方の転送電極２Ａについて示しているが、他方の転送電極２Ｂにおいても、同様の断面形状を有している。
また、図１中上下の受光センサ部１の間の転送電極２（２Ａ，２Ｂ）、即ち転送電極２の上述した配線部においても、受光センサ部１側の壁面の一部において、電極層の壁面と上面との角部が除去された部分（斜面）１１が設けられている。

なお、転送電極２の電極層の角部が除去された部分１１の形状は、図２に示した斜面に限定されるものではなく、凹面等その他の形状であってもよい。

このように、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）に、電極層の角部が除去された部分１１が形成された構造となっているので、図２に示すように、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）上に層間絶縁膜７を介して形成された遮光膜４も、受光センサ部１側に斜面を持った断面形状となり、この遮光膜４の斜面に沿う入射光Ｌをも、受光センサ部１に入射させることが可能になる。

ところで、例えば、転送電極が階段状の段差を有している場合には、段差上の部分が後退しているため、入射光のケラレを低減することはできる。しかし、この場合、段差上の部分は狭くなっていることから、転送電極の断面積が小さくなるため、転送電極のシート抵抗が高くなる。
また、例えば、転送電極の受光センサ部側の壁面が、全て斜面又は凹面になっている場合にも、入射光のケラレを低減することはできる。しかし、この場合も、全て斜面又は凹面になっている分転送電極の上面の幅が狭くなっていることから、その分転送電極の断面積が減るため、転送電極のシート抵抗が高くなる。
これに対して、本実施の形態の構成では、転送電極２の受光センサ部１側の壁面のうち一部のみが斜面又は凹面となっており、壁面の他の部分は基板面に垂直な面となっていることにより、入射光のケラレを低減することができるだけでなく、転送電極２の断面積をある程度確保して、比較的低いシート抵抗とすることが可能になる。

本実施の形態の固体撮像素子２０は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、例えばｎ型の半導体基板等の半導体基体１０上に、シリコン酸化膜・シリコンナイトライド膜・シリコン酸化膜を順次成膜し、これらの膜が積層された、いわゆるＯＮＯ構造のゲート絶縁膜６を形成する。

その後、ゲート絶縁膜６の上に、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）を形成するための導電膜を成膜する。なお、この導電膜は、例えば、不純物をドープした多結晶シリコンでもよいし、多結晶シリコンを形成した後にリン等の不純物を導入してもよい。またＷＳｉ等のシリサイド膜でもよい。
さらに、この導電膜を、図示しないフォトレジストをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ほぼ基板面に対して垂直方向に加工することにより、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）を所定のパターンで形成する。これにより、同一層の電極層のみから成る転送電極２（２Ａ，２Ｂ）が形成される（以上、図３参照）。

次に、ウェハの表面に、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）を覆うように、ＣＶＤ法を用いて、例えばシリコン酸化膜を形成する。
このシリコン酸化膜は、例えば転送電極２と同程度の厚さに形成する。

次に、図４Ａに平面図を示し、図４Ｂに断面図を示すように、転送電極２を覆うシリコン酸化膜２１上に、レジスト２２を形成する。
このレジスト２２は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、受光センサ部に対応する転送電極２（２Ａ，２Ｂ）の開口部に沿って、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）の端縁から後退させた抜きパターンに形成する。

次に、レジスト２２をマスクとして用いて、上部よりシリコン酸化膜２１の異方性ドライエッチングを行う。即ち、転送電極２の電極層の角部を除去する受光センサ部１側において、レジスト２２をマスクとして用いて、シリコン酸化膜２１を、転送電極２の開口よりも幅広にエッチング開口する。
これにより、転送電極２の開口部側の壁面に、シリコン酸化膜２１から成るサイドウォール絶縁層２３を形成する。
さらに、異方性ドライエッチングを続行する（オーバーエッチングする）ことにより、サイドウォール絶縁層２３を縮小させる。
これにより、転送電極２の電極層の角部が露出する（以上、図５参照）。

続いて、露出している部分の転送電極２に対し、等方性エッチングを行う。これにより、図６に示すように、転送電極２の電極層の角部がエッチングにより除去されて、電極層の角部が除去された部分（斜面や凹面等）１１が形成される。

次に、転送電極２上のシリコン酸化膜２１及びサイドウォール絶縁層２３の酸化膜２１を、フッ酸系ウエットエッチング液でエッチングすることにより、図７に示すように、電極層の角部が除去された部分（斜面や凹面等）１１を有する転送電極２が残る。

続いて、転送電極２を覆って、層間絶縁膜７を形成する。

なお、サイドウォール絶縁層２３や電極上の酸化膜２１を残しておいて、そのまま層間絶縁膜７を形成することも可能である。

また、サイドウォール絶縁層２３は、シリコン酸化膜以外の他の絶縁膜を用いて形成することも可能である。

そして、転送電極２の電極層の角部を除去する等方性エッチング工程において、転送電極２の材料がサイドウォール絶縁層２３とエッチング選択比が充分とれる材料である場合には、オーバーエッチング後に残すサイドウォール絶縁層２３は少なめでもよい。
一方、転送電極２の材料がサイドウォール絶縁層２３とエッチング選択比が大きくとれない材料である場合には、オーバーエッチング後にサイドウォール絶縁層２３を多く残すようにする。

次に、層間絶縁膜７上に、遮光膜４を形成する。
即ち、全面に遮光膜４となる膜を成膜した後、フォトレジストをマスクとして、ドライエッチング法により加工して、所定のパターンの遮光膜４を形成する。

遮光膜４よりも上層の各部に関しては、従来技術と同様に形成することができる。
即ち、従来と同様の工程により、図示しないマイクロレンズやカラーフィルターを形成することができる。
また、半導体基体１０には、図示しないが垂直転送レジスタ３の転送チャネル領域５や、受光センサ部１のフォトダイオード等が形成される。

なお、転送電極２の電極層の角部を除去する量は、画素セルのサイズ（大きさ）や転送電極２の膜厚等に対応して決定する。
好ましくは、転送電極２の側面のうち１／３〜１／２を除去して、斜面や凹面とする。

上述の本実施の形態の固体撮像素子２０の構成によれば、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）の受光センサ部１側の壁面において、電極層の壁面と上面との角部が除去された部分１１が設けられている。これにより、転送電極２の上方にある遮光膜４を受光センサ部１側が低くなるように傾斜させることができるため、受光センサ部１へ斜めに入射する光Ｌを遮光膜４で遮らないようにすることが可能になる。

そして、転送電極２（２Ａ，２Ｂ）は、受光センサ部１側の壁面の一部において、電極層の角部が除去された部分１１が設けられており、壁面の残りの部分が基板面に垂直な面として残っているため、電極層の厚さに応じてある程度の断面積が確保されている。
これにより、転送電極２のシート抵抗を比較的低くすることが可能になる。
従って、駆動の高速化を図ることが可能になる。

特に、微細化が進むことにより、転送電極２のシート抵抗は高くなる傾向にあるため、転送電極２の断面積をある程度確保して、転送電極２のシート抵抗を比較的低くすることができることにより、固体撮像素子を微細化しやすくなる。

また、上述した製造工程において、転送電極２を形成した後に、全面にシリコン酸化膜２１を形成して、このシリコン酸化膜２１をエッチバックすることにより転送電極２の側面にサイドウォール絶縁層２３を形成し、さらにエッチングを続行してサイドウォール絶縁層２３を縮小して転送電極２の電極層の角部を露出させ、その後露出した角部を除去することにより、転送電極２に電極層の角部が除去された部分１１が形成される。
これにより、受光センサ部１へ斜めに入射する光Ｌを遮光膜４で遮らないようにすることが可能な構成の固体撮像素子２０を製造することができる。

従って、本実施の形態によれば、固体撮像素子の微細化に伴って顕著に生じる問題を解決することができるため、固体撮像素子の微細化を可能にして、固体撮像素子の多画素化や高密度化を図ることができる。
また、固体撮像素子の微細化を図ることができるため、同じ画素数当たりの面積を低減することができることから、固体撮像素子の小型化を図ることも可能になる。

なお、受光センサ部１上の開口付近以外でも、同様にして、部分的に転送電極２の電極層の壁面と上面との角部を除去することが可能であり、これにより層間絶縁膜や金属配線のカバレージを向上することができる。受光センサ部１上の開口付近以外の部分としては、例えば撮像領域の外周側や、垂直転送レジスタ内の第１の転送電極２Ａ及び第２の転送電極２Ｂの対向する部分等が考えられる。

なお、上述の実施の形態では、例えばｎ型の半導体基板等の半導体基体を使用しているが、本発明においては、その他様々な構成の基体を使用することが可能である。
シリコン基板等の半導体基板の他にも、例えば、半導体基板上に半導体エピタキシャル層が形成された半導体基体や、絶縁基板上に半導体層が形成された基体等も考えられる。

また、上述の実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用したが、本発明はその他の構成の固体撮像素子にも適用することができる。例えば、ＣＣＤ構造以外の電荷転送部を有する固体撮像素子にも適用することが可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（要部の平面図）である。 図１の固体撮像素子のＡ−Ａにおける断面図である。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す平面図である。 Ａ 図１の固体撮像素子の製造工程を示す平面図である。 Ｂ 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。 図１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１ 受光センサ部、２，２Ａ，２Ｂ 転送電極、３ 垂直転送レジスタ、４ 遮光膜、５ 転送チャネル領域、６ ゲート絶縁膜、７ 層間絶縁膜、１０ 半導体基体、２０ 固体撮像素子、２１ シリコン酸化膜、２２ レジスト、２３ サイドウォール絶縁層

Claims (1)

1. 受光センサ部の少なくとも一側に転送電極が設けられ、前記転送電極が同一層の電極層のみから構成された固体撮像素子を製造する方法であって、
   前記転送電極を形成する工程と、
   前記転送電極を覆って、全面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜上に前記転送電極の端縁から前記転送電極の内側に後退させた抜きパターンにレジストを形成した後に、前記絶縁膜をエッチバックして、前記転送電極の側面にサイドウォール絶縁層を形成すると共に、前記転送電極上に前記絶縁膜を残存させる工程と、
   さらにエッチングを続行し、前記サイドウォール絶縁層を縮小させて、前記転送電極の前記電極層の壁面と上面との角部を露出させる工程と、
   等方性エッチングにより、露出した前記転送電極の前記電極層の角部を除去する工程とを少なくとも有する
   固体撮像素子の製造方法。

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