JP4759220B2

JP4759220B2 - 電荷転送装置およびその製造方法

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Publication number: JP4759220B2
Application number: JP2003408277A
Authority: JP
Inventors: 一久田島
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: JP2005174966A

Description

本発明は、電荷転送装置およびその製造方法に関する。

図６は、従来のＣＣＤ（charge coupled device）等の電荷転送装置の構成を示す断面図である。
電荷転送装置は、半導体基板１と、半導体基板１に設けられたＰウェル２と、Ｐウェル２に設けられた電荷転送路２０およびフォトダイオード２２と、Ｐウェル２の両端に設けられ、電荷転送路２０およびフォトダイオード２２を他の領域から分離するＰ^＋領域４および素子分離領域６と、電荷転送路２０およびフォトダイオード２２上に設けられられたゲート酸化膜８と、転送ゲート電極１０と、層間絶縁酸化膜１２と、第一の金属配線１４と、配線層間絶縁膜１６と、第二の金属配線１８とを有する。

従来、素子分離領域６は、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）によりシリコン酸化膜を局所的に熱酸化することにより形成されている（特許文献１）。
特開昭６０−２４５１６７号公報

しかし、従来の方法では、図中破線で囲った領域Ａに、いわゆるバーズビークやホワイトリボンが発生するという問題があった。このようなバーズビークやホワイトリボンが発生した領域は、結晶構造が不安定なため、設計上、このような領域には電荷転送路２０やフォトダイオード２２を形成しないようにされている。そのため、装置のサイズが大きくなってしまうという課題があった。

また、転送ゲート電極１０に転送クロックを印加する際、Ｐウェル２を接地するので、Ｐウェル２と転送ゲート電極１０に挟まれたゲート酸化膜８部分に寄生容量が発生してしまう。電荷転送装置は、複数のフォトダイオード２２が列状に配置された構成を有し、これらに対応して複数の転送ゲート電極１０が設けられる。

図４は、これらの転送ゲート電極１０に電圧が印加された状態を示す等価回路である。ここでは、２相転送電極を例として説明する。このような２相転送電極において、隣接する転送電極に互いに１８０度位相のずれた印加電圧を印加することにより、順次信号電荷を転送する構成となっている。たとえば、電荷転送装置が６００ｄｐｉのイメージセンサの場合、１２０００程度、１２００ｄｐｉのイメージセンサの場合、２４０００程度のゲ−ト電極が１本の転送クロック印加端子に並列に接続される。このように、転送ゲート数が多くなると、ゲート酸化膜８に発生する寄生容量が無視できない程度に大きくなってしまう。そのため、図５に示すように、印加したクロックパルス波形がこのような容量により鈍り、遅延が生じ、波形が変形してしまうことがある。これにより、信号電荷の転送効率が低下してしまう。

一方、電荷転送装置の小型化が求められているが、電荷転送路２０やフォトダイオード２２のサイズを小さくすると、信号電子量の減少につながり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうため、製品の特性を維持しつつ小型化を図るためには、電荷転送路２０やフォトダイオード２２以外のスペースを削減することが好ましい。

本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、電荷転送装置のスペースを減少して小型化するとともに、電荷転送装置の性能を向上させる技術を提供することにある。

本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子に並置された電荷転送路と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域を他の領域から分離する分離領域と、
前記分離領域上に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、珪素化合物を堆積して形成された第一の堆積絶縁層と、
前記第一の堆積絶縁層の上面および側面を覆い、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、珪素化合物を堆積して形成された第二の堆積絶縁層であって、前記第一の堆積絶縁層より膜厚の薄い第二の堆積絶縁層と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第二の堆積絶縁層上および前記ゲート絶縁膜上に形成された導電膜により構成された転送電極と、
前記分離領域上において、前記半導体基板の上面と前記第一の堆積絶縁層との間に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、第三の絶縁膜と、
を含み、
前記第二の堆積絶縁層は、さらに前記第三の絶縁膜の側面を覆っていることを特徴とする電荷転送装置が提供される。

これにより、第一の堆積絶縁層のエッジ部分を丸めることができ、第一の堆積絶縁層および第二の堆積絶縁層上に転送電極を形成する際に、転送電極がエッジ部分で途切れることのないようにすることができる。
第一の堆積絶縁層をガスを堆積して形成することにより、従来のＬＯＣＯＳにより素子分離領域を形成したときのようなバーズビークやホワイトリボンの発生を防ぐことができる。そのため、光電変換素子や電荷転送路を分離領域および第一の堆積絶縁層のすぐ近くに配置する設計とすることができ、電荷転送装置のスペースを削減することができ、小型化することができる。また、第一の堆積絶縁層および第二の堆積絶縁層上に電荷転送電極を形成した場合に、バーズビーク等が発生した不安定な領域がないため、寄生容量の問題を低減することもでき、電荷転送効率を高めることができる。これにより、半導体基板上に形成する素子数を多くすることもできる。さらに、従来の熱酸化のように長時間の酸化処理が不要となるため、半導体基板へのダメージが生じることがなく、電荷転送装置を安定的に製造することができる。また、熱酸化時にマスクとして用いていた窒化膜を形成する必要がないため、電荷転送装置の製造工程を短縮することもできる。第一の堆積絶縁層は、化学気相成長法により形成することができる。光電変換素子は、たとえばフォトダイオードとすることができる。光電変換素子は、光の照射を受けてその光を電荷に変換し、電荷を発生する。なお、分離領域と第一の堆積絶縁層との間には、熱酸化により形成された絶縁膜が設けられた構成とすることができる。これにより、第一の堆積絶縁層と基板との界面の接合状態を良好にすることができる。

本発明の電荷転送装置において、半導体基板の上面は、略平坦に形成することができる。

上面が平坦に形成された半導体基板上に絶縁層を形成することにより、絶縁層を選択的に除去する工程において、加工性を良好にすることができる。

本発明の電荷転送装置において、第一の堆積絶縁層および第二の堆積絶縁層は、ＨＴＯ膜とすることができる。

第一の堆積絶縁層および第二の堆積絶縁層を減圧ＣＶＤ法により形成されたＨＴＯ膜とすることにより、堆積絶縁層形成時に半導体基板上の各素子へダメージを与えることなく、安定的に電荷転送装置を製造することができる。

本発明によれば、
光電変換素子と、前記光電変換素子に並置された電荷転送路と、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域を他の領域から分離する分離領域と、が設けられた半導体基板全面に第一の絶縁膜を堆積させる工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上の前記第一の絶縁膜を選択的に除去して前記分離領域上に前記第一の絶縁膜により構成された第一の堆積絶縁層を形成する工程と、
前記第一の堆積絶縁層上ならびに前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上を含む全面に第二の絶縁膜を堆積させる工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上の前記第二の絶縁膜を選択的に除去して、前記第一の堆積絶縁層の上面および側面を覆う第二の絶縁膜により構成された第二の堆積絶縁層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の堆積絶縁層および前記ゲート絶縁膜上全面に導電膜を堆積してパターニングし、転送電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電荷転送装置の製造方法が提供される。
このように、第一の絶縁膜を選択的に除去した後に第二の絶縁膜を第一の絶縁膜上に堆積させることにより、第一の堆積絶縁層のエッジ部分を丸めることができる。これにより、第一の堆積絶縁層および第二の堆積絶縁層上に転送電極を形成する際に、転送電極がエッジ部分で途切れることのないようにすることができる。ここで、第二の絶縁膜も、化学気相成長法や減圧化学気相成長法により形成することができる。また、第二の絶縁膜は、第一の絶縁膜よりも薄く形成することができる。なお、第二の絶縁膜を堆積させる工程の前に、第一の絶縁膜上に熱酸化膜を形成する工程を含むことができる。

本発明の電荷転送装置の製造方法において、第一の絶縁膜を堆積させる工程において、化学気相成長法により、第一の絶縁膜を堆積させることができる。

本発明の電荷転送装置の製造方法において、第一の絶縁膜を堆積させる工程は、減圧化学気相成長法により、ＨＴＯ膜を形成する工程を含むことができる。

本発明の電荷転送装置の製造方法において、第一の絶縁膜を堆積させる工程の前に、全面に熱酸化により第一の絶縁膜よりも膜厚の薄い第三の絶縁膜を形成する工程をさらに含むことができ、第一の絶縁膜を堆積させる工程において、第三の絶縁膜上に第一の絶縁膜を堆積させることができる。このようにすれば、第一の堆積絶縁層と半導体基板の間に熱酸化により形成された第三の絶縁膜が設けられるので、第一の絶縁膜と半導体基板との密着性を良好にすることができる。

本発明の電荷転送装置の製造方法において、ゲート絶縁膜を形成する工程において、熱酸化によりゲート絶縁膜を形成することができる。これにより、膜質を改善することができ、ゲート酸化膜と半導体基板との接合面を安定化することができる。

本発明によれば、無駄なスペースを削除して電荷転送装置を小型化することができるとともに、電荷転送装置の性能を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態における電荷転送装置１００の構成を示す断面図である。
本実施の形態において、電荷転送装置１００は、２相駆動のＣＣＤ等のリニアイメージセンサである。

電荷転送装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に設けられたＰウェル１０２と、電荷転送路１２０と、フォトダイオード１２２と、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２を他の領域から分離する分離領域であるＰ^＋領域１０４と、半導体基板１０１上に設けられたシリコン酸化膜１２４と、シリコン酸化膜１２４上に設けられた堆積絶縁層１０６と、ゲート酸化膜１０８と、転送ゲート電極１１０と、トランスファーゲート１１１と、層間絶縁酸化膜１１２と、第一の金属配線１１４と、配線層間絶縁膜１１６と、第二の金属配線１１８とを有する。半導体基板１０１は、シリコン基板等である。第一の金属配線１１４は、たとえばアルミニウムにより構成される。また、配線層間絶縁膜１１６は、たとえばプラズマＣＶＤにより形成される。第二の金属配線１１８は、遮光膜として機能する。また、第二の層間絶縁膜１１６は、たとえばプラズマＣＶＤにより形成される。フォトダイオード１２２に蓄積された電荷は、トランスファーゲート１１１を介して電荷転送路１２０に転送される。

図２は、図１に示した電荷転送装置１００の製造工程を示す工程断面図である。
まず、半導体基板１０１上に熱酸化によりシリコン酸化膜１２４を形成する（図２（ａ））。

次に、リソグラフィ技術により、半導体基板１０１上の所定領域にたとえばリン等の不純物をイオン注入し、電荷転送路１２０を形成する。つづいて、同様にリソグラフィ技術により、半導体基板１０１上の所定領域にたとえばリン等の不純物をイオン注入し、フォトダイオード１２２を形成する。その後、同様にリソグラフィ技術により、ボロン等の不純物をイオン注入し、Ｐウェル１０２を形成する。つづいて、同様にリソグラフィ技術により、ボロン等の不純物をイオン注入し、Ｐウェル１０２の両端にＰ^＋領域１０４を形成する（図２（ｂ））。ここで、半導体基板１０１の表面は略平坦に形成されている。Ｐ^＋領域１０４は、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２を他の領域から分離する機能を有する。

その後、半導体基板１０１上のシリコン酸化膜１２４上に、珪素を含むガスと酸素を含む酸化性ガスを用い、これらにより形成される珪素化合物を堆積してシリコン酸化膜１０６ａを形成する（図２（ｃ））。珪素を含むガスとしては、例えば、モノシラン、ジシラン、トリシラン、またはテトラシランをＮ_２Ｏ等の酸素含有ガスで希釈したものが用いられる。シリコン酸化膜１０６ａを形成する方法としては、たとえばＣＶＤ法（化学気相成長法）を用いることができる。

本実施の形態において、シリコン酸化膜１０６ａは、減圧ＣＶＤ法により形成されたＨＴＯ（high temperature oxide：高温酸化）膜である。このようなＨＴＯ膜は、たとえば、ＬＰ炉（低圧ＣＶＤ炉）を用い、成膜ガスとしてモノシランとＮ_２Ｏの混合ガス（流量比約１：２０）を用い、０．９Ｔｏｒｒの減圧下で、７５０℃以上、より好ましくは約８００℃〜８５０℃の条件で形成することができる。また、ＨＴＯ膜成長後に９５０℃以上の温度で熱酸化を行うこともできる。

シリコン酸化膜１０６ａの膜厚は、その上に形成される転送ゲート電極１１０とＰ^＋領域１０４の間の絶縁を保つだけの耐圧をシリコン酸化膜１０６ａに付与できればどのような範囲とすることもできるが、たとえば１〜１．３μｍ以上の膜厚とすることができる。

つづいて、Ｐ^＋領域１０４上を覆う所定形状のマスクを用い、ＢＨＦ等の薬液を用いたウェットエッチングにより、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２等が設けられた能動素子領域上のシリコン酸化膜１０６ａを選択的に除去し、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２を露出させる（図２（ｄ））。これにより、能動素子領域の両側に設けられた一対のＰ^＋領域１０４（非活性領域）上に一対の堆積絶縁層１０６を形成することができる。なお、堆積絶縁層１０６は、その上に形成される転送ゲート電極１１０が途切れることがないように、テーパ状にエッチングされることが好ましい。

以上のように、堆積絶縁層１０６（シリコン酸化膜１０６ａ）は、半導体基板１０１上に熱酸化により薄く形成されたシリコン酸化膜１２４上に形成されるので、半導体基板１０１との接合面を安定化することができる。シリコン酸化膜１２４は、堆積絶縁層１０６よりも薄く形成される。堆積絶縁層１０６は、熱酸化により薄く形成されたシリコン酸化膜１２４上に堆積法により形成されるので、堆積絶縁層全体を熱酸化により形成していた従来の方法のようにバーズビーク等の不安定な領域が形成されることもなく、堆積絶縁層１０６やＰ^＋領域１０４が形成された領域のすぐ近くに電荷転送路１２０やフォトダイオード１２２等の素子を形成することができ、電荷転送装置１００を小型化することができる。

つづいて、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２形成領域上にゲート酸化膜１０８を形成する（図２（ｅ））。ゲート酸化膜１０８は、熱処理により形成することが好ましい。これにより、ゲート酸化膜１０８と半導体基板１０１との接合面を安定化することができる。

この後、ゲート酸化膜１０８および堆積絶縁層１０６上にスパッタリングおよびエッチング等により、転送ゲート電極１１０およびトランスファーゲート１１１を形成する。ここで、堆積絶縁層１０６をテーパ状に形成することにより、転送ゲート電極１１０が堆積絶縁層１０６の角部で途切れることがないようにすることができる。つづいて、転送ゲート電極１１０上に層間絶縁酸化膜１１２を形成する。ついで、第一の金属配線１１４、配線層間絶縁膜１１６、および第二の金属配線１１８を順次形成する。これにより、図１に示した構成の電荷転送装置１００が得られる。

また、図２（ｄ）に示した一対の堆積絶縁層１０６を形成する工程の後、堆積絶縁層１０６のエッジ部分を丸める処理を行うこともできる。
図７は、エッジ部分を丸める処理手順を示す断面図である。図２（ｄ）に示した工程終了後、堆積絶縁層１０６上に熱酸化により薄い酸化膜（不図示）を形成し、その上に、再びＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法により、第二のシリコン酸化膜１２６を形成する。本実施の形態において、第二のシリコン酸化膜１２６もＨＴＯ膜とすることができる。つづいて、Ｐ^＋領域１０４上を覆う所定形状のマスクを用い、ＢＨＦ等の薬液を用いたウェットエッチングにより、能動素子領域上の第二のシリコン酸化膜１２６を選択的に除去し、電荷転送路１２０およびフォトダイオード１２２を再び露出させる。これにより、堆積絶縁層１０６のエッジ部分を鈍化させることができ、その上に形成される転送ゲート電極１１０が途切れることがないようにすることができる。

図３は、電荷転送路１２０における電荷転送のメカニズムを示す図である。
図３（ａ）は、電荷転送路１２０および転送ゲート電極１１０の構成を示す上面図である。ここでは図示していないが、電荷転送路１２０は、電荷蓄積領域および障壁領域を有し、その上部にそれぞれ第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂが設けられている。

ここで、第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂには、互いに１８０度位相がずれた電圧Φ１およびΦ２がそれぞれ印加される。

図３（ｂ）および図３（ｃ）は、第一の転送ゲート電極１１０ａおよび第二の転送ゲート電極１１０ｂに電圧が印加されたときの信号の移動状態を示す図である。図３（ｃ）の実線は、印加電圧Φ１がロー（ＯＦＦ）、印加電圧Φ２がハイ（ＯＮ）のときのポテンシャル電位を示し、破線は、印加電圧Φ１がハイ、印加電圧Φ２がローのときのポテンシャル電位を示す。

図示したように、転送電極への印加電圧Φ１をロー、印加電圧Φ２をハイとすると、ポテンシャル電位は実線で示したようになり、ａの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｂの位置に移動する。つづいて、印加電圧Φ１をハイ、印加電圧Φ２をローとすると、ポテンシャル電位は破線で示したようになり、ｂの位置にある信号電荷は、矢印に従ってｃの位置に移動する。このようにして、信号電荷は、図中右方向に順次転送される。

本実施の形態において、堆積絶縁層１０６は、薄い熱酸化膜上に堆積法により形成されるので、バーズビーク等が発生することなく、堆積絶縁層１０６を電荷転送路１２０やフォトダイオード１２２が形成された領域のすぐ近くに形成することができる。これにより、電荷転送装置１００を小型化することができる。また、転送ゲート電極１１０下にゲート酸化膜１０８が形成されることもないので、寄生容量を低減することができ、電荷転送装置１００の転送効率を改善することができる。これにより、ゲート電極の数を増やしても印加パルスの波形の変形を低減することができるので、ゲート電極数を増やすこともできる。

本発明の実施の形態における電荷転送装置の構成を示す断面図である。図１に示した電荷転送装置の製造工程を示す工程断面図である。電荷転送路における電荷転送のメカニズムを示す図である。複数の転送ゲート電極に電圧が印加された状態を示す等価回路図である。転送ゲート電極に印加したクロックパルス波形を示す図である。従来のＣＣＤ（charge coupled device）等の電荷転送装置の構成を示す断面図である。図２に示した電荷転送装置の製造工程の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１００電荷転送装置
１０１半導体基板
１０２Ｐウェル
１０４Ｐ^＋領域
１０６堆積絶縁層
１０６ａシリコン酸化膜
１０８ゲート酸化膜
１１０転送ゲート電極
１１１トランスファーゲート
１１２層間絶縁酸化膜
１１４第一の金属配線
１１６配線層間絶縁膜
１１８第二の金属配線
１２０電荷転送路
１２２フォトダイオード
１２４シリコン酸化膜
１２６第二のシリコン酸化膜

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子に並置された電荷転送路と、
前記半導体基板に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域を他の領域から分離する分離領域と、
前記分離領域上に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、珪素化合物を堆積して形成された第一の堆積絶縁層と、
前記第一の堆積絶縁層の上面および側面を覆い、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、珪素化合物を堆積して形成された第二の堆積絶縁層であって、前記第一の堆積絶縁層より膜厚の薄い第二の堆積絶縁層と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第二の堆積絶縁層上および前記ゲート絶縁膜上に形成された導電膜により構成された転送電極と、
前記分離領域上において、前記半導体基板の上面と前記第一の堆積絶縁層との間に設けられ、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域には設けられていない、第三の絶縁膜と、
を含み、
前記第二の堆積絶縁層は、さらに前記第三の絶縁膜の側面を覆っていることを特徴とする電荷転送装置。
請求項１に記載の電荷転送装置において、
前記半導体基板の上面は、平坦に形成されたことを特徴とする電荷転送装置。
請求項１または２に記載の電荷転送装置において、
前記第一の堆積絶縁層および前記第二の堆積絶縁層は、ＨＴＯ膜であることを特徴とする電荷転送装置。
光電変換素子と、前記光電変換素子に並置された電荷転送路と、前記光電変換素子と前記電荷転送路とが配置された領域を他の領域から分離する分離領域と、が設けられた半導体基板全面に第一の絶縁膜を堆積させる工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上の前記第一の絶縁膜を選択的に除去して前記分離領域上に前記第一の絶縁膜により構成された第一の堆積絶縁層を形成する工程と、
前記第一の堆積絶縁層上ならびに前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上を含む全面に第二の絶縁膜を堆積させる工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上の前記第二の絶縁膜を選択的に除去して、前記第一の堆積絶縁層の上面および側面を覆う第二の絶縁膜により構成された第二の堆積絶縁層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の堆積絶縁層および前記ゲート絶縁膜上全面に導電膜を堆積してパターニングし、転送電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
請求項４に記載の電荷転送装置の製造方法において、
前記第一の絶縁膜を堆積させる工程において、減圧化学気相成長法により、ＨＴＯ膜を形成する工程を含むことを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
請求項４または５に記載の電荷転送装置の製造方法において、
前記第二の絶縁膜を堆積させる工程は、減圧化学気相成長法により、ＨＴＯ膜を形成する工程を含むことを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
請求項４乃至６いずれかに記載の電荷転送装置の製造方法において、
前記第一の絶縁膜を堆積させる工程の前に、
前記全面に熱酸化により前記第一の絶縁膜よりも膜厚の薄い第三の絶縁膜を形成する工程をさらに含み、
前記第一の絶縁膜を堆積させる工程において、前記第三の絶縁膜上に前記第一の絶縁膜を堆積させることを特徴とする電荷転送装置の製造方法。
請求項７に記載の電荷転送装置の製造方法において、
前記第一の絶縁膜を選択的に除去した後、前記半導体基板の前記光電変換素子および前記電荷転送路が配置された領域上の前記第三の絶縁膜を選択的に除去する工程をさらに含み、
前記第二の堆積絶縁層は、さらに前記第三の絶縁膜の側面を覆っていることを特徴とする電荷転送装置の製造方法。