(57)【要約】  【課題】  固体撮像装置の小型化に関わらず、ゲート電極間の耐圧と電荷転送効率とを共に確保する固体撮像装置の製造方法を提供する。  【解決手段】  ２層転送ゲート電極を形成するに際して、先ず、多結晶シリコンからなるゲート絶縁膜上に予備ゲート電極１０４を形成し、更に、当該予備ゲート電極１０４上に多結晶シリコン膜１０５を形成、エッチングすることによって、上側角部の曲率半径が大きい第１ゲート電極を形成する。そして、熱酸化によって第１ゲート電極上に層間絶縁膜１０８を形成した後、第２ゲート電極を形成する。  【選択図】  図１
2006278731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁膜上に第１ゲート電極、酸化膜及び第２ゲート電極が順次積層されてなる電荷転送ゲート電極構造を有する固体撮像装置の製造方法であって、
ゲート絶縁膜上に第１の多結晶シリコン膜を堆積する工程と、
第１の多結晶シリコン膜を選択的に除去して予備ゲート電極を形成する工程と、
第１の多結晶シリコン膜を選択的に除去した表面に第２の多結晶シリコン膜を堆積する工程と、
予備ゲート電極を内包する第１ゲート電極を、第２の多結晶シリコン膜を選択的に除去することによって形成する工程と、
第１ゲート電極の表面に酸化膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記予備ゲート電極を形成する工程は、
前記ゲート絶縁膜が露出しない範囲内で、予備ゲート電極となるべき部分以外の第１の多結晶シリコン膜の膜厚を減ずる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の製造方法に関し、特に、固体撮像装置を小型化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、入射光の光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換領域と、光電変換領域で発生した信号電荷を転送する電荷転送領域とを有する。電荷転送領域は、２層からなるゲート電極に駆動電圧を印加することによって信号電荷を転送する。
図４は、信号電荷の転送方向に平行な面における２層転送ゲート電極を模式的に示す断面図である。図４に示されるように、固体撮像装置４は、シリコン半導体基板４０１、ゲート酸化膜４０２、ゲート窒化膜４０３、第１ゲート電極４０４、層間絶縁膜４０５、第２ゲート電極４０６を備えている。第１ゲート電極４０４及び第２ゲート電極４０６はいずれも多結晶シリコンからなっている。層間絶縁膜４０５は第１ゲート電極４０４の表面を熱酸化することによって形成される。なお、第２ゲート電極４０６上にも保護酸化膜（図示省略）が形成される。
【０００３】
さて、固体撮像装置を小型化するためには画素を微細化する必要がある。しかしながら、耐圧を確保する必要上、層間絶縁膜を薄くするのには限界がある。このような問題に対して、例えば、第１ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する技術が開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−５８３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる技術を用いても、第１ゲート電極の側面については耐圧を向上させることはできるが、第１ゲート電極の上面については耐圧の向上を図ることができない。従って、層間絶縁膜の耐圧を確保するためには、層間絶縁膜の膜厚を厚くせざるを得ない。
一方、画素を微細化すると光電変換領域が発生させる電荷量が減少するので、電荷転送効率を維持するためには層間絶縁膜が薄い方が望ましい。かかる相反する要請を満足するためには、第１ゲート電極の周りに、層間耐圧を確保できるほど厚く、かつ転送効率を劣化させないほど薄い、均一な厚さの層間絶縁膜を形成する必要がある。
【０００５】
しかしながら、第１ゲート電極を単に熱酸化しただけでは層間絶縁膜の厚さが均一にはできない。図５は、従来技術によって層間絶縁膜を形成した第１ゲート電極の断面を示す図である。図５に示されるように、単に熱酸化すると第１ゲート電極５０４の上側角部に突起部分が形成される（破線５０７内）。このため、突起部分において層間絶縁膜５０５が薄くなってしまい、膜厚を均一にすることができない。また、ゲート電極に電荷転送パルス電圧を印加すると、突起部分に電界が集中して、ゲート電極間の耐圧が低下したり、リーク電流が発生したりする。
【０００６】
このような問題に対しては、例えば、１０００℃を超える高温で第１ゲート電極を熱酸化すれば突起の形成を抑えることはできる。しかし、あまり高温を加えると、光電変換領域や電荷転送領域に導入された不純物が拡散してしまう。画素を微細化する場合には、不純物の拡散の影響を被り易くなるので、高温を加えて層間絶縁膜を形成することができない。
【０００７】
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、固体撮像装置の小型化に関わらず、ゲート電極間の耐圧と電荷転送効率とを共に確保する固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、ゲート絶縁膜上に第１ゲート電極、酸化膜及び第２ゲート電極が順次積層されてなる電荷転送ゲート電極構造を有する固体撮像装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜上に第１の多結晶シリコン膜を堆積する工程と、第１の多結晶シリコン膜を選択的に除去して予備ゲート電極を形成する工程と、第１の多結晶シリコン膜を選択的に除去した表面に第２の多結晶シリコン膜を堆積する工程と、予備ゲート電極を内包する第１ゲート電極を、第２の多結晶シリコン膜を選択的に除去することによって形成する工程と、第１ゲート電極の表面に酸化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
このようにすれば、第１ゲート電極の上側角部の曲率半径を大きくすることができるので、当該上側角部に突起が生じるのを防いで、また、８００℃程度の比較的低い温度で熱酸化することによって、層間絶縁膜の膜厚を均一に形成することができる。従って、固体撮像装置を小型化しつつ、ゲート電極間の耐圧と電荷転送効率とを共に確保することができる。
【００１０】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、前記予備ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜が露出しない範囲内で、予備ゲート電極となるべき部分以外の第１の多結晶シリコン膜の膜厚を減ずることを特徴とする。このようにすれば、予備ゲート電極となるべき部分とそれ以外の部分との間に段差を設けることができるので、当該段差を利用して第１ゲート電極の上側角部の曲率を大きくすることができる。従って、層間絶縁膜の膜厚を均一にして本発明の目的を達することができる。また、このようにすれば、第１の多結晶シリコン膜の膜厚を減ずる際にゲート絶縁膜が露出しないので、ゲート絶縁膜の損傷を防ぐことができる。従って、ゲート絶縁膜の損傷に起因する固体撮像装置の製造歩留まりの低下を防ぐことができる。
【００１１】
以上、述べたように、本発明によれば、微細な画素を有する固体撮像装置において電荷転送効率と転送ゲート間の絶縁耐圧とを共に向上させることができる。従って、例えば、高い電荷転送効率が要求される動画タイプのカメラ等の画素数を増やして、解像度を向上させることができる。また、固体撮像素子の特性をより均一にすることができ、製造歩留まりを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［１］  第１の実施の形態
（１）  製造工程
先ず、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００１３】
本実施の形態に係る固体撮像装置を製造するに当たっては、先ず、シリコン半導体基板１０１上にゲート酸化膜１０２、ゲート窒化膜１０３が順次形成される。そして、気相成長法を用いて当該ゲート窒化膜１０３上に多結晶シリコン膜を形成した後、当該多結晶シリコン膜の所定領域にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによって多結晶シリコン膜を選択的に除去して、予備ゲート電極１０４を形成する（図１（ａ））。なお、導電性を与えるために、多結晶シリコン膜の形成中に燐（Ｐ）をドーピングする。
【００１４】
次に、予備ゲート電極１０４を含む上面に、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて更に多結晶シリコン膜１０５を形成する。この場合においても、多結晶シリコン膜１０５の形成中に燐をドーピングする。このようにすれば、予備ゲート電極１０４上に等方的に多結晶シリコン膜が成長するので、多結晶シリコン膜１０５の上側角部（破線１０６内）は丸みを帯びる（図１（ｂ））。
【００１５】
そして、丸みを帯びた上側角部を含む多結晶シリコン膜１０５上にレジスト１０７を形成する（図１（ｃ））。そして、異方性の高いドライエッチング法を用いて多結晶シリコン膜１０５をエッチングして第１ゲート電極とする（図１（ｄ））。
エッチング後も多結晶シリコン膜１０５の上側角部の丸みはそのまま残されるので、第１ゲート電極の上側角部も丸みを帯びている（破線１０６内）。なお、異方性の強いドライエッチング法を使用すれば、レジスト１０７のパターンを忠実に多結晶シリコン１０５に転写することができる。最後に、第１ゲート電極を熱酸化すれば、その表面に均一な膜厚を有する層間絶縁膜１０８を形成することができる。第１ゲート電極の上側角部は丸みを帯びており、従来技術のように突起部分が形成されないからである。
【００１６】
（２）  膜厚
各層の膜厚として、例えば、予備ゲート電極１０４と多結晶シリコン膜１０５との膜厚を何れも１５０ｎｍとすれば、第１ゲート電極の上側角部の曲率半径が１５０ｎｍ程度となる。このような第１ゲート電極を８００℃程度で熱酸化すれば層間絶縁膜１０８の膜厚を均一にすることができる（例えば、６５ｎｍ）。
【００１７】
なお、多結晶シリコン膜１０５の膜厚Ｌｓは、
Ｌｓ≧（Ｌｇ−Ｌｔ）／２
であるのが望ましい。ここで、Ｌｇは第１ゲート電極の幅であり、Ｌｔは予備ゲート電極１０４の幅である（図２（ａ）参照）。従って、例えば、多結晶シリコン膜１０５の膜厚を１５０ｎｍとし、第１ゲート電極の幅Ｌｇを０．５μｍとする場合には、予備ゲート電極１０４の幅Ｌｔを０．２μｍ以上とするのが望ましい。
【００１８】
多結晶シリコン膜１０５の膜厚Ｌｓが上式を満たさない場合には、図２（ｂ）に示されるように、レジスト１０７の両側端が多結晶シリコン膜１０５の平坦部分に達するので、エッチング後に角部（破線２０１内）が残る。すると、この角部に突起が生じて層間絶縁膜１０８の膜厚が薄くなってしまう。なお、この平坦部分の幅が層間絶縁膜の２倍程度であれば、層間絶縁膜の部分的な薄膜化を抑えることができる。
【００１９】
また、第１ゲート電極の表面を熱酸化して層間絶縁膜を形成する際に、露出しているゲート窒化膜表面にも極めて薄い酸化膜が形成される。当該酸化膜は、信号電荷を転送するために適当なゲート絶縁膜として機能する。
［２］  第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法と概ね共通の工程からなる一方、予備ゲート電極を形成する工程において相違する。以下、専ら相違点に着目して説明する。
【００２０】
図３は、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の各工程を示す断面図である。図３に示されるように、先ず、シリコン半導体基板３０１上にゲート酸化膜３０２、ゲート窒化膜３０３、多結晶シリコン膜３０４が順次形成される。そして、当該多結晶シリコン膜３０４の所定領域にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによって多結晶シリコン膜３０４を選択的にエッチングする。この場合において、多結晶シリコン膜３０４のエッチングはゲート窒化膜３０３が露出しない程度に止められる。これによって、多結晶シリコン膜３０４に段差を設けることができる（図３（ａ））。
【００２１】
更に、当該多結晶シリコン膜３０４上に多結晶シリコン膜３０５を堆積すると、上側角部に曲率を有する構造を形成することができる（図３（ｂ））。そして、第１の実施の形態と同様に、多結晶シリコン膜３０５上にレジストを形成し、第１ゲート電極とすべき部分を残して多結晶シリコン膜３０４、３０５をエッチングする。更に、第１ゲート電極を熱酸化すれば均一な膜厚の層間絶縁膜が形成される。
【００２２】
このようにすれば、第１ゲート電極の外側において、多結晶シリコン膜３０５をエッチングする際にのみゲート窒化膜３０３がドライエッチングに曝されることになる。一般的に、等方性エッチングでは多結晶シリコンと窒化シリコンとのエッチング選択比が高いが、異方性エッチングではエッチング選択比が低くなる傾向がある。従って、異方性エッチングを行なう場合には、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を用いれば、エッチングによるゲート窒化膜３０３の損傷を抑えることができる。
【００２３】
［３］  変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
（１）  上記第１の実施の形態においては、多結晶シリコン膜１０５等を形成する際に燐をドーピングするとしたが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、ノンドープの多結晶シリコン膜を形成した後に、気相拡散法やイオン注入法を用いて、ドーピングしても良い。
【００２４】
（２）  上記第１の実施の形態においては、減圧ＣＶＤ法を用いて多結晶シリコン膜１０５等の形成する場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのはいうまでもなく、スパッタ法を用いても、上述と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、小型で電荷転送効率が高い固体撮像装置を製造する技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法における各部分の寸法と本発明の効果との関係を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について、第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法との差異となる各工程を示す断面図である。
【図４】従来技術に係る２層転送ゲート電極の信号電荷の転送方向に平行な面における断面を示す図である。
【図５】従来技術に係る２層転送ゲート電極の第１ゲート電極と層間絶縁膜との詳細を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
４……………………………固体撮像装置
１０１、３０１、４０１…シリコン半導体基板
１０２、３０２、４０２…ゲート酸化膜
１０３、３０３、４０３…ゲート窒化膜
１０４………………………予備ゲート電極
１０５、３０４、３０５…多結晶シリコン膜
１０６、２０１、５０７…破線
１０７………………………レジスト
１０８、４０５、５０５…層間絶縁膜
４０４、５０４……………第１ゲート電極
４０６………………………第２ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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