(57)【要約】【課題】  電荷転送時のポテンシャル差による転送不良の発生を抑制することができる固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置を提供する。【解決手段】  半導体基板１１の表面上に窒化膜１３を形成する工程と、窒化膜１３上に酸化膜１４を形成する工程と、酸化膜１４上に転送ゲート電極１８を形成する工程とを含む。これにより、窒化膜１３上にＨＴＯ膜のような酸化膜１４を所定の膜厚に設定することができ、この結果形成される酸化膜１４の膜厚を厚くすることができる。  このため、転送ゲート形成時のエッチングによる窒化膜１３の膜減りを、窒化膜１３上の酸化膜１４で止めることが可能となり、電荷転送時の転送不良等の発生を抑制することができる。【選択図】  図１
2006173312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、窒化膜を含む多層膜からなるゲート絶縁膜を介して前記電荷転送部上に形成された複数の転送ゲート電極とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
半導体基板表面に前記窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上に堆積により酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜上に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を選択的にエッチング除去して前記酸化膜を露出させ、前記信号電荷の転送方向に沿って所定間隔で離隔された複数の第１の転送ゲート電極を形成する工程と、
転送方向に隣接する前記第１の転送ゲート電極の間に、第２の転送ゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
さらに、前記第１の転送ゲート電極が形成された後に、当該第1の転送ゲート電極の表面に絶縁膜を形成する工程を有し、
前記第２の転送ゲート電極の一部が当該絶縁膜にオーバラップして形成される請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記酸化膜はＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜であり、前記導電膜はシリコン膜である請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項４】
光電変換により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、窒化膜を含む多層膜からなるゲート絶縁膜を介して前記電荷転送部上に形成された転送ゲート電極とを備えた固体撮像装置において、
半導体基板表面に形成された前記窒化膜と、
前記窒化膜上に堆積された酸化膜と、
前記酸化膜上に、前記信号電荷の転送方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第１の転送ゲート電極と、
転送方向に隣接する前記第１の転送ゲート電極の間に形成された第２の転送ゲート電極と、
を備え、
前記第１の転送ゲート電極に対応するゲート絶縁膜中の窒化膜と、前記第２の転送ゲート電極に対応するゲート絶縁膜中の窒化膜が、同一膜厚でかつ共通の前記窒化膜であることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、電荷転送部の転送ゲート電極の構造、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を利用した固体撮像装置は、入射光量に応じて信号電荷を生成する複数の受光部を備え、各受光部で生成された信号電荷を、各受光部に対応する電荷転送部を介して固体撮像装置の外部に出力信号として取り出す。
【０００３】
図５は、上記従来の固体撮像装置の一部を拡大して示す平面図である。図５に示すように、固体撮像装置は、半導体基板の表面部に、例えば格子状に配列された受光部３１と、各受光部３１に隣接するとともに、信号電荷の転送方向に伸びる電荷転送部３２を備える。また、半導体基板の上面には、電荷転送部３２上と、当該電荷転送部３２に対応する受光部３１の電荷転送部３２側の端部とに渡って第１の転送ゲート電極１８が設けられている。また、信号電荷の転送方向（図中下方）に隣接する第１の転送ゲート電極１８の間には、第２の転送ゲート電極２２が設けられている。
【０００４】
上記構成において、受光部３１で生成された信号電荷は、第１の転送ゲート電極１８に電圧が印加されることにより、受光部３１から電荷転送部３２に取り出される。このとき、第２の転送ゲート電極２２には、第１の転送ゲート電極１８の直下の電荷転送部３２に、信号電荷に対するポテンシャル井戸が形成されるように電圧が印加されており、電荷転送部３２に取り出された信号電荷は、第１の転送ゲート電極１８直下の電荷転送部３２に蓄積される。その後、第１の転送ゲート電極１８と、第２の転送ゲート電極２２に順次電圧を印加することにより、電荷転送部３２に沿って転送方向に信号電荷が転送される。
【０００５】
図６（ａ）、（ｂ）は、上記転送方向（図５  Ａ−Ａ部）に沿った電荷転送部３２上の転送ゲート電極の断面構造を模式的に示す断面図である。図６（ａ）は、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜である場合を示している。また、図６（ｂ）は、ゲート絶縁膜がＯＮＯ膜（シリコン酸化膜−シリコン窒化膜−シリコン酸化膜）である場合を示している。
【０００６】
図６（ａ）に示す固体撮像装置では、まず、シリコン基板１１の表面が熱酸化法により酸化され、シリコン酸化膜１２が形成される。シリコン基板１１とシリコン酸化膜１２の界面の近傍には、イオン注入法によりシリコン基板１１と反対の導電型の不純物層からなる電荷転送部３２、および受光部３１が形成される。
【０００７】
次に、シリコン酸化膜１２上に、例えば、リンやボロン等の不純物が導入されたポリシリコン膜等の導電膜がＣＶＤ法により形成される。当該導電膜上には、フォトリソグラフィによりレジストパターンが設けられ、当該レジストパターンをエッチングマスクとして前記導電膜をエッチングすることで第１の転送ゲート電極１８が形成される。
【０００８】
続いて、第1の転送ゲート電極１８の表面を熱酸化法により酸化することで、第１の転送ゲート電極１８を被覆するシリコン酸化膜からなる絶縁膜２０が形成され、第1の転送ゲート電極１８の間に、ポリシリコンからなる第２の転送ゲート電極２２が、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される。
【０００９】
しかしながら、本構成では、上記絶縁膜２０の形成過程において、第１の転送ゲート電極１８の両端下部（第２の転送ゲート電極２２が形成される部位の下部で第１の転送ゲート電極１８に隣接する部分）に酸素が入り込むために、シリコン酸化膜１２が厚く形成される。これにより、両転送ゲート電極１８、２２にまたがるオフセット２５の領域が形成され、転送ゲート電極１８、２２の実効ゲート長は減少してしまう。
【００１０】
このようなオフセット２５の部分では、転送ゲート電極に印加された電圧による電荷転送部３２のポテンシャル変化が小さくなるため、電荷転送時に信号電荷が残留する等の転送不具合が生じる。
【００１１】
この対策として、図６（ｂ）に示す、ＯＮＯ構造のゲート絶縁膜を採用した固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
以下、従来のＯＮＯ構造のゲート絶縁膜備えた固体撮像装置の構造を、その製造工程とともに説明する。図７〜図９は、図６（ｂ）に示す、ＯＮＯ膜からなるゲート絶縁膜を備えた固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【００１３】
図７（ａ）に示すように、まず、Ｐ型のウェル領域が形成されたシリコン基板１１上にシリコン酸化膜１２を熱酸化で２０〜７０ｎｍ程度成長させた後、イオン注入法を用いてシリコン酸化膜１２を通じてシリコン基板１１の表面付近に受光部３１（図５参照）、および電荷転送部３２（図５参照）を形成する。その後、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとＮＨ4ガスを材料としたＣＶＤ法により、シリコン酸化膜１２上にシリコン窒化膜１３を２０〜５０ｎｍ程度堆積する。そして、図７（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜１３の表面を酸素ガスと水素ガスを用い熱酸化して非常に薄い（数ｎｍ程度）シリコン酸化膜１５を形成し、酸化膜１２、１５と窒化膜１３とでゲート絶縁膜を構成する。
【００１４】
次に、図７（ｃ）に示すように、ポリシリコンからなる導電膜１６をＣＶＤ法で堆積する。当該導電膜１６上には、フォトレジストが塗布され、フォトリソグラフィによりレジストパターン１７が形成される（図８（ａ））。
【００１５】
続いて、図８（ｂ）に示すように、レジストパターン１７をマスクとして導電膜１６を選択的にエッチングすることで、第１の転送ゲート電極１８が形成される。次に、レジストパターン１７がＯ2アッシング等により除去された後（図８（ｃ））、全面が熱酸化され、第１の転送ゲート電極１８の表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２０が形成されるとともに、シリコン窒化膜１５の表面に薄い酸化膜が形成される（図９（ａ））。さらに、図９（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によりポリシリコンからなる導電膜２１が堆積され、当該導電膜２１を第１の転送ゲート電極１８と同様の手法により選択的にエッチングすることで、第２の転送ゲート電極２２のパターンが形成される（図９（ｃ））。これによって、ＣＣＤ固体撮像装置の主要部分が完成する。
【００１６】
この場合においても、第１の転送ゲート電極１８の表面には、第１の転送ゲート電極１８と第２の転送ゲート電極２２を電気的に分離するための電極絶縁膜２０が熱酸化により形成されている。しかし、ゲート絶縁膜が耐酸化性のシリコン窒化膜１３を含む構造であるため、図６（ａ）で見られるような第1の転送ゲート電極１８両端下部のシリコン酸化膜の厚膜化は抑制され、オフセット２５を小さくすることができる。
【特許文献１】特開２００１−１６８３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述のゲート絶縁膜としてＯＮＯ膜を備えた固体撮像装置では、図８（ｂ）に示した第１の転送ゲート電極１８の形成過程において、第１の転送ゲート電極１８の間に露出したシリコン酸化膜１５はオーバーエッチングによりエッチングされる。このとき、エッチングガスには、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜とで高い選択比を得ることができるガスが使用される。しかしながら、上述のように、シリコン酸化膜１５は熱酸化により形成されるため、膜厚は最大でも４ｎｍ程度である。このため、シリコン酸化膜１５を形成する際の製造ばらつき等により、例えば、膜厚が薄い部分が生じていた場合には、完全に除去されてしまうことがある。
【００１８】
このようにシリコン酸化膜１５が除去されると、当然、シリコン窒化膜１３がエッチングされることになる。すなわち、第２の転送ゲート電極２２の直下のシリコン窒化膜１３に膜減りが生じ、第１の転送ゲート電極１８直下のシリコン窒化膜１３の厚みと、第２の転送ゲート電極２２直下のシリコン窒化膜１３の厚みに差が生じてしまうのである。このような膜減りは、上述の例では、シリコン窒化膜厚の半分以上に達することもある。
【００１９】
当該シリコン窒化膜１３はゲート絶縁膜であり、このシリコン窒化膜１３の厚みに差が存在すると、電荷転送時に、第１の転送ゲート電極１８と第２の転送ゲート電極２２に同一の電圧を印加した場合でも、それぞれのゲート絶縁膜直下の電荷転送部３２に形成されるポテンシャルに差が生じてしまう。加えて、シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜に比べて高誘電率であるため、シリコン窒化膜１３の膜厚差は大きなポテンシャル差となって顕在化し、結果的に信号電荷の転送不具合が発生することがあった。特に、このような不具合は、画素の小型化のためにゲート絶縁膜の膜厚が小さくなるにつれて顕著に出現するようになり、製造歩留まりを大きく低下させる要因になっていた。
【００２０】
本発明は、上記従来の事情を考慮して提案されたものであり、第１の転送ゲート電極と第２の転送ゲート電極における電荷転送時のポテンシャル差による転送不良の発生を抑制することができる固体撮像装置の製造方法および固体撮像装置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】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。まず、本発明にかかる固体撮像装置の製造方法は、光電変換により生成された信号電荷を転送する電荷転送部と、窒化膜を含む多層膜からなるゲート絶縁膜を介して前記電荷転送部上に形成された複数の転送ゲート電極とを備えた固体撮像装置の製造方法を前提としている。そして、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板表面に形成された前記窒化膜上に堆積により酸化膜を形成する。
【００２２】
また、上記導電膜を選択的にエッチング除去して前記酸化膜を露出させることで、信号電荷の転送方向に沿って所定間隔で離隔された第１の転送ゲート電極が形成される。そして、信号電荷の転送方向に隣接する前記第１の転送ゲート電極の間に、第２の転送ゲート電極が形成される。
【００２３】
このようにすれば、例えば、窒化膜上にＨＴＯ膜のような酸化膜を所定の膜厚に設定することができる。このため、第１の転送ゲート形成時のエッチングにおいてオーバーエッチングされた際に、窒化膜の膜減りが発生することを防止することが可能となる。
【００２４】
すなわち、第１の転送ゲート電極と第２のゲート電極のゲート絶縁膜中の窒化膜の厚さは同一であり、第１の転送ゲート電極と第２の転送ゲート電極による電荷転送時のポテンシャル差による転送不良等を抑制することができる。なお、酸化膜の膜厚は、導電膜のエッチングのオーバーエッチングによってすべて除去されない膜厚に設定される。
【００２５】
上記構成において、上記第１の転送ゲート電極が形成された後に、当該第1の転送ゲート電極の表面に絶縁膜を形成し、上記第２の転送ゲート電極の一部が当該絶縁膜にオーバラップして形成される構成としてもよい。
【００２６】
また、他の観点では、本発明は、上記製造方法により製造される固体撮像装置を提供することができる。すなわち、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板表面に形成された前記窒化膜と、前記窒化膜上に堆積された酸化膜と、前記酸化膜上に形成された複数の第１の転送ゲート電極と、信号電荷の転送方向に隣接する前記第１の転送ゲート電極の間に形成された第２の転送ゲート電極とを備える。そして、前記第１の転送ゲート電極に対応するゲート絶縁膜中の窒化膜と、前記第２の転送ゲート電極に対応するゲート酸化膜中の窒化膜が、同一膜厚でかつ共通の前記窒化膜で構成される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、第１の転送ゲート電極と第２の転送ゲート電極のゲート絶縁膜中の窒化膜の厚さを同一にすることができるため、電荷転送時のポテンシャル差による転送不良等を抑制することができる。また、これにより、固体撮像装置の性能や収率の低下等の問題点を解決することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る固体撮像装置の断面図である。また、図２から図４は、本発明に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、図１から図４は、電荷転送方向に沿った断面構造を模式的に示したものであり、また、転送ゲート部を拡大して示している。
【００２９】
以下、本発明に係る固体撮像装置の構造を、その製造工程とともに説明する。
【００３０】
図１、および図２（ａ）に示すように、まず、Ｐ型、あるいは、表面部にＰ型のウェル領域が形成されたＮ型のシリコンからなる半導体基板１１の表面に、膜厚が２０〜７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなる酸化膜１２を形成する。当該酸化膜１２は、例えば、９００℃の水素と酸素の混合気体雰囲気中において、シリコン基板１１を熱酸化することで成長させることができる。
【００３１】
次に、酸化膜１２を介して、半導体基板１１の表面付近に電荷転送部３２、および受光部３１をイオン注入法によりＮ型の不純物を導入することにより形成した後、酸化膜１２上に、窒化膜１３がＣＶＤ法により形成される。本実施の形態では、窒化膜１３にシリコン窒化膜を採用し、その成膜は、材料ガスにＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ4を使用した減圧ＣＶＤ法を用いて行っている。このとき、基板温度は７８０℃程度とし、膜厚は、２０〜５０ｎｍ程度としている。
【００３２】
なお、以上の工程は、必ずしも上記工程順に行う必要はなく、結果的に図２（ａ）に示す構造を得ることが可能であれば、適宜、工程順を変更することが可能である。例えば、窒化膜１３を成膜した後で、シリコン基板１１中の各種不純物領域の形成を行っても良い。
【００３３】
さて、窒化膜１３の上には、従来と同様に、酸化膜１４が形成されるが、本発明では図２（ａ）に示すように、当該酸化膜１４を堆積により成膜している。例えば、酸化膜１４は、減圧ＣＶＤ法により堆積させたＨＴＯ膜（シリコン酸化膜）を採用することができる。なお、当該ＨＴＯ膜は、例えば、成膜温度を約８００℃〜９００℃とし、４〜１０ｎｍの膜厚で形成すれば良い。なお、当該酸化膜１４の堆積方法は、減圧ＣＶＤに限るものではなく、プラズマＣＶＤ法等、任意の方法を採用することができる。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、減圧ＣＶＤ法を用いて酸化膜１４の上に導電膜１６を成膜する。導電膜１６は、ポリシリコン膜等、従来から転送ゲート電極の形成に使用されている任意の材料を使用すればよい。ここでは、導電膜１６として、リンドープのポリシリコン膜を採用している。
【００３５】
続いて、図２（ｃ）に示すように、導電膜１６上にフォトリソグラフィ法によりレジストパターン１７が形成される。この後、図３（ａ）に示すように、当該レジストパターン１７をエッチングマスクとしたＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等を利用したドライエッチングにより、導電膜１６が選択的に除去される。そして、レジストパターン１７がＯ2アッシング等により除去され、第１の転送ゲート電極１８が完成される（図３（ｂ））。なお、上記ドライエッチングでは、導電膜１６と酸化膜１４（ここでは、ＨＴＯ膜）とで、高いエッチングレートの差（選択比）を得ることが可能な、例えばＣＦ4／Ｏ2等のエッチングガスを使用すればよい。
【００３６】
このとき、本実施の形態では、エッチング領域の窒化膜１３上の酸化膜１４が４〜１０ｎｍと厚く形成されているので、導電膜１６をオーバーエッチングしても酸化膜１４がすべて除去されることはなく、第２の転送ゲート電極２２が形成される領域の窒化膜１３はエッチングされない。したがって、従来の製造方法で見られた窒化膜１３の膜減りがない構造を形成することができる。
【００３７】
次に、熱酸化法を用いて、酸素と水素との混合ガス、約９００℃の雰囲気中で全面を酸化し、第１の転送ゲート電極１８と、後に形成される第２の転送ゲート電極２２を電気的に分離する酸化膜からなる電極絶縁膜２０を形成する（図３（ｃ））。
【００３８】
この酸化工程ではエッチングで露出している酸化膜１４も酸化される。しかしながら、この領域の酸化は、主として窒化膜１３表面がきわめてわずかに酸化されるだけであって、酸化膜１４は実質的に変質を受けずに形成されたときの酸化膜として残っている。
【００３９】
以上のようにして電極絶縁膜２０が形成された後、図４（ａ）に示すように、減圧ＣＶＤ法を用いて電極絶縁膜２０上に第２の転送ゲート電極材料としてリンを含むポリシリコンからなる導電膜２１を形成する。そして、導電膜２１上に、フォトリソグラフィ法を用いて図示しないレジストパターンを形成し、当該レジストパターンをエッチングマスクとして導電膜２１を選択的にエッチング除去することで第２の転送ゲート電極２２を形成する（図４（ｂ））。以上により、固体撮像装置の転送ゲート電極構造が完成される。
【００４０】
以上の説明したように、本実施の形態によれば、窒化膜１３の熱酸化によらずＣＶＤ法で酸化膜１４を堆積するので、酸化膜１４を厚く形成することが可能となる。したがって、図３（ａ）で導電膜１６をエッチングするとき、オーバーエッチングによって完全に除去されないだけの厚さを有する酸化膜１４の形成ができる。このように、窒化膜１３が酸化膜１４によってオーバーエッチングから保護されるので、電荷転送方向に隣接する第１の転送ゲート電極１８の間に存在する窒化膜１３の膜厚は、第１の転送ゲート電極１８直下の窒化膜１３と同一の膜厚を維持できることなる。
【００４１】
このため、第１の転送ゲート電極１８と、第２の転送ゲート電極２２とに、信号電荷を転送方向に転送するための電圧が印加された場合に、転送ゲート電極１８、２２の直下の電荷転送部３２中に広がるポテンシャルを正確に制御することができる。すなわち、信号電荷の転送不良を防止することができ、固体撮像装置の製造歩留まりを著しく向上させることができる。
【００４２】
なお、本発明に係る固体撮像装置において、電荷転送の際に各転送ゲート電極への制御電圧印加方式は、ＣＣＤ素子の電荷転送において周知の２相、３相、または４相のいずれの方式を採用しても良い。ここで、２相方式の転送制御電圧を印加する場合は、第１または第２のいずれかの転送ゲート電極直下の電荷転送部３２の表面近傍に、当該電荷転送部３２の不純物濃度より小さい不純物濃度を有する図示しないＮ-層が形成される。
【００４３】
また、上記において使用したプロセスは、具体例を示したものであり本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明は、窒化膜を含む多層構造を有するゲート絶縁膜において、窒化膜直上の酸化膜がＣＶＤ法により堆積されることが特徴であり、この工程以外の工程を上述したプロセスと等価な公知のプロセスで置換した場合であっても、本発明の効果を得ることは可能である。
【００４４】
さらに、上記実施の形態では、信号電荷が電子である場合について説明したが、上記の半導体基板および半導体基板中に形成される不純物層の導電型を、全て逆導電型とすることで、信号電荷を正孔とした固体撮像装置が構成できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、固体撮像装置の性能や製造歩留まりの低下を防止できる等の効果を有し、特にＣＣＤ固体撮像装置のゲート絶縁膜を形成する方法等に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の固体撮像装置を示す断面図。
【図２】本発明の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【図３】本発明の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【図４】本発明の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【図５】従来の固体撮像装置の平面図。
【図６】従来の固体撮像装置を示す断面図。
【図７】従来の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【図８】従来の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【図９】従来の固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１１  シリコン基板
１２  酸化膜
１３  窒化膜
１４  酸化膜（ＨＴＯ膜）
１５  シリコン酸化膜
１６、２１  導電膜
１７  レジストパターン
１８  第１の転送ゲート電極
２０  電極絶縁膜
２２  第２の転送ゲート電極
２５  電極オフセット
３２  電荷転送部
【図１】
2006173312.tif 000003
【図２】
2006173312.tif 000004
【図３】
2006173312.tif 000005
【図４】
2006173312.tif 000006
【図５】
2006173312.tif 000007
【図６】
2006173312.tif 000008
【図７】
2006173312.tif 000009
【図８】
2006173312.tif 000010
【図９】
2006173312.tif 000011