(57)【要約】【課題】金属材料膜からなる低抵抗の電荷転送電極を有し、高感度かつ高速駆動可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１に、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード２、およびフォトダイオード２において生成された信号電荷を転送する電荷転送部４を備える。半導体基板１表面にはゲート絶縁膜５が設けられる。ゲート絶縁膜５は、フォトダイオード２上を被覆する薄膜部５ｂと、当該薄膜部５ｂよりも膜厚が厚い、電荷転送部４上を被覆する厚膜部５ａとを有する。電荷転送部４上を被覆する、ゲート絶縁膜５の厚膜部５ａ上には、電荷転送部４内の信号電荷を転送する、金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａが設けられる。【選択図】図１
2011171575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード、および前記フォトダイオードにおいて生成された信号電荷を転送する電荷転送部、を備える半導体基板と、
前記半導体基板表面に設けられ、前記フォトダイオード上を被覆する薄膜部と、前記電荷転送部上を被覆する、前記薄膜部よりも膜厚が厚い厚膜部とを有する絶縁膜と、
前記電荷転送部上を被覆する前記絶縁膜の厚膜部上に形成され、前記電荷転送部内の前記信号電荷を転送する、金属材料膜からなる電荷転送電極と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記フォトダイオード上を被覆する前記絶縁膜上に、反射防止膜をさらに備える、請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷転送電極は、前記絶縁膜の前記薄膜部の端部に一致する端部を有するサイドウォールを備える、請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記反射防止膜は前記サイドウォールを被覆する、請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記反射防止膜がシリコン窒化膜を含む、請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記金属材料膜がタングステンまたはアルミニウムを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記金属材料膜が窒化チタンとアルミニウムとの積層構造を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
半導体基板に、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード、および前記フォトダイオードにおいて生成された信号電荷を転送する電荷転送部、を形成するステップと、
前記フォトダイオードおよび前記電荷転送部が形成された半導体基板上に、第１の絶縁膜を形成するステップと、
前記電荷転送部上に、前記第１の絶縁膜を介して、前記電荷転送部内の前記信号電荷を転送する電荷転送電極の平面レイアウトを有する、ダミーパターンを形成するステップと、
前記ダミーパターンが形成された半導体基板上に、前記電荷転送部の電荷転送方向に沿って隣接する前記ダミーパターン間の間隙を充填するとともに、前記ダミーパターンを被覆する、第２の絶縁膜を形成するステップと、
エッチングにより、前記ダミーパターン上および前記フォトダイオード上の第２の絶縁膜を除去するとともに、前記ダミーパターンに第２の絶縁膜からなるサイドウォールを形成し、かつ前記フォトダイオード上の前記第１の絶縁膜の膜厚を減少させるステップと、
半導体基板上に残存する前記第２の絶縁膜で囲まれたダミーパターンを除去し、金属材料膜からなる前記電荷転送電極に置換するステップと、
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記ダミーパターンを除去する前に、膜厚を減少させた前記第１の絶縁膜を通じて不純物を導入し、前記フォトダイオードの表面部に、前記信号電荷と逆導電型の電荷を蓄積する表面不純物層を形成するステップを、さらに有する請求項８記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
膜厚を減少させた前記第１の絶縁膜を通じて不純物を導入した後、前記ダミーパターンを除去する前に、フォトダイオード上を被覆する前記第１の絶縁膜上に、反射防止膜を形成するステップを、さらに有する請求項９記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ダミーパターンがシリコン系膜からなる、請求項８から１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に、単層構造の電荷転送電極を有する固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子のうちＣＣＤ（Charged Coupled Device）タイプの固体撮像素子（以下、ＣＣＤという。）は、入射光によって生成された画像信号電荷を転送する電荷転送電極を隣接して多数配列した構成を有している。こうした構成においては、信号電荷を効率よく転送するために互いに隣接する電荷転送電極の間隔を十分小さくすることが必要であり、以前はそのために電荷転送電極同士を薄い絶縁膜を介して互いに部分的に重なり合うよう２層構造に形成して配列するのが主流であった。
【０００３】
しかし近年、微細加工技術の進歩に伴い０．２μｍ以下の幅を有する溝パターン形成が可能となり、ＣＣＤにおいても複数の電荷転送電極パターンを狭い間隔で、かつ相互に重なる部分を有さない１層の電極層で形成する単層電極構造が主流となってきている。単層電極構造のＣＣＤでは、電荷転送電極間に重なり部分がないことから、電極間容量が小さいという利点を有する。また、電荷転送電極の上層に形成される遮光膜は通常接地電位など所定の電圧が印加されるが、表面凹凸がほとんどない単層電極構造では、電荷転送電極と遮光膜間の耐圧が確保し易いという利点も有する。
【０００４】
図１８は固体撮像素子（ＣＣＤ）の代表的な概略平面構成図である。固体撮像素子４０は、入射光を光電変換するフォトダイオード４２、フォトダイオード４２で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部４３が配置された撮像領域４１を備える。また、撮像領域４１に隣接して、垂直転送部４３によって転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部４４を備える。複数個のフォトダイオード４２はマトリックス状に配列され、フォトダイオード４２の各列間に垂直転送部４３が配置される。図１８には電荷転送電極を記載していないが、図面において、１本の電荷転送電極は撮像領域４１の右端領域から左端領域まで横方向に延びている。また、水平転送部４４で転送されてきた信号電荷は出力アンプ４５を介して電気信号として出力される。
【０００５】
上記撮像領域４１がチップ上で比較的大きな面積を占めるＣＣＤでは、撮像領域４１の水平方向の長さが長いために電荷転送電極の長さも長くなる。このようなＣＣＤでは、電荷転送電極のそれぞれに、電荷転送電極の一方端の撮像領域４１の外部に設けられたバスラインから位相を変えて印加する駆動パルス信号に伝播遅延が生じ、電荷転送不良となることが問題となる。この伝播遅延は、電荷転送電極がシート抵抗値数十Ω／□のシリコン系膜などからなるため、バスラインから近い垂直転送部４３に駆動パルス信号が伝わるのに要する時間と、バスラインから遠い垂直転送部４３に駆動パルス信号が伝わるのに要する時間との間に差が生じることを意味する。
【０００６】
また、近年は撮影機器による高速連写やＨＤ（高精細）動画に対応するため、ＣＣＤに一層の高速性が要求されるようになってきている。これに加えて固体撮像素子の高感度化という観点から入射光の検出に寄与しない無効領域を低減し、フォトダイオード領域を広く取るため、電荷転送電極の微細化も進められている。そのため、電荷転送電極の抵抗値はますます上昇する方向にある。また、電荷転送電極の微細化が進むと、フォトダイオードから電荷転送電極の電荷を電荷転送部へ読み出すための電圧が上昇するという問題も生じる。このような状況の進行に伴い上記伝播遅延や配線抵抗に起因する電圧降下の問題が顕著になるため、電荷転送電極の低抵抗化が重要視されている。
【０００７】
電荷転送電極を低抵抗化するためには、シート抵抗値が数Ω／□と従来のポリシリコンのようなシリコン系材料より１桁から２桁低い金属膜やそのシリサイド膜を用いることが考えられている。そのうち金属を主体とする低抵抗材料を用い、さらにその材料に起因する製造上の問題を解決した技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。
【０００８】
図２０は、特許文献１に開示されている固体撮像装置の電荷転送電極部を示す要部概略断面図である。図２０において、電荷転送電極はシリコン系膜１０１、窒化タングステン１０２およびタングステン１０３より構成されている。電荷転送電極の上面にはシリコンガラス膜１０４、シリコン窒化膜１０５、サイドウォール１０６が形成されており、これらの膜は電荷転送電極パターンをエッチング形成するときのハードマスクとなったものである。また、電極間の狭いスペースは酸化膜１０７とシリコン窒化膜１０８で埋められている。さらに、電荷転送電極の両端の下部にはシリコン系膜からなる台形パターン１００が設けられている。この固体撮像装置では、電荷転送電極にタングステンのような高融点金属を採用することによってその抵抗の低減を図っている。また、台形パターン１００を設けることによって電荷転送電極の端部のシリコン系膜１０１を持ち上げタングステン１０３がシリコン系膜１０１に囲まれるようにしている。これにより、狭い電極間隔にカバレッジよく形成できる酸化膜１０７の成長時に、タングステン１０３が高温酸化性雰囲気に直接さらされることをなくし、タングステン１０３の異常膨張およびそれによる電極間隙の破綻を防止している。
【０００９】
一方、電荷転送電極の微細化が進行すると、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）を改善することが困難になる。電荷転送電極の微細化により、フォトダイオードの占有面積が増大して光学感度が向上するが、この場合、フォトダイオードに対応して設けられる、遮光膜開口部の開口面積も大きくする必要がある。しかしながら、遮光膜の開口面積を最大化すると、電荷転送部への光の進入を確実に防止することが困難になりノイズが増大する。すなわち、Ｓ／Ｎ比を改善するためには、開口面積の最大化と、遮光領域の最大化を両立する必要があるが、電荷転送電極（電荷転送部）の微細化が進行して、位置合わせマージンの占める割合が大きくなると、このような両立は困難になる。そのため、電荷転送電極そのものを、低抵抗、かつ遮光性を有する金属材料膜により構成し、電荷転送部の遮光膜として機能させることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−６０１８９号公報
【特許文献２】特開２００７−１２６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１８に示す一般的な固体撮像素子の構成においては、電荷転送電極は、垂直転送部４３上だけでなく、フォトダイオード４２の直上を避け、互いに縦方向に隣接するフォトダイオード４２間の狭い領域上をも通す必要がある。しかしながら固体撮像素子のパターンを微細化した場合フォトダイオード４２の間隔も狭くなり、電荷転送電極のこの部分を通る幅は最近の画素セルサイズでは０．２μｍ程度にまで縮小する必要が生じてきた。
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の電荷転送電極の構造は、垂直転送部４３上のような電極のサイズが大きいままでよい部分では実現できるが、上に述べた極めて細い部分では高抵抗のシリコン系膜１０１のみからなる構造とならざるを得ず、電極の中央にタングステン１０３が形成できなくなる。したがって電荷転送電極がタングステン１０３によって部分的に低抵抗化されたとしても、電極全体としては低抵抗化の効果が非常に小さくなるという課題があった。
【００１３】
一方、固体撮像装置では、電荷転送電極と、電荷転送部が形成される半導体基板との間に配置される絶縁膜は、フォトダイオード上にも形成されている。そして、暗電流抑制のためにフォトダイオードの表面部に表面不純物層を形成する際には、当該絶縁膜を通じてイオン注入が実施される。金属材料膜からなる電荷転送電極が採用されるような微細な電荷転送電極（微細な画素セル）を備える固体撮像素子では、光学感度向上のため、各フォトダイオードの飽和量をできるだけ大きくすることも求められる。このフォトダイオード飽和量を大きくするには、各フォトダイオードにおいて深さ方向の信号電荷生成領域幅をできるだけ大きくする必要があり、この観点では、上記表面不純物層をフォトダイオードの極表面に形成することが求められる。しかしながら、上述のように、表面不純物層を形成するためのイオン注入はフォトダイオードを被覆する上記絶縁膜を通じて実施されるため、当該絶縁膜を通過できる注入エネルギーを使用する必要がある。一般に、注入エネルギーが高くなるにつれて、不純物の深さ方向の分布幅は広くなる。すなわち、注入エネルギーが高くなるにつれてフォトダイオードの深い位置にまで表面不純物層構成する逆導電型の不純物が導入され、各フォトダイオード飽和量が低下することになる。
【００１４】
また、フォトダイオードを被覆する上記絶縁膜上には、フォトダイオードの光学感度を向上させる目的で反射防止膜が設けられる。このような反射防止膜の反射防止効果は、反射防止膜の屈折率と膜厚、および下層膜である上記絶縁膜の屈折率と膜厚、並びに反射防止効果を得るターゲットの波長に基づいて定まる。そのため、下層膜の膜厚が固定であると、反射防止膜の設計自由度は低くなり、最適な反射防止効果が得られない状況も発生し得る。
【００１５】
特許文献２が開示する技術であっても、この種の光学感度の低下を避けることはできない。
【００１６】
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、金属材料膜からなる低抵抗の電荷転送電極を有し、微細化に際しても、高感度かつ高速駆動可能な固体撮像素子およびそ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】
【００１７】
前記の目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用する。本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板に、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード、および当該フォトダイオードにおいて生成された信号電荷を転送する電荷転送部を備える。当該半導体基板表面には絶縁膜が設けられる。当該絶縁膜は、フォトダイオード上を被覆する薄膜部と、当該薄膜部よりも膜厚が厚い、電荷転送部上を被覆する厚膜部とを有する。電荷転送部上を被覆する、絶縁膜の厚膜部上には、電荷転送部内の信号電荷を転送する、金属材料膜からなる電荷転送電極が設けられる。
【００１８】
この固体撮像素子では、厚膜部上に金属材料膜からなる電荷転送電極が配置されるため、所望の閾値制御を行うことができる。また、フォトダイオード上に薄膜部が配置されるため、フォトダイオード表面部の表面不純物層をシャロードーピングにより形成可能である。したがって、電荷転送電極の微細化が進行した場合であっても、光学感度の低下を抑制することができる。
【００１９】
上記固体撮像素子において、フォトダイオード上を被覆する上記絶縁膜上に、反射防止膜をさらに備えることができる。これにより、薄膜部と反射防止膜との組み合わせにより、良好な反射防止効果を得ることができ、電荷転送電極の微細化が進行した場合であっても、光学感度の低下を抑制することができる。また、白キズの発生を防止することもできる。
【００２０】
また、上記電荷転送電極は、絶縁膜の薄膜部の端部に一致する端部を有するサイドウォールを備えてもよい。この場合、反射防止膜は当該サイドウォールを被覆することが好ましい。反射防止膜は、例えば、シリコン窒化膜を含むことができる。
【００２１】
さらに、遮光性の観点では、金属材料膜がタングステンまたはアルミニウムを含む、あるいは、窒化チタンとアルミニウムとの積層構造を含むことができる。
【００２２】
一方、他の観点では、本発明は、固体撮像素子の製造方法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素子の製造方法では、まず、半導体基板に、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード、および当該フォトダイオードにおいて生成された信号電荷を転送する電荷転送部が形成される。次いで、フォトダイオードおよび電荷転送部が形成された半導体基板上に、第１の絶縁膜が形成される。続いて、電荷転送部上に、第１の絶縁膜を介してダミーパターンが形成される。当該ダミーパターンは、電荷転送部内の信号電荷を転送する電荷転送電極と同一の平面レイアウトを有する。ダミーパターンが形成された半導体基板上には、第２の絶縁膜が形成される。当該代２の絶縁膜は、電荷転送部の電荷転送方向に沿って隣接するダミーパターン間の間隙を充填するとともに、ダミーパターンを被覆する。続いて、エッチングにより、ダミーパターン上およびフォトダイオード上の第２の絶縁膜が除去されるとともに、ダミーパターンに第２の絶縁膜からなるサイドウォールが形成される。同時に、フォトダイオード上の第１の絶縁膜の膜厚が減少される。そして、半導体基板上に残存する第２の絶縁膜で囲まれたダミーパターンが除去され、金属材料膜からなる電荷転送電極に置換される。
【００２３】
この固体撮像素子の製造方法では、電荷転送部を被覆し、かつ上面に電荷転送電極が形成される厚膜部と、フォトダイオードを被覆する薄膜部とを備える絶縁膜を特別な工程を追加することなく、形成することができる。また、当該厚膜部と薄膜部とを有する絶縁膜を採用することにより、上述のように、電荷転送電極の微細化が進行した場合であっても、光学感度の低下を抑制することができる。
【００２４】
上記固体撮像素子の製造方法において、ダミーパターンを除去する前に、膜厚を減少させた第１の絶縁膜を通じて不純物を導入し、フォトダイオードの表面部に、信号電荷と逆導電型の電荷を蓄積する表面不純物層を形成することが好ましい。また、膜厚を減少させた第１の絶縁膜を通じて不純物を導入した後、ダミーパターンを除去する前に、フォトダイオード上を被覆する第１の絶縁膜上に、反射防止膜を形成することが好ましい。
【００２５】
なお、ダミーパターンはシリコン系膜により構成することができる。この場合、固体撮像素子内のダミーパターンを部分的に置換することで、シリコン系膜からなる配線や電極を形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、今後の更なる微細化に際しても、金属材料膜からなる低抵抗な電荷転送電極を有し、高感度かつ高速駆動可能な固体撮像素子を安定して形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態における固体撮像素子を示す概略構成を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図３】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図４】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図５】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図６】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図７】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図８】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図９】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１０】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１１】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１２】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１３】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１４】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１５】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１６】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１７】本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図
【図１８】固体撮像素子の概略平面構成図
【図１９】固体撮像素子の画素セルアレイの一部を示す平面レイアウト図
【図２０】固体撮像素子の従来の電荷転送電極構造例を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態では、既に説明した図１８に示す構成を有する固体撮像素子の事例について説明する。
【００２９】
まず、以下で説明する、固体撮像素子の画素セルレイアウトについて説明する。図１９は、この固体撮像素子の撮像領域４１に形成された画素セルアレイの一部を示す平面パターンレイアウト図である。図１９において、４本の電荷転送電極１４ａが横方向に延び、電荷転送電極１４ａで囲まれた中央部の方形領域には、図示していないがフォトダイオードが形成されている。また、電荷転送電極１４ａの幅が広い領域の下には垂直転送部４３が縦方向に延びるように設けられている。なお、図１９では、上記のフォトダイオードと共に画素セルアレイの領域上に形成される、各種の層間絶縁膜や平坦化膜、層間レンズ、カラーフィルタ、オンチップレンズ等の記載を省略している。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態における固体撮像素子の概略構成を示す断面図である。図１は、図１９に示すＸ−Ｘ線に沿う断面であり、１画素部分の断面構造を示している。
【００３１】
図１に示すように、固体撮像素子は、シリコン単結晶基板からなる半導体基板１に形成される。半導体基板１の表面部には、入射光に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード２および垂直転送部（電荷転送部）４が設けられる。フォトダイオード２および垂直転送部４上には、シリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜５が設けられる。当該ゲート絶縁膜５は、少なくとも画素セルアレイ領域において、膜厚が厚い厚膜部５ａと、厚膜部５ａよりも膜厚が薄い薄膜部５ｂとを備える。ゲート絶縁膜５の薄膜部５ｂは、フォトダイオード２上に配置される。また、ゲート絶縁膜５の厚膜部５ａは、垂直転送部４上に配置され、当該厚膜部５ａ上に、金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａが配置される。
【００３２】
各電荷転送電極１４ａには、シリコン酸化膜等からなるサイドウォール９ａが設けられており、当該サイドウォール９ａの端部と、薄膜部５ｂの端部とが一致している。また、フォトダイオード２上およびサイドウォール９ａ上にわたって、シリコン窒化膜等からなる反射防止膜１０が設けられており、当該反射防止膜１０上には、各電荷転送電極１４ａ間のフォトダイオード２上の間隙を埋め込む、シリコン酸化膜等からなる平坦化膜１１が設けられる。なお、電荷転送電極１４ａの上面において、反射防止膜１０は開口されており、各電荷転送電極１４ａ上に反射防止膜１０は存在しない。
【００３３】
当該構造の上方には、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜１６を介してプラズマＣＶＤ法により堆積されたシリコン窒化膜（Ｐ−ＳｉＮ膜）からなる層内レンズ１７が個々のフォトダイオード２に対応して配置される。当該層内レンズ１７上には、透明樹脂等からなるフィルタ下平坦化膜１８を介して、カラーフィルタ１９およびマイクロレンズ２０が個々のフォトダイオード２に対応して配置される。なお、カラーフィルタ１９は、例えば、赤色光を透過する赤色フィルタ、緑色光を透過する緑色フィルタ、青色光を透過する青色フィルタから選択された１色のフィルタが、固体撮像素子全体として所定の平面配置となるように配置されるが、図１では各色フィルタを区別していない。
【００３４】
この固体撮像装置は、ゲート絶縁膜５が、垂直転送部４上に配置される厚膜部５ａと、フォトダイオード２上に配置される薄膜部５ｂとを備える。すなわち、厚膜部５ａ上に金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａが配置されるため、所望の閾値制御を行うことができる。また、フォトダイオード２上に薄膜部５ｂが配置されるため、表面不純物層２１をシャロードーピングにより形成可能である。また、反射防止膜１０との組み合わせにより、良好な反射防止効果を得ることができる。言い換えれば、従来、最適な反射防止効果を得るためにゲート絶縁膜厚を調整することは種々の弊害（ポテンシャルや閾値電圧の変動、電界分布等）が発生するため困難であったが、本構成ではこのような弊害を生じることがなく、設計自由度を高めることができる。そして、以上の結果、電荷転送電極１４ａの微細化が進行した場合であっても、光学感度の低下を抑制することができる。
【００３５】
加えて、電荷転送電極１４ａは低抵抗な金属材料膜からなるため、電荷転送電極１４ａの薄膜化も可能となる。その結果、電荷転送電極１４ａの微細化が進行した場合であっても、電極間容量を低減することができ、高速駆動が可能となる。また、電荷転送電極が遮光膜を兼ねているため、遮光膜の開口面積を大きくすることと、垂直転送路４の幅を大きくすることとの両立が可能であり、Ｓ／Ｎ比の改善、すなわち、高感度化を図ることもできる。
【００３６】
また、この固体撮像素子では、電荷転送電極１４ａは、互いに隣接する電荷転送電極間で重なりがない単層電極構造であり、遮光膜としても機能する。そのため、電荷転送電極を被覆する状態で形成する従来の遮光膜が不要である。したがって、遮光膜が電荷転送電極の側壁に高くそびえ立つことがない。例えば、遮光膜が電荷転送電極の側壁に高くそびえ立つ構成では、光をフォトダイオードへ導くために、層間レンズ１７等により入射光の経路を急峻に曲げる必要がある。しかしながら、このような構成では、画素セルサイズが小さくなるにつれて、層間レンズ１７等の焦点位置がフォトダイオードの手前（上方）となり、フォトダイオードに焦点を合わせることが不可能になる。すなわち、このような構成において、フォトダイオードに焦点を合わせると、入射光が電荷転送電極の側壁に高くそびえ立つ遮光膜に疎外され、光学感度が低下することになる。本実施形態の構成によれば、この種の光学感度の低下を抑制することができる。また、電荷転送電極１４ａが遮光膜を兼ねているため、別途遮光膜を形成する場合に比べて電荷転送電極１４ａの幅をフォトダイオード２の占有面積を犠牲にすることなく大きくできる。その結果、フォトダイオード２から垂直転送部４へ信号電荷を読み出す際の読出し電圧を低減することもできる。さらに、電荷転送電極１４ａが遮光膜を兼ねているため、別途遮光膜を形成する構成において存在していた、電荷転送電極と遮光膜との間の寄生容量をなくすことができる。その結果、更なる高速駆動が可能になる。
【００３７】
また、フォトダイオード２は、反射防止膜１０として機能するシリコン窒化膜で被覆されているので、金属材料膜による汚染の影響がなく、金属汚染に起因する白キズの発生をも回避できる。
【００３８】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子では、今後の更なる微細化に際しても、すなわち、電荷転送電極１４ａの更なる微細化に際しても、感度低下を招くことなく、低読出し電圧、高感度、かつ高速駆動を安定して実現することができる。
【００３９】
続いて、上述の構造を有する固体撮像素子の製造に好適な固体撮像素子の製造方法について説明する。図２〜図１７は、本発明の一実施形態における固体撮像素子の製造過程を示す断面図である。各図では、左側に図１９のＸ−Ｘ線に沿う断面（以下、Ａ部という。）、中央に図１９のＹ−Ｙ線に沿う断面（以下、Ｂ部という。）、右側に固体撮像素子の周辺回路に形成される、シリコン系膜の配線を有する素子（抵抗やヒューズ等）の断面（以下、Ｃ部という。）を同時に示している。ここでは、Ｃ部として、シリコン系膜の配線からなる抵抗体を例示する。
【００４０】
まず、図２に示すように、イオン注入など既知の方法に従って、例えばＰ型の半導体基板（シリコン基板）１に、入射光を光電変換するためのＮ型フォトダイオード２、個々の画素セルを電気的に分離するためのＰ型分離領域３、フォトダイオード２で生成された信号電荷を垂直方向に転送するためのＮ型垂直転送部４が形成される。
【００４１】
その後、半導体基板１の表面に膜厚４０ｎｍ程度のゲート絶縁膜（第１の絶縁膜）５が形成され、当該ゲート絶縁膜５上に、リン等の不純物を含有するポリシリコン膜あるいはアモルファスシリコン膜等のシリコン系膜６が形成される。そして、当該シリコン系膜６上にシリコン酸化膜７が形成される。ここでは、当該シリコン系膜６は、電荷転送電極１４ａを形成するためのダミーパターンおよび周辺回路の配線を構成する材料であり、シリコン酸化膜７は、後述の製造過程、特に、エッチバック工程等において、所望部分のシリコン系膜６の露出（膜減り）を防止する機能を有する。本実施形態では、シリコン系膜６の膜厚は１５０ｎｍ程度であり、シリコン酸化膜７の膜厚は、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。シリコン系膜６およびシリコン酸化膜７は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて形成することができる。
【００４２】
次に、図３に示すようにシリコン酸化膜７上に公知のリソグラフィ技術を用いて、レジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとしてシリコン酸化膜７およびシリコン系膜６を異方性ドライエッチングにより除去する。その後、レジストパターンが除去される。これにより、固体撮像素子の画素セルアレイには、電荷転送電極１４ａと同一の平面レイアウトを有するダミーパターン６ａが形成され、周辺回路形成領域（Ｃ部）には、抵抗体６ｂが形成される。なお、ダミーパターン６ａおよび抵抗体６ｂ上には、シリコン酸化膜７ａ、７ｂがそれぞれ残留している。なお、本実施形態ではダミーパターン６ａおよび抵抗体６ｂを形成するためにレジストパターンを用いた。しかしながら、特許文献１に記載されているように、まず、シリコン系膜６上のシリコン酸化膜７にパターンを形成し、当該パターンの周囲にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜からなるサイドウォールを付加してパターン寸法を拡大し、当該拡大されたパターンをハードマスクとしてシリコン系膜６をエッチングしてもよい。このようにすると、Ｂ部においてダミーパターン６ａ間の間隙８を非常に狭く形成することができる。要するに、ダミーパターン６ａおよび抵抗体６ｂ上にシリコン酸化膜が残存する構成であればよい。なお、周辺回路形成領域（Ｃ部）では、上記抵抗体６ｂが形成されると同時に、ＭＯＳ型トランジスタのゲート電極もシリコン系膜６により形成される。
【００４３】
この後、電荷転送電極６の狭い間隙に位置するシリコン基板１の領域（Ｂ部）での、固体撮像素子の動作時における電荷転送ポテンシャルを調整するため、この領域にイオン注入などにより不純物が導入される。また、周辺回路部では、シリコン基板１への不純物導入により、ＭＯＳ型トランジスタの低濃度および高濃度ソース／ドレイン等の不純物領域（図示せず）が形成される。
【００４４】
次いで、図４に示すように、半導体基板１上に、垂直転送部４の電荷転送方向に沿って隣接するダミーパターン６ａ間の間隙８を充填するとともに、ダミーパターン６ａおよび抵抗体６ｂを被覆する絶縁膜（第２の絶縁膜）９が形成される。間隙８の間隔は、図１９に示す距離ｓに対応し、例えばｓ＝０．１μｍ〜０．３μｍである。
【００４５】
図４に示すように、絶縁膜９は、Ｂ部断面において間隙８が埋め込まれ、かつＡ部断面においてダミーパターン６ａの形状に応じた凹部ができるような膜厚で形成される。ここでは、絶縁膜９としてシリコン酸化膜を堆積している。当該シリコン酸化膜は、前記間隙８を埋め込むことができるレベルの良好な段差被覆性が生じるように８５０℃を超える高温のＬＰ−ＣＶＤ（Low Pressure-CVD）法を用いて堆積することが望ましい。
【００４６】
この後、図５に示すように、エッチバック法を用いて、絶縁膜９に対して全面異方性エッチングが行われ、Ａ部断面においてはゲート絶縁膜５上に形成された部分、Ｂ部断面においてはシリコン酸化膜７上に形成された部分が除去される。これによりＢ部の間隙８には絶縁膜９が埋め込まれ（以下、電極間絶縁膜９ｂという。）、同時にＡ部のダミーパターン６ａの側面にシリコン酸化膜からなるサイドウォール９ａが形成される。本実施形態では、当該エッチバック工程において、フォトダイオード２ａ上を被覆するゲート絶縁膜５を積極的にエッチングし、所望膜厚となる薄膜部５ｂを形成する。ここで、所望膜厚とは、後述のフォトダイオード２の表面部に、信号電荷と逆導電型の電荷（ここでは、正孔）を蓄積する表面不純物層を形成するためのイオン注入において、シャロードーピングが可能となり、かつ反射防止膜１０を積層した場合に適切な反射防止機能を実現できる膜厚である。薄膜部５ｂの膜厚は、好ましくは、５ｎｍ〜３５ｎｍであり、ここでは、２０ｎｍとしている。薄膜部５ｂの膜厚が３５ｎｍを超えると、フォトダイオード飽和量を大きくする効果が低下するからである。また、当該エッチングの際に使用するエッチング装置やエッチング条件、ウエットエッチングとの併用、表面不純物積層の不純物プロファイル、後続の熱処理等にも依存することになるが、膜厚が５ｎｍ未満になると、エッチングダメージによりフォトダイオードの暗電流増大が懸念されるからである。さらに、当該薄膜部５ｂの形成は、窒化膜の膜ストレスを緩和する作用も奏することができる。この観点で、薄膜部５ｂの膜厚を設定することもできる。なお、画素セルアレイ領域において、当該工程でゲート絶縁膜５の薄化により形成された薄膜部５ｂを除く部分、すなわち、ダミーパターン６ａおよびサイドウォール９ａの下層であるゲート絶縁膜５部分が厚膜部５ａになる。
【００４７】
この後、イオン注入を用いてフォトダイオード２の表面部にＰ型不純物を導入することにより、Ｐ型正電荷蓄積層（表面不純物層）２１が形成される（図６参照）。本実施形態では、図１に示すように、金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａが垂直転送部４上に配置されるが、先の工程において、フォトダイオード２上のゲート絶縁膜５に薄膜部５ｂが形成されている。そのため、厚いゲート絶縁膜を通じたイオン注入を実現するために注入エネルギーを高める必要がなく、シャロードーピングが可能である。したがって、フォトダイオード２の極表面部にＰ型不純物を導入することができる。したがって、仮に、ゲート絶縁膜の膜厚を比較的厚くしなければならない状況であっても、フォトダイオード飽和量の低下を防止できる。
【００４８】
当該不純物導入の後、電気炉を用い、８５０℃を越え９００℃以下の温度、１０分〜６０分の時間範囲で注入不純物の活性化熱処理を行う。この熱処理によって今までにイオン注入で形成したフォトダイオード２、垂直転送部４などの不純物層中の注入不純物、周辺回路部における注入不純物も同時に活性化される。不純物活性化熱処理には１０００℃で１０秒〜６０秒程度の短時間熱処理（ＲＴＡ）を用いてもよい。
【００４９】
続いて、図６に示すように、半導体基板１上の全面に反射防止膜１０が形成される。ここでは、反射防止膜１０として、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで形成する。周知のように、反射防止膜１０は、フォトダイオード２へ入射する入射光の、半導体基板１表面における反射を防止する作用を有し、本実施形態では、ゲート絶縁膜５であるシリコン酸化膜の薄膜部５ｂの膜厚と、反射防止膜１０であるシリコン窒化膜の膜厚を所定厚で積層することで当該機能を創出する。本実施形態では、図１に示すように、金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａが垂直転送部４上に配置されるが、先の工程において、フォトダイオード２上のゲート絶縁膜５に薄膜部５ｂが形成されているため、ゲート絶縁膜５の当初期膜厚（厚膜部５ａの膜厚）に起因して反射防止効果が損なわれることがない。
【００５０】
この後、図７に示すように、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）等のシリコン酸化膜からなる平坦化膜１１を半導体基板１全面に堆積してリフロー処理を行うことにより、半導体基板１上の凹部（フォトダイオード２上に存在する、隣接するダミーパターン６ａ間の凹部や周辺回路部の凹部等）を充填する。なお、本実施形態では、平坦化膜１１を堆積する時点で、半導体基板１上の凹凸は、ダミーパターン６ａ、抵抗体６ｂを含む、シリコン系膜６とシリコン酸化膜７の積層膜からなるパターンに起因して構成される（図６等参照）。そして、本実施形態では、シリコン系膜６とシリコン酸化膜７の積層膜からなるパターンには、サイドウォール９ａが形成されている。すなわち、平坦化膜１１を堆積する時点で、半導体基板１上の凸部は、凸部上面から下面に向かって幅が増大する順テーパ形状になっている。その結果、当該工程において、凹部に、極めて良好に平坦化膜１１を充填することができる。
【００５１】
当該平坦化膜１１上には、図８に示すように、レジスト膜１２が形成される。当該状態でエッチバック法を用いて、レジスト膜１２および平坦化膜１１に対して全面異方性エッチングが行われ、図９に示すように、半導体基板１上の平坦化が達成される。すなわち、Ａ部断面においてはゲート絶縁膜５上に形成された部分、Ｂ部断面においてはシリコン酸化膜７上に形成された部分が除去される。その結果、シリコン酸化膜７（７ａ、７ｂ）上（ダミーパターン６ａおよび抵抗体６ｂ上）に堆積された反射防止膜１０が最表面に露出する。
【００５２】
なお、ここでは、エッチバック法を用いた手法を説明したが、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、レジスト膜１２および平坦化膜１１を研磨しても、同様の構造を得ることができる。また、平坦化膜１１の材質は、ＢＰＳＧに限定されず、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜、あるいはシリコン窒化膜を採用することもできる。また、これらの平坦化膜１１を形成方法も、上述の凹部の埋め込みを実現可能であれば、常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等、任意の成膜方法を採用することができる。
【００５３】
続いて、図１０に示すように、配線、電極の材料として、シリコン系膜６を採用する領域（例えば、Ｃ部）にマスクが形成される。ここでは、マスクとして、フォトレジスト膜からなるレジストパターン１３をリソグラフィ技術により形成している。
【００５４】
レジストパターン１３を形成した後、レジストパターン１３により被覆されていない領域の表面に露出している反射防止膜１０（ここでは、シリコン窒化膜）が、全面ドライエッチング等により除去される。これにより、図１１に示すように、ダミーパターン６ａ上のシリコン酸化膜７ａが最表面に露出する。このとき、Ｂ部ではダミーパターン６ａ間がシリコン酸化膜からなる電極間絶縁膜９ｂで埋め込まれているため、これがエッチングされることは回避される。
【００５５】
なお、上述したように、図５を用いて説明したシリコン酸化膜９のエッチバック工程、および当該工程での、反射防止膜１０のエッチバックはシリコン酸化膜７が露出した時点で停止することになるが、シリコン酸化膜７は最初からこれらのエッチングによってダミーパターン６ａ（および抵抗体６ｂ）が露出することのない膜厚に設定される。
【００５６】
その後、以上のようにして露出したシリコン酸化膜７ａがエッチング除去される。その結果、図１２に示すように、ダミーパターン６ａの上面が最表面に露出する。
【００５７】
続いて、露出したダミーパターン６ａがエッチング除去される。下層の垂直転送部４における暗電流の増大を防止するため、シリコン系膜からなるダミーパターン６ａのエッチングには、エッチングダメージの少ない手法を採用することが好ましい。例えば、ケミカルドライエッチング法やウエットエッチング法を使用することによりダメージレスで、ダミーパターン６ａを除去することができる。
【００５８】
当該エッチングの後、図１３に示すように、レジストパターン１３が除去される。当該レジスト除去に伴う、希フッ酸等を使用した洗浄の際、ダミーパターン６ａが除去された部分に露出するゲート酸化膜５（厚膜部５ａの一部）がわずかにエッチングされる。しかしながら、当該エッチング量は１〜２ｎｍ程度であり、厚膜部５ａの当該部分（電荷転送電極１４ａ直下）の膜厚が、上述の薄膜部５ｂの膜厚に比べて厚い状況に変わりはない。なお、ゲート酸化膜５の当初膜厚は、当該膜厚減少分を考慮して設定することが好ましい。
【００５９】
次いで、図１４に示すように、タングステンやアルミニウム等の金属材料膜１４が全面に堆積される。なお、金属材料膜１４は単体膜に限らず、例えば、窒化チタン（下層）等の高融点金属化合物とアルミニウム（上層）との積層膜等の多層膜を使用してもよい。以上例示した金属材料膜は、遮光性の観点で、特に好ましい材料であるが他の金属材料を使用してもよい。このような、金属材料種、積層構造は、金属材料膜の比抵抗、耐熱温度、電荷転送電極の配線幅等に基づいて決定することができる。
【００６０】
当該金属材料膜１４上には、図１５に示すように、レジスト膜１５が形成され、エッチバック法を用いて、レジスト膜１５および金属材料膜１４に対して全面異方性エッチング（あるいは、ＣＭＰ法を用いた全面研磨）が行われ、半導体基板１上の平坦化が達成される。その結果、ダミーパターン６ａが存在していた箇所に金属材料膜１４からなる電荷転送電極１４ａが形成される。なお、以上の工程により形成される電荷転送電極１４ａの膜厚は、１５０ｎｍ程度になる。
【００６１】
以上のようにして、ダミーパターン６ａから、金属材料膜１４からなる電荷転送電極１４ａへの置換が完了すると、図１７に示すように、全面に、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜１６が堆積される。
【００６２】
なお、本実施形態では、電荷転送電極１４ａが垂直転送部４への光の進入を防止する遮光膜として機能するため、上層に遮光膜を形成する必要はない。しかしながら、撮像領域の外縁領域に設けられる光学的黒画素（オプティカルブラック）領域等、遮光をより強化する領域には、層間絶縁膜１６上に、タングステンやアルミニウム等からなる遮光膜を形成することができる。これにより、良好な光学的黒画素を実現できるとともに、電荷転送電極と遮光膜との間の容量を低減でき、高速駆動が可能となる。
【００６３】
以降、Ａｌを主成分とする各種配線、パッシベーション膜などを形成した後、Ｐ−ＳｉＮ膜からなる層内レンズ１７、カラーフィルタ１９およびマイクロレンズ２０が個々のフォトダイオード２に対応して形成される。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の固体撮像素子の製造方法では、図５に示す工程において、金属材料膜からなる電荷転送電極１４ａ形成のために、当初、半導体基板１の全面に形成したゲート絶縁膜５を、ダミーパターン６ａおよびサイドウォール９ａをマスクとして膜厚を減少させ薄膜部５ｂを形成する。すなわち、特別な工程を追加することなく、厚膜部５ａと薄膜部５ｂとを有するゲート絶縁膜５を形成することができる。また、当該厚膜部５ａと薄膜部５ｂとを有するゲート絶縁膜５を採用することにより、上述のように、電荷転送電極１４ａの微細化が進行した場合であっても、光学感度の低下を抑制することができる。
【００６５】
また、本実施形態の製造方法によれば、良質な電極間絶縁膜９ｂを形成でき、電荷転送電極間耐圧を確保できる。すなわち、画素セルのパターンレイアウトを示す図１９において、電荷転送電極１４ａの周期的配列ピッチｐが１．２μｍ程度となるスケールの固体撮像素子を考えた場合、隣接するフォトダイオード間の領域上を通る電荷転送電極１４ａの最小幅ｗは０．１μｍ〜０．３μｍにまで減少されることになるが、本発明によればこのような部分にも電荷転送電極１４ａを良好に形成可能である。
【００６６】
また、図１４に示す工程において、金属材料膜１４形成時にフォトダイオード２は、反射防止膜１０として機能するシリコン窒化膜で被覆されている。すなわち、金属材料膜１４による汚染の影響がなく、金属汚染に起因する白キズの発生を回避できる。したがって、特別な白キズ対策、そのための熱処理条件や熱処理工程の変更が不要となる。また、上述の製造方法では、金属材料膜１４の形成後に８００℃を超えるような高温プロセスを実施する必要がないため、プロセスも容易である。
【００６７】
さらに、上述の固体撮像素子の製造方法によれば、電荷転送電極１４ａ直下のゲート絶縁膜に段差が生じることがなく、同じ膜厚になるため、ポケットやバリアの形成による、電極間でポテンシャルが変わったりすることがないため、良好な転送が可能となる。
【００６８】
以上のように、本発明によれば、今後の更なる微細化に際しても、すなわち、電荷転送電極１４の更なる微細化に際しても、感度低下を招くことなく、低読出し電圧、高感度、かつ高速駆動の固体撮像素子を安定して実現することができる。
【００６９】
なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態において例示した成膜等の各プロセスは、同一の構造を実現できる等価なプロセスに置換可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように本発明は、金属材料膜からなる低抵抗な電荷転送電極を有し、高感度かつ高速駆動可能な、微細な固体撮像素子を安定して形成でき、固体撮像素子およびその製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１  半導体基板（シリコン基板）
２  フォトダイオード
４  電荷転送部（垂直転送部）
５  第１の絶縁膜（ゲート絶縁膜）
５ａ  厚膜部
５ｂ  薄膜部
６  シリコン系膜
６ａ  ダミーパターン
７  シリコン酸化膜
８  間隙
９  第２の絶縁膜（シリコン酸化膜）
９ａ  サイドウォール
１０  反射防止膜（シリコン窒化膜）
１１  平坦化膜（シリコン酸化膜）
１２  レジスト膜
１３  レジストパターン
１４  金属材料膜
１４ａ  電荷転送電極
１５  レジスト膜
１６  層間絶縁膜
２１  （電荷蓄積層）表面不純物層
４０  固体撮像素子
４１  撮像領域
４２  フォトダイオード
４３  垂直転送部（転送領域）
４４  水平転送部（転送領域）
【図１】
2011171575.tif 000003
【図２】
2011171575.tif 000004
【図３】
2011171575.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011171575.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011171575.tif 000009
【図８】
2011171575.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2011171575.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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