(57)【要約】【課題】受光領域への集光率を向上させ高感度の半導体受光装置を提供する。【解決手段】半導体基板１に形成された受光領域４と、受光領域４で光電変換により生成される電荷を受光領域外に転送するために半導体基板１上の受光領域４周辺部に形成された電極８とを備えてなる半導体受光装置であって、電極８の周縁部の一部または全部が、半導体基板１から離間するほどに電極８の中央部に向って後退するように加工されている。また、電極８のパターン形成時に等方性エッチングと異方性エッチングの２種類のエッチングを少なくとも１回ずつ用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された受光領域と、前記受光領域で光電変換により生成される電荷を前記受光領域外に転送するために前記半導体基板上の前記受光領域周辺部に形成された電極とを備えてなる半導体受光装置であって、
前記電極の周縁部の一部または全部が、前記半導体基板から離間するほどに前記電極の中央部に向って後退するように加工されていることを特徴とする半導体受光装置。
【請求項２】
前記電極の上部周縁部が、前記半導体基板から離間するほどに前記電極の中央部に向って後退するように加工されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項３】
半導体基板に形成された受光領域と、前記受光領域で光電変換により生成される電荷を前記受光領域外に転送するために前記半導体基板上の前記受光領域周辺部に形成された電極とを備えてなる半導体受光装置の製造方法であって、
前記電極のパターン形成時に等方性エッチングと異方性エッチングの２種類のエッチングを少なくとも１回ずつ用いることを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
【請求項４】
前記電極のパターン形成時に前記等方性エッチングを行った後に前記異方性エッチングを行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体受光装置の製造方法。
【請求項５】
ＳＦ４、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８のうち少なくとも１種類のガスとＡｒ、Ｎ２、Ｏ２のうち少なくとも１種類のガスを含むラジカルにより前記電極の前記等方性エッチングを行うことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体受光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成された受光領域と、前記受光領域で光電変換により生成される電荷を前記受光領域外に転送するために前記半導体基板上の前記受光領域周辺部に形成された電極とを備えてなる半導体受光装置、及び、その製造方法に関し、特に、受光領域への集光効率の改善技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＣＤ型撮像装置やＭＯＳ型撮像装置等の半導体受光装置として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。図３に、従来の半導体受光装置の一例を断面図で示す。
【０００３】
図３に示すように、半導体受光装置は、半導体基板１（または半導体基板表面部に形成されたｐ型ウェル１）に、ｎ型垂直レジスタ２、ｐ＋型チャンネルストッパ３、ｎ型受光領域４、受光領域４の表面部に形成されたｐ＋＋型ホールアキュムレート領域５、受光領域４と垂直レジスタ２との間に存在する読み出しゲート部６を備え、半導体基板１の表面上に、ゲート絶縁膜７、多結晶シリコンからなる転送電極８、例えば多結晶シリコンを加熱酸化したＳｉＯ２からなる層間絶縁膜９、例えばアルミニウム（Ａｌ）もしくはタングステン（Ｗ）からなる遮光膜１０、遮光膜１０の各受光領域４と対応する部分をエッチング除去してなる受光窓としての開口部１１、遮光膜１０上に形成されたパシベーション膜１２、パシベーション膜１２上に形成された樹脂からなる平坦化膜１３、カラーフィルタ層１４、オンチップレンズ１５を備えて構成されている。
【０００４】
ここで、ゲート絶縁膜７として、例えばＳｉＯ２の単層膜（ＭＯＳ構造）、或いは、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）のものがある。更に、転送電極８には、第１層目の多結晶シリコン層からなるものと第２層目の多結晶シリコン層からなるものとがあるが、図３には一方の多結晶シリコン層からなる転送電極８だけを図示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１６４５２２号公報
【特許文献２】
特開２００１−７７３３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像素子等の半導体受光装置は、多画素化、小型化の要請が強く、各画素の微細化が進んでいる。従って、各画素において受光領域への集光量が減少する傾向にあり、それに伴って感度低下、スミア特性の悪化、暗電流の増加、画像欠陥の増大等の問題に直面している。そして、画素の微細化による集光量の減少はある程度やむを得ない面はあるが、感度低下の一因としては、シリコンＳｉからなる半導体基板（またはウェル）１とその上の例えばシリコン酸化物ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜７との境界で、そのシリコンＳｉとシリコン酸化物ＳｉＯ２との屈折率の違いにより受光領域４に入射しようとする光の一部が反射されることが挙げられる。
【０００７】
また、暗電流の増加及び画像欠陥の増大は、半導体基板１の表面付近でダングリングボンドが生じそのダングリングボンドに与えて安定化させる水素原子の供給が不足することに起因して生じる。また、例えばアルミニウムＡｌからなる遮光膜１０の表面がガラス系絶縁物からなるパシベーション膜１２で覆われており、遮光膜１０の表面での反射が多く、その反射により擬似信号である梨地ムラやフレアーが発生するという問題もある。
【０００８】
このような問題に対して、上記特許文献１では、開口部１１を形成した後に、シリコン窒化膜を形成することでノイズを低減できることを見出しているが、一層の微細化を進めるにはより一層の集光率の向上が要求されている。また、これら従来技術では、電極のパターン形成では微細化に適した異方性エッチング（リアクテイブイオンエッチング）が用いられており、電極の側壁部は基板表面に対し垂直に近い形状となっている。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、受光領域への集光効率を向上させ高感度の半導体受光装置を提供することにある。
【００１０】
そこで、本願発明者は、半導体受光装置の形成において、微細化による集光率の低下やそれに伴う感度の低下等の問題は、受光領域及びその周辺構造を構成する各要素の膜厚や形状を最適化することによって改善することができることに着目し、受光領域周辺部の電極の上部周縁部に対してテーパー加工や丸め加工等を行うことで集光率の向上できることを見出した。また、浮遊のゲート電極間では、これらの間に介在するゲート絶縁膜で電気的に絶縁されているがゲート電極の下端部は鋭利な形状であれば、ゲート電極の下端部では電界が集中し電極間の絶縁不良を招く原因となり、この点についても改善できることを見出した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る半導体受光装置は、半導体基板に形成された受光領域と、前記受光領域で光電変換により生成される電荷を前記受光領域外に転送するために前記半導体基板上の前記受光領域周辺部に形成された電極とを備えてなる半導体受光装置であって、前記電極の周縁部の一部または全部が、前記半導体基板から離間するほどに前記電極の中央部に向って後退するように加工されていることを特徴とする。更に、前記電極の上部周縁部が、前記半導体基板から離間するほどに前記電極の中央部に向って後退するように加工されていることが好ましい。
【００１２】
上記特徴の本発明に係る半導体受光装置によれば、受光領域周辺部に形成された電極の上部周縁部がゲート絶縁膜と接する底面部より電極の中央部に向って後退するように加工されているので、電極を被覆する層間絶縁膜と遮光膜の当該上部周縁部も同様に電極の中央部に向って後退し、受光領域の上部に設けられた開口部は上部の開口部面積が広がる構造となり、電極の上部周縁部で入射光がけられることなく、受光領域への集光効率が向上し、結果として受光感度の向上を図ることができる。
【００１３】
この目的を達成するための本発明に係る半導体受光装置の製造方法は、半導体基板に形成された受光領域と、前記受光領域で光電変換により生成される電荷を前記受光領域外に転送するために前記半導体基板上の前記受光領域周辺部に形成された電極とを備えてなる半導体受光装置の製造方法であって、前記電極のパターン形成時に等方性エッチングと異方性エッチングの２種類のエッチングを少なくとも１回ずつ用いることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る半導体受光装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記電極のパターン形成時に前記等方性エッチングを行った後に前記異方性エッチングを行うこと、更には、ＳＦ４、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８のうち少なくとも１種類のガスとＡｒ、Ｎ２、Ｏ２のうち少なくとも１種類のガスを含むラジカルにより前記電極の前記等方性エッチングを行うことを特徴とする。
【００１５】
上記特徴の本発明に係る半導体受光装置の製造方法によれば、等方性エッチングにより電極がその中央部に向って横方向にエッチングされるので、等方性エッチングされる部分の電極は上部ほど中央部に向って後退することになる。従って、等方性エッチングと異方性エッチングの２種類のエッチングを組み合わせることで、電極の側壁部の形状を自在に形成でき、受光領域周辺部に形成される電極の上部周縁部がゲート絶縁膜と接する底面部より電極の中央部に向って後退するように加工できるので、電極を被覆する層間絶縁膜と遮光膜の当該上部周縁部も同様に電極の中央部に向って後退し、受光領域の上部に設けられた開口部を、上部の開口部面積が広がる構造とすることができる。この結果、半導体受光装置の受光領域への集光効率が向上し、高感度の半導体受光装置を製造することができる。
【００１６】
特に、電極のパターン形成時に等方性エッチングを行った後に前記異方性エッチングを行うことで、電極の上部周縁部において上部ほど電極の中央部に向って後退するように加工できるので、微細な電極線幅を有効に確保しつつ上部開口部面積を広げることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体受光装置とその製造方法（以下、適宜「本発明装置」及び「本発明方法」という。）の一実施の形態につき、図１及び図２に基づいて説明する。尚、図３に例示した従来の半導体受光装置と共通する部分及び構成要素には共通の符号を付している。
【００１８】
図１に示すように、本発明装置は、ｐ型半導体基板１（または、半導体基板表面部に形成されたｐ型ウェル１、以下共通して半導体基板１と称す。）に、ｎ型垂直レジスタ２、ｐ＋型チャンネルストッパ３、ｎ型受光領域４、受光領域４の表面部に形成されたｐ＋＋型ホールアキュムレート領域５、受光領域４と垂直レジスタ２との間に存在する読み出しゲート部６を形成し、更に、半導体基板１の表面上に、ゲート絶縁膜７、多結晶シリコンからなる転送電極８、層間絶縁膜９、遮光膜１０、開口部１１、遮光膜１０上に形成されたパシベーション膜１２、パシベーション膜１２上に形成された樹脂からなる平坦化膜１３、カラーフィルタ層１４、オンチップレンズ１５を形成して構成されている。
【００１９】
ここで、ゲート絶縁膜７として、例えばＳｉＯ２の単層膜（ＭＯＳ構造）、或いは、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）からなる。ゲート絶縁膜７の膜厚は、ＳｉＯ２の単層膜（ＭＯＳ構造）の場合、例えば５０〜６０ｎｍが好適であり、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）の場合、例えばＳｉＯ２：１０ｎｍ／ＳｉＮ：４０ｎｍ／ＳｉＯ２：３０ｎｍ（上層から下層への順の各層の厚さ）が好適であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２０】
転送電極８には、第１層目の多結晶シリコン層からなるものと第２層目の多結晶シリコン層からなるものとがあるが、図１には一方の多結晶シリコン層からなる転送電極８だけを図示している。転送電極８は、図１に示すように、後述する本発明方法により肩部（上部周縁部）がテーパー状に角が取られ、全体として丸味を帯びた形状となっている。尚、転送電極８は、受光領域４に入射した光のエネルギから光電変換により生成された電荷を受光領域４外であるｎ型垂直レジスタ２に転送するため外部から制御電圧が印加される。
【００２１】
層間絶縁膜９は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素とリンの入ったシリカ・ガラス）からなる。遮光膜１０は例えばタングステンで形成され、各受光領域４と対応する部分がエッチング除去され、開口部１１が形成されている。開口部１１は受光窓として機能する。
【００２２】
このように、図１に示す本発明装置によれば、電極８、層間絶縁膜９及び遮光膜１０からなる電極部の突起形状において肩部を丸めることによって集光率が向上し、感度の向上を図ることができる。
【００２３】
また、転送電極８が複数層（例えば２層）存在する場合に、例えば、製造工程途中の浮遊状態の転送電極８間では、夫々が転送電極８間の層間絶縁膜で電気的に絶縁されているため、何らかの要因で浮遊状態の転送電極８がチャージアップされた場合に電荷を放出する経路がない。従って、転送電極８の断面形状が丸味を帯びることにより、かかる浮遊状態の転送電極８の下端部における電界集中を緩和することができ、当該電界集中による転送電極８間の絶縁不良の可能性を低減することができる。
【００２４】
次に、本発明方法について、図２を用いて説明する。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明方法の工程途中における本発明装置の要部の断面図を示す。
【００２５】
先ず、図２（Ａ）に示すように、半導体基板１にイオン注入等により転送用のレジスタ２等やチャンネルストッパ３を形成し、その後、フィールド絶縁膜（図示せず）を例えば選択酸化により形成する。引き続き、半導体基板１の表面を加熱酸化してゲート絶縁膜７を形成する。尚、ＭＯＮＯＳ構造の場合は、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層構造の絶縁膜によりゲート絶縁膜７が構成される。この場合、第２層目のＳｉＮ膜と、第３層目のＳｉＯ２膜は例えばＬＰ（減圧）−ＣＶＤ（気相化学成長）により形成する。図２（Ａ）はゲート絶縁膜７形成後の状態を示す。
【００２６】
次に、図２（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜７上に第１層目の転送電極８となる多結晶シリコン層或いはメタルシリサイド層を形成し、当該第１層目の電極層を、電極形成部分に形成したフォトレジスト２０をマスクとしてパターニングする。先ず、等方性エッチングにより当該パターニングを開始する。ここで、等方性エッチングは、例えば、使用するガスとして、ＣＦ４およびＯ２ガスを圧力４０Ｐａに保ち、夫々３００ｓｃｃｍ及び１２０ｓｃｃｍ混合し、マイクロ波によって励起し発生したラジカルを、導波管を通じてウェーハを設置したチャンバー内へ運び、図２（Ｂ）に示すウェーハをプラズマで処理する。このときウェーハステージの温度は例えば２５℃に設定する。尚、図２（Ｂ）は、等方性エッチングを終了し、引き続き異方性エッチングを開始する直前の状態を示している。
【００２７】
引き続き、図２（Ｃ）に示すように、等方性エッチング後の第１層目の電極層に対し、既知の異方性ドライエッチングにより半導体基板１の表面に対し垂直に第１層目の電極層をエッチングして転送電極８をパターニングする。しかる後、例えば、使用するガスとして、ＣＦ４およびＯ２ガスを圧力５０Ｐａに保ち、夫々３００ｓｃｃｍ及び１２０ｓｃｃｍ混合し、マイクロ波によって励起し発生したラジカルを、導波管を通じてウェーハを設置したチャンバー内へ運び図２（Ｃ）に示すウェーハをプラズマで処理することにより転送電極８を形成する。このとき、ゲート絶縁膜７は十分な膜厚に保たれるように選択比を例えば２０以上に保ち処理を行う。
【００２８】
その後、第１層目の転送電極８をマスクとして水平レジスタ（図１及び図２には図示せず）の例えばトランスファー部形成のための不純物のイオン打ち込み等を行い、しかる後、第１層目の転送電極８の表面部に対し加熱酸化等を施すことにより層間絶縁膜９を形成する。
【００２９】
次に、図２（Ｄ）に示すように、第２層目の多結晶シリコンからなる転送電極８’を形成する。このとき第１層目の転送電極８の肩部が丸味を帯びた形状であるために第１層目の転送電極８の上端部と第２層目の転送電極８’間では電界集中が緩和され両電極８，８’間の絶縁不良を低減することができる。
【００３０】
引き続き、上記第１層目と第２層目の多結晶シリコン層からなる転送電極８，８’をマスクとして不純物を打ち込むことにより、受光領域４、ホールアキュムレート領域５を形成し、その後、酸化或いはＬＰ−ＣＶＤにより第２層目の転送電極８’上に層間絶縁膜９を形成する。
【００３１】
次に、本発明装置の表面上に、例えばタングステンからなる遮光膜１０を全面的に形成する。そして、遮光膜１０上に例えばフォトレジスト膜を選択的に形成し、該フォトレジスト膜をマスクとして遮光膜１０選択的にエッチングすることにより受光領域４上に開口部１１を形成し、更に、引き続いて図示していないがゲート絶縁膜７をエッチングすることにより開口部１１下のゲート絶縁膜７や第２層目の転送電極８’形成後の酸化或いはＬＰ−ＣＶＤにより形成された酸化膜を除去し、半導体基板１の受光領域４部分の表面を露出させる。
【００３２】
以降、従来と同様の方法で、パシベーション膜１２、平坦化膜１３、カラーフィルタ層１４、及び、オンチップレンズ１５を形成して本発明装置が作製される。
【００３３】
このように、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す本発明方法によれば、転送電極８の上部周縁部（肩部）をテーパー状に加工し丸味を帯びた図１に示すような断面形状の本発明装置を作製することができる。尚、図１では、第１層目と第２層目の転送電極８，８’を簡略化して、１つの層で図示している。
【００３４】
尚、本発明装置及び本発明方法において、多結晶シリコンが１層だけの場合は、第２層目の転送電極８’形成は不要である。ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、多結晶シリコンが１層の場合が多いが、ＣＣＤ型固体撮像素子では、２層が積層された構造が多い。多結晶シリコンが２層の場合、上記実施の形態では、第１層目の転送電極８の上部周縁部（肩部）をテーパー状に加工したが、第１層目の転送電極８については、従来と同様に、側壁部が半導体基板１に対して垂直に立ち上がる異方性エッチングで行い、第２層目の転送電極８’について上部周縁部（肩部）をテーパー状に加工するようにしても構わない。また、第１層目と第２層目の両方の転送電極８，８’  について上部周縁部（肩部）をテーパー状に加工するようにしても構わない。
【００３５】
本発明装置は、上記実施形態で説明した構造、形状及び寸法等に限定されるものではない。また、本発明方法も、上記実施形態で説明した工程及び処理条件等に限定されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、受光領域に隣接する転送電極の肩部を丸めたことによって集光率が向上し、各受光領域の感度の向上を図ることができる。また、本発明によれば、転送電極が複数層存在する場合に、浮遊の転送電極間における電界集中による絶縁不良についても改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光装置の一実施の形態の構造を示す断面図
【図２】本発明に係る半導体受光装置の製造方法の一実施の形態の処理過程を説明するための工程途中における半導体受光装置の要部を示す断面図
【図３】従来の半導体受光装置の構造例を示す断面図
【符号の説明】
１    ｐ型半導体基板（またはｐ型ウェル）
２    ｎ型垂直レジスタ
３    ｐ＋型チャンネルストッパ
４    ｎ型受光領域
５    ｐ＋＋型ホールアキュムレート領域
６    読み出しゲート部
７    ゲート絶縁膜
８    転送電極（第１層目の転送電極）
８’  第２層目の転送電極
９    層間絶縁膜
１０  遮光膜
１１  開口部
１２  パシベーション膜
１３  平坦化膜
１４  カラーフィルタ層
１５  オンチップレンズ
２０  フォトレジスト
【図１】
2004311801.tif 000003
【図２】
2004311801.tif 000004
【図３】
2004311801.tif 000005