(57)【要約】【課題】  暗時電流を十分に低減可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】Ｓｉ半導体基板の表面にフォトダイオード、このフォトダイオードに蓄積された電荷を読み出しあるいは転送するためのゲート電極層、ＳｉＯ２からなる第１の層間絶縁膜、第１のメタル配線層、ＳｉＯ２からなる第２の層間絶縁膜、第２のメタル配線層、水素を含有するＵＳＧ膜と、水素を含有するパッシベーション膜と順次積層して形成される。また、この固体撮像装置を４００℃以上で熱処理することにより、ＵＳＧ膜およびパッシベーション膜中の水素原子を放出させ、Ｓｉ半導体基板表面の未不結合手と結合することにより、暗時電流を低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードと、このフォトダイオードに蓄積された電荷を読み出しあるいは転送するために前記半導体基板の表面にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極層と、これらのフォトダイオードおよびゲート電極層が形成された前記半導体基板の表面に積層された第１の層間絶縁膜と、この第１の層間絶縁膜の表面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に形成され、表面にバリアメタル層が形成された第１のメタル配線層と、この第１のメタル配線層の上面に積層された第２の層間絶縁膜と、この第２の層間絶縁膜の上面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に積層形成された第２のメタル配線層と、この第２のメタル配線層の上面に積層形成された水素を含有するＵＳＧ膜と、このＵＳＧ膜の上に積層形成されたパッシベーション膜と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記パッシベーション膜はＳｉＮからなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記パッシベーション膜の表面に積層された透明なレジスト層と、このレジスト層の表面上で、前記フォトダイオードの上方位置に配置されたカラーフィルタとをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
半導体基板の表面にフォトダイオードを形成する工程と、このフォトダイオードに蓄積された電荷を読み出しあるいは転送するために前記半導体基板の表面にゲート酸化膜を介してゲート電極層を形成する工程と、これらのフォトダイオードおよびゲート電極層が形成された前記半導体基板の表面に、第１の層間絶縁膜を積層する工程と、この第１の層間絶縁膜の表面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に、表面にバリアメタル層が形成された第１のメタル配線層を形成する工程と、この第１のメタル配線層の上面に、第２の層間絶縁膜を積層する工程と、この第２の層間絶縁膜の上面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に第２のメタル配線層を積層形成する工程と、この第２のメタル配線層の上面に水素を含有するＵＳＧ膜を積層形成する工程と、このＵＳＧ膜の上に水素を含有するパッシベーション膜を積層形成する工程と、これらの工程により各層が形成された前記半導体基板を４００℃以上の温度で熱処理する工程と、を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理は、４００℃乃至６００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項４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、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、暗時電流を低減可能な固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤあるいはＣ−ＭＯＳセンサを用いる固体撮像装置においては、アモルファスＳｉのように、原子配列に周期性を持たず、ＳｉＯ２／Ｓｉ構造の界面に原子結合に与からない未不結合手（Dangling bond）が多数存在する半導体デバイス構造が用いられる。このような未不結合手が存在する場合、固体撮像装置の製造工程において、界面準位を持つことで暗電流の原因となっていた。
【０００３】
このため従来、未不結合手に対し、半導体装置製造の最終工程段階において、全体としての水素量が１．０Ｅ２１以上を用いたＳｉＮ（Silicon Nitride）を成膜し、４００℃以上で熱処理を行うことにより、水素をＳｉ基板中に放出拡散させ、未不結合手に対し、水素原子と結合することにより、他の原子、例えば、半導体特性を付与するために添加する不純物、をトラップする機能を低減する技術が採用されていた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
最近における固体撮像装置を構成するセルの微細化の進展に伴い、メタル配線の微細加工も必要となり、Ｔｉ／ＴｉＮ等のバリアメタル（Barrier Metal）配線構造が広く用いられるようになった。このようなバリアメタル配線構造を採用した固体撮像装置においては、前述した固体撮像装置製造の最終工程段階において、熱処理により水素を放出させようとすると、バリアメタル配線による水素原子のブロック現象が発生し、Ｓｉ基板中の未不結合手に対して、十分な量の水素原子が供給されず、暗時電流を十分に低減することができないという問題があった。
【特許文献１】特開平８−４５９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのようなバリアメタル配線構造を採用した固体撮像装置における問題点を解決し、暗時電流を十分に低減可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオードと、このフォトダイオードに蓄積された電荷を読み出しあるいは転送するために前記半導体基板の表面にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極層と、これらのフォトダイオードおよびゲート電極層が形成された前記半導体基板の表面に積層された第１の層間絶縁膜と、この第１の層間絶縁膜の表面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に形成され、表面にバリアメタル層が形成された第１のメタル配線層と、この第１のメタル配線層の上面に積層された第２の層間絶縁膜と、この第２の層間絶縁膜の上面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に積層形成された第２のメタル配線層と、この第２のメタル配線層の上面に積層形成された水素を含有するＵＳＧ膜と、このＵＳＧ膜の上に積層形成されたパッシベーション膜と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また本発明の固体撮像装置の製造方法装置は、半導体基板の表面にフォトダイオードを形成する工程と、このフォトダイオードに蓄積された電荷を読み出しあるいは転送するために前記半導体基板の表面にゲート酸化膜を介してゲート電極層を形成する工程と、これらのフォトダイオードおよびゲート電極層が形成された前記半導体基板の表面に、第１の層間絶縁膜を積層する工程と、この第１の層間絶縁膜の表面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に、表面にバリアメタル層が形成された第１のメタル配線層を形成する工程と、この第１のメタル配線層の上面に、第２の層間絶縁膜を積層する工程と、この第２の層間絶縁膜の上面の前記フォトダイオードの上部を除く部分に第２のメタル配線層を積層形成する工程と、この第２のメタル配線層の上面に水素を含有するＵＳＧ膜を積層形成する工程と、このＵＳＧ膜の上に水素を含有するパッシベーション膜を積層形成する工程と、これらの工程により各層が形成された前記半導体基板を４００℃以上の温度で熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バリアメタル配線構造を採用した固体撮像装置において、暗時電流を十分に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の固体撮像装置の製造方法を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置のデバイス構造を示すための断面図である。同図では、固体撮像装置の１画素に相当する部分の断面図であり、実際の装置においては多数の画素が直線的あるいは平面的に配列されている。
【００１１】
Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１の表面には、フォトダイオード１２が形成されている。このフォトダイオード１２の両側には、トランスファーゲートトランジスタを構成するゲート電極層１３が形成されている。このゲート１３の下方のＮ型半導体基板１１の表面には、チャンネル１３−１が形成され、この表面とゲート電極層１３の間には薄いＳｉＯ２からなるゲート酸化膜１３−２が形成されている。これらのフォトダイオード１２およびゲート電極層１３が形成されたＮ型半導体基板１１の表面には、ＳｉＯ２からなる第１の層間絶縁膜１４が積層されている。この第１の層間絶縁膜１４の表面には、フォトダイオード１２の上部を除く部分に第１のメタル配線１５が形成される。この第１のメタル配線１５は、Ａｌ層１５−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層１５−２により構成されている。
【００１２】
この第１のメタル配線１５の上面には、ＳｉＯ２からなる第２の層間絶縁膜１６が積層されている。この第２の層間絶縁膜１６の上面には、フォトダイオード１２の上部を除く部分に第２のメタル配線層１７が積層形成される。この第２のメタル配線層１７も第１のメタル配線層１５と同様に、Ａｌ層１７−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層１７−２により構成されている。
【００１３】
第２のメタル配線１７の上面には、ＵＳＧ膜（Undoped Silicon Glass）１８が形成され、さらにその上に、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１９が積層形成されている。ここで、ＵＳＧ膜はＳｉＯ−Ｈ、Ｓｉ−Ｈ基を含んでいる。
【００１４】
パッシベーション膜１９の表面には透明なレジスト層２０が積層され、その表面上で、フォトダイオード１２の上方位置には、例えば、ＲＧＢの一つの色光を透過するカラーフィルタ２１が、図示しないが透明接着剤により固定されている。
【００１５】
次に、図２により、このような構造の固体撮像装置の製造方法について説明する。
【００１６】
図２Ａに示すように、Ｎ型Ｓｉ半導体基板１１の表面の所定領域には、Ｐ型不純物をイオン注入した後、熱拡散させ、フォトダイオード１２が形成される。このフォトダイオード１２の両側の半導体基板１１表面領域には、Ｐ型の不純物をイオン注入した後、熱拡散処理して、チャンネル層１３−１が形成される。このチャンネル層１３−１の表面には、この表面を酸化することにより形成された薄いゲート酸化膜１３−２が形成され、その表面にはポリシリコンゲート電極層１３が形成されている。ポリシリコンゲート電極層１３は、ゲート酸化膜１３−２上にポリシリコンを５００ｎｍの厚さに形成した後、ＲＩＥエッチングによりパターニングする。
【００１７】
これらのチャンネル層１３−１、ゲート酸化膜１３−２およびゲート電極層１３は、例えば、フォトダイオード１２に蓄積された電荷の読み出し転送用のトランスファーゲートトランジスタを構成する。
【００１８】
フォトダイオード１２およびゲート電極層１３が形成されたＮ型半導体基板１１の表面には、図２Ｂに示すように、ＳｉＯ２からなる第１の層間絶縁膜１４が、約１００ｎｍ以上の厚さで積層されている。この第１の層間絶縁膜１４の表面には、フォトダイオード１２の上部を除く部分に第１のメタル配線層１５が約１００ｎｍ以上の厚さで形成される。この第１のメタル配線１５は、Ａｌ層１５−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮ層からなるバリアメタル１５−２により構成されている。
【００１９】
この第１のメタル配線１５の上面には、図２Ｃに示すように、ＳｉＯ２からなる第２の層間絶縁膜１６が約１００ｎｍ以上の厚さで積層されている。この第２の層間絶縁膜１６の上面には、フォトダイオード１２の上部を除く部分に第２のメタル配線１７が約１００ｎｍ以上の厚さで積層形成される。この第２のメタル配線１７も第１のメタル配線１５と同様に、Ａｌ層１７−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル１７−２により構成されている。
【００２０】
第２のメタル配線１７の上面には、図２Ｄに示すように、ＵＳＧ膜１８が約１００ｎｍ以上の厚さで形成され、さらにその上に、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１９が約１００ｎｍ以上の厚さで積層形成されている。ＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９は何れもＣＶＤ法により形成されるが、何れの膜にも水素が１．０Ｅ２１以上の濃度で含まれている。ＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９が形成された後、半導体基板１１は４００℃〜６００℃の温度で熱処理することにより、Ｓｉ半導体基板１１に対して、全体として１．０Ｅ２２以上の水素を過剰に放出し、基板内に拡散させる。これによって、Ｓｉ半導体基板１１界面の未不結合手を水素原子と結合することにより、不純物等他の原子をトラップする機能を低減させ、暗時電流を大幅に低減する。
【００２１】
ＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９の熱処理の後、パッシベーション膜１９の上方位置には、図２Ｅに示すように、フォトダイオード１２に対応してＲＧＢの内の一つの色光を透過するカラーフィルタ２０が、透明接着剤により固定されている。
【００２２】
図３は、ＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９を熱処理する図２Ｄに示した工程における処理温度と水素の放出量との関係を示すグラフである。同図の折れ線ａはＳｉＮパッシベーション膜１９との組み合わせによるＵＳＧ膜１８の熱処理温度に対する水素放出量の関係を示し、折れ線ｂは、比較のために従来の方法による熱処理温度に対する水素放出量の関係を示している。同図から明らかなように、本実施形態の製造方法においては、熱処理温度が４００℃〜６００℃の範囲で水素の放出量が多く、６００℃以上では水素の放出量はほぼ飽和することがわかる。これに対して、従来の方法においては、４００℃〜６００℃の温度範囲で水素の放出が開始され、６００℃以上で水素の放出量は急激に増加する。しかし、この場合、水素の放出量自体は多いが、前述したように、バリアメタルの存在により、十分な量の水素がＳｉ半導体基板１１界面にまで到達できない。
【００２３】
然るに、本実施形態の固体撮像装置においては、フォトダイオード１２の上方位置に配置されたＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９を熱処理することにより、これらの膜に含まれる水素原子が効率よくＳｉ半導体基板１１界面に供給され、未不結合手と結合することにより、暗時電流を効率よく低減することができる。
【００２４】
また、本実施形態の固体撮像装置においては、ＵＳＧ膜１８の表面を、ＳｉＮパッシベーション膜１９で覆っているため、熱処理によりＵＳＧ膜１８から放出された水素原子が、上方に漏出することがなく、全て下方のＳｉ半導体基板１１界面に供給される。すなわち、ＳｉＮパッシベーション膜１９はそれ自体に水素原子を高い濃度で含み、ＵＳＧ膜１８から放出された水素原子の量を補うとともに、ＵＳＧ膜１８から放出される水素原子に対しては上方への漏出を防止するキャップとして機能する。
【００２５】
図４は、本発明の一実施形態の製造方法により製造された固体撮像装置の暗時電流の大きさと、従来の製造方法により製造された固体撮像装置の暗時電流の大きさを比較して示すグラフである。同図から明らかなように、本実施形態の固体撮像装置においては、従来の装置に比較して、暗時電流を大幅に低減できることがわかる。
【００２６】
このように、本実施形態の固体撮像装置においては、水素を高い濃度で含有するＵＳＧ膜１８およびＳｉＮパッシベーション膜１９を比較的低温で熱処理することにより、Ｓｉ半導体基板１１に対して、高濃度の水素原子を供給し、これによって、暗時電流を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す図。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す図。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す図。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す図。
【図２Ｅ】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す図。
【図３】図２Ｄに示した工程における処理温度と水素の放出量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態の製造方法により製造された固体撮像装置の暗時電流の大きさと、従来の製造方法により製造された固体撮像装置の暗時電流の大きさを比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１１…Ｎ型Ｓｉ半導体基板、１２…フォトダイオード、１３…ゲート電極層、１４…第１の層間絶縁膜、１５…第１のメタル配線、１６…第２の層間絶縁膜、１７…第２のメタル配線層、１８…ＵＳＧ膜１８、１９…パッシベーション膜、２０…レジスト層、２１…カラーフィルタ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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