JP2008177621A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ホットエレクトロンによる経時変化が発生することなく、安定で、信頼性の高い薄型の高耐圧固体撮像素子を提供する。また、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板１０上に形成された光電変換部１２と、前記光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の転送路のゲート酸化膜が、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）１５と、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）１６との積層構造膜で構成され、少なくとも前記ゲート酸化膜１５の光電変換部側端部が窒化シリコン膜１６を含有しない単層構造のゲート酸化膜をなすことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、特にゲート酸化膜中に窒化シリコン膜を含む構造の固体撮像素子およびその製造方法に関する。

従来の固体撮像素子は、図７に断面構造の一例を示すように、半導体基板１０表面に形成されたｐウェル１１内に、フォトダイオード部と、電荷転送部とを形成してなるもので、フォトダイオード部で生成された電荷を、電荷転送部の電荷転送電極に電圧を印加することにより、ｎ型不純物領域１４からなる転送チャネルに導き、順次読み出すように構成されている。そして電荷転送部では、フォトダイオード部で生成された電荷を、ｎ型不純物領域１４からなる転送チャネルに導き、この上層に酸化シリコン膜１５、窒化シリコン膜１６、酸化シリコン膜１７との３層構造のゲート酸化膜を介して、電荷転送電極兼読み出し電極（以下読み出し電極）としてのゲート電極１８が形成される構造となっている。

このように、固体撮像素子の読み出し電極下のゲート酸化膜は、高耐圧ゲートである窒化シリコン膜を酸化シリコン膜で挟む、いわゆるＯＮＯ構造をとっている。この構造は、薄くかつ昨今の微細化が進んだ固体撮像素子においては薄くかつ高耐圧のゲート酸化膜が必須であり、ＯＮＯ構造は、ゲート薄膜化のために必須の構造となっている。

この構造の固体撮像素子において、画素部に光が入射すると、ｎ型不純物領域１３にて光電変換されて信号電荷ａが発生し、電荷転送電極兼読み出し電極であるゲート電極１８に読み出しパルスが印加されると転送チャネル１４に移動する。一方基板表面近傍で発生した信号電荷ｂは読み出しパルスによる電界にて加速され、一部がホットエレクトロンとなり、窒化シリコン膜中にトラップされ、読み出しゲート電圧の経時変化を引き起こしている。

素子の微細化が進むにつれ、低抵抗化のためにｎ型不純物領域１３の不純物濃度は上昇される傾向にあり、読み出し電極端部での電界集中はより大きくなる。また、ゲート長が短くなるため、電子の衝突回数が減ってホットエレクトロンの発生頻度は上昇する傾向にあり、読み出しゲートにかかる電圧の経時変化は深刻な問題となりつつある。

このように、従来の固体撮像素子においては、高耐圧で薄型化の可能なゲート構造と、ホットエレクトロンによる経時変化が発生しないゲート構造とはトレードオフの関係にあり、２つを同時に満たすことはできないという問題があった。本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、ホットエレクトロンによる経時変化が発生することなく、安定で、信頼性の高い薄型の高耐圧固体撮像素子を提供することを目的とする。また、製造が容易で信頼性の高い固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された光電変換部と、前記光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の転送路のゲート酸化膜が、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）と、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）との積層構造膜で構成され、少なくとも前記ゲート酸化膜の光電変換部側端部が窒化シリコン膜を含有しないことを特徴とする。

かかる構成によれば、光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の転送路のゲート酸化膜が、光電変換部側端部で窒化シリコン膜を含有しない構造をとっており、読み出しパルス印加時に際してもっとも電界が集中する電極端部に窒化シリコン膜が存在しないため、基板表面近傍で発生した信号電荷がホットエレクトロンとなっても、窒化シリコン膜を含む構造に比べてトラップを少なくすることができる。従って、読み出しゲートにかかる電圧の経時変化を引き起こすことなく良好な読み出し特性を維持することが可能となる。

望ましくは、前記積層構造膜は、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）中に、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）を介在させたＯＮＯ構造膜である。ＯＮＯ構造膜を用いることにより、薄くてかつ高耐圧のゲート酸化膜を構成することができ、転送路のゲート酸化膜が、光電変換部側端部で窒化シリコン膜を含有しない単層構造をとっているため、ホットエレクトロンが窒化シリコン膜にトラップされることが少なくなる。

また、前記窒化シリコン膜を含有しない領域のゲート酸化膜は幅０．２μｍを越えないようにするのが望ましく、ホットエレクトロンの蓄積されやすい領域において窒化シリコン膜が存在しないようにすることにより、ホットエレクトロンのトラップは防止可能である。一方、幅０．２μｍを越えると、耐圧が不十分となることがある。

望ましくは、前記光電変換部はフォトダイオードで構成され、前記転送路は、フォトダイオードに近接した読み出しゲート電極と、前記読み出しゲートに近接しかつ独立した転送電極とを有し、読み出しゲート電極下の窒化シリコン膜端部が、読み出しゲート電極の端部よりも内方に位置するようにしている。このように読み出しゲートと電荷転送電極とが独立している場合にも読み出しゲート電極下の窒化シリコン膜端部が読み出しゲート電極の端部よりも退出しているため、ホットエレクトロンのトラップを防止するとともに、耐圧も十分に維持することが可能となる。

また望ましくは、前記読み出しゲート電極下のゲート酸化膜は単層構造となるようにしてもよい。これにより読み出しゲート電極下では完全に窒化シリコン膜が除去されているため、ホットエレクトロンのトラップは皆無となる。

本発明によれば、ホットエレクトロンによる経時変化が発生することなく、安定で、信頼性の高い薄型の高耐圧固体撮像素子を提供できる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。

（第1の実施の形態）この固体撮像素子は、図１に、概略断面図を示すように、シリコン基板１０表面のＯＮＯ構造の絶縁膜１５、１６、１７（以下、ゲート酸化膜と記述する。）を介して多結晶シリコン膜からなる電荷転送電極としてのゲート電極１８が形成されており、このゲート電極１８下のゲート酸化膜がフォトダイオード部側の端部で窒化シリコン膜１６を含有しない単層構造のゲート酸化膜をなすことを特徴とする。

他部については、図７に示した従来例の固体撮像素子と同様に形成されている。

次に、この固体撮像素子の製造工程について、図２（ａ）乃至（ｅ）を用いて説明する。この例ではフォトダイオード領域形成のためのｎ型不純物領域１２、ｐ型不純物拡散領域１３、転送チャネルとしてのｎ型不純物領域１４を形成すべく、イオン注入を行った後、ゲート酸化膜およびゲート電極を形成する。このとき後続工程における加熱により拡散長が伸びるのを想定し、拡散時間を設定する必要がある。以下の工程では簡略化のために半導体基板内に形成されるフォトダイオード領域および転送チャネルを省略する。

まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型のシリコン基板１０表面に形成されたｐウェル１１内に、膜厚１５ｎｍの酸化シリコン膜１５と、膜厚５０ｎｍの窒化シリコン膜１６と、膜厚１０ｎｍの酸化シリコン膜１７を形成し、３層構造のゲート酸化膜を形成する。続いて、このゲート酸化膜上に、ゲート電極１８形成のための膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜を形成する。

そして、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィで形成したレジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチングにより、この多結晶シリコン膜をパターニングすることにより、読み出しゲートとしてのゲート電極１８を形成する。さらに、このゲート電極１８をマスクとしてゲート酸化膜を順次エッチングする。

この後、図２（ｃ）に示すように、熱酸化を行い、読み出しゲートの表面に熱酸化膜１９を形成する。このとき、ゲート酸化膜上にも熱酸化膜は形成されるが、窒化シリコン膜１６上であるため、ほとんど形成されない。従って酸系の処理で容易に除去可能である。

そして図２（ｄ）に示すように、窒化シリコン膜１６上の酸化膜を酸系の処理で除去し、熱燐酸を用いたウエットエッチングにより読み出しゲート端部から０．２μｍ程度の幅で窒化シリコン膜を選択的にエッチング除去する。

この後、熱酸化を行い、図２（ｅ）に示すように、窒化シリコン膜の除去された領域を酸化シリコン膜で埋める。

なお、最後の酸化シリコン膜の形成工程は熱酸化に限定されることなく、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法などを用いるようにしてもよい。また、そのまま後続工程に移行するようにしてもよい。

このようにして形成された固体撮像素子によれば、フォトダイオード領域に近接した、読み出しゲート下のゲート酸化膜が、端部で窒化シリコン膜を含有しない単層構造をとっており、読み出しパルス印加時に際してもっとも電界が集中する電極端部に窒化シリコン膜が存在しないため、基板表面近傍で発生した信号電荷がホットエレクトロンとなってもほとんどトラップされない。従って、読み出しゲート電圧の経時変化を引き起こすことなく良好な読み出し特性を維持することが可能となる。

また、形成に際しても、新たなフォトリソ工程を必要とすることなく、エッジを等方性エッチングでエッチングするのみで形成することができ、極めて容易に作業性よく特性の良好な固体撮像素子を形成することが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を用いて説明する。第１の実施の形態では、シリコン基板１０上に酸化シリコン膜１５、窒化シリコン膜１６、酸化シリコン膜１７を形成し、この上層に読み出しゲートとなる多結晶シリコン膜を形成しこれをパターニングし、この多結晶シリコン膜をマスクとしてサイドエッチングにより窒化シリコンを退出させるようにしたが、本実施の形態では窒化シリコンをあらかじめパターニングし、この上層に窒化シリコン膜１６のエッジを囲むように読み出しゲートを突出させたものである。

すなわち、酸化シリコン膜１５、窒化シリコン膜１６、酸化シリコン膜１７を形成し、酸化シリコン膜１７、窒化シリコン膜１６をパターニングしてから、窒化シリコン膜１６のエッジよりも突出するように読み出しゲート１８を形成するようにしたことを特徴とするものである。他部についても前記第１の実施の形態と同様に形成される。

かかる構造によっても同様に、ホットエレクトロンのトラップによる読み出し電圧の上昇を防ぐことが可能となる。ただ難点は、この場合フォトリソグラフィ工程が一回増える点である。

（第３実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を用いて説明する。第２実施の形態では、シリコン基板１０上に酸化シリコン膜１５、窒化シリコン膜１６、酸化シリコン膜１７を形成し、酸化シリコン膜１７、窒化シリコン膜１６をパターニングしてから、窒化シリコン膜１６のエッジよりも突出するように読み出しゲートとしてのゲート電極１８を形成するようにしたが、本実施の形態では、ゲート酸化膜とゲート電極とを前記第１の実施の形態と同様に順次パターニングしたのち、ゲート電極の側壁に側壁残し法により多結晶シリコンからなるサイドウォール２０を形成し、このサイドウォールにより実質的に読み出しゲートの端部を外方に突出させたことを特徴とするものである。他部についても前記第１の実施の形態と同様に形成される。

かかる構造によっても同様に、ホットエレクトロンのトラップによる読み出し電圧の上昇を防ぐことが可能となる。

次にこの製造工程を簡単に説明する。図５（ａ）乃至（ｄ）はその製造工程図であるが、図５（ｂ）に示すパターニング工程までは前記第１の実施の形態と同様に形成され、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極１８およびゲート酸化膜１５、１６、１７を形成する。このとき、実際は読み出しゲートであるゲート電極１８のパターンを前記第１の実施の形態の場合よりも０．２μｍ程度小さく形成させておくようにする。

そして図５（ｃ）に示すように、減圧ＣＶＤ法により６００〜６５０℃でＳｉＨ₄を熱分解することにより、膜厚０．４μｍの高濃度ドープの多結晶シリコン膜４ｂを形成する。

そして、異方性をもつように条件設定のなされた反応性イオンエッチングにより図５（ｄ）に示すように、側壁残しを行い多結晶シリコンからなるサイドウォール２０を形成する。

そして表面酸化を行い図４に示した固体撮像素子が形成される。この方法によってもサイドウォール２０の存在により実質的に読み出しゲートが突出しているのと同様の構成をとることができ、窒化シリコンへのホットエレクトロンのトラップをなくし、信頼性の高い固体撮像素子を形成することが可能となる。

またフォトリソグラフィ工程が増えることもなく、低温工程である減圧ＣＶＤ法と異方性エッチング工程のみで形成されるため、拡散長の伸びもなく設計どおりの固体撮像素子を提供することが可能となる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について図６を用いて説明する。本実施の形態では、前記第３の実施の形態で多結晶シリコンのサイドウオールで形成した、読み出しゲートの端部となる領域を、本来の読み出しゲートの周りを覆うタングステン膜からなる遮光性の電極２１で形成したものである。

望ましくはタングステンシリサイドを介してタングステン膜を形成するようにすれば、密着性も向上する。製造工程では、サイドウォール形成のための異方性エッチングに代えて、遮光性の電極のエッジを規定するためのフォトリソグラフィ工程が必要であるが、他については前記第３の実施の形態と同様に形成される。

固体撮像素子では、受光領域を除いて遮光膜で被覆することは誤動作を防ぐために極めて有効であり、この構造では遮光性という面からも、ホットエレクトロンのトラップ防止という面からも有効な効果を奏効するものである。

なお、前記実施の形態では、読み出しゲートについて説明したが、読み出しゲートと転送ゲートが一体化されている場合には、その一体化されたゲート電極の端縁の窒化シリコンを退行するようにすればよい。

また、前記実施の形態では、端縁のみを単層構造にしたが、光電変換部にもっとも近接した読み出しゲートなどのゲート電極のゲート酸化膜全体が窒化シリコンを含まない構造とするようにしてもよい。

さらにまた、かかる遮光膜の形状で、多結晶シリコン膜あるいは金属膜を用いるようにしてもよい。この場合、遮光性は持たなくても、電極２１としての役割は奏功し得る。また、金属膜としてはタングステンのほか、タンタル、チタン、モリブデン、コバルト等を用いるようにしてもよい。

以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の転送路のゲート酸化膜が、光電変換部側端部で窒化シリコン膜を含有しない単層構造をとっており、読み出しパルス印加時に際してもっとも電界が集中する電極端部に窒化シリコン膜が存在しないため、読み出しゲートにかかる電圧の経時変化を引き起こすことなく良好な読み出し特性を維持することが可能となる。

また本発明の方法によれば、極めて容易に、ゲート電圧の経時変化を引き起こすことのない良好な読み出し特性を持つ固体撮像素子の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す図である。 本発明の第４の実施の形態の固体撮像素子を示す図である。 従来例の形態の固体撮像素子を示す図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１５ 酸化シリコン膜（ゲート酸化膜）
１６ 窒化シリコン膜
１７ 酸化シリコン膜
１８ ゲート電極

Claims (8)

1. 半導体基板上に形成された光電変換部と、前記光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の電荷転送電極と、前記電荷転送電極の下に形成されたゲート酸化膜とを有し、前記ゲート酸化膜が、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）と、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）との積層構造膜であって、
   前記電荷転送電極が読み出しゲート電極を含み、前記読み出しゲート電極下の前記ゲート酸化膜の光電変換部側端部が前記窒化シリコン膜を含有しないことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、前記積層構造膜は、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）中に、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）を介在させたＯＮＯ構造膜であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または２記載の固体撮像素子であって、前記読み出しゲート電極下の前記窒化シリコン膜端部が前記読み出しゲート電極の端部よりも内方に０．２μｍ以下で位置することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、前記読み出しゲート電極下のゲート酸化膜は単層構造であることを特徴とする固体撮像素子。
5. 半導体基板上に形成された光電変換部と、前記光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の電荷転送電極と、前記電荷転送電極の下に形成されたゲート酸化膜とを有し、前記ゲート酸化膜が、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）と、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）との積層構造膜であって、
   前記電荷転送電極が読み出しゲート電極を含み、前記電荷転送電極の側壁に多結晶シリコンからなるサイドウォールが形成され、前記サイドウォールの下の前記ゲート酸化膜が前記窒化シリコン膜を含有しないことを特徴とする固体撮像素子。
6. 前記ゲート酸化膜が、更に酸化シリコン膜（ＳｉＯ）を有するＯＮＯ構造であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 半導体基板上に形成された光電変換部と、前記光電変換部に近接した、電荷転送素子（ＣＣＤ）の電荷転送電極と、前記電荷転送電極の下に形成されたゲート酸化膜とを有し、前記ゲート酸化膜が、酸化シリコン膜（ＳｉＯ）と、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）との積層構造膜であって、
   前記電荷転送電極が読み出しゲート電極を含み、前記読み出しゲート電極が前記窒化シリコン膜の端部を囲むように形成することを特徴とする固体撮像素子。
8. 前記ゲート酸化膜が、更に酸化シリコン膜（ＳｉＯ）を有するＯＮＯ構造であることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。

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