JP2009170540A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フローティングディフュージョン部の配線層を構成する材料の残渣が段差部に生じてしまうことを防止でき、浮遊容量の小さくできる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１１にゲート電極２４を配設し、ゲート電極２４の一部を覆うように絶縁膜１４を形成し、半導体基板１１の表面に一部が露呈するようにフローティングディフュージョン部（ＦＤ）を形成し、ゲート電極１４及びフローティングディフュージョン部を覆うように高融点金属からなる配線層６を形成し、該配線層６を等方性エッチングすることで、フローティングディフュージョン部の上部を覆うとともにゲート電極２４に接続する領域を除く他の領域の該配線層６を除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関し、特に、フローティングディフュージョン領域とゲート電極とを接続する配線層を備えた固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関する。

エリアセンサ等に用いられる固体撮像素子は、フォトダイオードなどからなる光電変換部と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を有する電荷転送部とを備えている。また、固体撮像素子には、電荷転送部からの信号電荷を出力電圧に変換するフローティングディフュージョン部（ＦＤ）が形成されている。

図８及び９は、従来のフローティングディフュージョン部の構成を説明する断面図である。図８において、１０１は半導体基板を示し、１０２はゲート絶縁膜を示し、１０３ａ，１０３ｂはゲート電極を示し、１０４は層間絶縁膜を示し、１０５はアルミニウム配線層を示し、ＦＤは、半導体基板１０１の表面に形成されたフローティングディフュージョン部（浮遊拡散層）を示している。ここで、アルミニウム配線層１０５は、ドライブトランジスタにつなげられたゲート電極１０３ａとＦＤとを電気的に接続し、５００ｎｍから１μｍ程度の厚さで形成されている。このような構成の撮像素子としては、例えば下記特許文献１に示すものがある。

また、図９において、２０１は半導体基板を示し、２０２はゲート絶縁膜を示し、２０３ａ，２０３ｂはゲート電極を示し、２０４は層間絶縁膜を示し、２０５ａはタングステン薄膜を示し、２０５ｂはタングステン薄膜下のバリアメタル層を示し、ＦＤは、半導体基板２０１の表面に形成されたフローティングディフュージョン部を示している。タングステン薄膜２０５ａとバリアメタル層２０５ｂは、パターンエッチングにより形成される。このような構成の撮像素子としては、例えば下記特許文献２に示すものがある。

米国特許第５３８７５３６号明細書 特開２０００−２２１２２号公報

図８に示す固体撮像素子は、アルミニウム配線層１０５の厚さが厚いことに起因して、アルミニウム配線層１０５を形成するときにその端部の段差が大きくなり、リセットトランジスタのゲート電極１０３ｂとの間でカップリング容量（浮遊容量）Ｃ１が大きくなってしまうという問題がある。

一方、図９の固体撮像素子では、タングステン薄膜２０５ａがアルミニウムに比べて比較的容易に薄膜形成することができ、該タングステン薄膜２０５ａの端部とゲート電極２０３ｂとの間のカップリング容量Ｃ２を小さくすることができる。タングステンによってフローティングディフュージョン部ＦＤの配線層を形成する場合には、異方性エッチングを行うことで高い精度でパターン加工を行うことができる。しかし、ゲート電極の段差部に被覆されたタングステン薄膜は、異方性エッチングでの除去が困難であり、エッチングの後で段差部にタングステンの残渣Ｗが発生してしまうことがあった。このため、従来では、タングステンの残渣Ｗを除去するため、フローティングディフュージョン部ＦＤの配線層をレジストなどの保護膜で覆ったうえで、別途エッチングによって残渣Ｗを除去する必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、フローティングディフュージョン部の配線層を構成する材料の残渣が段差部に生じてしまうことを防止でき、浮遊容量を小さくできる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記によって達成される。
（１）半導体基板と、信号電荷を転送する電荷転送部と、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、前記半導体基板上に配設されたゲート電極と、前記フローティングディフュージョン部と前記ゲート電極とを接続し、金属からなる配線層とを備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板に前記ゲート電極を配設し、前記ゲート電極の一部を覆うように絶縁膜を形成し、前記半導体基板の表面に一部が露呈するように前記フローティングディフュージョン部を形成し、前記ゲート電極及び前記フローティングディフュージョン部を覆うように前記配線層を形成し、該配線層を等方性エッチングすることで、前記フローティングディフュージョン部の上部を覆うとともに前記ゲート電極に接続する領域を除く他の領域の該配線層を除去することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
（２）前記半導体基板の撮像領域に形成された遮光膜を前記金属で形成し、前記撮像領域以外をマスクして前記遮光膜を異方性エッチングによりパターン形成し、前記撮像領域をマスクして前記配線層の等方性エッチングを行うことを特徴とする上記（１）に記載の固体撮像素子の製造方法。
（３）前記配線層を形成する前に、前記ゲート電極及び前記フローティングディフュージョン部を覆うようにチタンタングステン、又は、チタンナイトライド、又は、チタンとチタンナイトライドからなるバリアメタルを形成し、該バリアメタル上に前記配線層を形成することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子の製造方法。
（４）前記配線層をＣＶＤで形成することを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
（５）前記配線層の厚さが、等方性エッチングを行う際にフローティングディフュージョン部の上に形成するレジスト層と前記ゲート電極と前記絶縁膜とが重なりあう領域の最小寸法と前記絶縁層の厚さとの合計より小さいことを特徴とする上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
（６）前記金属がタングステンであることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
（７）半導体基板と、信号電荷を転送する電荷転送部とを備えた固体撮像素子であって、
前記半導体基板の表面に一部が露呈するように形成された、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン領域と、
前記半導体基板上に配設されたゲート電極と、
前記フローティングディフュージョン領域と前記ゲート電極とを接続し、金属から構成された配線層とを備え、
前記配線層の端部に等方性エッチングにより形成された斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
（８）前記配線層の下面に、チタンタングステン、チタンナイトライド、又は、チタンとチタンナイトライドからなるバリアメタルが形成されていることを特徴とする上記（７）に記載の固体撮像素子。

本発明では、ゲート電極及びフローティングディフュージョン部上に形成された配線層を等方性エッチングにより除去するため、段差部の側面に堆積する金属をより確実に除去することができ、残渣の発生を抑えることができる。また、配線層にタングステンを用いれば、アルミニウムに比べて薄くすることができるため、配線層の厚さを薄くすることでリセットドレイン側のゲート電極との間の浮遊容量を小さくすることができる。

また、本発明にかかる固体撮像素子によれば、配線層を等方性エッチングによってパターン形成するため、エッチング後に形成された配線層の端部には、エッチングの際のアンダーカットによって半導体基板の表面の垂直方向に対して傾斜する斜面が形成される。

本発明によれば、フローティングディフュージョン部の配線層を構成する材料の残渣が段差部に生じてしまうことを防止でき、浮遊容量を小さくできる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる固体撮像素子のフローティングディフュージョン部を含む配線部を示す平面図である。図２は、フローティングディフュージョン部の配線構造を示す断面図である。本実施形態の固体撮像素子は、画素部を有する撮像領域を有し、該撮像領域の周囲にフローティングディフュージョン部の配線構造を有している。撮像領域の画素部の構成は、後述する。

図１に示すように、配線部２０は、撮像領域において生成された信号電荷を転送する電荷転送部（具体的には、水平電荷転送部）側に接続された電極２１と、前記電極２１から転送された信号電荷を電圧に変換するためのフローティングデフュージョン部ＦＤ（以下、単にＦＤともいう。）と、ＦＤに近接するリセットゲート電極２３と、リセットドレイン領域２２とを有している。また、ＦＤに後述する配線層によって電気的に接続され、出力部側に接続されたゲート電極２４とを有している。リセットゲート電極２３、ゲート電極２４は、ドープトアモルファスシリコンなどによって形成されている。

ＦＤは、シリコンからなる半導体基板１１の表面に高濃度の不純物イオンをイオン注入して形成された高濃度の不純物拡散層によって構成されている。本実施形態では、半導体基板１１の表面側のＮ型不純物拡散層に、高濃度のＮ+型不純物をイオン注入することでＦＤを形成する。ＦＤは、半導体基板の表面に一部が露呈するように形成されている。

半導体基板１１には、ゲート絶縁膜１２が形成され、ゲート絶縁膜１２上にリセットゲート電極２３とゲート電極２４とがそれぞれパターン形成されている。ゲート電極２４の下のゲート絶縁膜１２には、素子分離領域１２ａが形成されている。ゲート絶縁膜１２、リセットゲート電極２３、ゲート電極２４を覆うように絶縁膜１４が形成されている。ＦＤの上部は、ゲート絶縁膜１２、絶縁膜１４が除去され、露呈した領域がコンタクト領域として機能し、該コンタクト領域を覆うようにタングステンからなる配線層６が形成されている。配線層６は、一部がゲート電極２４と接触するようにパターン形成されている。配線層６の端部に等方性エッチングにより形成された斜面６ａが形成されている。配線層６は、タングステンに限定されず、その他の金属を用いてもよい。配線層６にタングステンを用いれば、アルミニウムに比べて薄くすることができるため、配線層６の厚さを薄くすることでリセットゲート電極２３との間の浮遊容量を小さくすることができる。

図３は、本発明にかかる撮像領域の構成の一例を示す断面図である。図４は、撮像領域の構成を示す平面図である。図３は、図４のＡ−Ａ線断面を見た状態を示している。

半導体基板１１には、複数のフォトダイオード領域（光電変換部）３０が形成され、フォトダイオード領域３０で検出した信号電荷を転送するための電荷転送部４０が、フォトダイオード領域３０の間に形成される。なお、半導体基板１１内に形成される素子領域については省略した。

電荷転送電極によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネルは、図２では図示していないが、電荷転送部４０が延在する方向と交差する方向に、形成される。

なお、図２においては、電極間絶縁膜の内、フォトダイオード領域３０と電荷転送部４０との境界近傍に形成されるものの記載を省略している。

また、半導体基板１１内には、フォトダイオード領域３０、電荷転送チャネル、チャネルストップ領域（図示せず）、電荷読み出し領域（図示せず）が形成され、半導体基板１１表面には、ゲート酸化膜２が形成される。ゲート酸化膜２表面には、酸化シリコン膜からなる電極間絶縁膜４と電荷転送電極３（第１層ドープトアモルファスシリコン膜３ａからなる第１の電極、第２層ドープトアモルファスシリコン膜３ｂからなる第２の電極）が形成され、単層電極構造を構成している。なお、電極構造は、単層に限定されず、例えば、第１の電極及び第２の電極のうち一方が他方の上に一部を積層させた多層電極構造とすることもできる。

遮光膜６は、フォトダイオード領域３０の上部の開口を規定するように反射防止膜５上に形成され、図２に示す配線層６と同じタングステン薄膜から形成されている。なおこの反射防止膜５と遮光膜６との間には、図示しないがＴＥＯＳ膜や、チタンナイトライド（ＴｉＮ）などの密着性層などを形成してもよい。

なお、図示しないが、遮光膜６の上層には、中間層が形成され、この中間層の上方には、さらにカラーフィルタ、マイクロレンズが設けられる。また、カラーフィルタとマイクロレンズとの間には、必要に応じて絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層が形成されていてもよい。なお、本実施形態では、画素配列が、所謂、ハニカム構造であるが、正方格子状に配列した構造とすることもできる。

次に、本実施形態の固体撮像素子の配線部の製造手順を説明する。
図５は、固体撮像素子の配線部の製造手順を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、先ず、半導体基板１１にゲート絶縁膜１２を形成する。ゲート絶縁膜１２は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを積層した、所謂、ＯＮＯ膜構造とすることができ、または、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを積層した２層構造としてもよい。ゲート絶縁膜１２の上に、リセットゲート電極２３とゲート電極２４とをパターン形成する。そして、ゲート絶縁膜１２に酸化シリコン膜などの絶縁膜１４を形成し、リセットゲート電極２３とゲート電極２４とを覆う。

次に、図５（ｂ）に示すように、コンタクト領域のゲート絶縁膜１２と絶縁膜１４を除去し、高濃度の不純物をイオン注入することによって、半導体基板１１の表面にＦＤを形成する。

図５（ｃ）に示すように、ＦＤを形成した後、半導体基板１１の全面にタングステン薄膜からなる配線層６をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成する。本実施形態では、配線層６を形成するのと同時に、撮像領域の遮光膜６を形成する。配線層６は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）によっても形成できる。

図６は、固体撮像素子の配線部をエッチングするときの状態を示す断面図である。エッチングする前に、配線層６において、ＦＤの上部を覆うとともにゲート電極２４に接続する領域の上部にレジストＲをパターン形成する。この状態で等方性エッチングを行い、レジストＲを形成した領域を除く他の領域の配線層６を除去する。等方性エッチングは、異方性エッチングと異なり、全方向に対して均一の速度でエッチングが進行する。このため、段差部の側面などに堆積した配線層６のエッチング残りの発生をより確実に防止することができる。

また、等方性エッチングで配線層６をパターン形成した場合には、レジストＲと接した、配線層６の端部もある程度、エッチング除去されるため、該端部にアンダーカットＵによる斜面６ａが形成される。

本実施形態のように、撮像領域の遮光膜６を配線層６と同じタングステン薄膜で形成している場合には、撮像領域以外をマスクして遮光膜６を高い加工精度を有する異方性エッチングによりパターン形成し、撮像領域をマスクして上述のように配線層６の等方性エッチングを行ってもよい。このとき、撮像領域の遮光膜６の異方性エッチングを行う工程と、配線層６の等方性エッチングを行う工程との順番は変更可能である。

また、配線層６を形成する前に、ゲート電極２４及びＦＤを覆うようにチタンタングステン、チタンナイトライド、又は、チタンとチタンナイトライドからなるバリアメタルを形成し、該バリアメタル上に配線層６を形成してもよい。バリアメタルをチタンとチタンナイトライドから形成した場合には、形成したバリアメタルに窒素を含む雰囲気で熱処理を行う。こうすることで、配線層６を積層する場合の密着性を良好にすることができる。

図７は、エッチング時の配線部の状態を示す拡大断面図である。
等方性エッチングは、異方性エッチングのように一定の方向のみにエッチングが進行するわけではなく、全ての方向に進行するため、絶縁膜１４の下部のゲート電極２４が露呈することを防止するためエッチングをある程度制限することが好ましい。図７に示すように、配線層６の厚さをＴｗとし、絶縁膜１４の厚さをＴｉとし、ＦＤの上に形成するレジスト層と前記ゲート電極及び絶縁膜１４が重なりあう領域の最小寸法Ｄ（図７では、図中左右方向の寸法とした。）としたとき、配線層６の厚さＴｗが、最小寸法Ｄと絶縁膜の厚さＴｉとの合計より小さいことが好ましい。理由としては、レジストＲと絶縁膜１４との間の配線層６が、等方性エッチング時において、図７中の破線矢印に進行することを想定した場合に、最小寸法Ｄと絶縁膜の厚さＴｉとの合計より大きい寸法の厚さとすることで、絶縁膜１４の下部のゲート電極２４の上面の配線層６がエッチングにより除去されることを防止できるためである。

本発明によれば、ゲート電極１２及びＦＤ上に形成された配線層６を等方性エッチングにより除去するため、段差部の側面に堆積するタングステンをより確実に除去することができ、残渣の発生を抑えることができる。また、配線層６にタングステンを用いることで、アルミニウムに比べて薄くすることができるため、配線層６の厚さを薄くすることでリセットドレイン側のゲート電極との間の浮遊容量を小さくすることができる。

固体撮像素子のフローティングディフュージョン部を含む配線部を示す平面図である。 フローティングディフュージョン部の配線構造を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の撮像領域の構成の一例を示す断面図である。 撮像領域の構成を示す平面図である。 固体撮像素子の配線部の製造手順を示す断面図である。 配線部をエッチングするときの状態を示す断面図である。 エッチング時の配線部の状態を示す拡大断面図である。 従来のフローティングディフュージョン部の構成を説明する断面図である。 従来のフローティングディフュージョン部の構成を説明する断面図である。

符号の説明

１１ 半導体基板
１２ ゲート絶縁膜
２０ 配線部
２４ ゲート電極
３０ フォトダイオード領域
４０ 電荷転送部
ＦＤ フローティングディフュージョン部

Claims (8)

1. 半導体基板と、信号電荷を転送する電荷転送部と、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、前記半導体基板上に配設されたゲート電極と、前記フローティングディフュージョン部と前記ゲート電極とを接続し、金属からなる配線層とを備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記半導体基板に前記ゲート電極を配設し、前記ゲート電極の一部を覆うように絶縁膜を形成し、前記半導体基板の表面に一部が露呈するように前記フローティングディフュージョン部を形成し、前記ゲート電極及び前記フローティングディフュージョン部を覆うように前記配線層を形成し、該配線層を等方性エッチングすることで、前記フローティングディフュージョン部の上部を覆うとともに前記ゲート電極に接続する領域を除く他の領域の該配線層を除去することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記半導体基板の撮像領域に形成された遮光膜を前記金属で形成し、前記撮像領域以外をマスクして前記遮光膜を異方性エッチングによりパターン形成し、前記撮像領域をマスクして前記配線層の等方性エッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記配線層を形成する前に、前記ゲート電極及び前記フローティングディフュージョン部を覆うようにチタンタングステン、又は、チタンナイトライド、又は、チタンとチタンナイトライドからなるバリアメタルを形成し、該バリアメタル上に前記配線層を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記配線層をＣＶＤで形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記配線層の厚さが、等方性エッチングを行う際にフローティングディフュージョン部の上に形成するレジスト層と前記ゲート電極と前記絶縁膜とが重なりあう領域の最小寸法と前記絶縁層の厚さとの合計より小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 前記金属がタングステンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 半導体基板と、信号電荷を転送する電荷転送部とを備えた固体撮像素子であって、
   前記半導体基板の表面に一部が露呈するように形成された、信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン領域と、
   前記半導体基板上に配設されたゲート電極と、
   前記フローティングディフュージョン領域と前記ゲート電極とを接続し、金属から構成された配線層とを備え、
   前記配線層の端部に等方性エッチングにより形成された斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
8. 前記配線層の下面に、チタンタングステン、チタンナイトライド、又は、チタンとチタンナイトライドからなるバリアメタルが形成されてい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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