JP3081588B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像領域が転送電
極で覆われた固体撮像素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フレームトランスファ型のＣＣＤ固体撮
像素子において、被写体からの光を受ける撮像部は、照
射された光に応答して発生する情報電荷を蓄積すると同
時に、所定の期間蓄積された情報電荷を蓄積部へ転送出
力する構成となっている。このため、光の受光領域にも
情報電荷を転送駆動するための転送電極が設けられる。
この転送電極については、その側辺部が隣どうしオーバ
ーラップされており、転送経路のポテンシャル作用の連
続性が確保されて電荷の転送効率の低下防止が図られて
いる。

【０００３】図９は、フレームトランスファ型のＣＣＤ
固体撮像素子の撮像部を示す平面図で、図１０は、その
Ｘ−Ｘ線断面図である。この図面では、過剰な電荷を基
板側に吸収させる縦型オーバーフロードレイン構造のも
のを示している。

【０００４】Ｎ型のシリコン基板１の一面には、素子領
域となるＰ型の拡散層２が形成され、この拡散層２内に
高濃度のＰ型領域や厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）等からな
る複数の分離領域３が互いに平行に形成される。これら
の分離領域３に挟まれたチャネル領域４には、表面部分
にＮ型の不純物が拡散されて埋め込みチャネル層５が設
けられている。そして、酸化膜６を介して１層目の転送
電極７がチャネル領域４と交差するようにして互いに平
行に配列され、さらに２層目の転送電極８が１層目の転
送電極７の間隙を覆うようにして配列される。これらの
転送電極７、８には、蓄積期間中にそれぞれ固定電位が
与えられ、これにより、４本の転送電極７、８を１単位
とした受光画素が設定される。そして、所定の受光期間
を経過した後には、各転送電極７、８に、４相のクロッ
クパルスが印加され、各受光画素に蓄積された情報電荷
がチャネル領域４に沿って蓄積部側に転送される。な
お、チャネル領域４に過剰な情報電荷が発生した場合に
は、その過剰電荷がシリコン基板１と拡散層２との間の
ポテンシャル障壁を越えてシリコン基板１側に吸収され
るように構成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなＣＣＤ固
体撮像素子の受光部については、チャネル領域４に入射
する光の光電効果によって情報電荷を得ているため、チ
ャネル領域４上の転送電極７、８に開口部を設けること
や、転送電極７、８の膜厚を薄くすること等、チャネル
領域４への光の入射効率を高くする対策が考えられてい
る。特に、解像度の向上に対応するために各部の微細化
が図られると、受光画素の面積が小さくなり、入射効率
の向上による受光感度の改善が問題となる。

【０００６】各部が微細化された固体撮像素子では、転
送電極７、８やチャネル領域４の幅を考慮すると、転送
電極７、８に開口部を設けることは実質的に困難である
ことから、転送電極７、８の膜厚を薄くすることが光の
入射効率を向上する実用的な手段となる。しかし、転送
電極７、８の膜厚については、光の干渉による透過率の
低下が問題となるため、単に薄くするのみでは光の入射
効率を向上することはできない。

【０００７】そこで本発明は、転送電極の膜厚の最適化
を図り、光の入射効率、即ち受光感度を向上することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、その特徴とするところ
は、半導体基板の一主面上に複数の転送電極を配置し、
この転送電極に与えられる電位に応じて半導体基板内に
形成されるポテンシャル井戸に、入射した光に応答して
発生する情報電荷を蓄積する固体撮像素子の製造方法に
おいて、複数のチャネル領域が分離領域によって区画さ
れて互いに平行に配列形成された上記半導体基板の表面
を熱酸化した後、上記半導体基板上に所定の膜厚を有す
る第１の多結晶シリコン膜を形成し、この第１の多結晶
シリコン膜上に第２の酸化シリコン膜を形成する第１の
工程と、上記第１の多結晶シリコン膜を上記第１の酸化
シリコン膜と共にパターニングし、上記複数のチャネル
領域に交差してそれぞれ一定の間隔をおいて配列される
複数の第１の転送電極を形成する第２の工程と、上記複
数の第１の転送電極の間隙部分に露出する上記半導体基
板の表面を薄く熱酸化した後、上記複数の第１の転送電
極を覆って上記半導体基板上に減圧ＣＶＤ法により第２
の酸化シリコン膜を形成する第３の工程と、上記第２の
酸化シリコン膜上に所定の膜厚を有する第２の多結晶シ
リコン膜を形成し、この第２の多結晶シリコン膜をパタ
ーニングして上記複数の第１の転送電極の間隙を覆う複
数の第２の転送電極を形成する第４の工程と、を有する
ことにある。

【０００９】本発明によれば、第１の転送電極を形成し
た後に、熱酸化工程が少ないため、一旦形成された第１
の転送電極の膜厚が熱酸化によって薄くなるのを防止で
きる。従って、各転送電極を所望の膜厚に正確に形成す
ることが可能となり、最適値の設定が容易になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の製造方法により
形成される固体撮像素子の撮像部を示す断面図で、図２
は、その転送電極部分を拡大した図である。

【００１１】Ｎ型のシリコン基板１０の一面には、Ｐ型
の不純物が拡散された拡散層１１が形成され、この拡散
層１１内に高濃度のＰ型領域または厚い酸化膜よりなる
複数の分離領域（図示せず）が互いに平行に配置され
る。分離領域に挟まれるチャネル領域には、表面領域に
Ｎ型の不純物が拡散された埋め込みチャネル層１２が形
成される。シリコン基板１０上には、熱酸化による酸化
シリコン膜１３を介して多結晶シリコンを材料とする複
数の転送電極１４が、チャネル領域と交差し、互いに一
定の間隔をおいて配列される。ここで、酸化シリコン膜
１３の膜厚は約１０００Å、転送電極１４の膜厚は約９
５０Åに形成される。

【００１２】１層目の転送電極１４上には、熱酸化によ
る酸化シリコン膜１５及び気相成長による酸化シリコン
膜１６からなる２層構造の層間絶縁膜を介し、１層目の
転送電極１４の間隙部分を覆うようにして２層目の転送
電極１７が配列される。熱酸化による酸化シリコン膜１
５は転送電極１４の間隙部分で約１００Å、気相成長に
よる酸化シリコン膜１６は約１５００Åの膜厚に形成さ
れ、転送電極１７は膜厚が約９５０Åに形成される。そ
して、転送電極１７上には絶縁膜としてＰＳＧ膜１８が
形成され、各転送電極１４、１７に電力を供給するアル
ミニウム等の配線が撮像部の周辺領域でＰＳＧ膜１８上
に配置される。

【００１３】ここで示した各膜厚の値は、実際に製造さ
れた固体撮像素子を用いた測定結果及び各条件の下での
シミュレーション結果に基づいて得られた最適値であ
る。次に、その最適値の決定の方法について説明する。

【００１４】実際に測定された固体撮像素子の分光感度
特性は、図３に示すとおりである。この図において、横
軸は入射する光の波長、縦軸は入射する光のエネルギー
に対してどれだけの電流が得られるかを示す絶対感度を
表している。なお、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ転送電極の
膜厚が８３０Å、９４０Å、１０８０Å（実測値）の場
合である。

【００１５】絶対感度は、ａ、ｂ及びｃの何れの場合
も、入射光の波長が約４００ｎｍで立ち上がり、９００
ｎｍ程度で収束している。そして、絶対感度のピーク位
置は、転送電極の膜厚が厚くなるに従って長波長側へず
れる傾向にあることが確認された。ここで、可視光領域
（波長が約４００ｎｍ〜約８００ｎｍの範囲）での絶対
感度の様子をみると、可視光領域の略中間にピークを有
するｂが理想に近い特性であることが分かる。即ち、絶
対感度のピークが可視光領域の中間にあれば、短波長側
と長波長側とで絶対感度が同等になり、バランスのとれ
た分光感度特性となる。

【００１６】シミュレーションによって得られた転送電
極の膜厚と感度との関係は、図４に示すとおりである。
この図において、横軸は転送電極の膜厚、縦軸はピーク
値を１とした感度の相対値を表している。この感度につ
いては、転送電極の膜厚のそれぞれの値に対して計算さ
れる分光感度を全波長領域で積分して得られた値に基づ
くものである。

【００１７】このシミュレーションの結果によると、転
送電極の膜厚が７４０Å〜７５０Åの間で感度がピーク
となり、この値以上に転送電極が薄くなっても光の透過
率が良くならないことが分かる。これは、光の干渉の影
響によるものと推測される。ところで、転送電極の膜厚
をさらに薄くすれば、感度のピークは再び現れるが、転
送電極として確実に動作するためには不十分な膜厚であ
るため、実際の固体撮像素子には採用できない。この結
果において、ピーク値に対して±５％の範囲を選ぶと、
感度の相対値は９９％（図面に破線で示す）以上となる
ことから、転送電極の膜厚は、最適値に対して±５％程
度であれば十分に利用可能であることが分かる。従っ
て、図３に示す実測値と、図４に示すシミュレーション
の結果より、理想的な転送電極の膜厚は、膜厚９４０Å
に対して±５％程度、即ち、約９００Åから約１０００
Åまでの範囲であると判断できる。実測値とシミュレー
ション結果との最適値のずれについては、シリコン基板
１０内部での量子効率の特定ができないこと、及び実際
の固体撮像素子では転送電極が２層構造で、一部オーバ
ーラップする部分を有していること等によるものと考え
られる。

【００１８】一方、各酸化シリコン膜の膜厚について、
分光感度のシミュレーションを行ったところ、膜厚が変
化しても分光感度のピークが表れる波長は殆ど変化せ
ず、ピークレベルそのものが膜厚に比例して変化すると
いう結果が得られた。このけっかより、酸化シリコン膜
については、光の干渉の影響はなく、単に膜厚を薄くす
れば光の透過率が高くなると判断できる。従って、酸化
シリコン膜の膜厚は、絶縁膜として耐圧を保てる範囲で
単に薄くすれば良いことになる。

【００１９】図５乃至図８は、本発明の固体撮像素子の
製造方法を示す工程別の断面図である。なお、これらの
図は図１と同一部分を示している。 図５：第１工程 Ｎ型のシリコン基板１０の一面にボロンイオン等のＰ型
の不純物を注入して拡散層１１を形成し、この拡散層１
１内に分離領域として高濃度のＰ型領域（図示せず）を
複数本平行に形成する。これらの分離領域に挟まれたチ
ャネル領域には、リンイオン等のＮ型の不純物を注入し
て埋め込みチャネル層１２を形成する。以上の注入工程
は、周知のフォトリソグラフィ技術によって得られる所
望の形状のレジストマスクを用いて行われる。そして、
分離領域及びチャネル領域が形成されたシリコン基板１
０上に、ゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜２０を、熱
酸化によって膜厚１０００Åに形成する。さらに、ＣＶ
Ｄ法により、転送電極となる多結晶シリコン膜２１を膜
厚１０００Å、層間絶縁膜となる酸化シリコン膜２２を
膜厚１５００Åに順に形成する。

【００２０】図６：第２工程 所定の形状にパターニングされたレジストマスク２３を
酸化シリコン膜２２上に形成し、このレジストマスク２
３に従って酸化シリコン膜２２及び多結晶シリコン膜２
１をエッチングすることにより１層目の転送電極１４を
形成する。この転送電極１４は、拡散層１１に設けられ
るチャネル領域と交差する方向に延在し、且つそれぞれ
が一定の間隔を置いて互いに平行となるように形成され
る。さらに、レジストマスク２３を除去した後にＲＩＥ
法にて酸化シリコン膜２０をエッチングし、シリコン基
板１０の表面を露出させる。このエッチングの際には、
転送電極１４上に残された酸化シリコン膜２２が転送電
極１４の保護膜となる。このように、レジストマスク２
３を除去した後に酸化シリコン膜２０を除去してシリコ
ン基板１０の表面を露出させるようにすれば、レジスト
マスク２３の除去によって発生する不純物がシリコン基
板１０の表面に付着するの防止できる。

【００２１】続いて、転送電極１４の側面及び転送電極
１４の間隙部分に露出するシリコン基板１０の表面を薄
く熱酸化し、ゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜２４を
新たに膜厚１００Åに形成する。ここでの熱酸化工程に
ついては、転送電極１４の膜厚の変化を最小限とするた
め、短時間で完了することが好ましい。

【００２２】図７：第３工程 ＣＶＤ法による別の酸化シリコン膜１６を酸化シリコン
膜２４を覆うようにして膜厚１５００Åに形成する。こ
の酸化シリコン膜１６の形成は、ＴＥＯＳ(Tetraethyl
Orthosilicate)を用いた減圧ＣＶＤ法が好適である。Ｔ
ＥＯＳは、室温でアルコール状の液体で、加熱により分
解され、反応式Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₄→ＳｉＯ₂＋４Ｃ₂Ｈ₄＋
２Ｈ₂Ｏに従って酸化シリコンを成長させるもので、こ
のＴＥＯＳを利用して成長される酸化シリコン膜は、段
差被覆性が良く層間絶縁膜に適している。

【００２３】図８：第４工程 酸化シリコン膜１６を形成した後、酸化シリコン膜１６
上に転送電極となる多結晶シリコン膜２５をＣＶＤ法に
より膜厚９５０Åに形成する。そして、この多結晶シリ
コン膜２５の転送電極１４と重なる部分を周知のエッチ
ング工程により除去し、転送電極１４の間隙部分を覆う
２層目の転送電極１７を形成する。この転送電極１７
は、１層目の転送電極１４と同様に、チャネル領域と交
差する方向に延在し、側辺部が隣り合う転送電極１４と
重なり合うように配置される。さらに、これらの転送電
極１７上には、絶縁膜を介してアルミニウム等の配線が
各転送電極１４、１７の端部に接続されるようにして形
成され、情報電荷の蓄積時及び転送時には、その配線か
ら転送電極１４、１７に所定の電位が供給される。

【００２４】以上の製造工程によると、各転送電極１
４、１７が形成された後に熱酸化の工程がすくないこと
から、始めに形成した多結晶シリコン膜２１、２５の膜
厚をそのまま転送電極１４、１７の膜厚とすることがで
きるため、転送電極１４、１７の膜厚制御が容易にな
る。また、２層目の転送電極１７の下でシリコン基板１
０と接している酸化シリコン膜２４は、１層目の転送電
極１４の下でシリコン基板１０と接している酸化シリコ
ン膜２０と同じ工程によって形成されたものであるた
め、それぞれの領域でシリコン／酸化シリコン界面の界
面準位が等しくなる。このため、各転送電極１４、１７
の特性が均一になり、転送効率の劣化が抑圧される。

【００２５】なお、以上の実施例においては、Ｎ型のシ
リコン基板１０にＰ型の拡散層１１を形成した縦型オー
バーフロードレイン構造を例示したが、Ｐ型のシリコン
基板を用い、分離領域内にオーバーフロードレインを設
けた横型オーバーフロードレン構造でも同様に実施可能
である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、１層目の転送電極の表
面が、その後の工程で熱酸化されることがほとんどない
ため、転送電極による光の干渉の影響がなくなるように
最適化した転送電極の膜厚を正確に形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の製造方法により製造される固体撮像
素子の撮像部の断面図である。

【図２】図１に示す固体撮像素子の転送電極部分の拡大
図である。

【図３】固体撮像素子の分光感度の測定値を示す図であ
る。

【図４】転送電極の膜厚と感度との関係のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図５】本発明の固体撮像素子の製造方法の第１製造工
程を示す断面図である。

【図６】本発明の固体撮像素子の製造方法の第２製造工
程を示す断面図である。

【図７】本発明の固体撮像素子の製造方法の第３製造工
程を示す断面図である。

【図８】本発明の固体撮像素子の製造方法の第４製造工
程を示す断面図である。

【図９】従来の固体撮像素子の撮像部を示す平面図であ
る。

【図１０】図９のＸ−Ｘ線の断面図である。

【符号の説明】

１、１０ シリコン基板 ２、１１ 拡散層 ３ 分離領域 ４ チャネル領域 ５、１２ 埋め込みチャネル層 ６、１３、１５、１６、２０、２２、２４ 酸化シリコ
ン膜 ７、８、１４、１７ 転送電極 ２１、２５ 多結晶シリコン膜 ２３ レジストマスク

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の一主面上に複数の転送電極
   を配置し、この転送電極に与えられる電位に応じて半導
   体基板内に形成されるポテンシャル井戸に、入射した光
   に応答して発生する情報電荷を蓄積する固体撮像素子の
   製造方法において、複数のチャネル領域が分離領域によ
   って区画されて互いに平行に配列形成された上記半導体
   基板の表面を熱酸化した後、上記半導体基板上に所定の
   膜厚を有する第１の多結晶シリコン膜を形成し、この第
   １の多結晶シリコン膜上に第１の酸化シリコン膜を形成
   する第１の工程と、上記第１の多結晶シリコン膜を上記
   第１の酸化シリコン膜と共にパターニングし、上記複数
   のチャネル領域に交差してそれぞれ一定の間隔をおいて
   配列される複数の第１の転送電極を形成する第２の工程
   と、上記複数の第１の転送電極の間隙部分に露出する上
   記半導体基板の表面を短時間で薄く熱酸化した後、上記
   複数の第１の転送電極を覆って上記半導体基板上に減圧
   ＣＶＤ法により第２の酸化シリコン膜を形成する第３の
   工程と、上記第２の酸化シリコン膜上に所定の膜厚を有
   する第２の多結晶シリコン膜を形成し、この第２の多結
   晶シリコン膜をパターニングして上記複数の第１の転送
   電極の間隙を覆う複数の第２の転送電極を形成する第４
   の工程と、を有することを特徴とする固体撮像素子の製
   造方法。
2. 【請求項２】 上記第２の工程は、上記第２の酸化シリ
   コン膜上に形成したレジストパターンをマスクとして上
   記第１の酸化シリコン膜及び上記第１の多結晶シリコン
   膜をエッチングして上記半導体基板上の熱酸化膜を露出
   し、上記レジストパターンを除去した後、上記複数の第
   １の転送電極を上記第２の酸化シリコン膜で保護した状
   態で、上記複数の第１の転送電極の間隙部分に露出する
   上記熱酸化膜をエッチングする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。