JP4670266B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法に係わる。

従来のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図を図６に示す。図６ＡはＣＣＤ固体撮像素子の平面図を示し、図６Ｂは図６ＡのＢ−Ｂにおける断面図を示す。
このＣＣＤ固体撮像素子は、光電変換を行うセンサ部２がマトリクス状に配置され、センサ部２の各列の左側にそれぞれ垂直転送レジスタ３が設けられて、撮像領域１が構成されている。
各垂直転送レジスタ３の一端側には、水平転送レジスタ４が接続されている。
さらに、水平転送レジスタ４の一端に出力部５が接続され、この出力部５で信号電荷が電圧に変換されて外部に出力される。
また、図６Ｂの断面図に示すように、半導体基体６の表面部に、センサ部２や垂直転送レジスタ３を構成する半導体領域７が形成されている。そして、半導体基体６上には、ゲート絶縁膜をも構成する熱酸化膜８を介して、ポリシリコンから成る垂直転送電極９が形成されている。垂直転送電極９上には、層間絶縁膜１０を介して遮光膜１１が形成されている。この遮光膜１１はセンサ部２上に開口１２を有している。

ところで、従来の固体撮像素子には、微細化が進むと特性、特に高速性が制約されるという問題があった。
これは、画素数の増加や固体撮像素子の小型化が進むことにより、垂直転送電極及び水平転送電極も微細化せざるを得ないが、転送電極が微細化すると抵抗が大きくなり、従来転送電極に用いられているポリシリコン膜では無視できない電極抵抗が存在し、それが高速性の律速要因になるからである。

そのため、低抵抗の電極材料を用いる必要性が認識され、例えばタングステンポリサイド等の高融点金属ポリサイド膜で電極を形成する技術が開発された。
これは、ポリシリコン膜の表面上に例えばタングステンシリサイドＷＳｉ等の高融点金属シリサイド膜を積層したものであり、電極が金属を組成成分として有しており、ポリシリコンのみで電極を構成した場合に比較して、電極抵抗を顕著に小さくすることができる技術であり、その点では優れているといえる（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１６８２０４号公報

しかしながら、タングステンポリサイドにより電極を形成した場合には、製造工程のうち、電極形成工程よりも後のシリコン半導体基板の表面を酸化する工程等において、タングステンポリサイド電極からタングステンＷが飛び出し、それが半導体基板内に拡散し、結晶欠陥の原因となるという問題のあることが判明した。

このため、タングステンポリサイド等の高融点金属を使用して電極を形成したＣＣＤ固体撮像素子は、白傷が大幅に悪化することになり、実用化が困難になっている。

上述した問題の解決のために、本発明においては、高融点金属等の金属元素を含有させた電極を採用した場合でも、電極から金属元素が拡散することを防止することが可能な構成の固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基体上に多結晶シリコン層上にタングステンシリサイド層を積層した導電体層を成膜し、この導電体層をパターニングして転送電極を形成する工程と、プラズマ窒化装置を使用して転送電極を直接窒化することにより、この転送電極の表面に窒化珪素膜を形成する工程とを有するものである。

上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、半導体基体上に多結晶シリコン層上にタングステンシリサイド層を積層した導電体層を成膜し、この導電体層をパターニングして転送電極を形成することにより、多結晶シリコン層上にタングステンシリサイド層を積層した転送電極が形成される。そして、プラズマ窒化装置を使用して転送電極を直接窒化することにより、この転送電極の表面に窒化珪素膜を形成することにより、転送電極の表面を不動態化して、転送電極内のタングステンの転送電極外部、例えば半導体基体への拡散を防止することができる。
これにより、タングステンの半導体基体への拡散に起因する、半導体基体（半導体基板やエピタキシャル層）内での結晶欠陥発生・準位形成を防止して、白傷の発生を抑制することが可能になる。

上述の本発明によれば、転送電極内の金属元素（金属単体や金属酸化物等）の転送電極外部、例えば半導体基体への拡散を防止することができ、基体内での結晶欠陥発生・準位形成を防止して、白傷の発生を抑制することが可能になる。
これにより、白傷の発生が増えるおそれを伴うことなく、金属元素を含有させることにより転送電極の低抵抗化を図り、微細化しても高速性等の特性が低下しないようにすることができる。
従って、転送電極の低抵抗化によって高速に動作し、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することができると共に、微細化により固体撮像素子の小型化や多画素化を図ることが可能になる。
また、特性の良好な固体撮像素子を歩留まり良く製造することができる。

本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（要部の断面図）を図１に示す。本実施の形態は、本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用したものである。
図１は、図６Ｂの断面図と同様に、垂直転送レジスタ及びセンサ部の断面図を示している。固体撮像素子の平面図は、図６Ａの従来の構成の平面図と同様であるので、図示を省略している。

この固体撮像素子は、半導体基体（シリコン基板等の半導体基板やその上に形成されたエピタキシャル層）６の表面部に、光電変換が行われ、光電変換素子を構成するセンサ部２の半導体領域と、垂直転送レジスタ３を構成する半導体領域（転送チャネル領域）７とが形成されて、構成されている。
そして、半導体基体６の表面上に、ゲート絶縁膜をも構成する熱酸化膜８が形成されている。
なお、熱酸化膜８の代わりに、ゲート絶縁膜として、いわゆるＯＮＯ構造と呼ばれる酸化膜・窒化膜・酸化膜のサンドイッチ構造をとる場合もある。

また、熱酸化膜８上に、垂直転送部の転送電極として、多結晶シリコン層１３とその上のタングステンシリサイド（ＷＳｉ）層１４との積層により、タングステンポリサイド１５が形成されている。
このタングステンポリサイド１５から成る転送電極の上方には、層間絶縁膜１０を介して、金属例えばタングステン等からなる遮光膜１１が形成されている。遮光膜１１は、センサ部２上に開口１２を有している。

なお、遮光膜１１の上方には、図示しないが、必要に応じて、カラーフィルタやマイクロレンズが形成される。これらの部品は、本発明の本質とは直接関係がないので図示を省略している。また、半導体基体６の表面部の構造も本発明の本質と直接関係しないので詳細な図示を省略している。

本実施の形態の固体撮像素子においては、特に、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）に、窒化珪素膜１６が形成されている。
これにより、窒化珪素膜１６が、金属飛散防止膜として作用し、転送電極のタングステンポリサイド１５に含まれるタングステンの飛散を防止することができる。

上述の本実施の形態の固体撮像素子は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、半導体基体６の表面に熱酸化膜８を形成した後、熱酸化膜（ゲート絶縁膜）８の表面に、多結晶シリコン層１３を成膜する。
続いて、この多結晶シリコン層１３の上にタングステンシリサイド層１４を成膜する。これにより、タングステンポリサイド１５が形成される。
その後、このタングステンポリサイド１５を、選択的エッチングによりパターニングして、タングステンポリサイド１５から成る転送電極を形成する（以上、図２Ａ参照）。

次に、図２Ｂに示すように、金属飛散防止膜となる窒化珪素膜１６を、ＣＶＤ法によりウェーハ全面に形成する。これにより、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）が窒化珪素膜１６で覆われる。

次に、図２Ｃに示すように、窒化珪素膜１６のうち、タングステンポリサイド１５の上面及び側面を覆う部分以外を、エッチングにより除去する。これにより、表面が窒化珪素膜１６で覆われた転送電極１５が形成される。
その後は、層間絶縁膜１０を介して遮光膜１１を成膜し、遮光膜１１をパターニングしてセンサ部２上に開口１２を形成する。
さらに、必要に応じて、平坦化膜やカラーフィルタ、オンチップレンズを形成する。
このようにして、図１に示した本実施の形態の固体撮像素子を製造することができる。

なお、図２Ｂに示した工程において、金属飛散防止膜となる窒化珪素膜１６をＣＶＤ法により形成すると説明したが、窒化珪素膜１６の成膜方法は、必ずしもＣＶＤ法に限定されるものではない。
例えば、拡散炉タイプの熱処理炉やランプアニール炉における窒化処理や、プラズマ窒化による窒化でも、表面に拡散防止層としての窒化珪素膜１６を形成することができる。
また例えば、転送電極１５のタングステンポリサイドの直接窒化により窒化珪素膜を形成することも可能である。例えば、強力な窒化力を有するプラズマ窒化装置を使用することにより、タングステンポリサイド１５を直接窒化することが可能である。
この場合には、図２Ｃに示した不要な箇所の窒化珪素膜のエッチング除去工程が不要となることから、製造工程数を削減して製造に要する時間を短縮することができる。

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）を覆って窒化珪素膜１６が形成されている。
これにより、この窒化珪素膜１６によって、製造時に転送電極１５からタングステン（タングステン単体やタングステン酸化物）の電極外部例えば半導体基体６への飛散・拡散を防止することができるため、タングステンの半導体基体６への拡散に起因する、半導体基体６の結晶欠陥の発生を防止することができる。
従って、半導体基体６内での結晶欠陥の発生や準位の形成を防止することにより、白傷の発生を抑制することが可能になる。

また、窒化珪素膜１６を形成した後に高温熱処理工程を行った場合においても、窒化珪素膜１６により、製造時に転送電極１５からタングステン（タングステン単体やタングステン酸化物）の電極外部例えば半導体基体６への飛散・拡散を防止することができる。
これにより、転送電極１５を形成した後の酸化の条件が、タングステンの飛散防止のために制約されるおそれがなくなる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）に、窒化珪素膜の堆積や直接窒化等により、窒化珪素膜１６を形成することにより、その後の熱処理工程において、窒化珪素膜１６により、タングステンの飛散・拡散を防止することができる。
これにより、その後の熱処理工程において転送電極１５からタングステンが飛散・拡散して、電極外部例えば半導体基体６内に拡散するおそれがない。

本実施の形態によれば、半導体基体６内における結晶欠陥の発生や準位の形成を防止することができ、白傷の発生を抑制することが可能になる。
これにより、白傷の発生が増えるおそれを伴うことなく、タングステンポリサイド１５により転送電極の低抵抗化を図り、微細化しても高速性等の特性が低下しないようにすることができる。
従って、高速に動作し、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することができると共に、微細化により固体撮像素子の小型化や多画素化を図ることが可能になる。
また、特性の良好な固体撮像素子を、歩留まり良く製造することができる。

なお、転送電極１５は、従来と同様の２層の導電体層が一部オーバーラップした構成とすることも可能であるが、より好ましくは、転送電極１５を同一層の導電体層（タングステンポリサイド）のみにより構成する。
この構成とした場合の、垂直転送レジスタ３部の断面図を図３に示す。
図３に示すように、垂直転送レジスタ３の各転送電極が、いずれも第１層のタングステンポリサイド１５のみにより形成されている。即ち、垂直転送レジスタ３の転送電極が、いわゆる単層電極構造となっている。
このように、垂直転送レジスタ３の転送電極１５が単層電極構造であることにより、転送電極のタングステンポリサイドのオーバーラップ部がない。また、転送電極１５の高さや、転送電極１５の上方に形成される遮光膜１１の高さが低くなるため、光電変換素子に広い角度範囲の光を入射させることができる。

ところで、転送電極を２層の導電体層が一部オーバーラップした構成とした場合には、第１層の導電体層と第２層の導電体層の間に形成する絶縁膜を、信号電荷の転送残りを防いで効率良く転送するために薄い膜とすると共に、第１層の導電体層から成る転送電極と第２層の導電体層から成る転送電極との間の耐圧を確保するために、緻密でしっかりした酸化珪素膜により形成する必要がある。そのため、従来は、薄くてしっかりした酸化珪素膜を形成する目的で、比較的高温の熱処理を行っていた。
そして、タングステンポリサイドから成る転送電極を採用した場合には、この比較的高温の熱処理により、転送電極方面の酸化反応が促進され、またタングステンやタングステン酸化物の電極外部例えば半導体基体への拡散が起こる。

これに対して、転送電極１５を単層電極構造とすることにより、上述した比較的高温の熱処理工程が不要となるため、比較的高温の熱処理を行わないことにより、熱処理温度を低くすると共に熱処理工程の数を少なくすることができ、これにより転送電極１５表面の酸化反応の機会（回数や時間）を低減することができる。
従って、転送電極１５の表面を覆う窒化珪素膜１６により、電極１５外部へのタングステンの拡散を防止すると共に、転送電極１５表面の酸化反応の機会を低減して、より効果的に電極１５外部へのタングステンの拡散を防止することができる。

次に、本発明の他の実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図４に示す。
本実施の形態の固体撮像素子は、特に、図４の断面図に示すように、垂直転送レジスタ３のタングステンポリサイドから成る転送電極１５の表面（上面及び側面）を覆って、シリコン酸化膜（酸化珪素膜）１７を介して窒化珪素膜１６が形成されている。
その他の構成は、図１に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

例えば、前述したように、タングステンポリサイド１５を直接窒化する方法により、表面に窒化珪素膜１６を形成する場合には、多結晶シリコン層１３及びタングステンシリサイド層１４の表面粗度や結晶性の問題により、タングステンポリサイド１５の表面に均質で飛散防止性能の高い良質の窒化珪素膜１６が形成されないことも有り得る。
これに対して、本実施の形態のように、タングステンポリサイド１５と、金属飛散防止膜である窒化珪素膜１６との間に、シリコン酸化膜１７を形成した構成とすることにより、多結晶シリコン層１３及びタングステンシリサイド層１４の表面粗度や結晶性に係わらず、均質で飛散防止性能の高い良質の窒化珪素膜１６を形成することができる。

本実施の形態における転送電極の構成は、例えば、タングステンポリサイド１５の表面に一定厚さ以上のシリコン酸化膜（酸化珪素膜）１７を形成し、このシリコン酸化膜１７を直接窒化することにより、作製することができる。
タングステンポリサイド１５の表面に一定厚さ以上のシリコン酸化膜１７を形成する方法としては、より低温で短時間での酸化処理方法が望ましい。例えば、４５０℃以下の常圧ＣＶＤ装置や、プラズマＣＶＤ装置、ランプアニール炉やプラズマ酸化法を用いると良い。これは、高温で長時間の酸化処理を行うと、タングステンシリサイド層１４の酸化が進行し、生成されたタングステン酸化物が飛散し、半導体基体６への拡散する恐れがあるためである。

本実施の形態の固体撮像素子は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、半導体基体６の表面に熱酸化膜（ゲート絶縁膜）８を形成した後、その表面に、多結晶ポリシリコン層１３を成膜する。
続いて、この多結晶シリコン層１３の上にタングステンシリサイド層１４を成膜する。これにより、タングステンポリサイド１５が形成される。
その後、このタングステンポリサイド１５を、選択的エッチングによりパターニングして、タングステンポリサイド１５から成る転送電極を形成する（以上、図５Ａ参照）。

次に、図５Ｂに示すように、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面に、プラズマ酸化法により、低温でシリコン酸化膜１７を形成する。これにより、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）がシリコン酸化膜（酸化珪素膜）１７で覆われる。

続いて、図５Ｃに示すように、タングステンポリサイド１５上のシリコン酸化膜１７の上から、プラズマ窒化等の方法を用いて、金属飛散防止膜となる窒化珪素膜１６を形成する。これにより、表面がシリコン酸化膜１７を介して窒化珪素膜１６で覆われた転送電極１５が形成される。
その後は、層間絶縁膜１０を介して遮光膜１１を成膜し、遮光膜１１をパターニングしてセンサ部２上に開口１２を形成する。
さらに、必要に応じて、平坦化膜やカラーフィルタ、オンチップレンズを形成する。
このようにして、図４に示した本実施の形態の固体撮像素子を製造することができる。

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）を、シリコン酸化膜１７を介して金属飛散防止膜である窒化珪素膜１６により覆っているので、この窒化珪素膜１６によって、製造時に転送電極１５からタングステンの電極外部例えば半導体基体６への飛散・拡散を防止することができるため、タングステンの半導体基体６への拡散に起因する、半導体基体６の結晶欠陥の発生を防止することができる。
従って、半導体基体６内での結晶欠陥の発生や準位の形成を防止することにより、白傷の発生を抑制することが可能になる。

また、窒化珪素膜１６を形成した後に高温熱処理工程を行った場合においても、窒化珪素膜１６により、製造時に転送電極１５からタングステン（タングステン単体やタングステン酸化物）の電極外部例えば半導体基体６への飛散・拡散を防止することができる。
これにより、転送電極１５を形成した後の酸化の条件が、タングステンの飛散防止のために制約されるおそれがなくなる。

また、本実施の形態の製造方法によれば、タングステンポリサイド１５から成る転送電極の表面（上面及び側面）に、シリコン酸化膜（酸化珪素膜）１７を形成した後、このシリコン酸化膜１７の表面を窒化して窒化珪素膜１６を形成することにより、その後の熱処理工程において、窒化珪素膜１６により、タングステンポリサイド１５からのタングステンの飛散・拡散を防止することができる。
これにより、その後の熱処理工程において転送電極１５からタングステンが飛散・拡散して半導体基体６内に拡散するおそれがない。

本実施の形態によれば、半導体基体６内における結晶欠陥の発生や準位の形成を防止することができ、白傷の発生を抑制することが可能になる。
これにより、白傷の発生が増えるおそれを伴うことなく、タングステンポリサイド１５により転送電極の低抵抗化を図り、微細化しても高速性等の特性が低下しないようにすることができる。
従って、高速に動作し、良好な特性を有する固体撮像素子を実現することができると共に、微細化により固体撮像素子の小型化や多画素化を図ることが可能になる。
また、特性の良好な固体撮像素子を、歩留まり良く製造することができる。

上述の各実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送レジスタ３の転送電極（垂直転送電極）１５に本発明を適用した場合であったが、水平転送レジスタの転送電極（水平転送電極）にも同様に本発明を適用することが可能である。

また、上述の各実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用した場合であったが、その他の構成にも本発明を適用することができる。
例えば、ＭＯＳ型固体撮像素子や増幅型固体撮像素子にも、本発明を適用することができる。その場合には、例えば、読み出しゲート電極や画素のトランジスタのゲート電極において、電極に金属元素を含有させると共に、電極の表面に窒化珪素膜を形成すればよい。

また、本発明は、センサ部がマトリクス状に配置されたエリアセンサだけではなく、センサ部が列状に配置されたラインセンサにも適用できる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。 Ａ〜Ｃ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 単層電極構造とした場合の図１の固体撮像素子の垂直転送レジスタ部の断面図である。 本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。 Ａ〜Ｃ 図４の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 Ａ、Ｂ 従来のＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図である。

符号の説明

１ 撮像領域、２ センサ部、３ 垂直転送レジスタ、４ 水平転送レジスタ、５ 出力部、６ 半導体基体、７ 垂直転送レジスタの半導体領域、８ 熱酸化膜（ゲート絶縁膜）、１０ 層間絶縁膜、１１ 遮光膜、１３ 多結晶シリコン層、１４ タングステンシリサイド層、１５ タングステンポリサイド、１６ 窒化珪素膜、１７ シリコン酸化膜（酸化珪素膜）

Claims (1)

1. 半導体基体上に、多結晶シリコン層上にタングステンシリサイド層を積層した導電体層を成膜し、前記導電体層をパターニングして転送電極を形成する工程と、
   プラズマ窒化装置を使用して前記転送電極を直接窒化することにより、前記転送電極の表面に窒化珪素膜を形成する工程とを有する
   固体撮像素子の製造方法。

Images