JP4750391B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置の製造方法に係り、特に固体撮像素子におけるフォトダイオードの形成方法に関する。
図3は、従来のCMOSセンサを搭載した固体撮像素子の模式的断面図であり、そのうち、フォトダイオードA1と転送MOSトランジスタA2の構成に注目して説明する。301はN型シリコン基板、302はP型ウエル(第1の半導体領域)、303はMOSトランジスタA2のゲート酸化膜、304は転送MOSトランジスタA1のゲート電極、305はフォトダイオードA1のN型電荷蓄積領域(第2の半導体領域)、306はフォトダイオードA1を埋め込み構造とするための表面P型領域、307は素子分離のための選択酸化膜、308はフローティングディフュージョンを形成し転送MOSトランジスタA2のドレイン領域ともなっているN型高濃度領域、310は第1の配線層(メタル配線第一層)、309はゲート電極305と第1の配線層310を絶縁するシリコン酸化膜、311は転送MOSトランジスタA2のN型高濃度領域309及び第1の配線層310間を電気的に接続するコンタクトプラグ(配線間プラグ)である。
また、312は第2の配線層(メタル配線第二層)、313は第3の配線層(メタル配線第三層)、314は第1及び第2の配線層310、312間を電気的に接続するコンタクトプラグ(配線間プラグ)、315は第2及び第3の配線層312、313間を電気的に接続するコンタクトプラグ(配線間プラグ)、316は第1及び第2の配線層310、312を絶縁する層間絶縁膜、317は第2及び第3の配線層312、313を絶縁する層間絶縁層、318は表面保護層(パッシベーション膜)である。
この構成において、表面から入射した光は、フォトダイオードA1のN型電荷蓄積領域305或いはP型ウエル302内で吸収され、電子・ホール対を生成する。このうち、電子はN型電荷蓄積領域305に蓄積されてゆく。N型電荷蓄積領域305の蓄積電荷は、転送MOSトランジスタA2のゲート電極に加えるパルスによってそのN型高濃度領域308に転送され、ここからコンタクトプラグ311及び第1の配線層310を介して、フォトダイオードA1の信号として読み出される。
図4は、N型シリコン基板を使用する、一般的なCMOSプロセスを用いた従来のCMOSセンサにおけるMOSトランジスタのゲート電極の形成からメタル配線第一層(第1の配線層)の形成までの製造工程の流れを説明するものである。図4の例では、各ウエル形成方法の製造工程の流れについては割愛している。
まず、ウエルの形成されたN型シリコン基板上401に、MOSトランジスタA1のゲート酸化膜402、多結晶シリコン膜(ゲート電極となる)403、及びシリコン酸化膜404(イオンインプランテーション用のハードマスクとなる)をこの順序で成膜する(図4(a))。次いで、シリコン酸化膜404上に、レジストの塗布・露光・現像を行って第1のフォトレジストパターン405を形成する(図4(b))。この後にエッチング工程を経て、ゲート酸化膜402と多結晶シリコン膜(ゲート電極)403とシリコン酸化膜404とを、第1のフォトレジストパターン405の形状にパターニングする(図4(c))。次いで、この加工で使用された第1のフォトレジストパターン405を除去する(図4(d))。この工程では、第1のフォトレジストパターン405の代わりに、シリコン酸化膜404をマスクにして、多結晶シリコン膜403をエッチングしてもよい。
次に、フォトダイオードA1のN型領域407を形成するために、レジストの塗布・露光・現像を行って第2のフォトレジストパターン406を形成する(図4(e))。次いで、後の工程で行われるイオンインプランテーションのためにUVキュアを行い第2のフォトレジストパターン406を安定化した後に、イオンインプランテーションを行うことによってフォトダイオードA1のN型領域407を形成する(図4(f))。このN型領域407の位置は、ハードマスクとなるシリコン酸化膜404、即ちゲート電極の位置P1と、第2のフォトレジストパターン406の位置P2とによって規定され、これにより、N型領域407が位置P1、P2に沿ってゲート電極に自己整合的に形成される。
最終的に、このイオンインプランテーションのために使用された第2のフォトレジストパターン406を剥離する(図4(g))。この上に、絶縁膜408を設計厚みよりも多めに成長させる(図4(h))。このとき、絶縁膜408の表面にはゲート電極の厚み等の凹凸に応じて、段差ΔHが形成される。そこで、エッチバックまたは機械的科学的研磨(CMP)を行うことにより設計厚みに平坦化された絶縁層408を形成する(図2(i))。さらに、絶縁膜408にはコンタクトホールを形成し、その部分に配線間プラグ409を充填する。そして、この上部にメタル配線第一層(第1の配線層)410を形成する(図4(j))。
このようなCMOSセンサの形成方法の一例として、特許文献1、2がある。
特開2000−091552号公報 特開2000−286405号公報
しかしながら、上述した従来例の技術で形成された、ゲート電極とフォトダイオードのN型領域においては、セルフアライン(自己整合的)によりフォトダイオードのN型領域のイオンインプランテーションが行われるが、このイオンインプランテーションにマスクとして利用されるゲート電極の厚みは、その打ち込みエネルギーに対して十分に厚くはなく、イオンインプランテーション用のマスクとして使用するためにはゲート電極上にはハードマスク(シリコン酸化膜)が必要であった。このために、ゲート電極上にハードマスクを形成するための工程が必然的に不可欠となり、その分、工程数が増加し、製造コストが高くなるため、その対策が望まれていた。
また、ゲート電極上に形成されたハードマスクにより、ハードマスクの形成後にはゲート電極とフォトダイオード表面との段差が大きくなる。このためにフォトダイオードのN型領域形成後にその上部をゲート電極と共に覆う形で形成された絶縁膜の平坦化加工後の平坦性が悪化(段差が増大)し、これが原因で絶縁膜上に形成されるアルミ配線(メタル配線)のショートが発生する確率が増大し、歩留まりが低下する要因となるため、その対策も望まれていた。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するもので、MOSトランジスタのゲート電極に自己整合的にフォトダイオードの電荷蓄積領域を形成する際に用いられる、ゲート電極上のハードマスクを形成するための工程を削減すると共に、フォトダイオードのN型領域形成後にその上部に形成される絶縁膜の平坦性を改善することができる固体撮像装置の製造方法を提供するものである。
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、素子分離が形成された第一導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に設けられた第一導電型と反対導電型の第二導電型の第1の半導体領域内に形成される第一導電型の第2の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記第2の半導体領域に隣接して配設されるゲート電極を有するMOSトランジスタとを有する固体撮像装置の製造方法であり、前記半導体基板上の前記ゲート電極を規定するように第1のフォトレジストパターンを形成し、前記第1のフォトレジストパターンを使って前記半導体基板上に前記ゲート電極を形成し、前記第1のフォトレジストパターンを除去せずに、前記第1のフォトレジストパターンの前記第2の半導体領域を形成すべき領域の側の部分を覆わず、前記第1のフォトレジストパターンの他の部分を覆うように第2のフォトレジストパターンを形成し、前記第1及び第2のフォトレジストパターンを使って前記第1の半導体領域にイオンを注入することによって、前記第1の半導体領域内に前記第2の半導体領域を形成し、前記第2のフォトレジストパターンは、前記素子分離を覆うとともに前記素子分離から前記素子分離の外延と前記ゲート電極との間の位置まで延びた部分と、前記第1のフォトレジストパターンの前記他の部分を覆うとともに前記ゲート電極から見て前記第2の半導体領域とは反対側の領域まで延びた部分とを含み、前記第1のフォトレジストパターンを形成した後に紫外線照射によって前記第1のフォトレジストパターンを安定化させ、前記第2のフォトレジストパターンを形成した後、前記第2の半導体領域を形成する前に、前記第2のフォトレジストパターンのみを選択的に除去し、その後に、前記第2のフォトレジストパターンの代わりとして、前記第1のフォトレジストパターンの前記第2の半導体領域を形成すべき領域の側の部分を覆わず、前記第1のフォトレジストパターンの他の部分を覆うように新たな第2のフォトレジストパターンを形成する
本発明の一つの実施形態では、第一導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に設けられた第一導電型と反対導電型の第二導電型の第1の半導体領域内に形成される第一導電型の第2の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記第2の半導体領域に隣接して配設されるゲート電極を有するMOSトランジスタとを有する固体撮像装置の製造方法において、前記半導体基板上の前記ゲート電極の位置及び前記第2の半導体領域の一部の位置を規定する第1の位置に、第1のフォトレジストパターンを形成し、前記第1のフォトレジストパターンによって、前記半導体基板上に前記ゲート電極を形成し、前記第1のフォトレジストパターンを除去せずに、前記半導体基板上の前記第2の半導体領域の上記一部以外の位置を規定する第2の位置に、第2のフォトレジストパターンを形成し、前記第1及び第2のフォトレジストパターンによって、前記第1の半導体領域内に前記第2の半導体領域を前記第1及び第2の位置に沿って前記ゲート電極に自己整合的に形成する。
即ち、本発明の一つの実施形態では、ゲート電極形成後の第1のフォトレジストパターンを除去せずに残したまま、フォトダイオードの電荷蓄積領域(例えばN型領域)加工のための露光工程を行い、新たに第2のフォトレジストパターンで形成されたマスクパターンを形成し、この両方をセルフアラインで形成されるフォトダイオードの電荷蓄積領域加工のためのイオンインプランテーションの位置規定マスクに用いることによりフォトダイオードのN型領域を形成するものである。
この方法を用いることにより、ゲート電極上にハードマスクが不要になり、従来技術で課題となっている工程数を削減し、またゲート電極の高さを低く抑えることができ、この上部を覆う絶縁膜の平坦性を改善することができる。
本発明によれば、工程数の削減が可能となり工程が簡略化され、かつそれに伴い製造コストを低く抑えることができる。また、ゲート電極部分の高さが減少し、その上部を覆う絶縁膜形成後の平坦性が向上し、このことにより絶縁膜上に形成されるメタル配線の不良が減少し、歩留まりの向上が可能となる。
以下、本発明に係る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添付図面を参照して説明する。なお、本形態に係る固体撮像装置の基本構成については、前述した図3に示す固体撮像装置と同様であるため、その説明を省略する。
[実施形態1]
図1は、本実施形態によるN型シリコン基板(半導体基板)を使用したCMOSセンサ(固体撮像装置)の製造方法において、フォトダイオードの形成方法の製造工程の流れを説明するものである。図1の例では、前述した図4の例と同様に、CMOSプロセスを用いた従来のCMOSセンサの各ウエル形成方法の製造工程の流れは割愛し、ゲート電極の形成からメタル配線第一層(第1の配線層)の形成までの製造工程の流れを示す。
まず、ウエルの作成されたN型シリコン基板101上に、MOSトランジスタA2のゲート酸化膜102、多結晶シリコン膜(ゲート電極を成す)103をこの順序で成膜する(図1(a))。このとき、本実施形態では、前述した従来例で使用されるゲート電極上のイオンインプランテーション用のハードマスク、即ちシリコン酸化膜(図4参照)は多結晶シリコン膜103上に成膜していない。
次いで、成膜された多結晶シリコン膜103上に、フォトリソグラフィ工程によりレジストの塗布・露光・現像を行って、第1のレジストパターン105を形成する(図1(b))。
この後、紫外線照射(UVベーク)によって第1のフォトレジストパターン105の安定化を行い、引き続き行われるエッチング工程を経て、ゲート酸化膜102と多結晶シリコン103と第1のフォトレジストパターン105とで構成されたゲート電極パターンを形成する(図1(c))。この後、エッチング加工で使用された第1のフォトレジストパターン105は、従来例ではゲート電極上から除去するが、本実施形態ではゲート電極上に残したまま次の処理へと進む。
次いで、フォトダイオードのN型領域107(第2の半導体領域)を形成するために、指定の第2のフォトレジストパターン106を形成し(図1(d))、UVベークによってレジストの安定化を行った後に、イオンインプランテーションを行うことによって、N型シリコン基板101のウエル(第1の半導体領域)内にフォトダイオードA2のN型領域107を形成する(図1(e))。このN型領域107の位置は、第1のフォトレジストパターン105の位置P1と、第2のフォトレジストパターン106の位置P2とによって規定され、これにより、N型領域107が第1及び第2の位置P1、P2に沿ってゲート電極に自己整合的に形成される。
次いで、上記イオンインプランテーション後に、フォトダイオードA1のN型領域107形成の目的で残された第1のフォトレジストパターン105と第2のフォトレジストパターン106を剥離する(図1(f))。
次いで、この上に、絶縁膜108を指定厚みよりも多めに成長させ(図1(g))、エッチバックを行うことにより平坦化された絶縁層108を形成する(図1(h))。さらに絶縁層108にはコンタクトホールを形成し、その部分には配線間プラグ109を充填する。最終的には、この上部に、メタル配線第一層(第1の配線層)110形成する(図1(i))。
ここで、本実施形態の製造工程(図1)と従来例の製造工程(図4)を比較する。
まず、図1(a)と図4(a)を比較すると、本実施形態の技術では、従来例の技術におけるゲート電極上のイオンインプランテーション用のハードマスクとなるシリコン酸化膜404の形成が必要なく、その分、工程が簡略化されている。また、本実施形態の方法では、従来例の方法(図4(d)参照)に示す第1のフォトレジストパターンの剥離工程が省略されていることがわかる。これらのことから、本実施形態では、固体撮像装置におけるフォトダイオードの形成において、従来例よりも、工程を簡略化しコストを低減することができる。
また、図1(g)と図4(h)を比較すると、ゲート電極上のイオンインプランテーション用のハードマスクとなるシリコン酸化膜404の有無に従って、その厚さの分だけ、従来技術で形成した場合よりも、本実施形態の技術を用いて形成した場合のほうが、絶縁膜の形成後の段差ΔHは必然的に小さくなる。この絶縁膜は、その被膜後の平坦化工程によって、薄膜化と同時に平坦化されるが、この時の平坦性は、平坦化前の段差つまり絶縁膜形成時の段差ΔHに依存する。このために、本実施形態の技術を用いて形成された絶縁膜の平坦性は、従来技術で形成された絶縁膜よりも平滑であり、これにより絶縁膜の平坦性に原因のある配線間の絶縁破れや上部メタル配線の断線などの軽減を図ることができる。
[実施形態2]
上記実施形態1では、ゲート電極を形成した後に、フォトダイオードのN型領域形成のための第2のフォトレジストパターンを形成しているが、本実施形態では、このフォト工程の第2のフォトレジストパターンが正しく形成されなかった場合の処理(フォトダイオードのN型領域形成時のフォトレジストリワーク)を工夫したものである。この処理の特徴は、2種類のフォトレジストパターンが混在した場合に、片方のフォトレジストパターンのみを選択的に除去することである。
図2(a)〜(f)は、本実施形態によるN型シリコン基板を使用したCMOSセンサ(固体撮像装置)の製造方法において、フォトダイオードの形成方法の製造工程の流れを説明するものである。
まず、前述した上記実施形態1の図1(a)及び(b)と同様の工程により、図2(a)に示すように、N型シリコン基板201上に、ゲート酸化膜202、多結晶シリコン膜(ゲート電極)203、第1のフォトレジストパターン205で構成されたゲート電極パターンの構造を形成する。本実施形態では、第1のフォトレジストパターン205のパターニング後、フォトレジスト安定化のため、紫外線照射(UVキュア)を行う。こうすることで、後述の第2のフォトレジストパターンの選択的な除去を可能にしている。
次いで、フォトダイオードのN型領域(第2の半導体領域)207を形成するために、フォトダイオードA1のN型領域フォト工程で用いる、指定の第2のフォトレジストパターン206を形成する(図2(b))。
次いで、イオンインプランテーションのためにフォトレジスト安定化の目的でUVキュアを行う前の段階で、フォトレジストパターンの作り直しのために、フォトダイオードA1のN型領域フォト工程で用いる第2のフォトレジストパターン206のみ選択的に剥離する(図2(c))。この剥離には、例えば、レジストを溶解するPEGMEA(poly(ethylene glycol) methyl ether)とPEGME(poly(ethylene glycol) methyl ether)の混合液を用いる。このとき、ゲート電極パターン形成のために使用された第1のフォトレジスト205は剥離されずに残る。
次いで、再度、フォトダイオードA1のN型領域加工のためのフォト工程(図2(d))を行って第2のフォトレジストパターン206を形成し、この後にイオンインプランテーションを行うことによってN型シリコン基板201のウエル内にフォトダイオードA1のN型領域207を形成する(図2(e))。このN型領域207の位置は、第1のフォトレジストパターン205の位置P1と、第2のフォトレジストパターン206の位置P2とによって規定され、これにより、N型領域207がゲート電極に自己整合的に形成される。
次いで、上記イオンインプランテーション後に、フォトダイオードA1のN型領域207を形成する目的で残された第1のフォトフォトレジストパターン205と第2のフォトレジストパターン206を剥離する(図2(f))。その後、上記実施形態1の図1(g)〜(i)と同様の工程が行われる。
従って、本実施形態によれば、上記実施形態1と同様の効果に加え、イオンインプランテーションのためにフォトレジスト安定化の目的でUVキュアを行う前の段階で、第2のフォトレジストパターンのみを選択的に除去することができ、これにより、第2のフォトレジストパターンが正しく形成されなかった場合でも、フォトレジストパターンを容易に作り直すことができる。
なお、上記実施形態では、N型シリコン基板のP型ウエル内にフォトダイオードのN型領域(電荷蓄積領域)を形成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されずに、これとは逆に、P型シリコン基板のN型ウエル内にフォトダイオードのP型領域を形成する場合でも適用可能である。
本発明の実施形態1に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程流れ図である。 本発明の実施形態2に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程流れ図である。 CMOSセンサ(固体撮像装置)の断面構造を示す模式的断面図である。 従来例の固体撮像装置におけるフォトダイオードの形成方法を説明する工程流れ図である。
符号の説明
101 ウエルの作成されたN型シリコン基板(半導体基板)
102 MOSトランジスタのゲート酸化膜
103 多結晶シリコン膜(ゲート電極)
105 第1のレジストパターン
106 第2のレジストパターン
107 フォトダイオードのN型領域(第2の半導体領域)
108 ゲート電極とメタル第一層を絶縁する絶縁膜
109 配線間プラグ
110 メタル配線第一層(第1の配線層)
201 ウエルの作成されたN型シリコン基板
202 MOSトランジスタのゲート酸化膜
203 多結晶シリコン膜(ゲート電極)
205 第1のフォトレジストパターン
206 第2のフォトレジストパターン
207 フォトダイオードのN型領域(第2の半導体領域)
301 N型シリコン基板
302 P型ウエル
303 MOSトランジスタのゲート酸化膜
304 多結晶シリコン膜(ゲート電極)
305 フォトダイオードのN型電荷蓄積領域(第2の半導体領域)
306 フォトダイオードを埋め込み構造とするための表面P型領域
307 素子分離のための選択酸化膜
308 転送MOSトランジスタのN型高濃度領域
309 ゲート電極とメタル第一層を絶縁する絶縁膜
310 第1の配線層(メタル配線第一層)
311、314、315 配線間プラグ
312 第2の配線層(メタル配線第二層)
313 第3の配線層(メタル配線第三層)
316、317 層間絶縁膜
318 表面保護層
401 ウエルの作成されたN型シリコン基板
402 MOSトランジスタのゲート酸化膜
403 多結晶シリコン膜(ゲート電極)
404 シリコン酸化膜(イオンインプランテーション用のハードマスク)
405 第1のフォトレジストパターン
406 第2のフォトレジストパターン
407 フォトダイオードのN型領域
408 ゲート電極とメタル第一層を絶縁する絶縁膜
409 配線間プラグ
410 第1の配線層(メタル配線第一層)
A1 フォトダイオード
A2 転送MOSトランジスタ

Claims (4)

  1. 素子分離が形成された第一導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に設けられた第一導電型と反対導電型の第二導電型の第1の半導体領域内に形成される第一導電型の第2の半導体領域を有するフォトダイオードと、前記第2の半導体領域に隣接して配設されるゲート電極を有するMOSトランジスタとを有する固体撮像装置の製造方法において、
    前記半導体基板上の前記ゲート電極を規定するように第1のフォトレジストパターンを形成し、
    前記第1のフォトレジストパターンを使って前記半導体基板上に前記ゲート電極を形成し、
    前記第1のフォトレジストパターンを除去せずに、前記第1のフォトレジストパターンの前記第2の半導体領域を形成すべき領域の側の部分を覆わず、前記第1のフォトレジストパターンの他の部分を覆うように第2のフォトレジストパターンを形成し
    前記第2のフォトレジストパターンは、前記素子分離を覆うとともに前記素子分離から前記素子分離の外延と前記ゲート電極との間の位置まで延びた部分と、前記第1のフォトレジストパターンの前記他の部分を覆うとともに前記ゲート電極から見て前記第2の半導体領域とは反対側の領域まで延びた部分とを含
    前記第1のフォトレジストパターンを形成した後に紫外線照射によって前記第1のフォトレジストパターンを安定化させ、
    前記第2のフォトレジストパターンを形成した後、前記第2の半導体領域を形成する前に、前記第2のフォトレジストパターンのみを選択的に除去し、その後に、前記第2のフォトレジストパターンの代わりとして、前記素子分離を覆うとともに前記素子分離から前記素子分離の外延と前記ゲート電極との間の位置まで延びた部分と、前記第1のフォトレジストパターンの前記他の部分を覆うとともに前記ゲート電極から見て前記第2の半導体領域とは反対側の領域まで延びた部分とを含み、前記第1のフォトレジストパターンの前記第2の半導体領域を形成すべき領域の側の部分を覆わず、前記第1のフォトレジストパターンの他の部分を覆う、新たなフォトレジストパターンを形成し、
    前記第1及び新たなフォトレジストパターンを使って前記第1の半導体領域にイオンを注入することによって、前記第1の半導体領域内に前記第2の半導体領域を形成する、
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  2. 前記第2の半導体領域を形成した後に、少なくとも、前記第1のフォトレジストパターンと、前記新たなフォトレジストパターンとを同時に除去することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置の製造方法。
  3. 前記第2の半導体領域を形成する工程の後に、
    前記素子分離および前記ゲート電極を覆う絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜を平坦化する工程と、
    前記平坦化された絶縁膜上にメタル配線層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置の製造方法。
  4. 前記第一導電型はN型であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法。
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