JP2006114657A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮光膜表面における入射光の反射率が均一であることから感度ムラを抑えることができ、しかも遮光膜の薄膜化が図れるため画素の微細化が実現できる固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 遮光膜７の上に、少なくともこの遮光膜を覆う酸化防止層９を形成する。酸化防止層９は、遮光膜７の表面が酸化されないような条件下で形成する。酸化防止層９は、遮光性を有する高融点金属化合物膜、あるいは透光性を有する絶縁膜にて形成される。これにより、遮光膜７の表面における入射光の散乱率を全ての画素において均一に保つことができ、感度ムラが抑制された固体撮像装置を実現できる。また、遮光膜７の表面は酸化されないため、遮光膜７の薄膜化が図れ、画素の微細化に対応できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、より特定的には、遮光膜の上に平坦化層を形成した固体撮像装置およびその製造方法に関する。

一般に、固体撮像装置は、複数の画素がマトリクス状に配列された複数の画素部を有し、各画素においては、半導体基板の主面に、入射光量に応じた電気信号を出力するよう構成された受光部が設けられている。また、半導体基板の表面には、受光部以外の部分に光が当たることを防止するための遮光膜が設けられており、各受光部の上部にある遮光膜には、受光部に光を取り込むための開口部が形成されている。このような遮光膜には、例えば、タングステン膜のように遮光性の良い金属膜が用いられるが、金属膜はその表面において入射光を散乱しやすく、また、その表面粗さの違いから画素毎に光の散乱率が異なるため、受光部での集光バラツキ、すなわち固体撮像装置の感度ムラが生じる傾向にある。

そこで、従来より、遮光膜の表面に各種の加工処理を施して、固体撮像装置の感度ムラを改善する手法が提案されている。例えば、特許文献１および２には、遮光膜を覆う平坦化層を形成する時に、同時に遮光膜の表面を酸化させる方法が開示されている。

以下に、遮光膜の表面を酸化させた固体撮像装置を例に挙げ、その構造について図４および図５を参照しながら説明する。図４は、固体撮像装置の一種であるＣＣＤ（Charge Coupled Device ）の画素の断面図である。この固体撮像装置は、図５に示す各工程を経て製造される。

図５は、図４に示す固体撮像装置を製造する過程における各段階での断面図を示す。図５（ａ）は、半導体基板１の上に遮光膜７となるべきタングステン膜７ａを形成した仕掛状態を示す。このような仕掛状態の半導体基板１を得るためには、まず、イオン注入法などの方法を用いて、半導体基板１の主面にフォトダイオード２および電荷転送部３を形成する。次に、半導体基板１の表面に、熱酸化やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition ：化学気相成長法）によりゲート絶縁膜４を堆積する。ゲート絶縁膜４の堆積が完了すると、ＣＶＤ法によりポリシリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理等により、必要なパターン（図示せず）を形成し、転送電極５を形成する。次に、転送電極５およびゲート絶縁膜４を覆うように、酸化／ＣＶＤ法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜６を堆積する。このように構成された基板に、遮光膜を構成するためのタングステン膜７ａをスパッタ法あるいはＣＶＤ法により堆積する。

図５（ｂ）は、所望の形状を有する遮光膜７を得るために、レジストパターン１１を形成した様子を示す。レジストパターン１１は、以下の手順にて形成される。まず、タングステン膜７ａの上に界面活性化剤を塗布する。次に、レジストを塗布してレジスト膜を形成し、このレジスト膜に、露光・現像を行って、フォトダイオード２の上部に開口部８が形成されるようにパターニングする。これにより、レジストパターン１１が形成される。

図５（ｃ）は、タングステン膜７ａをパターニングした状態を示す断面図である。レジストパターン１１をマスクとして、タングステン膜７ａをドライエッチング処理する。これにより所望の形状にパターニングされた遮光膜７が得られる。その後、レジストパターン１１を除去する。

次に、遮光膜７の上にＣＶＤ法により平坦化層２１を形成するのであるが、これに先立って、遮光膜７の表面に酸化処理を施す。図５（ｄ）は、遮光膜７の表面を酸化した状態を示す断面図である。遮光膜７の酸化は、ＣＶＤ処理を行うチャンバーと同一のチャンバー内において、オゾン（Ｏ₃ ）ガスあるいは酸素（Ｏ₂ ）ガスを導入し、ウェハをガス雰囲気中に曝すことにより行う。これにより遮光膜７は、表面側から徐々に酸化され、タングステン酸化膜２０が形成される。タングステン酸化膜２０は、反射率の低い物質であることから、遮光膜７の表面における入射光の散乱を低減できる。

図５（ｅ）は、平坦化層２１を形成した状態を示す断面図である。平坦化層２１は、チャンバーからオゾンガスや酸素ガスを排出した後に、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）ガスを導入することにより形成される。得られた平坦化層２１には、受光部に入射光を集光するためのレンズ（図示せず）を形成するために、平坦化処理が施される。これにより、図４に示す固体撮像装置４００が得られる。
特開平９−２３２５５２号公報 特開２００４−９５８９５号公報

しかしながら、上記のように構成された固体撮像装置では、タングステン酸化膜２０が光を透過しやすいという性質を有することから、遮光膜７を表面側から酸化させてタングステン酸化膜２０を形成すると、遮光膜７（タングステン膜）の膜厚が薄くなり、実遮光率が変わるという問題がある。したがって、実遮光率を維持するためには、あらかじめ減少するタングステン酸化膜２０の膜厚を見込んでタングステン膜７ａの膜厚を厚めにする必要が生じるが、実効膜厚の予測は実際には困難であり、また、遮光膜７の膜厚を厚くすることは、画素の微細化を妨げることとなる。

さらに、上記のようなＣＶＤ法において、特許文献２に記載のように５００℃程度の酸化温度で遮光膜７の表面を酸化させたところ、タングステン酸化膜２０の膜厚を均一に形成することが困難であることが明らかとなった。これは、タングステン膜の酸化温度に起因するものと思われる。一般に、タングステン膜７ａは酸化されやすい物質であることから、常温でも微量な酸化は生じるが、４００℃付近で酸化が始まり、７００℃付近で急激な酸化が進行すると言われている。そのため、５００℃程度の酸化温度では、酸化膜の形成が十分に行われず、均一な膜厚が得られないものと思われる。

このように不均一な膜厚を有するタングステン酸化膜２０が遮光膜７の表面に形成されると、タングステン酸化膜２０の膜厚が厚い所では入射光の反射率が低くなり、タングステン酸化膜２０の膜厚が薄い所では入射光の反射率が高くなる。また、酸化が不均一で、タングステン膜７ａ上にタングステン酸化物が形成されている部分とタングステン酸化物が形成されていない部分とが混在しているような場合において、タングステン酸化物とタングステン膜７ａとでは表面の凹凸差に違いが存在する。この表面の凹凸差に起因して、タングステン酸化物とタングステン膜７ａとでは光の散乱に差が発生する。

そのため、固体撮像装置４００には、開口部８付近での反射率のムラによる受光部での集光バラツキ、すなわち感度ムラが生じることとなる。また、各画素において、受光部での集光バラツキが生じても、このバラツキが、複数配置された各画素おいて均一なバラツキを有するものであれば、画素部全体として見たときには、感度ムラが小さくなるため問題はないが、上記のように構成された固体撮像装置４００では、各画素における遮光膜７の表面での光の散乱率が異なるため、画素部全体では、感度ムラの大きな固体撮像装置となる。なお、均一な膜厚のタングステン酸化膜２０を得るためには、７００℃といった高温での酸化処理を行うことが考えられるが、このような処理を行うことは、受光部の劣化などを生じるため好ましくない。

それ故に、本発明は、遮光膜表面における入射光の反射率が均一であることから感度ムラを抑制でき、しかも、遮光膜の薄膜化が図れることにより画素の微細化が実現できる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する発明は、受光部への入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置に向けられている。この固体撮像装置は、半導体基板の主面に形成された受光部、受光部の上部に開口部が形成された遮光膜、少なくとも遮光膜を覆い、この遮光膜の表面における酸化を防止するための酸化防止層、および酸化防止層を含めて半導体基板の全面を覆う平坦化層を備える。このような構成を有することにより、本発明の固体撮像装置は、酸化防止層によって遮光膜表面の光の散乱率を一定に近づけることができるとともに、遮光膜の表面における酸化を防止することで実効膜厚の変動を解消し、感度ムラを抑制することができる。また、遮光膜は、その表面を酸化されることなく酸化防止層にて覆われるため、遮光膜の膜厚を実際に成膜した厚みに保つことができる。したがって、実効膜厚を考慮してあらかじめ遮光膜を厚めに成膜する必要がなくなり、遮光膜の薄膜化が図れ、画素の微細化が実現できる。

本発明の固体撮像装置の特徴部分である酸化防止層としては、遮光性を有する高融点金属化合物膜が挙げられる。例えば、遮光膜がタングステン膜であるときには、酸化防止層として、タングステンシリサイド膜、窒化タングステン膜、チタンナイトライド膜から選ばれるいずれかが好適に使用できる。このような遮光性を有する高融点金属化合物膜は、均一な厚みで形成されているため、入射光の散乱率を一定に近づけることができる。

特に、遮光膜がタングステン膜であり、酸化防止層としてタングステンシリサイド膜が形成されているときには、上記効果に加えて暗電流の改善も図れる。これは、次の理由による。固体撮像装置を製造する際には、遮光膜を形成した後工程において、シリコン基板の界面準位を終端する水素シンター処理が行われる。ここで、従来の水素シンター処理では、タングステンは水素を吸蔵する性質を持つため、水素がタングステンで吸蔵されてしまいシリコン基板まで十分に到達しなかったが、本発明では、タングステン膜の表面にタングステンシリサイド膜が形成されることで、タングステンシリサイド膜がカバー膜となって水素の吸蔵を防止することができる。これにより、シリコン基板に十分に水素が到達して界面準位が終端されることとなり、暗電流の低減が図れる。

また、酸化防止層は、透光性を有する絶縁膜であっても良い。例えば、遮光膜がタングステン膜であるときには、酸化防止層として、窒化シリコン膜あるいは窒化酸化シリコン膜が好適に使用できる。このような透光性を有する絶縁膜においても、光の反射率が金属膜よりも低く、しかも、均一な厚みで形成されているため、入射光の散乱率を一定に近づけることができる。

また、酸化防止層は、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。このような膜厚とすることで、遮光膜の表面を完全に覆うことができる。

また、本発明は、受光部への入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置の製造方法にも向けられている。この製造方法では、まず、半導体基板の主面に受光部を形成する。次に、受光部の上部に開口部が形成された遮光膜を形成する。次に、少なくとも遮光膜を覆う酸化防止層を、遮光膜の表面が酸化されないような条件下で形成する。そして、酸化防止層を含めて半導体基板の全面を覆う平坦化層を形成する。

このように遮光膜の表面を酸化防止層で覆うことで、均一な厚みの酸化防止層を形成することができ、入射光の反射率のムラが低減するため、受光部での集光バラツキをなくして感度ムラを抑えた固体撮像装置を得ることができる。また、遮光膜は、その表面を酸化されることなく酸化防止層にて覆われるため、遮光膜の膜厚を実際に成膜した厚みに保つことができる。したがって、実効膜厚を考慮してあらかじめ遮光膜を厚めに成膜する必要がなくなり、遮光膜の薄膜化が図れ、画素の微細化が実現できる。

本発明において酸化防止層を形成する工程は、遮光膜の表面における酸化を防止するために、遮光膜の表面が酸化されない反応ガス雰囲気中または遮光膜の表面が酸化される温度よりも低い温度雰囲気中の少なくとも一方の条件下で行われる。酸化防止層を形成する工程では、反応ガスとしてシランガスを好適に用いることができる。さらに、酸化防止層を形成する工程は、スパッタ法あるいは化学気相成長法により行うことができる。

また、酸化防止層を形成する工程と平坦化層を形成する工程とは、一連の化学気相成長法により行い、酸化防止層および平坦化層を形成する工程では、反応ガスとしてシランガスと亜酸化窒素ガスとを用いるようにしてもよい。

また、遮光膜を形成する工程は、半導体基板の主面に遮光性を有する金属膜を堆積する工程と、この金属膜を所望の形状にパターン形成するパターニング工程とを有するが、酸化防止層を形成する工程では、金属膜の上に直に酸化防止層を形成するための薄膜を堆積し、遮光膜のパターニング工程において金属膜および薄膜を同時にパターン形成してもよい。あるいは、酸化防止層を形成する工程において、パターニング工程を経た遮光膜および半導体基板の全面を覆うように酸化防止層を形成する薄膜を堆積してもよい。

以上のように本発明によれば、少なくとも遮光膜を酸化防止層で覆うことで、遮光膜の表面が酸化されることがなくなり、遮光膜表面での入射光の反射率を一定に近づけることができ、受光部での集光バラツキを抑えて感度ムラが抑制された固体撮像装置を得ることができる。また、遮光膜の薄膜化が図れ、画素の微細化にも対応できる。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置として、ＣＣＤを例に挙げてその詳細を説明する。ＣＣＤは、複数の画素がマトリクス状に配列されてなる画素部と、その周囲に配置された周辺回路部とで構成される。図１は、本実施形態に係るＣＣＤの画素部を構成する画素の構造を示す断面図である。図１において、固体撮像装置１００の画素は、半導体基板１、フォトダイオード２、電荷転送部３、ゲート絶縁膜４、転送電極５、層間絶縁膜６、遮光膜７、酸化防止層９、および平坦化層１０を備える。

半導体基板１は、固体撮像装置１００を形成するためのベースとなるシリコン基板であり、例えば、Ｐ型半導体層で構成される。受光部としてのフォトダイオード２は、半導体基板１の主面に、半導体基板１と反対導電型の不純物（例えば、Ｎ型不純物）を導入し、これを熱拡散することにより形成された拡散層であり、受光した光の強度に応じた電荷量を持つ信号電荷を発生させ、発生させた信号電荷を蓄積する。なお、フォトダイオードは、Ｎ型半導体基板にＰ型不純物を導入してＰ型層を形成し、このＰ型層にＮ型不純物を導入することにより形成しても良い。

電荷転送部３は、半導体基板１の主面にフォトダイオード２と隣接して形成され、フォトダイオード２で発生した電荷を搬送する。ゲート絶縁膜４は、半導体基板１の主面を覆うように形成され、半導体基板１と転送電極５とを絶縁する。転送電極５は、ゲート絶縁膜４を介した半導体基板１上において、各フォトダイオード２に隣接して配置され、パルス電圧が印加されると、フォトダイオード２で発生した電荷を電荷転送部３に沿って移動させる。層間絶縁膜６は、ゲート絶縁膜４および転送電極５を覆うように形成され、転送電極５と遮光膜７とを絶縁する。

遮光膜７は、転送電極５に光が当たることを防止するために、転送電極５の全体を覆うように形成される。ただし、フォトダイオード２の上部には、フォトダイオード２を受光可能とするために、その一部が除去されて開口部８が形成されている。遮光膜７は、遮光性を有する金属膜にて形成された膜であり、スパッタ法やＣＶＤ法により形成可能な金属膜が好適に使用できる。金属膜は特に限定されるものではなく、遮光性を有するものであれば適用できる。このような金属膜としては、高融点金属膜、高融点金属化合物膜、あるいはこれらの積層膜等が挙げられ、さらには、これらの膜の一部にアルミニウムやその合金などのような低融点金属膜を含むものであっても良い。具体的には、タングステン膜、チタン膜、モリブデン膜、タンタル膜、白金膜、銅膜、タングステン−チタン合金膜、タングステンシリサイド膜、モリブデンシリサイド膜、窒化チタン膜などが挙げられ、中でも特に、遮光性に優れていることから、タングステン膜が好適に使用できる。タングステン膜としては、スパッタ法により形成されたタングステンスパッタ膜や、ＣＶＤ法により形成されたタングステンＣＶＤ膜等が挙げられるが、これらは単独で使用しても良く、あるいは積層して使用しても良い。

酸化防止層９は、遮光膜７を覆うように形成される。平坦化層１０は、酸化防止層９の上に形成されており、その表面には平坦化処理が施されている。平坦化層１０自体の材質は、特に限定されるものではなく、従来公知の酸化シリコンが好適に使用できる。平坦化層１０の上には、ここでは図示されていないが、特定の波長の光（赤、緑、青など）を透過させるカラーフィルタや、上凸レンズあるいはオンチップマイクロレンズといった各種のレンズが配置される。入射光は、これらのレンズによってフォトダイオード２の表面付近に集光される。

ここで、本実施形態の特徴部分である酸化防止層９について詳しく説明する。遮光膜７と直に接する酸化防止層９は、遮光性を有する高融点金属化合物にて形成された膜であり、この酸化防止層９は、遮光膜７の表面が酸化されないような条件下にて形成される。具体的には、酸化防止層９は、遮光膜７の表面が酸化されない反応ガス雰囲気中または遮光膜７の表面が酸化される温度よりも低い温度雰囲気中の少なくとも一方の条件下において形成される。遮光性を有する高融点金属化合物は、このような条件下において、遮光膜７を反応性ガス雰囲気中に曝す方法、ＣＶＤ法、およびスパッタ法などにより形成される。使用される反応性ガスは、遮光膜７の表面が酸化されないものであればよく、遮光膜７がタングステン膜であれば、シランガス（ＳｉＨ₄ ）や窒素（Ｎ₂ ）等が好適に使用できる。このような反応性ガスを用いることで、遮光膜７の表面には、タングステンシリサイド膜、窒化タングステン膜、およびチタンナイトライド等の遮光性を有する高融点金属化合物膜が形成される。

このように、遮光膜７の表面を、高融点金属化合物で形成された酸化防止層９で積極的に覆うことにより、遮光膜７の表面が不均一に酸化されるの防止することができ、しかも遮光膜７の表面の平滑性を増すことができる。さらに、ＣＶＤ法やスパッタ法により形成された酸化防止層９であれば、上記従来例で説明した、表面が酸化された遮光膜に較べて、膜厚が均一となる。これらの理由により、入射光の反射率は、酸化防止層９が設けられていない遮光膜７表面の反射率および表面が酸化された遮光膜７の反射率に較べて、ムラが小さくなる。また、複数配列された各々の画素において均一な散乱率とすることができることから、画素部全体でみたときには、光の散乱により生じる感度ムラを低減できる。これにより、遮光膜７における反射率のムラによる受光部での集光バラツキ、すなわち感度ムラが抑制された固体撮像装置が得られる。

また、固体撮像装置の製造過程においては、遮光膜７を形成後の後工程において、シリコン基板界面の界面準位を終端する水素シンター処理が行われる。遮光膜７がタングステン膜であるときには、タングステンは水素を吸蔵する性質を有するため、従来の固体撮像装置では、水素がタングステンで吸蔵されてシリコン基板まで十分に到達しなかった。しかし、本実施形態に係る固体撮像装置では、遮光膜７を形成するタングステン膜の表面に、酸化防止層９としてシリサイド膜が形成されているため、タングステンシリサイド膜がカバー膜となり、水素の吸蔵を防止することができる。したがって、シリコン基板に十分に水素が到達するため界面準位が終端され、暗電流が低減するという効果も得られる。

また、本実施形態において、遮光膜７の表面が酸化される温度よりも低い温度雰囲気中とは、酸化防止層９を形成するときの基板温度を、遮光膜７の表面が酸化されない温度に設定することにより実現できる。例えば、遮光膜７がタングステン膜であり、酸化防止層９としてタングステンシリサイド膜を形成する時には、タングステンシリサイド膜は、基板温度を４５０℃以下とした雰囲気中で形成する。このような基板温度であれば、遮光膜７を形成するタングステン膜は、その表面が酸化されることがない。したがって、遮光膜７の膜厚を実際に成膜した厚みに保つことができ、上記従来例のように実効膜厚を考慮してあらかじめ遮光膜７を厚めに成膜する必要がなくなり、遮光膜の薄膜化が図れ、画素の微細化が実現できる。

上記のように構成された固体撮像装置において、酸化防止層９の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。酸化防止層９の膜厚が１０ｎｍ未満であると、遮光膜７の全面を均一に被覆することが困難となる。酸化防止層９の膜厚は１００ｎｍを超えても良いが、あまりに膜厚が厚くなると成膜時間がかかるため、製造効率が低下してしまう。

以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、具体例を挙げて説明する。図２は、図１に示す固体撮像装置を製造する過程における各段階での基板およびその上面の断面図である。

図２（ａ）は、半導体基板１の主面に遮光膜７を形成するための仕掛状態を示す。このような仕掛状態の半導体基板１を得るためには、まず、イオン注入法などの方法を用いて、半導体基板１の主面に、フォトダイオード２および電荷転送部３を形成する。次に、半導体基板１の主面に、熱酸化やＣＶＤ法により、厚み１５〜７０ｎｍとなるようにシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）を堆積し、ゲート絶縁膜４を形成する。ここで、上記ゲート絶縁膜４は、ＯＮＯ膜構造（ＳｉＯ₂−ＳｉＮ−ＳｉＯ₂）を有するものであってもよい。具体的には、下層にあるＳｉＯ₂ 膜の膜厚が１５〜４０ｎｍ、ＳｉＮ膜の膜厚が１５〜５０ｎｍ、上層にあるＳｉＯ₂ 膜の膜厚が５〜１０ｎｍである積層構造を有するものであっても良い。

次に、ゲート絶縁膜４の上にＣＶＤ法により、厚み１５０〜４００ｎｍとなるようにポリシリコン膜を堆積する。そして、ポリシリコン膜にフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理等を施して必要なパターン（図示せず）を形成することにより転送電極５を形成する。次に、熱酸化およびＣＶＤ法により、酸化シリコンからなる層間絶縁膜６を堆積する。これにより、転送電極５およびゲート絶縁膜４は、層間絶縁膜６に覆われる。

上記のように構成された基板に、タングステン膜７ａを形成する。具体的には、減圧可能なＣＶＤ装置のチャンバー内を１０Ｔｏｒｒに制御し、基板温度を４５０℃に設定して、ＣＶＤ法により、厚み１５０〜２５０ｎｍのタングステン膜７ａを堆積する。なお、タングステン膜７ａは、スパッタ法により形成することも可能である。

図２（ｂ）は、タングステン膜７ａの上に、酸化防止層９を形成するためのタングステンシリサイド膜９ａを堆積した様子を示す。タングステンシリサイド膜９ａを、遮光膜７を反応性ガス雰囲気中に放置する方法により形成するときには、温度４５０℃、圧力３０Ｔｏｒｒに設定したチャンバー内に、反応性ガスとしてシランガスを３０ｓｃｃｍで供給し、この雰囲気中に遮光膜７を４５秒程度曝す。これにより、厚み１０ｎｍのタングステンシリサイド膜９ａが形成される。なお、このようなチャンバー温度であれば、基板温度は約４１０℃となり、タングステン膜７ａの表面は酸化されることはない。

また、タングステンシリサイド膜９ａをＣＶＤ法により形成するときには、温度５５０℃、圧力８００ｍＴｏｒｒに設定したチャンバー内に、反応性ガスとしてシランガスを８００ｓｃｃｍ、６フッ化タングステン（ＷＦ₆ ）ガスを５ｓｃｃｍで供給し、遮光膜７を５秒程度曝す。これにより、厚み１０ｎｍのタングステンシリサイド膜９ａが形成される。なお、ここでの処理では、反応性ガスに酸素やオゾンが含まれていないため、遮光膜７の表面に酸化が生じることはない。

また、タングステンシリサイド膜９ａをスパッタ法により形成するときには、ターゲットとしてタングステンシリサイドを用い、このターゲット温度を１００℃にしてスパッタ法を行い、厚み１０ｎｍのタングステンシリサイド膜９ａを形成する。

図２（ｃ）は、上記のいずれかの方法により形成されたタングステンシリサイド膜９ａの上に、レジストパターン１１を形成した様子を示す。レジストパターン１１は、以下の手順にて形成される。まず、タングステンシリサイド膜９ａの上に、例えば、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）等の界面活性化剤を塗布する。次いで、レジストを塗布してレジスト膜を形成し、このレジスト膜に、露光・現像を行うことにより、フォトダイオード２の上部に開口部８が形成されたレジストパターン１１を形成する。

図２（ｄ）は、タングステン膜７ａおよびタングステンシリサイド膜９ａをパターニングした様子を示す断面図である。このような形状のタングステン膜７ａおよびタングステンシリサイド膜９ａを得るには、まず、レジストパターン１１をマスクとして、タングステン膜７ａおよびタングステンシリサイド膜９ａをプラズマエッチング装置によりドライエッチングする。これにより、受光部の上部に開口部８が形成されるとともに酸化防止層９で覆われた遮光膜７が形成される。レジストパターン１１は、プラズマアッシング装置を用いたアッシング処理により除去する。なお、ここでのアッシング処理とは、レジストパターン１１を完全に除去することを意味しており、処理上可能であれば、例えば、レジストパターン１１をアッシング処理した後、表面を清浄にするためにウェット洗浄を加えても良い。

図２（ｅ）は、酸化防止層９の上に平坦化層１０を形成した状態を示す断面図である。平坦化層１０は、反応性ガスとして、ＴＥＯＳガスを用いたＣＶＤ法により形成される。チャンバー温度は、例えば、酸化防止層９の成膜温度よりも高い４８０℃に設定し、膜厚１００〜８００ｎｍのシリコン酸化膜を成膜する。得られた平坦化層１０の表面には、集光レンズやマイクロレンズなどのレンズ類やカラーフィルタを配置するために、リフロー処理やＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理などの表面平坦化処理を施す。

上記のように製造された固体撮像装置１００は、遮光膜７の表面が酸化されることなく、しかも均一な膜厚を有する酸化防止層９で覆われているため、各画素における入射光の反射率を均一に保つことができ、固体撮像装置の感度ムラを抑制できる。また、遮光膜７を形成するタングステン膜の表面は、酸化防止層９としてのタングステンシリサイド膜で覆われていることから、上述のように、遮光膜７を形成した後工程として行われる水素シンター処理においてタングステンシリサイド膜が水素の吸蔵を防止することができ、シリコン基板に十分に水素が到達して界面準位が終端されるため、暗電流の低減を図ることができる。実際に、本実施形態に係る固体撮像装置における暗電流について調べたところ、酸化防止層９が形成されていない固体撮像装置に較べて、暗電流が３０％減少しており、暗電流が改善されたことが確認された。

なお、上記説明では、図２（ｂ）に示す工程においてタングステンシリサイド膜９ａを形成する例を挙げて説明したが、酸化防止層９として窒化タングステン膜を形成する場合には、遮光膜７を反応性ガス雰囲気下に曝す方法であれば、反応性ガスとして窒素を用い、スパッタ法であれば、タングステンターゲットを窒素雰囲気下で用いることにより実現できる。また、酸化防止層９としてチタンナイトライド膜を形成する場合には、チタンナイトライドターゲットを用いればよい。

（第２の実施形態）
本実施形態では、酸化防止層９として、透光性を有する絶縁膜を用いた固体撮像装置およびその製造方法について説明する。なお、本実施形態係る酸化防止層９の形成工程以外の工程は、第１の実施形態と同様であるので、以下では、酸化防止層９の形成工程についてのみ説明する。

本実施形態において酸化防止層９を構成する透光性を有する絶縁膜とは、遮光膜７の表面が酸化されない反応ガス雰囲気下で形成された絶縁膜である。このような絶縁膜にて形成された酸化防止層９は、入射光を透過するため、遮光膜７の表面に酸化防止層９を覆っても、完全に遮光膜７の表面で生じる入射光の散乱を解消することはできない。しかしながら、絶縁膜で構成された酸化防止層９の光の反射率は金属膜よりも低く、しかも、酸化防止層９は均一な厚みを有することから、入射光の散乱率を一定に近づけることができる。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置は、複数配列された各々の画素において均一な散乱率とすることができ、画素部全体でみたときには、光の散乱により生じる感度ムラを低減できることとなる。

透光性を有する絶縁膜にて形成された酸化防止層９としては、遮光膜７がタングステン膜であるならば、窒化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜が好適に使用できる。窒化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜は、上記第１の実施形態で説明した図２（ｂ）に示す工程において、ＣＶＤ法を適用することにより形成できる。

具体的には、図２（ｂ）に示す工程において、タングステンシリサイド膜９ａの代わりに窒化シリコン膜を堆積する。ＣＶＤの条件は、温度４００℃、圧力２．６Ｔｏｒｒに設定されたチャンバー内に、反応性ガスとしてシランガスを０．５ｓｌｍ、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を３．８ｓｌｍ、および窒素ガス（Ｎ₂ ）を１．６ｓｌｍで供給し、遮光膜７を０．７秒程度曝すことにより、厚み１０ｎｍの窒化タングステン膜を形成する。なお、反応性ガスには酸素やオゾンが含まれていないため、遮光膜７の表面に酸化が生じることはない。

また、酸化防止層９として窒化酸化シリコン膜を形成するときには、ＣＶＤの条件は、チャンバー内の温度４００℃、圧力１．６Ｔｏｒｒであり、反応性ガスとしてはシランガスを０．５ｓｌｍ、亜酸化窒素ガス（Ｎ₂Ｏ ）を３．８ｓｌｍ、および窒素ガスを３．０ｓｌｍで供給し、遮光膜７の曝露時間は０．３秒程度である。これにより、厚み１０ｎｍの窒化酸化シリコン膜が得られる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、遮光膜７の表面を含めて半導体基板１の主面を覆う酸化防止層９を備えた固体撮像装置について説明する。また、本実施形態では、酸化防止層９と平坦化層１０とが、同じ設備（チャンバー）内においてＣＶＤ法により形成する。以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、具体例を挙げて説明する。図３は、本実施形態に係る固体撮像装置を製造する過程における各段階での基板およびその上面の断面図である。

図３（ａ）は、図２（ａ）と同様に構成された、半導体基板１の主面に遮光膜７を形成するための仕掛状態を示す。図３（ｂ）は、この仕掛状態のタングステンスパッタ膜７ａの上に、レジストパターン１１を形成した様子を示す。レジストパターン１１は、図２（ｃ）において説明した手順により形成される。図３（ｃ）は、遮光膜７をパターニングした様子を示す断面図である。このような形状の遮光膜７は、図２（ｄ）と同様の処理により得られる。なお、遮光膜７はスパッタ膜に限らず、ＣＶＤ法で形成しても良い。

図３（ｄ）は、遮光膜７の表面を含めて半導体基板１の全面を酸化防止層９で覆った状態を示す。このような酸化防止層９は、ＣＶＤ法により形成される。ＣＶＤの条件は、温度４００℃、圧力３．０Ｔｏｒｒに設定されたチャンバー内に、反応性ガスとしてシランガスを６２ｓｃｃｍ、亜酸化窒素ガスを１３０ｓｃｃｍで供給する。これにより、遮光膜７の表面を含めて半導体基板１の全面に、シラン系ガスが最初に付着し、厚み１０ｎｍ程度のシリサイド膜が酸化防止層９として形成される。

図３（ｅ）は、酸化防止層９の上に平坦化層１０を形成した状態を示す。ここで、本実施形態においては、図３（ｄ）において説明した、酸化防止層９を形成するチャンバー内において、引き続きＣＶＤ法により平坦化層１０を形成する。換言すると、酸化防止層９と平坦化層１０とは同じ工程で形成されていると言える。具体的には、上記した図３（ｄ）に示す工程において、遮光膜７を反応ガス雰囲気中に２００秒程度曝すことにより、厚み１００ｎｍのＮＳＧ（non dope silicate glass：シラン系酸化シリコン）膜が堆積される。上記のように、シランガスと亜酸化窒素ガスとを混合したガスを用いて、ＣＶＤ法により膜形成を行うことにより、最初にシランガスが遮光膜７と反応して酸化防止層９が形成され、次にＮＳＧ膜が形成されるというステップが、一工程の中で自動的に行われる。

このように酸化防止層９が遮光膜７の表面を含めて半導体基板１の全面を覆うものであっても、酸化防止層９は透光性の物質で形成されているため、受光部における集光率を低下させることがなくなる。また、遮光膜７の表面が酸化防止層９で覆われることで、上記第２の実施形態と同様に、固体撮像装置の感度ムラを低減できる。さらに、酸化防止層９と平坦化層１０とを同じ工程で形成することにより、生産性の向上が図れる。

なお、上記説明では、平坦化層１０としてＮＳＧ膜を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass ）膜なども適用可能である。

また、上記各実施形態では、遮光膜７、酸化防止層９、および平坦化層１０を形成する際の成膜条件の一例を示したが、成膜条件は、上記各実施形態で示したものに限定されるものではない。また、固体撮像装置の酸化防止層以外の構造は、図１に示されたものに限らない。

また、上記各実施形態において、平坦化層１０には、フッ素、ホウ素、リンなどの不純物が含まれていても良い。このような不純物が含まれていると、平坦化層１０の平坦性がより向上することとなる。

さらに、上記各実施形態に係る固体撮像装置は、ＣＣＤを例にあげて説明したが、ＭＯＳ型固体撮像装置などに適用してもよい。

本発明の固体撮像装置およびその製造方法は、遮光膜における入射光の散乱を抑制して感度ムラが抑制された画像特性の良い固体撮像装置であるとともに、遮光膜の薄膜化が実現でき、素子の微細化に有効であるという特徴を有するので、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどに使用できる。具体的には、カメラ付き携帯電話、ビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどに使用される固体撮像装置や、プリンタなどに使用されるラインセンサなどに好適に使用できる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図 同実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する図 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する図 従来の固体撮像装置の構成を示す断面図 図４に示す固体撮像装置の製造工程を説明する図

符号の説明

１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３ 電荷転送部
４ ゲート絶縁膜
５ 転送電極
６ 層間絶縁膜
７ 遮光膜
８ 開口部
９ 酸化防止層
１０ 平坦化層
１１ レジストパターン

Claims (13)

1. 受光部への入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、
   半導体基板の主面に形成された受光部と、
   前記受光部の上部に開口部が形成された遮光膜と、
   少なくとも前記遮光膜を覆い、当該遮光膜の表面における酸化を防止するための酸化防止層と、
   前記酸化防止層を含めて前記半導体基板の全面を覆う平坦化層とを備えた、固体撮像装置。
2. 前記酸化防止層は、遮光性を有する高融点金属化合物膜であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記酸化防止層は、透光性を有する絶縁膜であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記遮光膜は、タングステン膜であり、
   前記酸化防止層は、前記高融点金属化合物膜としてのタングステンシリサイド膜、窒化タングステン膜、チタンナイトライド膜から選ばれるいずれかの膜であることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記遮光膜は、タングステン膜であり、
   前記酸化防止層は、前記透光性を有する絶縁膜としての窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜であることを特徴とする、請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 前記酸化防止層は、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 受光部への入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像装置の製造方法であって、
   半導体基板の主面に受光部を形成する工程と、
   前記受光部の上部に開口部が形成された遮光膜を形成する工程と、
   少なくとも前記遮光膜を覆う酸化防止層を、前記遮光膜の表面が酸化されないような条件下で形成する工程と、
   前記酸化防止層を含めて前記半導体基板の全面を覆う平坦化層を形成する工程とを備えることを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
8. 前記酸化防止層を形成する工程は、前記遮光膜の表面が酸化されない反応ガス雰囲気中または前記遮光膜の表面が酸化される温度よりも低い温度雰囲気中の少なくとも一方の条件下で行うことを特徴とする、請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記酸化防止層を形成する工程では、反応ガスとしてシランガスを用いることを特徴とする、請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記酸化防止層を形成する工程は、スパッタ法あるいは化学気相成長法により行うことを特徴とする、請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記酸化防止層を形成する工程と前記平坦化層を形成する工程とは、一連の化学気相成長法により行い、
    前記酸化防止層および前記平坦化層を形成する工程では、反応ガスとしてシランガスと亜酸化窒素ガスとを用いることを特徴とする、請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記遮光膜を形成する工程は、前記半導体基板の主面に遮光性を有する金属膜を堆積する工程と、前記金属膜を所望の形状にパターン形成するパターニング工程とを有し、
    前記酸化防止層を形成する工程では、前記金属膜の上に直に前記酸化防止層を形成するための薄膜を堆積し、前記遮光膜のパターニング工程において前記金属膜および前記薄膜を同時にパターン形成することを特徴とする、請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記遮光膜を形成する工程は、前記半導体基板の主面に遮光性を有する金属膜を堆積する工程と、前記金属膜を所望の形状にパターン形成するパターニング工程とを有し、
    前記酸化防止層を形成する工程では、パターニング工程を経た遮光膜および前記半導体基板の全面を覆うように前記酸化防止層を形成する薄膜を堆積することを特徴とする、請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。

Images