JPH10144904A - 半導体装置及びその製造方法、並びに固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法、並びに固体撮像素子及びその製造方法

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JPH10144904A
JPH10144904A JP8296938A JP29693896A JPH10144904A JP H10144904 A JPH10144904 A JP H10144904A JP 8296938 A JP8296938 A JP 8296938A JP 29693896 A JP29693896 A JP 29693896A JP H10144904 A JPH10144904 A JP H10144904A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トランジスタの閾値電圧Vthのトランジスタ
毎のバラツキを低減することにより、ゲート絶縁膜中の
固定電荷や界面準位がなく動作の安定した半導体装置及
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 MISトランジスタ1を含む半導体装置
において、回路動作に寄与する主たるMISトランジス
タ1のゲート電極4が、同一の電圧下で主たるMISト
ランジスタ1のゲート絶縁膜7より膜中のリーク電流が
流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜8上にまで連続し
て形成されて成る半導体装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁ゲート型電界
効果トランジスタ、いわゆるMISトランジスタを有し
てなる半導体装置及びその製造方法に係わる。また、本
発明は、いわゆるMISトランジスタ(以下MOSトラ
ンジスタという)を画素として成る固体撮像素子及びそ
の製造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例えば
MISトランジスタを有してなる半導体装置を製造する
際に、プラズマエッチング工程、イオン注入工程、レジ
ストの剥離工程等において、プラズマを用いたプロセス
が用いられている。
【0003】そして、半導体素子の微細化に伴いプラズ
マプロセス処理におけるMOSトランジスタの受けるダ
メージが増大している。プラズマを使用する工程が増加
し、またそのプラズマ密度が増加することによって、ゲ
ート電極がチャージアップし、ゲート絶縁膜中を電流が
流れ、最悪の場合にはゲート絶縁膜の破壊につながって
いる。素子の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進む
と、このプラズマダメージによりMISトランジスタの
閾電圧Vthのバラツキの増大を引き起こし、駆動電圧が
低下しそのバラツキを許容できなくなってきている。
【0004】このようなプラズマダメージの軽減法とし
ては、プラズマ装置の側では荷電粒子密度の低減を行っ
ている。また、素子自身の耐プラズマダメージ軽減法と
しては、次の手法がある。例としてMISトランジスタ
61の基本パターンを図19に示す。このMISトラン
ジスタ61は、素子分離されたアクティブ領域62内に
形成され、ゲート電極64がアクティブ領域62とその
周囲のフィールド領域63上に亘って形成されている。
アクティブ領域62には、図示しないがゲートを挟んで
それぞれソース及びドレインが形成され、これらソース
及びドレインは、コンタクト部65により上層の配線等
に接続される。このような構成のMISトランジスタ6
1において、プラズマダメージを軽減するために、ゲー
ト電極64のアクティブ領域62上の面積Aに対して、
アクティブ領域62の周囲のフィールド領域63上に乗
っているゲート電極64の面積A′をできるだけ小さく
設計する手法が用いられている。これは、ゲート電極6
4に入射した電荷は、ゲート絶縁膜のように薄いところ
を通ってシリコン基板に放電するので、アンテナとして
働くゲート電極64の全面積をできるだけ低減しようと
いうものである。
【0005】しかしながら、製造工程にプラズマを使用
する限り、その原理からしてゲート電極はチャージアッ
プせざるをえず、必ずゲート酸化膜をトンネル電流が流
れ、その漏れ電流とプラズマからの入射電流とがバラン
スするまで電位が上昇し、電流も流れてしまう。その結
果、ゲート絶縁膜中に固定電荷、界面準位を発生させて
しまう。また、その固定電荷や界面準位の発生の程度
も、各トランジスタ毎にばらついてしまう。
【0006】このような現象が一旦発生すると、900
℃を越える高い温度で熱処理をしないと完全には回復し
ない。素子の微細化に伴い、熱処理プロセスの低温化が
進んでおり、プラズマダメージに起因するVthのムラが
残存するようになってきている。
【0007】さらに、ゲートの加工工程以降において
も、コンタクト部を介してAl等による配線層を通し
て、後の平坦化工程や配線の加工工程におけるプラズマ
の入射電流が、同様にゲート絶縁膜を通して放電する傾
向にある。また、ゲート電極のポリシリコン層とその上
のパターニングのためのレジストとの間に電位差が生じ
てしまい放電することもある。
【0008】以上のように、プラズマを使用して製造を
行う限り、ゲート電極のチャージアップとそれに続くゲ
ート絶縁膜から基板へのリーク電流は、これを完全に防
止することができないため、結果としてトランジスタの
thのバラツキを抑制することが非常に困難であった。
【0009】MOSトランジスタからなるアナログ回路
や、高速で駆動する回路では、Vthのバラツキのために
同じ入力電圧に対する出力信号量がトランジスタ毎に異
なるため、出力信号の補正が必要になったり、伝搬遅延
がトランジスタ毎に異なっていたりするため、大きな電
圧や充分な動作マージンを持って設計する必要があり、
素子の微細化の大きな妨げとなっていた。
【0010】一方、画素にMOSトランジスタを含む固
体撮像素子は、トランジスタ毎のVthのばらつきが一般
的に存在する。CMD(電荷変調デバイス),BCMD
(バルクチャネル電荷変調デバイス)の1画素1トラン
ジスタの素子はもちろん、APS(Active Pixel Senso
r )と呼ばれる4トランジスタ画素の素子においても、
画像にVthのバラツキが発生している。このVthのバラ
ツキを補正するために、大規模の回路システムを必要と
している。そして、必ずしも充分に固定パターンノイズ
を除去できていない。
【0011】本来、どのトランジスタのVthも完全に一
致していればよいが、製造条件のパラメータの揺らぎや
前述のプラズマダメージを含めて各種ダメージの影響
で、ゲート絶縁膜中の固定電荷や界面準位が画素毎に異
なっている。
【0012】従来、このバラツキを除去する試みとして
は、プラズマプロセス中のゲート電極の帯電量を低減す
るため、製造装置上における工夫や、デバイス側として
は素子パターンの工夫が試みられてきた。その素子パタ
ーンの工夫としては、前述のMISトランジスタの場合
と同様に、トランジスタのゲート電極がフィールド部に
かかるのをできるだけ低減し、プラズマのイオンの入射
面積を低減しようとするものであった。
【0013】しかし、1画素1トランジスタからなる固
体撮像素子では、既にフィールド部上のゲート電極は存
在しないのに、Vthのムラはまだ残存している。つま
り、従来の工夫が既にされた状態でも、まだプラズマの
帯電ダメージが画質に問題を与える程度に残っているこ
とになる。そのため、従来これ以上のゲート電極の帯電
は避けられないものとされていた。それを補うために回
路的及びシステム的にゲート電極の帯電をキャンセルす
るため、素子が大きくなるとか、帯電をキャンセルする
ためのシステムが複雑かつ大規模になってしまい、素子
が高価なものとなってしまっていた。
【0014】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、トランジスタの閾値電圧Vthのトランジスタ毎
のバラツキを低減することにより、ゲート絶縁膜中の固
定電荷や界面準位がなく動作の安定した半導体装置及び
その製造方法、並びに固定パターンノイズが少なく画質
の良好な固体撮像素子及びその製造方法を提供するもの
である。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
回路動作に寄与する主たるMISトランジスタのゲート
電極が、同一の電圧下でそのMISトランジスタのゲー
ト絶縁膜より膜中のリーク電流が流れやすい絶縁膜から
なるバイパス膜上にまで連続して形成されて成る構成と
する。
【0016】本発明の半導体装置の製造方法は、回路動
作に寄与する主たるMISトランジスタのゲート絶縁膜
より膜中のリーク電流が流れやすい絶縁膜からなるバイ
パス膜を形成し、このバイパス膜上にまで連続するゲー
ト電極を形成する工程を有し、そのバイパス膜を通して
除電しながら加工処理を行う。
【0017】本発明の固体撮像素子は、画素を構成する
MOSトランジスタのゲート電極同士を繋ぐ配線とドレ
イン領域との間に、ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流
が流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜を有する構成と
する。
【0018】本発明の固体撮像素子の製造方法は、画素
を構成するMOSトランジスタのゲート電極同士を繋ぐ
配線とドレイン領域との間の絶縁膜に、ゲート絶縁膜よ
り膜中のリーク電流が流れやすいバイパス膜を形成する
工程を有し、そのバイパス膜を通して、除電しながら加
工処理を行う。
【0019】上述の本発明の半導体装置によれば、主た
るMISトランジスタのゲート電極が、同一の電圧下で
そのMISトランジスタのゲート絶縁膜より膜中のリー
ク電流が流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜上にまで
連続して形成されて成ることにより、ゲート電極に入射
した荷電粒子はバイパス膜の方を通じて基板側に流れる
ため、MISトランジスタのチャネル上のゲート絶縁膜
が帯電してMISトランジスタの特性が変化することを
抑制できる。
【0020】上述の本発明の半導体装置の製造方法によ
れば、バイパス膜を通して除電しながら加工処理を行う
ことにより、製造工程中にゲート電極に生じたプラズマ
等の荷電粒子をバイパス膜を通じて流して除電すること
ができる。
【0021】上述の本発明の固体撮像素子によれば、M
OSトランジスタのゲート電極同士を繋ぐ配線とドレイ
ン領域との間に、ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が
流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜を有することによ
り、ゲート電極に入射した荷電粒子は配線下の膜中のリ
ーク電流が流れやすいバイパス膜を通じて基板側に流れ
るため、MOSトランジスタのゲート電極下のゲート絶
縁膜が帯電してMOSトランジスタの特性が変化するこ
とを抑制できる。従って、各画素のMOSトランジスタ
の特性を均一化し、特性のバラツキをなくすことができ
る。
【0022】上述の本発明の固体撮像素子の製造方法に
よれば、バイパス膜を通して除電しながら加工処理を行
うことにより、製造工程中にゲート電極に生じたプラズ
マ等の荷電粒子をバイパス膜を通じて流して除電するこ
とができる。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明は、MISトランジスタを
含む半導体装置において、回路動作に寄与する主たるM
ISトランジスタのゲート電極が、同一の電圧下で主た
るMISトランジスタのゲート絶縁膜より膜中のリーク
電流が流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜上にまで連
続して形成されて成る半導体装置である。
【0024】また本発明は、上記半導体装置において、
バイパス膜はゲート絶縁膜と同一の材料から成り、かつ
膜厚がゲート絶縁膜より薄く形成された構成とする。
【0025】また本発明は、上記半導体装置において、
バイパス膜は、その膜中のリーク電流が駆動電圧下では
流れないか、又は回路動作に影響を与えない程度しか流
れないようにした構成とする。
【0026】また本発明は、上記半導体装置において、
主たるMISトランジスタのアクティブ領域と、バイパ
ス膜の領域が独立して配置されて成る構成とする。
【0027】また本発明は、上記半導体装置において、
主たるMISトランジスタのゲート電極と金属配線層と
のコンタクト部の下に、バイパス膜の領域が設けられた
構成とする。
【0028】また本発明は、上記半導体装置において、
主たるMISトランジスタのアクティブ領域に接して、
バイパス膜の領域が設けられた構成とする。
【0029】また本発明は、上記半導体装置において、
主たるMISトランジスタのチャネル内部にバイパス膜
の領域が設けられた構成とする。
【0030】また本発明は、上記半導体装置において、
主たるMISトランジスタのチャネルの一部を横切って
バイパス膜の領域が設けられ、バイパス膜の領域下のチ
ャネルに高濃度領域が形成された構成とする。
【0031】本発明は、回路動作に寄与する主たるMI
Sトランジスタのゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が
流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜を形成して、バイ
パス膜上にまで連続するゲート電極を形成する工程を有
し、バイパス膜を通して除電しながら加工処理を行う半
導体装置の製造方法である。
【0032】また本発明は、上記半導体装置の製造方法
において、主たるMISトランジスタのゲート絶縁膜を
形成した後、バイパス膜を形成する領域のゲート絶縁膜
を選択的にエッチングして薄くする工程を有し、その後
ゲート電極を主たるMISトランジスタの領域からバイ
パス膜上まで連続したパターンで形成する。
【0033】また本発明は、上記半導体装置の製造方法
において、主たるMISトランジスタの第1のゲート絶
縁膜を形成した後、バイパス膜を形成する領域の第1の
ゲート絶縁膜を選択的にエッチオフし、続いてバイパス
膜となる第2のゲート絶縁膜を形成する工程を有し、そ
の後ゲート電極を主たるMISトランジスタの領域から
バイパス膜上まで連続したパターンで形成する。
【0034】本発明は、画素が1個のMOSトランジス
タからなる固体撮像素子において、画素を構成するMO
Sトランジスタのゲート電極同士を繋ぐ配線とドレイン
領域との間に、ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が流
れやすい絶縁膜からなるバイパス膜を有する固体撮像素
子である。
【0035】本発明は、画素を構成するMOSトランジ
スタのゲート電極同士を繋ぐ配線とドレイン領域との間
の絶縁膜に、ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が流れ
やすいバイパス膜を形成する工程を有し、バイパス膜を
通して、除電しながら加工処理する固体撮像素子の製造
方法である。
【0036】以下、図面を参照して本発明の半導体装置
及びその製造方法、並びに固体撮像素子及びその製造方
法の実施例を説明する。図1に本発明の半導体装置、こ
の例ではその一部のMISトランジスタを示す。この例
のMISトランジスタ1は、前述の図19の構成と同様
に、フィールド領域3によって素子分離されたアクティ
ブ領域2内に形成され、ゲート電極4がアクティブ領域
2とその周囲のフィールド領域3上に亘って形成されて
いる。アクティブ領域2には、図2の図1のB−B′断
面図に示すように、その第1導電型のシリコン基板9の
主面にゲート電極4を挟んでそれぞれ第2導電型のソー
ス領域21S及びドレイン21Dが形成され、これらソ
ース領域21S及びドレイン領域21Dは、コンタクト
部5を介してソース電極22S及びドレイン領域22D
が接続される。7はゲート絶縁膜、10はフィールド領
域3に形成された選択酸化によるフィールド絶縁層であ
る。
【0037】そして、本例においては、図3の図1のA
−A′断面図に示すように、フィールド領域3内の一部
に放電用アクティブ領域6を形成し、この放電用アクテ
ィブ領域6には、MISトランジスタ1のアクティブ領
域2のゲート絶縁膜7(厚さt1 )より薄い絶縁膜より
なるバイパス膜8(厚さt2 ;t2 <t1 )が形成され
ており、このバイパス膜8上に延長するようにゲート電
極4を形成して構成する。本例では、バイパス膜8はゲ
ート絶縁膜7と同一材料で形成されている。
【0038】ゲート絶縁膜7がシリコン酸化膜の場合に
は、ゲート電極4の電圧が電圧に換算して約5MV/c
mからF−N電流(ファウラー−ノルドハイム電流)が
流れ始める。薄いゲート絶縁膜と厚いゲート絶縁膜での
F−N電流の対比を図4に示す。薄いゲート絶縁膜(曲
線I)では、厚いゲート絶縁膜(曲線II)より低い電
圧で電流が流れ始める。また、同じ印加電圧に対して、
薄いゲート絶縁膜は厚いゲート絶縁膜より2桁以上大き
いトンネル電流が流れる。そして、このトンネル電流の
変化の程度は、印加電圧に対して指数関数的な変化であ
る。
【0039】従って、ゲート電極4のチャージアップに
よりゲート絶縁膜7に電圧がかかったとき、バイパス用
に設けた薄いバイパス膜8の所から電荷がシリコン基板
9に逃げるため、MISトランジスタ1のゲート絶縁膜
7をFN電流が流れ始める電圧までゲート電極4の電位
が上昇することを防止できる。その結果、MISトラン
ジスタ1の閾値電圧Vthの変動を効果的に抑制すること
が可能となる。
【0040】バイパス膜8は薄いほど、その除電効果が
高い。プラズマイオン入射電流が多い設計条件に対して
は、バイパス膜8をより薄く形成しなければならない
が、回路動作時にはその動作のための電圧でFN電流が
流れないように、バイパス膜8上の電極配線を後工程で
選択的にエッチング除去することが考えられる。ただ
し、エッチングすること自身と、さらにその後の後工程
でのチャージアップに対して、除電効果が無くなるた
め、あまり良い方法ではない。
【0041】実際には、トンネル電流は膜厚が薄くなる
と指数関数的に増加するから、バイパス用の膜8はトラ
ンジスタのゲート絶縁膜7より、20〜60%程度(数
割)薄いだけで充分であり、面積的にも小さくてよい。
バイパス膜8の膜厚の目安は、回路が駆動している状態
で、ゲート絶縁膜7に印加される電界が5MV/cmを
越えない薄さの膜厚にすると最も良い。即ち、使用した
い電圧でゲート絶縁膜7に印加される電界が5MV/c
mを越えないように膜厚を調節する。例えば、20nm
のゲート膜で5V印加されるときのトランジスタであれ
ば、バイパス膜8の膜厚は>10nm、即ち11nm程
度とすればよい。このようにすれば、回路が駆動してい
る状態で、バイパス膜8にトンネル電流が流れないので
回路動作に影響を与えることがない。
【0042】上述の実施例によれば、プラズマプロセス
によってゲート電極4がチャージアップしても、ゲート
絶縁膜7を通って流れる電流をMISトランジスタ1の
アクティブ領域2とは別の所に形成したバイパス膜8に
よりバイパスするため、ゲート部のゲート絶縁膜7中の
閾値電圧Vthが変動しないため、Vthにバラツキを生じ
ない。また界面準位も少なくすることができる。従っ
て、Vthが均一化されて、回路の低電圧化や薄膜化を図
ることができる。また、MISトランジスタのVthを設
計通りにすることが可能になる。
【0043】このとき、ゲート絶縁膜7がプロセスダメ
ージを受けていないため、その膜質が高品質であり、そ
の後のホットキャリア等による素子の劣化も少なくな
る。また、プラズマプロセスの許容範囲が拡大する。例
えばプラズマ密度を上げてエッチングレートを増加させ
る等の生産性を向上させる手段を採ることができる。
【0044】上述の半導体装置の構成は、トランジスタ
が例えばnチャネルであっても、pチャネルであって
も、それぞれ同様に適用することができる。
【0045】上述の例では、MISトランジスタ1のア
クティブ領域2の周囲のフィールド領域3内に形成した
放電用アクティブ領域6とゲート電極4との間にバイパ
ス膜8を形成した例であったが、ゲート電極下のその他
の位置に薄いバイパス膜8を形成した場合においても、
本発明の半導体装置を適用することができる。その例を
次に示す。
【0046】本例では、図5に示すように、ゲート電極
4とその後ゲート電極4に接続して上に形成するAl配
線とのコンタクト部25の位置に、薄いバイパス膜8が
形成される小さな放電用アクティブ領域6を形成し、こ
のコンタクト部25のゲート電極4が放電用アクティブ
領域6を覆う構成とする。その他の構成は図1の実施例
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。
【0047】本例では、特にゲート電極4とAl配線と
のコンタクト部25の引き出しのパッド等の下にバイパ
ス膜8が設けられることで、放電用アクティブ領域6及
びバイパス膜8を設けることによる面積の増加が少な
く、面積を最小にできるメリットがある。
【0048】上述の各実施例では、トランジスタ動作す
るチャネルがあるMISトランジスタ1のアクティブ領
域2とバイパス膜8が形成される放電用アクティブ領域
6とが、素子分離のフィールド絶縁等で完全に分離して
いる。これは、同一アクティブ領域2にバイパス膜8に
よる放電用領域を設けるには、トランジスタの特性に影
響を与えないように注意する必要があり、そのため種々
の制約があり、上述の実施例のように分離した方が、面
積は取るが容易に形成できる確実な方法であるからであ
る。
【0049】同一アクティブ領域内にバイパス膜8を形
成すると、上述のようにバイパス膜8による放電用領域
の形成において制約があるが、その一方で狭い面積で形
成できる利点を有する。その例を次に示す。
【0050】図6に示す実施例は、MISトランジスタ
1のアクティブ領域2の一部をゲート電極4に沿ってM
ISトランジスタ1のチャネルの外に広げ、このアクテ
ィブ領域2の広げた部分を放電用アクティブ領域6とし
て、その中に薄いバイパス膜8をMISトランジスタ1
のチャネルから離して形成する例である。この例は、M
ISトランジスタ1のソース/ドレインの狭チャネル効
果に悪影響が無いときに有効であり、配線とのコンタク
ト部25にまで伸びるゲート電極4の下に放電用アクテ
ィブ領域6を形成することから、この例でも狭い面積で
バイパス膜8による放電用領域を形成することができ
る。その他の構成は、前述の図1の及び図5に示した実
施例と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省
略する。
【0051】また、図7に示す実施例は、MISトラン
ジスタ1のチャネル内部、即ちアクティブ領域2の内部
にバイパス膜8による放電用領域6を設ける例である。
ゲート長が長くとれる場合には、他の例と比較して素子
全体の面積を最も小さくできる。
【0052】図8に示す実施例は、図7の実施例と同様
に、該当するMISトランジスタ1のチャネルを横切っ
てバイパス膜8による放電用領域6を形成するものであ
る。この例の場合にはゲート長が短い場合でも適用でき
る。
【0053】この場合には、バイパス膜8による放電用
領域6がMISトランジスタの特性に直接影響するため
に、バイパス膜8下にVthを高くする等の制御用の追加
イオン注入等を行う必要がある。このため、例えば図1
1に断面図を示すように、ゲート電極4のポリシリコン
層を通じて、バイパス膜8下に高濃度、この例ではp型
のシリコン基板9にp+のイオン注入を行う。このよう
にすれば、MISトランジスタ1の動作時において、バ
イパス膜8下が高濃度となりVthも高くなるため、バイ
パス膜8を通じたトンネル電流が流れない。
【0054】これら図7及び図8に示す例では、MIS
トランジスタ1のアクティブ領域を形成する素子分離の
パターンは変化させないため、レイアウト設計が完了し
てしまっている回路に対しても、追加してバイパス膜8
による放電用領域6を形成することが可能である。
【0055】上述の各実施例では、酸化膜からなるゲー
ト絶縁膜の薄いところをバイパス膜8として放電用領域
6、いわゆるバイパス領域を形成したが、バイパス膜は
トランジスタのゲート膜よりもリーク電流が流れやすい
膜であればよく、例えばバイパス膜8がシリコン窒化膜
を含む膜であってもよい。
【0056】次に、図面を利用して、本発明による半導
体装置の製造方法、即ちMISトランジスタ1に対して
バイパス膜8を形成する方法の実施例について説明す
る。ここでは、MISトランジスタ1のアクティブ領域
2と、放電用アクティブ領域6とが分離されて形成され
た構成を用いて説明する。尚、MISトランジスタ1の
アクティブ領域2内にバイパス膜8による放電用領域を
形成した場合にも、同様に本発明の製造方法を適用する
ことができる。
【0057】まず、図9Aに示すように、第1導電型の
シリコン半導体による基体領域11表面を選択酸化し
て、素子分離のためのフィールド絶縁層10を形成した
後、フィールド絶縁層10で囲まれたMISトランジス
タ1のアクティブ領域2と、フィールド領域3の一部、
即ち放電用領域となる部分とにゲート絶縁膜7を形成す
る。このとき、MISトランジスタ1が所望の特性を有
するように、MISトランジスタ1のアクティブ領域2
のチャネル上のゲート絶縁膜7の厚さを調節して形成す
る。その後、図9Bに示すように、表面にレジスト12
を形成し、このレジスト12をパターニングして、後に
放電用領域となる箇所に開口を形成する。
【0058】さらに、図9Cに示すように、レジスト1
2の開口部から、放電用領域となる位置のゲート絶縁膜
7をウエットエッチングすることにより薄くして、この
領域にゲート絶縁膜7の膜厚t1 より薄い膜厚t2 (t
1 >t2 )のバイパス膜8を形成する。次に、レジスト
12を剥離した後、図9Dに示すように、全体を覆って
ゲート電極4となるポリシリコン層13を成長させる。
【0059】そして、図示しないが、ポリシリコン層1
3をパターニングしてゲート電極4を形成する。このパ
ターニングの際にポリシリコン層13に入射する荷電粒
子は、薄いバイパス膜8を通じて除電され、基体領域1
1に流れて行く。第2導電型のソース領域及びドレイン
領域は、ゲート電極4の形成前、又は形成後にイオン注
入等により基体領域11に形成される。その後は通常と
同様の工程を経て、目的の半導体装置を製造する。
【0060】次に、他の製造方法の実施例について説明
する。まず、図10Aに示すように、第1導電型のシリ
コン半導体による基体領域11の表面に、選択酸化によ
って素子分離のためのフィールド絶縁層10を形成した
後、フィールド絶縁層10に囲まれたMISトランジス
タ1のアクティブ領域2と、フィールド領域3の一部、
即ち放電用領域となる部分とに熱酸化等により第1のゲ
ート絶縁膜14を薄く形成する。次に、図10Bに示す
ように、表面にレジスト12を形成した後に、このレジ
スト12をリソグラフィーでパターン化して放電用領域
となる部分に開口を形成し、この開口から放電用領域と
なる位置の第1のゲート絶縁膜14をエッチオフして、
完全に除去又は大部分を除去する。
【0061】レジスト12を剥離した後、図10Cに示
すように、表面を覆って比較的薄い第2のゲート絶縁膜
15を形成する。第2のゲート絶縁膜15により、放電
用領域に薄いバイパス膜8が形成される。アクティブ領
域2のゲート絶縁膜7は、第1のゲート絶縁膜14と第
2のゲート絶縁膜15の積層膜によって形成される。次
に、図10Dに示すように、表面を覆ってゲート電極4
となるポリシリコン層13を成長させる。
【0062】そして、図示しないがポリシリコン層13
をパターニングしてゲート電極4を形成する。この製造
方法の場合も、先の例と同様に、ポリシリコン層13に
入射した荷電粒子の除電がなされる。第2導電型のソー
ス領域及びドレイン領域は、ゲート電極4の形成前、又
は形成後にイオン注入などにより、基体領域11に形成
される。その後は通常と同様の工程を経て、目的の半導
体装置を製造する。
【0063】この製造方法では、MISトランジスタ1
のチャネル上のゲート絶縁膜7の厚さが、第1のゲート
絶縁膜14及び第2のゲート絶縁膜15の膜厚の合計と
なるため、それぞれの絶縁膜14及び15の厚さの配分
や形成条件を調節して製造を行う必要がある。
【0064】次に、図面を用いて、本発明の固体撮像素
子及びその製造方法の実施例について説明する。本発明
の固体撮像素子は、画素が1個のMOSトランジスタか
らなる構成である。本発明の実施例の説明に先立ち、画
素が1個のMOSトランジスタからなる固体撮像素子の
一例として、図12に示す増幅型固体撮像素子、特にそ
の画素構造について説明する。図12は、代表的な増幅
型固体撮像素子の1画素分の一部断面とする斜視図であ
り、配線を省略して示している。この増幅型固体撮像素
子31においては、第1導電型例えばp型のシリコン半
導体基板32上に第2導電型即ちn型の半導体層(即ち
オーバーフローバリア層)33及びp型ウエル領域34
が形成され、このp型ウエル領域34上にSiO2 等に
よるゲート絶縁膜35を介して光Lを透過しうるリング
状のゲート電極36が形成され、p型ウエル領域34内
のリング状のゲート電極36で囲まれた内部領域にn型
のソース領域37が形成され、ゲート電極36の外周領
域に他の画素と共通のn型のドレイン領域38が形成さ
れ、ここに1画素となるMOSトランジスタ(以下、画
素MOSトランジスタと称する)39が構成される。リ
ング状のゲート電極36は、光Lをできるだけ吸収しな
いように薄いか、透明の材料が選ばれ、本例では薄膜の
多結晶シリコンが用いられる。
【0065】ゲート電極36を通過して入射した光L
は、シリコン基板内で光電変換し、オーバーフローバリ
ア層33より浅い位置で発生した正孔hがゲート電極3
6下のp型ウエル領域34、即ち電荷蓄積領域34aに
蓄積される。蓄積後、信号の読み出しは、ゲート電極3
6をオンにしてチャネル部60を流れる電子電流Idを
ソースから外部に読み出す。このときの電子電流Idは
電荷蓄積領域34aに蓄積された電荷(正孔)hに応じ
て変調される。このような画素MOSトランジスタ39
を多数2次元配列又は1次元配列し、画素毎に蓄積され
た電荷量に応じて変化する出力電流を得ることで、2次
元又は1次元の画像信号が得られる。
【0066】続いて、図13に本発明の固体撮像素子の
実施例の平面図を示す。この例は図12の構造の増幅型
固体撮像素子に適用した場合である。この増実施例の幅
型固体撮像素子40は、図12で示したと同じ構造の画
素MOSトランジスタ39が、複数個マトリックス状に
配列され、各列に対応する画素MOSトランジスタ39
のソース領域37がソースコンタクト部51を通じて垂
直方向に沿って形成された例えば第1層Alによる共通
の信号線41に接続される。
【0067】水平方向に隣り合う2つの画素MOSトラ
ンジスタ39では、そのそれぞれリング状のゲート電極
36より延長して両延長端が互いに連結するようなV字
状の配線部43が形成される。この配線部43は、ゲー
ト電極36と同一電極材(すなわち導電材)により、こ
れと一体に形成され、その連結端が垂直選択線42とコ
ンタクトできるように画素MOSトランジスタ39の各
行間に対応する位置に延長形成される。
【0068】また、上記信号線41と直交するように画
素MOSトランジスタ39の各行間に対応する位置に例
えば第2層Alによる垂直選択線42が水平方向に沿っ
て形成され、この垂直選択線42とゲート電極36に一
体形成したV字状の配線部43の連結端とがゲートコン
タクト部52により接続される。
【0069】更に、配線部43が形成されない画素MO
Sトランジスタ39間に、ドレイン領域38に接続した
例えば第1層Alによるドレイン電源線53が形成され
る。このドレイン電源線53とドレイン領域38とはド
レインコンタクト部54により接続される。
【0070】そして、本実施例では、ゲートコンタクト
部52が形成されている位置の絶縁膜、すなわち画素を
構成するMOSトランジスタのゲート電極36同士を繋
ぐ配線部43(そのゲートコンタクト部52に対応する
部分)とドレイン領域38との間の絶縁膜を、膜中のリ
ーク電流が流れやすいバイパス膜55とするものであ
る。
【0071】具体的には、この図13のD−D′におけ
る断面構造を図14に示すように、p型ウエル領域34
表面のドレイン領域38上に形成された、例えばSiO
2 膜からなるゲート絶縁膜35を、ゲートコンタクト部
52の位置の配線部43下で膜厚を薄く形成したバイパ
ス膜55として形成し、膜中電流を周囲より流れやすく
する。
【0072】尚、上層配線との間には、BPSG(ホウ
素リンシリケートガラス)等からなる平坦化層45が形
成される。そして、この平坦化層45の上に、第1層A
lによる配線層すなわち信号線41及びドレイン電源線
53が形成される。信号線41とソース領域37とは図
示しないがソースコンタクト部51を介して接続され
る。これら配線層41,53を覆って層間絶縁膜46が
形成され、その上に上面を平坦化する平坦化層50が形
成され、平坦化層50の上に第2層Alによる配線層す
なわち垂直選択線42が形成され、最後に表面を絶縁膜
49が覆っている。配線部43と垂直選択線42との接
続部では、配線部43上に形成された導体層からなるゲ
ートコンタクト部52により、ゲート電極36から延長
された配線部43と垂直選択線42とを接続させてい
る。
【0073】本実施例によれば、ゲート電極36に入射
した荷電粒子は、配線部43下の膜中のリーク電流が流
れやすいバイパス膜55を通じて基板側に流れるため、
画素MOSトランジスタ39のゲート電極36下のゲー
ト絶縁膜35が帯電して画素MOSトランジスタ39の
特性が変化することを抑制できる。従って、各画素MO
Sトランジスタ39の特性を均一化することができ、こ
れにより画素MOSトランジスタ39の特性のバラツキ
をなくし、固定パターンノイズを抑制し良好な画質が得
られる固体撮像素子を構成することができる。
【0074】次に、本発明の固体撮像素子の製造方法を
適用した、この増幅型固体撮像素子31の製造方法を説
明する。まず、図15Aに平面図、図15Bに図15A
のC−C′における断面図を示すように、p型ウエル領
域34上に、画素MOSトランジスタ39のゲート絶縁
膜35を形成すると共に、p型ウエル領域34の一部上
にゲート絶縁膜35よりは薄い、バイパス膜55を形成
する。このゲート絶縁膜35と、ゲート絶縁膜より薄い
バイパス膜55を形成する方法は、前述の図9及び図1
0に示した方法を適用することができる。
【0075】次に、図16Cに平面図、図16Dに図1
6CのC−C′における断面図を示すように、表面を覆
ってゲート電極となるポリシリコン層56を形成する。
【0076】次に、図17Eに平面図、図17Fに図1
7EのC−C′における断面図を示すように、ポリシリ
コン層56上に画素のゲート電極を決定するリング状の
レジストパターン57を形成し、このリング状のレジス
トパターン57をマスクとして、後にゲート電極を構成
するポリシリコン膜56を通してn+ のイオン注入し、
リングの内側にソース領域37を、リングの外側にドレ
イン領域38をそれぞれ形成する。ここで、イオン注入
の際にポリシリコン層56へ入射した荷電粒子は、先の
バイパス膜55を通して基板へ流れ、ゲート電極の帯電
を防止する効果を期待できる。
【0077】次に、図18Gに平面図を示すように、リ
ング状のレジストパターン57に一部重なるように、第
2のレジスト層即ち、2画素のゲート電極を繋ぐ、配線
部のパターンに対応したパターンの配線レジストパター
ン58を形成する。
【0078】次に、図18Hに平面図を示すように、レ
ジストパターン57及び配線レジストパターン58をマ
スクとして、ポリシリコン層56をエッチングして、ゲ
ート電極36及び配線部43を形成する。ここで、この
ゲート電極36及び配線部43自身の加工の際にも、同
様にプラズマの帯電をバイパス膜55を通して電荷の放
電を行うことができている。また、続いて行うレジスト
剥離工程における酸素プラズマに対しても同様の効果を
得ることができる。
【0079】この後に行われる、コンタクト部形成工
程、垂直選択線42及び垂直信号線41の配線加工工
程、エッチバックによる平坦化工程等の多くのプラズマ
プロセスにおいても、常に画素MOSトランジスタ39
のゲート電極36に入った電荷がバイパス膜55を通っ
て逃げるので、ゲート電極36下のゲート絶縁膜35自
身には電流がほとんど流れず、固定電荷の発生や界面準
位が従来のようにプラズマプロセスで発生することはな
い。このようにして、図13及び図14に示す構成の固
体撮像素子40を、ゲート絶縁膜35に固定電荷の発生
や界面準位の発生がなく、画素の特性を均一化して製造
することができる。
【0080】また、先のバイパス膜55は、その膜厚を
次の範囲内に設定すれば回路上そのまま残しても問題は
ない。画素トランジスタのゲート絶縁膜35と同じ酸化
膜であれば、ゲート絶縁膜35の膜厚よりは薄く、実動
作時のドレインとゲートの電位差を電界にして、この電
界が5MV/cmを越えないような薄さの膜厚までは許
容される。
【0081】また、上述の各実施例ではバイパス膜をシ
リコン酸化膜等により構成したが、この他の膜構造でバ
イパス膜を構成することもできる。この場合にも、ゲー
ト部のゲート絶縁膜よりはリークし易いが、実際の駆動
時にはバイパス膜をトンネル電流が流れすぎて、回路動
作に影響を与えることがない膜構成とする必要があり、
例えばシリコン窒化膜を含む膜とする。
【0082】本発明の半導体装置及びその製造方法、並
びに固体撮像素子及びその製造方法は、上述の例に限定
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。
【0083】
【発明の効果】上述の本発明による半導体装置及びその
製造方法によれば、プラズマプロセスによってゲート電
極がチャージアップしても、ゲート絶縁膜を通って流れ
る電流を別の所に形成したバイパス膜によりバイパスす
るため、ゲート部のゲート絶縁膜中の閾値電圧Vthが変
動せずVthにバラツキを生じない、と共に界面準位も少
なくすることができる。
【0084】従って本発明の半導体装置及びその製造方
法により、Vthが均一化されるため、回路の低電圧化や
ゲートの薄膜化を図ることができ、MISトランジスタ
を有して構成されるアナログ回路の素子の特性のバラツ
キを低減することができる。また、トランジスタのVth
が設計通りになることから、歩留まり良く製造ができ
る。
【0085】また、ゲート絶縁膜がプロセスダメージを
受けていないため、膜質が高品質であり、その後のホッ
トキャリア等による素子劣化も少なくなる。
【0086】また本発明の半導体装置及びその製造方法
により、プラズマプロセスの許容範囲が拡大する。例え
ばプラズマ密度を上げてエッチングレートの増加で生産
性を向上させることができる。また、製造装置の条件の
変動に寛容になり、安定した製造を行うことができる。
【0087】本発明の固体撮像素子によれば、画素トラ
ンジスタのドレイン上にゲート膜より電流の流しやすい
バイパス膜を設けることで、ゲート電極に入射した荷電
粒子を除電して、ゲート電極加工工程、イオン注入工程
を含む全プラズマプロセスでのゲート電極の帯電を抑制
することができる。従って、本発明により、画素トラン
ジスタの閾値電圧Vthが変動せず、バラツキを生じない
と共に界面準位も少なくなる。そして、Vthのバラツキ
が低減されるため、固定パターンノイズが少ない良質な
画像の固体撮像素子が実現できる。
【0088】また、効果的に除電ができれば、Vthのバ
ラツキをキャンセルするための周辺回路や外部回路が不
要となるため、小型で簡素なシステム構成の固体撮像素
子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の一実施例の概略構成図
(平面図)である。
【図2】図1の半導体装置のB−B′における断面図で
ある。
【図3】図1の半導体装置のA−A′における断面図で
ある。
【図4】絶縁膜への印加電圧とトンネル電流との関係を
示す図である。
【図5】本発明の半導体装置の他の実施例の概略構成図
(平面図)である。
【図6】本発明の半導体装置のさらに他の実施例の概略
構成図(平面図)である。
【図7】本発明の半導体装置の別の実施例の概略構成図
(平面図)である。
【図8】本発明の半導体装置のさらに別の実施例の概略
構成図(平面図)である。
【図9】A〜D 本発明の半導体装置の製造方法の実施
例の製造工程図である。
【図10】A〜D 本発明の半導体装置の製造方法の他
の実施例の製造工程図である。
【図11】イオン注入によりバイパス膜下を高Vthにす
る場合を説明する図である。
【図12】増幅型固体撮像素子の構成を説明する図であ
る。
【図13】本発明の固体撮像素子の概略構成図(平面
図)である。
【図14】図13の固体撮像素子(増幅型固体撮像素
子)のD−D′における断面図である。
【図15】本発明による固体撮像素子の製造方法の実施
例の製造工程図である。 A 平面図である。 B 図15AのC−C′における断面図である。
【図16】本発明による固体撮像素子の製造方法の実施
例の製造工程図である。 C 平面図である。 D 図16CのC−C′における断面図である。
【図17】本発明による固体撮像素子の製造方法の実施
例の製造工程図である。 E 平面図である。 F 図17EのC−C′における断面図である。
【図18】G、H 本発明による固体撮像素子の製造方
法の実施例の製造工程図である。
【図19】従来の半導体装置の概略構成図(平面図)で
ある。
【符号の説明】
1 MISトランジスタ、2 アクティブ領域、3 フ
ィールド領域、4 ゲート電極、5 コンタクト部、6
放電用アクティブ領域、7 ゲート絶縁膜、8バイパ
ス膜、9 シリコン基板、10 フィールド絶縁層、1
1 基体領域、12 レジスト、13 ポリシリコン
層、14 第1のゲート絶縁膜、15 第2のゲート絶
縁膜、21S ソース領域、21D ドレイン領域、2
2S ソース電極、22D ドレイン電極、25 (配
線との)コンタクト部、31,40増幅型固体撮像素
子、32 半導体基板、33 n型半導体層(オーバー
フローバリア層)、34 p型ウエル領域、34a 電
荷蓄積領域、35 ゲート絶縁膜、36 ゲート電極、
37 ソース領域、38 ドレイン領域、39 画素M
OSトランジスタ、41 垂直信号線、42 垂直選択
線、43 配線部、45,50 平坦化層、46 層間
絶縁膜、48 埋め込み層、49 絶縁膜、51 ソー
スコンタクト部、52 ゲートコンタクト部、53 ド
レイン電源線、54 ドレインコンタクト部、55 バ
イパス膜、56 ポリシリコン層、57レジストパター
ン、58 配線レジストパターン、60 チャネル部、
61MISトランジスタ、62 アクティブ領域、63
フィールド領域、64 ゲート電極、65 コンタク
ト部、h 正孔、Id 電子電流

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MISトランジスタを含む半導体装置に
    おいて、 回路動作に寄与する主たるMISトランジスタのゲート
    電極が、同一の電圧下で該主たるMISトランジスタの
    ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が流れやすい絶縁膜
    からなるバイパス膜上にまで連続して形成されて成るこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 上記バイパス膜は、上記ゲート絶縁膜と
    同一の材料から成り、かつ膜厚がゲート絶縁膜より薄く
    形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 上記バイパス膜は、その膜中のリーク電
    流が駆動電圧下では流れないか、又は回路動作に影響を
    与えない程度しか流れないようにしたバイパス膜である
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 上記主たるMISトランジスタのアクテ
    ィブ領域と、上記バイパス膜の領域が独立して配置され
    て成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 上記主たるMISトランジスタのゲート
    電極と金属配線層とのコンタクト部の下に、上記バイパ
    ス膜の領域が設けられて成ることを特徴とする請求項1
    に記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 上記主たるMISトランジスタのアクテ
    ィブ領域に接して、上記バイパス膜の領域が設けられて
    成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 上記主たるMISトランジスタのチャネ
    ル内部に上記バイパス膜の領域が設けられて成ることを
    特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】 上記主たるトランジスタのチャネルの一
    部を横切って上記バイパス膜の領域が設けられ、該バイ
    パス膜の領域下のチャネルに高濃度領域が形成されて成
    ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 回路動作に寄与する主たるMISトラン
    ジスタのゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が流れやす
    い絶縁膜からなるバイパス膜を形成し、該バイパス膜上
    にまで連続するゲート電極を形成する工程を有し、 上記バイパス膜を通して除電しながら加工処理を行うこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 上記主たるMISトランジスタのゲー
    ト絶縁膜を形成した後、上記バイパス膜を形成する領域
    の該ゲート絶縁膜を選択的にエッチングして薄くする工
    程を有し、その後上記ゲート電極を上記主たるMISト
    ランジスタの領域から上記バイパス膜上まで連続したパ
    ターンで形成することを特徴とする請求項9に記載の半
    導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】 上記主たるMISトランジスタの第1
    のゲート絶縁膜を形成した後、上記バイパス膜を形成す
    る領域の該第1のゲート絶縁膜を選択的にエッチオフ
    し、続いて上記バイパス膜となる第2のゲート絶縁膜を
    形成する工程を有し、その後上記ゲート電極を上記主た
    るMISトランジスタの領域から上記バイパス膜上まで
    連続したパターンで形成することを特徴とする請求項9
    に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】 画素が1個のMOSトランジスタから
    なる固体撮像素子において、 画素を構成するMOSトランジスタのゲート電極同士を
    繋ぐ配線とドレイン領域との間に、ゲート絶縁膜より膜
    中のリーク電流が流れやすい絶縁膜からなるバイパス膜
    を有することを特徴とする固体撮像素子。
  13. 【請求項13】 画素を構成するMOSトランジスタの
    ゲート電極同士を繋ぐ配線とドレイン領域との間の絶縁
    膜に、ゲート絶縁膜より膜中のリーク電流が流れやすい
    バイパス膜を形成する工程を有し、 上記バイパス膜を通して、除電しながら加工処理するこ
    とを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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