CN101515567B - 固体摄像装置制造方法 - Google Patents

固体摄像装置制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101515567B
CN101515567B CN2009100069754A CN200910006975A CN101515567B CN 101515567 B CN101515567 B CN 101515567B CN 2009100069754 A CN2009100069754 A CN 2009100069754A CN 200910006975 A CN200910006975 A CN 200910006975A CN 101515567 B CN101515567 B CN 101515567B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
oxygen supply
generating unit
electric charge
charge generating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2009100069754A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101515567A (zh
Inventor
桧山晋
平野智之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of CN101515567A publication Critical patent/CN101515567A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101515567B publication Critical patent/CN101515567B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689—MOS based technologies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明提供了一种固体摄像装置制造方法，在所述固体摄像装置中，在半导体基板上形成有检测电磁波并产生信号电荷的电荷生成部，并且在所述电荷生成部的检测面上方形成有具有负固定电荷的负电荷累积层，所述方法包括以下步骤：在所述电荷生成部的检测面上形成能够供氧的供氧膜；形成金属膜，使得所述金属膜覆盖所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜；以及在不活泼气氛中对所述金属膜进行热处理，从而在所述金属膜与所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜之间形成所述金属膜的氧化物，所述氧化物用作所述负电荷累积层。本发明能够只在电荷生成部的检测面上方形成氧化物绝缘膜并使其用作负电荷累积层，因而抑制由界面态引起的暗电流分量。

Description

固体摄像装置制造方法
相关申请的交叉参考
本发明包含与2008年2月19日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2008-037037相关的主题，在此将该日本专利申请的全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)型、金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)型或者互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)型固体摄像装置的制造方法。更具体地说，本发明涉及一种固体摄像装置制造方法，该固体摄像装置采用空穴累积二极管(hole accumulation(accumulated)diode，HAD)结构作为用于防止可能在传感器部及其周边中产生的暗电流的技术。
背景技术
在各个领域中，将诸如CCD图像传感器和CMOS图像传感器等固体摄像装置(也称为图像传感器)用作用于捕捉图像的装置，该固体摄像装置包括摄像单元中的由光电转换元件(诸如光电二极管)形成的多个电荷生成部(传感器部)。
在普通固体摄像装置中，用作传感器部(光接收部)的主要部分并由光电二极管等元件形成的各个光接收元件通过光接收面来接收入射光并进行光电转换。所产生的电荷受到检测电路的检测，然后被放大从而依次输出。
作为固体摄像装置的一个结构示例，在n型硅基板(第一导电型半导体基板)上形成有作为第二导电型半导体层的p型杂质层(p阱)。另外，形成有包括电荷累积层(以下也称为第一传感器区域)的传感器部(光接收部)，该电荷累积层是通过将第一导电型杂质离子注入到第二导电型半导体层中而形成的。通过光接收和光电转换而获得的信号电荷累积在该电荷累积层中。
图9是用于说明在不具有HAD结构的结构中产生暗电流的图。图10是用于说明为了抑制暗电流而通过离子注入形成的HAD结构的优点的图。已知的是，在固体摄像装置中，光电二极管中的结晶缺陷以及图9所示的在光电二极管与该光电二极管上的绝缘膜之间的界面处的界面态是暗电流的发生源。作为用于抑制由界面态引起的暗电流的产生的方案，例如埋入型光电二极管(buried photo diode)结构和HAD结构是已知的。
通过形成第一导电型(例如n型)半导体区域(以下将该区域称为n型半导体区域)，并通过在该n型半导体区域的表面上，即在与绝缘膜的界面的附近形成用于抑制暗电流的第二导电型(p型)的浅的重掺杂半导体区域(以下将该区域称为空穴累积区域)，来获得上述埋入型光电二极管。在埋入型光电二极管的普通制造方法中，离子注入用作p型杂质的硼(B)或者氟化硼(二氟化硼(BF2))并进行退火处理(热处理)，从而在光电二极管的n型半导体区域与绝缘膜之间的界面的附近形成p型半导体区域。
如图10所示，HAD结构是通过在NP二极管表面侧上在由N+型杂质区域形成的电荷累积层上堆叠由P+型杂质区域形成的空穴累积层(以下也称为第二传感器区域)而获得的。下面对通过离子注入形成的HAD结构进行说明。
在如图9所示的不具有HAD结构的结构中，由界面态产生的电子作为暗电流而流入光电二极管中。相反，如图10所示的HAD结构能够利用在界面附近形成的空穴累积层来抑制由界面态引起的暗电流。
具体地说，HAD结构的固体摄像装置包括呈具有空穴累积层的HAD传感器结构的传感器部，上述空穴累积层堆叠在用于累积根据入射光所产生的电荷的信号电荷累积层上，从而提高灵敏度并抑制表面暗电流。如上所述，信号电荷累积层是通过离子注入N+型杂质而形成的，而空穴累积层是通过离子注入P+型杂质而形成的。在这种HAD传感器结构的传感器部中，存在于空穴累积层下方的n型半导体层(信号电荷累积层)和存在于n型半导体层下方的p型半导体层用作进行光电转换的光电二极管。在具有这种HAD结构的固体摄像装置中，由于热激励而在基板表面附近产生的电子被空穴累积层俘获，因而抑制了暗电流的产生，这能够提高灵敏度。
另一方面，已经提出了一种背照射型固体摄像装置作为具有埋入型光电二极管结构的装置(见日本专利申请公开公报No.2003-31785(以下称为专利文献1))。为了获得这种装置，对形成有光电二极管和各个晶体管的硅基板背侧进行研磨，从而减小基板厚度。这使得光从基板背侧进入从而进行光电转换。如上所述，为了抑制暗电流，在光电二极管部中形成有浅的重掺杂p型半导体区域(空穴累积区域)。在背照射型固体摄像装置的情况下，该空穴累积区域形成在基板的前侧和背侧上。
然而，在利用现有的离子注入方法形成埋入型光电二极管时，在700℃以上的高温下进行热处理对于杂质活性化是必不可少的。因此，在400℃以下进行低温处理是难以通过离子注入形成p型半导体区域的。此外，当为了抑制杂质扩散而期望避免长时间的高温活性化时，这种包括离子注入和退火的用于形成p型半导体区域的方法不是优选的。
另外，在专利文献1的制造方法中，通过离子注入形成浅的重掺杂p型半导体区域也是有限制的。因此，如果为了抑制暗电流而试图增加p型半导体区域的杂质浓度，则p型半导体区域会延伸到较深的区。p型半导体区域越深，使得光电二极管的p-n结(p-n junction)与传输栅极之间的距离也越大，因此可能会降低传输栅极的读出能力。
在HAD结构中，累积有信号电荷的部分是信号电荷累积层，信号电荷累积层中的电位是高电位。在读出累积在该信号电荷累积层中的信号电荷时，通过传输栅极电极向该传输栅极施加电压来形成沟道，从而将电荷传输到浮动扩散区域。
然而，在将HAD结构用于传感器部(光接收区域)的固体摄像装置中，为了通过表面沟道的传输栅极电极将HAD结构中的信号电荷完全传输到例如FD部，需要采用将n型信号电荷累积层形成在浅区中的分布设计，其中，该n型信号电荷累积层是在HAD结构的半导体基板表面侧上累积有信号电荷的部分。这样做的原因是，因为通过栅极形成的沟道(电荷传输沟道)被形成在基板表面附近，因而信号电荷累积层越深则使得传输效率越低。因此，希望在尽可能浅的区中形成信号电荷累积层。
为了在浅区中形成信号电荷累积层，设置在信号电荷累积层上的空穴累积层的厚度也相应地需要较小。这意味着将厚度较小的空穴累积层形成在与HAD结构的硅表面相距极浅(靠近)的区中。然而，空穴累积层的深度和由HAD表面附近的界面态引起的暗电流之间是此消彼长(trade-off)的关系，形成浅的空穴累积层就可能增加暗电流。例如，在硅表面附近具有大量的界面态。为了抑制由界面态引起的暗电流，以高浓度注入P+型杂质，使得可以形成界面态被空穴填充(称为钉扎(pinning))的状态，也就是可以防止p-n结与界面态直接接触。这与需要空穴累积层具有较小的厚度相矛盾。
此外，当在空穴累积层的形成过程中进行离子注入时，空穴累积层的深度容易受到堆叠在HAD上的膜的厚度变化的影响。当空穴累积层的深度减小时，该深度变化对暗电流增大的影响变得更大。如果信号电荷累积层能够形成在深区中并且能够保证空穴累积层具有一定程度的厚度，则即使当厚度有一些变化时，厚度变化的影响也是小到可以忽略。然而，厚度越小，产生的影响就越大。这样，为了形成HAD结构，需要其制造方法具有独创性。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种能够减小在传感器部和该传感器部周边中可能会产生的由界面态引起的暗电流的方案。特别地，本发明实施例的目的是提供一种用于形成HAD结构的新的制造方法。
根据本发明的一个实施例，提供一种固体摄像装置制造方法，在所述固体摄像装置中，在半导体基板上形成有用于检测诸如光等电磁波从而产生信号电荷并主要由光电二极管形成的电荷生成部，并且在所述电荷生成部的检测面上方形成有具有负固定电荷的负电荷累积层。在所述方法中，在所述电荷生成部的检测面上形成能够供氧的供氧膜(供氧膜形成步骤)。然后，形成金属膜，使得所述金属膜覆盖所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜(金属膜形成步骤)，并且在不活泼气氛中对所述金属膜进行热处理(退火处理)，从而在所述金属膜与所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜之间形成所述金属膜的氧化物(氧化热处理步骤)。所述氧化物用作所述负电荷累积层。优选地，除去在热处理之后留下的未氧化的所述金属膜(金属膜除去步骤)。
如果所述周边电路被布置成具有晶体管并包括像素信号生成部、驱动控制器和信号处理器，所述像素信号生成部根据由所述电荷生成部生成的信号电荷来生成像素信号，所述驱动控制器被布置在所述电荷生成部和所述像素信号生成部的周边上，并且所述驱动控制器具有将由所述像素信号生成部生成的像素信号读出到所述像素信号生成部和所述装置外部的控制电路功能，所述信号处理器处理从所述像素信号生成部读出的像素信号，则进行以下各步骤。在所述电荷生成部的检测面上形成能够供氧的供氧膜(供氧膜形成步骤)。另外，在含有除了所述电荷生成部的检测面区域之外的所述周边电路的区域中的所述半导体基板上形成不含氧的非供氧膜(非供氧膜形成步骤)。随后，形成金属膜，使得所述金属膜覆盖所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜，并覆盖在含有除了所述电荷生成部的检测面区域之外的所述周边电路的区域中的所述半导体基板上的所述非供氧膜(金属膜形成步骤)。然后，在不活泼气氛中对所述金属膜进行热处理(退火处理)，从而在所述金属膜与所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜之间形成所述金属膜的氧化物(氧化热处理步骤)。所述氧化物用作所述负电荷累积层。随后，除去在所述热处理之后留下的未氧化的所述金属膜(金属膜除去步骤)。
也就是说，形成这样的状态：在期望留下稍后将会用作负电荷累积层的氧化物绝缘膜的区域上，即在电荷生成部的检测面上，不存在非供氧膜而存在供氧膜；而考虑到周边电路中的晶体管，在不期望留下氧化物绝缘膜的区域中，即在含有除了检测面区域之外的周边电路的区域中，不存在供氧膜而存在非供氧膜。随后，沉积作为稍后将会用作负电荷累积层的氧化物绝缘膜的基体材料的金属膜，使该金属膜覆盖整个区域，然后进行热处理。因此，在电荷生成部的检测面上方的金属膜与供氧膜之间形成由该金属元素的氧化物构成的绝缘膜。这时，在含有除了检测面区域之外的周边电路的区域中，金属膜与非供氧膜之间不发生热反应，因而不形成氧化物绝缘膜。利用蚀刻方法能够比除去氧化物绝缘膜更容易地除去金属膜。根据这一特性，对电荷生成部及其周边电路的整个区域进行诸如干式蚀刻或者湿式蚀刻等除去处理，从而除去易于除掉的在含有除了检测面区域之外的周边电路的区域中的非供氧膜上的金属膜，而留下难以除掉的在检测面上方的金属氧化物膜。
根据本发明的实施例，在电荷生成部的检测面上方形成有负电荷累积层的固体摄像装置的制造过程中，在电荷生成部的检测面上形成供氧膜，并且在不期望留下氧化物绝缘膜的区域中，即在含有除了电荷生成部的检测面区域之外的周边电路的区域中形成非供氧膜。随后，在供氧膜和非供氧膜上沉积作为稍后将会用作负电荷累积层的氧化物绝缘膜的基体材料的金属膜，然后在不活泼气氛中进行热处理。
在电荷生成部的检测面上方，金属膜与下层的供氧膜发生热反应，在边界部分处形成金属氧化物膜。另一方面，在含有除了电荷生成部的检测面区域之外的周边电路的区域上方，金属膜不与下层的非供氧膜发生热反应，而是保持金属膜的状态。因此，通过对整个区域进行诸如蚀刻等除去处理，从含有除了检测面区域之外的周边电路的区域中除去金属膜，而留下在检测面上方的金属氧化物膜。通过这些步骤，可以只在电荷生成部的检测面上方形成氧化物绝缘膜，并且就能使该氧化物绝缘膜用作负电荷累积层。
由于在电荷生成部的检测面上方形成了具有负固定电荷的负电荷累积层，因而能够实现用于使电荷生成部的表面变为空穴累积状态的HAD结构，这就能够抑制由界面态引起的暗电流分量。另外，无需进行用于形成空穴累积层的离子注入或者杂质活性化退火，或者即使用小的剂量，也能够将电荷生成部的检测面变为空穴累积状态，因而就能够抑制由界面态引起的暗电流。
附图说明
图1是CMOS固体摄像装置的示意性结构图；
图2是示出了单元像素的典型电路结构示例的图；
图3是单元像素(电荷生成部、周边电路)的示意性截面图；
图4是主要示出了传感器部和包括在像素信号生成部中的晶体管的截面结构概要的图；
图5是用于说明本发明实施例的空穴累积区域的优点的图；
图6A～图6C是用于说明与本发明实施例的空穴累积区域制造流程对比的比较例的图；
图7A～图7D是用于说明本发明实施例的空穴累积区域制造流程的图；
图8A～图8C是用于说明本发明实施例的空穴累积区域制造流程的图(接图7D)；
图9是用于说明不具有HAD结构的结构中的暗电流的图；以及
图10是用于说明通过离子注入形成的HAD结构的优点的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例。以下的说明将针对一个示例，在该示例中，作为X-Y地址型(X-Y address type)固体摄像装置一个示例的CMOS固体摄像装置被用作与本发明实施例相关的装置。以下说明依据该CMOS固体摄像装置中的所有像素是由NMOS(N沟道金属氧化物半导体)形成的这一假设。
然而，该假设只是一个示例，与本发明实施例相关的装置不限于MOS固体摄像装置。稍后说明的所有实施例同样能够适用用于检测物理量分布的所有半导体装置，这些半导体装置通过以行或矩阵形式来布置对诸如从外部输入的光或辐射等电磁波具有灵敏度的多个单元元件而形成。
固体摄像装置的整体概要
图1是作为本发明固体摄像装置一个实施例的CMOS固体摄像装置(CMOS图像传感器)的示意性结构图。如图所示，固体摄像装置1包括像素阵列单元10(像素单元)和周边电路单元11。
在像素阵列单元10中设置有单元像素3(见稍后说明的图2)，各个单元像素3包括像素信号生成部和根据入射光量而输出信号的光接收元件(电荷生成部的一个示例)。在周边电路单元11中设置有驱动控制器7和信号处理器(列处理器26)，驱动控制器7具有将像素阵列单元10的信号依次读出到像素阵列单元10外部和芯片外部的控制电路功能，上述信号处理器用于处理从像素阵列单元10读出的像素信号So。在这些单元中使用了晶体管。
例如，如图1所示，本发明实施例的固体摄像装置1包括：像素阵列单元10，其具有以行和列布置的多个单元像素3，并且也被称为像素单元和摄像单元；设置在像素阵列单元10外侧的驱动控制器7；以及读出电流源24，其将用于读出像素信号的工作电流(读出电流)供应至像素阵列单元10中的单元像素3。此外，固体摄像装置1还包括输出电路28(读出放大器，sense amplifier(S/A))和具有列电路25的列处理器26，各个列电路25被设置为用于各个垂直列。
通过使用分色滤色器(color separation filter)能够使固体摄像装置1中的像素阵列单元10与彩色摄像对应。具体地说，在像素阵列单元10中让电磁波(本示例中为光)入射的各个电荷生成部(例如光电二极管)的光接收面上，基于例如所谓的拜耳(Bayer)布置，通过设置由用于捕捉彩色图像的多种颜色的滤色器组合而成的分色滤色器中的一些滤色器，使像素阵列单元10能够捕捉彩色图像。
列电路25对紧跟在像素复位之后作为像素信号So的基准电平的信号电平(以下将该信号电平称为复位电平)与光电转换之后的信号电平(以下简称为信号电平)之间的差执行差分处理(相关双采样(correlated doublesampling，CDS)处理)。这使得列电路25具有差分处理器25a和模拟数字(AD)转换器(ADC)25b的功能，差分处理器25a获得用复位电平与信号电平之间的差表示的信号分量，AD转换器(ADC)25b把相当于作为像素信号的基准电平的复位电平与信号电平之间的差的信号分量转换为N位数字数据。差分处理器25a和AD转换器25b可以按任意顺序进行布置。利用AD转换器25b将像素信号转换为数字数据不是必要的。通过由差分处理器25a进行的差分处理，能够除去诸如固定模式噪声(fixed patternnoise，FPN)和复位噪声(reset noise)等噪声信号分量。
通过由列电路25对像素信号电压Vx的AD转换而获得的数字数据不一定必须被水平传输，也可以水平传输与像素信号电压Vx对应的模拟信息。在这种情况下，优选的是，差分处理器25a获得各个像素列的像素信号电压Vx的复位电平Srst与信号电平Ssig之间的差。
驱动控制器7具有依次读出像素阵列单元10的信号的控制电路功能。例如，驱动控制器7包括水平扫描器12(列扫描电路)、垂直扫描器14(行扫描电路)和通信及时序控制器20。水平扫描器12具有读出扫描器的功能，即，与时钟同步地依次选择列处理器26中的列电路25的列地址，并将来自像素信号的数字转换的数据读出到水平信号线18。垂直扫描器14选择像素阵列单元10的行地址并供应该行所必需的脉冲。通信及时序控制器20具有生成内部时钟等功能。
单元像素3通过用于行选择的行控制线15与垂直扫描器14连接，并通过垂直信号线19与设置有用于各个垂直列的列电路25的列处理器26连接。行控制线15包括从垂直扫描器14延伸并与像素连接的所有配线。水平信号线18是用于传输由列电路25产生的数据的总线。
尽管附图中未图示，但通信及时序控制器20包括用于供应各个单元的工作所必需的时钟和预定时序的脉冲信号的时序发生器TG(读出地址控制装置的一个示例)的功能组件。另外，通信及时序控制器20包括通信接口的功能组件，该通信接口接收通过端子5a从外部主控制器供应的主时钟CLK0和通过端子5b从外部主控制器供应的并表示工作模式等的数据，并且将包括固体摄像装置1的信息的数据输出到外部主控制器。
作为通过使用类似于半导体集成电路制造技术的技术与像素阵列单元10一体形成在诸如单晶硅等半导体区域中的所谓单芯片单元(作为设置在同一半导体基板上的单元)，周边电路单元11被构成为用作作为半导体系统一个示例的CMOS图像传感器的本实施例固体摄像装置1的一部分，该周边电路单元包括列处理器26和驱动控制器7的诸如水平扫描器12和垂直扫描器14等各个元件。
固体摄像装置1可以被形成为单芯片，在该单芯片中，各个单元以这种方式相互一体地形成在半导体区域中。可选地，尽管未在附图中图示，但除了包括诸如像素阵列单元10、驱动控制器7和列处理器26等各种信号处理器之外，固体摄像装置1还可以包括具有摄像功能并通过总体封装光学系统而获得的模块形式，所述光学系统包括摄影镜头、光学低通滤波器和红外截止滤光器(infrared cut filter)等部件。
在未设置有数据存储及传输输出单元27的基本结构的情况下，AD转换器25b或者差分处理器25a的输出与水平信号线18连接。如果利用差分处理器25a对模拟数据进行差分处理，然后利用AD转换器25b将该模拟数据转换为数字数据，则AD转换器25b的输出与水平信号线18连接。反之，如果在利用AD转换器25b转换为数字数据之后再利用差分处理器25a执行差分处理，则差分处理器25a的输出与水平信号线18连接。下面如图1所示对前一种情况进行说明。
通过控制线12c将控制脉冲(水平数据传输时钟
Figure G2009100069754D00101
)从水平扫描器12输入给AD转换器25b。AD转换器25b具有保持计数结果的锁存功能，并且保持数据，直到通过控制线12c利用控制脉冲接收到指令。
在本发明实施例中，如图1所示，在AD转换器25b之后，各个列电路25的输出侧包括作为N位存储装置的数据存储及传输输出单元27和作为数据切换器一个示例的开关27a(SEL)，数据存储及传输输出单元27保持通过AD转换器25b保持的计数结果，开关27a被布置在AD转换器25b与数据存储及传输输出单元27之间。如果使用了包括数据存储及传输输出单元27的结构，则以预定时序将作为控制脉冲的存储传输指令脉冲CN8从通信及时序控制器20供应到与其它垂直列上的各开关27a连通的开关27a。
当接收到存储传输指令脉冲CN8时，该开关27a根据负载功能将数据从同一列上的AD转换器25b传输到数据存储及传输输出单元27。数据存储及传输输出单元27保持并存储所传输来的数据。
为了与开关27a的设置相匹配，本发明实施例的水平扫描器12具有读出扫描器的功能，即，与分配给列处理器26中的差分处理器25a和AD转换器25b的处理的执行操作并行地读出由各个数据存储及传输输出单元27保持的数据。
如果使用了包括数据存储及传输输出单元27的结构，则通过AD转换器25b保持的AD转换数据能够被传输到数据存储及传输输出单元27。因此，能够独立地控制由AD转换器25b进行的AD转换处理和将AD转换结果读出到水平信号线18的操作。这能够实现同时执行AD转换处理和将信号读出到外部的操作的流水线操作。
例如，在AD转换器25b中通过锁存(保持和存储)像素数据的AD转换结果来完成AD转换。随后，以预定时序将像素数据传输到数据存储及传输输出单元27，从而存储并保持在数据存储及传输输出单元27中。然后，根据与通过控制线12c以预定时序从水平扫描器12输入的控制脉冲同步的移位操作，列电路25将存储并保持在数据存储及传输输出单元27中的像素数据从输出端子5c依次输出到列处理器26外部和具有像素阵列单元10的芯片外部。
单元像素的电路结构示例
图2是示出了在图1所示的固体摄像装置1中使用的单元像素的典型电路结构示例(4TR结构)。
单元像素3的结构与普通CMOS图像传感器的结构类似。例如将具有浮动扩散放大器结构的放大器用作该像素中的放大器。作为一个示例，可以使用作为CMOS传感器常规结构的由四个晶体管构成的4TR结构，或者由三个晶体管构成的3TR结构。具体地说，4TR结构具有以下四个用于电荷生成部的晶体管：作为电荷读出部(传输栅极部/读出栅极部)一个示例的读出选择晶体管；作为复位栅极部一个示例的复位晶体管；垂直选择晶体管；以及作为用于检测浮动扩散区域的电位变化的检测元件一个示例的具有源极跟随器结构的放大晶体管。图2示出了4TR结构。
具有4TR结构的单元像素3包括：主要部分由光电二极管等元件形成的电荷生成部32、有传输脉冲TRG向其供应的读出选择晶体管34(传输晶体管)、有复位脉冲RST向其供应的复位晶体管36、浮动扩散区域38、有垂直选择脉冲VSEL向其供应的垂直选择晶体管40以及放大晶体管42。复位晶体管36、浮动扩散区域38、垂直选择晶体管40和放大晶体管42形成像素信号生成部5。
对于具有诸如光电二极管PD等光接收元件DET作为其主要部分的检测器一个示例的电荷生成部32，光接收元件DET的一个端子(阳极侧)在低电位侧上与基准电位Vss(例如约-1V的负电位)连接，另一个端子(阴极侧)与读出选择晶体管34的输入端子(通常为源极)连接。通常将地电位GND用作基准电位Vss。
读出选择晶体管34的输出端子(通常为漏极)连接至与复位晶体管36、浮动扩散区域38和放大晶体管42连接的连接节点。传输脉冲TRG被供应到读出选择晶体管34的控制输入端子(栅极)。
对于像素信号生成部5中的复位晶体管36，复位晶体管36的源极与浮动扩散区域38连接，复位晶体管36的漏极与复位电源Vrd(通常使用电源Vdd作为共同的电源)连接，并且像素复位脉冲RST被输入到复位晶体管36的栅极(复位栅极RG)。
对于垂直选择晶体管40，作为一个示例，垂直选择晶体管40的漏极和源极分别与放大晶体管42的源极和像素线51连接，并且垂直选择晶体管40的栅极(特称为垂直选择栅极SELV)与垂直选择线52连接。与垂直选择晶体管40相关的连接结构并不限于此，垂直选择晶体管40和放大晶体管42的位置可以互换；垂直选择晶体管40的漏极和源极可以分别与电源Vdd和放大晶体管42的漏极连接，并且放大晶体管42的源极可以与像素线51连接。垂直选择脉冲VSEL被施加到垂直选择线52上。
放大晶体管42的栅极与浮动扩散区域38连接，放大晶体管42的漏极与电源Vdd连接。放大晶体管42的源极通过垂直选择晶体管40与像素线51连接，并与垂直信号线19连接。
垂直信号线19向列处理器26延伸。在延伸路径上，用作电流源的读出电流源24(具体为读出电流源24内部的恒定电流源I)与垂直信号线19连接，因此有基本恒定的工作电流(读出电流)向其供应的源极跟随器结构被形成为具有放大晶体管42。
复位晶体管36使浮动扩散区域38复位。读出选择晶体管34将由电荷生成部32生成的信号电荷传输至浮动扩散区域38。由于浮动扩散区域38与放大晶体管42的栅极连接，因此放大晶体管42通过像素线51将与浮动扩散区域38的电位(以下称为FD电位)对应的信号以电压模式输出至垂直信号线19。大量的像素与垂直信号线19连接。因此，在像素选择时，仅使所选择的像素中的垂直选择晶体管40导通。这样，只有所选择的像素与垂直信号线19连接，并且所选择的像素的信号被输出至垂直信号线19。
由于读出选择晶体管34、复位晶体管36和垂直选择晶体管40各自的栅极以行作基础进行连接，因此可以使一行上的各个像素中的晶体管同时工作。
单元像素的截面结构
图3是固体摄像装置1中的单元像素3(电荷生成部32和周边电路)的示意性截面图。在图3中，示出了用于彩色摄像的单元像素3。
对于本发明实施例的电荷生成部32，作为一个示例，在n型硅基板130(第一导电型的半导体基板NSUB)上形成有作为第二导电型半导体层的p型杂质层(p阱)。另外，包括电荷累积层(第一传感器区域)的光电二极管PD被形成为传感器部131(光接收部)，上述电荷累积层是通过将第一导电型的杂质离子注入到第二导电型半导体层中而形成的。也就是说，使用n型半导体基板NSUB，并且在P阱内形成有n型光电二极管PD，以作为电荷生成部32。另外，在光入射侧上形成有包括在单元像素3中的晶体管和配线层等。
例如，在基板130中形成有包括在单元像素中的多个电荷生成部32。电荷生成部32由基板130中的p-n结形成。例如，在电荷生成部32的区域中，在基板130内形成有作为第一导电型的n型电荷累积区域141(第一导电型区域，n型电荷累积区域)，并且在电荷累积区域141周围形成有p型阱142(p阱)。
在电荷生成部32的基板130的光入射侧上，隔着由二氧化硅(SiO2)或者其它类似物构成的绝缘层132形成有遮光层133。在遮光层133中，开口部133a被形成为与电荷生成部32的区域对应。在遮光层133上形成有例如由氮化硅(SiN)构成的保护层134。
在保护层134上形成有只让所需波长范围内的光透过的滤色器135。在滤色器135上形成有用于将入射光聚集到电荷生成部32上的微透镜136。
在基板130的绝缘层侧上形成有各种晶体管。尽管未在附图中图示，在基板130之上的绝缘层132中形成有包括晶体管的电极和多层金属配线的配线层。另外，尽管未在附图中图示，在基板130中布置有像素信号生成部5的部分中，形成有包括在图2所示单元像素3中的各个晶体管34、36、40和42。此外，尽管未在附图中图示，在基板130的周边电路单元中形成有p阱和n阱，并且在这些阱中形成有CMOS电路。
此外，对于这种传感器部131(光电二极管PD)，在NP二极管的光入射侧上由N+型杂质区域形成的电荷累积区域141上方，通过堆叠由P+型杂质区域形成的且厚度较小的空穴累积区域143(第二导电型区域)而形成有HAD结构。形成HAD结构就能够抑制由诸如暗电流等不必要的电荷引起的噪声。另一方面，在电荷生成部32外侧的周边电路(像素信号生成部5等)上方沉积有绝缘保护膜190，并且在绝缘保护膜190上形成有与电荷生成部32上方的绝缘层132呈一体的绝缘层132。
在由用作光电转换器的光电二极管形成的传感器部131的光接收面上方，即在包括在光电二极管中的电荷累积区域141(第一导电型区域，n型电荷累积区域)的光接收面上方，本发明实施例中的空穴累积区域143由具有所需厚度和负(负的)固定电荷的膜(以下称为负电荷累积层182)形成，例如由至少一部分被结晶化的绝缘膜形成。该负电荷累积层182夹在其它绝缘膜(绝缘层184和绝缘层132)之间。
边界部分的截面结构
图4是主要示出了单元像素3中的电荷生成部32的传感器部131(光电二极管等)与包括在像素信号生成部5中的晶体管之间的边界部分的截面结构概要的图。如图4所示，在本发明实施例的结构中，在基板130(Si基板)上的像素阵列单元10中形成有电荷生成部32(附图中表示为光电二极管)和包括在像素信号生成部5中的晶体管。尽管未在附图中图示，在周边电路单元11中也形成有晶体管。在基板130中设置有被用于元件隔离的绝缘物填充的浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)区域160，并且电荷生成部32区域和晶体管区域通过该STI区域160彼此分离。
在电荷生成部32上方形成有空穴累积区域143。具体地说，在电荷生成部32(光电二极管)的电荷累积区域141上首先形成有由二氧化硅(SiO2)或其它类似物构成的绝缘层184，然后在绝缘层184上形成有用作空穴累积区域143且由氧化铪(HfO2)或者其它类似物构成的负电荷累积层182。在像素阵列单元10和周边电路单元11中，在晶体管区域中设置有栅极区域170和用作源极/漏极区域的延伸扩散区域178。
栅极区域170具有在栅极电极172两侧上形成有侧壁174(绝缘膜隔离层)的结构。在本示例中，由与电荷生成部32的绝缘层184的材料相同的材料构成的绝缘层184首先形成在栅极电极172两侧上。在该绝缘层184外侧，形成有由不同材料(例如氮化硅(SiN))构成的绝缘层185，从而获得侧壁174。
另外，在除了电荷生成部32的区域之外的区域上(在STI区域160和晶体管的区域上)沉积有由氮化硅(SiN)或者其它类似物构成的绝缘保护膜190。此外，尽管未在附图中图示，在电荷生成部32的负电荷累积层182、STI区域160和晶体管侧的绝缘保护膜190上以全体覆盖这些元件的方式沉积有绝缘层132、遮光层133和保护层134。在保护层134上形成有滤色器135，并且在滤色器135上形成有片上微透镜(on-chipmicrolens)136。
包括界面态的部分的截面结构
图5是用于说明本发明实施例的空穴累积区域143的优点的图。本发明实施例中的空穴累积区域143采用在电荷生成部32(传感器部131(诸如光电二极管等光接收部))上形成有具有负固定电荷的膜(负电荷累积层182)的结构，从而产生了由负固定电荷引起的能带弯曲并在界面处形成了空穴累积层。无需进行离子注入和用于杂质活性化的退火，使用负电荷累积层182中的负固定电荷就使得能够形成HAD结构。
作为负电荷累积层182的材料，只要能够在该膜中形成负固定电荷，任何材料都可以使用。例如，由以下任一种金属元素的氧化物构成的绝缘膜是优选的：铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)。该绝缘膜的至少一部分被结晶化。
具体地说，在电荷累积区域141(第一导电型区域，n型电荷累积区域)表面侧上的具有空穴累积区域143(第二导电型区域，p型空穴累积区域)的所谓埋入型光电二极管结构通过使界面附近变为空穴累积状态，来抑制由界面态产生的载流子所引起的暗电流。如果通过离子注入不能获得该空穴累积状态，则可以不根据光电二极管中的杂质分布(掺杂剂分布)而是利用光电二极管上方的膜中的固定电荷来使表面附近变为空穴累积状态。在使暗电流减小方面更优选的是，与该光接收部接触的膜具有更少量的界面态。为了实现更少量的界面态，应该形成包括少量界面态且具有负固定电荷的膜。作为用于形成包括少量界面态且具有负固定电荷的膜的材料，利用原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)方法形成的氧化铪是特别优选的。
近来，对于朝着低能耗方向发展的大规模集成电路(Large-scaleintegration，LSI)，为了获得低的漏电流，正在研究使用几个纳米数量级厚度的氧化铪。另外，已知的是，氧化铪的结晶化会使漏电流增加。通常来说，用作栅极绝缘膜且具有几个纳米数量级厚度的氧化铪膜的结晶化在温度约为500℃时出现。因此，目前正在使用的对策是诸如向氧化铪中添加Si以增强耐热性从而提高结晶化温度的方法等。然而，如果氧化铪膜不用作栅极绝缘膜而是被形成在图像传感器的光电二极管表面上方，则漏电流特性就无关紧要了。
已经证明，如果形成了未被用于现有MOS-LSI的厚度较大的氧化铪膜，则结晶化温度降低，并且结晶化在约300℃开始。尽管未在附图中图示，已经发现，热处理时间的延长会使平带电压Vfb向较高电压侧偏移，即，使氧化铪膜中的负电荷增加。另外还发现，热处理温度的升高会使平带电压Vfb向较高电压侧偏移，即，使氧化铪膜中的负电荷增加。已经发现，降低结晶化温度能够增加绝缘膜中的负电荷，因此降低结晶化温度对固体摄像装置是有利的。
如上所述，新发现了以下事实：通过形成具有适当厚度(大于几个纳米的数量级)的氧化铪膜并对其进行热处理，在400℃以下的温度下形成氧化铪的结晶化膜；随着热处理程度的增加，即随着结晶化的进行，在氧化铪膜中形成负电荷。随结晶化的进行而形成负电荷是用于现有MOS-LSI和栅极绝缘膜的氧化铪膜应当避免的特征。这是因为该膜中的固定电荷的量太大，并且该结晶化导致漏电流的增加。然而，在本发明实施例中，氧化铪膜对于在固体摄像装置中的光电二极管表面附近的空穴累积效果是非常适合的。氧化铪膜的使用使得可以通过400℃以下的低温处理将光电二极管表面变为空穴累积状态，并且能够实现对暗电流的抑制。
尽管在前述示例中使用了氧化铪膜，但已经发现在由诸如锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧系元素等其它金属元素之中的任一种的氧化物构成的绝缘膜中也能够形成负固定电荷。在光接收面上方形成由这些元素之中的任一种的氧化物构成的绝缘膜都可以使光电二极管表面变为空穴累积状态，并且能够实现对暗电流的抑制。作为附加效果，通过负电荷累积层182和负电荷累积层182上的绝缘膜(绝缘层132)形成了防反射膜，并且能够实现低的暗电流和高的灵敏度。
比较例的制造方法
图6A～图6C是用于说明与本发明实施例固体摄像装置1中的特别是空穴累积区域143的制造流程(制造步骤)对比的比较例的制造方法的图(截面图)。这些图是示意性截面图并且示出了电荷生成部32的区域和像素信号生成部5的区域。
首先，如图6A所示，在半导体基板130上的像素阵列单元10中形成包括呈二维阵列布置的光电二极管的多个电荷生成部32和具有晶体管的周边电路(像素信号生成部5等)。这时，在周边电路单元11中形成由CMOS晶体管等形成的逻辑电路。
随后，如图6B所示，利用ALD方法在电荷生成部32以及周边电路(像素信号生成部5和周边电路单元11)的整个表面上形成稍后用作负电荷累积层182的金属氧化物膜(例如氧化铪膜)。在利用ALD方法形成金属氧化物膜时，在该金属氧化物膜与基板130表面即传感器部131的光检测面之间的界面上，形成有厚度例如约为1nm的二氧化硅膜作为绝缘层184。
随后，如图6C所示，对金属氧化物膜进行结晶化退火，从而在该金属氧化物膜中形成负固定电荷，因此该金属氧化物膜变为负电荷累积层182。
然后，尽管未在附图中图示，在负电荷累积层182上形成绝缘层132、遮光层133、保护层134和其它膜(层)，从而获得想要的固体摄像装置1。对于包括除了电荷生成部32的区域之外的周边电路的区域，在沉积绝缘层132之前，除去绝缘层184和负电荷累积层182并沉积绝缘保护膜190。
比较例中的问题及其解决方法
如上所述，为了形成空穴累积区域143，把由铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)、镧系元素或其它类似物的氧化物构成的绝缘膜用作具有负固定电荷的负电荷累积层182。通过在光接收部上方形成该氧化物绝缘膜(例如HfO2膜，下同)，能够在界面附近形成空穴累积区域。
然而，很难处理由这些金属之中的任一种的氧化物构成的绝缘膜，并且可能不能将该绝缘膜的不必要部分完全除去。例如，将氧化物绝缘膜留在电荷生成部32的周边电路(像素信号生成部5等)上方是不必要的，因而需要将其除去。然而，它通常不能被完全除去而会留下。如果氧化物绝缘膜留在包括在像素信号生成部5中的晶体管的栅极上方，则该氧化物绝缘膜中的固定电荷会使晶体管的阈值电压漂移，这会导致不能驱动晶体管的故障。
为了解决这个问题，在本发明实施例中，基于作为氧化物绝缘膜基体的金属膜自身的处理比氧化物绝缘膜的处理更容易这一特征，使用以下方法作为空穴累积区域143的制造方法。
具体地说，在期望留下氧化物绝缘膜(稍后用作负电荷累积层182)的区域中形成能够供氧的膜(以下称为供氧膜)，而在不期望留下氧化物绝缘膜的区域中形成不含氧的膜(以下称为非供氧膜)。可以使用含氧的膜作为供氧膜，例如可以使用二氧化硅(SiO2)膜或者氧掺杂碳化硅(SiCO)膜。可以使用不含氧的膜作为非供氧膜，例如可以使用氮化硅(SiN)膜、碳化硅(SiC)膜或者氮掺杂碳化硅(SiCN)膜。
在形成供氧膜和非供氧膜之后，在基板上形成作为氧化物绝缘膜基体的金属(铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)、镧系元素或其它类似物)膜，然后对其进行退火。这会使作为供氧膜上的氧化物绝缘膜的基体的金属(基体金属)与下层膜之间发生反应，因而形成该基体金属的氧化物作为绝缘膜。另一方面，非供氧膜上的氧化物绝缘膜的基体金属不与下层膜反应，因而氧化物绝缘膜的基体金属保持其原来的状态。
然后，利用湿式蚀刻或者干式蚀刻等方法只将易于处理的氧化物绝缘膜的基体金属除去。这使得氧化物绝缘膜只形成在所需区域(即用作空穴累积区域143的负电荷累积层182的区域)中。
另外，当使用这种制造方法时，无需进行离子注入和用于杂质活性化的退火，就能够制造具有HAD结构的固体摄像装置1，该HAD结构是通过使用具有负固定电荷的负电荷累积层182而在传感器部131的检测面上方形成的。
本发明实施例的制造方法
图7A～图7D和图8A～图8C是用于说明本发明实施例固体摄像装置1中的特别是空穴累积区域143的制造流程(制造步骤)的图(截面图)。
首先，在基板130(Si基板)的表面附近形成用于元件隔离的STI区域160。例如，在包括像素阵列单元10和周边电路单元11的基板130中限定活性区域(active region)和场区域(field region)，并且通过在场区域的基板130中形成沟槽并用绝缘膜填充该沟槽而形成具有STI结构的场氧化膜(field oxide film)。因此，活性区域和场区域彼此分离。
随后，在基板130的整个表面上依次沉积绝缘膜和诸如多晶硅层等导电层。然后，根据光刻技术和反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)技术，通过使用用于栅极电极图形的掩模在蚀刻步骤中选择性地除去绝缘膜和导电层，从而在像素阵列单元10和周边电路单元11的晶体管区域中形成栅极绝缘膜(未图示)和栅极电极172。另外，使用用于限定电荷生成部32的掩模，根据离子注入技术和光刻技术，通过将杂质离子注入至活性区域而在像素阵列单元10的基板130中形成传感器部131(光电二极管)。例如，如果基板130是p型半导体基板，则注入n型杂质离子从而形成光电二极管。把形成电荷生成部32和周边电路中的晶体管的步骤称为元件形成步骤。在该步骤中，还可以形成延伸扩散区域178(源极/漏极区域)。由于栅极电极172起掩模的作用，因此延伸扩散区域178以自对准方式形成。
随后，在电荷生成部32的检测面(光接收面)上形成能够供氧的供氧膜(供氧膜形成步骤)。另外，在包括除了电荷生成部32的检测面区域之外的周边电路的区域中的半导体基板上形成不含氧的非供氧膜(非供氧膜形成步骤)。具体地说，形成这样的状态：在期望留下稍后用作负电荷累积层182的氧化物绝缘膜的区域上，即在电荷生成部32(传感器部131)的检测面上，不存在非供氧膜而存在供氧膜，而在不期望留下氧化物绝缘膜的区域上，即在包括除了检测面区域之外的周边电路(像素信号生成部5等)的区域上，不存在供氧膜而存在非供氧膜。只要能够获得这种状态，供氧膜形成步骤和非供氧膜形成步骤可以具有任意顺序和方案。下面说明考虑了形成栅极电极172的侧壁174而设计的方案。
首先，如图7A所示，作为用于形成栅极电极172的侧壁174的侧壁膜，在基板130的整个表面上依次沉积供氧膜(例如二氧化硅(SiO2)膜)和优选的非供氧膜(例如氮化硅(SiN)膜)，从而覆盖电荷生成部32的检测面和包括周边电路的区域(相当于实际的供氧膜形成步骤)。然后，利用抗蚀剂只覆盖像素阵列单元10的基板130上的电荷生成部32。在该步骤中，使用用于形成侧壁膜的非供氧膜不是必要的。这是因为稍后将再次进行沉积非供氧膜的步骤。
例如，如果沉积二氧化硅(SiO2)膜作为高温氧化物(HTO)膜，则采用以下沉积条件：使用SiH4和N2O作为处理气体；温度为700～800℃；压强为50～200Pa；膜厚度为5～20nm。可选地，如果采用低压正硅酸乙酯(Low Pressure Tetra Ethyl Orthorhombic Silicated，LP-TEOS)膜以形成二氧化硅(SiO2)膜，则采用以下沉积条件：使用TEOS作为处理气体；温度为600～700℃；压强为30～100Pa；膜厚度为5～20nm。已知的是，LP-TEOS膜在台阶覆盖性、厚度均匀性和产率等方面性能优异，且不需要间隙填充。然而，LP-TEOS膜的膜质量不稳定，因而具有在后续热步骤中会出现剧烈冒气(outgassing)的问题。氮化硅(SiN)膜的沉积条件如下：使用二氯硅烷(dichlorosilane，DCS)作为处理气体；温度为650～750℃；压强为20～100Pa；膜厚度为10～30nm。
随后，如图7B所示，利用电子束(electron beam，EB)或者其它方法回蚀栅极电极172上的由供氧膜(二氧化硅(SiO2)膜)和非供氧膜(氮化硅(SiN)膜)构成的多层膜，从而在栅极电极172两侧上形成侧壁174。然后除去该抗蚀剂。
接着，如图7C所示，在基板130的整个表面上沉积非供氧膜(例如氮化硅(SiN)膜)，从而覆盖电荷生成部32的检测面和包括周边电路的区域。另外，如图7D所示，用抗蚀剂覆盖除了电荷生成部32的区域之外的区域，并除去电荷生成部32上方的非供氧膜(氮化硅(SiN)膜)(相当于实际的非供氧膜形成步骤)。如果尚未形成延伸扩散区域178(源极/漏极区域)，则形成延伸扩散区域178。
这些步骤形成了这样的状态：在电荷生成部32的检测面上不存在非供氧膜而存在供氧膜，而在包括除了检测面区域之外的周边电路的区域中不存在供氧膜而存在非供氧膜。另外，作为另一个优点，在这些步骤的处理中，能够在栅极电极172的侧面上形成侧壁174，并且通过利用侧壁174能够以自对准的方式形成延伸扩散区域178。
随后，如图8A所示，除去抗蚀剂，并在基板130的整个表面上沉积金属膜182a，从而覆盖电荷生成部32的检测面和包括周边电路的区域，金属膜182a含有作为稍后用作负电荷累积层182的氧化物绝缘膜的基体材料的任一金属(称为基体金属的铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧系元素等)。例如，利用直流(DC)溅射方法沉积厚度为2～6nm的铪(Hf)膜，在该DC溅射方法中，溅射功率为100～1000W，氩(Ar)气流量为10～50sccm(标准cc/min)。
然后，如图8B所示，在诸如氮气(N2)气氛等中性气体气氛(不活泼气体气氛)中进行退火处理(热处理)，从而使电荷生成部32(传感器部131)上的供氧膜(例如SiO2膜)与含有氧化物绝缘膜的基体金属(诸如铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)或者镧系元素等金属材料)的金属膜182a之间的界面上发生反应(氧化反应)。这形成了诸如铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)或镧系元素等金属元素的氧化物绝缘膜(金属氧化物膜)(进行了氧化退火处理)。此外，进行金属膜182a的结晶化退火处理，从而在金属膜182a中形成负固定电荷。
例如，在氮气气氛中的退火处理的条件如下：温度为500℃以上，优选为600～1000℃；压强为1～760Torr；退火时间为1～30min。如果铪(Hf)用作氧化物绝缘膜的基体金属，则作为所获得的膜的氧化铪(HfO2)膜的厚度被设为约4～7nm。
在该退火处理中，在除了电荷生成部32的区域之外的基板130上方的氧化物绝缘膜的基体金属(例如铪(Hf))不与下层的非供氧膜(例如SiN膜)反应，而是保持该氧化物绝缘膜的基体金属(例如铪(Hf))的状态(即热处理之后留下的未氧化的金属膜182a)。此外，在电荷生成部32上方，距离供氧膜与金属膜182a之间的边界相对较远且未被氧化的金属膜182a保持其原来的状态。
接着，如图8C所示，对电荷生成部32和周边电路(像素信号生成部5)上方的整个区域进行诸如蚀刻等除去处理。因此，将金属膜182a从包括除了传感器部131的区域之外的周边电路的区域上除去，而金属氧化物膜则留在传感器部131上方。具体地说，利用湿式蚀刻或干式蚀刻等方法，只将留在除了电荷生成部32的区域之外的基板130上方的且未变成氧化物绝缘膜的未氧化基体金属(例如铪(Hf))除去。因此，氧化物绝缘膜只形成在位于电荷生成部32上方的用作空穴累积区域143的负电荷累积层182的区域中。可以只在电荷生成部32(传感器部131)的检测面上方形成氧化物绝缘膜，并且可以使该氧化物绝缘膜用作负电荷累积层182。退火处理之后留在电荷生成部32的检测面上方的未氧化金属膜也被同时除去。
例如，如果采用湿式蚀刻方法，则使用湿式化学品的除去处理使得只在电荷生成部32上方形成氧化物绝缘膜。如果氧化物绝缘膜的基体金属是铪(Hf)，则例如可以使用稀释氢氟(dilute hydrofluoric，DHF)酸的水溶液作为湿式化学品。由于能够利用稀释氢氟(DHF)酸将铪(Hf)容易地除去，因此能够将氧化铪(HfO2)膜只形成在电荷生成部32上方。
如上所述，在本发明实施例的制造方法中，在期望留下用作负电荷累积层182的氧化物绝缘膜的区域中，形成了诸如二氧化硅(SiO2)膜等供氧膜，而在不期望留下用作负电荷累积层182的氧化物绝缘膜的区域中，形成了诸如氮化硅(SiN)膜等非供氧膜。随后，在基板130的整个表面上方沉积氧化物绝缘膜的诸如铪(Hf)等基体金属膜，然后在不活泼气体气氛中进行退火。因此，在电荷生成部32的区域中的供氧膜上的基体金属膜与下层的供氧膜反应，从而形成该基体金属的氧化物膜作为绝缘膜。在金属膜182a的结晶化退火时形成了该绝缘膜，并且由于金属膜182a中形成有负固定电荷，因此该绝缘膜适合于用作负电荷累积层182。
另一方面，位于在不期望留下用作负电荷累积层182的氧化物绝缘膜的区域中沉积的诸如氮化硅(SiN)膜等非供氧膜上的基体金属膜不与下层的非供氧膜反应，而是保留该基体金属膜原来的状态。因此，能够通过后续的蚀刻过程容易地将包括负电荷累积层182区域中的未反应基体金属膜的基体金属膜除去，因此能够将诸如氧化铪(HfO2)膜等氧化物绝缘膜只形成在所需区域(负电荷累积层182区域)中。
本领域技术人员应当理解，依据不同的设计要求和其他因素，可以在本发明所附权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (13)

1.一种固体摄像装置制造方法，在所述固体摄像装置中，在半导体基板上形成有检测电磁波并产生信号电荷的电荷生成部，并且在所述电荷生成部的检测面上方形成有具有负固定电荷的负电荷累积层，所述方法包括以下步骤：
在所述电荷生成部的检测面上形成能够供氧的供氧膜；
形成金属膜，使得所述金属膜覆盖所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜；以及
在不活泼气氛中对所述金属膜进行热处理，从而在所述金属膜与所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜之间形成所述金属膜的氧化物，所述氧化物用作所述负电荷累积层。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置制造方法，其中，在进行所述热处理时，使所述金属膜的氧化物的一部分结晶化，从而形成所述负电荷累积层。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置制造方法，其中，在形成所述金属膜时，利用溅射方法来形成所述金属膜。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置制造方法，其中，在形成所述金属膜时，将含有铪、锆、铝、钽、钛、钇和镧系元素之中的任一种的金属材料用作所述金属膜的材料。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置制造方法，其中，在进行所述热处理时，在温度为500℃以上的氮气气氛中进行所述热处理。
6.一种固体摄像装置制造方法，在所述固体摄像装置中，在半导体基板上形成有检测电磁波并产生信号电荷的电荷生成部以及包括像素信号生成部、驱动控制器和信号处理器的周边电路，所述像素信号生成部根据由所述电荷生成部生成的信号电荷来生成像素信号，所述驱动控制器被布置在所述电荷生成部和所述像素信号生成部的周边上，并且所述驱动控制器具有将由所述像素信号生成部生成的像素信号读出到所述像素信号生成部外部和所述装置外部的控制电路功能，所述信号处理器处理从所述像素信号生成部读出的像素信号，在所述电荷生成部的检测面上方形成有具有负固定电荷的负电荷累积层，所述方法包括以下步骤：
在所述电荷生成部的检测面上形成能够供氧的供氧膜；
在含有除了所述电荷生成部的检测面区域之外的所述周边电路的区域中的所述半导体基板上形成不含氧的非供氧膜；
形成金属膜，使得所述金属膜覆盖所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜和含有除了所述电荷生成部的检测面区域之外的所述周边电路的区域中的所述非供氧膜；
在不活泼气氛中对所述金属膜进行热处理，从而在所述金属膜与所述电荷生成部的检测面上的所述供氧膜之间形成所述金属膜的氧化物，所述氧化物用作所述负电荷累积层；以及
除去在所述热处理之后留下的未氧化的所述金属膜。
7.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，在进行所述热处理时，使所述金属膜的氧化物的一部分结晶化，从而形成所述负电荷累积层。
8.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，在形成所述金属膜时，利用溅射方法来形成所述金属膜。
9.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，在形成所述金属膜时，将含有铪、锆、铝、钽、钛、钇和镧系元素之中的任一种的金属材料用作所述金属膜的材料。
10.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，在进行所述热处理时，在温度为500℃以上的氮气气氛中进行所述热处理。
11.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，
所述供氧膜的形成和所述非供氧膜的形成包括以下子步骤：
形成所述供氧膜，使得所述供氧膜覆盖所述电荷生成部的检测面和含有所述周边电路的所述区域；
通过使用在含有所述周边电路的所述区域中的所述供氧膜的一部分，形成所述周边电路中的晶体管的栅极电极的侧壁，同时除去在含有所述周边电路的所述区域中的所述供氧膜的其它部分；
形成所述非供氧膜，使得所述非供氧膜覆盖所述电荷生成部的检测面和含有所述周边电路的所述区域；以及
除去在所述电荷生成部的检测面上方的所述非供氧膜。
12.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，其中，
所述供氧膜的形成和所述非供氧膜的形成包括以下子步骤：
从所述半导体基板侧依次形成供氧膜和非供氧膜，使得所述供氧膜和所述非供氧膜覆盖所述电荷生成部的检测面和含有所述周边电路的所述区域；
通过使用在含有所述周边电路的所述区域中的所述供氧膜和所述非供氧膜的一部分，形成所述周边电路中的晶体管的栅极电极的侧壁，同时除去在含有所述周边电路的所述区域中的所述供氧膜和所述非供氧膜的其它部分；
形成另一非供氧膜，使得所述另一非供氧膜覆盖所述电荷生成部的检测面和含有所述周边电路的所述区域；以及
除去在所述电荷生成部的检测面上方的所述另一非供氧膜。
13.如权利要求6所述的固体摄像装置制造方法，还包括以下步骤：
在所述半导体基板的检测面侧上的所述周边电路中形成晶体管。
CN2009100069754A 2008-02-19 2009-02-18 固体摄像装置制造方法 Expired - Fee Related CN101515567B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008037037A JP5136110B2 (ja) 2008-02-19 2008-02-19 固体撮像装置の製造方法
JP2008037037 2008-02-19
JP2008-037037 2008-02-19

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011101568263A Division CN102214671B (zh) 2008-02-19 2009-02-18 固体摄像装置制造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101515567A CN101515567A (zh) 2009-08-26
CN101515567B true CN101515567B (zh) 2011-07-27

Family

ID=40955493

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011101568263A Expired - Fee Related CN102214671B (zh) 2008-02-19 2009-02-18 固体摄像装置制造方法
CN2009100069754A Expired - Fee Related CN101515567B (zh) 2008-02-19 2009-02-18 固体摄像装置制造方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011101568263A Expired - Fee Related CN102214671B (zh) 2008-02-19 2009-02-18 固体摄像装置制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (2) US7968365B2 (zh)
JP (1) JP5136110B2 (zh)
KR (1) KR20090089790A (zh)
CN (2) CN102214671B (zh)
TW (1) TWI409941B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102214671A (zh) * 2008-02-19 2011-10-12 索尼株式会社 固体摄像装置制造方法

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5151375B2 (ja) * 2007-10-03 2013-02-27 ソニー株式会社 固体撮像装置およびその製造方法および撮像装置
JP2009283902A (ja) * 2008-04-25 2009-12-03 Panasonic Corp 光学デバイスとこれを備えた電子機器
JP5374980B2 (ja) * 2008-09-10 2013-12-25 ソニー株式会社 固体撮像装置
JP2010206178A (ja) * 2009-02-06 2010-09-16 Canon Inc 光電変換装置、及び光電変換装置の製造方法
JP5347999B2 (ja) * 2009-03-12 2013-11-20 ソニー株式会社 固体撮像素子及びその製造方法、撮像装置
KR20100108109A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 제조 방법
KR101680899B1 (ko) * 2009-09-02 2016-11-29 소니 주식회사 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법
JP5306141B2 (ja) * 2009-10-19 2013-10-02 株式会社東芝 固体撮像装置
US8697474B2 (en) * 2010-01-13 2014-04-15 California Institute Of Technology Methods to fabricate and improve stand-alone and integrated filters
JP6081694B2 (ja) * 2010-10-07 2017-02-15 株式会社半導体エネルギー研究所 光検出装置
TWI548073B (zh) * 2011-12-14 2016-09-01 Sony Corp Solid-state imaging devices and electronic equipment
US9379275B2 (en) 2012-01-31 2016-06-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Apparatus and method for reducing dark current in image sensors
JP5801245B2 (ja) 2012-04-09 2015-10-28 株式会社東芝 固体撮像装置
US9659981B2 (en) * 2012-04-25 2017-05-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Backside illuminated image sensor with negatively charged layer
JP5909421B2 (ja) * 2012-08-01 2016-04-26 浜松ホトニクス株式会社 複合センサ及び複合センサモジュール
JP2014086553A (ja) * 2012-10-23 2014-05-12 Toshiba Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法
US8816462B2 (en) * 2012-10-25 2014-08-26 Omnivision Technologies, Inc. Negatively charged layer to reduce image memory effect
US20140252521A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image Sensor with Improved Dark Current Performance
US9224881B2 (en) * 2013-04-04 2015-12-29 Omnivision Technologies, Inc. Layers for increasing performance in image sensors
JP6595750B2 (ja) * 2014-03-14 2019-10-23 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び撮像システム
US9111993B1 (en) * 2014-08-21 2015-08-18 Omnivision Technologies, Inc. Conductive trench isolation
JP2016201497A (ja) * 2015-04-13 2016-12-01 株式会社東芝 固体撮像装置の製造方法
JP2016207831A (ja) * 2015-04-22 2016-12-08 キヤノン株式会社 光電変換装置の製造方法
JP2019091936A (ja) * 2019-02-27 2019-06-13 株式会社東芝 固体撮像装置の製造方法
US11830739B2 (en) 2020-10-07 2023-11-28 Applied Materials, Inc. Techniques to increase CMOS image sensor well depth by cyrogenic ion channeling of ultra high energy ions
CN112117292A (zh) * 2020-11-03 2020-12-22 联合微电子中心有限责任公司 降低图像传感器表面暗电流的方法及图像传感器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001332547A (ja) * 2000-03-17 2001-11-30 Toshiba Corp 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP3759435B2 (ja) 2001-07-11 2006-03-22 ソニー株式会社 Ｘ−ｙアドレス型固体撮像素子
AU2003281112A1 (en) * 2002-07-16 2004-02-02 Nec Corporation Semiconductor device, production method and production device thereof
WO2004040648A1 (ja) * 2002-10-30 2004-05-13 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. 半導体装置および半導体装置の作製方法
JP2004200321A (ja) * 2002-12-17 2004-07-15 Fuji Film Microdevices Co Ltd 固体撮像素子およびその製造方法
JP2004335804A (ja) * 2003-05-08 2004-11-25 Fuji Photo Film Co Ltd 固体撮像素子およびその製造方法
US7148525B2 (en) * 2004-01-12 2006-12-12 Micron Technology, Inc. Using high-k dielectrics in isolation structures method, pixel and imager device
US20050274996A1 (en) * 2004-06-14 2005-12-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state imaging device and method for manufacturing the same
JP4711645B2 (ja) * 2004-06-25 2011-06-29 富士フイルム株式会社 固体撮像素子およびその製造方法
JP2007048893A (ja) * 2005-08-09 2007-02-22 Fujifilm Corp 固体撮像素子およびその製造方法
US7619266B2 (en) * 2006-01-09 2009-11-17 Aptina Imaging Corporation Image sensor with improved surface depletion
JP2007184467A (ja) * 2006-01-10 2007-07-19 Fujifilm Corp 固体撮像素子
CN101079967B (zh) * 2006-02-24 2013-07-10 索尼株式会社 固态成像装置及其制造方法、以及摄像机
JP4992446B2 (ja) * 2006-02-24 2012-08-08 ソニー株式会社 固体撮像装置及びその製造方法、並びにカメラ
JP5136110B2 (ja) * 2008-02-19 2013-02-06 ソニー株式会社 固体撮像装置の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102214671A (zh) * 2008-02-19 2011-10-12 索尼株式会社 固体摄像装置制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102214671B (zh) 2013-10-16
JP5136110B2 (ja) 2013-02-06
JP2009200086A (ja) 2009-09-03
KR20090089790A (ko) 2009-08-24
CN102214671A (zh) 2011-10-12
US20090209056A1 (en) 2009-08-20
US20110237014A1 (en) 2011-09-29
CN101515567A (zh) 2009-08-26
US8574941B2 (en) 2013-11-05
US7968365B2 (en) 2011-06-28
TWI409941B (zh) 2013-09-21
TW200943543A (en) 2009-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101515567B (zh) 固体摄像装置制造方法
CN102170529B (zh) 三维mos晶体管、固体摄像器件及其制造方法和电子装置
KR101333903B1 (ko) 고체 촬상 장치의 제조 방법
CN101621067B (zh) 固体摄像器件及其制造方法和电子装置
CN104981906B (zh) 固态图像传感器、其制造方法和电子设备
KR20190096322A (ko) 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기
US20130056809A1 (en) Image Sensor with Reduced Noiseby Blocking Nitridation Over Selected Areas
JP2014160876A (ja) 固体撮像装置の製造方法、及び、カメラ
US10854660B2 (en) Solid-state image capturing element to suppress dark current, manufacturing method thereof, and electronic device
CN102208427A (zh) 固体摄像器件、用于制造固体摄像器件的方法和电子设备
CN102856333A (zh) 固体摄像装置、其制造方法以及电子设备
WO2016006474A1 (ja) 固体撮像装置、製造方法、および電子機器
US10340298B2 (en) Semiconductor device having negative fixed charge, positive fixed charge and electronic apparatus capable of reducing a leaking current of a PN junction region
US20150060964A1 (en) Mechanisms for forming image sensor device
US20140175521A1 (en) Solid-state image pickup device, method of manufacturing solid-state image pickup device, and electronic apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110727

Termination date: 20150218

EXPY Termination of patent right or utility model