CN1842916A - 固体摄像装置、其制造方法及使用它的摄像机 - Google Patents

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Abstract

固体摄像装置，包括：形成在硅衬底上的摄像区域中的多个光电变换部、和填充在形成在硅衬底的光电变换部周围的至少一部分中的槽部即元件隔离槽中的填充层。填充层，由热膨胀系数超过氧化硅的热膨胀系数且小于等于硅的热膨胀系数的材料构成。

Description

固体摄像装置、其制造方法及使用它的摄像机
技术领域
本发明涉及一种在半导体衬底上设置了具有多个像素的摄像区域的固体摄像装置、其制造方法及摄像机。
背景技术
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)型固体摄像装置，是通过包括MOS(金属氧化物半导体)晶体管的放大电路读出储存在构成各个像素的光电二极管中的信号的图像传感器。这种CMOS型固体摄像装置，具有以低电压工作并且功耗很低、而且能将它与外围电路单片化的优点。
因此，CMOS型固体摄像装置，作为个人计算机用小型摄像机和在手机等携带机器中使用的摄像元件受到关注。近年来，人们要求将CMOS型固体摄像装置多像素化，每一个像素的单元尺寸有缩小化的趋势。
一般而言，在现有固体摄像装置中，在用以将形成在半导体衬底上的光电二极管和半导体元件分离为一个个光电二极管和一个个半导体元件的元件隔离用区域，形成有热氧化膜即LOCOS(LocalOxidation of Silicon：硅的局部氧化)。但是，在使用LOCOS的情况下，需要设元件隔离区域的宽度较宽，以满足元件隔离特性。而且，在形成LOCOS的情况下，因为产生鸟嘴(bird’s beak)，所以元件隔离区域跨越到活性区域，从而需要事先确保较宽的活性区域宽度。因此，需要设每一个像素的元件隔离区域的占有面积和活性区域的占有面积较大，因而难以缩小每一个像素的尺寸。
作为解决这样的问题的方法，有下述现有技术(参照专利文献1)。图14，表示现有例所涉及的固体摄像装置的光电二极管部分的剖面结构。
如图14所示，在N型硅衬底53的表面附近形成有由P-型硅层55、N型硅层54及P+型硅层56构成的光电二极管62。
在N型硅衬底53的表面附近的光电二极管62周围，设置有从N型硅衬底53的最表面设置到与N型硅层54大致相等的深度的元件隔离区域52。元件隔离区域52，具有将SiO2等绝缘膜填充在内壁被氧化硅(SiO2)膜61覆盖着的阱中的STI(Shallow TrenchIsolation：浅槽隔离)结构。这样，在衬底表面上，光电二极管62已经与周围的其他元件电气隔离。
在本现有例中，因为以STI结构形成了元件隔离区域52，所以不会产生鸟嘴，从而元件隔离区域51不会跨越到受光区域51。因此，因为受光区域51的面积不会因鸟嘴减少，所以能够确保面积较大的受光区域51。因为与LOCOS结构等相比，STI结构的元件隔离区域52为元件隔离所需的绝缘材料的宽度较窄，所以能使元件隔离区域本身的面积缩小。因此，能够提高光电二极管的感光度。
【专利文献1】日本公开专利公报特开2004-39832号公报
然而，在所述现有例中，因为在元件隔离区域中利用了STI结构，所以需要下述步骤，即：通过蚀刻在硅衬底的表面上形成阱，再通过热处理等在阱的内壁上形成SiO2膜后，将绝缘膜填充在阱中。
在形成这种STI结构的元件隔离区域的情况下，有下述问题，即：在将绝缘膜即SiO2填充在阱中时，在元件隔离区域的界面附近造成硅的层错(fault)。另外，也有下述问题，即：由于硅衬底与SiO2的热膨胀系数的不同，在形成固体摄像装置的步骤的热处理工序中造成应力所诱发的层错。
在造成了这样的层错的情况下，除了已光电变换的电荷以外，还有因应力而产生的电荷和因硅的层错而产生的电荷储存在光电二极管的信号电荷存储部中。就是说，除了在光入射时产生电荷以外，还在光未入射到受光区域的情况下产生不必要的电荷，因为产生了的不必要的电荷储存在信号存储部中，所以该电荷成为像素与像素之间的特性偏差(随机干扰)、和在无入射光的情况下产生的白点即白缺陷(white defect)的原因，光电二极管的感光度下降。这是一个问题。
发明内容
本发明正是为解决所述问题而研究开发出来的。其目的在于：解决所述现有的问题，防止因应力而产生的电荷产生随机干扰和白缺陷，实现感光度不会下降的高感光度固体摄像装置、其制造方法及摄像机。
为了达成所述目的，本发明的固体摄像装置，构成为由热膨胀系数与半导体衬底相等的材料形成元件隔离区域。
具体而言，本发明所涉及的固体摄像装置，包括：形成在硅衬底上的摄像区域中的光电变换部，和形成在硅衬底的光电变换部周围的至少一部分中、由热膨胀系数超过氧化硅的热膨胀系数且小于等于硅的热膨胀系数的元件隔离材料构成的元件隔离区域。
根据本发明的固体摄像装置，因为具有由热膨胀系数超过氧化硅的热膨胀系数且小于等于硅的热膨胀系数的元件隔离材料构成的元件隔离区域，所以元件隔离区域和硅衬底的热膨胀系数大致相等。于是，能够防止在固体摄像装置的制造工序中的热处理时在各光电变换部中造成应力所诱发的层错。因此，能够防止产生因应力而产生的不必要的电荷，能使通过不必要的电荷储存而产生的随机干扰和白缺陷减低。
最好是这样的，在本发明的固体摄像装置中，元件隔离区域，由填充在形成在硅衬底的光电变换部周围的至少一部分中的槽部即元件隔离槽中的元件隔离材料构成。能通过设为这样的结构，确实地形成热膨胀系数与硅衬底的热膨胀系数大致相等的元件隔离区域。
最好是这样的，在该情况下，所述固体摄像装置还包括覆盖元件隔离槽的底面和侧壁的绝缘膜。因为能通过设为这样的结构，在填充层的上部形成多晶硅布线时使寄生电容减低，所以能够高速地读出电荷。
最好是这样的，所述固体摄像装置，在硅衬底的元件隔离槽中的构成底面和侧壁的区域中，还包括将杂质添加在该区域中而形成的杂质添加半导体层。能通过设为这样的结构，确实地防止在元件隔离区域与电路元件的境界产生的电荷储存在光电变换部中。
最好是这样的，在本发明的固体摄像装置中，元件隔离材料为硅。能通过设为这样的结构，确实地防止光电变换部在热处理时受到应力。
最好是这样的，在该情况下，所述固体摄像装置还包括形成在摄像区域中的MOS型晶体管；硅层，含有导电型与MOS型晶体管的源极区域和漏极区域相反的杂质。因为能通过设为这样的结构，在元件隔离区域上设置栅极布线的情况下，设基板与栅极布线之间的寄生电容的值很小，所以能使固体摄像装置高速地工作。
最好是这样的，在该情况下，硅层由非晶硅、多晶硅或多孔硅构成。能通过设为这样的结构，确实地减低热应力所造成的损害。
本发明所涉及的固体摄像装置的制造方法，是包括下述工序的固体摄像装置的制造方法，即：通过对硅衬底的一部分区域进行蚀刻来形成元件隔离槽的工序，向元件隔离槽的底面和壁面注入杂质的工序，形成覆盖元件隔离槽的底面和侧壁的绝缘膜的工序，在形成所述绝缘膜后用硅层填充元件隔离槽的工序，以及向硅层的规定区域注入杂质的工序。
根据本发明的固体摄像装置的制造方法，因为具有用硅层填充元件隔离槽的工序，所以能用与硅衬底一样的材料形成元件隔离区域。因此，能够防止在元件隔离区域的周边产生层错，能够防止在进行热处理时产生因施加在光电变换部中的应力而造成的层错。其结果是，能够制造出随机干扰和白缺陷很少的固体摄像装置。
最好是这样的，在该情况下，所述固体摄像装置的制造方法还包括将硅层多孔化的工序。最好是这样的，将硅层多孔化的工序，包括：将电极安装在硅层的一部分上的工序、和将硅层中的安装了电极的区域之外的区域浸在溶液中后，使电流流过硅层的工序。能通过设为这样的结构，在对形成在衬底上的元件不造成损害的状态下，形成由电容率很小的多孔膜构成的元件隔离区域。
本发明所涉及的摄像机，包括本发明的固体摄像装置。能通过设为这样的结构，实现包括随机干扰和白缺陷很少的固体摄像装置、能够进行高清晰度的摄像的摄像机。
-发明的效果-
根据本发明的固体摄像装置、其制造方法及使用它的摄像机，能够实现确保元件隔离用区域的电气隔离特性、实现像素尺寸的微细化和受光区域面积的增大并且随机干扰和白缺陷很少的固体摄像装置、其制造方法及摄像机。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置的电路图。
图2是表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的剖面图。
图3(a)～图3(d)，是表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的制造方法的各工序的剖面图。
图4是表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置的其他例子中的光电二极管部分的剖面图。
图5(a)和图5(b)，表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置之一例，图5(a)是沿图1中的Va-Vb线的剖面图；图5(b)是沿图1中的Vb-Vb线的剖面图。
图6(a)和图6(b)，表示本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置的其他例子，图6(a)是沿图1中的Va-Va线的剖面图；图6(b)是沿图1中的Vb-Vb线的剖面图。
图7是表示本发明的第二实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的剖面图。
图8(a)～图8(d)，是表示本发明的第二实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的制造方法的各工序的剖面图。
图9是表示在本发明所涉及的固体摄像装置的制造工序中使用的阳极化装置的示意图。
图10(a)～图10(d)，是表示本发明的第二实施例的一个变形例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的制造方法的各工序的剖面图。
图11是表示本发明的第三实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的剖面图。
图12(a)～图12(e)，是表示本发明的第三实施例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的制造方法的各工序的剖面图。
图13是表示本发明的第四实施例所涉及的摄像机的结构的方框图。
图14是表示现有例所涉及的固体摄像装置中的光电二极管部分的剖面图。
符号说明
1-半导体衬底；2-光电二极管；3-元件隔离区域；4-第一半导体层；5-P+型表面层；6-第二半导体层；7-P+型硅层；8-P型硅层；9-绝缘膜；10-衬垫绝缘膜；11-抗氧化性膜；12-开口；13-槽部；14-填充层；15-多孔硅膜；16-P型硅部；17-含有N型杂质的硅膜；18-含有P型杂质的硅膜；20-STI结构；21-光电二极管；22-传送用晶体管；23-复位用晶体管；24-放大用晶体管；25-选择用晶体管；26-像素；27-摄像区域；28-垂直移位寄存器；29-水平移位寄存器；30-时刻产生电路；31-输出脉冲线；32-输出脉冲线；33-电源；34-输出脉冲线；37-外围电路区域；41-硅膜；42-多孔硅膜；51-受光区域；52-元件隔离区域；53-N型硅衬底；54-N型硅层；55-P-型化硅层；56-P+型硅层；57-P+型沟道截断环层；58-P型表面侧阱；59-P型深阱；60-P型柱塞阱；61-氧化硅膜；102-电极；111-反应容器；112-电极；113-导电线；114-恒流源；115-硅晶片台；116-红外截止滤波器；117-钨灯；118-O形环；119-反应溶液。
具体实施方式
(第一实施例)
下面，参照附图说明本发明的第一实施例所涉及的固体摄像装置及其制造方法。
图1，表示本实施例的CMOS型固体摄像装置的电路结构。如图1所示，多个像素26排列为矩阵状的摄像区域27、用以选择像素的垂直移位寄存器28和水平移位寄存器29、以及将必要的脉冲提供给垂直移位寄存器28和水平移位寄存器29的时刻产生电路30，设置在一个衬底上。
设置在摄像区域27中的各个像素26，由光电变换部即光电二极管21、和其附带的半导体元件构成，在光电变换部21的输出部上连接有传送用晶体管22的源极。在传送用晶体管22的漏极上，连接有复位用晶体管23的源极和放大用晶体管24的栅极，该复位用晶体管23的漏极连接在电源33上；该放大用晶体管24的漏极连接在电源33上、源极连接在选择用晶体管25的漏极上。
传送用晶体管22的栅极、复位用晶体管23的栅极及选择用晶体管25的栅极，分别连接在来自垂直移位寄存器28的输出脉冲线31、输出脉冲线32及输出脉冲线34中的一条输出脉冲线上。选择用晶体管25的源极，连接在来自水平移位寄存器29的输出脉冲线35上。
图2，表示本实施例的固体摄像装置的光电二极管21部分的剖面结构。如图2所示，光电变换部即光电二极管2，具有PNP型结构，由薄P+型表面层5、和依次设置在P+型表面层5下方的第一半导体层4及第二半导体层6构成，该薄P+型表面层5设置在由N型硅构成的半导体衬底1的最上面；该第一半导体层4是电荷存储区域，由N型硅构成；第二半导体层6由P-型硅构成。
入射到光电二极管2中的光，在到达第一半导体层4、与P+型表面层5或第二半导体层6的PN接合界面后被光电变换，产生空穴和电子。因此，基于入射光量的信号电荷(电子)，储存在第一半导体层4与P+型表面层5之间形成的耗尽层区域、和第一半导体层4与第二半导体层6之间形成的耗尽层区域中。补充说明一下，在设置在最上面的P+型表面层5的作用下，能使因随机干扰而在光电二极管2表面产生的电荷减低。
由于设置在半导体衬底1上面的光电二极管2周边的元件隔离区域3，光电二极管2与邻接的其他光电二极管2(未示)或半导体元件(未示)分离开。元件隔离区域3，由填充在槽部中的硅所构成的填充层14形成。
包围元件隔离区域3的槽部的侧面和底面的薄P+型硅层7和在P+型硅层7下侧与该P+型硅层7邻接的P型硅层8，设置在电荷存储区域即第一半导体层4的侧面并与该第一半导体层4邻接。因为P+型表面层5与第二半导体层6通过P+型硅层7和P型硅层8相互电连接，所以第一半导体层4与其他元件及衬底电气绝缘，电荷不会漏出。
如本实施例所示，在将硅用作填充层14的情况下，因为填充层14和硅衬底1的热膨胀系数大致相等，所以在制造固体摄像装置的各种工序中所进行的热处理时，光电二极管2不会受到应力。因此，能够减少因应力而造成的白缺陷的产生。
接着，参照附图说明本实施例所涉及的固体摄像装置的制造方法。图3(a)到图3(d)，表示本实施例的固体摄像装置的制造工序，按照工序的顺序表示了剖面结构。
首先，如图3(a)所示，在硅衬底1上形成由厚度1nm～50nm左右的氧化硅膜构成的衬垫绝缘膜10。在衬垫绝缘膜10上，形成由厚度50nm～400nm的氮化硅膜等构成的抗氧化性膜11。在抗氧化性膜11上，形成在规定区域具有开口的抗蚀剂(未示)。
接着，通过以抗蚀剂作掩模进行蚀刻，选出衬垫绝缘膜10和抗氧化性膜11并除去它们，使半导体衬底1上面的规定区域露出，形成开口12后，除去抗蚀剂。补充说明一下，开口12的宽度，设定为0.13μm～30.0μm左右。
接着，如图3(b)所示，通过以抗氧化性膜11作掩模选出半导体衬底1并对它进行蚀刻的槽部形成工序，在开口12中形成槽部13。补充说明一下，槽部13的深度设为10nm～800nm。之后，从硅衬底1的上方注入P型杂质即硼。这时，注入条件为注入能量2.0KeV～50KeV、剂量1×1011/cm2～1×1015/cm2。这样，在半导体衬底1表面中的槽部13的侧面和底面形成了P+型硅层7。补充说明一下，该注入条件被调整，以能够束缚传过界面状态与界面状态之间并产生暗电流的电荷。
接着，如图3(c)所示，利用覆盖性优良的化学蒸发沉积法(CVD)在槽部13中填充由硅构成的填充层14作为硅沉积工序。在该情况下，填充非晶硅或多晶硅的硅膜作为填充层14。因为能通过这样做，在较低的温度下形成填充层14，所以能使半导体衬底1受到的、因热应力而造成的损坏减低。因为能使杂质元素的热扩散减低，所以能在元件隔离区域3与硅衬底1的境界容易地形成P+型硅层7。因此，能使在元件隔离区域3与硅衬底1的境界产生的电荷减低。其结果是，能使随机干扰减低。
接着，如图3(d)所示，通过湿蚀刻除去抗氧化性膜11、和衬垫绝缘膜10的一部分，形成元件隔离区域3。也可以是这样的，在该情况下，将工序分为两个阶段：先通过CMP(化学机械抛光)研磨或干蚀刻除去抗氧化性膜11、和衬垫绝缘膜10的一部分，再进行湿蚀刻除去残留着的部分。
之后，通过向半导体衬底1的规定区域注入离子，形成光电二极管2和半导体元件的活性区域(未示)。接着，能通过按众所周知的方法形成栅极绝缘膜、栅极布线、层间绝缘模、信号线及脉冲传达线等，来制造本实施例的固体摄像装置。
补充说明一下，在本实施例中，用不含有杂质的硅形成了填充层14，即使该硅含有由例如氧(O)或氮(N)等元素构成的少量的杂质，也能够得到同样的效果。另外，在该情况下，也能够得到使形成在元件隔离区域3上的布线与衬底1之间的寄生电容减少的效果。
在设计为只由N沟道型晶体管构成固体摄像装置的情况下，最好是用含有P型杂质的膜作为填充层14。在是N沟道型晶体管的情况下，因为形成在元件隔离区域3上的栅极布线是N型，所以能使栅极布线与衬底1的寄生电容减低。同样，在设计为只由P沟道型晶体管构成固体摄像装置的情况下，用含有N型杂质的膜作为填充层14就可以。
补充说明一下，最好是这样的，在固体摄像装置包括两种晶体管即N沟道型晶体管和P沟道型晶体管的情况下，用含有P型杂质的膜作为N沟道型晶体管与N沟道型晶体管之间、和N沟道型晶体管与光电二极管之间的元件隔离区域3；用含有N型杂质的膜作为P沟道型晶体管与P沟道型晶体管之间、和P沟道型晶体管与光电二极管之间的元件隔离区域3。最好是这样的，用导电型与形成在元件隔离区域3上的栅电极的导电型相反的膜作为N沟道型晶体管与P沟道型晶体管之间的元件隔离区域3。
含有N型或P型杂质的硅膜，也可以通过CVD法直接形成，也可以在形成不含有杂质的硅膜后，利用离子注入法将N型或P型杂质向硅膜注入而形成。补充说明一下，杂质量最好是设为1×1018/cm3～1×1022/cm3。
补充说明一下，最好是这样的，在用含有N型或P型杂质的膜形成元件隔离区域3的情况下，将元件隔离区域3接地并在它上施加偏压，以提高元件隔离功能。
根据本实施例的固体摄像装置，在硅衬底1中形成槽部13后，利用CVD法填充硅膜，形成了元件隔离区域3。因此，因为硅衬底1和元件隔离区域3由同一种材料构成，所以能使在热处理时的应力减低，从而在元件隔离区域3的境界部分不易产生因应力而造成的层错。其结果是，能够防止由于层错而在光电二极管中产生暗电流、白缺陷。
具体而言，在用STI作为元件隔离区域的现有固体摄像装置中，在每100万个像素中观测到了约10000个白缺陷。与此相对，在形成硅膜作为元件隔离区域的本实施例的固体摄像装置中，白缺陷数量小于等于100个。补充说明一下，设为在无入射光的情况下有大于等于10mV的输出的像素算是白缺陷。
因为在槽部13的侧面和底面上设置了含有P型杂质的P+型硅层7，所以在通过形成槽部13而形成的侧壁的表面附近、和以与它邻接的形式已形成的半导体元件的活性区域之间，形成有能量垒。因此，载流子的移动得到控制，于是能够防止下述现象，即：通过槽部13的形成产生在侧壁中的界面状态成为漏电流的路径，暗电流流到半导体元件的活性区域侧。补充说明一下，在本实施例中，相邻的半导体元件的活性区域为N型，光电二极管2为PNP型或NP型。
补充说明一下，也可以是这样的，如图4所示，在元件隔离区域3与光电二极管2的境界设置绝缘膜9。在只由硅膜形成了元件隔离区域3的情况下，也能够实现充分的元件隔离，但是能通过还设置薄绝缘膜9，使寄生电容减低，因为设置在元件隔离区域3上的栅极布线与半导体衬底1相互电气绝缘。另外，还能够改善电气性元件隔离特性。其结果是，在栅极布线上施加信号脉冲时，能使延迟减低，能够高速地驱动设置在各个像素中的晶体管。
因为绝缘膜9非常薄，所以它热膨胀而产生的应力的影响极小。补充说明一下，能用氧化膜、氮化膜及氧氮化膜等作为绝缘膜9，能利用CVD法或热氧化法等形成所述绝缘膜9。
这样，在元件隔离区域3的一部分设置了绝缘膜9的情况下，与未设置绝缘膜9的情况下相比白缺陷增加，观测到了约300个白缺陷。但是，与利用STI形成了元件隔离区域的情况下相比白缺陷明显地减少了，能看到使因热处理而造成的应力的产生减低的效果。
补充说明一下，在本实施例中，用硅膜形成了元件隔离区域3。若用热膨胀系数超过氧化硅(SiO2)且小于等于硅的材料，即线热膨胀系数大于5.5×10-7/K且小于等于0.0415×10-4/K的材料形成该元件隔离区域3，便能够得到同样的效果。
在本实施例中说明的是，形成图1所示的各个像素26中的元件隔离区域3的例子。由垂直移位寄存器28、水平移位寄存器29及时刻产生电路30等构成的外围电路区域37中的元件隔离区域，也能设为同样的结构。
图5(a)和图5(b)，表示下述情况下的沿图1中的Va-Va线的剖面结构和沿Vb-Vb线的剖面结构，该情况是：设摄像区域27中的元件隔离区域3和外围电路区域37中的元件隔离区域3都为被填充了由硅构成的填充层14的结构。在该情况下，因为元件隔离区域3在摄像区域27和外围电路区域37中的结构相同，所以能使形成元件隔离区域3的工序缩短。
图6(a)和图6(b)，表示下述情况下的沿图1中的Va-Va线的剖面结构和沿Vb-Vb线的剖面结构，该情况是：设摄像区域27中的元件隔离区域3为被填充了填充层14的结构，并且设外围电路37中的元件隔离区域3为通常的STI结构20。在该情况下，因为外围电路37中的元件隔离区域由通常的STI结构20形成，所以能够形成能进行高电压工作和高速工作的外围电路。补充说明一下，也可以设外围电路区域37中的元件隔离区域为LOCOS结构。
(第二实施例)
下面，用附图说明本发明的第二实施例所涉及的固体摄像装置。图7表示本实施例的固体摄像装置的光电二极管部分的剖面结构。补充说明一下，在图7中，与图2相同的结构因素带有同一符号，说明就省略不提了。
本实施例的固体摄像装置，通过填充多孔硅膜15来形成元件隔离区域3。这样，因为硅衬底1和元件隔离区域3就由同一种材料构成，所以能使因热处理而产生的应力减低，从而在元件隔离区域3的境界部分不易产生因应力而造成的层错。因此，能够防止由于层错而在光电二极管中产生暗电流和白缺陷。因为能设元件隔离区域3的电容率较小，所以在元件隔离区域3上设置栅极布线的情况下，能使在栅极布线与半导体衬底1之间产生的寄生电容减低。因此，能够进行高速的电荷读出工作。
接着，参照附图说明本实施例所涉及的固体摄像装置的制造方法。图8(a)到图8(d)，表示本实施例的固体摄像装置的制造工序，按照工序的顺序表示了剖面结构。
首先，如图8(a)所示，在硅衬底1上形成由厚度1nm～50nm左右的氧化硅膜构成的衬垫绝缘膜10。在衬垫绝缘膜10上，形成由厚度50nm～400nm的氮化硅膜等构成的抗氧化性膜11。在抗氧化性膜11上，形成在规定区域具有开口的抗蚀剂(未示)。
接着，通过以抗蚀剂作掩模进行蚀刻，选出衬垫绝缘膜10和抗氧化性膜11并除去它们，使半导体衬底1上面的规定区域出，形成开口12后，除去抗蚀剂。补充说明一下，开口12的宽度，设定为0.13μm～30.0μm左右。
接着，如图8(b)所示，以抗氧化性膜11作掩模进行阳极化，形成元件隔离区域3即多孔硅膜15。
接着，如图8(c)所示，从硅衬底1的上方注入P型杂质即硼。这时，注入条件为注入能量2.0KeV～50KeV、剂量1×1011/cm2～1×1015/cm2。这样，就形成了包围多孔硅膜15的侧面和底面的P+型硅层7和光电二极管2的最表面的P+型表面层5。补充说明一下，该注入条件被调整，以能够束缚传过界面状态与界面状态之间并产生暗电流的电荷。
接着，如图8(d)所示，通过进行湿蚀刻，除去抗氧化性膜11、和衬垫绝缘膜10的一部分。也可以是这样的，在该情况下，将工序分为两个阶段：先通过进行CMP(化学机械抛光)研磨或干蚀刻除去抗氧化性膜11、和衬垫绝缘膜10的一部分，再进行湿蚀刻除去残留着的部分。
之后，通过向半导体衬底1的规定区域注入离子，形成光电二极管2和半导体元件的活性区域(未示)。接着，能通过按众所周知的方法形成栅极绝缘膜、栅极布线、层间绝缘模、信号线及脉冲传达线，来制造本实施例的固体摄像装置。
在本实施例中，通过利用了下述阳极化的多孔硅膜形成工序，形成了N型多孔硅膜15。
图9，表示在本实施例的多孔硅膜形成工序中使用的阳极化装置。如图9所示，在背面上形成有电极102的半导体衬底1被设置在硅晶片台115上，在半导体衬底1上隔着由抗氢氟酸性氟橡胶制成的O形环118设置有由氟树脂制成的反应容器111。在反应容器111中，放满了以1比1的比值混合了乙醇与氢氟酸(5％溶液)的反应溶液119。
在电极102上通过导电线113连接有恒流源114的阳极，恒流源114的阴极通过导电线113连接有浸在反应容器111内的反应溶液119中的铂制电极112。
在反应容器111上设置有100W的钨灯117，能将光照射到半导体1表面上。红外截止滤波器116设置在钨灯117下侧，以防止硅衬底1被钨灯117加热。设照射到半导体衬底1表面上的进行阳极化的部分上的光强度很均匀。
补充说明一下，在本实施例中用铂作电极112，但只要是满足抗氢氟酸性和低电阻性的，也就可以使用其他材料。因为若含有氢氟酸和乙醇，就能够形成多孔硅膜15，所以反应溶液119的浓度可以任意变更。
通过用该装置使30mA/cm2的阳极化电流流动3秒钟，只有半导体衬底1表面上的被光照射的区域多孔化，形成了多孔硅膜15。补充说明一下，速度根据半导体衬底1的电阻率和电流密度的不同而不同，能以20μm/min左右的速度高速地形成多孔硅膜15。这是因为电流在阳极化时集中地流过离子注入部分之故。
补充说明一下，多孔硅膜15的深度，能通过阳极化电流、阳极化时间及钨灯117的照射量进行调整，能够变更的范围是阳极化电流为1mA/cm2～50mA/cm2、阳极化时间为1秒钟～30分钟。
补充说明一下，因为在进行阳极化时，抗氧化性膜11起到掩模的作用，所以能仅在规定元件隔离区域形成多孔硅膜15。
根据本实施例的固体摄像装置，通过利用阳极化法在硅衬底1表面形成多孔硅膜15，来形成元件隔离区域3。因此，因为硅衬底1和元件隔离区域3由同一种材料构成，所以能使在热处理时的应力减低，从而不易造成层错。其结果是，能够防止因层错而造成的暗电流和白缺陷的产生。
因为能通过使元件隔离区域3多孔化，设元件隔离区域3的电容率很低，所以能在元件隔离区域3上设置栅极布线的情况下，使在栅极布线与硅衬底1之间产生的寄生电容减低。因此，能够高速地进行电荷读出工作。
补充说明一下，也可以是这样的，将多孔硅膜15的一部分氧化而形成绝缘膜，以让设置在元件隔离区域3上的栅电极与半导体衬底1的寄生电容的影响进一步减低。作为氧化的方法，例如用炉或通过电阻加热在含有氧原子的气体中进行加热就可以。
也可以是这样的，在进行阳极化后，在反应容器内放入氯化氢溶液，设半导体衬底1为阳极、溶液为阴极而使电流流动，来进行氧化。例如，在阳极化结束后，将反应容器111的溶液换为10％氯化氢溶液，再将1mA/cm2～50mA/cm2的电流在电极上施加1～60分钟。这样，就能够形成厚度1～10nm左右的氧化膜。
因为多孔硅膜15非常容易氧化，所以在通常情况下，难以控制氧化膜的厚度。但是，这样在同一个反应容器内连续地进行到氧化工序，就能够控制氧化膜的厚度。
在利用STI作元件隔离区域的现有固体摄像装置中，在每100万个像素中观测到了约10000个白缺陷。与此相对，在形成多孔硅膜并将它作为元件隔离区域的本实施例的固体摄像装置中，白缺陷小于等于1000个。在将元件隔离区域的一部分氧化而形成了绝缘膜的情况下，与未设置氧化膜的情况下相比白缺陷增加，观测到了约1100个白缺陷。但是，与利用STI形成了元件隔离区域的情况下相比白缺陷明显地减少了，能看到使因热处理而造成的应力的产生减低的效果。补充说明一下，设为在无入射光的情况下有大于等于10mV的输出的像素算是白缺陷。
除了在本实施例中所述的制造方法以外，还能通过下述做法形成剖面结构与在图7中所示的相同的、由多孔硅膜15构成的元件隔离区域3，该做法是：与第一实施例一样地形成槽13，再在槽13中填充硅膜后，用本实施例的装置进行阳极化。在该情况下，因为电流流动的部分被选择性地多孔化，所以设填充在槽13中的硅膜为阳极、反应溶液119为阴极进行阳极化。补充说明一下，因为通过空穴与反应溶液119的反应形成多孔硅膜15，所以不需要通过钨灯117的空穴的产生。因此，不需要使用钨灯117。另外，也能通过设硅膜为含有P型杂质的膜，设多孔硅膜15为P型。
(第二实施例的一个变形例)
下面，参照附图说明本发明的第二实施例的一个变形例所涉及的固体摄像装置。
本变形例中的固体摄像装置，是在图7中的元件隔离区域3由P型多孔硅形成。
图10(a)到图10(d)，表示本变形例的固体摄像装置的制造工序，按照工序的顺序表示了剖面结构。
首先，如图10(a)所示，形成在规定区域具有开口的抗蚀剂(未示)，再以该抗蚀剂作掩模进行离子注入，在规定位置上形成含有P型杂质的P型硅部16。
接着，如图10(b)所示，通过在半导体衬底1表面上的P型硅部16的一部分中形成阳极化用电极后，进行阳极化，来形成多孔硅膜15。
阳极化，是按照与第二实施例一样的程序进行。在本变形例中，设P型硅部16为阳极、反应溶液119为阴极而进行阳极化，以将P型硅部16选择性地多孔化。补充说明一下，因为对含有P型杂质的硅膜进行阳极化，所以不需要通过灯产生空穴，从而不需要使用钨灯117。因此，在本变形例中，能够实现周转时间(TAT)很短的工序。
接着，如图10(c)所示，从硅衬底1的上方注入P型杂质即硼。这时，注入条件为注入能量2.0KeV～50KeV、剂量1×1011/cm2～1×1015/cm2。这样，就形成了包围多孔硅膜15的侧面和底面的P+型硅层7和光电二极管2的最表面的P+型表面层5。补充说明一下，该注入条件被调整，以能够束缚传过界面状态与界面状态之间并产生暗电流的电荷。
接着，如图10(d)所示，通过向半导体衬底1的规定区域注入离子，形成光电二极管2和半导体元件的活性区域(未示)。接着，能通过按众所周知的方法形成栅极绝缘膜、栅极布线、层间绝缘模、信号线及脉冲传达线，来制造本实施例的半导体装置。
在本变形例中，元件隔离区域3即多孔硅膜15具有P型导电型。因为在半导体元件由N沟道型晶体管构成的情况下，形成在元件隔离区域3上的栅极布线是N型，所以如本变形例那样，通过设元件隔离区域3为含有P型杂质的多孔硅，就能使栅极布线与硅衬底1之间的电容减低，能使固体摄像装置高速地工作。
补充说明一下，在N型半导体元件和P型半导体元件混在一张衬底上的情况下，根据必要性而将第二实施例所述的N型多孔硅膜和本变形例所述的P型多孔硅膜形成为混在该衬底中的状态就可以。
另外，也可以是这样的，与第二实施例一样，通过对多孔硅膜15的一部分进行热氧化或者在电解池中进行氧化，来形成氧化膜。
(第三实施例)
下面，参照附图说明本发明的第三实施例所涉及的固体摄像装置及其制造方法。
图11，表示本实施例的固体摄像装置的光电二极管部分的剖面结构。补充说明一下，在图11中，与图2相同的结构因素带有同一符号，说明就省略不提了。在本实施例中，用硅膜41和多孔硅膜42形成元件隔离区域3，以让热处理时的应力减低。如图11所示，呈U字型的多孔硅膜42埋入在硅膜41中。
图12(a)到图12(e)，表示本实施例的固体摄像装置的制造工序，按照工序的顺序表示了剖面结构。
首先，如图12(a)所示，在硅衬底1上形成由厚度1nm～50nm左右的氧化硅膜构成的衬垫绝缘膜10。在衬垫绝缘膜10上，形成由厚度50nm～400nm的氮化硅膜等构成的抗氧化性膜11。在抗氧化性膜11上，形成在规定区域具有开口的抗蚀剂(未示)。
接着，通过以抗蚀剂作掩模进行蚀刻，选出衬垫绝缘膜10和抗氧化性膜11并除去它们，使半导体衬底1上面的规定区域 出，形成开口12后，除去抗蚀剂。补充说明一下，开口12的宽度，设定为0.13μm～30.0μm左右。
接着，如图12(b)所示，通过以抗氧化性膜11作掩模对半导体衬底1选择性地蚀刻的槽部形成工序，在开口12中形成槽部13。补充说明一下，槽部13的深度，设为10nm～800nm。之后，从硅衬底1的上方注入P型杂质即硼。这时，注入条件为注入能量2.0KeV～50KeV、剂量1×1011/cm2～1×1015/cm2。这样，就在半导体衬底1表面中的槽部13的侧面和底面形成了P+型硅层7。补充说明一下，该注入条件被调整，以能够束缚传过界面状态与界面状态之间并产生暗电流的电荷。
接着，如图12(c)所示，以抗氧化性膜11作掩模，利用CVD法将含有N型杂质的硅膜17和含有P型杂质的硅膜18反复沉积在槽部13中，完全填满槽部13。
在本实施例中，首先利用CVD法将含有N型杂质的硅膜17沉积到10nm～100nm的厚度，接着，将含有P型杂质的硅膜18沉积到10nm～100nm的厚度，然后，将含有N型杂质的硅膜17沉积到完全填满槽部13为止。补充说明一下，也可以是这样的，含有N型杂质的硅膜和含有P型杂质的硅膜是按相反的顺序沉积。在本实施例中，用多晶硅膜作为硅膜，并将它沉积成三层。也可以沉积成四层或四层以上。
接着，如图12(d)所示，以抗氧化性膜11作阻止物(stopper)，进行CMP(化学机械抛光)研磨，使含有P型杂质的硅膜18的一部分 出。之后，用与第二实施例一样的阳极化装置将元件隔离区域3的一部分多孔化。这时，电极形成在未浸在溶液中的半导体衬底1表面的元件隔离区域3的一部分中。这时，通过在不使用钨灯117的状态下进行阳极化，仅选出含有P型杂质的硅膜18并使它多孔化。这样，该含有P型杂质的硅膜18就成为多孔硅膜42，含有N型杂质的硅膜17不多孔化，而作为硅膜41留下。
之后，如图12(e)所示，通过进行湿蚀刻，除去抗氧化性膜11、和衬垫绝缘膜10的一部分。
接着，通过向半导体衬底1的规定区域注入离子，形成光电二极管2和半导体元件的活性区域(未示)。接着，能通过按众所周知的方法形成栅极绝缘膜、栅极布线、层间绝缘模、信号线及脉冲传达线，制造本实施例的半导体装置。
根据本实施例的固体摄像装置，因为由填充在槽部13中的、一部分已多孔化的硅膜形成元件隔离区域3，所以硅衬底1和元件隔离区域3由同一种材料构成。因此，能使在热处理时的应力减低，从而不易造成层错。其结果是，能够防止由于层错而产生暗电流和白缺陷。因为元件隔离区域的一部分已多孔化，所以能设元件隔离区域的电容率较小。因此，也能够提高摄像装置的工作速度。
具体而言，在利用STI作为元件隔离区域的现有固体摄像装置中，在每100万个像素中观测到了约10000个白缺陷。与此相对，在形成硅膜和多孔硅膜作为元件隔离区域的本实施例的固体摄像装置中，白缺陷数量小于等于500个。补充说明一下，设为在无入射光的情况下有大于等于10mV的输出的像素算是白缺陷。
(第四实施例)
下面，参照附图说明本发明的第四实施例所涉及的固体摄像装置及其制造方法。
图13，示意地表示本实施例所涉及的摄像机的结构。如图13所示，本实施例的摄像模块81，由光学系统72安装在本发明的第一实施例的固体摄像装置71上的传感器模块62、驱动传感器模块62的驱动电路63以及对从传感器模块62输出的信号进行处理的数字信号处理机(DSP)68构成。摄像模块81，根据必要性而连接显示装置78和记录媒体79。这样构成有摄像系统82。
透过光学系统72入射到固体摄像装置71中的光，被固体摄像装置71作为电信号输出，暂时储存在DSP68的预处理部74中。因为对于多个光电二极管排列为矩阵状的固体摄像装置71，预处理部74以一行光电二极管为单位读出光电二极管的存储电荷，所以该预处理部74具有数量与设置在固体摄像装置71的一行中的光电二极管数量相等的存储器。以一行为单位读出的光电二极管的存储电荷，最终被图像处理电路75变更为彩色图像，再在显示处理电路76中被变更为用以在显示装置78中显示的信号。设置有媒体控制电路77，能将图像储存在记录媒体79中。
如上所述，本实施例的摄像机，因为具有随机干扰和白缺陷很少的固体摄像装置71，所以能使产生在摄像的图像中的干扰大幅度减低，从而能够进行高清晰度的摄像。因为含在来自摄像元件的信号中的干扰很少，所以能使为DSP68中的干扰降低(noise reduction)等信号处理所需要的负担减低，能够实现高速地工作的摄像机。
补充说明一下，在本实施例中，使用了第一实施例的摄像装置作为本实施例的摄像装置。即使使用本发明的其他实施例或变形例的摄像装置，也能够得到同样的效果。
在各个实施例中所述的是，使用N型硅衬底的例子。即使使用P型硅衬底，也能够得到同样的效果。
-工业实用性-
本发明的固体摄像装置、其制造方法及使用它的摄像机，具有能够防止因应力而产生的电荷所导致的随机干扰和白缺陷的产生，实现感光度不会下降的高感光度固体摄像装置、其制造方法及摄像机的效果，对在半导体衬底上设置了具有多个像素的摄像区域的固体摄像装置、其制造方法以及摄像机等很有用。

Claims (11)

1.一种固体摄像装置，包括：形成在硅衬底上的摄像区域中的光电变换部，其特征在于：
包括：形成在所述硅衬底的所述光电变换部周围的至少一部分中、由热膨胀系数超过氧化硅的热膨胀系数且小于等于硅的热膨胀系数的元件隔离材料构成的元件隔离区域。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：
所述元件隔离区域，由填充在形成在所述硅衬底的所述光电变换部周围的至少一部分中的槽部即元件隔离槽中的所述元件隔离材料构成。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于：
还包括覆盖所述元件隔离槽的底面和侧壁的绝缘膜。
4.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于：
在所述硅衬底的构成所述元件隔离槽的底面和侧壁的区域中，还包括将杂质添加在该区域中而形成的杂质添加半导体层。
5.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：
所述元件隔离材料为硅。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于：
还包括形成在所述摄像区域中的MOS型晶体管；
所述硅层，含有导电型与所述MOS型晶体管的源极区域和漏极区域相反的杂质。
7.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于：
所述硅层，由非晶硅、多晶硅或多孔硅构成。
8.一种固体摄像装置的制造方法，包括：通过对硅衬底的一部分区域进行蚀刻来形成元件隔离槽的工序，向所述元件隔离槽的底面和壁面注入杂质的工序，以及形成覆盖所述元件隔离槽的底面和侧壁的绝缘膜的工序，其特征在于：
包括：形成所述绝缘膜后，用硅层填充所述元件隔离槽的工序，和
向所述硅层的规定区域注入杂质的工序。
9.根据权利要求8所述的固体摄像装置的制造方法，其特征在于：
还包括将所述硅层多孔化的工序。
10.根据权利要求8所述的固体摄像装置的制造方法，其特征在于：
将所述硅层多孔化的工序，
包括：将电极安装在所述硅层的一部分上的工序，和
将所述硅层中的安装了所述电极的区域之外的区域浸在溶液中后，通过所述电极使电流流过所述硅层的工序。
11.一种摄像机，其特征在于：
包括权利要求2到7中的任一项所述的固体摄像装置。
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