JP2005223019A - 受光素子とその製造方法及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光に対する反射光の割合を低下することにより、生成効率を高める受光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板(1)上に光電変換領域部(12)とトランジスタ領域部(13)を含む受光素子であって、光電変換領域部(12)の上部が、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜(6)とシリコン酸窒化膜またはシリコン窒化膜(5)を含む積層膜(21)で覆われ、積層膜(21)が転送ゲート(4)の少なくとも一部を覆っており、積層膜(21)の最下層が第一の絶縁膜(6)又は第一の絶縁膜と屈折率の異なる第二の絶縁膜(5)である。これにより、光電変換領域上に斜めに入射した光を反射により、光電変換領域上部に集光し、電子の生成効率を向上し、高感度化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子とその製造方法及び固体撮像装置の改良に関する。

従来から、受光素子又は電荷結合素子（ＣＣＤ）そのものはよく知られている（例えば下記非特許文献１）。図７は従来の受光素子の１つである金属−酸化物半導体（ＭＯＳ）型撮像装置の構成を示す一例である。この受光素子は、半導体基板１の上にフォトダイオード７と、フォトダイオード７に蓄積された電荷を転送する転送ゲート４と、転送ゲート４から転送された電荷を蓄積する検出容量８から構成されるフォトダイオード部１２と、ゲート９、ドレイン領域１０とソース領域１１から構成されるトランジスタ部１３から構成される。この受光素子では、フォトダイオード部１２にて検出した光を電気信号として、トランジスタ部１３にて信号処理を行う。フォトダイオード７の上部は酸化膜１５で覆われる構造になっている。２は配線、３は素子分離溝である。

図８Ａ−Ｃに従来の受光素子の製造方法の一例を示す。図８Ａに示すように、基板１上に、トランジスタとフォトダイオード形成に必要とされるイオン注入７を行い、それからゲート電極４を形成する。ここで、ゲート材料４，９はＰ−Ｓｉ膜が好ましい。ポリメタルゲート、メタルゲートは基板とのストレスが大きく、欠陥誘発しやすいため、白キズ増加を引き起こす。次に、図８Ｂに示すように、ＳｉＯ₂単層膜１５を堆積する。さらに、図８Ｃに示すように、フォトダイオード上のＳｉＯ₂膜１５を保護膜で保護しながら、エッチングを行うことにより、サイドウォールも同時に形成する。こうすることにより図７に示す構造を実現することが可能である。
「受光素子の基礎」、映像メディア学会編、安藤隆男、菰淵寛仁著、第１２０〜１３０頁、１９９９年１２月５日発行、日本理工出版会

しかし、従来の受光素子では、フォトダイオード７に光が入射することにより、電子が生成されるが、第一の絶縁膜１５と半導体基板は屈折率が異なるため、入射した光が基板上部に反射される。その場合、光強度に対する電子の生成効率が低下することになる。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、入射光に対する反射光の割合を低下することにより、生成効率を高める受光素子とその製造方法及び固体撮像装置を提供する。

本発明の受光素子は、半導体基板上にフォトダイオード領域とトランジスタ領域を含む受光素子であって、前記フォトダイオード領域の上部が、第一の絶縁膜と少なくとも１種類の屈折率の異なる絶縁膜を含む積層膜で覆われ、前記積層膜が転送ゲートの少なくとも一部を覆っており、前記積層膜の最下層が第一の絶縁膜又は屈折率の異なる第二の絶縁膜であることを特徴とする。

本発明の受光素子の製造方法は、半導体基板上に光電変換領域とトランジスタ領域を形成し、前記トランジスタ領域の上にゲート電極を形成し、前記光電変換領域上と前記トランジスタ領域上のゲート電極上を含めて、屈折率の異なる複数の絶縁膜から構成される積層膜を同時に堆積して形成し、前記光電変換領域上の積層膜を保護膜により保護して、膜のエッチングを行うことを特徴とする。

本発明の別の受光素子の製造方法は、半導体基板上に光電変換領域とトランジスタ領域を形成し、前記トランジスタ領域の上にゲート電極を形成し、前記光電変換領域上と前記トランジスタ領域上のゲート電極上を含めて、第一の絶縁膜又は屈折率の異なる第二の絶縁膜から構成される積層膜を同時に形成し、前記フォトダイオード領域上の積層膜を保護膜により保護して、膜のエッチングを行い、エッチング後に第一の絶縁膜を基板に堆積して平坦化し、保護膜を光電変換領域のみに形成し、前記光電変換領域上の第一の絶縁膜を屈折率の異なる第二の絶縁膜をストッパー層としてエッチングし、さらに第一の絶縁膜より屈折率の高い第三の絶縁膜を基板全面に堆積することを特徴とする。

本発明の受光素子は、光電変換領域上に斜めに入射した光を反射により、光電変換領域上部に集光し、電子の生成効率を向上し、高感度化が可能となる。また、本発明の受光素子の製造方法では、回路部で使用されるトランジスタのサイドウォールに同時に反射防止構造を形成することにより、製造工程数を増やすことなく、高感度化することが可能となる。

本発明は、光電変換領域の基板上部と転送ゲートの上部に屈折率の異なる複数の絶縁膜から形成される積層膜を形成することにより、光の反射率を低下する。これにより、光の反射を抑制し、光電変換領域での生成電子数増加を実現できる。

本発明においては、第一の絶縁膜として、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜が一般的であり、第二の絶縁膜としては、シリコン酸窒化膜またはシリコン窒化膜が一般的である。前記ＳｉＯ₂膜の膜厚が１〜１００ｎｍの範囲、前記ＳｉＮ膜の膜厚が１〜１００ｎｍの範囲であり、積層膜のトータル膜厚が１〜２００ｎｍの範囲であることが好ましい。理由は、一般的に各絶縁膜層の膜厚が光の波長に匹敵するその程度の膜厚において、反射率を最低とする構造が存在するからである。

前記積層膜が、１〜１０層の範囲の多層膜であることが好ましい。多層膜の積層数が多いほど、反射率は下がるが、増えすぎると工程数が増加し、コストが上昇するためである。

前記トランジスタ領域の配線のサイドウォールが、光電変換領域上の膜と同様の膜構成となるように設計することが好ましい。その場合、同一工程で成膜できるからである。

前記光電変換領域外、又は光電変換第二の絶縁膜がＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜で在る場合は、除去されていることが好ましい。イメージセンサではリーク低減のため、水素と窒素の雰囲気中で熱処理、水素を基板表面に浸透させ、Ｓｉ基板表面の欠陥と結合させ、欠陥数を低減するが、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜は水素の基板表面への浸透を阻害するからである。

本発明方法においては、前記積層膜のエッチングの際、第二の絶縁膜のエッチングを最下層の第一の絶縁膜をストッパー層として行うのが好ましい。通常、エッチングでは、エッチングレートのばらつきを考慮し、膜残りがないようにエッチング時間を多めに設定するが、エッチング時間を多めに行うことにより、半導体基板表面に損傷をもたらすためである。第二の絶縁膜をストッパー層としてエッチングしてから、さらに第一の絶縁膜をエッチングすれば、オーバーエッチング時間を短縮でき、損傷を低減できる。

以下、実施の形態を用いて説明する。なお、本発明は下記の実施の形態に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第１の実施形態である受光素子の模式的断面図を示す。本実施形態の構造では、光電変換領域上部７と転送ゲート４上に２種類の屈折率の異なる絶縁膜から構成される積層膜２１を形成している。通常、第一の絶縁膜がシリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜の単層膜であり、半導体基板がＳｉ基板の場合は、垂直入射成分に対して、反射率は、
Ｒ＝（ｎ２²−ｎ１²）²／（ｎ２²＋ｎ１²）²
となる。ここで、ｎ２はシリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜の屈折率、ｎ１はシリコン基板の屈折率である。

しかし、シリコン酸化膜上に第二の絶縁膜として、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜を１層形成すると、
Ｒ＝（ｎ２。ｎ０−ｎ１²）²／（ｎ２。ｎ０＋ｎ１²）²
ここで、ｎ０はシリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜の屈折率である。

各物質の屈折率は、ｎ０＝２程度，ｎ１＝１．４，ｎ０＝３．４２であることから、上記式から、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜６上部にシリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜５を形成することにより、反射率は低下し、基板内部への光の入射が増加して、生成電子数が増加する。

さらに、転送ゲートの光電変換領域側では、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜が基板に対してほぼ垂直方向に積層される。ここで、図１Ｂに示されるように、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜がなくシリコン酸化膜６単層膜のみ形成される場合には、転送ゲート側壁への入射光は、ゲート内部に進入し、吸収されてしまう。しかし、シリコン窒化膜を形成することにより、下記の式の割合で光は反射され、それは、基板方向に侵入し、生成電子数増加に寄与する。転送ゲートとしては、通常、ポリシリコンが一般的である。これがＷＳｉ、ＡＬなどのメタルゲート、またはポリメタルゲートの場合は、基板に対して高ストレスであるため、欠陥が増加し、リーク電流が増大し、白キズ増加の原因となる。
Ｒ＝（ｎ２²−ｎ１²）²／（ｎ２²＋ｎ１²）²
ここでは、基板の最下層がシリコン酸化膜６である場合について取り扱っている。最下層のシリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜は熱酸化またはＣＶＤ法により形成され、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜はＣＶＤ法により形成される。それぞれの膜厚は１〜100nm程度であり、トータルでは１〜１０層で形成される。反射率は５０％程度まで向上し、生成電子数も５０％程度増加する。例えば、１００００電子数は１５０００電子数となる。。

（実施の形態２）
図２に、本発明の第２の実施形態である受光素子の模式的断面図を示す。本構造では、光電変換領域上部と転送ゲート上に複数の異なる屈折率の絶縁膜から形成される積層膜２１を形成していることは、（実施の形態１）と同じであるが、最下層を屈折率の高い第二の絶縁膜５としている。この場合、反射率は
Ｒ＝（ｎ２²−ｎ１²）²／（ｎ２²＋ｎ１²）²
となり、（実施の形態１）よりも大きくなり、生成電子数も増加することにより、効果が大きい。しかし、第二の絶縁膜５として、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜が考えら得るが、シリコン基板とシリコン窒化膜のストレスは、シリコン基板とシリコン酸化膜の場合に比べて、大きいため、白キズ増加をもたらす傾向となる。シリコン酸化膜６はＣＶＤ法により形成され、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒膜はＣＶＤ法により形成される。それぞれの膜厚は１〜100nm程度であり、トータルでは１〜１０層で形成される。反射率は５０％程度まで向上し、生成電子数も５０％程度増加する。例えば、１００００電子数は１５０００電子数となる。

（実施の形態３）
図３Ａ−Ｃに、本発明の第３の実施形態である受光素子の製造方法を示す。図３Ａに示すように、Ｓｉ基板上に、トランジスタと光電変換領域形成に必要とされるイオン注入（下記のＡｓあるいはＰ）を行い、それからゲート電極４，９を形成する。ここで、ゲート電極はポリシリコン膜が好ましい。光電変換領域形成のｎ＋層形成のために、ＡｓイオンやＰイオンをイオン注入で100keV〜1000keVで打ち込む。ゲート電極のポリシリコンは、ポリシリコン膜をＣＶＤ法で堆積し、レジストや有機膜などのパターニングを行ってから、エッチングをすることにより形成される。ポリメタルゲート、メタルゲートは基板とのストレスが大きく、欠陥誘発しやすいため、白キズ増加を引き起こす。次に、図３Ｂに示すように、２種類の屈折率の異なる絶縁膜から構成される積層膜２１を堆積する。第一の絶縁膜５の成膜方法とその上の第二の絶縁膜膜６の成膜方法、それぞれの膜厚、トータルの積層数は(実施の形態１)と同様である。さらに、図３Ｃに示すように、積層膜２１を保護膜で保護しながら、エッチングを行うことにより、サイドウォールを同時に形成する。保護膜としては、レジストなどの有機膜が一般的である。膜厚は１〜10μm程度である。またエッチングは、ＣＦ４やＣＨＦ₃などの気体を用いたドライエッチングで行うことが望ましい。さらに、エッチングは第一の絶縁膜６をエッチングストッパー層として用い、第二の絶縁膜をエッチングしてから、第一の絶縁膜をエッチングすることが望ましい。そうすることで、エッチング基板のオーバーエッチング時間を低減し基板表面への損傷を低減できす。ここで、積層膜はフォトダイオード上の反射防止構造を形成するために堆積されるが、同時にトランジスタのサイドウォール形成も行う。こうすることにより、通常、別々に形成される積層膜とサイドウォールを同時に形成することが可能となり、工程数を通常プロセスと同等に保つことができる。

（実施の形態４）
図４Ａ−Ｄに、本発明の第４の実施形態である受光素子の製造方法を示す。受光素子のリーク低減として、通常、第二の絶縁膜として、基板最上層のシリコン窒化膜を形成後に、水素と窒素の雰囲気中で熱処理を行い、基板中に水素を含有させることが一般的である。しかし、基板の内部にシリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜があると水素の浸透を阻害する。したがって、光電変換領域の上部のシリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜を一部除去し、シリコン酸化膜を埋め込む必要がある。そこで、図４Ａに示すように、基板上に複数の異なる屈折率の絶縁膜から形成される積層膜２１を形成後、図４Ｂに示すようにシリサイド膜１６を形成する。ここで、シリサイド膜１６は、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ₂）もしくはチタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂）、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ₂）が挙げられる。さらに図４Ｃのように、光電変換領域上部の一部を開口したレジストパターン１７を形成し、さらに、図４Ｄに示すように、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜６を一部除去する。ここで、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜６上の酸化膜を除去するときは、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜６をエッチングストッパーとして、また、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜６を除去するときは下層のシリコン酸化膜またはシリコン酸窒素膜をストッパーとして除去する。ここで、シリコン酸窒素膜またはシリコン窒化膜６を除去するときは、ドライエッチングにて、ガスとしてシラン（ＳｉＦ₄）＋酸素（Ｏ₂）を採用することで実現可能である。また、シリコン酸化膜をエッチングするときは、ＳｉＦ₄＋Ｈ₂を採用すればよい。こうすることで、基板上部のＳｉＯ₂膜を除去して、基板上面をエッチングすることを防止できる。基板上面をエッチングすると、欠陥誘起され、白キズ数が増加する。

（実施の形態５）
図５Ａ−Ｂに、本発明の第５の実施形態である受光素子の製造方法を示す。まず、図５Ａに示すように、基板上に複数の異なる屈折率の絶縁膜から形成される積層膜２１を形成後、図７Ｂに示すようにシリサイドを形成し、さらに基板上に厚膜を形成し、平坦化を行う。ここで厚膜はシリコン酸化膜（例えば、ＢＰＳＧ膜）を化学蒸着法（ＣＶＤ）にて形成することが望ましく、平坦化は化学メカニカル研磨法（ＣＭＰ）で行うことが望ましい。その後、光電変換領域上部、もしくはその周辺を含んだ領域の上部を開口したレジストパターンを形成する。さらに、図６Ａに示すように、基板上部にシリコン窒化膜をストッパーとして、厚膜のエッチングを行う。さらに、図６Ｂに示すように、シリコン窒化膜を形成する。シリコン窒化膜を形成することにより、開口部側壁部に斜めに入射する光を光電変換領域上部に集光することが可能である。

本発明の第１の実施形態による受光素子の模式的断面図。 本発明の第２の実施形態による受光素子の模式的断面図。 Ａ−Ｃは本発明の第３の実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図。 Ａ−Ｄは本発明の第４の実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図。 Ａ−Ｂは本発明の第５の実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図。 Ａ−Ｂは本発明の第５の実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図。 従来の受光素子の模式的断面図。 従来の受光素子の製造方法を示す工程断面図。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 配線
３ 素子分離溝
４ 転送ゲート
５ 第一の絶縁膜
６ 第二の絶縁膜
７ 光電変換領域
８ 電荷転送部
９ ゲート電極
１０ ソース電極
１１ ドレイン電極
１２ 光電変換領域部
１３ トランジスタ領域部
１４ サイドウォール
１５ 絶縁膜
１６ シリサイド
１７ レジストパターン
１８ 絶縁埋め込み膜
１９ レジストパターン
２０ 第三の絶縁膜
２１ 積層膜

Claims (13)

1. 半導体基板上に形成された光電変換領域の少なくとも一部と、光電変換領域の電子を電荷転送部に読み出すかまたはリセットをする転送トランジスタの転送ゲートの少なくとも一部と覆うように、それぞれ屈折率の異なる複数の絶縁膜から構成される積層膜が形成されていることを特徴とする光電変換素子。
2. 半導体基板上に形成された光電変換領域の少なくとも一部と、光電変換領域の電子を電荷転送部に読み出すかまたはリセットをする転送トランジスタの転送ゲートの少なくとも一部と覆うように、第１の絶縁膜を形成し、さらにその上部に前記絶縁膜より屈折率の高い第２の絶縁膜と、さらに前記第２の絶縁膜より屈折率の低い第３の絶縁膜を形成することを特徴とする光電変換素子。
3. 半導体基板上に形成された光電変換領域の少なくとも一部と、光電変換領域の電子を電荷転送部に読み出すまたはリセットをする転送トランジスタの転送ゲートの少なくとも一部と覆うように、第１の絶縁膜を形成し、さらにその上部に前記第１の絶縁膜より屈折率の低い第２の絶縁膜を形成することを特徴とする光電変換素子。
4. 前記第１の絶縁膜または第３の絶縁膜がシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜である請求項２に記載の光電変換素子。
5. 前記第２の絶縁膜がシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜である請求項２に記載の光電変換素子。
6. 前記第２の絶縁膜がシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜である請求項３に記載の光電変換素子。
7. 前記第１の絶縁膜または第３の絶縁膜がシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜である請求項３に記載の光電変換素子。
8. 光電変換領域上にそれぞれ屈折率の異なる複数の絶縁膜から構成される積層膜を形成し、
   光電変換領域上の少なくとも一部が凹形状または絶縁膜の存在せず、
   さらに光電変換領域以外の領域では、積層膜より大きい膜厚にて第４の絶縁膜が形成され、
   その側壁が前記第４の絶縁膜より高い屈性率の第５の絶縁膜にて覆われている請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
9. 半導体基板上に光電変換領域とトランジスタ領域を形成し、
   前記トランジスタ領域の上にゲート電極を形成し、
   前記フォトダイオード領域上と前記トランジスタ領域上のゲート電極上を含めて、屈折率の異なる複数の絶縁膜から構成される積層膜を形成し、
   前記フォトダイオード領域上の積層膜を保護膜により保護した保護領域を設け、
   前記保護領域以外の積層膜の少なくとも一部を除去し、トランジスタ側壁のサイドウォールに積層膜の一部を残すことを特徴とする受光素子の製造方法。
10. 前記積層膜のエッチングの際、最下層の第２の絶縁膜のエッチングを、第１の絶縁膜をストッパー層として行う請求項９に記載の受光素子の製造方法。
11. 受光素子を形成した後、さらに絶縁膜Ａを基板上に堆積し、
    光電変換領域上の少なくとも一部の保護膜を除去し、
    さらに、前記絶縁膜Ａより屈折率の高い別の絶縁膜Ｂを基板全面に堆積する請求項９又は１０に記載の受光素子の製造方法。
12. 光電変換領域上のそれぞれ屈折率の異なる複数の絶縁膜から構成される積層膜の最上層膜をエッチングストッパー層として、絶縁膜Ａを除去する請求項１１に記載の受光素子の製造方法。
13. 請求項１〜８のいずれかに記載の前記受光素子を複数個配列したことを特徴とする固体撮像装置。

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