JP2008306160A - 固体撮像装置とその製造方法および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入射光を光電変換する受光部12を有する固体撮像装置1において、前記受光部12の受光面12sに形成した界面準位を下げる膜21と、前記界面準位を下げる膜21上に形成した負の固定電荷を有する膜22とを有し、前記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
図42(1)に示すように、HAD構造を設けない構造では界面準位に起因して発生した電子が暗電流としてフォトダイオード中に流れ込む。
一方、図42(2)に示すように、HAD構造では界面に形成されたホール蓄積層23によって、界面からの電子の発生が抑制される、また界面から発生する電荷(電子)が発生したとしても、受光部12のN+層でポテンシャルの井戸になっている電荷蓄積部分に流入することなく、ホールが多数存在するP+層のホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷が暗電流となって検知されることを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制できる。
しかしながら、ドーピング不純物の活性化のために700℃以上という高温の熱処理が必要不可欠であるため、400℃以下といった低温プロセスではイオン注入によるホール蓄積層の形成が困難になっている。またドーパントの拡散を抑制するために、高温での長時間の活性化を避けたい場合も、イオン注入およびアニールを施すホール蓄積層の形成方法は好ましくない。
しかしながら、上記技術では、絶縁層に荷電粒子を埋め込む技術が必要であるが、どのような埋め込み技術を用いるのかが不明である。また、一般的に不揮発性メモリーで用いられているように外部から絶縁膜中に電荷を注入するためには、電荷を注入するための電極が必要となる。仮に電極を用いずに外部から非接触で電荷を注入できたとしても、いずれにせよ絶縁膜中にトラップされた電荷がデトラップされてはならず、電荷保持特性が問題となる。そのため、電荷保持特性の高い高品質な絶縁膜が要求され、実現が困難であった。
一方で、イオン注入のダメージを低減すべく、濃度を下げてイオン注入を行うと、ホール蓄積層の濃度が低くなり、ホール蓄積層としての機能を十分に有しないものとなってしまう点である。
すなわち、不純物の拡散を抑制し所望の光電変換特性を有しつつ、十分なホール蓄積層の実現と暗電流の低減とを両立させることが困難な点である。
なお、以下の説明では、半導体基板11として説明する。
上記受光部(後に説明するホール蓄積層23も含む)12の受光面12s上には、界面準位を下げる膜21が形成されている。この界面準位を下げる膜21は、例えば、酸化シリコン(SiO2)膜で形成されている。上記界面準位を下げる膜21上には負の固定電荷を有する膜22が形成されている。これによって、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成されている。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
また、複数の受光部12で構成される画素アレイ部の読み出し行の信号の読み出し動作を行う駆動回路、読み出した信号を転送する垂直走査回路、シフトレジスタもしくはアドレスデコーダ、水平走査回路等が含まれる。
成膜方法としては、例えば、化学気相成長法、スパッタリング法、原子層蒸着法等が挙げられるが、原子層蒸着法を用いれば、成膜中に界面準位を低減するSiO2層を同時に1nm程度形成することができるので好適である。
また、上記以外の材料としては、酸化ランタン(La2O3)、酸化プラセオジム(Pr2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化プロメチウム(Pm2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)酸化ユウロピウム(Eu2O3)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化テルビウム(Tb2O3)、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化エルビウム(Er2O3)、酸化ツリウム(Tm2O3)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化ルテチウム(Lu2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)等があげられる。
さらに、上記負の固定電荷を有する膜22は、窒化ハフニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸窒化ハフニウム膜または酸窒化アルミニウム膜で形成することも可能である。
このように、シリコン(Si)や窒素(N)が添加されることによって、膜の耐熱性やプロセスの中でのイオン注入の阻止能力を上げることが可能になる。
また、周辺回路部14に光が入ることが防止されるので、周辺回路部14に光が入り込むことによる特性変動が抑制される。
さらに、上記入射光に対して透過性を有する絶縁膜43が形成されている。この絶縁膜43の表面は平坦化されていることが好ましい。
さらに絶縁膜43上には、カラーフィルター層44および集光レンズ45が形成されている。
したがって、受光部12と界面準位を下げる膜21との界面での界面準位により発生する暗電流が抑制される。すなわち、その界面から発生する電荷(電子)が抑制されるとともに、界面から電荷(電子)が発生したとしても、受光部12でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷による暗電流が受光部12で検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
また、図2(3)に示すように、イオン注入によりホール蓄積層23を形成した構成では、ホール蓄積層23が形成されるものの、前記説明したように、イオン注入でのドーピング不純物の活性化のために700℃以上という高温の熱処理が必要不可欠であるため、不純物の拡散が起こり、界面のホール蓄積層が広がり、光電変換する領域が狭くなってしまい、所望の光電変化特性を得ることが困難になる。
なお、前記固体撮像装置1で形成した絶縁膜43は形成されていない。
したがって、反射防止膜46上にカラーフィルター層44、集光レンズ45が形成されている。
このように、窒化シリコン膜を追加成膜することで反射防止効果を最大化することが可能となる。この構成は、次に説明する固体撮像装置3にも適用できる。
しかし、周辺回路部14では、受光部12側と表面側に存在する素子14Dとの間に電位差を発生させてしまい、受光部12表面から予期しないキャリアが表面側の素子14Dに流入し、周辺回路部14の誤動作の原因になる。
このような誤動作を回避する構成について、以下の第2実施例、第3実施例で説明する。
なお、図6では、受光部の一部および周辺回路部を遮光する遮光膜、受光部に入射する光を分光するカラーフィルター層、受光部に入射光を集光する集光レンズ等の図示はしていない。
よって、負の固定電荷による周辺回路の誤動作が防止できる。
なお、図7では、受光部の一部および周辺回路部を遮光する遮光膜、受光部に入射する光を分光するカラーフィルター層、受光部に入射光を集光する集光レンズ等の図示はしていない。
よって、負の固定電荷による周辺回路部14の誤動作が防止できるようになる。
上記のように、上記周辺回路部14上と上記負の固定電荷を有する膜22との間に正の固定電荷を有する上記膜25が形成される構成は、前記固体撮像装置1、2、3、4にも適用することができ、固体撮像装置5と同様なる効果を得ることができる。
次いで上記界面準位を下げる膜21上に負の固定電荷を有する膜22を形成する。これによって、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
このように、上記負の固定電荷を有する膜22上に絶縁膜41を介して遮光膜42を形成することによって、酸化ハフニウム膜等で形成される負の固定電荷を有する膜22と遮光膜42の金属との反応を防止することができる。
また、遮光膜をエッチングした際に絶縁膜42がエッチングストッパとなるので、負の固定電荷を有する膜22へのエッチングダメージを防止することができる。
この遮光膜42によって、受光部12に光が入らない領域が作られ、その受光部12の出力によって画像での黒レベルが決定される。
また、周辺回路部14に光が入ることが防止されるので、周辺回路部に光が入り込むことによる特性変動が抑制される。
このようにして、固体撮像装置1が形成される。
したがって、界面から発生する電荷(電子)が抑制されるとともに、仮に電荷(電子)が発生しても、受光部12でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷による暗電流が受光部で検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
さらに、受光部12の受光面に界面準位を下げる膜21が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。そして、負の固定電荷を有する膜22を用いることで、イオン注入およびアニールを施すことなくHAD構造の形成が可能となる。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
上記挙げた種類の膜は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜等に用いられている実績があるので、成膜方法が確立されているので容易に成膜することができる。成膜方法としては、例えば、化学気相成長法、スパッタリング法、原子層蒸着法等を用いることができる。
このように、上記負の固定電荷を有する膜22上に絶縁膜41を介して遮光膜42を形成することによって、酸化ハフニウム膜等で形成される負の固定電荷を有する膜22と遮光膜42の金属との反応を防止することができる。
また、遮光膜をエッチングした際に絶縁膜41がエッチングストッパとなるので、負の固定電荷を有する膜22へのエッチングダメージを防止することができる。
このようにして、固体撮像装置2が形成される。
それとともに、反射防止膜46を形成することから、受光部12に入射される前の反射を低減することができるので、受光部12への入射光量を増大させることができる。このため、固体撮像装置2の感度を向上させることができる。
次いで上記界面準位を下げる膜21上に負の固定電荷を有する膜22を形成する。これによって、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
このように、遮光膜42が負の固定電荷を有する膜22上に直接形成されることで、遮光膜42を半導体基板11表面に近づけることができるので、遮光膜42と半導体基板11との間隔が狭められる。このため、隣のフォトダイオードの上層から斜めに入射してくる光の成分、すなわち光学的な混色成分を減らすことができる。
この遮光膜42によって、受光部12に光が入らない領域が作られ、その受光部12の出力によって画像での黒レベルが決定される。
また、周辺回路部14に光が入ることが防止されるので、周辺回路部に光が入り込むことによる特性変動が抑制される。
さらに、カラーフィルター層44上に集光レンズ45を形成する。そのとき、カラーフィルター層44と集光レンズ45との間に、レンズ加工の際のカラーフィルター層44への加工ダメージを防止するために、光透過性の絶縁膜(図示せず)を形成してもよい。
このようにして、固体撮像装置3が形成される。
また、反射防止膜46を形成したことで、負の固定電荷を有する膜22だけでは、反射防止効果が不十分な際に、反射防止効果を最大化することができる。
次いで、上記入射光に対して透過性を有する絶縁膜26を形成する。この絶縁膜26は、例えば酸化シリコン膜で形成される。
その後、上記レジストマスク51を除去する。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
したがって、界面から発生する電荷(電子)を抑制できるとともに、仮に電荷(電子)が発生しても、受光部12でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷による暗電流が受光部で検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。また、受光部12の受光面に界面準位を下げる膜21が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。そして、負の固定電荷を有する膜22を用いることで、イオン注入およびアニールを施すことなくHAD構造の形成が可能となる。
次いで、上記入射光に対して透過性を有する界面準位を下げる膜21を形成する。この界面準位を下げる膜21は、例えば酸化シリコン膜で形成される。
さらに、上記界面準位を下げる膜21上に、負の固定電荷を有する膜を受光面表面から離すための膜25を形成する。この膜25は負の固定電荷の影響を打ち消すために、正の固定電荷を有することが望ましく、窒化シリコンを用いることが好ましい。以下、この膜25を正の固定電荷を有する膜という。
したがって、界面から発生する電荷(電子)を抑制できるとともに、仮に界面から電荷(電子)が発生したとしても、受光部12でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷による暗電流が受光部で検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
また、受光部12の受光面に界面準位を下げる膜21が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。
そして、負の固定電荷を有する膜22を用いることで、イオン注入およびアニールを施すことなくHAD構造の形成ができる。
よって、負の固定電荷による周辺回路部14の誤動作が防止できるようになる。
一方で第3サンプルのHfO2膜適用品のみ、膜厚増加に対してフラットバンド電圧はプラス方向にシフトしていることが確認できた。このフラットバンド電圧の挙動により、HfO2膜は膜中にマイナスの電荷が存在していることが分かる。
また、HfO2以外の前記負の固定電荷を有する膜を構成する各材料についても、HfO2と同様に負の固定電荷を有していることがわかっている。
一方、HfO2膜を用いた第3サンプルは、3E10/cm2・eV程度と熱酸化膜に近い良好な界面を有することが確認できた。
また、HfO2以外の前記負の固定電荷を有する膜を構成する各材料についても、HfO2と同様に、熱酸化膜に近い良好な界面準位を有することがわかっている。
一方、熱酸化膜のフラットバンド電圧より小さい場合、膜中に正の電荷があり、シリコン(Si)表面は電子(エレクトロン)を形成する。このような積層膜として、例えば、シリコン(Si)基板表面に、CVD−SiO2膜、CVD−SiN膜、HfO2膜、CVD−SiO2膜を下層より順に積層したものがある。ここで、CVD−SiN膜の膜厚を厚くすると熱酸化膜に比べてフラットバンド電圧が大きく負方向に移行する。またCVD−SiN膜中の正の電荷の影響が、酸化ハフニウム(HfO2)の負の電荷を打ち消している。
また、上記負の固定電荷を有する膜22に対して、成膜した後に電子線照射による電子線キュア処理を実施することにより、膜中の負の固定電荷を増やすことが可能になる。
そこで、図25(1)に示すように、入射光を光電変換する受光部12、この受光部12を分離する画素分離領域13、受光部12に対して画素分離領域13を介して周辺回路(具体的には図示せず)が形成された周辺回路部14等が形成された半導体基板(もしくは半導体層)11を用意し、上記受光部12の受光面12s上、実際には上記半導体基板11上に界面準位を下げる膜21を形成する。
次いで、原子層蒸着法によって、上記界面準位を下げる膜21上に第1酸化ハフニウム膜22−1を形成する。この第1酸化ハフニウム膜22−1は、負の固定電荷を有する膜22として必要な膜厚のうちの少なくとも3nm以上の膜厚に形成する。
(Tetrakis dimethylamido hafnium)もしくはTDEA−Hf(Tetrakis diethylamido hafnium)を用い、成膜基板温度を200℃〜500℃、プリカーサーの流量を10cm3/min〜500cm3/min、プリカーサーの照射時間が1秒〜15秒、オゾン(O3)流量を5cm3/min〜50cm3/minとした。
その後、前記第1実施例〜第5実施例等で説明したように、負の固定電荷を有する膜22上に絶縁膜41を形成する以降の工程を行う。
その結果を図26、図27に示す。図26、図27ともに、縦軸に容量(C)を示し、横軸に電圧(V)を示した。
負の固定電荷を有する膜となるには、フラットバンド電圧Vfbが正電圧である必要がある。
また、立ち上がりが鈍いため、界面準位密度が多くなっている。後に説明するが、この場合、界面準位密度Ditの評価は界面準位密度があまりにも高く不能であった。
また、立ち上がりが急になっているため、界面準位密度Ditが低く、Dti=5.14E10/cm2・eVとなっている。
また、立ち上がりがさらに急になっているため、界面準位密度Ditが低くなっている。
その結果を図28に示した。
また、Qs−CVの測定値とHf−CVの測定値の差分から界面準位密度Ditを求めた。その結果、Dit=5.14E10/cm2・eVとなり、十分低い値が得られた。また、上記説明したように、フラットバンド電圧Vfb=+0.42Vであり、正電圧となった。
よって、上記第1酸化ハフニウム膜22−1を、負の固定電荷を有する膜22として必要な膜厚のうちの少なくとも3nm以上の膜厚に形成することが好ましい。
よって、上記界面準位を下げる膜21との界面側に形成される上記第1酸化ハフニウム膜22−1は3nm以上の膜厚としている。
なお、上記PVD法は、一例としてスパッタ法がある。
原子層蒸着法では、例えば10nmの厚さに酸化ハフニウムを成膜するのに45分程度かかる。一方、物理的気相成長法では、例えば50nmの厚さに酸化ハフニウムを成膜するのに3分程度ですむ。したがって、生産性を考慮して、第1酸化ハフニウム膜22−1の膜厚の上限が決定される。例えば、負の固定電荷を有する膜22の成膜時間を1時間以内とするならば、第1酸化ハフニウム膜22−1の膜厚は11nm〜12nm程度が上限となる。
このように、原子層蒸着法と物理的気相成長法とを併用する成膜方法によれば、負の固定電荷を有する膜22の全てを原子層蒸着法やCVD法で成膜するより成膜時間の大幅なる短縮が可能になるので、量産効率の向上が図れる。
また、原子層蒸着法やMOCVD法では、物理的気相成長法で成膜するより下地に与えるダメージがほとんどない。
このため、受光センサー部へのダメージが低減され、暗電流の発生の原因となる界面準位密度が大きくなるという問題が解決できる。
次いで上記界面準位を下げる膜21上に負の固定電荷を有する膜22を形成する。これによって、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
このプラズマ窒化することで酸化ハフニウム膜中にマイナスの固定電荷がさらに生成され、より大きなバンドベンディング(Band Bending)を形成される。プラズマ窒化条件としては、例えば、高周波プラズマ処理装置を用い、チャンバ内に供給する窒化処理のガスとして、窒素(N2)もしくはアンモニア(NH3)を用い、例えばRFパワーを200W〜900W、圧力を0.13Pa〜13.3Paに設定する。この条件で、チャンバ内にプラズマを発生させ、窒化処理を行う。
上記プラズマ処理装置は高周波プラズマ処理装置に限定されず、チャンバ内にプラズマを生成できるものであればいかなるプラズマ処理装置であってもよい。例えばマイクロ波プラズマ処理装置、ICPプラズマ処理装置、ECRプラズマ処理装置等を用いることもできる。
なお、窒素(N)が負の固定電荷を有する膜22の受光部12側の界面に到達すると、受光部12での白点欠陥の発生の原因になる。
このように、上記負の固定電荷を有する膜22上に絶縁膜41を介して遮光膜42を形成することによって、酸化ハフニウム膜等で形成される負の固定電荷を有する膜22と遮光膜42の金属との反応を防止することができる。
また、遮光膜をエッチングした際に絶縁膜42がエッチングストッパとなるので、負の固定電荷を有する膜22へのエッチングダメージを防止することができる。
この遮光膜42によって、受光部12に光が入らない領域が作られ、その受光部12の出力によって画像での黒レベルが決定される。
また、周辺回路部14に光が入ることが防止されるので、周辺回路部に光が入り込むことによる特性変動が抑制される。
このようにして、固体撮像装置1が形成される。
図32は、縦軸に暗電流の発生率(%)を示し、横軸に酸化ハフニウム(HfO2)のみの暗電流のメディアンで規格化した暗電流を示す。
また、酸化ハフニウム以外の上記各種膜からなる負の固定電荷を有する膜22においても、酸化ハフニウム膜と同様に、プラズマ窒化処理した負の固定電荷を有する膜を用いた固体撮像装置は、プラズマ窒化処理をしない負の固定電荷を有する膜に用いた固体撮像装置よりも、暗電流が大幅に低減できるという効果を得ることができる。
次いで上記界面準位を下げる膜21上に負の固定電荷を有する膜22を形成する。これによって、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負の固定電荷を有する膜22によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
このプラズマ窒化することで酸化ハフニウム膜中にマイナスの固定電荷がさらに生成され、より大きなバンドベンディング(Band Bending)を形成される。プラズマ窒化条件としては、例えば、電子線照射装置を用い、例えば加速電圧を0.5kV〜50kV、チャンバ内圧力を0.13Pa〜13.3Pa、基板温度を200℃〜500℃に設定して、電子線を照射して、電子線キュア処理を行う。
このように、上記負の固定電荷を有する膜22上に絶縁膜41を介して遮光膜42を形成することによって、酸化ハフニウム膜等で形成される負の固定電荷を有する膜22と遮光膜42の金属との反応を防止することができる。
また、遮光膜をエッチングした際に絶縁膜42がエッチングストッパとなるので、負の固定電荷を有する膜22へのエッチングダメージを防止することができる。
この遮光膜42によって、受光部12に光が入らない領域が作られ、その受光部12の出力によって画像での黒レベルが決定される。
また、周辺回路部14に光が入ることが防止されるので、周辺回路部に光が入り込むことによる特性変動が抑制される。
このようにして、固体撮像装置1が形成される。
図36は、縦軸に暗電流の発生率(%)を示し、横軸に酸化ハフニウム(HfO2)のみの暗電流のメディアンで規格化した暗電流を示す。
また、酸化ハフニウム以外の上記各種膜からなる負の固定電荷を有する膜22においても、酸化ハフニウム膜と同様に、電子線キュア処理した負の固定電荷を有する膜を用いた固体撮像装置は、電子線キュア処理をしない負の固定電荷を有する膜に用いた固体撮像装置よりも、暗電流が大幅に低減できるという効果を得ることができる。
このような半導体基板11上に界面準位を下げる膜21を形成する。この界面準位を下げる膜21は、例えば、酸化シリコン(SiO2)膜21Siで形成される。
また、上記半導体基板11には、例えば単結晶シリコン基板を用いる。さらに、この半導体基板11は、3μm〜5μm程度の厚さに形成されている。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記酸化ハフニウム膜22Hfによって上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。ここでは一例として、30nmの厚さに形成した。また、この酸化シリコン膜には反射防止膜の機能を併せ持たせることもできる。
このように、成膜温度を400℃以下に保持することから、酸化ハフニウム膜22Hfは非晶質状態で形成される。
図38では、縦軸に温度を示し、横軸に酸化ハフニウム膜表面からの深さを示した。
図39では、縦軸に温度を示し、横軸に酸化ハフニウム膜表面からの深さを示した。
したがって、上記光照射処理では、光の照射時間は1ms以下とすることが好ましい。
また、照射時間が短いほうが酸化ハフニウム膜22Hf表面との温度差が大きくなることがわかる。
光を照射した場合、単結晶シリコンの半導体基板11のうち、酸化シリコン膜21Siに近い部分で光の吸収および発熱が起こり、酸化ハフニウム膜22Hfは半導体基板11側からの熱伝導で高温となり、結晶化される。単結晶シリコンの半導体基板11のうち配線層63に近い部分は、照射した光が到達しないため、配線層63の温度を低く、例えば400℃以下、このましくは200℃以下に保つことができる。
酸化ハフニウム膜22Hfの消衰係数:k=0、
酸化シリコンの消衰係数:k=0、
シリコンの消衰係数:k=0.03
となるため、酸化ハフニウム膜22Hfおよび酸化シリコン膜21Siでは、入射光の損失がない。
また、酸化ハフニウム膜22Hfを2.5nmの厚さに成膜したサンプルにおいて、波長λ=527nm、照射時間=150nsのパルスレーザー光を照射したところ、酸化ハフニウム膜22Hfの結晶化が確認できた。
酸化ハフニウム膜22Hfで照射した光が多く吸収されるため、単結晶シリコンの半導体基板11に入る光は減らすことができる。
また、酸化ハフニウム膜22Hfや酸化シリコン膜21Siから単結晶シリコンの半導体基板11へ多少の熱伝導はあっても、配線層63の温度を低く保つことができる。
酸化ハフニウム膜22Hfの屈折率:n=2.3(消衰係数:k=0.3)、
酸化シリコン膜21Siの屈折率:n=1.5、
単結晶シリコンの屈折率:n=0.9
とすると、酸化ハフニウム膜22Hfおよび酸化シリコン膜21Siでは入射光の損失があり、光の侵入長はd=λ/(4πk)=53nmとなるため、酸化ハフニウム膜22Hfを60nmとすれば酸化ハフニウム膜22Hfを通過する光を少なくすることが可能である。
そのとき、酸化ハフニウム膜22Hfに光がより集まるように干渉の原理を用いて酸化シリコン膜21Siの厚さtを最適化すれば効率的である。上記の屈折率では望ましい酸化シリコン膜21Siの厚さtの一例はt=λ/2n=66nmとなる(nは酸化シリコンの屈折率)。
媒質1に照射された光が媒質1で強めあうには、干渉条件から、n1>n2>n1もしくはn1<n2<n3では、媒質2の膜厚t=(λ/2n2)m(ただし、mは自然数)となる。
このように、酸化ハフニウム膜22Hfに集光されるように酸化シリコン膜21Siの膜厚を選択することが好ましい。
また、この絶縁膜27は、例えば酸化シリコン膜で形成されている場合、受光部12上においては、前記説明した界面準位を下げる膜21と同様な作用を有する。そのためには、上記受光部12上の上記絶縁膜27は、例えば、1原子層以上、100nm以下の膜厚に形成されていることが好ましい。
これによって、負電圧を印加する膜28に負電圧が印加されると、上記受光部12の受光面側にホール蓄積層23が形成される。
また、複数の受光部12で構成される画素アレイ部の読み出し行の信号の読み出し動作を行う駆動回路、読み出した信号を転送する垂直走査回路、シフトレジスタもしくはアドレスデコーダ、水平走査回路等が含まれる。
したがって、界面から発生する電荷(電子)が抑制されるとともに、仮に界面から電荷(電子)が発生したとしても、受光部でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷が、暗電流となって受光部12に検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
さらに、受光部12の受光面12sに界面準位を下げる膜となる絶縁膜27が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。
正の固定電荷を有する膜25は、上記周辺回路部14上と上記負電圧を印加する膜28との間に形成されていればよく、上記絶縁膜27上であっても絶縁膜27の下であってもよい。
また、図面では、絶縁膜27は均一な厚さの膜で形成されている場合を示したが、前記固体撮像装置6のように、周辺回路部14上の方が受光部12上よりも厚さが厚い絶縁膜であってもよい。
よって、負の電界による周辺回路部14の誤動作が防止できるようになるので、周辺回路部14の信頼性が高められる。
上記のように、上記周辺回路部14上と上記負電圧を印加する膜28との間に正の固定電荷を有する膜25が形成される構成は、前記固体撮像装置6にも適用することができ、固体撮像装置7と同様なる効果を得ることができる。
したがって、上記界面準位を下げる膜21は、少なくとも受光部12上では、上記負電圧を印加する膜28に印加された負電圧によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
その製造方法は、一例として、前記固体撮像装置の製造方法(第1製造方法)の各実施例で説明したいずれかの方法を適用することもできる。
したがって、界面から発生する電荷(電子)が抑制できるとともに、仮に界面から電荷(電子)が発生したとしても、受光部でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷が、暗電流となって受光部12に検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
さらに、受光部12の受光面12sに界面準位を下げる膜21が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。
このことから、負電圧を印加する膜28に負電圧が印加された際に発生する電界の影響が周辺回路部14に及ぶのが低減される。すなわち、電界強度が低減されて、周辺回路部14表面でホールが蓄積されるのが抑制されるので、周辺回路部14での回路誤動作をなくすことができる。
そのためには、上記絶縁膜27は、少なくとも受光部12上では、上記負電圧を印加する膜28に印加された負電圧によって、上記受光部12の受光面12s側にホール蓄積層23が形成されるような膜厚に形成される必要がある。その膜厚は、例えば、1原子層以上、100nm以下とする。
その製造方法は、一例として、前記固体撮像装置の製造方法(第1製造方法)の各実施例で説明したいずれかの方法を適用することもできる。
したがって、界面から発生する電荷(電子)が抑制できるとともに、仮に界面から電荷(電子)が発生したとしても、受光部でポテンシャルの井戸になっている電荷貯蓄部分に流入することなく、ホールが多数存在するホール蓄積層23を流動し、消滅させることができる。
よって、この界面起因の電荷が、暗電流となって受光部12に検知されるのを防ぐことができ、界面準位起因による暗電流が抑制される。
さらに、受光部12の受光面12sに界面準位を下げる膜21が形成されていることから、界面準位に起因する電子の発生がさらに抑制されるので、界面準位に起因する電子が暗電流として受光部12中に流れ込むことが抑制される。
よって、負の電界による周辺回路部14の誤動作が防止できる。上記のように、上記周辺回路部14上と上記負電圧を印加する膜28との間に正の固定電荷を有する膜25が形成される構成は、前記固体撮像装置6にも適用することができ、固体撮像装置7と同様なる効果を得ることができる。
上記絶縁膜31上には、光電変換する受光部12の受光面12s側の界面よりも仕事関数の値が大きい膜(以下、ホール蓄積補助膜という。)32が形成されており、この仕事関数の違いによりホール蓄積層23が形成される。このホール蓄積補助膜32は、電気的に他の素子、配線と接続されている必要がないので、絶縁膜であっても、金属膜のような導電性を有する膜であってもよい。
また、上記以外の膜であっても、受光部12の受光面12s側の界面よりも仕事関数地が大きい金属膜であれば、ホール蓄積補助膜32に用いることができる。また、透明電極として使用されているITO(In2O3)の仕事関数値は4.8eVとされているが、酸化物半導体の仕事関数は、成膜方法や不純物導入で制御することが可能である。
また、活性化は、配線層63と支持基板54との貼り合わせを破壊しないような400℃以下のアニールで行うことが好ましい。そして、上記キャップ層を、例えば希フッ酸処理で除去する。このとき、SOI基板81の絶縁層83を除去してもよい。
また、上記ホール蓄積補助膜32は、ホール蓄積層23の仕事関数値よりも高い仕事関数値を有するものであればよく、電流を通す必要がないため、導電膜であっても、絶縁膜であっても、半導体膜であってもよい。そのため、ホール蓄積補助膜32に高抵抗となる材料の選択も可能となる。
また、ホール蓄積補助膜32には外部信号入力端子も不要であるという特徴を有する。
また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、高画質化の効果が得られる。ここで、撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
Claims (26)
- 入射光を光電変換する受光部を有する固体撮像装置において、
前記受光部の受光面に形成した界面準位を下げる膜と、
前記界面準位を下げる膜上に形成した負の固定電荷を有する膜とを有し、
前記受光部の受光面側にホール蓄積層が形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記負の固定電荷を有する膜は、
酸化ハフニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、または酸化チタン膜
であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記界面準位を下げる膜は酸化シリコン膜からなる
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記受光部の側部に周辺回路が形成された周辺回路部を有し、
前記負の固定電荷を有する膜の前記周辺回路部表面からの距離が前記受光部表面からの距離よりも長くなるように、前記周辺回路部表面と前記負の固定電荷を有する膜との間に絶縁膜が形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記受光部の側部に周辺回路が形成された周辺回路部を有し、
前記周辺回路部上と前記負の固定電荷を有する膜との間の絶縁膜とは、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜の1種もしくは、複数の膜種の積層構造によって構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、
入射光量を電気信号に変換する受光部を有する複数の画素部と、前記画素部が形成された半導体基板の一面側に配線層を備え、前記配線層が形成されている面とは反対側より入射される光を前記受光部で受光する裏面照射型固体撮像装置である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 入射光を光電変換する受光部を有する固体撮像装置において、
前記受光部の受光面に形成した前記入射光を透過する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成した負電圧を印加する膜とを有し、
前記受光部の受光面側にホール蓄積層が形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記負電圧を印加する膜は、前記入射光を透過する導電性材料からなる
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置 - 前記受光部の側部に周辺回路が形成された周辺回路部を有し、
前記負電圧を印加する膜の前記周辺回路部表面からの距離が前記受光部表面からの距離よりも長くなるように、前記周辺回路部表面と前記負電圧を印加する膜との間に絶縁膜が形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記受光部の側部に周辺回路が形成された周辺回路部を有し、
前記周辺回路部上と前記負電圧を印加する膜との間に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜の1種もしくは、複数の膜種の積層構造によって構成された膜が形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、
入射光量を電気信号に変換する受光部を有する複数の画素部と、前記画素部が形成された半導体基板の一面側に配線層を備え、前記配線層が形成されている面とは反対側より入射される光を前記受光部で受光する裏面照射型固体撮像装置である
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置。 - 入射光を光電変換する受光部を有する固体撮像装置において、
前記受光部の受光面側上層に形成した絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成したもので前記光電変換する受光部の受光面側の界面よりも仕事関数の値が大きい膜と
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、
入射光量を電気信号に変換する受光部を有する複数の画素部と、前記画素部が形成された半導体基板の一面側に配線層を備え、前記配線層が形成されている面とは反対側より入射される光を前記受光部で受光する裏面照射型固体撮像装置である
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像装置。 - 半導体基板に入射光を光電変換する受光部を形成する固体撮像装置の製造方法において、
前記受光部が形成された半導体基板上に界面準位を下げる膜を形成する工程と、
前記界面準位を下げる膜上に負の固定電荷を有する膜を形成する工程とを有し、
前記負の固定電荷を有する膜により前記受光部の受光面側にホール蓄積層を形成させる
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜を形成する工程は、
原子層蒸着法によって前記界面準位を下げる膜上に第1酸化ハフニウム膜を形成する工程と、
物理的気相成長法によって前記第1酸化ハフニウム膜上に第2酸化ハフニウム膜を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記第1酸化ハフニウム膜を前記負の固定電荷を有する膜として必要な膜厚のうちの少なくとも3nm以上の膜厚に形成する
ことを特徴とする請求項15記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜を形成した後、
前記負の固定電荷を有する膜の表面に窒素プラズマ処理を施す
ことを特徴とする請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜は酸化ハフニウム膜からなる
ことを特徴とする請求項17記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜を形成した後、
前記負の固定電荷を有する膜の表面に電子線キュア処理を施す
ことを特徴とする請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜は酸化ハフニウム膜からなる
ことを特徴とする請求項19記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記負の固定電荷を有する膜を形成する工程は、
前記界面準位を下げる膜上に非晶質の酸化ハフニウム膜を形成する工程と、
前記非晶質の酸化ハフニウム膜表面に光照射処理を施して前記酸化ハフニウム膜を結晶化する工程と
を有することを特徴とする請求項14記載の固体撮像装置の製造方法。 - 半導体基板に入射光を光電変換する受光部を形成する固体撮像装置の製造方法において、
前記受光部の受光面に前記入射光を透過する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に負電圧を印加する膜を形成する工程とを有し、
前記負電圧を印加する膜に負電圧を印加することにより前記受光部の受光面側にホール蓄積層を形成させる
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 半導体基板に入射光を光電変換する受光部を形成する固体撮像装置の製造方法において、
前記受光部の受光面側上層に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記光電変換する受光部の受光面側の界面よりも仕事関数の値が大きい膜を形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 入射光を集光する集光光学部と、
前記集光光学部で集光した前記入射光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号電荷を処理する信号処理部とを備え、
前記固体撮像装置は、
前記入射光を光電変換する前記固体撮像装置の受光部の受光面に形成した界面準位を下げる膜と、
前記界面準位を下げる膜に形成した負の固定電荷を有する膜とを有し、
前記受光部の受光面にホール蓄積層が形成される
ことを特徴とする撮像装置。 - 入射光を集光する集光光学部と、
前記集光光学部で集光した前記入射光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号電荷を処理する信号処理部とを備え、
前記固体撮像装置は、
前記入射光を光電変換する前記固体撮像装置の受光部の受光面に形成した絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成した負電圧を印加する膜とを有し、
前記絶縁膜は前記入射光を透過する絶縁膜からなり、
前記受光部の受光面にホール蓄積層が形成される
ことを特徴とする撮像装置。 - 入射光を集光する集光光学部と、
前記集光光学部で集光した前記入射光を受光して光電変換する固体撮像装置と、
光電変換された信号電荷を処理する信号処理部とを備え、
前記固体撮像装置は、
前記入射光を信号電荷に変換する前記固体撮像装置の受光部の受光面側上層に形成した絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成したもので前記光電変換する受光部の受光面側の界面よりも仕事関数の値が大きい膜と
を有することを特徴とする撮像装置。
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