JP2009176950A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流を抑制すると共に、上層の元素の拡散を抑制して、フォトダイオードやトランジスタの信頼性を向上させることを可能にする固体撮像素子を提供する。
【解決手段】フォトダイオード２及び正電荷蓄積領域３が形成された半導体層１と、その上に形成された第１の絶縁膜４と、その上に形成された、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜５とを有し、第１の絶縁膜４及び第２の絶縁膜５が、フォトダイオードが形成された領域２の半導体層１上に形成されており、第１の絶縁膜４が第２の絶縁膜５の元素の拡散を抑制する特性を有する固体撮像素子２０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に係わる。

ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ固体撮像素子では、フォトダイオードにおける結晶欠陥や、シリコン基板に形成された受光部とその上の絶縁層との界面における界面準位が、暗電流の原因となることが知られている。

即ち、図６Ａに模式的断面図を示し、図６Ｂにポテンシャル図を示すように、フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン層５１と、その上の絶縁層５２との界面において、×印で示す界面準位が発生している。この界面準位が暗電流の発生源となり、界面に起源する電子が、暗電流となってフォトダイオードＰＤに流れ込む。

そこで、暗電流の発生を制御する技術として、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulation Diode）構造が採用されている（例えば、特許文献１を参照。）。
具体的には、図７Ａに模式的断面図を示し、図７Ｂにポテンシャル図を示すように、シリコン層５１の表面付近にｐ型の不純物を導入して、ｐ^＋の半導体領域を形成して、このｐ^＋の半導体領域を、正電荷（ホール）を蓄積するための正電荷蓄積領域５３とする。
このように、界面に正電荷蓄積領域５３を形成したＨＡＤ構造とすることにより、フォトダイオードＰＤを界面から離して、界面準位を発生源とする暗電流を抑制することが可能になる。

一般に、ＨＡＤ構造を形成する際には、Ｂ，ＢＦ_２のようなイオンをアニール温度でイオン注入することにより、界面付近に正電荷蓄積領域５３となるｐ^＋の半導体領域を形成している。
そして、従来のイオン注入プロセスでは、注入したイオンの適正な拡散及び活性化を図るため、できるだけ長い時間高い温度を保持することが不可欠となっている。

特開２００５−１２３２８０号公報

しかしながら、高い温度を長時間保持することは、固体撮像素子の特性等を充分に確保する観点からは、望ましくない。

そこで、図８Ａに模式的断面図を示し、図８Ｂにポテンシャル図を示すように、フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン層５１の上に形成する絶縁層として、通常の絶縁層５２の代わりに、負の固定電荷５４を有する絶縁層５５を形成することが考えられる。
これにより、図８Ｂに示すように、バンドを曲げて、特に界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。

このような負の固定電荷５４を有する絶縁層５５の材料としては、例えば、ＨｆＯ_２が挙げられる。

しかしながら、ＨｆＯ_２層を、フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン層やＭＯＳトランジスタの周辺のシリコン層の上に直接形成した場合には、界面トラップが高くなるに従い、Ｈｆの拡散の問題が発生するようになる。
そして、フォトダイオードやトランジスタのシリコン層にＨｆが拡散すると、その特性や信頼性を悪化させることになる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、暗電流を抑制すると共に、上層の元素の拡散を抑制して、フォトダイオードやトランジスタの信頼性を向上させることを可能にする固体撮像素子を提供するものである。また、この固体撮像素子の製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、フォトダイオードが形成され、このフォトダイオードの表面に正電荷蓄積領域が形成された半導体層と、この半導体層上に形成された第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜上に形成された、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜とを有し、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜が、少なくとも、フォトダイオードが形成された領域の半導体層上に形成されており、第１の絶縁膜が第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有するものである。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体層にフォトダイオードを形成する工程と、フォトダイオードの表面の半導体層に、正電荷蓄積領域を形成する工程と、少なくとも、フォトダイオードが形成された領域の半導体層上に、第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜上に、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜を形成する工程とを有し、第１の絶縁膜として、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有する絶縁膜を形成するものである。

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜によって、フォトダイオード及び正電荷蓄積領域が形成された半導体層の界面付近（表面付近）に、正電荷（ホール）を蓄積させることができる。これにより、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することが可能になる。
また、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有する第１の絶縁膜上に、第２の絶縁膜を形成していることにより、第１の絶縁膜によって、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制することが可能になる。

上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、第１の絶縁膜上に、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜として、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有する絶縁膜を形成することにより、第１の絶縁膜によって、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制することが可能になる。
また、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜を形成することにより、フォトダイオード及び正電荷蓄積領域が形成された半導体層の界面付近（表面付近）に、正電荷（ホール）を蓄積させることが可能な構造となる。これにより、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することが可能になる。

上述の本発明によれば、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することが可能になる。
また、第１の絶縁膜によって、第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制して、フォトダイオードやトランジスタの特性や信頼性を確保することが可能になる。
従って、本発明により、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することが可能になる。

本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の要部の概略断面図を、図１に示す。
図１は、固体撮像素子の撮像領域（イメージエリア）の断面図を示している。
本実施の形態は、本発明を、ＣＭＯＳ固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合を示している。

この固体撮像素子２０は、図１に示す撮像領域（イメージエリア）において、シリコン基板１に対して、入射光を受光検出するためのフォトダイオードの不純物領域（以下、「フォトダイオード領域」と呼ぶこととする）２と、ＭＯＳトランジスタ１０とが、設けられている。

フォトダイオード領域２は、例えば、シリコン基板１のｐ型半導体領域内に、ｎ型の不純物が導入されて成る、ｎ型半導体領域によって構成されている。
そして、図７及び図８に示した場合と同様に、フォトダイオード領域２が形成されているシリコン基板１の表面付近に、ｐ型の不純物が導入されて成るｐ^＋の正電荷蓄積領域３が形成されている。
これにより、フォトダイオードが、いわゆるＨＡＤ構造となっている。

それぞれの画素には、フォトダイオード領域２及び１個以上のＭＯＳトランジスタ１０が、それぞれ形成されている。図１においては、１つの画素における、フォトダイオード領域２及び１個のＭＯＳトランジスタ１０を示している。

ＭＯＳトランジスタ１０は、シリコン基板１内に形成される、図示しない、ソース／ドレイン領域及びチャネル領域等と、シリコン基板１上にゲート絶縁膜１１を介して形成されたゲート電極１２とによって、構成される。
また、本実施の形態では、ゲート電極１２の側面に、絶縁層から成るサイドウォール１３が形成されている。

図中右側には、シリコン層１に絶縁層が埋め込まれて成るトレンチ型の素子分離層１４が形成されている。この素子分離層１４は、隣接する画素の間や、撮像領域と周辺回路との間に形成されている。

ＭＯＳトランジスタ１０のゲート電極１２には、メタルコンタクト７を介して、金属配線８が接続されている。この金属配線８は、例えばＡｌにより形成されており、ＭＯＳトランジスタ１０への光の入射による誤動作を防止するための、遮光膜をも兼ねている。
さらに、金属配線８を覆って、層間絶縁層（埋め込み層）９が形成されている。この層間絶縁層９は、その表面が平坦化されている。
そして、層間絶縁層９の平坦化された表面上の、フォトダイオード領域２の上方の箇所に、入射光を集光するためのマイクロレンズ１５が設けられている。

本実施の形態の固体撮像素子２０においては、特に、シリコン基板１上に、第１の絶縁膜４を介して、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜５を形成している。
これら第１の絶縁膜４及び第２の絶縁膜５は、フォトダイオード領域２が形成されている領域及びＭＯＳトランジスタ１０が形成されている部分のシリコン基板１上に、形成されている。
この第２の絶縁膜５の上には、ＳｉＯ_２層６を介して、上述の金属配線８が形成されている。メタルコンタクト７は、ＳｉＯ_２層６と第２の絶縁膜５と第１の絶縁膜４を貫通して、ゲート電極１２に接続されるように、形成されている。

第２の絶縁膜５としては、負の固定電荷を有する、ＨｆＯ_２膜や、Ｈｆ，Ｌａ，Ｙ，Ａｌ，Ｔａから選ばれる金属元素の酸化物を含む膜等が、挙げられる。
ＨｆＯ_２膜は、屈折率が約２である。これにより、好適な膜厚を調整すれば、ＨｆＯ_２膜によって、反射防止効果を得ることも可能になる。

第１の絶縁膜４としては、第２の絶縁膜５の金属元素（Ｈｆ，Ｌａ，Ｙ，Ａｌ，Ｔａ等）の拡散を抑制する特性を有する膜を使用する。このような特性を有する膜としては、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜のような窒化物の膜が好適である。窒化物は、良好な拡散バリアとなると共に、高い絶縁性を有し、界面トラップが少ないため、フォトダイオードやトランジスタの特性や信頼性の低下をほとんど生じない。
第１の絶縁膜４となる窒化物の膜は、例えば、高周波又はマイクロ波プラズマを使用して、成膜することができる。

ＳｉＯ_２層６は、第２の絶縁膜（ＨｆＯ_２膜等）５をエッチングするプロセスにおいて、他の金属層との反応又は混合や、その他の反応を防ぐことを目的として設けられている。

金属元素の拡散を抑制する特性を有する第１の絶縁膜４を介して、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜５を形成しているので、シリコン基板１上に直接負の固定電荷を有する絶縁膜を形成する場合と比較して、金属元素のシリコン基板１への拡散を抑制することが可能になる。

なお、図示しないが、撮像領域のＭＯＳトランジスタ１０と同様に、周辺回路にもＭＯＳトランジスタが設けられている。
ただし、通常、撮像領域では一方の導電型（Ｐ或いはＮ）のＭＯＳトランジスタのみが形成されるが、周辺回路では両方の導電型のＭＯＳトランジスタ、即ちＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタの両方が、それぞれ形成される。
この周辺回路のＭＯＳトランジスタが形成されている部分のシリコン基板１上にも、第１の絶縁膜４及び第２の絶縁膜５を形成する。

また、ＣＭＯＳ固体撮像素子では、各部に電圧を供給したり、信号を伝送したりするために、配線層が１層以上設けられる。
配線層の側から光を入射させる、いわゆる表面照射型とする場合には、図１の層間絶縁層９内に１層以上の配線層が設けられる。
配線層とは逆の側から光を入射させる、いわゆる裏面照射型とする場合には、図１のシリコン基板１の下方に、１層以上の配線層及び各配線層を絶縁する絶縁層が設けられる。

なお、図１ではカラーフィルタを形成していないが、カラー用の固体撮像素子であって、入射光を複数の光に分離せずに１つの固体撮像素子で受光検出する場合には、通常、カラーフィルタを形成する。
本実施の形態の構成においてカラーフィルタを形成する場合には、層間絶縁層９とマイクロレンズ１５との間に、それぞれの画素毎に対応する色のカラーフィルタを形成する。

その他の構成は、ＣＭＯＳ固体撮像素子の通常の構成と同様である。

本実施の形態の固体撮像素子は、例えば、次のようにして、製造することができる。
図２Ａに示すように、フォトダイオード領域２、正電荷蓄積領域３、並びに、トランジスタ１０のゲート電極１２、素子分離層１４等が、シリコン基板１に形成されている状態から説明する。

まず、図２Ｂに示すように、第１の絶縁膜４を、フォトダイオード領域２及びトランジスタ１０全体を覆って形成する。また、図示しないが、第１の絶縁膜４を、周辺回路のトランジスタ上にも形成する。
第１の絶縁膜４としてＳｉＮ膜を形成する場合には、例えば、ＲＦ出力を２００〜９００Ｗで、圧力を０．１Ｐａ〜１０Ｐａとした、プラズマ窒化物プロセスにより、１ｎｍ〜３ｎｍの厚さ、例えば２ｎｍ程度の厚さで形成する。原料ガスとしては、例えば、Ｎ_２又はＮＨ_３とＳｉＨ_４とを使用する。

次に、図３Ｃに示すように、第１の絶縁膜４上に、第２の絶縁膜５を形成する。このとき、第２の絶縁膜５を、フォトダイオード領域２及びトランジスタ１０全体の上方に形成する。また、図示しないが、第２の絶縁膜５を、周辺回路のトランジスタの上方にも形成する。
第２の絶縁膜５としてＨｆＯ_２膜を形成する場合には、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition；原子層成長）法又はＰＶＤ（物理的気相成長）法により、５０ｎｍ〜６０ｎｍの厚さで形成する。
第２の絶縁膜５として、Ｌａ，Ｙ，Ａｌ，Ｔａの各酸化膜を形成する場合も、同様の方法により形成することが可能である。

次に、図３Ｄに示すように、フォトダイオード領域２及び周辺回路のＭＯＳトランジスタの上方の第２の絶縁膜５の上に、ＳｉＯ_２層６を形成する。このＳｉＯ_２層６は、ＨｆＯ_２膜等の第２の絶縁膜５をエッチングする後の工程において、他の金属層との反応又は混合や他の反応を防ぐことを目的として形成するものである。
ＳｉＯ_２層６は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）やＮＳＧ（ノンドープシリケートガラス）等により、６００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さに形成する。

その後、ＳｉＯ_２層６、第２の絶縁膜５及び第１の絶縁膜４に対して、ドライエッチングを行うことにより、撮像領域内のＭＯＳトランジスタ１０のゲート電極１２、並びに、周辺回路のトランジスタのゲート電極及びソース・ドレイン領域に、それぞれ達するように、コンタクトホールを形成する。
そして、図４Ｅに示すように、コンタクトホール内を導電材料で埋めることにより、メタルコンタクト７を形成する。このメタルコンタクト７の厚さは、例えば、３０ｎｍ〜３００ｎｍとする。
メタルコンタクト７の材料としては、例えば、Ｗ，Ｔｉ，Ｍｂ，Ｃｕ及びそれらの合金を含む材料を使用することができる。
また、例えば、Ｔｉ等を下地膜として用いて、Ｗ等を埋め込んだ積層構造のメタルコンタクト７とすることも可能である。

次に、金属層を全面的に形成した後に、この金属層をパターニングすることにより、図４Ｆに示すように、遮光膜を兼ねる金属配線８を形成する。この金属配線８は、周辺回路のトランジスタ上及び撮像領域のトランジスタ１０上に形成され、フォトダイオード領域２上には残らないように、パターニングする。
この金属配線８は、例えば、６００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さに形成する。
金属配線８の材料としては、前述したＡｌの他にも、Ｃｕ，Ｌａ，Ｔｉ，Ｔａや、これらの金属元素の合金等も使用することが可能である。

次に、金属配線８を覆って全面的に、層間絶縁層（埋め込み層）９を形成する。
この層間絶縁層（埋め込み層）９としては、例えば、高濃度プラズマ（ＨＤＰ）により、ＳｉＯ_２層を、８００ｎｍ〜１２００ｎｍの厚さに形成する。
その後、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法等により、図５Ｇに示すように、層間絶縁層（埋め込み層）９の表面を平坦化処理する。

続いて、図５Ｈに示すように、フォトダイオード領域２の上方の層間絶縁層９の上に、マイクロレンズ１５を形成する。
なお、カラーフィルタを形成する場合には、マイクロレンズ１５を形成する工程よりも前に、カラーフィルタを形成する工程を行う。
このようにして、図１に示した固体撮像素子２０を製造することができる。

上述の本実施の形態の固体撮像素子２０の構成によれば、シリコン基板１上に、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜５を形成していることにより、図８Ａ及び図８Ｂに示したと同様に、バンドを曲げて、界面付近（シリコン基板１の表面付近）に正電荷（ホール）を蓄積させることができる。
これにより、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することが可能になる。

また、上述の本実施の形態の固体撮像素子２０の構成によれば、シリコン基板１上に、第２の絶縁膜５の金属元素の拡散を抑制する特性を有する第１の絶縁膜４を介して、第２の絶縁膜５を形成している。
これにより、第２の絶縁膜５からシリコン基板１への金属元素の拡散を抑制して、フォトダイオード、撮像領域のトランジスタ１０、周辺回路のトランジスタにおいて、特性を維持し、信頼性を向上させることが可能になる。
従って、本実施の形態により、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することが可能になる。

なお、図１に示したように、シリコン基板１にフォトダイオード領域２を形成する代わりに、シリコン基板上のシリコンエピタキシャル層にフォトダイオード領域を形成することも可能である。

上述の実施の形態では、ＣＭＯＳ固体撮像素子に本発明を適用した場合であったが、本発明は、その他の構成の固体撮像素子にも適用することができる。
例えば、ＣＣＤ固体撮像素子においても、電荷を転送する転送電極付近のシリコン層（シリコン基板やシリコンエピタキシャル層）へ、Ｈｆ等の元素が拡散すると、特性を損なうことになる。
従って、本発明をＣＣＤ固体撮像素子に適用することにより、転送電極付近のシリコン層へのＨｆ等の元素の拡散を抑制して、良好な特性と信頼性とを実現することができる。

上述の実施の形態では、フォトダイオードを形成する半導体層として、シリコン基板１を使用していたが、本発明においては、シリコン以外の半導体（他のＩＶ族元素や化合物半導体）を半導体層に使用した場合にも、適用することが可能である。

本発明は、上述の実施の形態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。

本発明の一実施の形態の固体撮像素子の要部の概略断面図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 Ｃ、Ｄ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 Ｅ、Ｆ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 Ｇ、Ｈ 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図である。 Ａ、Ｂ フォトダイオードのシリコン層上に絶縁層を形成した場合を説明する図である。 Ａ、Ｂ ｐ^＋半導体領域を形成してＨＡＤ構造とした場合を説明する図である。 Ａ、Ｂ フォトダイオードのシリコン層上に負の固定電荷を有する絶縁層を形成した場合を説明する図である。

符号の説明

１ シリコン基板、２ フォトダイオード領域、３ 正電荷蓄積領域、４ 第１の絶縁膜、５ 第２の絶縁膜、６ ＳｉＯ_２層、７ メタルコンタクト、８ 金属配線（遮光膜）、９ 層間絶縁層、１０ トランジスタ、１１ ゲート絶縁膜、１２ ゲート電極、１３ サイドウォール、１５ マイクロレンズ

Claims (5)

1. フォトダイオードが形成され、前記フォトダイオードの表面に正電荷蓄積領域が形成された半導体層と、
   前記半導体層上に形成された第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上に形成された、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜とを有し、
   前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜が、少なくとも、前記フォトダイオードが形成された領域の前記半導体層上に形成されており、
   前記第１の絶縁膜が、前記第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有する
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記半導体層にトランジスタが形成され、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜が、前記トランジスタが形成された部分の前記半導体層上にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の絶縁膜が、ＳｉＮ又はＳｉＯＮから成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記第２の絶縁膜が、Ｈｆ，Ｌａ，Ｙ，Ａｌ，Ｔａから選ばれる金属元素の酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 半導体層にフォトダイオードを形成する工程と、
   前記フォトダイオードの表面の前記半導体層に、正電荷蓄積領域を形成する工程と、
   少なくとも、前記フォトダイオードが形成された領域の前記半導体層上に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１の絶縁膜上に、負の固定電荷を有する第２の絶縁膜を形成する工程とを有し、
   前記第１の絶縁膜として、前記第２の絶縁膜の元素の拡散を抑制する特性を有する絶縁膜を形成する
   ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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