JP2009290089A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有効画素領域およびＯＢ領域の暗電流を低減でき、ＯＢ段差をも低減できる固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１０２の上方に配置された、水素を含有する反射防止膜１０６と、反射防止膜１０６の上方に配置された水素拡散防止膜１０７とを備える。本構成によれば、水素供給源である反射防止膜１０６から半導体基板１０１表面へ、効率よく水素を供給することができ、暗電流の絶対量を低減することができる。また、水素供給膜である反射防止膜１０６を遮光膜１０９より下方に形成することで、水素供給量の違いにより生じるオプティカルブラック領域と有効画素領域との間の暗出力オフセットを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、暗電流の発生を防止する技術に関する。

近年、固体撮像装置において高画素化、低コスト化の要求に応じて、画素サイズの縮小が急速に進んでいる。この画素サイズの縮小に伴い、各画素の受光部を構成するフォトダイオードの実効的な受光領域が縮小し、画素の信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が低下している。画素において発生するノイズの主要因は、表面に酸化膜が形成されたシリコン基板の酸化膜界面に存在するダングリングボンド(未結合手)に起因して発生する界面準位を介して流れる暗電流である。

暗電流を防止する方法としては、受光部が形成されたシリコン基板上に水素を含有する膜を形成し、当該膜中に含まれる水素原子をシリコン基板表面に移動させて、ダングリングボンドを終端することで界面準位を低減する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。水素供給源としては、遮光膜として形成される金属膜や保護膜として形成される窒化シリコン膜が使用されており、水素原子は、遮光膜や保護膜の成膜工程中、あるいは成膜後の熱処理中にシリコン基板へ移動する。

また、固体撮像装置は、受光部に光が入射する状態の画素が配置された有効画素領域と、遮光膜等により受光部への光入射が防止された状態の画素が配置されたオプティカルブラック領域（以下、ＯＢ領域という。）を有している。ＯＢ領域は、有効画素領域の周辺に配置されており、ＯＢ領域の画素から出力される信号が黒信号レベルの基準として使用される。

図２は、従来の固体撮像装置の有効画素領域およびＯＢ領域の、１つの画素を含む領域を示す断面図である。図２（ａ）が有効画素領域に対応し、図２（ｂ）がＯＢ領域に対応する。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、当該固体撮像装置は、半導体基板２０１の表面部に、Ｎ型の不純物領域からなるフォトダイオード２０２および垂直電荷転送領域２０３を備える。半導体基板２０１の表面にはゲート絶縁膜２０４が形成されており、ゲート絶縁膜２０４上に垂直転送電極２０５が形成されている。隣接する垂直転送電極２０５の間のフォトダイオード２０２上と垂直電荷転送領域２０３上には、反射防止膜２０６が形成されている。また、反射防止膜２０６が形成された半導体基板２０１上には、基板全面に形成された層間絶縁膜２０８を介して遮光膜２０９が形成されている。なお、図２（ａ）に示すように、有効画素領域に属するフォトダイオード２０２上の遮光膜２０９には、フォトダイオード２０２に光を入射させるための開口部２１１が形成される。また、図２（ｂ）に示すように、ＯＢ領域に属するフォトダイオード２０２上は遮光膜２０９に被覆されている。遮光膜２０９上には、保護膜２１２が形成され、当該保護膜２１２上に平坦化膜２１０が設けられている。
特開２００２−２０３９５３号公報

上記特許文献１が開示する構成では、水素供給膜である保護膜２１２が遮光膜２０９より上方に配置されている。当該構成では、遮光膜２０９に被覆されていない有効画素領域では、保護膜２１２が水素供給源となる。例えば、保護膜２１２としてプラズマＣＶＤにより形成される窒化シリコン膜を使用した場合、窒化シリコン膜には成膜時のプラズマに起因する水素が含まれるため、保護膜２１２からシリコン基板表面へ十分な水素が供給される。しかしながら、遮光膜２０９で完全に覆われているＯＢ領域では、遮光膜２０９のみから水素が供給されることになる。水素を含有するアルミニウムにより遮光膜２０９を構成した場合、遮光膜２０９を水素供給源として機能させることができる。しかしながら、アルミニウムの基板表面への水素供給能力は、プラズマＣＶＤにより形成される窒化シリコン膜の水素供給能力に比べて劣るため、シリコン基板表面へ十分に水素を供給することができない。その結果、有効画素領域のシリコン基板表面とＯＢ領域のシリコン基板表面とでは、界面準位の低減度合いが異なってしまう。すなわち、有効画素領域とＯＢ領域とでは暗電流の発生状況が異なり、光が入射しない状態での有効画素領域の各画素の出力（暗出力）とＯＢ領域の出力との間にオフセット（以下、ＯＢ段差という。）が生じることになる。図２に示した構成の場合には、有効画素領域の暗電流よりもＯＢ領域の暗電流が大きくなる。

上述のように、ＯＢ領域の画素が出力する信号は、有効画素領域の画素の黒信号レベルとして使用されるため、ＯＢ段差は、有効画素領域の画素のＳ／Ｎ比を低下させる。Ｓ／Ｎ比が大きい画素では問題とならないが、画素サイズの縮小がさらに進行し、感度の低下によるＳ／Ｎ比の低下がさらに顕著になると、このようなＯＢオフセットを許容することができなくなる。加えて、感度の低下によるＳ／Ｎ比の低下が顕著な固体撮像装置では、暗電流の絶対量を低減することが必要になる。

また、特許文献１では、シリコン基板表面への水素の供給を阻害する膜に水素供給用通路を設けることが開示されているが、このような水素供給用通路を形成するためには、加工用のマスクおよび加工工程が必要となるため、製造コストが増大することになる。

本発明は上記従来の問題を鑑みて提案されたものであって、有効画素領域およびＯＢ領域の暗電流を従来に比べて低減できるとともに、ＯＢ段差をも低減できる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、半導体基板と、半導体基板内に形成された受光部と、を備えた固体撮像装置を前提としている。そして、本発明に係る固体撮像装置は、受光部の上方に配置された、水素を含有する反射防止膜と、当該反射防止膜の上方に配置された水素拡散防止膜とを備える。

本構成によれば、水素供給源である反射防止膜から半導体基板表面へ、従来に比べて効率よく水素を供給することができる。その結果、暗電流の絶対量を低減することができる。

この固体撮像装置において、前記反射防止膜は、前記受光部が受光対象とする入射光の波長に応じて、当該入射光の反射を抑制する膜厚または屈折率に設定することが好ましい。また、水素拡散防止膜の屈折率は、反射防止膜の屈折率と同一とすることができる。水素拡散防止膜の上方に平坦化膜をさらに備える固体撮像装置では、平坦化膜の屈折率が反射防止膜の屈折率より小さく、かつ水素拡散防止膜が、平坦化膜と反射防止膜との中間の屈折率を有することが好ましい。さらに、水素拡散防止膜は、反射防止膜と接して配置されることが好ましい。例えば、反射防止膜は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。また、反射防止膜および水素拡散防止膜は、窒化シリコン膜とすることができる。

一方、他の観点では、本発明は、固体撮像装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、まず、半導体基板に受光部が形成される。次いで、受光部の上方に、水素を含有する反射防止膜が形成される。そして、反射防止膜の上方に、水素拡散防止膜が形成される。

本構成によれば、水素供給源である反射防止膜から半導体基板表面へ、従来に比べて効率よく水素を供給することができる。その結果、暗電流の絶対量を低減することができる。

本構成において、水素拡散防止膜は、反射防止膜上に接して形成されることが好ましい。例えば、反射防止膜は、プラズマＣＶＤ法により形成することができる。なお、水素拡散防止膜の成膜温度は、常温以上かつ反射防止膜から水素の離脱が発生する温度未満であることが好ましく、特に４５０℃未満であることが好ましい。これにより、反射防止膜の上方に水素拡散防止膜を形成する際に、反射防止膜から離脱した水素が外部へ放散されることを防止でき、反射防止膜の水素供給能力低下を防止することができる。

本発明によれば、受光部表面における光の反射率を低下させる反射防止膜を水素含有物質で形成し、その上方に水素拡散防止膜を形成することで、基板表面に効率よく水素を供給することができる。その結果、従来構造に比べて暗電流の絶対量を低減することができる。また、本発明によれば、遮光膜より下方に水素供給膜である反射防止膜を形成することで、有効画素領域、ＯＢ領域のいずれであっても水素供給量の違いにより生じるＯＢ段差をほぼゼロにすることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態では、本発明を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置の事例により具体化している。

図１は、本発明の一実施形態における固体撮像装置の有効画素領域およびＯＢ領域の、画素を含む領域を示す断面図である。図１（ａ）が有効画素領域に対応し、図１（ｂ）がＯＢ領域に対応する。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）では、１画素に対応する領域のみを示しているが、有効画素領域には複数の画素がマトリクス状に配列されており、有効画素領域の周辺に設けられたＯＢ領域にも複数の画素が設けられている。以下、本実施形態に係る固体撮像装置の構造を、その製造工程とともに説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、有効画素領域の画素およびＯＢ領域の画素は、シリコンからなる半導体基板１０１の表面部に、フォトダイオード（受光部）１０２および垂直電荷転送領域１０３を備える。フォトダイオード１０２は、入射した光に基づいて信号電荷を生成する。垂直電荷転送領域１０３は、フォトダイオード１０２において生成された信号電荷を読み出して、垂直方向（図１（ａ）、（ｂ）では、紙面に垂直な方向）に転送する。ここでは、半導体基板１０１は、Ｎ型のシリコン基板であり、フォトダイオード１０２および垂直電荷転送領域１０３は、当該半導体基板１０１の表面部に形成されたＰ型のウェル領域にイオン注入等により形成されたＮ型の不純物領域からなる。なお、図示を省略しているが、垂直電荷転送領域１０３と、当該垂直電荷転送領域１０３の信号電荷読み出し対象ではないフォトダイオード１０２との間には、Ｐ型の不純物領域からなるチャネルストップ領域が設けられている。

フォトダイオード１０２の不純物濃度は、光電変換が可能な濃度であればよいが、２．０Ｅ１６〜２．０Ｅ１７ｃｍ^-3程度に調整されることが好ましい。また、フォトダイオード１０２は、基板表面から２．５〜３．０μｍ程度の深さにわたって形成されていることが適当である。一方、垂直電荷転送領域１０３の不純物濃度は、５．０Ｅ１５〜４．０Ｅ１６ｃｍ^-3程度であることが好ましい。また、垂直電荷転送領域１０３は、基板表面から０．１５〜０．４μｍ程度の深さにわたって形成されていることが適当である。

半導体基板１０１の表面には、熱酸化法等により、膜厚が２０〜４５ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜１０４が形成されている。ゲート絶縁膜１０４の上面には、フォトダイオード１０２で生成された信号電荷の垂直電荷転送領域１０３への読み出し、並びに、当該信号電荷の外部への転送を制御するドープドポリシリコンからなる垂直転送電極１０５が、リソグラフィ技術を適用することにより設けられる。なお、垂直転送電極１０５の上面および側面には、熱酸化法等によりシリコン酸化膜が形成される。

さて、本実施形態の固体撮像装置は、フォトダイオード１０２上と垂直転送電極１０５上とを被覆する反射防止膜１０６を備える。反射防止膜１０６は、水素を含有する物質からなる。本実施形態では、反射防止膜１０６として、プラズマＣＶＤ法によって形成した窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）を採用している。プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＮ膜には、成膜時のプラズマで発生した水素が含まれるため、水素供給源として有効に機能する。

反射防止膜１０６は、膜中に含まれる水素を基板表面に供給する水素供給源として機能し、基板表面に水素を供給することで界面準位を低減させる。なお、反射防止膜１０６として、プラズマＣＶＤ法によって形成したＳｉＮ膜を採用した場合、反射防止膜１０６から水素を離脱させ、基板表面へ水素を供給するためには、４５０℃以上の熱処理が必要になる。当該熱処理は、例えば、以降で形成される層間絶縁膜１０８の成膜時や、遮光膜１０９形成後の平坦化膜１１０成膜時、その後のリフローと兼ねることができる。また、当該熱処理を独立した処理として実施することも当然に可能である。

また、本実施形態の固体撮像装置は、反射防止膜１０６上に、反射防止膜１０６を被覆する水素拡散防止膜１０７を備える。水素拡散防止膜１０７は、水素の透過が困難な緻密な膜からなる。水素拡散防止膜１０７としては、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure CVD）法によって形成されたＳｉＮ膜、あるいは、プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＮ膜のうち、水素透過性の低いもの（膜密度が高いもの）を使用することができる。

なお、水素拡散防止膜１０７の成膜温度は、常温以上４５０℃未満の温度であることが好ましい。４５０℃以上の場合、水素拡散防止膜１０７の成膜時に、最表面に露出している反射防止膜１０６から離脱した水素が外部に放散されて、基板表面への水素供給能力が低下してしまうことになる。また、常温未満では成膜が困難である。

また、反射防止膜１０６はフォトダイオード１０２に入射する光（受光対象の光）の波長に応じて、適切な反射率となるように、膜厚、屈折率が設定される。反射防止膜１０６の反射率は、反射防止膜の屈折率をｎ、厚さをｄ、入射光の波長をλとすると、光学的膜厚ｎ×ｄが（λ／４）の奇数倍であるときに最小となるので、当該関係を利用して膜厚または屈折率を設定することができる。なお、膜厚および屈折率の一方が固定されている場合は、他方を当該条件に合致する状態に設定すればよく、双方を設定可能である場合は、当該条件に合致する状態に双方を適宜設定すればよい。

水素拡散防止膜１０７の屈折率は反射防止膜１０６と同じであるか、反射防止膜１０６と平坦化膜１１０の中間の屈折率を選択する。これにより、平坦化膜１１０と水素拡散防止膜１０７、および水素拡散防止膜１０７と反射防止膜１０６の界面での反射を抑制することができる。なお、平坦化膜１１０の屈折率は、反射防止膜１０６の屈折率よりも小さくなっている。例えば、反射防止膜１０６がＳｉＮ膜（屈折率：約２．０）であり、平坦化膜１１０がアクリル樹脂（屈折率：約１．５）である場合、水素拡散防止膜１０７を構成するＳｉＮ膜の屈折率は、１．５〜２．０の間に設定されることが好ましい。なお、本実施形態では、半導体基板１０１はシリコン基板であるので屈折率は約３．５である。

上述のように、反射防止膜１０６をプラズマＣＶＤ法によって形成されるＳｉＮ膜とし、水素拡散防止膜１０７をプラズマＣＶＤ法、あるいはＬＰＣＶＤ法によって形成されるＳｉＮ膜とした場合、屈折率を双方ともに２．０としたときは、反射防止膜１０６、水素拡散防止膜１０７の二層を合わせた膜厚は約７０〜７５ｎｍ（対象波長５５０〜５９０ｎｍ）とすることができる。双方の屈折率を同一にした場合、水素拡散防止膜１０７と反射防止膜１０６とが一体で反射防止膜として機能することになる。

本構成では、水素供給源である反射防止膜１０６に接して水素拡散防止膜１０７が形成されているため、反射防止膜１０６から上方への水素原子の移動（拡散）が防止される。その結果、水素原子は、熱処理時に、主として反射防止膜１０６から半導体基板１０１へ拡散することになり、水素拡散防止膜１０７を有しない従来構造に比べて、効率よく半導体基板１０１表面のダングリングボンドを終端することができる。その結果、従来に比べて、暗電流の絶対量を低減することができる。なお、反射防止膜１０６と水素拡散防止膜１０７とは、接して配置されることが好ましいが、他の膜が介在していてもよい。

水素拡散防止膜１０７が形成された半導体基板１０１上の全面には膜厚が１０〜８０ｎｍ程度のシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜１０８が形成される。層間絶縁膜１０８上には有効画素領域に属するフォトダイオード１０２以外の領域に光が入射することを防止する遮光膜１０９が形成されてる。なお、図１（ａ）に示すように、有効画素領域に属するフォトダイオード１０２上の遮光膜１０９には、フォトダイオード１０２に光を入射させるための開口部１１１が形成される。本実施形態では、開口部１１１は矩形の平面形状を有し、サイズは０．６μｍ×１．０μｍ程度である。また、図１（ｂ）に示すように、ＯＢ領域に属するフォトダイオード１０２上は遮光膜１０９に被覆されている。当該遮光膜１０９を構成する材料は、遮光性を有する物質であれば特に限定されないが、アルミニウム、タングステンシリサイド等を使用することができる。

以上のようにして、遮光膜１０９が形成された半導体基板１０１上には、膜厚が１００ｎｍ程度のＳｉＮ膜等からなる保護膜１１２が形成され、当該保護膜１１２上に平坦化膜１１０が設けられる。平坦化膜１１０は、遮光膜１０９および垂直転送電極１０５等により形成された段差を平坦化する膜であり、例えば、アクリル樹脂等により構成することができる。平坦化膜１１０の表面は、公知のエッチバック法等により平坦化される。平坦化膜１１０の膜厚は、１０００ｎｍ程度である。図示を省略しているが平坦化膜１１０上には、個々のフォトダイオード１０２に対応して、フィルタやオンチップマイクロレンズが必要に応じて形成される。

本実施形態の固体撮像装置において発生する暗電流およびＯＢ段差を測定したところ、６０℃の温度条件下でそれぞれ０．５ｍＶ、０．０４ｍＶであった。これに対し、図２に示す従来の固体撮像装置において発生する暗電流およびＯＢ段差を同一の条件下で測定したところ、それぞれ１．１ｍＶ、０．２ｍＶであった。この結果より、本実施形態の固体撮像装置の構造により、発生する暗電流を約１／２に低減でき、ＯＢ段差を約１／５に低減できることが理解できる。

以上説明したように、本発明によれば、受光部表面における光の反射率を低下させる反射防止膜を水素含有物質で形成し、その上方に水素拡散防止膜を形成することで基板表面に効率よく水素を供給することができる。その結果、暗電流を抑制することができる。また、遮光膜より下方に水素供給源である反射防止膜を形成する構成では、有効画素領域およびＯＢ領域において、反射防止膜がフォトダイオードを同様に被覆しているため、有効画素領域、ＯＢ領域のいずれであっても基板表面へ水素を同様に供給することができる。その結果、ＯＢ段差をほぼゼロにすることができる。したがって、画素のノイズを低減することができ、画素のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、反射防止膜および水素拡散防止膜を遮光膜の下方および基板全面に形成する構成では、水素供給用通路の形成が不要であり、水素供給用通路形成のためのマスクおよびその形成工程も不要である。しかしながら、反射防止膜および水素拡散防止膜は基板全面に形成することは必須ではなく、少なくともフォトダイオード上を被覆するパターンとして形成されてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記実施形態では、遮光膜の下層に、反射防止膜および水素拡散防止膜を形成した構成を説明したが、有効画素領域に属する画素の暗電流の絶対量のみを低減する観点では、反射防止膜および水素拡散防止膜は遮光膜より上方に形成することもできる。また、上記実施形態ではフォトダイオード上の層内レンズについては記述しなかったが、集光のため形状が最適化された層内レンズが設けられてもよい。また、本発明の固体撮像装置がカラー撮像用である場合には、フォトダイオード毎にマゼンタ、シアン、イエローまたはグリーンのカラーフィルタが設けられる。本発明の固体撮像装置が赤外線撮像用であれば、各フォトダイオード上に赤外線フィルタが設けられる。さらに、上記では、ＣＣＤ型固体撮像装置に適用した事例について説明したが、本発明は、ＭＯＳ型固体撮像装置についても同様に適用可能である。

以上説明したように、本発明は、固体撮像装置において画素サイズの微細化が進む中で重要な基本特性である暗電流、ＯＢ段差をともに低減できるという効果を有し、出力画像の画質が要求されるデジタルスチルカメラ等に使用される固体撮像装置およびその製造方法として有用である。

本発明の一実施形態における固体撮像装置を示す断面図 従来の固体撮像装置を示す断面図

符号の説明

１０１、２０１ 半導体基板
１０２、２０２ フォトダイオード(ＰＤ)
１０３、２０３ 垂直電荷転送領域
１０４、２０４ ゲート絶縁膜
１０５、２０５ 転送電極
１０６、２０６ 反射防止膜
１０７ 水素拡散防止膜
１０８、２０８ 層間絶縁膜
１０９、２０９ 遮光膜
１１０、２１０ 平坦化膜
１１１、２１１ 開口部
１１２、２１２ 保護膜

Claims (12)

1. 半導体基板と、前記半導体基板内に形成された受光部と、を備えた固体撮像装置において、
   前記受光部の上方に配置された、水素を含有する反射防止膜と、
   前記反射防止膜の上方に配置された水素拡散防止膜と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記反射防止膜は、前記受光部が受光対象とする入射光の波長に応じて、当該入射光の反射を抑制する膜厚または屈折率に設定される、請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記水素拡散防止膜の屈折率が前記反射防止膜と同一である、請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記水素拡散防止膜の上方に形成された平坦化膜をさらに備え、
   前記平坦化膜の屈折率が前記反射防止膜の屈折率より小さく、かつ前記水素拡散防止膜の屈折率が、前記平坦化膜と前記反射防止膜との中間である、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
5. 前記水素拡散防止膜が、前記反射防止膜に接して配置された請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記反射防止膜はプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成された膜である、請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記反射防止膜および前記水素拡散防止膜が窒化シリコン膜である、請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 固体撮像装置の製造方法において、
   半導体基板に受光部を形成する工程と、
   前記受光部の上方に、水素を含有する反射防止膜を形成する工程と、
   前記反射防止膜の上方に水素拡散防止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。
9. 前記水素拡散防止膜形成工程において、前記水素拡散防止膜が前記反射防止膜上に接して形成される、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記反射防止膜形成工程において、前記反射防止膜がプラズマＣＶＤ法により成膜される、請求項８または９記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記水素拡散防止膜の成膜温度が、常温以上かつ前記反射防止膜から水素の離脱が発生する温度未満である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記水素拡散防止膜の成膜温度が、４５０℃未満である請求項１１記載の固体撮像装置の製造方法。

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