JP2010016128A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置に於いて、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流レベルを十分に抑制し、且つ、両領域の暗電流の差を削減すること。
【解決手段】 受光画素領域（１５）と、遮光部材（１３）により遮光されたＯＢ領域（１４）とを有する撮像部を含む固体撮像装置であって、前記受光画素領域及び前記ＯＢ領域において、各画素の光電変換素子の上部に配された、水素を供給するための水素供給膜（７、１８）と、前記ＯＢ領域において、前記水素供給膜と前記遮光部材との間に構成された、水素の拡散を抑制するための拡散防止膜（９）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体撮像装置及びその製造方法に関し、更に詳しくは、固体撮像装置の撮像部における受光画素領域と遮光画素領域における暗電流の差を削減した固体撮像装置及びその製造方法に関する。

光電変換素子を含む固体撮像装置を１次元あるいは２次元に配列したイメージセンサは、ディジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに幅広く用いられている。固体撮像装置には例えばＣＣＤ撮像素子や増幅型固体撮像装置がある。通常、これらの固体撮像装置で撮像した静止画像や動画像を表示したり、記録したりする際に、撮像信号の明るさの基準として、撮像素子の光学的黒領域（オプティカルブラック領域、以降「ＯＢ領域」と記す。）のレベルが利用される。ＯＢ領域は、撮像素子の受光画素の内、遮光され、入射光に依存しない画素信号を出力する遮光画素領域を指す。通常、最上層の配線層をＯＢ領域全面に形成することにより、ＯＢ領域を遮光する。

これらの固体撮像装置においては、若干の界面準位の残存により、センサ部に全く光が当たらない状態でも電荷が発生し、発生した電荷による電流は暗電流と呼ばれている。この暗電流を低減するために、最上層の配線層形成後、水素シンター処理を行い、界面準位を下げている。この際、ＯＢ領域は最上層の配線層である遮光部材で覆われているため、水素シンター処理の効果が受光画素領域よりも得られない場合がある。そのため、ＯＢ領域では、受光画素領域よりも界面準位が下がりにくく、受光画素領域に比べて暗電流のレベルが高くなるという問題が生じる場合がある。

特許文献１では、周辺回路の上部に遮光膜を設けた場合に生じる周辺回路の暗電流が高くなることに対して、周辺回路の遮光部材の反射防止膜に用いられるＴｉ化合物が水素を吸着する性質を有することに着目している。そして、水素供給工程を設けることで暗電流を下げることを提案している。
また、特許文献２では、遮光部材下にシリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜から水素を供給することによって、暗電流の低下を促進している。

特開平７‐９４６９４号公報 特開平７‐２０２１６０号公報

固体撮像装置において、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流レベルを合わせることが重要である。すなわち、受光画素領域の暗電流を十分に低くした上で、ＯＢ領域の暗電流をこれに一致されることが望まれているが、特許文献１及び２に記載された方法は、この目的に対しては、必ずしも十分でない場合があった。

また、特許文献２のように水素を供給する膜を遮光膜より下層に配置しても、水素が遮光膜側へも拡散してしまうために、界面準位への水素の供給が不十分な場合がある。その場合、ＯＢ領域の暗電流を受光画素領域に揃えるには必ずしも十分ではない場合があった。

このように、受光画素領域とＯＢ領域とで暗電流のレベルが異なる場合には、暗電流レベル合わせのための回路を搭載するため、半導体のチップサイズが大きくなってしまう。このため、固体撮像装置において、暗電流レベル合わせのための回路が不要で、且つ、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流レベルを十分に抑制することが望まれている。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像装置に於いて、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流レベルを十分に抑制し、且つ、両領域の暗電流の差を削減することを目的とする。

上記目的を達成するために、受光画素領域と、遮光部材により遮光された遮光画素領域とを有する撮像部を含む本発明の固体撮像装置は、前記受光画素領域及び前記遮光画素領域において、各画素の光電変換素子の上部に配された、水素を供給するための水素供給膜と、前記遮光画素領域において、前記水素供給膜と前記遮光部材との間に構成された、水素の拡散を抑制するための拡散防止膜とを有する。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、固体撮像装置を水素ガスまたは窒素ガスの雰囲気で熱処理する熱処理工程を有する。

本発明によれば、固体撮像装置に於いて、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流レベルを十分に抑制し、且つ、両領域の暗電流の差を削減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。なお、各形態において説明される構成は適宜組み合わせも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明をＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合の第１の実施形態における光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。

図１において、第１の導電型の半導体基板であるシリコン基板１の表面に、第１の導電型とは逆導電型（第２の導電型）の半導体領域２が形成されている。第２導電型の半導体領域２は信号電荷と同導電型であり、信号電荷を蓄積する。この半導体領域２が、この光電変換装置における受光部分であり、光電変換素子を構成する。光電変換素子を他の回路素子から素子分離するために、半導体領域２と分離する回路素子との間に素子分離領域３が形成されている。ゲート絶縁膜４上には、例えば、ポリシリコンからなるゲート電極５が形成されている。

ゲート電極５の形成位置を挟んで、半導体領域２の反対側の位置において、シリコン基板１の表面には、第２導電型の半導体領域（ソース・ドレイン領域）６が設けられている。ゲート電極５及び半導体領域６により、半導体領域２に蓄積された電荷を転送するための転送トランジスタが構成される。

受光画素領域１５とＯＢ領域１４において、ゲート電極５および半導体領域２の上面を覆うように（光電変換素子上に）、シリコン窒化膜７が設けられている。このシリコン窒化膜７は、光電変換素子の受光面における反射防止膜の機能を有する。ここで反射防止膜とは、光電変換素子の受光表面での反射を低減させるために配される膜のことである。

また、シリコン窒化膜７は、同時に、ゲート絶縁膜４の界面準位をターミネートするための水素供給膜となる。シリコン窒化膜７は、プラズマＣＶＤ法や、枚葉式熱ＣＶＤで形成することが望ましい。また、その膜中に水素（Ｈ）を１×１０²²ｃｍ^-3以上の濃度で含んでいることが好ましい。

そして、本第１の実施形態では、特に図１に示すように、ＯＢ領域のシリコン窒化膜７の上部（水素供給膜上）にシリコン窒化膜７からの水素拡散を抑制するための拡散防止膜９を形成する。拡散防止膜９には、例えばアルミニウム膜（Al膜）、タングステン膜（W膜）、炭化シリコン膜（SiC膜）や酸化アルミニウム膜（Al₂O₃膜）を用いることができる。

拡散防止膜９を形成した後、層間絶縁膜１０ａとして全面にＮＳＧ膜およびＢＰＳＧ膜を堆積し、ＣＭＰ法によってＢＰＳＧ膜を平坦化する。さらに、半導体領域（ソース・ドレイン領域）６とゲート絶縁膜４とを、上層部の配線と接続するための接続部１１ａを形成する。

以降の工程は、通常の多層配線プロセスと同様であり、上層部の層間絶縁膜１０ｂおよび１０ｃ、接続部１１ｂおよび１１ｃ、配線１２ａ、１２ｂおよび１３等を形成する。

撮像素子の受光画素領域１５とＯＢ領域１４とはこの最上層の配線層（第１の実施形態では配線１３）が全面に半導体領域２を含む光電変換素子上を覆っているかどうかで規定される。

配線１３を形成した後、パッシベーション膜として例えば、シリコン酸化膜１６およびシリコン窒化膜１７を堆積する。シリコン酸化膜１６はシリコン酸窒化膜でもよい。

パッシベーション膜形成後、水素ガスや窒素ガスの雰囲気で熱処理を行う。この熱処理により、シリコン窒化膜７とシリコン窒化膜１７に含まれる水素がフォトダイオード部の表面、内部、およびゲート絶縁膜４に供給され、この水素によって界面準位がターミネートされる。この熱処理の際に、ＯＢ領域のシリコン窒化膜７の上部には拡散防止膜９が形成されているため、水素の外方拡散が抑制され、シリコン窒化膜７に含まれる水素をフォトダイオード２およびゲート絶縁膜４に効率的に供給することができる。

また、水素ガスや窒素ガス雰囲気での熱処理の温度や時間、ガス濃度を調整することにより、熱処理時に、受光画素領域へのパッシベーション膜であるシリコン窒化膜１７からの水素供給および熱処理での水素供給を調整することが可能になる。以上のように製造することにより、ＯＢ領域と受光画素領域との暗電流のレベル差を解消することができ、両者の暗電流レベルを揃えることができる。

上記の通り本第１の実施形態によれば、ＯＢ領域内のセンサ上部に水素供給膜および拡散防止膜を形成することにより、ＯＢ領域内では、水素供給膜から供給される水素の外方拡散を拡散防止膜によって防止することができる。これにより、光電変換素子の表面やゲート絶縁膜等への水素供給が十分に行われ、界面準位をターミネートすることができるため、ＯＢ領域の暗電流を低減することができる。また、パッシベーション膜形成後の熱処理の温度、時間、ガス比を調整することにより、受光画素領域の暗電流量を調整することが可能となる。以上のことより、暗電流レベル合わせのための回路を追加することなく、受光画素領域とＯＢ領域の暗電流のレベル差を縮小することができる。

また、遮光膜として複数の配線層の最上層を利用する場合にあっては、受光部と遮光膜は層間膜を介して離れているので、ＯＢ領域と受光画素領域の境界近傍では、受光画素領域側からの迷光がＯＢ領域の受光部にも入ることがある。そのため、本第１の実施形態のように、拡散防止膜として、アルミニウムなどの光透過率の低い膜を遮光膜より受光部に近い位置に配置すれば、ＯＢ領域の遮光特性を向上することができ、ＯＢ領域に必要な画素数を減らすことも可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図２は、本発明をＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合の第２の実施形態における光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。なお、同図において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、半導体領域２、素子分離領域３、半導体領域（ソース・ドレイン領域）６は図１と同様に形成するが、図２においては図示を省略する。また、層間絶縁膜１０ａ以降の構成も図１と同様に形成するが、図２においては図示を省略する。

本第２の実施形態の固体撮像装置は、ゲート電極５および半導体領域２上面を覆うように、シリコン窒化膜７およびシリコン酸化膜８が設けられている。このシリコン酸化膜８は、半導体領域（ソース・ドレイン領域）６を形成する際のマスクとなり、また半導体領域６を形成する際のイオン注入から半導体領域２を保護する機能を有する。ＯＢ領域のシリコン窒化膜７およびシリコン酸化膜８の上部にシリコン窒化膜７からの水素拡散を抑制するための例えばAl₂O₃からなる拡散防止膜９を形成する。また、拡散防止膜９として、水素を含まない、または水素含有量の少ないシリコン窒化膜を用いることも可能であり、例えば低圧ＣＶＤ法（ＬＰ‐ＣＶＤ法）によって形成されたシリコン窒化膜を用いることができる。

上記の通り本第２の実施形態によれば、水素供給膜であるシリコン窒化膜７を拡散防止膜９で覆う構造をとることで、シリコン窒化膜７に含まれる水素を半導体領域２やゲート絶縁膜４に、より効率的に供給することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、ＯＢ領域と受光画素領域との暗電流のレベル差を解消することができ、両者の暗電流レベルを揃えることができる。更に、光電変換素子の表面にシリコン酸化膜８を有することにより、暗電流をより低減することが可能となる。なお、このシリコン酸化膜８はゲート電極のサイドウォールを構成する部材としても用いることが可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図３は、本発明をＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合の第３の実施形態における光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。なお、同図において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、半導体領域２、素子分離領域３、半導体領域（ソース・ドレイン領域）６は図１と同様に形成するが、図３においては図示を省略する。また、層間絶縁膜１０ｂ以降の構成も図１と同様に形成するが、図３においては図示を省略する。

本第３の実施形態の固体撮像装置は、ゲート電極５の形成後、ゲート電極５および半導体領域２の上面を覆うように、シリコン窒化膜７およびシリコン酸化膜８が設けられている。

シリコン窒化膜７およびシリコン酸化膜８を形成した後、層間絶縁膜１０ａを堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜１０ａを平坦化し、接続部１１ａを形成する。

そして、本第３の実施形態では、特に図３に示すように、光電変換素子の上部、つまりＯＢ領域の層間絶縁膜１０ａの上に水素を供給するための例えばシリコン窒化膜からなる水素供給膜１８を形成する。言い換えると、水素供給膜１８が、最下層の配線層の底部、あるいは最下層の配線層と同一の高さに設けられている。水素供給膜１８には、プラズマＣＶＤ法や枚葉式熱ＣＶＤで形成したシリコン窒化膜を用いることが望ましい。そして、その膜中に水素（Ｈ）を１×１０²²ｃｍ^-3以上の濃度で含んでいることが好ましい。

水素供給膜１８形成後、水素供給膜１８の上部に水素供給膜１８からの水素拡散を抑制するための拡散防止膜９を形成する。拡散防止膜９には、例えばAl₂O₃膜を用いることができる。

上記の通り第３の実施形態によれば、反射防止膜であるシリコン窒化膜７および水素供給膜１８の両者より、水素がフォトダイオード２およびゲート絶縁膜４に供給され、ＯＢ領域の暗電流を低減することが可能である。よって、第１の実施形態と同様に、ＯＢ領域と受光画素領域との暗電流のレベル差を解消することができ、両者の暗電流レベルを揃えることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図４は、本発明をＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合の第４の実施形態における光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。なお、同図において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図１との違いは、拡散防止膜９を、シリコン窒化膜７上ではなく、配線１３の直下に設けた点である。また、図２及び図３と同様に、シリコン窒化膜７上にシリコン酸化膜８が構成されている。

上記の通り第４の実施形態によれば、ＯＢ領域の遮光部材となる最上層の配線１３直下に拡散防止膜９を構成することで、最上層の配線層のバリアメタルがチタン系である場合の水素の吸蔵を低減することが可能となる。更に、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る光電変換装置の受光画素領域とＯＢ領域の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…シリコン基板
２…半導体領域
３…素子分離領域
４…ゲート絶縁膜
５…ゲート電極
６…ソース・ドレイン領域
７…シリコン窒化膜
８…シリコン酸化膜
９…拡散防止膜
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…層間絶縁膜
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…接続部
１２ａ、１２ｂ…配線
１３…最上層の配線
１４…ＯＢ領域
１５…受光画素領域
１６…シリコン酸化膜
１７…シリコン窒化膜
１８…水素供給膜

Claims (11)

1. 受光画素領域と、遮光部材により遮光された遮光画素領域とを有する撮像部を含む固体撮像装置であって、
   前記受光画素領域及び前記遮光画素領域において、各画素の光電変換素子の上部に配された、水素を供給するための水素供給膜と、
   前記遮光画素領域において、前記水素供給膜と前記遮光部材との間に構成された、水素の拡散を抑制するための拡散防止膜と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記水素供給膜は、前記光電変換素子上に構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記水素供給膜は、最下層の配線層の底部に沿って形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記受光画素領域及び前記遮光画素領域の各画素の前記光電変換素子上に構成された水素供給膜を更に有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記拡散防止膜は、前記水素供給膜に積層して構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記受光画素領域においては前記水素供給膜上に構成され、前記遮光画素領域においては前記水素供給膜と前記拡散防止膜との間に構成された、前記光電変換素子の電荷を転送する転送トランジスタのゲート電極のサイドウォールとしても機能する絶縁膜を更に有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 前記水素供給膜は、入射光の反射を低減させる反射防止膜の機能を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記拡散防止膜は、前記遮光部材の直下に形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
9. 前記水素供給膜をシリコン窒化膜で構成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記拡散防止膜を酸化アルミニウム膜、アルミニウム膜、タングステン膜により構成したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置を水素ガスまたは窒素ガスの雰囲気で熱処理する熱処理工程を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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