JP2015023200A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定電荷膜に欠陥があっても、リーク電流の発生を防止することのできる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、光電変換部１が、半導体基板１００の光が入射される側の主面の内部に形成される。絶縁膜２は、上述の主面の上に形成される。固定電荷膜３は、絶縁膜２の上に形成される。不純物領域４は、固定電荷膜３に発生した欠陥３１の発生位置の直下の、半導体基板１００の内部に形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。

固体撮像素子を形成する半導体装置では、光電変換領域と絶縁膜との界面における界面準位の欠陥によって生じる電子に起因する暗電流を抑制するために、上述の界面近傍にＰ型不純物の濃度が高い正孔蓄積層が設けられる。

この正孔蓄積層を形成する方法として、従来、ボロン（Ｂ）などのＰ型不純物をイオン注入し、アニール処理（熱処理）する方法が用いられていた。ところが、この方法では、アニール処理やその後の熱処理で、Ｐ型不純物が光電変換領域へかなり拡散する。そのため、このＰ型不純物が拡散した領域では光電変換が行われなくなる。

その結果、特に、波長が短い青色光の場合、入射光が光電変換領域の表面近くまでしか進入しないため、その光電変換の感度が低下するという問題が生じる。

そこで、正孔蓄積層を薄くする方法として、高誘電率の金属酸化膜を用いて負の固定電荷を有する固定電荷膜を基板上面に形成し、基板界面にＰ型反転層を誘起する方法が用いられるようになった。これにより、Ｐ型不純物のイオン注入法では２００ｎｍ程度あった正孔蓄積層の深さを、１ｎｍ以下にまで浅くすることができるようになった。

しかし、固定電荷膜には、局所的な酸素欠陥が発生することがある。このような局所的な欠陥が発生すると、その欠陥部分にはＰ型反転層が誘起されない。すなわち、Ｐ型反転層に局所的な欠損が生じる。そのため、上述の界面準位の欠陥によって生じる電子が、このＰ型反転層の欠損部分を通り抜けてしまい、リーク電流が発生するという問題が生じる。

特開２０１１−１５１１２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、固定電荷膜に欠陥があっても、リーク電流の発生を防止することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

実施形態の半導体装置は、光電変換部と、絶縁膜と、固定電荷膜と、不純物領域とを備える。光電変換部は、半導体基板の光が入射される側の主面の内部に形成される。絶縁膜は、前記主面の上に形成される。固定電荷膜は、前記絶縁膜の上に形成される。不純物領域は、前記固定電荷膜に発生した欠陥の発生位置の直下の前記主面の内部に形成される。

実施形態の半導体装置の構造の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の固定電荷膜と反転層の関係を示す図。 実施形態の半導体装置で形成されるシールド層の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法の工程の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法の工程の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法の工程の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法の工程の例を示す断面図。 実施形態の半導体装置の光電変換部の深さと３原色光の感度の例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施形態）
図１は、実施形態の半導体装置の構造の例を示す断面図である。

本実施形態の半導体装置は、半導体基板１００の光が入射される側の主面の内部に形成された光電変換部１と、上述の主面の上に形成された絶縁膜２と、絶縁膜２の上に形成された固定電荷膜３と、固定電荷膜３に発生した欠陥３１の発生位置の直下の、半導体基板１００の内部に形成された不純物領域４と、を備える。

固定電荷膜３は、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを含む酸化物を材料として形成される誘電体膜である。これらの金属の酸化物誘電体膜中には、負の固定電位が発生する。

固定電荷膜３が固定電位を有するため、絶縁膜２を挟んで対向する半導体基板１００の表面近くに、深さ１ｎｍ程度の、固定電荷膜３の電位とは反対極性の反転層５が出現する。

ただし、固定電荷膜３には、局所的に、欠陥３１が発生することがある。欠陥３１が発生すると、その直下の部分には反転層が形成されない。そのため、反転層５は、この固定電荷膜３の欠陥３１の直下の部分で、分断されることになる。

すなわち、図２に示すように、固定電荷膜３に欠陥３１があると、反転層５は、反転層５１と反転層５２とに分断される。

そこで、本実施形態では、この反転層が形成されない領域を埋めるように、反転層の電位と同じ導電型の不純物による不純物領域４が形成されている。例えば、固定電荷膜３の電位が負電位で、反転層５が正電位となる場合、不純物領域４、はボロン（Ｂ）などのＰ型の不純物により形成される。

これにより、図３に示すように、反転層５１と反転層５２および不純物領域４は、連続した正電位の領域となり、Ｐ型シールド層６を形成する。

Ｐ型シールド層６は、光電変換部１と絶縁膜２の界面における界面準位の欠陥により発生した電子が、光電変換部１へ流れ込むことを防止する機能を有する。すなわち、光電変換部１と絶縁膜２の界面で発生した電子によるリーク電流の発生を防止することができる。

このように、本実施形態によれば、固定電荷膜３に欠陥３１があっても、光電変換部１にリーク電流が発生することを防止することができる。

次に、図４〜図７の工程断面図を用いて、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。

まず、図４に示すように、光電変換部１が形成された半導体基板１００の上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、絶縁膜２を２ｎｍ程度堆積する。この絶縁膜２の材料としては、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる。

次に、図５に示すように、絶縁膜２の上に、例えばＣＶＤ法を用いて、固定電荷膜３を１３ｎｍ程度堆積する。この固定電荷膜３の材料としては、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ）を用いる。そのほか、固定電荷膜３の材料として、酸化タンタル（ＴａＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）を用いてもよい。

次に、図６に示すように、固定電荷膜３の上から、イオン注入によりＰ型不純物のドーピングを行う。Ｐ型不純物としては、例えばボロン（Ｂ）を用いる。

このとき、固定電荷膜３は、イオン注入に対するマスクとして機能するので、通常は、Ｐ型不純物が半導体基板１００にドーピングされることはない。

ところが、図７に示すように、固定電荷膜３に欠陥３１があると、この欠陥３１をＰ型不純物のイオンが通過し、半導体基板１００の界面にＰ型の不純物領域４を形成する。

なお、不純物のドーピング方法として、プラズマドーピングを用いてもよい。

その後、アニール処理を行って、不純物を活性化させる。アニール方法としては、例えば、レーザーアニールやマイクロ波アニールを用いる。

このように、本実施形態の製造方法では、固定電荷膜３をマスクとして不純物のドーピングを行うので、固定電荷膜３の欠陥３１の直下にのみ不純物領域４を形成することができる。なお、この不純物領域４の深さは、２００ｎｍ程度である。

図８は、光電変換部１の半導体基板１００の界面からの深さに対する、青色光、緑色光、赤色光の光電変換感度の変化を示す図である。

波長の短い青色光は、半導体基板１００の界面に近いところに感度のピークがある。青色光よりも波長の長い緑色光は、青色光よりも深いところに感度のピークがある。さらに波長が長い赤色光は、緑色光よりも深いところに感度のピークがある。

本実施形態では、固定電荷膜３に欠陥３１があると、その直下に、深さは２００ｎｍ程度の不純物領域４が形成される。この不純物領域４が形成されると、その部分では光電変換が行われない。そのため、光電変換部１の浅いところにピークがある青色光の感度が低下する。

しかし、本実施形態では、不純物領域４が形成されるのは、固定電荷膜３の欠陥３１が発生したところのみである。したがって、不純物領域４は、光電変換部１内に局所的にしか形成されない。したがって、不純物領域４が形成されたとしても、青色光の感度へ与える影響は、極めて小さいものと考えられる。

このような本実施形態によれば、固定電荷膜３に欠陥３１があって反転層５が分断されても、その分断領域に不純物領域４が形成されるので、連続したＰ型シールド層６を形成することができる。これにより、光電変換部１と絶縁膜２の界面で発生した電子によるリーク電流の発生を防止することができる。

また、固定電荷膜３の欠陥３１の直下のみしか不純物領域４が形成されないので、光電変換部１の光電変換感度の低下を極く小さいものとすることができる。

以上説明した実施形態の半導体装置およびその製造方法によれば、固定電荷膜に欠陥があっても、リーク電流の発生を防止することができる。

また、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 光電変換部
２ 絶縁膜
３ 固定電荷膜
３１ 欠陥
４ 不純物領域
５、５１、５２ 反転層
６ Ｐ型シールド層
１００ 半導体基板

Claims (6)

1. 半導体基板の光が入射される側の主面の内部に形成された光電変換部と、
   前記主面の上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に形成された固定電荷膜と、
   前記固定電荷膜に発生した欠陥の発生位置の直下の前記主面の内部に形成された不純物領域と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記固定電荷膜が、負の固定電荷を有し、
   前記不純物領域が、Ｐ型不純物で形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記固定電荷膜が、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを含む酸化物誘電体膜である
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 内部に光電変換部が形成された半導体基板の主面の上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜の上に固定電荷膜を形成する工程と、
   前記固定電荷膜をマスクとして前記半導体基板に不純物をドーピングする工程と、
   前記不純物を活性化させる工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記固定電荷膜が、負の固定電荷を有し、
   前記不純物が、Ｐ型である
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記固定電荷膜が、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）のいずれかを含む酸化物誘電体膜である
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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