JP2015179700A - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プロセス中に発生したSiダングリングボンドを終端し、暗電流及びノイズ発生を低減する。
【解決手段】光電変換部を含む半導体基板の上に複数の配線層を含む配線構造を形成する固体撮像素子の製造方法であって、前記複数の配線層のうち最上の配線層の上に水素を含有するシリコン含有膜を成膜する工程と、前記シリコン含有膜にＵＶ光を照射する工程とを備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、固体撮像素子の製造方法に関する。
固体撮像素子のプロセス中に発生したSi-SiO2界面のSiダングリングボンドを終端することで暗電流、ノイズを低減することができる。特許文献１では、トランジスタの動作速度向上のためにトランジスタのサイドスペーサー上にシリコン窒化膜を用いた第1ストレスライナー膜と第2ストレスライナー膜を形成する。その際、第１ストレスライナー膜を用いて水素供給を行ない、シリコン窒化膜中の水素を乖離し、Ｓｉダングリングボンドを水素終端してノイズ低減する。さらに第２ストレスライナー膜に対しては、ＵＶキュアを行い、シリコン窒化膜中の水素を乖離し、ストレスを高める。
しかし、上記提案手法では、ストレスライナー膜形成工程以降で形成されるSiダングリングボンドを低減することはできず、暗電流、ノイズ低減効果が限られてしまう。
上記課題を解決するための本発明は光電変換部を含む半導体基板の上に複数の配線層を含む配線構造を形成する固体撮像素子の製造方法であって、
前記複数の配線層のうち最上の配線層の上に水素を含有するシリコン含有膜を成膜する工程と、
前記シリコン含有膜にＵＶ光を照射する工程とを備えることを特徴とする。
前記複数の配線層のうち最上の配線層の上に水素を含有するシリコン含有膜を成膜する工程と、
前記シリコン含有膜にＵＶ光を照射する工程とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、プロセス中に発生したSiダングリングボンドを終端し、暗電流及びノイズ発生を低減することができる。
以下、添付の図面を参照して発明の実施形態について説明する。図１は、発明の実施形態に対応する固体撮像素子の製造方法を説明するための図である。本実施形態ではＣＭＯＳイメージセンサを例に説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に対応するパッシベーション膜を成膜する前の固体撮像素子の構造を示している。図１（ａ）において、半導体基板１１上に、入射光を光電変換して信号電荷を得る光電変換部１２と、光電変換部１２で生成された電荷を出力する画素トランジスタ部１３とが形成される。画素トランジスタ部１３から出力された電荷は配線構造１４を介して出力される。配線構造１４は複数のアルミニウム配線層、タングステン等のプラグ及び層間絶縁膜により構成されている。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す固体撮像素子の配線構造１４の上に、アルミニウム配線１５が形成され、更にその上にシリコン含有膜としてパッシベーション膜１６が形成された様子を示している。パッシベーション膜１６は、図１（ｂ）に示すように最上のアルミニウム配線１５及び配線構造１４に含まれる層間絶縁膜を覆うように形成され、例えばプラズマＣＶＤ法でSiH4、NH3ガスを用いてシリコン窒化膜を成膜することにより形成できる。パッシベーション膜１６の膜厚は２００ｎｍ〜２０００ｎｍで形成されており、成膜された膜中にはSi-H基や、N-H基が多数存在している。パッシベーション膜を形成後に、水素雰囲気で約４００℃の熱処理を行うことで、光電変換部１２、画素トランジスタ部１３のSiダングリングボンドを水素終端することができる。
次に図１（ｃ）は、パッシベーション膜１６へのＵＶ光の照射の様子を示している。パッシベーション膜１６への熱処理後、誘電体バリア放電エキシマランプ等を用いることによりＵＶ光１７を照射する。ここで照射するＵＶ光は、一例として波長が172nm、エネルギーが7.2eVのものを使用する。この例に示すＵＶ光のエネルギーは、Si-H結合エネルギー3.1eVやN-H結合エネルギー4.0eVより大きいため、パッシベーション膜中に含有するSi-H基、N-H基の水素が乖離し、前述の熱処理では終端できなかった光電変換部１２、画素トランジスタ部１３のSiダングリングボンドを水素終端することができ、これにより更なる暗電流の低減、低ノイズ化を実現できる。ＵＶ照射の後は、図１（ｄ）に示すように保護膜１６の上に更に平坦化層１８、オンチップカラーフィルタ１９、平坦化層２０、マイクロレンズ２１を形成する。
図１を参照して説明した実施形態では、パッシベーション膜１６にＵＶ光の照射を行うこととしたが、ＵＶ光の照射の暗電流の低減に対する効果を図２を参照して説明する。図２は、パッシベーション膜１６の形成後にUV光を照射した場合と、しない場合とで暗電流成分を対比したグラフである。図２の左側はＵＶ照射を行わない場合の暗電流を示し、これを１００％とした時のＵＶ照射を行った場合の暗電流の割合を図２の右側に示す。ここでは、ＵＶ照射を行うことにより暗電流成分が約９２％にまで低減されている。このようにUV照射工程を追加することでUV照射工程がない場合と比較して暗電流成分が低減していることが分かる。
またUV照射には、O2プラズマ処理を行うことも可能である。O2プラズマ中に発生するUV光は波長が130nm、エネルギーが9.5eVとなるためエキシマランプと同様の効果を得ることができる。なお、シリコン窒化膜のバンドギャップは4.0eV〜5.1eVであり、波長172nm、エネルギー7.2eVのＵＶ光や、波長130nm、エネルギー9.5eVのＵＶ光に対して小さいため、係るUV光は透過しない。本実施形態に対応するノイズ低減手法では、パッシベーション膜は照射UV光を透過しない膜厚を有し、照射ＵＶ光はパッシベーション膜中の水素を乖離するに十分なエネルギーを有することが望ましい。
図３はUV光の波長と前述のパッシベーション膜の膜厚に対するＵＶ光の透過率を示したグラフである。なお、ＵＶ光が透過した場合の透過の影響として光電変換部１２および画素トランジスタ部１３等でのSi-H結合が切断されることで暗電流が増加する懸念がある。このためUV光としてはパッシベーション膜を透過しにくいパッシベーションの膜厚、およびUV光の波長を適宜選択する必要がある。図３の結果によれば、膜厚が０．２um（２００nm）以上の条件では、波長が２００ｎｍにおいて透過率がほぼ０％となっている。これに対し膜厚０．１umでは波長が２００ｎｍでも透過率が０％となっていない。よって、パッシベーション膜の膜厚は２００ｎｍ以上、UV光の波長は２００ｎｍ以下の各条件を満たすことで、暗電流を効果的に低減化できることが分かる。また、パッシベーション膜が厚いほど、含有する水素の量が多くなるため、パッシベーション膜の膜厚は大きいことが望ましい。
ただし、パッシベーション膜の厚さは固体撮像素子の光学設計の観点から200nmより薄くなってしまう場合もある。しかし、そのような場合でも、波長を短くするなどしてUV光の透過影響による不具合が顕在化しない範囲でUV光を照射することで暗電流を低減することが可能である。
なお、図１の説明ではUV照射を熱処理後に行うこととしたが、ＵＶ照射を熱処理前に実施しても同様の効果を得ることができ、この場合には、乖離した水素が熱処理によって拡散し易くなるため、より高いノイズ低減効果を得ることができる。またパッシベーション膜の構造については、シリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜が成膜された2層構造や、シリコン窒化膜の上と下の層にシリコン酸窒化膜が成膜された3層構造を有しても同様の効果を得ることができる。さらにはパッシベーション膜が層内レンズの役割を有するレンズ形状をしていても同様の効果を得ることができる。
以上の本実施形態では、固体撮像素子上に水素を含有したパッシベーション膜を成膜し、熱処理及びＵＶ光の照射を行う。これにより、プロセス中に発生したSi-SiO2界面のSiダングリングボンドを終端し、暗電流及びノイズ発生を低減することが可能となる。
Claims (9)
- 光電変換部を含む半導体基板の上に複数の配線層を含む配線構造を形成する固体撮像素子の製造方法であって、
前記複数の配線層のうち最上の配線層の上に水素を含有するシリコン含有膜を成膜する工程と、
前記シリコン含有膜にＵＶ光を照射する工程と
を備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記シリコン含有膜に熱処理を施す工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記熱処理は、前記ＵＶ光を照射する工程の前に行われることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記成膜する工程では、前記シリコン含有膜をプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜として成膜することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記ＵＶ光のエネルギーは、前記シリコン含有膜のバンドギャップよりも大きい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素子の製造方法。
- 前記ＵＶ光の波長は、２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記シリコン含有膜の膜厚は２００ｎｍ以上であ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素子の製造方法。
- 前記ＵＶ光の波長は２００ｎｍ以下であり、かつ、前記シリコン含有膜の膜厚は２００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記シリコン含有膜は、前記最上の配線層と、前記配線構造に含まれる最上の層間絶縁膜とを覆うように形成され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素子の製造方法。
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