JP6978893B2 - 光電変換装置、その製造方法及び機器 - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置、その製造方法及び機器に関する。
固体光電変換装置では、界面準位や結晶欠陥に起因して発生する白点キズや暗電流を抑制するため、ボロンなどの不純物を有するｐ型不純物領域が光電変換部の表面領域に形成される。光電変換部の表面領域にボロンでｐ型不純物領域を形成した場合、光電変換部を覆う酸化シリコン膜などの絶縁膜中に、熱拡散などによってボロンが取り込まれてしまうことがある。特許文献１では、光電変換部と酸化シリコン膜との間に窒化シリコン膜などの拡散抑制層を形成する手法が提案されている。
プロセスの微細化に伴い、光電変換装置の製造工程で低温化が進んでいる。このような製造工程では結晶欠陥回復を目的とした高温熱処理を行えないので、ボロンを半導体基板の表面近くに注入することになる。そうすると、酸化シリコン膜にボロンが取り込まれやすくなり、光電変換装置のセンサ特性が低減する（例えば、白点キズや暗電流が増加する）。本発明は、光電変換装置のセンサ特性を向上させるための技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、第１側面では、光電変換装置であって、光電変換部を有する半導体基板と、前記光電変換部の上に配された酸化シリコン膜と、前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記第２不純物領域においてボロン濃度が極小値をとる位置を第１位置として、前記半導体基板の前記表面から前記第１位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きいことを特徴とする光電変換装置が提供される。第２側面では、光電変換装置であって、光電変換部を有する半導体基板と、前記光電変換部の上に配された酸化シリコン膜と、前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記半導体基板の前記表面におけるボロン濃度が、前記半導体基板の前記表面と前記酸化シリコン膜の上面との中間点におけるボロン濃度の１０倍以上であることを特徴とする光電変換装置が提供される。第３側面では、光電変換装置であって、光電変換部を有する半導体基板と、前記半導体基板の上に配された層間絶縁膜と、前記光電変換部の上に配され、前記層間絶縁膜で囲まれた誘電体領域と、前記光電変換部と前記誘電体領域との間に配された酸化シリコン膜と、前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記半導体基板の前記表面と前記酸化シリコン膜の上面との間の距離と同じだけ前記半導体基板の前記表面から前記半導体基板の深さ方向に離れた位置を所定の位置として、前記半導体基板の前記表面から前記所定の位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きく、５．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることを特徴とする光電変換装置が提供される。
上記手段により、光電変換装置のセンサ特性が向上させる。
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
図１（ａ）を参照して一部の実施形態に係る光電変換装置ＡＰの構成例について説明する。光電変換装置ＡＰは固体光電変換装置と呼ばれてもよい。光電変換装置ＡＰの構成は既存のものであってもよいので、その一例を以下に簡単に説明する。光電変換装置ＡＰは、半導体基板ＳＵＢに様々な回路が形成されることによって構成される。光電変換装置ＡＰはパッケージに搭載されていてもよい。
半導体基板ＳＵＢは、画素領域ＰＸＲと、オプティカルブラック領域ＯＢＲと、周辺回路領域ＰＲＲとを含む。画素領域ＰＸＲには、複数の画素ＵＮＴが２次元アレイ状に配されている。各画素ＵＮＴは、光を電荷に変換するための光電変換部と、変換された電荷を後続の回路に転送するための転送トランジスタとを含む。転送トランジスタは例えばＭＯＳトランジスタである。各画素ＵＮＴは、そのほかに入射光に応じた電気信号を生成するための既存の回路を含んでもよい。
オプティカルブラック領域ＯＢＲは、画素領域ＰＸＲの周囲に配されている。オプティカルブラック領域ＯＢＲにも複数の画素ＵＮＴが配されている。オプティカルブラック領域ＯＢＲに配された画素ＵＮＴは、画素領域ＵＮＴに配された画素ＵＮＴと同じ構造であってもよい。画素領域ＰＸＲの各画素ＵＮＴには光電変換装置ＡＰへの入射光が到達するのに対して、オプティカルブラック領域ＯＢＲの各画素ＵＮＴは遮光されており、入射光が到達しない。
周辺回路領域ＰＲＲには、垂直駆動回路ＶＤＣと、制御回路ＣＣと、水平走査回路ＨＳＣと、信号処理回路ＳＰＣと、出力処理回路ＯＰＣとが配されている。垂直駆動回路ＶＤＣは、各画素ＵＮＴに駆動信号を供給することによって、各画素ＵＮＴの動作を制御する。制御回路ＣＣは、光電変換装置ＡＰの全体的な動作を制御する。水平走査回路ＨＳＣは、各画素ＵＮＴからの信号を順次読み出す。信号処理回路ＳＰＣは、画素ＵＮＴから読み出された信号を増幅する。出力処理回路ＯＰＣは、信号処理回路ＳＰＣから供給された信号を光電変換装置ＡＰの外部へ出力するための処理を行う。
図１（ｂ）を参照して一部の実施形態に係る光電変換装置ＡＰを搭載した機器ＳＹＳの構成例について説明する。機器ＳＹＳの構成は既存のものであってもよいので、その一例を以下に簡単に説明する。機器ＳＹＳは例えばカメラやスマートフォンなどの撮影機能を有する電子機器であってもよいし、自動車やドローン（無人飛行体）のような輸送機器であってもよい。機器ＳＹＳは、光学系ＯＵと、光電変換装置ＡＰと、制御装置ＣＵと、処理装置ＰＵと、機械装置ＭＵと、表示装置ＤＵとを備える。機器ＳＹＳの形態に応じてこれらの構成要素の一部が省略されてもよい。光学系ＯＵは例えばレンズなどであり、機器ＳＹＳの外部からの入射光を光電変換装置ＡＰに集光する。制御装置ＣＵは、光電変換装置ＡＰを含む機器ＳＹＳ内の各コンポーネントの動作を制御する。処理装置ＰＵは、例えば画像処理エンジンを含み、光電変換装置ＡＰから供給された画像を処理する。表示装置ＤＵは、処理後の画像を表示する。機械装置ＭＵは、レンズ駆動やシャター動作を行う。機器ＳＹＳが輸送装置である場合に、機械装置ＭＵはエンジンやモータを含んでもよく、制御装置ＣＵは光電変換装置ＡＰで得られた画像を用いて機器ＳＹＳの運転制御を行う。
図２を参照して光電変換装置ＡＰの断面構造の例について説明する。説明のために、これらの図面では画素領域ＰＸＲと周辺回路領域ＰＲＲとが隣接するように記載されている。図２では、画素領域ＰＸＲに含まれる光電変換部及び転送トランジスタと周辺回路領域ＰＲＲに含まれるトランジスタとに着目する。周辺回路領域ＰＲＲのトランジスタは例えばＭＯＳトランジスタであり、上述の何れかの回路の一部を構成する。
シリコンなどの半導体基板１００は、ｐ型の不純物領域１０２とｐ型の不純物領域１０３とを有する。半導体基板１００は図１の半導体基板ＳＵＢに対応する。不純物領域１０２は、画素領域ＰＸＲに形成されたウェルである。不純物領域１０３は、周辺回路領域ＰＲＲに形成されたウェルである。半導体基板１００にＳＴＩ又は選択酸化法（ＬＯＣＯＳ）などにより絶縁体で形成された素子分離領域１０１が配されている。
半導体基板１００の中には、不純物領域１０２と半導体基板１００の表面とに囲まれるように、ｎ型の不純物領域１０４（第１不純物領域）と、ｐ型の不純物領域１１２（第２不純物領域）と、ｎ型の不純物領域１１３とが配されている。不純物領域１１２はボロン（Ｂ：ホウ素）を含んでいる。不純物領域１０４と不純物領域１０２とによって光電変換部が形成される。不純物領域１１２は不純物領域１０４の上に配されており、光電変換部を埋め込み構造とするための表面領域である。不純物領域１１２の上面と半導体基板１００の表面とは互いに一致する。不純物領域１１３は、フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）として機能する。
画素領域ＰＸＲにおいて、半導体基板１００の上にゲート絶縁膜１０６が配されている。半導体基板１００のうち不純物領域１０４と不純物領域１１３との間の領域の上にゲート電極１１０が配されている。言い換えると、半導体基板１００のうち不純物領域１０４に隣接した部分に上にゲート電極が配されている。不純物領域１０４、不純物領域１１３、ゲート絶縁膜１０６及びゲート電極１１０によって転送トランジスタが構成される。ｎ型の不純物領域１０４は、光電変換部の一部を構成し、電荷を蓄積する機能を有する。ゲート電極１１０の上面はハードマスクとなる酸化膜１０９が配されている。ゲート絶縁膜１０６は、ゲート電極１１０と半導体基板１００との間にあるだけでなく、不純物領域１１２及び不純物領域１１３の上にも存在する。言い換えると、不純物領域１１２の上にあるゲート絶縁膜１０６は、ゲート電極１１０と半導体基板１００との間まで延びている。ゲート絶縁膜１０６の下面は半導体基板１００の表面に接している。不純物領域１０４は半導体基板１００の表面に位置しているので、ゲート絶縁膜１０６と不純物領域１０４とは互いに接している。ゲート絶縁膜１０６は例えば酸化シリコン膜や酸窒化シリコン膜である。
画素領域ＰＸＲにおいて、半導体基板１００、ゲート絶縁膜１０６及びゲート電極１１０の上に酸化シリコン膜１１６が配され、酸化シリコン膜１１６の上に窒化シリコン膜１１７が配され、窒化シリコン膜１１７の上に酸化シリコン膜１１８が配されている。酸化シリコン膜１１６の下面は、ゲート絶縁膜１０６の上面と、ゲート電極１１０の側面と、酸化膜１０９の上面とに接している。窒化シリコン膜１１７の下面は、酸化シリコン膜１１６の上面に接している。酸化シリコン膜１１８の下面は、窒化シリコン膜１１７の上面に接している。すなわち、ゲート絶縁膜１０６と酸化シリコン膜１１６とは互いに接しており、酸化シリコン膜１１６と窒化シリコン膜１１７とは互いに接しており、窒化シリコン膜１１７と酸化シリコン膜１１８とは互いに接している。窒化シリコン膜１１７は反射防止層として機能する。酸化シリコン膜１１６は光電変換部の上に配され、ゲート絶縁膜１０６は光電変換部と酸化シリコン膜１１６との間に配さている。ゲート絶縁膜１０６のうちのｐ型の不純物領域１１２の上の部分はボロンを含みうる。酸化シリコン膜１１６のうちのｐ型の不純物領域１１２の上の部分もボロンを含みうる。これらゲート絶縁膜１０６や酸化シリコン膜１１６に含まれるボロンは、典型的には不純物領域１１２から拡散したボロンでありうるが、成膜時のガスに含有されている場合もある。
不純物領域１０３に、低濃度のｎ型の不純物領域１１５と、ｎ型の不純物領域１２１とが配されている。半導体基板１００のうち２つの不純物領域１１５の間にある部分の上にゲート絶縁膜１０７が配され、その上にゲート電極１１１が配されている。ゲート電極１１１の側面はサイドウォール１２０で覆われている。これらの構成要素によって、ＬＤＤ構造を有するＭＯＳトランジスタが構成されている。ＭＯＳトランジスタの不純物領域１２１の上とゲート電極１１１の上にはコバルトシリサイドやニッケルシリサイドなどのシリサイド層（不図示）が設けられている。
半導体基板１００の上にはゲート電極１１０とゲート電極１１１とを覆う絶縁体膜２１０が設けられている。絶縁体膜２１０には不図示のコンタクトーホ−ルが設けられており、このコンタクトホールの中にはＭＯＳトランジスタに接続されたコンタクトプラグが設けられる。絶縁体膜２１０の上には複数の配線層３１０、３２０、３３０が設けられる。一例としては、配線層３１０はシングルダマシン構造を有し、銅を主成分とする配線層であり、配線層３２０はデュアルダマシン構造を有し、銅を主成分とする配線層であり、配線層３３０はアルミニウムを主成分とする配線層である。配線層３１０、３２０、３３０の間には層間絶縁膜２２０が設けられている。層間絶縁膜２２０は複数の絶縁層からなる複層膜であり得る。層間絶縁膜２２０には光電変換部の上（不純物領域１０４、１１２の上）に位置する開口が設けられており、この開口の中には誘電体材料からなる誘電体領域２００が配されている。そのため、誘電体領域２００は層間絶縁膜２２０で囲まれていることになる。本例では、開口は絶縁体膜２１０にも設けられており、誘電体領域２００は絶縁体膜２１０に囲まれた部分を有している。誘電体領域２００の誘電体材料は層間絶縁膜２２０を構成する少なくとも１つの絶縁層の材料と異なっている。誘電体領域２００を構成する誘電体材料としては、水素を含むシリコン化合物が好ましく、シリコン化合物としては窒化シリコンや酸化シリコンが好ましい。誘電体材料が水素を含有することで、半導体基板１００の表面を水素終端することができ、暗電流を低減できる。誘電体領域２００の屈折率を層間絶縁膜２２０の屈折率よりも高くすることで、誘電体領域２００がコア、層間絶縁膜２２０がクラッドとして機能する光導波路構造を構成することができる。層間絶縁膜２２０の上、および、層間絶縁膜２２０の上に設けられた配線層３３０の上には絶縁部材２３０が設けられている。絶縁部材２３０にはパッシベーション膜や層内レンズなどが含まれうる。絶縁部材２３０の上には光学部材２４０が設けられている。光学部材２４０にはカラーフィルタやマイクロレンズが含まれうる。
図３及び図４を参照して光電変換装置ＡＰの製造方法について説明する。図３及び図４には図２に対応する位置が描かれている。シリコンなどの半導体基板１００の表面にパッド酸化膜１０５を形成した後、ＳＴＩ又は選択酸化法（ＬＯＣＯＳ）などにより素子分離領域１０１を形成する。その後、イオン注入を行うことによって、画素領域ＰＸＲにｐ型の不純物領域１０２、周辺回路領域ＰＲＲにｐ型の不純物領域１０２をそれぞれ形成する。これらの不純物領域はウェル領域として機能する。さらに、イオン注入を行うことによって、不純物領域１０２内にｎ型の不純物領域１０４を形成する。不純物領域１０４は光電変換部の一部を構成する。以上によって、図３（ａ）に示す構造が形成される。
続いて、パッド酸化膜１０５を除去する。その後、画素領域ＰＸＲ及び周辺回路領域ＰＲＲのうちの対象領域にゲート酸化膜を形成し、このゲート酸化膜を窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、半導体基板１００の上にゲート絶縁膜１０６及びゲート絶縁膜１０７を形成する。例えば、ベースとなるゲート酸化膜を形成した後、ウェット法による熱酸窒化やプラズマ窒化などによる４００℃程度の窒素プラズマ雰囲気にゲート酸化膜を曝すことにより窒化を形成する。ゲート絶縁膜１０６及びゲート絶縁膜１０７は酸窒化シリコン膜である。ゲート絶縁膜１０６及びゲート絶縁膜１０７の窒素濃度は例えば０．１〜１．０％程度である。その後、ゲート絶縁膜１０６及びゲート絶縁膜１０７の上に、ゲート電極の材料となるポリシリコン膜１０８を形成し、その一部分（ゲート電極が形成されるべき部分）の上にハードマスクとなる酸化膜１０９を形成する。以上によって、図３（ｂ）に示す構造が形成される。
続いて、酸化膜１０９（ハードマスク）及びレジストマスクを用いてポリシリコン膜１０８をエッチングすることによって、ポリシリコン膜１０８からゲート電極１１０及びゲート電極１１１を形成する。以上によって、図３（ｃ）に示す構造が形成される。この構造では、不純物領域１０４の上にゲート絶縁膜１０６の一部が残っている。
続いて、ゲート絶縁膜１０６を通じて、半導体基板１００にｐ型の不純物をイオン注入することによって、不純物領域１０４の上にｐ型の不純物領域１１２を形成する。また、ゲート絶縁膜１０６を通じて、半導体基板１００にｎ型の不純物をイオン注入することによって、ｎ型の不純物領域１１３を形成する。不純物領域１１２を生成するためのイオン注入は、例えば二フッ化ホウ素（ＢＦ2）又はホウ素（Ｂ）のようなボロンを含む不純物として使用し、ドーズ量を１ｘ１０13／ｃｍ2〜１ｘ１０14／ｃｍ2に設定して行われる。加速エネルギーは、不純物がホウ素の場合に例えば０．５〜９ＫｅＶなど１０ＫｅＶ以下に設定される。このような比較的低いエネルギーでイオン注入を行うことによって、不純物が半導体基板１００の表面付近に注入される。以上によって、図３（ｄ）に示す構造が形成される。
続いて、画素領域ＰＸＲをレジスト１１４で覆う。その後、周辺回路領域ＰＲＲに形成されたゲート絶縁膜１０７のうちゲート電極１１１で覆われていない部分と、ゲート電極１１１の上にある酸化膜１０９とをウェット処理などによって除去する。以上によって、図４（ａ）に示す構造が形成される。
続いて、周辺回路領域ＰＲＲにＬＤＤ構造となる不純物領域１１５を形成する。不純物領域１１５がＰＭＯＳトランジスタのソース又はドレインである場合に、不純物として二フッ化ホウ素（ＢＦ2）又はホウ素（Ｂ）又はインジウム（Ｉｎ）を用いる。不純物領域１１５がＮＭＯＳトランジスタのソース又はドレインである場合に、不純物としてヒ素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）を用いる。このように、画素領域ＰＸＲにおいてゲート電極１１０の周辺にゲート絶縁膜１０６を残しつつ、周辺回路領域ＰＲＲにおいてゲート電極１１１の周囲からゲート絶縁膜１０７を除去している。さらに、周辺回路領域ＰＲＲでは浅いＬＤＤ注入を行っている。これによって、高い駆動力を有する高速トランジスタを周辺回路領域ＰＲＲで実現するとともに、画素領域ＰＸＲではセンサ特性が向上する。以上によって、図４（ｂ）に示す構造が形成される。
続いて、半導体基板１００及びゲート電極１１０、１１１に接するように酸化シリコン膜１１６を成膜し、酸化シリコン膜１１６に接するように窒化シリコン膜１１７を成膜し、窒化シリコン膜１１７に接するように酸化シリコン膜１１８を成膜する。酸化シリコン膜１１８は６００℃以下の処理温度を用いて形成することが好ましい。酸化シリコン膜１１６は、例えばソースガスとしてビスターシャリブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）ガスを使用し、５２０〜５５０℃などの６００℃よりも低い処理温度を用いた低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）を行うことによって成膜される。低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）は化学気相成長（ＣＶＤ）の一種であり、特に熱ＣＶＤに分類される。ＢＴＢＡＳガスのほか、シラン系ガスを用いた熱ＣＶＤによって、６００℃よりも低い成膜温度で酸化シリコン膜１１６を形成することができる。シラン系ガスを用いたプラズマＣＶＤによって、６００℃よりも低い成膜温度で酸化シリコン膜１１６を形成することもできる。ＣＶＤ法以外の気相成長で酸化シリコン膜１１６を形成することもでき、例えばスパッタ法のような物理気相成長、あるいは、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いて酸化シリコン膜１１６を形成することができる。ＡＬＤにおける成膜ガスとしては、例えば、トリジメチルアミノシラン（３ＤＭＡＳ：ＳｉＨ（ＮＭｅ2）3）、あるいは、テトラジメチルアミノシラン（４ＤＭＡＳ：Ｓｉ（ＮＭｅ2）4）を用いることができる。以上によって、図４（ｃ）に示す構造が形成される。
続いて、画素領域ＰＸＲをレジスト１１９で覆い、周辺回路領域ＰＲＲの酸化シリコン膜１１６、窒化シリコン膜１１７及び酸化シリコン膜１１８をエッチバックする。これによって、ゲート電極１１１の側面にサイドウォール１２０が形成される。その後、周辺回路領域ＰＲＲにおいて半導体基板１００に、高濃度の不純物領域１２１を形成する。この不純物領域１２１は、サイドウォール１２０の側面に自己整合している。以上によって、図４（ｄ）に示す構造が形成される。その後、レジスト１１９を除去し、その他の構成要素を形成する。例えば、絶縁体膜２１０、層間絶縁膜２２０および配線層３１０、３２０を形成する。この後に、層間絶縁膜２２０と絶縁体膜２１０のうちの光電変換部の上に位置する部分をプラズマエッチングなどにより除去して、開口を形成する。この開口の中にプラズマＣＶＤによって誘電体材料を埋め込むことによってことによって、誘電体領域２００を形成する。その後、配線層３３０、絶縁部材２３０、光学部材２４０を形成する。このようにして、図２の光電変換装置ＡＰが製造される。
上記の製造方法では、酸化シリコン膜１１６を低温（６００℃以下）で形成する。そのため、半導体基板１００の表面付近に形成された不純物領域１１２内のボロンの拡散が抑制されるので、ボロンが酸化シリコン膜１１６に取り込まれることが抑制される。その結果、不純物領域１１２のボロン濃度を高くすることができ、光電変換装置ＡＰのセンサ特性が向上する。特に白点キズや暗電流が低減する。比較のために、酸化シリコン膜１１８を例えば熱酸化法を用いて７００℃以上の成膜温度で形成すると、不純物領域１１２のボロンの拡散が顕著になり、不純物領域１１２のボロンの濃度が下がってしまう。不純物領域１１２のボロンの濃度が下がると、白点キズや暗電流が増加する。ボロンの濃度を高めるためにドーズ量を上げるだけでは、ドーズ量の増加に伴う白点キズや暗電流が増加しうるため、十分な対策ではない。また、誘電体領域２００を形成する際には、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤによるプラズマダメージが半導体基板１００に生じる。このプラズマダメージも白点キズや暗電流が増加する要因となる。そのため、誘電体領域２００を設ける場合には特に不純物領域１１２のボロン濃度を高くして、白点キズや暗電流を低減する必要がある。
図５を参照して、半導体基板１００の表面に交差し（例えば直交し）不純物領域１１２を通る直線上（図２のＸ−Ｘ’線上）のボロン濃度のプロファイルに関して説明する。光電変換部の表面領域を構成する不純物領域１１２は、不純物としてボロンを含む。また、ゲート絶縁膜１０６及び酸化シリコン膜１１６は、不純物領域１１２を覆う位置においてボロンを含む。図５において、実線のグラフは上述の方法で製造された光電変換装置ＡＰにおけるプロファイル５０１を示し、破線のグラフは比較対象のプロファイル５０２を示す。比較対象では、不純物領域１１２を例えば１３〜１５ＫｅＶ程度の１０ＫｅＶ以上のイオン注入で形成し、６２０〜６６０℃の成膜温度で酸化シリコン膜１１６を成膜する。図５のグラフの横軸はＸ−Ｘ’線における位置を示し、縦軸は各位置における対数表示によるボロン濃度を示す。横軸の右向きが半導体基板１００の深さ方向であり、縦軸の上向きが濃度の増加方向である。横軸、縦軸共に単位はａ．ｕ．（任意単位）である。各元素の濃度は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）、ラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ）などを用いて測定することが可能であるが、図５はＳＩＭＳによる測定結果を示している。
図５において、位置Ａは酸化シリコン膜１１６の上面である。言い換えると、位置Ａは酸化シリコン膜１１６と窒化シリコン膜１１７との界面である。位置Ｃは半導体基板１００の表面である。言い換えると、位置Ｃは、半導体基板１００とゲート絶縁膜１０６との界面である。半導体基板１００とゲート絶縁膜１０６との界面は、ＳＩＭＳ測定において検出される酸素の二次イオン強度が、最高強度（ピーク強度）の１／２を示す位置として定義される。図５から理解されるように、ボロン濃度のピークの位置は、プロファイル５０１、５０２の双方で、位置Ｃである。そのため、位置Ｃを基準位置として、位置Ｃに対して酸化シリコン膜１１６側のボロン濃度と、位置Ｃに対して不純物領域１１２側のボロン濃度と、を比較することで、ボロン分布を評価することができる。位置Ａと位置Ｃとの間の距離は約１２ｎｍである。位置Ｂは、位置Ａおよび位置Ｃから等距離（距離ｍ）となる、位置Ａと位置Ｃとの中間点である。位置Ｂは半導体基板１００の上の酸化シリコン（ゲート絶縁膜１０６と酸化シリコン膜１１６）のうち、位置Ｃにおけるボロンの偏析の影響が比較的小さい。一方、位置Ｂは半導体基板１００からのボロンの拡散の影響が十分にある。そのため、位置Ｂは、半導体基板１００の上の酸化シリコンへのボロンの拡散に起因した、酸化シリコン中でのボロン濃度を象徴する象徴位置である。位置Ａと位置Ｃの距離ｔは、ゲート絶縁膜１０６の膜厚と酸化シリコン膜１１６の膜厚の和に相当する。位置Ｅは、位置Ａと位置Ｃとの間の距離ｔと同じだけ位置Ｃから深さ方向に離れた所定の位置である。すなわち、位置Ｃは、位置Ａおよび位置Ｅから等距離（距離ｔ）となる、位置Ａと位置Ｅとの中間点である。位置Ｅは半導体基板１００内と酸化シリコン内とでのボロンの拡散のしやすさを考慮した上で、位置Ｃに対するボロンの分布の対称性を評価するための位置である。位置Ｄ、Ｇは不純物領域１１２においてボロン濃度の極小値を取る位置である。そのため、位置Ｃから位置Ｄ、Ｇまでの範囲は半導体基板１００の表面近傍において、特にボロン濃度が高い範囲であるといえる。より詳細には、位置Ｄは、プロファイル５０１が、位置Ｃから深さ方向に進んで最初に極小値を取る位置である。位置Ｇは、プロファイル５０２が位置Ｃから深さ方向に進んで最初に極小値を取る位置である。位置Ｃと位置Ｄとの間の距離は約６ｎｍであり、位置Ｃと位置Ｇとの間の距離は約４ｎｍである。位置Ｆは、位置Ｃから深さ方向に２０ｎｍ離れた位置である。位置Ｃから深さ２０ｎｍの位置Ｆまでの範囲は、典型的な光電変換装置において、暗電流や白点キズなどが生じやすい部分である。
第１例のプロファイル５０１における各位置でのボロン濃度は以下のとおりである。
位置Ｂ：５．５Ｅ１７／ｃｍ3
位置Ｃ：１．０Ｅ１９／ｃｍ3
位置Ｂ：５．５Ｅ１７／ｃｍ3
位置Ｃ：１．０Ｅ１９／ｃｍ3
第２例のプロファイル５０２における各位置でのボロン濃度は以下のとおりである。
位置Ｂ：１．５Ｅ１８／ｃｍ3
位置Ｃ：７．５Ｅ１８／ｃｍ3
位置Ｂ：１．５Ｅ１８／ｃｍ3
位置Ｃ：７．５Ｅ１８／ｃｍ3
第１例のプロファイル５０１における特定の２点間のボロン濃度の積分値は以下のとおりである。
位置Ａ〜位置Ｃ：２．５Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｄ：４．２Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｅ：７．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｆ：１．２Ｅ１３／ｃｍ2
位置Ａ〜位置Ｃ：２．５Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｄ：４．２Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｅ：７．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｆ：１．２Ｅ１３／ｃｍ2
第２例のプロファイル５０２における特定の２点間のボロン濃度の積分値は以下のとおりである。
位置Ａ〜位置Ｃ：２．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｇ：１．８Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｅ：４．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｆ：８．３Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ａ〜位置Ｃ：２．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｇ：１．８Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｅ：４．６Ｅ１２／ｃｍ2
位置Ｃ〜位置Ｆ：８．３Ｅ１２／ｃｍ2
第２例のプロファイル５０２に比べて、第１例のプロファイル５０１を採用すると暗電流や白点キズ、特に白点キズを大幅に減らすことができる。これは、上述した誘電体領域２００を光電変換部の上に配置した場合に特に有利となる。誘電体領域２００を配置すること自体が、暗電流や白点キズの原因となりうるためである。第２例のプロファイル５０２と第１例のプロファイル５０１との違いに基づいて、好ましい形態を説明する。
基準位置としての位置Ｃから極小値とる位置Ｄまでのボロン濃度の積分値が、位置Ｃから酸化シリコン膜１１６の上面（位置Ａ）までのボロン濃度の積分値よりも大きいことが好ましい。これは、不純物領域１１２からのボロンの拡散が抑制され、不純物領域１１２の中でも、半導体基板１００の表面近傍でボロン濃度が高くなっている状態を意味している。そのため、半導体基板１００の表面近傍を発生源とする白点キズや暗電流を十分に抑制できる。位置Ｃから位置Ｄまでのボロン濃度の積分値は、２．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることが好ましく、３．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることがより好ましい。位置Ｃから位置Ａまでのボロン濃度の積分値は、５．０Ｅ１２／ｃｍ2以下であることが好ましい。位置Ｃから位置Ａまでのボロン濃度の積分値は１．０Ｅ１２ｃｍ2以上であってもよい。第２例に対して第１例では、ボロンの注入位置が半導体基板１００の表面に近いのにも関わらず、酸化シリコン膜１１６のボロン濃度の積分値が小さくなっている。第１例では、位置Ｃと位置Ｄと間のボロン濃度の積分値が位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値よりも大きいのに対して、第２例では、位置Ｃと位置Ｇと間のボロン濃度の積分値が位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値よりも小さい。
基準位置としての位置Ｃにおけるボロン濃度が、象徴位置である位置Ｂにおけるボロン濃度の５倍よりも大きいことが好ましく、１０倍以上であることがより好ましい。このことは、ボロンの酸化シリコンへの拡散が抑制され、位置Ｃに十分な量のボロンが位置していることを意味する。第１例では、位置Ｃにおけるボロン濃度が位置Ｂにおけるボロン濃度の約１８倍であり、５倍よりも大きく、１０倍以上となっている。一方、第２例では、位置Ｃにおけるボロン濃度が位置Ｂにおけるボロン濃度の約５倍である。位置Ｂにおけるボロン濃度は、１．０Ｅ１８／ｃｍ3以下であることが好ましい。位置Ｂにおけるボロン濃度は、１．０Ｅ１７／ｃｍ3以上であってもよい。位置Ｃにおけるボロン濃度は、１．０Ｅ１９／ｃｍ3以上であることが好ましい。位置Ｃにおけるボロン濃度は、１．０Ｅ２０／ｃｍ3以下であってもよい。
また、半導体基板１００の表面（位置Ｃ）から位置Ｅまでのボロン濃度の積分値が、半導体基板の表面（位置Ｃ）から酸化シリコン膜の上面（位置Ａ）までのボロン濃度の積分値よりも大きいことが好ましい。第１例では、位置Ｃと位置Ｅと間のボロン濃度の積分値が位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値よりも大きく、さらには位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値の２倍以上である。位置Ｃから位置Ｅまでのボロン濃度の積分値は５．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることが好ましく、６．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることが好ましい。位置Ｃから位置Ｅまでのボロン濃度の積分値は１．０Ｅ１３／ｃｍ2以下であってもよい。
また、位置Ｃから位置Ｆまでのボロン濃度の積分値が、位置Ｃから位置Ａまでのボロン濃度の積分値よりも大きいことも好ましい。このようにすれば、白点キズや暗電流の典型的な発生源となる位置Ｃから位置Ｆまでの領域で白点キズや暗電流が発生しても、光電変換部への影響を抑制する上で有利となる。第１例では、位置Ｃと位置Ｆと間のボロン濃度の積分値が位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値よりも大きく、さらには位置Ａと位置Ｃと間のボロン濃度の積分値の４倍以上である。位置Ｃから位置Ｆまでのボロン濃度の積分値は、１．０Ｅ１３／ｃｍ2以上であることが好ましい。位置Ｃから位置Ｆまでのボロン濃度の積分値は、１．０Ｅ１４／ｃｍ2以下であってもよい。
このように第１例ではゲート絶縁膜１０６や酸化シリコン膜１１６にボロンが取り込まれることを抑制できていることがわかる。ゲート絶縁膜１０６や酸化シリコン膜１１６へのボロンの濃度を低くし、不純物領域１１２のボロン濃度を高くしたプロファイルを採用することで、白点キズや暗電流を低減することができる。特に、上述したボロン濃度あるいはボロン濃度の積分値の大小関係や範囲を満足することで、従来知られていた光電変換装置から、大幅に白点キズや暗電流を低減することができる。
１００ 半導体基板、１０６、ゲート絶縁膜、１１２ 不純物領域、１１６ 酸化シリコン膜、１１７ 窒化シリコン膜
Claims (22)
- 光電変換装置であって、
光電変換部を有する半導体基板と、
前記光電変換部の上に配された酸化シリコン膜と、
前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、
前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、
前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、
前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記第２不純物領域においてボロン濃度が極小値をとる位置を第１位置として、前記半導体基板の前記表面から前記第１位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。 - 前記第２不純物領域の前記第１位置と前記半導体基板の前記表面との間の距離が、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
- 光電変換装置であって、
光電変換部を有する半導体基板と、
前記光電変換部の上に配された酸化シリコン膜と、
前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、
前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、
前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、
前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記半導体基板の前記表面におけるボロン濃度が、前記半導体基板の前記表面と前記酸化シリコン膜の上面との中間点におけるボロン濃度の１０倍以上であることを特徴とする光電変換装置。 - 前記プロファイルに関して、前記半導体基板の前記表面と前記酸化シリコン膜の上面との間の距離と同じだけ前記半導体基板の表面から前記半導体基板の深さ方向に離れた位置を第２位置として、前記半導体基板の前記表面から前記第２位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記プロファイルに関して、前記半導体基板の表面から深さ方向に２０ｎｍ離れた位置を第３位置として、前記半導体基板の前記表面から前記第３位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体基板の上に配された層間絶縁膜と、
前記光電変換部の上に配され、前記層間絶縁膜で囲まれた誘電体領域と、を更に備え、
前記酸化シリコン膜は前記光電変換部と前記誘電体領域との間に配されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光電変換装置。 - 光電変換装置であって、
光電変換部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の上に配された層間絶縁膜と、
前記光電変換部の上に配され、前記層間絶縁膜で囲まれた誘電体領域と、
前記光電変換部と前記誘電体領域との間に配された酸化シリコン膜と、
前記光電変換部と前記酸化シリコン膜との間に配された絶縁膜と、を備え、
前記半導体基板の中には、前記光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域と、前記絶縁膜と前記第１不純物領域との間に配されたｐ型の第２不純物領域と、が設けられており、
前記絶縁膜のうちの前記第２不純物領域の上の部分及び前記第２不純物領域は、ボロンを含み、
前記半導体基板の表面に交差し前記第２不純物領域を通る直線上のボロン濃度のプロファイルに関して、前記半導体基板の前記表面と前記酸化シリコン膜の上面との間の距離と同じだけ前記半導体基板の前記表面から前記半導体基板の深さ方向に離れた位置を所定の位置として、前記半導体基板の前記表面から前記所定の位置までのボロン濃度の積分値が、前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値よりも大きく、５．０Ｅ１２／ｃｍ2以上であることを特徴とする光電変換装置。 - 前記誘電体領域の材料は水素を含有したシリコン化合物であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光電変換装置。
- 前記半導体基板の前記表面から前記酸化シリコン膜の上面までのボロン濃度の積分値が、５．０Ｅ１２／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体基板の前記表面におけるボロン濃度が、１．０Ｅ１９／ｃｍ3以上であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体基板のうち前記第１不純物領域に隣接した部分の上にゲート電極を更に備え、
前記絶縁膜は、前記ゲート電極と前記半導体基板との間まで延びていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光電変換装置。 - 前記絶縁膜は、酸窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記酸化シリコン膜の上に配された窒化シリコン膜を更に備え、
前記窒化シリコン膜と前記酸化シリコン膜とは互いに接していることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光電変換装置。 - 前記絶縁膜と前記第２不純物領域とは互いに接している、ことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記酸化シリコン膜と絶縁膜とは互いに接している、ことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記酸化シリコン膜の一部におけるボロン濃度が、１．０Ｅ１７／ｃｍ3以上であることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の光電変換装置。
- 前記酸化シリコン膜の前記一部におけるボロン濃度が、１．０Ｅ１８／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項１６に記載の光電変換装置。
- 請求項１乃至１７の何れか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。 - 光電変換装置の製造方法であって、
半導体基板に、光電変換部の一部を構成するｎ型の第１不純物領域を形成する工程と、
前記半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板に前記絶縁膜を通じてボロンを含む不純物を注入することによって、前記第１不純物領域の上にｐ型の第２不純物領域を形成する工程と、
ビスターシャリブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）ガスを用いた熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）によって、６００℃以下の成膜温度で前記絶縁膜の上に酸化シリコン膜を形成する工程と、を有することを特徴とする製造方法。 - 前記第２不純物領域を形成する工程において、１０ＫｅＶ以下のエネルギーで前記不純物を注入することを特徴とする請求項１９に記載の製造方法。
- 絶縁膜を形成する工程の後であって、前記酸化シリコン膜を形成する工程の前に、前記半導体基板のうち前記第１不純物領域に隣接した部分の上にゲート電極を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の製造方法。
- 前記酸化シリコン膜を形成する工程の後に、前記酸化シリコン膜に接するように窒化シリコン膜を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１９乃至２１の何れか１項に記載の製造方法。
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