JP4924634B2 - 固体撮像素子及びその製造方法、撮像装置 - Google Patents
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Description
具体的には、図13Aに模式的断面図を示し、図13Bにポテンシャル図を示すように、シリコン層51の表面付近にp型の不純物を導入してp+の半導体領域を形成し、このp+の半導体領域を、正電荷(ホール)を蓄積するための正電荷蓄積領域53とする。
このように、界面に正電荷蓄積領域53を形成したHAD構造とすることにより、フォトダイオードPDを界面から離して、界面準位を発生源とする暗電流を抑制することが可能になる。
そして、従来のイオン注入プロセスでは、注入したイオンの適正な拡散及び活性化を図るため、できるだけ長い時間高い温度を保持することが不可欠となっている。
これにより、図14Bに示すように、バンドを曲げて、シリコン層51にイオン注入をしなくても、界面付近に正電荷蓄積領域53を形成して、正電荷(ホール)が蓄積されるようにすることができる。
この手法によれば、ALD法を用いることで界面準位を抑制することができ、PVD法を用いることで生産性を高めることが可能となる。
また、ALD法による成膜が困難である材料は、負の固定電荷54を有する絶縁層55に使用することができなくなるため、この観点でも、負の固定電荷54を有する絶縁層55の特性が制約される。
また、プラズマを用いて形成された酸化シリコン膜にも負の固定電荷を持たせることができるので、その上の負の固定電荷を有する膜と合わせて、充分な負バイアス効果が得られる。
そして、酸化シリコン膜が負の固定電荷を有するので、負の固定電荷を有していない酸化シリコン膜(熱酸化膜等)を形成した場合と比較して、負の固定電荷を有する膜を界面に近くすることができる。
さらに、酸化シリコン膜が負の固定電荷を持ち、かつ、負の固定電荷を有する膜を形成する際の半導体層へのダメージを防ぐための下地膜とすることができる。これにより、前記特許文献2に示したように、同じ材料を2つの成膜法で積層する必要がなくなり、負の固定電荷を有する膜の成膜法や材料の制約が緩和される。
また、この酸化シリコン膜上に負の固定電荷を有する膜を形成する工程により、酸化シリコン膜と負の固定電荷を有する膜とにより、フォトダイオードが形成された半導体層の界面付近(表面付近)に、正電荷(ホール)を蓄積させることが可能な構造となる。これにより、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することが可能になる。
そして、負の固定電荷を有する膜の下地に酸化シリコン膜が形成されているため、負の固定電荷を有する膜を形成する際に、半導体層にダメージを与えないように、酸化シリコン膜で防ぐことができる。これにより、前記特許文献2に示したように、同じ材料を2つの成膜法で積層する必要がなくなり、負の固定電荷を有する膜の成膜法や材料の制約が緩和される。
従って、暗電流を生じることなく安定して動作する、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することができる。
また、負の固定電荷を有する膜の下地となる酸化シリコン膜が負の固定電荷を持つので、負の固定電荷を有する膜の成膜法や材料の制約が緩和され、負の固定電荷を有する膜の特性の制約も緩和される。
従って、安定して動作し、高い信頼性を有し、良好な画質が得られる撮像装置を実現することができる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.固体撮像素子の実施の形態
3.実験(特性測定)
4.撮像装置の実施の形態
本発明においては、光電変換が行われるフォトダイオードが形成された半導体層を含む固体撮像素子の、少なくともフォトダイオードが形成された領域の半導体層上に、プラズマを用いて形成された酸化シリコン膜を設ける。
さらに、この酸化シリコン膜上に、負の固定電荷を有する膜を設けて、固体撮像素子を構成する。
この酸化シリコン膜の成膜法としては、様々な、プラズマを使用した成膜法が考えられるが、室温に近い低温でプラズマを発生させることが可能な成膜法を使用することが望ましい。
例えば、DPS(Decoupled Plasma Source)装置を用いることにより、低温でプラズマを発生させて、酸化シリコン膜(SiO2膜)を成膜することができる。
プラズマを使用して、酸化シリコン膜を成膜することにより、酸化シリコン膜に負の固定電荷を持たせることができる。
これらの材料のうち、特に、屈折率の比較的高い、HfO2(屈折率2.05)、Ta2O5(屈折率2.16)、TiO2(屈折率2.20)等を形成した場合には、反射防止効果をも得ることも可能になる。
上記以外の材料としては、例えば、希土類元素の酸化物が挙げられる。即ち、ランタン、プラセオジム、セリウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、イットリウムの各酸化物が挙げられる。
さらにまた、窒化ハフニウム、窒化アルミニウム、酸窒化ハフニウム、酸窒化アルミニウムを使用することも可能である。
ALD法により成膜する場合には、例えば、基板温度が200〜500℃、プリカーサーの流量が10〜500sccm、プリカーサーの照射時間が1〜15秒、O3の流量が5〜50sccmの条件とする。
MOCVD法により成膜する場合には、例えば、基板温度が200〜600℃の条件とする。
PVD法により成膜する場合には、例えば、圧力が0.01〜50Pa、DCパワーが500〜2000W、Arの流量が5〜50sccm、O2の流量が5〜50sccmの条件とする。
酸化シリコン膜の膜厚を厚くするほど、電子のトンネリングの抑制効果が強まるが、あまり厚くしすぎると、負の固定電荷による正電荷(ホール)の蓄積効果が弱くなる。この観点から、酸化シリコン膜の膜厚は、30nm程度以下とすることが好ましい。
そして、酸化シリコン膜が負の固定電荷を有するので、負の固定電荷を有していない酸化シリコン膜(熱酸化膜等)を形成した場合と比較して、負の固定電荷を有する膜を界面に近くすることができる。
さらに、酸化シリコン膜が負の固定電荷を持ち、かつ、負の固定電荷を有する膜を形成する際の半導体層へのダメージを防ぐための下地膜とすることができる。これにより、同じ材料を2つの成膜法で積層する必要がなくなり、負の固定電荷を有する膜の成膜法や材料の制約が緩和される。
そして、本発明の撮像装置は、本発明の固体撮像素子を備えて撮像装置を構成する。これにより、固体撮像素子において暗電流の発生を抑制することができ、固体撮像素子で光電変換されて得られる信号が安定するため、安定して動作し、高い信頼性を有し、良好な画質が得られる撮像装置を実現することができる。
本発明の固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
本実施の形態は、本発明を、いわゆる裏面照射型のCMOS固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)に適用した場合である。
このフォトダイオードの電荷蓄積領域4の表面には、正電荷蓄積領域5が形成されている。
そして、これら電荷蓄積領域4及び正電荷蓄積領域5によって、前述したHAD構造が構成されている。
なお、絶縁層13は、図示しないが、下方に設けられる支持基板等によって支持されている。
各画素には、図示のトランジスタ(この場合は、電荷蓄積領域4に蓄積した電荷を読み出し・転送する転送トランジスタ)Tr1を含む、1個以上のトランジスタを有して構成される。
各画素の電荷蓄積領域4の間は、P型の素子分離領域3により分離されている。
なお、図示しないが、電荷蓄積領域4のトランジスタTr1のゲート電極11側の界面に、p+半導体領域を形成して、絶縁層13との界面における暗電流の発生を抑制することが好ましい。
図示していないが、これらのMOSトランジスタTr2,Tr3のソース・ドレイン領域やチャネルとなる半導体ウエル領域が、シリコン基板2内に形成されている。
負の固定電荷を有する膜22の中の負の固定電荷によって、電荷蓄積領域4の表面に電界が加わり、電荷蓄積領域4の表面に正電荷蓄積領域(ホールアキュミュレーション領域)5が形成される。これにより、電荷蓄積領域4の表面にイオン注入をしなくても、正電荷蓄積領域5を形成することが可能になる。
絶縁膜6の上には、フォトダイオード部41の一部と、周辺回路部42とを覆うように、遮光膜7が形成されている。
この遮光膜7によって、フォトダイオードに光が入らない領域(図示しないオプティカルブラック領域)を作り、そのフォトダイオードの出力によって画像での黒レベルを決定することができる。
また、周辺回路部42においては、遮光膜7により、光が入ることによるMOSトランジスタTr2,Tr3等の特性の変動を抑制することができる。
平坦化膜8の上には、画素毎に、対応する色(赤R、緑G、青B)のカラーフィルター9が形成されている。
各カラーフィルター9の上には、それぞれ、集光のためのオンチップレンズ10が設けられている。
そして、フォトダイオードが形成されたシリコン基板2から見て、下層にある配線層12の側(表面側)とは反対側(裏面側)の上層から光を入射させるので、いわゆる裏面照射型構造となっている。
なお、特に、負の固定電荷を有する膜22として、屈折率の比較的高い、HfO2膜、Ta2O5膜、TiO2膜等を形成した場合には、反射防止効果を得ることも可能になる。
酸化シリコン膜21の膜厚を厚くするほど、電子のトンネリングの抑制効果が強まるが、あまり厚くしすぎると、負の固定電荷による正電荷(ホール)の蓄積効果が弱くなるため、膜厚を30nm程度以下とすることが好ましい。
まず、図3に示すように、電荷蓄積領域4が形成されたシリコン基板2上に、低温プラズマ酸化シリコン膜21を形成する。具体的には、例えば、プラズマ処理を用いて、SiO2膜を室温で形成する。
低温プラズマ酸化シリコン膜21の膜厚は、好ましくは1nm以上とする。さらに好ましくは3nm以上とする。
負の固定電荷を有する膜22の成膜方法としては、例えば、ALD法、MOCVD法、PVD法を用いる。
ALD法で成膜する場合の成膜条件は、例えば、成膜基板温度200〜500℃、プリカーサー流量が10〜500sccm、照射時間1〜15秒、O3流量10〜500sccm、とする。
PVD法で成膜する場合の成膜条件は、例えば、圧力0.01〜50Pa、DCパワー500〜2000W、Ar流量5〜50sccm、O2流量5〜50sccmとする。
低温プラズマ酸化シリコン膜21上に負の固定電荷を有する膜22を形成することによって、電荷蓄積領域4の表面に正電荷蓄積領域5が形成される。
この絶縁膜6を形成することにより、後の遮光膜7のエッチングの際に、負の固定電荷を有する膜22の表面を直接エッチングに晒すことを防ぐことが可能になる。また、負の固定電荷を有する膜22と遮光膜7を直接接触させることに起因した、負の固定電荷を有する膜22と遮光膜7との反応を、抑制することが可能になる。
さらに、図7に示すように、エッチングにより、遮光膜7と絶縁膜6の上部を加工する。これにより、遮光膜7が、フォトダイオード部41上の一部及び周辺回路部42上に残る。
なお、カラーフィルター9とオンチップレンズ10との間に、レンズ加工の際のカラーフィルター9への加工ダメージを防止するために、光透過性の絶縁膜(図示せず)を形成してもよい。
このようにして、図1に示した固体撮像素子1を製造することができる。
低温プラズマシリコン膜21は、プラズマを用いて形成されており、負の固定電荷を有する。そのため、酸化シリコン膜21及び負の固定電荷を有する膜22の2つの膜を合わせて充分な負バイアス効果が得られる。これらの膜の負の固定電荷によって、図14A及び図14Bに示したと同様にバンドを曲げることができ、界面付近に正電荷蓄積領域5を形成して、正電荷(ホール)が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
これにより、前記特許文献2に示したように、同じ材料を2つの成膜法で積層する必要がなくなり、負の固定電荷を有する膜22の成膜法や材料の制約が緩和される。
例えば、前記特許文献2において、実施の形態として記載されている構成を採用することもできる。
例えば、CCD固体撮像素子においても、本発明を適用して、受光部上に、プラズマを用いて形成した酸化シリコン膜及び負の固定電荷を有する膜を形成することにより、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
本発明は、フォトダイオードが形成された半導体層の、光が入射する側に、配線層や転送電極を形成した、いわゆる表面照射型構造の固体撮像素子にも適用することが可能である。
ここで、図1に示した固体撮像素子1と同様に、プラズマ処理を用いて形成されたSiO2膜上に、負の固定電荷を有する絶縁膜としてHfO2膜を形成して、これらの積層構造の特性を調べた。
そして、MOSキャパシタの絶縁層として、以下の積層構造のそれぞれを使用したTEGを作製した。
(1)プラズマを用いてSiO2膜を膜厚2nmで形成し、その上に、PVD法を用いてHfO2膜を膜厚50nmで形成した。
(2)プラズマを用いてSiO2膜を膜厚3nmで形成し、その上に、PVD法を用いてHfO2膜を膜厚50nmで形成した。
(3)ALD法を用いてHfO2膜を膜厚11nmで形成し、その上に、PVD法を用いてHfO2膜を膜厚50nmで形成した。
作製したそれぞれのTEGについて、C−V測定を行った。
測定結果として、電圧Vg(V)と容量C(pF)との関係を、図10に示す。
また、プラズマ処理を用いて形成したSiO2膜の膜厚が2nmの場合には、膜厚が3nmの場合と比較してフラットバンド電圧が小さくなるが、正のフラットバンド電圧が得られ、積層構造が負の固定電荷を有していることがわかる。
図11に示すように、フラットバンド電圧Vfbの値は、SiO2膜の膜厚に依存しており、SiO2膜の膜厚が厚いほど、フラットバンド電圧が大きくなると考えられる。
従って、プラズマを用いてSiO2膜を形成した場合に、その上にHfO2膜を形成した積層構造が負の固定電荷を有するようになる。
次に、本発明の撮像装置の実施の形態を説明する。
本発明の撮像装置の一実施の形態の概略構成図(ブロック図)を、図15に示す。
この撮像装置としては、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話のカメラ等が挙げられる。
このような撮像装置500において、固体撮像素子として、前述した実施の形態の固体撮像素子1等、本発明の固体撮像素子を用いることができる。
例えば、固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
本発明の撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器等、各種の撮像装置に適用することができる。また、「撮像」の広義の意味として、指紋検出装置等も含む。
Claims (8)
- 光電変換が行われるフォトダイオードが形成された半導体層と、
少なくとも前記フォトダイオードが形成された領域の前記半導体層上に、プラズマを用いて形成された酸化シリコン膜と、
前記酸化シリコン膜上に形成された、負の固定電荷を有する膜とを含む
固体撮像素子。 - 前記酸化シリコン膜の膜厚が3nm以上である請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記負の固定電荷を有する膜が、HfO2,ZrO2,Al2O3,TiO2,Ta2O5から選ばれる材料によって形成されている請求項1又は請求項2に記載の固体撮像素子。
- 半導体層にフォトダイオードを形成する工程と、
少なくとも前記フォトダイオードが形成された領域の前記半導体層上に、プラズマを用いて酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜上に、負の固定電荷を有する膜を形成する工程とを有する
固体撮像素子の製造方法。 - プラズマを用いて前記酸化シリコン膜を形成する工程において、前記酸化シリコン膜を厚さ3nm以上成膜する請求項4に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記負の固定電荷を有する膜の材料として、HfO2,ZrO2,Al2O3,TiO2,Ta2O5から選ばれる材料を使用する、請求項4又は請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 原子層蒸着法、有機金属化学的気相成長法、物理的気相成長法のいずれかの方法により、前記負の固定電荷を有する膜を形成する、請求項4〜請求項6のいずれか1項に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 入射光を集光する集光光学部と、
光電変換が行われるフォトダイオードが形成された半導体層と、少なくとも前記フォトダイオードが形成された領域の前記半導体層上に、プラズマを用いて形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に形成された、負の固定電荷を有する膜とを含み、前記集光光学部で集光した前記入射光を受光して光電変換する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で光電変換されて得られた信号を処理する信号処理部とを含む
撮像装置。
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