(57)【要約】【課題】固体撮像素子において、入射光の反射を防止するとともに、暗電流を低減する。【解決手段】シリコン基板１と、シリコン基板１に形成された受光素子部５と少なくとも有する固体撮像素子は、受光素子部５の受光領域の表面に形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜３Ａと、第１の絶縁膜３Ａ上に形成され第１の絶縁膜３Ａとは異なる屈折率を有するシリコン窒化膜とを含む複数層からなり、受光領域の表面における入射光の反射を低減させる反射防止膜７を有する。シリコン窒化膜７は、枚葉式ＣＶＤ装置の使用により、膜中の水素濃度が１×１０22 ｃｍ-3以上となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板に配された受光素子とを少なくとも有する固体撮像素子において、
少なくとも前記受光素子の受光領域の表面に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され前記第１の絶縁膜とは異なる屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む複数層からなり、前記受光領域の表面における入射光の反射を低減させる反射防止膜を有し、
前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜よりも水素含有量が大きいことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第２の絶縁膜は枚葉式ＣＶＤ装置により形成されたシリコン窒化膜からなる、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第２の絶縁膜は、膜中に水素を１×１０22 ｃｍ-3以上含むシリコン窒化膜からなる、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記受光素子を素子分離する素子分離領域をさらに備え、前記第２の絶縁膜が前記素子分離領域の前記受光領域に面する端部を少なくとも覆って形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記受光素子からの信号電荷を増幅するための増幅素子をさらに備え、前記第２の絶縁膜は、前記増幅素子の少なくとも一部を覆って形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜は、前記基板の全面にわたって形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
基板と、前記基板に形成された受光素子と、少なくとも前記受光素子の受光領域の表面に形成された第１の絶縁膜とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記第１の絶縁膜上に、前記第１の絶縁膜とは異なる屈折率を有する窒化シリコン膜を枚葉式ＣＶＤ装置によって形成し、
少なくとも前記第１の絶縁膜及び前記シリコン窒化膜を、反射防止膜として最終的に前記受光領域の表面に残すことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記シリコン窒化膜として、膜中の水素濃度が１×１０22 ｃｍ-3以上である膜を形成する、請求項７に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードなどの光電変換素子を含む固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、光電変換素子部の受光領域の表面（受光面）での光の反射を防止するための構造、及び光電変換素子を素子分離するための素子分離構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に、半導体受光素子とこの受光素子で受光したことによる信号を増幅するための回路などと１次元あるいは２次元に配列を設けた固体撮像素子は、光信号を電気信号に変換する光センサとして広く用いられている。固体撮像素子は、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに搭載されている。固体撮像素子には、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）撮像素子や、増幅型固体撮像素子がある。また、半導体受光素子の代表的な例としては、ｐｎ接合を利用したフォトダイオードなどの光電変換素子が挙げられる。
【０００３】
固体撮像素子においては、受光素子部に対する光の入射効率を高めるために、受光素子の受光領域表面に、入射光の表面における反射をできるだけ小さく抑えることを目的として、シリコン窒化膜をはじめとする絶縁膜がコーティングされている。反射を防止するための絶縁膜が設けられている固体撮像素子は、特許文献１、２に開示されている。
【０００４】
ところで、近年、固体撮像素子における画素数が増加する傾向にあり、そのため、固体撮像素子の微細化が進行し、受光素子の受光面積や、回路を構成するトランジスタの活性領域の面積が減少する傾向にある。また、受光素子をトランジスタから素子分離するための素子分離領域や、トランジスタ間の素子分離領域の面積も小さくなってきている。受光面積が小さくなれば、入射光によって受光素子に発生する信号電荷も小さくなるので、より小さな信号電荷量を扱う必要が生じる。また、受光領域で発生する暗電流（リーク電流）は信号電荷に対してノイズ成分として寄与するが、固体撮像素子の微細化に伴って信号電荷が小さくなったことに対応して、ノイズ成分となる受光領域の暗電流を小さくする必要も生じている。
【０００５】
従来は、シリコン半導体基板に形成されたＬＯＣＯＳ膜などからなる選択酸化膜を素子分離に用いていたが、固体撮像素子の微細化に伴って、全体の面積に占める素子分離領域の面積の割合が大きくなりすぎるという問題を生じている。そこで、素子分離領域として、半導体基板に設けられたトレンチ（溝）内に埋め込み絶縁膜を形成するＳＴＩ（狭いトレンチ分離：Shallow Trench Isolation）が用いられるようになってきている。特許文献３は、固体撮像装置において、素子分離領域としてＳＴＩ構造を適用した構成を開示している。
【０００６】
ところで、半導体素子において素子分離領域としてＳＴＩ構造を用いた場合、ＬＯＣＯＳ膜などの選択酸化膜を用いた場合に比べ、素子分離領域界面における結晶欠陥が多くなり、それにともなって、リーク電流が増大することが知られている。このリーク電流は、半導体素子が光電変換素子であれば暗電流に寄与するものであるので、固体撮像素子に場合においては特に低減させることが望まれるものである。一般の半導体装置においてＳＴＩ構造の素子分離領域の界面における結晶欠陥を低減させ、界面準位を減らすための手法として、特許文献４には、水素シンタリングを行うことが開示されている。特許文献４における方法では、水素シンタリングとして、水素雰囲気下での低温熱処理を行っている。
【特許文献１】特開昭６３−０１４４６６号公報
【特許文献２】特開２０００−０１２８２２号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２６７４号公報
【特許文献４】特開２０００−０３１２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
固体撮像素子の受光領域の表面に設けられる反射防止膜としては、従来、シリコン窒化膜が用いられている。しかしながら、一般的な膜形成方法によって形成されるシリコン窒化膜は、水素の透過性が低い。そのため、反射防止膜の形成後に暗電流の低減のために水素シンタリングなどによって界面準位を低減させようとしても、反射防止膜が水素遮断膜として機能してしまい、水素シンタリングがうまく行えないこととなり、暗電流の低減が妨げられる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、受光領域の表面における反射防止を行いつつ、暗電流の低減が可能な固体撮像素子と、そのような固体撮像素子の製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、基板と、基板に配された受光素子とを少なくとも有する固体撮像素子において、少なくとも受光素子の受光領域の表面に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成され第１の絶縁膜とは異なる屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む複数層からなり、受光領域の表面における入射光の反射を低減させる反射防止膜を有し、第２の絶縁膜は、第１の絶縁膜よりも水素含有量が大きいことを特徴とする。
【００１０】
このような第２の絶縁膜は、例えば、枚葉式ＣＶＤ装置により形成されたシリコン窒化膜であり、膜中に水素を１×１０22 ｃｍ-3以上含むシリコン窒化膜である。
【００１１】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、基板と、基板に形成された受光素子と、少なくとも受光素子の受光領域の表面に形成された第１の絶縁膜とを有する固体撮像素子の製造方法であって、第１の絶縁膜上に、第１の絶縁膜とは異なる屈折率を有する窒化シリコン膜を枚葉式ＣＶＤ装置によって形成し、少なくとも第１の絶縁膜及びシリコン窒化膜を、反射防止膜として最終的に受光領域の表面に残すことを特徴とする。
【００１２】
本発明の製造方法においては、シリコン窒化膜として、膜中の水素濃度が１×１０22 ｃｍ-3以上である膜を形成することが好ましい。また、水素の外方拡散や、界面準位に終端した水素の脱離を防止するために、シリコン窒化膜を形成した後の製造工程において、８５０℃以上の熱処理を行う工程が設けられないようにすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、相対的に水素含有量が多い第２の絶縁膜を形成することにより、受光領域などにおける界面準位が水素により終端され、暗電流を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態の固体撮像素子の要部の構成を示す断面図である。
【００１５】
この固体撮像素子は、少なくとも、受光素子としてのフォトダイオードと、フォトダイオードのアノード領域またはカソード領域をソース領域とするＭＯＳトランジスタとを備えている。ＭＯＳトランジスタは、フォトダイオードで発生した信号電荷を増幅するための増幅素子である。図１においては、固体撮像素子の要部として、シリコン基板１にこれらのフォトダイオードとＭＯＳトランジスタとが形成されている部分が示されている。実際には、固体撮像素子には、層間絶縁膜や、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４、ドレイン領域６などに接続する配線層が設けられるが、図１ではこれらは示されていない。
【００１６】
例えば第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（すなわち第２の導電型）の拡散層が形成され、受光素子部５が形成されている。受光素子部５を他の回路素子から素子分離するために、受光素子部５の一端側でシリコン基板１はトレンチ素子分離構造を有する素子分離層２を備えている。シリコン基板１と光受光素子部５とはｐｎ接合を形成してフォトダイオードを構成するので、この部分がこの固体撮像素子における受光部分ということになる。受光素子部５は、等価回路上でフォトダイオードに接続するＭＯＳトランジスタのソース領域でもあるので、受光素子部５の他端部に接して、シリコン基板１の表面にゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）３が設けられている。ゲート絶縁膜３上には、例えば、ポリシリコンからなるゲート電極４が形成されている。ゲート電極４の形成位置を挟んで受光素子部５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の導電型の不純物を拡散したドレイン領域６が設けられている。
【００１７】
ゲート電極４の形成位置を除いて、シリコン基板１の表面には、第１の絶縁膜３Ａが薄く形成されている。第１の絶縁膜３Ａは、例えばシリコン酸化膜であり、典型的には、ゲート絶縁膜３を形成しその上にゲート電極４をパターニングして設けた際にシリコン基板１の表面に残る膜である。このような第１の絶縁膜３Ａ上に、さらに、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、膜内に多くの水素を含んでいる。例えば、膜中の水素濃度は、１×１０22 ｃｍ-3以上である。このように多量の水素を含むシリコン窒化膜７は、例えば、枚葉式ＣＶＤ（化学気相成長）装置によって形成される。この際、プラズマＣＶＤ法で膜を形成することにより、所望の水素濃度の膜を得ることが容易となる。シリコン窒化膜７は、ゲート電極４の側面及び上面にも堆積している。
【００１８】
このような固体撮像素子では、受光素子部５の受光領域の表面に、第１の絶縁膜（シリコン酸化膜）３Ａとシリコン窒化膜７との２層からなる反射防止膜が設けられている。ここで第１の絶縁膜とシリコン窒化膜７は相互に屈折率が異なり、これにより、各層の厚さを適切に制御することによって、反射防止効果をさらに高めることができる。また、シリコン窒化膜７が多量の水素を含んでいるので（シリコン窒化膜７の水素含有量は第１の絶縁膜３Ａの水素含有量より大きい）、受光領域やその近傍における界面準位、特にＳＴＩ周辺の界面準位が、シリコン窒化膜７からの水素によって終端されることとなる。ＳＴＩ周辺ではトレンチ形成時に欠陥が生成されやすいため特に効果が大きい。これによって、受光素子部５における暗電流が低減する。
【００１９】
上述した例では、本発明における第２の絶縁膜であるシリコン窒化膜７は、シリコン基板１のほぼ全面に設けられている。しかしながら、暗電流の発生の原因となる結晶欠陥（界面準位）は、主として、素子分離領域における半導体−酸化物界面近傍、及びＭＯＳトランジスタでのゲート近傍に発生するので、それらの界面準位の発生場所に応じてシリコン窒化膜７を設けてもよい。素子分離領域側における界面準位を水素で終端することを意図する場合には、シリコン窒化膜７は、素子分離領域２の受光領域に面する端部を少なくとも覆えばよい。あるいはゲート近傍の界面準位を水素で終端することを意図する場合には、シリコン窒化膜７は、ＭＯＳトランジスタの少なくとも一部を覆えばよい。
【００２０】
次に、この固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。
【００２１】
まず、シリコン基板１に対し、ＳＴＩ構造である素子分離層２を形成し、続いて、シリコン基板１の表面にゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）３及びゲート電極４を形成する。この場合、ゲート絶縁膜の材料の層とゲート電極の材料の層とを基板表面に一様に形成し、ゲート電極４の形状にこれらの層をパターニングするが、ここでゲート絶縁膜の残膜が残るようにする。この残膜が上述したように第１の絶縁膜３Ａとなる。
【００２２】
続いて、ゲート電極４をマスクとして、シリコン基板１の表面に対し、第１の導電型とは反対導電型（第２の導電型）の不純物をイオン注入することにより、シリコン基板１の表面に受光素子部５及びドレイン領域６を形成する。続いて、シリコン窒化膜７を枚葉式ＣＶＤ装置を用いて成膜する。このとき、シラン（ＳｉＨ4）とアンモニア（ＮＨ3）との反応を利用してシリコン窒化膜７を成膜するため、膜中に多量の水素が混入する。本実施形態では、シリコン窒化膜７中の水素濃度は１×１０22 ｃｍ-3以上とする。シリコン窒化膜７成膜時に発生する水素が界面準位を終端するため、暗電流が低減する。界面準位への水素の供給を促進するために、シリコン窒化膜７の成膜後、４００〜５００℃程度での熱処理を行うようにしてもよい。
【００２３】
さらに本実施形態では、図２に示すように、ＭＯＳトランジスタのゲートにおいて、ドレイン領域６側にサイドウォール９を設けてもよい。サイドウォールを設ける場合には、シリコン窒化膜７の上にさらにシリコン酸化膜８を形成し、受光領域以外をエッチバックすればよい。もちろん、いわゆるＬＤＤ(lightly doped drain)構造とするために、次に、サイドウォール９をマスクとして、ドレイン領域６に対して第２の導電型の不純物をさらにイオン注入するようにしてもよい。
【００２４】
本実施形態の固体撮像素子は、上述したプロセスを経て形成する。この場合、シリコン窒化膜７中の水素の外方拡散、及び界面準位に終端した水素の離脱を抑制するために、シリコン窒化膜９の形成後は、熱処理を抑制したプロセスによって固体撮像素子を形成するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の一形態の固体撮像素子のを示す断面図である。
【図２】ＭＯＳトランジスタのゲート電極へのサイドウォールの形成工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    シリコン基板
２    素子分離層
３    ゲート絶縁膜
３Ａ    第１の絶縁膜
４    ゲート電極
５    受光素子部
６    ドレイン領域
７    シリコン窒化膜
８    シリコン酸化膜
９    サイドウォール
【図１】
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【図２】
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