(57)【要約】【課題】  暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに感度の劣化を防止した固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】  上面から入射する光を光電変換する光電変換部１１，１２が内部に形成されている基板１０の上方に、第１保護膜２２を形成する。次に、第１保護膜２２の上面に対して、第１保護膜２２とは異なる材料から成る中間膜２３を形成する。次に、中間膜２３の上面に対して、中間膜２３とは異なる材料から成る第２保護膜２４を形成する。この後、第２保護膜２４の形成後に、熱処理を行う。そして、熱処後に、中間膜２３上の第２保護膜２４を選択的に除去する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板の上方に、第１保護膜を形成する第１保護膜形成工程と、
前記第１保護膜の上面に対して、前記第１保護膜とは異なる材料から成る中間膜を形成する中間膜形成工程と、
前記中間膜の上面に対して、前記中間膜とは異なる材料から成る第２保護膜を形成する第２保護膜形成工程と、
前記第２保護膜形成工程後に、熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記中間膜上の前記第２保護膜を選択的に除去する第２保護膜除去工程と、
を備えることを特徴とする固体半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板がシリコンから成り、前記第１保護膜及び前記第２保護膜が窒化シリコンから成り、前記中間膜が酸化シリコンから成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。
【請求項３】
前記第２保護膜除去工程で、リン酸を用いたウエットエッチングによって、前記中間膜上の前記第２保護膜を選択的に除去す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどに代表される固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機などの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。固体撮像素子は、例えばフォトダイオードから成る光電変換部が光電変換によって電荷を生成し、当該電荷による電位を増幅することで、画像データを構成する信号を生成する。
【０００３】
このような固体撮像素子では、入射する光によらずに電荷が発生する暗電流や白傷（多量の暗電流によって白色の信号が生成されること）が問題となる。暗電流は、主に基板表面の界面準位から電荷が供給されることで発生する。そのため、例えば界面準位に水素イオンを供給することで不活性化したり、フォトダイオードを埋込型（電荷蓄積領域を基板表面から離間させた構造）にしたりすることで、暗電流及び白傷を低減することが可能である。
【０００４】
例えば、特許文献１では、基板表面上に十分な膜厚（２μｍ以上）のプラズマ窒化膜を形成した状態で熱処理を行い、多量の水素イオンを基板表面に拡散させて界面準位を不活性化することで、暗電流及び白傷を低減した固体撮像素子の製造方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２９５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で提案されている固体撮像素子の製造方法では、固体撮像素子の感度の低下を防止するために、熱処理後にプラズマ窒化膜をエッチバックして、基板上の膜厚を低減する必要がある。しかしながら、プラズマ窒化膜のエッチバックによって固体撮像素子にダメージが導入されることで、暗電流及び白傷が増加することがあるため、問題となる。また、エッチバック後に基板上の膜厚がばらつくと、マイクロレンズやカラーフィルタなどの光学部材を設計通りに形成することが困難になり、固体撮像素子の感度が劣化することがあるため、問題となる。
【０００７】
そこで、本発明は、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに感度の劣化を防止した固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板の上方に、第１保護膜を形成する第１保護膜形成工程と、
前記第１保護膜の上面に対して、前記第１保護膜とは異なる材料から成る中間膜を形成する中間膜形成工程と、
前記中間膜の上面に対して、前記中間膜とは異なる材料から成る第２保護膜を形成する第２保護膜形成工程と、
前記第２保護膜形成工程後に、熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記中間膜上の前記第２保護膜を選択的に除去する第２保護膜除去工程と、
を備えることを特徴とする固体半導体素子の製造方法を提供する。
【０００９】
この固体撮像素子の製造方法によれば、暗電流を低減するための熱処理工程時には必要であるが固体撮像素子の完成時には不要である第２保護膜を、第２保護膜除去工程において除去する際に、中間膜をストッパとして利用することができる。そのため、固体撮像素子にダメージが導入されることを抑制するとともに、第２保護膜の除去後における膜厚のばらつきを低減することが可能になる。
【００１０】
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記基板がシリコンから成り、前記第１保護膜及び前記第２保護膜が窒化シリコンから成り、前記中間膜が酸化シリコンから成ると、好ましい。
【００１１】
この固体撮像素子の製造方法によれば、熱処理工程において、シリコン基板に対して暗電流を抑制するための水素イオンを供給することが可能になる。
【００１２】
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記第２保護膜除去工程で、リン酸を用いたウエットエッチングによって、前記中間膜上の前記第２保護膜を選択的に除去すると、好ましい。
【００１３】
この固体撮像素子の製造方法によれば、第２保護膜除去工程において、酸化シリコンから成る中間膜をほぼエッチングすることなく、窒化シリコンから成る第２保護膜を高い選択比でエッチングすることが可能となる。そのため、第２保護膜の除去後における基板上の膜厚のばらつきを、効果的に低減することが可能になる。さらに、例えばドライエッチングを適用した場合と比較して、固体撮像素子にダメージが導入されることを、効果的に抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
上記特徴の固体撮像素子によれば、中間膜を導入することによって、第２保護膜除去工程において固体撮像素子にダメージが導入されることを抑制するとともに、第２保護膜の除去後における基板上の膜厚のばらつきを低減することが可能になる。そのため、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに、感度の劣化を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例について、図１〜図５を参照して説明する。図１〜図５は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図である。なお、図１〜図５では、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例として、電子を蓄積及び転送するＣＣＤイメージセンサの製造方法を例示している。
【００１７】
最初に、図１に示すように、例えばシリコンから成るｎ型（ｎ）の基板１０に、ｐ型（ｐ）の第１ウェル１１を形成する。そして、この第１ウェル１１内に、ｎ型（ｎ＋）の電荷蓄積領域１２と、電荷蓄積領域１２上であり基板１０の上面１０１から所定の深さまで形成されるｐ型（ｐ＋＋）の表面拡散領域１３と、ｐ型（ｐ＋）の第２ウェル１４と、第２ウェル１４上であり基板１０の上面１０１から所定の深さまで形成されるｎ型（ｎ）の電荷転送領域１５と、電荷蓄積領域１２及び表面拡散領域１３とこれに隣接する片側（図中右側）の第２ウェル１４及び電荷転送領域１５との間に設けられるｐ型（ｐ＋）のチャネルストップ領域１６と、を形成する。このとき、表面拡散領域１３は、電荷蓄積領域１２の形成後に形成する。また、電荷転送領域１５は、第２ウェル１４の形成後に形成する。
【００１８】
基板１０内の各領域は、例えばイオン注入などによって基板１０内にｐ型不純物またはｎ型不純物を注入することで形成される。基板１０がシリコンから成る場合、ｐ型不純物として、例えばホウ素などを用いることができる。また、ｎ型不純物として、例えばリンやヒ素などを用いることができる。
【００１９】
次に、基板１０の上面１０１の全面に、例えば酸化シリコンから成る表面絶縁膜１７を形成する。また、電荷蓄積領域１２の直上となる表面絶縁膜１７の上面に対して、例えば酸化シリコンから成るゲート絶縁膜１８を形成する。また、ゲート絶縁膜１８の上面に対して、例えばポリシリコンから成る転送ゲート電極１９を形成する。なお、ゲート絶縁膜１８及び転送ゲート電極１９は、それぞれを成す材料の膜を表面絶縁膜１７に対して全面的に形成した後、必要とする部分を除いてレジストを形成してエッチングを行い、その後にレジストを除去するなどの方法によって、形成することができる。
【００２０】
次に、表面絶縁膜１７、ゲート絶縁膜１８及び転送ゲート電極１９の露出面を覆うように、例えば酸化シリコンから成る層間絶縁膜２０を形成する。さらに、転送ゲート電極１９の直上となる層間絶縁膜２０の上面と、転送ゲート電極１９の側方となる層間絶縁膜２０の側面と、のそれぞれを覆うように、例えばアルミニウムやタングステンから成る遮光膜２１を形成する。なお、遮光膜２１は、遮光膜２１を成す材料の膜を層間絶縁膜２０に対して全面的に形成した後、必要とする部分を除いてレジストを形成してエッチングを行い、その後にレジストを除去するなどの方法によって、形成することができる。
【００２１】
次に、図２に示すように、層間絶縁膜２０及び遮光膜２１の露出面を覆うように、例えば窒化シリコンから成る第１保護膜２２を形成する。さらに、図３に示すように、第１保護膜２２の上面に対して、例えば酸化シリコンから成る中間膜２３を形成する。さらに、図４に示すように、中間膜２３の上面に対して、例えば窒化シリコンから成る第２保護膜２４を形成する。
【００２２】
そして、図４に示したように第２保護膜２４を形成した状態で熱処理を行うことにより、第１保護膜２２及び第２保護膜２４中の水素イオンを拡散させて、基板１０に対して水素イオンを供給する。このとき、第２保護膜２４中の水素イオンは、中間膜２３を透過して第１保護膜２２内に拡散する。また、第１保護膜２２中の水素イオンは、層間絶縁膜２０及び表面絶縁膜１７を透過して基板１０に到達する。これにより、基板１０の上面１０１における界面準位や、電荷蓄積領域１２内への金属元素の拡散等で生じた結晶欠陥に伴うダングリングボンドが、水素イオンで不活性化されるため、暗電流及び白傷を低減することが可能になる。
【００２３】
この熱処理工程は、水素イオンを効果的に供給するために、３８０℃以上４５０℃以下（具体的に例えば、４２０℃）の温度で行うと、好ましい。また、この熱処理工程は、不活性ガス雰囲気（例えば、熱処理炉内のガスの大部分または全部が窒素ガス）または水素ガス雰囲気（例えば、熱処理炉内のガスの全部が水素ガス）として、水素イオンと反応する酸素等を排除した雰囲気で行うと、好ましい。
【００２４】
上記の熱処理工程の終了後、中間膜２３をストッパとして利用して、中間膜２３上の第２保護膜２４を選択的に除去する（即ち、図３に示した構造に戻す）。このとき、第２保護膜２４が窒化シリコンから成り、中間膜２３が酸化シリコンから成る場合は、リン酸を用いたウエットエッチングを行うと、好ましい。
【００２５】
この場合、酸化シリコンから成る中間膜２３をほぼエッチングすることなく、窒化シリコンから成る第２保護膜２４を高い選択比でエッチングすることが可能となる。そのため、第２保護膜２４の除去後における基板１０上の膜厚のばらつきを、効果的に低減することが可能になる。さらに、例えばドライエッチングを適用した場合と比較して、固体撮像素子にダメージが導入されることを、効果的に抑制することが可能になる。
【００２６】
次に、図５に示すように、中間膜２３の上面に対して、例えば樹脂からなる平坦化膜２５を形成する。次に、電荷蓄積領域１２の直上となる平坦化膜２５の上面に対して、例えば顔料を含んだ樹脂から成り所定の色（波長）の光を選択的に透過させるカラーフィルタ２６を形成する。次に、例えば樹脂から成り平坦化膜２５上のカラーフィルタ２６を埋め込むコート膜２７を形成する。
【００２７】
そして最後に、カラーフィルタ２６の直上となるコート膜２７の上面に対して、例えば樹脂から成るとともに入射する光を集光してカラーフィルタ２６を透過させる凸形状のマイクロレンズ２８を形成することで、固体撮像素子１が製造される。
【００２８】
この固体撮像素子１において、マイクロレンズ２８、カラーフィルタ２６及び電荷蓄積領域１２は、基板１０の上面１０１に対して垂直な方向（図中の上下方向）に対して一列に並んでおり、それぞれの列がそれぞれの画素を構成している。例えば、これらの画素は、基板１０の上面１０１と平行な面内においてマトリクス状に配置される。具体的に例えば、これらの画素は、カラーフィルタ２６が透過させる色に着目すると、ベイヤ配列で配置されている。
【００２９】
固体撮像素子１に入射する光は、マイクロレンズ２８で集光され、コート膜２７及びカラーフィルタ２６を透過する。このとき、カラーフィルタ２６は、所定の色（波長）の光を選択的に透過させる。カラーフィルタ２６を透過した光は、平坦化膜２５、中間膜２３、第１保護膜２２、層間絶縁膜２０及び表面保護膜１７をそれぞれ透過して、上面１０１から基板１０内に入射する。すると、第１ウェル１１及び電荷蓄積領域１２から成るフォトダイオード（光電変換部）によって、基板１０内に入射した光が光電変換されて電子及び正孔が生じ、電子が電荷蓄積領域１２に蓄積される。このとき、基板１０の上面１０１から所定の深さまでは表面拡散領域１３が形成されているため、電荷蓄積領域１２は、暗電流の発生源である界面準位が存在する基板１０の上面１０１から離れた位置に存在することになる。そのため、電荷蓄積領域１２が蓄積する電子が、基板１０の上面１０１で発生する暗電流の影響を受けにくいものとなる。
【００３０】
そして、所定のタイミングで転送ゲート電極１９に電圧が印加されることで、電荷転送領域１５の外縁近傍に埋込チャネルが形成される。そして、この埋込チャネルを介して、電荷蓄積領域１２から読み出された電子の一時的な蓄積や転送（紙面垂直方向への転送）が順次行われ、最終段まで転送された電子による電位が増幅されることで、画像データを構成する信号が生成される。この埋込チャネルは、暗電流の発生源である界面準位が存在する基板１０の上面１０１から離れた位置に形成される。そのため、埋込チャネルを介して転送される電子が、基板１０の上面１０１で発生する暗電流の影響を受けにくいものとなる。また、チャネルストップ領域１６によって、電荷蓄積領域１２から読み出される電子は、隣接する片側（図中左側）の電荷転送領域１５の外縁近傍に形成される埋込チャネルにのみ蓄積される。
【００３１】
以上より、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法によれば、中間膜２３を導入することによって、第２保護膜２４の除去工程において固体撮像素子１にダメージが導入されることを抑制するとともに、第２保護膜２４の除去後における基板１０上の膜厚のばらつきを低減することが可能になる。そのため、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに、感度の劣化を防止することが可能になる。
【００３２】
なお、第１保護膜２２は、最終的な固体撮像素子１の構造に含まれる（図５参照）。そのため、固体撮像素子１の感度の低下を防止する観点から、第１保護膜２２を最小限の膜厚にすると、好ましい。例えば、第１保護膜２２は、基板１０の上面１０１上に形成される各部を保護するために必要となる最小限の膜厚（具体的に例えば、１５０ｎｍ）にすると、好ましい。
【００３３】
また、中間膜２３は、熱処理工程において第１保護膜２２と第２保護膜２４との間に存在するとともに（図４参照）、最終的な固体撮像素子１の構造に含まれるものである（図５参照）。そのため、熱処理工程において第２保護膜２４に含まれる水素イオンを第１保護膜２２内に迅速に拡散させる観点や、固体撮像素子１の感度の低下を防止する観点から、中間膜２３を最小限の膜厚にすると、好ましい。例えば、中間膜２３は、第２保護膜２４を除去する工程において、エッチングのストッパとして利用するために必要となる最小限の膜厚（具体的に例えば、１０ｎｍ）にすると、好ましい。
【００３４】
また、第２保護膜２４は、熱処理工程後に除去され、最終的な固体撮像素子１の構造には含まれない（図５参照）。そのため、第２保護膜２４は、熱処理工程において、基板１０に対して水素イオンを十分に供給することが可能な膜厚にすると好ましい。
【００３５】
また、第１保護膜２２及び第２保護膜２４を成す窒化シリコン膜は、水素イオンを好適に供給するために、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で形成すると好ましい。例えば、成膜炉内にシランを３００ｓｃｃｍ以上６００ｓｃｃｍ以下で供給し、アンモニアを１００ｓｃｃｍ以上６００ｓｃｃｍ以下で供給し、窒素を２５００ｓｃｃｍ以上４５００ｓｃｃｍ以下で供給するとともに、成膜温度を４００℃、成膜炉内の圧力を５５０Ｐａ以上６００Ｐａ以下、ＲＦ（Radio Frequency）電源の出力を９００Ｗ以上１０００Ｗ以下にすると、好ましい。この条件では、０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の引張応力が発生するとともに屈折率が１．９７５以上２．０１５以下となる窒化シリコン膜を形成することができる。
【００３６】
また、中間膜２３を成す酸化シリコン膜も、プラズマＣＶＤで形成すると好ましい。例えば、成膜炉内にシランを１００ｓｃｃｍ以上３００ｓｃｃｍ以下で供給し、一酸化二窒素を５０００ｓｃｃｍ以上１００００ｓｃｃｍ以下で供給し、窒素を５０００ｓｃｃｍ以上１００００ｓｃｃｍ以下で供給するとともに、成膜温度を４００℃、成膜炉内の圧力を２００Ｐａ以上６００Ｐａ以下、ＲＦ電源の出力を２００Ｗ以上８００Ｗ以下にすると、好ましい。
【００３７】
＜変形等＞
図１〜図５では、電子を蓄積及び転送する固体撮像素子１について例示したが、基板１０内の各領域のｐ型及びｎを逆にして、正孔を蓄積及び転送する固体撮像素子としてもよい。また、第１ウェル１１を設けることなく、ｐ型の基板内にｎ型の電荷蓄積領域を直接的に形成した構造としてもよい。
【００３８】
図１〜図５において、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法として、ＣＣＤイメージセンサの製造方法について例示したが、本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子に対しても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等に、好適に利用され得る。
【符号の説明】
【００４０】
１      ：  固体撮像素子
１０    ：  基板
１０１  ：  上面
１１    ：  第１ウェル
１２    ：  電荷蓄積領域
１３    ：  表面拡散領域
１４    ：  第２ウェル
１５    ：  電荷転送領域
１６    ：  チャネルストップ領域
１７    ：  表面絶縁膜
１８    ：  ゲート絶縁膜
１９    ：  転送ゲート電極
２０    ：  層間絶縁膜
２１    ：  遮光膜
２２    ：  第１保護膜
２３    ：  中間膜
２４    ：  第２保護膜
２５    ：  平坦化膜
２６    ：  カラーフィルタ
２７    ：  コート膜
２８    ：  マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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