(57)【要約】【課題】製造プロセス等に起因するＰＤ界面への帯電や保護膜のチャージ等に拘わらず、ＰＤ界面の空乏化を阻止して暗電流の発生を抑制する。【解決手段】  実施の形態に係る固体撮像装置は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層表面に第２導電型の第２半導体層が形成されたフォトダイオード領域と、前記第１半導体層上及びフォトダイオード領域上に形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第１の固定電荷膜と、前記第１の固定電荷膜上に形成された１又は複数層の第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第２の固定電荷膜とを有する。【選択図】図１
2016174038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層表面に第２導電型の第２半導体層が形成されたフォトダイオード領域と、
前記第１半導体層上及びフォトダイオード領域上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第１の固定電荷膜と、
前記第１の固定電荷膜上に形成された１又は複数層の第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第２の固定電荷膜と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の層間絶縁膜は、窒素を含む絶縁膜を含む
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の固定電荷膜上に形成される１又は複数層の第３の層間絶縁膜と、
前記第３の層間絶縁膜上に形成されるフィルタ層及びマイクロレンズと
を有する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の固定電荷膜は、シリコン酸化膜を含む絶縁膜で挟まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
第１導電型の第１半導体層表面に第２導電型の第２半導体層を形成したフォトダイオード領域を形成し、
前記第１半導体層上及びフォトダイオード領域上に第１の層間絶縁膜を形成し、
前記第１の層間絶縁膜上に前記第２導電型の電荷を有する第１の固定電荷膜を形成し、
前記第１の固定電荷膜上に１又は複数層の第２の層間絶縁膜を形成し、
前記第２の層間絶縁膜上に前記第２導電型の電荷を有する第２の固定電荷膜を形成する
固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを利用して製造するＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置が種々開発されている。このような固体撮像装置は、２次元アレイ状に配列された画素毎に受光部が形成される。各画素の受光部は、例えばＰ型シリコン層に形成されたＮ型半導体層で構成されたフォトダイオード領域を有する。各画素の受光部に入射した光によってフォトダイオード領域に光量に応じた電荷が蓄積される。
【０００３】
Ｐ型シリコン層上には、層間絶縁膜が形成され、この層間絶縁膜上には例えば配線層やコンタクト領域が形成される。これらの層間絶縁膜、配線層やコンタクト領域上には保護膜が形成され、保護膜上に平坦化膜が形成される。平坦化膜上にはカラーフィルタ層が形成され、カラーフィルタ上にマイクロレンズが配置されて、画素毎に入射光を受光部に集光させるようになっている。カラーフィルタは、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）色光を透過させて各画素の受光部に入射させる。異なる色光が入射された複数の画素によって、色の成分を検出してカラー化を実現している。
【０００４】
ところで、シリコン層のフォトダイオード領域と層間絶縁膜との界面（以下、ＰＤ界面という）は、フォトダイオード領域に電圧が印加されることで空乏化する。そうすると、シリコン層と層間絶縁膜との不連続性によって生じるＰＤ界面の界面準位の影響により、リーク電流（暗電流）が流れやすくなる。この暗電流の発生を抑制するために、層間絶縁膜上に、負の極性を有する固定電荷膜を形成する方法が採用されることがある。固定電荷膜によってシリコン層のホールをＰＤ界面に引き寄せて充満させることで、ＰＤ界面における空乏化を防止して、暗電流の発生を抑制するようになっている。
【０００５】
しかしながら、半導体プロセス中におけるダイシング工程等、固体撮像装置の表面に対する工程や組立工程等において、ＰＤ界面が帯電することがある。出荷後においても、ＰＤ界面が例えば正に帯電すると、固定電荷膜の負電界が中性化され、固定電荷膜によるＰＤ界面に対する負電界の作用が小さくなって、ＰＤ界面にホールが誘導されにくくなる。これによりＰＤ界面のホール密度が低下し、局部的に空乏化して、暗電流を抑制することができなくなる。
【０００６】
また、保護膜は、例えば静電気等による比較的大きな電圧が印加されると、印加された電圧の一部をチャージする性質を有する。例えば急峻に変化する正電圧が保護膜に印加されると、出荷後においても保護膜に正電荷が保持される。保護膜に保持された電荷による電界によって固定電荷膜の電界が相殺されると、固定電荷膜によるＰＤ界面へのホールの誘導作用が抑制され、ＰＤ界面が空乏化してしまい、暗電流ムラを発生させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４１８０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
実施形態は、ＰＤ界面の空乏化を阻止して暗電流の発生を抑制することができる固体撮像装置及びそ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】
【０００９】
実施形態の固体撮像装置は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層表面に第２導電型の第２半導体層が形成されたフォトダイオード領域と、前記第１半導体層上及びフォトダイオード領域上に形成された第１の層間絶縁膜と、前記第１の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第１の固定電荷膜と、前記第１の固定電荷膜上に形成された１又は複数層の第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜上に形成された前記第２導電型の電荷を有する第２の固定電荷膜とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る固体撮像装置の断面形状の概略を説明するための説明図。
【図２】第１の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示すフローチャート。
【図３】固定電荷膜の膜厚と白キズの発生量との関係を示す図表。
【図４】本実施の形態における暗電流の抑制効果を説明するための説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の断面形状の概略を説明するための説明図。
【図６】第２の実施の形態における暗電流の抑制効果を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態に係る固体撮像装置の断面形状の概略を説明するための説明図である。
【００１２】
実施の形態における固体撮像装置は、マトリクス状に配列された複数の画素から構成される。各画素は、フォトダイオードを備え、入射光により光電変換された電荷を蓄積し、蓄積した電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。各画素をマトリクス状に配列することで１画面の画像信号が得られる。
【００１３】
図１は各画素の断面形状を説明するものであり、隣接した３画素の構成を示している。実施の形態は電荷として電子を用いる例を示しているが、電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。なお、図１においては、配線層、コンタクト層、コンタクトホール、遮光膜等については、図示を省略する。
【００１４】
Ｐ型のシリコン層１１には、Ｎ型半導体層が形成されたフォトダイオード領域１２が画素毎に形成されている。フォトダイオード領域１２は、シリコン層１１の表面から所定の深さまで形成されており、各フォトダイオード領域１２は、Ｎ型半導体層１２内に各画素の電荷（実施の形態では、電子）を蓄積する機能を有する。このフォトダイオード領域１２及びシリコン層１１の表面上には、層間絶縁膜１３が全面に形成されている。
【００１５】
実施の形態においては、層間絶縁膜１３上に、負の固定電荷を有する第１の固定電荷膜１４（斜線部）が全面に形成されている。更に、実施の形態においては、第１の固定電荷膜１４上に、層間絶縁膜１５、保護膜１６及び層間絶縁膜１７が積層され、層間絶縁膜１７上に負の固定電荷を有する第２の固定電荷膜１８（斜線部）が全面に形成されている。
【００１６】
第２の固定電荷膜１８上にＳｉＯ２等の層間絶縁膜２２を形成後、カラーフィルタ層１９が形成されており、カラーフィルタ層１９は、各画素に対応して例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）に着色されている。カラーフィルタ層１９上には、平坦化層２０を介してマイクロレンズ２１が形成されている。マイクロレンズ２１及びカラーフィルタ層１９によって、被写体からの色光が各画素に入射するようになっている。
【００１７】
後述するように、第２の固定電荷膜１８は、第１の固定電荷膜１４と共に特に表面チャージアップ等による暗電流の発生を抑制する機能を有する。
【００１８】
次に、図２を参照して図１の固体撮像装置の製造方法について説明する。図２は第１の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示すフローチャートである。
【００１９】
先ず、シリコン層１１となるＰ型のシリコン基板を用意し（ステップＳ１）、例えばイオン注入により、各画素領域に、フォトダイオード領域１２を形成する（ステップＳ２）。なお、半導体基板上に直接フォトダイオード領域を形成するのではなく、ウェル等の半導体層によりシリコン層１１を形成し、この半導体層中にフォトダイオード領域を形成するようにしてもよい。例えば、リン等のイオンの注入によって、シリコン層１１の所定位置までＮ型半導体層を形成し、フォトダイオード領域１２を形成する。次に、ステップＳ３において、例えばＣＶＤ（化学気相成長法）やＡＬＤ（原子層堆積法）等により、シリコン層１１及びフォトダイオード領域１２の全表面上にＳｉＯ２（酸化シリコン）膜等の層間絶縁膜１３を形成する。
【００２０】
次に、ステップＳ４において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、層間絶縁膜１３の表面上に負の固定電荷を有する第１の固定電荷膜１４を形成する。第１の固定電荷膜１４の材料としては、例えば、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）や酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等を採用する。
【００２１】
次に、ステップＳ５において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、第１の固定電荷膜１４の表面上にＳｉＯ２膜等の層間絶縁膜１５を形成する。次に、ステップＳ６において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、層間絶縁膜１５の表面上にＳｉＮ（窒化シリコン）膜等の保護膜１６を形成する。なお、保護膜１６は、水素をトラップして暗電流の発生を抑制する効果を有する。次に、ステップＳ７において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、保護膜１６の表面上にＳｉＯ２膜等の層間絶縁膜１７を形成する。
【００２２】
実施の形態においては、次のステップＳ８において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、層間絶縁膜１７の表面上に負の固定電荷を有する第２の固定電荷膜１８を形成する。第２の固定電荷膜１８の材料としては、例えば、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）や酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等を採用する。
【００２３】
次に、ステップＳ９において、例えばＣＶＤやＡＬＤ等により、第２の固定電荷膜１８上にＳｉＯ２等の層間絶縁膜２２を形成する。層間絶縁膜２２は第２の固定電荷膜１８から電荷が抜けることを防止するために設けられる。次に、ステップＳ１０において、カラーレジスタを所定のパターンに露光することによって、カラーフィルタ層１９を形成する。次に、ステップＳ１１において、カラーフィルタ層１９上に平坦化層２０を形成した後、マイクロレンズ２１を形成する。
（作用）
このように構成された固体撮像装置においては、第１及び第２の固定電荷膜１４，１８によって、表面チャージアップ等に拘わらず、暗電流の発生を確実に抑制することができる。
【００２４】
ところで、暗電流の抑制効果を高めるために、負の固定電荷を有する固定電荷膜の膜厚を厚くする方法が考えられる。また、複数の固定電荷膜を積層することで結果的に固定電荷膜の膜厚を厚くする方法も考えられる。しかしながら、固定電荷膜の膜厚を厚くしただけでは、暗電流による白キズ等の発生を抑制する効果を向上させることはできない。
【００２５】
図３は固定電荷膜の膜厚と白キズの発生量との関係を示す図表である。なお、図３は電源電圧として２．８Ｖを与えた場合に、発生する白キズの個数を示している。
【００２６】
これらの基板上には、層間絶縁膜であるａ（ｎｍ）厚のＳｉＯ２膜が形成されている。装置Ａは、このＳｉＯ２膜上に１３ｎｍの膜厚で固定電荷膜であるＨｆＯｘ膜が形成されている。一方、装置Ｂは、ＳｉＯ２膜上に７ｎｍの膜厚で固定電荷膜であるＨｆＯｘ膜が形成されている。装置Ａ，Ｂのいずれにも、ＨｆＯｘ膜上には、ｄ（ｎｍ）厚の保護膜であるＳｉＮ膜が形成されている。
【００２７】
図３に示すように、ＳｉＯ２膜の膜厚は共通であり、また、ＳｉＮ膜の膜厚も共通である。これに対し、装置Ａ，Ｂは、固定電荷膜であるＨｆＯｘ膜の膜厚が異なり、装置Ａの膜厚１３ｎｍに対して、装置Ｂの膜厚７ｎｍは小さい。図３では、固定電荷膜の膜厚が大きい装置Ａに発生した白キズの個数が１０３７個、微小白キズの個数が２２２１個であるのに対し、固定電荷膜の膜厚が小さい装置Ｂに発生した白キズの個数が５８６個、微小白キズの個数が１８０７個であったことを示している。
【００２８】
白キズの発生は、暗電流によるものと考えられる。このように、装置Ａ，Ｂの例では、固定電荷膜の膜厚を厚くしただけでは、白キズの元となる暗電流を抑制することができないことを示している。この理由から、実施の形態においては、単に膜厚を厚くするのではなく、固定電荷膜を２層で構成すると共に、これらの固定電荷膜同士の層間に、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等による層間絶縁膜を配置することで表面チャージアップを抑制し、フォトダイオード界面の空乏化を防止し暗電流を抑制することができる。
【００２９】
図４は実施の形態における暗電流の抑制効果を説明するための説明図である。図４（ａ）は関連技術において暗電流が発生する理由を説明するものであり、図４（ｂ）は第１の実施の形態において暗電流の発生を抑制できる理由を説明するものである。
【００３０】
図４（ａ）は関連技術の固体撮像装置を示しており、図４（ｂ）に示す第１の実施の形態の固体撮像装置の層間絶縁膜１７及び第２の固定電荷膜１８に代えて層間絶縁膜２５が形成されたものである。図４（ａ）の固体撮像装置は、固定電荷膜１４によって、シリコン層１１からＰＤ界面にホール３３を引き寄せられるようになっている。しかしながら、製造時等において固体撮像装置の表面に正電荷３１が帯電して表面チャージアップしたり、保護膜１６に正電荷３２がトラップされたりする。これらの正電荷３１，３２は固定電荷膜１４に作用して、固定電荷膜１４の負電荷を部分的に中性化する。固定電荷膜１４において電荷が中性化された部分については、ＰＤ界面にホールを引き寄せる効果が得られなくなり、図４（ａ）に示すように、ＰＤ界面の一部においてホール３３が存在しない領域が生じる。即ち、この領域は空乏化されて、暗電流が生じてしまう。
【００３１】
これに対し、実施の形態における固体撮像装置は、第１の固定電荷膜１４上に、層間絶縁膜１５、保護膜１６及び層間絶縁膜１７を介在させて、第２の固定電荷膜１８が形成されている。この第２の固定電荷膜１８は、製造時等において帯電した正電荷３１をトラップする機能だけでなく、保護膜１６における正電荷の発生を抑制することができる。これにより、これらの正電荷３１，３２によって第１の固定電荷膜１４が中性化されることが防止される。こうして、実施の形態における第１の固定電荷膜１４は、ＰＤ界面の全面においてホール３４を引き寄せる効果を有する。これにより、ＰＤ界面の全域において空乏化が防止され、暗電流の発生が抑制される。実施の形態は、表面付近に発生する正電荷３１，３２をトラップするため、第２の固定電荷膜１８は表面に近いカラーフィルタ１９と層間絶縁膜１７の間に形成している。しかし、第２の固定電荷膜１８の形成位置は実施の形態に限定されない。発生する正電荷に近い位置に第２の固定電荷膜を形成することで、より高い効果を得ることができる。
【００３２】
このように層間絶縁膜１５、保護膜１６及び層間絶縁膜１７を介在させて、第１、第２の固定電荷膜１４，１８を設ける構成にしたことから、単に固定電荷膜１４の膜厚を厚くする場合に比べて、正電荷３１，３２のトラップ効果を向上させることができ、ＰＤ界面の空乏化を確実に防止することができる。また、実施形態のように固定電荷膜はＳｉＯ２等の層間絶縁膜に挟まれることで、固定電荷膜の電界をキープすることができるため、より正電荷をトラップすることができる。
【００３３】
なお、図１では、第１、第２の固定電荷膜１４，１８相互間に、層間絶縁膜１５、保護膜１６及び層間絶縁膜１７の３層を介在させる例を説明したが、３層に限らず、１又は複数の層間絶縁膜（一般的には保護膜も層間絶縁膜である）を介在させれば、同様の効果が得られるものと考えられる。
【００３４】
このように本実施の形態においては、ＰＤ界面の空乏化を阻止して暗電流の発生を抑制するために第１の固定電荷膜を形成する。そして、第１の固定電荷膜の膜厚を厚くしただけでは、白キズの抑制効果を向上させることができないことに鑑みて、第１の固定電荷膜上に１又は複数の層間絶縁膜を介して第２の固定電荷膜を形成し、第２の固定電荷膜によって、表面チャージアップ等による電荷をトラップすることで、第１の固定電荷膜によって確実に空乏化を阻止し、暗電流の発生を抑制するようになっている。これにより、白キズ等の発生を抑えて高画質の撮像画像を得ることができる。
（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の断面形状の概略を説明するための説明図である。図５において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
実施の形態における固体撮像装置は、図１の保護膜１６、層間絶縁膜１７及び第２の固定電荷膜１８に代えて、第２の固定電荷膜４１（斜線部）、層間絶縁膜４２及び保護膜４３が形成されている点が第１の実施の形態と異なる。
【００３６】
即ち、実施の形態においては、第１の固定電荷膜１４上に、層間絶縁膜１５を介して第２の固定電荷膜４１が形成されている。第２の固定電荷膜４１上に、層間絶縁膜４２及び保護膜４３が積層され、保護膜４３上に、カラーフィルタ層１９が形成されている。保護膜４３は平坦化膜としての機能を有すると共に、水素をトラップして暗電流の発生を抑制する効果を有する。
【００３７】
実施の形態においても、第２の固定電荷膜４１は、表面チャージアップ等による暗電流の発生を抑制する機能を有する。
【００３８】
次に、このように構成された実施の形態の作用について図６を参照して説明する。図６は第２の実施の形態における暗電流の抑制効果を説明するための説明図である。
【００３９】
実施の形態においては、第１及び第２の固定電荷膜１４，４１によって、表面チャージアップ等に拘わらず、暗電流の発生を確実に抑制することができる。実施の形態における固体撮像装置は、第１の固定電荷膜１４上に、層間絶縁膜１５を介在させて、第２の固定電荷膜４１が形成されている。この第２の固定電荷膜４１は、製造時等において帯電した正電荷３１，３２をトラップする機能を有する。これにより、これらの正電荷３１，３２による第１の固定電荷膜１４が中性化されることが防止される。こうして、実施の形態における第１の固定電荷膜１４は、ＰＤ界面の全面においてホール３４を引き寄せる効果を有する。これにより、ＰＤ界面の全域において空乏化が防止され、暗電流の発生が抑制される。
【００４０】
このように第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
上記実施形態においては、光電効果により電子を蓄積する、いわゆるＮ型フォトダイオードを例に説明したが、ホールを蓄積するＰ型フォトダイオードの場合も正の極性を有する固定電荷膜を用いることで実施形態の効果を得ることができる。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００４３】
１１…シリコン層、１２…フォトダイオード領域、１３，１５，１７…層間絶縁膜、１４…第１の固定電荷膜、１６…保護膜、１８…第２の固定電荷膜、１９…カラーフィルタ層、２１…マイクロレンズ。
【図１】
2016174038.tif 000003
【図２】
2016174038.tif 000004
【図３】
2016174038.tif 000005
【図４】
2016174038.tif 000006
【図５】
2016174038.tif 000007
【図６】
2016174038.tif 000008