(57)【要約】【課題】暗電流を効率的に抑制できる固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換素子２４を有する複数の画素と、各画素の光電変換素子２４上に、絶縁膜２５を介して形成された分極処理された強誘電体膜２８と、強誘電体膜２８上に形成された透明電極膜２９とを有する。【選択図】図１
2009218438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を有する複数の画素と、
前記各画素の光電変換素子上に、絶縁膜を介して形成された分極処理された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された透明電極膜と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換素子となるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを構成する第１導電型半導体領域の前記絶縁膜との界面近傍に、前記強誘電体膜により誘起された信号電荷と逆の電荷による電荷蓄積領域と
を有する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記強誘電体膜と前記透明電極膜との間に形成されたバリア膜
を有する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記絶縁膜が、シリコン酸化膜、もしくはＨｆ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉから選ばれた金属酸化膜、もしくは前記金属酸化膜とシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜との積層膜で形成されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
半導体基板に光電変換素子を有する複数の画素を形成する工程と、
前記光電変換素子上に、絶縁膜を介して強誘電体膜及び透明電極膜を積層する工程と、
熱処理を施して前記強誘電体膜に対して消極処理を行い、その後に分極処理を行う工程を有し、
分極後も前記透明電極膜を残存させる
固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理で前記消極処理を行った後、降温しながら前記半導体基板と前記透明電極膜との間に電圧を印加して前記強誘電体膜に対する前記分極処理を行う
請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記透明電極膜を形成した後に、
絶縁膜を堆積し、前記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに臨む前記透明電極膜の延長部に接続する接続配線を形成する工程を有し、
前記強誘電体膜に対して前記消極処理した後、前記接続配線と前記半導体基板との間に電圧を印加して前記強誘電体膜に対する前記極処理を行う
請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】
前記強誘電体膜と前記透明電極膜との間にバリア膜を形成する
請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁膜として、シリコン酸化膜、もしくはＨｆ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉから選ばれた金属酸化膜、もしくは前記金属酸化膜とシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜との積層膜を用いる
請求項５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の光電変換素子に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、
前記固体撮像装置は、
前記光電変換素子を有する複数の画素と、
前記各画素の光電変換素子上に、絶縁膜を介して形成された分極処理された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された透明電極膜と
を有する電子機器。
【請求項１１】
前記光電変換素子となるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを構成する第１導電型半導体領域の前記絶縁膜との界面近傍に、前記強誘電体膜により誘起された信号電荷と逆の電荷による電荷蓄積領域と
を有する請求項１０記載の電子機器。
【請求項１２】
前記強誘電体膜と前記透明電極膜との間に形成されたバリア膜
を有する請求項１０記載の電子機器。
【請求項１３】
前記絶縁膜が、シリコン酸化膜、もしくはＨｆ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉから選ばれた金属酸化膜、もしくは前記金属酸化膜とシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜との積層膜で形成されている
請求項１０記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置に大別される。
【０００３】
ＣＭＯＳ固体撮像装置は、光電変換素子となるフォトダイオード（ＰＤ）と複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）からなる画素が複数、２次元的に配列された撮像領域と、撮像領域の周辺に配置された周辺回路とを有して構成される。ＣＣＤ固体撮像装置は、２次元的に配列された複数の光電変換素子となるフォトダイオード（ＰＤ）と、各フォトダイオード列に対応して配置されたＣＣＤ構造の垂直転送レジスタからなる撮像領域を有する。ＣＣＤ固体撮像装置は、さらに撮像領域からの信号電荷を水平方向に転送するＣＣＤ構造の水平転送レジスタ、出力部、及び信号処理回路を構成する周辺回路などを有して構成される。
【０００４】
フォトダイオードは、信号電荷を電子とするときには、通常、ｐ型の半導体ウェル領域にｎ型の半導体領域を形成して構成される。フォトダイオードを構成する各ｎ型半導体領域の表面には例えば酸化シリコンによる絶縁膜が形成される。光がｎ型半導体領域に入射され光電変換されて電子・正孔対が生成されと、信号電荷となる電子がｎがた半導体領域に蓄積される。その後、この信号電荷が読み出される。
【０００５】
図９に、従来の固体撮像装置の概略構成を示す。図９は、固体撮像装置１における周辺回路部２と、撮像領域のフォトダイオード３を模式的に示した断面図である。この固体撮像装置１は、シリコン基板上に周辺回路部２と撮像領域のフォトダイオード３が形成され、これらの上に例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜４が形成される。さらに周辺回路部２を含むフォトダイオード３以外の領域部上に、アルミニウムやングステンからなる遮光膜５が形成され、遮光膜５を覆うように全面にシリコン酸化膜等の絶縁膜による保護膜６が形成される。
【０００６】
この構成において、フォトダイオード３は完全空乏状態にあり、フォトダイオード３の受光面と上層膜である絶縁膜４との界面における界面準位が暗電流の発生源となることが知られている。界面準位に起因した暗電流の発生を抑制する手法として、例えば、ＨＡＤ（Hole Accumulation Diode）構造が用いられている。
【０００７】
このＨＡＤ構造は、一般的に、図１０に示すように、ｐ型半導体ウェル領域１１に形成したフォトダイオード３を構成するｎ型半導体領域１２の表面、すなわち絶縁膜１４との界面近傍にｐ＋半導体領域１３を形成して構成される。このｐ＋半導体領域１３は、ｐ＋アキュミュレーション層と呼ばれている。このＨＡＤ構造では、界面準位から発生した電子がｐ＋半導体領域１３で再結合されて消滅し、暗電流の発生を抑制している。
【０００８】
また、界面準位に起因した暗電流の発生を抑制する他の手法としては、図１１に示す構成が知られている。この固体撮像装置７は、フォトダイオード３の表面に絶縁膜４を介して燐添加酸化シリコン膜からなる双極型電気分極誘電体膜８を形成して構成される。双極型電気分極誘電体膜８上及び周辺回路部２上に絶縁膜９が形成され、この絶縁膜９上に遮光膜５及び保護膜６が形成される。この構成では、双極型電気分極誘電体膜８の残留分極により、フォトダイオード３を構成するｎ型半導体領域の界面近傍に正孔を誘起してＨＡＤ構造化し、暗電流を抑制している（特許文献１参照）。
【０００９】
さらに、他の手法としては、図１２に示すように、フォトダイオードを構成するｎ型半導体領域３上に絶縁膜４を介して透明電極膜１５を形成し、この透明電極膜１５に負電圧（―Ｖ）を印加して、ｎ型半導体領域の界面付近に正孔を誘起してＨＡＤ構造化した構成も知られている（特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−３４３４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述した図１１に示す、フォトダイオード上に双極型電気分極誘電体膜８を形成する構成では、製造プロセス中に分極を生成するか、もしくは撮像素子形成後に遮光膜５を用いて分極を生成する必要がある。しかし、製造プロセス中に分極生成した場合、その後の工程でキュリー温度Ｔｃよりも高いプロセスを適用した際に、分極が消滅することになる。例えば、双極型電気分極誘電体膜８としてキュリー温度Ｔｃが高い材料であるチタン酸ジルコン酸鉛を用いた場合でも、キュリー温度Ｔｃが３５０℃程度であるので、後工程でプラズマＳｉＯ２の形成も難しい。
【００１２】
また、図１１の構成では、撮像素子を形成した後に遮光膜５を用いて分極生成する場合、フォトダイオード３に対して垂直に電界を印加できず、分極の向きを基板に対して垂直方向に発生させることができない。このため、効率的な電界印加が不可能となる。堆積したままの、双極型電気分極誘電体膜、もしくは消極した双極型電気分極誘電体膜に対しての、バイアス付きエッチング、プラズマ、電界メッキ等の工程は、無秩序な分極を発生させてしまう懸念がある。
【００１３】
図１２のフォトダイオード上に絶縁膜を介して透明電極膜を形成する構成では、固体撮像装置の動作中、常時電位を供給し続けることになり、消費電力の増大を招く。
【００１４】
本発明は、上述の点に鑑み、暗電流を効率的に抑制できる固体撮像装置とその製造方法、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を有する複数の画素と、各画素の光電変換素子上に、絶縁膜を介して形成された分極処理された強誘電体膜と、強誘電体膜上に形成された透明電極膜とを有する。
【００１６】
本発明の固体撮像装置では、光電変換素子上に絶縁膜を介して分極処理された強誘電体膜が形成されるので、この誘電体膜によりフォトダイオードの絶縁膜との界面近傍に信号電荷と反対の電荷が蓄積された電荷蓄積領域が誘起される。この電荷蓄積領域により、界面準位に起因した暗電流が抑制される。透明電極膜は、電圧印加による分極処理の際に、一方の電圧印加電極となる。強誘電体膜上に透明電極膜が形成されているので、基板と垂直方向の分極が得られ。
【００１７】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に光電変換素子を有する複数の画素を形成する工程と、光電変換素子上に、絶縁膜を介して強誘電体膜及び透明電極膜を積層する工程と、熱処理を施して強誘電体膜に対して消極処理を行い、その後に分極処理を行う工程を有し、分極後も透明電極膜を残存させる。
【００１８】
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、光電変換素子上に、絶縁膜を介して強誘電体膜及び透明電極膜を積層する工程を有するので、透明電極膜と基板との間に電圧を印加してする際に、基板と垂直方向に分極処理を行うことができる。分極後も透明電極膜を残存させるので、何かの原因で分極状態に異変が生じても、再度電圧を印加できるので、正常な状態に復帰させることが可能になる。
【００１９】
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の光電変換素子に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備える。固体撮像装置は、光電変換素子を有する複数の画素と、各画素の光電変換素子上に、絶縁膜を介して形成された分極処理された強誘電体膜と、強誘電体膜上に形成された透明電極膜とを有する。
【００２０】
本発明の電子機器では、上記構成の固体撮像装置において界面準位に起因した暗電流が抑制される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る固体撮像装置によれば、暗電流を効率的に抑制できる固体撮像装置を提供することができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、暗電流を効率的に抑制できる固体撮像装置を製造することができる。
本発明に係る電子機器によれば、暗電流を効率的に抑制できる固体撮像装置を備えるので、高画質、高性能の電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子部の構成に特徴を有するものである。本実施の形態に係る固体撮像装置の光電変換素子部の構成は、ＣＭＯＳ固体撮像装置、ＣＣＤ固体撮像装置のいずれにも適用できるが、これに限らない。
【００２４】
本実施の形態に適用されるＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成を説明する。このＣＭＯＳ固体撮像装置は、図示しないが、半導体基板例えばシリコン基板に複数の光電変換素子を含む画素が規則的に２次元的に配列された撮像領域と、周辺回路部とを有して構成される。画素は、光電変換素子となる例えばフォトダイオードと、複数の画素トランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）を有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタの４つのトランジスタで構成することができる、その他、例えば選択トランジスタを勝者して３つのトランジスタで構成することもできる。周辺回路部は、垂直駆動回路と、カラム信号処理回路と、水平駆動回路と、出力回路と、制御回路などを有して構成される。
【００２５】
制御回路は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路、カラム信号処理回路及び水平駆動回路などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成し、これらの信号を垂直駆動回路、カラム信号処理回路及び水平駆動回路等に入力する。
【００２６】
垂直駆動回路は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域の各画素を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線を通して各画素の光電変換素子（フォトダイオード）において受光量に応じて生成した信号電荷に基く画素信号をカラム信号処理回路に供給する。
【００２７】
カラム信号処理回路は、画素の例えば列ごとに配置されており、１行分の画素から出力される信号を画素列ごとに黒基準画素（有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によってノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路の出力段には水平選択スイッチが水平信号線との間に接続されて設けられる。
【００２８】
水平駆動回路は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路の各々から画素信号を水平信号線に出力させる。
出力回路は、カラム信号処理回路の各々から水平信号線を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
【００２９】
画素が形成された基板の上方には、層間絶縁膜を介して多層配線層が形成され、その上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタ、さらにその上にオンチップマイクロレンズが形成される。撮像領域の画素部以外の領域、より詳しくは、周辺回路部と撮像領域のフォトダイオード（いわゆる受光部）を除く他部領域とに遮光膜が形成される。この遮光膜は、例えば多層配線層の最上層の配線層で形成することができる。
【００３０】
次に、本実施の形態に適用されるＣＣＤ固体撮像装置の概略構成を説明する。このＣＣＤ固体撮像装置は、図示しないが、半導体基板例えばシリコン基板に形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子列に対応したＣＣＤ構造の垂直転送レジスタと、水平転送レジスタと、出力部と、信号処理回路を構成する周辺回路部とを有して構成される。光電変換素子は、例えばフォトダイオードで形成され、規則的に２次元的に配置される。垂直転送レジスタは、拡散層による転送チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して転送電極を形成して構成される。各フォトダイオードとこれに対応する部分の垂直転送レジスタとで単位画素が形成される。フォトダイオードと垂直転送レジスタで撮像領域が構成される。水平転送レジスタは、垂直転送レジスタの端部に配置され、同様に拡散層による転送チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して転送電極を形成して構成される。出力部は水平転送レジスタの最終段に接続される。撮像領域の画素部以外の領域、より詳しくは、周辺回路と撮像領域のフォトダイオードを除く領域部と水平転送レジスタと出力部に遮光膜が形成される。遮光膜は、転送電極を覆うように形成される。
【００３１】
ＣＣＤ固体撮像装置では、フォトダイオードで光電変換されて生成された信号電荷を垂直転送レジスタに読み出して、垂直方向に転送し、１ライン毎の信号電荷を水平転送レジスタに転送する。水平転送レジスタでは、信号電荷を水平方向に転送し、出力部を介して画素信号に変換して出力される。出力された画素信号は、周辺回路の信号処理回路を通じて画像信号として取り出される。なお、上例のＣＣＤ固体撮像装置は、インターライン転送（ＩＴ）方式の固体撮像装置であるが、撮像領域と水平転送レジスタとの間にさらに垂直転送レジスタのみで形成された蓄積領域を備えたフレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式の固体撮像装置にも適用される。
【００３２】
そして、本実施の形態に係る固体撮像装置、特にその光電変換素子の構成は、上述のＣＭＯＳ固体撮像装置及びＣＣＤ固体撮像装置のいずれにも適用されるものである。
【００３３】
図１に、本発明の第１実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、半導体基板例えばシリコン基板２２に形成した周辺回路部２３と、撮像領域の光電変換素子であるフォトダイオード部２４を模式的に示した断面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置２１は、図１に示すように、シリコン基板２２に周辺回路部２３と、撮像領域のフォトダイオード部（以下、フォトダイオードという）２４が形成される。また、シリコン基板には図示しないが、ＣＭＯＳ固体撮像装置であれば画素トランジスタが、ＣＣＤ固体撮像装置であれば垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタ等が形成される。これら周辺回路部２３、フォトダイオード２４を含む基板全面上に所要の膜厚の絶縁膜２５が形成される。この絶縁膜２５は、周辺回路部２３とフォトダイオード２４を含む画素を形成した後に、例えばシリコン酸化膜等で形成される。フォトダイオード２４は、例えば図２に示すように、第１導電型本例ではｎ型のシリコン基板２２Ｎに第２導電型の例えばｐ型の半導体ウェル領域２６Ｐ内にｎ型半導体領域２７Ｎを形成して構成される。
【００３４】
本実施の形態においては、フォトダイオード２４の絶縁膜２５上に強誘電体膜２８とその上の透明電極膜２９が形成される。また、透明電極膜２９を覆うように周辺回路部２３を含む全面に絶縁層３１が形成され、フォトダイオード部２４以外の周辺回路部２３を含む領域部の絶縁層３１上に遮光膜３２が形成される。さらに遮光膜３２を覆うように全面に絶縁膜からなる保護膜３３が形成される。
【００３５】
強誘電体膜２８は、透明電極膜２９とシリコン基板２２との間に印加される電圧により分極処理が施されている。本例では、図２に示すように、強誘電体膜２８に対してフォトダイオー２４側をマイナス（−）、透明電極膜２９側をプラス（＋）とする分極が施される。この分極された強誘電体膜２８により、フフォトダイオード２４を構成するｎ型半導体領域２７Ｎの絶縁膜２５との界面近傍に信号電荷（本例では電子）と反対の電荷である正孔３５が誘起され、界面近傍に正孔蓄積領域３６が誘起される。分極処理された後は、スイッチ素子３７をオフすることにより、電源３８が切れて、透明電極膜２９へ電圧が印加されなくなる。
【００３６】
強誘電体膜２８としては、キュリー温度Ｔｃが高い材料を用いるのが好ましい。強誘電体膜２８としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：キュリー温度３５０℃）、タンタル酸ビスマスストロンチウム（ＳＢＴ：キュリー温度３００℃）、チタン酸鉛（ＰＴＯ：キュリー温度４９０℃）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ：キュリー温度１３０℃）、チタン酸ジルコン酸鉛にランタン等の金属を混入した膜（ＰＬＺＴ）、ストロンチウム・ビスマス・チタン酸化物（キュリー温度５５０℃）、イットリウム・マンガン酸化物（キュリー温度６４０℃）、その他等の、全ての強誘電体膜を用いることができる。分極処理に際しては、強誘電体膜２８をキュリー温度（Ｔｃ）以上で熱処理して一旦分極状態を消滅した後、降温しながら電圧を印加して分極を行う。
【００３７】
絶縁膜２５としては、シリコン酸化膜の他、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ等の金属酸化膜、あるいはこの金属酸化膜とシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜との積層構造膜を用いることもできる。
【００３８】
次に、図３を用いて、第１実施の形態の固体撮像装置の製造方法の実施の形態を説明する。図３の例は、ＣＣＤ固体撮像装置の製造に適用した場合である。
まず、図３Ａに示すように、シリコン基板２２に周辺回路部２３と撮像領域のフォトダイオード２４を含む画素部と、図示しないがＣＣＤ構造の水平転送レジスタ及び出力部とを形成する。画素部の形成は、フォトダイオード２４と、図示しないが転送電極を有するＣＣＤ構造の垂直転送レジスタを含む。その後に、絶縁膜２５となる例えばシリコン酸化膜を基板上の全面に堆積し、従来と同様の構造を作製する。
【００３９】
次に、図３Ｂに示すように、絶縁膜２５上のフォトダイオード２４に対応する部分に選択的に強誘電体膜２８を成膜する。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体材料をスパッタリング法により所要の膜厚、例えば２ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚の強誘電体膜を成膜する。この強誘電体膜に対してキュリー温度より高い温度、例えば５００℃〜７００℃の熱処理を行う。その後、パターニングして強誘電体膜２８をフォトダイオード２４の領域のみ残す。
【００４０】
強誘電体膜２８の成膜は、スパッタリング法以外の、例えばゾル・ゲル法、レーザーデポジション法、電子ビーム蒸着法、エアロゾルデポジション法、等いかなる方法も用いることができる。熱処理は、ファーネス、ランプに関らず任意の方法で、適用する強誘電体がペロフスカイト構造へ転移するだけの適切な温度と時間の条件を選択すればよい。
【００４１】
強誘電体膜２８の膜種、膜厚は、上記に限らず適宜選択して決定することができる。強誘電体膜２８としては、チタン酸ジルコン酸鉛の他、例えばチタン酸ジルコン酸鉛にランタン等の金属を混入した膜、チタン酸バリウム膜、ストロンチウム・ビスマス酸化物膜、イットリウム・マンガン酸化物膜等の、全ての強誘電体膜を用いることができる。
【００４２】
強誘電体膜２８は可視光の透過特性を有している。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛膜は７０〜８０％の可視光透過率を有する状態で成膜できることが知られている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０（２００１）ｐｐ．５５２８−５５３２参照）。
【００４３】
次に、図３Ｃに示すように、強誘電体膜２８の面に接するように周辺回路部を含む全面に透明電極膜２９を成膜する。透明電極膜２９としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜，ＺｎＯ（亜鉛酸化物）膜、その他の透明導電膜等を用いることができる。透明電極膜の成膜方法としは、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾル・ゲル法等、いかなる方法も用いることができる。透明電極膜２９の材料も制限されない。
【００４４】
次に、図３Ｄに示すように、透明電極膜２９をパターニングし、フォトダイオード２４上及び引き回し配線部を残して他の透明電極膜２９を除去する。引き回し配線部は画素間を通すように形成することができる。
【００４５】
次に、図３Ｅに示すように、周辺回路部２３、フォトダイオード２４を含む撮像領域、水平転送レジスタ、出力部を含む全面に、平坦化された絶縁膜３１を形成する。絶縁膜３１としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることができる。
【００４６】
次に、図３Ｆに示すように、フォトダイオード２４を以外の領域上に遮光膜３２を形成する。遮光膜３２としては、例えばアルミニウム膜、タングステン膜などを用いることができる。
【００４７】
次に、図３Ｇに示すように、全面に平坦化膜を兼ねた絶縁膜による保護膜３３を形成する。保護膜３３上にはオンチップカラーフィルタ、オンチップマイクロレンズが形成される。保護膜３３の形成後、ワイヤボンディング用の電極パッドが形成される。このようにして撮像素子を作製する。
【００４８】
そして、製造工程中に強誘電体膜２８に対して分極処理を行う。分極処理は、分極処理よりも前の工程で作製した素子に影響を与えない温度であること、後工程の温度よりもキュリー温度が高い強誘電体膜を用いることが条件となる。プロセス温度に合せて適切な強誘電体膜を選択する必要がある。
【００４９】
すなわち、条件を満たしさえすれば、強誘電体膜２８及び透明電極膜２９を成膜した後、途中の工程、或いは最終工程等、いつでも分極処理を行ってもよい。
【００５０】
透明電極膜２９を成膜した後の工程で、強誘電体膜２８のキュリー温度Ｔｃ以上の温度、例えばＰＺＴ膜であれば３８０℃の熱処理を行って、製造プロセス中に生じた強誘電体膜２８中の分極を消滅させる。分極を消滅させた後、透明電極膜２９に接続された引き回し配線部と基板２２との間に所要の電圧を印加して強誘電体膜２８に対して分極を行う。熱処理の温度と時間は、適用する強誘電体膜２８の膜種及び製造プロセス温度の制約によって適切なものを選べばよい。例えば、チタン酸バリウム膜の場合は、１５０℃程度となる。
【００５１】
電圧を印加する際は、例えばフォトダイオード２４として図２で示すｎ型のフォトダイオードの場合には、図２のように、透明電極膜２９側をマイナス（−）、基板２２側をプラス（＋）にして、例えば４ＭＶ／ＣＭ程度の電界となるように印加する。この電圧印加により、強誘電体膜２８は、フォトダイオード２４側がナイナス（−）となり、透明電極膜２９側がプラス（＋）となるように分極処理される。分極後は、透明電極膜２８への電圧印加は解除される。これにより、ｎ型のフォトダイオード、すなわち図２で示すｎ型半導体領域２７Ｎの絶縁膜２５との界面近傍に正孔が誘起され、正孔蓄積領域３６が誘起される。
【００５２】
熱を印加した後に、電界をかけつつ降温させる、消極・分極処理方法も有効である。すなわち、強誘電体膜２８に対する分極処理は、熱処理で消極処理を行った後、降温しながら半導体基板２２と透明電極膜２９との間に電圧を印加して行う。なお、熱処理を省略しても分極は得られるが、熱処理を加えた場合より特性は劣る。
【００５３】
このようにして、目的のＣＣＤ固体撮像装置を得る。
【００５４】
第１実施の形態の固体撮像装置の製造方法として、ＣＭＯＳ固体撮像装置の製造に適用した場合について説明する。多層配線としてＣｕ配線を用いるＣＭＯＳ固体撮像装置の製造では、Ｃｕ配線の製造プロセス前に強誘電体膜２８に対する分極処理を終了させることが望ましい。この製造方法は、図３Ａ〜図３Ｅまでは同様の内容で構造を作製する。その後、図４に示すように、フォトダイオード２４外に引き出された透明電極膜２９の引き回し配線部上に絶縁膜３１のスルーホールを介して電極パッド４１を形成する。電極パッド４１は、例えばタングステンなどの導電性膜で形成することができる。次に、電極パッド４１と基板２２との間に上例と同様の電圧を印加して、強誘電体膜２８に対する分極処理を行う。分極処理後は、透明電極膜２９への電圧印加を解除する。
【００５５】
なお、前述と同様に透明電極膜２９を形成した後、多層配線層、オンチップカラーフィルタ、オンチップマイクロレンズが形成される。そして、分極処理は、前述の条件を満たしさえすれば、強誘電体膜２８及び透明電極膜２９の成膜後の工程であれば、どの工程で行ってよい。
【００５６】
強誘電体膜２８に対する分極処理により、上例と同様に、強誘電体膜２８は、フォトダイオード２４側がマイナス（−）となり、透明電極膜２９側がプラス（＋）となるように分極処理される。分極後は、透明電極膜２８への電圧印加は解除される。これにより、ｎ型のフォトダイオード、すなわち図２で示すｎ型半導体領域２７Ｎの絶縁膜２５との界面近傍に正孔３５が誘起され、正孔蓄積領域３６が形成される。
【００５７】
このようにして、目的のＣＭＯＳ固体撮像装置を得る。
【００５８】
第１実施の形態に係る固体撮像装置２１によれば、フォトダイオード２４の上に絶縁膜２５を介して分極処理された強誘電体膜２８が形成されることにより、フォトダイオード２４のｎ型半導体領域２７Ｎの絶縁膜２５との界面近傍に正孔蓄積領域３６が誘起される。この正孔蓄積領域３６により、界面準位から発生した電子を再結合させて消滅させることができるので、界面準位に起因した暗電流を抑制することができる。
【００５９】
本実施の形態では、強誘電体膜２８上に透明電極膜２９を形成し、その後の工程で強誘電体膜２８に対する分極がなされる。例えば、製造プロセスの最終工程で、この透明電極膜２９と基板２２間に電圧を印加して強誘電体膜２８に対する分極がなされる。このため、製造プロセス中の熱工程による分極の消滅の影響を受けず、基板２２と垂直方向の分極を発生させることができ、効率的な暗電流抑制が可能となる。
【００６０】
本実施の形態では、固体撮像装置２１の使用中に透明電極膜２９に対して常に電圧をかける必要が無いため、消費電力が抑えられる上、白点の原因となるリーク電流も発生しない。本実施の形態の固体撮像装置２１では、透明電極膜２９が製造完了後も残存している。したがって、何らかの原因で強誘電体膜２８の分極が低減もしくは消滅、あるいは逆転したような場合でも、透明電極膜２９と基板２２間に電圧を印加して、強誘電体膜２８の分極を正常な状態に復帰させることができる。
【００６１】
本実施の形態における強誘電体膜２８の分極処理による電荷で保存した電圧は、従来のＨｆＯ２膜のもつ固定電荷による電圧よりも大きい。このため、暗電流抑制の効果はＨｆＯ２膜を用いた場合より大きい。また、ＨＡＤセンサのｐ＋アキュミュレーション層は、イオン注入で形成するため、イオンを打ち込んだときにどの程度の正孔蓄積量になるか分かり難い。ＨＡＤセンサよりも、本実施の形態の方が暗電流抑制の効果が大きい。
【００６２】
図５に、本発明の第２実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、図１と同様に、周辺回路部２３と撮像領域の光電変換素子であるフォトダイオード２４を模式的に示した断面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置４３は、第１実施の形態と同様に、周辺回路部２３、フォトダイオード２４を含む基板全面上に所要の膜厚の絶縁膜２５が形成され、絶縁膜２５のフォトダイオード２４に対応する部分上に強誘電体膜２８及び透明電極膜２９が形成される。
【００６３】
そして、本実施の形態では、特に、強誘電体膜２８と透明電極膜２９との間にバリア膜４４が形成される。このバリア膜４４は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜で形成することができる。
その他の構成は、前述の図１及び第１実施の形態で説明したと同様であるので、図５において図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６４】
第２実施の形態に係る固体撮像装置４３によれば、強誘電体膜２８と透明電極膜２９との間にバリア膜４４を介挿した構成を有するので、強誘電体膜２８に透明電極膜２９を直付けした場合に生じる両膜２８，２９間の不要な干渉を抑制することができる。すなわち、強誘電体膜２８の膜種によって仮に強誘電体膜２８と透明電極膜２９間で反応を起こす恐れのある場合でも、バリア膜４４により反応が阻止され、両者ともに良好な膜特性を維持することができる。その他、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。
【００６５】
次に、図６及び図７に、本発明の第３実施の形態に係る固体撮像装置を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置は、信号電荷を正孔とするもので、各半導体領域の導電型が第１実施の形態の信号電荷を電子とした固体撮像装置２１とは逆の導電型に置き換えて構成される。この場合は、第１導電型がｐ型となり、第２導電型がｎ型となる。本実施の形態の固体撮像装置は、導電型を異にした以外は基本的に図１と同様の構成を有する。
【００６６】
本実施の形態に係る固体撮像装置５１は、図６に示すように、第１実施の形態と同様、シリコン基板２２に周辺回路部２３と、撮像領域のフォトダイオード２４が形成される。これら周辺回路部２３、フォトダイオード２４を含む基板全面上に所要の膜厚の絶縁膜２５が形成される。この絶縁膜２５は、周辺回路部２３とフォトダイオード２４を含む画素を形成した後に、例えばシリコン酸化膜等で形成される。フォトダイオード２４は、例えば図７に示すように、ｐ型のシリコン基板２２Ｐにｎ型の半導体ウェル領域２６Ｎ内にｐ型半導体領域２７Ｐを形成して構成される。
【００６７】
さらに、本実施の形態においては、フォトダイオード２４の絶縁膜２５上に強誘電体膜２８とその上の透明電極膜２９が積層される。また、透明電極膜２９を覆うように周辺回路部２３を含む全面に絶縁層３１が形成され、フォトダイオード部２４以外の周辺回路部２３を含む領域部の絶縁層３１上に遮光膜３２が形成される。さらに遮光膜３２を覆うように全面に絶縁膜からなる保護膜３３が形成される。
【００６８】
強誘電体膜２８は、透明電極膜２９とシリコン基板２２との間に印加される電圧により分極処理が施されている。本実施の形態では、図７に示すように、強誘電体膜２８に対してフォトダイオー２４側をプラス（＋）、透明電極膜２９側をマイナス（-）とする分極が施される。この分極された強誘電体膜２８により、フォトダイオード２４を構成するｐ型半導体領域２７Ｐの絶縁膜２５との界面近傍に電子５２が誘起され、界面近傍に電子蓄積領域）５３が誘起される。分極処理された後は、スイッチ素子３７をオフすることにより、電源３８が切れて、透明電極膜２９へ電圧が印加されなくなる。
その他の構成は、第１実施の形態で説明したと同様であるので詳細説明を省略する。
【００６９】
第３実施の形態に係る固体撮像装置５１の製造方法は、半導体領域の導電型を逆にして図３で説明したと同様の工程により製造することができる。
【００７０】
第３実施の形態に係る固体撮像装置５１によれば、フォトダイオード２４の上に絶縁膜２５を介して分極処理された強誘電体膜２８が形成されることにより、フォトダイオード２４のｐ型半導体領域２７Ｐの絶縁膜２５との界面近傍に信号電荷（本例では正孔）と反対の電荷である電子が誘起され、界面近傍に電子蓄積領域５３が誘起される。この電子蓄積領域５３により、界面準位から発生した正孔を消滅させることができるので、界面準位に起因した暗電流を抑制することができる。その他重複説明を省略するも、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。
【００７１】
第３実施の形態においても、図５で説明したと同様に、強誘電体膜２８と透明電極膜２９との間にバリア膜４４を形成して、強誘電体膜２８と透明電極膜２９間での不要な干渉を抑止することができる。
【００７２】
本発明の他の実施の形態としては、分極処理を最終工程で行わず、例えば図３Ｃの透明電極膜２９を形成した後に分極処理を行うようにしても良い。本実施の形態は、製造プロセスの後工程の温度よりも高いキュリー温度Ｔｃを有する強誘電体膜２８を用いる際に適用することができる。強誘電体膜２８としては、例えば、ストロンチウム・ビスマス酸化物、チタン酸鉛、マグネシウム・ニオブ酸鉛、等を用いることができる。
【００７３】
本発明は、ＣＣＤ固体撮像装置、ＣＭＯＳ固体撮像装置に限らず、空乏化がたフォトダイオード構造を有するものであれば全ての固体撮像装置に適用可能である。
本発明は、表面照射型の固体撮像装置、裏面照射型の固体撮像装置のいずれにも適用することが可能である。例えばＣＭＯＳ固体撮像装置の場合には、多層配線層側から光入射する表面照射型と、多層配線層とは反対側の基板裏面から光入射させる裏面照射型とに適用できる。
本発明に係る固体撮像装置は、上例のエリアイメージセンサの他、リニアイメージセンサ等にも適用できる。
【００７４】
本発明に係る固体撮像装置は、固体撮像装置を備えたカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像装置を備えたその他の機器、等の電子機器に適用することができる。
図８に、本発明の電子機器の一例としてカメラに適用した実施の形態を示す。本実施の形態に係るカメラ６０は、光学系（光学レンズ）６１と、固体撮像装置６２と、信号処理回路６３とを備えてなる。固体撮像装置６２は、上述した第１〜第３実施の形態のいずれか１つの固体撮像装置が適用される。光学系６１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置６３の光電変換素子において一定期間信号電荷が蓄積される。信号処理回路６３は、固体撮像装置６２の出力信号に対して種々の信号処理を施して出力する。本実施の形態のカメラ６０は、光学系６１、固体撮像装置６２、信号処理回路６３がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。
【００７５】
本発明は、図８のカメラ、あるいはカメラモジュールを備えた例えば携帯電話に代表されるカメラ付き携帯機器などを構成することができる。
さらに、図８の構成は、光学系６１、固体撮像装置６２、信号処理回路６３がモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ−ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。
【００７６】
本実施の形態に係る電子機器によれば、固体撮像装置における効率的な暗電流抑制が可能になり、高画質が得られ、高性能の電子機器を提供することができる。
従来のイオン注入による正孔（或いは電子）蓄積領域を形成する構成に比べ、本実施の形態では、ランダムノイズになる界面電荷の結合能力が優れる。本実施の形態では、強誘電体膜を固体撮像装置（イメージャ素子）内に残しておくと、長時間使用後に再分極がし易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る固体撮像装置の要部の概略構成図である。
【図２】第１実施の形態の光電変換素子部分の構成図である。
【図３】Ａ〜Ｆ  第１実施の形態の固体撮像装置の製造方法を示す製造工程図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の他の製造方法を示す要部の断面図である。
【図５】本発明の第２実施の形態に係る固体撮像装置の要部の概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施の形態に係る固体撮像装置の要部の概略構成図である。
【図７】第３実施の形態の光電変換素子部分の構成図である。
【図８】本発明に係る電子機器をカメラに適用した場合の概略構成図である。
【図９】従来の固体撮像装置の一例を示す要部の概略断面図である。
【図１０】従来の固体撮像装置のＨＡＤセンサ部の一例を示す概略断面図である。
【図１１】従来の固体撮像装置の他の例を示す要部の概略断面図である。
【図１２】従来の固体撮像装置の他の例を示す光電変換素子部の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
２１・・固体撮像装置、２２・・半導体基板、２３・・周辺回路部、２４・・光電変換素子、２５・・絶縁膜、２８・・強誘電体膜、２９・・透明電極膜、３１・・絶縁膜、３２・・遮光膜、３３・・保護膜、３６，５３・・電荷蓄積領域、４４・・バリア膜
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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