固体摄像装置及其制造方法

文档序号:10625914
固体摄像装置及其制造方法
【专利摘要】实施方式所涉及的固体摄像装置具有:第1导电型的第1半导体层;光电二极管区域,在所述第1半导体层表面形成有第2导电型的第2半导体层;第1层间绝缘膜,形成于所述第1半导体层上及所述光电二极管区域上;第1固定电荷膜,形成于所述第1层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷;1层或多层第2层间绝缘膜,形成于所述第1固定电荷膜上;以及第2固定电荷膜,形成于所述第2层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷。
【专利说明】固体摄像装置及其制造方法
[0001]关联申请
[0002]本申请享受以日本专利申请2015-52394号(申请日:2015年3月16日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部的内容。
技术领域
[0003]本发明的实施方式涉及固体摄像装置及其制造方法。
【背景技术】
[0004]近年来,开发出了各种利用半导体工艺制造的CMOS图象传感器等固体摄像装置。这种固体摄像装置针对二维阵列状排列的每个像素形成有受光部。各像素的受光部具有由例如形成于P型硅层的N型半导体层构成的光电二极管区域。通过入射到各像素的受光部的光,在光电二极管区域蓄积与光量对应的电荷。
[0005]在P型硅层上形成层间绝缘膜,在该层间绝缘膜上形成例如布线层、接触区域。在这些层间绝缘膜、布线层、接触区域上形成保护膜,在保护膜上形成平坦化膜。在平坦化膜上形成滤色器层,在滤色器上配置微透镜,针对每个像素使入射光聚光于受光部。滤色器例如使R(红)、G(绿)、B(蓝)色光透射后入射到各像素的受光部。通过入射了不同颜色光的多个像素,检测颜色的成分并实现彩色化。
[0006]但是,硅层的光电二极管区域与层间绝缘膜的界面(以下,称为H)界面)通过对光电二极管区域施加电压而耗尽。这样,由于因硅层与层间绝缘膜的不连续性而产生的ro界面的界面能级的影响,容易流动漏电流(暗电流)。为了抑制该暗电流的产生,有时采用在层间绝缘膜上形成具有负的极性的固定电荷膜的方法。通过固定电荷膜将硅层的空穴向PD界面拉近并将ro界面充满,从而防止ro界面的耗尽,抑制暗电流的产生。
[0007]然而,在半导体工艺中的切割工序等对于固体摄像装置的表面的工序、组装工序等中,有时ro界面带电。即使在出厂后,ro界面也带有例如正电时,固定电荷膜的负电场被中和,固定电荷膜对ro界面的负电场的作用变小,空穴不易被诱导到ro界面。由此,PD界面的空穴密度降低,局部地发生耗尽,变得无法抑制暗电流。
[0008]此外,保护膜具有在被例如静电等施加比较大的电压时将所施加的电压的一部分充电的性质。在对保护膜施加例如急剧地变化的正电压时,即使在出厂后保护膜也保持正电荷。在固定电荷膜的电场被由保持于保护膜的电荷产生的电场抵消时,由固定电荷膜产生的向ro界面诱导空穴的作用受抑制,PD界面会耗尽,产生暗电流不均。

【发明内容】

[0009]实施方式的目的在于,提供能够阻止ro界面的耗尽并抑制暗电流的产生的固体摄像装置及其制造方法。
[0010]实施方式提供一种固体摄像装置,该固体摄像装置具有:第I导电型的第I半导体层;光电二极管区域,在所述第I半导体层表面形成有第2导电型的第2半导体层;第I层间绝缘膜,形成于所述第I半导体层上及所述光电二极管区域上;第I固定电荷膜,形成于所述第I层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷;1层或多层第2层间绝缘膜,形成于所述第I固定电荷膜上;以及第2固定电荷膜,形成于所述第2层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷。
[0011]此外,实施方式提供一种固体摄像装置的制造方法,在该固体摄像装置的制造方法中,形成光电二极管区域,该光电二极管区域是在第I导电型的第I半导体层表面形成第2导电型的第2半导体层的区域,在所述第I半导体层上及所述光电二极管区域上形成第I层间绝缘膜,在所述第I层间绝缘膜上形成具有所述第2导电型的电荷的第I固定电荷膜,在所述第I固定电荷膜上形成I层或多层第2层间绝缘膜,在所述第2层间绝缘膜上形成具有所述第2导电型的电荷的第2固定电荷膜。
【附图说明】
[0012]图1是用于对第I实施方式所涉及的固体摄像装置的截面形状的概略进行说明的说明图。
[0013]图2是对第I实施方式中的固体摄像装置的制造方法进行表示的流程图。
[0014]图3是对固定电荷膜的膜厚与白缺陷的产生量的关系进行表示的图表。
[0015]图4A及图4B是用于对本实施方式中的暗电流的抑制效果进行说明的说明图。
[0016]图5是用于对本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的截面形状的概略进行说明的说明图。
[0017]图6是用于对第2实施方式中的暗电流的抑制效果进行说明的说明图。
【具体实施方式】
[0018]实施方式的固体摄像装置具有:第I导电型的第I半导体层;光电二极管区域,在所述第I半导体层表面形成有第2导电型的第2半导体层;第I层间绝缘膜,形成于所述第I半导体层上及所述光电二极管区域上;第I固定电荷膜,形成于所述第I层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷;1层或多层第2层间绝缘膜,形成于所述第I固定电荷膜上;以及第2固定电荷膜,形成于所述第2层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷。
[0019]以下,参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。
[0020](第I实施方式)
[0021]图1是用于对第I实施方式所涉及的固体摄像装置的截面形状的概略进行说明的说明图。
[0022]实施方式中的固体摄像装置由排列成矩阵状的多个像素构成。各像素具备光电二极管,蓄积通过入射光而光电变换后的电荷,并输出基于所蓄积的电荷的电平的像素信号。通过将各像素矩阵状排列,获得I个画面的图像信号。
[0023]图1是对各像素的截面形状进行说明的图,示出了邻接的3个像素的结构。实施方式示出了使用电子作为电荷的例子,但即使在使用空穴作为电荷的情况下也能够同样地构成。另外,在图1中,关于布线层、接触层、接触孔、遮光膜等,省略图示。
[0024]在P型的硅层11上,按每个像素形成有形成了 N型半导体层的光电二极管区域
12。光电二极管区域12从硅层11的表面一直形成到规定的深度,各光电二极管区域12具有在N型半导体层内蓄积各像素的电荷(在实施方式中为电子)的功能。在该光电二极管区域12及硅层11的表面上,整面地形成有层间绝缘膜13。
[0025]在实施方式中,在层间绝缘膜13上,整面地形成有具有负的固定电荷的第I固定电荷膜14(斜线部)。并且,在实施方式中,在第I固定电荷膜14上,层叠有层间绝缘膜15、保护膜16及层间绝缘膜17,在层间绝缘膜17上整面地形成有具有负的固定电荷的第2固定电荷膜18(斜线部)。
[0026]在第2固定电荷膜18上形成Si02等层间绝缘膜22后,形成有滤色器层19,滤色器层19对应于各像素被着色为例如红(R)、绿(G)及蓝(B)。在滤色器层19上,隔着平坦化层20形成有微透镜21。通过微透镜21及滤色器层19,来自被拍摄体的颜色光向各像素入射。
[0027]如后所述,第2固定电荷膜18具有与第I固定电荷膜14 一起对尤其是由表面充电等导致的暗电流的产生进行抑制的功能。
[0028]接下来,参照图2对图1的固体摄像装置的制造方法进行说明。图2是对第I实施方式中的固体摄像装置的制造方法进行表示的流程图。
[0029]首先,准备作为硅层11的P型的硅基板(步骤SI),通过例如离子注入,在各像素区域形成光电二极管区域12(步骤S2)。另外,也可以是,在半导体基板上并不直接形成光电二极管区域,而通过阱等半导体层形成硅层11,并在该半导体层中形成光电二极管区域。例如,通过磷等离子的注入,将N型半导体层一直形成到硅层11的规定位置,形成光电二极管区域12。接下来,在步骤S3中,通过例如CVD(化学气相成长法)、ALD(原子层沉积法)等,在硅层11及光电二极管区域12的整个表面上形成S12(氧化硅)膜等层间绝缘膜13。
[0030]接下来,在步骤S4中,通过例如CVD、ALD等,在层间绝缘膜13的表面上形成具有负的固定电荷的第I固定电荷膜14。作为第I固定电荷膜14的材料,例如采用氧化铪(Hf02)、氧化钽(Ta205)等。
[0031]接下来,在步骤S5中,通过例如CVD、ALD等,在第I固定电荷膜14的表面上形成Si02膜等层间绝缘膜15。接下来,在步骤S6中,通过例如CVD、ALD等,在层间绝缘膜15的表面上形成SiN(氮化硅)膜等保护膜16。另外,保护膜16具有捕获氢而抑制暗电流的产生的效果。接下来,在步骤S7中,通过例如CVD、ALD等,在保护膜16的表面上形成S1J莫等层间绝缘膜17。
[0032]在实施方式中,在接下来的步骤S8中,通过例如CVD、ALD等,在层间绝缘膜17的表面上形成具有负的固定电荷的第2固定电荷膜18。作为第2固定电荷膜18的材料,例如采用氧化铪(Hf02)、氧化钽(Ta205)等。
[0033]接下来,在步骤S9中,通过例如CVD、ALD等,在第2固定电荷膜18上形成Si02等层间绝缘膜22。层间绝缘膜22是为了防止电荷从第2固定电荷膜18脱离而设置的。接下来,在步骤SlO中,通过使彩色抗蚀剂在规定的图案上曝光,由此形成滤色器层19。接下来,在步骤Sll中,在滤色器层19上形成了平坦化层20后,形成微透镜21。
[0034](作用)
[0035]在这样构成的固体摄像装置中,通过第I及第2固定电荷膜14、18,与表面充电等无关地,能够可靠地抑制暗电流的产生。
[0036]但是,为了提高暗电流的抑制效果,考虑将具有负的固定电荷的固定电荷膜的膜厚加厚的方法。此外,也考虑通过层叠多个固定电荷膜,从而结果将固定电荷膜的膜厚加厚的方法。然而,仅仅将固定电荷膜的膜厚加厚,无法提高对由暗电流引起的白缺陷等的产生进行抑制的效果。
[0037]图3是对固定电荷膜的膜厚与白缺陷的产生量的关系进行表示的图表。另外,图3示出了作为电源电压而赋予2.8V的情况下所产生的白缺陷的个数。
[0038]在装置A、B用的基板上,形成有层间绝缘膜即a(nm)厚的Si02膜。装置A在该Si02膜上以13nm的膜厚形成有固定电荷膜即HfOx膜。另一方面,装置B在Si02膜上以7nm的膜厚形成有固定电荷膜即HfOx膜。装置A、B中的任一个都在HfOx膜上形成有d(nm)厚的保护膜即SiN膜。
[0039]如图3所示,Si02膜的膜厚是共同的,此外,SiN膜的膜厚也是共同的。与此相对,装置A、B的固定电荷膜即HfOx膜的膜厚不同,相对于装置A的膜厚13nm,装置B的膜厚7nm较小。在图3中示出了如下情况,即固定电荷膜的膜厚较大的装置A中产生的白缺陷的个数是1037个,微小白缺陷的个数是2221个,与此相对,固定电荷膜的膜厚较小的装置B中产生的白缺陷的个数是586个,微小白缺陷的个数是1807个。
[0040]白缺陷的产生认为是由于暗电流。这样,在装置A、B的例子中,示出了仅仅将固定电荷膜的膜厚加厚的话无法抑制成为白缺陷的根源的暗电流。根据该理由,在实施方式中,并不仅仅将膜厚加厚,还用二层构成固定电荷膜,并且在这些固定电荷膜彼此的层间配置氧化硅膜、氮化硅膜等层间绝缘膜,从而能够抑制表面充电,能够防止光电二极管界面的耗尽,能够抑制暗电流。
[0041]图4A及图4B是用于对实施方式中的暗电流的抑制效果进行说明的说明图。图4A是对关联技术中暗电流产生的理由进行说明的图,图4B是对第I实施方式能够抑制暗电流的产生的理由进行说明的图。
[0042]图4A表示关联技术的固体摄像装置,并代替图4B所示的第I实施方式的固体摄像装置的层间绝缘膜17及第2固定电荷膜18而形成有层间绝缘膜25的固体摄像装置。图4A的固体摄像装置通过固定电荷膜14将空穴33从硅层11向H)界面拉近。然而,在制造时等在固体摄像装置的表面带有正电荷31而进行表面充电、或正电荷32被保护膜16捕获。这些正电荷31、32作用于固定电荷膜14,将固定电荷膜14的负电荷部分地中和。关于在固定电荷膜14中电荷被中和的部分,不能获得将空穴向H)界面拉近的效果,如图4A所示,在H)界面的一部分产生不存在空穴33的区域。S卩,该区域被耗尽,产生暗电流。
[0043]与此相对,实施方式中的固体摄像装置在第I固定电荷膜14上隔着层间绝缘膜
15、保护膜16及层间绝缘膜17而形成有第2固定电荷膜18。该第2固定电荷膜18不仅是捕获在制造时等所带电的正电荷31的功能,而且能够抑制保护膜16中产生正电荷。由此,通过这些正电荷31、32,防止第I固定电荷膜14被中和。这样,实施方式中的第I固定电荷膜14具有将空穴34向H)界面的整面拉近的效果。由此,在H)界面的整个区域防止耗尽,暗电流的产生得以抑制。实施方式为了捕获在表面附近产生的正电荷31、32,因此第2固定电荷膜18形成在距表面近的滤色器19与层间绝缘膜17之间。然而,第2固定电荷膜18的形成位置不限定于实施方式。通过在距产生的正电荷近的位置形成第2固定电荷膜18,能够获得更好的效果。
[0044]因为采用了这样隔着层间绝缘膜15、保护膜16及层间绝缘膜17设置第1、第2固定电荷膜14、18的结构,所以与仅仅将固定电荷膜14的膜厚加厚的情况相比,能够提高正电荷31、32的捕获效果,能够可靠地防止H)界面的耗尽。此外,如实施方式那样固定电荷膜被Si02等层间绝缘膜夹着,从而能够保持固定电荷膜的电场,因此能够进一步捕获正电荷。
[0045]另外,在图1中,对在第1、第2固定电荷膜14、18相互间夹着层间绝缘膜15、保护膜16及层间绝缘膜17这3层的例子进行了说明,但不限于3层,如果隔着I个或多个层间绝缘膜(一般而言保护膜也是层间绝缘膜),则认为能够获得同样的效果。
[0046]这样在本实施方式中,为了阻止H)界面的耗尽并抑制暗电流的产生而形成第I固定电荷膜。并且,鉴于仅仅将第I固定电荷膜的膜厚加厚的话无法提高白缺陷的抑制效果这一情况,在第I固定电荷膜上隔着I或多个层间绝缘膜形成第2固定电荷膜,并通过第2固定电荷膜捕获由表面充电等引起的电荷,从而通过第I固定电荷膜可靠地阻止耗尽,并抑制暗电流的产生。由此,能够抑制白缺陷等的产生而获得高画像质量的摄像图像。
[0047](第2实施方式)
[0048]图5是用于对本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的截面形状的概略进行说明的说明图。在图5中对与图1相同的结构要素标注同一附图标记并省略说明。
[0049]实施方式中的固体摄像装置与第I实施方式的不同点在于,代替图1的保护膜16、层间绝缘膜17及第2固定电荷膜18,而形成有第2固定电荷膜41 (斜线部)、层间绝缘膜42及保护膜43。
[0050]S卩,在实施方式中,在第I固定电荷膜14上隔着层间绝缘膜15而形成有第2固定电荷膜41。在第2固定电荷膜41上,层叠有层间绝缘膜42及保护膜43,在保护膜43上形成有滤色器层19。保护膜43具有作为平坦化膜的功能,并且具有捕获氢并抑制暗电流的产生的效果。
[0051]即使在实施方式中,第2固定电荷膜41也具有抑制由于表面充电等而产生暗电流的功能。
[0052]接下来,参照图6对这样构成的实施方式的作用进行说明。图6是用于对第2实施方式中的暗电流的抑制效果进行说明的说明图。
[0053]在实施方式中,通过第I及第2固定电荷膜14、41,与表面充电等无关地,能够可靠地抑制暗电流的产生。实施方式中的固体摄像装置,在第I固定电荷膜14上隔着层间绝缘膜15而形成有第2固定电荷膜41。该第2固定电荷膜41具有捕获在制造时等所带电的正电荷31、32的功能。由此,防止这些正电荷31、32对第I固定电荷膜14的中和。这样,实施方式中的第I固定电荷膜14具有将空穴34向在H)界面的整面拉近的效果。由此,在PD界面的整个区域防止耗尽,暗电流的产生得以抑制。
[0054]这样第2实施方式也能够获得与第I实施方式同样的效果。
[0055]在上述实施方式中,以通过光电效应蓄积电荷的所谓的N型光电二极管为例进行了说明,但在是蓄积空穴的P型光电二极管的情况下也能够通过使用具有正的极性的固定电荷膜而获得实施方式的效果。
[0056]对本发明的几个实施方式进行了说明,但这些实施方式是作为例子提示的,意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他的各种方式实施,在不脱离发明的主旨的范围内,能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨,并且包含于专利请求的范围所记载的发明及其均等的范围。
【主权项】
1.一种固体摄像装置,其特征在于,具有: 第I导电型的第I半导体层; 光电二极管区域,在所述第I半导体层表面形成有第2导电型的第2半导体层; 第I层间绝缘膜,形成于所述第I半导体层上及所述光电二极管区域上; 第I固定电荷膜,形成于所述第I层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷; I层或多层第2层间绝缘膜,形成于所述第I固定电荷膜上;以及 第2固定电荷膜,形成于所述第2层间绝缘膜上,具有所述第2导电型的电荷。2.如权利要求1所述的固体摄像装置,其特征在于, 所述第2层间绝缘膜包括包含氮的绝缘膜。3.如权利要求1所述的固体摄像装置,其特征在于,还具有: I层或多层第3层间绝缘膜,形成于所述第2固定电荷膜上;以及 滤波器层及微透镜,形成于所述I层或多层第3层间绝缘膜上。4.如权利要求1所述的固体摄像装置,其特征在于, 所述第I及第2固定电荷膜被包含硅氧化膜在内的绝缘膜夹着。5.一种固体摄像装置的制造方法,其特征在于, 形成光电二极管区域,该光电二极管区域是在第I导电型的第I半导体层表面形成了第2导电型的第2半导体层的区域, 在所述第I半导体层上及所述光电二极管区域上形成第I层间绝缘膜, 在所述第I层间绝缘膜上形成具有所述第2导电型的电荷的第I固定电荷膜, 在所述第I固定电荷膜上形成I层或多层第2层间绝缘膜, 在所述第2层间绝缘膜上形成具有所述第2导电型的电荷的第2固定电荷膜。6.如权利要求5所述的固体摄像装置的制造方法,其特征在于, 形成包含保护膜的多个层,作为所述第2层间绝缘膜。7.如权利要求5所述的固体摄像装置的制造方法,其特征在于, 在所述第2固定电荷膜上形成I层或多层第3层间绝缘膜, 在所述I层或多层第3层间绝缘膜上形成滤波器层及微透镜。
【文档编号】H01L27/146GK105990382SQ201510535605
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年8月27日
【发明人】荒川贤, 荒川贤一
【申请人】株式会社东芝
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