固态摄像元件及其制造方法及包括该摄像元件的摄像装置的制作方法

专利名称：固态摄像元件及其制造方法及包括该摄像元件的摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态摄像元件及其制造方法以及包括该固态摄像元件的摄像装置。

背景技术：
在CXD (电荷耦合装置)固态摄像元件和CMOS (互补金属氧化物半导体)固态摄 像元件中，已知产生在光敏二极管中的晶体缺陷和产生在形成在硅基板中的光接收部分与 上覆光接收部分的绝缘层之间的界面中的界面态(interface state)导致暗电流(dark current)。图13A的示意性截面图示出了绝缘层形成在其中形成有光敏二极管的硅层上的 状态，而图13B是图13A所示的绝缘层和硅层的能量图。因此，如图13A和13B所示，每一 个都由标记X表示的界面态产生在其中形成有光敏二极管的硅层51与上覆硅层51的绝 缘层52之间的界面中。这些界面态的每一个都变为暗电流的发生源，因此每一个由界面产 生的电子以暗电流的形式产生，而流入光敏二极管PD。于是，采用所谓的空穴累积二极管(HAD)结构作为用于抑制暗电流发生的技术。 例如，HAD结构披露在日本特开第2005-123280号公报(在下文，称为专利文献1)中。图14A的示意性截面图说明了 P+型半导体区域被形成以获得HAD结构的情况，图 14B是硅层、绝缘层和形成在硅层和绝缘层之间的正电荷累积区域的能量图。具体地讲，如 图14A和14B所示，ρ型杂质引入硅层51表面附近以形成P+型半导体区域，并且使所产生 的P+型半导体区域为正电荷累积区域53，用于在其中累积正电荷(空穴)。在硅层51和绝缘层52之间的界面中形成正电荷累积区域53的HAD结构以上述 方式获得，因此光敏二极管不接触界面，从而使其可以抑制暗电流从每一个都用作发生源 的界面态产生。通常，在形成HAD结构时，B或BF2等的离子在退火温度注入硅层中，由此在界面附 近形成变为正电荷累积区域53的ρ+型半导体区域。而且，为了实现所注入杂质离子的适当扩散和活化，必须使现有的离子注入工艺 尽可能长时间地保持高温。然而，从充分保证固态摄像元件的特性等来看，长期保持高温不是所希望的。为了应对这一情形，如图15A和15B所示，提出了其中包含负固定电荷54的绝缘 层55形成为绝缘层，其形成为上覆其中形成有光敏二极管PD的硅层51，而不是形成通常的 绝缘层52。这样的结构例如披露在日本特开第2008-306154号公报(在下文，称为专利文 献2)中。在此情况下，如图15B所示，甚至在杂质离子不注入硅层51中时，通过弯曲绝缘层 55的能带，正电荷累积区域53也形成在硅层51和绝缘层55之间的界面附近，由此允许正 电荷(空穴)累积在正电荷累积区域53中。HfO2, ZrO2, A1203、TiO2或Ta2O5等给出为用于这样的其中包含负固定电荷54的绝 缘层55的材料。

发明内容
专利文献2还提出了这样的技术，利用该技术，在沉积其中包含负固定电荷的绝 缘层时，利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法沉积的第一膜和利 用物理气相沉积(PVD)法沉积的第二膜依次层叠。根据该技术，利用ALD法可以抑制界面态的产生，并且利用PVD法可以提高生产率。然而，所希望的是，与专利文献2中描述结构的情况相比，进一步抑制由界面态引 起的暗电流的产生。本发明旨在解决上述问题，因此希望提供其中可以抑制暗电流的固态摄像元件及 其制造方法以及包括该固态摄像元件的摄像装置。为了实现上述期望，根据本发明的实施例，所提供的固态摄像元件包括半导体 层，其中形成用于执行光电转换的光敏二极管；第一膜，其中包含负固定电荷，并且利用原 子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在其中至少形成光敏二极管的区域中的半导 体层上；第二膜，其中包含负固定电荷，并且利用物理气相沉积法形成在其中包含负固定电 荷的第一膜上；以及第三膜，其中包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学 气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第二膜上。在根据本发明实施例的固态摄像元件中，通过形成每一个都在其中包含负固定电 荷的第一膜、第二膜和第三膜，正电荷累积区域形成在其中形成有光敏二极管的半导体层 的界面附近(表面附近)。因此，正电荷(空穴)可以累积在正电荷累积区域中。结果，能 够抑制由界面态引起的暗电流的产生。另外，通过彼此结合第一膜、第二膜和第三膜，获得 充分的负偏压效应。另外，由于其中包含负固定电荷的第一膜的存在，可以防止利用物理气相沉积法 形成其中包含负固定电荷的第二膜时半导体层被损坏。而且，由于其中包含负固定电荷且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法 形成的第三膜的存在，可以防止降低负偏压效应的元素(如氢)侵入。其理由是，第三膜利 用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成，因此与利用物理气相沉积法形成的第二 膜相比结晶化的程度更强，并且形成得更致密。根据本发明的另一个实施例，所提供的制造固态摄像元件的方法包括如下步骤 在半导体层中形成光敏二极管；利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法，在至少形 成光敏二极管的区域中的半导体层上形成其中包含负固定电荷的第一膜；利用物理气相沉 积法，在其中包含负固定电荷的第一膜上形成其中包含负固定电荷的第二膜；以及利用原 子层沉积法或金属有机化学气相沉积法，在其中包含负固定电荷的第二膜上形成其中包含 负固定电荷的第三膜。在根据本发明另一个实施例的制造固态摄像元件的方法中，利用原子层沉积法或 金属有机化学气相沉积法，在至少形成光敏二极管的区域中的半导体上形成其中包含负固 定电荷的第一膜。结果，第一膜可以被形成，以便不损坏半导体层。而且，因为第一膜形成为在第二膜之下，所以在利用物理气相沉积法形成第二膜 时，半导体层可以利用第一膜而防止被损坏。
另外，利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法在第二膜上形成第三膜。因 此，由其中包含负固定电荷的第三膜可以防止降低负偏压效应的元素(如氢)在其进入时 受阻。而且，第一膜、第二膜和第三膜的形成产生这样的结构，该结构允许正电荷(空 穴)将要累积在其中形成有光敏二极管的半导体层的界面附近(表面附近)。结果，可以抑 制由界面态引起的暗电流的产生。根据本发明的再一个实施例，所提供的摄像装置包括聚光部，用于聚集入射光； 固态摄像元件，包括半导体层、第一膜、第二膜和第三膜，半导体层中形成用于执行光电转 换的光敏二极管，第一膜在其中包含负固定电荷且利用原子层沉积法或金属有机化学气相 沉积法形成在至少形成光敏二极管的区域中的半导体层上，第二膜在其中包含负固定电荷 且利用物理气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第一膜上，第三膜在其中包含负固定 电荷且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第二 膜上，该固态摄像元件用于接收由聚光部聚集的入射光，以将如此接收的入射光光电转换 为电信号；以及信号处理部，用于处理通过在固态摄像元件中的光电转换获得的电信号。在根据本发明再一个实施例的摄像装置中，因为该实施例的固态摄像元件被并入 在再一个实施例的摄像装置的构造中，所以可以抑制暗电流的产生。根据上述本发明的固态摄像元件及其制造方法，足够大的负偏压效应使其能够抑 制由界面态引起的暗电流的产生。从而，可以实现操作稳定而不产生暗电流且具有高可靠性的固态摄像元件。根据上述本发明的摄像装置，因为可以在固态摄像元件中抑制暗电流的产生，所 以稳定了在固态摄像元件中通过光电转换获得的电信号。从而，可以实现操作稳定且具有高可靠性的摄像装置，并且其中获得优良的图像质量。


图1是示出根据本发明的固态摄像元件的实施例的结构的示意性截面图；图2至10分别为说明用于制造图1所示的固态摄像元件的各个工艺的示意性截 面图；图IlA和IlB分别为示出通过推测发生在比较示例的固态摄像元件中的现象获得 的模型的示意性截面图和通过推测发生在图1所示实施例的固态摄像元件中的现象获得 的模型的示意性截面图；图12是示出根据本发明的摄像装置的实施例的构造的示意性框图；图13A和13B分别为示意性截面图和能量图，其每一个都用于说明绝缘层形成在 其中形成有光敏二极管的硅层上的情况；图14A和14B分别为示意性截面图和能量图，其每一个都用于说明ρ+型半导体区 域形成为获得HAD结构的情况；以及图15A和15B分别为示意性截面图和能量图，其每一个都用于说明其中包含负固 定电荷的绝缘层形成在其中形成有光敏二极管的硅层上的情况。
具体实施例方式在下文，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。应当注意的是，下面将按着下面的顺序进行描述。1.本发明的概述2.固态摄像元件3.固态摄像元件的制造方法4.实验(特性测定)5.摄像装置1.本发明的概述在本发明中，其中包含负固定电荷的第一膜形成在至少形成固态摄像元件的光敏 二极管的区域中的半导体层上，并且其中包含负固定电荷的第二膜形成在第一膜上。另外， 其中包含负固定电荷的第三膜形成在第二膜上。第一膜利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法形成(沉 积)。第二膜利用物理气相沉积(PVD)法形成(沉积)。而且，第三膜利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法形成 (沉积)。例如，选自包括二氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)和 氧化钽(Ta2O5)的组的材料作为每个其中都包含负固定电荷的第一膜、第二膜和第三膜的 材料。因为这些氧化物膜的每一个都具有以往用作绝缘栅极场效晶体管的栅极绝缘膜等的 结果，所以建立了沉积这些氧化物膜的每一个的方法，因此可以容易被沉积。另外，具体地讲，在采用这些氧化物材料中的每一个都具有相对大的折射系数的 HfO2 (折射系数2. 05)、Ta2O5 (折射系数2. 16)和TiO2 (折射系数2. 20)等任何一个时，也 可以获得抗反射效果。例如，稀土元素的氧化物作为上述材料之外的材料被给出。就是说，给出了镧、镨、 铈、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇的氧化物。而且，也可以采用氮化铪、氮化铝、氧氮化铪或氧氮化铝。硅(Si)或者氮(N)可以加入到每个其中都含有负固定电荷的第一膜、第二膜和第 三膜的每一个，只要不损害第一膜、第二膜和第三膜每一个的绝缘特性。这样加入的硅(Si) 或氮(N)的浓度适当确定，只要不损害第一膜、第二膜和第三膜每一个的绝缘特性。以这样 的方式加入硅(Si)或氮(N)，由此使其可以增加膜的耐热性以及提高在工艺中阻挡离子注 入的能力。如上所述，利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法，沉积其 中包含负固定电荷的第一膜。例如，在利用ALD法沉积第一膜时，以这样的方式设定沉积条件，基板温度范围为 200至500°C，前体的流速范围为10至500sCCm，前体的辐照时间周期范围为1至15秒，并 且O3的流速范围为5至50sCCm。例如，在利用MOCVD法沉积第一膜时，基板的温度被设定的范围为200至600°C。应当注意的是，当半导体层为硅层，并且第一膜利用ALD法沉积在硅层上时，用于降低界面态的氧化硅可以形成在硅层的表面上，其厚度为约Inm且与第一膜同时形成。如上所述，其中包含负固定电荷的第二膜利用物理气相沉积(PVD)法沉积。例如，在利用PVD法沉积第二膜时，沉积条件以这样的方式设定，压力范围为0. 01 至50Pa，D. C功率的范围为500至2，OOOff, Ar的流速范围为5至50sccm，并且O2的流速范 围为5至50sccm。因为第二膜利用PVD法沉积，所以沉积速率高于ALD法或MOCVD法的情况。因此， 具有一定厚度的第二膜可以以相对短的时间周期形成。如上所述，其中包含负固定电荷的第三膜利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化 学气相沉积(MOCVD)法沉积。例如，在利用ALD法沉积第三膜时，沉积条件以这样的方式设定，基板温度的范围 为200至500°C，前体的流速范围为10至500sCCm，前体的辐照时间周期范围为1至15秒， 并且O3的流速范围为5至50sCCm。例如，在利用MOCVD法沉积第三膜时，沉积条件以这样的方式设定，基板温度的范 围为200至600°C。尽管其中包含负固定电荷的第一膜的厚度没有特别限定，但是第一膜必须具有一 定程度以上的厚度，以便在利用PVD法形成第二膜时不损坏半导体层。优选地，第一膜的厚 度设定为等于或大于lnm。另外，因为第一膜利用ALD法或MOCVD法形成，所以形成厚的第一膜需要很长的时 间。出于这样的原因，第一膜的厚度优选设定为等于或小于5nm。在本发明中，其中包含负固定电荷的第二膜形成在其中包含负固定电荷的第一膜 上，并且其中包含负固定电荷的第三膜形成在第二膜上。因此，第一膜、第二膜和第三膜三 层膜的结合导致获得足够的负偏压效应(negative bias effect)。另外，因为其中包含负固定电荷的第一膜利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化 学气相沉积(MOCVD)法形成，所以可以防止在形成第一膜时半导体层被损坏。而且，其中包含负固定电荷的第一膜具有负固定电荷，并且可以防止半导体层在 形成其中包含负固定电荷的第二膜时被损坏。而且，因为第三膜利用原子层沉积(ALD)法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)法 形成，所以第三膜形成为具有大的结晶化度的膜，且形成得更加致密。结果，可以由第三膜 阻挡降低负偏压效应的元素(如氢)的侵入。另外，在第二膜由与第一膜不同的材料制造时，与专利文献2的情况不同，由相同 材料制成的两层膜不必利用两种沉积方法依次层叠。结果，用于其中包含负固定电荷的膜 的材料的限制得以放松，并且对用于其中包含负固定电荷的膜的材料的特性的限制也得以 放松。而且，例如，具有相对大的折射系数的Hf02、Ta2O5或TiO2用作其中包含负固定电 荷的第二膜的材料，由此除了上述的抗反射效果外，还增加了入射到光敏二极管的光量，由 此使其能够增加灵敏度。另外，在第一膜和第三膜由相同的材料制造时，获得了这样的优点，由于第一膜和 第三膜的两层膜采用相同的沉积法(ALD法或MOCVD法)，由此使得可以调整膜沉积条件，制 造变得易于执行。
根据本发明的实施例，可以实现这样的固态摄像元件，其中由足够大的负偏压效 应可以抑制界面态引起的暗电流的产生，因此使其能够稳定操作而不产生暗电流，并且具 有高的可靠性。而且，本发明的摄像装置是包括本发明的固态摄像元件的摄像装置。结果，在固态 摄像元件中可以抑制暗电流的产生，因此稳定了固态摄像元件中通过光电转换获得的电信 号。因此，可以实现操作稳定并且具有高可靠性的摄像装置，因此获得优秀的图像质量。2.固态摄像元件图1是示出根据本发明实施例的固态摄像元件的实施例的结构的示意性截面图。该实施例对应于本发明应用于所谓的背面辐照型CMOS固态摄像元件(CMOS图像 传感器)的情况。在CMOS固态摄像元件1中，在光敏二极管部41的硅基板2中，每个都成为光敏二 极管的电荷累积区域4以用于光电转换入射光的光接受部的形式由N型杂质区域形成。正电荷累积区域5分别形成在每个都成为光敏二极管的电荷累积区域4的表面 上。而且，每对电荷累积区域4和正电荷累积区域5构成空穴累积二极管(HAD)结构。在光敏二极管部41中，MOS晶体管Trl的栅极电极11分别形成在硅基板2中的电 荷累积区域4下方。而且，每个都由金属配线构成的配线层12分别形成在MOS晶体管Trl 的栅极电极11下方。在图1中，三层配线层12形成在MOS晶体管Trl的每个栅极电极11 下方。层间绝缘层13使栅极电极11和最外配线层12之间以及每两个相邻层中的配线之 间绝缘。应当注意的是，尽管没有示出，但是层间绝缘层13受提供在层间绝缘层13下方的 支撑基板等的支撑。像素由光敏二极管构成，每个光敏二极管都分别具有三个电荷累积区域4。像素的每一个都构成为具有一个以上晶体管，包括图1所示的三个MOS晶体管 Trl (三个MOS晶体管Trl分别用于读出和转移累积在三个电荷累积区域4中的电荷)。P型隔离区域3分隔在每个像素中的每两个相邻的电荷累积区域4之间。应当注意的是，尽管没有示出，但是，优选地，P+型半导体区域形成在电荷累积区 域4中在晶体管Trl的每个栅极电极11侧的界面中，由此抑制在与层间绝缘层13的界面 中产生暗电流。由N沟道和P沟道MOS晶体管构成的MOS晶体管Tr2和Tr3形成在周边电路部42中。尽管没有示出，但是MOS晶体管Tr2和Tr3的源极和漏极区域以及变为MOS晶体 管Tr2和Tr3的沟道的半导体阱区形成在硅基板2内。其中包含负固定电荷的膜24形成为上覆其中形成有三个光敏二极管的硅基板2。利用被包含在其中包含负固定电荷的膜24中的负固定电荷，给电荷累积区域4的 每个表面施加电场，由此在电荷累积区域4的每个表面中形成正电荷累积区域(空穴累积 区域)5。结果，甚至在杂质离子没有注入电荷累积区域4的每个表面时，也可以形成每个正 电荷累积区域5。例如，由SiO2膜形成的绝缘膜形成在其中包含负固定电荷的膜24上。挡光膜7部分地形成在绝缘膜6上，以便覆盖光敏二极管部41的一部分和周边电路部42。每个光敏二极管不入射光的区域(光学黑色区域(未示出))由挡光膜7制作，并 且图像中的黑色水平可以根据来自光敏二极管的输出信号确定。另外，在周边电路部42中，可以由挡光膜7抑制MOS晶体管Tr2和Tr3等因光入 射引起的特性波动。平坦膜8形成为覆盖SiO2膜6和挡光膜7。具有相应颜色(红(R)、绿(G)和蓝(B))的滤色器9逐个像素地形成在平坦膜8上。用于聚光的芯片上透镜10分别提供在滤色器9上。通过采用这样的结构，在该实施例的CMOS固态摄像元件1中，光从图1中的上侧 入射到CMOS固态摄像元件1，以在各光敏二极管的每个电荷累积区域4中引起光电转换，由 此使得可以接收且检测入射光。而且，从其中形成有光敏二极管的硅基板2看时，光从在每个都设置在下层中的 配线层12侧(上面侧)的相反侧(背面侧)的上层入射。因此，该实施例的CMOS固态摄 像元件1具有所谓的背面辐照型结构。在该实施例的CMOS固态摄像元件1中，具体地讲，其中包含负固定电荷的膜24具 有三层的层叠结构，也就是，作为最下层的其中包含负固定电荷的第一膜21、作为中间层的 其中包含负固定电荷的第二膜22和作为最上层的其中包含负固定电荷的第三膜23。第一膜21利用ALD法或MOCVD法沉积，第二膜22利用PVD法沉积，并且第三膜23 利用ALD法或MOCVD法沉积。例如，选自包括HfO2、&02、Al203、Ti02和Ta2O5的组的氧化物可以用作其中每一个 都包含负固定电荷的第一膜21、第二膜22和第三膜23的每一个的材料。另外，也可以采用 如上所述稀土元素的氮化物、氧氮化物、氧化物中的任何一种。其中包含负固定电荷的膜24(包括第一膜21、第二膜22和第三膜23)形成在硅基 板2上，于是类似于图15A和15B所示的情况，膜24的能带弯曲以允许正电荷(空穴)累 积在硅基板2和膜24之间的界面附近。应当注意的是，当每一个都具有相对大的折射系数的HfO2膜、Ta2O5膜和TiO2膜等 的任何一种形成为每一个都在其中包含负固定电荷的第一膜21、第二膜22和第三膜23中 的每一个时，也能够获得抗反射效果。3.固态摄像元件的制造方法在下文，将参考图2至10详细描述CMOS固态摄像元件1的制造方法的实施例。现在，以这样的状态开始描述，其中，如图2所示，电荷累积区域4形成在光敏二极 管部41中的硅基板2内，并且MOS晶体管Trl、Tr2和Tr3的栅极电极11和三层配线层12 形成在层间绝缘层13中。首先，如图3所示，利用ALD法或MOCVD法，其中包含负固定电荷的第一膜21形成 在其中形成有电荷累积区域4的硅基板2上。另夕卜，HfO2, Zr02,Al203> TiO2或Ta2O5例如给 定为用于其中包含负固定电荷的第一膜21的材料。例如，利用ALD法形成第一膜21时的膜沉积条件以这样的方式设定，膜沉积的基 板温度范围为200至500C，前体的流速范围为10至500sCCm，前体的辐照时间周期范围为1至15秒，并且O3的流速范围为10至500sccm。第一膜21的厚度优选设定为等于或大于lnm。应当注意的是，在利用ALD法沉积第一膜21时，氧化硅膜(厚度为约lnm)在某些 情况下与第一膜21的沉积同时形成在硅基板2的表面上。接下来，如图4所示，其中包含负固定电荷的第二膜22利用PVD法形成在其中包 含负固定电荷的第一膜21上。另外，HfO2, ZrO2, A1A、TiO2或Ta2O5例如给定为用于其中 包含负固定电荷的第二膜22的材料。在利用PVD法沉积第二膜22时，膜沉积条件例如以这样的方式设定，压力范围为 0. 01至50Pa，D. C功率的范围为500至2，000ff,Ar的流速范围为5至50sccm，并且O2的流 速范围为5至50sccm。接下来，如图5所示，其中包含负固定电荷的第三膜23利用ALD法或MOCVD法形 成在其中包含负固定电荷的第二膜22上。另外，HfO2, ZrO2, A1203、TiO2或Ta2O5例如给定 为用于其中包含负固定电荷的第三膜23的材料。在利用ALD法沉积第三膜23时，膜沉积条件例如以这样的方式设定，用于膜沉积 的基板温度范围为200至500°C，前体的流速范围为10至500sCCm，前体辐照时间周期的范 围为1至15秒，并且O3的流速范围为10至500SCCm。第三膜23的厚度优选设定为等于或大于lnm，并且更优选设定为等于或大于3nm， 以便允许降低负偏压效应的元素被有效地阻挡其侵入。其中包含负固定电荷的第二膜22形成在其中包含负固定电荷的第一膜21上，并 且其中包含负固定电荷的第三膜23形成在其中包含负固定电荷的第二膜22上，由此构造 了其中包含负固定电荷的膜24，并且具有一个层叠在另一层上的第一膜21、第二膜22和第 三膜23。通过构造其中包含负固定电荷的膜24，正电荷累积区域5分别形成在电荷累积区 域4的表面上。接下来，如图6所示，诸如SiO2膜的绝缘膜6形成在其中包含负固定电荷的第三 膜23上。绝缘膜6的形成使其能够防止其中包含负固定电荷的第三膜23的表面在后面的 挡光膜7蚀刻期间直接暴露到蚀刻环境。另外，它能够抑制由其中包含负固定电荷的第三 膜23和挡光膜7之间的直接接触引起的其中包含负固定电荷的第三膜23和挡光膜7之间 的反应接下来，如图7所示，变为挡光膜7的金属膜形成在绝缘膜6上。另外，如图8所示，挡光膜7和绝缘膜6的上部通过进行蚀刻被局部选择性地处 理。结果，挡光膜7留在光敏二极管部41的一部分和周边电路部42上。接下来，如图9所示，平坦膜8形成为覆盖绝缘膜6和挡光膜7的表面。SiO2膜例 如利用涂敷方法形成为平坦膜8。平坦膜8形成为具有足够的厚度，由此消除通过形成挡光 膜7引起的台阶部，由此使其能够平坦化表面。最后，如图10所示，滤色器9和芯片上透镜10依次形成在光敏二极管部41中每 个像素的各光敏二极管上方。应当注意的是，为了在透镜处理期间防止施加给滤色器9的处理损坏的目的，透 光绝缘膜(未示出)可以形成在滤色器9和芯片上透镜10之间。
图1所示的CMOS固态摄像元件1可以以上述方式制造。根据固态摄像元件1的实施例以及固态摄像元件1的制造方法的实施例，其中包 含负固定电荷的第一膜21利用ALD法或MOCVD法形成在其中形成有电荷累积区域4的光 敏二极管部41中的硅基板2上。而且，其中包含负固定电荷的第二膜22利用PVD法形成 在其中包含负固定电荷的第一膜21上。另外，其中包含负固定电荷的第三膜23利用ALD 法或MOCVD法形成在其中包含负固定电荷的第二膜22上。结果，构造了其中包含负固定电 荷的膜24，并且其包括一层层叠在另一层上的第一膜21、第二膜22和第三膜23。通过彼此结合每一个都在其中包含负固定电荷的第一膜21、第二膜22和第三膜 23，获得足够的负偏压效应。包括第一膜21、第二膜22和第三膜23的膜24的能带由于包 含在第一膜21、第二膜22和第三膜23中的负固定电荷可以弯曲而类似于图15A和15B所 示的现有情况。结果，正电荷累积区域5形成在硅基板2和膜24之间的界面附近，以允许 正电荷(空穴)累积在其中，由此使得可以抑制界面态引起的暗电流的发生。因为其中包含负固定电荷的第一膜21利用ALD法或MOCVD法形成，所以可以防止 在以这样的方式形成第一膜21时硅基板2被损坏。另外，因为第一膜21形成为位于其中包含负固定电荷的第二膜22下方，所以可以 由第一膜21防止硅基板2在利用PVD法形成其中包含负固定电荷的第二膜22时被损坏。而且，因为其中包含负固定电荷的第三膜23利用ALD法或MOCVD法形成，所以第 三膜23形成为具有大的结晶度且更致密。结果，可以由第三膜23阻挡降低负偏压效应的 元素(如氢)从其侵入。因此，根据固态摄像元件1的实施例和制造固态摄像元件1的方法的实施例，可以 实现其中界面态引起的暗电流的产生可以由足够大的负偏压效应抑制的固态摄像元件1， 因此该固态摄像元件1可以稳定地运行而不产生暗电流，并且具有高的可靠性。应当注意的是，在其中包含负固定电荷的第一膜21和其中包含负固定电荷的第 二膜22由不同的材料制造时，与专利文献2的情况不同，由相同材料制造的两个膜不必利 用两种沉积方法依次层叠。结果，对其中包含负固定电荷的膜24(包括第一膜21、第二膜22 和第三膜23)的材料(或多种材料)限制放松了，并且对其中包含负固定电荷的膜24 (包 括第一膜21、第二膜22和第三膜23)的特性的限制也放松了。另一方面，当其中包含负固定电荷的第一膜21和其中包含负固定电荷的第三膜 23由相同的材料制造时，获得这样的优点，由于相同的沉积方法(ALD法或MOCVD法)用于 第一膜21和第三膜23两种膜，由此使得可以调整膜沉积条件。结果，制造变得容易进行。应当注意的是，构成各光敏二极管的电荷累积区域可以形成在硅基板上的硅外延 层中，而不是以图1所示的方式将构成各光敏二极管的电荷累积区域4形成在硅基板2中。另外，每一个都设在其中包含负固定电荷的第三膜23上方的绝缘膜6、挡光膜7和 平坦膜8的结构以及周边电路部42的结构不限于上述固态摄像元件1的实施例，因此也可 以进行各种变化。例如，也能够采用专利文献2的实施例中描述的结构。尽管上述实施例对应于本发明应用于CMOS固态摄像元件的情况，但是本发明也 可以应用于具有其它结构的任何固态摄像元件。例如，本发明应用于CXD固态摄像元件。在此情况下，氧化硅膜通过利用等离子体形成在光接收部上，并且其中包含负固定电荷的膜还形成其上，由此使其能够抑制由界面 态引起的暗电流的产生。而且，上述实施例对应于本发明应用于具有背面辐照型结构的固态摄像元件的情 况。然而，本发明也可以应用于具有所谓的前面辐照型结构的固态摄像元件，其中配 线层和转移电极形成在其中形成有光敏二极管的半导体层的光入射侧。4.实验(特性测定)实际制造了本发明的固态摄像元件，并且检测了其特性。制造了如图1所示的本发明实施例的固态摄像元件1。HfO2膜用作每一个其中包 含负固定电荷且构成其中包含负固定电荷的膜24的第一膜21、第二膜22和第三膜23的每 一个。在此情况下，第一膜21和第三膜23的每一个都利用ALD法沉积。氧化硅膜利用高 密度等离子体(HDP)法形成为设在其中包含负固定电荷的膜24上的绝缘膜6。另一方面，制造了这样的固态摄像元件作为比较示例，其中第二膜22形成得很厚 而不形成第三膜23，由此使每一个其中包含负固定电荷的膜，即，第一膜21和较厚的第二 膜22的总厚度等于CMOS固态摄像元件1的实施例中第一膜21、第二膜22和第三膜23的 厚度，并且其它构成元件与CMOS固态摄像元件1的实施例中的构成元件具有相同的结构。当相同的条件下比较实施例的CMOS固态摄像元件1与比较示例的CMOS固态摄像 元件的暗电流产生情况时，实施例的CMOS固态摄像元件1与比较示例的CMOS固态摄像元 件相比，无疑进一步抑制了暗电流的产生。另外，测量了实施例的CMOS固态摄像元件1中第一膜21、第二膜22和第三膜23 的氢浓度，并且也测量了比较示例的CMOS固态摄像元件中第一膜21和较厚的第二膜22的 氢浓度。结果，具体地讲，其中包含负固定电荷的第二膜22的氢浓度在实施例的CMOS固态 摄像元件1与比较示例的CMOS固态摄像元件之间显著不同。就是说，实施例的CMOS固态 摄像元件1中的氢浓度低于比较示例的CMOS固态摄像元件中的氢浓度。分别通过根据这些实验结果推测实施例的CMOS固态摄像元件1和比较示例的 CMOS固态摄像元件中发生的现象获得的模型分别示出在图IlA和IlB中。图IlA是示出比 较示例的CMOS固态摄像元件情况下的模型的示意性截面图，而图1IB是示出实施例的CMOS 固态摄像元件1的情况下的模型的示意性截面图。可以理解的是，在比较示例的CMOS固态摄像元件的情况下，大量的氢从作为上层 的绝缘层(HDP)6侵入较厚的其中包含负固定电荷的第二膜22。还可以想象，氢通过与负 固定电荷相互作用如两头箭头所示抵消了负固定电荷，降低了钉扎(pinning)(负偏压效 应)。另一方面，在实施例的CMOS固态摄像元件的情况下，可以想象，第三膜23利用ALD 法形成，由此使其能够抑制氢侵入其中包含负固定电荷的膜24。这可推测如下。就是说，利 用膜ALD法的膜沉积比利用PVD法的膜沉积更密集地形成膜。结果，负固定电荷的总量会 增加，而不被氢的侵入抵消每一个其中包含负固定电荷且构成其中包含负固定电荷的膜24 的第一膜21、第二膜22和第三膜23的层叠的作用。5.摄像装置接下来，将参考图12详细描述本发明的摄像装置的实施例。
图12是示出本发明的摄像装置的实施例的构造的示意性框图。摄像机、数字静态相机或移动电话的照相机等例如给定为该摄像装置。如图12所示，摄像装置500包括具有固态摄像元件(未示出)的摄像部501。用 于聚集入射光以将对应于入射光的图像成像的成像光学系统502提供在摄像部501的前级 (preceding stage)中。另外，摄像部501的后级中的信号处理部503连接到摄像部501。 在此情况下，信号处理部503包括用于驱动摄像部501的驱动电路和用于将通过固态摄像 元件中的光电转换获得的电信号处理成与该电信号相对应的图像信号的信号处理电路。另 外，通过信号处理部503中的处理获得的图像信号可以存储在图像存储部(未示出)中。根据本发明实施例的上述CMOS固态摄像元件1的实施例用作摄像装置500中的 固态摄像元件。这里，如前所述，CMOS固态摄像元件1包括半导体层2，其中形成用于执行 光电转换的光敏二极管；第一膜21，其中包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属 有机化学气相沉积法形成在至少形成光敏二极管的区域中的半导体层2上；第二膜22，其 中包含负固定电荷，并且利用物理气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第一膜21上； 以及第三膜23，其中包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法 形成在其中包含负固定电荷的第二膜22上。根据本发明实施例的摄像装置500的实施例，采用上述固态摄像元件1，其中由足 够的负偏压效应抑制了暗电流的产生。因此，获得了可以记录高级图像的优点。应当注意的是，本发明的摄像装置不限于图12所示的构造，因此本发明可以应用 于任何的摄像装置，只要相关的摄像装置采用本发明的固态摄像元件。例如，固态摄像元件可以具有其中固态摄像元件形成为一个芯片的形式，或者可 以具有其中摄像部和信号处理部或光学系统集中封装的模块形式。本发明的摄像装置可应用于任何各种类型的摄像装置，如照相机和具有图像捕捉 功能的移动装置。另外，本发明的摄像装置根据“摄像”的广义包括指纹检测装置。本发明不限于上述实施例，因此可以采用其它各种构造，而不脱离本发明的主题。本申请包含2009年8月3日提交日本专利局的日本优先权专利申请 JP2009-180901中公开的相关主题事项，其全部内容通过引用结合于此。本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据 设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。
权利要求
一种固态摄像元件，包括半导体层，在该半导体层中形成用于执行光电转换的光敏二极管；第一膜，包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在至少形成有所述光敏二极管的区域中的所述半导体层上；第二膜，包含负固定电荷，并且利用物理气相沉积法形成在其中包含所述负固定电荷的所述第一膜上；以及第三膜，包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在其中包含所述负固定电荷的所述第二膜上。
2.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中包含所述负固定电荷的所述第一膜和包含所述负固定电荷的所述第三膜的每个 由选自包括Hf02、Zr02、Al203、Ti02和Ta2O5的组的材料制造。
3.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中包含所述负固定电荷的所述第二膜由选自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的 组的材料制造。
4.一种固态摄像元件的制造方法，包括如下步骤 在半导体层中形成光敏二极管；利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法，在至少形成有所述光敏二极管的区域 中的所述半导体层上形成包含负固定电荷的第一膜；利用物理气相沉积法，在包含负固定电荷的所述第一膜上形成包含负固定电荷的第二 膜；以及利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法，在包含负固定电荷的所述第二膜上形 成包含负固定电荷的第三膜。
5.根据权利要求4所述的固态摄像元件的制造方法，其中选自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的组的材料用作包含负固定电荷的所述 第一膜和包含负固定电荷的所述第三膜的每个的材料。
6.根据权利要求4所述的固态摄像元件的制造方法，其中选自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的组的材料用作包含负固定电荷的所述 第二膜的材料。
7.一种摄像装置，包括 聚光部，用于聚集入射光；固态摄像元件，包括半导体层，在该半导体层中形成用于执行光电转换的光敏二极 管；第一膜，包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在至 少形成有所述光敏二极管的区域中的所述半导体层上；第二膜，包含负固定电荷，并且利用 物理气相沉积法形成在包含所述负固定电荷的所述第一膜上；以及第三膜，包含负固定电 荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在包含负固定电荷的所述第二 膜上；所述固态摄像元件用于接收由所述聚光部聚集的所述入射光，以将这样接收的所述 入射光光电转换成电信号；以及信号处理部，用于处理通过在所述固态摄像元件中的所述光电转换获得的所述电信号。
全文摘要
本发明提供一种固态摄像元件及其制造方法以及摄像装置，该固态摄像元件包括半导体层，其中形成用于执行光电转换的光敏二极管；第一膜，包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在至少形成有光敏二极管的区域中的半导体层上；第二膜，包含负固定电荷，并且利用物理气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第一膜上；以及第三膜，包含负固定电荷，并且利用原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法形成在其中包含负固定电荷的第二膜上。
文档编号H04N5/225GK101989611SQ20101023953
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年8月3日
发明者宫田英治, 押山到 申请人:索尼公司