JP2003229558A

JP2003229558A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP2003229558A
Application number: JP2002025955A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Kokubu; 勝則國分
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】界面準位の低減や界面準位安定化を可能にす
ることができ良好な特性を有する固体撮像素子を製造す
ることができる固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】センサ部１５を含む撮像領域を覆って表
面保護膜１３が形成された固体撮像素子を製造する際
に、センサ部１５を形成した後、撮像領域を覆って表面
保護材料層１４を形成し、この表面保護材料層１４に対
して熱処理を行い、その後この表面保護材料層１４を所
定の厚さに加工して表面保護膜１３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤ固体撮像素
子等の固体撮像素子の製造方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】電荷結合型半導体素子（ＣＣＤ：Charge
Coupled Device ）は、光電変換された電子を蓄積する
機能と蓄積された電子を転送する機能とを併せ持つ機能
素子であり、撮像デバイス、遅延素子等に使用されてい
る。

【０００３】ＣＣＤは、チャネルの形成位置によって表
面チャネル型ＣＣＤと埋め込みチャネル型ＣＣＤとに分
類され、また転送駆動方式によって単層式と２層式等に
分類される。

【０００４】このうち、埋め込みチャネル型ＣＣＤは、
電荷の転送がシリコン基板中の特定の深さ位置で行われ
るため、シリコン基板と表面の酸化膜との界面の影響を
受けにくく、電荷転送効率及び暗電流が少ないといわれ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＣＣＤを撮
像デバイスに用いたＣＣＤ固体撮像素子においては、近
年の多画素化やユニットセルサイズの縮小化に伴い、埋
め込みチャネル型ＣＣＤを採用しても、暗電流を充分低
いレベルに抑制することが困難になっている。

【０００６】この対策として、シリコン基板中に結晶欠
陥を生じさせることによるシリコン基板ゲッタリング
（Intrinstic Gettering）や、重金属ドーピングによる
外部ゲッタリング（Extrinstic Gettering）、Ｎ−Ｈ基
を含むプラズマシリコン酸化膜やプラズマシリコン窒化
膜を受光部上にパッシベーション膜として形成して水素
イオンの供給により界面準位を低減させる方法、ＡｌＳ
ｉやＷ等の遮光膜下に層間絶縁膜としてポリイミドを形
成し水素イオンの供給により界面準位を低減させる方
法、Ｚｎ_xＣｄ_1-xＭ（ＭはＳ又はＳｅ）薄膜をＨ₂Ｍ
（ＭはＳ又はＳｅ）ガス中でアニールし水素イオンの供
給により界面準位を低減させる方法（アニール処理の方
法は、ＲＦプラズマ法、ＥＣＲプラズマ法、エキシマレ
ーザ等のレーザ光を照射する方法、赤外線ランプアニー
ルなどにより加熱する方法等がある）、ヘリウムイオン
（Ｈｅ⁺）等の不活性ガスイオン又は中性ガスイオンと
シランガス（ＳｉＨ₄）等による水素イオン（Ｈ⁺）と
をプラズマイオン中に置き、高周波電圧を印加すること
で水素イオンを供給し界面準位を低減させる方法等の技
術を用いた暗電流低減の試みがなされている。

【０００７】しかし、上述した従来のいずれの方法によ
っても、界面準位の低減及び界面準位安定化のための効
果が充分でなく、暗電流を充分低いレベルに抑制するこ
とができなかった。

【０００８】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、界面準位の低減や界面準位安定化を可能にする
ことができ良好な特性を有する固体撮像素子を製造する
ことができる固体撮像素子の製造方法を提供するもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子の
製造方法は、センサ部を含む撮像領域を覆って表面保護
膜が形成された固体撮像素子を製造する際に、センサ部
を形成した後、撮像領域を覆って表面保護材料層を形成
する工程と、この表面保護材料層に対して熱処理を行う
工程と、その後この表面保護材料層を所定の厚さに加工
して表面保護膜を形成する工程とを有するものである。

【００１０】上述の本発明の固体撮像素子の製造方法に
よれば、センサ部を形成した後、撮像領域を覆って表面
保護材料層を形成する工程と、この表面保護材料層に対
して熱処理を行う工程と、その後この表面保護材料層を
所定の厚さに加工して表面保護膜を形成する工程とを有
することにより、形成されるべき表面保護膜の膜厚より
も充分厚く表面保護材料層を形成して、熱処理によりこ
の厚い表面保護材料層から水素イオンを供給し界面準位
の低減や界面準位安定化を行うことが可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、センサ部を含む撮像領
域を覆って表面保護膜が形成された固体撮像素子を製造
する方法であって、センサ部を形成した後、撮像領域を
覆って表面保護材料層を形成する工程と、この表面保護
材料層に対して熱処理を行う工程と、その後この表面保
護材料層を所定の厚さに加工して表面保護膜を形成する
工程とを有する固体撮像素子の製造方法である。

【００１２】また本発明は、上記固体撮像素子の製造方
法において、固体撮像素子がセンサ部から信号電荷を転
送する電荷転送部を有して成る構成とする。

【００１３】図１は、本発明を適用する固体撮像素子の
一形態の概略構成図（断面図）を示す。この固体撮像素
子は、縦型オーバーフロータイプのＣＣＤ固体撮像素子
（イメージセンサ）である。ｎ型シリコン基板１の第１
のｐ型半導体ウエル領域２内にｎ型の不純物拡散領域６
と垂直転送レジスタ１６を構成するｎ型転送チャネル領
域４、及びｐ型のチャネルストップ領域５が形成されて
いる。そして、ｎ型の不純物拡散領域６の表面にはｐ型
の正電荷蓄積領域３が形成され、ｎ型転送チャネル領域
４の直下に第２のｐ型半導体ウエル領域７が形成されて
いる。

【００１４】ｎ型不純物拡散領域６と第１のｐ型半導体
ウエル領域２とのｐｎ接合によるフォトダイオードによ
ってセンサ部（受光部）１５が構成されている。このセ
ンサ部１５は画素となるもので、図示しないが複数のセ
ンサ部１５がマトリックス状に配列されて固体撮像素子
の撮像領域が構成される。

【００１５】さらに、垂直転送レジスタ１６を構成する
転送チャネル領域４、チャネルストップ領域５、及び読
み出しゲート部１７上に、基板表面の絶縁膜８及びゲー
ト絶縁膜９を介して多結晶シリコン層による転送電極１
０が形成されている。ただし、受光部１５上の絶縁膜は
基板表面の絶縁膜８のみで形成されている。転送電極１
０上には層間絶縁膜１１が形成され、この層間絶縁膜１
１上にはＡｌ又はＷから成る遮光膜１２が形成されてい
る。遮光膜１２は、センサ部１５上の部分が選択的にエ
ッチング除去されて開口１２Ａとなっており、この開口
１２Ａを通じて光が受光部１５内に入射するようになっ
ている。

【００１６】さらに、遮光膜１２上には、撮像領域全体
を覆うように表面保護膜１３が形成され、全体として１
つの画素が構成される。この表面保護膜１３は、例えば
プラズマ窒化膜等により形成される。

【００１７】上述のように構成されていることにより、
図１に示すＣＣＤ固体撮像素子は、センサ部１５で発生
した過剰な信号電荷をシリコン基板１側に排出すること
ができ、即ち縦型オーバーフロータイプのＣＣＤ固体撮
像素子となっている。

【００１８】続いて、本発明の固体撮像素子の製造方法
の一実施の形態として、図１に示す固体撮像素子の製造
工程を説明する。

【００１９】まず、シリコン基板１内の第１のｐ型半導
体ウエル領域２に、センサ部１５、垂直転送レジスタ１
６、チャネルストップ領域５を構成する各領域３，４，
５，６，７を形成する。さらに、シリコン基板１表面の
絶縁膜８、ゲート絶縁膜９、転送電極１０、層間絶縁膜
１１、Ａｌ又はＷから成る遮光膜１２を、公知の方法に
より順次形成する。

【００２０】次に、図２Ａに示すように、遮光膜１２上
に撮像領域全体を覆うように、例えばプラズマ窒化膜か
ら成る表面保護材料層１４を形成する。

【００２１】このとき、表面保護材料層１４の膜厚は、
後に形成されるべき表面保護膜１３の膜厚の１．５倍以
上とすることが望ましい。例えば表面保護膜１３を１μ
ｍの膜厚で形成する場合には、表面保護材料層１４の膜
厚を１．５μｍ以上とする。また、表面保護材料層１４
の膜厚は、１μｍ以上とすることが望ましい。

【００２２】次に、図２Ａに示すように、拡散炉等にお
いて、表面保護材料層１４に対して熱処理を行う。この
熱処理の条件としては、３８０℃以上の窒素雰囲気（窒
素が大部分〜１００％である雰囲気）や１００％水素雰
囲気とすることが望ましい。

【００２３】これにより、厚く形成された表面保護材料
層１４のプラズマ窒化膜から、水素イオンを供給して界
面準位の低減や安定化を行うことができる。窒化膜中に
存在する水素イオンは膜厚依存性があり、厚膜に形成さ
れていることで水素イオンの供給が増加し、界面準位の
低減及び界面準位の安定の効果が促進される。

【００２４】その後、プラズマ窒化膜から成る表面保護
材料層１４を、エッチバック等の手法を用いて加工す
る。また、このとき必要に応じて平坦化工程を行う。こ
れにより、図２Ｂに示すように、所定の膜厚の表面保護
膜１３を形成することができ、図１に示したＣＣＤ固体
撮像素子を製造することができる。その後は、必要に応
じて、さらに上層の膜、例えばカラーフィルタやマイク
ロレンズ、平坦化膜等を形成する。

【００２５】また、この後、例えばプラズマ窒化膜の第
２層、第３層を形成する場合には、その度ごとに、同様
にプラズマ窒化膜に対する熱処理を行う。これにより、
さらに水素イオンを供給することができる。このような
場合としては、例えば表面保護膜１３上にマイクロレン
ズを形成する際に、プラズマ窒化膜を成膜する場合等が
考えられる。尚、これら第２層以降のプラズマ窒化膜
は、必ずしも最終的な膜厚の１．５倍以上に厚く成膜し
なくてもよい。

【００２６】上述の本実施の形態の製造工程によれば、
厚く形成された表面保護材料層１４のプラズマ窒化膜に
対して熱処理を行うことにより、厚く形成されたプラズ
マ窒化膜から充分な量の水素イオンを供給して、界面準
位の低減及び界面準位安定化のための効果が得られる。

【００２７】そして、この熱処理の後、表面保護材料層
１４を加工することにより、所定の膜厚の表面保護膜１
３を形成することができる。

【００２８】実際に、１〜１．５μｍの表面保護膜１３
を有するＣＣＤ固体撮像素子を製造する際に、プラズマ
窒化膜から成る表面保護材料層１４を２μｍ以上の膜厚
に形成してから熱処理を行い、その後エッチバックによ
り表面保護膜１３を形成したところ、暗電流が２０％以
上低減された。

【００２９】上述の実施の形態では、表面保護材料層１
４及び表面保護膜１３の材料としてプラズマ窒化膜を用
いている。これは、プラズマ窒化膜が屈折率が高いこと
や入射光に対する透過率が高いためである。

【００３０】本発明では、この表面保護材料層１４及び
表面保護膜１３の材料として、その他の材料を使用する
ことも可能である。例えば減圧ＣＶＤ（化学的気相成
長）法により形成した窒化膜や、Ｏ₃−ＴＥＯＳ法によ
り形成した絶縁膜を、表面保護材料層１４及び表面保護
膜１３の材料として使用することができる。この場合
も、同様に表面保護材料層１４を厚く形成して、熱処理
を行った後に、表面保護材料層１４を加工して所定の膜
厚の表面保護膜１３とする。

【００３１】また、熱処理の雰囲気は、上述の窒素雰囲
気や１００％水素雰囲気に限定されず、例えば不活性ガ
ス雰囲気等も可能である。上述の窒素雰囲気や１００％
水素雰囲気とすれば、不活性ガス雰囲気よりも安価であ
る利点を有する。尚、この熱処理の雰囲気には、水素イ
オンの供給の効果を落とさないように、酸素等の水素イ
オンと反応性を有するガスが含まれないようにする。

【００３２】また、上述の実施の形態では、ＣＣＤ固体
撮像素子に本発明を適用して説明したが、その他の構成
の固体撮像素子にも本発明を適用することができる。例
えばＣＣＤ以外の構成の電荷転送を行う固体撮像素子
や、ＭＯＳ型固体撮像素子及びＣＭＯＳ型の固体撮像素
子にも同様に適用することができる。このような構成の
固体撮像素子においても、画素サイズの微細化により信
号量が小さくなることから、本発明を適用することによ
り、界面準位を低減し界面準位を安定化する効果を有
し、例えば白傷欠陥等の発生を抑制することが可能にな
る。

【００３３】特にＣＣＤ固体撮像素子のように電荷転送
部を有して電荷を転送する構成では、界面準位に起因す
る暗電流を、回路により補正する方法等他の手法で補正
することができないため、本発明の製造方法を適用する
ことによる効果が大きい。

【００３４】本発明は、上述の実施の形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他
様々な構成が取り得る。

【００３５】

【発明の効果】上述の本発明によれば、厚く形成された
表面保護材料層から充分な量の水素イオンを供給して、
界面準位の低減及び界面準位安定化のための充分な効果
が得られる。従って、本発明によれば、暗電流や白傷欠
陥等の不良の発生を抑制して、良好な特性を有する固体
撮像素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する固体撮像素子の一形態の概略
構成図（断面図）である。

【図２】Ａ、Ｂ本発明の製造方法による図１の固体撮
像素子の製造工程を示す工程図である。

【符号の説明】

１シリコン基板、２第１のｐ型半導体ウエル領域、
３正電荷蓄積領域、４転送チャネル領域、５チャネ
ルストップ領域、６ｎ型不純物拡散領域、７第２のｐ
型半導体ウエル領域、９ゲート絶縁膜、１０転送電
極、１２遮光膜、１３表面保護膜、１４表面保護
材料層、１５センサ部、１６垂直転送レジスタ、１
７読み出しゲート部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサ部を含む撮像領域を覆って表面保
護膜が形成された固体撮像素子を製造する方法であっ
て、前記センサ部を形成した後、前記撮像領域を覆って表面
保護材料層を形成する工程と、前記表面保護材料層に対して熱処理を行う工程と、その後、前記表面保護材料層を所定の厚さに加工して前
記表面保護膜を形成する工程とを有することを特徴とす
る固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】前記固体撮像素子が前記センサ部から信
号電荷を転送する電荷転送部を有して成ることを特徴と
する請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。