專利名稱：固態(tài)攝像元件及其制造方法及包括該攝像元件的攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)攝像元件及其制造方法以及包括該固態(tài)攝像元件的攝像裝置。

背景技術(shù)：
在CXD (電荷耦合裝置)固態(tài)攝像元件和CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)固態(tài)攝 像元件中，已知產(chǎn)生在光敏二極管中的晶體缺陷和產(chǎn)生在形成在硅基板中的光接收部分與 上覆光接收部分的絕緣層之間的界面中的界面態(tài)(interface state)導(dǎo)致暗電流(dark current)。圖13A的示意性截面圖示出了絕緣層形成在其中形成有光敏二極管的硅層上的 狀態(tài)，而圖13B是圖13A所示的絕緣層和硅層的能量圖。因此，如圖13A和13B所示，每一 個都由標(biāo)記X表示的界面態(tài)產(chǎn)生在其中形成有光敏二極管的硅層51與上覆硅層51的絕 緣層52之間的界面中。這些界面態(tài)的每一個都變?yōu)榘惦娏鞯陌l(fā)生源，因此每一個由界面產(chǎn) 生的電子以暗電流的形式產(chǎn)生，而流入光敏二極管PD。于是，采用所謂的空穴累積二極管(HAD)結(jié)構(gòu)作為用于抑制暗電流發(fā)生的技術(shù)。 例如，HAD結(jié)構(gòu)披露在日本特開第2005-123280號公報(在下文，稱為專利文獻1)中。圖14A的示意性截面圖說明了 P+型半導(dǎo)體區(qū)域被形成以獲得HAD結(jié)構(gòu)的情況，圖 14B是硅層、絕緣層和形成在硅層和絕緣層之間的正電荷累積區(qū)域的能量圖。具體地講，如 圖14A和14B所示，ρ型雜質(zhì)引入硅層51表面附近以形成P+型半導(dǎo)體區(qū)域，并且使所產(chǎn)生 的P+型半導(dǎo)體區(qū)域為正電荷累積區(qū)域53，用于在其中累積正電荷(空穴)。在硅層51和絕緣層52之間的界面中形成正電荷累積區(qū)域53的HAD結(jié)構(gòu)以上述 方式獲得，因此光敏二極管不接觸界面，從而使其可以抑制暗電流從每一個都用作發(fā)生源 的界面態(tài)產(chǎn)生。通常，在形成HAD結(jié)構(gòu)時，B或BF2等的離子在退火溫度注入硅層中，由此在界面附 近形成變?yōu)檎姾衫鄯e區(qū)域53的ρ+型半導(dǎo)體區(qū)域。而且，為了實現(xiàn)所注入雜質(zhì)離子的適當(dāng)擴散和活化，必須使現(xiàn)有的離子注入工藝 盡可能長時間地保持高溫。然而，從充分保證固態(tài)攝像元件的特性等來看，長期保持高溫不是所希望的。為了應(yīng)對這一情形，如圖15A和15B所示，提出了其中包含負固定電荷54的絕緣 層55形成為絕緣層，其形成為上覆其中形成有光敏二極管PD的硅層51，而不是形成通常的 絕緣層52。這樣的結(jié)構(gòu)例如披露在日本特開第2008-306154號公報(在下文，稱為專利文 獻2)中。在此情況下，如圖15B所示，甚至在雜質(zhì)離子不注入硅層51中時，通過彎曲絕緣層 55的能帶，正電荷累積區(qū)域53也形成在硅層51和絕緣層55之間的界面附近，由此允許正 電荷(空穴)累積在正電荷累積區(qū)域53中。HfO2, ZrO2, A1203、TiO2或Ta2O5等給出為用于這樣的其中包含負固定電荷54的絕 緣層55的材料。

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻2還提出了這樣的技術(shù)，利用該技術(shù)，在沉積其中包含負固定電荷的絕 緣層時，利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法沉積的第一膜和利 用物理氣相沉積(PVD)法沉積的第二膜依次層疊。根據(jù)該技術(shù)，利用ALD法可以抑制界面態(tài)的產(chǎn)生，并且利用PVD法可以提高生產(chǎn)率。然而，所希望的是，與專利文獻2中描述結(jié)構(gòu)的情況相比，進一步抑制由界面態(tài)引 起的暗電流的產(chǎn)生。本發(fā)明旨在解決上述問題，因此希望提供其中可以抑制暗電流的固態(tài)攝像元件及 其制造方法以及包括該固態(tài)攝像元件的攝像裝置。為了實現(xiàn)上述期望，根據(jù)本發(fā)明的實施例，所提供的固態(tài)攝像元件包括半導(dǎo)體 層，其中形成用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的光敏二極管；第一膜，其中包含負固定電荷，并且利用原 子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在其中至少形成光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo) 體層上；第二膜，其中包含負固定電荷，并且利用物理氣相沉積法形成在其中包含負固定電 荷的第一膜上；以及第三膜，其中包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué) 氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第二膜上。在根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)攝像元件中，通過形成每一個都在其中包含負固定電 荷的第一膜、第二膜和第三膜，正電荷累積區(qū)域形成在其中形成有光敏二極管的半導(dǎo)體層 的界面附近(表面附近)。因此，正電荷(空穴)可以累積在正電荷累積區(qū)域中。結(jié)果，能 夠抑制由界面態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生。另外，通過彼此結(jié)合第一膜、第二膜和第三膜，獲得 充分的負偏壓效應(yīng)。另外，由于其中包含負固定電荷的第一膜的存在，可以防止利用物理氣相沉積法 形成其中包含負固定電荷的第二膜時半導(dǎo)體層被損壞。而且，由于其中包含負固定電荷且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法 形成的第三膜的存在，可以防止降低負偏壓效應(yīng)的元素(如氫)侵入。其理由是，第三膜利 用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成，因此與利用物理氣相沉積法形成的第二 膜相比結(jié)晶化的程度更強，并且形成得更致密。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所提供的制造固態(tài)攝像元件的方法包括如下步驟 在半導(dǎo)體層中形成光敏二極管；利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法，在至少形 成光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體層上形成其中包含負固定電荷的第一膜；利用物理氣相沉 積法，在其中包含負固定電荷的第一膜上形成其中包含負固定電荷的第二膜；以及利用原 子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法，在其中包含負固定電荷的第二膜上形成其中包含 負固定電荷的第三膜。在根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的制造固態(tài)攝像元件的方法中，利用原子層沉積法或 金屬有機化學(xué)氣相沉積法，在至少形成光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體上形成其中包含負固 定電荷的第一膜。結(jié)果，第一膜可以被形成，以便不損壞半導(dǎo)體層。而且，因為第一膜形成為在第二膜之下，所以在利用物理氣相沉積法形成第二膜 時，半導(dǎo)體層可以利用第一膜而防止被損壞。
另外，利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法在第二膜上形成第三膜。因 此，由其中包含負固定電荷的第三膜可以防止降低負偏壓效應(yīng)的元素(如氫)在其進入時 受阻。而且，第一膜、第二膜和第三膜的形成產(chǎn)生這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許正電荷(空 穴)將要累積在其中形成有光敏二極管的半導(dǎo)體層的界面附近(表面附近)。結(jié)果，可以抑 制由界面態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，所提供的攝像裝置包括聚光部，用于聚集入射光； 固態(tài)攝像元件，包括半導(dǎo)體層、第一膜、第二膜和第三膜，半導(dǎo)體層中形成用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn) 換的光敏二極管，第一膜在其中包含負固定電荷且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相 沉積法形成在至少形成光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體層上，第二膜在其中包含負固定電荷 且利用物理氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第一膜上，第三膜在其中包含負固定 電荷且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第二 膜上，該固態(tài)攝像元件用于接收由聚光部聚集的入射光，以將如此接收的入射光光電轉(zhuǎn)換 為電信號；以及信號處理部，用于處理通過在固態(tài)攝像元件中的光電轉(zhuǎn)換獲得的電信號。在根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的攝像裝置中，因為該實施例的固態(tài)攝像元件被并入 在再一個實施例的攝像裝置的構(gòu)造中，所以可以抑制暗電流的產(chǎn)生。根據(jù)上述本發(fā)明的固態(tài)攝像元件及其制造方法，足夠大的負偏壓效應(yīng)使其能夠抑 制由界面態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生。從而，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定而不產(chǎn)生暗電流且具有高可靠性的固態(tài)攝像元件。根據(jù)上述本發(fā)明的攝像裝置，因為可以在固態(tài)攝像元件中抑制暗電流的產(chǎn)生，所 以穩(wěn)定了在固態(tài)攝像元件中通過光電轉(zhuǎn)換獲得的電信號。從而，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定且具有高可靠性的攝像裝置，并且其中獲得優(yōu)良的圖像質(zhì)量。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)攝像元件的實施例的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖2至10分別為說明用于制造圖1所示的固態(tài)攝像元件的各個工藝的示意性截 面圖；圖IlA和IlB分別為示出通過推測發(fā)生在比較示例的固態(tài)攝像元件中的現(xiàn)象獲得 的模型的示意性截面圖和通過推測發(fā)生在圖1所示實施例的固態(tài)攝像元件中的現(xiàn)象獲得 的模型的示意性截面圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的攝像裝置的實施例的構(gòu)造的示意性框圖；圖13A和13B分別為示意性截面圖和能量圖，其每一個都用于說明絕緣層形成在 其中形成有光敏二極管的硅層上的情況；圖14A和14B分別為示意性截面圖和能量圖，其每一個都用于說明ρ+型半導(dǎo)體區(qū) 域形成為獲得HAD結(jié)構(gòu)的情況；以及圖15A和15B分別為示意性截面圖和能量圖，其每一個都用于說明其中包含負固 定電荷的絕緣層形成在其中形成有光敏二極管的硅層上的情況。
具體實施例方式在下文，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下面將按著下面的順序進行描述。1.本發(fā)明的概述2.固態(tài)攝像元件3.固態(tài)攝像元件的制造方法4.實驗(特性測定)5.攝像裝置1.本發(fā)明的概述在本發(fā)明中，其中包含負固定電荷的第一膜形成在至少形成固態(tài)攝像元件的光敏 二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體層上，并且其中包含負固定電荷的第二膜形成在第一膜上。另外， 其中包含負固定電荷的第三膜形成在第二膜上。第一膜利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法形成(沉 積)。第二膜利用物理氣相沉積(PVD)法形成(沉積)。而且，第三膜利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法形成 (沉積)。例如，選自包括二氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)和 氧化鉭(Ta2O5)的組的材料作為每個其中都包含負固定電荷的第一膜、第二膜和第三膜的 材料。因為這些氧化物膜的每一個都具有以往用作絕緣柵極場效晶體管的柵極絕緣膜等的 結(jié)果，所以建立了沉積這些氧化物膜的每一個的方法，因此可以容易被沉積。另外，具體地講，在采用這些氧化物材料中的每一個都具有相對大的折射系數(shù)的 HfO2 (折射系數(shù)2. 05)、Ta2O5 (折射系數(shù)2. 16)和TiO2 (折射系數(shù)2. 20)等任何一個時，也 可以獲得抗反射效果。例如，稀土元素的氧化物作為上述材料之外的材料被給出。就是說，給出了鑭、鐠、 鈰、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥和釔的氧化物。而且，也可以采用氮化鉿、氮化鋁、氧氮化鉿或氧氮化鋁。硅(Si)或者氮(N)可以加入到每個其中都含有負固定電荷的第一膜、第二膜和第 三膜的每一個，只要不損害第一膜、第二膜和第三膜每一個的絕緣特性。這樣加入的硅(Si) 或氮(N)的濃度適當(dāng)確定，只要不損害第一膜、第二膜和第三膜每一個的絕緣特性。以這樣 的方式加入硅(Si)或氮(N)，由此使其可以增加膜的耐熱性以及提高在工藝中阻擋離子注 入的能力。如上所述，利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法，沉積其 中包含負固定電荷的第一膜。例如，在利用ALD法沉積第一膜時，以這樣的方式設(shè)定沉積條件，基板溫度范圍為 200至500°C，前體的流速范圍為10至500sCCm，前體的輻照時間周期范圍為1至15秒，并 且O3的流速范圍為5至50sCCm。例如，在利用MOCVD法沉積第一膜時，基板的溫度被設(shè)定的范圍為200至600°C。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)半導(dǎo)體層為硅層，并且第一膜利用ALD法沉積在硅層上時，用于降低界面態(tài)的氧化硅可以形成在硅層的表面上，其厚度為約Inm且與第一膜同時形成。如上所述，其中包含負固定電荷的第二膜利用物理氣相沉積(PVD)法沉積。例如，在利用PVD法沉積第二膜時，沉積條件以這樣的方式設(shè)定，壓力范圍為0. 01 至50Pa，D. C功率的范圍為500至2，OOOff, Ar的流速范圍為5至50sccm，并且O2的流速范 圍為5至50sccm。因為第二膜利用PVD法沉積，所以沉積速率高于ALD法或MOCVD法的情況。因此， 具有一定厚度的第二膜可以以相對短的時間周期形成。如上所述，其中包含負固定電荷的第三膜利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化 學(xué)氣相沉積(MOCVD)法沉積。例如，在利用ALD法沉積第三膜時，沉積條件以這樣的方式設(shè)定，基板溫度的范圍 為200至500°C，前體的流速范圍為10至500sCCm，前體的輻照時間周期范圍為1至15秒， 并且O3的流速范圍為5至50sCCm。例如，在利用MOCVD法沉積第三膜時，沉積條件以這樣的方式設(shè)定，基板溫度的范 圍為200至600°C。盡管其中包含負固定電荷的第一膜的厚度沒有特別限定，但是第一膜必須具有一 定程度以上的厚度，以便在利用PVD法形成第二膜時不損壞半導(dǎo)體層。優(yōu)選地，第一膜的厚 度設(shè)定為等于或大于lnm。另外，因為第一膜利用ALD法或MOCVD法形成，所以形成厚的第一膜需要很長的時 間。出于這樣的原因，第一膜的厚度優(yōu)選設(shè)定為等于或小于5nm。在本發(fā)明中，其中包含負固定電荷的第二膜形成在其中包含負固定電荷的第一膜 上，并且其中包含負固定電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 層膜的結(jié)合導(dǎo)致獲得足夠的負偏壓效應(yīng)(negative bias effect)。另外，因為其中包含負固定電荷的第一膜利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化 學(xué)氣相沉積(MOCVD)法形成，所以可以防止在形成第一膜時半導(dǎo)體層被損壞。而且，其中包含負固定電荷的第一膜具有負固定電荷，并且可以防止半導(dǎo)體層在 形成其中包含負固定電荷的第二膜時被損壞。而且，因為第三膜利用原子層沉積(ALD)法或金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法 形成，所以第三膜形成為具有大的結(jié)晶化度的膜，且形成得更加致密。結(jié)果，可以由第三膜 阻擋降低負偏壓效應(yīng)的元素(如氫)的侵入。另外，在第二膜由與第一膜不同的材料制造時，與專利文獻2的情況不同，由相同 材料制成的兩層膜不必利用兩種沉積方法依次層疊。結(jié)果，用于其中包含負固定電荷的膜 的材料的限制得以放松，并且對用于其中包含負固定電荷的膜的材料的特性的限制也得以 放松。而且，例如，具有相對大的折射系數(shù)的Hf02、Ta2O5或TiO2用作其中包含負固定電 荷的第二膜的材料，由此除了上述的抗反射效果外，還增加了入射到光敏二極管的光量，由 此使其能夠增加靈敏度。另外，在第一膜和第三膜由相同的材料制造時，獲得了這樣的優(yōu)點，由于第一膜和 第三膜的兩層膜采用相同的沉積法(ALD法或MOCVD法)，由此使得可以調(diào)整膜沉積條件，制 造變得易于執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以實現(xiàn)這樣的固態(tài)攝像元件，其中由足夠大的負偏壓效 應(yīng)可以抑制界面態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生，因此使其能夠穩(wěn)定操作而不產(chǎn)生暗電流，并且具 有高的可靠性。而且，本發(fā)明的攝像裝置是包括本發(fā)明的固態(tài)攝像元件的攝像裝置。結(jié)果，在固態(tài) 攝像元件中可以抑制暗電流的產(chǎn)生，因此穩(wěn)定了固態(tài)攝像元件中通過光電轉(zhuǎn)換獲得的電信 號。因此，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定并且具有高可靠性的攝像裝置，因此獲得優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。2.固態(tài)攝像元件圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的固態(tài)攝像元件的實施例的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。該實施例對應(yīng)于本發(fā)明應(yīng)用于所謂的背面輻照型CMOS固態(tài)攝像元件(CMOS圖像 傳感器)的情況。在CMOS固態(tài)攝像元件1中，在光敏二極管部41的硅基板2中，每個都成為光敏二 極管的電荷累積區(qū)域4以用于光電轉(zhuǎn)換入射光的光接受部的形式由N型雜質(zhì)區(qū)域形成。正電荷累積區(qū)域5分別形成在每個都成為光敏二極管的電荷累積區(qū)域4的表面 上。而且，每對電荷累積區(qū)域4和正電荷累積區(qū)域5構(gòu)成空穴累積二極管(HAD)結(jié)構(gòu)。在光敏二極管部41中，MOS晶體管Trl的柵極電極11分別形成在硅基板2中的電 荷累積區(qū)域4下方。而且，每個都由金屬配線構(gòu)成的配線層12分別形成在MOS晶體管Trl 的柵極電極11下方。在圖1中，三層配線層12形成在MOS晶體管Trl的每個柵極電極11 下方。層間絕緣層13使柵極電極11和最外配線層12之間以及每兩個相鄰層中的配線之 間絕緣。應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管沒有示出，但是層間絕緣層13受提供在層間絕緣層13下方的 支撐基板等的支撐。像素由光敏二極管構(gòu)成，每個光敏二極管都分別具有三個電荷累積區(qū)域4。像素的每一個都構(gòu)成為具有一個以上晶體管，包括圖1所示的三個MOS晶體管 Trl (三個MOS晶體管Trl分別用于讀出和轉(zhuǎn)移累積在三個電荷累積區(qū)域4中的電荷)。P型隔離區(qū)域3分隔在每個像素中的每兩個相鄰的電荷累積區(qū)域4之間。應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管沒有示出，但是，優(yōu)選地，P+型半導(dǎo)體區(qū)域形成在電荷累積區(qū) 域4中在晶體管Trl的每個柵極電極11側(cè)的界面中，由此抑制在與層間絕緣層13的界面 中產(chǎn)生暗電流。由N溝道和P溝道MOS晶體管構(gòu)成的MOS晶體管Tr2和Tr3形成在周邊電路部42中。盡管沒有示出，但是MOS晶體管Tr2和Tr3的源極和漏極區(qū)域以及變?yōu)镸OS晶體 管Tr2和Tr3的溝道的半導(dǎo)體阱區(qū)形成在硅基板2內(nèi)。其中包含負固定電荷的膜24形成為上覆其中形成有三個光敏二極管的硅基板2。利用被包含在其中包含負固定電荷的膜24中的負固定電荷，給電荷累積區(qū)域4的 每個表面施加電場，由此在電荷累積區(qū)域4的每個表面中形成正電荷累積區(qū)域(空穴累積 區(qū)域)5。結(jié)果，甚至在雜質(zhì)離子沒有注入電荷累積區(qū)域4的每個表面時，也可以形成每個正 電荷累積區(qū)域5。例如，由SiO2膜形成的絕緣膜形成在其中包含負固定電荷的膜24上。擋光膜7部分地形成在絕緣膜6上，以便覆蓋光敏二極管部41的一部分和周邊電路部42。每個光敏二極管不入射光的區(qū)域(光學(xué)黑色區(qū)域(未示出))由擋光膜7制作，并 且圖像中的黑色水平可以根據(jù)來自光敏二極管的輸出信號確定。另外，在周邊電路部42中，可以由擋光膜7抑制MOS晶體管Tr2和Tr3等因光入 射引起的特性波動。平坦膜8形成為覆蓋SiO2膜6和擋光膜7。具有相應(yīng)顏色(紅(R)、綠(G)和藍(B))的濾色器9逐個像素地形成在平坦膜8上。用于聚光的芯片上透鏡10分別提供在濾色器9上。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，在該實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1中，光從圖1中的上側(cè) 入射到CMOS固態(tài)攝像元件1，以在各光敏二極管的每個電荷累積區(qū)域4中引起光電轉(zhuǎn)換，由 此使得可以接收且檢測入射光。而且，從其中形成有光敏二極管的硅基板2看時，光從在每個都設(shè)置在下層中的 配線層12側(cè)(上面?zhèn)?的相反側(cè)(背面?zhèn)?的上層入射。因此，該實施例的CMOS固態(tài)攝 像元件1具有所謂的背面輻照型結(jié)構(gòu)。在該實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1中，具體地講，其中包含負固定電荷的膜24具 有三層的層疊結(jié)構(gòu)，也就是，作為最下層的其中包含負固定電荷的第一膜21、作為中間層的 其中包含負固定電荷的第二膜22和作為最上層的其中包含負固定電荷的第三膜23。第一膜21利用ALD法或MOCVD法沉積，第二膜22利用PVD法沉積，并且第三膜23 利用ALD法或MOCVD法沉積。例如，選自包括HfO2、&02、Al203、Ti02和Ta2O5的組的氧化物可以用作其中每一個 都包含負固定電荷的第一膜21、第二膜22和第三膜23的每一個的材料。另外，也可以采用 如上所述稀土元素的氮化物、氧氮化物、氧化物中的任何一種。其中包含負固定電荷的膜24(包括第一膜21、第二膜22和第三膜23)形成在硅基 板2上，于是類似于圖15A和15B所示的情況，膜24的能帶彎曲以允許正電荷(空穴)累 積在硅基板2和膜24之間的界面附近。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)每一個都具有相對大的折射系數(shù)的HfO2膜、Ta2O5膜和TiO2膜等 的任何一種形成為每一個都在其中包含負固定電荷的第一膜21、第二膜22和第三膜23中 的每一個時，也能夠獲得抗反射效果。3.固態(tài)攝像元件的制造方法在下文，將參考圖2至10詳細描述CMOS固態(tài)攝像元件1的制造方法的實施例?，F(xiàn)在，以這樣的狀態(tài)開始描述，其中，如圖2所示，電荷累積區(qū)域4形成在光敏二極 管部41中的硅基板2內(nèi)，并且MOS晶體管Trl、Tr2和Tr3的柵極電極11和三層配線層12 形成在層間絕緣層13中。首先，如圖3所示，利用ALD法或MOCVD法，其中包含負固定電荷的第一膜21形成 在其中形成有電荷累積區(qū)域4的硅基板2上。另夕卜，HfO2, Zr02,Al203> TiO2或Ta2O5例如給 定為用于其中包含負固定電荷的第一膜21的材料。例如，利用ALD法形成第一膜21時的膜沉積條件以這樣的方式設(shè)定，膜沉積的基 板溫度范圍為200至500C，前體的流速范圍為10至500sCCm，前體的輻照時間周期范圍為1至15秒，并且O3的流速范圍為10至500sccm。第一膜21的厚度優(yōu)選設(shè)定為等于或大于lnm。應(yīng)當(dāng)注意的是，在利用ALD法沉積第一膜21時，氧化硅膜(厚度為約lnm)在某些 情況下與第一膜21的沉積同時形成在硅基板2的表面上。接下來，如圖4所示，其中包含負固定電荷的第二膜22利用PVD法形成在其中包 含負固定電荷的第一膜21上。另外，HfO2, ZrO2, A1A、TiO2或Ta2O5例如給定為用于其中 包含負固定電荷的第二膜22的材料。在利用PVD法沉積第二膜22時，膜沉積條件例如以這樣的方式設(shè)定，壓力范圍為 0. 01至50Pa，D. C功率的范圍為500至2，000ff,Ar的流速范圍為5至50sccm，并且O2的流 速范圍為5至50sccm。接下來，如圖5所示，其中包含負固定電荷的第三膜23利用ALD法或MOCVD法形 成在其中包含負固定電荷的第二膜22上。另外，HfO2, ZrO2, A1203、TiO2或Ta2O5例如給定 為用于其中包含負固定電荷的第三膜23的材料。在利用ALD法沉積第三膜23時，膜沉積條件例如以這樣的方式設(shè)定，用于膜沉積 的基板溫度范圍為200至500°C，前體的流速范圍為10至500sCCm，前體輻照時間周期的范 圍為1至15秒，并且O3的流速范圍為10至500SCCm。第三膜23的厚度優(yōu)選設(shè)定為等于或大于lnm，并且更優(yōu)選設(shè)定為等于或大于3nm， 以便允許降低負偏壓效應(yīng)的元素被有效地阻擋其侵入。其中包含負固定電荷的第二膜22形成在其中包含負固定電荷的第一膜21上，并 且其中包含負固定電荷的第三膜23形成在其中包含負固定電荷的第二膜22上，由此構(gòu)造 了其中包含負固定電荷的膜24，并且具有一個層疊在另一層上的第一膜21、第二膜22和第 三膜23。通過構(gòu)造其中包含負固定電荷的膜24，正電荷累積區(qū)域5分別形成在電荷累積區(qū) 域4的表面上。接下來，如圖6所示，諸如SiO2膜的絕緣膜6形成在其中包含負固定電荷的第三 膜23上。絕緣膜6的形成使其能夠防止其中包含負固定電荷的第三膜23的表面在后面的 擋光膜7蝕刻期間直接暴露到蝕刻環(huán)境。另外，它能夠抑制由其中包含負固定電荷的第三 膜23和擋光膜7之間的直接接觸引起的其中包含負固定電荷的第三膜23和擋光膜7之間 的反應(yīng)接下來，如圖7所示，變?yōu)閾豕饽?的金屬膜形成在絕緣膜6上。另外，如圖8所示，擋光膜7和絕緣膜6的上部通過進行蝕刻被局部選擇性地處 理。結(jié)果，擋光膜7留在光敏二極管部41的一部分和周邊電路部42上。接下來，如圖9所示，平坦膜8形成為覆蓋絕緣膜6和擋光膜7的表面。SiO2膜例 如利用涂敷方法形成為平坦膜8。平坦膜8形成為具有足夠的厚度，由此消除通過形成擋光 膜7引起的臺階部，由此使其能夠平坦化表面。最后，如圖10所示，濾色器9和芯片上透鏡10依次形成在光敏二極管部41中每 個像素的各光敏二極管上方。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了在透鏡處理期間防止施加給濾色器9的處理損壞的目的，透 光絕緣膜(未示出)可以形成在濾色器9和芯片上透鏡10之間。
圖1所示的CMOS固態(tài)攝像元件1可以以上述方式制造。根據(jù)固態(tài)攝像元件1的實施例以及固態(tài)攝像元件1的制造方法的實施例，其中包 含負固定電荷的第一膜21利用ALD法或MOCVD法形成在其中形成有電荷累積區(qū)域4的光 敏二極管部41中的硅基板2上。而且，其中包含負固定電荷的第二膜22利用PVD法形成 在其中包含負固定電荷的第一膜21上。另外，其中包含負固定電荷的第三膜23利用ALD 法或MOCVD法形成在其中包含負固定電荷的第二膜22上。結(jié)果，構(gòu)造了其中包含負固定電 荷的膜24，并且其包括一層層疊在另一層上的第一膜21、第二膜22和第三膜23。通過彼此結(jié)合每一個都在其中包含負固定電荷的第一膜21、第二膜22和第三膜 23，獲得足夠的負偏壓效應(yīng)。包括第一膜21、第二膜22和第三膜23的膜24的能帶由于包 含在第一膜21、第二膜22和第三膜23中的負固定電荷可以彎曲而類似于圖15A和15B所 示的現(xiàn)有情況。結(jié)果，正電荷累積區(qū)域5形成在硅基板2和膜24之間的界面附近，以允許 正電荷(空穴)累積在其中，由此使得可以抑制界面態(tài)引起的暗電流的發(fā)生。因為其中包含負固定電荷的第一膜21利用ALD法或MOCVD法形成，所以可以防止 在以這樣的方式形成第一膜21時硅基板2被損壞。另外，因為第一膜21形成為位于其中包含負固定電荷的第二膜22下方，所以可以 由第一膜21防止硅基板2在利用PVD法形成其中包含負固定電荷的第二膜22時被損壞。而且，因為其中包含負固定電荷的第三膜23利用ALD法或MOCVD法形成，所以第 三膜23形成為具有大的結(jié)晶度且更致密。結(jié)果，可以由第三膜23阻擋降低負偏壓效應(yīng)的 元素(如氫)從其侵入。因此，根據(jù)固態(tài)攝像元件1的實施例和制造固態(tài)攝像元件1的方法的實施例，可以 實現(xiàn)其中界面態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生可以由足夠大的負偏壓效應(yīng)抑制的固態(tài)攝像元件1， 因此該固態(tài)攝像元件1可以穩(wěn)定地運行而不產(chǎn)生暗電流，并且具有高的可靠性。應(yīng)當(dāng)注意的是，在其中包含負固定電荷的第一膜21和其中包含負固定電荷的第 二膜22由不同的材料制造時，與專利文獻2的情況不同，由相同材料制造的兩個膜不必利 用兩種沉積方法依次層疊。結(jié)果，對其中包含負固定電荷的膜24(包括第一膜21、第二膜22 和第三膜23)的材料(或多種材料)限制放松了，并且對其中包含負固定電荷的膜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，當(dāng)其中包含負固定電荷的第一膜21和其中包含負固定電荷的第三膜 23由相同的材料制造時，獲得這樣的優(yōu)點，由于相同的沉積方法(ALD法或MOCVD法)用于 第一膜21和第三膜23兩種膜，由此使得可以調(diào)整膜沉積條件。結(jié)果，制造變得容易進行。應(yīng)當(dāng)注意的是，構(gòu)成各光敏二極管的電荷累積區(qū)域可以形成在硅基板上的硅外延 層中，而不是以圖1所示的方式將構(gòu)成各光敏二極管的電荷累積區(qū)域4形成在硅基板2中。另外，每一個都設(shè)在其中包含負固定電荷的第三膜23上方的絕緣膜6、擋光膜7和 平坦膜8的結(jié)構(gòu)以及周邊電路部42的結(jié)構(gòu)不限于上述固態(tài)攝像元件1的實施例，因此也可 以進行各種變化。例如，也能夠采用專利文獻2的實施例中描述的結(jié)構(gòu)。盡管上述實施例對應(yīng)于本發(fā)明應(yīng)用于CMOS固態(tài)攝像元件的情況，但是本發(fā)明也 可以應(yīng)用于具有其它結(jié)構(gòu)的任何固態(tài)攝像元件。例如，本發(fā)明應(yīng)用于CXD固態(tài)攝像元件。在此情況下，氧化硅膜通過利用等離子體形成在光接收部上，并且其中包含負固定電荷的膜還形成其上，由此使其能夠抑制由界面 態(tài)引起的暗電流的產(chǎn)生。而且，上述實施例對應(yīng)于本發(fā)明應(yīng)用于具有背面輻照型結(jié)構(gòu)的固態(tài)攝像元件的情 況。然而，本發(fā)明也可以應(yīng)用于具有所謂的前面輻照型結(jié)構(gòu)的固態(tài)攝像元件，其中配 線層和轉(zhuǎn)移電極形成在其中形成有光敏二極管的半導(dǎo)體層的光入射側(cè)。4.實驗(特性測定)實際制造了本發(fā)明的固態(tài)攝像元件，并且檢測了其特性。制造了如圖1所示的本發(fā)明實施例的固態(tài)攝像元件1。HfO2膜用作每一個其中包 含負固定電荷且構(gòu)成其中包含負固定電荷的膜24的第一膜21、第二膜22和第三膜23的每 一個。在此情況下，第一膜21和第三膜23的每一個都利用ALD法沉積。氧化硅膜利用高 密度等離子體(HDP)法形成為設(shè)在其中包含負固定電荷的膜24上的絕緣膜6。另一方面，制造了這樣的固態(tài)攝像元件作為比較示例，其中第二膜22形成得很厚 而不形成第三膜23，由此使每一個其中包含負固定電荷的膜，即，第一膜21和較厚的第二 膜22的總厚度等于CMOS固態(tài)攝像元件1的實施例中第一膜21、第二膜22和第三膜23的 厚度，并且其它構(gòu)成元件與CMOS固態(tài)攝像元件1的實施例中的構(gòu)成元件具有相同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)相同的條件下比較實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1與比較示例的CMOS固態(tài)攝像 元件的暗電流產(chǎn)生情況時，實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1與比較示例的CMOS固態(tài)攝像元 件相比，無疑進一步抑制了暗電流的產(chǎn)生。另外，測量了實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1中第一膜21、第二膜22和第三膜23 的氫濃度，并且也測量了比較示例的CMOS固態(tài)攝像元件中第一膜21和較厚的第二膜22的 氫濃度。結(jié)果，具體地講，其中包含負固定電荷的第二膜22的氫濃度在實施例的CMOS固態(tài) 攝像元件1與比較示例的CMOS固態(tài)攝像元件之間顯著不同。就是說，實施例的CMOS固態(tài) 攝像元件1中的氫濃度低于比較示例的CMOS固態(tài)攝像元件中的氫濃度。分別通過根據(jù)這些實驗結(jié)果推測實施例的CMOS固態(tài)攝像元件1和比較示例的 CMOS固態(tài)攝像元件中發(fā)生的現(xiàn)象獲得的模型分別示出在圖IlA和IlB中。圖IlA是示出比 較示例的CMOS固態(tài)攝像元件情況下的模型的示意性截面圖，而圖1IB是示出實施例的CMOS 固態(tài)攝像元件1的情況下的模型的示意性截面圖?？梢岳斫獾氖?，在比較示例的CMOS固態(tài)攝像元件的情況下，大量的氫從作為上層 的絕緣層(HDP)6侵入較厚的其中包含負固定電荷的第二膜22。還可以想象，氫通過與負 固定電荷相互作用如兩頭箭頭所示抵消了負固定電荷，降低了釘扎(pinning)(負偏壓效 應(yīng))。另一方面，在實施例的CMOS固態(tài)攝像元件的情況下，可以想象，第三膜23利用ALD 法形成，由此使其能夠抑制氫侵入其中包含負固定電荷的膜24。這可推測如下。就是說，利 用膜ALD法的膜沉積比利用PVD法的膜沉積更密集地形成膜。結(jié)果，負固定電荷的總量會 增加，而不被氫的侵入抵消每一個其中包含負固定電荷且構(gòu)成其中包含負固定電荷的膜24 的第一膜21、第二膜22和第三膜23的層疊的作用。5.攝像裝置接下來，將參考圖12詳細描述本發(fā)明的攝像裝置的實施例。
圖12是示出本發(fā)明的攝像裝置的實施例的構(gòu)造的示意性框圖。攝像機、數(shù)字靜態(tài)相機或移動電話的照相機等例如給定為該攝像裝置。如圖12所示，攝像裝置500包括具有固態(tài)攝像元件(未示出)的攝像部501。用 于聚集入射光以將對應(yīng)于入射光的圖像成像的成像光學(xué)系統(tǒng)502提供在攝像部501的前級 (preceding stage)中。另外，攝像部501的后級中的信號處理部503連接到攝像部501。 在此情況下，信號處理部503包括用于驅(qū)動攝像部501的驅(qū)動電路和用于將通過固態(tài)攝像 元件中的光電轉(zhuǎn)換獲得的電信號處理成與該電信號相對應(yīng)的圖像信號的信號處理電路。另 外，通過信號處理部503中的處理獲得的圖像信號可以存儲在圖像存儲部(未示出)中。根據(jù)本發(fā)明實施例的上述CMOS固態(tài)攝像元件1的實施例用作攝像裝置500中的 固態(tài)攝像元件。這里，如前所述，CMOS固態(tài)攝像元件1包括半導(dǎo)體層2，其中形成用于執(zhí)行 光電轉(zhuǎn)換的光敏二極管；第一膜21，其中包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬 有機化學(xué)氣相沉積法形成在至少形成光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體層2上；第二膜22，其 中包含負固定電荷，并且利用物理氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第一膜21上； 以及第三膜23，其中包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法 形成在其中包含負固定電荷的第二膜22上。根據(jù)本發(fā)明實施例的攝像裝置500的實施例，采用上述固態(tài)攝像元件1，其中由足 夠的負偏壓效應(yīng)抑制了暗電流的產(chǎn)生。因此，獲得了可以記錄高級圖像的優(yōu)點。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的攝像裝置不限于圖12所示的構(gòu)造，因此本發(fā)明可以應(yīng)用 于任何的攝像裝置，只要相關(guān)的攝像裝置采用本發(fā)明的固態(tài)攝像元件。例如，固態(tài)攝像元件可以具有其中固態(tài)攝像元件形成為一個芯片的形式，或者可 以具有其中攝像部和信號處理部或光學(xué)系統(tǒng)集中封裝的模塊形式。本發(fā)明的攝像裝置可應(yīng)用于任何各種類型的攝像裝置，如照相機和具有圖像捕捉 功能的移動裝置。另外，本發(fā)明的攝像裝置根據(jù)“攝像”的廣義包括指紋檢測裝置。本發(fā)明不限于上述實施例，因此可以采用其它各種構(gòu)造，而不脫離本發(fā)明的主題。本申請包含2009年8月3日提交日本專利局的日本優(yōu)先權(quán)專利申請 JP2009-180901中公開的相關(guān)主題事項，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附權(quán)利要求或其等同方案的范圍內(nèi)，根據(jù) 設(shè)計需要和其他因素，可以進行各種修改、結(jié)合、部分結(jié)合和替換。
權(quán)利要求
一種固態(tài)攝像元件，包括半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體層中形成用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的光敏二極管；第一膜，包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在至少形成有所述光敏二極管的區(qū)域中的所述半導(dǎo)體層上；第二膜，包含負固定電荷，并且利用物理氣相沉積法形成在其中包含所述負固定電荷的所述第一膜上；以及第三膜，包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在其中包含所述負固定電荷的所述第二膜上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像元件，其中包含所述負固定電荷的所述第一膜和包含所述負固定電荷的所述第三膜的每個 由選自包括Hf02、Zr02、Al203、Ti02和Ta2O5的組的材料制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)攝像元件，其中包含所述負固定電荷的所述第二膜由選自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的 組的材料制造。
4.一種固態(tài)攝像元件的制造方法，包括如下步驟 在半導(dǎo)體層中形成光敏二極管；利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法，在至少形成有所述光敏二極管的區(qū)域 中的所述半導(dǎo)體層上形成包含負固定電荷的第一膜；利用物理氣相沉積法，在包含負固定電荷的所述第一膜上形成包含負固定電荷的第二 膜；以及利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法，在包含負固定電荷的所述第二膜上形 成包含負固定電荷的第三膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)攝像元件的制造方法，其中選自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的組的材料用作包含負固定電荷的所述 第一膜和包含負固定電荷的所述第三膜的每個的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)攝像元件的制造方法，其中選自包括Hf02、ZrO2, A1203、TiO2和Ta2O5的組的材料用作包含負固定電荷的所述 第二膜的材料。
7.一種攝像裝置，包括 聚光部，用于聚集入射光；固態(tài)攝像元件，包括半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體層中形成用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的光敏二極 管；第一膜，包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在至 少形成有所述光敏二極管的區(qū)域中的所述半導(dǎo)體層上；第二膜，包含負固定電荷，并且利用 物理氣相沉積法形成在包含所述負固定電荷的所述第一膜上；以及第三膜，包含負固定電 荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在包含負固定電荷的所述第二 膜上；所述固態(tài)攝像元件用于接收由所述聚光部聚集的所述入射光，以將這樣接收的所述 入射光光電轉(zhuǎn)換成電信號；以及信號處理部，用于處理通過在所述固態(tài)攝像元件中的所述光電轉(zhuǎn)換獲得的所述電信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固態(tài)攝像元件及其制造方法以及攝像裝置，該固態(tài)攝像元件包括半導(dǎo)體層，其中形成用于執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的光敏二極管；第一膜，包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在至少形成有光敏二極管的區(qū)域中的半導(dǎo)體層上；第二膜，包含負固定電荷，并且利用物理氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第一膜上；以及第三膜，包含負固定電荷，并且利用原子層沉積法或金屬有機化學(xué)氣相沉積法形成在其中包含負固定電荷的第二膜上。
文檔編號H04N5/225GK101989611SQ20101023953
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者宮田英治, 押山到 申請人:索尼公司