JP2013179224A - Solid state image pickup element manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどに代表される固体撮像素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid-state imaging device represented by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, a charge coupled device (CCD) image sensor, and the like.
近年、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機などの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。固体撮像素子は、例えばフォトダイオードから成る光電変換部が光電変換によって電荷を生成し、当該電荷による電位を増幅することで、画像データを構成する信号を生成する。 In recent years, solid-state imaging devices such as a CCD image sensor and a CMOS image sensor are mounted on various electronic devices having an imaging function such as an imaging device such as a digital video camera and a digital still camera, and a mobile phone with a camera. In the solid-state imaging device, for example, a photoelectric conversion unit including a photodiode generates a charge by photoelectric conversion, and a signal constituting the image data is generated by amplifying a potential due to the charge.
このような固体撮像素子では、入射する光によらずに電荷が発生する暗電流や白傷(多量の暗電流によって白色の信号が生成されること)が問題となる。暗電流は、主に基板表面の界面準位から電荷が供給されることで発生する。そのため、例えば界面準位に水素イオンを供給することで不活性化したり、フォトダイオードを埋込型(電荷蓄積領域を基板表面から離間させた構造)にしたりすることで、暗電流及び白傷を低減することが可能である。 In such a solid-state imaging device, there is a problem of dark current and white scratches that generate charges regardless of incident light (a white signal is generated by a large amount of dark current). The dark current is generated mainly when electric charges are supplied from the interface state on the substrate surface. For this reason, for example, by supplying hydrogen ions to the interface state, or by deactivating the photodiode (a structure in which the charge accumulation region is separated from the substrate surface), dark current and white scratches can be prevented. It is possible to reduce.
例えば、特許文献1では、基板表面上に十分な膜厚(2μm以上)のプラズマ窒化膜を形成した状態で熱処理を行い、多量の水素イオンを基板表面に拡散させて界面準位を不活性化することで、暗電流及び白傷を低減した固体撮像素子の製造方法が提案されている。
For example, in
特許文献1で提案されている固体撮像素子の製造方法では、固体撮像素子の感度の低下を防止するために、熱処理後にプラズマ窒化膜をエッチバックして、基板上の膜厚を低減する必要がある。しかしながら、プラズマ窒化膜のエッチバックによって固体撮像素子にダメージが導入されることで、暗電流及び白傷が増加することがあるため、問題となる。また、エッチバック後に基板上の膜厚がばらつくと、マイクロレンズやカラーフィルタなどの光学部材を設計通りに形成することが困難になり、固体撮像素子の感度が劣化することがあるため、問題となる。
In the method for manufacturing a solid-state imaging device proposed in
そこで、本発明は、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに感度の劣化を防止した固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device that effectively reduces dark current and white scratches and prevents deterioration in sensitivity.
上記目的を達成するため、本発明は、上面から入射する光を光電変換する光電変換部が内部に形成されている基板の上方に、第1保護膜を形成する第1保護膜形成工程と、
前記第1保護膜の上面に対して、前記第1保護膜とは異なる材料から成る中間膜を形成する中間膜形成工程と、
前記中間膜の上面に対して、前記中間膜とは異なる材料から成る第2保護膜を形成する第2保護膜形成工程と、
前記第2保護膜形成工程後に、熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記中間膜上の前記第2保護膜を選択的に除去する第2保護膜除去工程と、
を備えることを特徴とする固体半導体素子の製造方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a first protective film forming step of forming a first protective film above a substrate on which a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light incident from the upper surface is formed,
An intermediate film forming step of forming an intermediate film made of a material different from that of the first protective film on the upper surface of the first protective film;
A second protective film forming step of forming a second protective film made of a material different from the intermediate film on the upper surface of the intermediate film;
A heat treatment step of performing a heat treatment after the second protective film forming step;
A second protective film removing step of selectively removing the second protective film on the intermediate film after the heat treatment step;
A method for manufacturing a solid-state semiconductor device is provided.
この固体撮像素子の製造方法によれば、暗電流を低減するための熱処理工程時には必要であるが固体撮像素子の完成時には不要である第2保護膜を、第2保護膜除去工程において除去する際に、中間膜をストッパとして利用することができる。そのため、固体撮像素子にダメージが導入されることを抑制するとともに、第2保護膜の除去後における膜厚のばらつきを低減することが可能になる。 According to this method for manufacturing a solid-state imaging device, when the second protective film that is necessary during the heat treatment step for reducing dark current but is not necessary when the solid-state imaging device is completed is removed in the second protective film removing step. In addition, the intermediate film can be used as a stopper. For this reason, it is possible to suppress the introduction of damage to the solid-state imaging device and to reduce the variation in film thickness after the removal of the second protective film.
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記基板がシリコンから成り、前記第1保護膜及び前記第2保護膜が窒化シリコンから成り、前記中間膜が酸化シリコンから成ると、好ましい。 Furthermore, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the substrate is made of silicon, the first protective film and the second protective film are made of silicon nitride, and the intermediate film is made of silicon oxide.
この固体撮像素子の製造方法によれば、熱処理工程において、シリコン基板に対して暗電流を抑制するための水素イオンを供給することが可能になる。 According to this method for manufacturing a solid-state imaging device, hydrogen ions for suppressing dark current can be supplied to the silicon substrate in the heat treatment step.
さらに、上記特徴の固体撮像素子の製造方法において、前記第2保護膜除去工程で、リン酸を用いたウエットエッチングによって、前記中間膜上の前記第2保護膜を選択的に除去すると、好ましい。 Furthermore, in the method for manufacturing a solid-state imaging device having the above characteristics, it is preferable that the second protective film on the intermediate film is selectively removed by wet etching using phosphoric acid in the second protective film removing step.
この固体撮像素子の製造方法によれば、第2保護膜除去工程において、酸化シリコンから成る中間膜をほぼエッチングすることなく、窒化シリコンから成る第2保護膜を高い選択比でエッチングすることが可能となる。そのため、第2保護膜の除去後における基板上の膜厚のばらつきを、効果的に低減することが可能になる。さらに、例えばドライエッチングを適用した場合と比較して、固体撮像素子にダメージが導入されることを、効果的に抑制することが可能になる。 According to this method for manufacturing a solid-state imaging device, it is possible to etch the second protective film made of silicon nitride with a high selectivity without substantially etching the intermediate film made of silicon oxide in the second protective film removing step. It becomes. Therefore, it is possible to effectively reduce the variation in the film thickness on the substrate after the removal of the second protective film. Further, for example, it is possible to effectively suppress the introduction of damage to the solid-state imaging device as compared with the case where dry etching is applied.
上記特徴の固体撮像素子によれば、中間膜を導入することによって、第2保護膜除去工程において固体撮像素子にダメージが導入されることを抑制するとともに、第2保護膜の除去後における基板上の膜厚のばらつきを低減することが可能になる。そのため、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに、感度の劣化を防止することが可能になる。 According to the solid-state imaging device having the above characteristics, the introduction of the intermediate film suppresses the introduction of damage to the solid-state imaging device in the second protective film removal step, and the substrate after the second protective film is removed. It is possible to reduce the variation in the film thickness of the film. Therefore, it is possible to effectively reduce dark current and white scratches and to prevent deterioration of sensitivity.
本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例について、図1〜図5を参照して説明する。図1〜図5は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式的な断面図である。なお、図1〜図5では、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例として、電子を蓄積及び転送するCCDイメージセンサの製造方法を例示している。 An example of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1-5 is typical sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the solid-state image sensor concerning embodiment of this invention. 1 to 5 exemplify a manufacturing method of a CCD image sensor that accumulates and transfers electrons as an example of a manufacturing method of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
最初に、図1に示すように、例えばシリコンから成るn型(n)の基板10に、p型(p)の第1ウェル11を形成する。そして、この第1ウェル11内に、n型(n+)の電荷蓄積領域12と、電荷蓄積領域12上であり基板10の上面101から所定の深さまで形成されるp型(p++)の表面拡散領域13と、p型(p+)の第2ウェル14と、第2ウェル14上であり基板10の上面101から所定の深さまで形成されるn型(n)の電荷転送領域15と、電荷蓄積領域12及び表面拡散領域13とこれに隣接する片側(図中右側)の第2ウェル14及び電荷転送領域15との間に設けられるp型(p+)のチャネルストップ領域16と、を形成する。このとき、表面拡散領域13は、電荷蓄積領域12の形成後に形成する。また、電荷転送領域15は、第2ウェル14の形成後に形成する。
First, as shown in FIG. 1, a p-type (p) first
基板10内の各領域は、例えばイオン注入などによって基板10内にp型不純物またはn型不純物を注入することで形成される。基板10がシリコンから成る場合、p型不純物として、例えばホウ素などを用いることができる。また、n型不純物として、例えばリンやヒ素などを用いることができる。
Each region in the
次に、基板10の上面101の全面に、例えば酸化シリコンから成る表面絶縁膜17を形成する。また、電荷蓄積領域12の直上となる表面絶縁膜17の上面に対して、例えば酸化シリコンから成るゲート絶縁膜18を形成する。また、ゲート絶縁膜18の上面に対して、例えばポリシリコンから成る転送ゲート電極19を形成する。なお、ゲート絶縁膜18及び転送ゲート電極19は、それぞれを成す材料の膜を表面絶縁膜17に対して全面的に形成した後、必要とする部分を除いてレジストを形成してエッチングを行い、その後にレジストを除去するなどの方法によって、形成することができる。
Next, a
次に、表面絶縁膜17、ゲート絶縁膜18及び転送ゲート電極19の露出面を覆うように、例えば酸化シリコンから成る層間絶縁膜20を形成する。さらに、転送ゲート電極19の直上となる層間絶縁膜20の上面と、転送ゲート電極19の側方となる層間絶縁膜20の側面と、のそれぞれを覆うように、例えばアルミニウムやタングステンから成る遮光膜21を形成する。なお、遮光膜21は、遮光膜21を成す材料の膜を層間絶縁膜20に対して全面的に形成した後、必要とする部分を除いてレジストを形成してエッチングを行い、その後にレジストを除去するなどの方法によって、形成することができる。
Next, an
次に、図2に示すように、層間絶縁膜20及び遮光膜21の露出面を覆うように、例えば窒化シリコンから成る第1保護膜22を形成する。さらに、図3に示すように、第1保護膜22の上面に対して、例えば酸化シリコンから成る中間膜23を形成する。さらに、図4に示すように、中間膜23の上面に対して、例えば窒化シリコンから成る第2保護膜24を形成する。
Next, as shown in FIG. 2, a first
そして、図4に示したように第2保護膜24を形成した状態で熱処理を行うことにより、第1保護膜22及び第2保護膜24中の水素イオンを拡散させて、基板10に対して水素イオンを供給する。このとき、第2保護膜24中の水素イオンは、中間膜23を透過して第1保護膜22内に拡散する。また、第1保護膜22中の水素イオンは、層間絶縁膜20及び表面絶縁膜17を透過して基板10に到達する。これにより、基板10の上面101における界面準位や、電荷蓄積領域12内への金属元素の拡散等で生じた結晶欠陥に伴うダングリングボンドが、水素イオンで不活性化されるため、暗電流及び白傷を低減することが可能になる。
Then, heat treatment is performed in a state where the second
この熱処理工程は、水素イオンを効果的に供給するために、380℃以上450℃以下(具体的に例えば、420℃)の温度で行うと、好ましい。また、この熱処理工程は、不活性ガス雰囲気(例えば、熱処理炉内のガスの大部分または全部が窒素ガス)または水素ガス雰囲気(例えば、熱処理炉内のガスの全部が水素ガス)として、水素イオンと反応する酸素等を排除した雰囲気で行うと、好ましい。 This heat treatment step is preferably performed at a temperature of 380 ° C. to 450 ° C. (specifically, for example, 420 ° C.) in order to effectively supply hydrogen ions. In addition, this heat treatment step is performed with hydrogen ions in an inert gas atmosphere (for example, most or all of the gas in the heat treatment furnace is nitrogen gas) or in a hydrogen gas atmosphere (for example, all of the gas in the heat treatment furnace is hydrogen gas). It is preferable that the reaction be performed in an atmosphere that excludes oxygen and the like that react with.
上記の熱処理工程の終了後、中間膜23をストッパとして利用して、中間膜23上の第2保護膜24を選択的に除去する(即ち、図3に示した構造に戻す)。このとき、第2保護膜24が窒化シリコンから成り、中間膜23が酸化シリコンから成る場合は、リン酸を用いたウエットエッチングを行うと、好ましい。
After the above heat treatment step, the second
この場合、酸化シリコンから成る中間膜23をほぼエッチングすることなく、窒化シリコンから成る第2保護膜24を高い選択比でエッチングすることが可能となる。そのため、第2保護膜24の除去後における基板10上の膜厚のばらつきを、効果的に低減することが可能になる。さらに、例えばドライエッチングを適用した場合と比較して、固体撮像素子にダメージが導入されることを、効果的に抑制することが可能になる。
In this case, the second
次に、図5に示すように、中間膜23の上面に対して、例えば樹脂からなる平坦化膜25を形成する。次に、電荷蓄積領域12の直上となる平坦化膜25の上面に対して、例えば顔料を含んだ樹脂から成り所定の色(波長)の光を選択的に透過させるカラーフィルタ26を形成する。次に、例えば樹脂から成り平坦化膜25上のカラーフィルタ26を埋め込むコート膜27を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a
そして最後に、カラーフィルタ26の直上となるコート膜27の上面に対して、例えば樹脂から成るとともに入射する光を集光してカラーフィルタ26を透過させる凸形状のマイクロレンズ28を形成することで、固体撮像素子1が製造される。
Finally, a
この固体撮像素子1において、マイクロレンズ28、カラーフィルタ26及び電荷蓄積領域12は、基板10の上面101に対して垂直な方向(図中の上下方向)に対して一列に並んでおり、それぞれの列がそれぞれの画素を構成している。例えば、これらの画素は、基板10の上面101と平行な面内においてマトリクス状に配置される。具体的に例えば、これらの画素は、カラーフィルタ26が透過させる色に着目すると、ベイヤ配列で配置されている。
In the solid-
固体撮像素子1に入射する光は、マイクロレンズ28で集光され、コート膜27及びカラーフィルタ26を透過する。このとき、カラーフィルタ26は、所定の色(波長)の光を選択的に透過させる。カラーフィルタ26を透過した光は、平坦化膜25、中間膜23、第1保護膜22、層間絶縁膜20及び表面保護膜17をそれぞれ透過して、上面101から基板10内に入射する。すると、第1ウェル11及び電荷蓄積領域12から成るフォトダイオード(光電変換部)によって、基板10内に入射した光が光電変換されて電子及び正孔が生じ、電子が電荷蓄積領域12に蓄積される。このとき、基板10の上面101から所定の深さまでは表面拡散領域13が形成されているため、電荷蓄積領域12は、暗電流の発生源である界面準位が存在する基板10の上面101から離れた位置に存在することになる。そのため、電荷蓄積領域12が蓄積する電子が、基板10の上面101で発生する暗電流の影響を受けにくいものとなる。
Light incident on the solid-
そして、所定のタイミングで転送ゲート電極19に電圧が印加されることで、電荷転送領域15の外縁近傍に埋込チャネルが形成される。そして、この埋込チャネルを介して、電荷蓄積領域12から読み出された電子の一時的な蓄積や転送(紙面垂直方向への転送)が順次行われ、最終段まで転送された電子による電位が増幅されることで、画像データを構成する信号が生成される。この埋込チャネルは、暗電流の発生源である界面準位が存在する基板10の上面101から離れた位置に形成される。そのため、埋込チャネルを介して転送される電子が、基板10の上面101で発生する暗電流の影響を受けにくいものとなる。また、チャネルストップ領域16によって、電荷蓄積領域12から読み出される電子は、隣接する片側(図中左側)の電荷転送領域15の外縁近傍に形成される埋込チャネルにのみ蓄積される。
Then, a voltage is applied to the
以上より、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1の製造方法によれば、中間膜23を導入することによって、第2保護膜24の除去工程において固体撮像素子1にダメージが導入されることを抑制するとともに、第2保護膜24の除去後における基板10上の膜厚のばらつきを低減することが可能になる。そのため、暗電流及び白傷を効果的に低減するとともに、感度の劣化を防止することが可能になる。
As described above, according to the method for manufacturing the solid-
なお、第1保護膜22は、最終的な固体撮像素子1の構造に含まれる(図5参照)。そのため、固体撮像素子1の感度の低下を防止する観点から、第1保護膜22を最小限の膜厚にすると、好ましい。例えば、第1保護膜22は、基板10の上面101上に形成される各部を保護するために必要となる最小限の膜厚(具体的に例えば、150nm)にすると、好ましい。
The first
また、中間膜23は、熱処理工程において第1保護膜22と第2保護膜24との間に存在するとともに(図4参照)、最終的な固体撮像素子1の構造に含まれるものである(図5参照)。そのため、熱処理工程において第2保護膜24に含まれる水素イオンを第1保護膜22内に迅速に拡散させる観点や、固体撮像素子1の感度の低下を防止する観点から、中間膜23を最小限の膜厚にすると、好ましい。例えば、中間膜23は、第2保護膜24を除去する工程において、エッチングのストッパとして利用するために必要となる最小限の膜厚(具体的に例えば、10nm)にすると、好ましい。
Further, the
また、第2保護膜24は、熱処理工程後に除去され、最終的な固体撮像素子1の構造には含まれない(図5参照)。そのため、第2保護膜24は、熱処理工程において、基板10に対して水素イオンを十分に供給することが可能な膜厚にすると好ましい。
Further, the second
また、第1保護膜22及び第2保護膜24を成す窒化シリコン膜は、水素イオンを好適に供給するために、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成すると好ましい。例えば、成膜炉内にシランを300sccm以上600sccm以下で供給し、アンモニアを100sccm以上600sccm以下で供給し、窒素を2500sccm以上4500sccm以下で供給するとともに、成膜温度を400℃、成膜炉内の圧力を550Pa以上600Pa以下、RF(Radio Frequency)電源の出力を900W以上1000W以下にすると、好ましい。この条件では、0MPa以上200MPa以下の引張応力が発生するとともに屈折率が1.975以上2.015以下となる窒化シリコン膜を形成することができる。
Further, the silicon nitride film forming the first
また、中間膜23を成す酸化シリコン膜も、プラズマCVDで形成すると好ましい。例えば、成膜炉内にシランを100sccm以上300sccm以下で供給し、一酸化二窒素を5000sccm以上10000sccm以下で供給し、窒素を5000sccm以上10000sccm以下で供給するとともに、成膜温度を400℃、成膜炉内の圧力を200Pa以上600Pa以下、RF電源の出力を200W以上800W以下にすると、好ましい。
The silicon oxide film that forms the
<変形等>
図1〜図5では、電子を蓄積及び転送する固体撮像素子1について例示したが、基板10内の各領域のp型及びnを逆にして、正孔を蓄積及び転送する固体撮像素子としてもよい。また、第1ウェル11を設けることなく、p型の基板内にn型の電荷蓄積領域を直接的に形成した構造としてもよい。
<Deformation, etc.>
1 to 5 exemplify the solid-
図1〜図5において、本発明の実施形態に係る固体撮像素子1の製造方法として、CCDイメージセンサの製造方法について例示したが、本発明は、CMOSイメージセンサなどの他の固体撮像素子に対しても適用可能である。
1 to 5, the manufacturing method of the CCD image sensor is exemplified as the manufacturing method of the solid-
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載されるCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等に、好適に利用され得る。 The solid-state imaging device according to the present invention can be suitably used for, for example, a CCD image sensor or a CMOS image sensor mounted on various electronic devices having an imaging function.
1 : 固体撮像素子
10 : 基板
101 : 上面
11 : 第1ウェル
12 : 電荷蓄積領域
13 : 表面拡散領域
14 : 第2ウェル
15 : 電荷転送領域
16 : チャネルストップ領域
17 : 表面絶縁膜
18 : ゲート絶縁膜
19 : 転送ゲート電極
20 : 層間絶縁膜
21 : 遮光膜
22 : 第1保護膜
23 : 中間膜
24 : 第2保護膜
25 : 平坦化膜
26 : カラーフィルタ
27 : コート膜
28 : マイクロレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Solid-state image sensor 10: Board | substrate 101: Upper surface 11: 1st well 12: Charge storage area 13: Surface diffusion area 14: 2nd well 15: Charge transfer area 16: Channel stop area | region 17: Surface insulating film 18: Gate insulation Film 19: Transfer gate electrode 20: Interlayer insulating film 21: Light shielding film 22: First protective film 23: Intermediate film 24: Second protective film 25: Planarizing film 26: Color filter 27: Coat film 28: Micro lens
Claims (3)
前記第1保護膜の上面に対して、前記第1保護膜とは異なる材料から成る中間膜を形成する中間膜形成工程と、
前記中間膜の上面に対して、前記中間膜とは異なる材料から成る第2保護膜を形成する第2保護膜形成工程と、
前記第2保護膜形成工程後に、熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記中間膜上の前記第2保護膜を選択的に除去する第2保護膜除去工程と、
を備えることを特徴とする固体半導体素子の製造方法。 A first protective film forming step of forming a first protective film above a substrate on which a photoelectric conversion unit for photoelectrically converting light incident from the upper surface is formed;
An intermediate film forming step of forming an intermediate film made of a material different from that of the first protective film on the upper surface of the first protective film;
A second protective film forming step of forming a second protective film made of a material different from the intermediate film on the upper surface of the intermediate film;
A heat treatment step of performing a heat treatment after the second protective film forming step;
A second protective film removing step of selectively removing the second protective film on the intermediate film after the heat treatment step;
The manufacturing method of the solid-state semiconductor element characterized by the above-mentioned.
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Cited By (2)
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WO2016103936A1 (en) * | 2014-12-24 | 2016-06-30 | シャープ株式会社 | Solid-state imaging element and method for manufacturing solid-state imaging element |
CN106409942A (en) * | 2016-10-24 | 2017-02-15 | 上海华力微电子有限公司 | Method of reducing CIS (CMOS Image Sensor) dark current through optimizing posterior optical channel process |
-
2012
- 2012-02-29 JP JP2012043069A patent/JP2013179224A/en active Pending
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