TWI443814B - 固態影像拾取元件及其製造方法，及包含其之固態影像拾取裝置 - Google Patents

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TWI443814B
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Description

固態影像拾取元件及其製造方法，及包含其之固態影像拾取裝置
本發明係關於一種固態影像拾取元件及一種製造該固態影像拾取元件的方法，以及一種包含該固態影像拾取元件的影像拾取裝置。
已知在一CCD(電荷耦合裝置)固態影像拾取元件及一CMOS(互補式金屬氧化物半導體)固態影像拾取元件中，在一光電二極體中產生之晶體缺陷以及在形成於一矽基板中之一光接收部分與上覆於該光接收部分之一絕緣層之間之一界面中產生的界面狀態引起一暗電流。
圖13A係展示一絕緣層形成於其中形成有一光電二極體之一矽層上之一狀態的一示意橫截面圖，且圖13B係圖13A所示之絕緣層與矽層的一能量圖。因此，如圖13A及圖13B所示，在其中形成有光電二極體之該矽層51與上覆於該矽層51之該絕緣層52之間的一界面中產生各由一標記×指示之界面狀態。此等界面狀態之各者變為暗電流的一產生源，且因此引起各源自該界面之電子以暗電流之形式流至光電二極體PD中。
於是，採用一所謂電洞累積二極體(HAD)結構作為用於抑制產生暗電流的一項技術。該HAD結構係例如描述於日本專利特許公開案第2005-123280號中(下文稱為專利文件1)。
圖14A係闡釋形成一p+ 型半導體區域以獲得該HAD結構之情形的一示意橫截面圖，且圖14B為矽層、絕緣層及形成於該矽層與該絕緣層之間之一正電荷累積區域的一能量圖。明確言之，如圖14A及圖14B所示，將一p型雜質引入至矽層51之一表面的鄰近處以形成p+ 型半導體區域，且使所得p+ 型半導體區域成為正電荷累積區域53以用於累積其中的正電荷(電洞)。
其中正電荷累積區域53係形成於矽層51與絕緣層52之間之界面中的HAD結構係以上述方式而獲得，藉此使該光電二極體避開該界面，藉此可抑制從各充當產生源的界面狀態產生暗電流。
一般言之，在形成HAD結構中，在一退火溫度下將B離子、BF2 離子或類似離子植入至矽層中，藉此在界面之鄰近處形成變為正電荷累積區域53的p+ 型半導體區域。
再者，為實現植入雜質離子之適當擴散及活化，既有離子植入製程儘可能長時間保持一高溫是必要的。
但是，從充分確保固態影像拾取元件之特性及類似者的觀點而言，長時間保持高溫是不合乎需要的。
為應對此情況，如圖15A及圖15B所示，提議代替形成正常絕緣層52，形成其中含有負固定電荷54的一絕緣層55，作為經形成以便上覆於其中形成有光電二極體PD之矽層51的絕緣層。舉例而言，此結構係描述於日本專利特許公開案第2008-306154號(下文稱為專利文件2)中。
在此情形中，如圖15B所示，即使未將雜質離子植入至矽層51中時，仍可藉由彎曲絕緣層55之能量帶而在該矽層51與該絕緣層55之間之界面的鄰近處形成正電荷累積區域53，藉此容許正電荷(電洞)累積於正電荷累積區域53中。
給出HfO2 、Zr O2 、Al2 O3 、TiO2 、Ta2 O5 或類似物作為其中含有負固定電荷54之此一絕緣層55的材料。
專利文件2亦提議一項技術，運用此項技術，在沈積其中含有負固定電荷之絕緣層中，將藉由利用一原子層沈積(ALD)方法或一金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而沈積之一第一膜及藉由利用一物理氣相沈積(PVD)方法而沈積之一第二膜彼此層壓。
根據此技術，可藉由利用ALD方法而抑制界面狀態的產生，且可藉由利用PVD方法而增强生產力。
但是，相較於專利文件2中所述之結構的情形，仍期望進一步抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生。
為解決上述問題已實現本發明，且因此期望提供一種可抑制一暗電流的固態影像拾取元件及一種製造該固態影像拾取元件的方法，以及一種包含該固態影像拾取元件的影像拾取裝置。
為達到上述期望，根據本發明之一實施例，提供一種固態影像拾取元件，其包含：一半導體層，在該半導體層中形成用於執行光電轉換之一光電二極體；一第一膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中；一第二膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用一物理氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第一膜上；及一第三膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第二膜上。
在根據本發明之該實施例之固態影像拾取元件中，一正電荷累積區域係藉由形成其中各含有該等負固定電荷之該第一膜、該第二膜及該第三膜而形成於其中形成有該光電二極體之該半導體層之界面的鄰近處(表面之鄰近處)。因此，正電荷(電洞)可累積在該正電荷累積區域中。結果，可抑制由界面狀態引起之暗電流的產生。另外，藉由相互組合該第一膜、該第二膜及該第三膜而獲得充分的負偏壓效應。
另外，當藉由利用該物理氣相沈積方法形成其中含有負固定電荷之該第二膜時，可藉由其中含有負固定電荷之該第一膜之存在而防止該半導體層受損害。
此外，可藉由其中含有負固定電荷且係利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法形成之該第三膜之存在，而阻擋致使減少負偏壓效應之某一元素(諸如氫)的侵入。此之原因是因為該第三膜係藉由利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法而形成，且因此該第三膜在結晶程度上比藉由利用物理氣相沈積方法形成之該第二膜更強，且係形成為更緻密。
根據本發明之另一實施例，提供一種製造一固態影像拾取元件的方法，該方法包含下列步驟：在一半導體層中形成一光電二極體；藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而在該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中形成其中含有負固定電荷的一第一膜；藉由利用一物理氣相沈積方法而在其中含有該等負固定電荷之該第一膜上形成其中含有負固定電荷的一第二膜；及藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而在其中含有該等負固定電荷的該第二膜上形成其中含有負固定電荷的一第三膜。
在根據本發明之該另一實施例之製造一固態影像拾取元件之方法中，其中含有負固定電荷之該第一膜係藉由利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中。結果，該第一膜可經形成以便不損害該半導體層。
再者，由於該第一膜係經形成以便下伏於該第二膜，故在藉由利用物理氣相沈積方法形成該第二膜中，可藉由該第一膜而防止該半導體層受損害。
另外，該第三膜係藉由利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該第二膜上。因此，可藉由其中含有負固定電荷之該第三膜而阻擋致使減少負偏壓效應之某一元素(諸如氫)的侵入。
再者，該第一膜、該第二膜及該第三膜之形成促成容許正電荷(電洞)累積於其中形成有光電二極體之該半導體層之界面之鄰近處(表面之鄰近處)的結構。結果，可抑制由界面狀態引起之暗電流的產生。
根據本發明之另一實施例，提供一種影像拾取裝置，該影像拾取裝置包含：一聚集光學部分，其用於聚集一入射光；一固態影像拾取元件，其包含：一半導體層，在該半導體層中形成用於執行光電轉換之一光電二極體，一第一膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中，一第二膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用一物理氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第一膜上，及一第三膜，其中含有負固定電荷且其係藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第二膜上，該固態影像拾取元件用來接收由該聚集光學部分聚集之該入射光以將由此接收之該入射光光電轉換成一電信號；及一信號處理部分，其用於處理透過該固態影像拾取元件中之光電轉換而獲得的所得電信號。
在根據本發明之該另一實施例之影像拾取裝置中，由於本實施例之固態影像拾取元件被併入於該另一實施例之影像拾取裝置之組態中，故可抑制暗電流之產生。
根據上述本發明之固態影像拾取元件及製造該固態影像拾取元件之方法，足夠大的負偏壓效應可抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生。
相應地，可實現在不產生暗電流情況下穩定操作且具有高可靠性的固態影像拾取元件。
根據上述本發明之影像拾取裝置，由於可抑制在固態影像拾取元件中產生暗電流，故透過該固態影像拾取元件中之光電轉換而獲得之電信號係經穩定化。
相應地，可實現穩定地操作且具有高可靠性且在其中獲得極佳影像品質的影像拾取裝置。
下文將參考附圖詳細描述本發明之較佳實施例。
應注意在下文中將根據下列順序予以說明。
1.本發明之概要
2.固態影像拾取元件
3.製造固態影像拾取元件之方法
4.實驗(特性之量測)
5.影像拾取裝置
1.　本發明之概要
在本發明中，其中含有負固定電荷之一第一膜係形成於一半導體層上之形成一固態影像拾取元件之至少一光電二極體的一區域中，且其中含有負固定電荷之一第二膜係形成於該第一膜上。另外，其中含有負固定電荷之一第三膜係形成於該第二膜上。
該第一膜係藉由利用一原子層沈積(ALD)方法或一金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而形成(沈積)。
該第二膜係藉由利用一物理氣相沈積(PVD)方法而形成(沈積)。
再者，該第三膜係藉由利用該原子層沈積(ALD)方法或該金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而形成(沈積)。
給出選自包含例如氧化鉿(HfO2 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈦(TiO2 )及氧化鉭(Ta2 O5 )之群組之一材料作為其中各含有負固定電荷之該第一膜、該第二膜及該第三膜的各自材料。由於此等氧化物膜之各者曾有用作一絕緣閘極場效應電晶體之一閘極絕緣膜或類似物的成果，故可確定沈積此等氧化物膜之各者的一方法且因此可較容易地沈積該等氧化物膜。
另外，特定言之，當使用此等氧化物材料中各具有一相對大折射率之HfO2 (折射率：2.05)、Ta2 O5 (折射率：2.16)、TiO2 (折射率：2.20)及類似氧化物的任一者時，亦可獲得一抗反射效應。
給出例如稀土元素之氧化物作為除上述材料之外的一材料。也就是說，給出鑭、鐠、鈰、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥及釔的氧化物。
此外，亦可使用氮化鉿、氮化鋁、氧氮化鉿或氧氮化鋁。
可將矽(Si)或氮(N)添加至其中含有負固定電荷的該第一膜、該第二膜及該第三膜之各者，只要該第一膜、該第二膜及該第三膜之各者之絕緣性質未受削弱。只要該第一膜、該第二膜及該第三膜之各者之絕緣性質未被削弱，便可適當判定由此添加之矽(Si)或氮(N)的一濃度。以此一方式添加矽(Si)或氮(N)，藉此可增加膜之熱阻，以及增加在製程中阻擋離子植入的能力。
如上所述，其中含有負固定電荷之該第一膜係藉由利用原子層沈積(ALD)方法或金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而沈積。
舉例而言，當藉由利用ALD方法沈積該第一膜時，以如下一方式設定沈積條件：基板溫度係在200℃至500℃之範圍內、前驅體之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內、前驅體之輻射之時段係在1秒至15秒之範圍內且O3 之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內。
舉例而言，當藉由利用MOCVD方法沈積該第一膜時，基板溫度係設定在200℃至600℃之範圍內。
應注意當半導體層為矽層且該第一膜係藉由利用ALD方法而沈積於該矽層上時，可在形成該第一膜的同時在該矽層之一表面上形成具有約1奈米之一厚度的用於減少界面狀態之氧化矽。
如上所述，其中含有負固定電荷之該第二膜係藉由利用物理氣相沈積(PVD)方法而沈積。
舉例而言，當藉由利用PVD方法沈積該第二膜時，以如下一方式設定沈積條件：壓力係在0.01 Pa至50 Pa之範圍內、D.C.功率係在500 W至2,000 W之範圍內、Ar之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內且O2 之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內。
由於該第二膜係藉由利用PVD方法而沈積，故沈積速率係高於ALD方法或MOCVD方法之情形中的沈積速率。因此，可在一相對短的時段內形成具有某一程度之一厚度的第二膜。
如上所述，其中含有負固定電荷之該第三膜係藉由利用原子層沈積(ALD)方法或金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而沈積。
舉例而言，當藉由利用ALD方法沈積該第三膜時，以如下一方式設定沈積條件：基板溫度係在200℃至500℃之範圍內、前驅體之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內、前驅體之輻射之時段係在1秒至15秒之範圍內且O3 之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內。
舉例而言，當藉由利用MOCVD方法沈積該第三膜時，以使得基板溫度係在200℃至600℃之範圍內的一方式設定沈積條件。
儘管未特定限制其中含有負固定電荷之第一膜的厚度，但是該第一膜須具有某一程度或更大程度的厚度，以便在藉由利用PVD方法形成第二膜時不損害半導體層。該第一膜之厚度較佳設定成等於或大於1奈米。
另外，因為該第一膜係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而形成，故花費大量的時間以形成較厚的該第一膜。由於此原因，該第一膜之厚度較佳設定成等於或小於5奈米。
在本發明中，其中含有負固定電荷之第二膜係形成於其中含有負固定電荷的第一膜上，且其中含有負固定電荷之第三膜係形成於該第二膜上。因此，該第一膜、該第二膜及該第三膜之三層膜之組合導致獲得足夠的負偏壓效應。
另外，由於其中含有負固定電荷之第一膜係藉由利用原子層沈積(ALD)方法或金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而形成，故在形成該第一膜時可防止半導體層受損害。
此外，其中含有負固定電荷之第一膜具有該等負固定電荷，且當形成其中含有負固定電荷之第二膜時可防止半導體層受損害。
再者，由於第三膜係藉由利用原子層沈積(ALD)方法或金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)方法而形成，故該第三膜係形成為具有較大結晶程度的一膜，且係形成為更為緻密。結果，可藉由該第三膜阻擋致使減少負偏壓效應之某一元素(諸如氫)的侵入。
另外，當該第二膜係由不同於該第一膜之材料的一材料製成時，與專利文件2之情形不同，由相同材料製成之該兩個膜無須藉由利用兩種沈積方法而層壓於彼此的頂部上。結果，放寬對用於其中含有負固定電荷之膜之材料的限制，且亦放寬對用於其中含有負固定電荷之膜之材料之特性的限制。
再者，舉例而言，使用具有相對大折射率之HfO2 、Ta2 O5 或TiO2 作為用於其中含有負固定電荷之第二膜的材料，藉此除增加上述抗反射效應之外，亦增加入射至光電二極體之光量，藉此可增加靈敏度。
另外，當第一膜及第三膜係由相同材料製成時，獲得的一優點是：由於對該第一膜與該第三膜之兩個膜採用相同的沈積方法(ALD方法或MOCVD方法)，藉此可調整膜沈積條件，製造變得易於執行。
根據本發明之一實施例，可實現其中可藉由足夠大之負偏壓效應而抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生，且因此在不產生暗電流情況下穩定操作且具有高可靠性的固態影像拾取元件。
再者，本發明之影像拾取裝置為包含本發明之固態影像拾取元件的一影像拾取裝置。結果，可抑制在該固態影像拾取元件中產生暗電流，且因此透過固態影像拾取元件中之光電轉換而獲得的電信號係經穩定化。因此，可實現穩定地操作且具有高可靠性且因此在其中獲得極佳影像品質的影像拾取裝置。
2.　固態影像拾取元件
圖1係展示根據本發明之一固態影像拾取元件之一實施例之一結構的一示意橫截面圖。
此實施例對應於將本發明應用於一所謂背表面輻射類型CMOS固態影像拾取元件(CMOS影像感測器)的情形。
在CMOS固態影像拾取元件1中，藉由N型雜質區域在一光電二極體部分41中的一矽基板2中以用於光電轉換一入射光之一光接收部分之形式形成電荷累積區域4，該等電荷累積區域4各變為一光電二極體。
正電荷累積區域5係分別形成於各變為光電二極體之該等電荷累積區域4的表面上。
再者，各對電荷累積區域4及正電荷累積區域5組成電洞累積二極體(HAD)結構。
在光電二極體部分41中，MOS電晶體Tr1之閘極電極11係分別形成於該矽基板2中之電荷累積區域4之下。再者，各由一金屬配線組成之配線層12係分別形成於該等MOS電晶體Tr1之閘極電極11之下。在圖1中，三級配線層12係形成於該等MOS電晶體Tr1之閘極電極11之各者之下。一層間絕緣層13使該等閘極電極11與最上配線層12之間絕緣，以及使各鄰近兩級中之配線之間絕緣。
應注意儘管未繪示，但是該層間絕緣層13係由設置於該層間絕緣層13之下的一支撐基板或類似物支撐。
像素係分別由各具有三個電荷累積區域4的光電二極體組成。
該等像素之各者經組成以便具有一或多個電晶體-包含圖1所示之三個MOS電晶體Tr1(該三個MOS電晶體Tr1分別用於讀出且轉移該三個電荷累積區域4中累積的電荷)。
一P型隔離區域3使該等像素之各者中各鄰近兩個電荷累積區域4之間分開。
應注意儘管未繪示，但是較佳在該等電荷累積區域4中電晶體Tr1之閘極電極11側之各者上的一界面中形成一p+ 型半導體區域，藉此抑制與層間絕緣層13之界面中產生暗電流。
由N通道MOS電晶體及P通道MOS電晶體組成之MOS電晶體Tr2及Tr3係形成於一周邊電路部分42中。
儘管未繪示，但是該等MOS電晶體Tr2及Tr3之源極區域與汲極區域，以及變為該等MOS電晶體Tr2及Tr3之通道的一半導體井區域係形成於矽基板2之內。
其中含有負固定電荷之一膜24係經形成以便上覆於其中形成有三個光電二極體的矽基板2。
藉由其中含有負固定電荷之膜24中所含有的該等負固定電荷，將一電場施加至該等電荷累積區域4之表面之各者，藉此在該等電荷累積區域4之表面之各者中形成一正電荷累積區域(電洞累積區域)5。結果，即使當未將雜質離子植入至該等電荷累積區域4之表面之各者中時，仍可形成正電荷累積區域5之各者。
舉例而言，由一SiO2 膜形成之一絕緣膜係形成於其中含有負固定電荷之膜24上。一光阻擋膜7係部分形成於絕緣膜6上以便覆蓋光電二極體部分41的一部分及周邊電路部分42。
不使光入射至光電二極體之各者之一區域(一光學黑暗區域(圖中未展示))係由該光阻擋膜7實現，且可根據來自該等光電二極體之輸出信號判定一影像中之一黑階。
另外，在該周邊電路部分42中，歸因於光之入射之MOS電晶體Tr2及Tr3及類似者之特性的波動係可由該光阻擋膜7抑制。
一平坦化膜8係經形成以便覆蓋該SiO2 膜6及該光阻擋膜7。
具有對應顏色(紅色(R)、綠色(G)及藍色(B))之彩色濾光器9係逐個像素形成於該平坦化膜8上。
用於光聚集之晶片上透鏡10係分別設置於該等彩色濾光器9上。
在此實施例之CMOS固態影像拾取元件1中，藉由採用此一結構，使光從圖1之上側入射至該CMOS固態影像拾取元件1以在各自光電二極體之電荷累積區域4之各者中引起光電轉換，藉此可接收且偵測入射光。
再者，當從其中形成有光電二極體之矽基板2觀看時，光係從與各定位於下層中之配線層12之一側(一正表面側)相對的一側上(一背表面側上)之上層入射。因此，此實施例之CMOS固態影像拾取元件1具有所謂背表面輻射類型結構。
特定言之，在此實施例之CMOS固態影像拾取元件1中，其中含有負固定電荷之膜24具有一三層式層壓結構，即：一第一膜21作為其中含有負固定電荷的最下層，一第二膜22作為其中含有負固定電荷的一中間層，且一第三層23作為其中含有負固定電荷的最上層。
該第一膜21係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而沈積，該第二層22係藉由利用PVD方法而沈積，且該第三膜23係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而沈積。
可使用選自包含例如HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 及Ta2 O5 之群組之氧化物作為用於其中各含有負固定電荷之該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23的各材料。另外，亦可使用上述稀土元素之氮化物、氮氧化物、氧化物或類似物之任何者。
其中含有負固定電荷之膜24(包含第一膜21、第二膜22及第三膜23)係形成於矽基板2上，藉此，類似於圖15A及圖15B所示之情形，使該膜24之一能量帶彎曲以容許正電荷(電洞)累積於該矽基板2與該膜24之間之一界面的鄰近處。
應注意當各具有相對大之折射率之HfO2 膜、Ta2 O5 膜及TiO2 膜及類似者之任一者係經形成作為其中各含有負固定電荷的該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23之各者時，亦可獲得抗反射效應。
3.　製造固態影像拾取元件之方法
下文將參考圖2至圖10詳細描述製造CMOS固態影像拾取元件1之一方法的一實施例。
現將以如圖2所示之一狀態開始描述，電荷累積區域4係形成於光電二極體部分41中之矽基板2內，且MOS電晶體Tr1、Tr2及Tr3之閘極電極11以及三級配線層12係形成於層間絕緣層13中。。
首先，如圖3所示，藉由利用ALD方法或MOCVD方法而在其中形成有電荷累積區域4的矽基板2上形成其中含有負固定電荷之第一膜21。另外，舉例而言，給出HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 或Ta2 O5 作為用於其中含有負固定電荷之第一膜21的材料。
舉例而言，當藉由利用ALD方法沈積該第一膜21時，以如下一方式設定膜沈積條件：用於膜沈積之基板溫度係在200℃至500℃之範圍內、前驅體之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內、前驅體之輻射之時段係在1秒至15秒之範圍內且O3 之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內。
該第一膜21之厚度較佳係設定為等於或大於1奈米。
應注意在一些情形中當藉由利用ALD方法沈積該第一膜21時，在沈積該第一膜21的同時在矽基板2之表面上形成一層氧化矽膜(具有約1奈米之厚度)。
接著，如圖4所示，藉由利用PVD方法而在其中含有負固定電荷之第一膜21上形成其中含有負固定電荷的第二膜22。另外，舉例而言，給出HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 或Ta2 O5 作為用於其中含有負固定電荷之第二膜21的材料。
舉例而言，當藉由利用PVD方法沈積該第二膜22時，以如下一方式設定膜沈積條件：壓力係在0.01 Pa至50 Pa之範圍內、D.C.功率係在500 W至2,000 W之範圍內、Ar之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內且O2 之流率係在5 sccm至50 sccm之範圍內。
接著，如圖5所示，藉由利用ALD方法或MOCVD方法而在其中含有負固定電荷之該第二膜22上形成其中含有負固定電荷之第三膜23。另外，舉例而言，給出HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 或Ta2 O5 作為用於其中含有負固定電荷之第三膜23的材料。
舉例而言，當藉由利用ALD方法沈積該第三膜23時，以如下一方式設定膜沈積條件：用於膜沈積之基板溫度係在200℃至500℃之範圍內、前驅體之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內、前驅體之輻射之時段係在1秒至15秒之範圍內且O3 之流率係在10 sccm至500 sccm之範圍內。
該第三膜23之厚度較佳係設定為等於或大於1奈米，且更佳係設定成等於或大於3奈米以便容許充分地阻擋減少負偏壓效應之元素的侵入。
在其中含有負固定電荷的第一膜21上形成其中含有負固定電荷之第二膜22，且在其中含有負固定電荷的該第二膜22上形成其中含有負固定電荷之第三膜23，藉此結構化其中含有負固定電荷且具有彼此層壓之該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23的膜24。藉由結構化其中含有負固定電荷之膜24，而分別在電荷累積區域4之表面上形成正電荷累積區域5。
接著，如圖6所示，在其中含有負固定電荷之第三膜23上形成諸如SiO2 膜的絕緣膜6。
形成絕緣膜6可防止其中含有負固定電荷之第三膜23之表面在稍後蝕刻光阻擋膜7期間直接曝露至蝕刻氛圍。另外，可抑制由於其中含有負固定電荷之第三膜23與光阻擋膜7之間之直接接觸所致的其中含有負固定電荷之該第三膜23與該光阻擋膜7之間的反應。
接著，如圖7所示，在該絕緣膜6上形成變為該光阻擋膜7的一金屬膜。
另外，如圖8所示，藉由執行蝕刻而選擇性部分地處理該光阻擋膜7及該絕緣膜6之上部。結果，將該光阻擋膜7留在光電二極體部分41之一部分上，且留在周邊電路部分42上。
接著，如圖9所示，形成平坦化膜8以便覆蓋該絕緣膜6與該光阻擋膜7的表面。舉例而言，藉由利用一塗佈方法而形成一SiO2 膜作為該平坦化膜8。該平坦化膜8係形成為具有一足夠的厚度，藉此消除由於形成該光阻擋膜7所引起的一階梯狀部分，藉此可平坦化表面。
最後，如圖10所示，在光電二極體部分41中之像素之各者中之各自光電二極體上按順序形成彩色濾光器9及晶片上透鏡10。
應注意，為在透鏡處理期間防止處理損害施加於該等彩色濾光器9，可在該等彩色濾光器9與該等晶片上透鏡10之間形成一可透光絕緣膜(圖中未展示)。
可以上述方式製造圖1所示的CMOS固態影像拾取元件1。
根據固態影像拾取元件1之實施例，以及製造固態影像拾取元件1之方法之實施例，其中含有負固定電荷之第一膜21係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而形成於光電二極體部分41中其中形成有電荷累積區域4的矽基板2上。再者，其中含有負固定電荷之第二膜22係藉由利用PVD方法而形成於其中含有負固定電荷的第一膜21上。另外，其中含有負固定電荷之第三膜23係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而形成於其中含有負固定電荷之第二膜22上。結果，結構化成其中含有負固定電荷且包含彼此層壓之該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23的膜24。
藉由彼此組合其中各含有負固定電荷的該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23而獲得足夠的負偏壓效應。類似於圖15A及圖15B所示之既有情形，可藉由該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23中所含有之負固定電荷而使包含該第一膜21、該第二膜22及該第三膜23之膜24的能量帶彎曲。結果，在該矽基板2與該膜24之間之界面之鄰近處形成正電荷累積區域5以容許正電荷(電洞)累積於其中，藉此可抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生。
由於其中含有負固定電荷之第一膜21係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而形成，故當以此一方式形成該第一膜21時可防止該矽基板2受損害。
另外，由於該第一膜21係經形成以便下伏於其中含有負固定電荷之第二膜22，故當藉由利用PVD方法形成其中含有負固定電荷之第二膜22時可藉由該第一膜21防止該矽基板2受損害。
再者，由於其中含有負固定電荷之第三膜23係藉由利用ALD方法或MOCVD方法而形成，故該第三膜23係形成為具有較大結晶程度且為較緻密。結果，可藉由該第三膜23阻擋致使減少負偏壓效應之某一元素(諸如氫)的侵入。
因此，根據固態影像拾取元件1之實施例，以及製造固態影像拾取元件1之方法之實施例，可實現其中可藉由足夠大之負偏壓效應抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生，且因此在不產生暗電流情況下穩定操作且具有高可靠性的固態影像拾取元件1。
應注意，當其中含有負固定電荷之第一膜21及其中含有負固定電荷之第二膜22係由不同材料製成時，與專利文件2之情形不同，由相同材料製成之該兩個膜無須藉由利用兩種沈積方法而層壓於彼此的頂部上。結果，放寬對用於其中含有負固定電荷之膜24(包含第一膜21、第二膜22及第三膜23)之材料的限制，且亦放寬對其中含有負固定電荷之膜24(包含第一膜21、第二膜22及第三膜23)之特性的限制。
另一方面，當其中含有負固定電荷之第一膜21及其中含有負固定電荷之第三膜23係由相同材料製成時，獲得的一優點是：由於對該第一膜21與該第三膜23之兩個膜採用相同的沈積方法(ALD方法或MOCVD方法)，藉此可調整膜沈積條件。結果，製造變得易於執行。
應注意代替以如圖1所示之方式在矽基板2中形成組成各自光電二極體的電荷累積範圍4，可在一矽基板上之一矽磊晶層中形成組成各自光電二極體的電荷累積範圍。
另外，各上覆於其中含有負固定電荷之第三膜23之絕緣膜6、光阻擋膜7及平坦化膜8的結構，以及周邊電路部分42的結構並不限制於上述固態影像拾取元件1之實施例中的結構，且因此亦可進行多種改變。
舉例而言，亦可採用專利文件2中之實施例中所述的結構。
儘管上述實施例對應於將本發明應用於CMOS固態影像拾取元件的情形，然而本發明亦可應用於具有其他結構的任何固態影像拾取元件。
舉例而言，將本發明應用於一CCD固態影像拾取元件。在此情形中，藉由使用電漿而在一光接收部分上形成一層氧化矽膜且在該光接收部分上亦形成其中含有負固定電荷之一膜，藉此可抑制由界面狀態所引起之暗電流的產生。
再者，上述實施例對應於將本發明應用於具有背表面輻射類型結構之固態影像拾取元件的情形。
但是，本發明亦可應用於具有一所謂正表面輻射類型結構的一固態影像拾取元件，其中配線層及轉移電極係形成於其中形成有一光電二極體之一半導體層的一光入射側上。
4.　實驗(特性之量測)
實際製造本發明的固態影像拾取元件並檢查其特性。
製造圖1所示之作為本發明之實施例展示的固態影像拾取元件1。使用一HfO2 膜作為其中各含有負固定電荷且組成其中含有負固定電荷之膜24的第一膜21、第二膜22及第三膜23之各者。在此情形中，該第一膜21及該第三膜23之各者係藉由利用ALD方法而沈積。藉由利用一高密度電漿(HDP)方法而形成一層氧化矽膜作為上覆於其中含有負固定電荷之膜24的絕緣膜6。
另一方面，製造一固態影像拾取元件作為一比較性實例，在該固態影像拾取元件中，代替形成第三膜23，形成較厚的第二膜22，藉此使該等膜(即其中各含有負固定電荷之第一膜21及較厚之第二膜22)的總厚度等於CMOS固態影像拾取元件1之實施例中的第一膜21、第二膜22及第三膜23的總厚度，且其他構成元件具有與CMOS固態影像拾取元件1之實施例中之其他構成元件相同的結構。
當在相同條件下比較實施例之CMOS固態影像拾取元件1中產生暗電流的情況與比較性實例之CMOS固態影像拾取元件中產生暗電流的情況時，相較於比較性實例之CMOS固態影像拾取元件中，實施例之CMOS固態影像拾取元件1中暗電流之產生明顯得到進一步抑制。
另外，量測本實施例之CMOS固態影像拾取元件1中之第一膜21、第二膜22及第三膜23之氫濃度，且亦量測比較性實例之CMOS固態影像拾取元件中之第一膜21及較厚第二膜22之氫濃度。結果，特定言之，在本實施例之CMOS固態影像拾取元件1與比較性實例之CMOS固態影像拾取元件之間其中含有負固定電荷之第二膜22之氫濃度明顯不同。也就是說，本實施例之CMSO固態影像拾取元件1中的氫濃度小於比較性實例之CMOS固態影像拾取元件中的氫濃度。
藉由分別從該等實驗結果推測本實施例之CMOS固態影像拾取元件1與比較性實例之CMOS固態影像拾取元件中發生之現象而獲得的模型係分別展示於圖11A及圖11B。圖11A係展示比較性實例之CMOS固態影像拾取元件之情形中之模型的一示意橫截面圖，且圖11B係展示本實施例之CMOS固態影像拾取元件1之情形中之模型的一示意橫截面圖。
吾人認為，在比較性實例之CMOS固態影像拾取元件之情形中，大量氫從作為上層之絕緣層(HDP)6侵入至其中含有負固定電荷的較厚第二膜22中。吾人亦認為，氫透過與負固定電荷的相互作用而抵消如由雙頭尖頭所指示之負固定電荷，藉此減少釘扎效應(負偏壓效應)。
另一方面，在本實施例之CMOS固態影像拾取元件之情形中，吾人認為第三膜23是藉由利用ALD方法而形成，藉此可抑制氫侵入至其中含有負固定電荷的膜24中。此係按如下推測。也就是說，該膜在藉由利用ALD方法之膜沈積中比在藉由利用PVD方法之膜沈積中形成為更緻密。結果，由於氫之侵入，在未抵消其中各含有負固定電荷且組成其中含有負固定電荷之膜24之第一膜21、第二膜22及第三膜23的層壓效應情況下增加負固定電荷的總量。
5.　影像拾取裝置
接著，將參考圖12詳細描述本發明之一影像拾取裝置的一實施例。
圖12係展示本發明之影像拾取裝置之實施例之一組態的一示意方塊圖。
舉例而言，給出一視訊相機、一數位靜態相機、一行動電話之一相機或類似相機作為影像拾取裝置。
如圖12所示，影像拾取裝置500包含具有一固態影像拾取元件(圖中未展示)的一影像拾取部分501。用於聚集一入射光以使對應於該入射光之一影像成像的一成像光學系統502係設置於該影像拾取部分501的前級中。另外，在該影像拾取部分501之一後級中之一信號處理部分503係連接至該影像拾取部分501。在此情形中，該信號處理部分503包含用於驅動該影像拾取部分501的一驅動電路、用於將透過固態影像拾取元件中之光電轉換而獲得之一電信號處理成對應於該電信號之一影像信號的一信號處理電路，及類似電路。另外，透過該信號處理部分503中之處理而獲得之影像信號可儲存於一影像儲存部分(圖中未展示)中。
上述根據本發明之一實施例之CMOS固態影像拾取元件1之實施例係用作此一影像拾取裝置500中的固態影像拾取元件。此處，如先前所述，CMOS固態影像拾取元件1包含：半導體層2，在該半導體層2中形成用於執行光電轉換之光電二極體；第一膜21，該第一膜21中含有負固定電荷且其係藉由利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層2上形成至少該光電二極體的區域中；第二膜22，該第二膜22中含有負固定電荷且其係藉由利用物理氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第一膜21上；及第三膜23，該第三膜23中含有負固定電荷且其係藉由利用原子層沈積方法或金屬有機化學氣相沈積方法而形成於其中含有負固定電荷的該第二膜22上。
根據本發明之影像拾取裝置500之該實施例，使用上述固態影像拾取元件1，其中暗電流之產生係由足够之負偏壓效應所抑制。因此，獲得可記錄高等級之一影像的優點。
應注意本發明之影像拾取裝置並不限制於圖12所示之組態，且因此本發明可應用於任何影像拾取裝置，只要相關之影像拾取裝置使用本發明之固態影像拾取元件。
舉例而言，該固態影像拾取元件可具有其中固態影像拾取元件係形成為一晶片的一形式，或可具有其中影像拾取部分及信號處理部分或光學系統被共同封裝的一類似模組形式。
本發明之影像拾取裝置可應用於各種影像拾取裝置之任何者，諸如一相機及具有一影像擷取功能的一行動裝置。另外，從「影像拾取」的廣義上而言，本發明之影像拾取裝置包含一指紋偵測裝置。
本發明並不限制於上述實施例，且因此可在不脫離本發明之標的下採用其他各種構造。
本申請案包括2009年8月3日向日本專利局申請的日本優先權專利申請案JP 2009-180901中揭示的相關標的，該案之全文以引用的方式併入本文中。
熟悉此項技術者應理解，可取決於設計需求及其他因素而發生多種修改、組合、子組合及變更，只要該等修改、組合、子組合及變更係在隨附申請專利範圍內或為其等效物。
1．．．CMOS固態影像拾取元件
2．．．矽基板
3．．．P型隔離區域
4．．．電荷累積區域
5．．．正電荷累積區域
6．．．絕緣膜
7．．．光阻擋膜
8．．．平坦化膜
9．．．彩色濾光器
10．．．晶片上透鏡
11．．．MOS電晶體之閘極電極
12．．．配線層
13．．．層間絕緣層
21．．．第一膜
22．．．第二膜
23．．．第三層
24．．．膜
41．．．光電二極體部分
42．．．周邊電路部分
51．．．矽層
52．．．絕緣層
53．．．正電荷累積區域
54．．．負固定電荷
500．．．影像拾取裝置
501．．．影像拾取部分
502．．．成像光學系統
503．．．信號處理部分
Tr1．．．MOS電晶體
Tr2．．．MOS電晶體
Tr3．．．MOS電晶體
圖1係展示根據本發明之一固態影像拾取元件之一實施例之一結構的一示意橫截面圖；
圖2至圖10分別為闡釋用於製造圖1所示之固態影像拾取元件之各自製程的示意橫截面圖；
圖11A及圖11B分別為展示藉由推測發生於一比較性實例之一固態影像拾取元件中之一現象而獲得之一模型的一示意橫截面圖，及展示藉由推測發生於圖1所示之實施例之固態影像拾取元件中之一現象而獲得之一模型的一示意橫截面圖；
圖12係展示根據本發明之一影像拾取裝置之一實施例之一組態的一示意方塊圖；
圖13A及圖13B分別為各闡釋一絕緣層係形成於其中形成有一光電二極體之一矽層上之情形的一示意橫截面圖及一能量圖；
圖14A及圖14B分別為各闡釋形成一p+ 型半導體區域以獲得一HAD結構之情形的一示意橫截面圖及一能量圖；及
圖15A及圖15B分別為各闡釋其中含有負固定電荷之一絕緣層係形成於其中形成有一光電二極體之一矽層上之情形的一示意橫截面圖及一能量圖。
1．．．CMOS固態影像拾取元件
2．．．矽基板
3．．．P型隔離區域
4．．．電荷累積區域
5．．．正電荷累積區域
6．．．絕緣膜
7．．．光阻擋膜
8．．．平坦化膜
9．．．彩色濾光器
10．．．晶片上透鏡
11．．．MOS電晶體之閘極電極
12．．．配線層
13．．．層間絕緣層
21．．．第一膜
22．．．第二膜
23．．．第三層
24．．．膜
41．．．光電二極體部分
42．．．周邊電路部分
Tr1．．．MOS電晶體
Tr2．．．MOS電晶體
Tr3．．．MOS電晶體

Claims (7)

  1. 一種固態影像拾取元件，其包括：一半導體層，在該半導體層中形成用於執行光電轉換之一光電二極體；一第一膜，其含有負固定電荷且其係藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中；一第二膜，其含有該等負固定電荷且其係藉由利用一物理氣相沈積方法而形成於其中含有該等負固定電荷的該第一膜上；及一第三膜，其含有該等負固定電荷且其係藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而形成於其中含有該等負固定電荷的該第二膜上。
  2. 如請求項1之固態影像拾取元件，其中含有該等負固定電荷之該第一膜及含有該等負固定電荷之該第三膜之各者係由選自包含HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 及Ta2 O5 之群組的一材料製成。
  3. 如請求項1之固態影像拾取元件，其中含有該等負固定電荷之該第二膜係由選自包含HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 及Ta2 O5 之群組的一材料製成。
  4. 一種製造一固態影像拾取元件的方法，該方法包括下列步驟：在一半導體層中形成一光電二極體；藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而在該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中形成含有負固定電荷的一第一膜；藉由利用一物理氣相沈積方法而在含有該等負固定電荷之該第一膜上形成含有該等負固定電荷的一第二膜；及藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而在含有該等負固定電荷的該第二膜上形成含有該等負固定電荷的一第三膜。
  5. 如請求項4之製造一固態影像拾取元件之方法，其中選自包含HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 及Ta2 O5 之群組的一材料係用作用於含有該等負固定電荷之該第一膜及含有該等負固定電荷之該第三膜之各材料。
  6. 如請求項4之製造一固態影像拾取元件之方法，其中選自包含HfO2 、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 及Ta2 O5 之群組的一材料係用作用於含有該等負固定電荷之該第二膜之一材料。
  7. 一種影像拾取裝置，其包括：一聚集光學部分，其用於聚集一入射光；一固態影像拾取元件，其包含：一半導體層，在該半導體層中形成用於執行光電轉換之一光電二極體；一第一膜，其含有負固定電荷且其係藉由利用一原子層沈積方法或一金屬有機化學氣相沈積方法而形成於該半導體層上形成至少該光電二極體的一區域中；一第二膜，其含有該等負固定電荷且其係藉由利用一物理氣相沈積方法而形成於含有該等負固定電荷的該第一膜上；及一第三膜，其含有該等負固定電荷且其係藉由利用該原子層沈積方法或該金屬有機化學氣相沈積方法而形成於含有該等負固定電荷的該第二膜上；該固態影像拾取元件用來接收由該聚集光學部分聚集之該入射光以將由此接收之該入射光光電轉換成一電信號；及一信號處理部分，其用於處理透過該固態影像拾取元件中之該光電轉換而獲得的該所得電信號。
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