CN107425027A - 半导体装置以及半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法。在构成背面照射型的固体拍摄装置的半导体装置中，不损害防反射膜的防反射效果地抑制半导体层内部的晶体缺陷的产生。半导体装置包括：受光部，其设置在具有第一导电型的半导体层的内部，且具有与第一导电型不同的第二导电型；缓冲层，其设置在受光部的光射入侧，且由具有第一导电型的非晶硅构成；以及低折射率层，其设置在缓冲层的光射入侧，且具有比半导体层以及缓冲层的折射率低的折射率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法。
背景技术
作为CMOS(Complementary MOS(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor)：互补金属氧化物半导体(金属氧化物半导体场效应晶体管))图像传感器等固体拍摄装置的结构，已知有表面照射型(FSI:Front Side Illumination)以及背面照射型(BSI:Back Side Illumination)。表面照射型的固体拍摄装置具有在具有光电二极管的半导体层上依次层叠布线层、彩色滤光片以及微透镜的结构。在表面照射型的固体拍摄装置中，透过了微透镜以及彩色滤光片的来自拍摄对象物的光通过布线的缝隙到达光电二极管。因此，在表面照射型的固体拍摄装置中，从倾斜方向射入的光被布线反射，难以提高光的利用效率来实现灵敏度的提高。
另一方面，背面照射型的固体拍摄装置在半导体层的与布线层的形成面相反侧具有彩色滤光片以及微透镜。即，在背面照射型的固体拍摄装置中，透过了微透镜以及彩色滤光片的来自拍摄对象物的光不经由布线层而到达光电二极管。根据背面照射型的固体拍摄装置，与表面照射型相比，能够使光的利用效率提高来提高灵敏度。
作为与背面照射型的固体拍摄装置有关的技术，已知有以下的技术。例如，在下述的专利文献1记载了在硅基板的背面侧的光照射面上设置与硅衬底不同折射率的双层的防反射膜。并且，记载了上述的双层膜的防反射膜能够由从氧化硅膜、氮化硅膜、氮氧化硅膜、多晶硅选择的双层的膜来形成。
专利文献1：日本特开2005－268643号公报
如上述那样，在背面照射型的固体拍摄装置中，为了防止半导体层的光射入面上的光的反射，进行了在半导体层的光射入面设置折射率比半导体层的折射率低的防反射膜。在半导体层例如由硅(Si)构成的情况下，作为防反射膜例如能够使用氮化硅膜(SiN)。然而，这样的防反射膜在与半导体层的界面附近产生比较大的应力，导致基于该应力在半导体基板内部产生晶体缺陷，使从光电二极管输出的信号产生噪声的结果。因此，为了防止起因于这样的应力的晶体缺陷的产生，考虑在半导体层与防反射膜之间设置例如由氧化硅膜(SiO2)构成的缓冲层来使应力缓和的对策。然而，氧化硅膜(SiO2)的折射率比构成防反射膜的氮化硅膜(SiN)的折射率低，所以防反射膜的防反射效果降低。
发明内容
本发明是鉴于上述的点而完成的，其目的在于在构成背面照射型的固体拍摄装置的半导体装置中，不损害防反射膜的防反射效果地抑制半导体层内部的晶体缺陷的产生。
本发明所涉及的半导体装置包括：受光部，其设置在具有第一导电型的半导体层的内部，且具有与上述第一导电型不同的第二导电型；缓冲层，其设置在上述受光部的光射入侧，且由具有上述第一导电型的非晶硅构成；以及低折射率层，其设置在上述缓冲层的光射入侧，且具有比上述半导体层以及上述缓冲层的折射率低的折射率。
本发明所涉及的半导体装置的制造方法包括：在具有第一导电型的半导体层的内部形成具有与上述第一导电型不同的第二导电型的受光部的工序；在上述受光部的光射入侧形成由具有上述第一导电型的非晶硅构成的缓冲层的工序；以及在上述缓冲层的光射入侧形成具有比上述半导体层以及上述缓冲层的折射率低的折射率的低折射率层的工序。
根据本发明，能够不损害防反射膜的防反射效果地抑制半导体层内部的晶体缺陷的产生。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的构成的剖视图。
图2A是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2B是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2C是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2D是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2E是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2F是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2G是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2H是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2I是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2J是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2K是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图2L是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图3是表示本发明的其它的实施方式所涉及的半导体装置的构成的剖视图。
图4A是表示本发明的其它的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
图4B是表示本发明的其它的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的图。
符号说明
10…半导体层，30…受光部，40…缓冲层，41…低折射率层，100、101…半导体装置。
具体实施方式
以下，参照附图对公开的技术的实施方式的一个例子进行说明。此外，在各附图中对相同或者等效的构成要素以及部分赋予相同的参照符号，并适当地省略重复的说明。
[第一实施方式]
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的构成背面照射型的固体拍摄装置的半导体装置100的构成的剖视图。
半导体装置100例如，具有在由n型的单晶硅构成的半导体层10的内部构成光电二极管的p型的受光部30。在本实施方式中，受光部30以到达半导体层10的光射入侧的表面S1的深度形成。此外，在半导体层10设置有与图1所示的构成相同构成的多个光电二极管。这些多个光电二极管分别构成固体拍摄装置中的多个像素。
受光部30产生与从半导体层10的表面S1侧射入的光的量对应的电荷。在半导体层10的与光射入侧的表面S1相反侧设置有沿受光部30的表面设置的n型的钉扎层31。钉扎层31具有抑制起因于受光部30的表面的界面态的噪声的产生的作用。
另外在半导体层10的内部以与受光部30之间隔开间隙的方式设置有p型的浮置扩散区24。另外，在半导体层10的内部设置有由SiO2等绝缘体构成的元件分离区域21。通过元件分离区域21，设置在半导体层10内部的多个光电二极管被电分离。
在半导体层10的与光射入侧的表面S1相反侧的表面的与受光部30和浮置扩散区24之间对应的区域经由栅极绝缘膜22设置有栅电极23。栅电极23经由以导电体构成的连接插塞25与布线27连接。另外，浮置扩散区24经由以导电体构成的连接插塞26与布线28连接。在半导体层10的与光射入侧的表面S1相反侧的表面被由SiO2等绝缘体构成的绝缘膜29覆盖，栅电极23、连接插塞25、26以及布线27、28埋设在绝缘膜29的内部。
半导体层10的光射入侧的表面S1被缓冲层40覆盖。在本实施方式中，缓冲层40由作为与受光部30的导电型相反的导电型的n型的非晶硅构成。缓冲层40与受光部30相接。
缓冲层40的光射入侧的表面被具有折射率比半导体层10以及缓冲层40的折射率低的低折射率层41覆盖。这里，构成半导体层10的单晶硅以及构成缓冲层40的非晶硅的折射率均为4左右。作为低折射率层41例如，能够使用折射率为2左右的氮化硅膜(SiN)。通过以具有折射率比半导体层10以及缓冲层40的折射率低的材料构成低折射率层41，从而低折射率层41作为防止照射到半导体层10的光射入侧的表面S1的光的反射的防反射膜发挥作用。
以下，参照图2A～图2L对半导体装置100的制造方法的一个例子进行说明。
首先，准备层叠了基板层12、埋入氧化膜11以及半导体层10的SOI(Silicon onInsulator：绝缘衬底上的硅)基板1(图2A)。
接下来，例如，使用公知的STI(Shallow Trench Isolation：浅沟道隔离)法，在半导体层10的内部形成由SiO2等绝缘体构成的元件分离区域21(图2B)。
接下来，例如，使用公知的热氧化法在半导体层10的表面形成由SiO2等绝缘体构成的栅极绝缘膜22。接着，例如使用公知的CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相生长)法，在栅极绝缘膜22的表面堆积多晶硅膜，通过使用公知的光刻技术对该多晶硅膜进行图案化，形成栅电极23(图2C)。此外，也可以在多晶硅膜的形成后，进行用于使栅电极23低电阻化的离子注入处理。
接下来，通过公知的离子注入法，在半导体层10的栅电极23的附近注入例如由硼等三属元素构成的杂质离子。其后，通过热处理使杂质离子活化。由此，在半导体层10的内部形成构成光电二极管的p型的受光部30。受光部30以到达半导体层10与埋入氧化膜11的界面的方式形成。接着，例如，通过在半导体层10注入由磷(P)或者砷(As)等五属元素构成的杂质离子，在受光部30的表面形成n型的钉扎层31。接着，在半导体层10的、与受光部30隔着栅电极23对置的位置注入由硼等三属元素构成的杂质离子。其后，通过热处理使杂质离子活化。由此，在半导体层10内部的隔着栅电极23与受光部30对置的位置形成p型的浮置扩散区24(图2D)。
接下来，例如，使用公知的CVD法在半导体层10的表面形成由SiO2等绝缘体构成的绝缘膜29。接着，在绝缘膜29形成到达栅电极23的连接孔以及到达浮置扩散区24的连接孔，并通过在这些连接孔埋入钨(W)等导电体，来形成连接插塞25以及26。接着，在绝缘膜29的表面形成由铝等导电体构成的导体膜，并通过使用公知的光刻技术对该导体膜进行图案化，形成分别与连接插塞25以及26的连接的布线27以及28。其后，以覆盖布线27以及28的方式进一步形成绝缘膜29(图2E)。
接下来，在SOI基板粘贴在表面形成了SiO2等绝缘膜51的支承基板50。优选在粘合两基板之前，分别在成为两基板的接合面的支承基板50侧的绝缘膜51的表面以及SOI基板侧的绝缘膜29的表面实施基于等离子体照射的界面活化处理(图2F)。
接下来，使用公知的背面磨削技术，对SOI基板的基板层12进行磨削来使埋入氧化膜11露出(图2G)。
接下来，通过公知的湿式蚀刻处理，除去埋入氧化膜11来使半导体层10的光射入侧的表面S1露出。由此，受光部30的光射入侧的表面也露出(图2H)。
接下来，使用公知的等离子体CVD法或者催化剂CVD(Cat-CVD)法，在半导体层10的光射入侧的表面S1上形成由非晶硅构成的厚度10nm～50nm左右的缓冲层40。在该CVD中，例如，能够使用硅烷气(SiH4)以及氢气(H2)作为材料气体(图2I)。
接下来，通过公知的离子注入法，在缓冲层40注入由磷(P)或者砷(As)等五属元素构成的杂质离子。接着，通过在缓冲层40的表面照射Nd：YLF激光使注入到缓冲层40的杂质离子活化。由此赋予缓冲层40n型的导电性(图2J)。根据这样的激光退火处理，不需要器件整体的加热处理，所以在布线27以及28的形成后也能够使用。另外，本工序中的离子注入处理以及激光退火处理是针对缓冲层40的处理，通过适当地设定离子注入时的加速电压、激光功率，能够大致消除这些处理对半导体层10的损伤。
接下来，使用公知的等离子体CVD法，在缓冲层40的表面形成例如由氮化硅膜(SiN)构成的低折射率层41。在该CVD中，例如，能够使用硅烷气(SiH4)、氨气(NH3)以及氮气(N2)作为材料气体(图2K)。低折射率层41的层厚根据作为固体拍摄装置的半导体装置100传感检测的光的波长区域而被设定。例如，在半导体装置100传感检测的光的波长区域为红外线的波长区域的情况下，低折射率层41的层厚例如能够为120nm左右。
如以上那样，本发明的实施方式所涉及的半导体装置100包括：p型的受光部30，其构成设置在n型的半导体层10的内部的光电二极管；缓冲层40，其设置在受光部30的光射入侧，且由n型的非晶硅构成；以及低折射率层41，其设置在缓冲层40的光射入侧，且具有比半导体层10以及缓冲层40的折射率低的折射率。
低折射率层41具有比半导体层10的折射率低的折射率，所以低折射率层41作为防反射膜发挥作用。缓冲层40夹在半导体层10与低折射率层41之间，从而缓和低折射率层41所引起的应力对半导体层10的影响，抑制半导体层10内中的晶体缺陷的产生。缓冲层40由非晶硅构成，其折射率与由单晶硅构成的半导体层的折射率同等程度，且比低折射率层41的折射率高。因此，缓冲层40不使低折射率层41的防反射效果降低地发挥应力缓和作用。
并且，缓冲层40与受光部30相接，并且具有与受光部30的导电型相反的导电型。由此，缓冲层40还作为抑制起因于受光部30的表面的界面态的噪声的产生的钉扎层发挥作用。即，受光部30被夹在与光射入侧的表面S1相反侧的钉扎层31与设置在光射入侧的表面S1侧的还作为钉扎层发挥作用的缓冲层40之间。由此，构成噪声少的固体拍摄装置。
此外，还可以构成为设置与缓冲层40电连接的电极，能够对缓冲层40施加电压。通过对缓冲层40施加电压，能够促进缓冲层40的作为钉扎层的功能。在设置与缓冲层40电连接的电极的情况下，例如，如图2L所示，在低折射率层41的表面形成由折射率比低折射率层41小的绝缘体(例如SiO2)构成的绝缘膜42。接着，形成贯通绝缘膜42以及低折射率层41，并到达缓冲层40的连接孔。接着，通过在该连接孔埋入钨(W)等导电体形成连接插塞43。其后，在绝缘膜42的表面形成与连接插塞43连接的由铝等导电体构成的电极44。
在本实施方式中，作为赋予缓冲层40导电性的方法，使用了在缓冲层40的成膜后，对缓冲层40注入杂质离子的方法，但并不限定于该方法。例如，也可以在通过等离子体CVD法或者催化剂CVD(Cat-CVD)法形成缓冲层40时，使用混合了包含硅烷气(SiH4)以及氢气(H2)的材料气体、和包含磷(P)或者砷(As)等五属元素的杂质气体的混合气体。由此，能够在缓冲层40的成膜的阶段赋予缓冲层40导电性。
另外，在本实施方式中，作为缓冲层40的材料，使用了非晶硅，但也能够代替非晶硅而使用多晶硅。这样，即使在由多晶硅构成缓冲层40的情况下，也能够得到与由非晶硅构成缓冲层40的情况相同的效果。由多晶硅构成的缓冲层40的成膜与非晶硅的情况相同，能够使用公知的CVD法进行。另外，对由多晶硅构成的缓冲层40的导电性的赋予与非晶硅的情况相同，能够通过公知的离子注入法进行。或者，也可以通过在通过CVD法的缓冲层40的成膜时导入杂质气体来赋予缓冲层40导电性。
[第二实施方式]
图3是表示本发明的第二实施方式所涉及的构成背面照射型的固体拍摄装置的半导体装置101的构成的剖视图。半导体装置101与第一实施方式所涉及的半导体装置100相同，包括：p型的受光部30，其构成设置在n型的半导体层10的内部的光电二极管；缓冲层40，其设置在受光部30的光射入侧，且由n型的非晶硅构成；以及低折射率层41，其设置在缓冲层40的光射入侧，且具有比半导体层10以及缓冲层40的折射率低的折射率。
本实施方式所涉及的半导体装置101在以下的点与第一实施方式所涉及的半导体装置100不同。即，在本实施方式所涉及的半导体装置101中，缓冲层40虽然与半导体层10相接，但不与受光部30相接。换句话说，受光部30未到达半导体层10的光射入侧的表面S1。另外，半导体装置101具有由导电体构成的经由连接插塞43与缓冲层40电连接的电极44。更具体而言，在低折射率层41的光射入侧设置有由折射率比低折射率层41小的SiO2构成的绝缘膜42。连接插塞43贯通绝缘膜42以及低折射率层41并到达缓冲层40，电极44设置在绝缘膜42的表面，与连接插塞43连接。
以下，参照图4A以及图4B对第二实施方式所涉及的半导体装置101的制造方法的一个例子进行说明。半导体装置101的制造方法到形成低折射率层41的工序(图2K)为止，与第一实施方式所涉及的半导体装置100的制造方法基本相同。但是，以受光部30的深度方向的终端位置不到达半导体层10的光射入侧的表面S1的方式形成受光部30这一点与第一实施方式所涉及的半导体装置100的制造方法不同。受光部30的深度能够通过控制用于形成受光部30的离子注入时的离子的加速电压来调整。
在缓冲层40的表面形成低折射率层41之后，例如通过公知的CVD法，在低折射率层41的表面形成由SiO2等绝缘体构成的绝缘膜42(图4A)。
接下来，形成贯通绝缘膜42以及低折射率层41，并到达缓冲层40的连接孔，之后通过在该连接孔埋入钨(W)等导电体形成连接插塞43。其后，在绝缘膜42的表面形成与连接插塞43连接的由铝等导电体构成的电极44。
如以上那样，在本实施方式所涉及的半导体装置101中，低折射率层41具有比半导体层10的折射率低的折射率，所以低折射率层41作为防反射膜发挥作用。缓冲层40夹在半导体层10与低折射率层41之间，从而缓和低折射率层41产生的应力对半导体层10的作用。由此，抑制半导体层10内的晶体缺陷的产生。缓冲层40由非晶硅构成，其折射率与由单晶硅构成的半导体层的折射率同等程度，且比低折射率层41的折射率高。因此，缓冲层40不使低折射率层41的防反射效果降低地发挥应力缓和作用。
有通过对半导体层10施加电压来使光电二极管以反向偏置状态进行拍摄的情况。根据本实施方式所涉及的半导体装置101，缓冲层40与半导体层10相接并且具有与半导体层10相同的导电型。另外，在缓冲层40经由连接插塞43连接有电极44。因此，能够经由电极44、连接插塞43以及缓冲层40对半导体层10施加电压。即，根据本实施方式所涉及的半导体装置101，缓冲层40还作为用于对半导体层10施加电压的连接层发挥作用。此外，作为缓冲层40的材料，还能够代替非晶硅而使用多晶硅。
在上述的第一以及第二实施方式中，例示了使半导体层10以及缓冲层40的导电型为n型，并以p型构成受光部30以及浮置扩散区24的情况，但也可以使这些各构成要素的导电型反转。
Claims (10)
1.一种半导体装置，其中，包括：
受光部，其设置在具有第一导电型的半导体层的内部，且具有与所述第一导电型不同的第二导电型；
缓冲层，其设置在所述受光部的光射入侧，且具有所述第一导电型；以及
低折射率层，其设置在所述缓冲层的光射入侧，且具有比所述半导体层以及所述缓冲层的折射率低的折射率。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述缓冲层与所述受光部相接。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述缓冲层不与所述受光部相接而与所述半导体层相接。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
还包括与所述缓冲层电连接的电极。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述缓冲层由所述非晶硅或者多晶硅构成。
6.一种半导体装置的制造方法，其中，包括：
在具有第一导电型的半导体层的内部形成具有与所述第一导电型不同的第二导电型的受光部；
在所述受光部的光射入侧形成具有所述第一导电型的缓冲层；以及
在所述缓冲层的光射入侧形成具有比所述半导体层以及所述缓冲层的折射率低的折射率的低折射率层。
7.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中，
通过使用混合了材料气体与杂质气体的混合气体的气相生长法来形成所述缓冲层，其中，所述材料气体成为所述非晶硅的材料，所述杂质气体包含对所述非晶硅赋予导电性的杂质。
8.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中，
形成所述缓冲层的工序包含：
在所述受光部的光射入侧形成非掺杂的非晶硅层的工序；以及
对所述非晶体硅层注入杂质来赋予所述非晶硅层导电性的工序。
9.根据权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其中，
还包括对所述缓冲层照射激光来使所述缓冲层所包含的杂质活化。
10.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中，
所述缓冲层由所述非晶硅或者多晶硅构成。
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