JP2006245535A - 固体撮像素子及びその製造方法、撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン層1に、フォトダイオードから成る光電変換部2が形成されて、画素が構成され、複数の画素が配置されて撮像領域が構成された固体撮像素子であって、少なくとも一部の画素において、光電変換部2の表面付近に、波長変換層3が形成され、この波長変換層3が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る固体撮像素子を構成する。
【選択図】図1
Description
その結果、各画素の単位面積当たりの受光量に対して感度が低下する傾向にある。
特に、短波長光の感度が低下する傾向が顕著であり、イメージセンサとして問題になってきている。
このため、青色と緑色の感度の差が大きくなる。
例えば、非晶質セレン系の材料等を、シリコン上に積層することが提案されている。
しかしながら、このようにシリコン上に他の材料を積層する場合には、安定して積層膜を形成するには技術的な課題が多い。
この蛍光発光膜は、感度改善を図ろうとする所望の波長域に吸収があり、その波長域よりも長波長側であり光電変換膜での感度が高い波長域で発光する性質を有するため、光電変換膜の中で効率良く光電変換を行うことができる。
そして、蛍光発光膜は、感度を改善しようとしている所望の波長領域に吸収があり、その波長領域よりも長波長側で、且つ光電変換膜の感度が高い波長領域で発光する特徴を有している。
このように構成することにより、感度を上げたい領域の光を、蛍光物質を含有するマイクロレンズで長波長側の光に波長変換すると共に、レンズ作用により効率良く集光することができる。
また、蛍光物質を含有するマイクロレンズの上に蛍光反射膜を設けることにより、波長変換した光をフォトダイオードの側に向かわせるようにしている。
このように構成することにより、蛍光発光層で発光した光が隣接する画素のフォトダイオードに入射することを抑制することができる。
また、蛍光発光膜の上層に、蛍光発光膜の吸収波長(感度を上げたい光の領域)は透過して、発光波長は反射する干渉フィルタ(1層又は多層構造)を設けることにより、蛍光発光膜から発光した光を効率良く利用することが示されている。
また、フォトダイオードの光電変換膜領域を基板内により深く形成することにより、蛍光発光層から発光した光を効率良く利用することが示されている。
また、隣接した画素の光電変換膜に入射した光は誤信号となるため、解像度が劣化するおそれがある。
しかしながら、上記特許文献3において具体的に提案されている構造では、遮光膜まで形成した後に、フォトダイオードの上に蛍光発光膜を形成することになるため、製造工程が複雑になる。
即ち、可視光の短波長領域に対する感度を向上することができる。
また、波長変換層が、光電変換層が形成されているシリコン層と同じシリコン材料から成るため、従来の固体撮像素子の製造方法の延長で製造することが可能であり、また蛍光材料を使用した場合のように金属等の不純物が拡散して不具合を生じるおそれがない。
また、波長変換層が形成されたシリコン層の表面側の界面におけるダングリングボンドを終端化する工程を有するので、シリコン層にあったダングリングボンドや、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層を形成する際に生じたダングリングボンドを、終端化して、波長変換層において短波長で励起された電子が非発光再結合する確率を低減することができるため、波長変換された(長波長の)光の発光効率を向上させることができる。これにより、可視光の短波長領域に対する感度をさらに向上させることが可能になる。
このような構成としたときには、遮光層によって、波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射することができるため、波長変換層から発生する光が、隣接する画素の光電変換部や信号電荷の転送路に入射しないようにすることができる。
また、少なくとも一部の画素において、光電変換領域が形成された部分のシリコン層の裏面側の界面近傍に、波長変換層が形成され、この波長変換層が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成ることにより、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層が、可視光の短波長領域の光を吸収して、長い波長の光を発生する性質を有するため、シリコン層に形成された光電変換領域における感度の低い可視光の短波長領域の光を、感度の高い長波長領域の光に変換して、感度良く光電変換することが可能になる。
即ち、可視光の短波長領域に対する感度を向上することができる。
また、波長変換層が、光電変換領域が形成されているシリコン層と同じシリコン材料から成るため、従来の固体撮像素子の製造方法の延長で製造することが可能であり、また蛍光材料を使用した場合のように金属等の不純物が拡散して不具合を生じるおそれがない。
また、波長変換層が形成された、シリコン層の裏面側の界面におけるダングリングボンドを終端化する工程を有するので、シリコン層にあったダングリングボンドや、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層を形成する際に生じたダングリングボンドを、終端化して、波長変換層において短波長で励起された電子が非発光再結合する確率を低減することができるため、波長変換された(長波長の)光の発光効率を向上させることができる。これにより、可視光の短波長領域に対する感度をさらに向上させることが可能になる。
このような構成としたときには、遮光層によって、波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射することができるため、波長変換層から発生する光が、隣接する画素の光電変換領域に入射しないようにすることができる。
これにより、画素が微細化されても、充分な感度を得ることが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
従って、感度の良好な固体撮像素子を、安価に歩留まり良く製造することが可能である。
また、波長変換層は、歪みシリコン層又はナノスケールのシリコン粒子から成り、即ちシリコン材料により形成されている構成とする。
これら歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子は、従来の波長変換層に用いられていた蛍光材料と同様に、短い波長の光を吸収してより長い波長の光を発生する、即ち入射光を波長変換して出力する性質を有している。
例えば、ナノスケールのシリコン粒子は、量子効果によるバンド構造の変化により、擬似直接遷移型の特徴を示し、室温で発光する性質を有する。また、シリコン粒子のスケールを制御することにより、吸収波長領域及び発光波長領域を制御することが可能である。
この遮光層4は、波長変換層3で発生する光の波長及びその近傍の波長の光に対して、吸収又は反射する性質を有する材料で構成する。
このように、波長変換層3の周囲に遮光層4を設けることにより、波長変換層3で発生した光が、隣接する他の画素の光電変換領域2や信号電荷の転送路に入射することを防ぐことができる。
また、図示しないが、シリコン層に埋め込まれて形成された、電極層又は配線層を、この遮光層として用いることも可能である。
固体撮像素子と、撮像対象からの光を固体撮像素子に導く手段(例えば、レンズ等の光学系)と、固体撮像素子の駆動手段(駆動回路等)とを少なくとも備えて撮像装置を構成する。
さらに、必要に応じて、その他の手段も設ける。例えば、撮像装置内で固体撮像素子により得られた画像信号の信号処理を行う必要がある場合には、信号処理回路等の信号処理手段を設ける。
また、波長変換層は、歪みシリコン層又はナノスケールのシリコン粒子から成り、即ちシリコン材料により形成されている構成とする。
即ち、第2の本発明の構成は、第1の本発明の波長変換層を、裏面照射型構造に適用した構成とも考えることができる。
これら歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子は、従来の波長変換層に用いられていた蛍光材料と同様に、短い波長の光を吸収してより長い波長の光を発生する、即ち入射光を波長変換して出力する性質を有している。
例えば、ナノスケールのシリコン粒子は、量子効果によるバンド構造の変化により、擬似直接遷移型の特徴を示し、室温で発光する性質を有する。また、シリコン粒子のスケールを制御することにより、吸収波長領域及び発光波長領域を制御することが可能である。
この遮光層は、波長変換層で発生する光の波長及びその近傍の波長の光に対して、吸収又は反射する性質を有する材料で構成する。
このように、波長変換層の周囲に遮光層を設けることにより、波長変換層で発生した光が、隣接する他の画素の光電変換領域に入射することを防ぐことができる。
このような遮光層は、例えば、シリコン層をエッチングして凹部や穴を形成し、凹部や穴に遮光層の材料を埋め込むことにより製造することができる。
固体撮像素子と、撮像対象からの光を固体撮像素子に導く手段(例えば、レンズ等の光学系)と、固体撮像素子の駆動手段(駆動回路等)とを少なくとも備えて撮像装置を構成する。
さらに、必要に応じて、その他の手段も設ける。例えば、撮像装置内で固体撮像素子により得られた画像信号の信号処理を行う必要がある場合には、信号処理回路等の信号処理手段を設ける。
第1の本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図を図3及び図4に示す。図3は平面図、図4は図3のA−Aにおける断面図(一画素の断面図)を示している。
本実施の形態は、本発明をCCD固体撮像素子に適用したものである。
受光センサ部12は、それぞれ画素を構成するものであり、本実施の形態では、1画素に1つずつ設けられている。
撮像領域11外においては、垂直転送レジスタ13の一端に接続して水平転送レジスタ14が設けられ、水平転送レジスタ14の一端に出力部15が設けられている。
転送電極7は、チャネルストップ領域6及び読み出しゲート部16上にわたって形成されている。
転送電極7上には、層間絶縁膜を介して遮光膜8が形成されている。この遮光膜8は、受光センサ部12の光電変換領域2上に開口が形成されている。
オンチップレンズ23は、固体撮像素子に入射した光を収束させて受光センサ部12の光電変換領域2に集めるものである。
カラーフィルタ22は、画素毎に所定の色のフィルタが設けられている。
層内レンズ21は、周囲の絶縁層よりも屈折率の高い材料により形成され、入射した光をさらに収束させて受光センサ部12の光電変換領域2に効率良く集めるものである。
そして、この波長変換層3を、波長の短い光を吸収して、波長の長い光を発光する性質を有するシリコン材料により構成する。これにより、可視光の短波長領域に対する感度を向上することができる。このような性質を有するシリコン材料としては、前述した歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子を用いることができる。
このようなシリコン材料は、例えば350nm〜450nmの入射光に対して強い吸収を有し、粒子等のサイズに依存した500nm〜700nmの発光をする。この長波長領域に変換された光は、光電変換領域2内で吸収される。
従って、波長変換層3を設けたことにより、従来は感度の低かった350nm〜450nmの入射光からも充分な信号電荷を得ることができ、可視光の短波長領域の感度を向上することができる。
まず、従来の固体撮像素子の製造方法と同様にして、シリコン基板1に、転送チャネル領域5や光電変換領域2を形成すると共に、転送電極7や遮光膜8等の各層を形成する。
続いて、遮光膜8に形成された開口を通じて、光電変換領域2の表面近傍(表面から100nm以内)に、歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層3を形成する。
このとき、使用するイオンの種類に対応して、適切な加速電圧とドーズ量とを選定することにより、波長変換層3として、表面近傍に1nm〜10nmの厚さのシリコン発光層を形成することができる。例えば、加速電圧を15keVとし、通常の半導体領域をイオンインプランテーションで形成する場合と比較してドーズ量を1015/cm2と多くする。
そのため、イオンインプランテーションの条件を変更すれば、容易に感度を上げたい波長領域を変更することができる。
このようにして、図4に示した構成の固体撮像素子を製造することができる。
これにより、可視光の短波長領域の入射光を充分に光電変換領域2に吸収させることができるため、可視光の短波長領域の入射光に対する感度を向上することができる。
これにより、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
本実施の形態は、転送電極7をシリコン層1に埋め込んで形成した構成(埋め込み転送電極)である。
図5に示すように、シリコン層1に凹部が形成され、この凹部内にゲート絶縁膜を介して転送電極7が形成されている。
これにより、この波長変換層3の周囲に延在する遮光膜8を、図2に示した遮光層4として作用させて、波長変換層3で発生した光が隣接する画素や転送チャネル領域5に入射することを防ぐことが可能になる。
シリコン層1にエッチング等により凹部を形成する。
次に、この凹部内に、ゲート絶縁膜を介して転送電極7を所定のパターンで形成する。
さらに、転送電極7の上に、層間絶縁層を介して遮光膜8を形成する。このとき、転送電極7の受光センサ部12側にも延在して遮光膜8が形成されるようにする。
続いて、受光センサ部12上の遮光膜8に開口を形成する。
その後は、図4に示した先の実施の形態の固体撮像素子の製造工程と同様にして、図5に示す本実施の形態の固体撮像素子を製造することができる。
また、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
これにより、遮光膜8の延在した部分を、図2に示した遮光層4と同様に作用させて、波長変換層3により発生した光が、隣接する他の画素の光電変換領域2や転送チャネル領域5に入射することを防ぐことができる。
本実施の形態は、図2に示した遮光層4を設けた構成である。
図6に示すように、波長変換層3の周囲に遮光層4が形成されている。
遮光層4の材料には、波長変換層3から発生する光の波長及びその近傍の波長の光に対して、吸収又は反射する性質の材料を用いる。これにより、波長変換層3から発生する光が隣接する画素や転送チャネル領域5に入射しないようにすることもできる。
その他の構成は、図4に示した実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
その他の工程は、図4に示した先の実施の形態の固体撮像素子の製造工程と同様であるので、説明を省略する。
また、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
本実施の形態においては、受光センサ部12において、シリコン基板1の上にさらに略半球状のシリコン層17が積層され、この略半球状のシリコン層17の表面近傍に、シリコンから成る波長変換層18が形成されている。
その他の構成は、図4に示した実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
光電変換領域2が形成された受光センサ部12のシリコン層1の上に、CVD法によりシリコン層17を積層(堆積)する。
次に、堆積したシリコン層17を高温熱処理により結晶化させる。
そして、シリコン層17の表面近傍に、イオンインプランテーションによって、シリコンから成る波長変換層18を形成する。
その後、高温熱処理(例えば500℃で30分)を行うことにより、波長変換層18を安定化させる。
その他の製造工程は、先の実施の形態の製造工程と同様にして、固体撮像素子を製造することができる。
また、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
これにより、遮光膜8の延在した部分を、図2に示した遮光層4と同様に作用させて、波長変換層18により発生した光が、隣接する他の画素の光電変換領域2や転送チャネル領域5に入射することを防ぐことができる。
本実施の形態においては、受光センサ部12において、光電変換領域2の上部に、P型(P+)の正電荷蓄積領域19を設けており、この正電荷蓄積領域19とシリコン基板1の表面との間に、シリコンから成る波長変換層3を設けている。
その他の構成は、図4に示した実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
そして、このように正電荷蓄積領域19を設けた構成においても、本発明を適用して、波長変換層3を設けることができる。
例えば、CCD構造以外の電荷転送部を有する固体撮像素子、MOS型やCMOS型の固体撮像素子にも、同様に、本発明を適用することが可能である。
このように、界面にダングリングボンドが形成されると、入射光で励起された電子(波長変換層及びその近傍で生成された電子)が界面準位にトラップされて非発光再結合を生じてしまい、波長変換層で充分な発光効率を得られなくなるおそれがある。そして、この場合、波長変換層を形成することで本来得られるはずである、光電変換領域での変換効率向上を充分に達成できなくなるため、波長変換層による感度を向上する効果が充分に得られなくなる。
そして、好ましくは、終端化処理工程として、水素アニール処理もしくはシアン処理を行う。
これら水素アニール処理及びシアン処理の他にも、例えばフッ素を用いても終端化処理が可能であるが、フッ素は危険性が大きく取り扱いが難しいという欠点がある。
(1)水素雰囲気中にて、水素アニール処理を行う。
(2)シアン(CN)を含む雰囲気中にて、シアン処理を行う。
(3)シアン(CN)を含む雰囲気中にてCNプラズマを発生させて、シアン処理を行う。
(4)シアンを含有する溶液に浸して、シアン処理を行う。
(5)シアンを含有する溶液を、表面に塗布又は滴下して、シアン処理を行う。
(6)炭素Cと窒素Nとを含んだイオンを注入して、シアン処理を行う。
これにより、シリコン層の表面付近の界面準位を低減することができるため、波長変換層において短波長で励起された電子が非発光再結合する確率を低減して、波長変換された(長波長の)光の発光効率を向上させることができ、可視光の短波長領域に対する感度をさらに向上させることが可能になる。
図9Aに示すように、シリコン層1に、光電変換領域2、転送チャネル領域5、並びにチャネルストップ領域6が形成され、シリコン層1の表面にSiO2層9が形成されている。また、シリコン層1上に、SiO2層(ゲート絶縁膜)を介して、転送電極7が形成されている。なお、SiO2層9は、図4では上層のSiO2層と明確な境界が区別しにくいため図示を省略している。
次に、図9Aに示す状態から、例えば前述した厚膜レジストをマスクとして用いたイオンインプランテーションを行うことにより、図9Bに示すように、光電変換領域2の上方のシリコン層1の表面付近に、波長変換層3を形成する。
その後、必要に応じて、高温熱処理工程を行うことにより、波長変換層3を結晶化させて安定化させる。
次に、図9Cに示すように、転送電極7の上方に遮光膜8を形成する。
また、波長変換層3を結晶化させて安定化させる高温熱処理工程を行う場合には、高温熱処理工程の後に、終端化処理工程を行う。
なお、遮光膜8を形成した後に、終端化処理工程を組み込んでもよい。
水素雰囲気中に基板を設置することにより、図10Aに示すように、波長変換層3が形成されたシリコン層1に対して、水素(H2)雰囲気101から、SiO2層9を通じて、水素を供給する。
これにより、ダングリングボンドをSi−H結合によって終端させることができる。
シアン(CN)を含むガス雰囲気中でCNプラズマを発生させることにより、図10Bに示すように、波長変換層3が形成されたシリコン層1に対して、CNプラズマ102によってシアン処理を行う。
このとき、基板を加熱処理してもよい。
シアン処理の条件は、例えば、基板温度を60〜300℃、圧力を1.33〜665Paの範囲とする。
図10Cに示すように、基板全体を、シアンを含有する溶液(シアン溶液)103に浸すことにより、波長変換層3が形成されたシリコン層1に対してシアン処理を行う。
シアン溶液としては、例えばHCN溶液、又はクラウンエーテルを含むシアン溶液を用いることができる。
特に、クラウンエーテルを含むシアン溶液を用いると、クラウンエーテルがシアン溶液のカチオン(カリウムイオン等)と錯体を形成するため、シリコン層1・SiO2層9・転送電極7等にカチオンが残ってしまうことを抑制する効果がある。
シアン処理の条件としては、例えば、シアン溶液103の液温を室温〜100℃、処理時間を10秒〜30分の範囲とする。
基板を回転させながら、図10Dに示すように、シアンを含有する溶液(シアン溶液)103を、基板表面に対して、流し込んで塗布する、又は滴下する。これにより、波長変換層3が形成されたシリコン層1に対してシアン処理を行うことができる。
この場合も、シアン溶液としては、例えばHCN溶液、又はクラウンエーテルを含むシアン溶液を用いることができる。また特に、クラウンエーテルを含むシアン溶液を用いると、シアン溶液のカチオン(カリウムイオン等)が残ってしまうことを抑制する効果がある。
シアン処理の条件としては、基板表面にシアン溶液103を流し込む場合は、例えば、基板の回転を50rpm、時間を10秒〜30分の範囲内とする。基板表面にシアン溶液103を滴下する場合には、例えば、時間を10分とする。
図示しないマスクを用いて、図10Eに示すように、波長変換層3が形成された部分のシリコン層1に対して、炭素Cと窒素Nとを含むイオン104を注入して、シアン処理を行う。
この場合、炭素Cと窒素Nとは、同時にイオン注入してもよく、またいずれか一方を先にして順次注入してもよい。
また、使用環境(湿度、温度、紫外線、水や他の物質の接触)等により、Si−H結合が切れてしまう場合もある。
これにより、高温の工程を行うことが可能になり、製造工程の自由度を高めることができる。
第2の本発明の固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図(断面図)を図11に示す。
本実施の形態は、CMOS型固体撮像素子に適用したものである。
そして、このような構成の単位画素が多数(例えばマトリクス状に)配置されることにより、撮像領域が構成される。
なお、撮像領域の周囲には、図示しないが、固体撮像素子を駆動するための回路等の周辺回路部や、外部の配線と接続されるパッドが設けられる領域等が設けられる。
そして、配線部を構成する絶縁層53は、比較的厚い支持基板61に接着されている。
裏面照射型構造となっていることにより、光を広く光電変換領域60に入射させることができるため、感度を高くすることができる。
そして、この波長変換層62を、波長の短い光を吸収して、波長の長い光を発光する性質を有するシリコン材料により構成する。これにより、可視光の短波長領域に対する感度を向上することができる。このような性質を有するシリコン材料としては、前述した歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子を用いることができる。
このようなシリコン材料は、例えば350nm〜450nmの入射光に対して強い吸収を有し、粒子等のサイズに依存した500nm〜700nmの発光をする。この長波長領域に変換された光は、光電変換領域60内で吸収される。
従って、波長変換層62を設けたことにより、従来は感度の低かった350nm〜450nmの入射光からも充分な信号電荷を得ることができ、可視光の短波長領域の感度を向上することができる。
図12Aに示すように、シリコン基板71上にシリコン酸化膜72を介してシリコン層(単結晶シリコン層)73が形成されて成る、SOI基板70を用意する。
まず、図12Bに示すように、SOI基板70のシリコン層73に、光電変換領域60を形成する。なお、このシリコン層73は、図11のシリコン層52となるものである。
次に、図12Cに示すように、シリコン層73の表面側に、絶縁層53内にゲート電極54及び多層の配線層55が形成された配線部を形成する。
次に、SOI基板70の上下を反転させて、図12Dに示すように、支持基板61が下側にある状態にする。
次に、エッチング液を用いて、残ったシリコン基板71に対してウエットエッチングを行うことにより、図13Eに示すように、シリコン基板71を完全に除去する。このとき、シリコン層73の上にシリコン酸化膜72が残り、このシリコン酸化膜72が図11に示したシリコン酸化膜56となる。
波長変換層62は、不活性イオン(Ar,Ne等)や活性イオン(P,B,Si等)を用いて、シリコン層71へイオンインプランテーションを行うことにより、形成することができる。
このとき、使用するイオンの種類に対応して、適切な加速電圧とドーズ量とを選定することにより、波長変換層62として、表面近傍に1nm〜10nmの厚さのシリコン発光層を形成することができる。例えば、加速電圧を15keVとし、通常の半導体領域をイオンインプランテーションで形成する場合と比較してドーズ量を1015/cm2と多くする。
そのため、イオンインプランテーションの条件を変更すれば、容易に感度を上げたい波長領域を変更することができる。
このようにして、図11に示した構成の固体撮像素子51を製造することができる。
これにより、可視光の短波長領域の入射光を充分に光電変換領域60に吸収させることができるため、可視光の短波長領域の入射光に対する感度を向上することができる。
これにより、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子51を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子51を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子51を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
本実施の形態の固体撮像素子81においては、各単位画素のn型の光電変換領域60の上部に、p型(p+)の正電荷蓄積領域63を設けており、この正電荷蓄積領域63とシリコン層52の裏面側の界面との間に、シリコンから成る波長変換層62を設けている。
その他の構成は、図11に示した実施の形態の固体撮像素子51と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
図15に示すように、図12Aに示した構成のSOI基板70のシリコン層73(52)に、n型の光電変換領域60と、p型の正電荷蓄積領域63とを、それぞれ形成する。各領域60,63を形成する順序は、どちらが先でも構わない。
その後は、図12C〜図13Gに示した先の実施の形態の製造工程と同様にして、固体撮像素子81を製造することができる。
ただし、波長変換層62は、正電荷蓄積領域63よりも、シリコン層52の裏面側の界面に近い、浅い場所に形成する。
そして、このように正電荷蓄積領域63を設けた構成においても、本発明を適用して、波長変換層62を設けることができる。
本実施の形態の固体撮像素子82は、図16に示すように、各単位画素の波長変換層62の周囲に遮光層64を設けた構成である。
遮光層64の材料には、波長変換層62から発生する光の波長及びその近傍の波長の光に対して、吸収又は反射する性質の材料を用いる。これにより、波長変換層62から発生する光が隣接する画素に入射しないようにすることができる。
その他の構成は、図11に示した実施の形態の固体撮像素子51と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
まず、先の実施の形態の図12A〜図13Eに示した製造工程と同様の製造工程を行う。
次に、光電変換領域60の周囲のシリコン層52に、ドライエッチングで溝を形成する。
続いて、この溝内に、遮光層64の材料を埋め込む。これにより、図17Aに示すように、各単位画素の光電変換領域60の周囲のシリコン層52内に、遮光層64が形成される。
次に、図17Bに示すように、シリコン酸化膜56を通じて、光電変換領域60が形成された部分の、シリコン層52の裏面側の界面近傍(界面から100nm以内)に、歪みシリコン層やナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層62を形成する。
その他の工程は、図11に示した先の実施の形態の固体撮像素子51の製造工程と同様であるので、説明を省略する。
また、短波長領域に対しても高い感度を有する固体撮像素子82を、比較的安価に製造することが可能である。また、不純物による影響を回避することができるため、特性が良好で信頼性の高い固体撮像素子82を実現することができ、良好な特性を有する固体撮像素子82を歩留まり良く製造することが可能になる。
従って、画素の微細化を図り、多画素化や小型化を図ることが可能になる。
単層のシリコン基板から作製する場合には、必要に応じて、例えば、シリコン基板の裏面側を薄くする工程や、シリコン基板の裏面側の界面にシリコン酸化膜を形成する工程を行う。
このように、界面にダングリングボンドが形成されると、入射光で励起された電子(波長変換層及びその近傍で生成された電子)が界面準位にトラップされて非発光再結合を生じてしまい、波長変換層で充分な発光効率を得られなくなるおそれがある。そして、この場合、波長変換層を形成することで本来得られるはずである、光電変換領域での変換効率向上を充分に達成できなくなるため、波長変換層による感度を向上する効果が充分に得られなくなる。
そして、好ましくは、終端化処理工程として、水素アニール処理もしくはシアン処理を行う。
これら水素アニール処理及びシアン処理の他にも、例えばフッ素を用いても終端化処理が可能であるが、フッ素は危険性が大きく取り扱いが難しいという欠点がある。
(1)水素雰囲気中にて、水素アニール処理を行う。
(2)シアン(CN)を含む雰囲気中にて、シアン処理を行う。
(3)シアン(CN)を含む雰囲気中にてCNプラズマを発生させて、シアン処理を行う。
(4)シアンを含有する溶液に浸して、シアン処理を行う。
(5)シアンを含有する溶液を、表面に塗布又は滴下して、シアン処理を行う。
(6)炭素Cと窒素Nとを含んだイオンを注入して、シアン処理を行う。
これにより、シリコン層の表面付近の界面準位を低減することができるため、波長変換層において短波長で励起された電子が非発光再結合する確率を低減して、波長変換された(長波長の)光の発光効率を向上させることができ、可視光の短波長領域に対する感度をさらに向上させることが可能になる。
この場合、図13Fの波長変換層62を形成する工程と、図13Gの平坦化膜57・カラーフィルタ58・オンチップレンズ59を形成する工程との間に、終端化処理工程を組み込む。
また、波長変換層62を結晶化させて安定化させる高温熱処理工程を行う場合には、高温熱処理工程の後に、終端化処理工程を行う。
水素雰囲気中に基板を設置することにより、図18Aに示すように、波長変換層62が形成されたシリコン層52に対して、水素(H2)雰囲気101から、シリコン酸化膜56を通じて、水素を供給する。
これにより、ダングリングボンドをSi−H結合によって終端させることができる。
シアン(CN)を含むガス雰囲気中でCNプラズマを発生させることにより、図18Bに示すように、波長変換層62が形成されたシリコン層52に対して、CNプラズマ102によってシアン処理を行う。
このとき、基板を加熱処理してもよい。
シアン処理の条件は、例えば、基板温度を60〜300℃、圧力を1.33〜665Paの範囲とする。
図18Cに示すように、基板全体を、シアンを含有する溶液(シアン溶液)103に浸すことにより、波長変換層62が形成されたシリコン層52に対してシアン処理を行う。
シアン溶液としては、例えばHCN溶液、又はクラウンエーテルを含むシアン溶液を用いることができる。
特に、クラウンエーテルを含むシアン溶液を用いると、クラウンエーテルがシアン溶液のカチオン(カリウムイオン等)と錯体を形成するため、シリコン層52・シリコン酸化膜56等にカチオンが残ってしまうことを抑制する効果がある。
シアン処理の条件としては、例えば、シアン溶液103の液温を室温〜100℃、処理時間を10秒〜30分の範囲とする。
基板を回転させながら、図19Dに示すように、シアンを含有する溶液(シアン溶液)103を、基板表面に対して、流し込んで塗布する、又は滴下する。これにより、波長変換層62が形成されたシリコン層52に対してシアン処理を行うことができる。
この場合も、シアン溶液としては、例えばHCN溶液、又はクラウンエーテルを含むシアン溶液を用いることができる。また特に、クラウンエーテルを含むシアン溶液を用いると、シアン溶液のカチオン(カリウムイオン等)が残ってしまうことを抑制する効果がある。
シアン処理の条件としては、基板表面にシアン溶液103を流し込む場合は、例えば、基板の回転を50rpm、時間を10秒〜30分の範囲内とする。基板表面にシアン溶液103を滴下する場合には、例えば、時間を10分とする。
図19Eに示すように、マスク110を用いて、波長変換層62が形成された部分のシリコン層52に対して、炭素Cと窒素Nとを含むイオン104を注入して、シアン処理を行う。
この場合、炭素Cと窒素Nとは、同時にイオン注入してもよく、またいずれか一方を先にして順次注入してもよい。
まず、図12A〜図13Eに示した製造工程と同様の製造工程を行う。
次に、図20Aに示すように、光電変換領域60の周囲のシリコン層52に、ドライエッチングで溝52Aを形成する。
次に、図20Bに示すように、溝52Aを形成したシリコン層52に対して、終端化処理を行う。図20Bでは、終端化処理として、例えば、シアンを含有する溶液(シアン溶液)103を流し込む、又は滴下してシアン処理を行う場合を示している。より好ましくは、クラウンエーテルを含むシアン溶液103を用いる。
この場合の条件も、例えば、図19Dで説明したと同様に、基板表面にシアン溶液103を流し込む場合は、例えば、基板の回転を50rpm、時間を10秒〜30分の範囲内とする。基板表面にシアン溶液103を滴下する場合には、例えば、時間を10分とする。
なお、その他の終端化処理方法を採用してもよい。
次に、図20Cに示すように、シリコン層52の溝内に遮光層64の材料を埋め込む。この図20Cに示す状態は、図17Aに示した状態と同じである。
続いて、図17Bに示したように、波長変換層62を形成する。
その後、図18A〜図19Eに示したと同様に、波長変換層62が形成されたシリコン層52に対して、終端化処理を行う。
さらに、平坦化膜57・カラーフィルタ58・オンチップレンズ59を形成して、図16に示す固体撮像素子82を製造することができる。
これにより、例えば一方の処理のみでは充分に終端化させられない場合でも、完全に終端化させることが可能になる。
そして、本発明の撮像装置は、本発明の固体撮像素子を備えて構成されていることにより、可視光の短波長成分に対する感度が他の波長成分に対する感度と同様に高くなり、良好な色再現性を有する。
Claims (18)
- シリコン層に、フォトダイオードから成る光電変換部が形成されて、画素が構成され、
複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成された固体撮像素子であって、
少なくとも一部の前記画素において、前記光電変換部の表面付近に、波長変換層が形成され、
前記波長変換層が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記波長変換層が形成された前記画素において、前記波長変換層の周囲に、前記波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射する遮光層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記遮光層が、一部が前記シリコン層に埋め込まれた配線層又は電極層により形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記波長変換層が形成された、前記シリコン層の前記表面側の界面におけるダングリングボンドが終端化されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記ダングリングボンドが、炭素と窒素の化合物又は前記化合物のイオンによって終端化されていることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
- シリコン層内に光電変換領域が形成されて画素が構成され、
複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成され、
前記シリコン層の表面側に設けられた絶縁層内に配線層が形成され、
前記光電変換領域に、前記シリコン層の裏面側より光が照射される構成の固体撮像素子であって、
少なくとも一部の前記画素において、前記光電変換領域が形成された部分の、前記シリコン層の前記裏面側の界面近傍に、波長変換層が設けられ、
前記波長変換層が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記波長変換層が形成された前記画素において、前記波長変換層の周囲に、前記波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射する遮光層が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
- 前記波長変換層が形成された、前記シリコン層の前記裏面側の界面におけるダングリングボンドが終端化されていることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
- 前記ダングリングボンドが、炭素と窒素の化合物又は前記化合物のイオンによって終端化されていることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
- シリコン層に、フォトダイオードから成る光電変換部が形成されて、画素が構成され、複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成された固体撮像素子を製造する方法であって、
前記シリコン層に前記光電変換部を形成する工程と、
前記シリコン層の前記光電変換部の表面付近に、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層を形成する工程と、
前記波長変換層が形成された、前記シリコン層の前記表面側の界面におけるダングリングボンドを終端化する工程とを少なくとも有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記ダングリングボンドを炭素と窒素の化合物又は前記化合物のイオンによって終端化することを特徴とする請求項10に記載の固体撮像素子の製造方法。
- シリコン層内に光電変換領域が形成されて画素が構成され、複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成され、前記シリコン層の表面側に設けられた絶縁層内に配線層が形成され、前記光電変換領域に前記シリコン層の裏面側より光が照射される構成の固体撮像素子を製造する方法であって、
前記シリコン層に前記光電変換領域を形成する工程と、
少なくとも一部の前記画素において、前記光電変換領域が形成された部分の、前記シリコン層の前記裏面側の界面近傍に、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る波長変換層を形成する工程と、
前記波長変換層が形成された、前記シリコン層の前記裏面側の界面におけるダングリングボンドを終端化する工程とを少なくとも有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記ダングリングボンドを炭素と窒素の化合物又は前記化合物のイオンによって終端化することを特徴とする請求項12に記載の固体撮像素子の製造方法。
- シリコン層に、フォトダイオードから成る光電変換部が形成されて、画素が構成され、
複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成され、少なくとも一部の前記画素において、前記光電変換部の表面付近に、波長変換層が形成され、前記波長変換層が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る固体撮像素子と、
撮像対象からの光を前記固体撮像素子に導く手段と、
前記固体撮像素子の駆動手段とを少なくとも備えた
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記固体撮像素子は、前記波長変換層が形成された前記画素において、前記波長変換層の周囲に、前記波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射する遮光層が設けられていることを特徴とする請求項14に記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子は、前記遮光層が、一部が前記シリコン層に埋め込まれた配線層又は電極層により形成されていることを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- シリコン層内に光電変換領域が形成されて画素が構成され、複数の前記画素が配置されて撮像領域が構成され、前記シリコン層の表面側に設けられた絶縁層内に配線層が形成され、前記光電変換領域に、前記シリコン層の裏面側より光が照射され、少なくとも一部の前記画素において、前記光電変換領域が形成された部分の、前記シリコン層の前記裏面側の界面近傍に、波長変換層が設けられ、前記波長変換層が、歪みシリコン又はナノスケールのシリコン粒子から成る固体撮像素子と、
撮像対象からの光を前記固体撮像素子に導く手段と、
前記固体撮像素子の駆動手段とを少なくとも備えた
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記固体撮像素子は、前記波長変換層が形成された前記画素において、前記波長変換層の周囲に、前記波長変換層の発光波長及びその近傍の波長の光を吸収又は反射する遮光層が設けられていることを特徴とする請求項17に記載の撮像装置。
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