JP2007184560A - Ｃｍｏｓイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＭＯＳイメージセンサを高集積化する場合にも光感度を上げることができる新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、受光素子領域及びトランジスタ領域が画定された半導体基板を用意するステップと、前記受光素子領域にプラズマ放電を発生させて微細ホコリを形成させるステップと、前記微細ホコリをマスクとしてエッチングして、前記受光素子領域にナノピラーを形成するステップと、前記微細ホコリを除去するステップとを含む。
【選択図】図３
【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、受光素子領域及びトランジスタ領域が画定された半導体基板を用意するステップと、前記受光素子領域にプラズマ放電を発生させて微細ホコリを形成させるステップと、前記微細ホコリをマスクとしてエッチングして、前記受光素子領域にナノピラーを形成するステップと、前記微細ホコリを除去するステップとを含む。
【選択図】図３
Description
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサに関し、さらに詳細には、高い光感度を有するＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法に関する。
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサは、回路が簡単で、かつ画質と雑音などに関する性能が良いため、多く用いられてきた。しかしながら、モバイル機器などでは、低電力と高集積度を必要とするため、これを満足させ得るＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサに関心が集中している。
ＣＭＯＳイメージセンサは、光学映像を電気的信号に変換させる半導体素子であって、光を感知する光感知部分と、感知された光を電気的信号に処理してデータ化するロジック回路部分とで構成されており、ＣＭＯＳ技術を利用して画素数と同じ分だけのＭＯＳトランジスタを作り、これを利用して出力を順次検出するスイッチング方式を採用する。
このようなＣＭＯＳイメージセンサは、従来のＣＭＯＳトランジスタ工程を利用して製作するが、電力消費が少なく、比較的低コストであり、高水準の集積化が可能であるという長所を有している。したがって、過去数年間の集中的な研究により、ＣＭＯＳイメージセンサは、多くの応用分野においてＣＣＤを代替するものとして期待されている。
ところが、ＣＭＯＳイメージセンサが低電力と高集積度などの長所を有しているにも関わらず、多くの暗電流により、光感度が従来用いられていたＣＣＤに比べて小さいという短所を有しているため、これを解決するための多くの研究が盛んに進められている。
以下、従来のＣＭＯＳイメージセンサについて説明する。
図１は、従来のＣＭＯＳイメージセンサを示した平面図であり、図２は、図１に示す２−２´における断面図である。
ここでは、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて光を受光する受光領域と、受光した光を電気的信号に処理するトランジスタ領域のみを示して説明する。
従来のＣＭＯＳイメージセンサは、両方にＰ−不純物領域１０２が形成されたシリコン基板１０１上に受光領域としてフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ；ＰＤ）のような受光素子１０６、１０８が形成され、トランジスタ領域に受光素子１０６、１０８の一方に一列に並べてフローティングディフュージョン１０４が形成され、その上にトランスファーゲート１０３が位置される。そして、これらの素子を他の素子と分離するために、シリコン基板１０１のエッジに沿ってＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）１０５が形成される。
また、フローティングディフュージョン１０４と接続したリセットトランジスタＲｘ、駆動トランジスタＤｘ、選択トランジスタＳｘを備える。
説明していない符号１０７は、酸化膜である。
ここで、従来のＣＭＯＳイメージセンサの受光素子１０６、１０８は、図２に示すように、多量の光を効果的に受光するために、大面積に形成され、ｎ型にドーピングされたＮ不純物領域１０８上にｐ型にドーピングされたＰ＋不純物領域１０６が積層される構造であり、これらが受光表面に露出した形態を有する。
受光素子１０６、１０８の受光表面は、シリコン結晶からなる平坦な構造を有する。このような構造により、従来の受光素子１０６、１０８は、受光能力に対して次のような限界がある。
第１に、受光素子１０６、１０８の受光部分は、シリコン結晶が可視光線に対して小さな光吸収係数（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を有する。一般に、物質に吸収される光の波長は、その物質のバンドギャップにより大きく左右されるが、受光素子１０６、１０８の受光部分として利用されるシリコン結晶は、１．１２ｅＶの間接バンドギャップを有しているため、１．１μｍより短い波長に対してのみ光を吸収することができるという特性がある。ところが、１．１μｍ以下の可視光線に対するシリコン結晶の光吸収係数は、フローティングディフュージョンに伝達されるキャリアを十分に生産することができない。したがって、充分なキャリアを形成するには、受光表面に存在するシリコン結晶の光吸収係数が小さいという問題がある。
第２に、受光部分であるシリコン結晶で吸収されず反射された光による損失が存在する。受光素子１０６、１０８に入射された光の一部は、光生成作用を起こしフローティングディフュージョン１０４に流れるキャリアを形成させるが、残りの光は、反射して再吸収されずに損失されるという問題がある。このように反射して損失された光の量は、光生成を起こす光の量より多いことが知られている。
第３に、ＣＭＯＳイメージセンサの受光表面積はＣＭＯＳイメージセンサの表面積を超えることができない。従来のＣＭＯＳイメージセンサの構造において、受光素子１０６、１０８はＣＭＯＳイメージセンサの一部分として含まれているため、受光素子１０６、１０８の表面積がＣＭＯＳイメージセンサの表面積を超えることはない。ＣＭＯＳイメージセンサを高集積化するためには、ＣＭＯＳイメージセンサのセルサイズを低減しなければならないため、低減した受光素子１０６、１０８の面積により、ＣＭＯＳイメージセンサの受光能力が次第に低下するという問題がある。
そこで、本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ＣＭＯＳイメージセンサを高集積化する場合にも光感度を上げることができる新しい構造のＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上述した高い光感度を有するＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題については、以下の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。
上記の目的を達成すべく、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、受光素子を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいて、受光素子の上段にナノピラー（ｎａｎｏｐｉｌｌａｒ）が複数個形成されている。
このとき、前記ナノピラーが、シリコン結晶であることが好ましい。
また、前記ナノピラーの直径が、ナノメートル以下のサイズを有することが好ましい。
上記の目的を達成すべく、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、（ａ）受光素子領域及びトランジスタ領域が画定された半導体基板を用意するステップと、（ｂ）前記受光素子領域にプラズマ放電を発生させて微細ホコリを形成させるステップと、（ｃ）前記微細ホコリをマスクとしてエッチングして、前記受光素子領域にナノピラーを形成するステップと、（ｄ）前記微細ホコリを除去するステップとを含む。
前記（ｂ）ステップでは、前記プラズマ放電のために、前記受光素子領域にプラズマガスを注入することが好ましい。
前記（ｂ）ステップにおいて、前記微細ホコリは、前記プラズマ放電の際、前記プラズマガスのラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）と前記プラズマガスによってエッチングされる前記受光素子領域の被エッチング物質とが結合して形成されることが好ましい。
このとき、前記受光素子領域の被エッチング物質が、シリコンであることが好ましい。
また、前記プラズマガスは、ハロゲン系化合物と酸素（Ｏ２））ガスであり、前記ハロゲン系化合物は、ＨＢｒ又はＣｌ２であることが好ましい。
また、前記微細ホコリは、ＳｉｘＢｒｙＯｚ又はＳｉｘＣｌｙＯｚであることが好ましい。
また、前記微細ホコリは、ナノメートル以下のサイズに形成されることが好ましい。
一方、前記他の技術的課題を達成するための本発明の他の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、（ａ）受光素子領域及びトランジスタ領域が画定された半導体基板を用意するステップと、（ｂ）前記受光素子領域にナノメートルサイズの粒子を断層に配列するステップと、（ｃ）前記ボールをマスクとしてエッチングして、前記受光素子領域にナノピラーを形成するステップと、（ｄ）前記ボールを除去するステップとを含む。
この場合、前記粒子は、ポリマー成分で構成されることが好ましい。
そして、前記ナノピラーの幅は、前記粒子の直径により決定されることを特徴とする。
前記ナノピラーの直径は、ナノメートル以下のサイズを有することを特徴とする。
前記粒子は、球状ボールであることが好ましい。
その他、実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付する図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照することにより、明確になるはずである。なお、明細書全体にわたって同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、２次元的な受光面積を有する従来の構造に比べて、可視光線領域に対する高い光吸収係数を有するようになることから、ＣＭＯＳイメージセンサの光感度を上げることができるという効果が得られる。
また、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、ナノピラーにより受光面積を３次元的な空間まで拡大させることによって、受光面積がＣＭＯＳイメージセンサの全体セルサイズを超えることができないという制限を克服し、既存の２次元的な受光面積に比べてはるかに広い受光面積を確保することができるという効果が得られる。
また、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサにおいて、ナノピラーが受光素子の表面上に突出される構造で構成されるため、複数の方向から入射する光と既存の受光素子の表面から反射した光に対しても全てに反応することができる。したがって、光感度を画期的に高めるのに寄与することができる。
さらに、ＣＭＯＳイメージセンサの解像度を高め、高集積化と低電圧及び低電力化を達成し、今後、さらに関心が集中するモバイル機器などにＣＭＯＳイメージセンサをさらに多様に用いることができるという効果が得られる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法について詳細に説明する。
図３は、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサを示した平面図であり、図４は、図３に示す４−４´における断面図である。
なお、ここでは、受光領域及びトランジスタ領域のみを示して説明する。
本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板２０１と、受光領域の受光素子２０６、２０８、受光素子２０６、２０８と一列に並べて形成されたフローティングディフュージョン２０４、受光素子２０６、２０８とフローティングディフュージョン２０４との間であり、かつ上側に位置するトランスファーゲート２０３、及び受光領域から感知された光を電気的信号に処理してデータ化するトランジスタ領域を備える。
トランジスタ領域は、図４に示すように、フローティングディフュージョン２０４と接続したリセットトランジスタＲｘと、駆動トランジスタＤｘ、選択トランジスタＳｘを備える。
リセットトランジスタＲｘは、フローティングディフュージョン２０４に格納されている電荷を排出してリセットさせ、駆動トランジスタＤｘは、ソースフォロワバッファ増幅器として機能し、選択トランジスタＳｘは、スイッチング及びアドレッシングとして機能する。
半導体基板２０１は、シリコン基板であって、両方にｐ型不純物がドーピングされたＰ−不純物領域２０２が形成されている。
半導体基板２０１上に形成された素子を他の素子と分離するために、半導体基板２０１のエッジに沿ってＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）２０５が形成されている。
受光素子２０６、２０８は、受光領域に位置するフォトダイオードに光を受光する機能を果たす。このような受光素子２０６、２０８は、図３に示すように、多量の光を効果的に受光するために、大面積に形成され、ｎ型にドーピングされたＮ不純物領域２０８上にｐ型にドーピングされたＰ＋不純物領域２０６が積層され、Ｐ＋不純物領域２０６上には、所定の間隔に配列されたナノピラー（ｎａｎｏｐｉｌｌａｒ）２０９が形成される構造である。
ナノピラー２０９は、受光素子の表面と同様に、シリコン結晶で構成され、ナノメートルサイズ以下に構成され、受光面積を３次元的な空間まで拡大させる構造を有する。このようなナノピラー２０９の形成方法は、後述する。
トランスファーゲート２０３は、受光素子２０６、２０８とフローティングディフュージョン２０４との間に位置し、その下面に酸化膜２０７が形成されて受光素子２０６、２０８で集束された光電荷をフローティングディフュージョン２０４に搬送させ得るようにする。
このような新しい構造を有する本発明のＣＭＯＳイメージセンサは、既存の構造に比べて受光能力を増大させ得る様々な特徴を有するようになる。
第１に、シリコン結晶のナノピラー２０９が受光素子２０６、２０８の表面に無数に形成されることによって、１．１μｍ以下の可視光線に対する光吸収係数を画期的に増加させることができる。すなわち、本発明に係る受光素子２０６、２０８は、受光表面に存在するナノピラー２０９の小さな体積のため、短い波長の光に対して効果的に反応することができる。これによって、１．１μｍ以下の波長に対する光吸収係数が画期的に増加するようになり、同じ表面積を有する従来の受光素子１０６、１０８と比較した場合にも、高い光感度を有することができる。
第２に、シリコン結晶のナノピラー２０９が受光素子２０６、２０８の表面に無数に形成されることによって、従来の受光素子の受光面積が２次元的な平面にとどまったという点を克服し、受光面積を３次元的な立体空間に拡大するようになった。これによって、ＣＭＯＳイメージセンサのセルサイズを減少させる場合、受光面積も同時に減少して光感度が減少したという問題を克服し、ＣＭＯＳイメージセンサのセル面積よりも広い受光面積を確保することができる。
第３に、シリコン結晶のナノピラー２０９が受光素子２０６、２０８の表面に無数に形成されることによって、従来の受光素子１０６、１０８から反射して損失された光を再吸収することができる能力を有するという利点がある。
第４に、ナノピラー２０９が受光素子２０６、２０８の表面上に突出されているため、いろいろな方向から入射する光に対しても、受光素子２０６、２０８が反応し得る。
以下、本発明に係る高い光感度を有するＣＭＯＳイメージセンサの製造の際、受光素子にナノピラーを形成する方法を図５〜図８を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図５は、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するためのフローチャートであって、（ａ）は、受光素子領域にプラズマガスを注入する工程を説明するための図であり、（ｂ）は、プラズマガス注入後微細ホコリが形成された図であり、（ｃ）は、プラズマ放電後にナノピラーが形成された工程を説明するための図である。
図６は、図５の方法により形成されたＣＭＯＳイメージセンサをＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で撮影した写真である。
本発明の第１の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、ナノピラーを形成するために、従来のフォトエッチング工程を利用せず、プラズマ放電及びエッチング工程を利用したものであって、プラズマエッチングの際に発生するポリマー成分を微細ホコリにして、ナノピラーを形成するためのマスクとして利用する方法である。
図５の（ａ）に示すように、まず、受光素子としてシリコン基板３０１上にフォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｇｉｓｔ）３０２を形成し、フォトレジスト３０２を基準に、ナノピラーを形成する領域にプラズマ放電のためのプラズマガスを注入する。プラズマガスは、ハロゲン系化合物と酸素（Ｏ２）ガスが混合されたものであって、ハロゲン系化合物は、主にＨＢｒ又はＣｌ２を利用する。
次に、図５の（ｂ）に示すように、プラズマガスを適切に注入した後、受光領域内にプラズマを発生させると、シリコン基板３０１が所定の深さにエッチングされ、かつプラズマガスと結合して、ナノサイズを有する微細ホコリ（ｎａｎｏｄｕｓｔ）３０３を形成させる。この場合、プラズマガスとしてＨＢｒ（又はＣｌ２）と酸素（Ｏ２）ガスを注入すると、エッチングされたシリコンと上記のプラズマのラジカルとが結合して、ＳｉｘＢｒｙＯｚ（又はＳｉｘＣｌｙＯｚ）のような微細ホコリ３０３を形成させることができる。このような微細ホコリ３０３は、揮発成分の副産物となって、エッチングチャンバーの外部に排出されず、シリコン基板３０１上に再び落ちるようになるため、後述するように、ナノピラー形成のためのマスクとして機能する。
最後に、図５の（ｃ）に示すように、シリコン基板３０１上に単独又は互いに結合された状態で形成された複数個の微細ホコリ３０３をマスクとしてエッチングして、ナノピラーを形成した後、微細ホコリ３０３を除去する。
このように、エッチング工程を経たシリコン基板３０１には、微細ホコリ３０３が形成された部位にナノピラー３０４が形成されるが、図６に示すように、３次元的な空間に拡大されたナノピラー３０４の直径はナノメートル以下のサイズに形成することができる。
なお、ナノピラー３０４の直径は、微細ホコリ３０３間の結合程度に応じて、そのサイズを調節することができる。
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の他の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法を説明するためのフローチャートであって、（ａ）は、受光素子領域に球状ボールを形成する工程を説明するための図であり、（ｂ）は、球状ボールをマスクとしてエッチングする工程を説明するための図であり、（ｃ）は、エッチング後の受光素子を示す図である。
図８は、図７の方法により形成されたＣＭＯＳイメージセンサをＳＥＭで撮影した写真である。
本発明の第２の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの製造方法は、ナノピラーを形成するためにナノ球状リソグラフィ（ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）方法を利用したものであって、既存のフォトエッチング方法の分解能の限界を超越して、ナノピラーを形成することができるという長所がある。
まず、図７の（ａ）を参照すると、シリコン基板４０１上にフォトレジスト４０２を形成し、フォトレジスト４０２を基準として、ナノピラーを形成する領域にナノメートルサイズを有する球状ボール４０３を断層に配列する。このような球状ボール４０３は、ポリマー系列の成分で構成されて、後述するようなエッチング工程の際にマスクとして機能する。本発明の第２の実施形態において、球状ボール４０３は、ナノメートルサイズのマスクとして使用するためのものであるため、その形状は球状ボールのみに限定されず、ナノメートルサイズの粒子であれば全て使用可能であることは自明である。以下では、球状ボールに基づいて説明する。
次に、図７の（ｂ）を参照すると、前のステップにおいて配列された球状ボール４０３をエッチング停止層として活用して、エッチング工程を経る。すると、球状ボール４０３下のみにナノピラー４０４が形成されて、サイズが均一になり、かつ正しく配列したパターンを得ることができる。
エッチング後、マスクの球状ボール４０３を除去して、図７の（ｃ）に示すようなナノピラー４０４が形成された受光素子が完成する。
このようなナノピラー４０４は、図８に示すように、その直径がナノメートルのサイズであり、３次元的に形成されて受光面積を拡大させることができる。
ナノピラー４０４の直径は、合成されたナノメートルサイズの球状ボール４０３の直径により決定されるため、既存のフォトエッチング方法の分解能の限界を超越して、ナノピラーを形成することができる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
２０１、３０１、４０１ シリコン基板
２０２ Ｐ−不純物領域
２０３ トランスファーゲート
２０４ フローティングディフュージョン
２０５ ＳＴＩ
２０６ Ｐ＋不純物領域
２０７ 酸化膜
２０８ Ｎ不純物領域
２０９、３０４ ナノピラー
３０２、４０２ フォトレジスト
３０３ 微細ホコリ
４０３ 球状ボール
２０２ Ｐ−不純物領域
２０３ トランスファーゲート
２０４ フローティングディフュージョン
２０５ ＳＴＩ
２０６ Ｐ＋不純物領域
２０７ 酸化膜
２０８ Ｎ不純物領域
２０９、３０４ ナノピラー
３０２、４０２ フォトレジスト
３０３ 微細ホコリ
４０３ 球状ボール
Claims (14)
- 受光素子を含み、
前記受光素子の上段にナノピラーが複数個形成されていることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサ。 - 前記ナノピラーが、シリコン結晶であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
- 前記ナノピラーの直径が、ナノメートル以下のサイズを有することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサ。
- 受光素子領域にプラズマ放電を発生させて、微細ホコリを形成させるステップと、
前記微細ホコリをマスクとして、前記受光素子領域をエッチングするステップと、
前記微細ホコリを除去するステップと
を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。 - 前記受光素子領域にプラズマ放電を発生させて、微細ホコリを形成させるステップが、前記受光素子領域にプラズマガスを注入するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記受光素子領域にプラズマ放電を発生させて、微細ホコリを形成させるステップにおいて、前記微細ホコリが、前記プラズマ放電の際、前記プラズマガスのラジカルと前記プラズマガスによってエッチングされる前記受光素子領域の被エッチング物質とが結合して形成されたことを特徴とする請求項５に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記受光素子領域の被エッチング物質が、シリコンであることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記プラズマガスが、ハロゲン系化合物と酸素（Ｏ２）ガスであることを特徴とする請求項５に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記微細ホコリが、ナノメートル以下のサイズに形成されることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 受光素子領域にナノメートルサイズの粒子を配列するステップと、
前記粒子をマスクとして、前記受光素子領域をエッチングするステップと、
前記粒子を除去するステップと
を含むことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。 - 前記粒子が、ポリマー成分で構成されたことを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記エッチングにより形成されたナノピラーの直径が、前記粒子の直径により決定されることを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記エッチングにより形成されたナノピラーの直径が、ナノメートル以下のサイズを有することを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
- 前記粒子が、球状ボールであることを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。
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