JP2008027980A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反射防止膜としてシリコン窒化膜を用いた場合と比べて、さらに反射ロスを低減した固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置の１画素分の受光セル１００は、入射光に応じて電荷を蓄積するフォトダイオード１２と、フォトダイオード１２が形成されている半導体基板１１と、半導体基板１１の面のうち、入射光が入射する面に形成されている絶縁膜１３と、フォトダイオード１２の上方かつ絶縁膜１３の上層に反射防止膜として形成されているポリシリコン膜１２０とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、感度の高い固体撮像装置などとして、特に、入射光の反射ロスを低減することで高感度化した固体撮像装置に関する。

近年、固体撮像装置は、高解像度化や多画素化に伴い、受光セルが小型化されてきている。その一方で、従来と同レベルの感度特性を満たすことが要求されている。これに対して、シリコン基板よりも屈折率の高い材料で反射防止膜を形成し、入射光の反射ロスを低減した固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、従来における固体撮像装置の断面構造を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図１に示されるように、具体的には、受光セル１０は、シリコン基板１１、フォトダイオード１２、シリコン酸化膜１３、ゲート電極１４、絶縁膜１５、層間絶縁膜１６、遮光膜１７、絶縁膜１８、マイクロレンズ１９などを備える。さらに、反射ロスを低減するために、反射防止膜として機能するシリコン窒化膜２０を備える。

シリコン窒化膜２０は、屈折率が２．０と比較的高い。さらに、標準的に存在している半導体の材料である。また、加工が容易である。

図２（ａ）、（ｂ）は、従来における固体撮像装置の製造方法を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図２（ａ）に示されるように、受光セル１０は、シリコン基板１１の上方に、酸化膜１３を介して、ゲート電極１４が形成される。ゲート電極１４を覆うようにして絶縁膜１５が形成される。絶縁膜１５が形成された後にシリコン窒化膜２０が形成される。シリコン窒化膜２０が形成された後に、レジスト２１を利用して、パターンが形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方に、反射防止膜として機能する部分のパターンが形成される。

その後、図２（ｂ）に示されるように、受光セル１０は、パターンが形成された後に、エッチングにより、反射防止膜として機能する部分以外のシリコン窒化膜２０が除去される。反射防止膜として機能するシリコン窒化膜２０の上層に層間絶縁膜１６が形成される。層間絶縁膜１６の上層に遮光膜１７が形成される。フォトダイオード１２の上方に位置する遮光膜１７の部分に開口部が形成される。遮光膜１７を覆うようにして層間絶縁膜１８が形成される。層間絶縁膜１８の上層にマイクロレンズ１９が形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方にマイクロレンズ１９が形成される。
特開平８−１４８６６５号公報

しかしながら、さらに、高感度化するにあたって、反射ロスを低減する必要がある。例えば、受光セル１０は、マイクロレンズ１９を介してフォトダイオード１２に入射した光を電気信号に変換する。ただし、遮光膜１７に形成された開口部を通過した光の一部が、シリコン基板１１とシリコン酸化膜１３との界面で反射され、フォトダイオード１２に入射しない。結果、感度が低下する。これは、シリコン基板１１の屈折率とシリコン酸化膜１３の屈折率との差が大きいためである。

すなわち、単位面積あたりの入射光量を増大させるためには、フォトダイオードに入射する入射光の反射ロスを低減することが必要である。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、反射防止膜としてシリコン窒化膜を用いた場合と比べて、さらに反射ロスを低減した固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係わる固体撮像装置は、（ａ１）入射光に応じて電荷を蓄積するフォトダイオードと、（ａ２）前記フォトダイオードが形成されている半導体基板と、（ａ３）前記半導体基板の面のうち、前記入射光が入射する面に形成されている絶縁膜と、（ａ４）前記フォトダイオードの上方かつ前記絶縁膜の上層に反射防止膜として形成されているポリシリコン膜とを備えることを特徴とする。

これによって、シリコン窒化膜を利用した場合よりも、さらに反射ロスを低減することができる。また、容易に加工ができる。これは、ポリシリコン膜は、屈折率が約３．０であり、シリコン窒化膜の屈折率よりも高い。さらに、標準的に存在している半導体の材料である。すなわち、反射防止膜の屈折率を増大させ反射を低減させるとともに、金属を含まない材料で形成することによって、パターン加工を容易にすることができる。

なお、本発明は、固体撮像装置として実現されるだけではなく、固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法などとして実現されるとしてもよい。

本発明によれば、高屈折率膜による反射を低減することができ、固体撮像装置の高感度化を実現することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係わる第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態における固体撮像装置は、下記（ａ）、（ｂ）に示す特徴を備える。
（ａ）固体撮像装置は、（ａ１）入射光に応じて電荷を蓄積するフォトダイオードと、（ａ２）フォトダイオードが形成されている半導体基板と、（ａ３）半導体基板の面のうち、入射光が入射する面に形成されている絶縁膜と、（ａ４）フォトダイオードの上方かつ絶縁膜の上層に反射防止膜として形成されているポリシリコン膜とを備える。

（ｂ）ポリシリコン膜は、膜厚が１５ｎｍから６０ｎｍの範囲で形成されている。
以上の点を踏まえて、本実施形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

図３は、本実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図３に示されるように、具体的には、受光セル１００は、シリコン基板１１、フォトダイオード１２、シリコン酸化膜１３、ゲート電極１４、絶縁膜１５、層間絶縁膜１６、遮光膜１７、絶縁膜１８、マイクロレンズ１９などを備える。さらに、反射ロスを低減するために、反射防止膜として機能するポリシリコン膜１２０を備える。

ポリシリコン膜１２０は、屈折率が約３．０である。さらに、波長λの４分の１の膜厚（以下、λ／４膜厚と呼称する。）でポリシリコン膜１２０を形成することによって、反射防止膜としての効果をさらに高めることができる。ここで、ポリシリコン膜１２０は、波長λ＝４００ｎｍに対しては、屈折率が約５．６である。また、波長λ＝７００ｎｍに対しては、屈折率が約３．４である。これから、可視光領域４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、λ／４膜厚は、１８ｎｍ〜５１ｎｍになる。しかし、ポリシリコン膜１２０の下層のシリコン酸化膜１３の膜厚や上層の層間絶縁膜１６の膜厚によって最適な膜厚を調整する必要がある。このため、ポリシリコン膜１２０の膜厚を１５ｎｍ〜６０ｎｍの範囲で形成することが望ましい。

次に、本実施形態における固体撮像装置の製造方法について説明する。
図４は、本実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図４（ａ）に示されるように、受光セル１００は、シリコン基板１１の上方に、酸化膜１３を介して、ゲート電極１４が形成される。ゲート電極１４を覆うようにして絶縁膜１５が形成される。絶縁膜１５が形成された後にポリシリコン膜１２０が形成される。ポリシリコン膜１２０が形成された後に、レジスト１２１を利用して、ポリシリコン膜１２０の上層にパターンが形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方に、反射防止膜として機能する部分のパターンが形成される。

その後、図４（ｂ）に示されるように、受光セル１００は、パターンが形成された後に、エッチングにより、反射防止膜として機能する部分以外のポリシリコン膜１２０が除去される。反射防止膜として機能するポリシリコン膜１２０の上層に層間絶縁膜１６が形成される。層間絶縁膜１６の上層に遮光膜１７が形成される。フォトダイオード１２の上方に位置する遮光膜１７の部分に開口部が形成される。遮光膜１７を覆うようにして層間絶縁膜１８が形成される。層間絶縁膜１８の上層にマイクロレンズ１９が形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方にマイクロレンズ１９が形成される。

以上、本実施形態における固体撮像装置によれば、マイクロレンズ１９で集光された光が、ポリシリコン膜１２０を介して、フォトダイオード１２に入射する。このとき、シリコン窒化膜よりも屈折率が高いポリシリコン膜１２０を備えることによって、さらに、シリコン基板１１とシリコン酸化膜１３との界面で生じる反射を低減することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係わる第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態における固体撮像装置は、下記（ｃ）〜（ｅ）に示す特徴を備える。
（ｃ）固体撮像装置は、さらに、絶縁膜の上層かつポリシリコン膜と同じ層に形成されているポリシリコン酸化膜を備える。

（ｄ）固体撮像装置は、さらに、（ｄ１）フォトダイオードの上方に開口部が形成されている遮光膜と、（ｄ２）フォトダイオードで蓄積されている電荷を取り出して転送する電荷転送電極と、（ｄ３）遮光膜と電荷転送電極とを絶縁する少なくとも１層以上の層間絶縁膜とを備え、（ｄ４）少なくとも１層以上の層間絶縁膜のいずれかにポリシリコン酸化膜が形成されている。

（ｅ）ポリシリコン酸化膜は、遮光膜の下層および電荷転送電極の上層のいずれかに形成されている。

以上の点を踏まえて、本実施形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

図５は、本実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図５に示されるように、受光セル２００は、受光セル１００と比べて、さらに、層間絶縁膜として機能するポリシリコン酸化膜２２０を備える点が異なる。これによって、ゲート電極１４と遮光膜１７との間の耐圧を向上させることができる。耐圧が向上する分、ゲート電極１４を覆うようにして形成される絶縁膜１５と、ポリシリコン酸化膜２２０の上層に形成される層間絶縁膜１６との各膜厚を薄くすることできる。

例えば、ゲート電極１４がポリシリコン膜で形成され、絶縁膜１５がポリシリコン酸化膜で形成されているとする。さらに、ポリシリコン膜１２０の膜厚を３０ｎｍとする。この場合において、反射防止膜として機能する部分以外の部分を酸化すると、ポリシリコン酸化膜２２０の膜厚が約６０ｎｍになる。これから、絶縁膜１５の膜厚を６０ｎｍ薄くすることができる。さらに、ゲート電極１４のポリシリコン酸化膜の膜厚が６０ｎｍ以下の場合では、絶縁膜１５を省略することができる。

例えば、図６に示されるように、絶縁膜１５と層間絶縁膜１６との少なくとも一方を省略して固体撮像装置を形成することができる。この場合においても、図５に示される固体撮像装置と同じ効果を得ることができる。

次に、本実施形態における固体撮像装置の製造方法について説明する。
図７は、本実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図７（ａ）に示されるように、受光セル２００は、ゲート電極１４を覆うようにして絶縁膜１５が形成された後に、ポリシリコン膜１２０が形成される。ポリシリコン膜１２０が形成された後に、シリコン窒化膜２２１を利用して、ポリシリコン膜１２０の上層にパターンが形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方に、反射防止膜として機能する部分のパターンが形成される。

その後、図７（ｂ）に示されるように、受光セル２００は、パターンが形成された後に、酸化が実施される。これに伴い、シリコン窒化膜２２１で覆われていない領域のポリシリコン膜１２０がポリシリコン酸化膜２２０になる。

その後、図７（ｃ）に示されるように、リン酸処理でシリコン窒化膜２２１が除去される。反射防止膜として機能するポリシリコン膜１２０と層間絶縁層として機能するポリシリコン酸化膜２２０との上層に層間絶縁膜１６が形成される。層間絶縁膜１６の上層に遮光膜１７が形成される。フォトダイオード１２の上方に位置する遮光膜１７の部分に開口部が形成される。遮光膜１７を覆うようにして層間絶縁膜１８が形成される。層間絶縁膜１８の上層にマイクロレンズ１９が形成される。このとき、フォトダイオード１２の上方にマイクロレンズ１９が形成される。

以上、本実施形態における固体撮像装置によれば、ゲート電極１４と遮光膜１７との間に、層間絶縁膜として機能するポリシリコン酸化膜２２０を備える。これによって、ゲート電極１４と遮光膜１７との間の耐圧を向上させることができる。耐圧が向上する分、ゲート電極１４を覆うようにして形成される絶縁膜１５と、ポリシリコン酸化膜２２０の上層に形成される層間絶縁膜１６との各膜厚を薄くすることできる。さらに、絶縁膜１５と層間絶縁膜１６とのいずれか一方、あるいは両方を省略することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係わる第３の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態における固体撮像装置は、下記（ｆ）に示す特徴を備える。
（ｆ）固体撮像装置は、さらに、（ｆ１）ポリシリコン膜の上層に形成されているシリコン窒化膜と、（ｆ２）シリコン窒化膜の上層に形成されているシリコン酸化膜とを備える。

以上の点を踏まえて、本実施形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

図８は、本実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図である。ここでは、固体撮像装置の１画素分の受光セルを一例として説明する。

図８に示されるように、受光セル３００は、受光セル２００と比べて、ポリシリコン膜１２０の上層に形成されるシリコン窒化膜２２１を備える点が異なる。

一般的に、層間絶縁膜１６は、シリコン酸化膜で形成される場合が多い。ここで、シリコン酸化膜の屈折率は約１．４５である。例えば、層間絶縁膜１６がシリコン酸化膜で形成されるとする。この場合において、ポリシリコン膜１２０の屈折率と層間絶縁膜１６の屈折率との差が大きくなる。ポリシリコン膜１２０と層間絶縁膜１６との界面で反射が生じる。そこで、ポリシリコン膜１２０と層間絶縁膜１６との間に、シリコン窒化膜２２１が形成される。シリコン窒化膜２２１は屈折率が２．０である。これは、ポリシリコン膜１２０の屈折率と層間絶縁膜１６の屈折率との中間にあたる。これによって、ポリシリコン膜１２０、シリコン窒化膜２２１、および層間絶縁膜１６の各界面における屈折率の差が小さくなり、ポリシリコン膜１２０の上方で生じる反射を低減することができる。

なお、図９に示されるように、本実施形態における固体撮像装置においても、第２の実施形態における固体撮像装置のように、絶縁膜１５と層間絶縁膜１６との少なくとも一方が省略されて形成されるとしてもよい。また、両方が省略されて形成されるとしてもよい。

なお、受光セル３００は、第２の実施形態における固体撮像装置の製造方法において、シリコン窒化膜２２１を除去する工程を省略することによって形成される。このため、ここでは、本実施形態における固体撮像装置の製造方法については、説明を省略する。

以上、本実施形態における固体撮像装置によれば、ポリシリコン膜１２０の上層にシリコン窒化膜２２１を備える。これによって、ポリシリコン膜１２０、シリコン窒化膜２２１、および層間絶縁膜１６の各界面における屈折率の差が小さくなり、ポリシリコン膜１２０の上方で生じる反射を低減することができる。

本発明は、感度の高い固体撮像装置などとして、特に、入射光の反射ロスを低減することで高感度化した固体撮像装置などとして、利用することができる。

従来における固体撮像装置の断面構造を示す図 （ａ）、（ｂ）は、従来における固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明に係わる第１の実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係わる第１の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明に係わる第２の実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図 本発明に係わる第２の実施形態における固体撮像装置の断面構造の変形例を示す図 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係わる第２の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図 本発明に係わる第３の実施形態における固体撮像装置の断面構造を示す図 本発明に係わる第３の実施形態における固体撮像装置の断面構造の変形例を示す図

符号の説明

１０ 受光セル
１１ シリコン基板
１２ フォトダイオード
１３ 酸化膜
１４ ゲート電極
１５ 絶縁膜
１６ 層間絶縁膜
１７ 遮光膜
１８ 層間絶縁膜
１９ マイクロレンズ
２０ シリコン窒化膜
２１ レジスト
１００ 受光セル
１２０ ポリシリコン膜
１２１ レジスト
２００ 受光セル
２２０ ポリシリコン酸化膜
２２１ シリコン窒化膜
３００ 受光セル

Claims (10)

1. 入射光に応じて電荷を蓄積するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードが形成されている半導体基板と、
   前記半導体基板の面のうち、前記入射光が入射する面に形成されている絶縁膜と、
   前記フォトダイオードの上方かつ前記絶縁膜の上層に反射防止膜として形成されているポリシリコン膜と
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ポリシリコン膜は、膜厚が１５ｎｍから６０ｎｍの範囲で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、さらに、前記絶縁膜の上層かつ前記ポリシリコン膜と同じ層に形成されているポリシリコン酸化膜
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記フォトダイオードの上方に開口部が形成されている遮光膜と、
   前記フォトダイオードで蓄積されている電荷を取り出して転送する電荷転送電極と、
   前記遮光膜と前記電荷転送電極とを絶縁する少なくとも１層以上の層間絶縁膜と
   を備え、
   前記少なくとも１層以上の層間絶縁膜のいずれかに前記ポリシリコン酸化膜が形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記ポリシリコン酸化膜は、前記遮光膜の下層および前記電荷転送電極の上層のいずれかに形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記ポリシリコン膜の上層に形成されているシリコン窒化膜と、
   前記シリコン窒化膜の上層に形成されているシリコン酸化膜と
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
7. 入射光に応じて電荷を蓄積するフォトダイオードを半導体基板に形成するフォトダイオード形成工程と、
   前記半導体基板の面のうち、前記入射光が入射する面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記フォトダイオードの上方かつ前記絶縁膜の上層にポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成工程と
   を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記ポリシリコン膜形成工程は、
   前記絶縁膜の上層にポリシリコン膜を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程で形成されたポリシリコン膜のうち前記フォトダイオードの上方に位置する領域の上層にシリコン窒化膜を形成する第２の工程と、
   前記第１の工程で形成されたポリシリコン膜のうち前記シリコン窒化膜で覆われていない領域を酸化する第３の工程と
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記ポリシリコン膜形成工程は、さらに、
   前記第３の工程で酸化された後に前記第２の工程で形成されたシリコン窒化膜を除去する第４の工程
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、
    前記フォトダイオードで蓄積されている電荷を取り出して転送する電荷転送電極を、前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁膜の上層に形成する電荷転送電極形成工程と、
    前記電荷転送電極を覆うようにして１層以上の層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、
    前記１層以上の層間絶縁膜の上層に、前記フォトダイオードの上方に開口部が形成されている遮光膜を形成する遮光膜形成工程と
    を含み、
    前記層間絶縁膜形成工程は、前記遮光膜の下層および前記電荷転送電極の上層のいずれかに、前記層間絶縁膜としてポリシリコン酸化膜を形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。

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