JP2008103664A - 裏面照射型撮像素子の製造方法および裏面照射型撮像素子、並びにこれを備えた撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1半導体支持基板と該第1半導体支持基板上に絶縁層を介して形成された導電型半導体層とから成るSOI基板 に対して、導電型半導体層内に受光部を含む光電変換領域および該光電変換領域で発生する信号電荷を信号出力部に転送するための電荷転送部を形成する第1ステップS11と、SOI基板の第1半導体支持基板とは反対側の面を第2半導体支持基板に固定する第2ステップS12と、SOI基板から第1半導体支持基板を除去する第3ステップS13と、SOI基板の導電型半導体層にゲッタリング用のイオン注入を行う第4ステップS14と、を含むようにした。
【選択図】図7
Description
特許文献1には、裏面照射型撮像素子において縦型オーバーフロードレイン機構を採用した構成が開示されている。
(1) 半導体基板の電極が形成される表面側に対し反対の裏面側から入射する光を受光し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子を製造するための裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
第1半導体支持基板と該第1半導体支持基板上に絶縁層を介して形成された導電型半導体層とから成るSOI基板に対して、前記導電型半導体層内に受光部を含む光電変換領域および該光電変換領域で発生する信号電荷を信号出力部に転送するための電荷転送部を形成する第1ステップと、
前記SOI基板の前記第1半導体支持基板とは反対側の面を第2半導体支持基板に固定する第2ステップと、
前記SOI基板から前記第1半導体支持基板を除去する第3ステップと、
前記SOI基板の前記導電型半導体層にゲッタリング用のイオン注入を行う第4ステップと、
を含む裏面照射型撮像素子の製造方法。
前記第4ステップのイオン注入前に、前記導電型半導体層上の前記絶縁膜を除去する工程を含む裏面照射型撮像素子の製造方法。
前記絶縁膜を除去した前記導電型半導体層上に保護膜を形成する工程を含み、前記第4ステップのイオン注入が、前記保護膜を通じて前記導電型半導体層にイオン注入する工程である裏面照射型撮像素子の製造方法。
前記第4ステップのイオン注入は、炭素、酸素、フッ素、シリコン、水素、及び窒素のいずれかのイオンを用いる裏面照射型撮像素子の製造方法。
前記第4ステップのイオン注入後に、500℃以下の環境で低温アニール処理を行う裏面照射型撮像素子の製造方法。
前記半導体基板の表面側に、受光部を含む光電変換領域および該光電変換領域で生成された信号電荷を信号出力部に転送するための電荷転送部が形成され、
前記半導体基板の裏面側の表面層に、イオン注入により形成したゲッタリング用の不純物層を有する裏面照射型撮像素子。
前記裏面照射型撮像素子からの出力信号から画像信号を生成する画像信号生成手段と、を備えた撮像装置。
以下、本発明の第1の実施の形態について図1〜図6を参照して説明する。
本実施の形態では、裏面照射型撮像素子の基本的構成とその製造方法について説明する。
図1は、本発明の実施形態を説明するためのインターライン型の裏面照射型撮像素子の部分断面模式図である。
・量子効率が高まり、感度が向上する。
・長波長の感度が高くなる。
・近赤外の感度が飛躍的に高くなる。
(2)上記中間層に、2×1014/cm3以下のn層と、2×1014/cm3以下のp層とを含む構成
(3)(2)のn層とp層の間に、1×1014/cm3以下のn層、1×1014/cm3以下のp層、及びi層のうちの少なくとも1つを含む構成
図2に示すように、n+層6と光電変換領域においてそれぞれ電位井戸が形成され、p+層5がこれらの電位井戸同士の間のバリアとして機能していることが分かる。光電変換領域に形成される電位井戸の飽和容量を超えた電荷は、n+層6に形成される電位井戸に流れ込み、流れ込んだ電荷は電極7に移動することで、外部に排出される。このため、n+層6に接続される電極7に印加する電圧を変化させてp+層5のバリアの高さを調整することで、n層4の飽和容量の制御が可能となる。例えば、信号を加算して読み出す動画撮影モード時においては、n層4の飽和容量を減少させる制御を行うことで、電荷転送チャネル12でのオーバーフローを防ぐことができる。
図3において、符号aは電荷転送チャネル12の空乏層の垂直方向の長さを示し、符号bは、電荷転送チャネル12の空乏層の水平方向の長さを示し、符号cは、p基板30の垂直方向の長さを示し、符号dは、n層4の配列ピッチを示している。図3に示すモデルでは、絶縁層9の変わりに、光を吸収する光吸収層21を設けたものとしている。
図5は、裏面照射型撮像素子100に用いるSOI基板の製造工程を説明するための図である。図5において、図1と同様の構成には同一符号を付してある。
裏面照射型撮像素子100のオーバーフロードレインの特性を不安定にする要因として、p+層5とn+層6との合わせずれ、n+層6と電極7との合わせずれ、絶縁層9内に形成されたコンタクトホールへの電極7の被覆不良等が考えられる。このような合わせずれや被覆性の改善のためには、平面視において、p+層5とn+層6の面積を大きくし、電極7の面積を大きくすることが最も簡単な策であるが、このような策は、画素の微細化を進める上で大きな障害となってしまう。そこで、本実施形態では、合わせずれや被覆性の改善と、画素の微細化とを同時に実現可能な方法を提案する。
まず、図5(f)の状態から、p基板30の表面上方からイオン注入等によってn層4とその上のp+層5を形成した後、p基板30表面上に絶縁層9を形成し、平面視において、p+層5と重なる絶縁層9の領域の一部に、フォトリソフラフィ法とエッチングによってコンタクトホールHを形成する(図6(a))。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成し、絶縁層3側からSIMOX(Separation by IMplanted OXgen)を行って絶縁層3内に汚染不純物を固着する。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成する方法としては、この界面に絶縁層3側からフッ素や炭素を注入する方法がある。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成し、その後、エッチング等で絶縁層3、ゲッタリングサイトまでを除去した後、低温酸化(ラジカル酸化等)を行って絶縁層3の代わりとなる絶縁層を形成する。
・遮光部材17を、特定のカラーフィルタ18については、そのカラーフィルタ18と高屈折率透明層16との間の全面に設けておく。このような構成により、特定のカラーフィルタ18を透過した光を検出する光電変換領域を、光学的黒レベルを検出するための光電変換領域とすることができる。特定のカラーフィルタ18の位置を、裏面照射型撮像素子100の周辺とすれば、通常の撮像素子と同様に、スミア補正や黒レベル補正が可能となる。また、この場合、カラーフィルタ層と絶縁層3との間に遮光部材17を設ける構成であるため、この製造が容易である。
・p++層2をp型のアモルファスSiCからなる層に変更し、絶縁層3をITO等の入射光に対して透明な透明電極とし、この透明電極に電圧を印加できる構成としておく。
・p基板1を複数の不純物拡散層で構成する場合には、各不純物拡散層を、プロセスを分けて形成する。
・p基板1を複数の不純物拡散層で構成する場合には、各不純物拡散層を同一プロセスでガス雰囲気濃度をアナログ的に変化させながら形成する。
次に、第1の実施の形態における裏面照射型撮像素子の製造工程に関するより詳細な具体例を、第2の実施の形態として図7〜図10を参照しながら以下に説明する。
図7は第2の実施の形態において裏面照射型撮像素子を製造するための工程の概略を示すフローチャート、図8は第2の実施の形態の裏面照射型撮像素子の構成を示す縦断面図、図9及び図10は第2の実施の形態の各工程における裏面照射型撮像素子の構成をそれぞれ(a),(b),(c)に示す縦断面図である。
上記構成によれば、最終形状で半導体基板となる半導体層51(図9(a)参照)は、受光部を含む光電変換領域63および光電変換領域63で生成された信号電荷を転送する転送部が形成され、光入射側となる裏面側の表面層、すなわちP+層61の表面には、絶縁層52が形成されている。そして、P+層61の絶縁膜52との界面、あるいは界面から所定の深さ位置にイオン注入により形成したゲッタリング用の不純物層61aが形成されている。
また、絶縁層52を除去した後、低温CVD(Chemical Vapor Deposition)や低温酸化等の処理を施すことにより所望の厚みの絶縁層(保護膜)を絶縁層52の代わりに新たに付け直し、この保護膜を通じてP+層61にイオン注入してもよい。この場合には、保護膜が、表面に露出されたP+層61を保護することで、無用な損傷を受けることを防止できる。但し、保護膜の形成は、メタル配線後の処理になるため、最大温度を400〜500℃に制限して行う。
図11は本発明に係る裏面照射型撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック図である。
図示するデジタルカメラは、撮影レンズ141と、前述の裏面照射型撮像素子100と、この両者の間に設けられた絞り142と、赤外線カットフィルタ145と、光学ローパスフィルタ147とを備える。
なお、上記のデジタルカメラは、静止画撮影、動画撮影のいずれにも適用ができるものであり、したがって、本発明に係る撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなど、種々の撮像手段に適用することができる。
2 p++層
3,9,14 絶縁層
4 n層
5 p+層(オーバーフローバリア)
6 n+層(オーバーフロードレイン)
7,8 電極
10 保護層
11 p層
12 電荷転送チャネル
13 電荷転送電極兼電荷読み出し電極
15 素子分離層
16 高屈折率透明層
17 遮光部材
18 カラーフィルタ
19 マイクロレンズ
20 ゲート絶縁膜
50 半導体基板
51 半導体層(SOI層)
52 絶縁層
53 第1半導体支持基板
61 p+層
62 p層
63 光電変換領域(n型半導体領域)
64 p+層
65 n+領域
66 電荷転送領域(n−領域)
67 n+ポリシリコン領域
68 絶縁層
69 電極(タングステン)
70 電極(アルミニウム)
71 絶縁層
80 第2半導体支持基板
81,82 境界面
91 平坦化層(レジスト)
92 カラーフィルタ
93 マイクロレンズ
Claims (7)
- 半導体基板の電極が形成される表面側に対し反対の裏面側から入射する光を受光し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子を製造するための裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
第1半導体支持基板と該第1半導体支持基板上に絶縁層を介して形成された導電型半導体層とから成るSOI基板に対して、前記導電型半導体層内に受光部を含む光電変換領域および該光電変換領域で発生する信号電荷を信号出力部に転送するための電荷転送部を形成する第1ステップと、
前記SOI基板の前記第1半導体支持基板とは反対側の面を第2半導体支持基板に固定する第2ステップと、
前記SOI基板から前記第1半導体支持基板を除去する第3ステップと、
前記SOI基板の前記導電型半導体層にゲッタリング用のイオン注入を行う第4ステップと、
を含む裏面照射型撮像素子の製造方法。 - 請求項1記載の裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
前記第4ステップのイオン注入前に、前記導電型半導体層上の前記絶縁膜を除去する工程を含む裏面照射型撮像素子の製造方法。 - 請求項2記載の裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
前記絶縁膜を除去した前記導電型半導体層上に保護膜を形成する工程を含み、前記第4ステップのイオン注入が、前記保護膜を通じて前記導電型半導体層にイオン注入する工程である裏面照射型撮像素子の製造方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項記載の裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
前記第4ステップのイオン注入は、炭素、酸素、フッ素、シリコン、水素、及び窒素のいずれかのイオンを用いる裏面照射型撮像素子の製造方法。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項記載の裏面照射型撮像素子の製造方法であって、
前記第4ステップのイオン注入後に、500℃以下の環境で低温アニール処理を行う裏面照射型撮像素子の製造方法。 - 半導体基板の電極が形成される表面側に対し反対の裏面側から入射する光を受光し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、
前記半導体基板の表面側に、受光部を含む光電変換領域および該光電変換領域で生成された信号電荷を信号出力部に転送するための電荷転送部が形成され、
前記半導体基板の裏面側の表面層に、イオン注入により形成したゲッタリング用の不純物層を有する裏面照射型撮像素子。 - 請求項6記載の裏面照射型撮像素子と、
前記裏面照射型撮像素子からの出力信号から画像信号を生成する画像信号生成手段と、を備えた撮像装置。
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