JP2009238985A - 半導体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】車載用赤外線イメージセンサに必要な高速性や、暗所監視イメージセンサの高感度化を安価に実現する。
【解決手段】第1導電型の半導体基板1とその表面側に局所的に形成された第2導電型半導体2とのPN接合部に生じる空乏層領域3を光電変換領域とするフォトダイオードPDと、半導体基板1の表面側に形成されフォトダイオードPDとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路10とを含む半導体撮像素子において、半導体基板1に空洞4を形成し、その空洞4を介して半導体基板1の裏面(または側面または表面側)から光をフォトダイオードPDの光電変換領域へ照射する構成とした。これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。反射膜5を設けることで、反射光が再度PN接合部を通過するので、さらに高感度となる。
【選択図】図1
【解決手段】第1導電型の半導体基板1とその表面側に局所的に形成された第2導電型半導体2とのPN接合部に生じる空乏層領域3を光電変換領域とするフォトダイオードPDと、半導体基板1の表面側に形成されフォトダイオードPDとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路10とを含む半導体撮像素子において、半導体基板1に空洞4を形成し、その空洞4を介して半導体基板1の裏面(または側面または表面側)から光をフォトダイオードPDの光電変換領域へ照射する構成とした。これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。反射膜5を設けることで、反射光が再度PN接合部を通過するので、さらに高感度となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体撮像素子の受光感度を高めるための画素回路構造およびその製造方法に関するものであり、特にシリコン半導体素子で直接検知することができる波長1100nm以下の近赤外光に対して、高い受光感度の撮像装置を安価に実現する技術に関する。
CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージャーなどに代表される半導体撮像素子は、ビデオカメラやデジタルカメラなどに用いられており、撮像画像の光信号を電気信号に変換するための、廉価で消費電力の少ないイメージセンサとして広く普及している。それらの多くは、人の目と同様の画像検知特性の実現を目的としており、可視光のセンシングを効率良く高感度にするために主にシリコン半導体で作られている。光信号を高効率で電気信号に変換できる内部光電効果は、半導体のバンドギャップにより変換可能な光の波長が決まり、シリコン半導体の場合、可視光から近赤外線の波長範囲(400nm〜1100nm)を検知することができる。
しかしながら、近赤外線は、可視光より波長が長いためシリコン半導体内での吸収係数が小さく、その侵入長は数十μm〜数百μmに及ぶ。その結果、近赤外線の受光感度が低下する問題が生じる。内部光電効果で発生する電荷を効率良く収集できるのは、PN接合部の空乏層領域であるが、一般的な半導体素子ではPN接合部は数μm程度より浅い所にあり、入射される近赤外線の殆どがそれより深い領域で電子を励起するので、それらは収集される前に再結合して消滅してしまうのである。
近赤外線は、可視光に近い性質を持つため、「人の目には見えないが、可視光に似た性質の光」として様々な所で利用されている。例えば、明るくすることができない場所を近赤外線で照らして監視する監視装置や、明るい場所でも近赤外線を照射してその反射光を検知する車載装置などに用いられている。
近赤外線の高感度化は、短い受光時間(露光時間)で撮像することを可能とすることから、高速な画像取得が必要な車載用イメージセンサなどでは不可欠な技術と言える。
近赤外線の高感度化は、短い受光時間(露光時間)で撮像することを可能とすることから、高速な画像取得が必要な車載用イメージセンサなどでは不可欠な技術と言える。
図16に基本的な画素回路の例を示す。逆バイアスされたフォトダイオード(以下、「PD」という。)のPN接合部に生じる空乏層領域において、内部光電効果で発生した電子と正孔のペアは空乏層内の電界によって急速に分離され電流となる。その電流量は、入射光量に比例することから、光信号を電気信号に変換することができる。MOSトランジスタM0はリセット用のスイッチとして機能し、バイアス電圧VbがVd−Vth(Vd:電源電圧=リセット信号Rstのオン電圧、Vth:M0のしきい値電圧)より低い場合、PDのバイアス電圧はリセット直後にVbとなる。その後、MOSトランジスタM0はオフとなり、PDに入射される光量に比例した電流が流れ、PDノード(M1のゲートに接続されているノード)の電荷が減少する。一定時間(露光時間)後、PDノードの電圧は入射光量に反比例した電圧となる。そこで、その電圧をMOSトランジスタM1で電流増幅してOut端子から読み出す。MOSトランジスタM2は読み出し用スイッチの役割を果たす。一般のイメージセンサでは、各画素の出力端子を行もしくは列毎に共通接続しているので、読み出し用スイッチトランジスタを列もしくは行毎にオンにして、共通接続されている画素回路の内一つの信号を選択して読み出せるようになっている。
図17に従来のイメージセンサにおける画素回路のデバイス断面構造例を示す。先に述べたように、光信号を検知できるPDの接合領域aは、一般に数μmより浅い所に形成されているので、近赤外線のような波長が長い光を、高感度に検知することができない。
特許文献1には、光吸収層(接合領域の層)を薄くしても高い量子効果が得られ、しかも、高速応答並びに耐高光入力が可能であり、かつ、高受信感度の半導体受光素子を提供するために、基板の上に緩衝層、光吸収層、窓層を形成し、基板の裏面から緩衝層まで穴を開け、穴の底に高反射膜を形成した半導体受光素子が開示されている。
前掲の特許文献1に開示された半導体受光素子では、基板の裏面から緩衝層まで穴を開け、穴の底に高反射膜を設けることにより、受光部である窓層側から入射した光は光吸収層で吸収され、キャリアとなって外部回路に電流が流れるが、吸収されずに透過した光は、緩衝層を透過した後、高反射膜によって再び光吸収層に戻り、再度吸収されるため、十分な量子効率が得られる、というものである。
しかしながら、受光部である窓層側には、電極や配線パターン等が形成されているため、入射した光は、全部は光吸収層に届かず、構造上、量子効率すなわち受光感度を高めることに限界がある。
そこで本発明は、車載用赤外線イメージセンサに必要な高速性や、暗所監視イメージセンサの高感度化を安価に実現するために、従来の画素回路構成および素子製造プロセスを大幅に変更することなく、近赤外線に対する受光感度を高める構造を有する半導体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の第1の構成の半導体撮像素子は、第1導電型の半導体基板と第1導電型の半導体基板の表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのPN接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、半導体基板の表面側に形成されフォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、半導体基板の裏面に空洞を形成し、その空洞を介して半導体基板の裏面から光をフォトダイオードの光電変換領域へ照射する構成としたことを特徴とする。
本発明においては、近赤外線イメージセンサを安価に実現するために、従来の可視光イメージセンサの画素回路構成と素子製造プロセスはそのままに、デバイス形状を追加加工することによって高感度化を実現する。
具体的には、従来の画素回路構成と素子製造プロセスによって製造された半導体撮像素子の画素回路領域にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加工技術を用い、半導体基板の裏面に空洞を形成する。これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。これにより、近赤外線に対する受光感度を高めることができる。
具体的には、従来の画素回路構成と素子製造プロセスによって製造された半導体撮像素子の画素回路領域にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加工技術を用い、半導体基板の裏面に空洞を形成する。これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。これにより、近赤外線に対する受光感度を高めることができる。
さらに、半導体基板表面側の光電変換領域の上部を、光反射性の金属配線層からなる反射膜で覆うことにより半導体基板の裏面の空洞部より入射される近赤外線はフォトダイオードのPN接合部を通った後反射膜で反射され、再びPN接合部を通過するので、受光感度をさらに高めることができる。
前記反射膜は、その直下のフォトダイオードの一方の電極と電気的に接続された構成とすることにより、発生した電荷の収集を効率的に行うことができる。
本発明の第2の構成は、第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板の表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのPN接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、前記半導体基板の表面側に形成され前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、前記画素回路の周辺の前記半導体基板の表面に所定の深さの空洞を備え、その空洞を通して光を前記光電変換領域へ照射する構成としたことを特徴とする。
この第2の構成においては、近赤外光の入射は半導体基板の側面からとなる。側部の空洞から入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。これにより、近赤外線に対する受光感度を高めることができる。
前記光を照射する空洞と前記画素回路とを挟む位置に第二の空洞を設け、その画素回路側領域を金属配線層からなる反射膜で覆うことにより、半導体基板の側部より入射される近赤外線はフォトダイオードのPN接合部を通った後反射膜で反射され、再びPN接合部を通過するので、受光感度をさらに高めることができる。
本発明の第3の構成は、第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板上に形成された第2導電型半導体とからなるフォトダイオードの光電変換領域の表面に、前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路を形成した半導体撮像素子において、前記画素回路の周辺の前記第1導電型の半導体基板の表面に空洞を備え、かつ、前記画素回路に対向する側面を金属配線層からなる反射膜で覆い、前記空洞および前記反射膜を介して光を前記画素回路へ照射する構成としたことを特徴とする。
この第3の構成においては、半導体基板の表面から入射させた赤外光は、縦方向に伸びた空洞の内部の反射膜で反射させた後に空洞の側面より信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を長い時間通過することができる。これにより、近赤外線に対する受光感度を高めることができる。
前記光を照射する空洞と前記画素回路とを挟む位置に第二の空洞を設け、その画素回路側領域を金属配線層からなる反射膜で覆うことにより、半導体基板の側部より入射される近赤外線はフォトダイオードのPN接合部を通った後反射膜で反射され、再びPN接合部を通過するので、受光感度をさらに高めることができる。
本発明の第4の構成は、第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板上に形成された第2導電型半導体とからなるフォトダイオードの光電変換領域の表面に、前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路を形成した半導体撮像素子において、前記画素回路領域の周辺に空洞を備え、かつ、その空洞の側面に形成された拡散層によりPN接合領域が設けられていることを特徴とする。
この第4の構成においては、アスペクト比の高い空洞壁面にフォトダイオード部を作製する。赤外光を表面から入射することで縦方向に伸びたフォトダイオード部での赤外光を効果的に吸収させることができる。
以上の構成によって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのPN接合部を反射光を含めより長い時間通過させることができる。さらに、画素回路表面の保護膜および配線膜で吸収および反射がなくなる。結果、従来は大半の電荷がシリコン内での再結合、保護膜での吸収および金属膜での反射により失われていたものが信号として収集検知できるようになり受光感度を向上させることができる。
チップ裏面を加工する場合、裏面からPD接合領域までの距離を近赤外線のシリコン半導体内の侵入長(数十μm〜百μm程度)と同程度の均一な厚さにすることにより赤外光の吸収が効率的に行われ、画素間の検出効率のばらつきを抑えることができる。
チップ裏面を加工する場合、裏面からPD接合領域までの距離を近赤外線のシリコン半導体内の侵入長(数十μm〜百μm程度)と同程度の均一な厚さにすることにより赤外光の吸収が効率的に行われ、画素間の検出効率のばらつきを抑えることができる。
本発明の第5の構成は、前記の半導体撮像素子を製造する方法であって、前記半導体撮像素子の半導体基板に形成する空洞は、SOI基板を利用し残膜制御することにより製造することを特徴とする。
前記残膜制御は、高濃度不純物導入したシリコン基板を利用し、かつエッチング時のプラズマスペクトルの変化により行うことにより、0.1μmオーダーの残膜制御をエッチング時に行うことが可能となる。
前記残膜制御は、空洞底面に入射したレーザの空洞底面およびチップ表面での反射レーザの干渉をモニターして行うことにより、任意の残膜厚の制御をエッチング時に行うことが可能となる。
前記残膜制御は、空洞底面に入射したレーザの透過光の強度および干渉をモニターして行うことにより、任意の残膜圧の制御をエッチング時に行うことが可能となる。
前記空洞の内面を曲面に形成する場合、ボッシュプロセスにおいてフッ素ラジカルを主とするエッチングを行うことにより、効率的な曲面形成を行うことが可能となる。
前掲の半導体撮像素子の製造方法であって、前記空洞部内の片側の壁面に金属膜を形成する場合、基板凸部をマスクとして斜め方向から金属膜を堆積することができる。これにより、空洞部内の片側の金属膜形成を空洞部内の反対側の側壁にマスクを形成することなく効率的に行うことが可能となる。
前掲の半導体撮像素子の製造方法であって、CVD法(気相化学堆積法)により空洞側面に作製した薄膜を拡散源としてPN接合領域を形成することができる。これにより、既存の確立された技術を利用してのPN接合領域形成が可能となる。
前掲の半導体撮像素子の製造方法であって、気体を拡散源として空洞側面におけるPN接合領域を形成することができる。これにより、既存の確立された技術を利用してのPN接合領域形成が可能となる。
本発明によれば、第1導電型の半導体基板と第1導電型の半導体基板の表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのPN接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、半導体基板の表面側に形成されフォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、半導体基板の裏面または表面に空洞を形成し、その空洞を介して半導体基板の裏面から光をフォトダイオードの光電変換領域へ照射する構成としたことにより、比較的簡単な追加加工により従来の半導体撮像素子の近赤外線感度を向上させることができるので、高速性が要求される車載用近赤外線センサや高感度の暗所監視センサ等に用いる半導体撮像素子を比較的安価に提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。
図1において、本実施の形態1の半導体撮像素子は、P型Siの半導体基板1と、半導体基板1の表面側に局所的に形成されたN型ウエル層2とのPN接合部に生じる空乏層領域3を光電変換領域とするフォトダイオードPDを有している。半導体基板1の表面側には、P+層(高濃度+イオン注入領域)11、N+層(高濃度-イオン注入領域)12〜17が形成され、N+層12と13、15と16、16と17に跨るように、絶縁層(図示せず)を介してゲート電極層21,22,23が形成される。ゲート電極層21,22,23は、図16の画素回路のMOSトランジスタM0,M1,M2のゲートを構成する。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。
図1において、本実施の形態1の半導体撮像素子は、P型Siの半導体基板1と、半導体基板1の表面側に局所的に形成されたN型ウエル層2とのPN接合部に生じる空乏層領域3を光電変換領域とするフォトダイオードPDを有している。半導体基板1の表面側には、P+層(高濃度+イオン注入領域)11、N+層(高濃度-イオン注入領域)12〜17が形成され、N+層12と13、15と16、16と17に跨るように、絶縁層(図示せず)を介してゲート電極層21,22,23が形成される。ゲート電極層21,22,23は、図16の画素回路のMOSトランジスタM0,M1,M2のゲートを構成する。
半導体基板1の裏面側には、空乏層領域3に対応する位置に空洞4が形成されている。そして、空洞4に対向する半導体撮像素子1の表面側には透明な絶縁層(図示せず)を介して光反射性の金属配線層からなる反射膜5が形成されている。
この実施の形態1においては、空洞4の底部が、空乏層領域3に近接した位置に達している。したがって、半導体基板1の裏面側から入射光を照射すると、その光は空洞4の底部から半導体基板1のP-層(P-基板)を介して空乏層領域3に達し、光の一部は光電変換されて電子と正孔のペアが生じる。その電子と正孔のペアは、空乏層領域3内の電界によって急速に分離され、アースに接続されるP+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。入射光の一部は、空乏層領域3、N型ウエル層2を通過し、反射膜5で反射し、N型ウエル層2を介して再び空乏層領域3に入射され、光電変換されて、P+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。このようにして、入射光は直接光と反射光の両方が空乏層領域3を通過するので、量子効率すなわち受光感度を高めることができる。
この実施の形態1においては、空洞4の底部が、空乏層領域3に近接した位置に達している。したがって、半導体基板1の裏面側から入射光を照射すると、その光は空洞4の底部から半導体基板1のP-層(P-基板)を介して空乏層領域3に達し、光の一部は光電変換されて電子と正孔のペアが生じる。その電子と正孔のペアは、空乏層領域3内の電界によって急速に分離され、アースに接続されるP+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。入射光の一部は、空乏層領域3、N型ウエル層2を通過し、反射膜5で反射し、N型ウエル層2を介して再び空乏層領域3に入射され、光電変換されて、P+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。このようにして、入射光は直接光と反射光の両方が空乏層領域3を通過するので、量子効率すなわち受光感度を高めることができる。
<実施の形態2>
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態2は、実施の形態1におけるN+層14をN型ウエル層2の部分に複数設け、これらと反射膜6を電気的に接続して、光電変換された電流の収集電極を兼用した反射膜6としたものである。他の構成および作用は実施の形態1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
この実施の形態2においては、反射膜6と複数のN+層14を電気的に接続したことにより、実施の形態1と比べて、発生した電荷の収集効率を高めることができる。
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態2は、実施の形態1におけるN+層14をN型ウエル層2の部分に複数設け、これらと反射膜6を電気的に接続して、光電変換された電流の収集電極を兼用した反射膜6としたものである。他の構成および作用は実施の形態1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
この実施の形態2においては、反射膜6と複数のN+層14を電気的に接続したことにより、実施の形態1と比べて、発生した電荷の収集効率を高めることができる。
<実施の形態3>
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態3は、実施の形態1における空洞4が画素単位であったのに対し、複数の画素回路10−1,10−2の領域にわたって空洞4を形成したものである。他の構成及び作用は実施の形態1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態3は、実施の形態1における空洞4が画素単位であったのに対し、複数の画素回路10−1,10−2の領域にわたって空洞4を形成したものである。他の構成及び作用は実施の形態1と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
<実施の形態4>
図4は、本発明の実施の形態4に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態4は、画素回路10の周辺の半導体基板1の表面に所定の深さの空洞4を備え、その空洞4を通して光を光電変換領域である空乏層領域3へ照射する構成とし、さらに、画素回路10の、空洞4を形成していない側の半導体基板1に表側から第2の空洞7を形成し、その第2の空洞7の画素回路10側の壁部に、光反射性の金属配線層からなる第2の反射膜8を形成する。
図4は、本発明の実施の形態4に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態4は、画素回路10の周辺の半導体基板1の表面に所定の深さの空洞4を備え、その空洞4を通して光を光電変換領域である空乏層領域3へ照射する構成とし、さらに、画素回路10の、空洞4を形成していない側の半導体基板1に表側から第2の空洞7を形成し、その第2の空洞7の画素回路10側の壁部に、光反射性の金属配線層からなる第2の反射膜8を形成する。
この実施の形態4においては、画素回路10の側部の空洞4から光が入射すると、その光は空洞4の側壁から半導体基板1のP-層を介して空乏層領域3に達し、光の一部は光電変換されて電子と正孔のペアが生じる。その電子と正孔のペアは、空乏層領域3内の電界によって急速に分離され、アースに接続されるP+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。入射光の一部は、半導体基板1のP-層、空乏層領域3、N型ウエル層2を通過し、再び半導体基板1を介して反射膜8で反射し、再び空乏層領域3に入射され、光電変換されて、P+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。このようにして、入射光は直接光と反射光の両方が空乏層領域3を通過するので、量子効率すなわち受光感度を高めることができる。なお、(第1の)反射膜5は、入射光の方向とは平行な面を持つが、N型ウエル層2における乱反射光を反射させて空乏層領域3に再入射させ、受光感度をさらに高める。
<実施の形態5>
図5は、本発明の実施の形態5に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態5は、画素回路10の周辺の半導体基板1の表面に所定の深さの曲面状の空洞4を備え、その空洞4の片方の面(画素回路10とは対向する面)に光反射性の金属配線層からなる反射膜9を形成したものである。その反射膜9の形態は、上方から入射光が入射したときに、その曲面で反射され、N型ウエル層2の領域に収束するようにしたものである。
図5は、本発明の実施の形態5に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態5は、画素回路10の周辺の半導体基板1の表面に所定の深さの曲面状の空洞4を備え、その空洞4の片方の面(画素回路10とは対向する面)に光反射性の金属配線層からなる反射膜9を形成したものである。その反射膜9の形態は、上方から入射光が入射したときに、その曲面で反射され、N型ウエル層2の領域に収束するようにしたものである。
この実施の形態5においては、画素回路10の側部の空洞4の上方から光が入射すると、その光は空洞4の側壁に形成された反射膜9の曲面により反射され、半導体基板1のP-層を介して空乏層領域3に収束し、空乏層領域3において光が光電変換されて電子と正孔のペアが生じる。その電子と正孔のペアは、空乏層領域3内の電界によって急速に分離され、アースに接続されるP+層11とN+層13,14との間に電流が流れる。このようにして、入射光は反射膜の曲面で反射して収束するので、量子効率すなわち受光感度を高めることができる。なお、(第1の)反射膜5の面は、入射光の方向とは垂直ではないが、N型ウエル層2における乱反射光を反射させて空乏層領域3に再入射させ、受光感度をさらに高める。
<実施の形態6>
図6は、本発明の実施の形態6に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態6は、実施の形態5が単数の画素回路10の例であるのに対し、複数の画素回路10(図面には1つのみ示す)のそれぞれに空洞4と反射膜9を設けた例を示す。その他の構成及び作用は、実施の形態5と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。この実施の形態6は、複数のイメージセンサを並べたラインセンサに適用することができる。
図6は、本発明の実施の形態6に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態6は、実施の形態5が単数の画素回路10の例であるのに対し、複数の画素回路10(図面には1つのみ示す)のそれぞれに空洞4と反射膜9を設けた例を示す。その他の構成及び作用は、実施の形態5と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。この実施の形態6は、複数のイメージセンサを並べたラインセンサに適用することができる。
<実施の形態7>
図7は、本発明の実施の形態7に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態7は、空乏層領域3が生じるPN接合部を縦に長い空洞4の側面(入射光にほぼ平行)に形成することで、上部から入射される近赤外線の光路を長くすることができ、高感度となる。
図7は、本発明の実施の形態7に係る半導体撮像素子の構造を示す断面図である。この実施の形態7は、空乏層領域3が生じるPN接合部を縦に長い空洞4の側面(入射光にほぼ平行)に形成することで、上部から入射される近赤外線の光路を長くすることができ、高感度となる。
次に、本発明の半導体撮像素子の製造方法について説明する。
本発明の半導体撮像素子の空洞4を形成する場合、従来は、図18に示すように、シリコンウェハ41の上部に空洞形成部を除いてエッチングマスク42となるフォトレジストを形成し、SF6によるエッチングとC4F8を用いた側壁保護膜の形成を交互に繰り返し形成するものであった。しかしながら、エッチング深さ(残膜厚さ)の制御はエッチング時間の制御で行われるため、精度が悪く、しかも最終的なエッチング深さ(残膜厚さ)は外部装置で測定しなくてはならない点に問題がある。
本発明の半導体撮像素子の空洞4を形成する場合、従来は、図18に示すように、シリコンウェハ41の上部に空洞形成部を除いてエッチングマスク42となるフォトレジストを形成し、SF6によるエッチングとC4F8を用いた側壁保護膜の形成を交互に繰り返し形成するものであった。しかしながら、エッチング深さ(残膜厚さ)の制御はエッチング時間の制御で行われるため、精度が悪く、しかも最終的なエッチング深さ(残膜厚さ)は外部装置で測定しなくてはならない点に問題がある。
本発明においては、具体的な残膜制御(エッチング深さ制御)は、シリコンの高速エッチング(ボッシュプロセス)を行うと同時に、以下の方法で実現できる。
なお、ボッシュプロセスとは、主に六フッ化硫黄(SF6)を用いて等方プラズマエッチングを行うエッチングステップと、テフロン(登録商標)系のガス(C4F8など)を用いて側壁を保護する保護ステップを交互に行うエッチング方法である。
なお、ボッシュプロセスとは、主に六フッ化硫黄(SF6)を用いて等方プラズマエッチングを行うエッチングステップと、テフロン(登録商標)系のガス(C4F8など)を用いて側壁を保護する保護ステップを交互に行うエッチング方法である。
<実施例1>
図8に示すように、基板31として、第1Si層311と、SiO2層312と、第2Si層313を有するSOI(Silicon On Insulator)ウェーハを用いる。そして、第2Si層313の表面にエッチングマスク32を形成し、第2Si層313のエッチングおよび側面保護を行い、エッチング選択比の高いSiO2層312で縦方向のエッチングを停止させることができる。これにより、プロセスマージンを大きく取ることができると共に高精度の残膜厚の制御が可能となる。
図8に示すように、基板31として、第1Si層311と、SiO2層312と、第2Si層313を有するSOI(Silicon On Insulator)ウェーハを用いる。そして、第2Si層313の表面にエッチングマスク32を形成し、第2Si層313のエッチングおよび側面保護を行い、エッチング選択比の高いSiO2層312で縦方向のエッチングを停止させることができる。これにより、プロセスマージンを大きく取ることができると共に高精度の残膜厚の制御が可能となる。
<実施例2>
図9に示すように、厚さ0.1μm以下の高濃度不純物層331を形成したウェーハ33を用い、分光器34でプラズマ分光スペクトルを観測し、そのプラズマ分光スペクトルが変化したことによりエッチングを停止させる。これにより、0.1μmオーダーの残膜厚制御をエッチング時に行うことが可能となる。
図9に示すように、厚さ0.1μm以下の高濃度不純物層331を形成したウェーハ33を用い、分光器34でプラズマ分光スペクトルを観測し、そのプラズマ分光スペクトルが変化したことによりエッチングを停止させる。これにより、0.1μmオーダーの残膜厚制御をエッチング時に行うことが可能となる。
<実施例3>
図10に示すように、Siウェーハ35の空洞底面と画素回路表面(図では下面)におけるレーザ干渉を利用し、残膜をモニターしながらエッチングを行う。これにより任意の残膜厚の制御をエッチング時に行うことが可能となる。
図10に示すように、Siウェーハ35の空洞底面と画素回路表面(図では下面)におけるレーザ干渉を利用し、残膜をモニターしながらエッチングを行う。これにより任意の残膜厚の制御をエッチング時に行うことが可能となる。
<実施例4>
図11に示すように、Siウェーハ35の空洞底面のレーザ透過光を利用し、残膜をモニターしながらエッチングを行う。これには、レーザ光の一部を透過し一部を反射するハーフミラー36と全反射するミラー37を用い、ハーフミラー36を透過したレーザ光を空洞底面に当て、その透過光と、ミラー37で反射したレーザ光との干渉強度を測定することにより残膜をモニターする。これにより任意の残膜厚の制御をエッチング時におこなうことが可能となる。
図11に示すように、Siウェーハ35の空洞底面のレーザ透過光を利用し、残膜をモニターしながらエッチングを行う。これには、レーザ光の一部を透過し一部を反射するハーフミラー36と全反射するミラー37を用い、ハーフミラー36を透過したレーザ光を空洞底面に当て、その透過光と、ミラー37で反射したレーザ光との干渉強度を測定することにより残膜をモニターする。これにより任意の残膜厚の制御をエッチング時におこなうことが可能となる。
<実施例5>
図12は、実施の形態5,6における曲面を有する空洞を形成するための方法の例を示すものであり、Siウェーハ35に空洞4をエッチング加工する際に、フッ素ラジカルを用いることにより、側壁をエッチングし、曲面に加工する。
このように、従来のボッシュプロセスの垂直加工(異方性)でなく、エッチング条件(基板バイアス、ガス流量、ガス切り替えタイミングなど)を適正に選定することによりフッ素ラジカルを主とする等方性エッチングによる曲面加工が可能となる。
図12は、実施の形態5,6における曲面を有する空洞を形成するための方法の例を示すものであり、Siウェーハ35に空洞4をエッチング加工する際に、フッ素ラジカルを用いることにより、側壁をエッチングし、曲面に加工する。
このように、従来のボッシュプロセスの垂直加工(異方性)でなく、エッチング条件(基板バイアス、ガス流量、ガス切り替えタイミングなど)を適正に選定することによりフッ素ラジカルを主とする等方性エッチングによる曲面加工が可能となる。
<実施例6>
図13に示すように、Siウェーハ35の空洞4,7に反射膜や金属膜を堆積する際、反射膜はSiウェーハ35斜め前方に配置した金属蒸発(スパッタ)源からSiウェーハ35へ金属膜を堆積する。空洞7の凸部をマスクとして利用することで空洞壁面の片側のみに金属反射膜9を自己整合的に形成することができる。
図13に示すように、Siウェーハ35の空洞4,7に反射膜や金属膜を堆積する際、反射膜はSiウェーハ35斜め前方に配置した金属蒸発(スパッタ)源からSiウェーハ35へ金属膜を堆積する。空洞7の凸部をマスクとして利用することで空洞壁面の片側のみに金属反射膜9を自己整合的に形成することができる。
<実施例7>
図14は実施形態7における空洞壁面にPN接合を形成するための方法の例を示すものであり、Siウェーハ35の空洞4壁面にCVD(気相化学堆積法)により拡散源となる薄膜を堆積する。その後、熱処理を施すことで空洞壁面にPN接合を形成することが可能となる。この方法により、通常のPN接合作製法であるイオン注入法および拡散剤の塗布によっては実現不可能な、アスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合の形成が可能となる。
図14は実施形態7における空洞壁面にPN接合を形成するための方法の例を示すものであり、Siウェーハ35の空洞4壁面にCVD(気相化学堆積法)により拡散源となる薄膜を堆積する。その後、熱処理を施すことで空洞壁面にPN接合を形成することが可能となる。この方法により、通常のPN接合作製法であるイオン注入法および拡散剤の塗布によっては実現不可能な、アスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合の形成が可能となる。
<実施例8>
図15は実施形態7における空洞壁面にPN接合を形成するための方法の別の例を示すものであり、空洞4をもつSiウェーハ35を高温中で拡散源となる気体を流すことでアスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合を形成することが可能となる。この方法により、通常のPN接合作製法であるイオン注入法および拡散剤の塗布によっては実現不可能な、アスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合の形成が可能となる。
図15は実施形態7における空洞壁面にPN接合を形成するための方法の別の例を示すものであり、空洞4をもつSiウェーハ35を高温中で拡散源となる気体を流すことでアスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合を形成することが可能となる。この方法により、通常のPN接合作製法であるイオン注入法および拡散剤の塗布によっては実現不可能な、アスペクト比1以上の空洞壁面にPN接合の形成が可能となる。
本発明は、低コストな高感度近赤外線撮像装置として、高感度が要求される暗視用監視カメラや、高速性が要求される車載用カメラなどに利用することができる。
1 半導体基板
2 N型ウエル層
3 空乏層領域
4 空洞
5 反射膜
6 反射膜
7 空洞
8 反射膜
9 反射膜
10,10−1,10−2 画素回路
11 P+層(高濃度+イオン注入領域)
12〜17 N+層(高濃度-イオン注入領域)
21〜23 ゲート電極層
31 基板
311 第1Si層
312 SiO2層
313 第2Si層
32 エッチングマスク(フォトレジスト)
33 ウェーハ
331 高濃度不純物層
34 分光器
35 Siウェーハ
36 ハーフミラー
37 ミラー
2 N型ウエル層
3 空乏層領域
4 空洞
5 反射膜
6 反射膜
7 空洞
8 反射膜
9 反射膜
10,10−1,10−2 画素回路
11 P+層(高濃度+イオン注入領域)
12〜17 N+層(高濃度-イオン注入領域)
21〜23 ゲート電極層
31 基板
311 第1Si層
312 SiO2層
313 第2Si層
32 エッチングマスク(フォトレジスト)
33 ウェーハ
331 高濃度不純物層
34 分光器
35 Siウェーハ
36 ハーフミラー
37 ミラー
Claims (16)
- 第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板の表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのPN接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、前記半導体基板の表面側に形成され前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、
前記半導体基板の裏面に空洞を形成し、その空洞を介して前記半導体基板の裏面から光を前記フォトダイオードの光電変換領域へ照射する構成としたことを特徴とする半導体撮像素子。 - 前記半導体基板表面側の前記光電変換領域の上部を、光反射性の金属配線層からなる反射膜で覆ったことを特徴とする請求項1記載の半導体撮像素子。
- 前記反射膜は、その直下の前記フォトダイオードの一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項2記載の半導体撮像素子。
- 第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板の表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのPN接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、前記半導体基板の表面側に形成され前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、
前記画素回路の周辺の前記半導体基板の表面に所定の深さの空洞を備え、その空洞を通して光を前記光電変換領域へ照射する構成としたことを特徴とする半導体撮像素子。 - 前記光を照射する空洞と前記画素回路とを挟む位置に第二の空洞を設け、その画素回路側領域を金属配線層からなる反射膜で覆ったことを特徴とする請求項4記載の半導体撮像素子。
- 第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板上に形成された第2導電型半導体とからなるフォトダイオードの光電変換領域の表面に、前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路を形成した半導体撮像素子において、
前記画素回路の周辺の前記第1導電型の半導体基板の表面に空洞を備え、かつ、前記画素回路に対向する側面を金属配線層からなる反射膜で覆い、前記空洞および前記反射膜を介して光を前記画素回路へ照射する構成としたことを特徴とする半導体撮像素子。 - 前記光を照射する空洞と前記画素回路とを挟む位置に第二の空洞を設け、その画素回路側領域を金属配線層からなる反射膜で覆ったことを特徴とする請求項6記載の半導体撮像素子。
- 第1導電型の半導体基板と前記第1導電型の半導体基板上に形成された第2導電型半導体とからなるフォトダイオードの光電変換領域の表面に、前記フォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路を形成した半導体撮像素子において、
前記画素回路領域の周辺に空洞を備え、かつ、その空洞の側面に形成された拡散層によりPN接合領域が設けられていることを特徴とする半導体撮像素子。 - 請求項1から8のいずれかの項に記載の半導体撮像素子を製造する方法であって、前記半導体撮像素子の半導体基板に形成する空洞は、SOI基板を利用し残膜制御することにより製造することを特徴とする半導体撮像素子の製造方法。
- 前記残膜制御は、高濃度不純物導入したシリコン基板を利用し、かつエッチング時のプラズマスペクトルの変化により行うことを特徴とする請求項9記載の半導体撮像素子の製造方法。
- 前記残膜制御は、空洞底面に入射したレーザの空洞底面およびチップ表面での反射レーザの干渉をモニターして行うことを特徴とする請求項10記載の半導体撮像素子の製造方法。
- 前記残膜制御は、空洞底面に入射したレーザの透過光の強度および干渉をモニターして行うことを特徴とする請求項10記載の半導体撮像素子の製造方法。
- 前記空洞の内面を曲面に形成する場合、ボッシュプロセスにおいてフッ素ラジカルを主とするエッチングを行うことを特徴とする請求項9から12のいずれかの項に記載の半導体撮像素子の製造方法。
- 請求項5から7に記載の半導体撮像素子の製造方法であって、前記空洞部内の片側の壁面に金属膜を形成する場合、基板凸部をマスクとして斜め方向から金属膜を堆積することを特徴とする半導体撮像素子の製造方法。
- 請求項8に記載の半導体撮像素子の製造方法であって、CVD法により空洞側面に作製した薄膜を拡散源としてPN接合領域を形成することを特徴とする半導体撮像素子の製造方法。
- 請求項8に記載の半導体撮像素子の製造方法であって、気体を拡散源として空洞側面におけるPN接合領域を形成することを特徴とする半導体撮像素子の製造方法。
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JP2008082594A JP2009238985A (ja) | 2008-03-27 | 2008-03-27 | 半導体撮像素子およびその製造方法 |
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012063425A1 (ja) * | 2010-11-12 | 2012-05-18 | 国立大学法人東北大学 | Soi基板のエッチング方法並びにsoi基板上の裏面照射型光電変換モジュール及びその作製方法 |
JPWO2016114377A1 (ja) * | 2015-01-16 | 2017-04-27 | 雫石 誠 | 半導体素子とその製造方法 |
US9854189B2 (en) | 2013-07-30 | 2017-12-26 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging element and electronic apparatus with improved wiring layer configuration |
US9942501B2 (en) | 2013-10-23 | 2018-04-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor and method for driving image sensor |
JP2021068788A (ja) * | 2019-10-21 | 2021-04-30 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置、光電変換装置の製造方法、および撮像システム |
CN117147441A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-12-01 | 镭友芯科技(苏州)有限公司 | 一种气体探测器及制备方法 |
-
2008
- 2008-03-27 JP JP2008082594A patent/JP2009238985A/ja active Pending
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012063425A1 (ja) * | 2010-11-12 | 2012-05-18 | 国立大学法人東北大学 | Soi基板のエッチング方法並びにsoi基板上の裏面照射型光電変換モジュール及びその作製方法 |
JP2012119656A (ja) * | 2010-11-12 | 2012-06-21 | Tohoku Univ | Soi基板のエッチング方法並びにsoi基板上の裏面照射型光電変換モジュール及びその作製方法 |
US9240505B2 (en) | 2010-11-12 | 2016-01-19 | Tohoku University | Method of etching backside Si substrate of SOI substrate to expose SiO2 layer using fluonitric acid |
US9854189B2 (en) | 2013-07-30 | 2017-12-26 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging element and electronic apparatus with improved wiring layer configuration |
US9942501B2 (en) | 2013-10-23 | 2018-04-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor and method for driving image sensor |
JPWO2016114377A1 (ja) * | 2015-01-16 | 2017-04-27 | 雫石 誠 | 半導体素子とその製造方法 |
JP2021068788A (ja) * | 2019-10-21 | 2021-04-30 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置、光電変換装置の製造方法、および撮像システム |
US11990485B2 (en) | 2019-10-21 | 2024-05-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device having a semiconductor substrate with first, second and third photoelectric conversion portions |
CN117147441A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-12-01 | 镭友芯科技(苏州)有限公司 | 一种气体探测器及制备方法 |
CN117147441B (zh) * | 2023-07-18 | 2024-04-12 | 镭友芯科技(苏州)有限公司 | 一种气体探测器及制备方法 |
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