JP2009278129A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面照射型の固体撮像装置において、基板の光入射面側の透明絶縁膜における光の透過率を向上させることができ、かつ、暗電流抑制機能と量子効率ロスの防止機能を備えた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】受光部４が形成された半導体基板１の裏面には、酸化シリコン膜８と、窒化シリコン膜９が積層されている。酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の界面あるいは窒化シリコン膜９の膜中には、負電荷（電子）が蓄積されている。この負電荷により、半導体基板１において、裏面付近に正孔蓄積層１０が誘起される。酸化シリコン膜８は１５ｎｍ〜４０ｎｍの厚さであり、窒化シリコン膜９は２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さである。酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の積層膜を用いた光の多重干渉効果により、酸化シリコン膜８を単独で用いた場合に比べて、入射光に対する透過率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、画素回路が形成された側とは反対側の面から光が照射される裏面照射型の固体撮像装置に関する。

表面照射型固体撮像装置では、画素内に受光部だけでなく読み出しトランジスタ等が配置されているため、ＣＣＤ固体撮像装置においても、ＣＭＯＳ型固体撮像装置においても、受光部面積が限られてくる。受光部拡大のため、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ型固体撮像装置において、オンチップレンズや、光導電膜を用いた積層型受光部が採用されている。あるいは、ＣＣＤ固体撮像装置において、透明電極や薄型ポリシリコン電極を用いたフレームトランスファー型ＣＣＤが採用されている。

上記構造では、実効的な受光部開口面積を上げて感度向上を図っているが、画素が微細になるに従い、画素配線や転送ゲート電極部による入射光のけられ（本来受光部に入射すべき光が遮られてしまうことを称する）が顕著になり、さらなる高感度化のための構造として、裏面照射型の固体撮像装置が期待されている。裏面照射型の固体撮像装置として、ＣＣＤ型（例えば、特許文献１参照）とＣＭＯＳ型（例えば、特許文献２参照）のそれぞれが提案されている。裏面照射型のＣＣＤでは、スミア特性を考慮して、ＦＴ型（フレームトランスファー型）またはＦＩＴ型（フレームインターライントランスファー型）の構造が採用されている。

ＣＣＤ型あるいはＣＭＯＳ型のいずれの場合においても、基板として例えばｐ型シリコン基板が用いられるが、裏面（光入射面）の界面での暗電流抑制のための構造として、３つの構造が挙げられる（例えば、特許文献３参照）。

１つ目の構造は、裏面に濃度の高いｐ⁺ 層を形成し、裏面での空乏化を抑制する構造である。２つ目の構造は、裏面に絶縁膜を介して透明電極を形成し、透明電極に負電圧を印加して、基板の裏面を正孔蓄積状態にする構造である。３つ目の構造は、基板の裏面に形成された絶縁膜に負電荷を注入して、その負電荷により基板裏面を正孔蓄積状態にする構造である。

特開２００２−１５１６７３号公報 特開２００３−３１７８５号公報 特開平６−３５００６８号公報

上記特許文献３では、基板の裏面に反射防止膜として酸化シリコン膜を形成し、当該酸化シリコン膜を介してイオン注入によりｐ型不純物を導入している。しかしながら、酸化シリコン膜では、可視光において平均７５％から８０％の透過率が期待できるのみである。すなわち、２０％から２５％の光の損失が発生し、感度の低下に繋がる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、裏面照射型の固体撮像装置において、基板の光入射面側の透明絶縁膜における光の透過率を向上させることができ、かつ、暗電流抑制機能と量子効率ロスの防止機能を備えた固体撮像装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、基板の第１面側に画素回路が形成され、第２面側から光が入射する固体撮像装置であって、前記基板に形成され、入射光量に応じて信号電荷を生成して当該信号電荷を蓄積する受光部と、前記基板の第２面上に形成された透明性の第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成され、前記第１絶縁膜との界面あるいは膜中に前記信号電荷と同じ極性の電荷を保持する透明性の第２絶縁膜とを有し、前記第１絶縁膜のみを用いた場合と比べて、光の多重干渉効果により入射光に対して高い透過率が得られるように、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の膜厚が規定されたものである。

上記の本発明の固体撮像装置では、第１絶縁膜上に形成された透明性の第２絶縁膜には、第１絶縁膜との界面あるいは膜中に、信号電荷と同じ極性の電荷が保持されている。このため、基板には、当該基板と第１絶縁膜との界面付近に信号電荷と逆極性の電荷の層が誘起される。この逆極性の電荷の層が誘起されることにより、信号電荷が基板の第２面付近に溜まることが防止される。
また、第１絶縁膜上には第２絶縁膜が形成され、両者の膜厚が調整されていることから、第１絶縁膜のみを用いた場合と比べて、光の多重干渉効果により入射光に対して高い透過率が得られる。

本発明によれば、基板の光入射面側の透明絶縁膜における光の透過率を向上させることができ、かつ、暗電流抑制機能と量子効率ロスの防止機能を備えた固体撮像装置を提供することができる。

本実施形態に係る固体撮像装置の受光部における要部断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 （ａ）は比較例の半導体基板１の裏面付近のエネルギーバンド図であり、（ｂ）は本実施形態の半導体基板１の裏面付近のエネルギーバンド図である。 比較例の構造の透過率を示す図である。 本実施形態の構造の透過率を示す図である。 種々の膜厚の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を採用した場合における、青色光と緑色光に対する透過率を示す図である。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明は、ＣＣＤ型固体撮像装置およびＣＭＯＳ型固体撮像装置のいずれにも適用可能である。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の受光部における要部断面図である。
本実施形態では、例えばｐ型シリコンからなる半導体基板１を用いる。半導体基板１の厚さは、固体撮像装置の仕様にもよるが、可視光用の場合には４〜６μｍであり、近赤外線用では６〜１０μｍとなる。

半導体基板１には、画素毎にｎ型半導体領域２とｐ型半導体領域３が形成されている。ｎ型半導体領域２は、半導体基板１において光電変換された信号電荷を実質的に蓄積する領域である。

ｐ型半導体領域３は、ｎ型半導体領域２よりも第１面（表面）側に形成されており、半導体基板１よりも高濃度にｐ型不純物を含有する。ｐ型半導体領域３は、ｎ型半導体領域２と周囲のｐ型領域との間に発生する空乏層が半導体基板１の表面にまで達することを防止して、暗電流の発生を抑え、量子効率を向上させる。

上記のｎ型半導体領域２とｐ型半導体領域３とにより埋め込みフォトダイオードからなる受光部４が構成される。受光部４は、実質的にｎ型半導体領域２において信号電荷を一定期間蓄積する。

半導体基板１の第１面上には、例えば酸化シリコン等からなる絶縁層５を介して画素回路を構成する電極６が形成されている。電極６を被覆して、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜７が形成されている。

ＣＣＤ型固体撮像装置の場合には、画素回路には、ＣＣＤ垂直転送レジスタが含まれる。この場合には、電極６は、例えばＣＣＤ垂直転送レジスタの転送電極に相当し、電極６直下の半導体基板１にはｎ型領域からなる転送チャネルが形成される。

ＣＭＯＳ型固体撮像装置の場合には、画素回路には、読み出しトランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、アドレストランジスタ等の各種のトランジスタが含まれる。この場合には、電極６は、例えば各種のトランジスタのゲート電極に相当し、半導体基板１には各種のトランジスタのソース・ドレイン領域や、フローティングディフュージョンが形成される。

なお、半導体基板１は４〜１０μｍ程度に薄膜化されているため、図示はしないが、必要に応じて層間絶縁膜７上には支持基板が形成されていてもよい。支持基板としては、半導体基板１との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するため、半導体基板１と同じシリコン基板を用いることが好ましい。

半導体基板１の第２面（裏面）側には、透明性の第１絶縁膜と、第１絶縁膜よりも屈折率の高い透明性の第２絶縁膜が形成されている。本実施形態では、第１絶縁膜として酸化シリコン膜８が形成され、第２絶縁膜として窒化シリコン膜９が形成されている。

酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の膜厚は、酸化シリコン膜８のみを用いた場合と比べて、光の多重干渉効果により入射光に対して高い透過率が得られるように、両者の膜厚が調整されている。

酸化シリコン膜８の膜厚は、１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲であり、窒化シリコン膜の膜厚は、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。この範囲において、互いの膜厚を最適化することにより、酸化シリコン膜を単独で用いた場合に比べて、入射光に対して高い透過率が得られる。

窒化シリコン膜９には、酸化シリコン膜８との界面あるいは窒化シリコン膜９の膜中に、信号電荷と同じ極性の電荷、本実施形態では、電子が注入されている。窒化シリコン膜９を採用する理由は、１つにＭＯＮＯＳ等の不揮発性メモリに採用されているように、良好な電荷保持特性をもつからである。２つ目は、酸化シリコン膜８よりも屈折率が高いため、膜厚の調整により、多重干渉効果により酸化シリコン膜８単独の場合よりも入射光に対して高い透過率が得られるからである。

窒化シリコン膜９に電子が蓄積されているため、半導体基板１において、半導体基板１と酸化シリコン膜８との界面付近には、多くの正孔ｈからなる正孔蓄積層１０が誘起される。この正孔蓄積層１０により、後述するように暗電流の発生および量子効率ロスが防止される。

窒化シリコン膜９上には、窒化シリコン膜９に蓄積された電子が、外部へ抜けて消失することを防止するための保護膜１１が形成されている。保護膜１１としては、屈折率が低めで、可視光近辺で光吸収の少ない材料が好ましい。半導体素子で一般的に仕様されている透明性の樹脂膜の多くが使用可能であり、また、低温プラズマＣＶＤ法により生成された酸化シリコン膜や、同様に形成された酸化窒化シリコン膜でもよい。

次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。本実施形態では、例えばＳＯＩ基板を用いて固体撮像装置を作製する例について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、ｐ型シリコンからなる半導体基板（ＳＯＩ層）１と、酸化シリコン膜８と、シリコン基板１２を有するＳＯＩ基板を用意する。ここで、酸化シリコン膜８の膜厚は、１５ｎｍ〜４０ｎｍの範囲で調整される。そして、半導体基板１の第１面（表面）側に従来と同様にして、受光部や画素回路を形成する。

すなわち、ＳＯＩ基板の半導体基板１に、イオン注入法によりｎ型半導体領域２、ｐ型半導体領域３の他、図示しない各種の半導体領域を形成する。続いて、酸化シリコン膜からなる絶縁層５を形成し、さらに電極６を形成する。電極６は例えばタングステンやアルミニウムからなる。電極６の形成後、酸化シリコンを堆積させて層間絶縁膜７を形成する。必要に応じて層間絶縁膜７上に、図示しない支持基板を接着させた後、シリコン基板１２を研削およびエッチングすることにより酸化シリコン膜８を露出させる。

次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１の表裏を反転させて、酸化シリコン膜８上に、例えばプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜９を形成する。窒化シリコン膜９の膜厚は、２０〜５０ｎｍの範囲で選択される。なお、ＳＯＩ基板を用いない場合には、半導体基板１を薄膜化した後、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９を順に堆積させればよい。

次に、図３に示すように、例えば、プラスに帯電した電極２０を半導体基板１の裏面（第２面）側に対向させた状態で、半導体基板１の第２面側からＵＶ光を照射する。ＵＶ光により半導体基板１の裏面近傍の電子ｅが励起され、励起された電子ｅは酸化シリコン膜８を飛び越えて、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の界面や、窒化シリコン膜９の膜中に捕獲される。プラスに帯電した電極２０により発生する電界により、励起された電子は、酸化シリコン膜８を効率的に飛び越える。なお、ＵＶ光の照射のみ、あるいは酸化シリコン膜８に電界をかけるのみでも、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の界面、あるいは窒化シリコン膜９中に電子を注入することが可能である。

図４（ａ）に示すように、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９との界面、および窒化シリコン膜９の膜中に電子が蓄積される結果、ｐ型シリコンからなる半導体基板１において、酸化シリコン膜８との界面付近に、正孔ｈが集まり正孔蓄積層１０が誘起される。

次に、図４（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜９上に、保護膜１１を形成する。上記したように、保護膜１１の形成では、例えば、透明性の樹脂膜の塗布、低温プラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜の堆積、あるいは、低温プラズマＣＶＤ法による酸化窒化シリコン膜の堆積を行う。

図示はしないが、以降の工程としては必要に応じて保護膜１１上に、カラーフィルタを形成し、オンチップレンズを形成する。これにより、固体撮像装置が製造される。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置における、暗電流発生および量子効率ロスの抑制効果について説明する。

（比較例）
図５（ａ）は、窒化シリコン膜９がない場合における半導体基板１の裏面付近のエネルギーバンドを示す図である。図５（ａ）に示すように、通常、半導体基板１上に酸化シリコン８を堆積させると、酸化シリコン膜８中、あるいは半導体基板１と酸化シリコン膜８との界面にはプラスの電荷が生じやすい。これは、酸化シリコンのみならず、他の絶縁膜にも当てはまる。この結果、半導体基板１の裏面付近のポテンシャルが引き上げられ、電位の井戸が生じる。半導体基板１の裏面付近に、電位の井戸が形成されてしまうと、光電変換によって生じた電子がこの裏面付近にも蓄積されてしまって感度に寄与しないことや、界面からの少数キャリア（ｐ型半導体基板１の場合には電子）の熱的発生が増加し暗電流が増加し、その結果撮像素子としてのＳ／Ｎ比が減少してしまう。

このため、半導体基板１において、酸化シリコン膜８との界面が正孔で満たされる構造が好ましい。

図５（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像装置において、半導体基板１の裏面（第２面）付近のエネルギーバンドを示す模式図である。本実施形態では、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の界面、および窒化シリコン膜９の膜中に電子が蓄積されていることから、半導体基板１の裏面側の界面に正孔蓄積層が誘起される。この結果、半導体基板１の裏面側の界面におけるポテンシャルが低くなる方向にシフトし、界面付近に電位の井戸が形成されない。

このように、半導体基板１の裏面界面には、電位の井戸（電位が高い部分）が形成されていないことから、光電変換によって生じた電子は、最も電位の高いｎ型半導体領域２に有効に蓄積される。ｎ型半導体領域２に蓄積された電子は、完全に読み出したり、排出したりすることができるため、暗電流の発生を抑制することができ、また、量子効率を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置における、可視光に対する透過率の向上効果について説明する。

（比較例）
図６（ａ）に示すように、比較例として半導体基板１の第２面側に２μｍの膜厚の酸化シリコン膜８のみを形成した。図６（ａ）に示す構造において、入射光Ｌに対する透過光ＴＬの割合（透過率）と、反射光ＲＬの割合（反射率）を測定した結果を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では、Ｔ１が透過率を示すグラフであり、Ｒ１が反射率を示すグラフである。

図６に示すように、半導体基板１の裏面（第２面）に酸化シリコン膜８のみを形成した場合には、可視光（例えば、４５０ｎｍ〜７４０ｎｍ）において平均７５％から８０％の透過率が得られるのみである。

図７（ａ）は、半導体基板１の第２面側に１６ｎｍの膜厚の酸化シリコン膜８と、４０ｎｍの膜厚の窒化シリコン膜９を形成した場合における、可視光に対する透過率および反射率の測定結果を示す図である。図７（ａ）において、Ｔ２は透過率を示し、Ｒ２は反射率を示す。

図７（ｂ）は、半導体基板１の第２面側に３０ｎｍの膜厚の酸化シリコン膜８と、３５ｎｍの膜厚の窒化シリコン膜９を形成した場合における、可視光に対する透過率および反射率の測定結果を示す図である。図７（ｂ）において、Ｔ３は透過率を示し、Ｒ３は反射率を示す。

図７に示すように、半導体基板１の第２面側に、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の積層膜を形成し、両者の膜厚を調整すると、光の多重干渉効果により、酸化シリコン膜８を単独で用いた場合の透過率よりも高い透過率を得ることができる。図７に示す例では、可視光領域で、９０％から９８％の透過率を得ることができる。

酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の膜厚の調整により、種々の透過率特性が得られる。例えば、固体撮像装置では、可視光のうちでも短波長側、すなわち青（４５０ｎｍ）から緑（５４０ｎｍ）の波長領域の光に対する感度を高めたいという要望がある。図７に示す例では、このような短波長側の透過率を上げて感度を向上させるのに最適な膜厚の一例である。

図８は、種々の膜厚の酸化シリコン膜８と、窒化シリコン膜９を積層した場合における透過率の測定結果である。図８では、縦軸が酸化シリコン膜８の膜厚を示し、横軸が窒化シリコン膜９の膜厚を示す。図８では、短波長側の感度向上を考慮して、各膜厚における青色光（４５０ｎｍ）に対する透過率と、緑色光（５４０ｎｍ）に対する透過率（％）を示す。

図８に示すように、酸化シリコン膜８の膜厚を１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲、窒化シリコン膜９の膜厚を２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で選択することにより、９０％以上の透過率が多くの場合に得られる。なお、当然に、これらの範囲において、最適な膜厚の組み合わせを選択する。

透過率向上のみを考慮すれば、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９の膜厚は、上記の範囲外でも可能である。しかし、本実施形態では、酸化シリコン膜８は、窒化シリコン膜９へ電荷を通過させる機能を担い、窒化シリコン膜９は電荷を蓄積する機能を担う。

このため、電子の通過の観点からは、酸化シリコン膜８が４０ｎｍ以下が好ましい。また、使用する窒化シリコン膜９の膜厚との関係により、高い透過率を得るためには、１５ｎｍ以上あることが好ましい（図８参照）。

また、半導体基板１の裏面に有効に正孔蓄積層１０を誘起させるためには、窒化シリコン膜９は、酸化シリコン膜８との界面付近に電子を蓄積することが好ましい。窒化シリコン膜９の膜厚があまりに大きくなると、蓄積される電子の空間分布が広がり、半導体基板１に有効に正孔蓄積層１０を誘起できなくなるからである。このため、窒化シリコン膜９の膜厚は、５０ｎｍ以下が好ましい。また、高い透過率を得るためには、窒化シリコン膜９の膜厚は、２０ｎｍ以上あることが好ましい（図８参照）。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、半導体基板１と、酸化シリコン膜８との界面に正孔蓄積層１０を誘起することができることから、暗電流発生を抑制することができ、感度を向上させることができる。

同様に正孔蓄積層１０を誘起することができることにより、半導体基板１の裏面での量子効率ロスを抑制することができ、混色や残像を抑え、かつ高感度化を図ることができる。

酸化シリコン膜８上に窒化シリコン膜９を積層し、両者の膜厚を調整することにより、酸化シリコン膜８を単独で用いた場合に比べて、光の多重干渉効果により、可視光に対する透過率を向上させることができ、感度を向上させることができる。例えば、可視光近辺において９０％以上の透過率を確保することができ、酸化シリコン膜８のみを用いる場合に比べて感度を２５％向上させることができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
信号電荷として正孔を用いる場合には、酸化シリコン膜８と窒化シリコン膜９との界面および窒化シリコン膜９の膜中に正孔を蓄積させ、半導体基板１の裏面に電子蓄積層を誘起させればよい。また、信号電荷として正孔を用いる場合には、各種の半導体領域の極性を逆にすればよい。さらに、本実施形態では、第１絶縁膜として酸化シリコン膜８を用い、第２絶縁膜として窒化シリコン膜９を用いる例について説明したが、他の絶縁膜を使用したり、不純物を注入してもよい。他の絶縁膜を採用する場合には、相対的に、第２絶縁膜の方が、第１絶縁膜に比べて屈折率の高くなるようにすればよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

１…半導体基板、２…ｎ型半導体領域、３…ｐ型半導体領域、４…受光部、５…絶縁層、６…電極、７…層間絶縁膜、８…酸化シリコン膜、９…窒化シリコン膜、１０…正孔蓄積層、１１…保護膜、２０…電極

Claims (6)

1. 基板の第１面側に画素回路が形成され、第２面側から光が入射する固体撮像装置であって、
   前記基板に形成され、入射光量に応じて信号電荷を生成して当該信号電荷を蓄積する受光部と、
   前記基板の第２面上に形成された透明性の第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜上に形成され、前記第１絶縁膜との界面あるいは膜中に前記信号電荷と同じ極性の電荷を保持する透明性の第２絶縁膜とを有し、
   前記第１絶縁膜のみを用いた場合と比べて、光の多重干渉効果により入射光に対して高い透過率が得られるように、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の膜厚が規定された
   固体撮像装置。
2. 前記第２絶縁膜上に、前記第１絶縁膜との界面あるいは前記第２絶縁膜中に保持された電荷が外部へ拡散することを防止する保護膜が形成された
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１絶縁膜は酸化シリコンを含む
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記第２絶縁膜は窒化シリコンを含む
   請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記第１絶縁膜は酸化シリコンを含み、前記第２絶縁膜は窒化シリコンを含む
   請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記酸化シリコン膜の膜厚が１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲であり、前記窒化シリコン膜の膜厚が２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である
   請求項５記載の固体撮像装置。

Images