JP2010287636A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】受光部への集光効率を向上させた固体撮像素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１００は、光電変換を行う受光部１０２が表面に形成された半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に形成された絶縁膜１０７とを備え、絶縁膜１０７は、受光部１０２の上方に形成された、絶縁膜１０７より屈折率が高い高屈折率領域である導波路領域１１１を含み、導波路領域１１１は、絶縁膜１０７に不純物が注入されて形成される。
【選択図】図１
【解決手段】固体撮像素子１００は、光電変換を行う受光部１０２が表面に形成された半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に形成された絶縁膜１０７とを備え、絶縁膜１０７は、受光部１０２の上方に形成された、絶縁膜１０７より屈折率が高い高屈折率領域である導波路領域１１１を含み、導波路領域１１１は、絶縁膜１０７に不純物が注入されて形成される。
【選択図】図１
Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、導波路構造を有した固体撮像素子及びその製造方法に関するものである。
近年、固体撮像素子の集光効率を上げる手段として、導波路構造を利用した技術がある（例えば、特許文献１参照）。導波路構造では、光を受光して光電変換を行う受光部上に光透過性材料からなる導波路を設け、さらに、その上にオンチップレンズを設けた構成にすることで、オンチップレンズで集光された光を効率よく受光部に入射させるようになっている。
図１０は、従来の導波路構造を有した固体撮像素子６００の構造断面図である。図１０に示すように、固体撮像素子６００は、半導体基板６０１と、受光部６０２と、ゲート絶縁膜６０３と、反射防止膜６０４と、転送ゲート６０５と、素子分離絶縁膜６０６と、絶縁膜６０７と、配線６０８と、導電プラグ６１０と、導波路領域６１１と、パッシベーション膜６１２と、平坦化膜６１３と、カラーフィルタ６１４と、オンチップレンズ６１５とを備える。
図１０に示す固体撮像素子６００の製造方法は、光電変換を行う受光部６０２が形成された半導体基板６０１の上に絶縁膜６０７を設ける工程と、絶縁膜６０７において受光部６０２に対向する領域に、絶縁膜６０７の厚み方向全体に渡って開口部を形成する工程と、開口部に光透過性材料を埋め込んで導波路領域６１１を形成する工程とを備えている。
このとき、開口部を形成する工程において、絶縁膜６０７上に設けられるフォトレジストパターンのレジスト開口部を順テーパー形状とする。これにより、絶縁膜６０７を異方性エッチングして開口部を形成することでレジスト開口部の順テーパー形状が絶縁膜６０７に転写される。この開口部の中に高密度プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いてシリコン酸化膜などの光透過性材料を堆積した後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によって絶縁膜６０７を平坦化することで導波路領域６１１が形成される。
しかしながら、上記従来技術では、以下のような課題がある。
例えば、特許文献１が開示する構成では、開口部に光透過性材料をプラズマＣＶＤ法によって埋め込むことで導波路領域６１１を形成する。しかしながら、固体撮像素子６００の高画素化、すなわち画素サイズの微細化、及び配線６０８の多層化によって受光部６０２上に設けた開口部のアスペクト比が高くなると、開口部に光透過性材料を埋め込む際にボイドが発生し、そのボイドによって光が散乱することで集光効率の低下を引き起こしてしまう。
そこで、本発明は、上記従来の問題を鑑みて提案されたものであって、導波路領域にボイドを発生させず、集光効率を向上することができる固体撮像素子及びその製造方法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、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換を行う受光部が表面に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜とを備え、前記絶縁膜は、前記受光部の上方に形成された、前記絶縁膜より屈折率が高い高屈折率領域を含み、前記高屈折率領域は、前記絶縁膜に不純物が注入されて形成される。
これにより、不純物が注入されて形成された高屈折率領域には、画素サイズの微細化、及び配線が多層化してもボイドが発生しないので、受光部への集光効率を向上させることができる。
また、前記高屈折率領域では、前記半導体基板に平行な断面において、中心部の不純物濃度が周辺部の不純物濃度より高くてもよい。
これにより、受光部への集光効率をより高めることができる。
また、前記半導体基板に平行な面において、前記半導体基板に近い面における前記高屈折率領域の断面積は、前記半導体基板から遠い面における前記高屈折率領域の断面積より小さくてもよい。
これにより、受光部への集光効率をより高めることができる。
また、前記高屈折率領域と前記半導体基板の表面とは、離間していてもよい。
これにより、例えば、高屈折率領域を受光部が形成されている方向に凸な凸レンズ状にすることで、受光部への集光効率をより高めることができる。また、不純物の注入によって受光部がダメージを受けるのを防ぐことができる。
また、前記絶縁膜は、多層構造を形成する複数の配線と、前記複数の配線のそれぞれの上面に形成された拡散防止膜とを備え、前記拡散防止膜は、前記受光部の上方では開口していてもよい。
これにより、導波路となる高屈折率領域が形成される領域には、拡散防止膜が形成されていないので、高屈折率領域の屈折率を均一にするなど、容易に調整することができるので、受光部への集光効率をより高めることができる。
また、前記絶縁膜は、多層構造を形成する複数の配線と、前記複数の配線のそれぞれの上面に形成された拡散防止膜とを備え、前記拡散防止膜は、前記受光部の上方に形成されていてもよい。
これにより、例えば、拡散防止膜を全面に形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。
また、前記半導体基板に平行な面において、前記高屈折率領域の断面形状は、略正八角形であってもよい。
また、前記絶縁膜は、リン、フッ素、及びボロンのうちの少なくとも１つを含む酸化シリコンであってもよい。
また、前記不純物は、炭素、アルゴン、及び窒素のうちのいずれか１つであってもよい。
また、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面に、光電変換を行う受光部を形成する受光部形成ステップと、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成ステップと、前記絶縁膜の前記受光部の上方の領域に不純物を注入することで、前記絶縁膜より屈折率が高い高屈折率領域を形成する不純物注入ステップとを含んでもよい。
これにより、高屈折率領域を不純物注入によって形成するので、高屈折率領域にボイドが発生することを防ぐことができる。よって、受光部への集光効率を向上させることができる。
また、前記不純物注入ステップは、前記受光部の中心を含む第１領域の上方における前記絶縁膜に不純物を注入する第１不純物注入ステップと、前記第１領域より大きく、かつ、前記受光部の中心を含む第２領域の上方における前記絶縁膜に不純物を注入する第２不純物注入ステップとを含んでもよい。
これにより、高屈折率領域の屈折率及び形状を容易に変更することができるので、受光部への集光効率をより高めることができる。
また、前記第１不純物注入ステップでは、前記絶縁膜における前記半導体基板の表面に近接する領域に不純物を注入してもよい。
本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法によれば、サイズの微細化、及び配線が多層化してもボイドを発生させることが無く、集光効率を向上させることができる。
以下、本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法について、実施の形態に基づいて図面を参照しながら説明する。
本実施の形態の固体撮像素子は、光電変換を行う受光部が表面に形成された半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜とを備え、絶縁膜は、受光部の上方に形成された、絶縁膜より屈折率が高い高屈折率領域を含み、高屈折率領域は、前記絶縁膜に不純物が添加されて形成されることを特徴とする。以下では、まず、本実施の形態の固体撮像素子の構成について図１を用いて説明する。
図１は、本実施の形態に係る固体撮像素子１００の構成の一例を示す構造断面図である。同図に示す固体撮像素子１００は、半導体基板１０１と、受光部１０２と、ゲート絶縁膜１０３と、反射防止膜１０４と、転送ゲート１０５と、素子分離絶縁膜１０６と、絶縁膜１０７と、配線１０８と、拡散防止膜１０９と、導電プラグ１１０と、導波路領域１１１と、パッシベーション膜１１２と、平坦化膜１１３と、カラーフィルタ１１４と、オンチップレンズ１１５とを備える。
図１に示すように、半導体基板１０１内に、光電変換を行う受光部１０２が形成され、半導体基板１０１上にゲート絶縁膜１０３と、素子分離絶縁膜１０６とが設けられている。ここでは、半導体基板１０１は、例えば、Ｐ型のシリコン基板であり、受光部１０２は、Ｎ型不純物拡散領域１０２ａと、表面Ｐ型層１０２ｂとを備える。
Ｎ型不純物拡散領域１０２ａの不純物濃度は、光電変換を行える範囲であればよいが、不純物濃度は、例えば、１．０×１０15〜１０16ｃｍ-3程度であることが好ましい。また、受光部１０２の厚みは、０．５〜２．０μｍ程度であることが好ましい。
また、本実施の形態においては、受光部１０２の暗出力を低減させるために、受光部１０２の表面に浅いＰ--型の半導体領域である表面Ｐ型層１０２ｂが形成されている。表面Ｐ型層１０２ｂの不純物濃度は、１０18〜１０19ｃｍ-3程度であることが好ましい。これにより、受光部１０２は、埋め込み型フォトダイオードとして構成される。なお、表面Ｐ型層１０２ｂは形成されていなくてもよい。
ゲート絶縁膜１０３は、熱酸化法などにより、膜厚が２０〜４５ｎｍ程度のシリコン酸化膜で形成されている。ゲート絶縁膜１０３上には、表面Ｐ型層１０２ｂを介して受光部１０２の表面を覆うように反射防止膜１０４が設けられている。
反射防止膜１０４は、受光部１０２に入射する光（受光対象の光）の波長に応じて、適切な反射率となるように、膜厚及び屈折率が設定される。反射防止膜１０４の反射率は、反射防止膜１０４の屈折率をｎ、厚さをｄ、入射光の波長をλとすると、光学的膜厚ｎ×ｄが（λ／４）の奇数倍であるときに最小となるので、当該関係を利用して、膜厚又は屈折率を設定することができる。例えば、反射防止膜１０４としてプラズマＣＶＤ法によって形成したシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を使用し、この反射防止膜１０４をゲート絶縁膜１０３の表面上に設けることができる。なお、ＳｉＮ膜の屈折率は、およそ２．０である。
また、転送ゲート１０５は、受光部１０２に隣接する領域のゲート絶縁膜１０３上に形成される。転送ゲート１０５は、例えば、ドープドポリシリコンからなり、受光部１０２からの信号電荷の読み出し、及び、読み出した信号電荷の転送を行うために制御された電圧が印加される。
絶縁膜１０７は、ゲート絶縁膜１０３、素子分離絶縁膜１０６、及び反射防止膜１０４上に設けられている。絶縁膜１０７は、例えば、非ドープドシリコン酸化膜から構成することができる。具体例としては、ＮＳＧ（ＮｏｎＤｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜から構成することができる。また、絶縁膜１０７は、例えば、リン、フッ素、ボロンのうち少なくともいずれか一種をドープしたシリコン酸化膜から構成することもできる。具体例としては、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜のうちいずれかから構成することができる。また、絶縁膜１０７は、例えば、常圧ＣＶＤ法によって膜を堆積させることにより形成される。
また、絶縁膜１０７の内部に、配線１０８と、拡散防止膜１０９と、導電プラグ１１０とが設けられている。
配線１０８は、例えば、銅を用いたダマシンプロセスで形成される。また、配線１０８は、受光部１０２以外の領域に光を入射させないための遮光膜としても機能する。なお、配線１０８は、図１に示すように、多層に配置されている。
拡散防止膜１０９は、配線１０８に用いた銅などの金属が絶縁膜１０７中に拡散するのを防止する。また、拡散防止膜１０９は、図１に示すように、配線１０８の上面のみに形成されている。なお、拡散防止膜１０９は、平面的に見て受光部１０２以外の領域に配されるように、受光部１０２の上方領域に形成された拡散防止膜１０９を選択的に除去されてもよい。あるいは、拡散防止膜１０９は、例えば、配線１０８を構成する金属原子の拡散が起こらない、又は、その拡散量がわずかである場合など、形成されていなくてもよい。
また、図１に示す例では、拡散防止膜１０９が配線１０８の上面のみに形成されているが、配線１０８の下面及び側面を覆い、配線１０８を構成する金属原子の拡散を防止するバリアメタル層が形成されていてもよい。例えば、バリアメタル層は、タンタル／窒化タンタルから構成される。
導電プラグ１１０は、多層に配置された配線１０８を互いに電気的に接続する。例えば、導電プラグ１１０は、配線１０８と同様に、銅などの金属で構成される。
導波路領域１１１は、絶縁膜１０７の受光部１０２の上方の領域に形成されている。導波路領域１１１は、絶縁膜１０７よりも屈折率が高い高屈折率領域であって、絶縁膜１０７に不純物が注入されることによって形成される。なお、導波路領域１１１の具体的な形成方法については、図２を用いて後で説明する。
パッシベーション膜１１２は、絶縁膜１０７の表面を覆う保護膜として設けられている。パッシベーション膜１１２は、例えば、ＳｉＮ膜から構成することができる。
平坦化膜１１３は、パッシベーション膜１１２の表面に設けられている。平坦化膜１１３は、例えば、アクリル系透明膜から構成することができる。
カラーフィルタ１１４は、平坦化膜１１３の表面に設けられている。カラーフィルタ１１４には、カラーの撮像信号を得るために、例えば、原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタが使用されている。
オンチップレンズ１１５は、カラーフィルタ１１４の表面には、集光用の光学素子として設けられている。オンチップレンズ１１５の曲率は、オンチップレンズ１１５を透過する光が、導波路領域１１１内部へと集光されるように設定されている。オンチップレンズ１１５の表面は、例えば、球面状又は蒲鉾状に形成されている。
続いて、本実施の形態の固体撮像素子１００の製造方法について説明する。以下では、特に、絶縁膜１０７に不純物を注入することで導波路領域１１１を形成する工程について説明する。
図２は、受光部１０２上方に形成された絶縁膜１０７に不純物を注入する工程の一例を示す断面工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように、絶縁膜１０７の表面をＣＭＰ法によって平坦化する。なお、受光部１０２は、例えば、不純物注入などにより半導体基板１０１内に形成される。ゲート絶縁膜１０３、素子分離絶縁膜１０６、反射防止膜１０４、転送ゲート１０５、及び絶縁膜１０７は、例えば、プラズマＣＶＤ法又は蒸着法などによって堆積し、必要に応じてフォトリソグラフィなどによるパターニングと、ウェットエッチング又はドライエッチングなどによるエッチングとを行うことで形成される。
さらに、配線１０８は、ダマシンプロセスなどにより絶縁膜１０７中に形成され、拡散防止膜１０９は、プラズマＣＶＤ法などによって堆積し、パターニングとエッチングとを行うことで形成される。導電プラグ１１０は、配線１０８と同時に形成されてもよく、あるいは、配線１０８を形成後に、絶縁膜１０７の所定の領域を除去し、金属を充填することで形成されてもよい。
次に、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて平坦化した絶縁膜１０７の表面上に、マスクとなるレジスト１２１を形成する。レジスト１２１は、受光部１０２の上方の領域が開口するように形成される。レジスト１２１は、導波路領域１１１以外への不純物の注入阻止能があればよいが、例えば、膜厚は１．５μｍである。
その後、絶縁膜１０７に対して不純物を注入する。注入は、注入加速エネルギーを変化させて複数回注入する。これにより、図２（ｃ）に示すように、不純物分布が、絶縁膜１０７の表面から反射防止膜１０４の表面までの厚み方向に渡って均一となる導波路領域１１１を形成することができる。このとき、注入エネルギーは、注入、及び後述する熱処理後に不純物分布が反射防止膜１０４中に入らないように設定する。例えば、アルゴンの注入加速エネルギーは１００〜８００ｋｅＶ、ドーズ量は１×１０11〜１０17／ｃｍ2である。具体例としては、１回目のアルゴンの注入加速エネルギーを３００ｋｅＶ、２回目を８００ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０14／ｃｍ2で注入することにより形成することができる。
その後、図２（ｄ）に示すように、絶縁膜１０７上のレジスト１２１を除去し、熱処理を行うことで導波路領域１１１を形成することができる。不純物注入後の熱処理は、不純物が十分に拡散及び結合する温度及び時間であれば特に限定されない。例えば、温度が１５０℃、かつ、時間が３００秒である。
以上の工程を経ることで、導波路領域１１１の屈折率を絶縁膜１０７の非導波路領域より高くすることができる。導波路領域１１１の屈折率は、特に限定されるものではないが、例えば、絶縁膜１０７の非導波路領域の屈折率を１．４５とした場合、導波路領域１１１の屈折率を１．１〜１．２倍程度高く設定することができる。
なお、導波路領域１１１を形成した後、パッシベーション膜１１２と、平坦化膜１１３とをプラズマＣＶＤ法などにより順に積層し、さらに、カラーフィルタ１１４と、オンチップレンズ１１５とを形成することで、図１に示す固体撮像素子１００を製造することができる。
ここで、本実施の形態の固体撮像素子１００の導波路領域１１１の形状について説明する。
図３は、本実施の形態の固体撮像素子１００の平面レイアウトの一例を示す模式図である。同図に示すように、配線１０８で囲まれた絶縁膜１０７内に配置された受光部１０２に対向した領域に導波路領域１１１が形成されている。本実施の形態においては、半導体基板１０１の主面に平行な断面での導波路領域１１１の形状が、外側に対して常に凸となる角形状及び／又は曲線のみを有する形状となるようにレイアウトする。例えば、図３に示すように、半導体基板１０１に平行な面における導波路領域１１１の断面形状は、略正八角形である。
ここで、外側に対して常に凸となる形状とは、角形状の内角が１８０度を越えない角のことであり、このような角において先端が丸められたような角形状も含む。また、外側に対して常に凸となる曲線とは、曲線上の全ての点での接線が形状内を横切らず、当該接点を除いて常に形状外部に存在するような曲線であって、円形や楕円形などが含まれる。また、上記の外側に対して常に凸となる角形状のみを有する形状の一部と、外側に対して常に凸となる曲線のみを有する形状の一部を組み合わせたような形状であってもよい。
なお、導波路領域１１１の形状は特に限定されるものではないが、例えば、絶縁膜１０７の厚み方向全体に渡って、厚み方向に伸びる柱状形状とすることができ、好ましくは円柱状、又は四角柱状とすることができる。
以上のように、本実施の形態の固体撮像素子１００では、受光部１０２上方に、屈折率の高い導波路領域１１１が形成されていることで受光部１０２への集光効率を高めることができる。さらに、導波路領域１１１は、不純物を注入することで形成されているので、導波路領域１１１にボイドが発生することを防止し、集光効率の低下を防ぐことができる。
なお、導波路領域１１１の形状は、不純物が均一に注入されて形成された八角柱であると、図１〜図３を用いて説明したが、導波路領域１１１の不純物の注入濃度、及び、形状は、これに限られない。以下では、本実施の形態の固体撮像素子１００の変形例について説明する。
（変形例）
例えば、導波路領域では、半導体基板１０１に平行な断面において、中心部の不純物濃度が周辺部の不純物濃度より高くてもよい。
例えば、導波路領域では、半導体基板１０１に平行な断面において、中心部の不純物濃度が周辺部の不純物濃度より高くてもよい。
図４は、本実施の形態の固体撮像素子の構成の異なる一例を示す構造断面図である。同図に示す固体撮像素子２００では、導波路領域１１１の代わりに導波路領域２１１が受光部１０２の上方に形成されている。その他の構成については、固体撮像素子１００と同様であるので、以下では説明を省略する。
図４に示すように、導波路領域２１１は、絶縁膜１０７より屈折率が高い高屈折率領域であって、半導体基板１０１に平行な断面において、中心部の不純物濃度が周辺部の不純物濃度より高い。すなわち、導波路領域２１１の屈折率は、中心部の方が周辺部よりも高い。
以下では、図４に示す導波路領域２１１を形成する工程について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態の受光部１０２上方に形成された絶縁膜１０７に不純物を注入する工程の異なる一例を示す断面工程図である。具体的には、図５は、絶縁膜１０７の表面から見た場合の導波路領域２１１内の不純物分布を変化させる工程を順に示す。
図５（ａ）に示すように、最終的に導波路領域２１１とする形状より小さい面積の開口が形成されたレジスト２２１をマスクとして用いて、絶縁膜１０７に不純物を注入する。これにより、導波路領域２１１より断面積が小さい導波路領域２１１ａが形成される。なお、レジスト２２１には、受光部１０２の中心部に開口が形成されている。
次に、レジスト２２１を除去した後、図５（ｂ）に示すように、導波路領域２１１とする形状の開口が形成されたレジスト２２２をマスクとして用いて、絶縁膜１０７に不純物を注入する。その後、図５（ｃ）に示すように、レジスト２２２を除去して熱処理を行う。このとき、注入する面積が小さい方から大きい方へ順に不純物注入のドーズ量を少なく変化させることで、導波路領域２１１内の上面から見た不純物分布を変化させることができる。
このようなステップを複数回繰り返すことで、中心の屈折率が高く、外側へ向かって屈折率が低くなるグレーデッドインデックス型光ファイバのコアと同様の屈折率分布を持つ導波路領域２１１を形成することができる。導波路領域２１１は、屈折率が高い導波路領域２１１ａと、導波路領域２１１ａより屈折率が低い導波路領域２１１ｂとを含んでいる。これにより、入射光を受光部１０２に効率よく集光させることができる。
なお、図４及び図５に示す例では、導波路領域２１１を屈折率の異なる２つの領域を含む場合について説明したが、中心部から外側に向かって徐々に不純物濃度が低くなるように形成してもよい。
また、導波路領域は、半導体基板１０１に平行な面において、半導体基板１０１に近い面における導波路領域の断面積が、半導体基板１０１から遠い面における導波路領域の断面積より小さくなるように形成されてもよい。
図６は、本実施の形態の固体撮像素子の構成の異なる一例を示す構造断面図である。同図に示す固体撮像素子３００では、導波路領域１１１の代わりに導波路領域３１１が受光部１０２の上方に形成されている。その他の構成については、固体撮像素子１００と同様であるので、以下では説明を省略する。
図６に示すように、導波路領域３１１は、絶縁膜１０７より屈折率が高い高屈折率領域である。そして、半導体基板１０１に平行な面において、半導体基板１０１に近い面における導波路領域３１１の断面積が、半導体基板１０１から遠い面における導波路領域３１１の断面積より小さい。
以下では、図６に示す導波路領域３１１を形成する工程について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態の受光部１０２上方に形成された絶縁膜１０７に不純物を注入する工程の異なる一例を示す断面工程図である。
以上のように、これらは、図２と同様に絶縁膜１０７の表面をＣＭＰ法によって平坦化した後、マスクレイアウトと不純物の注入条件とを変えながら複数回注入を行うことで形成することができる。具体的には、以下の通りである。
図７（ａ）に示すように、導波路領域３１１となる形状より小さい面積の開口が形成されたレジスト３２１をマスクとして用いて、絶縁膜１０７に不純物を注入する。このとき、半導体基板１０１に近接する絶縁膜１０７の領域、すなわち、反射防止膜１０４付近の絶縁膜１０７の領域に不純物を注入する。これにより、導波路領域３１１ａが形成される。
次に、レジスト３２１を除去した後、図７（ｂ）に示すように、導波路領域３１１とする形状の開口が形成されたレジスト３２２をマスクとして用いて、絶縁膜１０７に不純物を注入する。このとき、絶縁膜１０７の表面付近にのみ不純物を注入する。
その後、図７（ｃ）に示すように、レジスト３２２を除去して熱処理を行う。これにより、半導体基板１０１に近い面における断面積が、絶縁膜１０７の表面に近い面における断面積より大きくなる導波路領域３１１が形成される。
これにより、より多くの光を導波路領域３１１に導入することができるため、集光効率が向上し、固体撮像素子１００の感度を向上することができる。
また、導波路領域は、半導体基板１０１と離間していてもよい。具体的には、反射防止膜１０４付近の絶縁膜１０７の領域には、不純物が注入されていなくてもよい。例えば、図８に示す固体撮像素子４００のように、導波路領域４１１が凸レンズ状であってもよい。
なお、凸レンズ状の導波路領域４１１を形成するには、例えば、マスクレイアウトと不純物の注入条件とを変えながら複数回注入を行うことで形成することができる。
具体的には、受光部１０２の中心を含む領域の上方に第１開口を有するレジストを形成し、絶縁膜１０７に不純物を注入する。続いて、第１開口より大きな第２開口を有するレジストを形成し、絶縁膜１０７に不純物を注入する。このとき、第１開口を有するレジストを用いて不純物を注入したときよりも、少し弱い強度で不純物を注入する。例えば、不純物が注入される深さが浅くなるように不純物を注入する。
以上の処理を繰り返すことで、図８に示すような凸レンズ状の導波路領域４１１が形成される。これによって、凸レンズ効果が得られ、入射した光を直線的に受光部１０２に入射させることができ、感度の向上と共にノイズ成分の発生を抑制することができる。
以上、説明したように、本実施の形態の固体撮像素子１００によれば、従来のようにエッチングにより開口部を形成して、その開口部にプラズマＣＶＤ法により光透過性材料を埋め込む手法と比較して、導波路領域のアスペクト比が高くなってもボイドは発生しない。これにより、ボイドによる集光効率の低下を防止することができる。
また、本実施の形態では、不純物を注入する工程のみでよく、異方性ドライエッチング、及び、シリコン酸化膜（光透過性材料）の成膜埋め込みの各工程を省略することが可能である。よって、製造工程の削減、製造時間の短縮、及びこれに伴うウェハコストの低減が可能となる。
さらに、異方性ドライエッチングを行わないので、ドライエッチングによる絶縁膜１０７の開口部の表面荒れ、及びプラズマによって受光部１０２の結晶欠陥が誘起されることが無い。したがって、集光効率の低下、白キズや暗電流の発生を抑制することができると共に、配線の削れ及びこれに伴うパーティクルの発生を無くすことができる。そのため、配線抵抗の増加や画像欠陥の発生原因も防ぐことができる。
以上、本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、実施の形態の変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
例えば、本実施の形態では、拡散防止膜１０９は、配線１０８上のみに形成されている構成について説明したが、これには限られない。例えば、図９に示す固体撮像素子５００のように、拡散防止膜５０９が全面に形成されていてもよい。つまり、拡散防止膜５０９は、受光部１０２の上方における導波路領域１１１が形成される絶縁膜１０７の領域に形成されていてもよい。
また、本実施の形態においては、絶縁膜１０７の形成に当たり、種々の成膜法を用いることができる。ＣＶＤ法を用いる場合には、熱ＣＶＤ法の他、プラズマＣＶＤ法を用いることも可能である。
また、本実施の形態の固体撮像素子が赤外線撮像用であれば、各受光部１０２上に赤外線フィルタが設けられる。さらに、上記ではＭＯＳ型固体撮像素子に適用した事例について説明したが、本発明は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像素子についても同様に適用可能である。
また、本実施の形態では、絶縁膜１０７に注入する不純物としてアルゴンを用いたが、炭素、又は窒素でもよい。
本発明の固体撮像素子及びその製造方法は、画素サイズの微細化が進む中で重要な基本特性である感度を向上させることができるという効果を奏し、例えば、デジタルカメラなどの撮像装置に利用することができる。
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 固体撮像素子
１０１、６０１ 半導体基板
１０２、６０２ 受光部
１０２ａ Ｎ型不純物拡散領域
１０２ｂ 表面Ｐ型層
１０３、６０３ ゲート絶縁膜
１０４、６０４ 反射防止膜
１０５、６０５ 転送ゲート
１０６、６０６ 素子分離絶縁膜
１０７、６０７ 絶縁膜
１０８、６０８ 配線
１０９、５０９ 拡散防止膜
１１０、６１０ 導電プラグ
１１１、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、３１１、３１１ａ、４１１、６１１ 導波路領域
１１２、６１２ パッシベーション膜
１１３、６１３ 平坦化膜
１１４、６１４ カラーフィルタ
１１５、６１５ オンチップレンズ
１２１、２２１、２２２、３２１、３２２ レジスト
１０１、６０１ 半導体基板
１０２、６０２ 受光部
１０２ａ Ｎ型不純物拡散領域
１０２ｂ 表面Ｐ型層
１０３、６０３ ゲート絶縁膜
１０４、６０４ 反射防止膜
１０５、６０５ 転送ゲート
１０６、６０６ 素子分離絶縁膜
１０７、６０７ 絶縁膜
１０８、６０８ 配線
１０９、５０９ 拡散防止膜
１１０、６１０ 導電プラグ
１１１、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、３１１、３１１ａ、４１１、６１１ 導波路領域
１１２、６１２ パッシベーション膜
１１３、６１３ 平坦化膜
１１４、６１４ カラーフィルタ
１１５、６１５ オンチップレンズ
１２１、２２１、２２２、３２１、３２２ レジスト
Claims (12)
- 光電変換を行う受光部が表面に形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜は、前記受光部の上方に形成された、前記絶縁膜より屈折率が高い高屈折率領域を含み、
前記高屈折率領域は、前記絶縁膜に不純物が注入されて形成される
固体撮像素子。 - 前記高屈折率領域では、前記半導体基板に平行な断面において、中心部の不純物濃度が周辺部の不純物濃度より高い
請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記半導体基板に平行な面において、前記半導体基板に近い面における前記高屈折率領域の断面積は、前記半導体基板から遠い面における前記高屈折率領域の断面積より小さい
請求項１又は２記載の固体撮像素子。 - 前記高屈折率領域と前記半導体基板の表面とは、離間している
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記絶縁膜は、
多層構造を形成する複数の配線と、
前記複数の配線のそれぞれの上面に形成された拡散防止膜とを備え、
前記拡散防止膜は、前記受光部の上方では開口している
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記絶縁膜は、
多層構造を形成する複数の配線と、
前記複数の配線のそれぞれの上面に形成された拡散防止膜とを備え、
前記拡散防止膜は、前記受光部の上方に形成されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記半導体基板に平行な面において、前記高屈折率領域の断面形状は、略正八角形である
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記絶縁膜は、リン、フッ素、及びボロンのうちの少なくとも１つを含む酸化シリコンである
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記不純物は、炭素、アルゴン、及び窒素のうちのいずれか１つである
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 半導体基板の表面に、光電変換を行う受光部を形成する受光部形成ステップと、
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成ステップと、
前記絶縁膜の前記受光部の上方の領域に不純物を注入することで、前記絶縁膜より屈折率が高い高屈折率領域を形成する不純物注入ステップとを含む
固体撮像素子の製造方法。 - 前記不純物注入ステップは、
前記受光部の中心を含む第１領域の上方における前記絶縁膜に不純物を注入する第１不純物注入ステップと、
前記第１領域より大きく、かつ、前記受光部の中心を含む第２領域の上方における前記絶縁膜に不純物を注入する第２不純物注入ステップとを含む
請求項１０記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第１不純物注入ステップでは、前記絶縁膜における前記半導体基板の表面に近接する領域に不純物を注入する
請求項１１記載の固体撮像素子の製造方法。
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2010
- 2010-04-09 WO PCT/JP2010/002592 patent/WO2010143347A1/ja active Application Filing
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