JP2015032717A - 固体撮像装置およびカメラモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】暗電流を低減することができる固体撮像装置およびカメラモジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、光電変換素子と、第１の絶縁膜と、金属酸化膜と、反射防止膜と、第２の絶縁膜とを備える。光電変換素子は、入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する。第１の絶縁膜は、光電変換素子の受光面に設けられる。金属酸化膜は、第１の絶縁膜の受光面に設けられる。反射防止膜は、金属酸化膜の受光面側に設けられ、光の反射抑制機能を有する。第２の絶縁膜は、金属酸化膜と反射防止膜との間に設けられ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置およびカメラモジュールに関する。
従来、デジタルカメラやカメラ機能付き携帯端末等の電子機器には、固体撮像装置を備えるカメラモジュールが設けられる。固体撮像装置は、撮像画像の各画素に対応して２次元に配列された複数の光電変換素子を備える。各光電変換素子は、入射光を受光量に応じた量の電荷（例えば、電子）へ光電変換し、各画素の輝度を示す情報として蓄積する。
かかる固体撮像装置では、光電変換素子の受光面における結晶欠陥や熱電変換等に起因して、入射光の有無に関わらず光電変換素子に電荷が蓄積される場合がある。かかる電荷は、撮像画像が出力される際に暗電流となって検出され、撮像画像中に白傷となって現れることがある。このため、固体撮像装置では、暗電流を低減する必要がある。
特開２００８−３０６１５４号公報
本発明の一つの実施形態は、暗電流を低減することができる固体撮像装置およびカメラモジュールを提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、光電変換素子と、第１の絶縁膜と、金属酸化膜と、反射防止膜と、第２の絶縁膜とを備える。光電変換素子は、入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する。第１の絶縁膜は、前記光電変換素子の受光面に設けられる。金属酸化膜は、前記第１の絶縁膜の受光面に設けられる。反射防止膜は、前記金属酸化膜の受光面側に設けられ、前記光の反射抑制機能を有する。第２の絶縁膜は、前記金属酸化膜と前記反射防止膜との間に設けられ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
実施形態に係る固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図。 実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。 実施形態に係るイメージセンサの一部を示す断面視による説明図。 実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜を設けない場合の説明図。 実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜を設けた場合の説明図。 実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜の膜厚と暗電流との関係に関する実験結果を示す図。 実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜の膜厚とフラットバンド電圧との関係に関する実験結果を示す図。 実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜の膜厚と入射光量との関係に関する実験結果を示す図。 実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面模式図。 実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面模式図。 実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面模式図。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置、カメラモジュールおよび固体撮像装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、実施形態に係る固体撮像装置１４を備えるデジタルカメラ１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、デジタルカメラ１は、カメラモジュール１１と後段処理部１２とを備える。
カメラモジュール１１は、撮像光学系１３と固体撮像装置１４とを備える。撮像光学系１３は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置１４は、撮像光学系１３によって結像される被写体像を撮像し、撮像によって得られた画像信号を後段処理部１２へ出力する。かかるカメラモジュール１１は、デジタルカメラ１以外に、例えば、カメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。
後段処理部１２は、ＩＳＰ（Image Signal Processor）１５、記憶部１６および表示部１７を備える。ＩＳＰ１５は、固体撮像装置１４から入力される画像信号の信号処理を行う。かかるＩＳＰ１５は、例えば、ノイズ除去処理、欠陥画素補正処理、解像度変換処理等の高画質化処理を行う。
そして、ＩＳＰ１５は、信号処理後の画像信号を記憶部１６、表示部１７およびカメラモジュール１１内の固体撮像装置１４が備える後述の信号処理回路２１（図２参照）へ出力する。ＩＳＰ１５からカメラモジュール１１へフィードバックされる画像信号は、固体撮像装置１４の調整や制御に用いられる。
記憶部１６は、ＩＳＰ１５から入力される画像信号を画像として記憶する。また、記憶部１６は、記憶した画像の画像信号をユーザの操作等に応じて表示部１７へ出力する。表示部１７は、ＩＳＰ１５あるいは記憶部１６から入力される画像信号に応じて画像を表示する。かかる表示部１７は、例えば、液晶ディスプレイである。
次に、図２を参照してカメラモジュール１１が備える固体撮像装置１４について説明する。図２は、実施形態に係る固体撮像装置１４の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、固体撮像装置１４は、イメージセンサ２０と、信号処理回路２１とを備える。
ここでは、イメージセンサ２０が、入射光を光電変換する光電変換素子の入射光が入射する面とは逆の面側に配線層が形成される所謂裏面照射型ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである場合について説明する。
なお、本実施形態に係るイメージセンサ２０は、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサに限定するものではなく、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等といった任意のイメージセンサであってもよい。
イメージセンサ２０は、周辺回路２２と、画素アレイ２３とを備える。また、周辺回路２２は、垂直シフトレジスタ２４、タイミング制御部２５、ＣＤＳ（相関二重サンプリング部）２６、ＡＤＣ（アナログデジタル変換部）２７、およびラインメモリ２８を備える。
画素アレイ２３は、イメージセンサ２０の撮像領域に設けられる。かかる画素アレイ２３には、撮像画像の各画素に対応する複数の光電変換素子であるフォトダイオードが、水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）へ２次元アレイ状に配置されている。そして、画素アレイ２３は、各画素に対応する各光電変換素子が入射光量に応じた信号電荷（例えば、電子）を生成する。
タイミング制御部２５は、垂直シフトレジスタ２４に対して動作タイミングの基準となるパルス信号を出力する処理部である。垂直シフトレジスタ２４は、アレイ（行列）状に配置された複数の光電変換素子の中から信号電荷を読み出す光電変換素子を行単位で順次選択するための選択信号を画素アレイ２３へ出力する処理部である。
画素アレイ２３は、垂直シフトレジスタ２４から入力される選択信号によって行単位で選択される各光電変換素子に蓄積された信号電荷を、各画素の輝度を示す画素信号として光電変換素子からＣＤＳ２６へ出力する。
ＣＤＳ２６は、画素アレイ２３から入力される画素信号から、相関二重サンプリングによってノイズを除去してＡＤＣ２７へ出力する処理部である。ＡＤＣ２７は、ＣＤＳ２６から入力されるアナログの画素信号をデジタルの画素信号へ変換してラインメモリ２８へ出力する処理部である。ラインメモリ２８は、ＡＤＣ２７から入力される画素信号を一時的に保持し、画素アレイ２３における光電変換素子の行毎に信号処理回路２１へ出力する処理部である。
信号処理回路２１は、ラインメモリ２８から入力される画素信号に対して所定の信号処理を行って後段処理部１２へ出力する処理部である。信号処理回路２１は、画素信号に対して、例えば、レンズシェーディング補正、傷補正、ノイズ低減処理等の信号処理を行う。
このように、イメージセンサ２０では、画素アレイ２３に配置される複数の光電変換素子が入射光を受光量に応じた量の信号電荷へ光電変換して蓄積し、周辺回路２２が各光電変換素子に蓄積された信号電荷を画素信号として読み出すことによって撮像を行う。
かかるイメージセンサ２０では、光電変換素子の入射光が入射される側の端面（以下、「受光面」と記載する）に結晶欠陥に起因した界面準位や、汚染物質の付着、熱電変換等に起因して、入射光を受光していない光電変換素子に電荷が蓄積されることがある。
かかる電荷は、周辺回路２２によって画素信号が読み出される際に、暗電流となって画素アレイ２３から周辺回路２２へ流れ込み、撮像画像中に白傷となって現れることがある。そこで、実施形態に係る固体撮像装置１４では、暗電流を抑制するようにイメージセンサ２０が構成される。次に、かかるイメージセンサ２０の断面構造について、図３を参照して説明する。
図３は、実施形態に係るイメージセンサ２０の一部を示す断面視による説明図である。なお、図３には、イメージセンサ２０における画素アレイ２３と周辺回路２２との境界部分の断面を模式的に示している。
図３に示すように、イメージセンサ２０は、支持基板３１上に順次積層される接着層３２、多層配線層３３、光電変換素子３４、第１のＳｉ（シリコン）酸化膜４１、固定電荷層４２、および第２のＳｉ酸化膜４３を備える。
また、イメージセンサ２０は、第２のＳｉ酸化膜４３上の画素アレイ２３となる領域にＳｉ窒化膜４４を備え、第２のＳｉ酸化膜４３上の周辺回路２２となる領域に遮光膜４５を備える。
これらＳｉ窒化膜４４および遮光膜４５の上面は、窒化Ｓｉによって形成される保護膜４６によって被覆される。かかる保護膜４６上で各光電変換素子３４と対向する位置には、カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂが設けられ、各カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂ上には、マイクロレンズ４７が設けられる。
支持基板３１は、例えば、Ｓｉウェハであり、光電変換素子３４および多層配線層３３が形成された半導体基板５（図８参照）を研削し、薄化することによって光電変換素子３４の受光面を露出させる工程で半導体基板５を支持する基板である。接着層３２は、支持基板３１と半導体基板５とを接着する接着剤の層である。
多層配線層３３は、例えば、酸化Ｓｉによって形成される層間絶縁膜３３ａと、層間絶縁膜３３ａの内部に設けられ、光電変換された信号電荷の読出しや、周辺回路２２における各回路素子への駆動信号等の伝送に用いられる多層配線３３ｂとを備える。
光電変換素子３４は、例えば、Ｐ（リン）等のＮ型の不純物がドープされたＮ型のＳｉ領域３５と、Ｂ（ボロン）等のＰ型の不純物がドープされたＰ型のＳｉ領域３６とを含む。ここで、Ｐ型のＳｉ領域３６は、上面視においてＮ型のＳｉ領域３５を囲むように設けられ、各光電変換素子３４を電気的に分離する素子分離領域として機能する。
かかるＰ型のＳｉ領域３６は、Ｎ型のＳｉ領域３５との境界に近い部位ほど、Ｐ型の不純物濃度が薄くなるように形成される。そして、光電変換素子３４では、Ｐ型のＳｉ領域３６とＮ型のＳｉ領域３５との境界に生じるＰＮ接合によってフォトダイオードが形成される。フォトダイオードは、マイクロレンズ４７から入射する光を受光量に応じた信号電荷（電子）へ光電変換してＮ型のＳｉ領域３５に蓄積する。
また、Ｎ型のＳｉ領域３５における受光面近傍には、後述の固定電荷層４２が保持する負の固定電荷の影響によって電気的性質が反転して正の固定電荷（正孔）が蓄積される正孔蓄積領域３７が形成される。なお、正孔蓄積領域３７が形成されることによる作用効果については、図４Ａおよび図４Ｂを参照して詳述する。
第１のＳｉ酸化膜４１は、Ｎ型のＳｉ領域３５の受光面に生じるダングリングボンドを低減することで、Ｎ型のＳｉ領域３５の受光面における界面準位の増加を抑制するために設けられる膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜である。
かかる第１のＳｉ酸化膜４１を設けることにより、Ｎ型のＳｉ領域３５の受光面における界面準位に起因して、入射光の有無とは無関係に電子が生じることを抑制することができるので、暗電流の低減を図ることができる。
固定電荷層４２は、負の固定電荷である電子を保持する膜厚が１０ｎｍ以下の層であり、Ｎ型のＳｉ領域３５における受光面近傍に正孔蓄積領域３７を形成するために設けられる層である。
かかる固定電荷層４２は、例えば、Ｈｆ（ハフニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ（ルテニウム）の酸化物のいずれかによって形成される金属酸化膜である。
なお、固定電荷層４２は、Ｈｆ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｒｕの酸化物から選択された膜の積層構造体であってもよく、シリケート構造を有するＨｆ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｒｕの酸化物から選択された膜、あるいは、これらの膜の積層構造であってもよい。
第２のＳｉ酸化膜４３は、第２のＳｉ酸化膜４３上に設けられるＳｉ窒化膜４４に起因して、固定電荷層４２に保持される電子が減少することを抑制するために設けられる膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは、膜厚が２ｎｍ〜５ｎｍの薄膜である。
イメージセンサ２０では、固定電荷層４２上に第２のＳｉ酸化膜４３を設けることによって、さらなる暗電流の低減を可能にしている。なお、第２のＳｉ酸化膜４３を設けることによる作用効果については、図４Ａおよび図４Ｂを参照して詳述する。
Ｓｉ窒化膜４４は、マイクロレンズ４７から光電変換素子３４へ入射する光の反射を抑制する反射防止膜として機能する薄膜である。また、遮光膜４５は、周辺回路２２の上面から画素アレイ２３への光の入射を遮断する薄膜であり、例えば、ＡｌやＴｉなどの金属膜である。
カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂは、例えば、赤、緑、青の３原色のうち、いずれか一色の入射光を透過させる。マイクロレンズ４７は、平凸レンズであり、画素アレイ２３へ入射する入射光を光電変換素子３４へ集光する。
次に、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、正孔蓄積領域３７および第２のＳｉ酸化膜４３がもたらす作用効果について説明する。なお、ここでは、第２のＳｉ酸化膜４３を設けることによる効果を明確にするため、第２のＳｉ酸化膜４３を設けない場合について説明した後に、第２のＳｉ酸化膜４３を設けた場合について説明する。
図４Ａは、実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜４３を設けない場合の説明図であり、図４Ｂは、実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜４３を設けた場合の説明図である。図４Ａに示すように、第２のＳｉ酸化膜４３を設けない場合には、固定電荷層４２上に直接Ｓｉ窒化膜４４が設けられる。
かかる場合、Ｐ型のＳｉ領域３６とＮ型のＳｉ領域３５とのＰＮ接合部分をフォトダイオードとして機能させるために、Ｎ型のＳｉ領域３５へ正のバイアスを印加すると、固定電荷層４２の内部で分極が起こる。これにより、固定電荷層４２における第１のＳｉ酸化膜４１との界面に電子が蓄積される。
そして、Ｎ型のＳｉ領域３５では、内部に存在する正孔が固定電荷層４２に蓄積された電子に引き寄せられ、受光面近傍に正孔が蓄積される正孔蓄積領域３７が形成される。これにより、Ｎ型のＳｉ領域３５では、界面準位や熱電変換によって入射光の有無とは無関係に生じる電子の一部が正孔蓄積領域３７に蓄積された正孔と再結合するので、暗電流を低減することができる。
しかしながら、図４Ａに示すように、固定電荷層４２の直上に設けられるＳｉ窒化膜４４は、正孔を保持している。このため、固定電荷層４２上に直接Ｓｉ窒化膜４４が設けられる場合、Ｓｉ窒化膜４４が保持する正孔の影響によって、固定電荷層４２が保持する電子の一部が打ち消され、固定電荷層４２内の電子が減少する。
これにより、Ｎ型のＳｉ領域３５における正孔蓄積領域３７に蓄積される正孔も減少する。したがって、固定電荷層４２上に直接Ｓｉ窒化膜４４が設けられる場合には、暗電流の低減性能が低下する。
そこで、実施形態に係る固体撮像装置１４では、図４Ｂに示すように、固定電荷層４２とＳｉ窒化膜４４との間に、第２のＳｉ酸化膜４３を設け、固定電荷層４２とＳｉ窒化膜４４とを物理的に離隔させた。
これにより、図４Ｂに示す第２のＳｉ酸化膜４３を設けた場合には、Ｓｉ窒化膜４４内の正孔が固定電荷層４２内の電子に及ぼす影響が低減され、固定電荷層４２における第１のＳｉ酸化膜４１との界面に、図４Ａに示す場合よりも多くの電子が保持される。
その結果、Ｎ型のＳｉ領域３５における正孔蓄積領域３７にも、図４Ａに示す場合よりも多くの正孔が蓄積される。したがって、第２のＳｉ酸化膜４３を設けることで、Ｎ型のＳｉ領域３５に存在する入射光の有無とは無関係なより多くの電子を、正孔蓄積領域３７内の正孔と再結合させることにより、暗電流の低減特性をさらに向上させることができる。
ここで、第２のＳｉ酸化膜４３は、膜厚が厚いほど、Ｓｉ窒化膜４４内の正孔が固定電荷層４２内の電子に及ぼす影響を低減することが可能である。ただし、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚を不必要に厚くした場合、光電変換素子３４へ入射する光の光量が低減される虞がある。
そこで、本実施形態では、光電変換素子３４への入射光量の低減を抑制することができると共に、暗電流を低減可能な膜厚となるように形成された第２のＳｉ酸化膜４３を固定電荷層４２の上面に設けている。かかる暗電流を低減可能な膜厚については、次に説明する実験結果に基づいて決定する。
次に、図５〜図７を参照して、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚に関する実験結果について説明する。図５は、実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚と暗電流との関係に関する実験結果を示す図である。
また、図６は、実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚とフラットバンド電圧との関係に関する実験結果を示す図である。なお、ここでのフラットバンド電圧は、例えば、光電変換素子３４によって光電変換された信号電荷をフローティングディフュージョンへ転送する転送トランジスタのフラットバンド電圧である。また、図７は、実施形態に係る第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚と入射光量との関係に関する実験結果を示す図である。
図５に示すように、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚を０ｎｍ（第２のＳｉ酸化膜４３を設けない状態）から１１ｎｍまで変化させて暗電流を計測する実験を行った。その結果、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚が増すにつれて暗電流が徐々に減少し、膜厚が４ｎｍ以上で暗電流が最小値に収束する実験結果が得られた。
ここで、図５に示す暗電流の値Ｉａは、暗電流の許容値の上限値であり、値Ｉｂは、暗電流の好的値の上限値である。かかる図５から、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上、より好ましくは、２ｎｍ以上であることが望ましいことがわかる。
また、図６に示すように、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚を０ｎｍ（第２のＳｉ酸化膜４３を設けない状態）から１１ｎｍまで変化させて、フラットバンド電圧を計測する実験を行った。その結果、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚が増すにつれてフラットバンド電圧が徐々に増大し、膜厚が５ｎｍ以上でフラットバンド電圧が最大値に収束する実験結果が得られた。なお、この実験で計測されるフラットバンド電圧は、高いほど固定電荷層４２に保持される電子数が多いことを示す。
ここで、図６に示すフラットバンド電圧の値Ｖａは、フラットバンド電圧の許容値の下限値であり、値Ｖｂは、フラットバンド電圧の好的値の下限値である。かかる図５から、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上、より好ましくは、２ｎｍ以上であることが望ましいことがわかる。
また、図７に示すように、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚を０ｎｍ（第２のＳｉ酸化膜４３を設けない状態）から１１ｎｍまで変化させて光電変換素子３４へ入射する光の入射光量を計測する実験を行った。ここで、図７に示す入射光量の値Ｌａは、入射光量の許容値の下限値であり、値Ｌｂは、入射光量の好的値の下限値である。
その結果、入射光量は、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚が２ｎｍの場合に最大値となる実験結果が得られた。つまり、入射光量は、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚が２ｎｍより薄くなるにつれて減少し、膜厚が２ｎｍより厚くなるにつれて減少する。
ただし、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚が、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内であれば、入射光は、第２のＳｉ酸化膜４３を設けない場合の入射光量以上となる。このことから、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、より好ましくは、２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが望ましいことがわかる。
そこで、本実施形態では、これら３種の実験結果に基づいて、第２のＳｉ酸化膜４３の膜厚を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、さらに好適には、２ｎｍ以上５ｎｍとすることで、光電変換素子３４への入射光量の低減抑制と、暗電流の低減との双方を可能とした。
以下、図８〜図１０を参照して、かかる固体撮像装置１４の製造方法について説明する。なお、固体撮像装置１４における画素アレイ２３以外の部分の製造方法は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様である。このため、以下では、固体撮像装置１４における画素アレイ２３部分の製造方法について説明する。
図８〜図１０は、実施形態に係る固体撮像装置１４の製造工程を示す断面模式図である。なお、図８〜図１０には、画素アレイ２３における１画素に対応する部分の製造工程を選択的に示している。
図８の（ａ）に示すように、画素アレイ２３を製造する場合には、Ｓｉウェハ等の半導体基板５上にＮ型のＳｉ領域３５を形成する。このとき、例えば、半導体基板５上にＰ（リン）等のＮ型の不純物がドープされたＳｉ層をエピタキシャル成長させることにより、Ｎ型のＳｉ領域３５を形成する。なお、かかるＮ型のＳｉ領域３５は、Ｓｉウェハの内部へＮ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことにより形成されてもよい。
続いて、図８の（ｂ）に示すように、Ｎ型のＳｉ領域３５における素子分離の形成位置に、上面から半導体基板５の内部へ、例えば、Ｂ（ボロン）等のＰ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことによって、Ｐ型のＳｉ領域３６を形成する。
なお、かかるＰ型のＳｉ領域３６は、Ｎ型のＳｉ領域３５における素子分離の形成位置に開口を形成し、その後、開口の内部にＰ等の不純物がドープされたＳｉ層をエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。これにより、画素アレイ２３には、Ｐ型のＳｉ領域３６によって電気的に素子分離された複数の光電変換素子３４が上面視行列状に複数形成される。
続いて、光電変換素子３４の上面に多層配線層３３（図３参照）を形成する。このとき、図８の（ｃ）に示すように、例えば、Ｓｉ酸化膜等の層間絶縁膜３３ａを成膜する工程と、層間絶縁膜３３ａに所定の配線パターンを形成する工程と、配線パターン内にＣｕ等を埋め込んで多層配線３３ｂを形成する工程とを繰り返すことで多層配線層３３が形成される。その後、図８の（ｄ）に示すように、多層配線層３３の上面に接着剤を塗布して接着層３２を設け、接着層３２の上面に、例えば、Ｓｉウェハ等の支持基板３１を貼着する。
続いて、図９の（ａ）に示すように、図８の（ｄ）に示す構造体の天地を反転させた後、グラインダ等の研磨装置６によって半導体基板５を裏面側（ここでは、上面側）から研磨し、半導体基板５を所定の厚さになるまで薄化する。
その後、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって半導体基板５の裏面側をさらに研磨し、図９の（ｂ）に示すように、Ｎ型のＳｉ領域３５の裏面（ここでは、上面）を露出させる。このとき、Ｎ型のＳｉ領域３５の研磨面である上面にはダングリングボンドが発生して界面準位が生じる。
ここで、前述したように、かかるＮ型のＳｉ領域３５は、光電変換された電子が蓄積される正孔蓄積領域３７であり、その露出した上面が光電変換素子３４の受光面となる。そして、光電変換素子３４の受光面に界面準位が生じると、界面準位に起因して入射光の有無とは無関係に生じる電子がＮ型のＳｉ領域３５に蓄積され、暗電流の原因となり好ましくない。
そこで、実施形態に係る固体撮像装置１４の製造方法では、図９の（ｃ）に示すように、光電変換素子３４の受光面上に厚さが３ｎｍ以下の第１のＳｉ酸化膜４１を形成する。
ここで、第１のＳｉ酸化膜４１の形成にはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いる。これには、例えば、４００℃程度で成膜することが可能であるため、第１のＳｉ酸化膜４１の成膜時に既に形成されている多層配線３３ｂにＣｕを用いた場合でも溶出するといった問題が回避できることや、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法など他の低温成膜法に比べ安定したＳｉ界面を形成できることや、薄膜形成時の膜厚制御性が優れているという利点があり、第１のＳｉ酸化膜４１の形成に適している。
このように、光電変換素子３４の受光面上に第１のＳｉ酸化膜４１を設けることにより、Ｎ型のＳｉ領域３５の上面に界面準位が生じることを抑制することができるため、暗電流を低減することができる。また、第１のＳｉ酸化膜４１は、膜厚が３ｎｍ以下であるため、入射光の反射および屈折を無視できる程度にまで抑えることができる。
なお、ここでは、Ｎ型のＳｉ領域３５の上面、および、Ｐ型のＳｉ領域３６の上面に第１のＳｉ酸化膜４１が形成される場合について説明したが、第１のＳｉ酸化膜４１は、少なくともＮ型のＳｉ領域３５の上面に設けられれば、暗電流の原因となる負の電荷の発生を抑制することができる。
続いて、図１０の（ａ）に示すように、第１のＳｉ酸化膜４１の上面に、負の固定電荷（電子）を保持する固定電荷層４２を形成する。この固定電荷層４２は、例えば厚さ１０ｎｍ以下のＨｆＯ（酸化ハフニウム）膜を形成する。
ここで、固定電荷層４２の形成にはＡＬＤ法を用いる。これには、例えば、４００℃以下で成膜することが可能である為、固定電荷層４２の成膜時にすでに形成されている多層配線３３ｂにＣｕを用いた場合でも溶出するといった問題が回避できることや、薄膜形成時の膜厚制御性が優れているという利点があり、固定電荷層４２の形成に適している。
さらに、成膜中の処理温度もしくはその後の形成工程の処理温度によって、ＨｆＯの少なくとも一部をシリケート結晶化させることによって負の固定電荷が発生させられ、これに引き付けられてＮ型のＳｉ領域３５の受光面近傍に正孔蓄積領域３７が形成される。
これより、暗電流の原因となる界面付近に存在する結晶欠陥や重金属元素によって発生した電子は正孔と再結合される。したがって、固体撮像装置１４によれば、暗電流をさらに低減することができる。なお、ここでは、固定電荷層４２の材料がＨｆＯである場合について説明したが、固定電荷層４２の材料は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｇを１種類以上含んだ材料であってもよい。
その後、図１０の（ｂ）に示すように、固定電荷層４２の入射光が入射する面（受光面）に第２のＳｉ酸化膜４３を形成する。このとき、第２のＳｉ酸化膜４３は、ＡＬＤ法によって膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好的には、２ｎｍ〜５ｎｍの範囲に収まるように形成される。
このように、第２のＳｉ酸化膜４３を第１のＳｉ酸化膜４１と同様、ＡＬＤ法によって形成することにより、第２のＳｉ酸化膜４３と固定電荷層４２およびＳｉ窒化膜４４との界面におけるダングリングボンドの発生を抑制することができる。したがって、ダングリングボンドにより生じる界面準位に起因して発生した電子が暗電流となって検出されることを抑制することができる。
続いて、図１０の（ｃ）に示すように、第２のＳｉ酸化膜４３の入射光が入射する面（受光面）に反射防止膜となるＳｉ窒化膜４４を形成する。かかるＳｉ窒化膜４４は、一般的なＣＶＤ法によって形成される。
なお、固定電荷層４２であるＨｆＯなどは、高屈折率膜のため、単体でも反射防止膜の機能を果たせるが、安定した固定電荷を発生させる為にはＡＬＤ法で成膜する必要がある。しかし、ＡＬＤ法による固定電荷層４２の成膜には時間がかかり、厚膜を形成するには生産性への負担が大きくなってしまう。
このため、本実施形態では、固定電荷層４２をＡＬＤ法で形成した分大きくなる生産性への負荷を、成膜時間が比較的短くて済むＣＶＤ法でＳｉ窒化膜４４を形成することによって低減している。
その後、Ｓｉ窒化膜４４の上面に、カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂおよびマイクロレンズ４７を順次形成して、図３に示すイメージセンサ２０を備えた固体撮像装置１４が製造される。
このように、実施形態に係る固体撮像装置１４の製造方法では、固定電荷層４２とＳｉ窒化膜４４との間に第２のＳｉ酸化膜４３を形成することで、Ｓｉ窒化膜４４の影響による固定電荷層４２の組成変化を抑え、安定した固定電荷層４２の形成が可能となる。
これにより、固体撮像装置１４の製造方法では、Ｎ型のＳｉ領域３５における正孔蓄積領域３７内に蓄積される正孔が低減されることを抑制することができるので、暗電流をより大幅に低減可能な固体撮像装置１４を製造することができる。
また、第１のＳｉ酸化膜４１と第２のＳｉ酸化膜４３とを膜厚が同一となるように形成すれば、全く同一の成膜条件での成膜が可能となるため、成膜装置の稼働効率が上がり、生産性の負荷をさらに低減することが可能となる。
なお、本実施形態では、第１のＳｉ酸化膜４１、固定電荷層４２、第２のＳｉ酸化膜４３を全てＡＬＤ法によって形成する場合について説明したが、これらのうち、少なくともいずれか一つをＡＬＤ法によって形成してもよい。
上述したように、実施形態に係る固体撮像装置は、固定電荷層と反射防止膜との間に設けられる膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好的には、２ｎｍ〜５ｎｍのシリコン酸化膜によって、固定電荷層と反射防止膜とを物理的に離隔させる。
これにより、固体撮像装置では、反射防止膜内の正電荷に起因した固定電荷層内における負電荷の減少を抑制することによって、光電変換素子の受光面における正電荷の減少を抑制することができるので、暗源流のさらなる低減が可能となる。
しかも、実施形態に係る固体撮像装置では、固定電荷層と反射防止膜との間に設けられるシリコン酸化膜の膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好的には、２ｎｍ〜５ｎｍであるので、入射光量の低減を抑制しつつ、暗電流を低減することができる。
また、実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子の受光面に設けられるシリコン酸化膜をさらに備える。これにより、実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子の受光面に生じる界面準位の増加を抑制することで、暗電流をさらに低減することができる。
また、実施形態に係るシリコン酸化膜および固定電荷層は、ＡＬＤ法を用いて形成される。かかるＡＬＤ法によれば、例えば、固体撮像装置の多層配線に用いられる金属の融点よりも低い処理温度でシリコン酸化膜および固定電荷層を形成することができる。したがって、実施形態に係る固体撮像装置によれば、シリコン酸化膜および固定電荷層の形成によって多層配線へ悪影響が及ぶことを防止することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ デジタルカメラ、 １１ カメラモジュール、 １２ 後段処理部、 １３ 撮像光学系、 １４ 固体撮像装置、 １５ ＩＳＰ、 １６ 記憶部、 １７ 表示部、 ２０ イメージセンサ、 ２１ 信号処理回路、 ２２ 周辺回路、 ２３ 画素アレイ、 ２４ 垂直シフトレジスタ、 ２５ タイミング制御部、 ２６ ＣＤＳ、 ２７ ＡＤＣ、 ２８ ラインメモリ、 ３１ 支持基板、 ３２ 接着層、 ３３ 多層配線層、 ３３ａ 層間絶縁膜、 ３３ｂ 多層配線、 ３４ 光電変換素子、 ３５ Ｎ型のＳｉ領域、 ３６ Ｐ型のＳｉ領域、 ３７ 正孔蓄積領域、 ４１ 第１のＳｉ酸化膜、 ４２ 固定電荷層、 ４３ 第２のＳｉ酸化膜、 ４４ Ｓｉ窒化膜、 ４５ 遮光膜、 ４６ 保護膜、 ４７ マイクロレンズ、 ５ 半導体基板、 ６ 研磨装置、 Ｒ、Ｇ、Ｂ カラーフィルタ

Claims (5)

  1. 入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する光電変換素子と、
    前記光電変換素子の受光面に設けられる第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜の受光面に設けられる金属酸化膜と、
    前記金属酸化膜の受光面側に設けられ、前記光の反射抑制機能を有する反射防止膜と、
    前記金属酸化膜と前記反射防止膜との間に設けられ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第２の絶縁膜と
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜は、
    組成および膜厚が同一の薄膜である
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜は、
    シリコン酸化膜であり、
    前記反射防止膜は、
    シリコン窒化膜である
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第２の絶縁膜は、
    膜厚が２ｎｍ以上５ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
  5. 被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる撮像光学系と、
    前記撮像光学系によって結像される前記被写体像を撮像する固体撮像装置と
    を備え、
    前記固体撮像装置は、
    入射する光を受光量に応じた量の電荷へ光電変換して蓄積する光電変換素子と、
    前記光電変換素子の受光面に設けられる第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜の受光面に設けられる金属酸化膜と、
    前記金属酸化膜の受光面側に設けられ、前記光の反射抑制機能を有する反射防止膜と、
    前記金属酸化膜と前記反射防止膜との間に設けられ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第２の絶縁膜と
    を備えることを特徴とするカメラモジュール。
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