JP2017069374A - 裏面入射型固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体基板のうち薄化部分を包囲する枠部分への光の入射を長期間に渡って防止することができる裏面入射型固体撮像素子を提供する。【解決手段】裏面入射型固体撮像素子１Ａは、表面１０ａ、及び凹部２０が設けられた裏面１０ｂを有し、凹部２０の底部分である薄化部分１０ｃを撮像領域とする半導体基板１０と、半導体基板１０の表面１０ａに形成された信号読出回路７と、少なくとも半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに形成されたボロン層１２と、ボロン層１２上に形成され、凹部２０の底面２０ａに対向する開口１３ａが設けられた金属層１３と、凹部２０の底面２０ａに形成された反射防止層１４と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、裏面入射型固体撮像素子に関する。
裏面入射型固体撮像素子には、表面に信号読出回路が形成された半導体基板の裏面に凹部が設けられ、凹部の底部分である薄化部分が撮像領域として用いられるものがある。このような裏面入射型固体撮像素子では、解像度の劣化防止等の観点から、薄化部分を包囲する枠部分への光の入射が防止される場合がある。例えば、特許文献１記載の半導体装置では、ベベル部分（薄化部分と枠部分との間の部分）へのエネルギー線の入射を防止するために、ベベル部分を画定する傾斜面（凹部の側面）に、黒樹脂からなる遮蔽層が形成されている。
しかしながら、特許文献１記載の半導体装置では、遮蔽層が黒樹脂からなるため、比較的短期間で遮蔽層が劣化するおそれがある。
そこで、本発明は、半導体基板のうち薄化部分を包囲する枠部分への光の入射を長期間に渡って防止することができる裏面入射型固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の裏面入射型固体撮像素子は、表面、及び凹部が設けられた裏面を有し、凹部の底部分である薄化部分を撮像領域とする半導体基板と、半導体基板の表面に形成された信号読出回路と、少なくとも半導体基板の裏面及び凹部の側面に形成されたボロン層と、ボロン層上に形成され、凹部の底面に対向する開口が設けられた金属層と、凹部の底面に形成された反射防止層と、を備える。
この裏面入射型固体撮像素子では、ボロン層を介して半導体基板の裏面及び凹部の側面に金属層が形成されている。この構成は、ボロン層上には金属層が安定して形成されるとの、本発明者らが見出した知見に基づくものである。したがって、半導体基板のうち薄化部分を包囲する枠部分への光の入射が、安定して形成された金属層によって防止される。よって、この裏面入射型固体撮像素子によれば、半導体基板のうち薄化部分を包囲する枠部分への光の入射を長期間に渡って防止することができる。
本発明の裏面入射型固体撮像素子では、凹部は、半導体基板の表面側とは反対側に向かって広がる錐台状の形状を有してもよい。この構成によれば、ボロン層を介して凹部の側面に形成された金属層の安定性をより向上させることができる。
本発明の裏面入射型固体撮像素子では、ボロン層は、凹部の底面に更に形成されており、反射防止層は、ボロン層を介して凹部の底面に形成されていてもよい。この構成によれば、極端紫外線に対する耐性を向上させることができると共に、ボロン層をアキュムレーション層として機能させることができる。
本発明の裏面入射型固体撮像素子では、半導体基板のうち少なくとも凹部を包囲する領域は、Ｐ型の半導体材料からなってもよい。この構成によれば、ボロン層を介して金属層がＰ型の領域と電気的に接続されるため、当該領域の低抵抗化を図ることができる。
本発明の裏面入射型固体撮像素子では、金属層は、めっき層であってもよい。この構成は、めっきによってボロン層上には金属層が選択的に且つ等方的に形成されるとの、本発明者らが見出した知見に基づくものである。これにより、凹部の側面にボロン層を形成しておくことで、凹部の形状等に左右されず、ボロン層を介して凹部の側面に金属層を確実に形成することができる。よって、ボロン層を介して凹部の側面に形成された金属層の安定性をより向上させることができる。
本発明によれば、半導体基板のうち薄化部分を包囲する枠部分への光の入射を長期間に渡って防止することができる裏面入射型固体撮像素子を提供することが可能となる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
［第１実施形態］
図１に示される裏面入射型固体撮像素子１Ａは、裏面入射型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサである。同図に示されるように、裏面入射型固体撮像素子１Ａは、半導体基板１０を備えている。半導体基板１０は、Ｐ＋型半導体基板２の表面にＰ−型半導体層３をエピタキシャル成長させることで構成されている。Ｐ＋型半導体基板２及びＰ−型半導体層３は、例えばシリコン結晶からなる。なお、「Ｐ＋型」とは、Ｐ型不純物の濃度が例えば１×１０１７ｃｍ−３程度以上というように高いことを意味し、「Ｐ−型」とは、Ｐ型不純物の濃度が例えば１×１０１５ｃｍ−３程度以下というように低いことを意味する。
半導体基板１０の表面１０ａには、ゲート絶縁膜４，５，６が形成されている。ゲート絶縁膜４，６は、例えばシリコン酸化膜であり、ゲート絶縁膜５は、例えばシリコン窒化膜である。すなわち、ゲート絶縁膜４，５，６は、ＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造を有している。ゲート絶縁膜４，５，６上には、信号読出回路７が形成されている。つまり、信号読出回路７は、ゲート絶縁膜４，５，６を介して半導体基板１０の表面１０ａに形成されている。信号読出回路７は、複数の電荷転送電極を含んでいる。信号読出回路７上には、信号読出回路７に対する信号入出力用の金属配線８が形成されている。金属配線８は、例えばアルミニウムからなる。金属配線８上には、はんだバンプを設けるためのＵＢＭ（Under Bump Metal）９が形成されている。
半導体基板１０の裏面１０ｂには、凹部２０が設けられている。凹部２０は、半導体基板１０の表面１０ａ側とは反対側に向かって広がる錐台状（例えば四角錘台状）の形状を有している。凹部２０の底面２０ａは、Ｐ＋型半導体基板２とＰ−型半導体層３との界面に至っている。半導体基板１０では、凹部２０の底部分である薄化部分１０ｃが撮像領域とされ、半導体基板１０の厚さ方向から見た場合に薄化部分１０ｃを包囲する部分が枠部分１０ｄとされている。半導体基板１０では、半導体基板１０の厚さ方向から見た場合に少なくとも凹部２０を包囲する領域がＰ＋型半導体基板２の材料（Ｐ型の半導体材料）からなる。なお、薄化部分１０ｃとは、枠部分１０ｄに比べ、半導体基板１０の厚さ方向において薄化された部分との意味である。
Ｐ−型半導体層３のうち凹部２０の底面２０ａに対応する部分には、バックサイドウェルをなくすためのアキュムレーション層１１が形成されている。アキュムレーション層１１は、Ｐ−型半導体層３のうち凹部２０の底面２０ａに対応する部分にＰ型不純物をイオン注入又は拡散させることにより形成される。半導体基板１０では、Ｐ−型半導体層３のうちアキュムレーション層１１から半導体基板１０の表面１０ａに至る領域が光電変換領域として機能する。なお、図示は省略されているが、光電変換領域における表面１０ａ側の部分には、信号読出回路７の各電荷転送電極と対向するＮ型の埋め込みチャネル、光電変換領域で発生した電子を蓄積するためのｎ型の蓄積部等が形成されている。
半導体基板１０の裏面１０ｂ、凹部２０の側面２０ｂ及び凹部２０の底面２０ａには、ボロン層１２が一続きで形成されている。ボロン層１２は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）エピタキシャル成長によって、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さで等方的に形成される。ボロン層１２上には、金属層１３が形成されている。金属層１３には、凹部２０の底面２０ａに対向する開口１３ａが設けられている。つまり、金属層１３は、ボロン層１２を介して半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに形成されている。金属層１３は、光ｈνに対する遮光層として機能する。半導体基板１０の厚さ方向から見た場合に、開口１３ａの形状は、凹部２０の底面２０ａの形状と一致している。
金属層１３は、例えば、めっきによって、ボロン層１２上に数μｍ〜数十μｍの厚さで等方的に形成される。めっきの一例は、無電解金属めっきである。この場合、金属層１３は、めっき層である。めっき層は、例えば、無電解Ｎｉ／Ａｕめっきによって、ニッケルからなる厚さ１０μｍ程度の下地層上に、金からなる厚さ０．０５μｍ程度の表層が形成されることで、構成されている。なお、ボロン層１２上には金属層１３が安定して形成されること、及びめっきによってボロン層１２上には金属層１３が選択的に且つ等方的に形成されることは、本発明者らが見出した知見である。
凹部２０の底面２０ａには、ボロン層１２を介して反射防止層１４が形成されている。反射防止層１４は、金属層１３の開口１３ａの内側に配置されている。反射防止層１４は、例えば酸化アルミニウムからなる。
次に、裏面入射型固体撮像素子１Ａの製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。まず、図２の（ａ）に示されるように、Ｐ＋型半導体基板２の表面にＰ−型半導体層３をエピタキシャル成長させることにより、半導体基板１０を得る。続いて、図２の（ｂ）に示されるように、半導体基板１０の表面１０ａにゲート絶縁膜４，５，６を形成し、更に、ゲート絶縁膜４，５，６上に信号読出回路７を形成する。続いて、図２の（ｃ）に示されるように、アルカリエッチング等の異方性エッチングによって半導体基板１０の裏面１０ｂに凹部２０を形成し、更に、Ｐ−型半導体層３のうち凹部２０の底面２０ａに対応する部分にＰ型不純物をイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。そして、信号読出回路７上に保護膜３０を形成する。
続いて、図３の（ａ）に示されるように、自然酸化膜を除去した後、ＣＶＤエピタキシャル成長によって、半導体基板１０の裏面１０ｂ、凹部２０の側面２０ｂ及び凹部２０の底面２０ａに、ボロン層１２を等方的に形成する。続いて、図３の（ｂ）に示されるように、保護膜３０を除去した後、信号読出回路７上に金属配線８を形成する。続いて、図４の（ａ）に示されるように、原子層堆積法（ＡＬＤ）、エッチングによるパターニングを順次実施することにより、ボロン層１２を介して凹部２０の底面２０ａに反射防止層１４を形成する。続いて、図４の（ｂ）に示されるように、めっきによってボロン層１２上に金属層１３を選択的に且つ等方的に形成する。最後に、金属配線８上にＵＢＭ９を形成し、裏面入射型固体撮像素子１Ａを得る。
例えば気相成長法によると、凹部２０の側面２０ｂに金属層を所望の厚さで均一に形成することは困難であった。そのために、遮光層として樹脂層が形成される場合があった。しかし、樹脂層では、比較的短期間での劣化、アウトガスの発生といった問題が生じる。上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａの製造方法によれば、凹部２０の形状等に左右されず、凹部２０の側面２０ｂに金属層１３を所望の厚さで均一に形成することができる。
以上説明したように、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、ボロン層１２を介して半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに金属層１３が形成されている。この構成は、ボロン層１２上には金属層１３が安定して形成されるとの、本発明者らが見出した知見に基づくものである。したがって、半導体基板１０の裏面１０ｂ側から凹部２０内に進行した光ｈνは、反射防止層１４を透過して半導体基板１０の薄化部分１０ｃに効率良く入射し、その一方で、半導体基板１０の枠部分１０ｄへの光ｈνの入射は、安定して形成された金属層１３によって防止される。よって、裏面入射型固体撮像素子１Ａによれば、半導体基板１０の枠部分１０ｄへの光ｈνの入射を長期間に渡って防止することができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、遮光層として金属層１３が形成されているため、遮光層として樹脂層が形成されている場合に生じるアウトガスの発生という問題を防止することができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、凹部２０が、半導体基板１０の表面１０ａ側とは反対側に向かって広がる錐台状の形状を有している。この構成により、ボロン層１２を介して凹部２０の側面２０ｂに形成された金属層１３の安定性をより向上させることができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、ボロン層１２が、凹部２０の底面２０ａに形成されており、反射防止層１４が、ボロン層１２を介して凹部２０の底面２０ａに形成されている。この構成により、極端紫外線に対する耐性を向上させることができると共に、ボロン層１２をアキュムレーション層として機能させることができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、半導体基板１０のうち凹部２０を包囲する領域が、Ｐ型の半導体材料からなっている。この構成により、ボロン層１２を介して金属層１３がＰ型の領域と電気的に接続されるため、当該領域の低抵抗化を図ることができる。したがって、例えば金属層１３を接地することで、光電変換によって半導体基板１０の薄化部分１０ｃで発生したホールを、半導体基板１０の枠部分１０ｄを介して金属層１３に速やかに移動させて、グランドに安定的に掃き出すことが可能となる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ａでは、金属層１３がめっき層である。この構成は、めっきによってボロン層１２上には金属層１３が選択的に且つ等方的に形成されるとの、本発明者らが見出した知見に基づくものである。これにより、凹部２０の側面２０ｂにボロン層１２を形成しておくことで、凹部２０の形状等に左右されず、ボロン層１２を介して凹部２０の側面２０ｂに金属層１３を確実に形成することができる。よって、ボロン層１２を介して凹部２０の側面２０ｂに形成された金属層１３の安定性をより向上させることができる。
［第２実施形態］
［第２実施形態］
図５に示されるように、裏面入射型固体撮像素子１Ｂは、ボロン層１２及び反射防止層１４の構成において、上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａと主に相違している。裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、ボロン層１２は、半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに一続きで形成されているが、凹部２０の底面２０ａには形成されていない。ボロン層１２には、凹部２０の底面２０ａに対向する開口１２ａが設けられている。金属層１３がボロン層１２を介して半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに形成されている点は、上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａと同様である。半導体基板１０の厚さ方向から見た場合に、各開口１２ａ，１３ａの形状は、凹部２０の底面２０ａの形状と一致している。反射防止層１４は、凹部２０の底面２０ａ及び金属層１３に一続きで形成されている。反射防止層１４の一部は、開口１２ａ，１３ａの内側に配置されている。
次に、裏面入射型固体撮像素子１Ｂの製造方法について、図６〜図８を参照して説明する。信号読出回路７上に保護膜３０を形成するまでの工程は、上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａの製造方法と同様である（図２参照）。続いて、図６の（ａ）に示されるように、レジストの塗布、エッチングによるパターニングを順次実施することにより、凹部２０の底面２０ａにリフトオフ用レジスト膜４０を形成する。続いて、図６の（ｂ）に示されるように、自然酸化膜を除去した後、ＣＶＤエピタキシャル成長によって、半導体基板１０の裏面１０ｂ、凹部２０の側面２０ｂ及びリフトオフ用レジスト膜４０上に、ボロン層１２を等方的に形成する。
続いて、図７の（ａ）に示されるように、リフトオフ用レジスト膜４０上に形成されたボロン層１２をリフトオフ用レジスト膜４０と共に除去する。続いて、図７の（ｂ）に示されるように、保護膜３０を除去した後、信号読出回路７上に金属配線８を形成する。続いて、図８の（ａ）に示されるように、めっきによってボロン層１２上に金属層１３を選択的に且つ等方的に形成する。更に、金属配線８上にＵＢＭ９を形成する。最後に、図８の（ｂ）に示されるように、原子層堆積法によって、凹部２０の底面２０ａ及び金属層１３上に反射防止層１４を形成し、裏面入射型固体撮像素子１Ｂを得る。
以上説明したように、裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、ボロン層１２を介して半導体基板１０の裏面１０ｂ及び凹部２０の側面２０ｂに金属層１３が形成されている。よって、裏面入射型固体撮像素子１Ｂによれば、上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａと同様に、半導体基板１０の枠部分１０ｄへの光ｈνの入射を長期間に渡って防止することができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、遮光層として金属層１３が形成されているため、遮光層として樹脂層が形成されている場合に生じるアウトガスの発生という問題を防止することができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、凹部２０が、半導体基板１０の表面１０ａ側とは反対側に向かって広がる錐台状の形状を有している。この構成により、ボロン層１２を介して凹部２０の側面２０ｂに形成された金属層１３の安定性をより向上させることができる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、半導体基板１０のうち凹部２０を包囲する領域が、Ｐ型の半導体材料からなっている。この構成により、ボロン層１２を介して金属層１３がＰ型の領域と電気的に接続されるため、当該領域の低抵抗化を図ることができる。したがって、例えば金属層１３を接地することで、光電変換によって半導体基板１０の薄化部分１０ｃで発生したホールを、半導体基板１０の枠部分１０ｄを介して金属層１３に速やかに移動させて、グランドに安定的に掃き出すことが可能となる。
また、裏面入射型固体撮像素子１Ｂでは、金属層１３がめっき層である。よって、上述した裏面入射型固体撮像素子１Ａと同様に、ボロン層１２を介して凹部２０の側面２０ｂに形成された金属層１３の安定性をより向上させることができる。
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態において、Ｐ型及びＮ型の各導電型を逆となるように入れ替えてもよい。また、金属層１３はボロン層１２上に直接形成されている必要があるが、他の構成については、形成対象の構成上に直接形成されていてもよいし、何らかの層等を介して形成対象の構成上に間接的に形成されていてもよい。また、上記各実施形態は、裏面入射型固体撮像素子１Ａ，１Ｂが裏面入射型ＣＣＤイメージセンサである場合であったが、本発明は、裏面入射型ＣＭＯＳイメージセンサ等、他の裏面入射型固体撮像素子にも適用することが可能である。裏面入射型固体撮像素子が裏面入射型ＣＭＯＳイメージセンサである場合には、トランジスタ回路、配線層等を含む信号読出回路が半導体基板の表面に形成される。
１Ａ，１Ｂ…裏面入射型固体撮像素子、７…信号読出回路、１０…半導体基板、１０ａ…表面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…薄化部分、１２…ボロン層、１３…金属層、１３ａ…開口、１４…反射防止層、２０…凹部、２０ａ…底面、２０ｂ…側面。
Claims (5)
- 表面、及び凹部が設けられた裏面を有し、前記凹部の底部分である薄化部分を撮像領域とする半導体基板と、
前記半導体基板の前記表面に形成された信号読出回路と、
少なくとも前記半導体基板の前記裏面及び前記凹部の側面に形成されたボロン層と、
前記ボロン層上に形成され、前記凹部の底面に対向する開口が設けられた金属層と、
前記凹部の前記底面に形成された反射防止層と、を備える、裏面入射型固体撮像素子。 - 前記凹部は、前記半導体基板の前記表面側とは反対側に向かって広がる錐台状の形状を有する、請求項１記載の裏面入射型固体撮像素子。
- 前記ボロン層は、前記凹部の前記底面に更に形成されており、
前記反射防止層は、前記ボロン層を介して前記凹部の前記底面に形成されている、請求項１又は２記載の裏面入射型固体撮像素子。 - 前記半導体基板のうち少なくとも前記凹部を包囲する領域は、Ｐ型の半導体材料からなる、請求項１〜３のいずれか一項記載の裏面入射型固体撮像素子。
- 前記金属層は、めっき層である、請求項１〜４のいずれか一項記載の裏面入射型固体撮像素子。
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