JP2020150032A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】画素の感度を向上させた固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、半導体中に設けられた光検出部と、前記半導体の表面上に設けられた第１絶縁膜と、前記光検出部と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記半導体の前記表面に沿った第１方向に並べて配置された複数の第２絶縁膜と、前記半導体と前記第２絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３絶縁膜と、を備える。【選択図】図１

Description

実施形態は、固体撮像装置に関する。
固体撮像装置は、シリコンなどの半導体に複数の画素を設けた構造を有する。固体撮像装置は、各画素に入射する光量を増やすことにより高感度化される。このため、例えば、反射防止膜を設けることにより、シリコン表面の反射による光の損失を低減することが重要である。しかしながら、反射防止膜を適用すると、暗時における画素の出力が大きくなり、その感度を低下させることがある。
特開２００７−２９４５４０号公報
実施形態は、画素の感度を向上させた固体撮像装置を提供する。
実施形態に係る固体撮像装置は、半導体中に設けられた光検出部と、前記半導体の表面上に設けられた第１絶縁膜と、前記光検出部と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記半導体の表面に沿った第１方向に並べて配置された複数の第２絶縁膜と、前記半導体と前記第２絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３絶縁膜と、を備える。
第１実施形態に係る固体撮像装置を示す模式図である。 比較例に係る固体撮像装置を示す模式図である。 第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置を示す模式図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置を示す模式図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
（第１実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置１を示す模式図である。固体撮像装置１は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。図１（ａ）は、固体撮像装置１の画素ＰＸの配置を示す平面図である。図１（ｂ）は、固体撮像装置１の画素ＰＸの構造を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、固体撮像装置１は、画素ＰＸと、遮光膜ＳＦ１と、遮光膜ＳＦ２と、を備える。画素ＰＸは、例えば、遮光膜ＳＦ１と遮光膜ＳＦ２との間の透光領域ＴＰＲに配置される。遮光膜ＳＦ１およびＳＦ２は、例えば、アルミニウム膜であり、Ｙ方向に延在する。画素ＰＸは、透光領域ＴＰＲにおいて、Ｙ方向に並べて配置される。
図１（ｂ）に示すように、固体撮像装置１の画素ＰＸは、光検出部ＰＤと、第１絶縁膜１３と、第２絶縁膜１５と、第３絶縁膜１７と、を含む。
光検出部ＰＤは、半導体、例えば、半導体基板１０の中に設けられる。半導体基板１０は、例えば、シリコン基板である。光検出部ＰＤは、例えば、フォトダイオードであり、ｐ形半導体およびｎ形半導体を含む。
第１絶縁膜１３は、半導体基板１０の表面上に設けられる。第１絶縁膜１３は、例えば、シリコン酸化膜である。遮光膜ＳＦ１およびＳＦ２は、第１絶縁膜１３の上に設けられる。第１絶縁膜１３は、遮光膜ＳＦ１と半導体基板１０との間、および、遮光膜ＳＦ２と半導体基板１０との間に設けられる。また、第１絶縁膜１３は、Ｚ方向に見て、遮光膜ＳＦ１と遮光膜ＳＦ２との間の透光領域ＴＰＲに位置する部分を含む。
第２絶縁膜１５は、光検出部ＰＤと第１絶縁膜１３との間に設けられる。第２絶縁膜１５は、複数設けられ、スリットＳＬを介して第１方向（例えば、Ｘ方向）に並べて配置される。第１方向は、例えば、半導体基板１０の表面に沿った方向である。第２絶縁膜は、例えば、シリコン窒化膜であり、第１絶縁膜１３の屈折率よりも大きい屈折率を有する。第２絶縁膜１５は、例えば、５００オングストローム（Å）のＺ方向の厚さを有する。スリットＳＬは、例えば、半導体基板１０の表面に沿った方向（Ｘ方向、Ｙ方向）において、０．２〜０．４マイクロメートル（μｍ）の範囲の幅を有する。
第３絶縁膜１７は、半導体基板１０と第２絶縁膜１５との間に設けられる。第３絶縁膜１７は、例えば、シリコン酸化膜であり、第２絶縁膜１５の屈折率よりも小さい屈折率を有する。
固体撮像装置１は、制御電極２０と、絶縁膜１９と、をさらに備える。制御電極２０は、例えば、光検出部ＰＤの外縁の上に設けられる。制御電極２０は、例えば、半導体基板１０と遮光膜ＳＦ２との間に配置される。制御電極２０は、光検出部ＰＤと電荷転送部（図示しない）との間を電気的に接続する。絶縁膜１９は、遮光膜ＳＦ１、遮光膜ＳＦ２および第１絶縁膜１３を覆うように設けられる。絶縁膜１９は、例えば、シリコン酸化膜である。
また、第３絶縁膜１７は、第１部分１７ａと、第２部分１７ｂと、を含む。第１部分１７ａは、半導体基板１０と第２絶縁膜１５との間に位置する。第２部分１７ｂは、半導体基板１０と制御電極２０との間に位置する。半導体基板１０の表面に垂直な方向（Ｚ方向）において、第２部分１７ｂは、第１部分１７ａよりも厚く設けられる。第２部分１７ｂは、例えば、Ｚ方向の厚さが５００Åになるように設けられる。第１部分１７ａは、例えば、Ｚ方向の厚さが１００Åになるように設けられる。
固体撮像装置１は、例えば、光検出部ＰＤに入射した光により励起された電子を、半導体基板１０の表面に誘起されるチャネルを介して電荷転送部（図示しない）に移動させることにより動作する。制御電極２０は、半導体基板１０の表面にチャネルを誘起するゲート電極として機能し、第３絶縁膜１７の第２部分１７ｂは、例えば、ゲート絶縁膜として機能する。
固体撮像装置１の感度を向上させるには、透光領域ＴＰＲを通過して各画素ＰＸに入射する光量を増やすことが望ましい。本実施形態では、光検出部ＰＤと第３絶縁膜１７の界面における反射により光検出部ＰＤに入射されない光を低減するために、第３絶縁膜１７よりも屈折率が大きい第２絶縁膜１５を配置する。すなわち、光検出部ＰＤと第３絶縁膜１７の界面で反射された光は、第２絶縁膜１５と第３絶縁膜１７との界面で再び反射され、光検出部ＰＤの方向に戻される。これにより、光検出部ＰＤに入射する光量を増加させ、画素ＰＸを高感度化することが可能である。
図２（ａ）および（ｂ）は、比較例に係る固体撮像装置２を示す模式図である。図２（ａ）は、固体撮像装置２の画素ＰＸの配置を示す平面図である。図２（ｂ）は、固体撮像装置２の画素ＰＸの構造を示す断面図である。なお、固体撮像装置２の画素ＰＸ以外の部分は、固体撮像装置１と同じ構造を有する。
固体撮像装置２の画素ＰＸは、半導体基板１０に設けられた光検出部ＰＤと、第１絶縁膜１３と、第２絶縁膜１５と、第３絶縁膜１７と、を含む。第２絶縁膜１７は、光検出部ＰＤと第１絶縁膜１３との間に位置し、第３絶縁膜１７は、光検出部ＰＤと第２絶縁膜１５との間に位置する。
第３絶縁膜１７は、例えば、シリコン基板を熱酸化することにより形成されるシリコン酸化膜である。第２絶縁膜１５は、例えば、ＣＶＤ（Ckemical Vapor Deposition）により第３絶縁膜１７の上に堆積されるシリコン窒化膜である。
固体撮像装置２の第２絶縁膜１５には、半導体基板１０と第２絶縁膜１５との間の線熱膨張係数の違いに起因した応力が生じる。第２絶縁膜１５がシリコン窒化膜である場合、例えば、２００〜３００メガパスカル（MPa）の引張応力を含む。この応力は、第２絶縁膜１５の端部に集中し、例えば、半導体基板１０に応力集中部ＳＣＰを生じさせる。
応力集中部ＳＣＰでは、例えば、シリコン結晶の格子歪が生じる。このため、応力集中部ＳＣＰが光検出部ＰＤの内部に位置すると、熱励起による電子の発生が増加し、画素ＰＸの暗示出力が増加する。画素ＰＸの暗示出力は、例えば、応力集中部ＳＣＰが光検出部ＰＤの内部に位置しない場合の１．５倍に増加し、画素ＰＸの感度を劣化させる。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る固体撮像装置１では、第２絶縁膜１５は、スリットＳＬ１およびＳＬ２により分割され、複数配置される。このため、第２絶縁膜１５の応力は分散され、半導体基板１０の格子歪を抑制することができる。これにより、画素ＰＸの感度を向上させることができる。
また、スリットＳＬ１およびＳＬ２は、第２絶縁膜１５を完全に分割しない深さ、すなわち、第１絶縁膜１３側の表面から第３絶縁膜１７に到達しない深さを有するように設けられても良い。
図１（ａ）に示す例では、第２絶縁膜１５は、スリットＳＬ１により分割され、複数の第２絶縁膜１５がＸ方向に並ぶ。さらに、第２絶縁膜１５は、スリットＳＬ２により分割され、Ｙ方向にも並ぶ。
実施形態は、この例に限定される訳ではない。例えば、図１（ａ）に示す例では、第２絶縁膜１５のＹ方向における端部は、光検出部ＰＤの外側に位置する。すなわち、スリットＳＬ２を設けない場合、第２絶縁膜１５のＹ方向の幅ＷＡＲは、光検出部ＰＤのＹ方向の幅ＷＰＤよりも広い。応力集中部ＳＣＰが光検出部ＰＤの外側に位置すれば、画素ＰＸの暗示出力を増加させる怖れは少ない。したがって、第２絶縁膜１５をＹ方向に分割するスリットＳＬ２を省略することも可能である。
図３は、第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置３を示す模式図である。図３は、画素ＰＸの配置を示す平面図である。固体撮像装置３は、第２絶縁膜１５以外の部分では、固体撮像装置１と同じ構造を有する。
第２絶縁膜１５は、第１絶縁膜１３と第３絶縁膜１７との間に選択的に設けられ（図１（ｂ）参照）、第３絶縁膜１７の屈折率よりも大きい屈折率を有する。第２絶縁膜１５は、例えば、Ｚ方向において、５００Åの厚さを有する。
図３に示すように、第２絶縁膜１５は、孔状のスリットＰＳＬを含む。スリットＰＳＬは、例えば、第１絶縁膜１３から第２絶縁膜１７に向かう方向（−Ｚ方向）に、第２絶縁膜１５を貫通するように設けられる。スリットＰＳＬは、例えば、半導体基板１０の表面に沿った方向（Ｘ方向、Ｙ方向）において、０．２〜０．４μｍの範囲の幅を有する。また、スリットＰＳＬは、第２絶縁膜１７に達しない深さを有するように設けられても良い。
スリットＰＳＬは、例えば、半導体基板１０の表面に沿ったＸ方向およびＹ方向に並べて配置される。Ｙ方向に並ぶスリットＰＳＬの列は、Ｘ方向に複数配置される。
図３に示す例では、Ｘ方向に並ぶスリットＰＳＬの列は１つであるが、Ｙ方向に複数の列を配置しても良い。また、Ｘ方向に並ぶスリットＰＳＬの列を省略しても良い。
この例では、第２絶縁膜１５に複数のスリットＰＳＬを配置することにより、その応力を低減し、半導体基板１０の格子歪を抑制することができる。これにより、画素ＰＸにおける暗時出力を低減し、その感度を向上させることができる。
（第２実施形態）
図４（ａ）および（ｂ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置４を示す模式図である。図４（ａ）は、固体撮像装置４の画素ＰＸの配置を示す平面図である。図４（ｂ）は、固体撮像装置４の画素ＰＸの構造を示す断面図である。
図４（ａ）に示すように、固体撮像装置４は、遮光膜ＳＦ１と遮光膜ＳＦ２との間の透光領域ＴＰＲにおいて、固体撮像装置１と同じ画素ＰＸの配置を有する。固体撮像装置４の第２絶縁膜１５は、スリットＳＬもしくはＰＳＬを含まない。
図４（ｂ）に示すように、固体撮像装置４は、光検出部ＰＤと、第１絶縁膜１３と、第２絶縁膜１５と、第３絶縁膜１７と、第４絶縁膜２１と、を備える。
第１絶縁膜１３は、半導体基板１０の上方に設けられる。第１絶縁膜１３は、例えば、シリコン酸化膜である。第１絶縁膜１３は、遮光膜ＳＦ１と半導体基板１０との間、および、遮光膜ＳＦ２と半導体基板１０との間に設けられる。また、第１絶縁膜１３は、Ｚ方向に見て、遮光膜ＳＦ１と遮光膜ＳＦ２との間の透光領域ＴＰＲに位置する部分を含む。
第２絶縁膜１５は、光検出部ＰＤと第１絶縁膜１３との間に設けられる。第２絶縁膜１５は、例えば、第１絶縁膜１３の屈折率よりも大きい屈折率を有する。第２絶縁膜１５は、例えば、シリコン窒化膜である。第２絶縁膜１５は、例えば、Ｚ方向において、５００Åの厚さを有する。
第３絶縁膜１７は、半導体基板１０と第２絶縁膜１５との間に設けられる。第３絶縁膜１７は、例えば、シリコン酸化膜であり、第２絶縁膜１５の屈折率よりも小さい屈折率を有する。第３絶縁膜１７は、半導体基板１０と制御電極２０との間に位置する部分を含む。第３絶縁膜１７は、光検出部ＰＤと第２絶縁膜１５との間に位置する部分において、例えば、１００ÅのＺ方向の厚さを有する。
第４絶縁膜２１は、第２絶縁膜１５と第３絶縁膜１７との間に設けられる。第４絶縁膜２１は、第２絶縁膜１５の屈折率と第３絶縁膜１７の屈折率との間の値の屈折率を有する。第４絶縁膜２１は、例えば、シリコン酸窒化膜である。第４絶縁膜２１は、第１絶縁膜１３と制御電極２０との間に位置する部分を含む。第４絶縁膜２１は、第２絶縁膜１５と第３絶縁膜１７との間に位置する部分において、例えば、１００〜２００Åの範囲のＺ方向の厚さを有する。
第３絶縁膜１７は、例えば、シリコン基板を熱酸化することにより形成されるシリコン酸化膜である。第４絶縁膜２１は、例えば、ＣＶＤを用いて形成され、第３絶縁膜１７よりも低密度の膜である。第４絶縁膜２１は、例えば、水素で終端されたシリコン原子の未結合手を含む。例えば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いた観察では、第４絶縁膜２１の輝度は、第３絶縁膜１７の輝度よりも高い。
本実施形態では、第２絶縁膜１５と第３絶縁膜１７との間に第４絶縁膜２１を設けることにより、第２絶縁膜１５の応力が半導体基板１０に及ぼす影響を抑制できる。すなわち、半導体基板１０の格子歪を抑制し、画素ＰＸの暗時出力を低減することができる。その結果、固体撮像装置４の画素ＰＸの感度を向上させることができる。
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、２、３、４…固体撮像装置、 １０…半導体基板、 １３…第１絶縁膜、 １５…第２絶縁膜、 １７…第３絶縁膜、 １７ａ…第１部分、 １７ｂ…第２部分、 ２１…第４絶縁膜、 １９…絶縁膜、 ２０…制御電極、 ＰＤ…光検出部、 ＳＬ、ＳＬ１、ＳＬ２、ＰＳＬ…スリット、 ＰＸ…画素、 ＳＣＰ…応力集中部、 ＳＦ１、ＳＦ２…遮光膜、 ＴＰＲ…透光領域

Claims (5)

  1. 半導体中に設けられた光検出部と、
    前記半導体の表面上に設けられた第１絶縁膜と、
    前記光検出部と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記半導体の表面に沿った第１方向に並べて配置された複数の第２絶縁膜と、
    前記半導体と前記第２絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３絶縁膜と、
    を備えた固体撮像装置。
  2. 半導体中に設けられた光検出部と、
    前記半導体の表面上に設けられた第１絶縁膜と、
    前記光検出部と前記第１絶縁膜との間に設けられた第２絶縁膜と、
    前記半導体と前記第２絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３絶縁膜と、
    を備え、
    前記第２絶縁膜は、前記半導体の前記表面に沿った第１方向に並べて配置された孔状のスリットを複数含み、
    前記スリットは、前記半導体の前記表面に垂直な方向に延在する固体撮像装置。
  3. 前記光検出部の外縁上に設けられた制御電極をさらに備え、
    前記第３絶縁膜は、前記光検出部と前記第２絶縁膜との間に位置する第１部分と、前記半導体と前記制御電極との間に位置する第２部分と、を有し、
    前記半導体の前記表面に直交する第２方向における前記第１部分の膜厚は、前記第２方向における前記第２部分の膜厚よりも薄い請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１絶縁膜上に設けられた遮光膜をさらに備え、
    前記光検出部の上方に、前記遮光膜が配置されない透光領域を有し、
    前記制御電極は、前記半導体と前記遮光膜との間に配置される請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 半導体中に設けられた光検出部と、
    前記半導体の表面上に設けられた第１絶縁膜と、
    前記光検出部と前記第１絶縁膜との間に設けられ、前記第１絶縁膜の屈折率よりも大きい屈折率を有する第２絶縁膜と、
    前記半導体と前記第２絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜と前記第３絶縁膜との間に設けられ、前記第２絶縁膜の屈折率と前記第３絶縁膜の屈折率との間の値の屈折率を有する第４絶縁膜と、
    を備えた固体撮像装置。
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