JP2021163939A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長領域で分光感度のばらつきを効果的に低減できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１は、複数の光感応領域３が設けられた主面２０ａを有する半導体基板２０と、半導体基板２０の主面２０ａに設けられた絶縁膜３０と、を備えている。絶縁膜３０における半導体基板２０の主面２０ａと反対側の面（主面３０ｂ）には、複数の凹凸Ｒが形成され、光感応領域３において、凹凸Ｒの高低差が複数存在している。
【選択図】図９

Description

本開示は、固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳなどのイメージセンサを構成する固体撮像装置においては、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域に感度を有するものがある。紫外領域に感度を有する固体撮像装置では、紫外光による素子の劣化を抑制するため、ＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜といった絶縁膜が光感応領域に保護膜として形成されている。絶縁膜に保護膜としての機能を十分に発揮させるためには、例えば１μｍ程度の厚さが必要となる。この場合、絶縁膜の上面と、半導体基板の主面との間で入射光の干渉が生じ、分光感度が入射光の波長に対してばらついてしまうことが考えられる。このような課題に対し、例えば特許文献１に記載の固体撮像素子では、受光素子の表面上に周期的な凸部による下地パターンを形成することにより、入射光の約１波長以上の高低差を有する１以上の凹凸を絶縁膜の表面に形成している。

特開平６−１２５０６８号公報

上述した特許文献１に記載の固体撮像素子では、絶縁膜の表面に凹凸を形成し、絶縁膜中での入射光の干渉を低減させることにより、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの低減を図ったものである。しかしながら、この従来の固体撮像素子では、絶縁膜の表面に現れる凹凸パターンが均一となっているため、絶縁膜中での入射光の干渉を低減する効果が限定的である。したがって、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域で分光感度のばらつきを効果的に低減するには、更なる工夫が必要となっている。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、広い波長領域で分光感度のばらつきを効果的に低減できる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る固体撮像装置は、複数の光感応領域が設けられた主面を有する半導体基板と、半導体基板の主面に設けられた絶縁膜と、を備え、絶縁膜における半導体基板の主面と反対側の面には、複数の凹凸が形成され、光感応領域において、凹凸の高低差が複数存在している。

この固体撮像装置では、光感応領域において、絶縁膜に設けられた複数の凹凸に複数の高低差が存在している。このような複数の高低差が存在することで、入射光が光感応領域に入射する際に、絶縁膜内で光路長が互いに異なる複数の干渉が生じる。これにより、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。

光感応領域において、０．０１μｍ間隔で凹凸の高低差を計測した場合に、絶縁膜の最頂部を基準とする絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となっていてもよい。この場合、絶縁膜における凹凸の高低差が多種存在することとなり、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が高められる。したがって、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきをより効果的に低減することが可能となる。

光感応領域において、０．０１μｍ間隔で凹凸の高低差を計測した場合に、絶縁膜の最頂部を基準とする絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差が１％以下となっていてもよい。この場合、絶縁膜における凹凸の高低差が多種存在することとなり、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が高められる。したがって、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきをより効果的に低減することが可能となる。

光感応領域において、凹凸における最頂部と最底部との間の高低差は、０．５μｍ以上０．９μｍ以下となっていてもよい。この高低差が０．５μｍ以上であることで、絶縁膜内での入射光の光路長差が十分に大きくなるため、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が一層十分に高められる。また、この高低差が０．９μｍ以下であることで、凹部の深さが過剰とならず、絶縁膜の表面での入射光の屈折及び反射に起因して分光感度の絶対値が変化してしまうことを抑制できる。

半導体基板の主面は、平坦面となっていてもよい。この場合、半導体基板の主面の形状が簡単化されるため、固体撮像装置の低コスト化が図られる。

本開示によれば、広い波長領域で分光感度のばらつきを効果的に低減できる。

固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 絶縁膜の凹凸のパターンを示す平面図である。 図３の要部拡大図である。 （ａ）は、図４におけるＣ１−Ｃ２線断面図であり、（ｂ）は、図４におけるＣ１−Ｃ３線断面図である。 絶縁層の凹凸の形成の様子を示す概略的な断面図である。 熱処理と凹凸の間隔との関係を示す概略的な断面図である。 熱処理と凹凸の間隔との関係を示す概略的な断面図である。 図４に示したパターンの凹凸の高低差プロファイルを示すグラフである。 図４に示したパターンにおける絶縁膜の表面高さの出現頻度を示すグラフである。 図４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の紫外域〜近赤外域の分光感度特性を示すグラフである。 図４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の紫外域の分光感度特性を拡大して示すグラフである。 比較例に係る絶縁膜の凹凸のパターンを示す平面図である。 図１３の要部拡大図である。 図１４におけるＤ１−Ｄ２線断面図である。 図１４に示したパターンの凹凸の高低差プロファイルを示すグラフである。 図１４に示したパターンにおける絶縁膜の表面高さの出現頻度を示すグラフである。 図１４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の紫外域〜近赤外域の分光感度特性を示すグラフである。 図１４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の紫外域の分光感度特性を拡大して示すグラフである。 絶縁膜に凹凸が無い固体撮像装置の紫外域〜近赤外域の分光感度特性を示すグラフである。 絶縁膜に凹凸が無い固体撮像装置の紫外域の分光感度特性を拡大して示すグラフである。 絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値と分光感度の山谷との関係を示すグラフである。 分光感度の山谷がシフトする様子を示すグラフである。 絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差と分光感度の山谷との関係を示すグラフである。 凹凸における最頂部と最底部との間の高低差を変化させた場合の分光感度の山谷の挙動を示す図である。 熱処理前後の凹凸の変化の様子を示す概略的な断面図である。 絶縁膜の凹凸のパターンの変形例を示す要部拡大図である。 絶縁膜の凹凸のパターンの別の変形例を示す要部拡大図である。 絶縁膜の凹凸のパターンの別の変形例を示す要部拡大図である。 絶縁膜の凹凸のパターンの別の変形例を示す要部拡大図である。 絶縁膜の凹凸のパターンの別の変形例を示す要部拡大図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［固体撮像装置の概略構成］

図１は、固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。固体撮像装置１は、図１に示すように、複数の光感応領域３と、複数の転送ゲート部５と、複数のアンチブルーミングゲート部７と、複数のアンチブルーミングドレイン部９と、シフトレジスタ部１１とを備えている。これらの構成は、半導体基板２０の主面２０ａ上に形成されている。本実施形態の固体撮像装置１は、例えば表面入射型のイメージセンサであり、一の光感応領域３が一の画素を構成している。

各光感応領域３は、光の入射に感応して、入射光強度に応じた電荷を発生させる。すなわち、光感応領域３は、光電変換部として機能する。本実施形態では、光感応領域３の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形成される長方形状をなしている。複数の光感応領域３は、光感応領域３の長辺方向に沿う第１の方向に直交する第２の方向（光感応領域３の短辺方向に沿う方向）に沿って並び、一次元方向にアレイ状に配置されている。光感応領域３の形状は、上述した略矩形状に限られず、種々の形状を採り得る。

各転送ゲート部５は、光感応領域３にそれぞれ対応し、且つ光感応領域３の平面形状をなす一方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の転送ゲート部５は、光感応領域３の平面形状をなす一方の短辺側において、第２の方向に並んでいる。転送ゲート部５は、光感応領域３にて発生した電荷を取得し、取得した電荷を信号電荷として第１の方向に転送する。隣り合う転送ゲート部５の間には、アイソレーション領域１３が配置されている。アイソレーション領域１３は、転送ゲート部５間の電気的な分離を実現している。

各アンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３にそれぞれ対応し、且つ光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数のアンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。アンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３にて発生した電荷を取得し、取得した電荷を不要電荷として第１の方向に転送する。隣り合うアンチブルーミングゲート部７の間には、上記アイソレーション領域１３が配置されている。アイソレーション領域１３は、アンチブルーミングゲート部７間の電気的な分離を実現している。

各アンチブルーミングドレイン部９は、複数のアンチブルーミングゲート部７にそれぞれ対応し、アンチブルーミングゲート部７と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数のアンチブルーミングドレイン部９は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。アンチブルーミングドレイン部９は、所定の固定電位に接続されており、対応するアンチブルーミングゲート部７から転送された不要電荷を排出する。

シフトレジスタ部１１は、複数の転送ゲート部５にそれぞれ対応し、転送ゲート部５と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数のシフトレジスタ部１１は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。シフトレジスタ部１１は、転送ゲート部５からそれぞれ転送された信号電荷を受け取り、上記第２の方向に転送して読出アンプ部１５に順次出力する。シフトレジスタ部１１から出力された信号電荷は、読出アンプ部１５によって電圧に変換され、第２の方向に配置された光感応領域３毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。

複数の光感応領域３を除いた領域には、遮光膜ＬＳが配置されている。本実施形態では、転送ゲート部５と、アンチブルーミングゲート部７、アンチブルーミングドレイン部９、シフトレジスタ部１１を覆うように遮光膜ＬＳが配置されている。遮光膜ＬＳは、これらの領域に光が入射するのを防止し、これらの領域に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。

光感応領域３においては、図２に示すように、半導体基板２０の主面２０ａ上に絶縁膜３０が設けられている。半導体基板２０は、互いに対向する主面２０ａと主面２０ｂとを有している。本実施形態では、主面２０ａ及び主面２０ｂは、いずれも平坦面となっており、主面２０ａが半導体基板２０における光入射面となっている。半導体基板２０は、主面２０ｂ側から、ｐ型の半導体領域２１と、ｐ−型の半導体領域２２と、ｎ＋型の半導体領域２３と、ｐ＋型の半導体領域２４と、酸化膜２５とを含んで構成されている。本実施形態では、半導体基板２０は、Ｓｉからなる。半導体基板２０がＳｉからなる場合、ｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としては、Ｐ、Ａｓなどの５族元素が用いられる。

酸化膜２５は、例えばシリコン酸化膜である。この酸化膜２５は、転送ゲート部５においてＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜として機能する。また、酸化膜２５は、光感応領域３において、絶縁膜３０からの成分が半導体基板２０に侵入することを防止する役割を有している。例えば後述のように絶縁膜３０がＢＰＳＧ膜である場合、酸化膜２５は、当該ＢＰＳＧ膜からのＢ（ボロン）やＰ（リン）が半導体基板２０に侵入することを防止する。

なお、半導体基板２０に酸化膜２５を設ける場合には、当該酸化膜２５の表面を半導体基板２０の主面２０ａと見做すことができる。半導体基板２０に酸化膜２５を設けない場合には、ｐ＋型の半導体領域２４の表面が半導体基板２０の主面２０ａとなる。半導体基板２０を構成する半導体領域は、図２の構成に限られない。例えばｐ＋型の半導体領域２４を設けず、ｐ−型の半導体領域２２上にｎ＋型の半導体領域２３が位置し、ｎ＋型の半導体領域２３の上に酸化膜２５が直接形成されていてもよい。

絶縁膜３０は、互いに対向する主面３０ａと主面３０ｂとを有している。主面３０ａは、半導体基板２０の主面２０ａ側を向く面であり、主面３０ｂは、半導体基板２０の主面２０ａと反対側を向く面である。絶縁膜３０は、例えば蒸着などによって形成され得る。主面３０ａは、半導体基板２０の主面２０ａの形状に追従し、平坦面となっている。一方、主面３０ｂには、複数の凹凸Ｒが形成されている。この凹凸Ｒは、エッチング又は機械的研磨によって矩形断面状の凹凸を形成した後に、熱処理によって矩形断面状の凹凸の一部を流動させることにより、なだらかに連続する形状となっている。絶縁膜３０は、例えばＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜であり、反射防止膜（ＡＲ膜）としても機能する。

絶縁膜３０の厚さは、複数の凹凸Ｒによって部位毎に異なるが、例えば０．５μｍ〜３μｍとなっている。絶縁膜３０の厚さの下限値は、保護膜としての機能、すなわち、十分な紫外光耐性を発揮させることを考慮して定まる値である。また、絶縁膜３０の厚さの上限値は、プロセス上の制限（例えばコンタクトホールの形成の容易性）などを考慮して定まる値である。
［絶縁膜の凹凸の詳細構成］

図３は、絶縁膜の凹凸のパターンを示す平面図である。また、図４は、その要部拡大図である。図３では、３画素分の光感応領域３を示しており、図１に示した第１の方向がＹ方向、第２の方向がＸ方向、図２に示した半導体基板２０の厚さ方向がＺ方向に対応している。図３及び図４では、凹凸Ｒのうち、凸部３１に相当する領域を無地で示し、凹部３２に相当する領域をドット地で示している。凸部３１の頂部３１ａの高さ位置を１とし、凹部３２の底部３２ａの高さ位置を０とした場合に、凸部３１に相当する領域は、高さ位置が０．５以上１以下となる領域であり、凹部３２に相当する領域は、高さ位置０以上０．５未満となる領域である。

図３及び図４に示すように、光感応領域３において、絶縁膜３０の主面３０ｂ側には、絶縁膜３０の主面３０ｂが正弦波状に波打つことにより、複数の凹凸Ｒが形成されている。図３及び図４の例では、平面視で略正方形状の凹部３２が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されており、その他の部分が凸部３１となっている。Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれについて、凹部３２の一辺は、約３．０μｍとなっており、凹部３２，３２間のピッチは、約３．０μｍとなっている。

光感応領域３においては、凹凸Ｒの高低差が複数存在している。例えば一の凹部３２の中心Ｃ１からＹ方向に２つ隣りの凹部３２の中心Ｃ２までの断面（図４参照）を見た場合、図５（ａ）に示すように、凹部３２の底部３２ａにおける絶縁膜３０の厚さＴ１は、約０．８５μｍとなっており、凹凸Ｒの高低差（凹部３２の底部３２ａから凸部３１の頂部３１ａまでの厚さ）Ｔ２は、約０．７μｍとなっている。絶縁膜３０の最大厚さ（＝Ｔ１＋Ｔ２）は、約１．５５μｍとなっている。

また、例えば一の凹部３２の中心Ｃ１からＸ方向及びＹ方向に２つ隣りの凹部３２の中心Ｃ３までの断面（図４参照）を見た場合、図５（ｂ）に示すように、凹部３２の底部３２ａにおける絶縁膜３０の厚さＴ１は、約０．８５μｍとなっており、凹凸Ｒの高低差（凹部３２の底部３２ａから凸部３１の頂部３１ａまでの厚さ）Ｔ２は、約０．９μｍとなっている。絶縁膜３０の最大厚さ（＝Ｔ１＋Ｔ２）は、約１．７５μｍとなっている。

また、凹凸Ｒにおける最頂部と最底部との間の高低差Ｆ（図９参照）は、０．５μｍ以上０．９μｍ以下となっている。最頂部は、複数の凸部３１の頂部３１ａのうち、半導体基板２０の主面２０ａからの高さが最も高い頂部３１ａを指し、最底部は、複数の凹部３２の底部３２ａのうち、半導体基板２０の主面２０ａからの高さが最も低い底部３２ａを指す。

絶縁膜３０の凹凸Ｒは、例えばドライエッチング及び熱処理により形成される。まず、図６（ａ）に示すように、絶縁膜３０の主面３０ｂにおいて、凸部３１の形成位置に対応するレジスト３３をフォトリソグラフィにより形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜３０のうちレジスト３３が形成されていない部分をドライエッチングし、凹部３２を形成する。凹部３２の形成の後、レジスト３３を除去する。そして、絶縁膜３０に熱処理を行い、断面矩形状の凹凸Ｒの一部を流動させることにより、図６（ｃ）に示すように、なだらかに連続する凹凸Ｒを絶縁膜３０の主面３０ｂ側に形成する。

上記の製法によれば、熱処理の際の凹凸Ｒの流動量は一定であるため、熱処理前の凹部３２，３２間のピッチを大きくするほど凸部３１の頂部３１ａの高さ位置が高くなり、熱処理前の凹部３２，３２間のピッチを小さくするほど凸部３１の頂部３１ａの高さ位置が低くなる。すなわち、凹部３２の高低差Ｔ２は、熱処理前の凹部３２，３２間のピッチによって調整することができる。

図７（ａ）の例では、熱処理前の状態で、凸部３１の幅Ｗ１及び凹部３２の幅Ｗ２をいずれも３．０μｍとし、凹部３２の底部３２ａから凸部３１の頂部３１ａまでの厚さＴ２を１．４μｍとしている。この場合、熱処理後の状態では、図７（ｂ）に示すように、凸部３１の幅Ｗ１及び凹部３２の幅Ｗ２は、いずれも３．０μｍに維持され、凹部３２の高低差Ｔ２は、０．７μｍとなる。一方、図８（ａ）の例では、熱処理前の状態で、凸部３１の幅Ｗ１及び凹部３２の幅Ｗ２をいずれも４．２μｍとし、凹部３２の底部３２ａから凸部３１の頂部３１ａまでの厚さＴ２を１．４μｍとしている。この場合、熱処理後の状態では、図８（ｂ）に示すように、凸部３１の幅Ｗ１及び凹部３２の幅Ｗ２は、いずれも４．２μｍに維持され、凹部３２の高低差Ｔ２は、０．９μｍとなる。

図９は、図４に示したパターンの凹凸の高低差プロファイルを示すグラフである。同図のプロファイルは、横軸をＸ方向の位置とし、縦軸を絶縁膜３０の高さ位置としている。縦軸では、凸部３１の頂部３１ａの高さ位置を基準（＝０μｍ）としている。この凹凸Ｒの高低差プロファイルは、一画素分の光感応領域３の対角線上に設定した走査線Ｇ１に沿って深さ計を走査することにより取得したものである。深さ計を走査線Ｇ１に沿って走査することにより、一の凹部３２及びその周囲の凸部３１に対して斜めに走査線をスライドさせて深さ計測をした場合と等価の高低差プロファイルが得られる。

図９に示すように、図４に示した凹凸Ｒのパターンでは、凸部３１の頂部３１ａの高さ位置は、走査方向の中央で０μｍとなっており、走査方向の中央から端部にかけて徐々に低くなり、走査方向の両端では−０．２μｍとなっている。また、凹部３２の底部３２ａの高さ位置は、走査方向の中央で−０．２μｍとなっており、走査方向の中央から端部にかけて徐々に低くなり、走査方向の両端では−０．９μｍとなっている。この図９の結果から、高低差プロファイルにおける１つの振幅のトップ位置とボトム位置との高さ位置の差が、走査方向の中央では小さく、中央から端部にかけて徐々に大きくなっていることが分かる。すなわち、光感応領域３においては、絶縁膜３０における主面３０ｂの凹凸Ｒの高低差が複数存在していると捉えることができる。

また、光感応領域３においては、０．０１μｍ間隔で凹凸Ｒの高低差を計測した場合に、絶縁膜３０の最頂部を基準とする絶縁膜３０の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となっている。図１０は、図４に示したパターンにおける絶縁膜の表面高さの出現頻度を示すグラフである。同図では、横軸に絶縁膜の表面高さを示し、縦軸に出現頻度を示している。出現頻度を算出する際の深さの分解能を０．０１μｍとしている。同図に示すように、図４に示した凹凸Ｒのパターンでは、絶縁膜の表面高さは、０μｍから−０．９μｍまでの範囲に広く分布しており、−０．２μｍ付近に出現頻度のピークが位置している。出現頻度は、ピークの位置である−０．２μｍ付近においても約４％程度であり、−０．２μｍから０μｍ及び−０．２μｍから−０．３μｍの範囲では、１．５％〜４％程度であり、−０．４μｍから−０．９μｍの範囲では、１％以下である。この結果から、図４に示したパターンの凹凸Ｒでは、凹凸の高低差が特定の値に偏らず、様々な値の高低差がある程度均一に含まれていることが分かる。
［絶縁膜の凹凸の作用効果］

以上のような構成を有する固体撮像装置１では、光感応領域３において、絶縁膜３０の主面３０ｂ側に設けられた凹凸Ｒに複数の高低差が存在するため、入射光が光感応領域３に入射する際に、絶縁膜３０内で光路長が互い異なる複数の干渉が生じることとなる。これにより、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。

また、固体撮像装置１では、光感応領域３において、０．０１μｍ間隔で凹凸Ｒの高低差を計測した場合に、絶縁膜３０の最頂部を基準とする絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となっている。これにより、絶縁膜３０における凹凸Ｒの高低差が多種存在することとなり、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が高められる。したがって、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきをより効果的に低減することが可能となる。

また、固体撮像装置１では、光感応領域３において、凹凸Ｒにおける最頂部と最底部との間の高低差Ｆが０．５μｍ以上０．９μｍ以下となっている。高低差Ｆが０．５μｍ以上であることで、絶縁膜３０内での入射光の光路長差が十分に大きくなるため、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が一層十分に高められる。また、高低差Ｆが０．９μｍ以下であることで、凹部３２の深さが過剰とならず、絶縁膜３０の表面での入射光の屈折及び反射に起因して分光感度の絶対値が変化してしまうことを抑制できる。

また、固体撮像装置１では、絶縁膜３０が設けられる半導体基板２０の主面２０ａが平坦面となっている。これにより、半導体基板２０の主面２０ａの形状が簡単化されるため、固体撮像装置１の低コスト化が図られる。

図１１及び図１２は、図４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の分光感度特性を示すグラフである。図１１では、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での分光感度特性を示し、図１２では、紫外領域での分光感度特性を拡大して示している。図１１及び図１２では、横軸に波長を示し、縦軸に感度を示し、上記実施形態と同等の構成を有する４体のサンプルについての分光感度特性を重ねてプロットしている。図１１及び図１２に示すように、実施例では、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合うことにより、分光感度プロファイルに山谷が生じておらず、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域で分光感度のばらつきを効果的に低減できていることが確認できる。また、サンプル間での分光感度特性のばらつきが非常に小さいことが確認できる。

一方、図１３は、比較例に係る絶縁膜の凹凸のパターンを示す平面図である。また、図１４は、その要部拡大図である。図１３及び図１４の例では、凹凸Ｒは、平面視でＸ方向に帯状に延びる凸部３１と、Ｙ方向に帯状に延びる凹部３２とを有し、凸部３１と凹部３２とがＹ方向に交互に配列されることによって構成されている。Ｙ方向の凸部３１の幅及び凹部３２の幅は、いずれも３．０μｍとなっている。

この比較例では、例えば一の凹部３２の中心Ｄ１からＹ方向に２つ隣りの凹部３２の中心Ｄ２までの断面（図１４参照）を見た場合、図１５に示すように、凹部３２の底部３２ａにおける絶縁膜３０の厚さＴ１は、約０．８５μｍとなっており、凹凸Ｒの高低差（凹部３２の底部３２ａから凸部３１の頂部３１ａまでの厚さ）Ｔ２は、約０．９μｍとなっている。絶縁膜３０の最大厚さ（＝Ｔ１＋Ｔ２）は、約１．７５μｍとなっている。

図１６は、図１４に示したパターンの凹凸の高低差プロファイルを示すグラフである。この凹凸Ｒの高低差プロファイルは、一画素分の光感応領域のＹ方向に設定した走査線Ｇ２（図１３参照）に沿って深さ計を走査することにより取得したものである。図１４に示した凹凸Ｒのパターンでは、凸部３１の頂部３１ａの高さ位置が凸部３１におけるＹ方向の中央付近で０μｍとなっており、凹部３２の底部３２ａの高さ位置が凹部３２におけるＹ方向の中央付近で−１μｍとなっている。図１６の結果から、図１４に示したパターンでは、凹凸Ｒの高低差は、単一となっていることが分かる。

図１７は、図１４に示したパターンの絶縁膜の表面高さの出現頻度を示すグラフである。同図では、図１０の場合と同様に、出現頻度を算出する際の深さの分解能を０．０１μｍとしている。同図に示すように、図１４に示した凹凸Ｒのパターンでは、絶縁膜の表面高さの出現頻度は、０μｍから−０．１μｍまでの範囲に集中しており、０μｍ付近に位置する出現頻度のピークでは、出現頻度が７％程度に達している。この結果から、図１４に示したパターンの凹凸Ｒでは、凹凸の高低差が特定の値に偏っていることが分かる。

図１８及び図１９は、図１４に示したパターンの凹凸を有する固体撮像装置の分光感度特性を示すグラフである。図１８では、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での分光感度特性を示し、図１９では、紫外領域での分光感度特性を拡大して示している。図１８及び図１９では、図１１及び図１２の場合と同様に、比較例と同等の構成を有する４体のサンプルについての分光感度特性を重ねてプロットしている。図１８及び図１９に示すように、比較例では、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が生じにくく、実施例と比べて分光感度プロファイルに山谷が生じていることが分かる。また、実施例と比べてサンプル間での分光感度特性のばらつきが大きくなっていることが分かる。

なお、図２０及び図２１は、参考例に係る固体撮像装置の分光感度特性を示すグラフである。この参考例では、絶縁膜に凹凸を設けない構成の４体のサンプルについての分光感度特性を重ねてプロットしている。図２０及び図２１に示すように、参考例では、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が奏されず、比較例と比べても分光感度プロファイルに大きな山谷が生じ、かつサンプル間での分光感度特性のばらつきが更に大きくなっていることが分かる。
［絶縁膜の凹凸に対する考察］

上述した実施形態では、絶縁膜３０の最頂部を基準とする絶縁膜３０の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となっている。この絶縁膜３０の表面高さの出現頻度の最大値を算出するにあたっては、絶縁膜３０の表面高さの出現頻度の最大値と、分光感度の山谷との関係性を調べた。ここでは、分光感度の山谷は、波長毎の分光感度のばらつき量の絶対値を全波長域（２００ｎｍ〜１０００ｎｍ）で平均した値とした。波長ごとの分光感度のばらつき量の絶対値は、ある波長での分光感度の平均値をＳとし、ある波長での分光感度の最大値又は最小値とＳとの差をΔＳとした場合に、ΔＳ／Ｓ×１００（％）で算出される値である。

図２２は、絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値と分光感度の山谷との関係を示すグラフである。同図では、横軸に絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値を示し、縦軸に分光感度の山谷を示している。図２２に示すように、絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値と分光感度の山谷との間には、一定の相関関係があり、絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が小さくなるほど、分光感度の山谷が小さくなることが分かる。図２２の結果から、絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となる範囲では、分光感度の山谷が１％以下に抑えられている。したがって、絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下であることが、分光感度のばらつきの低減に有意な条件であることが確認できる。

絶縁膜の表面高さの出現頻度を算出する際の深さの分解能を０．０１μｍとした理由は、凹凸の高低差を変えることで分光感度の山谷がシフトすることに起因する。図２３は、分光感度の山谷がシフトする様子を示すグラフである。同図に示すように、分光感度の山谷は、分光感度の波形が１／２周期シフトした場合に反転する。例えば波長２００ｎｍでは、凹凸の高低差が０．０４μｍ変化すると、これに対応して分光感度の波形が１／２周期シフトする。したがって、０．０４μｍの１／４である０．０１μｍの分解能で凹凸の深さを計測することで、分光感度の山谷が逆転する現象を出現頻度として算出することが可能となる。

波長２００ｎｍは、一般的な受光センサの測定波長帯の下限値付近となっている。これより長波長側では、分光感度の波形を１／２周期シフトさせるために必要な凹凸の高低差は、より大きな値となる。したがって、波長２００ｎｍを基準に出現頻度を算出する際の深さの分解能を規定すれば、より長波長側の入射光をターゲットとする固体撮像装置においても十分な分解能を有するものとなる。

また、光感応領域３において、０．０１μｍ間隔で凹凸Ｒの高低差を計測した場合に、絶縁膜３０の最頂部を基準とする絶縁膜３０の表面高さの出現頻度の標準偏差が１％以下となっていてもよい。この場合も、絶縁膜３０における凹凸Ｒの高低差が多種存在することとなり、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が高められる。したがって、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきをより効果的に低減することが可能となる。

図２４は、絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差と分光感度の山谷との関係を示すグラフである。同図では、横軸に絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差を示し、縦軸に分光感度の山谷を示している。図２４に示すように、絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差と分光感度の山谷との間には、一定の相関関係があり、絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差が小さくなるほど、分光感度の山谷が小さくなることが分かる。図２４の結果から、絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差が１％以下となる範囲では、分光感度の山谷が１％以下に抑えられている。したがって、絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差が１％以下であることが、分光感度のばらつきの低減に有意な条件であることが確認できる。

また、上述した実施形態では、凹凸Ｒにおける最頂部と最底部との間の高低差Ｆ（図９参照）が０．５μｍ以上０．９μｍ以下となっている。この点に関し、高低差Ｆを変化させた場合の分光感度の山谷の挙動を図２５に示す。同図に示すように、高低差Ｆが０．１μｍの場合では、絶縁膜での入射光の光路長差が小さいため、各光路長差に基づく分光感度のシフト量が小さくなる。したがって、分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が限られた波長域においてのみ生じることが考えられる。これに対し、高低差Ｆが０．５μｍ及び０．９μｍの場合では、絶縁膜内での入射光の光路長差が十分に大きくなるため、各光路長差に基づく分光感度のシフト量が大きくなる。したがって、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合う効果が向上し、分光感度の山谷をより小さくすることが可能となる。

高低差Ｆが０．９μｍを超えるような場合、絶縁膜内での入射光の光路長差が更に大きくなるが、その一方で、凹部の深さが過剰となり、絶縁膜の表面での入射光の屈折及び反射に起因して分光感度の絶対値が変化してしまうことが考えられる。したがって、高低差Ｆが０．５μｍ以上０．９μｍ以下の範囲では、このような分光感度の絶対値の変化の問題を生じさせることなく、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。

熱処理前の状態での凹凸Ｒの間隔は、２μｍ〜４μｍであることが好ましい。図２６に示すように、熱処理前の凹凸Ｒの間隔が１．０μｍ（ここでは凸部３１の幅及び凹部３２の幅がいずれも１．０μｍ）である場合、熱処理時に凸部３１から凹部３２への絶縁膜３０の流動量が過剰となる結果、熱処理後の絶縁膜３０の主面３０ｂが平坦化されてしまう傾向がある。熱処理前の凹凸Ｒの間隔が３．０μｍ（ここでは凸部３１の幅及び凹部３２の幅がいずれも３．０μｍ）である場合、熱処理時に凸部３１から凹部３２への絶縁膜３０の流動量が適切になり、熱処理後の絶縁膜３０の主面３０ｂが正弦波状に波打つことにより、図３及び図４に示したような凹凸Ｒが形成される。

一方、熱処理前の凹凸Ｒの間隔が５．０μｍ（ここでは凸部３１の幅及び凹部３２の幅がいずれも５．０μｍ）である場合、熱処理時に凸部３１から凹部３２への絶縁膜３０の流動量が不足する結果、熱処理後の絶縁膜３０に凹凸が生じるものの、凸部３１の頂部３１ａや凹部３２の底部３２ａに平坦な部分が残存してしまう傾向がある。この場合、凹凸Ｒの各高低差の出現頻度が特定の値に偏り易くなることが考えられる。したがって、上述したように、熱処理前の状態での凹凸Ｒの間隔を２μｍ〜４μｍとすることで、絶縁膜３０における凹凸Ｒの高低差を多種存在させ易くなる。なお、熱処理時の凸部３１から凹部３２への絶縁膜３０の流動量は、熱処理時の温度や絶縁膜３０中の不純物濃度によっても変化するが、当該熱処理が標準的な固体撮像装置の製造プロセスを使用している限り、上記凹凸Ｒの間隔の適正範囲は一般化できると考えられる。
［絶縁膜の凹凸の変形例］

絶縁膜３０の凹凸Ｒは、種々の変形を適用できる。例えば図３及び図４では、平面視で略正方形状の凹部３２が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されているが、図２７（ａ）に示すように、平面視で略円形状の凹部３２が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されていてもよい。また、図２７（ｂ）に示すように、平面視で略正三角形状の凹部３２が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されていてもよく、図２７（ｃ）に示すように、平面視で略正六角形状の凹部３２が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されていてもよい。

また、図２８（ａ）に示すように、図３及び図４の構成に対して凸部３１及び凹部３２の形成位置を反転させてもよい。すなわち、平面視で略正方形状の凸部３１が絶縁膜３０の主面３０ｂの面内方向にマトリクス状に配列されていてもよい。この場合、凸部３１，３１間のピッチが大きいと、熱処理時の絶縁膜３０の流動量が不足することも考えられる。そこで、図２８（ｂ）に示すように、凸部３１の面積を維持した状態で凸部３１，３１のピッチを小さくし、光感応領域３に対する凸部３１の面積を十分に確保することも好適である。

また、絶縁膜３０の凹凸Ｒのパターンは、必ずしも２次元パターンである必要はなく、１次元パターンの凹凸Ｒを採用することもできる。例えば図２９（ａ）の例では、凹凸Ｒは、平面視でＸ方向に帯状に延びる凸部３１と、Ｙ方向に帯状に延びる凹部３２とを有し、凸部３１と凹部３２とがＹ方向に交互に配列されることによって構成されている。この図２９（ａ）の例では、図１３及び図１４に示した比較例とは異なり、Ｙ方向の幅が３．０μｍの凸部３１及び凹部３２のペアと、Ｙ方向の幅が２．５μｍの凸部３１及び凹部３２のペアとがＹ方向に交互に配列されている。

さらに、図２９（ｂ）に示すように、１次元パターンの凹凸Ｒにおいて、凸部３１及び凹部３２のＹ方向の幅をＸ方向に沿って変化させた形態としてもよい。この図２９（ｂ）の例では、凸部３１におけるＹ方向の幅がＸ方向について２．５μｍから３．５μｍまで徐々に増加し、反対に、凹部３２におけるＹ方向の幅がＸ方向について３．５μｍから２．５μｍまで徐々に減少している。

これらの形態においても、絶縁膜３０の主面３０ｂ側に設けられた凹凸Ｒに複数の高低差が存在するため、入射光が光感応領域３に入射する際に、絶縁膜３０内で光路長が互い異なる複数の干渉が生じることとなる。これにより、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。

また、図３０に示すように、１次元パターンの凹凸Ｒにおいて、凹部３２の底部３２ａの高さ位置が異なるようにしてもよい。図３０の例では、凸部３１及び凹部３２のＹ方向の幅は、いずれも３．０μｍとなっている。また、底部３２ａの高さ位置が相対的に低い凹部Ａと、底部３２ａの高さ位置が相対的に高い凹部３２Ｂとが、凸部３１を挟んで交互に配列されている。この場合、凹部３２の高さ位置が均一でなくなるため、凸部３１及び凹部３２が均一のピッチでＹ方向に配列していても、凹凸Ｒに複数の高低差を存在させることが可能となる。底部３２ａの高さ位置が互いに異なる凹部３２Ａ，３２Ｂは、例えば熱処理前の絶縁膜３０のドライエッチング量を変えることで、容易に作製することができる。図２９及び図３０の形態では、、凸部３１と凹部３２との界面での屈折に起因する隣接画素へのクロストークを抑制することが可能となる。また、光感応領域３におけるＸ方向のピッチが小さくなった場合でも、凹凸Ｒの形成が容易となる。

図２９及び図３０の例では、Ｙ方向に１次元パターンの凹凸が配置されているが、図３１に示すように、Ｘ方向に１次元パターンの凹凸Ｒを配列してもよい。図３１の例では、Ｘ方向の幅が３．０μｍの凸部３１及び凹部３２がＸ方向に並ぶ凹凸列３５Ａ、Ｘ方向の幅が２．５μｍの凸部３１及び凹部３２がＸ方向に並ぶ凹凸列３５Ｂ、Ｘ方向の幅が２．０μｍの凸部３１及び凹部３２がＸ方向に並ぶ凹凸列３５Ｃ、及びＸ方向の幅が１．５μｍの凸部３１及び凹部３２がＸ方向に並ぶ凹凸列３５Ｄによって凹凸Ｒが形成されている。Ｙ方向については、光感応領域３の双方の端部側から凹凸列３５Ａ〜凹凸列３５Ｄの順に配列され、中央では、凹凸列３５Ｄ同士が隣り合っている。各凹凸列３５Ａ〜３５Ｄ間には、１μｍの幅で凸部３１が配置されている。

これらの形態においても、絶縁膜３０の主面３０ｂ側に設けられた凹凸Ｒに複数の高低差が存在するため、入射光が光感応領域３に入射する際に、絶縁膜３０内で光路長が互い異なる複数の干渉が生じることとなる。これにより、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、例えば紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。

１…固体撮像装置、３…光感応領域、２０…半導体基板、２０ａ…主面、３０…絶縁膜、３０ｂ…主面、Ｒ…凹凸。

Claims (5)

1. 複数の光感応領域が設けられた主面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記主面に設けられた絶縁膜と、を備え、
   前記絶縁膜における前記半導体基板の主面と反対側の面には、複数の凹凸が形成され、
   前記光感応領域において、前記凹凸の高低差が複数存在している固体撮像装置。
2. 前記光感応領域において、０．０１μｍ間隔で前記凹凸の高低差を計測した場合に、前記絶縁膜の最頂部を基準とする前記絶縁膜の表面高さの出現頻度の最大値が５％以下となっている請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記光感応領域において、０．０１μｍ間隔で前記凹凸の高低差を計測した場合に、前記絶縁膜の最頂部を基準とする前記絶縁膜の表面高さの出現頻度の標準偏差が１％以下となっている請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記光感応領域において、前記凹凸における最頂部と最底部との間の高低差は、０．５μｍ以上０．９μｍ以下となっている請求項１〜３のいずれか一項記載の固体撮像装置。
5. 前記半導体基板の前記主面は、平坦面となっている請求項１〜４のいずれか一項記載の固体撮像装置。
   

Images