JP4442157B2 - 光電変換装置及び固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置及び固体撮像装置に関する。
固体撮像装置、例えば一般的な固体撮像装置は、半導体基板の表面に、各受光セルとしてフォトダイオードのような光電変換部が複数個、例えば１次元状（直線状）または２次元状（マトリクス状）に配列形成されており、それら個々の光電変換部に光が入射すると、その光に対応して信号電荷が発生し、その信号電荷が転送電極によって映像信号として読み出されるように構成されている。
このような構成の固体撮像装置では、図２０にその拡大断面図を示すように、例えばＮ型のシリコン半導体基板５１内に、Ｐ型の第１の半導体ウェル層５２が形成され、半導体基板５１の表面側には、光電変換部５３を構成するＮ型の半導体領域（所謂電荷蓄積領域）５４と、その上の表面のＰ＋の半導体領域（正電荷蓄積領域）５５からなるフォトダイオードが形成される。
光電変換部５３列の一方の側には、垂直ＣＣＤ部５６を構成するＮ型の転送チャネル領域５７が形成され、Ｎ型の転送チャネル領域５７の下には、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域５８が形成されている。
光電変換部５３の他方の側には、水平方向に隣り合う画素間を分離するための画素分離領域、即ち、Ｐ＋のチャネルストップ領域５９が形成されている。光電変換部５３と垂直ＣＣＤ部５６との間には、光電変換部５３に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ部５６に読み出すための、トランスファーゲート部６０が形成されている。
半導体基板５１の表面上には、シリコン酸化膜６１が形成され、トランスファーゲート部６０、Ｎ型の転送チャネル領域５７及びチャネルストップ領域５９上に、例えば多結晶シリコン層よりなる転送電極６２が形成されている。そして、転送チャネル領域５７、転送電極６２とにより垂直ＣＣＤ部５６が構成される。この転送電極６２上には、再びシリコン酸化膜６１を介して例えばアルミニウムやタングステンのような金属材料からなる遮光膜６３が形成される。
遮光膜６３上には、全面を覆って透明なシリコン酸化膜（例えばＰＳＧ）からなるカバー膜（パッシべーション膜）６４が形成されている。そして、このカバー膜６４上に平坦化膜６５、さらにはカラーフィルタ（図示せず）を介して、光電変換部５３と対応する位置に、オンチップレンズ６６が形成されている。
ところで、このような構成の固体撮像装置では、半導体基板５１に形成された光電変換部５３の表面とシリコン酸化膜６１との界面での光の反射に起因して、外部から光電変換部５３へと入射する光の損失が大きくなる。
即ち、半導体基板５１の表面とシリコン酸化膜６１との界面における光の透過率が低いために、光電変換部５３の受光量が少なくなってしまい、光電変換部５３における充分な感度を得ることができないということである。
そこで、このような問題点を解決するために、光電変換部５３の表面上に反射防止膜を設ける構成が知られている。
即ち、図２１にその拡大断面図を示すように、この反射防止膜６７は、光電変換部５３上を含んで全面に形成されたシリコン酸化膜６８と、このシリコン酸化膜６８上に形成された、シリコン酸化膜６８よりも屈折率が高く、且つ半導体基板５１の屈折率よりも低い材料からなる、例えばシリコン窒化膜６９から構成されている。
尚、例えば、シリコン酸化膜６８の屈折率は１．４５であり、シリコン窒化膜６９の屈折率は２．００である。また、シリコン酸化膜６８の膜厚、シリコン窒化膜６９の膜厚は、それぞれ、６００Å以下、好ましくは２５０〜３５０Å以下とされる。
また、図２０と対応する部分には同一符号を付している。
このように、屈折率及び膜厚がそれぞれ規定されたシリコン酸化膜６８及びシリコン窒化膜６９とを積層して反射防止膜６７を形成することにより、光電変換部５３の表面における光の反射率を１２％〜１３％程度にまで低減することが可能になる。これは、図２０に示した、光電変換部５３の表面の光の反射率が約４０％程度である、反射防止膜６７が設けられていない構成の固体撮像装置の場合と比べると、反射率が約１／３にまで低減されるということを意味している。
ここで、反射防止膜６７においては、半導体基板５１と反射防止膜６７のシリコン窒化膜６９との間でのストレスを緩和するために、シリコン酸化膜６８を介在させているが、このシリコン酸化膜６８は、半導体基板５１の主な形成材料でもある単結晶シリコンとシリコン窒化膜６９との中間的な屈折率を有する材料から構成されているので、シリコン酸化膜６８が介在することに起因して、シリコン酸化膜６８の上側または下側の界面で光の反射が生じてしまう。
これにより、最終的に光電変換部５３に入射する光量が少なくなり、光電変換部５３における充分な感度が得られないという問題点が生じてしまう。
このような問題点を解決するために、例えば、シリコン酸化膜６８の膜厚をさらに薄く形成することが考えられるが、どのような薄い膜厚に形成しても、シリコン酸化膜６８が介在している限りは、このシリコン酸化膜６８の上側または下側の界面で、光の反射が生じることはどうしても避けられない。
即ち、シリコン窒化膜６９、シリコン酸化膜６８、半導体基板５１の表面という、入射光の一連の透過経路中で、断続的に屈折率が変化していく構成となっているので、それぞれの層の界面で入射光に反射が生じることは避けられない。
そこで、このような問題点を解決するために、例えば、半導体基板上にフォトニック結晶（フォトニッククリスタル）を設ける構成が知られている（特許文献１参照）。
即ち、このフォトニック結晶は、隣り合うフォトニック結晶同士の距離（ピッチ）を、撮像対象として設定されている光の波長の略１／２とすることにより、屈折率が、シリコン半導体基板の界面上部からシリコン半導体基板の界面内部へとなだらかに変化することになり、例えば光が平坦な半導体基板の界面に入射する場合よりも光の損失を抑えて、光電変換部５３へと入射する受光量を増加させて、高い感度を得られるようにするものである。
特開２００３−３５８４６号公報
しかしながら、このように半導体基板上にフォトニック結晶を設けるようにした場合、例えば、以下に示すような問題点が生じる。
即ち、フォトニック結晶を形成する際に、半導体基板を構成する単結晶シリコンにストレスが生じることにより、半導体基板１の表面（界面）に結晶欠陥が発生し、このような結晶欠陥による界面準位により、暗電流が増大してしまうことが考えられる。
従って、半導体基板上にフォトニック結晶を設けたことにより、充分な感度特性を得ることは可能になるが、界面準位からの暗電流の増大は抑えることができず、例えばＳ／Ｎ比の改善を図ることが困難になっていた。
即ち、フォトニック結晶を設けた場合、高い感度特性と界面準位からの暗電流の低減を
同時に達成することが困難であった。
尚、このような問題は、上述したような構成の固体撮像装置だけではなく、例えば、光電変換部が単体のフォトカプラー等の光電変換装置においても同様に生じることが考えられる。
上述した点に鑑み、本発明は、高い感度特性と、界面準位による暗電流の増大を抑えることを同時に達成することが可能な光電変換装置及び固体撮像装置を提供するものである。
本発明の光電変換装置は、半導体基板と、半導体基板内に形成されている第１導電型の第１の半導体ウェル層と、半導体基板の表面に形成されている第２導電型の電荷蓄積領域と、からなる光電変換部を備える。そして、光電変換部上に形成され、光電変換部と異なる材料により形成されている絶縁膜を備える。さらに、光電変換部の絶縁膜との界面に形成され、絶縁膜を構成する材料に対する光電変換部を構成する材料の比率が、光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように形成されている凹凸部と、凹凸部内に形成されている第１導電型の再結合領域とを備える。
上述した本発明の光電変換装置によれば、光電変換部の絶縁膜との界面に絶縁膜を構成する材料に対する光電変換部を構成する材料の比率が、光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように凹凸部が形成され、凹凸部内に再結合領域が形成されている。このため、例えば、半導体基板の表面（界面）に結晶欠陥が発生した場合であっても、凹凸部内に形成された再結合領域において、暗電流となる電子を消滅させることができ、界面準位の低下による暗電流の増大を抑えることができる。
本発明の光電変換装置の駆動方法は、半導体基板と、半導体基板内に形成されている第１の半導体ウェル層と、半導体基板の表面に形成されている電荷蓄積領域とからなる光電変換部と、光電変換部上に形成され、光電変換部と異なる材料により形成されている絶縁膜と、光電変換部の絶縁膜との界面に形成され、絶縁膜を構成する材料に対する光電変換部を構成する材料の比率が、光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように形成されている凹凸部と、凹凸部内に形成されている再結合領域と、凹凸部と絶縁膜との間に、凹凸部上に接して形成されている絶縁膜と、凹凸部上に接して形成されている絶縁膜上に形成された電極とを備える光電変換装置において、電極に、逆バイアス電圧を印加することにより、凹凸部内に再結合領域を形成する。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板内に形成されている第１の半導体ウェル層と、半導体基板の表面に形成されている電荷蓄積領域と、からなる光電変換部と、
光電変換部の一方の側に形成された転送チャネル領域とを備える。そして、転送チャネル領域の下に形成された第２の半導体ウェル領域と、光電変換部の他方の側に形成された画素分離領域と、光電変換部と転送チャネル領域及び第２の半導体ウェル領域との間に形成されたトランスファーゲート部とを備える。さらに、光電変換部上に形成され、光電変換部と異なる材料により形成されている絶縁膜を備える。
そして、光電変換部の絶縁膜との界面に形成され、絶縁膜を構成する材料に対する光電変換部を構成する材料の比率が、光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように形成されている凹凸部と、凹凸部内に形成されている再結合領域とを備える。
上述した本発明の固体撮像装置によれば、光電変換部の絶縁膜との界面に絶縁膜を構成する材料に対する光電変換部を構成する材料の比率が、光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように凹凸部が形成され、凹凸部内に再結合領域が形成されている。このため、例えば、半導体基板の表面（界面）に結晶欠陥が発生した場合であっても、凹凸部内に形成された再結合領域において、暗電流となる電子を消滅させることができ、界面準位による暗電流の増大を抑えることができる。
本発明の光電変換装置及び固体撮像装置によれば、例えば凹凸部（フォトニック結晶）を設けた場合であっても、界面準位による暗電流を抑制できる構成の光電変換装置及び固体撮像装置を提供することができる。
従って、例えば、高い感度特性を有し、Ｓ／Ｎ比が改善された光電変換装置及び固体撮像装置を提供することが可能になる。
本発明の光電変換装置の駆動方法及び固体撮像装置の駆動方法によれば、電圧を印加することで、界面準位による暗電流の増大を抑制するための再結合領域を形成することを可能にすることができる。
本発明の光電変換装置の製造方法及び固体撮像装置の製造方法によれば、感度特性が向上し、界面準位による暗電流を抑制できる構成の光電変換装置及び固体撮像装置を製造することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
先ず、本発明の固体撮像素子の一実施の形態を、図１に示す拡大断面図と共に説明する。
本実施の形態の固体撮像装置１００は、例えば、高純度の単結晶シリコン（Ｓｉ）を主要材料とするＮ型のシリコン半導体基板１内に、Ｐ型の第１の半導体ウェル層２が形成され、半導体基板１の表面側には、光電変換部３を構成する例えばＮ型の半導体領域（所謂電荷蓄積領域）４からなるフォトダイオードが形成される。
光電変換部３列の一方の側には、垂直ＣＣＤ部６を構成するＮ型の転送チャネル領域７が形成され、Ｎ型の転送チャネル領域７の下には、Ｐ型の第２の半導体ウェル領域８が形成されている。
光電変換部３の他方の側には、水平方向に隣り合う画素間を分離するための画素分離領域、即ち、高濃度のＰ型のチャネルストップ領域９が形成されている。光電変換部３と垂直ＣＣＤ部６との間には、光電変換部３に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ部６に読み出すための、トランスファーゲート部１０が形成されている。
半導体基板１の表面上には、光電変換部３の材質（例えば半導体基板１の単結晶シリコンに所定の不純物を注入してなる材質）とは異なった材質の、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１が形成されている。この絶縁膜１１上には、トランスファーゲート部１０、Ｎ型の転送チャネル領域７及びチャネルストップ領域９上に、例えば多結晶シリコン層よりなる転送電極１２が形成されている。そして、転送チャネル領域７、転送電極１２とにより垂直転ＣＣＤ部６が構成される。この転送電極１２上には層間絶縁膜１３を介して例えばアルミニウムやタングステンのような金属材料からなる遮光膜１４が形成される。
また、遮光膜１４上には、全面を覆って透明なシリコン酸化膜（例えばＰＳＧ）からなるカバー膜（パッシべーション膜）１５が形成されている。そして、このカバー膜１５上に平坦化膜１６、さらにはカラーフィルタ（図示せず）を介して、光電変換部１３と対応する位置に、オンチップレンズ１７が形成されている。
ここで、絶縁膜１１と光電変換部３との界面には、半導体基板１の厚さ方向に深部へと向かうにつれて、絶縁膜１１を構成するシリコン酸化膜に対する半導体基板１を構成する単結晶シリコンの比率が徐々に（連続量的に）高くなって行くような凹凸部（フォトニック結晶）１８が形成されている。即ち、Ｎ型の半導体領域４の表面に凹凸部１８が形成されている。
凹凸部１８は、図２に平面図及び図３に拡大斜視図を示すように、その長手方向が、半導体基板１の平坦な主面に対して平行に寝かされて配置され、例えば三角柱状に形成されている。
この三角柱状の凹凸部１８を構成している複数の三角柱のピッチの寸法Ｄ（隣り合った三角柱同士のピッチの寸法Ｄ）は、固体撮像装置の撮像対象として設定されている光の最長波長以下、さらに望ましくは最短波長以下に設定することができる。また、さらに望ましくは、設定されている光の最短波長の１／２〜１／５の範囲に設定することもできる。
このようなピッチの寸法Ｄに設定することにより、凹凸部１８内における入射光に対する媒質の内の屈折率は連続的に変動する（即ち、入射光の波長に依存した凹凸部１８中の屈折率が連続的に変動する）。
例えば、撮像対象として設定されている光が可視光である場合は、可視光領域は一般に約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ程度の範囲であるので、隣り合った三角柱どうしのピッチの寸法Ｄとしては、例えばその最短波長よりも短い３００ｎｍに設定される。
また、三角柱状の凹凸部１８は、その長手方向（稜線）が、垂直ＣＣＤ部６や転送電極１２の長手方向（信号電荷の転送方向）に対してほぼ平行に揃うように形成されており、入射光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分のような２つの偏光成分のうち、例えば、スミアやクロストーク、さらには混色のようなノイズ成分となる無効電荷を発生させる要因となる度合いの高い偏光成分（Ｐ偏向成分）の光電変換部３への入射光量を減少させることができ、また、スミアを発生させる要因となる度合いの低い光の偏光成分（Ｓ偏向成分）の反射をさらに確実に低減し、相対的にスミアを発生させる要因となる度合いの低い光の透過率を向上することができる構成となっている。
このように、スミアの発生要因となる度合いの低い光の透過率を向上させる一方、スミアの発生要因となる度合いの高い光の透過率は向上させないようにしているので、入射光全体の光量の増大に対して相対的にスミアの発生要因となる光量が減少することとなり、その結果、光電変換部３の全受光量におけるノイズの要因となる光の相対的な割合を低減させて、実質的なＳ／Ｎ比の改善を達成することができる。
尚、図２中、光電変換部３において、実線は凹凸部１８を構成している三角柱の底辺を表しており、一点鎖線はその三角柱の頂辺（稜線）を表している。
また、このような構成の三角柱状の凹凸部１８が、半導体基板１の表面（界面）に形成された場合、基本的に単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる光電変換部３と、その上の例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなる絶縁膜１１との界面における、実質的な屈折率が、その三角柱の稜線から半導体基板１の底部側へと徐々に変化して行く構成となる。
即ち、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、単結晶シリコン（Ｓｉ）の屈折率ｎ（Ｓｉ）とシリコン酸化膜の屈折率ｎ（ＳｉＯ2）とを比較すると、ｎ（ＳｉＯ２）＜ｎ（Ｓｉ）であるので、三角柱の稜線から半導体基板１の底部側へと（入射光の進入経路で外部から光電変換部３の深部へと向かうにつれて）実質的な屈折率が連続的に単調増加して行く構成となる。
これにより、従来の一般的な固体撮像装置の場合のように、光電変換部の表面と絶縁膜との界面が平坦に形成されて、その界面で断続的に（離散量的に）屈折率が変化している構成と比較して、光電変換部の表面と絶縁膜との界面における入射光の反射を大幅に低減することができる。従って、光電変換部３への最終的な入射光量を増大させて、光電変換部３の感度を向上することが可能となる。
そして、本実施の形態においては、図５に凹凸部１８の模式図を示すように、特に、凹凸部１８内に暗電流を低減するための再結合領域１９を形成する。
ここで、再結合領域１９は、例えばシリコン半導体基板１の表面のシリコン−シリコン酸化膜界面領域の結晶欠陥等により発生した暗電流となる電子を正孔と再結合させるための領域である。本実施の形態の固体撮像装置においては、三角柱状の凹凸部１８が、第１導電型領域、例えばＮ型の半導体領域（電荷蓄積領域）４の表面（界面）に形成されているので、この凹凸部１８に再結合領域１９を形成するためには、第２導電型領域、例えばＰ型の半導体領域１９１を凹凸部１８内に形成する。
これにより、Ｎ型の半導体領域とＰ型の半導体領域との間では空乏領域が形成され、凹凸部１８の表面と空乏領域との間が再結合領域１９となる。
この再結合領域１９は、そのＰ型の不純物濃度が例えば高濃度に調整されることで、光電変換部３の表面に形成される正電荷蓄積領域を兼ねることができる。
再結合領域１９は、光電変換部３の表面（界面）に形成された凹凸部１８内において、その表面から深さ方向の領域まで形成される。尚、図５の場合では、凹凸部１８内の全てに再結合領域１９を形成したが、例えば、凹凸部１８内の一部に再結合領域１９を形成することもできる。ただし、凹凸部１８内の全てに再結合領域１９を形成した構成の方が、暗電流となる電子と正孔をより多く再結合させることができる。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、半導体基板１の表面（界面）、特に光電変換部３の表面に形成された凹凸部１８内に再結合領域１９が形成されているので、半導体基板１の界面に凹凸部（フォトニック結晶）１８が形成されるときに、単結晶シリコンからなる半導体基板１にストレスが生じて結晶欠陥等が発生したとしても、凹凸部１８内の再結合領域１９内で、暗電流となる電子を正孔と再結合させることができる。
これにより、暗電流となる電子を消滅させることができ、界面準位による暗電流の増大を抑えることができる。
また、凹凸部１８においては、入射光の進入経路で外部から光電変換部３の深部へと向かうにつれて、実質的な屈折率が連続的に単調増加して行く構成となっているので、光電変換部の表面と絶縁膜との界面が平坦に形成された、屈折率がその界面で断続的に変化している構成の固体撮像装置の場合に比べて、光電変換部３の表面と絶縁膜１１との界面における入射光の反射を大幅に低減することができ、光電変換部３への最終的な入射光量を増大させて、光電変換部３の感度を向上できる。
また、凹凸部１８は、その長手方向（稜線）が、垂直ＣＣＤ部６や後述する転送電極１２の長手方向（信号電荷の転送方向）に対してほぼ平行に揃うように形成されており、スミアの発生要因となる度合いの低い光の透過率を向上させる一方、スミアの発生要因となる度合いの高い光の透過率は向上させないようにしているので、入射光全体の光量の増大に対して相対的にスミアの発生要因となる光量が減少することとなり、光電変換部３の全受光量におけるノイズの要因となる光の相対的な割合を低減させて、実質的なＳ／Ｎ比の改善を達成することができる。
ここで、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合では、図５に示したように、暗電流を低減するための再結合領域１９が、凹凸部１８内において、その表面から深い領域まで形成された場合を示したが、例えば再結合領域１９を深い領域まで形成した場合、暗電流となる電子を正孔と再結合させることはできるが、再結合領域１９内で光電変換された信号電荷を消滅させてしまう虞がある。
例えば、撮像対象として設定されている光が可視光である場合において、４００ｎｍ付近の短い波長の光である場合は、光電変換された信号電荷が著しく消滅し、感度の低下が顕著になる。
そこで、このような問題点をも解決するようにした本発明の固体撮像装置の他の実施の形態を、図６を用いて説明する。
本実施の形態の固体撮像装置では、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合（図５参照）と同様に、凹凸部１８内に暗電流を低減するための再結合領域１９を形成するが、この再結合領域１９を、凹凸部１８の凹凸（凹凸の起伏）に対応して形成するようにする。
ここで、再結合領域１９は、凹凸部１８の表面から深さ方向に例えば０．５μｍ以内の深さで形成することができる。即ち、再結合領域１９の膜厚１９Ｄを０．５μｍ以内で形成する。
その他の構成は、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して、重複説明を省略する。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、再結合領域１９が凹凸部１８の凹凸に対応して形成されているので、上述した実施の形態の固体撮像装置のように（図５参照）、再結合領域１９が凹凸部１８内の深い領域まで形成された場合に比べて、再結合領域１９が凹凸部１８の表面（界面）のみに形成されることになる。
これにより、凹凸部１８の表面側では、暗電流となる電子を正孔と再結合させることができ、凹凸部１８の深い領域側では、光電変換された信号電荷が再結合されることを抑えることができ、信号電荷の低減を抑えることができる。
従って、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合に加えて、感度の低下を抑えることができる。
次に、本発明の固体撮像装置の、さらに他の実施の形態を説明する。
本実施の形態の固体撮像装置は、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合（図５及び図６参照）と同様に凹凸部１８内に暗電流を低減するための再結合領域１９を形成するが、図７に示すように、凹凸部１８の上部に酸化膜２０が形成されるようにする。この酸化膜２０は、凹凸部１８の上部の全て、または一部に形成することができる。
その他の構成は、図６に示す実施の形態の場合の固体撮像装置の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、凹凸部１８の上部に酸化膜２０が形成されているので、上述した実施の形態の、例えば凹凸部１８の上部に酸化膜２０が形成されていない固体撮像装置の場合（図５及び図６参照）に比べて、さらに感度特性を向上することができる。
即ち、三角柱状の凹凸部１８の上部に酸化膜２０を形成した場合、外部から入射された光は、酸化膜２０を通った後、凹凸部１８を介して光電変換部３の深部へと向かうことになる。この場合、凹凸部１８の上部に酸化膜２０が形成されず、外部から入射された光が、単に凹凸部１８を介して光電変換部３の深部へと向かうことになる構成の固体撮像装置に比べて、酸化膜２０を通る分、真空または大気中からシリコン内部に入射する入射光の媒質間の屈折率をゆるやかに変動させることができる。
これにより、光電変換部３に入射される光の損出を少なくして、受光量を増大させることが可能になる。
また、酸化膜２０としては、例えば後述するように、凹凸部１８の表面に、この凹凸部１８の凹凸に対応した再結合領域１９を形成する工程において、凹凸部１８にＮ型の不純物を注入する際に、半導体基板１を保護するために凹凸部１８上に形成された酸化膜２０を、除去せずにそのまま用いることもできる。この場合は、例えば製造工程において、酸化膜の除去工程を除くことができ、製造工程を簡略化することもできる。
次に、本発明の固体撮像装置の、さらに他の実施の形態を説明する。
本実施の形態の固体撮像装置は、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合（図５参照）と同様に、凹凸部１８内に暗電流を低減するための再結合領域１９を形成するが、この再結合領域の形成の仕方が異なる。
即ち、本実施の形態の固体撮像装置においては、図８Ａに示すように、凹凸部１８の上に絶縁膜２１を介して電極２２を形成する。この電極２２は、凹凸部１８の上部の一部または全てに形成することができる。
電極２２としては、例えば透明電極や薄く形成されたポリシリコン等からなる電極を用いることができる。
その他の構成は、図６に示した実施の形態の固体撮像装置の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、このような構成の固体撮像装置における駆動方法を説明する。
先ず、上述した、凹凸部１８の上部に絶縁膜１１を介して電極２２が形成された構成の固体撮像装置において、電極２２に対して、図示しない外部の電圧印加手段より、凹凸部１８内に再結合領域１９が形成されるような逆バイアス電圧を印加する。ここで、本実施の形態においては、凹凸部１８は、上述したように、Ｎ型の半導体領域（電荷蓄積領域）４の表面に形成されているので、この凹凸部１８内に再結合領域１９が形成されるような逆バイアス電圧としては、正電圧が印加される。これにより、凹凸部１８内に反転層、即ち再結合領域１９が形成される。
ここで、逆バイアス電圧を印加するタイミングは、少なくとも光電変換部３において、信号電荷を蓄積している時間に印加するようにする。例えば、ＦＴ（フレームトランスファー）型の固体撮像装置の場合では、信号電荷の蓄積時には逆バイアスを印加するが、信号電荷の転送時には、一旦逆バイアスの印加を止めるようにする。
尚、固体撮像装置の構成によっては、例えば、逆バイアス電圧を、信号電荷の蓄積時と信号電荷の読み出し時の両方に印加する場合も考えられる。
本実施の形態の固体撮像装置によれば、凹凸部１８の上に絶縁膜２１を介して電極２２が形成されているので、後述するように、例えばこの電極２２を介して凹凸部１８の表面に再結合領域１９が形成されるような逆バイアス電圧（正電圧）が印加されるようにした場合は、凹凸部１８内に再結合領域１９を形成することができる。
これにより、上述した固体撮像装置の場合（図５及び図６、並びに図７参照）と同様に、半導体基板１の界面に凹凸部（フォトニック結晶）１８が形成されるときに、単結晶シリコンからなる半導体基板１にストレスが生じて、結晶欠陥が発生してしまった場合でも、凹凸部１８内に形成された再結合領域１９によって、暗電流となる電子を正孔と再結合させることができ、界面準位による暗電流の発生を抑制できる。
また、本実施の形態の固体撮像装置の駆動方法によれば、凹凸部１８の上に絶縁膜２１を介して形成された電極２２に対して、凹凸部１８内に再結合領域１９が形成されるような逆バイアス電圧を印加するようにしたので、凹凸部１８の上部に絶縁膜１１を介して電極２２が形成された構成の固体撮像装置において、このように駆動させた場合は、凹凸部１８内に暗電流を低減するための再結合領域１９を形成することができる。
また、このような本実施の形態の駆動方法は、例えば、垂直ＣＣＤ部が光電変換、電荷蓄積、電荷転送の機能を兼ねるようなＦＴ型の固体撮像装置や、例えば、ＦＦ（フルフレーム）型の固体撮像装置において用いて好適である。
尚、図８Ａに示す場合では、凹凸部１８の上部に単に絶縁膜２１を介して電極２２を形成した構成であるが、図８Ｂに示すように、凹凸部１８の起伏に対応するように、凹凸部１８の上部に絶縁膜２１を介して電極２２を形成することもできる。
この場合は、図８Ａに示したような構成の場合に比べて、電極２２に逆バイアスが印加された際に、凹凸部１８の表面に形成される反転層、所謂再結合領域１９の厚さＤを、より均一にすることができる。
これにより、上述した実施の形態の固体撮像装置（図６参照）の場合と同様に、凹凸部１８の表面側では、暗電流となる電子を正孔と再結合させることができ、凹凸部１８の深い領域では、光電変換された信号電荷が再結合することが抑えられて、充分な量の信号電荷を得ることができる。従って、上述した実施の形態の固体撮像装置の場合に加えて、さらに感度特性を向上させることができる。
上述した実施の形態では、光電変換部３の表面の凹凸部１８としては、図３に示したように、三角柱状の凹凸部１８の場合を挙げて説明したが、この他にも、以下に示すような形状にすることができる。
例えば図９Ａに示すような半円柱状の凹凸形状及び図９Ｂに示すような逆半円柱状の凹凸形状、或いは、図９Ｃに示すような半多角柱状の凹凸形状とすることもできる。また、図９Ｄに示すように、長手方向に対して直交する断面が半導体基板１の厚さ方向に深くなるにつれて（換言すればその断面形状の底辺に向かって）二次曲線的（パラボラ的）に幅を増して行くような形状の柱状体とすることもできる。
このような場合でも、図３に示したように、凹凸部１８を構成している個々の柱状体の隣り合う稜線（または頂部）どうしのピッチを、この固体撮像装置の撮像対象として設定されている光の最長波長以下、さらに望ましくは最短波長以下に設定する。また、さらに望ましくは設定されている光の最短波長の１／２〜１／５の範囲に設定することもできる。
このようなピッチの寸法に設定することにより、凹凸部１８内における入射光に対する媒質の内の屈折率は連続的に変動する。
次に、上述した実施の形態の固体撮像装置、例えば図６に示した凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を製造する方法の一実施の形態を、図１０〜図１１を用いて説明する。
尚、図１に対応する部分には、同一符号を付して説明する。
また、図１０Ａに示すように、既に、例えば高純度のシリコンを主要材料とするＮ型の半導体基板１の所定の領域に、光電変換部３を構成するＮ型の半導体領域４、垂直ＣＣＤ部を構成するＮ型の転送チャネル領域７とＰ型の第２の半導体ウェル領域８、さらには、高濃度のＰ型のチャネルストップ領域９やトランスファーゲート部１０が形成された状態から説明する。
先ず、光電変換部３を含んで半導体基板１上の全面に表面酸化膜２５を形成し、さらに表面酸化膜２５上の全面にフォトレジスト層（図示せず）を形成し、公知のリソグラフィ技術により、図１０Ｂに示すように、フォトレジスト層から、エッチング工程におけるエッチングファクタ等を考慮に入れて光電変換部３の表面で等方性エッチングあるいはサイドエッチが掛かって所定の傾斜面が得られるようなライン・アンド・スペースのレジストマスク２６を形成する。
次に、図１２にそのエッチングプロセスの途中の状態を模式的に示すように、半導体基板１の深さ方向（図１２中矢印Ｘ参照）でのエッチング進行速度と、半導体基板１の面方向、即ち主面に対する面方向（図１２中矢印Ｘ参照）でのエッチング進行速度とを調節しながら、所定の深さにわたってサイドエッチまたはテーパーが掛かるように異方性エッチングを行い、図１０Ｃに示すように、光電変換部３の表面に、後述する所定の寸法の三角柱状の凹凸部１８となる凹凸１８１が、上述した所定のピッチＤで配列された状態にする。
次に、凹凸１８１上に残留している表面酸化膜２５及びレジストマスク２６を除去し、図１１Ｄに示すように、光電変換部３の表面に三角柱状の凹凸部１８が露出された状態にする。
次に、図１１Ｅに示すように、三角柱形状の凹凸部１８を含んで全面に酸化膜２０を形成する。尚、この酸化膜２０は、例えば半導体基板１を保護する目的で表面上に形成されるものである。そして、この酸化膜２０を含んで全面より、Ｐ型の不純物（例えばボロン）を三角柱形状の凹凸部１８に対してイオン注入（イオンインプランテーション）する。
これにより、図１１Ｆに示すように、光電変換部３の表面に形成された三角柱状の凹凸部１８内に、その凹凸１８１に対応するように、Ｐ型の不純物よりなる半導体領域１９１、即ち、再結合領域１９が形成される。
この後は、酸化膜２０を例えばエッチバックすることにより除去し、図示せざるも、光電変換部３上を含んで全面に絶縁膜１１を形成し、この絶縁膜１１上のトランスファーゲート部１０、Ｎ型の転送チャネル領域７及びチャネルストップ領域９上に対応する位置に、例えば多結晶シリコン層よりなる転送電極１２を形成する。
そして、転送電極１２上には層間絶縁膜１３を介して例えばアルミニウムやタングステンのような金属材料からなる遮光膜１４を形成する。
次いで、遮光膜１４上に、全面を覆って透明なシリコン酸化膜（例えばＰＳＧ）からなるカバー膜（パッシべーション膜）１５を形成し、このカバー膜１５上に平坦化膜１６、さらにはカラーフィルタ（図示せず）を介して、光電変換部１３と対応する位置に、オンチップレンズ１７を形成する。
このようにして、図６に示す凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を形成することができる。
本実施の形態の固体撮像装置の製造方法によれば、図１１Ｄに示したように、先に、半導体基板１の表面（界面）に三角柱状の凹凸部１８を形成し、この後に、凹凸部１８内に不純物（Ｐ型）を注入するようにしたので、凹凸部１８の表面に、その凹凸に対応した再結合領域１９を形成することができる。
ちなみに、例えば、図１０Ｂに示す工程で、先に、Ｎ型の半導体領域（電荷蓄積領域）４内にＰ型の不純物を注入し、この後に、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すように、凹凸部１８を形成するようにした場合は、例えば、図５に示す、その表面から深さ方向の領域まで再結合領域１９が形成された凹凸部１８が形成される。
本実施の形態においては、図６に示す凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を製造する方法を挙げて説明をしたが、例えば、図８に示す凹凸部１８を有する固体撮像装置を製造する場合は、図１１Ｆに示した工程の後に、半導体基板１上の全面に絶縁膜２１を介して電極２２を形成するようにする。
また、図７に示す凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を製造する場合は、図１１Ｅに示す、酸化膜２０を介してＮ型の不純物を注入する工程の後、半導体基板１の表面に残存している酸化膜２０を除去せずに、そのまま残すようにすることで形成することができる。
また、本実施の形態においては、凹凸部１８の形成方法は、光電変換部３の表面の凹凸部１８を等方向性または所定のアスペクト比のサイドエッチが掛かるような異方性エッチングによって形成する場合を挙げて説明したが、この他にも、図１３に示すように、例えばレーザ光のような所定のエネルギー密度のエネルギービーム（図１３中矢印Ｙ参照）を光電変換部３の表面の所定位置に照射することによって、光電変換部３の表面に上記と同様の形状の凹凸部１８を形成することもできる。
また、本実施の形態においては、深さ方向にエッチングが進むにつれて面方向（幅方向）にはエッチングが進行しなくなるという、いわゆる順テーパー状のエッチングを行って凹凸部１８を光電変換部３の表面に形成する場合を挙げて説明したが、これとは反対に、深さ方向にエッチングが進むにつれて面方向（幅方向）にエッチングが広く（速く）進行するという、いわゆる逆テーパー状のエッチングを行うこともできる。この場合は、レジストマスク２６の短辺方向のライン・アンド・スペースのうちのラインの太さをスペースよりもできるだけ広く設定する。
ここで、上述した実施の形態では、光電変換部３の表面に形成された凹凸部（フォトニック結晶）１８において、その長手方向が、半導体基板１の平坦な主面に対して寝かされたように配置された構成の場合を説明したが、図１４に示すように、その底面が、半導体基板１の平坦な主面に対して平行に配置された構成とすることもできる。
具体的には、図１５に示すように、凹凸部１８を四角錘状で形成する。
また、この他にも、例えば、図１６Ａに示すような三角錘状や、図１６Ｂに示すような円錐状に形成することもできる。
その他の構成は、図１に示す固体撮像装置の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付している。
このような構成とされた固体撮像装置の場合、上述したように、その長手方向が、半導体基板１の平坦な主面に対して寝かされたように配置された凹凸部１８を有する固体撮像装置の場合に比べて、入射光を構成している直交する２つの偏光成分のうち、スミアなどの要因となる無効電荷を発生させる度合い（確率）の低い方の偏光成分（Ｓ偏光成分）の反射率のみを低減するだけでなく、他方のスミアの要因となる度合いが高い方の偏光成分（Ｐ偏光成分）の反射率についても低減することができ、延いては光電変換部３に入射する全体的な光量のさらなる向上を達成することができる。
また、例えば、図１５に示した四角錐状の凹凸部１８の底面の縦横比を調節して、入射光を構成している直交する２つの偏光成分のうち、スミアの発生要因となる度合いが低い方の偏光成分（Ｓ偏向成分）の反射率を、スミアの発生要因となる度合いが高い方の偏光成分（Ｐ偏向成分）の反射率よりも低くすることで、直交する２つの偏光成分の両方について透過率を向上させて、最終的に光電変換部３に入射する全体的な光量のさらなる向上を達成することができる。
また、これとは相対的に、スミアを発生させる要因となる度合いの高い偏光成分（Ｐ偏向成分）の光電変換部３への入射光量を減少させて、光電変換部３の全受光量に対するスミアの要因となる光の割合を低減させることができ、固体撮像装置からの出力信号（信号電荷）における実質的なＳ／Ｎ比の改善を達成することができる。
ここで、例えば図１７に示すように、四角錐状の凹凸部１８の底面の縦の長さＤ１と横の長さＤ２の比を１：１に設定すると共に、凹凸部１８の２次元的に隣り合うピッチの寸法を縦横両方向で等しくした場合、つまり、四角錐状の凹凸部１８の底面を正方形にすると共に、縦横同じピッチで配列形成した場合は、入射光を構成している直交する２つの偏光成分の両方について反射率が等しく低減されるので、例えばＰ偏光成分とＳ偏光成分とで透過率を同一とすることができる。
このように、光電変換部３の表面に複数個配列形成される個々の四角錐状の凹凸部１８の底面の縦横比を１：１に設定した場合に限っては、光電変換部３の全受光量に対するスミアの要因となる光の割合を低減させるという作用は生じない。但し、この場合は、光電変換部３の表面での光の反射に起因した、光電変換部３への受光量の損失を最小にすることができるので、その入射光量を最大にすることができるというメリットがある。
従って、例えばスミアに起因したノイズについては実用上の問題とはなっておらず、光電変換部３への十分な入射光量が得られないことに起因した光電変換部３の見掛けの感度の低さが問題となっている場合等においては、四角錐状の凹凸部１８の底面の縦横比を１：１に設定することが極めて有効である。
ここで、上述した図１６に示す凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を製造する方法を、上述した図１０〜図１１を用いて説明する。
先ず、図１０Ａに示したように、既に、例えば高純度のシリコンを主要材料とするＮ型の半導体基板１の所定の領域に、光電変換部３を構成するＮ型の半導体領域４と、垂直ＣＣＤ部６を構成するＮ型の転送チャネル領域７とＰ型の第２の半導体ウェル領域８、さらには、高濃度のＰ型のチャネルストップ領域９やトランスファーゲート部１０を形成する。
次に、光電変換部３を含んで半導体基板１上の全面に表面酸化膜２５を形成し、さらに表面酸化膜２５上の全面にフォトレジスト層（図示せず）を形成し、公知のリソグラフィ技術により、フォトレジスト層から、エッチング工程におけるエッチングファクタ等を考慮に入れて、光電変換部３の表面で等方性エッチングあるいはサイドエッチが掛かって所定の傾斜面が得られるような、図１８に示す、ライン・アンド・スペースのレジストマスク３６を形成する。
次に、図１２にそのエッチングプロセスの途中の状態を模式的に示したように、半導体基板１の深さ方向でのエッチング進行速度と、半導体基板１の面方向（主面に対する平行方向）でのエッチング進行速度とを調節しながら、所定の深さにわたってサイドエッチまたはテーパーが掛かるように異方性エッチングを行い、光電変換部３の表面に、図１８に示すように、後述する所定の寸法の四角錘状の凹凸部１８となる凹凸１８１が、上述した所定のピッチＤでマトリクス状に配列された状態にする。
次に、凹凸１８１の稜線上に残留している表面酸化膜２５及びレジストマスク２６を除去し、図示せざるも、光電変換部３の表面に四角錘状の凹凸部１８が露出した状態にする。
尚、この後の工程は、上述した実施の形態の固体撮像装置の製造方法と同様であるので、重複説明は省略する。
これにより、図１６に示す凹凸部１８を有する構成の固体撮像装置を形成することができる。
上述した実施の形態では、本発明を表面照射型の固体撮像装置に適用した場合を説明したが、例えば、図８Ａに示すような裏面照射型の固体撮像装置にも適用することができる。尚、図１と対応する部分には、同一符号を付している。
即ち、裏面照射型の固体撮像装置は、配線層２８や電極（図示せず）等が表面側に形成されて、光が裏面側から入射されるようにした構成の固体撮像装置である。そして、図１９Ｂにその要部の拡大図を示すように、光電変換部３上の素子分離領域２９と平坦化膜２７との界面に、上述したような、例えば三角柱状の凹凸部１８が形成される。そして、この凹凸部１８内に再結合領域１９が形成される。ここで、例えば、素子分離領域２９と再結合領域１９は同じ材料（例えばＰ型の半導体領域）で形成されている。
また、上述した実施の形態では、本発明を固体撮像装置に適用する場合を挙げて説明をしたが、本発明は、例えば単体のフォトカプラーなどの光電変換装置に適用することも可能である。
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
本発明の固体撮像装置の一実施の形態を示す概略断面図である。 図１の固体撮像装置の凹凸部の平面図である。 図１の固体撮像装置の凹凸部の拡大斜視図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像装置の凹凸部付近の模式図と、絶縁膜と半導体基板との、高さと屈折率との関係を示す図である。 凹凸部の一実施の形態を示す模式図である。 図５に示す凹凸部の他の実施の形態を示す模式図である。 図５に示す凹凸部のさらに他の実施の形態を示す模式図である。 図５に示す凹凸部のさらに他の実施の形態を示す模式図である。 Ａ〜Ｄ 図５に示す凹凸部の他の形状を示す拡大斜視図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。 本発明の固体撮像装置の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。 凹凸部を形成する方法の具他的な説明図である。 凹凸部を形成する方法の他の形態を説明する図である。 図１の固体撮像装置の凹凸部の他の形状を示す平面図である。 図１４の凹凸部の拡大図斜視図である。 Ａ、Ｂ 図１４に示す凹凸部の他の形状を示す拡大斜視図である。 図１４に示す凹凸部において、底面を正方形にすると共に、縦及び横の長さを同じピッチで形成した場合を説明する図である。 図１４に示す凹凸部を形成する際に用いられるレジストマスクの構成図である。 裏面照射型の固体撮像装置の構成を示す図である。 従来の固体撮像装置の概略断面図（その１）である。 従来の固体撮像装置の概略断面図（その２）である。
符号の説明
１・・・半導体基板、２・・・第２の半導体ウェル領域、３・・・光電変換部、４・・・電荷蓄積領域、１１・・・絶縁膜、１８・・・凹凸部、１８１・・・凹凸、１９再結合領域、１９１・・・Ｎ型の半導体領域、２０・・・酸化膜、２１・・・絶縁膜、２２・・・電極、２６・・・レジストマスク

Claims (8)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板内に形成されている第１導電型の第１の半導体ウェル層と、前記第１の半導体ウェル層内の前記半導体基板の表面に形成されている第２導電型の電荷蓄積領域と、からなる光電変換部と、
    前記光電変換部上に形成され、前記光電変換部と異なる材料により形成されている絶縁膜と、
    前記光電変換部の前記絶縁膜との界面に形成され、前記絶縁膜を構成する材料に対する前記光電変換部を構成する材料の比率が、前記光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように形成され、前記半導体基板の平坦な主面に対して長手方向が平行に寝かされて配置された、三角柱状、半円柱状、逆半円柱状若しくは半多角柱状、或いは、前記半導体基板の平坦な主面に対して平行に配置された、四角錐状、三角錘状若しくは円錐状に形成されている凹凸部と、
    前記凹凸部内に形成されている第１導電型の再結合領域と、を備え、
    前記凹凸部において、隣り合った前記凹凸部のピッチの寸法が、撮像対象として設定されている光の最長波長の１／２〜１／５の範囲で形成されている
    光電変換装置。
  2. 前記再結合領域が、前記凹凸部内において、前記光電変換部の表面から前記凹凸部内部全体に形成されている請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記再結合領域が、前記凹凸部の形状に沿って、前記絶縁膜側の前記凹凸部の表面に形成されている請求項１に記載の光電変換装置。
  4. 前記凹凸部上に、前記凹凸部の形状に対応した酸化膜が形成されている請求項１に記載の光電変換装置。
  5. 半導体基板と、
    前記半導体基板内に形成されている第１導電型の第１の半導体ウェル層と、前記第１の半導体ウェル層内の前記半導体基板の表面に形成されている第２導電型の電荷蓄積領域と、からなる光電変換部と、
    前記光電変換部の一方の側に形成された転送チャネル領域と、
    前記転送チャネル領域の下に形成された第２の半導体ウェル領域と、
    前記光電変換部の他方の側に形成された画素分離領域と、
    前記光電変換部と前記転送チャネル領域及び前記第２の半導体ウェル領域との間に形成されたトランスファーゲート部と、
    前記光電変換部上に形成され、前記光電変換部と異なる材料により形成されている絶縁膜と、
    前記光電変換部の前記絶縁膜との界面に形成され、前記絶縁膜を構成する材料に対する前記光電変換部を構成する材料の比率が、前記光電変換部側に向かうにつれて連続量的に高くなるように形成され、前記半導体基板の平坦な主面に対して長手方向が平行に寝かされて配置された、三角柱状、半円柱状、逆半円柱状若しくは半多角柱状、或いは、前記半導体基板の平坦な主面に対して平行に配置された、四角錐状、三角錘状若しくは円錐状に形成されている凹凸部と、
    前記凹凸部内に形成されている第１導電型の再結合領域と、を備え、
    前記凹凸部において、隣り合った前記凹凸部のピッチの寸法が、撮像対象として設定されている光の最長波長の１／２〜１／５の範囲で形成されている
    固体撮像装置。
  6. 前記再結合領域が、前記凹凸部内において、前記光電変換部の表面から前記凹凸部内部全体に形成されている請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記再結合領域が、前記凹凸部の形状に沿って、前記絶縁膜側の前記凹凸部の表面に形成されている請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 前記凹凸部上に、前記凹凸部の形状に対応した酸化膜が形成されている請求項５に記載の固体撮像装置。
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