JP5276908B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板上に複数の画素が設けられた撮像領域と、前記複数の画素を駆動する周辺回路領域とを備えた共振型の固体撮像素子及びその製造方法に関する。
夜間のセキュリティカメラや安全運転支援の車載カメラ等に、可視領域に加えて、それより波長の長い近赤外領域の光に対する高感度化を実現できるＭＯＳ型（Metal Oxide Semiconductor）の固体撮像素子が求められている。ＭＯＳ型の固体撮像素子は、各画素を構成するＰＮフォトダイオードに蓄積された信号を、ＭＯＳトランジスタを含む増幅回路によって読み出すイメージセンサであって、低電圧で動作すると共に高速読み出しが可能であり、さらにＭＯＳトランジスタで構成される周辺回路とワンチップ化することができるという長所を有している。しかし、固体撮像素子の半導体材料として幅広く使用されているシリコンは、物性の限界から波長が約１１００ｎｍ以上の波長の光をあまり吸収することができないため、シリコン基板を用いたイメージセンサにこのような波長の長い光に対する感度を持たせることは困難である。また、シリコン基板を用いたイメージセンサでは、光の吸収係数の波長依存性から、波長が８００ｎｍ以上の近赤外領域の光に対する感度も、可視領域の光に対する感度に比べて低くなっていることが知られている。そこで、単体の受光素子ではあるが、長波長の光に対する感度を向上させるために、基板上面（画素が設けられている面）から入射した光を基板裏面で反射させ、量子効率を向上させる共振型の受光装置が知られている。従来技術として特許文献１を示す。
従来の共振型の受光装置で用いる基板１００１は、図１８に示すように、素子を形成するための基板の裏面に別の基板のシリコン酸化膜１０１０（の部分）を貼り合わせた構成を有している。また、基板上面からの入射光を有効に光電変換するため、シリコン酸化膜１０１０をストッパー層として受光領域の基板裏面をエッチングし、凹部１１２２を形成している。さらに、基板裏面には主に金属で構成される反射膜１１１７を形成している。このような構成により、従来の共振型の単体受光装置では、基板上面から入射した光を基板裏面で反射させ、反射した光をさらに上面で反射させる共振効果を利用して、量子効率を高める。
特開２００５−１７５１４２号公報
"Boron Etch-stop in TMAH Solutions" ; Elin Steinsland, Martin Nese, Anders Hanneborg, Ralph W.Bernstein, Halle Sandmo and Gjermund Kittilsland (The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX. 40-PA 4, June 25-29 1995
しかし、一般的にシリコン酸化膜で貼り合わせた基板（以下、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板と呼ぶ）は、通常のシリコンのみで構成された基板（以下、単にシリコン基板と呼ぶ）よりも製造コストが高く、高価である。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、製造コストの増大を抑えつつ、可視及び近赤外領域の光に対する感度を向上させた共振型の固体撮像素子、およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像素子は、光電変換素子とトランジスタとを有する画素が複数個設けられた撮像領域と、周辺回路領域とが形成された固体撮像素子であって、シリコン基板と、前記シリコン基板よりも高濃度にＰ型不純物を含む第１の半導体層とを有し、上面側に前記複数の画素が設けられた基板を備え、前記撮像領域において、前記基板の裏面には、前記第１の半導体層の裏面に達する凹部が形成されている。なお、シリコン基板はＮ型であってもよいし、Ｐ型であってもよい。
この構成により、高価なＳＯＩ基板を用いることなく共振型の固体撮像装置を形成することが可能となる。そのため、第１の半導体層の裏面あるいは基板の上面で光が反射し、光電変換素子で電荷に変換される光量を増やし、可視光や赤外光に対する感度を向上させることができる。なお、凹部内に反射膜を形成した場合、反射光の光量をさらに増加させることができる。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、撮像領域と周辺回路領域とが形成された固体撮像素子の製造方法であって、シリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられ、前記シリコン基板よりも高濃度にＰ型不純物を含む第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に設けられた第２の半導体層とを有する基板を準備する工程（ａ）と、前記撮像領域において、前記第２の半導体層内に設けられた光電変換素子と、前記第２の半導体層上に設けられたトランジスタとを有する画素を形成する工程（ｂ）と、前記撮像領域において、前記第１の半導体層をストッパーとして前記基板の裏面をエッチングし、前記第１の半導体層に達する凹部を形成する工程（ｃ）とを備えている。
例えば高濃度のＰ型不純物を含む第１の半導体層を有する基板を準備することで、第１の半導体層をエッチングストッパーとしてエッチングを行い、撮像領域における基板裏面に凹部を形成することができる。従って、ＳＯＩ基板を用いることなく、共振型の固体撮像素子を容易に作製することが可能となり、低コストで高感度の固体撮像素子を作製することが可能となる。
本発明によれば、シリコン基板上にシリコン基板よりも高濃度のＰ型不純物を含む第１の半導体層を形成している。このため、撮像領域における基板裏面に凹部を形成するためのエッチングを行う際に、第１の半導体層をエッチングストッパーとして用いることができるので、高価なＳＯＩ基板を用いることなく高感度の共振型固体撮像素子を製造することができる。
以下に、図面を参照し、本発明の実施形態に係る共振型の固体撮像素子の構成と製造方法について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振型の固体撮像素子の全体的な構成を説明するための平面概略図である。同図は、基板の上面（半導体素子が形成されている面）側から見た図である。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振型の固体撮像素子の全体的な構成を説明するための平面概略図である。同図は、基板の上面（半導体素子が形成されている面）側から見た図である。
図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子には、光電変換を行うための複数の画素がマトリクス状に配列された撮像領域１００と、撮像領域１００の周辺に設けられ、信号を読み出す画素を選択するための垂直シフトレジスタ１０１ｂや、画素から読み出された信号を固体撮像素子の外部へ出力するための水平シフトレジスタ１０１ａなど、信号の読み出しに関わる回路が配置された周辺回路領域１０１とが設けられている。
また、周辺回路領域１０１の外側、すなわち基板の周縁部に沿ってアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属からなるボンディングパッド１０２が配置されている。図１に示す例では基板の平面形状は四辺形であり、当該四辺形の各辺に沿ってボンディングパッド１０２は列状に並んでいる。
垂直シフトレジスタ１０１ｂ、水平シフトレジスタ１０１ａを用いて読み出された信号はボンディングパッド１０２に送られ、固体撮像素子の外部に出力される。なお、図１では、各領域に設けられたＭＯＳトランジスタの構造や配線の詳細は図示を省略している。
図２は、図１に示すII−II線における、第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板１０３と、Ｎ型シリコン基板１０３上にエピタキシャル成長された高濃度のＰ型不純物を含むＰ＋型層（第１の半導体層）１０４と、Ｐ＋型層１０４上にエピタキシャル成長された低濃度のＮ型不純物を含むＮ型層（第２の半導体層）１０５とが積層されてなるＮＰ＋Ｎ型の積層基板１０６を備えている。ここではシリコン基板１０３の導電型をＮ型としたが、導電型がＰ型でも低濃度であれば本発明の効果は損なわれない。Ｐ＋型層１０４の不純物濃度はＮ型シリコン基板１０３に含まれる不純物の濃度より高い。また、本実施形態の固体撮像素子において、撮像領域１００には、Ｎ型層１０５（積層基板１０６）に設けられたＰＮフォトダイオード（光電変換素子）１０９と、それぞれＮ型層１０５上に設けられたリセットトランジスタ１１０、転送トランジスタ（図示せず）、増幅トランジスタ（図示せず）とを有する画素がマトリクス状に配置される。
ＰＮフォトダイオード１０９は、入射光を電荷に変換する機能を持ち、Ｐ型不純物層１０７の一部と、Ｐ型不純物層１０７の上に設けられたＮ型不純物層１０８とを有している。また、リセットトランジスタ１１０などのＭＯＳトランジスタは、Ｐ型不純物層１０７の上に設けられたＰ型のチャネルストップ層１１２上方に設けられ、Ｎ型層１０５の上面部に設けられた不純物拡散領域（ソース・ドレイン；図示せず）と、Ｎ型層１０５の上に設けられたゲート絶縁膜およびゲート電極１１３ａとを有している。ＰＮフォトダイオード１０９および各トランジスタはそれぞれ素子分離領域１１１により電気的に分離されている。なお、撮像領域１００では、素子分離領域１１１が薄いＰ型層で覆われている。
一方、周辺回路領域１０１には、上述のように、ＰＮフォトダイオード１０９によって光電変換された電荷を画素からボンディングパッドへ転送するための垂直シフトレジスタ１０１ｂおよび水平シフトレジスタ１０１ａが設けられている。これらのシフトレジスタは、Ｐ型不純物層１０７上のチャネルストップ層１１２の上方に設けられ、Ｎ型層１０５の上面部に設けられた不純物拡散層（図示せず）と、Ｎ型層１０５の上に設けられたゲート絶縁膜およびゲート電極１１３ｂとを有するＭＯＳトランジスタ等で構成されている。
また、撮像領域１００において、積層基板１０６のうちＮ型シリコン基板１０３には基板裏面からエッチングされ、積層基板１０６の厚みが５μｍ以上且つ８μｍ以下になるように凹部１２２が形成されている。本実施形態の固体撮像素子では、撮像領域１００においてＰ＋型層１０４の裏面が露出している。図２に示す例では凹部１２２は下方に行くほど内径が広がるテーパー状をしているが、凹部の内壁は基板裏面に対してほぼ垂直な形状であってもよい。なお、Ｐ＋型層１０４の厚みは例えば０．１μｍ以上且つ１μｍ以下程度であり、Ｎ型層１０５の厚みは例えば５μｍ以上且つ７μｍ以下程度であれば、可視光および近赤外領域の両方について感度を上げることができ、好ましい。
Ｐ＋型層１０４に含まれるＰ型不純物の濃度が高い程Ｎ型シリコン基板１０３とのエッチング選択比は高くなるので、Ｐ＋型層１０４の厚みを薄くすることができる。
積層基板１０６の全面上には主に撮像領域１００を保護するためのシリコン酸化膜１１４が形成され、シリコン酸化膜１１４上には層間絶縁膜１１５が設けられる。また、撮像領域１００および周辺回路領域１０１において層間絶縁膜１１５上には配線が設けられ、層間絶縁膜１１５の周縁部上にはボンディングパッドが設けられる。また、層間絶縁膜１１５を貫通してゲート電極１１３ａ、１１３ｂとそれらの上方に設けられた配線とをそれぞれ接続するコンタクトプラグが設けられている。
以上で説明した本実施形態の固体撮像素子の特徴は、撮像領域１００において、導電型の異なるシリコン層が積層されてなる積層基板１０６の裏面に凹部１２２が設けられていることにある。積層基板１０６の上面に入射した光はＰＮフォトダイオード１０９で光電変換されるが、波長の長い光は、図１９に示すように、基板の深い位置まで吸収されずに到達する。ここで、図１９は、シリコン基板における各波長の光の吸収を示す図である。
本実施形態の固体撮像素子では凹部１２２が形成されており、積層基板１０６の裏面（Ｐ＋型層１０４の裏面）まで到達した光はシリコンと凹部１２２の空間との屈折率差により基板裏面に到達した光のうち約３５％の光が反射され、再びＰＮフォトダイオード１０９を通過する。そのため、量子効率が向上し、感度が向上する。ここで、凹部１２２の形成には単一組成のシリコンからなる積層基板１０６を用いており、高濃度の不純物を含むＰ＋型層１０４を基板裏面エッチング時のストッパーとして用いるため、従来の高価なＳＯＩ基板を用いる場合と比較して、著しく安価に長波長光に対する感度を向上させた固体撮像素子を実現することができる。
さらに、本実施形態の固体撮像素子では、ＰＮフォトダイオード１０９上にシリコン酸化膜１１４を形成しているため、積層基板１０６の裏面で反射した光のうち約２０％は積層基板１０６の上面で再度反射され、ＰＮフォトダイオード１０９で光電変換される。これにより、さらに感度を向上させることができる。
なお、図１９から、基板上面での光強度をＩ０、各深さでの光強度をＩとすると、長波長の光はシリコン基板の深い位置まで吸収されずに到達していることがわかる。基板裏面での反射率を仮に１００％とする場合、Ｎ型層１０５（エピ層）の厚みが１００μｍであると入射光はＰＮフォトダイオード１０９を２回通過し、感度を向上させることができる。
本実施形態の固体撮像素子で特に感度を大きく向上させることができるのは、図１９から、光の波長が約９００ｎｍ以上の場合である。これは、光が積層基板１０６内で共振しない場合には波長９００ｎｍ以上の光を十分吸収することができないのに対し、本実施形態の固体撮像素子では素子全体として吸収量を大幅に向上させることができるためである。
なお、本実施形態の固体撮像素子を構成する半導体層の厚みは受光部において、ＰＮフォトダイオード１０９を作製できる範囲でできるだけ薄い方が好ましい。これは、積層基板１０６の裏面での反射率はどの波長領域の光でもほぼ同等であるため、当該半導体層が薄い方が積層基板１０６の裏面に到達する光の波長領域を短波長側に広くすることができるからである。
また、積層基板１０６のうち凹部１２２が形成された部分の厚みが５μｍの場合には、波長が約６００ｎｍ以上の光の感度を向上させることができる。このように、感度を向上させることができる光の波長範囲は、積層基板１０６のうち凹部１２２が形成された部分の厚みに依存するものの、本実施形態の固体撮像装置によれば、可視光及び近赤外光に対する感度を向上させることが可能である。
また、本実施形態の固体撮像素子では、撮像領域１００の積層基板１０６の厚みのみ他の領域に比べて薄くなっており、周辺回路領域１０１では積層基板１０６が十分な厚みを有しているため、ウェハの強度を保つことができる。
また、凹部１２２を形成するためにＮ型シリコン基板１０３をエッチングする際に、１×１０１８atoms／ｃｍ３以上１×１０２１atoms／ｃｍ３以下程度の高いピーク濃度を有するＰ＋型層１０４が設けられていることにより、このＰ＋型層１０４をエッチングストッパーとして用いることができる。Ｐ＋型層１０４はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより矩形状にエピタキシャル成長されてもよいが、イオン注入によって山型状に形成されてもよい。イオン注入によってＰ＋型層１０４が形成される場合、Ｐ＋型層１０４の深さと場所を容易に設定できるため、ＰＮフォトダイオードを形成する領域での不純物濃度のピークを、（ＭＯＳ）トランジスタを形成する領域での不純物濃度のピークよりも浅い位置にすることができる。すなわち、撮像領域１００のうちＰＮフォトダイオード１０９を形成する領域の積層基板１０６の厚みを薄くしながらＭＯＳトランジスタを形成する領域の積層基板１０６の厚みを厚くすることができるため、ウェハ強度をさらに向上させることができる。なお、積層基板１０６の裏面に凹部１２２が形成されているのは、シリコンに吸収されやすい短波長の光を積層基板１０６の裏面で十分に反射させ、短波長の光に対する感度を向上させるためである。
また、本発明の共振型の固体撮像素子において、Ｎ型層１０５の電位を制御できる基板コンタクト部が積層基板１０６の上面に形成される場合、混色の原因となり得る撮像領域１００内のＰＮフォトダイオード１０９下部のＮ型層１０５で光電変換された電荷を当該基板コンタクト部から回収することができる。また、撮像領域１００においてＮ型層１０５上にＰ型のシリコンゲルマニウム層がエピタキシャル成長して形成される場合、シリコンゲルマニウムはシリコンがほとんど吸収しない波長１１００ｎｍ以上の光を吸収する上、シリコンよりも光の吸収係数が高いため、量子効率をより向上することができ、長波長の光に対して高感度な共振型の固体撮像素子を実現することができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。同図は、図１に示すII−II線と同じ位置における断面を示している。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。同図は、図１に示すII−II線と同じ位置における断面を示している。
本実施形態の固体撮像素子は、第１の実施形態の固体撮像素子の積層基板１０６の裏面に、少なくとも凹部１２２を覆う反射膜１１７をさらに設けたものである。反射膜１１７の厚みは１μｍ以上であればよい。
また、反射膜１１７の材料はＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの反射率の高い金属から構成されることが好ましい。あるいは、反射膜１１７を反射率の高い金属だけでなく、誘電体材料や有機材料で形成しても本発明の効果は損なわれない。誘電体材料としては、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などを用いることができる。
本実施形態の固体撮像素子によれば、積層基板１０６裏面の凹部１２２に反射率の高い金属材料、誘電体材料及び有機材料で構成された反射膜１１７が形成され、反射率が高くなるため、第１の実施形態の固体撮像素子に比べてより広い帯域の光に対する感度を向上させることが可能となる。また、ある波長以上の光に対する感度を向上させたい場合、基板裏面での反射率が高いため、シリコン基板を厚くしてもＰＮフォトダイオード１０９の感度を高くすることができ、素子の機械的強度を保つ効果を持たせることができる。
なお、反射膜１１７は、凹部１２２を覆っていればよく、積層基板１０６裏面の一部に形成されていてもよいし、裏面全体に形成されていてもよい。
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像素子では、積層基板１０６の厚みを薄くした撮像領域１００において、高濃度のＰ＋型層１０４がエピタキシャル成長ではなく、高いピーク濃度を有するようにイオン注入により形成される。また、撮像領域１００において、ＰＮフォトダイオード１０９下でのＰ＋型層１０４のピーク位置が、ＰＮフォトダイオード１０９以外のＭＯＳトランジスタ下でのＰ＋型層１０４のピーク位置よりも浅く形成される。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像素子では、積層基板１０６の厚みを薄くした撮像領域１００において、高濃度のＰ＋型層１０４がエピタキシャル成長ではなく、高いピーク濃度を有するようにイオン注入により形成される。また、撮像領域１００において、ＰＮフォトダイオード１０９下でのＰ＋型層１０４のピーク位置が、ＰＮフォトダイオード１０９以外のＭＯＳトランジスタ下でのＰ＋型層１０４のピーク位置よりも浅く形成される。
Ｐ＋型層１０４は基板裏面に凹部１２２を形成するためにエッチングをする際にエッチングストッパーとして用いられるため、積層基板１０６が薄くなっている凹部１２２の中でＭＯＳトランジスタの形成領域における積層基板１０６の厚みをＰＮフォトダイオード１０９の形成領域での厚みより厚くすることができ、固体撮像素子の強度を保つことができる。なお、ＰＮフォトダイオード１０９の形成領域では積層基板１０６の厚みが薄くなっているため、ＰＮフォトダイオード１０９の下部で隣接画素との混色が生じるのが防がれている。ここで、イオン注入でＰ＋型層１０４を形成した場合、同じ厚さのＰ＋型層１０４をエピタキシャル成長により形成する場合に比べて強度を向上させることができるので、Ｐ＋型層１０４の厚みをより薄くすることが可能となる。
また、高濃度のＰ型不純物を含むＰ＋型層１０４をイオン注入により形成するので、Ｐ＋型層１０４の深さ及び範囲の制御が容易であり、所定の波長以上の光に対する感度が向上するようにＰＮフォトダイオード１０９下のＰ＋型層１０４の不純物濃度および範囲を設定することができる。
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
本実施形態の固体撮像素子は、図５に示すように、第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成に加えて、周辺回路領域１０１内に基板コンタクト１１８ａとパッド１１８ｂとで構成される基板コンタクト部１１８がさらに設けられている。基板コンタクト１１８ａは、層間絶縁膜１１５を貫通するとともに、Ｎ型層１０５の上面上に設けられている。パッド１１８ｂは、基板コンタクト１１８ａに接続され、層間絶縁膜１１５上に形成されている。
本実施形態の固体撮像素子では、Ｎ型層１０５に基板コンタクト１１８ａおよびパッド１１８ｂで構成される基板コンタクト部１１８が接続されているので、ＰＮフォトダイオード１０９の下に位置するＮ型層１０５の部分の電位を制御できる。そのため、撮像領域１００のＮ型層１０５で光電変換された電荷のうち、混色（クロストーク）の原因となる、ＰＮフォトダイオード１０９の信号に寄与しない電荷を回収することができ、その結果混色を抑制することが可能となる。
（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
図６は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
本実施形態の固体撮像素子は、図６に示すように、第１の実施形態の固体撮像素子の構成に加えて、撮像領域１００において、Ｎ型不純物層１０８の上にエピタキシャル成長させたＰ型のシリコンゲルマニウム層１１９をさらに形成させたものである。シリコンゲルマニウム層１１９は、例えば１×１０１４〜１×１０１７atoms／ｃｍ３程度のＰ型不純物を含んでいる。また、シリコンゲルマニウム層１１９のゲルマニウム組成比ｘは、０＜ｘ＜１の範囲であればよい。
シリコンゲルマニウムはシリコンより吸収係数が大きく、且つシリコンではほとんど吸収することができない波長が約１１００ｎｍ以上の光も吸収することができる。そのため、本実施形態のように、ＰＮフォトダイオード１０９上にＰ型のシリコンゲルマニウム層１１９を形成することにより、シリコンでは吸収することが困難であった波長約１１００ｎｍ以上の光を吸収し、長波長の光に対する感度をさらに向上させることができる。
また、積層基板１０６の上面から入射した光は、積層基板１０６の裏面で反射するため、固体撮像素子の感度をさらに上げることができ、量子効率を向上させることもできる。
（第６の実施形態）
図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）、図１２（ａ）、（ｂ）、図１３は、本発明の固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。同図を参照し、第６の実施形態として、本発明の共振型固体撮像素子の製造方法を説明する。なお、理解を容易にするため、第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を主体として説明する。
図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）、図１２（ａ）、（ｂ）、図１３は、本発明の固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。同図を参照し、第６の実施形態として、本発明の共振型固体撮像素子の製造方法を説明する。なお、理解を容易にするため、第１の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を主体として説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、Ｎ型シリコン基板１０３上にＣＶＤ法等を用いてＰ型不純物濃度が１×１０１８atoms／ｃｍ３以上で１×１０２１atoms／ｃｍ３以下の高濃度のＰ＋型層１０４と、Ｎ型不純物濃度が１×１０１４atoms／ｃｍ３以上１×１０１５atoms／ｃｍ３以下の低濃度のＮ型層１０５とを順次エピタキシャル成長させ、ＮＰ＋Ｎ型の積層基板１０６を形成する。Ｐ＋型層１０４の厚さは０．１μｍ以上１μｍ以下程度であり、Ｎ型層１０５の厚さは５μｍ以上７μｍ以下程度とする。なお、Ｎ型シリコン基板１０３は、不純物濃度が低ければ、Ｐ型基板であっても本発明の効果は損なわれない。
ここで、図７（ｂ）に示すように、Ｐ＋型層１０４をイオン注入により形成してもよい。この場合、まず全面上にレジスト膜１２１ａを塗布した後、レジストパターニングを行い、撮像領域１００のうちＰＮフォトダイオード１０９の形成領域のみを開口させる。次いで、レジスト膜１２１ａをマスクとしてＮ型シリコン基板１０３にＰ型不純物イオンを注入し、ピーク濃度で１×１０１８atoms／ｃｍ３以上で１×１０２１atoms／ｃｍ３以下のＰ＋型層１０４の一部を形成する。次に、図８（ａ）に示すように、レジスト膜１２１ａ除去後、レジスト膜１２１ｂを塗布し、レジストパターニングを行い、撮像領域１００のうちＰＮフォトダイオード１０９の形成領域以外の領域を開口させる。この状態でイオン注入を行って、ＰＮフォトダイオード１０９の形成領域以外の領域におけるＰ＋型層１０４部分をＰＮフォトダイオード１０９形成領域におけるＰ＋型層１０４部分のピーク位置より深く形成し、Ｐ＋型層１０４の深さと場所を制御して形成することもできる。以上のようにして、イオン注入でＰ＋型層１０４を形成してもよい。
次に、図８（ｂ）に示すように、公知のＣＶＤ法などを用いて、積層基板１０６上にパッド絶縁膜である厚さ１〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜１１４ａと、耐酸化性膜として機能する厚さ５０〜４００ｎｍ程度のシリコン窒化膜１２０とを順次形成する。その後、シリコン窒化膜１２０の上にレジスト膜１２１ｃを塗布し、レジストパターニングを行う。
次に、図９（ａ）に示すように、レジスト膜１２１ｃが開口した領域をエッチングすることにより、シリコン酸化膜１１４ａとシリコン窒化膜１２０とを選択的に除去して開口部を形成し、その後レジスト膜１２１ｃを除去する。この開口部の大きさは画素サイズの設計値に依存する。ここで例示した方法ではハードマスクとしてシリコン窒化膜１２０を用いたが、シリコン酸化膜１１４ａをハードマスクとして用いてもよい。
次に、図９（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより素子分離領域１１１を形成するための溝をＮ型層１０５に形成する。溝の深さは活性領域とＰＮフォトダイオード１０９を電気的に分離できる深さであればよく、この例では、積層基板１０６（Ｎ型層１０５）の上面から１５０〜３００ｎｍ程度の深さとしている。ここで、周辺回路領域１０１を覆い、撮像領域１００に開口が設けられた別のマスクを用いてＰ型不純物をイオン注入し、撮像領域１００の溝の側壁に高濃度のＰ型不純物を含むＰ型層を形成する。
次に、図１０（ａ）に示すように、溝をシリコン酸化膜で埋め込んだ後、ＣＭＰ法により当該シリコン酸化膜の上面を平坦化し、続いてシリコン窒化膜１１５を除去することで、素子分離領域１１１を形成する。
次に、図１０（ｂ）に示すように、Ｎ型層１０５へのイオン注入により、Ｐ型不純物層１０７、Ｎ型不純物層１０８、Ｐ型のチャネルストップ層１１２を順に形成し、Ｐ型不純物層１０７とＮ型不純物層１０８とを有するＰＮフォトダイオード１０９を形成する。なお、チャネルストップ層１１２は後に作製されるＭＯＳトランジスタのリーク電流を防ぐとともに、隣接する画素間のＮ型不純物層１０８同士が導通するのを防ぐためのものである。
次に、図１１（ａ）に示すように、撮像領域１００内のゲート絶縁膜上にゲート電極１１３ａを形成するとともに、周辺回路領域１０１内のゲート絶縁膜上にゲート電極１１３ｂを形成し、その後イオン注入によりソース・ドレイン領域として機能する不純物拡散層等を形成することで、ＭＯＳトランジスタを形成する。ここで、周辺回路領域１０１内に形成されるＭＯＳトランジスタは垂直シフトレジスタ１０１ｂや水平シフトレジスタ１０１ａ（図１参照）等を構成し、撮像領域１００内に形成されるＭＯＳトランジスタは、ＰＮフォトダイオード１０９に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンに転送するための転送トランジスタ、フローティングディフュージョンに転送された電荷を増幅する増幅トランジスタ、垂直シフトレジスタ１０１ｂにより制御され、画素を選択するための選択トランジスタなどとして機能する。なお、ゲート絶縁膜は図１０（ｂ）に示す工程において、ＰＮフォトダイオード１０９の形成後にシリコン酸化膜１１４ａを除去してから、熱酸化などにより所望の厚みに形成される。
また、図１１（ａ）に示す工程において、図１１（ｂ）に示すように、撮像領域１００のＰＮフォトダイオード１０９上（すなわち、Ｐ型不純物層１０７の上）のみに厚さ５０〜１０００ｎｍ程度のＰ型のシリコンゲルマニウム層１１９をエピタキシャル形成することもできる。シリコンゲルマニウムはシリコンに比較して吸収係数が高いため、シリコンゲルマニウム層１１９を設けることで固体撮像素子の感度を向上させることができる。またシリコンでは吸収できない波長約１１００ｎｍ以上の長波長の光を吸収でき、この光に対する感度を大幅に向上させることができる。
続いて、図１２（ａ）に示すように、基板全面上にシリコン酸化膜１１４と層間絶縁膜１１５を形成後、レジスト膜（図示せず）を塗布後レジストパターニングを行い、当該レジスト膜をマスクとしてコンタクトプラグ１１６の形成を行う。ここで、図１２（ｂ）に示すように、撮像領域１００の周辺にＮ型層１０５に接続される基板コンタクト１１８ａをコンタクトプラグ１１６と同時に形成することもできる。Ｎ型層１０５に接続する基板コンタクト１１８ａを形成することにより、Ｎ型層１０５の電位を制御することが可能になるので、Ｎ型層１０５のうち撮像領域１００内に設けられた部分で光電変換された電荷を回収することが可能となり、混色の発生を抑えることができるようになる。
最後に、図１３に示すように、層間絶縁膜１１５上に配線とボンディングパッド１０２を形成する。
次に、上記の工程で形成した固体撮像素子の裏面を加工し、共振型の固体撮像素子を形成する。共振型の固体撮像素子の製造方法について図１４（ａ）、（ｂ）、図１５（ａ）、（ｂ）、図１６を参照して説明する。
図１４（ａ）に示すように、形成した固体撮像素子の全面（上面、側面および裏面）に絶縁膜としてシリコン酸化膜２１４を２００〜５００ｎｍ程度の厚さで形成する。なお、シリコン酸化膜２１４に代えてシリコン窒化膜を形成してもよい。次に、図１４（ｂ）に示すように、Ｎ型シリコン基板１０３の裏面にレジスト膜を塗布し、両面アライナーを用いてレジストパターニングを行い、シリコン酸化膜２１４を除去し、撮像領域１００における積層基板１０６の裏面のみを露出させる。その後、レジスト膜を除去する。
次に、図１５（ａ）に示すように、ＴＭＡＨ(tetramethyl ammonium hydroxide)を用いて積層基板１０６の裏面の異方性エッチングを行い、凹部１２２を形成する。ＴＭＡＨの濃度は１０％以上且つ３０％以下で温度は７０℃以上且つ９０℃以下で本工程を行う。本実施形態の製造工程において積層基板１０６の結晶面方位は特に問わないが、積層基板１０６の撮像用素子が形成された面が（１００）面の場合、異方性エッチングにより（１１１）面が露出するようにエッチングされ、図面に示すようにテーパー（約５５°）がつく。積層基板１０６の上面が（１１０）面の場合、テーパーはつかずに垂直にエッチングが進行する。シリコン酸化膜１１４はＴＭＡＨのエッチング速度がシリコンに対して遅く（ＴＭＡＨの温度、濃度に依存するがエッチングレートは1000倍以上異なる）、エッチング用のハードマスクとして用いることができる。また、非特許文献１に示されているように、不純物濃度が１×１０１８以上且つ１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のボロン高濃度領域は、不純物濃度が１×１０１４以上且つ１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のボロン低濃度領域よりもＴＭＡＨによるエッチング速度が遅いので、Ｐ＋型層１０４をエッチングストッパー層として用いることができる。なお、アルカリイオンの影響を受けないデバイスの場合、ＫＯＨを用いて異方性エッチングをしても本願発明の効果は損なわれない。
次に、図１５（ｂ）に示すように、基板表面にレジスト膜を塗布した後、レジスト膜をボンディングパッド１０２の上方で開口させる。続いて、当該レジスト膜を用いてシリコン酸化膜２１４をエッチングし、ボンディングパッド１０２の上に開口を設ける。最後に、図１６に示すように、基板裏面上のシリコン酸化膜２１４を除去し、裏面全面に反射膜１１７としてＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの反射率の高い金属膜を蒸着させたり、あるいは誘電体膜及び有機膜で反射膜１１７を形成することも可能である。反射膜１１７は積層基板１０６の裏面全体に設けられていなくても、少なくとも凹部１２２の内面に設けられていれば固体撮像素子の感度を向上させることができる。なお、この後、図２に示すように、残りのシリコン酸化膜２１４を除去してもよい。
このように、反射率の高い材料を用いることで量子効率を向上でき、高感度な共振型の固体撮像素子を実現できる。
（第７の実施形態）
図１７は、本発明の第７の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
図１７は、本発明の第７の実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す断面図である。
本実施形態の固体撮像素子は、図１７に示すように、第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成（図２参照）において、ＰＮフォトダイオード１０９を構成するＰ型不純物層１０７（すなわち、ＰＮフォトダイオード１０９の底部）がＰ＋型層１０４に接するように形成され、且つ、配線１３０が平面視においてＰＮフォトダイオード１０９を覆うように層間絶縁膜１１５上に形成されている。ここで、凹部１２２を形成するためにエッチングストッパーとして用いた後のＰ＋型層１０４の厚みは例えば１ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下程度であることが望ましい。
本実施形態の固体撮像素子では、ＰＮフォトダイオード１０９を構成するＰ型不純物層１０７がＰ＋型層１０４に重なるように形成され、且つ、ＰＮフォトダイオード１０９領域を覆うように層間絶縁膜１１５上に配線１３０が形成されているので、光が積層基板１０６の裏面から入射する裏面照射型のイメージセンサとして動作する。本実施形態の固体撮像素子においては、積層基板１０６の裏面から入射した光がＰＮフォトダイオード１０９で光電変換されるとともに、ＰＮフォトダイオード１０９を透過した光もＰＮフォトダイオード１０９の上方を覆うように形成された配線１３０で反射された後、ＰＮフォトダイオード１０９で光電変換される。このため、本実施形態の固体撮像素子では、感度を向上することが可能となる。ここで、凹部１２２を形成する際にエッチングストッパーとなるＰ＋型層１０４の厚みが１ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下程度である場合、吸収長の短い短波長の光に対する感度を低下させず、十分な感度を維持することが出来る。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、ここで挙げた例は実施形態の一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更や、部材の置換を実施することが可能である。
以上説明したように、本発明は、例えば、夜間のセキュリティや安全運転支援用途の共振型の固体撮像素子等の実現に有用である。
１００ 撮像領域
１０１ 周辺回路領域
１０１ａ 水平シフトレジスタ
１０１ｂ 垂直シフトレジスタ
１０２ ボンディングパッド
１０３ Ｎ型シリコン基板
１０４ Ｐ＋型層
１０５ Ｎ型層
１０６ 積層基板
１０７ Ｐ型不純物層
１０８ Ｎ型不純物層
１０９ ＰＮフォトダイオード
１１０ リセットトランジスタ
１１１ 素子分離部
１１２ チャネルストップ層
１１３ａ、１１３ｂ ゲート電極
１１４、１１４ａ、２１４ シリコン酸化膜
１１５ 層間絶縁膜
１１６ コンタクトプラグ
１１７ 反射膜
１１８ 基板コンタクト部
１１８ａ 基板コンタクト
１１８ｂ コンタクトプラグ
１１９ シリコンゲルマニウム層
１２０ シリコン窒化膜
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ レジスト膜
１２２ 凹部
１０１ 周辺回路領域
１０１ａ 水平シフトレジスタ
１０１ｂ 垂直シフトレジスタ
１０２ ボンディングパッド
１０３ Ｎ型シリコン基板
１０４ Ｐ＋型層
１０５ Ｎ型層
１０６ 積層基板
１０７ Ｐ型不純物層
１０８ Ｎ型不純物層
１０９ ＰＮフォトダイオード
１１０ リセットトランジスタ
１１１ 素子分離部
１１２ チャネルストップ層
１１３ａ、１１３ｂ ゲート電極
１１４、１１４ａ、２１４ シリコン酸化膜
１１５ 層間絶縁膜
１１６ コンタクトプラグ
１１７ 反射膜
１１８ 基板コンタクト部
１１８ａ 基板コンタクト
１１８ｂ コンタクトプラグ
１１９ シリコンゲルマニウム層
１２０ シリコン窒化膜
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ レジスト膜
１２２ 凹部
Claims (14)
- 光電変換素子とトランジスタとを有する画素が複数個設けられた撮像領域と、周辺回路領域とが形成された固体撮像素子であって、
シリコン基板と、前記シリコン基板よりも高濃度にＰ型不純物を含む第１の半導体層とを有し、上面側に前記複数の画素が設けられた基板を備え、
前記撮像領域において、前記基板の裏面には、前記第１の半導体層の裏面に達する凹部が形成され、
前記第１の半導体層は、不純物の濃度ピークを有しており、
前記光電変換素子の下方における前記濃度ピークは、前記トランジスタの下方における前記濃度ピークよりも浅い位置に形成されている固体撮像素子。 - 前記基板は、前記第１の半導体層の上に設けられた第２の半導体層をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、エピタキシャル成長により形成された層であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記第１の半導体層内の前記濃度ピークは、イオン注入により形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
- 前記凹部の内面に光の反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子。
- 前記周辺回路領域内において、前記基板の上に設けられた基板コンタクトと、前記基板コンタクトに接続されたパッドとを有する基板コンタクト部をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子。
- 前記基板のうち、前記光電変換素子が形成された領域上に設けられ、前記第１の半導体層と同じ導電型を有するシリコンゲルマニウム層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子。
- 前記凹部が形成された領域における前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とを合わせた厚みは、５μｍ以上且つ８μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換素子の上方を覆う配線をさらに備え、
前記第１の半導体層は前記光電変換素子の底部に接していることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子。 - 前記第１の半導体層の不純物濃度は、１×１０１８atoms／ｃｍ３以上且つ１×１０２１atoms／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子。
- 前記反射膜は、金属材料、誘電体材料または有機材料からなることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
- 撮像領域と周辺回路領域とが形成された固体撮像素子の製造方法であって、
シリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられ、前記シリコン基板よりも高濃度にＰ型不純物を含む第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に設けられた第２の半導体層とを有する基板を準備する工程（ａ）と、
前記撮像領域において、前記第２の半導体層内に設けられた光電変換素子と、前記第２の半導体層上に設けられたトランジスタとを有する画素を形成する工程（ｂ）と、
前記撮像領域において、前記第１の半導体層をストッパーとして前記基板の裏面をエッチングし、前記第１の半導体層に達する凹部を形成する工程（ｃ）とを備え、
前記工程（ａ）は、不純物の濃度ピークを有する前記第１の半導体層を前記基板内に形成する工程を含み、
前記撮像領域において、前記光電変換素子を設けるための領域に設けられた前記第１の半導体層の前記濃度ピークは、前記トランジスタを設けるための領域に設けられた前記第１の半導体層の前記濃度ピークよりも浅い位置にある固体撮像素子の製造方法。 - 前記工程（ａ）は、前記シリコン基板上に前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とを順次エピタキシャル成長させる工程を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法。
- 前記工程（ａ）は、前記基板に導電性の不純物をイオン注入することにより前記濃度ピークを有する前記第１の半導体層を前記基板内に形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法。
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